[发明专利]固体高分子型燃料电池

说明书

技术领域

本发明涉及一种固体高分子型燃料电池。

背景技术

由于固体高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-电解质膜接合体(MEA：Membrane and ElectrodeAssembly)。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+H₂O→CO₂+6H⁺+6e^-

在负极发生的负极反应如下式所示：

6H⁺+6e^-+3/2O₂→3H₂O。

即，在DMFC中，从理论上而言，在正极由1摩尔的甲醇与1摩尔的水反应，生成1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，公知有一种通过在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。

即，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1∶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。