專利名稱：燃料電池和燃料電池系統(tǒng)以及電子裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及直接向燃料電極供給曱醇以進行反應(yīng)的燃津牛電池
3口直4妄曱醇燃辟+電池(DMFC )和-使用該燃沖+電池的燃^l"電池系統(tǒng)、 以及電子裝置。
背景技術(shù)：
存在能量密度和輸出密度作為表示電池特性的指標(biāo)。能量密度 是指每單位質(zhì)量的電池的能量積累的量。輸出密度是指每單位質(zhì)量
的電池的出的量。因為^!里離子二次電池同時具有相對高的能量密 度和顯著高的輸出密度的兩種特征，并且還具有高質(zhì)量的成品率， 因此,皮廣泛選^t奪作為移動裝置的電源。然而，近年來，隨著移動裝 置高性能的實現(xiàn)，傾向于增加電力消耗，并且期望進一步提高鋰離 子二次電池的能量密度和輸出密度。
作為4晉施，給出了對構(gòu)成正極和負(fù)極的電才及材并+的變化、對電 才及材料的涂覆方法的改善、以及對封入電極材料的方法的改善，并 進行著提高鋰離子二次電池的能量密度的研究。然而，對于實際使 用困難仍然很高。而且，除非用于鋰離子二次電池的現(xiàn)有的材料發(fā) 生改變，否則難以期望在能量密度上有急劇的改善。
因此，迫切地期望開發(fā)具有更高能量密度的電池來取代鋰離子 二次電池。燃料電池被認(rèn)為在具有可能性的電池中較為突出的。
燃料電池具有電解質(zhì)被設(shè)置在陽極(燃料電極)和陰極(氧氣 電極)之間的結(jié)構(gòu)，并且分別地，燃料電極被供以燃料，而氧氣電 極被供以空氣或氧氣。結(jié)果，在燃料電極和氧氣電極中發(fā)生燃料被 氧氣氧化的氧化還原反應(yīng)，并且燃料中的部分化學(xué)能被轉(zhuǎn)化成電能 后被取出。
已經(jīng)提出了或試制了各種類型的燃料電池，它們已被部分地投 入實際使用。根據(jù)其中使用的電解質(zhì)，這些燃料電池被分類為石成性
電解質(zhì)型燃料電池(AFC)、磷酸型燃料電池(PAFC)、熔融碳_酸鹽 型燃料電池(MCFC)、固體氧化物型燃料電池(SOFC)、固體高分 子型傻W牛電池(PEFC)等。與這些電池中的其4也電-也相比，PEFC 能夠在例如約30。C至130。C的4交低溫度下工作。
作為用于燃料電池的燃料，可以使用各種易燃性物質(zhì)如氫氣或 甲醇。然而，氣體燃料如氫氣必需提供有一個儲存用的圓筒(鋼筒)， 所以它不適合于小型化。另一方面，液體燃沖牛如曱醇在易于4諸存這 點上是有利的。特別地，因為DMFC不需要提供從燃料中取出氫氣 的改質(zhì)器(重整器)，所以它具有簡化結(jié)構(gòu)和易于實現(xiàn)小型化的優(yōu) 點。
在DMFC中，通常將作為燃料的曱醇以低濃度或高濃度的水溶 液供給至燃料電極，或者以氣體狀態(tài)的純甲醇供給，然后它在燃料 電才及的催化劑層中,皮氧化成二氧化碳。在該工藝過程中產(chǎn)生的質(zhì)子 穿過將燃料電極和氧氣電極隔開的電解質(zhì)膜移動到氧氣電極，并且 在氧氣電才及中與氧氣反應(yīng)而產(chǎn)生水。在燃料電極、氧氣電才及以及整 個DMFC中發(fā)生的反應(yīng)由化學(xué)式1表示。
<formula>formula see original document page 6</formula>(化學(xué)式1 )
燃料電極CH3OH + H20 — C02 + 6e +6H+ 氧氣電極(3/2)02 + 6e-+ 6H+— 3H20 整個DMFC: CH3OH + (3/2) 02 — C02 + 2H20
作為DMFC燃料的甲醇的能量密度理論上為4.8 kW/L，并且
它是通常的鋰離子二次電池的能量密度的10倍以上。即，Y吏用曱 醇作為燃料的燃料電池具有較多的超過鋰離子二次電池的能量密
度的可能性?？紤]到上述，在各種類型的燃料電池中，DMFC具有 最高的可能性以用作移動裝置、電動車輛等的能源。
然而，雖然DMFC的理i侖電壓為1.23V, <旦當(dāng)實際發(fā)電時發(fā)生 輸出電壓一皮降低至約0.6 V以下的問題。1#出電壓的降低來源于由 DMFC的內(nèi)部電阻產(chǎn)生的電壓下降。在DMFC中，存在內(nèi)吾P電阻 如伴隨發(fā)生在陽極和陰極兩者中的反應(yīng)的電阻、伴隨物質(zhì)移動的電 阻、當(dāng)質(zhì)子移動穿過電解質(zhì)膜時產(chǎn)生的電阻，進一步地，接觸電阻 等。因為根據(jù)曱醇的氧化可以實際取出為電能的能量表示為在發(fā)電 過程中的輸出電壓與電3各中電流的量的乘積，所以當(dāng)在發(fā)電過程中 輸出電壓降低時，可以實際取出的能量的量也相應(yīng)減少。如果全部 量的甲醇按照化學(xué)式1在燃料電極中被氧化，則在DMFC中通過曱 醇的氧化可以取出到電路的電量與曱醇的量成比例。
在DMFC中還出現(xiàn)曱醇跨越(crossover )的問題。曱醇跨越是 指通過以下兩種機制甲醇從燃料電極側(cè)滲透過電解質(zhì)膜到達氧氣 電極側(cè)的現(xiàn)象，該兩種機制是由于在燃料電極側(cè)與氧氣電極側(cè)之 間的甲醇濃度的差異而使甲醇擴散地移動的現(xiàn)象；以及電滲透的現(xiàn) 象，即、由于伴隨質(zhì)子的移動引起的水的移動，水合甲醇被拍定運。
當(dāng)曱醇跨越發(fā)生時，滲透過的曱醇在氧氣電極的催化劑層中被 氧化。雖然在氧氣電極側(cè)上的曱醇的氧化反應(yīng)與在如上所述的燃料
電極側(cè)上的相同，但它引起DMFC的輸出電壓的減少(例如，非專 利文獻l)。在燃料電極側(cè)曱醇沒有用作發(fā)電，而是在氧氣電才及側(cè)被 浪費，因此可以耳又出至電3各的電量相應(yīng)減少。而且，氧氣電4及的4崔 化劑層是鉑(Pt)的催化劑而不是鉑(Pt)-釕(Ru )合金的催4匕劑。 因此，存在一氧化碳(CO)很容易吸收在催化劑的表面上，產(chǎn)生催 化劑中毒等問題。
這樣，DMFC具有由內(nèi)部電阻和甲醇^爭越引起的電壓減少，以 及由曱醇跨越引起的燃料浪費的兩個問題。這些問題引起DMFC的 發(fā)電效率的降低。為了提高DMFC的發(fā)電效率，積極地進行了對改 善構(gòu)成DMFC的材料的特性的研究和開發(fā)，或?qū)?yōu)化DMFC的工 作條件的研究和開發(fā)。
作為對改善構(gòu)成DMFC的材料的特性的研究，*合出了關(guān)于電解 質(zhì)膜和燃料電極側(cè)上的催化劑的研究。作為電解質(zhì)膜，通常^f吏用全
氟》克基石黃酸型樹脂膜(由E丄杜邦7^司(E丄du Pont de Nemours and Company)制造的"Nafion (注冊商標(biāo))")。然而，作為具有更高質(zhì) 子傳導(dǎo)性和防止甲醇滲透過的優(yōu)異性能的電解質(zhì)膜，對氟型高分子 膜、烴型高分子電解質(zhì)膜、或水凝膠基電解質(zhì)膜等進行研究。作為 在燃料電極側(cè)上的催化劑，正在研究開發(fā)著與通常^f吏用的由鉑(Pt) -釕(Ru)合金構(gòu)成的催化劑相比，具有更高活性的催化劑。
作為改善燃料電池的發(fā)電效率的措施，這樣的構(gòu)成燃料電池的 材泮牛的性能的改進是合適的。然而，還沒有發(fā)現(xiàn)解決兩個上述問題 的合適的催化劑，并且也沒有發(fā)現(xiàn)合適的電解質(zhì)月莫。 非專利文獻1:"燃料電池系統(tǒng)的描述"，歐姆社(Ohmsha)，
p.66
非專利文獻2: "Journal of the American Chemical Society", 2005年出片反，第127巻，第48期(號)，p.16758-16759
專利文獻1:美國專利申諱-7>開第2004/0072047號
專利文獻2:美國專利申誚v^開第2006/0088744號

發(fā)明內(nèi)容
另一方面，在非專利文獻2和專利文獻1中，沒有嘗試通過現(xiàn) 有技術(shù)的方法如開發(fā)電解質(zhì)膜來解決這些問題，而是提出了一種使 用層流的燃料電池(層流燃料電池)。根據(jù)非專利文獻2和專利文 獻l,在層流燃料電池中，可以解決氧氣電極中的溢流、水分管理、 以及燃料的跨越等問題。
4氐雷諾數(shù)(Reynolds number = Re ) 一皮看作是層流發(fā)生的條件。 雷諾數(shù)是慣性項與粘性項的比率，并且由式1表示。通常，當(dāng)Re d、于2000時，據(jù)i兌流是層流。
(式1 )<formula>formula see original document page 8</formula>
(在式中，/j是流體密度，u是代表性速度，L是代表性長度， ^是粘性系數(shù)，以及v是運動粘度。)
層流燃料電池使用樣i通道。兩種或多種類型的流體以層流方式 流通在孩史通道中。即，流體具有層流的特性，使得流體在沒有混合 而是形成界面的情況下流通。將燃料電極和氧氣電才及附著于通道內(nèi) 的壁，使由燃料和電解液構(gòu)成的液體、包含氧氣的水、或4又包含電 解液的液體(如果氧氣電極是多孔的)在層流中循環(huán)，從而能夠連 續(xù)地發(fā)電。從上述可以理解，層流的界面起電解質(zhì)力莫的作用，因此 發(fā)生離子性接觸。因此，在該結(jié)構(gòu)中，無需設(shè)置電解質(zhì)膜，從而不 必要考慮現(xiàn)有技術(shù)的燃料電池中由于電解質(zhì)膜的劣化降低發(fā)電效 率的問題。
然而，在纟效通道中流動的流體受到重力的影響。在兩種類型的 液體流動的情況下，具有更高密度的液體占有微通道的下半部分， 而具有較低密度的液體占有上半部分。即，在這樣的結(jié)構(gòu)中，4叉4又 當(dāng)燃料電池被配置在特定的方向上時才能夠發(fā)電，通過顛倒燃料電 池的上下等來逆轉(zhuǎn)電極的位置是沒有用的。這是因為即使逆轉(zhuǎn)電極 的位置，在層流中流動的流體一定受到重力影響，因此形成層流的 流體的位置關(guān)系沒有變化除非流體密度改變。因此，氧氣電才及與包 含燃料的流體彼此接觸的可能性很大。
為了避免這個問題，專利文獻2提出在微通道中的燃料電極與 氧氣電才及之間插入多孔隔膜。然而，雖然層流燃泮+電池以-使用層流 的界面作為隔離膜(電解質(zhì)膜)，無需設(shè)置隔離膜為特征，但是多
孔隔膜的存在纟皮認(rèn)為是嚴(yán)重矛盾的。而且，在現(xiàn)有的層流燃沖+電池 中，引起電阻的因素僅僅是流體的電阻和電極之間的距離，但是， 通過插入多孔P鬲膜，又補充了一個引起電阻的因素。
為了避免上述問題，本發(fā)明的一個目的在于提供一種燃料電池 和4吏用該燃沖+電池的燃并+電池系統(tǒng)、以及電子裝置，該燃津+電池能 夠以簡單結(jié)構(gòu)消除重力的影響，并且能夠抑制跨越，獲得高能量密 度。
才艮據(jù)本發(fā)明的燃料電池是其中燃料電才及和氧氣電極相對配置 的燃料電池，該燃料電池具有設(shè)置在燃料電極與氧氣電極之間并使
包含電解質(zhì)的第 一流體流通的電解質(zhì)通道(electrolyte channel ),以 及設(shè)置在燃料電極的與氧氣電極的相反側(cè)并使包含燃料的第二流 體流通的燃料通道。
才艮據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)具有其中燃料電極和氧氣電才及相 對配置的燃料電池、測量燃料電池的工作狀態(tài)的測量部、以及基于 由測量部的測量結(jié)果限制燃料電池的工作條件的控制部，其中，燃 泮牛電池由上述本發(fā)明的燃料電池構(gòu)成。
才艮據(jù)本發(fā)明的燃#牛電池和燃料電池系統(tǒng)，在電解質(zhì)通道與燃辨-通道之間設(shè)置燃料電極，使得燃料電極起隔離包含電解質(zhì)的第一流 體和包含燃料的第二流體的隔離膜的作用。因此，即使沒有設(shè)置如 現(xiàn)有技術(shù)中的多孔隔膜，也保持了相對于燃料電池的第一流體與第 二流體的位置關(guān)系，從而能夠發(fā)電而與燃料電池的具體位置無關(guān)。
當(dāng)包含在第二流體中的燃料必需以未反應(yīng)狀態(tài)穿過燃料電極， 并且在發(fā)電過程中，穿過以恒定流速流通的包含電解質(zhì)的第一流 體，這樣才能發(fā)生燃料跨越，并在氧氣電極側(cè)產(chǎn)生過電壓。然而， 由于在電解質(zhì)通道與燃料通道之間設(shè)置燃料電極，幾乎所有的燃料 在穿過燃料電極時發(fā)生反應(yīng)。即使燃料以未反應(yīng)狀態(tài)穿過燃料電 極，也在滲透到氧氣電極之前，通過包含電解質(zhì)的第一流體將燃料 從燃料電池內(nèi)部運出。因此，顯著地抑制了燃料的^,越。從而，沒 有用作發(fā)電的燃料的量大大減少使得有效地利用了作為燃并牛電池 固有優(yōu)勢的高能量密度的特性。
本發(fā)明的電子裝置是設(shè)置有其中燃料電極和氧氣電極相對配成。
根據(jù)本發(fā)明的電子裝置，由于設(shè)置有如本發(fā)明中的具有高能量 密度的燃料電池，從而該電子裝置可以支持伴隨電力消耗增加的多 功能和高性能。
根據(jù)本發(fā)明的燃料電池和燃料電池系統(tǒng)，在電解質(zhì)通道與燃料 通道之間設(shè)置燃料電極，使得燃料電極起隔離包含電解質(zhì)的第一流 體和包含燃料的第二流體的隔離膜的作用，因此，即使沒有設(shè)置如 現(xiàn)有技術(shù)的層流燃料電池中的多孔隔膜，也可以消除重力的影響， 并且可以抑制跨越，獲得高能量密度。燃料電池和燃料電池系統(tǒng)具 有簡單且高柔軟性的結(jié)構(gòu)使得它們能夠被安裝在從移動裝置到大 型裝置的各種裝置中，特別地，如果將燃料電池和燃料電池系統(tǒng)用 于耗電較大的多功能和高性能的電子裝置中，則可以有效地利用高 能量密度的特性。


示出了設(shè)置有根據(jù)本發(fā)明第一實施例的燃料電池系統(tǒng)的 電子裝置的示意性結(jié)構(gòu)的視圖。示出了圖1所示的燃料電池的結(jié)構(gòu)的視圖。示出了在燃料電極中的甲醇濃度與曱醇^爭越量之間的關(guān) 系的一見圖。示出了根據(jù)本發(fā)明第二實施例的燃料電池的結(jié)構(gòu)的視圖。 [圖5]示出了一個實施例的結(jié)果的圖。 [圖6]示出了另一個實施例的結(jié)果的圖。 [圖7]示出了又一個實施例的結(jié)果的圖。
具體實施例方式
在下文中，將詳細(xì)地描述本發(fā)明的優(yōu)選的實施例。 (第一實施例)
圖1示出了具有根據(jù)本發(fā)明第一實施例的燃#牛電池系統(tǒng)的電子 裝置的示意性結(jié)構(gòu)。該電子裝置例如是移動裝置如移動電話和個人
數(shù)字助理(PDA)、或筆記本式個人計算機(PC)。該電子裝置具有 燃泮牛電池系統(tǒng)1和由燃料電池系統(tǒng)1中產(chǎn)生的電能驅(qū)動的外部電^各 (負(fù)荷)2。
燃津+電池系統(tǒng)1具有例如燃3+電池110、測量燃#+電池110的 工作狀態(tài)的測量部120、以及基于由測量部120的測量結(jié)果決定燃 料電池110的工作條件的控制部130。燃料電池系統(tǒng)1還具有例如 將作為包含電解質(zhì)的第一流體Fl的硫酸供到燃料電池110中的電 解質(zhì)供纟合部140、以及具有例如供給作為包含燃沖+的第二流體F2 的曱醇的燃料供給部150。通過以流體的形式供給電解質(zhì)，從而無 需設(shè)置電解質(zhì)膜，就能夠在不受溫度和濕度影響的情況下發(fā)電，并 且與使用電解質(zhì)膜的通常的燃料電池相比能夠增加離子傳導(dǎo)性(質(zhì) 子傳導(dǎo)性)。并且，消除了如電解質(zhì)膜劣化或由電解質(zhì)膜的干燥引 起的質(zhì)子傳導(dǎo)性降低的風(fēng)險，也能夠解決氧氣電極中如溢流或水分 管理的問題。
圖2示出了圖1所示的燃料電池110的結(jié)構(gòu)。燃料電池110是 所謂的直4妄曱醇流基燃#+電池(DMFFC),并且具有燃沖+電才及(陽 極)IO和氧氣電極(陰極)20相對配置的結(jié)構(gòu)。在燃料電極10與 氧氣電極20之間，設(shè)置有使包含電解質(zhì)的第一流體Fl流動的電解 質(zhì)通道30。在燃誶牛電極10的外側(cè)，即，在氧氣電才及20的相反側(cè)， 設(shè)置有使包含燃料的第二流體F2流動的燃料通道40。據(jù)此，在燃
料電池IIO中，燃料電極IO起隔離包含電解質(zhì)的第一流體F1和包
含燃料的第二流體F2的隔離膜的作用。因此，能夠以簡單結(jié)構(gòu)消
除重力的影響，并且能夠抑制跨越，獲得高能量密度。
燃料電極10具有從氧氣電極20側(cè)依次層疊催化劑層11、擴散 層12以及集電體13的結(jié)構(gòu)，并且被容納在外部構(gòu)件(外包裝件) 14中。氧氣電極20具有從燃料電極10側(cè)依次層疊催化劑層21、 擴散層22以及集電體23的結(jié)構(gòu)，并且一皮容納在外部構(gòu)件24中。 此外，將空氣，即，氧氣穿過外部構(gòu)件24供給到氧氣電才及20。
作為催化劑的催化劑層11和21例如由如4巴(Pd )、 4白(Pt )、 銥(Ir)、銠(Rh)、釕(Ru)等金屬的單質(zhì)或合金構(gòu)成。在催化劑 層11和21中，除了催化劑以外還可以包含質(zhì)子導(dǎo)體和粘結(jié)劑。作 為質(zhì)子導(dǎo)體，給出了上述的全氟烷基磺酸型樹脂(由E.I.杜邦公司
(E.I. du Pont de Nemours and Company )制造的 "Nafion ( 5主冊商 標(biāo))")或具有質(zhì)子傳導(dǎo)性的其他樹脂。粘結(jié)劑是為了保持催化劑層 11和21的強度和柔軟性而添加的物質(zhì)，例如有樹脂如聚四氟乙烯
(PTFE)和聚偏二氟乙烯(PVDF)。
擴散層12和22例如由石友布(carbon cloth ( cross ))、,友紙、或 碳片(carbon sheet )構(gòu)成。擴散層12和22優(yōu)選用聚四氟乙烯(PTFE )
等進4于防水處理。
集電體13和23例如由鈥(Ti)網(wǎng)(mesh)構(gòu)成。
夕卜部構(gòu)件14和24具有例如2.0 mm的厚度，并且由諸如通常 可從市場上獲得的鈦(Ti)板等材料構(gòu)成。然而，該材料并不特別 限于此。外部構(gòu)件14和24優(yōu)選在厚度上盡可能薄。
電解質(zhì)通道30和燃料通道40為例如通過加工杉十脂片(resin sheet)而形成的微細(xì)通道，并且粘結(jié)于燃料電極IO。通道的數(shù)量沒 有限制。每個通道的寬度、高度和長度沒有限制，但是它們優(yōu)選盡 可能小。
電解質(zhì)通道30通過i殳置在外部構(gòu)件24上的電解質(zhì)入口 24A和 電解質(zhì)出口 24B而連4妄至電解質(zhì)供鄉(xiāng)會部140 (參照圖1，未在圖2 中示出)，并且將包含電解質(zhì)的第一流體F1從電解質(zhì)供給部140供 纟會到電解質(zhì)通道30。燃料通道40通過設(shè)置在外部構(gòu)件14上的燃^牛 入口 14A和燃料出口 14B而連接至燃料供給部150 (參照圖1，未 在圖2中示出)，并且將包含燃料的第二流體F2從燃沖牛供鄉(xiāng)合部150 供給到燃料通道40。
圖1所示的測量部120用于測量燃料電池110的工作電壓和工 作電流。測量部120具有例如測量燃料電池110的工作電壓的電壓 測量電路121、測量工作電流的電流測量電路122、以及將獲得的 測量結(jié)果傳送到控制部130的通信線路123。
圖1所示的控制部130基于由測量部120的測量結(jié)果控制作為 燃料電池110的工作條件的電解質(zhì)供給參數(shù)和燃料供給參數(shù)，并且 具有l(wèi)列長口i十算4卩(運算若卩，operation portion ) 131、存4諸吾卩(memory portion) 132、通信部133、以及通信線路134。這里，電解質(zhì)供給 參數(shù)包含例如含電解質(zhì)的流體Fl的供給流速。燃料供給參數(shù)包含 例如含燃料的流體F2的供給流速和供給量，并且根據(jù)需要可包含 供給濃度。控制部130例如由微型計算機構(gòu)成。
計算部131根據(jù)由測量部120獲得的測量結(jié)果計算燃料電池 110的輸出，并且i殳定電解質(zhì)供給參數(shù)和燃津+供《合參tt。特別地， 計算部131具有以下功能將從輸入到存儲部132的各種測量結(jié)果 中以A見定的時間間隔耳又才羊的陽才及電位、陰才及電位、4俞出電壓、以及輸出電流進行平均；計算平均陽極電位、平均陰極電位、平均輸出 電壓和平均輸出電流；將結(jié)果輸入存儲部132;以及將存儲在存儲
料供給參數(shù)。
存4諸部132存4諸乂人測量部120傳送的各種測量^直或由計算部 131計算的各種平均值。
通信部133具有以下功能通過通信線^各123從測量部120 4妾 收測量結(jié)果，且將結(jié)果輸入存儲部132。通信部133還具有以下功 能通過通信線^各134分別將用于設(shè)定電解質(zhì)供給參lt和燃沖牛供給 參凄吏的信號輸出到電解質(zhì)供給部140和燃料供給部150中。
圖1所示的電解質(zhì)供纟合部140具有電解質(zhì)4諸存部141、電解質(zhì) 供纟合調(diào)整部142、電解質(zhì)供全合線^各143以及分離室(隔離室， separation room ) 144。電解質(zhì)儲存部141 4諸存包含電解質(zhì)的第一流 體F1，并且例如由罐或筒構(gòu)成。電解質(zhì)供給調(diào)整部142調(diào)整包含電 解質(zhì)的第一流體F1的供給流速。電解質(zhì)供給調(diào)整部142可以是能 夠被來自控制部130的信號驅(qū)動的任何部件(anything),其沒有特 別限制，但電解質(zhì)供給調(diào)整部142例如優(yōu)選由被馬達或壓電元件 (piezoelectric device)馬區(qū)動的3求管(溫包，bulb)或電》茲泵構(gòu)成。 因為存在少量的甲醇混合在^v電解質(zhì)出口 24B流出的包含電解質(zhì) 的第一流體F1中的可能性，所以分離室144用于分離開曱醇。分 離室144設(shè)置在電解質(zhì)出口 24B附近，并且作為曱醇分離沖幾構(gòu)具有 通過過濾或者燃燒、反應(yīng)或蒸發(fā)而除去甲醇的才幾構(gòu)。
圖1所示的燃料供給部150具有燃料儲存部151、燃并午供^會調(diào) 整部152、以及燃^f供給線^各153。燃料卩諸存部151 ^諸存包含燃剩-的第二流體F2，并且例如由罐或筒構(gòu)成。燃料供給調(diào)整部152調(diào)整 包含燃料的第二流體F2的供給流速和供給量。燃料供給調(diào)整部152
可以由能夠被來自控制部130的信號驅(qū)動的任何部件構(gòu)成，其沒有
特別限制，但燃料供給調(diào)整部152例如優(yōu)選由一皮馬達或壓電元件驅(qū) 動的3求管或電不茲泵構(gòu)成。燃料供給部150可以具有調(diào)整包含燃沖牛的 第二流體F2的供給濃度的濃度調(diào)整部(圖中未示出)。當(dāng)4吏用純 (99.9 % )曱醇作為包含燃料的第二流體F2日寸，可以省略濃度調(diào)整 部，并且可以減少燃泮牛供纟合部150的尺寸。
可以例如以下列方式制造燃沖+電池系統(tǒng)1 。
首先，按照預(yù)定的比率將以預(yù)定比例包含例如鉑(Pt )和釕(Ru ) 的合金與全氟烷基磺酸型樹脂(由E丄杜邦公司(E丄du Pont de Nemours and Company )制造的"Nafion (注冊商標(biāo))")的分散;容液 進4亍混合后作為催化劑形成燃料電極10的催化劑層11。將該催化 劑層11熱壓接于上述材料構(gòu)成的擴散層12上。而且，使用熱熔型 粘結(jié)劑或粘合性樹脂片通過熱壓粘結(jié)上述材料的集電體13，從而形 成燃料電極10。
而且，按照預(yù)定的比率將承載鉑(Pt)的碳與全氟烷基-黃酸型 杉于月旨(由E丄片土邦7^司(E丄du Pont de Nemours and Company )制 造的"Nafion (注冊商標(biāo))，，)的分散溶液進行混合作為催化劑形成 氧氣電極20的催化劑層21。將該催化劑層21熱壓接于由上述材剩-構(gòu)成的擴散層22上。而且，使用熱熔型粘結(jié)劑或粘合性樹脂片通 過熱壓粘結(jié)上述材料的集電體23,從而形成氧氣電極20。
其次，制備粘合性樹脂片，在該樹脂片上形成通道，制造電解 質(zhì)通道30和燃泮+通道40,并且熱壓4妻于燃津+電才及10的兩側(cè)。
4妄著，制造上述材4+構(gòu)成的外部構(gòu)件14和24，在外部構(gòu)4牛14 上i殳置由例如樹脂制造的接頭構(gòu)成的燃料入口 14A和燃料出口
14B，而在外部構(gòu)件24上設(shè)置由例如樹脂制造的接頭構(gòu)成的電解質(zhì) 入口 24A ,口電角罕質(zhì)出口 24B。
之后，將燃^+電才及10和氧氣電才及20相對配置成電解質(zhì)通道30 位于它們之間而燃料通道40位于它們的外側(cè)，并且容納在外部構(gòu) 件14和24中。從而，完成了圖2所示的燃沖+電池110。
一尋該燃沖+電池110安裝在上述結(jié)構(gòu)的具有測量部120、纟空制部 130、電解質(zhì)供纟會部140以及燃泮牛供纟合部150的系纟充中，以例3口石圭 管構(gòu)成的燃料供給線路153連接燃料入口 14A與燃料供給部150、 以及燃料出口 14B與燃料供給部150,并且以例如石圭管構(gòu)成的電解 質(zhì)供《合線3各143連4姿電解質(zhì)入口 24A與電解質(zhì)供鄉(xiāng)會部140、以及電 解質(zhì)出口 24B與電解質(zhì)供給部140。從而，完成了圖l所示的燃料 電池系統(tǒng)1 。
在該燃料電池系統(tǒng)1中，將包含燃料的第二流體F2供給燃利-電才及IO,并且由此引起的反應(yīng)生成質(zhì)子和電子。質(zhì)子穿過包含電解 質(zhì)的第一流體F1移動到氧氣電4及20,并且與電子和氧氣反應(yīng)而生 成水。發(fā)生在燃料電極10、氧氣電極20以及整個燃料電池110中 的反應(yīng)由化學(xué)式2表示。從而，作為燃料的曱醇的部分化學(xué)能被轉(zhuǎn) 化成電能使得從燃料電池110中取出電流，并且驅(qū)動外部電路2。 在燃料電極IO中生成的二氧化碳和在氧氣電極20中生成的水與包 含電解質(zhì)的第 一流體F1 —起流動而纟皮除去。
(化學(xué)式2)<formula>formula see original document page 17</formula>
燃才+電極10: CH3OH + H20 — C02 + 6e + 6H+
氧氣電極20: (3/2)02 + 6e- + 6H+ — 3H20
整個燃料電池no: CH3OH + (3/2) 02 — C02 + 2H20
在燃料電池110的工作過程中，測量部120測量燃料電池110 的工作電壓和工作電流，基于測量結(jié)果，作為燃并+電池110的工作 條件，由控制部130來控制上述電解質(zhì)供給參數(shù)和燃料供給參數(shù)。 頻繁地重復(fù)測量部120的測量和控制部130的參數(shù)控制，使得按照 燃料電池110的特性變化，來最優(yōu)化包含電解質(zhì)的第一流體Fl和 包含燃料的第二流體F2的供給狀態(tài)。
這里，因為燃料電才及10 i殳置在電解質(zhì)通道40與燃并+通道30 之間，所以燃料電極10起隔離包含電解質(zhì)的第一流體F1和包含燃 料的第二流體F2的隔離膜的作用。因此，雖然沒有設(shè)置如現(xiàn)有4支 術(shù)的層流燃料電池中的多孔隔膜，但保持了相對于燃料電極10的 第一流體F1與第二流體F2的位置關(guān)系，從而能夠發(fā)電而與燃料電 池110的具體位置無關(guān)。
而且，包含在第二流體F2中的燃料必需以未反應(yīng)狀態(tài)穿過燃 料電極10的微孔并且在發(fā)電過程中穿過以恒定流速流通的包含電 解質(zhì)的第一流體Fl,這樣才能發(fā)生燃料^爭越，在氧氣電極20側(cè)產(chǎn) 生過電壓。由于在電解質(zhì)通道40與燃料通道30之間設(shè)置燃料電極 10,因此幾乎所有的燃料在穿過燃料電才及10的樣么孔時發(fā)生反應(yīng)。 即使燃料以未反應(yīng)狀態(tài)穿過燃料電極10,也在滲透到氧氣電極20 之前，通過包含電解質(zhì)的第一流體Fl將燃料從燃料電池110內(nèi)部 運出。因此，顯著抑制了燃料的跨越。從而，沒有用作發(fā)電的燃料 的量大大減少，因此有效地利用了作為燃料電池固有優(yōu)勢的高能量 密度的特性。
另一方面，當(dāng)現(xiàn)有技術(shù)的使用電解質(zhì)膜的燃料電池或現(xiàn)有技術(shù) 的層流燃料電池使用高濃度的曱醇水溶液或純曱醇作為燃并+以侵_ 利用作為燃料電池特征的高能量密度時，燃料電極中的曱醇濃度增 加太高。如圖3所示，因為燃料電極中的曱醇濃緣增加，所以曱醇
跨越的量增加。因此，目前，大大降低了由跨越的增加引起的燃料 浪費和由輸出電壓的減少引起的發(fā)電特性。
如上所述，4艮據(jù)本發(fā)明的實施例，因為燃料電才及10 i殳置在電
解質(zhì)通道30與燃料通道40之間，所以燃料電4及10起隔離包含電 解質(zhì)的第一流體Fl和包含燃料的第二流體F2的隔離膜的作用，從 而即使沒有設(shè)置如現(xiàn)有技術(shù)的層流燃津+電池中的多孔隔膜，也可以 消除重力的影響，并且能夠抑制跨越，獲得高能量密度。由于燃料 電池簡單且高柔軟性的結(jié)構(gòu)，所以它可以被安裝在從移動裝置到大 型裝置的各種裝置中，特別地，當(dāng)燃料電池用于具有多功能和高性 能的耗電較大的電子裝置中時，可以有效地利用高能量密度的特 性。
(第二實施例)
圖4示出了根據(jù)本發(fā)明第二實施例的燃料電池110A的結(jié)構(gòu)。 該燃料電池110A具有類似于第一實施例中描述的燃料電池110的 結(jié)構(gòu)，不同之處在于在燃料通道40與燃料電極10之間設(shè)置氣液 隔離膜50。從而，使用與第一實施例相同的參考標(biāo)號來表示基本上 相同的部件。
氣液隔離膜50可以由液體狀態(tài)下的醇無法透過的膜如聚四氟 乙烯(PTFE)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、以及聚丙烯(PP)構(gòu)成。
該火然#+電〉也110A和^吏用該傻W+電〉也110A的燃并牛電;也系鄉(xiāng)充1 可以以與第一實施例相同的方式制造，不同之處在于在燃料通道 40與燃料電極10之間i殳置氣液隔離膜50。
在燃并+電池系統(tǒng)1中，以與第 一 實施例相同的方式/人燃^f"電池 110A中取出電流并且驅(qū)動外部電路2。這里，氣液隔離膜50設(shè)置
在燃料通道40與燃料電極10之間，使得作為燃料的純甲醇以液體 狀態(tài)流過燃料通道40時自然蒸發(fā)，以氣體G狀態(tài)，從鄰4妄氣液隔 離膜50的面穿過氣液隔離膜50,并且供給到燃料電才及10。因此， 燃料被高效率地供給到燃料電極10,并且穩(wěn)定地進行反應(yīng)。并且， 因為以氣體狀態(tài)將燃料供給到燃料電極10，所以提高了電極反應(yīng)活 性，并且很難發(fā)生跨越，即使是在具有高負(fù)荷的外部電路2的電子 裝置中也可以獲得高性能。
此外，即使穿過燃料電極10的氣體狀態(tài)的曱醇存在時，也能 夠以與第一實施例相同的方式在到達氧氣電極20之前通過包含電 解質(zhì)的第一流體F1除去。
如上所述，在第二實施例中，氣液隔離膜50 i殳置在燃料通道 40與燃料電極10之間，使得可以使用純(99.9% )甲醇作為包含燃 泮牛的第二流體F2，并且可以進一步有效地利用作為燃津+電池特4i的 高能量密度特性。而且，可以提高反應(yīng)的穩(wěn)定性或電極反應(yīng)活性， 同時抑制了跨越。因此，也可以在具有高負(fù)荷外部電路2的電子裝 置中獲得高性能。而且，在燃料供給部150中，可以省略調(diào)整包含 燃料的第二流體F2供給濃度的濃度調(diào)整部，從而能夠減少尺寸。
實例
而且，將描述本發(fā)明的具體實例。在下面的實例中，制造具有 與圖4相同結(jié)構(gòu)的燃料電池110A,并且評《介性能(特性)。因此， 在下面的實例中也參照圖1和圖4使用相同的參考標(biāo)號進^S兌明。
制造具有與圖4相同結(jié)構(gòu)的燃料電池IIOA。首先，4姿照預(yù)定 的比率將以預(yù)定比例包含鉑(Pt)和釕(Ru)的合金與全氟烷基石黃 酉臾型杉于月旨(由E丄才土^卩^^司(E丄du Pont de Nemours and Company ) 制造的"Nafion (注冊商標(biāo))")的分散溶液進行混合后作為催化劑
以形成燃料電4及10的催化劑層11。在其中溫度為150。C而壓力為
E-TEK公司制造的HT-2500 ) 10分鐘而粘結(jié)催化劑層11。而且， 使用熱熔型粘結(jié)劑或粘合性樹脂片通過熱壓粘結(jié)上述材料構(gòu)成的 集電體13, /人而形成燃沖+電4及10。
而且，按照預(yù)定的比率將承載鉑(Pt)的碳與全氟烷基-黃酸型 樹月旨(由E丄診土邦,A司(E丄du Pont de Nemours and Company )制 造的"Nafion (注冊商標(biāo))")的分散溶液進行混合作為催化劑以形 成氧氣電極20的催化劑層21。以與燃坤+電極10的催化劑層11相
制造的HT-2500 )而粘結(jié)催化劑層21。而且，以與燃料電極10的 集電體13相同的方式通過熱壓粘結(jié)上述材料構(gòu)成的集電體23,從 而形成氧氣電4及20。
其次，制備粘合性樹脂片，在該樹脂片上形成通道以1"更形成電 解質(zhì)通道30和燃料通道40,并且通過熱壓粘結(jié)至燃并+電4及10的兩 側(cè)。
接著，制造由上述材料構(gòu)成的外部構(gòu)件14和24,在外部構(gòu)件 14上設(shè)置有由例如樹脂制造的接頭構(gòu)成的燃料入口 14A和燃料出 口 14B,而在外部構(gòu)件24上i殳置有由例如樹脂制造的4妾頭構(gòu)成的 電解質(zhì)入口 24A和電解質(zhì)出口 24B。
之后，將燃料電極10和氧氣電極20相對配置成電解質(zhì)通道30 位于它們之間而燃料通道40位于它們的外側(cè)，并且容納在外部構(gòu) <牛14和24中。此時，在燃泮+通道40與》然沖+電才及10之間i殳置氣液 隔離膜50 (由Millipore公司制造)。從而完成了圖4所示的燃料電 池IIOA。
將該燃料電池110A安裝在上述結(jié)構(gòu)的具有測量部120、控制 部130、電解質(zhì)供多合部140以及燃料供鄉(xiāng)合部150的系統(tǒng)中，乂人而配 置了如圖1所示的燃料電池系統(tǒng)1。此時，電解質(zhì)供給調(diào)整部142 和燃料供給調(diào)整部152由隔膜式定量泵(由林式會社KNF社制造) 構(gòu)成，將一個泵通過由硅管構(gòu)成的電解質(zhì)供給線^各143直4妄連4妾至 燃料入口 14A,而將另一個泵通過由硅管構(gòu)成的燃料供給線路153 直接連接至電解質(zhì)入口 24A,從而分別在任意流速下將包含電解質(zhì) 的第一流體F1供給到電解質(zhì)通道30，且將包含燃料的第二流體F2 供給到燃料通道40。作為包含電解質(zhì)的第一流體Fl,使用0.5 M的 碌u酸，并且流速為1.0ml/min。作為包含燃津十的第二流體F2， <吏用 純(99.9 % )曱醇，并且流速為0.080 ml/min。
(評價)
將獲得的燃料電池系統(tǒng)1連接至電化學(xué)測量裝置(由solartoron 有限公司制造的Multistat 1480 )，并且評價燃料電池系統(tǒng)1的性能。 4丸4亍十亙電;^ ( 20 mA、 50 mA、 100 mA、 150 mA、 200 mA、以及 250mA)模式的操作，檢查了測量初始狀態(tài)下的開路電壓(OCV， Open Circuit Voltage )、電流-電壓(I-V )和電流-功率(I-P )特性、 以及以150 mA/cm2的電流密度發(fā)電時的輸出密度。結(jié)果示于圖5 和圖7中。
圖5示出了測量初始狀態(tài)下的開路電壓。保持開路電壓約150 秒并且非常穩(wěn)定。與通常的DMFC的開^各電壓(約0.4 V至0.5 V) 相比，圖5示出了顯著高值(0.62 V)的開路電壓，這是因為通過 <吏用包含電解質(zhì)的流體Fl抑制了燃料^爭越。使用層流燃并牛電池用 于相同的測量，顯示出0 V以下的開路電壓，不能用作電池。當(dāng)將 本實例的燃并牛電池110A以顛倒的形式配置后進4于測量的結(jié)果發(fā)5見 即使被顛倒，仍然能夠發(fā)電。
這是指，如果在電解質(zhì)通道30與燃料通道40之間設(shè)置燃料電 極10,并且在燃料通道40與燃料電極IO之間設(shè)置氣液隔離膜50, 則即使使用100。/。的硫酸作為包含電解質(zhì)的流體F1，也不會發(fā)生跨 越，可以獲得比現(xiàn)有技術(shù)的DMFC更高的開路電壓。
如從圖6所理解的，本實例的燃料電池110A的性能是非常良 好的，并且獲得了 75 mW/cm2的電力密度。而且，如從圖7所理解 的，當(dāng)以15 0 mA/cm2的電流密度發(fā)電時，能夠穩(wěn)定地發(fā)電6000秒 以上。即，發(fā)現(xiàn)在電解質(zhì)通道30與燃料通道40之間設(shè)置燃料電極 10并且在燃料通道40與燃料電極10之間設(shè)置氣液隔離膜50,則 可以作為燃料電池進行正常的工作。
在上文中，例舉實施例和實例描述了本發(fā)明，^旦本發(fā)明不限于 這些，如可得到各種變化。例如，在上述實施例和實例中，具體地 描述了燃料電極10、氧氣電極20、燃料通道30和電解質(zhì)通道40 的結(jié)構(gòu)，4旦也可以描述其4也結(jié)構(gòu)或由其<也材沖牛構(gòu)成的結(jié)構(gòu)。例如， 在上述的實施例和實例中描述了通過加工樹脂片后形成通道而形 成》然坤牛通道30，然而，燃^+通道30可以由多3L薄力莫等構(gòu)成。
而且，例如，描述了包含燃料的第二流體F2由甲醇構(gòu)成，4旦 也可以由其他醇如乙醇和二曱醚構(gòu)成。包含電解質(zhì)的第一流體Fl 可以被不受限制地構(gòu)成，只要它是具有質(zhì)子(H+)傳導(dǎo)性的材料， 例如除了石克酸以外，還有石粦酸、以及離子性液體。
而且，例如，在上述實施例和實例中所描述的每個構(gòu)成要素的 材料和厚度、或者燃料電池110的工作條件等均不受限制，可以使 用不同的材料和不同的厚度、以及不同的工作條件。
此外，在上述實施例和實例中，將燃料從燃料供給部150供給
到燃料電極IO，然而，可以將燃料電極10設(shè)置成密閉型而根據(jù)需
要供給燃料。
而且，在上述實施例和實例中，將空氣通過自然換氣方式供給
到氧氣電4及20，然而，可以通過使用泵等強制地供給空氣。在這種 情況下，可以供給氧氣或含氧氣的氣體來代替空氣。
此外，本發(fā)明不限于直接曱醇型燃料電池(DMFC)，而是可適 用于其他類型的燃料電池如使用氫氣作為燃料的燃料電池(PEFC 或石威性燃料電池)。
而且，在上述實施例和實例中，描述了單個單元型(單電池型， single cell type )燃沖+電池，^旦本發(fā)明也可適用于以層疊結(jié)構(gòu)的具有 多個燃料電池的層疊型燃料電池。
此外，在上述實施例和實例中，解釋了將本發(fā)明適用于燃料電 池和纟然沖牛電池系統(tǒng)、以及^殳置有它們的電子裝置的情況，然而，除
了燃料電池以外，本發(fā)明還適用于其他電化學(xué)裝置如電容器、燃料 傳感器、或顯示器等。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池，其中，燃料電極和氧氣電極相對配置，其特征在于，所述燃料電池包括電解質(zhì)通道，所述電解質(zhì)通道設(shè)置在所述燃料電極與所述氧氣電極之間，并且使包含電解質(zhì)的第一流體流通；以及燃料通道，所述燃料通道設(shè)置在所述燃料電極的與所述氧氣電極的相反側(cè)，并且使包含燃料的第二流體流通。
2. 才艮據(jù)4又利要求1所述的燃料電池，其特征在于，在所述燃坤牛通 道與所述燃料電極之間設(shè)置有氣液隔離膜。
3. —種燃#+電池系統(tǒng)，包4舌燃泮+電池，其中，燃沖牛電才及和氧氣電才及相只于配置； 測量部，所述測量部測量所述燃料電池的工作狀態(tài)；以及控制部，所述控制部基于所述測量部的測量結(jié)果決定所 述燃料電池的工作條件，其特征在于，所述燃料電池具有設(shè)置在所述燃津牛電^L 與所述氧氣電才及之間并JM吏包含電解質(zhì)的第 一 流體流通的電 解質(zhì)通道；以及設(shè)置在所述燃料電極的與所述氧氣電極的相反側(cè)并且使 包含燃料的第二流體流通的燃料通道。
4. 一種電子裝置，所述電子裝置設(shè)置有其中燃料電極和氧氣電極 相只于配置的燃泮+電;也，其特征在于，所述燃津牛電池包括i殳置在所述燃并牛電^L 與所述氧氣電極之間，并且<吏包含電解質(zhì)的第 一流體流通的電 解質(zhì)通道；以及設(shè)置在所述燃料電極的與所述氧氣電極的相反側(cè)并且使 包含燃料的第二流體流通的燃料通道。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種能夠以簡單結(jié)構(gòu)消除重力的影響、并且能夠抑制跨越，獲得高能量密度的燃料電池。在燃料電極(10)與氧氣電極(20)之間，設(shè)置有使包含電解質(zhì)的第一流體F1流通的電解質(zhì)通道(30)，而在燃料電極(10)的外側(cè)，設(shè)置有使包含燃料的第二流體F2流通的燃料通道(40)。使燃料電極(10)起到作為隔離電解質(zhì)和燃料的隔離膜的功能，能夠在與燃料電池(110)的具體位置無關(guān)的情況下發(fā)電。幾乎所有的燃料在穿過燃料電極(10)時發(fā)生反應(yīng)，顯著抑制了燃料的跨越。因此，可利用高濃度的燃料并且有效地利用了高能量密度的特性。如果在燃料通道(40)和燃料電極(10)之間設(shè)置氣液隔離膜，則可使用純甲醇，并且可獲得更高的能量密度。
文檔編號H01M8/02GK101356677SQ200780001378
公開日2009年1月28日 申請日期2007年9月18日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月19日
發(fā)明者上坂進一, 槙田健吾 申請人:索尼株式會社