1254477 玖、發明說明： (一） 發明所屬之技術領域 本發明係有關燃料電池用電極及使用其 (二） 先前技術 近年來由於資訊化社會之來臨，並且因 機器所運作的資訊數量呈現飛躍的大增， 電力消耗也隨著顯著增加。特別是携帶型 著其處理能力的增加，而造成電力消耗增 ’這種携帶型電子機器，一般都使用鋰離 惟鋰離子電池之能量密度，卻已經接近了 此，爲了要延長携帶型電子機器的連續使 得不壓低中央處理器的驅動頻率來減低電 生。 上述情況下’如使用高能量密度的燃料 的電源，以取代鋰離子電池，就有大幅提 器使用時間的希望。 燃料電池係由燃料極與氧化劑極（以下， 電極」）以及裝在兩電極之間電解質所構成 化劑極分別供給燃料與氧化劑，就起電化 所用燃料，通常是用氫氣，惟近年來以價 甲醇作爲原料’將甲醇轉化使生成氫氣的 甲醇直接當作燃料利用的直接型的燃料電 行。 如以氫氣作爲燃料時，就在燃料極進行 之燃料電池。 個人電腦等電子 因而電子機器的 電子機器，在隨 加的問題。現在 子電池爲電源， 理論的界限。因 用時間，就有不 力消耗的侷限發 電池爲電子機器 升携帶型電子機 兩者合稱「觸媒 ，在燃料極與氧 學反應而發電。 廉且易於儲運的 甲醇轉化型，與 池之開發也已盛 如下式（1)的化學 1254477 反應。 3H2— 6H + + 6e· ⑴ 如以甲醇作爲燃料時，則在燃料極發生的化學反應，就 如下式（2)。 CH30H + H20— 6H、c〇2 + 6e' (2) 又’使用上述兩種燃料時，其在氧化劑極發生的化學反 應，皆爲如下式（3 )。 3 / 2 0 2 + 6 Η + + 6 e -3 Η 2 〇 (3) 尤其是’直接型燃料電池可由甲醇水溶液得出氫離子， 而不需有轉化器等的設置，得以適用在携帶型電子機器的 大優點。又，因將液態的甲醇水溶液當作燃料，而有能量 密度非常高的特點。 要將直接甲醇型燃料電池用在携帶型電話或筆記型個人 電腦等携帶型電子機器作爲電源，則電池之小型化與輕量 化就成重要課題。然而，以往構成携帶型機器用燃料電池 發電元件的單元電池，其基本構造爲，在觸媒電極與固體 電解質膜所構成的觸媒電極-固體電解質膜接合體外側，裝 設以碳製成的多孔質氣體擴散層，更在其外側裝有集電電 極，爲一般的構造情形。此種情況下，一個單元電池至少 要由集電電極/氣體擴散層/觸媒電極-固體電解質膜接合體 /氣體擴散層/集電電極的5層構造所構成，因此其構造是 複雜的。 此外，爲了使以碳製成的氣體擴散層與金屬製成的集電 電極間有良好的導電性接觸，就需將金屬製集電電極加厚 -8- 1254477 到某一程度，致難於使單元電池薄型化，輕量化也成困難。 爲此’就以電阻較小的多孔性金屬質氣體擴散層來取代 碳質氣體擴散層，藉以提升燃料電池發電效率的單元電池 ’於是開發出來。這類的單元電池，有二種的構造提案出 末°其一爲’如專利文獻1所不，用發泡金屬作爲氣體擴 散層以取代碳質多孔體外，仍與以往一樣使用大塊金屬集 電電極來組成單元電池。這樣一來，導電問題雖已減少， 但在構造上仍舊是複雜的。 另一種構造，如專利文獻2所示，以鎳發泡體等多孔性 金屬材料作爲氣體擴散層或集電體。這樣，就得以把氣體 擴散層與集電體重疊，而使單元電池之薄型化與小型化成 爲可能。然而，在這樣的構造下，仍需在觸媒層與集電體 層之間設一碳質層，作爲防蝕層之用。因此，這樣的構造 仍舊是複雜。而且，多孔性金屬與部分碳質層介面之接觸 電阻也大。 又，如上述文獻所載，使用這些鎳發泡體等的發泡金屬 ，係由粒狀的金屬接合而成的構造，因此將其做成片狀後 ，就成爲片面內部電阻較大的構件。另外，由於製造程序 的原因也會引起，片面內部的電阻呈現散亂的情形。因此 ，在發電的特性方面，仍留有改善的空間。 另一面，在專利文獻3中，記載有使用多孔性結構片的 燃料電池。然而，該文獻的具體透露，僅止於使用丙烯腈 來碳質纖維做成的燃料電池。碳質纖維與上述碳質氣體擴 散層一樣，其電阻都比較大。因而，在提升燃料電池的性 -9- 1254477 ι上有一定的侷限。又因需使用金屬製的集 +型化、輕量化之困難。 又’在專利文獻4中，記載有使用SUS等 化學設備，其具體的實例有，氣體感應器、 解層及燃料電池等。不過，在該文獻的實施 路以電解產生氫氣的實例，但實際上，對於 作的燃料電池結構，並無記載。尤其，對於 質子’使其向固體電解質移動的方法並無記 、池的實際運作並無具體的透露。 專利文獻1 特開平6 - 5 2 8 9號公報 專利文獻2 特開平6_223836號公報 專利文獻3 特開2000_299113號公報 專利文獻4 特開平6-267555號公報 (三）發明內容 本發明係鑑於上述情況而作成者，其目的 料電池小型化、輕量化的技術。又，本發明 於提供燃料電池輸出功率更能提升的技術。 又一目的在於提供燃料電池簡化的製造程序 依據本發明，提供一種燃料電池用電極， 金屬纖維片，及與該金屬纖維片有導電連接 金屬纖維片係由含有矽或鋁之至少一種的金 當作構成元素的合金所成，而合金中的鉻含 至30重量％，合金中矽與鋁之合計量爲3重 %。 電電極，而有 金屬纖維的電 精製裝置、電 例中，雖有透 作爲電池來運 由觸媒產生的 載，對燃料電 在於提供使燃 的另外目的在 又，本發明的 技術。 其特徵爲具有 的觸媒，其中 屬以及鐵和鉻 量爲5重量％ 量％至1 0重量 1254477 對於燃料電池用電極的要求，需要具有耐久的耐酸性能 外’亦需有良好的導電性。本發明的電極，係由上述特定 組成的合金做成的金屬纖維所構成，而優於具有均衡的上 述性能。尤其，在合金的組成中含有矽或鋁，且其含量合 計爲3重量％至1 〇重量％，故具有優良的耐久性，長期的 使用亦能得到安定的、良好的導電性能。 本發明的金屬纖維片，係指用一條以上的金屬纖維成形 爲片狀者。可以用一種金屬纖維構成。亦可由二種以上的 金屬纖維構成。此種金屬纖維片之電阻，比向來用作電極 材料的碳質紙張之電阻，要小一位數字。又，因係用金屬 細線接合成片的關係，與向來使用發泡金屬等粒狀金屬接 合而成之多孔性金屬材料比較，其片面內部之電阻比較小 ，且其散亂亦較小。更有，本發明的金屬纖維片，在耐酸 性或機械性強度，以及對氣體或水溶液之透過性，都是優 良的材料。因而，能夠適用於良集電性能的燃料電池用電 極之用，而使燃料電池的輸出功率與耐久性能得以提升。 另外，有關於本發明燃料電池用電極，於其表面上只要 與金屬纖維片有導電的連接，則對於連接方式並無特別的 限制。可以將觸媒直接承載在金屬纖維片表面上，或隔著 承載觸媒碳粒子等承載材料來作導電連接也可以。另外， 也有在金屬纖維片的表面已做成導電性被覆層，就可以由 此被覆層來承載觸媒。 此外，本發明的燃料電池用電極，具有優良的集電性能 ’採用此電極時，就無需在電極的外側設置集電構材固接 1254477 的必要。因而，使燃料電池得以小型化、輕量化^與袭 本發明的金屬纖維片，其空隙率可以做到2〇%至 結構。又，金屬纖維的平均線徑（直徑）可做到2〇〜 米（μπι)。由於做到這樣，在金屬片內就形成了適度 ，而使燃料之供給與排水，能夠順利運作。又，可 片的空隙內，配置適量的質子導電體，此得出良好 導電性能。 在本發明燃料電池用電極之金屬纖維中，金屬纖 可爲金屬纖維的燒結體。由於做成燒結體後，使金 彼此間的接合，更爲確實，而使接觸電阻下降，電 得以提升。 在本發明燃料電池用電極中，構成金屬纖維片的 線之表面亦可承載觸媒。在以往的燃料電池，觸媒 由碳質粒子接連於金屬細線，然於採用本發明的結 碳質粒子與觸媒間的接觸電阻’以及金屬細線與碳 間的接觸電阻，就不再發生，而提升了電子的移動伯 此外’在本發明的金屬纖維片表面上，也可以做 性被覆層’這樣結構亦可視爲觸媒是經介由被覆層 載在金屬細線表面上。又，在金屬纖維片表面上， 有承載觸媒碳粒子的觸媒層也可以。 在本發明的燃料電池用電極中，於構成金屬纖維 屬纖維表面上，也可作成觸媒的電鍍層後再作成金 片°這樣的作法，可使需要的觸媒能夠更簡易確實 在多孔性金屬片表面上。 〖型化。 8 0 %的 100微 的空隙 以纖維 的質子 維片亦 屬細線 極性能 金屬細 係經介 構後， 質粒子 :能。 成導電 直接承 作成含 片的金 屬纖維 地承載 1254477 在本發明的燃料電 金屬纖維，其表面可 金屬纖維片的比表面 提升電極的性能。 又，在本發明中， 構成金屬纖維片之金 在本發明的燃料電 觸的質子導電體。這 謂三相界面能夠充分 性能。在本發明的燃 ’也可以用離子交換 質子導電性。 在本發明燃料電池 其一部分作疏水處理 屬纖維片上會形成疏 水分排出。從而，使 出功率。特別是用作 得以更有效的排出， 依據本發明，提供 ，其特徵爲包含燃料 化劑極所夾持的固體 至少一者係具有上述 本發明的燃料電池 者，所以能夠安定地 池用電極中，對於構成金屬纖維片的 以做成粗面化。這樣做，就能夠增加 積。因而，觸媒的承載量能增加，而 所謂的表面作成粗面化的結構，係指 屬細線表面被粗面化之構造。 池用電極中，也更可置備與觸媒成接 樣作，可使電極、燃料與電解質的所 確實的形成。因而，得以提升電極的 料電池用電極上，所用的質子導電體 樹脂。這樣作，就可確實提供充分的 用電極的金屬纖維片中，也可至少使 。這樣作後，在具有親水性表面的金 水區域。因而，可促進金屬纖維片的 積水受到抑制，而提升燃料電池的輸 黑化劑極時’從電化反應產生的水， 進而能夠確保氣體的透過路徑。 一種燃料電池，其爲燃料電池用電極 極、氧化劑極、以及一由燃料極與氧 電解質膜，其中該燃料極或氧化劑中 的構成。 ，因具有上述結構的燃料電池用電極 發揮其高度的功率輸出。又，因不需 1254477 ί吏g « _件’使其結構與製造程序得以簡化，更可以小 型化、輕量化與薄型化。 在本發明的燃料電池中，也可作成無集電體的結構。這 樣就得以謀求燃料電池的小型化、薄型化及輕量化外，更 可降低構成電極的諸零件間接觸電阻。例如，將燃料電池 g m t亟ί乍s燃料極，而使燃料直接供給在燃料電池用電極 之表面_t °在燃料電池用電極的表面上，直接供給燃料之 作法’係指在燃料極，沒有隔著端板等集電零件直接供給 燃料之方式。用以直接供給燃料的具體結構有，例如在接 連於燃料極的金屬片上，裝設燃料容器或燃料供給部等所 作成的結構。此外，假如多孔性金屬片是作成板狀時，可 在其表面上設置適當的貫穿孔或線條狀的導入溝。這樣的 作法’使得燃料在金屬纖維片表面乃至電極全部的供給效 率，更爲提高。 此外’在本發明的燃料電池中，係以燃料電池用電極構 成氧化劑極，氧化劑也可以直接供給在燃料電池用電極的 表面上。在此’以氣化劑直接供給係指’在氧化劑極表面 上’沒有端板等的隔遮下，直接供給空氣或氧氣之謂。 如上述的說明，依本發明將金屬纖維片使用作電極的襯 底材料的作法，使燃料電池得以小型化、輕量化。又，依 本發明的技術，亦可提高燃料電池的功率輸出性能。另外 ，依本發明的技術，亦可簡化燃料電池的製造程序。 (四）實施方式 亶施發明的悬佳形態 -14- 1254477 本發明係有關使用金屬纖維片的燃料電池。以下E # 照圖面來說明其適宜的實施方式。 (金屬纖維片及其製造方法） 第1圖係有關實施方式的金屬纖維片1的結構示意。金 屬纖維片1如第1圖所示，係將金屬細線2放蘆成零亂交 錯的情況下，經由壓縮而成多孔性的板狀物。 另外#胃 1圖中，雖有繪示矩形的金屬纖維片1，但金屬纖維片 形狀並不限於四角形，可按下述的方法作成需要的形狀。 構成金屬纖維片的金屬細線2的線徑φ，宜在丨〇微米至 1 〇〇微米。線徑在1 0微米以上時，可確保金屬細線2具有 適當強度。又，線徑保持在1 0 0微米以下，對在加工作成 金屬纖維片之際，可確保其具有適當的加工性能外，更可 作成有微小細孔的金屬纖維片1。最好是，把金屬細線2 之線徑保持在30微米至80微米。以這樣的金屬細線2作 成的金屬纖維片1，就能確保對於電子、燃料與水，均具有 良好移動路徑的材料，而適用於燃料電池。 至於’有關線徑的計算方法，例如有，將細線1 〇點的剖 面，量其長徑（D)算出其平均値，作爲平均線徑等方法。 金屬纖維片1，係由一條以上的金屬纖維成形爲片狀者i ’可以是織成片也可以是非織片。可以由單一種的金屬細 線作成，亦也可以用2種以上的金屬細線來混合作成。又 ，也可以用金屬細線以外的材料來混合作成。 金屬細線2，係由含有鐵、鉻、矽與鋁中至少一種以上 金屬成的合金所作成。合金中的鉻含量係爲5重量％至30 1254477 重量％，而合金中矽與鋁的合計量則爲3重量％至1 〇重量％ 。其餘的部分係由鐵、各種添加元素與無法避免的雜質所 組成。由於有這樣的組成，才能對燃料電池的適用上給與 充分的強度、耐酸性與導電性。 如上述，合金中鉻含量係5重量％至30重量％。若鉻含 量低於5重量％時，則不能得到適用於燃料電池的充分耐 酸性。又，若鉻含量超過3 0重量％時，則細線就變脆，得 不到適用於燃料電池所需的充分強度。 又，合金中矽與鋁的合計量係爲3重量％至1 〇重量％。 作成這樣的組成，可使金屬纖維片1的強度、耐酸性和耐 久性，獲得顯著的提升。 又，金屬細線2，也可以含有3〜3 0重量％的鎳。這樣組 成，能夠更加提升金屬纖維片1的強度與耐久性。 在此，金屬纖維片1因具有上述強度與耐久性的優良特 點，所以不需正電極間另設碳質層。又，金屬纖維片1之 導電度與碳質材料相比，要高出一位數字以上。更因金屬 纖維片具有微小細孔，使甲醇等燃料或空氣等氣體獲得優 良的擴散性能。因此，金屬纖維片1能兼備氣體擴散層與 集電電極的雙重角色。 金屬纖維片1之厚度雖無特別的限制，但以用在燃料電 池用電極爲例時，可在1毫米（mm)以下。使厚度在1毫米 以下時，就能夠使燃料電池薄型化、小型輕量化。若使厚 度在0 · 5毫米以下時，即更能小型輕量化，對携帶型機器更 直適用。又如要將厚度降到0· 1毫米以下，也可辦到。 -16- 1254477 又’金屬纖維片1的空隙寬度，可以作到1毫米以下。 這樣一來’用作燃料電池用電極時，可以確保液體燃料與 氣體燃料能夠有良好的擴散。 _ 又’金屬纖維片1的空隙率，舉例可作成在20%至80% °在20 %以上時’就能保持液體燃料與氣體燃料的良好擴 散。又’保持8 0 %以下時，就能保持良好的集電作用。又 ’金屬纖維片1的空隙率，亦可作成在3 0 %至6 0 %。這樣 一來’更能保持液體燃料與氣體燃料的良好擴散外，也更 能保持良好的集電作用。此外一提的是，空隙率可由金屬 ·· 纖維片1的重量、體積、以及纖維的比重計算出來。 其次就’金屬細線2及使用該細線作成之金屬纖維片1 的製造方法，作詳細的說明。 金屬細線之製造方法雖無特別的限制，但如使用第2圖 所示結構的金屬細線製造裝置1 〇時，可以獲得有效率的製 造。金屬細線製造裝置1 0係，由具有密封箱室1 1的裝置 本體1 2 ’及由附屬於裝置本體1 2的原料供給機構丨3與細 回收部1 4等所組成。 φ 構成裝置本體12四角籠體的箱室11，其內部有筒形的 握持筒21、高頻率感應線圈22、冷卻器（無圖示）與圓板24 等的設置。握持筒2 1係爲保持桿狀原料金屬20立於幾近 垂狀態，具有保持材料直立的機能，高頻率感應線圈2 2的 機能，係用來加熱原料金屬20上端部分，使熔化成熔融金 屬20a。冷卻器（無圖示）可以採用於冷卻水套等方式。又， 圓板24係爲使水平方向的延伸軸23作爲中心，以一定的 -17- 1254477 方向（第2圖中箭頭R所示方向）帶動旋轉所設置的結構。 圓板24’可用銅或銅合金等高熱導係數之金屬，或用鉬 或鎢等高溶點材料做成，具有會與熔融金屬20a上端接觸 到的週邊25。圓板24的直徑可作成2〇公分。如第2圖所 示’圓板24從正面的方向來看，周邊25是成爲真圓形。 第3圖係表示，第2圖的金屬細線製造裝置，在其F3-F3 方向的剖面圖。如第3圖所示，自圓板2 4的側面方向來看 時，圓板24的全部周邊25，均成尖銳的刃口。 又’在箱室1 1，附設有具備開關閥30與真空泵等的排 氣機構及不活性氣體供給機構等等的無氧化性周圍氣體發 生裝置3 1。這樣使箱室的內部能夠保持在真空狀態的周圍 氣體（正確的說，是減壓狀態的周圍氣體）或者是不活性氣 體等的無氧化性周圍氣體中。 在握持筒2 1持立的原料金屬2 0上端部分之周圍位置， 裝設有高頻率感應線圈22。如第3圖所示，此高頻率感應 線圈22，係介由電流控制部35連接於高頻率發生裝置36 。又，爲了以非接觸方式測出熔融金屬2 0 a的溫度，裝設 了輻射溫度計3 7。輻射溫度計係介由電流控制部3 5與高 頻率發生裝置3 6作成導電的連接。此外，高頻率感應線圈 22與圓板24上端的距離，宜保持1〇公分以上。這樣的安 排，可以避免圓板24受到高頻率加熱之影饗。 握持筒21之材質，可以使用陶瓷等耐熱材料。握持筒有 承擔制止直桿狀圓形剖面的原料金屬20，向其橫向（直徑方 向）移動之機能。握持筒2 1的內徑’爲須抑制原料金屬20 1254477 的露出部分產生振動，宜在中心1 0公分以下外，握持筒2 1 上端與圓板24間之距離，宜在5公分以下。在握持筒2 1 之下方，裝設有柱形的上堆機件3 8。又，爲密封箱室1 1的 底板1 1 a在上推機件3 8之通過外，裝設有密封物件3 9。 原料供給機構1 3，係經由液壓缸等機構的傳動裝置40 ’將原料金屬20以所需速度往上推向圓板周邊25。此外 ，傳送裝置40，除使用用液體壓力的液壓缸機構外，由電 動馬達或滾球螺絲、直線導向機件等組成直動機構，亦可 採用。液壓機構的分解能力，可以設在每秒1 /6公分以上。 又，如第3圖所示，在箱室1 1內，爲使圓板24作高速 旋轉，而裝設有旋轉帶動機構50。旋轉帶動機構50係由 裝在箱室1 1外面的馬達5 1，與由馬達5 1帶動的旋轉軸5 2 ’及旋轉軸5 2在箱室1 1的側板1 1 b的貫穿處爲密封所裝 的密封部5 3來組成。至於密封部5 3，舉例得以使用有磁 性流體的磁性流體密封部。 馬達5 1可使圓板24以分每鐘數千轉的程度旋轉，並使 圓板24之周邊25與熔融金屬20a造成接觸，而使得熔融 金屬20a之一部分，從圓板24的切線方向飛出，同時急速 冷卻而生成金屬細線2。 具有上述結構的金屬細線製造裝置1 0，在其箱室1 1內 ，至少要容納有握持筒2 1、高頻率感應線圈22與圓板24 。從而’使金屬細線2之製造在不活性周圍氣體內進行， 並於熔融原料金屬20a細線化時，得以有效的冷卻金屬細 線2。在這個時候，爲防止原料金屬20與金屬細線2受到 -19- 1254477 氧化，先將箱室1 1的內部抽氣到真空（例如到i Ο ·3〜i 〇 ·4 陶爾）後’再以Μ氣等不活性氣體送入箱室i i。 其次’就上述金屬細線製造裝置的作用說明。圓板2 4係 由旋轉帶動機構5 0帶動，按已定的速度，例如每秒2 〇公 尺來旋轉。握持筒2 1夾持例如外徑φ6毫米的原料金屬2〇 ，受原料供給機構1 3依例如每秒〇 · 5毫米的速度，往上徐 徐推向圓板24，使原料金屬2〇的上端部分移動到高頻率 感應線圈2 2的位置。原料金屬2 〇的上端部分受到高頻率 感應線圈22的加熱後，就在原料金屬2〇的上端形成熔融 金屬20a。然後，原料供給機構1 3就以已定的速度，例如 每秒0.5毫米程度，使原料金屬20向圓板24的周邊25移 動。此時的原料供給速度要因應圓板2 4的旋轉速度，調整 到爲製成期望線徑的金屬細線2所需之速度。 熔融金屬20a之溫度，係受到輻射溫度計37的連續測定 ，並將測得熔融金屬2 0 a之溫度信號送回高頻率發生裝置 36,使高頻率發生裝置36調整其輸出功率，使熔融金屬20 a 的溫度，可以保持固定。 熔融金屬20a接觸到圓板24周邊25的銳利刃口後，就 隨著圓板2 4旋轉而急速冷卻進行固化，成爲例如線徑2 0 微米〜1 〇微米金屬細線2，並不斷地從圓板24的切線方向 飛出，再被引入細線回收部1 4。至於原料供給機構i 3會 控制傳動裝置40將原料金屬20隨著熔融金屬20a之減少 ，徐徐往上推，使圓板24周邊25與熔融金屬20a之接觸 狀態，經常保持在一定不變的狀態。 -20- 1254477 在此，原料金屬2〇的上推速度之決定，要受到圓板24 的旋轉速度之關連，例如圓板24的旋轉速度在每秒20公 _ 尺的程度時，上推速度就宜在每秒1毫米以下。這樣在速 ~ 度上的配合調整，使熔融金屬20a在接觸到圓板24之際， 不致於飛散而能夠確實地線化。 金屬細線2就按如上述的情形而造出。所得出金屬細線 2之剖面係近於圓形，惟隨著圓板24與熔融金屬20a之狀 態，有一些程度的變化。以這樣的情形，使用金屬細線製 造裝置1 〇，就能夠有效率地製造所期望的線徑，例如i 00 φ. 微米以下的金屬細線2。採用金屬細線製造裝置1 〇的製造 _ 方法，因沒有施行抽線加工，故能獲得在材料的延展性、 韌性與加工性均不受到影響的金屬細線2。 此外，金屬細線之製造方法並不限於如前述，如熔液擠 出法、旋轉液中法、噴射急冷法、玻璃被覆熔融紡絲法等 的熔融紡絲法，旋削法、金屬線切削法及碰撞振動切削法 等等的切削法，鬚晶法、塗片法等，也可使用。雖會增加 加工段數與熱處理次數的單線抽出法與集束抽出法等抽線 加工法，也可以使用。 其次，就使用得出的金屬細線2來製造金屬纖維片i的 方法作說明。金屬纖維片1係，將按已定長度切斷的金屬 細線2作如棉狀的堆積，必要時加以壓縮成形而成。依照 這樣的方法，例如將金屬細線2做成棉狀之巢，亦即作成 非織片狀的金屬細線集合體，將數十張此集合體疊層壓縮 燒結而成的方法’或可採用針衝床加工來壓縮棉狀細線巢。 -21- 1254477 (第一實施形態） 本實施形態，係有關使用得自前述方法的金屬纖維片i 來做燃料電池。 第5圖係有關本實施形態的燃料電池中單元電池結構的 示意式剖面圖。第5圖所示者爲僅具有一個單元電池結構 1 〇 1的燃料電池1 00，但也可以具有複數個單元電池結構 1 0 1 °各單元電池結構1 0 1係由燃料極1 〇 2、氧化劑極1 〇 8 及固體電解質膜1 1 4所組成。單元電池結構1 〇 1係介在燃 料極側隔板1 20與氧化劑極側隔板之間，經導電連接而形 成燃料電池100。 燃料極102與氧化劑極108,係以觸媒層111在基體1〇4 、基體1 1 0上形成之結構。觸媒層1 06與觸媒層1 1 2可以 含有例如承載觸媒碳粒子與固體高分子電解質的微粒子。 基體104與基體110，係使用前述金屬纖維片1做成。 此處所用者以線徑φ在80微米以下的金屬細線2做成的金 屬纖維片1爲宜。金屬纖維片1之電阻，比向來使用之碳 紙等碳質材料，要小一位數字，導電性也良好。又，基體 1 04與基體1 1 〇，使用相同組成或不同組成的金屬纖維片1 來做，都可以。 用作燃料極102觸媒的物質有鉑、铑、鈀、銥，餓、釕 、銶、金、銀、鎳、鈷、鋰、鑭、緦、釔等金屬，這些物 質得以單獨或以兩種以上的組合來使用。另一面，氧化劑 極108的觸媒，也可以使用與燃料極1〇2觸媒相同的物質 ，亦即得以使用上列之金屬。另外，燃料極1 〇2與氧化劑 -22- 1254477 極1 〇 8的觸媒，兩者可以用相同的物質，也可 物質。 承載觸媒的碳粒子，則可採用乙炔黑[電化） 公司製：註冊商標）、XC72(VUlcan公司製）等： 、非晶形碳、奈米碳管、奈米碳D八等。碳粒子 例如0.01微米至0.1微米，較佳爲0.02微米i 〇 本實施形態的觸媒電極的組成成分固體高分 係在觸媒電極表面上，使承載觸媒碳粒子與固 114成導電連接，並有讓有機液體燃料流到觸 務’而受有質子導電性之需求，更有，在燃料 醇等有機液體燃料透過性之需求，在氧化劑極 透過性之需求。固體高分子電解質要滿足這些 ’就需使用具有優良質子導電性能與甲醇有機 過性能的材料。具體而言，宜使用磺酸基、磷 基或羧酸基等弱酸基等，具有極性基的有機高 對於這類有機高分子，可具體地採用者，以具 骨架的與具有質子酸基的含氟高分子等爲宜。 以使用聚醚酮、聚醚醚酮、聚醚颯、聚醚醚颯 硫化物、聚伸苯、聚二苯醚、聚苯乙烯、聚亞 咪唑、聚醯胺等高分子。此外，爲減少液體燃 聚合物以用不含氟之碳氫化合物材料爲宜。至 物的基體言，也可以用含有芳香族基體的聚合 又’作爲質子酸基結合對象。聚合物基體物 以用不同的 県（電氣化學 I，廚房爐黑 之粒徑在， g 〇·〇6微米 子電解質， 體電解質膜 媒表面之任 極102有甲 1〇8則氧氣 性能的需求 液體燃料通 酸基等強酸 分子爲宜。 有氟化樹脂 此外，也可 、聚颯、多 胺、聚苯并 料之跨越， 於，就聚合 物。 質有，聚苯 -23- 1254477 并味D坐衍生物、聚苯并噁唑衍生物、聚伸乙亞胺架構物、 聚石夕胺彳打生物、聚二乙胺乙基苯乙烯等胺基取代的聚苯乙 燒 '聚二乙胺甲基丙烯酸乙酯等被氮取代的聚丙烯酸等具 有氮的或具有羥基的樹脂；含有矽烷醇的聚矽氧烷、聚羥 乙基甲丙燦酸爲代表的含羥基聚丙烯酸樹脂；聚對羥基苯 乙燃所代表的含羥基聚苯乙烯樹脂等，也可使用。 又’對於上面舉例的聚合物，也可以用引入適宜的交聯 性取代基者，例如，乙烯基、環氧基、丙烯基、甲丙烯酸 基、苯丙燒醯基、羥甲基、疊氮基、萘醌二疊氮基等。又 ’以這些取代基作交聯結合者也可以使用。 具體來說’當作第一個固體高分子電解質15〇或第二個 固體高分子電解質丨5 i，可以採用的聚合物有，如磺化聚 醚酮；磺化聚醚醚酮；磺化聚醚颯；磺化聚醚醚颯；磺化 聚醚颯；磺化多硫化物；磺化聚伸苯；磺化（4 _苯氧基苯甲 醯基-1，4-伸苯）、磺烷基聚苯并咪唑等含有芳香族的高分子 •，磺化院基聚醚醚酮；磺烷基聚醚颯；磺烷基聚醚醚颯； 磺院基聚礪；磺烷基多硫化物；磺烷基聚伸苯；含磺酸基 全氟化烴（納非旺，杜邦公司製）、阿西不列克斯（旭化成公 司製）等；含羧基全氟化烴（氟烈密旺S膜，旭玻璃公司製） 等；聚苯乙烯磺酸共聚物、聚乙烯磺酸共聚物、交聯烷基 磺酸衍生物、由氟化樹脂骨架與磺酸生成之含氟高分子等 等的共聚合物；像丙烯醯胺-2-甲基丙磺酸的丙烯醯胺類與 甲基丙烯酸正丁酯等進行共聚所得之共聚合物。此外，也 可以用芳香族聚醚醚酮或芳香族聚醚酮。 -24- 1254477 上述這些聚合物中，如從離子導電性等觀點來考量，則 宜採用含有磺酸基的全氟化烴（納非旺’杜邦公司製）、阿 西不列克斯（旭化成公司製）等、含有羧基的全氟化烴（氟烈 密旺、S膜，旭玻璃公司製）等。 燃料極102與氧化劑極108所用的上述固體高分子電解 質，可爲相同者亦可爲不同者。 固體電解質膜114，除分隔燃料極102與氧化劑極1〇8 外，尙有使氫離子在兩極間移動之任務。因此固體電解質 膜1 1 4，宜採用質子導電性高的膜。此外，亦宜具有高度 的化學安定性與機械性強度。 要用作固體電解質膜1 1 4的材料，舉例可以採用含磺酸 基、磺烷基、磷酸基、膦酸基、磷基、羧基、磺亞胺基等 含有質子酸基者。與這種質子酸基結合爲對象基體的聚合 物有，聚醚酮、聚醚醚酮、聚醚颯、.聚醚醚楓、聚颯、多 硫化物、聚伸苯、聚二苯醚、聚苯乙烯、聚亞胺、聚苯并 咪唑、聚醯胺等做的膜可以採用。又，就爲減少甲醇等液 體燃料之跨越的觀點言，在聚合物，可以使用不含氟氫類 的膜。此外’作爲基體的聚合物，也可以用含芳香族的聚 合物。 又，與質子酸基結合對象基體的聚合物有，聚苯并咪唑 衍生物、聚苯并噁唑衍生物、聚伸乙亞胺架構物、聚矽胺 衍生物、聚二乙胺乙基苯乙烯等用胺基取代聚苯乙烯、聚 二乙胺甲丙嫌酸乙酯等的氮取代聚丙烯酸的氮或含羥基的 樹脂；含有矽烷醇的聚矽氧烷、聚羥基甲基丙烯酸乙酯等 -25- 1254477 所代表的聚丙烯酸樹脂；聚（對-羥基苯乙烯）所代表的含經 基聚丙烯酸樹脂；等等均可使用。 又’就上述聚合物來說，具有引入適宜交聯性的取代基 ，如乙烯基、環氧基、丙烯基、甲丙烯基、桂皮醯基、經 甲基、疊氮基、萘醌二疊氮基等的聚合物，也可以使用。 又’由這些取代基所架構而成的聚合物也可以使用。 具體來說，作爲固體電解質膜114之聚合物有，磺化聚 醚醚酮；磺化聚醚颯；磺化聚醚醚颯；磺化聚颯；磺化多 硫化物；磺化聚伸苯；磺化（4-苯氧基苯甲醯基-1，4-伸苯） 、甲基磺化聚苯并咪唑等含芳香族的高分子·，磺酸烷基化 聚醚醚酮；磺酸烷基化聚醚颯；磺酸烷基化聚醚醚颯；碯 酸烷基化聚颯；磺酸烷基化多硫化物；磺酸烷基化聚伸苯 :含磺酸基全氟化烴（納非旺，杜邦公司製）、阿西不列克 斯（旭化成公司製）等；含羧基全氟化烴（氟烈密旺S膜（旭玻 璃公司製））等；聚苯乙烯磺酸共聚物、聚乙烯磺酸共聚物 、架構烷基磺酸衍生物、由氟化樹脂骨架與磺酸所生成之 含氟高分子等的共聚物；由丙烯醯胺-2-甲基丙磺酸等丙烯 醯胺類與甲基丙烯酸正丁酯等甲基丙烯酸鹽類共聚合生成 之共聚合物；等等都可以使用。又，芳香族聚醚醚酮或芳 香族聚醚酮也可以使用。 此外，在本實施態樣中，從抑制跨越之觀點言，固體電 解質膜II4及第一個固體高分子電解質150或第二個固體 高分子電解質1 5 1，皆宜採用對有機液體燃料透過性低的 材料。例如，磺化聚（4-苯氧基苯甲醯基-1，4-伸苯）、烷基磺 -26- 1254477 化聚苯并咪唑等由芳香族縮合系高分子組成者爲宜。又， 固體電解質腠114與第二個固體高分子電解質ι51，其受 甲醇引起潤的程度應在5 0 %以下，更宜在2 〇 %以下（對7 0 體積％甲醇水丨谷液的膨潤性而百）。這樣，就能夠得到良好 的界面密接性能與質子導電性能。 另外’在燃料電池1 00所使用的燃料i 24有，如甲醇等 液體燃料’並得以採取直接供給的方式。又，如使用氫氣 作燃料也可以。又，可由天然氣、石油腦等燃料轉化製成 的氫氣也可以使用。至於氧化劑1 2 6，則可使用氧氣或空 氣。 其次’本實施形態有關的燃料電池用電極與燃料電池1 〇〇 的製造方法，並無特別的限制，例如可以下述之方法製造。 將上述方法製成的金屬纖維片1，按已定大小切割就得 出基體104與基體1 1〇。燃料極1〇2與氧化劑極108的觸 媒作成碳粒子承載的方法，通常可用含浸法。將承載觸媒 白勺f立子與固體高分子電解質分散於溶劑中，作成糊漿後 ’將其塗片在基體，使乾燥後就得出燃料極1 02與氧化劑 極108。此處，碳粒子之粒徑，可爲如0.01微米以上〇· 1 微米以下。觸媒粒子之粒徑，則可爲如1奈米以上1 0奈米 以下。又，固體高分子電解質粒子之粒徑，可在如0.05微 米以上1微米以下。至於，碳粒子與固體高分子電解質粒 子之比例，以重量比言，可在如2 : 1〜4 0 : 1的範圍內。又， 糊漿中水與溶質的重量比，舉例可在1 ·· 2〜1 0 : 1的程度。 基體1 04與基體1 1 〇的糊漿塗片方法，並無特別的限制 -27- 1254477 ，如，可用毛刷塗片、噴霧塗片與孔版印刷等方法。糊漿 的塗片厚度，例如可在約1微米以上2毫米以下。糊漿塗 片後，就要因應所用氟化樹脂所適宜的加熱溫度與加熱時 間進行加熱’而作成燃料極1 0 2或氧化劑極1 〇 8。加熱溫 度與加熱時間雖依所用材料而作適宜選定，但如舉例，則 加熱溫度可在1 〇 〇 °C以上2 5 0 °C以下，加熱時間可在3 0秒 以上3 0分以下。 尙有’基體1 04或基體1 1 〇之表面，亦可作疏水處理。 尤其是氧化劑極1 0 8，在構成基體i〇的金屬細線2之孔 內’以附著撥水性物質等方法，來做成疏水性區域爲宜。 因金屬細線2之表面屬親水性，故將其一部分作成疏水性 區域後，氣體與水移動路徑均可得到適當的確保。因而， 在氧化劑極1 0 8的電極反應所生成水分，可以有效率的排 出外，對氧化劑1 2 6的供給亦可有效率的進行。 基體104與基體110表面的疏水處理方法，可用如，聚 乙烯、鏈烷烴、聚二甲基矽氧烷、聚四氟乙烯、四氟乙烯 全氟化烷基乙烯醚共聚物（PFA)、四氟乙烯六氟丙烯共聚物 、氟化乙烯丙烯（FEP)、聚全氟化辛基丙烯酸乙酯（FMA)、 聚磷肌酸等疏水物質的溶液或懸浮液，將基體1 04或基體 1 1 〇浸在溶液內與溶液接觸，使撥水性物質附著在金屬細 線之孔內。尤以使用聚四氟乙烯、四氟乙烯全氟化烷基乙 烯醚共聚物、氟化乙烯丙烯、聚（全氟化辛基丙烯酸乙酯、 聚磷肌酸等高撥水性物質，就會形成適宜的疏水性區域。 又’將聚四氟乙烯、四氟乙烯全氟化烷基乙烯醚共聚物 -28- 1254477 、氟化乙嫌丙烯、氟化瀝青、聚磷肌酸等疏水性材料粉碎 後’懸浮在溶劑中再用來塗片也可以。塗片液亦可用疏水 性材料與金屬或碳等導電性物質混合而成的混合懸浮液。 又’塗片液也可由具有撥水性的導電纖維，如道理馬隆（日 纖公司製）等’將其粉碎懸浮在溶劑中而做成者。像這樣， 使用具有導電性且有疏水性物質的結果，使得電池的輸出 功率更爲提高。
又’將金屬或碳等導電性物質粉碎後，先被覆上述疏水 性材料後’再做成懸浮液來塗片也可以。其塗片方法並無 特別限制’如用毛刷塗片、噴霧塗片與孔版印刷等均可以 。基體1 04或基體i i 〇之一部分形成疏水區域，可藉調節 塗片量來達成。又如在基體104與基體110的僅一方表面 作塗片時，則得出有親水面或疏水面的基體104或基體11〇。
此外，在基體104或基體110表面，亦可採用電漿法導 入疏水基。這種作法，可以使疏水部分之厚度，調節到想 要的厚度。例如，可在基體104或基體110表面，施行四 氟化碳電漿處理。 固體電解質膜1 1 4，可因應採用的材料，選用適當的方 法來製造。例如固體電解質膜要用有機高分子材料來作時 ，可將溶解或分散在溶劑中有機高分子材料的液體，聚四 氟乙烯等剝離性片上，澆鑄後乾燥而成。 將得出的固體電解質膜，夾在燃料極102與氧化劑極108 之間，經熱壓後則得觸媒電極-固體電解質膜的接合體。此 時，要使兩個塗片有觸媒電極之表面與固體電解質膜成爲 -29- 1254477 連接狀態。熱壓條件雖依所用材料而定，但固體電解質膜 與電極表面的固體高分子電解質，是由具有軟化點或玻璃 轉移溫度的有機高分子做成時，可使熱壓溫度超出此等高 分子的軟化溫度或玻璃轉移溫度。具體地說，如溫度可在 100 °C至250 °c’壓力在每平方公分1公斤至每平方公分1〇〇 公斤’時間在1 0秒鐘至3 00秒鐘至。得出的觸媒電極_/固 體電解質膜接合體，就是第5圖所示單元電池結構1〇1。 本實施形態的燃料電池1 〇 〇，爲輕量小型且高輸出功率 者’故適用於作爲隨身電話等携帶型機器用之電池。 (第二實施形態） 本實施形態，係有關第一種實施形態所記載之單元電池 結構1 0 1 ’不設置端板所構成之燃料電池。第8圖表示有 關本實施形態燃料電池之構造示意圖。 第8圖的燃料電池中，沒有設置燃料極側隔板丨2〇與氧 化劑極側隔板122，而基體1〇4與基體110係由氣體擴散 層與集電電極重疊而成的結構。在基體104與基體11〇分 別裝設有燃料極側接頭447與氧化劑極側接頭449。基體 1 04與基體1 1 〇係用金屬纖維片1作成，由於其導電性能 比碳質材料高出一位數字以上，故不需裝設巨大的金屬集 電零件’亦能進行有效率的集電。 作成這樣的結構，燃料電池1 〇〇的小型化、輕量化、薄 型化就成爲可能，且能使製造程序簡化。更因在基體1 04 與燃料極側隔板1 20之間，或在基體1 1 〇與燃料極側隔板 1 22之間’不產生接觸電阻，故輸出功率也得以提升。此 -30- 1254477 外’此處金屬纖維片i所構成之金屬細線2，也可以用非 晶形材質者。這種非晶形材質，可由急速冷卻凝固法製成 之鐵或銘等鐵族兀素加入硼、碳、磷、砂等半金屬元素15 重量％至3 0重量％組成的合金做成，也可以用澆鑄法作成 僅含金屬組成者。以急速冷卻凝固法製成合金之實例有， 鈷-鈮-鉅-鍩系與鈷-鉅-鉻系等。這樣作法可使金屬細線2 的強度與耐酸性能得以提高，且難於產生龜裂，使金屬纖 維片1的機械性能與耐久性能得以提升。 又’在第8圖的燃料電池，因其基體104與燃料容器425 互無接連，燃料124就從設在燃料容器425上的孔，有效 率地送入基體104。基體104與燃料容器425之連接，可 以使用對燃料1 24具有耐性的接著劑來黏接，或用螺絲與 螺帽等來固接也可以。 第8圖的燃料電池，因有密封4 2 9將基體1 〇 4之側面周 圍覆蓋，而抑制燃料之洩漏。基體104的材料，因使用金 屬纖維片1的結果，變成不需要集電電極，使燃料容器與 構成燃料極102的基體104成接觸，成爲供給燃料124的 結構，使得薄型、小型與輕量化的燃料電池，更能達成。 又’因氧化劑極也不用端板，使空氣或氧氣等氧化劑i 2 6 以直接接觸的方式供給。此外，氧化劑極1 〇 8基體1 i 〇的 包裝材料等，只要是不妨礙小型化的件材，也能經介著包 裝供給適當的氧化劑1 2 6。 (第三實施形態） 本實施形態爲在第一實施形態所記載燃料電池i 00中， 1254477 基體1 04與基體1 1 〇的金屬細線2表面，已做成粗面化， 在基體104與基體110的表面，沒有碳質粒子遮蓋而直接 承載觸媒所構成的燃料電池。 第6圖係表示，構成第5圖燃料電池的單元電池結構1 0 i ’其燃料極102與固體電解質膜114的示意式剖面圖。如 圖所示，燃料極102的基體104，用金屬纖維片1做成， 構成片的金屬細線2表面有凹凸構造，並在其表面上被覆 有觸媒4 9 1。 另一面，第7圖係表示以往的燃料電池用電極結構的示 意式剖面圖。第7圖之基體104係用碳質材料作成，在其 表面有形成固體高分子電解質粒子150與承載觸媒碳粒子 1 4 0的觸媒層。 下述以燃料極102爲例，就第6圖與第7圖作一比較， 以說明本實施形態有關的燃料電池之優點。首先，第6圖 燃料極102的基材，係採用金屬纖維片1。金屬纖維片i 因具有優良的導電性，故在燃料電池1 00，如第一實施形態 所述，不需在電極外側設置巨形金屬等集電電極。另一面 ，第7圖中基體1〇4係使用碳質材料，故需有集電電極。 又，第6圖中構成基體104的金屬細線2之表面，已予 以粗面化。因而’基體104的表面積就增加，可承載的觸 媒量也隨之增加。 因此，承載足夠數量觸媒49 1所需的表面積得以確保， 能夠達到如第7圖用碳質粒子之承載觸媒量相同程度的觸 媒49 1承載量。此外，基體104表面’亦可施以撥水處理。 -32- 1254477 又，燃料極102的電化反應，係發生在觸媒 高分子電解質粒子150及基體104三者之界面 在所謂的三相界面，確保三相界面就成爲重要 ，因基體104與觸媒491有直接的接觸，而使 固體高分子電解質粒子150之接觸部分均成三 確保了基體104與觸媒491間的電子移動路徑 另一面，第7圖中承載觸媒的碳粒子140中 體高分子電解質粒子150與基體104皆有接觸 效。因此，像承載觸媒碳粒子A所承載的觸顏 表面上所生之電子，就能從承載觸媒碳粒子A | 流出電池外界，但像承載觸媒碳粒子B，與基 接點之粒子，即使在有碳粒子承載的觸媒（未U 生的電子，也無法流出電池外界。又，就承載 A言，承載觸媒碳粒子140與基體1〇4之接觸 491與金屬纖維片1的接觸電阻大，故第6圖 確保良好的電子移動路徑。 這樣由第6圖與第7圖的比較結果，作成第 就可提高觸媒4 9 1的利用效率與集電效率。因 池結構的輸出功率特性得以提升，而燃料電池 亦得以隨之提升。又，由於可以省去用碳承載 ’使電池的構造與其製造得以簡化。 觸媒4 9 1能夠承載在基體1 〇4表面就好。可 104表面的一部分或全部。如第6圖所示，基 面全部有被覆，這樣能使基體1 04的腐蝕得到 491與固體 ，也因發生 。第6圖中 觸媒4 9 1與 相界面，而 〇 ，僅有與固 的粒子才有 [(未圖示）其 I由基體104 體104沒有 圓示）表面產 觸媒碳粒子 電阻比觸媒 的構造較可 6圖的結構 此，單元電 的電池特性 觸媒的程序 以被覆基體 體104的表 抑制，是理 •33- 1254477 想的作法。觸媒491在基體104表面之被覆厚度，雖無特 別的限制，舉例可在1奈米以上5 0 0奈米以下。 本實施形態有關的燃料電池本體，基本上可由第一種實 施形態同樣的方法得到，故以下僅就不同之點說明製作方 法。 本實施形態有關的燃料電池本體，其基體1 〇4與基體1 1 〇 構成材料的金屬纖維片1表面已粗面化，而在表面形成凹 凸構造。要在金屬纖維片1表面，做成微細的凹凸構造的 方法有電化鈾刻與化學蝕刻等的鈾刻方法可以使用。 在電化蝕刻，有使用陽極分極等電解蝕刻來作。此時， 基體1 04與基體1 1 0可浸入電解液內，採用如1伏特〜〇 伏特程度的直流電壓來蝕刻。至於電解液，則如鹽酸、硫 酸、過飽和草酸、磷酸鉻酸混合液等酸性溶液，均可使用。 又，要作化學蝕刻時，可將基體1 0 4與基體1 1 0浸入含 氧化劑的腐蝕液內。腐蝕液有硝酸、硝酸酒精溶液（硝石） 、苦味酸酒精（苦味酸基）、氯化鐵溶液等可以使用。 又本實施形態，係在基體1 04與基體1 1 〇的表面上承載 金屬的觸媒。觸媒4 9 1的承載方法有，電鍍、無電極鍍金 等鍍金法、真空蒸氣沈積、化學蒸氣沈積等蒸氣沈積法等 可以使用。 要作電鍍時，可將基體1〇4與基體110浸入含有要鍍的 觸媒金屬離子之水溶液內，以1伏特〜1 〇伏特程度的直流 電壓進行電鍍。例如，要鍍白金時，可將二硝酸二氨鉑、 六氯化二銨鉑等放入硫酸、胺磺酸、磷酸銨等的酸性溶液 -34- 1254477 內，以每1 00平方公分〇 . 5〜2安培的電流密度，進行電鍍 。又，如電鍍2種以上金屬時，在另一金屬成擴散律速濃 度區作電壓調整，就能得到所需厚度與重量的鍍金。 其次’要進行無電解鍍金時，在含有要鍍的金屬離子， 如鎳、鈷、銅等離子的水溶液內，加入還原劑，如次亞磷 酸鈉或硼氫化鈉等還原劑後，將基體1 04與基體1 1 〇浸入 其中，加熱到9 0〜1 0 0 °C。
將上述加熱後的基體104與基體110，以浸入固體高分 子電解質溶液等方法，使固體高分子電解質附著在觸媒4 9 1 表面上，再將其夾在燃料極102與氧化劑極1〇8中間，進 行熱壓，就得出觸媒電極-固體電解質膜接合體。
又，爲使基體104與基體110有優良耐蝕性能，亦可不 被覆觸媒在基體、104與基體110的表面上。例如使用粒狀 的觸媒491附著在基體104與基體1 10表面的結構，也可 以用。這樣的觸媒電極，可用觸媒49 1與固體高分子電解 質作成分散液，以第一種實施形態相同方法塗片在基體1 04 與基體110表面而成。 又，爲確保兩電極與固體電解質膜1 1 4的密接性，共爲 確保在觸媒電極的氫離子移動路徑，可在燃料極102與氧 化劑極108表面上設置質子導電體層，使表面平坦化較宜 。第4圖係，燃料電池102與固體電解質膜114的另一種 結構，以示意式剖面圖表示者。第4圖之結構，係在第6 圖基體104結構的表面設置平坦化層493而成之結構。由 於設置平坦化層493結果，使固體電解質膜1 14與基體1 10 -35- 1254477 之間的密著性提高了。 基體104與基體110要在其表面做成平坦化層493時， 平坦化層49 3可以使用離子交換樹脂等的質子導電ρ。這 樣作’可以使固體電解質膜1 14與觸媒電極間的氫離子移 動路徑得以適當的形成。平坦化層493的材料，司*彳足@ ρ 電解質或固體電解質膜114所用的材料選用。 (第四實施形態） 本實施形態係有關燃料電池所用之金屬纖i_ 面之空隙率大於另一面者。這樣的金屬纖維片1，例如， 可以採用在其厚度方向具有密度傾斜的金屬纖維片丨。又 ，以兩張以上不同空隙率的金屬纖維片1積層體來用，也 可以。在此’以第一種實施形態所記載燃料電池1 〇〇，就 基體104與基體110係採用二張不同密度的金屬纖維片1 重疊者爲例，來作說明。 在燃料電池1〇〇中，基體104與基體〗10之密度愈高， 即其電子移動的效率雖也會愈好，但對燃料1 24或電化反 應所生二氧化碳的透過性卻會下降。一方面，基體1 〇 4與 基體110之密度愈低時，這些氣體之透過性也會愈高，但 在製作觸媒層106與觸媒層112時，觸媒糊漿會從基體104 與基體1 1 0之細孔漏出造成塗片量減少。此外，電子的移 動性亦會降低。 因而，在本實施形態的基體104與基體110，均使用兩 張金屬纖維片1之積層體。此時，在與固體電解質接觸的 一側，即在有觸媒層1 〇 6與觸媒層1 1 2之側，裝設高密度 -36- 1254477 金屬纖維片1，在燃料電池1 Ο 0之外側則裝設低密度金屬 纖維片1。 基體104與基體1 10作成這樣的積層體後，燃料124與 · 氧化劑1 2 6就可有效率地引入觸媒電極，也可促進所生成 二氧化碳之排放。又，因觸媒層1 〇 6與觸媒層1 1 2所含承 載觸媒碳粒子跟金屬纖維片1之接合處，可以得到充分的 確保，所以在觸媒電極所產生電子，就能有效率地流出燃 料電池100外部。又，在基體104與基體1 10表面上作成 觸媒層1 0 6與觸媒層1 1 2的操作性也得以提升，而能將充 分數量的觸媒敷設在基體104與基體110的表面上。 ^ 以上，係就本發明的實施形態作了說明。這些實施形態 係屬舉例，這些各構成要素與各處理程序，可以有種種不 同的組合例，而這些不同的組合例亦屬本發明的範圍，尙 請本行業者能予了解。 例如，在有關本實施形態燃料電池的電極端子，設置接 連組件，藉此就可組合成複數個的不同電池組。也可採用 並聯、串聯或兩者的組合，而構成所需電壓、容量之電池 組。又，將複數個平放並排的燃料電池連結成電池組也可 以，或以隔板夾介於單元電池結構1 0 1中間組成疊層，以 形成套組也可以。作成套組的燃料電池，能夠安定地發揮 優秀的輸出功率性能。 又，本實施形態的燃料電池，其電極因使用良導電率的 多孔性金屬片，故不限於平板型，作成圓筒型構造者，亦 能將觸媒反應所產生電子，有效率地送出電池外部。 -37- 1254477 (實施例） 以下就本貫施形態的燃料電池用電極與燃料電池，以實 施例作具體的說明，但其內容並不限於本發明範圍。 (實施例） 先從含有鐵、鉻、砂等組成元素的金屬細線製成金屬纖 維片。所得金屬纖維片的主要成分組成爲Fe75Cr⑼Si5(重量 % )，厚度爲0 · 2毫米，空隙率在4 0 %〜6 0 %範圍內。又，構 成金屬纖維片的金屬細線線徑約爲3 〇微米。係用此纖維片 來製作燃料電池並進行評價。 在金屬纖維片表面上，按下述作成觸媒層。先選用含固 體高分子電解質5重量％的納非旺酒精溶液（爾都立治化學 公司製）’加入醋酸正丁酯使固體高分子電解質量成爲0.1 〜〇.4mg/cm2，混合攪拌成固體高分子電解質的膠體狀分散 液。 燃料極觸媒，係使用碳微粒子（電化黑，電氣化學公司製） 承載50%重量比，粒徑3〜5奈米白金觸媒的觸媒承載碳粒 子，而氧化劑極觸媒，則使用碳微粒子（電化黑，電氣化學 公司製）承載5重量％，粒徑3〜5奈米白金觸媒的承載觸媒 碳粒子。將承載觸媒碳粒子加入固體局分子電解質膠體狀 分散液內，用超音波分散器作成糊漿狀。此時’固體高分 子電解質與觸媒之混合比’應作成1 : 1重量比。此糊漿用 孔版印刷法，以2mg/cm2的量塗片在金屬纖維片上面後’ 加熱乾燥，就成爲燃料電池用電極。將此電極安置於杜邦 公司製固體電解質膜納非旺的兩面，以溫度1 3 0 °C ’壓力 -38- 1254477 lOkg/cm進行熱壓，作成觸媒電極-固體電解質膜接合體 。此時’可使金屬纖維之端部突出在固體電解質膜端部之 外，而形成接頭。
將得出的觸媒電極-固體電解質膜接合體，作成如第8圖 的評價用結構後，進行燃料電池輸出功率測定。燃料容器 側端部用密封材料密封後，將1 〇v/v%容量百分比的甲醇水 溶液注入燃料容器內。在燃料極側之燃料，則通經金屬纖 維片來供給’而氧化劑側則空氣可自然地流入。將此燃料 電池的輸出功率在1氣壓，25 °C室溫下測定結果，得到 100mA/cm2電流與〇·4ν電壓的輸出功率。經過1〇〇〇小時 的連續測定後，其輸出功率電壓仍未見下降。 (比較例） 係將實施例燃料電池的金屬纖維片換成碳紙來用，並加 裝端板所做成的燃料電池。至於觸媒電極，即燃料極與氧 化劑極（氣體擴散電極）所用碳系材料，則使用厚度0.1 9毫 米的碳紙（東麗公司製），以實施例相同方式製作觸媒電極― 固體電解質膜接合體。而在觸媒電極外側裝設端板，燃料 φ 極側與氧化劑極側的端板則用螺釘與螺帽來壓緊，使觸媒 電極-固體電解質膜複合體與端板壓接成一體。端板則使用 厚度1毫米的SUS316。 在製成之燃料電池燃料極注入1 〇 V / V %的甲醇水溶液，在 氧化劑極則供給空氣。在1氣壓，2 5 °C室溫下測定此燃料 電池的輸出功率結果，於l〇〇mA/cm2電流下有0.37V電壓 。又，經過1 000小時後的輸出功率爲0.35 V。 -39- 1254477 依據上述貫施例與比較例，可知本實施形態使用了金屬 纖維片結果，得以使燃料電池小型化、輕量化與薄型化。 又知，具有優良輸出功率的燃料電池得以實現。此外，此 金屬纖維片具有優良耐鈾性，經長期使用亦不令降低燃料 電池的輸出功率，而提升了耐久性能。 (五）圖式簡單說明 以上所陳述的目的、特徵與優點、以及在下面要陳述的 適當實施形態，可從其附陳的圖面得到更清楚的了解。 第1圖係本實施形態的金屬纖維片的結構，以示意圖方 式表示。 弟2圖係金屬細線製造裝置之構造示意圖。 第3圖係第2圖的金屬細線製造裝置在ρ 3 - F 3方向的剖 面示意圖。 第4圖係將燃料電池的燃料極與固體電解質膜之結構， 以示意圖方式表示的剖面圖。 第5圖係本實施形態中所關於的燃料電池內之單元電池 的結構，以示意圖方式表示的剖面圖。 第6圖係第5圖的燃料電池內燃料極與固體電解質膜的 結構，以示意圖方式表示的剖面圖。 第7圖係以往之燃料電池內燃料極與固體電解質膜的結 構，以示意圖方式表示的剖面圖。 第8圖係本實施形態中關於的燃料電池之結構圖。 1254477 元件符號說明 A 承載觸媒碳粒子 B 承載觸媒碳粒子 F 傳動軸 F3 F3-F3方向剖面 R 旋轉方向（如箭頭） 1 金屬纖維片 2 金屬細線 10 金屬細線製造裝置 11 箱室 11a 箱室底板
lib 箱室側板 12 裝 13 原 14 細 20 桿 20a 熔 2 1 握 22 高 置本體 料供給機構 線回收部 狀原料金屬 融金屬 持筒 頻率感應線圈 23 延伸軸 24 圓板
25 圓 板 周 邊 30 開 關 閥 3 1 Μ J\S\ 氧 化 性 周 圍 氣體製造裝置 35 電 流 控 制 部 36 高 頻 率 產 生 裝 置 37 輻 射 溫 度 計 38 上 推 機 件 39 密 封 物 件 40 傳 動 裝 置 50 旋 轉 市 動機構 5 1 馬 達 -41- 旋轉軸 密封部 燃料電池 單元電池結構 燃料極 基體 觸媒層 氧化劑極 基體 觸媒層 固體電解質膜 隔板 隔板 燃料 氧化劑 粒碳子 固體高分子電解質 燃料容器 密封 燃料極側接頭 氧化劑極側接頭 觸媒 平坦化層 -42-