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，涉及用于移动设备的、不需考虑设置方向的燃料电池。本发明还涉及直接向阳极供给液体燃料的燃料电池。
背景技术：
燃料电池是从氢元素和氧元素产生电能的装置，能够获得高D发电效率。燃料电池的主要特征是，如现有的发电方式那样不经由热能和动能过程而直接发电，因此，能够期待小规模设备中也具有高的发电效率，此外，由于氮元素化合物等排出少，噪音及振动也小，因而环境性能方面良好。这样，由于燃料电池能有效地利用燃料携带的化学能，且在环境方面具有优良的特性，因此，备受期待成为21世纪的主要能源供给系统，且从用于宇宙到用于汽车、移动设备，从大规模发电到小规模发电，作为能够用于各种用途的将来极有希望的新发电系统而受到瞩目，技术开发面向实用化。
其中，固体高分子型燃料电池与其他种类的燃料电池相比，具有工作温度低、输出密度高的特征，特别是近年来，直接甲醇燃料电池(DMFC，Direct Methanol Fuel Cell)作为固体高分子型燃料电池的一种形态受到广泛关注。DMFC是不对作为燃料的甲醇水溶液改质而直接向阳极供给，通过甲醇水溶液和氧元素的电气化学反应获得电力的物质，通过进行该电气化学反应，二氧化碳作为反应生成物从阳极排出，生成水作为反应生成物从阴极排出。甲醇水溶液与氢相比，每单位体积的能量高，适于贮藏，且爆炸危险性也低，因此，期待用于汽车和移动设备(手机、笔记本型个人计算机、PDA、MP3播放器、数码相机或电子词典(书籍))等的电源。
特许文献1特开2005-100839号公报特许文献1中公开的平面形燃料电池尤其被期待用于要求小型、轻量量的移动设备，但当在电解质层下侧的主面上形成阳极时，存在来自阳极的反应生成物即二氧化碳残留在阳极上而降低反应效率等问题。
另外，如上所述，DMFC的阳极生成二氧化碳。若该二氧化碳以碳酸盐离子或气体形式混在作为燃料的甲醇水溶液中，则会存在阻碍燃料向阳极电极供给等的问题，并因此采用了各种对策。例如，在特许文献1的图2中，公开了在与阳极基体材料邻接设置的燃料室的与阳极对向的面上设有气液分离膜的构造。
特许文献2特开2004-079506号公报由于生成的气体容易滞留在垂直方向上方，因此即使在燃料室的与阳极对向面上设置气液分离膜，生成的气体也会因燃料电池的方向而滞留于燃料室内。若生成的气体滞留于燃料室内，则生成的气体会阻碍液体燃料的流通，可能燃料电池的供给会造成燃料电池的运行不稳定。
发明内容
本发明是鉴于上述课题而构成的，其第一目的在于，提供一种用于移动设备的、不需考虑设置方向的燃料电池。
为了实现上述目的，本发明提供一种燃料电池，其具备电解质层；设置于电解质层的第一主面、供给液体的第一反应流体，且产生气体的第一反应生成物的第一电极；设置于所述电解质层的第二主面、供给第二反应流体的第二电极；容纳电解质层、第一电极、第二电极的筐体；设置于筐体上、从第一电极排出第一反应生成物的第一反应生成物流体排出口；设置于筐体上、向第二电极供给所述第二反应流体的第二反应流体供给口；其特征在于，第一反应生成物排出口设置于筐体的至少两个面上。或者，在同一燃料电池中，第一反应生成物排出口设置于设置第二反应流体供给口的面上。
在此，液体的第一反应流体考虑含有甲醇的乙醇类及其水溶液、蚁酸之类的物质，气体的第一反应生成物考虑二氧化碳等。另一方面，第二反应流体若在地球上则通常考虑空气(空气中的氧)，但在火箭和潜水艇中，还考虑使用从氧气泵供给的氧气和过氧化氢。
在利用这种反应流体的燃料电池中，通过在筐体的至少两个面上设置第一反应生成物排出口，例如即使用户以将框体的设置了第一反应生成物排出口的一个面堵塞的方式放置燃料电池，也能从另一个面排出第一反应生成物，因此，能够防止第一反应生成物滞留在第一电极中而导致燃料电池反应效率的降低，该燃料电池的用户能够使用燃料电池而不需考虑其设置方向。另外，通过将第一反应生成物的排出口设置为与设有第二反应流体供给口的面相同，例如即使用户以将框体的设置了第二反应流体供给口的面堵塞的方式放置燃料电池，第二反应流体也不能向燃料电池供给，因此，燃料电池不进行发电，也不会产生第一反应生成物。因此，该燃料电池的用户能够使用燃料电池而不需考虑其设置方向。
本发明第三方面在第一或第二方面的基础上，提供燃料电池，其特征在于，在第一反应生成物排出口配置具有气体透过性、液体不透过性的部件。在此，具有气体透过性、液体不透过性的部件是选择性透过气体成分而液体成分不能透过的部件，考虑使用聚四氟乙烯等氟类合成树酯构成的具有微细孔的平面状过滤器。由此，能够在第一或第二方面的效果的基础上，仅将气体反应生成物排出到燃料电池外部，而将液体反应流体保持在燃料电池内部。
本发明第四方面在第一～第三方面的基础上，提供燃料电池，其特征在于，具备至少对向的两个面具有大致平行的形状并保持第一反应流体的第一反应流体室。此外，本发明第五方面在第四方面的基础上，提供燃料电池，其特征在于，具有设置于第一反应流体室的大致平行的两个面中一个面上且能够收纳电解质层、第一电极和第二电极的凹部，第一反应流体室的一个面与设置有筐体的第二反应流体供给口的面形成为同一个面。在此，至少对向的两个面大致平行的形状指，只要是长方体(立方体)和圆柱、而且切去其角或面的构成、或考虑使用性和设计而倾斜低于10°作为容许范围具有大致平行的两个面的形状即可。在其一面设置凹部，将称为MEA的部分嵌入在该凹部中，使第一反应流体室的一个面与设置有第二反应流体供给口的面成为同一个面，由此不仅能够进行燃料电池的小型化设计，而且还能够尽可能地增大第一反应流体室的体积，在本发明第一～第三方面中任一方面所述的燃料电池性能的基础上，能够实现长时间发电。
根据本发明，能够提供不需考虑设置方向的燃料电池。
本发明的另一个目的在于，提供一种快速排出在阳极电极生成的气体并提高燃料电池的运行稳定性的技术。
本发明某一方式是提供一种燃料电池。该燃料电池具备电解质膜、夹着该电解质膜设置的阳极电极及阴极电极、贮藏直接向阳极电极供给液体燃料的燃料室、设置于燃料室侧面的气液分离部。
根据该实施方式，燃料电池的方向改变，即使在阳极电极20位于下侧的状态下，在阳极电极生成的气体也能够经由设置于燃料室侧面的气液分离部被快速排出，因而运行稳定性提高。
在上述实施方式中，气液分离部也可具有防水性。根据该实施方式，由于能够抑制气液分离过滤器的入口表面被液体燃料堵塞，故生成的气体容易透过气液分离过滤器，燃料室内生成的气体更快速地被排出。
在上述实施方式中，气液分离部也可兼作用于密闭燃料室的密闭部件。根据该实施方式，能够消减构成燃料电池的部件数量，降低成本，同时能够使燃料电池小型化。
在上述实施方式中，气液分离部也可设置于燃料室的整个侧面上。根据该实施方式，燃料室内的生成气体也能够从任一侧面高效率地排出。
在上述实施方式中，也可以将气液分离部的一部分设置于位于在阳极电极生成的气体容易滞留的部位附近的燃料室侧面。根据该实施方式，由于易滞留于燃料室内特定部位的生成气体从设置于其附近的气液分离部排出，故燃料室内的生成气体的排出效率提高。
根据本发明，由于在阳极电极生成的气体通过设置于燃料室侧面的气液分离部被快速地排出，因而燃料电池的运行稳定性提高。
图1是模式化表示本发明的燃料电池外观的立体图。
图2是本发明的燃料电池的分解立体图。
图3是模式化表示本发明实施例1的燃料电池内部构造的剖面图。
图4是模式化表示本发明实施例2的燃料电池内部构造的剖面图。
图5是模式化表示本发明实施例3的燃料电池适用于笔记本型个人计算机时的外观的立体图。
图6是模式化表示本发明实施例3的燃料电池内部构造的剖面图。
图7是模式化表示本发明实施例3的变形例的燃料电池内部构造的剖面图。
图8是模式化表示本发明实施例4的燃料电池适用于手机时的外观的立体图。
图9是模式化表示本发明实施例4的燃料电池内部构造的剖面图。
图10是实施例5的DMFC的分解立体图。
图11是表示实施例5的电解质膜阳极侧构成的图。
图12是表示实施例5的DMFC构造的图10的A-A线上的剖面图。
图13是表示实施例6的DMFC构造的剖面图。
图14是实施例7中使用的阳极侧垫片的立体图。
图15是实施例8中使用的阳极侧垫片的立体图。
图16是表示将实施例8的DMFC装在折叠式手机的液晶显示部的背面的例子的图。
图17是图16中B-B线的剖面图。
图18是图16中C-C线的剖面图。
图19是表示将实施例8的DMFC装在折叠式手机的液晶显示部背面的例子的图。
上述图1～9中的符号说明10、110、210、310、410 阳极12、112、212、312、412 MEA(单元)14、114、214、314、414 电解质膜(电解质层)16、116、216、316、416 阴极20、120、220、320、420 甲醇燃料供给孔22、122、222、322、422 燃料室24、124、224、324、424 筐体26、126、226、326、426 阳极侧生成物排出孔28、128、228、328、428 阴极侧生成物排出孔30、130、230、330、430 气液分离过滤器
32、132、232、332、432 支持部件34、134、234、334、434 O环50、150、250、350、450 燃料电池352、452燃料筒360 笔记本型个人计算机454 壳体456 开口部458 送气泵460、464 空气流通路462 空气流通孔470 手机图10～图19中的符号的说明10 DMFC20 阳极电极 21 阳极催化剂层22 阳极基体30 阴极电极 31 阴极催化剂层32 阴极基体40 电解质膜 50 阳极侧垫片60 阳极侧壳体 72 衬垫 80 阴极侧垫片90 阴极侧壳体 100 空气室具体实施方式
参照
本发明的燃料电池50的基本构成。
图1是模式化表示本发明的燃料电池50的立体图。图2是取出燃料电池50的阳极侧的筐体24a时的分解立体图。在本实施方式中，燃料电池50是向阳极10供给甲醇水溶液或纯甲醇(以下称为“甲醇燃料”)的DMFC。作为发电部的膜-电极结合体(MEA，Membrane ElectorodeAssembly)12是电解质膜14被阳极10和阴极16夹住而行成。
向阳极10供给的甲醇燃料通过甲醇燃料供给孔20从燃料电池50的外部供给到燃料室22。各燃料室22连通，从贮藏于各燃料室22的甲醇燃料向各阳极10供给。在阳极10中，发生如式(1)所示的阳极反应，H+经由电解质膜14向阴极16移动，同时产生电力。
CH3OH+H2O→CO2+6H++6e-(1)由式(1)可知，通过该反应，从阳极10放出二氧化碳气体。因此，在燃料室22和设置于燃料电池50阳极侧的筐体24a的阳极侧生成物排出孔26之间配置气液分离过滤器30。
该气液分离过滤器30是具有选择性地透过气体成分，且液体成分不能透过的微细孔的平面状过滤器，聚氯三氟乙烯、聚偏二氟乙烯、聚氟乙烯、四氟乙烯聚合物、聚四氟乙烯(PTFE)、聚四氟乙烯聚合物(PFA)、聚全氟乙丙烯聚合物(PEP)、乙烯-四氟乙烯共聚物(E/TFE)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚三氟氯乙烯(PCTFE)、乙烯-三氟氯乙烯共聚物(E/CTFE)、全氟环状聚合物或聚氟乙烯(PVF)等氟类合成树酯具有耐甲醇(醇)性，因此，适合于作为气液分离过滤器30的材料。
另外，筐体24适合于采用轻量且具有刚性、具有抗蚀性的材料，具体而言，适合采用丙烯酸树酯、环氧树酯、玻璃环氧树酯、纤维素、尼龙、聚酰胺酰亚胺、多芳基酰胺、多芳基醚酮、聚酰亚胺、聚氨酯、聚醚酰亚胺、聚醚醚酮、聚醚酮醚酮酮、聚醚酮酮、聚醚砜、聚乙烯、聚乙烯乙二醇、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚氯乙烯、聚氧化甲烯、聚碳酸酯、聚乙二醇酸、聚二甲基硅氧烷、聚苯乙烯、聚砜、聚乙烯醇、乙烯聚合物四氯化吡咯、聚苯硫醚、聚邻苯二甲酰胺、聚对苯二甲酸丁二酯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚四氟乙烯、硬质聚氯乙烯等合成树酯或铝合金、钛合金、不锈钢等金属。此外，也可以是强化玻璃和骨架树酯。而且，与气液分离过滤器30相同，筐体24也具有与甲醇燃料接触的部分，因此，尤其是在与甲醇燃料接触的部分，最好使用在上述合成树酯或金属中加入氟系合成树酯的复合材料。另外，32是在形成燃料室22的同时将MEA12联接的支持部件32，支持部件32也优选使用与筐体24的甲醇燃料接触的部分相同的材料。
在本实施方式中，MEA12中，将Nafion115(Dupont社制)用作电解质膜14，在该电解质膜14的一面上涂敷将Pt-Pu黒与5wt％的Nafion溶液(Dupont社制)混合得到的阳极催化膏，形成阳极10，在另一面上涂敷将Pt黒与5wt％的Nafion溶液(Dupont社制)混合得到的阴极催化膏，形成阴极16。在本实施方式中，将Nafion115用作电解质膜14，但电解质膜14是只要是具有离子传导性的厚度50～200μm的电解质膜即可，如本实施方式，将甲醇用作燃料的DMFC的情况下，只要是能够抑制甲醇透过电解质膜14向阴极侧移动的所谓的浸渍泄漏现象的电解质膜即可。此外，采用在电解质膜14上形成阳极10和阴极16的制作方法，但也可采用在碳纸等电极衬底上形成催化剂层的构成及方法。另外，若催化剂是具有由甲醇生成H+，或由H+和氧气生成水的催化功能的催化剂，则也可以不采用由Pt-Ru及Pt构成的粒子(Pt-Pu黒和Pt黒)，而采用将催化剂保持于碳中的催化剂保持碳。
通过阳极侧的生成物排出孔28向阴极16供给空气，在使其经由电解质膜14向阴极16移动的H+和空气中的氧气之间，发生如式(2)所示的反应，生成水。
3/2O2+6H++6e-→3H2O(2)在向阴极16供给空气的同时，排出从阴极16生成的水的阴极侧生成物排出孔28被设置为与阳极侧生成物排出孔26的总面积相等，配置多个直径比阳极侧生成物排出孔26小的孔。此外，设置有阴极侧生成物排出孔28的内壁及阴极侧生成物排出孔28的部分的阴极侧筐体24b的表面由含有氧化钛等光催化剂的功能性涂敷材料覆盖。通过配置多个小孔，从而从阴极16排出的生成水滴下的可能性消除，此外，通过在内壁上覆盖功能性涂敷材料，从而孔不会被生成水堵塞，而容易地在薄而宽的内壁表面上蒸发，同时，能够防止微生物繁殖等。在该功能性涂敷材料中也可以含有银、铜、锌等金属，使得在没有对燃料电池50照射太阳光等光催化剂起作用的特定的波长的光时，也能够起到有机分解功能或抗菌功能。另外，如果在筐体24的整个表面上涂敷功能性涂敷材料，则燃料电池50的使用者能够通过接触燃料电池50而分解附着的有机物，从而赋予燃料电池50防污功能或抗菌功能。
为了防止甲醇燃料从阳极10流向阴极16而配置有O环(阳极侧O环34a、阴极侧O环34c)，使其围住多个MEA12。在本实施方式中，防止甲醇燃料被阴极侧筐体24c及支持部件32挤压，从阳极10流向阴极16，同时也防止氧气流入阳极10。该O环34优选具有柔软性和抗蚀性的物质，适用天然橡胶、丁腈橡胶、丙烯酸橡胶、聚氨酯橡胶、硅橡胶、丁二烯橡胶、苯乙烯橡胶、丁基橡胶、乙烯丙烯橡胶、氟橡胶、氯丁二烯橡胶、异丁烯、丙烯酸腈橡胶、丙烯酸腈丁二烯橡胶、丁基橡胶、聚氨酯橡胶等作材料。
除了上述构成之外，图中未图示，最好在阴极16和阴极侧筐体24c之间插入能够让空气和水流通的多孔质的特氟隆(注册商标)薄片等，使得使用者不接触阴极16。或者，通过调整阴极侧生成物排出孔28的直径和设置阴极侧生成物排出孔28的部分的筐体24的厚度(相对于阴极侧生成物排出孔28的直径尺寸增大筐体24的厚度尺寸)，从而即使使用者接触燃料电池50的筐体24的表面，也能够以不接触阴极16的方式进行筐体的设计。另外，当设置覆盖设有阴极侧生成物排出孔28的部分的盖体时，在燃料电池50停止时，能够防止MEA12尤其是电解质膜14干燥，同时还能够防止尘埃及细菌(菌类)等有机物侵入阴极16。若该盖体采用滑动式盖体，则可以不占用空间而进行设置。
此外，在本实施方式中，对甲醇燃料充满燃料室22空间进行了说明，但也可以将吸收甲醇燃料的海绵等三维多孔质体(燃料吸收体)插入到燃料室22内。作为这样的燃料吸收体，列举尼龙、聚酯、人造纤维、绵、聚酯/人造纤维、聚酯/丙烯酸酯、人造纤维/ポリクラ一ル 等制成的纤维纺织品、非纺织品、毡等。通过将燃料吸收体插入燃料室22，发生毛细管现象，燃料电池50不依赖于其设置的方向(姿势)，向阳极10均匀地供给甲醇燃料。另外，在本实施方式中，说明了在筐体24上涂敷含有光催化剂的功能性材料的例子，但即使在筐体24表面覆盖银、铜、亚铅等金属，或者将银、铜、亚铅等金属混入筐体24的形成材料，也能够至少确保抗菌性能。
实施例1图3是模式化表示本实施例的燃料电池150内部构造的图1中A-A’截面的剖面图。在本实施例中，在一个电解质膜114上配置有多个阳极(110a、110b、110c、…)110及与之相对的多个阴极(116a、116b、116c、…)116，通过利用未图示的配线等将例如阳极110a和阴极116b连接，由此各EMA112串联连接。
本实施例的特征在于，阳极侧生成物排出孔126不仅设置于阳极侧筐体124a的经由燃料室122与阳极110相对的位置，还设置于筐体124的侧面及支持部件132上。在全部阳极侧生成物排出孔126内都设置有气液分离过滤器130，如上所述，使从阳极110发生的二氧化碳等气体成分选择性地透过并排出，甲醇燃料等液体成分不透过，而能够保持在燃料室122中。在支持部件132上设置阳极侧生成物排出孔126，进而如图3所示，通过在阴极侧筐体124c的阴极侧O环134c外侧区域设置阴极侧生成物排出孔128，从而即使在阴极侧生成物排出孔中，128’和128”也起到将从阳极110产生的气体成分排出的作用。
通过上述那样的构成，即使配置燃料电池150，使阳极110位于电解质膜114上面的位置，配置燃料电池150，使阴极116位于电解质膜114上面的位置，阳极110的反应生成物等也能够被排出，而不滞留在阳极110和燃料室122中，另外，通过在筐体124侧面上也设置阳极侧生成物排出孔126，从而即使将燃料电池150在电解质膜114垂直立起的方向，阳极110的生成物也能够排出，而不滞留在阳极110和燃料室122中。因此，在本实施例中，不需考虑燃料电池150的设置方向。
此外，在筐体124(特别是阳极侧筐体124a)的外侧设置壳体，从阳极侧生成物排出孔126排出的反应生成物也可从设置于该壳体上的流体流通孔排出到壳体外部。通过在筐体124外侧设置壳体，从而能够提高燃料电池150的强度，如果在流体流通孔上设置气液分离过滤器，则能够更有效防止从燃料室122漏出甲醇燃料。此外，如果将流体流通孔设置于阴极侧生成物排出孔128侧，则阴极侧生成物排出孔128周围的空气通过反应生成物的排出流搅拌，从而易于向空气到阴极116供给。
实施例2图4是模式化表示本实施例的燃料电池25的内部构造的图1中A-A’剖面的剖面图。在本实施例中，也在一个电解质膜114上配置有多个阳极(210a、210b、210c、…)210及与之相对的多个阴极(216a、216b、216c、…)216，通过用未图示的配线将例如阳极210a和阴极216b连接，由此将各EMA212串联连接。
本实施例的特征在于，燃料室222以围住MEA212的方式，设置为截面コ字形，阳极侧生成物排出孔226不仅设置于阳极侧筐体224a的经由燃料室222与阳极210相对的位置，还设置于与筐体224侧面及与阴极侧生成物排出孔228相同的面上。在全部阳极侧生成物排出孔226中都设置有气液分离过滤器230，与实施例1相同，将从阳极210发出的二氧化碳等气体成分选择性地透过并排出，而不透过甲醇燃料等气体成分，从而能够保持在燃料室222内。
通过上述构成，即使配置燃料电池250，使阳极210位于电解质膜214上面的位置，配置燃料电池250，使阴极216位于电解质膜214上面的位置，进而将燃料电池250在电解质膜214垂直地立起的方向配置，阳极210的反应生成物等也能被排出，而不滞留在阳极210和燃料室222中。因此，在本实施例的燃料电池250中，不需考虑燃料电池250的设置方向，且凸出设置了围住MEA212的燃料室222部分，能够增大燃料室222的容量，因此，能够增长燃料电池250的运转时间。
实施例3图5是模式化表示本实施例的燃料电池350应用于笔记本型个人电脑(笔记本型PC)360时的外观的立体图。在本实施例中，向阳极310供给的甲醇燃料通过甲醇燃料供给孔320从设置于燃料电池350一侧面的燃料筒352向燃料室322供给。在本实施例中，不在筐体324(尤其是筐体324a的正面)设置实施例1、实施例2中那样的阳极侧生成物排出孔，而设于筐体324上的开口成为阴极侧生成物排出孔328。图6是模式化表示本实施例的燃料电池350内部构造的图5中B-B’剖面的剖面图。在本实施例中，也在一个电解质膜114上配置有多个阳极(310a、310b、310c、…)310及与之相对的多个阴极(316a、316b、316c、…)316，通过用未图示的配线将例如阳极310a和阴极316b连接，由此将各EMA312串联连接。
本实施例的特征在于，如上所述，未将阳极侧生成物排出孔326设置在阳极筐体324a的经由燃料室322与阳极相对的位置。阳极侧生成物排出孔326设置在支持部件332上和根据燃料室322的高尺寸设置在筐体324的侧面上，在全部阳极侧生成物排出孔326内配置气液分离过滤器，将从阳极310发生的二氧化碳等气体选择性排出，同时将甲醇燃料等液体成分保持在燃料室322中。与实施例1相同，由于也在阴极侧筐体324c上阴极侧O环334c外侧区域设置阴极侧生成物排出孔328，从而在阴极侧生成物排出孔中，328’和328”也具有排出从阳极110发出的气体成分的作用。此时，在阴极成生成物排出孔328’、328”等从阳极310发生的气体的排出经路内充填能够除去或吸附活性金属催化剂及燃料蒸气能够被燃料氧化吸收的活性炭、沸石、海泡石、丝光沸石等燃料的材料，从而能够更有效地防止燃料室322的甲醇燃料泄漏。
通过上述构成，由于阳极310的反应生成物从阴极生成物排出孔328排出，故即使在燃料电池350一个主面被供给通过由笔记本型PC360这样的燃料电池电池350发出的电力的应用堵塞的情况下，也能够向阴极316供给氧化剂(空气)，同时，也能排出阳极310及阴极316的反应生成物。此外，在阴极生成物排出孔328也被堵塞的情况下，由于不能向阴极316供给氧化剂，因而燃料电池350不能发电，也就不必排出阳极310及316的反应生成物。因此，在本实施例中，不需考虑燃料电池350的设置方向。
此外，作为燃料电池350的变形例，也考虑图7所示的燃料电池350(a)及350(b)这样的构成。在燃料电池350(a)的情况下，在阴极侧生成物排出孔328’、328”等将从阳极310发生的气体的排出的经路上充填与阴极316相同的材料(Pt黒与5wt％的Nafion溶液(DuPont社制)的混合物)316x。在筐体324侧面上不设置阳极侧生成物排出孔326，而在设置于支持部件332上的阳极侧生成物排出孔326上配置气液分离过滤器330，选择性地排出从阳极310产生的二氧化碳等气体成分，同时将甲醇燃料等液体成分保持在燃料室322中。此外，在燃料电池350(b)的情况下，在阴极侧不设置O环334c，而使外周部的阴极316(此处是316a和316c)比对向的阳极310大。与燃料电池350(a)相同，在筐体324侧面上不设置阳极侧生成物排出孔326，而在设置于支持部件332上的阳极侧生成物排出孔326上配置气液分离过滤器330，选择性地排出从阳极310发出的二氧化碳等气体成分，同时将甲醇燃料等液体成分保持在燃料室322中。通过燃料电池350(a)及350(b)这样的构成，能够降低构成燃料电池350的材料或零件的数量，从而能够提供成本更低的燃料电池350。
实施例4图8是模式化表示本实施例的燃料电池450适用于手机470时的外观的立体图。在本实施例中，向阳极410供给的甲醇燃料通过甲醇燃料供给孔420从设置于燃料电池450一个侧面上的燃料筒452向燃料室422供给。从图8的外观立体图中可以看到的是构成本实施例的燃料电池450的壳体454，如图9所示，壳体454内部设置的燃料电池450的主体部分与实施例1的燃料电池150的构成相同。因此，省去关于燃料电池450主体部分内部构成的说明，该主体部分并不限于实施例1的燃料电池150，也可用于实施例2、实施例3的燃料电池，进而也可不使用本发明的燃料电池。
图9是模式化表示本实施例的燃料电池450的内部构造的图8中C-C’剖面的剖面图。本实施例的特征在于，在壳体454的侧面设置开口部456s，在该开口部456s内部配置送气泵458。送气泵458从燃料电池450(壳体454)外部取外气(空气)导入到燃料电池450内部。通过送气泵458取得的空气顺着空气流通路460、空气流通孔462流通，导入到设置于筐体424和壳体454间的间隙的空气流通路464。导入到空气流通路464的空气经由阴极侧生成物排出孔428向阴极416供给，从阴极416排出的反应生成物经由阴极侧反应物排出孔428、空气流通路464从开口部456向燃料电池450(壳体454)外部排出。
亦即，通过设置送气泵458，能够使空气(氧化剂)按规定的方向依次经由开口部456s、空气流通路460、空气流通孔462、空气流通路464、阴极侧生成物排出孔428、阴极416、阴极侧生成物排出孔428、空气流通路464和开口部456s流动。此外，从阳极410排出的反应生成物经由阳极侧生成物排出孔426、阴极侧生成物排出孔428’、428”排出，随空气流从开口部456f排出。由于燃料电池450主体部分周围流体能够向规定方向流动，从而氧化剂吸气或反应生成物也能够顺畅地进行排气。另外，由于在筐体424周围能够形成流体(热媒体)流，故通过对筐体424(尤其是阳极侧筐体424a)使用热传导性良好的材料，从而也能够获得冷却燃料室422的效果。
在图8中，平衡燃料电池450考虑到重心的平衡，而将燃料筒452配置于手机470的绞链部470h附近，但并不限于设置于此处，也可配置于麦克部470m附近。在这种情况下，图8中开口部456f设置于相反的绞链部470h附近的壳体454侧面上，且从阳极410及阴极416排出的反应生成物从麦克部470m附近(即，若手机470在使用中，则人们的靠近)排出到更远的地方，从而能够进一步降低反应生成物对人体的影响，确保安全性。
本发明并不限于DMFC，可以用于移动设备的燃料电池，尤其能够应用于以下这样的比重(密度)极其不同的物质出入电极中的类型的燃料电池，即，供给作为向阳极供给或向阴极供给的氧化剂的液体，从作为其反应生成物的阳极或阴极排出气体。
实施例5图10是实施例5的DMFC 10的分解立体图。图11是表示实施例5的电解质膜40的阳极侧构成的图。图12是图10的A-A线的剖面图。
DMFC 10具有平面上配置的多个单元12。各单元12均具备阳极电极20、阴极电极30、及夹在阳极电极20和阴极电极30之间的电解质膜40。通过毛细管现象向阳极电极20供给甲醇水溶液或纯甲醇(以下记作“甲醇燃料”)。此外，向阴极30中供给空气。DMFC 10通过甲醇燃料中的甲醇与空气中氧气的电气化学反应发电。
阳极电极20具有阳极催化剂层21及阳极基体22。阳极催化剂层21与电解质膜40结合。阳极基体22由多孔质材料构成。通过阳极基体22的甲醇燃料通过毛细管现象供给到阳极催化剂层21。阳极基体22优选显示亲水性的导电材料。此处提到的亲水性是指与液体材料混合的性质，更详细地说，是指根据Zisman曲线算出的临界表面张力比液体燃料表面张力大的性质。例如列举，对碳纸、炭粘结剂、炭素织物、以及对它们实施亲水性覆膜的物质、钛系合金、不锈钢系合金的薄片通过蚀刻设置均匀的微细孔，并实施抗蚀导电性薄膜(如金、白金等贵金属)的物质等。
在阳极电极20侧的电解质膜40的边缘部设置有阳极侧垫片50。经由阳极侧垫片50设置阳极侧壳体60，通过阳极电极20、阳极侧垫片50及阳极侧壳体60形成贮藏甲醇燃料的燃料室70。贮藏于燃料室70内的甲醇燃料被直接供给向阳极电极20。另外，稍后详述阳极侧垫片50。在阳极侧壳体60上设有加强筋62。通过加强筋62将各单元12的阳极电极20区隔开。另外，阳极侧壳体60优选具备耐甲醇性、抗氧化性、机械刚性等特性。进一步地，阳极侧壳体60优选具有亲水性。另外，阳极侧壳体60具有从设置于DMFC 10外部的燃料箱(未图示)等吸出甲醇燃料的燃料吸引部(未图示)，向燃料室70内适当补充甲醇燃料。
作为构成阳极侧壳体60的材料，列举不锈钢类金属、钛类合金等金属材料、或丙烯酸脂树脂、环氧树脂、玻璃环氧树脂、硅、纤维素、尼龙、聚酰胺酰亚胺、聚烯丙基胺、聚芳基酮醚、聚酰亚胺、聚亚安酯、聚醚酰亚胺、聚醚醚酮、聚酮醚酮醚酮、聚芳醚酮酮、聚醚砜、聚乙烯、聚乙二醇、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚氯乙烯、聚甲醛、聚碳酸脂、聚乙醇酸、聚二甲基硅氧烷、聚苯乙烯、聚砜、聚乙烯醇、乙烯聚合物四氯化吡咯、聚苯硫醚、聚对苯二酰对苯二胺、聚对苯二甲酸丁二酯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚四氟乙烯、硬质聚氯乙烯等合成树脂。
另一方面，阴极电极30具有阴极催化剂层31及阴极基体32。阴极催化剂层31与电解质膜40结合。阴极基体32由具有透气性的材料构成。通过阴极基体32的空气被供给给阴极催化剂层31。
在阴极电极30侧的电解质膜40的周边部设有阴极侧垫片80。通过阴极侧垫片80设置有阴极侧壳体90。在阴极侧壳体90上设置有加强筋92。通过加强筋92将各单元12的阴极电极30区隔开。在阴极侧壳体90上设置有用于吸取空气的空气吸取口94。从空气吸取口流入的空气流入由阴极电极30、阴极侧垫片80及阴极侧壳体90形成的空气室100，到达阴极基体32。(在阴极侧壳体90中设置有加强筋92。通过加强筋92将各单元12的阴极电极30区隔开。)另外，阴极侧壳体90优选具有防水性的物质。可以使用关于阳极侧壳体60的例示材料作为构成阴极侧壳体的材料。
对于每个单元12，在阳极基体22和阴极基体32的表面分别设置有集电体(未图示)，并使用配线(未图示)将各单元电串联连接。
此处对阳极侧垫片50进行说明。本实施例的阳极侧垫片50整体全由气液分离过滤器形成。气液分离过滤器具备透过在阳极生成的气体并将甲醇燃料遮断的气液分离功能。作为发现气液分离功能的材料，列举纺织品、无纺布、网筛、毛粘或具有开孔的海绵状材料那样的多孔质材料等作为发现。
作为构成多孔质材料的组成物，列举聚四氟乙烯(PTFE)、聚四氟乙烯聚合物(PFA)、聚全氟乙丙烯聚合物(PEP)、乙烯-四氟乙烯共聚物(ETFE)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚三氟氯乙烯(PCTFE)、乙烯-三氟氯乙烯共聚物(E/CTFE)、聚氟乙烯(PVF)、全氟环状聚合物等。
气液分离过滤器优选具有防水性的物质。此处，防水性指排拒液体燃料的性质，更详细地说，是指根据Zisman曲线算出的临界表面张力比液体燃料表面张力小的性质。表1示出了甲醇浓度与表面张力的关系。表2示出了代表性树脂材料的临界表面张力。
表1
表2
如表1和表2所示，特氟纶(注册商标)不论对于哪一种甲醇浓度的甲醇燃料都具有防水性。聚乙烯和聚苯乙烯在浓度至少为72wt％以上时相对于甲醇燃料具有防水性。因此，特氟纶适合作为构成多孔质燃料的组成物。
由于气液分离过滤器具备防水性，从而液体燃料堵塞气液分离过滤器的入口表面的情况被抑制，因而生成的气体容易透过气液分离过滤器，燃料室70内生成的气体更快速地被排出。
根据本实施例的DMFC 10，即使在DMFC 10的方向改变，阳极电极20位于下侧的状态下，生成的气体也能通过设置于阳极电极20周围的阳极侧垫片50具备的气液分离过滤器被快速排出，因而运行稳定性提高。
实施例6图13是表示实施例6的DMFC 10的构造的剖面图。本实施例中DMFC10的基本构造与实施例5相同。以下说明实施例6的构成特征。如图13所示，燃料室70中设置有衬垫72。
通过衬垫72保持阳极电极20与阳极侧壳体60之间的距离。此外，由于通过衬垫72将阳极电极20压在电解质膜40上，因此，阳极电极20与电解质膜40的接触性提高。
设置于燃料室70内的衬垫72优选具备耐甲醇性、抗氧化性、机械刚性等特性的物质。进一步地，在衬垫72为分断阳极电极20那样的形状的情况下，优选生成的气体能透过衬垫72的物质，也可使用多孔质材料。例如，作为衬垫72，除与上述的气液分离过滤器相同的多孔质材料之外，列举由聚乙烯、尼龙、聚脂、人造纤维、棉、聚脂/人造纤维、聚脂/丙烯酸脂、人造纤维/ポリクラ一ル 等形成的纺布、无纺布、网筛、毛粘或具有开孔的海绵状材料那样的多孔质材料、或氮化硼、氮化硅、炭化钽、碳化硅、海泡石、绿坡缕石、沸石、氧化硅、氧化钛等无机固体。
实施例7实施例7的DMFC 10的基本构造与实施例5相同。以下说明实施例7的构成特征。图14是实施例7的阳极侧垫片50的立体图。本实施例中使用的阳极侧垫片50局部由气液分离过滤器形成。即，阳极侧垫片50由气液分离部分52及致密部分54形成。本实施例的阳极侧垫片50通过在由聚四氟乙烯纸、聚四氟乙烯网(DAIKIN工业制造)或米克拉特克斯(日东电气工业公司制造)等多孔质材料构成的框状薄片上反复进行特氟纶的扩散并将其选择性地将涂敷、含浸，将多孔质材料部分地致密化而成。
通过DMFC 10的发电循环，在与甲醇燃料相接的部分电解质膜40发生膨胀和伸缩，阳极侧壳体60、阳极侧电极20及电解质膜40的联接尺寸发生失常。经由局部设置于阳极侧垫片50的致密部分54将阳极电极20和电解质膜40联接，由此DMFC 10的联接稳定，能够抑制电池内部的阻抗增大，同时能够抑制燃料泄漏。
实施例8实施例8的DMFC 10的基本构造与实施例5相同。以下说明实施例8的构成特征。图15是实施例8的阳极侧垫片50的立体图。本实施例中使用的阳极侧垫片50局部由气液分离过滤器形成，这一点与实施例7相同。本实施例中使用的阳极侧垫片50在对向的边，其气液分离部分52和致密部分54的构成比例不同。具体而言，边A上气液分离部分52a的开口长度Ha比边B上气液分离部分52b的开口长度比Hb长。根据DMFC的发电状况及搭载DMFC的设备的使用状况，有时阳极处会产生生成气体的量的分布。在这样的情况下，通过使接近生成气体量多的区域的边的气液分离部分52的开口长度相对地更长，从而能够更有效率地将生成的气体从DMFC排出。
图16表示将实施例8的DMFC装在折叠式手机的背面的例子。图17及图18分别是图16中B-B线上和C-C线上的剖面图。DMFC 10面向阳极电极侧设置于手机300上。燃料盒202和燃料室70通过燃料导入路(未图示)连通。如果燃料室70内的甲醇燃料剩余量减少，则从燃料盒202向燃料室70适当补充甲醇燃料。在阳极电极20生成的气体通过装入到阳极侧垫片50的气液分离过滤器后，经由设置于DMFC用的筐体200侧面的开口部210排出到外部。
在进行通话、上网、发电子邮件等动作时，手机的姿势是在绞链部302位于主体操作部的垂直上部，在发电时阳极电极20处生成的气体移动向绞链侧。在这种情况下，通过将图15中边A设置于绞链侧，从而能够更有效率地从绞链侧气液分离部分52a排出生成的气体。其结果是，由于生成气体难以阻碍甲醇燃料的供给，故DMFC 10在手机300的消费电力中能进行适当的发电。
图19中，DMFC 10设置于手机300的液晶显示部310的背面。在这种情况下，手机300使用时，液晶显示部310的上部位于绞链部分302的垂直上方，发电时在DMFC阳极电极处生成的气体移动到液晶显示部310上部的位置。在该情况下，通过将图15中的边A设置于液晶显示部310的上部侧，能够更有效率地从设置于液晶显示部310上部侧的气液分离部分52a排出生成的气体。其结果是，由于生成气体难以阻碍甲醇燃料的供给，故DMFC 10在手机300的消费电力中能进行适当的发电。
本发明并不限于上述各实施例，也可以基于从业者的知识增加各种设计改变等变形等，增加这样的变形的实施例也属于本发明的范围之内。
权利要求
1.一种燃料电池，其具备电解质层；设置于上述电解质层的第一主面上、供给液体的第一反应流体，且产生气体的第一反应生成物的第一电极；设置于上述电解质层的第二主面上、供给第二反应流体的第二电极；容纳上述电解质层、上述第一电极、上述第二电极的筐体；设置于上述筐体上、从上述第一电极排出上述第一反应生成物的第一反应生成物流体排出口；设置于上述筐体上、向上述第二电极供给上述第二反应流体的第二反应流体供给口；其特征在于，上述第一反应生成物排出口设置于上述筐体的至少两个面上。
2.一种燃料电池，其具备电解质层；设置于上述电解质层的第一主面上、供给液体的第一反应流体，且产生气体的第一反应生成物的第一电极；设置于上述电解质层的第二主面上、供给第二反应流体的第二电极；容纳上述电解质层、上述第一电极、上述第二电极的筐体；设置于上述筐体上、从上述第一电极排出上述第一反应生成物的第一反应生成物流体排出口；设置于上述筐体上、向上述第二电极供给上述第二反应流体的第二反应流体供给口；其特征在于，上述第一反应生成物排出口设置于设置上述第二反应流体供给口的面上。
3.如权利要求1或2所述的燃料电池，其特征在于，在上述第一反应生成物排出口配置具有气体透过性、液体不透过性的部件。
4.如权利要求1～3中任一项所述的燃料电池，其特征在于，具备至少对向的两个面具有大致平行的形状并保持上述第一反应流体的第一反应流体室。
5.如权利要求4所述的燃料电池，其特征在于，具有设置于上述第一反应流体室的大致平行的两个面中一个面上且能够容纳上述电解质层、上述第一电极和上述第二电极的凹部，上述第一反应流体室的一个面与上述筐体的设置有第二反应流体供给口的面形成为同一个面。
6.一种燃料电池，其特征在于，具备电解质膜；夹着上述电解质膜设置的阳极电极及阴极电极；贮藏直接向上述阳极电极供给的液体燃料的燃料室；及设置于上述燃料室侧面的气液分离部。
7.如权利要求6所述的燃料电池，其特征在于，上述气液分离部具有防水性。
8.如权利要求6或7所述的燃料电池，其特征在于，上述气液分离部兼作用于密闭上述燃料室的密闭部件。
9.如权利要求6～8中任一项所述的燃料电池，其特征在于，上述气液分离部设置于上述燃料室的整个侧面上。
10.如权利要求6～9中任一项所述的燃料电池，其特征在于，上述气液分离部的局部在位于上述阳极电极生成的气体易滞留的部位的附近的上述燃料室的侧面设置。
全文摘要
本发明涉及一种用于移动设备的、不需考虑设置方向的燃料电池。本发明的燃料电池(150)具备电解质层(114)；设置于电解质层的第一主面上的第一电极(110)；设置于电解质层的第二主面上的第二电极(116)；容纳电解质层、第一电极、第二电极的筐体(124)；设置于筐体上的第一反应生成物排出口(126)；设置于筐体上的第二反应流体供给口(128)；其特征在于，在筐体的至少两个面上设置第一反应生成物排出口(126)。或者，在设置第二反应流体供给口(128)的面上设置第一反应生成物排出口(128’、128”)。
文档编号H01M4/86GK1988231SQ20061016846
公开日2007年6月27日 申请日期2006年12月13日 优先权日2005年12月22日
发明者株本浩挥, 安尾耕司 申请人:三洋电机株式会社