CN1491445A - 电极模块 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种燃料电池和形成该燃料电池的电极模块。该电极模块(EM)具有电解质膜(11)，该电解质膜包含在非增湿条件下能够传导质子的质子导体并通过预定形状的框架(20)来支撑。燃料电池(30)包括电极模块(EM)和至少位于该电极模块一侧的冷却通道。电极模块(EM)具有支撑电解质电解质膜(11)的框架(20)，其支撑，载有催化剂的多孔燃料渗透性材料膜(17)，及载有催化剂和憎水物质颗粒的多孔氧渗透性材料膜(18)。这种燃料电池可以在干燥环境和较宽的工作温度范围下工作，无需增湿燃料气体。此外，利用该电极模块可以构建成从小容量到大容量的可逐步升级的电池。

Description

电极模块
                         技术领域
本发明涉及一种电极模块(module)，燃料电池及电池堆(cell stack)，更具体地，本发明涉及一种能够实现从小容量电池到大容量电池的逐步升级的电极模块，燃料电池和电池堆。
                         背景技术
一般地，燃料电池形成包括多个结合在一起的电池和增湿装置的电池堆。电极模块101，也称作形成电池的电极组件(MEA)，是由安装在其连接面上负载催化剂(如Pt)颗粒的电解质膜(如多孔的碳纤维薄片)102燃料侧的催化剂(如Pt)层103，燃料104，安装于电解质膜102的氧气侧(空气侧)的催化剂(如Pt)层105，及在其连接面负载憎水材料(如聚四氟乙烯)颗粒、具有憎水效果的氧迁移材料(如多孔的碳纤维薄片)膜106构成的，如图1所示。
作为电解质膜102，使用离子交换膜，例如全氟磺酸树脂如Naphion(DuPont制造的产品的商标)，在水分子的迁移作用下迁移质子。
然而，如果使用全氟磺酸树脂作为电解质膜102，就会存在限制条件，如全氟磺酸树脂工作温度的上限大约80度，或者必须补入水。因此，需要增湿燃料气体和氧气(空气)。此外，由于在燃料电池工作期间因为化学反应而产生水，所以需要对燃料电池的工作进行复杂的管理，如膜湿度的控制，燃料气体的流速的优化或者水量控制。
对于使用燃料电池进行的发电而言，需要辅助单元以将燃料稳定地提供给燃料电池的主体单元。尽管没有显示出，但是需要产生蒸汽的蒸汽发生器或增湿燃料气体的增湿器。对于具有平板电池结构的燃料电池，必须提供具有通道结构的隔板110至112，以控制燃料电池主体单元中燃料气体的流动并产生压差，以便排出所产生的水或者从气体中凝结的水。这产生了与降低燃料电池成本有关的问题。同时，在隔板110，112之间放置水迁移膜113。
                         发明内容
因此，本发明的目的是提供一种能够实现从小容量电池到大容量电池逐步升级的电极模块，及使用该电极模块的燃料电池和电池堆。
本发明的另一个目的是提供一种确保在干燥环境或较宽工作温度范围下工作并且无需使燃料电池增湿的电极模块，燃料电池和电池堆。
本发明的又一个目的是提供一种可以有效地应用于大规模生产工艺以实现显著成本降低的电极模块，燃料电池和电池堆。
本发明的再一个目的是提供一种燃料电池，其通过使用含有质子导体的能够在非增湿条件将质子传送到电极模块的电解质膜，优化特性或性能，进而精确地控制水或气体。
为了取得上述目的，本发明提供一种电极模块，其包括：含有能够在非增湿条件下传递质子的质子导体的电解质膜；及支撑电解质膜的框架(frame)。通过框架固定电解质膜，可以容易地操作薄膜，同时使一种薄膜上放置另一种薄膜上的操作更容易。通过使用该框架作为安装另一部件(member)的粘附表面，可以使彼此分离的燃料侧(fuel side)和氧气侧(oxygenside)可靠地密封。
质子导体的主要由其中引入了质子解离基团的碳质材料组成。“质子(H+)解离”是指“在电离作用下质子(从官能团上)的分离”，并且“质子解离基团”表示“在电离作用下可以从中释放质子的官能团”。由于质子解离基团引入到主要有碳基质(matrix)组成的碳质材料中，所以不必要从外部提供水分，其方式不同于使用常规离子交换膜(如常规的全氟磺酸树脂)的情况，因此使系统简化。由于无需在质子传递中引入水分，所以电池可以在干燥环境和较宽的温度范围使用，因此通过如上所述具有所需形状的框架，可以应付各种形状的电气设备。碳质材料优选为富勒烯分子。该电解质膜也可以含有胶粘剂。
框架可以形成与电解质膜的接触部。通过以该方式形成接触部，可以就地建立电传导。该框架可以由导电材料构成，以便框架与其它可电连接的部件电连接。通过这样做，该框架本身是导电的，使得能够在该框架的任何需要的位置提供电传导。
当该框架由绝缘材料组成时，优选提供框架可与外部部件电接触的部位，作为电极的金属层部位。在此情况下，无需在电解质膜和框架之间提供绝缘，因为框架本身是绝缘材料。
框架可以由复合材料构成，优选该复合材料至少包括玻璃材料和环氧树脂。采用复合材料构建框架，可以提供重量充分减轻及足够强度的框架。通过明智地选取可以用作复合材料的材料，可以使框架对其它组件具有粘附性和密封功能。
优选电解质膜和催化层是通过至少包括溅射，电镀和粘贴(pasting)的成膜工艺形成在电解质膜上的。由于电解质膜由框架固定着，且质子导体由作为基质的富勒烯分子和质子解离基团构成，所以成膜工艺如溅射，电镀和粘贴可以直接应用于电解质膜，进而促进复合膜的沉积。
可以交替形成一层或多层电极膜及一层或多层催化剂层，以形成两层或多层的多层结构。
为了实现上述目的，本发明还提供一种电极模块，其包括用于支撑电解质膜的框架，载有催化剂层的多孔燃料传递材料膜，及载有催化剂层与憎水材料颗粒的多孔氧传递材料膜。
衬于框架上的燃料传递材料膜和氧传递材料膜中的至少一种在尺寸上比框架的内部尺寸大，而与之相对的膜在尺寸上则比框架的内部尺寸小。
通过采用这种方法形成电极模块，将薄膜之一放在框架内，所以可以避免框架与放在其中的薄膜直接接触。
本发明还提供一种电极模块，其包括支撑电解质膜的框架，载有催化剂的多孔燃料传递材料膜，及载有催化剂层和憎水材料颗粒的多孔氧传递材料膜。位于薄膜衬里一侧的燃料传递材料膜和氧传递材料膜中的至少一种在尺寸上比框架的内部尺寸大，而相反一侧的薄膜在尺寸上则比框架的内部尺寸小。
更具体地，根据本发明的燃料电池包括用于支撑电解质膜的框架，提供于电极薄膜每一侧的作为电极的具有催化剂层的金属层，载有催化剂的多孔燃料传递材料膜，载有催化剂层和憎水材料颗粒的多孔氧传递材料膜，及安装在电极模块至少一侧的冷却水管道。
通过采用这种方法形成电极模块，可以由电极模块外部进行冷却以防止其过热。
在该燃料电池中，优选衬于框架上的燃料传递材料膜和氧传递材料膜中的至少一种在尺寸上比框架的内部尺寸大，而相反一侧的薄膜在尺寸上则比框架的内部尺寸小。通过以这种方法形成电极模块，将薄膜之一置于框架内，所以可以避免框架与置于其中的薄膜直接接触。
根据本发明的电池堆包括任意多个堆叠在一起并排列于外壳中的根据本发明的燃料电池，然后通过压板向支撑电解质膜的框架部位施压，以便将电池固定。
通过采用这种方法形成电池堆，可以将压力施加在框架部位，以防止压制电池堆时将压力施加到堆叠的薄膜上。
根据本发明的另一电池堆包括任意多个堆叠在一起并排列于外壳中的根据本发明的燃料电池，并在相邻的燃料电池之间形成冷却水通道，然后通过压板向支撑电解质膜的框架部位施压，以便将电池固定。
通过采用这种方法形成电池堆，可以在相邻的燃料电池之间进行冷却，除了按上述方法对各燃料电池进行冷却外，还可以从燃料电池的周边进行水冷，考虑到反应温度(甚至可高达约100℃)之外引起的过热。
如上所述，通过形成电极模块，燃料电池和电池堆，可以利用相同的电池模块，得到从小容量电池到大容量电池的逐步升级的电池。电极模块可以是具有优化尺寸和结构的电极模块，其将优化所产生的水或热的分散，电连接或冷却，因此适用于大规模的生产工艺，以实现显著的成本降低。
换言之，利用上述电极模块，燃料电池和电池堆，可以容易地进行水分含量控制，保持电解质膜的强度。通过在100℃下的驱散，可以蒸发掉水分含量。此外，可以通过电镀或涂布进行薄膜沉积。电解质膜表面本身可以进行表面加工，如通过溅射，精细加工(fine Working)，半导体处理或通过蚀刻进行加工。
为了实现上述目的，本发明还提供一种包括电池系统的燃料电池，其中该电池系统包括能够供给空气的空气侧板(air side plate)，至少一个安装在空气侧板上并且具有氧接触面的电极模块，用于密封电极模块表面的密封板，该电极模块表面相当于与氧接触侧相反的电极模块的燃料侧，及将燃料气体引入密封板与电极模块跟燃料侧接触的表面之间的进样口。
根据本发明的燃料电池包括电池系统，其中该电池系统包括至少一个电极模块，所述电极模块具有能够提供空气的空气侧板及气密性地安装在空气侧板上的表面和与氧接触的表面，以及具有燃料接触面并且位于氧气接触面反面的构件。该构件的燃料接触面彼此相对，其间具有衬垫(spacer)。燃料气体提供给衬面(facing surface)。
根据本发明的燃料电池包括电池系统，其中该电池系统包括至少一个电极模块，该电极模块具有能够供给空气的空气侧板及气密性地安装在空气侧板上的表面和与氧接触的表面，以及多个分别具有燃料接触面并且位于氧气接触面反面的构件。该构件的燃料接触表面彼此相对，其间具有多个衬垫。衬垫彼此间存在一定的间隔，以形成多个圆柱。燃料气体提供给衬面。
使用本发明上述的燃料电池，可以由相同的电池模块构建各种容量的电池，以实现较高的大规模生产效率，进而降低成本。
空气侧板，电极模块和密封板具有所需的形状。至少该空气侧板，电极模块和密封板具有基本上相同的外部形状。
通过这样做，可以提供形状优化的燃料电池，其与现有的电气设备的形状相匹配，如电视接受器，磁带录像机，便携式照相机，数码视频照相机，数码相机，便携式或台式个人计算机，传真机，信息终端，包括便携式电话机，打印机，导航系统，其他OA设备，照明设备或家用电子用具。
在存在多个这种电极模块的情况下，优选以这样的连接结构(connectionpattern)进行跨越多个电极模块的电连接，该连接结构提供于衬有电极模块的空气侧板的表面上，形成电极模块的电极薄膜部分与该连接结构接触，并且还通过具有跟框架反面相接触功能的支架(support)与另一电极模块的连接结构接触。这使电池可以尽可能地薄，还可以确保电连接。
优选地，隔板具有排列于电极模块两侧的燃料气体和空气通道，使得可以有效地将燃料气体或空气提供给电极模块。
至少一种板可以构建成弹性薄片。通过形成身为弹性薄片的板，可以经受一定量级的变形载荷，同时可以承受弹性薄片侧的定位和安装误差。
电极模块可以包括电解质膜，该电解质膜包含能够在非增湿条件下传递质子的质子导体，及支撑电解质膜的框架。这种质子导体包含引入到碳质材料中的质子解离基团，该碳质材料主要由碳组成。“质子(H+)解离”是指“在电离作用下的质子(从官能团上)分离”，“质子解离基团”是指“在电离作用下可以释放质子的官能团”。同时，碳质材料优选为富勒烯分子，而电解质膜可以加有胶粘剂。如果使用胶粘剂，则胶粘剂起粘结作用，以获得足够强度的质子导体。
由于质子解离基团引入到主要由碳构成的基质碳质材料中，所以无需从外部提供水分，其方式不同于使用离子交换膜(如常规的全氟磺酸树脂)的情形，因而简化了系统。由于无需在质子传递时提供水分，所以电池可以在干燥环境及较宽温度范围下使用，这允许使用简化的隔板。优选框架形成与电极膜接触的部位。上述结构有利于电连接。
为了实现上述目的，本发明还提供包含电池系统的燃料电池，其中该电池系统包括至少一个电极模块，该电极模块具有能够供给空气的空气侧板和气密性地安装于空气侧板上的表面，并且提供有与氧接触的表面。多个分别包含燃料接触面且位于氧接触面反面的构件。构件的燃料接触表面彼此相对，其间具有多个衬垫。衬垫彼此间以预定的间隔提供，以形成多个圆柱。燃料气体在压力下提供给衬面，以产生相对于空气侧的压差。
通过这种结构，可以将多个电池排列成串级(concatenated)结构，以得到从小容量到大容量的广谱燃料电池。此外，空气侧板和电极模块具有所需的形状，并且通过至少将空气侧板和电极模块设置成具有基本上相同的外部形状，可以提供与电气设备匹配的燃料电池。
此外，通过调节加压燃料气体的压力至恒定的值，及通过控制供给量以补偿由于燃料气体消耗而引起的压降，可以使燃料气体使用时气压保持不变，以维持恒定的输出。
通过阅读附图所示的本发明的实施方案，本发明的其他目的，特征和优点将变得更加显而易见。
                         附图说明
图1是常规固体聚合物型燃料电池的结构的示意图。
图2是根据本发明实施方案的燃料电池的断面图。
图3是电极模块的透视图。
图4A和4B是以富勒烯分子为基质且包含质子解离基团的富勒烯多羟基化物(polyhydroxide)的示例性结构。
图5A，5B和5C是以富勒烯分子为基质并且具有质子解离基团的示例性结构的示意图。
图6图示了几种碳簇的实例。
图7图示了具有金刚石结构的碳簇的实例。
图8图示了具有开口端的碳簇实例
图9图示了由不同簇构成的碳簇的实例
图10图示了自增湿电极膜的结构。
图11是根据本发明的电极模块的改进的透视图。
图12是图3所示电极模块的底部平面图。
图13是图11所示电极模块的底视图。
图14是根据本发明进一步改进的燃料电池的断面图。
图15是根据本发明更进一步改进的燃料电池的断面图。
图16是根据本发明的燃料电池的实施方案的平面图。
图17是根据本发明的燃料电池的示意性断面图。
图18是根据本发明的电池堆的平面图。
图19是根据本发明的电池堆实施方案的示意性断面图。
图20是根据本发明的燃料电池改进的放大透视图。
图21是空气侧板后侧的底视图，从密封框架来观察，示出了图20所示燃料电池的改进。
图22是根据本发明的燃料电池的进一步实施方案的侧视图。
图23是跨越不同电极模块的电连接状态的断面图。
图24是电池的另一示例性结构的断面图。
图25是电池的另一示例性结构的断面图。
图26是电池的另一示例性结构的断面图。
图27是包含隔板的燃料电池的进一步实例的示意性断面图。
                         具体实施方式
参考附图，详细解释本发明的一些优选实施方案。
首先，解释燃料电池的电极模块EM，使本发明具体化。
电极模块EM包括电解质膜11，其含有能够在非增湿条件进行质子传递的质子导体，及预定形状的框架20，其支撑电极模块EM，见图2。
本实施方案的质子导体是由主要由碳构成的碳质材料形成的，且在其中引入质子解离基团。作为碳质材料，如富勒烯分子是优选的。电解质膜也可以加载胶粘剂。
进一步解释框架20。框架20是由导电材料组成，并且在其上下表面具有与金属层13，14接触的接触部，见图2。框架20与另外的电连接部件进行电连接。
框架20可以由绝缘材料构成。此时，将位于框架20的电解质膜11的表面之一上的电极金属层14的部分设计成与外部部件进行电连接的部分。
框架20可以由复合材料构成。可以优选该复合材料至少由玻璃和环氧树脂构成。
在电解质膜11的两个表面上，可以通过至少包括溅射，电镀和糊状物涂布(paste coating)中任一种或多种的成膜工艺，形成金属层13，14，以及催化剂层15，16。
金属层13，14以及催化剂层15，16可以交替成层，形成包括至少两层或多层的多层膜。
参照图2，根据本发明的电极模块EM包括负载电解质膜的框架20，多孔燃料传递材料膜17，及多孔氧传递材料膜18，其负载催化剂层和憎水材料颗粒。位于衬膜一侧(film lining side)的多孔燃料传递材料膜17及多孔氧传递材料膜18中的至少一种在尺寸上大于框架20的框内尺寸X，而另一薄膜在尺寸上则小于框内尺寸X。为了将氢气解离成质子，并且确保质子更可靠地通过其进行传递，可以在电解质膜11的两侧提供电极金属层13，14以及催化剂层15，16。
参照下文中将要解释的图18和19，本发明的燃料电池30是由电极模块EM及在电极模块EM至少一侧形成的冷却通道构成的。电极模块EM包括支撑电解质膜的框架20，负载催化剂的多孔燃料传递材料膜17，及负载催化剂层和憎水材料颗粒的多孔氧传递材料膜18。冷却通道60由冷却隔板63和衬垫62组成。
应该注意到，在本发明的EM的具体方案中，位于衬膜一侧的多孔燃料传递材料膜17及多孔氧传递材料膜18中的至少一种在尺寸上大于框架20的框内尺寸X，而另一薄膜在尺寸上则小于框内尺寸X。
电池堆50是这样形成的，即将多个燃料电池30分层堆积，将电池排列在外壳51中，并通过压板54将电池压在载有电解质膜11的框架20部位，以将电池固定在一起。
此外，电池堆50还可以这样形成：将多个燃料电池30分层堆积，将电池排列在外壳51中，相邻的燃料电池30之间形成冷却水通道，并通过压板54将电池压在载有电解质膜11的框架20部位，以将电池固定在一起。
实施例
参考附图，下文中将解释本发明的更具体的实施方案。应该注意到，现在解释的组成元件或排列方式并不是用来限制本发明的，其在本发明的范围内是可以改变的。
根据本燃料电池实施方案的电极模块EM包括电解质膜11，其加载了质子导体，在能够非增湿条件下传递质子，及具有预定形状的框架20，其支撑电解质膜11，见图2和3。本实施方案的质子导体包括主要由碳构成的碳质材料，其上加载了质子解离基团。该碳质材料可以是例如富勒烯分子，同时电解质膜可以加载胶粘剂。
作为质子导体，富勒烯多羟基化物C60(OH)12是包含富勒烯分子的化合物的统称，其上附有多个羟基，且通常称作富勒烯醇。事实上，首先是Chiang等在1992年报道富勒醇合成实例(Chiang.L.Y.；HSU.C.S.；Choedhury，S.K.；Cameron，S.；Creegan，K.，J.Chem，Soc，Chem.Commun.1992，1791)。从那时起，其中引入了超过预定量的羟基的富勒烯醇已经引起关注，尤其是其水溶性，并且主要在生物技术领域进行研究。
富勒烯醇形成聚集体，所以相邻富勒烯醇分子的羟基之间将产生相互作用，如图5A所示，其中○表示富勒烯分子。作为一种宏观的组合，这种聚集体具有较高的质子传导性(即H+从富勒烯分子的酚羟基中解离的性质)。
代替富勒烯醇，可以使用具有多个-OSO3H基团的富勒烯聚集体作为质子导体。Chiang等(Chiang.L.Y：Wang，L.Y.；Swirczewski，J.W.；Soled，S.；Cameron，S.J.Org.Chem.，1994，59，3960)在1994年也报道了富勒烯多羟基化物，见图5B，其中OH基团被OSO3H基团取代，即硫酸氢酯型富勒烯醇。硫酸氢酯型富勒烯醇在一个分子中可以只含有OSO3H基团，也可以在一个分子中包含多个这种基团和羟基。
大量富勒烯衍生物作为整体而形成的聚集体所显示出的质子传导性是这样的：其分子中固有的大量羟基或来自OSO3H基团的质子参与迁移。于是，没有必要从空气中捕捉来自水气分子(其来自空气)的氢或质子，同时也没有必要从外部，首先是从外部空气中吸附水分，对空气没有限制。另一方面，富勒烯作为富勒烯衍生物分子的基质具有亲电性。可以预期这相当有利于氢离子的电离，不仅是具有高酸性的OSO3H基团中，而且包括羟基基团中氢离子的电离。
因为一个富勒烯分子可以引入相当大量的羟基和-OSO3H基团，所以参与传递的质子导体的单位面积的数密度显著增加。
因为本实施方案的质子导体的主要部分是由富勒烯的碳原子构成，所以质子导体重量轻并且很少变形，同时不含污染物。富勒烯的生产成本也在迅速下降。考虑到资源，环境和经济性，认为富勒烯是比其它任何材料都优越的碳质材料。
此外，质子解离基团不限于上述的羟基或-OSO3H基团。换言之，只要用表达式-XH表示这些解离基团就足够了，式中X是任选的二价原子或原子团。另外，用表达式-OH或-YOH表示这些基团也是充分的，式中Y是任选的二价原子或原子团。
具体地，优选质子解离基团除了前述的-OH和-OSO3H外，还可以是-COOH，-SO3H，-OPO(OH)2中的任何基团。
此外，在本实施方案中，还优选将亲电基团，如硝基，羰基，羧基，腈基，卤代烷基或卤原子(如氟或氯原子)随质子解离基团一起引入构成富勒烯分子的碳原子中。图5C示出了其中除了-OH至外还引入了Z的富勒烯分子。具体地，Z可以是-NO2，-CN，-F，-Cl，-COOR，-CHO，-COR，-CF3或-SO3CF3，式中R代表烷基。如果这些亲电基团共存，则由于这些亲电基团的亲电性，质子趋于从上述质子解离基团中解离。
优选引入富勒烯分子中能够解离质子的基团的数目不小于5，尽管该数目可以在构成富勒烯分子的碳原子数目内任选。同时，如果需要保持富勒烯的π-电子性质，并且需要显示有效的亲电性，则上述基团的数目优选不大于构成富勒烯的碳原子数目的一半。
为了合成用作质子导体的富勒烯衍生物，将已知工艺方法如酸处理或水解以任选的组合方式应用于富勒烯分子的粉末，就足以将所需的质子解离基团引入到富勒烯分子的组成碳原子中。
更具体地，根据参考文献(Chiang.L.Y：Wang，L.Y.；Swirczewski，J.W.；Soled，S.；Cameron，S.J.Org.Chem.，1994，59，3960)中的教导合成富勒烯多羟基化物。将2克含有15％C70的C60/C70混合物加入到30毫升发烟硫酸中，在氮气中搅拌3天，温度维持在60℃。将反应产物逐渐地加入无水二乙醚中，在冰浴中冷却，离心分离产生的沉淀物，用二乙醚洗三次，用2∶1的二乙醚与乙睛的液体混合物洗三次。在40℃对所得产物进行真空干燥。将干燥的产物加入到60毫升去离子水中，在85℃和氮气鼓泡下搅拌10小时。离心分离沉淀物得到反应产物，用纯水洗若干次。在反复离心后，将所得产物在40℃下真空干燥成浅褐色的粉末产物。将该产物进行FT-IR测量。结果发现其光谱与上述参考材料中所示的C60(OH)12的IR谱几乎一致，所以确定该粉末产品为目标的富勒烯多羟基化物。
为了制备富勒烯多羟基化物的絮凝片，取90毫克富勒烯多羟基化物粉末，进行单向压制，形成直径15mm的圆片。此时的压制工作压力为7大约ton/cm2。结果发现，富勒烯多羟基化物具有优越的模压性能，尽管事实上它们完全可以不含胶粘剂树脂，使得该粉末可以容易成片。该片的厚度接近300μm。
采用类似的方法，参考上述的参考材料合成富勒烯多羟基化物硫酸氢酯(全酯)。将1毫克富勒烯多羟基化物加入到60毫升发烟硫酸中，在氮气中搅拌3天，温度为室温。将如此制备的反应产物逐渐地加入无水二乙醚中，在冰浴中冷却，离心分离所产生的沉淀物，用二乙醚洗三次，用2∶1的二乙醚与乙睛的液体混合物洗三次。在40℃对所得产物进行真空干燥。对所得反应产物进行FT-IR测量。结果发现其光谱与前述参考文件中所示的材料的IR谱几乎一致，该材料中所有的羟基都转化成硫酸氢酯型，使得可以确定这些粉末是目标材料。
为了制备富勒烯多羟基化物磺酸酯的絮凝片，取70毫克富勒烯多羟基化物硫酸氢酯粉末，单向压制成直径15mm的圆片。此时压制的工作压力为7ton/cm2。结果发现富勒烯多羟基化物具有优越的模压性能，尽管事实上它们完全不含胶粘剂树脂，使得该粉末可以容易成片。该片的厚度接近300μm。
在合成富勒烯多羟基化物磺酸(部分酯)中，将含有15％C70的C60/C70混合物2克加入到30毫升发烟硫酸中，在氮气中搅拌3天，温度维持在60℃。将反应产物逐渐地加入无水二乙醚中，在冰浴中冷却。应该注意所使的二乙醚是无水产物。离心分离产生的沉淀物，用二乙醚洗三次，用2∶1的二乙醚与乙睛的液体混合物洗三次。在40℃对所产生的产物进行真空干燥。采用FT-IR方法测量该产品。结果发现其光谱与上述参考材料所示的部分含有羟基和OSO3H基团的富勒烯衍生物的IR谱几乎一致，从而证明这些粉末是目标物质。
为了制备富勒烯多羟基化物硫酸氢酯的絮凝片，取80毫克富勒烯多羟基化物(其部分酯化成硫酸氢酯)，单向压制形成直径15mm的圆片。此时压制的工作压力为7ton/cm2。结果发现富勒烯多羟基化物具有优越的模压性能，尽管事实上它们完全不含胶粘剂树脂，使得该粉末可以容易成片。该片的厚度接近300μm。
在上述实例中，使用富勒烯多羟基化物膜作为质子导体膜。然而，质子导体膜不限于这个实例。应当注意到，富勒烯多羟基化物是由富勒烯分子作基质形成的，其组成碳原子上已经引入了羟基。这个基质不限于富勒烯分子，只要该基质是主要由碳构成的碳质材料就足够了。
在这种碳质材料中，可以含有碳簇，其每一个是由几个或几百个碳原子或管状碳质材料(称作碳纳米管)的聚集体形成，不考虑碳-碳键的种类。
在碳簇中，有各种类型的封闭的表面结构，如包含大量碳原子的球形或拉长的球形，见图6。在碳簇中，也可以含有上述类球形结构的碳簇，其部分破裂呈现开口端，见图7，金刚石结构的碳簇，其多数碳原子为SP3键，见图8，或由这些碳簇以多样化的方式粘结连接在一起组成的一系列碳簇，如图8所示。
引入到这种基质的基团不限于羟基，只要这些基团是用-XH，更优选用-YOH表示的质子解离基团就足够了，式中X和Y是任选的二价原子或原子团，H是氢原子，O是氧原子。具体地，除了-OH外，优选这些基团为硫酸氢酯基团-OSO3H，羧酸基团-COOH，-SO3H，-OPO(OH)2。
如果上述富勒烯衍生物用于质子导体，则优选该质子导体仅由富勒烯衍生物形成，或者进一步包含用于粘结的胶粘剂。电解质膜可以仅由薄膜状的富勒烯衍生物形成，其是通过压制和成型富勒烯衍生物而获得的，或者使用通过胶粘剂粘结的富勒烯衍生物作为质子导体。如果在该方法中使用胶粘剂，则这种质子导体可以通过胶粘剂粘结来形成，并且具有足够的强度。
作为可用作胶粘剂的聚合物材料，可以使用一种或多种已知的具有成膜性质的聚合物。质子导体中聚合物材料的量不大于40重量％。如果这个量超过40重量％，就会降低氢离子传导性。
这种结构的质子导体含有作为质子导体的富勒烯衍生物，因此具有可与只由富勒烯衍生物组成的质子导体相比拟的氢离子传导性。
此外，这种质子导体具有聚合材料所固有的成膜性质，其方式不同于只由富勒烯衍生物构成的质子导体。也就是说，上述质子导体可以柔软的离子传导薄膜使用，厚度一般不大于300μm，强度高于富勒烯衍生物的粉末挤压成型产物，并且还具有禁止气体传输的性质。
同时，对上述聚合物材料没有特殊限制，只要该材料因与富勒烯衍生物反应而阻碍氢离子传导性达到最小的程度，且具有成膜性质。通常，这种高聚物材料不具有电子传导性而具有最佳的稳定性。聚合物材料的具体实例包括聚氟乙烯，聚偏二氟乙烯和聚乙烯醇。它们是优选的聚合物材料，原因如下。
首先，优选聚氟乙烯，因为与其它聚合物材料相比，其较小的加入量即可容易形成更高强度的薄膜。在此情况下的加入量不大于3重量％，优选为0.5-1.5重量％，薄至100-1μm的薄膜厚度通常是可行的。
优选聚偏二氟乙烯和聚乙烯醇的原因是可以获得具有较高禁止气体传输性质的离子传导薄膜。在此情况下的混合量为5-40重量％。
如果聚氟乙烯，聚偏二氟乙烯或聚乙烯醇的混合量小于相关的下限值，如上所述，则可能对成膜工艺造成不良影响。
为了获得通过胶粘剂粘结富勒烯衍生物而得到的质子导体薄膜，可以使用任何已知的成膜方法，如加压成膜或挤出成膜。
形成质子导体也可以通过至少一种树脂，其选自于聚氯乙烯，氯乙烯共聚物，聚乙烯，聚丙烯，聚碳酸酯，聚环氧乙烷，聚苯醚，全氟磺酸树脂及其衍生物，以及富勒烯衍生物。
树脂的量优选地不大于50重量％，因为其含量超过50重量％，会降低质子传导性。
当质子导体设定含有上述树脂时，可以产生具有高模压性质和较高强度的薄膜。所产生的薄膜可以用于具有优越膜强度和优越禁止气体传输性质的薄膜，另外，其还具有优越的耐酸和优越耐热性。
应该注意聚氯乙烯，氯乙烯基共聚物是所需的树脂，因为其具有优越的耐酸和优越耐热性。同时，氯乙烯基共聚物是氯乙烯及单体共聚而成，如氯乙烯-偏二氯乙烯共聚物或氯乙烯-醋酸乙烯酯共聚物。
应该注意聚乙烯，聚丙烯，聚环氧乙烷和聚苯醚是优越的耐酸树脂。
同时，聚碳酸酯是一种透明的非结晶树脂，具有优越的耐热和低温特性，并且其可以在宽温度范围使用。其也具有优越抗震性。
全氟磺酸基树脂具有优越的耐酸和优越耐热性，同时具有优越耐侯性，因此在暴露于破坏温度或延长光束照射时，其特性不会发生明显的改变。
当在质子导体中含有上述树脂时，所产生的质子导体即使当由于质子(H+)解离而酸性增加时，也不易受氧化退化影响，因此具有优越的耐久性，所以其可以方便地用于质子导电薄膜。此外，该质子导体在包含室温的宽温度范围内显示高传导性。
质子导体也可以是一种用溶胶/凝胶方法制备的高传导性质子(氢离子)玻璃。这种高传导性质子玻璃是，如；磷酸-硅酸盐(P2O3-SiO2)基玻璃，并且可以通过水解金属醇盐起始原料，在500-800℃加热所得产物制备成玻璃。这种玻璃具有细孔，其为2nm级，可以吸附水分，加速质子迁移。
该质子导体也可以是一种有机/无机混合离子交换膜，其是一种复合膜，其中聚环氧乙烷(PEO)，聚环氧丙烷(PPO)和聚环氧亚丁烷(polytetramethyleneoxide)(PTMO)在分子水平与氧化硅键合，并且采用磷酸单十二烷基酯(MDP)或1，2-钨磷酸(PWA)作为质子传导供体浸出掺杂。
该质子导体也可以是自增湿型电解质膜。在这种膜中，最终需要分散一种痕量超细铂催化剂颗粒和超细氧化物颗粒，如TiO2或SiO2，见图10。以相反方式，交叉氢和氧在铂催化剂上暴露形成水，然后所产生的水被吸附并且保留在超细氧化物颗粒上，从内部增湿该膜，使其保持高水含量比。Pt-TiO2分散膜，其是由粒径为1-2μm的痕量(0.09mg/cm2)超细铂颗粒和粒径为5nm(3重量％的干燥Nafion)超细TiO2颗粒进行高分散而获得，用于电解质，使电池以极高的稳定性工作，并且使电池在完全的非外部增湿的状态下也具有高性能(对于0.4-0.6V，约0.6W/cm2)。
在上述任何改进中，增湿对质子传导都是不必要的，使得本发明的有利效果得以保持。
使用含有质子导体，能够在非增湿条件下传递质子的电解质膜11作为电解质膜，无需提供氢气，没有必要提供增湿器及安装增湿器的空间，所以没有必要使用复杂结构的隔板，使得可以获得尺寸紧凑的燃料电池。
更具体地解释采用加载了质子导体的电解质膜的燃料电池的电极模块EM。
本实施方案的燃料电池的电极模块EM包括电解质膜11和支撑该电解质膜11的框架20。在本实施方案中，为了解释的目的，燃料一侧为上侧，而氧气一侧为下侧。作为选择，氧气一侧和燃料一侧在其结构中可以相反。
框架20可以具有圆环形状，如图3所示，或者矩形形状，见图11。它也可以具有任何其它形状，如多边形或自由的外部形状。关于框架20的形状，即应用到燃料电池的电极模块EM、并与电气设备(未示出)相匹配的形状，可以进行适当的选择，以更好地匹配预定电气设备的形状，如电视接受机，磁带录像机，便携式摄像机，数码视频照相机，数码相机，便携式或台式个人计算机，传真机，信息终端，包括便携式电话机，打印机，导航系统，其他OA设备，照明设备或家用电子器具。尽管本实施方案采用了厚度为0.2-0.3nm的框架20，但这不是限制性的，框架20的厚度越薄越好。
框架20可以采用金属材料，复合材料或层压材料构成。该金属材料可以是作为非铁金属的铝，铁金属或各种合金材料。
该复合材料可以是玻璃材料和环氧树脂的复合材料，合成树脂和各种金属粉末的的复合材料，增强塑料或工程塑料的复合材料。
层压结构可以是多层导电材料，非导电材料或半导体材料。
使用上述任何材料，框架20本身可以是导电的，非导电的或绝缘的。
框架20上固定了电解质膜11，如图2所示。在本实施方案中，电解质膜11形成框架20的形状，并且随着电解质膜11拉紧至预定的值，其由施用于其上的胶粘剂固定在框架20的一侧。在将框架20固定在电解质膜11中，还可以将电解质膜11粘结在框架20上，并将电解质膜11切割成框架20的外部形状。电解质膜11还可以采用湿法涂布在隔离片上，并在成型后转移到框架20上。通过将电解质膜11衬在框架20上作为一种结构，可以使薄膜操作更加容易。
当将电解质膜11粘结到框架20上时，可以使用绝缘胶粘剂作为胶粘剂12，以确保框架20与电解质膜11之间的绝缘。同时，通过该胶粘剂可以提供密封性。
在电解质膜11的上下表面，涂布金属层13，14以及催化剂层15，16，如图2所示。尽管还没有确定确切的机理，但是可以预先考虑到，催化剂层15，16将氢气解离成质子，并且传递所解离的质子。在本实施方案中，金属层13，14及催化剂层15，16主要是通过溅射法形成的。
然而，金属层13，14和催化剂层15，16不仅可以通过溅射法形成，而且可以通过开发各种成膜方法形成。例如，电极的金属层13，14可以使用电镀或粘贴成膜工艺，目的是改进电传导性。
在本实施方案中，电极的金属层13，14可以形成如接近100nm的厚度，而催化剂层15，16形成接近20nm的厚度。这些金属层13，14和催化剂层15，16也可以交替层压形成多层膜。
电极的金属层13，14也可以层压成栅格式样，以提供局部增加的厚度。换言之，金属层13，14形成的式样不能妨碍氢传递。可以预先考虑到，通过部分增加厚度，不仅可以改进电传导性，而且可以将氢气解离为质子，确保更加准确进行质子传递。
尽管可以使用各种电导电金属，作为电极的金属层13，14，但是金(Au)是最优选的。作为催化剂层15，16，则铂(Pt)是优选的。
在电解质膜11的两侧(燃料一侧和氧气一侧)，如今具有电极的金属层13，14及催化剂层15，16，并固定了具有多孔结构的功能薄片层17，18(如，碳纤维薄片，以下称之为薄片层)。这些薄片层17，18具有固定并提高电极的金属层13，14强度的功能，以及分散性地和更令人满意地发送各气体(氢和氧)至催化剂以促进电化学反应同时移出产物(水)的功能。
氧的催化剂可以通过朝向氧气侧薄片层18的电解质膜11的胶粘剂一侧携带，以使在氧离子与所传递质子之间更有效地发生反应。这个表面额外涂有憎水涂层，如聚四氟乙烯涂层，以从连接面附近排出所产生的水，并分散到薄片层中，使得水可以清洗薄片层的表面。
电极模块EM可以通过压制两个薄片层17，18，电极的金属层13，14以及催化剂层15，16来形成一个整体结构，如上所述。这种压制是在50-100kg/cm2的压力下进行的。应该注意到，与框架20的内部尺寸比较，一组部件较大而另一组部件较小，所以在各个膜上不直接施加作用力。
换言之，燃料传递材料层(如薄片层17)和氧传递材料膜(如薄片层18)中的至少一种，其位于衬有电解质膜11的一侧，比框架20的内部框架尺寸大，而相对一侧的层则小于框架20的内部框架尺寸。也就是说，在本实施方案中，将氧气一侧的金属层14，催化剂层16和薄片层18放置在框架20内部的间距X内，而燃料一侧的金属层13，催化剂层15和薄片层17则为衬有电解质膜11的一侧，如图2所示。因此，在本实施方案中，燃料侧的薄膜金属层13，催化剂层15和薄片层17，比氧气侧的薄膜金属层14，催化剂层16和薄片层18的尺寸大。
通过在电极模块EM上形成不同的薄膜，并且通过具有氢催化剂(如Pt)颗粒，其由粘附在电解质薄膜11上的燃料侧薄片层17的表面负载，燃料气体(氢)可以在更宽的面积上进行接触，所以可以产生更多的质子，并且传递给电解质膜11。同时，如果提供足够量的反应气，就不必提供薄片层17，18，并且可以安全地省去。
如果框架20是导电的，则用绝缘体(本实施方案中的胶粘剂12)将电解质膜11粘结于其上，所以可以通过内部金属层14(本实施方案中朝向氧电极的金属层)和外部朝向燃料电极一侧的金属层13形成电池的电极柱(pole)。应当注意到，金属层14形成在电解质膜11上，所以框架20将与金属层14接触。同时，该绝缘不限于上述实施方案，使得绝缘可以通过形成一种基材来确保，所述基材支撑由绝缘材料形成的双面胶带的胶粘剂。
在图2所示的框架为绝缘材料框架的情况下，框架20是由绝缘材料制成的，则可以延伸金属层14并使之暴露于框架20，以利用金属层14的延伸部分建立与外部部件的电接触。同时，图12和13的实施方案仅仅是说明性的，说明金属层14的延伸部分的形状可以是任选的。
如果框架20是由绝缘材料制成的，则位于薄片层17，18外侧的金属层13，14可以分别具有孔13a，14a，所以电池的电极柱可以由氧电极一侧的金属层14及燃料电极一侧的金属层13形成，如图14所示。
此外，为了使空气侧A和燃料侧E彼此隔离，框架20和相对一侧部件可以采用例如胶粘剂12彼此粘结，如图15所示。在此情况下，该相对一侧部件与空气一侧保持联系。
图16和17示出了燃料电池30。在本实施方案的燃料电池30中，电极模块EM的两侧均提供隔板31，每个隔板包括供燃料气体和空气流动通道32，且在隔板31的两侧提供衬垫33，33。在本实施方案中，图9中的上侧为空气(氧)一侧。
如图16所示，衬垫33形成燃料气体氢气的入口33a和出口33b，还形成空气(氧)的入口33c和出口33d。
图1 8和19示出了采用前述燃料电池的电池堆50的实施方案。尽管本实施方案的电池堆为矩形，但是可以使用所需任何适宜形状的框架20，如上所述。即电池堆的形状可以根据所用电气设备的形状适当地改变。
本实施方案的电池堆50包括多个堆叠在一起的燃料电池30。具体地，将多个(此处为3个)燃料电池30叠叠在一起，并固定在外壳51中。这种外壳5 1包括壳单元52，封闭壳单元52的开口端的盖53，压板54，燃料气体(氢)入口55，燃料气体(氢)出口56，空气(氧)入口57，空气(氧)出口58，加压装置59，及冷却水的入口60和出口61。
在本实施方案的电池堆50的各个燃料电池30之间，提供循环冷却水的冷却管道64，所述冷却水通过盖53提供的入口60引入。在本实施方案中，冷却管道64由冷却隔板63和衬垫62确定。燃料电池的温度通过与冷却水的热交换进行调整，所述冷却水通过冷却管道64进行循环。用于热交换的冷却水通过出口61进行排放(见图18)。
壳单元52的开口端由法兰52a构成，法兰52a通过加压装置59如紧固件包括螺杆和螺母、焊接法或接合法进行连接，以使确定外壳51的壳单元密封。
为了确保外壳51中各燃料电池之间的充足紧密地接触，当将盖53连接到壳单元时，使用加压板54施加压力。由于压力施加在支撑电解质膜11的框架20上，所以无需直接向燃料电池30的各层(膜)上施加压力。
燃料气体(氢)由燃料气体贮存单元(未示出)，贮氢金属，燃料气体罐或燃料气体发生器提供，并通过燃料电池堆50的入口55引进，且导向各燃料电池30的气体入口侧，因而可以在各燃料电池30中使用。经过燃料电池的燃料气体(氢)通过电池堆50的出口56排放。如此排放的燃料气体可通过循环通道(未示出)调整至预定浓度的燃料气体，以便通过电池堆50的入口55再次引入电池堆。
用类似的方法，在空气(氧)入口57处引入空气(氧)，并将其导向每个燃料电池30的氧电极一侧，以便穿过各燃料电池30，并且通过电池堆50的空气(氧)出口58进行排放。
在本实施方案的电池堆中，电解质膜11可以在包括室温的较低温度到较高温度范围工作。因此，反应产生的水可以随空气一起以蒸汽形式排放，因为燃料电池30是处在较高的温度，如大约100℃。
采用上述结构，冷却不仅可以在燃料电池中进行，而且也可以在燃料电池的外围设备一侧进行，所以，通过使很多燃料电池形成层，就可以提供大容量燃料电池系统。此外，所产生的水可以通过燃料电池内的热变化进行蒸发，并且伴随引进的空气一起排放。
下面说明采用上述电极模块EM及各种膜制备的电池系统C。这种电池系统C以密封状态夹在空气侧板40与密封板50之间，如图20所示。在图20所示的实施方案中，使用两个电极模块EM和各种膜。空气侧板40形成提供空气至空气侧电极的开孔(openings)或通孔(through-holes)。在空气侧板的侧面上形成电接触的电路图案(未示出)。
将多个电极模块EM和各种膜气密性地安装在该空气侧板40上，并且只通过开孔或孔41提供空气于空气侧板40。另一方面，密封板50密封与各种膜的燃料侧和电极模块EM的接触表面。
在本实施方案中，除了空气侧板40和密封板50外，使用一种密封框架60。空气侧板40和密封板50密封夹电极模块EM和各种膜的前后侧(图20中的上下侧)。本实施方案的密封框架的宽度Y近似等于空气侧板，电极模块EM，各种膜和密封板50的结合宽度。
提供一种开孔，用于在密封板50，与燃料侧接触的各种膜和电极模块EM的表面之间建立联系。这种开孔，没显示，采用朝着燃料侧的支路提供。该密封框架60提供与开孔联系的进样口61，并且通过该进样口61注入燃料气体。当注入燃料气体，如氢时，各种电极模块EM的燃料侧电极将暴露于燃料气体的气氛中，并且在电解质膜上发生质子交换反应。
在实施方案中使用的图20显示的空气侧板40，密封板50和密封框架60可以部分地或全部地由弹性片组成。这些弹性片可以合适地选择于，主要依赖于燃料电池所使用的环境和工作温度，聚氯乙烯(PVC)，树脂，聚丙烯树脂(PP)，聚苯硫(PPS)和耐热树脂，如聚酰亚胺。当然，弹性片可以类似地用于下列实例。
图21是根据图20所示的实施方案的改进的空气侧板的后侧示意图，从密封框架一侧进行观察。在图21的实施方案中，使用具有各种膜的四个电极模块EM。形成空气侧板40的开孔或通孔，满足电极模块EM的安置位置。图21的实施方案表明多个电极模块EM的电连接。在排列电极模块EM的空气侧板40的后侧形成电连接的连接结构，并且在这个连接结构的端口41a上建立电传导。
图22显示燃料电池改进的侧面图。在图22的实施方案中，电极模块EM和各种膜采用两个弹性片71，72进行密封。在本实施方案中，电池系统C的内部结构可以构造成如图20和21所示，如前所述，或如图23和26所示。
图23阐述电极模块EM的电连接。在本实施方案中，采用空气侧板40和密封板50固定电极模块和各种膜，此外，将由氧气一侧接触的表面和与之对应的燃料一侧接触的表面构成的支撑部件70夹在空气侧板40和密封板50之间。
尽管本实施方案的支撑部件70的横截面基本上为L形，但是这是为了由其表面71a支撑电极模块EM和各种膜，但是，尽管支撑部件70具有支撑功能，但对支撑部件70的形状没有限制。支撑部件70也具有接触功能，并且考虑到电极模块EM，其由连接表面的连接结构81组成。在本实施方案中，空气侧板40和电极模块EM被彼此分开显示，目的使结构更清楚。电极模块EM的电解质膜11的一部分通过导电胶粘剂12和导电材料的框架20与连接结构81接触，而同时通过支撑部件70与另一个连接结构81接触。尽管支撑部件70的构成具有接触表面，但也可以通过其它方式建立连接。
图24图示了电池系统的示意性结构的断面图，并且具体地示出了电极模块EM的实例，其中选择框架20的燃料一侧膜小于框架尺寸，即，两个空气(氧)侧板40，每个负载电极模块EM，或两个弹性片进行背对背安装，这是使燃料侧彼此面对，其各自的末端采用密封部件90进行密封，产生密封结构。同时，图24中的90和91分别是衬垫和衬垫/燃料气体喷嘴连接管。
换言之，空气侧和燃料侧分别指向外和内，并且燃料气体是从内注入。通过这样做，燃料可以供给两侧电极模块EM和其中的各种膜，形成C的紧密结构。因此，电极模块EM和各种膜的表面，其与燃料侧接触，制作成与框架20和在期间的衬垫91彼此相对，并且通过这些相对表面供给燃料气体。
图25为一个说明性断面图，其显示具体电池结构。在本实施方案中，其与图24的结构不同，使用与图2相同结构的电极模块EM和各种膜。在本实施方案中，采用衬垫94和衬垫/燃料气体喷嘴连接管95，确定电极模块EM和各种膜之间的燃料气体空间。此外，在本实施方案中，使用管63，其能够在注入端61的内部通过。管63的一端63a与用作电极的金属层13接触。这种金属层13通过与导电的密封部件90接触而具有传导性，而此时框架为绝缘材料。如果框架20是导电部件，金属层13通过在框架20和导电的密封部件90之间接触而具有传导性。
在本实施方案中，金属层13介于电解质膜11和薄片层18之间，见图2。然而，该连接部分可以通过连接喷嘴管侧的电解质膜11的一部分中提供的通孔而形成。
在本实施方案中，在管63和导电的密封部件90之间建立连接。
图26是示意断面图，其显示电池系统的说明性结构。具体地，本实施方案显示两个在水平方向结合在一起的电池结构。即，在本实施方案中，两个电池结构在水平方向结合在一起，其每一个显示在图25中。
本实施方案的电极模块EM和各种膜具有与图25显示的同样结构。衬垫96介于邻近的电极模块EM和其间形成的各种膜之间，并且燃料气体供给燃料侧，其面对构成燃料电池的电极模块EM和其间形成的各种膜的表面。在本实施方案中，衬垫96通过表面97支撑电极模块EM，并且介于放在空气侧板之间的各个电极模块EM和其间形成的各种膜之间。同时，电接触，燃料气体供应和喷嘴可以采用上述本发明应用的连接。
也可以使燃料气体加压提供一种操作条件，其中在燃料气体侧和空气侧产生压差。在这种条件下，通过电极模块EM的框架20和燃料侧薄片层17维持气体压力。此外，安置各个电极模块EM，使空气侧板40和电极之间的空隙最小，限制提供对电解质膜11产生分散力的弯曲。
提供加压燃料气体给燃料侧的密封空间，调节该压力到一确定值，以限制供给量，如补偿由于气体消耗引起的压力下降。
空气侧板40，电极模块EM和密封板50具有所需的形状，但是至少空气侧板40，电极模块EM和密封板50可以基本上具有同样的外部曲线。
通过这种结构，可以提供适宜形状的燃料电池，以匹配外围电气设备的形状，如电视接受器，录音机，便携式照相机，数码视频照相机，数码照相机，便携式或台式个人计算机，传真，信息终端，包括便携式电话接受机，打印机，导航系统，其他OA设备，照相设备或家用电子器具。
图27是具有隔板的燃料电池的示意性断面图。本实施方案的燃料电池包括一对隔板31，其在上述电极模块EM两侧具有燃料气体和空气管路32，和一对在该隔板的两个外侧的衬垫33。在图27中，34表示一种框架。电极模块EM及其上面的各种薄膜被隔板31和框架34环绕。
工业实用性
根据本发明，应用电解质膜，其含有能够在非增湿条下传递质子的质子导体，使骨牌效应的质子传递能够进行，所以不必要采用不同于全氟磺酸的电解质膜的情况，控制水湿度，气体湿度，膜中水分的控制，实际气体流量控制或增湿水的控制，以简化系统，降低电池成本。
此外，含有在非增湿条件下的质子导体的电解质膜具有表面加工特性和宽温度范围使用的特性，因此使电极模块具有简化结构，使其本身可以大量生产，因此降低了成本。
此外，因为本发明含有电解质膜，该电解质膜容易作为聚集体进行操作，可以实现从小规模到大规模容量的升级电池。
另外，采用本发明的电解质膜，其中含有能够在非增湿条下传递质子的质子导体的电解质膜用框架支撑，该质子导体主要组成为碳质材料。在其中引入质子解离基团，并且其中该碳质材料组成为富勒烯分子和任选的胶粘剂，没有必要真正控制燃料气体中的水分，并且质子导体与胶粘剂结合可以具有充分的强度，如果采用一种，隔板结构可以简化。

Claims (35)

1.一种电极模块，包括：
电解质膜，其包含能够在非增湿条件下传递质子的质子导体；及
支撑电解质膜的框架。
2.根据权利要求的1电极模块，其中该质子导体主要由其中引入了质子解离基团的碳质材料组成。
3.根据权利要求2的电极模块，其中所述碳质材料是富勒烯分子。
4.根据权利要求1的电极模块，其中所述电解质膜包含胶粘剂。
5.根据权利要求1的电极模块，其中所述框架安装有与所述电解质膜的接触部。
6.根据权利要求1的电极模块，其中所述框架是由导电材料形成的。
7.根据权利要求6的电极模块，其中所述框架与另外可电连接的部件电连接。
8.根据权利要求1的电极模块，其中所述框架是由电绝缘材料形成的。
9.根据权利要求8的电极模块，其中所述框架与外部部件电接触的部分以电极的金属层部分提供。
10.根据权利要求1的电极模块，其中所述框架是由复合材料形成的。
11.根据权利要求10的电极模块，其中所述复合材料至少含有玻璃材料和环氧树脂。
12.根据权利要求1的电极模块，其中在所述电质膜上形成电极膜和催化层，成膜工艺至少包括溅射，电镀和粘贴。
13.根据权利要求12的电极模块，其中一层或多层所述电极膜和一层或多层所述催化剂层交替堆叠，形成包括两层或多层的多层膜。
14.一种电极模块，包括：
支撑电解质膜的框架；
载有催化剂的多孔燃料传递材料膜；及
载有催化剂层和憎水材料颗粒的多孔氧传递材料膜，
衬于所述框架上的燃料传递材料膜和氧传递材料膜中的至少一种，在尺寸上大于所述框架的内部尺寸，相反一侧的薄膜在尺寸上小于所述框架的内部尺寸。
15.一种电极模块，包括：
支撑电解质膜的框架；
提供于所述电极膜每一表面上的电极金属层和催化剂层；
载有催化剂和憎水材料颗粒的多孔燃料传递材料膜；及
载有催化剂层和憎水材料颗粒的多孔氧传递材料膜，
位于衬有薄膜一侧的燃料传递材料膜和氧传递材料膜中的至少一种，在尺寸上大于框架的内部尺寸，而相反一侧的薄膜在尺寸上则小于框架的内部尺寸。
16.一种包括电极模块的燃料电池，所述电极模块包括：
支撑电解质膜的框架；
载有催化剂层的多孔燃料传递材料膜；
载有催化剂层和憎水材料颗粒的多孔氧传递材料膜；及
安装于所述电极模块至少一侧的冷却水管道。
17.一种包括电极模块的燃料电池，所述电极模块包括：
支撑电解质膜的框架；
提供于所述具有催化剂层的电解质膜每一侧的电极金属层；
载有催化剂的多孔燃料传递材料膜；
载有催化剂层和憎水材料颗粒的多孔氧传递材料膜；及
安装于所述电极模块至少一侧的冷却水管道。
18.根据权利要求16或17的燃料电池，排列在所述框架上的燃料传递材料膜和氧传递材料膜中的至少一种，在尺寸上大于所述框架的内部尺寸，相反一侧的薄膜在尺寸上小于所述框架的内部尺寸。
19.一种电池堆，包括多个堆叠在一起并且排列于外壳中的根据权利要求16或17的燃料电池，所述燃料电池通过位于支撑所述电解质膜的框架位置的压板的压力而固定在适当的位置上。
20.一种电池堆，包括多个堆叠在一起并且排列于外壳中的根据权利要求16或17的燃料电池，使得在各燃料电池之间形成冷却水管道，所述燃料电池通过位于支撑所述电解质膜的框架位置的压板的压力而固定在适当的位置上。
21.一种包括电池系统的燃料电池，所述电池系统包括：
能够供给空气的空气侧板；
至少一种电极模块，其密封地安置在所述空气侧板上，并且具有与氧接触的表面；
密封板，用于密封所述的电极模块表面，该表面与接触氧的一侧相对，并相当于所述电极模块的燃料一侧；及
引入燃料气体的进样口，其位于所述密封板与所述电极模块跟燃料侧接触的表面之间。
22.一种包括电池系统的燃料电池，所述电池系统包括至少一个电极模块，该电极模块具有能够供给空气的空气侧板，及密封安装在所述空气侧板上用于与氧接触的表面；以及
具有与所述氧接触面相反并与燃料接触的表面的构件；
所述构件朝向燃料侧的燃料接触面之间具有衬垫；燃料气体提供给衬面。
23.一种包括电池系统的燃料电池，所述电池系统包括至少一个电极模块，该电极模块具有能够提供空气的空气侧板，及密封地安装于所述空气侧板上的表面，并且具有氧接触面；及
多个构件，每个构件均具有与燃料侧接触的表面，该表面位于所述氧接触面的反面；
彼此相对的所述构件的燃料接触表面之间具有多个衬垫，以彼此间存在一定的间隔安装所述衬垫，以便形成多个圆柱；燃料气体提供给衬面。
24.根据权利要求21到23中任一项的燃料电池，其中所述空气侧板，所述电极模块和密封板具有所需的形状，并且其中至少该空气侧板，电极模块和密封板具有基本相同的外部形状。
25.根据权利要求21到23中任一项的燃料电池，其中在这种具有多个电极模块的情况下，通过这样的连接结构进行跨越多个电极模块的电连接，所述连接结构提供于衬有电极模块的空气侧板的表面上，部分电极薄膜与所述连接结构接触，并且还通过具有跟所述框架反面接触功能的支架与另一电极模块的连接结构接触，以确保电连接。
26.根据权利要求21到23中任一项的燃料电池，其中所述衬垫具有燃料气体和空气通道，并且排列在所述电极模块的两侧。
27.根据权利要求21到23中任一项的燃料电池，其中所述板中至少一种为弹性薄片。
28.根据权利要求21到23中任一项的燃料电池，其中所述电极模块通过框架支撑电解质膜，所述电解质膜包含在非增湿条件下能够传递质子的质子导体。
29.根据权利要求28的电极模块，其中所述质子导体主要由其中引入了质子解离基团的碳质材料组成。
30.根据权利要求29的电极模块，其中所述碳质材料是富勒烯分子。
31.根据权利要求28的电极模块，其中所述电解质膜含有胶粘剂。
32.根据权利要求28的电极模块，其中所述框架安装有与所述电解质膜的接触部。
33.一种包括电池系统的燃料电池，所述电池系统包括至少一个电极模块，所述电极模块具有能够供给空气的空气侧板及气密性地安装在所述空气侧板上的表面，并且提供有氧接触表面；及
多个分别具有燃料接触面并且位于所述氧接触表面反面的构件；
所述构件的燃料接触表面彼此相向，其间具有多个衬垫，所述衬垫彼此以预定的间隔安装以形成多个圆柱；燃料气体在压力下提供给衬表面，以产生相对于空气侧的压差。
34.根据权利要求33的燃料电池，其中所述空气侧板，电极模块和密封板具有所需的形状，并且其中至少该空气侧板，电极模块和密封板具有基本上相同的外部形状。
35.根据权利要求33的燃料电池，其中所述加压燃料气体是在调节至恒定值的压力下以受控的供给量进行提供，以补偿由于燃料气体的消耗而引起的压力下降。
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