DE10392147T5

DE10392147T5 - Flüssigbrennstoff-Zelle

Info

Publication number: DE10392147T5
Application number: DE10392147T
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Takatsuki Kashino; Yasuo Arishima; Shinsuke Ibakaki Shibata; Gun Suita Seki; Shoji Suita Saibara; Ryo Hirakata Nagai
Original assignee: Hitachi Maxell Ltd
Current assignee: Maxell Ltd
Priority date: 2002-02-14
Filing date: 2003-02-14
Publication date: 2004-09-02
Also published as: CN1572036B; AU2003211193A1; US20050100773A1; US7998637B2; KR20040074111A; KR100623257B1; WO2003069709A1; CN1572036A

Abstract

Flüssigbrennstoffzelle, umfassend:
eine Mehrzahl von Brennstoffzelleinheiten, jede umfassend
eine positive Elektrode zum Reduzieren von Sauerstoff,
eine negative Elektrode zum Oxidieren eines flüssigen Brennstoffs, und
eine Elektrolytschicht, welche zwischen der positiven Elektrode und der negativen Elektrode angeordnet ist; und
einen Flüssigbrennstofflagerbereich zum Lagern von flüssigem Brennstoff; wobei die Mehrzahl von Brennstoffzelleinheiten im wesentlichen in der gleichen Ebene angeordnet sind.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Flüssigbrennstoff-Zelle.
Hintergrund der Erfindung
In den letzten Jahren ist im Zusammenhang mit der weitreichenden Benutzung von kabellosen Geräten, wie etwa Computern und Mobiltelefonen, eine kleinere Sekundärbatterie von höherer Kapazität, welche für diese als eine Energiequelle dient, sehr in Nachfrage gewesen. Gegenwärtig wird eine Lithiumionensekundärbatterie im Handel geführt als eine Sekundärbatterie, welche eine hohe Energiedichte aufweist und deren Größe und Gewicht verringert werden kann. Die Nachfrage nach dieser als einer tragbaren Energiequelle nimmt zu. Jedoch ist diese Lithiumionensekundärbatterie, in Abhängigkeit von den Arten von zu benutzenden, kabellosen Geräten, nicht fähig gewesen, eine genügend große Anzahl von Stunden kontinuierlichen Betriebs zu garantieren.
Unter diesen Umständen können, als Beispiele für Batterien, welche fähig sind, die obig beschriebene Nachfrage zu befriedigen, eine Luftzelle und eine Brennstoffzelle in Betracht gezogen werden. Eine Luftzelle wird als geeignet angesehen, eine Energiedichte zu erhöhen, da sie Sauerstoff aus der Luft als ein positives aktives Material verwendet und ermöglicht, daß eine negative Elektrode das meiste des Innenvolumens der Zelle füllt. Jedoch besteht ein Problem dieser Luftzelle darin, daß eine als eine Elektrolytlösung verwendete Alkalilösung mit Kohlendioxid in der Luft reagiert und sich verschlechtert, was zu einer starken Selbstentladung führt.
Auf der anderen Seite besteht bei einer Brennstoffzelle kein solches Problem. Insbesondere kann eine Brennstoffzelle, welche einen flüssigen Brennstoff direkt für die Batteriereaktion verwendet, beispielsweise eine direkte Methanolbrennstoffzelle, miniaturisiert werden und ist damit als eine zukünftige, tragbare Energiequelle. sehr vielversprechend (siehe JP 2000-268836A, zum Beispiel).
Sowohl positive als auch negative Elektroden dieser direkten Methanolbrennstoffzelle enthalten einen Katalysator, welcher erhalten wird durch starkes Dispergieren von Edelmetallpartikeln in Kohlenstoffpulver, einem Protonenaustausch-Harz und Polytetrafluorethylen (PTFE). Die Verwendung dieses PTFE's als einem Bindemittel macht es möglich, die Elektroden mit einer gewissen Stärke auszubilden und die Elektroden mit wasserabweisenden Eigenschaften zu versehen (siehe z.B. Kordesch und zwei andere, "ECS Proceedings", (US), 1982, Vol. 82-2, Nr. 265, Seiten 427 bis 428).
In der obig beschriebenen Brennstoffzelle wird der negativen Elektrode der Brennstoff zugeführt und es läuft eine Reaktion ab, während Sauerstoff in der positiven Elektrode reagiert. Damit kann durch einfaches Zuführen des Brennstoffs und Sauerstoffs die Zelle kontinuierlich verwendet werden. Da jedoch eine herkömmliche Brennstoffzelle gebildet wurde durch lagenweises Zusammenbringen einer Mehrzahl von Brennstoffzelleinheiten ist die gesamte Zellendicke groß. Es war auch notwendig, Sauerstoff und Brennstoff zu zirkulieren und den negativen bzw. positiven Elektroden zuzuführen, weshalb Hilfsmittel benötigt werden. Demzufolge war die Brennstoffzelle viel größer als Sekundärbatterien von geringer Größe, wie etwa einer Lithiumionensekundärbatterie.
Auf der anderen Seite könnten die Hilfsmittel zum zwangsweisen Zirkulieren von Sauerstoff und Brennstoff entfernt werden, um eine Brennstoffzelle zu miniaturisieren. Dies jedoch könnte Probleme verursachen, wie etwa daß eine Leistung abfällt und daß Gase, wie etwa Kohlendioxid, welche bei der Ladungsreaktion erzeugt werden, sich in einer Brennstoffkammer ansammeln und daher, bei einem Verbrauch des Brennstoffs, der Brennstoff Kontakt mit der negativen Elektrode verliert.
Um die obig beschriebenen Probleme, welche durch Entladungsprodukte verursacht werden, zu vermeiden, kann ein Austrittsloch mit einem porösen PTFE-Film in der Brennstoffkammer bereitgestellt werden, wodurch die erzeugten Gase in das Äußere entlassen werden.
Jedoch besteht in Abhängigkeit von der Zusammensetzung des Brennstoffs, insbesondere im Falle der Verwendung einer wässrigen Alkohollösung mit hoher Konzentration das Problem, daß der Brennstoff durch den porösen Film tritt und ausläuft.
Weiterhin muß im Fall der Brennstoffzelle, in welcher eine Mehrzahl von Brennstoffzelleinheiten angeordnet und elektrisch miteinander verbunden sind, jede der Zelleinheiten einen abdichtenden Bereich zum Verhindern des Auslaufens von Brennstoff aufweisen. Da das Auslaufen von Brennstoff sich leicht ereignet, wenn die Abdichtung ungenügend ist, wird die Struktur des abdichtenden Bereichs im Hinblick auf erhöhte Verlässlichkeit immer komplizierter. Dies führt leicht insofern zu einem Problem, daß Miniaturisierung bis zu einem gewissen Grad oder darüberhinausgehend schwierig wird.
Weiterhin gab es nicht nur für die Struktur der gesamten Zelle, sondern auch für die Struktur jeder Brennstoffzelleinheit Raum für Verbesserungen. Da sich zum Beispiel die Sauerstoffgasreaktion an der positiven Elektrode der Brennstoffzelle abspielt, sind wasserabweisende Eigenschaften notwendig, um Feuchtigkeit zu entfernen, welche diese Reaktion inhibiert. Auf der anderen Seite kann in der negativen Elektrode, wo die Reaktion von Methanol sich ereignen soll, welches als ein flüssiger Brennstoff dient, der flüssige Brennstoff aufgrund der schlechten Benetzbarkeit der Elektrode nicht leicht oxidiert werden, wenn die Elektrode wasserabweisende Eigenschaften aufweist. In der herkömmlichen direkten Methanolbrennstoffzelle enthalten sowohl die positive Elektrode als auch die negative Elektrode PTFE als Bindemittel und sind mit wasserabweisenden Eigenschaften versehen. Daher hatte die negative Elektrode selbst nicht notwendigerweise eine optimale Struktur.
Offenbarung der Erfindung
In einer oder mehreren Ausführungsformen stellt die vorliegende Erfindung eine Flüssigbrennstoffzelle einschließlich einer Mehrzahl von Brennstoffzelleinheiten und einen Flüssigbrennstofflagerungsbereich zum Lagern eines flüssigen Brennstoffs bereit. Jede der Brennstoffzelleinheiten umfaßt eine positive Elektrode zum Reduzieren von Sauerstoff, eine negative Elektrode zum Oxidieren eines flüssigen Brennstoffs und eine Elektrolytschicht, welche zwischen der positiven Elektrode und der negativen Elektrode angeordnet ist. Die Mehrzahl von Brennstoffzelleinheiten sind im wesentlichen in der gleichen Ebene angeordnet.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Schnittansicht, welche eine Flüssigbrennstoffzelle gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 ist eine Schnittansicht, welche eine Flüssigbrennstoffzelle gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
3 ist eine Schnittansicht, welche eine Flüssigbrennstoffzelle gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
4 ist eine Schnittansicht, welche eine Flüssigbrennstoffzelle gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
5 ist eine Schnittansicht, welche eine Flüssigbrennstoffzelle gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
6 ist eine Schnittansicht, welche eine Flüssigbrennstoffzelle gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
7 ist eine plane Ansicht, welche einen kontinuierlichen Elektrolyt-Isolator-Film zeigt, welcher in der sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
8 ist eine Schnittansicht entlang einer Linie A-A' in 7.
9 ist eine Schnittansicht, welche eine Flüssigbrennstoffzelle gemäß Beispiel fünf der vorliegenden Erfindung zeigt.
Beste Ausführungsform der Erfindung
Die vorliegende Erfindung löst die obig beschriebenen Probleme der herkömmlichen Flüssigbrennstoffzelle und stellt eine Flüssigbrennstoffzelle bereit, welche klein ist und fähig ist, Elektrizität in stabiler Art und Weise zu erzeugen.
Eine Flüssigbrennstoffzelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfaßt eine Mehrzahl von Brennstoffzelleinheiten und einen Flüssigbrennstofflagerungsbereich zum Lagern eines flüssigen Brennstoffs. Jede der Brennstoffzelleinheiten umfaßt eine positive Elektrode zum Reduzieren von Sauerstoff, eine negative Elektrode zum Oxidieren eines flüssigen Brennstoffs und eine Elektrolytschicht, welche zwischen der positiven Elektrode und der negativen Elektrode angeordnet ist. Die Mehrzahl von Brennstoffzelleinheiten sind im wesentlichen in der gleichen Ebene angeordnet. Wenn jede der Brennstoffzelleinheiten wie oben angeordnet ist, wird es möglich, die Dicke der Flüssigbrennstoffzelle zu verringern. Weiterhin kann für die Mehrzahl von Brennstoffzelleinheiten der flüssige Brennstoff von dem gleichen Flüssigbrennstofflagerungsbereich zugeführt werden, wodurch eine kleinere Flüssigbrennstoffzelle erreicht wird.
Auch ist es in der Flüssigbrennstoffzelle einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bevorzugt, daß die Elektrolytschichten der Mehrzahl von Brennstoffzelleinheiten kontinuierlich als eine integrale Elektrolytschicht ausgebildet werden. Durch Bereitstellen der Mehrzahl von Brennstoffzelleinheiten in der Art und Weise, das diese einander in der kontinuierlichen Elektrolytschicht benachbart sind, wird der Spalt zwischen der Mehrzahl von Brennstoffzelleinheiten mit der Elektrolytschicht abgedeckt. Dementsprechend kann ein abdichtender Bereich zum Verhindern des Auslaufens von Brennstoff, welcher herkömmlich in jeder Zelleinheit erforderlich war, weggelassen oder vereinfacht werden, was es nicht nur möglich macht zu verhindern, daß der flüssige Brennstoff ausläuft, sondern auch eine Vereinfachung des Zellenaufbaus und weitere Miniaturisierung der Zelle zu erreichen.
Weiterhin ist in der Flüssigbrennstoffzelle einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bevorzugt, daß die Elektrolytschichten der Mehrzahl von Brennstoffzelleinheiten durch eine Isolatorschicht voneinander unabhängig sind und als eine kontinuierliche, mit der Isolatorschicht integrale Schicht ausgebildet sind. Mit dieser Struktur ist es, zusätzlich zu dem oben beschriebenen Effekt, welcher im Falle der Verwendung der kontinuierlich ausgebildeten integralen Elektrolytschicht erhalten wird, möglich zu verhindern, daß zwischen den Elektroden in benachbarten Brennstoffzelleinheiten die Entladungsreaktion abläuft. Mit anderen Worten, im Falle der Verwendung der kontinuierlich ausgebildeten integralen Elektrolytschicht läuft, wenn der Raum zwischen den benachbarten Zelleinheiten zum Zwecke der Miniaturisierung der Brennstoffzelle übermäßig verringert wird, nicht nur die Entladungsreaktion zwischen der positiven Elektrode und der negativen Elektrode in einer einzigen Zelleinheit ab, sondern tritt die Entladungsreaktion auch zwischen der positiven Elektrode und der negativen Elektrode von benachbarten Zelleinheiten auf, so daß die Wahrscheinlichkeit steigt, daß die eigentliche Zellka pazität fällt (Kurzschluß). Dies kann jedoch dadurch verhindert, werden, daß die Elektrolytschichten der Mehrzahl von Zelleinheiten durch die Isolatorschicht unabhängig voneinander gemacht werden.
Außerdem ist es in der Flüssigbrennstoffzelle einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bevorzugt, daß der Flüssigbrennstofflagerungsbereich ein Gas-Flüssigkeitstrennloch mit einem Gas-Flüssigkeitstrennfilm umfaßt. Bei dieser Struktur sammelt sich Kohlendioxid etc., welches bei der Entladungsreaktion erzeugt wird, nicht in der Zelle an, und das Kohlendioxid kann reibungslos aus der Zelle entlassen werden. Damit ist es möglich, die Hilfsmittel zum Zuführen des Brennstoffs zu entfernen, um die Brennstoffzelle zu miniaturisieren.
Weiterhin ist es in der Flüssigbrennstoffzelle einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bevorzugt, daß der Gas-Flüssigkeitstrennfilm ein poröser Fluorkohlenstoffharzfilm ist, welcher behandelt wurde, ölabweisend zu sein, oder ein Laminatverbund ist, welcher behandelt wurde, ölabweisend zu sein, aus einem porösen Fluorkohlenstoffharzfilm und anderen gasdurchlässigen Materialien. Der Gas-Flüssigkeitstrennfilm, welcher aus diesen Materialien ausgebildet ist, kann verhindern, daß ein oleophiler, flüssiger Brennstoff, wie etwa Methanol oder Ethanol, durch das Gas-Flüssigkeitstrennloch hindurchtreten. Dementsprechend ist es selbst bei Benutzung eines oleophilen, flüssigen Brennstoffs mit hoher Konzentration möglich zu verhindern, daß der flüssige Brennstoff ausläuft.
Zusätzlich ist es in der Flüssigbrennstoffzelle einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bevorzugt, daß die negative Elektrode ein Bindemittel enthält, welches keine Ionenleitfähigkeit und kein Fluor aufweist. Dies erhöht die Benetzbarkeit zwischen der negativen Elektrode und dem flüssigen Brennstoff, was die Elektrodencharakteristika verbessert. Daher wird es möglich, die Entladungscharakteristika der Brennstoffzelleinheit zu verbessern. Da das Bindemittel keine Ionenleitfähigkeit aufweist, schwillt das Bindemittel weiterhin nicht an oder schmilzt leicht aufgrund des flüssigen Brennstoffs. Daher erhöht sich die Zellenstabilität, was es möglich macht, die Zuverlässigkeit der Brennstoffzelle zu verbessern.
Es folgt eine Beschreibung von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
Erste Ausführungsform
1 ist eine Schnittansicht, welche eine Flüssigbrennstoffzelle der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Eine positive Elektrode 8 ist ein Laminat, umfassend eine Diffusionsschicht 8a, welche beispielsweise aus einem porösen Kohlenstoffmaterial ausgebildet ist, und eine Katalysatorschicht 8b, welche ein katalysatortragendes Kohlenstoffpulver, eine protonenleitende Substanz und ein Fluorkohlenstoffharzbindemittel enthält. Die positive Elektrode 8 hat die Funktion, Sauerstoff zu reduzieren und als der darin enthaltene Katalysator können feine Platinpartikel oder feine Partikel einer Legierung von Platin mit Eisen, Nickel, Kobalt, Zinn, Ruthenium oder Gold beispielsweise verwendet werden. Die protonenleitende Substanz kann zum Beispiel ein Harz mit einer Sulfonsäuregruppe, wie etwa ein Polyperfluorsulfonsäureharz, ein sulfoniertes Polyethersulfonsäureharz oder ein sulfoniertes Polyimidharz sein, ist jedoch nicht auf die obigen beschränkt. Es ist bevorzugt, daß der Gehalt der protonenleitenden Substanz von 2 bis 200 Massenteile bezogen auf 100 Massenteile katalysatortragendes Kohlenstoffpulver beträgt. Innerhalb dieses Bereichs kann eine genügende Protonenleitfähigkeit erhalten werden, und die Zellenleistung fällt nicht ab, da ein elektrischer Widerstand nicht steigt.
Beispiele für das Fluorkohlenstoffharzbindemittel umfassen PTFE, Tetrafluorethylen-Perfluoralkylvinylether-Copolymer (PFA), Tetrafluorethylen-Hexafluorpropylen-Copolymer (FEP), Tetrafluorethylen-Ethylen-Copolymer (E/TFE), Polyvinylidenfluorid (PVDF) und Polychlor-Trifluorethylen (PCTFE). Es ist bevorzugt, daß die Menge dieses Bindemittels 0,01 bis 100 Massenteile bezogen auf 100 Massenteile katalysatortragendes Kohlenstoffpulver beträgt. Obwohl das Bindemittel nicht verwendet werden muß, erzeugt die Gegenwart von 0,01 Massenteil oder mehr eine genügende Bindungseigenschaft, was es leichter macht, die Katalysatorschicht auszubilden und aufrechtzuerhalten. Die Gegenwart von 100 Massenteilen oder weniger kann eine Erhöhung des elektrischen Widerstandes unterdrücken, was es möglich macht, die Zellenleistung am Sinken zu hindern.
In einigen Fällen wird eine Paste von Kohlenstoffpulver, welches PTFE-Harzpartikel enthält, auf die Katalysatorschicht-Seite der Diffusionsschicht 8a aufgetragen, um wasserabweisende Eigenschaften zu verbessern.
Eine Elektrolytschicht 10 kann aus einem Material ausgebildet werden, welches keine elektronenleitenden Eigenschaften aufweist und fähig ist, Protonen zu transportieren. Zum Beispiel ist die Elektrolytschicht aus einem Polyperfluorsulfonsäureharzfilm ausgebildet, genauer "Nafion" (Markenname), hergestellt von DuPont. Co., "Flemion" (Markenname), hergestellt von ASAHI GLASS CO., LTD: oder "Aciplex" (Markenname), hergestellt von Asahi Kasei Corporation. Zusätzlich kann es möglich sein, einen sulfonierten Polyethersulfonsäurefilm, einen sulfonierten Polyimidharzfilm oder einen Schwefelsäure-dotierten Polybenzimidazolfilm zu verwenden.
Eine negative Elektrode 9 hat die Funktion, Protonen aus einem flüssigen Brennstoff zu erzeugen, in anderen Worten, die Funktion, einen flüssigen Brennstoffs zu oxidieren. Die negative Elektrode 9 ist ein Laminat, umfassend eine Diffusionsschicht 9a, welche beispielsweise aus einem porösen Kohlenstoffmaterial hergestellt ist, und eine Katalysatorschicht 9b, welche katalysatortragendes Kohlenstoffpulver, eine protonenleitende Substanz und ein Fluorkohlenstoffharzbindemittel enthält.
Das katalysatortragende Kohlenstoffpulver, die protonenleitende Substanz und das Bindemittel können ähnlich denen in der positiven Elektrode sein, welche oben beschrieben wurden. Das Massenverhältnis des Katalysators zu dem Kohlenstoffpulver ist bevorzugt, wenn 5 bis 400 Massenteile Katalysator bezogen auf 100 Massenteile Kohlenstoffpulver enthalten sind. Innerhalb dieses Bereichs kann eine genügende katalytische Aktivität erreicht werden. Die katalytische Aktivität fällt nicht ab, da der Partikeldurchmesser des Katalysators sich nicht übermäßig erhöht.
Es ist bevorzugt, daß der Gehalt der protonenleitenden Substanz 2 bis 200 Massenteile bezogen auf 100 Massenteile katalysatortragenden Kohlenstoffpulvers beträgt. Innerhalb dieses Bereichs kann eine genügende Protonenleitfähigkeit erhalten werden, und die Zellenleistung fällt nicht ab, da ein elektrischer Widerstand nicht zunimmt.
Statt des Fluorkohlenstoffharzbindemittels, welches oben genannt wurde, oder zusammen mit diesem Fluorkohlenstoffharzbindemittel kann ein Bindemittel verwendet werden, welches keine Ionenleitfähigkeit und kein Fluor aufweist (nicht auf Fluor basierendes Bindemittel), um die Benetzbarkeit zwischen der negativen Elektrode und dem flüssigen Brennstoff zu verbessern, wodurch sehr gute Elektrodencharakteristika erreicht werden.
Obwohl verschiedene Arten von Bindemitteln als die nicht auf Fluor basierenden Bindemittel ohne Ionenleitfähigkeit verwendet werden können, ist bevorzugt, daß ein solches Bindemittel Thermoplastizität aufweist, da die Elektrode dann leichter hergestellt werden kann. Es ist bevorzugt, daß dieses thermoplastische Bindemittel wenigstens eines enthält, welches ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Polyethylen, Polypropylen, Nylon, Polyester, Ionomer, Butylgummi, Ethylen-Vinylacetat-Copolymer, Ethylen-Ethylacrylat-Copolymer und Ethylen-Acrylsäure-Copolymer.
Weiterhin ist es auch möglich, ein aushärtbares Harz als das nicht auf Fluor basierende Bindemittel ohne Ionenleitfähigkeit zu verwenden. Zum Beispiel können ein Epoxyharz, ein Xylolharz, ein Diallylphtalatharz, ein ungesättigtes Polyesterharz, ein Phenolharz oder dergleichen verwendet werden.
Hier ist bevorzugt, daß das nicht auf Fluor basierende Bindemittel ohne Ionenleitfähigkeit einen Partikeldurchmesser von 0,01 bis 100 μm aufweist. Innerhalb dieses Bereichs kann eine genügende Bindungseigenschaft erreicht werden, und das Bindemittel selbst wird nicht zu voluminös, wodurch eine gleichförmige Dispersion im Katalysator ermöglicht wird.
Es ist auch bevorzugt, daß der Gehalt des Bindemittels 0,01 bis 100 Massenteile bezogen auf 100 Massenteile katalysatortragendem Kohlenstoffpulver beträgt. Innerhalb dieses Bereichs kann eine genügende Bindungseigenschaft erreicht werden und die Zellenleistung fällt nicht ab, da ein elektrischer Widerstand nicht zunimmt.
Als nächstes wird das Verfahren zum Herstellen der positiven und negativen Elektroden unter Verwendung der oben beschriebenen Materialien beschrieben. Als erstes werden das katalysatortragende Kohlenstoffpulver, die protonenleitende -Substanz, das Bindemittel, wie oben beschrieben, und Wasser zusammen mit einem organischen Lösungsmittel gleichförmig dispergiert, um einen Schlamm herzustellen. Es ist bevorzugt, daß die Menge von Feststoffen in diesem Schlamm 1 bis 70 Massenteile bezogen auf 100 Massenteile der Gesamtmasse des Schlamms beträgt. Dies liegt daran, daß weniger als ein Massenteil Feststoffe keine genügende Viskosität erzielen kann, was zu schlechter Bearbeitbarkeit führt, während mehr als 70 Massenteile Feststoffe die Viskosität übermäßig erhöhen, was zu schlechter Bearbeitbarkeit führt. Diese Materialien können dispergiert werden unter Verwendung einer Kugelmühle, eines Homogenisierapparats oder eines Ultraschalldispergierapparats, es besteht jedoch keine besondere Beschränkung auf die Obigen. Zusätzlich ist es möglich, zum Beispiel Methanol, Ethanol, Propanol oder Butanol als das organische Lösungsmittel zu verwenden.
Danach wird der wie oben erhaltene Schlamm auf die aus porösem Kohlenstoffmaterial ausgebildete Diffusionsschicht aufgebracht und getrocknet. Durch ein nachfolgendes Heißpressen schmilzt das Bindemittel und bindet, wodurch die Elektrode ausgebildet wird. Die Temperatur des Heißpressens variiert in Abhängigkeit der Arten des Bindemittels, wird jedoch bevorzugt eingestellt, gleich zu sein mit oder höher als ein Glasübergangspunkt des zu verwendenden Bindemittels und den Glasübergangspunkt nicht um 20°C zu übersteigen. Es ist bevorzugt, daß das Pressen bei 3 bis 50 MPa ausgeführt wird. Ein Druck von weniger als 3 MPa kann die Elektrode nicht genügend ausbilden, während ein Druck, welcher 50 MPa überschreitet, Poren in der Elektrode zerdrücken würde, was die Zelleistung verringern würde.
Die Elektrolytschicht 10 wird zwischen der positiven Elektrode 8 und der negativen Elektrode 9, wie oben beschrieben, zwischengelegt, gefolgt von Kompressionsbinden mit einer Heißpresse, wodurch eine Brennstoffzelleinheit hergestellt wird. Es ist bevorzugt, daß die Temperatur der Heiß presse auf 100°C bis 180°C eingestellt wird. Es ist bevorzugt, daß das Pressen bei 3 bis 50 MPa ausgeführt wird. Eine Temperatur von weniger als 100°C oder ein Druck von weniger als 300 MPa können die Elektrode nicht genügend ausbilden, während eine Temperatur von mehr als 180°C oder ein Druck von mehr als 50 MPa Poren in der Elektrode zerquetschen würden, was die Zelleistung verringern würde. Eine Mehrzahl der zusammengesetzten Zelleinheiten wird im wesentlichen in der gleichen Ebene angeordnet und elektrisch miteinander verbunden, wodurch eine Flüssigbrennstoffzelle zusammengesetzt wird.
Ein Brennstofftank 3 zum Lagern eines flüssigen Brennstoffs 4 ist in der Nähe und auf der, bezüglich der negativen Elektrode 9 abgewandten Seite der Elektrolytschicht 10 bereitgestellt. Der Brennstofftank 3 führt den flüssigen Brennstoff 4 einer Mehrzahl von Brennstoffzelleinheiten zu. In anderen Worten teilen eine Mehrzahl der Brennstoffzelleinheiten einen einzigen Brennstofftank.
Der flüssige Brennstoff 4 kann zum Beispiel eine wässrige Methanol-Lösung, eine wässrige Ethanol-Lösung, Dimethylether, eine wässrige Natriumborhydrid-Lösung, eine wässrige Kaliumborhydrid-Lösung oder eine wässrige Lithiumborhydrid-Lösung sein.
Der Brennstofftank 3 ist z.B. aus Plastik, wie etwa PTFE, steifem Polyvinylchlorid, Polypropylen oder Polyethylen, oder Antikorrosionsmetallen, wie etwa rostfreiem Stahl, ausgebildet. Wenn jedoch der Brennstofftank 3 aus Metall ausgebildet ist, ist es erforderlich, einen Isolator bereitzustellen, so daß die negativen Elektroden, welche im wesentlichen in der gleichen Ebene angeordnet sind, nicht elektrisch kurzgeschlossen werden.
Der Bereich des Brennstofftanks 3, welcher die negative Elektrode 9 kontaktiert, ist mit Brennstoffzufuhrlöchern 3a versehen, durch welche der flüssige Brennstoff der negativen Elektrode 9 zugeführt wird. Auch ist ein Brennstoffansaugmaterial 5, welches als ein Flüssigbrennstoffdurchtränkungsbereich zum Aufnehmen des flüssigen Brennstoffs 4 durch Durchtränkung dient und den flüssigen Brennstoff 4 der negativen Elektrode 9 zuführt, innerhalb des Brennstofftanks 3 einschließlich eines Teils, welcher die negative Elektrode 9 kontaktiert, bereitgestellt. Auf diese Art und Weise wird der Kontakt zwischen dem flüssigen Brennstoff 4 und der negativen Elektrode 9 auch dann aufrechterhalten, wenn der flüssige Brennstoff 4 aufgebraucht ist, so daß der flüssige Brennstoff 4 vollständig verbraucht werden kann. Als das Brennstoffaufsaugmaterial 5 kann eine Glasfaser verwendet werden, und auch andere Materialien können so lange verwendet werden, wie ihre Dimension aufgrund der Durchtränkung mit dem Brennstoff nicht sehr stark variiert und ihre chemischen Eigenschaften stabil sind.
Auf der entgegengesetzten Seite der Elektrolytschicht 10 ist die positive Elektrode 8 mit einer Abdeckplatte 2 versehen, von der der Teil, welcher die positive Elektrode 8 kontaktiert, Luftlöcher 1 aufweist. Auf diese Art und Weise kann Sauerstoff in der Luft die positive Elektrode 8 durch die Luftlöcher 1 kontaktieren. Ein Endbereich der Abdeckplatte 2 ist mit einem Gas-Flüssigkeitstrennloch 6b versehen, welches eine Struktur aufweist, die in die Abdeckplatte 2 und den Brennstoffteil 3 eindringt. Auf der zu dem Brennstofftank 3 entgegengesetzten Seite hat dieses Gas-Flüssigkeitstrennloch 6b einen abtrennbaren Gas-Flüssigkeitstrennfilm 6a. Dieser Gas-Flüssigkeitstrennfilm 6a ist aus einem PTFE-Bogen mit winzigen Poren ausgebildet und kann Kohlenstoffdioxid etc., welches bei der Entladungsreaktion erzeugt wird, aus dem Brennstofftank 3 entlassen, ohne dass der flüssige Brennstoff 4 ausläuft. Bei dieser Abtrennbarkeit des Gas-Flüssigkeitstrennfilms 6a kann das Gas-Flüssigkeitstrennloch 6b auch als eine Einfüllöffnung zum Wiedereinfüllen des flüssigen Brennstoffs 4 dienen. Das Gas-Flüssigkeitstrennloch 6b, die Abdeckplatte 2 und die Luftlöcher 1 können zum Beispiel aus einem Material ausgebildet werden, welches ähnlich dem des Brennstofftanks 3 ist.
Anstatt des PTFE-Bogens mit winzigen Poren, welcher oben erwähnt wurde, können ein poröser Fluorkohlenstoffharzfilm, welcher behandelt wurde, ölabweisend zu sein, oder ein Laminatverbund, welcher behandelt wurde, ölabweisend zu sein, aus einem porösen Fluorkohlenstoffharzfilm und anderen gasdurchlässigen Materialien verwendet werden, um den Gas-Flüssigkeitstrennfilm 6a auszubilden. Auf diese Art und Weise wird es möglich, einen oloephilen, flüssigen Brennstoff daran zu hindern, durch das Gas-Flüssigkeitstrennloch zu treten. Demgemäß ist es selbst bei Verwendung eines oleophilen, flüssigen Brennstoffs mit hoher Konzentration möglich, den flüssigen Brennstoff 4 daran zu hindern, aus dem Brennstofftank 3 auszulaufen.
Beispiele für Fluorkohlenstoffharze, welche als der oben erwähnte poröse Fluorkohlenstoffharzfilm verwendet werden können, umfassen PTFE, PFA, FEP, E/TFE, PVDF, PCTFE, Chlortrifluorethylen-Ethylen-Copolymer (E/CTFE), Perfluorringpolymer und Polyvinylfluorid (PVF).
Der poröse Fluorkohlenstoffharzfilm, welcher behandelt wurde, ölabweisend zu sein, wie oben beschrieben, kann zum Beispiel aus einem Polymerbeschichtungsfilm mit einer Fluoralkylgruppe mit zwei oder mehr Fluoratomen an der Oberfläche des porösen Fluorkohlenstoffharzfilms hergestellt werden. Die obig erwähnte Fluoralkylgruppe hat vorzugsweise 4 oder mehr Kohlenstoffatome und ist am meisten bevorzugt eine Perfluoralkylgruppe, deren Wasserstoffatome alle durch Fluoratome substituiert sind. Unter Verwendung eines organischen Lösemittels, welches fähig ist, ein solches Polymer mit einer Fluoralkylgruppe aufzulösen oder zu dispergieren, zum Beispiel eines auf Fluor basierenden Bindemittels, wie etwa Perfluorbenzol, Perfluortributylamin oder Perfluorhexan, wird eine Beschichtungslösung des obig erwähnten Poylmers hergestellt, um als ein Ölabweisungsbehandlungsmittel verwendet zu werden. Durch Aufbringen dieses Mittels auf den porösen Fluorkohlenstoffharzfilm oder Eintauchen des porösen Fluorkohlenstoffharzfilms in dieses Mittel wird der oben erwähnte Polymerbeschichtungsfilm mit einer Fluoralkylgruppe auf der Oberfläche des porösen Fluorkohlenstoffharzfilms ausgebildet. Ein kommerziell erhältliches Produkt eines solchen Ölabweisungsbehandlungsmittels kann, zum Beispiel, "UNIDYNE" (Markenname) sein, welches ein Wasser- und ölabweisender Stoff ist, hergestellt von DAIKIN INDUSTRIES, Ltd. Weiterhin kann nach Ausbildung des Beschichtungsfilms der poröse Fluorkohlenstoffharzfilm einer Wärmebehandlung bei etwa 50°C bis 200°C unterzogen werden, wodurch die ölabweisende Leistung erhöht wird.
Zusätzlich zur alleinigen Verwendung des porösen Fluorkohlenstoffharzfilms können auch ein Laminatverbund des porösen Fluorkohlenstoffharzfilms und anderen gasdurchlässigen Materialien, wie etwa gewebter Stoff, Vliesstoff, Netz oder Filz verwendet werden. Im Fall der Verwendung eines solchen Laminatverbunds kann nicht der poröse Fluorkohlenstoffharzfilm, sondern das gasdurchlässige Material, welches daran zu laminieren ist, behandelt werden, ölabweisend zu sein. Natürlich ist es möglich, eine Seite des porösen Fluorkohlenstoffharzfilms zu behandeln, ölabweisend zu sein, oder beide Seiten zu behandeln, ölabweisend zu sein.
Ein kommerziell erhältliches Produkt eines solchen Laminatverbundes mit wenigstens einem porösen Fluorkohlenstoffharzfilm, welcher behandelt wurde, ölabweisend zu sein, kann zum Beispiel "NTF2131A-PS06" (Markenname) und "NTF2133A-S06" (Markenname) sein, welches von Nitto Denko Corporation hergestellte Filter sind.
Der poröse Fluorkohlenstoffharzfilm, welcher behandelt wurde, ölabweisend zu sein, welcher in der Flüssigbrennstoffzelle der vorliegenden Ausführungsform verwendet werden soll, hat eine auslaufverhindernde Wirkung bezüglich des flüssigen Brennstoffs Methanol, Ethanol, Dimethylether und all den anderen oleophilen Lösungen.
Die Brennstoffzelleinheiten sind elektrisch miteinander auf die folgende Art und Weise verbunden. Ein Stromsammler 7 wird von dem Teil, welcher die positive Elektrode 8 kontaktiert, zu dem Teil, welcher die negative Elektrode 9 der benachbarten Brennstoffzelleinheit kontaktiert, bereitgestellt, wodurch die positive Elektrode 8 und die negative Elektrode 9 der benachbarten Brennstoffzelleinheit elektrisch verbunden werden. Der Stromsammler 7 hat die Funktion, die benachbarten Brennstoffzelleinheiten elektrisch in Serie zu verbinden. Alle Brennstoffzelleinheiten, welche im wesentlichen in der gleichen Ebene aufgereiht sind, werden durch den Stromsammler 7 elektrisch in Serie verbunden. Dies kann eine Zellenabgabe erhöhen, während die Zelle miniaturisiert wird. Der Stromsammler 7 kann zum Beispiel aus Kohlenstoff, Edelmetall wie etwa Platin oder Gold, oder Anti-Korrosionsmetall wie etwa rostfreiem Stahl ausgebildet sein.
Die oben erwähnten, im wesentlichen in der gleichen Ebene aufgereihten Brennstoffzelleinheiten können nicht nur eine einzelne Schicht, sondern auch ein Laminat mit einer Mehrzahl dieser ausbilden.
Zweite Ausführungsform
2 ist eine Schnittansicht, welche eine Flüssigbrennstoffzelle der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Die vorliegende Ausführungsform ist auf eine Struktur gerichtet, welche ähnlich der in der ersten Ausführungsform ist, außer daß Bereiche über und unter dem Brennstofftank 3 im Wesentlichen symmetrisch ausgebildet sind.
Dritte Ausführungsform
3 ist eine Schnittansicht, welche eine Flüssigbrennstoffzelle der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. In der vorliegenden Ausführungsform sind der Brennstofftank 3 und ein äußerer Brennstofftank 13 durch eine Brennstoffzufuhrpassage 14 mit dem Brennstoffaufsaugmaterial 5 darin verbunden. Der Brennstofftank 13 ist mit dem flüssigen Brennstoff 4 ähnlich dem Brennstofftank 3 gefüllt und hat die Funktion, den flüssigen Brennstoff 4 kontinuierlich durch die Brennstoffzufuhrpassage 14 zuzuführen. Der Brennstofftank 13 kann beispielsweise aus einem Material ausgebildet sein, welches dem für den Brennstofftank 3 ähnlich ist. Die Brennstoffzufuhrpassage 14 kann beispielsweise aus einem Material ausgebildet sein, welches dem für den Brennstofftank 3 ähnlich ist oder einem flexiblen Gummi, wie etwa einem natürlichen Gummi. Der Brennstofftank 13 hat eine Brennstoffeinfüllöffnung 12 und die Funktion, zusätzlich den flüssigen Brennstoff aufzufüllen. Teil 11 bezeichnet ein Gas-Flüssigkeitstrennloch. Andere Strukturen der vorliegenden Erfindung sind im wesentlichen die gleichen wie die der ersten Ausführungsform.
Vierte Ausführungsform
4 ist eine Schnittansicht, welche eine Flüssigbrennstoffzelle der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Die vorliegende Ausführungsform ist auf eine Struktur gerichtet, welche ähnlich der in der dritten Ausführungsform ist, außer daß Bereiche über und unter dem Brennstofftank 3 im wesentlichen symmetrisch ausgebildet sind.
Fünfte Ausführungsform
5 ist eine Schnittansicht, welche eine Flüssigbrennstoffzelle der fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Die vorliegende Ausführungsform ist gerichtet auf eine Struktur, in welcher die Elektrolytschichten der Brennstoffzelleinheiten in der ersten Ausführungsform kontinuierlich als eine integrale Elektrolytschicht 10 ausgebildet sind. Die Struktur der vorliegenden Ausführungsform ist im wesentlichen ähnlich der der ersten Ausführungsform, außer der Struktur der Elektrolytschicht 10. Um in diesem Fall ein Leck elektrischen Stroms (flüssigen Kurzschluß) zwischen den Elektroden benachbarter Einheitszellen zu verhindern, beträgt der Raum zwischen den Brennstoffzelleinheiten vorzugsweise 10 bis 500 Mal, mehr bevorzugt 10 bis 100 Mal, so viel wie die Größe der Entfernung zwischen der positiven Elektrode 8 und der negativen Elektrode 9 (die Dicke der Elektrolytschicht 10).
In der vorliegenden Ausführungsform ist es, da der Spalt zwischen den Brennstoffzelleinheiten mit der Elektrolytschicht 10 abgedeckt ist, nicht erforderlich, jede Zelleinheit mit einem abdichtenden Bereich zum Verhindern des Auslaufens des flüssigen Brennstoffs 4 zu versehen. Damit kann Auslaufen von Brennstoff mit einer Struktur verhindert werden, welche einfacher als die der ersten bis vierten Ausführungsform ist.
Sechste Ausführungsform
6 ist eine Schnittansicht, welche eine Flüssigbrennstoffzelle der sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Zudem ist 7 eine plane Ansicht, welche eine kontinuierliche Elektrolyt-Isolatorschicht zeigt, welche in der vorliegenden Ausführungsform verwendet wird, und 8 ist eine Schnittansicht entlang einer Linie A-A' in 7. In der vorliegenden Ausführungsform sind Elektrolytschichten 10a der Brennstoffzelleinheiten über eine Isolatorschicht 10b unabhängig voneinander, und ausgebildet als eine mit dieser Isolatorschicht 10b integralen kontinuierlichen Elektrolyt-Isolatorschicht 10'. In anderen Worten ist die vorliegende Ausführungsform gerichtet auf eine Struktur, welche der der fünften Ausführungsform ähnlich ist, außer daß ein Bereich in der Elektrolytschicht zwischen den Zelleinheiten in der fünften Ausführungsform ersetzt ist durch die Isolatorschicht, um die kontinuierliche integrale Elektrolyt-Isolatorschicht 10' auszubilden.
Die Isolatorschicht 10b kann ausgebildet sein aus beispielsweise Polyethylen, Polypropylen, Polyvinylchlorid, einem Acrylharz, Polystyrol, Polyvinylalkohol, Polytetrafluorethylen, Polyvinylpyrrolidon, Polyethylenglycol, Polycarbonat, Nylon, Silikon, Epoxy, Polydimethylsiloxan, Cellulose, Polyethylenterephthalat, Polyurethan, einer Polyglycolsäure, Polybutylenterephthalat, Polysulfon, Polyethersulfon, Polyphenylensulfid, Polyamidimid, Polyetherimid, Polyetheretherketon oder Polyimid.
In der vorliegenden Ausführungsform tritt kein flüssiger Kurzschluß auf, da die Elektrolytschichten 10a der Brennstoffzelleinheiten durch die Isolatorschicht 10b getrennt sind, selbst wenn der Raum zwischen den Brennstoffzelleinheiten verringert wird. Damit ist es möglich, eine verglichen mit der fünften, oben beschriebenen Ausführungsform noch kleinere Zelle zu erreichen.
Hiernach wird die Flüssigbrennstoffzelle der vorliegenden Erfindung noch spezifischer mittels Beispielen beschrieben. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht durch die untenstehenden Beispiele beschränkt.
Beispiel 1
Die Flüssigbrennstoffzelle mit einer der in 1 ähnlichen Struktur wurde auf die folgende Art und Weise hergestellt.
Die positive Elektrode wurde wie folgt hergestellt. Zunächst wurden 50 Massenteile "Ketjen Black EC" (Markenname), herstellt von LION AKZO CO., LTD., 10 Massenteile platintragender Kohlenstoff, in welchem 50 Massenteile feine Platinpartikel mit einem mittleren Partikeldurchmesser von 3 nm getragen wurden, 75 Massenteile "Nafion" (Markenname; Feststoffkonzentration: 5 Masseprozent), einer protonleitenden Substanz, welche von ElektroChem, Inc. herstellt wurde, 10 Massenteile PTFE Emulsionslösung "D1" (Markenname; Emulsionskonzentration: 60 Masseprozent), hergestellt von DAIKIN INDUSTRIES, Ltd., als das Fluorkohlenstoffharzbindemittel und 5 Massenteile Wasser vorbereitet. Sie wurden gemischt und mit einer Homogenisieranlage dispergiert und dann auf ein Kohlenstofftuch, welches als Diffusionsschicht dient, so appliziert, daß die Platinmenge 8 mg/cm² betrug, und anschließend getrocknet. Als nächstes wurde zwei Minuten lang bei 120°C bei 10 MPa heißgepresst, um den resultierenden Artikel in eine Elektrode zu formen, und so die positive Elektrode zu erhalten.
Die negative Elektrode wurde wie folgt hergestellt. Zunächst wurden 50 Massenteile "Ketjen Black EC", wie oben erwähnt, 10 Massenteile platintragender Kohlenstoff, in welchem 50 Massenteile feine Partikel Platin-Ruthenium-Legierung (Legierungsmassenverhältnis war 1:1) mit einem mittleren Partikeldurchmesser von 3 nm getragen wurden, 75 Massenteile "Nafion", wie zuvor erwähnt, 5 Massenteile Polyethylenpulver mit einem mittleren Molekulargewicht von 15000 und einem mittleren Partikeldurchmesser von 1 μm als dem nicht auf Fluor basierenden Bindemittel und 10 Massenteile Wasser vorbereitet. Sie wurden gemischt und gleichförmig mit einer Homogenisieranlage dispergiert und dann auf ein Kohlenstofftuch aufgebracht, welches als die Diffusionsschicht dient, so daß die Platinmenge 8 mg/cm² betrug, und anschließend getrocknet. Als nächstes wurde zwei Minuten lang bei 120°C bei 10 MPa Heißpressen durchgeführt, um den resultierenden Artikel in eine Elektrode auszubilden, und so die negative Elektrode zu erhalten.
Als die Elektrolytschicht wurde "Nafion 117" (Markenname) verwendet, welches von DuPont Co. hergestellt wurde. Diese Elektrolytschicht wurde zwischen der positiven Elektrode und der negativen Elektrode zwischengelegt und bei 120°C bei 10 MPa 3 Minuten lang heißgepresst, wodurch die Brennstoffzelleinheit hergestellt wurde. Die negative und positive Elektrode hatten beide eine Fläche von 10 cm².
Die Abdeckplatte und der Brennstofftank wurden ausgebildet aus einem Material, welches erhalten wurde durch Aufbringen von "Micas A" (Markenname), einer Farbe auf Phenolharz-Basis, hergestellt von NIPPON PAINT Co., Ltd., als einem isolierenden Beschichtungsfilm auf rostfreien Stahl (SUS316). Der positive Elektrodensammler wurde aus einem Goldbogen mit einer Dicke von 10 μm hergestellt und unter Verwendung eines Epoxyharzes an die positive Elektrode gebunden. Der flüssige Brennstoff war eine 5 Massenprozent wässrige Methanollösung. Der negative Elektrodensammler wurde aus einem Material hergestellt, welches dem des positiven Elektrodensammlers ähnlich war. Der Gas-Flüssigkeitstrennfilm wurde aus einem PTFE-Film mit winzigen Poren ausgebildet.
Beispiel 2
Die Flüssigbrennstoffzelle wurde ähnlich wie in Beispiel 1 hergestellt, außer daß als das nicht auf Fluor basierende Bindemittel der negativen Elektrode die oben erwähnten 5 Massenteile Polyethylenpulver ersetzt wurden durch 5 Massenteile Ethylen-Ethylacrylat-Copolymerpulver mit einem mittleren Partikeldurchmesser von 1 μm. Die Erwärmungstemperatur zum Pressen betrug 160°C.
Beispiel 3
Die Flüssigbrennstoffzelle wurde ähnlich wie in Beispiel 1 hergestellt, außer daß die oben erwähnten 5 Massenteile Polyethylenpulver, welche als Bindemittel in der negativen Elektrode dienten, und 10 Massenteile Wasser ersetzt wurden durch die oben erwähnten 10 Massenteile PTFE Emulsions lösung "D1", welche als Fluorkohlenstoffharzbindemittel dient und 5 Massenteile Wasser. Die Erwärmungstemperatur zum Pressen betrug 160°C.
Wenn an jede der Flüssigbrennstoffzellen von Beispielen 1 bis 3, welche wie oben hergestellt wurden, bei Raumtemperatur (20°C) 500 mA angelegt wurden, wurde ihre Betriebsspannung gemessen. Tabelle 1 zeigt die Ergebnisse der Messung.
Tabelle 1
Wie aus Tabelle 1 klar wird, haben Beispiel 1 und Beispiel 2 eine höhere Betriebsspannung als Beispiel 3. Dies kann daher kommen, daß das nicht auf Fluor basierende Bindemittel, welches für die negative Elektrode in Beispielen 1 und 2 verwendet wurde, die Benetzbarkeit der negativen Elektrode bezüglich der wässrigen Methanol-Lösung erhöht, wodurch eine Oxidationsreaktion von Methanol beschleunigt wird, wodurch die Leistung der negativen Elektrode verbessert wird.
Beispiel 4
Zunächst wurde, wie in 7 und 8 gezeigt, ein 50 μm dicker Isolatorbogen aus Polyethersulfon hergestellt und mit durchgehenden Löchern versehen, so daß die Elektrolytschichten in den Bereichen angebracht werden konnten, wo die positiven und negativen Elektroden laminiert werden sollten. Danach wurde die obig erwähnte "Nafion"-Lösung, welche von ElectroChem, Inc. hergestellt wird, in diese durchgehenden Löcher gegossen und dann zum Aushärten getrocknet, wodurch der kontinuierliche Elektrolyt-Isolator-Film ausgebildet wird.
Wie in 6 gezeigt, wurde als nächstes die positive Elektrode 8 gebildet von Diffusionsschicht 8a, welche aus einem Kohlenstoffpapier mit einer Porösität von 78% und einer Dicke von 280 μm ausgebildet war, und der Katalysatorschicht 8b mit einer Dicke von 50 μm, in welcher Platinpartikel mit einem Partikeldurchmesser von 2 bis 5 nm von Kohlenstoffpartikeln mit einem Partikeldurchmesser von 30 nm getragen wurden.
Hier wurde die positive Elektrode 8 in der folgenden Art und Weise hergestellt. Als erstes wurden ein kommerziell erhältlicher, platintragender Kohlenstoff, wie oben erwähnt, und destilliertes (ionenausgetauschtes) Wasser gemischt und gerührt, nachfolgend die Viskosität angepaßt, und dadurch Lösung (ink) für den Katalysator hergestellt. Diese Lösung wurde auf das oben erwähnte Kohlenstoffpapier aufgebracht, getrocknet und dann heißgepresst und mit den Elektrolytschichtbereichen verbunden, welche aus den oben erwähnten Isolatorbogen ausgebildet wurden.
Die negative Elektrode 9 wurde auf eine Art und Weise hergestellt, welche ähnlich der der positiven Elektrode 8, wie oben beschrieben war, außer daß der oben erwähnte Platintragende Kohlenstoff ersetzt wurde durch Platin-Ruthenium-Legierungspartikel (Legierungsmassenverhältnis war 1:1) mit einem Partikeldurchmesser von 5 bis 10 nm. Die in 6 gezeigte Flüssigbrennstoffzelle wurde ähnlich zu Beispiel 1 hergestellt, außer daß die Brennstoffzelleinheiten wie obig hergestellt und 3 Masseprozent wässrige Methanol-Lösung als der flüssige Brennstoff verwendet wurden.
Beispiel 5
Die Flüssigbrennstoffzelle wurde ähnlich wie in Beispiel 4 hergestellt, außer daß die in 9 gezeigte Struktur verwendet wurde.
Beispiel 6
Die Flüssigbrennstoffzelle wurde ähnlich wie in Beispiel 4 hergestellt, außer daß, wie in 1 gezeigt, keine Isolatorschicht zwischen den Elektrolytschichten einer Mehrzahl der Brennstoffzelleinheiten angeordnet war, das heißt, daß die Brennstoffzelleinheiten voneinander getrennt ausgebildet waren.
Dann wurde eine Abgabe jeder der Brennstoffzellen unter Verwendung der Flüssigbrennstoffzellen von Beispielen 4 bis 6 gemessen. Die Abgabemessungen wurden wie folgt ausgeführt. Jede Zelleinheit wurde bei einem konstanten Strom von 100 mA entladen, und nach 20 Minuten wurde die Spannung jeder Zelleinheit gemessen, um die Abgabe zu bestimmen. Dann wurde ein Durchschnittswert der Abgabe jeder Zelleinheit ermittelt. Tabelle 2 zeigt die Ergebnisse.
Tabelle 2
Wie aus Tabelle 2 klar wird, haben die Flüssigbrennstoffzellen von Beispielen 4 und 5 größere Abgaben als die Flüssigbrennstoffzelle von Beispiel 6 und weisen damit eine zur Miniaturisierung geeignete Struktur auf.
Zusätzlich ist die Abgabe in Beispiel 5 größer als die in Beispiel 4. Dies kann daran liegen, daß in Beispiel 5 es der Flüssigkeitsdruck des flüssigen Brennstoffs in dem äußeren Brennstofftank dem flüssigen Brennstoff erlaubt, sich reibungsloser in die Nähe der negativen Elektrode zu bewegen.
Industrielle Anwendbarkeit
Wie obig beschrieben kann die vorliegende Erfindung eine Flüssigbrennstoffzelle bereitstellen, welche klein ist, und fähig ist, Elektrizität in stabiler Art und Weise zu erzeugen.
Zusammenfassung
Flüssigbrennstoffzelle, umfassend eine Mehrzahl von Brennstoffzelleinheiten, jede umfassend eine positive Elektrode (8) zum Reduzieren von Sauerstoff, eine negative Elektrode (9) zum Oxidieren eines flüssigen Brennstoffs, und eine Elektrolytschicht (10), welche zwischen der positiven Elektrode (8) und der negativen Elektrode (9) angeordnet ist; und einen Bereich (3) zum Lagern von flüssigem Brennstoff (4), wobei in stabiler Art und Weise Energie erzeugt werden kann, während die Größe durch Anordnen der Brennstoffzelleinheiten im Wesentlichen in der gleichen Ebene angeordnet verringert wird. Jede Elektrolytschicht der Brennstoffzelleinheit ist bevorzugt als kontinuierliche, integrale Elektrolytschicht ausgebildet.

Claims

Flüssigbrennstoffzelle, umfassend: eine Mehrzahl von Brennstoffzelleinheiten, jede umfassend eine positive Elektrode zum Reduzieren von Sauerstoff, eine negative Elektrode zum Oxidieren eines flüssigen Brennstoffs, und eine Elektrolytschicht, welche zwischen der positiven Elektrode und der negativen Elektrode angeordnet ist; und einen Flüssigbrennstofflagerbereich zum Lagern von flüssigem Brennstoff; wobei die Mehrzahl von Brennstoffzelleinheiten im wesentlichen in der gleichen Ebene angeordnet sind.
Flüssigbrennstoffzelle gemäß Anspruch 1, wobei der Mehrzahl von Brennstoffzelleinheiten der flüssige Brennstoff aus dem gemeinsamen Flüssigbrennstofflagerbereich zugeführt wird.
Flüssigbrennstoffzelle gemäß Anspruch 1, wobei die Elektrolytschichten der Mehrzahl von Brennstoffzelleinheiten kontinuierlich als eine integrale Elektrolytschicht ausgebildet sind.
Flüssigbrennstoffzelle gemäß Anspruch 1, wobei die Elektrolytschichten der Mehrzahl von Brennstoffzelleinheiten mittels einer Isolatorschicht unabhängig voneinander sind und als eine kontinuierliche, mit der Isolatorschicht integrale Schicht ausgebildet sind.
Flüssigbrennstoffzelle gemäß Anspruch 1, wobei die Mehrzahl von Brennstoffzelleinheiten elektrisch in Serie miteinander verbunden sind.
Flüssigbrennstoffzelle gemäß Anspruch 1, wobei der Flüssigbrennstofflagerbereich ein Gas-Flüssigkeitstrennloch mit einem Gas-Flüssigkeitstrennfilm umfaßt.
Flüssigbrennstoffzelle gemäß Anspruch 6, wobei der Gas-Flüssigkeitstrennfilm ein poröser Fluorkohlenstoffharzfilm ist, welcher behandelt wurde, ölabweisend zu sein, oder ein Laminatverbund, welcher behandelt wurde, ölabweisend zu sein, und zwar aus einem porösen Fluorkohlenstoffharzfilm und anderen gasdurchlässigen Materialien.
Flüssigbrennstoffzelle gemäß Anspruch 1, weiter umfassend einen Flüssigbrennstoffdurchtränkungsbereich zum Zurückbehalten des flüssigen Brennstoffs durch Durchtränken und Zufuhr des flüssigen Brennstoffs zur negativen Elektrode.
Flüssigbrennstoffzelle gemäß Anspruch 1, wobei die negative Elektrode ein Bindemittel ohne Ionenleitfähigkeit und ohne Fluor umfasst.
Flüssigbrennstoffzelle gemäß Anspruch 9, wobei das Bindemittel ein thermoplastisches Bindemittel ist.
Flüssigbrennstoffzelle gemäß Anspruch 9, wobei das Bindemittel wenigstens eines umfaßt, welches ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Polyethylen, Polypropylen, Nylon, Polyester, Ionomer, Butylgummi, Ethylen-Vinylacetat-Copolymer, Ethylen-Ethylacrylat-Copolymer und Ethylen-Acrylsäure-Copolymer.
Flüssigbrennstoffzelle gemäß Anspruch 9, wobei das Bindemittel einen Partikeldurchmesser von 0,01 bis 100 μm aufweist.
Flüssigbrennstoffzelle gemäß Anspruch 1, wobei der Flüssigbrennstofflagerbereich mit einem weiteren Flüssigbrennstofflagerbereich über einen Verbindungsbereich verbunden ist.
Flüssigbrennstoffzelle gemäß Anspruch 13, wobei ein Flüssigbrennstoffdurchtränkungsbereich innerhalb des Verbindungsbereichs bereitgestellt ist.
Flüssigbrennstoffzelle gemäß Anspruch 1, wobei sich die Mehrzahl von Brennstoffzelleinheiten über den Flüssigbrennstofflagerbereich einander gegenüberliegen.
Flüssigbrennstoffzelle gemäß Anspruch 15, wobei der Mehrzahl von Brennstoffzelleinheiten, welche sich über den Flüssigbrennstofflagerbereich einander gegenüberliegen, der flüssige Brennstoff aus dem gemeinsamen Flüssigbrennstofflagerbereich zugeführt wird.
Flüssigbrennstoffzelle gemäß Anspruch 15, wobei die Mehrzahl von Brennstoffzelleinheiten, welche sich über den Flüssigbrennstofflagerbereich einander gegenüberliegen, elektrisch in Serie verbunden sind.
Flüssigbrennstoffzelle gemäß Anspruch 15, wobei der Flüssigbrennstofflagerbereich ein Gas-Flüssigkeitstrennloch mit einem Gas-Flüssigkeitstrennfilm umfaßt.
Flüssigbrennstoffzelle gemäß Anspruch 15, wobei der Flüssigbrennstofflagerbereich über einen Verbindungsbereich mit einem weiteren Flüssigbrennstofflagerbereich verbunden ist.
Flüssigbrennstoffzelle gemäß Anspruch 19, wobei ein Flüssigbrennstoffdurchtränkungsbereich innerhalb des Verbindungsbereichs bereitgestellt ist.