燃料电池和燃料电池层的制作方法

专利名称：燃料电池和燃料电池层的制作方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池和燃料电池层。
背景技术：
对于支持信息社会的便携式电子设备等的电源，考虑到高发电效率和高能量密 度，近年来越来越多地寄希望于燃料电池作为单元发电装置。燃料电池基于包括在阳极电 极处的还原剂(例如，甲烷气体、氢、甲醇、乙醇、联氨、甲醛水溶液、甲酸等)氧化以及在阴 极电极处的氧化剂(例如，空气中的氧、过氧化氢等)还原的电化学反应，通过反应产生电 能。具体地，将甲醇用作还原剂的直接甲醇燃料电池(DMFC)不需要重整器，并且使用 体积能量密度比气体燃料更高的液体燃料。这提供的优点是，与使用典型为氢的高压气瓶 的情况相比，燃料容器的尺寸有所减小。因此，DMFC可以适用于替换用于小型设备的电源， 具体地，便携式设备的二次电池。此外，由于燃料是液体，所以DMFC允许将窄且弯曲的空间用作燃料存储空间，这 种窄且弯曲的空间在常规燃料电池系统中是死空间，提供的优点是设计不容易受到约束。 这种优点便于将DMFC优选地应用到便携式小型电子设备等。通常，在DMFC中，在阳极电极和阴极电极发生下述的反应。在阳极电极侧，甲醇和 水反应生成二氧化碳气体、质子和电子。在阴极电极侧，空气中的氧、质子和电子反应生成 水。阳极电极CH30H+H20 — C02+6H++6e"阴极电极A+4H++4e_— 2H20然而，DMFC通常具有较低的单位体积输出。考虑到减小燃料电池的尺寸和重量， 希望提高单位体积输出。通常，常规的燃料电池，如，聚合电解质燃料电池、固态氧化物燃料电池、直接甲醇 燃料电池(DMFC)以及碱性燃料电池，其结构是堆叠层，依次包括具有燃料流动通道以供给 还原剂的阳极隔板；阳极集电体和阳极气体扩散层，用于从阳极催化剂层收集电子；阳极 催化剂层，用于促进还原反应；电解质膜，用于保持电绝缘，以及优先传输离子；阴极催化 剂层，用于促进氧化反应；阴极集电体，用于向阴极气体扩散层和阴极催化剂层提供电子； 以及阴极隔板，具有空气流动通道以供给氧化剂。通常，阳极隔板和阴极隔板分别用于独立地向阳极催化剂层和阴极催化剂层供给 还原剂和氧化剂，并且还使用导电材料分别起到阳极集电体和阴极集电体的作用。基于每 单元燃料电池的电压较低的情况，典型地将燃料电池配置为能够输出高电压的燃料电池 堆，所述燃料电池堆具有堆叠的单元燃料电池，使得每单元燃料电池的阳极电极和阴极电 极交替地接触。在这种分层燃料电池堆中，必须保持各层的紧密电接触。如果层与层之间的接触 电阻增大，则燃料电池的内部电阻将变得更高，从而降低总发电效率。此外，燃料电池堆通常在每个燃料电池中具有密封部件，以防止还原剂和氧化剂泄漏。为了确保充分密封和导 电，通常必须以强力来紧缩(constrict)每一层。这导致需要诸如压板、螺栓、螺母等紧固 部件来紧缩每一层，从而引起燃料电池堆的尺寸和重量增大以及输出密度减小的问题。例如，日本专利特许公开2006-216449(专利文献1)公开了一种燃料电池，包括 堆叠在固态电解质膜两侧的阳极催化剂层和阴极催化剂层以及阳极扩散层和阴极扩散层， 以及在催化剂层和扩散层周围形成的阳极疏水绝缘层和阴极疏水绝缘层，其中，阳极疏水 绝缘层和阴极疏水绝缘层的厚度分别小于或等于阳极催化剂层和阳极扩散层的总厚度以 及阴极催化剂层和阴极扩散层的总厚度。此外，一般的燃料电池具有中间夹着膜电极组件的密封部件，所述膜电极组件由 阳极、固态电解质膜和阴极构成，堆叠的本体还受到紧固部件的压力，以改善分层部件之间 的粘合性(例如，参见日本专利特许公开2006-2691 (专利文献2))。此外，作为涉及减小尺寸和重量的燃料电池，提出了一种配置，这种配置并不使用 紧固部件，并且也不以诸如疏水绝缘层之类的密封部件来夹着固态电解质膜，而是膜电极 组件以及燃料供给部分和阴极侧隔板在燃料电池的侧面构成相同的横截面，该横截面被密 封部件密封，以防止从每个接触面的燃料泄漏和氧化剂泄漏。现有技术文献专利文献1 日本专利特许公开2006-216449专利文献2 日本专利特许公开2006-26912
发明内容
本发明要解决的问题专利文献1的燃料电池不具有从阳极侧和阴极侧紧缩燃料电池的紧固部件。因 此，尽管燃料电池堆在尺寸和重量上有所减小，然而在燃料供给部分与阳极疏水绝缘层之 间、在阳极疏水绝缘层与固态电解质膜之间、在固态电解质膜与阴极疏水绝缘层之间、以及 在阴极疏水绝缘层与阴极侧隔板之间的接触面处的粘合性是不够的。因此，存在在这些接 触面处产生空隙的问题，从而导致燃料和氧化剂从接触面泄漏。并且，由于采用紧固部件的燃料电池的固态电解质膜的厚度较薄，强烈的紧缩所 引起的与密封部件的接触会使所述固态电解质膜损坏或断裂，从而引起难以稳定地向便携 式电子设备等供电的问题。此外，在燃料电池层被配置为具有分开布置的多个燃料电池的情况下，相邻燃料 电池之间的空隙区域将被密封部件部分地占用。因此，存在难以形成高尺寸精度的密封层 的问题。因此，难以确保高尺寸精度的空隙区域，从而引起氧化剂扩散区域减小的问题。本发明涉及解决上述问题。本发明的目的是提供一种燃料电池和燃料电池层，允 许在不使用紧固部件的情况下抑制燃料泄漏和氧化剂泄漏。解决问题的手段本发明提供了一种燃料电池，包括膜电极组件和阳极集电层，膜电极组件依次包 括阴极电极、电解质膜和阳极电极。阳极集电层包括沿两个相对侧提供的一对第一壁。膜 电极组件被安放在成对的第一壁之间，使得阳极电极面对阳极集电层。优选地，本发明的燃料电池还包括在该对第一壁上形成的一对第二壁。优选地，在膜电极组件与第二壁之间有间隙空间。优选地，间隙空间填充有绝缘密封剂，以形成绝缘 密封剂层。膜电极组件的侧面与所述第二壁的面对所述膜电极组件的侧面可以实质上平行。 并且，第二壁的面对膜电极组件的侧面可以相对于膜电极组件的侧面而倾斜。此外，第二壁 的面对膜电极组件的侧面具有凹槽和凸起。优选地，第二壁是由电绝缘材料形成的。在本发明中，第二壁可以是由包括绝缘密封剂的多孔材料形成的层，第二壁被布 置为形成与膜电极组件的侧面的接触。优选地，第二壁是与阳极集电层一体地形成的。本发明还提供了一种燃料电池层，具有采用间隙区域布置的多个上述燃料电池。本发明的效果根据本发明，提供了一种在不适用紧固部件的情况下没有燃料泄漏和氧化剂泄漏 的燃料电池和燃料电池层。


图1是示意性地示出了本发明的燃料电池的优选实例的横截面图。图2是示意性地示出了本发明的燃料电池的另一优选实例的横截面图。图3是示意性地示出了本发明的燃料电池的又一优选实例的横截面图。图4是示意性地示出了本发明的燃料电池的又一优选实例的横截面图。图5是实例1中制造的燃料电池的横截面图。图6是比较实例1中制造的燃料电池的横截面图。
具体实施例方式下文中将详细描述本发明的燃料电池和燃料电池层的实施方式。下述的实施方式 都涉及通过直接从甲醇中提取质子来发电的直接甲醇燃料电池(DMFC)。甲醇溶液用作燃 料，而空气(具体地，空气中的氧)用作氧化剂。(第一实施方式)图1是示意性地表示本发明的燃料电池的优选实例的横截面图。图1所示的燃料 电池101包括膜电极组件107，所述膜电极组件107由以下组成电解质膜102 ；阳极催化剂 层103，被布置在电解质膜102的一个表面处；阴极催化剂层104，被布置在电解质膜102的 另一个表面处；阳极气体扩散层105，被布置为与阳极催化剂层103的与接触电解质层102 的表面相对的表面相接触；以及阴极气体扩散层106，被布置为与阴极催化剂层104的与接 触电解质膜102的表面相对的表面相接触。阴极催化剂层104和阴极气体扩散层106构成 阴极电极。阳极催化剂层103和阳极气体扩散层105构成阳极电极。提供阳极集电层108， 所述阳极集电层108与阳极气体扩散层105的与接触阳极催化剂层103的表面相对的表面 相接触。阳极集电层108具有燃料流动通道109，所述燃料流动通道109是用于燃料输送的 空间。此外，堆叠阴极集电层113，所述阴极集电层113与阴极气体扩散层106的与接触阴 极催化剂层104的表面相对的表面相接触。阴极集电层113具有用于向阴极电极引入空气 的通孔112。本发明的燃料电池包括阳极气体扩散层和阴极气体扩散层。在向阴极催化剂层均 勻地提供空气中的氧以及向阳极催化剂层均勻地提供燃料的情况下，阳极气体扩散层和阴极气体扩散层并非必需的。可以省去阳极气体扩散层和阴极气体扩散层之一或两者。燃料电池101还包括绝缘密封层114，形成在膜电极组件107的侧面处；以及第 二壁116，被提供在阳极集电层108上，以覆盖膜电极组件107和绝缘密封层114。<电解质膜>电解质膜102的材料没有特殊限制，只要该材料具有质子导电性(proton conductivity)并且电绝缘就可以了。优选地，采用通常公知的合适聚合物膜、无机膜、或 复合膜。聚合物膜的实例包括例如，基于全氟磺酸的电解质膜(NAFI0N(注册商标)，来 自 Ε· I. du Pont deNemours & Co. )、Dow 膜(注册商标，来自 Dow Chemical Company) > ACIPLEX(注册商标，来自 Asahi Kasei Corporation)、Flemion(注册商标，来自 Asahi Glass Co.，Ltd.)、以及基于碳氢化合物的电解质膜(如，聚苯乙烯磺酸、磺化聚醚醚酮等的 电解质膜)。无机膜的实例例如包括磷酸盐玻璃、硫酸氢铯、聚磷钨酸、聚磷酸铵等的膜。复 合膜的实例包括G0RE-SELECT膜(GORE-SELECT (注册商标)，来自 W. L. Gore & Associates Inc.) 0在燃料电池达到接近100°C或100°C以上的温度的情况下，电解质膜优选地由 即使在低含湿量的情况下也具有高离子导电性的材料构成，如，磺化聚酰亚胺、2-丙烯酰 胺-2-甲基丙烷磺酸(2-acrylamido-2-methylpropane sulfonic acid) (AMPS)、磺化聚苯 并咪唑、磷酸化聚苯并咪唑(phosphonated polybenzimidazole)、硫酸氢铯、聚磷酸铵、离 子液体(环境温度熔盐)等。电解质膜的质子电导率优选地大于或等于10_5S/cm。更优选地，可以使用质子电 导率大于或等于10_3S/Cm的聚合电解质膜，如，全氟磺酸聚合物、基于碳氢化合物的聚合物 等的聚合电解质膜。<阳极催化剂层和阴极催化剂层>阳极催化剂层103包括促进燃料氧化的催化剂。通过引起燃料在催化剂上的氧化 反应，产生质子和电子。阴极催化剂层104包括促进氧化剂还原的催化剂。氧化剂在催化 剂上将质子和电子相结合，以引起还原反应。对于前述阳极催化剂层103和阴极催化剂层104，可以采用例如包括承载催化剂 的载体(catalyst-supported carrier)和电解质的层。在这种情况下，阳极催化剂层103 中的阳极催化剂用于加快例如从甲醇和水产生质子和电子的反应速率。电解质用于将产生 的质子输送至电解质膜。阳极载体用于将产生的电子传导至阳极气体扩散层。在阴极催化 剂层104中，阴极催化剂用于加快从氧、质子和电子产生水的反应速率。电解质用于将质子 从电解质膜输送至阴极催化剂附近。阴极载体用于从阴极气体扩散层106向阴极催化剂传 导电子。阳极载体和阴极载体能够传导电子，并且催化剂也具有电子导电性。因此，阳极催 化剂层103和阴极催化剂层104并非必须包括载体。在这种情况下，向阳极气体扩散层105 或阴极气体扩散层106供给电子或者从阳极气体扩散层105或阴极气体扩散层106接收电 子分别由阳极催化剂或阴极催化剂实现。阳极催化剂和阴极催化剂的实例包括诸如Pt、Ru、Au、Ag、Rh、Pd、Os和Ir等贵 金属;诸如慰、￥、11、&)、]\10、？6、01、211、511、1和&等贱金属(base metal)；贵金属或贱金 属的氧化物、碳化物、以及碳氮化物；以及碳。上述材料可以单独使用或者与两种或更多种类型结合使用而作为催化剂。阳极催化剂和阴极催化剂可以是相同类型的催化剂或不同类 型的催化剂。对于在阳极催化剂层103和阴极催化剂层104中采用的载体，具有高导电性的基 于碳的材料是优选的。这种基于碳的材料例如包括乙炔黑、Ketchen黑(注册商标)、无 定形碳、纳米碳管、碳纳米角(carbormanohorn)等。除了这样的基于碳的材料以外，还可以 列举诸如 Pt、Ru、Au、Ag、Rh、Pd、Os 和 Ir 等贵金属；诸如 Ni、V、Ti、Co、Mo、Fe、Cu、Zn、Sn、 1和& 等贱金属；贵金属或贱金属的氧化物、碳化物、氮化物/以及碳氮化物。上述材料可 以单独使用或者与两种或更多种类型结合使用而作为载体。此外，具有质子导电性的材料， 具体地，硫酸化氧化锆、磷酸锆等可以用于载体。尽管在阳极催化剂层103和阴极催化剂层104中采用的电解质的材料没有特殊 限制，只要具有质子导电性并且电绝缘就可以了，然而不被甲醇溶解的固体和凝胶是优选 的。具体地，对于电解质的材料，具有诸如磺酸基团和磷酸基团等强酸基团或者诸如羧 基等弱酸基团的有机聚合物是优选的。这种有机聚合物的实例包括包含全氟碳的磺酸 基团(NAFI0N (注册商标)，来自E. I.du Pont de Nemours & Co.)；包含全氟碳的羧基 (Flemion(注册商标)，来自Asahi KaseiCorporation)；聚苯乙烯磺酸共聚物；聚乙烯磺酸 共聚物；离子液体(环境温度熔盐)；磺化酰亚胺；2-丙烯酰胺-2-甲基丙烷磺酸(AMPS) 等。在使用具有质子导电性的前述载体的情况下，由于载体具有质子导电性，所以阳极催化 剂层103和阴极催化剂层并非必须包括电解质。阳极催化剂层103和阴极催化剂层104的厚度优选地被设置为小于或等于0. 5mm, 以便减小质子导电和电子导电中的电阻，以及减小燃料(例如，甲醇)或氧化剂(例如，氧) 中的扩散阻力。此外，阳极催化剂层103和阴极催化剂层104的厚度优选地至少是0. 1 μ m， 因为必须承载足够量的催化剂以改善电池的输出。<阳极气体扩散层和阴极气体扩散层>阳极气体扩散层105和阴极气体扩散层106优选地由导电多孔体(porous body) 构成。例如，可以采用碳纸、碳布、泡沫金属、烧结金属、金属纤维的无纺织物等。阴极气体扩散层106的孔隙率优选地大于或等于30%以便减小氧扩散阻力，并且 优选地小于或等于95%以减小电阻。更优选地，孔隙率是50%到80%。阴极气体扩散层 106的厚度优选地大于或等于10 μ m,以便减小在与阴极气体扩散层106的堆叠方向垂直的 方向上的氧扩散阻力，并且阴极气体扩散层106的厚度优选地小于或等于1mm，以便减小阴 极气体扩散层106堆叠方向上的氧扩散阻力。更优选地，厚度是100到500 μ m。〈阳极集电层〉阳极集电层108被提供在与阳极气体扩散层105相邻的位置，用于向阳极气体扩 散层105传输电子/从阳极气体扩散层105接收电子。在本发明中，在阳极集电层处形成 一个或多个燃料流动通道109。用于阳极集电层108的合适材料的实例包括碳材料；导电 聚合物；诸如Au、Pt和Pd等贵金属；诸如Ti、Ta、W、Nb、Ni、Al、Cr、Ag、Cu、Zn和Su等除 了贵金属以外的金属；这些金属的氮化物、碳化物和碳氮化物；诸如不锈钢、Cu-Cr, Ni-Cr, Ti-Pt等合金等等。更优选地，构成阳极集电层的材料包括从由以下元素组成的组中选择的 至少一种元素Pt、Ti、Au、Ag、Cu、Ni和W。包含这些元素减小了阳极集电层的电阻率，从而 减轻了由阳极集电层的电阻引起的电压减小。因此，可以实现更高的发电性能。在使用诸如Cujg或ai等在酸性气氛下具有较差耐蚀性的金属的情况下，可以在表面上涂敷以下涂 层诸如Au、Pt、Pd等具有耐蚀性的贵金属；具有耐蚀性的另一金属；导电聚合物；导电氮 化物；导电碳化物；导电碳氮化物或导电氧化物等。从而，可以延长燃料电池的寿命。燃料流动通道109是用于向阳极催化剂层103供给燃料的流道。燃料流动通道的 形状没有特殊限制。例如，如图1所示，燃料流动通道的横截面可以是矩形形状的。可以通 过在阳极集电层108的面对阳极气体扩散层105的表面处形成一个或多个槽，来提供燃料 流动通道109。燃料流动通道具有优选地0. 1到Imm的宽度以及优选地0. 01到Imm2的横 截面积。优选地，考虑阳极集电层108的电阻以及阳极集电层108与阳极气体扩散层105 之间的接触面积，来确定燃料流动通道的宽度和横截面积。在本实施方式中，阳极集电层108具有沿着两个相对侧提供的一对线性的第一壁 120。该对第一壁120在阳极集电层108的表面处形成凹槽。燃料流动通道109位于凹槽的 底部平面处。将膜电极组件107安放凹槽中，使得阳极气体扩散层105的侧面的一部分形 成与阳极集电层108的第一壁120的内部侧壁表面的接触。将膜电极组件107安放在阳极 集电层108的凹槽中便于在制造过程中膜电极组件107与阳极集电层108对准。因此，通 过简化燃料电池的制造步骤，可以降低制造成本。如稍后将描述的，在第一壁120上提供第 二壁116的情况下，可以将第二壁116以高精度置于与膜电极组件107相距预定距离的位 置处。因此，可以均勻地为膜电极组件107与第二壁116之间的空间填充绝缘密封层114。 从而，可以进一步抑制燃料泄漏和氧化剂泄漏。阳极集电层108的与膜电极组件107的侧面相接触的部分的厚度优选地被设置为 小于或等于电解质膜102、阳极催化剂层103和阳极气体扩散层105的总厚度。从而，可以 合适地避免第二壁116与阴极电极之间的接触，以防止电短路。< 第二壁 >优选地，在阳极集电层108的一对线性的第一壁120上提供线性的第二壁116。第 二壁116被布置在第一壁120上，使得在膜电极组件107的侧面与第二壁116的面对膜电 极组件107侧面的侧面之间形成间隙空间。优选地，在该间隙空间中形成稍后将描述的绝 缘密封层114。对于第二壁116的材料，可以使用电子导电材料。电子导电材料的使用使得除了 阳极集电层108，第二壁116也可以起到阳极集电层的作用，从而抑制由于较低电阻值引起 的电压减小而导致的发电减少。对于电子导电材料，优选地可以使用与阳极集电层108的 材料相类似的材料。电子导电材料的实例包括碳材料；导电聚合物；诸如Au、Pt和Pd等 贵金属；诸如Ti、Ta、W、Nb、Ni、Al、Cr、Ag、Cu、Zn和Su等除了贵金属以外的金属；这些金 属的氮化物、碳化物和碳氮化物；诸如不锈钢、CU-Cr、Ni-Cr、Ti-Pt等合金等等。更优选地， 构成第二壁的材料包括从由以下元素组成的组中选择的至少一种元素Pt、Ti、Au、Ag、Cu、 Ni和W。在使用诸如Cu、Ag或Si等在酸性气氛下具有较差耐蚀性的金属的情况下，可以在 表面上涂敷以下涂层诸如Au、Pt、Pd等具有耐蚀性的贵金属；具有耐蚀性的另一金属；导 电聚合物；导电氮化物；导电碳化物；导电碳氮化物；导电氧化物等。对于用于第二壁116的材料，更优选的是使用电子绝缘材料。从而，即使膜电极组 件107的阳极电极和阴极电极都形成与第二壁116的接触，也会防止电短路。优选地采用 的绝缘材料的实例包括有机聚合物材料，如，丙烯酸树脂、ABS树脂、聚酰亚胺、Teflon (注册商标)树脂、硅树脂等等。更优选地，如稍后将描述的，使用与绝缘密封层114具有良好 粘合性的丙烯酸树脂或ABS树脂。通过增大与绝缘密封层的粘合力，消除第二壁116与绝 缘密封层之间脱离的可能性。因此，可以更有效地抑制燃料的泄漏和氧化剂的引入，并且可 以提高燃料电池的可靠性。形成第二壁116，以便在第二壁116与膜电解质组件107之间提供预定的间隙空 间，从而引入绝缘密封层114。第二壁116的宽度没有特殊限制，只要在第二壁116与膜电 极组件107之间形成用于引入绝缘密封层114的间隙空间就可以了。尽管第二壁116的厚 度没有特殊限制，只要可以在第二壁116与阴极集电层113之间提供用于引入绝缘密封层 114的空间就可以了，然而通过将用于引入绝缘密封层114的在第二壁116与阴极集电层 113之间的空间最小化，可以提高对抗在与层厚度方向垂直的方向上的振动的耐久性。从 而，可以加强燃料电池和燃料电池层的结构。尽管第二壁116的配置没有特殊限制，只要可以在第二壁116与膜电极组件107 之间提供用于引入绝缘密封层114的空间就可以了，然而第二壁116的横截面形状优选地 是矩形的，如图1所示。在这种情况下，膜电极组件107的侧面与第二壁116的面对膜电极 组件107的侧面平行或近似平行。更优选地，第二壁的横截面形状是三角形或五角形，或是如图2所示的第二壁216 一样的梯形。在这种情况下，第二壁的面对膜电极组件的侧面相对于膜电极组件107的侧 面倾斜，或者具有相对于膜电极组件107的侧面的倾斜面。这种配置导致第二壁与绝缘密 封层之间的接触面积增大，从而允许增大粘合力。因此，可以进一步有效地抑制由于接合区 域处的脱离而引起的燃料泄漏和氧化剂向阳极电极的引入。参考图3，第二壁316面对膜电极组件307的侧面(与绝缘密封层314相接触的侧 面)可以具有凹槽和凸起。因此，第二壁316与绝缘密封层314之间的接触面积增大，以进 一步确保两层之间的粘合性。因此，即使当燃料电池不具有如燃料电池301 —样的阴极集 电层时，也可以避免在膜电极组件307与绝缘密封层314的堆叠的方向上的布置偏离，从而 允许稳定地提供电力。此外，可以减小燃料电池的元件的数目，以减少制造步骤并降低制造 成本。此外，可以进一步有效地抑制燃料泄漏和氧化剂向阳极电极的引入。通过蚀刻、切割等处理构成阳极集电层的基体材料，可以与阳极集电层一体地形 成第二壁，第一壁也是以这样的方式形成的。替代地，第二壁形成为与具有第一壁的阳极集 电层不同的部件，第二壁可以耦接至阳极集电层的第一壁。在前一情况下，提高了对抗与堆 叠方向垂直的方向上的力的耐久性。此外，还提高了对抗弯曲应力的耐久性。从而，可以加 强燃料电池和燃料电池层的结构。在后一情况下，可以选择第二壁的材料而不受阳极集电 层的材料的影响。从而，可以通过选择经济的材料来降低制造燃料电池的成本。此外，可以 提高与绝缘密封层的粘合性。〈阴极集电层〉阴极集电层113用于向阴极气体扩散层106传输电子/从阴极气体扩散层106接 收电子，包括用于在燃料电池外部与阴极气体扩散层106之间连通的通孔112。由于在燃料 电池发电期间，阴极集电层通常保持在比阳极集电层的电位高的电位处，所以阴极集电层 的材料的耐蚀性优选地应当等于或高于阳极集电层材料的耐蚀性。阴极集电层113的材料可以与阳极集电层108的材料相同。具体地，优选的是使用碳材料；导电聚合物；诸如Au、Pt和Pd等贵金属；诸如Ti、Ta、W、Nb、Cr等除了贵金属 以外的金属；这些金属的氮化物和碳化物；诸如不锈钢、Cu-Cr, Ni-Cr, Ti-Pt等合金等等。 在使用诸如Cu、Ag、ai、Ni等在酸性气氛下具有较差耐蚀性的金属的情况下，可以在表面上 涂敷以下涂层具有耐蚀性的贵金属；具有耐蚀性的另一金属；导电聚合物；导电氧化物； 导电氮化物；导电碳化物；导电碳氮化物等。阴极集电层113的形状没有特殊限制，只要能够将空气中的氧引入阴极气体扩散 层106中就可以了。在燃料电池101的阴极集电层113极大地外露于大气，并且阴极集电层 113周围的氧的浓度即使在燃料电池101工作期间也没有显著降低的情况下，阴极集电层 113优选地包括沿层厚度方向延伸的多个通孔112。从而，可以通过最少数目的通孔112从 空气中有效地引入氧，并且可以抑制阴极集电层113的体积的减小，S卩，抑制电阻的增大。 这使得可以抑制阴极集电层113处电位的降低，从而允许稳定地提供电力。在多个燃料电池101构成在厚度方向上分层的堆叠结构的情况下，阴极集电层 113优选地包括在平面方向上延伸的多个通孔以及在层厚度方向上延伸的多个通孔。从而， 在第二燃料电池的阳极集电层靠近第一燃料电池的阴极集电层而堆叠的堆叠结构中，通过 在阴极集电层的侧面提供的沿平面方向延伸的通孔，将空气中的氧引入第一燃料电池的阴 极气体扩散层。上述形状的阴极集电层113的实例包括泡沫金属、金属织物、烧结金属、碳纸、碳 布等。在本发明的燃料电池101中，可以省去阴极集电层113。<绝缘密封层>通过采用绝缘密封剂填充位于膜电极组件107、阴极集电层113和第二壁116之间 的间隙空间，形成绝缘密封层114。通过在膜电极组件107、阴极集电层113和第二壁116 之间提供的间隙空间处形成绝缘密封层114，提高了构成燃料电池的部件之间的粘合性，以 防止燃料从膜电极组件107侧面泄漏以及防止氧化剂从膜电极组件107侧面引入阳极电 极。此外，在具有分开布置的多个燃料电池或者具有多个燃料电池使得在燃料电池之间形 成间隙区域的燃料电池层中，通过形成绝缘密封层114以填充在膜电极组件107、阴极集电 层113和第二壁116之间提供的间隙空间，可以防止在绝缘密封剂的填充步骤中绝缘密封 剂从燃料电池101的侧面流出。这样，可以以高精度确保在相邻燃料电池之间提供的用于 扩散氧化剂的区域(在燃料电池之间提供的间隙区域)。因此，可以提供一种允许稳定提供 电力的燃料电池和燃料电池层。用于绝缘密封层114的绝缘密封剂优选地包含疏水聚合物材料。由于甲醇溶液燃 料导致的膨胀、水解等并不容易发生，所以使用这种材料的绝缘密封剂可以在长时间内防 止燃料泄漏。绝缘密封剂优选地由相对于膜电极组件107、阴极集电层113和第二壁116具 有高粘合性的材料构成。用于绝缘密封剂的特定材料的实例包括含氟树脂、含氟橡胶、氟基表面精整剂、 含硅树脂、含硅橡胶、环氧树脂、烯烃基树脂、聚酰胺树脂等。通过在第二壁116与膜电极组件107之间提供允许上述配置的燃料电池中各个 构成部件之间的粘合的绝缘密封层114，提高了对抗振动的耐久性，使得可以稳定地提供电 力。(第二实施方式)
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图4是示意性地示出了本发明的燃料电池的另一优选实例的横截面图。图4的燃 料电池401包括第二壁416，第二壁416在阳极集电层408与阴极集电层413之间，与膜电 极组件407接触。第二壁416是由多孔材料形成的层，其中，在微孔中填充绝缘密封剂。换 言之，第二壁416耦接至膜电极组件的侧面，而没有在第二壁与膜电极组件之间提供间隙 空间，这与上述第一实施方式不同。在本实施方式中，第二壁416还起到前述绝缘密封层的 作用。其余配置与第一实施方式类似。通过采用上述配置的第二壁，可以实现与第一实施方式的优点相类似的优点。此 外，由于膜电极组件407的侧面的大部分都被布置为与第二壁416相接触，所以在制造过程 中有利于膜电极组件与阳极集电层之间的对齐，这使得可以通过简化燃料电池的制造步骤 而降低制造成本。实例将基于实例来进一步详细地描述本发明。将理解，本发明不限于这些实例。< 实例 1>如下所述来制造具有图5所示结构的燃料电池501。对于电解质膜502，采用 40X40mm、厚度为大约 175 μ m 的Nafion(注册商标)117(来自 Ε. I. du Pont de Nemours & Co.) 。通过下述过程来准备催化剂膏。将承载催化剂的碳微粒、20wt %的Naf ion (来自 Aldrich)的乙醇溶液、离子交换水(ion exchangedwater)、异丙醇、和氧化锆珠以预定的比 率置于PTFE容器中，其中，承载催化剂的碳微粒由Pt微粒、Ru微粒和碳微粒构成，Pt含量 为 32. 5wt%, Ru 含量为 16. 9wt% (TE66E50，来自 TANAKA KIKINZ0KUK0GY0 K. K.)。使用搅拌 器，将这些成分以500rpm混合50分钟，然后去除氧化锆珠以准备阳极的催化剂膏。此外，使 用承载催化剂的碳微粒，在与准备阳极的催化剂膏的条件类似的条件下准备阴极的催化剂 膏，承载催化剂的碳微粒由Pt微粒和碳微粒构成，其中Pt含量为46. 8wt% (TEC 10E50E, 来自 TANAKA KIKINZOKU KOGYO K. K.)。使用具有23 X 23mm窗口的丝网印刷板(screen-printing plate)，将阳极催化剂 膏涂敷到作为电解质膜的Nafion 117的一个表面的中心，使得催化剂含量为ang/cm2。然 后，在室温下执行干燥，以形成厚度为大约30 μ m的阳极催化剂层503。类似地，在与阳极催 化剂层503相对应的位置，在Nafion 117的另一个表面的中心涂敷阴极催化剂膏，以按照 上述类似的方式进行丝网印刷，使得催化剂含量为;3mg/cm2。然后，在室温下执行干燥，以形 成厚度为大约20 μ m的阴极催化剂层504。下文中，将形成有阳极催化剂层503和阴极催化 剂层504的Nafion 117称作CCM(涂有催化剂的膜)。对于阳极气体扩散层505和阴极气体扩散层506，将在一个表面上具有防水层的 两片碳纸 GDL25BC (来自 SGL CARBON JAPAN Co.，Ltd)切割成 23 X 23mm 的尺寸。CCM叠加在碳纸的防水层上，使得CCM的阳极催化剂层与碳纸相符合。然后，在CCM 上叠加用作阴极气体扩散层506的另一碳纸，使得CCM的阴极催化剂层与碳纸相符合。在 相应的部件仍然叠加的情况下，沿着CCM周边布置厚度为600 μ m的不锈钢隔板。在130°C 和IOkN下执行热压处理两分钟，以集成各个部件，从而形成膜电极组件。利用聚乙烯薄膜夹着得到的膜电极组件，并通过在利用塑料板压着膜电极组件的 同时垂直按压修整刀，将膜电极组件切割成llmmX21mm的尺寸，从而得到膜电极组件507。每个组成层在膜电极组件507的四侧形成相同的横截面。如下所述制造阳极集电层508。蚀刻外部形状为14mmX 30mm、厚度为50 μ m的耐 酸不锈钢平板，在纵向方向上蚀刻出深度为300μπκ宽度为13mm的槽。因此，在阳极集电层 的纵向方向上的两侧形成宽度为500 μ m的线性第二壁513。然后，在纵向方向上开出深度 为ΙΟΟμπκ宽度为Ilmm的槽(凹槽)，从而得到在纵向方向上形成有第一壁520和第二壁 530的阳极集电层。第一壁520具有1. 5mm的宽度，在第一壁520上形成宽度为500 μ m的 第二壁513。此外，通过蚀刻，以Imm的间距在纵向方向上形成深度为ΙΟΟμπκ宽度为2mm 的槽，标识为燃料流动通道509。因此，得到阳极集电层508。将得到的膜电极组件507安放在阳极集电层508的凹槽中。将环氧树脂涂敷并扩 展到膜电极组件507的侧面与第二壁513之间的间隙空间中，以得到绝缘密封层511。然后，标识为燃料供给管的外直径为2. 5mmΦ (内直径为1. 5πιπιΦ) (Tech-Jam Co.，Ltd的产品，ST 1. 5-2. 5)的硅管在纵向方向上形成有长度为15mm的切口。将燃料电 池插入该切口中，使得燃料电池的侧面被尽可能远地插入管的中心区域，其中在燃料电池 的该侧面处阳极集电层末端开口。采用硅树脂密封剂来填充间隙，然后干燥以形成燃料供 给的连接部分。因此，得到燃料电池501。使用隔膜泵，以0. 5ml/min的速率向得到的燃料电池501供给3M甲醇水溶液。确 认在燃料供给期间燃料没有泄漏。<比较实例1>如下所述来制造具有图6所示结构的燃料电池601。以类似于实例1的方式，制造 膜电极组件607。如下所述来制造阳极集电层608。蚀刻外部形状为llmmX30mm、厚度为 200 μ m的耐酸不锈钢平板，以按照Imm的间距开出深度为100 μ m、宽度为2mm的槽，从而得 到燃料流动通道609。因此，得到阳极集电层608。所得到的膜电极组件607被布置在阳极集电层608上。将环氧树脂尽可能薄地 涂敷并扩展到由膜电极组件607和阳极集电层608形成的两个侧面上，以形成绝缘密封层 611。以类似于实例1的方式附加燃料供给管，以得到燃料电池601。使用隔膜泵，以0. 5ml/min的速率向得到的燃料电池601供给3M甲醇水溶液。在 供给燃料期间，可见地识别出燃料泄漏。应当理解，这里所公开的实施方式和实例在各方面都是说明性的而非限制性的。 本发明的范围由权利要求来限制，而不是由以上描述来限制，本发明的范围旨在包含与权 利要求项目等同的范围和含义内的任何修改。附图标记的描述101、201、301、401、501、601 燃料电池；102、202、302、402、502、602 电解质膜；103、 203、303、403、503、603 阳极催化剂层；104、204、304、404、504、604 阴极催化剂层；105,205, 305、405、505、605 阳极气体扩散层;106、206、306、406、506、606 阴极气体扩散层；107、207、 307、407、507、607 膜电极组件；108、208、308、408、508、608 阳极集电层；109、209、309、409、 509,609 燃料流动通道；112,212,412 通孔；113,213,413 阴极集电层；114、214、314、511、 611 绝缘密封层；116、216、316、416、513 第二壁；120,520 第一壁。
权利要求
1.一种燃料电池，包括膜电极组件(107)，依次包括阴极电极、电解质膜(10 和阳极电极，以及 阳极集电层(108)，所述阳极集电层(108)包括沿两个相对侧提供的一对第一壁(120)， 所述膜电极组件(107)被安放在第一壁(120)之间，使得所述阳极电极面对所述阳极 集电层(108)。
2.根据权利要求1所述的燃料电池，还包括在所述一对第一壁(120)上形成的一对 第二壁(116)。
3.根据权利要求2所述的燃料电池，包括在所述膜电极组件(107)与所述第二壁 (116)之间的间隙空间。
4.根据权利要求3所述的燃料电池，其中，所述间隙空间填充有绝缘密封剂。
5.根据权利要求3所述的燃料电池，其中，所述膜电极组件(107)的侧面与所述第二壁 (116)的面对所述膜电极组件(107)的侧面实质上平行。
6.根据权利要求3所述的燃料电池，其中，所述第二壁(116)的面对所述膜电极组件 (107)的侧面相对于所述膜电极组件(107)的侧面倾斜。
7.根据权利要求3所述的燃料电池，其中，所述第二壁(116)的面对所述膜电极组件(107)的侧面具有凹槽和凸起。
8.根据权利要求2所述的燃料电池，其中，所述第二壁(116)由电绝缘材料形成。
9.根据权利要求2所述的燃料电池，其中，所述第二壁(116)由包括绝缘密封剂的多孔 材料形成，所述第二壁(116)被布置为与所述膜电极组件(107)的侧面相接触。
10.根据权利要求2所述的燃料电池，其中，所述第二壁(116)与所述阳极集电层(108)—体地形成。
11.一种燃料电池层，具有采用间隙区域布置的多个如权利要求1所限定的燃料电池。
全文摘要
本申请公开了一种燃料电池，包括膜电极组件(107)和阳极集电层(108)，膜电极组件(107)依次包括阴极、电解质膜(102)和阳极。阳极集电层(108)包括沿着阳极集电层的两个相对侧彼此相对而提供的一对第一壁(120)。膜电极组件(107)被安放在该对第一壁(120)之间，使得阳极与阳极集电层(108)相对。还公开了采用该燃料电池的燃料电池层。优选地，燃料电池还包括在该对第一壁(120)上形成的一对第二壁(116)。
文档编号H01M8/02GK102132448SQ200980116709
公开日2011年7月20日 申请日期2009年5月12日 优先权日2008年5月13日
发明者佃至弘, 佐多俊辅, 吉江智寿, 小暮千贺明, 神原启则, 藤田敏之 申请人:夏普株式会社