[发明专利]燃料电池

说明书

技术领域

本发明涉及使用液体燃料的燃料电池，更详细地说涉及能够降低由液体燃料渗透所造成的损失、并能够利用高浓度液体燃料来实现高输出、高能量密度的燃料电池。 

背景技术

一般来说，燃料电池包含空气电极层、电解质层及燃料电极层层叠而成的燃料电池单元、用于向燃料电极层供给作为还原剂的燃料的燃料供给部、和用于向空气电极层供给作为氧化剂的空气的空气供给部；其是通过使燃料和空气中的氧在燃料电池内产生电化学反应、从而在外部得到电力的电池，现已开发出多种形式的燃料电池。 

近年来，因对环境保护和节能的意识的提高，一直在研究将作为清洁能源的燃料电池用于各种用途，尤其是只直接供给含有甲醇和水的液体燃料就能发电的燃料电池引人注目(例如参照专利文献1～3)。 

其中，已知有利用毛细管力来供给液体燃料的各液体燃料电池等(例如参照专利文献4及5)。 

这些各专利文献中所记载的液体燃料电池，即所谓被动式燃料电池，由于是通过毛细管力向发电单元供给燃料的方式，因此不需要设置燃料供给用的泵和阀门等，是能够期待发电机的小型化的燃料供给方式。 

在这些作为小型便携式设备用的电源的直接甲醇燃料电池的开发中，甲醇以未反应的状态透过电解质薄膜，存在引起燃料的损失和电极性能下降的“甲醇渗透(cross-over)”的问题。结果，所利用的燃料的浓度低到1～3M(mol/L)，燃料电池系统的能量密度与理论值(4800Wh/L)相比也低很多。 

作为此问题的解决方法，以往，采取了开发低甲醇渗透电解质、或在将高浓度甲醇与水稀释调整后供给电极等系统上的解决方法。 

但是，关于前者即开发低甲醇渗透电解质，目前还未发现利用10M以上的高浓度甲醇的实用薄膜。此外，后者即将高浓度甲醇与水稀释调整的解决方法，因甲醇浓度传感器或稀释装置、醇罐和水罐的并设等使系统变得复杂，此外，此等系统容量增加，存在减小整体装置的能量密度的问题。 

另一方面，本发明人们提出了利用多孔质碳板的毛细管力，将多孔质碳板作为燃料电池的支持体、集电体、供液介质及排气介质的燃料电池(例如参照专利文献6)。 

此结构的燃料电池具有以往没有的特性、功能，但由于在发电时从电极面通过多孔质体的生成二氧化碳的排出阻力产生局部不均，存在甲醇燃料作为液体与电极膜接触的部分，因此如果利用超过10mol/L的高浓度的甲醇等液体燃料，则有时不能充分发挥降低甲醇渗透的效果，存在其输出小、不能得到大的输出的若干问题。 

专利文献1：日本特开平5-258760号公报(权利要求书、实施例等) 

专利文献2：日本特开平5-307970号公报(权利要求书、实施例等) 

专利文献3：日本特开2001-313047号公报(权利要求书、实施例等) 

专利文献4：日本特开平6-188008号公报(权利要求书、实施例等) 

专利文献5：日本特开2001-93551号公报(权利要求书、实施例等) 

专利文献6：日本特开2005-251715号公报(权利要求书、实施例等) 

本发明是鉴于上述以往的燃料电池所存在的问题及现状，为解决该问题而完成的，其目的在于提供一种能够防止由液体燃料渗透所造成的损失、且能够利用高浓度液体燃料来发挥高输出、高能量密度的燃料电池。 

本发明人们就上述以往的问题等进行了专心的研究，结果通过将多孔质体层以及燃料极侧集电层制成特定结构等，成功地得到上述目的的燃料电池，从而完成了本发明，所述燃料电池至少具备空气极催化剂层、空气极侧集电层、高分子电解质膜、燃料极催化剂层和燃料极侧集电层，并且在燃料极侧集电层的液体燃料侧设有由多孔质体构成的所述多孔质体层。 

也就是说，本发明在于以下的(1)～(7)。 

(1) 一种燃料电池，其特征在于，其至少具备空气极侧集电层、空气极催化剂层、高分子电解质膜、燃料极催化剂层和燃料极侧集电层，并且在燃料极侧集电层的液体燃料侧具备由多孔质体构成的多孔质体层；所述多孔质体层在差压为100kPa时的通气速度(空塔基准的值)为10cm/s～5000cm/s，且所述多孔质体层成为燃料向燃料极催化剂层扩散的扩散介质，并在电极反应进行时成为由电极反应生成物即二氧化碳、水蒸气和液体燃料的蒸气构成的气体类的排出阻抗体；并且在电极反应进行时在多孔质体层中或多孔质体层表面上形成上述气体类的界面，在燃料极催化剂层和多孔质体层之间形成气体类层，且在所述多孔质体层和所述燃料极侧集电层之间还设置有密闭空间层。