专利名称：燃料电池和电子设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种配备有其中电解质膜设置在阳极电极和阴极电极之间的电极结构的燃料电池，以及一种使用该燃料电池的电子设备。
背景技术：
燃料电池具有其中电解质设置在阳极电极(燃料电极)和阴极电极(氧电极)之间的配置。向阳极电极供给燃料，并且向阴极电极供给氧化剂。在供给时，发生由氧化剂引起燃料的氧化的氧化-还原反应，从而燃料拥有的化学能被转换为电能。对于该燃料电池，当由于作为燃料供给系统的任何故障的结果而过度供给燃料引起发生渗透(crossover)时，或者当由于燃料的过度供给而发生阳极电极和阴极电极之间的短路时，有可能引起异常发热。燃料电池的这种异常发热是包括燃料电池的电子设备的故障的起因。先前提出了，例如，通过在燃料供给部的开口部分处提供亲水性聚合物溶胀膜，调整以气体形式供给燃料的气化型燃料电池中的燃料的浓度(例如，参照专利文献1)。引用文献列表专利文献专利文献1 日本未审专利公开第2006-269126号
发明内容
专利文献1中描述的先前的技术实际上有如下功能通过作为在燃料电池内部的温度增加(异常发热)期间的聚合物溶胀膜的凝胶化的结果而减少燃料的扩散速度，来防止燃料的过度供给。然而，由于燃料供给不能完全停止，因此防止异常发热的效果是不足的。考虑到这些缺点提出了本发明，并且本发明的目的在于提供一种能够在异常发热时确实切断燃料和/或空气的供给的燃料电池，以及一种包括该燃料电池的电子设备。根据本发明的实施例的燃料电池包括具有阳极电极和阴极电极之间的电解质膜的电极结构(发电部)。在该电极结构中，可熔多孔膜设置在电极结构中的阳极电极和阴极电极中至少一个的电解质膜的相对侧。根据本发明的实施例的电子设备包括上文描述的本发明的燃料电池。在根据本发明的实施例的燃料电池中，可熔多孔膜设置在电极结构中的未配备电解质膜的阳极电极侧和其中未配备电解质膜的阴极电极侧中的一个或两者上。对于该配置，当在电极结构(发电部)中发生异常发热时，可熔多孔膜熔化并且变形，从而其中形成的小孔消失。因此，从而阻塞了氧(空气)或燃料去往电极结构的通路。结果，去往电极结构侧的燃料和/或空气的供给被切断。另一方面，在正常发热时，可熔多孔膜简单地允许燃料和/或空气从中通过。根据本发明的实施例的燃料电池，可熔多孔膜设置在电极结构中的未配备电解质膜的阳极电极侧和其中未配备电解质膜的阴极电极侧中的一个或两者上，从而可以在异常发热期间确实切断燃料和/或空气的供给。该配置因此防止了额外的异常发热，可以增加燃料电池的安全级，并且还可以增加包括该燃料电池的电子设备的安全级。
[图1]本发明的第一实施例中的燃料电池的示图，示出了该燃料电池的配置。[图2]可熔多孔膜的示图，示出了该可熔多孔膜的结构的示例以及熔化之后的状态。[图3]本发明的第二实施例中的燃料电池的示图，示出了该燃料电池的配置。[图4]示出了经修改的示例1中的配置的示图。[图5]示出了经修改的示例2中的配置的示图。[图6]示出了经修改的示例3中的配置的示图。[图7]示出了经修改的示例4中的配置的示图。[图8]示出了经修改的示例5中的配置的示图。[图9]示出了经修改的示例6中的配置的示图。[图10]电子设备的示图，示出了该电子设备的配置。
具体实施例方式在下文中，将参照附图详细描述本发明的实施例。(第一实施例)图1是本发明的第一实施例中的燃料电池的示图，示出了该燃料电池的配置。该燃料电池1用在移动电子设备、笔记型个人计算机或者后面将描述的其他设备中，并且例如，配备有用作发电部的电极结构10。电极结构10是直接甲醇燃料电池(DMFC)，其中电解质膜12设置在例如，阴极电极(空气电极)11和阳极电极(燃料电极)13之间。阴极电极 11在外侧配备有阴极侧外部件15，并且阳极电极13在外侧配备有阳极侧外部件16。阴极电极11是将催化剂层IlB形成到阴极集电体IlA的结果，并且相似地，阳极电极13是将催化剂层1 形成到阳极集电体13A的结果。阴极电极11和阳极电极13因而均是在碳布等表面上形成催化剂层，并且在其下侧形成集电体的结果。催化剂层包括钼 (Pt)、钌(Ru)等，并且集电体是钛(Ti)网等。电解质膜12由聚全氟烷基磺酸树脂(Ε. I. du Pont de Nemours and Company制造的“Nafion(注册商标)”)或者具有质子传导性的其他树脂膜制成。阴极电极11、阳极电极13和电解质膜12均通过密封垫(gasket) 14进行固定设置。阴极侧外部件15具有例如2. Omm的厚度，并且由耐酸(alumited)铝(Al)板、钛 (Ti)板、耐酸金属板等配置，但是其材料没有特别限制。注意，阴极侧外部件15被形成为具有用于使空气，即氧从其中通过的多个氧供给孔15A。通过这些氧供给孔15A，向阴极电极 11提供空气，即氧。阳极侧外部件16由具有高热传导性和出众的耐腐蚀性的材料制成，诸如不锈钢、 铝(Al)或钛(Ti)。此外，阳极侧外部件16被形成为具有用于使燃料从其中通过的多个燃料供给孔16A。通过这些燃料供给孔16A，将燃料提供给阳极电极13。
阳极侧外部件16在外侧配备有燃料供给部件17以便于彼此相对，并且阳极侧外部件16和燃料供给部件17因而形成它们之间的内部空间，该内部空间用作用于燃料气化的气化室18。就是说，燃料电池1是使液体燃料在气化室18中气化的气化类型，并且将得到的气体形式的燃料提供给阳极电极13。例如，与阳极侧外部件16相似，燃料供给部件17 由具有高热传导性和出众的耐腐蚀性的材料制成，诸如不锈钢、铝(Al)或钛(Ti)。此外， 燃料供给部件17与燃料供给管(未示出)的端部连接，该燃料供给管从外部的燃料箱(未示出)延伸，用于向气化室18供给液体燃料。在阳极侧外部件16和燃料供给部件17之间通过包括EPDM(三元乙丙橡胶)、氟橡胶或硅橡胶的密封剂(未示出)进行密封，从而气化室18保持气密。这里注意，燃料供给部件17不一定是一个部件，并且可替选地，可以是具有紧固到扁平形部件的框的凹陷结构。此外，在燃料电池中，电极结构10中的阳极电极13和阴极电极11在它们的未配备有电解质膜12的一侧分别配备有可熔多孔膜21A和21B。通过该配置，在异常发热期间， 该燃料电池可以完全切断燃料和/或空气的供给。具体地，优选地，可熔多孔膜21A设置在电极结构10中的阴极电极11和阴极侧外部件15之间，而可熔多孔膜21B设置在电极结构10中的阳极电极13和阳极侧外部件16 之间。通过这种在阴极侧外部件15和阳极侧外部件16的内侧分别包括可熔多孔膜21A和 21B，即此两者均与电极结构10相邻的配置，可熔多孔膜21A和21B可以直接检测电极结构 10的温度，从而可以迅速地执行燃料等的切断。可熔多孔膜21A和21B均优选地具有例如，5 μ m以上(含端点)Imm以下(含端点)的厚度。这是因为，小于5μπι的厚度降低了切断燃料和空气的能力，并且大于Imm的厚度不仅减少了燃料供给量而且还增加了所得到的燃料电池的厚度。可熔多孔膜21Α和21Β均优选地由例如，不溶于燃料(甲醇)的树脂制成。具体地，具有相对低的熔点(130°C或更低的熔点)的树脂是优选的，诸如聚乙烯、聚烯烃、乙烯-丙烯酸共聚物的中和盐、乙烯-甲基丙烯酸缩水甘油酯共聚物(ethylene glycidyl methacrylate copolymer)、尼龙共聚物和聚酯共聚物。该树脂的熔点，即可熔多孔膜21A 和21B的熔化温度优选的是例如，60°C以上(含端点)120°C以下(含端点)。这是因为在较接近65°C (这是作为燃料的甲醇的沸点)的温度可以确实执行燃料和/或空气的切断。此外，具有例如，多孔膜和具有低熔点的聚烯烃蜡的组合的可熔多孔膜21A和21B 也是可能的。具体地，可熔多孔膜21A和21B均可以是将聚烯烃蜡混合到多孔膜的结果。更优选地，可以例示的是，如图2(A)中所示的在其上设置有聚烯烃蜡23的多孔膜22，以及如图2 (B)中所示的被形成为具有多个小孔22A并且浸渗了聚烯烃蜡23的多孔膜22。较之作为混合的结果，这些结构可以更容易地制造。基于多孔膜22中形成的小孔22A的体积调整聚烯烃蜡23的浸渗量或者向多孔膜22提供聚烯烃蜡23的量。如果情况确是如此，则多孔膜22不一定由具有低熔点的树脂制成，并且可替选地，可以是由聚乙烯、聚丙烯、聚酯或氟塑料制成的多孔膜。聚烯烃蜡23由聚乙烯蜡例示。 可熔多孔膜21A和21B的熔化温度可以根据添加用的聚烯烃蜡23的聚合程度而改变，并且具体地，优选地是60°C以上(含端点)120°C以下(含端点)。这是因为在较接近65°C (这是作为燃料的甲醇的沸点)的温度可以确实执行燃料和/或空气M的切断。作为参考信息，当可熔多孔膜21A和21B均由不溶于燃料的树脂制成时，尽管材料的选择是有限的，但是由于树脂自身具有低熔点，因此在异常发热期间可以确实执行燃料和/或空气的切断。另一方面，当可熔多孔膜21A和21B均是多孔膜和聚烯烃蜡的组合时， 材料选择的范围变宽。此外，通过选择具有较低熔点的聚烯烃蜡，可以在较低的温度，例如 70°C或更低、60°C附近切断燃料等，由此能够实现更高的安全级。该燃料电池1可以以例如如下方式制造。首先，通过使用如上所述的不溶于燃料的树脂，形成可熔多孔膜21A和21B。这里， 为了形成均具有如图2(A)中所示的其中多孔膜22上配备有聚烯烃蜡23的颗粒的配置的可熔多孔膜21A和21B，由上述材料制成的多孔膜22被施加(涂覆)上述聚烯烃蜡23。可替选地，如图2(B)中所示，由上述材料制成的多孔膜22可以浸渗聚烯烃蜡23。此外，由上述材料制成的电解质膜12被夹在阴极电极11和阳极电极13之间，用于热压接合，从而电解质膜12与阴极电极11和阳极电极13接合。这样，形成了电极结构 10。接下来，阴极电极11和阳极电极13因而在它们的外侧通过热熔接合或热压接合分别与可熔多孔膜21A和21B接合。随后，阴极电极11侧的可熔多孔膜21A在外侧配备有阴极侧外部件15。随后，准备好燃料供给孔16A和外部件16B，并且因而使用密封剂将燃料供给孔16A和外部件16B密封在一起，由此形成其中包括气化室16C的阳极侧外部件16。该阳极侧外部件16通过热熔接合或热压接合与阳极电极13侧的可熔多孔膜21B接合。结果， 完成了图1的燃料电池1。注意，这里例示了将可熔多孔膜21A和21B预先接合到电极结构10的情况。可替选地，这些膜可以通过热熔接合或热压接合分别预先接合到阴极侧外部件15和燃料供给孔16A，并且随后，可以使得到的结构与电极结构10接合。在燃料电池1中，阳极电极13配备有燃料(甲醇)，并且由于它们之间的反应，生成了质子和电子。质子经由电解质膜12移动到阴极电极11，并且随后与电子和氧反应，从而生成水。阳极电极13、阴极电极11和电极结构10中整体发生的反应由化学式1表示。 通过该反应，作为燃料的甲醇的化学能被转换为电能，并且从电极结构(发电部)10执行电流提取。(化学式1)阳极电极 13 :CH30H+H20 — C02+6H++6e"阴极电极11 :6H++(3/2)02+6e" — 3H20电极结构 10 整体CH30H+ (3/2) O2 — C02+2H20从燃料电池1提取的电能可以用作如图10中所示的电子设备(负载)100的电力。电子设备100由诸如蜂窝电话和PDA(个人数字助理)的移动设备、笔记型PC(个人计算机)等例示。这里，在上述燃料电池1中，当由于电极结构10具有燃料通路或者其中发生短路而发生异常发热时，可熔多孔膜21A和21B受热熔化。例如，该燃料通路或者短路由作为燃料过度供给的结果的渗透引起，或者由作为电解质膜12的劣化的结果的孔形成引起。就是说，当可熔多孔膜21A和21B均由不溶于燃料的树脂制成时，如果电极结构10的温度达到较接近树脂熔点的值，则树脂开始熔化并且填充小孔。此外，在如图2㈧中示出的配置中， 即在多孔膜22上配备有聚烯烃蜡23，如果电极结构10的温度达到较接近聚烯烃蜡23的熔点的值，则聚烯烃蜡23开始熔化并且堵塞多孔膜22的小孔22A，如图2(C)中所示。此外，对于如图2(B)中所示的浸渗了聚烯烃蜡23的多孔膜22，当电极结构10的温度达到较接近聚烯烃蜡23的熔点的值时，聚烯烃蜡23开始熔化并且填充多孔膜22的小孔22k。因而，在任何这些情况中，不允许燃料和/或空气M通过可熔多孔膜21A和21B或者多孔膜 22，从而可以确实切断燃料和/或空气的供给。这因此防止了任何额外的异常发热，从而得到的燃料电池1可以具有较高的安全级，并且通过延伸，得到的电子设备100可以具有较高的安全级。因而，在该实施例中，分别在电极结构10中的阳极电极13和阴极电极11的未配备有电解质膜12的一侧设置了可熔多孔膜21B和21A。通过该配置，可以在异常发热期间确实切断燃料和/或空气M的供给。特别地，可熔多孔膜21A被安置在电极结构10中的阴极电极11和阴极侧外部件 15之间，并且可熔多孔膜21B被安置在电极结构10中的阳极电极13和阳极侧外部件16之间。因此，可熔多孔膜21A和21B可以分别设置在阴极侧外部件15和阳极侧外部件16的内侧，即与电极结构10接触。这因此允许可熔多孔膜21A和21B直接检测电极结构10的温度，从而可以迅速地切断燃料等。此外，特别地，由于可熔多孔膜21A和21B均由不溶于燃料的树脂制成，或者由于多孔膜22浸渗了聚烯烃蜡23或者在其上配备有聚烯烃蜡23，因此树脂可以在异常发热期间熔化并且变形，或者可以使多孔膜22的小孔消失。结果，较之先前的聚合物溶胀膜，可以更可靠地切断燃料等的供给。在下文中，尽管将描述本发明的另一实施例和其他经修改的示例，但是与上文描述的第一实施例中的构成元件相同的任何构成元件配备有相同的附图标记，并且不做重复描述。(第二实施例)图3是本发明的第二实施例中的燃料电池2的示图，示出了该燃料电池的配置。该燃料电池2具有与上文描述的第一实施例中的燃料电池相似的配置，不同之处在于可熔多孔膜21A设置在阴极侧外部件15的外侧，并且可熔多孔膜21B设置在阳极侧外部件16的外侧。在该实施例中，较之第一实施例，可熔多孔膜21A和21B设置在远离电极结构10的位置。考虑到这一点，为了可熔多孔膜21A和21B迅速地检测电极结构10的温度，配置阴极侧外部件15和阳极侧外部件16的材料优选地是具有较高热传导性的铝(Al)等。可以如下制造该燃料电池2。首先，以与第一实施例相似的方式形成电极结构10。 接下来，阴极侧外部件15与可熔多孔膜21A接合，并且得到的阴极侧外部件15随后以使得可熔多孔膜21A处于外侧的方式接合到阴极电极11。随后，阳极侧外部件16与可熔多孔膜21B接合，并且得到的阳极侧外部件16以使得可熔多孔膜21B处于外侧的方式与阳极电极13接合。此外，使用密封剂将阳极侧外部件16和燃料供给部件17密封在一起，从而形成气化室18。再者，在该燃料电池2中，与第一实施例相似，当在电极结构10中发生异常发热时，可熔多孔膜21A和21B受热熔化，并且其中形成的小孔消失。结果，切断了燃料和/或空气的供给，从而防止了任何额外的异常发热。在该实施例中，可熔多孔膜21A和21B由于被分别安置在阴极侧外部件15和阳极侧外部件16外侧，因此位于远离电极结构10的位置。因此，尽管检测电极结构10的温度的灵敏度比第一实施例差，但是存在如下优点组装起来更容易，并且可熔多孔膜21A和21B可以在异常发热期间完全提供关闭能力之后被更换。(经修改的示例1)图4的燃料电池3不包括第一实施例中的可熔多孔膜21A，而是仅在其中包括可熔多孔膜21B。在该燃料电池3中，可熔多孔膜21B被安置在电极结构10中的阳极电极13 和阳极侧外部件17之间。因此，可熔多孔膜21B在异常发热期间熔化并且变形，由此在作为燃料的甲醇到达发电部之前将其切断。(经修改的示例2)图5的燃料电池4不包括第一实施例中的可熔多孔膜21B，而是仅在其中包括可熔多孔膜21A。在该燃料电池4中，尽管燃料在异常发热期间实际上到达阳极电极13，但是当可熔多孔膜21A熔化并且变形时，其可以使空气的供给停止。这是因为，可熔多孔膜21A被安置在电极结构10中的阴极电极11和阴极侧外部件15之间。结果，使任何进行中的反应停止，从而防止任何额外的发热。(经修改的示例3)图6的燃料电池5不包括第二实施例中的可熔多孔膜21A，而是仅在其中包括可熔多孔膜21B，并且其效果与经修改的示例1中实现的效果相似。(经修改的示例4)图7的燃料电池6不包括第二实施例中的可熔多孔膜21B，而是仅在其中包括可熔多孔膜21A，并且其效果与经修改的示例2中实现的效果相似。此外，可熔多孔膜21A可以由其他可熔多孔膜更换。(经修改的示例5)图8的燃料电池7是第一实施例和第二实施例的组合。可熔多孔膜21A被设置在电极结构10中的阴极电极11和阴极侧外部件15之间，即被设置为与阴极电极11相邻。同时，可熔多孔膜21B被设置在阳极侧外部件16的外侧。通过该配置，在异常发热期间，可熔多孔膜21A和21B均熔化并且变形，由此切断空气的供给和燃料的供给。(经修改的示例6)图9的燃料电池8也是第一实施例和第二实施例的组合。可熔多孔膜21A被设置在阴极侧外部件15的外侧，并且可熔多孔膜21B被设置在电极结构10中的阳极电极13和阳极侧外部件16之间。通过该配置，实现了与经修改的示例5中的效果相似的效果。通过实施例的示例描述了本发明，但是本发明不限于上述实施例，并且应当理解， 可以设计许多其他修改和变化。例如，在以上实施例中描述了将可熔多孔膜21A和21B设置在电极结构10附近的情况，但是这无疑不是唯一选择，只要可熔多孔膜21A和21B设置在未配备电解质膜12的阳极电极13侧和未配备电解质膜12的阴极电极11侧中的一个或两者上即可，并且只要能够在异常发热期间阻塞氧(空气)或燃料去往电极结构10的通路即可。作为示例，可熔多孔膜可以设置在燃料供给管(未示出)内部，该燃料供给管设置在燃料箱(未示出)和燃料供给部件17之间。如果配置是这样的，则当观察到异常发热时， 可熔多孔膜堵塞燃料供给管，从而使燃料供给停止。此外，例如，在以上实施例中具体地描述了电极结构10、可熔多孔膜21A和21B、阴极侧外部件15以及阳极侧外部件16的配置。可替选地，这些结构元件可以以不同的方式配置或者可以由任何其他材料制成。此外，以上实施例中描述的各构成元件在材料、厚度等方面没有限制，并且可以以不同的方式配置。此外，在以上实施例中使用的液体燃料不限于甲醇，并且还将使用任何其他液体燃料，诸如乙醇、异丙醇、丁醇和二甲醚。如果情况确是如此，则对于可熔多孔膜21A 和21B，需要使用不溶于任何所选择的液体燃料的材料。此外，在上述实施例中，假设对阴极电极11的空气供给是自然通风，但是可替选地，该供给可以例如，通过使用泵来人工进行。如果情况确是如此，则作为空气的替选方案， 可以供给氧或者含氧气体。此外，在以上实施例中，尽管描述了供给气体形式的燃料的情况，但是本发明还适用于供给液体燃料的情况。
权利要求
1.一种燃料电池，包括电极结构，其包括阳极电极和阴极电极之间的电解质膜；以及可熔多孔膜，其设置在所述电极结构中的所述阳极电极和所述阴极电极中至少一个的所述电解质膜的相对侧。
2.根据权利要求1所述的燃料电池，其中在所述电极结构中的所述阴极电极侧，设置有具有氧供给孔的阴极侧外部件，并且在所述阳极电极侧，设置有具有燃料供给孔的阳极侧外部件，以及所述可熔多孔膜安置在如下位置中的一个或多个位置处所述电极结构和所述阳极侧外部件之间；所述电极结构和所述阴极侧外部件之间；所述阳极侧外部件的外侧；以及所述阴极侧外部件的外侧。
3.根据权利要求2所述的燃料电池，包括燃料供给部件，其被安置为与所述阳极侧外部件相对；以及气化室，其由所述阳极侧外部件和所述燃料供给部件包围。
4.根据权利要求1所述的燃料电池，其中所述可熔多孔膜由不溶于燃料的树脂制成。
5.根据权利要求1所述的燃料电池，其中所述可熔多孔膜由浸渗了聚烯烃蜡或者其上积层有聚烯烃蜡的多孔膜制成。
6.根据权利要求4或5所述的燃料电池，其中所述可熔多孔膜具有60°C以上120°C以下的熔点。
7.一种电子设备，包括 燃料电池，其中所述燃料电池包括电极结构，其包括阳极电极和阴极电极之间的电解质膜；以及可熔多孔膜，其设置在所述电极结构中的所述阳极电极和所述阴极电极中至少一个的所述电解质膜的相对侧。
全文摘要
提供了一种燃料电池，其能够在异常发热期间停止燃料和/或空气的供给，并且防止额外的异常发热。在电极结构10(发电部)中，可熔多孔膜21A被安置在阴极电极11和阴极侧外部件15之间，并且可熔多孔膜21B被安置在阳极电极13和阳极侧外部件16之间。可熔多孔膜21A和21B由具有低熔点并且不溶于燃料(甲醇)的树脂制成，或者可以由多孔膜和具有低熔点的聚烯烃蜡的组合制成。当在燃料电池1中发生异常发热时，可熔多孔膜21A和21B受热熔化，并且其中形成的小孔消失，从而可以确实切断燃料和/或空气的供给。
文档编号H01M8/10GK102177608SQ20098014010
公开日2011年9月7日 申请日期2009年10月14日 优先权日2008年10月17日
发明者妹尾直, 志村重辅, 福岛和明, 细谷守 申请人:索尼公司