燃料電池用單電池及含有該單電池的燃料電池的製作方法
2023-06-02 22:58:56
專利名稱：燃料電池用單電池及含有該單電池的燃料電池的製作方法
技術領域：
本發明涉及燃料單電池及含有該單電池作為組件的燃料電池。特別是，本發明涉及膜電極組件的固定構造，包括固體聚合物型燃料電池、集電器構造及單電池之間的互連結構。
現有技術燃料電池是一種發電器，其中利用水電解的逆反應，氫和氧反應產生電流。由於其顯示出比常規發電器更高的效率，而且在發電過程中的產物是水，燃料電池已經以不同的方式進行了技術上的研究，並在實際中應用，期望實現節約能源和環境保護的目的和效果。
燃料電池的基本結構包括傳送氫離子的電解質薄膜、置於電解質薄膜側面的燃料和氧電極、收集來自電極電能的集電器、隔開進入電極的燃料和氧(空氣)進料管線的隔板及電互連的單電池。
燃料電池根據電解質的類型可分為如下一些類型例如熔融碳酸鹽、固體氧化物、磷酸鹽、固體聚合物型。決定這些燃料電池應用的其中之一的性質是操作溫度。特別是，固體聚合物型電池引起了人們的注意，因為其操作溫度可低到約80℃，已經預期可用於機動車設備中。
圖8是顯示固體聚合物型燃料電池的視圖。在圖8中，1表示固體聚合物型電解質薄膜、2表示電極，及這些電極2被這樣組裝以使固體聚合物型電解質薄膜1夾心於這些電極之間以得到薄膜電極組件(以下稱「MEA」)3。每一個電極2是一種催化劑和擴散層的層壓材料。將燃料(氫)加入到一種電極中，將氧加入到另一個電極中，使發生化學反應以發電。
在圖8中，9表示隔板，其中在鄰近MEA的整個表面上形成槽道10。這些隔板9從兩面夾心MEA，得到的組件通過施加壓力進行固定。這些隔板也用於將反應物(燃料和氧)加入到電極表面、使排出產物及收集電流。隔板例如由石墨或不鏽鋼製造因為其必須是導電的。
用於與MEA表面接觸的隔板中的凸面11用於給MEA加壓並進行均一的壓制，其形狀與槽道10的形狀一起被進行了廣泛的研究。
如果在MEA和隔板之間的截面存在這樣的區域，施加到MEA過多的壓力施加到其上，其可阻止反應物進入該區域或要排出產物的擴散。因此，壓制含有隔板的MEA應儘可能的均一。但是，當為實現均一壓制而使隔板結構變得更加複雜時，其可能導致製造成本增加。因此，需要提供一種構造，其中可以實現均一的壓制而不使隔板構造複雜化。
日本未審專利出版2002-343376(專利參考1)已經公開了一種用於燃料電池的隔板，其具有這樣的構造，其中含有狹縫的金屬板與平面金屬板連接。在平面板中形成狹縫比形成槽道更容易，製造槽口以應付熱應力。這樣的結構不能充分解決上述的問題。
同時，取決於需要的輸出，通常多個上述的單電池互連形成堆積結構。
圖20顯示出層壓的堆積結構。在該圖中，101中表示隔板，102表示薄膜電極組件(MEA)和103表示通道槽道。層壓堆積結構中使用的隔板包括用於將燃料送入在一側的一個鄰近單元中的進料槽道，和將氧送入在另一側的另外相鄰單元中的氧進料槽道。
這樣的堆積結構需要每一對單電池之間的隔板，導致電池尺寸變大，因此使尺寸減少和重量減輕變得困難。
另外，已經建議了一種用於設備例如蜂窩行動電話和筆記本電腦的平面堆積結構，其中在平坦平面內布置的MEA連接在一起。這樣的平面結構特別有希望用於需要儘可能薄結構，但不需要非常高電動勢的場合。
圖18顯示出常規的平面堆積結構。在圖中，102表示MEA，113表示不鏽鋼板電極，114表示壓力板，115表示螺絲釘，116表示支承板及117表示絕緣箱。如圖示意，階梯式的不鏽鋼板電極113的半面通過MEA102片另外層壓，相鄰的MEA串聯連接。不鏽鋼板電極和其中的MEA置於絕緣箱107上的支撐板上。它們通過其上的壓力板114利用螺絲釘115固定。每一個不鏽鋼板電極113、壓力板114和支撐板116具有穿孔，通過該穿孔反應物被(燃料、氧)加入到MEA表面。
平面堆積結構的重要的因素包括收集來自MEA電流的電流收集電極的形狀、反應物(燃料、氧)的加入、產物(水、二氧化碳)的排出、電接觸中的電阻和防止由於未充分固定導致的缺陷電連接。
常規的平面堆積結構已經公開於例如日本未審查專利出版2002-56855(專利參考2)、2003-173813(專利參考3)和2003-203647(專利參考4)。
對於常規的平面堆積結構，必要的是要通過使用固定組件例如壓力板和螺絲釘夾緊減少MEA和電流收集電極之間的接觸電阻。因此，這樣的固定組件引起了體積和重量的增加，其將對尺寸或重量的減少施加了限制。在通過線路板技術互連的單電池應用場合中，更高的放電電流可導致由於窄連接產生的更高的電阻，導致電池的性能不令人滿意。
發明內容
本發明目的是提供一種具有簡單結構的用於燃料電池的單電池，在所述的結構中MEA通過均一的夾緊進行固定，這樣可實現平穩的反應物加入和產物的排出以顯示出具有低成本的良好電池性能，及含有其的燃料電池。
本發明的另外一個目的是提供具有平面堆積結構的燃料電池，可以容易地減少尺寸和重量，顯示出良好的電池性能。
本發明包括在項目(1)～(24)中描述的如下方面(1)一種燃料電池用單電池，包括薄膜電極組件，包括電解質薄膜和在其側面一對夾心電解質薄膜的電極；與薄膜電極組件側面強力接觸的導線；及固定導線的框架支撐體。
(2)如項目(1)所述的燃料電池的單電池，其中與薄膜電極組件一個側面和另一側面強力接觸的導線被固定在相同的支撐體上。
(3)如項目(1)或(2)所述的燃料電池的單電池，其中導線作為集電器。
(4)一種燃料電池的單電池，包括薄膜電極組件，包括電解質薄膜和在其側面一對夾心電解質薄膜的電極；框架支撐體；多次交叉框架內區域的第一導線，其被固定於支撐體一個側面內的框架支撐體上；及越過第一導線及多次交叉框架內區域的第二導線，其被固定於其中布置第一導線一側內的框架支撐體上；其中薄膜電極組件的一面與第一導線夾緊同時另外的面與第二導線夾緊，這樣薄膜電極組件可被固定於第一和第二導線之間。
(5)如項目(4)所述的燃料電池的單電池，其中這樣布置薄膜電極組件以使電極薄膜的整個外圍置於支撐體上。
(6)一種燃料電池的單電池，包括薄膜電極組件，包括電解質薄膜和在其側面一對夾心電解質薄膜的電極；第一和第二框架支撐體；多次交叉框架內區域的第一導線，其被固定於框架支撐體一個側面內的第一框架支撐體上；及多次交叉框架內區域的第二導線，其被固定於框架支撐體一側內的第二框架支撐體上；其中薄膜電極組件被置於第一和第二導線之間；及第一和第二框架支撐體這樣被固定，以使其彼此相對，這樣薄膜電極組件的一面與第一導線夾緊同時另外的面與第二導線夾緊。
(7)如項目(1)～(6)任一項所述的燃料電池的單電池，其中導線由金屬製造。
(8)如項目(7)所述的燃料電池的單電池，其中導線是鍍金的。
(9)如項目(1)～(8)任一項所述的燃料電池的單電池，進一步包括用於將燃料或含氧氣體加入到電極中的反應物容器。
(10)如項目(9)所述的燃料電池的單電池，其中將燃料或含氧氣體加入到電極中的反應物容器置於框架支撐體的每一個側面上。
(11)如項目(1)～(10)任一項所述的燃料電池的單電池，其中電解質薄膜是固體聚合物型電解質薄膜。
(12)一種燃料電池，含有作為組件的如項目(1)～(11)任一項所述的燃料電池的單電池。
(13)一種燃料電池，包括多個單電池，所述的單電池包括作為單元薄膜電極組件的電解質薄膜和在其側面一對夾心電解質薄膜的電極；與每一個單電池中一對電極的每一個強力接觸的導線；及固定導線的框架支撐體；其中這樣布置多個單電池以使薄膜電極組件布置於相同的平面內；及在單個單電池中的薄膜電極組件通過利用夾心每一個組件用於電互連單電池的導線進行固定。
(14)如項目(13)所述的燃料電池，其中導線作為集電器。
(15)如項目(13)或(14)所述的燃料電池，其中多個單電池串聯電互連；及通過兩個單電池共同的導線電互連相鄰的兩個單電池，所述的導線與電極在一個單電池的前面強力接觸，及與另外電池後面的電極強力接觸。
(16)如項目(15)所述的燃料電池，其中這樣布置多個單電池，以使兩條線在第一方向；在第一方向上相鄰的兩個單電池交替互連，第二方向垂直於第一方向；連接這些兩個單電池的導線的兩端被固定於支撐體上。
(17)如項目(13)～(16)任一項所述的燃料電池，其中多個單電池具有單一的電極薄膜。
(18)如項目(17)所述的燃料電池，包括在兩個相鄰單電池之間電解質薄膜內區域上的強化組件；其中連接這些兩個相鄰單電池的導線穿過強化組件。
(19)如項目(13)～(18)任一項所述的燃料電池，其中支撐體具有框架形狀。
(20)如項目(13)～(19)任一項所述的燃料電池，包括將燃料或含氧氣體的加入電極中的反應物容器，其中反應物容器中儲藏空間由所有的多個單電池共用。
(21)如項目(13)～(20)任一項所述的燃料電池，其中導線由金屬製造。
(22)如項目(13)～(20)任一項所述的燃料電池，其中導線是金屬纖維線材。
(23)如項目(21)或(22)所述的燃料電池，其中導線是鍍金的。
(24)如項目(13)～(23)任一項所述的燃料電池，其中電解質薄膜是固體聚合物型電解質薄膜。
在本發明的一個燃料電池的單電池中，MEA通過用導線夾緊進行固定。該導線對應於常規隔板中的凸面，但不與含有MEA的表面接觸，這樣用於壓制MEA的區域不會過分增加。另外，MEA中的夾緊區域可以均一地被壓制。這可能導致平穩而且高效的將反應物加入電極中，及將電極的產物排出。因此，可提供一種具有良好性能的燃料電池的單電池，及含有該單電池改進的燃料電池。
根據本發明，可以除去需要複雜壓制的常規的隔板，導致製造成本的減少。而且，由於導線可作為集電器，沒有必要使用另外的組件作為集電器，導致緊湊的電池構造。導線可由金屬製造以保證高的強度並有利於電鍍工藝。因此，其表面積可經抗腐蝕電鍍處理這樣例如鍍金以改進耐腐蝕性能。
根據本發明，MEA可通過用導線夾緊而固定，導線可用於強化單電池，使平面堆積結構更緊湊和輕便，因此導致燃料電池的能量密度的提高。
附圖簡述圖1說明本發明的燃料電池的單電池。
圖2是顯示將導線構造固定到支撐體上的立體投影圖。
圖3是顯示本發明的燃料電池的單電池的實施例構造的視圖。
圖4是顯示本發明的燃料電池的單電池的另外實施例構造的視圖。
圖5總結實施例1～5和對比實施例放電性能的曲線。
圖6在實施例1和2中以25mA/cm2放電期間電壓對時間的變化曲線。
圖7對比實施例中使用的隔板的視圖。
圖8是顯示常規固體聚合物型燃料電池的構造的視圖。
圖9是顯示本發明燃料電池結構的視圖。
圖10是本發明燃料電池中使用的薄膜電極組件(MEA)的平面圖。
圖11是本發明燃料電池中使用的強化板的部分平面圖。
圖12是顯示本發明燃料電池結構的橫截面圖。
圖13是顯示本發明燃料電池結構放大的局部橫截面圖。
圖14是靠近固定到本發明電池結構中支撐體導線部分區域的放大的局部橫截面圖。
圖15是靠近固定到本發明電池結構中支撐體導線部分區域的放大的局部橫截面圖。
圖16是靠近本發明電池結構中強化板區域的放大的局部橫截面圖。
圖17是本發明燃料電池中使用的集電器端子的局部橫截面圖。
圖18說明常規燃料電池中的平坦堆積結構。
圖19顯示實施例和對比實施例中使用的燃料電池的輸出性能。
圖20說明常規燃料電池中的層壓堆積結構。
發明的詳細描述以下描述本發明的優選實施方式。
圖1說明本發明實施方式的固體聚合物型燃料電池的單電池。圖1(a)是透視圖，圖1(b)是局部平面圖，圖1(c)是局部的橫截面圖。為方便起見，圖1(a)顯示出僅部分的導線5。圖2是用於將導線5固定到圖1支撐體4上的固定結構的透視圖。圖2是固定部分的放大圖，其中支撐體4用虛線表示，示意的導線5處於固定狀態。在這些數字中，1表示固體聚合物型電解質薄膜，2表示電極，3表示薄膜電極組件(MEA)，其中電極布置於固體聚合物型電解質薄膜的每一個側面，4表示支撐體，5表示導線。
如圖1所示，支撐體4具有正方形框架形狀，其中在支撐體4每一邊中以給定間隔形成直徑比導線5直徑大的通孔。導線5延伸通過支撐體一邊的通孔到相對的邊，然後通過在相對邊中的通孔，然後通過如圖2所示相鄰的通孔到與該邊相對起始的邊，然後通過起始邊中另外的通孔。在重複這樣的操作後，導線在相對邊中以給定的間隔被拉伸。固定到支撐體上的導線端可使用例如壓緊件的固定裝置被牢固地固定而不鬆弛。
MEA3被置於在整個支撐體上拉伸的導線上。在本發明中，為避免加入燃料電極側中的燃料與加入到氧電極側的氧由於洩漏而混合，這樣布置MEA3以使MEA3中的整個電解質薄膜1的外圍置於支撐體上(Figs.1(b)和1(c))。
接著，如上所述，導線5在支撐體4中其他成對的邊之間以給定的間隔被拉伸這樣該導線與通過MEA3先前被拉伸的導線交叉(在該圖中，成直角)。
因此，可以提供MEA固定結構，其中MEA3被置於相同的支撐體4上，並固定於如圖1(b)所示的縱向和橫嚮導線之間。在該構造中，一個MEA需要一個支撐體4。根據這樣的構造，可以適當地調整導線的拉緊程度以使導線與MEA以充分的壓力接觸。而且，在不使用具有複雜結構的常規隔板的情況下，MEA的夾緊區域可被均一地壓制。另外，可以減少構成單元的組件數量。
圖3是具有如圖1所示MEA固定結構的燃料電池的實例單電池的視圖。在圖3中，3表示MEA，4表示支撐體，5表示導線，6表示密封裝置，7表示將加入到電極的反應物槽，及8表示加入反應器或排出產物的入口/出口。
在圖1示意的MEA固定結構的一個側面，布置槽7並通過密封裝置6固定，形成與MEA3中燃料電極接觸的導線5連接的接線端子，和與氧電極接觸的導線5連接的接線端子。
氫從槽7的一個入口/出口8加入到燃料電極一側，同時氧(或空氣)從槽7的一個入口/出口8加入到氧電極的一側。從每一個電極反應中產生的產物從每一個槽中的入口/出口8被排出。
單一的燃料電池，如果必要，多個如上所述互連的單電池可配備有所需的組件以提供固體聚合物型燃料電池。
儘管在兩側敞開的框架支撐體在上述的實施方式中用作支撐體，但可以預期可使用這樣的框架，其中框架支撐體的一側封閉而另一側敞開。構成框架外圍側的部分可用作支撐體。在這樣的情況下，在MEA和框架之間形成貯藏反應物的貯藏空間。在支撐體另外的敞開的一側，可以布置如上實施例中所述的類似的槽。
與一個或其他電極接觸的導線可以是如上述實施方式中的單根連續的導線。另外，每一根導線可用多根導線形成。在這樣的情況下，集電器接線端子可以是在支撐體中導線固定部分的與多根彼此相鄰導線電互連的導體組件。
圖4顯示出MEA固定結構的實施方式。在該實施方式中，導線5在單個支撐體4的一對中每一個之間以給定的間隔被拉伸。在該圖中，3表示MEA，4表示支撐體，5表示導線。該圖說明導線5的一部分。
在該結構中，支撐體這樣布置一對支撐體4以使形成這樣的側面，其中導線5彼此面對面被拉伸，而且MEA3置於其間。然後它們使用固定組件例如螺栓和螺母進行固定。因此，導線5可被強力地與MEA3接觸以固定MEA。儘管，在該實施方式中導線5在一個方向上拉伸，但導線5也可在縱向和橫向兩個方向上如網一樣進行拉伸。使用這樣的構造，MEA中的夾緊區域可被均一地壓制而不使用具有複雜結構的常規隔板。
如上所述參考圖3這樣的MEA固定結構可提供有例如密封裝置、槽和接線端子的組件以提供燃料電池的單電池和含有其的燃料電池。
以下描述本發明的平坦的堆積結構。
本發明平坦堆積結構的一個主要特徵在於多個單電池布置於相同的平面內，而且這些單電池與導線電互連，每一個單電池包括MEA和夾心MEA的導線，強力地與MEA兩側接觸進行固定。
如下描述一個實施方式，其中六個單電池串聯互連。
如圖10所示，在固體聚合物型電解質薄膜108上形成六對電極109以製備MEA。所述的MEA包括六個MEA單元，每一個單元由一對電極組成，而且電極組件插入其間，一個MEA單元構成一個單電池。然後，為防止損害電解質薄膜，布置示意於圖11中的強化板110，而且如圖10所示進行粘合。強化板110與支撐體107相分離，而且在給定的間隔具有通孔112用以使導線通過。從使MEA中導線與電極充分接觸的觀點出發，ME強化板優選比電極要薄。
然後，具有六對電極的MEA使用導線固定在支撐體上。圖9和12～16顯示出固定的MEA。圖9是平面視圖，圖12是橫截面圖，圖13是放大的部分橫截面圖，圖14和15是放大的部分橫截面圖顯示出靠近導線固定到支撐體部分的區域，圖16是放大的部分橫截面圖顯示出靠近強化板的區域。在這些圖中，104表示導線，105表示集電器接線端子，106a表示燃料入口，106b表示出口，107表示支撐體(絕緣框架)，107b表示分支撐體，108表示固體聚合物型電解質薄膜，109表示電極，110表示強化板，111表示粘合劑。在圖9中，沒有示意電解質薄膜108。
如圖9示意，圍繞六對電極的絕緣框架可用作支撐體107。該支撐體包括給定間隔布置的用於通過導線的通孔(在該圖中為等間隔)。如圖14示意，希望在支撐體上形成可接受導線的槽道，所述的導線位於這樣的區域中，其中導線布置於電解質薄膜108下。因此，可進一步改進電解質薄膜與支撐體的粘合以得到更可靠的氣密性。
如12所示，支撐體107可以是這樣的框架，其中一側封閉而另一側敞開。構成框架外圍側的部件可用作主支撐體。圍繞由框架和MEA形成的空間的部件是用於將反應物加入到電極中的反應物(燃料或氧)容器。框架(支撐體)可包括如圖9所示的燃料入口和出口。在框架的敞開一側，可以布置另外的具有一個敞開側面的框架作為將反應物加入到電極中的反應物容器。該框架包括入口和出口。
支撐體可具有兩個敞開側面。在這樣的情況下，在敞開一側，可以布置具有一個敞開側面的框架作為將反應物加入到電極中的反應物容器。優選至少在支撐體燃料電極側提供反應物容器，但也可在兩側提供。這些框架包括入口和出口。
反應物容器中的貯藏空間可以由固定在支撐體上的單電池共用，以有效地加入反應物並排出產物。
如圖9所示，這些單電池以兩行縱向排列，而且以串聯形式電互連。在該系列互連中，相鄰的單電池在橫向和縱向通過導線交替互連。在該情況下，在該系列互連中縱嚮導線強力地與端部的單電池接觸，並被固定在支撐體107的端部及其分支撐體107a上。互連相鄰兩個單電池的導線被固定在支撐體107上的端部(或支撐體107上及其分支撐體107a上)。在該圖中，橫向的導線端部被分別固定於框架支撐體107上的縱向邊緣，而縱嚮導線的端部被分別固定於框架支撐體107和分支撐體107a中的橫向邊緣。當單電池的數量大於6，提供另外的分支撐體，在其上固定互連相鄰兩個單電池導線的一端。
導線104可通過緊固裝置例如壓緊組件固定於支撐體107(或分支撐體107a)上。
電解質薄膜108可使用粘合劑固定於支撐體107(或分支撐體107a)上。當固定電解質薄膜時，優選電解質薄膜的整個外圍置於如圖4～7所示的支撐體上，以避免加入燃料電極側的燃料與加入氧電極側的氧由於洩露而混合。
以下進一步描述本發明的電池構造並說明其製造方法。為解釋方便起見，圖9中對應於電極109位置的單電池的位置稱為左上、右上、左中、右中、左上和右下的位置。
首先，具有緊固裝置例如壓緊組件的十根導線穿過在支撐體縱向框架中以等間隔形成的通孔，所述的支撐體位於從後面到前面左下位置的左邊，每一根導線被固定於在框架前面形成的槽道中。這些導線是下部橫嚮導線。
接下來，將粘合劑施加到在左下位置處支撐體的上部、下部和左邊部件上，然後MEA中左下部的電解質薄膜部件粘合到其上。在左下位置處，橫嚮導線置於電解質薄膜組件(圖14)的後面。
然後，具有緊固裝置例如壓緊組件的十根導線通過在支撐體上橫向框架中等間隔形成的通孔，所述的支撐體位於從後面到前面的右下位置處，每一根導線被固定於框架前面中形成的槽道中。這些導線從右下位置處延伸到右中位置處。在右下位置處，縱嚮導線置於電解質薄膜的後面。
然後，處於左下位置的電解質薄膜後面中的導線通過位於下部中心處的電解質薄膜108和強化板110到達正面(圖16)。隨後，將粘合劑施加到位於右下位置處的下部和右邊的框架，位於右下位置處的MEA電解質部件施加到其上(圖14)。
接下來，其接線端子穿過電解質薄膜和強化板位於前面的導線通過在支撐體縱向框架內的等間隔的通孔，所述的支撐體位於從前面到後面的右下位置處的右邊，然後，在充分的拉力下拉伸而不鬆散，通過緊固裝置例如壓緊組件固定。然後，如果必要，施加粘合劑(圖15)。考慮到固定和有效的密封，優選將粘合劑施加到強化板110內導線的穿透部分上(圖16)。
然後，以類似的方式，將MEA和導線順序固定到位於右下、右中、左中、左上和右上位置出的支撐體上。接下來，為固定集電器，縱嚮導線布置於左下和右下位置處。在該方法中，例如示意於圖9中，製備具有對應於支撐體框架中形成通孔的通孔112的集電接線端子110，用緊固裝置例如壓緊組件固定的導線可通過位於集電器接線端子和支撐體框架中的通孔，集電器接線端子110可固定於支撐體框架和緊固裝置之間以與導線接觸連接。
這樣布置MEA中的導線和每一套電極以使，在位於左下、右中和左上的位置，縱嚮導線強力與MEA中的前電極(如氧電極)接觸，而橫嚮導線強力地與MEA中的後電極(如燃料電極)接觸，在右下、左中和右上的位置，橫嚮導線強力與MEA中的前電極(如氧電極)接觸，而縱嚮導線強力地與MEA中的後電極(如燃料電極)接觸。
在上述的構造中，燃料電池可通過將燃料加入到入口106a中進行操作，所述的燃料然後與燃料電極(MEA中的後電極)接觸，並與產物一起從出口106b排出，與此同時使氧電極與空氣接觸。另外，燃料電池可以這樣操作，在氧電極一側(前面)提供反應物容器，迫使含氧氣體從入口進入與氧電極接觸。
取決於一些因素例如導電性、強度和MEA的大小，可以適當地選擇本發明中使用的導線，但當使用單根導線時，例如其主軸為10～1,000μm。對於由多根細絲組成的線材，這些細絲的主軸為1～100μm。
本發明對於固體聚合物型燃料電池特別有效，所述的電池包括作為電解質的固體聚合物電解質薄膜，但其可應用到另外類型的燃料電池例如熔融碳酸鹽型、固體氧化物型和磷酸鹽型燃料電池，所述的電池分別包括作為電解質的碳酸鹽、固體氧化物和磷酸鹽。
本發明也可應用於不同於氫的改性氫源的燃料電池中，例如甲醇、天燃氣和石腦油作為燃料，或燃料電池使用不同於氧的氣體，例如氧化劑。
實施例參考實施例以下更具體地描述本發明。
實施例1首先，描述電極的製造方法。聚四氟乙烯(以下稱「PTFE」)的分散體與Ketjen Black混合以製備淤漿，所述的淤漿然後施加到碳纖維無紡織物上，乾燥並焙乾以得到擴散層。碳纖維無紡織物和PTEF分別用作基質和防水劑。
將淤漿施加到因此這樣形成的擴散層，所述的淤漿通過混合負載於碳上的PtRu催化劑和Nafion(DuPont，磺化聚氟烯烴)得到，然後乾燥形成燃料電極。另外，將Nafion溶液中負載Pt的碳催化劑的淤漿施加到擴散層，然後乾燥得到氧電極。固體聚合物型電解質薄膜是Nafion117(DuPont，磺化聚氟烯烴)。
這些電極和固體聚合物型電解質薄膜進行層壓並熱壓得到MEA。電極單元的大小為35mm×35mm，固體電解質薄膜的大小為46mm×46mm。
本實施例的固體聚合物型燃料電池構造為直接甲醇型燃料電池，利用甲醇與水在催化劑層中的直接反應，其中燃料和氧在不加壓的情況下加入。
然後，MEA固定到如圖1和2中示意的支撐體上。支撐體4由PEEK聚合物(Victrex plc)製造。支撐體是外徑為55mm×55mm、內徑為40mm×40mm、厚度為5mm的正方形框架。所有支撐體邊緣具有內徑為1mm特定間隔的通孔用以使導線通過。導線是外徑為0.5mm的不鏽鋼金屬線。這樣固定固體電解質薄膜以使固體電解質薄膜的外圍置於支撐體上，而在它們之間沒有間隙，以避免燃料洩漏到氧電極。導線穿過MEA中的電解質薄膜。支撐體4由聚縮醛(樹脂)(POM)製造。
然後，如上述的圖3所示，將槽7安裝在通過單個密封裝置6固定於支撐體4上的MEA3的兩側以提供固體聚合物型燃料電池的單電池。接線端子安裝在暴露於支撐體表面的導線上，所述的表面與MEA安裝的表面相對。
在該實施例中，如圖3示意，縱向和橫嚮導線固定於同一支撐體的同一側面上，而且MEA被布置並固定於縱向和橫嚮導線之間。因此，可以減少組件的數量，可將壓力有效地施加到MEA上。
儘管密封裝置6由苯乙烯-丁二烯合成橡膠製造，而且與本發明實施例的密封粘合劑結合使用，但槽可由橡膠材料製造，使結合處作為密封裝置。
實施例2如實施例1的描述製備固體聚合物型燃料電池，不同的是導線上鍍金。
實施例3如實施例2描述的固體聚合物型燃料電池，不同的是鍍金網置於導線和MEA之間以減少MEA和導線之間的接觸電阻。
實施例4如實施例2的固體聚合物型燃料電池，不同的是取代實施例3的鍍金不鏽鋼網，將石墨氈置於導線和MEA之間。
實施例5如上述圖4所示，其上導線被拉伸的一對支撐體用於固定MEA。如實施例2導線鍍金的不鏽鋼金屬絲，外徑為0.5mm。如實施例2的描述製備固體聚合物型燃料電池，不同的是MEA夾心於一對支撐體之間，這樣具有導線的支撐體側面彼此面對，而且MEA使用螺栓和螺母被固定於支撐體的四個角上。
對比實施例1製備固體聚合物型燃料電池，該燃料電池包括具有如圖7所示常規形狀的不鏽鋼隔板，其中9表示隔板，10表示槽道及11表示凸面。
使用具有如實施例1描述構造的MEA，隔板被這樣布置並固定以使凸面適合MEA的每一個側面。通過將燃料加入到燃料電極側隔板的槽道中，同時將氧加入到氧電極側隔板槽道中而操作電池。
實施例1～5和對比實施例1電池放電性能的評價圖5顯示出實施例1～5和對比實施例1的放電性能。表1顯示出實施例1～5和對比實施例1電池在電流密度為90mA/cm2下確定的電壓結果。
表1
從圖5和表1的結果可見，顯示出在電流密度為90mA/cm2下對比實施例1的電壓為110mV，而實施例1～4都給出較高的電壓值。而且，對比實施例1的臨界電流密度，即電壓幾乎為零時的電流密度為約100mA/cm2，而實施例1～4都給出明顯較高的值。
可以預期可以得到這樣明顯的高電流密度的改進，因為儘管MEA在均一和充分的壓力下夾緊，但反應物即燃料和氧可充分地加入以迅速地排出產物。相反，實施例5的性能與對比實施例1的性能相差不大。這可能是由於實施例5中使用的如圖4所示的結構，與實施例1～4中使用如圖1所示的結構相比，不能給MEA施加充分的壓力。但是，使用實施例5的結構以提供一種沒有常規隔板而保持良好電池性能的燃料電池。
在實施例2中，導線鍍金以減少導線和MEA之間的接觸電阻，導致比實施例1更好的電池性能。而且，實施例3和4給出相對實施例2進一步改進的性能。這可能是由於位於導線和MEA之間的鍍金網或石墨氈可充分壓制MEA沒有與導線接觸的區域以減少電阻，導致改進的集電效率。
圖6顯示出使用實施例1和2的電池在25mA/cm2下放電中電壓隨時間的變化。而實施例1顯示出在長期使用期間電壓下降，在實施例2中電壓減少受到阻止。這些結果表明導線鍍金可阻止導線表面的腐蝕以抑制MEA和導線之間在長期使用期間接觸電阻的增加。
實施例6首先，描述電極的製造方法。聚四氟乙烯(以下稱「PTFE」)的分散體與Ketjen Black混合以製備淤漿，所述的淤漿然後施加到碳纖維無紡織物(碳紙)上，乾燥並焙乾以得到擴散層。碳纖維無紡織物和PTEF分別用作基質和防水劑。
將淤漿施加到因此這樣形成的擴散層，所述的淤漿通過混合負載於碳上的PtRu催化劑和Nafion(DuPont，磺化聚氟烯烴)得到，然後乾燥形成燃料電極。另外，將Nafion溶液中負載Pt碳催化劑的淤漿施加到擴散層，然後乾燥得到氧電極。固體聚合物型電解質薄膜是Nafion115(DuPont，磺化聚氟烯烴)。
然後，如圖10所示，通過熱壓利用電解質薄膜片將6套電極結合在一起。每一個電極的大小為40mm×40mm。然後，為防止電解質薄膜被損壞，將如圖11所示的強化板110僅布置於薄膜的氧電極一側，它們如圖10粘合在一起。所述的強化板比電極更薄。
使用線直徑為500μm的不鏽鋼(SUS316L)線作為導線，參考如圖9～17根據描述的步驟製備固體聚合物型燃料電池。
2M的甲醇水溶液通過從入口106a加入並從出口106b排出進行循環，同時氧電極與空氣接觸以操作燃料電池。
實施例7如實施例6製備和操作燃料電池，不同的是線直徑為500μm的鍍金銅絲作為導線。
實施例8如實施例6的描述製備和操作燃料電池，不同的是寬為3mm厚度為0.2mm的不鏽鋼(SUS316L)帶狀金屬線用作導線，6根導線強力地與單電池一側接觸，而不是10根導線。
實施例9如實施例8的描述製備和操作燃料電池，不同的是寬為3mm厚度為0.2mm的鍍金帶狀銅絲用作導線。
實施例10如實施例1的描述製備和操作燃料電池，不同的是由直徑為12μm(Nippon Seisen Co.，Ltd)的不鏽鋼(SUS316L)金屬細絲組成直徑1mm線材的細線用作導線。
實施例11如實施例1的描述製備和操作燃料電池，不同的是由直徑為12μm(Nippon Seisen Co.，Ltd)的不鏽鋼(SUS316L)金屬細絲組成線材的寬為4mm的帶狀線用作導線。
對比實施例2參考圖18，製備燃料電池，其具有如上所述的平坦堆積構造。製備如實施例6描述的由電極和電解質薄膜組成的6個MEA，並串聯連接。一片電解質薄膜用於一對電極，即，一共有6個電解質薄膜。如實施例1操作燃料電池。
對比實施例3參考圖20，製備具有層壓堆積構造的燃料電池。製備如實施例6描述的由電極和電解質薄膜組成的6個MEA，並串聯連接。一片電解質薄膜用於一對電極，即，一共有6個電解質薄膜。
燃料電池的重量和體積表2顯示出實施例6和8及對比實施例2和3的燃料電池的重量和體積。從對比的結果看，顯而易見本發明可提供比常規燃料電池更小更輕的燃料電池。對比實施例2的具有平坦堆積結構的燃料電池可被均一地由明顯的外部壓力壓制以減少板電極和MEA電極之間的接觸電阻。因此，對比實施例2的燃料電池需要壓制板114和螺絲釘115用以固定板，導致其重量和體積的增加。對比實施例3的燃料電池需要單電池之間的隔板，這導致其體積和重量的增加。
表2
燃料電池的輸出性能圖19顯示出實施例6～11和對比實施例2燃料電池的輸出性能。實施例8顯示出與對比實施例2可比的性能。其他實施例顯示出比對比實施例2更好的性能。可以預期在實施例8和對比實施例2中分別使用帶狀金屬線和板電極收集電能，導致更大的區域覆蓋MEA，因此抑制燃料或氧的加入。相反，實施例6、7和10使用較小直徑的金屬線，導致相對較小的區域覆蓋MEA，因此可抑制由於燃料或氧的擴散控制導致的輸出減少。實施例11使用帶狀金屬線作為導線。但是，由於金屬線是由細線組成的線材，燃料或氧可通過細絲之間的空間。因此，結合其撓性，其基本上可防止輸出的減少。
分別對比實施例6和8與實施例7和9，顯示出導線可鍍金以減少接觸電阻從而改進輸出性能。
實施例10和11使用由更高撓性的細絲組成的線材。因此，線材可充分與MEA中的電極接觸以得到改進的輸出性能。
儘管在上述實施例中描述了直接甲醇型燃料電池，其中甲醇直接反應，但該發明可類似地應用於使用氫氣作為燃料的固體聚合物型燃料電池。
權利要求
1.一種燃料電池的單電池，包括薄膜電極組件，所述組件包括電解質薄膜和在其側面的一對夾心電解質薄膜的電極；與薄膜電極組件側面強力接觸的導線；及固定導線的框架支撐體。
2.如權利要求1所述的燃料電池的單電池，其中與薄膜電極組件一側和另一側強力接觸的導線被固定在相同的支撐體上。
3.如權利要求1所述的燃料電池的單電池，其中導線作為集電器。
4.一種燃料電池的單電池，包括薄膜電極組件，包括電解質薄膜和在其側面一對夾心電解質薄膜的電極；框架支撐體；多次交叉框架內區域的第一導線，其被固定於支撐體一個側面內的框架支撐體上；及越過第一導線及多次交叉框架內區域的第二導線，其被固定於其中布置第一導線一側內的框架支撐體上；其中薄膜電極組件的一面與第一導線夾緊同時另外的面與第二導線夾緊，這樣薄膜電極組件可被固定於第一和第二導線之間。
5.如權利要求4所述的燃料電池的單電池，其中這樣布置薄膜電極組件以使電極薄膜的整個外圍置於支撐體上。
6.一種燃料電池的單電池，包括薄膜電極組件，包括電解質薄膜和在其側面一對夾心電解質薄膜的電極；第一和第二框架支撐體；多次交叉框架內區域的第一導線，其被固定於框架支撐體一個側面內的第一框架支撐體上；及多次交叉框架內區域的第二導線，其被固定於框架支撐體一個側面內的第二框架支撐體上；其中薄膜電極組件被置於第一和第二導線之間；及第一和第二框架支撐體這樣被固定，使其彼此相對，這樣薄膜電極組件的一面與第一導線夾緊同時另外的面與第二導線夾緊。
7.如權利要求1～6任一項所述的燃料電池的單電池，其中導線由金屬製造。
8.如權利要求7所述的燃料電池的單電池，其中導線是鍍金的。
9.如權利要求1，4和6任一項所述的燃料電池的單電池，進一步包括用於將燃料或含氧氣體加入到電極中的反應物容器。
10.如權利要求9所述的燃料電池的單電池，其中將燃料或含氧氣體加入到電極中的反應物容器置於框架支撐體的每一個側面上。
11.如權利要求1、4和6任一項所述的燃料電池的單電池，其中電解質薄膜是固體聚合物型電解質薄膜。
12.一種燃料電池，含有作為組件的如權利要求1、4和6任一項所述的燃料電池的單電池。
13.一種燃料電池，包括多個單電池，所述的單電池包括作為單元薄膜電極組件的電解質薄膜和在其側面的一對夾心電解質薄膜的電極；與每一個單電池中的一對電極的每一個強力接觸的導線；及固定導線的支撐體；其中這樣布置多個單電池以使薄膜電極組件位於同一平面內；及在單個單電池中的薄膜電極組件通過夾心每一個組件用於電互連單電池的導線進行固定。
14.如權利要求13所述的燃料電池，其中導線作為集電器。
15.如權利要求13所述的燃料電池，其中多個單電池串聯電互連；及通過兩個單電池共同的導線電互連相鄰的兩個單電池，所述的導線與電極在一個單電池的正面強力接觸，及與其他電池背面的電極強力接觸。
16.如權利要求15所述的燃料電池，其中這樣布置多個單電池，使兩條線在第一方向；在第一方向上相鄰的兩個單電池交替互連，且第二方向垂直第一方向；連接這兩個單電池導線的兩端被固定於支撐體上。
17.如權利要求13所述的燃料電池，其中多個單電池共有單一的電極薄膜。
18.如權利要求17所述的燃料電池，包括在兩個相鄰單電池之間電解質薄膜內區域上的強化組件；其中連接這兩個相鄰單電池的導線穿過強化組件。
19.如權利要求13所述的燃料電池，其中支撐體具有框架形狀。
20.如權利要求13所述的燃料電池，包括將燃料或含氧氣體加入電極中的反應物容器，其中反應物容器中儲藏空間由所有的多個單電池共用。
21.如權利要求13所述的燃料電池，其中導線由金屬製造。
22.如權利要求13所述的燃料電池，其中導線是金屬纖維線材。
23.如權利要求21或22所述的燃料電池，其中導線是鍍金的。
24.如權利要求13所述的燃料電池，其中電解質薄膜是固體聚合物型電解質薄膜。
全文摘要
本發明涉及一種燃料電池的單電池，包括薄膜電極組件，所述組件包括電解質薄膜和在其側面一對夾心電解質薄膜的電極；與薄膜電極組件側面強力接觸的導線；及固定導線的框架支撐體。根據本發明，薄膜電極組件可以通過均一地夾緊進行固定以順利地加入反應物並排出產物，以提供具有良好電池性能的結構，而且低成本的燃料電池單電池，及含有其的燃料電池。
文檔編號H01M4/86GK1538547SQ200410034838
公開日2004年10月20日 申請日期2004年4月15日 優先權日2003年4月15日
發明者水越崇, 西山利彥, 清水邦彥, 佐佐木正幸, 彥, 正幸 申請人:Nec東金株式會社