专利名称：直接甲醇燃料电池及其生产方法
技术领域：
本发明涉及直接甲醇燃料电池和直接甲醇燃料电池的生产方法。
背景技术：
近年来，燃料电池作为小型便携式电源已成为关注的焦点。在这些燃料电池中，直接甲醇燃料电池(DMFC)因其燃料和操作温度便于操纵而特别受到关注。
DMFC的基本反应如下所示 阳极电极CH3OH+H20→CO2+6H++6e- (化学式1) 阴极电极(3/2)O2+6H++6e-→3H20 (化学式2) 如化学式1所示，阳极电极需要甲醇和水分子。例如，一个甲醇分子和一个水分子借助于合金催化剂(主要包括铂和钌)生成6个质子和6电子，同时产生作为废物的一个二氧化碳分子。通过使电子经过外部电路来利用电子作为电输出。
另外，如化学式2所示，阴极电极需要氧、质子以及电子。在阴极电极中，6个电子与穿过质子传导电解质膜的6个质子以及3/2个氧分子进行反应，产生作为废物的三个水分子。
就是说，在DMFC中，可通过将理想地甲醇与水的1∶1混合物作为燃料提供给阳极电极来进行电的产生。还可通过将包含较高浓度的甲醇的混合物(理想地仅为甲醇)提供给阳极电极，并且通过一定方法将在阴极电极中已经生成的水分子的一部分提供给阳极电极，来进行电的产生。
在WO03/058743中，利用涂覆碳纸作为DMFC的阳极电极，所述涂覆碳纸被涂覆有疏水氟化聚合物和碳粉的混合浆。
在上述DMFC中，由于从阳极电极到阴极电极的质子迁移或者水扩散，所以在燃料中实际上发生了化学式1中未示出的水消耗。虽然由于扩散而发生的水消耗量取决于在发电部分中使用的材料的特性和操作条件，但是该由于扩散而发生的水消耗量总计可达由基本反应所消耗的水分子量的大约20倍。因此，只能选择采用包含较稀释的燃料的燃料盒，而所述较稀释的燃料具有较低的体积能量密度(更短的电产生时间)。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供一种直接甲醇燃料电池，所述直接甲醇燃料电池包括电解质膜；阳极催化剂层，其被设置在所述电解质膜的一侧上，所述阳极催化剂层加速甲醇与水的生成质子、电子以及二氧化碳的反应；阴极催化剂层，其被设置在所述电解质膜的另一侧上，所述阴极催化剂层加速所述质子、所述电子以及氧之间的生成水的反应；具有防水特性的致密防水层，其被设置在所述阳极催化剂层的与所述电解质膜相对的一侧上，所述致密防水层通过煅烧包含碳粉和防水聚合物的浆液而形成，并且煅烧后具有100μm或者更厚的厚度；以及多孔气体扩散层，其被设置在所述致密防水层的与所述阳极催化剂层相对的一侧上。
根据本发明的一个方面，提供一种直接甲醇燃料电池的生产方法，所述方法包括涂覆包含碳粉和防水聚合物的浆液；并且对所述浆液进行煅烧，其中所述直接甲醇燃料电池具有电解质膜；阳极催化剂层，其被设置在所述电解质膜的一侧上，所述阳极催化剂层加速甲醇与水的生成质子、电子以及二氧化碳的反应；阴极催化剂层，其被设置在所述电解质膜的另一侧上，所述阴极催化剂层加速所述质子、所述电子以及氧之间的生成水的反应；具有防水特性的致密防水层，其被设置在所述阳极催化剂层的与所述电解质膜相对的一侧上，所述致密防水层通过煅烧所述浆液而形成，并且煅烧后具有100μm或者更厚的厚度；以及多孔气体扩散层，其被设置在所述致密防水层的与所述阳极催化剂层相对的一侧上。
参照附图详细描述实施方式，其中 图1是示出根据第一实施方式的直接甲醇燃料电池的截面图； 图2是示出根据第一实施方式的阳极侧输送板的示图； 图3是示出根据第一实施方式的CCM的示图； 图4是示出根据第一实施方式的CCM的示图； 图5是示出根据第二实施方式的CCM的示图； 图6是示出根据示例1的直接甲醇燃料电池的示图； 图7是示出根据示例1的直接甲醇燃料电池的电流-电压特性的图； 图8是示出根据示例1的直接甲醇燃料电池的α值的示图； 图9是示出根据示例3的直接甲醇燃料电池的示图； 图10是示出根据示例3的直接甲醇燃料电池的燃料渗透率K的示图； 图11是示出根据第三实施方式的阳极MPL层的电子显微照片； 图12A和12B是示出根据第三实施方式的阳极MPL层的电子显微照片； 图13是示出根据第三实施方式的发电单元的电子显微照片。
具体实施例方式 下面参照附图详细描述本发明的实施方式。
第一实施方式 图1是根据第一实施方式的直接甲醇燃料电池的截面图。图1中的标号A和B示出了由A指示的部分和由B指示的部分分别是与图2中所示的平面A和平面B相对应的截面。
发电单元11被设置在直接甲醇燃料电池1中。具有用于供给燃料的燃料供给入口12的阳极侧传输板13被设置在发电单元11的阳极催化剂层侧上。另外，具有用于供给空气的空气供给入口14的阴极侧传输板15被设置在发电单元11中的阴极催化剂层侧上。
在发电单元11与阳极侧传输板13之间，并且在发电单元11与阴极侧传输板15之间分别设置由PFA制成的垫片。所述垫片16用于防止燃料从发电单元11与阳极侧传输板13之间泄漏，并且用于防止空气从发电单元11与阴极侧传输板15之间泄漏。
在阳极侧传输板中设置有用于向阳极催化剂层供给燃料的燃料流道13-1。类似的，在阴极侧传输板15中设置有用于向阴极催化剂层供给空气的空气流道15-1。如图2所示(代表性示出阳极侧传输板13)，燃料流道13-1和空气流道15-1例如被设置成从燃料供给入口12朝向燃料排出口17的蜿蜒图案。燃料流道13-1和空气流道15-1具有在发电单元11的纵向方向上延伸的平行流道部分13-2，和公共流道部分13-3，在公共流道部分13-3中平行流道部分的流道并入一个通道部分，并且该公共流道部分13-3在横向上延伸。具体来说，流道具有例如1mm的宽度，0.75mm的深度以及37mm的纵向长度，并且流道能够转六次。
在阳极侧传输板13的与发电单元11相对的一侧上，以及在阴极侧传输板15的与发电单元11相对的一侧上，分别设置有用于将在发电单元11中生成的电力供应给外部连接的电负载的接线板18。可使用金属制板作为接线板18。
在每个接线板18的与发电单元11相对的一侧上设置有加热器19。所述加热器19用于将发电单元11加热到预定范围内的温度。
发电单元11、阳极侧传输板13、阴极侧传输板15、垫片16、接线板18以及加热器19被叠置并且，经由利用例如夹紧螺栓的热绝缘部件20被夹在压板40之间。由于被夹在压板40之间，所以垫片16用于防止燃料和空气从流道13-1和空气道15-1泄漏。另外，可顺序地设置多组发电单元、阳极侧传输板13、阴极侧传输板15以及垫片16，以便加强直接甲醇燃料电池的输出电压。
图3示出发电单元11的详情。
发电单元11具有CCM 24(催化剂涂覆膜)。CCM 24具有电解质膜21。在电解质膜21的一侧上设置有阳极催化剂层22用于加速甲醇与水之间的生成电子和二氧化碳的反应。另外在电解质膜21的另一侧上设置有阴极催化剂层23，用于加速质子、电子以及氧之间的生成水的反应。
CCM 24可根据下列方法形成。首先，通过利用已知方法对被切割成40mm×50mm小块的商业上可获得的全氟化碳磺酸基酸膜(perluorocarbonsulfonic acid membrane)(例如来自Dupont的Nafion 112；商标名称)进行预处理，可以形成电解质膜21(G.Q.Lu等人的Electrochimica Acta 49(2004)，pp.821-828)。
通过将由Johnson&Matthey制造的Pt/Ru合金催化剂(Pt/RuBlack HISPEC 6000)分散在全氟化碳磺酸基酸溶液(由Dupont制造的Nafion溶液Aldrich SE-29992 Nafion；5wt％)中，并且将分散物涂覆在PTFE片上，来获得作为阳极催化剂层22的产品。在干燥阳极催化剂层22中涂覆的Pt/Ru量应当例如为大约6mg/cm2。
通过将由E-TEK制造的Pt/C合金催化剂(对于VulcanXC-72R，HP 40wt％Pt)分散在全氟化碳磺酸基酸溶液(由Dupont制造的Nafion溶液Aldrich SE-20092 Nafion；5wt％)中，并且将分散物涂覆在PTFE片上，来获得作为阴极催化剂层23的产物。在干燥阴极催化剂层23中的Pt加载量应例如大约为2.6mg/cm2。
CCM可通过如下步骤来制备，即将具有形成于其上的阳极催化剂层22的PTFE片，和具有形成于其上的阴极催化剂层23的PTFE片分别分割成30mm×40mm的小片；将阳极催化剂层22和阴极催化剂层23压在电解质膜21上；并且在125℃和10kg/cm2下执行大约3分钟的热压接合。
另外，在通过在上述方法后去处PTFE片而获得的CCM 24中，阳极催化剂层22和阴极催化剂层23的接合部分的厚度大约为100μm，其中阳极催化剂层22的厚度大约为30μm，并且阴极催化剂层23的厚度大约为30μm。
在CCM 24的阳极催化剂层22上设置有阳极GDL层25(阳极电极侧多孔气体扩散层)。在阳极催化剂层22与阳极GDL层25之间提供有阳极MPL层26(阳极电极侧致密防水层)。
在CCM 24的阴极催化剂层23上设置有阴极GDL层47(阴极电极侧多孔气体扩散层)。在阴极催化剂层23与阴极GDL层27之间提供有阴极MPL层28(阴极电极侧致密防水层)。
可以利用例如由E-TEK制造的30wt％防潮TFPH-090，作为阳极GDL层25，该30wt％防潮TFPH-090是通过利用大约30wt％PTFE对由Toray Industries Inc.制造的碳纸TGPH-090进行防水处理而制造的。
采用已知工艺(G.Q.Lu等人的Electrochimica Acta 49(2004)821-828)可制备阳极MPL层26。例如可按照如下方式形成阳极MPL层。
将CABOT制造的碳粉(VULCAN XC-72R)和防水PTFE的60wt％的乳浊液(ALDRICH公司的聚四氟乙烯，60wt％的水胶)充分混合，使得PTFE在整个混合物中的比重为大约50％，以获得分散物，并且通过流延法(tape casting method)将调节过粘性的浆液立即涂覆在阳极GDL层25上。在涂覆浆液后，将涂覆有浆液的阳极GDL层25在100℃下烘干，并且随后将其在360℃下煅烧，以获得图4所示的具有MPL层的阳极GDL层31。
阳极MPL层26的厚度从大约100μm到110μm，其中包括通过从阳极GDL层25的表面渗透到阳极GDL层25中而形成的大约20μm到30μm的MPL层部分，和形成在阳极GDL层25的表面上的大约80μm的MPL层部分。包括MPL层的阳极GDL层31的总厚度达到380μm。
可使用例如由E-TEK制造的Elat GDL LT-2500-W(厚度大约360μm)作为具有MPL层的阴极GDL层32，其中在阴极GDL层27上设置有阴极MPL层28。
CCM 24，具有MPL层的阳极GDL层32以及具有MPL层的阴极GDL层32紧密地叠置，使得阳极催化剂层22与阳极MPL层26相接触，并且阴极催化剂层23与阴极MPL层28相接触。可通过将CCM 24、具有MPL层的阳极GDL层31和具有MPL层的阴极GDL层32叠置，并且在125℃和5kg/cm2下执行1分钟的热压接合，来执行紧密层叠。层叠完成后整个发电单元11的厚度将大约为740μm。
可利用具有与发电单元11的厚度相对应的厚度的PFA制成的垫片16作为阳极催化剂层22侧和阴极催化剂层23侧的每一个上所使用的垫片16。
利用这样制备的直接甲醇燃料电池1，发电单元11中的每个质子带走的水分子数(α值)为0或者更少，因此抑制了从阳极到阴极的水扩散，这样使得能够利用具有较高浓度甲醇的燃料来发电。即，可省略将包含在来自阴极侧传输板15的排出气体中的水与燃料混合以便利用水来发电的机制，这样对使用直接甲醇燃料电池1的系统的小型化有贡献。
第二实施方式 图5是根据第二实施方式的直接甲醇燃料电池的截面图。另外，利用相同的参考标记来指示与根据本发明的第一实施方式的直接甲醇燃料电池相同的部分，在此省略其描述。
在阳极MPL层26中设置有第一阳极MPL层26-1和第二MPL层26-2。作为阳极MPL层26的上述这种第一阳极MPL层26-1和第二MPL层26-2的两层结构可抑制阳极MPL层26的密度的下降。
下面描述用于制备具有两层结构的阳极MPL层的方法。首先，以与实施方式1中的相同方式通过流延法来形成第一阳极MPL层26-1，使得干燥后的该层的厚度变为大约50μm。接着，通过根据压力溅射法在不调节粘性的情况(较低粘性的状态)下涂覆厚度大约为50μm的浆液，然后进行干燥和煅烧处理来形成第二MPL层26-2，即所述阳极MPL层26的厚度为100μm，所述浆液是通过将由CABOT制造的碳粉(VULCAN XC-72R)与60wt％的PTFE乳浊液(ALDRICH公司的聚四氟乙烯，60wt％，水分散物(dispersion inwater))相混合，使得PTFE在整个混合物中的比重变为大约50％而获得的。
可利用例如由Iwata制造的简单喷枪(Eclipse HP-CS)来执行所述压力喷射。在喷射处理中，优选地将阳极GDL层25加热并保持在比50℃更高的温度下，使得喷射表面不会变潮湿。
下面详细描述密度的下降。在通过采用流延法来形成具有单层结构的阳极MPL层26的情况下(如第一实施方式所述)，在表面上产生的裂纹随着厚度增加而变多。由于在表面上产生的裂纹变多，所以需要如表1所示的那样减少阳极MPL层26的涂覆密度。
表1依据对阳极MPL层涂覆浆液的条件的涂覆密度 另一方面，通过如本发明的实施方式那样，将阳极MPL层26的结构制造成两层结构，能够将表面上产生的裂纹减少到非常小的程度。与在单层结构的阳极MPL层26中致密阳极MPL的各个部分被裂纹彼此分离的情况不同，两层结构的阳极MPL层26具有其中均匀地分布有多个直径大约十几μm的孔的结构。虽然具有这种两层结构的阳极MPL层26具有比阳极MPL的各个部分的涂覆密度更小的涂覆密度，但其在包括裂纹的位置，具有比单层结构的阳极MPL层26更高的涂覆密度。因此如表1所示，两层结构能够防止阳极MPL层26的涂覆密度下降。
第三实施方式 下面示出根据第三实施方式的直接甲醇燃料电池。此外，通过相同的参考标记来指示与根据本发明的第一实施方式和第二实施方式的直接甲醇燃料电池相同的部分，在此省略其描述。
虽然在根据第一实施方式和第二实施方式的直接甲醇燃料电池中，阳极MPL层26是直接形成在阳极GDL层25上的，但在本实施方式中，通过形成两层结构的阳极MPL层26并随后以使得第二阳极MPL层26-2面向阳极催化剂层22的方式层叠该阳极MPL层26，来形成具有MPL层的阳极GDL层31。
可采用如下方法来形成阳极MPL层26。
首先，将由Toray Industries，Inc.制造的碳纸TGPH-030(厚度大约为100μm)制备成基板。此外，与阳极GDL层25不同的是，防水处理不是必须的。利用压力喷射法在基板的两侧喷射与用于形成第二实施方式的第二MPL层26-2相同的浆液，以进行喷射填充(sprayfilling)。在此“喷射填充”与针对第二实施方式描述的利用压力喷射法进行涂覆的不同之处在于以下方面。
虽然在基板上喷射其粘性未经调节的浆液(较低粘性状态下的浆液)方面，喷射填充与利用压力喷射法的涂覆相同，但喷射填充在如下方面是不同的，在喷射填充中，进行喷射使得基板上的被喷射部分持续至少几秒钟(理想为10秒)不干燥，以便保持潮湿状态。例如通过在将碳纸的温度控制在大约50℃的情况下进行喷射操作，可在保持上述潮湿状态的情况下进行所述喷射处理。
在通过喷射填充形成第一阳极MPL层26-1之后，直到包括碳纸的涂层的厚度变为大约200μm时为止，通过利用与第二实施方式相同的方法在其一侧上形成第二MPL层26-2。
图11示出了在本实施方式中的阳极MPL层26的截面的电子显微照片的一个示例。在图11中，可以看到浆液被填充在大约100μm厚度的碳纸中，并且还在其上增加了100μm的浆液。
另外，图12A和12B示出了阳极MPL层26的表面的电子显微照片。图12A是从图11所示的(a)侧观看的表面的电子显微照片。图12A和12B示出了阳极MPL层26的表面的电子显微照片。图12B是从图11所示的(b)侧观看的表面的电子显微照片。在图12A和12B中，可以看到在(a)侧和(b)侧上都没有形成裂纹。(b)侧的结构与第二实施方式中相同的，其中均匀分布多个十几μm的孔。
图13示出了利用在本实施方式中制备的阳极MPL层26的发电单元11的截面图的电子显微照片。
在图13中，在阳极MPL层26的与阳极催化剂层22相对的一侧上提供已经过防水处理的厚度为大约200μm的碳纸作为阳极GDL层25。阴极催化剂层23和具有MPL层的阴极GDL层32与第一实施方式和第二实施方式中的相同。阳极MPL层26的厚度大约为220μm，并且阳极MPL层26的比重是从14到16μg/cm2。
由于已采用压力喷射法执行了喷射填充，所以由此制备的直接甲醇燃料电池1可抑制在阳极MPL层26的表面上生成裂纹。通过根据压力喷射法的喷射填充形成的第一阳极MPL层26-1具有比利用流延法形成的第一阳极MPL层26-1更小的密度，但具有比第二阳极MPL层26-2更大的密度，并且能够抑制裂纹的生成。因此，使得阳极MPL层26的整体密度在实践范围内。
另外，由于抑制了裂纹的生成，所以可抑制由于裂纹所造成的阳极催化剂层22中的电流密度的面内不均衡。
示例1 利用具有一个第一实施方式所示的发电单元11的直接甲醇燃料电池来进行发电测试。图6中示出所测试的直接甲醇燃料电池100。此外，利用相同的参考标记来指示与根据本发明的第一实施方式的直接甲醇燃料电池相同的部分，在此省略其描述。
将温度传感器101和102分别插入设置在阳极侧传输板13和阴极侧传输板15中的孔中。温度传感器101用于测量阳极侧传输板13的温度，所测得的值被用于控制设置在阳极侧传输板13侧的加热器19-1。类似的，温度传感器102用于测量阴极侧传输板15的温度，所测得的值被用于控制设置在阴极侧传输板15侧的加热器19-2。
通过燃料供给入口12以0.2cc/min的燃料供给量来提供浓度为2.0mol/L的燃料。
通过空气供给口14以60cc/min的空气供给量来提供氧浓度为20.5％的空气(氧化剂)。
通过未示出的温度调节装置，将由分别设置在阳极侧传输板13和阴极侧传输板15中的温度传感器101和102所测得的温度控制在60℃，以对尚未进行处理的空气和燃料进行预加热。
图7中示出了通过在上述条件下进行操作所获得的电流-电压特性。
在图7中，在发电操作的初始阶段，在0.15A/cm2的电流密度下的输出电压大约为0.3V，但3天后，由于电流-电压特性的测量以及在0.15A/cm2的恒定电流的明确负载下的重复操作(成熟)，能够获得0.4V的电压。
在此阶段，电压不再提高，在0.15A/cm2的恒定电流的明确负载下进行操作，从阴极侧传输板15排出的水定期地作为液体和气体被回收，并且根据水的重量来计算伴随着质子迁移所携带的水量(α值)。通过利用冰水而冷却的连续连接的两个滤管来进行水回收，并且将测量开始之前和测量开始之后之间的重量差作为经回收的水的重量。在此，排出气体的量是正经过两个滤管的气体的流量，并且排放温度为大约10℃。
根据以下等式来计算所携带的水量。
mtotal＝me+mx+ma (等式1) me＝3600AI/2F (等式2) me＝2OoutCco2/100R(等式3) 在等式1到3中，mtotal表示从阴极电极排出的水的总量(mol/h)，me表示通过从阳极电极迁移到阴极电极的质子的氧化所产生的水量(mol/h)，mx表示已经从阳极电极渗透来的甲醇在阴极电极中的氧化所产生的水量(mol/h)，A表示发电单元的面积(cm2)，I表示恒定负载下的电流密度(A/cm2)，Oout表示在经过两个滤管后的排出气体的流量(L/h)，Cco2表示Oout中的二氧化碳的浓度(％)，F表示法拉第常量96500，并且R表示1mol气体在2.4(L)的237k下的体积。
根据等式1到3计算伴随着质子迁移的所携带的水量ma(mol/h)，并且可根据以下等式4来计算α值(分子数目)，即每个质子所携带的水。
α＝ma/(3600AI/F)(等式4) 在表2中示出了通过上述过程计算出的α值。
表2在恒定电流密度负载下进行的测试的结果，计算出的渗透比和携带水的数量 *MMOL/l 根据计算的结果，发现α值小于0。就是说，抑制了水从阳极电极到阴极电极的扩散，因此能够利用具有更高甲醇浓度的燃料来执行发电。
示例2 利用具有一个第一实施方式中所示的发电单元的直接甲醇燃料电池，通过改变阳极MPL层26的厚度来进行发电测试。此外，其它的结构和条件与示例1中的相同。
利用将阳极MLP层的厚度改变为0μm(不存在阳极MPL层26)、25μm、50μm、100μm以及140μm的5个采样来进行发电测试。另外，通过将经过空气供给入口14的空气供给量调节为两个级别60cc/min和90cc/min，来进行发电测试。此外，将阳极催化剂层22的一侧上的垫片16的厚度调节成使得CCM 24的夹紧压力与阳极MPL层26的厚度相对应。
当在上述条件下进行操作时，α值如表3所示。
表3α值与阳极MPL层的厚度的依赖关系 在阳极MPL层26的每个厚度下，在0.15A/cm2的恒定负载下开始操作一个小时以后，输出电压从0.37V变为0.39V，因此由于阳极MPL层26的差别而引起的输出电压中的差异很小。
关于表3，图8中示出了从-0.2到0.5的范围内的α值的结果。如图8所示，α值随着阳极MPL层26的厚度的增加而减少，并且在100μm或者更厚的情况下，能发现α值变为负值的发电条件。就是说，当阳极MPL层的厚度至少为100μm或者更厚时，可实现α≤0，从而使得能够利用具有甲醇/水摩尔比为1∶1的燃料。
示例3 通过改变第一实施方式中所示的阳极MPL层26的厚度，来估计燃料渗透过具有阳极GDL层31的MPL层的渗透率。图9中所示的并且在测试中使用的直接甲醇燃料电池201是通过改变图6中所示的直接甲醇燃料电池1的发电单元11以使得在图9中将具有阳极GDL层31的MPL层设置成将阳极MPL层26设置在上侧，而构成的直接甲醇燃料电池。另外，空气供给口14和燃料排出口203关闭，以便从燃料供给入口12供给的燃料抵达空气排出口202，同时渗透过具有阳极GDL层31的MPL层。另外，将要通过燃料供给入口12供给的燃料量调节成使得燃料供给入口12与空气排出口202之间的压力差变为50Pa、100Pa以及200Pa。其它结构和条件与示例2中相同。
在表4和图10中示出了在上述条件下操作时的燃料渗透率K(m2×10-12)。利用已知方式(M.V.Williams，Journal of TheElectrochemical Society，151(8)，A1173-1180(2004))来计算燃料渗透率。通过关闭空气排出口202和燃料排出口203来进行试验。在室温(25℃)下进行测量。
表4燃料渗透率与阳极MPL的厚度的依赖关系 测量已经通过燃料供给入口12供给的、已经浸过具有阳极GDL层31的MPL层并且从空气排出口202排出的燃料的流量，以及燃料供给入口12与空气排出口202之间的压差，并且根据由此获得结果来计算在燃料通过时的流阻(燃料渗透率K)。
从表4和图10中可见，实现了α≤0的阳极MPL层26的厚度提供大约8×10-12或者更低的燃料渗透率K。
由于阳极GDL层25具有比阳极MPL层26高的多孔性，所以当阳极MPL层26具有较小厚度时，阳极GDL层25需要具有大约1mm的厚度，以便通过抑制燃料渗透率K来将α值降低到0或者更低的水平。然而，在增加阳极MPL层26的厚度的情况下，100μm或者更厚的厚度足以实现充分的效果。因此，能够抑制包括发电单元11的叠层的厚度的增加。此外，由于阳极MPL层26具有与阳极GDL层25相比非常好的粒度分布，因此能够提供与催化剂层的接触特性。
示例4 利用具有一个第二实施方式中示出的发电单元11的直接甲醇燃料电池来进行发电测试。此外，其它构成和条件与示例1中相同 以与示例1相同的方式进行成熟的过程，并且表5示出最终获得的α值。
表5在恒定电流密度负载下进行的测试的结果，计算出的渗透比和携带水的数量 在此可将第二实施方式中示出的直接甲醇燃料电池的α值保持在0或者更低的水平。此外，如表5所示，在从燃料供给入口12供给的燃料的燃料浓度为2.0mol/l的情况下以及浓度是1.0mol/l的情况下都能够发电。就是说，与第一实施方式中示出的发电单元11相比，第二实施方式中示出的发电单元11能够利用所供给的少量燃料来发电。
利用第一实施方式中的阳极MPL层26，燃料很难扩散过被裂纹分割的阳极MPL层26所接触的阳极催化剂层22的区域，因此发电的效率趋于劣化。然而，利用第二实施方式中的阳极MPL层26，具有其中均匀分布有多个直径大约十几μm的孔的结构的第二MPL层26-2被设置成与阳极催化剂层22相接触，并且因此燃料能够更容易扩散，从而能够利用较低浓度的燃料来发电。这样有助于抑制甲醇的渗透效应。
通常认为利用具有较低甲醇浓度的燃料来发电与减少α值是很难兼容的。然而，第二实施方式的直接甲醇燃料电池能够同时获得利用较低甲醇浓度的燃料的发电和α值的减小。
示例5 利用第一实施方式和第二实施方式的直接甲醇燃料电池，在长时段地(例如几十小时或者更长)连续发电的一些情况下，α值快速增加。认为其原因如下。从开始发电后的较短时段内，可充分防止燃料侵入阳极MPL层26。然而，由于在阳极MPL层26中存在裂纹，所以燃料变得容易侵入到阳极MPL层26中，并且经过裂纹的燃料量增大。
能够确认，当利用第四实施方式中所示的直接甲醇燃料电池持续200小时或者更长时间发电时，α值不会快速增加。
上述实施方式能够提供这样一种直接甲醇燃料电池，其能够抑制水从阳极电极到阴极电极的扩散，并且能够利用具有较高浓度甲醇的燃料。
虽然已经描述了根据本发明的实施方式和示例，但本发明不受这种结构的限制，并且可在不脱离本发明的技术原理情况下进行各种变化。
权利要求
1.一种直接甲醇燃料电池，所述直接甲醇燃料电池包括
电解质膜；
阳极催化剂层，其被设置在所述电解质膜的一侧上，所述阳极催化剂层加速甲醇与水的生成质子、电子以及二氧化碳的反应；
阴极催化剂层，其被设置在所述电解质膜的另一侧上，所述阴极催化剂层加速所述质子、所述电子以及氧之间的生成水的反应；
具有防水特性的致密防水层，其被设置在所述阳极催化剂层的与所述电解质膜相对的一侧上，所述致密防水层通过煅烧包含碳粉和防水聚合物的浆液而形成，并且煅烧后具有100μm或者更厚的厚度；以及
多孔气体扩散层，其被设置在所述致密防水层的与所述阳极催化剂层相对的一侧上。
2.根据权利要求1所述的直接甲醇燃料电池，其中，所述致密防水层包括形成在所述多孔气体扩散层侧上的第一阳极MPL层；和通过喷射法形成在所述阳极催化剂层侧上的第二阳极MPL层。
3.一种直接甲醇燃料电池的生产方法，所述方法包括
涂覆包含碳粉和防水聚合物的浆液；并且
对所述浆液进行煅烧，
其中所述直接甲醇燃料电池具有
电解质膜；
阳极催化剂层，其被设置在所述电解质膜的一侧上，所述阳极催化剂层加速甲醇与水的生成质子、电子以及二氧化碳的反应；
阴极催化剂层，其被设置在所述电解质膜的另一侧上，所述阴极催化剂层加速所述质子、所述电子以及氧之间的生成水的反应；
具有防水特性的致密防水层，其被设置在所述阳极催化剂层的与所述电解质膜相对的一侧上，所述致密防水层通过煅烧所述浆液而形成，并且煅烧后具有100μm或者更厚的厚度；以及
多孔气体扩散层，其被设置在所述致密防水层的与所述阳极催化剂层相对的一侧上。
全文摘要
一种直接甲醇燃料电池，其包括电解质膜；阳极催化剂层，其被设置在所述电解质膜的一侧上，所述阳极催化剂层加速甲醇与水的生成质子、电子以及二氧化碳的反应；阴极催化剂层，其被设置在所述电解质膜的另一侧上，所述阴极催化剂层加速所述质子、所述电子以及氧之间的生成水的反应；具有防水特性的致密防水层，其被设置在所述阳极催化剂层的与所述电解质膜相对的一侧上，所述致密防水层通过煅烧包含碳粉和防水聚合物的浆液而形成，并且煅烧后具有100μm或者更厚的厚度；以及多孔气体扩散层，其被设置在所述致密防水层的与所述阳极催化剂层相对的一侧上。
文档编号H01M8/02GK101179135SQ20071016121
公开日2008年5月14日 申请日期2007年9月25日 优先权日2006年9月25日
发明者秋田征人, 八木亮介, 佐藤裕辅, 坂上英一 申请人:株式会社东芝