包括作为阳极的氢可渗透膜的燃料电池.pdf

一种燃料电池，包括氢可渗透膜、电解质层、阴极和氢不可渗透层。电解质层形成在氢可渗透膜上并且具有质子导电性。阴极布置在电解质层上。氢不可渗透层覆盖氢可渗透膜的侧壁。一种制造燃料电池的方法，包括在氢可渗透膜上形成具有质子导电性的电解质层、在形成电解质层之后利用电镀处理在氢可渗透膜的侧壁上形成氢不可渗透层、和在电解质层上形成阴极。

1.  一种燃料电池，包括：
氢可渗透膜；
形成在所述氢可渗透膜上并且具有质子导电性的电解质层；
布置在所述电解质层上的阴极；和
覆盖所述氢可渗透膜的侧壁的氢不可渗透层。

2.  根据权利要求1所述的燃料电池，其中所述氢不可渗透层是所述电解质层。

3.  根据权利要求1所述的燃料电池，其中所述氢可渗透膜的所述侧壁是面向形成有所述电解质层的所述氢可渗透膜的上表面侧的斜面。

4.  根据权利要求1所述的燃料电池，其中所述氢不可渗透层是电镀层。

5.  一种燃料电池，包括：
氢可渗透膜；
形成在所述氢可渗透膜上并且具有质子导电性的电解质层；
布置在所述电解质层上的阴极；
气体通道，在所述气体通道中含氢的燃料气体流动与所述氢可渗透膜接触；和
氢不可渗透层，所述氢不可渗透层覆盖所述氢可渗透膜的不接触所述燃料气体的面。

6.  一种制造燃料电池的方法，包括：
在氢可渗透膜上形成电解质层，所述电解质层具有质子导电性；
在形成所述电解质层之后，利用电镀处理在所述氢可渗透膜的侧壁上形成氢不可渗透层；和
在所述电解质层上形成阴极。

7.  一种制造燃料电池的方法，包括：
除去氢可渗透膜的上表面的外周边缘；
在除去所述外周边缘之后，在所述氢可渗透膜的所述上表面上形成电解质层，所述电解质层具有质子导电性；和
在所述电解质层上形成阴极。

8.  根据权利要求7所述的方法，其中在所述除去外周边缘的步骤中，蚀刻所述氢可渗透膜的上表面的所述外周边缘。

包括作为阳极的氢可渗透膜的燃料电池
技术领域
本发明一般地涉及燃料电池及燃料电池的制造方法。
背景技术
本发明的一个或多个方面一般性涉及燃料电池以及该燃料电池的制造方法。
通常，燃料电池是从燃料、氢和氧获得电能的装置。由于燃料电池在环境上的优异性以及可以实现高能量效率，因此被广泛发展为能量供给系统。
一些类型的燃料电池包括固体电解质，例如聚合物电解质燃料电池、固体氧化物燃料电池和氢可渗透膜燃料电池(HMFC)。其中，氢可渗透膜燃料电池具有致密氢可渗透膜。该致密氢可渗透膜由具有氢渗透性的金属构成，并且用作阳极。氢可渗透膜燃料电池具有在氢可渗透膜上沉积具有质子导电性的固态电解质的结构。例如，日本专利申请公开No.2005-19041(下文中称为文献1)提出一种在具有氢渗透性的致密金属基板上涂覆电解质的方法，作为制造氢可渗透膜燃料电池的方法。
但是，在文献1中，作为阳极的氢可渗透基板用作电解质支承层。并且不可能将电解质的面积放大到超过阳极的面积，这不同于聚合物电解质燃料电池。因此一些氢可能透过氢可渗透基板泄漏到阴极侧。
根据上述情况作出本发明的各个方面。本发明的一个或多个方面提供抑制氢透过氢可渗透基板泄漏到阴极侧的燃料电池以及制造该燃料电池的方法。
发明内容
在一些示例性实施方案中，燃料电池包括氢可渗透膜、电解质层、阴极以及氢不可渗透层。电解质层形成在氢可渗透膜上并且具有质子导电性。阴极布置在电解质层上。氢不可渗透层覆盖氢可渗透膜的侧壁。在该燃料电池中，因为氢不可渗透层覆盖了氢可渗透膜的侧壁，所以氢透过氢可渗透膜泄漏到阴极侧得到抑制。因此可抑制燃料电池发电效率降低。
在一个示例性实施方案中，氢不可渗透层可以是电解质层。在这种情况下，可防止由氢不可渗透层与其他部件之间的接触所致的电短路。
在一个示例性实施方案中，氢可渗透膜的侧壁可以是面向形成有电解质层的氢可渗透膜上表面侧的斜面。在这种情况下，可以在氢可渗透膜的侧壁上从一个方向形成氢不可渗透层。
在一个示例性实施方案中，氢不可渗透层可以是镀覆层。
在一些示例性实施方案中，燃料电池包括氢可渗透膜、电解质层、阴极、气体通道和氢不可渗透层。电解质层形成在氢可渗透膜上并且具有质子导电性。阴极布置在电解质层上。在气体通道中，含氢的燃料气体流动与氢可渗透膜接触。氢不可渗透层覆盖除了氢可渗透膜的接触燃料气体的表面之外的表面。在该燃料电池中，因为氢不可渗透层覆盖除了氢可渗透膜的接触燃料气体的表面之外的表面，因而氢透过氢可渗透膜泄漏到阴极侧得到抑制。因此，可以抑制燃料电池发电效率降低。
在一些示例性实施方案中，制造燃料电池的方法包括在氢可渗透膜上形成电解质层、在形成电解质层之后利用电镀处理在氢可渗透膜的侧壁上形成氢不可渗透层、和在电解质层上形成阴极。电解质层具有质子导电性。在该方法中，在所述电解质层上形成具有质子导电性的电解质层。利用电镀处理在氢可渗透膜的侧壁上形成氢不可渗透层。而且，在电解质层上形成阴极。
在这种情况下，即使电解质层的厚度小于氢可渗透膜的厚度，也可防止氢可渗透膜的上表面暴露。因此，氢透过氢可渗透膜泄漏到阴极侧得到抑制。而且可减小电解质层的厚度。因为电解质层是绝缘层，因此在电解质层上不形成镀覆层。因此可以在不掩蔽电解质层的情况下镀覆氢可渗透膜的侧壁。因此，可缩短制造过程并降低生产成本。
在一些示例性实施方案中，制造燃料电池的方法包括除去氢可渗透膜的上表面的外周边缘、在除去所述外周边缘之后在所述氢可渗透膜的上表面上形成电解质层、和在所述电解质层上形成阴极。所述电解质层具有质子导电性。在一个示例性实施方案中，除去氢可渗透膜的上表面的外周边缘，在所述氢可渗透膜上形成具有质子导电性的电解质层，和在所述电解质层上形成阴极。
在这种情况下，在对氢可渗透膜的上表面侧的外周边缘实施倒角之后，形成电解质层。如果电解质层形成在氢可渗透膜的上表面上，则即使电解质层的厚度小于氢可渗透膜的厚度，电解质层也能覆盖氢可渗透膜的上表面和侧壁。因此，氢透过氢可渗透膜泄漏到阴极侧得到抑制。从而可减小电解质层的厚度。而且，当在氢可渗透膜上从一个方向形成电解质层时，防止氢可渗透膜的上表面暴露。在这种情况下，不必从多个方向形成电解质层。因此，可缩短制造过程并降低生产成本。
在一个示例性实施方案中，可以在除去外周边缘的步骤中蚀刻氢可渗透膜的上表面的外周边缘。
发明效果
根据本发明，氢透过氢可渗透膜泄漏到阴极侧得到抑制。因此，根据本发明可抑制燃料电池发电效率降低。
附图说明
下面将参考附图说明本发明的一个或多个方面的示例性实施方案，其中：
图1示出根据本发明第一实施方案的燃料电池的示意性截面图；
图2A～2E示出根据所述第一实施方案的燃料电池的制造流程图；
图3示出根据本发明第二实施方案的燃料电池的横截面图；
图4A～4C示出根据所述第二实施方案的燃料电池的制造流程图；
图5示出根据本发明第三实施方案的燃料电池的横截面图；和
图6A～6D示出根据所述第三实施方案的燃料电池的制造流程图。
最佳实施方式
(第一实施方案)
图1示出根据本发明第一实施方案的燃料电池100的示意性横截面图。在第一实施方案中，氢可渗透膜燃料电池用作燃料电池。以下说明燃料电池100的结构。如图1所示，燃料电池100具有隔离器1、隔离器8、集电器2、集电器7、支撑框3、氢可渗透膜4、电解质层5和阴极6。
隔离器1由导电材料例如不锈钢制成。隔离器1在其上表面上具有邻近外周的凸起部。集电器2由导电材料例如多孔SUS430、多孔Ni、多孔镀Pt的Al₂O₃或Pt网制成。集电器2层叠在隔离器1的中心区域上。支撑框3由导电材料例如不锈钢制成。支撑框3支撑并增强氢可渗透膜4和电解质层5。支撑框3通过隔离器1的凸起部和集电器2布置在隔离器1上。支撑框3与隔离器1接合。在支撑框3中形成多个通孔31。氢可渗透膜4层叠在支撑框3上。
氢可渗透膜4由具有氢渗透性的金属制成。氢可渗透膜4用作提供燃料气体的阳极，并用作支撑并增强电解质层5的支撑物。氢可渗透膜4由金属例如钯、钒、钛或钽制成。氢可渗透膜4的厚度例如为约50μm～100μm。通过倒角等方式除去氢可渗透膜4上表面侧的外周边缘。在这种情况下，优选氢可渗透膜4的侧壁从氢可渗透膜4的上表面的外周边缘到下表面的外周边缘倾斜。
电解质层5布置在氢可渗透膜4的上表面和侧壁上。电解质层5由质子导电材料例如钙钛矿质子导电材料(BaCeO₃等)或固体酸质子导电材料(CsHSO₄等)制成。电解质层5具有质子导电性以及氢不可渗透性。阴极6布置在氢可渗透膜4上表面上方的电解质层5区域上。阴极6由导电材料例如辉钴矿镧、锰酸镧、银、铂、或碳载铂制成。
集电器7由与集电器2相同的材料制成并且层叠在阴极6上。隔离器8由导电材料例如不锈钢制成。隔离器8在其下表面上具有邻近外周的凸起部。隔离器8层叠在集电器7上。隔离器8通过其凸起部与支撑框3接合。在隔离器8与支撑框3之间的界面处布置有绝缘层(图1中没有示出)。因此可以防止阳极和阴极之间的电短路。
接着，说明燃料电池100的操作。将含氢的燃料气体供应到隔离器1的气体通道。该燃料气体经集电器2和支撑框3的通孔31供应到氢可渗透膜4。燃料气体中的一些氢在氢可渗透膜4处转变为质子。质子在电解质层5中传导并到达阴极6。
另一方面，含氧的氧化剂气体供应到隔离器8的气体通道。该氧化剂气体经集电器7供应到阴极6。质子与供应至阴极6的氧化剂气体中的氧反应。由此产生水和电能。产生的电能经集电器2和7以及隔离器1和8收集。
在该实施方案中，具有氢不可渗透性的电解质层5覆盖氢可渗透膜4的上表面和侧壁。因而，氢透过氢可渗透膜4泄漏到阴极6侧得到抑制。因此，可抑制燃料电池100的发电效率降低。
接着，说明燃料电池100的制造方法。图2A～2E示出燃料电池100的制造流程图。如图2A所示，氢可渗透膜4与支撑框3接合。接着，如图2B所示，通过倒角除去氢可渗透膜4上表面侧的外周边缘。利用该倒角工艺，可以在该外周边缘上形成面向氢可渗透膜4上表面侧的平坦或弯曲的斜面。在这种情况下，对外周边缘可以进行化学处理例如利用掩模蚀刻或者可以通过划片来研磨。
接着，如图2C所示，在隔离器1上布置集电器2，将支撑框3与隔离器1接合。接着，如图2D所示，利用PLD法、溅射法等在氢可渗透膜4的上表面和侧壁上形成电解质层5。接着，如图2E所示，在电解质层5上布置阴极6和集电器7。之后，将支撑框3与隔离器8的凸起部接合。通过上述操作制造燃料电池100。
如上所述，在对氢可渗透膜4的上表面侧的外周边缘实施倒角之后形成电解质层5。如果电解质层5形成在氢可渗透膜4的上表面上，则电解质层5覆盖氢可渗透膜4的上表面和侧壁。在这种情况下，即使电解质层5的厚度小于氢可渗透膜4的厚度，电解质层5也覆盖氢可渗透膜4的侧壁。因而，氢透过氢可渗透膜4泄漏到阴极6侧得到抑制。而且可以减小电解质层5的厚度。因此，当在氢可渗透膜4上从一个方向形成电解质层5时，防止氢可渗透膜4的上表面暴露。在这种情况下，不必从多个方向形成电解质层5。因此可缩短制造过程并降低生产成本。
(第二实施方案)
图3示出根据本发明第二实施方案的燃料电池100a的示意性横截面图。如图3所示，在燃料电池100a中，从氢可渗透膜4的上表面到支撑框3与隔离器8之间的界面处布置电解质层5。在燃料电池100a中，氢透过氢可渗透膜4泄漏到阴极6侧得到抑制。而且，电解质层5使得隔离器8与支撑框3绝缘。因此，可防止阴极与阳极之间的电短路。并且支撑框3的上表面不被暴露。由此，即使集电器7移动离开预定位置，也防止集电器7与支撑框3之间的电短路。
接着，说明燃料电池100a的制造方法。图4A～4C示出燃料电池100a的制造流程图。如图4A所示，燃料电池100a的制造方法与图2A步骤到图2C步骤的燃料电池100的制造方法相同。接着，如图4B所示，利用PLD法、溅射法等在氢可渗透膜4和支撑框3的暴露面上形成电解质层5。接着，如图4C所示，在氢可渗透膜4上方的电解质层5区域上布置阴极6和集电器7。之后，将电解质层5的邻近外周的上表面区域与隔离器8的凸起部接合。通过上述操作制造燃料电池100a。
如上所述，从氢可渗透膜4的上表面到围绕支撑框3上表面的外周布置有电解质层5。因而，氢透过氢可渗透膜4泄漏到阴极6侧得到抑制。而且，在不使隔离器8与支撑框3绝缘的情况下，通过形成电解质层5的工艺使得隔离器8与支撑框3绝缘。因此可缩短制造过程并降低制造成本。
(第三实施方案)
图5示出根据本发明第三实施方案的燃料电池100b的示意性横截面图。如图5所示，从氢可渗透膜4的侧壁到支撑框3上表面的外周布置有具有氢不可渗透性的镀覆层9。镀覆层9由金属例如铬或锌制成。在隔离器8和支撑框3之间的界面处提供绝缘层(图5中没有示出)。隔离器8与支撑框3绝缘。在燃料电池100b中，氢透过氢可渗透膜4泄漏到阴极6侧得到抑制。
接着，说明燃料电池100b的制造方法。图6A～6D示出燃料电池100b的制造流程图。如图6A所示，将支撑框3与氢可渗透膜4接合。接着，如图6B所示，利用PLD法、溅射法等在氢可渗透膜4上形成电解质层5。
接着，如图6C所示，对氢可渗透膜4的侧壁和支撑框3的上表面进行电镀处理。因而，从氢可渗透膜4的侧壁到支撑框3上表面的外周形成镀覆层9。接着，如图6D所示，在隔离器1上布置集电器2。将隔离器1与支撑框3接合。在电解质层5上布置阴极6和集电器7。之后，将支撑框3与隔离器8的凸起部接合。通过上述操作制造燃料电池100b。
如上所述，对由金属制成的氢可渗透膜4进行电镀处理。因而，即使电解质层5的厚度小于氢可渗透膜4的厚度，也可防止氢可渗透膜4暴露。因此，氢透过氢可渗透膜4泄漏到阴极6侧得到抑制。而且，可减小电解质层5的厚度。因为电解质层5是绝缘层，因此在电解质层5上不形成镀覆层。因此可在不掩蔽电解质层5的情况下镀覆氢可渗透膜4的侧壁。因此可缩短制造过程并降低制造成本。