专利名称：燃料电池和燃料电池系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池和燃料电池系统。
背景技术：
作为支持信息社会的便携式电子设备的电源，正在推动燃料电池的开发。燃料电池以直接甲醇燃料电池(DMFC)为代表。燃料电池的一般构成如下所述。
燃料电池包括作为电动势部件(起电部件)的膜电极组件(MEA，membrane electrode assembly)。MEA包括电解质膜和形成在电介质膜的两个表面上的电极。每一个电极包含有催化剂和导电多孔材料。将一组燃料电池构建为包括所述MEA和一对将所述MEA夹在中间的导电通道板。每一个通道板上设有用于向MEA提供燃料或者氧化剂(一般也就是空气)的槽。通过将多个燃料电池相互堆叠起来而制得燃料电池堆。
如果将空气和燃料提供给燃料电池，则在燃料电池内部进行化学反应，从而可以输出电力。用空气泵将空气提供给燃料电池，用循环燃料泵向燃料电池供应燃料。用混合醇(比如甲醇、乙醇或者丙醇)与水制备的混合溶液作为燃料。例如在用甲醇水溶液作为燃料的情况下，在燃料电池的燃料电极也就是阳极中进行的反应由下述反应式(1)表示CH3OH+H2O→CO2+6H++6e-(1)另一方面，在氧化剂电极也就是阴极中进行的反应由下述反应式(2)表示O2+4H++4e-→2H2O(2)燃料电池中使用的电解质膜允许选择性地传递质子(H+)。在阳极上产生的电子经过作为燃料电池的负载的电子设备到达阴极。这样就完成了所述反应。总之，总的反应代表在甲醇、水和氧之间进行的反应，产生二氧化碳和水。
如上所述，燃料电池表示这样一种设备向其提供燃料和空气以得到电力，同时排出产物和热量到外部。因此，为了保持高的输出，允许物质流动的平稳进行是非常重要的。物质流动的不方便性对发电的不利效应主要在以下方面。
具体地，如果空气和燃料的流速不够，则反应所需的物质的供应不充分，从而会降低输出。相反，如果燃料流速过高，则燃料会穿过电解质膜到达阴极，这称为“渗透(cross-over)现象”。结果，燃料电池的电动势倾向于降低。另外，如果空气流速过高，则MEA中所包括的电解质膜会被干燥，另外，电解质膜的温度会降低，从而降低输出。也就是说，在燃料电池中合适地控制空气和燃料的流速以稳定地获得高输出是非常重要的。
在一般的DMFC中，在氧化剂电极上产生大量的水。这些水包括在氧化剂电极上生成的水以及从燃料电极一侧透到氧化剂电极一侧的水。对于输出例如为2W的DMFC，氧化剂电极上生成水的速度大约是10cc每小时。使用设有多个槽的通道板来向氧化剂电极供应空气。空气通道(槽)具有非常小的横截面，例如大约1mm×1mm。因此，在氧化剂电极上生成的水或者从燃料电极一侧透过来的水在空气通道中凝结。结果，在空气通道中形成水滴，从而频繁地阻塞空气通道。在这种情况下，就有可能妨碍空气的稳定供应。
例如，在日本专利申请公开No.11-97041以及日本专利申请公开No.2002-20690中，分别公开了意在防止燃料电池中的气体通道被水阻塞的技术。
具体地，上面引用的日本专利申请公开No.11-97041旨在提供一种聚合物电解质燃料电池，该燃料电池是使用氢气作为燃料的类型。在该现有技术文献所公开的燃料电池中，在气体通道的壁中形成亲水区和疏水区。在这种燃料电池中，疏水区排斥水滴，以确保阳极侧的气体通道。
上面引述的日本专利申请公开No.2002-20690旨在提供一种向阳极提供气体燃料的类型的聚合物电解质燃料电池。在这种燃料电池中，在形成气体通道的壁上形成亲水涂层。在这种燃料电池中，水滴被亲水涂层扩张开，从而形成薄水层，从而确保了气体通道。
在上述聚合物电解质燃料电池中，当然可以减少在燃料气体通道中生成的水滴导致的流体通道的阻塞。但是，在对空气通道应用日本专利申请公开No.11-97041所公开的亲水区和疏水区以及日本专利申请公开No.2002-20690所公开的亲水涂层的情况下，MEA的失水量会大于所需的，从而产生燃料电池的输出特性被降低的问题。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种燃料电池和燃料电池系统，其可以抑制水滴对空气通道的阻塞，并可以表现出优良的输出特性。
根据本发明的一个方面，提供了一种燃料电池，包括阳极；阴极；布置在阳极和阴极之间的电解质膜；用于向阴极供应空气的阴极通道板，其包括与阴极一起形成空气通道的槽；以及设置在所述槽的内表面上并与阴极分开的亲水部件。
根据本发明的另一方面，提供了一种燃料电池系统，包括燃料电池，包括阳极，阴极，布置在阳极和阴极之间的电解质膜，向阴极供应空气、包括与阴极一起形成空气通道的槽的阴极通道板，以及设置在所述槽的内表面上、与所述阴极分开的亲水部件；燃料供应源；用于从燃料供应源向所述阳极供应液体燃料的燃料供应装置；用于向所述阴极通道板供应空气的空气供应装置；以及用于从所述燃料电池取出电力的外部电路。
图1A的横截面图示意性地图示了根据本发明一种实施方式的燃料电池的构造；图1B是沿着图1A所示的IB-IB线的剖面图，示意性地图示了图1A所示燃料电池的构造；图2A的俯视示了没有装亲水部件的传统的空气通道的构造；图2B的俯视示了根据本发明的实施方式具有亲水部件的空气通道的构造；图3A是沿着图示空气通道的构造的图2A中所示的IIIA-IIIA线的剖视图；图3B是沿着图示空气通道的构造的图2B中所示的IIIB-IIIB线的剖视图；图3C是沿着图示空气通道的构造的图2A中所示的IIIC-IIIC线的剖视图；图3D是沿着图示空气通道的构造的图2B中所示的IIID-IIID线的剖视图；图4A的横截面示了疏水部件；图4B的横截面示了亲水部件；图4C的横截面示了亲水性高于图4B所示亲水部件的亲水部件；图5A示意性地图示了疏水部件的表面状态；图5B示意性地图示了亲水部件的表面状态；图6的立体斜视图以透视的方式示意性地图示了在空气通道的底面和侧面上布置有亲水部件的空气通道的内部区域；图7的立体斜视示了装有亲水辅助部件的空气通道的构造；图8A的横截面示了没有装任何亲水部件和亲水辅助部件的传统的空气通道的湿润状态；
图8B是沿着图示空气通道的状态的图8A所示的XIIIB-XIIIB线的横截面图；图9的立体斜视示了装有多个亲水辅助部件的空气通道的构造；图10A的斜视示了装有其中形成了单个长通道的阴极通道板的燃料电池的构造；图10B的斜视图以分解图的方式图示了图10A所示燃料电池的构造；图11A的斜视示了燃料电池堆的构造；图11B是沿着图11A所示的XIB-XIB线的横截面图，图示了包括在燃料电池堆中的隔板的构造；图12示意性地图示了燃料电池系统的一个例子的构造；图13示意性地图示了燃料电池系统的另一个例子的构造；图14示意性地图示了燃料电池系统的又一个例子的构造；图15A的俯视示了其中形成有多个平行的通道的阴极通道板的构造；图15B是从白色箭头所指的方向看的图15A所示的阴极通道板的构造的侧视图；图15C的俯视示了其中形成有两个平行通道的阴极通道板的构造；图15D是从白色箭头所指的方向看的图15C所示的阴极通道板的构造的侧视图；图16的曲线示了对于本发明的每一个例子的燃料电池的输出历史记录；图17的曲线示了每一个对比例的燃料电池的输出历史纪录。
具体实施例方式
作为为了克服上述问题而进行的广泛研究的成果，本发明人有重大的发现。下面结合图4和图5说明这些发现。图5所示的波浪形箭头表示空气的流动方向，直箭头表示水份(湿气，水汽)的流动方向。
术语“亲水性”表示水滴的接触角θ如图4B所示为90度或者如图4C所示小于90度的状态。另一方面，作为用于形成燃料电池的通道板所使用的一般材料的碳的表面是“疏水的(拒水的)”。自然地，由碳形成的通道板排斥水。即使水滴接触由碳形成的通道板，水滴的接触角θ会超过90度，如图4A所示。如果水被排斥，则这种排斥性似乎对于确保气体的通道来说是方便的。但是，水滴形式的水被外力移动、从水滴的表面蒸发或者留在水滴附着处，如图5A所示。在移动水滴的手段方面，可以考虑到使用气流将水滴吹走。通过压缩机或者鼓风机压缩的空气流可以容易地将阻塞管道的液滴吹走。但是，在流体通道不完全闭合、液滴附近的空间仍然敞开时，也就是在即使水滴不移动空气流也几乎不受影响的情况下，就难以吹走水滴，除非向水滴施加流速相当高的气流。还应当注意到，尽管水滴与壁表面接触面积小，与周围空气接触面积小，但是具有比较大的厚度。在这种情况下，水滴形式的水的蒸发速率低。结果是，水滴的去除越来越难。
如果将附着到固体壁表面的水滴的厚度减小，如图5B所示，则可以提高蒸发速度。空气通道中的水蒸气在壁表面上凝结而形成水滴。如果在空气通道的壁上设置亲水部件比如无纺织布(非织造织物)，则水滴被亲水部件吸附而变得更薄和扩展。结果，水滴和空气之间的接触面积增加。另外，由于水滴的厚度减小，水滴的蒸发得到促进。在这种情况下，亲水部件应布置为不与阴极直接接触。结果，MEA内的水的丧失不会大于所需的量，从而稳定地保持高输出。
包括在燃料电池中的阴极通道板可以被构造为包括多个如图15所示的平行布置的短通道，以取代图10所示的在一个平面内曲折形成单个长通道的构造。在形成多个平行布置的短通道的情况下，可以在使压力损失尽可能小的状态下向电动势部件均匀地供应空气。还有必要控制空气流速，使得不使MEA中所包含的电解质膜过分失水而导致温度过分降低，并使得以充足的量为反应供应氧。如果在阴极通道板内流动的空气的流速降低，则所生成的水在通道中形成露水，从而使通道闭合。在使用单个长通道的情况下，可以利用吹空气的泵的压强将闭合通道的水滴吹走。另一方面，在平行布置多个短通道的情况下，则难以吹走水滴。难以使凝结形成的水滴消失，从而难以消除流体通道的阻塞。结果，空气将不流过某些通道，从而导致燃料电池的输出降低。特别地，含水的空气被排出到空气通道。结果，在MEA中生成的所有水都被收集在空气通道的下游区域中，从而空气通道容易阻塞。在现有技术中，为了克服这种困难，需要选择工作条件，防止水的凝结，或者使用单个长通道以便利用泵的压强将通道内的水推出。
但是，根据本发明的实施方式，无论空气通道是由单个长通道形成还是由多个平行布置的短通道形成，都可以防止水的凝结造成的阻塞。结果，本发明使得有可能提供一种可以表现出优良的输出特性而无需选择工作条件的燃料电池。
下面结合附图描述本发明的一种实施方式。附带说明，在附图中，本发明的具有相同或者相似功能的部件用相同的附图标记指示，以避免重复的描述。
图1A的横截面图示意性地图示了根据本发明的一种实施方式的燃料电池的构造。图1B是沿着示意性地图示燃料电池的构造的图1A的IB-IB线的横截面图。
图1所示的燃料电池包括MEA 4。MEA 4包括阴极1、阳极2和布置在阴极1和阳极2之间的电解质膜3。在阴极1上，在与布置电解质膜3的一侧相反的那侧，设置阴极通道板5。换句话说，阴极1被夹在阴极通道板5和电解质膜3之间。下面将要描述的密封垫9被夹在MEA 4中所包括的阴极1的周边部分和阴极通道板5之间。另外，阳极通道板(未图示)设在阳极2上，在与布置电解质膜的一侧相反的那侧。换句话说，阳极2被夹在阳极通道板和电解质膜3之间。阳极通道板的设置是为了向阳极2供应液体燃料。
平行布置的多个槽6形成在阴极通道板5的对着阴极1的表面上。这些槽6形成的方式是从阴极通道板5的一个边缘延伸到另一个边缘。通过使形成有槽6的阴极通道板5的开放表面与阴极1接触，由槽6和阴极1形成空气通道7。如果从空气通道7的一个边缘供应空气，则空气从槽6的开口部分供应到阴极1中。在空气通道7的与阴极1分开的内侧区域设置亲水部件8。亲水部件8设置在空气通道7的壁表面的不与电动势部件4直接接触的区域中。优选地，亲水部件8设置在对应于空气通道7的底面的区域中，空气通道7的底面也就是槽6的对着阴极1的表面，如图1所示。
将亲水部件设置为不与电动势部件直接接触的原因如下。
具体地，如果在空气通道的壁上形成的亲水部件接触电动势部件，就像前述日本专利申请公开No.11-97041中公开的亲水区和日本专利申请公开No.2002-20690中公开的亲水涂层那样，则阴极的气体扩散层(GDL，gas diffusion layer)上的水会被亲水部件比如无纺织布过分吸取，使得膜的湿润状态不均匀。结果，膜的电阻和反应所需水的分布变得不均匀，从而降低燃料电池的输出特性。另一方面，如果亲水部件形成为不直接接触电动势部件，则电动势部件不会失去过于大量的水，从而可以有效地消除会在空气通道中凝结而导致阻塞空气通道的水滴的过量的水。下面结合图2和图3描述上述现象的一个例子。图3A到3D中的每一个图示了在工作之前、开始工作时以及在稳定工作期间，燃料电池的状态的流程。在图3中，黑色的宽箭头表示空气流的流动方向，细箭头表示水份的流动方向。
图2A图示了未设有亲水部件的空气通道22。在这种情况下，如果燃料电池开始工作，则如图3A和3C所示，在开始工作后不久，过量的水就开始凝结。结果，生成了水滴23，结果是空气通道在燃料电池进入稳定工作之前就被水滴23阻塞。图3所示的附图标记24指示了被水滴23阻塞的空气通道。另一方面，图2B图示了形成有不与电动势部件直接接触的亲水部件8的空气通道7。在这种情况下，在燃料电池启动时，如图3B和3D所示，水滴23迅速地长大而阻塞流体通道7。但是，一旦水滴23的一个边缘接触到亲水部件8，水滴23就被亲水部件8吸附而扩展开，结果是即使在燃料电池稳定工作期间，也防止了空气通道7被阻塞。凭直觉可以理解图3B和3D所示的水滴的生长和运动的重复模式。但是，水滴的生长和运动现象并未被清晰地实际观测到。在实践中，图2B所示的空气通道似乎会产生抑制水滴的生长的功能。在壁表面附近，似乎在水蒸气饱和之前水份被亲水部件携带，水扩散是在空气流动方向上产生的。结果，水的凝结似乎在壁表面附近受到抑制。对于亲水部件来说，希望布置为从通道的入口延伸到出口，如图2B所示。附带说明，图2中省略了MEA。
另外，对于图2B所示的空气通道来说可以产生下面所述的效果。
具体地，可以通过沿着亲水部件传输、在传输过程中膨大的水的蒸发来排放过量的水。另外，由于伴随着蒸发的热吸收，促进了空气通道内的冷却。另外，通过沿着亲水部件传输、在传输过程中膨大的水，可以使空气通道内的湿度均匀。换句话说，与下游侧相比，可以对处于干燥状态的空气通道的上游侧增湿。特别地，可以对空气通道入口附近的区域增湿。另外，通过排放过量的水，可使GDL的饱和度均匀。结果，可以提高面平均饱和度(planar average saturationratio)，从而允许电解质膜保持所需的湿度。
在本发明的该实施方式中使用的亲水部件例如包括无纺织布、纺织物、针织物、亲水涂层和亲水膜。特别地，希望使用具有优异的亲水性的无纺织布作为亲水部件。无纺织布的材料例如包括纤维素、人造丝、维尼纶、聚酯、芳香尼龙(aramid)以及尼龙。特别地，作为无纺织布的材料，希望使用人造丝、纤维素和聚酯，它们显著地具有优良的亲水性。等效于无纺织布的材料可以用作纺织物和针织物的材料。还可以使用用蔬菜纤维制成的无纺织布或者纸，比如日本纸，或者由玻璃纤维制成的无纺织布。这些无纺织布可以例如用激光根据通道的底面被切割为规定的尺寸。由于水不需要在无纺织布中储存，无纺织布不需要有较大的厚度。无纺织布的厚度一般不大于形成空气通道的槽的深度的1/10。还可以使用薄的木制件或者玻璃作为亲水部件。
在本发明的该实施方式中使用的亲水膜例如包括在MEA中使用的电解质膜。
可以使用胶粘带或者粘合剂安装亲水部件，或者可以通过热封进行安装，或者使用固定部件进行压装，或者使用嵌件成型。例如可以将粘合剂施加于亲水部件的整个区域。或者，可以通过使用例如粘合剂点固定亲水部件的一个边缘部分和另一个边缘部分而将亲水部件固定到空气通道的底面上。用在本发明的该实施方式中的固定部件例如包括弹簧和销钉。或者，在使用固定部件的情况下，还可以在相反的方向牵拉亲水部件的一个边缘部分和另一个边一部分，从而利用张力固定亲水部件。对于嵌件成型，例如，在模塑空气通道的步骤中，预先将亲水部件的材料设置在形成空气通道的底面的部分中，同时进行使用模具的空气通道成型和亲水部件的附着。
亲水涂层例如包括二氧化钛膜和玻璃基无机膜。玻璃基无机膜例如包括二氧化硅膜。
通过在固体的表面上形成粗糙度，也可以获得类似于前述的效应。但是应当注意，在形成粗糙度之前，至少固体的原材料的表面应是亲水的。通过在原材料的表面上形成粗糙度来提高亲水程度。
图1到图3旨在图示仅在通道的底面上安装亲水部件的空气通道。但是，本发明的实施方式不限于图1到图3所示。具体地，与空气通道的底表面一样，还可以将亲水部件安装到空气通道的侧壁面上。图6图示了在通道的侧壁面的一部分以及底面上设置了亲水部件的空气通道。
如图6所示，亲水部件61被安装到空气通道7上，使得不仅覆盖空气通道的底面，还覆盖空气通道的侧壁面的一部分(形成在阴极通道板中的槽的侧面的一部分)，在亲水部件61和阴极1之间具有不被亲水部件覆盖的自由区。在图中，空气通道用虚线表示，亲水部件和电动势部件用实线表示。
如前所述，在本发明的实施方式中，亲水部件应设置为不与阴极直接接触。换句话说，亲水部件应与阴极1分开设置。下面的公式(3)涉及上述的未被覆盖亲水部件的自由区的举例A(mm)(或者高度)，也就是槽的开放的上缘和覆盖槽的侧壁面的亲水部件的上缘之间的距离。在本发明的实施方式中，距离A(mm)由下面的公式(3)限定A≥0.1×B(3)其中，B表示在阴极通道板中形成的槽的深度(mm)。
可以向空气通道安装从亲水部件的周缘的一部分延伸出来的亲水辅助部件以接触阴极。下面结合图7和图8描述亲水辅助部件。
如图7所示，亲水部件71安装到空气通道7的底面上。亲水辅助部件72也安装到空气通道7的出口侧。亲水辅助部件72的一侧接触亲水部件71，相反的一侧接触阴极1。阴极1在图7中位于空气通道7下方。附带说明，在图7中，空气通道用虚线表示，亲水部件和亲水辅助部件用实线表示。图7中的箭头表示水份的流动方向。
在燃料电池中，可以通过使电解质膜充分湿润而降低电解质膜的内部阻力，从而保持燃料电池的良好的输出特性。在阴极一侧，空气通道的上游部分(入口侧)的湿度倾向于低于下游部分(出口侧)的湿度。因此，在空气通道的上游部分，水倾向于被电解质膜以相对较大的量蒸发，从而降低了燃料电池的输出特性。如果至少在空气通道7的出口侧安装亲水辅助部件72，如图7所示，则可以允许GDL中的过量的水流向空气通道的入口侧，从而对入口侧的干燥空气增湿。结果，可以使包括上游侧区域在内的MEA的湿润状态达到最佳。
在沿着空气通道22的轴线的中央部分，空气的流动主要不与壁接触，因此流速相对较高，如图8A所示。此外，在沿着空气通道22的轴线的中央部分，湿度较低，如图8B所示。为了向具有低湿度的部分供应水蒸气，需要使水蒸气在较早的阶段接触空气通道的入口中的空气流。沿着空气通道的轴线的中央部分中的干燥空气的区域也存在于相对于入口而言的下游侧。位于空气通道的下游侧的MEA具有相对较大量的过量水。MEA这一侧的水被亲水辅助部件72吸走，并被亲水部件71提供给上游侧。通过这种特别的增湿，可使干燥区尽可能变小。图8A中的白色箭头表示空气流的流动方向，箭头的大小表示空气流的流速。另外，图8A中的实线的箭头表示水份的流动方向。在图8B中，湿度的分布用单色的梯度表示。图8B中的黑色部分表示具有高湿度的区域，白色部分表示具有低湿度的区域。
对于亲水辅助部件的长度Y，希望不小于图7所示的空气通道的长度X的10％，不大于其50％。如果上述亲水辅助部件的长度Y超过空气通道的长度X的50％，则MEA中的水会被亲水辅助部件过量的吸走，从而降低燃料电池的输出特性。另一方面，如果上述亲水辅助部件的长度Y小于空气通道的长度X的10％，则难以使空气通道横截面的中央部分充分增湿。
亲水辅助部件可以由类似于上述亲水部件的材料形成。亲水辅助部件和亲水部件还可以联合地形成。
图7图示了一个例子，其中，只有一个亲水辅助部件安装到空气通道。但是，本发明的实施方式不限于这种特定的例子。还可以向空气通道安装多个亲水辅助部件。图9的斜视示了安装有多个亲水辅助部件的空气通道。在图9中，空气通道用虚线表示，每一个亲水部件和亲水辅助部件用实线表示。
如图9所示，使与亲水部件91和MEA 4接触的亲水辅助部件92的面积之和在空气通道的上游侧较小，在空气通道的下游侧较大，以降低上游侧的水吸收，增大下游侧的水吸收。在图9中，阴极位于空气通道7下方。亲水辅助部件92在入口附近布置得稀疏。另外，亲水辅助部件92在出口附近以较高密度布置，以使亲水辅助部件92与MEA的更大的区域接触。通过这样布置多个亲水辅助部件92，可以使上游侧和下游侧的湿润状态更加均匀。图9图示了一个例子，其包括7个亲水辅助部件。但是，本发明的实施方式不限于这样的具体例子。该实施方式可以应用于布置三个或者更多亲水辅助部件的情况。
多个亲水辅助部件的总长度与亲水部件的长度之比可以设定为在前面结合图7所描述的范围内。
图1和图2图示的是包括形成多个平行延伸的空气通道的阴极通道板的燃料电池。但是，本发明不限于这样的特定实施方式。该实施方式也可以应用于形成长的单个通道的阴极通道板。图10图示了包括用于形成长的单个通道的阴极通道板的燃料电池的构造。
如图10B所示，在阴极通道板101的一个表面的整个区域上，形成按照规定间隔弯折的长的单个槽102。在槽102的一个边缘上设置供应口103，在槽102的另一个边缘上设置排放口104。将阴极通道板101布置为使得阴极通道板101的开放表面与阴极1接触。结果，在槽102和阴极1之间形成长的单一空气通道。
在构造上，阳极通道板105与阴极通道板101基本相同。更具体地，在阳极通道板105的一个表面的整个区域上，形成按照规定间隔弯折的长的单个槽106。在槽106的一个边缘上设置供应口107，在槽106的另一个边缘上设置排放口108。将阳极通道板105布置为使得阳极通道板105的开放表面与阳极2接触。这样，在槽106和阳极2之间形成长的单一燃料通道。
电解质膜3被形成得比阴极1和阳极2中的任何一个都大。另一方面，阴极通道板101和阳极通道板105中的每一个在尺寸上都基本与电解质膜3相同。绝缘垫片9夹在阴极1的周边部分中的电解质膜3和阴极通道板101之间，以保持电解质膜3和阴极通道板101之间的气密性和液密性(液体不穿透性)。类似地，绝缘垫片109夹在阳极2的周边部分中的电解质膜3和阳极通道板105之间。阳极通道板105和阴极通道板101中的每一个连接到外部电路110。外部电路110从燃料电池取出电能。
阴极通道板和阳极通道板中的每一个都可以由例如碳、树脂或者金属形成。
阳极和阴极中的每一个都包含催化剂层。催化剂层包含质子传导物质和载体催化剂(supported catalyst)，在载体催化剂中，Pt、Ru或者其合金等催化剂金属由载体(support)承载。催化剂层由气体扩散层(集电器)支承，气体扩散层例如由碳布(carbon sheet)形成。
电解质膜包含质子传导物质。催化剂层或者电解质膜中包含的质子传导物质例如包括Nafion(注册商标，杜邦公司生产)。
下面结合图11描述燃料电池堆。
通过相互堆叠多个燃料电池制得图11所示的燃料电池堆。在燃料电池堆中，将图11B所示的隔板111布置在一个燃料电池中所包括的MEA 4和相邻的燃料电池中所包括的MEA 4之间。隔板111对应于包括阳极通道板和阴极通道板的单元结构。与阴极1一起形成空气通道的槽112形成在隔板111的一个表面(图中是下表面)上。同时，与阳极2一起形成燃料通道的槽113形成在隔板111的另一个表面(图中是上表面)上。亲水部件8布置在槽112的底面上。在MEA 4中的位于燃料电池堆的最外层上的一个中，也就是在图中最下层中的MEA中，阳极通道板105布置在阳极1的与形成电解质膜3的那侧相反的一侧上。类似地，在MEA 4中的位于燃料电池堆的最外层上的一个中，也就是在图中最上层中的MEA中，阴极通道板101布置在阴极1的与形成电解质膜3的那侧相反的一侧上。在阳极通道板105和阴极通道板101的每一个的外表面上形成板114。通过用紧固工具115将各板114固定起来而固定堆叠的燃料电池。在阳极通道板105的外表面上的板114以及在阴极通道板101的外表面上的板114中的每一个连接到外部电路116。使用外部电路116从每一个燃料电池取出电能。
下面结合图12到14描述燃料电池系统。下面的说明涵盖了使用甲醇水溶液作为燃料的情况。但是，在本发明的实施方式中可以使用另一种液体燃料。
图12所示的燃料电池系统包括燃料电池121、燃料供应源122、用于从燃料供应源122向形成在阳极通道板105中的通道106供应液体燃料的燃料供应装置123、用于向形成在阴极通道板101中的通道102供应空气的空气供应装置124以及用于从燃料电池121取出电能的外部电路110。燃料供应源122包括燃料盒125、混合箱126和用于从燃料盒125向混合箱126供应燃料的泵127。由燃料供应装置123将燃料从混合箱126向形成在阳极通道板105中的通道106供应。可以使用泵作为燃料供应装置123。另一方面，例如可以使用泵或者装有旋转叶片的风扇作为空气供应装置124。留在阳极2中的水以及在阴极1中生成并被回流带回阳极2的水被返回混合箱126。在混合箱126中，从燃料盒125中供应的燃料与水混合。从阳极通道板105向阳极2供应混合燃料。阴极1中留下的水与废气一起以水蒸气的形式被排放到外部大气中。废气包含在阳极2中产生的二氧化碳，从混合箱126被排放到外部大气。还可以使用燃料电池堆形式的燃料电池121。
图13所示的燃料电池系统包括冷凝器131。阳极2中留下的水和阳极2中生成的二氧化碳由冷凝器131回收。此外，在阴极1中生成的水以及从阳极2流到阴极1的水被空气吹走，从而被冷凝器131以液体的形式回收。在冷凝器131中凝结的水通过泵132被返回给混合箱126。废气从冷凝器131排放到外部大气中。在图13所示的燃料电池系统中，可以使用气液分离器来代替冷凝器131。
在图12和13中所示的燃料电池系统中分别使用了水循环系统。在水循环系统中，所生成的水与具有高甲醇浓度的甲醇水溶液混合，以制备具有较低甲醇浓度的甲醇水溶液以便适合发电。这样获得的低甲醇浓度的甲醇水溶液被供应给阳极。因此，可以方便地使用水循环系统，因为整个燃料电池系统可以小型化。在该系统中，燃料盒用来存储燃料，具有高甲醇浓度的甲醇水溶液可以被容纳在该燃料盒中。因此，可以实现一种紧凑的系统，其具有高的每单位空间能量密度，并具有好的便携性。
另外，如图14所示，可以提供一种不回收水的燃料电池系统。在这种系统中，在燃料盒125中预先存储具有低甲醇浓度的甲醇水溶液。在该系统中，在阴极1中生成的水以水蒸气的形式与废气一起被排放到外部。包含在阳极2中生成的二氧化碳的废气也从阳极2直接排放到外部。在图14所示的燃料电池系统中，可以省略混合箱126和泵127，从而仅使用燃料盒125单独地作为燃料供应源。
在图12和14中所示的每一个燃料电池系统中，在阴极1中生成的水以水蒸气的形式与废气一起被排放。结果，倾向于增强阴极1和空气通道102的干燥。因此，有必要允许阴极以受控制的量保持水，以便如上所述不妨碍氧的供应。应注意，在这方面，在前面引述的日本专利申请公开No.11-97041以及日本专利申请公开No.2002-20690中公开了促进水的排放的技术。但是，并不希望使用在这些现有文献中公开的技术，因为，在这种情况下，阴极失水的量超过了所需的程度。但是，根据本发明的实施方式，可以有效地单独地去除主要阻塞空气通道的水滴，也就是，妨碍氧气供应的水滴。由于水滴被有效地去除，在本发明的实施方式可以确保空气通道。另外，允许电动势部件适当地保有水，这对于DMFC的小型化和安全工作是有效的。
图12到14图示的是直接甲醇燃料电池(DMFC)，其中直接向电动势部件供应作为燃料的甲醇水溶液。但是，本发明不限于这种特定的实施方式。在本发明中，燃料可以用混合溶液提供，这种混合溶液通过混合醇类比如甲醇、乙醇或者丙醇与水来制备。
在使用如图1所示包括在燃料电池中的阴极通道板(其中平行地形成多个形成空气通道的槽)的情况下，与使用如图10到14所示包括在燃料电池中的阴极通道板(其中形成单一通道)的情况相比，水滴对空气通道的阻塞对发电产生决定性影响。下面结合图15描述这种特定的现象。图15所示的实线箭头表示水份的流动方向。
在图15A和15B所示的阴极通道板151中，平行地形成五个槽152a到152e，从阴极通道板151的一个边缘延伸到另一个边缘。另一方面，在图15C和15D所示的阴极通道板153中，平行地形成了两个槽154a和154b。这些槽154a和154b中的每一个都按照规定的间隔弯折，从而覆盖阴极通道板153的一个表面的整个区域。在包括多个空气通道的阴极通道板151如图15A和15B所示平行布置的情况下，空气不流过被水滴阻塞的空气通道，也就是对应于槽152b、152c和154a的空气通道，空气只流过未被阻塞的空气通道，也就是对应于槽152a、152d、152e和154b的空气通道。如果以高流速供应空气，则水不容易在通道内凝结，从而空气通道不容易被水滴阻塞。另外，即使通道被水滴阻塞，通道上游侧的升压也会将水滴向下游推，从而消除阻塞。但是，在这种情况下，高流速流动的空气流预计会将电池堆冷却，从而降低电池堆温度。还应注意到，由于膜的失水量大于所需，MEA有可能失水而降低发电效率。在这种情况下，所需的是通道结构在低空气流速的情况下不会被水滴持续阻塞。
可以想到使用多孔碳来形成阴极通道板，以允许通道壁吸水。但是，在机械强度方面，多孔碳低于致密碳。因此，多孔碳不适合用作需要紧固的电池堆的结构部件。还可以想到使用表面经过了亲水处理的不是多孔状的碳材料。但是，经过亲水处理的碳材料带来的问题是亲水特性的耐久性。在这种情况下，还没有产生能够使经过处理的材料在长时间内高稳定性地表现出亲水性质的处理方法。
在本发明的实施方式中，即使在燃料电池的空气通道从空气供应装置分支为多个空气通道的情况下，也可以抑制空气通道中水滴的生成。在这种情况下，可以防止水滴的形成抑制发电的问题。在装有旋转叶片、具有小的静压的小型风扇(尽管流速高)用作空气供应装置的情况下，本发明的实施方式所产生的效果将很突出。
下面结合本发明的一些实例来描述本发明的实施方式。
(实例)准备阴极通道板，其中形成有平行的槽，从一个边缘延伸到另一个边缘。槽的横截面的大小为1mm×1mm。聚酯非纺织物用作亲水部件，被附着在在阴极通道板中形成的槽的底面上，使得亲水部件从槽的入口延伸到出口。在附着亲水部件时，亲水部件的两个边缘用粘合剂点固定。阴极通道板的开放表面堆叠在MEA的阴极侧上，以形成空气通道。另外，阳极通道板堆叠在MEA的阳极侧上，从而制造出如图1所示构造的燃料电池。这样制造四个燃料电池，并相互堆叠起来，然后用固定工具将堆叠结构固定起来，组装出如图11所示构造的燃料电池系统。
将作为燃料的甲醇水溶液供应到燃料通道中，以10cc每平方厘米的流速向燃料电池堆的空气通道中供应空气，以使燃料电池以150毫安每平方厘米的恒定电流放电。图12所示的燃料电池系统被用作燃料和空气的供应系统以及废气的排放系统。测量所述燃料电池堆中所包含的四个燃料电池中的每一个的电池电压，其输出历史记录图示在图16中，作为例子1到4。
(对比例)按照上述的例子那样组装燃料电池堆并使之工作，只是没有向阴极通道板提供亲水部件。测量燃料电池堆中所包含的四个燃料电池中的每一个的电池电压，其输出历史记录图示在图17中，作为对比例1到4。在图16和17各自的曲线图中，工作时间(秒)绘制在横坐标上，电池电压(毫伏)绘制在纵坐标上。顺便说明，在对比例3中，对于空气通道，在启动放电操作之后从燃料电池外部进行了t1秒钟的抽吸。在对比例1中，与对比例3一样，在启动放电操作之后进行了t2秒钟的抽吸。另外，在对比例2中，与对比例3一样，在启动放电操作之后进行了t3秒钟的抽吸。另一方面，对于对比例4，在燃料电池中没有进行抽吸。
从图17明显可见，对于对比例1到4中的每一个，燃料电池的电池电压低于实例1到4中每一个的燃料电池的电池电压。另外，在对比例1到4的燃料电池中，电池间电池电压的不均匀性较大。但是，对比例1到3的燃料电池的输出在通过从外部进行抽吸而消除了阻塞具有低输出的燃料电池的阴极通道板的水滴之后恢复了。这清楚地表明对比例1到4的燃料电池的低输出是由水滴对形成在阴极通道板中的空气通道的阻塞造成的。
另一方面，在实例1到4中每一个的燃料电池中，对于空气通道的内表面上与阴极分开的区域，提供了亲水部件。从图16清楚可见，在实例1到4的燃料电池中，燃料电池之间的电池电压的不均匀性较小。另外，对于本发明的实例的燃料电池，获得了高电压的稳定输出。这说明本发明的实例的燃料电池的输出特性优异。
对下述两种燃料电池进行了类似于上述实例的测试一种燃料电池是，结构上基本上等同于上述实例的燃料电池，但是在空气通道的空气出口侧形成了亲水辅助部件，后者从亲水部件的边缘的一部分延伸出来，以接触阴极；另一种燃料电池是，结构上基本等同于上述实例的燃料电池，但是设置了多个亲水辅助部件，使得亲水辅助部件的密度在下游侧大于上游侧。可以获得类似于图16所示的输出历史记录，这表明，所述燃料电池具有优异的输出特性。
本领域普通技术人员容易了解其他的优点和修改。因此，本发明的更广泛的方面不限于这里所图示和描述的具体细节和代表性实施方式。因此，可以进行各种改变而不脱离所附权利要求及其等效方案所界定的总体发明构思的实质精神或者范围。
权利要求书(按照条约第19条的修改)按条约第19条(1)所作的声明译文代理机构案卷号.IIE070303 国际申请号PCT/JP2006/306601国家知识产权局专利局PCT处以下是按条约第19条(1)所作的声明的中文译文，其中 用修改后的权利要求第1-3，5-13，15-20项替换原权利要求第1-20项；□ 用修改后的说明书第页替换原说明书第页；□ 用修改后的附图第页替换原附图第页。
请专利局在下列中文文件的基础上审查本申请 原始说明书第全部页；□ 修改的说明书第页；□ 原始权利要求书第页； 修改的权利要求书第1-3页； 原始附图第全部页；□ 修改的附图第页。
其中，修改了权利要求1、11，删除了权利要求4，14，其余未变。
中国国际贸易促进委员会专利商标事务所2007年2月9日
1.一种燃料电池，包括阳极；阴极；布置在阳极和阴极之间的电解质膜；用于向阴极供应空气的阴极通道板，其包括与阴极一起形成空气通道的槽；设置在所述槽的内表面上并与阴极分开的亲水部件；以及亲水辅助部件，至少布置在所述空气通道的空气出口侧，从所述亲水部件的边缘的一部分延伸出来以接触所述阴极。
2.如权利要求1所述的燃料电池，其中，所述亲水部件位于所述槽的内表面上对着所述阴极的区域上。
3.如权利要求1所述的燃料电池，其中，所述亲水部件位于所述槽的内表面上对着所述阴极的区域上，以及所述槽的内表面的一个或者多个侧壁上。
4.(删除)5.如权利要求1所述的燃料电池，还包括多个亲水辅助部件，从所述亲水部件的边缘的一部分延伸出来以接触所述阴极，其中，所述多个亲水辅助部件被布置为使得所述亲水辅助部件在空气通道下游侧的密度高于在空气通道上游侧的密度。
6.如权利要求1所述的燃料电池，其中，所述空气通道由具有单个空气入口和单个空气出口的单个通道形成。
7.如权利要求1所述的燃料电池，其中，所述阴极通道板包括多个平行布置的槽，所述空气通道形成在这些槽中的每一个和所述阴极之间。
8.如权利要求1所述的燃料电池，其中，所述水滴与所述亲水部件的接触角不大于90度。
9.如权利要求1所述的燃料电池，其中，所述亲水部件由涂层、膜、非纺织物、纺织物或针织物形成。
10.如权利要求1所述的燃料电池，还包括亲水辅助部件，至少布置在所述空气通道的空气出口侧，从所述亲水部件的边缘的一部分延伸出来以接触所述阴极，其中，所述亲水辅助部件的长度不小于所述空气通道长度的10％，不大于其50％。
11.一种燃料电池系统，包括燃料电池，包括阳极，阴极，布置在阳极和阴极之间的电解质膜，向阴极供应空气、包括与阴极一起形成空气通道的槽的阴极通道板，以及设置在所述槽的内表面上、与所述阴极分开的亲水部件；燃料供应源；用于从燃料供应源向所述阳极供应液体燃料的燃料供应装置；用于向所述阴极通道板供应空气的空气供应装置；用于从所述燃料电池取出电力的外部电路；以及亲水辅助部件，至少布置在所述空气通道的空气出口侧，从所述亲水部件的边缘的一部分延伸出来以接触所述阴极。
12.如权利要求11所述的燃料电池系统，其中，所述亲水部件位于所述槽的内表面上对着所述阴极的区域上。
13.如权利要求11所述的燃料电池系统，其中，所述亲水部件位于所述槽的内表面上对着所述阴极的区域上，以及所述槽的内表面的一个或者多个侧壁上。
14.(删除)15.如权利要求11所述的燃料电池系统，还包括多个亲水辅助部件，从所述亲水部件的边缘的一部分延伸出来以接触所述阴极，其中，所述多个亲水辅助部件被布置为使得所述亲水辅助部件在下游侧的密度高于在上游侧的密度。
16.如权利要求11所述的燃料电池系统，其中，所述空气通道由具有单个空气入口和单个空气出口的单个通道形成。
17.如权利要求11所述的燃料电池系统，其中，所述阴极通道板包括多个平行布置的槽，所述空气通道形成在这些槽中的每一个和所述阴极之间。
18.如权利要求11所述的燃料电池系统，其中，所述空气供应装置由装有旋转叶片的风扇构成。
19.如权利要求11所述的燃料电池系统，其中，所述亲水部件由涂层、膜、非纺织物、纺织物或针织物形成。
20.如权利要求11所述的燃料电池系统，还包括亲水辅助部件，至少布置在所述空气通道的空气出口侧，从所述亲水部件的边缘的一部分延伸出来以接触所述阴极，其中，所述亲水辅助部件的长度不小于所述空气通道长度的10％，不大于其50％。
权利要求
1.一种燃料电池，包括阳极；阴极；布置在阳极和阴极之间的电解质膜；用于向阴极供应空气的阴极通道板，其包括与阴极一起形成空气通道的槽；以及设置在所述槽的内表面上并与阴极分开的亲水部件。
2.如权利要求1所述的燃料电池，其中，所述亲水部件位于所述槽的内表面上对着所述阴极的区域上。
3.如权利要求1所述的燃料电池，其中，所述亲水部件位于所述槽的内表面上对着所述阴极的区域上，以及所述槽的内表面的一个或者多个侧壁上。
4.如权利要求1所述的燃料电池，还包括亲水辅助部件，至少布置在所述空气通道的空气出口侧，从所述亲水部件的边缘的一部分延伸出来以接触所述阴极。
5.如权利要求1所述的燃料电池，还包括多个亲水辅助部件，从所述亲水部件的边缘的一部分延伸出来以接触所述阴极，其中，所述多个亲水辅助部件被布置为使得所述亲水辅助部件在空气通道下游侧的密度高于在空气通道上游侧的密度。
6.如权利要求1所述的燃料电池，其中，所述空气通道由具有单个空气入口和单个空气出口的单个通道形成。
7.如权利要求1所述的燃料电池，其中，所述阴极通道板包括多个平行布置的槽，所述空气通道形成在这些槽中的每一个和所述阴极之间。
8.如权利要求1所述的燃料电池，其中，所述水滴与所述亲水部件的接触角不大于90度。
9.如权利要求1所述的燃料电池，其中，所述亲水部件由涂层、膜、非纺织物、纺织物或针织物形成。
10.如权利要求1所述的燃料电池，还包括亲水辅助部件，至少布置在所述空气通道的空气出口侧，从所述亲水部件的边缘的一部分延伸出来以接触所述阴极，其中，所述亲水辅助部件的长度不小于所述空气通道长度的10％，不大于其50％。
11.一种燃料电池系统，包括燃料电池，包括阳极，阴极，布置在阳极和阴极之间的电解质膜，向阴极供应空气、包括与阴极一起形成空气通道的槽的阴极通道板，以及设置在所述槽的内表面上、与所述阴极分开的亲水部件；燃料供应源；用于从燃料供应源向所述阳极供应液体燃料的燃料供应装置；用于向所述阴极通道板供应空气的空气供应装置；以及用于从所述燃料电池取出电力的外部电路。
12.如权利要求11所述的燃料电池系统，其中，所述亲水部件位于所述槽的内表面上对着所述阴极的区域上。
13.如权利要求11所述的燃料电池系统，其中，所述亲水部件位于所述槽的内表面上对着所述阴极的区域上，以及所述槽的内表面的一个或者多个侧壁上。
14.如权利要求11所述的燃料电池系统，还包括亲水辅助部件，至少布置在所述空气通道的空气出口侧，从所述亲水部件的边缘的一部分延伸出来以接触所述阴极。
15.如权利要求11所述的燃料电池系统，还包括多个亲水辅助部件，从所述亲水部件的边缘的一部分延伸出来以接触所述阴极，其中，所述多个亲水辅助部件被布置为使得所述亲水辅助部件在下游侧的密度高于在上游侧的密度。
16.如权利要求11所述的燃料电池系统，其中，所述空气通道由具有单个空气入口和单个空气出口的单个通道形成。
17.如权利要求11所述的燃料电池系统，其中，所述阴极通道板包括多个平行布置的槽，所述空气通道形成在这些槽中的每一个和所述阴极之间。
18.如权利要求11所述的燃料电池系统，其中，所述空气供应装置由装有旋转叶片的风扇构成。
19.如权利要求11所述的燃料电池系统，其中，所述亲水部件由涂层、膜、非纺织物、纺织物或针织物形成。
20.如权利要求11所述的燃料电池系统，还包括亲水辅助部件，至少布置在所述空气通道的空气出口侧，从所述亲水部件的边缘的一部分延伸出来以接触所述阴极，其中，所述亲水辅助部件的长度不小于所述空气通道长度的10％，不大于其50％。
全文摘要
一种燃料电池，包括阳极；阴极；布置在阳极和阴极之间的电解质膜；用于向阴极供应空气的阴极通道板，其包括与阴极一起形成空气通道的槽；以及设置在所述槽的内表面上并与阴极分开的亲水部件。
文档编号H01M8/04GK101019263SQ20068000063
公开日2007年8月15日 申请日期2006年3月23日 优先权日2005年9月28日
发明者贞本敦史 申请人:株式会社东芝