专利名称：燃料电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种燃料电池，并且更特别地是涉及一种具有堆叠有 多个燃料电池单元的结构的燃料电池。
背景技术：
燃料电池系统是一种可期待的电池，因为其每单位体积可以供应 的能量的量可能为从前的电池的几倍到十倍，并且通过连续向燃料电 池系统供应燃料，如移动电话和笔记本式个人电脑等的小型电子设备 可以被连续使用很长时间。
在燃料电池单元中，形成有电解质膜(MEA)，其中具有催化剂
的表面上。
向燃料电极侧供应燃料(例如，储存在氢吸藏合金箱等中的氢气)， 另一方面，向氧化剂电极侧供应氧化剂(例如，氧气)。所述反应剂通 过电解质膜相互产生电化学方面的反应而产生电能。
一对电解质膜(MEAs)中的理论电压大约为1.23V。另一方面， 在正常运行状态中，经常使用大约0.7V的电解质膜。
因此，当需要更高的电动势时，堆叠多个燃料电池单元来形成燃 料电池组，由此，电串联地布置并使用各个电池。
以往，如上所述堆叠多个燃料电池单元，以形成组结构的燃料电 池，日本专利No.03559246中^>开了按如下所述形成的一种燃料电 池。
使用圆筒形燃料电池单元，该燃料电池单元在氧化剂电极上采用 多孔的氧流路板以便高效地将空气中的氧吸入到氧化剂电极中，串联 地堆叠多个燃料电池单元，利用螺栓来拧紧燃料电池单元的中心以形成组结构的燃料电池。
然而在日本专利No.03559246所公开的技术中，在将作为弹性多 孔部件的各电池的氧流路板堆叠来形成燃料电池组时，为了维持导电 性并且密封燃料的流路，必须通过柠紧螺栓来施加等于或大于固定压 力的紧固压力。另一方面，当所施加的紧固压力太大时，很可能过度 地压缩所述多孔的氧流路板并且阻塞氧气的流动。因此，必须通过拧 紧螺栓来进行精密调整。然而，因为所述精密调整的控制是很困难的， 所以在制造期间增加了成本。
发明内容
本发明涉及一种燃料电池，其中可以稳定地紧固燃料电池组，可 以切实地执行燃料的供应和各电池的导电性，可以产生稳定的电力， 并且还涉及应用所述燃料电池的电子设备。
本发明提出了一种燃料电池，其包括通过堆叠多个具有燃料电极 和氧化剂电极的燃料电池单元所形成的燃料电池组，所述氧化剂电极
在垂直于所述燃料电池单元的堆叠方向的平面中具有弹性部件，该弹 性部件平行于刚性支撑部件布置并且具有导电性。
所述刚性支撑部件可以具有用于紧固通过堆叠多个燃料电池单元 所形成的燃料电池组的紧固部分。
刚性支撑部件可以具有用于在多个已堆叠的燃料电池单元中供应 燃料的燃料流路。
所述弹性部件是由多孔材料形成的。刚性支撑部件可以形成凹形 并且与设置在所述凹形中的弹性部件整体化。刚性支撑部件可以由导 电材料形成，并且燃料电极形成在刚性支撑部件中的与弹性部件的接 触面相对的表面中。
氧化剂电极可以由堆叠的具有透气性的氧化剂电极扩散层和弹性 部件组成的。
氧化剂电极能够适于从其侧面吸入空气。
本发明涉及一种电子设备，其包括位于外壳中的燃料电池并且在
4外壳中具有用于吸入空气的气孔。
根据本发明，在堆叠多个燃料电池单元以形成燃料电池组中，利 用刚性支撑部件实现的隔离物的作用，可以将各燃料电池单元的厚度 规定为固定值并且可以固定弹性部件的压缩量。结果，各燃料电池单 元的导电性更加切实并且可以产生稳定的电力。
根据本发明，因为燃料电池可能产生稳定的电力，所以可能使电 子设备稳定运行。
本发明进一步的特征将在以下参照附图的示范性实施例的说明中 变得显而易见。
图l是用于描述本发明第一实施例的燃料电池单元的示意性分解
透视图2是通过在电子设备外壳中组装燃料电池系统所构成的电子设 备的示意图，该燃料电池系统包括通过堆叠本发明第一实施例的多个 燃料电池单元所形成的燃料电池组；
图3是用于描述本发明第一实施例的燃料电池单元的基本结构的
图4是用于描述本发明第一实施例的燃料电池系统的示意图； 图5是用于描述本发明第一实施例的燃料电池组结构的示意性透 视图6是用于描述本发明第一实施例的燃料电池组结构的示意性剖 视图7是用于描述本发明第一实施例的燃料电池组结构的示意性透 视图8是用于描述本发明第一实施例的燃料电池组结构的图7中的 A-A剖面的示意图9是表示本发明第一实施例的燃料电池组的示意性透视图； 图IO是表示本发明第一实施例的燃料电池单元的示意性透视图；图11是用于描述本发明第二实施例的燃料电池单元的图，并且是 表示燃料电池单元结构的实例的示意性分解透视图，其中支撑部件形
成凹形并且该支撑部件和阴极扩散层形成为整体；
图12是用于描述本发明第二实施例的燃料电池单元的图，并且是 表示支撑部件和氧化剂电极扩散层的整体状态的示意性透视图；和
图13是用于描述本发明第三实施例的燃料电池单元的图，并且是 表示与氧化剂电极扩散层分开地将弹性部件堆叠到所述氧化剂电极扩 散层上的结构的实例的示意性分解透视图。
具体实施例方式
下面，将根据以下实施例来描述实现本发明的最佳方式。 (第一实施例)
在第一实施例中，将描述应用本发明的燃料电池。 图1中表示了本实施例的燃料电池单元的分解透视图。
图2中表示了通过在电子设备外壳中组装燃料电池系统所构成的
电子设备的示意图，该燃料电池系统包括通过堆叠本实施例的多个燃 料电池单元所形成的燃料电池组。
图3中表示了用于描述本实施例的燃料电池单元的基本结构的图。
图4中表示了用于描述本实施例的燃料电池系统的示意图。 在图1到图4中，附图标记1表示燃料电池系统；3表示燃料电
池单元；4表示电子设备。
附图标记6表示燃料箱；8表示燃料流路；ll表示电子设备外壳；
13表示气孔。
附图标记21表示聚合物电解质膜；22表示燃料电极催化剂层； 23表示氧化剂电极催化剂层；并且24表示膜电极组件。
附图标记30表示燃料电极集电器(collector); 31表示燃料电极 扩散层；32表示燃料电极腔室；并且33表示燃料电极。附图标记40 表示氧化剂电极集电器；41表示氧化剂电极扩散层；42表示刚性支撑部件；并且43表示氧化剂电极。
在本实施例的燃料电池中，如图2所示，将通过堆叠多个燃料电 池单元3所形成的燃料电池组组装到电子设备外壳11中，该燃料电池 单元包括图1所示的结构单元。
在电子设备4的外壳11上设置气孔13,该气孔用于向后述的本 实施例的燃料电池系统1供应作为氧化剂的空气。
使用图3来描述本实施例的燃料电池3的基本结构。
通过燃料流路8向燃料电极催化剂层22供应储存在后述的氢吸藏 合金燃料箱中的氢。
另一方面，向氧化剂电极催化剂层23供应氧化剂。所述氧化剂通 常是空气、氧等。
特别是，当空气被用作氧化剂时，通过自然的扩散或鼓风单元(如 风扇)，从设置在电子设备外壳11上的气孔13供应空气。
作为从空气中供应氧化剂的代替，可以从储存氧化剂的箱中供应 氧化剂。
在下文中描述如下情况，在本实施例中，氢被用作燃料并且空气 被用作氧化剂。这在下述的各实施例中同样适用。
燃料电极催化剂层22和氧化剂电极催化剂层23被堆叠在聚合物 电解质膜21的两个表面上以形成膜电极组件24。
作为聚合物电解质膜21的材料，可以使用任何具有离子导电性和 阻气性的材料。特别是，全氟磺酸的质子-交换树脂騰是合乎需要的。
如下所述来制造膜电极组件24。
首先，混合如铂黑或碳载铂的催化剂载体粒子、聚合物电解质溶 液和如异丙醇的有机溶剂以生产催化剂油墨。其次，通过喷涂法、丝 网印法、刮刀法等在聚四氟乙烯等的聚合物薄膜、导电的多孔碳电极 基底等上形成该催化剂油墨的薄膜来制造催化剂层。接着，使催化剂 层上载有催化剂的侧面设置为内侧，将所获得的催化剂层加压粘结到 聚合物电解质膜的两个表面上。因此，可以获得膜催化剂组件。
隔着膜电极组件24来布置燃料电极33和氧化剂电极43以形成燃
7料电池单元3。
在燃料电池33中，燃料(氢)透过由可透气的多孔导电部件所形 成的燃料电极扩散层31传送并且到达燃料电极催化剂层22。然后， 通过包含在燃料电极催化剂层22中的催化剂的作用来引起电离反应， 并且产生离子(质子)和电子。所产生的离子(质子)通过扩散穿过 聚合物电解质膜21。
从燃料电极33的燃料电极集电器30中获取在燃料电极催化剂层 22中产生的电子，通过电子设备4将其引导到氧化剂电极43的氧化 剂电极集电器40中，并且在被引导到氧化剂电极集电器40中的过程 中用作电力。
在氧化剂电极43中，氧化剂(空气)通过由可透气的多孔导电部 件形成的氧化剂电极扩散层41传送，并且到达氧化剂电极催化剂层 23。已经通过聚合物电解质膜21的离子(质子)、氧化剂(空气)和 电子，通过包含在氧化剂电极催化剂层23中的催化剂的作用而被结合 并且产生水。
将描述通过堆叠本实施例的多个燃料电池单元所形成的燃料电池组。
图5到10中表示了用于描述本实施例的燃料电池组结构的图。图 8是表示图7中的8-8剖面的图。
在图5到10中，附图标记2表示燃料电池组；7表示连接器；50 表示堆叠螺栓；51表示螺栓孔；52表示端板。
根据电子设备的负载，通过串联地连接多个燃料电池单元3来形 成本实施例的燃料电池组2 (在本实施例中，描述了连接有四个单元 的实例)。燃料电池单元3分别具有螺栓孔51和燃料流路8。如图9 中所示，燃料电池单元3堆叠并保持在端板52之间。
将堆叠螺栓50穿过孔51并且紧固，由此，串联地电连接各燃料 电池单元3，并且通过燃料流路8使燃料电池单元3间的燃料电极腔 室32连通。为了防止燃料的泄漏，根据燃料的种类需要在部件之间恰 当地插入密封部件。在如上所述串联地堆叠燃料电池单元3的结构中，氧化剂电极集 电器40设置为与堆叠在氧化剂电极43侧的燃料电池单元3的燃料电 极集电器30共通，以形成所谓的双极板。
在本实施例中，如图6所示，燃料箱6通过连接器7连接到燃料 电池组2的燃料流路8上。
如图6中的箭头所示，通过燃料电池单元3的燃料流路8供应作 为燃料的氢。
作为燃料箱6，将可逆地吸藏和排出氢的氢吸藏合金(例如， LaNi5)装填到由高导热率的金属材料(例如铝或硬铝)制成的容器中。
当燃料电池组2中的氢被消耗掉时，燃料箱6中的氢吸藏合金中 所吸留的氢被排出并通过燃料电池单元3的燃料电极扩散层31供应给 燃料电极催化剂层22。
因为在此刻，氢吸藏合金的氢排出反应是吸热反应，所以根据氢 的排出，燃料箱中的温度下降(在本实施例的氢吸藏合金燃料箱6中， 根据电子设备的负载，在室温下的氢排出中、温度下降大约10。C)。
通过气孔13向燃料电池单元3的氧化剂电极扩散层41供应作为 氧化剂的空气，氢和氧发生化合反应，并且向连接的电子设备供应电 力。
使用图l来更详细地描述本实施例的燃料电池单元3的具体结构。 本实施例的燃料电池单元3包括燃料电极集电器30、燃料电极扩
散层31、膜电极组件24、氧化剂电极扩散层41和刚性支撑部件42。 在此，燃料电极33中的燃料电极集电器30是在如不锈钢的导电
金属上镀金。燃料电极腔室32设置在与燃料电极催化剂层22相应的
位置中。可透气的导电部件的燃料电极扩散层31被置于燃料电极腔室
32中。
氧化剂电极43在垂直于燃料电池单元3的堆叠方向的平面中具有 作为弹性部件的氧化剂电极扩散层41和刚性支撑部件42。
氧化剂电极扩散层41是由具有透气性、导电性和弹性的多孔材料 形成的。氧化剂电极扩散层41不面对刚性支撑部件42的侧面41a暴露于大气中并且可以吸入空气。
如上所述，因为氧化剂电极扩散层41是由多孔材料形成的并且具 有透气性，所以氧化剂电极扩散层41从外部空气中吸入空气并且将所 述空气供应到氧化剂电极催化剂层23中。氢气和氧气发生化合反应。
因为氧化剂电极扩散层41是由导电材料形成的并且具有弹性，当 燃料电池单元3被紧固时，在堆叠方向上对氧化剂电极扩散层41施加 压力。结果，氧化剂电极扩散层41被压缩。氧化剂电极扩散层41在 两个表面以预定的接触压力与燃料电极集电器30和膜电极组件24接 触。各燃料电池单元3被串联地电连接。
按该方法，作为具有透气性、导电性和弹性的材料，可以独立或 结合使用通过将不锈钢、镍、铬等制成多孔而获得的泡沫金属、由碳 材料形成的碳布或碳纸等。
刚性支撑部件42布置在与紧固部分相应的位置中，在该紧固部 分，通过分别将堆叠螺栓50插过螺栓孔51来紧固燃料电池单元3。
刚性支撑部件42是由具有高刚性的材料形成的。在紧固期间，刚 性支撑部件42通过作为堆叠螺栓50的紧固部分起作用而可以固定各 燃料电池单元3的厚度，并且将作为弹性部件的氧化剂电极扩散层41 的压缩量调整为预定值。
因此，仅通过将堆叠螺栓50紧固预定量来规定各燃料电池单元3 的厚度，不必要精密调整紧固压力，并且可以稳定地紧固燃料电池单 元3。
在刚性支撑部件42中形成燃料流路8。因此，在紧固期间可以抑 制燃料流路8的变形，并且可以阻止其位置偏差。因此，可以稳定地 供应氢。
作为刚性支撑部件42的材料，可以使用如不锈钢的金属、陶瓷、 塑料(机械特性优良的工程塑料)等。
可以通过调整氧化剂电极扩散层41的厚度和刚性支撑部件42的 厚度之间的差值来规定氧化剂电极扩散层41的压缩量(接触压力)。 因此，可以容易地调整压缩量并且可以获得稳定的导电性。如上所述，根据本实施例，氧化剂电极具有带导电性的弹性部件， 该弹性部件在垂直于燃料电池单元的堆叠方向的平面内平行于刚性支 撑部件布置。因此，可以提供能稳定地产生电力的燃料电池。
在作为弹性部件的氧化剂电极扩散层41中产生并且控制用于获 得燃料电池单元3的导电性的接触压力，并且在紧固期间通过刚性支 撑部件42来规定燃料电池单元3的厚度。因此，可以稳定地紧固燃料 电池单元3，并且可以实现能够稳定地产生电力的燃料电池。
因为紧固部分设置在刚性支撑部件中，所以可以更稳定地形成燃 料电池组。
此外，因为燃料流路设置在刚性支撑部件中，所以可以稳定地供 应燃料。
因为弹性部件是由透气的材料形成的，所以可以向氧化剂电极催 化剂层供应氧。
此外，因为弹性部件是由导电材料形成的，所以可以提供电连接 稳定的燃料电池。
通过使用本发明的能够稳定地产生电力的燃料电池可能稳定电子 设备的运行。
如上所述，本发明中的"弹性部件"和"刚性支撑部件"是按其功能 来区分的。所述弹性部件和刚性支撑部件不受作为各部件材料的物理 性质值的弹性系数的限制。
(第二实施例)
在第二实施例中，描述了不同于第一实施例的形式的结构的实例。 图11是表示燃料电池单元结构的实例的示意性分解透视图，其中 刚性支撑部件42、氧化剂电极集电器40和燃料电极集电器30整体化 并且作为整体形成为凹形，氧化剂电极扩散层41设置在所述凹形中， 并且刚性支撑部件42和氧化剂电极扩散层41整体化。图12中表示了 从氧化剂电极扩散层41侧观察时的示意性透视图，以便表示在本实施 例中、刚性支撑部件42和氧化剂电极扩散层41的整体化状态。通过 采用所述结构，便于调整氧化剂电极扩散层41的压缩量，同时，可以
ii减少部件的数量，并可以实现成本的降低。
刚性支撑部件42是由导电材料形成的，并且燃料电极腔室32形 成在与氧化剂电极扩散层41的接触面相对的表面内。因此，可以进一 步减少部件的数量。
通过采用所述结构，刚性支撑部件42和堆叠在其上的燃料电池单 元3的燃料电极集电器30设置为共通以形成所谓的双极板。可以减少 部件的数量。
(第三实施例)
在第三实施例中，描述了如下结构的实例，其中弹性部件与氧化 剂电极扩散层分离地被堆叠在该氧化剂电极扩散层上。 图13中表示了用于描迷本实施例的结构的实例的图。 在第一实施例中，描述了所述结构的实例，其中氧化剂电极扩散 层41被用作弹性部件。在本实施例中，如图13中所示，釆用弹性部 件53与氧化剂电极扩散层41分离地堆叠在所述氧化剂电极扩散层41 上的结构。
在本实施例的所述结构中，获得与第一实施例相同的效果。
此外，根据本实施例的结构，因为在弹性部件53中透气性不是必 需的，所以使用具有高弹性特性、低塑性变形和稳定的弹性系数的材 料。特别是，可以使用通过加入导电材料(如碳或金属)而赋予导电 性的橡胶、金属弹簧的模塑弹簧等，并且可以获得更稳定的接触压力。
因为氧化剂电极扩散层41不要求具有弹性，所以可以选用具有高 透气性的材料并且可以提高氧的吸入效率。
已经参照示范性实施例描述了本发明，但应当理解本发明不局限 于所公开的示范性实施例。权利要求的范围应予以最宽泛的解释，以 便包含所有改进和等效结构及功能。
本申请要求2006年12月7日申请的日本专利申请No. 2006-330262的权益，在此结合其全部内容作为参考。
权利要求
1.一种燃料电池，包括通过堆叠多个具有燃料电极和氧化剂电极的燃料电池单元所形成的燃料电池组，所述氧化剂电极在垂直于所述燃料电池单元的堆叠方向的平面中具有弹性部件，该弹性部件平行于刚性支撑部件布置并且具有导电性。
2. 如权利要求l所述的燃料电池，其中所述刚性支撑部件具有用 于紧固通过堆叠多个燃料电池单元所形成的燃料电池组的紧固部分。
3. 如权利要求l所述的燃料电池，其中所述刚性支撑部件具有用 于在多个已堆叠的燃料电池单元中供应燃料的燃料流路。
4. 如权利要求l所述的燃料电池，其中所述弹性部件是由多孔材 料形成的。
5. 如权利要求4所述的燃料电池，其中所述刚性支撑部件形成凹 形并且与设置在所述凹形中的弹性部件整体化。
6. 如权利要求5所述的燃料电池，其中所述刚性支撑部件是由导 电材料形成的，并且所述燃料电极形成在所述刚性支撑部件中与弹性 部件的接触面相对的表面中。
7. 如权利要求l所述的燃料电池，其中所述氧化剂电极是由堆叠 的具有透气性的氧化剂电极扩散层和弹性部件组成的。
8. 如权利要求1所述的燃料电池，其中所述氧化剂电极适于能够 从其侧面吸入空气。
9. 一种电子设备，其包括如权利要求l所述的位于外壳中的燃料 电池并且在所述外壳中具有用于吸入空气的气孔。
全文摘要
在通过堆叠多个燃料电池单元来形成燃料电池组时，为了提供燃料电池，其中所述燃料电池组可以被稳定地紧固，可以切实地执行燃料的供应和各电池的导电，并且可以产生稳定的电力，所述燃料电池包括通过堆叠多个具有燃料电极(33)和氧化剂电极(43)的燃料电池单元(3)所形成的燃料电池组(2)。所述氧化剂电极在垂直于所述燃料电池单元的堆叠方向的平面中具有弹性部件(氧化剂电极扩散层)(41)，该弹性部件平行于刚性支撑部件(14)布置并且具有导电性。
文档编号H01M8/10GK101553944SQ20078004514
公开日2009年10月7日 申请日期2007年12月5日 优先权日2006年12月7日
发明者横井昭佳 申请人:佳能株式会社