DE112011100391T5

DE112011100391T5 - Direktoxidationsbrennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE112011100391T5
Application number: DE112011100391T
Authority: DE
Inventors: Masaki Mitsui; Takashi Akiyama; Junya KUSUMOTO; Isamu Kawata
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2010-06-29
Filing date: 2011-02-25
Publication date: 2012-12-06
Also published as: WO2012001839A1; US20120148928A1; JPWO2012001839A1

Abstract

Ein Direktoxidationsbrennstoffzellensystem, das beinhaltet: eine Brennstoffzelle; ein Brennstoffzuführabschnitt zum Zuführen eines flüssigen Brennstoffs zu einem Brennstoffeingang; ein Oxidationsmittelzuführabschnitt zum Zuführen eines Oxidationsmittels zu einem Oxidationsmitteleingang; einen Abflusstank zum Speichern eines Brennstoffabflusses; einen Brennstoffausströmungsgang zum Leiten des Brennstoffabflusses an den Abflusstank, ein Gas-Flüssigtrennungsmechanismus zum Trennen eines Teils des Produktwasser von einem Fluid, das unverbrauchtes Oxidationsmittel und Produktwasser enthält, und Ausströmen des Rests nach Außerhalb; und ein Produktwasserausströmungsgang zum Leiten des separierten Produktwassers an den Abflusstank. Der Gas-Flüssigtrennungsmechanismus weist auf: ein Zugloch, das mit dem Oxidationsmittelausgang und Außerhalb kommuniziert; einen porösen Filter zum Schließen des Zuglochs; und ein Wasser-absorbierendes Material zum teilweise Bedecken der Oberfläche des porösen Filters auf der Oxidationsmittelausgangsseite.

Description

[TECHNISCHES GEBIET]
Diese Erfindung bezieht sich auf ein Direktoxidationsbrennstoffzellensystem, das eine Direktmethanolbrennstoffzelle beinhaltet, und noch genauer, auf eine Verbesserung im Gas-Flüssigtrennungsmechanismus zum Trennen von Wasser von einem Fluid, das an der Kathode von einer Brennstoffzelle während Energieerzeugung produziert wird.
[STAND DER TECHNIK]
Brennstoffzellen werden zur praktischen Verwendung als die Energiequelle für Automobile, heimische Kraftwärmekopplungssysteme, etc. eingesetzt. In den letzten Jahren wird auch die Verwendung von Brennstoffzellen als die Energiequelle für portable kleine elektronische Geräte wie etwa Notebook Personal Computer, Mobiltelefone und persönliche digitale Assistenten (PDAs) geprüft. Da Brennstoffzellen kontinuierlich Energie erzeugen können wenn sie nur betankt werden, wird von ihnen erwartet, dass sie die Annehmlichkeit von portablen kleinen elektronischen Geräten weiter erhöhen.
Unter Brennstoffzellen, generieren Direktoxidationsbrennstoffzellen (DOFCs) elektrische Energie durch direkte Oxidation eines Brennstoffs, der bei Raumtemperatur flüssig ist, so können sie leicht miniaturisiert werden. Direktmethanolbrennstoffzellen (DMFCS), welche Methanol als den Brennstoff verwenden, sind in Energieeffizienz und Energieausstoß den anderen Direktoxidationsbrennstoffzellen überlegen, und werden als die vielversprechendsten unter DOFCs angesehen.
Eine Brennstoffzelle beinhaltet einen Stapel, der eine Vielzahl an Zellen, die in Serien verbunden sind, umfasst. Jede Zelle beinhaltet: eine Membran-Elektrodenanordnung, die eine Elektrolytmembran und eine Anode und eine Kathode, die jeweils auf beiden Seiten der Elektrolytmembran angeordnet sind, umfasst; einen Anoden-seitigen Separator in Kontakt mit der Anode; und einen Kathoden-seitigen Separator in Kontakt mit der Kathode. Der Anoden-seitige Separator weist einen Brennstoffflusskanal zum Zuführen eines flüssigen Brennstoffs an die Anode auf, während der Kathoden-seitige Separator einen Oxidationsmittelflusskanal zum Zuführen eines Oxidationsmittels an die Kathode aufweist. Der flüssige Brennstoff und das Oxidationsmittel werden durch Zufuhrvorrichtung, wie etwa Pumpen, an die Brennstoffzelle zugeführt.
Die Reaktionen an der Anode und Kathode von einer DMFC sind unten gezeigt. Sauerstoff, der in die Kathode eingebracht wird, wird normalerweise von der Luft entnommen. Anode: CH₃OH + H₂O → CO₂ + 6H⁺ + 6e^– Kathode: (3/2)O₂ + 6H⁺ + 6e^– → 3H₂O
An der Anode, reagieren Methanol und Wasser um Kohlenstoffdioxid zu produzieren. Der Brennstoffabfluss, der das Kohlenstoffdioxid und unreagierten Brennstoff beinhaltet, wird zu einem Abflusstank transportiert. An der Kathode, wird mehr Wasser, als verbraucht wird, produziert. Ein Teil des Fluids, das Wasser und unreagierten Sauerstoff enthält, wird zu einem Abflusstank transportiert.
Das Kohlenstoffdioxid, das von der Anode auströmt, und der restliche Teil des Fluids (normalerweise Dampf und Sauerstoff), das von der Kathode freigesetzt wird, wird nach Außerhalb freigesetzt. PTL1 schlägt vor, dass ein Filter zum Reinigen des Fluids, das nach Außerhalb freigesetzt werden soll, innerhalb eines Rohrs, durch welches das Fluid durchläuft, installiert wird. Auch, PTL2 schlägt vor, dass ein Wasser-absorbierendes Blatt verwendet wird um den Dampf, der von der Kathode auströmt, zu absorbieren um zu verhindern, dass der Dampf die in der Nähe liegenden Vorrichtung beeinflusst.
[LITERATURLISTE]
[PATENTLITERATUR]

[PTL1] japanisch offengelegte Patentpublikation Nr. 2005-183014
[PTL2] japanisch offengelegte Patentpublikation Nr. 2006-179470

[DARSTELLUNG DER ERFINDUNG]
[TECHNISCHES PROBLEM]
Das Fluid, das nach Außerhalb von der Kathode ausströmend ist, enthält Dampf. Dadurch, wie in PTL1, sammelt sich kondensiertes Wasser innerhalb des Filters wenn der Filter in der Leitung durch welche das Fluid durchläuft installiert ist, schrittweise störend mit dem Durchgang des Fluids. Als ein Resultat erhöht sich der Verlust des Drucks zum Zuführen des Oxidationsmittels an die Kathode und die Menge an Energie, die durch die Oxidationsmittelzuführvorrichtung wie etwa eine Pumpe konsumiert wird, erhöht sich.
Auch, wie in PTL2, wenn das Wasser-absorbierende Blatt verwendet wird, um den Dampf zu absorbieren, ist es sehr wahrscheinlich, dass kondensiertes Wasser in einigen Bereichen akkumuliert, abhängig von der relativen Position zwischen dem Fluid-Zirkulierungsgang und dem Wasser-absorbierenden Blatt, eventuell Beeinflussen des Flüssigkeitsdurchgangs. Auch ist es schwierig, die Menge an Dampf, die ausströmt nach Außerhalb, zu kontrollieren, wenn das Wasser-absorbierende Blatt lediglich neben der Brennstoffzelle angeordnet ist. Es ist deshalb schwierig die Menge an Wasser, das in dem Abflusstank gesammelt wird, zu kontrollieren.
[LÖSUNG DES PROBLEMS]
Das Direktoxidationsbrennstoffzellensystem gemäß der Erfindung beinhaltet: eine Brennstoffzelle, die zumindest eine Zelle, einen Brennstoffeingang zum Einführen eines flüssigen Brennstoffs, einen Brennstoffausgang zum Ausströmen eines Brennstoffabflusses, einen Oxidationsmitteleingang zum Einführen eines Oxidationsmittels und einen Oxidationsmittelausgang zum Ausströmen eines Fluids, das unverbrauchtes Oxidationsmittel und Produktwasser enthält, beinhaltet; ein Brennstoffzuführabschnitt zum Zuführen des flüssigen Brennstoffs zu dem Brennstoffeingang; ein Oxidationsmittelzuführabschnitt zum Zuführen des Oxidationsmittels zu dem Oxidationsmitteleingang; einen Abflusstank zum Speichern des Brennstoffabflusses und eines Teils des Produktwassers; einen Brennstoffausströmungsgang zum Leiten des Brennstoffabflusses zu dem Abflusstank; einen Gas-Flüssigtrennungsmechanismus zum Trennen eines Teils des Produktwassers von dem Fluid und Ausströmen des Rests nach Außerhalb; und einen Produktwasserausströmungsgang zum Leiten des getrennten Produktwassers zu dem Abflusstank. Der Gas-Flüssigtrennungsmechanismus weist auf: ein Zugloch, das mit dem Oxidationsmittelausgang und Außerhalb kommuniziert; einem porösen Filter zum Schließen des Zuglochs; und ein Wasser-absorbierendes Material zum teilweise Bedecken der Oberfläche des porösen Filters auf der Oxidationsmittelausgangsseite.
[VORTEILHAFTE EFFEKTE DER ERFINDUNG]
Die Erfindung kann eine Erhöhung des Verlusts des Drucks zum Zuführen des Oxidationsmittels an die Kathode unterdrücken.
Während die neuen Merkmale der Erfindung besonders in den angehängten Ansprüchen dargelegt sind, wird die Erfindung, beides was die Organisation und den Inhalt angeht, besser verstanden und gewürdigt, einher mit anderen Zielen und Merkmalen davon, von den folgenden detaillierten Beschreibungen in Verbindung mit den Zeichnungen.
[KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN]
1 ist ein schematisches Diagramm, das die Struktur eines Direktoxidationsbrennstoffzellensystem nach einer Ausführungsform der Erfindung zeigt;
2 ist eine querschnittliche Ansicht einer Brennstoffzelle, die in dem System beinhaltet ist, perpendikular zu der Elektrodenebene;
3 ist ein schematisches Diagramm, das die Struktur eines Gas-Flüssigtrennungsmechanismus, der in dem System beinhaltet ist, zeigt;
4 ist ein schematisches Diagramm, das die Struktur eines Filterabschnitts, der in dem Gas-Flüssigtrennungsmechanismus beinhaltet ist, zeigt;
5 ist ein schematisches Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Gas-Flüssigtrennungsmechanismus, der in dem System beinhaltet ist, und einer Saugpumpe zeigt;
6A ist ein schematisches Diagramm, das die Struktur von einem Abflusstank, der in dem Gas-Flüssigtrennungsmechanismus beinhaltet ist, zeigt; und
6B ist eine querschnittliche Ansicht des Abflusstank entlang der Linie VIb-VIb entnommen.
[BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN]
Das Direktoxidationsbrennstoffzellensystem der Erfindung ist mit Referenz zu 1 beschrieben.
Ein Brennstoffzellensystem 1 beinhaltet eine Brennstoffzelle 2, welche aufweist: einen Körper 2a; einen Brennstoffeingang 2b zum Einführen eines flüssigen Brennstoffs; ein Brennstoffausgang 2c zum Ausströmen eines Brennstoffabflusses; einen Oxidationsmitteleingang 2d zum Einführen eines Oxidationsmittels; und einen Oxidationsmittelausgang 2e zum Ausströmen eines Fluids, das unverbrauchtes Oxidationsmittel und Produktwasser enthält. Der Körper 2a beinhaltet normalerweise einen Stapel von zwei oder mehr Zellen, die elektrisch in Serie verbunden sind.
Zuerst ist die Struktur von einer Zelle mit Referenz zu 2 beschrieben. Eine Zelle 10 ist eine Direktmethanolbrennstoffzelle, welche eine Polymerelektrolytmembran 12 und eine Anode 14 und eine Kathode 16, die so angeordnet sind um die Polymerelektrolytmembran 12 sandwichartig zu umschließen, beinhaltet. Die Polymerelektrolytmembran 12 weist Wasserstoffionenleitfähigkeit auf. Die Anode 14 ist mit Methanol als der Brennstoff zugeführt. Die Kathode 16 ist mit Luft als das Oxidationsmittel zugeführt.
In der Laminierungsrichtung von der Anode 14, der Polymerelektrolytmembran 12, und der Kathode 16, ist ein Anoden-seitiger Separator 26 auf die Anode 14 laminiert, und eine Endplatte 46A ist ferner auf dem Anoden-seitigen Separator 26 angeordnet. Auch ist ein Kathoden-seitiger Separator 36 auf (unten in der Figur) der Kathode 16 laminiert, und eine Endplatte 46B ist ferner auf dem Kathoden-seitigen Separator 36 angeordnet. Wenn zwei oder mehr Zellen 10 gestapelt sind, sind die Endplatten 46A und 46B nicht für jede Zelle ausgestattet, und jede von den Endplatten 46A und 46B ist an jedem Ende von dem Zellstapel in der Staplungsrichtung ausgestattet. Die jeweiligen Endplatten wirken als Stromkollektorplatten, welche Energie zu Ausstoßterminals 2x und 2y der Brennstoffzelle liefern, und die Energie wird zu einem externen Verbraucher (nicht gezeigt) oder einer Speicherbatterie 103 über einen DC/DC Konverter 102 übermittelt.
Zwischen dem Anoden-seitigen Separator 26 und der Polymerelektrolytmembran 12 ist eine Dichtung 42 um die Anode 14 angeordnet. Zwischen dem Kathoden-seitigen Separator 36 und der Polymerelektrolytmembran 12 ist eine Dichtung 44 um die Kathode 16 angeordnet. Die Dichtungen 42 und 44 verhindern jeweils, dass der Brennstoff und das Oxidationsmittel von der Anode 14 und der Kathode 16 austreten.
Die zwei Endplatten 46A und 46B sind mit Bolzen, Federn etc., nicht gezeigt, so eingespannt, dass die jeweiligen Separatoren und die MEA (Membranelektrodenanordnug) gepresst sind, um die Zelle 10 zu bilden.
Die Anode 14 beinhaltet eine Anodenkatalysatorschicht 18 und eine Anodendiffusionsschicht 20. Die Anodenkatalysatorschicht 18 ist in Kontakt mit der Polymerelektrolytmembran 12. Die Anodendiffusionsschicht 20 beinhaltet ein Anoden-poröses Substrat 24, das eine Wasser-abweisenden Behandlung unterworfen ist, und eine Anoden-wasserabweisende Schicht 22, die auf einer Oberfläche davon gebildet ist und aus einem hoch Wasser-abweisenden Material gemacht ist. Die Anoden-wasserabweisende Schicht 22 und das Anoden-poröse Substrat 24 sind in dieser Reihenfolge auf die Fläche der Anodenkatalysatorschicht 18 gegenüber der Fläche in Kontakt mit der Polymerelektrolytmembran 12 laminiert.
Die Kathode 16 beinhaltet eine Kathodenkatalysatorschicht 28 und eine Kathodendiffusionsschicht 30. Die Kathodenkatalysatorschicht 28 ist in Kontakt mit der Fläche der Polymerelektrolytmembran 12 gegenüber der Fläche in Kontakt mit der Anodenkatalysatorschicht 18. Die Kathodendiffusionsschicht 30 beinhaltet ein Kathoden-poröses Substrat 34, das einer Wasser-abweisenden Behandlung unterworfen ist, und eine Kathoden-wasserabweisende Schicht 32, die auf einer Oberfläche davon gebildet ist und aus einem hoch Wasser-abweisenden Material gemacht ist. Die Kathoden-wasserabweisende Schicht 32 und das Kathoden-poröse Substrat 34 sind in dieser Reihenfolge auf der Fläche der Kathodenkatalysatorschicht 28 gegenüber der Fläche in Kontakt mit der Polymerelektrolytmembran 12 laminiert.
Ein Laminat, dass die Polymerelektrolytmembran 12, die Anodenkatalysatorschicht 18, und die Kathodenkatalysatorschicht 28 umfasst, ist der Energiegenerierungsbereich der Brennstoffzelle und wird ein CCM (Katalysator-beschichtete Membran) genannt. Auch die MEA ist ein Laminat von der CCM, der Anodendiffusionsschicht 20 und der Kathodendiffusionsschicht 30. Die Anodendiffusionsschicht 20 und die Kathodendiffusionsschicht 30 diffundieren gleichmäßig den Brennstoff und das Oxidationsmittel, die zu der Anode 14 und der Kathode 16 zugeführt ist, während reibungslosen Entfernens des Produktwassers und des Kohlenstoffdioxids.
Die Fläche des Anoden-seitigen Separators 26 in Kontakt mit dem Anoden-porösen Substrat 24 weist einen Brennstoffflusskanal 38 zum Zuführen des Brennstoffs an die Anode 14 auf. Der Brennstoffflusskanal 38 umfasst zum Beispiel eine Vertiefung oder Rille, die in der oben genannten Kontaktfläche gebildet ist, welche zu dem Anoden-porösen Substrat 24 hin offen ist. Der Brennstoffflusskanal kommuniziert mit dem Brennstoffeingang 2b und dem Brennstoffausgang 2c des Brennstoffzellenkörpers 2a.
Die Fläche des Kathoden-seitigen Separators 36 in Kontakt mit dem Kathoden-porösen Substrat 34 weist einen Oxidationsmittelflusskanal 40 zum Zuführen des Oxidationsmittels (Luft) an die Kathode 16 auf. Der Oxidationsmittelflusskanal 40 umfasst auch zum Beispiel eine Vertiefung oder Rille, die in der oben genannten Kontaktfläche gebildet ist, welche zu dem Kathoden-porösen Substrat 34 hin offen ist. Der Oxidationsmittelflusskanal kommuniziert mit dem Oxidationsmitteleingang 2d und dem Oxidationsmittelausgang 2e des Brennstoffzellenkörpers 2a.
Das Brennstoffzellensystem 1 enthält weiter eine Brennstoffpumpe 3, welche ein Brennstoffzuführabschnitt zum Zuführen des flüssigen Brennstoffs an den Brennstoffeingang bildet, und eine Luftpumpe 4, welche ein Oxidationsmittelzuführabschnitt zum Zuführen des Oxidationsmittels an den Oxidationsmitteleingang bildet. Der Ausstoß der Brennstoffpumpe 3 und der Luftpumpe 4 ist normalerweise durch eine vorherbestimmte Kontrollvorrichtung 5 kontrolliert. Ein Mikrocomputer mit einer arithmetischen Einheit 5a oder ähnlichem wird als die Kontrollvorrichtung 5 verwendet.
Die Brennstoffpumpe 3 ist zu einem Brennstofftank 6, der einen hochkonzentrierten Zuführbrennstoff 6a enthält, und einem Abflusstank 7 verbunden. Der Zuführbrennstoff vereinigt sich mit einem Brennstoffabfluss 6b an einem Zusammenflussabschnitt 8, der stromaufwärts oder stromabwärts von der Brennstoffpumpe angeordnet ist. Als ein Resultat wird ein flüssiger Brennstoff 6c, dessen Konzentration mit dem Zuführbrennstoff 6a eingestellt ist, in dem Brennstoffeingang 2b der Brennstoffzelle eingeführt. Das ist, die Brennstoffpumpe 3 dient als eine Zirkulationspumpe zum Zirkulieren des Brennstoffabflusses von dem Abflusstank 7 zu dem Brennstoffeingang. Der Zusammenflussabschnitt 8 kann mit einem Mischungstrank zum temporären Speichern des Zuführbrennstoff 6a und des Brennstoffabflusses 6b ausgestattet sein und diese mischen.
Der Brennstoffzuführabschnitt beinhaltet zumindest die Brennstoffpumpe (erste Brennstoffpumpe) 3; aber zumindest eines von den Abschnitten aus der Kontrollvorrichtung 5 zum Kontrollieren der Brennstoffpumpe 3, dem Brennstofftank 6, und dem Zusammenflussabschnitt 8 wo der Zufuhrbrennstoff und der Brennstoffabfluss vereinigt sind, kann als Teil des Brennstoffzuführabschnitts konstruiert sein. Auch kann der Brennstoffzuführabschnitt zusätzlich eine Zirkulationspumpe (zweite Brennstoffpumpe) zum Zuführen des Brennstoffabflusses 6b von dem Abflusstank 7 an den Zusammenflussabschnitt 8 beinhalten. Der Brennstoffzuführabschnitt kann ferner eine Zuführbrennstoffpumpe (dritte Brennstoffpumpe) zum Kontrollieren der Menge von dem Zuführbrennstoff 6a, der an den Zusammenflussabschnitt 8 eingebracht ist, zwischen dem Brennstofftank 6 und dem Zusammenflussabschnitt 8 beinhalten. Der Ausstoß von den zweiten und dritten Brennstoffpumpen kann durch die Kontrollvorrichtung 5 kontrolliert werden.
Der flüssige Brennstoff 6c wird in den Brennstoffflusskanal von dem Brennstoffeingang 2b eingebracht, passiert durch den Flusskanal während der Brennstoff konsumiert wird, und wird eventuell von dem Brennstoffausgang 2c als ein Brennstoffabfluss, der Kohlenstoffdioxid enthält, ausströmend. Obwohl der Brennstoffabfluss eine niedrige Brennstoffkonzentration aufweist, enthält er unreagierten Brennstoff, und deshalb wird er nach Trennen von Kohlenstoffdioxid wiederverwendet. Der Brennstoffabfluss wird in dem Abflusstank 7 durch einen Brennstoffausströmgang 9, welcher den Brennstoffausgang 2c und den Abflusstank 7 verbindet, gesammelt.
Das Verfahren zum Trennen von Kohlenstoffdioxid ist nicht besonders limitiert. Zum Beispiel kann Kohlenstoffdioxid nach Außerhalb ausgeströmt werden durch Ausstatten des Abflusstanks 7 mit einem Fenster und Schließen des Fensters mit einem Gas-Flüssigkeitsseparationsfilm, welcher Kohlenstoffdioxid erlaubt hindurch zu passieren. Es ist bevorzugt ein Paar von Elektroden 7a innerhalb des Abflusstanks 7, als einen Sensor zum Messen der Menge der Flüssigkeit, zu installieren. In diesem Fall, kann die Kapazität zwischen den Elektroden 7a verwendet werden um die Menge an der Flüssigkeit zu überwachen. Es ist auch bevorzugt den Abflusstank 7 innerhalb oder außerhalb davon mit einer Temperaturkontrolleinheit 7b zum Kontrollieren der Temperatur der Flüssigkeit auszustatten.
Die Luftpumpe 4 saugt die Luft von Außerhalb an und führt sie als das Oxidationsmittel zu dem Oxidationsmitteleingang 2d der Brennstoffzelle. Der Oxidationsmittelzuführabschnitt beinhaltet zumindest die Luftpupe 4, aber die Abschnitte der Kontrollvorrichtung 5 zum Kontrollieren der Luftpumpe 4 können als Teil von dem Oxidationsmittelzuführabschnitt konstruiert sein. Die Luft wird in den Oxidationsmittelflusskanal von dem Oxidationsmitteleingang 2d eingeführt, passiert durch den Flusskanal während der Sauerstoff konsumiert wird, und wird eventuell ausströmend von dem Oxidationsmittelausgang 2e als ein Fluid, das Dampf enthält (Produktwasser). Das ausströmende Fluid wird in einen Gas-Flüssigseparationsmechanismus 100 durch den Druck der Luftpumpe 4 eingeführt.
In dem Gas-Flüssigtrennungsmechanismus 100 ist ein Teil des Produktwassers von dem ausströmenden Fluid separiert, und der Rest wird nach Außerhalb ausgeströmt. Wenn Methanol als der Brennstoff verwendet wird, werden theoretisch 3 Mol von Wasser an der Kathode pro 1 Mol von Wasser, das an der Anode konsumiert wird, produziert. Von daher kann, durch Sammeln 1 Mols von Wasser von dem Produktwasser, die Menge an Wasser innerhalb des Systems theoretisch fast konstant gehalten werden. Die restlichen 2 Mol von Wasser werden nach Außerhalb über den Gas-Flüssigtrennungsmechanismus 100 freigesetzt. Das getrennte Produktwasser wird in dem Abflusstank 7 durch einen Produktwasserausströmungsgang 101 gesammelt. Der Produktwasserausströmungsgang 101 verbindet den Gas-Flüssigtrennungsmechanismus 100 und den Abflusstank 7.
Die Struktur des Gas-Flüssigtrennungsmechanismus 100 ist jetzt mit Referenz zu 3 beschrieben.
Der Gas-Flüssigtrennungsmechanismus 100 beinhaltet ein Zugloch 104, das mit dem Oxidationsmittelausgang 2e und dem Außerhalb kommuniziert, einen porösen Filter 105 zum Schließen des Zugslochs 104 und ein Wasserabsorbierendes Material 106 zum teilweisen Bedecken der Oberfläche des porösen Filters 105 auf der Oxidationsmittelausgangsseite.
Das Zugloch 104, das mit dem Oxidationsmittelausgang 2e und dem Außerhalb kommuniziert, ist eine Öffnung zum Freisetzen der Luft, die unkonsumiertes Oxidationsmittel (unreagierten Sauerstoff) enthält. Das Zugloch 104 ist so positioniert, dass das Fluid, das von der Kathode ausströmend ist, notwendigerweise durch das Zugloch 104 passiert bevor es nach Außerhalb ausströmt. Das Zugloch 104 kann in dem Element von der Brennstoffzelle, das den Oxidationsmittelausgang 2e definiert, gebildet sein oder kann in einem anderen Element, benachbart an dieses Element, gebildet sein.
In dem Fall von 3, ist der Oxidationsmittelausgang 2e der Brennstoffzelle durch ein Element, das den Brennstoffzellenkörper 2a bildet, definiert. Der Gas-Flüssigtrennungsmechanismus 100 ist aus einem Gehäuse 107 und einem Filterabschnitt (siehe 4) gebildet, und der Filterabschnitt ist aus dem porösen Filter 105 und dem Wasser-absorbierenden Material 106 gebildet. Das Gehäuse 107 weißt eine erste Öffnung 107a, die fast dieselbe Form als die von dem Oxidationsmittelausgang 2e aufweist, und ist direkt zu dem Oxidationsmittelausgang verbunden, und eine zweite Öffnung (Zugloch) 104 auf, die der ersten Öffnung zugewandt ist. Die zweite Öffnung 104 ist durch den porösen Filter 105 verschlossen, aber das Wasser-absorbierende Material 106 ist in dem Gehäuse 107 so angeordnet, dass der poröse Filter 105 teilweise bedeckt ist. Dadurch ist das Fluid, das von der Kathode ausströmend ist, durch Passieren hauptsächlich durch die Region S1 (nachfolgend erste Region) des porösen Filters 105, der nicht bedeckt mit dem Wasser-absorbierenden Material 106 ist, nach Außerhalb freigesetzt.
Da das Fluid, das von der Kathode ausströmend ist, Feuchtigkeit enthält, kondensiert es innerhalb der Poren des porösen Filters 105, und das Wasser sammelt sich innerhalb des porösen Filters 105. Das Wasser bewegt sich zu dem Wasser-absorbierenden Material 106 durch die Region 52 (zweite Region) des porösen Filters 105, der mit dem wasserabsorbierenden Material 106 bedeckt ist, zum Beispiel, durch Kapillarwirkung. In der ersten Region S1, da die Luft immer fließt, verdampft das Wasser einfach. Deshalb ist es unwahrscheinlich, dass sich das Wasser in der ersten Region S1 akkumuliert, und eine Erhöhung in dem Verlust des Drucks von der Luftpumpe wird unterdrückt.
Also ist die Wasserverteilung kleinstens in der ersten Region S1 des porösen Filters 105 und größtens in dem Wasser-absorbierenden Material 106. Auf diese Weise, durch Ändern der Wasserverteilung innerhalb des Filterabschnitts, ist es möglich einen Anstieg in dem Verlust des Drucks zum Einführen des Oxidationsmittels an die Kathode zu unterbinden, Ausströmen einer geeigneten Menge von Dampf nach Außerhalb, und Sammeln einer notwendigen Menge von Wasser in dem Abflusstank 107. Auch da die zweite Öffnung 104 durch den porösen Filter 105 geschlossen ist, wird Staub daran gehindert in die Nähe des Zuglochs einzudringen.
Obwohl nicht besonders limitiert, ist der Bereich der zweiten Öffnung 104 bevorzugt kleiner als der Bereich der ersten Öffnung 107a, wie illustriert in 3. Auch ist das Wasser-absorbierende Material 106 bevorzugt in dem Gehäuse 107 so angeordnet, dass es nicht in einen zylindrischen Raum 109 zwischen der ersten Öffnung 107a und der zweiten Öffnung 104 herausragt. Dies ermöglicht es zu verhindern, dass die Luft durch die zweite Region S2 passiert und verhindert exzessives Verdampfen von Wasser. Auch garantiert dies einen ausreichenden Luftzirkulisationsgang, dadurch wird er effektiv im Unterdrücken eines Anstiegs im Druckverlust.
Wenn die Menge an Wasser, die an das Wasser-absorbierende Material 106 zugeführt wird oberhalb der maximalen Menge von Wasser ist, die das Wasser-absorbierende Material 106 halten kann, dann bewegt sich das Wasser abwärts in der Gravitationsrichtung. Dadurch zum Beispiel ist ein Verbindungsteil 110, das mit dem Produktwasserausströmungsgang 101 kommuniziert, an einem unteren Abschnitt des Gehäuses 107 in der Gravitationsrichtung gebildet, um das separierte Wasser in dem Abflusstank 107 zu sammeln. Als solches ist das Wasser automatisch in dem Abflusstank 107 durch sequenzielles Passieren durch den Produktwasserausstoßgang 101 gesammelt.
Der Produktwasserausströmungsgang 101 kann mit einer Saugpumpe 111 zum Saugen des Wassers, das in dem wasserabsorbierenden Material 106 zurückgehalten wird, wie illustriert in 5 ausgestattet sein. Durch Erlauben der Saugpumpe 111 sequenziell das Wasser von dem Wasser-absorbierenden Material 106 zu saugen kann die Bewegung des Wassers von dem porösen Filter 105 zu dem Wasser-absorbierenden Material 106 unterstützt werden. Auch unabhängig von der Gravitationsrichtung, kann das Wasser sofort in dem Abflusstank 107 gesammelt werden. Die Saugpumpe 111 weist zum Beispiel einen Stutzen 112 auf, der zum Einführen in das wasserabsorbierende Material 106 ist, wie in 5 illustriert, und das Wasser wird zu der Saugpumpe von dem Stutzen 112 geführt.
Der poröse Filter 105 kann aus einem porösen Material, welches Luft erlaubt dadurch zu fließen gemacht sein. Solch ein Material ist bevorzugt ein Kohlenstoffblatt wie etwa Kohlenstoff-Schaum, Kohlenstoff-Papier oder Kohlenstoff-Faservlies
Das poröse Material 105 ist bevorzugt hydrophil. Zum Beispiel ist als der poröse Filter ein Kohlenstoffblatt, welches mäßig hydrophil gemacht ist, bevorzugt. Da ein Kohlenstoffblatt, welches mäßig hydrophil gemacht ist, einfach Wasser absorbiert und freisetzt, ist Wasser unwahrscheinlich übermäßig in den porösen Filter akkumuliert.
Folgend, ist die spezifische Struktur des Kohlenstoffblatts beschrieben. Zum Beispiel kann Kohlenstoff-Schaum durch Bilden einer Mischung eines Kohlenstoffpulvers und eines Bindemittels in ein Blatt hergestellt sein. Die Menge von Bindemittel kann so angemessen eingestellt sein, dass das Blatt, das gebildet wird, ein geeignetes Porenvolumen aufweist. Die Pulver-physikalischen Eigenschaften des Kohlenstoffpulvers, wie etwa Teilchengrößenverteilung, können auch nach der gewünschten durchschnittlichen Porengröße oder Porenvolumen angemessen ausgewählt sein. Als Kohlenstoff-Papier oder Kohlenstoff-Faservlies können kommerziel verfügbare verwendet werden.
Der poröse Filter 105 weist bevorzugt Poren mit einer durchschnittlichen Porengröße von 0,4 bis 1,2 mm, oder 0,6 bis 1,0 mm auf. Eine durchschnittliche Porengröße von 0,4 mm oder mehr ist vorteilhaft um einen Anstieg im Druckverlust zu verhindern, und eine durchschnittliche Porengröße von 1,2 mm oder weniger ist vorteilhaft für die Kondensation von Wasser. Die durchschnittliche Porengröße kann zum Beispiel durch ein Perm Porometer gemessen sein.
Während das Verfahren zum hydrophil Machen eines Kohlenstoffblatts nicht besonders limitiert ist, beinhalten Beispiele Verfahren, die eine Argonplasmabehandlung verwenden. Der bevorzugte Grad von Hydrophilie ist so, dass der Kontaktwinkel zwischen dem Kohlenstoffblatt und Wasser 10° oder weniger ist. Der Kontaktwinkel kann durch ein Verfahren wie etwa θ/2 Verfahren gemessen sein.
Um ausreichend Luft zum Fließen durch den Filterabschnitt zu gewährleisten ist es wichtig nicht die gesamte Oberfläche des porösen Filters 105 auf der Oxidationsmittelausgangsseite (die Wasser-absorbierende Materialseite) mit dem Wasser-absorbierenden Material 106 zu bedecken, um einen Anstieg im Druckverlust zu unterdrücken. Das Verhältnis von der Oberfläche des porösen Filters 105 auf der Oxidationsmittelausgangsseite zu der, die mit dem wasserabsorbierenden Material 106 bedeckt ist (i. e., das Verhältnis von dem Bereich der zweiten Region), ist bevorzugt 60 bis 90%. Wenn das Verhältnis von dem Bereich von der zweiten Region S2 zu klein ist, braucht es Zeit für das Wasser sich von dem porösen Filter 105 zu dem Wasser-absorbierenden Material 106 zu bewegen, und das Wasser tendiert in dem porösen Filter 105 zu akkumulieren. Als ein Resultat verkleinert sind der Effekt des Unterdrückens eines Anwachsens des Druckverlusts zum Zuführen des Oxidationsmittels an die Kathode. Andererseits, wenn das Verhältnis von dem Bereich von der zweiten Region S2 zu groß ist, verkleinert sich der Bereich von der ersten Region S1 relativ dazu, so dass sich der Effekt des Unterdrückens eines Anwachsens des Druckverlusts sich ebenfalls verkleinert.
Die Dicke des porösen Filters 105 variiert gemäß der Art des porösen Materials aus dem es gemacht ist. Zum Beispiel in dem Fall des Verwendens eines Kohlenstoffblatts, ist die Dicke des porösen Filters 105 bevorzugt 3 bis 6 mm, und mehr bevorzugt 4 bis 5 mm. Falls der poröse Filter 105 zu dick ist, vermindert sich der Effekt des Unterdrückens eines Anwachsens des Druckverlustes zum Zuführen des Oxidationsmittels an die Kathode. Falls der poröse Filter 105 zu dünn ist, vermindert sich insbesondere die Stärke der ersten Region S1, die nicht mit dem wasserabsorbierenden Material bedeckt ist.
Das Wasser-absorbierende Material 106 ist wünschenswerterweise ein Material, welches mehr Wasser absorbieren und zurück halten kann als der poröse Filter 105. Ein bevorzugtes poröses Material, wenn in eine Flüssigkeit eingetaucht, absorbiert die Flüssigkeit in den Poren um die Luft innerhalb der Poren auszutauschen, und setzt sofort die Flüssigkeit frei wenn es einer externen Kraft ausgesetzt ist. Auch vergrößert sich das scheinbare Volumen des bevorzugten Materials nicht auch wenn es Flüssigkeit absorbiert, und das Verhältnis des Volumenzuwachses des bevorzugten Materials, das voll mit der Flüssigkeit imprägniert ist, ist 5% oder weniger. Bevorzugte Beispiele schließen Naturschwämme, synthetische Harzschwämme, Zellstoff und Polypropylen/Polyethylen Kompositfasern ein.
Während die Dicke des Wasser-absorbierenden Materials 106 (die Dicke in der Richtung perpendikular zu der Fläche in Kontakt mit dem porösen Filter) nicht besonders limitiert ist, ist sie bevorzugt zum Beispiel 4 bis 8 mm, da es bevorzugt ist den Filterabschnitt klein zu machen, während ihm Erlauben eine vorherbestimmten Menge an Wasser zurückzuhalten.
Die Struktur des Abflusstanks 7 ist mit Referenz zur 6A und 6B beschrieben.
Der Abflusstank 7 beinhaltet, zum Beispiel, einen Container 113, der obenauf ein Fenster 113a aufweist, und das Fenster 113a ist mit einem Gas-Flüssigkeitstrennungsfilm 114 verschlossen, welcher Kohlenstoffdioxid erlaubt dahin durch zu passieren. Der Gas-Flüssigkeitstrennungsfilm 114 ist bevorzugt ein Wasser-abweisendes Material. Zum Beispiel wird ein Material, das durch Schmelzen von Polytetrafluoroethylen-Teilchen in ein Blatt hergestellt ist, verwendet. Solch ein Material erlaubt Dampf dahin durch zu passieren. Wenn die Menge an Flüssigkeit in dem Abflusstank 7 zu hoch wird, kann das Wasser zum Beispiel durch Erhitzen des Abflusstanks 107 nach Außerhalb als Dampf durch den Gas-Flüssigseparationsfilm freigesetzt werden. Andererseits, wenn die Menge an Flüssigkeit in dem Abflusstank zu klein wird, wird es schwierig den Zuführbrennstoff zu verdünnen. Deshalb ist es bevorzugt die Menge an Flüssigkeit, durch Abkühlen des Abflusstanks 107 oder Erhöhen des Ausstosses der Saugpumpe 111 des Gas-Flüssigtrennungsmechanismus 100, einzustellen. Der Abflusstank 7 ist bevorzugt mit einem Paar von Elektroden 7a als ein Sensor zum Detektieren der Menge an Flüssigkeit und einem Temperatursensor 115 ausgestattet.
Das Brennstoffzellensystem der Erfindung ist verwendbar für alle Direktoxidationsbrennstoffzellen, die einen Brennstoff, der eine Hohe Affinität zu Wasser aufweist und flüssig bei Raumtemperatur ist, verwenden. Beispiele von solchen Brennstoffen beinhalten Kohlenwasserstoff-flüssige Brennstoffe wie etwa Methanol, Ethanol, Dimethylether, Ameisensäure und Ethylenglykol.
In dem Fall der Verwendung von Methanol ist die Konzentration der wässrigen Methanollösung, die zu der Anode der Brennstoffzelle geführt wird, bevorzugt 1 mol/L bis 8 mol/L. Mehr bevorzugt ist die Konzentration der wässrigen Methanollösung 3 mol/L bis 5 mol/L. Die wässrige Methanollösung, die als der Brennstoff verwendet wird, ist mehr bevorzugt um das Brennstoffzellensystem zu miniaturisieren, da seine Konzentration höher ist. Allerdings, wenn die Konzentration der wässrigen Methanollösung zu hoch ist, kann Methanol Crossover (MCO) eintreten.
Die Erfindung ist nachstehend spezifisch durch Beispiele beschrieben. Jedoch soll die Erfindung durch die folgenden Beispiele nicht als limitiert aufgefasst sein.
(Beispiel 1)
Ein geträgerter Anodenkatalysator, der Anodenkatalysatorteilchen umfasst, der auf einem leitenden Träger geträgert ist, wurde hergestellt. Eine Platin-Ruthenium-Legierung (Atomverhältnis 1:1) (durchschnittliche Teilchengröße: 5 nm) wurde als die Anodenkatalysatorteilchen verwendet. Kohlenstoffteilchen mit einer durchschnittlichen primären Teilchengröße von 30 nm wurden als der Träger verwendet. Das Gewicht der Platin-Ruthenium-Legierung wurde auf 80 Gew.-% des gesamten Gewichts der Platin-Ruthenium-Legierung und der Kohlenstoffteilchen gesetzt.
Ein geträgerter Kathodenkatalysator, der Kathodenkatalysatorteilchen umfasst, der auf einen leitenden Träger geträgert ist wurde hergestellt. Platin (durchschnittliche Teilchengröße: 3 nm) wurde als die Kathodenkatalysatorteilchen verwendet. Kohlenstoffteilchen mit einer durchschnittlichen primären Teilchengröße von 30 nm wurden als der Träger verwendet. Das Gewicht des Platins wurde auf 80 Gew.-% des gesamten Gewichts des Platins und der Kohlenstoffteilchen gesetzt.
Ein 50-μm dicke Fluoropolymermembran (ein Film, der hauptsächlich aus Perfluorosulfonsäure/Polytetrafluorethylen Copolymer (H⁺ artig) besteht, Markenname ”Nafion^® 112”, verfügbar von E. I. Du Pont de Nemours & Co. Inc.) wurde als die Polymerelektrolytmembran verwendet.
(Herstellung von CCM)
(Anodenbildung)
10 g des geträgerten Anodenkatalysator, 70 g einer flüssigen Dispersion, die eine Perfluorosulfonsäure/Polytetrafluorethylen Copolymer (H⁺ artig) (Nafion Dispersion, ”Nafion^® 5 Gew.-% Lösung” verfügbar von E. I. Du Pont de Nemours & Co. Inc.) enthät, und eine geeignete Menge an Wasser wurden mit einer Rührvorrichtung gerührt und gemischt. Die resultierende Mischung wurde entschaumt um eine Tinte zum Bilden einer Anodenkatalysatorschicht herzustellen.
Die Anoden-Katalysator-Schicht bildende Tinte wurde auf eine Oberfläche der Polymerelektrolytmembran, durch ein Sprühverfahren unter Verwendung von einem Airbrush gesprüht um eine rechteckige Anoden-Katalysator-Schicht von 40 × 90 mm zu bilden. Die Dimensionen der Anoden-Katalysator-Schicht wurden durch Maskieren eingestellt. Als die Anoden-Katalysator-Schicht bildende Tinte gesprüht wurde, wurde die Polymerelektrolytmembran auf eine Metallplatte, dessen Oberflächentemperatur mit einem Heizgerät eingestellt wurde, gebunden und durch Reduzieren des Drucks gesichert. Die Anoden-Katalysator-Schicht bildende Tinte wurde graduell während Anwendung getrocknet. Die Dicke der Anoden-Katalysator-Schicht war 61 μm. Die Menge an Pt-Ru pro Flächeneinheit war 3 mg/cm².
(Kathodenformation)
10 g des geträgerten Kathodenkatalysators, 100 g von einer flüssigen Dispersion, die eine Perfluorosulfonsäure/Polytetrafluorethylen Copolymer (H⁺ artig) (Markenname ”Nafion^® 5 Gew.-% Lösung” wie oben genannt) enthält, und eine geeignete Menge von Wasser wurden mit einer Rührvorrichtung gerührt und gemischt. Die resultierende Mischung wurde entschaumt um eine Tinte zum Bilden einer Kathodenkatalysatorschicht herzustellen.
Die Kathoden-Katalysator-Schicht bildende Tinte wurde auf die Fläche der Polymerelektrodenmembran gegenüber der Fläche mit der Anoden-Katalysator-Schicht durch dasselbe Verfahren als das, das verwendet wurde um die Anoden-Katalysator-Schicht zu Bilden, aufgebracht. In dieser Weise, wurde eine rechteckige Kathoden-Katalysator-Schicht von 40 × 90 mm auf der Polymerelektrolytmembran gebildet. Die Menge an Pt, die in der Kathoden-Katalysator-Schicht pro Flächeneinheit enthalten ist, war 1 mg/cm².
Die Anoden-Katalysator-Schicht und die Kathoden-Katalysator-Schicht wurden so angeordnet dass ihre Zentren (der Überschneidungspunkt von diagonalen Linien des Rechtecks) auf einer geraden Linie parallel zu der Dickerichtung der Polymerelektrolytmembran positioniert wurden.
In dieser Art wurde eine CCM hergestellt.
(MEA Herstellung)
(Anoden-poröses Substrat Herstellung)
Ein Kohlenstoffpapier, das einer Wasser-abweisenden Behandlung unterworfen wurde (Markenname ”TGP-H-090”, ungefähr 300 μm in Dicke, verfügbar von Toray Industries Inc.), wurde in eine verdünnte Polytetrafluoroethylen (PTFE) Dispersion (Markenname ”D-1”, verfügbar von Daikin Industries, Ltd.) für 1 Minute eingetaucht. Das Kohlenstoffpapier wurde dann in einen Heißlufttrockner getrocknet in welchem die Temperatur auf 100°C gesetzt war. Anschließend wurde das getrocknete Kohlenstoffpapier bei 270°C in einem elektrischen Ofen für 2 Stunden gebacken. In dieser Weise, wurde ein Anoden-poröses Substrat mit einem PTFE-Anteil von 10 Gew.-% hergestellt.
(Kathoden-poröses Substrat Herstellung)
Ein Kathoden-poröses Substrat mit einem PTFE-Gehalt von 10 Gew.-% wurde in derselben Weise als das Anoden-poröse Substrat hergestellt außer verwenden eines Kohlenstoffstoffs (Markenname ”AvCarb (Markenname) 1071HCB”, verfügbar von Ballard Material Products Inc.) anstatt des Kohlenstoffpapiers, das einer Wasser-abweisenden Behandlung unterworfen ist.
(Anoden Wasser-abweisende Schicht Herstellung)
Ein Acetylenrußpulver und eine PFTE Dispersion (Markenname ”D-1” verfügbar von Daikin Industries, Ltd.) wurden mit einer Rührvorrichtung gerührt und gemischt um eine Tinte zum Bilden einer Wasser-abweisenden Schicht mit einem PTFE-Gehalt von 10 Gew.-% des gesamten festen Gehalts und einem Acetylenrußgehalt von 90 Gew.-% des gesamten festen Gehalt herzustellen. Die Wasserabweisende Schicht bildende Tinte wurde auf eine Oberfläche von dem Anoden-porösen Substrat durch ein Sprühverfahren unter Verwendung eines Airbrush aufgesprüht. Die gesprühte Tinte wurde dann in einem Thermostat, in welchem die Temperatur auf 100°C gesetzt war, getrocknet. Anschließend wurde das Anoden-poröse Substrat, das mit der Wasser-abweisenden Schicht bildende Tinte besprüht ist, bei 270°C in einem elektrischen Ofen für 2 Stunden gebacken um den oberflächenaktiven Stoff zu entfernen. In dieser Weise wurde eine Anoden Wasser-abweisende Schicht auf dem Anoden-porösen Substrat gebildet um eine Anodendiffusionsschicht zu bilden.
(Kathoden Wasser-abweisende Schicht Herstellung)
Eine Kathoden Wasser-abweisende Schicht wurde auf eine Oberfläche des Kathoden-porösen Substrats in derselben Weise als die Anoden Wasserabweisende Schicht gebildet um eine Kathodendiffusionsschicht zu bilden.
Die Anodendiffusionsschicht und die Kathodendiffusionsschicht wurden in einem Rechteck von 40 × 90 mm unter Verwendung einer Stanzform gebildet.
Danach wurden die Anodendiffusionsschicht und das CCM so laminiert, dass die Anoden Wasser-abweisende Schicht in Kontakt mit der Anodenkatalysatorschicht war. Auch die Kathodendiffusionsschicht und das CCM wurden so laminiert, dass die Kathoden Wasser-abweisende Schicht in Kontakt mit der Kathodenkatalysatorschicht war.
Das resultierende Laminat wurde mit einem Druck von 5 MPa für 1 Minute unter Verwendung einer Heißpressmaschine, in welcher die Temperatur auf 125°C eingestellt war, gepresst. In dieser Weise, wurden die Anodenkatalysatorschicht und die Anodendiffusionsschicht verbunden und wurden die Kathodenkatalysatorschicht und die Kathodendiffusionsschicht verbunden.
In der obigen Weise wurde eine Membran-Elektrodenanordnung (MEA), die die Anode, die Polymerelektrolytmembran, und die Kathode umfasst, hergestellt.
(Dichtungsanordnung)
Ein 0,25 mm dickes Blatt aus Etyhlenpropyiendiengummi (EPDM) wurde zu einem Rechteck von 50 mm × 120 mm geschnitten. Ferner wurde ein zentraler Teil davon abgeschnitten um eine rechteckige Öffnung von 42 mm × 92 mm zu bilden. In dieser Weise wurden zwei Dichtungen hergestellt.
Die Anode wurde in die zentrale Öffnung von einer der Dichtungen eingepasst, während die Kathode in die zentrale Öffnung von der anderen Dichtung eingepasst wurde.
(Separator Herstellung)
Eine rechteckige Harz-imprägnierte Graphitplatte mit einer Dicke von 1,5 mm und einer Größe von 50 × 120 mm wurde als ein Material für einen Anodenseitigen Separator hergestellt. Die Oberfläche der Graphitplatte wurde geschnitten um einen Brennstoffflusskanal zum Zuführen einer wässrigen Methanollösung zu der Anode zu bilden. Ein Ende (kurze Seite) des Separators wurde mit einem Eingang (Brennstoffeingang) für den Brennstoffflusskanal ausgestattet. Das andere Ende (kurze Seite) des Separators wurde mit einem Ausgang (Brennstoffausgang) für den Brennstoffflusskanal ausgestattet. In dieser Art wurde der Anodenseitige Separator hergestellt.
In gleicher Weise, wurde eine rechteckige Harz-imprägnierte Graphitplatte mit einer Dicke von 2 mm und einer Größe von 50 × 120 mm als ein Material für einen Kathoden-seitigen Separator hergestellt. Die Oberfläche davon wurde geschnitten um einen Luftflusskanal zum Zuführen von Luft an die Kathode als das Oxidationsmittel zu bilden. Ein Ende (kurze Seite) des Separators wurde mit einem Eingang (Oxidationsmitteleingang) des Luftflusskanals ausgestattet. Das andere Ende (kurze Seite) des Separators wurde mit einem Ausgang (Oxidationsmittelausgang) des Luftflusskanals ausgestattet. In dieser Weise wurde der Kathoden-seitige Separator hergestellt.
Die Vertiefungen des Brennstoffflusskanals und des Luftflusskanals wiesen eine Breite von 1 mm und eine Tiefe von 0,5 mm im Querschnitt auf. Auch sind der Brennstoffflusskanal und der Luftflusskanal von dem serpentinen Typ, der in der Lage ist gleichmäßig den Brennstoff und die Luft an die gesamte Anodendiffusionsschicht und die gesamte Kathodendiffusionsschicht zuzuführen.
Der Anoden-seitige Separator wurde auf der MEA so laminiert, dass der Brennstoffflusskanal in Kontakt mit der Anodendiffusionsschicht war. Der Kathodenseitige Separator wurde auf der MEA so laminiert, dass der Luftflusskanal in Kontakt mit der Kathodendiffusionsschicht war.
MEAs, die in der obigen Weise hergestellt wurden, jedes zwischen dem Anoden-seitigen Separator und dem Kathoden-seitigen Separator sandwichartig eingeschlossen, wurden gestapelt um 10 Zellen zu bilden, und beide Enden von dem Stapel in der Stapelrichtung wurden mit einem Paar von Endplatten ausgestattet, die 1-cm-Dicke rostfreie Stahlplatten umfassen. Eine Stromkollektorplatte, die eine 2-mm Dicke Kupferplatte umfasst, dessen Oberfläche mit Gold plattiert war, und eine Isolatorplatte wurden zwischen jede Endplatte und jeden Separator angeordnet. Die Stromkollektorplatte wurde auf der Separatorseite angeordnet, während die Isolierplatte auf der Endplattenseite angeordnet war.
In diesem Zustand wurde das Paar von Endplatten mit Bolzen, Muttern und Federn befestigt um die MEAs und die jeweiligen Separatoren unter Druck zu setzen.
In der obigen Weise, wurde ein DMFC Zellenstapel mit einer Größe von 50 × 120 mm hergestellt.
(Gas-Flüssigtrennungsmechanismus Herstellung)
Ein Kohlenstoffblatt mit einer Dicke von 4 mm und einer durchschnittlichen Porengröße von 0,6 mm, das einer Hydrophiliebehandlung unterzogen wurde, wurde in eine Form von 10 mm × 35 mm geschnitten um einen porösen Filter herzustellen. Der Kontaktwinkel zwischen dem porösen Filter und Wasser war 10°.
Ein Polypropylenharzgehäuse in der Form eines Containers mit einer Öffnung (erste Öffnung), die eine Gestalt korrespondierend zu dem porösen Filter aufweist, wurde geformt. Eine zweite Öffnung (Zugloch) von 3 × 35 mm wurde in dem Boden des Gehäuses in der Nähe zu einer der langen Seiten gebildet. Der poröse Filter wurde in dem Gehäuse so eingepasst, dass er die zweiten Öffnung von der inneren Seite des Gehäuses verschließt.
Daraufhin, wurde ein 4-mm dickes Naturschwammblatt (Wasserabsorbierendes Material) in eine Form von 7 mm × 35 mm geschnitten und auf den porösen Filter so angepasst, dass er nicht mit der zweiten Öffnung des Gehäuses überlappte. Auf diese Weise wurde ein Filterabschnitt innerhalb des Gehäuses gebildet. Die Fläche des Wasser-absorbierenden Materials auf der ersten Öffnung wurde mit dem Ende von dem Gehäuse, das die erste Öffnung definiert, fugendicht. Die Region (erste Region) des porösen Filter, die nicht mit dem Wasser-absorbierenden Material bedeckt ist, und die Region (zweite Region) die mit dem Wasser-absorbierenden Material bedeckt ist, machen jeweils 30% und 70% aus.
Ein 2-mm Durchmesser kleines Loch wurde in einer Seitenfläche des Gehäuses gebildet, sodass es gegenüber dem Schwamm lag. Von dem kleinen Loch, wurde ein röhrenförmiger Stutzen in den Schwamm eingeführt, und dann wurde der Spalt zwischen dem kleinen Loch und dem Stutzen versiegelt. Der Umfang des Stutzens wurde mit einer Vielzahl von Wasser-absorbierenden Löchern zum Absorbieren von Wasser ausgestattet. Das Ende des Stutzens Außerhalb des Gehäuses wurde mit einer Saugpumpe (PT09A-12-03) verfügbar von C. I. Kasei Co. Ltd. verbunden.
(Brennstoffzellensystem Herstellung)
Die Brennstoffeingänge der jeweiligen Zellen, die in einer Endfläche von dem Zellstapel angeordnet sind, wurden an eine Brennstoffpumpe (Personalpumpe NP-KX-100) von Nihon Seimitu Kagaku Co. Ltd. als ein Brennstoffzuführabschnitt angeschlossen. Gezielt wurde eine Silikonröhre in jede von den Brennstoffeingängen der jeweiligen Zelle eingeführt und diese Silikonröhren wurden durch ein Abzweigrohr miteinander verbunden um einen Flusskanal zu bilden. Dieser Flusskanal wurde zu der Brennstoffpumpe verbunden.
Die Oxidationsmitteleingänge, die in der Endfläche von dem Zellstapel angeordnet sind, wurden an einen Hochdruckluftzylinder zum Zuführen von komprimierter Luft, nicht eine gewöhnliche Luftpumpe, als ein Oxidationsmittelzuführabschnitt, über einen Massenflusscontroller von Horiba, Ltd. zum Einstellen der Flussrate verbunden. Gezielt wurde eine Silikonröhre in jedes von den Oxidationsmitteleingängen der jeweiligen Zellen eingeführt, und diese Silikonröhren wurden durch ein Abzweigrohr verbunden um einen Flusskanal zu bilden. Dieser Flusskanal wurde zu dem Massenflusscontroller verbunden.
Der Abflusstank, der verwendet wurde, war ein Spat (parallelepiped) geformte Polypropylencontainer, der eine untere Fläche von 15 × 1 cm und eine Höhe von 3,5 cm aufweist. Ein poröser Film, TEMISH, verfügbar von Nitto Denko Corporation, wurde thermisch an die obere Fläche des Abflusstanks als ein Gas-Flüssigtrennungsfilm geschweißt.
Stromaufwärts der Brennstoffpumpe wurde ein Mischungstank, der ein Volumen von 300 cm³ aufweist und aus Polypropylen gemacht ist, als ein Zusammenflussabschnitt angeordnet. Stromaufwärts des Mischungstanks, wurde ein Brennstofftank (Kartusche), die Methanol als den Zuführbrennstoff enthält, verbunden. Der Abflusstank und der Mischungstank wurden mit einem Leitungsrohr verbunden und das Leitungsrohr war zur gleichen Zeit mit genauso einer Pumpe wie die Brennstoffpumpe von Nihon Seimitu Kagaku Co. Ltd. als eine Zirkulationspumpe ausgestattet.
Auf die gleiche Weise wie die Eingänge, wurde eine Silikonröhre in jedes der Brennstoffausgänge von den jeweiligen Zellen, die in einer anderen Endfläche des Zellstapels angeordnet sind, eingeführt und diese Silikonröhren wurden durch ein Abzweigrohr miteinander verbunden um einen Flusskanal zu bilden. Dieser Flusskanal wurde zu dem Abflusstank verbunden.
Die Oxidationsmittelausgänge der jeweiligen Zellen, die in derselben Endfläche angeordnet sind, wurden direkt mit der ersten Öffnung des Gehäuses des Gas-Flüssigtrennungsmechanismus, der in der obigen Weise hergestellt ist, verbunden, sodass alle die Oxidationsmittelausgänge verschlossen wurden.
Auch wurde die Ausgangsseite von der Saugpumpe, die zu dem Stutzen verbunden ist, der in den Schwamm innerhalb des Gas-Flüssigtrennungsmechanismus eingeführt ist, zu dem Abflusstank mit einem Leitungsrohr verbunden. In derselben Weise wurde ein Produktwasserausströmungsgang, der den Stutzen, die Saugpumpe und das Leitungsrohr umfasst, gebildet.
[Evaluation]
Die Ausgänge der Brennstoffpumpe, der Zirkulationspumpe und der Saugpumpe wurden durch einen Mikrocomputer kontrolliert. Gezielt wurden Ausgangsparameter wie etwa der Brennstoffpumpe so bestimmt, dass die Brennstoffkonzentration in dem Mischungstank (Zusammenflussabschnitt) konstant war um diese zu kontrollieren.
Aufgrund der Kontrolle, wurde eine 4 mol/L wässrige Methanollösung zu den Anoden bei einer Flussrate von 10 cm³/Min zugeführt. Unbefeuchtete Luft wurde zu den Kathoden bei einer Flussrate von 15000 cm³/min zugeführt. Die Ausgangsterminals der Brennstoffzelle wurden an eine elektronische Ladungseinheit (PLZ164WA) von Kikusui Electronics Corporation über ein DC/DC Konverter verbunden. Energie wurde kontinuierlich bei einer konstanten Spannungsdichte von 200 mA/cm² generiert. Als ein Resultat trat keine Kondensation auf dem porösen Filter des Gas-Flüssigtrennungsmechanismus auf und ein guter Operationszustand wurde beibehalten. Wie oben beschrieben, kann die Erfindung einen Anstieg im Verlust des Drucks zum Zuführen des Oxidationsmittels zu den Kathoden unterdrücken.
(Vergleichsbeispiel 1)
Ein Gas-Flüssigtrennungsmechanismus wurde in derselben Weise wie in Beispiel 1 hergestellt außer das die gesamte Oberfläche von dem porösen Filter (4-mm dickes Kohlenstoffblatt) mit dem Wasser-absorbierenden Material (4-mm dickes Naturschwammblatt) bedeckt wurde. Unter Verwendung von diesem wurde ein Brennstoffzellensystem in derselben Weise wie in Beispiel 1 hergestellt, und in derselben Weise evaluiert. Als ein Resultat wurde während der kontinuierlichen Energiegenerierung das Wasser-abweisende Material, das die gesamte Oberfläche des porösen Filters bedeckt, mit Wasser imprägniert, dadurch wurde es für die Luft schwierig gemacht zu fließen. Als solches ist der Druckverlust in den Kathoden erhöht. Jedoch trat keine Kondensation auf dem porösen Filter auf.
(Vergleichsbeispiel 2)
Ein Gas-Flüssigtrennungsmechanismus wurde in derselben Weise als in Beispiel 1 hergestellt außer das nur der poröse Filter verwendet wurde und das kein Wasser-absorbierendes Material verwendet wurde. Unter Verwendung von diesem wurde ein Brennstoffzellensystem in derselben Weise wie in Beispiel 1 hergestellt, und in derselben Weise evaluiert. In diesem Vergleichsbeispiel wurde, da die Flexibilität des Kohlenstoffblattes ungenügend war, es schwierig den porösen Filter nah genug an das Zugloch des Gehäuses einzupassen. Als ein Resultat nahm der Druckverlust in den Kathoden ab, aber das Kathodenproduktwasser, das von dem Oxidationsmittelausgängen ausströmend ist, konnte nicht effektiv durch den Gas-Flüssigtrennungsmechanismus gesammelt werden. Folglich trat Kondensation auf, was bewirkte die Zellenspannung zu erniedrigen.
[Gewerbliche Anwendbarkeit]
Das Brennstoffzellensystem der Erfindung ist nützlich, zum Beispiel, als eine Energiequelle für portable kleine elektronische Geräte wie etwa Notebook Personal Computers, Mobiltelefone persönliche digitale Assistenten (PDAs). Auch ist das Brennstoffzellensystem der Erfindung einsetzbar für Verwendungen, die die Energiequelle für elektrische Scooter einschließen.
Obwohl die vorliegende Erfindung in Form der hier bevorzugten Ausführungsform beschrieben ist, ist sie so zu verstehen, dass die Offenbahrung nicht als limitierend interpretiert wird. Verschiedene Abwandlungen und Modifikationen werden zweifellos für den Fachmann nach lesen der Offenbahrung verfügbar werden, welchen die vorliegende Erfindung betrifft. Dementsprechend ist es beabsichtigt, dass die angehängten Ansprüche so interpretiert werden, dass sie alle Änderungen und Modifikationen abdecken, die in dem wahren Geist- und Umfang der Erfindung fallen.
Bezugszeichenliste

1: Brennstoffzellensystem
2: Brennstoffzelle
2b: Brennstoffeingang
2c: Brennstoffausgang
2d: Oxidationsmitteleingang
2e: Oxidationsmittelausgang
3: Brennstoffpumpe
4: Luftpumpe
5: Kontrolleinheit
6: Brennstofftank
7: Abflusstank
8: Zusammenflussabschnitt
100: Gas-Flüssgtrennungsmechanismus
101: Produktwasserausstömungsgang
102: DC/DC Konverter
103: Speicherbatterie
104: Zugloch
105: Poröser Filter
106: Wasser-absorbierendes Material
107: Gehäuse
107a: Erste Öffnung
111: Saugpumpe
112: Stutzen

Claims

Direktoxidationsbrennstoffzellensystem, das umfasst: eine Brennstoffzelle, die zumindest eine Zelle, einen Brennstoffeingang zum Einführen eines flüssigen Brennstoffs, einen Brennstoffausgang zum Ausströmen eines Brennstoffabflusses, einen Oxidationsmitteleingang zum Einführen eines Oxidationsmittels und einen Oxidationsmittelausgang zum Ausströmen eines Fluids, das unverbrauchtes Oxidationsmittel und Produktwasser enthält, umfasst; ein Brennstoffzuführabschnitt zum Zuführen des flüssigen Brennstoffs zu dem Brennstoffeingang; ein Oxidationsmittelzuführabschnitt zum Zuführen des Oxidationsmittels zu dem Oxidationsmitteleingang; einen Abflusstank zum Speichern des Brennstoffabflusses und eines Teils des Produktwassers; einen Brennstoffausströmungsgang zum Leiten des Brennstoffabflusses zu dem Abflusstank; einen Gas-Flüssigtrennungsmechanismus zum Trennen eines Teils des Produktwassers von dem Fluid und Ausströmen des Rests nach Außerhalb; und einen Produktwasserausströmungsgang zum Leiten des getrennten Produktwassers zu dem Abflusstank, wobei der Gas-Flüssigtrennungsmechanismus aufweist: ein Zugloch, das mit dem Oxidationsmittelausgang und Außerhalb kommuniziert; einen porösen Filter zum Schließen des Zuglochs; und ein Wasser-absorbierendes Material zum teilweisen Bedecken der Oberfläche des porösen Filters auf der Oxidationsmittelausgangsseite.
Direktoxidationsbrennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei der poröse Filter Poren mit einer durchschnittlichen Porengröße von 0,4 bis 1,2 mm aufweist.
Direktoxidationsbrennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der poröse Filter ein Kohlenstoffblatt umfasst.
Direktoxidationsbrennstoffzellensystem nach Anspruch 3, wobei das Kohlenstoffblatt hydrophil ist.
Direktoxidationsbrennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Wasser-absorbierende Material 60 bis 90% der Oberfläche des porösen Filters auf der Oxidationsmittelausgangsseite bedeckt.
Direktoxidationsbrennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Produktwasserausströmungsgang mit einer Saugpumpe zum Saugen des Produktwassers, das in dem Wasser-absorbierenden Material zurückgehalten ist, ausgestattet ist.
Direktoxidationsbrennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Brennstoffzuführabschnitt beinhaltet: eine Zirkulationspumpe zum Zirkulieren des Brennstoffabflusses, der mit dem Produktwasser verdünnt ist, von dem Abflusstank zu dem Brennstoffeingang; einen Brennstofftank zum Speichern eines Zuführbrennstoffs; und einem Zusammenflussabschnitt, wo der Zuführbrennstoff, der von dem Brennstofftank zugeführt ist, und der verdünnte Brennstoffabfluss vereinigt werden.