CN101271977B - 燃料分布调整方法、燃料分布调整膜及其制造方法 - Google Patents

燃料分布调整方法、燃料分布调整膜及其制造方法 Download PDF

Info

Publication number
CN101271977B
CN101271977B CN2008100868837A CN200810086883A CN101271977B CN 101271977 B CN101271977 B CN 101271977B CN 2008100868837 A CN2008100868837 A CN 2008100868837A CN 200810086883 A CN200810086883 A CN 200810086883A CN 101271977 B CN101271977 B CN 101271977B
Authority
CN
China
Prior art keywords
mentioned
fuel
film
membrane
electrode assembly
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
CN2008100868837A
Other languages
English (en)
Other versions
CN101271977A (zh
Inventor
寺田贵洋
中川泰忠
笹木裕司
吉田勇一
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toshiba Corp filed Critical Toshiba Corp
Publication of CN101271977A publication Critical patent/CN101271977A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN101271977B publication Critical patent/CN101271977B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0289—Means for holding the electrolyte
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04186—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of liquid-charged or electrolyte-charged reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1009—Fuel cells with solid electrolytes with one of the reactants being liquid, solid or liquid-charged
    • H01M8/1011—Direct alcohol fuel cells [DAFC], e.g. direct methanol fuel cells [DMFC]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1016—Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
    • H01M8/1018—Polymeric electrolyte materials
    • H01M8/1065—Polymeric electrolyte materials characterised by the form, e.g. perforated or wave-shaped
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

本发明提供一种燃料分布调整方法、燃料分布调整膜及其制造方法，能够通过调整燃料供给量在膜电极接合体上的分布而使膜电极接合体中的温度分布变得均匀。该燃料分布调整方法的特征在于：借助于在燃料电池的膜电极接合体的燃料供给侧设置的膜，来调整向上述膜电极接合体供给的燃料供给量的分布，以使上述膜电极接合体中的温度分布变得大致均匀。

Description

燃料分布调整方法、燃料分布调整膜及其制造方法
技术领域
本发明涉及燃料分布调整方法、燃料分布调整膜、燃料分布调整膜的制造方法、燃料电池以及燃料电池的制造方法。 
背景技术
伴随着近些年的电子技术的进步，电子设备的小型化、高性能化、便携化不断发展，其中所使用的电池的小型化、高能量密度化的要求不断高涨。其中、小型轻量且高容量的燃料电池引人注目。特别是，以甲醇作为燃料的直接甲醇型燃料电池(DMFC：Direct MethanolFuel Cell)与使用氢气的燃料电池相比，由于氢气处理的困难性及无需对有机燃料进行改性以产出氢的装置等，所以更适合于小型化。 
在该直接甲醇型燃料电池中，燃料极(阳极)、固体的电解质膜、氧化剂极(阴极)以这一顺序相互邻接设置而形成膜电极接合体。然后，对燃料极侧供给燃料(甲醇)，用电解质膜附近的催化剂使燃料(甲醇)进行反应，以获取质子(H+)和电子(e-)。在这里，为了提高燃料电池的电气特性，提出对燃料极侧均匀地供给燃料(甲醇)的技术(参照专利文献1、2)。 
但是，在专利文献1、2所公开的技术中，没有考虑到膜电极接合体中的温度分布。因此，仅仅对燃料极侧均匀地供给燃料(甲醇)，在燃料电池的电气特性的提高、特别是输出的提高上存在问题。 
【专利文献1】日本专利特开第2006-196430号公报 
【专利文献2】德国专利申请公开第19853911号说明书 
发明内容
本发明提供一种燃料分布调整方法、燃料分布调整膜、燃料分布 调整膜的制造方法、燃料电池、以及燃料电池的制造方法，能够通过调整向膜电极接合体供给的燃料供给量分布而使膜电极接合体中的温度分布变得均匀。 
根据本发明的技术方案之一提供一种燃料分布调整方法，其特征在于：借助于在燃料电池的膜电极接合体的燃料供给侧所设置的膜，来调整向上述膜电极接合体供给的燃料供给量分布，以使得上述膜电极接合体中的温度分布变得大致均匀。 
另外，根据本发明的另一技术方案，提供一种燃料分布调整膜，其特征在于：该燃料分布调整膜是在燃料电池的膜电极接合体的燃料供给侧所设置的膜，并在上述膜上设置使上述膜电极接合体中的温度分布变得大致均匀的开孔。 
另外，根据本发明的另一技术方案，提供一种燃料分布调整膜的制造方法，其特征在于：形成作为基底的膜，并在上述膜上设置使燃料电池的膜电极接合体中的温度分布变得大致均匀的开孔。 
另外，根据本发明的另一技术方案，提供一种燃料电池，其特征在于：具备膜电极接合体和燃料分布调整膜，该燃料分布调整膜是在燃料电池的膜电极接合体的燃料供给侧所设置的膜，并在上述膜上设置使上述膜电极接合体中的温度分布变得大致均匀的开孔。 
进而，根据本发明的另一技术方案，提供一种燃料电池的制造方法，该燃料电池具备膜电极接合体和燃料分布调整膜，该燃料分布调整膜是在燃料电池的膜电极接合体的燃料供给侧所设置的膜，并在上述膜上设置使上述膜电极接合体中的温度分布变得大致均匀这样的开孔，其特征在于：通过形成作为基底的膜并在上述膜上设置使燃料电池的膜电极接合体中的温度分布变得大致均匀的开孔的燃料分布调整膜的制造方法来制造燃料分布调整膜。 
根据本发明，可提供一种燃料分布调整方法、燃料分布调整膜、燃料分布调整膜的制造方法、燃料电池、以及燃料电池的制造方法，能够通过调整燃料供给量在膜电极接合体上的分布而使膜电极接合体中的温度分布变得均匀。 
附图说明
图1是用于说明根据本发明的实施方式的燃料电池的示意截面图。 
图2是用于说明电压的温度依赖性的示意曲线图。 
图3是用于举例说明对每个区域使开孔率变化时的示意图。 
图4是用于举例说明对每个区域使开孔率变化的其他具体例的示意图。 
图5是用于举例说明对每个区域使开孔率变化时的示意曲线图。 
图6是用于举例说明对每个区域使贯通孔的长度变化的情况的示意截面图。 
图7是用于说明起电部分(膜电极接合体部分)的温度分布的示意曲线图。 
图8是用于说明起电部分(膜电极接合体部分)的输出密度分布的示意曲线图。 
图9是用于对燃料电池的作用进行说明的示意图。 
图10是用于对本实施方式所涉及的燃料电池的制造方法进行说明的流程图。 
具体实施方式
以下，参照附图，对本发明的实施方式进行说明。 
图1是用于说明根据本发明的实施方式的燃料电池的示意截面图。 
此外，为了说明上的方便，以直接甲醇型燃料电池为例来进行说明。 
如图1所示那样，在燃料电池1上设置有多个燃料极(阳极)6、和与其同数目的氧化剂极(阴极)8。另外还设置有被燃料极6、氧化剂极8所夹持的电解质膜7。燃料极6、电解质膜7以及氧化剂极8的形状均为平板状。而且，燃料极6、电解质膜7、氧化剂极8按这 一顺序层叠起来而形成膜电极接合体(MEA：Membrane ElectrodeAssembly)9，该膜电极接合体9作为燃料电池1的起电部。而且，各膜电极接合体9全部串联地电连接，各膜电极接合体9上所产生的电力的总和就是燃料电池1的电力。 
在燃料极6以及氧化剂极8中分别含有用于促进化学反应的催化剂。该催化剂例如是作为铂族元素的Pt、Ru、Rh、Ir、Os或者Pd等单体金属、或含有这些铂族元素的合金等。具体而言，作为燃料极6中所含的催化剂，优选是对于甲醇以及一氧化碳具有较强的耐受性的Pt-Ru或者Pt-Mo等，作为氧化剂极8中所含的催化剂优选是Pt或者Pt-Ni等。另外，作为催化剂还可以使用例如碳材料那样的导电性载体的载体催化剂、或者无载体催化剂。 
在电解质膜7上形成有多个贯通孔，在各贯通孔上填充着使质子(H+)通过但阻止燃料通过的电解质材料。作为这种电解质材料，例如能够列举如全氟磺酸聚合物那样的具有磺酸基的树脂材料。具体而言，例如能够列举杜邦公司制造的Nafion(商品名)及旭硝子公司制造的フレミオン(商品名)等。 
此外，电解质材料只要是具有质子传导性的材料即可，例如，只要是具有从由磺酸基、羧基以及羟基组成的组中选择的1种以上的官能基的有机材料即可。由于在电解质材料的内部通过这些官能基而形成分子尺寸的微小孔，所以能够使质子(H+)通过该微小孔而进行移动。此外，该微小孔的大小为质子(H+)以及水分子能够通过但甲醇分子无法通过的大小。 
另外，电解质材料既可以是氟系树脂，也可以是碳化氢系树脂。在此情况下，通过采用氟系树脂能够使耐氧化性以及耐药品性提高。进而，电解质材料还可以含有由磺酸基、羧基以及羟基之中两种以上的官能基反应获得的酯基或醚基，也可以以聚四氟乙烯为主成分。 
气体扩散膜5、燃料极集电体4、燃料分布调整膜15、多孔性膜3和保液膜2按此顺序被层叠在燃料极6的与电解质膜7相反侧的面上。 
气体扩散膜5起到对燃料极6均匀地供给燃料的作用，燃料极集电体4起到作为燃料极6侧的集电体的作用。燃料极集电体4由导电材料所组成的多孔性膜而构成，例如通过具有多个开孔的金箔或金构成的网状物而构成。 
燃料分布调整膜15对从保液膜2侧向燃料极6侧供给的燃料的面内分布进行调整，以使得在各膜电极接合体9上产生的电力的总和为最大。燃料分布调整膜15能够采用由具有耐热性和对于燃料的耐受性的有机材料、无机材料、或者它们的复合材料构成的材料。 
具体而言，作为有机材料能够列举聚乙烯、聚丙烯、聚酰亚胺、聚酰胺、聚醚亚胺、聚醚醚酮、聚四氟乙烯、四氟乙烯-乙烯共聚物、四氟乙烯-丙烯共聚物、四氟乙烯-六氟丙烯共聚物、聚偏二氟乙烯、四氟乙烯-全氟烷氧基乙烯共聚物、聚砜、聚苯硫醚、多芳基化合物、聚醚砜、聚硅氮烷等；作为无机材料能够列举氧化硅、碳化硅、氮化硅、氧化铝、氧化锆、二氧化铈、氧化铅、氧化铋、氧化硼等，作为复合材料能够列举在聚丙烯中复合混入玻璃纤维或有机纤维的材料等。 
另外，燃料分布调整膜15只要设置在膜电极接合体9的燃料供给侧即可，被设置的位置可以适当变更。另外，燃料分布调整膜15还可以被内置于多孔性膜3、燃料极集电体4、气体扩散膜5的内部。 
另外，还可以使多孔性膜3的功能与燃料分布调整膜15的功能、燃料极集电体4的功能与燃料分布调整膜15的功能、气体扩散膜5的功能与燃料分布调整膜15的功能一体化。例如，还可以使燃料极集电体4的开孔率对每个规定区域变化，来调整燃料供给量的分布。另外，还能够在多处设置燃料分布调整膜15。 
多孔性膜3具有疏水性，防止水从气体扩散膜5侧向保液膜2侧的移动，另一方面，还可以使燃料的气化成分从保液膜2侧向气体扩散膜5侧透过。如果举例说明多孔性膜3的材料，则能够列举出例如，聚四氟乙烯(PTFE)、经过疏水化处理的硅胶片等。 
通过将该多孔性膜3配设在气体扩散膜5与保液膜2之间，即使 在例如因浸透压现象而促进氧化剂极8所生成的水通过电解质膜7移动到燃料极6的情况下，也能够防止该移动过来的水浸入保液膜2以及进而还浸入到燃料供给侧。由此，不妨碍例如未图示的燃料箱内的燃料气化且可使其进行。另外，还可以通过在燃料极6与多孔性膜3之间保持水，而对燃料极6补给水。这在从未图示的燃料箱不供给水分的情况，例如，使用纯甲醇等作为燃料的情况下尤其有效。 
保液膜2是对燃料极6供给燃料的毛毡状的片，在其侧端部设置从未图示的燃料箱补给燃料的补给部13。 
未图示的燃料箱中所存积的燃料能够采用浓度超过50摩尔％的甲醇水溶液或者纯甲醇。 
另一方面，气体扩散膜10、氧化剂极侧集电体11和多孔性保湿膜12按此顺序被层叠在氧化剂极8的与电解质膜7相反侧的面上。 
气体扩散膜10起到对氧化剂极8均匀地供给氧化剂(氧)的作用，氧化剂极侧集电体11起到作为氧化剂极8侧的集电体的作用。    氧化剂极侧集电体11由导电材料形成的多孔性膜而构成，例如通过具有多个开孔的金箔或金形成的网状物构成。 
多孔性保湿膜12浸含在空气极8上生成的一部分水，起到抑制水蒸发的作用，并且还具有作为通过将氧化剂(空气)均匀地导入气体扩散膜10，而促进氧化剂向空气极8均匀扩散的辅助扩散膜的功能。在该多孔性保湿膜12中能够使用例如由聚乙烯多孔性膜等材料形成，其最大孔径例如为20～50微米的膜。将最大的孔径设为这一范围的理由是因为若孔径小于20微米则空气透过性将降低，若大于50微米则水分蒸发将变得过度。 
接着，对燃料分布调整膜15进行说明。 
首先，对燃料分布调整膜15的必要性进行说明。 
为了获得高输出密度的燃料电池，需要适当地保持燃料向膜电极接合体9供给的供给量。在此情况下，若多于适当量的燃料被供给到膜电极接合体9，则反应不完的燃料会移动到氧化剂极8侧，可能因氧化剂极8的催化剂表面积减少而增大电压损失。反之，在所供给的 燃料过度少了适当量的情况下，也可能因反应能变得过大而电压损失增大。 
但是，已知的是，单单使向燃料极6的燃料供给量均匀化，燃料电池的输出也不会为最大。 
本发明者的研究结果认为，输出密度除受到电流密度和电压的影响外，还要受到起电部分(膜电极接合体9部分)中的温度分布的影响。 
图2是用于说明电压的温度依赖性的示意曲线图。 
如图2所示那样，电压V是电流密度I和各起电部分(膜电极接合体9部分)中的温度T的函数，能够用下记公式(1)来表示。 
V＝f(I、T)         (1) 
另外，电流密度I能够用以下的公式(2)来表示为所供给的燃料之中，有助于发电的燃料的浓度a的函数。 
I＝g(a)            (2) 
在这里，各起电部分(各膜电极接合体9部分)中的输出密度w用公式(1)和公式(2)之积来表示。另外，起电部分(膜电极接合体9部分)整体的输出W为各起电部分的输出密度w的总和。 
为此，为了使起电部分整体的输出W为最大，在用以下公式(3)表示的W为最大的条件下进行发电即可。 
W＝∑V·I＝∑f(I、T)·I    (3) 
在这里，由于电流密度I是燃料的浓度a的函数，所以能够通过使用燃料的种类等而大致决定。为此，可以认为输出W是温度T的函数。 
另一方面，在起电部分(膜电极接合体9部分)，将产生因化学反应而引起的热，但在周边区域由于产生向外部空气的放热所以与中心部分相比温度上升变小。其结果，即使在各起电部分(各膜电极接合体9部分)发生了均等发热的情况下，也产生起电部分(膜电极接合体9部分)的中央区域中的温度高、周边区域中的温度低的温度分布的不均匀。在这种情况下，由于在中央区域与周边区域发电效率变 化，所以可能作为整体无法获得高输出。即，例如即使设中央区域的温度为最适于发电的温度，但由于周边区域低于该温度，所以这一部分的输出低下，可能作为燃料电池整体无法获得高输出。 
本发明者进一步研究的结果认为，如果通过调整向起电部分(膜电极接合体9部分)的燃料供给量分布，可以使起电部分(膜电极接合体9部分)的温度分布均匀化，而且，只要将该温度设为对发电而言最佳的温度，即可能作为整体得到高输出。 
为此，需要这样的能够进行向起电部分(膜电极接合体9部分)的燃料供给的燃料分布调整膜15。 
图3是用于举例说明对每个区域使开孔率变化时的示意图。 
如图3所示那样，燃料分布调整膜15a为矩形形状的板状体。另外，从垂直于燃料分布调整膜15a的主面的方向来看，中央区域35的形状为矩形，中间区域36的形状为包围中央区域35的矩形的边框状，周边区域37的形状为包围中间区域36并包含燃料分布调整膜15a的端缘的矩形边框状。而且，贯通孔32的排列密度在区域间不同，中央区域35为最低，周边区域37为最高，中间区域36为其中间。为此，燃料分布调整膜15a的贯通孔32导致的开口率在中央区域35为最低，周边区域37为最高，中间区域36为中间。 
此外，虽然为了说明上的方便而分成三个区域，但并非限定于此，区域的个数能够适当变更。另外，虽然设贯通孔32为直孔但也可以是呈迷宫状而形成。另外，贯通孔32的直径尺寸不需要在长度方向上恒定，例如，还可以为锥形状，或者对每个规定长度使直径尺寸变化。另外，贯通孔32的截面形状也并非限定于圆形，能够为任意的形状。 
如果这样对每个区域使开孔率变化，则向中央区域35的燃料供给量为最少，这一部分的发热量将成为最少。反之，向周边区域37的燃料供给量为最多，这一部分的发热量将成为最多。而且，向中间区域36的燃料供给量、发热量为中间。在此情况下，作为向外部的放热，中央区域35为最少，周边区域37为最多。为此，通过用燃料 供给量来调整发热与放热的平衡，能够使起电部分(膜电极接合体9部分)全部区域的温度为对发电而言最佳的温度。 
图4是用于举例说明对每个区域使开孔率变化的其他具体例的示意图。如图4所示那样，燃料分布调整膜15b为矩形形状的板状体。另外，与前述的燃料分布调整膜15a同样，分成矩形的中央区域35、矩形的边框状的中间区域36以及周边区域37，且在各区域间贯通孔的直径不同。即，中央区域35中的贯通孔32a的直径小于中间区域36中的贯通孔32b的直径，中间区域36中的贯通孔32b的直径小于周边区域37中的贯通孔32c的直径。另一方面，贯通孔的排列密度在各区域间相同。为此，燃料分布调整膜15b的贯通孔的开口率在中央区域35为最低，周边区域37为最高，中间区域36为其中间。 
此外，虽然为了说明上的方便而分成三个区域，但并非限定于此，区域的个数能够适当变更。另外，虽然设贯通孔为直孔但也可以是呈迷宫状地形成。另外，贯通孔的直径尺寸不需要在长度方向上恒定，例如，还可以为锥形状，或者对每个规定长度使直径尺寸变化。另外，贯通孔的截面形状也并非限定于圆形，能够为任意的形状。 
如果这样对每个区域使开孔率变化，则向中央区域35的燃料供给量为最少，这一部分的发热量为最少。反之，向周边区域37的燃料供给量为最多，这一部分的发热量为最多。而且，向中间区域36的燃料供给量、发热量为中间。在此情况下，作为向外部的放热，中央区域35为最少，周边区域37为最多。为此，通过用燃料供给量来调整发热与放热的平衡，能够使起电部分(膜电极接合体9部分)整个区域的温度为对发电而言最佳的温度。 
图5是用于举例说明对每个区域使开孔率变化时的示意曲线图。图5的横轴表示离开燃料分布调整膜15中央区域的距离，横轴表示开孔率。 
在这里，若起电部分(膜电极接合体9部分)的大小(燃料电池的大小)变化，则向外部的放热量也将变化。为此，需要如图中的A、B所示那样，根据离燃料分布调整膜15中央区域的距离，改变其开 孔率。此外，开孔率100％表示几乎不存在燃料分布调整膜15的情况。 
图6是用于举例说明对每个区域使贯通孔的长度变化情况的示意截面图。 
图6是矩形形状的板状体的燃料分布调整膜15c的截面图。 
如图6所示那样，在中央区域C、中间区域D以及周边区域E处燃料分布调整膜15c的厚度不同。中央区域C的厚度尺寸为最薄，周边区域E的厚度尺寸为最厚，在中间区域D以连结中央区域C与周边区域E的方式而形成倾斜面。而且，在各区域中，设置有大致垂直于燃料分布调整膜15c的主面的贯通孔32。这样，能够按各区域改变贯通孔的长度。 
而且，随着贯通孔的长度增长，流路阻力增大，且能够减少燃料的供给量。其结果是能够与前述的使开孔率对每个区域变化的情况同样地调整各区域的燃料供给量。 
此外，虽然为了说明上的方便而分成三个区域，但并非限定于此，区域的个数能够适当变更。另外，虽然在图6中，设贯通孔32的直径尺寸相同，但也可以改变直径尺寸。另外，虽然设中间区域D为直线状的倾斜面，但倾斜面也可以按曲线来形成，另外，还可以为阶梯状。另外，虽然设贯通孔32为直孔但也可以是呈迷宫状地形成。另外，贯通孔32的直径尺寸不需要在长度方向上恒定，例如，还可以为锥形状，或者对每个规定长度使直径尺寸变化。另外，贯通孔32的截面形状也并非限定于圆形，能够为任意的形状。 
图7是用于说明起电部分(膜电极接合体9部分)的温度分布的示意曲线图。 
图中的X1表示向起电部分(膜电极接合体9部分)均匀地供给了燃料时的温度分布，Y1表示设置燃料分布调整膜15而调整了各区域对应的燃料供给量的情况。 
在均匀地供给了燃料的情况下，虽然发热量大致均等，但由于越接近周边区域，放热量变得越多，所以如图7的X1所示那样温度分布不均匀。与此相对，如果设置燃料分布调整膜15，来调整各区域对 应的燃料供给量以取得发热量与放热量的平衡，则能够如图7的Y1所示那样使温度分布均匀。 
图8是用于说明起电部分(膜电极接合体9部分)的输出密度分布的示意曲线图。 
图中的X2表示向起电部分(膜电极接合体9部分)均匀地供给了燃料时的温度分布，Y2表示设置燃料分布调整膜15来调整各区域对应的燃料供给量的情况。     
在均匀地供给了燃料的情况下，虽然发热量大致均等，但由于越接近周边区域，放热量变得越多，所以周边区域的温度比中央区域要低。为此，周边区域的反应不能进展而输出密度降低。另外，在中央区域中，出现向热能的转换增多而向电能的转换效率相应降低的现象。为此，在中央区域中出现输出密度反而降低的部分。 
与此相对，如果设置燃料分布调整膜15，来调整各区域的燃料供给量以取得发热量与放热量的平衡，就能够使温度分布均匀。而且，通过将这一温度设为对发电而言最佳的温度，就能够在起电部分(膜电极接合体9部分)整个区域获得较高的输出密度。此外，根据本发明人获得的理解，对发电而言最佳的温度可根据燃料的种类和浓度、燃料电池的大小等在30℃～60℃的范围内进行适当选择。 
在这里，根据本发明人所进行的模拟结果，如果设向周边区域供给的燃料供给量为向中央区域供给的燃料供给量的1.6倍，就能够使起电部分(膜电极接合体9部分)的温度分布大致均匀。而且，经过对具有这种燃料供给量分布的燃料电池的输出进行了测定，与均匀地供给燃料的情况相比，能够使其输出为1.5倍。 
接着，就本实施方式所涉及的燃料电池的作用进行说明。 
图9是用于就燃料电池的作用进行说明的示意图。     
此外，对与图1中已说明过的相同部分附加同一标记，其说明省略。 
若对燃料极6侧供给作为燃料的甲醇水溶液，则甲醇水溶液借助于燃料极6的催化剂而发生下述公式(4)的氧化反应。然后，通过 该反应而产生二氧化碳CO2、质子(H+)、电子(e-)。此时，借助于燃料分布调整膜15的作用，来进行向各起电部分(各膜电极接合体9部分)的燃料供给量调整。 
质子(H+)透过电解质膜7而移动到氧化剂极8侧。电子(e-)通过负载69而作功后，移动到氧化剂极8侧。 
CH3OH+H2O→CO2+6H++6e-    (4) 
到达氧化剂极8侧的质子(H+)和通过负载69作功后到达氧化剂极8一侧的电子(e-)，借助于氧化剂极8的催化剂与空气中的氧O2进行反应而发生公式(5)的还原反应。 
6H++6e-+3/2O2→3H2O…(5) 
在燃料极6侧所发生的二氧化碳(CO2)与剩余的甲醇水溶液一起从未图示的燃料排出口被排出到外部。另外，在氧化剂极8侧所产生的水作为水蒸气从未图示的通气孔被排出。 
虽然因这些反应而产生反应热，但在周边区域由于产生向外部空气的放热，所以与中心部分相比温度上升变小。其结果，即使在各起电部分(各膜电极接合体9部分)产生了均等的发热的情况下，也发生中央区域的温度较高、周边区域的温度较低的温度分布不均匀。在这种情况下，由于在中央区域与周边区域发电效率变化，所以可能作为整体无法获得高输出。 
在本实施方式中，由于设置有燃料分布调整膜15，所以能够通过调整向各起电部分(各膜电极接合体9部分)的燃料供给量，使起电部分(膜电极接合体9部分)整个区域的温度为对发电而言最佳的温度。其结果是能够获得具有高输出的燃料电池。 
接着，对本实施方式所涉及的燃料电池1的制造方法进行说明。 
图10是用于对本实施方式所涉及的燃料电池的制造方法进行说明的流程图。 
首先，采用相分离法、发泡法、溶胶凝胶法等化学、物理方法制成多孔性材料层。此外，多孔性材料层还可以适当使用在市场上出售的多孔性材料。例如，能够使用厚度25微米、开孔率45％的聚酰亚 胺多孔膜(宇部兴产制造的UPILEXPT)等。 
然后，在该多孔性材料层中列举，而制成电解质膜7(步骤S1)。作为填充电解质的方法，能够在电解质溶液中浸泡多孔性材料层，并将其吊挂起来使之干燥以除去溶剂的方法。作为电解质溶液，能够列举Nafion(注册商标、杜邦公司制造)溶液。此外，电解质膜7还可以是由高分子电解质材料形成的膜。在此情况下，不需要多孔性材料层的制成及电解质的填充。 
接着，使PTFE(聚四氟乙烯)溶液浸含于多孔性的碳织布或者碳纸而制成气体扩散膜10。然后，通过在其上涂敷将铂(Pt)微粒子、活性碳或石墨等粒子状或者纤维状的碳、和溶剂进行混合而成为糊状的材料，并使之常温干燥而形成催化剂，制成氧化剂极8(步骤S2)。 
另一方面，使PTFE溶液浸含于多孔性的碳织布或者碳纸而制成气体扩散膜5。然后，通过在其上涂敷将铂(Pt)-钌(Ru)微粒子、活性碳或石墨等粒子状或者纤维状的碳、和溶剂进行混合而成为糊状的材料，并使之常温干燥而形成催化剂，制成燃料极6(步骤S3)。 
接着，用电解质膜7、氧化剂极8、和燃料极6形成膜电极接合体9。然后，以夹着气体扩散膜5、气体扩散膜10的方式设置具有用于取入空气或者经过气化的甲醇的多个开孔的由金箔形成的燃料极集电体4、氧化剂极集电体11(步骤S4)。 
接着，在燃料极集电体4上设置本实施方式所涉及的燃料分布调整膜15(步骤S5)。 
燃料分布调整膜15通过在由具有耐热性和对于燃料的耐受性的有机材料、无机材料、或者它们的复合材料所构成的作为基底的膜上设置开孔而得以制成。作为设置开孔的方法，能够采用干蚀刻法或湿蚀刻法等。在这里，举例说明设作为基底的膜由无机材料形成，采用湿蚀刻法来设置开孔的情况。首先，在无机材料构成的膜上使紫外线固化型树脂以几十微米左右进行旋涂，并经烧成、曝光、显影、后烘焙(post bake)而形成开孔的图案。之后，只要用缓冲氢氟酸进行蚀刻，并使用剥离液去除抗蚀剂，就能够在膜上设置所希望的开孔。此外，在如图6已说明那样改变膜的厚度方向的情况下，也能够采用干 蚀刻法或湿蚀刻法等而制成。 
此外，还能够例如使燃料极集电体4的开孔率对每个规定区域变化，一并具有燃料分布调整膜15的功能。在此情况下，能够认为燃料极集电体4与燃料分布调整膜15被一体化。 
接着，将多孔性膜3、保液膜2以这一顺序设置在燃料分布调整膜15上，并在保液膜2上设置补给部13(步骤S6)。此外，在补给部13上连接着未图示的燃料箱。 
接着，在氧化剂极集电体11上设置由多孔性材料形成的多孔性保湿膜12(步骤S7)。 
最后，将它们收纳在适当的容器中等而形成燃料电池1(步骤S8)。 
以上，参照具体例，就本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明并不限定于这些具体例。 
关于前述的具体例，即使本领域技术人员追加了适当的设计变更，只要具备本发明的特征也就包含在本发明的范围中。 
例如，前述的燃料电池的各要素的形状、尺寸、材质、配置等并非限定于所举例说明的情况，能够适当变更。 
另外，虽然图示了燃料电池也用单一膜电极接合体构成的情况，但还可以采用将膜电极接合体层叠多张的堆叠结构。 
另外，虽然图示了设置多个起电部分(膜电极接合体部分)的情况，但还可以设置单一起电部分(膜电极接合体部分)。 
另外，关于燃料也是对甲醇水溶液进行了举例说明，但并不限定于此。作为其他燃料，除甲醇以外还能够列举乙醇、丙醇等醇类、二甲基醚等醚类、环己烷等环烷烃类、具有羟基、羧基、氨基、酰胺基等亲水基的环烷烃类等。此外，这样的燃料通常被作为5～90重量％左右的水溶液而使用。 
另外，前述的各具体例具备的各要素可以尽可能地进行组合，将它们组合起来的情况只要包含本发明的特征即被包含在本发明的范围中。 

Claims (8)

1.一种燃料分布调整方法，其特征在于：
在相对于具有燃料电池的阳极、阴极以及设置在上述阳极和上述阴极之间的电解质膜的膜电极接合体，设置在供给燃料的一侧、且形成有上述燃料通过的贯通孔的膜主面中，
上述贯通孔的开孔率以中央区域、包围上述中央区域的中间区域、以及包围上述中间区域的周边区域的顺序变大，调整向上述膜电极接合体供给的燃料供给量的分布，以使得上述膜电极接合体中的温度分布变得大致均匀。
2.一种燃料分布调整膜，其特征在于：
该燃料分布调整膜是相对于具有燃料电池的阳极、阴极以及设置在上述阳极和上述阴极之间的电解质膜的膜电极接合体，设置在供给燃料的一侧、且形成有上述燃料通过的贯通孔的膜，对于上述膜，在该膜的主面中具有中央区域、包围上述中央区域的中间区域、以及包围上述中间区域的周边区域，并且所述贯通孔被形成为开孔率以上述中央区域、上述中间区域、上述周边区域的顺序变大，使得上述膜电极接合体中的温度分布变得大致均匀。
3.按照权利要求2所述的燃料分布调整膜，其特征在于：
上述贯通孔以上述燃料分布调整膜主面内的中央区域处的发热量比周边区域小的方式进行设置。
4.按照权利要求2所述的燃料分布调整膜，其特征在于：
上述燃料分布调整膜主面内的中央区域处的上述贯通孔的直径小于周边区域的直径。
5.一种燃料分布调整膜的制造方法，其特征在于：
形成作为基底的膜，并以在具有燃料电池的阳极、阴极以及设置在上述阳极和上述阴极之间的电解质膜的膜电极接合体中的温度分布变得大致均匀的方式，在上述作为基底的膜中形成贯通孔，以使在上述膜的主面中，开孔率以中央区域、包围上述中央区域的中间区域、以及包围上述中间区域的周边区域的顺序变大。
6.一种燃料电池，其特征在于，
具备：
膜电极接合体，上述膜电极接合体具有阳极、阴极以及设置在上述阳极和上述阴极之间的电解质膜；和
燃料分布调整膜，该燃料分布调整膜设置在供给燃料电池的燃料的一侧、且形成有上述燃料通过的贯通孔，
对于该燃料分布调整膜，在该燃料分布调整膜的主面中具有该膜的中央区域、包围上述中央区域的中间区域、以及包围上述中间区域的周边区域，并且所述贯通孔被形成为开孔率以上述中央区域、上述中间区域、上述周边区域的顺序变大，使得上述膜电极接合体中的温度分布变得大致均匀。
7.按照权利要求6所述的燃料电池，其特征在于：
上述贯通孔以上述燃料分布调整膜主面内的中央区域处的发热量比周边区域小的方式进行设置。
8.一种燃料电池的制造方法，该燃料电池具备：
膜电极接合体，上述膜电极接合体具有阳极、阴极以及设置在上述阳极和上述阴极之间的电解质膜；和
燃料分布调整膜，该燃料分布调整膜相对于上述膜电极接合体设置在供给燃料电池的燃料的一侧、且形成有上述燃料通过的贯通孔，
上述燃料电池的制造方法的特征在于，
形成作为基底的膜，并以在上述膜电极接合体中的温度分布变得大致均匀的方式，在上述作为基底的膜中形成上述贯通孔，以使在上述膜的主面中，开孔率以中央区域、包围上述中央区域的中间区域、以及包围上述中间区域的周边区域的顺序变大。
CN2008100868837A 2007-03-20 2008-03-20 燃料分布调整方法、燃料分布调整膜及其制造方法 Expired - Fee Related CN101271977B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2007-073377 2007-03-20
JP2007073377A JP2008235026A (ja) 2007-03-20 2007-03-20 燃料分布調整方法、燃料分布調整膜、燃料分布調整膜の製造方法、燃料電池、および燃料電池の製造方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN101271977A CN101271977A (zh) 2008-09-24
CN101271977B true CN101271977B (zh) 2012-01-11

Family

ID=39713283

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN2008100868837A Expired - Fee Related CN101271977B (zh) 2007-03-20 2008-03-20 燃料分布调整方法、燃料分布调整膜及其制造方法

Country Status (5)

Country Link
US (1) US8354200B2 (zh)
JP (1) JP2008235026A (zh)
KR (1) KR20080085762A (zh)
CN (1) CN101271977B (zh)
DE (1) DE102007045284A1 (zh)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5322164B2 (ja) * 2009-04-01 2013-10-23 シャープ株式会社 燃料電池スタック
JP6415962B2 (ja) * 2014-12-16 2018-10-31 三菱日立パワーシステムズ株式会社 燃料電池カートリッジおよび燃料電池モジュール
JP6741934B2 (ja) * 2015-10-19 2020-08-19 富士通株式会社 二酸化炭素還元用電極、及び二酸化炭素還元装置
CN107580377A (zh) * 2017-08-09 2018-01-12 东莞市瑞迪三维电子科技有限公司 一种改变电热膜片区域加热温度的方法及利用该方法生产的微型电热片
US11539052B2 (en) 2020-06-25 2022-12-27 Nissan North America, Inc. Metal-based solid oxide electrochemical devices

Family Cites Families (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH01258365A (ja) * 1988-04-06 1989-10-16 Hitachi Ltd 燃料電池
JPH0240862A (ja) * 1988-07-29 1990-02-09 Hitachi Ltd 内部改質型燃料電池
DE19808331C2 (de) 1998-02-27 2002-04-18 Forschungszentrum Juelich Gmbh Gasverteiler für eine Brennstoffzelle
DE19853911A1 (de) 1998-11-23 2000-05-25 Forschungszentrum Juelich Gmbh Brennstoffzelle mit Zuführung eines Betriebsmittels über eine gelochte Platte
DE19935719C2 (de) 1999-07-29 2003-01-30 Forschungszentrum Juelich Gmbh Kühlsystem für Brennstoffzellen
JP2002110191A (ja) * 2000-09-27 2002-04-12 Toyota Central Res & Dev Lab Inc 直接メタノール型燃料電池
US6743543B2 (en) * 2001-10-31 2004-06-01 Motorola, Inc. Fuel cell using variable porosity gas diffusion material
JP3968028B2 (ja) * 2003-01-29 2007-08-29 京セラ株式会社 燃料電池用容器及びその製造方法
US7374838B2 (en) * 2003-06-10 2008-05-20 Ballard Power Systems Inc. Electrochemical fuel cell with fluid distribution layer having non-uniform permeability
JP2005038738A (ja) * 2003-07-16 2005-02-10 Mitsubishi Rayon Co Ltd ガス拡散層電極基材及びその製造方法ならびに高分子電解質型燃料電池
CN100521335C (zh) * 2003-08-22 2009-07-29 日本电气株式会社 用于燃料电池的燃料供应器及使用其的燃料电池
JP2005190684A (ja) 2003-12-24 2005-07-14 Toyota Motor Corp 燃料電池
CN100448078C (zh) 2004-12-13 2008-12-31 株式会社东芝 燃料电池
JP4271166B2 (ja) * 2004-12-13 2009-06-03 株式会社東芝 燃料電池
JP5105710B2 (ja) * 2005-02-23 2012-12-26 富士通株式会社 燃料電池
JP2006331926A (ja) * 2005-05-27 2006-12-07 Toshiba Corp 燃料電池
JP4872252B2 (ja) * 2005-07-05 2012-02-08 トヨタ自動車株式会社 燃料電池
KR100719095B1 (ko) 2005-07-29 2007-05-17 성균관대학교산학협력단 연료 확산속도 제어물질층을 포함하여 메탄올 크로스오버현상을 억제시킨 직접 메탄올 연료전지
JP2007073377A (ja) 2005-09-07 2007-03-22 Fujifilm Corp 電池の接点構造
JP4531019B2 (ja) * 2006-07-31 2010-08-25 京セラ株式会社 燃料電池

Also Published As

Publication number Publication date
US20080233439A1 (en) 2008-09-25
KR20080085762A (ko) 2008-09-24
US8354200B2 (en) 2013-01-15
DE102007045284A1 (de) 2008-09-25
JP2008235026A (ja) 2008-10-02
CN101271977A (zh) 2008-09-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100902991B1 (ko) 연료 전지
CN101176232B (zh) 燃料电池及燃料电池系统
US20080213650A1 (en) Microstructures and Methods of Fabrication Thereof
CN101271977B (zh) 燃料分布调整方法、燃料分布调整膜及其制造方法
US20090092862A1 (en) Integrated self contained sensor assembly
US8871403B2 (en) Fuel cell stack system, channel structure, fuel cell, electrode and electronic device
US20100203418A1 (en) Solid polymer fuel battery
WO2007070399A2 (en) Fuel cell with porous frit based composite proton exchange membrane
JP4349826B2 (ja) 燃料電池セル及び燃料電池
CN100392904C (zh) 燃料电池及燃料电池用隔板
KR100900130B1 (ko) 연료 전지
KR100909521B1 (ko) 연료 전지
EP1385225B1 (en) A direct-alcohol fuel-cell and corresponding method of fabrication
JP2002164057A (ja) 固体高分子型燃料電池とその製造方法
US20110020724A1 (en) Electrode for fuel cell having two kinds of hydrophilicity and method for preparing the same and membrane electrode assembly and fuel cell comprising the same
CN100448079C (zh) 直接液体供给燃料电池
US20110045375A1 (en) Fuel cell unit, fuel cell stack, and electronic device
CN100334767C (zh) 液体燃料供给型燃料电池
KR100570769B1 (ko) 연료전지용 전극 및 이를 포함하는 연료전지
KR20070104666A (ko) 연료 전지
KR100909299B1 (ko) 연료 전지
US20090081513A1 (en) Gas diffusion layer, fuel cell, method for manufacturing gas diffusion layer, and method for manufacturing fuel cell
JP2011181374A (ja) 固体高分子形燃料電池用膜電極接合体および固体高分子形燃料電池
CN102203994A (zh) 燃料电池、用于燃料电池中的氧电极和电子装置
JP2010170798A (ja) 膜電極接合体及び燃料電池

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20120111

Termination date: 20160320