专利名称：燃料电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池，具体而言涉及利用固体电解质薄膜的燃料电池。
背景技术：
固态聚合物燃料电池典型地包括由诸如全氟酸性硫酸基酸薄膜的固体聚合电解质制成的离子交换薄膜；形成在离子交换薄膜的两个表面上的电极(燃料电极和氧化剂电极)；以及电荷收集器。这是这样的装置其中氢被供给到燃料电池，同时氧化剂电极被供给氧气或者空气，以通过电化学反应来产生电力。各电极具有催化剂层，所述催化剂层包括用固体聚合电解质保持催化剂材料的碳微粒的混合物，以及气体扩散层(供给层)，所述气体扩散层由带孔碳材料构成用于供给和扩散燃料以及氧化气体。电荷收集器由碳或者金属制成的导电板制造。
近年来对直接甲醇固体聚合物燃料电池进行了积极的研究和开发，其中燃料电极被直接供给诸如甲醇等的有机液体燃料。
在这样的燃料电池中，供给到燃料电极的燃料通过气体扩散层(供给层)中的微孔到达催化剂。然后，燃料通过催化剂的作用而分解以产生电子和氢离子。电子通过催化剂载体(碳微粒)和燃料电极内的气体扩散层(供给层)引出到外部电路，并通过外部电路流至氧化剂电极。反过来氢离子通过燃料电极中的电解质和两个电极之间的固体聚合电解质薄膜而到达氧化剂电极，并与供给到氧化剂电极的氧和通过外部电路流入到氧化剂电极的电子进行反应以产生水。结果，电子从燃料电极在外部电路中流到氧化剂电极，从而得到电力。
但是，在基本如上构造的固体聚合物燃料电池单元中，通过电池所产生的电压对应通过各电极上的氧化和还原的电势差，这样燃料电池最大只能产生1.23V，即使是理想开路电压。这样，燃料电池不能总是产生足够的电力来作为装备到不同的装置中的驱动电源。例如，便携电力装置典型地需要大约1.5-4V或者更高的输入电压来作为电源。为了使用固体聚合物燃料电池作为用于驱动这样的便携电子装置的电源，燃料电池的干电池必须串联连接以增加由此产生的电压。
可以想象干电池被堆叠以增加所述电压以保证充分的电压。但是，这样的结构将对燃料电池的总厚度上更大，使得此策略对驱动便携电力装置的电源是不利的，所述便携电力装置需要逐渐变薄。
例如，日本专利公开出版物No.273696/96公开了一种燃料电池组件，包括位于相同平面上的多个干电池，以及所述堆叠结构包括多个彼此堆叠的燃料干电池组件，作为一种技术来增加通过电池产生的电压同时减小电池的厚度。
同样，日本专利公开出版物No.171925/96公开了一种燃料电池组件，包括单电解质薄膜，位于电解质薄膜的一个表面上的多个氧化剂电极，以及位于电解质薄膜的另外一个表面上的多个燃料电极，这样多个干电池被设置在相同的平面上。
这样的燃料电池的特定示例将在下面进行说明。如图1A、1B示意所示，多个燃料电极(一个电极)102被设置在固体聚合电解质薄膜114的一个表面上，同时多个氧化剂电极(另外的电极)108被设置在固体聚合电解质薄膜114的另外的表面上。电荷收集器120、121被设置在并连接到各燃料电极102，同时电荷收集器122、123被设置在并连接到各氧化剂电极108。电荷收集器121、122通过连接电极124被电连接。
由于前述传统燃料电池组件能够用多个电互联电池来产生高电压，此燃料电池组件提供了特定的益处在于可以获得充分的供给电压来驱动电力装置。
但是，在日本专利公开出版物No.273696/96中所描述的堆叠结构中，各设置在平面上的干电池的燃料电极和氧化剂电极朝向不一致，因此必须单独供给到各干电池。同样，需要保持器机构对各干电池进行密封以防止各干电池中的燃料和氧化剂气体流入到相邻的干电池中。这些要求需要燃料电池组件的干电池之间的空间依赖于用于供给燃料和氧化剂气体的机构以及保持器机构的尺寸；因此，难于实现尺寸的充分减小。此外，所设置在堆叠结构需要较大数目的组件，并仍然就尺寸的减小和成本的降低具有用于改良的空间。
另一方面，日本专利公开出版物No.171925/96中公开的燃料电池组件的问题是产生在特定干电池的燃料电极中的氢离子迁移(电泄漏)到相邻干电池的氧化剂电极，而不是干电池本身的氧化剂电极，从而导致电压较低。特别地，单干电池被安置在小到电解质薄膜的厚度的间隙上时电泄漏是显著的，这不可避免地减小了电压。
发明内容
有鉴于上述情况，本发明的一个目的是为了提供一种简单结构、尺寸减小且厚度减小的固体聚合物燃料电池，其能够产生更高的功率。
为了解决上述的问题，本发明提供了一种燃料电池，其包括单固体电解质薄膜、设置在固体电解质薄膜的一个表面上的多个燃料电极、以及设置在固体电解质薄膜的另外的一个表面上与燃料电极分别相对的多个氧化剂电极，其中多个干电池被彼此电连接，每个干电池包括燃料电极、氧化剂电极和固体电解质薄膜。所述燃料电池在相邻干电池之间还包括低离子导电率区本发明的燃料电池具有共享固体电解质薄膜并且彼此电连接的两个或者多个干电池。由于没有额外的部件需要用于彼此固定干电池，所得到的简单结构的燃料电池可以提供更高的功率。
此外，由于燃料电极设置在固体电解质薄膜的一个表面上，氧化剂电极位于其另外的一个表面上，准备流动通路等用于将燃料或者氧化剂供给到各干电池就没有必要了，但是两个或者多个干电池可以一起供给燃料和氧化剂。结果，所述结构得以简化，导致燃料电池的尺寸减小。
同样，在本发明的燃料电池中，各干电池之间的空间可以变窄以进一步减小燃料电池的尺寸。传统上，干电池之间的空间的减小引起电泄漏的问题，如上所述，这导致电压较低。但是低离子导电率区设置在固体电解质薄膜中的干电池之间以防止电泄漏。这样，即使各干电池之间的空间被减小到与固体电解质薄膜的厚度相同的程度，所得到的燃料电池可以限制电压的减小，并提供较高的功率，其尺寸小、厚度小。本发明的低离子导电率区指的是显示比剩余区域对氢离子具有较低的导电率的区域。
在本发明中，低离子导电率区可以是如上所述的燃料电池的固体电解质薄膜中的具有槽的区域。
可选地，低离子导电率区可以是如上所述的燃料电池的固体电解质薄膜中的具有凹陷的区域。
低离子导电率区可以通过如上所述结构而提供，并可以防止氢离子通过固体电解质薄膜而在干电池之间迁移，这样通过有效地限制电压的减小而提供高功率的燃料电池。
在本发明中，在如上所述的燃料电池中所述槽或者凹陷可以填充绝缘树脂。填充绝缘树脂的槽或者凹陷可以进一步限制氢离子在干电池之间通过固体电解质薄膜迁移，这样所得的燃料电池可以提供较高的功率。用于此目的的绝缘材料优选是氟基树脂、聚酰亚胺树脂、苯酚基树脂或者环氧树脂基树脂。通过使用这些树脂，所述槽或者凹陷可以很容易填充绝缘树脂，而不会失败。
同样，根据本发明，如上所述的燃料电池还包括用于将燃料供给到两个或者多个燃料电极的燃料流动通路，其中燃料流动通路中具有隔板，其部分包括固体电解质薄膜。由于此燃料电池利用固体电解质薄膜作为燃料流动通路的隔板的一部分，这导致部件数目减小，结构简单。结果，这有助于尺寸减小和总体的燃料电池的厚度的减小。
根据本发明，在如上所述的燃料电池中，至少多个干电池中的两个可以串联连接。
同样，根据本发明，在如上所述的燃料电池中，至少多个干电池中的两个可以并联连接。
在本发明的燃料电池中，多个干电池可以自由串联或者并联，这样所得的干电池可以获得理想的电压或者电流值。
如上所述，本发明提供了一种结构简单、产生高功率的固体聚合物燃料电池，产生较高的功率、并且尺寸和厚度减小。
图1A和1B说明了传统燃料电池的一个示例；图2A和2B说明了根据本发明的一个实施例；图3A和3B说明了根据本发明的燃料电池的另外的实施例；图4A和4b说明了根据本发明的燃料电池的另外的实施例；以及图5A和5B说明了根据本发明的燃料电池的另外的实施例。
具体实施例方式
下面参照图2A-5B说明本发明的结构和操作的几个实施例中的燃料电池。
图2A示意显示了根据本发明的一个实施例的燃料电池的透视图。图2B是图2A中沿着线A-A’所取的横截面视图。如图2A和2B中所示，燃料电极(一种类型的电极)102、102b设置在单个或者普通固体聚合电解质薄膜114的一个表面上，同时氧化剂电极(另外类型的电极)108a，108b被设置在固体聚合电解质薄膜114的另外的表面上。电荷收集器120、121设置在并分别连接到燃料电极102a、102b，同时电荷收集器122、123设置在并分别连接到氧化剂电极108a、108b。电荷收集器121、122通过固体聚合电解质薄膜114连接电极124电连接。燃料电极102a、102b和氧化电极108a、108b包括基部(气体扩散层)和催化剂层，两者未示出。
在如上所示结构的燃料电池中，燃料电极102a、102b被供给燃料125，同时氧化剂电极108a、108b被供给诸如空气、氧气等的氧化剂126，如图2B所示。在此实施例的燃料电池中，燃料电极102a、102b和形成多个干电极的一部分的氧化剂电极108a、108b被设置在固体聚合电解质薄膜114的两个表面上。因此，如图2B示意所示，单燃料流动通路对供给燃料125是足够的，同时单氧化剂流动通路对供给氧化剂126是足够的，这样使得可以简化燃料电池的结构。固体聚合电解质薄膜114用于将燃料电极侧从氧化剂电极侧分离的隔板，这样防止燃料125被引入到氧化剂电极侧和防止氧化剂126被引入到燃料电极侧。
固体聚合电解质薄膜114将燃料电极102a、102b从氧化剂电极108a、108b分开，并用作迫使氢离子在这些电极之间迁移的离子交换薄膜。出于这样的动作的要求，固体聚合电解质薄膜114优选对氢离子具有较高的导电率。同样优选地，固体聚合电解质薄膜114是化学稳定并机械性能较强。适于形成固体聚合电解质薄膜114的材料可以是具有诸如磺基、磷酸盐基、phosphone基、磷化氢基等的强酸基的极性基或者诸如羧基的弱酸基的有机聚合物。这样的有机聚合物可以包括诸如磺化聚乙烯(4-phenoxybenzoil-1，4-亚苯基)、烷基磺化聚苯并咪唑等芳香族系列的聚合物；诸如聚苯乙烯硫酸基共聚物、乙烯硫酸基共聚物的共聚物、桥接烷基硫酸衍生物、由氟聚合物骨架和硫酸构成的聚合物的含氟聚合物；通过将诸如丙烯酸-2-甲基丙烷磺酸的包含丙烯酸类和诸如n-丁基甲基丙烯酸盐的丙烯酸酯类共聚化而产生的共聚物；包含磺基(诸如由Asahi Kasei公司制造的由Dupont，Aciplex(商标)制造的Nafion(商标))族的全氟碳化物；包含羧基(例如Asahi Glass公司制造的Flemion S film(商标))族的全氟碳化物；等等。
当包含聚合物的芳香族系列被选择用于用作燃料125的有机液体燃料，诸如磺化聚乙烯(4-phenoxybenzoil-1，4-亚苯基)、烷基磺化聚苯并咪唑等的聚合物等，这可能限制了有机液体燃料的传输以防止由于交换所导致电池效率的降低。
燃料电池102a、102b以及氧化物电极108a、108b可以在其中包括保持催化剂和固体聚合物电解质微粒的碳微粒的薄膜(催化剂层)被形成在基部(气体扩散层)的结构中产生。对于燃料电极和氧化剂电极，用作基部可以是诸如碳纸、碳成形、碳烧结物、烧结金属、泡沫金属等的带孔基部。同样，基部表面可以被防水处理，诸如聚四氟乙烯等的防水剂可以被用于对基部进行防水处理。
通过燃料电极的碳微粒所保持的催化剂可以通过铂、铹、钯、铱、锇、钌、铼、金、银、镍、钴、锂、镧、锶、钇等示范，它们可以单独使用，也可以两个或者多个组合使用。另一方面，保持在氧化剂电极的碳微粒上的催化剂可以与用作燃料电极催化剂的相似，前面所示范的材料可以被使用。相同或者不同的材料可以被用于燃料电极和氧化剂电极的催化剂。
用于保持催化剂的碳微粒可以通过乙炔黑(例如Vulcan Material公司制造的Denki Kagaku Kogyo Kabushiki Kaisha XC72(商标)制造的DenkaBlack(商标)等)、Ketjen Black、碳nanotube、碳nanohorn等来示范。碳微粒的直径可以在范围0.01-0.1μm之间，优选地为0.02-0.06μm。
用作燃料125的可以是诸如甲醇、乙醇、二乙基乙烯等的有机液体或者含氢的气体。
尽管没有特别限定，燃料电极102a、102b以及氧化剂电极108a、108b可以以诸如下述的方式制造。
催化剂可以通过燃料电极102a、102b以及氧化剂电极108a、108b的碳微粒保持，通常对其执行了浸透。然后，保持催化剂以及固体聚合电解质微粒的碳微粒被分散在溶剂中以形成浆状物。此后，浆状物被镀在基部上，变干以提供燃料电池102a、102b以及氧化剂电极108a、108b。此处，碳微粒的直径被设置为诸如0.01-0.1μm范围中。另一方面，催化剂微粒的直径被设置诸如在1nm-10nm范围之中。此外，固体聚合电解质微粒的直径被设置诸如在0.05-1μm范围之间。碳微粒和固体聚合电解质微粒被用于诸如2∶1-40∶1范围中的重量百分比上。同样，用于在浆状物中融解的水的重量百分比是诸如在范围1∶2-10∶1中。尽管没有特别限制，通过诸如涂刷、喷溅、丝网印刷等的方法镀到基部上。浆状物被涂的厚度大约是1μm-2mm。在涂完浆状物之后，基部在对应的温度和对应于氟聚合物的类型的时间上加热，所述氟聚合物被用于制造燃料电极102a、102b以及氧化剂电极108a、108b。尽管加热时间和加热温度根据所使用的材料适当确定，加热温度可以诸如在范围100℃-250℃的范围之中，同时加热时间可以在30秒到30分钟之间。
固体电解质薄膜114可以使用适于所使用的材料的方法来制造。例如，当固体聚合电解质薄膜114由有机聚合物材料制造时，固体聚合电解质薄膜114可以通过在由聚四氟乙烯等制造的可移除薄片上铸造和干燥通过溶剂和溶解或者扩散在其中的有机聚合物材料的液体来提供。
这样形成的固体聚合电解质薄膜114被设置在燃料电极102a、102b和氧化剂电极108a、108b之间并热挤压以产生电极—电解质层压结构。在此情况下，固体聚合电解质薄膜114与所有的催化剂被安置在其上的电极102a、102b、108a、108b的表面相接触。用于热挤压的条件的选择依赖于特定的材料。当固体聚合电解质薄膜114以及电极102a、102b、108a、108b的表面上的电解质由有机聚合物制造，热挤压可以在超过这些有机聚合物的软化温度或者玻璃转换温度的温度上进行。特别地，热挤压可以在诸如限定温度在范围100-250℃；压力在1-100Kg/cm2；持续时间在10秒-300秒的范围中的条件下进行。
如上方式所产生的电极—电解质层压结构被设置在电荷收集器120-123之间。结果，设置在并连接到燃料电池102b的电荷收集器121通过连接电极124被电连接到设置在并连接到氧化剂电极108a的电荷收集器122。这就获得了具有两个串联连接的干电池的燃料电池。电荷收集器120-123和连接电极124是导电元件，其可以由诸如不锈钢、钛等来形成。
由于如上所述的燃料电池不需要如现有技术中那样具有密封性的保持器机构，各干电池可以被安置彼此相邻移节省空间，由此实现较高密度安装。但是，当各干电池被安置以减小间距到如固体电解质薄膜的厚度的相同程度，将发生电泄漏，其中相邻干电池的氢离子可以迁移到相邻干电池的氧化剂电极而不是干电池本身的氧化剂电极。以此方式迁移的氢离子导致电压减小。因此，在此实施例中，槽302被设置在如图2A、2B所示的干电池之间的区域中用于防止电泄漏。图2A是其中设有槽302的结构的透视图，图2B是沿着图2A的线A-A’所取的截面图。
可选地，如图3A、3B所示，凹陷303可以设置在干电池而不是槽302之间的区域中。图3A是设有凹陷303的实施例的透视图，图3B是沿着图3A的线A-A’所取的截面图。
这样设置的槽302或者凹陷303可以减小导致在燃料电极102上产生的氢离子迁移到相邻的干电池的氧化剂电极108b的离子导电率。结果，可以防止电泄漏，并且产生在燃料电极102a上的氢离子可以有效的引导到氧化剂电极108a。
此外，槽302或者凹陷203可以填充具有绝缘属性的树脂等。这样的结构显示在图4A、4B、5A和5B中。图4A是其中绝缘薄膜304被插入到槽303中的实施例的透视图，图4B是沿着图4A的线A-A’所取的截面图。图5A反过来是凹陷303填充绝缘树脂305的实施例的透视图，图5B是沿着图5A的线A-A’所取的截面图。这样的结构可以进一步防止电泄漏。用于绝缘薄膜304和绝缘树脂305的材料可以是氟基树脂、聚酰亚胺基树脂、苯酚基树脂、环氧树脂基树脂等。
如上所述，图2A-5B所示的各实施例可以防止电泄漏，并减小燃料电池的干电池之间的空间至固体聚合电解质薄膜114的厚度，或者更小，由此实现更高密度安装。
尽管如上所述的各实施例具有所示的干电池，出于简化每个具有两个干电池，本发明不限于这些干电池，但是可以相似的方式应用到具有三个或者多个干电池的燃料电池中。
接着，将参照附图结合比较示例来说明本发明的更多的特定的实施例。
(示例1)本发明的示例1将参照图2A、2B来进行说明。
示例1中使用具有直径3-5nm的Pt-Ru合金微粒催化剂，以及在其上保持催化剂重量百分比达到50％的催化剂载体碳微粒(Denki KagakuKogyo Kabushiki Kaisha制造的Denka Black(商标))。所述合金包括50wt％的Ru，合金对碳微粒的重量百分比是1∶1。一克催化剂载体碳微粒被添加到18ml 5wt％的由Aldrich Chemical公司制造的nafion溶液(nafion是Dupont的注册商标)，并通过超声混合器在50℃搅动3小时以产生催化剂浆状物。此催化剂浆状物在120℃上通过丝网印刷在碳纸(Toray Industries公司制造的TGP-H-120(商标))上以2mg/cm2镀层，并在120℃上干燥以产生电极。
四个以如前所述的方式制造的电极通过2对2在120℃上在具有厚度150μm并由Dupont生产的nafion形成的单固体聚合电解质薄膜114的两个表面上热挤压粘结以制备燃料电极102a、102b和氧化剂电极108a、108b。这样，产生两个干电池。这两个干电池以0.2mm彼此分开。此外，具有宽度0.05mm和深度0.1mm的槽302被形成在两个干电池之间。
然后，由不锈钢所制造的电荷收集器120-123被分别设置到并连接到燃料电极102a、102b和氧化剂电极108a、108b，这样两个干电池被设置在电荷收集器120-123之间。此外电荷收集器121通过连接电极124被连接到电荷收集器122。同样，尽管未示出，由聚四氟乙烯树脂制造的燃料容器被连接到固体聚合电解质薄膜114的燃料电极102a、102b的侧面上。燃料电极102a、102b被覆盖燃料容器并且也通过固体聚合电解质薄膜114和此燃料容器密封。
10％甲醇溶液被施加到燃料电池的内部，这样以2ml/min制造，并且电池特性用暴露到外部空气的外部进行测量。结果，电池产生电压0.87V电流密度100mA/cm2，如表1所示。此电压大约是只包括单个干电池的燃料电池所产生的电压的两倍。因此，可以理解电泄漏在示例1中显著受到限制。
(比较示例1)为了比较，显示在图1A、1B中的现有技术将作为比较示例1进行说明。同样，在此比较示例1中，通过与示例1相似的方法制造的四个电极被通过2对2在单固体聚合电解质薄膜114的两个表面上热挤压粘结以制备燃料电极102a、102b和氧化剂电极108a、108b。这样，产生两个干电池。但是，两个干电池以3mm分离并且槽302被形成在其间。然后电荷收集器120-123以与示例1相似的方式设置，电荷收集器121以串联的方式通过连接电极124被连接到电荷收集器122。未示出的燃料容器被连接到固体聚合电解质薄膜114的燃料电极102a、102b的侧面上。
10％甲醇溶液也以2ml/min被施加到比较示例1的燃料电池的内部，并且电池特性采用其外部暴露到外部空气而进行测量。结果，电池以电流密度100mA/cm2产生0.9V电压，如表1所示。此电压对应是只包括单个干电池的燃料电池所产生的电压的两倍。可以理解示例1显示了较高的结果，因为在两个干电池之间保持了充分的空间，这样电泄漏难发生。但是，比较示例1具有显著的缺点以达到尺寸减小的要求，因为干电池之间具有相当的宽度空间。
(比较示例2)在未示出的比较示例2中，两个干电池以0.2mm分开，其它的条件与比较示例1的情况相同。换言之，比较示例2的燃料电池与示例1中的燃料电池相同，除了没有槽302被形成在固体聚合电解质薄膜114中。
10％甲醇溶液也以2ml/min被施加到比较示例2的燃料电池的内部，并且电池特性采用其外部暴露到外部空气而进行测量。结果，电池以电流密度100mA/cm2产生0.8V电压，如表1所示。此电压小于只包括单个干电池的燃料电池所产生的电压的两倍。总之，与比较示例1相比，比较示例2减小了两个干电池之间的空间以允许尺寸减小，但是导致电泄漏，由此不能提供充分的电压。
(示例2)在如图4A、4B所示的示例2中，由聚酰亚胺(Dupont制造的Kapton(注册商标))制造的绝缘薄膜304被插入并粘结在形成到与示例1相似的结构的固体聚合电解质薄膜114中形成的槽302中。示例2与示例1的其余的结构相似，并通过与示例1相似的方法制造。
10％的甲醇溶液以2ml/min上也被施加到示例2的燃料电池的内部，并且电池特性采用其外部暴露到外部空气而进行测量。结果，电池以电流密度100mA/cm2产生0.9V电压，如表1所示。此电压对应通过只包括单个干电池的燃料电池所产生的电压的两倍。可以理解电泄漏在示例2中显著受限。
(示例3)在如图3A、3B所示的示例4中，每个具有直径0.1mm、深度0.1mm的多个凹陷303被形成在除了槽202外与示例2中的结构相似的固体聚合电解质薄膜114中。示例3与示例1的其余结构相同，并通过与示例1相似的方法制造。
10％的甲醇溶液以2ml/min上也被施加到示例4的燃料电池的内部，并且电池特性用暴露到外部空气的外部进行测量。结果，电池以电流密度100mA/cm2产生0.85V电压，如表1所示。此电压值尽管低于只包括一个干电池的燃料电池所产生的电压的两倍，但是高于比较示例2所产生的电压。可以理解电泄漏在示例3中在一定程度上受到限制。
(示例4)在如图5A、5B所示的示例4中，绝缘树脂305(环氧树脂)被填充到与示例3的结构相似的固体聚合电解质薄膜114中形成的凹陷303中。示例4与示例3的其余结构相同，并通过与示例1-3相似的方法制造。
10％甲醇溶液也以2ml/min被施加到比较示例4的燃料电池的内部，并且电池特性用暴露到外部空气的外部进行测量。结果，电池电流密度100mA/cm2产生0.9V电压，如表1所示。高于示例3的燃料电池所产生的电压的此电压对应是只包括单个干电池的燃料电池所产生的电压的两倍。可以理解电泄漏基本在示例4中受到限制。
现在，将从本发明的示例1-4以及比较示例1-2所进行的前述电池电压测量的结果进行说明。
首先在具有传统结构的比较示例1中，较宽的空间在两个干电池之间得到保证以在基本不引起电泄漏的情况下提供较好的结果。但是，这个显著的不利在于不能到达尺寸减小的要求，因为干电池之间的空间是3mm。
在比较示例2中，两个干电池之间的空间被减小到与固体电解质薄膜的厚度相同的程度(0.2mm)以允许燃料电池的尺寸减小。但是，比较示例1承受了相当的电泄漏，这导致电压减小。
相反，在示例1中，在比较示例2中显著承受的电泄漏可以通过形成在固体聚合电解质薄膜114中的槽302受到限制。所获得的燃料电池可以提供较高的电压同时两个干电池之间的空间变窄到与固体电解质薄膜的厚度相同的程度(0.2mm)以允许尺寸减小。
在示例2中，电泄漏可以进一步通过绝缘薄膜304受到限制，这样可以产生比示例1中更高的电压。当然，两个干电池之间的空间必须窄到足以减小所得的燃料电池的尺寸。
在示例3中，在比较示例2中显著承受的电泄漏可以通过形成在固体聚合电解质薄膜114中的凹陷303受到限制，如同示例1的情况。所获得的燃料电池可以提供较高的电压同时两个干电池之间的空间变窄到与固体电解质薄膜的厚度相同的程度(0.2mm)以允许尺寸减小。
在示例4中，电泄漏的发生可以通过绝缘树脂305进一步受到限制，如同示例2的情况，并且产生比示例3更高的电压。当然，两个干电池之间的空间必须窄到足以减小所得的燃料电池的尺寸。
可以理解，已经揭示了示例1-4中的各燃料电池可以产生更高的电压，干电池可以窄到0.2mm的间隙以极高的密度安置。尽管前述示例说明了其中两个干电池被串联的结构，两个干电池可以相似的结构通过彼此连接两个干电池的燃料电极(或者氧化剂电极)而并联连接。在前述的示例中，通过所述电池所产生的电压大约是0.9V，这不能说产生驱动变形装置的足够的功率，但是，可以通过电连接增加数目的干电池而增加电压或者电流。此外，电池的功率可以通过合适选择连接方式来进行调整。
权利要求
1.一种燃料电池，分别包括固体电解质薄膜、设置在所述固体聚合电解质薄膜的一个表面上的多个燃料电极、以及多个设置在所述固体聚合电解质薄膜的另外的一个表面上分别与所述燃料电极相对的氧化剂电极，其中多个干电池被彼此电连接，每个干电池包括所述燃料电极、所述氧化剂电极和固体电解质薄膜，其特征在于，低离子导电率区被设置在相邻的干电池之间。
2.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述低离子导电率区是具有形成在其上的槽的所述固体电解质薄膜的区域。
3.根据权利要求2所述的燃料电池，其特征在于，绝缘材料填充在所述槽中。
4.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述低离子导电率区可以是具有形成在其上的凹陷的所述固体电解质薄膜的区域。
5.根据权利要求4所述的燃料电池，其特征在于，绝缘材料填充在所述凹陷中。
6.根据权利要求3或者5所述的燃料电池，其特征在于，所述绝缘树脂是氟基树脂、聚酰亚胺树脂、苯酚基树脂或者环氧树脂基树脂之一。
7.根据权利要求1-6任一所述的燃料电池，其特征在于，燃料电池还包括覆盖所述两个或者多个燃料电极的燃料流体通路，其中所述燃料流通路径的隔板的一部分是所述固体电解质薄膜。
8.根据权利要求1-7任一所述的燃料电池，其特征在于，所述多个干电池的至少两个串联连接。
9.根据权利要求1-8任一所述的燃料电池，其特征在于，所述多个干电池的至少两个并联连接。
全文摘要
多个燃料电极设置在通用的固体聚合电解质薄膜的一个表面上，同时多个氧化剂电极被设置在所述固体聚合电解质薄膜的另外的一个表面上以产生多个共享所述固体聚合电解质薄膜的干电池。这些干电池通过连接电极电学互联。槽形成在相邻干电极之间的固体聚合电解质薄膜的区域中。此槽将氢离子的迁移限制到相邻的干电池以防止电压减小。以这种方式所得到的结构简单且尺寸减小的固体聚合物燃料电池可以提供较高的功率。
文档编号H01M8/10GK1659735SQ03813198
公开日2005年8月24日 申请日期2003年5月30日 优先权日2002年6月7日
发明者木村英和, 渡边秀, 吉武务, 黑岛贞则, 中村新, 岛川祐一, 真子隆志, 今井英人, 久保佳实 申请人:日本电气株式会社