CN101312251B

CN101312251B - 燃料电池

Info

Publication number: CN101312251B
Application number: CN2008100930024A
Authority: CN
Inventors: 井村真一郎; 安尾耕司
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2007-05-23
Filing date: 2008-04-15
Publication date: 2012-10-10
Anticipated expiration: 2028-04-15
Also published as: JP2008293757A; US7875405B2; US20080299435A1; CA2632348A1; CN101312251A

Abstract

本发明提供一种燃料电池，实现平面排列型的燃料电池小型化。为此，在平面排列型的燃料电池使用了膜电极接合体(20)。膜电极接合体(20)包括电解质膜(22)、阳极(24a、b)以及与阳极(24a、b)相对的阴极(26a、b)。在各阳极(24a、b)的一个侧面分别连接有集电体(80a、b)的端部。在各阴极的一个侧面分别连接有集电体(82a、b)的端部。在阴极侧，集电体(82a、b)，设置在分别与夹着电解质膜(22)而设于阳极侧的绝缘体(84a、b)对置的位置。集电体(80b)和集电体(82a)通过内部连接体连接，使相邻的电池单元被串联地电连接。

Description

燃料电池

技术领域

本发明涉及燃料电池。更具体地，本发明涉及电池单元平面排列的燃料电池。

背景技术

燃料电池是由氢和氧产生电能的装置，可以获得较高的发电效率。作为燃料电池的主要特征，由于是不经过像过去的发电方式那样热能或动能的过程而直接发电，所以虽然规模小也可以期待较高的发电效率，而且氮化物的排出较少，噪声和震动都较小，有利于环境。这样，燃料电池可以有效地利用燃料所具有的化学能，由于具有对环境有利的特性，所以被期待作为21世纪的能源供给系统，从宇航到汽车、便携机器，从大规模发电到小规模发电，可以进行种种应用，被看作充满前途的新的发电系统，面向实用化的技术开发也在正式进行中。

尤其，固体高分子燃料电池与其他的种类的燃料电池相比，具有工作温度低、输出密度高的特征，特别是近年来被期待应用在便携机器(移动电话、笔记本电脑、PDA、Mp3播放器、数码相机或电子辞典(书籍))等的电源上。作为便携机器用的固体高分子燃料电池，把多个单电池单元排列成平面状的平面排列型燃料电池为人们所知(参照专利文献1)。作为燃料，除专利文献1所示的甲醇之外，还利用存储在特种氢合金或氢气钢瓶中的氢的技术也正在研究中。

专利文献1：特开2004-146092号公报

电池单元平面排列的平面排列型的燃料电池中，为了从各电池单元取出电力，在电极(阳极以及阴极)的表面设有集电体与其接触。在使集电体与电极表面接触的情况下，有必要用螺丝等连结部件将集电体压在电极上，来提高电极和集电体的接触性。因此，连结部件所占据的部分在燃料电池小型化时会成为障碍。

发明内容

本发明正是鉴于这样的问题而提出的，目的在于提供一种使平面排列型的燃料电池小型化的技术。

本发明的一方式为燃料电池。该燃料电池，包括：多个电池单元，其具备电解质膜、设于电解质膜的一面上的阳极、和设于电解质膜的另一面的阴极，所述多个电池单元呈平面状排列；和电连接机构，其电连接相邻的电池单元；电连接机构与阳极以及阴极的周围的全部或一部分相接，从而得到电连接机构和各电池单元的阳极以及阴极的电连接。这里，所谓的电连接机构，是指集电体、内部连接体等导电部件。

根据这种方式，电极(阳极以及阴极)和集电体的接触由于可以在电极的周围的全部或一部分得到，所以在电极的表面使集电体接触的情况所需的连结部件不再需要。由此，燃料电池可以更加小型化。

在上述方式的燃料电池中，电连接机构弯曲，突出到阳极或阴极的任意一面。

在上述方式的燃料电池中，也可以是电连接机构突出到阳极的面，阴极的至少一部分，相对于与其外周部分连接的电连接机构形成凸起。

在上述方式的燃料电池中，也可以是电连接机构包括将相邻的电池单元串联地电连接的内部连接体；内部连接体形成于相邻的电池单元之间。

通过本发明，可以使平面排列型的燃料电池更加小型化。

附图说明

图1是实施方式1涉及的燃料电池的分解立体图；

图2是表示实施方式1中使用的膜电极接合体的结构的主要部分的立体图；

图3是表示实施方式2中使用的膜电极接合体的结构的主要部分的截面图；

图4是表示实施方式2涉及的燃料电池2的分解立体图；

图5是表示实施方式3中使用的膜电极接合体的结构的主要部分的立体图；

图6是表示实施方式4中使用的膜电极接合体的结构的主要部分的截面图；

图7是表示实施方式5中使用的膜电极接合体的结构的主要部分的截面图；

图8是表示实施方式6中使用的膜电极接合体的结构的主要部分的截面图；

图9是表示实施方式6中使用的膜电极接合体的制作方法的工序图；

图10是表示实施方式6使用的膜电极接合体的其他制作方法的工序图；

图11是表示实施方式7中使用的膜电极接合体的结构的主要部分的截面图；

图12是表示实施方式8中使用的膜电极接合体的结构的主要部分的截面图；

图13是表示实施方式9中使用的膜电极接合体的结构的主要部分的截面图；

图14是表示设在膜电极接合体上的突出部的变形例的图；

图15是表示设在膜电极接合体上的突出部的变形例的图；

图16是表示设在膜电极接合体上的突出部的变形例的图；

图17是表示实施方式1中的变形例中使用的膜电极接合体的结构的主要部分的立体图；

图18是表示实施方式2中的变形例中使用的膜电极接合体的结构的主要部分的截面图。

图中：10-燃料电池、20-膜电极接合体、22-电解质膜、30-特种氢合金罐(hydrogen-absorbingalloys tank)、40-阳极侧框体、42-阴极侧框体、50-阳极罩、60-密封垫(packing)。

具体实施方式

下面，参照附图对本发明的实施方式进行说明。

(实施方式1)

图1是实施方式1涉及的燃料电池的分解立体图。燃料电池10包括：膜电极接合体20、特种氢合金罐30、阳极侧框体40和阴极侧框体42。膜电极接合体20的具体结构在后面叙述，现在就燃料电池10的整体的大致结构进行说明。

在膜电极接合体20的一面设有阳极侧框体40，在阳极侧框体40内，容纳有阳极侧的部件。具体地，在膜电极接合体20的阳极侧的一面，设有阳极罩50以及特种氢合金罐30。

通过阳极罩50，面向膜电极接合体20的阳极，形成填充氢的空间。在特种氢合金罐30，容纳着可以吸收氢的特种氢合金(例如稀土类的Mm(混合稀土)Ni_4.32Mn_0.18Al_0.1Fe_0.1Co_0.3)。另外，特种氢合金不限于稀土类合金，也可以是例如Ti-Mn、Ti-Fe、Ti-Zr、Mg-Ni和Zr-Mn等。

在特种氢合金罐30，设有可以与贮藏用于补给的氢的外部钢瓶(未图示)连接的燃料补给口32。通过将外部钢瓶与燃料补给口32连接，可以向特种氢合金罐30内的特种氢合金补充氢。

贮藏在特种氢合金罐30中的氢，通过调节装置34向膜电极结合部20的阳极供给。通过调节装置34，从外部钢瓶向特种氢合金补充氢或从特种氢合金放出氢时，向阳极供给的氢的压力降低，以保护阳极。

另外，在阳极侧框体40内，容纳有控制电路70。控制电路70调整在燃料电池10产生的电压，并包含向外部输出一定值的如DC-DC转换器等的电气电路。

另一方面，在膜电极接合体20的另一面，设有阴极框体42，在阴极框体42内，容纳有阴极侧的部件。具体地，在膜电极接合体20的阴极侧的一面隔着密封垫60设有网状的阴极过滤器62。通过阴极过滤器62，除去从外部吸入的空气中的垃圾或尘埃。

图2是表示膜电极接合体20的结构的主要部分的立体图。膜电极接合体20包括电解质膜22、阳极24a、b以及与阳极24a、b各自对置的阴极26a、b。即，在膜电极接合体20中，多个电池单元形成平面状。在阳极24a、b，从特种氢合金罐30被供给氢。向阴极26a、b供给空气。燃料电池10通过氢和空气中的氧的电化学反应发电。另外，虽然在如图2所示的膜电极接合体的例子中，电池单元的数量为2，但电池单元数量可为任意。另外，也可以将多个电池单元排列成矩阵状。

阳极24a、b在电解质膜22的一面呈分离的状态而形成。本实施方式中，在各阳极24a、b的周围的一条边分别连接着集电体80a、b。另外，在设有集电体80a、b的边的相反侧的各阳极24a、b的侧面，设有绝缘体84a、b。通过绝缘体84a、b，使在相邻的阳极之间连接在其中的一个阳极上的集电体和其他的阳极绝缘。

另一方面，阴极26a、b在电解质膜22的另一面呈分离的状态形成。和阳极的情况一样，在各阴极26a、b的周围的一条边分别连接着集电体82a、b。但是，在阴极的一侧，集电体82a、b，设于分别与夹着电解质膜22而设置在阳极一侧的绝缘体84a、b相向的位置。另外，在设有集电体82a、b的边的相反侧的各阴极26a、b的侧面，设有绝缘体86a、b。通过绝缘体86a、b，在相邻的阴极之间，与其中一个阴极连接的集电体和其他的阴极绝缘。

另外，集电体80a、b以及集电体82a、b例如由铝、金、铂金等金属或碳作成的导电材料构成。

在相邻的电池单元中，其中的一个电池单元的阳极侧的集电体80和另一个电池单元的阴极侧的集电体82，通过设于膜电极接合体20的端部的内部连接体进行电连接。在图2的示例，集电体80b和集电体82a通过内部连接体连接。因此，各电池单元被串联地电连接。

电解质膜22，优选在湿润的状态下表现出良好的离子传导性，并作为在阳极24和阴极26之间使质子移动的离子交换膜发挥作用。电解质膜22，由含氟聚合物或无氟聚合物等固体高分子材料形成，例如可以使用磺酸型全氟化碳聚合物、聚砜树脂、具有磷酸基或羧酸基的全氟化碳聚合物等。作为磺酸型的全氯化碳聚合物的例子，可以举出nafion(杜邦公司制：注册商标)112等。另外，作为无氟聚合物的例子，可以举出被磺化的芳香族聚醚醚酮、聚砜等。

阳极24a、b以及阴极26a、b由离子交换树脂和触媒粒子作成的触媒层构成。

离子交换树脂将触媒载体碳粒子和电解质膜22连接，在两者之间起到传递质子(proton)的作用。离子交换树脂可以由和电解质膜22一样高分子材料形成。触媒中，含有例如铂金、钌、铑等中的一种或两种的合金。

本实施方式的燃料电池，由于电极(阳极以及阴极)和集电体的接触能够在电极的周围，所以在电极的表面使集电体接触的情况所需要的连接部件便不再需要。因此，燃料电池可以更加小型化。

另外，由于集电体沿着电极的一边设置，可以使集电体的投影面积减小，从而可以相应地使电池单元(发电部分)的面积增大。

(实施方式2)

实施方式2涉及的燃料电池的结构除膜电极接合体外和实施方式1相同。图3是表示与实施方式2相关的燃料电池的膜电极接合体的结构的主要部分的截面图。实施方式2的膜电极接合体20，在相邻的电池单元之间，形成有朝向阳极侧突出的突出部100。在突出部100，电解质膜22被折回。和阴极26a连接的集电体82a的延长部分嵌入被折回的电解质膜22之间。在被折回的电解质膜22之间，集电体82a的延长部分和阴极26a侧的电解质膜22a连接，并和阴极26b侧的电解质膜22b分离。集电体82a和电解质膜22b之间嵌有绝缘体86b。通过绝缘体86b，使集电体82a和电解质膜22b绝缘。另外，在阳极侧，与阳极24b连接的集电体80b的延长部分沿着电解质膜22b设置。并且，由于突出部(电连接机构)向阳极侧突出，所以本实施方式确保了在阴极的空气的扩散能力。

根据本实施方式，没有扩大电池单元的间隔(无损于发电面积效率)，通过增大集电体的截面积，可以减小集电体中由电阻带来的电压损耗。

另外，如本实施方式，在膜电极接合体20上设置突出部100的情况下，如图4所示，希望在阳极罩50设置可以插入突出部100的漕52。这样的话，可以稳定地固定突出部100。

(实施方式3)

实施方式3涉及的燃料电池的结构除膜电极接合体外和实施方式1相同。虽然实施方式1的燃料电池，通过在膜电极接合体20的端部设置内部连接体将各电池单元串联地电连接，但将各电池单元串联连接的机构不限于此。在实施方式3的膜电极接合体20，如图5所示，内部连接体110设于相邻的电池单元之间。具体地，在相邻的电池单元之间，集电体80b以及集电体82a比实施方式1延长，来使阳极侧的集电体80b和阴极侧的集电体82a对置。内部连接体110设于集电体80b和集电体82a之间，集电体80b和集电体82a电连接。

根据本实施方式，由于内部连接体未设于膜电极接合体20的端部而设于相邻的电池单元之间，所以缩小了电子的移动距离，进一步减小了集电体中由电阻带来的电压损耗。

(实施方式4)

实施方式4涉及的燃料电池的结构除膜电极接合体外和实施方式1相同。图6是表示实施方式4中使用的膜电极接合体的结构的主要部分的截面图。在实施方式4的膜电极接合体20中，与实施方式2一样，在相邻的电池单元之间，形成有朝向阳极侧突出的突出部100。在本实施方式中，设于电池单元之间的内部连接体110在突出部100贯通电解质膜22。通过内部连接体110，电连接阳极侧的集电体80b和阴极侧的集电体82a。

根据本实施方式，除了有实施方式3的效果，而且电池单元的间隔没有扩大(无损于发电面积效率)，通过增大集电体的截面积，从而减小集电体中由电阻带来的电压损耗。

(实施方式5)

实施方式5涉及的燃料电池的结构除膜电极接合体外和实施方式1相同。在实施方式1～4中，集电体都是沿着各电池单元的电极的一边设置，而在本实施方式中，集电体设置在各电池单元的电极的全部周围(四条边)，电极周围的各边与集电体连接。图7是表示实施方式5中使用的膜电极接合体的结构的主要部分的截面图。在本实施方式中，集电体80a、b分别设于阳极24a、b的全部周围，与阳极24a、b的周围4条边的侧面连接。另外，集电体82a、b分别设于阴极26a、b的全部周围，与阴极26a、b的周围4条边的侧面连接。在相邻的电池单元之间，集电体80a和集电体80b通过绝缘体84a被绝缘。另外，集电体82a和集电体82b通过绝缘体86a被绝缘。在相邻的电池单元中，其中1个电池单元的阳极侧的集电体80和其他的电池单元的阴极侧的集电体82，通过设于膜电极接合体20的端部的内部连接体(未图示)电连接。由此，各电池单元被串联地电连接。

这样的话，由于集电体与电极周围的4条边连接，所以不会有损于集电性，可以增加电池单元的尺寸(宽度)。另外，由于集电体相对于电极呈对称设置，所以电子(电流)分散，可以提高集电性。

(实施方式6)

图8是表示实施方式6中使用的膜电极接合体的结构的主要部分的截面图。在本实施方式中，在实施方式5所示的膜电极接合体的阳极侧，突出部100设于相邻的电池单元之间。在突出部100，电解质膜22被折回。与阴极26a连接的集电体82a的延长部分嵌于被折回的电解质膜22之间。在被折回的电解质膜22之间，集电体82a的延长部分与阴极26a侧的电解质膜22a连接，并和阴极26b侧的电解质膜22b呈分离状态。另外，与阴极26a连接的集电体82b的延长部分嵌于被折回的电解质膜22之间。在被折回的电解质膜22之间，集电体82b的延长部分与阴极26b侧的电解质膜22b连接，并和阴极侧26a侧的电解质膜22a呈分离状态。在被折回的电解质膜22之间，绝缘体86a嵌于集电体82a和集电体82b之间。通过绝缘体86a，集电体82a和集电体82b被绝缘。

另外，在阳极侧，与阳极24a连接的集电体80a的延长部分沿着电解质膜22a设置。另外，与阳极24b连接的集电体80b的延长部分沿着电解质膜22b设置。集电体80a和集电体80b通过绝缘体84a被绝缘。

(膜电极接合体的制作方法1)

图9是表示实施方式6中使用的膜电极接合体的制作方法的工序图。首先，如图9(A)所示，利用印刷法在电解质膜22的其中一面以规定的间隔形成多个阴极(触媒层)26，并且，在电解质膜22的另一面与各阴极对应以规定的间隔形成多个阳极(触媒层)24。另外，在相邻的阴极之间，设置于阴极的全部周围并与周围的各边连接的一对集电体82形成后，形成绝缘体86来覆盖一对集电体82。另外，在相邻的阳极之间，形成有设置在各阳极的全部周围并与阳极周围的各边连接的一对集电体80。

接着，如图9(B)所示，通过在相邻的阴极的中心部分弯折电解质膜22，使突出部100向阳极侧突出，接着，利用绝缘性的接合膏等，使图9(B)所示部分X(绝缘体86的端部)彼此接合。另外，为使相邻的电池单元之间的集电体80彼此绝缘，在区域Y形成绝缘体。通过以上工序，可以形成实施方式6中使用的膜电极接合体。

(膜电极接合体的制作方法2)

图10是表示实施方式6中使用的膜电极接合体的其他制作方法的工序图。本工序中，首先，如图10(A)所示，预先制作分别在绝缘体86的两面形成了集电体82的部件。另一方面，在电解质膜22的其中一面以规定的间隔形成多个阴极(触媒层)26。另外，在电解质膜22的另一面与各阴极对应以规定的间隔形成多个阳极(触媒层)24。在相邻的阳极之间，形成有设置在各阳极的全部周围并与阳极周围的各边连接的一对集电体80。

接着，如图10(B)所示，通过在相邻的阴极的中心部分弯折电解质膜22，使突出部100向阳极侧突出。接着，集电体82和阴极26的侧面的接合部分Z，用导电膏120接合。并且，另外，为使相邻的电池单元之间的集电体80彼此绝缘，在区域Y形成绝缘体。

(实施方式7)

在实施方式5中，通过设于膜电极接合体20的端部的内部连接体，各电池单元被串联地电连接。实施方式7中，与实施方式5对应，通过设于相邻的电池单元之间的内部连接体，各电池单元被串联地电连接。具体地，如图11所示，在实施方式7的膜电极接合体20中，内部连接体110设于相邻的电池单元之间。在相邻的电池单元之间，集电体80b以及集电体82a与实施方式5相比有所延长，来使阳极侧的集电体80b和阴极侧的集电体82a对置。内部连接体110，设于集电体80b和集电体82a之间，将集电体80b和集电体82a电连接。

根据本实施方式，不仅具有实施方式5的效果，而且由于内部连接体未设在膜电极接合体20的端部而设在相邻的电池单元之间，所以减小了电子的移动距离，可以进一步减小集电体中由电阻带来的电压损耗。

(实施方式8)

在实施方式6中，通过设于膜电极接合20的端部的内部连接体，各电池单元被串联地电连接。在实施方式8中，与实施方式6对应，通过设于相邻的电池单元之间的内部连接体，各电池单元被串联地电连接。具体地，如图12所示，在实施方式8的膜电极接合体20，在突出部100内，内部连接体110设于相邻的电池单元之间。在相邻的电池单元之间集电体80b以及集电体82a与实施方式6相比有所延长，来使阳极侧的集电体80b和阴极侧集电体82a对置。内部连接体110设于集电体80b和集电体82a之间，电连接集电体80b和集电体82a。

根据本实施方式，除了具有实施方式6的特点，而且由于内部连接体未设于膜电极接合体的端部而设于相邻的电池单元之间，故可以减少内部连接体必要的占有面积。其结果，燃料电池可以进一步小型化。

(实施方式9)

虽然在实施方式8的膜电极接合体20中，阴极26a、b为平坦的形状，但阴极26的形状也可以为非平坦。如图13所示，在实施方式9的膜电极接合体20，阴极26a、b其中央部分相对于外周部分分别形成凸起。另外，阴极26a、b的外周部分平滑地形成弯曲的形状(R部分)。

这样的话，由于用于使突出部(电连接机构)突出的集电体的R部分也可以作为电极有效地使用，故可以增加每个燃料电池的投影面积的有效电极面积，提高小型高输出的效果。

另外，由于与在扩散性的点上容易成为增加扩散极化的原因的空气(大气)的接触界面以及生产水的放出面积相对增加，所以所述扩散极化减小，并提高了小型化、高输出的效果。

并且，在向阳极供给作为燃料的纯氢的情况下，由于燃料的扩散性的影响较小，故也可以把触媒层或者气体扩散层等阳极的一部分嵌于在阳极侧设置的一组突出部之间的凹部。这样的话，电池单元的强度提高。

另外，虽然本实施方式中，阴极26a、b各自相对于其外周部分，在中央部分形成凸起，但阴极26a、b也可以是波状。上述的效果也可以由阴极26a、b的至少一部分相对于连接于其外周部分的集电体而凸起的结构获得。

本发明，并不限定于上述的实施方式，也可以是根据本技术领域所属技术人员的知识作出的各种设计变更的变形，加入了这样变形的实施方式也包含在本发明的范围中。

例如，突出部100的形状以及形态，不限于实施方式2、4、6以及8所示的U字状。例如，如图14所示，突出部100也可以是三角形状。另外，如图15所示，在突出部100，也可以设置2个弯折部分。另外，也可以如图16所示，在突出部100，集电体82a以及82b被卷绕，集电体82a和集电体82b通过绝缘体86被绝缘。这样的话，通过增加集电体82a、82b的截面积，可以减小电压损耗。

另外，虽然在上述各实施方式中，在一片电解质膜的表里与多个电池单元对应地形成阳极以及阴极，但电解质膜也可以由多个电池单元的每一个而分离。具体地，作为实施方式1的变形例，如图17所示，在相邻的电池单元之间设置聚酰亚胺、特氟纶(注册商标)片等树脂基材200，在树脂基材200的其中一面设有与阳极24b的侧面接触的集电体80b、使集电体80b和阳极24a绝缘的绝缘体84a。另一方面，在树脂基材200的另一面设有与阴极26a的侧面接触的集电体82a、使集电体82a和阴极26b绝缘的绝缘体86a。另外，图18是表示实施方式2的变形例中使用的膜电极接合体的结构的主要部分的截面图。在这种情况下，预先在树脂基材200设置折回，和实施方式2一样在该树脂基材200上形成集电体82a、80b以及绝缘体86b。

根据该变形例，由于树脂基材200不易膨胀，所以可以抑制集电体以及绝缘体的剥离。

这种变形例涉及的膜电极接合体，例如可以按照以下所示的顺序制作。首先，准备未加工的树脂基材，通过蚀刻等在树脂基材上开电池部分等所需的孔。接着，在相邻的电池单元部分之间的树脂基材的表里形成集电体以及绝缘体。接着，用电解质溶液填充电池单元部分的孔。最后，在电解质的表里，分别形成阳极用、阴极用的触媒层。通过以上工序，可以制作如图18所示的实施方式2的变形例的膜电极接合体。

另外，构成燃料电池的多个电池，没有必要全部串联地连接。例如，也可以多个电池单元的一半各自串联地连接，将被串联连接的电池单元组并联地连接。

Claims

1.一种燃料电池，包括：

多个电池单元，其包括电解质膜、设于所述电解质膜的一面上的阳极、和设于所述电解质膜的另一面的阴极，所述多个电池单元呈平面状排列；和

电连接机构，其电连接相邻的所述电池单元；

所述电连接机构与所述阳极以及所述阴极的周围的一部分相接，从而得到所述电连接机构和各电池单元的所述阳极以及所述阴极的电连接，

在相邻的所述电池单元之间，形成有朝向所述阳极侧突出的突出部，在所述突出部，所述电解质膜被折回，

与相邻的电池单元中的一方的阴极连接的所述电连接机构的延长部分嵌入被折回的电解质膜之间，

在被折回的电解质膜之间，与所述一方的阴极连接的所述电连接机构的延长部分，与所述一方的阴极侧的电解质膜连接，并与另一方的阴极侧的电解质膜分离，在与所述一方的阴极连接的所述电连接机构和所述另一方的阴极侧的电解质膜之间嵌有绝缘体，

在所述阳极侧，与所述相邻的电池单元中的另一方的阳极连接的电连接机构的延长部分沿着所述另一方的阴极侧的电解质膜设置。

2.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，

所述电连接机构包括将相邻的电池单元串联地电连接的内部连接体；

所述内部连接体形成于相邻的电池单元之间。