CN101427407A - 固体高分子型燃料电池 - Google Patents

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CN101427407A CNA2007800138819A CN200780013881A CN101427407A CN 101427407 A CN101427407 A CN 101427407A CN A2007800138819 A CNA2007800138819 A CN A2007800138819A CN 200780013881 A CN200780013881 A CN 200780013881A CN 101427407 A CN101427407 A CN 101427407A
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Abstract

一种固体高分子型燃料电池，具备：具有固体高分子电解质膜被燃料电极和氧化剂电极夹持的结构的膜－电极接合体；设置在上述膜－电极接合体的所述氧化剂电极侧，用于向上述氧化剂电极提供氧化剂的氧化剂流路；和设置在上述氧化剂电极和上述氧化剂流路之间，具有水蒸气透过性的疏水性膜。由此，提供抑制由于液滴的附着、接触导致的氧化剂气体供给阻碍的固体高分子型燃料电池。

Description

固体高分子型燃料电池
技术领域
本发明涉及通过电化学反应进行发电的固体高分子型燃料电池。
背景技术
已知具有以燃料电极和氧化剂电极夹持固体高分子电解质膜的结构的膜-电极接合体(Membrane and Electrode Assembly，以下记为MEA)的固体高分子型燃料电池。该固体高分子型燃料电池将氢气或醇等作为燃料提供给燃料电极、将空气或氧气(氧化剂气体)提供给氧化剂电极而引起电化学反应，是取出电力的装置。
固体高分子型燃料电池中，如果将氢气或醇等燃料送入燃料电极，则燃料会由于固定在燃料电极上的催化剂粒子的作用而被分解，分离为质子(H+)和电子(e-)。质子透过固体高分子电解质膜而在氧化剂电极上与空气中的氧气反应，生成水。此时，电子通过外载荷而从燃料电极向氧化剂电极移动，由此取出电力。另一方面，在氧化剂电极上生成的水由于伴随电池反应产生的反应热而蒸发变为水蒸气，从氧化剂流路排出。
但是，在固体高分子型燃料电池中，为了使单电池所得到的电压低，一般将多个电池串联连接作为燃料电池堆使用。在向燃料电池堆中的多个电池分别提供氧化剂气体时，有时设置成氧化剂流路横跨在多个电池之上。这种情况下，在氧化剂流路上游侧的电池中，由于电解质膜的干燥而容易引起电池功率的下降。因此，输送加湿过的氧化剂气体，将氧化剂流路内的相对湿度调整至接近100％。此时，在氧化剂流路的下游侧的电池中，相对湿度达到100％，有产生冷凝水(结露水)的情况。该冷凝水即使在氧化剂流路内也容易在温度低的氧化剂流路的壁表面上产生。冷凝水有时随时间长大为液滴，最后落下而附着或接触氧化剂电极表面。如果液滴在氧化剂电极表面附着、接触，则会阻碍对氧化剂电极的氧化剂气体的供给。因此，期望用于抑制由于液滴的附着、接触导致的氧化剂气体供给的阻碍的技术。
与上述内容相关，日本特开2003-331900号公报公开了：为了不阻止发电生成的水分向大气中扩散地防止由固体高分子型燃料电池的漏水，在氧气透过孔及阴极集流体之间具备吸水层。
而且，日本特开2004-22254号公报公开了：为了提高发电电力的取出效率，层压多个单元电池而构成燃料电池，该单元电池包括：由催化剂层和被疏水化的气体扩散层构成的气体扩散电极所构成的燃料电极及氧化剂电极；由被该成对电极所夹持的固体高分子电解质膜所构成的发电部；和将燃料及氧化剂隔离的隔膜，其中，气体扩散电极由催化剂层和含有除去催化剂层并进行疏水处理后的疏水材料的气体扩散层构成。这里，公开了该催化剂层在气体扩散层接触固体高分子电解质膜的表面上、在疏水处理前形成，且不含有疏水剂。
而且，日本特开2004-140001号公报中公开了：在含有固体电解质膜、夹持该固体电解质膜的燃料电极及氧化剂电极和向该燃料电极提供液体燃料的液体燃料供给部的燃料电池中，该氧化剂电极含有基材和设置在该基材与该固体电解质膜之间的催化剂层，在该基材中，从该催化剂层一侧向电池外部依次设有具有疏水性的第1层和具有亲水性的第2层。
而且，日本特开2005-38780号公报中公开了：在具有按照隔膜、气体扩散层和催化剂层的顺序层压得到的电极的固体高分子型燃料电池中，在气体扩散层或催化剂层的层压面上，形成因使发电反应生成的水滞留而成的滞留槽，在滞留槽的隔膜侧存在的层由在与滞留层相对处形成的亲水性部位和在不与滞留层相对处形成的疏水性部位构成，隔膜为多孔质。
而且，日本特开平6-5289号公报公开了一种高分子电解质型燃料电池，其特征在于，具有至少一部分由泡沫金属构成的电极。
为了不阻碍向氧化剂电极供给空气，有时要对氧化剂电极本身进行研究。但是，如果使氧化剂电极本身的性质产生变化，则有时由于绝缘性覆膜的形成而接触电阻增大，有时由于形状的变化等给各种性质带来影响。因此，期望获得不改变氧化剂电极本身的性质即可防止向氧化剂电极供给空气的阻碍的技术。
发明内容
本发明的目的在于，提供能够抑制由于液滴的附着、接触导致的氧化剂气体供给的阻碍的固体高分子型燃料电池。
本发明的目的在于，提供不改变氧化剂电极本身的性质而能够抑制由于液滴的附着、接触导致的氧化剂气体供给阻碍的固体高分子型燃料电池。
本发明的固体高分子型燃料电池，具备：具有固体高分子电解质膜被燃料电极和氧化剂电极夹持的结构的膜-电极接合体；设置在上述膜-电极接合体的所述氧化剂电极侧，用于向上述氧化剂电极提供氧化剂的氧化剂流路；和设置在上述氧化剂电极和上述氧化剂流路之间，具有空气透过性和水蒸气透过性的疏水性膜。根据该发明，疏水性膜具有空气透过性，由此氧化剂气体通过疏水性膜被提供给氧化剂电极。此时，即使氧化剂流路内的相对湿度上升并生成冷凝水，该冷凝水由于有疏水性膜而不会接触氧化剂电极。而且，由于疏水作用，液滴与疏水性膜的接触面积变小，氧化剂气体的供给阻碍也小。此外，由于疏水性膜的水蒸气透过性，氧化剂电极处产生的水分排出至氧化剂流路。水分在氧化剂电极侧蓄积，蓄积的水分凝结，不与氧化剂电极接触。
该疏水性膜优选为多孔膜。
在一个观点中，该疏水性膜优选与氧化剂电极密合。
在另一个观点中，优选在该氧化剂电极和疏水性膜之间设有空隙。
优选该疏水性膜的空气透过速度大于发电时氧化剂电极的最大的空气消耗速度、该疏水性膜的水蒸气透过速度大于发电时氧化剂电极的最大的水生成速度。
该疏水性膜相对于水的接触角优选为90度以上。
该疏水性膜优选含有聚四氟乙烯。
上述固体电解质型燃料电池使用液体燃料作为向该燃料电极供给的燃料时，优选还具备将液体燃料气化并提供给燃料电极的燃料气化部。
根据本发明，能提供抑制由于液滴的附着、接触导致的氧化剂气体供给的阻碍的固体高分子型燃料电池。
根据本发明，还提供不改变氧化剂电极本身的各种性质而能够抑制由于液滴的附着、接触导致的氧化剂气体供给阻碍的固体高分子型燃料电池。
附图说明
图1是表示第一实施方式的单电池结构的截面图。
图2是表示第二实施方式的单电池结构的截面图。
图3是表示第三实施方式的单电池结构的截面图。
图4是表示使用实施例及比较例的燃料电池的特性的图。
具体实施方式
(第一实施方式)
以下，使用附图对本发明的第一的实施方式作以说明。
图1为第一实施方式的固体高分子型燃料电池20的单电池的截面图。固体高分子型燃料电池20具有膜-电极接合体10(以下记为MEA)、疏水性多孔膜5、燃料流路4a及氧化剂流路4c。
MEA10是固体高分子电解质膜1的两表面被燃料电极10a(阳极)和氧化剂电极10c(阴极)夹持而形成的。燃料电极10a具有在固体高分子电解质膜1侧设置的阳极催化剂层2a和在阳极催化剂层2a上设置的阳极气体扩散电极3a。氧化剂电极10c也相同，具有在固体高分子电解质膜1侧设置的阴极催化剂层2c和在阴极催化剂层2c上设置的阴极气体扩散电极3c。在阴极气体扩散电极3c上，疏水性多孔膜5与阴极气体扩散电极3c密合地设置。氧化剂流路4c形成于疏水性多孔膜5上。另一方面，阳极气体扩散电极3a上设有燃料流路4a。
MEA10及疏水性多孔膜5被框体(没有图示)夹入其中。在该框体的内侧形成凹部，该凹部成为氧化剂流路4c及燃料流路4a。燃料流路4a是为了提供氢气、醇等燃料而构成的。氧化剂流路4c是为了提供空气、氧气等氧化剂气体而构成的。提供给燃料流路4a的燃料被提供给燃料电极10a。另一方面，空气、氧气等氧化剂气体被提供给氧化剂流路4c。提供给氧化剂流路4c的氧化剂气体，通过疏水性多孔膜5而提供给氧化剂电极10c。
阳极催化剂层2a中，从提供给燃料电极10a的燃料取出质子和电子。阳极催化剂层2a可以由使催化剂担载于碳等载体上的粒子(包含粉末)或没有载体的催化剂单体和质子导体的混合物构成。作为该催化剂，可以列举出：铂、铑、钯、铱、锇、钌、铼、金、银、镍、钴、钼、镧、锶、钇等。作为担载催化剂的粒子，可以列举出：乙炔黑、科琴黑、碳纳米管、碳纳米角等碳类材料。粒子的大小，例如碳类材料为粒状物时在约0.01μm～约0.1μm的范围内，优选在约0.02μm～约0.06μm的范围内适当选择。使催化剂担载于粒子，例如可以使用胶体法。阳极及阴极的每单位面积的催化剂量，根据催化剂的种类和大小等，可以在约0.1mg/cm2～约20mg/cm2的范围内适当选择。
阴极催化剂层2c中，提供给氧化剂电极10c的氧化剂气体与质子、电子反应生成水。阴极催化剂层2c可以使用与阳极催化剂层相同的物质。
阳极气体扩散电极3a、阴极气体扩散电极3c用于使燃料和氧化剂气体向阳极催化剂层2a和阴极催化剂层2c扩散。作为这些材质，例如可以使用碳纸、碳的成形体、碳的烧结体、烧结金属、泡沫金属等具有导电性的多孔体。优选使用厚度为100μm～300μm的物质。而且，优选使用气孔率为40％～90％的物质。
作为固体高分子电解质膜1，优选使用在具有对燃料的耐腐蚀性的同时，质子的传导率高且不具有电子传导率的高分子膜。作为这样的固体高分子电解质膜1，可以列举出具有：磺基、磷酸基、膦酸基、次膦酸基等强酸基或羧基等弱酸基等极性基团的离子交换树脂。作为该离子交换树脂的具体实例，可以列举出：全氟磺酸类树脂、磺化聚醚磺酸类树脂和磺化聚酰亚胺类树脂等。更具体来说，可以列举由磺化聚(4-苯氧基苯甲酰基-1，4-亚苯基)(sulfonationpoly(4-phenoxybenzoyl-1，4-phenylene))、磺化聚醚醚酮、磺化聚醚砜、磺化聚砜、磺化聚酰亚胺、烷基磺化聚苯并咪唑等芳香族类高分子构成的固体高分子电解质膜。固体高分子电解质膜1的膜厚，根据其材质和燃料电池的用途等，可以在约10μm～约300μm的范围内适当选择。
疏水性多孔膜5具有高于发电反应中消耗的空气消耗速度的空气透过性。由于具有高的空气透过性，因此由氧化剂流路4c至氧化剂电极10c的氧化剂供给不会被疏水性多孔膜5所阻碍。作为疏水性多孔膜5，虽然也依赖于发电条件，但优选使用透气率(Gurley试验法JIS P8117)为20秒以下的膜。
疏水性多孔膜5具有高于因发电反应而在氧化剂电极10c产生的水蒸气的生成速度的水蒸气透过性。由于具有水蒸气透过性，因此在氧化剂电极10c生成的水分向氧化剂流路4c排出。其结果是水分附着在氧化剂电极10c上，不阻碍氧化剂气体的供给。作为疏水性多孔膜5，虽然也依赖于发电条件，但优选使用透湿率(JIS K7129A)为7000(g/m2·天)以上的膜。
疏水性多孔膜5为多孔体。作为其形状，优选使用厚度为10～100μm、孔径为0.1～3μm、气孔率为70～90％的膜。如果使用这种形状的膜，则能够得到高的空气透过性、水蒸气透过性。而且，疏水性多孔膜5的表面与阴极气体扩散电极3c相比较，其十分平滑。
疏水性多孔膜5具有疏水性。由于具有疏水性，在氧化剂流路4c处生成的冷凝水的液滴即使附着在疏水性多孔膜5上，液滴也不会扩大。其结果是氧化剂气体的供给阻碍被限制在最小范围内。作为疏水性的标准，优选相对于水的接触角在90度以上。
作为疏水性多孔膜5的材料，可以使用例如由聚乙烯或聚四氟乙烯(PTFE)或它们的共聚物构成的多孔膜、疏水处理过的聚醚砜和丙烯酸共聚物等。其中，PTFE多孔膜在疏水性、耐化学性和机械特性等方面优良，更优选作为疏水性多孔膜5。并且，疏水性多孔膜5可以是不同种类的膜层压而得到的多层膜。为多层膜时，氧化剂流路4c侧的表面如果具有充分的疏水性，则氧化剂电极10c侧的表面即使有亲水性也没有关系。
对如上述的固体高分子型燃料电池的作用进行说明。起电时，将氢、醇等燃料提供给燃料流路4a。另一方面，将空气、氧气等氧化剂气体提供给氧化剂流路4c。
提供给燃料流路4a的燃料通过阳极气体扩散电极3a而被提供给阳极催化剂层2a。燃料在阳极催化剂层2a处分解，由此生成质子和电子。电子被导出至外电路(无图示)，通过外电路流入氧化剂电极。质子通过固体高分子电解质膜1到达氧化剂电极10c，与提供给氧化剂电极10c的氧化剂气体反应生成水。
在此，氧化剂流路4c的相对湿度超过100％，即使在氧化剂流路4c的壁表面等处生成冷凝水，由于存在疏水性多孔膜5，水也不会与氧化剂电极10c表面直接接触。而且，即使液滴与疏水性多孔膜5接触，液滴也会变为球状而不会在膜表面扩大。其结果是能将氧化剂气体的供给阻碍限制在最小范围内。此外，由于疏水性多孔膜5的表面平滑，因而附着在疏水性多孔膜5表面的液滴通过氧化剂流路4c内的氧化剂气体的流动而被顺利地排出。
并且，如果使疏水性多孔膜5的空气透过性大于发电时氧化剂电极的最大的空气消耗速度、并使疏水性多孔膜5的水蒸气透过性大于发电时氧化剂电极的最大的水生成速度，则发电所需要的空气的输入和因发电而产生的水蒸气的排出会充分地进行。其结果是即使设有疏水性多孔膜，也几乎不会导致电池功率的降低。
而且，本实施方式中，疏水性多孔膜5是与阴极气体扩散电极3c密合地设置的。由此，阴极气体扩散电极3c产生的热被高效的传导至疏水性多孔膜5。其结果是不容易在疏水性多孔膜5的内部和表面引起水蒸气的冷凝。由此，疏水性多孔膜5的氧化剂气体和水蒸气的透过能进一步抑制由于冷凝水而导致的阻碍。
(第2实施方式)
接下来，对本发明的第二实施方式进行说明。图2是第二实施方式的固体高分子型燃料电池的单电池的截面图。本实施方式中，与第一实施方式相比，追加了设置在阴极气体扩散电极3c和疏水性多孔膜5之间的隔板6。隔板6按照MEA10的轮廓而设置成框架状。由于该隔板6，在疏水性多孔膜5和阴极气体扩散电极3c之间形成空隙7。由于除该隔板6和空隙7以外的构成由于和第1实施的形式相同，因此省略说明。
根据本实施方式，由于有阴极气体扩散电极3c和疏水性多孔膜5之间的空隙7，因此能使通过疏水性多孔膜5提供给氧化剂电极10c的氧化剂气体的浓度在任何位置都均匀。即，液滴即使接触到疏水性多孔膜5上，也不会阻碍局部的氧化剂气体的供给，能抑制提供给氧化剂电极10c的氧化剂气体的局部的浓度降低。
作为空隙7的厚度，优选在0.1～0.5mm之间。如果厚度在0.1mm以下，则即使通过空隙7也难以使氧化剂气体的供给完全均匀化。另一方面，如果厚度大于0.5mm，则难以充分地供给氧化剂气体。
并且，本实施方式中，疏水性多孔膜5由于介于发热的阴极气体扩散电极3c和空隙7之间，因此温度比第一实施方式的稍低。因此，有时比第一实施方式容易引起疏水性多孔膜5的内部和表面的水蒸气的冷凝。从这方面考虑，使疏水性多孔膜5的厚度变薄或者使孔径和气孔率变大等，根据其结构，疏水性多孔膜5的形状优选进行适当调整。
(第三实施方式)
接下来，对本发明的第三实施方式进行说明。图3是第三实施方式的固体高分子型燃料电池的单电池的截面图。与第一实施方式相比，在燃料电极10a和燃料流路4a之间追加设置燃料气化部8。而且，本实施方式的固体高分子型燃料电池将作为燃料的甲醇水溶液等液体燃料不改质等地直接供给，是直接甲醇型燃料电池。除此之外，由于与第一实施方式相同，因而省略说明。
燃料气化部8对流经燃料流路4a的液体燃料进行气液分离。即，液体燃料(甲醇)通过燃料气化部8而气化，仅选择性地将气体成分提供给燃料电极10a。
作为燃料气化部8，优选使用气液分离膜或水蒸气透过膜。作为气液分离膜，只要具有能提供发电时必要的气化燃料的气体透过性能即可，也可以使用与疏水性多孔膜相同的膜。而且，也可以使用非多孔性的水蒸气透过膜。具体而言，可以使用具有离子交换基团的高分子电解质膜。使用具有离子交换基团的高分子电解质膜时，由于离子的水合作用，膜的燃料流路4a侧的燃料通过浓度扩散而渗透至燃料电极10a，气化的燃料被提供给燃料电极10a。
并且，也可以是在燃料电池堆外部另设有燃料气化部8而使气化的燃料流向燃料流路的构成。
直接甲醇型的燃料电池中，如果将液体燃料直接提供给燃料电极10a，则燃料电极10a处的水分变得过量。过量的水分通过固体高分子电解质膜1而透过至氧化剂电极10c，而将过量的水分提供给氧化剂电极10c。这种情况下，氧化剂电极10c处没有蒸发完的水滞留在阴极气体扩散电极3c和疏水性多孔膜5之间，有阻碍空气摄入的可能性。
根据本实施方式，由于设有燃料气化部8，液体燃料气化后被供给至燃料电极10a。其结果是液体燃料不与燃料电极10a直接接触。而且，由于不提供必要以上的燃料，因而能减少透过量。由于透过的水分量减少，因而能抑制氧化剂电极10c的水的结露。因此，能协同提高第一实施方式所致力的通过设置疏水性多孔膜5防止氧化剂气体供给阻碍的效果。
并且，根据提供给氧化剂流路4c的空气的加湿程度、流量和温度等条件，有时氧化剂流路4c内的空气的湿度不足、固体高分子电解质膜1干燥而使离子电导率降低，导致电池功率的降低。这种情况下，可以在氧化剂电极10c和疏水性多孔膜5之间设置保湿层(未图示)。通过保湿层，能抑制水分从氧化剂电极的蒸发，能防止固体高分子电解质膜的干燥。作为保湿层，可以优选使用纤维素等纤维状树脂、聚氨酯等泡沫树脂、或玻璃棉等无机材料的多孔体。
实施例
以下，对本发明人所实验的实施例进行说明。
(实施例1)
准备使碳粒子(LION公司制的科琴黑EC600JD)以50％的重量比担载粒径在3～5nm范围内的铂粒子而得到的催化剂担载碳粒子。向1g该催化剂担载碳粒子中加入杜邦公司制的5重量％Nafion溶液(商品名：DE521，“Nafion”是杜邦公司的注册商标)，搅拌得到阴极形成用的催化剂糊。另一方面，除了使用粒径在3～5nm范围内的铂(Pt)-钌(Ru)合金粒子(Ru的比例为50原子％)代替铂粒子以外，使用与上述阴极形成用的催化剂糊相同的条件，得到阳极形成用的催化剂糊。以1～8mg/cm2的涂布量将阴极形成用的催化剂糊涂布于4cm×4cm的阴极气体扩散电极3c上，使其干燥而形成阴极催化剂层2c。同样，使用阳极形成用的催化剂糊，在阳极气体扩散电极3a上形成阳极催化剂层2a。
之后，准备由杜邦公司制的Nafion 117(数均分子量250000)构成的5cm×5cm×厚180μm的膜，将其作为固体高分子电解质膜1。将如上制作的带有催化剂层的电极以使催化剂层侧成为固体高分子电解质膜1的方式配置，将固体高分子电解质膜1从两侧进行热压。由此，得到燃料电极10a和氧化剂电极10c与固体高分子电解质膜1接合的MEA10。
在制作的MEA10的阴极气体扩散电极3c侧密合地配置疏水性多孔膜5(孔径0.6μm、厚度25μm、气孔率85％)，在阳极气体扩散电极3a侧密合地配置气液分离膜8(与前述的疏水性多孔膜5相同的膜)。再准备氧化剂流路4c和燃料流路4a各自形成的箱型树脂框。用该树脂框从两侧将配置了疏水性多孔膜5和气液分离膜5的MEA10夹入，得到图3所示构成的单电池。并且，图中虽然没有示出，但阳极气体扩散电极3a与阴极气体扩散电极3c的电流接线柱连接，并在树脂框中设置燃料或氧化剂的供给口和排出口。将如上制作的10个单电池的各电流接线柱串联连接，并串联地连接燃料(氧化剂)的吸入口和排出口，由此准备各电池串联连接的燃料电池堆。
(实施例2)
如图2所示，在阴极气体扩散电极3c和疏水性多孔膜5之间设置隔板6(厚度0.2mm)，由此准备疏水性多孔膜5不与阴极气体扩散电极3c密合而留出0.2mm的空隙的燃料电池堆。除此之外与实施例1相同。
(比较例)
准备除了没有设置疏水性多孔膜5之外与实施例相同的比较例的燃料电池堆。
(实验条件)
图4表示实施例1、2和比较例的燃料电池堆以125mA/cm2发电时每个单电池的平均电压的随时间变化的结果。并且，使用10体积％的甲醇水溶液作为燃料，以约30cc/分钟的流量流向燃料流路4a。使用室温的加湿空气作为氧化剂气体，以约600cc/分钟的流量流向氧化剂流路4c而使其发电。如图4所示，比较例的燃料电池的电压不稳定，电压随着时间而显示出降低的倾向。与此相对，实施例1、2的燃料电池能维持稳定的发电。并且，图4中，由于实施例1和实施例2显示出几乎相同的结果，因此总结两者作为实施例而记载。
根据上述实验结果确定了，通过设置疏水性多孔膜5，能有效地防止氧化剂流路4c内所生成的冷凝水对氧化剂电极10c的空气供给阻碍。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种固体高分子型燃料电池，其具备：
具有固体高分子电解质膜被燃料电极和氧化剂电极夹持的结构的膜-电极接合体；
设置在所述膜-电极接合体的所述氧化剂电极侧，用于向所述氧化剂电极提供氧化剂的氧化剂流路；和
设置在所述氧化剂电极和所述氧化剂流路之间，具有水蒸气透过性的疏水性膜，
其中，在所述氧化剂电极与所述疏水性膜之间设有空隙。
2.如权利要求1所述的固体高分子型燃料电池，其中，所述疏水性膜为多孔膜。
3.如权利要求1或2所述的固体高分子型燃料电池，其中，所述疏水性膜的空气透过速度大于发电时所述氧化剂电极的最大的空气消耗速度，所述疏水性膜的水蒸气透过速度大于发电时氧化剂电极的最大的水生成速度。
4.如权利要求1至3中任一项所述的固体高分子型燃料电池，其中，所述疏水性膜相对于水的接触角为90度以上。
5.如权利要求1至4中任一项所述的固体高分子型燃料电池，其中，所述疏水性膜含有聚四氟乙烯。
6.如权利要求1至5中任一项所述的固体高分子型燃料电池，其还具有将液体燃料气化并提供给所述燃料电极的燃料气化部。

Claims (8)

1.一种固体高分子型燃料电池，其具备：
具有固体高分子电解质膜被燃料电极和氧化剂电极夹持的结构的膜-电极接合体；
设置在所述膜-电极接合体的所述氧化剂电极侧，用于向所述氧化剂电极提供氧化剂的氧化剂流路；和
设置在所述氧化剂电极和所述氧化剂流路之间，具有水蒸气透过性的疏水性膜。
2.如权利要求1所述的固体高分子型燃料电池，其中，所述疏水性膜为多孔膜。
3.如权利要求1或2所述的固体高分子型燃料电池，其中，所述疏水性膜与所述氧化剂电极密合。
4.如权利要求1或2所述的固体高分子型燃料电池，其中，在所述氧化剂电极与所述疏水性膜之间设有空隙。
5.如权利要求1至4中任一项所述的固体高分子型燃料电池，其中，所述疏水性膜的空气透过速度大于发电时所述氧化剂电极的最大的空气消耗速度，所述疏水性膜的水蒸气透过速度大于发电时氧化剂电极的最大的水生成速度。
6.如权利要求1至5中任一项所述的固体高分子型燃料电池，其中，所述疏水性膜相对于水的接触角为90度以上。
7.如权利要求1至6中任一项所述的固体高分子型燃料电池，其中，所述疏水性膜含有聚四氟乙烯。
8.如权利要求1至7中任一项所述的固体高分子型燃料电池，其还具有将液体燃料气化并提供给所述燃料电极的燃料气化部。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104977251A (zh) * 2014-04-01 2015-10-14 现代自动车株式会社 燃料电池用气体扩散层的界面粘合强度测量装置和方法

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7785752B2 (en) * 2007-03-07 2010-08-31 Panasonic Corporation Fuel cell electrode and method for producing the same
JP2010086662A (ja) * 2008-09-29 2010-04-15 Toshiba Corp 燃料電池
WO2011112195A1 (en) * 2010-03-11 2011-09-15 Nuvera Fuel Cells, Inc. Open flow field fuel cell
US10581089B2 (en) 2010-03-11 2020-03-03 Nuvera Fuel Cells, LLC Open flow field fuel cell
US9484583B2 (en) 2013-10-14 2016-11-01 Nissan North America, Inc. Fuel cell electrode catalyst having graduated layers
JP6180965B2 (ja) * 2014-02-28 2017-08-16 富士フイルム株式会社 ガス分離膜およびガス分離膜モジュール
EP3163658B1 (en) * 2014-06-24 2018-12-19 Panasonic Corporation Gas diffusion electrode, electrochemical device, and fuel cell
JP7124815B2 (ja) * 2019-11-28 2022-08-24 株式会社Soken 燃料電池システム

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2890513B2 (ja) * 1989-08-22 1999-05-17 松下電器産業株式会社 ガス拡散電極とそれを用いた液体燃料電池
JPH07211325A (ja) * 1994-01-07 1995-08-11 Tanaka Kikinzoku Kogyo Kk ガス拡散電極
JP3591123B2 (ja) * 1996-03-08 2004-11-17 トヨタ自動車株式会社 燃料電池および燃料電池用電極
US6350539B1 (en) * 1999-10-25 2002-02-26 General Motors Corporation Composite gas distribution structure for fuel cell
US7407721B2 (en) * 2003-04-15 2008-08-05 Mti Microfuel Cells, Inc. Direct oxidation fuel cell operating with direct feed of concentrated fuel under passive water management
JP4078251B2 (ja) * 2003-05-30 2008-04-23 キヤノン株式会社 燃料電池および小型電気機器

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104977251A (zh) * 2014-04-01 2015-10-14 现代自动车株式会社 燃料电池用气体扩散层的界面粘合强度测量装置和方法
CN104977251B (zh) * 2014-04-01 2019-06-14 现代自动车株式会社 燃料电池用气体扩散层的界面粘合强度测量装置和方法

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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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