专利名称：燃料电池和燃料电池系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池和燃料电池系统。
背景技术：
在便携式装置等的小电源中期望利用向发电单元直接提供液体 燃料(例如酒精)的直接型燃料电池，因为不需要例如蒸发器和/或转 化器的辅助装置。此外，结合燃料电池技术的发展，存在用于评估燃
料电池的电化学行为的分析方法(例如，参照JP-A 2005-44602 (KOKAI))。
使用氢作为燃料的聚合物电解质燃料电池(PEFC)或直接曱醇 燃料电池(DMFC)具有堆积单体电池(unit cell)的堆，其中单体 电池是通过将膜电极组件(MEA )夹在阳极流板与阴极流板间形成的。 MEA是通过聚合物电解质质子导电膜、在质子导电膜的阳极端上形 成的阳极催化剂层和阳极气体扩散层、以及在质子导电膜的阴极端上 形成的阴极催化剂层和阴极气体扩散层形成的。
在利用水和曱醇的混合溶液作为燃料的DMFC中，经由阳极流 向MEA的阳电极提供水和甲醇的混合溶液。在阳电极，发生等式(1) 的反应，并生成二氧化碳。
32c/&2 - ,7(4FM)O2)H/&(0) = O,C(丄)=Cou( ( 4 )
其中F是法拉第(Faraday)常数，Do2是氧气的扩散系数，C。ut 是管道单元的氧气浓度。通过对等式(4)积分，由等式(5)表示例 如在第一 ME A 6a和第二阳极流板5b之间形成的间隙部分10a的氧 气分布浓度。
C(z)=i(z2-L2)/8FhDo2)+C0ut( 5 )
图7示出在60摄氏度的温度、150mA/cm2的电流密度i、在60 摄氏度0.26cmVs的氧气Do2的扩散系数、以及7.7E-6mol/cm3的氧气 浓度C一的情况下使用距离h作为参数在间隙部分10a中按C福规范 化的氧气浓度分布。此外，通过在等式(4)中代入在Z=0 (在间隙 的中央)时C(z)X)的条件，可由等式(6)表示通过扩散提供的氧气 的距离条件。
L<((8FhDO2)C0Ut/i)05 ( 6 )
因此，当L的大小设置为大于满足等式(5)的L时，出现向 MEA的阴电极63的表面上提供的氧气变得不足的区域。在氧气不足 的区域，发电反应没有充分进行。另一方面，阳极流板5a至5c和夹 在MEA 6a至6c之间的接触件8a至8c的电导率4艮高，从而单体电 池作为整体是几乎相等的电压。结果，在没有充分提供氧气的情况下， 电池电压几乎为0。在即使电压几乎为0时连续提供燃料的情况下，
没有生成电力而浪费性的消耗的燃料的量急剧增加。结果，燃料利用 效率也降低。此外，在其它单体电池生成电动势的情况下，如果强制
地向几乎0电压的单体电池馈送电流，则可出现使得单体电池极性反 转或破坏的现象，从而可存在使得燃料电池1作为整体被损坏的情况。 与此对照，根据具有满足等式(5)的关系的燃料电池1，可通 过扩散向阴电极表面提供超出由阴电极消耗的氧气浓度的氧气，从而 可以抑制在阴电极表面上氧气耗尽区的形成。结果，可以抑制单体电池的性能降低，可以抑制燃料的浪费性的消耗，以及可以增加发电效
率。例如，在图3的间隙部分10a、 10b和10c的距离h设置为lmm， 并且第一至第三单体电池2a、2b和2c的阴电极的长度L设置为15mm 的燃料电池1的情况下，可以较好地执行发电。
图8示出在图2中所示的燃料电池l中通过固定阴电极的长度L 为0.4cm改变间隙部分的距离h的情况下电流密度的试验结果。在图 8中，实线表示在类似于图7中所示的情况的运行条件下长度L设置 为0.4cm时的理论极限电流密度。具有小于图8的实线的电流密度的 区域表示在图6的z=0的区域中氧气密度变为0的部分。从图8可以 看出，在通过将距离h设置为0.05cm、 O.lcm、 0.15cm和0.2cm来进 行试验的任意情况下，可以认识到试验的电流密度小于理论极限电流 密度。因此L应满足等式(6)。
(第一变型例)
如图9和图IO所示，根据第一变型例的燃料电池l与图3和图 4中所示的燃料电池1不同点在于仅在容器4的一个表面上安置向 单体电池2a、 2b和2c提供空气的管道单元4a。
第一 MEA 6a的阴电极和第二阳极流板5b由接触件8a分开距 离h,并且这样配置使得相对于第一MEA6a的阴电极的表面给出一 定空间(间隙部分10a)。第二MEA6b的阴电极和第三阳极流板5c 由接触件8b分开距离h,并且这样配置使得相对于第二 MEA 6b的 阴电极的表面给出一定空间(间隙部分10b)。第三MEA6c的阴电 极以及面对该阴电极的阳极流板(未示出)由接触件8c分开距离h， 并且这样配置使得相对于第三MEA 6c的阴电极的表面给出一定空间 (间隙部分10c)。
这样，通过经接触件8a、 8b和8c设置相对于阴电极表面按距离 h限定的间隙部分10a、 10b和10c，即4吏在去除辅助装置(例如泵) 时，由于气态物体的渗透和扩散，也可以利用空气循环向阴电极端提 供空气。应注意，在图9和图IO所示的实例中，仅在容器的一个表 面上安置管道单元4a和4c，从而在采用等式(5 )时，将第一 MEA 6a、第二MEA 6b和第三MEA6c的z方向上的电极长度限定为L。 (第二变型例)
如图ll所示，根据第二变型例的燃料电池1与图3和图4中所 示的燃料电池1不同点在于将第一 MEA 6a的阴电极和第二 MEA 6b 的阴电极设置为通过距离2h彼此相对。
根据
图11中所示的燃料电池l，在第一单体电池2a的阴电极和 第二单体电池2b的阴电极之间形成由距离2h限定的间隙部分，从而 即使在去除辅助装置(例如泵)时，由于气态物体的渗透和扩散，也 可以利用空气循环向阴电极端提供超过消耗氧气浓度的氧气，并且可 以实现能够保持单体电池性能和发电效率高的燃料电池1，以及利用 燃料电池1的燃料电池系统。 (第三变型例)
如图12所示，根据第三变型例的燃料电池1与图3和图4中所 示的燃料电池1不同点在于第一单体电池2a、第二单体电池2b和 第三单体电池2c等均具有多孔体7a、 7b、 7c等。
多孔体7a安置在第一 MEA 6a的阴电极端上。多孔体7b安置 在第二MEA 6b的阴电极端上。多孔体7c安置在第三MEA 6c的阴 电极端上。对于多孔体7a、 7b和7c，可使用有孔的多孔材料，例如 具有几微米的孔直径的碳纸、碳布等。例如，当多孔体7a的孔隙度 是s ，厚度是d，以及从多孔体7a的面对第一 MEA6a的阴电极端的 表面到第二阳极流板5b的距离是hl，优选地确定第一至第三MEA 6a、 6b和6c的大小，从而除了上述等式(5)之外还满足以下等式(6) 的关系。
h = hl + sd (6)
根据图12中所示的燃料电池l，因为安置了大小满足于等式(5) 和等式(6)的单体电池2a、 2b和2c，所以可实现能够保持性能和发 电效率高的燃料电池l，以及利用燃料电池l的燃料电池系统。 (其它实施例)
如图13所示，可以在燃料电池1的管道单元4a中形成使得单体电池2a、 2b和2c的热散发并且热连接单体电池2a、 2b、 2c等的散 热片9。
散热片9的形状可通过延伸阳极流板5a的一部分形成，例如， 如图14所示。散热片可通过延伸该图中未示出的接触件的一部分到 管道单元4a和4c端来形成。此外，如图14和图15所示，单体电池 2a、 2b和2c的边缘部分可由多孔结构12覆盖，以使得更容易管理燃 料电池1的温度和湿度。
如图16所示，可通过相对于容器单元4b的下面分别斜向安置具 有宽度2L的单体电池2a、 2b和2c (其中在单体电池2a、 2b和2c 之间大致分开距离h)使得燃料电池l变得更薄。
在如图17所示在平板15上平放第一单体电池2a和第二单体电 池2b的情况下，安置板11使其从第一 MEA 6a和第二 MEA 6b向上 具有距离h的间隙部分10a和10b，如图18所示。如图18所示，围 绕第一 MEA6a和第二 MEA6b形成隔板13a、 13b、 13c和13d，并 通过隔板13a、 13b、 13c和13d向间隙部分10a和10b提供空气(氧 气)。利用这样的结构，即使在去除辅助装置(例如泵)时，由于气 态物体的渗透和扩散，也可以利用自然空气对流向第一MEA6a和第 二 MEA6b的阴电极端提供空气，并且可以防止阴电极变得太千。即 使在第一单体电池2a和第二单体电池2b的温度很高的情况下，也可 以减少阴电极的千燥。
此外，在图1至图17所示的燃料电池1中，示出阳极流板和阳 电极直接连接的示例性实例，但是根据需要，还可以在阳极流板和阳 电极之间插入多孔体等。
对于本领域普通技术人员容易实现其它优点和变型例。因此，本
性实施例。2007年9月12日递交的日本专利申请P2007-237145的全 部内容通过引用合并于此。在不脱离由所附权利要求及其等同物限定 的 一般发明构思的精神或范围的情况下，可以进行各种修改。
权利要求
1.一种燃料电池，包括电池堆，包括多个单体电池，其中每个单体电池包括具有阳电极和阴电极的膜电极组件；连接至所述阳电极的阳极流板；以及在阴电极表面上设置的间隙部分，通过扩散以大于等于所述阴电极的消耗氧气量的浓度提供氧气；容纳所述电池堆的容器单元，在与所述单体电池的堆积方向平行的方向上具有一面和另一面；管道单元，安置在所述一面和所述另一面中的至少一个上，并连接至所述间隙部分；以及氧化剂提供单元，向所述管道单元提供氧气。
2. 如权利要求l的燃料电池，其中所述电池堆包括 第一单体电池，包括具有第一阳电极和第一阴电极的第一膜电极組件；以及连接至所述第一阳电极的第一阳极流板；第二单体电池，包括具有第二阳电极和第二阴电极的第二膜电 极组件；以及连接至所述第二阳电极并面对所述第一阴电极的第二阳 极流板；以及接触件，安置在所迷第一阴电极和所述第二阳极流板之间的间隙 部分，电连接所述第一单体电池和所述第二单体电池；并且 其中所述电池堆满足以下关系 L<((8FhDO2)C0Ut/i)05其中F是法拉第常数；002是氧气的扩散系数；C福是气氛的氧 气浓度；i是在包括由跨越燃料导致的氧气消耗的发电时的电流密度； h是所述第一阴电极和所述第二阳极流板之间的间隙部分的距离；以 及当所述第一阴电极连接至所述一面和所述另一面之一上的所述管 道单元时，在与所述另一面垂直的方向上所述第一阴电极的长度是L, 或者，当所述第一阴电极连接至所述一面和所述另一面上的所述管道单元时，在与所述另 一面垂直的方向上所述第一阴电极的长度是2L。
3. 如权利要求l的燃料电池，其中所述电池堆包括 第一单体电池，包括具有第一阳电极和第一阴电极的第一膜电极组件；以及连接至所述第一阳电极的第一阳极流板；第二单体电池，包括具有第二阳电极和第二阴电极的第二膜电极组件；以及连接至所述第二阳电极的第二阳极流板，所述第二阴电 极面对所述第一阴电极；以及接触件，安置在所述第 一 阴电极和所述第二阴电极之间的间隙部 分，电连接所述第一单体电池和所述第二单体电池；并且其中所述电池堆满足以下关系L<((8FhDO2)C0Ut/i)0'5其中F是法拉第常数；Dw是氧气的扩散系数；C一是气氛的氧 气浓度；i是在包括由跨越燃料导致的氧气消耗的发电时的电流密度； 2h是所述第一阴电极和所述第二阴电极之间的间隙部分的距离；以及 当所述第一阴电极和所述第二阴电极连接至所述一面和所述另一面 之一上的所述管道单元时，在与所述另一面垂直的方向上第一阴电极 和第二阴电极中每个的长度是L，或者，当所述第一阴电极和所述第 二阴电极连接至所述一面和所述另一面上的所述管道单元时，在与所 述另一面垂直的方向上第一阴电极和第二阴电极中每个的长度是2L。
4. 如权利要求2的燃料电池，还包括与所述第一阴电极接触的多孔部件，其满足以下关系，h-hl + sd，其中s是所述多孔部件的孔隙度，d是所述多孔部件的厚度， 以及hi是所述多孔部件的表面和所述第二阳极流板之间的间隙部分 的距离。
5. 如权利要求1的燃料电池，还包括在所述管道单元和所述 容器单元之间形成的隔板。
6. 如权利要求1的燃料电池，还包括布置在所述管道单元中 的散热片。
7. —种燃料电池，包括单体电池，包括具有阳电极和阴电极的膜电极组件；以及连接 至所述阳电极的阳极流板；以及在所述阴电极表面上的板，在所述板上设置间隙部分，所述间隙 部分通过扩散以大于等于所述阴电极的消耗氧气量的浓度将氧气提 供到阴电极表面上。
8. 如权利要求7的燃料电池，其中所述单体电池满足以下关系L<((8FhDO2)C0Ut/i)0'5其中F是法拉第常数；Do2是氧气的扩散系数；C。w是气氛的氧 气浓度；i是在包括由跨越燃料导致的氧气消耗的发电时的电流密度； h是所述阴电极和所述板之间的间隙部分的距离；以及所述阴电极的 长度是2L。
9. 一种燃料电池系统，包括电池堆，其中包括多个单体电池，其中每个单体电池包括 具有阳电极和阴电极的膜电极組件； 连接至所述阳电极的阳极流板；以及在阴电极表面上设置的间隙部分，通过扩散以大于等于所述阴电 极的消耗氧气量的浓度提供氧气；容纳所述电池堆的容器单元，在与所述单体电池的堆积方向平行 的方向上具有一面和另一面；管道单元，安置在所述一面和所述另一面的至少一个上，并连接 至所述间隙部分；以及氧化剂提供单元，向所述管道单元提供氧气；存储燃料的混合槽，被配置为将从所述电池堆排出的废气和高浓 度燃料的混合物供应至所迷电池堆；以及循环泵，被配置为将所述燃料循环至所述电池堆。
10. 如权利要求9的系统，其中所述电池堆包括 第一单体电池，包括具有第一阳电极和第一阴电极的第一膜电极组件；以及连接至所述第一阳电极的第一阳极流板；第二单体电池，包括具有第二阳电极和第二阴电极的第二膜电 极组件；以及连接至所述第二阳电极并面对所述第一阴电极的第二阳 极流板；以及接触件，安置在所述第一阴电极和所述第二阳极流板之间的间隙 部分，电连接所述第一单体电池和所述第二单体电池；并且 其中所述电池堆满足以下关系 L<((8FhD02)C。ut/i)05其中F是法拉第常数；Do2是氧气的扩散系数；C。ut是气氛的氧 气浓度；i是在包括由跨越燃料导致的氧气消耗的发电时的电流密度； h是所述第一阴电极和所述第二阳极流板之间的间隙部分的距离；以 及当所述第一阴电极连接至所述一面和所述另一面之一上的所述管 道单元时，在与所述另一面垂直的方向上所述第一阴电极的长度是L, 或者，当所述第一阴电极连接至所述一面和所述另一面上的所述管道 单元时，在与所述另一面垂直的方向上所述第一阴电极的长度是2L。
11.如权利要求9的系统，其中所述电池堆包括第一单体电池，包括具有第一阳电极和第一阴电极的第一膜电 极组件；以及连接至所述第一阳电极的第一阳极流板；第二单体电池，包括具有第二阳电极和第二阴电极的第二膜电极组件；以及连接至所述第二阳电极的第二阳极流板，所述第二阴电 极面对所述第一阴电极；以及接触件，安置在所述第一阴电极和所述第二阴电极之间的间隙部 分，电连接所述第一单体电池和所述第二单体电池；并且其中所述电池堆满足以下关系L<((8FhD02)C0Ut/i)05其中F是法拉第常数；Do2是氧气的扩散系数；C一是气氛的氧 气浓度；i是在包括由跨越燃料导致的氧气消耗的发电时的电流密度； 2h是所述第一阴电极和所述第二阴电极之间的间隙部分的距离；以及 当所述第一阴电极和所述第二阴电极连接至所述一面和所述另 一面 之一上的所述管道单元时，在与所述另一面垂直的方向上第一阴电极和第二阴电极中每个的长度是L，或者，当所述第一阴电极和所述第 二阴电极连接至所迷一面和所述另一面上的所述管道单元时，在与所 述另一面垂直的方向上第一阴电极和第二阴电极中每个的长度是2L。
12. 如权利要求10的系统，其中所述电池堆还包括 与所述第一阴电极接触的多孔部件，其满足以下关系，h = hl +sd,其中s是所述多孔部件的孔隙度，d是所述多孔部件的厚度，以 及hi是所述多孔部件的表面和所述第二阳极流板之间的间隙部分的 距离。
13. 如权利要求10的系统，还包括在所述管道单元和所述容 器单元之间形成的隔板。
14. 如权利要求10的系统，还包括布置在所述管道单元中的 散热片。
全文摘要
一种燃料电池，包括电池堆，其中包括多个单体电池(2a、2b、2c、…)，其中每个单体电池包括具有阳电极和阴电极的膜电极组件(6a、6b、6c、…)；连接至所述阳电极的阳极流板(5a、5b、5c)；以及在阴电极表面上设置的间隙部分(h)，通过扩散将大于等于所述阴电极的消耗氧气量的氧气量提供到阴电极表面上；容纳所述电池堆的容器单元(4)，在与所述单体电池的堆积方向平行的方向上具有一面和另一面；管道单元(4a、4c)，安置在所述一面和所述另一面的至少一个上，并连接至所述间隙部分(h)；以及风扇，向所述管道单元(4a、4c)供应氧气。
文档编号H01M8/04GK101558523SQ20088000070
公开日2009年10月14日 申请日期2008年7月31日 优先权日2007年9月12日
发明者佐藤裕辅 申请人:株式会社东芝