燃料电池单元、燃料电池堆叠体以及电子设备制造技术

本发明专利技术提供了燃料电池单元、燃料电池堆叠体以及电子设备，以实现在堆叠多个燃料电池的情况下厚度增加的抑制。在燃料电池单元（１１０）中，氧电极（２０Ａ）和（２０Ｂ）设置在燃料电极（１０）的两面侧。燃料电极（１０）在集电体（１１）的两侧上具有扩散层（１２）和催化剂层（１３），并且氧电极（２０Ａ）和（２０Ｂ）中的每一个在与集电体（２１）的燃料电极（１０）相反的面上具有扩散层（２２）和催化剂层（２３）。在燃料电极（１０）与氧电极（２０Ａ）和（２０Ｂ）中的每一个之间设置用于使含有燃料和电解质的流体流动的燃料／电解质流路（３０）。燃料和电解质供应至一个燃料电极（１０）的两个面，使得在燃料电极（１０）与氧电极（２０Ａ）和（２０Ｂ）中的每一个之间发生反应并获得电力。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及诸如将甲醇直接供应至燃料电极以引起反应的直接甲醇燃料电池 (DMFC)的燃料电池单元、燃料电池堆叠体以及具有它们的电子设备。
技术介绍
电池的特性指标包括能量密度和功率密度。能量密度表示每单位质量电池的能量 积累量，而功率密度表示每单位质量电池的输出量。锂离子二次电池具有两个特性比较高 的能量密度和极高的功率密度。由于锂离子二次电池的完备度高，因此该电池被广泛用作 移动设备的电源。但是，近几年，随着移动设备的性能变得更高，移动设备的功率消耗倾向 于增加，这需要锂离子二次电池进一步提高其能量密度和功率密度。用于提高的解决方案包括正极和负极的电极材料的变化、电极材料的涂覆方法的 改善以及电极材料的封装方法的改善，并且正在进行改善锂离子二次电池能量密度的研 究。但是，实际使用的门槛仍然很高。此外，只要目前用于锂离子二次电池的材料没有改变， 就很难预期能量密度的较大提高。因此，开发一种取代锂离子二次电池的、具有更高的能量密度的电池是急迫的，并 且燃料电池期待作为候选之一。燃料电池具有这样的构造，即电解质置于负极(燃料电极)与正极(氧电极)之 间。燃料供应至燃料电极，并且空气或者氧供应至氧电极。结果，发生了氧化-还原反应，其 中在燃料和氧电极中燃料被氧气氧化，并且燃料的一部分化学能被转化为电能并被提取。已经提出了各种类型的燃料电池，或它们已经作为原型而形成，并且其中一部分 已经被实际使用。根据所使用的电解质，这些燃料电池被分为碱性燃料电池(AFC)、磷酸燃 料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体电解质燃料电池(S0FC)和聚合物电解质 燃料电池(PEFC)。与其他类型相比，PEFC可以在较低的温度下(例如，在约30°C 130°C 的温度下)工作。作为燃料电池的燃料，可以使用各种可燃物质，例如氢和甲醇。但是，诸如氢的 气体燃料不适合小型化，这是由于需要用于储存的瓶等。另一方面，从容易存储的观点考 虑，诸如甲醇的液体燃料是有利的。特别是，DMFC并不需要用于从燃料取出氢的重整器 (reformer)，具有简单的构造，并且具有容易小型化的优势。在DMFC中，作为燃料的甲醇通常以低浓度或高浓度的溶液或者以纯甲醇气体的 形式供应至燃料电极，然后通过燃料电极的催化剂层氧化成二氧化碳。同时产生的质子通 过隔开燃料电极和氧电极的电解质膜移动至氧电极，并且与氧电极中的氧反应以生成水。 发生在燃料电极、氧电极和整个DMFC中的反应由化学式(1)表示。(化学式1)燃料电极CH30H+H20— C02+6e>6H+ 氧电极(3/2) 02+6e>6H+ — 3H20整个 DMFC :CH30H+ (3/2) 02 — C02+2H20作为DMFC燃料的甲醇的能量密度理论上是4. 8kff/L,并且等于或高于通常的锂离 子二次电池的能量密度的十倍。也就是说，使用甲醇作为燃料的燃料电池的能量密度超过 锂离子二次电池的能量密度是很可能的。因此，在各种燃料电池中，使用DMFC作为移动设 备、电动车等的能源的可能性是最高的。但是，DMFC具有这样的问题，尽管理论电压为1.23V，但是当实际发电时，输出电 压会降低至约0.6V以下。输出电压降低的原因是由于DFMC的内阻引起的电压降。DMFC 具有伴随两电极间发生的反应的电阻、伴随物质移动的电阻、当质子移动通过电解质膜时 产生的电阻、以及诸如接触电阻的内阻。由于实际作为来自甲醇氧化的电能而提取的能量 通过发电时的输出电压和电路中流动的电量的乘积来表示，因此当发电时的输出电压下降 时，实际提取的能量会降低一定量。当所有量的甲醇在燃料电极中按照化学反应式(1)被 氧化时，可通过甲醇氧化而提取至电路中的电量与DMFC中甲醇的量成比例。此外，DMFC还具有甲醇渗透的问题。甲醇渗透是通过以下两种机制，甲醇从燃料 电极侧穿过电解质膜并到达氧电极侧的现象，这两种机制是由于在燃料电极侧与氧电极 侧之间的甲醇的浓度差异而使甲醇扩散并移动的现象；以及电渗透现象，即，由于相关于质 子的移动而引起的水的移动，水合甲醇被搬运。当发生甲醇渗透时，透过的甲醇被氧电极中的催化剂层氧化。在氧电极侧的甲醇 氧化反应与燃料电极侧的氧化反应相同，并且可能会引起DMFC输出电压的下降。由于甲醇 不用于燃料电极侧的发电，而是在氧电极侧被消耗，所以提取至电路中的电量会降低一定 量。而且，由于氧电极中的催化剂层不是钼(Pt)_钌(Ru)合金催化剂而是钼(Pt)催化剂， 因此一氧化碳(Co)很容易吸附在催化剂的表面上，并且还存在发生催化剂中毒的不便。如上所述，DFMC具有两个问题，即由于内阻和甲醇渗透引起的电压下降和由于甲 醇渗透引起的燃料的浪费。该问题使得DMFC的发电效率降低。因此，为了增加DMFC的发 电效率，正在积极地进行改善DMFC材料的特性的研究和开发以及优化DMFC的工作条件的 研究和开发。改善构成DMFC的材料的特性的研究包括关于电解质膜和燃料电极侧上的催化 剂的研究。目前，作为电解质膜，通常使用聚全氟烷基磺酸类树脂膜(由DuPont生产的 “Nafion”(注册商标))。作为具有更高的质子传导性和更高的防止甲醇渗透的性能的电 解质膜，试验了氟类聚合物膜、烃聚合物电解质膜、水凝胶电解质膜等。关于燃料电极侧上 的催化剂，正在研究和开发比目前通常使用的钼(Pt)_钌(Ru)合金催化剂更高活性的催化 剂。燃料电池的材料的特性的改善作为改善燃料电池的发电效率的手段是适当的。然 而，在目前的情况下，还没有发现解决上述两个问题的最佳电解质膜以及最佳催化剂。另一方面，专利文献1公开了一种使用液体电解质(电解液)代替电解质膜的方 法。在一些情况下，电解液在氧电极与燃料电极之间保持静止。还存在这样的情况，即，电解 液在设置在氧电极与燃料电极之间的流路中流动，流到外面，之后，返回到流路中，并循环。专利文献1 日本未审查专利申请公开第Sho 59-191265号
技术实现思路
此外，在燃料电池中，从单个燃料电池中提取的电量是相当低的。为了提取实际电流，必须将多个燃料电池堆叠并串联连接。连接燃料电池的一般方法是通过配线将氧电极的一端连接至相邻电池中的燃料 电极的所谓的单极方法。但是，根据单极方法，由于其结构是多个燃料电池的简单堆叠，所 以整个燃料电池堆叠体的厚度仅随着堆叠的燃料电池的数目的增加而增加，因此，存在这 样的问题，即整个燃料电池的厚度不可避免地增加并且尺寸变得更大。另外，还存在使用双极板将相邻电池的燃料电极和氧电极的整个表面连接起来， 而将它们一体化的方法。但是，在使用这样的双极板的情况下，整个堆叠体的厚度取决于双 极板的厚度。通常，用于燃料电极和氧电极的流路等必须在双极板中形成，这难以较大地减 小双极板的厚度。鉴于上述，本专利技术的目的是提供一种燃料电池单元、燃料电池堆叠体以及电子设 备，以实现在堆积多个燃料电池的情况下厚度增加的抑制。根据本专利技术的燃料电池单元包括燃料电极，具有相对的两个面；第一和第二氧 电极，设置为分别面向燃料电极的两个面；以及电解质层，设置在燃料电极与第一和第二氧 电极中的每一个之间。根据本专利技术的燃料电池堆叠体通过堆叠多个本专利技术的燃料电池单元来获得。根据 本专利技术的电子设备通本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：槙田健吾，上坂进一，
申请(专利权)人：索尼公司，
类型：发明
国别省市：JP