[發明專利]固體高分子型燃料電池

無效

• 申請號: 200680051220.0
• 申請日: 2006-12-21
• 公開（公告）號: CN101361216A
• 公開（公告）日: 2009-02-04
• 發明（設計）人: 小林憲司;平山哲章;佐佐木英明
• 申請（專利權）人: 日本電氣株式會社
• 主分類號: H01M8/04
• 分類號: H01M8/04;H01M8/02;H01M8/06;H01M8/10
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司
• 代理人: 李香蘭

技術領域

本發明涉及一種固體高分子型燃料電池。

背景技術

由于固體高分子型燃料電池容易實現小型、輕量化，所以，作為以便攜式設備為首的各種電子設備用電源的研究開發在活躍地進行中。

固體高分子型燃料電池具備由正極和負極夾持固體高分子電解質膜的構造的電極-電解質膜接合體(MEA：Membrane?and?ElectrodeAssembly)。直接向正極供給燃料的類型的燃料電池，被稱為直接型燃料電池，通過在正極所承載的催化劑上分解被供給的燃料，而生成陽離子、電子及中間生成物。并且，這種類型的燃料電池將所生成的陽離子透過固體高分子電解質膜向負極側移動，所生成的電子經由外部負載向負極側移動，使它們在負極與空氣中的氧反應來發電。例如，在直接使用甲醇水溶液作為燃料的直接甲醇型燃料電池(以下稱為DMFC)中，在正極發生的正極反應如下式所示：

CH₃OH+H₂O→CO₂+6H⁺+6e^-

在負極發生的負極反應如下式所示：

6H⁺+6e^-+3/2O₂→3H₂O。

即，在DMFC中，從理論上而言，在正極由1摩爾的甲醇與1摩爾的水反應，生成1摩爾的反應生成物(二氧化碳)。此時，由于還生成氫離子及電子，所以，作為燃料的甲醇水溶液中的甲醇的理論濃度以體積％表示，約為70vol％。

不過，公知如果向正極供給的甲醇濃度增高，則甲醇不會對該正極反應起到作用，而會引起透過固體高分子電解質膜的“滲透(crossover)”，從而導致發電容量或發電電力降低。如果滲透變大，則由于(i)輸出(電壓)降低、(ii)燃料的利用效率變差、和(iii)發熱量增大、導致MEA?的溫度上升，所以，燃料溫度會上升到需要溫度以上，從而進一步加速了滲透，容易引起更進一步的溫度上升等不良情況。

為了提高MEA的輸出，需要升高電解質膜的質子傳導，但這也與甲醇的透過速度增高相關聯。因此，目前的狀況是：即使想要確保必要的輸出而使用了20vol％左右的甲醇水溶液，也會受到滲透的影響。反過來，雖然通過采用低濃度甲醇水溶液容易降低滲透，但如果使用這種低濃度甲醇水溶液作為燃料，則由于燃料的單位質量的發電量減少，所以，將產生無法提高固體高分子型燃料電池的能量密度的問題。因此，為了獲得能量密度高的固體高分子型燃料電池，優選利用最接近理論上為最佳的甲醇濃度(70vol％)的燃料，并且抑制滲透。

作為用于抑制滲透的DMFC技術，公知有一種通過在MEA的正極部前設置氣液分離膜作為燃料氣化層，對被供給的燃料進行氣化供給的燃料電池。

根據特開2000-106201號公報的記載，能夠實現“通過如此氣化、供給燃料，由于燃料氣化層內的氣體燃料幾乎被保持為飽和狀態，所以，液體燃料從燃料浸透層僅氣化基于電池反應的燃料氣化層中的氣體燃料的消耗量，進而通過毛細管力將氣化量的液體燃料導入到單元內。這樣，由于燃料供給量與燃料消耗量聯動，所以，幾乎不存在未反應而被排出到電池外的燃料，不像以往的液體燃料電池那樣，需要燃料出口側的處理系統”的效果。

即，如圖4所示，層疊有用于通過毛細管力將燃料導入到電池內的燃料浸透層106；和配置在正極102與燃料浸透層106之間，使被導入到電池內的燃料氣化，用于以氣體的形式向正極供給燃料的燃料氣化層107。通過借助隔膜105層疊多個燃料浸透層106、燃料氣化層107和起電部104，構成了成為電池主體的層疊電池單元(stack)109。導入到液體燃料導入路徑110內的燃料，基于毛細管力從層疊電池單元109的側面供給燃料浸透層106，進而在燃料氣化層107中被氣化、并向正極102供給。由于隔膜105、燃料浸透層106及燃料氣化層107還起著對所產生的電子進行傳導的集電板的功能，所以，例如燃料浸透層106由碳導電性材料形成。

在這種燃料電池中，使用甲醇與水為1∶1(摩爾比)的混合液作為燃?料，從燃料貯藏容器向液體燃料導入路徑110的燃料的供給，可采用構成為基于將容器設置在發電部的上方的自然下落、或基于容器內的內壓等擠出燃料的結構，也可以構成為以液體燃料導入路徑110的毛細管力吸出燃料的結構。