專(zhuān)利名稱(chēng)：直接甲醇型燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及將甲醇或甲醇水溶液作為燃料使用的直接甲醇型燃料電池。
背景技術(shù)：
伴隨移動(dòng)電話(huà)、移動(dòng)信息終端(PDA)、筆記本電腦、數(shù)碼相機(jī)等的攜帶用小型電子設(shè)備的多功能化，消耗電力或連續(xù)使用時(shí)間增加。為了應(yīng)對(duì)消耗電力或連續(xù)使用時(shí)間的增加，人們強(qiáng)烈希望搭載于攜帶用小型電子設(shè)備上的電池的高能量密度化。
現(xiàn)在，作為攜帶用小型電子設(shè)備的電源，主要使用鋰二次電池。人們預(yù)測(cè)鋰二次電池在2006年左右將迎來(lái)能量密度為600Wh/L左右的界限。因此，人們期待作為鋰二次電池的替代電源的固體高分子電解質(zhì)膜的燃料電池的盡早實(shí)用化。
在上述燃料電池中，有關(guān)無(wú)需將作為燃料的甲醇或甲醇水溶液改性為氫，而是可直接地供給電池內(nèi)部而發(fā)電的直接甲醇型燃料電池(DMFC)，一直在進(jìn)行活躍的研究開(kāi)發(fā)。這是因?yàn)?，基于甲醇所具有高理論能量密度、系統(tǒng)的簡(jiǎn)單化、燃料的易貯藏性的方面，直接甲醇型燃料電池正受到注目。
直接甲醇型燃料電池中所含的1個(gè)單體電池，具有在電解質(zhì)膜/電極接合體(MEA)及其兩側(cè)配置的隔板。電解質(zhì)膜/電極接合體(MEA)包括固體高分子電解質(zhì)膜、含有接合于其一個(gè)面上的催化劑層及擴(kuò)散層的陽(yáng)極和含有接合于電解質(zhì)膜的另一個(gè)面上的催化劑層及擴(kuò)散層的陰極。
該直接甲醇型燃料電池通過(guò)向陽(yáng)極供給作為燃料的甲醇或甲醇水溶液，向陰極供給空氣進(jìn)行發(fā)電。以下顯示在直接甲醇型燃料電池的電極反應(yīng)。
陽(yáng)極陰極即、在陽(yáng)極，甲醇與水反應(yīng)，生成二氧化碳、質(zhì)子及電子。質(zhì)子通過(guò)電解質(zhì)膜到達(dá)陰極，在陰極，氧、質(zhì)子與經(jīng)過(guò)外部電路到達(dá)陰極的電子結(jié)合，生成水。
然而，在直接甲醇型燃料電池的實(shí)用化中存在如下的問(wèn)題點(diǎn)。
作為直接甲醇型燃料電池，從質(zhì)子傳導(dǎo)性、耐熱性及耐氧化性的觀點(diǎn)來(lái)看，使用如全(過(guò))氟烷基磺酸膜。這種電解質(zhì)膜由防水性的聚四氟乙烯(PTFE)主鏈和在全氟代基的前端固定的親水性的磺酸基的側(cè)鏈構(gòu)成。因此，相對(duì)于過(guò)氟烷基磺酸膜，兼具親水性部分和防水性部分的甲醇成為良好溶劑，易通過(guò)電解質(zhì)膜。也就是說(shuō)，供給陽(yáng)極的甲醇未進(jìn)行反應(yīng)就通過(guò)電解質(zhì)膜到達(dá)陰極，產(chǎn)生所謂“甲醇跨越(CROSSOVER)”的現(xiàn)象。籍由該甲醇跨越現(xiàn)象，不僅燃料利用率降低，而且陰極的電位也降低，發(fā)電特性顯著低下。該甲醇跨越現(xiàn)象存在甲醇濃度越高、工作溫度越高越是增大的傾向。
因此，為降低該甲醇跨越，除開(kāi)發(fā)新穎的電解質(zhì)膜之外，人們也提出了改良陽(yáng)極結(jié)構(gòu)的為數(shù)眾多的方案。
如日本專(zhuān)利特開(kāi)2002-110191號(hào)公報(bào)中揭示了這樣的提案為了抑制在燃料通路前半中的甲醇跨越，抑制在燃料通路后半中的甲醇的供給不足，向陽(yáng)極均勻地供給燃料，使陽(yáng)極的擴(kuò)散層的甲醇透過(guò)系數(shù)越到燃料通路的下游側(cè)就越大。還有，根據(jù)日本專(zhuān)利特開(kāi)2002-110191號(hào)公報(bào)，陽(yáng)極的擴(kuò)散層由包含碳紙等構(gòu)成的基材、在其表面形成的碳黑和聚四氟乙烯的混合層構(gòu)成。該文獻(xiàn)記載了為沿燃料通路加大擴(kuò)散層的甲醇透過(guò)系數(shù)，使混合層的厚度變薄、減少聚四氟乙烯的重量比、降低碳黑的防水性、加大碳黑的氣孔率及/或氣孔孔徑等。
另外，為使直接甲醇型燃料電池實(shí)用化，也有必要提高在陽(yáng)極生成的二氧化碳(CO2)氣體從陽(yáng)極的擴(kuò)散層的排出性能、即陽(yáng)極的擴(kuò)散層的二氧化碳的透過(guò)性能。在陽(yáng)極生成的二氧化碳?xì)怏w，通過(guò)陽(yáng)極的擴(kuò)散層到達(dá)隔板通路，排出到外部。此時(shí)，在陽(yáng)極擴(kuò)散層的氣體透過(guò)性很低的場(chǎng)合，產(chǎn)生的二氧化碳?xì)怏w的一部分滯留在擴(kuò)散層的內(nèi)部，阻礙燃料向催化劑層的擴(kuò)散。再有，由于二氧化碳?xì)怏w逐漸聚合變成很大的氣泡，燃料從擴(kuò)散層的細(xì)孔部被擠出，所以燃料向陽(yáng)極的催化劑層的供給量降低。其結(jié)果，使需要大量燃料的、高電流密度下的發(fā)電特性大幅降低。
作為改善這樣的問(wèn)題的方法，如在日本專(zhuān)利特開(kāi)2002-175817號(hào)公報(bào)中揭示了設(shè)置獨(dú)立于陽(yáng)極側(cè)的金屬板(隔板)的(完全分離)液體燃料通路和排氣通路、及將與液體燃料通路對(duì)向的擴(kuò)散層的區(qū)域做成液體滲透性且氣體難滲透性、及將與排氣通路對(duì)向的擴(kuò)散層的區(qū)域做成氣體透過(guò)性。
然而，在上述已有的結(jié)構(gòu)中，不降低燃料的利用效率而提供具有優(yōu)良的發(fā)電特性的直接甲醇型燃料電池是困難的，仍然存在很多的問(wèn)題。
在日本專(zhuān)利特開(kāi)2002-110191號(hào)公報(bào)中揭示的燃料電池的場(chǎng)合，關(guān)于陽(yáng)極的擴(kuò)散層的甲醇透過(guò)系數(shù)，對(duì)甲醇濃度的影響和發(fā)電工作溫度的影響、電解質(zhì)膜的甲醇透過(guò)系數(shù)之間的平衡，未進(jìn)行充分的考慮。因此，在如使用高濃度甲醇或?qū)l(fā)電工作溫度設(shè)定很高的場(chǎng)合，存在高電流密度下的發(fā)電特性顯著降低的問(wèn)題。
在日本專(zhuān)利特開(kāi)2002-175817號(hào)公報(bào)中揭示的燃料電池的場(chǎng)合，預(yù)測(cè)到有關(guān)燃料供給量的確保、二氧化碳排斥的問(wèn)題將得到解決。但是，對(duì)于有關(guān)甲醇跨越現(xiàn)象的具體解決對(duì)策，沒(méi)有任何公開(kāi)。
因此，本發(fā)明的目的在于，提供一種直接甲醇型燃料電池，該直接甲醇型燃料電池可同時(shí)實(shí)現(xiàn)甲醇跨越現(xiàn)象的減低及供給催化劑層的燃料量的確保，無(wú)需降低燃料的利用效率，就具有優(yōu)良的發(fā)電特性。另外，本發(fā)明的進(jìn)一步的目的在于，提供一種直接甲醇型燃料電池，該直接甲醇型燃料電池還同時(shí)實(shí)現(xiàn)二氧化碳從陽(yáng)極催化層的排出性的改善，具有優(yōu)良的發(fā)電特性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種直接甲醇型燃料電池，該直接甲醇型燃料電池具有單體電池，該單體電池包括電解質(zhì)膜、所述電解質(zhì)膜的一個(gè)面上的陽(yáng)極、和所述電解質(zhì)膜的另一個(gè)面上的陰極；陽(yáng)極具有催化劑層及擴(kuò)散層，其催化劑層與電解質(zhì)膜連接，其擴(kuò)散層連接于與催化劑層的電解質(zhì)膜連接面相反的面；陽(yáng)極的擴(kuò)散層的甲醇透過(guò)流束值JGDL以及所述電解質(zhì)膜的甲醇透過(guò)流束值JPEM滿(mǎn)足以下的關(guān)系(i)JGDL＝1×10-5～5×10-4mol/(cm2·min.)，以及(ii)JGDL×JPEM≤1×10-8[mol/(cm2·min.)]2。
在上述直接甲醇型燃料電池中，陽(yáng)極的擴(kuò)散層的透氣度QAir最好是200～1000cc/(cm2·min·kPa)。
在上述直接甲醇型燃料電池中，在陽(yáng)極的擴(kuò)散層的表面上形成有具有多孔結(jié)構(gòu)的表面層，該表面層最好含有防水性樹(shù)脂粒子及防水性粘結(jié)材料。
在本發(fā)明的直接甲醇型燃料電池的其他優(yōu)選的實(shí)施形態(tài)中，在陽(yáng)極的擴(kuò)散層的表面上形成有具有多孔結(jié)構(gòu)的表面層，該表面層含有電子傳導(dǎo)性多孔材料及防水性粘結(jié)材料。
另外，本發(fā)明涉及一種使用直接甲醇型燃料電池發(fā)電的方法，該直接甲醇型燃料電池具有單體電池，該單體電池包括電解質(zhì)膜、所述電解質(zhì)膜的一個(gè)面上的陽(yáng)極、和所述電解質(zhì)膜的另一個(gè)面上的陰極；所述陽(yáng)極具有催化劑層及擴(kuò)散層，其催化劑層與電解質(zhì)膜連接，其擴(kuò)散層與催化劑層的電解質(zhì)膜連接面相反的面連接，該發(fā)電方法包括下述工序(a)在規(guī)定的溫度，將具有規(guī)定的甲醇濃度的水溶液與所述陽(yáng)極的擴(kuò)散層及所述電解質(zhì)膜接觸時(shí)，陽(yáng)極的擴(kuò)散層的甲醇透過(guò)流束值JGDL以及所述電解質(zhì)膜的甲醇透過(guò)流束值JPEM滿(mǎn)足以下的關(guān)系(i)JGDL＝1×10-5～5×10-4mol/(cm2·min.)，以及(ii)JGDL×JPEM≤1×10-8[mol/(cm2·min.)]2，(b)從測(cè)定所述甲醇透過(guò)流束值時(shí)的溫度及甲醇濃度，決定所述燃料電池的工作溫度及燃料中所含的甲醇濃度；及(c)將含有在所述工序(b)決定的甲醇濃度的甲醇的燃料供給所述陽(yáng)極，且將所述燃料電池的工作溫度設(shè)定為所述工序(b)中決定的溫度，進(jìn)行發(fā)電。


圖1是大體表示本發(fā)明的一實(shí)施形態(tài)的燃料電池所含的單體電池的縱剖面圖。
圖2是圖1所示的單體電池的電解質(zhì)膜/電極接合體(MEA)的部分放大圖。
圖3是表示本發(fā)明的一實(shí)施形態(tài)的燃料電池所含的單體電池的MEA的部分放大圖。
圖4是表示用于測(cè)定甲醇透過(guò)流束值的裝置的示意圖。
具體實(shí)施例方式
以下，參照附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施形態(tài)進(jìn)行說(shuō)明。
實(shí)施形態(tài)1圖1表示構(gòu)成本發(fā)明的一實(shí)施形態(tài)的燃料電池的單體電池。
圖1的單體電池10包括電解質(zhì)膜11、夾合電解質(zhì)膜11的陽(yáng)極12及陰極13。電解質(zhì)膜/電極接合體(MEA)由電解質(zhì)膜11、陽(yáng)極12及陰極13構(gòu)成。
所述MEA被具有電子傳導(dǎo)性的陽(yáng)極側(cè)隔板14及陰極側(cè)隔板15所夾合。隔板14及15的外側(cè)分別層疊有陽(yáng)極側(cè)集電板20及陰極側(cè)集電板21、用于加熱MEA的加熱器22及23、用于將電池與外部電氣絕緣的絕緣板24及25、端板26及27。還有，這些被連結(jié)桿(圖未示)連結(jié)，以便在層疊方向上受外加壓力而相互密接。
與陽(yáng)極側(cè)隔板14的陽(yáng)極相對(duì)的面上，形成有用于將燃料供給陽(yáng)極、排出如二氧化碳那樣的反應(yīng)生成物的、由漕構(gòu)成的燃料通路16。同樣，在與陰極側(cè)隔板15的陰極相對(duì)的面上，形成有用于將空氣供給陽(yáng)極的、由漕構(gòu)成的燃料通路17。
在陽(yáng)極12及陰極13的周?chē)?，為各自防止燃料及空氣的泄漏，分別配置有氣體密封材料18及19。
圖2表示MEA部分的放大圖。陽(yáng)極12具有與電解質(zhì)膜11的一個(gè)面連接的催化劑層12a、與連接于催化劑層12a的電解質(zhì)膜11的面相反側(cè)一個(gè)面連接的擴(kuò)散層12b。同樣，陰極13具有與電解質(zhì)膜11的另一個(gè)面連接的催化劑層13a、與連接于催化劑層13a的電解質(zhì)膜11的面相反側(cè)一面連接的擴(kuò)散層13b。
在本發(fā)明中，陽(yáng)極的擴(kuò)散層12b具有1×10-5～5×10-4mol/(cm2·min.)范圍的甲醇透過(guò)流束值JGDL。電解質(zhì)層11具有甲醇透過(guò)流束值JPEM，JPEM和JGDL的乘積為不大于1×10-8[(mol/cm2·min.)]2。
如，在使用含有高濃度甲醇的燃料的場(chǎng)合或以電池溫度很高的狀態(tài)運(yùn)行燃料電池的場(chǎng)合，若使用以往一直使用的擴(kuò)散層及電解質(zhì)膜(如Nafion117)，則由于陽(yáng)極的擴(kuò)散層的甲醇透過(guò)流束值很大，甲醇跨越增大。所以，為抑制甲醇跨越，需要縮小陽(yáng)極擴(kuò)散層的甲醇透過(guò)流束。另外，在使用甲醇濃度很低的燃料的場(chǎng)合或以電池溫度很低的狀態(tài)運(yùn)行燃料電池的場(chǎng)合，陽(yáng)極擴(kuò)散層的甲醇透過(guò)流束值變小。該場(chǎng)合，由于在高電流密度中的發(fā)電特性降低，所以需要使陽(yáng)極擴(kuò)散層的甲醇透過(guò)流束值變大。
在本發(fā)明中，通過(guò)將陽(yáng)極的擴(kuò)散層及電解質(zhì)膜的甲醇透過(guò)流束值設(shè)為上述范圍，無(wú)論在燃料所含的甲醇濃度高還是低的場(chǎng)合，或者燃料電池溫度的運(yùn)行溫度高還是低的場(chǎng)合，都可以得到優(yōu)良的發(fā)電特性。即、通過(guò)使陽(yáng)極的擴(kuò)散層12b及電解質(zhì)膜11具有上述范圍的甲醇透過(guò)流束值，在任一運(yùn)行溫度及甲醇濃度下，都可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)供給催化劑層的燃料量的確保，即濃差極化的減低和甲醇跨越的減少。
在陽(yáng)極的擴(kuò)散層12b的甲醇透過(guò)流束值JGDL未到1×10-5mol/(cm2·min.)的場(chǎng)合，向陽(yáng)極的催化劑層12a的燃料供給速度變緩，高電流密度下的發(fā)電特性顯著降低。在陽(yáng)極擴(kuò)散層12b的甲醇透過(guò)流束值JGDL大于5×10-4mol/(cm2·min.)的場(chǎng)合，向陽(yáng)極催化劑層12a的燃料供給速度變得不均勻。即，由于在燃料通路的上游側(cè)，燃料供給過(guò)剩，而在燃料通路的下游側(cè)，燃料供給不足，所以發(fā)電特性降低。還有，該現(xiàn)象在向燃料電池的燃料供給量很少的場(chǎng)合變得顯著。
在擴(kuò)散層12b的甲醇透過(guò)流束值和電解質(zhì)膜的甲醇透過(guò)流束值的乘積JGDL×JPEM大于1×10-8[mol/(cm2·min.)]2的場(chǎng)合，由于甲醇跨越增大，所以燃料的利用效率降低，其發(fā)電特性降低。
若燃料中所含的甲醇濃度及燃料電池的工作溫度發(fā)生變化，則陽(yáng)極的擴(kuò)散層及電解質(zhì)膜的甲醇透過(guò)流束值發(fā)生變化。因此，在意向(合適)的甲醇濃度及燃料電池的工作溫度下，最好將陽(yáng)極的擴(kuò)散層及電解質(zhì)膜的甲醇透過(guò)流束值設(shè)為上述范圍。
還有，在本發(fā)明中，還可以以電解質(zhì)膜的甲醇透過(guò)流束值JPEM為基準(zhǔn)，調(diào)節(jié)陽(yáng)極擴(kuò)散層的甲醇透過(guò)流束值JGDL，以使JPEM和JGDL的乘積及JGDL成為上述范圍?；蛘咴趯㈥?yáng)極擴(kuò)散層的JPEM作為1×10-5～5×10-4mol/(cm2·min.)的基礎(chǔ)上，還可以選擇具有可使JGDL和JPEM的乘積在不大于1×10-8[(mol/cm2·min.)]2的JPEM的電解質(zhì)膜。
例如，陽(yáng)極擴(kuò)散層的甲醇透過(guò)流束值可以如下說(shuō)明地進(jìn)行調(diào)節(jié)。
陽(yáng)極擴(kuò)散層12b的甲醇透過(guò)流束值，可以通過(guò)如變更擴(kuò)散層12b的厚度進(jìn)行調(diào)節(jié)。此處，擴(kuò)散層12b的厚度最好是100～500μm。通過(guò)將擴(kuò)散層12b的厚度設(shè)為該范圍，可以使燃料的擴(kuò)散性和二氧化碳的排出性和電子傳導(dǎo)性之間的平衡最適化。
作為擴(kuò)散層12b，可以使用如燃料的擴(kuò)散性及生成的二氧化碳?xì)怏w的排出性(透氣性)優(yōu)良、且兼有電子傳導(dǎo)性、由導(dǎo)電性多孔材料構(gòu)成的擴(kuò)散層。作為如此材料，可以舉例如碳紙及碳布。
另外，如圖3所示，陽(yáng)極的擴(kuò)散層12b的甲醇透過(guò)流束值還可以通過(guò)在擴(kuò)散層12b的表面形成多孔結(jié)構(gòu)的表面層30進(jìn)行調(diào)節(jié)。此處，圖3表示在擴(kuò)散層12b的兩個(gè)側(cè)面上設(shè)置表面層30的狀態(tài)。還有，在圖3中，和圖2相同的構(gòu)成要素標(biāo)上同樣的編號(hào)。
在擴(kuò)散層的表面形成表面層的場(chǎng)合，陽(yáng)極的擴(kuò)散層的甲醇透過(guò)流束值JGDL也可以通過(guò)變更如表面層的表面性狀、多孔度及厚度加以調(diào)節(jié)。
多孔結(jié)構(gòu)的表面層30，可以由如防水性樹(shù)脂微粒和防水性粘結(jié)材料構(gòu)成。作為防水性樹(shù)脂微粒，可以舉例如聚四氟乙烯(PTFE)樹(shù)脂微粒及四氟乙烯-六氟丙烯共聚物(FEP)樹(shù)脂微粒。作為防水性粘結(jié)材料，可以舉例如氟樹(shù)脂、硅酮樹(shù)脂。
由于在擴(kuò)散層的表面含有防水性樹(shù)脂微粒和防水性粘結(jié)材料，所以防水性極其高(即，表面能量極低)，形成很大的細(xì)孔結(jié)構(gòu)的表面層。據(jù)此，可以均勻控制燃料移動(dòng)于整個(gè)擴(kuò)散層的透過(guò)速度。因此，即便在使用甲醇的甲醇透過(guò)流束值很高的電解質(zhì)膜的場(chǎng)合，也可以確保供給催化劑層的燃料量，且同時(shí)實(shí)現(xiàn)甲醇跨越的減低。更有，此時(shí)表面層的厚度即使薄，也能得到充分的效果。在含有防水性樹(shù)脂微粒和防水性粘結(jié)材料的表面層或第1層中的細(xì)孔內(nèi)壁中，存在起源于防水性樹(shù)脂微粒形狀的凹凸(不規(guī)則碎片(フラクタル)表面)。由于該凹凸形狀，防水性進(jìn)一步提高，可以顯現(xiàn)超防水性。因此，這樣的表面層即使其厚度薄，也可以提高發(fā)電特性。
更有，含有防水性樹(shù)脂微粒和防水性粘結(jié)材料的表面層，也不會(huì)阻礙作為反應(yīng)生成物的二氧化碳的排出。因此，尤其，可以得到高電流密度下的發(fā)電特性?xún)?yōu)良的燃料電池。
表面層的表面形狀及多孔度，可以通過(guò)含有防水性樹(shù)脂微粒和防水性粘結(jié)材料的糊漿的組成、其糊漿的固體含量、及涂布糊漿之后的干燥溫度及干燥時(shí)間進(jìn)行控制。如，在使用甲醇跨越大的電解質(zhì)膜的場(chǎng)合，含有防水性樹(shù)脂微粒和防水性粘結(jié)材料的溶液的表面層的厚度，最好是10～60μm。據(jù)此，可以將燃料的透過(guò)速度與二氧化碳的排出性的平衡最適化。
另外，含有防水性樹(shù)脂微粒和防水性粘結(jié)材料的溶液的表面層的多孔度，最好是在50～95％。該場(chǎng)合的理由同上。
還有，防水性樹(shù)脂微粒的平均粒徑最好是在1～10μm的范圍。
多孔結(jié)構(gòu)的表面層30也可以由電子傳導(dǎo)性多孔材料和上述防水性粘結(jié)材料構(gòu)成，以代替防水性樹(shù)脂微粒和防水性粘結(jié)材料。作為電子傳導(dǎo)性多孔材料，可以舉例如碳黑、活性炭、金屬氧化物等。
此時(shí)，可在實(shí)現(xiàn)供給催化劑層的燃料的量的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)甲醇跨越的減低。
另外，含有該電子傳導(dǎo)性多孔材料的表面層，其電子傳導(dǎo)性良好。因此，在擴(kuò)散層的表面上形成表面層時(shí)，在制造上具有無(wú)需對(duì)表面層連接于隔板的肋條部分進(jìn)行掩蔽的優(yōu)點(diǎn)。
另外，在擴(kuò)散層12b的表面上形成含有電子傳導(dǎo)性多孔材料和防水性粘結(jié)材料的表面層的場(chǎng)合，可以通過(guò)變更表面層的多孔度及其厚度調(diào)節(jié)陽(yáng)極的擴(kuò)散層12b的甲醇透過(guò)流束值JGDL。還有，上述表面層的多孔度，可以通過(guò)含有電子傳導(dǎo)性多孔材料和防水性粘結(jié)材料的糊漿的組成、其糊漿的固體含量、及涂布糊漿之后的干燥溫度及干燥時(shí)間進(jìn)行控制。
例如，在使用甲醇跨越大的電解質(zhì)膜的場(chǎng)合，含有電子傳導(dǎo)性多孔材料和防水性粘結(jié)材料的表面層的厚度，最好是20～100μm。另外其表面層的多孔度最好是35～85％。這也基于與上述相同的理由。
表面層30可以如下形成。
可以將聚四氟乙烯(PTFE)樹(shù)脂微粒、四氟乙烯-六氟丙烯共聚物(FEP)樹(shù)脂微粒等的防水性樹(shù)脂微粒和以氟樹(shù)脂、硅酮樹(shù)脂等的防水性粘結(jié)材料為主成分的糊漿(膏)狀拒水劑，通過(guò)噴涂法(スプレ一コ一ト)涂布在擴(kuò)散層的表面上、烘干，形成表面層30。
另外，可以通過(guò)將主成分為導(dǎo)電性碳粒和上述防水性樹(shù)脂微粒的糊漿在擴(kuò)散層12b的表面上作濕式涂布，之后焙燒其糊漿，構(gòu)成表面層30。
表面層30，既可以在陽(yáng)極的擴(kuò)散層12b的兩個(gè)面上，也可以?xún)H在一個(gè)面上形成。還有將表面層30僅在擴(kuò)散層12b的一個(gè)面上形成的場(chǎng)合，表面層30既可以在擴(kuò)散層12b的隔板14一側(cè)的面上形成，也可以在擴(kuò)散層12b的催化劑層12a一側(cè)的面上形成。
另外，表面層30既可以由1層構(gòu)成，也可以由2個(gè)以上的層構(gòu)成。如，表面層30也可以含有防水性樹(shù)脂微粒和防水性粘結(jié)材料的層和含有電子傳導(dǎo)性多孔材料和防水性粘結(jié)材料的層。
陽(yáng)極的擴(kuò)散層12b的透氣度QAir最好是200～1000cc/(cm2·min·kPa)。因陽(yáng)極的擴(kuò)散層12b具有上述范圍的透氣度，可以提高在陰極生成的二氧化碳?xì)怏w的排出性(氣體透過(guò)性)。
與調(diào)節(jié)擴(kuò)散層12b的甲醇透過(guò)流束值的場(chǎng)合一樣，在變更擴(kuò)散層12b的厚度或材質(zhì)，或在擴(kuò)散層12b的表面上形成表面層30的場(chǎng)合，陽(yáng)極的擴(kuò)散層12b的透氣度，可以通過(guò)變更表面層30的構(gòu)成材料、表面性狀、多孔度及厚度進(jìn)行調(diào)節(jié)。
在透氣度QAir不到200cc/(cm2·min.·kPa)的場(chǎng)合，由于二氧化碳?xì)怏w的透過(guò)性降低，所以在高電流密度的發(fā)電特性降低。在透氣度QAir超過(guò)1000cc/(cm2·min·kPa)的場(chǎng)合，集電性降低。
還有，在擴(kuò)散層的表面上形成的表面層含有電子傳導(dǎo)性多孔材料和上述防水性粘結(jié)材料的場(chǎng)合，為確保二氧化碳?xì)怏w的排出性，最好將表面層中的電子傳導(dǎo)性多孔材料和上述防水性粘結(jié)材料的混合比、表面層的厚度等最適化。如電子傳導(dǎo)性多孔材料和上述防水性粘結(jié)材料的混合比最好是5∶1～1∶5。另外，與上相同，表面層的厚度最好是在20～100μm。
作為電解質(zhì)膜11，只要是其質(zhì)子傳導(dǎo)性、耐熱性、化學(xué)穩(wěn)定性?xún)?yōu)良，同時(shí)，陽(yáng)極的擴(kuò)散層的甲醇透過(guò)流束值和電解質(zhì)膜的甲醇透過(guò)流束值的乘積為不大于1×10-8[(mol/cm2·min.)]2即可。作為構(gòu)成電解質(zhì)膜的材料，若具有上述特性，則無(wú)需特別限定，可以使用各種材料。
作為陽(yáng)極的催化劑層12a及陰極的催化劑層13a，可以使用以載持催化劑金屬的導(dǎo)電性碳?；虼呋瘎┙饘傥⒘：鸵愿叻肿与娊赓|(zhì)為主成分的薄膜。催化劑層12a的催化劑金屬可以使用如鉑(Pt)-釕(Ru)合金微粒。在催化劑層13a的催化劑金屬中，可以使用如Pt微粒。作為催化劑層中所含的高分子電解質(zhì)，既可以使用構(gòu)成電解質(zhì)膜的高分子電解質(zhì)，也可以使用其它的高分子電解質(zhì)。還有，作為高分子電解質(zhì)，最好使用構(gòu)成電解質(zhì)膜的高分子電解質(zhì)。
作為陰極的擴(kuò)散層13b，可以使用兼具有空氣的擴(kuò)散性、通過(guò)發(fā)電發(fā)生的水的排出性、電子傳導(dǎo)性的導(dǎo)電性多孔材料。作為這樣的材料，可以舉例如碳紙、碳布。
作為隔板14及15，可以使用由具有氣密性、電子傳導(dǎo)性、化學(xué)穩(wěn)定性的材料構(gòu)成的材料。還有，若具有上述特性，則構(gòu)成隔板的材料的種類(lèi)不做特別限定。另外，設(shè)置在隔板14的通路16及設(shè)置在隔板15的通路17的形狀不做特別限定，可以使用在該領(lǐng)域中以往一直使用的形狀。
以下表示甲醇透過(guò)流束值及透過(guò)度的測(cè)定方法
(1)甲醇透過(guò)流束值甲醇透過(guò)流束值如可以使用如圖4所示的玻璃制的H型單元40進(jìn)行測(cè)定。
在H型單元40的管48和49之間，介由環(huán)狀的橡膠墊片42及43，夾入試樣41(擴(kuò)散層或電解質(zhì)膜)，放入規(guī)定溫度的恒溫槽中。此時(shí)，恒溫槽的溫度設(shè)定為與燃料電池的預(yù)定的工作溫度相同的溫度。
然后，在第1玻璃槽44中加入規(guī)定濃度的甲醇水溶液50，在第2玻璃槽45中加入離子交換水51。用攪拌器46及47分別將甲醇水溶液及離子交換水以一定速度攪拌。此處，將甲醇水溶液中所含的甲醇濃度設(shè)成與供給燃料電池的燃料所含的甲醇濃度相同。
邊攪拌，邊將第2玻璃槽45中的水溶液每隔一定時(shí)間取樣約1cc，由氣體色譜法，對(duì)取樣水溶液中所含的甲醇濃度進(jìn)行定量。可以由每單位時(shí)間的甲醇的增加量，算出甲醇透過(guò)流束值。
(2)透氣度在本發(fā)明中，作為擴(kuò)散層的透氣度，求出室溫中空氣透過(guò)擴(kuò)散層時(shí)的透氣度。擴(kuò)散層的透氣度可以使用如物性評(píng)價(jià)裝置(Porous Materials Inc.制的パ一ムポロメ一タ)進(jìn)行測(cè)定。用2片具有空氣流通的通路的壓力板，在用規(guī)定的壓力施壓的狀態(tài)下，施壓，使空氣的供給側(cè)與透過(guò)側(cè)之間的壓差，變化至規(guī)定的最大壓力為止，得出此時(shí)的空氣的透過(guò)流束值。作出求得的透過(guò)流束值相對(duì)壓差的曲線(xiàn)圖，得到最能表示得出的測(cè)定值的直線(xiàn)。計(jì)算該直線(xiàn)的斜率，將得出的斜率作為透氣度。
此處，按壓試樣時(shí)的壓力和連結(jié)MEA、隔板等時(shí)的壓力相同。
表面層的多孔度，可以從如構(gòu)成表面層的材料的組成比、其材料比重、單位面積的表面層的涂布重量及表面層的厚度計(jì)算得到。如，表面層由成分A(比重RA(g/cm3))和成分B(比重RB(g/cm3))構(gòu)成，使每單位面積的表面層的涂布重量為W(g/cm2)、表面層的厚度為T(mén)(cm)。另外，作成成分A和成分B的組成比為a∶b。該場(chǎng)合，多孔度P可以用以下公式{1-[W×(a/(a+b))/RA+W×(b/(a+b))/RB]/(1×1×T)}×100計(jì)算。
本發(fā)明的燃料電池，可以如下所述地進(jìn)行發(fā)電。
首先，在規(guī)定的溫度，將規(guī)定的甲醇濃度的水溶液設(shè)為與陽(yáng)極的擴(kuò)散層或電解質(zhì)膜接觸時(shí)的陽(yáng)極的擴(kuò)散層的甲醇透過(guò)流束值JGDM及電解質(zhì)膜的甲醇透過(guò)流束值JPEM的場(chǎng)合，選擇陽(yáng)極的擴(kuò)散層及電解質(zhì)膜，以使JGDM為1×10-5～5×10-4mol(cm2·min.)、JPEM和JGDM的乘積為不大于1×10-8[(mol/cm2·min.)]2。
此處，如上所述，陽(yáng)極的擴(kuò)散層的甲醇透過(guò)流束值可以籍由改變陽(yáng)極的擴(kuò)散層的厚度、及/或在擴(kuò)散層的表面上形成如上所述的表面層，進(jìn)行調(diào)節(jié)。
然后，從測(cè)定甲醇透過(guò)流束值時(shí)的溫度及甲醇濃度，決定燃料電池的工作溫度及燃料中所含的甲醇濃度(工序(b))。此時(shí)，也可以將測(cè)定甲醇透過(guò)流束值時(shí)的甲醇濃度設(shè)為燃料的甲醇濃度，將測(cè)定溫度作為燃料電池的工作溫度。另外，即使是相同的擴(kuò)散層及電解質(zhì)膜，也可根據(jù)測(cè)定時(shí)的溫度及/或甲醇濃度，使甲醇透過(guò)流束值發(fā)生變化。因此，在對(duì)甲醇透過(guò)流束值不太產(chǎn)生影響的范圍內(nèi)，可以改變?nèi)剂想姵氐墓ぷ鳒囟燃叭剂系募状紳舛龋蕴岣甙l(fā)電特性。
其次，將如上所述決定的甲醇濃度的燃料供給陽(yáng)極，同時(shí)在決定的運(yùn)行溫度下進(jìn)行發(fā)電(工序(c))。
如上，即使燃料電池的工作溫度及燃料的甲醇濃度為特定值的場(chǎng)合，與這些值相配合地，可以決定陽(yáng)極的擴(kuò)散層及電解質(zhì)膜的甲醇透過(guò)流束值。由此，可以提高燃料電池的發(fā)電特性。
例如，在使用甲醇跨越很大的電解質(zhì)膜的場(chǎng)合，為實(shí)現(xiàn)燃料電池系統(tǒng)的小型化或燃料電池系統(tǒng)的長(zhǎng)時(shí)間的驅(qū)動(dòng)，燃料中所含的甲醇濃度最好是4～6mol/L。還有，若甲醇濃度超過(guò)6mol/L，則由于電解質(zhì)膜的甲醇透過(guò)流束值顯著增大，所以難以適當(dāng)控制陽(yáng)極擴(kuò)散層中的甲醇透過(guò)流束值。
在使用甲醇跨越很小的電解質(zhì)膜的場(chǎng)合，燃料中所含的甲醇濃度也可以在6mol以上。另外，即使在使用甲醇跨越很小的電解質(zhì)膜的場(chǎng)合，表面層的多孔度或厚度只要在上述范圍內(nèi)就可以。
燃料電池的工作溫度，最好是在40～80℃，進(jìn)一步好的是在50～70℃。燃料電池的工作溫度越高，催化劑的反應(yīng)活性就越是增高，提高發(fā)電特性。另一方面，若工作溫度增高，則對(duì)燃料電池周邊部位的電子零部件產(chǎn)生影響。若考慮到上述這樣的對(duì)發(fā)電特性和電子零部件的影響，則上述溫度范圍最適合。
以下，依據(jù)實(shí)施例詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明。還有，這些實(shí)施例并不限定本發(fā)明。
試樣1電池A催化劑載粒的制作在導(dǎo)電性碳粒上載持平均粒徑3nm的Pt和Ru，制作陽(yáng)極用催化劑載粒。Pt及Ru的量分別設(shè)為Pt、Ru和導(dǎo)電性碳?？傊亓康?0％。
在和所述相同的導(dǎo)電性碳粒上搭載平均粒徑3nm的Pt，制作陰極用催化劑載粒。Pt及Ru的量，設(shè)為Pt和導(dǎo)電性碳粒的總重量的50％。還有，作為導(dǎo)電性碳粒，使用平均一次粒徑為30nm的碳黑(三菱化學(xué)株式會(huì)社制的ケッチエンブラックEC)。
MEA的制作其次，將使得到的陽(yáng)極用催化劑載粒分散于異丙醇溶液的分散液和使高分子電解質(zhì)分散于乙醇的分散液進(jìn)行混合。將得到的混合物用球(珠)磨機(jī)(ビ一ズミル)混合，使陽(yáng)極用催化劑載粒及高分子電解質(zhì)分散，配制陽(yáng)極催化劑層用糊漿。此時(shí)，作為高分子電解質(zhì)，使用過(guò)全氟碳磺酸離聚物(旭玻璃株式會(huì)社制的Flemion)。另外，在陽(yáng)極催化劑層用糊漿，將導(dǎo)電性碳粒與高分子電解質(zhì)的重量比設(shè)為1∶1。
如同陽(yáng)極用催化劑載粒的配制法，使用陰極用催化劑載粒，配制陰極催化劑層用糊漿。
然后，將這些催化劑層用糊漿用刮槳刀分別涂布在聚四氟乙烯板(ニチアス株式會(huì)社制的ナフロンPTFE板)上之后，在大氣中、常溫下烘干6小時(shí)。然后，將得到的各催化劑板切斷成6cm×6cm的尺寸。在電解質(zhì)膜的一面上，將切斷后的陽(yáng)極催化劑板層疊，使其板的糊漿涂布面連接。在電解質(zhì)膜的另一面上，將切斷后的陰極催化劑板層疊，使其板的糊漿涂布面連接。之后，通過(guò)熱壓法(125℃、8Mpa、5分鐘)將電解質(zhì)膜和各催化劑板進(jìn)行熱接合。此處，作為電解質(zhì)膜，使用全氟烷基磺酸離子交換膜(Dupont社制的Nafion117)。
從如此得到的接合體，剝離聚四氟乙烯板，由此在電解質(zhì)膜的兩個(gè)面上分別形成陽(yáng)極催化劑及陰極催化劑。此處，在陽(yáng)極或陰極的催化劑層的Pt催化劑的量分別為1.8mg/cm2。
作為陽(yáng)極的擴(kuò)散層，使用切斷成6cm×6cm的尺寸的碳紙(東嫘株式會(huì)社制的TGP-H120(厚度約360μm))。將該擴(kuò)散層接觸于隔板的通路和通路之間的肋條部分，進(jìn)行掩蔽。還有，在其擴(kuò)散層與隔板連接側(cè)的表面上，利用噴涂法，涂布主成分為聚四氟乙烯樹(shù)脂微粒和硅酮樹(shù)脂的超拒水劑(NTTアソバンステクノロジ株式會(huì)社制的HIREC1450)。將涂布的超拒水劑在60℃烘干30分鐘，在擴(kuò)散層的表面上形成含有超拒水劑的表面層(以下，稱(chēng)第1層)。形成的第1層的厚度為約20μm。另外，第1層的多孔度為77.0％。第1層具有不規(guī)則碎片狀的表面。還有，在本實(shí)施例的其他電池中，在形成第1層的場(chǎng)合，其第1層如上所述制作。
作為陰極的擴(kuò)散層，使用切斷成6cm×6cm的尺寸的碳紙(東嫘株式會(huì)社制的TGP-H120(厚度約180μm))。
然后，在形成有電解質(zhì)膜的陽(yáng)極催化劑層的面上層疊陽(yáng)極擴(kuò)散層，在形成有電解質(zhì)膜的陰極催化劑層的面上層疊陰極擴(kuò)散層。通過(guò)熱壓法(125℃、4Mpa、3分鐘)，將擴(kuò)散層接合于催化劑層。
最后，通過(guò)在陽(yáng)極及陰極的周?chē)?，將氣體密封材料在135℃、4MPa中熱溶敷，制作MEA。
然后，將該MEA分別從兩側(cè)用外尺寸10cm×10cm、厚度4mm的隔板、集電板、加熱器、絕緣板及端板夾入，用連桿固定。此時(shí)的連結(jié)壓為隔板的單位面積20Kgf。還有，在隔板上形成寬度1.5mm、深度1mm的螺旋形通路。作為集電板及端板，使用施以電鍍處理的不銹鋼板。
將如上得到的、由單體電池構(gòu)成的燃料電池設(shè)為電池A.
電池B除了在陽(yáng)極擴(kuò)散層的催化劑層側(cè)的表面上，形成由碳黑(CB)和聚四氟乙烯(PTFE)樹(shù)脂微粒的混合物構(gòu)成的表面層之外，其他與電池A的制作方法相同，制作電池B。此處，表面層的厚度為約50μm。
以下，表示上述表面層的制作方法。
首先，在加入表面活性劑(Aldrich社制的Triton-100)的水溶液中超聲波分散碳黑(CABOT社制的XC-72R)。此后，用混合機(jī)(特殊機(jī)化工業(yè)株式會(huì)社制的ハイビスミック)進(jìn)一步混合，使碳黑成為高分散狀態(tài)。然后，加入聚四氟乙烯分散液(大金工業(yè)株式會(huì)社制的D-1E)之后，進(jìn)一步混合，成為高分散狀態(tài)。如此，配制糊漿。該糊漿中的碳黑/聚四氟乙烯/表面活性劑的重量比為10/3/1。
將上述糊漿用刮槳刀均勻地涂布于整個(gè)碳紙上后，在大氣中常溫下烘干8小時(shí)。之后，在惰性氣體(N2)360℃中燒成1小時(shí)，除去表面活性劑，得到由CB和PTFE樹(shù)脂微粒構(gòu)成的表面層(以下，也稱(chēng)第2層)。第2層的多孔度為65.1％。還有在本實(shí)施例的其他電池，形成第2層的場(chǎng)合，其第2層同上述一樣制作。
電池C首先，在陽(yáng)極擴(kuò)散層的隔板側(cè)的表面上形成厚度約30μm的第2層。然后在其第2層之上，形成厚度約20μm的第1層。如此，形成含有第2層和第1層的表面層。除使用這樣的陽(yáng)極擴(kuò)散層之外，其他和電池A的制作方法一樣，制作電池C。此處，第1層及第2層的多孔度分別為77.0％及62.8％。第1層具有不規(guī)則碎片狀的表面。
電池D除第2層的厚度設(shè)為50μm，將第1層的厚度設(shè)為30μm之外，其他和電池A的制作方法一樣，制作電池D。此處，第1層及第2層的多孔度分別為78.5％及65.1％。另外，第1層具有不規(guī)則碎片狀的表面。
電池E作為電解質(zhì)膜，使用磺化聚醚醚酮(PEEK)為主成分的碳?xì)浠锔叻肿与娊赓|(zhì)膜(厚度100μm)，作為陽(yáng)極擴(kuò)散層，使用碳紙(東嫘株式會(huì)社制的TGP-H060)。在其擴(kuò)散層的催化劑層側(cè)的表面上形成厚度約5μm的第2層。除這些以外，其他和電池A的制作方法相同，制作電池E。此處，第2層的多孔度為58.1％。
電池F作為電解質(zhì)膜，使用磺化聚醚醚酮(PEEK)為主成分的碳?xì)浠锔叻肿与娊赓|(zhì)膜(厚度60μm)，除不在陽(yáng)極擴(kuò)散層的表面上設(shè)置表面層之外，其他和電池A的制作方法相同，制作電池F。
比較電池1除未在陽(yáng)極擴(kuò)散層的表面上設(shè)置表面層之外，其他和電池A的制作方法相同，制作比較電池1。
比較電池2作為陽(yáng)極擴(kuò)散層，使用由碳紙(東嫘株式會(huì)社制的TGP-H060)構(gòu)成的材料，除未在其陽(yáng)極擴(kuò)散層的表面上設(shè)置表面層之外，其他和電池A的制作方法相同，制作比較電池2。
比較電池3除在陽(yáng)極擴(kuò)散層的隔板側(cè)的表面上形成厚度約80μm的第1層之外，其他和電池A的制作方法相同，制作比較電池3。此處，第1層的多孔度為79.3％。另外，在第1層的表面為不規(guī)則碎片狀。
比較電池4作為電解質(zhì)膜，使用磺化聚醚醚酮(PEEK)為主成分的碳?xì)浠锔叻肿与娊赓|(zhì)膜(厚度60μm)，在陽(yáng)極擴(kuò)散層的隔板側(cè)的表面上，形成厚度約80μm的第2層。在該第2層之上，形成厚度約50μm的第1層。如此，在陽(yáng)極擴(kuò)散層的表面上形成含第2層和第1層的表面層。除此之外，其他與電池A的制作方法相同，制作比較電池4。此處，第1層和第2層的多孔度分別為80.6％及66.8％。另外，第1層具有為不規(guī)則碎片狀。
在表1表示電池1～6及比較電池1～4中使用的電解質(zhì)膜的種類(lèi)及在陽(yáng)極的擴(kuò)散層的表面上形成的表面層的種類(lèi)。
表1如上所述，測(cè)定電池F、比較電池1～4中使用的電解質(zhì)膜及陽(yáng)極的擴(kuò)散層的甲醇透過(guò)流束值及陽(yáng)極的擴(kuò)散層的透氣度。
在甲醇透過(guò)流束值的測(cè)定，將使用的甲醇水溶液的甲醇濃度設(shè)為6mol/L，將測(cè)定溫度設(shè)為60℃。環(huán)狀的橡膠墊圈的開(kāi)口部的面積設(shè)為3.14cm2。在第1玻璃層44中加入50cc的甲醇水溶液，在第2玻璃層45中加入200cc的離子交換水。
測(cè)定透氣度時(shí)，將試樣的面積設(shè)為7cm2，壓力設(shè)為20K/cm2。另外，試樣的空氣的供給側(cè)和透過(guò)側(cè)之間的壓差最大增加到3kPa。
得到的結(jié)果在表2中表示。
表2然后，在電池A～F及比較電池1～4中，用如下所示的方法評(píng)價(jià)電流-電壓特性。
將6mol/L的甲醇水溶液以流量1cc/min供給陽(yáng)極，將空氣以流量1L/min供給陰極。在電池溫度60℃，將電流密度設(shè)為100mA/cm2或?yàn)?000mA/cm2，測(cè)定連續(xù)15分鐘發(fā)電時(shí)的實(shí)效電壓。結(jié)果在表3中表示。
表3電池A～F，作為燃料使用6mol/L的甲醇水溶液，使陽(yáng)極的擴(kuò)散層及電解質(zhì)膜的物性值最適化，以適于像發(fā)電工作溫度為60℃那樣的燃料電池的運(yùn)行條件。因此，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)甲醇跨越的降低、供給陽(yáng)極的催化劑層的燃料的量的確保、及在陽(yáng)極的擴(kuò)散層的二氧化碳?xì)怏w的排出性的改善。其結(jié)果，可知如表所示，無(wú)需降低燃料的利用效率，可以得到尤其在高電流密度中的發(fā)電特性?xún)?yōu)良的燃料電池。
另一方面，在比較電池1及2的場(chǎng)合，盡管使用甲醇跨越很大的電解質(zhì)膜，但由于在陽(yáng)極使用厚度薄的擴(kuò)散層，所以陽(yáng)極的擴(kuò)散層的甲醇透過(guò)流束值和電解質(zhì)膜的甲醇透過(guò)流束值的乘積JGDL×JPEM超過(guò)1×10-8[mol/(cm2·min.)]2。即，結(jié)果成為從陽(yáng)極側(cè)到陰極側(cè)的甲醇跨越顯著增大。因此，導(dǎo)致了發(fā)電特性的大幅度降低(在電流密度200mA/cm2不能保持電壓)。該發(fā)電特性的降低，在陽(yáng)極的擴(kuò)散層的甲醇透過(guò)流束值JGDL的值大于5×10-4mol/(cm2·min.)的比較電池2中很顯著。
在比較電池3及4的場(chǎng)合，乘積JGDL×JPEM很小，甲醇跨越大幅降低。但是，陽(yáng)極的擴(kuò)散層的甲醇透過(guò)流束值JGDL不到1×10-5mol/(cm2·min.)。因此，用高電流密度發(fā)電的場(chǎng)合，燃料對(duì)陽(yáng)極的催化劑層的供給速度，相比燃料的消耗速度變慢，在高電流密度中的發(fā)電特性顯著降低。尤其，在擴(kuò)散層的表面上形成的表面層的厚度很厚的比較電池4的場(chǎng)合，透氣度QAir的值也不到200cc/(cm2·min·kPa)，在陽(yáng)極的擴(kuò)散層的二氧化碳的排出性惡化。認(rèn)為此事也是在高電流密度中的發(fā)電特性顯著降低的原因之一。
另外，比較電池A和電池B的場(chǎng)合，電池A的方面，盡管表面層的厚度很薄，但發(fā)電特性在提高。該情況如下考慮第1層是防水性樹(shù)脂微粒堆積在擴(kuò)散層上形成的粒子的集合體。因此，在第1層的表面或第1層中的細(xì)孔內(nèi)壁中，存在起源于防水性樹(shù)脂微粒的凹凸(不規(guī)則碎片表面)。通過(guò)第1層的表面或第1層中的細(xì)孔內(nèi)壁中存在的凹凸形狀，防水性更提高，可以發(fā)現(xiàn)超防水性。所以認(rèn)為電池A的方面盡管表面層的厚度很薄，但發(fā)電特性在提高。
表1

表2


表3

權(quán)利要求
1.一種直接甲醇型燃料電池，其特征在于，所述直接甲醇型燃料電池具有單體電池，所述單體電池包括電解質(zhì)膜、所述電解質(zhì)膜的一個(gè)面上的陽(yáng)極、和所述電解質(zhì)膜的另一個(gè)面上的陰極，所述陽(yáng)極具有催化劑層及擴(kuò)散層，所述陽(yáng)極的催化劑層與所述電解質(zhì)膜的面相接觸，所述陽(yáng)極的擴(kuò)散層與催化劑層的與電解質(zhì)膜連接的面相反的面相接觸，所述陽(yáng)極的擴(kuò)散層的甲醇透過(guò)流束值JGDL以及所述電解質(zhì)膜的甲醇透過(guò)流束值JPEM滿(mǎn)足以下的關(guān)系(i)JGDL＝1×10-5～5×10-4mol/(cm2·min.)，以及(ii)JGDL×JPEM≤1×10-8[mol/(cm2·min.)]2。
2.如權(quán)利要求1所述的直接甲醇型燃料電池，其特征在于，所述陽(yáng)極的擴(kuò)散層的透氣度QAir是200～1000cc/(cm2·min·kPa)。
3.如權(quán)利要求1所述的直接甲醇型燃料電池，其特征在于，在所述陽(yáng)極的擴(kuò)散層的表面上形成有具有多孔結(jié)構(gòu)的表面層，所述表面層含有防水性樹(shù)脂粒子及防水性粘結(jié)材料。
4.如權(quán)利要求1所述的直接甲醇型燃料電池，其特征在于，在所述陽(yáng)極的擴(kuò)散層的表面上形成有具有多孔結(jié)構(gòu)的表面層，所述表面層含有電子傳導(dǎo)性多孔材料及防水性粘結(jié)材料。
5.一種使用直接甲醇型燃料電池發(fā)電的方法，其特征在于，所述直接甲醇型燃料電池具有單體電池，所述單體電池包括電解質(zhì)膜、所述電解質(zhì)膜的一個(gè)面上的陽(yáng)極、和所述電解質(zhì)膜的另一個(gè)面上的陰極，所述陽(yáng)極具有催化劑層及擴(kuò)散層，所述陽(yáng)極的催化劑層與電解質(zhì)膜連接，所述陽(yáng)極的擴(kuò)散層與催化劑層的電解質(zhì)膜連接面相反的面連接，所述發(fā)電方法包括(a)在規(guī)定的溫度中，將具有規(guī)定的甲醇濃度的水溶液與所述陽(yáng)極的擴(kuò)散層及所述電解質(zhì)膜接觸時(shí)，所述陽(yáng)極的擴(kuò)散層的甲醇透過(guò)流束值JGDL以及所述電解質(zhì)膜的甲醇透過(guò)流束值JPEM滿(mǎn)足以下的關(guān)系(i)JGDL＝1×10-5～5×10-4mol/(cm2·min.)，以及(ii)JGDL×JPEM≤1×10-8[mol/(cm2·min.)]2，(b)從測(cè)定所述甲醇透過(guò)流束值時(shí)的溫度及甲醇濃度，決定所述燃料電池的工作溫度及燃料中所含的甲醇濃度的工序；及(c)以在所述工序(b)決定的甲醇濃度含有甲醇的燃料，供給所述陽(yáng)極，且將所述燃料電池的工作溫度設(shè)定為所述工序(b)中決定的溫度，進(jìn)行發(fā)電的工序。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種直接甲醇型燃料電池，該直接甲醇型燃料電池具有單體電池，該單體電池包括在一個(gè)面上具有陽(yáng)極，在另一個(gè)面上具有陰極的電解質(zhì)膜，陽(yáng)極具有催化劑層及擴(kuò)散層，其催化劑層與電解質(zhì)膜連接，其擴(kuò)散層與催化劑層的電解質(zhì)膜連接面相反的面連接。陽(yáng)極的擴(kuò)散層的甲醇透過(guò)流束值J
文檔編號(hào)H01M8/00GK1787266SQ200510137068
公開(kāi)日2006年6月14日 申請(qǐng)日期2005年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月21日
發(fā)明者植田英之, 福田真介 申請(qǐng)人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社