CN102197525A - 燃料电池和用于燃料电池的电极以及电子设备 - Google Patents

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Abstract

提供一种能够减小整个燃料电池的厚度同时降低电阻的燃料电池，以及利用所述燃料电池的电子设备。提供管路用于使电解质在燃料电极和氧电极之间循环。燃料电极侧上的集流体(11)具有位于相对角位置的一对集流体端子(11A)和(11B)。类似地，氧电极侧上的集流体(21)具有位于相对角位置的一对集流体(21A)和(21B)。这些集流体端子(11A)、(11B)、(21A)和(21B)突出到燃料电池以外。由此，有助于电池中单电池的连接，使单极板结构变得更易于用作集流体，并且电流流动的距离缩短。

Description

燃料电池和用于燃料电池的电极以及电子设备
技术领域
本发明涉及一种燃料电池如向燃料电极供给甲醇并引发反应的DMFC(直接甲醇燃料电池)、用于燃料电池的电极和包括所述燃料电池的电子设备。
背景技术
近年来，随着移动设备性能变高，能量消耗也在增加。燃料电池被认为是最有可能取代锂离子二次电池的电池。根据电解质，燃料电池分类为AFC(碱性燃料电池)、PAFC(磷酸燃料电池)、MCFC(熔融碳酸盐燃料电池)、SOFC(固体电解质燃料电池)、PEFC(聚合物电解质燃料电池)等。
作为燃料电池的燃料，能够使用各种可燃物质，例如氢和甲醇。然而，诸如氢的气态燃料不适于小型化，原因是需要用于储存的罐等。同时，诸如甲醇的液体燃料在易于储存方面具有优点。具体而言，DMFC的优点在于不需要用于从燃料提取氢的重整器、结构变得简单和易于小型化。
作为DMFC中的燃料的甲醇的能量密度在理论上为4.8kW/L，其是典型的锂离子二次电池的能量密度的10倍以上。也就是说，使用甲醇作为燃料的燃料电池非常可能超过锂离子二次电池的能量密度。从前述可知，在各种燃料电池中，DMFC非常可能用作移动设备和电动车辆用的能源。
然而，DMFC的缺点在于，尽管其理论电压为1.23V，但是在实际发电期间的输出电压降低至约0.6V以下。输出电压降低的原因是由于DMFC中的内部电阻引起的电压降。在DMFC中，存在内部电阻，例如与在两个电极处产生的反应有关的电阻、与物质移动有关的电阻、当质子在电解质膜中移动时产生的电阻以及另外的接触电阻等。实际能够由甲醇氧化提取作为电能的能量通过发电期间的输出电压与流过电路的电量之积表示。因此，如果发电期间的输出电压降低，则实际能够被提取的能量减少。
同时，在这种DMFC中，正在开发通过使用液体电解质(电解质溶液)代替电解质膜来减小内部电阻的DMFC。然而，在使用液体电解质和固体电解质的燃料电池中存在的共同缺点在于，单个燃料电池的电压极低，并且明显不足以用于提取大量电流。因此，为了使电压可用，提出一种燃料电池，其中通过串联连接大量燃料电池(在串联之后可以并联连接)形成燃料电池堆结构，并且提供用于将电压充分转变成电能的集流体(例如，专利文件1)。
引用文献列表
专利文件
专利文件1：日本未审查专利申请公开2007-280678
发明内容
然而，在通过形成燃料电池堆结构而使电压可用的方法中，因为燃料电池的片数增加，所以不可避免地存在各种问题。例如，存在关于厚度的问题、关于重量的问题、关于电阻的问题、关于成本的问题和关于材料选择的问题。
目前，作为燃料电池堆的集流体和结合装置，存在双极板。双极板的最常用的功能如下。也就是说，功能为：(a)用于将燃料流体和氧化性流体均匀地供给到电池面中的功能；(b)用于在反应之后利用空气将在空气电极侧上产生的水从燃料电池内有效排放到系统外的功能；(c)作为在长时间段内作为电极保持低电阻和的有利导电性的单电池之间的电连接体(集流体)的功能；(d)作为相邻电池中一个电池的阳极室和相邻电池中的阴极室之间的隔壁的功能；和(e)作为冷却剂流路和相邻电池之间的隔壁的功能。
如前所述，双极板将燃料电极的整个表面与相邻燃料电池的空气电极结合，并且能够将燃料电极整合到相邻燃料电池的氧电极。从前述明显可见，该结构为其中电流有效地垂直穿过燃料电池而非在各电极表面上流动的结构。
然而，在双极板结构中也存在各种问题。例如，因为电流在燃料电池之间垂直流动，所以电接触部需要尽可能地大。在该情况下，存在如下缺点：燃料和空气(氧)的流动被阻挡。因此，如果使电接触部小以免阻挡燃料和空气(氧)的流动，则需要增加接触部的数目来降低电阻。然而，这导致制造过程变得复杂，并且制造成本增加，并且也产生与双极板强度有关的缺点。
此外，燃料电池的厚度和燃料电池堆的厚度取决于双极板的厚度。一般地，需要在双极板中形成用于燃料电极的流路和用于氧电极的流路。因此，显著减小所述堆的厚度非常困难。此外，该厚度还受所用材料的限制。
而且，尽管使用通过施加压力来堆叠多个燃料电池的方法，但是难以向整个燃料电池施加均匀的压力，从而在用于燃料电极和氧电极的流路中出现变形。因此，使用固体电解质(电解质膜)作为电解质。
因此，由于诸如前述因素的权衡关系，利用双极板在减小电阻的同时减小燃料电池堆的厚度非常困难。
作为用于解决双极板的这些缺点的方法，可以考虑利用单极板。利用单极板结合燃料电池堆的方法非常简单。也就是说，通过导线、焊接等将氧电极的端部简单地结合至相邻的燃料电极。因此，能够使用液体电解质，由此通过利用相同的流路供给电解质和燃料能够降低燃料电池中的内电阻，并且能够减小燃料电池的厚度。
此外，与双极板不同，电流不垂直于燃料电池流动，而是横过电极表面并且最后流向集流体。因此，解决了电接触部与燃料和空气(氧)流体之间的权衡关系。
此外，用于流体如燃料和空气(氧)的供给流路不必在所述板上形成。因此，在板材的选择方面具有灵活性，并且能够使用非常薄的板，由此能够显著减小燃料电池堆的厚度。
然而，如上所述，由于电流必须横过电极或板的表面并最终流向集流体，所以电极和所述板需要是非常好的导体。因此，在工作电流低的情况下，不出现缺点；然而，在具有非常高工作电流的燃料电池和燃料电池堆中单极板的电阻成为问题。
鉴于前述问题，做出了本发明。本发明的第一目的是提供一种能够在降低电阻的同时减小整个燃料电池厚度的燃料电池，以及利用所述燃料电池的电子设备。
本发明的第二目的是提供一种能够有利地用作前述燃料电池的燃料电极和氧电极的电极。
根据本发明一个实施方案的燃料电池包括：燃料电极，其包括第一集流体；氧电极，其包括第二集流体；电解质流路，其设置在所述燃料电极和所述氧电极之间并且至少使电解质流通；和多个集流体端子，其设置在所述第一集流体和所述第二集流体的至少之一中且向外突出。
根据本发明一个实施方案的电极用作前述燃料电极的电极或前述氧电极的电极，并且在集流体中具有多个集流体端子。
根据本发明一个实施方案的电子设备包括前述燃料电池。
在根据本发明一个实施方案的燃料电池、电极和电子设备中，由于集流体的集流体端子突出到电池以外，所以促进电池中单电池之间的连接，并且使单极板结构更容易用作集流体。由此，能够使用可流通的物质作为电解质，并且例如能够在相同的流路中供给电解质和燃料。此外，由于在每个集流体中提供多个集流体端子，所以与过去在集流体中仅提供一个集流体端子的情况相比，当使用单极板时电流流动的距离缩短。
根据本发明一个实施方案的燃料电池、电极和电子设备，由于集流体的集流体端子突出到电池以外，所以使单极板结构变得更容易用作集流体。此外，能够使用可流通的物质作为电解质，并且能够减小整个燃料电池的厚度。此外，由于在每个集流体中提供多个集流体端子，所以在其中使用单极板结构的情况下，与过去相比，能够缩短电流流动的距离。结果，在减小电阻的同时能够减小整个燃料电池的厚度。
附图说明
图1是示出根据本发明一个实施方案的燃料电池结构的截面图。
图2是示出图1中示出的集流体结构、集流体的堆叠方法和电流流动的流路的平面图。
图3是示出现有技术中的集流体结构、其堆叠方法和电流流动的流路的平面图。
图4是示出燃料电池系统的示意性结构的图。
图5是示出金属网的电阻和长度之间关系的一个实施例的特性图。
图6是用于解释取决于集流体端子数目的差异的特性图。
图7是集流体的一个改变实施例的平面图。
具体实施方式
下面将参考附图详细描述本发明的实施方案。
[燃料电池的结构实施例]
图1示出根据本发明一个实施方案的燃料电池110的截面结构(YZ截面结构)。图1对应于沿图2中的线II-II截取的截面结构。燃料电池110是所谓的DMFFC(基于直接甲醇流的燃料电池)，并且具有其中燃料电极10和氧电极20相对设置的结构。在燃料电极10和氧电极20之间，提供用于使燃料/电解质混合物流通的燃料/电解质流路30。
燃料电极10由集流体11(第一集流体)上以此次序层叠的扩散层12和催化剂层13形成。同时，氧电极20具有其中在集流体21(第二集流体)上以此次序堆叠的扩散层22和催化剂层23的结构。催化剂层13和催化剂层23面向燃料/电解质流路30。
集流体11由例如具有导电性的多孔材料或板状构件构成；特别是由钛(Ti)网或钛板等构成。集流体21类似地由例如钛网或钛板等构成。集流体的材料不限于钛，而是可以使用其他材料。此外，集流体可以是经过表面处理的集流体。
图2示出构建燃料电池110的集流体11和集流体21的形状及其堆叠方法。
如图2所示，集流体11和集流体21具有矩形形状，并且各自具有两个集流体端子。集流体11的集流体端子11A和11B以及集流体21的集流体端子21A和21B沿X轴提供，以沿Y轴方向突出到燃料电池以外。每个集流体端子均设置在相对的角。此外，集流体端子11A和集流体端子21A以及集流体端子11B和集流体端子21B设置为当集流体11和21在Z轴方向上堆叠时不相互重叠。此外，在堆叠多个单电池的情况下，为了促进单电池之间的连接，例如，单电池堆叠为使得在一个单电池的燃料电极中提供的集流体端子与在另一相邻单电池的氧电极中提供的集流体端子重叠。
扩散层12和22由例如碳布、碳纸或碳片构成。优选通过聚四氟乙烯(PTFE)等对扩散层12和22进行防水处理。然而，不一定提供扩散层12和22，催化剂层可以直接形成在集流体上。
催化剂层13和23例如由作为催化剂的具有氧化性质的物质如钯(Pd)、铂(Pt)、铱(Ir)、铑(Rh)或钌(Ru)的金属的单质物质或合金、有机络合物、酶等构成。
除了前述催化剂之外，催化剂层13和23可以包含质子导体和粘结剂。质子导体的实例包括前述聚全氟烷基磺酸树脂(Nafion(注册商标)，DuPont制造)或具有质子导电性的其他树脂。添加粘结剂以保持催化剂层13和23的强度和柔性。粘结剂的实例包括树脂例如聚四氟乙烯(PTFE)和聚偏氟乙烯(PVDF)。
在燃料电极10和氧电极20的外侧上，分别提供封装构件14和24。封装构件14和24具有例如1mm的厚度，并且由常用材料如金属板、例如钛(Ti)板或树脂板构成。然而，对材料不做特定限制。此外，封装构件14和24的厚度优选尽可能薄。
燃料/电解质流路30例如为其中通过加工树脂板形成细流路的燃料/电解质流路，并且粘结至与氧电极20相对的燃料电极10的两侧。燃料/电解质流路30意在通过通孔50A和通孔50B从提供于封装构件14中的燃料/电解质入口14A和燃料/电解质出口14B来供给包含燃料和电解质的流体F1，例如甲醇-硫酸混合物。流路的数目及其形状不做限制，可以使用蛇形形状或平行设置。此外，流路的宽度、高度和长度不做特定限制，但是优选它们是小的。在燃料/电解质流路30中，燃料和电解质可以以混合状态流通，或者可以以其中燃料和电解质分离的状态流通。
在氧电极20的与燃料/电解质流路30相对的一侧(外侧)上，提供空气流路40以供给空气或氧。空气流路40意在通过自然通风或强制供给方法如风扇、泵或鼓风机从设置在封装构件24中的空气入口24A和空气出口24B、通过通孔50C和通孔50D来供给空气。与燃料/电解质流路30的结构一样，空气流路40的结构也不做限制。
前述燃料电池110能够例如如下地制造。
[制造燃料电池的方法实施例]
首先，例如，以给定比例将作为催化剂的包含给定比例的铂(Pt)和钌(Ru)的合金与聚全氟烷基磺酸树脂(Nafion(注册商标)，DuPont制造)的分散溶液混合，由此形成燃料电极10的催化剂层13。将催化剂层13热压粘合至由前述材料构成的扩散层12。接下来，利用热熔型胶粘剂或胶粘剂树脂片将扩散层12和催化剂层13热压粘合至由前述材料构成的集流体11的一个表面，由此形成燃料电极10。此外，可以将催化剂层13直接形成在集流体11上而不形成扩散层12，如上文所述。
此外，以给定比例将作为催化剂的保持在碳上的铂(Pt)与聚全氟烷基磺酸树脂(Nafion(注册商标)，DuPont制造)的分散溶液混合，由此形成氧电极20的催化剂层23。将催化剂层23热压粘合至由前述材料构成的扩散层22。接下来，使由前述材料构成的集流体21定型以形成图2中示出的集流体端子的设置，并且利用热熔型胶粘剂或胶粘剂树脂片进行热压粘合，由此形成氧电极20。
接下来，制备胶粘剂片，并且在树脂片上形成流路。由此，形成燃料/电解质流路30并将其热压粘合至与氧电极20相对的燃料电极10的表面。
接下来，形成由前述材料构成的封装构件14和24。由例如树脂连接件构成的燃料/电解质入口14A和燃料/电解质出口14B设置在封装构件14中，并且由例如树脂连接件构成的空气入口24A和空气出口24B设置在封装构件24中。
然后，将氧电极20粘合至热压粘合的燃料/电解质流路30，并且包含在封装构件14和24中。结果，完成图1和图2中示出的燃料电池110。
接下来，将描述前述燃料电池110的操作和效果。
在燃料电池110中，当燃料和电解质通过燃料/电解质流路30供给到燃料电极10时，通过反应产生质子和电子。质子通过燃料/电解质流路30移动到氧电极20，并且通过与电子和氧反应产生水。燃料电极10、氧电极20和整个燃料电池110中发生的反应用式1至3表示。由此，作为燃料的甲醇的部分化学能被转变成电能并且作为电力被提取。此外，在燃料电极10中产生的二氧化碳和在氧电极20中产生的水流到燃料/电解质流路30并且被移除。
燃料电极10：CH3OH+H2O→CO2+6e-+6H+    (1)
氧电极20：(3/2)O2+6e-+6H+→3H2O    (2)
整个燃料电池110：CH3OH+(3/2)O2→CO2+2H2O    (3)
根据本实施方案，由于集流体11的集流体端子11A和11B以及集流体21的集流体端子21A和21B突出到燃料电池以外，所以单电池之间的燃料电极和氧电极能够利用简单的方法如导线或焊接来连接。因此，单极板结构能够容易地用作集流体。结果，能够使用可流通的物质(电解质液体)作为电解质，并且例如电解质和燃料能够通过相同的流路供给。此外，由于在每个集流体中提供多个集流体端子，所以与过去在集流体中仅提供一个集流体端子的情况相比，当使用单极板时电流流动的距离缩短。
图3示出作为对比例的相关技术中使用的集流体311和集流体321的形状及其堆叠方法。在集流体311和集流体321中分别提供集流体端子311A和集流体端子321A。在利用这种集流体的燃料电池中，例如，在图3示出的位置中产生的电流(P310和P320)需要横过电极或板(P321和P311)的表面，并且最终流到集流体(集流体端子)。因此，在燃料电池内产生高电阻。
同时，在根据本实施方案的集流体11和集流体21中，由于两个集流体端子11A和11B以及21A和21B分别设置在集流体11和集流体21的相对角中，所以如图2中示出所产生的电流(P10和P20)流过电极表面的距离减半(P11、P12以及P21和P22)。结果，电极自身的电阻明显降低。
如上所述，根据本实施方案，由于集流体的集流体端子突出到电池以外，所以单极板结构能够容易地用作集流体，并且能够使用作为电解质液体的可流通电解质。因此，能够减小整个燃料电池的厚度。此外，由于在每个集流体中提供多个集流体端子，所以在其中使用单极板结构的情况下，与过去的情况相比，电流流过的距离能够被缩短。结果，在减小电阻的同时能够减小整个燃料电池的厚度。
此外，由于燃料和电解质作为流体供给，所以不再需要电解质膜，并且能够进行发电而不受温度和湿度影响。此外，与利用电解质膜的典型燃料电池相比，能够增强离子导电性(质子导电性)。此外，消除电解质膜劣化和因电解质膜干燥引起的质子导电性降低的风险，并且也解决了与氧电极中的溢流和水分控制有关的问题。
此外，由于每个燃料电池均能够被密封，所以有助于燃料电池堆制造期间的操作。
此外，利用能够安装在移动设备至大型设备中的高度灵活且简单的结构能够实现高的输出。因此，特别地，燃料电池能够有利地用于薄的且具有高电能消耗的多功能高效电子设备。
接下来，将描述前述燃料电池110的应用实施例。
<应用实施例>
图4示出具有燃料电池系统的电子设备的示意性结构，所述燃料电池系统包括本发明的燃料电池110。所述电子设备例如为移动设备，例如移动电话或个人数字助理(PDA)或笔记本个人电脑(PC)，并且包括燃料电池系统1和通过由燃料电池系统1产生的电能驱动的外部电路(负载)2。
燃料电池系统1包括例如燃料电池110、测定燃料电池110的工作状态的测定部120和基于得自测定部120的测定结果确定燃料电池110的工作状态的控制部130。燃料电池系统1还包括将包含燃料和电解质的流体F1供给到燃料电池110的燃料/电解质供给部140，和仅将燃料F2如甲醇供给到燃料/电解质储存部141的燃料供给部150。此外，燃料电池110中的燃料/电解质流路30通过设置在封装构件14中的燃料/电解质入口14A和燃料/电解质出口14B与燃料/电解质供给部140相连，并且从燃料/电解质供给部140供给流体F1。
测定部120测定燃料电池110的工作电压和工作电流，并且，例如具有测定燃料电池110的工作电压的电压测定电路121、测定工作电流的电流测定电路122和用于向控制部130发送所获得测定结果的通信线路123。
控制部130基于测定部120的测定结果控制作为燃料电池110的工作条件的燃料电解质供给参数和燃料供给参数，并且具有例如计算部131、储存部132、通信部133和通信线路134。此处，燃料/电解质供给参数包括例如包含燃料和电解质的流体F1的供给流量。燃料供给参数包括例如流体F2的供给流量和供给量，并且根据需要可以包括供给浓度。控制部130能够通过例如微型计算机构建。
计算部131由在测定部120中获得的测定结果计算燃料电池110的输出，并且设定燃料/电解质供给参数和燃料供给参数。特别地，计算部131将从输入存储部132中的各种测定结果以恒定间隔取样的阳极电位、阴极电位、输出电压和输出电流平均，计算平均阳极电位、平均阴极电位、平均输出电压和平均输出电流，并且将计算的平均值输入存储部132中。计算部131然后对存储在存储部132中的各平均值进行交叉比较，并且确定燃料/电解质供给参数和燃料供给参数。
储存部132将从测定部120送来的各种测定值、通过计算部131计算的各种平均值等储存在其中。
通信部133具有如下功能：用于经过通信线路123接收来自测定部120的测定结果和将测定结果输入储存部132中的功能；和用于通过通信线路134将用于设定燃料/电解质供给参数和燃料供给参数的信号分别输出到燃料/电解质供给部140和燃料供给部150的功能。
燃料/电解质供给部140包括燃料/电解质储存部141、燃料/电解质供给调节部142和燃料/电解质供给管线143。燃料/电解质储存部141储存流体F1，并且由例如罐或盒构建。燃料/电解质供给调节部142调节流体F1的供给流量。燃料/电解质供给调节部142不做特定限制，只要其能够被来自控制部130的信号驱动即可，但是优选由例如通过马达或压电元件驱动的阀或电磁泵构建。
燃料供给部150具有燃料储存部151、燃料供给调节部152和燃料供给管线153。燃料储存部151只储存燃料F2，例如甲醇，并且由例如罐或盒构建。燃料供给调节部152调节燃料F2的流量和供给量。燃料供给调节部152不做特定限制，只要其能够被来自控制部130的信号驱动即可，但是优选由例如通过马达或压电元件驱动的阀或电磁泵构建。此外，燃料供给部150可以包括调节燃料F2的供给浓度的浓度调节部(未显示)。如果使用纯的(99.9％)甲醇作为燃料F2，则能够省略浓度调节部，从而能够进一步实现尺寸减小。
前述燃料电池系统1能够按如下方式制造。
[制造燃料电池系统的方法实施例]
例如，前述燃料电池110被安装在包括具有前述结构的测定部120、控制部130、燃料/电解质供给部140和燃料供给部150的系统中。燃料入口14A和燃料出口14B通过由例如硅胶管构成的燃料供给管线153与燃料供给部150相连。此外，燃料/电解质入口14A和燃料/电解质出口14B通过由例如硅胶管构成的燃料/电解质供给管线143与燃料/电解质供给部140相连。由此，完成图4中示出的燃料电池系统1。
在该燃料电池系统1中，在其中从燃料/电解质供给部140向燃料电池110供给包含燃料和电解质的流体F1的情况下，从燃料电池110提取电力并且驱动外部电路2。在燃料电池110工作期间，由测定部120测定燃料电池110的工作电压和工作电流，并且控制部130基于测定结果控制作为燃料电池110的工作条件的前述燃料/电解质供给参数以及燃料供给参数。频繁地重复由测定部120进行的测定和由控制部130进行的参数控制，并且将流体F1和流体F2的供给状态优化以符合燃料电池110的性能变化。
接下来，将描述示出前述燃料电池110和包括燃料电池110的燃料电池系统1的效果的实施例。
[实施例]
在前述制造方法中，以给定比例将作为催化剂的包含给定比例的铂(Pt)和钌(Ru)的合金与聚全氟烷基磺酸树脂(Nafion(注册商标)，DuPont制造)的分散溶液混合，由此形成燃料电极10的催化剂层13。在150℃的温度和249kPa的压力条件下，将催化剂层13热压粘合至由前述材料构成的扩散层12(HT-2500；E-TEK制造)10分钟。另外，利用热熔型胶粘剂或胶粘剂树脂片热压粘合由前述材料构成的集流体11，由此形成燃料电极10。本文所用的集流体11具有例如图2中示出的形状，并且具有两个集流体端子，每个集流体端子均设置在相对的角中。
此外，以给定比例将作为催化剂的保持在碳上的铂(Pt)与聚全氟烷基磺酸树脂(Nafion(注册商标)，DuPont制造)的分散溶液混合，由此形成氧电极20的催化剂层23。将催化剂层23以与燃料电极10的催化剂层13相似的方式热压粘合至由前述材料构成的扩散层22(HT-2500；E-TEK制造)。另外，将由前述材料构成的集流体21以与燃料电极10的集流体11相似的方式热压粘合，由此形成氧电极20。本文所用的集流体21也具有图2所示的形状，并且具有两个集流体端子，每个集流体端子均设置在相对的角中，如集流体11那样。
接下来，制备胶粘剂树脂片，在树脂片上形成流路，并且将树脂片热压粘合于燃料电极10和氧电极20之间。随后，形成由前述材料构成的封装构件14和24。由例如树脂连接件构成的燃料/电解质入口14A和燃料/电解质出口14B设置在封装构件14中，由例如树脂连接件构成的空气入口24A和空气出口24B设置在封装构件24中。然后，将燃料电极10和氧电极20包含在封装构件14和24中，其间设置有燃料/电极流路30。
将燃料电池110安装在包括具有前述结构的测定部120、控制部130、电解质供给部140和燃料供给部150的系统中，由此构建图4中示出的燃料电池系统1。此时，通过隔膜泵(由KNF制造)配置燃料/电解质供给调节部142和燃料调节部152。从每个泵，由硅胶管构成的燃料/电解质供给管线143与燃料/电解质入口14A直接相连，并且燃料供给管线153与燃料/电解质储存部直接相连，并且供给任意量的甲醇，使得燃料/电解质储存部中的甲醇含量在所有时候均为1M。作为流体F2的电解质，使用1M甲醇和1M硫酸的混合物，并以1.0ml/分钟的流量供给到燃料电池110。
[评价]
利用集流体研究所获得的燃料电池系统1的效果，所述集流体在燃料电极和氧电极中各自具有两个集流体端子。作为对比例，利用包括集流体的燃料电池(图3)进行类似的实验，所述集流体在燃料电极和氧电极中各自具有一个集流体端子。
首先，图5示出利用厚度为200μm和宽度为4.0cm的钛网、在4cm、8cm和20cm点处分别获取的电阻测定结果。从图5中的图明显可见，电阻和长度(距离)具有成比例的关系，并且随着电流动的距离增加，电阻不可避免地倾向于增加。
图6示出在集流体中包括两个集流体端子或一个集流体端子的燃料电池的(A)电压-电流曲线和(B)电力-电流曲线。从图6可见，通过在单个集流体中提供两个集流体端子将峰值输出提高33％。其原因在于，因为输出的提高位于高电流区域，由于在两个位置具有集流体端子，所以电流流动的路径被分成两个，因此电流流动的距离减半。由此，电阻明显降低。
从前述结果中，可以认为燃料电池中的电阻能够通过在集流体中提供多个集流体端子而明显降低。
上文已经利用实施方案、应用实施例和实施例描述了本发明。然而，本发明不限于前述实施方案等，而是可以进行各种修改。例如，根据前述实施方案等，催化剂层13仅设置在集流体11的一侧上，但是催化剂层13可以设置在其两侧上。
此外，根据前述实施方案等，基于具有两个端子和相对角设置的集流体给出了详细描述。然而，所述结构不限于此。例如，如图7所示，可以形成十字形结构(四个集流体端子)。在该情况下，所产生的电流(P210和P221)流动的路径被分成四个(P211、P212、P213和P214；和P221、P222、P223和P224)，因此电流流动的距离变成四分之一。由此，能够降低电池中的电阻。此外，每个集流体端子不必设置在相对的角中。
此外，分别详细描述了燃料电极10、氧电极20、燃料/电解质流路30和空气流路40的结构。然而，可以采用其他结构或其他材料。例如，除了其中根据前述实施方案所述通过加工树脂片形成流路之外，燃料/电解质流路30可以由多孔板等构成。此外，代替燃料/电解质流路30，可以设置电解质膜。此外，碳材料可以用于集流体11和集流体21。
而且，根据前述实施方案描述的包含燃料和电解质液体的流体F1不仅限于具有质子(H+)导电性的那些如除硫酸之外的磷酸或离子液体，而是可以为碱性电解质溶液。此外，根据前述第二实施方案所述的燃料F2可以为其他醇，例如除甲醇之外的乙醇或二甲基醚，或者糖燃料。
而且，在前述实施方案等中，描述了将空气供给到氧电极20的情况。然而，可以供给氧或包含氧的气体来代替空气。
此外，前述实施方案等中描述的每个元件的材料和厚度、燃料电池110的工作条件不限于此，而是可以使用其他材料和厚度，或者可以使用其他工作条件。
而且，在前述实施方案等中，以直接甲醇燃料电池作为燃料电池为例给出了说明。然而，燃料电池不限于此，本发明也可以适用于使用除液体燃料以外的物质如氢作为燃料的燃料电池，例如PEFC(聚合物电解质燃料电池)、碱性燃料电池、使用糖燃料例如葡萄糖等的酶电池。此外，在前述实施方案中，使用其中燃料电极10和氧电极20的每个集流体11和21均具有多个端子的结构。然而，可以使用只有其中之一具有多个端子的结构。

Claims (10)

1.一种燃料电池，包括：
燃料电极，其包括第一集流体；
氧电极，其包括第二集流体；
电解质流路，其设置在所述燃料电极和所述氧电极之间并且至少使电解质流通；和
多个集流体端子，其设置在所述第一集流体和所述第二集流体的至少之一中且向外突出。
2.根据权利要求1所述的燃料电池，其中所述第一集流体和所述第二集流体均具有矩形形状。
3.根据权利要求2所述的燃料电池，其中在所述矩形集流体的相对角的位置处包括一对集流体端子。
4.根据权利要求2所述的燃料电池，其中在所述矩形集流体的四端中的相对角中设置有两对集流体端子，和
一对集流体端子沿所述集流体的一个边缘方向向外突出，另一对集流体沿另一边方向向外突出。
5.根据权利要求1所述的燃料电池，其中所述集流体是由金属材料构成的板状或网状构件。
6.根据权利要求1所述的燃料电池，其中所述集流体是由碳材料构成的板状或网状构件。
7.根据权利要求1所述的燃料电池，其中单电池构建为包括所述燃料电极、所述氧电极和所述电解质流路，和
在所述单电池中，在所述第一集流体中的各集流体端子和在所述第二集流体中的各集流体端子均相对设置以免相互重叠。
8.根据权利要求7所述的燃料电池，其中多个单电池沿厚度方向设置并堆叠，和
在所述第一集流体中的所述集流体端子和在所述第二集流体中的所述集流体端子突出以相互相对设置。
9.一种电极，包括：
集流体，其具有多个集流体端子，
其中所述电极用作具有电解质流路的燃料电池的燃料电极或氧电极，所述电解质流路设置在所述燃料电极和所述氧电极之间，并且至少使电解质流通。
10.一种电子设备，包括：
燃料电池，
其中所述燃料电池具有：燃料电极，其包括第一集流体；氧电极，其包括第二集流体；电解质流路，其设置在所述燃料电极和所述氧电极之间并且至少使电解质流通；和多个集流体端子，其设置在所述第一集流体和所述第二集流体的至少之一中且向外突出。
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JP2612781B2 (ja) * 1991-04-01 1997-05-21 株式会社日立製作所 燃料電池
US6806679B2 (en) * 2001-06-20 2004-10-19 Tai-Her Yang Low internal impedance current pool for a charging/discharging device
JP5060023B2 (ja) * 2005-04-06 2012-10-31 株式会社日本自動車部品総合研究所 燃料電池及び燃料電池モジュール
JP5158403B2 (ja) * 2006-09-19 2013-03-06 ソニー株式会社 燃料電池および燃料電池システム、並びに電子機器

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