专利名称：燃料电池用单电池及含有该单电池的燃料电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及燃料单电池及含有该单电池作为组件的燃料电池。特别是，本发明涉及膜电极组件的固定构造，包括固体聚合物型燃料电池、集电器构造及单电池之间的互连结构。
现有技术燃料电池是一种发电器，其中利用水电解的逆反应，氢和氧反应产生电流。由于其显示出比常规发电器更高的效率，而且在发电过程中的产物是水，燃料电池已经以不同的方式进行了技术上的研究，并在实际中应用，期望实现节约能源和环境保护的目的和效果。
燃料电池的基本结构包括传送氢离子的电解质薄膜、置于电解质薄膜侧面的燃料和氧电极、收集来自电极电能的集电器、隔开进入电极的燃料和氧(空气)进料管线的隔板及电互连的单电池。
燃料电池根据电解质的类型可分为如下一些类型例如熔融碳酸盐、固体氧化物、磷酸盐、固体聚合物型。决定这些燃料电池应用的其中之一的性质是操作温度。特别是，固体聚合物型电池引起了人们的注意，因为其操作温度可低到约80℃，已经预期可用于机动车设备中。
图8是显示固体聚合物型燃料电池的视图。在图8中，1表示固体聚合物型电解质薄膜、2表示电极，及这些电极2被这样组装以使固体聚合物型电解质薄膜1夹心于这些电极之间以得到薄膜电极组件(以下称“MEA”)3。每一个电极2是一种催化剂和扩散层的层压材料。将燃料(氢)加入到一种电极中，将氧加入到另一个电极中，使发生化学反应以发电。
在图8中，9表示隔板，其中在邻近MEA的整个表面上形成槽道10。这些隔板9从两面夹心MEA，得到的组件通过施加压力进行固定。这些隔板也用于将反应物(燃料和氧)加入到电极表面、使排出产物及收集电流。隔板例如由石墨或不锈钢制造因为其必须是导电的。
用于与MEA表面接触的隔板中的凸面11用于给MEA加压并进行均一的压制，其形状与槽道10的形状一起被进行了广泛的研究。
如果在MEA和隔板之间的截面存在这样的区域，施加到MEA过多的压力施加到其上，其可阻止反应物进入该区域或要排出产物的扩散。因此，压制含有隔板的MEA应尽可能的均一。但是，当为实现均一压制而使隔板结构变得更加复杂时，其可能导致制造成本增加。因此，需要提供一种构造，其中可以实现均一的压制而不使隔板构造复杂化。
日本未审专利出版2002-343376(专利参考1)已经公开了一种用于燃料电池的隔板，其具有这样的构造，其中含有狭缝的金属板与平面金属板连接。在平面板中形成狭缝比形成槽道更容易，制造槽口以应付热应力。这样的结构不能充分解决上述的问题。
同时，取决于需要的输出，通常多个上述的单电池互连形成堆积结构。
图20显示出层压的堆积结构。在该图中，101中表示隔板，102表示薄膜电极组件(MEA)和103表示通道槽道。层压堆积结构中使用的隔板包括用于将燃料送入在一侧的一个邻近单元中的进料槽道，和将氧送入在另一侧的另外相邻单元中的氧进料槽道。
这样的堆积结构需要每一对单电池之间的隔板，导致电池尺寸变大，因此使尺寸减少和重量减轻变得困难。
另外，已经建议了一种用于设备例如蜂窝移动电话和笔记本电脑的平面堆积结构，其中在平坦平面内布置的MEA连接在一起。这样的平面结构特别有希望用于需要尽可能薄结构，但不需要非常高电动势的场合。
图18显示出常规的平面堆积结构。在图中，102表示MEA，113表示不锈钢板电极，114表示压力板，115表示螺丝钉，116表示支承板及117表示绝缘箱。如图示意，阶梯式的不锈钢板电极113的半面通过MEA102片另外层压，相邻的MEA串联连接。不锈钢板电极和其中的MEA置于绝缘箱107上的支撑板上。它们通过其上的压力板114利用螺丝钉115固定。每一个不锈钢板电极113、压力板114和支撑板116具有穿孔，通过该穿孔反应物被(燃料、氧)加入到MEA表面。
平面堆积结构的重要的因素包括收集来自MEA电流的电流收集电极的形状、反应物(燃料、氧)的加入、产物(水、二氧化碳)的排出、电接触中的电阻和防止由于未充分固定导致的缺陷电连接。
常规的平面堆积结构已经公开于例如日本未审查专利出版2002-56855(专利参考2)、2003-173813(专利参考3)和2003-203647(专利参考4)。
对于常规的平面堆积结构，必要的是要通过使用固定组件例如压力板和螺丝钉夹紧减少MEA和电流收集电极之间的接触电阻。因此，这样的固定组件引起了体积和重量的增加，其将对尺寸或重量的减少施加了限制。在通过线路板技术互连的单电池应用场合中，更高的放电电流可导致由于窄连接产生的更高的电阻，导致电池的性能不令人满意。
发明内容
本发明目的是提供一种具有简单结构的用于燃料电池的单电池，在所述的结构中MEA通过均一的夹紧进行固定，这样可实现平稳的反应物加入和产物的排出以显示出具有低成本的良好电池性能，及含有其的燃料电池。
本发明的另外一个目的是提供具有平面堆积结构的燃料电池，可以容易地减少尺寸和重量，显示出良好的电池性能。
本发明包括在项目(1)～(24)中描述的如下方面(1)一种燃料电池用单电池，包括薄膜电极组件，包括电解质薄膜和在其侧面一对夹心电解质薄膜的电极；与薄膜电极组件侧面强力接触的导线；及固定导线的框架支撑体。
(2)如项目(1)所述的燃料电池的单电池，其中与薄膜电极组件一个侧面和另一侧面强力接触的导线被固定在相同的支撑体上。
(3)如项目(1)或(2)所述的燃料电池的单电池，其中导线作为集电器。
(4)一种燃料电池的单电池，包括薄膜电极组件，包括电解质薄膜和在其侧面一对夹心电解质薄膜的电极；框架支撑体；多次交叉框架内区域的第一导线，其被固定于支撑体一个侧面内的框架支撑体上；及越过第一导线及多次交叉框架内区域的第二导线，其被固定于其中布置第一导线一侧内的框架支撑体上；其中薄膜电极组件的一面与第一导线夹紧同时另外的面与第二导线夹紧，这样薄膜电极组件可被固定于第一和第二导线之间。
(5)如项目(4)所述的燃料电池的单电池，其中这样布置薄膜电极组件以使电极薄膜的整个外围置于支撑体上。
(6)一种燃料电池的单电池，包括薄膜电极组件，包括电解质薄膜和在其侧面一对夹心电解质薄膜的电极；第一和第二框架支撑体；多次交叉框架内区域的第一导线，其被固定于框架支撑体一个侧面内的第一框架支撑体上；及多次交叉框架内区域的第二导线，其被固定于框架支撑体一侧内的第二框架支撑体上；其中薄膜电极组件被置于第一和第二导线之间；及第一和第二框架支撑体这样被固定，以使其彼此相对，这样薄膜电极组件的一面与第一导线夹紧同时另外的面与第二导线夹紧。
(7)如项目(1)～(6)任一项所述的燃料电池的单电池，其中导线由金属制造。
(8)如项目(7)所述的燃料电池的单电池，其中导线是镀金的。
(9)如项目(1)～(8)任一项所述的燃料电池的单电池，进一步包括用于将燃料或含氧气体加入到电极中的反应物容器。
(10)如项目(9)所述的燃料电池的单电池，其中将燃料或含氧气体加入到电极中的反应物容器置于框架支撑体的每一个侧面上。
(11)如项目(1)～(10)任一项所述的燃料电池的单电池，其中电解质薄膜是固体聚合物型电解质薄膜。
(12)一种燃料电池，含有作为组件的如项目(1)～(11)任一项所述的燃料电池的单电池。
(13)一种燃料电池，包括多个单电池，所述的单电池包括作为单元薄膜电极组件的电解质薄膜和在其侧面一对夹心电解质薄膜的电极；与每一个单电池中一对电极的每一个强力接触的导线；及固定导线的框架支撑体；其中这样布置多个单电池以使薄膜电极组件布置于相同的平面内；及在单个单电池中的薄膜电极组件通过利用夹心每一个组件用于电互连单电池的导线进行固定。
(14)如项目(13)所述的燃料电池，其中导线作为集电器。
(15)如项目(13)或(14)所述的燃料电池，其中多个单电池串联电互连；及通过两个单电池共同的导线电互连相邻的两个单电池，所述的导线与电极在一个单电池的前面强力接触，及与另外电池后面的电极强力接触。
(16)如项目(15)所述的燃料电池，其中这样布置多个单电池，以使两条线在第一方向；在第一方向上相邻的两个单电池交替互连，第二方向垂直于第一方向；连接这些两个单电池的导线的两端被固定于支撑体上。
(17)如项目(13)～(16)任一项所述的燃料电池，其中多个单电池具有单一的电极薄膜。
(18)如项目(17)所述的燃料电池，包括在两个相邻单电池之间电解质薄膜内区域上的强化组件；其中连接这些两个相邻单电池的导线穿过强化组件。
(19)如项目(13)～(18)任一项所述的燃料电池，其中支撑体具有框架形状。
(20)如项目(13)～(19)任一项所述的燃料电池，包括将燃料或含氧气体的加入电极中的反应物容器，其中反应物容器中储藏空间由所有的多个单电池共用。
(21)如项目(13)～(20)任一项所述的燃料电池，其中导线由金属制造。
(22)如项目(13)～(20)任一项所述的燃料电池，其中导线是金属纤维线材。
(23)如项目(21)或(22)所述的燃料电池，其中导线是镀金的。
(24)如项目(13)～(23)任一项所述的燃料电池，其中电解质薄膜是固体聚合物型电解质薄膜。
在本发明的一个燃料电池的单电池中，MEA通过用导线夹紧进行固定。该导线对应于常规隔板中的凸面，但不与含有MEA的表面接触，这样用于压制MEA的区域不会过分增加。另外，MEA中的夹紧区域可以均一地被压制。这可能导致平稳而且高效的将反应物加入电极中，及将电极的产物排出。因此，可提供一种具有良好性能的燃料电池的单电池，及含有该单电池改进的燃料电池。
根据本发明，可以除去需要复杂压制的常规的隔板，导致制造成本的减少。而且，由于导线可作为集电器，没有必要使用另外的组件作为集电器，导致紧凑的电池构造。导线可由金属制造以保证高的强度并有利于电镀工艺。因此，其表面积可经抗腐蚀电镀处理这样例如镀金以改进耐腐蚀性能。
根据本发明，MEA可通过用导线夹紧而固定，导线可用于强化单电池，使平面堆积结构更紧凑和轻便，因此导致燃料电池的能量密度的提高。
附图简述图1说明本发明的燃料电池的单电池。
图2是显示将导线构造固定到支撑体上的立体投影图。
图3是显示本发明的燃料电池的单电池的实施例构造的视图。
图4是显示本发明的燃料电池的单电池的另外实施例构造的视图。
图5总结实施例1～5和对比实施例放电性能的曲线。
图6在实施例1和2中以25mA/cm2放电期间电压对时间的变化曲线。
图7对比实施例中使用的隔板的视图。
图8是显示常规固体聚合物型燃料电池的构造的视图。
图9是显示本发明燃料电池结构的视图。
图10是本发明燃料电池中使用的薄膜电极组件(MEA)的平面图。
图11是本发明燃料电池中使用的强化板的部分平面图。
图12是显示本发明燃料电池结构的横截面图。
图13是显示本发明燃料电池结构放大的局部横截面图。
图14是靠近固定到本发明电池结构中支撑体导线部分区域的放大的局部横截面图。
图15是靠近固定到本发明电池结构中支撑体导线部分区域的放大的局部横截面图。
图16是靠近本发明电池结构中强化板区域的放大的局部横截面图。
图17是本发明燃料电池中使用的集电器端子的局部横截面图。
图18说明常规燃料电池中的平坦堆积结构。
图19显示实施例和对比实施例中使用的燃料电池的输出性能。
图20说明常规燃料电池中的层压堆积结构。
发明的详细描述以下描述本发明的优选实施方式。
图1说明本发明实施方式的固体聚合物型燃料电池的单电池。图1(a)是透视图，图1(b)是局部平面图，图1(c)是局部的横截面图。为方便起见，图1(a)显示出仅部分的导线5。图2是用于将导线5固定到图1支撑体4上的固定结构的透视图。图2是固定部分的放大图，其中支撑体4用虚线表示，示意的导线5处于固定状态。在这些数字中，1表示固体聚合物型电解质薄膜，2表示电极，3表示薄膜电极组件(MEA)，其中电极布置于固体聚合物型电解质薄膜的每一个侧面，4表示支撑体，5表示导线。
如图1所示，支撑体4具有正方形框架形状，其中在支撑体4每一边中以给定间隔形成直径比导线5直径大的通孔。导线5延伸通过支撑体一边的通孔到相对的边，然后通过在相对边中的通孔，然后通过如图2所示相邻的通孔到与该边相对起始的边，然后通过起始边中另外的通孔。在重复这样的操作后，导线在相对边中以给定的间隔被拉伸。固定到支撑体上的导线端可使用例如压紧件的固定装置被牢固地固定而不松弛。
MEA3被置于在整个支撑体上拉伸的导线上。在本发明中，为避免加入燃料电极侧中的燃料与加入到氧电极侧的氧由于泄漏而混合，这样布置MEA3以使MEA3中的整个电解质薄膜1的外围置于支撑体上(Figs.1(b)和1(c))。
接着，如上所述，导线5在支撑体4中其他成对的边之间以给定的间隔被拉伸这样该导线与通过MEA3先前被拉伸的导线交叉(在该图中，成直角)。
因此，可以提供MEA固定结构，其中MEA3被置于相同的支撑体4上，并固定于如图1(b)所示的纵向和横向导线之间。在该构造中，一个MEA需要一个支撑体4。根据这样的构造，可以适当地调整导线的拉紧程度以使导线与MEA以充分的压力接触。而且，在不使用具有复杂结构的常规隔板的情况下，MEA的夹紧区域可被均一地压制。另外，可以减少构成单元的组件数量。
图3是具有如图1所示MEA固定结构的燃料电池的实例单电池的视图。在图3中，3表示MEA，4表示支撑体，5表示导线，6表示密封装置，7表示将加入到电极的反应物槽，及8表示加入反应器或排出产物的入口/出口。
在图1示意的MEA固定结构的一个侧面，布置槽7并通过密封装置6固定，形成与MEA3中燃料电极接触的导线5连接的接线端子，和与氧电极接触的导线5连接的接线端子。
氢从槽7的一个入口/出口8加入到燃料电极一侧，同时氧(或空气)从槽7的一个入口/出口8加入到氧电极的一侧。从每一个电极反应中产生的产物从每一个槽中的入口/出口8被排出。
单一的燃料电池，如果必要，多个如上所述互连的单电池可配备有所需的组件以提供固体聚合物型燃料电池。
尽管在两侧敞开的框架支撑体在上述的实施方式中用作支撑体，但可以预期可使用这样的框架，其中框架支撑体的一侧封闭而另一侧敞开。构成框架外围侧的部分可用作支撑体。在这样的情况下，在MEA和框架之间形成贮藏反应物的贮藏空间。在支撑体另外的敞开的一侧，可以布置如上实施例中所述的类似的槽。
与一个或其他电极接触的导线可以是如上述实施方式中的单根连续的导线。另外，每一根导线可用多根导线形成。在这样的情况下，集电器接线端子可以是在支撑体中导线固定部分的与多根彼此相邻导线电互连的导体组件。
图4显示出MEA固定结构的实施方式。在该实施方式中，导线5在单个支撑体4的一对中每一个之间以给定的间隔被拉伸。在该图中，3表示MEA，4表示支撑体，5表示导线。该图说明导线5的一部分。
在该结构中，支撑体这样布置一对支撑体4以使形成这样的侧面，其中导线5彼此面对面被拉伸，而且MEA3置于其间。然后它们使用固定组件例如螺栓和螺母进行固定。因此，导线5可被强力地与MEA3接触以固定MEA。尽管，在该实施方式中导线5在一个方向上拉伸，但导线5也可在纵向和横向两个方向上如网一样进行拉伸。使用这样的构造，MEA中的夹紧区域可被均一地压制而不使用具有复杂结构的常规隔板。
如上所述参考图3这样的MEA固定结构可提供有例如密封装置、槽和接线端子的组件以提供燃料电池的单电池和含有其的燃料电池。
以下描述本发明的平坦的堆积结构。
本发明平坦堆积结构的一个主要特征在于多个单电池布置于相同的平面内，而且这些单电池与导线电互连，每一个单电池包括MEA和夹心MEA的导线，强力地与MEA两侧接触进行固定。
如下描述一个实施方式，其中六个单电池串联互连。
如图10所示，在固体聚合物型电解质薄膜108上形成六对电极109以制备MEA。所述的MEA包括六个MEA单元，每一个单元由一对电极组成，而且电极组件插入其间，一个MEA单元构成一个单电池。然后，为防止损害电解质薄膜，布置示意于图11中的强化板110，而且如图10所示进行粘合。强化板110与支撑体107相分离，而且在给定的间隔具有通孔112用以使导线通过。从使MEA中导线与电极充分接触的观点出发，ME强化板优选比电极要薄。
然后，具有六对电极的MEA使用导线固定在支撑体上。图9和12～16显示出固定的MEA。图9是平面视图，图12是横截面图，图13是放大的部分横截面图，图14和15是放大的部分横截面图显示出靠近导线固定到支撑体部分的区域，图16是放大的部分横截面图显示出靠近强化板的区域。在这些图中，104表示导线，105表示集电器接线端子，106a表示燃料入口，106b表示出口，107表示支撑体(绝缘框架)，107b表示分支撑体，108表示固体聚合物型电解质薄膜，109表示电极，110表示强化板，111表示粘合剂。在图9中，没有示意电解质薄膜108。
如图9示意，围绕六对电极的绝缘框架可用作支撑体107。该支撑体包括给定间隔布置的用于通过导线的通孔(在该图中为等间隔)。如图14示意，希望在支撑体上形成可接受导线的槽道，所述的导线位于这样的区域中，其中导线布置于电解质薄膜108下。因此，可进一步改进电解质薄膜与支撑体的粘合以得到更可靠的气密性。
如12所示，支撑体107可以是这样的框架，其中一侧封闭而另一侧敞开。构成框架外围侧的部件可用作主支撑体。围绕由框架和MEA形成的空间的部件是用于将反应物加入到电极中的反应物(燃料或氧)容器。框架(支撑体)可包括如图9所示的燃料入口和出口。在框架的敞开一侧，可以布置另外的具有一个敞开侧面的框架作为将反应物加入到电极中的反应物容器。该框架包括入口和出口。
支撑体可具有两个敞开侧面。在这样的情况下，在敞开一侧，可以布置具有一个敞开侧面的框架作为将反应物加入到电极中的反应物容器。优选至少在支撑体燃料电极侧提供反应物容器，但也可在两侧提供。这些框架包括入口和出口。
反应物容器中的贮藏空间可以由固定在支撑体上的单电池共用，以有效地加入反应物并排出产物。
如图9所示，这些单电池以两行纵向排列，而且以串联形式电互连。在该系列互连中，相邻的单电池在横向和纵向通过导线交替互连。在该情况下，在该系列互连中纵向导线强力地与端部的单电池接触，并被固定在支撑体107的端部及其分支撑体107a上。互连相邻两个单电池的导线被固定在支撑体107上的端部(或支撑体107上及其分支撑体107a上)。在该图中，横向的导线端部被分别固定于框架支撑体107上的纵向边缘，而纵向导线的端部被分别固定于框架支撑体107和分支撑体107a中的横向边缘。当单电池的数量大于6，提供另外的分支撑体，在其上固定互连相邻两个单电池导线的一端。
导线104可通过紧固装置例如压紧组件固定于支撑体107(或分支撑体107a)上。
电解质薄膜108可使用粘合剂固定于支撑体107(或分支撑体107a)上。当固定电解质薄膜时，优选电解质薄膜的整个外围置于如图4～7所示的支撑体上，以避免加入燃料电极侧的燃料与加入氧电极侧的氧由于泄露而混合。
以下进一步描述本发明的电池构造并说明其制造方法。为解释方便起见，图9中对应于电极109位置的单电池的位置称为左上、右上、左中、右中、左上和右下的位置。
首先，具有紧固装置例如压紧组件的十根导线穿过在支撑体纵向框架中以等间隔形成的通孔，所述的支撑体位于从后面到前面左下位置的左边，每一根导线被固定于在框架前面形成的槽道中。这些导线是下部横向导线。
接下来，将粘合剂施加到在左下位置处支撑体的上部、下部和左边部件上，然后MEA中左下部的电解质薄膜部件粘合到其上。在左下位置处，横向导线置于电解质薄膜组件(图14)的后面。
然后，具有紧固装置例如压紧组件的十根导线通过在支撑体上横向框架中等间隔形成的通孔，所述的支撑体位于从后面到前面的右下位置处，每一根导线被固定于框架前面中形成的槽道中。这些导线从右下位置处延伸到右中位置处。在右下位置处，纵向导线置于电解质薄膜的后面。
然后，处于左下位置的电解质薄膜后面中的导线通过位于下部中心处的电解质薄膜108和强化板110到达正面(图16)。随后，将粘合剂施加到位于右下位置处的下部和右边的框架，位于右下位置处的MEA电解质部件施加到其上(图14)。
接下来，其接线端子穿过电解质薄膜和强化板位于前面的导线通过在支撑体纵向框架内的等间隔的通孔，所述的支撑体位于从前面到后面的右下位置处的右边，然后，在充分的拉力下拉伸而不松散，通过紧固装置例如压紧组件固定。然后，如果必要，施加粘合剂(图15)。考虑到固定和有效的密封，优选将粘合剂施加到强化板110内导线的穿透部分上(图16)。
然后，以类似的方式，将MEA和导线顺序固定到位于右下、右中、左中、左上和右上位置出的支撑体上。接下来，为固定集电器，纵向导线布置于左下和右下位置处。在该方法中，例如示意于图9中，制备具有对应于支撑体框架中形成通孔的通孔112的集电接线端子110，用紧固装置例如压紧组件固定的导线可通过位于集电器接线端子和支撑体框架中的通孔，集电器接线端子110可固定于支撑体框架和紧固装置之间以与导线接触连接。
这样布置MEA中的导线和每一套电极以使，在位于左下、右中和左上的位置，纵向导线强力与MEA中的前电极(如氧电极)接触，而横向导线强力地与MEA中的后电极(如燃料电极)接触，在右下、左中和右上的位置，横向导线强力与MEA中的前电极(如氧电极)接触，而纵向导线强力地与MEA中的后电极(如燃料电极)接触。
在上述的构造中，燃料电池可通过将燃料加入到入口106a中进行操作，所述的燃料然后与燃料电极(MEA中的后电极)接触，并与产物一起从出口106b排出，与此同时使氧电极与空气接触。另外，燃料电池可以这样操作，在氧电极一侧(前面)提供反应物容器，迫使含氧气体从入口进入与氧电极接触。
取决于一些因素例如导电性、强度和MEA的大小，可以适当地选择本发明中使用的导线，但当使用单根导线时，例如其主轴为10～1,000μm。对于由多根细丝组成的线材，这些细丝的主轴为1～100μm。
本发明对于固体聚合物型燃料电池特别有效，所述的电池包括作为电解质的固体聚合物电解质薄膜，但其可应用到另外类型的燃料电池例如熔融碳酸盐型、固体氧化物型和磷酸盐型燃料电池，所述的电池分别包括作为电解质的碳酸盐、固体氧化物和磷酸盐。
本发明也可应用于不同于氢的改性氢源的燃料电池中，例如甲醇、天燃气和石脑油作为燃料，或燃料电池使用不同于氧的气体，例如氧化剂。
实施例参考实施例以下更具体地描述本发明。
实施例1首先，描述电极的制造方法。聚四氟乙烯(以下称“PTFE”)的分散体与Ketjen Black混合以制备淤浆，所述的淤浆然后施加到碳纤维无纺织物上，干燥并焙干以得到扩散层。碳纤维无纺织物和PTEF分别用作基质和防水剂。
将淤浆施加到因此这样形成的扩散层，所述的淤浆通过混合负载于碳上的PtRu催化剂和Nafion(DuPont，磺化聚氟烯烃)得到，然后干燥形成燃料电极。另外，将Nafion溶液中负载Pt的碳催化剂的淤浆施加到扩散层，然后干燥得到氧电极。固体聚合物型电解质薄膜是Nafion117(DuPont，磺化聚氟烯烃)。
这些电极和固体聚合物型电解质薄膜进行层压并热压得到MEA。电极单元的大小为35mm×35mm，固体电解质薄膜的大小为46mm×46mm。
本实施例的固体聚合物型燃料电池构造为直接甲醇型燃料电池，利用甲醇与水在催化剂层中的直接反应，其中燃料和氧在不加压的情况下加入。
然后，MEA固定到如图1和2中示意的支撑体上。支撑体4由PEEK聚合物(Victrex plc)制造。支撑体是外径为55mm×55mm、内径为40mm×40mm、厚度为5mm的正方形框架。所有支撑体边缘具有内径为1mm特定间隔的通孔用以使导线通过。导线是外径为0.5mm的不锈钢金属线。这样固定固体电解质薄膜以使固体电解质薄膜的外围置于支撑体上，而在它们之间没有间隙，以避免燃料泄漏到氧电极。导线穿过MEA中的电解质薄膜。支撑体4由聚缩醛(树脂)(POM)制造。
然后，如上述的图3所示，将槽7安装在通过单个密封装置6固定于支撑体4上的MEA3的两侧以提供固体聚合物型燃料电池的单电池。接线端子安装在暴露于支撑体表面的导线上，所述的表面与MEA安装的表面相对。
在该实施例中，如图3示意，纵向和横向导线固定于同一支撑体的同一侧面上，而且MEA被布置并固定于纵向和横向导线之间。因此，可以减少组件的数量，可将压力有效地施加到MEA上。
尽管密封装置6由苯乙烯-丁二烯合成橡胶制造，而且与本发明实施例的密封粘合剂结合使用，但槽可由橡胶材料制造，使结合处作为密封装置。
实施例2如实施例1的描述制备固体聚合物型燃料电池，不同的是导线上镀金。
实施例3如实施例2描述的固体聚合物型燃料电池，不同的是镀金网置于导线和MEA之间以减少MEA和导线之间的接触电阻。
实施例4如实施例2的固体聚合物型燃料电池，不同的是取代实施例3的镀金不锈钢网，将石墨毡置于导线和MEA之间。
实施例5如上述图4所示，其上导线被拉伸的一对支撑体用于固定MEA。如实施例2导线镀金的不锈钢金属丝，外径为0.5mm。如实施例2的描述制备固体聚合物型燃料电池，不同的是MEA夹心于一对支撑体之间，这样具有导线的支撑体侧面彼此面对，而且MEA使用螺栓和螺母被固定于支撑体的四个角上。
对比实施例1制备固体聚合物型燃料电池，该燃料电池包括具有如图7所示常规形状的不锈钢隔板，其中9表示隔板，10表示槽道及11表示凸面。
使用具有如实施例1描述构造的MEA，隔板被这样布置并固定以使凸面适合MEA的每一个侧面。通过将燃料加入到燃料电极侧隔板的槽道中，同时将氧加入到氧电极侧隔板槽道中而操作电池。
实施例1～5和对比实施例1电池放电性能的评价图5显示出实施例1～5和对比实施例1的放电性能。表1显示出实施例1～5和对比实施例1电池在电流密度为90mA/cm2下确定的电压结果。
表1
从图5和表1的结果可见，显示出在电流密度为90mA/cm2下对比实施例1的电压为110mV，而实施例1～4都给出较高的电压值。而且，对比实施例1的临界电流密度，即电压几乎为零时的电流密度为约100mA/cm2，而实施例1～4都给出明显较高的值。
可以预期可以得到这样明显的高电流密度的改进，因为尽管MEA在均一和充分的压力下夹紧，但反应物即燃料和氧可充分地加入以迅速地排出产物。相反，实施例5的性能与对比实施例1的性能相差不大。这可能是由于实施例5中使用的如图4所示的结构，与实施例1～4中使用如图1所示的结构相比，不能给MEA施加充分的压力。但是，使用实施例5的结构以提供一种没有常规隔板而保持良好电池性能的燃料电池。
在实施例2中，导线镀金以减少导线和MEA之间的接触电阻，导致比实施例1更好的电池性能。而且，实施例3和4给出相对实施例2进一步改进的性能。这可能是由于位于导线和MEA之间的镀金网或石墨毡可充分压制MEA没有与导线接触的区域以减少电阻，导致改进的集电效率。
图6显示出使用实施例1和2的电池在25mA/cm2下放电中电压随时间的变化。而实施例1显示出在长期使用期间电压下降，在实施例2中电压减少受到阻止。这些结果表明导线镀金可阻止导线表面的腐蚀以抑制MEA和导线之间在长期使用期间接触电阻的增加。
实施例6首先，描述电极的制造方法。聚四氟乙烯(以下称“PTFE”)的分散体与Ketjen Black混合以制备淤浆，所述的淤浆然后施加到碳纤维无纺织物(碳纸)上，干燥并焙干以得到扩散层。碳纤维无纺织物和PTEF分别用作基质和防水剂。
将淤浆施加到因此这样形成的扩散层，所述的淤浆通过混合负载于碳上的PtRu催化剂和Nafion(DuPont，磺化聚氟烯烃)得到，然后干燥形成燃料电极。另外，将Nafion溶液中负载Pt碳催化剂的淤浆施加到扩散层，然后干燥得到氧电极。固体聚合物型电解质薄膜是Nafion115(DuPont，磺化聚氟烯烃)。
然后，如图10所示，通过热压利用电解质薄膜片将6套电极结合在一起。每一个电极的大小为40mm×40mm。然后，为防止电解质薄膜被损坏，将如图11所示的强化板110仅布置于薄膜的氧电极一侧，它们如图10粘合在一起。所述的强化板比电极更薄。
使用线直径为500μm的不锈钢(SUS316L)线作为导线，参考如图9～17根据描述的步骤制备固体聚合物型燃料电池。
2M的甲醇水溶液通过从入口106a加入并从出口106b排出进行循环，同时氧电极与空气接触以操作燃料电池。
实施例7如实施例6制备和操作燃料电池，不同的是线直径为500μm的镀金铜丝作为导线。
实施例8如实施例6的描述制备和操作燃料电池，不同的是宽为3mm厚度为0.2mm的不锈钢(SUS316L)带状金属线用作导线，6根导线强力地与单电池一侧接触，而不是10根导线。
实施例9如实施例8的描述制备和操作燃料电池，不同的是宽为3mm厚度为0.2mm的镀金带状铜丝用作导线。
实施例10如实施例1的描述制备和操作燃料电池，不同的是由直径为12μm(Nippon Seisen Co.，Ltd)的不锈钢(SUS316L)金属细丝组成直径1mm线材的细线用作导线。
实施例11如实施例1的描述制备和操作燃料电池，不同的是由直径为12μm(Nippon Seisen Co.，Ltd)的不锈钢(SUS316L)金属细丝组成线材的宽为4mm的带状线用作导线。
对比实施例2参考图18，制备燃料电池，其具有如上所述的平坦堆积构造。制备如实施例6描述的由电极和电解质薄膜组成的6个MEA，并串联连接。一片电解质薄膜用于一对电极，即，一共有6个电解质薄膜。如实施例1操作燃料电池。
对比实施例3参考图20，制备具有层压堆积构造的燃料电池。制备如实施例6描述的由电极和电解质薄膜组成的6个MEA，并串联连接。一片电解质薄膜用于一对电极，即，一共有6个电解质薄膜。
燃料电池的重量和体积表2显示出实施例6和8及对比实施例2和3的燃料电池的重量和体积。从对比的结果看，显而易见本发明可提供比常规燃料电池更小更轻的燃料电池。对比实施例2的具有平坦堆积结构的燃料电池可被均一地由明显的外部压力压制以减少板电极和MEA电极之间的接触电阻。因此，对比实施例2的燃料电池需要压制板114和螺丝钉115用以固定板，导致其重量和体积的增加。对比实施例3的燃料电池需要单电池之间的隔板，这导致其体积和重量的增加。
表2
燃料电池的输出性能图19显示出实施例6～11和对比实施例2燃料电池的输出性能。实施例8显示出与对比实施例2可比的性能。其他实施例显示出比对比实施例2更好的性能。可以预期在实施例8和对比实施例2中分别使用带状金属线和板电极收集电能，导致更大的区域覆盖MEA，因此抑制燃料或氧的加入。相反，实施例6、7和10使用较小直径的金属线，导致相对较小的区域覆盖MEA，因此可抑制由于燃料或氧的扩散控制导致的输出减少。实施例11使用带状金属线作为导线。但是，由于金属线是由细线组成的线材，燃料或氧可通过细丝之间的空间。因此，结合其挠性，其基本上可防止输出的减少。
分别对比实施例6和8与实施例7和9，显示出导线可镀金以减少接触电阻从而改进输出性能。
实施例10和11使用由更高挠性的细丝组成的线材。因此，线材可充分与MEA中的电极接触以得到改进的输出性能。
尽管在上述实施例中描述了直接甲醇型燃料电池，其中甲醇直接反应，但该发明可类似地应用于使用氢气作为燃料的固体聚合物型燃料电池。
权利要求
1.一种燃料电池的单电池，包括薄膜电极组件，所述组件包括电解质薄膜和在其侧面的一对夹心电解质薄膜的电极；与薄膜电极组件侧面强力接触的导线；及固定导线的框架支撑体。
2.如权利要求1所述的燃料电池的单电池，其中与薄膜电极组件一侧和另一侧强力接触的导线被固定在相同的支撑体上。
3.如权利要求1所述的燃料电池的单电池，其中导线作为集电器。
4.一种燃料电池的单电池，包括薄膜电极组件，包括电解质薄膜和在其侧面一对夹心电解质薄膜的电极；框架支撑体；多次交叉框架内区域的第一导线，其被固定于支撑体一个侧面内的框架支撑体上；及越过第一导线及多次交叉框架内区域的第二导线，其被固定于其中布置第一导线一侧内的框架支撑体上；其中薄膜电极组件的一面与第一导线夹紧同时另外的面与第二导线夹紧，这样薄膜电极组件可被固定于第一和第二导线之间。
5.如权利要求4所述的燃料电池的单电池，其中这样布置薄膜电极组件以使电极薄膜的整个外围置于支撑体上。
6.一种燃料电池的单电池，包括薄膜电极组件，包括电解质薄膜和在其侧面一对夹心电解质薄膜的电极；第一和第二框架支撑体；多次交叉框架内区域的第一导线，其被固定于框架支撑体一个侧面内的第一框架支撑体上；及多次交叉框架内区域的第二导线，其被固定于框架支撑体一个侧面内的第二框架支撑体上；其中薄膜电极组件被置于第一和第二导线之间；及第一和第二框架支撑体这样被固定，使其彼此相对，这样薄膜电极组件的一面与第一导线夹紧同时另外的面与第二导线夹紧。
7.如权利要求1～6任一项所述的燃料电池的单电池，其中导线由金属制造。
8.如权利要求7所述的燃料电池的单电池，其中导线是镀金的。
9.如权利要求1，4和6任一项所述的燃料电池的单电池，进一步包括用于将燃料或含氧气体加入到电极中的反应物容器。
10.如权利要求9所述的燃料电池的单电池，其中将燃料或含氧气体加入到电极中的反应物容器置于框架支撑体的每一个侧面上。
11.如权利要求1、4和6任一项所述的燃料电池的单电池，其中电解质薄膜是固体聚合物型电解质薄膜。
12.一种燃料电池，含有作为组件的如权利要求1、4和6任一项所述的燃料电池的单电池。
13.一种燃料电池，包括多个单电池，所述的单电池包括作为单元薄膜电极组件的电解质薄膜和在其侧面的一对夹心电解质薄膜的电极；与每一个单电池中的一对电极的每一个强力接触的导线；及固定导线的支撑体；其中这样布置多个单电池以使薄膜电极组件位于同一平面内；及在单个单电池中的薄膜电极组件通过夹心每一个组件用于电互连单电池的导线进行固定。
14.如权利要求13所述的燃料电池，其中导线作为集电器。
15.如权利要求13所述的燃料电池，其中多个单电池串联电互连；及通过两个单电池共同的导线电互连相邻的两个单电池，所述的导线与电极在一个单电池的正面强力接触，及与其他电池背面的电极强力接触。
16.如权利要求15所述的燃料电池，其中这样布置多个单电池，使两条线在第一方向；在第一方向上相邻的两个单电池交替互连，且第二方向垂直第一方向；连接这两个单电池导线的两端被固定于支撑体上。
17.如权利要求13所述的燃料电池，其中多个单电池共有单一的电极薄膜。
18.如权利要求17所述的燃料电池，包括在两个相邻单电池之间电解质薄膜内区域上的强化组件；其中连接这两个相邻单电池的导线穿过强化组件。
19.如权利要求13所述的燃料电池，其中支撑体具有框架形状。
20.如权利要求13所述的燃料电池，包括将燃料或含氧气体加入电极中的反应物容器，其中反应物容器中储藏空间由所有的多个单电池共用。
21.如权利要求13所述的燃料电池，其中导线由金属制造。
22.如权利要求13所述的燃料电池，其中导线是金属纤维线材。
23.如权利要求21或22所述的燃料电池，其中导线是镀金的。
24.如权利要求13所述的燃料电池，其中电解质薄膜是固体聚合物型电解质薄膜。
全文摘要
本发明涉及一种燃料电池的单电池，包括薄膜电极组件，所述组件包括电解质薄膜和在其侧面一对夹心电解质薄膜的电极；与薄膜电极组件侧面强力接触的导线；及固定导线的框架支撑体。根据本发明，薄膜电极组件可以通过均一地夹紧进行固定以顺利地加入反应物并排出产物，以提供具有良好电池性能的结构，而且低成本的燃料电池单电池，及含有其的燃料电池。
文档编号H01M4/86GK1538547SQ200410034838
公开日2004年10月20日 申请日期2004年4月15日 优先权日2003年4月15日
发明者水越崇, 西山利彦, 清水邦彦, 佐佐木正幸, 彦, 正幸 申请人:Nec东金株式会社