[发明专利]固体高分子型燃料电池

说明书

技术领域

本发明涉及一种使用气化的液体燃料的固体高分子型燃料电池， 并且涉及一种制造该固体高分子型燃料电池的方法。

背景技术

因为采用酒精燃料的固体高分子型燃料电池容易在尺寸上制作得 更小、在重量上制作得更轻，所以正在积极促进这样的电池的开发， 以用作包括移动电话的各种电子设备的电源。由于采用甲醇燃料的固 体高分子型燃料电池能够获得较高的能量密度，所以开发主要集中在 这样的电池上。

固体高分子型燃料电池包括膜和电极组件(下文中称为MEA)， 其中，在阳极与阴极之间插入固体高分子电解质膜。直接将液体燃料 供应到阳极的燃料电池被称为直接型燃料电池，其中，所供应的液体 燃料在由阳极所携载的催化剂上被分解，使得生成正离子、电子和中 间产物。在该类型的燃料电池中，这样生成的正离子进一步通过固体 高分子电解质膜而迁移到阴极，同时所生成的电子通过外部负载而迁 移到阴极，以与阴极上空气中的氧气进行反应，由此进行发电。在例 如按原样采用甲醇水溶液作为液体燃料的直接型甲醇燃料电池(下文 中称为DMFC)中，在阳极上发生由式(1)所表示的反应，在阴极上 发生由式(2)所表示的反应。从这些式(1)和(2)显而易见的是， 在理论上，1摩尔甲醇和1摩尔水在阳极上发生反应，以由此在DMFC 上给出1摩尔反应产物(二氧化碳)，并且因为还同时生成氢离子和 电子，所以用作燃料的甲醇水溶液中的甲醇的理论浓度在体积上为约 70％(体积％)。

CH₃OH+H₂O→CO₂+6H⁺+6e^-...(1)

6H⁺+6e^-+3/2O₂→3H₂O...(2)

然而，公知的是，在燃料浓度变得更高并且因而与水相比相对较 大量的酒精燃料被供应到阳极的情况中，发生所公知的“穿透效应 (cross-over effect)”，其中，在而不涉及由式(1)所表示的反应的 情况下酒精燃料透过固体高分子电解质膜，以与阴极上的催化剂进行 反应，这导致产生容量和产生效率下降。

抑制穿透效应的技术的示例包括：在MEA阳极的上游侧提供由多 孔材料等构成的使液体燃料气化的燃料气化层，以由此供应所生成的 气化的液体燃料(参照专利文献1)。专利文献1声称其优点是“这样 供应气化燃料能够将燃料气化层中的气体燃料维持在基本饱和状态， 并且液体燃料被气化成与燃料气化层中的用于电池反应的气体燃料的 消耗量相对应的量，然后，与气化量相对应的量的液体燃料经由毛细 效应而被引入到单电池中。因而，由于燃料供应量与燃料消耗量相关 联，所以几乎没有未反应就被排出单电池的燃料，从而不需要像传统 液体燃料电池一样在燃料排出口侧提供处理系统。”

此外，本发明人发现了专利文献1所易于存在的缺点，即，在阳 极上生成的CO₂气体停留在阳极与气液分离膜之间，由此阻碍了稳定 的发电，并且作为其解决方案，提出了一种燃料电池以及包括这样的 燃料电池的系统，所述燃料电池在阳极的侧面上的密封材料上包括排 出口，该排出口便于有效地排出所生成的CO₂气体(参照专利文献2)。

出现了另一缺点，即，在燃料中的甲醇浓度增加的情况中，在阳 极上，对甲醇的水供应变得不足，从而不能提高输出。因此，本发明 人开发了一种燃料电池以及使用这样的燃料电池的系统，所述燃料电 池将如式(2)所示在阴极上生成的水返回到阳极来利用。例如，本发 明人因而提出了一种燃料电池以及具有MEA结构的燃料电池系统，所 述MEA结构在阴极上包括疏水性多孔材料，以由此抑制了阴极上所生 成的水的蒸发。这样的结构允许将阴极上所生成的一部分水返回到阳 极，使得阳极上的水不足得以解决，并由此提高输出。

因而，使用气化的液体燃料并抑制在阴极上的生成水的蒸发的技 术，使得尽管使用高浓度甲醇燃料也能够获得高发电特性。

[专利文献1]JP-A No.2000-106201

[专利文件2]JP-A No.2006-318708

发明内容

[本发明要解决的问题]