专利名称：燃料电池的制作方法
技术领域：
固体高分子膜电解质型燃料电池(PEM-FC聚合物电解质膜燃料电池)发电系统一般由在固体高分子电解质膜的两面上配置多孔的阳极及阴极的单位电池串联及根据需要并联的电池、燃料容器、燃料供给装置和空气或氧气供给装置构成。特别是，为了将利用液体燃料的DMFC这种燃料电池作成便携式机器用电源，在着眼于输出密度更高的电池而努力开发高性能的电极催化剂、高性能的电极结构、燃料渗透(cross-over)少的固体高分子膜的同时，也在追求燃料泵及空气吹风机的小型化的极限技术，也在追求不需要燃料供给泵、空气供给吹风机等的辅机动力的系统。在专利文献1中披露了降低或不需要这种辅机动力的发电结构，不需要液体燃料输送动力的所谓的无源型电源。
专利文献1日本专利特开2000-268835号公报。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在将燃料电池电源装载于便携信息机器或便携机器或作为便携用的二次电池充电电源使用时，可以实现A)不需要用于燃料供给的辅机动力、B)在任何姿势都可以运行、C)可以通过简便的操作进行燃料补给、D)液体燃料的泄漏及渗透小、E)高输出密度、高能量密度、F)高安全性及可靠性的液体燃料直接型燃料电池。
本发明人为了克服上述现有技术的问题而进行了认真的研究，结果发明了下面说明的可以以全部姿势运行的燃料供给系统及使用该系统的燃料电池电源系统。即，在包含使液体燃料氧化的阳极、使氧还原的阴极、以及在上述阳极和上述阴极之间形成的固体高分子电解质膜的燃料电池中，其特征在于使用与多孔质的阳极对置且由借助毛细管力形成液体燃料输送路径的连续的微孔和不具有液体保持力的连续的微孔构成的多孔质体，利用在阳极中产生的毛细管负压供给液体燃料的燃料电池。
更优选地，在包含使液体燃料氧化的阳极、使氧还原的阴极、以及在上述阳极和上述阴极之间形成的固体高分子电解质膜的燃料电池中，具有与多孔质的阳极对置且由借助毛细管力形成液体燃料输送路径的连续的微孔和不具有液体保持力的连续的微孔构成的多孔质体，其特征在于在该燃料电池中设有具有毛细管力的空气交换部，由此解决上述问题。
本发明，可以提供一种在将液体作为直接燃料的燃料电池中，使用多孔质材料，在从可装卸的燃料盒槽起到燃料电池电源的阳极为止利用多孔质材料的毛细管力形成液体燃料输送路径，通过利用在阳极中的发电产生的燃料消耗而发生的毛细管负压供给燃料，不需要辅机动力、在任何姿势都可以运行、可以通过简便的操作进行燃料补给而运行的、液体燃料无泄漏的高安全性及可靠性的液体燃料电池电源。
另外，通过使与阳极对置使用的吸取结构体由涉及液体输送的连续的微孔结构部分和输送在阳极中发生的气体成分的连续的微孔部分构成，并使气体输送微孔的半径比液体输送微孔的半径大，就可以进行不存在气体引起的电极反应场的闭塞的高性能的电池运行，可以不出现随着发电的吸取部的压力上升而减少液体燃料的泄漏。并且，由于吸取部是上述二元微孔结构，所以由于液体燃料与MEA的实际接触面积减小而使燃料渗透减小，可以以高输出密度、高能量密度运行。特别是，由于通过使吸取部的材料具有弹性，可以使MEA全面并且长期稳定地而均匀地承受推压压力，所以可以降低电源的内部电阻，提高电源的输出。
另外，通过将多孔质的空气交换部设置在电池主体上，作为气泡压力屏障，燃料电池不会发生漏液，无需特别复杂的控制装置就可以从燃料盒槽稳定地供给燃料。
另外，通过在容纳与阳极对置的吸取部的燃料电池的壁面上设置多个针孔，可以使在阳极附近发生的气体排出而不会漏液，并且通过使针孔的开口面积成为必要的最小限度，可以抑制来自燃料电池外部的空气扩散，使阳极的性能降低成为最小限度。此外，通过将该针孔用多孔质的气液分离膜进行密封，本发明的燃料电池电源即使是受到强烈的冲击时也可以防止燃料漏出。
图1为本发明的燃料电池发电系统结构图。
图2为本发明的燃料电池的层叠结构的概略图。
图3为示出本发明的燃料电池的实施例的剖面结构图。
图4为示出在本发明中使用的复合集电体的结构的平面图及剖面图。
图5为在本发明中使用的MEA、阳极及阴极扩散层的结构图。
图6为对本发明中使用的MEA和扩散层进行了一体化的结构图。
图7为示出在本发明中使用的发电装置的结构的平面图及剖面图。
图8为示出本发明的燃料盒槽连接器的剖面图及安装后的剖面图。
图9为示出本发明的燃料电池的实施例的外观及剖面图。
图10为示出在本发明中使用的复合集电体的结构的平面图及剖面图。
图11为示出在本发明中使用的发电装置的结构的平面图及剖面图。
图12为示出本发明的燃料电池的燃料室内的结构的剖面图。
图13为本发明的燃料盒槽连接器的剖面图及安装剖面图。
图14为示出本发明的燃料电池的燃料室内的结构的剖面图。
图15为在本发明的燃料电池中使用的燃料盒槽的剖面图。
图16为本发明的燃料盒槽连接器的剖面图及安装剖面图。
(附图标记说明)1...燃料电池；2...燃料盒槽；3...输出端子；4...排气用针孔；5...直流/直流变换器；6...控制器；11...发电装置；12...燃料室框体；13a、13b...阴极端板；14...燃料吸取结构体；15...输送用中芯；16...阴极狭缝；17...阳极狭缝；18...螺钉；19...垫片；21...液体燃料；22...燃料输送用中芯；23...输送用中芯；24...空气孔；25...盒槽用连接器；26...收集器；27...收集器散热片；31...复合集电体；32...集电板；33...互连器；34...树脂膜；40...MEA；41...电解质膜；42a...阳极；42c...阴极；43a...阳极扩散层；43c...阴极扩散层；44a...阳极扩散层基板；44c...阴极扩散层基板；45...疏水层；46...密封件；51...狭缝阀；52...辅助输送件；61...盒槽保持器；62...空气交换部；63...绝缘板；64...多孔质绝缘板；71...液体燃料保持部；72...连接器；73...盖罩；74...固定用突起；75...固定用沟槽；76...中绵；77...中芯具体实施方式
以下对本发明的实施方式予以说明，但本发明并不限定于以下的在本实施方式中使用的甲醇为液体燃料的燃料电池中，在以下所示的电化学反应中以将甲醇具有的化学能直接变换为电能的形式发电。在阳极侧，供给的甲醇水溶液遵照(1)式发生反应分解为二氧化碳气体、氢离子及电子。
...(1)生成的氢离子在电解质膜中从阳极移动到阴极侧，在阴极电极上与从空气中扩散来的氧气和电极上的电子按照(2)式发生反应而生成水。
...(2)因此，伴随发电的整个化学反应，如(3)式所示，甲醇受到氧的氧化而生成二氧化碳气体和水，化学反应式与甲醇着火燃烧一样。
...(3)单位电池的开路电压约为1.2V，但由于燃料浸透电解质膜的影响实质上为0.85～1.0V，虽然没有特别的限定，但在实用负载运行下的电压被选择为在0.2～0.6V左右的区域。所以，在作为实际电源使用时，按照负载机器的要求，将单位电池串联使用而得到规定的电压。单个电池的输出电流密度因电极催化剂、电极结构及其它影响而改变，在实际效果上是通过设计适当选择单个电池的发电部的面积而得到预定的电流。另外，在合适时也可以通过并联调整电池容量。
下面对本实施方式的燃料电池的实施例予以详细说明。
图1示出本实施例的电源系统的构成。电源系统，由燃料电池1、燃料盒槽2、输出端子3及排气用针孔4构成。在电源系统中，电池的输出采取经直流/直流变换器5向负载机器供电的方式，具有设定为可得到有关燃料电池1、燃料盒槽2的燃料余量、直流/直流变换器5等的运行时及停止时的状况的信号，控制直流/直流变换器5，必要时输出警告信号的控制器6。另外，控制器6，根据需要可在负载机器上显示电池电压、输出电流、电池温度等电源的运行状态，在燃料盒槽2的余量变得低于诸设定值时，或阴极侧的空气扩散量等在预定范围以外时，在停止直流/直流变换器5对负载的供电的同时，启动音响、语音、信号灯或文字显示等异常警报。即使是在正常运行时，也可以接收燃料盒槽2的燃料余量信号并将燃料余量显示于负载机器上。
图2示出本发明的一实施例的燃料电池的部件结构。燃料电池的燃料保持部由燃料室框体12和容纳于其内部的液体燃料吸取结构体14形成。在其一个面上，电流收集器、输出端子3和MEA(膜电极结合体)一体化的发电装置11由阴极端板13a夹持，燃料保持部和发电装置11由垫片19密封。另外，其安装结构为，在燃料保持部的另外一个面上，与上述相同的发电装置11，由具有框体功能的另一个阴极端板13b夹持，并且发电装置11和燃料保持部由垫片19密封，由螺钉18将其整个以在面内推压压力均匀的方式固定。在燃料室框体12上设置输送用中芯15和排气用针孔4。
在阴极端板13a、13b的表面上设置用来进行与在发电装置11的阴极表面上制作的同步的空气扩散的阴极狭缝16。另一方面，图中虽未示出，但在发电装置11的阳极表面上设置有燃料供给用的阳极狭缝17，供给燃料吸取结构体14并将保持的液体燃料通过毛细管力供给阳极。
图3示出由具有本发明的液体燃料吸取结构体14的燃料室框体12构成的燃料供给系统的概貌。在燃料室框体12内容纳燃料吸取结构体14，在该框体上设置有盒槽用连接器25，其中保持有燃料输送用中芯22，安装有填充了液体燃料21的燃料盒槽2。盒槽用连接器25，为了可以与燃料盒槽2的燃料输送用中芯22结合而使与燃料吸取结构体14结合的输送用中芯23具有凸型的连接器结构。在盒槽用连接器25上设置有空气孔24，构成利用输送用中芯23和空气孔24调整伴随燃料的供给所产生的燃料盒槽2内的负压，使燃料供给稳定化的空气交换部。就是说，在由于阳极的燃料消耗从燃料盒槽2内供给液体燃料时，燃料盒槽内变成负压，在原样不变的状态下不久就会由于负压而不能进行燃料供给。此时，对来自空气孔24的空气进入予以密封的输送用中芯23毛细管力被盒槽内的负压打破，空气通过输送用中芯23、燃料输送用中芯22向燃料盒槽内供给并解除负压状态。其结果，盒槽内回复到可再度供给的压力平衡，可以继续进行稳定的燃料供给。此处示出的是在燃料电池的盒槽用连接器25中设置空气交换部的实施例，但本发明的发明点并不仅限于此，如后所述，也包含将空气交换部设置于燃料盒槽2中的燃料供给系统。另外，在燃料室框体12中设置1个或更多个排气用针孔4，具有使在燃料室中发生的气体排出的功能。
燃料供给系统的基本结构，是由与燃料吸取件结合的阳极的毛细管、吸取结构体14的毛细管、输送用中芯、由空气孔构成的空气交换部的毛细管构成，由这些形成连续的液体燃料输送路径，利用在阳极部中由于燃料消耗发生的毛细管负压输送燃料盒槽内的燃料。其中，在将阳极的毛细管力记作PA、将吸取部的毛细管力记作PC、将该空气交换部的毛细管力记作PF，并且在各毛细管材料的表面是亲水性的表面时，PF≤PC＜PA的关系成立的话，填充在燃料盒槽中的液体燃料被构成空气交换部的输送用中芯23所吸收，使其向着毛细管力更强的燃料吸取结构体14移动，并且还向着阳极的微孔移动而形成连续的燃料输送路径。另外，即使空气交换部的毛细管力和燃料吸取结构体14的毛细管力实际上是相同的，此燃料输送路径也形成。其中，将毛细管力PF、PC、PA定义为将各自的多孔质结构体的低部浸渍于液体燃料中而测定出的平衡吸取高度。在由这些部件的微细孔形成连续的液体输送路径时，利用阳极的毛细管内液体燃料由于发电消耗而发生的毛细管负压来继续输送燃料。此时，设置在燃料盒槽内的燃料输送用中芯22只要是具有与构成空气交换部的输送用中芯23的毛细管力相同或比其小的毛细管力的材料即可，对其没有特别的限制。由于具有如图4所示的燃料输送用中芯22贯通盒槽内的结构，所以即使是将燃料电池变成相对于图示的姿势旋转的反方向，也可以利用中芯22的毛细管力将填充的液体燃料实际上全部用光。
此处，从另外的观点考虑时，通过选择使该多孔质结构体和液体燃料的接触角θC及平均微孔半径rC同时满足以下的关系或满足其一的关系而形成利用毛细管力的连续的燃料输送路径θF≥θC＞θArF≥rC＞rA其中，θF、θA分别表示空气交换部的材料和液体燃料的接触角、阳极材料和液体燃料的接触角，rF、rA分别表示空气交换部和阳极的平均微孔半径。
之后，在将燃料盒槽2从燃料电池1取出时，排气孔4、空气孔24不会由于冲击等而发生燃料泄漏的最低限度的制约条件是选择为形成吸取结构体14的液体燃料输送路径的连续微孔具有的毛细管力PC只要满足以下的关系即可PO+ρgh≤PC≤PA其中，冲击等从外部施加的压力为PO，液体燃料的粘度为ρ，重力加速度为g，在多孔质体中保持的液体燃料的落差为h，而PA为多孔质阳极的毛细管力。另外，在形成液体燃料输送路径的连续微孔的平均微孔半径rC满足以下关系2σcosθC/(PO+ρgh)≥rC≥rA(cosθC/cosθA)时，可以防止由于冲击等引起的燃料电池的泄漏。其中，液体燃料的界面张力为σ，θC、θA分别为多孔质体和液体燃料的接触角、阳极和液体燃料的接触角，rA为阳极的平均微孔半径。
此外，可以说由疏水性多孔质膜将排气用针孔4密封而使气液分离的方法，在双重防止液体泄漏的意义上是有效的方法。
下面，对在本发明的燃料电池中使用的燃料吸取结构体14的特性予以详细说明。在燃料室内，必须使液体燃料的供给与伴随发电在阳极上发生的二氧化碳气体的排出同时成立。所以，本发明的发明点在于具有由燃料输送用的连续微孔群和不会由于液体燃料的表面张力而闭塞的用来对在阳极室内发生的气相成分进行排气、输送的半径比较大或疏水性的连续微孔群构成的二元结构或称为亲水性微孔和疏水性微孔的二元功能的结构体。这样一来，在阳极室内发生的气相成分，经过比较大的连续微孔或具有疏水性的连续微孔从排气用针孔4排出到电池外，而经过比较小的连续微孔或亲水性的连续微孔输送液体燃料。
下面对在本发明的燃料供给系统中使用的材料予以详细说明。用于吸取结构体14的材料，只要是作为结构体具有稳定的强度，能够耐受在电池环境下的腐蚀，不具有对于甲醇水溶液溶出的成分的材料即可，没有特别的限制。燃料室框体材料，作为支持电池结构的材料的一部分，只要是具有强度、耐蚀性等特性的多孔质材料即可，没有特别的限制，可以使用纸浆等天然纤维材料、由高分子等构成的多孔质材料、由合成纤维构成的多孔质材料、由陶瓷或金属等构成的多孔质材料等等。特别是，预期可获得高刚性的陶瓷、金属管化合物、金属等的多孔质体或具有特定弹性的金属多孔质体是有效的材料。此时，因为阳极一般由碳二次粒子构成的1～50μm半径的微孔和数十纳米半径的一次粒子构成的微孔组成，从关于上述平均微孔半径的限制条件出发，吸取结构体14的燃料输送用的微孔半径设计为平均50～250μm，另一方面，将气体输送用微孔设计并制作成为不会由于液体燃料的表面张力而闭塞的具有大于等于500μm的平均半径的微孔。当然，这样的微孔半径不是单值的，而是可以在使用的吸取材料和液体燃料的接触角及液体燃料的粘度的关系中选择。
其次，在具有将燃料盒槽2内的燃料输送到燃料吸取结构体14的功能和构成空气交换部的功能的输送用中芯23中使用的材料，只要是作为结构体具有稳定的强度，能够耐受在电池环境下的腐蚀，不具有对于甲醇水溶液溶出的成分的材料即可，没有特别的限制；可以使用纸浆等天然纤维材料、由高分子等构成的多孔质材料、由合成纤维构成的多孔质材料、由陶瓷或金属等构成的多孔质材料等等。其中，为了与多种结构相对应，具有挠性的聚乙烯、聚丙烯、聚酯、聚对苯二甲酸乙二酯等的单纱束材料、绵丝等的纤维素等的天然纤维或尼龙、涤纶、聚乙烯、聚丙烯、丙烯系、聚氨酯系、聚苯撑系、聚酯、聚对苯二甲酸乙二酯合成纤维的捻丝构成的多孔质体或具有连续孔的泡沫聚合物材料可以称为是优选材料。具有此空气交换部功能的中芯的平均微孔半径，设计制作成为在50～500μm范围之中。在微孔半径小于等于50μm时，与阳极微孔半径的差小，随着燃料消耗的液体燃料的吸引力也减小，输送阻力也变大，是不利的；而在大于等于500μm时，要在微孔内连续保持液体燃料很困难，由于成为漏液的原因而不可能进行燃料输送。当然，在此场合下微孔半径也不是单值的，而是可以在使用的中芯材料和液体燃料的接触角或液体燃料的粘度的关系中选择。在燃料盒槽内使用的液体燃料输送用中芯22，最好是与在上述燃料室内使用的输送用中芯23实质上相同，但对此并无特别的限制，也可以使用另外的材料。此时，所使用的液体燃料输送用中芯22具有的微孔半径可在50～500μm范围内选择，并且通过使其与输送用中芯23具有的微孔半径相同或更大，盒槽内的液体燃料就可以稳定地向阳极输送。
这样，根据本发明的燃料电池电源的燃料供给系统的特征在于，其结构为通过组合多个多孔质材料形成燃料输送路径，利用随着发电的在阳极中的燃料消耗而发生的毛细管负压进行稳定的燃料输送。在将不同的多孔质材料结合时，为了防止在结合面上液体的移动阻力增加，在该结合面上使挠性优异的纤维素、聚乙烯、聚丙烯、聚酯、聚氨脂、聚对苯二甲酸乙二酯等的纤维状多孔质材料、高分子制的海绵状的多孔质材料作为输送辅助件介于中间是有效的方法。
燃料室框体12的材料，只要是实际上具有绝缘性，具有支持电池结构的强度和在运行环境下的耐蚀性的材料就可以，没有特别的限制，可以采用高密度氯乙烯、高密度聚乙烯、高密度聚丙烯、环氧树脂、聚醚醚酮类、聚醚砜类、聚碳酸酯或经过玻璃纤维强化的这些材料。另外，可以采用碳质板及钢、镍、其它轻质的钛、铝、镁等的金属及合金材料，或以铜-铝等为代表的金属间化合物及各种不锈钢，并使用使其表面不导电的方法或涂覆树脂而绝缘化的方法。
图4示出构成本发明的发电装置11的复合集电体31的结构。复合集电体31的结构为，使具有狭缝36的多个导电性集电板32利用与集电板32同步设置狭缝36的树脂膜34以图3A-A’剖面所示的结构密接而成。各集电板的结构为将用来在组装时配置在面内的多个MEA串联的互连器33及将电取出到外部的输出端子3分别密封嵌入的结构。
对用于集电板32的材料没有特别的限制，在碳质板及不锈钢、钛、钽等的金属或这些金属和其它金属的合金系板，或这些金属系材料和其它金属，例如，碳素钢、不锈钢、铜、镍等的包层等的复合材料的集电板的通电接触部上，以耐蚀性贵金属进行电镀或以导电性碳质涂料等涂覆而降低安装时的接触电阻，在提高电池的输出密度和确保长期性能稳定性上是有效的。
对用于复合集电体31的树脂膜34，只要是在发电环境下稳定，具有耐热性并且具有一定的尺寸稳定性就可以，没有特别的限制，可以使用氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚酰亚胺类、环氧树脂、聚醚醚酮类、聚醚砜类、聚碳酸酯等。
图5(a)示出在本发明中使用的由多个结构构成的MEA40的结构。由多个结构构成的MEA40，在电解质膜41的对应的两面上，作为多个电极，结合阳极42a和阴极42c。
此处，作为构成发电部的阳极催化剂的在碳系粉末载体中分散承载铂和钌的混合金属或铂/钌合金的微粒的材料和作为阴极催化剂的在碳系载体中分散承载铂的微粒的材料是容易制造和利用的材料。作为催化剂的主要成分的铂相对于碳粉末的承载量一般优选是小于等于50wt％，采用活性高的催化剂或改善在碳质载体上的分散，在小于等于30wt％时也可以形成高性能的电极。电极中的铂的量优选是在阳极42a中是0.5～5mg/cm2，而在阴极42c中为0.1～2mg/cm2。
不过，根据本发明的燃料电池的阳极及阴极的催化剂，如果是在通常的直接型甲醇燃料电池中使用的催化剂，就可以使用，并不限定于特定的催化剂组成，催化剂性能越高，越可以减少催化剂用量，对电源系统的低成本化更有效。
在电解质膜中使用氢离子导电性材料时，不受大气中的二氧化碳气体的影响，可实现稳定的燃料电池。可以用作这种材料的有以聚全氟苯乙烯磺酸、全氟化碳类磺酸等为代表的磺酸化了的氟类聚合物，及聚苯乙烯磺酸、磺酸化聚醚磺基类、磺酸化聚醚醚酮类等把烃类聚合物磺酸化了的材料或把烃类聚合物烷基磺酸化了的材料。在将这些材料用作电解质膜时，一般燃料电池可在小于等于80℃的温度下工作。另外，通过使用在耐热性树脂或磺酸化树脂中将氧化钨水合物、氧化锆水合物、氧化锡水合物等的氢离子导电性无机物进行微粒分散得到的复合电解质膜等，可以制成可在更高温度区域中工作的燃料电池。特别是磺酸化了的聚醚磺基类、聚醚醚磺基类或利用了氢离子导电性无机物的复合电解质类，与聚全氟化碳磺酸类比较，优选是使用燃料甲醇透过性低的电解质膜。无论如何，在使用氢离子传导性高、甲醇透过性低的电解质膜时，由于燃料的发电利用率高，可以使作为本实施例的效果的小型化及长时间发电达到更高的水平。
关于根据本发明的MEA的配制方法，下面说明其一个示例，但是并不限定于所公开的方法。就是说，将以上述方式配制的催化剂按重量称量10份，为了对其添加4～7重量份的粘接剂，预先将其溶解在乙醇水溶液类溶剂中。将其利用球磨机、混合器、搅拌器等配制成为电极用印剂。用作粘接剂的磺酸化树脂，优选是使用具有与所用电解质膜的接合性或相溶性的磺酸化树脂。作为将配制好的电极用印剂与电解质膜接合的方法，可以采用使用筛网印刷、喷涂、喷射涂敷及滚压加工的转印法等等。对这些结合方法并无特别限制，关于这些方法，在电极的微观结构方面，为了形成电极催化剂利用率最高的电子传导网络、离子传导网络、反应物及生成物扩散阻力，可以通过选择印剂固形物浓度、粘度、分散等的参数、温度、干燥速度、压机压力等条件而进行调整。
图5(b)、(c)示出本发明中使用的阴极扩散层43c及阳极扩散层43a的结构的概貌。阴极扩散层43c，由增强了疏水性的疏水层45和基板44c构成，疏水层45层叠为与阴极42c相接，阳极扩散层43a由基板44a构成，对于阳极42a的面接触没有特别的限定。阴极扩散层43c、阳极扩散层43a的基板44c、44a使用导电性多孔质材料。一般使用碳纤维的纺织布或无纺布，例如，作为碳纤维织布采用碳布(トレカ布日本东丽(Toray)公司制)及碳纸(日本东丽公司制TGP-H-060)等。阴极扩散层43c的疏水层45由碳粉末和疏水性微粒、疏水性原纤维或疏水性纤维，例如，聚四氟乙烯等混合构成。更详细说明的话，进行如下操作将此碳纸(日本东丽公司制TGP-H-060)切成预定的尺寸，求出预定吸水量之后，将此碳纸浸渍于使烧结后的重量比为20～60wt％的稀释的聚四氟化碳/水分散液(D-1ダイキン工业社制)之中，在120℃干燥约1小时，再在空气中在270～360℃的温度下烧结0.5～1小时。之后，对碳质粉末(XC-72Rキヤボツト社制)加聚四氟化碳/水分散液混合为10～60wt％。将成为浆料状的混合物涂覆在以上述方式疏水化的碳纸的一个表面上，厚度为10～30μm。在120℃干燥约1小时之后，再在空气中在270～360℃的温度下烧焙0.5～1小时而得到阴极扩散层43c。因为阴极扩散层43c的通气性及透湿性，即供给氧气及生成水的扩散性与聚四氟乙烯的添加量、分散性、烧焙温度有很大依赖关系，可考虑燃料电池的设计性能、使用环境等等而选定适当的条件。阳极扩散层43a优选使用满足导电性和多孔质条件的碳纤维织布或无纺布，例如，作为碳纤维织布采用碳布(トレカ布日本东丽公司制)及碳纸(日本东丽公司制TGP-H-060)等材料。因为阳极扩散层43a的功能是促进水溶液燃料的供给和生成的二氧化碳气体迅速散逸，所以上述碳多孔质板上分散亲水性树脂的方法以及使以氧化钛等为代表的具有强亲水性的方法，是提高燃料电池的输出密度的有效方法。另外，阳极扩散层43a，并不限定于上述材料，也可以采用实质上电化学活性差的金属系材料(例如，不锈钢纤维无纺布、多孔质体、多孔质钛、钽等)。
图6示出由利用上述公开的方法配制的MEA40和阴极扩散层43c、阳极扩散层43a构成的MEA的结构及剖面结构。对各扩散层，预先将在MEA配制中使用的粘接剂涂敷于电极周边部并利用冷压或热压等进行一体化的方法是提高生产性的有效的方法。
以上，在此处，公开了将电极层与电解质膜结合后配置扩散层的方法，但并不限定于此，在各扩散层上涂敷阳极催化剂、阴极催化剂之后，将其与电解质膜热压结合的方法也是有效的。特别是，在选择室温附近作为燃料电池的工作区域时，与高温工作型相比较，由于最佳电极厚度增大，在电极层内也使疏水性物质分散时可以说是有效的调整方法。
图7示出利用本发明配制的发电装置11的外观和剖面结构。发电装置11以配置有MEA，使其与对集电板32进行树脂模塑而成的具有挠性的复合集电体31的一个集电板32相连接，并由粘结性密封件46夹持，且由具有挠性的复合集电体31的另一个面折叠夹持的方式构成。特征在于利用这种方式，发电装置11单独地将由多个MEA40构成的发电部位串联，且作为具有阳极和阴极间被密封的输出端子的结构体，进行一体化。此时，对于夹持成为MEA的法兰部的电解质膜，与折叠的具有挠性的复合集电体31的表面相结合的密封材料，没有特别的限制，只要是在电化学上稳定，对于甲醇不具有实质性的溶解性和膨润性的材料就可以，可以使用合成橡胶等的薄片、各种液状密封剂材料等公知的垫片材料等。特别是具有热粘结性的异丁橡胶系的热粘结性薄片，因为是可维持高平面性，具有在不会对电解质膜造成损伤的温度下熔敷的特性的材料，是优选的。
图8(A)示出结合本发明的燃料电池1和燃料盒槽2的盒槽用连接器25的凸型连接器及燃料盒槽2的凹型连接器结构的概貌。盒槽用连接器25设置在燃料电池1的燃料室框体12的一部分上，一部分被收容在具有开口的壳体里的燃料输送用中芯15作为凸型连接器发挥功能。另外，在该盒槽用连接器25的一部分上，设有至少一个以上的具有空气交换功能的空气孔24。另一方面，设置在燃料盒槽一侧的凹型连接器由燃料输送用中芯22和狭缝阀51构成，凹型连接器的前端上填充有用来稳定与燃料电池一侧的凸型连接器的输送用中芯15的接合的补助输送件52。图8(B)示出将燃料盒槽装在燃料电池1上时的概略剖面结构图。为了安装燃料盒槽2而插入盒槽用连接器25中时，凸型的连接器部分贯通狭缝阀51，经盒槽内的凹型连接器前端的补助输送件52，与燃料输送用中芯22结合，燃料利用随着电池的发电而在阳极产生的毛细管负压，输送到燃料电池内。燃料盒槽2和燃料电池1的连接，作为一般采用的方法，没有特别的限定，有将燃料盒槽2以螺钉式固定在盒槽用连接器25上的方法、以挂钩固定的方法、或者以棘轮(ratchet)式固定的方法等。
在燃料盒槽内填充作为预定浓度的燃料的甲醇水溶液。燃料浓度因使用的电解质膜的性质而异。就是说，在以Nafion(杜邦公司制)为代表的甲醇渗透性大的全氟化碳系膜中为比较低的浓度，在磺酸化烃类膜中可以使用比较高浓度的甲醇水溶液。一般，在供给直接液体燃料的方法中，在全氟化碳系电解质膜中，使用3～10wt％的甲醇水溶液，在烃类电解质膜中可以使用10～40％的甲醇水溶液。然而，在采用本发明的使用吸取件的毛细管力的燃料供给系统时，由于液体燃料与阳极的实际接触率降低，甲醇、水的实际渗透量可以减小。因此，与供给直接液体燃料的场合相比较，即使是提高燃料浓度运行，也可以运行而不会招致基于渗透的阴极中的发热、阴极的液泛及电池性能的下降。例如，就全氟化碳类电解质膜而言，最大25wt％，就烃类电解质膜而言，将浓度提高到最大40wt％也可以稳定地运行。当然，在使用渗透更小的电解质膜时，可以直接使用更高浓度燃料运行。根据本发明，其特征在于可以提高燃料的利用率，可以利用更高浓度燃料运行，使用的燃料的能量密度可以提高，填充的每一份燃料对应的电源能量密度，即发电持续时间可以大幅度延长。
在本发明的毛细管输送中，由构成毛细管的材料、微孔半径等特性决定燃料输送速度及漏液防止效果。然而，在使用甲醇浓度不同的燃料时，由于随甲醇浓度不同，表面张力、固液接触角、液体粘度等改变，毛细管输送材料的输送速度和漏液防止效果等也改变。因此，为了对浓度不同的燃料确保互换性，在燃料液体中添加无电化学活性的物质使固液接触角、粘度等改变而进行调整的方法是有效的方法。例如，为了改变燃料的粘度，可以添加从作为高级醇类的乙二醇、庚醇、辛醇等；作为糖类的核糖、脱氧核糖、葡萄糖、果糖、半乳糖、山梨糖醇等；作为纤维素醚类的甲基纤维素、乙基纤维素、羧甲基纤维素等，还有琼脂、凝胶等之中选择的一种或多种。根据设定的液粘度选择添加量，大概0.1mol％～1mol％左右为优选。添加了上述物质的甲醇水溶液，与可以调整到所要求的粘度的同时，由于提高了液体燃料的渗透压，作为附带效果，可以减小水、甲醇的渗透，提高燃料利用率。
在本发明中使用的液体燃料中添加使用分散了有色固体微粒的所谓的颜料，可以使燃料的识别、燃料余量的视认、燃料用途的确认等容易进行，在确保电源系统、燃料供给系统的安全性方面是有效的方法。也可以在液体燃料中添加染料等进行着色，但在此场合，由于溶解于液体燃料中令人担心电极会吸收而中毒，或者由于从电池结构部件有成分溶出而加速燃料电池或结构材料的劣化，所以通过添加使用分散有色固体微粒的所谓的颜料可以在不损害燃料电池电源的可靠性的情况下提高安全性。
作为可以添加进行着色的市售颜料可以举出的有C.I.PigmentYellow 24，101，108，109，110，117，120，123，138，139，135；C.I.Pigment Orange 2，5，17，24，31，36，38，40，43；C.I.PigmentRed 1，2，3，4，5，7，9，10，12，14，15，17，18，22，23，31，48，49，50，53，57，58，60，63，64，81，83，87，112，122，123，144，146，149，166，168，170，171，175，176，177，178，179，185，187，188，198，190，192，194，208，209，216，243，245；C.I.Pigment Violet 1，3，19，23，31，32，33，36，38，49，50；C.I.Pigment Blue 1，2，15，16，22，25，63；C.I.Pigment Green 8，10，12，47；C.I.Pigment Brown 1，5，25，26，28；C.I.Pigment Black1，7等等。对着色的色调没有特别的限制，但使用蓝色系统的颜料，即C.I.Pigment Blue系统的颜料，可以给人以避免误认为是饮料的感觉，表示警告，可以说是在确保安全性方面是有效的手段。
以上，说明的是实施本发明的形态，下面对本发明的最有特征性的几个实施例进行更详细的说明。
(电池结构)图9示出本发明的燃料电池电源概貌、其纵剖面及横剖面。此燃料电池1的特征在于，由燃料室框体12、发电装置11和阴极端板13构成，在燃料室框体的两面上配置发电装置。在燃料室框体12的内部容纳有燃料吸取结构体14，在燃料室框体12中有被一体化的燃料盒槽保持器61和未图示的内置一体化的盒槽用连接器25。本实施例的另一个特征是通过将圆筒形的燃料盒槽直径及盒槽保持器61的直径作成为比燃料电池的厚度大，即使是将该燃料电池置于底面时，向着与底面对置的发电装置11的空气的扩散也可以很充分这一设计点。
(金属制吸取件的配制)将利用水喷散法粉碎的平均粒径为100μm的SUS316L微粉为20体积％、平均粒径为1000μm的石蜡为80体积％的固形部分和市售的甲基纤维素3wt％的水溶液以体积比6∶4混合，将混匀的浆液注入到铸型中静置24小时。将此成形体在0.7MPa的压力下成形成为平板形状，在50℃下干燥。得到的成形体以n-己烷作为溶剂进行清洗，溶解并抽出成形体中的石蜡颗粒。在将其在90℃中进行干燥后，在氮气气氛中在600℃中进行脱脂1小时，再在真空中在1200℃下进行烧结而配制成SUS316L制的吸取件。通常的微孔分布评价法及扫描型电子显微镜的观测结果表示，所得到的金属吸取件是具有以微孔直径50μm及微孔直径850μm为中心的2种分布的多孔质材料。
使用此SUS316L泡沫金属的燃料吸取结构体，是具有约15kg/cm2的弹性极限的弹性体，设计为在将电池构成部件全部由螺旋夹固定时，压缩约50μm，由于其反作用力的作用使各电池部件承受约5kg/cm2的推压，就是在电池构成材料的一部分中发生若干蠕变变形，也可以补偿一定的推压。
(MEA的配制)构成发电装置的MEA，具有图5(a)所示的结构，作为构成发电部的阳极催化剂采用的是使用凯提恩炭黑(Ketienblack，ライオン公司制)作为碳系粉末载体，且以铂和钌的原子比为1∶1.5且相对于碳质载体的贵金属总重量比为54％进行分散承载得到的催化剂；作为阴极催化剂使用的是在碳系载体凯提恩炭黑(ライオン公司制)中以铂的承载量为重量比50％分散承载微粒得到的催化剂。MEA，是将各个电极催化剂以20wt％Nafion(Aldrich公司制)作为粘接剂的浆料利用通常的喷射法涂敷而制成。所得到的MEA的阳极的微孔的半径在1～30μm范围分布，平均微孔半径为约20μm。
阴极及阳极扩散层采用如图5(b)、(c)所示的结构。阴极扩散层的碳纸(日本东丽公司制TGP-H-060)的PTFE(分散液D-1ダイキン工业社制)承载量为20wt％，在承载后在360℃的空气中烧结30分钟的制品上，以分散液D1(ダイキン工业社制)作为粘接剂，将碳粉(XC-72Rギヤポツト社制)浆液化成PTEF为20wt％之后进行单面涂敷，厚度约为50μm，干燥后在360℃中烧焙的制品。另一方面，阳极扩散层采用与阴极扩散层同样的制造方法，碳纸的PTFE承载量为10wt％，碳粉层的PTFE承载量为10wt％。
(复合集电体的配制)图10示出构成本发明的发电装置11的复合集电体31的结构。复合集电体31利用与具有阴极狭缝16的8个导电性集电板32同步地设置阴极狭缝16的树脂膜34，以图10A-A’剖面所示的结构粘接而成的结构。各集电板32具有使在组装时配置在面内的4个MEA串联地，互连器33及将电力取出到外部的输出端子3分别密封嵌入的结构。集电板32，使用与发电部的面积相对应的16mm×18mm的尺寸，0.2mm厚度的钛，对表面不使用镍等底层材料而直接实施镀金，以使表面厚度为0.5μm。采用厚度为0.2mm的聚酰亚胺膜作为构成复合集电体31的树脂。
图11示出利用以上述揭示的方法配制的由MEA40和阴极扩散层43c、阳极扩散层43a构成的发电装置11的结构及剖面结构。各扩散层，使用预先将在MEA配制中使用的粘接剂涂敷于电极周边部并利用冷压进行一体化得到的结构。
图12示出本实施例的燃料电池1的燃料室部分纵剖图。在燃料室框体12中填充吸取结构体14。燃料吸取结构体14，从燃料盒槽2的连接口起利用输送用中芯23形成燃料输送路径。燃料室框体12和燃料盒槽保持器61是一体化结构。另外，在燃料室框体的一部分上设置两个直径0.5mm的针孔4，成为在燃料室中由于发电而生成的二氧化碳气体及水蒸气、甲醇蒸汽等在相对大气为正压时的排气口。
(连接器结构)图13(A)示出本实施例的结合燃料电池1和燃料盒槽2的盒槽用连接器25的凸型连接器和燃料盒槽2的凹型连接器结构的概貌。盒槽用连接器25设置在燃料电池1的燃料室框体12的一部分上，输送用中芯15作为凸型连接器与燃料吸取结构体14相连接而承担燃料输送功能。此输送用中芯15，是由聚丙烯纤维束材料构成的，在纤维间形成的毛细管的平均半径为大约180μm。另外，在该盒槽用连接器25的一部分上设置具有空气交换功能的收集器26，具有通过控制使得在随着燃料消耗燃料盒槽2内部变成负压时送入空气而使燃料输送继续的功能和防止由于燃料电池内压的变化及冲击等产生的压力使燃料泄漏到燃料电池1外部的功能。另一方面，在燃料盒槽2侧设置的凹型连接器由燃料输送用中芯22和狭缝阀51构成，在凹型连接器的前端填充有作为用来使与电源侧的凸型连接器的输送用中芯15的结合稳定的辅助输送件52，而将凸型盒槽用连接器25插入用的切槽装入到多孔质聚氨酯型具中得到的部件。这样，在凸型的盒槽用连接器25和设置在燃料盒槽2内的燃料输送用中芯22之间的燃料输送路径就容易形成，可以减小燃料输送时的流体阻力。图13(B)示出在燃料电池1上安装燃料盒槽2时的剖面结构的概貌。为了安装燃料盒槽2，在插入到盒槽用连接器25时，凸型的盒槽用连接器25，贯通狭缝阀51经盒槽内的凹型连接器前端的辅助输送件52，与燃料盒槽内的燃料输送用中芯22结合，利用各材料的毛细管力形成连续的燃料输送路径。利用随着电池的发电发生的毛细管负压从燃料盒槽2向燃料电池1内的阳极输送燃料。
这样制成的电源的尺寸为115mm×90mm×9mm，安装有填充了30wt％甲醇水溶液的燃料盒槽，在室温下实施发电试验时的输出为2.4V，0.8W。可以确认，此电源，在手持时无论是什么姿势，输出也不会改变，另外，在手持时即使受到挥动液体燃料也不会泄漏而继续发电。
本实施例是在同一面内将多个膜/电极结合体进行电串联的发电装置，采用的是将具有微孔半径不同的两种微孔的多孔质弹性体作为燃料吸取结构体夹持的电池结构。该多孔质吸取结构体与燃料输送用中芯结合，在中芯的一方设置具有收集器结构的空气交换部，并且还形成凸型连接器，具有与燃料盒槽结合的功能。这样，从燃料盒槽到阳极连续形成利用毛细管的液体输送路径，并且由于在燃料吸取结构体的内部存在未填充液体燃料的微孔，成为在阳极附近发生的二氧化碳气体从燃料分离并从设置在燃料室框体上的针孔排出到电池外部的结构是其特征。燃料输送路径，以在燃料盒槽和燃料室框体内使用的输送用中芯部分平均为约180μm，在燃料吸取结构体中平均为约50μm，以及在阳极中平均为约20μm这样的序列从燃料盒槽到电极进行设计和配置，在燃料室内发生的气体，利用850μm半径的微孔，选定使30wt％甲醇水溶液不会由于毛细管现象产生闭塞的尺寸，由此通过并从排气用针孔4排出。因此，燃料电池，即使是改变其姿势燃料液体的输送路径也不会改变，另外，在手持燃料电池时即使受到强烈挥动甲醇燃料也不会从液体保持毛细管泄漏。这表明燃料电池无论是处于何种姿势都可以稳定地运行。另外，由于作为历来对于燃料系统必需的用来使燃料液体和生成气体分离、排气的气液分离机构，对姿势无需限制和不需要采用分离膜机构，在本实施例中，具有两种微孔进行气液分离，所以用于生成气体排放的排气口剖面面积可以足够小，与现有的气液分离膜机构中必需大于等于1cm2的面积相比较，可以减小到小于等于约2mm2，可以构成由于可以防止燃料的无谓蒸发、降低空气向燃料室的扩散而使燃料利用率提高的系统。
(电池结构)第2实施例的燃料电池1，虽然未图示，但与实施例1一样，是由燃料室框体12、垫片19、发电装置11和阴极端板13构成的。在燃料室框体12的内部容纳有燃料吸取结构体14。此燃料电池1的将在燃料室两面配置的合计12个串联的膜/电极串联结合，与实施例1的很大的不同是采用了在配置在燃料电池1的中央部分的盒槽保持器61中容纳燃料盒槽2的结构。
图14示出各燃料室框体12内的各部件的布局。在燃料室框体内采取一分为二的结构，分别容纳燃料吸取结构体14，在燃料室框体12的中央部分，燃料盒槽保持器61和具有拥有空气交换功能的收集器26的凸型连接器一体化。填充于凸型连接器中的输送用中芯15，与两片燃料吸取结构体14连接而形成燃料输送路径。在燃料室框体的划分为两室的各个室中设置有排气用针孔4。燃料盒槽采用与第1实施例中使用的一样的结构。另外，燃料吸取结构体与实施例1的材料相同，采用SUS316L的多孔质体。在此燃料电池1中，采用的是在燃料吸取结构体14的两面进行安装的结构，由于燃料吸取结构体14具有导电性，如图4A-A’剖面图所示，为了防止在面内安装的各MEA的短路，配置有多孔质绝缘板64。另外，在本实施例中，由于采用的是在燃料吸取结构体14的两面配置发电装置11的结构，在发电中在两面的发电装置11之间可能发生作为反应中间体的离子导电性物质引起的液短路。因此，在厚度方向上一分为二的燃料吸取结构体之间配置不具有离子传导性的绝缘板63。
发电装置，利用与实施例1相同的方法，形成由复合集电体31夹持，以使在面内串联6个MEA的结构。集电板、构成复合集电体的树脂膜、MEA阳极扩散层及阳极扩散层使用与实施例1使用的相同的结构。另外，燃料盒槽、连接器结构、形成空气交换部的连接器结构及燃料输送用中芯使用与实施例1相同规格的结构。
在本实施例的燃料电池中，阳极的平均微孔半径为20μm，燃料吸取结构体的平均微孔半径为50μm，在输送用中芯和燃料盒槽中使用的燃料输送用中芯的平均微孔半径为180μm的关系，成为容易利用毛细管力形成连续的燃料输送路径的序列。另外，此时用来排出燃料室内气相成分的大口径微孔的平均半径为约850μm，未发生由于液体燃料的吸取而闭塞的情况。
本实施例的电源的尺寸为120mm×100mm×15mm，安装有填充了30wt％甲醇水溶液的燃料盒槽，在室温下实施发电试验时的输出为4.0V，1.28W。此电源，实际上不存在由于在燃料室内存在的离子性物质引起的MEA间的液短路导致的电源电压的降低，即使是在从各MEA取出电压端子的结构时，各MEA的电压大概处于0.33±0.02的范围。可以确认，本实施例的电池，在手持时无论是什么姿势，输出也不会改变，另外，在手持时即使受到挥动液体燃料也不会泄漏而继续发电。
在本实施例中，其特征在于，在与实施例2同样的燃料电池结构中，与在实施例2中在盒槽用连接器25中设置具有收集器结构的空气交换部62相比较，在燃料盒槽2侧设置凸型连接器，在该连接器部上设置收集器式空气交换部，将燃料室框体12侧作成凹型连接器。
(配置陶瓷制吸取件)将平均粒径为1μm的富铝红柱石粉末15体积％、平均粒径180μm的石蜡10体积％及900μm粒径石蜡75体积％的混合粉末和平均分子量100000的聚乙烯醇5wt％水溶液以体积比6∶4添加混合制成浆液。将此浆液注入到平板上的铸型使其冻结保持24小时。将此成形体在50℃下在空气中干燥2小时。其后，将此成形体以n-己烷作为溶剂进行清洗，去除成形体中的石蜡。在将所得到的成形体在600℃中进行脱脂之后，再在空气中在1250℃下进行烧焙3小时而配制成陶瓷制的吸取件。通常的微孔分布评价法及扫描电子显微镜的观测结果表示是具有以平均微孔半径90μm及950μm为中心的2种分布的多孔质材料。
图15示出在本实施例中采用的燃料盒槽的剖面结构，图16(A)、(B)示出与燃料电池1的连接器的结构。燃料盒槽2，由聚丙烯制的连接器72和液体燃料保持部71至少两个室构成，连接器72由具有收集器26的空气交换部和将其贯通的平均微孔半径为220μm的聚丙烯制的燃料输送用中芯22构成。在液体燃料保持部71上连接有另一个与燃料输送用中芯22相连接的中芯77。此中芯77配置成到达液体燃料保持部71的另一方的端部，并且用空隙率约90体积％的聚丙烯制中绵76包围，在其中保持液体燃料。也可以只使用燃料输送用中芯22代替使用中芯77进行燃料供给，但通过使燃料输送用中芯22和中芯77相连接，形成燃料供给路径，具有可以使容器内填充的液体燃料充分用光的效果。未使用的燃料盒槽2，由气密的通常的盖罩73密封。为了具有盖罩73的气密性，在连接器72上以环形形状设置固定用突起74，在盖罩73的内表面上设置环状的固定用沟槽75。在使用时，取下此盖罩73，将燃料盒槽2主体插入盒槽保持器61。在燃料室框体12上一体化的盒槽保持器61的凹型盒槽用连接器25的结构如图16所示，具有与燃料盒槽盖罩相同的气密结构的密封部，固定于盒槽保持器61内。使用过的燃料盒槽，通过以上述盖罩73密封后回收或丢弃，可以防止残留液体燃料的泄漏而安全地进行处理。
承担本实施例的燃料输送的各部件的微孔，是由阳极的平均微孔半径为20μm、陶瓷性燃料吸取件的液体输送用微孔的半径为90μm、输送用中芯的平均微孔半径为180μm、燃料输送用中芯的微孔半径为220μm这样的组合构成的。另外，此时用来排出燃料室内气相成分的大口径微孔的平均半径为约950μm，未发生由于液体燃料的吸取而闭塞的情况。这种组合的结果，在安装燃料盒槽的同时容易形成液体燃料输送路径，在燃料电池的运行开始后，无论是改变燃料电池的姿势，还是在手持时挥动，液体燃料都不会泄漏而继续发电。
在本实施例中，使用与实施例1同样的结构的电池。在本实施例中，燃料盒槽2的特征是使用与实施例4同样透明的聚丙烯制盒槽这一点和在30wt％甲醇水溶液燃料中添加1ppm的颜料Pigment Blue15进行蓝色着色这一点。
这样生成的电源的尺寸为115mm×90mm×9mm，安装有填充了蓝色的30wt％甲醇水溶液的燃料盒槽，在室温下实施发电试验时的输出为2.4V，0.8W。通过这样对燃料水溶液进行着色，可以利用颜色清楚识别作为本实施例的燃料电池电源专用的燃料，从而可以进行管理以求不会发生错误安装或用于别的目的。另外，添加物是极少量的颜料，也不会溶解于甲醇水溶液，电池性能与未添加颜料时相同。可以确认，此电源，在手持时无论是什么姿势输出也不会改变，另外，在手持时即使挥动液体燃料也不会泄漏而继续发电。
权利要求
1.一种燃料电池，具有使液体燃料氧化的阳极、使氧还原的阴极、以及在上述阳极和上述阴极之间形成的固体高分子电解质膜，其特征在于使用与多孔质的阳极对置且由借助毛细管力形成液体燃料输送路径的连续的微孔和不具有液体保持力的连续的微孔构成的多孔质体，利用在阳极中产生的毛细管负压供给液体燃料。
2.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于该多孔质体是由从金属、陶瓷、高分子树脂中选择的至少一种材料构成的。
3.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于形成该多孔质材料的液体燃料输送路径的连续微孔具有的毛细管力PC满足以下的关系PO+ρgh≤PC≤PA其中，从外部施加的压力为PO，液体燃料的粘度为ρ，重力加速度为g，在多孔质体中保持的液体燃料的落差为h，而PA为多孔质阳极的毛细管力。
4.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于形成该多孔质材料的液体燃料输送路径的连续微孔具有的平均微孔半径rC满足以下关系2σcosθC/(PO+ρgh)≥rC≥rA(cosθC/cosθA)其中，液体燃料的界面张力为σ，θC、θA分别为多孔质体和液体燃料的接触角、阳极和液体燃料的接触角，rA为阳极的平均微孔半径。
5.一种燃料电池，具有使液体燃料氧化的阳极、使氧还原的阴极、以及在上述阳极和上述阴极之间形成的固体高分子电解质膜，且具有与多孔质的阳极对置且由借助毛细管力形成液体燃料输送路径的连续的微孔和不具有液体保持力的连续的微孔构成的多孔质体，其特征在于在该燃料电池中设有具有毛细管力的空气交换部。
6.如权利要求5所述的燃料电池，其特征在于该空气交换部是由多孔质材料构成的。
7.如权利要求5所述的燃料电池，其特征在于该空气交换部是由收集器结构构成的。
8.如权利要求6所述的燃料电池，其特征在于形成该多孔质体的液体燃料输送路径的连续的微孔具有的毛细管力PC满足以下的关系PF≤PC＜PA其中，PF表示空气交换部的微孔具有的毛细管力，PA表示阳极的毛细管力。
9.如权利要求6所述的燃料电池，其特征在于该多孔质结构体和液体燃料的接触角θC及平均微孔半径rC同时满足以下的关系或有选择地满足其一的关系θF≥θC＞θArF≥rC＞rA其中，θF、θA分别表示空气交换部的材料和液体燃料的接触角、阳极材料和液体燃料的接触角，rF、rA分别表示空气交换部和阳极的平均微孔半径。
全文摘要
提供一种燃料电池，在将燃料电池电源装载于便携信息机器或便携机器或作为便携用的二次电池充电电源使用时，可以实现A)不需要用于燃料供给的辅机动力；B)在任何姿势都可以运行；C)可以通过简便的操作进行燃料补给；D)液体燃料的泄漏及渗透小；E)高输出密度、高能量密度；F)高安全性及可靠性的液体燃料直接型燃料电池。该燃料电池包含使液体燃料氧化的阳极、使氧还原的阴极以及在上述阳极和上述阴极之间形成的固体高分子电解质膜，其特征在于使用与多孔质的阳极对置且由借助毛细管力形成液体燃料输送路径的连续的微孔和不具有液体保持力的连续的微孔构成的多孔质体，利用在阳极中产生的毛细管负压供给液体燃料的燃料电池。
文档编号H01M8/02GK1941488SQ200610006368
公开日2007年4月4日 申请日期2006年1月17日 优先权日2005年9月28日
发明者加茂友一, 相马宪一 申请人:株式会社日立制作所