CN100438171C - 复合膜及燃料电池 - Google Patents

Abstract

本发明提供可以将平面型燃料电池上的各单元电池用简单的构造连接的复合膜以及可以使用该复合膜输出任意的电流值及电压值的燃料电池。本发明是具有性质不同的多个区域的复合膜(10a)，具有：在复合膜(10a)的第1主面和第2主面之间具有质子传导性的多个第1区域(14a)、在复合膜(10a)的第1主面和第2主面之间具有电子传导性的多个第2区域(16a)。另外，本发明提供使用了该复合膜(10a)的燃料电池(30)，具备多个第1电极(32)、多个第2电极(35)、将一方的第1电极(32b)和第2区域(16α)连接的第1电子传导构件(38b)、将另一方的第2电极(35a)和第2区域(16α)连接的第2电子传导构件(40a)。

Description

复合膜及燃料电池

技术领域

本发明涉及复合膜、集电体及使用了它们的燃料电池，具体来说，涉及可以将平面型燃料电池上的各单元电池用简单的构造连接的复合膜、从小型的固体高分子型燃料电池的各单元电池中收集电能的具有伸缩性的集电体、及使用了该复合膜或集电体的燃料电池。

背景技术

燃料电池是由氢和氧产生电能的装置，可以获得高发电效率。作为燃料电池的主要特征，可以举出以下的方面，即，由于是不像以往的发电方式那样经过热能或动能的过程的直接发电，因此即使是小规模，也可以期待高发电效率，由于氮化合物等的排出少，噪音或振动也很小，因此环境性优良等。像这样，由于燃料电池可以有效地利用燃料所具有的化学能，具有对环境友好的特性，因此作为面向21世纪的能量供给系统而备受期待，从宇宙应用到汽车应用、携带机器应用，从大规模发电到小规模发电，被作为可以用于各种用途的将来很有希望的新型的发电系统而受到关注，面向实用化的技术开发正在开展之中。

其中，固体高分子型燃料电池与其他的种类的燃料电池相比，具备动作温度低、具有高输出密度的特征，特别是近年来，作为固体高分子型燃料电池的一个形态，直接甲醇燃料电池(Direct Methanol Fuel Cell：DMFC)受到关注。DMFC将作为燃料的甲醇水溶液不重整地直接向阳极供给，利用甲醇水溶液和氧的电化学反应获得电能，利用该电化学反应，从阳极生成二氧化碳，从阴极生成水，被作为反应生成物排出。由于甲醇水溶液与氢相比，每单位体积的能量更高，另外，更适于贮藏，爆炸等危险性也更低，因此被期待用于汽车或携带机器(携带电话、笔记本型个人电脑、PDA、MP3播放器、数字照相机或者电子辞典(书籍))等的电源中。

燃料电池一般来说是将其电动势与其目的值对应地增大了的堆组构造的电池，然而在不需要很大的电动势，并要求尽可能薄的携带机器用的DMFC中，采用平面型的构成。

[专利文献1]特开2003-197225号公报

[专利文献2]特开2003-282131号公报

但是，平面型的燃料电池与堆组构造相比，难以串联连接。针对于此，专利文献1中采用了使连接配线贯穿固体高分子膜的方法，然而该情况下，会有在固体高分子膜的贯穿了连接配线的部分上施加有集中应力的问题。

另外，以往的平面型的燃料电池为了尽可能小型化，采用了将多个膜电极集合体(Membrane Electrode Assembly：MEA)紧固在配设为平面状的燃料电池的周围的构成。但是该构成中，由于不是紧固平面型燃料电池的中央部分，因此在具有像固体高分子膜那样因所保持的水分量而膨胀(或者因干燥而收缩)的电解质层的燃料电池中，因固体高分子膜和其周边构件(集电体等)的伸缩性的差异，就会有所压接的固体高分子膜与其周边构件剥离的问题。

发明内容

本发明是鉴于所述的问题而完成的，本发明的目的之一在于，提供可以将平面型燃料电池上的各单元电池用简单的构造连接的复合膜以及可以使用该复合膜输出任意的电流值及电压值的燃料电池。

本发明的另一目的在于，提供可以追随燃料电池的电解质层，特别是固体高分子型燃料电池的固体高分子膜的膨胀或收缩(伸缩)，不会引起电解质层的剥离的集电体及使用了该集电体的燃料电池。

为了达成所述目的之一，本发明提供具有性质不同的多个区域的复合膜，其特征是，具有：在复合膜的第1主面和第2主面之间具有质子传导性的多个第1区域、在复合膜的第1主面和第2主面之间具有电子传导性的多个第2区域。这样，在使用该复合膜制作平面型燃料电池时，就可以将平面型燃料电池上的各单元电池用简单的构造连接。

另外，技术方案2所述的发明是在技术方案1所述的复合膜中具有如下特征，即，具有将各第1区域分离并且具有绝缘性的第3区域，技术方案3所述的发明是在技术方案1或2所述的复合膜中具有如下特征，即，具备具有绝缘性并且多孔的基材，第1区域在基材中填充有质子传导物质，并且第2区域在基材中填充有电子传导物质。这样，就可以容易地制作复合膜。

此外，技术方案4所述的发明是一种燃料电池，其特征是，具备：技术方案1～3中任意一项所述的复合膜、设于第1主面上并被与第1区域相面对地配置的多个第1电极、设于第2主面上并被与第1区域相面对地配置的多个第2电极、将一方的第1电极和第1主面的第2区域连接的第1电子传导构件、将不与一方的第1电极相面对的另一方的第2电极和第2主面的第2区域连接的第2电子传导构件。这样，就可以将平面型燃料电池上的各单元电池用简单的构造连接，利用各单元电池的排列方式或连接的方法，就可以输出任意的电流值及电压值。

技术方案5所述的发明是在技术方案4所述的燃料电池中具有如下特征，即，复合膜的第1区域及第2区域以外的区域具有不透过水以外的流体的性质。这样，就可以减少交叉泄漏(cross leak)，提高燃料电池的电池效率。

为了达成所述另一目的，本发明技术方案6提供具备电解质层、设于所述电解质层的两主面上的电极、进行所述电极的集电的集电体的燃料电池的集电体，其特征是，可以与所述电解质层的变形对应地变形。这样，就可以追随燃料电池的电解质层，特别是固体高分子型燃料电池的固体高分子膜的伸缩(变形)，难以引起与电解质层的剥离。

技术方案7所述的发明是在技术方案6所述的集电体中具有如下特征，即，所述集电体的主面上的第1方向的弹性模量与处于所述集电体的主面上并与所述第1方向正交的第2方向的弹性模量不同。另外，技术方案3所述的发明是在技术方案1所述的集电体中具有如下特征，即，所述集电体至少具有第1纤维和第2纤维，所述第1纤维的弹性模量与所述第2纤维的弹性模量不同。这样，即使对于随方向不同而变形量不同的电解质层，也可以追随电解质层的变形，难以引起与电解质层的剥离。

此外，技术方案9所述的发明是具备电解质层、设于所述电解质层的一方的主面上的第1电极、设于所述电解质层的另一方的主面上的第2电极、进行所述第1电极的集电的第1集电体、进行所述第2电极的集电的第2集电体的燃料电池，其特征是，至少所述第1集电体是技术方案6到8中任意一项所述的集电体。

本发明可以将平面型燃料电池上的各单元电池用简单的构造连接，这样就可以输出任意的电流值及电压值。

本发明的集电体可以追随燃料电池的电解质层，特别是固体高分子型燃料电池的固体高分子膜的膨胀或收缩(伸缩)，难以引起与电解质层的剥离。

附图说明

图1是表示本发明的复合膜的绝缘部的制作工序的示意图。

图2是表示本发明的复合膜的连接部及发电部的制作工序的示意图。

图3是表示本发明的燃料电池的构成的立体图。

图4是表示本发明的燃料电池的剖面构成的剖面图。

图5是表示本发明的DMFC的基本构成的分解立体图。

图6是表示本发明的实施方式2的实施例1的MEA的构成的俯视示意图。

图7是表示本发明的实施方式2的实施例2的MEA的构成的立体示意图。

图8是表示本发明的实施方式2的实施例3的MEA的构成的俯视示意图。

其中，10DMFC，12、112、212、312阳极侧电极，14、114、214、314阴极侧电极，16、116、216、316电解质膜，18、118、218、318阳极侧集电体，20、120、220、320阴极侧集电体，22、122、222、322MEA，24配线，26甲醇燃料贮藏部，28甲醇燃料供给口，34筐体，36空气输入口，10a  复合膜，12a  基材，14a  发电部，16a  连接部，18a  绝缘部，20a  绝缘物质，22a  质子传导物质，24a  电子传导物质，30平面型燃料电池，32阳极侧电极，35阴极侧电极，37单元电池，38阳极侧集电体，40阴极侧集电体

具体实施方式

实施方式1

下面将使用附图对本发明的复合膜10a的制作方法进行说明。

复合膜10a的基材12a使用将纤维状的氟类树脂加工为厚度50μm左右的无纺布的材料(以下称作「多孔氟薄膜」)，在该基材12a的成为发电部14a及连接部16a的部分以外的绝缘部18a上，如图1所示，填充有绝缘物质20a，本实施方式中，按照填埋多孔氟薄膜12a的孔的方式填充氟树脂20a。预先在基材12a中按照将发电部14a和连接部16a分离的方式填充绝缘物质20a，由此可以防止填充于发电部14a及连接部16a中的质子传导物质22a和电子传导物质24a混合，则特别在发电部14a中发生短路的情况。

然后，如图2所示，在连接部16a中填充电子传导物质24a，本实施方式中，按照填埋多孔氟薄膜12a的孔的方式填充粉末状的碳黑(VulcanXC-72：CABOT公司制)24a。不是像以往那样使用连接配线，而是在基材12a上配置形成长方形的连接部16a，这样就可以增大连接面积(电子流通路径的截面积)，从而可以减小各发电部14a间的电阻，提高发电效率。另外，可以防止从膜的穿过连接配线的部分中，燃料或氧化剂泄漏，或者在膜中出现龟裂，燃料电池破损的情况。最后，在发电部14a中填充质子传导物质22a，本实施方式中，将5wt％Nafion溶液(Dupont公司制)22a填充于多孔氟薄膜12a的孔中，使溶剂成分蒸发。

对于使用了利用如上所示的方法制作的复合膜10a的平面型燃料电池30的构成，使用图3及4详细地进行说明。图3是表示平面型燃料电池30的构成的示意性立体图，图4是图3的A-A’剖面的剖面图。

图4的32为阳极侧电极，阳极侧电极32以实施了疏水处理的炭纸作为基材，在其一方的面上，涂布混合了Pt-Ru黑和5wt％Nafion溶液(Dupont公司制)的催化剂糊而制成。阳极侧电极32由于在图3中位于复合膜10a的下面，因此未图示，然而使涂布了催化剂糊的面与复合膜10a的发电部14a，即填充了质子传导物质22a的部分接触地配置。35为阴极侧电极，阴极侧电极35是在实施了疏水处理的炭纸上填充碳黑(Vulcan XC-72：CABOT公司制)，在其一方的面上，涂布混合了Pt黑和5wt％Nafion溶液(Dupont公司制)的催化剂糊而制成。本实施方式中，虽然仅在阴极侧电极35中填充了碳黑，但是当在阳极侧电极32及阴极侧电极35双方的炭纸中填充碳黑时，对于填充于炭纸中的碳黑的量而言，当阴极侧的一方多于阳极侧时，则更容易将由阴极侧生成的生成水排出，在不具有向阴极侧强制性地供给空气的空气供给装置的燃料电池系统中，也可以顺利地进行生成水的排出和空气的供给。阴极侧电极35按照使涂布了催化剂糊的面与复合膜10a的发电部14a，即填充了质子传导物质22a的部分接触的方式配置在复合膜10a的上面。

在将阳极侧电极32、复合膜10a的发电部14a及阴极侧电极35合在一起的单元电池37的外侧，设有集电体38、40。对于集电体38、40，为了可以向单元电池37供给燃料及氧化剂，适于采用使用了电子导电性、耐氧化性优良的材料的薄型并且多孔的构件。本实施方式中，集电体38、40使用了金网。阳极侧集电体38覆盖阳极侧电极32，并且将一方的端部(图4中为左端)制成比阳极侧电极32更大，形成可以与复合膜10a的连接部16a连接的尺寸。另一方面，阴极侧集电体40覆盖阴极侧电极35，并且将一方的端部(图4中为右端)制成比阴极侧电极35更大，形成可以与复合膜10a的连接部16a连接的尺寸。

由于设于单元电池37a上的阴极侧集电体40a和设于单元电池37b上的阳极侧集电体38b被借助连接部16α连接，同样地，设于单元电池37b上的阴极侧集电体40b和设于单元电池37c上的阳极侧集电体38c被借助连接部16β连接，因此单元电池37a、37b、37c及37d被串联。

本实施方式中，虽然对将8个单元电池37设为2×4的配置，4个单元电池被串联的情况进行了说明，但是对于本领域技术人员来说，应当可以很容易地理解，通过改变图3的单元电池37的个数或配置、连接部16a的配置、集电体38、40的形状，可以任意地设定从使用了一片复合膜10a的平面型燃料电池30中输出的电流值及电压值。另外，虽然利用在炭纸等电极基材上涂布催化剂糊的方法制作催化剂层，但是既可以省掉电极基材而在集电体上形成催化剂层，另外，也可以在采用在复合膜上形成催化剂层而用电极基材或集电体夹持的制作工序。在催化剂中，虽然使用了由Pt-Ru或Pt构成的粒子(Pt-Ru黑或Pt黑)，但是也可以使用在碳黑上担载了催化剂的催化剂担载碳黑。

实施方式2

下面将使用附图5对本发明的DMFC10的基本构成进行说明。图5是示意性地表示了DMFC10内部的构造的分解立体图，DMFC10具备利用毛细管现象被供给甲醇水溶液或纯甲醇(以下记作「甲醇燃料」)的阳极侧电极12、被供给空气的阴极侧电极14、由该阳极侧电极12和阴极侧电极14夹持的电解质膜16，利用甲醇燃料中的甲醇和空气中的氧的电化学反应进行发电。18及20是设于各MEA22上的集电体，通过利用配线24将阳极侧集电体18和阴极侧集电体20连结，就可以将多个MEA22串联。在阳极侧电极12的底部，设有贮藏向阳极侧电极12供给的甲醇燃料的甲醇燃料贮藏部26，充满甲醇燃料贮藏部26的甲醇燃料被从甲醇燃料供给口28经过集电体18向阳极侧电极12供给。另一方面，在筐体34的上部设有空气输入口36，空气被从该空气输入口36利用自然产生的空气的流动向阳极电极14供给。

阳极侧电极12是在具有离子导电性的厚度50～200μm的电解质膜(本实施方式中为Dupont公司制Nafion115)16的一方的面上，涂布混合了Pt-Ru黑和5wt％Nafion溶液(Dupont公司制)的催化剂糊状物而制成的。另一方面，阴极侧电极14是在所述的电解质膜16的另一方的面上，涂布混合了Pt黑和5wt％Nafion溶液(Dupont公司制)的催化剂糊状物而制成的。本实施方式中，虽然采用了在电解质膜16上形成电极12、14的方法，但是制作方法也可以使用在炭纸等电极基材上形成催化剂层的方法，另外，只要是具有从甲醇中生成H⁺或者从H⁺和氧生成水的催化剂功能的催化剂，也可以不使用由Pt-Ru或Pt构成的粒子(Pt-Ru黑或Pt黑)，而使用在炭纸上担载了催化剂的催化剂担载炭纸。

[实施例1]

使用图6对本发明的实施例1的集电体118的构成进行详细说明。虽然图5采用了在1片电解质膜16上形成多个MEA22的构成，而本实施例中，为了详细地说明集电体118，使用从阳极侧的俯视图(参照图6)对1个MEA122进行说明。虽然是对阳极侧进行说明，但是本发明的集电体并不是只能用于阳极侧，也可以用于阴极侧。

如图6所示，电解质膜116存在有因所保持的水分量而较大地伸缩的方向(图6中的上下方向)和伸缩较小的方向(图6中的左右方向)。从在此种电解质膜116上形成有电极112(在背面存在有未图示的电极114)的MEA122集电的集电体118，为了能够在电解质膜116的伸缩大的方向(上下方向)上较大地伸缩，在伸缩小的方向(左右方向)上不怎么伸缩，而使用以金的纤维成网眼状地形成了弹簧常数不同的2种弹簧的构成。具体来说，图6中，形成将弹簧常数小的螺旋弹簧(纵丝)和弹簧常数大的螺旋弹簧(横丝)制成了织布状的集电体。虽然在本实施例中，通过使用相同的金纤维，而改变弹簧的卷绕直径来改变弹簧常数，但是也可以通过使用不同粗细的金纤维，而将卷绕直径设为相同来改变弹簧常数。在图6中的上下方向上，由于弹簧常数小，因此较大地伸缩，在左右方向上，由于弹簧常数大，因此与上下方向相比，伸缩变小。

[实施例2]

使用图7对本发明的实施例2的集电体218的构成进行详细说明。实施例2的构成大致上与实施例1相同，而与实施例1不同的方面在于，如图7所示，将实施例1中弹簧常数小的纵丝设为蜿蜒的金的纤维，将弹簧系数大的横丝设为通常的直线状的金纤维。本实施例中，虽然使用蜿蜒的金纤维和直线状的金纤维形成织布状的集电体，但是横丝也可以使用蜿蜒的金纤维，另外，也可以使通常的平面型织布状的集电体蜿蜒，形成与图3相同的集电体。

[实施例3]

使用图8对本发明的实施例3的集电体318的构成进行详细说明。实施例3的构成为，形成纵丝和横丝倾斜相交(θ＜90°)的织布状的集电体，由于纵丝和横丝倾斜相交，因此在图8中的上下方向较大地伸缩，在左右方向上，与上下方向相比伸缩变小。

工业上的利用可能性

本发明并不限于不需要很大的电动势并被要求尽可能薄的携带机器用的平面型DMFC，也可以用于家庭用或者汽车用的燃料电池中。

Claims (3)

1.一种燃料电池，具有性质不同的多个区域的复合膜，具有：

在所述复合膜的第1主面和第2主面之间具有质子传导性的多个第1区域、

在所述复合膜的第1主面和第2主面之间具有电子传导性的第2区域，

所述复合膜具备具有绝缘性并且多孔的基材，所述第1区域在所述基材中填充有质子传导物质，并且所述第2区域在所述基材中填充有电子传导物质，

所述复合膜还具备：

设置在所述复合膜的第1主面上的与所述第1区域对应的部分的阳极侧电极；

叠层在所述阳极侧电极之上，并且在所述第1区域的一方的端部形成为比所述阳极侧电极更大的多孔质的阳极侧集电体；

设置在所述复合膜的第2主面上的与所述第1区域对应的部分的阴极侧电极；

叠层在所述阴极侧电极之上，并且在所述第1区域的另一方的端部形成为比所述阴极侧电极更大的多孔质的阴极侧集电体，

其中，

所述阳极侧集电体与设置在所述第1区域的一方侧的第2区域连接，

所述阴极侧集电体与设置在所述第1区域的另一方侧的第2区域连接，

在所述阳极侧电极(32a、32b、32c、32d)以及所述阴极侧电极(35a、35b、35c、35d)与连接部(16α、16β、16γ)之间存在有空间，

所述集电体为网状。

2.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征是，具有将所述各第1区域分离并且具有绝缘性的第3区域。

3.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征是，所述基材是多孔氟薄膜。

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