CN102916213A - 燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种燃料电池，其具有：燃料电池单电池集合体，将包括膜电极复合体及流路板的2个以上的燃料电池单电池配置在同一平面上而成，膜电极复合体依次具有阳极、电解质膜及阴极，流路板配置在阳极侧、且在阳极侧表面配置有用于使液体燃料流通的单电池内燃料流路；和燃料分配部，具有单电池外燃料流路，该单电池外燃料流路与各单电池内燃料流路连接，而向各燃料电池单电池分配液体燃料。

Description

燃料电池
技术领域
本发明涉及一种在同一平面上配置有多个燃料电池单电池的燃料电池。
背景技术
燃料电池作为支持信息化社会的移动电子设备的新型电源，其实用化的期待逐渐提高。燃料电池根据使用的电解质材料、燃料的分类，分为磷酸型、熔融碳酸盐型、固体电解质型、固体高分子型、直接醇型等。其中，电介质材料使用了作为固体高分子的离子交换膜的固体高分子型燃料电池及直接醇型燃料电池，因在常温下可获得较高的发电效率，因此研究了其作为应用于移动电子设备的小型燃料电池的实用化。
作为燃料使用醇或醇的水溶液的直接醇型燃料电池，和燃料是气体时相比，因燃料贮存室可较简易地设计等原因，可实现燃料电池结构的简化、省空间化，作为以应用于移动电子设备为目的的小型燃料电池的期待很高。
在燃料电池中，为了将一个燃料电池单电池时不充分的电力提高到足够作为移动电子设备的新电源的程度，以往采用了将多个燃料电池单电池电连接而组合(堆叠等)的措施。作为其一例，例如包括JP特开2004-079506号公报(专利文献1)及JP特开2006-093119号公报(专利文献2)中记载的、将多个燃料电池单电池配置在同一平面上的燃料电池(以下也称为“平面集成型燃料电池”)。
发明内容
假设作为移动电子设备等电子设备用的电源适用平面集成型燃料电池时，能够与可适用的各种电子设备中的有限的燃料电池收容空间的形状、面积等相对应而灵活地进行平面集成型燃料电池结构的设计，是极有意义的。这是因为，这样有利于燃料电池的生产效率的提高(生产工艺的简化)及生产成本的减少。
一般情况下，上述专利文献1及2所述的现有的平面集成型燃料电池采用多个燃料电池单电池共享一个燃料供给部的结构。这里所述的燃料供给部是指收容提供到各燃料电池单电池的燃料或使之流通的部位，专利文献1中的液体燃料贮存部3、专利文献2中的双极板20相当于此。但在这种结构中，为适用于燃料电池收容空间的形状、面积不同的电子设备，仅设计变更燃料电池单电池的集成方式是不够的，需要重新设计燃料电池供给部整体及其附加系统，和电子设备对应的燃料电池结构的设计变更并不容易，在燃料电池的生产效率及生产成本方面不利。
因此，本发明的目的在于提供一种能够对应适用的电子设备而容易且灵活地进行燃料电池结构的设计变更的燃料电池。
作为上述课题的解决手段，本发明提供一种使用了燃料电池单电池的平面集成型燃料电池，上述燃料电池单电池通过对各燃料电池单电池自身附加使燃料流通的燃料流路而实现了模块化。即，将以往由一个部件构成的燃料供给部分离为2个，将一个部分构建为起到用于将燃料引导(分配)到各燃料电池单电池的燃料流路的作用的、独立于燃料电池单电池的部位(燃料分配部)，将另一部分作为起到在燃料电池单电池面内扩散流通的作用的燃料流路而组装到燃料电池单电池内，从而将燃料电池单电池作为具有该燃料流路的单电池而模块化，通过结合该模块(具有燃料流路的燃料电池单电池)和上述燃料分配部，来构建平面集成型燃料电池。
根据上述平面集成型燃料电池，不用设计变更模块，通过设计变更模块个数、配置图案以及根据需要仅设计变更燃料分配部，就可容易地将平面集成型燃料电池适用于燃料电池收容空间的形状、面积不同的电子设备。
即，本发明提供一种燃料电池，具有：燃料电池单电池集合体，将包括膜电极复合体及流路板的2个以上的燃料电池单电池配置在同一平面上而成，膜电极复合体依次具有阳极、电解质膜及阴极，流路板配置在阳极侧、且在阳极侧表面配置有用于使液体燃料流通的单电池内燃料流路；和燃料分配部，具有单电池外燃料流路，该单电池外燃料流路与各单电池内燃料流路连接，而向各燃料电池单电池分配液体燃料。
在一个实施方式中，燃料分配部具有用于导入液体燃料的导入口，其具有的单电池外燃料流路由与该导入口连接的主流路、以及连接该主流路和各单电池内燃料流路的支流路构成。
在一个实施方式中，燃料电池单电池集合体由线状排列的2个以上的燃料电池单电池构成。此时优选：该2个以上的燃料电池单电池具有的单电池内燃料流路的与单电池外燃料流路连接的所有端部，配置在燃料电池单电池集合体的同一侧面，并且燃料分配部具有的单电池外燃料流路的与单电池内燃料流路连接的所有端部，配置在燃料分配部的同一侧面，燃料分配部被配置成使燃料电池单电池集合体的上述侧面和燃料分配部的上述侧面相对。
并且也可如下构建燃料电池：该2个以上的燃料电池单电池具有的单电池内燃料流路的与单电池外燃料流路连接的所有端部，配置在流路板的同一主面，并且燃料分配部具有的单电池外燃料流路的与单电池内燃料流路连接的所有端部，配置在燃料分配部的同一面，燃料分配部以在其单电池外燃料流路的上述端部上配置单电池内燃料流路的上述端部的方式部分层叠在流路板上。
燃料电池单电池可进一步具有：气液分离层，配置在膜电极复合体和流路板之间，能够透过液体燃料的气化成分；和夹层，以覆盖单电池内燃料流路的方式配置在气液分离层和流路板之间，相对于水的接触角小于70度。或者，燃料电池单电池可进一步具有气液分离层，该气液分离层以覆盖单电池内燃料流路的方式配置在流路板中的阳极侧表面上，能够透过液体燃料的气化成分。
燃料电池单电池可进一步具有：层叠在阳极上的阳极集电层；和层叠在阴极上的阴极集电层。本发明的燃料电池例如是直接醇型燃料电池。
根据本发明，可提供一种能够对应适用的电子设备而容易且灵活地进行燃料电池结构的设计变更的燃料电池。本发明的燃料电池能够用作电子设备、尤其是移动电子设备用的电源。
本发明的上述及其他目标、特征、特点及优点通过参照附图的下述本发明的详细说明可得以进一步明确。
附图说明
图1是表示本发明涉及的燃料电池的一例的概要俯视图。
图2是图1所示的II-II线中的概要截面图。
图3是图2所示的III-III线中的概要截面图。
图4是图1所示的IV-IV线中的概要截面图。
图5是表示本发明涉及的燃料电池的另一例的概要截面图。
图6是表示流路板的一例的概要俯视图。
图7是表示流路板的另一例的概要俯视图。
图8是表示流路板的另一例的概要俯视图。
图9是表示流路板的另一例的概要俯视图。
图10是表示流路板的另一例的概要俯视图。
图11是表示流路板的另一例的概要俯视图。
图12是表示流路板的另一例的概要俯视图。
图13是表示流路板的另一例的概要俯视图。
图14是表示流路板的另一例的概要俯视图。
图15是表示流路板的另一例的概要俯视图。
图16A是表示气化燃料板的一例的概要俯视图。
图16B是图16A所示的XVI-XVI线中的概要截面图。
图17A是表示气化燃料板的另一例的概要俯视图。
图17B是表示图17A所示的XVII-XVII线中的概要截面图。
图18是表示本发明涉及的燃料电池中使用的燃料电池单电池的另一例的概要截面图。
图19是表示图18所示的燃料电池单电池具有的第2夹层的概要俯视图。
图20是表示实施例1中制造的燃料电池的概要截面图。
图21是表示实施例1中使用的燃料分配部的概要立体图。
图22是表示实施例1中制造的燃料电池的输出电压的变化的图。
具体实施方式
以下通过实施方式详细说明本发明的燃料电池。
图1是表示本发明涉及的燃料电池的一例的概要俯视图，图2是图1所示的II-II线中的概要截面图，图3是图2所示的III-III线中的概要截面图。并且，图4是图1所示的IV-IV线中的概要截面图。
这些附图中所示的燃料电池100是包括配置在同一平面上的3个燃料电池单电池101的平面集成型燃料电池，具体而言由以下构成：将3个燃料电池单电池101线状排列而成的燃料电池单电池集合体110；和在燃料电池单电池集合体110的侧面相邻配置的燃料分配部150。构成燃料电池100的燃料电池单电池，电气性串联连接或并联连接。在本发明中，燃料电池单电池集合体是构成燃料电池的所有燃料电池单电池的总称。
参照图2，构成燃料电池单电池集合体110的燃料电池单电池101由以下构成：依次具有阳极2、电解质膜1及阴极3的膜电极复合体4；阳极集电层5，层叠在阳极2上并与其电连接；阴极集电层6，层叠在阴极3上并与其电连接；阳极保湿层7，以与阳极集电层5接触的方式层叠在阳极集电层5上；阴极保湿层8，以与阴极集电层6接触的方式层叠在阴极集电层6上；流路板10，配置在阳极2侧(阳极2的下方)，并将用于使液体燃料流通(在燃料电池单电池面内扩散流通)的单电池内燃料流路10a配置在阳极2侧表面；气液分离层12，配置在膜电极复合体4和流路板10之间，可透过液体燃料的气化成分；气化燃料板9，配置在气液分离层12和阳极保湿层7之间，具有气化燃料收容部9a；以及夹层11，以覆盖单电池内燃料流路10a的方式配置在气液分离层12和流路板10之间。
因此，燃料电池单电池101作为组装了燃料流路(单电池内燃料流路10a)的模块而构成，上述燃料流路起到在燃料电池单电池面内扩散流通的作用。通过将该模块与燃料分配部150结合，而构建平面集成型燃料电池100。
参照图3及图4，燃料分配部150是用于将通过导入口151导入的液体燃料分配到各燃料电池单电池的、独立于燃料电池单电池101的部件，在其内部具有与各单电池内燃料流路10a连接的单电池外燃料流路155。例如，单电池外燃料流路155可由与导入口151连接的主流路152、及连接主流路152和各单电池内燃料流路10a的支流路153构成。在图1~4所示的实施方式中，燃料分配部150是与配置了各燃料电池单电池101具有的单电池内燃料流路10a的入口端部(和单电池外燃料流路155连接的端部)的、燃料电池单电池集合体110的侧面相邻而附加设置的大致长方体形状的部件。导入口151在燃料分配部150的长度方向(和燃料电池单电池的排列方向平行)上设置在大致中央部。
以上述实施方式为代表的本发明的燃料电池将具有单电池内燃料流路的燃料电池单电池作为模块使用，因此通过设计变更模块个数、配置图案、以及根据需要仅变更设计燃料分配部的形状等，可容易地适用于燃料电池收容空间的形状、面积不同的电子设备。这种燃料电池结构设计的灵活性对提高燃料电池生产效率(生产工艺的简化)及降低生产成本极为有效。
构成燃料电池的多个燃料电池单电池可采用任意的配置方式，但考虑到燃料电池面积的降低及与燃料分配部的结合的容易性，优选如图1~图4所示的实施方式所示线状排列。此时，鉴于与燃料分配部结合的容易性，优选以多个燃料电池单电池具有的单电池内燃料流路的入口端部(与单电池外燃料流路连接的端部)全部配置在线状的燃料电池单电池集合体的同一外表面的取向，来排列多个燃料电池单电池。例如，可以如图1~图4所示的实施方式所示，以使单电池内燃料流路的入口端部全部配置在燃料电池单电池集合体的同一侧面X的方式排列多个燃料电池单电池，并且将燃料分配部具有的单电池外燃料流路的出口端部(指与单电池内燃料流路连接的端部，在图1~图4所示的实施方式中是支流路153的出口端部)全部配置在燃料分配部的同一侧面Y，以使侧面X和侧面Y相对的方式将燃料分配部配置在线状的燃料电池单电池集合体的侧方。
燃料电池(燃料电池单电池集合体)具有的燃料电池单电池的个数为2个以上即可，无特别限定，优选是3个以上。图5是表示燃料电池单电池集合体110由线状排列的4个燃料电池单电池构成的方式的、和图3同样的概要截面图。燃料电池单电池集合体110也可具有2个以上的由线状排列的多个燃料电池单电池构成的单电池列。例如，可在一个燃料分配部的相对的2个侧面分别结合上述单电池列。并且，本发明的燃料电池也可包括2个以上的燃料分配部。燃料分配部介于一个燃料电池单电池和另一个燃料电池单电池之间的方式也包含在本发明中。
接着详细说明构成本发明的燃料电池的各部件等。
(1)燃料电池单电池
(电解质膜)
构成膜电极复合体4的电解质膜1具有以下功能：从阳极2向阴极3传送质子的功能；以及保持阳极2和阴极3的电绝缘性、防止短路的功能。电解质膜1的材质只要是具有质子传导性、且具有电绝缘性的材质即可，无特别限定，可使用高分子膜、无机膜或复合膜。作为高分子膜，例如包括作为全氟磺酸类电解质膜的、Nafion(注册商标，杜邦公司/DuPont制造)、アシプレツクス(Aciplex，注册商标，旭化成公司制造)、フレミオン(Flemion，注册商标，旭硝子公司制造)等。并且也可使用苯乙烯类接枝聚合物、三氟苯乙烯衍生共聚物、磺化聚芳醚、磺化聚醚醚酮、磺化聚酰亚胺、磺化聚苯并咪唑、膦化聚苯并咪唑、磺化聚磷腈等烃类电解质膜等。
作为无机膜，例如包括由磷酸玻璃、硫酸氢铯、聚磷钨酸、聚磷酸铵等构成的膜。作为复合膜，包括钨酸、硫酸氢铯、聚磷钨酸等无机物和聚酰亚胺、聚醚醚酮、全氟磺酸等有机物的复合膜等。电解质膜1的厚度例如是1~200μm。
(阳极及阴极)
在层叠于电解质膜1的一个表面的阳极2及层叠于另一个表面的阴极3上分别设置催化剂层，该催化剂层由至少含有催化剂和电解质的多孔质层构成。在阳极2中，催化剂(阳极催化剂)催化从燃料生成质子和电子的反应，电解质具有将生成的质子传导到电解质膜1的功能。在阴极3中，催化剂催化从在电解质中传送来的质子和氧化剂(空气等)生成水的反应。
阳极2及阴极3的催化剂也可由碳、钛等导电体的表面承载，其中优选由具有羟基、羧基等亲水性官能团的碳、钛等导电体的表面承载。这样一来，可提高阳极2及阴极3的保水性。通过提高保水性，可改善伴随着质子移动的电解质膜1的电阻、阳极2及阴极3中的电位分布。
阳极2及阴极3可分别具有在催化剂层上层叠的阳极导电性多孔质层(阳极气体扩散层)、阴极导电性多孔质层(阴极气体扩散层)。这些导电性多孔质层具有使提供到阳极2、阴极3的气体(气化燃料或氧化剂)在面内扩散的功能，并具有与催化剂层进行电子交换的功能。作为阳极导电性多孔质层及阴极导电性多孔质层，由于比电阻较小、抑制了电压下降，而优选使用由以下材料构成的多孔质材料：碳材料；导电性高分子；Au、Pt、Pd等贵金属；Ti、Ta、W、Nb、Ni、Al、Cu、Ag、Zn等过渡金属；这些金属的氮化物或碳化物等；以不锈钢为代表的含有这些金属的合金等。当使用Cu、Ag、Zn等在酸性气氛下耐蚀性差的金属时，可通过Au、Pt、Pd等具有耐蚀性的贵金属、导电性高分子、导电性氮化物、导电性碳化物、导电性氧化物等进行表面处理(皮膜形成)。具体而言，作为阳极导电性多孔质层及阴极导电性多孔质层，例如优选使用：上述贵金属、由过渡金属或合金构成的发泡金属、金属织物及金属烧结体；含有碳纸、碳布、碳粒子的环氧树脂膜等。
(阳极集电层及阴极集电层)
阳极集电层5、阴极集电层6分别层叠在阳极2上、阴极3上。阳极集电层5及阴极集电层6分别具有：聚集阳极2、阴极3中的电子的功能；和进行电布线的功能。集电层的材质，因比电阻较小、即使在面方向取出电流也可抑制电压下降，而优选金属，其中进一步优选具有电子传导性、在酸性气氛下具有耐蚀性的金属。作为这种金属包括：Au、Pt、Pd等贵金属；Ti、Ta、W、Nb、Ni、Al、Cu、Ag、Zn等过渡金属；这些金属的氮化物或碳化物等；以不锈钢为代表的含有这些金属的合金等。当使用Cu、Ag、Zn等在酸性气氛下耐蚀性差的金属时，可通过Au、Pt、Pd等具有耐蚀性的贵金属、导电性高分子、导电性氮化物、导电性碳化物、导电性氧化物等，进行表面处理(皮膜形成)。此外，阳极导电性多孔质层及阴极导电性多孔质层例如由金属等构成，当导电性较高时，阳极集电层及阴极集电层也可省略。
具体而言，阳极集电层5可以是平板，该平板具有用于将气化燃料向阳极2引导的、在厚度方向上贯通的多个贯通孔(开口)，具有由上述金属材料等构成的网状或冲压金属形状。该贯通孔也作为将通过阳极2的催化剂层生成的副产气体(CO2气体等)引导到气化燃料收容部9a侧的路径发挥作用。同样，阴极集电层6可以是平板，该平板具有用于将氧化剂(例如燃料电池外部的空气)提供到阴极3的催化剂层的、在厚度方向上贯通多个贯通孔(开口)，具有由上述金属材料等构成的网状或冲压金属形状。
(流路板)
参照图3，流路板10是在阳极2侧表面形成有用于使液体燃料流通的单电池内燃料流路10a的板状体，配置在燃料电池的阳极2侧。单电池内燃料流路10a例如可由形成在上述板状体的一个表面的槽(凹部)构成。单电池内燃料流路10a的形状(图案)无特别限定，优选在流路板表面的尽可能大的范围内均匀配置，以便能够将气化燃料尽量均匀地提供到阴极2的整个面。
图6~图15表示流路图案的优选示例。图6~图15所示的流路板10的单电池内燃料流路10a(斜线部)均由槽(凹部)构成。图6所示的单电池内燃料流路10a(和图3及图5所示的相同)在4处与单电池外燃料流路连接(具有4个流路入口)。与单电池燃料流路连接的4个流路暂时集中到一个流路，从该流路枝状且等间隔延伸出5个流路。这种流路结构的优点是：液体燃料从与单电池外燃料流路连接的任意一个连接处的流入因气泡混入等而变得困难时，可使从其他连接处流入的液体燃料遍布整个单电池内燃料流路10a。此外，图6的流路板10的周边部中描绘的○(共7个)表示用于各部件间的紧固的螺孔(图3、5、7~15、20也一样)。
在图7所示的例子中，和图6的流路相比，减小了流路宽度，提高了毛细管力，并且对流路的角部附加R(曲率)，而降低了液体燃料移送的压力损失。这样一来，可将液体燃料容易地遍布整个单电池内燃料流路10a。
图8所示的单电池内燃料流路和图7的不同点是，液体燃料不是从流路板10的侧面流入，而从上面流入。即，单电池内燃料流路10a的4个入口端部并未配置在流路板10的侧面，而是配置在一个表面(主面)上。当使用所述流路板时，将燃料分配部具有的单电池外燃料流路的与单电池内燃料流路连接的出口端部全部配置在同一面上，将燃料分配部中配置了单电池外燃料流路的出口端部的部分，层叠到配置了单电池内燃料流路10a的上述入口端部的流路板主面部分上(即，部分重叠燃料分配部和流路板，以使单电池内燃料流路的入口端部和单电池外燃料流路的出口端部在层叠方向上连接)。根据这种流路板和燃料分配部的结合方式，在为了接合、紧固燃料电池的各构成部件而施加的力的方向(构成部件的层叠方向)上，产生从单电池外燃料流路向单电池内燃料流路的液体燃料的流入，因此可更有效地防止这些燃料流路的连接部处的液体泄漏。
图9所示的单电池内燃料流路由不具有分支部分的直线状的多个流路构成。这种流路形状有利于降低液体燃料移送的压力损失。图10所示的单电池内燃料流路在尽量减少流路的分支部分这一点上和图7不同。因此，可降低气泡侵入分支前的流路内、阻碍液体燃料进入到分支流路这样的问题。
在图11所示的单电池内燃料流路中，在图中A的部分，减小了流路宽度、提高了压力损失。根据该流路结构，从单电池内燃料流路10a中的全部4个入口端部流入液体燃料后，液体燃料进入到各自的分支流路，因此可更均匀地向各分支流路提供液体燃料。图12所示的单电池内燃料流路中，增大了图11中的分支流路的流路宽度，降低了分支流路中的液体燃料移送的压力损失。
图13所示的例子具有网眼状的单电池内燃料流路。根据该流路结构，即使在某一处产生气泡侵入，也可使液体燃料遍布整个单电池内燃料流路10a。
图14所示的例子具有由形成于流路板表面的较大凹部构成的槽型的单电池内燃料流路10a。根据该流路结构，更容易将足够量的燃料均匀地提供到整个阳极。在这种槽型流路中，为实现流路板的结构强化，如图15所示，可在纵向及/或横向设置梁。此外，在图14中，区域M、区域N均是凹部，而区域N的深度更大。并且在图15中，区域M’(附加了同类阴影的区域也同样)、区域N’(附加了同类阴影的区域也同样)均是凹部，而区域N’的深度更大。
单电池内燃料流路的宽度及深度并无特别限定，例如分别是0.2～1.5mm左右(尤其在槽型流路时可更大)、0.1～0.6mm左右。
流路板10可由塑料材料或金属材料等制造。作为塑料材料，例如可包括：聚苯硫醚(PPS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、聚氯乙烯、聚乙烯(PE)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚醚醚酮(PEEK)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏氟乙烯(PVDF)等。作为金属材料例如除了钛、铝等外，还可使用不锈钢、镁合金等合金材料。
(气化燃料板)
图16A是表示燃料电池单电池101中使用的气化燃料板9的概要俯视图，图16B是图16A所示的XVI-XVI线中的概要截面图。气化燃料板9是用于在膜电极复合体4和气液分离层12之间形成用于收容气化燃料的空间(即气化燃料收容部9a)的部件。在图2的例子中，气化燃料板9以与阳极保湿层7接触的方式配置在阳极保湿层7和气液分离层12之间。气化燃料板9具有作为在厚度方向贯通的贯通口的气化燃料收容部9a、及连通气化燃料收容部9a和气化燃料板9外部的连通路径9b。连接路径9b是用于将在阳极2生成的副产气体(CO2气体等)排出到燃料电池外部的路径。
在图16A及16B所示的气化燃料板9中，连通路径9b设置在气化燃料板9的周边部，由从气化燃料收容部9a延伸到该周边部的端面的槽(凹部)构成。连通路径9b的出口例如设置在与结合燃料分配部150的燃料电池侧面相对的侧面上(参照图4)。
通过在单电池内燃料流路10a上经由气液分离层12设置气化燃料收容部9a，促进了提供到阳极2的气化燃料浓度的阳极面内的均匀化及气化燃料量的最佳化。
设置气化燃料收容部9a可具有以下优点。
(i)因气化燃料收容部9a中存在的空气层，可实现发电部(膜电极复合体)和单电池内燃料流路10a之间的隔热。这样一来，可抑制单电池内燃料流路10a内的液体燃料的温度过度上升造成的交叉(crossover)。这也有利于抑制电池内部温度的失控和内压上升。
(ii)在阳极2中生成的CO2气体等副产气体随着发电所产生的热到达气化燃料收容部9a内，接着通过连通路径9b，排出到燃料电池单电池外部。这样一来，可大幅降低燃料电池单电池内部积蓄的热量，因此可抑制包括单电池内燃料流路10a在内的整个燃料电池单电池的过度的温度上升。这也有利于抑制电池内部温度的失控和内压上升。尤其是，通过在气化燃料板9中设置连通路径9b(副产气体的排出口)，难以产生向单电池内燃料流路10a的热传导，因此更加难以产生单电池内燃料流路10a内的液体燃料的过度的温度上升、及随之产生的交叉及温度失控。
(iii)能够从连通路径9b良好地排出副产气体，因此可抑制副产气体的排出不良造成的燃料供给阻碍，可良好地进行对阳极2的燃料供给。这样一来，可获得稳定的发电特性。并且，由于能够从连通路径9b良好地排出副产气体，因此可抑制副产气体侵入到单电池内燃料流路10a。这样一来，对阳极2可稳定地提供充分量的气化燃料，因此可提高燃料电池的输出稳定性。
气化燃料板9的厚度例如可以是100~1000μm左右，在薄至100~300μm左右的情况下，也可充分获得上述效果。
气化燃料板9具有的贯通口(气化燃料收容部9a)，从发电部和单电池内燃料流路10a之间的隔热性的角度出发，如图16A所示，优选尽量增大相对于气化燃料板9的面积的开口率，因此气化燃料板9优选为具有尽量大的贯通口的框形(ロ字状)。
贯通口的开口率、即贯通口的开口面积(如下所示，气化燃料板9可具有2个以上的贯通口，此时是它们的开口面积的总和)相对于气化燃料板9的面积的比率，优选为50%以上，进一步优选为60%以上。增大贯通口的开口率，在提高使气化燃料收容部9a的、提供到阳极2的燃料浓度均匀化的功能上较为有利，在确保对阳极2的充分的燃料供给方面也较为有利。此外，贯通口的开口率通常是90%以下。
连通路径9b不限为设置在气化燃料板9的周边部的槽(凹部)，也可是在厚度方向贯通的贯通孔，从强度角度出发，优选由槽(凹部)构成。从气化燃料板9的强度的角度出发，连通路径9b的深度优选是气化燃料板9的厚度的75%左右。
图17A是表示气化燃料板的另一例的概要俯视图，图17B是表示图17A所示的XVII-XVII线中的概要截面图。如图17A及17B所示，气化燃料板可具有2个以上的贯通口。图17A及17B所示的气化燃料板99具有纵横2列排列的共4个贯通口99a。这也可以说成在较大的贯通口的纵向及横向上设置梁而分割为4个。该具有多个贯通口的(设置有梁的)气化燃料板提高了面内方向的刚性，因此在获得对冲击等的强度良好的燃料电池这一点上较为有利。并且，和图16A及16B所示的不设置梁的结构相比，还存在以下优点：难以发生配置因在气化燃料板的上下的部件的热等引起的膨胀等所造成的贯通口的堵塞。
气化燃料板具有2个以上的贯通口时，设置在其周边部的连通路径可按各贯通口而设置和贯通口数相同的个数，也可设置比贯通口个数少或者多的个数的连通路径。在图17A的例子中，对4个贯通口99a设置2个连通路径99b。因此，可不按各贯通口设置连通路径，但此时如图17A所示，未设置连通路径99b的贯通口(图17A中的下2个贯通口99a)通过连接路径99c而与设置了连通路径99b的贯通口(图17A中的上2个贯通口99a)在空间上连接。连接路径99c和连通路径99b一样，可以是在贯通口之间的梁上设置的槽(凹部)(参照图17B)。通过设置连接路径99c，可将进入到未设置连通路径99b的贯通口内的副产气体，通过连通路径99b排出到外部。
为提高到达气化燃料板的贯通口(气化燃料收容部)的副产气体向外部的排出效率，或者为提高使气化燃料板的提供到阳极2的燃料的浓度均匀化的功能，优选设置连接路径99d(参照图17A)，其在空间上连接设置了连通路径99b的贯通口之间及/或未设置连通路径99b的贯通口之间。
连通路径的截面积(具有2个以上的连通路径时，是它们的截面积的总和)S1和气化燃料板的侧面的总面积S0之比S1/S0，为进行副产气体及随之的热的排出而需要大于0，优选是0.002以上。并且，优选小于0.3，更优选小于0.1，进一步优选小于0.05。该比为0.3以上时，易产生燃料泄漏、空气混入，发电稳定性会下降。
将所有连通路径设置在与结合了燃料分配部150的燃料电池侧面相对的侧面等时，气化燃料板具有的4个周边部中，仅对任意一个周边部设置1个或2个以上的连通路径时，连通路径的截面积(具有2个以上的连通路径时，是它们的截面积的总和)S1和设置了连通路径的周边部中的侧面的截面积S2之比S1/S2，基于和上述同样的理由，优选为0.008以上。
气化燃料板的材质可以是塑料、金属或非多孔质性的碳材料等。作为塑料，例如包括：聚苯硫醚(PPS)、聚酰亚胺(PI)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、聚氯乙烯、聚乙烯(PE)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚醚醚酮(PEEK)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏氟乙烯(PVDF)等。作为金属例如除了钛、铝等外，还可使用不锈钢、镁合金等合金材料。
其中，气化燃料板优选由金属、聚苯硫醚(PPS)或者聚酰亚胺(PI)等刚性大的材质构成。当使用刚性大的气化燃料板时，能够通过热冲压(热压)进行气化燃料板和与之相邻的部件的接合，因此可降低燃料电池的厚度、发电特性的不均。并且，在热冲压时，可有效防止连通路径的堵塞。
此外，气化燃料板也可省略，但为获得上述效果，优选设置气化燃料板。
(气液分离层)
在膜电极复合体4和流路板10之间，配置在下述夹层11的阳极2侧表面上的气液分离层12，是具有气化燃料透过性(可透过液体燃料的气化成分的性质)且具有液体燃料不透过性的防水性的多孔质层，是具有可对阳极2进行燃料的气化供给的气液分离功能的层。气液分离层12还具有将提供到阳极2的气化燃料的量或浓度控制(限制)为适当的量并且使之均匀化的功能。通过设置气液分离层12，可有效抑制燃料的交叉，发电部难以产生温度不均，可维持稳定的发电状态。
作为气液分离层12，对于使用的燃料，只要具有气液分离功能即可，无特别限定。例如可包括由聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏氟乙烯等氟类树脂、进行了防水化处理的硅树脂等构成的多孔质膜或者多孔质片材，具体而言例如是作为由聚四氟乙烯构成的多孔质薄膜的日东电工(株)制造的テミツシユ(TEMISH(注册商标))的“NTF2026A-N06”、“NTF2122A-S06”。
从赋予气化燃料透过性及液体燃料不透过性的角度出发，气液分离层12具有的细孔的最大细孔直径优选为0.1~10μm，更优选0.5~5μm。最大细孔直径可和下述夹层11一样地通过使用甲醇等测定泡点来求出。气液分离层12相对于下述水的接触角通常为80度以上，典型的是90度以上。
气液分离层12的厚度无特别限定，但为充分体现上述功能，优选为20μm以上，更优选50μm以上。并且，从燃料电池薄型化的角度出发，气液分离层12的厚度优选为500μm以下，更优选300μm以下。
(夹层)
以覆盖流路板10的阳极2侧表面(因此是形成单电池内燃料流路10a的槽(凹部))的方式配置在气液分离层12和流路板10之间的夹层11，优选是相对于水的接触角小于70度的具有亲水性的层。通过将该层配置成覆盖单电池内燃料流路10a，液体燃料基于夹层11具有的亲水性而被拉入到单电池内燃料流路10a内，因此可降低单电池内燃料流路10a的内部的液体燃料的压力损失。这样一来，可提高对单电池内燃料流路10a的燃料供给效率及流路板10面内的液体燃料的扩散性、乃至对阳极2的气化燃料的供给效率及阳极2面内的燃料供给的均匀性。夹层11相对于水的接触角根据JIS R 3257(基板玻璃表面的湿润性试验)来测定。
夹层11优选对液体燃料具有毛细管作用，为更有效地降低单电池内燃料流路10a内液体燃料的压力损失，优选具有较大的毛细管力。从这一角度出发，夹层11优选具有细孔，其最大细孔直径优选为1μm以下，进一步优选为0.7μm以下。最大细孔直径可通过测定下述泡点获得，作为这以外的方法，可通过水银压入法测定。但在水银压入法中，只能测定0.005μm~500μm的细孔分布，因此当该范围外的细孔不存在或可忽略时，是有效的测定手段。
夹层11虽无特别限定，但测定介质为甲醇时的泡点例如可以是5kPa以上的程度。赋予更高的毛细管力时，泡点优选较高。从这一角度出发，泡点可以是30kPa，进一步可以是50kPa以上。
另一方面，发电过程中，在单电池内燃料流路10a或单电池外燃料流路中的液体燃料内产生的气泡，经由夹层11及气液分离层12逃逸到气化燃料收容部9a侧，可排出到燃料电池单电池外，在考虑到以上情况的实施方式中，夹层11的泡点优选较低。在该实施方式中，夹层11的亲水性(表面湿润性)主要有利于降低单电池内燃料流路10a的内部的液体燃料的压力损失。
并且，夹层11的设置存在以下优点：通过在夹层11内可保持液体燃料，而可有效防止阳极2中产生的副产气体侵入到单电池内燃料流路10a内。并且，可防止阳极2中产生的副产气体侵入到单电池内燃料流路10a内意味着，副产气体向燃料电池外部的排出通道缩小成从气化燃料板的连通路径的排出通道，因此，可促进副产气体从连通路径的排出及随之的热的排出，并且可有效抑制向单电池内燃料流路10a的热传导。从而，可更有效地抑制包括单电池内燃料流路10a在内的整个燃料电池的过度的温度上升以及与之相伴的交叉及温度失控。
泡点是从被液体介质湿润的层(膜)的内侧施加空气压力时在层(膜)的表面确认产生气泡的最小压力。泡点ΔP由下式(1)定义。
ΔP[Pa]＝4γcosθ/d              (1)
(γ是测定介质的表面张力[N/m]，θ是层(膜)的材料和测定介质的接触角，d是层(膜)具有的最大细孔直径。)
在本发明中，泡点是以甲醇为测定介质并根据JIS K 3832测定的。
作为夹层11例如可选自由高分子材料、金属材料或无机材料等构成的多孔质层、高分子膜，具体示例如下。
1)由下述材料构成的多孔质层。聚偏氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)等氟类树脂；丙烯酸类树脂；ABS树脂；聚乙烯、聚丙烯等聚烯烃类树脂；聚对苯二甲酸乙二醇酯等聚酯类树脂；醋酸纤维素、硝化纤维素、离子交换纤维素等纤维素类树脂；尼龙；聚碳酸酯类树脂；聚氯乙烯等氯类树脂；聚醚醚酮；聚醚砜；玻璃；陶瓷；不锈钢、钛、钨、镍、铝、钢等金属材料。多孔质层可以是由这些材料构成的发泡体、烧结体、无纺布或纤维(玻璃纤维等)等。
2)由下述材料构成的高分子膜。全氟磺酸类聚合物；苯乙烯类接枝聚合物、三氟苯乙烯衍生共聚物、磺化聚芳醚、磺化聚醚醚酮、磺化聚酰亚胺、磺化聚苯并咪唑、膦化聚苯并咪唑、磺化聚磷腈等烃类聚合物等电解质膜材料。这些高分子膜作为三维连接的高分子间的间隙，具有纳米级的细孔。
以上列举的材料中，将防水性材料作为基材使用时，通过导入亲水性官能团等方法实施亲水化处理，提高细孔表面对水的湿润性，从而可将接触角调节到小于70度。
夹层11的厚度没有特别限定，从燃料电池薄型化的角度出发，优选为20~500μm，进一步优选50~200μm。
构成本发明的燃料电池的燃料电池单电池101也可不具有夹层11。这种情况下，在流路板10的阳极2侧表面上直接层叠气液分离层12，以覆盖单电池内燃料流路10a。根据该构成，即使因发电时的温度上升而从液体燃料中的溶存气体产生气泡，也可将其推出到气化燃料收容部9a侧，因此可防止该气泡堵塞单电池内燃料流路10a。另一方面，当设置夹层11时，如上所述，优选使用泡点较低的材料，或者将用于排出上述气泡的路径设置在燃料电池单电池内(例如连通单电池内燃料流路10a末端和燃料电池单电池外的路径等)。
(第2夹层)
当燃料电池单电池101具有夹层11时，可在夹层11(以下也称为第1夹层11)和气液分离层12之间介入第2夹层13。图18表示具有第2夹层13的燃料电池单电池的一例。图18所示的燃料电池单电池201除了在第1夹层11和气液分离层12之间具有第2夹层13以外，和图2所示的燃料电池单电池101相同。图19是表示燃料电池单电池201中使用的第2夹层13的概要俯视图。
第2夹层13是具有可透过液体燃料的、在厚度方向上贯通的贯通孔的层，起到至少使第1夹层11和气液分离层12密接性良好地面接合的作用，优选具有调节(限制)到气液分离层12侧的液体燃料透过量的功能。作为第2夹层13例如可使用图19所示的、具有在厚度方向贯通的贯通孔的非多孔性片材(薄膜)，其材料例如优选热塑性树脂。使用该材料，通过热压由第1夹层/第2夹层/气液分离层构成的层叠体，而可密接性良好地面接合各层之间。作为第2夹层13具有在厚度方向贯通的贯通孔并具有可进行面接合的非多孔性片材的燃料电池单电池具有以下优点。
(i)经由第2夹层13可密接性良好地接合第1夹层11和气液分离层12，因此副产气体不会滞留在第1夹层11和气液分离层12之间，可抑制气液分离层12面内的气化燃料透过量的不均，从而可对阳极2进行均匀的燃料供给。
(ii)通过第2夹层13上形成的贯通孔的个数、孔径，可将向气液分离层12侧的液体燃料透过量、及向阳极的气化燃料供给量调节(限制)为适当的量。这样一来，可防止或抑制燃料的交叉，实现燃料供给的稳定化。贯通孔的个数没有特别限定，优选存在多个，从使气液分离层12面内的气化燃料透过量均匀的角度出发，优选使贯通孔在第2夹层13面内均匀分布。贯通孔的孔径(直径)例如可以是0.1~5mm左右。
除了上述热塑性树脂片材外，第2夹层13例如也可由以下材料形成。
1)由具有粘接性的树脂或树脂组成物形成的多孔质层，例如由热熔类粘接剂、硬化型粘接剂等粘接剂形成的多孔质层。当使用该粘接剂时，第2夹层13是粘接剂层，即由该粘接剂或其硬化物构成的多孔质层。向气液分离层12侧的液体燃料透过量由多孔质层具有的细孔调节(限制)。
2)含有具有在厚度方向贯通的贯通孔、优选为非多孔性的金属板的材料。此时，在金属板的两面形成粘接剂层，以确保与第1夹层11及气液分离层12的良好的密接性，因此第2夹层13是粘接剂层/金属板/粘接剂层的三层结构。粘接剂层是由粘接剂或其硬化物构成的多孔质层。粘接剂可以是热熔类粘接剂、硬化型粘接剂等。向气液分离层12侧的液体燃料透过量，和热塑性树脂片材时一样，可通过金属板上形成的贯通孔的个数、孔径来调节(控制)。粘接剂层优选不堵塞贯通孔地形成。
(阴极保湿层及阳极保湿层)
阴极保湿层8配置在阴极3上，优选配置在阴极集电层6上，是为了防止阴极3产生的水从阴极3侧散发到燃料电池单电池而任意设置的层。通过设置阴极保湿层8，可使阴极3中产生的水不散发到燃料电池单电池外部，而经由电解质膜1有效地返回到阳极2，有效利用于阳极2中的反应。
阳极保湿层7配置在阳极2或者阳极集电层5与气化燃料收容部9a之间，是为了防止阳极2内的水分从阳极2侧散发到膜电极复合体外(例如气化燃料收容部9a)、保持在阳极2内而任意设置的层。通过设置阳极保湿层7，可使在阴极3产生并经由电解质膜1到达阳极2的水不散发到膜电极复合体外，而良好地保持在阳极2内。这样一来，该水有效利用于阳极2中的反应，所以可提高阳极2中的反应效率，稳定发挥较高的发电特性。尤其是通过与阴极保湿层8并用，可更有效地获得该效果。
并且，阴极保湿层8及阳极保湿层7的设置，在防止电解质膜1干燥、及随之的单电池电阻的增大和发电特性的下降的方面也较有效。
阴极保湿层8及阳极保湿层7由以下材料构成：具有可透过气化燃料或来自燃料电池外部的氧化剂(空气等)的透气性，不溶于水，且具有保湿性(不散发水的性质)的材料。具体而言可是由以下材料构成的多孔性膜(多孔质层)：聚偏氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)等氟类树脂；丙烯酸类树脂；聚乙烯、聚丙烯等聚烯烃类树脂；聚对苯二甲酸乙二醇酯等聚酯类树脂；聚氨酯类树脂；聚酰胺类树脂；聚缩醛类树脂；聚碳酸酯类树脂；聚氯乙烯等氯类树脂；聚酯类树脂；聚亚苯基类树脂；进行了防水化处理的硅树脂等。这些保湿层可以是由上述高分子构成的发泡体、纤维束、纺纤维、无纺纤维、或者它们的组合等。
阴极保湿层8优选具有可透过来自燃料电池外部的氧化剂(空气等)的透气性、且具有保湿性(不散发水的性质)，因此其孔隙率优选30%以上90%以下，进一步优选50%以上80%以下。当孔隙率超过90%时，可能难以将阴极3产生的水保持在燃料电池单电池内。另一方面，当孔隙率小于30%时，妨碍了来自燃料电池外部的氧化剂(空气等)的扩散，阴极3中的发电特性容易下降。
阳极保湿层7优选具有可透过气化燃料或在催化剂层生成的副产气体(CO2气体等)等的透气性、且具有保湿性(不散发水的性质)，因此其孔隙率优选50%以上90%以下，进一步优选60%以上80%以下。当孔隙率超过90%时，可能难以将通过阴极3产生并经由电解质膜1到达阳极2的水保持在膜电极复合体内。另一方面，当孔隙率小于50%时，妨碍了气化燃料及在催化剂层生成的副产气体(CO2气体等)等的扩散，阳极2中的发电特性容易下降。
阴极保湿层8及阳极保湿层7的孔隙率可如下计算：测定该保湿层的容积和重量，求出该保湿层的比重，根据其与材料的比重，通过下式(2)求出。
孔隙率(%)＝{1-(保湿层的比重/材料比重)}×100    (2)
阴极保湿层8及阳极保湿层7的厚度没有特别限定，为充分体现上述功能，优选为20μm以上，更优选为50μm以上。并且，从燃料电池薄型化的角度出发，优选为500μm以下，更优选为300μm以下。
阴极保湿层8及阳极保湿层7希望并不具有以下的性质：自身具有较高的吸收性，一旦取入吸收的液状水就不排出到外部。因此优选具有防水性。从这一角度出发，阴极保湿层8及阳极保湿层7在上述材料中优选由以下材料构成的多孔质膜(多孔质层)：聚偏氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)等氟类树脂；进行了防水化处理的硅树脂等。具体而言，例如是作为由聚四氟乙烯构成的多孔质薄膜的日东电工(株)制造的テミツシユ(TEMISH(注册商标))的“NTF2026A-N06”、“NTF2122A-S06”。
阳极保湿层7优选：在阳极2上配置阳极集电层5，以与该阳极集电层5接触的方式层叠在阳极集电层5上。这样一来，可更有效地防止阳极2内的水分散发到膜电极复合体外。
此外，阴极保湿层8及阳极保湿层7根据需要设置，可省略其中的至少任意一个。
(2)燃料分配部
燃料分配部150是用于将通过导入口151导入的液体燃料分配到各燃料电池单电池的、独立于燃料电池单电池101的部件，在其内部具有与各单电池内燃料流路10a连接的单电池外燃料流路155。因此，在阳极的正下方区域将遍布液体燃料的燃料流路(单电池内燃料流路)作为燃料电池单电池的一部分组装到燃料电池单电池内，另一方面使用于向各燃料电池单电池分配液体燃料的燃料流路(单电池外燃料流路)由独立于燃料电池单电池的部件形成，从而可实现燃料电池单电池的模块化。
单电池外燃料流路155例如如图3所示，可由与例如设置在上面等的导入口151连接的主流路152、及连接主流路152和各单电池内燃料流路的支流路153构成。燃料分配部150可仅具有一个导入口151，也可具有2个以上。并且，燃料分配部150也可是箱体这样的中空部件，例如在上面等设置导入口151，在和燃料电池单电池结合的侧面设置与各单电池内燃料流路连接的贯通孔(中空部分相当于主流路，贯通孔相当于支流路)。
燃料分配部150的外形形状没有特别限定，考虑适用的电子设备具有的燃料电池收容空间的形状、面积、模块(燃料电池单电池)的个数、排列方式等，而设为适当的形状。燃料分配部150可由各种塑料材料、金属材料、合金材料等构成。
导入口151通常经由流路与贮存液体燃料的燃料箱(未图示)连接。从燃料箱向单电池外燃料流路及单电池内燃料流路的燃料供给通常使用送液泵进行，但也可是不使用送液泵等辅助设备的被动供给。
(3)燃料电池单电池和燃料分配部的结合
例如，如图1~图4的实施方式所示，将单电池内燃料流路10a的入口端部全部配置在线状的燃料电池单电池集合体110中的同一侧面X，并且将燃料分配部150具有的单电池外燃料流路155的出口端部全部配置在燃料分配部150的同一侧面Y，以使侧面X和侧面Y相对的方式将燃料分配部150配置在线状的燃料电池单电池集合体的侧方时，根据需要在单电池内燃料流路10a和单电池外燃料流路155的连接部分夹持衬垫等(也可是双面胶带等)，通过利用螺钉紧固等，可结合燃料电池单电池和燃料分配部。
并且，使用图8所示的流路板10时，在燃料分配部150中的配置了单电池外燃料流路155的出口端部的部分，将流路板10中的配置了单电池内燃料流路10a的入口端部的部分，根据需要在单电池内燃料流路10a和单电池外燃料流路155的连接部分经由衬垫等(也可是双面胶带等)而重叠，并通过利用螺钉紧固等，可结合燃料电池单电池和燃料分配部。
(4)燃料电池的类型
本发明的燃料电池可以是固体高分子型燃料电池或者直接醇型燃料电池等，尤其优选直接醇型燃料电池(尤其是直接甲醇型燃料电池)。作为在本发明的燃料电池中可使用的液体燃料，例如包括：甲醇、乙醇等醇类；二甲氧基甲烷等缩醛类；蚁酸等羧酸类；蚁酸甲酯等酯类；以及它们的水溶液。液体燃料不限为一种，也可是2种以上的混合物。从低成本、单位体积的高能量密度、高发电效率等角度出发，优选使用甲醇水溶液或纯甲醇。并且，作为提供到阴极的氧化剂气体，优选空气或氧气，尤其优选空气。
本发明的燃料电池优选作为电子设备、尤其是以移动电话、电脑记事本、笔记本型个人计算机为代表的移动设备等小型电子设备用的电源使用。
(示例)
以下列举实施例更详细地说明本发明，但本发明不限于此。
(实施例1)
通过以下步骤制造图20所示的结构的燃料电池。图20是和图3同样的概要截面图，表示单电池外燃料流路及单电池内燃料流路的形状。本实施例中制造的平面集成型燃料电池，除了含有2个由线状排列的4个燃料电池单电池构成的单电池列以外，和图5所示的燃料电池相同。这些单电池列分别结合到燃料分配部150的相对的2个侧面。为了能够连接到2个单电池列的单电池内燃料流路，单电池外燃料流路155具有从主流路152延伸到该两个侧面的支流路153。在本实施例中使用的燃料电池单电池101的单电池结构和图2所示的结构相同。
(1)膜电极复合体的制造
将Pt承载量32.5重量%、Ru承载量16.9重量%的催化剂承载碳粒子(TEC66E50，田中贵金属公司制造)、作为电解质的20重量%的Nafion(注册商标)的醇溶液(アルドリツチ/Aldrich公司制造)、正丙醇、异丙醇、以及氧化锆球，以预定的比例加入到氟类树脂制的容器，使用搅拌机以500rpm进行50分钟的混合，从而制造出阳极用的催化剂膏。并且，除了使用Pt承载量46.8重量%的催化剂承载碳粒子(TEC10E50E，田中贵金属公司制造)以外，和阳极用的催化剂膏同样地制造阴极用的催化剂膏。
接着，将在单面形成了具有防水性的多孔质层的碳纸(25BC，SGL公司制造)以纵35mm、横40mm切断后，在其多孔质层上以使催化剂承载量为约3mg/cm2的方式使用具有纵30mm、横35mm的窗口的丝网印刷板涂布上述阳极用催化剂膏并使之干燥，从而制造出在作为阳极导电性多孔质层的碳纸的中央形成有阳极催化剂层的、厚约200μm的阳极2。并且，在相同尺寸的碳纸的多孔质层上以使催化剂承载量为约1mg/cm2的方式使用具有纵30mm、横35mm的窗口的丝网印刷板涂布上述阴极用催化剂膏并使之干燥，从而制造出在作为阴极导电性多孔质层的碳纸的中央形成有阴极催化剂层的、厚约70μm的阴极3。
接着，将厚约175μm的全氟磺酸类离子交换膜(Nafion(注册商标)117，杜邦公司/DuPont制造)切断为纵35mm、横40mm，形成电解质膜1，按照上述阳极2、电解质膜1、上述阴极3的顺序使各自的催化剂层与电解质膜1相对地重合后，进行130℃、2分钟的热压，将阳极2及阴极3接合到电解质膜1。上述重合以使阳极2和阴极3的电解质膜1的面内位置一致、且使阳极2、电解质膜1及阴极3的中心一致的方式进行。接着，通过切断获得的层叠体的外周部，制造出纵22mm、横26mm的膜电极复合体(MEA)4。
(2)集电层的层叠
准备纵26.5mm、横27mm、厚0.1mm的不锈钢板(NSS445M2、日新制钢公司制造)，在其中央区域通过使用了光敏抗蚀剂掩模的湿蚀刻法从双面加工孔径φ0.6mm的多个开孔(开孔图案：锯齿60°，间距0.8mm)，从而制造2张具有多个在厚度方向贯通的贯通孔的不锈钢板，将它们作为阳极集电层5及阴极集电层6。
接着，将上述阳极集电层5经由由碳粒子和环氧树脂构成的导电性粘接剂层层叠到阳极2上，并且将阴极集电层6经由同样的导电性粘接剂层层叠到阴极3上，通过热压将它们接合，制造出MEA-集电层叠体。
(3)保湿层的接合
作为阳极保湿层7及阴极保湿层8，准备2个由聚四氟乙烯构成的多孔质薄膜(日东电工(株)制造的“テミツシユ(TEMISH(注册商标))NTF2122A-S06”，纵22mm、横26mm、厚0.2mm、孔隙率75%)。将该保湿层经由由聚烯烃构成的粘接剂层层叠在MEA-集电层叠体的阳极集电层5及阴极集电层6上，并通过热压将它们接合。这些保湿层配置在MEA的正上或正下方地接合。
(4)夹层和气液分离层的接合
作为夹层11，使用纵26.5mm、横27mm、厚0.1mm的由聚偏氟乙烯构成的多孔质薄膜(MILLIPORE制造的デユラポアメンブレンフルタ一/Durapore Membrane Filter)。该多孔质薄膜相对于水的接触角小于70度。并且，该多孔质薄膜具有的细孔的最大细孔直径为0.1μm，并且基于JIS K 3832的泡点在测定介质是甲醇时，为115kPa。
并且，作为气液分离层12使用纵26.5mm、横27mm、厚0.2mm的由聚四氟乙烯构成的多孔质薄膜(日东电工(株)制造的“テミツシユ(TEMISH(注册商标))NTF2122A-S06”)。该多孔质薄膜相对于水的接触角为120度左右。该多孔质薄膜的基于JIS K 3832的泡点在测定介质是甲醇时，为18kPa。
在上述夹层11上层叠气液分离层12，用粘接剂接合所有侧面的层边界部。
(5)气化燃料板的接合
通过蚀刻加工，制造具有图17A及17B所示的形状的纵26.5mm、横27mm、厚0.2mm的SUS制的气化燃料板99(连通路径99b及连接路径99c、99d全部由槽(凹部)构成)。贯通口99a的开口率为4个共计63%，连通路径99b的截面积的2个合计与气化燃料板侧面的总面积之比为0.04。在和气化燃料板99的槽形成面相反侧的面上，层叠上述夹层11和气液分离层12的接合体，以使其气液分离层12侧与气化燃料板99相对，并通过热压而将它们接合。
(6)流路板的接合
准备设置了具有图20所示的流路图案的单电池内燃料流路10a(流路宽度1.5mm、深度0.4mm)的、纵26.5mm、横27mm、厚0.6mm的SUS制的流路板10。在气化燃料板99/气液分离层12/夹层11的接合体的夹层11上，经由聚烯烃类粘接剂层叠了流路板10后，进行热压，从而将该接合体和流路板10接合。
(7)燃料电池单电池的制造
在气化燃料板99上层叠以上制造的具有保湿层的MEA-集电层层叠体，通过热压将它们接合。最后在端面涂布环氧树脂并使之硬化，从而形成密封层，而获得燃料电池单电池101。制造出共8个燃料电池单电池101。
(8)燃料分配部的制造
制造出由聚苯硫醚(PPS)构成的、具有图21所示的外形形状(外形纵56mm、横110mm、高50mm)、并在中央的凸部形成了图20所示的图案的单电池外燃料流路155的燃料分配部150。在凸部上面的长度方向中央部形成导入口151。导入口151是与单电池外燃料流路155的主流路152连通的贯通口。
(9)平面集成型燃料电池的制造
如图20所示，结合8个燃料电池单电池101和燃料分配部150(使螺孔一致)，制造出平面集成型燃料电池。结合如下进行：为防止单电池内燃料流路和单电池外燃料流路的连接部处的液体泄漏，在燃料电池单电池-燃料分配部之间配置双面胶带，进一步通过螺钉进行紧固(图20中的○表示螺孔)。
(燃料电池的发电特性评估)
将甲醇浓度20M的甲醇水溶液作为燃料，使用送液泵从导入口151向单电池外燃料流路155、进一步向单电池内燃料流路10a进行燃料供给，使燃料电池发电，测定发电开始后2000秒为止的输出电压的变化。结果如图22所示。取出电流值从发电开始阶段性变大，在发电开始后约250秒~发电开始后约1750秒中，为0.3A的恒定电流。如图22所示，输出电压在0.3A的恒定流运行时，稳定为3V以上的值，确认了具有良好的发电特性。

Claims (9)

1.一种燃料电池，具有：
燃料电池单电池集合体，将包括膜电极复合体及流路板的2个以上的燃料电池单电池配置在同一平面上而成，上述膜电极复合体依次具有阳极、电解质膜及阴极，上述流路板配置在上述阳极侧、且在阳极侧表面配置有用于使液体燃料流通的单电池内燃料流路；和
燃料分配部，具有单电池外燃料流路，该单电池外燃料流路与各上述单电池内燃料流路连接，而向各燃料电池单电池分配上述液体燃料。
2.根据权利要求1所述的燃料电池，其中，
上述燃料分配部具有用于导入上述液体燃料的导入口，
上述单电池外燃料流路由与上述导入口连接的主流路、以及连接上述主流路和各单电池内燃料流路的支流路构成。
3.根据权利要求1所述的燃料电池，其中，上述燃料电池单电池集合体由线状排列的2个以上的燃料电池单电池构成。
4.根据权利要求3所述的燃料电池，其中，
上述2个以上的燃料电池单电池具有的单电池内燃料流路的与上述单电池外燃料流路连接的所有端部，配置在上述燃料电池单电池集合体的同一侧面，
上述燃料分配部具有的单电池外燃料流路的与上述单电池内燃料流路连接的所有端部，配置在上述燃料分配部的同一侧面，
上述燃料分配部被配置成使上述燃料电池单电池集合体的上述侧面和上述燃料分配部的上述侧面相对。
5.根据权利要求3所述的燃料电池，其中，
上述2个以上的燃料电池单电池具有的单电池内燃料流路的与上述单电池外燃料流路连接的所有端部，配置在上述流路板的同一主面，
上述燃料分配部具有的单电池外燃料流路的与上述单电池内燃料流路连接的所有端部，配置在上述燃料分配部的同一面，
上述燃料分配部以在其单电池外燃料流路的上述端部上配置上述单电池内燃料流路的上述端部的方式部分层叠在上述流路板上。
6.根据权利要求1所述的燃料电池，其中，
上述燃料电池单电池还具有：
气液分离层，配置在上述膜电极复合体和上述流路板之间，能够透过上述液体燃料的气化成分；和
夹层，以覆盖上述单电池内燃料流路的方式配置在上述气液分离层和上述流路板之间，相对于水的接触角小于70度。
7.根据权利要求1所述的燃料电池，其中，上述燃料电池单电池还具有气液分离层，该气液分离层以覆盖上述单电池内燃料流路的方式配置在上述流路板中的阳极侧表面上，能够透过上述液体燃料的气化成分。
8.根据权利要求1所述的燃料电池，其中，上述燃料电池单电池还具有：层叠在上述阳极上的阳极集电层；和层叠在上述阴极上的阴极集电层。
9.根据权利要求1所述的燃料电池，是直接醇型燃料电池。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104527247A (zh) * 2014-01-03 2015-04-22 华东理工大学 基于丝网印刷技术的微流体燃料电池组微电路制备方法
CN106471655A (zh) * 2014-06-24 2017-03-01 松下电器产业株式会社 气体扩散电极、电化学装置以及燃料电池

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013200972A (ja) * 2012-03-23 2013-10-03 Fujikura Ltd ダイレクトメタノール型燃料電池

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1519967A (zh) * 2002-11-28 2004-08-11 株式会社东芝 直接型燃料电池发电装置
CN1954451A (zh) * 2004-05-14 2007-04-25 株式会社东芝 燃料电池
CN101755360A (zh) * 2007-07-23 2010-06-23 株式会社东芝 燃料电池

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6127058A (en) * 1998-10-30 2000-10-03 Motorola, Inc. Planar fuel cell
KR100623257B1 (ko) 2002-02-14 2006-09-13 히다치 막셀 가부시키가이샤 액체 연료전지
JP4137660B2 (ja) 2002-02-14 2008-08-20 日立マクセル株式会社 液体燃料電池
US20060046126A1 (en) 2004-08-26 2006-03-02 Osamu Kubota Fuel cell and information terminal carrying the same
JP2006093119A (ja) 2004-08-26 2006-04-06 Hitachi Ltd 燃料電池、及びその燃料電池を搭載した情報端末

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1519967A (zh) * 2002-11-28 2004-08-11 株式会社东芝 直接型燃料电池发电装置
CN1954451A (zh) * 2004-05-14 2007-04-25 株式会社东芝 燃料电池
CN101755360A (zh) * 2007-07-23 2010-06-23 株式会社东芝 燃料电池

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104527247A (zh) * 2014-01-03 2015-04-22 华东理工大学 基于丝网印刷技术的微流体燃料电池组微电路制备方法
CN104527247B (zh) * 2014-01-03 2017-03-22 华东理工大学 基于丝网印刷技术的微流体燃料电池组微电路制备方法
CN106471655A (zh) * 2014-06-24 2017-03-01 松下电器产业株式会社 气体扩散电极、电化学装置以及燃料电池

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