專利名稱：直接型燃料電池發(fā)電裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種使用甲醇或甲醇水溶液等的直接型燃料電池發(fā)電裝置，特別是涉及通過改善燃料流過的流路板的流路的形狀從而獲得穩(wěn)定的輸出的直接型燃料電池發(fā)電裝置。
背景技術(shù)：
燃料電池為通過電化學反應(yīng)將氫、碳氫化合物、或酒精等燃料具有的化學能轉(zhuǎn)換成電能的裝置，希望作為高效率而且低公害型的發(fā)電裝置。
在該燃料電池中，將離子交換樹脂膜用作電解質(zhì)的固體高分子型燃料電池為作為電動汽車用的電源或住宅用的電源近年來加速開發(fā)的燃料電池。該固體高分子型燃料電池將包含氫的燃料氣體供給陽極電極側(cè)，將氧氣或空氣供給到陰極電極側(cè)。在陽極電極·陰極電極中，分別發(fā)生(式I)和(式II)所示反應(yīng)，產(chǎn)生電動勢。
陽極電極……(式1)陰極電極……(式II)即，由陽極電極內(nèi)部的催化劑從氫生成電子和質(zhì)子，電子取出到外部電路。質(zhì)子在質(zhì)子導電性電解質(zhì)膜內(nèi)傳導、達到陰極電極時，在陰極電極內(nèi)部的催化劑上與電子和氧進行反應(yīng)，生成水。由這樣的電化學反應(yīng)發(fā)電。
另一方面，近年來直接型甲醇燃料電池引人注目。圖58示出直接型甲醇燃料電池中的電偶部分單位的構(gòu)造。在直接型甲醇燃料電池的構(gòu)成中，由陽極電極3和陰極電極6夾持質(zhì)子導電性電解質(zhì)膜7(例如全氟碳磺酸系離子交換膜，最好使用杜邦公司制造的Nafion等)。各電極由基板1、5和催化劑層2、4構(gòu)成，催化劑層通過在全氟碳磺酸樹脂分散能媒或承載了催化劑的碳黑等而構(gòu)成。催化劑一般為貴金屬催化劑或其合金，承載于碳黑等載體進行使用的場合較多。最好使用Pt-Ru合金作為陽極電極的催化劑，將Pt作為陰極電極的催化劑。在驅(qū)動該燃料電池時，將甲醇和水供給到陽極電極側(cè)，將氧氣或空氣供給到陰極電極，從而分別在陽極電極·陰極電極發(fā)生式(III)、(式IV)的所示反應(yīng)。
陽極電極……(式III)陰極電極……(式IV)即，由陽極電極催化劑中的催化劑，從甲醇和水生成電子、質(zhì)子、二氧化碳，生成的二氧化碳排放到大氣中。電子作為電流取出到外部。另外，質(zhì)子沿質(zhì)子導電性電解質(zhì)膜移動，達到陰極電極，與電子和氧反應(yīng)，生成水。根據(jù)該電化學反應(yīng)進行發(fā)電。
在該直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置中，開路電壓通常為0.6V～0.8V，在伴隨著負荷電流的實際的發(fā)電中下降到0.5V附近的電壓。因此，為了獲得電子回路和電氣設(shè)備的動作受到補償?shù)碾妷?，需要電連接多個電偶部分單位。因此，將多個電偶部位單位疊層，需要用于將燃料均勻地供給其的流路形狀和配管，提出有各種各樣的方案。如大體劃分這些眾多的流路或配管的構(gòu)造，則可分成按電偶部分單位的個數(shù)使從收容燃料的燃料容器引導的配管和流路分支的并列型流路的構(gòu)造和1個流路依次繞到多個電偶部分單位的直列型流路的構(gòu)造這樣2種構(gòu)造。
然而，前者易于產(chǎn)生由流路的分支和配管引起的相對各電偶部分單位的燃料供給狀態(tài)的偏差，需要用于減少該偏差的進一步的改善。另外，在后者，由于依次由多個電偶部分單位消耗燃料，所以，產(chǎn)生由位于流路前半的電偶部分單位和位于流路后半的電偶部分單位的燃料的濃度差形成的輸出的差異，其中需要用于減少該差異的細致的流路形狀的設(shè)計。
另外，作為疊層多個電偶部分單位和流路板的方法，廣泛地采用電偶部分單位的陽極電極或陰極電極統(tǒng)一到一個方向地交替疊層的雙極構(gòu)造。在該雙極構(gòu)造中，由良導電體的部件形成隔開電偶部分單位的流路板，對單片的流路板的單面形成燃料用流路，供給燃料，對另一面形成氧化劑用流路，供給氧化劑，僅使電偶部分單位簡單地交替疊層該流路板，可容易地獲得電串聯(lián)狀態(tài)。即，由于可省略用于使來自多個電偶部分單位的電輸出直列的電配線，所以，可簡化疊層構(gòu)造。
然而，實際上在很多場合，采取并列多個地配置機械強度或空間的制約得到補償?shù)寞B層數(shù)的疊層單位獲得對其進行電連接的手段。例如，提出有由絕緣性的部件使導電性的流路板相互絕緣地集中的那樣的構(gòu)造。
為了實施該雙極型疊層的小型化，當消除依存于電偶部分單位的要素時，流路板自身的薄型化最有效果，根據(jù)構(gòu)造和材料的觀點進行分析。
為了在構(gòu)造上使流路板的厚度薄型化，可考慮減小陽極和陰極流路的深度的方法和減小分隔陽極/陰極流路的層的厚度的方法。關(guān)于前者，由在流路的壓力損失進行限制，只要忽視對泵的負擔，則理論上可形成得非常薄，但實際上必須考慮包含泵消耗的電力的系統(tǒng)整體的發(fā)電效率和工作精度。對于后者，受到相對材質(zhì)的燃料和氧化劑的透過性的限制，隨著薄膜化，材料的強度成為限制。
另外，從材料的觀點出發(fā)，還進行了流路板的薄型化的嘗試。通常，作為流路板材質(zhì)，多使用碳作為具有導電性的材料，但對于純粹的碳，從強度、透過性、工作精度的觀點出發(fā)，不可能形成為1～2mm以下的厚度。因此，使用通過使一些樹脂浸透或混合從而提高上述特性的材料。然而，當提高碳以外的非導電性的成分的比例時，不僅電阻增大，而且難以具有與一般適于薄型的成形的那樣的樹脂或塑料的強度相當?shù)哪菢拥奶匦浴?br> 因此，為了解決上述碳制的流路板的強度和透過性的問題，還提出有將金屬用作流路板的方案。然而，流路板由于為與燃料、氧化劑、電極部分連接、取出電流的部分，所以，用作流路板材料的金屬必須具有足夠的耐腐蝕性。從化學的觀點出發(fā)，可利用的金屬為金、鉑、銠、銥、釕等貴金屬，但使用這些金屬材料的流路板從成本面考慮難以在工業(yè)上應(yīng)用。因此，當通常形成金屬流路板時，采用將具有一些耐蝕性的作為賤金屬的鈦或一部分的合金等作為基材、對其表面全面由上述貴金屬系的金屬進行涂覆的手法。然而，即使在這樣制成的流路板中，如在緊固電極時產(chǎn)生針孔程度的損傷，則可認為腐蝕從該部分進行，如還考慮到上述成本面，則可以認為使用碳作為流路板材料比使用金屬在現(xiàn)狀下更有利。
如上述那樣，從構(gòu)造和材料的觀點出發(fā)進行了使雙極型疊層薄型化的各種嘗試，但還未對現(xiàn)狀進行大的改善。在這樣的狀況下，作為使疊層構(gòu)造薄型化的一個方法，近年來還提出僅將氧化劑或燃料供給到1個流路板，在流路板雙面僅配置陰極電極或陽極電極的單極型的疊層構(gòu)造。
在單極構(gòu)造中，與雙極構(gòu)造相比，電偶部分單位的兩極的朝向在疊層方向上不統(tǒng)一，所以，存在僅由疊層不能簡單地由多個電偶部分單位形成電串聯(lián)狀態(tài)的缺點。另一方面，由于在1片的流路板僅供給氧化劑和燃料中的任一方，所以，不需要使背面和表面的流路獨立，因此，可取消分隔背面和表面的流路的厚度量，這一點對構(gòu)造有利。另外，由相當可與雙極構(gòu)造相同深度的流路也可使浸潤邊緣長度變短，所以，可預(yù)想到流路的壓力損失下降，可使流路深度進一步變淺。
因此，作為小型化要求特別強、面向攜帶信息終端的燃料電池發(fā)電裝置的疊層構(gòu)造，單極型疊層構(gòu)造較有希望。另外，在考慮這樣的應(yīng)用的場合，使用不需要化油器和改性器等輔助設(shè)備的直接型甲醇燃料電池的可能性高，期待提出直接型甲醇燃料電池用途單極型疊層構(gòu)造的方案。
在直接型甲醇燃料電池中，隨著陽極電極消耗甲醇水溶液，在該陽極電極以氣泡的形式產(chǎn)生作為反應(yīng)生成物的二氧化碳。另外，產(chǎn)生的氣體的二氧化碳的體積與供給的液體的甲醇水溶液相比為數(shù)倍的體積，在流路中的二氧化碳的體積膨脹成為妨礙流路內(nèi)的甲醇水溶液的流動的重要原因。一旦妨礙流路內(nèi)部的甲醇水溶液的流動，則在陽極電極產(chǎn)生燃料供給速度控制，不能獲得高負荷電流密度。
即，這意味著直接型甲醇燃料電池的輸出功率下降，在滯留于流路內(nèi)部的二氧化碳被清除之前輸出功率不會恢復。該氣液二層流的問題在陰極電極側(cè)的流路中也可能發(fā)生，但由于與氣體比較液體的體積變化率小和壁間摩擦力大等原因，比在陰極電極側(cè)的流路內(nèi)部產(chǎn)生的問題嚴重得多。即，在供給液體燃料的直接型甲醇燃料電池中比在將氣體的氫作為燃料供給陽極電極并且不會產(chǎn)生氣體生成物的固體高分子型燃料電池(PEM、PEFC)中問題更嚴重，從該觀點出發(fā)的流路設(shè)計在提出直接型甲醇燃料電池用途單極型流路板的方案中為重要的一點。
因此，首先，為了在直接型甲醇燃料電池中實現(xiàn)流路內(nèi)部的甲醇水溶液的平穩(wěn)的流動，一般減少流路斷面。這是為了通過有效地增大在流路中流動的燃料的流速使得易于排出在流路內(nèi)部產(chǎn)生的二氧化碳。另外，為了在減小流路斷面的狀態(tài)下使燃料到達電偶部分單位的整個面，常使用細小流路折疊幾次的形狀的蛇形流路。
特別是該蛇形流路可作為雙極型流路板容易形成，所以，在形成雙極型流路板時多采用蛇形流路。另外，為了提高發(fā)電效率，相反地減小分隔相鄰流路的櫛狀凸部的寬度，以增大電偶部分單位與甲醇水溶液接觸的面積。
然而，為了提高發(fā)電效率，當極端減小櫛狀凸部的寬度時，電偶部分單位的電極的最外側(cè)的集電部分為多孔質(zhì)，所以，以該處膨脹的二氧化碳的氣泡短路到相鄰的流路，成為不在流路的行進方向以正確的秩序施加壓力的狀態(tài)。這樣，產(chǎn)生在短路、二氧化碳的氣泡不通過的流路部分滯留燃料這樣的問題。相反，當燃料短路時，產(chǎn)生二氧化碳滯留的這樣的問題。因此，一般櫛狀凸部構(gòu)造的寬度基本上大體設(shè)計為1mm左右的場合較多。
即，為了在直接型甲醇燃料電池的雙極型流路板進行適當?shù)娜剂瞎┙o，最好采用櫛狀凸部構(gòu)造的寬度為1mm左右的蛇形流路，另外，需要由適當?shù)膲毫㈦娕疾糠謫挝坏碾姌O面推壓到流路板。
然而，相對單極型流路板，不能使用同樣的流路構(gòu)造。這是因為，在貫通流路板的兩面地制作的蛇形流路中，櫛狀凸部構(gòu)造成為從流路板的周圍僅在極小的1個部位的部分浮起的狀態(tài)，即使對于在雙極型流路板中基本沒有問題的流路內(nèi)的壓力，也容易引起二氧化碳和燃料的短路。另外，解決該問題的方法現(xiàn)在還未提出，作為近年進行研究的單極型流路板的流路形狀，仍停留于使用僅使直線的多個流路平行地排列的單純的構(gòu)造。因此，期待提出用于提高發(fā)電效率的流路形狀和實現(xiàn)該形狀的流路板構(gòu)造、材料。
以上列舉的單極構(gòu)造的問題在容易形成的金屬制流路板的場合也相同，另外，與流路板的切斷面變得非常多相應(yīng)，提高耐蝕性處理的均勻性變得更困難。另外，與雙極構(gòu)造同樣，在并列地沿流路板平面方向排列電偶部分單位時，不得不采用隔開絕緣部件的復雜構(gòu)造。
(專利文獻1)日本特開平11-67258號公報當為上述直接型甲醇燃料電池時，存在以下那樣的問題。即，在直接型甲醇燃料電池中，從作為液體燃料的甲醇的能量密度的高度考慮，可期待作為攜帶電子設(shè)備的電源，另外，從燃料為液體這一點考慮也沒有必要對燃料加壓，另外，與將氫作為燃料的固體高分子型燃料電池相比，從流路與電偶部分單位的間隙的燃料的漏出的可能性也少。因此，與固體高分子型燃料電池的燃料供給用流路不同，可考慮較復雜的流路構(gòu)造和流路配置，但未提出有解決了并列型流路和直列型流路的各問題點的直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置的流路構(gòu)造。
另外，當采用以用于集電的碳為主體的流路板時，用于進行1片流路板的薄型化的碳材的改良和開發(fā)的必要性、使用用于在平面方向的并列化的絕緣性部件的一體成型化的技術(shù)的必要性、多種部件在制造工序中為必要的煩雜性等，使得成為攜帶設(shè)備用小型燃料電池發(fā)電裝置的迅速的開發(fā)和生產(chǎn)的障礙。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的在于提供一種由多個電偶部分單位構(gòu)成的直接型燃料電池發(fā)電裝置，該直接型燃料電池發(fā)電裝置的各電偶部分單位的輸出偏差減小，而且可進行穩(wěn)定的燃料供給。
為了解決上述問題以達到目的，本發(fā)明的直接型燃料電池發(fā)電裝置如以下那樣構(gòu)成。
(1)具有電偶部分單位群、第1流路板、及第2流路板；該電偶部分單位群包括由含陽極催化劑層的陽極和含陰極催化劑層的陰極隔著電解質(zhì)膜而形成的多個電偶部分單位；該第1流路板形成有以接觸于這些電偶部分單位群的陽極的方式配置的、在其內(nèi)部流過燃料的第1流路；該第2流路板形成有以接觸于上述電偶部分單位群的陰極的方式配置、在其內(nèi)部流過氧化劑的第2流路；上述第1流路從其入口到出口不分支地接觸于上述電偶部分單位群的所有陽極而通過，并且與至少1個電偶部分單位的陽極接觸多次地形成。
(2)具有電偶部分單位群、第1流路板、及第2流路板；該電偶部分單位群包括由含陽極催化劑層的陽極和含陰極催化劑層的陰極隔著電解質(zhì)膜而形成的多個電偶部分單位；該第1流路板形成有以接觸于這些電偶部分單位群的陰極的方式配置的、在其內(nèi)部流過氧化劑的第1流路；該第2流路板形成有以接觸于上述電偶部分單位群的陽極的方式配置的在其內(nèi)部流過燃料的第2流路；上述第1流路從其入口到出口不分支地接觸于上述電偶部分單位群的所有陰極而通過，并且與至少1個電偶部分單位的陰極接觸多次地形成。
(3)上述(1)或(2)所述的直接型燃料電池發(fā)電裝置的特征在于當n為上述電偶部分單位群具有的電偶部分單位的數(shù)量，s為上述第1流路分別通過各電偶部分單位的次數(shù)，h為流路區(qū)域的數(shù)量，即n與s的積，br，m(1≤m≤n，1≤r≤s)為分配給上述流路區(qū)域的編號，為h以下的自然數(shù)，Zbr，m為各流路區(qū)域與流路供給口的距離，Lo為上述第1流路的有效長度時，滿足下式。
(數(shù)2)0≤|L0(h+2)2h-1sΣi=1sZbi,m|≤120L0(h+2)2h--------(1)]]>br,m=m+n(r-1)-(2m-n+1)1-(-1)r-12------(2)]]>(4)具有第1和第2電偶部分單位層、第1流路板、第2流路板、第3流路板、及外部電極；該第1和第2電偶部分單位層通過由含陽極催化劑層的陽極和含陰極催化劑層的陰極隔著電解質(zhì)膜而形成；該第1流路板形成有接觸于第1電偶部分單位群的陽極的、燃料流過的第1流路；該第2流路板在一方的面?zhèn)刃纬捎薪佑|于上述第1電偶部分單位群的陰極的、氧化劑流過的第2流路，同時在另一方的面?zhèn)刃纬捎薪佑|于上述第2電偶部分單位群的陰極的、氧化劑流過的第3流路；該第3流路板形成有以接觸于上述第2電偶部分單位群的陽極的方式配置的、燃料流過的第4流路；該外部電極用于與外部連接；上述第1～第3流路板由絕緣部件構(gòu)成，在上述第1～第3流路板形成有用于使上述第1和第2電偶部分單位群的陽極和陰極相互間或與上述外部電極導通的導電部分。
(5)具有第1和第2電偶部分單位群、第1流路板、第2流路板、第3流路板、及外部電極；該第1和第2電偶部分單位群通過由含陽極催化劑層的陽極和含陰極催化劑層的陰極隔著電解質(zhì)膜而形成；該第1流路板形成有接觸于第1電偶部分單位群的陰極的、氧化劑流過的第1流路；該第2流路板在一方的面?zhèn)刃纬捎薪佑|于上述第1電偶部分單位群的陽極的、燃料流過的第2流路，同時在另一方的面?zhèn)刃纬捎薪佑|于上述第2電偶部分單位群的陽極的、燃料流過的第3流路；該第3流路板形成有以接觸于上述第2電偶部分單位群的陰極的方式配置的、氧化劑流過的第4流路；該外部電極用于與外部連接；上述第1～第3流路板由絕緣部件構(gòu)成，在上述第1～第3流路板形成有用于使上述第1和第2電偶部分單位群的陽極和陰極相互間或與上述外部電極導通的導電部分。
(6)上述(4)或(5)所述的直接型燃料電池發(fā)電裝置的特征在于上述第1流路板具有上述流路按在上述流路板的平面方向折曲或蛇行的形狀形成的反應(yīng)流路和按上述第1流路板的厚度方向貫通的貫通流路。
(7)上述(4)或(5)所述的直接型燃料電池發(fā)電裝置的特征在于上述第1～第3流路板在流路內(nèi)形成有用于保持各流路的斷面形狀的加強部件。
(8)上述(7)所述的直接型燃料電池發(fā)電裝置的特征在于上述加強部件具有上述流路的斷面面積的50％以下的斷面積和0.2mm以上的厚度。
(9)上述(7)或(8)所述的直接型燃料電池發(fā)電裝置的特征在于上述加強部件形成上述導電部分的一部分。
(10)上述(4)或(5)所述的直接型燃料電池發(fā)電裝置的特征在于上述流路板在上述流路中的接觸于上述陽極電極或上述陰極電極的部分相互間具有形成為隧道狀的貫通部分，該貫通部分的出口或入口配置在從上述陽極電極或上述陰極電極的端部到上述陽極電極或陰極電極的內(nèi)側(cè)方向0.5mm以上1.0mm以內(nèi)的范圍。
(11)上述(4)或(5)所述的直接型燃料電池發(fā)電裝置的特征在于上述流路板在上述流路中的接觸于上述陽極電極或上述陰極電極的部分與上述流路的供給口或排出口之間具有形成為隧道狀的貫通部分，該貫通部分的出口或入口配置在從上述陽極電極或上述陰極電極的端部到上述陽極電極或陰極電極的內(nèi)側(cè)方向0.5mm以上1.0mm以內(nèi)的范圍。
(12)上述(4)或(5)所述的直接型燃料電池發(fā)電裝置的特征在于上述流路板通過粘合多個絕緣性樹脂部件而形成。
(13)上述(4)或(5)所述的直接型燃料電池發(fā)電裝置的特征在于上述絕緣部件由聚醚酰亞胺樹脂、聚酰亞胺樹脂、聚酰胺酰亞胺樹脂、聚砜樹脂、聚醚砜樹脂、三聚氰胺酚樹脂、硅酮樹脂、聚碳酸酯樹脂、耐熱乙烯基酯樹脂、雙酚F型環(huán)氧樹脂、酚線型酚醛清漆型環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、酞酸二烯丙酯樹脂、聚酰胺樹脂、聚對苯二甲酸丁二醇酯樹脂中的任一種或不同的多種樹脂部件的組合形成。
(14)上述(4)或(5)所述的直接型燃料電池發(fā)電裝置的特征在于在上述流路板上一體地形成有暫時儲存上述燃料或上述氧化劑的空間。
(15)至少具有2個設(shè)置了含陽極催化劑層的陽極、含陰極催化劑層的陰極、及配置于上述陽極與上述陰極間的電解質(zhì)膜的電偶部分單位；同時，還具有收容燃料的燃料容器和形成有用于將氧化劑或燃料供給上述電偶部分單位的流路的流路板；上述流路為從上述燃料容器經(jīng)由第1電偶部分單位和第2電偶部分單位再次返回到第1電偶部分單位的流路，具有不在其間進行分支的流路。


圖1為示出本發(fā)明第1實施形式的直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置的透視圖。
圖2為示出該直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置的要部的圖。
圖3為示出其流路板的第1變形例的底視圖。
圖4為示出直接型甲醇燃料電池的電偶部分單位的電流電壓特性與甲醇水溶液的初期濃度的關(guān)系的特性圖。
圖5為示意地示出燃料流路的分配方法的說明圖。
圖6為示出本發(fā)明第2實施形式的直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置的要部的圖。
圖7為示出流路板的變形例的平面圖。
圖8為示出流路板的變形例的平面圖。
圖9為示出流路板的變形例的平面圖。
圖10為示出流路板的變形例的圖。
圖11為示出直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置的電流電壓特性的結(jié)果的圖。
圖12為示出在實施例1的運行條件下測定電流電壓特性的結(jié)果的圖。
圖13為示出使用直列型流路的直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置的圖。
圖14為示出實施例1的運行條件下的、比較例1的電流電壓特性的圖。
圖15為示出使用并列型流路的直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置的圖。
圖16為示出實施例1的運行條件下的電流電壓特性的圖。
圖17為示出比較例3的發(fā)電試驗結(jié)果的圖。
圖18為示出本發(fā)明第3實施形式的直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置的側(cè)面圖。
圖19為示出直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置的圖，(a)為透視圖，(b)為橫斷面圖。
圖20為分解地示出該直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置的圖。
圖21為示出該直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置的電流電壓特性的圖。
圖22為示出形成組裝到具有4個電偶部分單位的直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置的直列型流路的流路板的圖。
圖23為示出與比較例4的疊層相關(guān)的實驗結(jié)果的圖。
圖24為作為比較例5示出形成組裝到具有4個電偶部分單位的直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置的并列型流路的流路板的圖。
圖25為作為比較例5示出形成組裝到具有4個電偶部分單位的直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置的并列型流路的流路板的圖。
圖26為示出在實施例3的運行條件下測定電流電壓獲得的結(jié)果的圖。
圖27為示出本發(fā)明第4實施形式的直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置的側(cè)面圖。
圖28為示出該直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置的流路板的平面圖。
圖29為示出在實施例3的運行條件下運行該直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置時的電流電壓特性的圖。
圖30為示出組裝到第5實施形式的直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置的第1～第3流路板的圖。
圖31為示出在實施例3的運行條件下運行該直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置時的電流電壓特性的圖。
圖32為示出本發(fā)明第6實施形式的直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置的圖，(a)為縱斷面圖，(b)為沿(a)的γ-γ線切斷后朝箭頭方向觀看的斷面圖。
圖33為示出組裝到該直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置的第1～第3流路板的圖。
圖34為示出在實施例3的運行條件下運行該直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置時的電流電壓特性的圖。
圖35為示出本發(fā)明第7實施形式的直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置的側(cè)面圖。
圖36為示出直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置的圖，(a)為透視圖，(b)為斷面圖。
圖37為示出組裝到該直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置的第1～第3流路板的圖。
圖38為示出在實施例3的運行條件下運行該直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置時的電流電壓特性的圖。
圖39為示出本發(fā)明第8實施形式的直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置的平面圖和要部斷面圖。
圖40為示出在實施例3的運行條件下運行該直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置時的電流電壓特性的圖。
圖41為示出組裝到本發(fā)明第9實施形式的直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置的流路板的平面圖和要部斷面圖。
圖42為比較該直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置的電流電壓特性的圖。
圖43為示出組裝到本發(fā)明第10實施形式的直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置的流路板的平面圖和要部斷面圖。
圖44為示出組裝到本發(fā)明第11實施形式的直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置的流路板的圖。
圖45為示出在實施例9的運行條件下運行該直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置時的電流電壓特性的圖。
圖46為示出在實施例9的運行條件下運行該直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置時的電流電壓特性的圖。
圖47為示出組裝到本發(fā)明第12實施形式的直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置的流路板的圖。
圖48為示出組裝到本發(fā)明第13實施形式的直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置的流路板的平面圖和要部斷面圖。
圖49為示出貫通部分形成前的流路板的圖。
圖50為示出貫通部分形成工序的斷面圖。
圖51為示出在邊界壁設(shè)置貫通部分的流路板的變形例的平面圖。
圖52為示出在邊界壁設(shè)置貫通部分的流路板的變形例的平面圖。
圖53為示出組裝到本發(fā)明第14實施形式的直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置的流路板的圖。
圖54為示出組裝到本發(fā)明第15實施形式的直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置的形成貫通部分的流路板的圖。
圖55為示出該直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置的電流電壓特性的圖。
圖56為示出本發(fā)明第16實施形式的直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置的圖，(a)為縱斷面圖，(b)為橫斷面圖。
圖57為圖56的δ1-δ1～δ5-δ5的斷面圖。
圖58為示意地示出一般的電偶部分單位的構(gòu)成的說明圖。
具體實施例方式
(第1實施形式)圖1為示出本發(fā)明第1實施形式的具有電偶部分單位的直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置100的透視圖。圖2(a)～(c)為示出該直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置100的要部的圖，(a)為位于圖中上側(cè)的絕緣性流路板101的上面圖，(b)為位于圖中上側(cè)的絕緣性流路板101的底面圖，(c)為按(a)、(b)中的α1-α1線的位置切斷直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置100朝箭頭方向觀看到的斷面圖，(d)為按(a)、(b)中的α2-α2線的位置切斷直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置100朝箭頭方向觀看到的斷面圖。
圖2中的符號101為絕緣性流路板(燃料側(cè))，符號102為絕緣性流路板(氧化劑側(cè))，符號103為燃料流路，符號104為燃料流路供給口，符號105為燃料流路排出口，符號106為流路背面的流路蓋體，符號107為樹脂性密封材料，符號108a、108b為電偶部分單位，符號109為空氣流路，符號110為流路不面向電偶部分單位108a、108b地朝流路蓋體106側(cè)折曲的流路部分，符號111示出電流引出用金屬制薄膜。另外，電偶部分單位108a、108b采用上述圖58所示構(gòu)造。圖2中的103a～103h示出燃料流路103中的各區(qū)域。
在該發(fā)電部分要部的燃料流路供給口104通過燃料泵(未圖示)連接到燃料供給單元，進行燃料供給。另外，在空氣流路109連接用于供給空氣等氧化劑的空氣泵(未圖示)，另外，在電流引出用金屬制薄膜111連接電極端子(圖中未示出)，構(gòu)成燃料電池發(fā)電裝置。供給空氣的空氣流路109的形狀與已有的并列型流路相同(參照圖15)。
在這樣構(gòu)成的直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置中，如以下那樣進行發(fā)電。即，從燃料供給單元供給的甲醇水溶液等燃料從燃料流路供給口104供給。接著，燃料依次通過與電偶部分單位108a相向的燃料流路103的區(qū)域103a、103b、103c，然后，按區(qū)域103d、103e、103f、103g的順序通過與電偶部分單位108b相向的燃料流路103，然后，經(jīng)由與電偶部分單位108a相向的區(qū)域103h從燃料流路排出口105排出到系外。燃料這樣通過區(qū)域103a、103b、103c、103h期間，將燃料供給到電偶部分單位108a的陽極電極基板，在通過區(qū)域103d、103e、103f、103g期間，將燃料供給電偶部分單位108b。
在這樣的本實施形式的直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置中，在將燃料供給第1電偶部分單位108a和第2電偶部分單位108b的燃料流路103中，不形成燃料流路103的分支，從第1電偶部分單位108a通過第2電偶部分單位108b的燃料流路103再次將燃料供給第1電偶部分單位108a地循環(huán)。另外，在多個電偶部分單位108a、108b中使燃料供給量大體相等地調(diào)整燃料流路103與電偶部分單位108a、108b的發(fā)電元件的接觸面積，從而可改善發(fā)電輸出的穩(wěn)定性。
圖3(a)為上述流路板101的第1變形例的流路板131的底面圖。圖3(a)中的符號131為流路板，符號132為配置電偶部分單位108的電極部分的部分，符號133和134為燃料流路135的供給口或排出口，符號135為燃料流路。在這些流路形狀中，相對第1電偶部分單位的電極部分進行燃料的供給后，對其它電偶部分單位的電極部分進行供給，此后，不進行燃料流路的分支地再次對第1或其它的電偶部分單位進行供給。在本變形例中，也可獲得與上述直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置100同樣的效果。
圖3(b)為流路板101的第2變形例的流路板141的底面圖。圖3(b)中的符號141為流路板，符號142為配置了電偶部分單位108的電極部分的部分，符號143和144為燃料流路145的供給口或排出口，符號145為燃料流路。在這些流路形狀中，相對第1電偶部分單位的電極部分進行燃料的供給后，對其它電偶部分單位的電極部分進行供給，此后，不進行燃料流路的分支地再次對第1或其它的電偶部分單位進行供給。在本變形例中，也可獲得與上述直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置100同樣的效果。
在上述第1實施形式中，由于對電偶部分單位的燃料供給量與在電偶部分單位的電流密度同等，所以，可根據(jù)重量保存法則如式(3)那樣描述。
(數(shù)3)ddZ(ρ·μ)=-50JS6FS0L0-------(3)]]>其中，式(3)的Z為燃料流路中的與流路供給口的距離(cm)，S為電偶部分單位的面積(cm2)，Lo為有效的燃料流路的全長(cm)，So為流路的斷面積(cm2)，J為電流密度(A/cm2)，ρ為位置Z的燃料密度(g/cm3)，ρo為初期的燃料密度(g/cm3)，u為燃料流路內(nèi)的燃料的流速(cm/sec)，F(xiàn)為法拉第常數(shù)，設(shè)為96487C/mol，甲醇的分子量為32，水的分子量為18，每1反應(yīng)獲得的電子數(shù)為6。式(3)的解由式(4)提供。
(數(shù)4)ρ=ρ0-25JS3FS0L0·Zμ----(4)]]>式(4)中的燃料濃度由后述的式(5)與甲醇水溶液燃料的摩爾濃度C(mol/l)相關(guān)聯(lián)，最終導出式(6)。其中，將未稀釋的甲醇的密度設(shè)為0.8g/cm3。
(數(shù)5)ρ=I-C125-----(5)]]>C=C0-3125JS3FS0L0·Zμ--------(6)]]>圖4為示出直接型甲醇燃料電池的電偶部分單位的電流電壓特性與甲醇水溶液的初期濃度的關(guān)系的特性圖。作為測定時的條件，為溫度70℃，甲醇水溶液燃料的流速0.07cm/min，供給空氣流速11cm/min，使用燃料流路的長度或燃料濃度的變化可忽略的面積的電偶部分單位。根據(jù)該圖4所示電流電壓特性的燃料濃度相關(guān)性，在燃料濃度的差異在10％以內(nèi)的范圍時，可知，為極限負荷電流密度的50±10％的負荷電流值下的電壓值的不同可忽略，但由式(6)可知，與流路供給口的距離的變化與燃料濃度的變化量ΔC＝Co-C為相同的值，即，可以認為，即使一定的燃料濃度電偶部分單位的流路長變化10％，極限負荷電流密度的50±10％的負荷電流值下的電壓值的不同也可忽略。
另外，為了由盡可能少的燃料長時間驅(qū)動燃料電池發(fā)電裝置，需要提高供給的燃料具有的電量中可取出到外部電路的發(fā)電量的比例即燃料利用效率。然而，由式(6)可以看出，燃料流路中的燃料濃度的減少與距流路供給口的距離成比例，從燃料供給口到排出口的燃料利用效率越高，則位于燃料流路后半的電偶部分單位的輸出顯著下降。即，這是由于燃料流路后半部分的燃料的濃度明顯減少(10％以上)與極限負荷電流密度的減少相關(guān)。因此，需要努力減小供給所有電偶部分單位的燃料的濃度差，如使用后述的燃料流路分配到電極部分的方法，則可在電偶部分單位間接近供給到各電偶部分單位的燃料濃度的平均值。
圖5(a)、(b)為示意地示出由式(2)定義的燃料流路的分配方法的說明圖。圖5(c)將在后面說明。在圖5(a)、(b)中，符號151為電偶部分單位，符號152為分割的有效流路區(qū)域，符號153為無效的流路區(qū)域，符號154為分割的電偶部分單位的區(qū)域，符號155為燃料流路的燃料供給口，符號156為燃料流路的燃料排出口。圖5(a)為示出br，m相對分割的有效流路區(qū)域的對應(yīng)關(guān)系。
在圖5(a)、(b)中，流路寬度在所有場所都相同，n為流路供給燃料的電偶部分單位的數(shù)量，m為其中任意的電偶部分單位。s為通過各電偶部分單位的次數(shù)，在所有電偶部分單位采用相等的值。即，燃料流路在各電偶部分單位分割成s個區(qū)域，整體上分割成ns(＝h)個區(qū)域。在將燃料供給燃料流路的場合，圖中ns個電極部分的區(qū)域全部為陽極電極。在形成空氣流路代替燃料流路的場合，供給空氣(氧化劑)，在該場合，ns個的電極部分的區(qū)域全部為陰極電極。
數(shù)列br，m為1以上h以下的自然數(shù)，示出相對分割成h個的區(qū)域如圖5(a)所示那樣分配的編號。在圖5(a)中，燃料流路經(jīng)由第1區(qū)域b1，1后，經(jīng)由第2區(qū)域b1，2，再經(jīng)由第3區(qū)域b1，3，將此反復進行到第n區(qū)域。此后，經(jīng)由最后經(jīng)由的第n電偶部分單位的另一區(qū)域b2，n，將該處作為起點，按相反順序經(jīng)由各區(qū)域，返回到最初的電偶部分單位。在圖5(a)中，使其反復s/2次，因此，此場合中s為偶數(shù)。
另外，數(shù)列br，m表示滿足式(7)的遞推公式。一般該式(7)的解可寫成式(8)，所以，從將式(7)代入式(8)后獲得的式(9)，可導出上述式(2)。
(數(shù)6)br，m-br-1，m＝n+(-1)r-1(2m-n-1)～(7)br,m=b1,m+Σi=2l(bi,m-bi-1,m)-----(8)]]>(br,m)=b1,m+Σi=2r[n+(-1)i-1(2m-n+1)]-----(9)]]>如式(6)示出的那樣，燃料流路中的燃料濃度與到流路供給口的距離成比例地減少。因此，為了減小供給到各電偶部分單位的燃料濃度的差，減小通過各電偶部分單位的流路區(qū)域1～s的到流路供給口的平均距離的、對各電偶部分單位的差即可。因此，可根據(jù)式(10)定義由任意的電偶部分單位m(1≤m≤n)分割的流路區(qū)域r(1≤r≤s)的距燃料供給口的有效長度。
(數(shù)7)Zbr,m=Σi=1br,mLbr,m-----(10)]]>其中，Lbr，m為由電偶部分單位m分割的流路區(qū)域r的長度。另外，從流路供給到電偶部分單位m的有效的燃料濃度需要在通過電偶部分單位m的s個流路區(qū)域平均。因此，供給到該電偶部分單位m的有效的燃料濃度可考慮由關(guān)于s個流路區(qū)域?qū)⒂墒?10)定義的Zbr，m平均后的長度決定。由式(11)定義該電偶部分單位m與流路供給口的有效的長度Zm。
(數(shù)8)Zm=12Σi=1sZbi,m-----(11)]]>
另外，最理想的是將所有Lbr，m設(shè)計成相同長度，進行流路的分配。如設(shè)該設(shè)定成相同長度的Lbr，m為Le，則將式(10)代入到式(11)后獲得的式子可如下式(12)那樣改寫。
(數(shù)9)⟨Zm⟩=Le1sΣi=1sbi,m----(12)]]>其中，<Zm>表示所有Lbr，m為Le時的第m的電偶部分單位的Lbr，m的平均值。另外，當設(shè)將該<Zm>關(guān)于n個電偶部分單位平均后獲得的長度為<Z>時，<Z>由式(13)定義，當實際實施計算時，示出由式(14)提供。
(數(shù)10)⟨Z⟩=1nΣm=1n⟨Zm⟩-----(13)]]>⟨Z⟩=Lesn+12------(14)]]>另外，將在Le乘所有流路區(qū)域的數(shù)量sn(＝h)后獲得的長度設(shè)為有效的流路的全長、用Lo表示時，可如式(15)那樣表達Le。另外，由式(15)定義的<Z>可寫成式(16)。
(數(shù)11)Le=L0sn-----(15)]]>⟨Z⟩=L0(h+2)2h-----(16)]]>其中，所有電極單位m的距流路供給口的有效的長度的平均值<Zm>如滿足后述的式(17)的不等式，則如式(18)所示那樣，將相對任意的m、m′的<Zm>、<Zm′>的差控制到<Z>的10％以內(nèi)的差。因此，由上述討論可以得知，各電偶部分單位的濃度差也控制到供給n個電偶部分單位的燃料濃度的平均值的10％以內(nèi)。這意味著從所有電偶部分單位獲得的輸出大體相等，可提供穩(wěn)定的高輸出的燃料電池發(fā)電裝置。
(數(shù)12)|⟨Zm⟩-⟨Z⟩|≤120⟨Z⟩-----(17)]]>|⟨Zm⟩-⟨Zm'⟩|≤|⟨Zm⟩-⟨Z⟩|+|⟨Zm'⟩-⟨Z⟩|]]>≤120⟨Z⟩+120⟨Z⟩]]>=110⟨Z⟩-----(18)]]>下面，說明直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置的電偶部分單位的形成。按照公知的過程(R.Ramakumar et al.J.Power Sources 69(1997)75)形成陽極用催化劑(Pt∶Ru＝1∶1)承載碳黑和陰極用催化劑(Pt)承載碳黑。催化劑承載量相對碳100按重量比設(shè)陽極為30，陰極為15。
將全氟碳磺酸溶液(杜邦公司制造的Nafion溶液SE-20092)和離子交換水添加到在上述過程中形成的陽極用催化劑承載碳黑，使上述催化劑承載碳黑分散，調(diào)制成膏。在作為陽極集電體的進行過憎水處理的碳紙TGPH-120(E-TEK公司制)上涂覆550μm的膏，使其干燥，形成陽極催化劑層，從而獲得陽極電極。
將全氟碳磺酸溶液(杜邦公司制造的Nafion溶液SE-20092)和離子交換水添加到在上述過程中形成的陰極用催化劑承載碳黑，使上述催化劑承載碳黑分散，調(diào)制成膏。在作為陰極集電體的進行過憎水處理的碳紙TGPH-090(E-TEK公司制)上涂覆225μm的膏，使其干燥，形成陰極催化劑層，從而獲得陰極電極。
在陽極電極的陽極催化劑層與陰極電極的陰極催化劑層之間配置作為電解質(zhì)膜的市場上出售的全氟碳磺酸膜(杜邦公司制造的Nafion117)，通過對其實施熱壓(125℃，5分鐘，50kg/cm2)，從而接合電解質(zhì)膜和陰極電極，獲得電偶部分單位。電偶部分單位中的陽極催化劑層的斷面積為10cm2。另外，當切斷電偶部分、電子顯微鏡觀察斷面積時，陽極催化劑層的厚度L為105μm，陰極催化劑層的厚度為50μm。另外，由該電子顯微鏡觀察可確認陽極電極與陰極電極的接合狀態(tài)良好。
下面，說明形成的電偶部分單位的評價。將形成的電偶部分單位安裝到評價用分離器，在維持70℃的狀態(tài)下進行電流電壓特性的評價。但是，運行條件在甲醇水溶液流速0.01cm/min、空氣流速10cm/min、甲醇水溶液濃度0.5M、1.0M、1.25M、1.5M、1.75M、2.0M、2.5M的范圍測定。由此獲得與在圖4中獲得的電流電壓特性大體相同的結(jié)果。由同樣的評價方法形成100片確認了可獲得大體相同的電流電壓特性的斷面積10cm2的電偶部分單位，用于本發(fā)明的實施形式的實驗。
(第2實施形式)圖6為示出本發(fā)明第2實施形式的直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置200的圖，(a)為位于圖中上側(cè)的絕緣性流路板201的底面圖，(b)為按(a)中的β1-β1線的位置切斷直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置200朝箭頭方向觀看到的斷面圖，(c)為按(a)中的β2-β2線切斷直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置200朝箭頭方向觀看到的斷面圖。
圖6中的符號201為絕緣性流路板(燃料側(cè))，符號202為絕緣性流路板(氧化劑側(cè))，符號203為燃料流路，符號204為燃料流路供給口，符號205為燃料流路排出口，符號206為流路背面的流路蓋體，符號207為樹脂性密封材料，符號208a、208b為電偶部分單位，符號209為空氣流路，符號210為流路不面向電偶部分單位208a、208b地朝流路蓋體206側(cè)折曲的流路部分，符號211示出電流引出用金屬制薄膜。另外，電偶部分單位208a、208b采用上述圖58所示構(gòu)造。燃料流路203為交替地通過2個電偶部分單位208a、208b地構(gòu)成的例子(以下稱這樣的流路的構(gòu)成為“交替型流路”)。
在直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置200中，從燃料流路供給口204將燃料供給到系內(nèi)，將燃料交替地供給電偶部分單位208a和208b地形成燃料流路，從燃料流路排出口205排出。另一方面，氧化劑在空氣流路209中流通，在電偶部分單位表面進行發(fā)電。在該實施形式中，燃料流路203將燃料供給電偶部分單位208a后，將燃料供給到電偶部分單位208b，另外，返回到電偶部分單位208a，供給燃料。以下，一邊交替地將燃料供給到電偶部分單位208a與208b一邊從燃料流路排出口205排出。這樣，通過構(gòu)成燃料流路203，從而可將燃料大體均勻穩(wěn)定地供給到電偶部分單位208a和208b，所以，其輸出更穩(wěn)定。
在該實施形式中，為了使得容易滿足式(2)的條件，流路的折回次數(shù)s最好為偶數(shù)而且較大，在為奇數(shù)的場合，s越大則<Zm>和<Z>的差越小，所以，特別是最好為s≥5。
在上述2個實施形式中，示出電偶部分單位為2個的例子，但在具有3個以上的電偶部分單位的發(fā)電裝置中也可由同樣的手法改善發(fā)電輸出的穩(wěn)定性。
另外，圖7～圖10示出滿足式(2)的那樣的流路形狀的一例。這些圖中的符號271為流路板，符號272為配置電偶部分單位的電極部分的部分，符號273和274為流路的供給口或排出口，符號275為流路。在圖10(a)～(c)中，在流路板兩面各配置2個電偶部分單位，經(jīng)由貫通流路的兩面的流路的貫通口276相對兩面的電偶部分單位交替地供給燃料或氧化劑。
在各斷開的流路的距離相差較大的場合，也只要進行可滿足式(1)和式(2)的條件的那樣的流路的設(shè)計或分配即可，即使在流路寬度對各區(qū)域不同的場合，也可通過對各區(qū)域?qū)㈤L度與相對流路整體的流路寬度的平均值的比例相乘，從而進行換算、代用。例如，在將流路折回的部分配置到內(nèi)側(cè)而不是圖5(a)那樣的電極部分的范圍的外側(cè)的場合，也可如圖5(c)所示那樣劃分、分配流路。
另外，在用于單極型的流路板的那樣的、相對配置到流路板的兩面的電偶部分單位供給燃料或氧化劑的流路板中，也可如后述的實施例7等那樣發(fā)揮出記載于本實施形式的流路的構(gòu)造的效果。
(實施例1)
在上述直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置100中，進行了以下條件下的發(fā)電試驗。即，設(shè)甲醇水溶液燃料的初期濃度3mol/l，流路板溫度70℃，燃料流量為0.02cm/min，空氣流量為20cm/min。該條件在以后被稱為實施例1的運行條件。
圖11為示出直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置100的電流電壓特性的結(jié)果的圖。由該圖11可知，流路供給口側(cè)的電偶部分單位的極限負荷電流密度約為95mA/cm2，在流路排出口側(cè)的電偶部分單位觀測到為77mA/cm2。因此，在電串聯(lián)兩者的場合，實質(zhì)上獲得77mA/cm2的負荷電流，與后述的比較例1的已有的直列型流路的場合相比，確認了約10％的極限負荷電流密度的提高。這表明，流路板101與已有的直列型流路相比，燃料供給改善。
(實施例2)圖12示出在實施例1的運行條件下測定電流電壓特性的結(jié)果。由該圖12可知，流路供給口側(cè)的電偶部分單位1的極限負荷電流密度的值約為90mA/cm2，在流路排出口側(cè)的電偶部分單位2的值約為87mA/cm2。因此，在電串聯(lián)兩者的場合，實質(zhì)上獲得87mA/cm2的負荷電流，與后述的比較例1的已有的直列型流路的場合相比，確認了約24％的極限負荷電流密度的提高。另外，在本實施例和實施例1的流路板中，有效的分割的8個流路區(qū)域的長度全部相等，在本實施例中，為<Z1>-<Z2>＝0，滿足式(1)的條件，而在實施例1中，為<Z>-<Zm>＝1/5<Z>，不滿足條件。即，在實施例2使用的流路板滿足式(1)地設(shè)計，所以，可認為與在實施例1形成的流路板相比大幅度提高了極限負荷電流密度。
(比較例1)具有2個電偶部分單位，采用已有的直列型流路，如圖13(a)～(c)所示那樣構(gòu)成直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置。在圖13中，與圖6功能相同的部分采用相同符號，省略其詳細說明。
在本比較例1中，作為用于供給氧化劑的流路280使用并列流路。在實施例1的運行條件下進行比較例1的疊層部分的發(fā)電試驗，得到圖14所示電流電壓特性。如從圖14可看到的那樣，流路供給口側(cè)的電偶部分單位208a的極限負荷電流密度的值約為100mA/cm2，在流路排出口側(cè)的電偶部分單位208b，約為70mA/cm2。因此，在電串聯(lián)兩者的場合，不能獲得70mA/cm2的負荷電流。
(比較例2)具有2個電偶部分單位，采用已有的并列型流路，如圖15(a)～(c)所示那樣構(gòu)成直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置。在圖15中，與圖6功能相同的部分采用相同符號，省略其詳細說明。
在實施例1的運行條件下使該燃料電池發(fā)電裝置發(fā)電，得到圖16所示電流電壓特性。圖16示出作為電串聯(lián)2個電偶部分單位的電路采用75mA/cm2的負荷電流隨時間的變化。
另外，圖16還一并示出運行使用了實施例2的流路板的燃料電池發(fā)電裝置的場合的負荷電流特性。圖16的兩曲線的規(guī)則的細小變動由溫度控制器產(chǎn)生。從圖16可以看出，當使用已有的并列型流路時可看到燃料供給量相對2個電偶部分單位的偏移導致的輸出的不穩(wěn)定性，但使用在由實施例2形成的流路板的場合，可與運行時間無關(guān)地獲得穩(wěn)定的輸出。結(jié)果，在已有的并列型流路中，在配管的分支部分燃料未能均勻地流動，所以，未能獲得穩(wěn)定的輸出，但如采用本發(fā)明的流路板，則由于沒有配管的分支，所以，燃料供給或均勻地進行，所以，可獲得穩(wěn)定的輸出。
(比較例3)圖17為示出比較例3的發(fā)電試驗結(jié)果的圖。比較例3為與在實施例2中形成的流路板同樣的流路形狀，但形成通過電偶部分單位2側(cè)的有效的流路全長比通過電偶部分單位1側(cè)的有效的流路的全長短20％的流路，構(gòu)成具有2個電偶部分單位的直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置。
與實施例2的圖12比較可知，在兩電偶部分單位間的極限負荷電流密度的差異增大。這是由于通過2個電偶部分單位的有效的流路長度不同產(chǎn)生的結(jié)果，這是因為，即使使用從燃料流路供給到各電偶部分單位的平均的甲醇濃度相等的那樣的流路形狀，供給到各電偶部分單位的甲醇的絕對量也相差20％。因此，如在導出式(1)時也假定的那樣，為了使流路設(shè)計容易，由各電偶部分單位分割的流路區(qū)域的有效的長度應(yīng)相等地構(gòu)成。
如上述那樣按照本實施形式的直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置300，各電偶部分單位的輸出的偏差減少，而且可進行穩(wěn)定的燃料供給，可獲得穩(wěn)定的輸出。
(第3實施形式)圖18為示出本發(fā)明第3實施形式的直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置300的側(cè)面圖，圖19為示出直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置300的圖，(a)為透視圖，(b)為橫斷面圖，圖20(a)～(e)為分解地示出該直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置300的圖，還適當?shù)厥境鰯嗝鎴D。
直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置300由不銹鋼材料制造的厚板360、361夾住從圖18上方疊層第1流路板310、第1電偶部分層320、第2流路板330、第2電偶部分層340、第3流路板350的疊層體、用螺栓362緊固而形成。符號370～373示出金屬制端子，分別連接到后述的碳材311、351。另外，符號374示出銅線，使金屬制端子371與金屬制端子372導通。
第1流路板310由熱硬性環(huán)氧樹脂312將2個正方形的碳材311絕緣地一體成形。碳材311的面積和形狀與配置的后述的電偶部分單位相同。另外，在下面形成凹槽狀的燃料用的第1流路313。另外，形成燃料供給口314、燃料排出口315、氧化劑供給口316、氧化劑排出口317，分別連接管318a～318d。
第1電偶部分層320具有構(gòu)成電偶部分單位的2組電解質(zhì)膜321、夾住這些電解質(zhì)膜321地設(shè)置的含陽極催化劑層的陽極322和含陰極催化劑層的陰極323、及進一步將其夾住的硅酮橡膠樹脂制密封部件324。陽極322配置到圖中上側(cè)，陰極323配置到圖中下側(cè)。
硅酮橡膠樹脂制密封部件324為了防止燃料或氧化劑從流路或電偶部分單位的側(cè)面漏出，切開流路的供給口和排出口及電偶部分單位的電極部分而形成。硅酮橡膠樹脂制密封部件324的厚度比陽極電極322和陰極電極323的厚度大0.1mm，由其夾入電解質(zhì)膜321。
另外，并列地排列的陽極電極322相互或陰極電極323相互的間隔與第1流路板310的2個碳材311間的距離相同。
第2流路板330為雙極型的流路板，由熱硬性環(huán)氧樹脂332對2個正方形的碳材331進行絕緣地一體成形。碳材331的面積和形狀與配置的后述的電偶部分單位相同。另外，在上面形成凹槽狀的氧化劑用的第2流路333，在下面形成凹槽狀的燃料用的第3流路334。
在第2電偶部分層340設(shè)置2個電偶部分單位。第2電偶部分層340具有構(gòu)成電偶部分單位的2組電解質(zhì)膜341、夾住這些電解質(zhì)膜341地設(shè)置的含陽極催化劑層的陽極342和含陰極催化劑層的陰極343、及進一步將其夾住的硅酮橡膠樹脂制密封部件344。陽極342配置到圖中上側(cè)，陰極343配置到圖中下側(cè)。
硅酮橡膠樹脂制密封部件344為了防止燃料或氧化劑從流路或電偶部分單位的側(cè)面漏出，切開流路的供給口和排出口及電偶部分單位的電極部分而形成。硅酮橡膠樹脂制密封部件344的厚度比陽極電極342和陰極電極343的厚度大0.1mm，由其夾入電解質(zhì)膜341。
另外，并列地排列的陽極電極342相互或陰極電極343相互的間隔與第1流路板310的2個碳材311間的距離相同。
第3流路板350由熱硬性環(huán)氧樹脂352將2個正方形的碳材351絕緣地一體成形。碳材351的面積和形狀與配置的電偶部分單位相同。另外，在上面形成凹槽狀的氧化劑用的第4流路353。
從燃料泵(未圖示)輸送的燃料通過管318a供給到燃料供給口314，通過第1流路313與第3流路353，從燃料排出口315通過管318b排出到電池外。即，燃料供給到陽極電極322、324。另外，從空氣泵(未圖示)輸送的氧化劑通過管318c供給到氧化劑供給口316，通過第3流路334和第4流路353，從氧化劑排出口317通過管318d排出到電池外。即，氧化劑供給到陰極電極323、343。
(實施例3)在上述那樣的直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置300中，當供給燃料和氧化劑時，由于4個電偶部分單位成為電串聯(lián)，所以，可由電子負荷裝置從金屬制端子370、373獲得電輸出。使直徑0.1mm的金線接觸各電偶部分單位的陽極電極和陰極電極，引出到疊層的外側(cè)，對各電偶部分單位測定電壓。
直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置300的運行與實施例1的運行條件大體相同。但電偶部分單位的個數(shù)成為實施例1的2倍，氧化劑和燃料的供給量相應(yīng)地成為2倍。即，甲醇水溶液燃料的初期濃度3mol/l，流路板溫度70℃，燃料流量為0.04cm/min，空氣流量為40cm/min。該條件在以后被稱為實施例3的運行條件。
圖21為示出該直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置300的電流電壓特性的圖。由圖21可知，沿平面方向并列排列的電偶部分單位的輸出差小，與后述的比較例4和比較例5的已有的直列型流路和并列型流路相比進行均勻的燃料供給。
然而，在位于上下的電偶部分單位的組間，極限負荷電流密度的值產(chǎn)生大的差異。這可以認為是由于將疊層的燃料供給口和氧化劑供給口分支成2個配管，從而對上下的電偶部分單位的組進行燃料或氧化劑的供給，所以，燃料和氧化劑對上下電偶部分單位的組的供給不均勻。
(比較例4)圖22(a)～(c)為示出形成組裝到具有4個電偶部分單位的直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置的直列型流路的流路板390～392。流路板391為雙極型。在圖22中，與圖20功能相同的部分采用相同符號，省略其詳細說明。
在比較例4中，與從燃料供給口側(cè)的電偶部分單位獲得的極限負荷電流密度的值相比，在排出口側(cè)的電偶部分單位觀測到的極限負荷電流密度的值約下降30％左右。另外可以得知，關(guān)于上下電偶部分單位的組，極限負荷電流值產(chǎn)生大的差。該結(jié)果可以認為由于流路形狀采用了已有的直列型流路和在上下方向上使配管分支這2點而產(chǎn)生。
(比較例5)圖24和圖25為作為比較例5示出形成組裝到具有4個電偶部分單位的直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置的并列型流路的流路板393～395的圖。在這些圖中，與圖20功能相同的部分采用相同符號，省略其詳細說明。流路板394為雙極型。
由于流路形狀使用并列型，所以，與使配管分支相應(yīng)，流路板393～39的短邊方向的寬度稍變寬，同時，電偶部分單位的電解質(zhì)膜321、341和硅酮橡膠樹脂制的硅酮橡膠樹脂制密封部件324、344的寬度也同樣變寬。
圖26為關(guān)于這樣構(gòu)成的直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置示出在實施例3的運行條件下測定電流電壓獲得的結(jié)果的圖。由該圖可以看出，不僅電壓關(guān)于所有的電偶部分單位不穩(wěn)定，而且關(guān)于上下電偶部分單位的組也在極限負荷電流產(chǎn)生大的差異。該結(jié)果可以認為由于在已有的并列型流路中關(guān)于配管的分支部分未能進行均勻的燃料供給而產(chǎn)生。
如上述那樣，按照本實施形式的直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置300，各電偶部分單位的輸出偏差減小，而且可進行穩(wěn)定的燃料供給，獲得穩(wěn)定的輸出。
(第4實施形式)圖27為示出本發(fā)明第4實施形式的直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置400的側(cè)面圖，圖28為示出直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置400的流路板410、430、450的平面，還適當?shù)厥境鰯嗝鎴D。
直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置400由不銹鋼材料制造的厚板460、461夾住從圖27上方疊層第1流路板410、第1電偶部分層420、第2流路板430、第2電偶部分層440、第3流路板450的疊層體、用螺栓462緊固而形成。符號470～473示出金屬制端子。另外，符號474示出銅線，使金屬制端子470與金屬制端子472導通。
第1流路板410由丙烯樹脂形成，在其表面設(shè)置厚20μm、寬2mm的金帶411和412。另外，在下面形成凹槽狀的燃料用的第1流路413。另外，形成燃料供給口414、燃料排出口415、氧化劑供給口416、氧化劑排出口417，分別連接管418a～418d。
金帶411和412為了從各電偶部分單位取出電流而位于各電偶部分單位的大體中央而且成為與流路413的通流方向垂直的位置關(guān)系地配置到第1流路板410的上面·一方的側(cè)面·下面。上述金帶411和金帶412通過側(cè)面繞入到第1流路板410的背面和表面，可形成電偶部分單位相互的電串聯(lián)狀態(tài)。
也可使用其它導電部件代替金帶411和412。例如，最好為鉑、釕、銠、銥等材料，在使用賤金屬作基體材料的場合，由約10μm厚的上述貴金屬覆蓋到鈦等上從而替代使用。
第1電偶部分層420與上述直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置300的第1電偶部分層320同樣地構(gòu)成，所以，省略詳細的說明。
第2流路板430為雙極型的流路板，由丙稀樹脂形成，在其表面設(shè)置厚20μm、寬2mm的金帶431和432。另外，在上面形成凹槽狀的氧化劑用的第2流路433，在下面形成凹槽狀的燃料用的第3流路434。
金帶431和432為了從各電偶部分單位取出電流而位于各電偶部分單位的大體中央而且成為與流路433、434的通流方向垂直的位置關(guān)系地配置到第2流路板430的上面·一方的側(cè)面·下面。即，金帶431和金帶432通過側(cè)面繞入到第2流路板430的背面和表面，可形成電偶部分單位相互的電串聯(lián)狀態(tài)。
第2電偶部分層440與上述直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置300的第2電偶部分層340同樣地構(gòu)成，所以，省略詳細的說明。
第3流路板450由丙稀樹脂形成，在其表面設(shè)置厚20μm、寬2mm的金帶451和452。另外，在上面形成凹槽狀燃料用的第4流路453。上述金帶451和452通過側(cè)面繞入到第3流路板450的背面和表面，可形成電偶部分單位相互的電串聯(lián)狀態(tài)。
在這樣構(gòu)成的直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置400中，與上述直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置300同樣供給和排出燃料和氧化劑。另外，由于4個電偶部分單位成為電串聯(lián)，所以，由電子負荷裝置從金屬制端子470、473獲得電輸出。
(實施例4)圖29為示出在實施例3的運行條件下運行該直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置400時的電流電壓特性的圖。如圖29所示，在實施例4中，與后述的實施例5和實施例6的使用已有的直列型流路和并列型流路的場合相比，可獲得穩(wěn)定的輸出。該結(jié)果表示可進行均勻的燃料供給。
已經(jīng)驗證，電流電壓特性的結(jié)果與關(guān)于由碳材料形成相同流路構(gòu)造的疊層部分進行測定的實施例3的實驗結(jié)果(圖21)同等，使導電部件接觸于電偶部分的極小一部分，即可進行絲毫不比使用碳材差的發(fā)電運行。這證明，為了從電偶部分單位引出電輸出而由導電部分接觸電極的部分不一定非要為電極整個面盡可能寬的范圍，即，由絕緣性的部件形成流路板本身，僅在一部分配置導電性的部件即可充分地取出電流，表示可足以適用到不需要大的電流下的輸出的小型攜帶用電子設(shè)備用燃料等所用的電池發(fā)電裝置。
另外，如過去的疊層構(gòu)造那樣，在與絕緣性樹脂一體成形碳材、形成流路板的場合，可考慮在碳部件與絕緣性樹脂一體化的狀態(tài)下由部件間的偏移或硬度的不同導致流路的間隙產(chǎn)生。另外，在將可由面向大批量生產(chǎn)的那樣的模具成形的那樣的碳-樹脂復合材料用作導電部分的場合，必須考慮熱膨脹率和變形溫度等與周圍的絕緣性樹脂部件的不同，即使在一體成形后由切削形成流路的場合，在一部分也包含碳材，因此，需要使用高硬度的工具。
然而，在僅由不包含碳材的樹脂形成雙極型的流路板的場合，由過去進行的注塑成形的僅1次的工序形成即可。另外，按照疊層方向的電串聯(lián)構(gòu)造進行的配線的簡化這樣的雙極型的流路板的優(yōu)勢在薄型化變得重要的攜帶型電氣設(shè)備用燃料電池的場合減小，而用于獲得在同一平面方向上排列電偶部分單位所用的流路板相互的絕緣的手段的開發(fā)變得重要。在這一點，如使用本實施形式的流路板，則不需要形成將導電性部分和使其相互絕緣的絕緣部分一體成形的復雜的流路板，可進一步實現(xiàn)通過使用樹脂得到的成形性的容易性即容易的薄型化。
如上述那樣，按照本實施形式的直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置400，各電偶部分單位的輸出偏差減小，而且可進行穩(wěn)定的燃料供給，獲得穩(wěn)定的輸出。
(第5實施形式)圖30為示出形成組裝到本發(fā)明第5實施形式的直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置500(未圖示)的第1～第3流路板510、530、550的圖。各流路板的材料采用作為絕緣性樹脂的丙稀樹脂。使用具有與比較例4的場合相同形狀的已有的直列型流路的雙極型的流路板510、530、550構(gòu)成。圖中511、512、531、532、551、552示出與實施例4同樣地配置的金帶，符號513、533、534、553示出流路。
(實施例5)圖31為示出在實施例3的運行條件下運行該直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置500時的電流電壓特性的圖。在實施例5中，獲得了與比較例4同樣的輸出特性。即，已驗證，由絕緣性的部件形成流路板510、530、550，僅在電偶部分單位的極小一部分接觸導電部件，也可進行絲毫不比使用碳材差的發(fā)電運行。
但是，與燃料供給口側(cè)的電偶部分單位的極限負荷電流密度的值相比，在排出口側(cè)的電偶部分單位的極限負荷電流密度的值約下降30％左右。在與比較例4的疊層相關(guān)的實驗結(jié)果(參照圖23)中也觀測到，可以認為不是流路板的材料的問題，反映了流路構(gòu)造。
如上述那樣，按照本實施形式的直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置500，各電偶部分單位的輸出偏差減小，而且可進行穩(wěn)定的燃料供給，獲得穩(wěn)定的輸出。
(第6實施形式)
圖32為示出本發(fā)明第6實施形式的直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置600的圖，(a)為縱斷面圖，(b)為由(a)的γ-γ線切斷后沿箭頭方向觀看的斷面圖，圖33(a)～(c)為示出組裝到該直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置600的第1～第3流路板610、630、650的圖。
直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置600通過從圖32上方疊層第1流路板610、第1電偶部分層620、第2流路板630、第2電偶部分層640、第3流路板650的疊層體而形成。
作為流路板的部件采用作為絕緣性樹脂的丙稀樹脂，流路為與比較例5的場合相同形狀的并列型，使用條狀的流路板。導電部件的配置方法與實施例4同樣地進行。
各流路板的材料采用作為絕緣性樹脂的丙稀樹脂，使用具有與比較例4的場合相同形狀的已有的直列型流路的雙極型的流路板610、630、650構(gòu)成。圖中611、612、631、632、651、652示出金帶，符號613、633、634、653示出流路。金帶611、612、631、632、651、652沿流路板610、630、650的長邊配置。
第1電偶部分層620與上述直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置300的第1電偶部分層320同樣地構(gòu)成，所以，省略詳細的說明。第2電偶部分層640與上述直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置300的第2電偶部分層340同樣地構(gòu)成，所以，省略詳細的說明。
(實施例6)圖34為示出在實施例3的運行條件下運行該直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置600時的電流電壓特性的圖。由圖34可以看出，可獲得與比較例5同樣的輸出特性。即，已驗證，由絕緣性的樹脂材料形成流路，僅在電偶部分的極小一部分接觸導電部件，也可進行絲毫不比使用碳材差的發(fā)電運行。
但是，與在比較例2和比較例5所示的場合相同，可看到相對配置到同一平面上的2個電偶部分單位的燃料供給量的偏差導致的輸出的不穩(wěn)定性。該結(jié)果為反映了流路構(gòu)造的結(jié)果，可以認為不是因為使用丙烯材料產(chǎn)生的結(jié)果。
如上述那樣，按照本實施形式的直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置600，各電偶部分單位的輸出偏差減小，而且可進行穩(wěn)定的燃料供給，獲得穩(wěn)定的輸出。
(第7實施形式)圖35為示出本發(fā)明第7實施形式的直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置700的圖，圖36為示出直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置700的圖，(a)為透視圖，(b)為斷面圖，圖37(a)～(c)為示出組裝到該直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置700的第1～第3流路板710、730、750的圖。
將作為絕緣性樹脂的丙稀樹脂作為材料，使用具有交替型的流路形狀的單極型的流路板。直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置700由不銹鋼材料制造的厚板760、761夾住從圖36上方疊層第1流路板710、第1電偶部分層720、第2流路板730、第2電偶部分層740、第3流路板750的疊層體、用螺栓762緊固而形成。符號770a～770h示出金屬制端子。
第1流路板710具有金帶711、712。在下面形成凹槽狀的燃料用的第1流路713。另外，形成燃料供給口714、燃料排出口715、氧化劑供給口716、氧化劑排出口717，分別連接管718a～718d。
第1電偶部分層720與上述直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置700的第1電偶部分層320同樣地構(gòu)成，所以，省略詳細說明。
第2流路板730為單極型的流路板，由丙烯材料形成。在上面形成凹槽狀的氧化劑用的第2流路733，在下面形成凹槽狀的燃料用的第3流路734。
另外，第2電偶部分層740與上述直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置700的第2電偶部分層740同樣地構(gòu)成，所以，省略詳細說明。
第3流路板750具有金帶751、752。在上面形成凹槽狀的氧化劑用的第4流路753。
另外，符號771a～771e表示銅線，銅線771a使金屬制端子770a、770b相互間導通，銅線771b使金屬制端子770c、770e相互間導通，銅線771c使金屬制端子770d、770f相互間導通，銅線771d使金屬制端子770g、770i相互間導通，銅線771e使金屬制端子770h、770j相互間導通。
從燃料泵(未圖示)輸送的燃料通過管718a供給到燃料供給口714，通過第1流路713與第3流路753，從燃料排出口715通過管718b排出到電池外。即，燃料供給到陽極電極722、724。另外，從空氣泵(未圖示)輸送的氧化劑通過管718c供給到氧化劑供給口716，通過第3流路734和第4流路753，從氧化劑排出口717通過管718d排出到電池外。即，氧化劑供給到陰極電極723、743。
圖中符號711、712、751、752為金帶，符號713、733、734、753示出流路。另外，形成燃料供給口714、燃料排出口715、氧化劑供給口716、氧化劑排出口717，分別連接管718a～718d。
關(guān)于位于4個電偶部分間的單極型流路板，在背面和表面貫通流路板，從供給口將燃料供給流路。每1個電偶部分單位的流路的深度與實際例3的流路的深度相同地使單極型的板的厚度成為實施例3的流路的深度的2倍。
用于從各電偶部分單位引出電輸出的多帶711、712、751、752具有與實施例4同樣的厚度和寬度，但僅關(guān)于單極型流路板，為了在背面和表面形成為絕緣狀態(tài)而不轉(zhuǎn)入到流路板的表面和背面。另外，為了進行單極型流路板的4個金帶間的電配線，如圖35所示那樣，疊層形成時在流路板端部將直徑0.1mm的金線771a～771e插入到金帶711、712、751、752與硅酮橡膠樹脂制密封材料之間。
電偶部分單位使陽極電極朝著第2流路板730地設(shè)置，將燃料供給陽極電極接觸的流路地將燃料供給管718a，從管718c供給氧化劑。另外，利用電連接各電偶部分單位間的金線測定各電偶部分單位的電壓。
(實施例7)圖38為示出在實施例3的運行條件下運行該直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置600時的電流電壓特性的圖。與實施例2、3和實施例4同樣，確認良好地反映出交替型流路的效果。另外，配置于單極型的流路板730的背面和表面的電偶部分單位間的輸出差與實施例3和實施例4相比非常小。這可以認為是在實施例3和實施例4的場合由分支的2個流路將燃料供給2個電偶部分單位的組，而在實施例7中，由不分支的1個流路相對4個電偶部分單位進行燃料供給，從而加以改善。即，在第2流路板730中也證實了交替型的流路有效，確認了其適當性。
根據(jù)本實施例和后述的實施例8、實施例11可以確認，在單極型的流路板730中，通過采用在流路板的兩面貫通的形狀的流路733，可使對于配置到流路板兩面的電偶部分單位的氧化劑或燃料的供給量大體均勻。該結(jié)果為示出本發(fā)明的權(quán)利要求4的正當性的結(jié)果。另外，可以得知，其流路形狀通過采用本實施例和后述的實施例8所示的交替型的流路所代表的那樣的彎曲蛇行那樣的形狀而不是并列型的形狀，可更穩(wěn)定地供給燃料和氧化劑。
即，通過使用本實施形式的流路板，可柔性地設(shè)計充分考慮了在流路中的壓力損失的下降導致的輔機負荷的負擔、發(fā)電時的生成物的滯留防止、燃料和氧化劑的供給和排出口位置等燃料電池發(fā)電裝置全體的運行效率。另外，已經(jīng)確認，通過采用具有交替型流路的流路板，在由本實施例所示那樣的多個任何的電偶部分單位中都可獲得均勻而穩(wěn)定的輸出。
如上述那樣，按照本實施形式的直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置700，各電偶部分單位的輸出偏差減小，而且可進行穩(wěn)定的燃料供給，獲得穩(wěn)定的輸出。
(第8實施形式)圖39為示出本發(fā)明第8實施形式的直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置800(未圖示)的平面圖和要部斷面圖，(a)為第1流路板810，(b)為第2流路板830，(c)為第3流路板850。
與實施例7同樣，流路板的部件采用作為絕緣性樹脂的丙稀樹脂，形成具有直列型流路的圖35那樣的單極型的流路板，構(gòu)成直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置。圖中811、812、831、832、851、852為金帶，符號813、833、853示出流路。
(實施例8)圖40為示出在實施例3的運行條件下運行該直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置800時的電流電壓特性的圖。從圖40可以看出，與比較例1、比較例4、及實施例5同樣，與燃料供給口側(cè)的電偶部分單位的極限負荷電流密度相比，排出口側(cè)的電偶部分單位的極限負荷電流密度約下降30％左右，但已經(jīng)確認，與實施例7同樣，配置于單極型的流路板的背面和表面的電偶部分單位間的2組之間的輸出差減小。
如上述那樣，按照本實施形式的直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置800，各電偶部分單位的輸出偏差減小，而且可進行穩(wěn)定的燃料供給，獲得穩(wěn)定的輸出。
(第9實施形式)圖41為示出組裝到本發(fā)明第9實施形式的直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置900(未圖示)的流路板930的平面圖和要部斷面圖。
使用作為絕緣性樹脂的丙稀樹脂形成單極型的流路板930。圖中符號933示出交替型的流路。另外，在流路933內(nèi)設(shè)置加強部件934。加強部件934具有流路深度的約75％的厚度。
(實施例9)圖42為比較分別在70℃下按75mA/cm2的負荷電流連續(xù)運行上述直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置900和上述直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置700 1小時的場合的電流電壓特性的圖。從圖42可以確認，在直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置700中，存在不規(guī)則的電壓輸出的變動。為了找到原因，使硅酮橡膠樹脂的片作為位于單極的流路板上部的電偶部分單位的組的模型夾入到疊層，使單極型的流路板可視化。結(jié)果表明，疊層形成時來自流路板鉛直方向的緊固壓力和運行中的電偶部分單位的厚度方向的膨脹等使形成流路的櫛狀構(gòu)造部分較大地傾斜或稍扭轉(zhuǎn)，在供給燃料的單極型流路板的流路中產(chǎn)生的二氧化碳的氣泡使流路短路。由此可知，在流路的一部分的區(qū)域不規(guī)則地滯留二氧化碳的氣泡，從而在電偶部分單位的一部分的區(qū)域不規(guī)則地發(fā)生燃料的供給不足。
在直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置900中，如上述那樣，形成加強部件934，所以，可使圖42中看到的那樣的不規(guī)則的電壓輸出的變動振幅減少到采取對策前的50％左右。
(第10實施形式)圖43為示出組裝到本發(fā)明第10實施形式的直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置1000(未圖示)的流路板1030的平面圖和斷面圖。
使用作為絕緣性樹脂的丙稀樹脂形成單極型的流路板1030。圖中符號1033示出直列型的流路。另外，在流路1033內(nèi)設(shè)置加強部件1034。加強部件1034具有流路深度約75％的厚度。
(實施例10)在形成由實施例8采用的直列型流路的單極型的流路板也進行與實施例9同樣的發(fā)電運行試驗，另外，如圖43那樣由加強部件1030的形成進行與采取了櫛狀構(gòu)造部分的對策的流路板的比較。結(jié)果表明，與實施例9同樣，采取對策前出現(xiàn)的電壓的變動減少到采取對策前的約40％。
如上述那樣，按照本實施形式的直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置1000，各電偶部分單位的輸出偏差減小，而且可進行穩(wěn)定的燃料供給，獲得穩(wěn)定的輸出。
(第11實施形式)圖44為示出形成組裝到本發(fā)明第11實施形式的直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置1100(未圖示)的流路板的圖，示出第1～第3流路板1110、1130、1150。各流路板的材料采用作為絕緣性樹脂的丙稀樹脂。使用具有并列型流路的單極型的流路板1130。圖中1111、1112、1131、1132、1151、1152示出金帶，符號1113、1133、1153示出流路。另外，符號1134示出加強部件。
用于直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置600的那樣的并列型的流路由于不從流路板周圍支承櫛狀構(gòu)造部分，所以，不能如直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置700和直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置800那樣在貫通流路板的背面和表面的形狀下形成。在直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置1100中，通過設(shè)置加強部件1134，可由貫通流路板背在和表面的形狀形成流路。
(實施例11A)圖45為示出在實施例9(或?qū)嵤├?0)的運行條件下運行該直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置1100時的電流電壓特性的圖。由圖45可知，與實施例6同樣，雖然可看到相對配置到同一平面上的2個電偶部分單位的燃料供給量的偏差導致的輸出的不穩(wěn)定性，但與實施例7和實施例8同樣，可確認處于上下電偶部分單位的組間的輸出差減少。
另外，可以得知，與實施例9和實施例10同樣，可由形成于流路中的加強部件抑制緊固時和發(fā)電時的流路的偏移，防止流路間的短路和堵塞，另外，可以得知，在形成不具有外部集管的條型流路的場合，對防止分隔流路的流路內(nèi)的島狀的部分完全從流路板的周邊脫落非常有用。
(實施例11B)圖46為示出在實施例9或?qū)嵤├?0的運行條件下運行上述直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置1100時的電流電壓特性的圖。在實施例9中，當在70℃下按75mA/cm2的負荷電流連續(xù)進行1小時運行時，如圖42那樣，雖然減少了約50％的電壓輸出變動，但仍觀測到一些電壓輸出的變動。對此在可視化的狀態(tài)下進行相同條件的連續(xù)運行時發(fā)現(xiàn)，在流路中發(fā)生的二氧化碳的氣泡在加強部件中掛住滯留是電壓輸出的規(guī)則的變動的原因。
因此，按數(shù)級相對流路深度將在實施例9中采用的流路板的加強部件的厚度分段減薄，考察與電壓輸出的變動的相關(guān)性。
結(jié)果表明，通過相對流路的深度使加強部件的厚度在約50～40％以下，使電壓的變動急劇減小，另外，在流路的可視化運行中，也確認到當在相同程度的厚度以下時不發(fā)生由加強部件導致的1秒以上的二氧化碳的滯留。
另外還可以得知，該加強部件導致的二氧化碳的氣泡的滯留在加強部件的斷面相對流路斷面垂直時在某種程度上易于產(chǎn)生，為了使二氧化碳的氣泡的滯留減少，最好將與燃料或氧化劑進行的方向面相向的加強部件的斷面形狀形成為銳角。
如上述那樣，按照本實施形式的直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置1100，各電偶部分單位的輸出偏差減小，而且可進行穩(wěn)定的燃料供給，獲得穩(wěn)定的輸出。
(第12實施形式)圖47為示出組裝到本發(fā)明第12實施形式的直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置1200(未圖示)的流路板1230的圖。
流路板1230使金帶1231、1232緊密接觸加強部件1234，并由氰基丙烯酸酯系粘結(jié)劑緊密粘結(jié)。緊密粘結(jié)時，不由粘結(jié)劑覆蓋與電偶部分單位相接的金帶1231、1232的部位地將粘結(jié)劑僅涂覆到加強部件的部分。符號1233示出流路。
(實施例12)在使用上述實施例11B的單極型流路板的直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置1100中，當在70℃按75mA/cm2的電流密度連續(xù)進行1小時運行時，金帶1131、1132朝流路中央方向撓曲，確認到由該撓曲引起二氧化碳的氣泡的滯留。另外，還確認到，在反復進行上述運行數(shù)次后，由電偶部分單位的膨脹·收縮引起金帶1131、1132的斷裂。
(實施例13)在直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置1200中，即使在數(shù)十次反復進行70℃、75mA/cm2的負荷電流下連續(xù)1小時的運行的場合，也不發(fā)生金帶的變形和偏移，成功地防止了由導電部件的問題導致的電壓輸出的變動和輸出下降。
在由導電部件進行從電偶部分的集電的場合，必須在流路板平面方向使導電部件繞過，但從與電偶部分相接的狀況考慮，需要將貴金屬或在貴金屬涂覆后的賤金屬部件或電阻易于變高的碳作為導電部件。然而，導電部件的繞過越長，則在為貴金屬的場合成本越高，在為碳材的場合電阻變得不能忽視。即，導電部件需要按盡可能短的距離配置，如本實施例那樣，發(fā)生不得不橫斷流路的狀況。在這樣的場合，已經(jīng)確認，不僅可防止發(fā)電時的導電部件相互的短路等誤動作，而且還可避免不必要地由導電部件覆蓋電偶部分單位的表面。
如上述那樣，按照本實施形式的直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置1200，各電偶部分單位的輸出偏差減小，而且可進行穩(wěn)定的燃料供給，獲得穩(wěn)定的輸出。
(第13實施形式)圖48(a)、(b)為示出組裝到本發(fā)明第13實施形式的直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置1300(未圖示)的流路板1330的平面圖和斷面圖。圖49為貫通部分形成前的流路板，圖50(a)～(c)為示出貫通部分形成工序的斷面圖。
流路板1330具有交替型的流路1333，在流路內(nèi)部設(shè)置加強部件1334。如圖48(a)所示，在形成于同一電偶部分單位層的電偶部分單位相互間的不由陽極電極和陰極電極覆蓋的部分Q具有數(shù)mm左右。在該部分Q由于不進行反應(yīng)，所以，不需要使流路1333露出到流路板1330的表面。因此，在將邊界壁1335保留于流路板1330后，在邊界壁1335形成隧道狀的貫通部分1336。此時，從陽極電極或陰極電極的端部朝陽極或陰極電極的電極的內(nèi)側(cè)方向使貫通部分1336的出口或入口位于1.0mm的位置地形成。
貫通部分1336的形成方法如圖49和圖50(a)所示那樣，保持成為電偶部分單位相互間的邊界的邊界壁1335地形成流路1333。同時，形成供給口1333a、排出口1333b。然后，如圖49(b)那樣從邊界壁1335側(cè)面由鉆頭切削貫通孔，形成貫通部分1336。
(實施例13)
按照這樣構(gòu)成的直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置1300，可防止發(fā)生流路的閉塞和流路間的短路或燃料和氧化劑的漏出。即，在電偶部分單位中，在運行過程中電解質(zhì)膜膨潤，有時密封部件產(chǎn)生變形。為此，存在位于在同一電偶部分單位層內(nèi)相鄰的電偶部分單位相互間的流路的閉塞和相反電偶部分單位的端部橫過流路的線上的燃料或氧化劑的短路發(fā)生的危險。為此，可知產(chǎn)生輸出的下降。
另一方面，在使隧道狀構(gòu)造的入口和出口與陽極電極或陰極電極的端面對齊形成流路板時，通過形成于電極的斷面與硅酮橡膠樹脂密封部件的斷面的接觸部形成的間隙，產(chǎn)生在相鄰的流路間氧化劑和燃料短路的現(xiàn)象。
因此，最好隧道構(gòu)造的入口和出口位于陽極電極和陰極電極的內(nèi)側(cè)，但形成的位置在陽極電極或陰極電極的內(nèi)部方向越深則流路的與陰極電極相向的面積越小，發(fā)電效率變差。
因此，根據(jù)實驗，在入口和出口形成于內(nèi)側(cè)0.5mm的場合，在長時間的運行試驗后，由于電解質(zhì)膜和硅酮橡膠樹脂密封材料的伸縮，很少看到燃料和氧化劑的短路現(xiàn)象。另外，在形成于1mm內(nèi)部的場合，完全觀測不到問題。
由此可以得知，貫通部分的入口和出口最好在陽極電極和陰極電極的內(nèi)部方向位于約1.0mm，在采用不能忽視周圍1mm寬度的面積的燃料供給損失的那樣的小面積的陽極電極或陰極電極的場合，為了防止短路和泄漏，最好位于內(nèi)側(cè)約0.5mm。
關(guān)于交替流路的形狀，可以得出這樣的結(jié)論，即，為了更有效地發(fā)揮其特征，最好在并列地排列于同一平面上的多個電偶部分單位或電極間往復或跨過多次。然而，由結(jié)果可知，流路與使用硅系或聚四氟乙烯系的部件的密封材料相向的可能性增大，特別是形成在本實施例中所示那樣的流路的隧道狀的構(gòu)造對進一步發(fā)揮交替型流路的形狀的特征非常重要。
另外，可以得知，這樣的隧道狀構(gòu)造對位于流路板的供給口或排出口與電極之間的流路部分也有效。另外，這樣的隧道狀構(gòu)造適用于碳那樣的脆性部件從牢固性的觀點考慮并不現(xiàn)實，在使用上述的絕緣性樹脂的部件的場合，有效性顯著。
圖51、52為示出在在流路板設(shè)置邊界壁、在邊界壁設(shè)置貫通部分的變形例的平面圖。這些圖中符號1360為流路，符號1361、1362為供給口或排出口，符號1363為加強部件，符號1364為邊界壁，在內(nèi)部設(shè)置貫通部分(未圖示)，結(jié)合多個流路1360。另外，符號1370示出與陽極電極或陰極電極的流路板接觸的范圍。
如上述那樣按照本實施形式的直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置1300，各電偶部分單位的輸出偏差減小，而且可進行穩(wěn)定的燃料供給，獲得穩(wěn)定的輸出。
(第14實施形式)圖53為示出組裝到本發(fā)明第14實施形式的直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置1400的流路板的圖。
圖53(a)、(b)為示出具有貫通部分的流路板1400的圖。流路板1400示出通過粘合2個樹脂材料制的板狀部件1410、1420而形成時的一例，圖53(b)為通過粘合圖53(a)的2個板狀部件1410、1420而形成的流路板1400的完成圖。板狀部件1410具有部件本體1411，在該部件本體1411形成在組裝后成為流路板1400的各部分的部位。符號1412為用于形成排出口和供給口的孔部分形成部分，符號1413為邊界壁形成部分，符號1414為加強部分形成部分，符號1415為流路形成部分，符號1416為櫛狀構(gòu)造部分形成部分。
同樣，板狀部件1420具有部件本體1421，在該部件本體1421形成在組裝后成為流路板1400的各部分的部位。符號1422為用于形成排出口和供給口的孔部分形成部分，符號1423為邊界壁形成部分，符號1424為加強部分形成部分，符號1425為流路形成部分，符號1426為櫛狀構(gòu)造部分形成部分。
板狀部件1410、1420的流路形成部分1415、1425在粘合兩者時呈鏡像地形成。邊界壁形成部分1413的部分的厚度比部件本體1411的厚度薄，板狀部件1410、1420在粘合的面的相反側(cè)的面與板狀部件1410、1420的表面構(gòu)成同一平面地形成。流路形成部分1415的寬度按與流路形成部分1425相同的寬度形成，厚度在部件本體1411的厚度的一半以下，最好為強度足夠的厚度以上。
邊界壁形成部分1413雖然也可形成于板狀部件1410、1420雙方，但也可按雙方的厚度的合計的厚度僅形成于4601a或4601b中的任一方。但是，最好加強部分形成部分1414、1424的合計的厚度在部件本體1411、1421的厚度的合計的一半以下、0.2mm以上，在粘合的面?zhèn)瘸蔀橥槐砻娴匦纬?；在將加強部分形成部?414、1424形成于板狀部件1410、1420雙方的場合，最好在粘合板狀部件1410、1420的面構(gòu)成與板狀部件1410、1420的表面同一平面地形成。
在粘結(jié)這些板狀部件1410、1420、將其粘合時，考慮到耐藥性、耐熱性及耐水性，最好使用氰基丙烯酸酯和聚合物合金型的熱硬性樹脂的粘結(jié)劑，其次熱硬性環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑等也可相應(yīng)于板狀部件1410、1420的材質(zhì)和粘結(jié)劑的適合性及運行狀況選擇。另外，為了防止流路的閉塞，最好在板狀部件1410、1420的粘結(jié)面?zhèn)鹊淖畋砻婢鶆蚨冶M可能薄地涂覆粘結(jié)劑。
在具有貫通部分的流路板中，已確認在流路的閉塞和流路間的短路或燃料和氧化劑的漏出等被消除，但另一方面，由于貫通的孔的斷面為比流路深度小的直徑的圓的形狀，所以，可觀測到由實施例12和實施例13觀測到的那樣的二氧化碳的氣泡的滯留產(chǎn)生的明顯的電壓輸出的波動。二氧化碳的氣泡的滯留在至少10少以上、最長1小時的運行期間，確認到30分鐘以上由二氧化碳的氣泡產(chǎn)生的輸出的下降。這可認為是由于實施例13的流路板的貫通部分的斷面積狹小導致氣泡堵塞。
因此，需要增大貫通部分的斷面積，在如實施例13那樣形成流路板后使用鉆頭開設(shè)貫通孔的方法中，技術(shù)上存在困難。另外，可以認為，即使使用注塑成形，由于在成形前設(shè)置所期望斷面形狀的部件，在成形后拔取，所以，電偶部分單位的數(shù)量越多，流路的折回次數(shù)越增加，則用于形成貫通部分的工序和工作量越變得非常麻煩。
因此，按照本實施形式的流路板1400，通過由注塑成形形成的沒有貫通部分的最低2個1組的粘結(jié)，即可容易地形成具有牢固隧道構(gòu)造的流路板。另外，在相互粘結(jié)部件時，考慮到耐藥性、耐熱性及耐水性，最好使用氰基丙烯酸酯和聚合物合金型的熱硬性樹脂的粘結(jié)劑(實施例14)在將丙烯用于流路板部件如以上那樣形成、如圖46(c)那樣形成導電部件1430的單極型的流路板1400中，可容易地形成所期望的貫通部分。另外，在進行使用該流路板1400的流路的可視化下的1小時的連續(xù)發(fā)電運行中，氣泡的滯留即使長也在10秒以下，獲得了良好的發(fā)電狀態(tài)。
如上述那樣，按照組裝到本實施形式的直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置的流路板1400，各電偶部分單位的輸出偏差減小，而且可進行穩(wěn)定的燃料供給，獲得穩(wěn)定的輸出。
(第15實施形式)圖54(a)、(b)為示出組裝到本發(fā)明第15實施形式的直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置的形成貫通部分的流路板1500的圖。流路板1500示出通過粘合3個樹脂材料制的板狀部件1510、1520、1530而形成時的一例，圖53(b)為通過粘合圖53(a)的板狀部件1510～1530而形成的流路板1500的完成圖。
在進一步進行流路板的薄型化的場合，雖然有時形成隧道狀的構(gòu)造也變得困難，但與需要導電性的流路板的場合不同，可在流路板全面緊密接觸地具有不需要考慮腐蝕和極度的薄板的形成法的絕緣性的樹脂制薄膜。
圖54示出通過粘合3個樹脂材料制的板狀部件1510～1530形成隧道狀構(gòu)造的流路板時的一例，圖54(b)為通過粘合圖54(a)的3個部件形成的流路板1500的完成圖。
板狀部件1520具有在形成圖54(b)的流路板時成為流路的基部的作用，板狀部件1510、1530主要具有用于形成貫通部分的蓋的作用。圖中的符號1511、1521、1531為供給口形成部分或排出口形成部分，符號1512、1522、1532為流路形成部分，符號1523為流路加強部件，符號1514、1524、1534為貫通口形成部分，符號5151、1525、1535為櫛狀構(gòu)造形成部分，符號1536為形成貫通部分的邊界壁。
板狀部件1510、1530的厚度最好在板狀部件1520的厚度的一半以下、足夠強度的厚度以上，加強部件1523的厚度最好在完成的流路板的厚度的一半以下、0.2mm以上。
由粘接方式粘合這些板狀部件1510～1530的粘結(jié)劑和粘結(jié)方法與實施例14的場合同樣，可將粘結(jié)劑涂覆到板狀部件1520的兩面，也可將粘結(jié)劑涂覆到板狀部件1510、1530的粘結(jié)面?zhèn)取?br> 按照以上那樣的工序，成為流路板的基部的部件使用厚1.5mm的丙烯樹脂，成為蓋的部分使用厚約0.2mm的聚酰亞胺樹脂薄膜，形成流路板。
(實施例15A)在1小時的連續(xù)運行中，未見到數(shù)秒以上的二氧化碳的氣泡的滯留，可保持良好的發(fā)電狀態(tài)。
(實施例15B)由丙烯樹脂形成在實施例15A中采用的流路板，在70℃、75mA/cm2的負荷電流下的連續(xù)運行中，如圖55所示那樣，在約3小時左右逐漸發(fā)現(xiàn)輸出的下降，在6小時后基本上不能獲得輸出。當運行結(jié)束后將疊層解體時發(fā)現(xiàn)，溫度導致的部件的變形使甲醇水溶液燃料和空氣的供給完全不能正常進行。
因此，使用熱變形溫度為140～150℃的聚碳酸酯形成與實施例15相同形狀的流路板，在70℃、75mA/cm2的負荷電流下連續(xù)進行了運行，但如圖55所示那樣，在約200小時連續(xù)運行后發(fā)現(xiàn)10％左右的輸出下降。當疊層解體后確認流路板的狀況時發(fā)現(xiàn)，在流路板表面產(chǎn)生由電偶部分單位具有的碳紙產(chǎn)生的細小的凹凸，在流路板整體僅產(chǎn)生微小的變形。
另外，在具有更高熱變形溫度的聚醚酰亞胺樹脂和聚酰亞胺樹脂中，如圖55所示那樣，在300小時以上的連續(xù)運行中也僅觀測到5％左右的輸出下降。在疊層的解體后流路板的表面看不到任何損傷，另外，根據(jù)通常的碳制流路板的結(jié)果得知，約5％的輸出下降由電偶部分單位本身的輸出下降引起。
由以上結(jié)果可知，僅具有至少比運行溫度高100℃以上的高熱變形溫度的樹脂部件可形成能夠長期進行穩(wěn)定的運行的燃料電池用流路板。
作為用于此前所述的流路板的樹脂部件，需要足以承受進行發(fā)電的溫度。希望相對發(fā)電時的疊層和燃料的溫度可長期忽視看到的熱變形為一個原因，更為重要的是，在實際的發(fā)電運行時，電偶部分單位的陰極電極表面的溫度比疊層和燃料的溫度更高，根據(jù)燃料電池發(fā)電裝置的運行條件，有時比疊層內(nèi)部表面溫度上升100℃。這表示，如考慮流路板直接與電偶部件接觸，則必須使用具有在至少高100℃以上的點具有熱變形溫度的樹脂部件作為流路板。
因此，在燃料和疊層環(huán)境溫度為40～50℃的場合，首先最好將確實地在140℃以上的溫度下具有熱變形溫度的聚醚酰亞胺樹脂、聚酰亞胺樹脂、聚酰胺酰亞胺樹脂、聚砜樹脂、聚醚砜樹脂、三聚氰胺酚樹脂、硅酮樹脂作為理想的流路板用樹脂部件，次之，在接近室溫的燃料電池的運行條件下，最好適用聚碳酸酯樹脂、耐熱乙烯基酯樹脂、雙酚F型環(huán)氧樹脂、酚線型酚醛清漆型環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、酞酸二烯丙酯樹脂、聚酰胺樹脂、聚對苯二甲酸丁二醇酯樹脂等。另外，在此外的溫度下，最好將比疊層的表面溫度高100℃以上的樹脂部件用作流路板。
如上述那樣按照本實施形式的直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置1500，各電偶部分單位的輸出偏差減小，而且可進行穩(wěn)定的燃料供給，獲得穩(wěn)定的輸出。
(第16實施形式)圖56為示出本發(fā)明第16實施形式的直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置1600的圖，(a)為縱斷面圖，(b)為橫斷面圖，圖57(a)～(e)為圖56的δ1-δ1～δ5-δ5的斷面圖。
直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置1600如圖49那樣使流路板1622～1624與配管和燃料箱成一體地使用如后述那樣驗證了長期穩(wěn)定性的聚醚酰亞胺樹脂形成在實施例15中采用流路板。
直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置1600具有箱體1610、保持于該箱體1610的疊層部分1620、用于將燃料和氧化劑供給該疊層部分1620的供給部分1630、可相對箱體1610自由裝拆地設(shè)置的燃料和氧化劑的箱部分1650。
疊層部分1620在1個單極型的流路板1623的背面和表面配置沿水平排列2個電偶部分單位的電偶部分單位的組，將甲醇水溶液燃料供給該流路板1623。另外，單極型流路板1623和配置于4個電偶部分單位的上下的流路板1624、1624僅在配置電偶部分單位的面形成流路1622a、1624a，供給空氣。
在疊層部分的最表面配置具有絕熱材料的緊固板1621，由圖中未示出的緊固件進行采用包含于疊層的密封部件的密封。
在這樣構(gòu)成的直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置1600中，如以下那樣動作。即，由送氣泵1631送到疊層部分1610，通過形成于單極型流路板最外側(cè)的空氣供給用的供給路1632，在朝疊層進行方向貫通的部分1633分支成上下的流路板1622、1624的流路。通過電偶部分單位部分的空氣和水蒸汽再次在別的貫通口1634匯流到單極型流路板的最外部的排出路1635，流入到一時保持甲醇水溶液燃料的空間1636。
另一方面，甲醇水溶液燃料由送液用泵1641從空間1636輸送，通過燃料送液路1637，經(jīng)過疊層后，再次與二氧化碳一起流入到空間1636。在空間1636形成用于從高濃度甲醇盒1651由高濃度甲醇供給用泵1638供給高濃度甲醇的供給路1737。
(實施例16)在運行中，設(shè)甲醇水溶液燃料的初期濃度3mol/l，流路板溫度70℃，燃料流量為0.04cm/min，空氣流量為40cm/min。運行結(jié)果表明，疊層部分的溫度僅上升到50℃左右的溫度，但供給的空氣和甲醇水溶液燃料的泄漏完全觀測到，另外，在包含空間4907等的流路板4902等不能看到變形等，在該狀態(tài)下可連續(xù)運行300小時。
一般在燃料電池發(fā)電裝置將燃料容器、配管、疊層作為獨立的構(gòu)成要素處理，通過將泵等其它要素也包含在其內(nèi)地將其組合從而構(gòu)成整體。然而，在用于攜帶型電子設(shè)備用途的那樣的燃料電池發(fā)電裝置中，需要在構(gòu)造簡化的同時進一步使裝置薄型化。因此，關(guān)于內(nèi)包的疊層，最好大幅度地降低疊層數(shù)，相對與裝置的厚度垂直的方向使電偶部分單位的平面方向平行地并列配置電偶部分。這同時意味著需要對用于進行與疊層的燃料或氧化劑的供給和排出的配管也實施薄型化，另外，為了使流路板薄型化實施與流路板側(cè)面的配管也極端困難。另外，進行薄型化和保持裝置的牢固性也變得困難。燃料容器和配管最好由樹脂制成，另外，雖然這已足夠，但在必須進行裝置整體的薄型化的那樣的狀況下，當獨立地形成各構(gòu)成要素時，還必須充分考慮用于連接疊層的燃料或氧化劑的供給口或排出口與燃料容器和配管的構(gòu)造、用于提高整體的牢固性的構(gòu)造。
另一方面，在直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置1600中，可將配管和燃料容器的一部分形成為流路板的延長，即可通過由與流路板相同的樹脂部件進行的一體成形制作箱和配管，可同時獲得構(gòu)成部件數(shù)量的大幅度減少和一體化形成的燃料電池發(fā)電裝置的構(gòu)造的牢固性和容易性，大幅度提高生產(chǎn)率。在由以碳為主體的材質(zhì)和金屬形成流路板的場合非常困難，所以，流路板1622～1624的材料要求為樹脂材料。
如上述那樣按照本實施形式的直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置1600，各電偶部分單位的輸出偏差減小，而且可進行穩(wěn)定的燃料供給，獲得穩(wěn)定的輸出。
另外，在上述實施形式和實施例中，僅燃料流路形成為交替型，但空氣流路也可形成為交替型。另外，也可將燃料流路和空氣流路雙方都形成為交替型。
本發(fā)明不限于上述實施形式，可在實施階段不脫離該要旨的范圍將構(gòu)成要素變形使其具體化。另外，通過適當?shù)亟M合公開于上述實施形式的多個構(gòu)成要素，可形成各種發(fā)明。例如，也可從示于實施形式的所有構(gòu)成要素中減少幾個構(gòu)成要素。另外，也可適當組合屬于不同實施形式的構(gòu)成要素。
按照本發(fā)明，在由多個電偶部分單位構(gòu)成的直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置中，各電偶部分單位的輸出偏差減小，而且可進行穩(wěn)定的燃料供給，獲得穩(wěn)定的輸出。
權(quán)利要求
1.一種直接型液體燃料電池發(fā)電裝置，其特征在于具有電偶部分單位群、第1流路板、及第2流路板；該電偶部分單位群包括由含陽極催化劑層的陽極和含陰極催化劑層的陰極夾著電解質(zhì)膜而形成的多個電偶部分單位；該第1流路板形成有以接觸于這些電偶部分單位群的陽極的方式配置的、在其內(nèi)部流過燃料的第1流路；該第2流路板形成有以接觸于上述電偶部分單位群的陰極的方式配置的、在其內(nèi)部流過氧化劑的第2流路；上述第1流路從其入口到出口不分支地接觸于上述電偶部分單位群的所有陽極而通過，并且與至少1個電偶部分單位的陽極接觸多次地形成。
2.一種直接型液體燃料電池發(fā)電裝置，其特征在于具有電偶部分單位群、第1流路板、及第2流路板；該電偶部分單位群包括由含陽極催化劑層的陽極和含陰極催化劑層的陰極夾著電解質(zhì)膜而形成的多個電偶部分單位；該第1流路板形成有以接觸于這些電偶部分單位群的陰極的方式配置的、在其內(nèi)部流過氧化劑的第1流路；該第2流路板形成有以接觸于上述電偶部分單位群的陽極的方式配置的、在其內(nèi)部流過燃料的第2流路；上述第1流路從其入口到出口不分支地接觸于上述電偶部分單位群的所有陰極而通過，并且與至少1個電偶部分單位的陰極接觸多次地形成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的直接型液體燃料電池發(fā)電裝置，其特征在于當n為上述電偶部分單位群具有的電偶部分單位的數(shù)量，s為上述第1流路分別通過各電偶部分單位的次數(shù)，h為流路區(qū)域的數(shù)量，即n與s的積，br，m(1≤m≤n，1≤r≤s)為分配給上述流路區(qū)域的編號，為h以下的自然數(shù)，Zbr，m為各流路區(qū)域與流路供給口的距離，Lo為上述第1流路的有效長度時，滿足下式。(數(shù)1)0≤|L0(h+2)2h-1sΣi=1sZbi,m|≤120L0(h+2)2h--(1)]]>br,m=m+n(r-1)-(2m-n+1)1-(-1)r-12--(2)]]>
4.一種直接型液體燃料電池發(fā)電裝置，其特征在于具有第1和第2電偶部分單位群、第1流路板、第2流路板、第3流路板、及外部電極；該第1和第2電偶部分單位群通過由含陽極催化劑層的陽極和含陰極催化劑層的陰極夾著電解質(zhì)膜而形成；該第1流路板形成有以接觸于第1電偶部分單位群的陽極的、燃料流過的第1流路；該第2流路板在一方的面?zhèn)刃纬捎薪佑|于上述第1電偶部分單位群的陰極的、氧化劑流過的第2流路，同時在另一方的面?zhèn)刃纬捎薪佑|于上述第2電偶部分單位群的陰極的、氧化劑流過的第3流路；該第3流路板形成有以接觸于上述第2電偶部分單位群的陽極的方式配置的、燃料流過的第4流路；該外部電極用于與外部連接；上述第1～第3流路板由絕緣部件構(gòu)成，在上述第1～第3流路板形成有用于使上述第1和第2電偶部分單位群的陽極和陰極相互間或與上述外部電極導通的導電部分。
5.一種直接型液體燃料電池發(fā)電裝置，其特征在于具有第1和第2電偶部分單位群、第1流路板、第2流路板、第3流路板、及外部電極；該第1和第2電偶部分單位群通過由含陽極催化劑層的陽極和含陰極催化劑層的陰極夾著電解質(zhì)膜而形成；該第1流路板形成有接觸于第1電偶部分單位群的陰極的、氧化劑流過的第1流路；該第2流路板在一方的面?zhèn)刃纬捎薪佑|于上述第1電偶部分單位群的陽極的、燃料流過的第2流路，同時在另一方的面?zhèn)刃纬捎薪佑|于上述第2電偶部分單位群的陽極的、燃料流過的第3流路；該第3流路板形成有以接觸于上述第2電偶部分單位群的陰極的方式配置的、氧化劑流過的第4流路；該外部電極用于與外部連接；上述第1～第3流路板由絕緣部件構(gòu)成，在上述第1～第3流路板形成有用于使上述第1和第2電偶部分單位群的陽極和陰極相互間或與上述外部電極導通的導電部分。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的直接型液體燃料電池發(fā)電裝置，其特征在于上述第1流路板具有上述流路按在上述流路板的平面方向折曲或蛇行的形狀形成的反應(yīng)流路、以及按上述第1流路板的厚度方向貫通的貫通流路。
7.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的直接型液體燃料電池發(fā)電裝置，其特征在于上述第1～第3流路板在流路內(nèi)形成有用于保持各流路的斷面形狀的加強部件。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的直接型液體燃料電池發(fā)電裝置，其特征在于上述加強部件具有上述流路的截面面積的50％以下的截面積和0.2mm以上的厚度。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的直接型液體燃料電池發(fā)電裝置，其特征在于上述加強部件形成上述導電部分的一部分。
10.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的直接型液體燃料電池發(fā)電裝置，其特征在于上述流路板在上述流路中的接觸于上述陽極電極或上述陰極電極的部分相互間具有形成為隧道狀的貫通部分，該貫通部分的出口或入口配置在從上述陽極電極或上述陰極電極的端部到上述陽極電極或陰極電極的內(nèi)側(cè)方向0.5mm以上1.0mm以內(nèi)的范圍。
11.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的直接型液體燃料電池發(fā)電裝置，其特征在于上述流路板在上述流路中的接觸于上述陽極電極或上述陰極電極的部分與上述流路的供給口或排出口之間具有形成為隧道狀的貫通部分，該貫通部分的出口或入口配置在從上述陽極電極或上述陰極電極的端部到上述陽極電極或陰極電極的內(nèi)側(cè)方向0.5mm以上1.0mm以內(nèi)的范圍。
12.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的直接型液體燃料電池發(fā)電裝置，其特征在于上述流路板通過粘合多個絕緣性樹脂部件而形成。
13.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的直接型液體燃料電池發(fā)電裝置，其特征在于上述絕緣部件由聚醚酰亞胺樹脂、聚酰亞胺樹脂、聚酰胺酰亞胺樹脂、聚砜樹脂、聚醚砜樹脂、三聚氰胺酚樹脂、硅酮樹脂、聚碳酸酯樹脂、耐熱乙烯基酯樹脂、雙酚F型環(huán)氧樹脂、酚線型酚醛清漆型環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、酞酸二烯丙酯樹脂、聚酰胺樹脂、聚對苯二甲酸丁二醇酯樹脂中的任一種或不同的多種樹脂部件的組合形成。
14.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的直接型液體燃料電池發(fā)電裝置，其特征在于在上述流路板上一體地形成有暫時儲存上述燃料或上述氧化劑的空間。
15.一種直接型液體燃料電池發(fā)電裝置，其特征在于至少具有2個設(shè)置了含陽極催化劑層的陽極、含陰極催化劑層的陰極、及配置于上述陽極與上述陰極間的電解質(zhì)膜的電偶部分單位；同時，還具有收容燃料的燃料容器和形成有用于將氧化劑或燃料供給上述電偶部分單位的流路的流路板；上述流路為從上述燃料容器經(jīng)由第1電偶部分單位和第2電偶部分單位再次返回到第1電偶部分單位的流路，具有不在其間進行分支的流路。
全文摘要
提供了一種直接型燃料電池發(fā)電裝置。由多個電偶部分構(gòu)成的直接型甲醇燃料電池發(fā)電裝置至少具有2個設(shè)置了含陽極催化劑層的陽極、含陰極催化劑層的陰極、及配置于上述陽極與上述陰極間的電解質(zhì)膜的電偶部分單位；同時，還具有收容燃料的燃料容器和用于將燃料供給上述電偶部分單位的燃料流路；上述燃料流路(3)為從上述燃料容器經(jīng)由第1電偶部分單位和第2電偶部分單位再次返回到第1電偶部分單位的流路，具有不在其間進行分支的流路。這樣，可進行各電偶部分單位的輸出的偏差少的穩(wěn)定的燃料供給。
文檔編號H01M8/04GK1519967SQ20031011869
公開日2004年8月11日 申請日期2003年11月28日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月28日
發(fā)明者秋田征人, 山內(nèi)尚, 弘, 一, 高下雅弘, 坂上英一, 松岡敬 申請人:株式會社東芝