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，特别是包含通过集电体的开口提供燃料的发电部分的燃料电池。
背景技术：
以甲醇等作为燃料的燃料电池作为小型电子设备例如笔记本个人电脑、小型音频播放机和无线耳机的电源正逐渐实用化。甲醇燃料电池(DMFC直接甲醇燃料电池)是自发呼吸型燃料电池，其中作为燃料的甲醇通过毛细管现象和扩散现象自发地输送到燃料电极。然后在燃料电极产生的活化的氢元素(以下称质子)和电子通过电解质膜与来自空气侧的氧气发生电化学反应来发电(例如，专利文件1)。
公开了使用由碳纤维织成的碳织物形成的集电体的另一种燃料电池。所述碳织物具有沿与集电体的表面接触的燃料气体流路沟的入口到出口方向逐渐变粗的网目(专利文件2)。
然而，在自发呼吸型燃料电池的情况下，燃料不是强制流动，而是自发地从指定尺寸的燃料供给口输送。因此在燃料供给口附近的燃料供给量大，并且随离燃料供给口的距离而减少，造成供给量的不均匀分布。这种供给量的不均匀分布引起发电的变化。因此需要稳定地将甲醇燃料供给到燃料电极。
专利文件1JP-A 2000-106201(KoKai)
专利文件2JP-A 8-124583A(1996)(KoKai)
发明内容
本发明要解决的问题 本发明的目的是提供其中可以均匀提供燃料以达到有效发电的自发呼吸型燃料电池。
问题的解决方案 根据本发明的一个方面，提供一种燃料电池，其包括燃料供给部分，其包括为了使由燃料供给口供给的燃料在平面内方向上扩散而设置的扩散部分和为了将来自扩散部分的燃料放出而设置的具有多个开口的开口板；为了从外部导入氧气而设置的氧气导入部分；和为了通过由燃料供给部分供给的燃料和由氧气导入部分供给的氧气发电而设置的发电部分，设置在开口板上的多个开口的开口率具有在平面内方向上基本上放射状的分布，以使得在燃料供给口附近的开口率小，并且随离燃料供给口的距离而增大。
图1的概念剖面图显示本发明实施方案的燃料电池的基本构成。
图2的概念平面图用于说明在燃料供给口10设置在燃料供给部分2的底面中央的情况下开口板40上的开口率分布。
图3的概念平面图用于说明在燃料供给口10设置在燃料供给部分2的侧面上的情况下的开口率分布。
图4的示意剖面图说明本发明实施方案的燃料电池的具体构造。
图5的示意剖面图说明本发明实施方案的燃料电池的具体构造。
图6的概念视图用于说明在燃料供给口10设置在接近外壳140的底面中央的情况下燃料电极侧集电体40的开口率分布。
图7的示意图说明比较例的燃料电池的燃料电极侧集电体40的开口分布。
图8的图表说明液体滞留片20上的燃料浓度分布。
图9的图表说明燃料电极侧集电体40的开口率变化时供给到发电部分4的燃料的浓度分布。
图10的示意图显示上文参照图6所述的开口率分布的具体实例。
图11的示意图显示上文参照图6所述的开口率分布的具体实例。
图12的示意图显示上文参照图6所述的开口率分布的具体实例。
图13的概念视图显示在燃料供给口10设置在外壳140的侧面上的情况下燃料电极侧集电体40的开口率分布。
图14的示意图显示图13中所示的开口率分布的具体实例。
图15的概念视图显示在燃料供给口10设置在外壳140的侧面的角落的情况下燃料电极侧集电体40的开口率分布。
图16的示意图显示图15中所示的开口率分布的具体实例。
图17的概念视图显示在多个燃料供给口10设置在外壳140的底面上的情况下燃料电极侧集电体40的开口率分布。
图18的示意图显示图17中所示的开口率分布的具体实例。
图19的概念视图显示在多个燃料供给口10设置在外壳140的侧面上的情况下燃料电极侧集电体40的开口率分布。
图20的示意图显示图19中所示的开口率分布的具体实例。
附图标记的说明 2 燃料供给部分 4 发电部分 6 氧气导入部分 10燃料供给口 20扩散部分 30多孔膜 40燃料电极侧集电体(开口板) 40H 开口 50燃料侧气体扩散层 60燃料电极 70电解质板 80氧化剂电极 90氧化剂侧气体扩散层 100 氧化剂侧集电体 110 保湿片 140 外壳
具体实施例方式 现在将参照
本发明的实施方案。
图1的概念剖面图显示本发明的实施方案的燃料电池的基本构成。
更特别地，本实施方案的燃料电池具有燃料供给部分2、发电部分4、氧气导入部分6依次层叠的结构。
燃料供给部分2向发电部分4供给甲醇或其他燃料，在燃料供给部分2的底面或侧面上设置燃料供给口10。装满甲醇或其他液体燃料的罐等与燃料供给口10相连，液体燃料通过燃料供给口10供给到燃料供给部分2。注意燃料不限于液体，例如，也可以通过升华使用固体燃料。
另一方面，氧气导入部分6从外部导入氧气并将其供给到发电部分4。
发电部分4通过燃料和氧气之间的电化学反应产生电能。这些元件的具体结构将在以后详细描述。
在此实施方案中，燃料供给部分2具有扩散部分20和开口板40。扩散部分20用于通过毛细管作用等使由燃料供给口10供给的液体燃料在平面内方向上扩散。开口板40具有多个开口(未显示)，其开口率围绕燃料供给口10基本上放射状地变化。扩散部分20中扩散的液体燃料通过这些开口供给至发电部分4。即设置在开口板40上的多个开口的开口率具有基本上放射状的分布，在平面内方向上所述分布在燃料供给口10附近小，并随离燃料供给口10的距离而增大。注意，这里使用的“开口率”是指每单位面积的开口面积的比例。
图2的概念平面图用于说明在燃料供给口10设置在燃料供给部分2的底面中央的情况下开口板40上的开口率分布。
开口板40具有多个开口(未显示)。开口的具体实例将在下文详细描述。在本实施方案中，开口(未显示)的开口率围绕燃料供给口10具有基本上放射状地扩大的分布。
例如，在假定每条到燃料供给口10的距离分别为常数的等距线L(由点-划线表示)的情况下，在每条等距线L上的开口率是固定的。如图2中的箭头所示，开口率随离燃料供给口10的距离而增大。因而可以使平面内由燃料供给口10供给至发电部分4的燃料的供给速率均匀。因此，可以减少平面内发电量的变化，获得低损耗和稳定的发电。
图3的概念平面图用于说明在燃料供给口10设置在燃料供给部分2的侧面上的情况下的开口率分布。
更特别地，同样在这种情况下，开口板40的开口率围绕燃料供给口10具有基本上放射状的分布。换句话说，在等距线L(点-划线)上开口率是固定的，其中所述等距线到燃料供给口10的距离恒定，并且如箭头所示，开口率随离燃料供给口10的距离而增大。因而可以使平面内由燃料供给口10供给至发电部分4的燃料的供给速率均匀。因此，可以减少平面内发电量的变化，获得了低损耗和稳定的发电。
下面参照燃料电池的具体构造对本发明的实施方案进行更详细的描述。
图4和图5的示意剖面图说明本发明实施方案的燃料电池的具体构造。
更特别地，本实例的燃料电池具有液体滞留片20、多孔膜30、燃料电极侧集电体40、燃料侧气体扩散层50、燃料电极60、电解质板70、氧化剂电极80、氧化剂侧气体扩散层90、氧化剂侧集电体100、和保湿片110依次层叠的结构。这些元件通过外壳140保护。如图4所示，燃料供给口10设置在外壳140的底面上。或者，如图5所示，燃料供给口10设置在外壳140的侧面上。装有甲醇和其他液体燃料的罐等与燃料供给口10相连，液体燃料通过燃料供给口10供给到液体滞留片20上。
接下来，对本实例的燃料电池中的发电机制进行描述。
首先，在燃料电极60侧通过由以下反应式(1)表示的半反应产生质子(H+)和电子(e-)，所述反应式(1)基于甲醇和水之间的电化学反应 CH3OH(1)+H2O(1)→CO2(g)↑+6H++6e-(1) 这里，甲醇在毛细管作用的驱动力作用下在液体滞留片20中自发地移动，穿过设置在燃料电极侧集电体40上的开口(未显示)，穿过燃料侧气体扩散层50，供给至燃料电极60。
相应地，在氧化剂电极80侧，氧气由保湿片110引入燃料电池系统，大气中的氧气(O2)通过由以下反应式(2)表示的半反应与来自燃料侧的H+和e-发生电化学反应，因此产生电能
通过此电化学反应产生的水(H2O)穿透电解质板70到达燃料电极60，并可以在基于电化学反应的半反应(1)中作为燃料再次使用。
在这里，下面列出了用于构成此燃料电池的主要部分的的材料的具体实例。
燃料供给口10可以由热塑性聚酯制成。液体滞留片20可以由尼龙纤维制成。多孔膜30可以由200微米厚的硅橡胶片制成。燃料电极60可以由铂族(例如Pt、Ru、Rh、Ir、Oa、Pd等)中的单体金属或包含铂族元素的合金制成，优选由Pt-Ru合金制成，其对甲醇和一氧化碳具有高抗力，但并不限于此。燃料电极60的材料还可以是基于导电载体如碳材料的载体催化剂。
电解质板70可以示例性地由具有磺酸基团的氟基树脂、具有磺酸基团的烃基树脂、或无机材料例如钨酸或磷钨酸制成，但并不限于此。另一方面，氧化剂电极80可以由铂族(例如，Pt、Ru、Rh、Ir、Os、Pd等)中的单体金属或包含铂族元素的合金制成，其还可以由基于导电载体例如碳材料的载体催化剂制成。
保湿片110可以示例性地由500微米厚的聚乙烯多孔膜制成。在这种情况下，膜的空气渗透性可以示例性地为约2sec/100cm3，其湿气渗透性可以是约4000g/m2·24h。
此燃料电池可以制成外部尺寸为约3cm长×2cm宽×5cm厚的板状。
图6的概念视图用于说明在燃料供给口10设置在接近外壳140的底面中央的情况下燃料电极侧集电体40的开口率分布。
更特别地，此图是从燃料供给口10侧观察的在图4中显示的燃料电池的集电体40的示意图。在此实例中，外壳140包含三个电池部分C。每个电池部分C具有从燃料电极侧集电体40到氧化剂侧集电体100的层叠结构。
包括在电池部分C中的燃料电极侧集电体40具有多个开口(未显示)，并且这些开口的开口率围绕燃料供给口10具有基本上放射状的分布。即开口率随离燃料供给口10的距离而增大。
图7的示意图说明比较例的燃料电池的燃料电极侧集电体40的开口分布。
更特别地，此图是从燃料供给口10侧观察的在图4中显示的燃料电池的集电体40的示意图。在此比较例中，每个电池C的燃料电极侧集电体40具有多个开口40H，并且这些开口40H的开口率是均匀的。即无论开口40H距离燃料供给口10是近还是远，它们的开口率都是相同的。然而，这种在燃料电极侧集电体40上的均匀开口率引起发电量的变化。其原因在下面描述。
在自发呼吸型燃料电池的情况下，由燃料供给口10供给的燃料通过毛细管现象和扩散现象在液体滞留片20中二维地展开。
在这种情况下，在液体滞留片20中分布的液体燃料具有公式(3)定义的浓度C的放射状的分布 其中t是时间，C是燃料浓度，D是液体滞留片20中液体燃料的扩散系数，α(C)是燃料自液体滞留片20的蒸发速率。
图8的图表说明液体滞留片20上的燃料浓度分布。
更特别地，此图显示在100mm长和15mm宽的液体滞留片20上的燃料分布，其中将燃料供给口10处的燃料浓度设为1。发现在纵向上距离燃料供给口10的0.02m的点上燃料浓度比降至约53％，在距离0.08m的点上降至约8％。
因此，如果在液体滞留片20的平面内液体燃料出现不均匀的浓度分布，则通过如图7所示的具有均匀开口率的燃料电极侧集电体40供给到燃料电极60的燃料的量发生变化。结果是电池C之间的电学特性改变，并且在每个电池C中电学特性的分布也不均匀。
更特别地，如果向发电部分供给多于合适的量的燃料，则没有在燃料电极60上消耗的过量的燃料通过电解质板70移动到氧化剂电极80侧。如果发生这样的现象，则没有用于发电的燃料是浪费的。而且，燃料和氧气经过燃烧反应，减少了在氧化剂电极80上电化学反应所需的氧气。此外，减少了氧化剂电极80的催化剂表面积，导致电压损失。
相反地，如果燃料的量过于低，则用于引起反应的能量增大，且与之相关的电压损耗(活化极化)增大。
因此，为了提高燃料电池的电学特性，重要的是向每个电池C供给适当量的燃料而不引起液体滞留片20上燃料浓度的变化。然而，如果在便携式电子设备中需要长时间的运行，例如，液体滞留片20需要随燃料电池大型化而大型化。因此液体滞留片20中的燃料浓度梯度变得显著。因此在每个电池C中可能出现燃料供给过剩或不足，并可能出现电学特性降低。
相比之下，在此实施方案中，如图6所述，燃料电极侧集电体40的开口率围绕燃料供给口10放射状地变化。因此，可以使通过蒸发渗透的燃料的量均匀，并可以防止发电量的变化。
图9的图表说明燃料电极侧集电体40的开口率变化时供给到发电部分4的燃料的浓度分布。竖轴上的燃料浓度比以距离燃料供给口10最近处的燃料浓度标准化。
在这里，根据图8中所示的燃料浓度分布，改变燃料电极侧集电体40的开口率，使得其在0.02m的点上为约14％，在0.08m的点上为约90％。此外，将以下描述的校正项γ设为0。因此，通过自燃料供给口10放射状地改变燃料电极侧集电体40的开口率，可以均匀地将燃料供给到发电部分。
通常，可以如下调节开口率。
形成开口率分布以使得开口率在接近燃料供给口10处为零，并随离燃料供给口10的距离而逐渐增大。
以此开口率分布的开口率可以通过以下公式(4)计算 开口率＝β/C′(X，Y)+γ(4) 其中β恒定，C′(X，Y)是平面内燃料浓度比。C′(X，Y)是以燃料供给口10的燃料浓度C1标准化的液体滞留片20平面内的燃料浓度C(X，Y)的值。γ是校正项。校正项γ用于由于开口率的限制使得过量的液体燃料未能穿过高燃料浓度区域中燃料电极侧集电体40的开口，并且在平面内方向流(扩散)入液体滞留片20或多孔膜30的现象。
图10至12的示意图显示上文参照图6所述的开口率分布的具体实例。更特别地，在图10显示的实例中，燃料电极侧集电体40具有多个相对小的开口40H。开口40H具有相同的尺寸，其密度不同。即开口40H的密度在燃料供给口10附近低，并随离燃料供给口10的距离而增大。因此，可以使通过开口40H供给到发电部分的燃料量的平面内分布接近均匀。
接下来，在图11显示的实例中，开口40H的尺寸不同。即开口40H的尺寸在燃料供给口10附近小，并随离燃料供给口10的距离而增大。同样在这种情况下，可以使供给到发电部分的燃料量的平面内分布接近均匀。
在图12显示的实例中，燃料电极侧集电体40围绕燃料供给口10形成蜘蛛网状的网孔。网孔的密度随离燃料供给口10的距离而降低。即形成网孔使其开口率随离燃料供给口10的距离而增大。同样在这种情况下，可以使供给到发电部分的燃料量的平面内分布接近均匀。
图13的概念视图显示在燃料供给口10设置在外壳140的侧面上的情况下燃料电极侧集电体40的开口率分布。
同样在这种情况下，如点-划线等距线L所示，开口(未显示)的开口率围绕燃料供给口10具有基本上呈放射状地扩大的分布。
例如，在假定每条到燃料供给口10的距离分别为常数的等距线L的情况下，在每条所述等距线L上开口率是固定的。开口率随离燃料供给口10的距离而增大。
图14的示意图显示图13中所示的开口率分布的具体实例。
在此实例中，燃料电极侧集电体40具有多个相对小的开口40H。开口40H具有相同的尺寸，其密度不同。即开口40H的密度在燃料供给口10附近低，并随离燃料供给口10的距离而增大。因此，可以使通过开口40H供给到发电部分的燃料量的平面内分布接近均匀。
代替如此改变的开口40H的密度，可以如上文参考图11所述改变开口40H的尺寸，或者如上文参考图12所述，开口40H可以形成具有变化的密度或开口率的网孔。
图15的概念视图显示在燃料供给口10设置在外壳140的侧面的角落的情况下燃料电极侧集电体40的开口率分布。
特别地，开口(未显示)的开口率围绕燃料供给口10具有基本放射状扩大的分布。同样在这种情况下，在假定每条到燃料供给口10的距离分别为常数的等距线L(由点-划线表示)的情况下，在每条所述等距线L上的开口率是固定的。开口率随离燃料供给口10的距离而增大。
图16的示意图显示图15中所示的开口率分布的具体实例。
同样在此实例中，燃料电极侧集电体40具有多个相对小的开口40H。开口40H具有相同的尺寸，其密度不同。即开口40H的密度在燃料供给口10附近低，并随离燃料供给口10的距离而增大。因此，可以使通过开口40H供给到发电部分的燃料的量的平面内分布接近均匀。
代替如此改变开口40H的密度，可以如上文参考图11所述改变开口40H的尺寸，或者如上文参考图12所述，开口40H可以形成具有变化的密度或开口率的网孔。
图17的概念视图显示在多个燃料供给口10设置在外壳140的底面上的情况下燃料电极侧集电体40的开口率分布。
在具有多个燃料供给口10的情况下，对于每个燃料供给口10，增加由其他燃料供给口10供给的燃料。因此，在测定图18中燃料电极侧集电体40的开口率时，这种增加的效果需要考虑在内。因此，燃料电极侧集电体40的开口率分布在每个燃料供给口10周围不是等距离的分布，而是根据燃料供给口10的设置而变形。
图18的示意图显示图17中所示的开口率分布的具体实例。
同样在此实例中，燃料电极侧集电体40具有多个相对小的开口40H，其密度不同。即开口40H的密度在燃料供给口10附近低，并随离燃料供给口10的距离而增大。而且，在增加由邻近的燃料供给口10供给的燃料的部分中，开口40H的密度降低。因此可以使通过开口40H供给到发电部分的燃料的量的平面内分布接近均匀。
代替如此改变开口40H的密度，可以如上文参考图11所述改变开口40H的尺寸，或者如上文参考图12所述，开口40H可以形成具有变化的密度或开口率的网孔。
图19的概念视图显示在多个燃料供给口10设置在外壳140的侧面上的情况下燃料电极侧集电体40的开口率分布。
同样在这种情况下，对于每个燃料供给口10，增加由其他燃料供给口10供给的燃料。因此，在测定燃料电极侧集电体40的开口率时，这种增加的效果需要考虑在内。因此，燃料电极侧集电体40的开口率分布在每个燃料供给口10周围不是等距离的分布，而是根据燃料供给口10的设置而变形。
图20的示意图显示图19中所示的开口率分布的具体实例。
同样在此实例中，燃料电极侧集电体40具有多个相对小的开口40H，且其密度不同。即开口40H的密度在燃料供给口10附近低，并随离燃料供给口10的距离而增大。而且，在增加由邻近的燃料供给口10供给的燃料的部分中，开口40H的密度降低。因此可以使通过开口40H供给到发电部分的燃料的量的平面内分布接近均匀。
代替如此改变开口40H的密度，可以如上文参考图11所述改变开口40H的尺寸，或者如上文参考图12所述，开口40H可以形成具有变化的密度或开口率的网孔。
已经参照实例描述了本发明的实施方案。然而，本发明不限于这些实例。
例如，本领域技术人员可以对构成本发明的燃料电池元件的材料、尺寸、形状和位置关系进行适当的改变，并且只要包含本发明的特征，任何所述改变都同样包含在本发明的范围内。
本领域技术人员同样可以对燃料电极侧集电体40的开口的形状、尺寸、数目和分布进行适当的改变，并且只要包含本发明的特征，任何所述改变都同样包含在本发明的范围内。而且，用于燃料电池的燃料不必限于液体，固体燃料、流体燃料、以及处于气相和液相混合状态的临界流体燃料的应用也包含在本发明的范围内。
工业实用性 根据本发明，燃料电极侧集电体的开口率分布的形成与液体滞留片的渗透率成反比，开口率分布是放射状的。因此，有可能提供变化小并具有高发电效率的燃料电池，从而达到显著的工业优势。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1. 燃料电池，所述燃料电池包括
燃料供给部分，其包括为了使由燃料供给口供给的燃料在平面内方向上扩散而设置的扩散部分和为了将来自扩散部分的燃料放出而设置的具有多个开口的开口板；
为了从外部导入氧气而设置的氧气导入部分；和
为了通过由燃料供给部分供给的燃料和由氧气导入部分供给的氧气发电而设置的发电部分；
设置在开口板上的多个开口的开口率具有在平面内方向上基本上放射状的分布，以使得在燃料供给口附近的开口率小，并且随离燃料供给口的距离而增大。
2. 如权利要求1所述的燃料电池，其中
所述扩散部分是为了通过毛细管作用使燃料扩散而设置的片状体，且所述开口板是由导电材料制成的集电体。
3. 如权利要求1所述的燃料电池，其中所述多个开口中的每一个开口均具有基本相同的尺寸。
4. 如权利要求1所述的燃料电池，其中在所述开口板上提供的所述多个开口的尺寸在燃料供给口附近小，在远离燃料供给口处大。
5. 如权利要求1所述的燃料电池，其中在平面内方向上通过所述多个开口供给到所述发电部分的燃料的量基本均匀。
6. 如权利要求1所述的燃料电池，其中在所述扩散部分和所述开口板之间提供多孔膜。
权利要求
1.燃料电池，所述燃料电池包括
燃料供给部分，其包括为了使由燃料供给口供给的燃料在平面内方向上扩散而设置的扩散部分和为了将来自扩散部分的燃料放出而设置的具有多个开口的开口板；
为了从外部导入氧气而设置的氧气导入部分；和
为了通过由燃料供给部分供给的燃料和由氧气导入部分供给的氧气发电而设置的发电部分；
设置在开口板上的多个开口的开口率具有在平面内方向上基本上放射状的分布，以使得在燃料供给口附近的开口率小，并且随离燃料供给口的距离而增大。
2.如权利要求1所述的燃料电池，其中
所述扩散部分是为了通过毛细管作用使燃料扩散而设置的片状体，且所述开口板是由导电材料制成的集电体。
3.如权利要求1或2所述的燃料电池，其中所述多个开口中的每一个开口均具有基本相同的尺寸。
4.如权利要求1或2所述的燃料电池，其中在所述开口板上提供的所述多个开口的尺寸在燃料供给口附近小，在远离燃料供给口处大。
5.如权利要求1至4之一所述的燃料电池，其中在平面内方向上通过所述多个开口供给到所述发电部分的燃料的量基本均匀。
全文摘要
如本发明所述的燃料电池包括燃料供给部分，其包括为了使由燃料供给口供给的燃料在平面内方向上扩散而设置的扩散部分和为了将来自扩散部分的燃料放出而设置的具有多个开口的开口板；为了从外部导入氧气而设置的氧气导入部分；和为了通过由燃料供给部分供给的燃料和由氧气导入部分供给的氧气发电而设置的发电部分，设置在开口板上的多个开口的开口率具有在平面内方向上基本上放射状的分布，以使得在燃料供给口附近的开口率小，并且随离燃料供给口的距离而增大。这使得能够提供其中燃料可以均匀供给，从而达到有效的发电的自发呼吸型燃料电池。
文档编号H01M8/02GK101223662SQ200680018518
公开日2008年7月16日 申请日期2006年5月26日 优先权日2005年5月27日
发明者东真也, 中川泰忠, 寺田贵洋, 吉田勇一 申请人:株式会社东芝