CN1988237B - 直接型燃料电池和直接型燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

一种直接型燃料电池，即使在低空气流速下使用高浓度燃料的操作条件下，仍具有出色的放电性能。阳极包括一个面对燃料通道的阳极一侧扩散层和一个与电解质薄膜相连的阳极一侧催化剂层。阴极包括一个面对空气通道的阴极一侧扩散层和一个与电解质薄膜相连的阴极一侧催化剂层。面对燃料通道的阳极一侧扩散层的一个表面，或面对燃料通道的阳极一侧扩散层的表面区域和面对空气通道的阴极一侧扩散层的表面区域的这两个表面区域，具有的渗透润湿性临界表面张力为在22～40mN/m的范围内。

Description

直接型燃料电池和直接型燃料电池系统
技术领域
本发明涉及一种直接使用燃料而不将其转变为氢的直接型燃料电池，以及包括该燃料电池的系统。
背景技术
最近，便携式小型电子产品例如移动电话、个人数字助理(PDA)、笔记本电脑、以及摄影机变得越来越复杂，同时对这些电子产品的电力消耗及电力维持时间的要求不断增长。为了解决这些问题，这些电子产品的电源需要具有更高的能量密度。近来，这些电子产品的电源主要使用锂离子蓄电池，但是预计到2006年左右，锂电池将达到其能量密度极限，即600Wh/L左右。作为一种可代替锂离子蓄电池的能源，人们希望使用聚合物电解质薄膜的燃料电池能够尽早进入实用领域。
在燃料电池中，直接型燃料电池(例如，直接型甲醇燃料电池)由于具有较高的理论能量密度，能够使用易于储存的有机燃料，而且能够简化整个系统，而受到了人们的关注。直接型燃料电池可以通过直接提供燃料给阳极而发电，不需要将燃料转变为氢并且氧化燃料。
直接型燃料电池具有一个由被夹在阳极和阴极之间的聚合物电解质薄膜组成的薄膜电极组合件(MEA)。阳极和阴极均包含催化剂层和扩散层。MEA被夹在隔板之间。在直接型甲醇电池中，甲醇或甲醇水溶液被作为燃料提供到阳极一侧隔板的燃料通道，而空气则被提供到阴极一侧隔板的空气通道。直接型甲醇燃料电池的电极反应如下：
阳极：CH3OH+H2O→CO2+6H++6e-
阴极：3/2O2+6H++6e-→3H2O
在阳极，甲醇和水反应生成二氧化碳、质子和电子。在阳极产生出的质子通过电解质薄膜迁移到阴极。在阴极，这些质子和氧气与经过外侧回路的电子结合产生水。
为了将甲醇燃料电池投入到实际应用中，就需要考虑以下问题。
第一个问题是“甲醇穿越现象”，指的是这样一种现象：被提供到燃料通道的甲醇通过电解质薄膜迁移到阴极而没有反应。从其质子导电性、耐热性和耐酸性考虑，使用包含全氟磺酸的离子交换薄膜作为直接型甲醇燃料电池的电解质薄膜。这种类型的电解质薄膜是由疏水性聚四氟乙烯(PTEE)主链以及末端具有亲水性磺酸基团的全氟基团侧链组成的。由于甲醇同时具有亲水和疏水的部分，所以容易通过电解质薄膜。
甲醇穿越现象不仅降低了燃料的利用率也降低了阴极的电势。因此，如果穿越现象加剧的话，放电性能就会大幅下降。随着燃料中甲醇浓度的增大，甲醇穿越现象会有加重的趋势。因此，现在使用的甲醇溶液中的甲醇浓度约为2～4mol/L。使用如此低浓度的燃料，对减小燃料电池系统的体积来说是一个很大的障碍。
因此，为了减少甲醇穿越现象，人们已经提出了很多改进建议，例如，开发新的电解质薄膜，以及改进阳极一侧催化剂层和扩散层。
例如，日本专利申请第2002-110191号提出了通过在燃料通道上游抑制甲醇穿越，并且在燃料通道下游提供不足量的甲醇，从而将燃料均匀提供给阳极。为了达到这一目的，需要使甲醇在阳极一侧扩散层中的渗透系数远大于燃料通道下游的渗透系数。阳极一侧扩散层包含一层基体层例如炭纸以及在炭纸上形成的混合层，并且混合层包含炭黑和聚四氟乙烯。该申请书提出一些方法，例如，降低混合层的厚度、聚四氟乙烯的数量、或炭黑的憎水，或增加混合层沿着燃料流动方向的小孔数。
第二个问题是防止阴极被水堵塞(溢流)以及MEA的干燥。在直接型甲醇燃料电池的阴极具有大量的水，包括发电时产生的水、穿越的甲烷在催化剂燃烧反应时产生的水、以及穿越的水。这些水由于在阴极的小孔内侧凝聚而堵塞了空气通道。因此，当通过使用小型空气泵、鼓风机、或类似设备将少量空气提供到阴极时，空气的供给受到了阻碍。因此，在高电流密度时，发电的稳定性被大幅削弱。这种阴极被水堵塞的问题可以通过例如提供大量的空气来进行抑制。然而，为了提供大量的空气，就必需使用大型的空气泵或鼓风机，同时增加它们的驱动功率。此外，如果提供过量的空气，则包含在电解质薄膜中的聚合物电解质以及MEA中的催化剂层会变干。结果是，MEA的质子导电性下降，从而导致放电性能大幅下降。
为了以较高的电流密度持续发电，日本专利申请第2002-247091号提出使阳极扩散层亲水化并且使阴极扩散层疏水化。该申请书进一步提出在催化剂层和扩散层之间形成一层衬层。该衬层具有适合于阳极或阴极的特性，并且其中包含导电炭黑粉末和粘合剂。
另外，日本专利申请第2002-289200号和第2002-289201号提出将一种包含金属氧化物的保水性成分分散到催化剂层或扩散层的小孔中。
通过使用高浓度的甲醇溶液并且降低空气流通速率，可以使燃料电池更加紧凑，更加轻便，并且具有更长的使用时间。然而，在这样的操作条件下，由于上述传统的提议而难以在提供出色放电性能的同时又不降低燃料的使用效率。
在日本专利申请第2002-110191号中提出，在阳极一侧扩散层的催化剂层一侧形成一层炭黑和聚四氟乙烯的混合层。在日本专利申请第2004-247091号中提出，使阳极一侧扩散层本身具有亲水性。因此可以认为，阳极一侧扩散层面对燃料通道的表面具有较高的渗透润湿性。例如，预期其渗透润湿性临界表面张力为50mN/m或更高。因此，如果提供的是高浓度的甲醇溶液，那么在扩散层厚度方向上的移动的燃料量在燃料通道上游会显著增大。此外，如果提供与发电所需的消耗量非常接近的少量的高浓度甲醇溶液，燃料通道下游的燃料量会变得不足，因此造成放电性能大幅减弱。
另外，在日本专利申请第2002-110191号和第2002-247091号的燃料电池中，由于在阳极一侧存在混合层和衬层，所以作为反应产物的二氧化碳的排放率会下降。因此，在高电流密度时的放电性能可能会下降。
此外，日本专利申请第2002-247091号没有提出一个特别的方法来解决当空气流量较低时发生的阴极被水堵塞问题。
日本专利申请第2002-289200号和第2002-289201号试图通过控制催化剂层和扩散层的保水性，从而解决阴极被水堵塞的问题，以及以氢作为燃料的聚合物电解质燃料电池中的MEA干燥的问题。因此，这些申请书并不是针对在阴极存在大量水的直接型燃料电池。
发明内容
综上所述，本发明的目的在于保证将燃料均衡地提供给整个催化剂层，减少燃料的穿越现象，并且提高二氧化碳(反应产物)的排放率，或抑制阴极被水堵塞问题。根据本发明，即使在使用高浓度燃料并且空气流速较低的操作条件下，也能抑制燃料使用率的下降。而且，本发明可以提供一种具有出色放电性能的直接型燃料电池，以及包括该燃料电池的系统。
本发明涉及一种直接型燃料电池，包括：
薄膜电极组合件，包括阳极、阴极、以及插在所述阳极和所述阴极之间的电解质薄膜；
具有面对所述阳极的凹槽的阳极一侧隔板，所述凹槽作为燃料通道使用；以及
具有面对所述阴极的凹槽的阴极一侧隔板，所述凹槽作为空气通道使用，
其特征在于，所述阳极包括一个面对所述燃料通道的阳极一侧扩散层和一个与所述电解质薄膜相连的阳极一侧催化剂层，
所述阴极包括一个面对所述空气通道的阴极一侧扩散层和一个与所述电解质薄膜相连的阴极一侧催化剂层，
所述阳极一侧扩散层面对所述燃料通道的表面区域，或所述阳极一侧扩散层面对所述燃料通道的表面区域和所述阴极一侧扩散层面对所述空气通道的表面区域这两个表面区域，具有的渗透润湿性临界表面张力为22～40mN/m。
面对燃料通道的阳极一侧扩散层表面和面对空气通道的阴极一侧扩散层表面中至少有一个表面的气体渗透率优选为200～1000cc/(cm2minkPa)。
面对燃料通道的阳极一侧扩散层表面和面对空气通道的阴极一侧扩散层表面中的至少一个表面优选具有多孔表面层(扩散表面层)，并且扩散表面层包括憎水树脂微粒和憎水粘合剂。
憎水树脂微粒优选大量存在于扩散表面层的表面(隔板一侧)，而其内侧(例如，扩散层的基体一侧)相对较少。这里的扩散层基体指的是形成扩散层结构的组份而不包括扩散表面层的部分。
阳极一侧隔板的凹槽表面和阴极一侧隔板的凹槽表面中的至少一个表面优选具有的与水的接触角为120°或更大。
阳极一侧隔板的凹槽表面和阴极一侧隔板的凹槽表面中的至少一个表面优选具有表面层(凹槽表面层)，并且该凹槽表面层优选包含憎水树脂微粒和憎水粘合剂。
憎水树脂微粒优选大量存在于凹槽表面层的表面(扩散层一侧)，而其内侧(例如，隔板的基体一侧)相对较少。这里的隔板基体指的是形成隔板结构的组份而不包括凹槽表面层的部分。
扩散表面层优选具有小孔，而且这些小孔具有不规则的内壁。
而且，凹槽表面层优选具有小孔，而且这些小孔具有不规则的内壁。
本发明同时适用于直接型燃料电池系统，包括：上述直接型燃料电池；用于向该直接型燃料电池提供燃料的燃料供给单元；以及用于向直接型燃料电池提供空气的空气供给单元。燃料供给单元可以将提供给直接型燃料电池的燃料量设为发电所需的燃料消耗的1.1～1.2倍。
空气供给单元优选可以将提供给直接型燃料电池的空气量设为发电所需的空气消耗的3～20倍。
根据本发明，能够确保将燃料均匀地提供给整个催化剂层，减少燃料的穿越现象，并且提高二氧化碳(反应产物)的排放率，或抑制阴极被水堵塞问题。结果是，即使在使用高浓度燃料并且空气流速较低的操作条件下，也能抑制燃料使用率的降低，并且提供一种具有出色放电性能的直接型燃料电池。
本发明的新特点都在附加的权利要求书中加以阐明，以下将结合附图进行详细描述，使本发明的结构和内容以及其他目的和特点可以得到更好的理解和认识。
附图说明
图1为显示了根据本发明的一个实施方式的直接型燃料电池的结构的横截面图；以及
图2为根据本发明的一个实施方式的直接型燃料电池系统的示意图。
具体实施方式
根据本发明的直接型燃料电池的一个特性是面对燃料通道的阳极一侧扩散层表面的渗透润湿性临界表面张力为22～40mN/m。因此，面对燃料通道的阳极一侧扩散层表面具有低表面能的多孔状表面，所以过量的燃料难以进入扩散层的小孔。因此，即使当将高浓度的燃料提供给燃料电池时，可以控制燃料的渗透速率，从而使其均匀地透过扩散层。其结果是，由于提供过量的燃料，可以抑制燃料通道上游的穿越，并且由于对其下游的供给不足，可以抑制浓度极化。也就是说，即使当燃料电池中使用的燃料浓度高于通常使用的燃料浓度，也可以提高燃料使用率(减少燃料损耗)并且提高放电性能。
如果面对燃料通道的阳极一侧扩散层表面的渗透润湿性临界表面张力为大于40mN/m，则扩散层表面容易被燃料浸湿，从而显著提高扩散层的燃料渗透速率。因此，特别当使用高浓度燃料时，燃料的穿越现象加剧，因此造成放电性能大幅下降。另一方面，如果渗透润湿性临界表面张力小于22mN/m，则提供给催化剂层的燃料又会变得不足。这样，阳极的浓度极化加剧，因此导致放电性能下降。所以，为了均匀地将燃料提供给催化剂层，渗透润湿性临界表面张力优选为25～35mN/m。
面对燃料通道的阳极一侧扩散层表面的渗透润湿性临界表面张力优选为22～40mN/m，但是在其其他区域可以具有类似的渗透润湿性临界表面张力。
同时，面对空气通道的阴极一侧扩散层表面的渗透润湿性临界表面张力优选为22～40mN/m，并且进一步优选为25～35mN/m。这样的话，因为扩散层的表面能得到了优化，在阴极一侧扩散层的水会变成液滴，而不会形成薄膜，液滴易于在扩散层的小孔中移动。因此，即使在空气流速非常低的操作条件下，也可以抑制阴极被水堵塞。如果阴极一侧扩散层的渗透润湿性临界表面张力超过40mN/m，则阴极一侧扩散层中的水可能会形成薄膜。这样，空气的供给就受到了阻碍，从而导致在高电流密度时放电稳定性下降。另一方面，如果阴极一侧扩散层的渗透润湿性临界表面张力低于22mN/m，则扩散层的导电性(集电性能)可能会下降。
面对空气通道的阴极一侧扩散层表面的渗透润湿性临界表面张力优选为22～40mN/m，但是在其其他区域可以具有类似的渗透润湿性临界表面张力。
在本发明中，扩散层的渗透润湿性临界表面张力指的是当滴落在扩散层表面的液体的接触角大于等于90度时液体的表面张力的最小值(下限)。也就是说，扩散层的渗透润湿性临界表面张力越大，则扩散层的憎水就越小。
在本发明中，穿透润湿性临界表面张力可以被测定，举例如下。
首先，将具有已知表面张力的润湿指数标准溶液(润湿性张力测试混合物，购自WakoPure化学工业有限公司)滴落到扩散层的表面，然后测定其接触角。当扩散层表面与润湿指数标准溶液的液滴之间的接触角等于90度时，该润湿指数标准溶液的表面张力被定义为“扩散层的渗透润湿性临界表面张力”。这里的扩散层表面与液滴之间的接触角指的是润湿指数标准溶液滴落后50msec获得的数值。接触角可以通过使用例如自动接触角测试仪(Kyowa Interface Science有限公司)进行测定。
需要指出的是，第35号润湿性张力测试混合物(表面张力为35mN/m)，例如，包含乙二醇单乙醚和甲醛。
面对燃料通道的阳极一侧扩散层表面的气体渗透率优选为200～1000cc/(cm2minkPa)，并且进一步优选为400～800cc/(cm2minkPa)。这样可以提高二氧化碳(反应产物)的排放率。如果气体渗透率小于200cc/(cm2minkPa)，则二氧化碳的排放率会下降，从而可能导致在高电流密度时放电性能下降。另一方面，如果气体渗透率大于1000cc/(cm2minkPa)，则扩散层的多孔性会变得过高，从而可能导致扩散层的导电性(集电性能)下降。
同时，面对空气通道的阴极一侧扩散层表面的气体渗透率优选为200～1000cc/(cm2minkPa)，并且进一步优选为400～800cc/(cm2minkPa)。这样可以提高进入扩散层的空气渗透性。如果气体渗透率小于200cc/(cm2minkPa)，则高浓度时的放电性能可能会下降。另一方面，如果气体渗透率大于1000cc/(cm2minkPa)，则电解质薄膜可能会变干，从而可能会降低其质子导电性或降低扩散层的电子导电性。
气体渗透率可以通过使用例如孔径分布测定计(购自Porous Materials公司)进行测定。
当空气压差增大时，测定单位时间内通过单位面积扩散层的空气的渗透流量，并且获得渗透流量的变化率作为气体渗透率。
扩散层优选由具备出色的燃料渗透性、发电时产生的二氧化碳的排放率、以及导电性的材料制成。例如，可以使用导电多孔材料例如炭纸或炭布作为扩散层或其基体。
面对燃料通道的阳极一侧扩散层表面和面对空气通道的阴极一侧扩散层表面中的至少一个表面的气体渗透率优选为多孔表面层(扩散表面层)。扩散表面层优选包含憎水树脂微粒和憎水粘合剂。
当扩散层具有该表面层时，其渗透润湿性临界表面张力和气体渗透率就能易于控制。由于在阳极一侧或阴极一侧扩散层的表面存在憎水树脂微粒，扩散层的表面密度(单位体积的表面积)会增大。这意味着扩散表面层具有高憎水(表面能很低)的多孔结构。在这种情况下，扩散层的渗透润湿性临界表面张力和气体渗透率主要依赖于扩散表面层的表面性能、多孔结构和厚度。
被提供到燃料电池中的燃料通过阳极一侧扩散层的整个表面进行渗透。当阳极一侧扩散层具有上述扩散表面层时，燃料通道上游过多的渗透就可以得到抑制，从而能够易于均匀地控制燃料在阳极一侧扩散层中的渗透速率。同时，扩散表面层也不会干扰阳极反应产物二氧化碳的排出。
当阴极一侧扩散层具有扩散表面层时，在阴极一侧扩散层中的水更易于变为水滴，从而使水易于在扩散层的小孔中移动。因此，即使在低空气流速的操作条件下，阴极被水堵塞的现象也可以得到抑制。此外，由于多孔结构以及抑制水堵塞现象的效果，扩散表面层不会干扰阴极一侧的空气的渗透性。因此，可以制得特别在高电流密度时仍具有出色放电性能的直接型燃料电池。
综上所述，扩散层优选包含一层基体和一层在其上形成的扩散表面层，并且该扩散表面层包含憎水树脂微粒和憎水粘合剂。在扩散表面层中，憎水树脂微粒和憎水粘合剂的重量比优选为95∶5～60∶40，从而可以保证扩散表面层的微孔状态，并且防止微粒脱落。当扩散表面层由微粒组成时，扩散表面层上的小孔是由大量源自于颗粒形状的不规则表面(不规则碎片形)的内壁形成的。当扩散层具有由不规则内壁形成的小孔时，可以进一步提高憎水，并且获得更好的憎水性能。
可以在扩散层的单面或双面形成扩散表面层。然而，当只形成单面时，该扩散表面层应该形成在扩散层的隔板一侧。
扩散表面层中含有的憎水树脂微粒优选含有具有化学稳定性的碳-氟(C-F)键碳氟化合物。这样一来，扩散表面层变得具有憎水性。如果具有上述C-F键的话，憎水树脂微粒中包含的碳氟树脂并没有特别的限制。其例子包括聚四氟乙烯树脂(PTFE)、四氟乙烯-六氟丙烯共聚物(FEP)、聚氟乙烯(PVF)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、和四氟乙烯-全氟(烷基乙烯醚)共聚物(PFA)。其中，从保持憎水性考虑，优选使用PTFE或FEP。
从提高憎水性并且防止小孔堵塞考虑，憎水树脂微粒的平均粒径(基于体积的直径中值)优选为0.1～10μm。憎水树脂微粒的平均粒径可以通过例如根据激光衍射散射法使用粒径分布分析仪进行测定，并且其测定方法没有特别的限制。
扩散表面层中含有的憎水粘合剂优选包含碳氟树脂或硅树脂。这样一来，可以使扩散表面层和基体之间具有良好的粘合性，同时又不影响扩散表面层的防水效果。只要含有碳-氟(C-F)键，憎水粘合剂中含有的碳氟树脂并没有特别的限制。例如，可以使用聚氯乙烯(PVF)或聚偏二氟乙烯(PVDF)。
同时，硅树脂优选具有硅氧烷主链和甲基侧链。例如，可以是具有甲基和苯基的纯硅树脂，或改性硅树脂。使用具有甲基和苯基的纯硅树脂的情况下，当甲基的数量增加时，憎水性也会增加。例如，优选使用商品硅树脂HIREC1450。
关于形成扩散表面层的方法，并没有特别的限制。然而，优选使用包含上述憎水树脂微粒和憎水粘合剂的憎水糊状物对表面进行喷涂，或根据湿涂工序通过使用涂胶工具如医用刮条进行湿涂。。进一步优选使用反复数次进行喷涂并在空气中干燥(多层喷涂)的方法。在这种情况下，可以使扩散表面层的表面和小孔的内壁具有大量源自于颗粒形状的不规则表面(不规则碎片形)。
在阳极一侧或阴极一侧的扩散层中，其渗透润湿性临界表面张力和气体渗透率的数值非常依赖于扩散表面层的表面性能、多孔结构和厚度。扩散表面层的表面性能和多孔结构依赖于含有憎水树脂微粒和憎水粘合剂的憎水糊状物的组合物、固体成分浓度、使用方法、干燥温度以及干燥时间。扩散表面层的厚度可以是例如5～100μm。从保持低表面能、提高二氧化碳和水的排放率、以及保证集电性能考虑，扩散表面层的厚度优选为10～30μm。
在扩散表面层的表面一侧优选比在其内壁一侧(扩散层的基体一侧)存在更多数量的憎水树脂微粒。通过控制所用糊状物的干燥温度和干燥时间，可以使扩散表面层的表面一侧存在更多的憎水树脂微粒。这可能是因为在所用憎水糊状物中的憎水树脂微粒迁移到了表面一侧。例如，在表面一侧的一半扩散层表面优选包含不少于扩散表面层中包含的憎水树脂微粒总量的60％，并且进一步优选包含70～90％。这样可以在保证扩散表面层和基体之间良好的粘合性的同时，提高扩散表面层表面一侧的憎水性。
阴极一侧隔板的凹槽表面和水之间的接触角优选为120°或更大，并且进一步优选为130°或更大。在这种情况下，从阴极一侧扩散层排出的水变成液滴状，并且易于通过隔板的凹槽(空气通道)。因此，即使在空气流速非常低的操作条件下，也可以抑制阴极被水堵塞的现象。
当阴极一侧扩散层的渗透润湿性临界表面张力超过40mN/m时，如果阴极一侧隔板的凹槽表面和水之间的接触角小于120°，从扩散层排出的水可能在空气通道中形成薄膜。这样一来，空气的供给会受到阻碍，从而造成发电稳定性的大幅下降。
阳极一侧隔板的凹槽表面和水之间的接触角优选为120°或更大，并且进一步优选为130°或更大。在这种情况下，燃料易于从燃料通道移动到阳极一侧扩散层。
可以使用离子交换水(表面张力72.8mN/m)来测量隔板的凹槽表面和水之间的接触角。这里的隔板的凹槽表面和离子交换水之间的接触角指的是离子交换水滴落后50msec得到的数值。
隔板可以使用任何具有出色的气密性、导电性、和电化学稳定性的材料，并且该材料没有特别限制。例如，因为其电化学稳定性、重量轻等优点而优选使用碳材料(如，玻璃化炭板)作为隔板的基体。而且，燃料和空气通道的形状也没有特别限制，例如可以为螺旋状。
阳极一侧隔板的凹槽表面和阴极一侧隔板的凹槽表面中的至少一个优选具有包含憎水树脂微粒和憎水粘合剂的表面层(凹槽表面层)。在这种情况下，隔板的凹槽表面和水之间的接触角比较容易控制。
当阴极一侧隔板的凹槽具有非常高憎水的凹槽表面层时，从阴极一侧扩散层中排出的水会变成水滴，并且易于通过隔板的凹槽。结果是即使在空气流速较低的操作条件下，阴极被水堵塞的现象也能得到抑制。
同时，当阳极一侧隔板的凹槽具有凹槽表面层时，燃料易于从燃料通道移动到阳极一侧扩散层。因此，过剩的燃料不会从燃料电池中排出。
在阳极一侧和阴极一侧隔板中，在凹槽表面层的表面一侧优选比在其内侧(隔板的基体一侧)具有更多数量的憎水树脂微粒。隔板的凹槽表面和水之间的接触角的数值主要依赖于凹槽表面层的表面性能。凹槽表面层的表面性能依赖于含有憎水树脂微粒和憎水粘合剂的憎水糊状物的组合物、固体成分浓度、使用的方法、干燥温度、以及干燥时间。。
在本发明中，为了减少隔板和扩散层之间的接触电阻，优选不要在阳极一侧隔板与阳极一侧扩散层之间的接触面上形成表面层，并且不要在阴极一侧隔板与阴极一侧扩散层之间的接触面上形成表面层。也就是说，不要在隔板凹槽之间的凸缘上形成表面层。
凹槽表面层也优选具有由不规则的内壁形成的小孔。凹槽表面层优选含有和扩散层中相同的憎水树脂微粒和憎水粘合剂。同时，可以以与形成扩散表面层相同的方法形成凹槽表面层，从而可以具有与扩散表面层相同的厚度和结构。
催化剂层优选包含负载了催化剂金属的导电碳颗粒或催化剂金属微粒，以及聚合物电解质。催化剂层中的催化剂金属可以是，例如，微粒状的铂(Pt)-钌(Ru)合金。同时，阴极一侧催化剂层中的催化剂金属可以是，例如，微粒状的铂。为了保证催化剂层和电解质薄膜之间的界面粘合性，聚合物电解质优选由与电解质薄膜相同的材料组成。
电解质薄膜材料可以是任何具有出色的质子导电性、耐热性和化学稳定性的材料，并且该材料没有特别的限制。例如，优选使用具有磺酸基团的材料，例如全氟烷基磺酸树脂或磺化聚酰亚胺。
燃料的例子包括甲醇、甲醇水溶液、二甲醚、二甲醚水溶液、乙醇、以及乙醇水溶液。其中，优选使用甲醇水溶液。甲醇水溶液的浓度优选为，例如，4～10mol/L。
现在参考图1，在下文中对本发明的实施方式进行描述。图1是根据本发明的一个实施方式的一种直接型燃料电池的放大的横截面图。
燃料电池1包括一个夹在阳极一侧隔板3a和阴极一侧隔板之间3b之间的MEA(薄膜电极组合件)2。MEA2包括：一个包含阳极一侧催化剂层5和阳极一侧扩散层6的阳极7；一个包含阴极一侧催化剂层8和阴极一侧扩散层9的阴极10；以及一个位于阳极7和阴极10之间的电解质薄膜4。为了防止燃料和空气的泄漏，将气体密封件11安装在阳极7和阴极10的周围，从而夹住电解质薄膜4。阳极一侧隔板3a具有用于将燃料提供给阳极并且从中排出反应物质的燃料通道12a。阴极一侧隔板3b具有用于提供空气给阴极的空气通道12b。燃料通道12a和空气通道12b分别是在阳极一侧隔板3a和阴极一侧隔板3b的凸缘之间的凹槽。
在阳极一侧扩散层6和阴极一侧扩散层9上，在面对阳极一侧隔板3a的燃料通道12a的表面和面对阴极一侧隔板3b的燃料通道12b的表面上，分别具有扩散表面层14和扩散表面层15。与空气通道12b相连的阴极隔板3b的凹槽还具有凹槽表面层16。
气体密封件11可以是任何具有气密性的材料。例如，可以使用具有硅橡胶/聚醚胺(PEI)/硅橡胶的三层结构的材料。
接下来，介绍本发明的直接型燃料电池系统。本发明的系统包括上述燃料电池；将燃料提供给燃料电池的燃料供给单元；以及将空气提供给燃料电池的空气供给单元。在该燃料电池系统中，通过燃料供给单元提供给燃料电池的燃料的量可以设定为发电所需燃料消耗量的1.1～2.2倍。使用的燃料为例如甲醇水溶液。甲醇水溶液的浓度优选为例如4～10mol/L。即使使用这样的高浓度甲醇水溶液，使用本发明的燃料电池也能够显著减少由于燃料供应过多而造成的燃料穿越现象。如果燃料的提供量超过发电消耗燃料量的2.2倍，燃料穿越现象可能导致放电性能的下降。发电所消耗的燃料量可以根据法拉第定律计算得到。例如，当电极面积(阳极一侧催化剂层或阴极一侧催化剂层的面积)为36cm2(6cm×6cm)并且电流密度为150mA/cm2时，燃料的消耗量就可以通过以下公式获得：(150/1000)×(6×6)×60×(1/96485)×(1/6)＝5.6×10-4mol/min，其中1F(faraday)＝96485C/mol，并且电极反应为一种六电子反应。
当使用本发明的燃料电池时，通过空气供给单元提供给燃料电池的空气量可以设定为发电空气消耗量的2～30倍，或进一步设定为3～20倍。这样就可以避免使用大型的空气供给单元(例如，空气泵或鼓风机)及其驱动电能的增大。同时，因为可以抑制由空气提供过量而造成在聚合物电解质薄膜和在催化剂层中的聚合物电解质变干的现象，所以也就抑制了质子导电性的下降。
发电所消耗的空气量可以根据法拉第定律计算得到，计算方法同上。例如，当电极面积(阳极一侧或阴极一侧催化剂层的面积)为36cm2(6cm×6cm)并且电流密度为150mA/cm2时，空气的消耗量就可以通过以下公式获得：(150/1000)×(6×6)×60×(1/96485)×(3/2)×(1/6)×22.4×298/273×(1/0.21)＝0.098L/min。
图2是显示了根据本发明的燃料电池系统的一个实施例的示意图。该燃料电池系统是非循环型燃料电池系统，其中从燃料电池的燃料通道中被排出的液体和气体就不被回收。也就是说，通过使提供的燃料量和发电所需要的燃料量尽量接近，从燃料通道中排出的燃料才能被最小化。因此，这种非循环燃料电池系统不需要例如冷却器和气液分离器这样的设备。燃料电池1包括一组一个或多个MEA和隔板。MEA具有阳极7、阴极10、和位于阳极7和阴极10之间的电解质薄膜4。燃料电池1配备一个加热器(没有显示)用于控制电池的温度。本发明的燃料电池系统包括：组成燃料供给单元的燃料箱17和燃料泵18、以及组成空气供给单元的空气泵19和催化剂燃烧器20。催化剂燃烧器20是由两个被具有催化剂层的多孔板分隔燃烧室组成的。其中一个燃烧室只有一个入口，从燃料电池1中的排出的燃料从该入口被通入燃烧室。同时，另一个燃烧室具有一个通入空气的入口以及一个排放催化燃烧后含有水和二氧化碳的空气的出口。
首先，将燃料箱17中的有机燃料通过燃料泵18直接提供到燃料电池1的阳极7。接下来，通过空气泵19将空气提供到阴极10。从燃料电池1的阳极7中被排出的燃料，在从阳极10中排出的空气的作用下，在催化剂燃烧室20中被氧化，然后作为含有水和二氧化碳的空气被通到大气中。在直接型燃料电池系统中，比通常提供的浓度更高的甲醇燃料可以以与发电所消耗的燃料量非常接近的量被提供到燃料电池中，从而有效提高燃料的使用率。
接下来将结合实施例对本发明加以更为详细的描述，但应当理解的是本发明并不局限于下列实施例。
实施例1
制备一种如图1所示的燃料电池。
(i)阳极一侧催化剂层
通过将30wt％的铂微粒和30wt％的钌微粒负载到导电炭黑颗粒上，制得阳极负载催化剂颗粒。其中铂微粒和钌微粒的平均粒径均为3nm，而炭黑颗粒的平均初级粒径为30nm(ketjen black EC，购自Mitsubishi Chemical公司)。
将分散了阳极负载催化剂颗粒的异丙醇水溶液与分散了聚合物电解质的乙醇混合。将该混合溶液在球磨机中搅拌，以制备阳极催化剂糊状物。在阳极催化剂糊状物中导电炭黑颗粒和聚合物电解质的重量百分比为2∶1。使用的电解质为全氟碳磺酸离聚物(Flemion，购自Asahi Glass有限公司)。
用医用刮条将阳极催化剂糊状物涂到聚四氟乙烯(PTFE)板(Naflon，购自NICHIAS公司)上，然后在空气中在室温下干燥6小时，形成板状的阳极一侧催化剂层5。将该覆盖了阳极一侧催化剂层5的PTFE板材切割为6cm×6cm的尺寸，然后与电解质薄膜4进行层压，从而使阳极一侧催化剂层5与电解质薄膜4的一个表面相接触。将层压板在130℃、8Mpa的条件下热压3分钟，然后将PTFE板从层压板上除去。在阳极一侧催化剂层5中含有的铂和钉的量各为2.0mg/cm2。使用全氟甲基磺酸的离子交换薄膜(Nafion 117，购自E.I.Du Pont de Nemours&Company)作为电解质薄膜4。
(ii)阴极一侧催化剂层
通过将50wt％的平均粒径为3nm的铂负载到科琴黑EC(ketjen black EC)上，制得阴极负载催化剂的颗粒。使用这些颗粒，使用与上述相同的方法，在PTFE板上形成阴极催化剂层8。阴极催化剂层8被热粘合电解质薄膜4的另一个面上。阴极催化剂层8中所含的铂的量也是2.0mg/cm2。
(iii)阳极一侧扩散层
使用厚度为360μm的炭纸(TGP-H120，购自Toray Industries公司)作为阳极扩散层6的基体。将炭纸切割为6cm×6cm的尺寸。然后，在炭纸面对阳极一侧隔板3a的燃料通道12a的一个表面区域用憎水糊状物A进行喷涂，然后在空气中干燥大约30分钟。需要指出的是在喷涂之前，对除了面对燃料通道12a的区域以外的炭纸表面区域进行遮盖。此外，在反复进行喷涂和空气干燥数次之后，将炭纸置于70℃的高温下干燥30分钟，从而在基体上形成厚度约为20μm的扩散表面层14。使用的憎水糊状物A为HIREC1450，购自NTT Advanced Technology公司，含有PTFE树脂微粒(憎水树脂微粒)和硅树脂(憎水粘合剂)。PTFE树脂微粒的平均粒径为1μm。
(iv)阴极一侧扩散层
将与阳极一侧扩散层6相同的基体用于阴极一侧扩散层9。使用与上述相同的方法，在阴极一侧扩散层9之上，同样形成厚度约为20μm的扩散表面层(PTFE/硅树脂层)15。
(v)MEA的构成
具有催化剂层5和8的电解质薄膜4被夹在扩散层6和9之间，从而使扩散表面层14和15位于外侧。将其在130℃、4MPa的条件下热压1分钟，从而使扩散层和催化剂层粘合在一起。
在135℃、4MPa的条件下，将气体密封件11在电解质薄膜4上热粘合30分钟。从而使气体密封件11包围在由催化剂层5和扩散层6组成的阳极7和由催化剂层8和扩散层9组成的阴极10的周围，并且把电解质薄膜4夹在中间。由此制得MEA2。
MEA2被夹在阳极一侧隔板3a和阴极一侧隔板3b之间，从而使燃料通道12a面对扩散表面层14，而空气通道12b面对扩散表面层15。将其与集电板、加热器、绝缘板，和底板(没有显示)组合在一起，并且将该联合体用夹销固定，从而制得燃料电池(电池A)。每单位面积的隔板受到的夹紧压力为20kgf/cm2。阳极一侧隔板3a和阴极一侧隔板3b使用了4mm厚、外侧尺寸为10cm×10cm的炭板。燃料通道12a为螺旋形，宽度为1.5mm，并且深度为1mm。空气通道12b也是相同的螺旋形。使用的集电板和底板为镀金的不锈钢板。
实施例2
在阳极一侧扩散层6基体上形成扩散表面层14(PTFE/硅树脂层)时，改变喷涂和空气干燥的重复次数，并且将高温干燥温度改为80℃下干燥60分钟，从而使扩散表面层14的厚度变为约100μm。除了这些改动以外，以与实施例1中相同的方法制备燃料电池(电池B)。
实施例3
使用厚度为180μm的炭纸(TGP-060，购自Toray Industries公司)代替TGP-H120作为阳极一侧扩散层6的基体。同时，在阳极一侧扩散层6的基体上形成扩散表面层14(PTFE/硅树脂层)时，改变喷涂和空气干燥的重复次数，并且将高温干燥温度改为70℃下干燥20分钟，从而使扩散表面层14的厚度变为约5μm。除了这些改动以外，以与实施例1中相同的方法制备燃料电池(电池C)。
实施例4
在阴极一侧扩散层9的基体上形成扩散表面层15(PTFE/硅树脂层)时，改变喷涂和空气干燥的重复次数，并且将高温干燥温度改为80℃下干燥60分钟，从而使扩散表面层15的厚度变为约100μm。除了这些改动以外，以与实施例1中相同的方法制备燃料电池(电池D)。
实施例5
在阴极一侧扩散层9的基体涂上包含炭黑(CB)和PTFE树脂微粒的憎水糊状物B以代替憎水糊状物A。使用医用刮条将憎水糊状物B涂到表面，然后在空气中在室温下干燥8小时。然后将干燥的糊状物在惰性气体(N2)中在360℃下烘30分钟，以除去表面活性剂。结果形成了厚度约为80μm的CB/PTFE层。此外，在CB/PTFE层上形成厚度约为50μm的PTFE/硅树脂层。将高温干燥温度设为70℃下30分钟。从而制得了扩散表面层14。除了这些改动以外，以与实施例1中相同的方法制备燃料电池(电池E)。
憎水糊状物B的制备方法如下。首先，使用超声波将炭黑(Vulcan XC-72R，购自CABOT公司)分散在含有表面活性剂(Triton X-100，购自Sigma-Aldrich公司)的水溶液中，然后通过HIVIS MIX(购自PRIMIX公司)使其高度分散。将该分散体系与PTFE树脂(平均粒径为0.2μm)(D-1E，购自Daikin Industries有限公司)的分散体系相混合，然后再次进行高度分散，从而制得憎水糊状物B。在该憎水糊状物B中，炭黑(CB)、PTFE树脂和表面活性剂的重量比为6∶3∶1。
实施例6
使用厚度为180μm的炭纸(TGP-060，购自Toray Industries公司)代替TGP-H120作为阴极扩散层9的基体。同时，在阴极一侧扩散层9的基体上形成扩散表面层15(PTFE/硅树脂层)，改变喷涂和空气干燥的重复次数，并且将高温干燥温度改为70℃下干燥20分钟，从而使扩散表面层15的厚度变为约5μm。除了这些改动以外，以与实施例1中相同的方法制备燃料电池(电池F)。
实施例7
在阴极一侧扩散层9的基体涂上憎水糊状物B以代替憎水糊状物A，并且以与实施例5中相同的方法制得厚度约为70μm的CB/PTFE层，但其中所用的医用刮条的间隙做了改动。除了这些改动以外，以与实施例1中相同的方法制备燃料电池(电池G)。
实施例8
将阴极一侧隔板3b的凹槽之间的凸缘的上表面覆盖之后，使用憎水糊状物A喷涂隔板3b的凹槽，然后用空气干燥30分钟。要反复喷涂并空气干燥数次，然后使该糊状物在70℃的高温下干燥30分钟。结果是在阴极一侧隔板3b的凹槽上形成厚度约为10μm的凹槽表面层(PTFE/硅树脂层)16。除了这些改动以外，以与实施例1中相同的方法制备燃料电池(电池H)。
实施例9
将阴极一侧隔板3b的凹槽之间的凸缘的上表面覆盖之后，使用憎水糊状物A喷涂隔板3b的凹槽，然后用空气干燥30分钟。要反复喷涂并空气干燥数次，重复的次数要多于实施例8，然后使该糊状物在70℃的高温下干燥40分钟。结果是在阴极一侧隔板3b的凹槽上形成厚度约为20μm的凹槽表面层(PTFE/硅树脂层)16。除了这些改动以外，以与实施例1中相同的方法制备燃料电池(电池I)。
对照例1
在阳极一侧扩散层6的基体上没有形成扩散表面层14。同时，在阴极一侧扩散层9的基体上没有形成扩散表面层15。除了这些改动以外，以与实施例1中相同的方法制备燃料电池(电池1)。
对照例2
在阳极一侧扩散层6的基体上涂上憎水糊状物B以代替糊状物A，并且以与实施例5中相同的方法，形成了厚度约为70μm的CB/PTFE层，但其中医用刮条的间隙做了改动。除了这些改动以外，以与实施例1中相同的方法制得燃料电池(电池2)。
对照例3
除了使用与实施例7中相同的阴极一侧扩散层9以外，以与对照例2中相同的方法制得燃料电池(电池3)。
对照例4
首先，使用与实施例5中相同的方法，在阳极一侧扩散层的基体上形成厚度约为80μm的CB/PTFE层。然后，在CB/PTFE层上再形成一层厚度约为50μm的PTFE/硅树脂层。除了这些改动以外，以与实施例1中相同的方法制得燃料电池(电池4)。
对照例5
除了使用与实施例5中相同的阴极一侧扩散层以外，以与对照例4中相同的方法制得燃料电池(电池5)。
表1综合了这些制得的电池各自的性能特点。
表1
电池编号   阳极一侧扩散层的扩散表面层   阴极一侧扩散层的扩散表面层   阴极一侧隔板的凹槽表面层
电池A   PTFE/硅树脂层(20μm)   PTFE/硅树脂层(20μm) 无
电池编号   阳极一侧扩散层的扩散表面层   阴极一侧扩散层的扩散表面层   阴极一侧隔板的凹槽表面层
电池B   PTFE/硅树脂层(100μm)   PTFE/硅树脂层(20μm) 无
电池C   PTFE/硅树脂层(5μm)   PTFE/硅树脂层(20μm) 无
电池D   PTFE/硅树脂层(20μm)   PTFE/硅树脂层(100μm) 无
电池E PTFE/硅树脂层(20μm)   PTFE/硅树脂层(50μm)CB/PTFE层(80μm) 无
电池F   PTFE/硅树脂层(20μm)   PTFE/硅树脂层(5μm) 无
电池G   PTFE/硅树脂层(20μm)   CB/PTFE层(70μm) 无
电池H   PTFE/硅树脂层(20μm)   PTFE/硅树脂层(20μm)   PTFE/硅树脂层(10μm)
电池I   PTFE/硅树脂层(20μm)   PTFE/硅树脂层(20μm)   PTFE/硅树脂层(20μm)
  电池1   无   无   无
电池2   CB/PTFE层(70μm)   PTFE/硅树脂层(20μm) 无
电池编号   阳极一侧扩散层的扩散表面层   阴极一侧扩散层的扩散表面层   阴极一侧隔板的凹槽表面层
电池3   CB/PTFE层(70μm)   CB/PTFE层(70μm) 无
电池4   PTFE/硅树脂层(50μm)CB/PTFE层(80μm) PTFE/硅树脂层(20μm) 无
电池5   PTFE/硅树脂层(50μm)CB/PTFE层(80μm)   PTFE/硅树脂层(50μm)CB/PTFE层(80μm) 无
测定了实施例1～9和对照例1～5的阳极一侧扩散层6和阴极一侧扩散层9的渗透润湿性临界表面张力和气体渗透率。另外，还测定了阴极一侧隔板3b和水之问的接触角。结果如表2所示。
表2
Figure S061H2024020070116D000181
测定方法如下：
(1)  渗透润湿性临界表面张力
将已知表面张力的润湿指数标准溶液滴到各个扩散层的表面，然后测定液滴和扩散层之间的接触角。当扩散层表面和润湿指数标准溶液的液滴之间接触角等于90度时，该涧湿指数标准溶液的表面张力被定义为“扩散层的渗透润湿性临界表面张力”。这里的接触角指的是润湿指数标准溶液滴落后50msec获得的数值。接触角可以通过使用例如自动接触角测试仪(Kyowa Interface Science有限公司)进行测定。
(2)  气体渗透率
使用孔径分布测定计(购自Porous Materials公司)，在25℃测定样品(扩散层6，扩散层9)的气体渗透流量。样品的尺寸为7cm2。另外，当将夹取样品的专用工具的压力设为20kgf/cm2时，空气供给一侧和空气流出一侧的压差最大时变为3kPa。计算得到空气渗透流量的变化和空气压差之间的比例。以上述方法得到的数值被定义为气体渗透率。
(3)  和水之间的接触角
将离子交换水(表面张力为72.8mN/m)滴到各个阴极一侧隔板的凹槽上，测定其接触角。这里的接触角指的是将离子交换水滴落后的50msec获得的数值。接触角可以通过使用例如自动接触角测试仪(Kyowa Interface Science有限公司)进行测定。。
接下来，用实施例电池A～I和对照例电池1～5制得如图2所示的燃料电池系统，并且根据下列方法测定他们的初始电压性能以及持续放电性能。结果如表3所示。
表3
Figure S061H2024020070116D000201
(4)  电流电压性能1
使用6mol/L(6M)的甲醇水溶液作为燃料。将燃料以0.18cc/min的流度加入到阳极一侧隔板的燃料通道。同时，将空气以1.8L/min的流速加入到阴极一侧隔板的空气通道。将电池的温度维持在60℃，以150mA/cm2的电流密度发电，在发电15分钟后测试其有效电压V0。在该评估条件下，燃料的供应量被设为发电所需燃料消耗量的1.9倍，并且空气的供应量被设为发电所需空气消耗量的18.4倍。
(5)  持续放电性能1
在测试了有效电压V0(初始电压)后，在与电流电压性能1中相同的条件下进行发电，在持续发电24小时后，测试有效电压V24，并且计算V24与初始电压V0的比率(电压保持率)。
(6)  电流电压性能2
以与测试电流电压性能1中相同的方法测试有效电压V0，其他条件不变，除了将空气的供给量改为0.3L/min(发电所需空气消耗量的3.1倍)。
(7)  持续放电性能2
在测试了有效电压V0(初始电压)后，在与电流电压性能2中相同的条件下进行发电，在持续发电24小时后，测试有效电压V24，并且计算V24与初始电压V0的比率(电压保持率)。
在电池A～I的情况中，阳极一侧扩散层面对燃料通道的的表面区域具有在预定范围内的渗透润湿性临界表面张力。因此，甲醇可以被均匀地供给到催化剂层，并且由于适当的燃料渗透速率，从而抑制了甲醇从阳极到阴极的穿越现象。结果表明，即使在使用高浓度甲醇水溶液的条件下，也可以得到具有出色放电性能的燃料电池。
在电池A～D，F，H，和I中，除了具有上述特点外，阴极一侧扩散层面对空气通道的表面区域具有在优选范围内的渗透润湿性临界表面张力，同时阴极一侧扩散层的气体渗透率也在优选范围内。因此，可以认为二氧化碳(反应产物)的排放率提高了，而且也抑制了阴极被水堵塞的问题。结果显示，即使使用高浓度的甲醇作为燃料在空气流速较低的操作条件下，也能得到具有出色放电性能的燃料电池。
特别关于电池H和I，阴极一侧隔板的凹槽表面和水之间的接触角得到了优化。由于这个原因，可以认为，从阴极一侧扩散层排出的水变为水滴，并且易于从隔板的凹槽中通过。因此，阴极被水堵塞的现象得到了抑制，并且持续放电性能得到了显著提高。
另一方面，对于电池1，面对燃料通道的阳极一侧扩散层表面和面对空气通道的阴极一侧扩散层表面的渗透润湿性临界表面张力都抄过了预定范围的上限。因此，可以认为，在阳极一侧扩散层中的甲醇渗透速率得到了提高，因此加剧了甲醇的穿越现象。也可以认为，阴极一侧扩散层中的水为薄膜状，因此影响了空气的供应。结果导致放电性能大幅下降。
在电池2和3的情况中，阳极一侧扩散层的渗透润湿性临界表面张力超过了预定范围的上限。另外，阳极一侧扩散层的气体渗透率低于优选范围的下限。因此，可以认为，  二氧化碳的排放率下降，导致了放电性能的大幅下降。特别在电池3的情况中，阴极一侧扩散层的渗透润湿临界表面张力超过了优选范围的上限。因此，可以认为，阴极一侧扩散层中的水为薄膜状，因此会影响空气的供应。此外，由于阴极一侧扩散层的气体渗透率低于优选范围的下限，可以认为阻碍了空气的供给。结果是放电性能大幅减弱。
在电池4和电池5的情况中，阳极一侧扩散层的渗透润湿性临界表面张力低于预定范围的下限。因此，可以认为提供到催化剂层的燃料不足。此外，气体渗透率也低于优选范围的下限。因此，可以认为二氧化碳(反应产物)的排出变得困难，于是，浓度极化加剧，导致放电性能的下降。特别在电池5中，阴极一侧扩散层的渗透润湿性临界表面张力低于优选范围的下限，而且，气体渗透率也低于优选范围的下限。因此，可以认为扩散层基体的小孔被炭黑和PTFE树脂的微粒堵塞，于是导致了空气渗透性和持续放电性能的下降。
本发明的直接型燃料电池使用甲醇、二甲醚等作为燃料，而不需要把它们转变为氢。因此，该类型电池适用于便携式小型电子产品如移动电话、个人电子助手(PDA)、笔记本电脑、以及摄影机的电源，也可将其作为单脚滑行车等的电源。
尽管本发明已经按照优选实施方式进行了描述，但应当理解，这样的公开并不是一种限制。对那些与本发明相关的技术熟练人员来说，在了解了上述公开内容后，无疑可对本发明进行各种变更和修改。因此，所附加的权利要求书意在作为覆盖所有在本发明的实际宗旨和范围内变更和修改的解释。

Claims (11)

1.一种直接型燃料电池，包括：
薄膜电极组合件，包括阳极、阴极、以及插在所述阳极和所述阴极之间的电解质薄膜；
具有面对所述阳极的凹槽的阳极一侧隔板，所述凹槽作为燃料通道使用；以及
具有面对所述阴极的凹槽的阴极一侧隔板，所述凹槽作为空气通道使用，
其特征在于，所述阳极包括一个面对所述燃料通道的阳极一侧扩散层和一个与所述电解质薄膜相连的阳极一侧催化剂层，
所述阴极包括一个面对所述空气通道的阴极一侧扩散层和一个与所述电解质薄膜相连的阴极一侧催化剂层，
所述阳极一侧扩散层面对所述燃料通道的表面区域，或所述阳极一侧扩散层面对所述燃料通道的表面区域和所述阴极一侧扩散层面对所述空气通道的表面区域这两个表面区域，具有的渗透润湿性临界表面张力为22～40mN/m。
2.如权利要求1所述的直接型燃料电池，其特征在于，所述阳极一侧扩散层面对所述燃料通道的表面区域和所述阴极一侧扩散层面对所述空气通道的表面区域中至少一个的气体渗透率为在200～1000cc/(cm2·mink·Pa)的范围内。
3.如权利要求1所述的直接型燃料电池，其特征在于，所述阳极一侧扩散层面对所述燃料通道的表面区域和所述阴极一侧扩散层面对所述空气通道的表面区域中的至少一个具有多孔表面层，所述表面层包含憎水树脂微粒和憎水粘合剂。
4.如权利要求1所述的直接型燃料电池，其特征在于，所述阳极一侧隔板的所述凹槽的表面和所述阴极一侧隔板的所述凹槽的表面中的至少一个与水的接触角为120°或更大。
5.如权利要求4所述的直接型燃料电池，其特征在于，所述阳极一侧隔板的所述凹槽的表面和所述阴极一侧隔板的所述凹槽的表面中的至少一个具有表面层，所述表面层包含憎水树脂微粒和憎水粘合剂。
6.如权利要求3所述的直接型燃料电池，其特征在于，在所述表面层的表面一侧上存在的所述憎水树脂微粒的数量大于在其内侧的数量。
7.如权利要求5所述的直接型燃料电池，其特征在于，在所述表面层的表面一侧上存在的所述憎水树脂微粒的数量大于在其内侧的数量。
8.如权利要求3所述的直接型燃料电池，其特征在于，所述表面层具有孔，所述孔具有不规则的内壁。
9.如权利要求5所述的直接型燃料电池，其特征在于，所述表面层具有孔，所述孔具有不规则的内壁。
10.一种直接型燃料电池系统，包括：
如权利要求1所述的直接型燃料电池；
为所述直接型燃料电池提供燃料的燃料供给单元；以及
为所述直接型燃料电池提供空气的空气供给单元，
其中，所述燃料供给单元能够将提供给所述直接型燃料电池的燃料量设为发电所需消耗的燃料量的1.1～1.2倍。
11.如权利要求10所述的直接型燃料电池系统，其特征在于，所述空气供给单元能够将提供给所述直接型燃料电池的空气量设为发电所需消耗的空气量的3～20倍。
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