專利名稱：燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用從液體燃料分離出來的氫離子發(fā)電的燃料電池，其中 氫離子是利用催化劑在燃料電極中進(jìn)行分離的；更具體地，涉及一種不使用主 動(dòng)傳遞裝置(例如泵)將液體燃料供應(yīng)至燃料電極的燃料電池。發(fā)明背景近年來，各地研究人員進(jìn)行了各種嘗試，用燃料電池作為個(gè)人筆記本 電腦、蜂窩電話等各種可攜帶電子設(shè)備的電源，目的是使這些可攜帶設(shè)備 能夠在不充電的情況下使用較長時(shí)間。燃料電池的特征在于可僅使用燃料 和空氣而發(fā)電，且只要補(bǔ)充燃料就能夠長時(shí)間連續(xù)地發(fā)電。因此，如果燃 料電池的小型化得以實(shí)現(xiàn)，燃料電池就是非常適合作為可攜帶器件電源的 系統(tǒng)。特別是在直接甲醇型燃料電池(DMFC， direct methanol fuel cell)中，釆用高能量密度的甲醇作為燃料，使用催化劑層和固體電解質(zhì)膜直接從甲醇 產(chǎn)生電流，因此，直接甲醇型燃料電池不必改變器件，就能夠?qū)崿F(xiàn)小型化， 并且該燃料比氫氣更容易處理。因此，直接甲醇型燃料電池有望作為小型 可攜帶電器用能源。作為DMFC的燃料供給系統(tǒng)，已知的包括氣體供給型DMFC，其中 通過吹風(fēng)機(jī)等裝置將氣化的液體燃料送入燃料電池內(nèi)；液體供給型DMFC， 其中用泵等裝置將液體燃料直接送入燃料電池內(nèi)；內(nèi)部氣化型DMFC，其 中首先使供應(yīng)給燃料電池的液體燃料在燃料電池內(nèi)部氣化，然后提供給燃 料電極。例如，如上所述，日本專利申請(qǐng)公開第2000-106201號(hào)中提供了一種內(nèi)部 氣化型DMFC，該內(nèi)部氣化型DMFC包括保持液體燃料的燃料滲透層；用 于擴(kuò)散燃料滲透層中保持的液體燃料中含有的可氣化組分的燃料氣化層， 其中氣化的液體燃料從燃料氣化層供應(yīng)到燃料電極。在該專利文獻(xiàn)中，使用甲醇和水以1:1的摩爾比混合得到的甲醇水溶液作為液體燃料，甲醇和水都以氣態(tài)的形式供給燃料電極。這種使用甲醇水溶液作為燃料的燃料電池 的缺點(diǎn)是，由于甲醇和水在氣化速率方面的差異，這種電池難以獲得足夠 的輸出性質(zhì)。因此，為了提高燃料電池的輸出性質(zhì)和進(jìn)一步減小燃料電池 的尺寸，目前已經(jīng)開發(fā)了使用純甲醇作為燃料的燃料電池。另外，已經(jīng)開發(fā)了不使用主動(dòng)傳遞裝置(例如燃料泵)將液體燃料供應(yīng)至 燃料電極的被動(dòng)燃料電池作為小型化燃料電池，主要用于可移動(dòng)裝置中。 當(dāng)燃料電池用于可移動(dòng)設(shè)備中時(shí)，難以使用強(qiáng)制空氣冷卻裝置(例如風(fēng)扇)， 因此由于氫和氧結(jié)合產(chǎn)生的熱量必須通過自然空氣冷卻排放到燃料電池的 外部。如果熱量的排放不充分，燃料電池的溫度變得非常高，則發(fā)電效率降低，這是因?yàn)樗^的滲透(crossover)增加，其中甲醇之類的液體燃料從燃 料電極移動(dòng)到空氣電極，此外，可移動(dòng)裝置的性能受到不利影響，可移動(dòng) 裝置的可攜帶性受到破壞。發(fā)明概述針對(duì)上述在不使用主動(dòng)傳遞裝置(例如泵)將液體燃料供應(yīng)至燃料電極 的燃料電池中涉及的問題，本發(fā)明已經(jīng)作了新的設(shè)計(jì)。本發(fā)明的目的是， 在燃料電池中，通過提高散熱能力抑制燃料電池的溫度升高，從而提高燃 料電池的輸出性能，延長燃料電池的使用壽命。依據(jù)本發(fā)明的燃料電池包括具有離子傳導(dǎo)性的固體電解質(zhì)膜；設(shè)置在固體電解質(zhì)膜一側(cè)的燃料電極，該電極具有向其供應(yīng)液體燃料的燃料組分的陽極催化劑層；設(shè)置在固體電解質(zhì)膜另一側(cè)的空氣電極，該電極包括陰極催化劑層； 燃料電極側(cè)外殼，其設(shè)置成覆蓋燃料電極的背面，在燃料電極側(cè)外殼和燃料電極的背面之間形成儲(chǔ)存液體燃料的燃料槽；
空氣電極側(cè)外殼，其設(shè)置成覆蓋空氣電極的背面，在空氣電極側(cè)外殼 和空氣電極的背面之間形成儲(chǔ)存空氣的空氣室，其中，在空氣電極側(cè)外殼中設(shè)置多個(gè)用于向空氣室引入空氣的進(jìn)口， 在空氣電極側(cè)外殼的外表面上形成促進(jìn)散熱的散熱片。 依據(jù)本發(fā)明的燃料電池，由于氫氣和氧氣的結(jié)合在空氣電極處產(chǎn)生的 熱量從空氣電極通過空氣室中的空氣或填充材料傳遞到空氣電極側(cè)外殼， 然后從散熱片的表面輻射到周圍的空氣中。通過如上所述在空氣電極側(cè)外 殼的外表面上提供散熱片，可以增加空氣電極側(cè)外殼與周圍空氣接觸的表 面積，增加從燃料電極排放的熱量，抑制燃料電池的溫度上升。 例如，上述散熱片由相互平行排列的肋狀(條紋狀)突起組成。 在此情況中，希望多個(gè)進(jìn)口在位于兩個(gè)相鄰的突起之間的各部分上形 成。通過如上所述在兩個(gè)散熱片之間的低洼處(dips)提供進(jìn)口，可以在空氣 電極側(cè)的外殼中設(shè)置多個(gè)散熱片和排出口。結(jié)果，從空氣室排出的空氣在 空氣溫度充分降低后可以排放到燃料電池的外部?；蛘?，可以形成多個(gè)進(jìn) 口，穿透各突起。希望進(jìn)口的內(nèi)壁表面以一定的方式傾斜或分階，使得進(jìn)口的截面積在 沿著朝向空氣電極側(cè)外殼的外部的方向上變化。結(jié)果，可以進(jìn)一步增加空 氣電極側(cè)外殼與周圍空氣接觸的表面積?？梢酝ㄟ^多個(gè)兩維設(shè)置的銷釘狀的突起構(gòu)成散熱片，作為散熱片形式 的變化實(shí)例。在此情況中，各進(jìn)口在由兩個(gè)或四個(gè)突起圍成的低洼處形成。 或者，各進(jìn)口可以這樣的方式形成在各散熱片的中心貫穿各散熱片。此外，通過用高熱導(dǎo)率的膜將燃料電極側(cè)外殼的外表面部分與空氣電 極側(cè)外殼的外表面部分相互連接，可以使從燃料電池主體排放的熱量傳遞 到空氣電極側(cè)，從而收集熱量。結(jié)果，可以抑制陽極側(cè)的反常溫度上升， 減少滲透，可以改善燃料電池的輸出。依據(jù)本發(fā)明的燃料電池，提高了從空氣室排放熱量的能力，從而抑制 了燃料電池的溫度上升，因而實(shí)現(xiàn)了燃料電池輸出性能的改善和燃料電池 使用壽命的延長。而且，依據(jù)本發(fā)明的燃料電池，抑制了燃料電池外殼和
排出空氣的溫度上升，因此，可以將該燃料電池用于可移動(dòng)裝置。


圖1是表示依據(jù)本發(fā)明的燃料電池的示意性結(jié)構(gòu)的一個(gè)例子的截面圖。 圖2是表示依據(jù)本發(fā)明的燃料電池的示意性結(jié)構(gòu)的另一個(gè)例子的截面圖。圖3A是表示依據(jù)本發(fā)明的燃料電池中散熱片和進(jìn)口的形狀和排列的一個(gè) 例子的截面圖。圖3B是圖3A所示的燃料電池的俯視圖。圖4A是表示依據(jù)本發(fā)明的燃料電池中散熱片和進(jìn)口的形狀和排列的另一 個(gè)例子的截面圖。圖4B是圖4A所示的燃料電池的俯視圖。圖5A是表示依據(jù)本發(fā)明的燃料電池中散熱片和進(jìn)口的形狀和排列的另一 個(gè)例子的局部截面圖。圖5B是圖5A所示的燃料電池的局部俯視圖。圖6A是表示依據(jù)本發(fā)明的燃料電池中散熱片和進(jìn)口的形狀和排列的另一 個(gè)例子的局部截面圖。圖6B是圖6A所示的燃料電池的局部俯視圖。圖7是表示依據(jù)本發(fā)明的燃料電池的散熱片形式的另一個(gè)例子的斜視圖。 圖8A是表示依據(jù)本發(fā)明的燃料電池中散熱片和進(jìn)口的形狀和排列的另一 個(gè)例子的截面圖。圖8B是圖8A所示的燃料電池的俯視圖。圖9A是表示依據(jù)本發(fā)明的燃料電池中散熱片和進(jìn)口的形狀和排列的另一 個(gè)例子的截面圖。圖9B是圖9A所示的燃料電池的俯視圖。圖10A是表示依據(jù)本發(fā)明的燃料電池中散熱片和進(jìn)口的形狀和排列的另 一個(gè)例子的截面圖。圖IOB是圖IOA所示的燃料電池的俯視圖。本發(fā)明的最佳實(shí)施方式 圖1表示依據(jù)本發(fā)明的燃料電池的示意性結(jié)構(gòu)的一個(gè)例子(截面圖)。在 圖1中，標(biāo)號(hào)l表示固體電解質(zhì)膜，標(biāo)號(hào)2表示燃料電極，標(biāo)號(hào)3表示空 氣電極，標(biāo)號(hào)12表示燃料槽，標(biāo)號(hào)13表示空氣室，標(biāo)號(hào)16表示燃料槽一 側(cè)的外殼，標(biāo)號(hào)17表示空氣室一側(cè)的外殼，標(biāo)號(hào)21表示進(jìn)口，標(biāo)號(hào)22表 示散熱片。作為起電部分的膜電極組件(MEA)由以下部件構(gòu)成固體電解質(zhì)膜1 和設(shè)置在該固體電解質(zhì)膜1兩側(cè)的燃料電極2(陽極)和空氣電極3(陰極)。 燃料電極2和空氣電極3由涂布了鉑/釕合金催化劑的碳紙制成，通過熱壓 與固體電解質(zhì)膜l粘合在一起，這樣涂布了催化劑的電極表面與電解質(zhì)膜1 接觸。在上述情況中，固體電解質(zhì)膜l、燃料電極2和空氣電極3相互整合 在一起，構(gòu)成電極-膜結(jié)構(gòu)。多孔膜8附著在燃料電極2的背面(相對(duì)于固體電解質(zhì)膜1的表面)。燃料 槽12在燃料電極2 —側(cè)的外殼16與多孔膜8之間形成。在燃料電極2 —側(cè)的 外殼16的側(cè)壁上設(shè)置用于向燃料槽12內(nèi)提供液體燃料(甲醇)的燃料注入孔18。 燃料槽12內(nèi)裝滿液體保持片14，液體燃料以燃料被吸收到液體保持片14中的 狀態(tài)儲(chǔ)存在燃料槽12中。液體燃料通過多孔膜8，分散，然后到達(dá)燃料電極2 的表面。在空氣電極3的背面上形成空氣室13(相對(duì)于固體電解質(zhì)膜1的表面)。為 了使空氣電極3 —直保持潤濕的狀態(tài)，空氣室B內(nèi)充滿保濕片15?？諝怆姌O 3—側(cè)的外殼17上具有多個(gè)進(jìn)口 21，這樣可以將空氣引入空氣室中。除了這 些，在依據(jù)本發(fā)明的燃料電池中，為了抑制空氣電極3和空氣室13內(nèi)的溫度 上升，在空氣電極一側(cè)的外殼17的外表面上形成多個(gè)板狀散熱片22。在具有上述結(jié)構(gòu)的燃料電池中，由于氫氣和氧氣在空氣電極3處結(jié)合而產(chǎn) 生的熱量從空氣電極3通過空氣室13中的空氣、水分和保濕片15傳遞到空氣 電極一側(cè)的外殼17。同時(shí)，熱量也從燃料電極2—側(cè)的外殼16傳遞到空氣電 極一側(cè)的外殼17。傳遞到空氣電極一側(cè)的外殼17的熱量隨后從散熱片22的表 面散發(fā)到周圍空氣中。通過提供上述散熱片，可以增加空氣電極一側(cè)的外殼17 與周圍空氣接觸的表面積，增加從燃料電池排放的熱量。圖2顯示了依據(jù)本發(fā)明的燃料電池的示意性構(gòu)造的另一個(gè)例子(截面圖)。如圖2所示，膜電極組件(MEA)31具有空氣電極(陰極)、燃料電極(陽極)
和電解質(zhì)膜36，所述空氣電極由陰極催化劑層32和陰極氣體擴(kuò)散層34構(gòu)成， 所述燃料電極由陽極催化劑層33和陽極氣體擴(kuò)散層35構(gòu)成，所述電解質(zhì)膜具 有質(zhì)子傳導(dǎo)性，位于陰極催化劑層32和陽極催化劑層33之間。陰極催化劑層32和陽極催化劑層33中含有的催化劑的例子是鉑族元 素的單質(zhì)金屬(Pt、 Ru、 Rh、 Ir、 Os、 Pd等)和含鉑族元素的合金。宜使用 對(duì)甲醇和一氧化碳具有強(qiáng)耐受性的Pt-Ru作為陽極催化劑，Pt用作陰極催化劑。但是，本發(fā)明不限于此。另外，可使用利用了碳材料之類的導(dǎo)電載 體的負(fù)載型催化劑或非負(fù)載型催化劑。構(gòu)成質(zhì)子傳導(dǎo)性電解質(zhì)膜6的質(zhì)子傳導(dǎo)性材料的例子是具有磺酸基 的含氟樹脂(例如，全氟磺酸聚合物)；具有磺酸基的烴類樹脂(例如，具有 磺酸基的聚醚酮；磺化的聚醚醚酮)；無機(jī)物質(zhì)，諸如鉤酸和磷鉤酸。但是， 本發(fā)明不限于此。在陰極氣體擴(kuò)散層34上設(shè)置陰極催化劑層32，在陽極氣體催化劑層 35上設(shè)置陽極催化劑層33。陰極氣體擴(kuò)散層34起到均勻地向陰極催化劑 層32供給氧化劑的作用，也兼作為陰極催化劑層32的集電器。另一方面， 陽極氣體擴(kuò)散層35起到將燃料均勻地供至陽極催化劑層33的作用，同樣 也兼作為陽極催化劑層33的集電器。陰極導(dǎo)電層37a和陽極導(dǎo)電層37b分 別與陰極氣體擴(kuò)散層34和陽極氣體擴(kuò)散層35接觸?？墒褂媒鹬惖慕饘?材料形成的多孔層(例如，柵網(wǎng)層)作為陰極導(dǎo)電層37a和陽極導(dǎo)電層37b。矩形框形狀的陰極密封元件38a位于陰極導(dǎo)電層37a和質(zhì)子傳導(dǎo)性電 解質(zhì)膜36之間，并且圍繞著陰極催化劑層32和陰極氣體擴(kuò)散層34。另一 方面，矩形框形狀的陽極密封元件38b位于陽極導(dǎo)電層37b和質(zhì)子傳導(dǎo)性 電解質(zhì)膜36之間，并且圍繞著陽極催化劑層33和陽極氣體擴(kuò)散層35。陰 極密封元件38a和陽極密封元件38b是用于防止燃料和氧化劑從膜電極組 件31中泄漏的0型密封圈。在膜電極組件31的下方設(shè)置有燃料電極一側(cè)的外殼16，在陽極導(dǎo)電 層37b和外殼16之間設(shè)置燃料槽39。在燃料槽39內(nèi)裝有液體甲醇或甲醇 水溶液。在燃料槽39的開口端設(shè)置氣液分離膜40，只有液體燃料的氣化成 分能夠通過該膜，而液體燃料無法通過，從而覆蓋燃料槽39的開口。在此
情況中，當(dāng)使用液體甲醇作為液體燃料時(shí)，液體燃料的氣化成分是指氣化 的甲醇，而當(dāng)使用甲醇水溶液作為液體燃料時(shí)，液體燃料的氣化成分是指 甲醇的氣化成分和水的氣化成分的混合氣體。在氣液分離膜40和陽極導(dǎo)電層37b之間設(shè)置樹脂制框架41。被框架 41包圍的空間用作暫時(shí)儲(chǔ)存通過氣液分離膜40擴(kuò)散的氣化燃料的氣化燃 料容納室42(所謂的蒸氣滯留池)。由于氣化燃料容納室42和氣液分離膜40 對(duì)甲醇的滲透量具有抑制作用，可避免大量的氣化燃料一下子被供應(yīng)至陽 極催化劑層33，能夠有效地抑制甲醇滲透的發(fā)生。順便提及，框架11為矩 形框架，可由PET之類的熱塑性聚酯樹脂形成。另一方面，在位于膜電極組件31上部的陰極導(dǎo)電層37a的上側(cè)，形成 空氣室43。為了使空氣電極(32、 34)—直保持在潤濕狀態(tài)，空氣室43內(nèi)裝 滿保濕片45?？諝怆姌O一側(cè)的外殼17具有多個(gè)進(jìn)口21，從而將空氣引入 到空氣室中。除此之外，為了抑制空氣電極(32、 34)和空氣室43內(nèi)部的溫 度升高，在空氣電極一側(cè)的外殼17的外表面上形成多個(gè)板狀散熱片22?？諝怆姌O一側(cè)的外殼n還起到對(duì)層疊結(jié)構(gòu)(包括膜電極組件31)加壓的 作用，從而提高結(jié)構(gòu)內(nèi)相關(guān)部分接觸的緊密程度，因此，外殼17是由SUS 304之類的金屬性材料制成的。保濕片45同時(shí)起到兩個(gè)作用防止陰極催 化劑層32中產(chǎn)生的水蒸發(fā)；作為輔助擴(kuò)散層，通過均勻地將氧化劑引入到 陰極氣體擴(kuò)散層34中，促進(jìn)氧化劑均勻地?cái)U(kuò)散到陰極催化劑層32中。保濕片45最好由相對(duì)于甲醇呈惰性并且無溶解性的絕緣材料形成。這 種絕緣材料的例子是聚乙烯和聚丙烯之類的聚烯烴。按照J(rèn)ISP-8117-1998的規(guī)定，保濕片45的透氣度宜等于或小于50秒 /100cm3。這是因?yàn)?，如果透氣度超過50秒/100cm3，則由進(jìn)口 21向陰極的 空氣擴(kuò)散有可能被抑制，因而無法獲得高輸出。透氣度的更佳范圍是等于 或小于10秒/100cm3。按照J(rèn)IS L-1099-1993方法A-1規(guī)定，保濕片45的透濕度等于或小于 6000g/m224h。順便提及，如JIS L-1099-1993方法A-l的測(cè)定方法所述，上 述透濕度的值為40土2i:的溫度時(shí)的值。這是因?yàn)?，如果透濕度超過 6000g/m224h，則來自陰極的氣化水的量增加，有可能無法充分獲得促進(jìn)水
從陰極向陽極擴(kuò)散的效果。此外，透濕度如果小于500g/m224h，則可能有 過量的水被供至陽極，因而無法獲得高輸出。因此，透濕度宜在500 6000g/m224h的范圍內(nèi)。透濕度的更佳范圍是1000 4000g/m224h。依據(jù)具有上述結(jié)構(gòu)的第一實(shí)施方式的直接甲醇型燃料電池，液體燃料 (例如甲醇水溶液)氣化，氣化的甲醇和水?dāng)U散通過氣液分離膜40，然后暫 時(shí)容留在氣化燃料容納室42中，然后慢慢地?cái)U(kuò)散通過陽極氣體擴(kuò)散層35， 這樣被供至陽極催化劑層33，進(jìn)行以下的反應(yīng)式(l)所示的甲醇內(nèi)部重整反 應(yīng)。CH3OH + H20 —C02 + 6H+ + 6e— (1)此外，當(dāng)純甲醇用作液體燃料時(shí)，由于沒有來自燃料氣化層的供水， 所以通過混入陰極催化劑層32的甲醇的氧化反應(yīng)而生成的水及質(zhì)子傳導(dǎo)性 電解質(zhì)膜36中的水分等與甲醇反應(yīng)，進(jìn)行前述(l)式的內(nèi)部重整反應(yīng)，或者 不按照前述(l)式的反應(yīng)式而是根據(jù)不使用水的反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行內(nèi)部重整反應(yīng)。在內(nèi)部重整反應(yīng)中生成的質(zhì)子(H+)擴(kuò)散通過質(zhì)子傳導(dǎo)性電解質(zhì)膜36， 到達(dá)陰極催化劑層33。另一方面，從外殼17的進(jìn)口 21進(jìn)入的空氣擴(kuò)散通 過保濕片45和陰極氣體擴(kuò)散層34，從而被供應(yīng)至陰極催化劑層32。在陰 極催化劑層32中，通過下述(2)式所示的反應(yīng)而生成水，即引起發(fā)電反應(yīng)。(3/2)02 + 6H+ + 6e — 3H20 (2)當(dāng)進(jìn)行發(fā)電反應(yīng)時(shí)，通過前述(2)式的反應(yīng)等在陰極催化劑層32中生成 的水?dāng)U散通過陰極氣體擴(kuò)散層34，到達(dá)保濕片45，保濕片45阻礙其蒸發(fā)， 導(dǎo)致陰極催化劑層32中的水分貯藏量增加。因此，隨著發(fā)電反應(yīng)的進(jìn)行， 可形成陰極催化劑層32中的水分保持量多于陽極催化劑層33中的水分保 持量的狀態(tài)。其結(jié)果是，利用滲透壓現(xiàn)象，在陰極催化劑層32中生成的水 通過質(zhì)子傳導(dǎo)性電解質(zhì)膜36移向陽極催化劑層33的反應(yīng)得到促進(jìn)。因此， 與向陽極催化劑層的供水速度僅依賴于燃料氣化層的情況相比，可進(jìn)一步 改善水向陽極催化劑層供應(yīng)的速率，并能夠促進(jìn)前述(l)式所示的甲醇內(nèi)部 重整反應(yīng)。因此，可以提高輸出密度，同時(shí)長期維持高輸出密度。圖3A和3B表示依據(jù)本發(fā)明的燃料電池中散熱片和進(jìn)口的形狀和排列的例子。圖3A是截面圖，圖3B是俯視圖。順便提及，對(duì)于該燃料電池的 內(nèi)部結(jié)構(gòu)，與之前圖1或圖2所示的結(jié)構(gòu)相同，因此該截面圖中省略了內(nèi) 部結(jié)構(gòu)。在此實(shí)施例中，散熱片22由多個(gè)相互平行的各具有矩形截面的肋組 成。進(jìn)口 21在位于兩個(gè)相鄰的突起之間的各部分，按照多個(gè)進(jìn)口 21對(duì)齊 的方式形成。圖4A和4B表示依據(jù)本發(fā)明的燃料電池中散熱片和進(jìn)口的形狀和排列 的另一個(gè)例子。圖4A是截面圖，圖4B是俯視圖。順便提及，對(duì)于該燃料 電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，與之前圖1或圖2所示的結(jié)構(gòu)相同，因此該截面圖中省 略了內(nèi)部結(jié)構(gòu)。在此實(shí)施例中，如同之前的實(shí)施例，散熱片22由多個(gè)相互平行的各具 有矩形截面的肋組成。另一方面，進(jìn)口 21 a在突起22a中，按照多個(gè)進(jìn)口 21a對(duì)齊并穿透各突起22a的方式形成。圖5A和5B表示散熱片和進(jìn)口的形狀和排列的另一個(gè)例子。圖5A是 截面圖(局部)，圖5B是俯視圖(局部)。在此實(shí)施例中，外殼17的壁厚度't ， 約為l-5毫米。另一方面，散熱片之間的間隔'p'約為5-10毫米，散熱 片的厚度'q'約為0.3-1毫米，散熱片的高度'h'約為5-10毫米，進(jìn) 口21的直徑'd，約為3-8毫米，進(jìn)口之間的間隔's，約為5-15亳米。圖6A和6B表示散熱片和進(jìn)口的形狀和排列的另一個(gè)例子。圖6A是 截面圖(局部)，圖6B是俯視圖(局部)。在此實(shí)施例中，進(jìn)口的內(nèi)周表面以 這樣的方式部分傾斜進(jìn)口 21的直徑沿著朝向外部的方向逐漸增大。進(jìn)口 21的入口處的外部與外殼17的外表面上的散熱片21的底座部分接觸。圖7表示散熱片的形狀的另一個(gè)例子的斜視圖。在此實(shí)施例中，在空 氣電極一側(cè)的外殼17的外表面上形成多個(gè)銷釘型散熱片24。通過使用這種 銷釘型散熱片，盡管制造成本增加，但是散熱片的散熱性能幾乎不受散熱 片姿態(tài)的影響，因此提高了設(shè)計(jì)的自由度。圖8A和8B表示在使用銷釘型散熱片的情況中進(jìn)口的排列的一個(gè)例 子。圖8A是截面圖，圖8B是俯視圖。在該實(shí)施例中，各進(jìn)口23形成在 由四個(gè)散熱片24圍繞的區(qū)域的中心。圖9A和9B表示進(jìn)口的排列的另一
個(gè)例子。圖9A是截面圖，圖9B是俯視圖。在該實(shí)施例中，各進(jìn)口23a在 兩個(gè)散熱片24a之間形成。圖IOA和IOB表示進(jìn)口排列的另一個(gè)例子。圖 IOA是截面圖，圖10B是俯視圖。在該實(shí)施例中，各進(jìn)口23b以這樣的方 式形成各進(jìn)口 23b能夠在各散熱片24b的中心位置貫穿各散熱片24b 。 順便提及，對(duì)于銷釘型散熱片的截面形狀，除了上述實(shí)施例中所示的 矩形外，還可以采用圓形、正方形、橢圓形、板狀、六邊形和不規(guī)則形狀 如星形。在本發(fā)明的燃料電池中，任何材料都可用作散熱片的材料，只要該材 料具有較高的熱導(dǎo)率，并且該材料不限于特定的材料。例如，可以使用擠 出材料、模鑄材料或由板材料制成的加工材料，例如鋁(A1)。這些材料的每 一種最好都在其表面經(jīng)過陽極化處理的狀態(tài)下使用。為了提高發(fā)射率，材 料的表面特別適合經(jīng)過陽極化處理變成黑色。另外，還可以使用銅(Cu)、 鎢(W)和鉬(Mo)之類的金屬以及氮化鋁(AlN)之類的陶瓷。接著，將描述散熱片分別具有圖5A和5B以及圖6A和6B所示形狀 的燃料電池的評(píng)價(jià)測(cè)試結(jié)果。作為第一實(shí)施例，制造了散熱片具有圖5A和5B所示形狀和排列的燃 料電池。在該實(shí)施例中，外殼的壁厚度't'為2毫米，散熱片之間的間隔 'p'為7毫米，散熱片的厚度'q'為0.5毫米，散熱片的高度為10 毫米，進(jìn)口的直徑'd'為5毫米，進(jìn)口之間的間隔、'為5毫米。作為第二實(shí)施例，制造了散熱片具有圖6A和6B所示形狀和排列的燃 料電池。在該實(shí)施例中，外殼的壁厚度't'為2毫米，散熱片之間的間隔 'p'為7毫米，散熱片的厚度'q'為0.5毫米，散熱片的高度'h'為10 毫米，進(jìn)口的直徑'd'為5毫米，進(jìn)口之間的間隔、'為5毫米。進(jìn)口 的內(nèi)周表面以這樣的方式從底部向散熱片傾斜進(jìn)口的直徑沿著朝向外部 的方向逐漸增加。測(cè)量散熱片分別具有圖5A和5B以及圖6A和6B所示形狀的燃料電 池與不使用散熱片的常規(guī)燃料電池的散熱量，測(cè)量條件如下燃料電池的 表面溫度保持在6(TC，環(huán)境溫度設(shè)定在2(TC。其結(jié)果是，當(dāng)假設(shè)不具有散 熱片的常規(guī)燃料電池的散熱量(相對(duì)值)為1.0時(shí)，使用圖5A和5B所示的 散熱片的燃料電池的散熱量為1.2，而使用圖6A和6B所示的散熱片的燃 料電池的散熱量為1.1。如上所述，證實(shí)了本發(fā)明的燃料電池在散熱性能方 面比常規(guī)燃料電池優(yōu)越。本發(fā)明的燃料電池的散熱性能極佳，因此從空氣 室中排放的熱量較大，從而抑制了燃料電池的溫度上升。結(jié)果，提高了燃 料電池的輸出性能，延長了燃料電池的使用壽命。順便提及，在上述說明中，已經(jīng)解釋了供應(yīng)至陽極催化劑層的燃料組 分是氣化氣體的情況。但是，燃料組分不限于氣體，可以是液體。依據(jù)本 發(fā)明的燃料電池的結(jié)構(gòu)，可以使用各種類型的燃料。此外，對(duì)于燃料槽中 的液體燃料，液體燃料不一定限于甲醇燃料。例如，可以使用乙醇燃料如 乙醇水溶液或純乙醇，丙醇燃料如丙醇水溶液或純丙醇，甘醇燃料如甘醇 水溶液和純甘醇，二甲醚，甲酸或其它液體燃料。在任何情況中，依據(jù)燃 料電池可使用各種濃度和類型的燃料。
權(quán)利要求
1. 一種燃料電池，其包括 具有離子傳導(dǎo)性的固體電解質(zhì)膜；設(shè)置在固體電解質(zhì)膜一側(cè)的燃料電極，其具有向其供應(yīng)液體燃料的燃料組分的陽極催化劑層；設(shè)置在固體電解質(zhì)膜另一側(cè)的空氣電極，其具有陰極催化劑層； 燃料電極側(cè)外殼，其設(shè)置成覆蓋所述燃料電極的背面，在燃料電極側(cè)外殼和燃料電極的背面之間形成儲(chǔ)存液體燃料的燃料槽；空氣電極側(cè)外殼，其設(shè)置成覆蓋空氣電極的背面，在空氣電極側(cè)外殼和空氣電極的背面之間形成儲(chǔ)存空氣的空氣室，其中，在所述空氣電極側(cè)外殼中設(shè)置多個(gè)用于向空氣室引入空氣的進(jìn)口， 在所述空氣電極側(cè)外殼的外表面上形成促進(jìn)散熱的散熱片。
2. 如權(quán)利要求1所述的燃料電池，其特征在于，所述散熱片由多個(gè)相 互平行的肋狀突起構(gòu)成，所述多個(gè)進(jìn)口形成在位于兩個(gè)相鄰的突起之間的 各個(gè)部分。
3. 如權(quán)利要求1所述的燃料電池，其特征在于，所述散熱片由多個(gè)相 互平行的肋狀突起構(gòu)成，形成多個(gè)進(jìn)口，使得這些進(jìn)口貫穿各突起。
4. 如權(quán)利要求2所述的燃料電池，其特征在于，所述進(jìn)口的內(nèi)壁表面 以進(jìn)口的截面積沿著朝向空氣電極側(cè)外殼外部的方向變化的方式傾斜或分 階。
5. 如權(quán)利要求1所述的燃料電池，其特征在于，所述散熱片由多個(gè)兩 維設(shè)置的銷釘狀突起構(gòu)成，各進(jìn)口在相鄰的突起之間形成。
6. 如權(quán)利要求1所述的燃料電池，其特征在于，所述散熱片由多個(gè)兩 維設(shè)置的銷釘狀突起構(gòu)成，并形成各個(gè)進(jìn)口使其從各散熱片的中心貫穿各 散熱片。
7. 如權(quán)利要求1所述的燃料電池，其特征在于，所述燃料電極側(cè)外殼 的外表面部分與所述空氣電極側(cè)外殼的外表面部分通過高熱導(dǎo)率膜連接。
8. 如權(quán)利要求1所述的燃料電池，其特征在于，供應(yīng)給陽極催化劑層 的燃料組分是液體或氣體。
全文摘要
一種膜電極組件，由以下部件構(gòu)成聚合物材料制成的固體電解質(zhì)膜1，位于固體電解質(zhì)膜1兩側(cè)的燃料電極2和空氣電極3。多孔膜8附著在燃料電極2的背面，在燃料電極2一側(cè)的外殼16與多孔膜8之間形成燃料槽12。燃料槽12內(nèi)裝滿液體保持片14。在空氣電極3的背面上形成空氣室13，空氣室13內(nèi)裝滿保濕片15?？諝怆姌O3一側(cè)的外殼17具有多個(gè)進(jìn)口21。此外，在空氣電極一側(cè)的外殼17的外表面上形成散熱片22。
文檔編號(hào)H01M8/04GK101147291SQ200680009399
公開日2008年3月19日 申請(qǐng)日期2006年3月20日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月24日
發(fā)明者吉田勇一 申請(qǐng)人:株式會(huì)社東芝