CN1985399A - 燃料电池及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池及其制造方法，其中固体电解质膜(114)的一侧被插入电极片(489)的切口。氧化剂电极侧集电极片(499)的基底构件(110)被置于面对电极片(489)的基底构件(104)的位置，基底构件(104)设置在固体电解质膜(114)的一个面上。另外，燃料电极侧集电极片(497)的基底构件(104)被置于面对电极片(489)的基底构件(110)的位置，该基底构件(110)设置在固体电解质膜(114)的另一个面上。

Description

燃料电池及其制造方法
发明领域
本发明涉及燃料电池及其制造方法。
相关技术描述
近年来，随着信息化社会的到来，通过电子设备如个人电脑等处理的信息量急剧增加，与此同时，电子设备的电力消耗也大大增加。尤其在便携式电子设备中，所关心的是与加工能力的扩大相关的电力消耗的增加。当前，锂离子电池通常用作这些便携式电子设备的电源，但是锂离子电池的能量密度就要达到理论最大值。因此，锂电池具有如下局限性：必须通过降低CPU的工作频率保持低的电力消耗，以延长便携式电子设备的连续使用时间。
在这种情况下，希望通过使用能量密度更高的燃料电池作为电子设备的电源，替代锂离子电池，以大大延长便携式电子设备的连续使用时间。
燃料电池由一对燃料电极和氧化剂电极(在下文中，它们指“催化电极”)和置于它们两者之间的电解质组成，燃料被提供给燃料电极，氧化剂被提供给氧化剂电极，从而通过化学反应产生电力。通常，氢气被用作燃料，但是近来通过使用甲醇作为燃料(它们价廉并且更易于操作)，已经深入研究了将甲醇转化为氢气的甲醇转化燃料电池，和直接利用甲醇作为燃料的直接甲醇燃料电池。
当氢气被用作燃料时，燃料电极上的反应由下式(1)表示：
3H2→6H++6e-  (1)
当甲醇被用作燃料时，燃料电极上的反应由下式(2)表示：
CH3OH+H2O→6H++CO2+6e-(2)
在任一情况下，氧化剂电极上的反应由下式(3)表示：
3/2O2+6H++6e-→3H2O(3)
具体地，直接型燃料电池能从甲醇水溶液中产生质子，因此不需要转化器或类似物，并且将它应用到便携式电子设备中是有利的。它们也有如下特性：当它们使用液态甲醇水溶液作为燃料时，其能量密度特别高。
由于直接型燃料电池的每个单元电池的输出电压为1V或更小，因此，应该将多个电池互相串联连接，从而产生高电压以应用于便携式设备如手机。车辆和家庭用的固定燃料电池通常具有层式结构，其中各个单元电池垂直连接，但是在便携式设备用的燃料电池中，由于设备厚度的限制，单元电池通常在同一平面内连接。
已提出将电池组作为燃料电池在平面内连接(专利文献1)，其中多个电池与电连接构件相连。在专利文献1描述的电池组中，在与催化剂层接触放置的燃料扩散构件的外面，提供了集电板，并且一个电池的阳极集电板用电连接构件与另一个电池的阴极集电板连接。提高了集电效率，并且通过使用复写纸作为燃料扩散构件，并在其外面放置集电板，减小了与连接构件的接触电阻。
对于在便携式设备中的使用，要求电池更薄、更小和更轻。具体地，对于手机，它是如此轻，以致它的最终重量为约100g，燃料电池应以克单位的量级来降低重量，并且以毫米单位的量级来减小厚度。
但是在专利文献1描述的构造中，每个电池都具有复杂的结构，其由至少5层组成：集电板/燃料扩散构件/催化膜/燃料扩散构件/集电板。另外，集电板应该具有一定的厚度，以利于碳燃料扩散构件和金属集电板之间的电接触；需要紧固构件，以使集电板与另一个集电板固定。由于电连接构件被置于电池之间，所以需要在电池之间留出一个特定尺寸的空间，这会导致电池组的尺寸、厚度和重量的增加，而没有实现尺寸、厚度和重量的充分减小。
专利文献1：日本专利申请公开(JP-A)No.2001-283892
发明概述
如上所述，难以减小常规燃料电池的尺寸、重量和厚度。另外，仍然有余地来提高催化剂的使用效率和燃料电池的集电特性。
考虑到上述情况，本发明的目的就是提供一种提高燃料电池的输出特性的技术，从而实现本发明。本发明的另一个目的是提供一种减小燃料电池的尺寸和重量的技术。本发明的还一个目的是提供一种简化燃料电池构造的技术或提供一种制造燃料电池的方法。
根据本发明，提供了一种包括多个单元电池的燃料电池，每个单元电池包括：固体电解质膜、设置在固体电解质膜的一个面上的第一电极、和设置在固体电解质膜另一个面上并面对第一电极的第二电极，其中一个单元电池的第一电极和另一个单元电池的第二电极通过连接构件互相电连接；第一和第二电极与连接构件连续和整体地形成。
在本发明中，术语“面对”是指第一电极和第二电极通过固体电解质膜互相面对设置。
在本发明中，术语“连续和整体地”是指形成连续和统一的结构。优选地，该结构由没有连接部分的单一构件构成。
在本发明的燃料电池中，在不同单元电池内的第一电极和第二电极通过连接构件连续和整体地形成，并电连接，由此产生在单元电池之间的电接触方面优良的串联结构。在常规燃料电池中，需要使用连接构件来连接单元电池或连接电极，在构件的连接点产生接触电阻，但是在本发明的燃料电池中，电子从第一电极经连接构件至第二电极的流动路线是连续的，改善了电池的输出特性。另外，部件更简单，且更易制造。
在本发明的燃料电池中，第一电极和第二电极中的一种是燃料电极，另一种是氧化剂电极。供应给燃料电极的燃料没有特别限制，但是例如可以提供液体燃料。
根据本发明，提供了一种燃料电池，其包括：设置在一个固体电解质膜的一个面上的多个第一电极；设置在该固体电解质膜另一个面上并分别面对所述多个第一电极的多个第二电极，其中单元电池由一个第一电极、一个第二电极和固体电解质膜构成，所述一个第一电极和所述一个第二电极互相面对；一个单元电池的第一电极和另一个单元电池的第二电极通过连接构件互相电连接；第一和第二电极与连接构件连续和整体地形成。
在本发明的燃料电池中，多个单元电池设置在单个固体电解质膜上。因为构成一个单元电池的第一电极和构成另一个单元电池的第二电极是通过连接构件电连接的，并且第一和第二电极与连接构件连续和整体地形成，所以在同一平面内的单元电池被串联连接，单元电池之间的电导率是有利的，因此得到如下燃料电池，其具有在输出特性方面优良的串联结构。
根据本发明，提供了一种包括多个单元电池的燃料电池，每个单元电池包括：固体电解质膜；设置在固体电解质膜的一个面上的第一电极；和设置在该固体电解质膜另一个面上并面对第一电极的第二电极，其中构成一个单元电池的第一电极和构成另一个单元电池的第二电极通过单一电极片连续和整体地形成。
在本发明的燃料电池中，电极片有两个可以是催化电极的区域。它们是第一电极和第二电极。在第一电极和第二电极中，一个代表在一个单元电池中的燃料电极，另一个代表在另一个单元电池中的氧化剂电极。因为单一电极片是连续和整体地形成的，所以第一电极和第二电极被电连接。
因此，在本发明的燃料电池中，对应于不同单元电池的第一电极和第二电极在单一电极片中连续和整体地形成，该单元电池具有在电池之间的电接触方面优良的串联结构。连接电池用的连接构件的缺失使构件的构造及其制造更简单，在构件之间不会有电阻，因此提高了电池的输出特性。本发明中，电极片的形状没有特别限制，可以是任意形状，例如多边形。
在本发明的燃料电池中，电极片具有切口部分，可以将固体电解质膜插入该切口部分。
此外，根据本发明，提供了一种制造燃料电池的方法，包括如下步骤：通过在电极片中提供切口部分而形成第一电极和第二电极，将固体电解质膜插入该切口部分，并提供通过固体电解质膜分别面对第一电极和第二电极的对电极。
通过这种方式，可以容易地在固体电解质膜的一个面上设置第一电极和在另一个面上设置第二电极。另外，还可以通过调节切口的宽度、长度和大小等，任意地控制在连续和整体地形成的第一电极和第二电极之间的距离，由此控制单元电池的集成密度，并通过提高集成密度进一步减小燃料电池的尺寸。在本发明中，切口部分的形状没有特别限制，可以任意选择，例如直线或狭缝。
根据本发明，提供了一种燃料电池，包括：单个固体电解质膜；设置在固体电解质膜的一个面上的多个第一电极；设置在固体电解质膜另一个面上并分别面对所述多个第一电极的多个第二电极，其中单元电池由一个第一电极、一个第二电极和固体电解质膜构成，所述一个第一电极和所述一个第二电极互相面对；沿着固体电解质膜周围排列的多个单元电池被串联连接；一个单元电池的第一电极和与上述单元电池相邻的另一个单元电池的第二电极通过连接构件互相电连接；所述第一和第二电极与连接构件连续和整体地形成。
制造本发明燃料电池的方法还包括如下步骤：将电极片沿着固体电解质膜周围插入。
在常规的燃料电池中，如果固体电解质膜为有角的形状，例如多边形，沿着固体电解质膜的一边形成单元电池的串联结构，因此沿着形成角的两边难以连续地形成串联。在本发明的燃料电池中，其中构成不同单元电池的第一电极和第二电极由单一电极片连续和整体地形成，可以适应固体电解质膜的不同形状，并形成串联结构，其中单元电池沿着固体电解质膜周围排列。
在本发明的燃料电池中，第一和第二电极与连接构件可以通过单一多孔金属片连续和整体地形成。
多孔金属片的电阻比传统使用的复写纸的电阻要低一个数量级或更低，因此多孔金属片既可以作为气体扩散电极，也可以作为集电极。因此，使用多孔金属片可以消除对如块状(bulk)金属的集电极的需要，并可以减小燃料电池的尺寸、重量和厚度。它还有利地确保了第一电极或第二电极的电子流动路线，并且提高了集电特性。另外，由于多孔金属片的多孔性，从而使水或气体有效地扩散，因此在第一电极或第二电极中有利地形成水和气体的流动路线。因此，多孔金属片的使用提高了单元电池的发电效率。还提供了一种在串联电池之间的电导率方面优良的燃料电池。
常规电池中使用的碳材料如复写纸的表面是疏水的，这难于使表面亲水化。相反，本发明的燃料电池中使用的多孔金属片的表面比碳材料的表面更亲水。结果，当液体燃料如含甲醇等的液体燃料供给燃料电极时，液体燃料渗透入燃料电极的速度比渗透入常规电极的速度快，因此提高了燃料供给的效率。
在本发明的燃料电池中，第一电极和第二电极可以包括多孔金属片和在构成多孔金属片的金属的表面上负载的催化剂。在本发明的燃料电池中，电极片可以包括催化剂和负载催化剂的多孔金属片。
此外，在本发明的燃料电池中，催化剂可以被负载在多孔金属片的金属表面上。在常规燃料电池中，其中催化剂和构成多孔金属片的金属通过碳粒子连接，电子从催化剂经碳粒子迁移到多孔金属片的金属。此时，在碳粒子和催化剂之间和在多孔金属片和碳粒子之间的接触电阻相对较大。另一方面，在本发明的构造中，催化剂可以直接沉积至多孔金属片，它们之间的接触电阻相对较小，因此可以使电子更有效地迁移。另外，通过将固体电解质膜插入其中，可以容易地形成串联连接的多个单元电池。在本发明中，在多孔金属片的表面上形成导电覆盖层，在这种情况下，催化剂通过覆盖层被负载在构成多孔金属片的金属的表面上。例如在本发明燃料电池的电极中，可以在构成多孔金属片的金属的表面上形成镀催化剂层。通过这种方式，可以容易和可靠地获得负载在多孔金属片上的所需催化剂。
在本发明的燃料电池中，可以在多孔金属片的表面上形成含负载催化剂的碳粒子的催化剂层。
本发明的燃料电池还可具有与催化剂接触的质子导体。通过这种方式，在电极、燃料和电解质之间可以可靠、充分地形成所谓的三相界面，有利地确保了催化剂表面上产生的质子的流动路线，因此提供了在电极性能方面优良的燃料电池电极，并提高了燃料电池的输出特性。例如在本发明的燃料电池中，质子导体可以是离子交换树脂。
在本发明的燃料电池中，构成多孔金属片的金属可以具有粗糙的表面。在本发明的燃料电池中，多孔金属片的金属表面是粗糙的，该燃料电池的表面积增加，能负载更大量的催化剂。结果，无需使用确保大表面积用的构件如碳粒子，就可以在多孔金属片上负载足够量的催化剂，并由此提高了电极性能。或者，可以在表面上形成不含碳粒子的催化剂层。通过这种方式，催化剂被直接负载在构成多孔金属片的金属的表面上，所以当被用作燃料电极时，例如在催化剂和电解质之间的界面处，在电化学反应中产生的电子可靠和迅速地迁移到多孔金属片。或者当被用作氧化剂电极时，从外电路供应至多孔金属片的电子被可靠和迅速地引导至连接的催化剂。另外，因为与催化剂接触形成质子导体，所以在催化剂表面上产生的质子的流动路线也有了保证。因此，本发明燃料电池的电极可以更有效地利用在电化学反应中产生的电子和质子，并提高了燃料电池的输出特性。
在本发明的燃料电池中，至少一部分多孔金属片被疏水处理。因此，在电极中可以容易地形成亲水区和疏水区。因此，在氧化剂电极中可以可靠地形成水流路线，这抑制了溢流，因此可以稳定地显示优良的输出特性。
在本发明的燃料电池中，燃料可以被直接供应至第一电极或第二电极的表面。例如，假如第一电极构成了燃料电极，那么燃料可以被直接供应至第一电极的表面。在用于直接供应燃料的典型构造中，例如在与燃料电极的电极片接触的位置处形成燃料容器或燃料供应构件，并且无需集电构件如端板，就可将燃料供应至燃料电极。在电极片的表面上形成条型的通孔或导向槽。通过这种方式，可以更有效地从电极片表面供应燃料。
另外，在本发明的燃料电池中，氧化剂可以被直接供应至第一电极或第二电极的表面。例如当第一电极构成氧化剂电极时，氧化剂可以被直接供应至第一电极的表面。氧化剂的直接供应是指，氧化剂如空气或氧气被直接供应至氧化剂电极的表面，而不用端板等。
在本发明的燃料电池中，在相邻的单元电池之间的区域中也可以形成低离子电导区。低离子电导区可以是在固体电解质膜中形成槽或凹面的区域。这种构造能抑制质子在单元电池之间穿过固体电解质膜的迁移，并提供了一种高输出的燃料电池，其有效地阻止了电压下降。
如上所述，在本发明的燃料电池中，构成一个单元电池的第一电极和构成另一个单元电池的第二电极由电极片连续和整体地形成，该燃料电池显示高输出特性。本发明还减小了燃料电池的尺寸和重量。另外，本发明还简化了燃料电池的构造和制造方法。
附图简述
通过如下描述的良好实施方案和附图，本发明的这个和其它目的、特征和优点将会更明显。
图1是说明实施方案的燃料电池的构造的透视示意图；
图2说明了如图1所示的燃料电池的制造方法；
图3是说明如图1所示的单元电池构造的剖视图；
图4是说明实施方案的燃料电池的示意图；
图5是说明实施方案的燃料电池构造的俯视示意图；
图6是说明实施方案的燃料电池构造的剖视图；
图7是说明如图1所示的燃料电池的燃料电极和固体电解质膜的构造的剖视示意图；
图8是说明常规燃料电池的燃料电极和固体电解质膜的构造的剖视示意图；
图9是说明如图1所示的燃料电池的燃料电极和固体电解质膜的构造的剖视示意图；
图10是说明实施方案的燃料电池构造的示意图；和
图11是说明实施方案的燃料电池内燃料电极和固体电解质膜的构造的剖视示意图。
发明详述
本发明涉及具有多个单元电池的燃料电池。在下文中，将如下燃料电池作为例子来描述本发明，其具有多个串联连接的单元电池。不同单元电池的电极在单一电极片中连续和整体地形成。电极片是具有两个区的导电片，在这两个区域上部分是催化电极区。一个催化电极区构成了一个单元电池的燃料电极，而另一个催化电极区构成了另一个单元电池的氧化剂电极。
(第一实施方案)
本实施方案涉及具有两个串联连接的单元电池的燃料电池。图1是说明本实施方案的燃料电池构造的示意图。图1(a)是说明燃料电池701的构造的透视图，而图1(b)是说明图1(a)所示的燃料电池的透视图，此时燃料电极侧和氧化剂电极侧的集电极片497和499被分开。
如图1(a)所示，燃料电池701在一个固体电解质膜114上有两个单元电池101。如图1(b)所示，燃料电池701有五个部分：一个氧化剂电极侧集电极片499、一个电极片489、一个固体电解质膜114、一个燃料电极侧集电极片497和一个氧化剂电极侧集电极片499。电极片489用于连续和整体地连接两个单元电池101，燃料电极侧集电极片497和氧化剂电极侧集电极片499将在燃料电池701中产生的电力收集和提供至外界。
电极片489的形状是矩形，并从长边向着对边有一个切口。基底构件104和110被布置在切口的每侧上，并与连接区495连接，该连接区位于靠近没有切口的对边。在基底构件104的表面上形成催化剂层(图中没有显示)，构成一个单元电池101的燃料电极。另外，在基底构件110的表面上形成了催化剂层112，它构成了另一个单元电池101的氧化剂电极。如以下将要描述的，在燃料电池701中，基底构件104是燃料电极侧的基底构件，基底构件110是氧化剂电极侧的基底构件。以如下方式将固体电解质膜114插入电极片489的切口中：固体电解质膜114与在基底构件104上的催化剂层(图中没有显示)和在基底构件110上的催化剂层112接触。
氧化剂电极侧集电极片499的基底构件110放置在面对电极片489基底构件104的位置处，电极片489的基底构件104、固体电解质膜114和氧化剂电极侧集电极片499的基底构件110形成单元电池101。类似地，电极片489的基底构件110、固体电解质膜114和燃料电极侧集电极片497形成另一个单元电池101。
将燃料电极侧集电极片497上的催化剂层106经固体电解质膜114连接至面对电极片489的基底构件110的位置。类似地，将氧化剂电极侧集电极片499上的催化剂层112经固体电解质膜114连接至面对电极片489基底构件104的位置。
电极片489由基底构件104、基底构件110和连接区495组成，它们被连续和整体地形成。这种构造可以通过在矩形电极片的长边制造切口而容易地获得，适于燃料电池的小型化，因为基底构件104和基底构件110通过与切口垂直的边互相连接，因此没有必要如常规燃料电池那样，提供储存连接单元电池用的额外的连接构件空间。
另一方面，燃料电极侧集电极片497和氧化剂电极侧集电极片499分别具有对应于电极片489的基底构件110和基底构件104的形状。因此，如图1所示，燃料电极侧集电极片497和氧化剂电极侧集电极片499只形成一个电极且没有切口。在对应于电极片489上的每个催化剂层的位置处形成催化剂层106或112。另外，燃料电极侧集电极片497和氧化剂电极侧集电极片499分别具有燃料电极侧端子703和氧化剂电极侧端子705，它们用于将燃料电池701中由电化学反应产生的电力连接到外部负荷。
电极片489、燃料电极侧集电极片497和氧化剂电极侧集电极片499具有如下功能：既作为气体扩散层又作为集电极。电极片489的电阻比复写纸的电阻小一个数量级，在常规燃料电池中复写纸通常被用作气体扩散层，因此电化学反应中产生的电子被更可靠地传输。
在燃料电池701中，在相邻单元电池101中的燃料电极和氧化剂电极通过电极片489中的连接区495互相连接。即使连接区495的宽度较小，电子也能有效地移动通过单元电池101之间的连接区495。通过这种方式，燃料电池701可以比常规燃料电池更小型化。
另外，因为连接区495是与基底构件104和110连续和整体地形成的，所以在基底构件之间没有接触电阻，假如安置了额外的连接构件，就会产生接触电阻。如图1(a)所示，燃料电极侧端子703和氧化剂电极侧端子705分别与燃料电极侧集电极片497和氧化剂电极侧集电极片499连续和整体地形成。因此，不需要额外的端子构件作为如常规燃料电池中连接电极用的端子，由于端子和电极之间没有接触电阻，导致更高的集电效率。因此，从燃料电极侧端子703和氧化剂电极侧端子705更有效地提供电力。
另外，当从燃料电极侧端子703和氧化剂电极侧端子705更有效地收集电子时，不需要使用集电构件如块状金属板或紧固构件来紧密连接在常规燃料电池中使用的集电构件。通过这种方式，许多薄、小和轻的电池在同一平面内与较少的构件连接。
在下文中，参考图3，更详细地描述单元电池101的构造。图3是说明图1所示的燃料电池中单元电池101构造的剖视图。单元电池101由燃料电极102、氧化剂电极108和固体电解质膜114组成。燃料电极102或氧化剂电极108也称为催化电极。另外，催化剂层106和112分别在基底构件104和110上形成，分别构成了燃料电极102和氧化剂电极108。在上述的电极片489、燃料电极侧集电极片497、或氧化剂电极侧集电极片499中的任一个上，形成基底构件104和110的区域。催化剂层106和112可以包含例如负载催化剂的碳粒子和固体聚合物电解质细粒子。
当用作电极片489、燃料电极侧集电极片497和氧化剂电极侧集电极片499的电极片是具有穿透两面的孔以传输燃料、氧化剂或质子的金属片时，该电极片不受特别限制，可以使用形状和厚度不同的各种片。它的一个例子是多孔金属片。金属纤维的无纺片或织造织物可以用作多孔金属片。多孔金属片的使用使得电极片489的电极性能得到可靠的提高，例如电导率和其中氢离子流动路线的形成。另外，这些多孔金属片具有相对高的孔隙率，使电极的重量下降。
电极片489中的孔尺寸可以为例如宽度1mm或更小。通过这种方式，可以保持燃料液体或燃料气体的有利扩散。
电极片489的孔隙率可以为例如10％或更多至70％或更少。孔隙率为10％或更多时有利于燃料液体或燃料气体的扩散；孔隙率为70％或更少时可维持有利的集电作用。孔隙率更优选为例如30％或更大至60％或更少。在上述范围中，可以保持燃料液体或燃料气体的更有利扩散和更有利的集电作用。电极片489的孔隙率是所有孔占电极片489的总体积的比率。更高的孔隙率是指电极片489具有更粗糙的结构。孔隙率是孔占总体积的比率，因此，更高的孔隙率意味着更粗糙的结构。例如从电极片489的重量、体积和金属的比重可以计算孔隙率。或者，可以通过汞透入法确定。
例如，电极片489的厚度为1mm或更小。通过将电极片的厚度减小至1mm或更小，可以有利地降低单元电池101的厚度和重量。通过将厚度减小至0.5mm或更小，可以减小厚度和重量，并且可以更有利地在便携设备中使用这种燃料电池。例如，厚度可以为0.1mm或更小。
电极片489材料的例子包括选自如下的一种或多种元素：Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Mn、Fe、Co、Ni、Al、Au、Ag、Cu和Pt。所有这些元素都具有良好的电导率。优选在其中包含选自Au、Ag和Cu中的元素，因为它减小了电极片489的电阻率。通过将选自Au、Ag和Pt中的元素加至集电器，也可以制得具有更高氧化-还原电位的电极片489的金属。通过这种方式，即使当部分电极片489表面没有被催化剂覆盖并由此暴露于外界时，也可以提高电极片489的耐蚀性。当使用合金时，优选例如含SUS的合金、含铁、铬和硅的合金等。
电极片489、燃料电极侧集电极片497和氧化剂电极侧集电极片499可以由相同材料或不同材料制得。
在上述燃料电池701中，电极片489为矩形，但是当基底构件104和110和连接区495在其上形成时，电极片489的形状不受特别限制，可以是多边形或任意其它形状。在电极片489内形成的切口也可以为任意形状，可以为直线、狭缝或其它形状。
当多孔金属片用作电极片489时，在电极片489的基底构件104和110的孔中可以嵌入疏水物质。基底构件104和110的表面比复写纸和在常规电池中使用的其它物质的表面更亲水。因此，通过在部分亲水表面上粘附疏水物质，可以有利地确保气体和水的流动路线。尤其是，可以更有效地从氧化剂电极108的基底构件110排出电化学反应产生的水。
类似地，燃料电极侧集电极片497和氧化剂电极侧集电极片499的形状不受特别限制。
燃料电极102的催化剂的例子包括含至少一种如下元素的金属、合金或其氧化物，所述元素选自：Pt、Ti、Cr、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Nb、Mo、Ru、Pd、Ag、In、Sn、Sb、W、Au、Pb和Bi。另一方面，类似于那些在燃料电极102使用的催化剂的催化剂可以用作氧化剂电极108的催化剂，其例子包括上述列举的物质。用于燃料电极102和氧化剂电极108的催化剂彼此可以相同或不同。
负载催化剂的碳粒子的例子包括乙炔黑(Denka Black(注册商标；由Denki Kagaku kogyo制造)、XC72(由Vulcan制造)等)、Ketjenblack、无定形碳、碳纳米管、碳纳米角等。例如，碳粒子的粒径为0.01μm或更大至0.1μm或更小，优选为0.02μm或更大至0.06μm或更小。
固体聚合物电解质用于在催化电极表面上将负载催化剂的碳粒子电连接至固体电解质膜114，并将有机液体燃料供应至催化剂表面，该固体聚合物电解质应具有质子电导率，也应具有一定的有机液体燃料(如用于燃料电极102的甲醇)透过性、和一定的用于氧化剂电极108的氧透过性。具有优良的质子电导率和有机液体燃料(如甲醇)透过性的材料，被有利地用作满足这些要求的固体聚合物电解质。有利材料的典型例子包括具有极性基团如强酸基团(例如磺酸和膦酸)或弱酸基团(例如羧基)的有机聚合物。有机聚合物的典型例子包括具有氟塑料结构和质子酸基团的含氟聚合物等。或者可以使用聚醚酮、聚醚醚酮、聚醚砜、聚醚醚砜、聚砜、聚硫化物、聚亚苯基、聚苯醚、聚苯乙烯、聚酰亚胺、聚苯并咪唑、聚酰胺等。或者，不含氟的烃材料可以用作液体燃料如甲醇的交叉还原用的聚合物。或者还可以使用含芳基的聚合物作为基底构件的聚合物。
与质子酸基团结合的基底构件用聚合物的例子包括：含氮或羟基的树脂，例如聚苯并咪唑衍生物、聚苯并恶唑衍生物、交联聚乙烯亚胺衍生物、聚硅胺(polysilamine)衍生物、氨基取代的聚苯乙烯(例如聚二乙基氨基乙基苯乙烯)和氮取代的聚丙烯酸酯(例如聚甲基丙烯酸二乙基氨基乙酯)；含羟基的聚丙烯酸树脂，例如含硅烷醇的聚硅氧烷和聚甲基丙烯酸羟乙酯；含羟基的聚苯乙烯树脂，例如聚(对羟基苯乙烯)；等等。
也可以使用另外用交联性取代基取代的上述例举的聚合物，所述交联性取代基为例如乙烯基、环氧基、丙烯酰基、甲基丙烯酰基、肉桂酰基、羟甲基、叠氮基或萘醌二叠氮基。另外，也可以使用具有上述交联取代基的树脂。
用于第一固体聚合物电解质150或第二固体聚合物电解质151的聚合物的典型例子包括：磺化聚醚酮、磺化聚醚醚酮、磺化聚醚砜、磺化聚醚醚砜、磺化聚砜、磺化聚硫化物、磺化聚亚苯基；含芳基的聚合物如磺化聚(4-苯氧基苯甲酰基-1，4-亚苯基)和烷基磺化聚苯并咪唑、磺烷基化聚醚醚酮、磺烷基化聚醚砜、磺烷基化聚醚醚砜、磺烷基化聚砜、磺烷基化聚硫化物、磺烷基化聚亚苯基；含磺酸基的全氟化碳(Nafion(注册商标；由E.I.du Pont de Nemours and Company制造)、Aciplex(由Asahi Kasei Corp.制造)等)；含羧基的全氟化碳(Flemion(注册商标)S膜(由Asahi Glass Co.，LTD.制造)等)；共聚物，例如聚苯乙烯磺酸共聚物、聚乙烯硫酸共聚物、交联烷基硫酸衍生物、及具有氟塑料结构和磺酸的含氟聚合物的共聚物；丙烯酰胺如丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸和丙烯酸酯如甲基丙烯酸正丁酯的共聚物；等等。或者，可以使用芳族聚醚醚酮或芳族聚醚酮。
在它们之中，从离子电导率和其它量度的观点来看，含砜基的全氟化碳(例如Nafion(注册商标；由E.I.du Pont de Nemours and Company制造)和Aciplex(由Asahi Kasei Corp.制造)等)、含羧基的全氟化碳(例如Flemion(注册商标)S膜(由Asahi Glass Co.，LTD.制造))等是优选的。
用于燃料电极102和氧化剂电极108的固体聚合物电解质彼此可以相同或不同。
固体电解质膜114用于分离燃料电极102和氧化剂电极108，并在它们两者之间传输质子。因此，固体电解质膜114优选为质子电导率较高的膜。优选地，它也是化学稳定的，并且机械强度较高。
优选地，固体电解质膜114的材料包含质子酸基团，例如磺酸基、磺烷基、磷酸基、膦酸基、膦基、羧基或磺酰亚胺基。与质子酸基团结合的基底构件用聚合物的例子包括：聚醚酮、聚醚醚酮、聚醚砜、聚醚醚砜、聚砜、聚硫化物、聚亚苯基、聚苯醚、聚苯乙烯、聚酰亚胺、聚苯并咪唑、聚酰胺等。优选地，聚合物为液体燃料如甲醇的交叉还原用的不含氟的烃膜。含芳基的聚合物也可以用作基底构件用聚合物。
与质子酸基团结合的基底构件用聚合物包括：含氮或羟基的树脂，例如聚苯并咪唑衍生物、聚苯并恶唑衍生物、交联聚乙烯亚胺衍生物、聚硅胺衍生物、氨基取代的聚苯乙烯(例如聚二乙基氨基乙基苯乙烯)和氮取代的聚丙烯酸酯(例如聚甲基丙烯酸二乙基氨基乙酯)；含羟基的聚丙烯酸树脂，例如含硅烷醇的聚硅氧烷和聚甲基丙烯酸羟乙酯；含羟基的聚苯乙烯树脂，例如聚(对羟基苯乙烯)；等等。
另外，上述聚合物可具有所需的交联性取代基如乙烯基、环氧基、丙烯酰基、甲基丙烯酰基、肉桂酰基、羟甲基、叠氮基或萘醌二叠氮基。另外，也可以使用具有交联取代基的树脂。
固体电解质膜114用聚合物的典型例子包括：磺化聚醚醚酮、磺化聚醚砜、磺化聚醚醚砜、磺化聚砜、磺化聚硫化物、磺化聚亚苯基；含芳基的聚合物如磺化聚(4-苯氧基苯甲酰基-1，4-亚苯基)和烷基磺化聚苯并咪唑、磺烷基化聚醚醚酮、磺烷基化聚醚砜、磺烷基化聚醚醚砜、磺烷基化聚砜、磺烷基化聚硫化物、磺烷基化聚亚苯基；含磺酸基的全氟化碳(例如Nafion(注册商标；由E.I.du Pont de Nemours andCompany制造)和Aciplex(由Asahi Kasei Corp.制造)等)；含羧基的全氟化碳(Flemion(注册商标)S膜(由Asahi Glass Co.，LTD.制造)等)；共聚物，例如聚苯乙烯磺酸共聚物、聚乙烯硫酸共聚物、交联烷基硫酸衍生物和具有氟塑料结构和磺酸的含氟聚合物的共聚物；丙烯酰胺如丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸和丙烯酸酯如甲基丙烯酸正丁酯的共聚物；等等。或者，也可以使用芳族聚醚醚酮或芳族聚醚酮。
在本实施方案中，有机液体燃料透过性较小的材料优选用作固体电解质膜114和第一固体聚合物电解质150或第二固体聚合物电解质151，用于交叉还原。材料优选为例如芳族缩合聚合物，例如磺化聚(4-苯氧基苯甲酰基-1，4-亚苯基)或烷基磺化聚苯并咪唑。固体电解质膜114和第二固体聚合物电解质151的甲醇溶胀趋势优选为例如50％或更小，更优选为20％或更小(在70(v)％的甲醇水溶液中的溶胀趋势)。通过这种方式，固体聚合物膜具有特别有利的界面粘附性和质子电导率。
例如在本实施方案中，氢可被用作燃料。或者，可以使用从天然气、石脑油等制备的重整氢作为燃料源。或者，例如可以直接供应液体燃料如甲醇。例如可以使用氧、空气等作为氧化剂。
假如液体燃料被直接供应，燃料电池可以具有如图6所示的构造。图6是说明本实施方案的燃料电池700构造的剖面图。横截面对应图1(a)所示的燃料电池701的A-A′方向切割的面。在图6的燃料电池700中，通过燃料容器425，将燃料124供应至燃料电极102。单元电池101中氧化剂电极108的暴露区域被密封件429覆盖，该密封件429具有供应氧化剂126的孔，因此向那里供应空气中的氧气作为氧化剂126。燃料电池700中产生的电力从燃料电极侧端子703和氧化剂电极侧端子705中输出。
在燃料电池700中，端部处密封件429的存在阻止了燃料泄漏至氧化剂电极108侧。也不需要集电极如块状金属板。具有这种构造的燃料电池700更小、更轻，显示出可靠的更高输出。因此，提供了一种在同一平面上具有多电池结构的燃料电池，它可以有利地用作便携设备如手机和笔记本电脑的电源。
或者，如果需要，可以设置燃料容器425的燃料进口，通过该燃料进口注入燃料124。燃料124可以被储存在燃料容器425中，或如果需要，被供应至燃料容器425。即燃料124的供给不受燃料储存在燃料容器425中的方法的限制，并且可以适当地从包括形成燃料供给线方法的方法中选择。例如，可以将燃料从燃料构件供应至燃料容器425。
在本实施方案中，只使用了一个固体电解质膜114，但是在各个单元电池101中可使用多个彼此不同的固体电解质膜114。一个固体电解质膜114的使用使得其构造和制造更简单。
另外，固体电解质膜114、电极片489和燃料电极侧和氧化剂电极侧集电极片497和499的形状不限于上面所述，可以任意地确定。
制造燃料电池的方法没有特别限制，但是燃料电池701可以按照如下的方法制得。图2说明了如图1所示的燃料电池701的制造方法。在图2(a)至2(c)中，左图是相应的俯视图，右图是俯视图中燃料电池B-B′方向切开的那一个面的剖视图。
多孔金属片被切割成特定大小的片，制得图2(a)所示的电极片489、图2(b)所示的燃料电极侧集电极片497和氧化剂电极侧集电极片499。这时，以通过连接区495连接基底构件104和110的方式，在电极片489内形成切口711。以燃料电极侧端子703和氧化剂电极侧端子705分别从基底构件104和110伸出的方式，切割燃料电极侧和氧化剂电极侧集电极片497和499。
通过本领域通常使用的浸渍法，使碳粒子负载催化剂。然后，负载催化剂的碳粒子和固体电解质被分散入溶剂中，得到糊剂，然后将其涂覆在基底构件上并干燥，得到燃料电极102和氧化剂电极108。碳粒子的粒径为例如0.01μm或更大至0.1μm或更小。催化剂粒子的粒径为例如1nm或更大至1nm或更小。固体聚合物电解质粒子的粒径为例如0.05μm或更大至1μm或更小。碳粒子和固体聚合物电解质粒子的使用比率范围为例如按重量计2∶1至40∶1。糊剂中，水对溶质的重量比为例如约1∶2至10∶1。
在基底构件104和110上涂覆糊剂的方法没有特别限制，可以通过例如刷涂、喷涂、筛网印花等来进行。糊剂的涂覆厚度为例如1μm或更大至2mm或更小。此时，糊剂被涂覆在分别在电极片489不同面上的基底构件104和110上。涂覆之后，在加热温度下将糊剂加热适合所用氟塑料树脂的一段加热时间，制得燃料电极102或氧化剂电极108。根据所用的材料，适当地选择加热温度和时间，加热温度可以为例如100℃或更高至250℃或更低，加热时间为30秒或更长至30分钟或更短。
通过这种方式，制得具有所形成的燃料电极102和氧化剂电极108的电极片489、与燃料电极侧和氧化剂电极侧集电极片497和499。通过在这些电极片的孔中嵌入疏水物质可以形成疏水区。例如，电极片489可以进行防水处理。防水处理导致催化剂的亲水表面(图中没有显示)或电极片489的表面和防水表面共存，这又导致催化电极中排水路线的可靠导入。因此，例如在氧化剂电极108中产生的水可以顺利地从电极向外排出。例如，在燃料电池701中氧化剂电极108的外表面上进行防水处理。
例如，可以通过使电极片489浸入或接触疏水物质的溶液或悬浮液，所述疏水物质为例如聚乙烯、石蜡、聚二甲基硅氧烷、PTFE、四氟乙烯-全氟烷基乙烯醚共聚物(PFA)、氟化乙烯丙烯(FEP)、聚(丙烯酸全氟辛基乙酯)(FMA)或聚膦腈，并因此在构成电极片489的金属表面上粘附防水树脂，从而进行疏水处理。尤其是，在顺利形成疏水区时，使用高防水性物质是有效的，所述物质为例如PTFE、四氟乙烯-全氟烷基乙烯醚共聚物(PFA)、氟化乙烯丙烯(FEP)、聚(丙烯酸全氟辛基乙酯)(FMA)或聚膦腈。
或者，可以涂覆疏水材料如PTFE、PFA、FEP、氟化沥青或聚膦腈的粉末分散体。涂覆液体可以是疏水材料和导电物质如金属或碳的混合分散体。或者，涂覆液体可以是防水导电纤维如Dreamaron(注册商标；由Nissen制造)在溶剂中的粉末分散体。按这种方式，通过使用导电性和防水性物质，可以进一步提高电池输出。
或者，导电物质如金属或碳的粉末预先用上述疏水材料涂覆，可以被分散和涂覆。涂覆方法没有特别限制，例如可以通过刷涂、喷涂、筛网印花等来进行。
另外，通过等离子方法(例如CF4等离子处理)可以将疏水基团引入至电极片489的表面上。通过这种方式，可以将疏水区的厚度调节至所需的厚度。
根据所用的材料，可以适当地选择任一方法以制得固体电解质膜114。例如当固体电解质膜114由有机聚合材料制成时，可以通过在剥离座如聚四氟乙烯上铸塑和干燥有机聚合材料在溶剂中的溶液或分散体来制得。
在得到的固体电解质膜114的一侧被插入电极片489(图2(a))的切口711中后，固体电解质膜114被夹在电极片489上的燃料电极102和氧化剂电极108之间。在相同的状态下热压组合件，得到催化电极-固体电解质膜组合件(图2(b))。
根据所用的材料选择热压条件，当在催化电极表面上的固体电解质膜114和固体聚合物电解质由具有软化温度或玻璃化转变温度的有机聚合物制成时，在比这些聚合物的软化温度或玻璃化转变温度高的温度下进行热压。典型地，例如在100℃或更高至250℃更低的温度、和1kg/cm2或更高至100kg/cm2或更低的压力下，热压10秒或更多至300秒或更少。
然后，通过固体电解质膜114，燃料电极侧集电极片497被置于面对电极片489的基底构件110。类似地，氧化剂电极侧集电极片499被置于面对电极片489的基底构件104。然后，形成于燃料电极侧和氧化剂电极侧集电极片497和499上的催化剂层106和112，被连接至固体电解质膜114(图2(b))。随后，热压组合件。
通过这种方式，得到燃料电池701(图2(c))。尽管到目前为止，描述了单独热压电极片489与燃料电极侧和氧化剂电极侧集电极片497和499的方法，但是可以通过将它们分别放置在预定位置并同时热压，从而制得燃料电池701。通过这种方式，可以更有效地制得燃料电池701。
另外，到目前为止，描述了在电极片489上形成催化剂层106和112，并将固体电解质膜114插入电极片489的切口711中的方法。或者，也可以采用在固体电解质膜114的预定位置形成催化剂层106和112，然后将其插入电极片489的切口711中的方法。
在这种情况下，可以在固体电解质膜114上形成催化剂层106和112，例如按照如下步骤进行：首先，由上述方法制备的催化剂糊剂涂覆在例如防水片的表面上。例如，Teflon(注册商标)片可以用作防水片。按上述进行涂覆。然后，将涂覆在防水片上的催化剂糊剂加热并干燥，得到催化剂膜106或112。然后，将催化剂层106和112放置为经固体电解质膜114彼此面对，通过热压相连接。随后分离防水片，得到与催化剂层106和112相连的固体电解质膜114。
如图6所示，在燃料容器425被连接到构成燃料电池701(图6中未显示)的单元电池101的燃料电极102后，可以密封燃料电池701上的暴露区域。这时，例如燃料电极102和燃料容器425可以用耐燃料的粘合剂等彼此粘合。通过在燃料电极102和燃料容器425之间的直接接触和由此实现的燃料直接供给，可以制得更薄、更小和更轻的燃料电池700。
氧化剂电极108与氧化剂或空气直接接触，从而被供以氧化剂。氧化剂可以通过所需的包装构件被供应给氧化剂电极108，只要这不会抑制燃料电池的小型化。
(第二实施方案)
在这个实施方案中，多孔金属片用作如第一实施方案中所述的燃料电池701中的电极片489、燃料电极侧集电极片497和氧化剂电极侧集电极片499；在构成多孔金属片的金属的表面上直接负载催化剂；这些片具有粗糙的表面。“粗糙的片表面”是指构成片的金属的单个表面是粗糙的。粗糙表面具有增加的表面积，因此可负载更大量的催化剂，从而通过在每个单元电池101中电化学反应的加速，导致燃料电池输出的提高。
图7是说明构成本实施方案的燃料电池的单元电池中燃料电极102和固体电解质膜114的示意图。如图所示，燃料电极102的基底构件104具有不规则的表面，其用催化剂491涂覆。固体聚合物电解质粒子150被粘附到催化剂491的表面。基底构件104是电极片489的一部分或燃料电极侧集电极片497的一部分，但是在任何情况下基底构件104都具有相同的构造。
或者，图8是说明常规燃料电池的燃料电极102构造的剖视示意图。在图8中，碳材料用作基底构件104，在其表面上形成由固体聚合物电解质粒子150和负载催化剂的碳粒子140的催化剂层。
在下文中，以燃料电极102为例，参考图7和8，描述本实施方案的燃料电池的特征。首先，在图7中，多孔金属片用作基底构件104。多孔金属片具有优良的电导率，因此不需要在燃料电池701中安装额外的外部集电极，例如第一实施方案中描述的在燃料电池701中由块状金属构成的外部集电极。另一方面，在图8中，用作基底构件104的碳材料需要安装额外的集电极。
在图7中，基底构件104(即构成多孔金属片的金属)的表面也是粗糙的。因此，基底构件104具有增加的表面积，可负载更多量的催化剂。因此，基底构件104具有能负载足够量催化剂491的表面积，所负载的催化剂491的量与图8中使用负载催化剂的碳粒子140时的量几乎是相等的。基底构件104的表面可以是经防水性处理的。
另外，由于燃料电极102内的电化学反应发生在所谓的三相界面，即催化剂491、固体聚合物电解质粒子150和基底构件104的界面，因此可靠地确保三相界面是很重要的。在图7中，由于基底构件104和催化剂491彼此直接接触，所以在催化剂491和固体聚合物电解质粒子150之间的所有接触区域都代表三相界面，允许在基底构件104和催化剂491之间建立电子流动路线。
另一方面，在图8中，在负载催化剂的碳粒子140中，只有与固体聚合物电解质粒子150和基底构件104都接触的粒子才是有效的。因此，例如在由负载催化剂的碳粒子A负载的催化剂(图中没有显示)表面上产生的电子，通过基底构件104由负载催化剂的碳粒子A供应到电池外，但是对于与基底构件104没有接触点的粒子例如负载催化剂的碳粒子B，在碳粒子表面上负载的催化剂(图中没有显示)表面上产生的电子不能释放到电池外。或者，对于负载催化剂的碳粒子A，在负载催化剂的碳粒子140和基底构件104之间的接触电阻比在催化剂491和电极片489之间的接触电阻要大，因此图7中的构造对于确保电子流动路线更有效。
由此，图7和图8之间的比较表明，图7中的构造提高了催化剂491的使用效率和集电效率。该构造因此提高了单元电池101的输出特性，也提高了燃料电池的电池特性。它也除去了形成催化剂层的步骤，因此能简化电池的构造及其制造方法。
催化剂491可以被负载到基底构件104的表面上，并覆盖所有或部分的基底构件104。电极片489的整个表面优选如图7所示被覆盖，因为这防止了电极片489的腐蚀。当催化剂491覆盖了基底构件104的表面时，催化剂491层的厚度没有特别限制，但是可以为例如1nm或更厚至500nm或更薄。
本实施方案的燃料电池基本上以与第一实施方案中所述燃料电池相同的方式制得，下文将仅描述不同的步骤。
在本实施方案的燃料电池中，用于电极片489、燃料电极侧集电极片497和氧化剂电极侧集电极片499的金属的表面是粗糙的，因此这些片具有不规则的表面。下文中，以电极片489为例描述粗糙化操作，但是以相同方式可以使燃料电极侧和氧化剂电极侧集电极片497和499粗糙。例如通过浸蚀如电化学浸蚀或化学浸蚀，可以将电极片489的表面粗糙化为细密的不规则结构。
利用阳极极化等的电解浸蚀可以用作电化学浸蚀。这时，电极片489被浸在电解质溶液中，并施加例如约1至10V的直流电压。电解质溶液的例子包括酸性溶液，如盐酸、硫酸、过饱和草酸、磷酸/铬酸混合物等。
或者，在化学浸蚀中，电极片489被浸在含氧化剂的浸蚀剂中。浸蚀剂的例子包括硝酸、硝酸醇溶液(Nital)、苦味酸醇(Picryl)、氯化铁溶液等。
在本实施方案中，金属也被负载到电极片489的表面上作为催化剂491。例如，通过镀敷法如电镀和无电电镀、蒸汽淀积法如真空淀积或化学蒸汽淀积(CVD)等，在其上负载催化剂491。
在电镀中，电极片489被浸在含所需催化剂金属离子的水溶液中，并施加例如约1至10V的直流电压。例如在镀铂时，电极片489被浸在硫酸、氨基磺酸和含Pt(NH3)2(NO2)2、(NH4)2PtCl6和其它的磷酸铵的酸性溶液中，在电流密度为0.5至2A/dm2下电镀。或者当大量金属要镀敷时，在其中一种金属可在扩散控制状态下迁移的浓度范围内，可以通过调节外施电压以所需速率进行电镀。
还或者在无电电镀中，电极片489被浸在含所需催化剂金属离子如Ni、Co或Cu的水溶液中，该水溶液中预先加入还原剂如次磷酸钠、硼氢化钠或甲醛水。如果需要，可以加热该水溶液。例如当使用含铜离子和甲醛水的水溶液时，可以在约20至75℃的溶液中进行镀敷。
通过这种方式使电极片489的表面粗糙。然后，例如通过将基底构件浸在固体聚合物电解质溶液中，将固体聚合物电解质粒子沉积在基底构件104和110的催化剂491的表面上；通过在燃料电极102和氧化剂电极108之间保持和热压基底构件，得到催化电极-固体电解质膜组合件。
为了确保在电极和固体电解质膜114之间的粘附和催化电极中氢离子的流动路线，优选通过在燃料电极102和氧化剂电极108的表面上提供质子导体层，从而形成燃料电极102和氧化剂电极108的平坦化表面。图9是说明燃料电极102和固体电解质膜114的另一种构造的剖视示意图。图9所示的构造具有在如图6所示构造中基底构件104的表面上额外的平坦化层493。平坦化层493的存在提高了固体电解质膜114和基底构件104之间的粘附。
当在基底构件104和110的表面上形成平坦化层493时，平坦化层493可以是质子导体如离子交换树脂。通过这种方式，在固体电解质膜114和催化电极之间顺利地形成氢离子流动路线。平坦化层493用的材料选自例如用于固体电解质或固体电解质膜114的材料。
(第三实施方案)
本实施方案涉及具有串联连接的多个单元电池101的燃料电池。图4说明了本实施方案的燃料电池707的构造。图4(a)是燃料电池707的俯视图，图4(b)是在图4(a)中燃料电池的C-C′方向上切开的那一个面的剖视图。如图4(a)和4(b)所示，燃料电池707具有如下构造，其中四个单元电池101分别具有如第一实施方案中描述的燃料电池701的构造作为其基本构造，并串联连接。另外，与图6所示的燃料电池700相似，用密封件429封住燃料电池的末端部分。
在燃料电池707中使用了三个电极片489，并提供了一个电极片489的基底构件104和另一个电极片489的基底构件110，以通过固体电解质膜114彼此面对。在单元电池101的两个末端，在燃料电极侧集电极片497或氧化剂电极侧集电极片499上形成了基底构件104或基底构件110。在这种构造中，四个单元电池101以简化构造连接。该构造确保电池101之间顺利的电子流动路线，与常规燃料电池的尺寸相比，该构造的燃料电池尺寸变小。
因此，类似于燃料电池701，形成了多个小、轻和薄的电池并且它们在燃料电池707的同一个面内相连。也可以制得具有可靠高输出的燃料电池。
在燃料电池707的构造中，其中在单个固体电解质膜114的表面上形成多个单元电池101，固体电解质膜114的几乎整个表面都用基底构件104和110覆盖。即燃料电池具有如下构造，其中固体电解质膜114的基本上整个表面用基底构件104和110覆盖。具体地，例如固体电解质膜114表面的75％或更多用基底构件104和110覆盖。通过这种方式，可以使单元电池在固体电解质膜114上整合得更紧密，因此得到输出特性优良的小型燃料电池。
在图4中，有四个单元电池101相连，但是单元电池101的连接数量没有特别限制，可以按需要适当选择。可以使用数量上比上述电池数少一个的电极片489。通过使用第二实施方案中描述的燃料电池构造作为基本构造，以代替燃料电池701的构造，这样也可以进一步提高输出特性。
(第四实施方案)
本实施方案涉及燃料电池的另一实施方案，其具有四个串联连接的单元电池101。图5是说明本实施方案燃料电池的俯视示意图。图5(a)说明了具有燃料电池701构造作为基本构造的燃料电池709构造。如图5(a)所示，电极片489与燃料电极侧和氧化剂电极侧集电极片497和499被连接至燃料电池709中的固体电解质膜114上，而图5(b)说明了它们与该固体电解质膜114分离。
如图5(a)和图5(b)所示，可以使用燃料电池709所示的“风车形”构造，其中多个单元电池101串联连接。即使在“风车形”构造中，通过使用三个电极片489、燃料电极侧集电极片497和氧化剂电极侧集电极片499，也可以容易地制得具有优良输出特性的、构造简单的燃料电池。
在“风车形”构造中，可以从固体电解质膜114的一侧收集电流，即从燃料电极侧和氧化剂电极侧集电极片497和499被沉积的那一侧收集电流，因此制得彼此接近的燃料电极102和氧化剂电极108，并将单元电池101在一个平面内紧密整合。因为可以制得几乎为正方形的燃料电池709，所以可在更窄和更小的装置中顺利地安装燃料电池。
在本实施方案中，描述了具有四个串联电池的矩形固体电解质膜114，但是固体电解质膜114的形状没有特别限制，可以沿着固体电解质膜114周围安装单元电池101。如果固体电解质膜114有角，如燃料电池709所示，那么通过将电极片沉积至两个相邻侧以形成固体电解质膜114的角，可以形成有利的单元电池101的构造和实现电极片与固体电解质膜的连接。例如，如果固体电解质膜114是多边形时，那么一个单元电池101的燃料电极102被置于多边形的一侧上，相应的氧化剂电极108在相邻的一侧。通过这种方式，可以使单元电池101在固体电解质膜114上整合得更紧密。
到目前为止，参照实施方案描述了本发明。这些实施方案只是本发明的例子，本领域的技术人员应理解：本发明的更改，例如组件和处理方法的组合，也包括在本发明的范围中。
例如，如图10所示，在单元电池之间的区域中可以设置低离子电导区302。当通过缩小单元电池之间的空间来进一步使燃料电池小型化时，可能发生电泄漏而导致电压下降，该构造可以阻止这种电压下降。结果，即使单元电池之间的间隙宽度被减小到几乎为固体电解质膜的厚度，也可以抑制电压下降，因此制得更小和更薄的高输出燃料电池。或者，通过在固体电解质膜上形成槽或凹面，可以引入上述区域。
另外，燃料电池具有含负载催化剂的碳粒子的催化剂层，该燃料电池形成于上述实施方案中描述过的多孔金属片的表面上，但是可以形成不含碳粒子的催化剂层。如图11所示，在这种构造中，其中直接在多孔金属片的金属表面上负载催化剂，例如当多孔金属片被用作燃料电极侧集电极片时，在催化剂和电解质的界面处由电化学反应产生的电子可更快、更可靠地迁移至燃料电极侧集电极片。或者，当它用作氧化剂电极侧集电极片时，电子由外电路引导至氧化剂电极侧集电极片，被更快、更可靠地供应至相连的催化剂。另外，设置与催化剂接触的质子导体，这也确保了在催化剂表面上产生的质子流动路线。因此，本发明的燃料电池电极更有效地使用了在电化学反应中产生的电子和质子，并提高了燃料电池的输出特性。
尽管在上述实施方案中描述了串联连接的多个单元电池的构造，但是通过使用串联和并联组合连接的单元电池的构造，例如将一些串联的单元电池并联连接，也可以制得具有所需电压和电容量的组合电池。或者，通过将多个燃料电池连接在同一平面内可制得组合电池，或通过分离器堆积单元电池结构101制得燃料电池堆。即使堆积为燃料电池堆，燃料电池还可稳定地显示优良的输出特性。
(实施例)
在下文中，将详细描述上述实施方案中描述的燃料电池电极和燃料电池，但是应理解本发明不受此限制。
(实施例1)
在本实施例中，制得图4所示的具有串联单元电池的结构，并进行评估。由直径为30μm的烧结SUS316纤维制得厚度为0.2mm的多孔金属片，其用作催化电极，即燃料电极和氧化剂电极(气体扩散电极)用的电极片。在多孔金属片的表面上形成催化剂层，步骤如下：首先，通过使用5wt％Nafion(由Aldrich-chemical制备，作为固体聚合物电解质)的醇溶液，将该溶液与乙酸正丁酯混合并搅拌，得到固体聚合物电解质的浓度为0.1至0.4mg/cm3，由此制得固体聚合物电解质的胶态分散体。
碳细粒子(Denka Black；由Denki Kagaku Kogyo制造)负载铂-钌合金催化剂，其粒径为3至5nm，量为50wt％，用作燃料电极催化剂，而碳细粒子(Denka Black；由Denki Kagaku Kogyo制造)负载铂催化剂，其粒径为3至5nm，量为50wt％，用作氧化剂电极催化剂。负载催化剂的碳细粒子被加至胶态固体聚合物电解质分散体，在超声分散器中混合物转变成糊剂。然后以重量比1∶1混合固体聚合物电解质和催化剂。以2mg/cm2的量通过筛网印花将糊剂涂覆在多孔金属片上，并在其上加热和干燥。通过这种方式，在用于电极片、燃料电极侧集电极片和燃料电极侧集电极片的每个多孔金属片上形成催化剂层。
得到的电极片在切口处被插入固体电解质膜Nafion 112的一侧，Nafion 112由E.I.du Pont de Nemours and Company制造，燃料电极侧集电极片和氧化剂电极侧集电极片被置于预定位置。然后使电极片表面上的催化剂层与固体电解质膜接触。随后，在温度为130℃、压力为10kg/cm2下，在两个面上热压组合件，得到燃料电池。
由此得到的燃料电池的厚度比常规燃料电池的一半还小，重量小于常规燃料电池的1/3。另外，测定了燃料电池的输出。10v/v％的甲醇水溶液被作为燃料供给燃料电极，空气作为氧化剂供给氧化剂电极。燃料和氧化剂的流动速率分别为5和50ml/min。在1个大气压、室温25℃下，在电流为1,000mA/cm2下，所测的燃料电池输出为1.6V。
(实施例2)
以与实施例1相同的方式，在多孔金属片上形成催化剂层，得到电极片、燃料电极侧集电极片、或燃料电极侧集电极片。所用的固体电解质膜是固体电解质膜Nafion 112，由E.I.du Pont de Nemours andCompany制造。所得的电极片被插入相应切口处的固体电解质膜的三个侧面中，燃料电极侧集电极片和氧化剂电极侧集电极片被置于预定位置。然后使电极片表面上的催化剂层与固体电解质膜接触。随后，在温度130℃、压力10kg/cm2下，在两个面上热压复合材料，得到如图5所示的具有串联四个电池的燃料电池，用于评估。
同样地，在这个构造中，燃料电池的厚度不大于常规燃料电池的一半，重量不多于常规燃料电池的1/3。在用与实施例1相同的方式测量后，在电流密度为1000mA/cm2下，其输出电压为1.6V。
(比较实施例)
使用复写纸(由Toray制造)作为催化电极用电极片，所述催化电极即燃料电极和氧化剂电极(气体扩散电极)。以与实施例1相同的方式，在电极片表面上形成催化剂层。在温度为130℃、压力为10kg/cm2下，在固体电解质膜Nafion 112(由E.I.du Pont de Nemoursand Company制造)的两个面上热压电极，得到催化电极-固体电解质膜组合件。然后使两个催化电极-固体电解质膜组合件通过在同一个面内的连接端子彼此串联连接，燃料电极和氧化剂电极的端板用螺栓和螺母连接。所用的端板是厚度为1mm的SUS 304板。
按照与实施例1相同的方式测定，在电流密度为1,000mA/cm2下，所得的燃料电池输出电压是1.5V。
实施例和比较实施例表明：实施例中的燃料电池比常规燃料电池更小、更轻和更薄，并且稳定地显示高输出特性。

Claims (23)

1.一种包括多个单元电池的燃料电池，每个单元电池包括：固体电解质膜、设置在所述固体电解质膜的一个面上的第一电极、和设置在所述固体电解质膜另一个面上的并面对所述第一电极的第二电极，其中，
一个所述单元电池的所述第一电极和另一个所述单元电池的所述第二电极通过连接构件彼此电连接；和
所述第一和第二电极与所述连接构件连续和整体地形成。
2.一种燃料电池，包括：
设置在单个固体电解质膜的一个面上的多个第一电极；和
设置在所述固体电解质膜另一个面上并分别面对所述多个第一电极的多个第二电极，其中，
单元电池由一个所述第一电极、一个所述第二电极和所述固体电解质膜构成，所述一个第一电极和所述一个第二电极彼此面对；
一个所述单元电池的所述第一电极和另一个所述单元电池的所述第二电极通过连接构件彼此电连接；和
所述第一和第二电极与所述连接构件连续和整体地形成。
3.一种燃料电池，包括：
单个固体电解质膜；
设置在所述固体电解质膜的一个面上的多个第一电极；和
设置在所述固体电解质膜另一个面上并分别面对所述多个第一电极的多个第二电极，其中，
单元电池由一个所述第一电极、一个所述第二电极和所述固体电解质膜构成，所述一个第一电极和所述一个第二电极彼此面对；
沿着所述固体电解质膜周围排列的多个所述单元电池被串联连接；
一个所述单元电池的所述第一电极、和与所述单元电池相邻的另一个所述单元电池的所述第二电极通过连接构件彼此电连接；和
所述第一和第二电极与所述连接构件连续和整体地形成。
4.如权利要求1至3中任一项所述的燃料电池，其中，
所述第一和第二电极与所述连接构件通过多孔金属片连续和整体地形成。
5.如权利要求4所述的燃料电池，其中，
所述第一电极和所述第二电极包括：所述多孔金属片和在构成所述多孔金属片的金属的表面上负载的催化剂。
6.一种包括多个单元电池的燃料电池，每个单元电池包括：
固体电解质膜；
设置在所述固体电解质膜的一个面上的第一电极；和
设置在所述固体电解质膜另一个面上并面对所述第一电极的第二电极，其中，
构成一个所述单元电池的所述第一电极和构成另一个所述单元电池的所述第二电极通过单个电极片连续和整体地形成。
7.如权利要求6所述的燃料电池，其中所述电极片具有切口部分，且所述固体电解质膜被插入所述切口部分。
8.如权利要求6或7所述的燃料电池，其中所述电极片包括催化剂和负载所述催化剂的多孔金属片。
9.如权利要求5或8所述的燃料电池，其中在构成所述多孔金属片的金属的表面上形成所述催化剂层。
10.如权利要求5或8所述的燃料电池，其中，
在所述多孔金属片的表面上形成含负载所述催化剂的碳粒子的催化剂层。
11.如权利要求8至10中任一项所述的燃料电池，其中，
构成所述多孔金属片的金属具有粗糙表面。
12.如权利要求11所述的燃料电池，其中，
在所述表面上形成不含碳粒子的催化剂层。
13.如权利要求8至12中任一项所述的燃料电池，还包括与催化剂接触的质子导体。
14.如权利要求13所述的燃料电池，其中，
所述质子导体是离子交换树脂。
15.如权利要求9至14中任一项所述的燃料电池，其中，
至少一部分所述多孔金属片被疏水处理。
16.如权利要求1至15中任一项所述的燃料电池，其中，
燃料被直接供应至所述第一电极或所述第二电极的表面。
17.如权利要求1至16中任一项所述的燃料电池，其中，
氧化剂被直接供应至所述第一电极或所述第二电极的表面。
18.如权利要求1至17中任一项所述的燃料电池，其中，
在相邻单元电池之间的区域中形成低离子电导区。
19.如权利要求18所述的燃料电池，其中，
所述低离子电导区是在所述固体电解质膜上形成槽的区域。
20.如权利要求18所述的燃料电池，其中，
所述低离子电导区是在所述固体电解质膜上形成凹面的区域。
21.一种制造燃料电池的方法，包括如下步骤：通过在电极片中提供切口部分而形成第一电极和第二电极，将固体电解质膜插入所述切口部分，并通过所述固体电解质膜形成分别面对所述第一电极和第一电极的对电极。
22.如权利要求21所述的制造燃料电池的方法，其中，
多孔金属片用作所述电极片。
23.如权利要求21或22所述的制造燃料电池的方法，包括如下步骤：沿着所述固体电解质膜周围插入所述电极片。
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