燃料电池的制作方法

专利名称：燃料电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及包含有氧供应层的燃料电池，所述氧供应层用作向发
出通道。更具体地说，本发明涉及能够有效地将不需要的液态水从发 电层构件除去的燃料电池，并涉及利用该燃料电池的燃料电池系统。
背景技术：
燃料电池系统已经进入实际应用，所述燃料电池系统包括位于 发电层构件的一个表面侧的密封的燃料气体供应空间、以及位于该发 电层构件的另一表面侧的氧供应层。发电层构件从燃料气体供应空间 吸取氢离子，并允许氢离子在氧供应层侧的表面上与氧进行反应，从 而产生电力。氧供应层不仅是用于向发电层构件的表面供应所需要的 量的氧的供应通道，而且也是用于将在发电层构件中产生的水分子输 出的扩散(或者强力排出)通道。
美国专利US Patent No. 6，423，437揭示了 一种燃料电池系统，在 所述燃料电池系统中，将每一个都具有发电层构件的燃料电池层叠， 并串联连接。通过位于每个燃料电池的侧面的开口吸取大气中的氧， 使氧供应层中的水蒸发并通过同 一个开口扩散到大气中。作为发电层 构件，采用膜电极组件，在所述膜电极组件中，在聚合物电解质膜的 两个表面上都形成多孔导电性催化剂层，在具有三维空气渗透性的板 状的氧供应层中邻近所述开口的侧面向大气敞开。从氧供应层的侧面 吸取的氧在氧供应层内三维扩散，并通过氧供应层的一个底面供应给 膜电极组件的整个表面。在膜电极组件内产生的水分子作为水蒸气被 吸取到氧供应层内，根据水蒸气的浓度梯度向侧面移动，通过所述开 口扩散到大气中。
日本专利申请公开特开2005-174607揭示了一种燃料电池系统，
所述燃料电池系统将大气从氧供应层的 一侧的表面强制送到另 一侧的 表面，从而使大气流过氧供应层。这里，以层叠在氧供应层上的方式 配置分离器，在所述分离器中，槽状气流通道通过所述燃料电池系统 的相反侧的表面。然后，在厚度方向上改变与气流通道接触的氧供应 层的组织密度，并且将与气流通道接触的表面层的组织密度和与膜电 极组件接触的表面层的组织密度设定得大于中间层的组织密度，借此， 提高中间层的水分保持特性。
日本专利申请/>开特开2002-110182揭示了一种燃料电池系统， 在所述燃料电池系统中，在层叠在发电层构件上的氧扩散层的聚合物 电解质膜侧的表面上形成催化剂层。通过自然扩散，在氧扩散层中被 动地进行氧的供应和水蒸气的排出。允许氧扩散层在厚度方向上贯通， 以l更形成无数的孔径为lOO^im或者以下、密度为400个孑L/mm2的通 孔，借此，提高在厚度方向上的扩散性能。截面面积从聚合物电解质 膜侧向相反侧的表面增大的每个通孔(圆锥形)，增大了聚合物电解质 膜侧的接触面积，并增大了氧扩散层的强度，同时减少了氧和水蒸气 的通过阻力。'
日本专利申请公开特开2005-353605揭示了一种燃料电池系统， 所述燃料电池系统在氧电极处包含水分吸收材料，所述水分吸收材料 利用毛细管作用吸出水分，从而抑制满溢。
理想的是，与设备成一整体地装载的燃料电池系统利用自然扩散 被动地通过氧供应层进行氧的供应和水蒸气的排出。理想的是，这种 燃料电池系统不需要为了激活而从外部供应能量，因为循环机构和空 气鼓风机会增加部件数目，而这与燃料电池系统的小型化和轻量化相 矛盾。日本专利申请/〉开特开2005-174607所揭示的燃料电池系统以 这种循环机构和空气鼓风才几为基础。
但是，在氧供应层中完全通过自然扩散进行氧的供应和水蒸气的 排出的情况下，氧和水蒸气的运动方向彼此相反。从而，如果燃料电 池系统的输出电流增加从而增大了水蒸气的排出量的话，则有可能防 止氧的供应。特别是，在将燃料电池层叠并且通过每个燃料电池的側 面上的开口排出水蒸气的情况下，氧被朝向所述开口的水蒸气流所阻 碍，结果，氧不太可能到达远离所述开口的部位处。
当氧向发电层构件的供应被阻碍时，电动力降低，减小了燃料电 池的发电效率。当发热量增大，作为发电效率降低的结果，导致温度 进一步升高时，在氧供应层中的水蒸气分压增加，氧分压降低，结果， 氧向发电层构件的供应被进一步阻碍。
进而，当氧供应层的水蒸气分压增大时，在发电层构件的界面处 水产生的蒸发受到阻碍，使液态水积累，所述界面被液态水局部地覆 盖，导致满溢。在满溢的部分中，氧的供应中止，停止发电。从而， 未满溢的部分的电流密度增加，燃料电池的电动势降低。然后，当照 样地继续进行操作时，满溢的区域蔓延到电流密度已经增加的区域， 导致发电层构件的整个表面的满溢，这会导致燃料电池的发电的全面 中止。
因此，与强制性地使空气向氧供应层循环、以便强制性地排出水 蒸气的主动型的情况相比，在基于自然扩散的被动型的情况下，有必 要将发电层构件的单位表面面积的电流值设定得非常小。当将单位表 面面积的电流值设定得非常小时，发电层构件的面积增大，扩大了发 电的部分，这有可能将燃料电池系统扩大到甚至比主动型的还大。
日本专利申请公开特开2005-174607所揭示的燃料电池系统，将 与发电层构件接触的氧供应层的表面层的密度设定得高于中间层的密 度，从而，将发电层构件的界面处的液态水吸收到中间层，有效地蒸 发和扩散液态水。但是，提供给中间层的水蒸气积累到中间层中，一 直到水蒸气通过密度已经增大的相反侧的表面层被排出为止，会阻碍 氧的扩散和氧通过中间层向发电层构件的供应。因而，用于主动地将 水分蓄积到中间层构件中的表面层增大了中间层中的水蒸气的压力， 从而，使得氧难以到达发电层构件。
日本专利申请/>开特开2002-110182的燃料电池系统以基于自然 扩散的被动型为基础，从而，提高从发电层构件向氧供应层的排水性 能。但是，由于水蒸气的自然扩散，被吸取到氧供应层中的水在氧供
应层中仍继续向与氧的运动方向相反的方向运动。即，氧供应层的水 蒸气分压不降低，促进发电层构件中的水的产生蒸发，不利于氧通过 氧供应层的运动/扩散。
日本专利申请^^开特开2005-353605所示的燃料电池系统具有这 样的结构，在所述结构中，用吸水性材料包围催化剂，从而，不得不 减小催化剂部分的尺寸，使之很难展现出充分的性能。

发明内容
本发明提供一种燃料电池以及一种包括所述燃料电池的燃料电池 系统，其中，所述燃料电池能够容易地将由发电产生的水分从氧供应 层排出，而无需借助强制性的和主动的步骤，即使在高电流值的情况 下，也能够稳定地保持高的发电效率，即使利用小的尺寸和轻的重量， 也能够实现高的输出。
根据本发明，提供一种燃料电池，包括发电层构件，用于将氢 离子从一个表面移动到另外一个表面，并使所述氢离子在所述另外一 个表面与氧进行反应；以及氧供应层，用于使从侧面吸取的大气中的 氧扩散，以便将氧供应给所述另外一个表面，其中所述燃料电池具 有水吸收层；以及，所述水吸收层的保持液态水的稳定性高于所述氧 供应层的保持液态水的稳定性，所述水吸收层与所述氧供应层连通并 与所述发电层构件对向地放置，而至少所述氧供应层介于所述水吸收 层与发电层构件之间。
优选地，水吸收层是由不同于氧供应层的材料制成的片状构件， 用于水吸收层的材料具有比用于氧供应层的材料高的亲水性。
优选地，氧供应层在将发电层构件与水吸收层连通的方向上的透 气性比在沿着发电层构件的表面的方向上的透气性高。
优选地，所述燃料电池包括扩散层，所述扩散层位于所述氧供应 层和所述发电层构件之间，所述扩散层的组织的平均开口尺寸小于氧 供应层的平均开口尺寸，大于发电层构件的平均开口尺寸，在扩散层
中形成许多将氧供应层与发电层构件连通的通孔。
优选地，至少水吸收层的一部分向氧供应层外面的大气直接敞开。
优选地，所述水吸收层在靠近吸取氧的侧面的平面的位置处，与 远离吸取氧的侧面的平面位置相比，具有更高的保持液态水的稳定性。
优选地，氧气从吸取氧的侧面向发电层构件的供应依靠通过氧供 应层的氧的自然扩散。
进而，根据本发明，还提供一种燃料电池，所述燃料电池包括电 解质膜、催化剂层、两个扩散层、燃料供应层、氧供应层、水吸收层
和集电器，其中在该燃料电池的侧面当中，至少在平行于电解质膜 的质子传导方向的侧面的一部分中，所述燃料电池具有开口；所述水 吸收层存在于氧供应层与集电器之间；所述水吸收层的端部位于包含 所述开口的平面和以包含所述开口的平面为基准的燃料电池的相反侧 中的一个上。
优选地，水吸收层包括多个区域，每个区域具有和不同的区域的 亲水性不同的亲水性，在所述多个区域当中，在越靠近所述开口的区 域中的亲水性越高。
优选地，氧供应层在其集电器侧的表面上具有槽，所述水吸收层 的至少一部分位于所述槽中。
优选地，氧供应层具有多个孔，每个孔的深度方向平行于质子的 传导方向。
优选地，水吸收层位于所述孔中。
优选地，位于氧供应层与集电器之间的水吸收层被连接到位于所 述孔中的水吸收层上。
优选地，所述水吸收层不与所述扩散层接触。
优选地，所述集电器的端部位于以包含所述开口的平面为基准的 燃料电池的相反侧，并且，位于以所述集电器中包含有开口的平面为 基准的燃料电池相反侧的区域的至少一部分与所述水吸收层接触。
优选地，所述集电器具有梳子状。
优选地， 一种燃料电池系统，包括由所述燃料电池制成的燃料电 池组。


图l是表示实施形式l中的燃料电池系统的整体结构的透视图。
图2是沿着与包含有开口的平面平行的平面将实施形式1中的燃 料电池切开的剖视图。
图3是沿着与包含有开口的平面平行的平面将实施形式1中的膜 电极组件切开的剖视图。
图4是剖视图，在图中，沿着与包含有开口的平面平行的平面将 实施形式l中的包括多个水吸收层的燃料电池切开。
图5是投影图，在图中，光线沿着与质子传导方向平行的方向从 实施形式l中的集电器侧向多个水吸收层和氧供应层照射。
图6是剖视图，在图中，沿着与包含有开口的平面垂直的平面将 实施形式1中的燃料电池切开。
图7是剖视图，在图中，沿着与包含有开口的平面垂直的平面将 实施形式2中的燃料电池切开。
图8是投影图，在图中，光线沿着与质子传导方向平行的方向从 实施形式2中的集电器侧向多个水吸收层和氧供应层照射。
图9是剖视图，在图中，沿着与包含有开口的平面垂直的平面将 实施形式3中的燃料电池切开。
图IO是剖视图，在图中，沿着与包含有开口的平面垂直的平面将 实施形式4中的燃料电池切开。
图ll是剖视图，在图中，沿着与包含有开口的平面垂直的平面将 实施形式5中的燃料电池切开。
图12是剖视图，在图中，沿着与包含有开口的平面平行的平面将 实施形式5中的燃料电池切开。
图13是剖视图，在图中，沿着与包含有开口的平面垂直的平面将 实施形式6中的燃料电池切开。
图14是剖视图，在图中，沿着与质子传导方向垂直的平面将实施 形式6中的集电器切开。
图15是投影图，在图中，光线沿着与质子传导方向平行的方向从 实施形式6中的氧供应层侧向集电器和水吸收层照射。 图16是投影图，在图中，光线沿着与质子传导方向平行的方向从 实施形式6中的燃料电池的外部向集电器和水吸收层照射。
图17是剖视图，在图中，沿着与质子传导方向垂直的平面将实施 形式7中的集电器切开。
图18是投影图，在图中，光线沿着与质子传导方向平行的方向从 实施形式7中的氧供应层侧向集电器和水吸收层照射。
图19是剖视图，在图中，沿着与包含有开口的平面垂直的平面将 实施形式7中的集电器和水吸收层切开。
图20是剖视图，在图中，沿着与包含有开口的平面平行的平面将 比较实施形式1中的燃料电池切开。
图21是剖视图，在图中，沿着与包含有开口的平面垂直的平面将 比较实施形式1中的燃料电池切开。
图22是剖视图，在图中，沿着与包含有开口的平面垂直的平面将 比较实施形式2中的燃料电池切开。
图23是剖视图，在图中，沿着与包含有开口的平面垂直的平面将 比较实施形式3中的燃料电池切开。
图24A、 24B和24C是表示例子1中的水吸收层和氧供应层的图示。
图25A、 25B和25C是表示例子2中的水吸收层和氧供应层的图
示o
图26是表示例子1、例子2和比较例1中的燃料电池的性能的曲 线图。
图27A、 27B、 27C和27D是表示例子3中的水吸收层和氧供应 层的图示。
图28是表示例子3和比较例1的燃料电池的性能的曲线图。 图29A、 29B和29C是表示比较例2中的水吸收层和氧供应层的 图示。
图30是表示例子1和比较例2中的燃料电池的性能的曲线图。 图31A、 31B和31C是表示比较例3中的水吸收层和氧供应层的
图示。
图32是表示例子1和比较例3中的燃料电池的性能的曲线图。 图33是表示例子1和比较例3中的燃料电池的性能的曲线图。 图34A、 34B、 34C和34D是表示例子4中的集电器和水吸收层 的图示。
图35A、 35B、 35C和35D是表示例子5中的集电器和水吸收层 的图示。
图36是表示例子1、例子4和例子5以及比较例1的燃料电池的 性能的曲线图。
具体实施例方式
下面，参照附图详细描述本发明的燃料电池和燃料电池系统的实 施形式。本发明的燃料电池和燃料电池系统并不局限于下面所描述的 结构。即使在另外的实施形式中，部分结构或者全部结构被另外的可 供选择的结构替代，也可以实现至少包括膜电极组件(发电层构件)、 两个扩散层、氧供应层、水吸收层和燃料供应层的燃料电池。
在本实施形式的燃料电池和燃料电池系统中，利用储存在燃料箱 中的燃料气体发电。然而，也可以将诸如甲醇等含有氢原子的液体燃 料储存在燃料箱中，并且随时将其转化成需要量的燃料气体。
进而，本实施形式的燃料电池系统可以用于便携式的电子设备， 诸如数码照相机、数码摄像机、小型投影仪、小型打印机、笔记本电 脑等。在这种情况下，本发明的燃料电池系统也可以用作可安装/拆卸 的独立的燃料电池，只有燃料电池系统的发电部成一整体地与电子设 备结合，使得燃料箱是可安装/拆卸的。
本发明的各种实施形式如下所述。
实施形式1提供一种燃料电池以及包含所述燃料电池的燃料电池 系统，在所述燃料电池的结构中，在氧供应层与集电器之间设置水吸 收层，所述水吸收层的端部位于包含有开口的平面上。
实施形式2提供一种燃料电池以及包含所述燃料电池的燃料电池 系统，在所述燃料电池的结构中，在氧供应层与集电器之间设置水吸
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收层，所述水吸收层的端部位于以与开口相同的平面作为基准的燃料 电池的相反侧。
实施形式3提供一种燃料电池以及包含所述燃料电池的燃料电池 系统，在所述燃料电池的结构中，在实施形式2中的水吸收层包括多 个具有不同亲水性的区域，在所述多个区域当中，在更靠近开口的区 域中亲水性更高。
实施形式4提供一种燃料电池以及包含所述燃料电池的燃料电池 系统，在所述燃料电池的结构中，在实施形式2中的氧供应层具有通 孔。
实施形式5提供一种燃料电池以及包含所述燃料电池的燃料电池 系统，在所述燃料电池的结构中，在实施形式2中的氧供应层具有槽 和孔，在所述槽和孔中存在有水吸收层。
实施形式6提供一种燃料电池以及包含所述燃料电池的燃料电池 系统，在所述燃料电池的结构中，在实施形式2中与氧供应层接触的 集电器还具有以包含有开口的平面为基准在燃料电池的相反侧的端 部。
实施形式7提供一种燃料电池以及包含所述燃料电池的燃料电池 系统，在所述燃料电池的结构中，在实施形式6中以集电器中包含有 开口的平面为基准，存在于燃料电池的相反侧的部分具有梳子状的形 状。
(实施形式l)
图l是表示在实施形式1中燃料电池系统的整体结构的透视图， 图2是剖视图，在图中，沿着与包含有开口的平面平行的平面将构成 所述燃料电池系统的燃料电池切开。进而，图6是剖视图，在图中， 沿着与包含有开口的平面垂直的平面将所述燃料电池切开。在图6中， 在燃料电池的图面上的右和左端8是开口 。
如图1所示，燃料电池系统10包括电池组(燃料组)IOA，在所 述电池组中，燃料电池(发电电池)10S被层叠以便串联连接。用于 储存燃料气体并将其供应给燃料电池10S的燃料箱10B位于电池组
IOA的下方，电池组10A和燃料箱IOB经由燃料气体流路(未示出) 相互连接。将从燃料箱IOB取出的燃料气体调整到压力稍高于大气压 力，并供应给每个燃料电池10S。
燃料电池10S在该燃料电池的侧面当中的在平行于电解质膜的质 子传导方向的方向上的电池的端面Sl和S2中具有开口 8。更具体地 说，燃料电池10S在氧供应层的侧面当中的平行于质子传导方向的侧 面中的两个侧面上具有开口 8。开口 8起着进气口的作用，所述进气 口用于通过自然扩散将大气中的空气吸取到燃料电池10S中，通过使 由燃料箱IOB供应的燃料气体与通过开口 8吸取的空气中的氧进行反 应，燃料电池10S发电。如在本实施形式中那样，由于在燃料电池的 侧面当中的平行于质子传导方向的侧面上存在开口，所以，即使在形 成将多个燃料电池层叠而连接起来的燃料电池系统的情况下，也不存 在燃料电池的开口被另外的燃料电池封闭从而阻碍空气的进入的可能 性。在燃料电池是如图2所示的长方体的情况下，优选地，将开口设 置在两个相反的侧面上。进而，在侧面具有圆柱形形状的情况下，优 选地，开口变成圆柱体的侧面的一部分，分别将开口设置在圆柱体的 相反的侧面上。
如图2所示，燃料电池10S至少包括膜电极组件(MEA) 4、扩 散层3和5、燃料供应层6、氧供应层2、水吸收层ll、集电器l、和 分离器7和9。
如图6所示，氧供应层2起着两个作用供应并扩散通过开口 8 吸取到氧供应层中的作为氧化剂的大气中的氧；通过扩散层3，使得 在催化剂层(氧电极)中进行电极反应所需要的电子流向膜电极组件 4的催化剂层(氧电极)。进而，氧供应层2还具有将随着发电在膜电 极组件4中产生的水(水蒸气)从扩散层3引导到开口 8、以便将水 从电池内部排出到大气的作用。从而，作为氧供应层2，具有导电性 的多孔体是优选的。作为满足这种条件的氧供应层2，优选地，气孔 率在80%或者以上，孔的直径为O.lmm或者以上。作为氧供应层2 的特定的例子，泡沫金属、不锈钢棉等是优选的。
在本例中，描述了集电器具有作为相对于相邻的燃料电池10S的
间隔(分离器)的作用，以及作为集电器收集电力的作用。从而，可 以将集电器l描述为分离器。进而，在集电器1不具有分离器的作用
的情况下，单独存在有分离器，所述分离器形成在与氧供应层2相对 的位置上，集电器l介于它们之间。
将分离器7和9密封，使得作为燃料电池10S的燃料的燃料气体 用的通道部分不与外部空气混合。进而，在分离器7与膜电极组件4 之间存在有燃料供应层6和扩散层5。在本例中，分离器7也起着集 电器的作用。
从图l所示的燃料箱IOB取出的燃料气体被供应给图2所示的燃 料供应层6，然后，在扩散层5中扩散。作为燃料供应层6，可以采用 在其表面上具有碳颗粒层的碳布和碳素纸。
优选地，用于构成燃料供应层6的材料的平均开口直径在100jim 到900nm的范围内。将燃料气体从平行于质子传导方向存在于分离器 9中的燃料气体的主流路中分离出来，供应给燃料电池10S中的燃料 供应层。
扩散层5存在于膜电极组件4与燃料供应层6之间，与两者都接 触，将作为燃料的氢气扩散，并从膜电极组件4的催化剂层收集由于 氢的电离而成为残留的电子。进而，扩散层3存在于膜电极组件4与 氧供应层2之间，从而与两者都接触，并起着扩散氧以及向膜电极组 件4的催化剂层(氧电极)提供在催化剂层(氧电极)中进行电极反 应所需的电子。扩散层5具有导电性，由具有比燃料供应层6的材料 的孔小的孔的材料构成。在本发明中，扩散层的組织指的是构成扩散 层的材料。进而，"扩散层5由具有比燃料供应层6的材料的孔小的孔 的材料构成"指的是构成扩散层5的材料的孔的平均直径小于构成燃 料供应层6的材料的孔的平均直径。进而，构成扩散层5的材料的平 均开口直径(孔的直径)具有介于构成作为燃料电极的催化剂层的材 料的平均开口直径与构成燃料供应层的材料的平均开口直径的中间值
的开口直径(liuin)。从而，燃料供应层6起着隔膜电阻器的作用，在
膜电极组件4的整个表面上以相等的压力和相等的流量密度供应燃料 气体。
进而，扩散层3还具有导电性，利用具有比氧供应层2的材料的 孔小的孔的材料制成。构成扩散层3的材料的平均开口直径类似地大 于构成作为氧电极的催化剂层的材料的平均开口直径，小于构成氧供 应层2的材料的平均开口直径。借助这种开口直径，氧供应层2起着 隔膜电阻器的作用，在整个膜电极组件4的表面上以相等的压力和相 等的流量密度供应氧。扩散层3的孔可以是将氧供应层2与膜电极组 件4连通的通孔。因为扩散层3具有高密度的通孔，所以蓄积在膜电 极组件4与扩散层3之间的所产生的水也可以被吸收到氧供应层2。 作为构成扩散层3和扩散层5的材料，可以采用碳素纸和碳布。
如图3所示，膜电极组件4包括电解质膜12和两个与电解质膜的 两个表面接触的催化剂层13和14 (分别为燃料电极和氧电极)。电解 质膜可以用任意材料构成，只要可以在从燃料供应层到氧供应层的方 向上进行质子传导即可。在这种电解质膜当中，固态聚合物电解质膜 是优选的，其例子包括由Dupont生产的Nafion (商标)，这是一种带
有磺基的全氟化碳聚合物。
构成膜电极组件4的两个催化剂层至少包含具有催化活性的物 质。在具有催化活性的物质不能作为单一物质存在的情况下，可以通 过用载体承载催化活性物质来形成催化剂层。作为以单一物质存在的 催化活性物质的例子，有通过溅射形成的树脂形态的铂催化剂。另一 方面，作为承载催化活性物质的载体的例子，有承载铂的碳颗粒。催 化剂层可以含有诸如碳颗粒等的电子导体和质子导体(聚合物电解质 材料)。可以将催化剂层以与电解质膜的表面接触的方式形成一个整 体，但是，只要催化剂层与电解质膜接触并且能够释放诸如氢离子等 化学物类，并不必须将催化剂层与膜电极组件4形成一个整体。进而， 催化剂层的平均开口直径优选在10nm至100nm的范围内。在下面的 描述中，可以将位于燃料供应层側的催化剂层称为燃料电极，并且， 将位于氧供应层侧的催化剂层称为氧电极。 本发明的燃料电池是被动型的，通过氧的自然扩散经由开口进行
氧的供应和水蒸气的排出。如从附图中可以理解的那样，氧供应层2 的除开口 8之外的区域被集电器1包围。因此，在氧电极处产生的水 通过扩散层3变成水蒸气，然后，被集电器l冷却，在氧供应层2中 变成水滴。当水滴的量过多时，水滴会封闭氧供应层2。从而，氧的 扩散的降低导致电压下降，这是由满溢引起的。
为了解决上述问题，在集电器1与氧供应层2之间的产生水滴的 区域中形成水吸收层11。以与氧供应层2连通的方式形成水吸收层11， 并且，该水吸收层11的端部位于包含开口 8的平面上。即，在距扩散 层3和氧供应层2 —定距离处与膜电极组件4对向的位置，并且在水 吸收层11的端部很可能通过开口 8与外部空气接触的位置，形成水吸 收层11。水吸收层11只设置在集电器1与氧供应层2之间的部分中。 因此，集电器1与氧供应层2之间的电接触不会受到阻碍。这种配置 方法的例子包括在氧供应层2和集电器1中的至少一个中设置槽、并 且将水吸收层11配置在所述槽中的方法。
进而，如图2所示，可以只形成一个水吸收层11，或者，如图4 所示，可以形成多个水吸收层11。图5是投影图，在图中，光线沿着 与质子传导方向平行的方向从图4的燃料电池中的集电器1侧向水吸 收层11和氧供应层2照射。
在水吸收层11形成在氧供应层2的槽中的情况下，优选地，水吸 收层11的厚度小于氧供应层2的厚度，从而，水吸收层ll不会阻碍 氧在氧供应层2中的扩散。例如，在氧供应层2的厚度为大于等于lmm 且小于等于3mm的情况下，水吸收层11的厚度优选地为大于等于 ljnm且小于lmm。
进而，水吸收层11包括水吸收材料。构成水吸收层11的水吸收 材料优选地为片状材料，所述片状材料由具有快速干燥特性和水吸收 性的纤维构成，更优选地，是具有比用于氧供应层2的材料的亲水性 高的亲水性的片状材料，并且独立于氧供应层2。当构成水吸收层ll 的材料的亲水性比用于氧供应层2的材料的亲水性高时，水更有可能
从氧供应层2向水吸收层11移动。在本发明中，"保持液态水的稳定 性"与"亲水性"具有相同的含义。在表面是由亲水性材料制成的情况 下，与采用憎水性(疏水性)材料的情况相比，亲水性更高，从而， 可以认为保持液态水的稳定性高。进而，在采用亲水性材料的情况下， 可以认为，当亲水性材料的表面的平均开口直径(间隙)越小时，亲 水性越高(保持液体的稳定性越高)。如果表面是由憎水性(疏水性) 材料制成的，则可以认为，当组织的平均开口直径(间隙)越大时， 亲水性越高(保持液体的稳定性越高)。
进而，在本发明中，"水吸收材料"指的是能够借助毛细现象吸水 的材料，更具体地说，指的是在将材料浸入水中IO秒钟之后，水的吸 收高度在30mm或以上的水吸收材料。进而，"快速干燥材料"指的是 能够容易地干燥和释放吸收的水的材料，更具体地说，指的是在(湿 度为)50%和25'C的气氛中，在经过l小时之后，干燥率为80%或更 大的材料。这里，干燥率指的是在无风的状态下在恒温和恒湿的容器 中放置1小时之后，残留在水吸收层中的水的重量相对于通过毛细现 象被水吸收层吸收的水的重量之比。例如，在水吸收纤维的重量为 0.5g、在通过毛细现象吸收水之后水吸收纤维的总重量变成1.5g的情 况下，吸收的水的重量为lg。假定在无风的状态下，湿度为50%、温 度为25。C的恒温和恒湿的容器中放置1小时之后，纤维的总重量为 0.6g，则残留在水吸收纤维中的水的重量为O.lg，即，被干燥的水的 重量为0.9g。由于在lg的水之中0.9g的水被干燥，所以，这时的干 燥率为90%。
具有水吸收性和快速干燥性的这种材料的例子，包括在表面上具 有高亲水性的多孔材料。这里，在本发明中，"具有高亲水性的材料" 指的是形成在材料上的水滴的接触角为90。或以下。
水吸收层11的作用大致分为两种。
水吸收层11的第一个作用是吸收在氧供应层2中凝结(产生)的 水，并允许氧供应层2保持氧扩散流路。由于发电活动在膜电极组件 4中产生的水通过位于膜电极组件4的外侧的扩散层3被排出到氧供
应层2。在没有水吸收层11的情况下，除非将其蒸发通过开口 8扩散 (释放)到电池的外部，被排放到氧供应层2中的所产生的水不会从氧 供应层2中除去。只通过从氧供应层2自然扩散，不能充分地将排放 到氧供应层2中的所产生的水蒸发，这将使氧供应层2的氧扩散流路 变窄，提高氧供应层2的水蒸气分压，从而阻碍所产生的水和通过扩 散层3被排放到氧供应层2中的水蒸气的流动。即，当在氧供应层2 中的水变得过多时，水从膜电极组件4经由扩散层3的排放被阻碍， 膜电极组件4的表面被部分浸没在水中(满溢)。因此，氧向膜电极组 件4的供应受到阻碍。
另一方面，在有由水吸收材料制成的水吸收层11的情况下，水蒸 气和雾滴由于水吸收层11的毛细现象而被主动地从氧供应层2收集， 所产生的水形成在水吸收层11中。因此，即使在孔的直径较大或者孔 的比例较高的情况下，作为氧供应层2具有较小的毛细现象的情况下， 在氧供应层2中的产生的水也会由于水吸收层11的毛细现象而被吸取 到水吸收层11中。即，水吸收层11可以减轻氧的供应和水蒸气通过 开口 8的排放所受到的阻碍。
进而，由于在包含有开口的平面上存在水吸收层11的端部，所以， 被水吸收层11吸收的液态水易于和外部空气接触，并被蒸发而有效地 扩散，在本发明中，在开口具有弯曲的表面的情况下，包含有开口的 平面指的是通过将弯曲的表面与质子传导方向平行地移动而形成的弯 曲的表面。进而，在开口具有弯曲的表面的情况下，与包含有开口的 平面垂直的平面指的是与包含有所述弯曲的表面的平面的对称面平行 的平面。
可以将集电器1的位于水吸收层11侧的表面进行特殊的表面处 理，以便提高亲水性。这种方法的例子包括对集电器1进行亲水性涂 层的涂敷，利用具有非常高的亲水性的材料对集电器1的表面进行喷 沙处理，对集电器1进行氧化钛和二氧化硅的溅射镀膜。毋庸赘言， 由于这种方法，液态水凝结在表面上，并沿着表面渗透和扩散。
水吸收层11的第二个作用是将氧供应层2中的湿度保持恒定。
当膜电极组件4的水变得不足时，会发生电解质膜被干燥且氢离 子不被传导的变干现象。因此，理想的是，将燃料电池10S中的湿度 保持在恰当的湿度。因为由于水吸收层11的存在而将湿度保持恒定， 所以，在膜电极组件4被干燥的情况下，从水吸收层11蒸发的水被电 解质膜吸收。即，在极度干燥的过程中，或者在燃料电池10S不使用 时，水吸收层ll起着在防止溢流的同时防止变干，并将燃料电池10S 保持在恰当的湿度的作用。
(实施形式2)
图7是剖视图，在图中，将实施形式2中的燃料电池沿着与包含 有开口的平面垂直的平面切开。在实施形式2中，除了水吸收层11 的形状与实施形式1的不同之外，可以用和实施形式1相同的方式组 装燃料电池系统。因此，在描述本实施形式时，也参照图1，与图2 和6共同的结构用相同的参考标号表示，省略其详细描述。
如图7所示，实施形式2中的燃料电池20S是具有如下结构的燃 料电池，其中，在实施形式1中的燃料电池10S中，形成水吸收层， 使得端部位于以包含有开口的平面为基准的燃料电池10S的相反侧。 进而，图8表示在本实施形式中形成多个水吸收层的情况下的水吸收 层11和氧供应层2，该图是一个投影图，在图中，在多个水吸收层的 情况下，光线在平行于质子传导方向的方向上从集电器1侧向图7的 燃料电池照射。
更具体地说，对实施形式1的改变之处在于，水吸收层11从作为 氧化物供应口的开口 8延伸(扩展)以便暴露于燃料电池20S的外部。 由于这种结构，水吸收层11的至少一部分与电池外部的空气(大气) 直接接触。
通过采用如本实施形式那样的将水吸收层11暴露于燃料电池20S 的外部的结构，与外部空气的接触面积增大，借此，与实施形式l相 比，水吸收层中的水被更有效地蒸腾。特别是，在诸如高湿度环境等 具有大量的所产生的水的环境下，与这一实施形式中的结构相比，可 以更有效地使水吸收层中的水蒸腾。术语"水吸收层的至少 一部分直接
向氧供应层的外部的大气敞开"指的是，在通过沿着垂直于开口的截面 将燃料电池切开获得的截面中，水吸收层的端部位于以包含有开口的 平面为基准的燃料电池的相反侧，水吸收层直接暴露于大气中。
更理想的是，位于以包含有水吸收层11中的开口的平面为基准的
燃料电池20S的相反侧的部分(从燃料电池20S伸出的部分)，不仅 是简单地延伸，而是形成这样的形状，即，通过人为地形成不均匀性， 进一步增大表面面积，因为与外部空气的接触面积增大。 (实施形式3)
图9是表示实施形式3中的燃料电池的结构的图示。图9是剖视 图，在图中，本实施形式中的燃料电池被沿着与包含有开口的平面垂 直的平面切开。在实施形式3中，除了水吸收层11的内部结构与实施 形式2不同之外，采用和实施形式2中的部件类似的部件，在本实施 形式中，以与实施形式1类似地将燃料电池层叠和连接起来，借此， 可以组装本实施形式中的燃料电池系统。从而，与图7的结构共同的 结构用共同的参考标号表示，省略其详细说明。
在实施形式3中的燃料电池30S中，通过代替图7所示的水吸收 层11而采用具有根据位置而改变的亲水性强度的水吸收层IID，提高 了向开口 8排出水的排放性能。具体地说，在水吸收层中，与远离吸 取氧的侧面的平面位置相比，靠近吸取氧的侧面的平面位置具有保持 液态水的更高的稳定性。更具体地说，通过允许靠近开口 8的位置具 有更强的亲水性，可以将水从氧供应层2的中心部吸引到外部，即， 沿着开口 8的容易发生蒸发和扩散(蒸腾)的方向。
下面将参照图9进行具体描述。水吸收层11D包括位于靠近开口 8的外侧的水吸收层lle和位于中心部的水吸收层llf，将lie的亲水 性设定得高于11f。可以根据一个构件相对于形成在该构件的表面上的 水滴的接触角来确定亲水性的强度。水相对于构件的较小的接触角表 示该构件具有较大的亲水性强度(较高的亲水性)。
因此，当水吸收层llf中的水的接触角为0f，在水吸收层lle中的 水的接触角为9e时，理想的是，满足66<0-90°的关系。
借助这种结构，水吸收层11中的液态水从具有较低的亲水性的区
域(llf)自然渗透到具有较高的亲水性的区域(lle),在平面方向(垂 直于质子传导方向的方向)移动。
在形成至少三种区域的水吸收层的情况下，类似地，将靠近开口 的区域(靠近电池的外侧)设定成具有较高的亲水性的区域。为了形 成部分地具有不同的亲水性的至少两个区域的水吸收层11D以便提高 排放性能，没有必要准备至少两种构件(材料)。例如，也可以考虑利 用一种材料对于水吸收层构件的一部分(中心部分)进行憎水处理的 方法，或者在开口 8的附近进行进一步的亲水性处理的方法。
进而，在水吸收层11D中的亲水性的变化并不局限于逐步的改变。 例如，在诸如滤纸等纤维素纤维的水吸收层中，通过等离子体处理可 以提高亲水性。在本实施形式中，也可以包括以下情况，即，通过从 中心侧向开口 8逐渐增加滤纸的等离子体处理的时间，从而形成亲水 性连续提高的梯度。
(实施形式4)
图IO表示本实施形式中的燃料电池，该图是一个剖视图，在图中， 沿着与包含开口的平面垂直的平面切开本实施形式的燃料电池。进而， 以类似于实施形式1的方式层叠和连接本实施形式中的燃料电池，借 此，可以組装本实施形式的燃料电池系统。
设置在氧供应通路内、由亲水性水吸收材料制成的水吸收层11 的第一个目的是防止所产生的水阻碍氧的供应。从而，理想的是，将 整个燃料电池系统制成把燃料电池中所产生的过多的水引导到水吸收 层11中的结构。
在本实施形式中，氧供应层2具有通孔15，借此，在燃料电池中 所产生的过多的水被引导到水吸收层11中。除氧供应层2具有通孔之 外，实施形式4具有和实施形式2相同的结构。
由发电行为产生的水，不仅蓄积在氧供应层2内，而且也蓄积在 扩散层3和膜电极组件4之间，阻碍氧向膜电极组件4的供应。通过 利用具有微细的通孔15的材料作为氧供应层2，借助氧供应层2的通
孔15的毛细管力，可以将蓄积在膜电极组件4和扩散层3之间的所产 生的水吸取到氧供应层2和水吸收层11之间的接触面。被这样吸取的 水被与氧供应层2接触的水吸收层11吸收。
利用这种结构，即使在氧供应层2在平行于质子传导方向的方向 上的厚度足够大、并且所产生的水不能只借助水吸收层11的毛细管力 被吸收的情况下，也可以将作为阻碍氧的供应的因素的所产生的水有 效地排出。
(实施形式5)
图11和12表示本实施形式中的燃料电池。图11是剖视图，在图 中，沿着与包含有开口的平面垂直的平面切开本实施形式的燃料电池。 进而，图12是剖视图，在图中，沿着与包含有开口的平面平行的平面 切开本实施形式的燃料电池。本实施形式的燃料电池与实施形式1的 燃料电池类似地层叠和连接，借此，可以组装本实施形式的燃料电池 系统。
在本实施形式中，在实施形式2中的氧供应层2与集电器1之间 的接触面具有多个槽，所述槽以垂直于包含有开口的平面的方向为长 度方向，以质子传导方向为深度方向。进而，在氧供应层2中形成以 与质子传导方向平行的方向作为深度方向的多个孔。然后，至少在所 述槽和所述孔的一部分中设置水吸收层。这里，所述槽指的是这样的 槽，在该槽中，在包括在平行于质子传导方向的截面中的槽内的平行 于质子传导方向的最大长度小于包括在垂直于质子传导方向的截面中 的垂直于质子传导方向的最大长度。另一方面，所述孔指的是这样的 孔，在该孔中，在包括在平行于质子传导方向的截面中的槽内的平行 于质子传导方向的最大长度大于包括在垂直于质子传导方向的截面中 的垂直于质子传导方向的最大长度。所述孔可以通过或者也可以不通 过氧供应层2。在孔贯通并且以高密度形成的情况下，下面的两个实 施形式中的任何一个都是优选的。实施形式1为，多个孔中的至少部 分孔不具有在深度方向上遍及整个区域的水吸收层。实施形式2为， 水吸收层只形成在多个孔中的部分孔中。其原因如下。当水吸收层与
氧电极侧的扩散层之间的接触部的面积增加得太大时，氧在氧电极和 扩散层中的扩散会受到阻碍。具体地说，假定水吸收层与氧供应层之 间的接触平面，优选地，在该接触平面中，水吸收层与氧电极侧的扩 散层之间的接触部的面积是水吸收层与氧供应层之间的接触部的面积
的20%或以下。在本发明中，假设"平行，，是包括基本上平行、并且在 平4亍方向的±10°的范围的概念。
进而，优选地，所要形成的槽的深度为氧供应层2的厚度的10% 或以上、50%或以下。进而，优选地，在开口具有平面的形状的情况 下，所述槽的长度等于在氧供应层2中、同所述开口处于同一平面内 的氧供应层2的端面和与同所述开口处于同一平面内的氧供应层2的 上述端面对向的氧供应层2的端面之间的距离。可以根据由发电产生 的水的量调整所要形成的槽的数目。
进而，用于设置在氧供应层2的槽中的水吸收层的材料，可以和 用于设置在所述孔中的水吸收层的材料相同或者不同。但是，优选地， 设置在槽中的水吸收层与设置在孔中的水吸收层连接。
本实施形式中的燃料电池，即使在氧供应层2的厚度足够大的情 况下，也能够有效地吸收水。因此，本实施形式的燃料电池优选用于 氧供应层2的厚度比实施形式4的氧供应层的厚度更大的情况。
(实施形式6)
本实施形式提供一种燃料电池，在该燃料电池的结构中，在实施 形式2中的集电器1的端部位于以包括有开口 8的平面作为基准的燃 料电池的相反侧。即，本实施形式提供一种燃料电池，在所述燃料电 池的结构中，水吸收层11与之接触的集电器1以及水吸收层11暴露 于燃料电池的外部。进而，本实施形式的燃料电池与实施形式1中的 燃料电池类似地层叠和连接，借此，可以组装本实施形式中的燃料电 池系统。
图13至16表示本实施形式的燃料电池。
图13是剖视图，在图中，沿着与包含有开口的平面垂直的平面将 本实施形式中的燃料电池切开。图14是剖视图，在图中，沿着与质子
传导方向垂直的平面将集电器la切开。图15是投影图，在图中，当 将图14中集电器la和水吸收层11装入到燃料电池内时，光线沿着与 质子传导方向平行的方向从氧供应层2侧向集电器la和水吸收层11 照射。进而，图16是投影图，在图中，光线从以集电器l作为基准时 位于氧供应层2的相反侧的燃料电池的外部，沿着与质子传导方向平 行的方向，向集电器la和水吸收层11照射。
在本实施形式中，在与质子传导方向垂直的方向上的截面中，集 电器在垂直于包含有开口的平面的方向上的长度大于燃料电池的长度 (集电器的宽度大于燃料电池的电池宽度)，并且，集电器和水吸收层 在电池外部相互接触。因此，即使在难以进行蒸腾的高湿度的环境下， 也可以利用在发电时产生的集电器的热有效地促进蒸腾。即，可以提 高排出性能。
至于这种集电器的形状，如图14的la所示，可以利用这样一种 方式简单地将集电器成形在垂直于包含有开口的平面的方向上的集 电器的长度大于在与包含有开口的平面垂直的方向上的燃料电池的长 度(电池宽度)。
关于水吸收层11 ，可以如实施形式2中所述地设置多个水吸收层， 或者，水吸收层11可以具有如图15所示的梯子的形状。
在集电器具有如图14所示的形状的情况下，可以将水吸收层设置 在整个集电器之上，从而能够设置更多的水吸收材料，可以容易地将 电池小型化。
(实施形式7)
在本实施形式中的燃料电池具有这样的结构在该结构中，集电 器和水吸收层的形状与实施形式6中的不同，除集电器和水吸收层的 形状不同之外，具有和实施形式6相同的结构。进而，本实施形式中 的燃料电池也与实施形式1的燃料电池类似地层叠和连接，借此，可 以组装本实施形式中的燃料电池。
图17是剖视图，在图中，沿着与质子传导方向垂直的平面将本实 施形式中的集电器的形状切开，并且，图18是投影图，在图中，光线
在与质子传导方向平行的方向上从实施形式7中的氧供应层侧向集电 器和水吸收层照射。进而，图19是剖视图，在图中，沿着与包含有开 口的平面垂直的平面将本实施形式中的水吸收层和集电器切开。
如图17和18所示，本实施形式中的集电器和水吸收层具有梳子 的形状。在本实施形式的梳子状的集电器中，只有梳状部分从燃料电 池的侧面暴露于外部。在集电器lb是梳子状的集电器的情况下，优选 地，梳子的宽度和长度与暴露于电池外部的水吸收层的宽度和长度具 有相同的尺寸，进而，如图19所示，优选地，多个水吸收层覆盖梳子 状的集电器的每个齿的端部。
在本实施形式中，与实施形式6相比，其优点是，由于容易吸入 空气，所以性能得到提高。因此，在与电池的小型化相比电池的性能 优先的情况下，具有本实施形式的结构的燃料电池是优选的。
如上所述，通过如实施形式1至7那样设置燃料电池的结构，即 使当将膜电极组件4的单位表面面积的电流值设定得高时，也不容易 产生膜电极组件4的局部满溢区域，稳定地保持高发电效率。因此， 采用具有小的面积的膜电极组件4，即使不依赖于循环机构和空气鼓 风机，也可以输出大的电流。可以提供小尺寸、重量轻、部件数目少 的廉价的燃料电池系统，同时可以实现高可靠性、长使用寿命和高性 能。
(比较实施形式中的燃料电池)
下面，描述比较实施形式中的燃料电池。
(比较实施形式1)
图20是剖视图，在图中，沿着与包含有开口的平面平行的平面将 作为比较实施形式1的传统的被动型固态聚合物燃料电池切开，并且， 图21是剖视图，在图中，沿着与包含开口的平面垂直的平面将作为比 较实施形式1的传统的被动型燃料电池切开。如图20所示，作为固态 聚合物燃料电池的燃料电池100S至少包括膜电极组件104、扩散层103 和105、燃料供应流路(燃料供应层)106、氧供应流路(氧扩散层) 102、以及分离器101和107。膜电极组件104包括电解质膜和催化剂
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层(燃料电极和氧电极)。膜电极组件104设置在燃料电池100S的中 心部，作为氧电极的催化剂层位于电解质膜的一个表面上，作为燃料 电极的另外一个催化剂层位于电解质膜的另外的表面上。然后，扩散 层105位于与电解质膜对向的位置，燃料电极介于它们之间，在作为 氧电极的催化剂层的外侧，扩散层103位于与电解质膜对向的位置。 燃料电极和氧电极分别起着允许燃料或者氧化剂向外部扩散的作用和 产生电子的作用。作为用于向整个燃料电池100S供应燃料或者氧化剂 的供应流路的氧供应层102和燃料供应层106位于扩散层103和105 的夕卜侧。
作为用于扩散层103和105的构件，采用具有导电性的多孔介质。 导电性多孔介质的例子包括碳布。在氧供应层102和燃料供应层106 中不放置任何东西，将具有高气孔率的多孔介质设置为收集和支承构 件。
例如，由于例如泵等的强制性循环，燃料在燃料供应层106中移 动。通过诸如自然扩散和自然对流等方法，氧化剂在氧供应层102中 移动。氧化剂和燃料从氧供应层102和燃料供应层106经由扩散层103 和105扩散，分别到达膜电极组件104中的电解质膜。
在膜电极组件104中的燃料电极与电解质膜之间的接触部，由于 催化剂的作用已经到达燃料电极的燃料由于氧化反应而氧化，变成氢 离子，并且在电解质膜中向阴极移动。作为这种燃料，采用诸如氢气 等气体，诸如甲醇和乙醇等液体。
在膜电极组件104中的氧电极和电解质膜之间的接触部中，已经 从氧供应层102经由扩散层103到达的氧化剂(例如氧)和已经在电 解质膜中移动的氢离子相互反应，产生水分子。然后，将一系列化学 反应中产生的能量的一部分作为电能提取出来。
如上所述，在膜电极组件104的阴极中，通过发电反应产生水。 所述水一般变成水蒸气或者生成的水，从扩散层103向氧供应层102 移动，并由于蒸腾而从开口 108中被排出。所述水也可以在通过电解 质膜之后从阳极側被排出。这时，在借助泵供应燃料的情况下，由于
泵的压力，所述水也与燃料一起移动，并从排出口被排出。
如图21所示，在传统的被动型燃料电池系统的燃料电池100S中， 电解质膜设置在中间。然后，在电解质膜的正面和背面都形成催化剂 层，从而用作膜电极组件104。在膜电极組件104的外侧，存在有扩 散层103和105。扩散层105被供应以作为燃料的氬，扩散层103被 供应以作为氧化剂的大气中的氧。由于在阳极侧被供应以氢，所以， 利用分离器107和109将其密封，从而不会发生泄漏。进而，阴极侧 具有开口 108，用于供应空气。
通过发电所产生的生成的水变成水蒸气自然扩散，并通过开口 108被排出到大气中。或者，生成的水在扩散层103和供应层102中 被液化，并被蓄积。特别是，在扩散层103和氧供应层102的内部被 液化的水持续地蓄积在所在的位置上，直到被蒸发而排出为止。从而， 当被留下来时，所述水具有向阴极供应氧的作用。
在被动型燃料电池中，没有办法将排放到氧供应层102中的水送 出。因此， 一度从扩散层103排放到氧供应层102中的水，继续在其 所处的位置上蓄积，最后中止氧化剂的供应。因此，在没有排放单元 的燃料电池的结构的情况下，当长时间进行驱动时，燃料电池的性能 恶化。
(比较实施形式2)
进而，图22是剖视图，在图中，沿着与包含有开口的平面垂直的 平面将作为比较实施形式2的传统的被动型固态聚合物燃料电池100S 切开。尽管该比较实施形式中的燃料电池在比较实施形式1中的氧供 应层102与扩散层103之间具有水吸收层110，但是，水吸收层的端 面相对于与开口 108相同的平面而言位于电池侧，即，位于电池中。 在图22中，只有燃料电池在图面上的右端和左端108是开口。
在如本比较实施形式中那样，水吸收层的端部存在于电池中的情 况下，因为在刚刚开始发电之后产生的水量小，所以，所生成的水被 水吸收层吸收。但是，在本比较实施形式中，水吸收层的端部位于电 池中，不与电池外部的空气接触，从而，被水吸收层吸收的水的蒸腾
很少。因此，在生成的水的量大的情况下，例如，在长时间进行驱动 的情况下，水吸收层不能吸收水，从而生成的水会蓄积起来。因此， 氧化剂的供应变得不足，燃料电池和利用该燃料电池的燃料电池系统 的性能恶化。
(比较实施形式3)
进而，图23是剖视图，在图中，沿着与包含有开口的平面垂直的 平面将作为比较实施形式3的传统的被动型固态聚合物燃料电池100s 切开。在本比较实施形式中的各个燃料电池系统和燃料电池是一种具 有这种结构的燃料电池在所述结构中，在比较实施形式l中的氧供 应层102与扩散层103之间设置水吸收层110。
在如本实施形式所述，代替将水吸收层形成在氧供应层与集电器 之间、而将水吸收层形成在氧供应层与氧电极侧扩散层之间的情况下， 水吸收层110阻碍被燃料电池吸取的氧通过开口 108向扩散层103的 扩散。因为氧向扩散层103的扩散被阻碍，所以，氧向膜电极组件104 的供应也受到阻碍，燃料电池的性能恶化。
下面，将基于上面所述的实施形式详细描述特定的例子。应当指 出，用于催化剂层(氧电极和燃料电极)、电解质膜、扩散层、氧供应 层以及燃料供应层的材料，并不局限于下面所述的材料，只要它们具 有类似的功能，可以利用任意的材料。
(例子1)
本例提供一种燃料电池，在所述燃料电池中，在氧供应层位于集 电器侧的表面上形成吸收层，以包含有开口的平面作为基准，水吸收 层的端部位于燃料电池的相反侧。下面，详细描述根据本例的燃料电 池的生产过程。
(步骤l)
通过在作为向电解质膜上的转录(transcription)层的PTFE片 (Nitto Denko Corporation制造的Nitfron )上进行反应賊射，形成厚 度2，000nm的具有枝状晶体结构的氧化铂催化剂。这时Pt的携带量 为0.68mg/cm2。在总压力为4Pa、氧流量比(Q02/( QAr + Q02)为70%、
基体温度为300。C、转换功率(switch power)为4.9W/cm2的条件下， 进行反应溅射。接着，使具有枝状晶体结构的氧化铂催化剂在120°C、 2。/oH2/He的气氛(latm)中经受30分钟的还原处理，借此，在PTFE 片上获得具有枝状晶体结构的铂催化剂层。
进而，利用PTFE和Nafion (注册商标)的混合悬浮液浸渍上述 PTFE片，借此，在催化剂的表面上有效地形成电解质通道，并进行 适当的防水处理。
(步骤2)
釆用刮浆刀在作为向电解质膜上的转录层的PTFE片上形成带有 铀的碳催化剂。这里所使用的催化剂浆料是带有铂的碳(Johnson Matthey Inc.制造的HiSPEC 4000)、 Nafion、 PTFE、 IPA和水的4栗制 物质。这时的铂携带量为0.35mg/cm2.
(步骤3)
利用在步骤1中制造的催化剂层作为氧电极，在步骤2中制造的 催化剂层作为燃料电极，利用上述一对催化剂层(氧电极和燃料电极) 夹着固态聚合物电解质膜(DuPont Corp.制造的Nafion 112)，在 8MPa、 150。C、 l分钟的加压条件下，对所获得的叠层进行热压。
将PTFE片剥离，以便将一对催化剂层转录到聚合物电解质膜上， 使电解质膜与一对催化剂层连接，借此，获得膜电极组件(MEA)。
(步骤4)
作为氧供应层，采用长度为28mm、宽度为10mm、厚度为2mm 的泡沫金属。进而，作为端板，采用长度为37mm、宽度为10mm的 板，将其长度和宽度设定为电池的长度和宽度。在氧供应层的一个表 面上，即，在与氧电极侧的集电器接触的一侧，以相等的间隔在平行 于氧供应层的10mm的宽度的方向上，形成长度lOmm、宽度2.5mm、 深度为500|am的4个槽。将切成长度为2cm、宽度为2.5mm、厚度为 500pm的水吸收材料置于每个槽内，并从电池右侧和左侧各伸出 (extend off) 5mm,以《更形成水吸收层。这里，作为水吸收材料，釆 用ANBIC Co.， Ltd制造的液体扩散无纺布P型。结果，荻得水吸收
层11和氧供应层2。 (步骤5)
如图2所示，将如上所述获得的MEA组件、氧供应层、水吸收 层、燃料电极侧集电器、燃料电极侧扩散层、氧电极侧扩散层、和氧 电极侧集电器层叠，以获得燃料电池。在本例中的燃料电极侧集电器 对应于图2中的分离器7。进而，利用碳布(E-TEK Inc.制造的 LT2500-W)作为燃料电极侧扩散层，利用碳布(E-TEK Inc.制造的 LT1200-W)作为氧电极侧扩散层。
图24A至24C表示在步骤4中制造的水吸收层11和氧供应层2。 图24A是剖视图，在图中，沿着平行于开口的平面将水吸收层和氧供 应层切开，图24B是投影图，在图中，光线在与质子传导方向平行的 方向上从集电器侧向水吸收层和氧供应层照射，图24C是投影图，在 图中，光线在与质子传导方向平行的方向上从氧电极侧扩散层侧向水 吸收层和氧供应层照射。
(例子2)
本例提供一种燃料电池系统，在该系统中，水吸收层只设置在本 实施形式中描述的氧供应层与集电器之间，并且，水吸收层的端部位 于包含有开口的平面上。即，水吸收层的端部位于与包含有开口的平 面相同的平面上。除了这一点之外，例子2和例子1相同。图25A至 25C表示这样制成的水吸收层11和氧供应层2。图25A是剖视图，在 图中，沿着与包含有开口的平面平行的平面将水吸收层和氧供应层切 开，图25B是投影图，在图中，光线在与质子传导方向平行的方向上 从集电器侧向水吸收层和氧供应层照射，图25C是投影图，在图中， 光线在与质子传导方向平行的方向上从氧电极侧的扩散层侧向水吸收 层和氧供应层照射。
根据在恒定电流400mA/cm2的情况下测定的按照上述方式制造 的燃料电池的电压的变动，评价抗满溢特性。在下面所述的测量条件 下，不使用诸如压缩机等辅助设备，通过自然吸收进行抗满溢特性的 评价。将电池置于在无风的状态下、温度为25°C、湿度为50%的恒温
和恒湿的容器中。进而，这时，对除不形成水吸收层之外采用相同的 步骤制造的作为比较例1制造的燃料电池进行类似的评价。
图26表示例子1、例子2和比较例1的燃料电池的评价结果。在 例子1、例子2和比较例1中，在测量开始时，电压没有差别，未看 出由于形成水吸收层导致的性能的恶化。设想其原因如下。因为水吸 收层不与氧电极侧上的扩散层接触，水吸收层不阻碍气体的扩散。但 是，在测量开始之后20分钟，例子1与比较例1之间的电压的差别逐 渐增大，在经过90分钟之后，电压产生大的差别。
接着，在恒定的电流下，在测量经过90分钟之后，比较在两个燃 料电池中残留的水的重量。结果，残留在比较例1的电池中的水的重 量为0.2852g，而残留在例子1的电池中的水的重量显示出较小的值 0.1265g。
从这些结果可以看出，例子1中的燃料电池具有将生成的水排出 到电池外部的功能，并具有抑制满溢的功能。
进而，残留在例子2的电池中的水的量为0.1798g，因此，即4吏在 例子2的电池中，残留的水的量也小于比较例1中的量。即，可以理 解，在例子2的实施形式中，排放功能高于比较例1的实施形式的排 放功能。
在例子1的实施形式中的排放功能进一步高于例子2的实施形式 中的排放功能，从而，在获得较高的排放功能的情况下，例子l的实 施形式是优选的。另一方面，在例子2的实施形式中，水吸收层小， 从而，可以获得比例子1的实施形式更紧凑的电池结构。从而，优选 地，例子1的实施形式用于强调排放功能的用途中，而例子2的实施 形式用于强调空间的有效性、同时具有排放功能的用途中。
如上所述，通过在氧供应层的位于集电器侧的表面上形成水吸收 层，在不会引起性能的恶化的情况下，可以显著地提高抗满溢特性。
(例子3)
本例是将水吸收层分别设置在氧供应层与集电器之间以及氧供应 层中的例子。本例在氧供应层的厚度更大、由扩散层产生的水蒸气在
到达集电器之前在氧供应层中变成水滴的情况下非常有效。除步骤4 之外的步骤与例子1中步骤相同，从而，下面只描述步骤4。 (步骤4)(步骤1至3和步骤5与例子1中的情况相同) 以相等的间隔在氧供应层的在集电器(氧电极侧集电器)侧的表 面上形成长度10mm、宽度2.5mm、深度500jum的4个槽。对于一个 槽而言，以相等的间隔在形成槽的部分上形成两个2mmcl)的未贯通的 孔。用水吸收材料填充未贯通的孔，以便形成水吸收层，将切割成长 度2cm、宽度2.5mm、厚度500nm的水吸收材料设置在槽中，以便形 成另外一个水吸收层。这时，将位于未贯通的孔中的水吸收材料和位 于槽中的水吸收材料以相互接触的方式配置。图27A至27D表示水吸 收层11和氧供应层2。这时，以和例子l中相同的方式，设置用于氧 供应层的泡沫金属，使之具有28mm的长度，10mm的宽度和2mm 的厚度。进而，将电池尺寸设定成37mmxl0mm。将水吸收纤维沿短 的方向设置，使之在右侧和左侧伸出5mm。
图27A是剖视图，在图中，沿着与包含有开口的平面平行的平面 将水吸收层和氧供应层切开，图27B是投影图，在图中，光线在与质 子传导方向平行的方向上从集电器侧向水吸收层和氧供应层照射，图 27C是投影图，在图中，光线在与质子传导方向平行的方向上从氧电 极侧扩散层侧向水吸收层和氧供应层照射，图27D是剖视图，在图中， 沿着与质子传导方向垂直的平面将氧供应层和位于氧供应层的孔中的 水吸收层切开。
根据在恒定电流400mA/cm2的情况下测定的按照上述方式制造 的燃料电池的电压的变动，评价抗满溢特性。在下面所述的测量条件 下，不使用诸如压缩机等辅助设备，通过自然吸收进行抗满溢特性的 评价。将电池置于在无风的状态下、温度为25°C、湿度为50%的恒温 和恒湿的容器中。这时，类似地评价比较例1中的燃料电池。
图28表示评价结果。在例子3和比较例l的测量开始时，电压没 有差别，从而，可以理解，没有发生由水吸收层导致的气体扩散的降 低。在测量开始之后20分钟，以与图26相同的方式，例子3与比较
例l之间的电压的差别逐渐增大，在经过90分钟之后，产生大的差别。 接着，在以恒定的电流经过90分钟的测量之后，比较两个电池中 残留的水的重量，借此，比较排放功能。结果，在比较例l的电池中 残留的水的重量为0.2394g，而在例子3的电池中残留的水重量为 0.1338g显示出明显小的值。由这些结果可以理解，例子3中的燃料电 池具有将生成的水排出到电池之外的功能，并具有一种抑制满溢的功 能。
下面，将说明水吸收层的端部存在于与包含有开口的平面相同的 平面上、或者所述端部存在于以包含有开口的平面作为基准的燃料电 池的相反侧的优越性，以及水吸收层存在于集电器与氧供应层之间的 优越性。为了说明所述优越性，将水吸收层的端部在电池中的结构设 定为比较例2，将水吸收层位于氧供应层与氧电极侧扩散层之间的结 构设定为比较例3，对它们相互比较。
(比较例2 )
本比较例提供这样一种情况，其中，尽管和例子l一样，水吸收 层位于氧供应层与集电器之间，但是水吸收层不伸出电池，以包含有 开口的平面作为基准，水吸收层的端部位于燃料电池侧的同一侧。除 步骤4之外的步骤与例子1的步骤相同，从而下面只描述步骤4。 (步骤4 )(步骤1至3和5与例子1的步骤一样) 在氧供应层位于集电器侧的表面上，以相等的间隔平行于氧供应 层的10mm的宽度形成4个槽，每个槽的长度为10mm，宽度为2.5mm， 深度为500 nm。将切割成长度为5mm、宽度为2.5mm、厚度为500 的水吸收材料设置在每个槽中，从而以包含有开口的平面作为基准， 将水吸收层的端部设置在燃料电池侧的同一侧。图29A至29C表示这 样形成的水吸收层11和氧供应层2。图29A是剖视图，在图中，沿着 与包含有开口的平面平行的平面将水吸收层和氧供应层切开，图29B 是投影图，在图中，光线在与质子传导方向平行的方向上从集电器侧 向水吸收层和氧供应层照射，图29C上投影图，在图中，光线在与质 子传导方向平行的方向上从氧电极側扩散层侧向水吸收层和氧供应层 照射。
将按照上述方法制成的燃料电池设定为比较例2，与例子1进行 抗满溢特性的比较。根据在恒定电流400mA/cm2的情况下测定的电压 的变动，评价抗满溢特性。在下面所述的测量条件下，不使用诸如压 缩机等辅助设备，通过自然吸收进行抗满溢特性的评价。将燃料电池 置于在无风的状态下、温度为25'C、湿度为50%的恒温和恒湿的容器 中。
图30表示评价的结果。在比较例2的结构中，在经过大约60分 钟之后，电压发生降低。进而，对于从恒定电流测量开始经过大约90 分钟之后，两个电池中残留的水的重量，在例子1中为0.1265g，而在 比较例2中为0.209g。根据上述结果，可以认为，在比较例2的结构 中，生成的水的排放性能低，由于满溢导致电压降低。其原因如下。 因为水吸收层的端部位于电池中，所以，被水吸收层吸收的生成的水 蓄积在氧供应层中而未渗出，结果，氧供应层被生成的水封闭。从而 表明，尽管在氧供应层和集电器之间形成水吸收层，但是在水吸收层 的端部位于电池中的情况下，未显示出足够的排放效果。
(比较例3 )
本比较例提供一种燃料电池系统，在该燃料电池系统的结构中， 尽管水吸收层的端部存在于以包含有开口的平面为基准的燃料电池的 相反侧，但是，将水吸收层设置在氧供应层与氧电极侧扩散层之间。 除步骤4之外的步骤与例子1的步骤相同，从而，下面将只描述步骤 4
(步骤4)(步骤1至3和5与例子1的情况相同) 作为氧供应层2，使用长度28mm、宽度10mm和厚度2mm的泡
沫金属。
在氧供应层2位于氧电极侧扩散层3侧的表面上，在平行于氧供 应层2的宽度的方向上，以相等的间隔形成长度10mm、宽度2.5mm、 深度500nm的4个槽。将切成长度为2cm、宽度为2,5mm、厚度为 500|am的水吸收层置于每个槽中，按照以包含有开口的平面为基准使
水吸收层的端部位于燃料电池的相反侧的方式，将水吸收层的端部设
置成从电池在右侧和左侧伸出5mm。利用长度为37mm和宽度为 10mm的端板，将所述长度和宽度设定为电池的长度和宽度。图31A 至31C表示这样获得的水吸收层11和氧供应层2。图31A是剖视图， 在图中，沿着与包含有开口的平面平行的平面将水吸收层和氧供应层 切开，图31B是投影图，在图中，光线在与质子传导方向平行的方向 上从集电器侧向水吸收层和氧供应层照射，图31C是投影图，在图中， 光线在与质子传导方向平行的方向上从氧电极侧扩散层侧向水吸收层 和氧供应层照射。
将按照上述方法制成的比较例3中的燃料电池与例子1中的燃料 电池进行性能比较，借此评价抗满溢特性。根据在恒定电流400mA/cm2 的情况下测定的电压的变动评价抗满溢特性。进而，通过比较I-V特 性，将两个电池的电池特性相互进行比较。在下面所述的测量条件下， 不使用诸如压缩机等辅助设备，通过自然吸收进行抗满溢特性的评价。 将电池置于在无风的状态下、温度为25。C、湿度为50%的恒温和恒湿 的容器中。
图32表示例子1和比较例3中的I-V曲线。在将它们两个进行相 互比较时，在低电流区域中显示出基本上相同的特性，而在500mA/cm2 或以上的高电流区域中则发现差别，甚至在极限电流时也观察到差别。 可以认为，这是由于以下的原因引起的。在比较例3的燃料电池中， 由于具有低的空气扩散性的水吸收层存在于氧供应层与氧电极侧扩散 层之间的宽的区域中，所以，向催化剂层供应的空气量小，特别是在 高电流区域中造成性能的降低。
图33表示在对例子1中和比较例3中的抗满溢特性进行比较时， 在恒定电流的测量过程中电压的变动。比较例3提供一种电池，在该 电池的结构中，水吸收层位于氧供应层与氧电极侧扩散层之间，在短 时间内观察到电压降低。但是，当对从恒定电流测量起经过90分钟之 后残留在两种电池中的水的重量进行比较时，例子1的电池中的重量 为0.1265g，而在比较例3的电池中则重量为0.129g。因此，可以理解，
甚至比较例3的结构也具有和例子1相同的高排放性能。与高的排放 能力无关，认为所观察到的电压降低的因素如下所述。由于水吸收层 位于氧供应层与氧电极侧扩散层之间的宽的区域中，所以，在氧供应 层中的生成的水被汲取到氧电极侧扩散层中，可以有效地排出氧供应 层中的水。但是，氧电极侧扩散层被浸没在水中，从而，观察到代替 氧供应层而由氧电极侧扩散层的满溢导致的电压降低。
从而，可以理解，当设置燃料电池时，需要在氧供应层与集电器 之间形成水吸收层，所述水吸收层的沿着垂直于质子传导方向的平面 切开的平面的面积大。
下面将描述一个例子，在该例子的结构中，集电器的端部位于以 包含有开口的平面为基准的燃料电池的相反侧，水吸收层和集电器在
电池的外部相互接触。即，本例提供一种燃料电池，在该燃料电池中，
集电器的端部位于以包含有开口的平面为基准的电池的相反侧，以包
含有集电器中的开口的平面为基准，位于燃料电池的相反侧的区域的
至少一部分与水吸收层接触。在下文中，可以将集电器的端部位于以 包含有开口的平面为基准的燃料电池的相反侧的状态称为集电器从电
池伸出的状态，可以将以集电器中包含有开口的平面为基准位于燃料 电池的相反侧的部分称为从电池伸出的部分。 (例子4)
在本例中，集电器具有梳子的形状，该梳子的部分位于以包含有 开口的平面为基准的电池的相反侧，并且，所述集电器在位于以开口 为基准的电池的相反侧的部分中，即，在梳子的部分中，与水吸收层 接触。梳子的宽度和长度与位于以开口为基准的电池的相反侧的部分 的长度和宽度具有相同的尺寸，只有在电池外部与水吸收层接触的部 分中的集电器从电池伸出。除了集电器具有梳子的形状，其端部在电 池的外部，并且集电器与水吸收层在电池外部接触之外，例子4与例 子l相同。将从电池伸出的集电器的长度在右侧和左侧设定为2mm。
(例子5)
在本例中，集电器的端部具有直线的形状，直线状的端部位于以
37
包含有开口的平面为基准的电池的相反侧，并且，以集电器的开口为 基准，位于电池相反侧的部分与水吸收层接触。除整个集电器从电池 伸出、并且即使在电池的外部水吸收层与集电器也相互接触之外，例
子5与例子l相同。
将集电器从电池伸出的长度在右侧和左侧设定为lmm。 图34A至34D表示例子4中的水吸收层11和集电器1。图34A 是沿着垂直于质子传导方向的平面切开的集电器的剖视图，图34B是 投影图，在图中，光线在与质子传导方向平行的方向上从氧供应层侧 向水吸收层和集电器照射，图34C是投影图，在图中，光线在与质子 传导方向平行的方向上从以集电器为基准的水吸收层的相反侧向水吸 收层和集电器照射，图34D是剖视图，在图中，沿着与包含有开口的 平面垂直的平面将水吸收层和集电器切开。
进而，图35A至35D表示例子5中的水吸收层11和集电器1。 图35A是剖视图，在图中，沿着垂直于质子传导方向的平面将集电器 切开，图35B是投影图，在图中，光线沿着与质子传导方向平行的方 向从氧供应层侧向水吸收层和集电器照射，图35C是投影图，在图中， 光线沿着与质子传导方向平行的方向从以集电器为基准的水吸收层的 相反侧向水吸收层和集电器照射，图35D是剖视图，在图中，沿着与 包含有开口的平面垂直的平面将水吸收层和集电器切开。
如图34A至34D和35A至35D所示，在每个例子4和5中的集 电器的宽度大于电池的宽度，从电池伸出，集电器不仅在电池中与水 吸收层接触，并且在电池外部也与水吸收层接触。这时，如图34D和 35D所示，当水吸收层以缠绕到伸出部上的方式设置时，以相同的伸 出量，能够以双重的量设置水吸收层，从而，提高空间效率。进而， 在图35A所示的例子5中的整个集电器伸出的情况下，伸出部不是像 例子1至4至那样的带子形，可以在集电器的整个伸出部上将水吸收 层设置成梯子状，从而，可以进一步提高空间效率。
在允许集电器从电池伸出、水吸收层和集电器即使在电池外部也 相互接触的情况下，有这样的优点，即，如上所述，空间效率提高，
并且可以将发电过程中产生的热提供给水吸收层。即，通过向水吸收
层的水吸收材料提供热，提高发汗效果(perspiration),特别是，在 发汗恶化的高湿度的环境下，可以预期提高性能。这时，更优选地是， 利用导热的双面胶带将集电器和水吸收层的伸出部固定，因为可以更 有效地提供热。为了确认上述效果，通过在400mA/cm2的恒定电流下， 不使用诸如压缩机等辅助设备而利用自然吸收，在下面所述的测量条 件下进行测量，以评价高湿度环境中的抗满溢特性。将例子l、 4和5 以及比较例1的电池置于温度为25'C、湿度为90%的气氛下的恒温和 恒湿的容器中。图36表示其结果。
在比较例1的没有吸收层的燃料电池中，由于满溢，电压下降很 大，而在例子l、 4和5的电池中，没有显示出电压的降低，表现出高 的抗满溢特性。进而，当根据在测量之前和之后电池重量的变化，相 互比较残留在电池中的水的量时，在比较例1中的水量为0.234g,例 子1中的水量为0.237g。进而，在例子1中，初始电压为0.635V，而 在测量完成时，电压为0.537V。因此，电压降低0.116V，即，确认为 18.3%。
与此相反，残留在例子4和5的电池中的水的量分别为0.148g和 0.144g。 在例子4中，初始电压为0.648V，而在测量完成时，电压为 0.608V。因此，将电压的降4氐抑制到0.04V,即，6.2%.进而，在例 子5中，初始电压为0.621V，而在测量完成时的电压为0,561V。因此， 电压的降低被抑制到0.06V,即，9.7%。
由上述结果可以认为，在例如温度为25。C、湿度为90%的气氛等 的高湿度环境下，尽管在具有如例子1所述的结构的电池中也有效果， 但是，如例子4和例子5中那样形成具有更高的排放能力的水吸收层 是优选的。其原因如下。因为在高湿度的环境下，水吸收层的发汗效 果恶化，集电器从电池伸出，如例子4和5所述，即使在伸出部，水 吸收层和集电器也相互接触，从而，利用发电所产生的热，可以促进 水吸收层中的水的发汗。
例子4比例子5显示出更高的电压。这被认为是由集电器具有梳
子状的形状产生的效果。如例子5所示，在整个集电器伸出的情况下， 集电器起着例如罩的作用，它阻碍气体的扩散，会使性能降低。与此 相反，在例子4的情况下，因为集电器具有梳子的形状，所以，从伸 出部之间供应气体，即，在齿部之间供应气体，从而，可以将对气体 扩散的阻碍最小化。在例子5的情况下，整个集电器伸出，从而，可 以使设置水吸收层的面积很大。即，用于配置相同量的水吸收层的伸 出量可以小于在例子4中的伸出量。实际上，尽管例子4和5具有相 同的排水能力，但是，在例子4中集电器的伸出量比在例子5中的小， 从而，可以获得更紧凑的电池。即，在将重点放在特性的应用中，可 以适当地选择具有例子4中的结构的燃料电池，在将重点放在电池尺 寸的应用中，可以适当地选择具有例子5的结构的燃料电池。
本申请要求2006年2月3日提出的日本专利申请No.2006-027793 的优先权，该专利申请通过参考在这里加以引用。
权利要求
1. 一种燃料电池，包括:发电层构件，用于将氢离子从一个表面移动到另外一个表面，并使所述氢离子在所述另外一个表面上与氧进行反应；以及氧供应层，用于使从侧面吸取的大气中的氧扩散，以便将氧供应给所述另外一个表面，其中:所述燃料电池具有水吸收层；以及所述水吸收层的保持液态水的稳定性高于所述氧供应层的保持液态水的稳定性，所述水吸收层与所述氧供应层连通，并与发电层构件对向地放置，至少所述氧供应层介于所述水吸收层与发电层构件之间。
2. 如权利要求l所述的燃料电池，其特征在于 所述水吸收层是由不同于氧供应层的材料制成的片状构件；以及 用于所述水吸收层的材料具有比用于所述氧供应层的材料高的亲水性。
3. 如权利要求2所述的燃料电池，其特征在于，所述氧供应层在 将所述发电层构件与所述水吸收层连通的方向上的透气性比在沿着所 述发电层构件的表面的方向上的透气性高。
4. 如权利要求3所述的燃料电池，包括扩散层，所述扩散层位于所述氧供应层和所述发电层构件之间， 所述扩散层的组织的平均开口尺寸小于所述氧供应层的平均开口尺 寸、大于所述发电层构件的平均开口尺寸；以及在所述扩散层中形成许多将所述氧供应层与所述发电层构件连通 起来的通孔。
5. 如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述水吸收层的 至少一部分直接向所述氧供应层外部的大气敞开。
6. 如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述水吸收层在 靠近吸取氧的侧面的平面位置处具有比在远离吸取氧的所述侧面的平 面位置处高的保持液态水的稳定性。
7. 如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，氧气从吸取氧的 所述侧面向所述发电层构件的供应，依靠氧通过氧供应层的自然扩散 来进行。
8. —种燃料电池，所述燃料电池包括电解质膜、催化剂层、两个 扩散层、燃料供应层、氧供应层、水吸收层和集电器，其中在该燃料电池的侧面当中，至少在平行于所述电解质膜的质子传导方向的侧面的一部分中，所述燃料电池具有开口；所述水吸收层存在于所述氧供应层与所述集电器之间；并且 所述水吸收层的端部位于包含有所述开口的平面和以包含有所述开口的平面为基准的燃料电池的相反侧中的一个上。
9. 如权利要求8所述的燃料电池，其特征在于 所述水吸收层包括多个区域，每个区域具有与不同区域的亲水性不同的亲水性，以及在所述多个区域当中，越靠近所述开口的区域中的亲水性越高。
10. 如权利要求8所述的燃料电池，其特征在于 所述氧供应层在所述集电器侧的表面上具有槽；以及 所述水吸收层的至少一部分位于所述槽中。
11. 如权利要求8所述的燃料电池，其特征在于，所述氧供应层 具有多个孔，每个孔的深度方向是与质子传导方向平行的方向。
12. 如权利要求11所述的燃料电池，其特征在于，所述水吸收层 位于所述孔中。
13. 如权利要求12所述的燃料电池，其特征在于，位于所述氧供 应层和所述集电器之间的水吸收层与位于所述孔中的水吸收层相连 接。
14. 如权利要求8所述的燃料电池，其特征在于，所述水吸收层 不与所述扩散层接触。
15. 如权利要求12所述的燃料电池，其特征在于，所述水吸收层 不与所述扩散层接触。
16. 如权利要求8所述的燃料电池，其特征在于所述集电器的端部位于以包含有所述开口的平面为基准的燃料电池的相反侧；以及位于以包含有所述集电器中的开口的平面为基准的燃料电池相反 侧的区域的至少 一部分与所述水吸收层接触。
17. 如权利要求16所述的燃料电池，其特征在于，所述集电器具 有梳子状。
18, —种燃料电池系统，所述燃料电池系统包括燃料电池组，其中，所述燃料电池组包括多个燃料电池；以及 所述燃料电池是如权利要求1至17所述的任何一种燃料电池。
全文摘要
本发明提供一种燃料电池，所述燃料电池包括电解质膜，催化剂层，两个扩散层，燃料供应层，氧供应层，水吸收层和集电器，其中在该燃料电池的侧面中，至少在平行于电解质膜的质子传导方向的侧面的一部分上，所述燃料电池具有开口；所述水吸收层存在于氧供应层与集电器之间；以及所述水吸收层的一个端部位于包含所述开口的平面和以包含所述开口的平面为基准的燃料电池的相反侧之一上，以及提供一种具有包括所述燃料电池的燃料电池组的燃料电池系统。所述燃料电池具有高的排放能力，即使在小的尺寸和轻的重量的情况下，也能够稳定地保持高的发电效率并实现高的输出。
文档编号H01M8/10GK101379640SQ20078000410
公开日2009年3月4日 申请日期2007年2月1日 优先权日2006年2月3日
发明者吉泽敦仁, 长井健太郎 申请人:佳能株式会社