200836393 九、發明說明 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關燃料電池，特別是小型之液體燃 供給型之燃料電池。 【先前技術】 近年’經由電子技術的進步，電子機器的小型 性能化，便攜化則持續進展，而針對在攜帶用電子 係強力要求所使用之電池的高能量密度化，因此， 小型的同時，要求高容量的二次電池。 對於對如此之二次電池的要求而言，例如，開 離子二次電池，另外’攜帶電子機器的動作時間係 增加的傾向，並在鋰離子二次電池之中，從材料的 以及構造的觀點，能量密度之提升係幾乎到達極限 爲無法對應更加的要求。 依據如此之狀況，取代鋰離子二次電池，小型 電池則被受注目，特別是作爲燃料而使用甲醇之直 型燃料電池（DMFC: Direct Methanol Fuel Cell) 於使用氫氣之燃料電池，氫氣之處裡的困難度，或 有機燃料進行改質而製作氫之裝置等，對於小型化‘ [0005] 在D M F C之中，係在燃料極而氧化分解甲醇， 氧化碳，質子及電子，另一方面’在空氣極之中’ 空氣所得到之氧，和經過電解質膜而從燃料及所供 料直接 化，高 機器， 輕量且 發有鋰 有更加 觀點， ，而成 之燃料 接甲醇 係比較 無需將 優越。 生成二 經由從 給之質 -5- 子而生成水， 力。 發電，而作爲 箱，並開發作 構造之 D M F C 收容室與發電 透過甲醇，而 ，朝小型化發 ，係揭示有對 裝於發電元件 比之DMFC係 要因之影響情 則變爲困難， 〇 報，係揭示有 容部分與負極 〇 取代簡略化機 情況則爲困難 不易，因此， 200836393 子，以及從燃料極通過外部電路所供給之電 另外，經由通過其外部電路之電子，供給電： 針對在DMFC係爲了由如此的構成進行 補助器具備有供給甲醇之閥或送入空氣之風 爲系統構成複雜型態之DMFC，因此，在其 中係不易謀求小型化。 因此，並非由閥而供給甲醇，而於甲醇 元件之間，設置通過甲醇的分子的膜，取代 由將甲醇收容室接近至發電原件附近之情況 展，另外，例如對於 W02005/1 1 2 1 72公報 於空氣的導入，未使用風箱而由設置直接安 之吸氣口的情況，構築小型DMFC，但，如. 取代簡略化機構，而受到溫度等之外部環境 況，對於發電元件傳送一定量之甲醇的情況 因此，安定輸出而高現出之情況則變爲困難 另外，對於日本特開2004- 1 7 1 844號公 爲了控制如此之甲醇之供給量，而於燃料收 之間，設置多孔體，集中甲醇供給量之技術 但，在上述以往之燃料電池的構成中， 構，而導入經由反應而成的水於燃料極側之 ，對於發電元件保持一定量的水之情況則爲 現出高輸出之情況則爲困難。 [專利文獻1] W02005/112172公報 [專利文獻2]日本特開2004-171844號公報 200836393 【發明內容】 因此，本發明的目的係提供可供給充分的水及特定量 之燃料於燃料極者，並可現出高輸出之燃料電池者。 如根據本發明之一形態，屬於具備：具有燃料極觸媒 層及面向於前述燃料極觸媒層之一方的面所設置之燃料極 氣體擴散層的燃料極，具有空氣極觸媒層及面向於前述空 氣極觸媒層之一方的面所設置之空氣極氣體擴散層的空氣 極，以及由夾持於前述燃料極觸媒層與前述空氣極觸媒層 之電解質膜所構成之膜電極接合體之燃料電池，其中，提 供將前述空氣極氣體擴散層之氣孔率乃較前述燃料極氣體 擴散層之氣孔率爲小之燃料電池。 另外，如根據本發明之一形態，屬於具備：具有燃料 極觸媒層及面向於前述燃料極觸媒層之一方的面所設置之 燃料極氣體擴散層的燃料極，具有空氣極觸媒層及面向於 前述空氣極觸媒層之一方的面所設置之空氣極氣體擴散層 的空氣極，以及由夾持於前述燃料極觸媒層與前述空氣極 觸媒層之電解質膜所構成之膜電極接合體之燃料電池，其 中，提供將前述空氣極觸媒層之氣孔率乃較前述燃料極觸 媒層之氣孔率爲小之燃料電池。 更加地，如根據本發明之一形態’屬於具備：具有燃 料極觸媒層及面向於前述燃料極觸媒層之一方的面所設置 之燃料極氣體擴散層的燃料極’具有空氣極觸媒層及面向 於前述空氣極觸媒層之一方的面所設置之空氣極氣體擴散 -7- 200836393 層的空氣極，以及由夾持於前述燃料極觸媒層與前述空氣 極觸媒層之電解質膜所構成之膜電極接合體之燃料電池， 其中’提供將前述空氣極氣體擴散層之氣孔率乃較前述燃 料極氣體擴散層之氣控率爲小，且前述空氣極觸媒層之氣 孔率乃較前述燃料極觸媒層之氣孔率爲小之燃料電池。 另外’本發明之燃料電池係亦可具備收容液體燃料， 具有爲了導出前述液體燃料之氣化成分的開口之液體燃料 收容室’和呈封塞前述液體燃料收容室之開口地所配設， 使前述液體燃料之氣化成分朝向前述燃料極之燃料極氣體 擴散層而透過之氣液分離膜。 另外’本發明之燃料電池係亦可具備配置於前述膜電 極接合體之燃料極側，分配燃料供給於前述燃料極之燃料 極氣體擴散層的燃料分配機構，和收容液體燃料，藉由前 述燃料分配機構與流路所連接之燃料收容部。 【實施方式】 [爲了實施發明之最佳型態] 以下，關於本發明之一實施形態，參照圖面而進行說 明。 圖1係爲模式性地表示有關本發明之一實施型態之直 接甲醇形的燃料電池1 0的圖。 如圖1所示，燃料電池1 0係做爲起電部而具備由燃 料極觸媒層1 1及燃料極氣體擴散層1 2而成之燃料極，與 由空氣極觸媒層13及空氣極氣體擴散層14而成之空氣極 -8 - 200836393 ，，與夾持於燃料極觸媒層1 1與空氣極觸媒層1 3之間的 質子（氫離子）傳導性的電解質膜1 5所構成之膜電極複 合體（MEA : Membrane Electrode Assembly) 16。 作爲含於燃料極觸媒層Π及空氣極觸媒層1 3之觸媒 係可舉出例如爲白金族元素Pt，Pu，Rh，Ir，Os，Pd等 之單體金屬，含有白金族元素之合金等，具體而言，作爲 燃料極觸媒層11，理想則採用對於甲醇或一氧化碳而言， 具有強耐性之Pt-Ru或Pt-Mo等情況，而作爲空氣極觸媒 層1 3，理想則採用白金或Pt-Ni等情況，但，並不侷限於 此等構成，另外，亦可爲使用如碳素材料之導電性載持體 的載持觸媒，或使用無機載持體觸媒。 另外，燃料極觸媒層Π及空氣極觸媒層1 3係具有特 定之氣孔率所構成，並空氣極觸媒層1 3之氣孔率係做爲 較燃料極觸媒層1 1之氣孔率爲小所設定，具體而言，空 氣極觸媒層13之氣孔率係爲燃料極觸媒層11之氣孔率的 6 0〜9 9%，理想爲80〜99%，在此，將對於燃料極觸媒層1 1 之氣孔率的空氣極觸媒層〗3之氣孔率的比例，作爲其範 圍之情況，對於其比例較60%爲小之情況，係空氣的導入 量則因容易變爲不充分，而無法促進針對在空氣極觸媒層 1 3之還原反應，另外，對於其比例較99%爲大之情況，係 從空氣極觸媒層1 3蒸發的水分則因變得過剩，而對於膜 電極接合體1 6內保持特定量的水之情況則變爲困難。 作爲構成電解質膜1 5之質子傳導性材料係可舉出例 如，如具有磺酸基， -9- 200836393 例如，全氟黃酸聚合體之氟素樹脂（Nafion (商品名 、DuPont公司製），Flemion(商品名、旭硝子公司製） 等），具有磺酸基之碳化氫樹脂，鎢酸或磷鎢酸等之無機 物等，但，並不限定於此等之構成。 層積於陽極觸媒層24之陽極氣體擴散層25係完成均 一地供給燃料於陽極觸媒層24的作用同時，亦兼具陽極 觸媒層24之集電體，而層積於陰極觸媒層26之陰極氣體 擴散層27係完成均一地供給氧化劑於陰極觸媒層26的作 用同時，亦兼具陰極觸媒層26之集電體。 另外，燃料極氣體擴散層1 2及空氣極氣體擴散層j 4 係因爲了使氣體通過，故由多孔質體而成之公知的導電性 材料所構成，而燃料極氣體擴散層1 2及空氣極氣體擴散 層1 4係例如由碳纖維紙，碳纖維織布所構成，但並不侷 限於此等之構成，例如，燃料極氣體擴散層1 2或空氣極 氣體擴散層14係理想爲由可調整氣孔率情況之材料所構 成，例如，理想爲使用以壓縮的情況而可使體積，即，密 度變化之碳纖維紙等，空氣極氣體擴散層1 4之氣孔率係 做爲較燃料極氣體擴散層1 2之氣孔率爲小所設定，具體 而言，空氣極氣體擴散層1 4之氣孔率係爲燃料極氣體擴 散層12之氣孔率的20〜70%，理想爲50〜60%，在此，將 對於燃料極氣體擴散層1 2之氣孔率的空氣極氣體擴散層 1 4之氣孔率的比例，作爲其範圍之情況，對於其比例較 2 0%爲小之情況’係因對於空氣極觸媒層〗3的氧氣之供給 量則下降空’而無法促進針對在空氣極觸媒層1 3之還原 -10- 200836393 反應，另外，對於其比例較70%爲大之情況’係因將在空 氣極觸媒層1 3所形成之特定量的水’保持於膜電極接合 體1 6內之情況則變爲困難。 然而，針對在將空氣極觸媒層1 3之氣孔率，做爲較 燃料極觸媒層1 1之氣孔率爲小所設定之情況，亦可將空 氣極氣體擴散層1 4之氣孔率係做爲較燃料極氣體擴散層 1 2之氣孔率爲小所設定。 # 另外，對於燃料極氣體擴散層1 2，係層積燃料極導電 層1 7，對於空氣極氣體擴散層1 4，係層積空氣極導電層 1 8，而燃料極導電層1 7及空氣極導電層1 8係理想爲例如 ，使用白金，金等貴金屬，鎳或不銹鋼等耐蝕性金屬等之 金屬材料而成之多孔質層（例如，金屬篩孔）或箔體者， 另外亦可各自使用將金或碳纖維之導電性材，以異種金屬 進行表面處理之材料，被覆金等之良導電性金屬於銅或不 銹鋼的複合材料者。 ® 另外，燃料極導電層1 7與電解質膜1 5之間，係配置 具有矩形框狀之燃料極密封材1 9之同時，圍住燃料極觸 媒層1 1及燃料極氣體擴散層1 2的周圍，另一方面，空氣 極導電層18與電解質膜15之間，係配置具有矩形框狀之 空氣極密封材20之同時，圍住空氣極觸媒層1 3及空氣極 氣體擴散層1 4之周圍，而燃料極密封材1 9及空氣極密封 材20係例如由橡膠製之〇環等所構成，並防止從膜電極 接合體16之燃料洩漏及氧化劑洩漏，然而，燃料極密封 材1 9及空氣極密封材20之形狀並不侷限於矩形形狀，而 -11 - 200836393 成對應於燃料電池1 0之外緣形地適宜所構成。 另外，如圖1所示，呈被複收容液體燃料F之液體燃 料收容室2 1之開口部地，配置氣液分離膜22，對於氣液 分離膜22上，係配置由對應於燃料電池〗〇之外緣的形狀 所構成之框體23 (在此係矩形的框體），並且，對於其框 體23上，係燃料極導竃層17乃呈框體23上地層積配置 有具備上述之燃料極導電層17及空氣極導電層18之膜電 極接合體1 6，在此，框體23係由電性絕緣材料所構成， 而具體而言，例如由如聚對苯二甲二乙酯（PET)之熱可 塑性聚酯樹脂等所形成。 另外’儲存於液體燃料容器2 1之液體燃料F係爲濃 度超過50%莫耳之甲醇水溶液，或純甲醇，另外，純甲醇 之純度係理想爲作爲95重量％以上1 〇〇重量％以下者，另 外’液體燃料F之氣化成分係指，對於作爲液體燃料F使 用液體之甲醇的情況，係意味氣化之甲醇，對於作爲液體 燃料F使用甲醇水溶液的情況，係意味甲醇之氣化成分與 由水之氣化成分而成之混和氣。 另外，爲以氣液分離膜22、燃料極導電層17及框體 23所圍住之空間的氣化燃料收容室24係暫時性地收容透 過氣液分離膜2 2之液體燃料F的氣化成分，更加地，作 爲將針對在氣化成分之燃料的濃度分佈作爲均一之空間而 發揮機能。 另外’上述之氣液分離膜22係爲分離液體燃料F之 氣化成分與液體燃料F，並使其氣化成份透過於燃料極觸 -12- 200836393 媒層1 1側之構成，而其氣液分離膜22係對於液體燃料F 而言，由爲不活性不溶解之材料，構成爲薄板狀，具體而 言，由矽橡膠，低密度聚乙烯（LDPE )薄膜，聚氯乙烯 (PVC )薄膜，聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET )薄膜，氟 素樹脂（例如，聚四氟乙烯（PTFE )，四氟乙烯·全氟烷 基乙烯醚共聚物（PFA )等）微多孔膜等之材料所構成。 另外，爲了更促進本發明之效果，對於空氣極導電層 1 8上，係藉由以對應於燃料電池1 0之外緣形的形狀所構 成之框體25 (在此係爲矩形的框體），層積保濕層26， 另外，對於保濕層26上，係做爲表面層而發揮機能，層 積形成有複數個爲了導入爲氧化劑之空氣的空氣導入口 28 之表面罩體層27，而其表面罩體層27係因由加壓含有膜 電極接合體1 6之層積體，亦達成提升其密著性之作用， 故例如由如SUS 3 04之金屬所形成，另外，框體25係與框 體23同樣地，由電性絕緣材料所構成，具體而言，例如 由如聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET )之熱可塑性聚酯樹脂 等所形成。 另外，保濕層26係浸含針對在空氣極觸媒層13所生 成的水之一部分，構成控制水的蒸發之作用之同時，經由 均一地導入氧化劑於空氣極氣體擴散層1 4之情況，亦具 有作爲促進對於空氣極觸媒層I 3之氧化劑之均一擴散的 補助擴散層之機能，而其保濕層26係例如由聚乙烯多孔 質膜等之材料所構成，並使用其最大的孔徑則爲20〜50μιη 程度的膜，而將最大的孔徑做爲其範圍之情況，係對於孔 -13· 200836393 徑較2 0 μ m爲小的情況，係因空氣透過量下降，而對於較 5 Ο μ m爲大之情況’係因水分蒸發成爲過多，然而，從經 由浸透壓現象之空氣極觸媒層1 3側對於燃料極觸媒層1 1 之水的移動係可由改變針對在設置於保濕層26上之表面 罩體層27的空氣導入口 28個數或尺寸，調整開口部面積 等之情況而控制者。 然而’燃料電池1 0之構成係並非侷限於上述之構成 者，而例如，亦可於燃料極導電層17與框體2 3之間，設 置疏水性之多孔膜，而由設置其多孔膜之情況，可防止從 藉由多孔膜之燃料極氣體擴散層1 2側對於氣化燃料收容 室24側之水的侵入，由此，可由燃料極氣體擴散層1 2控 制在液體燃料收容室2 1側所產生之燃料濃度的下降，進 而可對於燃料極觸媒層1 1供給特定濃度之燃料者，而做 爲具體之多孔膜的材料，例如，可舉出聚四氟乙烯（PTEF )，做爲潑水化處理之矽薄板等。 另外，其氣液分離膜2 2之更加地於液體燃料收容室 2 1側，具有與氣液分離膜22同樣之氣液分離機能，更加 地亦可設置調整燃料之氣化成分的透過量之透過量調整膜 ’而經由其透過量調整膜之氣化成分的透過量之調整係由 調整設置於透過量調整膜之開孔部的口徑而進行，而其透 過量調整膜係可由聚對苯二甲酸乙二醇酯等之材料而構成 ，由設置其透過量調整膜之情況，可調整供給於燃料極觸 媒層1 1側之燃料的氣化成分之供給量者。 接著’關於針對在上述之燃料電池1 00的作用，進行 -14· 200836393 說明。 燃料收容部2 1內之液體燃料F (例如，甲醇水溶液 )產生氣化’並其氣化之甲醇與水蒸氣之混和氣則透過氣 液分離膜22，暫時收容於氣化燃料收容室24，均一地進 行濃度分佈，而暫時收容於氣化燃料收容室2 4之混和氣 係通過燃料極導電層1 7，更加地由燃料極氣體擴散層j 2 所擴散，供給至燃料極觸媒層Π，在此，本發明中，係做 爲將燃料極氣體擴散層1 2之氣孔率，較空氣極氣體擴散 層1 4之氣孔率爲大而設定，並可藉由燃料極氣體擴散層 1 2而有效率供給做爲特定量之氣化的混合氣供給至燃料極 觸媒層1 1，而供給至燃料極觸媒層1 1之混合氣係產生下 記（1 )式所示之甲醇的內部改質反應。 CH30H + H20— C02 + 6H + + 6e·.·.式（1) 然而，對於作爲液體燃料F使用純甲醇之情況，係因 未從液體燃料容器21供給水蒸氣，故在空氣極觸媒層1 3 生成的水或電解質膜15中的水等，與甲醇產生上述（1) 式的內部改質反應，或者，未經由上述（1 )式的內部改 質反應，而根據無需水之其他反應機構，產生內部改質反 應。 由內部改質反應所生成之質子（H+ )係傳導在電解質 膜15，並到達至空氣極觸媒層13，而從表面罩體層27的 空氣導入口 28所攝取之空氣係擴散在保濕層26，空氣極 導電層18，空氣極氣體擴散層14，供給至空氣極觸媒層 1 3，另，供給至空氣極觸媒層1 3之空氣係產生接下來之 -15- 200836393 (2 )式所示之反應，根據此反應，生成水而產生發電反 應 (3 / 2 ) Ο 2 + 6 Η + + 6 e -3 Η 2 〇 …式（2 ) 經由其反應而生成於空氣極觸媒層1 3中的水的一部 分係儲存於空氣極氣體擴散層1 4，並其剩餘的水係藉由空 氣極氣體擴散層1 4而到達至保濕層26，並到達至保濕層 26之一部分的水係從設置於保濕層26之表面罩體層27之 空氣導入口 2 8所蒸發，而剩餘的水係暫時儲存於保濕層 26 ’更加地’當在進行式（2 )的反應時，生成水量則增 加’並空氣極氣體擴散層1 4及空氣極觸媒層1 3中的水分 儲藏量則增加，對於此情況，伴隨著式（2 )的反應之進 行’空氣極氣體擴散層14及空氣極觸媒層13中之水分儲 藏量則成爲較燃料極觸媒層1 1之水分儲藏量爲多之狀態 ’其結果，經由浸透現象，生成於空氣極觸媒層1 3的水 則促進通過電解質膜1 5而移動至燃料極觸媒層1 1之現象 ’因此，將對於燃料極觸媒層1 1之水分的供給，比較於 只仰賴從液體燃料容器2 1氣化之水蒸氣的情況，促進了 水的供給，而可使在前述式（1 )之甲醇的內部改質反應 促進。 另外，作爲液體燃料F，即使在使用甲醇濃度超過5 0 莫耳。/。之甲醇水溶液，或純甲醇的情況，因可使用從空氣 極觸媒層1 3移動至燃料極觸媒層11的水於內部改質反應 之情況，故可安定進行對於燃料極觸媒層Η之水的供給 ，由此，更可降低甲醇的內部改質反應之反應阻抗，進而 -16- 200836393 更可提升長期輸出性與負荷電流特性者，更加地，亦可謀 求液體燃料收容室2 1之小型化情況。 然而，在此，關於就將空氣極氣體擴散層1 4之氣孔 率係做爲較燃料極氣體擴散層1 2之氣孔率爲小所設定之 情況，已做過說明，但關於就將空氣極觸媒層1 3之氣孔 率係做爲較燃料極觸媒層1 1之氣孔率爲小所設定之情況 ，亦得到同樣的效果，更加地，關於就將空氣極氣體擴散 層1 4之氣孔率係做爲較燃料極氣體擴散層1 2之氣孔率爲 小所設定，且將空氣極觸媒層1 3之氣孔率係做爲較燃料 極觸媒層1 1之氣孔率爲小所設定之情況，亦得到同樣的 效果。 如根據上述，一實施形態之直接甲醇型之燃料電池1 〇 ，由將空氣極氣體擴散層1 4之氣孔率係做爲較燃料極氣 體擴散層1 2之氣孔率爲小所設定之情況，及/或將空氣極 觸媒層1 3之氣孔率係做爲較燃料極觸媒層1 1之氣孔率爲 小所設定之情況，可將在空氣極所生成的水儲存於空氣極 內者，由此，促進對於藉由電解質膜15之燃料極觸媒層 1 1之水的移動，並可供給對於針對在燃料極觸媒層Π之 改質反應需要的水，其結果，可迴避對於燃料極觸媒層1 1 之水的供給不足情況，進而可實現高輸出之燃料電池者。 然而，在上述之實施形態之中，關於對於液體燃料， 使用甲醇溶液或純甲醇之直接甲醇型的燃料電池，進行過 說明，但液體燃料’並不侷限於此’而亦可爲例如乙醇水 溶液或純乙醇等之乙醇燃料’丙醇水溶液或純丙醇等之丙 -17- 200836393 醇燃料，乙二醇水溶液或純乙二醇等之乙二醇燃料，二甲 醚’蟻酸，或其他的液體燃料，無論如何均收容因應燃料 電池之液體燃料，另外，燃料電池係對於主動型之燃料電 池’更加地對於燃料供給等一部分使用閥等之半被動型之 燃料電池而g ’亦可適用本發明，並得到與使用被動型之 燃料電池的情況同樣之作用效果。 接著，關於具備上述之膜電極接合體16，有關本發明 之一實施型態之直接甲醇型的燃料電池其他構成，參照圖 2及圖3而進行說明。 圖2係係模式性地表示有關本發明之一實施型態之其 他構成之直接甲醇型的燃料電池〗0 〇剖面的圖，圖3係爲 模式性地表示燃料分配機構1 3 〇之構成斜視圖，然而，對 於與上述之一實施型態的燃料電池1 〇之構成同一的部分 ’係附上同一之符號而省略或簡略重複之說明。 如圖2所示’膜電極接合體1 6係由燃料極觸媒層j j 及燃料極氣體擴散層1 2而成之燃料極，與空氣極觸媒層 1 3及空氣極氣體擴散層i 4而成之空氣極，與夾持於燃料 極觸媒層11與空氣極觸媒層13之間的質子（氫離子）傳 導性的電解質膜1 5所構成。 對於電解質膜1 5與後述之燃料分配機構〗3 〇之間， 係介入存在有燃料極密封材1 9，對於電解質膜1 5與表面 罩體層27之間，係介入存在有空氣極密封層2〇，經由此 等而防止從膜電極接合體1 6的燃料洩漏或氧化劑洩漏， 然而’對於表面罩體層2 7，係形成有爲了攝入爲氧化劑之 -18- 200836393 空氣的空氣導入口 28，而對於表面罩體層27與空. 1 1 1之間’係因應需要而配置保濕層，而保濕層係爲 在空氣極觸媒層1 3所生成的水之一部分，控制水的 之同時，促進了對於空氣極觸媒層13之空氣的均一 之構成。 然而，構成膜電極接合體1 6之各層的材料，構 料極游4材19’空熱極密封層20，表面罩體層27等 料，係爲與對應於構成前述之一實施型態的燃料電钟 之各自的材料相同。 對於膜電極接合體1 6之燃料極側，係配置有燃 配機構1 3 0，而對於燃料分配機構〗3 〇係介由如配管 料的流路1 3 1而連接燃料收容部〗3 2。 對於燃料收容部1 3 2，係收容有對應於膜電極接 1 6之液體燃料F，作爲液體燃料f係可舉出各種濃度 醇溶液或純甲醇等之甲醇燃料’而液體燃料F係未必 限於甲醇燃料之構成，而液體燃料F係例如亦可爲乙 溶液或純乙醇等之乙醇燃料，丙醇水溶液或純丙醇等 醇燃料，乙二醇水溶液或純乙二醇等之乙二醇燃料， 醚’蟻酸’其他的液體燃料，無論如何均收容因應燃 池1 0 0之燃料於燃料收容部1 3 2。 對於燃料分配機構1 3 0，係從燃料收容部1 3 2， 流路1 3 1而導入液體燃料]p，而流路][3 1係並非限於 分配機構1 3 G或與燃料收容部〗3 2獨立之配管所構成 成’例如’層積燃料分配機構〗3 〇與燃料收容部1 3 2 氣極 浸含 蒸發 擴散 成燃 之材 ^ 10 料分 之燃 合體 之甲 爲僞 醇水 之丙 二甲 料電 藉由 燃料 之構 而作 •19- 200836393 爲一體化之情況，亦可爲連結此等之液體燃料的流路，而 燃料分配機構1 3 0係如藉由流路1 3 1而與燃料收容部1 3 2 連接即可。 在此’如圖3所示，燃料分配機構1 3 0係具備具有液 體燃料F藉由流路1 3 1而流入之至少1個的燃料注入口 1 3 3，和排出液體燃料F或其氣化成分之複數個之燃料排 出口 13 4的燃料分配板1 3 5，另外，如圖2所示，對於燃 料分配板1 3 5的內部，設置有成爲從燃料注入口〗3 3所引 導之液體燃料F的通路之空隙部〗3 6，而複數之燃料排出 口 134係各自直接連接於做爲燃料通路而發揮機能之空隙 部 1 3 6。 從燃料注入口 1 3 3導入於燃料分配機構〗3 〇之液體燃 料F係流入於做爲燃料通路而發揮機能之空隙部136，並 藉由空隙部1 3 6，各自導入至複數之燃料排出口丨3 4，而 對於複數之燃料排出口 1 34係亦可配置例如，只透過燃料 之氣化成分’而不使液體成分透過之氣液分離膜（未圖示 )’由此，對於膜電極接合體丨6之燃料極丨丨〇係供給燃 料之氣化成分’然而，氣液分離體係亦可做爲氣液分離膜 而設置於燃料分配機構〗30與燃料極n〇之間，而液體 燃料F的氣化成分係從複數之燃料排出口〗3 *，朝燃料極 1 1 〇而排出。 燃料排出口 1 3 4係呈可供給燃料於膜電極接合體j 6 之全體地’複數設置於與燃料分配板丨3 5之燃料極n 〇接 觸的面，而燃料排出口〗3 4之個數係如爲2個以上即可， -20- 200836393 但爲了將針對在膜電極接合體1 6之面內的燃料供給量作 爲均一化，呈存在有0.1〜10個/cm2之燃料排出口 134地 形成情況則爲理想。 對於連接燃料分配機構1 3 0與燃料收容部1 3 2之間的 流路1 3 1係插入有閥1 3 7，而其閥1 3 7係並非爲循環液體 燃料F之循環閥，而爲從燃料收容部1 3 2移送液體燃料f 於燃料分配機構1 3 0的燃料供給閥，經由如此閥〗3 7在必 要時，輸送液體燃料F之情況，提升燃料供給量之控制性 ，此情況，作爲閥1 3 7係可控制性佳地輸送少量的液體燃 料F，更加地從可小型輕量化的觀點，理想爲使用旋轉葉 片幫浦，電性浸透流幫浦，隔片幫浦，汲取幫浦之情況， 而旋轉葉片幫浦係爲以馬達使葉片旋轉而進行輸送的構成 ’電性浸透流幫浦係爲使用引起電性浸透流現象之二氧化 矽等之燒結多孔體之構成，隔片幫浦係爲經由電磁石或壓 電陶瓷而驅動隔片進行輸送的構成，汲取幫浦係壓迫具有 柔軟性之燃料流路的一部分，汲取液體燃料F而進行輸送 的構成，而在此之中，從驅動電力或尺寸等之觀點，更理 想爲使用電性浸透流幫浦或具有壓電磁石之隔片幫浦者。 針對在如此構成，收容於燃料收容部1 3 2之液體燃料 F係經由閥137而移送至流路131，再供給至燃料分配機 構1 3 0 ’並且從燃料分配機構〗3 〇所釋放之燃料係供給至 膜電極接合體1 6之燃料極1 1 〇，而之後的作用係爲與在前 述之燃料電池1 0之作用相同。 然而，如爲進行從燃料分配機構1 3 0對於膜電極接合 -21 - 200836393 體1 6之燃料供給的構成，亦可取代閥〗3 7，而可做爲配置 燃料遮斷閥之構成者，此情況，燃料遮斷閥係爲了控制經 由流路1 3 1之液體燃料F的供給而加以設置。 針對在具有具備其膜電極接合體〗6之其他構成的燃 料電池1 0 0，亦得到與在前述之一實施型態的燃料電池i 〇 之作用效果同樣的作用效果。 接著，針對在將空氣極氣體擴散層1 4之氣孔率係做 爲較燃料極氣體擴散層1 2之氣孔率爲小所設定，及/或將 空氣極觸媒層1 3之氣孔率係做爲較燃料極觸媒層1 1之氣 孔率爲小所設定之燃料電池1 〇，由以下之實施例，說明得 到優越輸出特性之情況。 (實施例1 ) 如以下製作有關本發明之燃料電池。 首先，將碳纖維紙（TORAY公司製TGP-H-120)， 由平板加壓，朝厚度方向，壓縮厚度至成爲1/2爲止，然 而，其碳纖維紙之壓縮前的氣孔率係由使用阿基米德法而 測定時，爲7 5 %，另外，其碳纖維紙之壓縮後的氣孔率係 經由外型尺寸與測定重量計算的結果，爲4 0 · 5 %，將其碳 纖維紙，做爲空氣極氣體擴散層而使用。 另外，由均化器混合白金載持石墨粒子與DE2020 ( DUPONT公司製）而製作漿劑’並將其塗佈於爲空氣極氣 體擴散層之壓縮加工之碳纖維紙（T0RAY公司製TGP-H-! 2 〇 )之一方的面，並且，以常溫將其乾燥而形成空氣極 -22- 200836393 觸媒層’製作空氣極’而其空氣極觸媒層之氣孔率係由塗 膜尺寸與材料密度’以及測定重量而計算的結果，爲 8 8.6% ° 接著’由均化器混合載持白金釕合金粒子的碳粒子與 DE2 02 G ( DUPONT公司製）而製作漿劑，並將其塗佈於爲 燃料極氣體擴散層之氣孔率爲75%之碳纖維紙（TOR A Y 公司製TGP-H-120 )之〜方的面，並且，以常溫將其乾燥 而形成燃料極觸媒層，製作燃料極，而其燃料極觸媒層之 氣孔率係由塗膜尺寸與材料密度，以及測定重量而計算的 結果，爲7 8.5 %。 做爲電解質膜’使用固定電解質膜Nafionll2 ( DUPONT公司製），將其電解質膜，以空氣極及燃料極夾 持，並以溫度爲120°C，壓力爲i〇kgf/cm2之條件進行加 壓’製作膜電極接合體（MEA )，然而，電極面積係空氣 極，燃料極同時作爲12cm2。 接著，將其膜電極接合體（MEA )，以具有爲了導入 空氣及氣化之甲醇之複數開孔的金薄而夾合，形成燃料極 導電層及空氣極導電層。 以樹脂製之2個框體而夾入層積上述之膜電極接合體 (MEA )，燃料極導電層，空氣極導電層之層積體，然而 ，對於膜電極接合體之空氣極側與一方之框體之間，膜電 極接合體之燃料極側與另一方之框體之間，係各自夾持橡 膠製之〇環而進行密封。 另外，燃料極側的框體係介由氣液分離膜，經由螺絲、 -23- 200836393 固定於液體燃料收容室’而對於氣液分離膜，係使用厚度 0.2mm之矽薄片，另一方面，對於空氣極側之框體上，係 配置氣孔率爲28%之多孔質板，形成保濕板，而對於其保 濕板上，係配置形成有爲了空氣攝入之空氣導入口（口徑 4mm，口數64個）之厚度爲2mm之不錄鋼板（SUS304) ，形成表面罩體層，經由螺絲緊固而固定。 對於如上述所形成之燃料電池的液體燃料收容室，將 純甲醇注入5ml，以溫度25°C，相對濕度50%之環境，從 電流値與電壓値測定輸出之最大値，另外，經由安裝於表 面層之表面的熱電偶，測定燃料電池之表面溫度的最大値 〇 測定的結果’輸出之最大値係爲1 5 · 2 m W / c m 2，燃料 電池之表面溫度的最大値係爲32.4 t。 將其MEA從兀件取出，進行切斷，作爲呈可看到剖 面，埋入於樹脂，而關於埋入於其樹脂之Μ E A，剖面呈平 面地進行硏磨，以電子顯微鏡觀察，從其結果，將燃料極 觸媒層與空氣極觸媒層之厚度，各自作爲1 0點程度測定 ，求得平均厚度，而從其厚度，材料密度及測定重量算出 觸媒層之氣孔率時’燃料極觸媒層爲68.7%，空氣極觸媒 層爲8 0.7 %。 (實施例2 ) 針對在實施例2所使用之燃料電池的製作，首先，由 均化器混合白金載持石墨粒子與DE2020 ( DUPONT公司 -24- 200836393 製）而製作漿劑’並將其塗佈於爲空氣極氣體擴散層之氣 孔率爲75%之碳纖維紙（TORAY公司製TGP-H-120)之 一方的面，並且，以常溫乾燥其而形成空氣極觸媒層，製 作空氣極。 接著，於空氣極觸媒層上，配置PTFE (聚四氟乙燃 )薄板，並於其上方’配置厚度0.5mm之矽橡膠薄片，由 平板加壓進行壓縮，其結果，空氣極觸媒層的厚度則成爲 1 /2程度，空氣極觸媒層之氣孔率係由塗膜尺寸與材料密 度，以及測定重量而計算的結果，爲7 2 · 2 %，然而，針對 在其平板加壓，空氣極氣體擴散層之厚度係無變化。 接著，由均化器混合載持白金釕合金粒子的碳粒子與 DE2 02 0 ( DUPONT公司製）而製作漿劑，並將其塗佈於爲 燃料極氣體擴散層之氣孔率爲75%之碳纖維紙（T0RAY 公司製TGP-H-120 )之一方的面，並且，以常溫將其乾燥 而形成燃料極觸媒層，製作燃料極，而其燃料極觸媒層之 氣孔率係由塗膜尺寸與材料密度，以及測定重量而計算的 結果’爲8 〇 . 2 %。 做爲電解質膜’使用固定電解質膜Nafionll2 ( DUPONT公司製），將其電解質膜，以空氣極及燃料極， 觸媒塗佈層呈成爲電解質膜側地夾持，並以溫度爲1 2 〇它 ，壓力爲20kgf/Cm2之條件進行加壓，製作膜電極接合體 (MEA )，然而’電極面積係空氣極，燃料極同時作爲 12cm2，而除此之外的構成係爲與實施例！之燃料電池的 構成相同。 -25- 200836393 另外’輸出之最大値及燃料電池的表面溫度之最大値 之測定方法及測定條件係與在實施例丨之測定方法及測定 條件相同。 測疋的結果，輸出之最大値係爲1 3 · 8 m W / c m2，燃料 電池之表面溫度的最大値係爲3 2.5 °C。 將其MEA從元件取出，進行切斷，作爲呈可看到剖 面’埋入於樹脂，而關於埋入於其樹脂之MEA，剖面呈平 面地進行硏磨，以電子顯微鏡觀察，從其結果，將燃料極 觸媒層與空氣極觸媒層之厚度，各自作爲1 〇點程度測定 ’求得平均厚度，而從其厚度，材料密度及測定重量算出 觸媒層之氣孔率時，燃料極觸媒層爲6 8 · 8 %，空氣極觸媒 層爲6 2 · 0 %。 (實施例3 ) 針對在實施例3所使用之燃料電池的製作，首先，將 碳纖維紙（TORAY公司製TGP-H-120)，由平板加壓進 行壓縮，而其碳纖維紙之壓縮後的氣孔率係由外形尺寸與 測定重量而計算的結果’爲40.3%，將其碳纖維紙，作爲 空氣極器體擴散層而使用，接著，由均化器混合白金載持 石墨粒子與DE2 020 ( DUPONT公司製）而製作漿劑，並 將其塗佈於爲空氣極氣體擴散層之壓縮加工之碳纖維紙（ TORAY公司製TGP-H-120)之一方的面，並且，將其進 仃常溫乾燥而形成空热極觸媒層，製作空氣極。 接著，於空氣極觸媒層上，配置PTFE (聚四氟乙烯 -26 - 200836393 )薄板’並於其上方’配置厚度0.5mm之矽橡膠薄片，由 平板加壓進行壓縮，其結果，空氣極觸媒層的厚度則成爲 1 /2程度，其氣孔率係由塗膜尺寸與材料密度，以及測定 重量而計算的結果，爲7 3.4 %，然而，針對在其平板加壓 ，空氣極氣體擴散層之厚度係無變化。 接者’由均化益混合載持白金釘合金粒子的碳粒子與 DE2 02 0 ( DUPONT公司製）而製作漿劑，並將其塗佈於爲 燃料極氣體擴散層之氣孔率爲75%之碳纖維紙（TOR A Y 公司製TGP-H-120 )之一方的面，並且，以常溫將其乾燥 而形成燃料極觸媒層，製作燃料極，而其燃料極觸媒層之 氣孔率係由塗膜尺寸與材料密度，以及測定重量而計算的 結果，爲7 9.8 %。 做爲電解質膜，使用固定電解質膜 Nafionll2 ( DUPONT公司製），將其電解質膜，以空氣極及燃料極， 觸媒塗佈層呈成爲電解質膜側地夾持，並以溫度爲1 2(TC ’壓力爲20kgf/cm2之條件進行加壓，製作膜電極接合體 (MEA )，然而，電極面積係空氣極，燃料極同時作爲 1 2cm2，而除此之外的構成係爲與實施例1之燃料電池的 構成相同。 另外，輸出之最大値及燃料電池的表面溫度之最大値 之測定方法及測定條件係與在實施例1之測定方法及測定 條件相同。 測定的結果，輸出之最大値係爲1 6.7 m W / c m 2，燃料 電池之表面溫度的最大値係爲33.2 t。 •27- 200836393 將其MEA從元件取出，進行切斷，作爲呈可看到剖 面’埋入於樹脂，而關於埋入於其樹脂之MEA，剖面呈平 面地進行硏磨’以電子顯微鏡觀察，從其結果，將燃料極 觸媒層與空氣極觸媒層之厚度，各自作爲1 〇點程度測定 ，求得平均厚度，而從其厚度，材料密度及測定重量算出 觸媒層之氣孔率時，燃料極觸媒層爲6 8 · 3 %，空氣極觸媒 層爲6 3.5 %。 (以較例1 ) 針對在比較例1所使用之燃料電池的構成，係將氣孔 率爲75%之碳纖維紙（TORAY公司製tgP-H-120)使用 於空氣極氣體擴散層以外，係與實施例1之燃料電池的構 成相同。 另外’輸出之最大値及燃料電池的表面溫度之最大値 之測定方法及測定條件係與在實施例1之測定方法及測定 條件相同。 測定的結果，輸出之最大値係爲1 2·3ιηW/cm2，燃料 電池之表面溫度的最大値係爲3 2.6 °C。 將其MEA從元件取出’進行切斷，作爲呈可看到剖 面，埋入於樹脂，而關於埋入於其樹脂之MEA，剖面呈平 面地進行硏磨，以電子顯微鏡觀察，從其結果，將燃料極 觸媒層與空氣極觸媒層之厚度’各自作爲1 0點程度測定 ，求得平均厚度，而從其厚度，材料密度及測定重量算出 觸媒層之氣孔率時，燃料極觸媒層爲6 9.2 %，空氣極觸媒 -28- 200836393 層爲 81.2°/。。 (實施例及比較例之測定結果的檢討） 對於表1係表示上述之實施例1〜實施例3及比較例1 之測定結果 [表1] 輸出之最大値、mW/cm2 表面溫度的最大値、°C 實施例1 15.2 32.4 實施例2 13.8 32.5 實施例3 16.7 33.2 比較例1 12.3 32.6 從表1所示之測定結果，輸出之最大値係實施例1〜 實施例3則表示較比較例1爲大的値，另外，燃料電池之 表面溫度的最大値係針對在實施例1〜實施例3及比較例1 ，並無很大的差。 針對在比較例1，輸出之最大値爲低之情況係認爲在 比較例1之燃料電池中，因無法將在·空氣極所生成的水之 特定量儲存於空氣極內，而無法藉由電解質膜而充分地供 給水於燃料極觸媒層，另一方面，針對在有關本發明之實 施例1〜3，輸出之最大値爲高之情況係認爲在實施例1〜實 施例3之燃料電池中，因由將空氣極氣體擴散層之氣孔率 做爲較燃料極氣體擴散層之氣孔率爲小而設定之情況，及 /或將空氣極觸媒層之氣孔率做爲較燃料極觸媒層之氣孔 率爲小而設定之情況，可將在空氣極所生成的水儲存於空 氣極內，再藉由電解質膜而充分地供給水於燃料極觸媒層 -29- 200836393 ，另外，了解到針對在有關本發明之燃料電池，可得到優 越之輸出特性。 然而，結果係雖無表記，但針對在實施例1〜實施例3 及比較例1之燃料電池，在於燃料極導電層之液體燃料收 容室側的表面，設置由具有疏水性之聚四氟乙烯而成之多 孔膜情況，亦得到表示與針對在上述各實施例及比較例之 輸出最大値及燃料電池之表面溫度的最大値之測定結果同 樣傾向之測定結果。 另外，在此係表示使用被動型DMFC之一例，但並不 侷限於被動型，而如爲在燃料極側利用經由反應而生成的 水之構造的構成，對於任何燃料電池之方式，並無限定。 然而，本發明並非限定於上述實施形態之構成，而在 實施階段，在不脫離其宗旨之範圍，可將構成要素作爲變 形而具體化，另外，經由揭示於上述竇施形態之複數構成 要素的適宜之組合，可形成各種發明，例如，可從表示於 實施形態之全構成要素刪除幾個構成要素，更加地亦可適 宜組合遍佈不同實施形態的構成要素。 另外，針對在供給於膜電極接合體（MEA )之液體燃 料的蒸氣，亦可完全供給液體燃料的蒸氣，但在以液體狀 態供給一部分之情況，亦可適用本發明。 [產業上之利用的可能性] 如根據有關本發明之型態的燃料電池，由將空氣極氣 體擴散層之氣孔率係做爲較燃料極氣體擴散層之氣孔率爲 -30- 200836393 小所設定之情況，及/或將空氣極觸媒層之氣孔率係做爲 較燃料極觸媒層之氣孔率爲小所設定之情況，可將在空氣 極所生成的水儲存於空氣極內者’由此，促進對於藉由電 解質膜之燃料極觸媒層之水的移動’並可供給對於針對在 燃料極觸媒層之改質反應需要的水’其結果，可迴避對於 燃料極觸媒層之水的供給不足情況’進而可實現高輸出之 燃料電池者，而有關本發明之型態的燃料電池係例如有效 地利用於液體燃料直接供給型之燃料電池等。 【圖式簡單說明】 [圖1 ]係爲模式性地表示有關本發明之一實施型態之 直接甲醇型的燃料電池剖面的圖。 [圖2]係爲模式性地表示有關本發明之一實施型態之 其他構成之直接甲醇型的燃料電池剖面的圖。 [圖3]係爲模式性地表示燃料分配機構之構成斜視國 【主要元件符號說明】 I :燃料電池 10 0 :燃料電池 II :燃料極觸媒層 12:燃料極氣體擴散層 13 :空氣極觸媒層 14:空氣極氣體擴散層 -31 · 200836393 1 5 :電解質膜 1 6 :膜電極接合體 1 7 :燃料極導電層 1 8 :空氣極導電層 1 9 :燃料極密封材 20 :空氣極密封材 2 1 :液體燃料收容室 22 :氣液分離膜 23，25 :框體 24 :氣化燃料收容室 2 6 :保濕層 27 :表面罩體層 28 :空氣導入口 F :液體燃料 1 3 0 :燃料分配機構 1 3 1 :流路 1 3 2 :燃料收容部 1 3 3 :燃料注入口 1 3 4 :燃料排出口 1 3 5 :燃料電池分配板 1 3 6 :空隙部 137 :閥 -32-