专利名称:燃料电池单元、燃料电池堆叠体以及电子设备的利记博彩app
技术领域:
本发明涉及诸如将甲醇直接供应至燃料电极以引起反应的直接甲醇燃料电池 (DMFC)的燃料电池单元、燃料电池堆叠体以及具有它们的电子设备。
背景技术:
电池的特性指标包括能量密度和功率密度。能量密度表示每单位质量电池的能量 积累量,而功率密度表示每单位质量电池的输出量。锂离子二次电池具有两个特性比较高 的能量密度和极高的功率密度。由于锂离子二次电池的完备度高,因此该电池被广泛用作 移动设备的电源。但是,近几年,随着移动设备的性能变得更高,移动设备的功率消耗倾向 于增加,这需要锂离子二次电池进一步提高其能量密度和功率密度。用于提高的解决方案包括正极和负极的电极材料的变化、电极材料的涂覆方法的 改善以及电极材料的封装方法的改善,并且正在进行改善锂离子二次电池能量密度的研 究。但是,实际使用的门槛仍然很高。此外,只要目前用于锂离子二次电池的材料没有改变, 就很难预期能量密度的较大提高。因此,开发一种取代锂离子二次电池的、具有更高的能量密度的电池是急迫的,并 且燃料电池期待作为候选之一。燃料电池具有这样的构造,即电解质置于负极(燃料电极)与正极(氧电极)之 间。燃料供应至燃料电极,并且空气或者氧供应至氧电极。结果,发生了氧化-还原反应,其 中在燃料和氧电极中燃料被氧气氧化,并且燃料的一部分化学能被转化为电能并被提取。已经提出了各种类型的燃料电池,或它们已经作为原型而形成,并且其中一部分 已经被实际使用。根据所使用的电解质,这些燃料电池被分为碱性燃料电池(AFC)、磷酸燃 料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体电解质燃料电池(S0FC)和聚合物电解质 燃料电池(PEFC)。与其他类型相比,PEFC可以在较低的温度下(例如,在约30°C 130°C 的温度下)工作。作为燃料电池的燃料,可以使用各种可燃物质,例如氢和甲醇。但是,诸如氢的 气体燃料不适合小型化,这是由于需要用于储存的瓶等。另一方面,从容易存储的观点考 虑,诸如甲醇的液体燃料是有利的。特别是,DMFC并不需要用于从燃料取出氢的重整器 (reformer),具有简单的构造,并且具有容易小型化的优势。在DMFC中,作为燃料的甲醇通常以低浓度或高浓度的溶液或者以纯甲醇气体的 形式供应至燃料电极,然后通过燃料电极的催化剂层氧化成二氧化碳。同时产生的质子通 过隔开燃料电极和氧电极的电解质膜移动至氧电极,并且与氧电极中的氧反应以生成水。 发生在燃料电极、氧电极和整个DMFC中的反应由化学式(1)表示。(化学式1)燃料电极CH30H+H20— C02+6e>6H+
氧电极(3/2) 02+6e>6H+ — 3H20整个 DMFC :CH30H+ (3/2) 02 — C02+2H20
作为DMFC燃料的甲醇的能量密度理论上是4. 8kff/L,并且等于或高于通常的锂离 子二次电池的能量密度的十倍。也就是说,使用甲醇作为燃料的燃料电池的能量密度超过 锂离子二次电池的能量密度是很可能的。因此,在各种燃料电池中,使用DMFC作为移动设 备、电动车等的能源的可能性是最高的。但是,DMFC具有这样的问题,尽管理论电压为1.23V,但是当实际发电时,输出电 压会降低至约0.6V以下。输出电压降低的原因是由于DFMC的内阻引起的电压降。DMFC 具有伴随两电极间发生的反应的电阻、伴随物质移动的电阻、当质子移动通过电解质膜时 产生的电阻、以及诸如接触电阻的内阻。由于实际作为来自甲醇氧化的电能而提取的能量 通过发电时的输出电压和电路中流动的电量的乘积来表示,因此当发电时的输出电压下降 时,实际提取的能量会降低一定量。当所有量的甲醇在燃料电极中按照化学反应式(1)被 氧化时,可通过甲醇氧化而提取至电路中的电量与DMFC中甲醇的量成比例。此外,DMFC还具有甲醇渗透的问题。甲醇渗透是通过以下两种机制,甲醇从燃料 电极侧穿过电解质膜并到达氧电极侧的现象,这两种机制是由于在燃料电极侧与氧电极 侧之间的甲醇的浓度差异而使甲醇扩散并移动的现象;以及电渗透现象,即,由于相关于质 子的移动而引起的水的移动,水合甲醇被搬运。当发生甲醇渗透时,透过的甲醇被氧电极中的催化剂层氧化。在氧电极侧的甲醇 氧化反应与燃料电极侧的氧化反应相同,并且可能会引起DMFC输出电压的下降。由于甲醇 不用于燃料电极侧的发电,而是在氧电极侧被消耗,所以提取至电路中的电量会降低一定 量。而且,由于氧电极中的催化剂层不是钼(Pt)_钌(Ru)合金催化剂而是钼(Pt)催化剂, 因此一氧化碳(Co)很容易吸附在催化剂的表面上,并且还存在发生催化剂中毒的不便。如上所述,DFMC具有两个问题,即由于内阻和甲醇渗透引起的电压下降和由于甲 醇渗透引起的燃料的浪费。该问题使得DMFC的发电效率降低。因此,为了增加DMFC的发 电效率,正在积极地进行改善DMFC材料的特性的研究和开发以及优化DMFC的工作条件的 研究和开发。改善构成DMFC的材料的特性的研究包括关于电解质膜和燃料电极侧上的催化 剂的研究。目前,作为电解质膜,通常使用聚全氟烷基磺酸类树脂膜(由DuPont生产的 “Nafion”(注册商标))。作为具有更高的质子传导性和更高的防止甲醇渗透的性能的电 解质膜,试验了氟类聚合物膜、烃聚合物电解质膜、水凝胶电解质膜等。关于燃料电极侧上 的催化剂,正在研究和开发比目前通常使用的钼(Pt)_钌(Ru)合金催化剂更高活性的催化 剂。燃料电池的材料的特性的改善作为改善燃料电池的发电效率的手段是适当的。然 而,在目前的情况下,还没有发现解决上述两个问题的最佳电解质膜以及最佳催化剂。另一方面,专利文献1公开了一种使用液体电解质(电解液)代替电解质膜的方 法。在一些情况下,电解液在氧电极与燃料电极之间保持静止。还存在这样的情况,即,电解 液在设置在氧电极与燃料电极之间的流路中流动,流到外面,之后,返回到流路中,并循环。专利文献1 日本未审查专利申请公开第Sho 59-191265号
发明内容
此外,在燃料电池中,从单个燃料电池中提取的电量是相当低的。为了提取实际电流,必须将多个燃料电池堆叠并串联连接。连接燃料电池的一般方法是通过配线将氧电极的一端连接至相邻电池中的燃料 电极的所谓的单极方法。但是,根据单极方法,由于其结构是多个燃料电池的简单堆叠,所 以整个燃料电池堆叠体的厚度仅随着堆叠的燃料电池的数目的增加而增加,因此,存在这 样的问题,即整个燃料电池的厚度不可避免地增加并且尺寸变得更大。另外,还存在使用双极板将相邻电池的燃料电极和氧电极的整个表面连接起来, 而将它们一体化的方法。但是,在使用这样的双极板的情况下,整个堆叠体的厚度取决于双 极板的厚度。通常,用于燃料电极和氧电极的流路等必须在双极板中形成,这难以较大地减 小双极板的厚度。鉴于上述,本发明的目的是提供一种燃料电池单元、燃料电池堆叠体以及电子设 备,以实现在堆积多个燃料电池的情况下厚度增加的抑制。根据本发明的燃料电池单元包括燃料电极,具有相对的两个面;第一和第二氧 电极,设置为分别面向燃料电极的两个面;以及电解质层,设置在燃料电极与第一和第二氧 电极中的每一个之间。根据本发明的燃料电池堆叠体通过堆叠多个本发明的燃料电池单元来获得。根据 本发明的电子设备通过安装本发明的燃料电池单元来获得。在本发明的燃料电池单元、燃料电池堆叠体和电子设备中,通过在燃料电池单元 中的燃料电极的两侧上设置第一和第二氧电极,燃料电极中的反应面积增大。在本发明的燃料电池单元中,优选地,在第一和第二氧电极中的每一个的燃料电 极侧上设置用于流过包含燃料和电解质的第一流体的流路。利用该构造,与用于使燃料流 过的流路和用于使电解液流过的流路分开设置的情况相比,更容易实现厚度的减小。在根据本发明的燃料电池堆叠体中,优选地,将一个燃料电池单元的第一或第二 氧电极和另外的燃料电池单元的第一或第二氧电极连接为彼此面对,并且在连接部分中, 用于流过第二流体的流路被一个燃料电池单元和另外一个燃料电池单元所共用。利用该构 造,由层堆叠引起的厚度的增加可以被更有效地抑制。在本发明的燃料电池单元和燃料电池堆叠体中,第一和第二氧电极被设置在燃料 电极的两侧上,使得燃料电极的反应面积被增大。利用这种为两个氧电极设置一个燃料电 极的结构,可以获得几乎等相当于两个燃料电池的功率。因此,在堆叠多个燃料电池的情况 下,抑制了厚度的增加。另外,本发明适用于薄的消耗电力的电子设备。
图1是示出了根据本发明的第一实施方式的燃料电池单元的总体构造的截面图。图2是示出了根据比较例的燃料电池的构造的示图。图3是用于说明图1所示的燃料电池的特性的示图。图4是示出了具有图1所示的燃料电池单元的电子设备的构造的示图。图5是示出了图1所示的燃料电池的修改例的示图。图6是示出了根据本发明的第二实施方式的燃料电池单元的示意性构造的截面 图。
具体实施例方式以下将参考附图详细地描述本发明的实施方式。[第一实施方式]图1示出了根据本发明的第一实施方式的燃料电池单元110的截面结构。燃料电 池单元110是所谓的基于直接甲醇流的燃料电池(DMFFC),在该燃料电池中,在外部构件14 和24中,在两个氧电极(正极)20A、20B之间设置有一个燃料电极(负极)10。也就是说, 氧电极20A和20B设置为在燃料电极10的两个面上彼此相对。燃料电极10具有这样的构造,S卩,利用集电体11作为中心,在一个面侧上堆叠扩 散层12a和催化剂层13a,而在另一面侧上堆叠扩散层12b和催化剂层13b。氧电极20A具 有这样的构造,即,扩散层22a和催化剂层23a按顺序堆叠在集电体21a的与燃料电极10 相对的侧上,并且氧电极20B具有这样的构造,即,扩散层22b和催化剂层23b按顺序堆叠 在集电体21b的与燃料电极10相对的侧上。集电体11由例如具有导电性的多孔构件或板状构件制成,具体地,钛(Ti)网、钛 板等。集电体21a和21b由例如钛网制成。扩散层12a、12b、22a和22b例如由碳布、碳纸或碳片制成。期望地,通过聚四氟乙 烯(PTFE)等对扩散层12a、12b、22a和22b进行防水处理。但是,并非必须设置扩散层12a、 12b、22a和22b。催化剂层可以直接在集电体上形成。催化剂层13a、13b、23a和23b通过作为催化剂的例如钯(Pd)、钼(Pt)、铱(Ir)、 铑(Rh)、钌(Ru)等的金属本身(单体)或合金,有机络合物,酶等构成。另外,除了催化剂 之外,催化剂层13a、13b、23a和23b还可以还包括质子导体和粘结剂。质子导体的实例包 括聚全氟烷基磺酸类的树脂(DuPont生产的“Nafion”(注册商标))和具有质子传导性的 树脂。加入粘结剂以保持催化剂层13a、13b、23a和23b的强度和柔性,并且例如是诸如聚 四氟乙烯(PTFE)、聚偏二氟乙烯(PVDF)等的树脂。作为这样的催化剂层13a、13b、23a和 23b,期望使用不会氧化在燃料/电解质流路30中流动的燃料的选择性催化剂,例如,靶,诸 如钯铁、钯钴、钯镍或钯铬的钯合金(包括二元合金、三元合金、四元合金等),或诸如RuSe 的钌合金。在燃料电极10与氧电极20A之间以及在燃料电极10与氧电极20B之间设置用于 使含有燃料和电解质的流体(第一流体)F 1流动的燃料/电解质流路30。另一方面,在氧 电极20A和20B的外侧,设置用于供应空气或氧气(第二流体)的空气流路40。燃料/电解质流路30例如通过加工树脂片形成微细的流路来获得,并将其粘附至 燃料电极10的两侧。通过为外部构件14设置的燃料/电解质入口 14A和燃料/电解质出 口 14B来向燃料/电解质流路30供应含有燃料和电解质的诸如甲醇硫酸混合物的流体F1。 流路的数量没有限制。此外,流路的形状可以是例如蛇形或平行形状等,并且没有限制。而 且,流路的宽度、重量和长度也均没有限制,但是优选较小。此外,流体F1可以以燃料与电 解质混合的状态流动,或者以燃料和电解液分离的状态流动。空气可以经由为外部构件24设置的空气入口 24A和空气出口 24B通过自然通风 或者利用风扇、泵、鼓风机等强制供应方法供应至空气流路40。外部构件14和24中的每一个具有例如1mm的厚度,并且由诸如钛(Ti)板的普遍 可得的材料制成。材料没有限制。外部构件14和24越薄,则越是优选的。
例如,可以如下来制造上述的燃料电池单元110。首先,形成燃料电极10。作为催化剂,催化剂层13a和13b通过例如以预定 比率混合以预定比率含有钼和钌的合金和聚全氟烷基磺酸类树脂(由DuPont生产的 “Nafion”(注册商标))的分散溶液来形成。催化剂层13a和13b分别热压结合在由上述 材料制成的扩散层12a和12b上。随后,通过利用热熔性粘合剂或粘合树脂片将扩散层12a 和催化剂层13a热压结合在由上述材料制成的集电体11的一个面上,并且将扩散层12b和 催化剂层13b热压结合在集电体的另一个面上。以这样的方式,形成了燃料电极10。可选 地,在没有形成扩散层12a和12b的情况下,催化剂层13a和13b可以如上所述直接形成在 集电体11的两侧上。另一方面,形成了氧电极20A和20B。首先,作为催化剂,通以预定比率混合载有钼 的碳和聚全氟烷基磺酸类树脂(由DuPont生产的“Nafion”(注册商标))的分散溶液以形 成催化剂层23a和23b。分别将催化剂层23a和23b热压结合在由上述材料制成的扩散层 22a和22b上。随后,通过利用热熔性粘合剂或粘合树脂片将扩散层22a和催化剂层23a热 压结合在由上述材料制成的集电体21a上,并且将扩散层22b和催化剂层23b热压结合在 集电体21b上。以这样的方式,形成了氧电极20A和20B。另一方面,制备了粘合树脂片。通过在树脂片中形成流路,形成了燃料/电解质流 路30。由上述材料制成的外部构件14设置有例如通过树脂接头制成的燃料/电解质入口 14A和燃料/电解质出口 14B。外部构件24设置有例如由树脂接头制成的空气入口 24A和 空气出口 24B。随后,将燃料/电解质流路30热压结合至燃料电极10的两侧。最后,将两个氧电极20A和20B结合至热压结合的燃料/电解质流路30的两面, 使得夹住它们,并且容纳在外部构件14和24中。以这样的方式,完成了图1所示的燃料电 池单元110。接着,将对燃料电池单元110的作用和效果进行描述。在燃料电池单元110中,当燃料和电解质通过燃料/电解质流路30供应至燃料电 极10时,通过反应产生质子和电子。质子通过燃料/电解质流路30移动至氧电极20A和 20B,并且与电子和氧反应以生成水。发生在燃料电极10、氧电极20以及整个燃料电池单元 110中的反应通过化学式2表示。作为燃料的甲醇的一部分化学能被转化成电能并被作为 功率而输出。在燃料电极10中生成的二氧化碳和在氧电极20A和20B中生成的水流出至 燃料/电解质流路30并被排出。(化学式2)燃料电极10 :CH30H+H20 — C02+6e>6H+氧电极20 (3/2) 02+6e>6H+ — 3H20整个燃料电池单元110 :CH30H+(3/2)02 — C02+2H20特别地,将氧电极20A和20B设置在燃料电极10的两面以使得它们彼此相对,并 且将燃料和电解质供应至燃料电极10的两个面,从而在不增加燃料电极10厚度的情况下 增大了反应面积。通过电连接两个氧电极20A和20B,燃料电池单元110的输出变得几乎与 连接两个均由一个燃料电极和一个氧电极的组合获得的燃料电池(单位电池)的情况下的 输出相等。
图2示出了通过将一个燃料电极211和一个氧电极212容纳在外部构件201和 210中获得的燃料电池200的截面结构。燃料电极211通过将扩散层204和催化剂层205 堆叠在集电体203上来获得,而氧电极212通过将扩散层208和催化剂层207堆叠在集电 体209上来获得。设置催化剂层205和207使得彼此相对。在燃料电极211与氧电极212 之间设置用于使电解液流过的电解液流路206,并且在燃料电极211与外部构件201之间设 置用于供应燃料的燃料流路202。外部构件201具有燃料入口 201A和燃料出口 201B,而外 部构件210具有电解液入口 210A和电解液出口 210B。图3(A)示出了该实施方式的这样的 燃料电池200和燃料电池单元1的电流_电压特性,并且图3 (B)示出了电流-功率特性。如图3(A)和图3(B)所示,与设置一个燃料电极和一个氧电极以彼此相对的燃料 电池200相比,该实施方式的燃料电池单元110的电压-电流特性和功率_电流特性均得 以提高。特别地,可以理解,随着电流增加,它们之间的差增大,并且燃料电池单元110实现 为燃料电池200的两倍以上的电压和功率。此外,电压和功率变成两倍以上的原因被认为 是通过堆叠在燃料电池单元110中充满了热,温度升高,并且促进了催化反应。如上所述,在该实施方式的燃料电池单元110中,氧电极20A和20B被设置在燃料 电极10的两侧,使得燃料电极10的反应面积增大。通过相对于两个氧电极设置一个燃料 电极的结构,可以获得几乎等于两个燃料电池的功率。因此,在堆叠多个燃料电池时,厚度 的增加得到抑制。而且,利用燃料/电解质流路30,燃料和电解质在同一个流路中流动,并且燃料和 电解质由一个流路供应。与燃料和电解质在不同流路中流动的情况相比,该结构更简单,并 且更容易实现厚度的减小。而且,通过供应燃料和电解质作为流体,电解质膜变得不必要。 因此,发电不受温度和湿度的影响。与利用电解质膜的情况相比,离子传导性(质子传导 性)变得更高。不存在由于电解质膜的干燥而导致的电解质膜劣化和质子传导性降低的可 能性,使得在氧电极中的溢流、水分管理等问题得以解决。(应用实例)接着,将对本发明的燃料电池单元的应用实例进行描述。图4示出了使用燃料电池单元110的电子设备的示意性构造。该电子设备例如是 诸如移动电话或PDA (个人数字助理)的移动设备或者诸如笔记本型PC (个人计算机)的电 子设备,并且具有燃料电池系统1和由燃料电池系统1产生的电能所驱动的外部电路(负 载)2。燃料电池系统1例如具有燃料电池单元110、用于测量燃料电池单元110的工作条 件的测量单元120、以及基于测量单元120的测量结果来确定燃料电池单元110的工作条 件的控制单元130。燃料电池系统1也具有燃料/电解质供应单元140,用于将含有燃料和 电解质的流体F1供应至燃料电池单元110 ;以及燃料供应单元150,用于仅将诸如甲醇的燃 料F2供应至燃料/电解质存储单元141。燃料电池单元110中的燃料/电解质流路30通 过为外部构件24所设置的燃料/电解质入口 24A和燃料/电解质出口 24B而连接至燃料 /电解质供应单元140,并且流体F1从燃料/电解质供应单元140供应。测量单元120测量燃料电池单元110的工作电压和工作电流,并且具有例如用于 测量燃料电池单元110的工作电压的电压测量电路121、用于测量工作电流的电流测量电 路122、以及用于将所获得的测量结果发送至控制单元130的通信线路123。
控制单元130基于测量单元120的测量结果控制作为燃料电池单元110的工作条 件的燃料/电解质供应参数和燃料供应参数,并且例如具有计算单元131、存储(存储器) 单元132、通信单元133以及通信线路134。燃料/电解质供应参数包括例如含有燃料和电 解质的流体F1的供应流速。燃料供应参数可以包括例如燃料F2的供应流速和供应量,并 且如果需要,可以包括供应浓度。控制单元130例如通过微型计算机构成。计算单元131根据由测量单元120获得的测量结果计算燃料电池单元110的输 出,并且设置燃料/电解质供应参数和燃料供应参数。具体地,计算单元131以预定的间隔 根据输入至存储单元132的各种测量结果对负极电位、正极电位、输出电压和输出电流进 行平均,以计算平均负极电位、平均正极电位、平均输出电压和平均输出电流,将它们供应 至存储单元132,将存储在存储单元132中的各种平均值彼此进行比较,然后确定燃料/电 解质供应参数和燃料供应参数。存储单元132存储从测量单元120发送的各种测量值、通过计算单元131计算的 各种平均值等。通信单元133具有通过通信线路123接收来自测量单元120的测量结果并将结果 输入至存储单元132的功能,以及通过通信线路134将用于设置燃料/电解质供应参数和 燃料供应参数的信号输出至燃料/电解质供应单元140和燃料供应单元150的功能。燃料/电解质供给单元140具有燃料/电解质存储单元141、燃料/电解质供给调 节单元142以及燃料/电解质供给线路143。燃料/电解质存储单元141存储流体F1,并 且例如是罐或筒。燃料/电解质供给调节单元142调节流体F1的供应流速。燃料/电解 质供给调节单元142没有限制,只要其由来自控制单元130的信号驱动即可,并且优选地, 是由马达或压电设备驱动的阀门或电子泵。燃料供给单元150具有燃料存储单元151、燃料供应调节单元152和燃料供应线 路153。燃料存储单元151仅存储诸如甲醇的燃料F2,并且例如是罐或筒。燃料供应调节 单元152调节燃料F2的供应流速和供应量。燃料供应调节单元152没有限制,只要其由来 自控制单元130的信号驱动即可,并且优选是由马达或压电设备驱动的阀门或电子泵。燃 料供应单元150可以具有用于调节燃料F2的供应浓度的浓度调节单元(未示出)。在使用 纯甲醇(99.9%)作为燃料F2的情况下,可以不设置浓度调节单元,使得可实现进一步的小 型化。另外,可以如下来制造燃料电池系统1。例如,将燃料电池单元110并入具有测量 单元120、控制单元130、燃料/电解质供给单元140和燃料供给单元150的系统中,其中每 个单元均具有上述结构。燃料/电解质入口 14A和燃料/电解质出口 14B以及燃料/电解 质供给单元150通过由例如硅树脂管制成的燃料供给线路153连接。燃料/电解质入口 14A和燃料/电解质出口 14B以及燃料/电解质供给单元140通过由例如硅树脂管制成的 燃料/电解质供给线路143连接。以这样的方式,完成了图4所示的燃料电池系统1。在这样的燃料电池系统1中,当含有燃料和电解质的流体F1通过如上所述的燃料 /电解质供应单元140供应至燃料电池单元110时,电力被从燃料电池单元110中提取出并 且驱动外部电路2。在燃料电池单元110工作过程中,燃料电池单元110的工作电压和工作电流通过 测量单元120来测量。基于测量结果,燃料/电解液供应参数和燃料供应参数通过控制单元130控制为燃料电池单元110的工作条件。频繁重复由测量单元120进行的测量和通过 控制单元130进行的参数控制,并且最优化流体F1和燃料F2的供应状态,使得遵循燃料电 池单元110的特性变动。这里,通过包括燃料电池单元110,燃料电池系统1通过灵活、简单的构造实现了 高输出,其中,移动设备或者甚至一个较大的设备可以并入该构造中。因此,特别地,燃料电 池系统1可以适用于薄的、消耗电力的、多功能的、高性能的电子设备。(修改例)接着,将描述本发明的燃料电池单元的修改例。图5示出了作为燃料电池单元110的修改例的燃料电池单元111的截面结构。燃 料电池单元111也具有与燃料电池110相同的构造,只是在两个氧电极20A和20B的面向 燃料电极的侧上设置了功能层51a和51b。因此,用相同的参考标号表示相同的组件,并且 将不再重复其描述。功能层51a和51b具有防止过电压(过电压抑制层)的功能以及抑制在氧电极20A 和20B中溢流(溢流抑制层)的功能,其中过电压由于当维持在含有燃料和电解质的流体 F1与催化剂层23a和23b之间的离子通路时燃料的渗透而发生在氧电极20A和20B之间。 另外,功能层51a和51b也用作抑制劣化(诸如由于催化剂层23a和23b与流体F1之间的 直接接触引起的氧电极20A和20B中的裂纹或孔)的劣化防止层。功能层51a和51b由例如多孔材料制成。通过多孔材料中的小孔,可以确保在流 体F1与催化剂层23a和23b之间的离子通路。多孔材料的具体实例包括金属、碳、诸如聚酰 亚胺的树脂以及陶瓷。功能层51a和51b可以是由这些材料中的多种材料制成的混合层。 树脂可以是斥水性树脂或亲水性树脂。功能层51a和51b的厚度为例如约1 y m至100 y m。 越薄越好。而且,功能层51a和51b中小孔的直径优选是纳米级至微米级,但是没有限制。功能层51a和51b可以由诸如质子导体的离子导体制成。质子导体的实例包括聚 全氟烷基磺酸类树脂(由DuPont生产的“Nafion” (注册商标))、聚苯乙烯磺酸酯、富勒烯 类导体、固体酸以及具有质子传导性的树脂。期望的是,在催化剂层23a和23b的非热压结合至扩散层22a和22b的表面上,通 过例如使用棒涂覆来形成功能层51a和51b,因为它们可以以预定的厚度进行涂覆。但是, 形成功能层51a和51b的方法并不限于棒涂覆。可以使用其他涂覆方法,如凹版涂覆、辊涂、 旋涂、浸涂、刮棒涂覆、缄锭涂覆、刮刀涂覆、帘式涂布或喷涂。也可以将含有功能层51a和 51b材料的涂覆液体涂覆在另一个构件上,将其干燥以形成多孔膜,然后将多孔膜转移到催 化剂层23a和23b上。而且,由上述材料制成的功能层51a和51b可以热压结合至催化剂 层 23a 和 23b。如上面描述的,功能层51a和51b可以设置在氧电极20A和20B的催化剂层23a 和23b上。利用该构造,可以获得与燃料电池单元110相同的效果,并且可以使对于氧电极 20A和20B的燃料渗透和溢流状态减轻或失效。[第二实施方式]图6示出了根据本发明的第二实施方式的燃料电池堆叠体112的截面结构。用相 同的参考标号指代与那些根据第一实施方式的燃料电池单元110相同的组件,并且将不再 重复它们的描述。
燃料电池堆叠体112具有这样的结构,即,燃料电池单元112A和112B沿纵向方向 堆叠在外部构件14和24中。每个燃料电池单元112A和112B具有两个氧电极20A和20B, 并且其间夹有燃料电极10。在每个燃料电极10的两个面上,设置有燃料/电解质流路30。 另外,每个燃料电池单元以及燃料电池单元之间的燃料/电解质流路30和空气流路40可 以串联和/或并联连接,并且可以是它们的组合。在燃料电池单元112A和112B中,空气流路40设置在每个氧电极20A和20B的与 燃料电极10相反的侧上。但是,在燃料电池单元112A和112B的结合部分中设置共用的空 气流路41。也就是说,在燃料电池单元112A中的氧电极20B与燃料电池单元112B中的氧 电极20A之间的空气流路是燃料电池单元112A和112B共用的流路。如上所述,多个燃料电池单元堆叠在一起,在每个燃料电池单元中,作为一个单 位,对于一个燃料电极10设置两个氧电极。以这样的方式,在抑制由于堆叠引起厚度增加 的同时,可以实现更高的输出。而且,此时,通过在通过堆叠而相邻的燃料电池单元112A和 112B之间设置共用的空气流路41以共享空气流路的一部分,对于厚度的减小变得有利。虽然上面已经通过实施方式描述了本发明,但是本发明并不限于上述实施方式, 而是可以进行各种修改。例如,在实施方式中,上面已经具体地描述了燃料电极10、氧电极 20A和20B、燃料/电解质流路30和空气流路40的构造。然而,可以采用其他结构或其他 材料。例如,燃料/电解质流路30并不限于通过加工如在上述实施方式中描述的树脂片而 形成的流路,而是可以通过多孔片等来构成。而且,虽然作为在上述实施方式中的一个实例,已经描述了经由燃料/电解质流 路30将通过混合燃料和电解质获得的流体供应至燃料电极10的两面的情况,但是本发明 并不限于该情况。例如,用于使燃料流过的燃料供应流路可以设置在燃料电极10侧上,并 且用于使电解液流过的电解液流路可以设置在氧电极20A和20B上。或者,在这种情况下, 在氧电极20A和20B侧上,可以不设置用于使电解液流过的流路,而设置具有离子传导性的 电解质膜。而且,通过构成在具有离子传导性的材料的第一实施方式的修改例中所描述的 功能层51a和51b,功能层51a和51b可以用作电解质膜。但是,如在前面实施方式中描述 的,在燃料和电解质在同一流路中流动的情况下,厚度的增加可以被更有效地抑制。此外,在前面实施方式中描述的含有燃料和电解质的流体F1没有限制,只要其具 有质子(H+)传导性并且例如可以是除了硫酸之外的磷酸和离子性液体。而且,在第二实施 方式中描述的燃料F2并不限于甲醇,而是可以是其他醇,诸如乙醇或二甲醚或糖燃料。而且,虽然在前述实施方式中已经描述了将空气供应至氧电极20A和20B的情况, 但是也可以供应氧气或含有氧气的气体以代替空气。而且,虽然在第二实施方式中已经描述了沿纵向方向堆叠燃料电池单元112A和 112B的情况,但是本发明也可以应用于通过沿横向方向(堆叠层面内方向)堆叠多个燃料 电池单元来构成燃料电池堆叠体的情况。另外,虽然作为实例已经描述了堆叠两个燃料电 池单元的构造,但是堆叠的单元数可以是三个以上。而且,虽然在第一实施方式中已经描述了用于电子设备中的燃料电池系统1具有 燃料电池单元110的构造,但是燃料电池系统1可以具有在第二实施方式中描述的燃料电 池堆叠体112。利用该构造,输出会变得更高,并且燃料电池系统1可以适用于功率消耗高 的电子设备。
另外,本发明并不限于在前述实施方式中描述的组件的材料和厚度以及燃料电池 单元110的工作条件,而其他材料、其他厚度和其他工作条件也是可以的。此外,虽然作为在前述实施方式中的燃料的实例已经描述了直接甲醇燃料电池, 但是本发明并不限于直接甲醇燃料电池,并且可以应用于使用除了诸如氢的液体燃料以外 的其他物质作为燃料的燃料电池,诸如聚合物电解质燃料电池(PEFC)、碱性燃料电池以及 使用诸如葡萄糖的糖燃料的酶电池。
权利要求
一种燃料电池单元,包括燃料电极,具有相对的两个面;第一氧电极和第二氧电极,设置为分别面向所述燃料电极的两个面;以及电解质层,设置在所述燃料电极与所述第一氧电极和所述第二氧电极中的每一个之间。
2.根据权利要求1所述的燃料电池单元,其中,用于使含有燃料的第一流体流过的流 路设置在所述第一氧电极和所述第二氧电极中的每一个的所述燃料电极侧的一侧。
3.根据权利要求2所述的燃料电池单元,其中,所述第一流体包含燃料和电解质。
4.根据权利要求1所述的燃料电池单元,其中,用于使含有氧的第二流体流过的流路 设置在所述第一氧电极和所述第二氧电极中的每一个的与所述燃料电极相反的一侧。
5.根据权利要求1所述的燃料电池单元,其中,功能层设置在所述第一氧电极和所述 第二氧电极中的每一个的所述燃料电极侧。
6.根据权利要求5所述的燃料电池单元,其中,所述功能层由多孔材料制成。
7.根据权利要求5所述的燃料电池单元,其中,所述功能层是由离子导体制成。
8.一种燃料电池堆叠体,通过堆叠多个燃料电池单元而获得, 其中,每个燃料电池单元包括燃料电极,具有相对的两个面;第一氧电极和第二氧电极,设置为分别面向所述燃料电极的两个面;以及电解质层,设置在所述燃料电极与所述第一氧电极和所述第二氧电极中的每一个之间。
9.根据权利要求8所述的燃料电池堆叠体,其中,每个所述燃料电池单元包括第一流路,用于使含有燃料的第一流体流动,位于所述第一氧电极和所述第二氧电极 中的每一个的所述燃料电极侧;以及第二流路,用于使含有氧的第二流体流动,位于所述第一氧电极和所述第二氧电极中 的每一个的与所述燃料电极相反的一侧。
10.根据权利要求9所述的燃料电池堆叠体,其中,一个燃料电池单元的所述第一氧电 极或所述第二氧电极和另一燃料电池单元的所述第一氧电极或所述第二氧电极被连接成 彼此面对,并且在连接部分中,所述第二流路被所述一个燃料电池单元和所述另一燃料电 池单元所共用。
11.一种电子设备,在所述电子设备上安装有燃料电池单元,其中,所述燃料电池单元 包括燃料电极,具有相对的两个面;第一氧电极和第二氧电极,设置为分别面向所述燃料电极的两个面;以及电解质层,设置在所述燃料电极与所述第一氧电极和所述第二氧电极中的每一个之间。
全文摘要
本发明提供了燃料电池单元、燃料电池堆叠体以及电子设备,以实现在堆叠多个燃料电池的情况下厚度增加的抑制。在燃料电池单元(110)中,氧电极(20A)和(20B)设置在燃料电极(10)的两面侧。燃料电极(10)在集电体(11)的两侧上具有扩散层(12)和催化剂层(13),并且氧电极(20A)和(20B)中的每一个在与集电体(21)的燃料电极(10)相反的面上具有扩散层(22)和催化剂层(23)。在燃料电极(10)与氧电极(20A)和(20B)中的每一个之间设置用于使含有燃料和电解质的流体流动的燃料/电解质流路(30)。燃料和电解质供应至一个燃料电极(10)的两个面,使得在燃料电极(10)与氧电极(20A)和(20B)中的每一个之间发生反应并获得电力。
文档编号H01M8/08GK101978539SQ200980109349
公开日2011年2月16日 申请日期2009年3月19日 优先权日2008年3月24日
发明者上坂进一, 槙田健吾 申请人:索尼公司