TWI281762B - Fuel cell - Google Patents

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1281762 (1) ~ 九、發明說明 【發明所屬之技術領域】 #發明爲供給使液體燃料汽化後之氣化燃料於陽極觸 @ Μ之燃料電池，特別是關於能夠適當地放出伴隨進行電 池反應自陽極觸媒層產生之二氧化碳氣體，且減少因二氧 化碳氣體使內壓上升，電池輸出特性低下之燃料電池。 0 【先前技術】 近年來’個人電腦、手機等各種電子機器隨著半導體 技術發展而小型化，正嘗試使用燃料電池於這些小型機器 之電源。燃料電池因僅提供燃料與氧化劑即可發電，且具 僅交換燃料即可持續性地發電等優點，可說是於實現小型 化之攜帶電子機器其運作極有利之系統。特別是直接甲醇 型燃料電池（DMFC ; direct methanol fuel cell)，使用高 能量密度之甲醇爲燃料，因可直接在電極觸媒上自甲醇轉 φ 換出電流，且無須改質器使小型化變爲可能，因燃料之使 用上與氫氣燃料相比安全且容易，有希望做爲小型機器用 之電源。 DMF C之燃料供給方法，已知有汽化液體燃料後以風 扇等送入燃料電池內之氣體供給型DMFC，及將液體燃料 以原狀態以幫浦等送入燃料電池內之液體供給型DMFC， 另外如專利文件1所示之內部汽化型D M F C等。 專利文件1所示之內部汽化型DMFC，其爲備有保持液 體燃料之燃料浸透層，與燃料浸透層中，爲擴散被保持之 -5- (2) 1281762 m 液體燃料中之氣化成分之燃料汽化層，汽化後之液體燃料 自燃料汽化層被供給至燃料極（陽極）。專利文件1使用 之液體燃料爲甲醇與水爲1 :1之莫耳比混合之甲醇水溶液 ，甲醇與水二者均以汽化氣體之形式供給至燃料極。 根據專利文件1所示之內部汽化型DMFC，無法獲得足 夠之高輸出特性。因水較甲醇蒸氣壓爲低，水之汽化速度 較甲醇爲慢，若甲醇與水均以汽化形式供給於燃料極，則 φ 相較於甲醇之供給量，會造成水之供給量相對的不足。其 結果會因爲甲醇對內部改質反應之反應變高而無法得到充 足之輸出特性。 專利文件1 特許第3 4 1 3 1 1 1號公報 另外，根據上述之專利文件1所示過去之內部汽化型 DMFC，爲防止甲醇洩漏至電池外，自液體燃料池至陽極 觸媒層所經路線幾乎是以氣密方式形成。因此，於陽極觸 媒層由於甲醇等燃料分解反應而生成二氧化碳氣體（C02 φ )，其生成量伴隨發電量之增加而增加。因此，於燃料汽 化層與陽極觸媒層之間形成之汽化燃料收容室中之內壓隨 時間增加，相對的汽化燃料氣體分壓減少，供給陽極觸媒 層之燃料供給量變少之結果，造成電池輸出低下之問題點 〇 本發明之目的爲使具有將液體燃料之汽化成分供給於 陽極觸媒層之小型燃料電池，提升其輸出特性之安定化， 特別是以提供能夠適當地放出伴隨進行電池反應，自陽極 觸媒層產生之二氧化碳氣體，且減少因二氧化碳氣體使內 -6 - 1281762 " (3) 壓上升，電池輸出特性低下之燃料電池爲目的。 【發明內容】 爲達成上述之目的，關於本發明之燃料電池，其係爲 具備陰極觸媒層、陽極觸媒層、與上述之陰極觸媒層與陽 極觸媒層之間所配置之質子傳導性膜、儲存液體燃料之液 體燃料池、爲提供液體燃料之汽化成分給上述之陽極觸媒 φ 層之燃料汽化層、上述燃料汽化層與上述陽極觸媒層之間 所形成之汽化燃料收容室，且其特徵爲設計有包含於上述 陽極觸媒層生成之二氧化碳氣體，自上述之汽化燃料收容 室之側壁排出電池外（電池框體外）之內壓釋出機構。 另外於上述之燃料電池，上述內壓釋出機構，最好是 由於上述汽化燃料收容室之側壁所形成之切口部位及與此 切口部位緊密結合自由地配置之彈性體所構成。 另外’於上述之燃料電池，上述內壓釋出機構，最好 φ 是爲由於上述汽化燃料收容室之側壁所形成之溝，及與此 溝緊密結合自由地配置之彈性體所構成。 另外於上述之燃料電池，上述內壓釋出機構，最好是 係由上述汽化燃料收容室之側壁，及與此側壁緊密結合配 置之彈性體所形成，且將上述之汽化燃料收容室內之生成 氣體排至電池外之狹縫，延伸至該彈性體之厚度方向所形 成。 另外，於上述之燃料電池，上述內壓釋出機構，最好 是係由上述汽化燃料收容室之側壁所形成之溝，及與此溝 (4) 1281762 緊密結合自由地配置之彈性體所形成，且將該汽化燃料收 容室內之生成氣體排至電池外之狹縫，延伸至與溝緊密結 合之彈性體之厚度方向所形成。 另外於上述之燃料電池’上述彈性體之硬度最好是曰 本工業規格（JIS K 6301 A: 1997 (加硫橡膠以及熱可塑 性橡膠之硬度試驗））所示之硬度係4 0 °〜7 0 °的範圍。 另外，於上述之燃料電池，上述於汽化燃料收容室之 側壁所形成之切口部位之寬度最好是1 m m以下。 另外於上述之燃料電池，最好是設置將上述汽化燃料 收容室所排出之生成氣體，回流至陰極觸媒層側之引導管 【實施方式】 本發明係關於根據燃料電池，能夠提供爲使包含伴隨 進行電池反應，自陽極觸媒層產生之二氧化碳氣體之生成 φ 氣體，藉由內壓釋出機構能夠適當地放出電池外，且抑制 因二氧化碳氣體使內壓上升電池輸出特性低下，具備安定 之輸出特性之燃料電池。 本發明者們經專心硏究所得之結果，獲得可得到於具 備爲供給液體燃料之汽化成分於陽極觸媒層之燃料汽化層 之燃料電池中，伴隨電池反應進行包含自陽極觸媒層所產 生之二氧化碳氣體之生成氣體，藉由經汽化燃料收容室之 側壁所形成之切口部位及溝所構成之內壓釋出機構適當地 放出電池外，減少因二氧化碳氣體使內壓上升電池輸出特 -8- 1281762 " (5) 性低下，具備安定之輸出特性之燃料電池之情報。 另外，發現藉由將於陰極觸媒層所生成之水通過質子 傳導性膜提供給上述之陽極觸媒層，能夠使燃料之內部改 質反應之反應抵抗變低，提高其輸出特性。 特別是發現藉由使用陰極觸媒層所生成之水，使陰極 觸媒層之水分保持量較陽極觸媒層之水分保持量爲多，因 其能夠促使此生成水經由質子傳導性膜向陽極觸媒層之擴 φ 散反應，較水之供給速度只依賴燃料汽化層時更爲提升， 變爲可減低燃料之內部改質反應之反應抵抗，提高電池之 輸出特性。 另外，陰極觸媒層所生成之水，因能夠使用於陽極觸 媒層液體燃料之內部改質反應，能夠減輕陰極觸媒層所生 成之水排出電池外之處理，同時，不須爲提供水於液體燃 料之特別構造，能夠提供構造簡單之燃料電池。 另外，依據本發明之燃料電池，能夠使用過去理論上 φ 所無法使用，超過化學計量式之純甲醇等高效燃料。 以下，針對本發明之燃料電池，直接甲醇型燃料電池 ，參照所附之圖面，說明其實施方式。 首先，針對第1之實施方式加以說明。圖1爲有關本發 明之第1實施方式之表示直接甲醇型燃料電池構造例模式 之剖面圖。 如圖1所示，膜電極接合體（MEA) 1爲具備由陰極觸 媒層2及陰極氣體擴散層4所形成之陰極，與由陽極觸媒層 3及陽極氣體擴散層5所形成之陽極，和配置於陰極觸媒層 (6) 1281762 ~ 2與陽極觸媒層3之間之質子傳導性電解質膜6。 陰極觸媒層2與陽極觸媒層3所含之觸媒包括可舉出例 如鈾族元素之單體金屬（鉑、釘、铑、銥、餓、鈀等）’含 有鉑族元素之合金等。陽極觸媒使用對甲醇及一氧化碳耐 性強之鉑一釕，陰極觸媒希望使用鉑，但不只限定於這些 物質。另外，可使用以碳素材料爲導電性載體之載體催化 劑或是使用無載體催化劑。 | 構成質子傳導性電解質膜6之質子傳導性材料可舉出 例如具磺酸基之氟系樹脂（例如全氟磺酸聚合物），具磺 酸基之氫碳系樹脂，鎢酸及磷鎢酸等無機酸等，但不只限 定於這些物質。 陰極氣體擴散層4層疊於陰極觸媒層2之上，且陽極氣 體擴散層5層疊於陽極觸媒層3之下。陰極氣體擴散層4擔 任均一地供給氧化劑給陰極觸媒層2，也兼爲陰極觸媒層2 之集電體。另外，陽極氣體擴散層5擔任均一地供給燃料 φ 給陽極觸媒層3，同時亦兼爲陽極觸媒層3之集電體。陰極 導電層7a及陽極導電層7b，各自與陰極氣體擴散層4及陽 極氣體擴散層5連接。可使用金等金屬材料所製成之多孔 質層（例如網眼）於陰極導電層7a及陽極導電層7b。 矩形框狀之陰極封印材8a，位於陰極導電層7a與質子 傳導性電解質膜6之間，且氣密式地圍繞在陰極觸媒層2及 陰極氣體擴散層4周圍。另外，矩形框狀之陽極封印材8b ，位於陽極導電層7b與質子傳導性電解質膜6之間，且氣 密式地圍繞在陽極觸媒層3及陽極氣體擴散層5周圍。陰極 -10- (7) 1281762 封印材8 a及陽極封印材8 b係爲防止自膜電極接合體1之燃 料漏洩及氧化劑漏洩之0型密封圈。 膜電極接合體1之下方配置有液體燃料池9。液體燃料 池9內收容有液體甲醇等液體燃料l或甲醇水溶液。於液體 燃料池9之開口端，以燃料汽化層1 〇爲例，只容許液體燃 料之汽化成分透過，液體燃料池9之開口部覆蓋有使液體 燃料無法透過之汽液分離膜1 0。在此，液體燃料之汽化成 φ 分指的是液體燃料使用液體甲醇時汽化後之甲醇，而液體 燃料使用甲醇水溶液時是指甲醇之汽化成分與水之汽化成 分所組成之混合氣體。 汽液分離膜10與陽極導電層7b之間層積有樹脂製之框 架1 1。以框架1 1所圍成之空間，暫時性地收容擴散過汽液 分離膜1 〇之汽化燃料，機能爲汽化燃料收容室1 2 (亦即蒸 汽積存）。藉由汽化燃料收容室1 2與汽液分離膜1 〇抑制透 過甲醇量之效果，可避免一次供給大量的汽化燃料於陽極 φ 觸媒層3，且可抑制甲醇滲透之發生。尙且，框架1 1其矩 形之框架可以如PET之熱可塑性聚酯樹脂形成。 於上述汽化燃料收容室（蒸汽積存）1 2之側壁設置有 排出於陽極觸媒層3所生成含有二氧化碳氣體之生成氣體 至電池外之內壓釋出機構2 0。此內壓釋出機構2 0，如圖3 所示，爲由於汽化燃料收容室1 2之側壁1 1 a所形成之溝2 1 及與此溝2 1緊密結合自由地配置之彈性體1 0a所構成。 上述之內壓釋出機構，希望是以硬質之材料及與此硬 質材可自由地緊密結合之軟質之彈性體組合而成。具體而 -11 - (8) 1281762 言’構成上述汽化燃料收容室（蒸汽積存）1 2之側壁材料 並無特別限定，但以氣密性封閉電池之構成之PET等硬質 樹脂材來形成框材（封印材）及電池之框體爲佳。另外上 述之彈性體，以軟質之橡膠薄片爲佳。特別是亦可使用由 軟質之硅酮橡膠薄片、NBR所形成之上述之燃料汽化層1〇 來兼做爲彈性體。 上述橡膠等彈性體之硬度，最好是日本工業規格（ JIS K 63 0 1 A: 1 997 )所示之硬度係40°〜70°的範圍。此 彈性體之硬度未達40°過度柔軟時，藉由於側壁所形成之 切口部位，及將彈性體嵌入溝內而成之噴出□，其形成會 變爲困難。亦即，即便形成切口部位，因彈性體具有之彈 性，即使內壓上升噴出口也不會打開，指定壓力下之解放 動作變爲困難。另外，例如即便形成噴出口，因在高內壓 狀態下動作，而兼有燃料電池封印構造之氣體排除機構， 此封印構造可能成爲破壞之起點。相反的，此彈性體之硬 度超過70°時，彈性體之變形能力低下，即使內壓變化， 橡膠形狀仍維持原本之狀態’封止切口部位及溝會變爲困 難。因此，彈性體之硬度設定於40°〜70°的範圍，但更好 是在50°〜60°的範圍。 如圖3所示之內壓釋出機構20 ’汽化燃料收容室1 2內 之內壓低時，如圖3左側所示’彈性體1 0a嵌入溝2 1中而封 閉噴出口。另外’電池反應進行時’陽極觸媒層3生成之 二氧化碳氣體蓄積於汽化燃料收容室1 2而使內壓上升時’ 因彈性體l〇a變形，噴出口打開，包含二氧化碳之生成氣 -12- (9) 1281762 體被排出電池外（電池框體外）。所以，藉由生成氣體被 排出電池外內壓降低，彈性體1 Oa嵌入溝2 1中而再度封閉 噴出口。因此，抑制因二氧化碳氣體使內壓上升電池輸出 特性低下，變爲可提供具備安定之輸出特性之燃料電池。 上述之內壓釋出機構，如圖2所示亦可用於汽化燃料 收容室1 2之側壁1 1形成之切口部位22，與如同自上下夾住 且緊密結合自由地配置於切口部位22之彈性體10a、10b來 構成。此內壓釋出機構20a之作用效果與圖3所示機構相同 〇 圖2、3所示內壓釋出機構20a、20，汽化燃料收容室之 側壁1 1、1 la形成之切口部位22或溝21之寬度W最好在1mm 以下。此切口部位2 2或溝2 1之寬度W若超過 1mm變爲過大 時，變爲即便於低內壓狀態下亦會形成噴出口，做爲燃料 之甲醇發生洩漏等，無法順利進行藉由彈性體1 0、1 0 a使 噴出口開閉動作。藉由前述之溝21之寬度W爲1mm以下時 ，可減低未發電時燃料的洩漏。 另外上述之內壓釋出機構，如圖4所示由汽化燃料收 容室之側壁1 1及與此側壁1 1緊密結合配置之彈性體1 〇c所 構成，亦可以上述之汽化燃料收容室內之生成氣體排至電 池外之狹縫23，延伸至上述之彈性體1 〇c之厚度方向所構 成。 上述彈性體1 〇c所形成之狹縫23其高度最好爲彈性體 10c之厚度之四分之三以下，具體而言，使用厚度爲200 μιη 之彈性體10c時，最好是使用150 μηι以下。前述狹縫23其高 -13· (10) 1281762 度超過彈性體1 Oc之厚度之四分之三變爲過大時，藉由彈 性體1 0C實行噴出口之開閉動作會變爲無法順利進行。此 內壓釋出機構2 Ob之作用效果與圖3所示機構相同。 另外上述之內壓釋出機構，亦可由如圖4所示而構成 。亦即，內壓釋出機構20c爲於前述汽化燃料收容室之側 壁1 la形成之溝21，與此溝21緊密結合配置之彈性體1〇 d所 構成，上述之汽化燃料收容室內之生成氣體排至電池外之 φ 狹縫23，延伸至與溝21緊密結合之彈性體l〇d之厚度方向 所構成亦可。 根據如圖5所示之內壓釋出機構2 0 c，加上如圖3所示 之內壓釋出機構20，另外由於在彈性體l〇d形成狹縫23， 內壓之噴出口之開閉動作更順利進行。 尙且，上述圖2〜圖5之右側所示之內壓釋出機構，當 內壓高時所形成之釋出通路，爲易於理解而誇張地繪出， 但實際上釋出通路之寬度只有數十μιη，開啓這樣寬度之釋 φ 出通路，即可有效放出內壓。另外，低內壓時完全封閉釋 出通路（噴出口）會有困難，但具低減汽化燃料洩漏之效 果。 另外，具備如上述之內壓釋出機構之燃料電池，最好 是設置有如圖7之前述汽化燃料收容室1 2所排出之生成氣 體，回流至陽極觸媒層2側之引導管24。 於上述之汽化燃料收容室1 2所排出之生成氣體中，除 陽極觸媒層3所產生之二氧化碳氣體以外，還包含燃料汽 化層1 〇所供給之甲醇蒸汽等汽化燃料。此排放出之氣體藉 -14- (11) 1281762 由經由上述之引導管24，回流至陽極觸媒層2側，被排出 之氣化燃料可被再回收利用。亦即，引起甲醇蒸汽等汽化 燃料之燃燒反應，藉其之發熱使電池輸出增加變爲可能的 同時，燃料電池於低溫時變爲容易做動，具有改善做動特 性之效果。 相反的，層積於膜電極接合體1上方之陰極導電層7a 之上層積有保濕板13。表面層15上，設置有數個爲引入做 φ 爲氧化劑之空氣之空氣導入口 14，且層積於保濕板13之上 。於表面層15，爲使加壓於包含膜電極接合體1之煙囪使 其密著性增高，而由例如SUS 304之金屬形成。保濕板13擔 任可抑制於陰極觸媒層2所生成之水之蒸散外，同時有做 爲藉由均一地導入氧化劑於陰極氣體擴散層4，促進氧化 劑均一地向陰極觸媒層2擴散之輔助擴散層之功用。 根據如上述構成之有關第1實施方式之直接甲醇型燃 料電池，汽化液體燃料池9內之液體燃料（例如甲醇水溶 φ 液），氣化後之甲醇與水擴散過氣液分離膜（燃料汽化層 )1 〇，短暫地收容於汽化燃料收容室1 2，再自該處緩慢地 擴散過陽極氣體擴散層5而供給給陽極觸媒層3，產生下述 之反應式（1 )所示之甲醇內部改質反應。 〔化1〕 CH3OH + H2〇-^C〇2 + 6H+ + 6e~ ·.·... ( 1 ) 另外，使用純甲醇爲液體燃料時，因無來自汽化燃料 層之水之供給，產生由混入陰極觸媒層2所生成之甲醇之 氧化反應而生成之水及質子傳導性電解質膜6中之水分等 -15- 1281762 * (12) * 與甲醇反應而有上述（1)式之內部改質反應，或產生不 經上述（1)式，於不使用水之反應機構產生改質反應。 於陽極觸媒層3因甲醇等燃料分解反應而生成之二氧 化碳氣體（C02)，因會蓄積於燃料汽化層10與陽極觸媒 層3之間所形成之汽化燃料收容室1 2，內壓隨時間而增加 〇 上述之內部改質反應產生之質子（H+)，擴散過質 子傳導性電解質膜6到達陽極觸媒層3。相反的，自表面層 15之空氣導入口 14引入之空氣之空氣，擴散過保濕板13與 陰極氣體擴散層4，而供給於陰極觸媒層2。於陰極觸媒層 2產生下述之（2)式所示反應而生成水，亦即產生發電反 應。 〔化2〕 (3/2 ) 02 + 6H+ + 6e - — 3H20 ……（2 ) 進行發電反應時，藉由前述（2)式之反應等，陰極 ϋ 觸媒層2中產生之水擴散過陰極氣體擴散層4而到達保濕板 1 3，藉由保濕板1 3阻礙蒸散，增加陰極觸媒層2之水分儲 藏量。因此，可形成伴隨發電反應進行，陰極觸媒層2之 水分保持量較陽極觸媒層3之水分保持量爲多之狀態。其 結果，由於滲透壓現象，因促進陰極觸媒層2生成之水通 過質子傳導性電解質膜6向陽極觸媒層3之移動反應，向陽 極觸媒層之水之供給速度與只依賴燃料汽化層時相比可增 加其速度，可促進上述（1)式所示甲醇之內部改質反應 。因此，可增高輸出密度同時，變爲可長期間維持此高輸 -16- (13) 1281762 出密度。 另外，於陽極觸媒層3因甲醇等燃料分解反應而生成 之二氧化碳氣體（c〇2)，因會蓄積於燃料汽化層1〇與陽 極觸媒層3之間所形成之汽化燃料收容室i 2，內壓隨時間 而增加。然而，根據本實施例因設置有如圖2〜圖5所示之 內壓釋出機構2 0〜2 0 c，伴隨進行電池反應，陽極觸媒層 生成之二氧化碳氣體，會適宜地經由內壓釋出機構20〜 2 〇 c而排放出電池外（電池框體外）。因此，未減少於汽 化燃料收容室1 2汽化燃料氣體之分壓，另外，因供給給陽 極觸媒層3之燃料供給量亦未低下，不會造成電池輸出低 下。 以下具體以圖3所示之內壓釋出機構20爲例說明。汽 化燃料收容室1 2之內壓低時，如圖3之左側圖所示，彈性 體l〇a嵌入溝21中而封閉噴出口。另外，電池反應進行陽 極觸媒層3生成之二氧化碳氣體’蓄積於汽化燃料收容室 12內壓上升時，因彈性體l〇a變形，噴出口打開，包含二 氧化碳之生成氣體被排出電池外。所以’由於生成氣體被 排出電池外使內壓變低時，彈性體1 0a嵌入溝2 1中而再度 封閉噴出口。因此，抑制因二氧化碳氣體使內壓上升電池 輸出特性低下，變爲可提供具備安定之輸出特性之燃料電 池。 另外，液體燃料藉由使用濃度超過5 0莫耳％之甲醇水 溶液’或純甲醇’內部改質反應變爲主要使用自陰極觸媒 層2擴散至陽極觸媒層3之水’因安定進行對陽極觸媒層3 -17- (14) 1281762 之水供給，可更減低甲醇內部改質反應之反應抵抗，可更 增加長期輸出特性及負荷電流特性。另外，亦可計畫液體 燃料池之小型化。尙且，純甲醇之純度最好是9 5重量％以 上，100重量％以下。 其次，針對有關第2之實施方式之直接甲醇型燃料電 池加以說明。 此有關第2之實施方式之直接甲醇型燃料電池，除了 在陰極氣體擴散層與表面層之間未配置保濕板之外，與前 述有關第1之實施方式之直接甲醇型燃料電池具有相同之 構造。 於第2之實施方式，燃料池所收容之液體燃料，使用 5 0莫耳％之甲醇水溶液，或純甲醇（純度最好是95重量％ 以上，100重量％以下）。因此，擴散過氣液分離膜或供 給於陽極觸媒層之水份量變爲減少或完全沒有。另外，於 陰極觸媒層，由上述之（2)式所示之反應生成水，伴隨 發電進行增加水之存在量。其結果，因可形成陰極觸媒層 之水分保持量較陽極觸媒層之水分保持量爲多之狀況，藉 由滲透壓現象，可促進自陰極觸媒層向陽極觸媒層之水之 擴散。其結果，促進向陽極觸媒層之水之供給，且水供給 變爲安定地進行，可促進上述（1 )式所示之甲醇內部改 質反應，亦可增加輸出密度及長期出力特性。另外，亦可 計畫液體燃料池之小型化。 在此，調查使用全氟碳系之質子傳導性電解質膜時， 燃料電池之最大輸出與質子傳導性電解質膜之厚度之關係 -18- (15) 1281762 ，結果爲爲實現高輸出特性’質子傳導性電解質膜6之厚 度最好是1〇〇 μηι以下，可得到更高之輸出，其理由係因變 爲可能更加促進自陰極觸媒層2向陽極觸媒層3之水之擴散 。但質子傳導性電解質膜6之厚度未達ΙΟμηι時，因電解質 膜4之強度會有低下之可能性，質子傳導性電解質膜6之厚 度更最好是設定在10〜1〇〇μπι之範圍。更加希望是在10〜 8 0 μ m之範圍。 於本發明，並未限定於上述各實施方式，因採用陰極 觸媒層2所生成之水通過質子傳導性電解質膜6供給陽極觸 媒層3之構成，可促進向陽極觸媒層3之水之供給，且若可 進行安定之水供給，並無任何限定。 另外，若爲可將前述陽極觸媒層3生成之包含二氧化 碳氣體之生成氣體，自上述汽化燃料收容室之側壁，間歇 性地排出電池外之構造，內壓釋出機構之構成並無任何限 定。 實施例 以下，針對本發明之實施例，參照附圖，詳細說明。 (實施例1 ) <陽極之製作> 於陽極用觸媒（Pt:Ru=l:l )載體碳黑’添加全氟磺酸 溶液與水及甲氧基丙醇，調製使前述觸媒載體碳黑分散之 預混料。所得之預混料塗布於做爲陽極氣體擴散層之多孔 -19- (16) 1281762 * 質碳紙上厚度爲450 μιη’製作成具有陽極觸媒層之陽極。 <陰極之製作> 於陰極用觸媒（pt)載體碳黑，加入全氟磺酸溶液與 水及甲氧基丙醇，調製使前述觸媒載體碳黑分散之預混料 。所得之預混料塗布於做爲陰極氣體擴散層之多孔質碳紙 上厚度爲400 μιη，製作成具有陰極觸媒層之陰極。 I 陽極觸媒層與陰極觸媒層之間，配置厚度爲30μπι，含 水量爲10〜20重量％之全氟磺酸膜（nafion膜，杜邦製） ，做爲質子傳導性電解質膜，藉由對這些物質施以熱壓， 得到膜電極接合體（MEA)。 準備做爲保濕板之厚度爲5 00μιη，透氣度爲2秒 /100cm3 ( JIS Ρ-8117)，透溼度爲 4000g/m224h ( JIS L-1009 A-1法）之聚乙烯至多孔質薄膜。 汽化燃料收容室1 2之側壁所構成之框架1 1，則爲準備 φ PET製之厚度25μιη框狀之框架11，此框架11之一部分， 11a’如圖三所示，形成一寬w爲1mm之溝21，做爲爲釋出 內壓之噴出口。另外，準備兼用爲氣液分離膜1 〇與彈性體 l〇a之材料，厚度爲…邮瓜之矽膠橡膠（SR)薄片。 使用所得之膜電極接合體1，保濕板1 3，框架1 1，i i a ’氣液分離膜1 0 (彈性體1 0a )，組合成如前述圖1所示之 構造之有關第1之實施方式之直接甲醇型燃料電池。此時 ’燃料池9收容有純度爲99.9重量％之純甲醇2mL。 -20- (17) 1281762 (實施例2 ) 並未如實施例1於框架1 1形成溝2 1，向用做如圖4所示 之氣液分離膜10 (彈性體l〇c )之矽膠橡膠之厚度方向延 伸，於高50μιη以下之狹縫（已切好）23切下2〜4個切點以 外，組合成如圖1所示之構造之與實施例1有相同構造之與 實施例2有關之燃料電池。 • (比較例） 未於框架1 1形成實施例1所形成之溝，及實施例2中於 彈性體所形成之狹縫完全未形成點以外，組合成如圖1與 實施例1有相同構造之與比較例有關之燃料電池。 針對如上所調製之關於實施例1，2，及比較例之燃料 電池，於室溫下進行相同負荷之發電，此時連續測定燃料 電池輸出及汽化燃料收容室1 2之內壓（陽極壓力）與所經 時間之變化。測定結果表示於圖6。圖6之橫軸表示發電時 φ 間，左右之縱軸各自表示陽極壓力與輸出値。陽極壓力表 示以大氣壓力爲〇之相對壓力値。 自圖6所示可清楚看到，設置有於陽極觸媒層生成之 包含二氧化碳氣體之生成氣體，自汽化燃料收容室之側壁 排出電池外之內壓釋出機構之實施例1，2之燃料電池，伴 隨電池進行反應，因可適宜地放出陽極觸媒層所生成之二 氧化碳氣體，與不具有內壓釋出機構之比較例之燃料電池 相較之下，較少有因二氧化碳氣體而使內壓上升電池輸出 特性低下，明確判斷出可得安定之輸出。 -21 - (18) 1281762 相對地，於不具有內壓釋出機構之比較例之燃料電池 ’因陽極壓力隨時間持續上升，相對的汽化燃料之分壓減 少，被供給給陽極觸媒層之燃料供給量低下結果，被再確 認爲有電池輸出低下之傾向。 圖7所示爲設置有自汽化燃料收容室1 2排出之生成氣 體，回流至陰極觸媒層2之引導管24之燃料電池之構成例 。在此，自汽化燃料收容室1 2排出之生成氣體中，陽極觸 媒層3所生成之二氧化碳氣體以外，含有自燃料汽化層1 〇 所供給之甲醇蒸氣等汽化燃料。因此藉由將內壓釋出機構 所排出之氣體，經由引導管24，回流至陰極觸媒層2側， 可再回收利用被排出之汽化燃料。亦即，引起甲醇蒸汽等 汽化燃料之燃燒反應，藉其之發熱使電池輸出增加變爲可 能的同時，燃料電池於低溫時變爲容易做動，可得到具有 改善做動特性之效果。 圖8爲表示於使如圖3所示之內壓釋出機構20之溝（切 口）21之寬度在0.3〜5 mm範圍變化時，切口寬度W與電池 電壓關係圖。自圖8所示可清楚看到，上述之溝（切口） 21之寬度超過1mm時，因矩形之彈性體均一地未承受壓力 ，明確判斷出於無負荷時，電池之電池電壓低下。 圖9爲表示於使如圖4所示之構成內壓釋出機構20b之 彈性體矽膠橡膠（SR)之硬度（Hs )在35〜70度之範圍變 化時，硬度與電池電壓關係圖。自圖9所示可清楚看到， 由上述之做爲彈性體之矽膠橡膠（SR )之硬度，於狹縫23 部分均一地未有壓力作用，確認於無負荷時電池之電池電 -22- (19) 1281762 壓有低下傾向。特別是可明確判斷出做爲彈性體之矽膠橡 膠（SR)之硬度（Hs)在50〜60度之範圍時，電池之電池 電壓可維持在高電壓。 尙且，本發明並未限定於如同上述之實施方式，能夠 於實施階段，不脫離主旨之範圍內，變形構成要素而具體 化。另外，藉由適宜地組合於上述實施方式所揭示之數個 構成要素，可形成各式各樣的發明。例如，亦可自實施方 式所揭示之全部構成要素中，去除幾個構成要素。另外， 亦可適宜地組合關於不同的實施方式之構成要素。 【圖式簡單說明】 [圖1 ]有關本發明之第1實施方式之表示直接甲醇型燃 料電池構造例模式之剖面圖。 [圖2]表示內壓釋出機構之構造例同時，表示汽化燃料 收容室內高壓時與低壓時內壓釋出機構之動作模式之剖面 圖。 [圖3 ]爲於圖1瓜一瓜箭頭方向檢視剖面圖，表示內壓 釋出機構之其他之構造例同時，表示汽化燃料收容室內高 壓時與低壓時內壓釋出機構之動作模式之剖面圖。 [圖4]表示內壓釋出機構之其他之構造例同時，表示汽 化燃料收容室內高壓時與低壓時內壓釋出機構之動作模式 之剖面圖。 [圖5 ]表示內壓釋出機構之其他之構造例同時，表示汽 化燃料收容室內高壓時與低壓時內壓釋出機構之動作模式 -23- (20) !281762 之剖面圖。 [圖6 ]針對關於實施例1，2，及比較例之直接甲醇型燃 料電池，表示其陽極壓力及輸出之所經時間變化特性圖。 [圖7]表示關於本發明之其他之實施方式之直接甲醇型 燃料電池之構造例模式之剖面圖。 [圖8]於使如圖3所示之內壓釋出機構20之溝（切口） 21之寬度在0.3〜5mm範圍變化時，切口寬度W與電池電壓 關係圖。 [圖9]於使如圖4所示之構成內壓釋出機構20b之彈性體 砂膠橡膠（SR)之硬度（Hs)在35〜70度之範圍變化時， 硬度與電池電壓關係圖。 【主要元件符號說明】 1 :膜電極接合體（MEA )、2 :陰極觸媒層、3 ··陽極 觸媒層、4:陰極氣體擴散層、5:陽極氣體擴散層、6:質 φ 子傳導性電解質膜、7 a :陰極導電層、7 b :陽極導電層、 8a :陰極封印材、8b :陽極封印材、9 :液體燃料池、1 〇 : 燃料汽化層、1 0a、1 〇b、1 〇c、丨〇d :彈性體、1 1 :框架（側 變）、12 :汽化燃料收容室、1 3 :保濕板、14 :空氣導入 Ώ、15 ··表面層、20、20a、2〇b、2〇c :內壓釋出機構、21 ’禧、22 :切口部位' w ··切口部位或溝之寬度、23 :狹 知、24 :引導管、L :液體燃料21。 -24-

Claims (1)

1281762 ^久丨月m?修(更、in 十、申請專利範圍 。 第094 1 3498 7號專利申請案 中文申請專利範圍修正本 民國96年1月11日修正 1 · 一種燃料電池，其特徵爲具備陰極觸媒層、陽極 觸媒層、於該陰極觸媒層與該陽極觸媒層之間所配置之質 子傳導性膜、儲存液體燃料之液體燃料池、爲提供液體燃 φ 料之汽化成分給該陽極觸媒層之燃料汽化層、及於該燃料 汽化層與該陽極觸媒層之間所形成之汽化燃料收容室的燃 料電池， 設計有將包含於前述陽極觸媒層生成之二氧化碳氣體 之生成氣體，自該汽化燃料收容室之側壁排出電池外之內 壓釋出機構。 2·如申請專利範圍第1項之燃料電池，其中該內壓釋 出機構，爲由於該汽化燃料收容室之側壁所形成之切口部 Φ 位及與此切口部位緊密結合自由地配置之彈性體所形成。 3 ·如申請專利範圍第1項之燃料電池，其中該內壓釋 出機構，爲由於該汽化燃料收容室之側壁所形成之溝，及 與此溝緊密結合自由地配置之彈性體所形成。 4·如申請專利範圍第丨項之燃料電池，其中該內壓釋 出機構係由該汽化燃料收容室之側壁，及與此側壁緊密結 合地配置之彈性體所形成，且使將該汽化燃料收容室內之 生成氣體排至電池外之狹縫，延伸至該彈性體之厚度方向 所形成。

1281762 5 .如申請專利範圍第1項之燃料電池，其 出機構係由該汽化燃料收容室之側壁所形成之 溝緊密結合自由地配置之彈性體所形成，且使 料收容室內之生成氣體排至電池外之狹縫，延 密結合之彈性體之厚度方向所形成。 6·如申請專利範圍第2項至第5項中任1項 ，其中該彈性體之硬度爲日本工業規格（JIS 1 997 )所示之硬度係40°〜70°的範圍。 7 ·如申請專利範圍第2項之燃料電池，其 燃料收容室之側壁所形成之切口部位之寬度爲 8 ·如申請專利範圍第丨項之燃料電池，其 汽化燃料收容室所排出之生成氣體，回流至陰 之引導管。 中該內壓釋 溝，及與此 將該汽化燃 伸至與溝緊 之燃料電池 K 6301 A ： 中於該汽化 1 mm以下。 係設置將該 極觸媒層側

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