CN100405647C

CN100405647C - 直接型燃料电池

Info

Publication number: CN100405647C
Application number: CNB2006100679342A
Authority: CN
Inventors: 福田真介; 植田英之
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2005-03-18
Filing date: 2006-03-17
Publication date: 2008-07-23
Anticipated expiration: 2026-03-17
Also published as: US20060210863A1; US7473483B2; CN1835266A; KR20060101393A; KR100705167B1

Abstract

本发明能提供一种在确保供给催化剂层的燃料量的同时更加可靠地排出所生成的二氧化碳气体、具有优异的发电特性的直接型燃料电池。本发明的直接型燃料电池中，在阳极侧流路的深度方向，由具有拒水性及气体透过性的膜将阳极侧流路中的至少一部分一分为二，构成位于膜电极接合体一侧的第1部分流路和位于阳极侧流路的底部一侧的第2部分流路，在第1部分流路中主要流动燃料，在第2部分流路中主要流动二氧化碳。

Description

直接型燃料电池

技术领域

本发明涉及一种固体高分子电解质型燃料电池，尤其是涉及直接型燃料电池的隔板上的流路。

背景技术

随着便携式小型电子设备例如手机和便携式信息终端(PDA)、笔记本PC、摄像机等的多功能化，需要消耗电力的增大和连续使用时间的增加。为了应对这样的情况，迫切需要装载电池的高能量密度化。目前，作为上述装载电池主要使用锂二次电池，但据预测，在2006年能量密度将在600Wh/L左右达到极限。因此，作为替换锂二次电池的电源，期待高分子电解质型燃料电池(PEFC)的早日实用化。

其中，尤其是对不必将作为燃料的甲醇或甲醇水溶液改性为氢，而直接供给单电池内部，进行电极氧化发电的直接甲醇型燃料电池(DMFC，以下简称为“直接型燃料电池”)受到关注，并处于积极研究开发之中。其理由可举出：有机燃料具有高的理论能量密度，且容易储藏；再有，容易使直接型燃料电池的系统简单化等。

直接型燃料电池的单电池结构包括：将具有催化剂层和扩散层的阳极(燃料极)与具有催化剂层和扩散层的阴极(空气极)接合于高分子电解质膜的二面而成的膜电极接合体(MEA)；夹持上述膜电极接合体两侧的一对隔板(分离器)。将作为燃料的甲醇或甲醇水溶液供给阳极侧，将空气供给阴极侧，就可发电。

直接型燃料电池的电极反应如下。

阳极：CH₃OH+H₂O→CO₂+6H⁺+6e^- ...(1)

阴极：(3/2)O₂+6H⁺+6e^-→3H₂O ...(2)

从(1)式及(2)式可见，在阳极，甲醇与水进行反应生成二氧化碳、质子及电子，质子通过高分子电解质膜到达阴极。在阴极，氧、质子与经由外部回路的电子结合而生成水。

但是，该直接型燃料电池的实用化存在以下一些问题。其一涉及作为反应生成物的二氧化碳气体的排放。在阳极侧产生的二氧化碳在通过阳极侧的扩散层后到达隔板流路内，通过流路向外部排出。此时，所产生的二氧化碳的一部分滞留在扩散层内部，妨碍燃料向催化剂层的扩散，并逐渐聚集成为大的气泡。燃料被上述气泡从扩散层的细孔部推出，导致燃料对催化剂层的供给不足，一部分燃料在未使用的情况下直接被排出。其结果，有时高电流密度侧的发电特性大幅度下降。

已有人提出一种改善该问题的方法，即，在阳极侧隔板上设置相互独立的(即完全分离的)液体燃料流路及排气流路，同时，与液体燃料流路相对向地设置具有液体浸透性及气体难浸透性的扩散层，与排气流路相对向地设置具有气体透过性的扩散层(例如日本专利特开2002-175817号公报)。

但是，从提供一种不会降低燃料的利用效率，且具有优异的发电特性的直接型燃料电池的观点来说，上述现有技术还有改善的余地。

采用上述技术，可能解决二氧化碳气体排放的问题，但由于完全分离的液体燃料流路及排气流路设置在阳极侧的隔板上，因而在扩散层的燃料浸透性低的时候，供给至与排气流路相对向区域的催化剂层表面的燃料量不足，导致输出下降。

发明内容

因此，本发明的目的在于，为解决上述现有的问题，提供这样一种直接型燃料电池，所述直接型燃料电池能确保供给催化剂层的燃料量，同时，更加可靠地排出所生成的二氧化碳气体，具有优异的发电特性。

为了解决上述问题，本发明的直接型燃料电池包括膜电极接合体、阳极侧隔板及阴极侧隔板，

所述膜电极接合体包括：高分子电解质膜，接合于所述高分子电解质膜的第1侧面的阳极，以及接合于与所述高分子电解质膜的所述第1侧面相对的第2侧面的阴极，

所述阳极侧隔板配置在所述膜电极接合体的第1侧面上，所述阴极侧隔板配置在所述膜电极接合体的与所述第1侧面相对的第2侧面上，其特征在于，

所述阳极侧隔板在所述阳极侧的面上具有阳极侧流路，且所述阴极侧隔板在所述阴极侧的面上具有阴极侧流路，

在该阳极侧流路的深度方向，由具有液体难浸透性及气体透过性的膜，将所述阳极侧流路中的至少一部分一分为二，构成位于所述膜电极接合体一侧的第1部分流路和位于所述阳极侧流路的底部一侧的第2部分流路，

在所述第1部分流路中主要流动燃料，在所述第2部分流路中主要流动二氧化碳。

通过如此构成，可以防止由发电产生的二氧化碳气体特别滞留在阳极侧流路内及阴极侧扩散层内，尤其可避免燃料向阳极侧催化剂层的供给受到阻碍。又，通过在该阳极侧流路的深度方向上将阳极侧流路进行分割，且使燃料主要流动于与膜电极接合体接触的一侧的部分中，可将燃料从阳极侧流路的整个开口部供给至阳极侧扩散层，可均匀地将燃料向阳极侧催化剂层的整个表面供给。

从能够可靠地抑制由燃料引起的腐蚀及因与催化剂层的反应引起的电池特性下降的观点来说，上述膜最好由多孔质体构成，上述多孔质体由从碳、陶瓷、玻璃及树脂构成的组中选择的至少一种材料构成。因此，上述膜也可由含有2种以上材料的复合材料构成。

所述膜的所述膜电极接合体侧的面最好经过拒水处理。另外，所述膜的所述膜电极接合体侧的面最好具有凹凸。

在此，构成上述膜的上述多孔质体是含有细微孔的、具有气体透过性的构件(材料)。该多孔质体，例如可以是膜状，片状或网状。而且，尤其是对上述多孔质体的表面实施拒水处理形成拒水层，通过对拒水层的厚度和该拒水层表面形状(凹凸)进行控制，可控制上述膜的拒水能力及拒液能力。其结果，可在阻断液体燃料的同时使气体透过，可控制液体燃料透过速度与气体透过速度之比。

即，具有上述液体难浸透性及气体透过性的膜最好由拒水层及气体透过层构成。这样的情况下，上述拒水层具有液体难浸透性，上述气体透过层由多孔质体构成的同时具有气体透过性。

又，主要流动有二氧化碳的所述第2部分流路，其较好的构成为，与所述第2部分流路的长度方向大致垂直的截面面积从上游朝着下游增大。

在阳极(尤其是阳极侧催化剂层)侧产生的二氧化碳通过阳极侧扩散层后，到达阳极侧隔板的阳极侧流路内。而且，由于二氧化碳通过阳极侧流路向外部排出，故在阳极侧流路中，二氧化碳气体在燃料流动方向的下游侧的占有率比上游侧大。因此，若将主要流动二氧化碳的所述第2部分流路形成为，其与所述第2部分流路的长度方向大致垂直的截面面积从上游朝着下游增大，则能更加顺畅地排出二氧化碳。

又，主要流动燃料的所述第1部分流路最好构成为，使其与所述第1部分流路的长度方向大致垂直的截面面积从上游朝着下游减小。

因为燃料的量因燃料被用于发电而减少，因而可将主要流动燃料的所述第1部分流路构成为，使其与所述第1部分流路的长度方向大致垂直的截面面积从上游朝着下游减小，通过如此构成可有效利用空间。

在以上所述的燃料电池中，具有液体难浸透性和气体透过性的膜需要通过粘结、熔融、压接等方式固接在构成阳极流路的任一壁面上。在本结构中，由具有液体难浸透性和气体透过性的膜决定二氧化碳气体流动的流路及燃料流路体积。该流路体积比是决定二氧化碳排放量及燃料供给量的重要因素。因此，需要将有选择地使该二氧化碳气体透过的膜固定在构成阳极流路的任一壁面上，使其流路体积比不发生变化。

根据以上的本发明，可实现能确保供给催化剂层的燃料量，且更加可靠地排出所生成的二氧化碳气体，具有优异的发电特性的直接型燃料电池。

附图说明

图1是表示本发明的实施形态及实施例的直接型燃料电池1(单电池)的结构的简要剖视图。

图2是图1中的阳极侧隔板3a的从阳极侧流路12a侧看到的简要立体图(从阳极侧流路12a拆下膜16的状态)。

图3是表示本实施形态的直接型燃料电池1处于运行状态时的、图1所示的直接型燃料电池1的P-P线局部剖视图(膜电极接合体2及阳极侧隔板3a部分的剖视图)。

图4是从阳极侧流路一侧看到的实施例1所使用的阳极侧隔板3a的主视图。

图5是从阳极侧流路一侧看到的比较例2所使用的阳极侧隔板33a的主视图。

图6是在与图5的S-S线对应部位剖切比较例2的燃料电池得到的简要局部剖视图(膜电极接合体2及阳极侧隔板33a部分的剖视图)。

具体实施方式

以下参照附图，对本发明的较佳实施形态进行说明。对各图中同一或相当的部分标上同一符号，有时省略重复的说明。

图1是表示本发明的直接型燃料电池1(单电池)的一较佳实施形态的简要剖视图。图1的直接型燃料电池1含有1个单电池(单电池1)，但本发明的直接型燃料电池1也可作为将多个单电池层叠构成的电池组使用。

直接型燃料电池1包括：膜电极接合体2，夹着膜电极接合体2的阳极侧隔板3a及阴极侧隔板3c。

膜电极接合体2包括：具有氢离子(阳离子)传导性的高分子电解质膜4，夹着高分子电解质膜4的阳极7a及阴极7c。高分子电解质膜4具有第1侧面和与第1侧面相对向的第2侧面。阳极7a含有阳极侧扩散层6a及阳极侧催化剂层5a，接合于高分子电解质膜4的第1侧面。而阴极7c含有阴极侧扩散层6c及阴极侧催化剂层5c，接合于高分子电解质膜4的第2侧面。

如图1所示，单电池1主要包括：下述的膜电极接合体2；垫片11；-对隔板16。为了防止供给膜电极接合体2的燃料向外部泄漏，并防止空气向外部泄漏以及防止燃料与空气的混合，垫片11以夹持高分子电解质膜4的外延部分的状态配置在阳极7a及阴极7c的周围。

首先，对本发明的直接型燃料电池1的各构成要件进行说明。

作为高分子电解质膜4，只要是在氢离子传导性、耐热性及化学稳定性方面优异的材料即可，可以使用各种各样的材料，没有特别的限制。

阳极侧催化剂层5a及阴极侧催化剂层5c为薄膜状。又，阳极侧催化剂层5a及阴极侧催化剂层5c主要包括：将金属催化剂载持在导电性颗粒(例如导电性碳粒)上得到的催化剂颗粒或者金属催化剂颗粒与具有阳离子(氢离子)传导性的高分子电解质。

作为阳极侧催化剂层5a的金属催化剂，以使用例如铂(Pt)-钌(Ru)合金微粒为宜，对阴极侧催化剂层5c的金属催化剂，较适合使用Pt微粒。

作为阳极侧扩散层6a，由同时具有燃料的扩散性、发电产生的二氧化碳的排出性及电子传导性的导电性多孔质材料构成。作为上述导电性多孔质材料，例如可以列举碳纸、碳布等。

又，作为阴极侧扩散层6c，由同时具有空气的扩散性、发电产生的水的排出性及电子传导性的导电性多孔质材料构成。作为上述导电性多孔质材料例如可以列举碳纸、碳布等。

以下，对配置在膜电极接合体2外侧、将膜电极接合体2机械固定的板状的阳极侧隔板3a及阴极侧隔板3c进行说明。

在阳极侧隔板3a的与膜电极接合体2接触的部分，形成用于向阳极7a供给燃料，将电极反应生成物和未反应的反应物从直接型燃料电池1排出的阳极侧流路12a。另一方面，在阴极侧隔板3c的与膜电极接合体2接触的部分，形成用于向阴极7c供给空气，将电极反应生成物和未反应的反应物从直接型燃料电池1排出的阴极侧流路12c。

作为阳极侧隔板3a及阴极侧隔板3c的材料只要是具有气密性、电子传导性及电气化学稳定性的材料即可，没有特别限定。例如，可使用金属、碳、石墨与树脂的混合材料等。

对于阴极侧的隔板3c的阴极侧流路12c的结构没有特别的限制，可采用以往使用的各种结构。图1中的阴极侧流路12c用肋13隔开，由朝向垂直于纸面方向延伸的直线状的多个槽构成。

另一方面，本发明的直接型燃料电池1的特征在于阳极侧隔板3a的阳极侧流路12a的结构。

阳极侧流路12a如同阴极侧流路12c，用肋隔开，由朝向平行于纸面方向延伸的直线状的槽构成(未图示)。此外，如图1所示，本实施形态中的阳极侧流路12a在该阳极侧流路12a的深度方向(图1的箭头X方向)，由具有液体难浸透性及气体透过性的膜16一分为二，构成位于膜电极接合体2侧的第1部分流路18和位于阳极侧流路12a的底部侧的第2部分流路19。在第1部分流路18中主要是燃料沿箭头Q的方向流动，在第2部分流路19中主要是二氧化碳沿箭头R的方向流动。

图2是图1中的阳极侧隔板3a的阳极侧流路12a一侧的简要立体图(从阳极侧流路12a拆下膜16的状态)。本实施形态中的阳极侧流路12a由图2所示的沿箭头Y方向延伸的直线状的槽(多个)构成。

在图2中的箭头Z方向上的上述槽的两端部设有斜坡15，该斜坡15朝着箭头Y方向增高，延伸。通过将上述膜16固定在该斜坡15上，阳极侧流路12a在箭头X方向上一分为二，形成图1所示的第1部分流路18及第2部分流路19。

上述膜16包括：拒水层16A，由多孔质体构成的气体透过层16B。拒水层16A发挥液体难浸透性，气体透过层16B发挥气体透过性。

作为构成气体透过层16B的多孔质体，例如可使用碳纸，将硼硅酸钠玻璃热处理分相后再进行酸处理得到的多孔质石英玻璃，沸石及聚四氟乙烯(PTFE)树脂等的拒水性树脂多孔质体等。

拒水层16A主要由拒水性树脂构成，例如，可利用以聚四氟乙烯(PTFE)树脂微粒或四氟乙烯-六氟丙烯共聚物(FEP)树脂微粒等拒水性树脂微粒，和氟树脂或硅酮树脂等拒水性粘结材料为主要成分的浆状拒水涂料形成。例如，较适合使用喷涂法形成。

拒水层16A的表面具有凹凸形状。可通过对拒水涂料的固体成分含量等的组成、干燥温度及干燥时间等的涂布条件等进行适宜地控制来调节该凹凸形状。

在此，图3是表示本实施形态的直接型燃料电池1处于运行状态时的、图1所示的直接型燃料电池1的P-P线局部剖视图。如图3所示，在阳极侧流路12a存在具有液体难浸透性及气体透过性的膜16，拒水层16A位于膜电极接合体2侧，气体透过层16B位于阳极侧流路12a的底部侧。

这样，籍由使拒水层16A位于膜电极接合体2侧，气体透过层16B位于阳极侧流路12a的底部侧，在第1部分流路18主要流动燃料，在第2部分流路19主要流动二氧化碳。

以上，对本发明的典型实施形态进行了说明，但本发明的直接型燃料电池在无损本发明的效果的前提下可进行各种设计变更。

例如，在上述实施形态中，系用具有液体难浸透性及气体透过性的膜，将所有构成并行延伸的阳极侧流路的多个槽一分为二成第1部分流路和第2部分流路，并对此情况进行了说明，但也可将构成阳极侧流路的多个槽中的1个～数个一分为二。

另外，在上述实施形态中，对将1个槽从一方的端部(开始端)至另一方的端部(终端)全部一分为二的形态进行了说明，但只要在得到本发明的效果的范围内，也可将1个槽的至少一部分一分为二。

又，为了对阳极侧流路12a及阴极侧流路12c分别供给燃料及空气，需要使用供给燃料及空气的配管即歧管(マニホ一ルド)。作为该歧管可采用现有的公知的内部歧管及外部歧管中的任一种。

以下，列举实施例及比较例，对本发明进行更详细的说明，但本发明并不局限于这些实施例。

【实施例】

实施例1

根据本实施例，制作了具有图1所示结构的本发明的直接型燃料电池1。

在作为平均一次粒径为30nm的导电性碳粒，即热裂解法炭黑(ケツチエンブラツク)EC(AKZO Chemie公司生产)上，分别载持30重量％的平均粒径为

的铂和钌，得到阳极侧催化剂颗粒(Pt：30重量％，Ru：30重量％)。使热裂解法炭黑EC载持50重量％的平均粒径为

的铂，得到阴极侧催化剂颗粒(Pt：50重量％)。

接着将上述阳极侧催化剂颗粒的异丙醇分散液与高分子电解质的乙醇分散液混合后，利用湿式微粉碎分散机(ビ一ズミル)将所得到的混合液进行高分散，配制成阳极侧催化剂层用浆。将上述阴极侧催化剂颗粒的异丙醇分散液与高分子电解质的乙醇分散液混合后，利用湿式微粉碎分散机将所得到的混合液进行高分散，配制成阴极侧催化剂层用浆。

在上述阳极侧催化剂层用浆及上述阴极侧催化剂层用浆中，导电性碳粒与高分子电解质的重量比为2∶1。作为高分子电解质使用了全氟碳磺酸离聚物(パ一フルオロカ一ボンスルホン酸イオノマ一)(旭硝子(株式会社)生产的Flemion)。

利用刮涂法将以上配制的阳极侧催化剂层用浆及上述阴极侧催化剂层用浆分别涂布在树脂片上后，在大气中常温干燥6小时。然后，将涂布后的上述树脂片切成6cm×6cm的尺寸，得到附有阳极侧催化剂层的片(阳极侧催化剂片)及附有阴极侧催化剂层的片(阴极侧催化剂层片)。

利用所得到的阳极侧催化剂片及阴极侧催化片以催化剂层面向高分子电解质膜4地夹着高分子电解质膜4，利用热压法(135℃，3MPa，15分钟)将阳极侧催化剂层及阴极侧催化层热转印(接合)在高分子电解质膜4上。又，作为高分子电解质膜4，使用了全氟烷基磺酸离子交换膜(Du Pont公司生产的Nafion117)。

然后，通过剥离上述树脂片，得到阳极侧催化剂层5a、高分子电解质膜4及阴极侧催化剂层5b的接合体。阳极侧催化剂层5a及阴极侧催化剂层5b的铂(Pt)催化剂量为2.0mg/cm²。

此后，分别将阳极侧扩散层6a及阴极侧扩散层6b层叠在上述接合体的阳极侧催化剂层5a及阴极侧催化剂层5b的外表面上，利用热压(135℃，3MPa，15分钟)进行接合。将碳(纤维)纸(东丽(株式会社)生产的TGP-H120)切成6cm×6cm的尺寸，用作阳极侧扩散层6a及阴极侧扩散层6b。

在阳极7a及阴极7c周围，将气密材料11夹着高分子电解质膜4以热熔敷的方式(135℃，4MPa，30分钟)接合，制成膜电极接合体(MEA)2。

对树脂浸渍的石墨板进行切削加工，制成了具有图2所示的结构的阳极侧隔板3a(外形尺寸为10cm×10cm，厚度为4mm)。

具体地说，形成了具有以下尺寸的槽部，即：宽度(2×t₁+t₄)4mm，开始端深度(t₂)1mm，终端深度(t₆)0.6mm。另外，在该槽部内的两侧设置了2个满足以下尺寸的斜坡15，即：宽度(t₁)1mm(即t₄＝2mm)，开始端深度(t₂)1mm(即斜坡15的开始端高度t₅＝0mm)，及终端深度(t₃)0.3mm。

接着，制作了用于设置在阳极侧流路12a中的斜坡15上的具有拒水性及气体透过性的膜16。

膜16由以下方法形成拒水层16A(厚度约为40μm)，即：将以聚四氟乙烯(PTFE)树脂微粒和硅酮树脂为主要成分的超拒水剂(NTTアドバンステクノロジ(株式会社)生产的HIREC1450)喷涂在将碳纸(东丽(株式会社)生产的TGP-H120)切割成宽度为2mm而得到的气体透过层16B的表面，然后在70℃干燥20分钟。

将碳粘结剂(日清纺(株式会社)生产的ST-201)涂布在上述斜坡15的面上，将以上制成的膜16设置粘结在上述斜坡15上，使气体透过层16B位于阳极侧流路12a的底部侧，拒水层16A位于膜电极接合体2侧。

在此，如图4所示，形成了阳极侧隔板3a的阳极侧流路12a。图4是从阳极侧流路12a一侧看到的阳极侧隔板3a的主视图。

如图4所示，本实施例的阳极侧隔板3a近似为矩形，阳极侧流路12a由连通供给口3a₁和排出口3a₂的7个直线状槽部12a₁构成。在本实施例中，在所有7个直线状槽部12a₁上都设置了上述膜16。图4中用虚线表示的部分是对应阳极7a的部分(电极部)(参照图1)。

又，作为阴极侧隔板3c，除了不设置斜坡15及膜16，构成流路的槽的深度及宽度一定以外，其他如同图4所示的结构。

不过，在组装直接型燃料电池1时，阳极侧隔板3a及阴极侧隔板3c配置为，使阳极侧流路12a的7个直线状槽部12a₁与阴极侧流路12c的直线状槽部(未图示)相互垂直。

最后用阳极侧隔板3a及阴极侧隔板3c夹着如上所述得到的膜电极接合体2得到层叠体，在得到的层叠体两端分别配置集电板、加热器、绝缘板及端板，用紧固杆将整体固定(未图示)。此时，阳极侧隔板3a及阴极侧隔板3c的单位面积的紧固压力为20kgf/cm²。

利用以上方法制成了本发明的直接型燃料电池(电池1)。

比较例1

除了在阳极侧隔板3a的阳极侧流路12a内没有设置膜16以外，其他如同实施例1，制得燃料电池(电池2)。

比较例2

作为阳极侧扩散层6a，将碳纸(东丽(株式会社)生产的TGP-H120)切成6cm×6cm的尺寸，使其含浸了作为热固化性树脂的10重量％的四氟乙烯-六氟烯共聚物(FEP)。接着将具有燃料浸透性的吸水性高分子凝胶(日本纯药工业(株式会社)生产的ジユンロンPW-150)、作为粘合剂的Nafion(DuPont公司生产)的水分散液、作为粘结材料的聚乙烯氧化物进行混合，配制成浆状的混合物。

接着，准备好含浸了FEP的碳纸，在该碳纸的一面上，将该碳纸作为阳极侧扩散层6a装入直接型燃料电池1内时，与阳极侧流路12a相对向的部分以外的部分配置了掩膜。将上述浆料状的混合物在配置了掩膜的上述碳纸的两个面上刷涂，干燥后除去掩膜。由此，得到在涂入有燃料浸透性材料的区域形成燃料浸透层的阳极侧扩散层6a。

在本比较例中，使用了具有图5所示的结构的阳极侧隔板33a。图5是从阳极侧流路一侧看到的本比较例所使用的阳极侧隔板33a的主视图。

在该阳极侧隔板33a上，交替地并列设有用于将燃料气体向阳极7a供给的燃料供给用流路38和用于将二氧化碳等排出的气体排气用流路39。

燃料供给用流路38的开口部面积设定为与实施例1所使用的阳极侧流路12a的开口部面积相同。另外，在燃料供给用流路38之间设置气体排气用流路39，且燃料供给用流路38的终端部38A及气体排气用流路39的开始部39A在与虚线所示的阳极7a对应的部分(电极部)内封闭。

除了利用以上制成的阳极侧扩散层6a及阳极侧隔板33a，不使用膜16以外，其他如同实施例1，制得燃料电池(电池3)。

比较例3

除了膜16没有设置拒水层16A以外，其他如同实施例1，制得燃料电池(电池4)。

实施例2

除了在设于阳极侧隔板3a的阳极侧流路12a中，将斜坡15的开始端高度t₅设定为0.3mm以外，其他如同实施例1，制得燃料电池(电池5)。

实施例3

在设于阳极侧隔板3a的阳极侧流路12a中，形成具有开始端深度(t₂)0.6mm，终端深度(t₆)1mm的尺寸的槽部，将斜坡15的开始端高度t₅设定为0.3mm，终端高度(t₃)设定为0.7mm，除此之外，其他如同实施例1，制得燃料电池(电池6)。

实施例4

在设于阳极侧隔板3a的阳极侧流路12a中，形成具有开始端深度(t₂)0.6mm，终端深度(t₆)0.6mm的尺寸的槽部，将斜坡15的开始端高度t₅设定为0.3mm，终端高度(t₃)设定为0.3mm，除此之外，其他如同实施例1，制得燃料电池(电池7)。

实施例5

在设于阳极侧隔板3a的阳极侧流路12a中，形成具有终端深度(t₆)1mm的尺寸的槽部，将斜坡15的开始端高度t₅设定为0mm，终端高度(t₃)设定为0.7mm，除此之外，其他如同实施例1，制得燃料电池(电池8)。

评价试验

将4M甲醇水溶液以0.5cc/min的流量供给于上述电池1～8的阳极侧流路12a，将空气以0.5L/min的流量供给于阴极侧流路12c，在电池温度60℃及电流密度150mA/cm²的条件下进行了10分钟的发电。对发电10分钟后的电压进行测量，同时对从阳极7a侧排出的甲醇量进行了计测。

将电池2的电压作为100，将电池1，3～6的电压用相对于电池2的电压的指数进行表示。甲醇排出量也以电池2的甲醇排出量为100，将电池1，3～6的甲醇排出量用相对于电池2的甲醇排出量的指数来表示。其单位一致。

表1中，记载了第2部分流路(二氧化碳(CO₂)排出用流路)19的截面积从上游至下游的变化。另外记载了第1部分流路(燃料供给用流路)18的截面积从上游至下游的变化。

另外，也记载了含有第1部分流路18及第2部分流路19的阳极侧流路12a(图4中的直线状槽部12a1)的截面积从上游至下游的变化。

在表2中，记载了构成阳极侧流路的槽部的深度(开始端及终端)以及设于槽部的斜坡的高度(开始端及终端)。

表1

表2

如表1所示，在实施例1中，来自阳极侧的甲醇的排出量减少到了比较例1(未使用膜的场合)的三分之一。这可以推测是因为，因发电产生的二氧化碳气体通过膜，籍此抑制二氧化碳气体滞留在阳极侧流路内及阳极侧扩散层内，燃料和二氧化碳气体不易混合的缘故。

另外，在实施例1中，电压与比较例2(即为了二氧化碳的排出将阳极侧流路分为用于供给燃料的第1部分流路和排气用的第2部分流路的场合)相比，提高了约23％。

这可以认为，在比较例2中，如图6所示，由于在阳极侧隔板33a另外设置了气体排气用流路39，故在与气体排气流路39相对的区域的阳极侧催化剂层6a表面燃料供给量不足，结果导致电压降低。图6是在与图5的S-S线对应的部分，切断比较例2的燃料电池得到的简要局部剖视图。

相比之下，在实施例1的场合，如图3所示，在阳极侧流路12a的深度方向上将阳极侧流路12a一分为二，构成位于膜电极接合体2侧的第1部分流路18和位于阳极侧流路12a的底部侧的第2部分流路19。因此，可以认为将燃料从第1部分流路18的开口部向阳极侧扩散层6a供给，可将燃料向阳极侧催化剂层5a的整个表面均匀地供给的缘故。

如比较例2那样，通过变更燃料供给用流路38和气体排气用流路39的开口部的面积比，增加燃料供给用流路38的开口部面积占有率，可一定程度解决对与气体排气用流路39相对向的区域的燃料供给量的不足。但是，既然另外设置了气体排气用流路39，就不会形成与实施例1相同的燃料供给状态。

比较例3中，尽管仅使用了实施例1的气体透过层16B，没有设置拒水层16A，但比较例3的甲醇排出量与比较例1没有大的差别。这可以认为，因为没有拒水层16A，气体透过层16B不仅让二氧化碳气体通过，而且还让燃料通过的缘故。

实施例2是将实施例1的流动二氧化碳气体的第2部分流路19的尺寸设定成从燃料流动的上游至下游为一定的情况，甲醇排出量比实施例1多。这可以认为，由于在燃料流动的上游侧的气体层的体积大，液体燃料的一部分气化并透过气体透过层，在未使用的情况下直接被排出的缘故。

又，实施例5是将实施例1的阳极侧流路设定成从燃料流动的上游至下游为一定的情况，甲醇排出量比实施例1稍多。这可以推测是，由于在燃料流动的下游侧的气体层的体积大，故液体燃料的一部分气化并透过气体透过层，在未使用的情况下直接被排出的缘故。

产业上的可利用性

不改性为氢而直接使用甲醇或甲醇水溶液作燃料的本发明的高分子电解质型燃料电池，可用于便携式小型电子设备例如手机和便携式信息终端(PDA)、笔记本PC、摄像机等的电源系统。也可应用于电动小型摩托车用电源等。

Claims

1.一种直接型燃料电池，所述直接型燃料电池包括膜电极接合体、阳极侧隔板及阴极侧隔板，

所述阳极侧隔板配置在所述膜电极接合体的第1侧面上，所述阴极侧隔板配置在所述膜电极接合体的与所述第1侧面相对的第2侧面上，

其特征在于，

在该阳极侧流路的深度方向上，由具有液体难浸透性及气体透过性的膜将所述阳极侧流路中的至少一部分一分为二，构成位于所述膜电极接合体侧的第1部分流路和位于所述阳极侧流路的底部侧的第2部分流路，

2.如权利要求1所述的直接型燃料电池，其特征在于，所述具有液体难浸透性及气体透过性的膜含有多孔质体。

3.如权利要求2所述的直接型燃料电池，其特征在于，所述多孔质体由从碳、陶瓷、玻璃及树脂构成的组中选择的至少一种构成。

4.如权利要求1所述的直接型燃料电池，其特征在于，所述具有液体难浸透性及气体透过性的膜的所述膜电极接合体一侧经过拒水处理。

5.如权利要求1所述的直接型燃料电池，其特征在于，所述具有液体难浸透性及气体透过性的膜的所述膜电极接合体一侧的面具有凹凸。

6.如权利要求1所述的直接型燃料电池，其特征在于，所述第2部分流路的构成为与所述第2部分流路的长度方向大致垂直的截面面积从上游朝着下游增大。

7.如权利要求1所述的直接型燃料电池，其特征在于，所述第1部分流路的构成为与所述第1部分流路的长度方向大致垂直的截面面积从上游朝着下游减小。