[发明专利]燃料电池和用于燃料电池的电极以及电子设备

说明书

技术领域

本发明涉及一种燃料电池如向燃料电极供给甲醇并引发反应的DMFC(直接甲醇燃料电池)、用于燃料电池的电极和包括所述燃料电池的电子设备。

背景技术

近年来，随着移动设备性能变高，能量消耗也在增加。燃料电池被认为是最有可能取代锂离子二次电池的电池。根据电解质，燃料电池分类为AFC(碱性燃料电池)、PAFC(磷酸燃料电池)、MCFC(熔融碳酸盐燃料电池)、SOFC(固体电解质燃料电池)、PEFC(聚合物电解质燃料电池)等。

作为燃料电池的燃料，能够使用各种可燃物质，例如氢和甲醇。然而，诸如氢的气态燃料不适于小型化，原因是需要用于储存的罐等。同时，诸如甲醇的液体燃料在易于储存方面具有优点。具体而言，DMFC的优点在于不需要用于从燃料提取氢的重整器、结构变得简单和易于小型化。

作为DMFC中的燃料的甲醇的能量密度在理论上为4.8kW/L，其是典型的锂离子二次电池的能量密度的10倍以上。也就是说，使用甲醇作为燃料的燃料电池非常可能超过锂离子二次电池的能量密度。从前述可知，在各种燃料电池中，DMFC非常可能用作移动设备和电动车辆用的能源。

然而，DMFC的缺点在于，尽管其理论电压为1.23V，但是在实际发电期间的输出电压降低至约0.6V以下。输出电压降低的原因是由于DMFC中的内部电阻引起的电压降。在DMFC中，存在内部电阻，例如与在两个电极处产生的反应有关的电阻、与物质移动有关的电阻、当质子在电解质膜中移动时产生的电阻以及另外的接触电阻等。实际能够由甲醇氧化提取作为电能的能量通过发电期间的输出电压与流过电路的电量之积表示。因此，如果发电期间的输出电压降低，则实际能够被提取的能量减少。

同时，在这种DMFC中，正在开发通过使用液体电解质(电解质溶液)代替电解质膜来减小内部电阻的DMFC。然而，在使用液体电解质和固体电解质的燃料电池中存在的共同缺点在于，单个燃料电池的电压极低，并且明显不足以用于提取大量电流。因此，为了使电压可用，提出一种燃料电池，其中通过串联连接大量燃料电池(在串联之后可以并联连接)形成燃料电池堆结构，并且提供用于将电压充分转变成电能的集流体(例如，专利文件1)。

引用文献列表

专利文件

专利文件1：日本未审查专利申请公开2007-280678

发明内容

然而，在通过形成燃料电池堆结构而使电压可用的方法中，因为燃料电池的片数增加，所以不可避免地存在各种问题。例如，存在关于厚度的问题、关于重量的问题、关于电阻的问题、关于成本的问题和关于材料选择的问题。

目前，作为燃料电池堆的集流体和结合装置，存在双极板。双极板的最常用的功能如下。也就是说，功能为：(a)用于将燃料流体和氧化性流体均匀地供给到电池面中的功能；(b)用于在反应之后利用空气将在空气电极侧上产生的水从燃料电池内有效排放到系统外的功能；(c)作为在长时间段内作为电极保持低电阻和的有利导电性的单电池之间的电连接体(集流体)的功能；(d)作为相邻电池中一个电池的阳极室和相邻电池中的阴极室之间的隔壁的功能；和(e)作为冷却剂流路和相邻电池之间的隔壁的功能。

如前所述，双极板将燃料电极的整个表面与相邻燃料电池的空气电极结合，并且能够将燃料电极整合到相邻燃料电池的氧电极。从前述明显可见，该结构为其中电流有效地垂直穿过燃料电池而非在各电极表面上流动的结构。

然而，在双极板结构中也存在各种问题。例如，因为电流在燃料电池之间垂直流动，所以电接触部需要尽可能地大。在该情况下，存在如下缺点：燃料和空气(氧)的流动被阻挡。因此，如果使电接触部小以免阻挡燃料和空气(氧)的流动，则需要增加接触部的数目来降低电阻。然而，这导致制造过程变得复杂，并且制造成本增加，并且也产生与双极板强度有关的缺点。

此外，燃料电池的厚度和燃料电池堆的厚度取决于双极板的厚度。一般地，需要在双极板中形成用于燃料电极的流路和用于氧电极的流路。因此，显著减小所述堆的厚度非常困难。此外，该厚度还受所用材料的限制。

而且，尽管使用通过施加压力来堆叠多个燃料电池的方法，但是难以向整个燃料电池施加均匀的压力，从而在用于燃料电极和氧电极的流路中出现变形。因此，使用固体电解质(电解质膜)作为电解质。

因此，由于诸如前述因素的权衡关系，利用双极板在减小电阻的同时减小燃料电池堆的厚度非常困难。