CN101036257A - 燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种燃料电池，其包括：阴极催化剂层2；阳极催化剂层3；位于阴极催化剂层2和阳极催化剂层3之间的质子传导膜6；用于储存液体燃料L的液体燃料槽9；用于供应液体燃料的气化成分到所述阳离子催化剂层3的燃料气化层10；以及在所述燃料气化层10和所述阳极催化剂层3之间形成的气化燃料室12；其中，所述气化燃料室12具有内压释放机构20，该机构用于将在所述阳极催化剂层3产生的包括二氧化碳气体在内的生成气体从所述气化燃料室12的侧壁排放到电池体外部。

Description

燃料电池
技术领域
本发明涉及一种具有以下体系的燃料电池：在该体系中，将由液体燃料气化得到的气化燃料供应到阳极催化剂层。更特别地，本发明涉及一种燃料电池，该燃料电池能够随着电池反应的进行释放在阳极催化剂层产生的二氧化碳，并且减小由于二氧化碳气体导致的内压升高所带来的电池输出性能的劣化。
背景技术
近年，个人电脑、蜂窝电话等各种电子器件随着半导体技术的开发而小型化，尝试将燃料电池用作这些小型电子器件的电源。燃料电池的优点是可通过仅供给燃料和氧化剂而发电、且只要向电池供给燃料就能够连续地发电。由于上述优点，当燃料电池的小型化实现时，可以说燃料电池是有利的系统。
特别是直接甲醇型燃料电池(DMFC，direct methanol fuel cell)，采用高能量密度的甲醇作为燃料，并且可以在电极催化剂处直接从甲醇引出电流。所以，燃料电池可实现小型化，另外，该燃料的操作也比氢气燃料安全和容易，因此燃料电池有望作为小型电子器件的电源。
作为将燃料供给DMFC的方法，采用以下类型。也就是：气体燃料供给型DMFC，其中将液体燃料气化，通过吹风机等装置将气化的燃料气体送入燃料电池内；液体燃料供给型DMFC，其中用泵等装置将液体燃料送入燃料电池内；专利文献1(日本专利第3413111号)所揭示的内部气化型DMFC。
专利文献1所示的内部气化型DMFC包括：保持液体燃料的燃料浸透层；使液体燃料气化并使保留在燃料浸透层中的液体燃料的气化部分扩散的燃料气化层，使得液体燃料的蒸气从燃料气化层供应到燃料极(阳极)。在专利文献1的燃料电池中，使用甲醇和水以1∶1的摩尔比混合的甲醇水溶液作为液体燃料，甲醇和水都以气化的气体混合物的形式供给燃料极。
依据专利文献1所示的常规内部气化型DMFC，无法获得足够高的输出功率特性。具体来说，水的蒸气压低于甲醇，水的气化速度比甲醇的气化速度慢。所以，当试图将甲醇和水一起供给燃料极时，水的供给量相对于甲醇显得不足。结果，甲醇内部重整的反应阻力不利地增加，所以无法得到足够高的输出功率特性。
此外，依据上述专利文献1所示的常规内部气化型DMFC，为了防止甲醇泄漏到燃料电池的外部，从液体燃料槽到阳极催化剂层之间形成一个几乎气密的通道。由于在阳极催化剂层发生甲醇分解等反应，生成二氧化碳气体(CO2气体)，生成的CO2气体的量随着产生电量的增加而成比例地增加。因此，在燃料气化层和阳极催化剂层之间形成的气化燃料室中的内压随时间增加，气化的燃料气体的分压相应地降低，结果供应给阳极催化剂层的燃料供给量减少。结果，出现燃料电池输出功率下降的问题。
发明内容
本发明解决了上述常规问题，本发明的目的是稳定和提高具有以下体系的小型燃料电池的输出功率特性：在该体系中，将液体燃料的气化成分供应给阳极催化剂层。特别地，本发明的目的是提供一种燃料电池，该燃料电池能够随着电池反应的进行释放在阳极催化剂层产生的二氧化碳气体，并且减小由于二氧化碳气体导致的内压升高所带来的电池输出性能的劣化。
为了实现上述目的，本发明提供一种包括以下部件的燃料电池：阴极催化剂层；阳极催化剂层；位于阴极催化剂层和阳极催化剂层之间的质子传导膜；用于储存液体燃料的液体燃料槽；用于将所述液体燃料的气化成分供应给阳极催化剂层的燃料气化层；在燃料气化层和阳极催化剂层之间形成的气化燃料室；其中气化燃料室具有内压释放机构，该机构用于将在阳极催化剂层产生的包括二氧化碳气体在内的生成气体从气化燃料室的侧壁排放到电池体的外部。
在上述燃料电池中，优选内压释放机构包括：在气化燃料室侧壁上形成的切口部分；与切口部分紧密接触的弹性体。
此外，在上述燃料电池中，优选对燃料电池进行一定的设计，使内压释放机构包括：在气化燃料室的侧壁上形成的凹槽；与所述凹槽紧密接触的弹性体。
此外，在上述燃料电池中，优选内压释放机构包括：气化燃料室的侧壁；与所述侧壁紧密接触的弹性体；用于将累积在气化燃料室内的生成气体排放到电池体外部的狭缝，所述狭缝沿弹性体的厚度方向延伸。
此外，在上述燃料电池中，优选内压释放机构包括：在气化燃料室的侧壁上形成的凹槽；与所述凹槽紧密接触的弹性体；用于将累积在气化燃料室内的生成气体排放到电池体外部的狭缝，所述狭缝沿与所述凹槽紧密接触的弹性体的厚度方向延伸。
而且，在上述燃料电池中，优选弹性体的硬度为40°至70°，该值是根据日本工业标准(JIS K 6301A：1997)中规定的硬度确定的。
此外，在上述燃料电池中，优选在气化燃料室的侧壁上形成的切口部分的宽度等于或小于1毫米。
此外，在上述燃料电池中，优选气化燃料室还包括用于使从气化燃料室排出的生成气体返回到阴极催化剂层一侧的导管。
依据本发明的上述燃料电池，在电池反应过程中在阳极催化剂层产生的包括二氧化碳气体在内的生成气体可以通过内压释放机构的作用适当地释放到电池体的外部，从而可以有效地抑制由于二氧化碳气体引起的内压升高所导致的电池输出功率特性的降低，并且能够提供具有稳定的输出功率特性的燃料电池。
附图说明
图1是示意性地表示本发明的直接甲醇型燃料电池的第一实施方式的结构的截面图。
图2是示意性地表示内压释放机构的结构，以及表示在气化燃料室内在高压状态和低压状态时内压释放机构运行和性能的截面图。
图3是沿图1的III-III线的截面图，该图示意性地表示了内压释放机构的另一种结构，并且表示了在气化燃料室内在高压状态和低压状态时内压释放机构的运行和性能。
图4是示意性地表示内压释放机构的另一种结构，以及表示在气化燃料室内在高压状态和低压状态时内压释放机构运行和性能的截面图。
图5是示意性地表示内压释放机构的另一种结构，以及表示在气化燃料室内在高压状态和低压状态时内压释放机构运行和性能的截面图。
图6是表示实施例1-2和对比例的直接甲醇型燃料电池的阳极压力和输出功率随时间的变化的图。
图7是示意性地表示本发明的直接甲醇型燃料电池的另一个实施方式的结构的截面图。
图8显示当图3所示的内压释放机构20上形成的凹槽(切口部分)21的宽度(W)在0.3-5毫米之间变化时，切口部分的宽度(W)和电池电压之间的关系。
图9显示当构成图4所示的内压释放机构20b的弹性体的硬度在35°至70°的范围内变化时，弹性体的硬度和电池电压之间的关系。
具体实施方式
经过本发明人认真地研究和开发，可以得到以下技术认识和发现。也就是说，在包括将液体燃料的气化成分提供给阳极催化剂层的燃料气化层的燃料电池中，当将随着电池反应的进行在阳极催化剂层产生的含有二氧化碳的生成气体通过内压释放机构适当地释放到电池体外部时，可以使得到的燃料电池具有稳定的输出功率特性，并且减小由于二氧化碳气体引起的内压升高所导致的输出功率的劣化，其中内压释放机构具有形成在气化燃料室侧壁上的切口部分或凹槽。
此外，当将在阳极催化剂层产生的水通过质子传导膜供应给阳极催化剂层时，可以降低内部重整燃料反应的反应阻力，从而提高电池的输出功率特性。
具体地，当利用在阴极催化剂层产生的水而导致阴极催化剂层的水保留量大于阳极催化剂层时，可以有效地促进生成的水通过质子传导膜扩散到阳极催化剂层的扩散反应。因此，与水供给速率仅取决于燃料气化层的情况相比，可以提高水供给速率，并且可以降低燃料内部重整反应的反应阻力，从而提高燃料电池的输出功率特性。
另外，在阴极催化剂层产生的水可用于液体燃料的内部重整反应，该反应在阳极催化剂层进行。因此，可以减少将在阴极催化剂层产生的水排放到燃料电池外部的步骤，并且不需要提供任何用于将水供应给液体燃料的特殊结构，因此可以提供结构简单的燃料电池。
此外，依据本发明的燃料电池，可以使用化学计量比过量的高浓度燃料，诸如纯甲醇等。通常，这类高浓度燃料在理论上是不能使用的。
在下文中，将结合附图更详细地解释和说明作为本发明燃料电池的一个实施方式的直接甲醇型燃料电池。
首先，解释第一实施方式。图1是示意性地表示本发明的直接甲醇型燃料电池的第一实施方式的结构的截面图。
如图1所示，膜电极组件(MEA)1包括：具有阴极催化剂层2和阴极气体扩散层4的阴极；具有阳极催化剂层3和阳极气体扩散层5的阳极；位于阴极催化剂层2和阳极催化剂层3之间的质子传导性电解质膜6。
阴极催化剂层2和阳极催化剂层3中含有的催化剂的例子包括：例如，铂族元素的单体金属(Pt、Ru、Rh、Ir、Os、Pd等)；含铂族元素的合金。优选使用Pt-Ru合金作为形成阳极催化剂的材料。优选使用铂(Pt)作为形成阴极催化剂的材料。但是，材料不限于此。另外，可使用采用了碳材料这样的导电性载体的载体催化剂，还可使用无载体催化剂。
另外，构成质子传导性电解质膜6的质子传导性材料的例子包括：例如，具有磺酸基的含氟树脂(例如，全氟磺酸)；具有磺酸基的烃类树脂；无机物质，诸如钨酸、磷钨酸等。但是，质子传导材料并不限于此。
阴极气体扩散层4层叠于阴极催化剂层2的上表面侧，且阳极气体催化剂层5层叠于阳极催化剂层3的下表面侧。阴极气体扩散层4起到均匀地向阴极催化剂层2供给氧化剂的作用，也兼作为阴极催化剂层2的集电体。另一方面，阳极气体扩散层5在将燃料均匀地供至阳极催化剂层3的同时，也兼作为阳极催化剂层3的集电体。
阴极导电层7a和阳极导电层7b分别与阴极气体扩散层4及阳极气体扩散层5接触。可使用由金之类的金属材料形成的多孔层(例如，栅网)作为形成阴极导电层7a和阳极导电层7b的材料。
矩形的阴极密封元件8a位于阴极导电层7a和质子传导性电解质膜6之间。同时，阴极密封元件8a气密性地包围阴极催化剂层2和阴极气体扩散层4的周围。
另一方面，矩形的阳极密封元件8b位于阳极导电层7b和质子传导性电解质膜6之间。同时，阳极密封元件8b气密性地包围阳极催化剂层3和阳极气体扩散层5的周围。阴极密封元件8a和阳极密封元件8b是用于防止燃料和氧化剂从膜电极组件1中泄漏的O型密封圈。
在膜电极组件1的下方配置有液体燃料槽9。在液体燃料槽9内装有液体燃料L，诸如液体甲醇、甲醇水溶液等。在液体燃料槽9的开口端部分配置有作为燃料气化层10的气液分离膜10，这样使气液分离膜10覆盖液体燃料槽9的开口端部分。气液分离膜10仅允许液体燃料的气化成分通过，液体燃料无法透过。
这里，当使用液体甲醇作为液体燃料时，液体燃料的气化成分是指气化的甲醇，而当使用甲醇水溶液作为液体燃料时，液体燃料的气化成分是指包含甲醇的气化成分和水的气化成分的混合气体。
在气液分离膜10和阳极导电层7b之间的部分层叠有树脂制框架11。被框架11包围的空间用作暂时储存从气液分离膜10中扩散的气化燃料的气化燃料室12(所谓的蒸气滞留池)。由于具有抑制一定量的甲醇通过气化燃料室12和气液分离膜10的效果，可避免大量的气化燃料一下子被供应至阳极催化剂层3，能够有效地抑制甲醇溢流(cross over)的发生。在此方面，框架11为矩形框架，可由PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)这样的热塑性聚酯树脂形成。
在上述气化燃料室(蒸气滞留池)12的侧壁具有内压释放机构20，该机构20用于将在阳极催化剂层3产生的包括二氧化碳气体(CO2气体)在内的生成气体释放到电池体外部。如图3所示，该内压释放机构20包括：在气化燃料室12的侧壁11a上形成的凹槽21；与凹槽21紧密接触的弹性体10a。
优选通过硬元件与能够与硬元件紧密接触的弹性体的组合来构造上述内压释放机构20。具体来说，用于构造上述气化燃料室(蒸气滞留池)12的侧壁的材料不特别限制。可由能气密密封电池各结构部件之间的间隙的PET之类的硬树脂材料形成的框架元件(密封元件)来形成侧壁，或者由电池的壳体形成侧壁。
另一方面，软质橡胶片材料适合作为构建弹性体的材料。特别是由软质硅橡胶片、NBR等材料形成的燃料气化层10也可以直接用作弹性体。
根据日本工业标准(JIS K 6301A：1997)中规定的硬度，橡胶之类的弹性体的硬度优选为40°-70°。当此弹性体太软以致于硬度小于40°时，难以通过将弹性体匹配到侧壁上形成的切口部分或凹槽中而形成通气口。也就是说，即使形成切口部分，弹性体仍然具有高弹性，以致于即使在内压升高的情况下通气口也无法打开，这样难以在预定的压力下进行气体释放操作。另外，即使形成通气口，气体释放操作是在高压下进行，这样同时作为燃料电池密封结构的气体释放机构就可能成为燃料电池破裂的开始位置。
另一方面，当弹性体太硬以致于硬度超过70°时，弹性体的变形能力下降，即使内压变化，作为弹性体的橡胶的形状仍保持不变，这样难以平整地密封切口部分或凹槽。因此，弹性体的硬度设定在40°-70°，更优选设定在50°-60°。
在图3所示的内压释放机构20中，如图3左侧所示，当气化燃料室12内的压力较低时，弹性体10a紧密匹配到凹槽21中，从而闭合通气口。另一方面，当电池反应进行时，从阳极催化剂层3产生的二氧化碳气体累积在气化燃料室12中而导致内压升高时，弹性体10a变形，从而开放通气口，这样将包括二氧化碳气体在内的生成气体排放到电池(电池壳)外部。
然后，当内压由于生成气体被排放到电池外部而降低时，弹性体10a匹配到凹槽21中，从而再次封闭通气口。因此，可以提供这样一种燃料电池，该燃料电池能够减少由于二氧化碳气体引起的内压升高所导致的电池输出性能的劣化，并且具有稳定的输出功率特性。
如图2所示，上述内压释放机构还可设计成包括：在气化燃料室12的侧壁11上形成的切口部分22；两片与切口部分22紧密接触的弹性体10a和10b。弹性体10a和10b夹紧切口部分22。该内压释放机构20a的工作和效果与图3中所示的机构相同。
在图2和图3所示的内压释放机构20a和20中，优选的是在气化燃料室的侧壁11和11a上形成的切口部分22或凹槽21的宽度W等于或小于1毫米。当切口部分22或凹槽21的宽度W过宽以致于超过1毫米时，即使内压较低也会形成通气口，结果作为燃料的甲醇发生泄漏，并且通气口正常的开放-关闭操作无法顺利进行。当上述凹槽21的宽度W设定为等于或小于1毫米时，可以减少电池不运行时燃料的泄漏量。
此外，如图4所示，上述内压释放机构还可以被设计成包括：气化燃料室的侧壁11；与所述侧壁11紧密接触的弹性体10c；将累积在气化燃料室中的生成气体排放到电池体外部的狭缝23，所述狭缝23沿弹性体10c的厚度方向延伸。
在弹性体10c中形成的狭缝23的高度优选设定为弹性体10c的厚度的3/4或3/4以下。具体来说，在弹性体10c的厚度约为200微米时，狭缝23的高度优选为150微米或小于150微米。当狭缝23的高度过高以致于超过弹性10c的厚度的3/4时，无法通过弹性体10c顺利地进行通气口开放-关闭的操作。该内压释放机构20b的工作和效果与图3中所示的机构相同。
此外，还可以如图5所示设计上述内压释放机构。也就是说，内压释放机构20c的结构还可以是包括：在气化燃料室的侧壁11a上形成的凹槽21；与凹槽21紧密接触的弹性体10d；用于将累积在气化燃料室内的生成气体排放到电池体外部的狭缝23，所述狭缝沿与凹槽21紧密接触的弹性体10d的厚度方向延伸。
依据内压释放机构20c，因为除了图3所示的内压释放机构20的特征以外，在弹性体10d中还形成了狭缝23，所以用于降低内压的通气口的开放-关闭操作可以更顺利地进行。
顺便提及，图2至图5右侧各显示了内压释放机构在内压较高时的运行，为了更容易理解本发明，将在内压较高时形成的气体释放通道以夸张的形式绘出。但是，实际上，气体释放通道的宽度约为数十微米。当具有此宽度的气体释放通道开放时，内压得到有效降低。此外，尽管即使在低压时也难以完全地密封和关闭气体释放通道(通气口)，但是可以有效地减少气化燃料的泄漏量。
此外，在包括上述内压释放机构的燃料电池中，优选气化燃料室还包括导管24，导管24用于使从气化燃料室12排出的生成气体回到阴极催化剂层2一侧。
在从上述气化燃料室12排出的生成气体中，除了含有在阳极催化剂层3生成的二氧化碳气体(CO2)外，还含有由燃料气化层10提供的甲醇蒸气之类的气化燃料。当生成气体通过上述导管24回到阴极催化剂层2一侧时，排出的气化燃料得到回收和再利用。也就是说，发生甲醇之类的气化燃料的燃烧反应，因而可以通过燃烧反应产生的热量引起电池输出功率的增加，还可以使燃料电池在低温下的启动运行更容易进行，从而提高启动性能。
另一方面，在层叠于膜电极组件1的上部的阴极导电层7a上层叠有保湿板13。在保湿板13上层叠有表面层13，该表面层13具有多个用于引入作为氧化剂的空气的空气导入口14。表面层13还通过挤压包括膜电极组件1的堆叠结构起到提高膜电极组件1的密合性的作用，所以可以由SUS304之类的金属形成表面层13。
保湿板13的作用是抑制在阴极催化剂层2生成的水的蒸发，同时通过将氧化剂均匀地导入阴极气体扩散层4而起到促进氧化剂均匀地向阴极催化剂层2扩散的辅助扩散层的作用。
根据上述第一实施方式的直接甲醇型燃料电池，液体燃料槽9内储存的液体燃料(例如甲醇水溶液)气化，气化的甲醇和水在气液分离膜(燃料气化层)10中扩散，被全部容纳在气化燃料室12中。然后，气化的甲醇和水慢慢地在阳极气体扩散层5中扩散，再被供应至阳极催化剂层3。结果，根据以下反应式(1)进行甲醇的内部重整反应。
CH3OH+H2O→CO2+6H++6e-  (1)
此外，在使用纯甲醇作为液体燃料时，由于没有来自燃料气化层的供水，所以通过混入阴极催化剂层2的甲醇的氧化反应而生成的水或质子传导性电解质膜6中的水分等与甲醇反应。结果，进行前述(1)式的内部重整反应，或者不按照前述(1)式的反应式而是根据不使用水的反应机理进行内部重整反应。
通过甲醇之类的燃料的分解反应在阳极催化剂层3产生二氧化碳气体(CO2气体)。所生成的二氧化碳气体累积在于燃料气化层10和阳极催化剂层3之间形成的气化燃料室12中，因此气化燃料室12中的内压随时间升高。
在上述内部重整反应中生成的质子(H+)在质子传导性电解质膜6中扩散，然后到达阴极催化剂层3。另一方面，从表面层15的空气导入口14引入的空气在保湿板13和阴极气体扩散层4中扩散，被供应至阴极催化剂层2。在阴极催化剂层2中，进行下述(2)式所示的反应，生成水。即进行了放电反应。
(3/2)O2+6H++6e-→3H2O    (2)
当进行放电反应时，根据反应式(2)在阴极催化剂层2中生成的水在阴极气体扩散层4内扩散，到达保湿板13。保湿板13抑制了水的蒸发，导致阴极催化剂层2中的水分贮藏量增加。因此，随着放电反应的进行，可实现阴极催化剂层2的水分保持量多于阳极催化剂层3的水分保持量的状态。
其结果是，由于渗透压现象，可以有效地促进在阴极催化剂层2生成的水通过质子传导性电解质膜6移向阳极催化剂层3的扩散反应。因此，与向阳极催化剂层的供水速度仅依赖于燃料气化层的情况相比，可加快速度，并能够促进反应式(1)所示的甲醇的内部重整反应。因此，可以提高输出功率密度，同时可长期维持高输出功率密度。
另一方面，通过甲醇之类的燃料的分解反应在阳极催化剂层3生成二氧化碳气体(CO2气体)。所生成的二氧化碳气体累积在于燃料气化层10和阳极催化剂层3之间形成的气化燃料室12中，因此内压随时间升高。但是，依据本发明，图2至图5所示的内压释放机构20-20c分别具有将随着电池反应的进行而在阳极催化剂层产生的二氧化碳气体通过内压释放机构20-20c适当地释放到电池体外部(电池壳外部)的功能。因此，气化燃料室12中气化气体的分压没有下降，供应给阳极催化剂层3的燃料的量没有减少，使得电池的输出功率没有降低。
以图3中所示的内压释放机构20作为一个例子更具体地解释该实施方式。也就是说，如图3左侧所示，当气化燃料室12内的压力较低时，弹性体10a匹配到凹槽21中，从而闭合通气口。另一方面，当电池反应进行时，从阳极催化剂层3产生的二氧化碳气体累积在气化燃料室12中而导致内压升高时，弹性体10a变形，从而开放通气口，这样将包括二氧化碳气体在内的生成气体排放到电池(电池壳)外部。
然后，当内压由于生成气体被排放到电池外部而降低时，弹性体10a匹配到凹槽21中，从而再次封闭通气口。因此，可以提供这样一种燃料电池，该燃料电池能够减少由于二氧化碳气体引起的内压升高所导致的电池输出性能的劣化，并且具有稳定的输出功率特性。
此外，当使用浓度超过50摩尔％的甲醇水溶液或纯甲醇作为液体燃料时，从阴极催化剂层2向阳极催化剂层3扩散的水将主要用于内部重整反应，实现向阳极催化剂层3的稳定的供水，这样能够进一步降低甲醇的内部重整反应的反应阻力，进一步提高燃料电池的长期输出功率特性和负载电流特性。此外，可实现液体燃料槽的小型化。这里，纯甲醇的纯度最好在95质量％至100质量％。
接着，结合附图更详细地解释和说明本发明的直接甲醇型燃料电池的第二实施方式。
该第二实施方式的直接甲醇型燃料电池除了在阴极气体扩散层和表面层之间未设置保湿板之外，具备与前述第一实施方式的直接甲醇型燃料电池同样的构造。
在第二实施方式中，使用浓度等于或大于50摩尔％的甲醇水溶液或纯甲醇(纯度最好在95质量％至100质量％)作为被装入燃料槽的液体燃料。因此，在气液分离膜中扩散并被供应至阳极催化剂层的水分量减少或减少到几乎为0。
另一方面，根据反应式(2)所示的反应在阴极催化剂层生成水，在进行放电的同时水的存量增加。其结果是，可实现阴极催化剂层的水分保持量多于阳极催化剂层的水分保持量的状态。结果，由于渗透压现象，可有效地促进水从阴极催化剂层2向阳极催化剂层3的扩散。这样就促进了向阳极催化剂层的供水，且可稳定地供水，因此可促进反应式(1)式所示的甲醇的内部重整反应。因此，可提高输出功率密度和长期输出功率特性。此外，可实现液体燃料槽的小型化。
在此情况中，本发明人已经研究了使用全氟烃型质子传导性电解质膜的燃料电池的最大输出功率和质子传导性电解质膜的厚度的关系。结果，为了实现高输出功率，质子传导性电解质膜6的厚度最好为100微米或小于100微米。通过将质子传导性电解质膜的厚度设定在6-100微米或小于6-100微米而得到高输出功率的原因是可以进一步促进水从阴极催化剂层2扩散到阳极催化剂层3。
就此而言，当质子传导性电解质膜6的厚度不足10微米时，则质子传导性电解质膜6的强度可能会下降。因此质子传导性电解质膜6的厚度较好为10-100微米，更好为10-80微米。
本发明并不仅限于上述各实施方式，只要本发明采用将在阴极催化剂层2生成的水通过质子传导性膜6供应到前述阳极催化剂层3，籍此促进向阳极催化剂层3稳定地供水的结构，可以对其进行变化。
此外，内压释放机构的结构不限于上述实施方式，只要本发明采用能间歇地将在阳极催化剂层3产生的包括二氧化碳气体在内的生成气体从气化燃料室的内壁排放到电池体外部的结构，可以对其进行变化。
[实施例]
以下，参考附图对本发明的实施例进行详细说明。
(实施例1)
<阳极的制备>
在负载有阳极用催化剂(Pt∶Ru＝1∶1)的炭黑中添加全氟化碳磺酸溶液、水及甲氧基丙醇，使前述负载有阳极用催化剂的炭黑分散，调制出浆料。将所得浆料涂布于作为阳极气体扩散层的多孔碳纸上，由此制得包括厚450μm的阳极催化剂层的阳极。
<阴极的制备>
在负载有阴极用催化剂(Pt)的炭黑中添加全氟化碳磺酸溶液、水及甲氧基丙醇，使前述负载有阴极用催化剂的炭黑分散，调制出浆料。将所得浆料涂布于作为阴极气体扩散层的多孔炭纸上，由此制得包括厚400μm的阴极催化剂层的阴极。
在阳极催化剂层和阴极催化剂层之间配置作为质子传导性电解质膜的厚30μm、含水率为10-20重量％的全氟化碳磺酸膜(nafion膜，杜邦公司制造)，从而形成层叠体。然后，对所示层叠体实施热压操作，获得膜电极组件(MEA)。
作为保湿板，制备厚500微米、透气率为2秒/100cm3(日本工业标准中的规定：JIS P-8117)、透湿度为4000g/m2·24h(JIS L-1099，A-1法)的聚乙烯膜。
作为构建气化燃料室12的侧壁的框架，制备由PET制成的厚度为25微米的矩形框架11。然后，如图3所示，在框架11的部分11a上形成宽度W为1毫米的凹槽21，从而形成用于释放内压的通气口。此外，作为同时用作气液分离膜10和弹性体10a的元件，制备厚度为100微米的硅橡胶(SR)片。
用所得膜电极组件(MEA)1，保湿板13，框架11、11a和气液分离膜10(弹性体10a)组装成具有前述图1所示结构的实施例1的内部气化型直接甲醇型燃料电池。此时，在燃料槽9中装有纯度99.9重量％的纯甲醇2mL。
[实施例2]
重复实施例1的制造方法，区别在于在框架11上不形成凹槽21，而是如图4所示形成2-4行高度各为50微米的狭缝(切口)，狭缝沿用作气液分离膜10(弹性体10a)的硅橡胶片的厚度方向延伸。然后，组装构造与图1所示的实施例1基本相同的实施例2的燃料电池。
[对比例]
重复实施例1的制造方法，区别在于在框架11上不形成凹槽21，也不像实施例2中在弹性体中形成狭缝。然后，组装构造与图1所示的实施例1基本相同的对比例的燃料电池。
对于依据上述实施例1-2和比较例的燃料电池，在恒定电流负荷下、在室温下测试放电运行情况。也就说，连续测量燃料电池的输出功率和气化燃料室12内内压(阳极压力)随时间的变化(每分钟的变化)。测量结果示于图6中。图6中的横坐标表示放电时间，而纵坐标(纵向轴)分别表示阳极压力和功率输出值。就此而言，阳极压力表示为认为大气压为0时的相对压力值。
从图6中可以清楚地看出，依据实施例1-2的燃料电池，其中内压释放机构用于将在阳极催化剂层产生的包括二氧化碳气体在内的生成气体从气化燃料室的侧壁排放到电池外部，可以将电池反应过程中在阳极催化剂层产生的二氧化碳气体通过内压释放机构适当地释放到电池外部。结果，与对比例的不具有内压释放机构的燃料电池相比，可以确定通过本发明能够得到具有稳定的输出功率特性并且能够减少由于二氧化碳引起的内压升高所导致的输出功率的劣化的燃料电池。
相反，在对比例的不具有内压释放机构的燃料电池中，阳极压力不断且剧烈地升高。因此，气化的燃料气体的分压相应地降低，这样供应给阳极催化剂层的燃料减少。结果，可以确定有电池功率输出降低的趋势。
图7显示了燃料电池的一种构造，该构造具有用于将从气化燃料室12排出的生成气体返回到阴极催化剂层2一侧的导管24。在此情况中，在从气化燃料室12排出的生成气体中，除了含有在阳极催化剂层3产生的二氧化碳气体外，还含有甲醇之类的由燃料气化层10提供的气化燃料。
因此，当从内压释放机构排出的生成气体通过上述导管24返回到阴极催化剂层2一侧时，排出的气化燃料得到回收和再利用。也就是说，甲醇之类的气化燃料发生燃烧反应，这样可以通过燃烧反应产生热量提高电池输出功率，并且还可以在低温下容易地进行电池的启动操作，从而提高电池的启动性能。
图8表示当在图3所示的内压释放机构20上形成的凹槽(切口部分)21的宽度(W)在0.3-5毫米之间变化时，切口部分的宽度(W)与电池电压之间的关系。从图8所示的结果可以明显地看出，当凹槽(切口部分)21的宽度(W)超过1毫米时，压力不能均匀地施加到矩形弹性体上。结果，确定燃料电池在无负荷情况下运行时的电池电压发生不利的降低现象。
图9表示当图4所示的构建内压释放机构20b的弹性体的硬度在35°-70°之间变化时，弹性体(硅橡胶(SR))的硬度(Hs)与电池电压之间的关系。从图9的结果可以明显地看出，根据硅橡胶(SR)的硬度，存在压力不能均匀地施加到狭缝23的部分的情况。结果，确定燃料电池在无负荷情况下运行时的电池电压发生不利的降低现象。特别是，当作为弹性体的硅橡胶(SR)的硬度(Hs)设定在40°-60°的范围内时，确定燃料电池的电压可以保持在较高的水平。
在该方面，尽管通过上述实施方式和实施例对本发明进行了解释，但是本发明并不仅限于此，可以在不背离本发明的范围的前提下，对本发明揭示的实施方式和实施例进行许多改变。此外，通过上述实施方式和实施例所揭示的多种构成要素的适当组合，可形成各种发明。例如，可以省略实施例所示的全部构成要素中的任意的几个构成要素。另外，可以将从不同实施方式中选择的构成要素组合，形成改变的发明。

Claims (8)

1.一种燃料电池，它包括：
阴极催化剂层；
阳极催化剂层；
位于所述阴极催化剂层和阳极催化剂层之间的质子传导膜；
用于储存液体燃料的液体燃料槽；
用于供应液体燃料的气化成分到所述阳离子催化剂层的燃料气化层；以及
在所述燃料气化层和所述阳极催化剂层之间形成的气化燃料室；
其中，所述气化燃料室具有内压释放机构，该机构用于将在所述阳极催化剂层产生的包括二氧化碳气体在内的生成气体从所述气化燃料室的侧壁排放到电池体的外部。
2.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述内压释放机构包括：在气化燃料室侧壁上形成的切口部分；以及与所述切口部分紧密接触的弹性体。
3.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述内压释放机构包括：在气化燃料室的侧壁上形成的凹槽；以及与所述凹槽紧密接触的弹性体。
4.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述内压释放机构包括：气化燃料室的侧壁；与所述侧壁紧密接触的弹性体；以及用于将累积在气化燃料室中的生成气体排放到电池体的外部的狭缝，所述狭缝沿所述弹性体的厚度方向延伸。
5.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述内压释放机构包括：在气化燃料室的侧壁上形成的凹槽；与所述凹槽紧密接触的弹性体；以及用于将累积在气化燃料室中的生成气体排放到电池体的外部的狭缝，所述狭缝沿与所述凹槽紧密接触的所述弹性体的厚度方向延伸。
6.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，根据日本工业标准JISK 6301 A：1997规定的硬度，所述弹性体的硬度为40°至70°。
7.如权利要求2所述的燃料电池，其特征在于，在所述气化燃料室的侧壁上形成的所述切口部分的宽度等于或小于1毫米。
8.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述气化燃料室还包括用于将从所述气化燃料室排出的生成气体返回到阴极催化剂层的一侧的导管。
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