CN101652888B - 燃料电池 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种燃料电池，其能够防止由于在电化学装置部(膜-电极组件等)中产生的热引起的发电不稳定并防止发电效率的降低。在具有通过化学反应进行发电的膜-电极组件(4)的燃料电池中，膜-电极组件(4)设置成与另一膜-电极组件之间具有间隔，或者两个膜-电极组件彼此相邻设置，使得该对膜-电极组件设置成与另一膜-电极组件或另一对之间具有间隔，并且膜-电极组件(4)的主表面之一与外部空气接触而无需用另一膜-电极组件来密封。导电板(5)和(6)设置成与膜-电极组件(4)接触，以便将膜-电极组件内产生的电流与外部交换，并且散热片9设置在与外部空气接触的主表面侧上的导电板(6)上，使得导电板(6)用作散热构件。

Description

燃料电池

技术领域

本发明涉及一种燃料电池，并且具体地涉及一种针对发电电池内产生的热而采取对策的燃料电池，该燃料电池适于小型化。

背景技术

近年来，在便携式电子设备诸如蜂窝电话、笔记本尺寸个人计算机、数码相机、摄像机等中，它们的功能被提升并且多样化，并且相应地，功率消耗倾向于增加。因此，对电源的负载增加。

作为用于这些便携式电子设备的电源，通常使用小的一次电池或二次电池。电池的特性之一为能量密度。术语“能量密度”表示每单位质量或单位体积的电池可以获取的能量的量。用于便携式电子设备的电池需要能量密度的改善，以便满足电子设备的更高功能和多功能。

当一次电池拥有的能量放电后，该电池无法再使用。虽然一次电池具有这样的便利性，即，将该电池用另一电池替换，便携式电子设备可以再工作，但是一次电池能量密度低，需要携带许多电池来驱动消耗非常大电力的便携式电子设备，因此一次电池不适合作为便携式电子设备的电源。

使用二次电池具有这样的优点，即使电池内储存的能量释放，电池通过充电而再生并且可以再使用。然而，能量密度不足以长时间驱动具有较大功率消耗的便携式电子设备，并且需要充电器和电源进行充电，从而限制了工作环境。另外，存在充电需要非常长的时间的问题。

如上所述，传统的一次电池、二次电池或其扩展难以满足长时间驱动各种便携式电子设备，并且适合于更长时间驱动且基于不同原理的电源被期待。这样的电源之一是燃料电池。燃料电池包括负极、正极和电解质，其中燃料被供应至负极侧，而氧化剂被供应至正极侧。此时，发生氧化还原反应，从而使用氧化剂来氧化燃料，并且燃料所拥有的化学能被有效地转换成电能。

由于燃料电池是使用燃料和氧化剂之间的化学反应来产生电力的电力发生器，因此通过连续地使用空气中的氧气作为氧化剂并从外部供应燃料，燃料电池可以连续地用作电源，除非该燃料电池损坏。因此，如果燃料电池可以被小型化，则它们将成为适合于便携式电子设备且不需要充电的高能量密度电源。

已经提出或基于实验制造了各种类型的燃料电池，并且它们中的一些已经投入实际应用。燃料电池的特性显著地依赖于所使用的电解质而变化，并且燃料电池基于所使用的电解质而被分类成各种类型。其中，使用质子传导性聚合物膜作为电解质的聚合物电解质燃料电池(PEFC)在约30℃～130℃的低温下工作而无需使用电解液，因此它们可以被小型化并且作为用于便携式电子设备的电源是最优的。

作为用于燃料电池的燃料，可以使用各种可燃性物质诸如氢气、甲醇等。然而，诸如氢气的气体燃料具有低的密度并且不适合于小型化，因为需要高压存储罐等来增加密度。另一方面，诸如甲醇的液体燃料与气体相比具有高的密度并且很容易存储，因此液体燃料作为用于小型设备的燃料电池的燃料具有压倒性优势。因此，如果使用液体燃料的燃料电池可以被小型化，则可以实现用于便携式电子设备(它可以被长时间驱动)的非常规电源。

特别地，其中反应通过将甲醇直接供应至PEFC的负极来达到的直接甲醇型燃料电池(DMFC)不需要重整器从燃料中取出氢，构成简单且容易小型化。甲醇的能量密度理论上显著高于一般锂离子二次电池。如上所述，DMFC被认为最适合作为用于便携式电子设备(其日益被小型化以及多功能化和更高功能化)的电源。

在DMFC中，作为燃料的甲醇在负极催化剂层中如以下表达式(1)所示被氧化成二氧化碳：

负极：CH₃OH+H₂O→CO₂+6H⁺+6e^-...(1)

在该反应中产生的氢离子穿过保持在负极和正极之间的质子传导性聚合物电解质膜而移动至正极侧，并如以下表达式(2)所示在正极催化剂层内与氧气反应：

正极：6H⁺+(3/2)O₂+6e^-→3H₂O...(2)

在整个DMFC上发生的反应由表达式(1)和(2)的组合，即，以下表达式(3)表示：

整个DMFC：CH₃OH+(3/2)O₂→CO₂+2H₂O  ...(3)

根据用于将甲醇供应至负极的方法，DMFC大略分成液体供应型和气体供应型。液体供应型是一种原样地供应液体燃料的方法，其中甲醇水溶液利用泵被供应至负极。在DMFC中，水被负极上的电极反应(1)消耗。因此，在许多DMFC中，甲醇水溶液被供应至负极以补偿水的损耗。然而，该类型导致其中甲醇从负极侧到正极侧穿过聚合物电解质膜的甲醇渗透(crossover)，并且容易导致降低甲醇利用效率的问题。

气体供应型是一种将气化甲醇供应至负极的方法，其中储存在燃料箱中的液体燃料利用泵被传送至气化室，并且在气化室内自然蒸发或者通过加热器加热而强制蒸发(参照专利公开第3413111号)。存在一种自然蒸发燃料箱内的燃料或者在燃料箱内通过加热器加热来强制蒸发燃料的方法。

在气体供应型中，在正极上产生的水被逆向扩散至负极侧，以防止水滞留在正极上，补偿由负极上的电极反应(1)消耗的水，通过自加湿来维持聚合物电解质膜内的水，并使得聚合物电解质膜呈现高的质子传导性。已知气体供应型作为一种导致相对较少甲醇渗透的方法。此外，可以抑制聚合物电解质膜的膨胀，从而使膜-电极组件稳定。

在液体供应型和气体供应型两者中，通过使用泵或风扇(fan)的强制方法或者通过不使用泵或风扇而利用空气自然扩散或对流的方法将空气供应至发电部。

作为稳定甲醇和空气的供应的方法，可以使用利用泵、鼓风机或加热器来控制供应速率的方法。然而，这样的辅助部件妨碍DMFC的小型化并存在损害DMFC特性(即高能量密度)的一面。因此，用于便携式电子设备的电源优选地使用自然蒸发燃料箱内的燃料的气体供应型作为甲醇供应方法，并使用利用自然扩散或对流的方法作为空气供应方法。

然而，在这种情况下，燃料供应速率受到甲醇被蒸发的空间内的温度的强烈影响，因此当该空间的温度由于伴随发电产生的热而过度增加时，燃料被过量供应，导致甲醇渗透。此外，气体供应型要求在正极侧上产生的水在电解质膜内逆向扩散并被供应至负极侧，但是当聚合物电解质膜的温度变得过高时，在正极侧上产生的水和在电解质膜内包含的水由于蒸发而损耗，从而导致不能将反应所需的水供应到负极上的问题。

由于伴随发电产生的热引起的过热一旦发生，则该过热就具有使状况逐渐恶化的性质。例如，当由于用于蒸发甲醇的空间过热而过量供应燃料，从而导致甲醇渗透时，该状况容易转成恶性循环，其中渗透甲醇在正极上被氧化，并且产生的热进一步增加甲醇蒸发空间的温度，从而进一步导致燃料的过量供应和甲醇渗透。此外，当在高温下水从聚合物电解质膜损失时，发生这样的恶性循环，其中聚合物电解质膜的内阻增大，因此电阻发热增大，从而由于所产生的热而进一步提高聚合物电解质膜的温度。

作为通过控制由发电产生的热而不使用泵或风扇来稳定温度的方法，存在一种在与外部空气接触的位置设置包括散热片(radiation pin)的散热装置(radiation means)的方法。设置有散热片的燃料电池的实例在例如日本未审查专利申请公开第2005-108717号(第3、5、6和9页，特别是在[0005]和[0041]段，图7)中提出。

图4是示出了冷却在日本未审查专利申请公开第2005-108717号中披露的燃料电池的起电部(electromotive portion)的方法的截面图。起电部100设置有三个发电电池101a～101c的叠层，设置燃料供应通道105和燃料排出通道106用于将燃料供应至发电电池或者从发电电池排出燃料，以及设置空气供应通道107和空气排出通道108用于将空气供应至发电电池或者从发电电池排出空气。此外，散热片104设置在构成沿发电电池101a～101c的堆叠方向延伸的侧面的侧壁103a和103b上。另一方面，散热片没有设置在构成与发电电池的堆叠方向垂直的端面的端板102a和102b上。

在日本未审查专利申请公开第2005-108717号中，用于起电部100的冷却方法的特性描述如下：设置在侧壁103a和103b上的散热片104将发电电池101a～101c的热散发至周围并冷却这些单元。结果，可以防止电池的过热。侧壁103a和103b沿发电电池101a～101c的堆叠方向延伸，并且定位成面向多个发电电池。因此，多个发电电池101a～101c可以被均匀地冷却，并且可以防止发电电池之间的温度差异的发生。此外，最高温度的排放侧上的燃料排放通道106和空气排放通道108沿电池的堆叠方向延伸，因此利用设置在起电部100侧面上的散热片104而被有效冷却。

结果，可以抑制多个发电电池101a～101c之间的温度差异和输出变化，从而允许稳定的发电。同时，可以防止发电电池内诸如极性反转等的破损，从而提供具有改善的可靠性的燃料电池。

在日本未审查专利申请公开第2005-108717号中披露的起电部100中，散热片没有设置在构成与发电电池101a～101c的堆叠方向垂直的端面的端板102a和102b上。在日本未审查专利申请公开第2005-108717号中，作为对于此的原因，描述了当散热片设置在通过堆叠多个发电电池101a～101c而构造的起电部100内构成端面的端板102a和102b上用于冷却时，温度差异容易发生在沿堆叠方向设置在端部的发电电池101a和101c与设置在中央的发电电池101b之间，因此发电电池之间的输出变化且不稳定，导致在某些情况中由温度差异引起的诸如极性反转的破损。

即，图4所示的用于起电部100的冷却方法是一种用于最小化作为最重要课题的堆叠发电电池之间变化的冷却方法，并且由于堆叠三个以上发电电池，因此该方法是必然使用的次优方法。因此，当考虑使具有散热片的一个发电电池的冷却具有最高效率时，起电部100的结构不是最好的结构。

为了解决上述问题已经获得了本发明，并且本发明的目的在于提供一种燃料电池，该燃料电池能够防止由于电化学装置部内产生的热引起的发电不稳定并防止发电效率降低。

发明内容

即，本发明涉及一种燃料电池，包括：电化学装置部，其中发电通过化学反应来进行；以及散热构件，设置在与外部空气接触的位置并设置有用于散发在电化学装置部产生的热的散热片，该燃料电池的特征在于：

该电化学装置部与另一电化学装置部间隔设置，或者形成一对彼此相邻设置的两个电化学装置部使得该对电化学装置部与另一电化学装置部或另一对电化学装置部间隔设置；

用于将电化学装置部产生的电流与外部交换的导电构件设置成与该电化学装置部接触；并且散热构件设置成与导电构件接触，或者散热片的一部分或全部设置在与外部空气接触的导电构件的至少一部分上，使得导电构件用作散热构件。

通常，当考虑到在燃料电池的电化学装置部内产生的热利用设置有散热片的散热构件以尽可能高效率散发时，显然理想的是，作为发热部的电化学装置部与另一电化学装置部间隔设置，使得各电化学装置部设置在尽可能靠近外部空气的位置，并且设置有散热片的散热构件设置在燃料电池与外部空气接触的每个位置。

另一方面，不期望的是，作为发热部的许多电化学装置部彼此相邻设置。在这种情况下，多个电化学装置部彼此相邻设置的区域无法与外部空气接触，并且热容易累积在其中。例如，在图4所示的日本未审查专利申请公开第2005-108717号的起电部100中，发电电池101a～101c以三层堆叠，因此沿堆叠方向设置在端部的发电电池101a和101c在每个电池的主表面之一可以与外部空气接触，而设置在中央的发电电池101b无法在两个主表面与外部空气接触，因为两个主表面都被发电电池101a和101c密封，使得热仅通过具有较小表面积的侧面来散发。

本发明的燃料电池包括：电化学装置部，用于通过化学反应来发电；以及散热构件，设置在与外部空气接触的位置并设置有用于散发在电化学装置部中产生的热的散热片，

其中该电化学装置部与另一电化学装置部间隔设置，或者形成一对彼此相邻设置的两个电化学装置部使得该对电化学装置部与另一电化学装置部或另一对电化学装置部间隔设置。

因此，当电化学装置部单独设置时，其周围不与另一电化学装置部靠近，使得热可以从所有周围表面充分地散发。此外，即使当电化学装置部设置为形成一对彼此相邻的两个电化学装置部时，电化学装置部在一侧上的表面彼此靠近，使得热可以通过其他表面被充分地散发。例如，当电化学装置部具有板状形状，并且设置两个电化学装置部的堆叠体(stack)时，一侧上的主表面彼此靠近，而相对侧上的主表面不靠近，从而允许通过相对侧上的主表面来充分地散热。

此外，在本发明的燃料电池中，用于将在电化学装置部产生的电流与外部交换的导电构件设置成与电化学装置部接触；并且散热构件设置成与导电构件接触，或者散热片的一部分或全部设置在与外部空气接触的导电构件的至少一部分上，使得导电构件用作散热构件。结果，通过具有优异的热传导性的导电构件，在电化学装置部内产生的热通过散热构件从电化学装置部以最短距离被散发至外部空气，因此热以最高效率被散发。

如上所述，在本发明的燃料电池中，在电化学装置部内产生的热通过导电构件被有效地散发，因此可以防止由于热引起的发电不稳定和发电效率的降低。此外，温度可以被稳定而无需使用泵或风扇，该燃料电池适于小型化和成本降低。特别地，当导电构件用作散热构件时，所需构件的数目可以最小化。

附图说明

图1(a)是分解透视图，而图1(b)是剖视图，示出了基于本发明实施方式的发电电池部的结构。

图2示出了基于相同实施方式的膜-电极组件(MEA)的结构的剖视图。

图3(a)是分解透视图并且图3(b)是剖视图，示出了基于相同实施方式的DMFC的结构。

图4是示出了在日本未审查专利申请公开第2005-108717号中披露的冷却燃料电池的起电部的方法的剖视图。

具体实施方式

在本发明的燃料电池中，优选地，电化学装置部具有板状形状，并且导电构件设置成与两个主表面中的每一个接触。该电化学装置部包括彼此相对设置的两个电极以及设置在两个电极之间的电解质，并且在许多情况下，电化学装置部通常具有板状形状，因为当电极之间距离减小时，内阻减小。在这种情况下，如果导电构件设置成与具有最大面积的两个主表面中的每一个接触，则散热效果最大化。然而，导电构件并不限于此，并且在除了主表面外的部分上另外设置导电构件是更有效的。

此外，导入孔(inlet hole)优选地设置在导电构件内，用于将空气或燃料传到电化学装置部。

此外，散热片优选通过加工散热构件的表面而形成。在这种情况下，散热片优选具有3mm以下的间距(pitch)、1mm以下的厚度和3mm以下的高度。以这种方式，通过在燃料电池的表面上设置许多细片，在电化学装置部内产生的热可以被有效地散发。

作为具体的加工方法，例如，散热片可以通过切割凸出(cuttingand raising)或者挖凿(digging)散热构件的表面而形成。此外，散热片可以通过形成多个细槽的细槽形成方法来形成(参照，例如日本未审查专利申请公开第2001-102782号、日本未审查专利申请公开第2005-142247号以及日本未审查专利申请公开第2005-254417号)。

散热构件优选由金属板或经表面处理的金属板构成。金属板优选由作为高热传导性金属的铝或铜构成。

此外，空气优选通过自然扩散和/或自然对流而供应至电化学装置部。如上所述，诸如泵、鼓风机等的辅助部件妨碍燃料电池的小型化并且具有损害燃料电池的特性，即，高的能量密度的一面。因此，当燃料电池用作便携式电子设备的电源时，优选地，尽可能少地使用该辅助部件，并且空气通过自然扩散和/或自然对流来供应。

此外，以液态存储的燃料优选以汽化状态被供应至电化学装置部。在这种情况下，液体燃料优选为甲醇或甲醇水溶液。如上所述，可以使用甲醇而无需重整器，具有高的能量密度，而且是用于便携式电子设备的燃料电池的最佳燃料。将汽化甲醇供应至负极的气体供应型是这样的一种方法，其引起相对少的甲醇渗透并且优选可以抑制聚合物电解质膜的膨胀并稳定膜-电极组件。另外，优选使用自然蒸发燃料箱内的燃料而无需使用辅助部件诸如泵、加热器等的方法，因为该辅助部件妨碍燃料电池的小型化。

具有上述构造的传统燃料电池具有由于伴随发电产生的热而使发电不稳定并减小发电效率的问题。相反，在本发明的燃料电池中，在电化学装置部内产生的热通过散热构件被有效地散发以稳定燃料电池的温度，因此本发明的燃料电池可以最有效地应用于具有上述构造的燃料电池。即，由于其中甲醇蒸发的燃料箱的温度被稳定，因此很难发生由于燃料的过量供应引起的甲醇渗透。由于聚合物电解质膜的温度被稳定，因此电解质膜内的水被适当地保持并且可以保持高的质子传导性，并且负极上的反应所需的水可以通过在正极上产生的水的反向扩散而稳定地供应。

此外，诸如甲醇的液体燃料通常用作小型便携式设备的燃料电池的燃料，但是也可以使用吸藏在储氢合金等中的氢。

下面，参照附图来描述构造成直接甲醇型燃料电池(DMFC)的实例作为基于本发明实施方式的燃料电池。然而，本发明并不限于此。

图2是示出了用作电化学装置部的膜-电极组件(MEA)4的放大剖视图。如图2所示，在膜-电极组件(MEA)4中，负极2和正极3粘结至由Nafion(注册商标名)构成的质子传导性聚合物电解质膜1的两面。负极2包括由碳板或碳布构成的导电性多孔支持体2a，以及形成在导电性多孔支持体2a的表面上并由作为催化剂的铂或铂合金和诸如Nafion的质子导体的混合物构成的氧化催化剂层2b。导电性多孔支持体2a具有作为用于将气态甲醇传到氧化催化剂层2b的气体扩散层的功能以及作为引导在氧化催化剂层2b内产生的电流的集电体的功能。正极3包括由碳板或碳布构成的导电性多孔支持体3a，以及形成在导电性多孔支持体3a的表面上并由作为催化剂的铂或铂合金和诸如Nafion的质子导体的混合物构成的还原催化剂层3b。导电性多孔支持体3a具有作为用于将空气传递到还原催化剂层3b的气体扩散层的功能以及作为引导在还原催化剂层3b内产生的电流的集电体的功能。

图1(a)是分解透视图，而图1(b)是剖视图，示出了发电电池部10的结构。然而，剖视图(b)是由透视图(a)内的虚线所示的位置处截取的剖视图。膜-电极组件4设置在发电电池部10的中心，并且导电板5和6被压接至膜-电极组件4的上表面和下表面。为了提高耐蚀性，电镀层5a和6a分别设置在导电板5和6的表面上，这些表面与膜-电极组件4接触。导电板5和6中的每一个均包括例如厚度为1mm的铝板或铜板，并且电镀层5a和6a中的每一个包括例如具有优异的耐蚀性的金镀层。膜-电极组件4以及导电板5和6分别用设置在组件4与导电板5和6之间的垫片7和8来密封，垫片7和8由例如厚度为0.5mm的硅酮橡胶片构成。

用于引入燃料气体的导入孔5b和用于引入空气(氧气)的导入孔6b分别设置在导电板5和6的中央。此外，开口7a和8a分别设置在垫片7和8内。导入孔5b和6b的尺寸、形状和布置显著地影响燃料电池的特性。

即，当孔面积增大时，较大量的燃料气体和空气(氧气)可以被传递至膜-电极组件4，而当该面积过度增大时，通过导电板5和6施加至负极2和正极3的压力减小，因此导电板5与导电性多孔支持体2a之间的接触电阻以及导电板6与导电性多孔支持体3a之间的接触电阻增大，从而可能导致电池特性的降低。相反地，当孔面积减小时，施加至负极2和正极3的压力可以增大以减小接触电阻，而当该面积过度减小时，将燃料气体和空气(氧气)传递至膜-电极组件4的能力减小，从而可能导致电池特性的降低。在该实施方式中，导入孔5b和6b如图1所示布置。

虽然图1(a)中未示出，但是图1(b)和部分放大图示出了其中散热片9形成在用作导电构件的导电板6的表面上的实例。虽然该实例是其中导电构件用作散热构件的实例，但是，例如在需要散热构件与导电构件电绝缘时，也可以将散热构件附着至导电构件。此外，散热片9可以设置在导电板5上或者设置在板5和板6两者上。

散热片9通过加工导电板6的表面来形成。在这种情况下，散热片9优选具有3mm以下的间距、1mm以下的厚度和3mm以下的高度。这样，通过在导电板6的表面(其构成发电电池部10内与外部空气接触的表面)上设置许多细片(fine fin)9，在用作电化学装置部的膜-电极组件4所产生的热可以被有效地散发。

作为具体的加工方法，例如，散热片9可以通过切割凸出或者挖凿导电板6的表面来形成。此外，散热片9可以通过形成多条细槽的细槽形成方法来形成(参照日本未审查专利申请公开第2005-142247号、日本未审查专利申请公开第2005-254417号等)。在形成细槽时，具有沿移动方向在前端形成的刃部(cutting edge)的切割凸出工具和金属材料之间，在切割工具与金属材料的表面成预定角度的状态下，相对地移动，从而利用切割凸出工具的刃部来切割凸出金属材料的表面，从而使板状片凸出并形成细槽。然后，以预定间距从通过凸出所述片而形成的加工表面的上游，金属材料与切割凸出工具之间相对地移动，从而用切割凸出工具的刃部来切割凸出金属材料的表面，由此使下一板状片凸出并形成细槽。然后，利用该切割凸出工具以预定间距顺序地重复该形成片和细槽的工艺，在片之间形成多条细槽。

将如上所述形成有散热片9的金属板切成预定尺寸，然后形成空气导入孔6b以获得导电板6。将形成有散热片9的金属板切成预定尺寸，然后可以附着至需要散热的另一表面。在这种情况下，可以使用适当的粘合剂，并且要注意避免粘合剂具有高的热阻。

散热器的散热效率通常基本上与散热器的整个表面积成比例。因此为了提高散热器的散热效果，有必要通过形成许多散热片9来增大表面积。然而，通过传统挤出成型或浇铸而生产的散热片在薄化片或形成许多片方面具有局限性。上述片形成方法可以解决该问题并且可以提高散热性能。

可替换地，散热片9可以是通过切割凸出铝挤出材料的凸条所形成的许多舌状片(参照日本未审查专利申请公开第2001-102782号)。

图3(a)是分解透视图而图3(b)是剖视图，示出了构造成小型DMFC的燃料电池40的结构。然而，剖视图(b)是在由透视图(a)中的虚线所示的位置处截取的剖视图。

DMFC 40由发电电池部10、燃料箱部30以及置于两个部之间的隔壁部20构成。隔壁部20通过绝热隔壁21在发电电池部10和燃料箱部30之间进行热隔断，用于防止燃料箱部30内液体燃料33的蒸发受到发电电池部10内产生的热影响。

诸如甲醇的液体燃料33储存在燃料箱部30的燃料箱31内。作为用于燃料箱31的材料，优选使用可以防止燃料箱31内的液体燃料33受周围环境影响的材料。当燃料箱31安装在小型电子设备或小型便携式电子设备上时，燃料箱31优选具有一定的韧性程度、更轻的重量、并且对周围没有不利影响。

通气孔32设置在与绝热隔壁21接触的燃料箱31的壁上，用于将通过蒸发成为气态的燃料气体供应至发电电池部10。每单位时间内供应至发电电池部10的燃料量依赖于通气孔32的开口面积和形状。

用于绝热隔壁21的材料包括诸如聚乙烯、聚苯乙烯等的塑料；诸如多孔陶瓷等的无机材料；诸如软木等的天然材料；以及它们的组合。优选选择具有低的热传导性和所需强度以及加工性的材料。

由于液体燃料33在燃料箱31内蒸发且燃料气体穿过绝热隔壁21并被供应至发电电池部10，因此绝热隔壁21需要具有燃料气体可透过的结构。图3示出了其中开口22设置在绝热隔壁21内的实例。开口22使得燃料气体以由通气孔32控制的供应量均匀空间分布，并将燃料气体供应至发电电池部10。在这种情况下，如图3所示，开口22优选具有包括通气孔32的尺寸，因为可以提高使得燃料气体均匀空间分布的效果。

作为液体燃料33，优选使用甲醇或甲醇水溶液。如上所述，可以使用甲醇而无需重整器，具有高的能量密度，并且是用于便携式电子设备的燃料电池的最佳燃料。

在燃料电池40中，作为燃料的甲醇以气体状态被供应到负极2中，并且在负极侧上的氧化催化剂层2b内如以下表达式(1)所示被氧化成二氧化碳：

负极：CH₃OH+H₂O→CO₂+6H⁺+6e^-...(1)

在该反应中产生的氢离子通过将负极2与正极3分开的质子传导性聚合物电解质膜1移动至正极侧，并且如以下表达式(2)所示在正极3侧上的还原催化剂层3b内与氧气反应：

正极：6H⁺+(3/2)O₂+6e^-→3H₂O  ...(2)

在整个燃料电池40中发生的反应由表达式(1)和(2)的组合，即，以下表达式(3)表示：

整个DMFC：CH₃OH+(3/2)O₂→CO₂+2H₂O  ...(3)

实施例

下面，将基于实施例来进一步详细地描述本发明。然而，本发明显然并不限于这些实施例。

实施例1<膜-电极组件(MEA)的制备>

图2所示的膜-电极组件(MEA)4被制备成构成燃料电池的电化学装置部。

负极2制备如下：即，首先以7∶3的重量比混合包括保持在碳上且由铂Pt和钌Ru以预定比率构成的合金催化剂的催化剂(由Tanaka Kikinzoku Kogyo K.K.制造)与Nafion(注册商标名，由DuPont制造)分散水溶液(由Wako Chemicals，Ltd.制造)，并且通过添加离子交换水将所得到的混合物调节至适当的粘度以制备糊状混合物。通过刮刀法将该糊状混合物涂布至用作导电性多孔支持体2a的碳纸(由Toray Industries，Inc制造)，然后干燥以形成氧化催化剂层2b。将纸切成13mm×13mm的正方形以形成负极2。

此外，通过与上述相同的方法来制备正极3。即，首先以7∶3的重量比混合包括保持在碳上的铂催化剂的催化剂(由TanakaKikinzoku Kogyo K.K.制造)与Nafion分散水溶液(由WakoChemicals，Ltd.制造)，并且通过添加离子交换水将所得到的混合物调节至适当的粘度以制备糊状混合物。通过刮刀法将该糊状混合物涂布至用作导电性多孔支持体3a的碳纸(由Toray Industries，Inc制造)，然后干燥以形成还原催化剂层3b。将该纸切成13mm×13mm的正方形以形成正极3。

接着，作为质子传导性聚合物电解质膜1，将Nafion 112(商标名，由Du Pont制造)膜切成15mm×15mm的正方形，夹在负极2与正极3之间，并在包括150℃的温度和1MPa的压力的条件下进行热压接合10分钟以制备膜-电极组件(MEA)4，其中负极2和正极3的整个表面通过设置在其间的质子传导性聚合物电解质膜1而彼此面对。

<发电电池部的制备>

使用膜-电极组件(MEA)4来制备图1所示的发电电池部10。首先，空气导入孔6b形成于在其表面之一的整个面上形成有片9的铝板内，片9具有0.2mm的厚度、2mm的高度以及1.5mm的间距，然后通过金镀层来形成电镀层6a以制备导电板6。另一方面，燃料导入孔5b形成于其上没有形成片的铝板内，然后通过金镀层来形成电镀层5a以制备导电板5。

接着，将膜-电极组件(MEA)4夹在导电板6和导电板5之间，同时通过Teflon(注册商标名)垫片7和8来防止导电板6和导电板5之间的短路，从而形成发电电池部10。

<发电电池的发电试验>

首先，将隔壁部20和燃料箱部30连接至发电电池部10以形成DMFC 40。在DMFC 40中，将0.2mL的按质量计80％浓度的甲醇水溶液引入到燃料箱31内，并且将在燃料箱31内蒸发的甲醇供应至负极2以进行发电电池部10内的发电。在室温和300mA的恒定电流下进行发电，并且当电压为0V时结束。发电电池部10的温度在发电过程中稳定在42℃附近，并且该发电可以持续40分钟32秒。

实施例2

将形成在导电板6上的片9改变成具有0.05mm的厚度、0.5mm的高度和0.1mm的间距的片。除了片9以外，通过与实施例1中相同的方法来形成发电电池部10。作为通过与实施例1中相同的方法进行发电电池部10的发电试验的结果，发电电池部10的温度在发电过程中稳定在39℃附近，并且该发电可以被持续47分钟18秒。

比较例1

使用其上没有形成片9的导电板作为导电板6。除了导电板6以外，通过与实施例1中相同的方法来形成发电电池部10。作为通过与实施例1中相同的方法进行发电电池部10的发电试验的结果，发电电池部10的温度在发电过程中连续增大，并且当温度最终增大到62℃附近时发电试验结束。发电时间为15分钟24秒。

这可能是由于以下现象，即，因为在发电过程中由燃料电池产生的热没有被充分地散发，水从氧气入口蒸发，电解质干燥，并且燃料挥发量由于高温而增加，从而导致渗透和发电故障。

从以上描述可以看出，通过在燃料电池的发电电池部10的表面上设置许多细片9，在发电过程中由于电压损耗而产生的热被顺利地散发，因此可以防止电解质由于热而被干燥以导致进一步电压损耗并扩大发电问题的恶性循环，以及燃料挥发量由于热而增大，从而导致渗透并由此进一步扩大发电问题的恶性循环。

虽然基于实施方式和实施例描述了本发明，但是可以基于本发明的技术思想对这些实施例进行各种变形。

工业应用性

本发明提供的燃料电池具有小且简单的结构，但是不会导致由于发电过程中产生的热引起的发电不稳定且不会降低发电效率，因此可以用作用于任何便携式电子设备的电源。

Claims (12)

1.一种燃料电池，包括电化学装置部，在所述电化学装置部中通过化学反应来进行发电；以及散热构件，设置在与外部空气接触的位置并设置有用于散发在所述电化学装置部中产生的热的散热片，所述燃料电池的特征在于：

所述电化学装置部与另一电化学装置部间隔设置，或者形成一对彼此相邻设置的两个电化学装置部使得所述一对电化学装置部与另一电化学装置部或另一对电化学装置部间隔设置；

用于将在所述电化学装置部中产生的电流与外部交换的导电构件设置成与所述电化学装置部接触；

所述散热构件设置成与所述导电构件接触，或者所述散热片的一部分或全部设置在与外部空气接触的所述导电构件的至少一部分上，使得所述导电构件可用作所述散热构件；并且

所述散热片通过加工所述散热构件的表面来形成。

2.根据权利要求1所述的燃料电池，其中，所述电化学装置部具有板状形状，并且所述导电构件设置成与所述电化学装置部的两个主表面中的每一个接触。

3.根据权利要求1所述的燃料电池，其中，在所述导电构件上设置导入孔，以便将空气或燃料传递至所述电化学装置部。

4.根据权利要求1所述的燃料电池，其中，所述散热片具有3mm以下的间距、1mm以下的厚度以及3mm以下的高度。

5.根据权利要求1所述的燃料电池，其中，所述散热片通过切割凸出或挖凿所述散热构件的表面来形成。

6.根据权利要求1所述的燃料电池，其中，所述散热片通过形成多条细槽的细槽形成方法来形成。

7.根据权利要求1所述的燃料电池，其中，所述散热构件包括金属板。

8.根据权利要求7所述的燃料电池，其中，所述金属板由铝或铜构成。

9.根据权利要求7或8所述的燃料电池，其中，所述金属板是经表面处理的金属板。

10.根据权利要求1所述的燃料电池，其中，空气通过自然扩散和/或自然对流而供应至所述电化学装置部。

11.根据权利要求1所述的燃料电池，其中，以液态存储的所述燃料以汽化状态被供应至所述电化学装置部。

12.根据权利要求11所述的燃料电池，其中，所述液体燃料是甲醇或甲醇水溶液。

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