專利名稱：集電體及使用了它們的燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉集電體及使用了它們的燃料電池，具體來說，涉及從小型的 固體高分子型燃料電池的各單元電池中收集電能的具有伸縮性的集電體、 及使用了該復(fù)合膜或集電體的燃料電池。
背景技術(shù)：
燃料電池是由氫和氧產(chǎn)生電能的裝置，可以獲得高發(fā)電效率。作為燃 料電池的主要特征，可以舉出以下的方面，即，由于是不像以往的發(fā)電方 式那樣經(jīng)過熱能或動能的過程的直接發(fā)電，因此即使是小規(guī)模，也可以期 待高發(fā)電效率，由于氮化合物等的排出少，噪音或振動也很小，因此環(huán)境 性優(yōu)良等。像這樣，由于燃料電池可以有效地利用燃料所具有的化學(xué)能， 具有對環(huán)境友好的特性，因此作為面向21世紀(jì)的能量供給系統(tǒng)而備受期 待，從宇宙應(yīng)用到汽車應(yīng)用、攜帶機(jī)器應(yīng)用，從大規(guī)模發(fā)電到小規(guī)模發(fā)電， 被作為可以用于各種用途的將來很有希望的新型的發(fā)電系統(tǒng)而受到關(guān)注， 面向?qū)嵱没募夹g(shù)幵發(fā)正在開展之中。
其中，固體高分子型燃料電池與其他的種類的燃料電池相比，具備動 作溫度低、具有高輸出密度的特征，特別是近年來，作為固體高分子型燃 料電池的一個(gè)形態(tài)，直接甲醇燃料電池(Direct Methanol Rid Ceil: DMFC) 受到關(guān)注。DMFC將作為燃料的甲醇水溶液不重整地直接向陽極供給，利 用甲醇水溶液和氧的電化學(xué)反應(yīng)獲得電能，利用該電化學(xué)反應(yīng)，從陽極生 成二氧化碳，從陰極生成水，被作為反應(yīng)生成物排出。由于甲醇水溶液與 氫相比，每單位體積的能量更高，另外，更適于貯藏，爆炸等危險(xiǎn)性也更 低，因此被期待用于汽車或攜帶機(jī)器(攜帶電話、筆記本型個(gè)人電腦、PDA、 MP3播放器、數(shù)字照相機(jī)或者電子辭典(書籍))等的電源中。
燃料電池一般來說是將其電動勢與其目的值對應(yīng)地增大了的堆組構(gòu) 造的電池，然而在不需要很大的電動勢，并要求盡可能薄的攜帶機(jī)器用的
DMFC中，采用平面型的構(gòu)成。特開2003 — 197225號公報(bào) [專利文獻(xiàn)2]特開2003 — 282131號公報(bào)
但是，平面型的燃料電池與堆組構(gòu)造相比，難以串聯(lián)連接。針對于此， 專利文獻(xiàn)l中采用了使連接配線貫穿固體高分子膜的方法，然而該情況下， 會有在固體高分子膜的貫穿了連接配線的部分上施加有集中應(yīng)力的問題。
另外，以往的平面型的燃料電池為了盡可能小型化，采用了將多個(gè)膜 電極集合體(Membrane Electrode Assembly: MEA)緊固在配設(shè)為平面狀 的燃料電池的周圍的構(gòu)成。但是該構(gòu)成中，由于不是緊固平面型燃料電池 的中央部分，因此在具有像固體高分子膜那樣因所保持的水分量而膨脹 (或者因干燥而收縮)的電解質(zhì)層的燃料電池中，因固體高分子膜和其周 邊構(gòu)件(集電體等)的伸縮性的差異，就會有所壓接的固體高分子膜與其 周邊構(gòu)件剝離的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是鑒于所述的問題而完成的，本發(fā)明的目的之一在于，提供可 以將平面型燃料電池上的各單元電池用簡單的構(gòu)造連接的復(fù)合膜以及可 以使用該復(fù)合膜輸出任意的電流值及電壓值的燃料電池。
本發(fā)明的另一目的在于，提供可以追隨燃料電池的電解質(zhì)層，特別是 固體高分子型燃料電池的固體高分子膜的膨脹或收縮(伸縮)，不會引起 電解質(zhì)層的剝離的集電體及使用了該集電體的燃料電池。
為了達(dá)成所述目的之一，本發(fā)明提供具有性質(zhì)不同的多個(gè)區(qū)域的復(fù)合 膜，其特征是，具有在復(fù)合膜的第1主面和第2主面之間具有質(zhì)子傳導(dǎo) 性的多個(gè)第1區(qū)域、在復(fù)合膜的第1主面和第2主面之間具有電子傳導(dǎo)性 的多個(gè)第2區(qū)域。這樣，在使用該復(fù)合膜制作平面型燃料電池時(shí)，就可以
將平面型燃料電池上的各單元電池用簡單的構(gòu)造連接。
另外，技術(shù)方案2所述的發(fā)明是在技術(shù)方案1所述的復(fù)合膜中具有如 下特征，即，具有將各第1區(qū)域分離并且具有絕緣性的第3區(qū)域，技術(shù)方
案3所述的發(fā)明是在技術(shù)方案1或2所述的復(fù)合膜中具有如下特征，艮口，
具備具有絕緣性并且多孔的基材，第1區(qū)域在基材中填充有質(zhì)子傳導(dǎo)物質(zhì)，
并且第2區(qū)域在基材中填充有電子傳導(dǎo)物質(zhì)。這樣，就可以容易地制作復(fù)合膜。
此外，技術(shù)方案4所述的發(fā)明是一種燃料電池，其特征是，具備技
術(shù)方案1 3中任意一項(xiàng)所述的復(fù)合膜、設(shè)于第1主面上并被與第1區(qū)域 相面對地配置的多個(gè)第1電極、設(shè)于第2主面上并被與第1區(qū)域相面對地 配置的多個(gè)第2電極、將一方的第1電極和第1主面的第2區(qū)域連接的第 1電子傳導(dǎo)構(gòu)件、將不與一方的第1電極相面對的另一方的第2電極和第 2主面的第2區(qū)域連接的第2電子傳導(dǎo)構(gòu)件。這樣，就可以將平面型燃料 電池上的各單元電池用簡單的構(gòu)造連接，利用各單元電池的排列方式或連 接的方法，就可以輸出任意的電流值及電壓值。
技術(shù)方案5所述的發(fā)明是在技術(shù)方案4所述的燃料電池中具有如下特 征，即，復(fù)合膜的第l區(qū)域及第2區(qū)域以外的區(qū)域具有不透過水以外的流 體的性質(zhì)。這樣，就可以減少交叉泄漏(cross leak),提高燃料電池的電 池效率。
為了達(dá)成所述另一目的，本發(fā)明技術(shù)方案6提供具備電解質(zhì)層、設(shè)于 所述電解質(zhì)層的兩主面上的電極、進(jìn)行所述電極的集電的集電體的燃料電 池的集電體，其特征是，可以與所述電解質(zhì)層的變形對應(yīng)地變形。這樣， 就可以追隨燃料電池的電解質(zhì)層，特別是固體高分子型燃料電池的固體高 分子膜的伸縮(變形)，難以引起與電解質(zhì)層的剝離。
技術(shù)方案7所述的發(fā)明是在技術(shù)方案6所述的集電體中具有如下特 征，即，所述集電體的主面上的第l方向的彈性模量與處于所述集電體的 主面上并與所述第1方向正交的第2方向的彈性模量不同。另外，技術(shù)方 案3所述的發(fā)明是在技術(shù)方案1所述的集電體中具有如下特征，g卩，所述 集電體至少具有第1纖維和第2纖維，所述第1纖維的彈性模量與所述第 2纖維的彈性模量不同。這樣，即使對于隨方向不同而變形量不同的電解質(zhì)層，也可以追隨電解質(zhì)層的變形，難以引起與電解質(zhì)層的剝離。
此外，技術(shù)方案9所述的發(fā)明是具備電解質(zhì)層、設(shè)于所述電解質(zhì)層的 一方的主面上的第1電極、設(shè)于所述電解質(zhì)層的另一方的主面上的第2電 極、進(jìn)行所述第1電極的集電的第1集電體、進(jìn)行所述第2電極的集電的
第2集電體的燃料電池，其特征是，至少所述第1集電體是技術(shù)方案6到 8中任意一項(xiàng)所述的集電體。
本發(fā)明可以將平面型燃料電池上的各單元電池用簡單的構(gòu)造連接，這 樣就可以輸出任意的電流值及電壓值。
本發(fā)明的集電體可以追隨燃料電池的電解質(zhì)層，特別是固體高分子型 燃料電池的固體高分子膜的膨脹或收縮(伸縮)，難以引起與電解質(zhì)層的 剝離。


圖1是表示本發(fā)明的復(fù)合膜的絕緣部的制作工序的示意圖。 圖2是表示本發(fā)明的復(fù)合膜的連接部及發(fā)電部的制作工序的示意圖。 圖3是表示本發(fā)明的燃料電池的構(gòu)成的立體圖。 圖4是表示本發(fā)明的燃料電池的剖面構(gòu)成的剖面圖。 圖5是表示本發(fā)明的DMFC的基本構(gòu)成的分解立體圖。 圖6是表示本發(fā)明的實(shí)施方式2的實(shí)施例1的MEA的構(gòu)成的俯視示 意圖。
圖7是表示本發(fā)明的實(shí)施方式2的實(shí)施例2的MEA的構(gòu)成的立體示 意圖。
圖8是表示本發(fā)明的實(shí)施方式2的實(shí)施例3的MEA的構(gòu)成的俯視示 意圖。
其中，10DMFC， 12、 112、 212、 312 陽極側(cè)電極，14、 114、 214、 314陰極側(cè)電極，16、 116、 216、 316 電解質(zhì)膜，18、 118、 218、 318 陽極側(cè)集電體，20、 120、 220、 320 陰極側(cè)集電體，22、 122、 222、 322MEA， 24配線，26 甲醇燃料貯藏部，28 甲醇燃料供 給口，34筐體，36空氣輸入口，10a復(fù)合膜，12a基材，14a 發(fā) 電部，16a連接部，18a絕緣部，20a絕緣物質(zhì)，22a 質(zhì)子傳導(dǎo)物質(zhì)，24a 電子傳導(dǎo)物質(zhì)，30平面型燃料電池，32 陽極側(cè)電極， 35 陰極側(cè)電極，37單元電池，38 陽極側(cè)集電體，40 陰極側(cè)集 電體
具體實(shí)施例方式
實(shí)施方式1
下面將使用附圖對本發(fā)明的復(fù)合膜10的制作方法進(jìn)行說明。
復(fù)合膜10a的基材12a使用將纖維狀的氟類樹脂加工為厚度50 u m左 右的無紡布的材料(以下稱作「多孔氟薄膜」)，在該基材12a的成為發(fā)電 部14a及連接部16a的部分以外的絕緣部18a上，如圖1所示，填充有絕 緣物質(zhì)20a，本實(shí)施方式中，按照填埋多孔氟薄膜12a的孔的方式填充氟 樹脂20a。預(yù)先在基材12a中按照將發(fā)電部14a和連接部16a分離的方式 填充絕緣物質(zhì)20a，由此可以防止填充于發(fā)電部14a及連接部16a中的質(zhì) 子傳導(dǎo)物質(zhì)22a和電子傳導(dǎo)物質(zhì)24a混合，則特別在發(fā)電部14a中發(fā)生短 路的情況。
然后，如圖2所示，在連接部16a中填充電子傳導(dǎo)物質(zhì)24a，本實(shí)施 方式中，按照填埋多孔氟薄膜12a的孔的方式填充粉末狀的碳黑(Vulcan XC — 72: CABOT公司制)24a。不是像以往那樣使用連接配線，而是在 基材12a上配置形成長方形的連接部16a，這樣就可以增大連接面積(電 子流通路徑的截面積)，從而可以減小各發(fā)電部Ma間的電阻，提高發(fā)電 效率。另外，可以防止從膜的穿過連接配線的部分中，燃料或氧化劑泄漏， 或者在膜中出現(xiàn)龜裂，燃料電池破損的情況。最后，在發(fā)電部14a中填充 質(zhì)子傳導(dǎo)物質(zhì)22a，本實(shí)施方式中，將5wt^Nafion溶液(Dupont公司制) 22a填充于多孔氟薄膜12a的孔中，使溶劑成分蒸發(fā)。
對于使用了利用如上所示的方法制作的復(fù)合膜10a的平面型燃料電池 30的構(gòu)成，使用圖3及4詳細(xì)地進(jìn)行說明。圖3是表示平面型燃料電池 30的構(gòu)成的示意性立體圖，圖4是圖3的A—A，剖面的剖面圖。
圖4的32為陽極側(cè)電極，陽極側(cè)電極32以實(shí)施了疏水處理的炭紙作 為基材，在其一方的面上，涂布混合了 Pt—Ru黑和5wt%Nafion溶液 (Dupont公司制)的催化劑糊而制成。陽極側(cè)電極32由于在圖3中位于
復(fù)合膜10a的下面，因此未圖示，然而使涂布了催化劑糊的面與復(fù)合膜10a 的發(fā)電部14a，即填充了質(zhì)子傳導(dǎo)物質(zhì)22a的部分接觸地配置。35為陰極 側(cè)電極，陰極側(cè)電極35是在實(shí)施了疏水處理的炭紙上填充碳黑(VulcanXC 一72: CABOT公司制)，在其一方的面上，涂布混合了 Pt黑和5wt%Nafion 溶液(Dupont公司制)的催化劑糊而制成。本實(shí)施方式中，雖然僅在陰極 側(cè)電極35中填充了碳黑，但是當(dāng)在陽極側(cè)電極32及陰極側(cè)電極35雙方 的炭紙中填充碳黑時(shí)，對于填充于炭紙中的碳黑的量而言，當(dāng)陰極側(cè)的一 方多于陽極側(cè)時(shí)，則更容易將由陰極側(cè)生成的生成水排出，在不具有向陰 極側(cè)強(qiáng)制性地供給空氣的空氣供給裝置的燃料電池系統(tǒng)中，也可以順利地 進(jìn)行生成水的排出和空氣的供給。陰極側(cè)電極35按照使涂布了催化劑糊 的面與復(fù)合膜10a的發(fā)電部14a，即填充了質(zhì)子傳導(dǎo)物質(zhì)22a的部分接觸 的方式配置在復(fù)合膜10a的上面。
在將陽極側(cè)電極32、復(fù)合膜10a的發(fā)電部14a及陰極側(cè)電極35合在 一起的單元電池37的外側(cè)，設(shè)有集電體38、 40。對于集電體38、 40，為 了可以向單元電池37供給燃料及氧化劑，適于采用使用了電子導(dǎo)電性、 耐氧化性優(yōu)良的材料的薄型并且多孔的構(gòu)件。本實(shí)施方式中，集電體38、 40使用了金網(wǎng)。陽極側(cè)集電體38覆蓋陽極側(cè)電極32，并且將一方的端部 (圖4中為左端)制成比陽極側(cè)電極32更大，形成可以與復(fù)合膜10a的 連接部16a連接的尺寸。另一方面，陰極側(cè)集電體40覆蓋陰極側(cè)電極35， 并且將一方的端部(圖4中為右端)制成比陰極側(cè)電極35更大，形成可 以與復(fù)合膜10a的連接部16a連接的尺寸。
由于設(shè)于單元電池37a上的陰極側(cè)集電體40a和設(shè)于單元電池37b上 的陽極側(cè)集電體38b被借助連接部16a連接，同樣地，設(shè)于單元電池37b 上的陰極側(cè)集電體40b和設(shè)于單元電池37c上的陽極側(cè)集電體38c被借助 連接部16P連接，因此單元電池37a、 37b、 37c及37d被串聯(lián)。
本實(shí)施方式中，雖然對將8個(gè)單元電池37設(shè)為2X4的配置，4個(gè)單 元電池被串聯(lián)的情況迸行了說明，但是對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，應(yīng)當(dāng)可 以很容易地理解，通過改變圖3的單元電池37的個(gè)數(shù)或配置、連接部16a 的配置、集電體38、 40的形狀，可以任意地設(shè)定從使用了一片復(fù)合膜10a 的平面型燃料電池30中輸出的電流值及電壓值。-另外，雖然利用在炭紙等電極基材上涂布催化劑糊的方法制作催化劑層，但是既可以省掉電極基 材而在集電體上形成催化劑層，另外，也可以在采用在復(fù)合膜上形成催化 劑層而用電極基材或集電體夾持的制作工序。在催化劑中，雖然使用了由 Pt—Ru或Pt構(gòu)成的粒子(Pt—Ru黑或Pt黑)，但是也可以使用在碳黑上 擔(dān)載了催化劑的催化劑擔(dān)載碳黑。
實(shí)施方式2
下面將使用附圖5對本發(fā)明的DMFC10的基本構(gòu)成進(jìn)行說明。圖5 是示意性地表示了 DMFC10內(nèi)部的構(gòu)造的分解立體圖，DMFC10具備利 用毛細(xì)管現(xiàn)象被供給甲醇水溶液或純甲醇(以下記作「甲醇燃料」)的陽 極側(cè)電極12、被供給空氣的陰極側(cè)電極14、由該陽極側(cè)電極12和陰極側(cè) 電極14夾持的電解質(zhì)膜16，利用甲醇燃料中的甲醇和空氣中的氧的電化 學(xué)反應(yīng)進(jìn)行發(fā)電。18及20是設(shè)于各MEA22上的集電體，通過利用配線 24將陽極側(cè)集電體18和陰極側(cè)集電體20連結(jié)，就可以將多個(gè)MEA22串 聯(lián)。在陽極側(cè)電極12的底部，設(shè)有貯藏向陽極側(cè)電極12供給的甲醇燃料 的甲醇燃料貯藏部26，充滿甲醇燃料貯藏部26的甲醇燃料被從甲醇燃料 供給口28經(jīng)過集電體18向陽極側(cè)電極12供給。另一方面，在筐體34的 上部設(shè)有空氣輸入口 36，空氣被從該空氣輸入口 36利用自然產(chǎn)生的空氣 的流動向陽極電極14供給。
陽極側(cè)電極12是在具有離子導(dǎo)電性的厚度50 200ixm的電解質(zhì)膜 (本實(shí)施方式中為Dupont公司制Nafion115) 16的一方的面上，涂布混合 了 Pt—Ru黑和5wt%Nafion溶液(Dupont公司審lj)的催化劑糊狀物而制 成的。另一方面，陰極側(cè)電極14是在所述的電解質(zhì)膜16的另一方的面上， 涂布混合了 Pt黑和5wt%Nafion溶液(Dupont公司制)的催化劑糊狀物 而制成的。本實(shí)施方式中，雖然采用了在電解質(zhì)膜16上形成電極12、 14 的方法，但是制作方法也可以使用在炭紙等電極基材上形成催化劑層的方 法，另外，只要是具有從甲醇中生成H+或者從H+和氧生成水的/崔化劑功 能的催化劑，也可以不使用由Pt—Ru或Pt構(gòu)成的粒子(Pt—Ru黑或Pt 黑)，而使用在炭紙上擔(dān)載了催化劑的催化劑擔(dān)載炭紙。
使用圖6對本發(fā)明的實(shí)施例1的集電體118的構(gòu)成進(jìn)行詳細(xì)說明。雖
然圖5采用了在1片電解質(zhì)膜16上形成多個(gè)MEA22的構(gòu)成，而本實(shí)施例 中，為了詳細(xì)地說明集電體118，使用從陽極側(cè)的俯視圖(參照圖6)對1 個(gè)MEA122進(jìn)行說明。雖然是對陽極側(cè)進(jìn)行說明，但是本發(fā)明的集電體并 不是只能用于陽極側(cè)，也可以用于陰極側(cè)。
如圖6所示，電解質(zhì)膜116存在有因所保持的水分量而較大地伸縮的 方向(圖6中的上下方向)和伸縮較小的方向(圖6中的左右方向)。從 在此種電解質(zhì)膜116上形成有電極112 (在背面存在有未圖示的電極114) 的MEA122集電的集電體118，為了能夠在電解質(zhì)膜116的伸縮大的方向 (上下方向)上較大地伸縮，在伸縮小的方向(左右方向)上不怎么伸縮， 而使用以金的纖維成網(wǎng)眼狀地形成了彈簧常數(shù)不同的2種彈簧的構(gòu)成。具 體來說，圖6中，形成將彈簧常數(shù)小的螺旋彈簧(縱絲)和彈簧常數(shù)大的 螺旋彈簧(橫絲)制成了織布狀的集電體。雖然在本實(shí)施例中，通過使用 相同的金纖維，而改變彈簧的巻繞直徑來改變彈簧常數(shù)，但是也可以通過 使用不同粗細(xì)的金纖維，而將巻繞直徑設(shè)為相同來改變彈簧常數(shù)。在圖6 中的上下方向上，由于彈簧常數(shù)小，因此較大地伸縮，在左右方向上，由 于彈簧常數(shù)大，因此與上下方向相比，伸縮變小。
使用圖7對本發(fā)明的實(shí)施例2的集電體218的構(gòu)成進(jìn)行詳細(xì)說明。實(shí) 施例2的構(gòu)成大致上與實(shí)施例1相同，而與實(shí)施例1不同的方面在于，如 圖7所示，將實(shí)施例1中彈簧常數(shù)小的縱絲設(shè)為蜿蜒的金的纖維，將彈簧 系數(shù)大的橫絲設(shè)為通常的直線狀的金纖維。本實(shí)施例中，雖然使用蜿蜓的 金纖維和直線狀的金纖維形成織布狀的集電體，但是橫絲也可以使用蜿蜒 的金纖維，另外，也可以使通常的平面型織布狀的集電體蜿蜓，形成與圖 3相同的集電體。
使用圖8對本發(fā)明的實(shí)施例3的集電體318的構(gòu)成進(jìn)行詳細(xì)說明。實(shí) 施例3的構(gòu)成為，形成縱絲和橫絲傾斜相交(e <90° )的織布狀的集電體， 由于縱絲和橫絲傾斜相交，因此在圖8中的上下方向較大地伸縮，在左右 方向上，與上下方向相比伸縮變小。
工業(yè)上的利用可能性
本發(fā)明并不限于不需要很大的電動勢并被要求盡可能薄的攜帶機(jī)器 用的平面型DMFC，也可以用于家庭用或者汽車用的燃料電池中。
權(quán)利要求
1.一種集電體，是具備電解質(zhì)層、設(shè)于所述電解質(zhì)層的兩主面上的電極、進(jìn)行所述電極的集電的集電體的燃料電池的集電體，其中該集電體可以與所述電解質(zhì)層的變形對應(yīng)地變形，所述集電體的主面上的第1方向的彈性模量與處于所述集電體的主面上并與所述第1方向正交的第2方向的彈性模量不同。
2. —種集電體，是具備電解質(zhì)層、設(shè)于所述電解質(zhì)層的兩主面上的 電極、進(jìn)行所述電極的集電的集電體的燃料電池的集電體，其中該集電體 可以與所述電解質(zhì)層的變形對應(yīng)地變形，所述集電體至少具有第1纖維和第2纖維，所述第1纖維的彈性模量 與所述第2纖維的彈性模量不同。
3. —種燃料電池，是具備電解質(zhì)層、設(shè)于所述電解質(zhì)層的一方的主 面上的第l電極、設(shè)于所述電解質(zhì)層的另一方的主面上的第2電極、進(jìn)行 所述第1電極的集電的第1集電體、進(jìn)行所述第2電極的集電的第2集電 體的燃料電池，其特征是，至少所述第1集電體是權(quán)利要求1或2所述的 集電體。
全文摘要
本發(fā)明提供一種集電體，是具備電解質(zhì)層、設(shè)于所述電解質(zhì)層的兩主面上的電極、進(jìn)行所述電極的集電的集電體的燃料電池的集電體，其中該集電體可以與所述電解質(zhì)層的變形對應(yīng)地變形，所述集電體的主面上的第1方向的彈性模量與處于所述集電體的主面上并與所述第1方向正交的第2方向的彈性模量不同。
文檔編號H01M8/02GK101197449SQ20071030071
公開日2008年6月11日 申請日期2006年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2005年2月28日
發(fā)明者株本浩揮 申請人:三洋電機(jī)株式會社