燃料电池制造技术

燃料电池（８）包含有燃料电极、氧化剂电极以及安置在二电极间的电解质。为使向燃料电池（８）供给燃料的导管（９）中的甲醇量得到控制，在导管（９）处安置一个甲醇浓度控制装置（１０），借检测（１０）中单体电池（１５）的开路电压如氧化剂电池（２）的开路电位来进行控制。（*该技术在2005年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
本专利技术是关于燃料电池的，更具体地讲，是关于甲醇-空气酸性电解质燃料电池的。燃料电池是输入燃料与氧化剂，在电极上进行电化学反应，直接产生电能，它一直被作为一种具有高效率的新型能源而瞩望。特别是作为小体积可移动的能源，甲醇-空气酸性电解质燃料电池在使用液体燃料的燃料电池中更为引人注目。甲醇能够容易地从微生物发酵，煤的液化而制得，並容易操作，所以人们期望将甲醇燃料电池投入实际使用。输入燃料电池的燃料中，甲醇的浓度对于维持燃料电池的额定功率输出是至关重量的。当甲醇浓度低于规定值，则输出功率自然要降低;甲醇浓度增加时，就达到了额定的输出功率。然而，由于电渗和扩散等原因而通过电解质的甲醇愈多，在氧化剂电极上被消耗的也就愈多。所以甲醇的利用率就降低。由于这个原因，为了维持输出功率没有波动，燃料输入时必须维持甲醇浓度恒定在预先规定的范围内。从题为“燃料电池的浓度传感器”的日本专利公告56-118273号(1981)中图2看到，已经提出了检测燃料中甲醇浓度的早期技术，即在燃料电池中单独构成一个小型燃料电池，燃料输入燃料电池以产生电能，此时燃料中甲醇的浓度则根据这小型燃料电池的电动势进行检测和控制。早期技术向氧化剂电极提供空气和液体电解质，由于它要求空气经电解液冒出因此需要一个空气室。本专利技术的目的是提供一种燃料电池，其中包含检测输入燃料电池的燃料中甲醇的浓度和控制甲醇浓度保持恒定的装置，而不需要安装复杂的空气室，从而保持输出的功率稳定，不波动。专利技术者深入地研究了燃料电池的进展。结果发现在燃料电池工作温度为50°～60℃时，电池(示于附在后面的图2)的开路电压与甲醇浓度有关，示于图4。此外当氧化剂电极浸在含有电解质(阳极电解液)的燃料中时，开路电压与图9所示燃料甲醇浓度的关系，示于图5。这些都指出了与甲醇浓度相应的开路电压和电势能够用作指示甲醇浓度的指标，如图4与图5所示的那样。本专利技术利用上述的浓度依赖关系，独特地设置一个装置，在此装置中，利用单体电池的开路电压和氧化剂电极的开路电位来控制输入燃料中甲醇的浓度稳定在预先规定的浓度。本专利技术注意到甲醇浓度取决于它透过和混合入空气电极(示于附在后面的图2或图9)的数量，在此种结构中没有复杂的空气室。本专利技术包括以下三个系统(1)～(3)(1)一个单体电池(示于图2和图7，附在后面)安置在燃料电池的燃料输入通道上，检测单体电池的开路电压，新的甲醇补充进来以维持预先规定的开路电压，从而使浓度稳定在预先规定范围内的燃料输入燃料电池。(2)一个单体电池(示于附在后面的图6和图8)安置在燃料电池的燃料输入通道上，再安置一个使甲醇保持其予先规定浓度(例如1克分子/升)的单体电池，分别检测各单体电池的开路电压，控制甲醇进料，使两个电池的开路电压能相同，从而使输入燃料电池的燃料中甲醇浓度保持稳定在预先规定的浓度。(3)如附在后面的图9和图11所示，阳极电解液与氧化剂电极保持接触，根据那时候电位降低来测定甲醇浓度，同时根据测量信号向燃料电池重新输入甲醇，从而使甲醇浓度保持不变。关于(3)，如附在后面的图9所示，建立这样一个系统是可能的，其中与氧化剂电极相对的对应电极和氧化剂电极浸在同一阳极电解液中，或者如附在后面的图11所示，建立这样一个系统，其中隔膜，如离子交换膜，插入氧化剂电极与对应电极之间，阳极电解液在隔膜和氧化剂电极之间循环，而隔膜和对应电极之间的空间则加入标准溶液，如含固定量的甲醇或作为电解质的硫酸水溶液的参比阳极电解液。再说，2-单体电池系统是可以做到的，在此系统中，参比甲醇浓度电池(其甲醇浓度可很好地保持为零)的安置与前述系统(2)一样，对参比电池和被测电池的电压差别进行判断，从而测出燃料电池阳极电解液的甲醇浓度。任何一种材料，只要对于电解质是化学稳定的，並能导电，都可用作第(3)条叙述的系统中的对应电极材料。图1是应用于本专利技术的装有甲醇浓度控制装置的甲醇燃料电池的示意透视图。图2是甲醇浓度控制装置(Ⅰ)的结构示意图。图3是电流密度-电位(i-E)曲线用来评价电极与电池电压(电位差)性能。图4是图2中单体电池的特性曲线，表示燃料的甲醇浓度与开路电压之间的关系。图5是图9中氧化剂电极的开路电位与甲醇浓度的关系曲线。图6是甲醇浓度控制装置(Ⅱ)的结构示意图。图7是甲醇浓度控制装置(Ⅲ)的结构示意图。图8是甲醇浓度控制装置(Ⅳ)的结构示意图。图9是甲醇浓度控制装置(Ⅴ)的结构示意图。图10是图9中甲醇浓度控制装置(Ⅴ)的浓度检测特性曲线。图11是甲醇浓度控制装置(Ⅵ)的结构示意图。图12是分别装有甲醇浓度控制装置(Ⅰ)、(Ⅳ)和(Ⅴ)的燃料电池在电流密度为60毫安/平方厘米时，放电时间与电池电压及电池温度的关系曲线。用于本专利技术的燃料电池是甲醇燃料电池，在燃料进料通道上安置一个控制燃料中甲醇浓度的装置。参见图1，由33个单体电池堆成的电池堆8是用燃料电极和氧化剂电极构成的。把含有3克分子/升硫酸的离子交换膜(CMV，Asahi Garasu生产)插入电极之间作为电解质。向电池堆8输入燃料的导管9上装有甲醇浓度控制装置10。通往经电池堆循环的燃料(含有1.5克分子/升的硫酸)贮存在燃料箱11中。(2∶1)甲醇-水贮存在燃料箱13中，按照来自甲醇浓度控制装置的信号，经进料孔14供给的新的甲醇由甲醇-水进料导管12输入。参见图2，单体电池15中每一个燃料电极1和氧化剂电极2都切成10×10毫米的薄片，含有硫酸的离子交换膜3紧紧地插在电极之间作为电解质，这样就做成了甲醇浓度控制装置(Ⅰ)的燃料浓度检测部份22。燃料电极1位于燃料一边，面对燃料输入导管9。输入电池堆的一部分空气6也供给氧化剂电极2。单体电池的开路电压经由导线20用伏特计检测。检测得的信号由补偿装置18根据图4所示的开路电压与甲醇浓度的关系反馈控制，开启或关闭甲醇-水的输入阀门19。由于甲醇浓度控制装置(Ⅰ)的设置，可使供给电池堆8的燃料的甲醇浓度控制在0.7克分子/升至1.2克分子/升的范围。示于图2的燃料电池记作E。在这种燃料电池中，多孔的碳载体，例如石墨或炉法碳黑用来作电极，催化剂采用铂、钌或其中含铂、钌的物质。制备方法可以是任一种通常用的催化剂制法，如沉积法、浸渍法、介入法和揉捏法。电极的制造方法是在多孔导电基体上涂上催化剂糊，然后干燥和烘干。催化剂糊的制备是把蒸馏水和粘合剂(例如聚四氟乙烯)加到催化剂粉中，然后揉捏混合物而成。制得的电极的性能用电流密度-电位曲线(i-E)来评价。如图3所示，当电流通过时，燃料电极Ⅰ的电位向增大的方向扩展(图中向上)，氧化剂电极Ⅱ向减小的方向扩展(图中向下)，这是由于反应的滞后，内阻等所致。电极Ⅰ与Ⅱ的电势差即是电池的电压Ⅲ。电池电压高，即便有电流输出时，其电压也不降低，这样的电池是高输出功率的电池。图3中Ⅳ是电流为零即电极之间未接负载时的开路电压。图6所示为甲醇浓度控制装置(Ⅱ)。单体电池23装有标准电解质溶液(161)，燃料电极(111)，离子交换膜(311)与氧化剂电极(211)，含在第二个燃料浓度检测部分221中，它和另一个单体电池15组装在一起，该单体电池15含在图2所示的第一个浓度检测部分22中。单体电池23充满了供给电池堆8的预定甲醇浓度(1克分子/升)的燃料。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃料电池，包含有相向排列的燃料电极和氧化剂电极；位于两电极之间的电解质；控制从燃料供应部份向燃料电池供给燃料的浓度装置，燃料电池的特征在于所说的装置由下列各项组成：燃料浓度检测部分（２２，２２１），包括燃料电极（１），其一个主要表面 直接与在供给上述燃料电池（８）以前的部分燃料相接触；氧化剂电极（２），其一个主要表面与空气直接接触；电解液（３），它的两个主要表面分别与上述燃料电极（１）的另一个主要表面和上述氧化剂电极（２）的另一个主要表面直接接触；仪表（１７）检测上 述两电极（１，２）间的电位差，装置（１８）控制由燃料供应部分（１３）向燃料电池（８）供给的燃料，使上述电位差保持一恒定值。

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池，包含有相向排列的燃料电极和氧化剂电极；位于两电极之间的电解质；控制从燃料供应部份向燃料电池供给燃料的浓度装置，燃料电池的特征在于所说的装置由下列各项组成燃料浓度检测部分(22，221)，包括燃料电极(1)，其一个主要表面直接与在供给上述燃料电池(8)以前的部分燃料相接触；氧化剂电极(2)，其一个主要表面与空气直接接触；电解液(3)，它的两个主要表面分别与上述燃料电极(1)的另一个主要表面和上述氧化剂电极(2)的另一个主要表面直接接触；仪表(17)检测上述两电极(1，2)间的电位差，装置(18)控制由燃料供应部分(13)向燃料电池(8)供给的燃料，使上述电位差保持一恒定值。2.一种根据权项1所述的燃料电池，其特征是所说的燃料是一种液体燃料。3.一种根据权项2所述的燃料电池，其特征是所说的液体燃料是甲醇。4.一种根据权项1所述的燃料电池，其特征是在燃料浓度检测部分(22，221)的燃料电极(1)和氧化剂电极(2)中，至少有一种电极含有一种多孔导电材料，它至少含有周期表第Ⅵ和第Ⅷ族的一种元素;或含有一种导电粉末，该粉末至少含有周期表第Ⅵ和Ⅷ族的一种元素，並含有粘合剂。5.一种根据权项1所述的燃料电池，其特征是所说的电解质(3)是由离子交换膜构成的。6.一种根据权项4所述的燃料电池，其特征是所说的粘合剂是憎水粘合剂。7.一种燃料电池，包含有相向排列在电解质两边的燃...

【专利技术属性】
技术研发人员：熊谷辉夫，堀场达雄，加茂友一，武内士，岩本一男，北见训子，田村弘毅，
申请(专利权)人：株式会社日立制作所，
类型：发明
国别省市：JP[日本]