固体高分子型燃料电池的利记博彩app

专利名称：固体高分子型燃料电池的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及一种固体高分子型燃料电池。
背景技术：
由于固体卨分子型燃料电池容易实现小型、轻量化，所以，作为以便 携式设备为首的各种电子设备用电源的研究开发在活跃地进行中。
固体高分子型燃料电池具备由正极和负极夹持固体高分子电解质膜
的构造的电极 一 电解质膜接合体(MEA : Membrane and Electrode Assembly)。直接向正极供给燃料的类型的燃料电池，被称为直接型燃料 电池，通过在正极所承载的催化剂上分解被供给的燃料，而生成阳离子、 电子及中间生成物。并且，这种类型的燃料电池将所生成的阳离子透过固 体高分子电解质膜向负极侧移动，所生成的电子经由外部负载向负极侧移 动，使它们在负极与空气中的氧反应来发电。例如，在直接使用甲醇水溶 液作为燃料的直接甲醇型燃料电池(以下称为DMFC)中，在正极发生的 正极反应如下式所示
CH3OH+H20—C02+6H+ + 6e一
在负极发生的负极反应如下式所示
6H十+ 6e一十3/202—3H20。
艮卩，在DMFC屮，从理论上而言，在正极由l摩尔的甲醇与l摩尔的 水反应，生成l摩尔的反应生成物(二氧化碳)。此时，由于还生成氢离 子及电子，所以，作为燃料的甲醇水溶液中的甲醇的理论浓度以体积％表 示，约为70vol%。
不过，公知如果向正极供给的甲醇浓度增高，则甲醇不会对该正极反 应起到作用，而会引起透过固体高分子电解质膜的"渗透(crossover)"， 从而导致发电容量或发电电力降低。如果渗透变大，则由于(i)输出(电 压)降低、(ii)燃料的利用效率变差、和(iii)发热量增大、导致MEA
的温度上升，所以，燃料温度会上升到需要温度以上，从而进一步加速了 渗透，容易引起更进一步的温度上升等不良情况。
为了提高MEA的输出，需要升高电解质膜的质子传导，但这也与甲 醇的透过速度增高相关联。因此，目前的状况是即使想要确保必要的输 出而使用了 20vol^左右的甲醇水溶液，也会受到渗透的影响。反过来， 虽然通过采用低浓度甲醇水溶液容易降低渗透，但如果使用这种低浓度甲 醇水溶液作为燃料，则由于燃料的单位质量的发电量减少，所以，将产生 无法提高固体高分子型燃料电池的能量密度的问题。因此，为了获得能量 密度高的固体高分子型燃料电池，优选利用最接近理论上为最佳的甲醇浓
度(70vol%)的燃料，并且抑制渗透。
作为用于抑制渗透的DMFC技术，公知有 -种通过在MEA的正极部 前设置气液分离膜作为燃料气化层，对被供给的燃料进行气化供给的燃料 电池。
根据特开2000 — 106201号公报的记载，能够实现"通过如此气化、 供给燃料，由于燃料气化层内的气体燃料几乎被保持为饱和状态，所以， 液体燃料从燃料浸透层仅气化基于电池反应的燃料气化层中的气体燃料 的消耗量，进而通过毛细管力将气化量的液体燃料导入到单元内。这样， 由于燃料供给量与燃料消耗量联动，所以，几乎不存在未反应而被排出到 电池外的燃料，不像以往的液体燃料电池那样，需要燃料出口侧的处理系 统"的效果。
艮P，如图4所示，层叠有用于通过毛细管力将燃料导入到电池内的燃 料浸透层106;和配置在正极102与燃料浸透层106之间，使被导入到电 池内的燃料气化，用于以气体的形式向正极供给燃料的燃料气化层107。 通过借助隔膜105层叠多个燃料浸透层106、燃料气化层107和起电部104， 构成了成为电池主体的层叠电池单元(stack) 109。导入到液体燃料导入 路径110内的燃料，基于毛细管力从层叠电池单元109的侧面供给燃料浸 透层106，进而在燃料气化层107中被气化、并向正极102供给。由于隔 膜105、燃料浸透层106及燃料气化层107还起着对所产生的电子进行传 导的集电板的功能，所以，例如燃料浸透层106由碳导电性材料形成。
在这种燃料电池中，使用甲醇与水为h 1 (摩尔比)的混合液作为燃
料，从燃料贮藏容器向液体燃料导入路径110的燃料的供给，可采用构成 为基于将容器设置在发电部的上方的自然下落、或基于容器内的内压等挤 出燃料的结构，也可以构成为以液体燃料导入路径110的毛细管力吸出燃 料的结构。
在特开2001— 15130号公报中，公开了一种在分离膜上具有热传导率 为20W/m 以上的热传导率的材料所构成的表面，通过使用由含氟树脂 所构成的多孔质体，利用MEA的发热，从而基于气化热来气化供给液体 燃料的技术。
在对特开2000—106201号公报和特开2001 — 15130号公报所公开的 构成做进一步研究时，本发明的发明者们发现了存在着下述的问题，这样 将无法进行稳定的发电。
首先，在特开2000—106201号公报的构成中，使用甲醇与水为l: 1 (摩尔比)的混合液，可以基于容器内的内压等向燃料气化层107供给液 体燃料，但本发明的发明者们发现通过专利文献1的构成，无法实现稳定 的燃料供给。即，在这种基于毛细管力的燃料供给中，当从液相和气相的 平衡状态开始利用高浓度甲醇水溶液时，会被供给比液体燃料浓度高的甲 醇水溶液。即，难以实现利用了高浓度甲醇水溶液的稳定发电。而且，在 该燃料供给方法中，难以实现完全的气化供给，作为液体被供给的部分成 为渗透的原因。基于以上的理由，难以使用高浓度甲醇水溶液作为燃料。
在特开2001 — 15130号公报的燃料电池中，由于使用了疏水性处理后 的多孔质膜，所以，与专利文献l相比，液体燃料几乎不会直接渗出。而 且，由于可以使用化学性质稳定的聚四氟乙烯(PTFE)等含氟高分子材料， 所以，也具有良好的长期可靠性。不过，众所周知，疏水性多孔质体作为 使醇类水溶液浓缩分离的气液分离膜材料而被公知。即，当即使在该情况 下还是使用高浓度的甲醇时，甲醇的透过具有支配性，存在着因水不足及 向负极电极的甲醇渗透增大而无法得到足够的电压的问题。实际上，到 20vol^为止是实际应用的范围。
并且，作为关联技术，在特开2004 — 79506号公报中记载了一种用于 提供可实现小型、且能够稳定发电的液体燃料电池的技术。另外，在特开 2002 — 289224号公报中，记载了一种以提供下述的燃料电池为课题的技
术，所述燃料电池解决了因输出端子附近的气体产生而降低发电效率的问
题，并能够实现更高的输出。此外，在特开2000—268836号公报中记载 了一种用于提供下述发电器件的技术，所述发电器件可防止液体燃料的渗 透，并且即使液体燃料减少或上下位置关系变动，也能够向负极供给稳定 的燃料。

发明内容
本发明的课题在于，提供--种抑制渗透的固体高分子型燃料电池。 本发明的其他课题在于，提供一种使用了高浓度燃料时的发电特性高
的固体高分子型燃料电池。
本发明的另一个课题在于，提供一种抑制燃料消耗的固体高分子型燃
料电池。
本发明的固体高分子型燃料电池具备通过燃料水溶液与氧化剂的化
学反应产生电力的电极一电解质膜接合体；由亲水性材料形成的亲水性
膜；和由疏水性材料形成的疏水性多孔质膜。疏水性多孔质膜被配置在电 极一电解质膜接合体与亲水性膜之间。该燃料水溶液经由亲水性膜和疏水 性多孔质膜向电极一电解质膜接合体供给。作为该燃料，可举出甲醇。
此时，亲水性膜一边以液体方式稍微渗出燃料水溶液， 一边使燃料水 溶液气化。疏水性多孔质膜由于其疏水性，在不使燃料水溶液与电极一电 解质膜接合体直接接触的情况下，向电极—电解质膜接合体供给气化后的 燃料和水。本发明的固体高分子型燃料电池即使采用高浓度燃料水溶液， 也可以防止燃料的过量透过，从而能够向电极一电解质膜接合体供给最佳 量的燃料和水。其结果，本发明的固体高分子型燃料电池可以防止正极的 水不足和燃料向负极的渗透的增大，能够抑制特性降低，从而可以获得足 够的发电特性。
优选在该亲水性膜与疏水性多孔质膜之间形成有空隙。从亲水性膜稍 微渗出燃料。如果该亲水性膜与疏水性多孔质膜密接，则有可能导致气化 供给延迟。固体高分子型燃料电池可以防止亲水性膜与疏水性多孔质膜密 接，从而能够防止气化供给燃料和水发生延迟。例如，固体高分子型燃料 电池还具备形成有多个孔的有孔板。该有孔板被配置在亲水性膜与疏水性
多孔质膜之间。
该电极一电解质膜接合体具备被供给氧化剂的负极；被供给燃料水 溶液的正极；和配置在负极与正极之间的固体高分子电解质膜。将正极与 外部隔离的密封器件形成有使基于化学反应而生成的二氧化碳通过的通 气口。此时，固体高分子型燃料电池可防止正极的内压的上升，能够防止 该二氧化碳妨碍燃料和水向正极供给的情况。
密封器件还使从正极传递电子的集电体与固体高分子电解质膜电绝 缘。即，优选通气口形成于这种密封器件内。
电极一电解质膜接合体具备被供给氧化剂的负极；被供给燃料和水 的正极；和配置在负极与正极之间的固体高分子电解质膜。本发明的固体 高分子型燃料电池还具备抑制水的蒸发的蒸发抑制层。该蒸发抑制层被配 置在负极与外部之间。此时，固体高分子型燃料电池可防止在负极处产生 的水蒸发到大气中，通过使不蒸发的水向正极逆扩散，可以减少燃料侧的 水的消耗量。其结果，固体高分子型燃料电池可以利用高浓度的甲醇水溶 液。
该蒸发抑制层优选由亲水性材料形成，或者，优选由疏水性材料形成。 本发明的固体高分子型燃料电池在利用高浓度燃料时，可抑制渗透、 提高发电特性、抑制燃料消耗。


图1是表示基于本发明的固体高分子型燃料电池的实施方式的剖面图。
图2是表示基于本发明的固体高分子型燃料电池的实施方式的分解立 体图。
图3是表示固体高分子型燃料电池的电流电压特性的曲线图。 图4是表示公知的固体高分子型燃料电池的剖面图。
具体实施例方式
参照附图，对基于本发明的固体高分子型燃料电池的实施方式进行记载。
该固体高分子型燃料电池10具备单元构造，该单元构造如图1所示， 具备正极侧集电电极1、负极侧集电电极2和电极一电解质膜接合体
(MEA、 Menbrane and Electrode Assembly) 3。正极侧集电电极1由不锈 钢形成，被形成为板状。负极侧集电电极2由不锈钢形成，被形成为板状。 电极一电解质膜接合体3被形成为板状。电极一电解质膜接合体3具 备固体高分子电解质膜5;正极电极6;和负极电极7。固体高分子电解
质膜5被夹持配置在正极电极6与负极电极7之间。固体高分子电解质膜 5由显示质子传导性的有机高分子形成。作为该有机高分子，可举出杜邦 公司制造的"纳菲澳(于7^f才乂) 117"(注册商标)。
正极电极6由催化剂层和多孔质基材形成，被形成为板状。其催化剂 层由催化剂、承载体和高分子电解质形成。该催化剂是由贵金属形成的微 粒，被其承载体承载。作为该贵金属，可举出单体金属、合金为例。作为 其催化剂可举出含有铂和钌的合金(例如钉的比率为60狄％的合金)。优 选该微粒的直径为3nm 5nm。作为其承载体，可举出由碳形成的碳粒子。 作为该碳粒子，可举出狮子(歹一才y)公司制造的"克钦布拉柯(^、7 ^工y:/，、;/夕)、EC600JD"(注册商标)。其高分子电解质具有质子 传导性。作为该高分子电解质，可举出杜邦公司制造的"纳菲澳(于7^ 才>0 、 DE521"(注册商标)。其多孔质基材为低电阻，是形成有多数 孔的材料。作为该多孔质基材，可举出复写纸(carbonpaper)，如东利(東 1/)公司制造的"丁GP—H — 120"。正极电极6被配置在电极一 电解质膜 接合体3的正极侧集电电极1一侧，与正极侧集电电极1电连接。
负极电极7由催化剂层和多孔质基材形成，被形成为板状。其催化剂 层由催化剂、承载体和高分子电解质形成。该催化剂是由贵金属形成的微 粒，被其承载体承载。作为该贵金属，可举出单体金属、合金。作为该催 化剂可举出铂。优选该微粒的直径为3nm 5nm。作为该承载体，可举出
由碳形成的碳粒子。作为该碳粒子，可举出狮子(，^才y)公司制造的 "克钦布拉柯(亇:y于工y7"， 、乂夕)、EC600JD"(注册商标)。其高 分子电解质具有质子传导性。作为该高分子电解质，可举出杜邦公司制造 的"纳菲澳(于7^才乂) 、 DE521"(注册商标)。其多孔质基材为低 电阻，是形成有多数孔的材料。作为该多孔质基材，可举出复写纸(carbon
paper)，如东利(東l/)公司制造的"TGP — H—120"。负极电极7被配 置在电极一电解质膜接合体3的负极侧集电电极2—侧，与负极侧集电电 极2电连接。
电极一电解质膜接合体3还具备绝缘兼密封器件11、 12。绝缘兼密封 器件11由绝缘体形成。作为该绝缘体，可举出硅橡胶。绝缘兼密封器件 11被配置在正极侧集电电极1与固体高分子电解质膜5之间，以使正极侧 集电电极1与固体高分子电解质膜5电绝缘。绝缘兼密封器件U还从外 部密封正极电极6，以使正极电极6不暴露于外部气体。绝缘兼密封器件 11还形成有二氧化碳气体放出口 14。 二氧化碳气体放出口 14将由正极电 极6生成的二氧化碳向外部排出。绝缘兼密封器件12由绝缘体形成。作 为该绝缘体可举出硅橡胶。绝缘兼密封器件12被配置在负极侧集电电极2 与固体高分子电解质膜5之间，以使负极侧集电电极2与固体高分子电解 质膜5电绝缘。绝缘兼密封器件12还从外部密封负极电极7，以使负极电 极7不暴露于外部气体。
固体高分子型燃料电池IO还具备燃料容器15;燃料保持部16;分
离膜20;和保湿材料21。燃料容器15是由聚丙烯形成的容器，被配置在 固体高分子型燃料电池10的单元构造的正极侧集电电极1的一侧。燃料 容器15在内部贮存燃料。该燃料是含有水和甲醇的液体。作为该液体， 可举出5Ovol^甲醇水溶液。燃料保持部16由利用芯吸而汲升液体的芯吸 材料形成，被配置在燃料容器15的内部。作为该芯吸材料，可举出氨基 甲酸酯原材料。
分离膜20形成为片状，被配置在正极侧集电电极1与燃料容器5之
间。分离膜20具备亲水性膜17;疏水性多孔质膜18;和有孔板19。亲
水性膜17由亲水性的材料形成，被形成为片状。作为亲水性膜17，可举 出由具有磺基的分子形成的离子交换膜'如"纳菲澳(于7^才y)"、 苯乙烯二乙烯基苯系膜。该苯乙烯二乙烯基苯系膜是将苯乙烯二乙烯基苯 共聚体磺化的材料。优选亲水性膜17的含水量为10% 40%左右。亲水 性膜17的厚度对应燃料的浓度而决定，例如优选为20 U m 300 u m左右。 另外，亲水性膜17的材料还可以由与其离子交换膜不同的材料形成。只 要该材料是从燃料容器15向电极一电解质膜接合体3供给甲醇和水的透
过速度比电极一电解质膜接合体3消耗甲醇和水的量大的材料，则可以采 用任意的材料。亲水性膜17与燃料保持部16接触。
疏水性多孔质膜18由疏水性的材料形成，被形成为片状。疏水性多
孔质膜18由多孔质体形成。作为该多孔质体，可举出由含氟树脂形成并 对多孔质体实施了表面加工的多孔质体。作为该含氟树脂可举出PTFE。 作为被表面加工的多孔质体的材料，可举出金属、塑料、陶瓷。作为该表 面加工，可举出涂敷疏水性材料。作为该被涂敷的疏水性材料，可举出 PTFE、全氟垸氧基链烷(PFA)、乙烯一四氟乙烯共聚物(ETFE)。疏 水性多孔质膜18的厚度，根据向正极电极6供给燃料的速度和燃料气化 的气化热的热传导来决定，例如优选为100um以下。优选疏水性多孔质 膜18的气孔率为60% 90%左右。优选疏水性多孔质膜18的通气度为 20秒以下。另外，疏水性多孔质膜18的材料还可以由与这种材料不同的 材料形成。只要该材料是从燃料容器15向电极一电解质膜接合体3供给 甲醇和水的透过速度比电极一电解质膜接合体3消耗甲醇和水的量大的材 料，则可以采用任意的材料。疏水性多孔质膜18经由形成在正极侧集电 电极1的孔，与燃料保持部16接触。
有孔板19是由不锈钢形成的板，形成有多个孔。有孔板19被配置在 亲水性膜17与疏水性多孔质膜18之间。有孔板19的厚度优选为0.1mm 2mm左右，开口率优选为50 90%。有孔板19在亲水性膜17与疏水性 多孔质膜18之间设置有O.lmm以上的空隙，防止了亲水性膜17与疏水性 多孔质膜18密接的情况。有孔板19能够容易地在亲水性膜17与疏水性 多孔质膜18之间设置这种物理空间。这种空隙用于防止被亲水性膜17气 化的燃料延迟向疏水性多孔质膜18供给的情况。孔板19在板厚或开口率 不恰当时，会因扩散能大幅降低的低温等而容易受到影响。由于有孔板19 还作为多孔质体的保护体发挥功能，所以，可抑制因膜的挠曲引起的透过 速度的变动。
保湿材料21是由具有甲醇耐性的亲水性材料形成的板。作为该亲水 性材料，可举出纤维垫、亲水性纤维素纤维、玻璃纤维。作为保湿材料21，
可举出旭化成株式会社制造的"棉繊維汽车雨刷材昆贝特(〕y^、乂卜)"。 保湿材料21经由形成于负极侧集电电极2的孔，与负极电极7直接接触。
此时，保湿材料21抑制从负极电极7蒸发水，进行保湿。另外，保湿材 料21也可以使用由疏水性材料形成的板。作为该疏水性材料，可举出甲
醇耐性塑料材料、金属垫。作为该甲醇耐性塑料材料，可举出PTFE、ETFE、 聚丙烯、聚乙烯。此时，保持材料21将负极电极7密封在封闭空间内， 抑制蒸发、进行保湿。此外，保湿材料21还可使用将该亲水性材料与该 疏水性材料进行组合的板。此时，保湿材料21抑制从负极电极7蒸发水， 并且将负极电极7密封在密闭空间内，抑制蒸发、进行保湿。
固体高分子型燃料电池10还具备未图示的保温器材。该保温器材由 穿孔板形成，被固定于负极侧集电电极2。该保温器材用于防止保湿材料 21因外气而冷却。
固体高分子型燃料电池10的制造方法包括调制电极一电解质膜接 合体体3的工序和制作固体高分子型燃料电池10的工序。
在调制电极一电解质膜接合体3的工序中，首先对承载催化剂的承载 体和高分子电解质的水溶液进行搅拌，调制成正极催化剂膏。将该正极催 化剂膏涂敷到多孔质基材上，并实施千燥，制作成正极电极6。对承载催 化剂的承载体和高分子电解质的水溶液进行搅拌，调制成负极催化剂膏。 将该负极催化剂膏涂敷到多孔质基材上，并在规定的加热温度下仅以规定 的加热时间实施加热干燥，制作成负极电极7。
由该负极电极6和该正极电极7夹持固体高分子电解质膜5实施热轧， 调制成电极一电解质膜接合体3。此时，固体高分子电解质膜5按照与该 正极电极6的被涂敷了正极催化剂膏的面接触，与该负极电极7的被涂敷 了负极催化剂膏的面接触的方式，被夹持在该正极电极6与该负极电极7 之间。
在制作固体高分子型燃料电池10的工序中，首先按照正极侧集电电 极1与电极一电解质膜接合体3的正极电极6电接触的方式，将正极侧集 电电极1与电极一电解质膜接合体3接合，按照负极侧集电电极2与电极 一电解质膜接合体3的负极电极7电接触的方式，将负极侧集电电极2与 电极一电解质膜接合体3接合。
绝缘兼密封器件11设置有切缝，形成二氧化碳气体放出口 14。绝缘 兼密封器件11被配置在固体高分子电解质膜5与正极侧集电电极1之间，
以使正极侧集电电极1与固体高分子电解质膜5绝缘、且正极电极6不从 固体高分子电解质膜5与正极侧集电电极1的间隙暴露到外部。绝缘兼密
封器件12被配置在固体高分子电解质膜5与负极侧集电电极2之间，以 使负极侧集电电极2与固体高分子电解质膜5绝缘，且负极电极7不从固 体高分子电解质膜5与负极侧集电电极2的间隙露出到外部。
分离膜20通过在亲水性膜17与疏水性多孔质膜18之间夹持有孔板 19而制成。燃料容器15在内部配置有燃料保持部16。分离膜20按照亲 水性膜17与燃料保持部16接触，且疏水性多孔质膜18经由正极侧集电 电极1的孔与正极电极6接触的方式，被燃料容器15和电极一电解质膜 接合体3夹持。保湿材料21借助负极侧集电电极2上形成的孔，被直接 粘贴在负极电极7上。利用树脂制螺栓使正极侧集电电极1、负极侧集电 电极2、电极一电解质膜接合体3、燃料容器15和分离膜20—体化，从 而制成固体高分子型燃料电池10。
固体高分子型燃料电池IO首先在燃料容器15中贮留甲醇水溶液，将 正极侧集电电极1和负极侧集电电极2与负载电连接。该甲醇水溶液的甲 醇浓度为20v/v^ 70v/v^左右。对于与燃料容器15内部的燃料保持部 16相接的亲水性膜17而言，在膜中保持该甲醇水溶液，从膜表面将燃料 作为蒸汽向疏水性多孔质膜18气化供给。疏水性多孔质膜18将该气化后 的甲醇水溶液向正极电极6的多孔质基材供给。固体高分子型燃料电池10 通过向正极电极6的多孔质基材供给甲醇水溶液，向负极电极7的多孔质
基材供给氧而发电。
此时，在正极电极6中，进行由下述反应式CH3OH+H20—6H+ + C02 + 6e—表示的电极反应。由该电极反应生成的电子，从正极电极6向正
极侧集电电极l传递。
在负极电极7中，进行由下述反应式3/202 + 6H+ + 6e——3H20表示 的电极反应，产生电力。被该电极反应利用的电子，从负极侧集电电极2 向负极电极7传递。
在被气化供给燃料的情况下，疏水性多孔质膜的透过特性在甲醇和水 中大致相同。其结果，即使利用高浓度甲醇水溶液，也能够防止甲醇的过 量透过，从而可向正极供给最佳量的燃料。而且，虽然第-—层的亲水性膜
不是完全的气化供给，而作为液体稍微地渗出了燃料，但是由于第二层膜 具有疏水性，所以，液体燃料不会直接漏到电极一电解质膜接合体3，可 抑制因渗透引起的特性降低。
另外，在本实施方式中对使用液体燃料(甲醇水溶液)作为燃料的情 况进行了说明，但即使在使用固体燃料作为燃料的情况下应用本发明，也 可以得到与本实施方式同样的效果。作为固体燃料，例如可举出混合了凝 胶化材料和甲醇的固态燃料。在使用了这种固态燃料时，会从固体燃料升 华燃料成分(甲醇)，经由亲水性膜17提供给正极。 (比较例)
作为基于本发明的固体高分子型燃料电池的比较例，已述的实施方式
中的分离膜20仅由除了亲水性膜17和有孔板19之外的疏水性多孔质膜 18形成。即，首先混合承载催化剂的承载体与高分子电解质的水溶液，调 制正极催化剂膏。该催化剂由粒子直径在3 5nm范围内的铂(Pt) —钌 (Ru)合金微粒(Ru的比率为60at%)形成。该承载体由碳粒子(狮子 (，<才>)公司制造的克钦布拉柯(亇:y于工y:7、、，、;/夕)EC600JD) 形成。所述高分子电解质由杜邦公司制造的"纳菲澳(于7^才y)"(注 册商标)(商品名DE521)形成。其水溶液是5wt。/。纳菲澳(于7一才 乂)水溶液o
将该正极催化剂膏涂敷到多孔质基材并实施千燥，制成正极电极6。 该多孔质基材由复写纸(东利(東lz)公司制造的TGP—H—120)形成， 被形成为4cmX4cm的正方形状。该正极催化剂膏按照在所述多孔质基材 上成为lmg/cn^ 8mg/cn^的量的方式，被涂敷在该多孔质基材上。
并且，混合承载催化剂的承载体和高分子电解质的水溶液，调制负极 催化剂膏。该催化剂由粒子直径在3 5nm范围内的铂微粒形成。该承载 体由碳粒子(狮子(，一才y)公司制造的克钦布拉柯(，:y于工y:/， 、;/夕)EC600JD〕形成。所述高分子电解质由杜邦公司制造的"纳菲澳(于 :7^才y)"(注册商标)(商品名DE521)形成。其水溶液是5wt% 纳菲澳(于7Y才y)水溶液。
将该负极催化剂膏涂敷到多孔质基材上，在规定的加热温度下仅以规 定的加热时间进行加热千燥，从而制成负极电极7。该多孔质基材由复写
纸(东利(東IO公司制造的TGP—H—120)形成，被形成为4cmX4cm 的正方形状。该负极催化剂膏是按照在所述多孔质基材上成为lmg/cm2 8mg/ci^的量的方式，被涂敷在该多孔质基材上。
由该正极电极6和该负极电极7夹持固体高分子电解质膜5并实施热 轧，调制电极一电解质膜接合体3。固体高分子电解质膜5由杜邦公司制 造的"纳菲澳(于7^才:/) 117"形成，被形成为8cmX8cmX厚 m的膜。此时，固体高分子电解质膜5按照与该正极电极6的涂敷了正极 催化剂膏的面接触、并与该负极电极7的涂敷了负极催化剂膏的面接触的 方式，被夹持在该正极电极6与该负极电极7之间。
接着，按照正极侧集电电极1与电极一电解质膜接合体3的正极电极 6电接触的方式，将正极侧集电电极1与电极一电解质膜接合体3接合， 按照负极侧集电电极2与电极一电解质膜接合体3的负极电极7电接触的 方式，将负极侧集电电极2与电极一电解质膜接合体3接合。正极侧集电 电极1与负极侧集电电极2分别由不锈钢(SUS316)形成，被形成为外尺 寸6cm2、厚度lmm、宽度llmm的矩形框状。
绝缘兼密封器件ll由硅橡胶形成，被形成为外尺寸6cr^、厚度0.2mm、 宽度10mm的矩形框状。绝缘兼密封器件11还设置有切缝，形成二氧化 碳气体放出口 14。绝缘兼密封器件11按照正极侧集电电极1与固体高分 子电解质膜5绝缘、且正极电极6不从固体高分子电解质膜5与正极侧集 电电极1的间隙暴露到外部的方式，被配置在固体高分子电解质膜5与正 极侧集电电极1之间。绝缘兼密封器件12由硅橡胶形成，被形成为外尺 寸6cm2、厚度0.2mm、宽度10mm的矩形框状。绝缘兼密封器件12按照 负极侧集电电极2与固体高分子电解质膜5绝缘、且负极电极7不从固体 高分子电解质膜5与负极侧集电电极2的间隙露出到外部的方式，被配置 在固体高分子电解质膜5与负极侧集电电极2之间。
燃料容器15由聚丙烯形成，被形成为外尺寸6cm2、高8mm、内尺寸 44mm2、深度3mm。燃料容器15在内部配置有燃料保持部16。燃料保持 部16由氨基甲酸酯原材料构成的芯吸材料形成。亲水性膜17由对苯乙烯 二乙烯基苯进行磺化处理后的材料形成，被形成为8cmX8cnX厚25um、 含水率30%的离子交换膜。亲水性膜17疏水性多孔质膜18由PTFE形成，
被形成为8cmX8cmX厚25Pm、细孔直径liim、气孔率85%的多孔质 膜。疏水性多孔质膜18按照与燃料保持部16接触，且经由正极侧集电电 极1的孔与正极电极6接触的方式，被燃料容器15和电极一电解质膜接 合体3夹持。
保湿材料21借助形成在负极侧集电电极2上的孔，被直接粘贴于负 极电极7。保湿材料21由纤维素纤维板(旭化成株式会社制造的"棉繊維 汽车雨刷材昆贝特(3乂^、;/卜)")构成，被形成为35mm见方。保湿 材料21作为保湿器件，通过载置外尺寸6cm2、厚度0.5mm、孔径3mm、 开口率20%的穿孔板而固定于负极侧集电电极2。利用树脂制螺栓使正极 侧集电电极1、负极侧集电电极2、电极一电解质膜接合体3、燃料容器 15和分离膜20 -体化，从而制成比较例的固体高分子型燃料电池。 (实验例)
本发明的固体高分子型燃料电池的实验例，与已述实施方式中的固体 高分子型燃料电池10同样地制造。即，首先对承载催化剂的承载体和高 分子电解质的水溶液进行搅拌，调制成正极催化剂膏。该催化剂由粒子直 径在3 5nm范围内的铂(Pt)—钌(Ru)合金微粒(Ru的比率为60at %)形成。该承载体由碳粒子〔狮子(，一才>0公司制造的克钦布拉柯 (々、7于工乂7'，、;/夕)EC600JD)形成。所述高分子电解质由杜邦公司 制造的"纳菲澳(于7^才y)"(注册商标)(商品名DE521)形成。 其水溶液是5wtX纳菲澳(于7 才y)水溶液。
将该正极催化剂膏涂敷到多孔质基材并实施千燥，制成正极电极6。 该多孔质基材由复写纸(东利(東!z)公司制造的TGP—H—120)形成， 被形成为4cmX4cm的正方形状。该正极催化剂膏是按照在所述多孔质基 材上成为lmg/cn^ 8mg/cr^的量的方式，被涂敷在该多孔质基材上。
并且，混合承载催化剂的承载体和高分子电解质的水溶液，调制负极 催化剂膏。该催化剂由粒子直径在3 5nm范围内的铂微粒形成。该承载
体由碳粒子〔狮子(，一才y)公司制造的克钦布拉柯(亇、乂于工y:/，
:y夕)EC600JD〕形成。所述高分子电解质由杜邦公司制造的"纳菲澳(于 7<才>0 "(注册商标)(商品名DE521)形成。其水溶液是5wt% 纳菲澳(于7^f才y)水溶液。
将该负极催化剂膏涂敷到多孔质基材上，在规定的加热温度下仅以规 定的加热时间进行加热干燥，从而制成负极电极7。该多孔质基材由复写
纸(东利(東k)公司制造的TGP—H—120)形成，被形成为4cmX4cm 的正方形状。该负极催化剂膏是按照在所述多孔质基材上成为lmg/cm2 8mg/cr^的量的方式，被涂敷在该多孔质基材上。
由该正极电极6和该负极电极7夹持固体高分子电解质膜5并实施热 轧，调制电极一电解质膜接合体3。固体高分子电解质膜5由杜邦公司制 造的"纳菲澳(于7^才y) 117"形成，被形成为8cmX8cmX厚180u m的膜。此时，固体高分子电解质膜5按照与该正极电极6的涂敷了正极 催化剂膏的面接触、并与该负极电极7的涂敷了负极催化剂膏的面接触的 方式，被夹持在该正极电极6与该负极电极7之间。
接着，按照正极侧集电电极1与电极一电解质膜接合体3的正极电极 6电接触的方式，将正极侧集电电极1与电极一电解质膜接合体3接合， 按照负极侧集电电极2与电极一 电解质膜接合体3的负极电极7电接触的 方式，将负极侧集电电极2与电极一电解质膜接合体3接合。正极侧集电 电极1与负极侧集电电极2分别由不锈钢(SUS316)形成，被形成为外尺 寸6cm2、厚度lmm、宽度llmm的矩形框状。
绝缘兼密封器件ll由硅橡胶形成，被形成为外尺寸6cr^、厚度0.2mm、 宽度10mm的矩形框状。绝缘兼密封器件11还设置有宽度2mm的切缝， 形成二氧化碳气体放出口 14。绝缘兼密封器件11按照正极侧集电电极1 与固体高分子电解质膜5绝缘、且正极电极6不从固体高分子电解质膜5 与正极侧集电电极l的间隙暴露到外部的方式，被配置在固体高分子电解 质膜5与正极侧集电电极1之间。绝缘兼密封器件12由硅橡胶形成，被 形成为外尺寸6cm2、厚度0.2mm、宽度10mm的矩形框状。绝缘兼密封 器件12按照负极侧集电电极2与固体高分子电解质膜5绝缘、且负极电 极7不从固体高分子电解质膜5与负极侧集电电极2的间隙露出到外部的 方式，被配置在固体高分子电解质膜5与负极侧集电电极2之间。
分离膜20通过在亲水性膜17与疏水性多孔质膜18之间夹持有孔板 19而制成。亲水性膜17由对苯乙烯二乙烯基苯进行磺化处理后的材料形 成，被形成为8cmX8cnX厚25^ m、含水率30%的离子交换膜。疏水性
多孔质膜18由PTFE形成，被形成为厚25ym、细孔直径lum、气孔率 85。X的多孔质膜。有孔板19由SUS316不锈钢形成，被形成为外尺寸6cm2、 厚lmm的板状，形成有孔径4mm、开口率70%的孔。
燃料容器15由聚丙烯形成，被形成为外尺寸6cm2、高8nmi、内尺寸 44mm2、深度3mm。燃料容器15在内部配置有燃料保持部16。燃料保持 部16由氨基甲酸酯原材料构成的芯吸材料形成。分离膜20按照亲水性膜 17与燃料保持部16接触，且疏水性多孔质膜18经由正极侧集电电极1 的孔与正极电极6接触的方式，被燃料容器15和电极一电解质膜接合体3 夹持。
保湿材料21借助形成在负极侧集电电极2上的孔，被直接粘贴于负 极电极7。保湿材料21由纤维素纤维板〔旭化成株式会社制造的"棉繊維 汽车雨刷材昆贝特(:ny《:y卜)")构成，被形成为35mm见方。保湿 材料21作为保湿器件，通过载置外尺寸6cm2、厚度0.5mm、孔径3mm、 开口率20%的穿孔板而固定于负极侧集电电极2。利用树脂制螺栓使正极 侧集电电极1、负极侧集电电极2、电极一电解质膜接合体3、燃料容器 15和分离膜20 -—体化，从而制成实施例的固体高分子型燃料电池10。
图3表示了比较例的固体高分子型燃料电池的发电特性和实验例的固 体高分子型燃料电池的发电特性。该输出时间特性表示了在将50voIX甲 醇水溶液提供给电极一电解质膜接合体的燃料容器15的情况下，当以室 温(25°C)放电1A时，与该放电开始的时间对应的电极一电解质膜接合 体的起电力。比较例的固体高分子型燃料电池的发电特性31表示了起电 力在初始具有最大值，在表示了该最大值之后，随着时间的经过，起电力 缓慢降低。实验例的固体高分子型燃料电池的发电特性32表示了起电力 在初始具有最大值，在表示了该最大值之后，随着时间的经过，起电力缓 慢降低。图3的曲线图表示实验例的固体高分子型燃料电池的电压高于比 较例的固体高分子型燃料电池的电压，表示了本发明的固体高分子型燃料 电池可以稳定输出高的电压。其中，比较例是从实验例的燃料电池中除去 有孔板和亲水性膜而构成的燃料电池。
该实验结果还表示了比较例的固体高分子型燃料电池放电中的负极 电极为60°C，实施例的固体高分子型燃料电池放电中的负极电极为35X:。
该实验结果表示实验例的负极电极的温度上升被从固体高分子型燃料电 池的发热量抑制为预想的程度。该实验结果还表示实验例的固体高分子型 燃料电池放电中的负极电极的催化剂活性比实施例低，表示了比较例的固 体高分子型燃料电池的甲醇透过量多，在负极电极侧渗透了甲醇。该实验 结果表示了本发明的固体高分子型燃料电池可向电极一电解质膜接合体 更为恰当地供给燃料。
该实验结果还表示了比较例的固体高分子型燃料电池的燃料消耗量 为2g/h，实施例的固体高分子型燃料电池的燃料消耗量为0.5g/h。该实验 结果表示实验例的固体高分子型燃料电池的燃料利用效率，比比较例的固 体高分子型燃料电池的燃料利用效率好，由于在这种负载电流值下需要的
燃料为0.33g/h，所以，还表示出本发明的固体高分子型燃料电池的燃料利 用效率良好。
该实验结果还表示出与实验例的固体高分子型燃料电池利用了 50vol %这一非常高的浓度的甲醇水溶液无关，能够实现高输出和低燃料费。这 样，本发明的固体高分子型燃料电池能够实现最佳的燃料供给。
根据本发明的固体高分子型燃料电池，首先，与液体燃料层相接的第 一层的亲水性膜具有在膜中保持液体燃料，并从膜表面以蒸汽方式来气化 供给燃料的功能。接着，与该亲水性膜邻接的第二层的疏水性多孔质膜以 蒸汽的方式被供给燃料。当现有的液体燃料被直接提供给疏水性多孔质膜 时，由于甲醇透过多、水透过少，所以，在利用了高浓度的甲醇水溶液的 情况下，甲醇透过具有支配性地位，会增大正极中的水不足和甲醇向负极 的渗透，从而无法得到足够的发电特性。但是，在如本发明那样气化供给 燃料的情况下，疏水性多孔质膜的透过特性在甲醇与水中大致相同。其结 果，即使利用高浓度的甲醇水溶液，也可以防止甲醇的过量透过，从而能 够向正极供给最佳量的燃料。另外，第一层的亲水性膜不是完全的气化供 给，而作为液体稍微渗出点燃料，但由于第二层的膜具有疏水性，所以液 体燃料不会直接漏到MEA，可抑制因渗透引起的特性降低。
权利要求
1、一种固体高分子型燃料电池，具备通过燃料与氧化剂的化学反应产生电力的电极-电解质膜接合体；由亲水性材料形成的亲水性膜；和由疏水性材料形成的疏水性多孔质膜；所述疏水性多孔质膜被配置在所述电极-电解质膜接合体与所述亲水性膜之间，所述燃料经由所述亲水性膜和所述疏水性多孔质膜向所述电极-电解质膜接合体供给。
2、 根据权利要求l所述的固体高分子型燃料电池，其特征在于， 在所述亲水性膜与所述疏水性多孔质膜之间形成有空隙。
3、 根据权利要求l所述的固体高分子型燃料电池，其特征在于， 还具备形成有多个孔的有孔板，所述有孔板被配置在所述亲水性膜与所述疏水性多孔质膜之间。
4、 根据权利要求1 3中任意一项所述的固体高分子型燃料电池，其 特征在于，所述电极一电解质膜接合体具备供给有所^燃料水溶液的正极；和配置在所述负极与所述正极之间的固体高分子电解质膜； 将所述正极与外部隔离的密封器件形成有使基于所述化学反应而生 成的二氧化碳通过的通气口 。
5、 根据权利要求4所述的固体高分子型燃料电池，其特征在于，所述密封器件还使从所述正极传递电子的集电体与所述固体高分子 电解质膜电绝缘。
6、 根据权利要求1 3中任意一项所述的固体高分子型燃料电池，其 特征在于，还具备抑制水的蒸发的蒸发抑制层，所述电极一电解质膜接合体具备 供给有所述氧化剂的负极； 供给有所述燃料水溶液的正极；和配置在所述负极与所述正极之间的固体高分子电解质膜； 所述蒸发抑制层被配置在所述负极与外部之间。
7、 根据权利要求6所述的固体高分子型燃料电池，其特征在于，所述蒸发抑制层由亲水性材料形成。
8、 根据权利要求6所述的固体高分子型燃料电池，其特征在于，所述蒸发抑制层由疏水性材料形成。
全文摘要
一种固体高分子型燃料电池，具备通过燃料与氧化剂的化学反应产生电力的电极—电解质膜接合体(3)；由亲水性材料形成的亲水性膜(17)；和由疏水性材料形成的疏水性多孔质膜(18)。疏水性多孔质膜(18)被配置在电极—电解质膜接合体(3)与亲水性膜(17)之间。该燃料经由亲水性膜(17)和疏水性多孔质膜(18)向电极—电解质膜接合体(3)供给。此时，即使固体高分子型燃料电池(10)使用高浓度的燃料水溶液，也可以防止燃料的过量透过，从而能够防止在正极(6)处的水不足和燃料向负极(7)的渗透的增大，可以抑制特性降低、并获得足够的发电特性。
文档编号H01M8/02GK101361216SQ200680051220
公开日2009年2月4日 申请日期2006年12月21日 优先权日2006年1月16日
发明者佐佐木英明, 小林宪司, 平山哲章 申请人:日本电气株式会社