專利名稱：燃料電池單元、燃料電池堆疊體以及電子設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及諸如將甲醇直接供應(yīng)至燃料電極以引起反應(yīng)的直接甲醇燃料電池 (DMFC)的燃料電池單元、燃料電池堆疊體以及具有它們的電子設(shè)備。
背景技術(shù)：
電池的特性指標(biāo)包括能量密度和功率密度。能量密度表示每單位質(zhì)量電池的能量 積累量，而功率密度表示每單位質(zhì)量電池的輸出量。鋰離子二次電池具有兩個特性比較高 的能量密度和極高的功率密度。由于鋰離子二次電池的完備度高，因此該電池被廣泛用作 移動設(shè)備的電源。但是，近幾年，隨著移動設(shè)備的性能變得更高，移動設(shè)備的功率消耗傾向 于增加，這需要鋰離子二次電池進(jìn)一步提高其能量密度和功率密度。用于提高的解決方案包括正極和負(fù)極的電極材料的變化、電極材料的涂覆方法的 改善以及電極材料的封裝方法的改善，并且正在進(jìn)行改善鋰離子二次電池能量密度的研 究。但是，實(shí)際使用的門檻仍然很高。此外，只要目前用于鋰離子二次電池的材料沒有改變， 就很難預(yù)期能量密度的較大提高。因此，開發(fā)一種取代鋰離子二次電池的、具有更高的能量密度的電池是急迫的，并 且燃料電池期待作為候選之一。燃料電池具有這樣的構(gòu)造，即電解質(zhì)置于負(fù)極(燃料電極)與正極(氧電極)之 間。燃料供應(yīng)至燃料電極，并且空氣或者氧供應(yīng)至氧電極。結(jié)果，發(fā)生了氧化-還原反應(yīng)，其 中在燃料和氧電極中燃料被氧氣氧化，并且燃料的一部分化學(xué)能被轉(zhuǎn)化為電能并被提取。已經(jīng)提出了各種類型的燃料電池，或它們已經(jīng)作為原型而形成，并且其中一部分 已經(jīng)被實(shí)際使用。根據(jù)所使用的電解質(zhì)，這些燃料電池被分為堿性燃料電池(AFC)、磷酸燃 料電池(PAFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)、固體電解質(zhì)燃料電池(S0FC)和聚合物電解質(zhì) 燃料電池(PEFC)。與其他類型相比，PEFC可以在較低的溫度下(例如，在約30°C 130°C 的溫度下)工作。作為燃料電池的燃料，可以使用各種可燃物質(zhì)，例如氫和甲醇。但是，諸如氫的 氣體燃料不適合小型化，這是由于需要用于儲存的瓶等。另一方面，從容易存儲的觀點(diǎn)考 慮，諸如甲醇的液體燃料是有利的。特別是，DMFC并不需要用于從燃料取出氫的重整器 (reformer)，具有簡單的構(gòu)造，并且具有容易小型化的優(yōu)勢。在DMFC中，作為燃料的甲醇通常以低濃度或高濃度的溶液或者以純甲醇?xì)怏w的 形式供應(yīng)至燃料電極，然后通過燃料電極的催化劑層氧化成二氧化碳。同時產(chǎn)生的質(zhì)子通 過隔開燃料電極和氧電極的電解質(zhì)膜移動至氧電極，并且與氧電極中的氧反應(yīng)以生成水。 發(fā)生在燃料電極、氧電極和整個DMFC中的反應(yīng)由化學(xué)式(1)表示。(化學(xué)式1)燃料電極CH30H+H20— C02+6e>6H+
氧電極(3/2) 02+6e>6H+ — 3H20整個 DMFC :CH30H+ (3/2) 02 — C02+2H20
作為DMFC燃料的甲醇的能量密度理論上是4. 8kff/L,并且等于或高于通常的鋰離 子二次電池的能量密度的十倍。也就是說，使用甲醇作為燃料的燃料電池的能量密度超過 鋰離子二次電池的能量密度是很可能的。因此，在各種燃料電池中，使用DMFC作為移動設(shè) 備、電動車等的能源的可能性是最高的。但是，DMFC具有這樣的問題，盡管理論電壓為1.23V，但是當(dāng)實(shí)際發(fā)電時，輸出電 壓會降低至約0.6V以下。輸出電壓降低的原因是由于DFMC的內(nèi)阻引起的電壓降。DMFC 具有伴隨兩電極間發(fā)生的反應(yīng)的電阻、伴隨物質(zhì)移動的電阻、當(dāng)質(zhì)子移動通過電解質(zhì)膜時 產(chǎn)生的電阻、以及諸如接觸電阻的內(nèi)阻。由于實(shí)際作為來自甲醇氧化的電能而提取的能量 通過發(fā)電時的輸出電壓和電路中流動的電量的乘積來表示，因此當(dāng)發(fā)電時的輸出電壓下降 時，實(shí)際提取的能量會降低一定量。當(dāng)所有量的甲醇在燃料電極中按照化學(xué)反應(yīng)式(1)被 氧化時，可通過甲醇氧化而提取至電路中的電量與DMFC中甲醇的量成比例。此外，DMFC還具有甲醇滲透的問題。甲醇滲透是通過以下兩種機(jī)制，甲醇從燃料 電極側(cè)穿過電解質(zhì)膜并到達(dá)氧電極側(cè)的現(xiàn)象，這兩種機(jī)制是由于在燃料電極側(cè)與氧電極 側(cè)之間的甲醇的濃度差異而使甲醇擴(kuò)散并移動的現(xiàn)象；以及電滲透現(xiàn)象，即，由于相關(guān)于質(zhì) 子的移動而引起的水的移動，水合甲醇被搬運(yùn)。當(dāng)發(fā)生甲醇滲透時，透過的甲醇被氧電極中的催化劑層氧化。在氧電極側(cè)的甲醇 氧化反應(yīng)與燃料電極側(cè)的氧化反應(yīng)相同，并且可能會引起DMFC輸出電壓的下降。由于甲醇 不用于燃料電極側(cè)的發(fā)電，而是在氧電極側(cè)被消耗，所以提取至電路中的電量會降低一定 量。而且，由于氧電極中的催化劑層不是鉬(Pt)_釕(Ru)合金催化劑而是鉬(Pt)催化劑， 因此一氧化碳(Co)很容易吸附在催化劑的表面上，并且還存在發(fā)生催化劑中毒的不便。如上所述，DFMC具有兩個問題，即由于內(nèi)阻和甲醇滲透引起的電壓下降和由于甲 醇滲透引起的燃料的浪費(fèi)。該問題使得DMFC的發(fā)電效率降低。因此，為了增加DMFC的發(fā) 電效率，正在積極地進(jìn)行改善DMFC材料的特性的研究和開發(fā)以及優(yōu)化DMFC的工作條件的 研究和開發(fā)。改善構(gòu)成DMFC的材料的特性的研究包括關(guān)于電解質(zhì)膜和燃料電極側(cè)上的催化 劑的研究。目前，作為電解質(zhì)膜，通常使用聚全氟烷基磺酸類樹脂膜(由DuPont生產(chǎn)的 “Nafion”(注冊商標(biāo)))。作為具有更高的質(zhì)子傳導(dǎo)性和更高的防止甲醇滲透的性能的電 解質(zhì)膜，試驗(yàn)了氟類聚合物膜、烴聚合物電解質(zhì)膜、水凝膠電解質(zhì)膜等。關(guān)于燃料電極側(cè)上 的催化劑，正在研究和開發(fā)比目前通常使用的鉬(Pt)_釕(Ru)合金催化劑更高活性的催化 劑。燃料電池的材料的特性的改善作為改善燃料電池的發(fā)電效率的手段是適當(dāng)?shù)?。?而，在目前的情況下，還沒有發(fā)現(xiàn)解決上述兩個問題的最佳電解質(zhì)膜以及最佳催化劑。另一方面，專利文獻(xiàn)1公開了一種使用液體電解質(zhì)(電解液)代替電解質(zhì)膜的方 法。在一些情況下，電解液在氧電極與燃料電極之間保持靜止。還存在這樣的情況，即，電解 液在設(shè)置在氧電極與燃料電極之間的流路中流動，流到外面，之后，返回到流路中，并循環(huán)。專利文獻(xiàn)1 日本未審查專利申請公開第Sho 59-191265號

發(fā)明內(nèi)容
此外，在燃料電池中，從單個燃料電池中提取的電量是相當(dāng)?shù)偷?。為了提取?shí)際電流，必須將多個燃料電池堆疊并串聯(lián)連接。連接燃料電池的一般方法是通過配線將氧電極的一端連接至相鄰電池中的燃料 電極的所謂的單極方法。但是，根據(jù)單極方法，由于其結(jié)構(gòu)是多個燃料電池的簡單堆疊，所 以整個燃料電池堆疊體的厚度僅隨著堆疊的燃料電池的數(shù)目的增加而增加，因此，存在這 樣的問題，即整個燃料電池的厚度不可避免地增加并且尺寸變得更大。另外，還存在使用雙極板將相鄰電池的燃料電極和氧電極的整個表面連接起來， 而將它們一體化的方法。但是，在使用這樣的雙極板的情況下，整個堆疊體的厚度取決于雙 極板的厚度。通常，用于燃料電極和氧電極的流路等必須在雙極板中形成，這難以較大地減 小雙極板的厚度。鑒于上述，本發(fā)明的目的是提供一種燃料電池單元、燃料電池堆疊體以及電子設(shè) 備，以實(shí)現(xiàn)在堆積多個燃料電池的情況下厚度增加的抑制。根據(jù)本發(fā)明的燃料電池單元包括燃料電極，具有相對的兩個面；第一和第二氧 電極，設(shè)置為分別面向燃料電極的兩個面；以及電解質(zhì)層，設(shè)置在燃料電極與第一和第二氧 電極中的每一個之間。根據(jù)本發(fā)明的燃料電池堆疊體通過堆疊多個本發(fā)明的燃料電池單元來獲得。根據(jù) 本發(fā)明的電子設(shè)備通過安裝本發(fā)明的燃料電池單元來獲得。在本發(fā)明的燃料電池單元、燃料電池堆疊體和電子設(shè)備中，通過在燃料電池單元 中的燃料電極的兩側(cè)上設(shè)置第一和第二氧電極，燃料電極中的反應(yīng)面積增大。在本發(fā)明的燃料電池單元中，優(yōu)選地，在第一和第二氧電極中的每一個的燃料電 極側(cè)上設(shè)置用于流過包含燃料和電解質(zhì)的第一流體的流路。利用該構(gòu)造，與用于使燃料流 過的流路和用于使電解液流過的流路分開設(shè)置的情況相比，更容易實(shí)現(xiàn)厚度的減小。在根據(jù)本發(fā)明的燃料電池堆疊體中，優(yōu)選地，將一個燃料電池單元的第一或第二 氧電極和另外的燃料電池單元的第一或第二氧電極連接為彼此面對，并且在連接部分中， 用于流過第二流體的流路被一個燃料電池單元和另外一個燃料電池單元所共用。利用該構(gòu) 造，由層堆疊引起的厚度的增加可以被更有效地抑制。在本發(fā)明的燃料電池單元和燃料電池堆疊體中，第一和第二氧電極被設(shè)置在燃料 電極的兩側(cè)上，使得燃料電極的反應(yīng)面積被增大。利用這種為兩個氧電極設(shè)置一個燃料電 極的結(jié)構(gòu)，可以獲得幾乎等相當(dāng)于兩個燃料電池的功率。因此，在堆疊多個燃料電池的情況 下，抑制了厚度的增加。另外，本發(fā)明適用于薄的消耗電力的電子設(shè)備。


圖1是示出了根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施方式的燃料電池單元的總體構(gòu)造的截面圖。圖2是示出了根據(jù)比較例的燃料電池的構(gòu)造的示圖。圖3是用于說明圖1所示的燃料電池的特性的示圖。圖4是示出了具有圖1所示的燃料電池單元的電子設(shè)備的構(gòu)造的示圖。圖5是示出了圖1所示的燃料電池的修改例的示圖。圖6是示出了根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施方式的燃料電池單元的示意性構(gòu)造的截面 圖。
具體實(shí)施例方式以下將參考附圖詳細(xì)地描述本發(fā)明的實(shí)施方式。[第一實(shí)施方式]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施方式的燃料電池單元110的截面結(jié)構(gòu)。燃料電 池單元110是所謂的基于直接甲醇流的燃料電池(DMFFC)，在該燃料電池中，在外部構(gòu)件14 和24中，在兩個氧電極(正極)20A、20B之間設(shè)置有一個燃料電極(負(fù)極)10。也就是說， 氧電極20A和20B設(shè)置為在燃料電極10的兩個面上彼此相對。燃料電極10具有這樣的構(gòu)造，S卩，利用集電體11作為中心，在一個面?zhèn)壬隙询B擴(kuò) 散層12a和催化劑層13a，而在另一面?zhèn)壬隙询B擴(kuò)散層12b和催化劑層13b。氧電極20A具 有這樣的構(gòu)造，即，擴(kuò)散層22a和催化劑層23a按順序堆疊在集電體21a的與燃料電極10 相對的側(cè)上，并且氧電極20B具有這樣的構(gòu)造，即，擴(kuò)散層22b和催化劑層23b按順序堆疊 在集電體21b的與燃料電極10相對的側(cè)上。集電體11由例如具有導(dǎo)電性的多孔構(gòu)件或板狀構(gòu)件制成，具體地，鈦(Ti)網(wǎng)、鈦 板等。集電體21a和21b由例如鈦網(wǎng)制成。擴(kuò)散層12a、12b、22a和22b例如由碳布、碳紙或碳片制成。期望地，通過聚四氟乙 烯(PTFE)等對擴(kuò)散層12a、12b、22a和22b進(jìn)行防水處理。但是，并非必須設(shè)置擴(kuò)散層12a、 12b、22a和22b。催化劑層可以直接在集電體上形成。催化劑層13a、13b、23a和23b通過作為催化劑的例如鈀(Pd)、鉬(Pt)、銥(Ir)、 銠(Rh)、釕(Ru)等的金屬本身(單體)或合金，有機(jī)絡(luò)合物，酶等構(gòu)成。另外，除了催化劑 之外，催化劑層13a、13b、23a和23b還可以還包括質(zhì)子導(dǎo)體和粘結(jié)劑。質(zhì)子導(dǎo)體的實(shí)例包 括聚全氟烷基磺酸類的樹脂(DuPont生產(chǎn)的“Nafion”(注冊商標(biāo)))和具有質(zhì)子傳導(dǎo)性的 樹脂。加入粘結(jié)劑以保持催化劑層13a、13b、23a和23b的強(qiáng)度和柔性，并且例如是諸如聚 四氟乙烯(PTFE)、聚偏二氟乙烯(PVDF)等的樹脂。作為這樣的催化劑層13a、13b、23a和 23b，期望使用不會氧化在燃料/電解質(zhì)流路30中流動的燃料的選擇性催化劑，例如，靶，諸 如鈀鐵、鈀鈷、鈀鎳或鈀鉻的鈀合金(包括二元合金、三元合金、四元合金等)，或諸如RuSe 的釕合金。在燃料電極10與氧電極20A之間以及在燃料電極10與氧電極20B之間設(shè)置用于 使含有燃料和電解質(zhì)的流體(第一流體)F 1流動的燃料/電解質(zhì)流路30。另一方面，在氧 電極20A和20B的外側(cè)，設(shè)置用于供應(yīng)空氣或氧氣(第二流體)的空氣流路40。燃料/電解質(zhì)流路30例如通過加工樹脂片形成微細(xì)的流路來獲得，并將其粘附至 燃料電極10的兩側(cè)。通過為外部構(gòu)件14設(shè)置的燃料/電解質(zhì)入口 14A和燃料/電解質(zhì)出 口 14B來向燃料/電解質(zhì)流路30供應(yīng)含有燃料和電解質(zhì)的諸如甲醇硫酸混合物的流體F1。 流路的數(shù)量沒有限制。此外，流路的形狀可以是例如蛇形或平行形狀等，并且沒有限制。而 且，流路的寬度、重量和長度也均沒有限制，但是優(yōu)選較小。此外，流體F1可以以燃料與電 解質(zhì)混合的狀態(tài)流動，或者以燃料和電解液分離的狀態(tài)流動?？諝饪梢越?jīng)由為外部構(gòu)件24設(shè)置的空氣入口 24A和空氣出口 24B通過自然通風(fēng) 或者利用風(fēng)扇、泵、鼓風(fēng)機(jī)等強(qiáng)制供應(yīng)方法供應(yīng)至空氣流路40。外部構(gòu)件14和24中的每一個具有例如1mm的厚度，并且由諸如鈦(Ti)板的普遍 可得的材料制成。材料沒有限制。外部構(gòu)件14和24越薄，則越是優(yōu)選的。
例如，可以如下來制造上述的燃料電池單元110。首先，形成燃料電極10。作為催化劑，催化劑層13a和13b通過例如以預(yù)定 比率混合以預(yù)定比率含有鉬和釕的合金和聚全氟烷基磺酸類樹脂(由DuPont生產(chǎn)的 “Nafion”(注冊商標(biāo)))的分散溶液來形成。催化劑層13a和13b分別熱壓結(jié)合在由上述 材料制成的擴(kuò)散層12a和12b上。隨后，通過利用熱熔性粘合劑或粘合樹脂片將擴(kuò)散層12a 和催化劑層13a熱壓結(jié)合在由上述材料制成的集電體11的一個面上，并且將擴(kuò)散層12b和 催化劑層13b熱壓結(jié)合在集電體的另一個面上。以這樣的方式，形成了燃料電極10?？蛇x 地，在沒有形成擴(kuò)散層12a和12b的情況下，催化劑層13a和13b可以如上所述直接形成在 集電體11的兩側(cè)上。另一方面，形成了氧電極20A和20B。首先，作為催化劑，通以預(yù)定比率混合載有鉬 的碳和聚全氟烷基磺酸類樹脂(由DuPont生產(chǎn)的“Nafion”(注冊商標(biāo)))的分散溶液以形 成催化劑層23a和23b。分別將催化劑層23a和23b熱壓結(jié)合在由上述材料制成的擴(kuò)散層 22a和22b上。隨后，通過利用熱熔性粘合劑或粘合樹脂片將擴(kuò)散層22a和催化劑層23a熱 壓結(jié)合在由上述材料制成的集電體21a上，并且將擴(kuò)散層22b和催化劑層23b熱壓結(jié)合在 集電體21b上。以這樣的方式，形成了氧電極20A和20B。另一方面，制備了粘合樹脂片。通過在樹脂片中形成流路，形成了燃料/電解質(zhì)流 路30。由上述材料制成的外部構(gòu)件14設(shè)置有例如通過樹脂接頭制成的燃料/電解質(zhì)入口 14A和燃料/電解質(zhì)出口 14B。外部構(gòu)件24設(shè)置有例如由樹脂接頭制成的空氣入口 24A和 空氣出口 24B。隨后，將燃料/電解質(zhì)流路30熱壓結(jié)合至燃料電極10的兩側(cè)。最后，將兩個氧電極20A和20B結(jié)合至熱壓結(jié)合的燃料/電解質(zhì)流路30的兩面， 使得夾住它們，并且容納在外部構(gòu)件14和24中。以這樣的方式，完成了圖1所示的燃料電 池單元110。接著，將對燃料電池單元110的作用和效果進(jìn)行描述。在燃料電池單元110中，當(dāng)燃料和電解質(zhì)通過燃料/電解質(zhì)流路30供應(yīng)至燃料電 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移動至氧電極20A和 20B，并且與電子和氧反應(yīng)以生成水。發(fā)生在燃料電極10、氧電極20以及整個燃料電池單元 110中的反應(yīng)通過化學(xué)式2表示。作為燃料的甲醇的一部分化學(xué)能被轉(zhuǎn)化成電能并被作為 功率而輸出。在燃料電極10中生成的二氧化碳和在氧電極20A和20B中生成的水流出至 燃料/電解質(zhì)流路30并被排出。(化學(xué)式2)燃料電極10 :CH30H+H20 — C02+6e>6H+氧電極20 (3/2) 02+6e>6H+ — 3H20整個燃料電池單元110 :CH30H+(3/2)02 — C02+2H20特別地，將氧電極20A和20B設(shè)置在燃料電極10的兩面以使得它們彼此相對，并 且將燃料和電解質(zhì)供應(yīng)至燃料電極10的兩個面，從而在不增加燃料電極10厚度的情況下 增大了反應(yīng)面積。通過電連接兩個氧電極20A和20B，燃料電池單元110的輸出變得幾乎與 連接兩個均由一個燃料電極和一個氧電極的組合獲得的燃料電池(單位電池)的情況下的 輸出相等。
圖2示出了通過將一個燃料電極211和一個氧電極212容納在外部構(gòu)件201和 210中獲得的燃料電池200的截面結(jié)構(gòu)。燃料電極211通過將擴(kuò)散層204和催化劑層205 堆疊在集電體203上來獲得，而氧電極212通過將擴(kuò)散層208和催化劑層207堆疊在集電 體209上來獲得。設(shè)置催化劑層205和207使得彼此相對。在燃料電極211與氧電極212 之間設(shè)置用于使電解液流過的電解液流路206，并且在燃料電極211與外部構(gòu)件201之間設(shè) 置用于供應(yīng)燃料的燃料流路202。外部構(gòu)件201具有燃料入口 201A和燃料出口 201B，而外 部構(gòu)件210具有電解液入口 210A和電解液出口 210B。圖3(A)示出了該實(shí)施方式的這樣的 燃料電池200和燃料電池單元1的電流_電壓特性，并且圖3 (B)示出了電流-功率特性。如圖3(A)和圖3(B)所示，與設(shè)置一個燃料電極和一個氧電極以彼此相對的燃料 電池200相比，該實(shí)施方式的燃料電池單元110的電壓-電流特性和功率_電流特性均得 以提高。特別地，可以理解，隨著電流增加，它們之間的差增大，并且燃料電池單元110實(shí)現(xiàn) 為燃料電池200的兩倍以上的電壓和功率。此外，電壓和功率變成兩倍以上的原因被認(rèn)為 是通過堆疊在燃料電池單元110中充滿了熱，溫度升高，并且促進(jìn)了催化反應(yīng)。如上所述，在該實(shí)施方式的燃料電池單元110中，氧電極20A和20B被設(shè)置在燃料 電極10的兩側(cè)，使得燃料電極10的反應(yīng)面積增大。通過相對于兩個氧電極設(shè)置一個燃料 電極的結(jié)構(gòu)，可以獲得幾乎等于兩個燃料電池的功率。因此，在堆疊多個燃料電池時，厚度 的增加得到抑制。而且，利用燃料/電解質(zhì)流路30，燃料和電解質(zhì)在同一個流路中流動，并且燃料和 電解質(zhì)由一個流路供應(yīng)。與燃料和電解質(zhì)在不同流路中流動的情況相比，該結(jié)構(gòu)更簡單，并 且更容易實(shí)現(xiàn)厚度的減小。而且，通過供應(yīng)燃料和電解質(zhì)作為流體，電解質(zhì)膜變得不必要。 因此，發(fā)電不受溫度和濕度的影響。與利用電解質(zhì)膜的情況相比，離子傳導(dǎo)性(質(zhì)子傳導(dǎo) 性)變得更高。不存在由于電解質(zhì)膜的干燥而導(dǎo)致的電解質(zhì)膜劣化和質(zhì)子傳導(dǎo)性降低的可 能性，使得在氧電極中的溢流、水分管理等問題得以解決。(應(yīng)用實(shí)例)接著，將對本發(fā)明的燃料電池單元的應(yīng)用實(shí)例進(jìn)行描述。圖4示出了使用燃料電池單元110的電子設(shè)備的示意性構(gòu)造。該電子設(shè)備例如是 諸如移動電話或PDA (個人數(shù)字助理)的移動設(shè)備或者諸如筆記本型PC (個人計(jì)算機(jī))的電 子設(shè)備，并且具有燃料電池系統(tǒng)1和由燃料電池系統(tǒng)1產(chǎn)生的電能所驅(qū)動的外部電路(負(fù) 載)2。燃料電池系統(tǒng)1例如具有燃料電池單元110、用于測量燃料電池單元110的工作條 件的測量單元120、以及基于測量單元120的測量結(jié)果來確定燃料電池單元110的工作條 件的控制單元130。燃料電池系統(tǒng)1也具有燃料/電解質(zhì)供應(yīng)單元140，用于將含有燃料和 電解質(zhì)的流體F1供應(yīng)至燃料電池單元110 ；以及燃料供應(yīng)單元150，用于僅將諸如甲醇的燃 料F2供應(yīng)至燃料/電解質(zhì)存儲單元141。燃料電池單元110中的燃料/電解質(zhì)流路30通 過為外部構(gòu)件24所設(shè)置的燃料/電解質(zhì)入口 24A和燃料/電解質(zhì)出口 24B而連接至燃料 /電解質(zhì)供應(yīng)單元140，并且流體F1從燃料/電解質(zhì)供應(yīng)單元140供應(yīng)。測量單元120測量燃料電池單元110的工作電壓和工作電流，并且具有例如用于 測量燃料電池單元110的工作電壓的電壓測量電路121、用于測量工作電流的電流測量電 路122、以及用于將所獲得的測量結(jié)果發(fā)送至控制單元130的通信線路123。
控制單元130基于測量單元120的測量結(jié)果控制作為燃料電池單元110的工作條 件的燃料/電解質(zhì)供應(yīng)參數(shù)和燃料供應(yīng)參數(shù)，并且例如具有計(jì)算單元131、存儲(存儲器) 單元132、通信單元133以及通信線路134。燃料/電解質(zhì)供應(yīng)參數(shù)包括例如含有燃料和電 解質(zhì)的流體F1的供應(yīng)流速。燃料供應(yīng)參數(shù)可以包括例如燃料F2的供應(yīng)流速和供應(yīng)量，并 且如果需要，可以包括供應(yīng)濃度?？刂茊卧?30例如通過微型計(jì)算機(jī)構(gòu)成。計(jì)算單元131根據(jù)由測量單元120獲得的測量結(jié)果計(jì)算燃料電池單元110的輸 出，并且設(shè)置燃料/電解質(zhì)供應(yīng)參數(shù)和燃料供應(yīng)參數(shù)。具體地，計(jì)算單元131以預(yù)定的間隔 根據(jù)輸入至存儲單元132的各種測量結(jié)果對負(fù)極電位、正極電位、輸出電壓和輸出電流進(jìn) 行平均，以計(jì)算平均負(fù)極電位、平均正極電位、平均輸出電壓和平均輸出電流，將它們供應(yīng) 至存儲單元132，將存儲在存儲單元132中的各種平均值彼此進(jìn)行比較，然后確定燃料/電 解質(zhì)供應(yīng)參數(shù)和燃料供應(yīng)參數(shù)。存儲單元132存儲從測量單元120發(fā)送的各種測量值、通過計(jì)算單元131計(jì)算的 各種平均值等。通信單元133具有通過通信線路123接收來自測量單元120的測量結(jié)果并將結(jié)果 輸入至存儲單元132的功能，以及通過通信線路134將用于設(shè)置燃料/電解質(zhì)供應(yīng)參數(shù)和 燃料供應(yīng)參數(shù)的信號輸出至燃料/電解質(zhì)供應(yīng)單元140和燃料供應(yīng)單元150的功能。燃料/電解質(zhì)供給單元140具有燃料/電解質(zhì)存儲單元141、燃料/電解質(zhì)供給調(diào) 節(jié)單元142以及燃料/電解質(zhì)供給線路143。燃料/電解質(zhì)存儲單元141存儲流體F1，并 且例如是罐或筒。燃料/電解質(zhì)供給調(diào)節(jié)單元142調(diào)節(jié)流體F1的供應(yīng)流速。燃料/電解 質(zhì)供給調(diào)節(jié)單元142沒有限制，只要其由來自控制單元130的信號驅(qū)動即可，并且優(yōu)選地， 是由馬達(dá)或壓電設(shè)備驅(qū)動的閥門或電子泵。燃料供給單元150具有燃料存儲單元151、燃料供應(yīng)調(diào)節(jié)單元152和燃料供應(yīng)線 路153。燃料存儲單元151僅存儲諸如甲醇的燃料F2，并且例如是罐或筒。燃料供應(yīng)調(diào)節(jié) 單元152調(diào)節(jié)燃料F2的供應(yīng)流速和供應(yīng)量。燃料供應(yīng)調(diào)節(jié)單元152沒有限制，只要其由來 自控制單元130的信號驅(qū)動即可，并且優(yōu)選是由馬達(dá)或壓電設(shè)備驅(qū)動的閥門或電子泵。燃 料供應(yīng)單元150可以具有用于調(diào)節(jié)燃料F2的供應(yīng)濃度的濃度調(diào)節(jié)單元(未示出)。在使用 純甲醇(99.9%)作為燃料F2的情況下，可以不設(shè)置濃度調(diào)節(jié)單元，使得可實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的小 型化。另外，可以如下來制造燃料電池系統(tǒng)1。例如，將燃料電池單元110并入具有測量 單元120、控制單元130、燃料/電解質(zhì)供給單元140和燃料供給單元150的系統(tǒng)中，其中每 個單元均具有上述結(jié)構(gòu)。燃料/電解質(zhì)入口 14A和燃料/電解質(zhì)出口 14B以及燃料/電解 質(zhì)供給單元150通過由例如硅樹脂管制成的燃料供給線路153連接。燃料/電解質(zhì)入口 14A和燃料/電解質(zhì)出口 14B以及燃料/電解質(zhì)供給單元140通過由例如硅樹脂管制成的 燃料/電解質(zhì)供給線路143連接。以這樣的方式，完成了圖4所示的燃料電池系統(tǒng)1。在這樣的燃料電池系統(tǒng)1中，當(dāng)含有燃料和電解質(zhì)的流體F1通過如上所述的燃料 /電解質(zhì)供應(yīng)單元140供應(yīng)至燃料電池單元110時，電力被從燃料電池單元110中提取出并 且驅(qū)動外部電路2。在燃料電池單元110工作過程中，燃料電池單元110的工作電壓和工作電流通過 測量單元120來測量?；跍y量結(jié)果，燃料/電解液供應(yīng)參數(shù)和燃料供應(yīng)參數(shù)通過控制單元130控制為燃料電池單元110的工作條件。頻繁重復(fù)由測量單元120進(jìn)行的測量和通過 控制單元130進(jìn)行的參數(shù)控制，并且最優(yōu)化流體F1和燃料F2的供應(yīng)狀態(tài)，使得遵循燃料電 池單元110的特性變動。這里，通過包括燃料電池單元110，燃料電池系統(tǒng)1通過靈活、簡單的構(gòu)造實(shí)現(xiàn)了 高輸出，其中，移動設(shè)備或者甚至一個較大的設(shè)備可以并入該構(gòu)造中。因此，特別地，燃料電 池系統(tǒng)1可以適用于薄的、消耗電力的、多功能的、高性能的電子設(shè)備。(修改例)接著，將描述本發(fā)明的燃料電池單元的修改例。圖5示出了作為燃料電池單元110的修改例的燃料電池單元111的截面結(jié)構(gòu)。燃 料電池單元111也具有與燃料電池110相同的構(gòu)造，只是在兩個氧電極20A和20B的面向 燃料電極的側(cè)上設(shè)置了功能層51a和51b。因此，用相同的參考標(biāo)號表示相同的組件，并且 將不再重復(fù)其描述。功能層51a和51b具有防止過電壓(過電壓抑制層)的功能以及抑制在氧電極20A 和20B中溢流(溢流抑制層)的功能，其中過電壓由于當(dāng)維持在含有燃料和電解質(zhì)的流體 F1與催化劑層23a和23b之間的離子通路時燃料的滲透而發(fā)生在氧電極20A和20B之間。 另外，功能層51a和51b也用作抑制劣化(諸如由于催化劑層23a和23b與流體F1之間的 直接接觸引起的氧電極20A和20B中的裂紋或孔)的劣化防止層。功能層51a和51b由例如多孔材料制成。通過多孔材料中的小孔，可以確保在流 體F1與催化劑層23a和23b之間的離子通路。多孔材料的具體實(shí)例包括金屬、碳、諸如聚酰 亞胺的樹脂以及陶瓷。功能層51a和51b可以是由這些材料中的多種材料制成的混合層。 樹脂可以是斥水性樹脂或親水性樹脂。功能層51a和51b的厚度為例如約1 y m至100 y m。 越薄越好。而且，功能層51a和51b中小孔的直徑優(yōu)選是納米級至微米級，但是沒有限制。功能層51a和51b可以由諸如質(zhì)子導(dǎo)體的離子導(dǎo)體制成。質(zhì)子導(dǎo)體的實(shí)例包括聚 全氟烷基磺酸類樹脂(由DuPont生產(chǎn)的“Nafion” (注冊商標(biāo)))、聚苯乙烯磺酸酯、富勒烯 類導(dǎo)體、固體酸以及具有質(zhì)子傳導(dǎo)性的樹脂。期望的是，在催化劑層23a和23b的非熱壓結(jié)合至擴(kuò)散層22a和22b的表面上，通 過例如使用棒涂覆來形成功能層51a和51b，因?yàn)樗鼈兛梢砸灶A(yù)定的厚度進(jìn)行涂覆。但是， 形成功能層51a和51b的方法并不限于棒涂覆?？梢允褂闷渌扛卜椒?，如凹版涂覆、輥涂、 旋涂、浸涂、刮棒涂覆、緘錠涂覆、刮刀涂覆、簾式涂布或噴涂。也可以將含有功能層51a和 51b材料的涂覆液體涂覆在另一個構(gòu)件上，將其干燥以形成多孔膜，然后將多孔膜轉(zhuǎn)移到催 化劑層23a和23b上。而且，由上述材料制成的功能層51a和51b可以熱壓結(jié)合至催化劑 層 23a 和 23b。如上面描述的，功能層51a和51b可以設(shè)置在氧電極20A和20B的催化劑層23a 和23b上。利用該構(gòu)造，可以獲得與燃料電池單元110相同的效果，并且可以使對于氧電極 20A和20B的燃料滲透和溢流狀態(tài)減輕或失效。[第二實(shí)施方式]圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施方式的燃料電池堆疊體112的截面結(jié)構(gòu)。用相 同的參考標(biāo)號指代與那些根據(jù)第一實(shí)施方式的燃料電池單元110相同的組件，并且將不再 重復(fù)它們的描述。
燃料電池堆疊體112具有這樣的結(jié)構(gòu)，即，燃料電池單元112A和112B沿縱向方向 堆疊在外部構(gòu)件14和24中。每個燃料電池單元112A和112B具有兩個氧電極20A和20B， 并且其間夾有燃料電極10。在每個燃料電極10的兩個面上，設(shè)置有燃料/電解質(zhì)流路30。 另外，每個燃料電池單元以及燃料電池單元之間的燃料/電解質(zhì)流路30和空氣流路40可 以串聯(lián)和/或并聯(lián)連接，并且可以是它們的組合。在燃料電池單元112A和112B中，空氣流路40設(shè)置在每個氧電極20A和20B的與 燃料電極10相反的側(cè)上。但是，在燃料電池單元112A和112B的結(jié)合部分中設(shè)置共用的空 氣流路41。也就是說，在燃料電池單元112A中的氧電極20B與燃料電池單元112B中的氧 電極20A之間的空氣流路是燃料電池單元112A和112B共用的流路。如上所述，多個燃料電池單元堆疊在一起，在每個燃料電池單元中，作為一個單 位，對于一個燃料電極10設(shè)置兩個氧電極。以這樣的方式，在抑制由于堆疊引起厚度增加 的同時，可以實(shí)現(xiàn)更高的輸出。而且，此時，通過在通過堆疊而相鄰的燃料電池單元112A和 112B之間設(shè)置共用的空氣流路41以共享空氣流路的一部分，對于厚度的減小變得有利。雖然上面已經(jīng)通過實(shí)施方式描述了本發(fā)明，但是本發(fā)明并不限于上述實(shí)施方式， 而是可以進(jìn)行各種修改。例如，在實(shí)施方式中，上面已經(jīng)具體地描述了燃料電極10、氧電極 20A和20B、燃料/電解質(zhì)流路30和空氣流路40的構(gòu)造。然而，可以采用其他結(jié)構(gòu)或其他 材料。例如，燃料/電解質(zhì)流路30并不限于通過加工如在上述實(shí)施方式中描述的樹脂片而 形成的流路，而是可以通過多孔片等來構(gòu)成。而且，雖然作為在上述實(shí)施方式中的一個實(shí)例，已經(jīng)描述了經(jīng)由燃料/電解質(zhì)流 路30將通過混合燃料和電解質(zhì)獲得的流體供應(yīng)至燃料電極10的兩面的情況，但是本發(fā)明 并不限于該情況。例如，用于使燃料流過的燃料供應(yīng)流路可以設(shè)置在燃料電極10側(cè)上，并 且用于使電解液流過的電解液流路可以設(shè)置在氧電極20A和20B上?；蛘?，在這種情況下， 在氧電極20A和20B側(cè)上，可以不設(shè)置用于使電解液流過的流路，而設(shè)置具有離子傳導(dǎo)性的 電解質(zhì)膜。而且，通過構(gòu)成在具有離子傳導(dǎo)性的材料的第一實(shí)施方式的修改例中所描述的 功能層51a和51b，功能層51a和51b可以用作電解質(zhì)膜。但是，如在前面實(shí)施方式中描述 的，在燃料和電解質(zhì)在同一流路中流動的情況下，厚度的增加可以被更有效地抑制。此外，在前面實(shí)施方式中描述的含有燃料和電解質(zhì)的流體F1沒有限制，只要其具 有質(zhì)子(H+)傳導(dǎo)性并且例如可以是除了硫酸之外的磷酸和離子性液體。而且，在第二實(shí)施 方式中描述的燃料F2并不限于甲醇，而是可以是其他醇，諸如乙醇或二甲醚或糖燃料。而且，雖然在前述實(shí)施方式中已經(jīng)描述了將空氣供應(yīng)至氧電極20A和20B的情況， 但是也可以供應(yīng)氧氣或含有氧氣的氣體以代替空氣。而且，雖然在第二實(shí)施方式中已經(jīng)描述了沿縱向方向堆疊燃料電池單元112A和 112B的情況，但是本發(fā)明也可以應(yīng)用于通過沿橫向方向(堆疊層面內(nèi)方向)堆疊多個燃料 電池單元來構(gòu)成燃料電池堆疊體的情況。另外，雖然作為實(shí)例已經(jīng)描述了堆疊兩個燃料電 池單元的構(gòu)造，但是堆疊的單元數(shù)可以是三個以上。而且，雖然在第一實(shí)施方式中已經(jīng)描述了用于電子設(shè)備中的燃料電池系統(tǒng)1具有 燃料電池單元110的構(gòu)造，但是燃料電池系統(tǒng)1可以具有在第二實(shí)施方式中描述的燃料電 池堆疊體112。利用該構(gòu)造，輸出會變得更高，并且燃料電池系統(tǒng)1可以適用于功率消耗高 的電子設(shè)備。
另外，本發(fā)明并不限于在前述實(shí)施方式中描述的組件的材料和厚度以及燃料電池 單元110的工作條件，而其他材料、其他厚度和其他工作條件也是可以的。此外，雖然作為在前述實(shí)施方式中的燃料的實(shí)例已經(jīng)描述了直接甲醇燃料電池， 但是本發(fā)明并不限于直接甲醇燃料電池，并且可以應(yīng)用于使用除了諸如氫的液體燃料以外 的其他物質(zhì)作為燃料的燃料電池，諸如聚合物電解質(zhì)燃料電池(PEFC)、堿性燃料電池以及 使用諸如葡萄糖的糖燃料的酶電池。
權(quán)利要求
一種燃料電池單元，包括燃料電極，具有相對的兩個面；第一氧電極和第二氧電極，設(shè)置為分別面向所述燃料電極的兩個面；以及電解質(zhì)層，設(shè)置在所述燃料電極與所述第一氧電極和所述第二氧電極中的每一個之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池單元，其中，用于使含有燃料的第一流體流過的流 路設(shè)置在所述第一氧電極和所述第二氧電極中的每一個的所述燃料電極側(cè)的一側(cè)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃料電池單元，其中，所述第一流體包含燃料和電解質(zhì)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池單元，其中，用于使含有氧的第二流體流過的流路 設(shè)置在所述第一氧電極和所述第二氧電極中的每一個的與所述燃料電極相反的一側(cè)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池單元，其中，功能層設(shè)置在所述第一氧電極和所述 第二氧電極中的每一個的所述燃料電極側(cè)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的燃料電池單元，其中，所述功能層由多孔材料制成。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的燃料電池單元，其中，所述功能層是由離子導(dǎo)體制成。
8.一種燃料電池堆疊體，通過堆疊多個燃料電池單元而獲得， 其中，每個燃料電池單元包括燃料電極，具有相對的兩個面；第一氧電極和第二氧電極，設(shè)置為分別面向所述燃料電極的兩個面；以及電解質(zhì)層，設(shè)置在所述燃料電極與所述第一氧電極和所述第二氧電極中的每一個之間。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的燃料電池堆疊體，其中，每個所述燃料電池單元包括第一流路，用于使含有燃料的第一流體流動，位于所述第一氧電極和所述第二氧電極 中的每一個的所述燃料電極側(cè)；以及第二流路，用于使含有氧的第二流體流動，位于所述第一氧電極和所述第二氧電極中 的每一個的與所述燃料電極相反的一側(cè)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的燃料電池堆疊體，其中，一個燃料電池單元的所述第一氧電 極或所述第二氧電極和另一燃料電池單元的所述第一氧電極或所述第二氧電極被連接成 彼此面對，并且在連接部分中，所述第二流路被所述一個燃料電池單元和所述另一燃料電 池單元所共用。
11.一種電子設(shè)備，在所述電子設(shè)備上安裝有燃料電池單元，其中，所述燃料電池單元 包括燃料電極，具有相對的兩個面；第一氧電極和第二氧電極，設(shè)置為分別面向所述燃料電極的兩個面；以及電解質(zhì)層，設(shè)置在所述燃料電極與所述第一氧電極和所述第二氧電極中的每一個之間。
全文摘要
本發(fā)明提供了燃料電池單元、燃料電池堆疊體以及電子設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)在堆疊多個燃料電池的情況下厚度增加的抑制。在燃料電池單元(110)中，氧電極(20A)和(20B)設(shè)置在燃料電極(10)的兩面?zhèn)?。燃料電極(10)在集電體(11)的兩側(cè)上具有擴(kuò)散層(12)和催化劑層(13)，并且氧電極(20A)和(20B)中的每一個在與集電體(21)的燃料電極(10)相反的面上具有擴(kuò)散層(22)和催化劑層(23)。在燃料電極(10)與氧電極(20A)和(20B)中的每一個之間設(shè)置用于使含有燃料和電解質(zhì)的流體流動的燃料/電解質(zhì)流路(30)。燃料和電解質(zhì)供應(yīng)至一個燃料電極(10)的兩個面，使得在燃料電極(10)與氧電極(20A)和(20B)中的每一個之間發(fā)生反應(yīng)并獲得電力。
文檔編號H01M8/08GK101978539SQ200980109349
公開日2011年2月16日 申請日期2009年3月19日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月24日
發(fā)明者上坂進(jìn)一, 槙田健吾 申請人:索尼公司