燃料电池及发电方法

专利名称：燃料电池及发电方法
技术领域：
本发明涉及将氢气和含氧气体向单元电池供给(包括自然供给)而 进行发电的燃料电池及发电方法，特别是对于便携式机器来说有用的技
术。另外，本发明涉及用于使用燃料电池向移动个人电脑、PDA等便 携式电子机器供给电源的便携式机器用电池驱动系统，更具体来说，涉 及将在与水等反应液的反应中产生的氢气作为燃料向燃料电池供给的 方式的便携式机器用电池驱动系统。
背景技术：
使用了聚合物电解质之类的固体高分子电解质的高分子型燃料电 池由于具有高能量转换效率、薄型小型、轻量，因此面向家用热电联供 系统或汽车的开发十分活跃。作为该燃料电池的以往技术的构造，已知 有图17所示的构造(例如参照非专利文献l)。
即，如图17所示，夹隔固体高分子电解质膜100配设阳极101和 阴极102。另外，隔着衬垫103由一对隔膜104夹持而构成单元电池105。 在各个隔膜104中形成有气体流路槽，利用与阳极101的接触，形成还 原气体(例如氢气)的流路，利用与阴极102的接触，形成氧化气体(例 如氧气)的流路。各个气体在流过单元电池105内的各流路的同时，利 用担载于阳极101或阴极102的内部的催化剂的作用而用于电极反应 (电极中的化学反应)，导致电流的产生和离子传导。
将该单元电池105层叠多个，将单元电池105彼此之间电串联连接而 构成燃料电池N，电极106可以从层叠的两端单元电池105中取出。此种 燃料电池N因清洁并且高效率的特征，作为各种用途，特别是作为电动汽 车用电源或家用*型电源而受到关注。
另一方面，伴随着近年来的IT技术的活跃化，有频繁地使用移动电话、 笔记本个人电脑、数字照相机等移动式机器的倾向，它们的电源基本上都 使用锂离子二次电池。但是，伴随着移动式机器的高功能化，耗电也不断 增大，作为其电源使用清洁且高效率的燃料电池受到关注。
由此，作为能够进一步实现小型化的燃料电池，提出了如下构造的燃料电池(例如参照专利文献1)，即，具备固体高分子电解质膜/电 极接合体、形成了氧化剂气体的流路的阴极侧金属板、形成了燃料气体 的流路的阳极侧金属板，在将两侧的金属板的周缘用固定销紧固的同 时，在其内侧周围夹设气密衬垫而密封。
但是，上述的燃料电池都形成如下的构造，即，在供给了氢气等燃 料气体后，其50~80%被反应消耗，剩余的燃料气体被从最末段的单元 电池中排出。由此，在作为燃料使用氢气的情况下，由于氢气的排出量 变多，产生其排出气体处理或气体排放的问题，因此从成本或装置尺寸 等观点考虑，不适于便携式机器用途。
另一方面，在下述的专利文献2中，公开有如下的燃料电池系统， 即，在将纯氢气向单元电池的阳极侧供给而进行发电的同时，检测阳极 侧的杂质气体的浓度，在其浓度为一定值以上的情况下，从阳极侧将气 体清除(排出)。
但是，该燃料电池系统中，由于使用一般的燃料电池单元，因此例 如当来自阳极侧的排出气体中的杂质气体的浓度达到50 %以上时，则发 电效率就会小于50%,从而有无法用于通常的电力供给的用途的问题。 另外，即使将排出气体中的氢气的浓度降低为小于50%，由于清除气体 的排出量变多，因此会有所排出的氢气的绝对量变多的问题。
另外，上述的燃料电池系统中，浓度的检测或基于它的清除控制使 得装置构成复杂且成本变高，从而难以应用于便携式机器用的小型、轻 量的燃料电池中。而且，在不将氢气从单元电池中排出，而全部在单元 电池中消耗的方法中，在单元电池内的氢气流路中杂质气体被浓缩，从 发电开始起短时间内电池输出降低。
但是，在下述的专利文献3中，作为利用与水的反应生成氢的氢发 生装置，公开有将铁等金属收容于反应容器中并向其中供给水而使之反 应的氢发生装置(例如，作为金属使用了铁时的反应式可以表示为3Fe + 4H20—Fe304 + 4H2 )。该装置中，可以将收容了金属的反应容器拆装， 从而能够另行以氢气等进行金属的加热、还原。
但是，该氢发生装置是以供给基本上一定量的氢气为目的的装置， 而不是考虑了氢气的消耗量的变动的发明。所以，当将该氢发生装置应 用于便携式电子机器中时，在电力的消耗量减少的情况下，就会产生多余的氢气，从而产生其排出气体处理或发电效率的降低的问题。另外， 能够装入便携式电子机器的被小型、薄型化了的燃料电池一般来说耐压 性能低，容易因过剩的氢气产生由压力上升造成的电池破损的问题。由 此，由于无法形成将燃料电池的阳极侧封闭了的系统，而成为氢气的流 通方式，因此排出气体处理或发电效率的降低的问题就变得十分明显。
另外，作为考虑了氢气等燃料气体的消耗量的变动的燃料电池系
统，提出了如下的燃料电池系统(例如参照专利文献4)，即，因伴随着 燃料气体(反应气体)的消耗，贮藏燃料气体的气体贮藏部的内压降低， 从而将液体贮藏部的反应溶液向进行反应的反应部移动。该系统中，在 燃料气体的消耗量减少而气体贮藏部的内压上升的情况下，也可以实行 停止将反应溶液向反应部移动的控制。
但是，由于相对于反应溶液的供给来说，在由反应造成的燃料气体 的产生中通常来说有时间延迟，因此对于该系统的情况，即使停止反应 溶液的移动，气体贮藏部的内压继续上升的情况也很多。这样，特别是 对于便携式机器用途的情况，由于燃料电池的耐压性能低，因此会有产 生电池破损的问题的情况。另外，由于在上述系统中不从燃料电池的阳 极侧进行气体的排出，因此在阳极侧杂质气体被浓缩，从而形成容易导 致燃料电池的发电效率的降低的构造。
非专利文献l:日経^力-力A別冊r燃料電池開発最前線」发行日2001 年6月29日、发行人日経BP社、第三章PEFC、 3.1原理t特徴p 46 (日经 机械增刊r燃料电池开发最前线」发行日2001年6月29日，发行人 日经BP公司，第三章PEFC， 3.1原理与特征p46)
专利文献l:日本特开平8 - 162145号爿>才艮
专利文献2:日本特开2003 - 243020号公报
专利文献3:日本特开2004 - 149394号公报
专利文献4:日本特开2004 - 281384号^S才艮

发明内容
所以，本发明的目的在于，提供一种燃料电池以及提供使用了它的 发电方法，该燃料电池不需要复杂的控制机构，氢气的排出量变少，难 以产生排出气体处理或气体排放的问题，而且可以稳定并且持续有效地进行发电。
另外，本发明的另一目的在于，提供一种燃料电池，其可以对每个 单元电池可靠地进行密封，由此能够实现薄型化，维护也变得容易，而 且利用对各个单元电池的压力控制，可以获得高发电效率。
另外，本发明的其他目的在于，提供一种便携式机器用电池驱动系 统，其可以对应于便携式机器用的耐压性能低的燃料电池，难以产生由
杂质气体的浓缩造成的发电效率的降低。
本发明人等为了实现上述目的进行了深入研究，结果发现，通过使 用阳极侧的氢气流路部的流路截面积足够小的单元电池，在相对于向其
供给的氢气来说排出0.02~4体积％的气体的同时进行发电，就可以稳 定并且持续有效地进行发电，从而完成了本发明。
即，本发明的燃料电池具备单个或多个单元电池，该单元电池由板 状的固体高分子电解质、配置于该固体高分子电解质的一侧的阴极侧电 极板、配置于另一侧的阳极侧电极板、向所述阴极侧电极板供给含氧气 体的含氧气体供给部、向所述阳极侧电极板供给氢气的氢气流路部形 成，其特征是，对于成为氢气供给的最末段的所述单元电池，将所述氢 气流路部的流路截面积设为所述阳极侧电极板的面积的1%以下，并且 在所述氢气流路部的排出口 ，设有将相对于向单元电池供给的氢气来说 为0.02~4体积％的气体排出的排出控制机构。
根据本发明的燃料电池，由于使用氢气流路部的流路截面积相对于 电极面积来说足够小的单元电池，因此氢气供给的线速度变大，在以固 体高分子电解质的大致全部将氢气消耗之时，由于杂质气体不会向上游 侧扩散，而在下游侧浓缩，因此仅利用排出控制机构将微量的气体排出， 就可以防止杂质气体向单元电池内的蓄积。此时，由于仅在排出控制机 构的附近杂质气体的浓度变高，因此在以单元电池整体来看的情况下， 因为基本上不存在杂质气体，所以就可以将发电效率维持得较高。其结 果是，由于不需要复杂的控制机构，可以稳定并且持续有效地进行发电， 氢气的排出量少，所以就难以产生排出气体处理或气体排放的问题，成 为对于便携式机器用途来说特别有利的燃料电池。
上述说明中，优选所述排出控制机构为以使一次侧的压力达到一定 值以下的方式将气体排出的压力控制阀。氢气多被以大致一定量过剩地向单元电池供给，利用此种压力控制阀，当压力达到一定值以上时，就 可以将气体的一部分排出，从而容易将其调整为相对于所供给的氢气来
说为0.02~4体积％的排出量。此种压力控制阀还可以实现小型化，通 过使用它能够形成对于便携式机器用途来说有利的燃料电池。
即，本发明的其他的燃料电池具备板状的固体高分子电解质、配 置于该固体高分子电解质的一侧的阴极侧电极板、配置于另一侧的阳极 侧电极板、配置于所述阴极侧电极板的表面而可以实现气体向内面侧的 流通的阴极侧金属板、配置于所述阳极侧电极板的表面而可以实现燃料 向内面侧的流通的阳极侧金属板，其特征是，将所述两侧的金属板的周 缘以电绝缘的状态利用压弯机进行密封，并且所述阳极侧金属板具有燃 料的注入口和排出口 ，在其排出口设置了将内面侧空间的压力控制为规 定值的压力控制阀。
根据本发明的其他的燃料电池，因阴极侧金属板可以实现气体向阴 极侧电极板的流通，阳极侧金属板可以实现燃料向阳极侧金属板的流 通，从而可以在各个电极板中产生电极反应，可以从金属板中取出电流。 另外，由于将金属板的周缘在电绝缘的状态下利用压弯机进行密封，因 此可以在防止两者的短路的同时，不太增加厚度地对每个单元电池可靠 地进行密封。这样维护也会变得容易，而且由于与图7所示的以往构造 相比，对电池单元构件不要求刚性，因此可以将各单元电池大幅度地薄 型化。此时，当像本发明那样为了实现薄型化而形成使用了金属板的独 立的电池单元时，由于如果内部压力变得过高，则会产生来自密封部的 泄漏，或因金属板的变形而与电极板的接触不充分，所以设置压力控制 阀将是有效的做法。另外，通过在燃料的排出口设置压力控制岡，则仅 从注入口供给一定量以上的燃料，就可以将内部压力控制为大致一定的 压力，可以利用加压提高发电效率。
上述发明中，优选所述压力控制阀具备将阀体向阀座推靠的推靠 机构、调节该推靠机构的推靠力的调节机构、具有阀座而收容阀体的阀 座空间、连通至该阀座空间并可以利用阀体封锁的导入流路、从阀座空 间向外部连通的排出流路。
根据该压力控制阀，由于当燃料气体对将导入流路封锁的阀体的压 力达到一定值以上时，就会反抗推靠机构的推靠力而在阀体与阀座之间 产生间隙，燃料气体经由阀座空间和排出流路而被向外部排出，因此可以将内部压力维持为基本一定。另外，由于具备调节对阀体进行推靠的 推靠机构的推靠力的调节机构，因此可以改变内部压力控制的设定值。 此外，由于是以最简易的构成来构成压力控制阀，因此可以将压力控制
阀小型化、薄型化(例如可以实现直径4mm、高度5mm)，燃料电池整 体的薄型化变得容易。
另外，优选所述压力控制阀可以将所述内面侧空间的压力控制为 0.02 0.20MPa的范围内的规定值。如果是该压力的范围内，则如实施 例的结果所示，可以提高燃料电池的输出，而且也难以产生来自密封部 的泄漏。
另一方面，本发明的发电方法是向单个或多个由板状的固体高分子 电解质、配置于该固体高分子电解质的一侧的阴极侧电极板、配置于另 一侧的阳极侧电极板、向所述阴极侧电极板供给含氧气体的含氧气体供 给部、向所述阳极侧电极板供给氲气的氢气流路部形成的单元电池供给 氢气和含氧气体而进行发电的发电方法，其特征是，对于成为氢气供给 的最末段的所述单元电池，在利用氢气的流动将杂质气体浓缩在排出口 附近的同时，从单元电池中少量地排出气体，使得所浓缩的杂质气体的 量达到一定值以下，在该状态下进行发电。
根据本发明的发电方法，由于在利用氢气的流动将杂质气体浓缩于 排出口附近的同时进行发电，因此仅在排出口的附近杂质气体的浓度变 高，所以在从单元电池整体来看的情况下，由于基本上不存在杂质气体， 因此可以将发电效率维持得较高。另外，即使将杂质气体浓缩于排出口 附近，如果不进行排出，则杂质气体的量增加而使发电停止，然而通过 将气体少量地排出，就可以将杂质气体的量保持在一定值以下。其结果 是，不需要复杂的控制机构，氢气的排出量很少，难以产生排出气体处 理或气体排放的问题，而且可以稳定并且持续有效地进行发电。
上述发明中，优选作为成为氢气供给的最末段的所述单元电池，使 用所述氢气流路部的流路截面积为所述阳极侧电极板的面积的1%以下 的单元电池，并且相对于向成为氢气供给的最末段的所述单元电池供给 的氢气来说，优选从该单元电池中排出0.02~4体积％的气体。
根据该构成，由于使用氢气流路部的流路截面积相对于电极面积来 说足够小的单元电池，因此氢气供给的线速度变大，在以固体高分子电解质的大致整体将氢气消耗之时，由于杂质气体不向上游侧扩散，而被 浓缩于下游侧，因此仅排出微小量的气体，就可以防止杂质气体向单元 电池内的蓄积。此时，由于仅在排出口的附近杂质气体的浓度变高，所 以在从单元电池整体来看的情况下，因为基本上不存在杂质气体，因此 可以将发电效率维持得较高。
另外，优选向成为氢气供给的最末段的所述单元电池中供给氢气， 使得以所述氢气流路部的流路截面积为基准计算的供给气体的线流速
达到O.lm/秒以上。这样，就可以更为可靠地使杂质气体不向上游侧扩 散而浓缩于下游侧。
另外，优选从所述单元电池中排出的气体中所含的氢气的浓度小于 50体积％。这样，就可以将杂质气体高浓度且有效地向系统外排出。
即，本发明的便携式机器用电池驱动系统的特征是,具备将氢气 向阳极侧供给而进行发电的燃料电池、利用在与反应液的反应中产生氢 气的氢发生剂向所述燃料电池供给氢气的氢气发生机构、向该氢气发生 机构供给反应液的反应液供给机构、调节氲气向所述燃料电池的供给量 的供给侧调节机构、设于所述燃料电池的阳极侧而在一次侧的压力达到 一定值以上的情况下增加气体的排出量的排出侧控制机构。本发明中， 所谓"反应液"并不限于液体，也包括以气相状态供给的物质。
根据本发明的便携式机器用电池驱动系统，由于具备如上所述的供 给侧调节机构和排出侧控制机构，因此即使在因氢气的消耗量的变动或 反应液供给停止后的反应控制延迟等，使得氢气向燃料电池的供给变得 过剩的情况下，也可以利用排出侧控制机构增加气体的排出量，所以就 可以将燃料电池的内部压力维持在一定值以下。另外，由于利用排出侧 控制机构进行气体的排出，因此杂质气体就难以浓缩于阳极侧，很难产 生燃料电池的发电效率的降低。其结果是，可以对应于便携式机器用的 耐压性能低的燃料电池，可以提供4艮难产生由杂质气体的浓缩造成的发 电效率的降低的便携式机器用电池驱动系统。
上述发明中，优选所述供给侧调节机构具有以使系统内的氢气的压 力达到设定范围的方式进行控制的压力控制机构。像这样，由于通过设 置以使系统内的氢气的压力达到设定范围的方式进行控制的压力控制 机构，就可以根据电力的消耗量没有过多或不足地供给氢气，因此可以不怎么排出氢气地进行发电，从而可以进一步减轻排出气体处理或发电 效率的降低的问题。
另外，优选所述反应液供给机构具有借助流动调节部与所述氢气发 生机构连通的贮液部，并构成通过用所述流动调节部调节来自该贮液部
的反应液的供给，来调节所述氢气发生机构的氢气的发生量的供给侧调
丄"仏 下>pu^*J 。
本发明中，由于可以如上所述地利用排出侧控制机构将燃料电池的 内部压力维持在一定值以下，因此即使仅设置利用流动调节部调节反应 液的供给的供给侧调节机构，调节氳气的发生量，也可以进行从压力控 制及反应控制的观点来说足够的控制。


图1是表示本发明的燃料电池的单元电池的一个例子的组装立体图。
图2是表示本发明的燃料电池的单元电池的一个例子的纵剖视图。
图3是表示由多个单元电池构成的本发明的燃料电池的一个例子的 概略构成图。
图4是表示本发明的燃料电池(单元电池)中所用的压力控制阀的 一个例子的剖视图。
图5是表示实施例1~3、比较例1~3、参考例1的电压的经时变 化的曲线图。
图6是表示实施例4中改变了气体的排出量时的电压的经时变化的 曲线图。
图7是表示实施例5中改变了气体的排出量时的电压的经时变化的 曲线图。
图8是表示实施例6中改变了气体的排出量时的气体组成的变化的 曲线图。
图9是表示本发明的燃料电池的巻边构造的其他的例子的主要部分。
图10是表示本发明的燃料电池(单元电池)的其他的例子的纵剖视图，(a)是组装立体图，(b)是纵剖视图。
图11是表示本发明的实施例等中得到的燃料电池的电压与输出的 关系的曲线图。
图12是表示本发明的便携式机器用电池驱动系统的第一实施方式 的例子的概略构成图。
图13是表示本发明的便携式机器用电池驱动系统的第二实施方式 的例子的概略构成图。
图14是表示本发明的便携式机器用电池驱动系统的第三实施方式 的例子的概略构成图。
图15是表示本发明的便携式机器用电池驱动系统的第四实施方式 的例子的概略构成图。
图16是表示本发明的便携式机器用电池驱动系统的第五实施方式 的例子的概略构成图。
图17是表示以往的燃料电池的一个例子的组装立体图。
图中1-固体高分子电解质，2-阴极侧电极板，3-阳极侧电极 板，4-阴极侧金属板，4c-开口部，5-阳极侧金属板，5c-注入口， 5d-排出口， 6-绝缘材料，9-流路槽，10-压力控制阀(排出控制机 构)，11-阀座，12-阀体，13-推靠机构，14-调节机构，15-阀座 空间，16-导入流路，17-排出流路，20-氢气发生机构，21-氢气发 生剂，30-反应液供给机构，32-j^液部，35-配管，40-压力控制机 构，41-压力调节机构，50-压力控制阀，FC-燃料电池，IC-供给 侧调节机构，OC-排出侧控制机构，Sn-最末段，UC-单元电池。
具体实施例方式
以下，对于第一发明的实施方式，参照附图进行说明。图l是表示 第一发明的燃料电池的单元电池的一个例子的组装立体图，图2是表示 第一发明的燃料电池的单元电池的一个例子的纵剖视图。图3是表示由 多个单元电池构成的第一发明的燃料电池的一个例子的概略构成图。
第一发明的燃料电池如图1~图3所示，具备单个或多个由板状的固体高分子电解质1、配置于该固体高分子电解质1的一侧的阴极侧电
极板2、配置于另一侧的阳极侧电极板3、向上述阴极侧电极板2供给 含氧气体的含氧气体供给部、向上述阳极侧电极板3供给氢气的氢气流 路部形成的单元电池UC。本实施方式中，如图3所示，表示由多个单 元电池UC构成燃料电池的例子。
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单元电池UC的例子，即，如图1~图2所示，在阳极侧金属板5上利 用蚀刻形成氢气的流路槽9而构成氢气流路部，在阴极侧金属板4上形 成用于自然供给空气的开口部4c而构成含氧气体供给部。像这样，通 过利用金属板4、 5构成气体供给部，就可以实现燃料电池的薄型化、 轻量化。
作为固体高分子电解质1，虽然只要是以往的固体高分子膜型电池 中所用的材料，无论是何种材料都可以，然而从化学稳定性及导电性的 观点考虑，优选使用由具有作为超强酸的磺酸基的全氟碳聚合体制成的 阳离子交换膜。作为此种阳离子交换膜，优选使用Nafion (注册商标)。
此外，例如也可以是在由聚四氟乙烯等氟树脂制成的多孔膜中浸渍 了上述Nafion或其他的离子传导性物质的膜；在由聚乙烯或聚丙烯等 聚烯烃树脂制成的多孔膜或无纺布中担载了上述Nafion或其他的离子 传导性物质的膜。
虽然固体高分子电解质1的厚度越薄，对于整体的薄型化就越有效， 但是考虑离子传导功能、强度、处理性等，可以使用10~300nm,优选 25 ~ 50,。
电 12、 3可以使用如下的材料，即发挥作为气体扩散层的作用，进 行燃料气体、氧化气体及水蒸气的供给、排出，同时发挥集电的作用。作 为电 12、 3,可以使用相同或不同的，在其基材上优选担载具有电极催 化作用的催化剂。催化剂优选至少担载在与固体高分子电解质1接触的内 面2b、 3b上。
作为电极基材，例如可以使用碳纸、碳纤维无纺布等纤维质碳、导 电性高分子纤维的集合体等导电性多孔材料。 一般来说，电极板2、 3 是向此种导电性多孔材料中添加氟树脂等疏水性物质而制作的，在担载 催化剂的情况下，将铂微粒等催化剂与氟树脂等疏水性物质混合，在向其中混合溶剂，制成了糊状或墨液状后，将其涂布于应当与固体高分子 电解质膜相面对的电极基材的单面上而形成。
一般来说，电极板2、 3或固体高分子电解质1采用与向燃料电池 供给的还原气体和氧化气体对应的设计。第一发明中，作为氧化气体使 用空气、纯氧等含氧气体，并且作为还原气体(燃料)使用氢气。第一 发明中，在自然供给空气的一侧的阴极侧电极板2中，由于发生氧与氢 离子的反应而生成水，因此优选进行与该电极反应对应的设计。
对于氢气，从减少氢气的排出量，稳定并且持续有效地进行发电的 理由考虑，氢气的纯度优选95%以上，更优选纯度99%以上，进一步 优选纯度99.9%以上。
作为催化剂，可以使用选自铂、钯、钌、铑、银、镍、铁、铜、钴 及钼中的至少一种金属或其氧化物，也可以使用将这些催化剂预先担载 于碳黑等上的材料。
虽然电极板2、 3的厚度越薄则对于整体的薄型化就越有效，但是 考虑到电极反应、强度、处理性等，优选50 500nm.
电极板2、 3与固体高分子电解质1虽然也可以预先进行粘接、熔 接等而层叠一体化，然而也可以只是被层叠配置。此种叠层体也可以作 为薄膜电极组装体(Membrane Electrode Assembly: MEA)获得，也 可以使用它。
本实施方式中，在阴极侧电极板2的表面配置阴极侧金属板4，在 阳极侧电极板3的表面配置阳极侧金属板5。另外，在阳极侧金属板5 上设有氢气的注入口 5c及排出口 5d，在其间设有流路槽9。
第一发明中，在含氧气体供给部中，优选设置抑制水分从阴极侧向 外部的扩散的扩散抑制机构。本实施方式中，在阴极侧金属板4上，设 有用于自然供给空气中的氧的开口部4c，它相当于作为扩散抑制机构发 挥作用的扩散抑制板，可以经由该扩散抑制板自然供给空气。
在作为扩散抑制板的阴极侧金属板4上，优选相对于阴极侧电极板 2的面积以10-30。/。的开口率i殳置开口部4c。当i殳为此种开口率时，只 要在该开口率的范围内，则开口部4c的个数、形状、大小、形成位置 等无论怎样都可以。而且，如果是上述的开口率的范围内，则还可以充 分地进行从阴极侧电极板2的集电。阴极侧金属板4的开口部4c例如可以规则地或随机地i殳置多个圆孔或狭缝等。
作为金属板4、 5，只要是对电极反应没有不良影响的材料，则无论 是何种金属都可以使用，例如可以举出不锈钢板、镍、铜、铜合金等。 但是，从伸展性、重量、弹性模量、强度、耐腐蚀性、冲压加工性、蚀 刻加工性等观点考虑，优选不锈钢板、镍等。为了减少与电极板2、 3 的接触电阻，优选对金属板4、 5实施镀金等贵金属镀膜。
第一发明中，从不使杂质气体向上游侧扩散而浓缩于下游侧的观点 考虑，对于成为氢气供给的最末段的单元电池UC,将氢气流路部的流 路截面积设为阳极侧电极板3的面积的1 %以下。该比例优选0.5 %以下， 更优选0.2%以下，进一步优选0.001 ~ 0.1%。第一发明中，所谓氲气流 路部的流路截面积，在假定电极板3完全为平面的情况下，是指作为流 路形成的空间的与流路方向垂直的截面的面积。即使该面积基本上为 零，通过使氢气流过电极板3的多孔性空隙部，也可以进行发电。另夕卜， 所谓阳极侧电极板3的面积，无论有无电极反应，都是指阳极侧电极板 3的整体的面积。
像这样，在缩小流路截面积时，减小流路槽的深度，或加长流路的 长度而减小流路的宽度是有效的做法。
对于所述的流路截面积以外，设于阳极侧金属板5上的流路槽9只 要是可以利用与电极板3的接触形成氢气等的流路的槽，则无论是何种 平面形状或截面形状都可以。但是，考虑到流路密度、层叠时的层叠密 度、弯曲性等，优选主要形成与金属板5的一边平行的纵槽9a和垂直 的横槽9b。本实施方式中，将多条(图示的例子中为3条)纵槽9a与 横槽9b串联连接，取得流路密度和流路长度的平衡。
而且，也可以将此种金属板5的流路槽9的一部分(例如横槽9b ) 形成于电极板3的外面。作为在电极板3的外面形成流路槽的方法，虽 然也可以是加热压或切削等机械的方法，但是从恰当地进行微细加工方 面考虑，优选利用激光照射来进行槽加工。从进行激光照射的观点考虑， 作为电极板2、 3的基材，优选纤维质碳的集合体。
与金属板5的流路槽9连通的注入口 5c可以形成1个或多个。排出 口 5d优选只形成1个，并优选设于流路槽9的下游侧端。排出口 5d与 流路槽9的下游侧端越近，则越能够将浓缩为高浓度的杂质气体有效地
14排出。
而且，金属板4、 5的厚度越薄，则对于整体的薄型化就越有效， 然而考虑到强度、伸展性、重量、弹性模量、处理性等，优选0.1 ~ lmm。
作为在金属板5上形成流路槽9的方法，从加工的精度或容易性考 虑，优选蚀刻。在利用例如蚀刻得到的流路槽9中，优选宽度0.1 ~ 10mm、 深度0.05 ~ lmm。另外，流路槽9的截面形状优选近似四边形、近似梯 形、近似半圆形、V字形等。
对于向金属板4上形成开口部4c、金属板4、 5的外缘部的薄壁化、 向金属板5上形成注入口 5c等，也优选利用蚀刻。
蚀刻可以在使用例如干式薄膜抗蚀剂等，在金属表面形成了规定形 状的蚀刻抗蚀剂后，使用与金属板4、 5的种类对应的蚀刻液来进行。 另外，通过使用2种以上的金属的叠层板，对每种金属选择性地进行蚀 刻，就可以更高精度地控制流路槽9的截面形状或薄壁化了的外缘部的 厚度。
图2所示的实施方式是将金属板4、 5的巻边部(外缘部)利用蚀 刻减少了厚度的例子。像这样，通过蚀刻巻边部而设为恰当的厚度，就 可以更为容易地进行利用巻边的密封。从该观点考虑，作为巻边部的厚 度，优选0.05 ~ 0.3mm。
第 一发明中，只要形成向阴极侧电极板2供给含氧气体的含氧气体 供给部、向阳极侧电极板3供给氢气的氳气流路部，则流路部等的形成 构造无论为何种都可以。在金属板4、 5上形成流路部等的情况下，金 属板4、 5的周缘优选在电绝缘的状态下利用压弯机进行密封。本实施 方式中，表示了利用巻边来密封的例子。
电绝缘可以通过夹设绝缘材料6或固体高分子电解质1的周缘部或 其双方来进行。在使用绝缘材料6的情况下，作为其厚度，从薄型化的 观点考虑，优选O.lmm以下。而且，通过涂覆绝缘材料，可以实现进 一步的薄型化(例如绝缘材料6的厚度可以为lnm)。
作为绝缘材料6，虽然可以使用薄片状的树脂、橡胶、热塑性弹性 体、陶瓷等，但是从提高密封性的方面考虑，优选树脂、橡胶、热塑性 弹性体等，特别优选聚丙烯、聚乙烯、聚酯、氟树脂、聚酰亚胺。绝缘 材料6也可以是直接或借助粘结剂贴附或涂布于金属板4、 5的周缘，预先与金属板4、 5—体化。
作为巻边构造，从密封性或制造的容易性、厚度等观点考虑，优选 图2所示的构造。也就是优选如下的巻边构造，即，使一方的金属板5 的外缘部5a大于另一方的外缘部4a，在夹设绝缘材料6的状态下，将 一方的金属板5的外缘部5a夹压另 一方的金属板4的外缘部4a地翻过 来。该巻边构造中，优选利用冲压加工等，预先在金属板4的外缘部4a 设置阶梯。此种巻边构造本身作为金属加工已经是公知的，可以利用公 知的巻边装置来形成。
第一发明的燃料电池如图1~图3所示，对于成为氢气供给的最末 段Sn的单元电池UC，在氢气流路部的排出口 5d,设有控制来自最末 段Sn的单元电池UC的气体的排出量的排出控制机构。本实施方式中， 作为排出控制机构，表示了设置有以使一次侧的压力达到一定值以下的 方式将气体排出的压力控制阀10的例子。
第一发明中的来自排出控制机构的气体的排出无论是间歇的还是 连续的都可以，无论是一定量的还是排出量发生变化都可以。但是，从 使杂质气体的浓缩状态稳定化，将发电效率维持得较高的观点考虑，优 选以大致一定的量将气体排出。
第一发明中的排出控制机构中，以相对于向最末段Sn的单元电池 UC供给的氢气(严格来说是也包括杂质气体的总量)排出0.02-4体 积％,优选0.05~3体积％，更优选0.1~2体积％的气体(包括杂质气 体)的方式进行控制。这里，在气体的排出量变化的情况下，以平均值 求得。当气体的排出量小于0.02体积％时，则无法充分地排出浓缩了的 杂质气体，燃料电池的输出随时间推移而降低，发电在短时间内停止。 另外，当气体的排出量超过4体积％时，则氢气的排出量变多，产生其 排出气体处理或气体排放的问题。
当从氢气的注入口 5c供给一定量以上的氢气时，内面侧空间的压力 即上升，可以利用压力控制阀IO,将内面侧空间(即氢气)的压力控制 为规定值。这样，也可以防止从密封部中泄漏或金属板5与电极板3的 接触不良。
作为压力控制岡10,只要可以将内面侧空间的压力控制为规定值， 则无论是何种形式都可以，然而从将构造筒易化方面考虑，优选自励式
16的控制阀，与外部检测型相比，更优选内部检测型。
本实施方式中，如图4所示，表示了使用具备将阀体12向阀座 11推靠的推靠机构13、调节该推靠机构13的推靠力的调节机构14、具 有阀座11而收容阀体12的阀座空间15、连通至该阀座空间15而可以 利用阀体12封锁的导入流路16、从阀座空间15向外部连通的排出流路 17的压力控制阀10的例子。
压力控制阀IO通过将形成阔座空间15的筒状主体的连结部18a插 入阳极侧金属板5的排出口 5d中，进行端部的巻边，而气密性地连结。 另夕卜，在筒状主体18的内螺紋部18b上螺合有调节机构14的外螺紋部 14a，通过利用螺合量来调节作为推靠机构13的弹簧的长度，就可以调 节推靠机构13的推靠力。阀体12例如由金属板12b和硅酮橡胶12a的 叠层体形成。
该压力控制阀10中，由于当氢气对将导入流路16封锁的阀体12 的压力达到一定值以上时，就会克服推靠机构13的推靠力而在阀体12 与阀座ll之间产生间隙，将氢气经由阀座空间15和排出流路17向外 部排出，因此就可以将内部压力维持为基本上一定。另外，由于具备调 节对阀体12进行推靠的推靠机构13的推靠力的调节机构14，因此可以 改变内部压力控制的设定值。
根据该压力控制岡10，由于可以用最为简易的构成来构成压力控制 阀，因此可以将压力控制阀小型化、薄型化(例如可以实现直径4mm、 高度5mm)，燃料电池整体的薄型化变得容易。
第一发明中，可以使用1个或多个单元电池UC，在使用1个单元 电池UC的情况下，由于它成为氢气供给的最末段，因此在该单元电池 UC上设置排出控制机构。在使用多个单元电池UC的情况下，则如下 所示地构成。
虽然将各个单元电池UC电串联地连接的做法是通常的做法，然而 也可以使电流值优先而将其并联连接。另外，在电压不足的情况下，可 以根据需要连接升压电路(DC - DC转换器)。
对于氢气，也可以将从初段S1到最末段Sn的各单元电池UC串联 地连接，或构成多个串联地连接的单元电池UC组，向各个单元电池 UC组并行地供给氢气。对于后者的情况，在各个单元电池UC组的最末段设置排出控制机构。第一发明中，从将杂质气体有效地浓缩于最末
段Sn的单元电池UC中的观点考虑，优选串行地供给氲气的方式。
图3所示的例子中，从初段Sl到最末段Sn的各单元电池被氢供给 管25串联地连接，从作为氢气的供给机构的氢气发生单元20向初段 Sl的单元电池UC供给氢气。所供给的氢气在被各个单元电池UC消耗 的同时，向最末段侧流动，从最末段Sn的单元电池UC的排出控制机 构中排出。
在使用单元电池UC之时，虽然在金属板5的氢气的注入口 5c及排 出口 5d上，也可以直接接合氢气供给用的管道，但是从进行燃料电池 的薄型化方面考虑，优选设置厚度小、具有与金属板5的表面平行的管 的管道接头。
作为氢气的供给方法，从使用如前所述的压力控制阀10，恰当地控 制内面侧空间的压力的方面考虑，优选使用利用化学反应产生氢气的氢 发生器的方法。作为该氢发生器，可以举出在容器内收容了纳米铁粒子、 铝粉末或反应催化剂、或者将它们制成了多孔体的材料，还具备加热机 构或水分供给机构的装置。
另一方面，第一发明的发电方法可以使用第一发明的燃料电池恰当 地进行。即，第一发明的发电方法是向单个或多个由板状的固体高分子 电解质、配置于该固体高分子电解质的一侧的阴极侧电极板、配置于另 一侧的阳极侧电极板、向所述阴极侧电极板供给含氧气体的含氧气体供 给部、向所述阳极侧电极板供给氲气的氢气流路部形成的单元电池供给 氢气和含氧气体而进行发电的发电方法，其特征是，对于成为氢气供给 的最末段的所述单元电池，在利用氢气的流动将杂质气体浓缩在排出口 附近的同时，从单元电池中少量地排出气体，使得所浓缩的杂质气体的 量达到一定值以下，并在该状态下进行发电。
此时，优选作为成为氢气供给的最末段的所述单元电池，使用所述 氢气流路部的流路截面积为所述阳极侧电极板的面积的1 %以下的单元 电池，并且相对于向成为氢气供给的最末段的所述单元电池供给的氢 气，在从该单元电池中排出0.02~4体积％的气体的同时进行发电。
此时，从将杂质气体有效地浓缩于下游侧的观点考虑，优选向成为 氢气供给的最末段的所述单元电池中供给氢气，使得以所述氢气流路部的流路截面积为基准而计算的供给气体的线流速达到O.lm/秒以上。更 优选供给气体的线流速为0.5m/秒以上，进一步优选lm/秒以上。
另外，从成为最末段的单元电池UC中排出的气体中所含的氢气的 浓度优选小于50体积o/。，更优选小于40体积％ ，进一步优选小于30 体积％ 。
第一发明中，设置了排出控制机构的位置上的氢气流路部的压力优 选为7KPa以上。这样，就可以抑制来自阴极侧的杂质气体的透过，即 使来自排出控制机构的气体的排出量更少，也可以将发电效率维持得较 高。
第一发明的燃料电池由于氢气的排出量少，难以产生排出气体处理 或气体排放的问题，而且可以稳定并且持续有效地进行发电，因此特别 可以适用于移动电话、笔记本PC等移动机器中。
但是，由于如上所述的排出气体处理或发电效率的问题并不限于便 携式机器，因此第一发明可以广泛地适用于汽车用的燃料电池或热电联 供系统等发电装置中。8i液部32的水的加压输送机 构36,并且利用设于水蒸气或氢气的流路上的压力检测机构47、基于 来自该压力检测机构47的信号控制所述加压输送机构36以使氳气的压 力达到设定值范围的控制机构46来构成压力控制机构40。该情况下， 由于基于来自设于氢气的流路上的压力检测机构47的信号来控制加压 输送机构36，因此可以根据所输送的水的量的变动，以使系统内的氲气 的压力达到设定范围的方式进行控制。
图示的例子中，在氢气发生机构20的上游侧，具有水蒸气发生部 37。对于没有特别说明的构成，与第一实施方式相同。
作为加压输送机构36,只要是可以基于来自控制机构46的操作 信号来调节(包括启动、停止)供给量的机构即可，例如可以使用将驱 动源设为电动机的管道型的微型泵、或利用了压电元件的微型泵、齿轮 泵等。
加压输送机构36被设于将一端配置于]^液部32中，将另 一端与 水蒸气发生部37连接的配管35中。
水蒸气发生部37具备内置型的加热器38,可以将所供给的水蒸 发而产生水蒸气。它经由配管34而向氢气发生机构20供给。水蒸气发 生部37在氢发生剂21在低温下产生氢气的情况下，或在氢气发生机构 20为足够高的温度的情况下，都可以省略。
28压力检测机构47只要是可以检测并输出气体的压力的机构即可， 作为能够实现小型化的机构，优选利用了压电元件或差动变压器的压力 传感器。而且，来自压力检测机构47的信号并不限于电信号，也可以 是由压力变动等形成的信号。
压力检测机构47虽然被设于将氢气发生机构20与燃料电池FC 连接的配管24中，即被设于氢气的流路中，但是也可以设于水蒸气的 流路中。各个流路不需要是配管，也可以在燃料电池FC的内部或氢气 发生机构20的内部的流路(包括空间)中设置压力检测机构47的检测 部。
控制机构46基于来自压力检测机构47的信号，在氢气的压力超 过设定值范围的情况下，停止加压输送机构36或减少输送量，在小于 设定值范围的情况下，启动加压输送机构36或增加输送量。该控制虽 然也可以是单纯的开闭控制，但是也可以按照进行更为复杂的PID控制 的方式构成。这些控制机构46都是对于本领域技术人员来说公知惯用 的技术手段。
另一方面，在可以在更低温度下进行氢发生剂21与反应液的反应 的情况下，可以不将水蒸发地向氢气发生机构20供给。该情况下，就 会形成省略了具备加热机构38的水蒸气发生部37的构成。另外，也可 以省略氢发生剂21的加热机构23。
本发 明的笫三实施方式中，如图14所示，给出如下的例子，即， 反应液供给机构30具有将水加热而产生水蒸气的加热机构31，并且利 用设于氢气发生机构20的下游侧而根据二次侧的压力进行流量调节的 压力调节机构41来构成压力控制机构40。本发明的第三实施方式只是 设置压力调节机构41的位置与第一实施方式不同。
根据此种压力控制机构40，在由燃料电池FC消耗的氢气减少， 系统内的氢气的压力上升的情况下，通过使压力调节机构41进行流量 的减少或停止，就可以将系统内的氢气的压力控制为达到设定范围。此 时，虽然压力调节机构41的一次侧的压力上升，但是由于贮液部32的 水的蒸发量变少，因此自然不会向氢气发生机构20供给过多的反应液。
但是，由于会产生贮液部32的温度或压力过度上升的情况，因此优选还设置如下的控制机构，即，检测贮液部32的温度或压力，控制 加热机构31,使得贮液部32的温度或压力达到一定值以下。^液部32和将ji&液部32的水利用负压输 送的配管35,并且利用设于该配管35中而根据二次侧的压力进行流量 调节的压力调节机构41来构成压力控制机构40。在不将氢气自然排出 地进行发电的燃料电池中，因氲气被发电所消耗，阳极侧就变为负压。 根据所述的反应液供给机构30，可以利用该负压来输送贮液部32的水， 此时，由于设于输送配管35中的压力调节机构41根据二次侧的压力进 行流量调节，因此可以将系统内的氢气的压力控制为达到设定范围。
图示的例子中，在氢气发生机构20的上游侧，具有水蒸气发生部 37。对于没有特别说明的构成，与第一实施方式相同。
在将贮液部32的水利用负压输送时，只要将配管35的一端配置 于水中，并为了使贮液部32的空间不变为负压，而预先进行向大气开 放等操作即可。此时，因空间与大气借助疏水性的多孔膜连通，因而可 以在防止水的泄漏的同时，将贮液部32的空间维持为大气压。
在利用氢气的供给，不将氢气自然排出地进行发电的燃料电池FC 中，当氢气被消耗时，阳极侧空间11就会慢慢地被减压而变为负压。 在燃料电池FC的上游侧，氢气发生机构20与水蒸气发生部37借助配 管24和配管34而气密性地连接，当阳极侧空间11变为负压时，就可 以利用配管35将贮液部32的水向水蒸气发生部37输送。在未设置水 蒸气发生部37的情况下，贮液部32的水被向氢气发生机构20输送。
压力调节机构41虽然可以使用与第一实施方式相同的构造的减 压阀等，然而在第四实施方式中，由于一次侧近似为大气压，因此可以 使用更为简易的构造的阀类。例如，可以举出具备可以用压力调节螺 钉调节推靠力的弹簧、在被该弹簧推靠的状态下从反方向受到一次侧流 路的压力而在二次侧的压力达到一定压力以下的情况下开阀的阀部的 构造。
根据此种压力控制机构40,在由燃料电池FC消耗的氢气增大， 系统内的氢气的压力降低的情况下，通过压力调节机构41进行开阀或
30流量的增加，就可以将水向水蒸气发生部37供给，将系统内的氢气的 压力控制为达到设定范围。此时，虽然压力调节机构41的二次侧的压 力一次性地上升，但是由于上升前的压力为负压(一个大气压以下)， 因此燃料电池FC的内压的上升很难成为问题。
另一方面，在可以将氢发生剂21与反应液的反应在更低温度下进 行的情况下，可以不使水蒸发地向氢气发生机构20供给。该情况下， 就会形成省略了具备加热机构39的水蒸气发生部37的构成。另外，也 可以省略氢发生剂21的加热机构23。
[第五实施方式
本发明的笫五实施方式中，如图16所示，给出了如下的例子，即， 反应液供给机构30具有经由流动调节部与氢气发生机构20连通的贮液 部32，并构成通过用所述流动调节部调节来自该贮液部32的反应液的 供给，来调节所述氢气发生机构20的氢气的发生量的供给侧调节机构 IC。
图示的例子中，流动调节部由毛细管流动构件26和闸门构件27 构成，反应液供给机构30和氢气发生机构20被一体化。对于没有特别 说明的构成，与第一实施方式相同。
在反应液供给机构30的内部，内置有氩气发生机构20的反应容 器22，在反应容器22的外部，形成用于贮留反应液的贮液部32。在反 应容器22的内部填充有氢发生剂21，所产生的氢被从鼓泡管28向贮液 部32的反应液内鼓泡排出。在反应液为水的情况下，可以利用鼓泡向 氢气供给水分，对于防止燃料电池FC的固体电解质13的干燥是有效 的。
鼓泡管28的下端优选设为与反应容器22的下端大致相同的高度， 该情况下，由于即使贮液部32的反应液的高度发生变化，反应容器22 的内压与反应液供给机构30的内压也会大致相等，因此对毛细管流动 构件26产生的来自反应液的压力基本上不会变化。
所以，利用反应液浸透毛细管流动构件26的速度，可以调节反应 液的流入速度。由此，通过在反应容器22的底面设置多个毛细管流动 构件26，并利用闸门构件27来阻断与一部分的毛细管流动构件26的接 触，就可以调节反应液的流入速度。另外，通过改变毛细管流动构件26的空隙尺寸或厚度等，就可以调节各个毛细管流动构件26中的反应液 的流入速度。
其结果是，可以与氢气的消耗量对应地以一定速度产生氢气，这 样就可以减少氢气的无谓的排出。
作为毛细管流动构件26，可以使用纸类、无纺布、织布、多孔膜、 毛毡、陶资等的多孔体等。通过在闸门构件27上，设置O形环等密封 材料，就可以进一步提高阻断接触时的密封性。
作为流动调节部，并不限于使用毛细管流动构件26的情况，也可 以是流路的单纯的节流装置或流量调节阀等。
实施例
以下，将对具体地表示本发明的构成和效果的实施例等进行说明。 实施例1
在具有耐腐蚀性的SUS ( 50mmx26mmx0.3mm厚)上利用氯化亚 铁水溶液的蚀刻设置槽(宽0.8mm，深0.2mm,间隔1.6mm，条数21 条)及周边巻边部、气体导入、排出孔，将其作为阳极侧金属板。此时 设于阳极侧金属板上的氢气流路部的流路截面积为0.16mm3。同样地， 在具有耐腐蚀性的SUS ( 50mmx26mmx0.3mm厚)上利用氯化亚铁水 溶液的蚀刻设置贯穿孔(0.6mm(p,间距1.5mm，个数357个，接触区 域的开口率13% )及周边巻边部、气体导入、排出孔，将其作为阴极侧
金属板。此后，将绝缘薄片(50mmx26mmx2mm宽，厚80nm)粘合
在sus上。
另外，薄膜电极组装体(49.3mmx25.3mm )是如下所示地制作的。 铂催化剂使用了美国ElectroChem公司制20 %铂担载碳催化剂(EC -20-PTC)。将该铂催化剂、碳黑(Akzo公司科琴黑EC)、聚偏氟乙烯 (力4大-)分别以75重量％、 15重量％、 10重量％的比例混合，向 所述铂催化剂、碳黑、聚偏氟乙烯的混合物中以成为2.5重量％的聚偏 氟乙烯溶液的比例添加二甲基甲酰胺，在乳钵中溶解、混合，制作了催 化剂糊状物。将碳纸(东丽制TGP-H-90，厚370nm)切割为 20mmx43mm，在其上用抹刀涂布如上所述地制作的催化剂糊状物约 20mg，在80'C的热风循环式干燥机中干燥。像这样就制作了担载了 4mg 的催化剂组合物的碳纸。钩担载量为0.6mg/cm2。
32使用如上所述地制作的铂催化剂担载碳纸、作为固体高分子电解
质(阳离子交换膜)的Nafion薄膜(杜邦公司制Nafionl12， 25.3mmx49.3mm，厚50nm )，在其两面使用模具以135匸、2MPa的条 件进行了 2分钟热压。通过将如此得到的薄膜电极组装体夹入2片上述 的SUS板的中央，并如图2所示地巻边配合，就可以获得外形尺寸为 50mmx26mmxl.4mm厚这样的薄型小型的微型燃料电池。该单元电池 的氢气流路部的流路截面积相对于阳极侧电极板的面积为0.019%。将 其作为单元电池，如图3所示，将3个单元电池串联(气体及电气)地 连接而构成了燃料电池。
评价了该微型燃料电池的电池特性。燃料电池特性使用东阳^夕 -力制燃料电池评价系统，在室温下向阳极侧流入氢气(纯度100% ), 阴极侧向大气开放，在电流1.0A (电流密度120mA/cm2)的恒定运行 下进行了测定。此时，氢气的供给气体流量对于最上游的单元电池为 22.8mL/min，对于最末段的单元电池为7.6mL/min。另外，在最末段的 单元电池的排出口设置压力控制阀，通过调节它(设定压力为10KPa), 将平均的气体的排出量设为0.1mL/min。也就是设定为，相对于向最末 段的单元电池供给的氢气来说排出1.3体积％的气体。
将此时的电压的经时变化表示于图5中。根据该结果判断，可以 在长时间内维持大致相同的输出电压值。
比较例1
除了在实施例l中，未设置压力控制阀，不从最末段的单元电池中 排出气体以外，利用与实施例l相同的方法制作燃料电池，评价了燃料 电池特性。将其结果表示于图5中。如该结果所示，在不从单元电池中 排出气体的情况下，燃料电池的输出电压在约20分钟时就达到一半以 下，说明发电提前停止。
参考例1
除了在实施例1中，在进行电流l.OA的恒定运行的同时，不设置 压力控制阀，将来自最末段的单元电池的平均气体的排出量设为 4.56mL/min (总供给量的20体积％ )以外，利用与实施例l相同的方 法制作燃料电池，评价了燃料电池特性。将其结果表示于图5中。如该 结果所示，判明了参考例1中与实施例l相比，虽然电压略有上升，但是与实施例1基本上没有差别。
实施例2
除了在实施例1中，在进行电流0.5A的恒定运行(对最末段的单 元电池以3.8mL/min供给)的同时，相对于向最末段的单元电池供给的 氢气排出1.3体积％的气体以外，利用与实施例l相同的方法制作燃料 电池，评价了燃料电池特性。将其结果表示于图5中。如该结果所示， 判明了可以在长时间内维持大致相同的输出电压值。
比较例2
除了在比较例1中，在进行电流0.5A的恒定运行(对最末段的单 元电池以3.8mL/min供给)的同时，不从最末段的单元电池中排出气体 以夕卜，利用与比较例l相同的方法制作燃料电池，评价了燃料电池特性。 将其结果表示于图5中。如该结果所示，在不从单元电池中排出气体的 情况下，燃料电池的输出电压在约15分钟时就达到一半以下，说明发 电提前停止。
实施例3
除了在实施例1中，在进行电流1.5A的恒定运行(对最末段的单 元电池以11.4mL/min供给)的同时，相对于向最末段的单元电池供给 的氢气排出1.3体积％的气体以外，利用与实施例l相同的方法制作燃 料电池，评价了燃料电池特性。将其结果表示于图5中。如该结果所示， 判明可以在长时间内维持大致相同的输出电压值。
比较例3
除了在比较例1中，在进行电流1.5A的恒定运行(对最末段的单 元电池以11.4mL/min供给)的同时，不从最末段的单元电池中排出气 体以外，利用与比较例l相同的方法制作燃料电池，评价了燃料电池特 性。将其结果表示于图5中。如该结果所示，在不从单元电池中排出气 体的情况下，燃料电池的输出电压在约30分钟时就达到一半以下，说 明发电提前停止。
实施例4
除了在实施例1中，在进行电流l.OA的恒定运行(对最末段的单 元电池以7.6mL/min供给)的同时，将来自最末段的单元电池的气体的排出量改变为0~12cc/h以外，利用与实施例l相同的方法制作燃料电 池，评价了燃料电池特性。将其结果表示于图6中。如该结果所示，判 明了在0.6cc/h (排出量0.13体积％ )以上时，可以在长时间内维持大 致相同的输出电压值，在与0cc/h (0体积％ )之间有临界值。
实施例5
除了在实施例1中，在用设于排出口的压力控制阀设定为5KPa的 压力，进行电流1.0A的恒定运行(对最末段的单元电池以7.6mL/min 供给)的同时，将来自最末段的单元电池的气体的排出量改变为4.0~ 8.0cc/h以夕卜，利用与实施例l相同的方法制作燃料电池，评价了燃料电 池特性。将其结果表示于图7中。如该结果所示，判明了在7.7cc/h (排 出量1.7体积％ )以上时，可以在长时间内维持大致相同的输出电压值， 在与5.4cc/h (1.2体积％ )之间有临界值。
实施例6
除了在实施例1中，在用设于排出口的压力控制阀设定为5KPa的 压力，进行电流1.0A的恒定运行(对最末段的单元电池以7.6mL/min 供给)的同时，将来自最末段的单元电池的气体的排出量改变为5~ 15cc/h以外，利用与实施例l相同的方法制作燃料电池，用气体色镨法 测定了排出气体的组成。将其结果表示于图8中。如该结果所示，判明 了在气体的排出量为5cc/h~10cc/h的情况下，排出气体中的氢气的浓 度将会小于50体积％ 。根据该结果与实施例1和参考例1的对比可知， 杂质气体仅被浓缩于压力控制阀的附近，由此发电效率提高。
实施例7
在镍板(50mmx26mmx0.3mm厚)上利用氯化亚铁水溶液的蚀刻 设置槽(宽0.8mm，深0.2mm，间隔1.6mm，条数21条)及周边薄壁 部(厚100nm)、气体导入、排出孔。其后，对周边薄壁部进行冲压加 工而形成阶梯部(阶梯150nm)和周缘部，在整个面进行镀金(镀膜厚 0.5nm)而制成了阳极侧金属板。
同样地，在镍板(50mmx26mmx0.3mm厚)上利用氯化亚铁7jC溶 液的蚀刻设置了贯穿孔(l.Ommq)，间距1.5mm，个数350个)及周边 薄壁部、气体导入、排出孔。其后，对周边薄壁部进行冲压加工而形成 阶梯部(阶梯150nm )和周缘部，在整个面进行镀金(镀膜厚0.5jim )，
35将其作为阴极侧金属板。此后，将绝缘薄片(50mmx26mmx2mm宽， 厚80nm)粘合在周缘部上。
另外，薄膜电极组装体(49.3mmx25.3mm )是如下所示地制作的。 铂催化剂使用了美国ElectroChem公司制20 %钿担栽碳催化剂(EC -20-PTC)。将该铂催化剂、碳黑(Akzo公司科琴黑EC)、聚偏氟乙烯 (力4大-)分别以75重量％、 15重量％、 10重量％的比例混合，向 所述铂催化剂、碳黑、聚偏氟乙烯的混合物中以成为2.5重量％的聚偏 氟乙烯溶液的比例添加二曱基曱酰胺，在乳钵中溶解、混合，制作了催 化剂糊状物。将碳纸(东丽制TGP-H-90,厚300nm)切割为 20mmx43mm,在其上用抹刀涂布如上所述地制作的催化剂糊状物约 20mg ，在80。C的热风循环式干燥机中干燥。l象这样就制作了担载了 4mg 的催化剂组合物的碳纸。铂担载量为0.6mg/cm2。
使用如上所述地制作的铂催化剂担载碳纸、作为固体高分子电解 质(阳离子交换膜)的Naflon薄膜(杜邦公司制Nafionl12， 25.3mmx49.3mm，厚25jim ),在其两面使用模具以135。C、 2MPa的条 件进行了 2分钟热压。通过将如此得到的薄膜电极组装体夹入2片所述 的金属板的中央，如图2所示地巻边配合，就可以获得外形尺寸为 50mmx26mmxl.4mm厚这样的薄型小型的微型燃料电池。
在该燃料电池的阳极侧金属板的排出口，设置图4所示的构造的 压力控制阀，调节调节机构，使得内面侧空间的压力达到O.OOMPa、 O.OlMPa、 0.02MPa、 0.03MPa、 0.04MPa及0.05MPa,控制了压力。 分别评价了此时的燃料电池的电池特性。燃料电池特性使用东阳歹夕-力制燃料电池评价系统，在室温下向阳极侧流入纯氬气(阴极侧向大气 开放)。气体流量设为0.2L/min。将所得的输出密度表示于图11中。
根据图11的结果可知，本发明中在0.02MPa 0.05MPa下可以获 得高输出。
实施例8
使用与实施例7相同的燃料电池，将控制压力进一步提高，研究了 此时的电池的输出和来自密封部的气体的泄漏。其结果是，直至 O.lOMPa附近，输出慢慢地增加，当超过0.20MPa时，产生了来自密 封部的气体的泄漏。
权利要求
1. 一种燃料电池，具备板状的固体高分子电解质、配置于该固体高分子电解质的一侧的阴极侧电极板、配置于另一侧的阳极侧电极板、配置于所述阴极侧电极板的表面而使气体能够向内面侧流通的阴极侧金属板、配置于所述阳极侧电极板的表面而使燃料能够向内面侧流通的阳极侧金属板，其特征是，将所述两侧的金属板的周缘以电绝缘的状态利用压弯机进行密封，并且所述阳极侧金属板具有燃料的注入口和排出口，在其排出口设置有将内面侧空间的压力控制为规定值的压力控制阀。
2. 根据权利要求1所述的燃料电池，其特征是，所述压力控制阀 具备将阀体向阀座推靠的推靠机构、调节该推靠机构的推靠力的调节 机构、具有阀座而收容阀体的阀座空间、连通至该阀座空间并能够利用 阀体封锁的导入流路、从阀座空间向外部连通的排出流路。
3. 根据权利要求1所述的燃料电池，其特征是，所述压力控制阀 能够将所述内面侧空间的压力控制为0.02~0.20MPa的范围内的规定 值。
4. 一种便携式机器用电池驱动系统，其特征是，具备将氢气向 阳极侧供给而进行发电的燃料电池、利用在与反应液的反应中产生氢气 的氢发生剂向所述燃料电池供给氢气的氢气发生机构、向该氢气发生机 构供给反应液的反应液供给机构、调节氢气向所述燃料电池的供给量的 供给侧调节机构、设于所述燃料电池的阳极侧而在一次侧的压力达到一 定值以上的情况下增加气体的排出量的排出侧控制机构。
5. 根据权利要求4所述的便携式机器用电池驱动系统，其特征是， 所述供给侧调节机构具有以使系统内的氢气的压力达到设定范围的方 式进行控制的压力控制机构。
6. 根据权利要求4所述的便携式机器用电池驱动系统，其特征是， 所述反应液供给机构具有借助流动调节部与所述氢气发生机构连通的 贮液部，并构成通过用所述流动调节部调节来自该贮液部的反应液的供 给，来调节所述氢气发生机构的氢气的发生量的供给侧调节机构。
全文摘要
本发明提供一种燃料电池及使用该燃料电池的发电方法，其氢气的排出量少，难以产生排出气体处理或气体排放的问题，而且可以稳定并且持续有效地进行发电。该燃料电池具备单个或多个单元电池(UC)，该单元电池(UC)由板状的固体高分子电解质(1)、其阴极侧电极板(2)、阳极侧电极板(3)、向所述阴极侧电极板(2)供给含氧气体的含氧气体供给部、向所述阳极侧电极板(3)供给氢气的氢气流路部形成，其中，对于成为氢气供给的最末段的所述单元电池(UC)，将所述氢气流路部的流路截面积设为所述阳极侧电极板(3)的面积的1％以下，并且在所述氢气流路部的排出口，设有将相对于向单元电池(UC)供给的氢气来说为0.02～4体积％的气体排出的排出控制机构(10)。
文档编号H01M8/10GK101447582SQ200810167480
公开日2009年6月3日 申请日期2005年9月29日 优先权日2004年10月5日
发明者杉本正和, 杉田泰一, 桶结卓司, 矢野雅也 申请人:日商水妖精股份有限公司