TWI250686B - Fuel cell, electrodes for fuel cell and their manufacturing methods - Google Patents

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Description

1250686 五、發明說明（1) 一、 【發明所屬之技術頜域】 本發明係關於一種燃料電池、燃料電池用電極及前述 物品之製造方法。 二、 【先前技術】 近年隨資訊化社會一起到來，個人電腦、其他電氣製 品所使用資訊量驟增，伴隨著電氣製品的消耗電力，亦顯 著增加。特別是攜帶式電氣製品，隨處理能力的增加，消 耗電力增加的對策，成為當務之急。
現在，如此之攜帶式電氣製品，一般使用經離子電池 作為電源，然而理論上，鋰離子電池的能量密度，已接近 其極限。因此，為了延長攜帶式電氣製品的連續使用時 間，產生抑制中央處理器（CPU)的驅動頻率，必須減低 消耗電力的限制。 於此狀況，藉由取代鋰離子電池，使用能量密度大且 熱交換率高之燃料電池作為電氣製品的電源，攜帶式電氣 製品的連續使用時間，可大幅增加。
燃料電池，一般是由燃料電極、氧化劑電極以及設置 於該等2電極間的電解質構成，分別供給燃料予燃料電 極、氧化劑予氧化劑電極，藉由電化學反應而發電。作為 燃料，一般使用氫氣，近年以廉價且易於使用之甲醇為原 料，改質甲醇以生成氫氣之甲醇改質型、或以曱醇作為燃 料直接使用之直接供給甲醇固體電解質型燃料電池的開 發，非常盛行。
第7頁 1250686 五、發明說明（2) 使用氫氣為燃料時，在燃料電極的反應式，如以下式 (1) 0 3H2^6H+ + 6e~ ( ” 使用曱醇為燃料時，在燃料電極的反應式，如以下式 (2) ° CHpH + Bp 6H+ + C02 + 6e' ( 2) 而且，以上任一狀況，在氧化劑電極的反應式，如以 下式（3)。
-07 + 6H+ + 6e' ->3Η20 , ολ 2 2 2 ( 3) 特別在直接供給甲醇固體電解質型燃料電池，由於從 甲醇水溶液可得氫離子，因無需具備改質器，可謀求小型 化以及輕量化，適用於攜帶式電氣製品的優勢增大。而 且，因以液體的甲醇水溶液作為燃料，具有能量密度非常 高的特徵。
直接供給甲醇固體電解質型燃料電池，因單位電池的 產生電壓在1 V以下，為使應用於攜帶式電氣製品，產生高 電壓，必須串聯連結複數個單元電池。汽車用或家庭的固 定位置用燃料電池，一般係各單元電池在縱方向上堆疊連 結的構造而形成，於攜帶式機器用之直接供給甲醇固體電 解質型燃料電池的情況，由於攜帶式機器的厚度的限制， 大多採用平面内的連結。 習知燃料電池’於固體電解質膜的兩面分別形成燃料
第8頁 1250686 五、發明說明（3) 電極與氧化劑電極之單位電池，以複數個配置於平面上， 集電體與各電池的燃料電極與氧化劑電極接觸，隔著該集 電體，各電池互相電性上連接。具體地，各電池最外側上 設有燃料電極端板與氧化劑電極端板，藉由螺栓與螺帽等 的連結構件對燃料電極與氧化劑電極施加一定的壓力，集 電體與燃料電極與氧化劑電極電性接觸，可獲得所期望之 輸出特性。燃料，從外部的燃料容器，藉由設置於燃料電 極端板的燃料的流入部與流出部供給或排出。 作為習知攜帶式機器用的.固體電解質型燃料電池，已 記載於例如日本專利特表2 0 0 Q - 5 1 3 4 8 0號公報、特開平8-1 6 7 4 1 6號公報、特開平8 - 1 6 2 1 2 3號公報、特開平8 - 1 0 6 9 1 5 號公報。圖2表示習知攜帶式機器用的固體電解質型燃料 電池的構成之一例。 如圖2所示之習知固體電解質型燃料電池，由燃料電 極1 0 2、氧化劑電極1 0 8、以及爽隔於燃料電極1 0 2與氧化 劑電極1 0 8之間的固體電解質膜1 1 4構成。 燃料電極1 0 2，具有基質1 0 4、配置於基質1 0 4的一面 上的觸媒層1 0 6、配置於基質1 0 4的另一面上的燃料電極側 集電體4 2 1。氧化劑電極1 0 8，具有基質1 1 0、配置於基質 1 1 0的一面上的觸媒層1 1 2、配置於基質1 1 0的另一面上的 氧化劑電極側集電體4 2 3。 燃料電極1 0 2與氧化劑電極1 0 8，其雙方的觸媒層 1 0 6、1 1 2隔著固體電解質膜1 1 4相對向排列。燃料電池所 產生之電力，藉由燃料電極側集電體4 2 1與氧化劑電極側
1250686 五、發明說明（4) 集電體4 2 3輸出。 分別連接配置燃料電極側端板1 2 〇於燃料電極側集電 體4 2 1 ’以及氧化劑電極側端板1 2 2於氧化劑電極側集電體 4 2 3，藉由螺栓以及螺帽組成之連結零件丨3使燃料電極側 端板1 2 0與氧化劑電極側端板1 2 2互相連結。如此藉由連結 零件1 3使燃料電極側端板1 2 〇與氧化劑電極側端板1 2 2連 結’施加一疋的壓力於燃料電極側集電體4 2 1與氧化劑電 極側集電體4 2 3上’使燃料電極側集電體4 2 1與基質1 0 4、 又氧化劑電極側集電體4 2 3與基質1 1 〇，機械上充分密合接 觸。 於該狀況’燃料電極側端板1 2 〇與氧化劑電極側端板 1 2 2 ’必須具有足夠剛性，若剛性不足，藉由連結零件丄3 施壓時，造成該等端板1 2 〇、1 2 2彎曲。若端板1 2 0、1 2 2彎 曲’集電體4 2 1、4 2 3與基質1 〇 4、u 〇之間機械上變得不完 全接觸，燃料電池的内部阻抗變大。其結果，仍留下未解 決之燃料電池的輸出功率低的問題。 如此’=燃料電極102與氧化劑電極1〇8，設置端板 ϋι 2 2 2 ’猎由連結零件1 3，燃料電極側集電體4 2 1、氧 極側集電體423與基質104、110足夠密接的習知燃 性。^夂^使内部阻抗低’端板1 2 0、1 2 2必須具有足夠剛 辦加成構件不足夠緊密接合，㈣斗電池的内部阻抗 杧加，燃料電池的輸出功率低。 0 士 & 1°使用電木或不錄鋼等材料作為端板1 2 0、1 2 2 寸，為使端板120、122具有足夠剛性，端板12〇、122的厚
1250686 五、發明說明（5) 度通常需要1 mm以上，致使燃料電池無法薄型化以及輕量 化。 另一方面，端板1 2 0、1 2 2若薄如0 · 5 m m以下時，端板 1 2 0、1 2 2的剛性低，藉由連結零件1 3，端板1 2 0、1 2 2互相 之間連結時，造成端板1 2 0、1 2 2彎曲。該結果，使燃料電 池内部的燃料電極、氧化劑電極以及固體電解質膜相互之 間的接觸壓力降低，燃料電池的輸出功率降低。 而且，作為用於攜帶式機器的燃料電池，已揭露於例 如日本專利特開2 0 0 1 - 2 8 3 8 9 2號公報，記載藉由在平面内 連結電池而構成之燃料電池。該燃料電池，以如圖2所示 之燃料電池為單位電池，複數個單位電池，在同一平面上 並排連結。該燃料電池中，燃料電極與氧化劑電極的端板 統一為各一枚，端板以螺栓與螺帽相互連結，碟保單位電 池的構成要素相互間電性上接觸。 如此習知的燃料電池中，即便使用複數個單位電池而 形成之燃料電池時，必須使用螺栓與螺帽或其他連結零 件，使單位電池的構成要素相互間密接。 但是，燃料電池用於攜帶式機器時，要求薄型化、小 型化、以及輕量化。例如，手機因輕如1 0 0克的程度，燃 料電池的重量亦必須以克為單位的輕、且以mm為單位的 薄，習知的燃料電池，如上述小型輕量化為目的時，造成 增加内部阻抗，輸出功率低的問題。 如上述習知的燃料電池，設置端板，藉由螺栓與螺帽 或其他連結零件，使其與燃料電極、氧化劑電極接觸，燃
1250686 五、發明說明（6) 料電極與氧化劑電極的構成要素相互間充分密接，具有無 法使燃料電池輕量化、薄型化的問題。 此外，若端板變薄，使習知的燃料電池輕量化、薄型 化’因燃料電池的各構成零件相互間不十分密接，造成增 加内部阻抗，輸出功率低的問題。 特別是習知的燃料電池，為了用於攜帶式機器，產生 使其足夠地輕量化、小型化、以及薄型化，並且提高輸出 功率兩難的問題。
有鑑於習知的燃料電池中的上述問題，本發明的目 的，係提供一種高輸出功率且薄型、小型輕量的燃料電 池。 此外，本發明的另一目的，係提供一種用於攜帶式機 器等足夠小型輕量且輸出密度高的燃料電池。 三、【發明内容】
根據本發明，提供一種燃料電池用電極，其構成，包 含：基質、配置於該基質一面的表面上的集電體、配置於 該基質另一面的表面上的觸媒層，其特徵為該集電體與該 基質接合在一起。 關於本發明的燃料電池用電極，集電體與基質接合在 一起而構成。「接合」係指集電體與基質，例如並非藉由 端板與連結零件連結在一起，而是足夠緊密接合的狀態。 具體而言，例如是指集電體與基質，隔著形成於該等界面 之接合層而接合在一起、隔著焊料而接合在一起、隔著對
第12頁 1250686 五、發明說明（7) 集電體與基質兩邊皆有親和性之接合劑而接合在一起、或 於該等界面形成合金而接合在一起。此外，藉由引起各種 化學結合，可接合集電體與基質。 因接合集電體與基質，確保集電體與基質之間的密著 性良好，可電性連接集電體與基質。於是，根據本發明的 燃料電池用電極，向來用以連結集電體與基質必需之端板 與螺栓以及螺帽等阻礙小型化的構件，已無需使用。因 此，根據本發明的燃料電池用電極，可使燃料電池薄型、 小型輕量化。 而且’關於本發明的燃料電池用電極中’燃料電極或 氧化劑電極的集電體外側上不設置向來使用之端板等阻礙 小型化的構件，必要時可適當設置不會阻礙小型化的構 件，例如包裝構件等。 更進一步，向來因使用端板與連結構件，集電體必須 具有不會產生彎曲程度的厚度，而關於本發明的燃料電池 用電極，因無需使用端板與連結構件，集電體本身亦可薄 型化。 關於本發明的燃料電池用電極，基質以碳為主要成分 較佳。 基質的主要成分為碳時，可提高基質的導電性。此 外，藉由選擇構成集電體的材料，由金屬碳化物形成之基 質可與集電體接合，可更進一步使基質與集電體有良好的 電性接觸。 而且，關於本發明的燃料電池用電極，集電體包含可
1250686 五、發明說明（8) 形成碳化物的元素較佳。 因此，基質以碳為主成分構成時，可提高集電體與基 質間的親和性。於是，因可提高集電體與基質間的密著 性，可提高兩者間的電性接觸。更進一步，於燃料電池， 因使用如此之燃料電池用電極，可提高燃料電池的輸出功 率。 基質與集電體，藉由形成金屬碳化物而接合的情況， 集電體包含選自 Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、
Mn、Fe、Co、Ni、A1以及0組成之族群中的至少一種或二 種的元素較佳。 因此，集電體，因可在其與基質的界面上形成碳化 物，可更進一步提高基質與集電體間的密著性。 集電體，可由導電性金屬或其合金構成。 因此，使集電體的接觸阻抗降低，可提高集電效率。 於是，使用本燃料電池用電極於燃料電池時，可提高其輸 出功率。 關於本發明的燃料電池用電極，集電體，包含選自 Au、Ag、Cu、Pt組成之族群中的至少一種或二種的元素較 佳。 集電體，藉由包含選自Au、Ag、Cu、Pt中的元素，因 可使集電體的電阻降低，可使集電體更薄型化。於是，燃 料電池用電極更薄型化，可小型輕量化。而且，集電體因 包含選自Au、Ag、Pt中的元素，集電體因此與貴重金屬的 性質相近，可提高集電體的耐腐蝕性。
1250686 五、發明說明（9) 關於本發明的燃料電池用電極，集電體可由金屬板或 金屬網構成。 使用金屬板作為集電體時，將燃料或氧化劑導入燃料 電極或氧化劑電極之導入通路，設置於金屬板較佳。例 如，於表面上設置貫通孔之金屬板、多孔性金屬板、設置 線狀孔之金屬板構成。而且，使用金屬網作為集電體時， 例如，可使用金網或其他多孔性金屬網等。因此，可更促 進基質與集電體間的氣體、液體的擴散。更進一步，因可 輕量化集電體，使用本燃料電池用電極於燃料電池時，亦 可輕量化燃料電池。 關於本發明的燃料電池用電極，集電體的厚度，在 0 . 0 5 m m以上，1 m m以下較佳。 藉由集電體的厚度在0· 0 5 mm以上，可使集電體的厚度 方向的電阻適當的降低。而且集電體的厚度在1 mm以下， 集電體可更薄型化、小型輕量化。於是，藉由使用如此構 成之燃料電池用電極於燃料電池，可提高燃料電池的輸出 功率，可更薄型化、小型輕量化。 根據本發明，提供一種燃料電池，備有燃料電極、氧 化劑電極、以及夾於該燃料電極與該氧化劑電極之間的固 體電解質膜，其特徵為該燃料電極與該氧化劑電極，係由 上述之燃料電池用電極所組成。 關於本發明的燃料電池用電極，於燃料電極與氧化劑 電極，因基質與集電體分別接合，即使不使用端板以及連 結零件，基質與集電體間的可維持良好的密著性，基質與
第15頁 1250686 五、發明說明（ίο) 集電體間可維持良好的電性接觸。於是，燃料電池，可更 薄型化、小型輕量化。 關於本發明的燃料電池，可有各種形態。例如，可以 由平面型的燃料電池或圓筒狀的燃料電池構成。 關於本發明的燃料電池，燃料電極由上述之燃料電池 用電極構成’燃料可從燃料電池用電極的集電體的表面^ 直接供給而構成。 構成關於本發明的燃料電池之燃料電極，基質接合於 集電體上，觸媒層形成於該基質上。藉由如此的構成，即 使不使用端板以及連結零件，基質與集電體間的可維持良 好的密著性，基質與集電體間可維持良好的電性接觸。 而且，關於本發明的燃料電池，直接從燃料電極的集 電體的表面供給燃料。 從燃料電極的集電體的表面直接供給燃料，可藉由設 置燃料容器或燃料供給部而達成。因此，無需藉由端板其 他構件，可供給燃料予燃料電極的集電體。 於是，關於本發明的燃料電池，無需藉由端板等阻礙 小型化的構件，因從燃料電極的集電體的表面直接供給燃 料，可形成更薄型、更小型輕量且具優良的輸出特性之燃 料電池。 此外，集電體由板狀物構成時，設置導入孔較佳。因 此，可從集電體的表面更有效率地供給燃料。而且，關於 本發明的燃料電池中，可適當地使用包裝構件等不阻礙小 型化之構件。
第16頁 1250686 五、發明說明（11) 關於本發明的燃料電池，燃料電極由上述之燃料電池 用電極組成，為了供給燃料予燃料電極之燃料容器或燃料 通路，可選擇設置連接於燃料電池用電極的集電體的表面 而構成。
構成關於本發明的燃料電池之燃料電極，因基質接合 於集電體上，觸媒層形成於該基質上，可維持良好的電性 接觸。而且，關於本發明的燃料電池，為了供給燃料予燃 料電極之燃料容器或燃料通路等的燃料供給體’不具端板 等阻礙小型化的因素，設置連接於燃料電極的集電體的表 面上。於是，關於本發明的燃料電池，係更薄型、小型輕 量且具有優良的輸出特性。 此外，集電體為板狀的情況，可設置貫通孔、條狀的 導入通路等於集電體的表面。因此，可有效率地從集電體 的表面取用燃料，可導入燃料電極的表面。而且，可適當 地使用包裝構件等不阻礙小型化之構件。 關於本發明的燃料電池，氧化劑電極由燃料電池用電 極組成，可直接供給氧化劑於燃料電池用電極的集電體的 表面而構成。
構成關於本發明的燃料電池的氧化劑電極，基質接合 於集電體上，觸媒層形成於該基質上。因此，即使不使用 端板以及連結零件，在氧化劑電極，基質與集電體間的可 維持良好的密著性，基質與集電體間可維持良好的電性接 觸。而且，關於本發明的燃料電池，於氧化劑電極的集電 體的表面，直接供給氧化劑。此處，直接供給氧化劑，係
第17頁 1250686 五、發明說明（12) 指於氧化劑電極的集電體，不藉由端板或隔離器等，供給 氧化劑氣體。 於是，關於本發明的燃料電池，無需藉由端板等阻礙 小型化的構件，因從氧化劑電極的集電體的表面直接供給 氧化劑，可更薄型、小型輕量且具優良的輸出特性。 此外，集電體由板狀物構成時，可於集電體設置導入 孔。因此，可從集電體的表面更有效率地取用氧化劑。而 且，關於本發明的燃料電池中，可適當地使用包裝構件等 不阻礙小型化之構件。 關於本發明的燃料電池，構成氧化劑電極之燃料電池 用電極的集電體的表面，可直接與大氣接觸而構成。 構成關於本發明的燃料電池的氧化劑電極，因基質接 合於集電體上，觸媒層形成於該基質上，可維持良好的電 性接觸。因此，不具端板等阻礙小型化的因素，於氧化劑 電極的集電體的表面上，直接供給大氣中的氧化劑。因 此，關於本發明的燃料電池，係更薄型、小型輕量且具有 優良的輸出特性。 關於本發明的燃料電池，集電體的表面，以包裝構件 包裝較佳。 關於本發明的燃料電池，因燃料電極或氧化劑電極的 基質與集電體接合，基質與集電體之間確保電性良好的接 觸。於是，集電體的表面，藉包裝構件包裝，可使燃料電 池薄型、小型輕量以及具有優良的輸出特性，例如，無需 使用端板、連結零件等阻礙小型化的構件，以確保基質與
第18頁 1250686 五、發明說明（13) 集電體之間電性良好的接觸。 關於本發明的燃料電池，例如，可供給有機液體燃料 予燃料電極。 關於本發明的燃料電池，燃料電極或氧化劑電極的基 質與集電體係接合在一起。因此，即使需要有機液體燃料 的供給容器、供給通路等，無需藉由端板等，可設置該等 裝置與燃料電極直接接觸。於是，可使更薄型、小型輕 量。 本發明提供一種燃料電池，係由複數個燃料電池單元 所形成，而其相鄰之燃料電池單元隔著連接電極互相連 接，其特徵為燃料電池單元是由上述燃料電池所組成。 上述的關於本發明的燃料電池（燃料電池單元），因 燃料電極或氧化劑電極的基質與集電體接合，具有更薄 型、小型輕量以及優良的輸出特性。將複數個如此之燃料 電池（燃料電池單元）串聯或並聯或組合該等連接方式， 而構成單一的燃料電池，可提供更薄型、小型輕量以及具 優良的輸出特性的燃料電池。 將複數個燃料電池單元組合形成一個燃料電池的情 況，各燃料電池單元，可具有分別之固體電解質膜而形 成，亦可各個燃料電池單元的固體電解質膜為一共通之固 體電解質膜而形成。如此，因固體電解質膜共通化，將複 數個燃料電池單元組合形成一個燃料電池時，可使構成零 件數減少以及製造步驟單純化。 本發明，提供一種燃料電池，由圓筒狀的燃料容器、
第19頁 1250686 五、發明說明（14) 複數個燃料電池單元組成，其特徵為燃料電池單元是由上 述燃料電池所組成，燃料電池單元的各個燃料電極，排列 於燃料容器的外側表面與内側表面的一側上，或者兩側 該燃料電池，更包含連接電極，用以相互連接上述相 鄰之燃料電池單元。 而且，該燃料電池，亦可由複數個燃料電池單元各個 固體電解質膜以1個共通之固體電解質膜形成。 本發明提供一種燃料電池用電極的製造方法，該燃料 電池用電極是由基質、配置於該基質的一側表面上之集電 體、配置於該基質的一側表面上之集電體、以及配置於該 基質的另一側表面上之觸媒層組成，其特徵，包含：第1 步驟，塗布含有包括固體高分子電解質粒子與持有觸媒碳 粒子之塗布液於基質一側的面上；第2步驟，接合基質另 一側的面與集電體。 關於本發明之燃料電池用電極的製造方法，因包含接 合基質與集電體，可提高基質與集電體之間的密著性。該 結果，無需端板、連結構件，可提高基質與集電體之間的 電性接觸。於是，根據本發明之燃料電池用電極的製造方 法，可製造高輸出功率且薄型、小型輕量化的燃料電池。 關於本發明之燃料電池用電極的製造方法，該第2步 驟，可藉由熱壓基質與集電體而進行接合步驟。 例如，基質包含可形成碳化物之金屬，集電體的主成 分為碳時，藉由熱壓基質與集電體，可使其緊密接合。因
第20頁 1250686 五、發明說明（15) 此，可提高基質與集電體之間的電性接觸。 關於本發明之燃料電池用電極的製造方法，該第2步 驟，可藉由焊接基質與集電體而進行接合步驟。 例如，基質包含難以形成碳化物之金屬，集電體的主 成分為碳時，藉由焊接基質與集電體，可使基質與集電體 更密接。因此，可提高基質與集電體之間的電性接觸。
關於本發明之燃料電池用電極的製造方法，該第2步 驟的焊接，係指使用選自Pd、Fe、Ti、Ni、Zr、Cd、A1組 成之群組中一種或二種以上的元素之焊料而進行焊接較 佳。 因使用包含該等元素之焊料，可使基質與集電體更堅 固的接合。 關於本發明之燃料電池用電極的製造方法，該基質含 碳為主成分，該集電體含金屬，該第2步驟為可形成由該 基質與該集電體間的金屬碳化物組成之接合層。
例如，基質包含難以形成碳化物之金屬，集電體的主 成分為碳時，藉由設置包含可形成碳化物於基質與集電體 之間的金屬之接合層，因該接合層對基質與集電體雙方具 有高親和性，藉由接合層可使基質與集電體更密接。該結 果，可提高基質與集電體之間的電性接觸。 關於本發明之燃料電池用電極的製造方法，接合層， 可由選自 Ti、 Zr、 Hf、 V、 Nb、 Ta、 Cr、 M〇、W、 Mn、 Fe、 Co、Ni、A1組成之群組中一種或二種以上的元素而構成。 該等元素，已知為可與碳反應形成碳化物之金屬。因
第21頁 1250686 五、發明說明（16) 此，藉由設置包含該等元素之接合層，基質含碳為主成分 時，可更提高基質與集電體之間的親和力。於是，藉由接 合層可使基質與集電體更密接，進而可提高基質與集電體 之間的電性接觸。 本發明提供一種燃料電池用電極的製造方法，包含： 形成燃料電池用電極的步驟；在固體電解質膜與該燃料電 池用電極連接的狀態下，藉由壓接該固體電解質膜與該燃 料電池用電極，使該固體電解質膜與該燃料電池用電極接 合的步驟。 關於本發明之燃料電池的製造方法，由於包含製造燃 料電池用電極的步驟，包含構成燃料電極或氧化劑電極之 基質與集電體的接合步驟。因此，無需端板、連結構件， 可提高基質與集電體之間的密著性。該結果，可提供製造 高輸出功率且薄型、小型輕量的燃料電池的製造方法。而 且，根據本發明之燃料電池的製造方法，因無需使用端板 等，使基質、集電體、以及觸媒層相互連結的步驟，可簡 化製造步驟。 四、【實施方式】 以下，參照圖示，說明關於本發明的燃料電池用電極 以及使用該電極之燃料電池。 (第1實施例） 圖1是關於本發明的第1實施例的燃料電池1 0 0的單元 電池構造之模型式表示之剖面圖。
第22頁 1250686 五、發明說明（17) 本實施例的燃料電池1 0 0係單一的單元電池構造，亦 可由複數個單元電池構造1 0 1構成。 如圖1所示，單元電池構造1 0 1，係由燃料電極1 0 2、 氧化劑電極1 0 8、以及夾於燃料電極1 0 2與氧化劑電極1 0 8 間的固體電解質膜1 1 4構成。（燃料電極1 0 2與氧化劑電極 1 0 8—起統稱為「觸媒電極」）。 燃料電極1 0 2，係由基質1 0 4、配置於基質1 0 4的一側 表面的觸媒層1 0 6、以及配置於基質1 0 4的另一側表面的燃 料電極側集電體4 2 1所構成。而氧化劑電極1 0 8，是由基質 1 1 0、配置於基質1 1 0的一側表面的觸媒層1 1 2、以及配置 於基質1 1 0的另一側表面的燃料電極側集電體4 2 3所構成。 觸媒層1 0 6與1 1 2，例如可包含持有觸媒之碳粒子與固 體高分子電解質的微粒子。基質10 4與110的表面，亦可預 先進行疏水處理。 關於本實施例的燃料電池1 0 0，包含於單元電池構造 1 0 1再加上燃料容器4 2 5與2個外部輸出端子8、9。 燃料容器4 2 5，配置連接於燃料電極1 0 2的燃料電極側 集電體4 2 1，供給燃料予燃料電極1 0 2。而於氧化劑電極 1 0 8，供給空氣中的氧氣作為氧化劑。 從燃料電池1 0 0所發出之電力，藉由外部輸出端子8、 9取得。 燃料電池應用於攜帶式機器時，增大能量密度、輸出 密度之基本性能，要求燃料電池小型薄且輕。因此，本實 施例中，藉由組成集電體4 2 1、4 2 3之導電材料，分別接合
第23頁 1250686 五、發明說明（18) 於基質1 0 4、1 1 0，其特徵為基質1 0 4、1 1 0與集電體4 2 1、 4 2 3—體化。依如此之構成，組成集電體4 2 1、4 2 3之導電 材料的厚度在1 mm以下，更甚者0 . 1 mm以下非常地薄，集電 體4 2 1、4 2 3與基質1 0 4、1 1 0，仍可有良好的電性接觸。於 是，單元電池構造1 01的厚度，可以是例如1 mm以下的薄構 造，可發揮優良的輸出特性。 燃料電極側集電體4 2 1與氧化劑電極側集電體4 2 3的材 質，可使用金屬、碳等的導電性物質。 燃料電極側集電體4 2 1與氧化劑電極側集電體4 2 3，例 如，可包含選自 Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、M〇、W、
Mn、Fe、Co、Ni、Al、C組成的群組中一種或二種以上的 元素。該等元素因可形成碳化物，視為與基質1 0 4、1 1 0有 適當的親和性。 而且，於燃料電極側集電體4 2 1與氧化劑電極側集電 體4 2 3使用上述元素時，選擇碳化物的電阻較小的T i、
Zr、Hf、V、Nb、Ta較佳。 而且，燃料電極側集電體4 2 1與氧化劑電極側集電體 423，例如，可包含選自Au、Ag、Cu、Pt組成的群組中一 種或二種以上的元素。因Au、Ag、Cu電阻較低，可使集電 體421、42 3更薄。而Au、Ag、Pt因屬貴重金屬，使用該等 金屬，可提高集電體的耐腐蝕性。 可使用薄板作為燃料電極側集電體4 2 1或氧化劑電極 側集電體4 2 3，於該薄板上形成為了使燃料或空氣（特別 是氧氣）通過的孔。例如，可使用多孔性金屬板。而且，
第24頁 1250686 五、發明說明（19) 可使用金屬網，以取代金屬板。藉由使用金屬網，因可從 燃料電極側集電體4 2 1或燃料電極側集電體4 2 3的表面，直 接供給燃料或氧化劑，燃料電池1 0 0可更薄型化且小型輕 量化。 使用多孔性金屬板或金屬網作為燃料電極側集電體 4 2 1與燃料電極側集電體4 2 3時，其孔徑，例如可在0 . 1 mm 以上、5mm以下。藉由選定孔徑在該範圍，可維持燃料液 體與燃料氣體的良好的擴散。 而且，燃料電極侧集電體4 2 1與燃料電極侧集電體4 2 3 的開孔率（孔的全部面積，相對於集電體的全表面積的比 率），可例如1 0 %以上。因開孔率1 0 %以上，可維持燃料液 體與燃料氣體的良好的擴散。而且，例如開孔率在7 0 %以 下較佳。因開孔率在7 0 %以下，可維持良好的集電作用。 更進一步，開孔率可例如在3 0 %以上、6 0 %以下。藉由設定 開孔率於該範圍，可維持燃料液體與燃料氣體的更良好的 擴散，且可維持良好的集電作用。 燃料電極側集電體4 2 1與氧化劑電極側集電體4 2 3的厚 度，可例如1 m m以下。因集電體421、42 3的厚度在lm m以 下，可適當地使單元電池構造1 0 1薄型輕量化。而且，藉 由集電體421、42 3的厚度在0. 5 mm以下，使單元電池構造 1 0 1更小型輕量化，對攜帶式機器而言可更適用。例如， 亦可使集電體4 2 1、4 2 3的厚度在0 . 1 m m以下。 此外，燃料電極側集電體4 2 1與氧化劑電極侧集電體 4 2 3，可由相同物質組成，或相異之物質。
第25頁 1250686 、發明說明（20) 作為基質1 〇 4、1 1 0，可使用碳紙、碳的成形體、碳的 、①結體、燒結金屬、發泡金屬等的多孔性基質。 而且’於基質1 0 4、1 1 0的疏水處理，可使用聚四氟乙 烯等的疏水劑。 、燃料電極102的觸媒，可使用例如白金、铑、鈀、 德+蛾、釕、銖、金、銀、鎳、鈷、鋰、鑭、勰、釔中單 獨或二種以上的組合。 極1 fl 9另一方面，氧化劑電極1 〇 8的觸媒，可使用與燃料電 二2的觸媒相同，使用上述例示之物質。燃料電極102與 1租训電極1 0 8的觸媒，可使用相同物質，或使用相異之 作為持有觸媒的碳粒，例如： ^電氣化學工業社製的登記商標） 專）、Ketjenblack (—種峻墅） % 〇 …、y 、 乙炔黑（DENKA BLACK ，Vulcan 社製的XC72 非晶系碳、奈米竣管 k粒的粒徑 例如0 · 0 1 // m以上〇 · 1 # ,1 V · vy 丄 P \ ill Γ 千乂 •〇2 以上〇〇6 以下更好。 之固以電極102與氧化劑電極108的構成成分 有觸電解f，於該等觸媒電極的表面，-起與持 碳粒以及固體高分子電解質膜114電性連接尚 傳導性：t ϊ Ξ料到達觸媒表面的任務要具有氫離子 之固二水私動性。更進一步，燃料電極102的構成成分 透過：'分子電解質，需具甲醇等其他的有機液體燃料的 Γ生’而氧化劑電極1〇8的構成成分之固體高分子電解
第26頁 1250686 五、發明說明（21) 質，需具氧氣透過性。 固體高分子電解質為滿足如此之要求，選定氫離子傳 導性、甲醇等其他的有機液體燃料的透過性佳的材料。具 體而言，以磺酸基、磷酸基等的強酸基，羧基等的弱酸基 等的含極性基之有機高分子，作為固體高分子電解質較 佳，例如可使用下列材料。 (1 )含績酸基之全氟礙化合物（N a f i ο η (杜邦公司 製），Aciplex (旭化成社製）等）； (2)含緩基之全氟碳化合物（Flemion S膜（旭硕子社 製））； (3 )聚苯乙烯磺酸共聚合體、聚苯磺酸共聚合體、交鏈 烷磺酸衍生物、氟樹脂架構與磺酸組成之含氟高分子等的 共聚合體； (4 )丙烯醯胺-2 -甲基丙烷磺酸類的丙烯醯胺類與甲基丙 烯酸正丁酯類的丙烯酸酯類一起共聚合反應而得之共聚合 體； 而且，作為結合極性基對象的高分子，可使用如下材 料。 (1 )聚苯並咪唑衍生物、聚苯。等唑衍生物、聚氮丙啶交 鏈體、聚矽胺衍生物、聚二乙基胺基乙基聚苯乙烯等的胺 基取代聚苯乙烯、二乙基胺基乙基聚甲基丙烯酸酯等的氮 取代聚丙烯酸酯等的含氮或羥基之樹脂； (2 )含矽烷醇的聚矽氧烷、以羥甲基聚丙烯酸甲酯代表 之含羥基聚丙烯酸酯樹脂；
第27頁 1250686 五、發明說明（22) (3)對羥基聚苯乙烯代表之含羥基之聚苯乙烯樹脂； 而且，對上述高分子，可導入交鏈性的取代基，例 如：乙烯基、環氧基、丙烯酸基、甲基丙烯酸基、肉桂醯 基、羥甲基、疊氮基、奈醌二疊氮基。 燃料電極1 0 2與氧化劑電極1 0 8之上述固體高分子電解 質，可使用同一物質，或不同物質。 固體電解質膜1 1 4分隔燃料電極1 0 2與氧化劑電極 10 8，同時具有於兩者之間移動氫離子的任務。因此，固 體電解質膜114，氫離子透過率高的膜較佳。而且，具有 化學安定性，機械強度高者較佳。 作為構成固體電解質膜1 1 4的材料，磺酸基、磷酸 基、膦酸基、膦基等的強酸基，羧基等的弱酸基等的含極 性基之有機高分子較佳。作為該等有機高分子，例如可使 用如下材料。 (1) 磺化聚苯氧基苯曱醯基苯（poly (4- phenoxy benzoy 1 一1，4一phenylene))、烧石黃 4 匕聚苯並口米口坐 等的芳香族的高分子； (2) 聚苯乙烯磺酸共聚合體、聚苯磺酸共聚合體、交鏈 烧績酸衍生物、氟樹脂架構與確酸組成之含氟高分子等的 共聚合體； (3) 丙烯醯胺2-甲基丙烷磺酸類的丙烯醯胺類與甲基丙 烯酸正丁酯類的丙烯酸酯類一起共聚合反應而得之共聚合 體； (4) 含績酸基之全氟碳化合物（N a f i ο η (杜邦公司製：
第28頁 1250686 五、發明說明（23) 登記商標），A c i p 1 e X (旭化成社製：登記商標））； (5)含羧基之全氟碳化合物（Flemion S膜（旭硝子社 製））。 其中，選擇包含磺化聚苯氧基苯甲醯基苯（poly (4-phenoxybenzoyl- 1 , 4-pheny 1 ene ))、烧石黃 ^[匕聚苯並口米口坐 等的芳香族的高分子的情況，可抑制液體有機燃料的透 過，可抑制由交錯現象產生的電池效率減低。 而且，用於本實施例之燃料電池1 0 0的燃料，例如可 使用氫氣。而且，天然氣、石腦油等作為燃料，改質為氫 氣使用。或者，亦可直接供給例如甲醇等的液體燃料。而 且，可使用氧氣、空氣等作為氧化劑。 關於本實施例之燃料電池1 0 0的燃料的供給，例如圖1 所示般，可藉由接合於燃料電極1 0 2之燃料容器4 2 5。與燃 料容器4 2 5的燃料電極側集電體4 2 1相接的面，設置複數個 孔，藉由該等孔洞供給燃料予燃料電極側集電體4 2 1。 於燃料容器4 2 5設置燃料供給口 ，必要時可利用燃料 供給口 ，注入燃料於燃料容器4 2 5的構成。燃料亦可儲存 於燃料容器4 2 5中，或隨時輸送至燃料容器4 2 5的構成。亦 即燃料的供給，不只限於燃料容器，亦可設置燃料供給通 路。例如，從燃料卡匣輸送至燃料容器4 2 5的構成亦可。 關於本實施例之燃料電池1 0 0以及燃料電池1 〇 〇的構成 要素之燃料電池用電極1 0 2、1 0 8的製造方法，並無特別限 制。以下，說明製造方法之一例。 接合燃料電極側集電體4 2 1與基質1 0 4，以及氧化劑電
第29頁 1250686 五、發明說明（24) 極側集電體4 2 3與基質1 1 0的方法，例如可選擇在高溫下熱 壓接、焊接、藉由夾入接合層而接合。 例如，基質1 0 4或基質11 0包含碳為主成分，燃料電極 側集電體4 2 1或氧化劑電極側集電體4 2 3，例如，包含選自 Ti、 Zr> Hf > V、 Nb、 Ta、 Cr、 M〇、W、 Mn、 Fe、 Co、 Ni、 A 1、C組成的群組中一種或二種以上的元素時，因該等物 質可形成碳化物，藉由在溫度1 0 〇°C以上之熱處理，可接 合基質1 0 4或基質1 1 0。 此外，基質1 0 4或基質11 0包含碳為主成分，燃料電極 側集電體4 2 1或氧化劑電極側集電體4 2 3，例如，由如Au、 A g、C u、P t的貴重金屬組成時，或者為與碳系材料化學結 合性弱組成的材料時，藉由於基質1 0 4、1 1 0與集電體 4 2 1、4 2 3間設置接合層，提高基質1 0 4、1 1 0與集電體 421、4 2 3間的接合性。 接合層，可包含鈦、鉻等可形成碳化物之金屬為主成 分。 基質104、110與集電體421、42 3夾隔著接合層而接合 的方法，例如，於集電體4 2 1、4 2 3以及基質1 0 4、1 1 0的一 側或兩側的表面上，蒸著對該等表面之一具有親和性的金 屬，夾隔著所蒸著的金屬，接合集電體4 2 1、4 2 3與基質 104、110，可使用熱壓等方法。 如此，藉由組成集電體4 2 1、4 2 3的導電性金屬材料與 基質1 0 4、1 1 0接合，無需藉由如圖2所示習知的燃料電池 中的端板1 2 0、1 2 2以及連結零件1 3而施加機械壓力，可確
第30頁 1250686 五、發明説明（25) 保雨者之間良好的電性接觸。 此外’代替設置接合層的方法，亦可使用焊接之接合 方法。 於焊接時使用之焊料，可包含與用於燃料極側集電體 4 2 1或氧化劑極側集電體4 2 3的金屬，具有良好的親和性的 物質以及較低融點的金屬。作為焊料，例如可從pd、CU、 Fe、Ti Ni、Zr、Cd、A1以及該等金屬之合金中，適當選 擇以適合基質104、110以及集電體421、423的材質。而 且，例如可從Cu-Ti 系、Cu-Ti -Zr 系、Ti-Ni 系、Ni-Cr -Si 系、Ni-Cr - B-Si - Fe 系、Pd - Ni - Μη 系、Pd-fU-Cu-Μη 系等的 丈干料，適擇以適合基質1〇4、iio以及集電體οι、423 的材質。 如此，因燃料極侧集電體421與基質1〇4、氧化劑極側 集電體42 3與基質11〇分別接合，即使集電體421、4 23的厚 度可例如在0.1 mm以下薄的情況，基質1〇4、11〇與集電體 4 2 1、4 2 3之間維持良好的密著性，可抑制内部阻抗的上 升。 燃料電極1 0 2與氧化劑電極1 〇 8的碳粒之持有觸媒， 1更用一般的浸泡法。 成A然後，使持有觸媒之碳粒與固體電解質分散於溶劑， y糊狀物後，將之塗布於基質104、110上，再乾燥之， 侍燃料電極1 0 2與氧化劑電極i 〇 8。 於此，碳粒的粒徑，是例如〇· 01 //m以上、0. i V 。觸媒粒子的粒徑，是例如lnm以上、l〇nm以下。固體
第31頁 1250686 五、發明說明（26) 〜 南分子電解質粒子的粒徑，是例如0· 05 以上、丨以 下。碳粒與固體高分子電解質粒子，例如使用重量比是 1至4 0 · 1的範圍。而且，糊狀物中水盘溶質的重旦 比’例如1 ·· 2至1 0 ·· 1的程度。 糊狀物塗於基質的塗布方法’無特別限定，例如，可 使用刷毛塗布、喷灑塗布、以及網版印刷等的方法。 / 糊狀物以約1 以上2"^以下的厚度塗布。塗布糊狀物 後’按照用於氟樹脂加熱溫度與加熱時間，進行加熱，製 成燃料電極102或氧化劑電極108。加熱溫度與加熱時間衣 根據使用之材料選擇適當條件，例如加熱溫度1 〇 Q。。以上 2 5 0 C以下，加熱時間3 〇秒以上3 〇分鐘以下。 本實施例的固體電解質膜114，依構成固體電解質膜 1 1 4之材料，採用適當方法製作。 、、 ,、例如，固體電解質膜1 14，以有機高分子材料構成的 清，’有機高分子材料溶於溶劑或分散之液體，例如在聚 四敦乙稀等的剝離性薄片上澆鑄乾燥而得。 用燃料電極1 〇 2與氧化劑電極i 0 8夾隔著如以上方法製 2 =固體電解質膜11 4，進行熱壓，得到觸媒電極—固體電 :貝膜接合體。此時，使兩電極設置觸媒的面與固體電解 貝膜1 1 4相接。 — 進2熱壓的條件’依固體電解質膜11 4的材料而選 =’固體電解質膜114或電極1〇2、1〇8表面的固體高 frfr ^ v 況，f ’以具軟化點或玻璃移轉之有機高分子構成的情 可超過该等有機高分子的軟化溫度或玻璃移轉溫度。
第32頁 1250686 五、發明說明（27) 具體地，例如，溫度為1 0 0°C以上2 5 0°C以下，壓力為 1 k g / c m 2以上1 0 0 k g / c m奴下，時間1 0秒以上3 0 0秒以下。 如此所得之觸媒電極-固體電解質膜接合體，係構成 如圖1所示之單元電池構造101。 由此，使用設置接合層於碳粒表面之持有觸媒的碳粒 於觸媒電極，可得燃料電極1 0 0。該燃料電極1 0 0中，藉由 設置接合層於碳粒表面，因觸媒物質的接觸面積大，抑制 觸媒物質彼此的凝聚，在高輸出功率下，可具有長時間使 用的耐性之優良的電池特性。 使用如此集電體4 2 1、4 2 3與基質1 0 4、1 1 0接合之電極 1 0 2、1 0 8於燃料電極1 0 0，燃料電極1 0 0的内部阻抗變小， 可提供輸出特性良好的燃料電極1 0 0。 此外，不使用端板1 2 0、1 2 2等（參考圖2)，燃料電 極側的集電體4 2 1與燃料通路或燃料容器4 2 5直接接觸，因 可供給燃料，可得更薄型、小型輕量的燃料電池。 例如，使用可耐燃料物質的接合劑等，接合燃料電極 側的集電體4 2 1與燃料容器4 2 5，亦可使用螺栓與螺帽或其 他連結零件固定。 燃料電極侧的集電體4 2 1與燃料通路或燃料容器4 2 5接 觸的狀態下，例如，於燃料電極側的集電體4 2 1的全部表 面，直接供給燃料的情況，於燃料電極1 0 2的平面内，具 有相同的燃料濃度較佳。 此外，在氧化劑電極1 0 8，不使用端板1 2 0、1 2 2等 (參考圖2)，氧化劑與大氣直接接觸，因可供給氧化
第33頁 1250686 五、發明說明（28) 劑，可使燃料電極1 0 0更薄型、小型輕量。而且，氧化劑 電極1 0 8的集電體4 2 3，若有包裝構件等不阻礙小型化之構 件，隔著適宜之該構件，可供給氧化劑。 關於本實施例之燃料電池1 0 0，因輕量小型且輸出功 率高，可適用於手機其他攜帶式機器的燃料電池。 (第2實施例） 以複數個關於第1實施例的燃料電池1 0 0，作為單一的 燃料電池單元，該等燃料電池單元相互間電性連接組合， 可形成單一的燃料電池。
圖3表示如此之燃料電池的一例。 如圖3所示，燃料電池1 5 0係由關於第1實施例的燃料 電池1 0 0組成的燃料電池單元2個串聯連接而構成。2個燃 料電池單元，藉由一燃料電池單元的集電體4 2 1與另一燃 料電池單元的集電體4 2 3隔著連接電極4 2 7電性連接而連 接。而且，連接電極4 2 7藉由電性絕緣體組成的密封材料 4 2 9而密封。
2個燃料電池單元具有共通之單一的燃料容器4 2 5。而 且，2個燃料電池單元，係由包裝構件4 3 1所包裝。從與連 接電極4 2 7未連接之集電體4 2 1、4 2 3，輸出端子8、9延伸 突出包裝構件4 3 1。此外，於包裝構件4 3 1的底面，形成複 數個開口 ，藉由該等開口，對氧化劑電極1 0 8供給氧化 劑。 如圖3所示關於本實施例之燃料電池1 5 0，因為係由第 1實施例的燃料電池1 0 0組成的燃料電池單元所構成，同樣
第34頁 1250686 五、發明說明（29) 具有第1實施例的燃料電池1 0 0的優點。 而且，本實施例中燃料電池1 5 0，係由2個燃料電池單 元組成，亦可由3個以上的燃料電池單元構成。 更進一步，並聯或串連複數個燃料電池單元1 〇 〇，或 者並聯與串連混合配置，可獲得所期望之電壓、容量的燃 料電池。再者’複數個燃料電池早元不僅可平面式並排構 成，亦可複數個燃料電池單元上下方向堆疊配置。 (第3實施例） 以複數個關於第1實施例的燃料電池1 0 0，作為單一的 燃料電池單元，該等燃料電池單元相互間電性連接組合， 形成燃料電池另一例，作為第3實施例，表示於圖4中。 圖3所示之燃料電池1 5 0中，各燃料電池單元1 0 0分別 具備個別的固體電解質膜1 1 4，而圖4所示關於第3實施例 之燃料電池1 6 0中，2個燃料電池單元1 0 0係具備單一的固 體電解質膜Π 4作為共通的固體電解質膜1 1 4。除此之外， 關於本實施例之燃料電池1 6 0，與圖3所示之燃料電池1 5 0 具有相同之構成。 如圖4所示關於本實施例之燃料電池1 6 0，因為係由第 1實施例的燃料電池1 0 0組成的燃料電池單元所構成，同樣 具有第1實施例的燃料電池1 0 0的優點。 更進一步，與圖3所示關於第2實施例之燃料電池1 5 0 比較，因可減少固體電解質膜1 1 4的數目，可預期零件數 目的減少以及製造步驟的簡化。 (第4實施例）
第35頁 1250686 五、發明說明（30) 以複數個關於第1實施例的燃料電池1 0 0，作為單一的 燃料電池單元，該等燃料電池單元相互間電性連接組合， 形成燃料電池另一例，作為第4實施例，表示於圖5中。 關於本實施例之燃料電池1 7 0，燃料容器4 2 5形成如圓 筒狀，該圓筒狀的燃料容器4 2 5的外側表面以及内側表面 上，配置第1實施例中的燃料電池1 0 0作為燃料電池單元。 各燃料電池單元1 0 0，使燃料電極1 0 2配置如位於燃料容器 4 2 5的表面上。 關於本實施例之燃料電池1 7 0，因為係由第1實施例的 燃料電池1 0 0組成的燃料電池單元所構成，同樣具有第1實 施例的燃料電池1 0 0的優點。 更進一步，與圖3所示關於第2實施例之燃料電池1 5 0 以及圖4所示關於第3實施例之燃料電池1 6 0比較，因可以 更小空間配置燃料電池單元1 0 0，可提高一單位體積之輸 出。 而且，關於本實施例之燃料電池1 7 0，燃料容器4 2 5的 外側表面以及内側表面的兩側上，配置燃料電池單元 1 0 0，然而亦可只在其中一側的表面上，配置燃料電池單 元 1 00。 此外，與圖3所示關於第2實施例之燃料電池1 5 0同樣 的情況，相鄰的燃料電池單元1 0 0隔著連接電極4 2 7相互間 電性連接。 而且，與圖4所示關於第3實施例之燃料電池1 6 0同樣 的情況，在複數個燃料電池單元1 0 0，可配置1個固體電解
第36頁 1250686 五、發明說明（31) 質膜1 1 4作為共通的固體電解質膜。 然後，以下說明關於第1實施例燃料電池1 0 0的具體 例。 〔具體例1〕 於具體例1，使用厚0 . 1 9 m m的碳紙（T 〇 r a y製），作為 觸媒電極用亦即燃料電極1 0 2與氧化劑電極1 0 8 (氣體擴散 電極）用的碳糸材料。 而且，使用厚0 . 3mm的鈦板，作為燃料電極1 0 2與氧化 劑電極1 0 8的集電體4 2 1、4 2 3的多孔性金屬板。該鈦板 上，為使燃料以及氧氣透過，使用均勾地設有直徑1 mm孔 且孔之間的中心間隔1 . 5mm。而且，為了連接外部輸出端 子8、9，使用縱橫大小比碳紙各大5 m m之鈦板。 該碳紙與鈦板，以1 0 k g / c m輊度的壓力，在加壓狀態 下10_5Pa、1 0 0 0°C、10分鐘熱壓，進行熱壓處理。 碳紙與鈦板的接合界面的剖面，以掃描式電子顯微鏡 觀察時，均勻地形成厚度1 0 nm程度之反應層。而且，碳紙 與鈦板以非常高的強度接合。 鈦板與接合之碳紙表面上，進行以下步驟，以形成觸 媒層 1 0 6、1 1 2。 首先，選擇Aldrich化學公司製的5%Naf ion醇溶液， 作為固體南分子電解質’使固體而分子電解質的量在0.1 至0. 4 mg/cm3，與正乙酸丁酯混合攪拌，調製成固體高分子 電解質的膠狀分散液。 使用碳粒（D e n k a B 1 a c k ;電氣化學社製）上持有重
第37頁 1250686 五、發明說明（32) 量比50%之粒徑3至5nm的白金-釕合金觸媒，作為燃料電極 10 2的觸媒。使用碳粒（Denka Black;電氣化學社製）上 持有重量比5 0 %之粒徑3至5 n m的白金-釕合金觸媒，作為氧 化劑電極1 0 8的觸媒。 將持有該等觸媒之碳粒添加至固體高分子電解質的膠 狀分散液中，使用超音波分散器分散而成糊狀物。此時， 固體高分子電解質與觸媒，以重量比1 : 1混合。將該糊狀 物以網版印刷法2 m g / c m的密度塗布於碳紙上，加熱乾燥而 製成燃料電池用電極1 0 2、1 0 8。 該等電極在杜邦公司製固體電解質膜Naf ion 11 2的兩 面上，以溫度130°C、壓力10kg/cm熱壓，製成觸媒電極-固體電解質膜接合體101。 然後，組成該接合體1 0 1的燃料電極側集電體4 2 1之鈦 板，與燃料容器4 2 5緊密接合，周圍部分以接合劑密封而 製成燃料電池單元1 0 0。 燃料容器4 2 5為鋁製，與燃料電極側集電體4 2 1相接的 面上，以5 0 %的開孔率大致均勻地設置直徑1 mm的孔，作為 使燃料電極1 0 2可取用燃料的構造。 而且，於燃料電極側與氧化劑電極側的鈦板，設置外 部輸出端子8、9，以取得燃料電池1 0 0的輸出。 該燃料電池1 0 0的燃料電極1 0 2上，用以供給燃料之燃 料容器4 2 5或燃料通路，設置連接於燃料電極側集電體4 2 1 的表面，以使燃料可從燃料電極1 0 2的集電體4 2 1的表面直 接供給。而且，氧化劑電極侧集電體4 2 3的表面直接與大
第38頁 1250686 五、發明說明（33) 氣相接，於氧化劑電極側集電體4 2 3的表面上，氧化劑可 從氧化劑電極1 0 8的集電體4 2 3的表面直接供給。 關於本具體例之燃料電池，藉由使用接合法，作為連 結燃料電極1 0 2與氧化劑電極1 0 8的基質1 0 4、1 1 0以及集電 體42 1、4 2 3的方法，無需使用端板120、122 (參考圖2) 以及螺栓與螺帽1 3等加以連結，可使該等緊密接合。因 此，無須藉由端板1 2 0、1 2 2，可將燃料與氧化劑分別直接 從觸媒電極1 0 2、1 0 8的集電體4 2 1、4 2 3的表面供給而構 成。於是，可使燃料電池1 0 0更薄型輕量。 於燃料電極1 0 2供給1 0 v/v%的曱醇水溶液作為燃料， 供給氧氣予氧化劑電極1 0 8。 將液體燃料注入燃料容器4 2 5後，液體燃料，浸透過 燃料容器4 2 5以及鈦製燃料電極集電體4 2 1的孔，更浸透過 燃料電極1 0 2的基質1 0 4，供給至燃料電極1 0 2的觸媒層 1 0 6。而在氧化劑電極1 0 8，空氣中的氧氣，通過鈦製氧化 劑電極集電體4 2 3的孔，以及氧化劑電極1 0 8的基質11 0， 供給至氧化劑電極1 0 8的觸媒層1 1 2。 燃料與氧化劑分別的流速為5 m 1 / m i η以及5 0 m 1 / m i η ο 該燃料電池1 0 0的輸出，於1大氣壓2 5°C的室溫下測 定，得到電流1 0 〇 m A / c m %夺輸出0 . 4 V。 而且，關於本具體例之燃料電池，使用鋁製薄膜包裝 作為外包裝，製成2個串聯連接之燃料電池。該燃料電池 的輸出，得到電流1 〇 〇 m A / c m %寺輸出0 . 8 V。
第39頁 1250686 五、發明說明（34) 如此，以複數個關於第1實施例的燃料電池1 0 0，作為 單一的燃料電池單元，該等燃料電池單元相互間電性連接 組合，所形成之燃料電池，維持高輸出特性。而且，可使 該燃料電池薄型、小型輕量。 〔比較例1〕 作為比較例，與具體例1同樣方法，製成不設置集電 體4 2 1、4 2 3之觸媒電極-固體電解質膜接合體1 0 1。使用該 觸媒電極-固體電解質膜接合體1 0 1，與習知燃料電池相 同，亦即如圖2所示，燃料電極1 0 2與氧化劑電極1 0 8的端 板1 2 0、1 2 2，以螺栓與螺帽1 3等加以連結，施予壓力而獲 得電性接觸所製成之燃料電池，與具體例1相同條件下， 評價其輸出特性。使用厚1 m m的S U S 3 0 4不鏽鋼以及厚0 . 3 m m 的SUS 3 0 4不鏽鋼，作為端板1 20、1 22。 其結果，端板1 2 0、1 2 2的厚度是1 mm的情況，1大氣壓 2 5°C的室溫下，得到電流1 0 0 m A / cm %夺輸出0 . 3 6 V，厚度是 0 . 3 m m時，得到電流1 0 0 m A / c m %夺輸出0 . 2 V。 使用厚度0. 3mm的端板1 20、1 22的情況，因端板1 20、 1 2 2的剛性不足，以螺栓連結端板1 2 0、1 2 2時，端板1 2 0、 1 2 2彎曲變形。因此，端板1 2 0、1 2 2與燃料電極1 0 2與氧化 劑電極1 0 8間的電性接觸不足，增加接觸阻抗，使燃料電 池單元1 0 0的輸出功率降低。 從具體例1與比較例1的比較，藉由碳紙與集電體 421、4 2 3接合，作為集電體421、4 2 3的鈦板即使是0· 3ram 薄，可得基質與集電體良好的電性接觸，判定可提高燃料
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電池100的輸出。 120 於具體例1之燃料電池，因無需使用端板 及螺栓與螺帽 1 0 0 ；4型化、小型輕量化。 〔具體例2〕 ，作為觸媒電極用 氣體擴散電極）用的 使用厚0.19mm的碳紙（Toray製 亦即燃料電極1 〇 2與氧化劑電極1 〇 $ 礙糸材料。 而且，使用厚0.4mm的鎳板，作為燃料電極1〇2盥 劑電極108的集電體421、42 3的多孔性金屬板。該鎳板 上，為使燃料以及氧氣透過，使用均勻地設有直徑lmm孔 且孔之間的中心間隔1 · 5mm。而且，為了連接外部輸出端 子8、9，使用縱橫大小比碳紙各大3mm之鎳板。 而且’作為焊料，於1 〇 〇 mg鈀粉末加入丨〇 m 1醇類溶劑 中’作成糊狀物備用。 將該焊料以1 〇 V m厚度塗布於鎳板的表面，於其上再堆 豐石反紙。所得之積層物放入真空加熱爐。在真空度1 〇_3Pa 以下、1 2 0 0 C的溫度保持2小時，在爐内自然冷卻，接合 鎳板與碳紙。碳紙與鎳板以非常高的強度接合。 鎳板與接合之碳紙表面上，與具體例1相同方式，藉 由形成燃料電極1 〇 2與氧化劑電極1 〇 8的觸媒層1 0 6、1 1 2， 製成燃料電池用電極1 〇 2、1 〇 8。 該電極1 0 2、1 0 8在杜邦公司製固體電解質膜 Nafionll2的兩面上，以溫度130°C、壓力l〇kg/cm2熱壓，
第41頁 1250686 五、發明說明（36) 製成觸媒電極-固體電解質膜接合體1 0 1。 然後，組成該接合體1 0 1的燃料電極側集電體4 2 1之鎳 板，與燃料容器4 2 5緊密接合，周圍部分以接合劑密封而 製成燃料電池單元1 0 0。使用與具體例1相同之燃料容器 4 2 5 〇 然後，於燃料電極1 0 2與氧化劑電極1 0 8側的鎳板，設 置外部輸出端子8、9，以取得燃料電池1 0 0的輸出。 關於本具體例的燃料電池，與具體例1相同構成，燃 料電極1 0 2上，用以供給燃料之燃料容器4 2 5或燃料通路， 設置連接於燃料電極側集電體4 2 1的表面，以使燃料可從 燃料電極1 0 2的集電體4 2 1的表面直接供給。而且，氧化劑 電極1 0 8的集電體4 2 3的表面直接與大氣相接，氧化劑可從 氧化劑電極1 0 8的集電體4 2 3的表面直接供給。 將液體燃料注入燃料容器4 2 5後，液體燃料，浸透過 燃料容器4 2 5以及鎳製燃料電極集電體4 2 1的孔，更浸透過 燃料電極1 0 2的基質1 0 4，供給予燃料電極1 0 2的觸媒層 1 0 6。而在氧化劑電極1 0 8，空氣中的氧氣，通過鎳製氧化 劑電極集電體4 2 3的孔，以及氧化劑電極1 0 8的基質1 1 0， 供給予氧化劑電極1 0 8的觸媒層11 2。 關於具體例2的燃料電池1 0 0的輸出，與具體例1相同 條件下測定，得到0 . 4 3 V的輸出。 〔具體例3〕 使用厚0. 1 9mm的碳紙（Toray製），作為觸媒電極用亦 即燃料電極1 0 2與氧化劑電極1 0 8 (氣體擴散電極）用的碳
第42頁 1250686 五、發明說明（37) 系材料。 而且，使用厚0 . 0 7 m m的金網，作為燃料電極1 0 2與氧 化劑電極1 0 8的集電體4 2 1、4 2 3的導電性金屬材料。篩孔 大小是1 0 0網目。 該金網的表面上，蒸鍍1 0 n m厚度的鈦。此時，為了連 接外部輸出端子8、9，使用縱橫大小比碳紙各大3mm之金 網。 該金網與破紙重疊，於真空加熱爐，施予1 0 k g / c m之 壓力、1 0 _3P a以下真空排氣。然後，於7 0 (TC的溫度保持2 小時，在爐内自然冷卻，接合金網與碳紙。碳紙與金網以 非常高的強度接合。 該金網與接合之碳紙表面上，與具體例1相同方式， 藉由形成燃料電極1 0 2與氧化劑電極1 0 8的觸媒層1 0 6、 1 1 2，製成燃料電池用電極1 0 2、1 0 8。 該電極1 0 2、1 0 8在杜邦公司製固體電解質膜 Nafionll2的兩面上，以溫度13 0°C、壓力10kg/cm熱壓， 製成觸媒電極-固體電解質膜接合體1 0 1。 然後，組成該接合體1 0 1的燃料電極側集電體4 2 1之金 網，與燃料容器4 2 5緊密接合，周圍部分以接合劑密封而 製成燃料電池單元1 0 0。使用與具體例1相同之燃料容器 425。 於燃料電極1 0 2與氧化劑電極1 0 8側的金網，設置外部 輸出端子8、9，以取得燃料電池1 0 0的輸出。 關於本具體例的燃料電池，與具體例1相同構成，燃
第43頁 1250686 五、發明說明（38) 料電極1 0 2上，用以供給燃料之燃料容器4 2 5或燃料通路， 設置連接於燃料電極側集電體4 2 1的表面，以使燃料可從 燃料電極1 0 2的集電體4 2 1的表面直接供給。而且，氧化劑 電極1 0 8的集電體4 2 3的表面直接與大氣相接，氧化劑可從 氧化劑電極1 0 8的集電體4 2 3的表面直接供給。
將液體燃料注入燃料容器4 2 5後，液體燃料，浸透過 燃料容器4 2 5以及金網製燃料電極集電體4 2 1的孔，更浸透 過燃料電極1 0 2的基質1 0 4，供給予燃料電極1 0 2的觸媒層 106。而在氧化劑電極108，空氣中的氧氣，通過金網製氧 化劑電極集電體4 2 3的孔，以及氧化劑電極1 0 8的基質 1 1 0，供給予氧化劑電極1 0 8的觸媒層1 1 2。 該燃料電池1 0 0的輸出，與具體例1相同條件下測定， 得到0 . 42 V的輸出。
從以上具體例以及比較例，藉由使用具備薄型的集電 體4 2 1、4 2 3之觸媒電極1 0 2、1 0 8，無需端板1 2 0、1 2 2以及 連結零件1 3，可使燃料電池1 0 0小型輕量化，更進一步， 關於本具體例之燃料電池，不僅小型輕量化，比使用端板 1 2 0、1 2 2以及連結零件1 3之燃料電池，確認可發揮更高的 輸出。 產業上的利用可能性 如以上說明，根據本發明，藉由接合觸媒電極的基質 與集電體，可薄型輕量化集電體，再者，因無需端板，可 使燃料電池薄型、小型輕量化且高輸出。
第44頁 1250686 五、發明說明（39) 於是，根據本發明，藉由接合觸媒電極的基質與集電 體，可實現高輸出且薄型、小型輕量化之燃料電池。 而且，本發明，藉由燃料或氧化劑直接供給予燃料電 極側集電體或氧化劑電極側集電體之構成，可實現用於攜 帶式機器等足夠小型輕量且高輸出密度之燃料電池。
第45頁 1250686 圖式簡單說明 五、【圖式簡單說明】 圖1是模型式剖面圖，表示關於本發明的第1實施例的 燃料電池的構造。 圖2是一斜視圖，表示習知的燃料電池的一例。 圖3是模型式剖面圖，表示關於本發明的第2實施例的 燃料電池的構造。 圖4是模型式剖面圖，表示關於本發明的第3實施例的 燃料電池的構造。
圖5是模型式剖面圖，表示關於本發明的第4實施例的 燃料電池的構造。 元件符號說明：
8 :外部 輸 出 端 子 9 :外部 出 端 子 13 ： 連結零件 100 燃 料 電 池 101 單 元 電 池 構 造 102 燃 料 電 極 104 基 質 106 觸 媒 層 108 氧 化 劑 電 極 110 基 質 112 觸 媒 層 114 固 體 電 解 質 膜
第46頁 1250686 圖式簡單說明 4 2 3 :氧化劑電極側集電體 4 2 5 :燃料容器 4 2 7 ··單元電池間連接電極 4 2 9 :密封材料 4 3 1 :包裝構件 1 2 0 ··端板 1 2 2 :端板 1 5 0 :燃料電池 1 6 0 :燃料電池 1 7 0 :燃料電池
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Claims (1)

  1. !Β(Ι#86錄咖正本丨 ———————一.—ntr^itT〇^4 年气月>g曰 修正 .(他洛 六、申請專利範圍 1、一種燃料電池用電極，包含：基質；配置於該基質一側 的表面上之集電體；配置於該基質另一側的表面上之觸媒 層； 其特徵為：該集電體與該基質，係接合在一起。 2、如申請專利範圍第1項之燃料電池用電極，其中，該基 質的主要成分為破。 3、如申請專利範圍第2項之燃料電池用電極，其中，該集 電體包含可形成碳化物之元素。 4、如申請專利範圍第3項之燃料電池用電極，其中，該集 電體包含選自 Ti 、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Mn、 F e、C ο、N i、A 1以及C組成之族群中的至少一種或二種以上 之元素。 5、如申請專利範圍第1項或第2項之燃料電池用電極，其 中，該集電體包含選自Au、Ag、Cu、Pt組成之族群中的至 少一種或二種以上之元素。 6、如申請專利範圍第1項或第2項之燃料電池用電極，其 中，該集電體係由金屬板或金屬網組成。 其
    7、如申請專利範圍第1項或第2項之燃料電池用電極
    第48頁 1250686 曰 修正 ----案號 Q2117074 _ 六、申請專利範圍 中’該集電體的厚度在〇· 05_以上lmm以下。 V;:、燃料電池，包含··燃料電極；氧化劑電極；失隔於 ^ ·“、、；斗電極與該氧化劑電極之間的固體電解質膜； ； ，特徵為：該燃料電極與該氧化劑電極，係由如 J利範圍W項至第7項中任—項之燃料電池用電極所 V二利範圍第8項之燃料電池，其中，該燃料電極 極所組成，燃料直接供給予該二】ΐ 池用電極的集電體的表面。、丁寸冤 1 〇如申明專利範圍第8項之燃料電池，其 疋由該燃料電池用電極所組成，為供 之燃料容器或燃料通路，設置連接於 ：用= 集電體的表面。 电池用電極的 1二如圍第8項至第10項中任-項之燃料電池， 其中’该氧化劑電極是由該燃料電池用電極所 '池 劑直接供給予該燃料電池用電極的集電體的表面。軋 12、如申請專利範圍第8項至第1〇項中任一項 表面與大氣直接接觸。 v、電體的
    1瞧 二構成該氧化劑電極之該燃料電池用電極的集4電體也’ 第49頁 1250686 _案號 92117074_年月日__ 六、申請專利範圍 1 3、如申請專利範圍第8項至第1 0項中任一項之燃料電池， 其中，該集電體的表面，藉由包裝構件而包裝。 1 4、如申請專利範圍第8項至第1 0項中任一項之燃料電池， 其中，對於該燃料電極供給有機液體燃料。 1 5、一種燃料電池，包含複數個燃料電池單元所組成之燃 料電池，由相鄰燃料電池單元隔著連接電極相互連接而形 成； 其特徵為：該燃料電池單元是由申請專利範圍第8項至 第1 4項中任一項之燃料電池所組成。 1 6、如申請專利範圍第1 5項之燃料電池，其中，該複數個 燃料電池單元中之各個燃料電池單元的固體電解質膜，係 形成為1個共通之固體電解質膜。 1 7、一種燃料電池，包含圓筒狀燃料容器以及複數個燃料 電池單元，其中，該燃料電池單元是由申請專利範圍第8項 以及第11項至第1 4項中任一項之燃料電池所組成； 其特徵為：各該燃料電池單元的該燃料電極，係排列 於該燃料容器的外側表面以及内側表面中的至少一側表面 上0
    第50頁 1250686 案號 92117074 A_η 曰 修正 六、申請專利範圍 更包含：連接電 1 8、如申請專利範圍第1 7項之燃料電池 極，用以連接相鄰的該燃料電池單元。 1 9、如申請專利範圍第1 7項或第1 8項之燃料電池，其中， 該複數個燃料電池單元中之各個燃料電池單元的固體電解 質膜，係形成為1個共通之固體電解質膜。 2 0、一種燃料電池用電極之製造方法，該燃料電池用電極 包含：基質；配置於該基質一側的表面上之集電體；配置 於該基質另一側的表面上之觸媒層； 該製造方法，包含以下步驟： 第1步驟，將含有固體高分子電解質的粒子與持有觸媒 的碳粒之塗布液，塗布於基質的一側表面上，形成觸媒 層；及 第2步驟，使該基質的另一側表面與集電體接合。 以 2 1、如申請專利範圍第2 0項之燃料電池用電極之製造方 法，其中，該第2步驟係藉由熱壓接該基質與該集電體 進行接合步驟。 2 2、如申請專利範圍第2 0項之燃料電池用電極之製造方 法，其中，該第2步驟，係藉由焊接該基質與該集電體，以 進行接合步驟。
    第51頁 1250686 _案號92117074_年月曰 修正_ 六、申請專利範圍 2 3、如申請專利範圍第2 2項之燃料電池用電極之製造方 法，其中，該第2步驟之焊接，係使用包含選自Pd、Fe、 Ti、Ni、Zr、Cd、A1組成之族群中的至少一種或二種以上 的元素之焊料，以進行焊接。 24、如申請專利範圍第2 0項之燃料電池用電極之製造方 法，其中，該基質的主要成分為碳；該集電體包含金屬； 該第2步驟，形成由該基質與該集電體間的金屬碳化物所組 成之接合層。
    2 5、如申請專利範圍第2 4項之燃料電池用電極之製造方 法，其中，該接合層，包含選自Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、 Cr、Mo、W、Mn、Fe、Co、Ni、A1組成之族群中的至少一種 或二種以上的元素。 2 6、一種燃料電池之製造方法，包含以下步驟：
    形成燃料電池用電極之步驟，藉由如申請專利範圍第 2 0項至第2 5項中任一項之燃料電池用電極之製造方法，形 成電極， 該固體電解質膜與該燃料電池用電極之接合步驟，係 在該固體電解質膜與該燃料電池用電極接觸的狀態下，藉 由壓接該固體電解質膜與該燃料電池用電極，以進行接合 步驟。
    第52頁
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