[发明专利]燃料电池和燃料电池层

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池和燃料电池层。

背景技术

对于支持信息社会的便携式电子设备等的电源，考虑到高发电效率和高能量密度，近年来越来越多地寄希望于燃料电池作为单元发电装置。燃料电池基于包括在阳极电极处的还原剂(例如，甲烷气体、氢、甲醇、乙醇、联氨、甲醛水溶液、甲酸等)氧化以及在阴极电极处的氧化剂(例如，空气中的氧、过氧化氢等)还原的电化学反应，通过反应产生电能。

具体地，将甲醇用作还原剂的直接甲醇燃料电池(DMFC)不需要重整器，并且使用体积能量密度比气体燃料更高的液体燃料。这提供的优点是，与使用典型为氢的高压气瓶的情况相比，燃料容器的尺寸有所减小。因此，DMFC可以适用于替换用于小型设备的电源，具体地，便携式设备的二次电池。

此外，由于燃料是液体，所以DMFC允许将窄且弯曲的空间用作燃料存储空间，这种窄且弯曲的空间在常规燃料电池系统中是死空间，提供的优点是设计不容易受到约束。这种优点便于将DMFC优选地应用到便携式小型电子设备等。

通常，在DMFC中，在阳极电极和阴极电极发生下述的反应。在阳极电极侧，甲醇和水反应生成二氧化碳气体、质子和电子。在阴极电极侧，空气中的氧、质子和电子反应生成水。

阳极电极：CH₃OH+H₂O→CO₂+6H⁺+6e^-

阴极电极：O₂+4H⁺+4e^-→2H₂O

然而，DMFC通常具有较低的单位体积输出。考虑到减小燃料电池的尺寸和重量，希望提高单位体积输出。

通常，常规的燃料电池，如，聚合电解质燃料电池、固态氧化物燃料电池、直接甲醇燃料电池(DMFC)以及碱性燃料电池，其结构是堆叠层，依次包括具有燃料流动通道以供给还原剂的阳极隔板；阳极集电体和阳极气体扩散层，用于从阳极催化剂层收集电子；阳极催化剂层，用于促进还原反应；电解质膜，用于保持电绝缘，以及优先传输离子；阴极催化剂层，用于促进氧化反应；阴极集电体，用于向阴极气体扩散层和阴极催化剂层提供电子；以及阴极隔板，具有空气流动通道以供给氧化剂。

通常，阳极隔板和阴极隔板分别用于独立地向阳极催化剂层和阴极催化剂层供给还原剂和氧化剂，并且还使用导电材料分别起到阳极集电体和阴极集电体的作用。基于每单元燃料电池的电压较低的情况，典型地将燃料电池配置为能够输出高电压的燃料电池堆，所述燃料电池堆具有堆叠的单元燃料电池，使得每单元燃料电池的阳极电极和阴极电极交替地接触。

在这种分层燃料电池堆中，必须保持各层的紧密电接触。如果层与层之间的接触电阻增大，则燃料电池的内部电阻将变得更高，从而降低总发电效率。此外，燃料电池堆通常在每个燃料电池中具有密封部件，以防止还原剂和氧化剂泄漏。为了确保充分密封和导电，通常必须以强力来紧缩(constrict)每一层。这导致需要诸如压板、螺栓、螺母等紧固部件来紧缩每一层，从而引起燃料电池堆的尺寸和重量增大以及输出密度减小的问题。

例如，日本专利特许公开2006-216449(专利文献1)公开了一种燃料电池，包括：堆叠在固态电解质膜两侧的阳极催化剂层和阴极催化剂层以及阳极扩散层和阴极扩散层，以及在催化剂层和扩散层周围形成的阳极疏水绝缘层和阴极疏水绝缘层，其中，阳极疏水绝缘层和阴极疏水绝缘层的厚度分别小于或等于阳极催化剂层和阳极扩散层的总厚度以及阴极催化剂层和阴极扩散层的总厚度。

此外，一般的燃料电池具有中间夹着膜电极组件的密封部件，所述膜电极组件由阳极、固态电解质膜和阴极构成，堆叠的本体还受到紧固部件的压力，以改善分层部件之间的粘合性(例如，参见日本专利特许公开2006-269126(专利文献2))。

此外，作为涉及减小尺寸和重量的燃料电池，提出了一种配置，这种配置并不使用紧固部件，并且也不以诸如疏水绝缘层之类的密封部件来夹着固态电解质膜，而是膜电极组件以及燃料供给部分和阴极侧隔板在燃料电池的侧面构成相同的横截面，该横截面被密封部件密封，以防止从每个接触面的燃料泄漏和氧化剂泄漏。

现有技术文献

专利文献1：日本专利特许公开2006-216449

专利文献2：日本专利特许公开2006-269126

发明内容

本发明要解决的问题