燃料电池和燃料电池系统.pdf

根据本发明的燃料电池包括：膜电极组件、两个扩散层、氧供给层、吸水层、以及集电体。吸水层的端部位于包括开口部分的平面上，或者位于相对于该平面的燃料电池侧上。在燃料电池的沿包括该吸水层且与所述平面垂直的表面截取的截面中，从氧供给层的与吸水层接触的部分的一个端部到另一端部的长度小于所述截面中从吸水层的包括与氧供给层接触的吸水层的部分的一个端部到另一端部的长度。

1.  一种燃料电池，包括：
膜电极组件，其包括电解质膜和跨电解质膜彼此相对放置的两个催化剂层；
两个扩散层，其跨该膜电极组件彼此相对地放置；
氧供给层，其与所述两个扩散层之一接触；
吸水层，其与所述氧供给层接触；以及
集电体，其与所述氧供给层接触，其中
所述燃料电池包括：
开口部分，该开口部分在所述燃料电池的与电解质膜的质子传导方向平行的侧表面的一部分中；
所述吸水层设置在氧供给层和集电体之间；
所述吸水层的端部位于包含所述开口部分的平面上，或者位于相对于该平面的燃料电池侧上，以及
在燃料电池的沿包括所述吸水层且与所述平面垂直的表面截取的截面中，从氧供给层的与吸水层接触的部分的一个端部到另一端部的长度小于所述截面中从吸水层的包括与氧供给层接触的吸水层的部分的一个端部到另一端部的长度。

2.  如权利要求1所述的燃料电池，其中：
所述截面中从所述氧供给层的与吸水层接触的部分的一个端部到另一端部的长度等于或大于在所述截面中所述膜电极组件在与所述包括开口部分的平面垂直的方向上的长度。

3.  如权利要求1或2所述的燃料电池，其中：
所述截面中从所述氧供给层的与吸水层接触的部分的一个端部到另一端部的长度小于在所述截面中从所述氧供给层的与所述集电体接触的部分的一个端部到另一端部的长度。

4.  一种燃料电池系统，其中包括多个堆叠的燃料电池，所述燃料电池是根据权利要求1至3的燃料电池。

燃料电池和燃料电池系统
技术领域
本发明涉及燃料电池和燃料电池系统，其包括：氧供给层，该氧供给层既用作向发电(power generation)层部件供给氧的供给路径，又用作排放发电层部件所产生的水分子的排放路径。具体地，本发明涉及一种能够从发电层部件有效移除不需要的液态水的燃料电池以及使用该燃料电池的燃料电池系统。
背景技术
可获得的燃料电池系统包括位于发电层部件的一个表面上的密封的燃料气体供给空间以及位于发电层部件的另一表面上的氧供给层。发电层部件从燃料气体供给空间获取氢离子，并使氢离子与氧供给层侧表面上的氧反应。氧供给层既用作将所需量的氧供给到发电层部件的表面的供给路径，又用作将发电层部件所产生的水分子运载出去的扩散(或受迫排放)路径。
美国专利6423437示出了这样一种燃料电池系统，其中每一个都包括发电层部件的燃料电池被层叠并串联连接在一起。美国专利6423437中所描述的燃料电池系统通过每一燃料电池的侧表面中的开口从大气中获取氧。该燃料电池系统通过同一开口使氧供给层中的湿气蒸发并扩散到大气。
此外，该发电层部件是包括聚合物电解质膜和在该聚合物电解质膜的相对表面上形成的多孔导电催化剂层的膜电极组件。三维地可渗气的板状氧供给层的面对该开口的侧表面是对大气开放的。通过氧供给层的侧表面获取的氧通过氧供给层三维地扩散。由此，通过氧供给层的一个侧面(即，其底表面)将氧供给到膜电极组件的整个表面。由膜电极组件产生的水分子被获取到氧供给层中作为水蒸气。然后，根据水蒸气的浓度梯度，水蒸气移动到氧供给层的侧表面。然后水蒸气通过开口扩散到大气中。
公开号为2005-174607的日本专利申请公开了这样一种燃料电池系统，其中空气被从氧供给层的一个侧表面强制馈送到其另一侧表面，以用于循环。根据公开号为2005-174607的日本专利申请，其中形成有槽状空气通道的分离器位于氧供给层之上，该空气通道穿透燃料电池的相对侧表面。与空气通道接触的氧供给层的结构密度在厚度方向上变化，以将分别与空气通道和膜电极组件接触的表面层的结构密度增加到在中间层的结构密度之上。由此，增强了中间层的保水性。
公开号为2002-110182的日本专利申请公开了一种包括催化剂层的燃料电池系统，该催化剂层形成在位于发电层部件之上的氧扩散层的聚合物电解质膜侧表面上。公开号为2002-110182的日本专利申请中所描述的燃料电池系统依赖于向氧扩散层被动供氧以及排放来自该氧扩散层的水蒸气的自然扩散。以每mm²400个的密度形成无数的直径不大于100μm的通孔，以便在厚度方向上穿透氧扩散层。这改善了厚度方向上的扩散能力。每个通孔(其是锥形的)的截面积从聚合物电解质膜侧表面向相对的表面增加。因而，通孔增加了聚合物电解质膜侧表面的接触面积和氧扩散层的强度，同时减小了对氧和水蒸气的通过阻抗(passage resistance)。
公开号为2005-353605的日本专利申请描述了一种燃料电池系统，其包括在氧电极中的吸水材料，并利用氧电极中的毛细管现象来吸出水以防止可能的溢流(flooding)。
期望一体地载有各设备的燃料电池系统依赖于向氧扩散层被动供氧以及排放来自该氧扩散层的水蒸气的自然扩散。期望这种燃料电池系统消除在启动设备时对外部供给电力的需要。这是因为，大气循环机构和鼓风机(blower)的使用增加了所需元件的数目，不利地妨碍了燃料电池系统的尺寸和重量的降低。公开号为2005-174607的日本专利申请中所示的燃料电池系统基于这种大气循环机构和鼓风机。
然而，如果燃料电池系统完全依赖于向氧扩散层供氧和排放来自该氧扩散层的水蒸气的自然扩散，那么由于氧和水蒸气在全然相反的方向上移动，因此，燃料电池系统的输出电流增加，并因而所排放的水蒸气的量的增加可能妨碍氧的供给。尤其是，如果燃料电池堆叠并且水蒸气通过每一燃料电池的侧表面中的开口排放，那么氧难以到达位置远离开口的区域，这是因为氧的供给被向开口行进的水蒸气流阻碍。
到发电层部件的被阻碍的氧供给降低了电动势，并因而降低了燃料电池的发电效率。发电效率的降低使得所产生的热量增加，进一步提升了温度。在氧供给层中，这增加了水蒸气的分压同时减小了氧的分压，进一步妨碍了到发电层部件的氧供给。
而且，氧供给层中水蒸气分压的增加阻止了所产生的水从发电层部件的界面蒸发。从而，液态水保留在界面处。结果，界面局部覆盖有液态水，并被溢流。在溢流区中，氧的供给被中断以停止发电。因而，在未溢流区域中，电流密度增加以降低燃料电池的电动势。如果设备的操作继续，则溢流区蔓延到具有增加的电流密度的区域。最终，整个发电层部件都被溢流，从而使得燃料电池的发电完全停止。
因而，对于依赖于自然扩散的被动类型，与强制使空气循环通过氧供给层并强制使水蒸气从氧供给层排放的主动类型相比，需将发电层部件的每单位表面积的电流值设置为极其地小。当每单位表面积的电流值被设置为极其小时，增加发电层部件面积以增加发电部分的大小。这甚至可能使被动的燃料电池系统比主动的更大。
在公开号为2005-174607的日本专利申请所示的燃料电池系统中，氧供给层的与发电层部件接触的表面层的密度被设置为高于中间层的密度，使得在发电层部件的界面处的液态水被吸收到中间层中以便蒸发和扩散。然而，被供给到中间层的水蒸气保留在其中以阻止通过中间层到发电层部件的氧的扩散和氧的供给，直到水蒸气通过具有增加的密度的相对表面层被排放为止。有助于允许湿气保留在该中间层部件中的表面层增加了中间层的蒸汽压，以阻碍氧到达发电层部件。
公开号为2002-110182的日本专利申请中示出的燃料电池系统基于依赖于自然扩散以改善将湿气从发电层部件排放到氧供给层的能力的被动类型。然而，被带到氧供给层中的湿气还利用水蒸气的自然扩散在与氧移动的方向相反的方向上移动通过氧供给层。亦即，该燃料电池系统不能通过降低氧供给层中水蒸气的分压来促进所产生的水从发电层部件蒸发，或者促进氧通过氧供给层的移动和扩散。
在公开号为2005-353605的日本专利申请中所示的燃料电池系统中，吸水材料围绕催化剂。从而，催化剂部分需要是小的，并且燃料电池系统难以呈现出充分的性能。
本发明的一个目的是提供一种燃料电池以及提供包括该燃料电池的燃料电池系统，该燃料电池允许由发电而导致的所产生的水容易从氧供给层排放而不依赖于任何主动技术，并且其使得即使具有高的电流值也能够稳定地维持高的发电效率。
发明内容
本发明提供了一种燃料电池，其包括：膜电极组件，该膜电极组件包括电解质膜和跨电解质膜彼此相对放置的两个催化剂层；跨该膜电极组件彼此相对放置的两个扩散层；与这两个扩散层之一接触的氧供给层；与该氧供给层接触的吸水层；以及与该氧供给层接触的集电体(current collector)，其中该燃料电池包括：
开口部分，该开口部分在所述燃料电池的与电解质膜的质子传导方向平行的侧表面的一部分中；
在氧供给层和集电体之间提供吸水层；
该吸水层的端部位于包含所述开口部分的平面上，或者位于相对于该平面的燃料电池侧上，并且
在燃料电池的沿包括该吸水层且与所述平面垂直的表面截取的截面中，从氧供给层的与吸水层接触的部分的一个端部到另一端部的长度小于所述截面中从吸水层的包括与氧供给层接触的吸水层的部分的一个端部到另一端部的长度。
所述截面中从所述氧供给层的与吸水层接触的部分的一个端部到另一端部的长度可以等于或大于在所述截面中所述膜电极组件在与包括所述开口部分的平面垂直的方向上的长度。
所述截面中从所述氧供给层的与吸水层接触的部分的一个端部到另一端部的长度可以小于在所述截面中从所述氧供给层的与所述集电体接触的部分的一个端部到另一端部的长度。
本发明还提供了一种燃料电池系统，其特征在于：其中包括多个堆叠的所述燃料电池。
根据本发明的燃料电池允许由发电而导致的所产生的水可以容易地从氧供给层排放，而不依赖于任何主动技术，并且使得即使利用高的电流值也能够稳定地维持高的发电效率。因而，根据本发明的燃料电池可以用于提供一种尽管尺寸小重量轻也仍能够用于提供高电力的燃料电池系统。
根据下面参考附图的示例性实施例的描述，本发明的其它特征将变得清楚。
附图说明
图1是示出根据本发明的燃料电池系统的一般配置的透视图。
图2是沿与质子传导方向平行的方向截取的在本发明使用的膜电极组件的截面图。
图3是示出根据本发明的燃料电池的配置的分解透视图。
图4A、4B和4C是示出根据第一示例性实施例的氧供给层的图。
图5A、5B1、5B2、5C、5D和5E是示出根据第一示例性实施例的氧供给层和吸水层的图。
图6A、6B和6C是示出根据第二示例性实施例的氧供给层的图。
图7A、7B、7C和7D是示出根据第二示例性实施例的氧供给层和吸水层的图。
图8A、8B和8C是示出根据第三示例性实施例的氧供给层的图。
图9A、9B、9C和9D是示出根据第三示例性实施例的氧供给层和吸水层的图。
图10A、10B和10C是示出根据第四示例性实施例的氧供给层的图。
图11A、11B、11C和11D是示出根据第四示例性实施例的氧供给层和吸水层的图。
图12是示出实例1和比较例1中燃料电池的电池电压随时间的变化的图。
图13A、13B、13C和13D是示出比较例1中的氧供给层和吸水层的图。
具体实施方式
下面将参考附图详细描述根据本发明的燃料电池和燃料电池系统的示例性实施例。
在下面的示例性实施例中描述的燃料电池和燃料电池系统利用存储在燃料箱中的燃料气体产生电力。然而，可以将诸如甲醇的含氢原子的液态燃料存储在燃料箱中，以使得在需要时使需要量的液态燃料与燃料气体反应以重整(reformation)
下面在示例性实施例中描述的燃料电池系统可以用在便携式电子设备，例如，数字照相机、数字摄像机、小型投影仪、小型打印机以及笔记本式个人计算机中。在此情况下，燃料电池系统可以独立使用并可移除地安装在设备中，或者可以将燃料电池系统的发电部分单独整合到电子设备中，从而使得燃料箱可移除。
下面说明本发明的示例性实施例。
<第一示例性实施例>
图1是示出根据第一示例性实施例的燃料电池系统的总的配置的透视图。图3是示出根据第一示例性实施例的燃料电池的配置的分解透视图。
如图1中所示，燃料电池系统10包括电池堆叠体(燃料电池堆叠体)10A，其具有堆叠且串联连接在一起的若干燃料电池10S。在电池堆叠体10A之下提供燃料箱10B，用于存储并向燃料电池10S供给燃料气体。电池堆叠体10A和燃料箱10B通过燃料气体的通道(图中未示出)连接在一起。从燃料箱10B抽出的燃料气体被调整到略微高于大气压的压力，然后将其供给到每一燃料电池10S。
每一燃料电池10S都包括位于燃料电池的侧表面S1和S2中的开口部分8，所述侧表面S1和S2对应于在与电解质膜的质子传导方向平行的方向上延伸的该燃料电池的端部表面。更具体地，开口部分8形成在作为燃料电池构成部件的氧供给层的两个侧表面中；这两个侧表面与质子传导方向平行。
开口部分8用作空气入口，大气中的空气经由该空气入口通过自然扩散被获取到燃料电池10S中。如图1所示，燃料电池10S通过允许从燃料箱10B馈送的燃料气体与通过该开口部分8获取的空气中的氧反应而产生电力。如果燃料电池是长方体，则该电池可以在两个相对的侧表面的每一个中都具有开口部分。
如图3所示，根据该示例性实施例的燃料电池10S至少包括：氧供给层2、吸水层11、扩散层3和5、膜电极组件(MEA)4、燃料供给层6、分离器(separator)7、梁(beam)15、O形环16、以及集电体1。氧供给层2在其中央部分与扩散层3(扩散层3的不是其端部的部分)接触，并且氧供给层2在其端部经由梁15压着膜电极组件4中的电解质膜、O形环16和分离器7。因而，膜电极组件4和分离器7被适当地密封。
在根据该示例性实施例的燃料电池10S中，吸水层的每一端部都位于包括开口部分8的平面上或者位于相对于该平面的燃料电池侧上。
图4A至4C示出了根据该示例性实施例的氧供给层2。图4A是示出了用来自分离器7的方向的光照射根据该示例性实施例的氧供给层2的投影视图。图4B是该氧供给层的与吸水层接触的部分的截面图(图4A中的4B-4B截面)；该截面图是沿与包括开口部分的平面垂直的表面截取的。图4C是氧供给层2的、沿与包括开口部分的平面平行的且包括氧供给层2的对称点的表面截取的截面图(图4A中的4C-4C截面)。
对于氧供给层2，如下所述，从形状类似长方体的氧供给层前体层A获得氧供给层前体层B。从氧供给层前体层A的除位置与膜电极组件相对的部分以外的部分切除被如下所述的表面包围的多个区域：与包括开口部分的平面平行的表面、两个与上述的与包括开口部分的平面平行的表面垂直且与质子传导方向平行的表面、以及与所述开口部分平行的氧供给层前体层的一个侧表面。然后，如下从氧供给层前体层B获得氧供给层2。从氧供给层前体层B的除那些位置与膜电极组件相对部分以外的部分切除被以下表面包围的多个区域：与包括开口部分的平面平行的表面、两个与上述的与包括开口部分的平面平行的表面垂直且与质子传导方向平行的表面、以及与所述开口部分平行的氧供给层前体层的另一侧表面(该侧表面与前述的侧表面位置相对)。在本说明书中，为了方便起见，假设氧供给层前体层为长方体，但是并非必须如此。如果氧供给层前体层不是长方体，则通过切除被与包括开口部分的平面平行的表面、两个与上述的与包括开口部分的平面平行的表面垂直的表面、以及与所述开口部分最接近的氧供给层前体层的表面所包围的多个区域来获得氧供给层。而且，在本说明书中，通过将适当的区域从氧供给层前体层切除来产生氧供给层2。然而，可以使用初始就具有上述结构的氧供给层而不是通过从氧供给层前体层切除适当的区域来产生氧供给层2。这里，措词“与A垂直的表面”表示与A成90°±5°的角度。在图4A中，被从氧供给层前体层切除的γ部分以及与γ部分相邻的μ部分两者是电池外围的密封部的一部分。经由作为支撑件的梁通过泡沫金属对作为所述密封部的O形环加压。在此情况下，不是将泡沫金属的全部端部都切除，而是仅将其中形成有槽的部分切除。因而，剩余的部分允许经由梁部分(支撑件)对O形环加压。结果，确保了充分的密封性。
图5A至5D示出了根据本示例性实施例的氧供给层2和吸水层11。图5A是示出了用来自集电体1的方向的光照射氧供给层2和吸水层11的投影视图。图5B1是图5A中所示的氧供给层2和吸水层11的截面图；该截面图是沿包括吸水层且与包括开口部分的平面垂直的表面(图5A中的截面5B1-5B1)截取的。图5B2是图5A中所示的氧供给层2和吸水层11的截面图；该截面图是沿不包括吸水层且与包括开口部分的平面垂直的表面(图5A中的截面5B2-5B2)截取的。图5C是示出了用来自扩散层3的方向的光照射氧供给层2和吸水层11的投影视图。图5D是图5A中所示的氧供给层2和吸水层11的截面图；该截面图是沿与包括开口部分的平面平行且包括氧供给层2的对称点的表面(图5A中的截面5D-5D)截取的。
对于如图4A中所示构造的氧供给层2，在沿与包括开口部分8的平面垂直的表面截取的燃料电池10S的截面图中，从氧供给层2的与吸水层11接触的部分的一个端部到另一端部的长度，比在该截面图中从吸水层(包括其与氧供给层2接触的部分)的一个端部到另一端部的长度短。也就是说，在该结构中，氧供给层2不与其端部表面最接近于氧供给层2的吸水层11的质子传导方向端部表面中的一个表面的除吸水层11的中心部分以外的各部分接触。因而，可以改善蒸发性。根据本示例性实施例的燃料电池使用如上所述形状的氧供给层作为所述氧供给层2。因此，即使小型燃料电池也能够改善蒸发性。
如果图5A中的截面5B1-5B2如图5E中所示，且氧供给层2在与吸水层11接触的各部分之间具有与吸水层11不接触的部分，则从与吸水层11接触的部分的一个端部到另一端部的长度是：从接触部分的最接近于开口部分的一侧的部分到接触部分的最接近于开口部分的另一侧的部分的长度(从α部分到β部分的长度)。
此外，在图5A中的截面5B1-5B1中氧供给层2的与包括开口部分的平面垂直的长度可以等于或大于在同一截面中膜电极组件4的与包括开口部分的平面垂直的长度。这里，膜电极组件的与包括开口部分的平面垂直的长度是指在用来自氧供给层2的方向的光照射膜电极组件4中的两个催化剂层时获得的透视图中膜电极组件的与包括开口部分8的平面垂直的最大长度。
下面将说明燃料电池10S的各元件。
氧供给层2具有将通过开口部分8获取的氧或空气供给到扩散层3的功能。氧供给层2还具有将由于发电而导致的由膜电极组件4所生成的水(水蒸气)引导到开口部分8从而将水从电池内部排放到大气中的功能。满足这些条件的氧供给层2可以是这样的多孔部件，其具有80％或更大的孔隙率(porosity)以及0.1mm或更大的孔直径且是导电的。具体的材料可以是泡沫金属或不锈棉毛(stainless wool)。
构成燃料供给层6的材料可以具有100至900μm的平均孔径。从燃料箱10B取出的燃料气体从燃料气体的主通道分歧，并被馈送到燃料电池10S中的燃料供给层6。馈送到燃料供给层6的燃料气体扩散通过扩散层5。可以与扩散层5分开地提供燃料供给层6，或者，可以仅提供扩散层5以使得部分扩散层5起燃料供给层6的作用。
可以在膜电极组件4与燃料供给层6之间提供扩散层5，或者在膜电极组件4和分离器7之间提供扩散层5以与膜电极组件4和分离器7两者都接触。扩散层5使用作燃料的氢气扩散，并从膜电极组件4的催化剂层收集由氢的离子化所导致的过剩电子。在膜电极组件4和氧供给层2之间提供扩散层3以与膜电极组件4和氧供给层2两者都接触。扩散层3用于使氧扩散以及用于向膜电极组件4的催化剂层(氧电极)提供该催化剂层(氧电极)中电极反应所需的电子。扩散层5可以是导电的，且包括具有比燃料供给层6中的孔更小的孔的材料。在本发明中，扩散层的结构是指构成该扩散层的材料。
措词“扩散层5包括具有比燃料供给层6中的孔更小的孔的材料”表示：构成扩散层5的材料的平均孔径小于构成燃料供给层6的材料的平均孔径。而且，构成扩散层5的材料的平均开口直径(孔径)是在构成作为燃料电极的催化剂层的材料的平均开口直径和构成燃料供给层的材料的平均开口直径之间的中间值。因此，燃料供给层6具有抗扼流(throttling resistance)作用，并以均匀的流密度供给燃料气体，同时对膜电极组件4的整个表面施加均匀的压力。
扩散层3还包括具有导电性且具有比氧供给层2中的孔更小的孔的材料。构成扩散层3的材料的平均开口直径大于构成作为氧电极的催化剂层的材料的平均开口直径，且小于构成氧供给层2的材料的平均开口直径。这样的开口直径允许氧供给层2起抗扼流的作用。氧供给层2将氧以均匀的压力和均匀的流密度供给到膜电极组件4的整个表面。
扩散层3中的孔可以是允许氧供给层2和膜电极组件4彼此联通的通孔。扩散层3中密集的通孔使得留在膜电极组件4和扩散层3之间的所生成的水被吸收到氧供给层2中。可以使用碳纸或碳布作为构成扩散层3和5的材料。
如图2中所示，膜电极组件4包括电解质膜12和与电解质膜的相应表面接触地形成的两个催化剂层13和14(分别为燃料电极和氧电极)。电解质膜可以包括任何材料，只要电解质膜使得质子能够从燃料供给层传导到氧供给层即可。在这种电解质膜当中可以适当地使用固态聚合物电解质膜。固态电解质膜的一个示例是Dupont制造的作为具有磺酸基团的全氟化碳聚合物的Nafion(商标)。
此外，两个催化剂层13和14至少包括具有催化活性的物质。如果具有催化活性的材料不能独立存在，那么可以通过在载体上承载该催化活性物质来形成催化剂层。独立存在的催化活性物质的一个示例是通过溅射形成的且具有树枝形状的铂催化剂。
承载在载体上的催化活性物质的一个示例是承载铂的碳(platinum carrying carbon)微粒。该催化剂层可以包含电子导体(例如碳微粒)或者质子导体(聚合物电解质材料)。可以通过使催化剂层与电解质膜的表面接触来使催化剂层与电解质膜一体化。然而，假设催化剂层与电解质膜接触且因而可以将诸如氢离子的化学核素传送到电解质膜，则无需将催化剂层和电解质膜一体化到膜电极组件4中。另外，催化剂层可以具有10nm至100nm的平均孔径。
吸水层11包括吸水材料。构成吸水层11的吸水材料可以是不仅吸水而且速干的纤维。吸水材料还可以比氧供给层2的材料更加亲水。吸水材料被成形为类似片状，且独立于氧供给层2。由于构成吸水层11的材料比氧供给层2的材料更加亲水，因此水更容易从氧供给层2迁移到吸水层11。
此外，在本发明中，“吸水材料”可以基于毛细管现象吸水。更具体地，浸入到水中的“吸水材料”在浸入10秒后吸水直至30mm或更高的高度。
另外，“速干材料”能够容易地干燥和放出所吸的水。更具体地，“速干材料”在25℃和50％的相对湿度在大气中浸湿1小时之后呈现出80％的干燥率(dryness factor)。这里，干燥率是在使吸水层处于在无风(draught free)环境下的恒温恒湿槽(thermo-hygrostat bath)中1小时之后剩余在吸水层中的水的重量对基于毛细管现象吸到吸水层中的水的重量的比。例如，如果吸水纤维的重量是0.5g，且在基于毛细管现象的吸入之后吸水纤维的总重量是1.5g，那么所吸的水的重量就是1g。此外，如果在无风环境下在25℃和50％的相对湿度的恒温恒湿槽中放了1小时的吸水纤维的总重量是0.6g，那么剩余在吸水纤维中的水的重量为0.1g，而蒸发的水的重量是0.9g。由于1g水中的0.9g被蒸发，因此干燥率是90％。
这种吸水且速干的材料的一个示例是具有亲水表面的多孔材料。在本发明中，“亲水材料”意味着在该材料上形成的水滴具有90°或更小的接触角。
吸水层11大致具有两项功能。
吸水层11的第一项功能是吸收在氧供给层2中产生的水，以在氧供给层2中建立氧扩散通道。与发电活动相关联的膜电极组件4中所产生的水通过安装在膜电极组件4外面的扩散层3排放到氧供给层2。如果提供吸水层11，那么仅通过经开口部分8的蒸发和扩散(放射)而将所产生的被排放到氧供给层2的水移除到电池外部。仅通过自然扩散不能从氧供给层2充分蒸发所产生的被排放到氧供给层2的水。在此情况下，氧供给层2中的氧扩散通道变窄，且氧供给层2中水蒸气的分压增加。这阻碍了所产生的水或水蒸气通过扩散层3被排放到氧供给层2。也即，氧供给层2中过度增加的湿气的量妨碍了湿气从膜电极组件4通过扩散层3排放。因而，膜组件4的表面可能被部分溢流。这阻碍了到膜电极组件4的氧供给。
如果提供了包括吸水材料的吸水层11，则在吸水层11中基于毛细管现象积极地从氧供给层2收集水蒸气和雾滴。从而，所产生的水形成在吸水层11中。因此，即使氧供给层2中的孔直径足够大或者孔隙度高而导致毛细管现象，吸水层11中的毛细管现象也仍允许氧供给层2中的所产生的水被吸取到吸水层11中。也即，吸水层11能够减小对氧的供给和水蒸气通过开口部分8的排放的阻碍。
吸水层11的第二项功能是维持氧供给层2中的湿度恒定。
膜电极组件4中湿气量不足可能导致干透(dry-out)现象，其中电解质膜干燥，阻碍了氢离子的传导。因而，期望在适当温度下维持燃料电池10S中的湿度。吸水层11的存在使得湿度维持恒定。因而，如果膜电极组件4干燥，则从吸水层11蒸发的水被电解质膜吸收。也即，吸水层11不仅防止了溢流，而且还防止了极度干燥条件或无法工作(out-of-operation)条件下的干透现象以将燃料电池10S的内部保持在适当的湿度。
当吸水层11被放置在氧供给层2中的槽中时，吸水层11可以比氧供给层2更薄，以便防止吸水层11阻碍氧供给层2中氧的扩散。例如，当氧供给层2具有大于等于1mm且小于等于3mm的厚度时，吸水层11可以具有大于等于1μm且小于1mm的厚度。
如上所述，集电体1既用作对于相邻燃料电池10S的分隔物(分离器)又用作收集电力的集电体。因此，集电体1有时被称为分离器。如果集电体1不用作分离器而提供单独的分离器，那么跨集电体1与氧供给层2相对地形成分离器。
分离器7被密封以使得防止燃料气体(用于燃料电池10S的燃料)所通过的区域与开放的空气联通。在分离器7和膜电极组件4之间提供燃料供给层6和扩散层5。在本示例性实施例中，分离器还作为集电体。
集电体1的吸水层11侧表面可以经受特殊的表面处理以增强亲水性。该方法的示例包括：对集电体1涂敷亲水性涂层化合物、对于集电体1使用非常亲水的材料、在集电体1的表面上形成喷砂(sandblast)处理层、以及利用氧化钛和氧化硅的集电体1的溅射涂布。当然，利用该方法，液态水凝结在该表面上，并且沿该表面渗透和扩散。
<第二示例性实施例>
根据该示例性实施例的燃料电池和燃料电池系统除了氧供给层的形状之外与根据第一示例性实施例的类似。
图6A至6C示出了根据该示例性实施例的氧供给层。图6A是示出了用来自集电体的方向的光照射氧供给层的投影视图。图6B是图6A所示的氧供给层2的与吸水层11接触的部分的截面图；该截面图是沿与包括开口部分的平面垂直的表面(图6A中的6B-6B截面)截取的。图6C是根据该示例性实施例的氧供给层2的、沿与包括开口部分的平面平行的且包括氧供给层2的对称点的表面(图6A中的6C-6C截面)截取的截面图。
图7A至7D是示出了氧供给层2和置于该氧供给层2上的吸水层11的图。图7A是示出了用来自集电体1的方向的光照射氧供给层2和吸水层11的投影视图。图7B是图7A中的氧供给层2和吸水层11的沿与包括开口部分的平面垂直且包括该吸水层的表面(图7A中的截面7B-7B)截取的截面图。图7C是示出了用来自扩散层3的方向的光照射氧供给层2和吸水层11的投影视图。图7D是氧供给层2和吸水层11的沿与包括开口部分8的平面平行的表面(图7A中的截面7D-7D)截取的截面图。
根据本示例性实施例的氧供给层2具有可通过如下方法形成的形状。如图6B所示，根据第一示例性实施例，如下从氧供给层前体层A获得氧供给层前体层C。从氧供给层前体层A的除位置与膜电极组件相对的部分以外的部分切除被以下表面包围的多个区域：与包括开口部分的平面平行的表面、与开口部分平行的氧供给层前体层的一个侧表面、两个与包括开口部分的平面垂直且与质子传导方向平行的表面、以及与包括开口部分的平面垂直且与质子传导方向垂直的表面。然后，如下从氧供给层前体层C获得氧供给层2。从氧供给层前体层C的除那些位置与膜电极组件相对的部分以外的部分切除被以下表面包围的多个区域：与包括开口部分的平面平行的表面、与开口部分平行的氧供给层前体层的另一侧表面、两个与包括开口部分的平面垂直且与质子传导方向平行的表面、以及与包括开口部分的平面垂直且与质子传导方向垂直的表面。
如上所述，通过将适当的区域从氧供给层前体层切除来产生氧供给层2。然而，可以使用初始就具有上述结构的氧供给层而不是通过从氧供给层前体层切除适当的区域来产生氧供给层。此外，在本说明书中，为了方便起见，假设氧供给层前体层为长方体，但是并非必须如此。如果氧供给层前体层不是长方体，则通过切除被以下表面所包围的多个区域来获得氧供给层：与包括开口部分的平面平行的表面、氧供给层前体层的与开口部分最接近的表面、两个与包括开口部分的平面垂直且与质子传导方向平行的表面、以及与包括开口部分的平面垂直且与质子传导方向垂直的表面。
利用该配置，如第一示例性实施例中的情况那样，在沿与包括开口部分的平面垂直的表面截取的氧供给层和吸水层的截面图中，从氧供给层2的与吸水层11接触的部分的一个端部到另一端部的长度，比在该截面图中从吸水层(包括该接触部分)的一个端部到另一端部的长度短，且也比从氧供给层2的与扩散层3接触的表面的一个端部到另一端部的长度短，如图7B中所示。
<第三示例性实施例>
根据该示例性实施例的燃料电池和燃料电池系统除了氧供给层的形状之外与根据第一示例性实施例的类似。
图8A至8C示出了根据该示例性实施例的氧供给层。图8A是示出了用来自集电体1的方向的光照射氧供给层2的投影视图。图8B是图8A中的氧供给层的与吸水层接触的部分的截面图；该截面图是沿与包括开口部分的平面垂直的表面(图8A中的8B-8B截面)截取的。图8C是图8A中的氧供给层2的、沿与包括开口部分的平面平行的且包括氧供给层2的对称点的表面(图8A中8C-8C截面)截取的截面图。
图9A至9D是示出了根据该示例性实施例的氧供给层2和吸水层11的图。图9A是示出了用来自集电体1的方向的光照射氧供给层2和吸水层11的投影视图。图9B是图9A中所示的氧供给层2和吸水层11的截面图；该截面图是沿与包括开口部分的平面垂直且包括吸水层的表面(图9A中的截面9B-9B)截取的。图9C是示出了用来自扩散层3的方向的光照射氧供给层2和吸水层11的投影视图。图9D是图9A中所示的氧供给层2和吸水层11的截面图，该截面图是沿与包括开口部分的平面平行的且包括氧供给层2的对称点的表面(图9A中的截面9D-9D)截取的。
根据本示例性实施例的氧供给层2具有可通过如下方法形成的形状。
如下所述，从形状类似长方体的氧供给层前体层A获得氧供给层前体层D。从氧供给层前体层A的除位置与膜电极组件相对的部分以外的部分切除被以下表面包围的一个区域：与包括开口部分的平面平行的表面、两个与包括开口部分的平面垂直且与质子传导方向平行的表面、以及氧供给层前体层的与开口部分平行的一个侧表面。然后，如下从氧供给层前体层D获得氧供给层2。从氧供给层前体层D的除那些位置与膜电极组件相对的部分以外的部分切除被以下表面包围的一个区域：与包括开口部分的平面平行的表面、两个与包括开口部分的平面垂直且与质子传导方向平行的表面、以及氧供给层前体层的与开口部分平行的另一侧表面。在本说明书中，为了方便起见，假设氧供给层前体层A为长方体，但是并非必须如此。如果氧供给层前体层不是长方体，则通过切除被以下表面所包围的一个区域来获得氧供给层：与包括开口部分的平面平行的表面、两个与包括开口部分的平面垂直的表面、以及与开口部分最接近的氧供给层前体层的表面。此外，为了使氧供给层2的形状清楚，本说明书描述了通过将适当的区域从氧供给层前体层切除来产生氧供给层2。然而，可以使用初始就具有上述结构的氧供给层而不是通过从氧供给层前体层切除适当的区域来产生氧供给层。
利用该配置，如第一示例性实施例中的情况那样，在沿与包括开口部分的平面垂直的表面截取的氧供给层和吸水层的截面图中，从氧供给层2的与吸水层11接触的部分的一个端部到另一端部的长度，比在该截面图中从吸水层(包括接触部分)的一个端部到另一端部的长度短，如图9B中所示。
在该示例性实施例中，如图8A中所示，当从与包括开口部分的平面平行的氧供给层前体层A的侧表面切除氧供给层前体层A的与包括开口部分的平面垂直的方向(即，前体层A的宽度方向)时，可以在比对梁加压的宽度(梁宽度)更小的宽度上切削前体层A。这是因为，如果在与梁宽度相同的宽度上切削氧供给层前体层，则可能无法确保足够的密封性。而且，这能够避免切除氧供给层前体层A的侧表面的如下端部，该端部位置接近于与包括开口部分的平面垂直的前体层A的侧表面之一。这是因为，避免切除该端部附近区域允许通过未切除部分对梁部分加压，从而确保了足够的密封性。
<第四示例性实施例>
根据该示例性实施例的燃料电池和燃料电池系统除了氧供给层的形状之外与根据第一示例性实施例的类似。
图10A至10C示出了根据该示例性实施例的氧供给层。图10A是示出了用来自集电体的方向的光照射根据该示例性实施例的氧供给层2的投影视图。图10B是图10A中的氧供给层的与吸水层接触的部分的截面图；该截面图是沿与包括开口部分的平面垂直的表面(图10A中的10B-10B截面)截取的。图10C是氧供给层2的、沿与包括开口部分的平面平行的且包括氧供给层2的对称点的表面(图10A中的10C-10C截面)截取的截面图。
图11A至11D是示出了根据该示例性实施例的氧供给层2和吸水层11的图。图11A是示出了用来自集电体1的方向的光照射氧供给层2和吸水层11的投影视图。图11B是图11A中所示的氧供给层2和吸水层11的截面图，该截面图是沿与包括开口部分的平面垂直且包括吸水层的表面(图11A中的截面11B-11B)截取的。图11C是示出了用来自扩散层3的方向的光照射氧供给层2和吸水层11的投影视图。图11D是图11A中所示的氧供给层2和吸水层11的截面图；该截面图是沿与包括开口部分的平面平行的且包括氧供给层2的对称点的表面(图11A中的截面11D-11D)截取的。
根据本示例性实施例的氧供给层2具有可通过如下方法形成的形状。如下所述，从形状类似长方体的氧供给层前体层A获得氧供给层前体层D。从氧供给层前体层A的除位置与膜电极组件相对的部分以外的部分切除被以下表面包围的一个区域：与包括开口部分的平面平行的表面、两个与包括开口部分的平面垂直且与质子传导方向平行的表面、氧供给层前体层的与开口部分平行的一个侧表面、以及与包括开口部分的平面垂直且与质子传导方向垂直的表面。然后，如下从氧供给层前体层D获得氧供给层2。从氧供给层前体层D的除那些位置与膜电极组件相对的部分以外的部分切除被以下表面包围的一个区域：与包括开口部分的平面平行的表面、两个与包括开口部分的平面垂直且与质子传导方向平行的表面、氧供给层前体层的与开口部分平行的另一侧表面、以及与包括开口部分的平面垂直且与质子传导方向垂直的表面。在本说明书中，为了方便起见，假设氧供给层前体层A为长方体，但是并非必须如此。如果氧供给层前体层不是长方体，则通过切除被以下表面所包围的一个区域来获得氧供给层：与包括开口部分的平面平行的表面、两个与包括开口部分的平面垂直的表面、氧供给层前体层的与开口部分最接近的表面、以及与包括开口部分的平面垂直且与质子传导方向垂直的表面。此外，为了使氧供给层2的形状清楚，本说明书描述了通过将适当的区域从氧供给层前体层切除来产生氧供给层2。然而，可以使用初始就具有上述结构的氧供给层而不是通过从氧供给层前体层切除适当的区域来产生氧供给层。
利用该配置，如第一示例性实施例中的情况那样，在沿与包括开口部分的平面垂直的表面截取的氧供给层和吸水层的截面图中，从氧供给层2的与吸水层11接触的部分的一个端部到另一端部的长度，比在该截面图中从吸水层(包括接触部分)的一个端部到另一端部的长度短，且也比从氧供给层2的与扩散层3接触的表面的一个端部到另一端部的长度短，如图11B中所示。
(实例)
(实例1)
在该实例中，使用在第一示例性实施例描述的且在附图4A至4C中示出的氧供给层。吸水层被放置在氧供给层上，如图5A至5E所示。利用该配置，即使吸水层不从电池伸出，也可以增加将吸水层的端部暴露于大气的面积。由此，能够改善蒸发性。
在沿与包括开口部分的平面垂直的表面且与质子传导方向平行的表面截取的燃料电池的截面图中氧供给层的宽度与在该截面图中膜电极组件的宽度相同。在图4A中，其中切除的部分γ在切除之前所在的氧供给层前体层的部分是在电池的外围上的密封部分的一部分。
下面将描述根据本实例的燃料电池的制造方法。
(步骤1)
通过反应溅射，在PTFE片(由NITTO DENKO CORPORATION制造的NITOFLON)上形成具有树枝状结构的氧化铂催化剂至2000nm的厚度；该PTFE片对应于要被转移到电解质膜的转移层。此时，所携载的Pt的量通过XRF测量为0.68mg/cm²。在总压力为4Pa、氧流率(Q_O2/(Q_Ar+Q_O2)为70％、基板温度为300℃、以及输入功率为4.9W/cm²下进行反应溅射。随后在2％H₂/He气氛(1atm)在120℃下对具有树枝状结构的氧化铂催化剂进行还原处理30分钟。从而在PTFE片上获得具有树枝状结构的铂催化剂。
此外，该PTFE片还浸渍(impregnate)有PTFE和Nafion(注册商标)的混合悬浮液，以有效率地在催化剂的表面上形成电解质通道。该PTFE片进一步经受适当的防水处理。
(步骤2)
使用刮刀(doctor blade)在与要转移到电解质膜的转移层对应的PTFE片上形成承载铂的碳催化剂。所使用的催化剂浆料是承载铂的碳(由Jhonson Matthey制造的HiSPEC4000)、Nafion、PTFE、IPA以及水的混炼物(kneaded substance)。所承载的铂的量通过XRF测量为0.35mg/cm²。
(步骤3)
使用步骤1中生产的催化剂层作为氧电极，并使用步骤2中生产的催化剂层作为燃料电极。固态聚合物电解质膜(Dupont制造的Nafion 112)夹在该对催化剂层(氧电极和燃料电极)之间。然后，所获得的结构在包括8MPa、150℃和1分钟的压力条件下经受热处理。
随后，将PTFE片剥离，以将该对催化剂层转移到聚合物电解质膜。如此获得包括接合在一起的电解质膜和该对催化剂层的膜电极组件。
(步骤4)
使用长28mm、宽10mm、厚2mm的泡沫金属作为氧供给层前体层。端部板具有37mm的长度和10mm的宽度，其被设置为电池的长度和宽度。在氧供给层前体层的一个表面上，即，在氧供给层前体层的与氧电极侧的集电体接触的一侧上，以相等的间隔形成四个槽，每个槽长10mm、宽2.5mm、深500μm；这些槽在与氧供给层前体层的10mm宽度平行的方向上延伸。每个槽的横向相对的端部被切除1.3mm以形成通孔。如此获得图4A中所示的氧供给层。由切除得到的凹陷和突出的部分并不与氧供给层中位置较接近于氧电极的扩散层接触。凹陷和突出的部分进一步对梁(电池的支撑件)加压。也即，扩散层与泡沫金属的中心部分接触，并通过该中心部分被加压。然而，通过泡沫金属的缺失部分(图4A中的μ部分)来对支撑件的梁加压。
在氧供给层的每个槽中安装通过切削形成的长10mm宽2.5mm厚500μm的吸水材料以使吸水材料不从电池伸出。吸水材料用作吸水层。这里，使用AMBIC CO.，LTD.制造的液体扩散无纺布(liquid-diffusing non-woven cloth)P型作为吸水材料。
(步骤5)
如上述地获得的下列元件如图3中所示地堆叠以获得燃料电池：膜电极组件、氧供给层和吸水层的接合物、燃料电极侧集电体、燃料电极侧扩散层、氧电极侧扩散层、以及氧电极侧集电体。本实例中的燃料电极侧集电体对应于图3中的分离器7。此外，在本实例中，部分的燃料电极侧扩散层用作燃料供给层。
另外，使用碳布(E-TEK制造的LT2500-W)作为燃料电极侧扩散层。使用碳布(E-TEK制造的LT1200-W)作为氧电极侧扩散层。
(比较例)
比较例与实例1类似，不同之处在于：使用具有未切削端部的氧供给层前体层作为示例1的步骤4的氧供给层，且吸水层的端部位于相对于包括开口部分的平面的燃料电池侧。如实例1的情况中一样，在氧供给层中形成其中安装吸水层的槽。吸水层的尺寸与实例1中的类似，不同之处在于比较例中吸水层的长度为5mm。槽的位置与实例1中的类似，且吸水层安装在每个槽的中心部分中。也即，吸水层的相对的端部每个都位于包括开口部分的平面向内5mm。
图13A至13D示出了所使用的氧供给层2和吸水层13。图13A是示出了用来自集电体的方向的光照射氧供给层2和吸水层13的投影视图。图13B是图13A中所示的氧供给层2和吸水层13的截面图，该截面图是沿与包括开口部分的平面垂直且包括吸水层的表面(图13A中的截面13B-13B)截取的。图13C是示出了用来自气体扩散层3的方向的光照射氧供给层2和吸水层13的投影视图。图13D是图13A中所示的氧供给层2和吸水层13的截面图，该截面图是沿与包括开口部分的平面平行的且包括氧供给层2的对称点的表面(图13A中的截面13D-13D)截取的。
通过在400mA/cm²的恒定电流下测量电压变化而评估如上述生产的燃料电池的抗溢流特性。测量条件如下：将电池置于25℃和50％的相对湿度的无风环境下的恒温恒湿槽中，并利用自然吸入的空气而不利用任何辅助设备(诸如，压缩机)来对电池进行评估。
图12示出了实例1和比较例中的燃料电池的评估结果。在驱动的初始期间，两种电池都呈现出类似的电压。然而，在驱动开始60分钟后，比较例中的电池呈现出0V的电池电压并停止工作。预期这是由于氧供给层被所产生的水溢流。与之不同的是，实例1中的电池即使在驱动开始90分钟后仍未呈现显著的电压下降。
然后，基于在恒定电流测量开始90分钟后两种燃料电池中残余的水的重量来比较排放功能。结果，比较例中的电池中残余的水的量是209mg，而实例1中的电池中残余的水的量呈现出78mg这样的较小值。
这些结果表明，实例1中的燃料电池具有将所产生的水有效地排放到电池外部的功能以及抑制可能的溢流的功能。这已使得能够提供尽管尺寸较小但具有良好的排放功能和高的抗溢流性且无需使吸水层从电池伸出的电池。
此外，可以生产和使用如下面所述的实例2和3中所描述的燃料电池。
(实例2)
在该实例中，使用在第三示例性实施例中描述的且在附图8A至8C中示出的氧供给层。吸水层被放置在氧供给层上，如图9A至9D所示。实例2与实例1类似，不同之处在于使用图8A和9A中所示的吸水层和氧供给层。
也即，实例2是这样的燃料电池的一种实例，该燃料电池使用通过如下获得的氧供给层：在比支撑件的梁宽度小的宽度上切除氧供给层前体层的端部以使得所述端部在质子传导方向和在与质子传导方向垂直的方向上穿透氧供给层。例如，可以通过将超过0.65mm(其是支撑件的梁宽度的一半)的氧供给层前体层的端部切除来获得氧供给层。
在该配置中，吸水层不仅在质子传导方向而且在与质子传导方向垂直的方向上使吸水层暴露于大气。结果，可以确保适当的蒸发性。
(实例3)
在该实例中，使用在第二示例性实施例中描述的且在附图6A至6C中示出的氧供给层。吸水层被放置在氧供给层上，如图7A至7D所示。该配置使得能够增加吸水层的所述端部暴露于大气的面积，甚至无需使吸水层从电池伸出。由此，可以改善蒸发性。
实例3与实例1类似，不同之处在于使用图6A和7A中所示的吸水层和氧供给层。例如，深度宽度可以是1.3mm，如同支撑件的梁宽度，而深度可以是1.5mm。由于氧供给层的厚度是2mm，因此，通过0.5mm厚的氧供给层对支撑件的梁部分加压。
在如上所述配置的燃料电池中，即使在梁部分不具有足够的强度时也能够对整个梁部分加压，使得能够确保足够的蒸发性。而且，吸水层在与质子传导方向垂直的方向上暴露于大气，从而确保了适当的蒸发性。此外，当在与在质子传导方向垂直的方向上彼此联通的区域在质子传导方向上的深度被设置为大于吸水层所位于的槽在质子传导方向上的深度时，吸水层还在质子传导方向上暴露于大气。结果，可以确保更适当的蒸发性。
尽管已经参考示例性实施例描述了本发明，但应理解，本发明并不限于所公开的示例性实施例。下面的权利要求的范围应赋予最宽的解释，以包含所有这些修改以及等效结构和功能。
本申请要求于2007年8月2日提交的日本专利申请No.2007-201793以及于2008年6月20日提交的日本专利申请No.2008-162304的权益，通过引用将其全文结合在此。