專利名稱：燃料電池的制作方法
技術領域：
本發明涉及燃料電池。
背景技術：
最近，為一些具體應用開發了不同類型的燃料電池，包括那些大容量的和小容量的，作為有助于節能的清潔能源產生裝置。特別是，利用它們具有高容量的能力，燃料電池預計可以作為用于移動裝置例如移動電話和筆記本電腦的電源銷售，替代鋰離子電池。移動裝置的電源需要具有良好的便攜性和運輸性。
一般地，燃料電池根據所用電極類型分成幾種類型。對于使用質子導電聚合物膜(例如，四氟乙烯磺酸(perfluoroethylene sulfonic acid)，DuPont的一個包括Nafion(R)的典型例子)作為電解質的燃料電池(PEFC)，工作溫度在從室溫附近到約100℃的范圍內。另一方面，對于使用氧化物離子導電固體電解質(例如，氧化鋯-，氧化鈰-或鎵酸鑭基陶瓷)作為電解質的燃料電池(SOFC)，工作溫度達到600℃高溫或更高。這些工作溫度是由燃料電池所用電解質的特性確定的。
當前，對于PEFC作為可便攜和運輸燃料電池已經進行了廣泛研究。PEFC的工作溫度接近室溫，因此可以不用加熱裝置。并且，除了諸如氫氣和天然氣的氣態燃料以外，可以使用諸如甲醇的液態燃料用于燃料電池(使用甲醇作為燃料的燃料電池可以特別地稱為DMFC)。液態燃料具有比氣態燃料更高的能量密度。因此，如果可以使用液態燃料，就可以提供具有改進便攜性和運輸性的燃料電池。
另一方面，SOFC的工作溫度高達600℃或更高，并且需要加熱裝置和絕熱結構，因此它們主要用于固定燃料電池，而不是可便攜的和運輸的燃料電池。因此，可以連續地供應的氣態燃料例如氫氣和天然氣主要設計為SOFC使用的燃料，并且這些燃料電池的結構和配置也設計為注意使用氣態燃料。
為了提供具有良好便攜性和運輸性的燃料電池，需要使燃料電池包括盡可能少的輔助設備，另外需要高效并表現出高的能量密度。但是，使用聚合物膜作為電解質的PEFC，由于其特性，需要對聚合物膜進行水管理。為達到此目的，需要提供，例如，加濕裝置對作為氧化劑的空氣加濕。當使用液態燃料時，可能出現燃料穿過聚合物膜的滲透(交叉)，導致燃料利用率下降。并且，由于這些燃料電池具有低的工作溫度，它們表現出較低的發電效率，并且與其它類型的燃料電池相比，具有較窄的燃料和催化劑選擇范圍。另外，當使用不是純氫的氣態燃料時，需要重整器，因此需要另外的能量對燃料重整。
發明內容
本發明的目的是提供一種具有良好便攜性和運輸性的燃料電池，其中可以使用比氣態燃料能量密度高的液態或固態燃料。
根據本發明的一種燃料電池包括電解質；設置成將電解質夾在中間的陽極和陰極；將燃料供應到陽極的燃料供應部分；將含氧的氧化劑供應到陰極的氧化劑供應部分；以及加熱燃料電池的電池加熱部分，其中電解質是由固體氧化物制成，并且燃料在室溫和常壓下是液體或固體。
圖1是顯示根據本發明燃料電池一個例子的示意圖。
圖2是顯示根據本發明燃料電池另一個例子的示意圖。
圖3是顯示根據本發明燃料電池中包括的電池加熱部分的一個例子的示意圖。
圖4是顯示根據本發明燃料電池中包括的電池加熱部分的另一個例子的示意圖。
圖5是顯示根據本發明燃料電池另一個例子的示意圖。
圖6是顯示根據本發明燃料電池再一個例子的示意圖。
圖7是顯示在一個實施例中測量的根據本發明燃料電池的發電特性一個例子的曲線圖。
圖8是顯示根據本發明燃料電池又一個例子的示意圖。
圖9是顯示在一個實施例中測量的根據本發明燃料電池的發電特性一個例子的曲線圖。
圖10是顯示在一個實施例中測量的根據本發明燃料電池的發電特性一個例子的曲線圖。
圖11是顯示根據本發明燃料電池另一個例子的示意圖。
圖12是顯示在一個實施例中測量的根據本發明燃料電池的發電特性一個例子的曲線圖。
圖13是顯示根據本發明燃料電池另一個例子的示意圖。
具體實施例方式
下面參考附圖描述本發明的實施例。在下面實施例的描述中應該注意的是，相同的參考標號可以應用于相同的部件，因此省略其重復說明。
圖1表示根據本發明燃料電池的一個例子。圖1所示的燃料電池具有電解質1，以及設置成將電解質1夾在中間的陽極2和陰極3。此外，它還具有石英管13，石英管13構成為陽極2供應燃料的燃料供應部分的一部分；以及石英管14，石英管14構成為陰極3供應含氧氧化劑的氧化劑供應部分的一部分。如圖1所示，燃料通過石英管13供應到陽極2，空氣作為氧化劑通過石英管14供應到陰極3。此外，圖1所示燃料電池包括加熱器17，作為電池加熱部分用于加熱燃料電池。電解質1是由固體氧化物制成，并且燃料在室溫和常壓下是液體或固體。應該注意的是，在本說明書中，“室溫”是指通常需要使用燃料電池的環境溫度，包括，例如，在從約-40℃到約50℃范圍內的溫度；“常壓”是指，例如，從約70kPa到120kPa范圍的壓力。
在圖1中，陽極2、陰極3和石英管13和14裝在氧化鋁管11內。氧化鋁管11也作為排出例如未反應燃料或氧化劑以及反應產生的水的排出管。氧化鋁管11設置在陽極2側和陰極3側，并通過玻璃封裝12與二者之間設置的電解質1結合。玻璃封裝12也用于從外側密封陽極2和陰極3。
通過按上述方式形成燃料電池，可以提供具有良好便攜性和運輸性并表現出優異發電效率的燃料電池，它可以使用液體或固體燃料，液體或固體燃料具有比氣態燃料高的能量效率。
應該注意的是，在圖1中為了清楚起見省略了一部分剖面線。其它附圖也有類似情況。
在本發明的燃料電池中，對電解質1沒有特殊限制，只要它是具有氧化物離子導電性或質子導電性的固體氧化物。具體地，優選具有質子導電性的固體氧化物。在這種情況下，工作溫度低于使用氧化物離子導電性固體氧化物情況下的工作溫度，從而可以提供具有更加良好便攜性和運輸性的燃料電池。應該注意的是，本說明書的“工作溫度”是指燃料電池連續發電的溫度。“工作溫度”中的“溫度”是指例如電解質的溫度。
對于電解質1的形狀沒有特別的限制。例如，它可以平面狀的或圓柱狀的。當電解質1的形狀是平面狀的，其垂直基面方向的厚度例如可以在10μm到500μm的范圍內。當厚度太小時，可能造成燃料或氧化劑從陽極到陰極(從陰極到陽極)的穿透泄露。當厚度太大時，另一方面，可能降低離子導電性，由此降低作為電池的性能。
在本發明的燃料電池中，電解質1可以含有鋇(Ba)以及從鈰(Ce)和鋯(Zr)中選出的至少一種。這樣電解質具有良好的質子導電性，從而可以提供具有很高發電效率的燃料電池。
在本發明的燃料電池中，電解質可以具有的成分比例按分子式表示為Ba(Zr1-xCex)1-yMyAlzO3-α，其中M是從In和三價稀土元素(不包括Ce)中選出的至少一種。即，M是從Gd、Y、Yb、Sm和In中選出的至少一種。并且，x，y，z和α是分別滿足以下關系的數值0≤x≤1，0＜y＜0.4，0≤z≤0.04以及0＜α＜1.5。這種電解質具有良好的質子導電性，從而可以提供表現出更高發電效率的燃料電池。應該注意的是，α是表示電解質中氧損失程度的數值，并且它也應用于下面說明的電解質。
具體是，優選的，上述M是從In、Gd、Y和Yb中選出的至少一種。更具體地，電解質可以具有從下面分子式選出的至少一種代表的成分比例例如BaCe0.8Gd0.2Al0.02O3-α、BaZr0.6Ce0.2Gd0.2O3-α和BaZr0.4Ce0.4In0.2O3-α。這種電解質具有良好的質子導電性，從而它可以提供表現出更高發電效率的燃料電池。
除此之外，可以使用例如La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.15Co0.05O3-α、La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.15Fe0.05O3-α或La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3-α作為電解質1。
在本發明的燃料電池中，只要使供應的燃料可被氧化，例如對陽極2的形狀或成分沒有特別的限制。例如，陽極包括含有從Pt、Ni、Ru、Ir和Pd中選出的至少一種的催化劑(陽極催化劑)是足夠的。特別是，當使用含Pt的催化劑時，可以得到高效率的燃料電池。
在本發明的燃料電池中，只要能還原氧，例如，對陰極3的形狀或成分沒有特別的限制。例如，陰極包括含有Pt作為組份的催化劑(陰極催化劑)是足夠的。
這里將解釋形成陽極2和陰極3的一種典型方法。，例如可以通過在電解質1的一個基面上涂敷含有上述陽極催化劑的涂料、以及在另一個基面上涂敷含有上述陰極催化劑的涂料形成陽極2和陰極3。涂敷之后，將每個催化劑干燥或烘烤，從而得到一個疊層結構，其中陽極2和陰極3分別形成在電解質的兩個基面上。利用這種方法，陽極2和陰極3的形狀可以由電解質的形狀確定。
由此形成的疊層結構還夾在一對隔板之間，隔板同時起到燃料或氧化劑通道以及集電器的作用，從而形成其中隔板、陽極、電解質、陰極和隔板按此順序層疊的燃料電池(這種狀態一般稱為“單電池”)。此時，當電解質和隔板是平面狀的，則得到平面狀的燃料電池。此外，多個上述單電池可以堆在一起形成一個電池堆。由于單電池彼此串聯電氣連接，因此通過增加堆積的單電池數量，燃料電池的總輸出電壓增大。另外，可以使用例如諸如不銹鋼的金屬或者碳制成的平板作為隔板。并且，上面形成陽極和陰極的電解質可以夾在一對隔板之間，使得陽極或陰極與隔板上形成燃料或氧化劑通道的表面接觸。圖2表示包括這種隔板的平面狀燃料電池的一個例子。
在圖2所示的燃料電池中，由陽極、電解質和陰極構成的疊層結構4保持在由陶瓷制成的基體5上。四片疊層結構4保持在基體5上，每個疊層結構4的部分陽極和陰極從基體5中形成的孔中露到外部。燃料和氧化劑供應到這些暴露的部分。另外，基體5和疊層結構4被一對隔板18夾在中間，隔板18同時起到燃料或氧化劑通道以及集電器的作用。燃料供應管20和陽極排出管22、或者氧化劑供應管21和陰極排出管23，連接到隔板18上。隔板18還夾在薄膜加熱器19之間，整個電池可以由加熱器19加熱。并且，整個燃料電池由絕熱材料24覆蓋。
另外，燃料電池的構成也可以將上述形成的疊層放入外殼中，外殼中形成陽極室和陰極室，從而陽極面對陽極室，陰極面對陰極室(即，陽極室和陰極室由疊層結構彼此分隔)。在這種情況下，燃料可以供應到陽極室，氧化劑可以供應到陰極室。另外，例如，對形成陽極室和陰極室的材料、以及陽極室和陰極室的容量或形狀沒有特別限制。并且，燃料電池的構成可以通過將上述形成的疊層結構放入外殼中，使得外殼內部被分成至少兩個區。在這種情況下，燃料可以供應到疊層結構陽極面對的區域，氧化劑可以供應到疊層結構陰極面對的區域。另外，例如，對外殼的材料以及每個區域的容量或形狀沒有特別限制。
在本發明的燃料電池中，只要燃料可以供應到陽極，例如，對于燃料供應部分的結構或機構沒有特別限制。例如，燃料供應部分可以設計成使用存儲燃料的罐或筒、或者將燃料供應到陽極的泵或燃料供應管。另外，由于根據本發明的燃料電池使用室溫和常壓下是液體或固體的燃料，則罐、泵或類似物的尺寸和重量可以做得小于那些使用例如高壓氣體或液氫的燃料電池。因此，可以提供具有良好便攜性和運輸性的燃料電池。
只要可以將氧化劑供應到陰極，例如，對氧化劑供應部分的結構或機構沒有特別限制。例如，氧化劑供應部分可以設計成使用存儲氧化劑的罐或筒、或者將氧化劑供應到陰極的泵、壓縮機或氧化劑供應管。只要含有氧，就對氧化劑沒有特別限制，例如可以使用空氣。當使用空氣作為氧化劑時，可以省略存儲氧化劑的罐或類似物。并且，當氧化劑在大氣壓下使用時，可以省略泵、壓縮機或類似物。
只要能加熱電池，例如，對電池加熱部分的結構和機構沒有特別限制。例如，電池加熱部分可以設計成使用加熱器。特別是，使用圖2所示薄膜加熱器19使加熱器具有小的容量并且布置更加自由，從而為燃料電池提供更加良好的便攜性和運輸性。加熱器的形狀容易改變，以適應設置加熱器部分的形狀。對薄膜加熱器19的形狀沒有特別限制。例如，如圖3所示，可以使用加熱器19，其中當電流經過時發熱的加熱元件31設置在具有導熱性的薄膜結構33中。例如，電流可以通過端子32供應到加熱元件31。能形成薄膜并具有一定程度導熱性的任何材料都可以用作結構33的材料，而沒有任何特別限制。例如，可以使用云母或陶瓷(例如，二氧化硅或氧化鋁)。對于加熱元件31所用的材料沒有特別限制，例如，可以使用不銹鋼、鎳鉻合金或鉑。應該注意到，圖3表示薄膜加熱器19的最簡單結構的一個例子。在需要時，可以包括性能不同的多個加熱元件31。并且，可以使用加熱器19，其中與需要加熱的部件接觸的表面由具有導熱性的結構33構成，絕熱材料設置在相對表面上。
不管燃料電池是平面狀還是圓柱狀，可以使用圖3所示的薄膜加熱器19。當燃料電池是圓柱狀的，電池加熱部分的結構可以是其中加熱元件31簡單地纏繞在圓柱電極板上。圖4表示這種電池加熱部分的一個例子。在圖4所示例子中，作為電池加熱部分，加熱元件31纏繞在圓柱陽極2(其中設置有電解質和陰極)上。當加熱元件31通過電流時電池被加熱。這樣，在本發明的燃料電池中，例如，電池加熱部分的結構或形狀可以自由設置。
電池加熱部分根據需要可以加熱電池任何部分。例如，它可以加熱隔板，如上所述，或者可以加熱電極，如陽極和陰極。還可以加熱燃料供應部分或氧化劑供應部分。它可以加熱燃料本身。當燃料是固體燃料時，優選的是加熱燃料本身。加熱燃料本身的一個例子將隨后在實施例中說明。
在本發明的燃料電池中，電池加熱部分可以包括使燃料與氧化劑反應的催化劑。在這種情況下，可以通過將部分燃料和氧化劑供應到催化劑而加熱電池，從而可以提供效率比電池加熱部分包括加熱器(在使用加熱器的情況下，對加熱器的功率有要求)時更高的燃料電池。圖5表示這種燃料電池的一個例子。
在圖5所示燃料電池中，催化劑層30設置成與隔板18接觸。每個催化劑層30設置在一塊隔板18上，處在與朝向陽極2或陰極3的表面相反的表面上。并且，燃料電池的結構使未在陽極2反應而排出的未反應燃料以及未在陰極3反應而排出的未反應氧化劑的氣體混合物(在圖5中的燃料-空氣氣體混合物)供應到催化劑層30。因此，在圖5所示的燃料電池中，可以將從構成燃料供應部分的一部分的罐42供應的燃料的未用燃料、以及從構成氧化劑供應部分的一部分的壓縮機27供應的空氣的未用空氣在它們從隔板18排出后混合在一起，并且利用催化劑層30使它們反應。可以利用反應產生的熱增大或維持電池溫度。此外，催化劑層30產生的熱量可以通過調節燃料和氧化劑的流速控制。
對于使燃料與氧化劑反應的催化劑沒有特別限制，例如，可以使用Pt、Pd、Rh或Ru。催化劑可以施加到電池的隔板上，例如以膏的形式。另外，可以形成充滿催化劑的室，并且該室設置成與電池接觸。
對于將燃料和氧化劑供應到催化劑的方法沒有特別限制。例如，在燃料和氧化劑供應到陽極和陰極之前，部分燃料和氧化劑可以分開供應到催化劑。在這種情況下，通過在分支點設置一個閥門，可以僅僅在需要時將燃料和氧化劑供應到催化劑。
此外，如圖5所示，從陽極和陰極排出的未用燃料和氧化劑可以供應到催化劑。在燃料電池中，供應到陽極和陰極的所有燃料和氧化劑不能總是在陽極和陰極消耗(實際消耗量與供應量之比稱為“利用率”)。一般地，剛啟動后，電池溫度低，利用率低，造成大量未用的燃料和氧化劑。此外，由于電池溫度低，在剛啟動后比任何其它時間更需要加熱電池。因此，通過將未用燃料和氧化劑供應到催化劑，可以提供效率很高的燃料電池。
對催化劑層30設置的位置沒有特別限制。在圖5所示例子中，催化劑層30設置成與隔板18接觸。但是，催化劑層30可以設置在任何給定位置，只要催化劑層30產生的熱量能傳導到所需加熱的部件。在需要時，可選的材料可以置于催化劑層30與所需加熱部件之間。此外，對于上述催化劑的形狀沒有特別限制，催化劑可以形成圖5所示的層，或者是塊或多孔結構。另外，上述所需的催化劑可以附加在并承載在諸如過濾器的多孔產品表面。應該注意的是，雖然圖5表示一個平面狀燃料電池的例子，但通過將催化劑層30按類似方式置于圓柱狀燃料電池中，可以提供效率甚至更高的燃料電池。例如，催化劑層30可以按圖6所示設置。圖6表示所謂圓柱塔曼管式燃料電池的一個例子，其中催化劑層30置于排出管內壁表面上，排出管同時起到陽極排出管和陰極排出管的作用。
根據本發明的燃料電池還可以包括收集部分(陰極收集部分)，用于從陰極排出物中收集排出物中所含氧化劑和水中選出的至少一種。通過收集水，可以從燃料電池中獲得水，也可以重新利用收集的水作為燃料。例如，對陰極收集部分的機構或結構沒有特別限制。例如，在陰極排出物溫度為100℃或更低狀態下，可以利用氣-液分離裝置收集液體形態的氧化劑和/或水。這種燃料電池的一個具體例子將隨后在實施例中說明。
并且，根據本發明的燃料電池可以包括收集部分(陽極收集部分)，用于從陽極排出物中收集排出物中所含燃料、二氧化碳和水中選出的至少一種。通過收集燃料，可以重新利用未用燃料，從而提供具有甚至更好便攜性和運輸性的燃料電池。通過收集水，可以從燃料電池中獲得水，也可以重新利用收集的水作為燃料。此外，通過收集二氧化碳，可以在封閉空間中使用電池。通過此時從燃料中將二氧化碳收集出來，可以防止對發電沒有貢獻的氣體混入將被重復利用的燃料中。例如，對于陽極收集部分的機構或結構沒有特別限制。例如，可以利用氣-液分離裝置收集作為氣體的二氧化碳。
換言之，在根據本發明的燃料電池中，燃料供應部分還可以包括燃料循環部分，它將陽極排出物中所含的未用燃料重新供應到陽極。此外，燃料循環部分可以包括二氧化碳收集部分，它用于收集陽極排出物中所含的二氧化碳。例如，對于二氧化碳收集部分的機構和結構沒有特別限制。例如，可以使用上述的氣-液分離裝置，或者充滿諸如氫氧化鈉的基本固體的室。并且，例如，對燃料循環部分的機構或結構沒有特別限制。這種燃料電池的一個具體例子將隨后在實施例中說明。
在本發明的燃料電池中，對燃料沒有特別限制，只要在室溫和常壓下是液體或固體。如上所述，“室溫”是指，例如，在約-40℃到約50℃范圍內的溫度，優選地在-20℃到40℃的范圍內。“常壓”是指，例如，壓力在約70kPa到約120kPa的范圍內。在上述范圍的溫度對應于人類可以進行活動(即，本發明燃料電池一般被使用)的環境溫度。燃料不需要在所有上述范圍內是液體或固體。在上述范圍的一些范圍內可以是液體或固體。可以是液體和固體的混合狀態。例如，丁烷的沸點為-0.5℃，在20℃和1大氣壓的壓力下是氣體。但是，它在-0.5℃或低于此溫度轉變成液體，并且甚至在20℃下施加小的壓力即可液化。因此，它可作為燃料用于本發明的燃料電池。另外，以小的和輕的便攜罐裝氣體形式，市場上可以大量購得丁烷。
更具體地，燃料可以是，例如，有機燃料和水的混合物。對于有機燃料沒有特別限制，只要它可以與水混合。例如，燃料可以是從甲醇、乙醇、丙醇、丁醇和二甲醚中選出的至少一種。這些低的醇類可以容易地與水按照任何給定的比例混合。特別是，優選地使用從乙醇、丙醇、丁醇和二甲醚中選出的至少一種。這些有機燃料不像甲醇，沒有毒性，因此可以為燃料電池提供較高的安全程度。
在本發明的燃料電池中，燃料可以是從甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、三氧雜環己烷、二甲氧基甲烷、二甲醚、丁烷和三甲氧基甲烷中選出的至少一種。特別是，優選地使用從乙醇、丙醇、丁醇、丁烷和和二甲醚中選出的至少一種。這些燃料不像甲醇，沒有毒性，因此可以為燃料電池提供較高的安全程度。
在本發明的燃料電池中，燃料可以在室溫和常壓下是固體。例如，它可以是具有約12到約26個碳原子的較高脂族醇。更具體地，燃料可以是從十二烷醇和1-十四醇中選出的至少一種。應該注意的是，十二烷醇和1-十四醇不像甲醇，沒有毒性。
并且，燃料可以是，例如，汽油、煤油、輕油和重油。這些中的每種可以是市場上可購得的燃料，如汽油、煤油、輕油和重油。雖然市場上購得的汽油含有各種添加劑，但“汽油”一般是指當由原油提煉時，具有從約30℃到約220℃的最低氣化部分并且含有碳原子數約4到12的碳氫化合物的燃料。例如，這對應于JIS(日本工業標準)-K-2201、JIS-K-2203、JIS-K-2206中定義的燃料。“煤油”一般是指沸點在約145℃到300℃范圍內的部分構成的燃料。例如，它對應于JIS-K-2203中定義的燃料。“輕油”一般是指沸點在約180℃到350℃范圍內的部分構成的燃料。例如，它對應于JIS-K-2204中定義的燃料。“重油”作為一種成份包含從原油中精煉例如汽油、煤油和輕油后殘余油的燃料，它對應于JIS-K-2205中定義的燃料。
另外，燃料可以是含有乙醇的凝膠。特殊的例子包括固體燃料，它是由乙醇和醋酸鈣飽和溶液混合形成的凝膠。
在上述本發明燃料電池中，工作溫度可以是例如在100℃到500℃范圍內，更優選的在從150℃到350℃的范圍內。這些范圍比PEFC的工作溫度范圍高，因此可以提供比PEFC發電效率高的燃料電池。此外，這些范圍低于SOFC的工作溫度，因此與SOFC相比，可以提供一種簡化加熱裝置和絕熱裝置的燃料電池，并具有良好的便攜性和運輸性，而這是SOFC難以達到的。
實施例下面通過實施例更加詳細地說明本發明。應該注意的是，本發明并不限于以下的實施例。
實施例1在此實施例中，實際做出燃料電池，并使用甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、混有水的甲醇(含水量50％)作為燃料進行發電試驗，這些燃料在室溫和常壓下是液體，還使用丁烷進行試驗。首先說明在此實施例中使用的制造燃料電池的方法。
首先，制造具有質子導電性的氧化物(形狀是直徑13mm、厚220μm的圓盤)作為電解質。更具體地，通過高溫固相工藝制成上述氧化物的圓柱燒結產品(直徑13mm，厚10mm)，然后切割并拋光，從而制成厚度220μm的電解質。另外，電解質(氧化物)的成份為BaZr0.4Ce0.4In0.2O3-α(其中0＜α＜0.3)。
接著，將作為催化劑的鉑膏(由Tanaka Kikinzoku Group制造，型號是TR7905)施加在上述制作的圓盤電解質的兩側，并烘烤以形成陽極和陰極。每個陽極和陰極的厚度約5μm。
接著，將上述形成的陽極、電解質和陰極的層疊結構制成圖1所示的燃料電池。如上所述，在圖1所示的燃料電池中，陽極2和陰極3形成在電解質1的兩側，電解質1通過玻璃封裝12夾在氧化鋁管11之間。燃料通過石英管13供應到陽極2，作為氧化劑的空氣通過石英管14供應到陰極3。石英管13和石英管14分別構成燃料供應部分和氧化劑供應部分的一部分。并且，將輸出引線15和電位測量引線16結合在陽極2和陰極3的每個上，從而在將發電產生的電力輸出到外部的同時，可以測量陽極2和陰極3之間產生的電壓(電池電壓)。在圖1所示的燃料電池中，作為電池加熱部分，加熱器17設置成覆蓋氧化鋁管11。氧化鋁管11是上述外殼的一種類型。
發電試驗是在上述制作的燃料電池上進行的。試驗方法將在下面說明。首先，用加熱器17將氧化鋁管11內部加熱到350℃。此時，電解質1、陽極2和陰極3的溫度設定為350℃(這種狀態稱為電池溫度為350℃)。接著，通過石英管13和石英管14供應燃料和空氣，并測量作為負載的電流密度與電池電壓之間的關系(I-V特性)。I-V特性結果表示在圖7中。
如圖7所示，可以發現，在使用甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、混有水的甲醇、丁烷作為燃料的每種情況下，都可以發電。此外，當電池溫度為100℃、150℃或200℃時，可以得到與圖7基本相同的結果。
并且，當使用具有質子導電性的其它氧化物，例如，BaZr0.6Ce0.2Gd0.2O3-α、BaZr0.4Ce0.4Y0.2O3-α、BaZr0.4Ce0.4Yb0.2O3-α、BaCe0.8Gd0.2O3-α、BaCe0.8Gd0.2Al0.02O3-α、BaZr0.4Ce0.4In0.2Al0.02O3-α、BaZr0.6Ce0.2Gd0.2Al0.02O3-α、BaZr0.52Ce0.24Gd0.24O3-α、BaZr0.56Ce0.24Gd0.2O3-α、BaZr0.3Ce0.5In0.2O3-α(但是，在所述上述成分分子式中，0＜α＜0.3)作為氧化物用于電解質時，也可以得到相同結果。
另外，當使用含有Ru或Rh的催化劑作為催化劑用于陽極和陰極時，并且當電解質的厚度在10μm到500μm范圍內時，也可以得到相同結果。
實施例2在此實施例中，實際做出燃料電池，并使用混有水的甲醇(含水量50％)作為燃料進行發電試驗。首先說明在此實施例中使用的制造燃料電池的方法。
首先，制造具有質子導電性的氧化物(形狀是直徑13mm、厚220μm的圓盤)作為電解質。更具體地，通過高溫固相工藝制成上述氧化物的圓柱燒結產品(直徑13mm，厚10mm)，然后切割并拋光，從而制成厚度220μm的電解質。另外，電解質(氧化物)的成份BaCe0.8Gd0.2Al0.02O3-α(其中0＜α＜0.3)。
接著，將作為催化劑的鉑膏(由Tanaka Kikinzoku Group制造，型號是TR7905)施加在上述制作的圓盤電解質的兩側，并烘烤以形成陽極和陰極。每個陽極和陰極的厚度約2μm。
接著，將上述形成的陽極、電解質和陰極的疊層結構制成圖2所示的燃料電池。如上所述，在圖2所示的燃料電池中，由陽極、電解質和陰極形成的疊層結構4保持在陶瓷制成的基體5上。四片疊層結構4保持在基體5上，每個疊層結構4的部分陽極和陰極從基體5中形成的孔中露到外部。由于燃料和氧化劑供應到這些暴露的部分，因此圖2所示燃料電池的電極面積等于暴露部分的總面積。在此實施例中，總電極面積是2cm2。
并且，在圖2所示燃料電池中，基體5和疊層結構4被一對隔板18夾在中間，隔板18同時起到燃料或氧化劑通道以及集電器的作用。燃料供應管20和陽極排出管22、或者氧化劑供應管21和陰極排出管23連接到隔板18上。隔板18還夾在薄膜加熱器19之間，整個電池可以由加熱器19加熱。并且，圖2所示的整個燃料電池由絕熱材料24覆蓋，絕熱材料24是含二氧化硅的材料制成。另外，可以使用不銹鋼作為隔板18的材料。
圖8表示圖2所示整個燃料電池的示意圖。如圖8所示，圖2所示燃料電池具有二級電池作為輔助電源29，可以在電池啟動時由輔助電源29向加熱器19供電。因此，可以使用輔助電源29的電力將由陽極2、電解質1和陰極3構成的疊層結構4加熱到預定溫度，然后供應燃料以及作為氧化劑的空氣發電。當開始發電后，一旦電池溫度由發電產生的熱量維持，則中止從輔助電源29向加熱器19供電，相反輔助電源29可以由產生的電力充電。
此外，圖2所示燃料電池具有罐26和泵25(輸出為0.15mW)作為燃料供應部分，如圖8所示。罐26還連接到陽極排出管22，并且還作為陽極收集部分和燃料循環部分。此外，罐26包括氣-液分離裝置，從而僅僅將陽極排出物中包含的二氧化碳排到外部。另外，使用壓電泵作為泵25。
類似地，圖2所示的燃料電池具有壓縮機27作為氧化劑供應部分，罐28作為陰極收集部分。罐28包括氣-液分離裝置，并且僅將陰極排出物中所含的空氣排放到外部。
發電試驗是在上述制作的燃料電池上進行的，使用混有水的甲醇(含水量50wt％)作為燃料。此時，電池溫度設定為350℃，并評價負載電流和電池電壓之間的關系(圖9的I-V特性)以及負載電流和輸出之間的關系(圖9中的輸出特性)。結果表示在圖9中。在圖9中，水平軸表示負載電流(mA)。
如圖9所示，在此實施例中，可以得到1mW的最大輸出。此時，當減去諸如泵、加熱器和壓縮機的輔助機械消耗的功率，仍可得到約0.15mW的輸出。即，可以發現，此實施例的燃料電池能獨立發電，為輔助機械供電。因此，可以說，此實施例的燃料電池是具有良好便攜性和運輸性的燃料電池。
另外，當使用實施例1所述電解質作為電解質時，也可以得到基本相同結果。并且，使用含Ru或Rh的催化劑作為用于陽極和陰極的催化劑，以及當電解質的厚度在10μm到500μm時，也可得到基本相同結果。此外，甚至當使用較低電阻的材料作為隔板材料時，可以進一步提高輸出。
實施例3在此實施例中，制造對圖2所示燃料電池的結構進行部分修改的燃料電池，并且進行發電試驗。
首先，制造具有質子導電性的氧化物(形狀是直徑13mm、厚220μm的圓盤)作為電解質。更具體地，通過高溫固相工藝制成上述氧化物的圓柱燒結產品(直徑13mm，厚10mm)，然后切割并拋光，從而制成厚度220μm的電解質。另外，電解質(氧化物)的成份BaZr0.6Ce0.2Gd0.2O3-α(其中0＜α＜0.3)。
接著，將作為催化劑的鉑膏(由Tanaka Kikinzoku Group制造，型號是TR7905)施加在上述制作的圓盤電解質的兩側，并烘烤以形成陽極和陰極。每個陽極和陰極的厚度約3μm。
接著，將上述形成的陽極、電解質和陰極的疊層結構制成圖2所示的燃料電池。但是，在此實施例中，設置含Pt的催化劑層代替加熱器19，作為催化劑使燃料與氧化劑反應。并且，使用碳作為隔板18的材料。圖5表示此實施例中使用的整個燃料電池的示意圖(其它結構、電極面積以及其它的與實施例2相同)。
如上所述，在此實施例的燃料電池中，催化劑層30設置成與隔板18接觸。在這種燃料電池中，可以將構成燃料供應部分的罐42供應的燃料的未用燃料與構成氧化劑供應部分的壓縮機27供應的空氣的未用空氣在它們從隔板18排出后混合，并使用催化劑層30使它們反應。反應釋放的熱量用于增大或維持電池溫度。此外，催化劑層30中產生的熱量可以通過調節燃料和氧化劑的流動速率進行控制。另外，催化劑層30的面積設置成與隔板18的面積相同，并且催化劑層30的厚度設定為5μm。
發電試驗是在上述制作的燃料電池上進行的，使用丁烷作為燃料。首先，將丁烷和空氣供應到催化劑層30并在催化劑層30燃燒，以將電池溫度設定為350℃。接著，調節丁烷和空氣的流動速率，并且進行發電試驗。結果如圖10所示。
如圖10所示，在此實施例中，可以得到0.35mW的最大輸出。此時，當減去諸如泵的輔助機械消耗的功率，仍可得到約0.2mW的輸出。即，可以發現，此實施例的燃料電池能獨立發電，為輔助機械供電。因此，可以說，此實施例的燃料電池是具有良好便攜性和運輸性的燃料電池。
另外，當使用實施例1所述電解質作為電解質時，也可以得到基本相同結果。并且，使用含Ru或Rh的催化劑作為用于陽極和陰極的催化劑，以及當電解質的厚度在10μm到500μm時，也可得到基本相同結果。
實施例4在此實施例中，制造對圖1所示燃料電池的結構進行部分修改的燃料電池，并且進行發電試驗。并且，使用在室溫和常壓下是固體的燃料(含醇凝膠、十二烷醇和1-十四醇)作為燃料。
首先，制造具有質子導電性的氧化物(形狀是直徑13mm、厚220μm的圓盤)作為電解質。更具體地，通過高溫固相工藝制成上述氧化物的圓柱燒結產品(直徑13mm，厚10mm)，然后切割并拋光，從而制成厚度220μm的電解質。另外，電解質(氧化物)的成份BaZr0.4Ce0.4In0.2Al0.01O3-α(其中0＜α＜0.3)。
接著，將作為催化劑的鉑膏(由Tanaka Kikinzoku Group制造，型號是TR7905)施加在上述制作的圓盤電解質的兩側，并烘烤以形成陽極和陰極。每個陽極和陰極的厚度約8μm。
接著，將上述形成的陽極、電解質和陰極的疊層結構制成圖11所示的燃料電池。除了固體燃料密封在其中的罐41嵌在加熱器17中，圖11所示的燃料電池與圖1所示的燃料電池相同。由于罐41嵌在加熱器17中，圖11所示的燃料電池是能用電池加熱部分加熱燃料的燃料電池。發電試驗是在上述制作的燃料電池上進行的，將電池溫度設定為350℃。應該注意的是，用作燃料的含醇凝膠是固體凝膠，它是通過將乙醇與醋酸鈣飽和溶液混合形成的凝膠。發電試驗的結果如圖12所示。
如圖12所示，在使用室溫和常壓下是固體的十二烷醇、1-十四醇和含醇凝膠為燃料的情況下也可以充分發電。
另外，當使用實施例1所述電解質作為電解質時，也可以得到基本相同結果。并且，使用含Ru或Rh的催化劑作為用于陽極和陰極的催化劑，以及當電解質的厚度在10μm到500μm時，也可得到基本相同結果。
實施例5在此實施例中，所述的一個例子是實際生產的一種燃料電池的原型，它用作個人電腦(PC)、移動電話以及類似裝置的電源。圖13表示此實施例中設計的燃料電池51。圖13所示的燃料電池51包括電池52；燃料罐57；將燃料從燃料罐57供應到電池52的泵54；陽極收集部分53；向電池52供應空氣的壓縮機55；以及陰極收集部分56。，如圖5所示的電解質1、陽極2、陰極3、隔板18和催化劑層30的疊層結構用作電池52。另外，燃料電池51的尺寸是30mm×30mm×20mm，電池52的電極面積是3cm2。
可以發現，在使用上述實施例1到4所述氧化物作為電解質、上述實施例1到4所述催化劑作為陽極和陰極、并且使用上述實施例1到4的燃料作為燃料用作如此制作的燃料電池的燃料的情況下，可以提供具有更高能量轉化效率的燃料電池，實際容量比包括輔助機械的具有相同尺寸的PEFC大約1.2倍。容量是從得到的I-V曲線(電流-電壓特性曲線)計算的。
在不偏離本發明精神或本質特征的情況下，本發明可以按其它形式實施。本發明申請給出的實施例在所有方面都被認為是說明性的和非限制性的。本發明的范圍由權利要求而不是上述說明限定，與權利要求等同的含義和范圍內的所有變化包括在本發明中。
工業適用性如上所述，根據本發明，可以提供一種具有良好便攜性和運輸性并表現出優異發電效率的燃料電池，可以為其使用比氣態燃料具有更高能量密度的液體或固體燃料。
權利要求
1.一種燃料電池，包括電解質；設置成將電解質夾在中間的陽極和陰極；將燃料供應到陽極的燃料供應部分；將含氧的氧化劑供應到陰極的氧化劑供應部分；以及加熱燃料電池的電池加熱部分；其中，電解質是由固體氧化物制成；以及燃料在室溫和常壓下是液體或固體。
2.如權利要求1所述的燃料電池，其特征在于，還包括收集部分，用于從陰極排出物中收集排出物中所含的氧化劑和水中選擇的至少一種。
3.如權利要求1所述的燃料電池，其特征在于，還包括收集部分，用于從陽極排出物中收集排出物中所含的燃料、二氧化碳和水中選擇的至少一種。
4.如權利要求1所述的燃料電池，其特征在于燃料供應部分包括將陽極排出物中所含的未用燃料重新供應到陽極的燃料循環部分。
5.如權利要求4所述的燃料電池，其特征在于燃料循環部分還包括收集排出物中所含二氧化碳的二氧化碳收集部分。
6.如權利要求1所述的燃料電池，其特征在于電池加熱部分包括使燃料與氧化劑反應的催化劑。
7.如權利要求6所述的燃料電池，其特征在于燃料和氧化劑分別含有從陽極和陰極排出的未用燃料和氧化劑。
8.如權利要求1所述的燃料電池，其特征在于電解質由具有質子導電性的氧化物制成。
9.如權利要求8所述的燃料電池，其特征在于電解質含有鋇(Ba)以及從鈰(Ce)和鋯(Zr)中選擇的至少一種。
10.如權利要求9所述的燃料電池，其特征在于電解質具有如下分子式表示的成分比例Ba(Zr1-xCex)1-yMyAlzO3-α；其中，M是從In以及除Ce之外的三價稀土元素中選擇的至少一種；以及x，y，z和α是分別滿足如下關系的數值0≤x≤10＜y＜0.40≤z＜0.040＜α＜1.5。
11.如權利要求10所述的燃料電池，其特征在于M是從In、Gd、Y和Yb中選擇的至少一種。
12.如權利要求11所述的燃料電池，其特征在于電解質是具有從以下分子式中選擇的至少一種表示的成分BaCe0.8Gd0.2Al0.02O3-α、BaZr0.6Ce0.2Gd0.2O3-α和BaZr0.4Ce0.4In0.2O3-α。
13.如權利要求1所述的燃料電池，其特征在于燃料是有機燃料和水的混合物。
14.如權利要求13所述的燃料電池，其特征在于有機燃料是從甲醇、乙醇、丙醇、丁醇和二甲醚中選擇的至少一種。
15.如權利要求14所述的燃料電池，其特征在于有機燃料是從乙醇、丙醇、丁醇和二甲醚中選擇的至少一種。
16.如權利要求1所述的燃料電池，其特征在于燃料是從甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、三氧雜環己烷、二甲氧基甲烷、三甲氧基甲烷、十二烷醇、二甲醚、丁烷和1-十四醇中選出的至少一種。
17.如權利要求16所述的燃料電池，其特征在于燃料至少是從乙醇、丙醇、丁醇、十二烷醇、二甲醚、丁烷和1-十四醇中選出的至少一種。
18.如權利要求1所述的燃料電池，其特征在于燃料是具有至少12個和至多26個碳原子的較高脂族醇。
19.如權利要求1所述的燃料電池，其特征在于燃料是從汽油、煤油、輕油和重油中選擇的至少一種。
20.如權利要求1所述的燃料電池，其特征在于燃料是含醇凝膠。
21.如權利要求1所述的燃料電池，其特征在于工作溫度在從100℃到500℃的范圍內。
全文摘要
本發明提供一種具有良好便攜性和運輸性并表現出優異發電效率的燃料電池，它可以使用能量密度高于氣態燃料的液體或固體燃料。燃料電池包括電解質(1)、陽極(2)和陰極(3)，陽極(2)和陰極(3)的布置是將電解質(1)夾在中間，并且還包括將燃料供應到陽極(2)的燃料供應部分，將含氧的氧化劑供應到陰極(3)的氧化劑供應部分，以及加熱燃料電池的電池加熱部分，并且電解質(1)由固體氧化物制成，燃料在室溫和常壓下是液體或固體。
文檔編號H01M8/04GK1809938SQ20048000716
公開日2006年7月26日 申請日期2004年3月15日 優先權日2003年3月17日
發明者谷口升 申請人:松下電器產業株式會社