專利名稱：燃料電池用集電復(fù)合板及利用其制造的燃料電池的制作方法
燃料電池用集電復(fù)合板及利用其制造的燃料電池
要求優(yōu)先權(quán)
本申請要求于2007年10月4日提交的日本專利申請2007-260812的優(yōu)先 權(quán)，其內(nèi)容引入到本申請中作為參考。
背景技術(shù)：
1. 發(fā)明領(lǐng)域
本發(fā)明涉及用于制造小型燃料電池堆的集電薄復(fù)合板，以及利用這種復(fù)合 板制造的燃料電池。具體地，本發(fā)明涉及具有優(yōu)異的耐蝕性、優(yōu)異的耐久性和 低內(nèi)阻的燃料電池用集電復(fù)合板，以及利用這種復(fù)合板制造的具有高發(fā)電效率 的燃料電池。
2. 相關(guān)技術(shù)描述
燃料電池具有高的轉(zhuǎn)化效率，因為它們直4妄將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。此外， 它們不燃燒含氮(N)、硫(S)等的燃料，因此是環(huán)境友好的，因為它們排放 較少的空氣污染物(例如NOx和SOx)。這種燃料電池的例子包括聚合物電解 質(zhì)燃料電池(PEFC)、磷酸燃料電池(PAFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC) 和固體氧化物燃料電池(SOFC)。其中，預(yù)期將來PEFC被廣泛用作汽車、家 庭、移動設(shè)備、不間斷能量供應(yīng)系統(tǒng)等的能源。
圖7是顯示利用曱醇作為液體燃料的燃料電池中發(fā)電原理的示意性說明。 這類燃料電池凈皮稱為直4妄曱醇燃料電池(DMFC)。
如圖7中所示，在DMFC71中，向燃料電極72供應(yīng)曱醇燃料和水，在該 燃料電極處，在催化劑協(xié)助下產(chǎn)生氫離子和二氧化碳(C02)氣體。氫離子經(jīng) 聚合物電解質(zhì)膜73移向作為氧化劑電極(oxidantelectrode)的對電極。然后， 在空氣電極(氧化劑電極)74上，通過離子化所產(chǎn)生的電子、作為氧化劑的 氧和氫離子進(jìn)行反應(yīng)產(chǎn)生水。這些連續(xù)反應(yīng)允許產(chǎn)生電能，從而能夠從燃料電 池中發(fā)出電能。
經(jīng)過包括允許各自物質(zhì)通過的槽的通道，將液體燃料和空氣(氧化劑氣體)各供應(yīng)到相應(yīng)的電極。這些通道還起到排出在發(fā)電期間所產(chǎn)生的水和氣體。
圖8是顯示常規(guī)DMFC單元電池(DMFC unit cell) 81的4黃截面圖的示意 性說明。它包括MEA 82 (包括固體聚合物電解質(zhì)膜84;設(shè)置在膜84的一 面上的燃料電極83;以及設(shè)置在膜82的另一面上的空氣電極(氧化劑電極) 85 );面對MEA 82的燃料電極83且在面對MEA 82的一側(cè)上具有多個燃料通 道管道86的金屬雙極板87;面對MEA 82的空氣電才及85且在面對MEA 82 的一側(cè)上具有多個空氣(氧化劑氣體)通道管道88的金屬雙極板89;以及設(shè) 置在雙極板87和89之間用于密封MEA 82的周界的墊圏90。典型地，為了 提高能量輸出，堆疊許多這種燃料電池81。雙極板有時也被稱為"分隔器"。
圖9是顯示利用集電板(雙極板)92的常規(guī)燃料電池91的堆疊結(jié)構(gòu)的示 意性說明。在常規(guī)燃料電池91中，交替布置即串聯(lián)燃料電極(即陽極，如圖 9中"-"所示)和空氣電極(即陰極，如圖9中"+"所示)。
預(yù)期DMFC被用于目前使用二次電池的小型移動設(shè)備，因為通過用曱醇 作為液體燃料，它能夠產(chǎn)生電能，并且它已經(jīng)實際用于一些領(lǐng)域。另一方面， 目前已經(jīng)集中地研究了用氫氣作為燃料的PEFC以將其用于汽車。在PEFC中， 為了供應(yīng)氫氣，利用重整裝置從例如曱醇或天然氣中生產(chǎn)含氫氣體。
相反，因為DMFC能夠直接從曱醇中獲得氫離子，所以其電池系統(tǒng)顯著 地小型化是可能的。然而，因為DMFC具有低于利用氫氣作為燃料的PEFC 的輸出密度，DMFC的應(yīng)用目前局限于電能消耗低的設(shè)備。在DMFC中，可 以利用除曱醇之外的液體燃料，并且已經(jīng)研究了各種液體燃料的實際應(yīng)用(參 見例如JP-A-2002-175817 )。
上述JP-A-2002-175817^皮露了一種DMFC燃料電池，其中形成通道以排 出在發(fā)電期間在其燃料電極側(cè)所產(chǎn)生的二氧化碳(C02)氣體，以致無需用于 氣-液分離的設(shè)備，從而能夠?qū)MFC系統(tǒng)簡化和小型化。
然而，再次參考圖9，作為常規(guī)燃料電池的燃料電池堆91的缺點在于需 要向各個相鄰的單元電池(雙極板的各自相對面)分別供應(yīng)燃料和氧化劑以防 止兩種流體混合，從而可能使燃料和氧化劑供應(yīng)和排出管線的配置更復(fù)雜。
JP-A-2006-31963披露了目的在于使DMFC小型化并簡化DMFC系統(tǒng)的膜 -電極-組件(MEA)模塊和燃料電池。圖10是顯示常規(guī)小型燃料電池被裝配
4在便攜式終端內(nèi)的透視圖的示意性說明；圖ll是顯示圖IO中所示的常規(guī)小型 燃料電池的結(jié)構(gòu)的橫截面圖的示意性說明；圖12是顯示圖10中所示的常規(guī)小 型燃料電池的展開的透視圖的示意性說明。如圖11和12中所示，在MEA模 塊lll中，在沿谷底線v設(shè)置的支撐桿112周圍折疊帶膜的集電板113,以將 MEA緊密地夾在板113的相鄰部分之間。
這種MEA模塊裝入具有燃料罐114的盒子115中以裝配燃料電池101(圖 ll中所示)，然后結(jié)合到如圖IO所示的便攜式終端P。上述JP-A-2006-31963 聲稱MEA模塊不僅可用于DMFC還可用于PEFC。
然而，上述小型燃料電池的技術(shù)未提供關(guān)于集電板的耐蝕性、耐久性以及 內(nèi)阻的解決方案。
在圖9中所示的燃料電池堆91中，集電板被稱為"雙極板"，它起收集并 輸送電流的作用，以及起沿其各自相對的表面分隔燃料和氧化劑氣體流的作應(yīng)用。
例如，有一種建議的技術(shù)，其中致密的碳或不銹鋼的底部被鍍覆有0.01~ 0.06jum厚的貴金屬(例如,JP-A-2001-93538)。此外，描述了另一種技術(shù)， 其中進(jìn)一步用具有優(yōu)異的導(dǎo)電率和優(yōu)異的耐蝕性的接觸層覆蓋耐蝕Ti基金屬 的覆蓋材料(例如，JP-A-2004-158437)。
通常，利用由未經(jīng)表面處理的SUS所形成的雙極板(集電板)的燃料電 池存在問題，因為SUS的組成金屬能夠溶解在周圍環(huán)境中，并降低催化劑和 燃料電池的電極膜的性能，從而導(dǎo)致嚴(yán)重縮短的使用壽命。此外，當(dāng)SUS或 Ti基覆蓋材料被用于燃料電池雙極板時，在這種金屬材料上形成的表面氧化物 膜能夠提高接觸電阻，并因此提高燃料電池的內(nèi)阻。其結(jié)果是，需要某種導(dǎo)電 表面處理。
為了獲得薄且小型的燃料電池堆，用于集電板的材料實際上局限于金屬材 料。因此，如圖10中所示的燃料電池堆101同樣具有利用何種芯金屬以及施 加何種最佳的表面處理的問題。另一方面，配置燃料電池堆101的集電板113， 使得通過表面布線線路連接多個單元電池。因此，利用經(jīng)導(dǎo)電表面處理的耐蝕 金屬芯(例如Ti和SUS)的集電板113仍存在問題，因為耐蝕金屬芯具有相對高的電阻率，從而板113的內(nèi)阻傾向于隨著電流通路的長度增加而增加。 發(fā)明概述
因此，在小型燃料電池的技術(shù)中需要進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。
在這些情況下，本發(fā)明的目的是提供能夠提供小型且高性能燃料電池的集 電復(fù)合板，以及提供利用這種復(fù)合板制造的燃料電池。
(1)根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供配置有單元電池的燃料電池用集電復(fù) 合板，其包括絕緣體層；和復(fù)數(shù)對導(dǎo)體層，所述導(dǎo)體層與所述絕緣體層結(jié)合 以使其相互間隔預(yù)定的距離，通過將電解質(zhì)組件(electrolyte assembly)夾在 中間，使每對被用于所述單元電池中的不同單元電池的相鄰布置的陽極和陰 極，每個導(dǎo)體層包括由經(jīng)過導(dǎo)電表面處理處理過的耐蝕金屬(例如Ti (鈦) 和SUS (不銹鋼))構(gòu)成的第一導(dǎo)體層；層壓在第一導(dǎo)體層上由具有低電阻率 的金屬(例如Cu (銅)形成的第二導(dǎo)體層；穿過第一導(dǎo)體層和絕緣體層的通 孔；以及由用于連接單元電池的由第二導(dǎo)體層形成的連接部。
在本發(fā)明的上述方面(1)中，可以進(jìn)行如下改進(jìn)和變化。
(1) 用于所述單元電池中的第一單元電池的陽極電極的導(dǎo)體層通過所述 連接部被連接到用于所述單元電池中的相鄰第二單元電池的陰極電極的導(dǎo)體 層。
(ii) 以網(wǎng)格圖案(meshpattern)形成所述第二導(dǎo)體層。
(iii) 第二導(dǎo)體層由Cu、 Al (鋁)、Sn (錫)或它們中任一種的合金制成。
(2) 根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供由根據(jù)本發(fā)明的上述方面的集電復(fù) 合板制成的燃料電池。
在本發(fā)明的上述方面(2)中，可以進(jìn)行如下改進(jìn)和變化。 (iv )沿位于在導(dǎo)體層對之間延伸的絕緣體層上的折線部折疊所述復(fù)合 板，使得安裝在相應(yīng)導(dǎo)體層對之一的每個電解質(zhì)組件面對另一對導(dǎo)體層，并且 配置有單元電池。
(v) 沿折線部和沿復(fù)合板的外圍提供用于密封電解質(zhì)組件的密封劑。
(vi) 所述燃料電池是直接曱醇燃料電池或聚合物電解質(zhì)燃料電池。 (本發(fā)明的優(yōu)點)
本發(fā)明能夠提供具有低的面內(nèi)電阻的燃料電池用薄集電復(fù)合板。它還能夠提供利用這種復(fù)合板制造的小型(節(jié)省空間)且高性能的燃料電池。


圖1是顯示根據(jù)本發(fā)明第一優(yōu)選實施方案的燃料電池用集電復(fù)合板的展
開平面圖的示意性^i明。
圖2(a)是顯示其中引入MEA的圖1中所示的折疊的集電復(fù)合板的橫截
面圖的示意性說明；圖2 (b)是圖2 (a)的局部放大圖。
圖3是顯示利用圖1中集電復(fù)合板的燃料電池堆的結(jié)構(gòu)的示意性說明。 圖4是顯示沿實施例1和比較例1的集電復(fù)合板的電流通路的電阻與對該
復(fù)合板的接觸壓力之間關(guān)系的圖。
圖5是顯示利用實施例1和比較例1的集電復(fù)合板的燃料電池的輸出密度
與電流密度之間關(guān)系的圖。
圖6是顯示根據(jù)本發(fā)明第二優(yōu)選實施方案的燃料電池用集電復(fù)合板的展
開平面圖的示意性說明。
圖7是顯示直接曱醇燃料電池(DMFC)中發(fā)電機(jī)構(gòu)的示意性說明。 圖8是顯示常規(guī)DMFC單元電池的橫截面圖的示意性說明。 圖9是顯示常規(guī)燃料電池的堆疊結(jié)構(gòu)(stack structure)的示意性說明。 圖10是顯示常規(guī)小型燃料電池被裝配在便攜式終端內(nèi)的透視圖的示意性說明。
圖ll是顯示圖IO中所示的常規(guī)小型燃料電池的結(jié)構(gòu)的橫截面圖的示意性 說明。
圖12是顯示圖10中所示的常規(guī)小型燃料電池的展開透視圖的示意性說明。
優(yōu)選實施方式
首先，回顧常規(guī)用于燃料電池雙極板的材料的電阻率。表l顯示了這些材 料的與Cu的電阻率相比較的電阻率。如表1中所示，常規(guī)用于雙極板的材料， 例如SUS、 Ti和C (石墨)具有優(yōu)異的耐蝕性，但通常具有高的電阻率，因而 導(dǎo)致這種燃料電池用集電板的內(nèi)阻增加。
7表1
材料電阻率(pi>cm)電阻率之比(材料/Cu)
SUS3167444
Ti5532
Cu1.71
Al2.71.6
致密的石墨訓(xùn)588
具體地，SUS和Ti的電阻率比Cu的電阻率高30 40倍。因而，如果在 小型燃料電池的集電板中使用諸如Cu等的良導(dǎo)體，則可能顯著P條低所述板的 面內(nèi)內(nèi)電阻。然而，當(dāng)諸如Cu等的材料接觸燃料電池流體(例如產(chǎn)物水和燃 料水溶液)時，它能夠溶于所述流體中，并且降低固體聚合物電解質(zhì)膜的性能。
為了解決上述有關(guān)小型燃料電池的問題，本發(fā)明人提出一種燃料電池用集 電復(fù)合板，其中耐蝕金屬例如Ti和SUS被用于接觸電解質(zhì)(發(fā)電)組件的板 的電極層，而對于與所述電極層相對的導(dǎo)體層，覆蓋有絕緣體層的低電阻率金 屬例如Cu以防止它與反應(yīng)物和產(chǎn)物流體接觸的方式來使用。在深入研究之后， 本發(fā)明人提出了本發(fā)明。
下面將參照附圖描述本發(fā)明的優(yōu)選實施方案。然而，本發(fā)明不局限于本文 所述的實施方案。
圖1是顯示根據(jù)本發(fā)明第一優(yōu)選實施方案的燃料電池用集電復(fù)合板的展 開平面圖的示意性說明。
圖l顯示了具有兩個單元電池的燃料電池用集電復(fù)合板l。下文中"燃料 電池用集電復(fù)合板"簡稱為"集電復(fù)合板"。通過結(jié)合(兩個子層(sub-layer) 的)絕緣體層2和(多個導(dǎo)體的)導(dǎo)體層3并且形成穿過結(jié)合層的通孔4,配 置所述集電復(fù)合板1。通過連接部7將一個電池的部分導(dǎo)體層3連接到另一個 電池的部分導(dǎo)體層3。此外，將復(fù)合板1配置為沿折線T1折疊，以致所得到 的每個電池的反向?qū)w層3將下述的電解質(zhì)(發(fā)電)組件22夾在中間(參見 圖2和3 )。
對于絕緣體層2，利用兩塊絕緣的聚酰亞胺板，每塊在一面上有粘結(jié)層(圖1未顯示出在該畫面的正面上的絕緣聚酰亞胺板)。配置此實施方案使得將導(dǎo)
體層3夾在兩塊絕緣的聚酰亞胺板之間。
導(dǎo)體層3的一面(在圖1的背面上的電極表面)接觸電解質(zhì)(發(fā)電)組件 22例如MEA (下面將參照圖2 (a)、 2(b)和3來描述)。導(dǎo)體層3的另一面 (在圖1的正面上的導(dǎo)電表面)結(jié)合絕緣體層2。
導(dǎo)體層3是由下列構(gòu)成的堆經(jīng)導(dǎo)電表面處理處理過的耐蝕金屬(例如 Ti和SUS )的第一導(dǎo)體5a;以及具有低電阻率的金屬例如Cu的第二導(dǎo)體5b。 在此實施方案中，作為導(dǎo)電表面處理，在耐蝕金屬的表面上形成貴金屬例如 Au (金)、Ag (銀)或Pt (鉑)的納米膜。
對于第二導(dǎo)體5b，使用電阻率低于第一導(dǎo)體5a所使用的耐蝕金屬的電阻 率的金屬。例如，Cu、 Al、 Sn及它們中任一種的合金是優(yōu)選的。
四個矩形的第一導(dǎo)體5a (每個用于電池電極中的不同的一個電池電極) 以使相互間隔預(yù)定的距離的方式結(jié)合在絕緣體層2上。在此實施方案中，僅為 絕緣體層2在厚度方向上形成復(fù)合板1的外圍和在四個電池電極板6a 6d之間 的間隔。
在圖1中，在折線T1左側(cè)的兩個電池電極板6a和6c是陽極極板，在折 線Tl右側(cè)的兩個電池電極板6b和6d是陰極極板。
橫向相鄰的電池電極板6a和6b構(gòu)成第一電池電極對6A，在電極對6A 的下面且與其相鄰的橫向相鄰的兩個電池電極板6c和6d構(gòu)成第二 (相鄰)電 池電極對6B。
在網(wǎng)格圖案的板上形成每個第二導(dǎo)體5b，并且將四個網(wǎng)格才反ma md分別 覆蓋在四個電池電極板6a 6d上
在每個網(wǎng)格板ma md中，沿橫排和縱列配置許多(圖1中為10個)開口 ， 每個開口覆蓋一定數(shù)量(圖1中為四個)的通孔4。例如通過用壓床等在第二 導(dǎo)體5b的板上沖壓出所述開口 ，能夠形成網(wǎng)格板ma md。
在復(fù)合板1中，通過由第二導(dǎo)體5b制成的連接部，將兩個不同單元電池 的電池電極板相互連接。具體地，在第一實施方案中，通過對角延伸的連接部 分7，將電池電極對6A的電池電極板6b (陰極電極板)連接到電池電極對6B 的電池電極板6c (陽極電極板)上。更具體地，通過上述連接部7，將互相對角的網(wǎng)格4反mb和mc的角連4妻。
從網(wǎng)格板ma的頂面的左邊部，經(jīng)過復(fù)合板l的外圍延伸出陽極電極終端 8a。類似地，從網(wǎng)格板md的底面的右邊部，沿終端8a的延伸相反的方向延 伸出陰極電極終端8d。
當(dāng)網(wǎng)格板的開口 ^皮沖壓出來時，電極終端8a和8d以及連接部7優(yōu)選與網(wǎng) 格板ma md —起整體形成。
面對電解質(zhì)組件(在畫面的背面)的絕緣體層2的一個子層被設(shè)置有未顯 示的開口，每個開口環(huán)繞電池電極板6a 6d中的不同電池電極板，以致電池電 極板6a 6d能夠直接接觸相應(yīng)的電解質(zhì)組件中的一個以能夠?qū)щ?。與導(dǎo)體層3 的導(dǎo)電表面(在畫面的正面)結(jié)合的絕緣體層2的另一子層設(shè)有開口，每個開 口環(huán)繞所述通孔4中的不同通孔，以便防止電池電極板6a 6d和網(wǎng)格板tna md 被暴露。
在此實施方案中，成列設(shè)置許多穿過絕緣體層2和第一導(dǎo)體5a的矩形通 孔4。例如，在圖1中，每個電池電極板具有40個通孔4，以致總共設(shè)置有 160個通孔4。在圖的右側(cè)(陽極板側(cè))的通孔4充當(dāng)用于燃料(例如曱醇) 的通道孔4f，在圖的左側(cè)(陰極板側(cè))的通孔4充當(dāng)用于氧化劑氣體(例如空 氣和氧氣)的通道孔4g。
可以在導(dǎo)體層3已經(jīng)被結(jié)合到絕緣體層2之后形成通孔4。或者可替換地， 它們可以在絕緣體層2和導(dǎo)體層3中相互獨立地預(yù)形成，然后，導(dǎo)體層3可以3。
在電池電極板6a和6c (或6b和6d)中的每個電池電極板的表面(在所 述圖的背面)上設(shè)置電解質(zhì)組件22。在電池電極板6a和6c之間以及在電池 電極板6b和6d之間，復(fù)合板1具有僅由沿厚度方向的絕緣體層2構(gòu)成的折疊 部2t。沿圖中垂直延伸的折線T1 (脊線)向后折疊(如同向圖l里面看)復(fù) 合板1,并將電池電極板6b和6d (或者6a和6c)覆蓋在相應(yīng)的電解質(zhì)組件 22上，從而能夠形成兩單元電池。
也就是說，將兩個電解質(zhì)組件安裝在復(fù)合板上，然后將復(fù)合板沿折線Tl 折疊在一起，從而獲得圖2 (a)和2 (b)中所示的MEA模塊21。圖2(a)是顯示其中引入MEA的圖1中所示的折疊集電復(fù)合板的橫截面圖的示意性說 明；圖2 (b)是圖2 (a)的局部放大圖。
為了密封電解質(zhì)組件22，將密封劑S配置在折疊部2t的內(nèi)表面(在圖1 的背面)上以及在復(fù)合板1的外周的內(nèi)表面上(即，以便環(huán)繞每個電池電極板 6a 6d )。
如圖2 (a)和2 (b)中所示，為了裝配第一電池，將一個^t置在另一個 的上方且相互緊密接觸第一絕緣體層2 (絕緣聚酰亞胺板)；網(wǎng)格板ma;電 池電極板6a;電解質(zhì)組件22;電池電極板6b;網(wǎng)格板mb;以及第二絕緣體 層2(絕緣聚酰亞胺板)。然后，將這些部件整合在一起，同時用密封劑S密 封環(huán)繞電解質(zhì)組件22的部分。類似地裝配第二電池。
電解質(zhì)組件(MEA) 22包括固態(tài)聚合物電解質(zhì)膜23;設(shè)置在膜23的 一個表面上充當(dāng)燃料電極的陽極側(cè)擴(kuò)散層24a;以及設(shè)置在膜23的另一個表 面上充當(dāng)氧化劑電極的陰極側(cè)擴(kuò)散層24c。
將容納液體燃料(例如曱醇水溶液)的槽連接到MEA模塊21的陽極側(cè)。 這些被容納在如下構(gòu)造的外殼中，在該構(gòu)造(例如圖11中所示)中，模塊21 的部分陰極側(cè)被暴露于空氣中，從而提供DMFC。
將MEA模塊21的兩個共面電解質(zhì)組件22串聯(lián)連接；從而，在電極終端 8a和8d上產(chǎn)生與模塊21中串聯(lián)的所有MEA (第一實施方案中的兩個MEA) 上的電壓總和相等的電壓。
接下來，將參照圖3來描述通過堆疊利用根據(jù)此實施方案的復(fù)合板1所制 備的燃料電池來制造燃料電池堆的方法。圖3是顯示利用圖1中的集電復(fù)合板 的燃料電池堆的結(jié)構(gòu)的示意性說明。
如圖3中所示，用如下的方式配置燃料電池堆31，所述方式使得相鄰復(fù) 合板l的陽極電極板(或陰極電極板)相互面對。圖3顯示了其中按照"陽極"、 "陰極"、"陰極"、"陽極"、"陽極"、"陰極"和"陰極"的順序堆疊陽極和陰 極電極板的實施例(其中分別用符號"-"和"+"代表陽極和陰極電極板)。
盡管圖3中沒有顯示，通過例如具有燃料(或氧化劑)氣體導(dǎo)管并且設(shè)置 在由點劃線所示的位置中的分隔器，使每對相鄰設(shè)置的陽極(和陰極)電極板 相互電絕緣。因此，在燃料電池堆31中，需要如圖3中箭頭線所示的能量收
ii集線32
現(xiàn)在將描述第一實施方案的效果和優(yōu)點。
在此實施方案的集電復(fù)合板l中，通過層壓下列層來形成導(dǎo)體層3:經(jīng)導(dǎo) 電表面處理處理過的耐蝕金屬的第一導(dǎo)體5a;和由具有低于第一導(dǎo)體5a的電 阻率的金屬組成的第二導(dǎo)體5b。此外，相互間隔地設(shè)置由第一導(dǎo)體5a制成的 電池電擬j反6a 6d (充當(dāng)每個電池的不同電才及)，^f旦是電池電極板6b和6c通 過連接部7來連接。
因此，在利用復(fù)合板1制造的MEA模塊中，將兩個電解質(zhì)組件22設(shè)置 為相互共面，并且通過由第二導(dǎo)體5b制成的連接部7串聯(lián)連接。
此外，用由第二導(dǎo)體5b制成的各個網(wǎng)格板ma md支持四個電池電極板。 因此，利用所述復(fù)合板l，由每個單元電池所產(chǎn)生的電流能夠通過低電阻的網(wǎng) 格板ma md有效地被傳導(dǎo)。因此，利用復(fù)合板1并且通過串聯(lián)連接多個單元 電池所形成的MEA模塊21具有低的內(nèi)阻，因此能夠產(chǎn)生高的電動勢。由于 同樣的原因，通過堆疊多個MEA模塊21所配置的燃料電池堆31能夠提供高 的電動勢。
通常，當(dāng)燃料電池內(nèi)具有電阻元件時，由于電阻導(dǎo)致發(fā)生電壓損失，從而 導(dǎo)致燃料電池的發(fā)電效率降低。常規(guī)的集電復(fù)合板(由經(jīng)表面處理處理過的耐 蝕金屬制成)由于其高的內(nèi)阻傾向于纏身電壓損失。特別是當(dāng)電流在平面內(nèi)流 動時(例如，參見圖12)可能導(dǎo)致這種電壓損失。相反，根據(jù)本發(fā)明的復(fù)合 板1能夠通過利用網(wǎng)孔板ma md和連接部7 (均由低電阻率的第二導(dǎo)體5b制 成)來解決該問題。
因此，通過利用具有低內(nèi)阻的復(fù)合板l,能夠獲得性能提高的薄且小型的 燃料電池，從而促進(jìn)燃料電池的商業(yè)化。
此夕卜，復(fù)合板1的第一導(dǎo)體5a由經(jīng)導(dǎo)電表面處理處理過的耐蝕金屬制成； 連接部7和網(wǎng)格板ma md由低電阻的第二導(dǎo)體5b制成并且被絕緣體層2覆蓋。 因此，能夠防止由于金屬離子的溶解而引起的燃料電池性能降低的問題，并且 還能夠降低燃料電池中的接觸電阻和線阻。
防止金屬離子的溶解能夠增加復(fù)合板1和電解質(zhì)組件22的耐用期限，從 而導(dǎo)致燃料電池延長的使用壽命。通過擠壓等能夠容易地形成復(fù)合板l的元件(例如網(wǎng)格板ma md)，從而 促進(jìn)其大量生產(chǎn)。因此，能夠降低復(fù)合板1和燃料電池堆31的成本而不犧牲 性能。
此外，為了裝配MEA模塊21，在電池電極板上安裝電解質(zhì)組件22，然 后，沿著彈性優(yōu)于電池電極板6a 6d的絕緣體層折疊部2t將電池電極板折疊 在一起。因此，能夠簡單且緊湊地制造由兩個單元電池構(gòu)成的MEA模塊21 (以及由此制造燃料電池堆31 )。
此外，以相鄰復(fù)合板1的陽極電極板(或陰極電極板)相互面對的方式來 配置利用復(fù)合板1制造的燃料電池堆31。因此，不同于圖9中所示的常規(guī)燃 料電池堆91，可以共享燃料供應(yīng)管線(或者氧化劑氣體供應(yīng)管線)。這也簡化 了燃料電池堆31的結(jié)構(gòu)并能夠降低成本。
針對折疊單個金屬復(fù)合板1以將兩個MEA22夾在中間的情況，已經(jīng)描述 了該實施方案。或者，例如通過將圖1的金屬復(fù)合板1分開可以形成兩個獨立 的金屬復(fù)合板，并獨立地折疊以將各自的MEA22夾在中間，然后通過連接部 件相互連接。
此外，針對DMFC已經(jīng)描述了此實施方案，但是可以類似地應(yīng)用于PEFC。
接下來，將描述本發(fā)明的第二實施方案。
盡管第一實施方案描述了雙單元電池結(jié)構(gòu)的復(fù)合板1,同樣容易形成具有 多于兩個單元電池的復(fù)合板以增加輸出電壓。
圖6是顯示根據(jù)本發(fā)明第二優(yōu)選實施方案的燃料電池用集電復(fù)合板的展 開平面圖的示意性說明。如圖6中所示，根據(jù)第二實施方案的復(fù)合板61的電 池電極板6按4歹ij x 5行來配置，其中陽極電池電極板6位于第一和第四列， 陰極電池電極板6位于第二和第三列。
集電復(fù)合板61具有IO個電池結(jié)構(gòu)。它包括20個由第一導(dǎo)體5a制成的電 池電極板6和20個由第二導(dǎo)體5b制成的網(wǎng)格板m。 IO個單元電池中的8個 單元電池的陰極電極板6通過對角延伸的連接部7連接到下一個單元電池的陽 極電極板6 (因此總共提供8個這種連接部7 )。
在復(fù)合板61中，類似于第一實施方案，陽極電極終端8a從位于第一列和第一排的電池電極6的頂面的左邊部分伸出；此外，陰極電極終端8d平行于
終端8a從位于第三列和第一排的電池電極6的頂面的左邊部分伸出。此外，
位于第二列和第五排的網(wǎng)格板m的右下角通過基本上U形的連接部67連接到
位于第四列和第五排的網(wǎng)格板m的左下角。
此外，復(fù)合板61具有分別設(shè)置在第一和第二列之間以及在第三和第四列
之間的兩個絕緣體層折疊部62t。當(dāng)裝配MEA模塊時，沿著兩條垂直折線T6 (分別沿兩個折疊部62t延伸)向后(如同向圖里面看)折疊復(fù)合板61 。 MEA
模塊的其它配置類似于第一實施方案的MEA模塊21的配置。
由于上述相同的原因，復(fù)合板61還提供與復(fù)合板1相同的效果和優(yōu)點。 此外，即使在增加引入到本發(fā)明復(fù)合板中的單元電池的數(shù)量，例如從2(如
同在復(fù)合板1中)到10 (如同在復(fù)合板61中)時，對制造工藝沒有明顯增加。
因此，能夠容易地制造小型且高性能的燃料電池。
實施例
(實施例1)
對于電池電極板6a 6d (第一導(dǎo)體5a)，使用涂有貴金屬納米膜(下文稱 為"M涂層，，)的0.1mm厚的Ti膜。對于網(wǎng)格板ma md (第二導(dǎo)體5b ),使 用80nm厚的Cu膜。利用這些材料(具有M涂層的Ti以及Cu)形成圖1中 所示的復(fù)合板，并利用此復(fù)合板1裝配了圖3構(gòu)造的燃料電池堆31。 (比較例1 )
為了評價第二導(dǎo)體的效率，作為比較例l，制備了沒有網(wǎng)格板的復(fù)合板， 由此該復(fù)合板僅由電池電極板和連接部(均由涂有貴金屬納米膜的O.lmm厚 的Ti膜形成)構(gòu)成。利用該比較例1的復(fù)合板裝配了圖3所示的燃料電池堆 31。
圖4是顯示沿著實施例1和比較例1的集電復(fù)合板的電流通路的電阻與對 該復(fù)合板的接觸壓力之間關(guān)系的圖。這里，針對其中僅插入擴(kuò)散層(圖2 (b) 中的24a和24c)替代MEA的樣品，通過四探針電阻法測量上述兩個終端上 的電阻。盡管實施例1和比較例1的電阻隨接觸電壓而變化，如圖4中所示， 它們在典型應(yīng)用的接觸電壓范圍10-20kg/cn^內(nèi)基本上都不變。如所顯示的， 實施例1的電阻比比較例l低約3.5倍。如果為了更準(zhǔn)確地評價從每個測量的電阻中減去擴(kuò)散層的電阻，實施例1的效果應(yīng)當(dāng)大于以上比較例所示的效果。
圖5是顯示利用實施例l和比較例1的集電復(fù)合板的燃料電池的輸出密度 和電流密度之間關(guān)系的圖。圖5顯示了實施例1的燃料電池31和比較例1的 燃料電池的發(fā)電特性。在室溫下利用可從日本戈爾特斯7>司(Japan Gore-Tex Inc.)獲得的MEA和20%的曱醇溶液進(jìn)行所述測試。如所顯示的，比較例1 燃料電池的輸出密度在大約0.15A/cn^的電流密度處達(dá)到大約0.035W/cm2的 最大值，然后降低。
相反，對于實施例1的燃料電池31，輸出密度在大約0.2A/cn^的電流密 度處達(dá)到大約0.04W/cn^的最大值，在一定范圍內(nèi)保持不變，然后略微降低。 實施例1的燃料電池31的輸出密度比比較例1的燃料電池的輸出密度大大約 15°/。。此結(jié)果與根據(jù)兩個實施例(實施例1和比較例1)的復(fù)合板之間的電阻 差的上述結(jié)果預(yù)料相一致。 (比較例2)
為了評估實施例1的復(fù)合板和燃料電池的耐久性，作為比較例2，制備了 僅由未經(jīng)表面處理的Cu層形成的集電復(fù)合板，以及利用該復(fù)合板制造的燃料 電池。對于兩個實施例(實施例1和比較例2),在室溫下利用20%的曱醇溶 液測量了輸出密度特性隨時間的變化。比較例2的燃料電池在幾小時內(nèi)顯示出 衰減。相反，在實施例1的燃料電池31中，甚至在幾百小時后沒有衰減。 (實施例2 )
利用與實施例1中所使用的相同條件制備圖6中所示的復(fù)合板61以及利 用此復(fù)合板61制造的燃料電池。獲得具有大約45mW/cn^輸出密度和22.5W 的總功率的DMFC。這證明了通過利用復(fù)合板61能夠制造小型且高功率的燃 料電池。
盡管為了完整和清楚地公開，已經(jīng)就具體實施方案描述了本發(fā)明，但是所 附權(quán)利要求不應(yīng)因此受限，而應(yīng)解釋為體現(xiàn)所屬領(lǐng)域技術(shù)人員可以想到的完全 落入本文闡述的基本教導(dǎo)范圍內(nèi)的所有改進(jìn)和替代構(gòu)造。
權(quán)利要求
1. 配置有單元電池的燃料電池用集電復(fù)合板，包括絕緣體層；以及復(fù)數(shù)對導(dǎo)體層，所述導(dǎo)體層與所述絕緣體層以相互間隔預(yù)定距離的方式結(jié)合，通過將電解質(zhì)組件夾在兩者之間，使每對被用于所述單元電池中的不同單元電池的相鄰布置的陽極和陰極，每個導(dǎo)體層包括由經(jīng)過導(dǎo)電表面處理處理過的耐蝕金屬構(gòu)成的第一導(dǎo)體層；層壓在第一導(dǎo)體層上由具有低電阻率的金屬構(gòu)成的第二導(dǎo)體層；穿過第一導(dǎo)體層和所述絕緣體層的通孔；以及用于連接所述單元電池的由所述第二導(dǎo)體層形成的連接部。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的集電復(fù)合板，其中用于所述單元電池中的第一單元電池的陽極電極的導(dǎo)體層通過所述連接 部被連接到用于所述單元電池中的相鄰第二單元電池的陰極電極的導(dǎo)體層。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的集電復(fù)合板，其中 所述第二導(dǎo)體層是以網(wǎng)格圖案形成的。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的集電復(fù)合板，其中 所述第二導(dǎo)體層由Cu、 Al、 Sn或它們中任一種的合金制成。
5. 利用根據(jù)權(quán)利要求1所述的集電復(fù)合板制造的燃料電池。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的燃料電池，其中所述復(fù)合板沿位于在導(dǎo)體層對之間延伸的絕緣體層上的折線部折疊，使得 安裝在相應(yīng)導(dǎo)體層對之一的每個電解質(zhì)組件面對另一對導(dǎo)體層，并配置單元電 池。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的燃料電池，其中沿所述折線部和沿復(fù)合板的外圍提供用于密封電解質(zhì)組件的密封劑。
8. 沖艮據(jù)權(quán)利要求5所述的燃料電池，其中所述燃料電池是直接甲醇燃料電池或聚合物電解質(zhì)燃料電池。
全文摘要
本發(fā)明提供一種配置有單元電池的燃料電池用集電復(fù)合板及其制造的燃料電池，該集電復(fù)合板包括絕緣體層；以及復(fù)數(shù)對導(dǎo)體層，所述導(dǎo)體層與絕緣體層結(jié)合以使其相互間隔預(yù)定的距離，通過將電解質(zhì)組件夾在兩者之間，使每對被用于所述單元電池中的不同單元電池的相鄰布置的陽極和陰極。并且每個導(dǎo)體層包括由經(jīng)過導(dǎo)電表面處理處理過的耐蝕金屬構(gòu)成的第一導(dǎo)體層；由具有低電阻率的金屬構(gòu)成的第二導(dǎo)體層；穿過第一導(dǎo)體層和絕緣體層的通孔；以及用于連接單元電池的由第二導(dǎo)體層形成的連接部。
文檔編號H01M8/02GK101442131SQ20081016610
公開日2009年5月27日 申請日期2008年10月6日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月4日
發(fā)明者中川和彥, 和島峰生, 清藤雅宏, 笹岡高明 申請人:日立電線株式會社