專利名稱：燃料電池和用于燃料電池的電極以及電子設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種燃料電池如向燃料電極供給甲醇并引發(fā)反應(yīng)的DMFC(直接甲醇燃料電池)、用于燃料電池的電極和包括所述燃料電池的電子設(shè)備。
背景技術(shù)：
近年來，隨著移動設(shè)備性能變高，能量消耗也在增加。燃料電池被認(rèn)為是最有可能取代鋰離子二次電池的電池。根據(jù)電解質(zhì)，燃料電池分類為AFC (堿性燃料電池)、PAFC (磷酸燃料電池)、MCFC (熔融碳酸鹽燃料電池)、SOFC (固體電解質(zhì)燃料電池)、PEFC (聚合物電解質(zhì)燃料電池)等。作為燃料電池的燃料，能夠使用各種可燃物質(zhì)，例如氫和甲醇。然而，諸如氫的氣態(tài)燃料不適于小型化，原因是需要用于儲存的罐等。同時，諸如甲醇的液體燃料在易于儲存方面具有優(yōu)點。具體而言，DMFC的優(yōu)點在于不需要用于從燃料提取氫的重整器、結(jié)構(gòu)變得簡單和易于小型化。作為DMFC中的燃料的甲醇的能量密度在理論上為4. 8kW/L，其是典型的鋰離子二次電池的能量密度的10倍以上。也就是說，使用甲醇作為燃料的燃料電池非?？赡艹^鋰離子二次電池的能量密度。從前述可知，在各種燃料電池中，DMFC非常可能用作移動設(shè)備和電動車輛用的能源。然而，DMFC的缺點在于，盡管其理論電壓為1. 23V，但是在實際發(fā)電期間的輸出電壓降低至約0.6V以下。輸出電壓降低的原因是由于DMFC中的內(nèi)部電阻引起的電壓降。在 DMFC中，存在內(nèi)部電阻，例如與在兩個電極處產(chǎn)生的反應(yīng)有關(guān)的電阻、與物質(zhì)移動有關(guān)的電阻、當(dāng)質(zhì)子在電解質(zhì)膜中移動時產(chǎn)生的電阻以及另外的接觸電阻等。實際能夠由甲醇氧化提取作為電能的能量通過發(fā)電期間的輸出電壓與流過電路的電量之積表示。因此，如果發(fā)電期間的輸出電壓降低，則實際能夠被提取的能量減少。同時，在這種DMFC中，正在開發(fā)通過使用液體電解質(zhì)(電解質(zhì)溶液)代替電解質(zhì)膜來減小內(nèi)部電阻的DMFC。然而，在使用液體電解質(zhì)和固體電解質(zhì)的燃料電池中存在的共同缺點在于，單個燃料電池的電壓極低，并且明顯不足以用于提取大量電流。因此，為了使電壓可用，提出一種燃料電池，其中通過串聯(lián)連接大量燃料電池(在串聯(lián)之后可以并聯(lián)連接)形成燃料電池堆結(jié)構(gòu)，并且提供用于將電壓充分轉(zhuǎn)變成電能的集流體(例如，專利文件 1)。引用文獻(xiàn)列表專利文件專利文件1 日本未審查專利申請公開2007-280678

發(fā)明內(nèi)容
然而，在通過形成燃料電池堆結(jié)構(gòu)而使電壓可用的方法中，因為燃料電池的片數(shù)增加，所以不可避免地存在各種問題。例如，存在關(guān)于厚度的問題、關(guān)于重量的問題、關(guān)于電阻的問題、關(guān)于成本的問題和關(guān)于材料選擇的問題。目前，作為燃料電池堆的集流體和結(jié)合裝置，存在雙極板。雙極板的最常用的功能如下。也就是說，功能為(a)用于將燃料流體和氧化性流體均勻地供給到電池面中的功能；(b)用于在反應(yīng)之后利用空氣將在空氣電極側(cè)上產(chǎn)生的水從燃料電池內(nèi)有效排放到系統(tǒng)外的功能；(C)作為在長時間段內(nèi)作為電極保持低電阻和的有利導(dǎo)電性的單電池之間的電連接體(集流體)的功能；(d)作為相鄰電池中一個電池的陽極室和相鄰電池中的陰極室之間的隔壁的功能；和(e)作為冷卻劑流路和相鄰電池之間的隔壁的功能。如前所述，雙極板將燃料電極的整個表面與相鄰燃料電池的空氣電極結(jié)合，并且能夠?qū)⑷剂想姌O整合到相鄰燃料電池的氧電極。從前述明顯可見，該結(jié)構(gòu)為其中電流有效地垂直穿過燃料電池而非在各電極表面上流動的結(jié)構(gòu)。然而，在雙極板結(jié)構(gòu)中也存在各種問題。例如，因為電流在燃料電池之間垂直流動，所以電接觸部需要盡可能地大。在該情況下，存在如下缺點燃料和空氣(氧)的流動被阻擋。因此，如果使電接觸部小以免阻擋燃料和空氣(氧)的流動，則需要增加接觸部的數(shù)目來降低電阻。然而，這導(dǎo)致制造過程變得復(fù)雜，并且制造成本增加，并且也產(chǎn)生與雙極板強(qiáng)度有關(guān)的缺點。此外，燃料電池的厚度和燃料電池堆的厚度取決于雙極板的厚度。一般地，需要在雙極板中形成用于燃料電極的流路和用于氧電極的流路。因此，顯著減小所述堆的厚度非常困難。此外，該厚度還受所用材料的限制。而且，盡管使用通過施加壓力來堆疊多個燃料電池的方法，但是難以向整個燃料電池施加均勻的壓力，從而在用于燃料電極和氧電極的流路中出現(xiàn)變形。因此，使用固體電解質(zhì)(電解質(zhì)膜)作為電解質(zhì)。因此，由于諸如前述因素的權(quán)衡關(guān)系，利用雙極板在減小電阻的同時減小燃料電池堆的厚度非常困難。作為用于解決雙極板的這些缺點的方法，可以考慮利用單極板。利用單極板結(jié)合燃料電池堆的方法非常簡單。也就是說，通過導(dǎo)線、焊接等將氧電極的端部簡單地結(jié)合至相鄰的燃料電極。因此，能夠使用液體電解質(zhì)，由此通過利用相同的流路供給電解質(zhì)和燃料能夠降低燃料電池中的內(nèi)電阻，并且能夠減小燃料電池的厚度。此外，與雙極板不同，電流不垂直于燃料電池流動，而是橫過電極表面并且最后流向集流體。因此，解決了電接觸部與燃料和空氣(氧)流體之間的權(quán)衡關(guān)系。此外，用于流體如燃料和空氣(氧)的供給流路不必在所述板上形成。因此，在板材的選擇方面具有靈活性，并且能夠使用非常薄的板，由此能夠顯著減小燃料電池堆的厚度。然而，如上所述，由于電流必須橫過電極或板的表面并最終流向集流體，所以電極和所述板需要是非常好的導(dǎo)體。因此，在工作電流低的情況下，不出現(xiàn)缺點；然而，在具有非常高工作電流的燃料電池和燃料電池堆中單極板的電阻成為問題。鑒于前述問題，做出了本發(fā)明。本發(fā)明的第一目的是提供一種能夠在降低電阻的同時減小整個燃料電池厚度的燃料電池，以及利用所述燃料電池的電子設(shè)備。本發(fā)明的第二目的是提供一種能夠有利地用作前述燃料電池的燃料電極和氧電極的電極。
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根據(jù)本發(fā)明一個實施方案的燃料電池包括燃料電極，其包括第一集流體；氧電極，其包括第二集流體；電解質(zhì)流路，其設(shè)置在所述燃料電極和所述氧電極之間并且至少使電解質(zhì)流通；和多個集流體端子，其設(shè)置在所述第一集流體和所述第二集流體的至少之一中且向外突出。根據(jù)本發(fā)明一個實施方案的電極用作前述燃料電極的電極或前述氧電極的電極， 并且在集流體中具有多個集流體端子。根據(jù)本發(fā)明一個實施方案的電子設(shè)備包括前述燃料電池。在根據(jù)本發(fā)明一個實施方案的燃料電池、電極和電子設(shè)備中，由于集流體的集流體端子突出到電池以外，所以促進(jìn)電池中單電池之間的連接，并且使單極板結(jié)構(gòu)更容易用作集流體。由此，能夠使用可流通的物質(zhì)作為電解質(zhì)，并且例如能夠在相同的流路中供給電解質(zhì)和燃料。此外，由于在每個集流體中提供多個集流體端子，所以與過去在集流體中僅提供一個集流體端子的情況相比，當(dāng)使用單極板時電流流動的距離縮短。根據(jù)本發(fā)明一個實施方案的燃料電池、電極和電子設(shè)備，由于集流體的集流體端子突出到電池以外，所以使單極板結(jié)構(gòu)變得更容易用作集流體。此外，能夠使用可流通的物質(zhì)作為電解質(zhì)，并且能夠減小整個燃料電池的厚度。此外，由于在每個集流體中提供多個集流體端子，所以在其中使用單極板結(jié)構(gòu)的情況下，與過去相比，能夠縮短電流流動的距離。 結(jié)果，在減小電阻的同時能夠減小整個燃料電池的厚度。


圖1是示出根據(jù)本發(fā)明一個實施方案的燃料電池結(jié)構(gòu)的截面圖。圖2是示出圖1中示出的集流體結(jié)構(gòu)、集流體的堆疊方法和電流流動的流路的平面圖。圖3是示出現(xiàn)有技術(shù)中的集流體結(jié)構(gòu)、其堆疊方法和電流流動的流路的平面圖。圖4是示出燃料電池系統(tǒng)的示意性結(jié)構(gòu)的圖。圖5是示出金屬網(wǎng)的電阻和長度之間關(guān)系的一個實施例的特性圖。圖6是用于解釋取決于集流體端子數(shù)目的差異的特性圖。圖7是集流體的一個改變實施例的平面圖。
具體實施例方式下面將參考附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的實施方案。[燃料電池的結(jié)構(gòu)實施例]圖1示出根據(jù)本發(fā)明一個實施方案的燃料電池110的截面結(jié)構(gòu)( 截面結(jié)構(gòu))。 圖1對應(yīng)于沿圖2中的線II-II截取的截面結(jié)構(gòu)。燃料電池110是所謂的DMFFC(基于直接甲醇流的燃料電池)，并且具有其中燃料電極10和氧電極20相對設(shè)置的結(jié)構(gòu)。在燃料電極10和氧電極20之間，提供用于使燃料/電解質(zhì)混合物流通的燃料/電解質(zhì)流路30。燃料電極10由集流體11 (第一集流體)上以此次序?qū)盈B的擴(kuò)散層12和催化劑層 13形成。同時，氧電極20具有其中在集流體21(第二集流體)上以此次序堆疊的擴(kuò)散層 22和催化劑層23的結(jié)構(gòu)。催化劑層13和催化劑層23面向燃料/電解質(zhì)流路30。集流體11由例如具有導(dǎo)電性的多孔材料或板狀構(gòu)件構(gòu)成；特別是由鈦(Ti)網(wǎng)或鈦板等構(gòu)成。集流體21類似地由例如鈦網(wǎng)或鈦板等構(gòu)成。集流體的材料不限于鈦，而是可以使用其他材料。此外，集流體可以是經(jīng)過表面處理的集流體。圖2示出構(gòu)建燃料電池110的集流體11和集流體21的形狀及其堆疊方法。如圖2所示，集流體11和集流體21具有矩形形狀，并且各自具有兩個集流體端子。集流體11的集流體端子IlA和IlB以及集流體21的集流體端子21A和21B沿X軸提供，以沿Y軸方向突出到燃料電池以外。每個集流體端子均設(shè)置在相對的角。此外，集流體端子IlA和集流體端子21A以及集流體端子IlB和集流體端子21B設(shè)置為當(dāng)集流體11和 21在Z軸方向上堆疊時不相互重疊。此外，在堆疊多個單電池的情況下，為了促進(jìn)單電池之間的連接，例如，單電池堆疊為使得在一個單電池的燃料電極中提供的集流體端子與在另一相鄰單電池的氧電極中提供的集流體端子重疊。擴(kuò)散層12和22由例如碳布、碳紙或碳片構(gòu)成。優(yōu)選通過聚四氟乙烯(PTFE)等對擴(kuò)散層12和22進(jìn)行防水處理。然而，不一定提供擴(kuò)散層12和22，催化劑層可以直接形成在集流體上。催化劑層13和23例如由作為催化劑的具有氧化性質(zhì)的物質(zhì)如鈀(Pd)、鉬(Pt)、 銥(Ir)、銠(1 )或釕(Ru)的金屬的單質(zhì)物質(zhì)或合金、有機(jī)絡(luò)合物、酶等構(gòu)成。除了前述催化劑之外，催化劑層13和23可以包含質(zhì)子導(dǎo)體和粘結(jié)劑。質(zhì)子導(dǎo)體的實例包括前述聚全氟烷基磺酸樹脂(Nafion (注冊商標(biāo))，DuPont制造)或具有質(zhì)子導(dǎo)電性的其他樹脂。添加粘結(jié)劑以保持催化劑層13和23的強(qiáng)度和柔性。粘結(jié)劑的實例包括樹脂例如聚四氟乙烯(PTFE)和聚偏氟乙烯(PVDF)。在燃料電極10和氧電極20的外側(cè)上，分別提供封裝構(gòu)件14和24。封裝構(gòu)件14 和對具有例如Imm的厚度，并且由常用材料如金屬板、例如鈦(Ti)板或樹脂板構(gòu)成。然而， 對材料不做特定限制。此外，封裝構(gòu)件14和24的厚度優(yōu)選盡可能薄。燃料/電解質(zhì)流路30例如為其中通過加工樹脂板形成細(xì)流路的燃料/電解質(zhì)流路，并且粘結(jié)至與氧電極20相對的燃料電極10的兩側(cè)。燃料/電解質(zhì)流路30意在通過通孔50A和通孔50B從提供于封裝構(gòu)件14中的燃料/電解質(zhì)入口 14A和燃料/電解質(zhì)出口 14B來供給包含燃料和電解質(zhì)的流體Fl，例如甲醇-硫酸混合物。流路的數(shù)目及其形狀不做限制，可以使用蛇形形狀或平行設(shè)置。此外，流路的寬度、高度和長度不做特定限制，但是優(yōu)選它們是小的。在燃料/電解質(zhì)流路30中，燃料和電解質(zhì)可以以混合狀態(tài)流通，或者可以以其中燃料和電解質(zhì)分離的狀態(tài)流通。在氧電極20的與燃料/電解質(zhì)流路30相對的一側(cè)(外側(cè))上，提供空氣流路40 以供給空氣或氧?？諝饬髀?0意在通過自然通風(fēng)或強(qiáng)制供給方法如風(fēng)扇、泵或鼓風(fēng)機(jī)從設(shè)置在封裝構(gòu)件M中的空氣入口 24A和空氣出口 MB、通過通孔50C和通孔50D來供給空氣。 與燃料/電解質(zhì)流路30的結(jié)構(gòu)一樣，空氣流路40的結(jié)構(gòu)也不做限制。前述燃料電池110能夠例如如下地制造。[制造燃料電池的方法實施例]首先，例如，以給定比例將作為催化劑的包含給定比例的鉬(Pt)和釕(Ru)的合金與聚全氟烷基磺酸樹脂(Nafion (注冊商標(biāo))，DuPont制造)的分散溶液混合，由此形成燃料電極10的催化劑層13。將催化劑層13熱壓粘合至由前述材料構(gòu)成的擴(kuò)散層12。接下來，利用熱熔型膠粘劑或膠粘劑樹脂片將擴(kuò)散層12和催化劑層13熱壓粘合至由前述材料構(gòu)成的集流體11的一個表面，由此形成燃料電極10。此外，可以將催化劑層13直接形成在集流體11上而不形成擴(kuò)散層12，如上文所述。此外，以給定比例將作為催化劑的保持在碳上的鉬(Pt)與聚全氟烷基磺酸樹脂 (Nafion(注冊商標(biāo))，DuPont制造)的分散溶液混合，由此形成氧電極20的催化劑層23。 將催化劑層23熱壓粘合至由前述材料構(gòu)成的擴(kuò)散層22。接下來，使由前述材料構(gòu)成的集流體21定型以形成圖2中示出的集流體端子的設(shè)置，并且利用熱熔型膠粘劑或膠粘劑樹脂片進(jìn)行熱壓粘合，由此形成氧電極20。接下來，制備膠粘劑片，并且在樹脂片上形成流路。由此，形成燃料/電解質(zhì)流路 30并將其熱壓粘合至與氧電極20相對的燃料電極10的表面。接下來，形成由前述材料構(gòu)成的封裝構(gòu)件14和24。由例如樹脂連接件構(gòu)成的燃料 /電解質(zhì)入口 14A和燃料/電解質(zhì)出口 14B設(shè)置在封裝構(gòu)件14中，并且由例如樹脂連接件構(gòu)成的空氣入口 24A和空氣出口 24B設(shè)置在封裝構(gòu)件M中。然后，將氧電極20粘合至熱壓粘合的燃料/電解質(zhì)流路30，并且包含在封裝構(gòu)件 14和M中。結(jié)果，完成圖1和圖2中示出的燃料電池110。接下來，將描述前述燃料電池110的操作和效果。在燃料電池110中，當(dāng)燃料和電解質(zhì)通過燃料/電解質(zhì)流路30供給到燃料電極10 時，通過反應(yīng)產(chǎn)生質(zhì)子和電子。質(zhì)子通過燃料/電解質(zhì)流路30移動到氧電極20，并且通過與電子和氧反應(yīng)產(chǎn)生水。燃料電極10、氧電極20和整個燃料電池110中發(fā)生的反應(yīng)用式1 至3表示。由此，作為燃料的甲醇的部分化學(xué)能被轉(zhuǎn)變成電能并且作為電力被提取。此外， 在燃料電極10中產(chǎn)生的二氧化碳和在氧電極20中產(chǎn)生的水流到燃料/電解質(zhì)流路30并且被移除。燃料電極10 :CH30H+H20 — C02+6e>6H+ (1)氧電極20 (3/2) 02+6e>6H+ — 3H20 (2)整個燃料電池110 CH3OH+(3/2) O2 — 0)2+2H20 (3)根據(jù)本實施方案，由于集流體11的集流體端子IlA和IlB以及集流體21的集流體端子21A和21B突出到燃料電池以外，所以單電池之間的燃料電極和氧電極能夠利用簡單的方法如導(dǎo)線或焊接來連接。因此，單極板結(jié)構(gòu)能夠容易地用作集流體。結(jié)果，能夠使用可流通的物質(zhì)(電解質(zhì)液體)作為電解質(zhì)，并且例如電解質(zhì)和燃料能夠通過相同的流路供給。此外，由于在每個集流體中提供多個集流體端子，所以與過去在集流體中僅提供一個集流體端子的情況相比，當(dāng)使用單極板時電流流動的距離縮短。圖3示出作為對比例的相關(guān)技術(shù)中使用的集流體311和集流體321的形狀及其堆疊方法。在集流體311和集流體321中分別提供集流體端子311A和集流體端子321A。在利用這種集流體的燃料電池中，例如，在圖3示出的位置中產(chǎn)生的電流(P310和P320)需要橫過電極或板(P321和P311)的表面，并且最終流到集流體(集流體端子)。因此，在燃料電池內(nèi)產(chǎn)生高電阻。同時，在根據(jù)本實施方案的集流體11和集流體21中，由于兩個集流體端子IlA和 IlB以及21A和21B分別設(shè)置在集流體11和集流體21的相對角中，所以如圖2中示出所產(chǎn)生的電流(P10和P20)流過電極表面的距離減半(Pl 1、P12以及P21和P22)。結(jié)果，電極自身的電阻明顯降低。
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如上所述，根據(jù)本實施方案，由于集流體的集流體端子突出到電池以外，所以單極板結(jié)構(gòu)能夠容易地用作集流體，并且能夠使用作為電解質(zhì)液體的可流通電解質(zhì)。因此，能夠減小整個燃料電池的厚度。此外，由于在每個集流體中提供多個集流體端子，所以在其中使用單極板結(jié)構(gòu)的情況下，與過去的情況相比，電流流過的距離能夠被縮短。結(jié)果，在減小電阻的同時能夠減小整個燃料電池的厚度。此外，由于燃料和電解質(zhì)作為流體供給，所以不再需要電解質(zhì)膜，并且能夠進(jìn)行發(fā)電而不受溫度和濕度影響。此外，與利用電解質(zhì)膜的典型燃料電池相比，能夠增強(qiáng)離子導(dǎo)電性(質(zhì)子導(dǎo)電性)。此外，消除電解質(zhì)膜劣化和因電解質(zhì)膜干燥引起的質(zhì)子導(dǎo)電性降低的風(fēng)險，并且也解決了與氧電極中的溢流和水分控制有關(guān)的問題。此外，由于每個燃料電池均能夠被密封，所以有助于燃料電池堆制造期間的操作。此外，利用能夠安裝在移動設(shè)備至大型設(shè)備中的高度靈活且簡單的結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)高的輸出。因此，特別地，燃料電池能夠有利地用于薄的且具有高電能消耗的多功能高效電子設(shè)備。接下來，將描述前述燃料電池110的應(yīng)用實施例。〈應(yīng)用實施例〉圖4示出具有燃料電池系統(tǒng)的電子設(shè)備的示意性結(jié)構(gòu)，所述燃料電池系統(tǒng)包括本發(fā)明的燃料電池110。所述電子設(shè)備例如為移動設(shè)備，例如移動電話或個人數(shù)字助理(PDA) 或筆記本個人電腦(PC)，并且包括燃料電池系統(tǒng)1和通過由燃料電池系統(tǒng)1產(chǎn)生的電能驅(qū)動的外部電路(負(fù)載)2。燃料電池系統(tǒng)1包括例如燃料電池110、測定燃料電池110的工作狀態(tài)的測定部 120和基于得自測定部120的測定結(jié)果確定燃料電池110的工作狀態(tài)的控制部130。燃料電池系統(tǒng)1還包括將包含燃料和電解質(zhì)的流體Fl供給到燃料電池110的燃料/電解質(zhì)供給部140，和僅將燃料F2如甲醇供給到燃料/電解質(zhì)儲存部141的燃料供給部150。此外，燃料電池110中的燃料/電解質(zhì)流路30通過設(shè)置在封裝構(gòu)件14中的燃料/電解質(zhì)入口 14A 和燃料/電解質(zhì)出口 14B與燃料/電解質(zhì)供給部140相連，并且從燃料/電解質(zhì)供給部140 供給流體Fl。測定部120測定燃料電池110的工作電壓和工作電流，并且，例如具有測定燃料電池110的工作電壓的電壓測定電路121、測定工作電流的電流測定電路122和用于向控制部 130發(fā)送所獲得測定結(jié)果的通信線路123。控制部130基于測定部120的測定結(jié)果控制作為燃料電池110的工作條件的燃料電解質(zhì)供給參數(shù)和燃料供給參數(shù)，并且具有例如計算部131、儲存部132、通信部133和通信線路134。此處，燃料/電解質(zhì)供給參數(shù)包括例如包含燃料和電解質(zhì)的流體Fl的供給流量。 燃料供給參數(shù)包括例如流體F2的供給流量和供給量，并且根據(jù)需要可以包括供給濃度?？刂撇?30能夠通過例如微型計算機(jī)構(gòu)建。計算部131由在測定部120中獲得的測定結(jié)果計算燃料電池110的輸出，并且設(shè)定燃料/電解質(zhì)供給參數(shù)和燃料供給參數(shù)。特別地，計算部131將從輸入存儲部132中的各種測定結(jié)果以恒定間隔取樣的陽極電位、陰極電位、輸出電壓和輸出電流平均，計算平均陽極電位、平均陰極電位、平均輸出電壓和平均輸出電流，并且將計算的平均值輸入存儲部 132中。計算部131然后對存儲在存儲部132中的各平均值進(jìn)行交叉比較，并且確定燃料/電解質(zhì)供給參數(shù)和燃料供給參數(shù)。儲存部132將從測定部120送來的各種測定值、通過計算部131計算的各種平均
值等儲存在其中。通信部133具有如下功能用于經(jīng)過通信線路123接收來自測定部120的測定結(jié)果和將測定結(jié)果輸入儲存部132中的功能；和用于通過通信線路134將用于設(shè)定燃料/電解質(zhì)供給參數(shù)和燃料供給參數(shù)的信號分別輸出到燃料/電解質(zhì)供給部140和燃料供給部 150的功能。燃料/電解質(zhì)供給部140包括燃料/電解質(zhì)儲存部141、燃料/電解質(zhì)供給調(diào)節(jié)部142和燃料/電解質(zhì)供給管線143。燃料/電解質(zhì)儲存部141儲存流體F1，并且由例如罐或盒構(gòu)建。燃料/電解質(zhì)供給調(diào)節(jié)部142調(diào)節(jié)流體Fl的供給流量。燃料/電解質(zhì)供給調(diào)節(jié)部142不做特定限制，只要其能夠被來自控制部130的信號驅(qū)動即可，但是優(yōu)選由例如通過馬達(dá)或壓電元件驅(qū)動的閥或電磁泵構(gòu)建。燃料供給部150具有燃料儲存部151、燃料供給調(diào)節(jié)部152和燃料供給管線153。 燃料儲存部151只儲存燃料F2，例如甲醇，并且由例如罐或盒構(gòu)建。燃料供給調(diào)節(jié)部152調(diào)節(jié)燃料F2的流量和供給量。燃料供給調(diào)節(jié)部152不做特定限制，只要其能夠被來自控制部 130的信號驅(qū)動即可，但是優(yōu)選由例如通過馬達(dá)或壓電元件驅(qū)動的閥或電磁泵構(gòu)建。此外， 燃料供給部150可以包括調(diào)節(jié)燃料F2的供給濃度的濃度調(diào)節(jié)部(未顯示)。如果使用純的 (99.9% )甲醇作為燃料F2，則能夠省略濃度調(diào)節(jié)部，從而能夠進(jìn)一步實現(xiàn)尺寸減小。前述燃料電池系統(tǒng)1能夠按如下方式制造。[制造燃料電池系統(tǒng)的方法實施例]例如，前述燃料電池110被安裝在包括具有前述結(jié)構(gòu)的測定部120、控制部130、燃料/電解質(zhì)供給部140和燃料供給部150的系統(tǒng)中。燃料入口 14A和燃料出口 14B通過由例如硅膠管構(gòu)成的燃料供給管線153與燃料供給部150相連。此外，燃料/電解質(zhì)入口 14A 和燃料/電解質(zhì)出口 14B通過由例如硅膠管構(gòu)成的燃料/電解質(zhì)供給管線143與燃料/電解質(zhì)供給部140相連。由此，完成圖4中示出的燃料電池系統(tǒng)1。在該燃料電池系統(tǒng)1中，在其中從燃料/電解質(zhì)供給部140向燃料電池110供給包含燃料和電解質(zhì)的流體Fl的情況下，從燃料電池110提取電力并且驅(qū)動外部電路2。在燃料電池110工作期間，由測定部120測定燃料電池110的工作電壓和工作電流，并且控制部130基于測定結(jié)果控制作為燃料電池110的工作條件的前述燃料/電解質(zhì)供給參數(shù)以及燃料供給參數(shù)。頻繁地重復(fù)由測定部120進(jìn)行的測定和由控制部130進(jìn)行的參數(shù)控制，并且將流體Fl和流體F2的供給狀態(tài)優(yōu)化以符合燃料電池110的性能變化。接下來，將描述示出前述燃料電池110和包括燃料電池110的燃料電池系統(tǒng)1的效果的實施例。[實施例]在前述制造方法中，以給定比例將作為催化劑的包含給定比例的鉬(Pt)和釕 (Ru)的合金與聚全氟烷基磺酸樹脂(Nafion (注冊商標(biāo))，DuPont制造)的分散溶液混合， 由此形成燃料電極10的催化劑層13。在150°C的溫度和249kPa的壓力條件下，將催化劑層 13熱壓粘合至由前述材料構(gòu)成的擴(kuò)散層12(HT-2500 ；E-TEK制造)10分鐘。另外，利用熱熔型膠粘劑或膠粘劑樹脂片熱壓粘合由前述材料構(gòu)成的集流體11，由此形成燃料電極10。本文所用的集流體11具有例如圖2中示出的形狀，并且具有兩個集流體端子，每個集流體端子均設(shè)置在相對的角中。此外，以給定比例將作為催化劑的保持在碳上的鉬(Pt)與聚全氟烷基磺酸樹脂 (Nafion(注冊商標(biāo))，DuPont制造)的分散溶液混合，由此形成氧電極20的催化劑層23。 將催化劑層23以與燃料電極10的催化劑層13相似的方式熱壓粘合至由前述材料構(gòu)成的擴(kuò)散層22(HT-2500;E-TEK制造)。另外，將由前述材料構(gòu)成的集流體21以與燃料電極10 的集流體11相似的方式熱壓粘合，由此形成氧電極20。本文所用的集流體21也具有圖2 所示的形狀，并且具有兩個集流體端子，每個集流體端子均設(shè)置在相對的角中，如集流體11 那樣。接下來，制備膠粘劑樹脂片，在樹脂片上形成流路，并且將樹脂片熱壓粘合于燃料電極10和氧電極20之間。隨后，形成由前述材料構(gòu)成的封裝構(gòu)件14和M。由例如樹脂連接件構(gòu)成的燃料/電解質(zhì)入口 14A和燃料/電解質(zhì)出口 14B設(shè)置在封裝構(gòu)件14中，由例如樹脂連接件構(gòu)成的空氣入口 24A和空氣出口 24B設(shè)置在封裝構(gòu)件對中。然后，將燃料電極 10和氧電極20包含在封裝構(gòu)件14和M中，其間設(shè)置有燃料/電極流路30。將燃料電池110安裝在包括具有前述結(jié)構(gòu)的測定部120、控制部130、電解質(zhì)供給部140和燃料供給部150的系統(tǒng)中，由此構(gòu)建圖4中示出的燃料電池系統(tǒng)1。此時，通過隔膜泵(由KNF制造)配置燃料/電解質(zhì)供給調(diào)節(jié)部142和燃料調(diào)節(jié)部152。從每個泵，由硅膠管構(gòu)成的燃料/電解質(zhì)供給管線143與燃料/電解質(zhì)入口 14A直接相連，并且燃料供給管線153與燃料/電解質(zhì)儲存部直接相連，并且供給任意量的甲醇，使得燃料/電解質(zhì)儲存部中的甲醇含量在所有時候均為1M。作為流體F2的電解質(zhì)，使用IM甲醇和IM硫酸的混合物，并以1. Oml/分鐘的流量供給到燃料電池110。[評價]利用集流體研究所獲得的燃料電池系統(tǒng)1的效果，所述集流體在燃料電極和氧電極中各自具有兩個集流體端子。作為對比例，利用包括集流體的燃料電池(圖幻進(jìn)行類似的實驗，所述集流體在燃料電極和氧電極中各自具有一個集流體端子。首先，圖5示出利用厚度為200 μ m和寬度為4. Ocm的鈦網(wǎng)、在km、8cm和20cm點處分別獲取的電阻測定結(jié)果。從圖5中的圖明顯可見，電阻和長度(距離)具有成比例的關(guān)系，并且隨著電流動的距離增加，電阻不可避免地傾向于增加。圖6示出在集流體中包括兩個集流體端子或一個集流體端子的燃料電池的(A)電壓-電流曲線和(B)電力-電流曲線。從圖6可見，通過在單個集流體中提供兩個集流體端子將峰值輸出提高33%。其原因在于，因為輸出的提高位于高電流區(qū)域，由于在兩個位置具有集流體端子，所以電流流動的路徑被分成兩個，因此電流流動的距離減半。由此，電阻明顯降低。從前述結(jié)果中，可以認(rèn)為燃料電池中的電阻能夠通過在集流體中提供多個集流體端子而明顯降低。上文已經(jīng)利用實施方案、應(yīng)用實施例和實施例描述了本發(fā)明。然而，本發(fā)明不限于前述實施方案等，而是可以進(jìn)行各種修改。例如，根據(jù)前述實施方案等，催化劑層13僅設(shè)置在集流體11的一側(cè)上，但是催化劑層13可以設(shè)置在其兩側(cè)上。此外，根據(jù)前述實施方案等，基于具有兩個端子和相對角設(shè)置的集流體給出了詳細(xì)描述。然而，所述結(jié)構(gòu)不限于此。例如，如圖7所示，可以形成十字形結(jié)構(gòu)(四個集流體端子)。在該情況下，所產(chǎn)生的電流(P210和P221)流動的路徑被分成四個(P211、P212、 P213和P214 ；和P221、P222、P223和P224)，因此電流流動的距離變成四分之一。由此，能夠降低電池中的電阻。此外，每個集流體端子不必設(shè)置在相對的角中。此外，分別詳細(xì)描述了燃料電極10、氧電極20、燃料/電解質(zhì)流路30和空氣流路 40的結(jié)構(gòu)。然而，可以采用其他結(jié)構(gòu)或其他材料。例如，除了其中根據(jù)前述實施方案所述通過加工樹脂片形成流路之外，燃料/電解質(zhì)流路30可以由多孔板等構(gòu)成。此外，代替燃料 /電解質(zhì)流路30，可以設(shè)置電解質(zhì)膜。此外，碳材料可以用于集流體11和集流體21。而且，根據(jù)前述實施方案描述的包含燃料和電解質(zhì)液體的流體Fl不僅限于具有質(zhì)子(H+)導(dǎo)電性的那些如除硫酸之外的磷酸或離子液體，而是可以為堿性電解質(zhì)溶液。此外，根據(jù)前述第二實施方案所述的燃料F2可以為其他醇，例如除甲醇之外的乙醇或二甲基醚，或者糖燃料。而且，在前述實施方案等中，描述了將空氣供給到氧電極20的情況。然而，可以供給氧或包含氧的氣體來代替空氣。此外，前述實施方案等中描述的每個元件的材料和厚度、燃料電池110的工作條件不限于此，而是可以使用其他材料和厚度，或者可以使用其他工作條件。而且，在前述實施方案等中，以直接甲醇燃料電池作為燃料電池為例給出了說明。 然而，燃料電池不限于此，本發(fā)明也可以適用于使用除液體燃料以外的物質(zhì)如氫作為燃料的燃料電池，例如PEFC(聚合物電解質(zhì)燃料電池)、堿性燃料電池、使用糖燃料例如葡萄糖等的酶電池。此外，在前述實施方案中，使用其中燃料電極10和氧電極20的每個集流體11 和21均具有多個端子的結(jié)構(gòu)。然而，可以使用只有其中之一具有多個端子的結(jié)構(gòu)。
1權(quán)利要求
1.一種燃料電池，包括燃料電極，其包括第一集流體； 氧電極，其包括第二集流體；電解質(zhì)流路，其設(shè)置在所述燃料電極和所述氧電極之間并且至少使電解質(zhì)流通；和多個集流體端子，其設(shè)置在所述第一集流體和所述第二集流體的至少之一中且向外突出O
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池，其中所述第一集流體和所述第二集流體均具有矩形形狀。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃料電池，其中在所述矩形集流體的相對角的位置處包括一對集流體端子。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃料電池，其中在所述矩形集流體的四端中的相對角中設(shè)置有兩對集流體端子，和一對集流體端子沿所述集流體的一個邊緣方向向外突出，另一對集流體沿另一邊方向向外突出。
5 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池，其中所述集流體是由金屬材料構(gòu)成的板狀或網(wǎng)狀構(gòu)件。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池，其中所述集流體是由碳材料構(gòu)成的板狀或網(wǎng)狀構(gòu)件。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池，其中單電池構(gòu)建為包括所述燃料電極、所述氧電極和所述電解質(zhì)流路，和在所述單電池中，在所述第一集流體中的各集流體端子和在所述第二集流體中的各集流體端子均相對設(shè)置以免相互重疊。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的燃料電池，其中多個單電池沿厚度方向設(shè)置并堆疊，和在所述第一集流體中的所述集流體端子和在所述第二集流體中的所述集流體端子突出以相互相對設(shè)置。
9.一種電極，包括集流體，其具有多個集流體端子，其中所述電極用作具有電解質(zhì)流路的燃料電池的燃料電極或氧電極，所述電解質(zhì)流路設(shè)置在所述燃料電極和所述氧電極之間，并且至少使電解質(zhì)流通。
10.一種電子設(shè)備，包括 燃料電池，其中所述燃料電池具有燃料電極，其包括第一集流體；氧電極，其包括第二集流體; 電解質(zhì)流路，其設(shè)置在所述燃料電極和所述氧電極之間并且至少使電解質(zhì)流通；和多個集流體端子，其設(shè)置在所述第一集流體和所述第二集流體的至少之一中且向外突出。
全文摘要
提供一種能夠減小整個燃料電池的厚度同時降低電阻的燃料電池，以及利用所述燃料電池的電子設(shè)備。提供管路用于使電解質(zhì)在燃料電極和氧電極之間循環(huán)。燃料電極側(cè)上的集流體(11)具有位于相對角位置的一對集流體端子(11A)和(11B)。類似地，氧電極側(cè)上的集流體(21)具有位于相對角位置的一對集流體(21A)和(21B)。這些集流體端子(11A)、(11B)、(21A)和(21B)突出到燃料電池以外。由此，有助于電池中單電池的連接，使單極板結(jié)構(gòu)變得更易于用作集流體，并且電流流動的距離縮短。
文檔編號H01M8/00GK102197525SQ20098014218
公開日2011年9月21日 申請日期2009年10月29日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月31日
發(fā)明者槙田健吾 申請人:索尼公司