DE112012001206T5

DE112012001206T5 - Brennstoffzellen-System

Info

Publication number: DE112012001206T5
Application number: DE112012001206.2T
Authority: DE
Inventors: Takashi Akiyama; Masaki Mitsui; Isamu Kawata
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2011-11-30
Filing date: 2012-10-04
Publication date: 2014-07-03
Also published as: JPWO2013080415A1; US20140147758A1; WO2013080415A1

Abstract

Es wird ein platzsparendes Brennstoffzellensystem mit verbesserten Energieerzeugungseigenschaften angegeben. Das Brennstoffzellensystem umfasst eine Membran-Elektroden-Anordnung, einen Brennstofftank, einen Flüssigkeitssammeltank, einen Verbindungsabschnitt für zwei Flüssigkeiten, eine ersten Brennstoffversorgungsabschnitt, einen zweiten Brennstoffversorgungsabschnitt und einen Brennstofffilter. Der Brennstofftank speichert flüssigen Brennstoff. Der Flüssigkeitssammeltank speichert eine aus wenigstens einer Anode und einer Kathode ausgestoßene Flüssigkeit als rückgeführte Flüssigkeit. Der Verbindungsabschnitt für zwei Flüssigkeiten stellt einen verdünnten Brennstoff durch Mischen des aus dem zuvor genannten Brennstofftank gelieferten flüssigen Brennstoffes und der aus dem zuvor genannten Flüssigkeitssammeltank gelieferten rückgeführten Flüssigkeit her. Der erste Brennstoffversorgungsabschnitt liefert den zuvor genannten flüssigen Brennstoff an den zuvor genannten Verbindungsabschnitt für zwei Flüssigkeiten. Der zweite Brennstoffversorgungsabschnitt liefert den zuvor genannten verdünnten Brennstoff an die zuvor genannte Anode. Der Brennstofffilter filtert Verunreinigungen, die in dem zuvor genannten verdünnten Brennstoff enthalten sind, wobei der Brennstofffilter zwischen dem zuvor genannten Verbindungsabschnitt für zwei Flüssigkeiten und der zuvor genannten Anode angeordnet ist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, das insbesondere zum einen eine technische Einrichtung zur Flüssigbrennstoffversorgung und zum anderen eine technische Einrichtung zur Beseitigung von Verunreinigungen im Brennstoff beinhaltet.
Stand der Technik
Brennstoffzellen werden je nach Art der verwendeten Elektrolyte eingeteilt in: Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen (PEFC), Phosphorsäure-Brennstoffzellen (PAFC), Alkalische Brennstoffzellen (AFC), Schmelzkarbonat-Brennstoffzellen (MCFC) und Oxidkeramische-Brennstoffzellen (SOFC). Speziell die PEFC setzt niedrige Betriebstemperaturen voraus und erzielt darüber hinaus eine hohe Leistungsdichte. Daher wird die PEFC gegenwärtig als großformatige Energiequelle angewendet u. a. für Automobile und für private Haushalte in Form eines Kraft-Wärmekopplungs-System.
In den letzten Jahren wurde immer wieder die Anwendbarkeit von Brennstoffzellen als Ersatz für Sekundärbatterien in elektronischen Kleingeräten, wie zum Beispiel von Laptops, Handys, Persönlichen Digitalen Assistenten (PDA), und so weiter untersucht. Brennstoffzellen können durch Zusetzung eines Brennstoffes kontinuierlich elektrischen Strom erzeugen. Darüber hinaus müssen Sekundärbatterien aufgeladen werden, was bei Brennstoffzellen nicht notwendig ist. Es wird zudem erwartet, dass im Rahmen tragbarer elektronischer Kleingeräte die Verwendung von Brennstoffzellen als elektrische Energiequelle für die tragbaren elektronischen Kleingeräte ansteigen wird. Speziell die PEFC wäre, wegen der oben erwähnten notwendigen niedrigen Betriebstemperatur eine besonders günstige elektronische Energiequelle für tragbare elektrische Kleingeräte. Des Weiteren wird die Verwendung von Brennstoffzellen für Freizeitaktivitäten im Freien oder als Reserveenergieversorgung im Notfall untersucht.
Eine Direktoxidations-Brennstoffzelle (DOFC), die zur Gattung der PEFC gehört, erzeugt elektrische Energie durch direkte Oxidation von flüssigem Brennstoff bei Raumtemperatur. Ferner ist es nicht nötig, bei einer DOFC flüssigen Brennstoff in Wasserstoff umzuwandeln. Demzufolge ist die Bereitstellung einer Umwandlungsvorrichtung nicht notwendig, was eine Verkleinerung der DOFC vereinfacht. Eine Direkt-Methanol-Brennstoffzelle (DMFC), die zu der Gattung der DOFCs gehört und als Brennstoff Methanol verwendet, übertrifft andere DOFCs bezüglich ihres Energie-Wirkungsgrades und Ihrer elektrischen Energieerzeugungsleistung. Daher werden in DMFCs als Stromquelle für tragbare elektrische Kleingeräte für die Zukunft die größten Hoffnungen gesetzt.
Die folgenden Reaktionsformeln (1) und (2) zeigen die Reaktion an der Anode und Kathode einer DMFC. Im Allgemeinen wird an der Kathode der Sauerstoff aus der Luft verbraucht: Anode: CH₃OH + H₂O → CO₂ + 6H⁺ + 6e^– (1) Kathode: (3/2)O₂ + 6H⁺ + 6e^– → 3H₂O (2)
In der Brennstoffzelle entsteht, ausgehend von den Reaktionsformeln (1) und (2), eine Reaktion gemäß folgender Reaktionsformel (3): Brennstoffzelle: CH₃OH + (3/2)O₂ → CO₂ + 2H₂O (3)
Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen (PEFC) besitzen im Allgemeinen eine Zellstapelstruktur, im Rahmen derer sie aus einer Vielzahl von Einheitszellen geschichtet sind. Jede Einheitszelle einer PEFC beinhaltet eine Polymerelektrolytmembran, wobei zwischen den besagten Polymerelektrolytmembranen jeweils die Anoden und Katholiegen. Die Anode und die Kathode beinhalten beide eine Katalysator- und eine Diffusionsschicht. Handelt es sich bei der PEFC um eine Direkt-Methanol-Brennstoffzelle (DMFC), wird die Anode mit Methanol als Brennstoff und die Kathode mit Oxidationsmittel aus der Luft (Sauerstoff) versorgt.
Bei der Direktoxidations-Brennstoffzelle (DOFC) fließt flüssiger Brennstoff entlang der Elektrolytmembran von der Anode in die Kathode hinein, so dass leicht ein Brennstoffdurchtritt entstehen kann. Entsteht solch ein Brennstoffdurchtritt, gelangt flüssiger Brennstoff in die Kathode, wo es an der Katalysatorschicht der Kathode zu einer elektrochemischen Oxidationsreaktion kommt. Die Folge ist ein Verlust eines elektrischen Potentials an der Kathode, der zu einer Verminderung einer elektrischen Spannung führt, die im Rahmen der elektrischen Energieerzeugung erzeugt wird. Da insbesondere bei DMFCs Methanol als flüssiger Brennstoff verwendet wird, gelangt, im Falle eines Brennstoffdurchtritts, das Methanol durch die Elektrolytmembran hindurch von der Anode zur Kathode. Ein im DMFC auftretender Brennstoffdurchtritt wird im Allgemeinen als Methanolübertritt (Methanol cross over = MCO) bezeichnet.
Kommt es in einer DMFC zu einem Methanolübertritt, vermindert sich die elektrische Spannung, die im Rahmen der elektrischen Energieerzeugung erzeugt wird, und darüber hinaus verliert das Methanol als flüssiger Brennstoff an nutzbarer Wirkung (dies wird reduzierte „Brennstoffleistung” genannt). Solch ein Brennstoff-Wirkungsgrad wird beispielhaft in der unten stehenden Gleichung (4) definiert. In der Gleichung (4) wird die Menge an MCO dargestellt, die in elektrische Energie umgewandelt wird. Brennstoff-Wirkungsgrad = erzeugte elektrische Energie/(erzeugte elektrische Energie + MCO Menge) (4)
Mit der Gleichung (4) kommt zum Ausdruck, dass eine Zunahme der MCO Menge zu einer Reduktion des Brennstoff-Wirkungsgrades führt. Mit anderen Worten nimmt bei einer wachsenden MCO Menge eine Methanolmenge zu, welche über die Elektrolyt-Membran in die Kathode gelangt. Die Folge ist eine Abnahme des an der Energieerzeugung beteiligten Methanolanteils. Dies wiederum bedeutet einen Rückgang des Energieumwandlungs-Wirkungsgrades der Brennstoffzelle.
Es gibt im Rahmen von Vorschlägen im Wesentlichen zwei Ansätze zur Verringerung der MCO-Menge. Im Rahmen des ersten Ansatzes, wird die Elektrolytmembran durch Verbesserung von Material und Bauart undurchlässig für Methanol gemacht. Jedoch besteht die Elektrolytmembran ursprünglich aus Wasser und daher zeigt sich eine hohe Ionenleitfähigkeit. Auch löst sich Methanol sehr leicht im Wasser und dadurch kommt es, selbst bei einer Verbesserung der Elektrolytmembran, zu einer erhöhten Durchlässigkeit von Methanol an der Elektrolytmembran.
Im Rahmen des zweiten Vorschlages wird die Konzentration des Methanols an der Schnittstelle von der Elektrolytmembran und der Anode-Katalysatorschicht verringert. Ein Methanoldurchlass ist nur möglich, wenn im Inneren der Elektrolytmembran die Methanolkonzentration zwischen der Anode und der Kathode unterschiedlich ist. Wird die Methanolkonzentration an der Anode verringert, verringert sich der Konzentrationsunterschied und die MCO-Menge nimmt infolgedessen ab. Um dies zu realisieren, erscheint es am praktikabelsten, das Methanol mit Wasser zu verdünnen und die verdünnte Methanollösung der Anode zuzuführen.
Durch die Brennstoffzellenreaktion (siehe Reaktionsgleichung (3)) sammelt sich entstehendes Wasser im Inneren des Brennstoffzellensystems. Bei dieser Maßnahme wird dieses Wasser zur Verdünnung des Methanols verwendet. Auf diese Weise erübrigt sich eine Wasserversorgung des Brennstoffzellensystems von Außen und die Energiedichte des Brennstoffzellensystems kann gesteigert werden.
In der Patentliteratur 1 ist beispielsweise ein DMFC-System offenbart, dessen Anode durch ein Gemisch aus Methanol, das aus einem Methanoltank zugeleitet wird und Wasser, das aus einem Wassertank zugeführt wird, (niedrigkonzentrierte Methanol-Wasser-Lösung) gespeist wird. In dem Wassertank befindet sich ein Gemisch aus der Methanol-Wasser-Lösung, das von der Anode stammt, und aus reinem Wasser, das sich in dem Tank befindet. In der Patentliteratur 2 ist ein DMFC-System offenbart, dessen Anode mit einer in einem Vermischungstank zusammengeführten Mischflüssigkeit aus Methanol, das aus einer Brennstoff-Kartusche bereitgestellt wird, und aus Wasser, das aus einem Wassersammeltank bereitgestellt wird, versorgt wird. In dem Wassersammeltank ist aus der Kathode abgeführtes Wasser enthalten.
Bei Brennstoffzellen verringert sich normalweise die Energieerzeugungsleistung im Laufe der Zeit. Dafür scheinen unter anderem in einem der Anode zugeführten flüssigen Brennstoff enthalte Verunreinigungen, eine verminderte Aktivität eines Elektrodenkatalysators, die durch dem die Brennstoffzelle aufbauenden Zusammensetzungsmaterial entspringende Verunreinigung hervorgerufen wird, und eine verminderte Ionenleitfähigkeit des Elektrolyts aufgrund einer Ionenaustauschreaktion, die an dem die Elektrolytmembran und dem Katalysatorschicht enthaltenen Elektrolyt hervorgerufen wird, verantwortlich zu sein. Wenn sich als Verunreinigungen insbesondere Metallkationen mit dem flüssigen Brennstoff vermischen, entsteht in dem die Elektrolytmembran und die Katalysatorschicht enthaltenen Elektrolyt die Ionenaustauschreaktion, die unumkehrbar ist. Daher beeinflussen Metallkationen schon bei geringsten Vermischungsmengen je nach Ansammlung in dem Elektrolyt das besagte Elektrolyt in großem Maße (nachteilig). Daher wäre es wünschenswert, eine Vermischung des Elektrolyts und der Metallkationen zu vermeiden.
Zum Beispiel wird in der Patentliteratur 2 ein Verfahren offenbart, im Rahmen dessen an der Anode durch Durchführen der Methanol-Wasser-Lösung durch Materialien, die Metallionen adsorbieren, in der Methanol-Wasser-Lösung enthaltene Metallionen entfernt werden.
Stand der Technik-Literatur
Patentliteratur
Patentliteratur 1:

Veröffentlichung JP 2005-302519 im Amtsblatt

Patentliteratur 2:

Veröffentlichung JP 2008-084593 im Amtsblatt

Zusammenfassung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung
Trotzdem ist im in der Patentliteratur 1 offenbarten Aufbau zu befürchten, dass neben dem Methanoltank und dem Wassertank die Installation eines Mischers notwendig ist und das Volumen des Systems im Ganzen zunimmt. Ferner sind hinsichtlich des Mischers zum einheitlichen Mischen des Wassers und Methanols, unter anderem ein Mischer mit einer großen Kapazität sowie eine hohe Mischleistungsfähigkeit bereitstellende aufwändige mechanische Komponente und eine Mischvorrichtung notwendig, was die Kosten nach oben treibt. Andererseits, können in dem Fall, dass wenn als Mischer unter anderem ein Mischer mit niedriger Kapazität sowie eine niedrige Mischleistungsfähigkeit bereitstellende mechanische Komponente und Mischvorrichtung verwendet werden, das Wasser und Methanol nicht einheitlich vermischt werden. Daher wird die Methanolkonzentration in der, der Anode zugeführten Methanol-Wasser-Lösung uneinheitlich. Ferner entsteht dadurch bedingt in der Brennstoffzelle eine zunehmende lokale MCO-Menge und durch einen lokalen Brennstoffmangel eine zunehmende Diffusionspolarisation mit dem Ergebnis, dass die Leistungsfähigkeit hinsichtlich der Stromerzeugung sinkt.
Auch im in der Patentliteratur 2 gezeigten Aufbau muss zusätzlich zur Brennstoff-Kartusche und zum Wasserrückführtank ein Mischtank eingebaut werden, der das Volumen des Gesamtsystems erhöhen dürfte. Ferner muss im Aufbau der Patentliteratur 2 am oberen Bereich des Mischtanks eine Gas-Flüssig-Abscheidemembran eingebaut werden, welche ein Abfallprodukt aus der Anode in Kohlendioxidgas und die Methanol-Wasser-Lösung trennt. Es wäre zwar wünschenswert, dass sich nur Kohlendioxidgas aus der Methanol-Wasser-Lösung abscheidet, tatsächlich aber verdampft ein Teil des Methanols aus der Brennstoff-Kartusche, welches dann zusammen mit dem Kohlendioxidgas abgeschieden wird. Methanolgas enthaltendes Kohlendioxidgas passiert ein Ausstoßfilter und wird aus dem System nach außen ausgestoßen. Dass sich im Ausstoßfilter das gesamte Methanolgas ansammelt, ist in der Regel problematisch. Aus diesem Grund wird das Methanolgas im Aufbau der Patentliteratur 2 aus dem System nach außen ausgestoßen, was daher einen schlechten Einfluss auf die Sicherheit haben dürfte. Ferner kann das im Ausstoßfilter angesammelte Methanol nicht wirksam als Brennstoff verwendet werden. Aus diesem Grund sinkt der Wirkungsgrad des Brennstoffes.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Brennstoffzellensystem anzugeben, das sich hinsichtlich seiner Leistungsfähigkeit in der Stromerzeugung steigern und verkleinern lässt und darüber hinaus ein hohes Maß an Sicherheit bietet.
Lösung der Aufgabe
Das Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst eine Membran-Elektroden-Anordnung mit einer Anode, einer Kathode und einer Elektrolytmembran zwischen der zuvor genannten Anode und der zuvor genannten Kathode, einen Brennstofftank zum Speichern des flüssigen Brennstoffs, einen Flüssigkeitssammeltank zum Speichern einer aus wenigstens einer der zuvor genannten Anode und der zuvor genannten Kathode ausgestoßene Flüssigkeit als rückgeführte Flüssigkeit, einen Verbindungsabschnitt für zwei Flüssigkeiten zum Herstellen eines verdünnten Brennstoffes durch Mischen des aus dem zuvor genannten Brennstofftank gelieferten flüssigen Brennstoffes und der aus dem zuvor genannten Flüssigkeitssammeltank gelieferten rückgeführten Flüssigkeit, einen ersten Brennstoffversorgungsabschnitt zum Versorgen des zuvor genannten flüssigen Brennstoffes an den zuvor genannten Verbindungsabschnitt für zwei Flüssigkeiten, einen zweiten Brennstoffversorgungsabschnitt zum Versorgen des zuvor genannten verdünnten Brennstoffes an die zuvor genannte Anode, und einen Brennstofffilter zum Filtern von Verunreinigungen, die in dem zuvor genannten verdünnten Brennstoff enthalten sind, wobei der Brennstofffilter zwischen dem zuvor genannten Verbindungsabschnitt für zwei Flüssigkeiten und der zuvor genannten Anode angeordnet ist.
Wirkung der Erfindung
Das Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung lässt sich hinsichtlich seiner Leistungsfähigkeit in der Stromerzeugung steigern und verkleinern und besitzt darüber hinaus ein hohes Maß an Sicherheit.
Zwar werden weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung in den beigefügten Patentansprüchen dargestellt, die vorliegende Erfindung wird jedoch in Bezug auf die Struktur als auch auf den Inhalt gemeinsam mit weiteren Aufgaben und Merkmalen der vorliegenden Erfindung durch die nachstehende, die beigefügten Zeichnungen erläuternde detaillierte Beschreibung besser verständlich.
Kurze Beschreibung der Figuren
1 ist eine Ansicht, die skizzenhaft den Aufbau eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 ist eine Längsschnittansicht, die eine Zelle einer Brennstoffzelle zeigt, mit der das oben genannte Brennstoffzellensystem ausgestattet ist.
Ausführungsformen der Erfindung
Zunächst wird das durch die Erfindung geschaffene Brennstoffzellensystem erklärt. Das durch die vorliegende Erfindung geschaffene Brennstoffzellensystem ist mit einer eine Membranelektrodenanordnung, einem Brennstofftank, einem Flüssigkeitssammeltank, einem Verbindungsabschnitt für zwei Flüssigkeiten, einem ersten Brennstoffversorgungsabschnitt, einem zweiten Brennstoffversorgungsabschnitt und einem Brennstofffilter ausgestattet. Die Membranelektrodenanordnung weist eine Anode, eine Kathode und eine zwischen Anode und Kathode eingelegte Elektrolytmembran auf. Der Brennstofftank speichert flüssigen Brennstoff. Der Flüssigkeitssammeltank speichert als Sammelflüssigkeit eine Flüssigkeit, die aus Richtung der Anode und/oder der Kathode ausgestoßen wird. Der Verbindungsabschnitt für zwei Flüssigkeiten erzeugt durch Mischen des aus dem Brennstofftank bereitgestellten flüssigen Brennstoffs und der aus dem Flüssigkeitssammeltank bereitgestellten Sammelflüssigkeit einen verdünnten Brennstoff. Der erste Brennstoffversorgungsabschnitt leitet den flüssigen Brennstoff in den Verbindungsabschnitt für zwei Flüssigkeiten. Der zweite Brennstoffversorgungsabschnitt leitet den verdünnten Brennstoff zur Anode. Der Brennstofffilter ist zwischen dem Verbindungsabschnitt für zwei Flüssigkeiten und der Anode angeordnet und beseitigt Verunreinigungen aus dem verdünnten Brennstoff.
Im Einzelnen, ist der Verbindungsabschnitt für zwei Flüssigkeiten ein entweder eine Y-Buchstabenform oder eine T-Buchstabenform aufweisendes Dreirichtungsrohr. Ferner sollte der zweite Brennstoffversorgungsabschnitt in dem oben genannten Brennstoffzellensystem vorzugsweise zwischen dem Verbindungsabschnitt für zwei Flüssigkeiten und der Anode angeordnet sein. Der flüssige Brennstoff enthält eine Brennstoffart, die aus einer Gruppe ausgewählt ist, die sich wenigstens aus Methanol, Ethanol, Formaldehyd, Ameisensäure, Dimethylether und Athylenglykol sowie ihren niedermolekularen Polymeren zusammensetzt.
In dem oben genannten Brennstoffzellensystem ist in dem Brennstofftank der flüssige Brennstoff hochkonzentriert gespeichert. Daher kann durch das Brennstoffzellensystem eine hohe Energiedichte realisiert werden. Zudem kann die Anode in dem Brennstoffzellensystem mit einem verdünnten Brennstoff mit einer niedrigen Brennstoffkonzentration versorgt werden. Auf diese Weise wird eine Brennstoffdurchtrittsmenge gesenkt und im Ergebnis wird in dem Brennstoffzellensystem ein hoher Brennstoff-Wirkungsgrad erreicht.
Zur Senkung der Brennstoffdurchtrittsmenge sollte die Brennstoffkonzentration des verdünnten Brennstoffs ausgehend von einer Brennstoffkonzentration des flüssigen Brennstoffs im Innern des Brennstofftanks weniger als das 1/2-fache und mehr als das 1/30 betragen. Bevorzugt ist der Fall, dass die Konzentration des im Brennstofftank gespeicherten flüssigen Brennstoffs mehr als 8 mol/L und die Konzentration des der Anode zugeführten verdünnten Brennstoffs 0,5–4 mol/L beträgt.
Ferner passiert in dem oben genannten Brennstoffsystem der verdünnte Brennstoff vor Zuführung zur Anode den Brennstofffilter. Daher werden Verunreinigungen im verdünnten Brennstoff durch den Brennstofffilter beseitigt. Entsprechend kann hinsichtlich eines in der Membranelektrodenanordnung enthaltenen Elektrolyts eine Abnahme der Protonenleitfähigkeit dieses Elektrolyts reduziert werden. Außerdem wird, wenn der verdünnte Brennstoff den Brennstofffilter passiert, eine Vermischung eines im verdünnten Brennstoff befindlichen Wassers und des Brennstoffs gefördert.
Weiterhin wird, in dem Brennstoffzellensystem, die Brennstoffkonzentration der in dem Flüssigkeitssammeltank gesammelten Flüssigkeit kleiner als die Brennstoffkonzentration des verdünnten Brennstoffs. Infolgedessen ist die Konzentration eines im Innern des Flüssigkeitssammeltanks entstehenden Brennstoffgases ausreichend klein. Selbst wenn daher, zum Ausstoß von Gas im Flüssigkeitssammeltank nach außen hin, vom Flüssigkeitssammeltank ein Teil nach außen hin geöffnet wird, bleibt eine Menge an des vom Flüssigkeitssammeltank ausgestoßenen Brennstoffgas gering. Daher ist die Möglichkeit, dass ein Abgas im Flüssigkeitssammeltank, das aus dem Brennstoffzellensystem nach außen in ausgestoßen wird, gesundheits- oder umweltschädlich ist, gering. Ferner wird die Sicherheit des Brennstoffzellensystems durch Ausstoßen des Abgases über den Ausstoßfilter nach außen, weiter erhöht.
In einem bevorzugten Aufbau des oben genannten Brennstoffzellensystems enthält der Brennstofffilter ein Ionentauschharz entweder in Pulverform oder in Granulatform. Besonders bevorzugt ist das Ionenaustauschharz ein Kationenaustauschharz.
Für den Fall, dass der Brennstofffilter aus dem Ionenaustauschharz aufgebaut ist, wird in dem Brennstofffilter Wasser in dem verdünnten Brennstoff und ein Brennstoffgemisch besser vermischt, mit dem Ergebnis, dass die Konzentration des verdünnten Brennstoffs einheitlich wird. Entsprechend wird unter anderem ein Entstehen von lokalen Brennstoffdurchtritten oder ein Entstehen eines lokalen Brennstoffmangels reduziert, mit dem Ergebnis, dass eine Verminderung in der elektrischen Energieerzeugung reduziert wird. Ferner sind in dem Brennstoffzellensystem zum Mischen und Vereinheitlichen des aus dem Brennstofftank bereitgestellten flüssigen Brennstoffs hoher Konzentration und der aus dem Flüssigkeitssammeltank bereitgestellten Sammelflüssigkeit (ein flüssiger Brennstoff niedriger Konzentration mit Wasser als Hauptbestandteil) unter anderem kein Mischtank mit einer großen Kapazität sowie keine eine hohe Mischleistungsfähigkeit bereitstellende aufwändige mechanische Komponente und Mischvorrichtung notwendig. Deshalb können im Rahmen des zuvor genannten spezifischen Aufbaus des Brennstoffzellensystems ein Anstieg eines Volumens und von Kosten des gesamten Systems vermieden werden.
Nachstehend wird die vorliegende Erfindung basierend auf einer Form, in dem das Brennstoffzellensystem mit einer Direktoxidationsbrennstoffzelle (DOFC) ausgeführt ist, basierend auf den Figuren detailliert erläutert. Dabei ist die vorliegende Erfindung jedoch nicht auf die unten stehende Ausführungsform beschränkt.
1 zeigt skizzenhaft den Aufbau eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In dem in 1 gezeigten Zustand umfasst ein Brennstoffzellensystem 1 eine DOFC 101. Die DOFC 101 weist eine Brennstoffzellenzelle 102 auf, die eine Stromerzeugung übernimmt.
2 zeigt skizzenhaft den Aufbau der Brennstoffzellenzelle 102 in einem Längsschnitt. In dem in 2 gezeigten Zustand besitzt die Brennstoffzelle 102 eine Membran-Elektroden-Anordnung (MEA). Die MEA ist mit einer Anode 14, einer Kathode 15 und einer dazwischen liegend befindlichen Elektrolytmembran 13 aufgebaut. Der Anode 14 wird flüssiger Brennstoff zugeführt und der Kathode 15 ein Oxidationsmittel. In der vorliegenden Ausführung wird als flüssiger Brennstoff eine Lösung verwendet, die eine Brennstoffart enthält, die aus einer Gruppe ausgewählt ist, die sich wenigstens aus Methanol, Ethanol, Formaldehyd, Ameisensäure, Dimethylether und Athylenglykol sowie ihren niedermolekularen Polymeren zusammensetzt. Als Oxidationsmittel werden beispielsweise Luft, komprimierte Luft, Sauerstoff und Sauerstoff enthaltende Gasgemische verwendet.
In dem Fall, dass der flüssige Brennstoff eine Ethanol-Wasser-Lösung ist, kommt es sowohl an der Anode 14 als auch an der Kathode 15 zu den in dem Reaktionsgleichungen (1) und (2) beschriebenen Reaktionen. Als Endprodukt entsteht bei der Anode 14 Kohlendioxid und bei der Kathode 15 Wasser.
Die Anode 14 weist eine Anodenkatalysatorschicht 16 und eine Anodendiffusionsschicht 17 auf. Die Anodenkatalysatorschicht 16 ist in einem an die Elektrolytmembran 13 angrenzenden Zustand auf die besagte Elektrolytmembran 13 aufgeschichtet. Das heißt, dass die Anodenkatalysatorschicht 16 mit der Elektrolytmembran 13 verbunden ist. Die Anodendiffusionsschicht 17 umfasst eine mikroporöse Schicht 26 und ein Anodendiffusionsschichtsubstrat 27. Die mikroporöse Schicht 26 und das Anodendiffusionsschichtsubstrat 27 sind in dieser Reihenfolge auf die Anodenkatalysatorschicht 16 (auf der der Elektrolytmembran 13 gegenüberliegenden Seite) aufeinander geschichtet.
Die Anodenkatalysatorschicht 16 umfasst einen Anodenkatalysator und einen Polymerelektrolyt. Als Anodenkatalysator kann vorzugsweise ein Edelmetall mit einer hohen Katalysatoraktivität, wie Platin und so weiter, verwendet werden. Außerdem kann zur Reduktion einer Katalysatorvergiftung durch Kohlenmonoxid eine Katalysatorlegierung aus Platin und Ruthenium verwendet werden. Der Anodenkatalysator kann auch auf einem Substrat getragen verwendet werden. Für dieses Substrat kann bevorzugt ein sowohl in der elektrischen Leitfähigkeit als auch in der Säurefestigkeit hohes Kohlenstoffmaterial wie zum Beispiel Industrieruß und so weiter verwendet werden. Als Polymerelektrolyt kann vorzugsweise ein Material aus der Gruppe der protonenleitfähigen perfluorierten Sulfonsäurepolymeren oder ein Material aus der Gruppe der Kohlenwasserstoffpolymere verwendet werden. Als Material aus der Gruppe der protonenleitfähigen perfluorierten Sulfonsäurepolymere können beispielsweise unter anderem Nafion (eingetragene Schutzmarke) oder Flemion (eingetragene Schutzmarke) und so weiter verwendet werden.
Die Anodenkatalysatorschicht 16 kann beispielsweise in der nachstehend beschriebenen Weise aufgebaut sein. Beispielsweise kann durch Mischen eines Anodenkatalysators mit dem Polymerelektrolyt sowie einer Dispersion unter anderem aus Wasser, Alkohol und so weiter eine die Anodenkatalysatorschicht 16 bildende Tinte gefertigt werden. Dabei kann der Anodenkatalysator auch auf dem Substrat aufgetragen werden. Im Anschluss wird durch Verwenden eines Verfahrens wie einem Doctor-Blade-Verfahren, einem Sprayauftrageverfahren oder ähnlichem die gefertigte Tinte auf eine aus Polytetrafluoroethylen (PTFE) gebildete Substratschicht oder ähnlichem aufgetragen. Danach wird durch Trocknen der aufgetragenen Tinte die Anodenkatalysatorschicht 16 gebildet. Die derartig gefertigte Anodenkatalysatorschicht 16 wird beispielsweise mit einem Verfahren wie dem Hot-Press-Verfahren oder ähnlichem auf die Elektrolytmembran 13 aufgebracht. Ferner kann statt dem Aufbringen der Anodenkatalysatorschicht 16 auf die Elektrolytmembran 13 die oben genannte Tinte auf die Elektrolytschicht 13 aufgetragen werden und danach durch Trocknen lassen der aufgetragenen Tinte, die Anodenkatalysatorschicht 16 direkt auf die Elektrolytmembran 13 ausgebildet werden.
Die Kathode 15 umfasst eine Kathodenkatalysatorschicht 18 und eine Kathodendiffusionsschicht 19. Die Kathodenkatalysatorschicht 18 ist in einem Zustand auf einer Oberfläche der Elektrolytmembran 13, die auf der der Seite, auf der die Anodenkatalysatorschicht 16 ausgebildet ist (in die Bildebene der 2 gesehen, auf der oberen Seite der Elektrolytmembran 13), gegenüberliegenden Seite liegt, auf die die besagte Elektrolytmembran 13 geschichtet. Das heißt, dass die Kathodenkatalysatorschicht 18 mit der Elektrolytmembran 13 verbunden ist. Die Kathodendiffusionsschicht 19 umfasst eine mikroporöse Schicht 28 und ein Kathodendiffusionsschichtsubstrat 29. Die mikroporöse Schicht 28 und das Kathodendiffusionsschichtsubstrat 29 sind in dieser Reihenfolge auf die Kathodenkatalysatorschicht 18 (auf der der Elektrolytmembran 13 gegenüberliegenden Seite) aufeinander geschichtet.
Die Kathodenkatalysatorschicht 18 umfasst einen Kathodenkatalysator und ein Polymerelektrolyt. Hinsichtlich des Kathodenkatalysators ist die Verwendung eines Edelmetalls mit einer hohen Katalysatoraktivität, wie beispielsweise Platin oder Ähnlichem bevorzugt. Als Kathodenkatalysator kann auch eine Legierung aus Platin und einem Metall wie Kobalt oder ähnlichem verwendet werden. Der Kathodenkatalysator kann auch auf einem Substrat getragen verwendet werden. Für dieses Substrat kann ein Material verwendet werden, das das gleiche Material ist, wie das Kohlenstoffmaterial, das für das Substrat zum Tragen des oben genannten Anodenkatalysators verwendet wird. Für das Polymerelektrolyt der Kathodenkatalysatorschicht 18 kann ein Material verwendet werden, das das gleiche Material ist, das für das Polymerelektrolyt der Anodenkatalysatorschicht 16 verwendet wird. Ferner kann die Kathodenkatalysatorschicht 18 in der gleichen Weise ausgebildet sein, wie die Anodenkatalysatorschicht 16.
Die in der Anodendiffusionsschicht 17 und Kathodendiffusionsschicht 19 enthaltenen mikroporösen Schichten 26 und 28 enthalten beide eine elektrisch leitfähige und eine wasserabweisende Substanz. Hinsichtlich der elektrischen leitfähigen Substanz in den mikroporösen Schichten 26 und 28 braucht die Verwendung nicht speziell auf ein Material beschränkt zu werden, das sich gewöhnlich auf dem Gebiet von Brennstoffzellen verwenden lässt. Konkret kann die elektrisch leitfähige Substanz Kohlenstoff in Pulverform unter anderem Industrieruß, aus Schuppengraphit oder ähnlichem und/oder Karbon-Fasern unter anderem aus Kohlenstoffnanoröhren, Kohlenstoffnanofasern oder ähnliches umfassen. Als elektrisch leitfähige Substanz kann aus diesen Materialen nur ein Material einer ersten Art ausgewählt und selbstständig verwendet oder mit einem aus einer zweiten Art oder mehr ausgewählten Material kombiniert verwendet werden.
Hinsichtlich der wasserabweisenden Substanz in den mikroporösen Schichten 26 und 28 braucht die Verwendung nicht speziell auf ein Material beschränkt zu werden, das sich gewöhnlich auf dem Gebiet von Brennstoffzellen verwenden lässt. Beispielsweise kann als wasserabweisende Substanz bevorzugt Fluorharz verwendet werden. Hinsichtlich dieses Fluorharzes muss die Verwendung nicht speziell auf ein bekanntes Material eingeschränkt werden. Als Fluorharz können beispielsweise Polytetrafluoroethylen (PTFE), Tetrafluoroethylen-Hexafluorpropylen mit polymerisiertem Harz (FEP), Tetrafluoroethylen-Perfluoroalkylvinylether mit polymerisiertem Harz, Tetrafluoroethylen-Ethylen mit polymerisiertem Harz, Polyfluoridierte Vinyliden oder ähnliches verwendet werden. Darunter sind PTFE und FEP besonders bevorzugt. Als wasserabweisende Substanz kann aus diesen Materialen nur ein Material einer ersten Art ausgewählt und selbstständig verwendet oder mit einem aus einer zweiten Art oder mehr ausgewählten Material kombiniert verwendet werden.
Die mikroporösen Schichten 26 und 28 sind beide jeweils an der Oberfläche des Anodendiffusionsschichtsubstrats 27 beziehungsweise des Kathodendiffusionsschichtsubstrats 29 ausgebildet. Ein Verfahren zum Ausbilden der mikroporösen Schichten 26 und 28 ist nicht in einer speziellen Weise eingeschränkt. Beispielsweise kann durch Verteilen einer elektrisch leitfähigen Substanz und einer wasserabweisenden Substanz in einem Dispergiermittel eine Paste zum Ausbilden der mikroporösen Schichten 26 und 28 angefertigt werden. Als nächstes wird durch Verwenden eines Verfahrens, wie dem Doctor-Blade-Verfahren, dem Sprayauftrageverfahren oder ähnlichem die angefertigte Paste auf eine Seite des Anodendiffusionsschichtsubstrats 27 und auf die andere Seite des Kathodendiffusionsschichtsubstrats 29 aufgetragen und danach wird die aufgetragene Paste trocknen gelassen. Auf diese Weise können auf den Oberflächen des Anodendiffusionsschichtsubstrats 27 und des Kathodendiffusionsschichtsubstrats 29 jeweils die mikroporösen Schichten 26 und 28 ausgebildet werden.
Für das das Anodendiffusionsschichtsubstrat 27 und das Kathodendiffusionsschichtsubstrat 29 ausbildende Material kann ein poröses Material mit elektrischer Leitfähigkeit verwendet werden. Hinsichtlich des porösen Materials braucht die Verwendung nicht speziell auf ein Material beschränkt zu werden, das sich gewöhnlich auf dem Gebiet von Brennstoffzellen verwenden lässt. Es sollte besonders bevorzugt ein Material eingesetzt werden, durch das der Brennstoff oder das Oxidationsmittel leicht diffundieren und das ferner eine hohe Elektronenleitfähigkeit besitzt. Als solche Materialien können beispielsweise Kohlepapier, Kohleleinen, Kohlevliesstoffe oder ähnliches herangezogen werden. Hinsichtlich des porösen Materials sollte auch zu Steigerung der Verteilungseigenschaften des Brennstoffes und Ausstoßeigenschaften von erzeugtem Wasser eine wasserabweisende Substanz eingeschlossen werden. Für diese wasserabweisende Substanz kann das Material verwendet werden, das für die in den mikroporösen Schichten enthaltenen wasserabweisenden Substanzen verwendet wird. Ein Verfahren ist nicht in spezieller Weise eingeschränkt, jedoch kann die wasserabweisende Substanz in der nachstehenden Weise in das poröse Material eingebracht werden. Im Einzelnen wird dabei das poröse Material in eine Dispergierflüssigkeit mit der wasserabweisenden Substanz eingetaucht und danach wird das poröse Material getrocknet. Auf diese Weise wird das die wasserabweisende Substanz enthaltende poröse Material als Anodendiffusionsschichtsubstrat 27 oder als Kathodendiffusionsschichtsubstrat 29 erhalten.
Hinsichtlich der Elektrolytmembran 13 kann beispielsweise eine protonenleitfähige Makromolekülmembran aus einer Makromolekülmembran einer Perfluorsulfonsäuregruppe oder einer Makromolekülmembran einer Kohlenwasserstoffgruppe verwendet werden, die jedoch nicht speziell darauf beschränkt sein muss. Als Makromolekülmembran einer Perfluorsulfonsäuregruppe lassen sich beispielsweise unter anderem Nafion (eingetragene Schutzmarke), Flemion (eingetragene Schutzmarke) oder ähnliches auswählen. Als Makromolekülmembran einer Kohlenwasserstoffgruppe lassen sich beispielsweise unter anderem sulfoniertes Polyether-Etherketon, sulfonierte Polyimide oder ähnliches auswählen. Als Elektrolytmembran 13 ist eine Makromolekülschicht aus Kohlenwasserstoff besonders bevorzugt. Durch Verwenden der Makromolekülschicht aus Kohlenwasserstoff als Elektrolytmembran 13 lässt sich in der Elektrolytmembran 13 die Ausbildung eines Sulfonsäureclusters unterdrücken. Als Ergebnis davon lässt sich eine Durchlässigkeit für Brennstoff der Elektrolytmembran 13 senken. Dadurch lässt sich ein Brennstoffdurchtritt reduzieren. Dabei ist es bevorzugt, dass eine Dicke der Elektrolytmembran 13 × 20 mm ~ 150 mm beträgt.
Ein mittels der Elektrolytmembran 13, der Anodenkatalysatorschicht 16 und der Kathodenkatalysatorschicht 18 gebildeter Schichtkörper übernimmt die elektrische Stromerzeugung der Brennstoffzelle. Dieser Schichtkörper wird als CCM (Catalyst Coated Membrane) bezeichnet. Die Anodendiffusionsschicht 17 hat die Aufgabe, den der Anode 14 zugeführten flüssigen Brennstoff gleichmäßig zu verteilen und das in der Anode entstehende Kohlendioxid störungsfrei auszustoßen. Ferner hat die Kathodendiffusionsschicht 19 die Aufgabe, das der Kathode 15 zugeführte Oxidationsmittel einheitlich zu verteilen und das in der Kathode 15 entstehende Wasser störungsfrei abzuführen.
In der Schichtrichtung der Anode 14, der Elektrolytschicht 13 und der Kathode 15, ist auf die Anode 14 (in die Bildebene der 2 hinein betrachtet an der Unterseite der der Anode 14) ein Anodenseparator 24 aufgeschichtet und ferner an der Außenseite des Anodenseparators 24 eine Stromabnehmerplatte 30 angeordnet. Gemäß der oben beschriebenen Schichtungsordnung ist auf die Kathode 15 (in die Bildebene der 2 hinein betrachtet an der Oberseite der Kathode 15) ein Kathodenseparator 25 geschichtet und ferner an der Außenseite des Kathodenseparators 25 eine Stromabnehmerplatte 31 angeordnet. Auf jede der Stromsammelplatten 30 und 31 ist eine Isolierplatte und eine Kontaktplatte (nicht dargestellt) aufgeschichtet, die Kontaktplatten sind miteinander elektrisch verbunden. In dieser Weise ist die MEA zwischen dem Anodenseparator 24 und Kathodenseparator 25 eingesetzt gehalten. Der von der MEA erzeugte elektrische Strom wird in den Stromsammelplatten 30 und 31 gesammelt. An die Stromsammelplatten 30 und 31 sind Stromkreise wie DC/DC-Konverter und ähnliches angeschlossen und die von der MEA abgegebene elektrische Spannung wird in eine bestimmte elektrische Spannung umgewandelt. Dann wird die bestimmte elektrische Spannung aus dem Brennstoffzellensystem 1 nach außen hin ausgegeben.
Dabei beträgt in der Brennstoffzellenzelle 102 die Stromerzeugungsspannung weniger als 1 V. Daher wird in der DOFC 101 normalerweise durch Schichten mehrerer Brennstoffzellenzellen 102 aufeinander ein Zellenstapel gebildet, in dem die Brennstoffzellenzellen 102 elektrisch miteinander verbunden sind. In diesem Zellstapel sind die Stromsammelplatten 30 und 31 nicht an jeder Brennstoffzellenzelle 102 angeordnet, sondern in Schichtrichtung der Brennstoffzellenzellen 102 gesehen nur an den beiden Enden des Zellenstapels angeordnet.
Der Anodenseparator 24 besitzt einen an der Kontaktoberfläche zum Anodenschichtdiffusionssubstrat 27 ausgebildeten Brennstoffströmungskanal 20. An dem Brennstoffströmungskanal 20 sind ein Eingang zum Zuführen von Brennstoff zur Anode 14 sowie ein Ausgang zum Abführen von Kohlendioxid aus der Anode 14 vorhanden. Der Brennstoffströmungskanal 20 ist beispielsweise durch einen zum Anodenschichtdiffusionssubstrat 27 hin geöffneten konvexen Bereich oder Graben ausgebildet.
Der Kathodenseparator 25 besitzt einen an der Kontaktoberfläche zum Kathodenschichtdiffusionssubstrat 29 ausgebildeten Oxidationsmittelströmungskanal 21. An dem Oxidationsmittelströmungskanal 21 sind ein Eingang zum Zuführen von Oxidationsmittel zur Kathode 15 sowie ein Ausgang zum Abführen von Kohlendioxid aus der Kathode 15 vorhanden. Der Oxidationsmittelströmungskanal 21 ist beispielsweise durch einen zum Kathodenschichtdiffusionssubstrat 29 hin geöffneten konvexen Bereich oder Graben ausgebildet.
Zwischen der Elektrolytschicht 13 und dem Anodenseparator 24 ist durch Umschließen der Anode 14 eine die Anode 14 versiegelnde Dichtung 22 angeordnet. Auf diese Weise lässt sich verhindern, dass der Anode 14 zugeführter flüssiger Brennstoff aus der Brennstoffzellenzelle 102 austritt. Zwischen der Elektrolytschicht 13 und dem Kathodenseparator 25 ist durch Umschließen der Kathode 15 eine die Kathode 15 versiegelnde Dichtung 23 angeordnet. Auf diese Weise lässt sich verhindern, dass der Kathode 14 zugeführtes flüssiges Oxidationsmittel aus der Brennstoffzellenzelle 102 austritt.
Die in 2 gezeigte Brennstoffzellenzelle 102 kann beispielsweise durch ein im Folgenden beschriebenes vergleichbares Verfahren hergestellt werden. Zunächst wird durch Verwenden eines Verfahrens, wie dem Hot-Press-Verfahren oder dergleichen, auf den beiden Seiten der Elektrolytmembran 13 entsprechend die Anode 14 und die Kathode 15 angebunden und auf diese Weise die MEA hergestellt. Als nächstes wird die MEA zwischen dem Anodenseparator 24 und dem Kathodenseparator 25 eingelegt. Um dabei die Anode 14 mit der Dichtung 22 zu versiegeln wird zwischen der Elektrolytmembran 13 und dem Anodenseparator 24 die Dichtung 22 in einem die Anode 14 umschließenden Zustand angeordnet. Um ferner die Kathode 15 mit der Dichtung 23 zu versiegeln wird zwischen der Elektrolytmembran 13 und dem Kathodenseparator 25 die Dichtung 23 in einem die Kathode 15 umschließenden Zustand angeordnet. Danach werden sowohl an der Außenseite des Anodenseparators 24 die Stromsammelplatte 30, die Isolierplatte und die Abschlussplatte aufgeschichtet als auch an der Außenseite des Kathodenseparators 25 die Stromsammelplatte 31, die Isolierplatte und die Abschlussplatte aufgeschichtet. Im Anschluss werden die Abschlussplatten gegeneinander befestigt. Ferner wird an der Außenseite der Abschlussplatten eine Heizung zum Regeln einer Temperatur aufgeschichtet. Auf diese Weise wird die Brennstoffzellenzelle 102 gebildet.
Wie in 1 gezeigt, ist das Brennstoffzellensystem 1 neben der DOFC 101, mit einem Brennstofftank 2, einem Flüssigkeitssammeltank 3, einem ersten Brennstoffversorgungsabschnitt 4, einem zweiten Brennstoffversorgungsabschnitt 5, einem Brennstofffilter 6, einem Oxidationsmittelversorgungsabschnitt 7, einem Anodenwärmeaustauschabschnitt 8, einem Kathodenwärmeaustauschabschnitt 9, einer Steuervorrichtung 10, einem Ausstoßfilter 11 und einem Oxidationsmittelfilter 12 ausgerüstet. Das Brennstoffzellensystem 1 ist ferner mit einer Brennstoffleitung 41, einer Flüssigkeitsrückführleitung 42, einer Anodenversorgungsleitung 43, einem Verbindungsabschnitt 44 für zwei Flüssigkeiten, einer Anodenentsorgungsleitung 45, einer Kathodenversorgungsleitung 46, einer Kathodenentsorgungsleitung 47 und einer Ausstoßleitung 48 ausgerüstet.
In dem Brennstofftank 2 wird ein hochkonzentrierter flüssiger Brennstoff gelagert. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform, ist der Brennstofftank 2 im Innern eines Gehäuses 103 des Brennstoffzellensystems 1 angeordnet. Je höher die Konzentration des flüssigen Brennstoffs ist, desto höher ist die Menge an Energie, die der flüssige Brennstoff besitzt und desto höher ist die Energiedichte des Brennstoffzellensystems 1. Entsprechend weist der im Brennstofftank 2 gelagerte flüssige Brennstoff bevorzugt eine Brennstoffkonzentration von wenigstens 8 mol/L oder mehr auf. Ferner kann der Brennstofftank 2 auch außerhalb des Gehäuses 103 angeordnet werden, wobei auch in einem solchen Fall der Brennstofftank 2 ein Bestandteil des Brennstoffzellensystems 1 ist. Des Weiteren kann anstelle des Brennstofftanks 2 eine den hochkonzentrierten flüssigen Brennstoff lagernde Brennstoffkartusche aufgenommen werden.
In dem Flüssigkeitssammeltank 3 wird ein als verdünntes Lösungsmittel verwendbarer niedrigkonzentrierte flüssiger Brennstoff als rückgeführte Flüssigkeit gesammelt. Im Einzelnen heißt das, dass in dem Flüssigkeitssammeltank 3, die zum Ausgang des Brennstoffströmungskanals 20 der Brennstoffzellenzelle 102 führende Anodenentsorgungsleitung 45 und die zum Ausgang des Oxidationsmittelströmungskanals 21 der Brennstoffzellenzelle 102 führende Kathodenentsorgungsleitung 47 zusammenlaufen. In der Anodenentsorgungsleitung 45 fließen an der Anode 14 entstehende Gase, wie Kohlendioxid (vergleiche Reaktionsgleichung (1)) und so weiter, Nebenprodukte, der an späterer Stelle erwähnte, aus dem Verbrauch des verdünnten Brennstoffes übrigbleibende Brennstoff und Wasser. In die Kathodenentsorgungsleitung 47 fließen an der Kathode entstehende Flüssigkeiten, wie Wasser (vergleiche Reaktionsgleichung (2)) und aus dem Verbrauch übrigbleibendes Oxidationsmittel. Somit fließen in den Flüssigkeitssammeltank 3 diese zuvor genannten Abfallprodukte aus der Brennstoffzellenzelle 102 hinein.
Von dem unverbrauchten Brennstoff, dem Wasser und den Nebenprodukte fließt ein Teil in einem verdampften Zustand in die Anodenentsorgungsleitung 45. Daher ist im Rahmen der vorliegenden Ausführungsform in der Anodenentsorgungsleitung 45 der Anodenwärmetauschabschnitt 8 angeordnet. In dem Anodenwärmetauschabschnitt 8 findet ein Wärmeaustausch zwischen einerseits dem Wasserdampf, dem Brennstoffgas sowie den gasförmigen Nebenprodukte und andererseits einer Außenluft statt, wodurch diese Gase abgekühlt und verflüssigt werden. Außerdem findet in dem Anodenwärmetauschabschnitt 8 nicht nur zwischen dem Gas, sondern auch zwischen Flüssigkeiten und der Außenluft der Wärmeaustausch statt, wodurch die Flüssigkeiten abgekühlt werden. Auf diese Weise wird Wärme aus dem Brennstoffzellensystem 1 nach außen hin abgegeben.
Von dem an der Kathode 15 entstandenen fließt ein Teil in einem zu Wasserdampf gewordenen Zustand in die Kathodenentsorgungsleitung 47. Daher ist im Rahmen der vorliegenden Ausführungsform in der Kathodenentsorgungsleitung 47 der Kathodenwärmetauschabschnitt 9 angeordnet. In dem Kathodenwärmetauschabschnitt 9 findet ein Wärmeaustausch zwischen einerseits dem Wasserdampf und andererseits der Außenluft statt, wodurch der Wasserdampf abgekühlt und verflüssigt wird. Außerdem findet in dem Kathodenwärmetauschabschnitt 9 nicht nur zwischen dem Wasserdampf, sondern auch zwischen einerseits Flüssigkeiten und Oxidationsmittel und andererseits der Außenluft der Wärmeaustausch statt, wodurch die Flüssigkeiten und das Oxidationsmittel abgekühlt werden. Auf diese Weise wird Wärme aus dem Brennstoffzellensystem 1 nach außen hin abgegeben.
Des Weiteren ist in dem Flüssigkeitssammeltank 3 eine Vorrichtung zum Abscheiden von Gas und Flüssigkeiten vorhanden. In der vorliegenden Ausführungsform ist im oberen Bereich des Flüssigkeitssammeltanks 3 eine Membran zum Abscheiden von Gas und Flüssigkeiten angebracht. Entsprechend werden im Flüssigkeitssammeltank 3 die in diesen hineingeflossenen Abfallprodukte in flüssige Bestandteile (Brennstoff, Wasser, Nebenprodukte und so weiter) und in gasförmige Bestandteile (gasförmige Nebenprodukte, Wasserdampf, Kohlendioxid, Oxidationsmittel und so weiter) getrennt. Danach passieren die gasförmigen Bestandteile die Ausstoßleitung 48 und werden aus dem Brennstoffzellensystem 1 nach außen hin abgegeben. Andererseits werden die flüssigen Bestandteile als rückgeführte Flüssigkeit in dem Flüssigkeitssammeltank 3 gesammelt.
Auf oben beschriebene Weise fließt in den Flüssigkeitssammeltank 3 neben unverbrauchtem Brennstoff zusätzlich das an der Kathode 15 entstandene Wasser hinein. Daher wird die Brennstoffkonzentration der rückgeführten Flüssigkeit im Inneren des Flüssigkeitssammeltank 3 gegenüber der Brennstoffkonzentration des in der Anodenentsorgungsleitung 45 fließenden verdünnten Brennstoffes verringert. Insbesondere, weist die Brennstoffkonzentration der rückgeführten Flüssigkeit 0,05–0,5 mol/L auf. Im Wesentlichen brauchen, wenn die Brennstoffkonzentration der rückgeführten Flüssigkeit im Inneren des Rückführtanks 3 gegenüber der Brennstoffkonzentration des in der Anodenentsorgungsleitung 45 fließenden verdünnten Brennstoffes verringert wird, nur sowohl aus der Anode 14 als auch aus der Kathode 15 abgeführte Flüssigkeiten als rückgeführte Flüssigkeit im Flüssigkeitssammeltank 3 gelagert werden.
Für den Fall, dass die Brennstoffkonzentration in der oben beschriebenen Weise niedrig ist, wird die Konzentration des gasförmigen Brennstoffes, der im Inneren des Flüssigkeitssammeltanks 3 entsteht, ausreichend gering. Entsprechend ist die Menge an gasförmigen Brennstoff, der durch den Ausstoßkanal 48 ausgestoßen wird, klein, so dass selbst für den Fall, dass gasförmiger Brennstoff aus dem Rückführtank aus dem Brennstoffzellensystem 1 nach außen ausgestoßen wird, die Gefahr für Gesundheits- und Umweltschädigungen klein ist. Jedoch wird, mit einem nachstehend beschriebenen, vergleichsweisen Aufbau die Sicherheit des Brennstoffzellensystems 1 weiter erhöht.
In der vorliegenden Ausführungsform ist in der Ausstoßleitung 48 der Abgasfilter 11 angeordnet, der unter anderem gasförmigen Brennstoff du gasförmige Nebenprodukte auffängt. In dem Abgasfilter 11 kann beispielsweise ein Filter verwendet werden, der ein schädliche Substanzen einsaugendes und aufsaugendes Material aus Aktivkohle enthält. Auf diese Weise werden potentiell gesundheits- und umweltschädliche Substanzen enthaltende gasförmige Bestandteile durch den Abgasfilter 11 beseitigt.
Wie in 1 gezeigt, ist an den Brennstofftank 2 die Brennstoffleitung 41 angeschlossen und in der Brennstoffleitung 41 fließt der flüssige Brennstoff aus dem Brennstofftank 2. An den Flüssigkeitssammeltank 3 ist die Flüssigkeitsrückführleitung 42 angeschlossen und in der Flüssigkeitsrückführleitung 42 fließt die rückgeführte Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitssammeltank 3. Die Brennstoffleitung 41 und die Flüssigkeitsrückführleitung 42 sind an dem Verbindungsabschnitt 44 für zwei Flüssigkeiten miteinander verbunden.
Der Verbindungsabschnitt 44 für zwei Flüssigkeiten weist drei Anschlussöffnungen auf. In die erste Anschlussöffnung ist die Brennstoffleitung 41 angeschlossen, und an die zweite Anschlussöffnung ist die Flüssigkeitsrückführleitung 42 angeschlossen. Schließlich ist an die verbliebenen dritten Anschlussöffnung die Anodenversorgungsleitung 43 angeschlossen. Die Anodenversorgungsleitung 43 ist an die DOFC 101 angeschlossen und führt in eine Eingangsöffnung am Brennstoffströmungskanal 20. An dem Verbindungsabschnitt 44 für zwei Flüssigkeiten werden der aus der Brennstoffleitung 41 heranfließende hochkonzentrierte flüssige Brennstoff mit hoher Konzentration und die aus der Flüssigkeitsrückführleitung 42 heranfließende rückgeführte Flüssigkeit vermischt. Das heißt, dass durch Verdünnen des hochkonzentrierten Brennstoffes mit der rückgeführten Flüssigkeit der verdünnte Brennstoff hergestellt wird. In diesem Fall wird die Brennstoffkonzentration des verdünnten Brennstoffs auf das 1/2-fache bis 1/30-fache der Brennstoffkonzentration des flüssigen Brennstoffs im Inneren des Brennstofftanks 2 eingestellt. Dieser verdünnte Brennstoff fließt dann durch die Anodenversorgungsleitung 43.
Der Verbindungsabschnitt 44 für zwei Flüssigkeiten ist beispielsweise ein Dreirichtungsrohr. Als Dreirichtungsrohr ist unter anderem eine Leitung im Zustand einer Y-Buchstabenform (Y-Buchstabenrohr) oder im Zustand einer T-Buchstabenform (T-Buchstabenrohr) bevorzugt. In der Dreirichtungsleitung kann auch ein Rückschlagventil zum Vermeiden von Gegenströmen angeordnet sein. Anstatt der Dreirichtungsleitung kann der Verbindungsabschnitt 44 für zwei Flüssigkeiten auch einen Aufbau aufweisen, bei dem sich ein vorderer Endbereich der Brennstoffleitung 41 derart erstreckt, dass sich im Inneren der Flüssigkeitsrückführleitung 42 der vordere Endbereich der Brennstoffleitung 41 düsenförmig erstreckt und gleichzeitig entlang einer Rotationsachse der Flüssigkeitsrückführleitung 42 aus dem vorderen Ende der Brennstoffleitung 41 der flüssige Brennstoff ausgestoßen wird. Allerdings lassen sich unter anderem das Y-Buchstabenrohr und das T-Buchstabenrohr leichter kostengünstig und platzsparend realisieren.
Der erste Brennstoffversorgungsabschnitt 4 ist an einer Stelle zwischen dem Brennstofftank 2 und dem Verbindungsabschnitt 44 für zwei Flüssigkeiten an der Brennstoffleitung angeordnet. Der erste Brennstoffversorgungsabschnitt 4 liefert den flüssigen Brennstoff aus dem Inneren des Brennstofftanks 2 an den Verbindungsabschnitt 44 für zwei Flüssigkeiten. Der erste Brennstoffversorgungsabschnitt 4 ist normalerweise ein Element, das eine Antriebsquelle, wie unter anderem eine Flüssigkeitspumpe aufweist. Alternativ kann der ersten Brennstoffversorgungsabschnitt 4 aber auch ein Element, das keine Antriebsquelle aufweist, sein, wie zum Beispiel ein Element, das Effekte wie kapillare Osmose oder ähnliches ausnutzt. Die Flüssigkeitspumpe ist normalerweise eine motorbetriebene Antriebsquelle, wie eine Membranpumpe oder ähnliches, sie kann jedoch unter anderem auch eine ein piezoelektrisches Bauelement verwendende Pumpe, eine Effekte wie Elektroosmose ausnutzende Pumpe oder ähnliches sein.
Der zweite Brennstoffversorgungsabschnitt 5 ist an einer Stelle zwischen dem Verbindungsabschnitt 44 für zwei Flüssigkeiten und der Anode 14 an der Anodenversorgungsleitung 43 angeordnet. Der zweite Brennstoffversorgungsabschnitt 5 liefert den im Verbindungsabschnitt 44 für zwei Flüssigkeiten hergestellten verdünnten Brennstoff an die Anode. Der zweite Brennstoffversorgungsabschnitt 5 ist normalerweise eine Flüssigkeitspumpe. Die Flüssigkeitspumpe ist normalerweise eine motorbetriebene Antriebsquelle, wie eine Membranpumpe oder ähnliches, es kann jedoch auch eine Zentrifugalpumpe, eine Getriebepumpe oder ähnliches verwendet werden.
In der vorliegenden Ausführungsform ist der zweite Brennstoffversorgungsabschnitt 5 an einer Stelle zwischen der Verbindungsabschnitt 44 für zwei Flüssigkeiten und dem im Folgenden beschriebenen Brennstofffilter 6 an der Anodenversorgungsleitung 43 angeordnet. Der Aufbau gemäß der vorliegenden Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt, der zweite Brennstoffversorgungsabschnitt 5 kann auch an einer Stelle zwischen dem Brennstofffilter 6 und der Anode 14 an der Anodenversorgungsleitung 43 angeordnet werden. Ferner kann der zweite Brennstoffversorgungsabschnitt 5 auch an einer Stelle zwischen dem Flüssigkeitssammeltank 3 und dem Verbindungsabschnitt 44 für zwei Flüssigkeiten an der Flüssigkeitsrückführleitung 42 angeordnet werden.
Wie bereits erwähnt, beträgt die Brennstoffkonzentration des verdünnten Brennstoffs das 1/2-fache bis 1/30-fache der Brennstoffkonzentration des flüssigen Brennstoffs im Inneren des Brennstofftanks 2. Entsprechend ist es zum Erreichen einer an die Versorgung der Anode 14 mit flüssigem Brennstoff aus dem Inneren des Brennstofftanks 2 angeglichenen Stromversorgungsleistung wichtig, dass die von dem zweiten Brennstoffversorgungsabschnitt 5 ausgegebene Menge an Flüssigkeit pro Zeiteinheit im Vergleich zu der vom ersten Brennstoffversorgungsabschnitt 4 um das Zweifache bis Dreißigfache größer gewählt ist. Aus diesem Grund kann der zweite Brennstoffversorgungsabschnitt 5 bevorzugt an einer Stelle zwischen dem Verbindungsabschnitt 44 für die zwei Flüssigkeiten und der Anode 14 an der Anodenversorgungsleitung 43 angeordnet werden. Der Grund dafür ist, dass im Falle der Anordnung des Brennstoffversorgungsabschnitts 5 zwischen dem Flüssigkeitssammeltank 3 und dem Verbindungsabschnitt 44 für die zwei Flüssigkeiten, die von dem zweiten Brennstoffversorgungsabschnitt 5 ausgegebene Menge an Flüssigkeit (in diesem Fall die rückgeführte Flüssigkeit) über den Verbindungsabschnitt 44 für die zwei Flüssigkeiten in das Innere der Brennstoffleitung 41 zurückfließt oder ein Druck an einer Ausgangsöffnung der Brennstoffleitung 41 erhöht wird. Auf diese Weise tritt in dem ersten Brennstoffversorgungsabschnitt 4 eine Belastung auf, wodurch unter anderem in nachteiliger Weise die Präzision bei der Versorgung mit Brennstoff sinkt (unter anderem schwanken ein Versorgungsmenge und die Brennstoffkonzentration des verdünnten Brennstoffes, der von der Anode geliefert wird) und in nachteiliger Weise eine Lebensdauer der Brennstoffpumpe verkürzt wird.
Der Brennstofffilter 6 kann an einer Stelle zwischen dem Verbindungsbereich 44 für zwei Flüssigkeiten und der Anode 14 an der Anodenversorgungsleitung 43 angeordnet werden. Hier erfüllt der Brennstofffilter 6 zwei wichtige Aufgaben. Eine erste Aufgabe ist die Aufgabe, im verdünnten Brennstoff enthaltene Verunreinigungen zu beseitigen. Die zweite Aufgabe ist die Aufgabe, im verdünnten Brennstoff enthaltenes Wasser und Brennstoff gleichmäßig zu vermischen.
In den Verunreinigungen sind unter anderem im Brennstoff selbst enthaltene Elemente und Elemente enthalten, die aus den Leitungen, Verbindungsmaterialen, Elektrodendichtmaterialen, den Brennstoffpumpen, den Wärmetauschern und so weiter der Strukturmaterialien Brennstoffzellensystems 1 austreten. Die Verunreinigungen enthalten beispielsweise Kationen. Kationen senken unumkehrbar die Qualität von Elektrolyten, die in der Elektrolytmembran 13, der Anodenkatalysatorschicht 16 und der Kathodenkatalysatorschicht 18 der Brennstoffzellenzelle 102 enthalten sind. Im Wesentlichen senken Kationen durch auf einem Ionenaustausch basierenden Reaktionsverbindungen eine den Elektrolyten innewohnende Protonenleitfähigkeit spürbar. Aus diesem Grund erhöht sich, wenn Kationen in die Brennstoffzellenzelle 102 eindringen, in der Elektrolytmembran 13, der Anodenkatalysatorschicht 16 und der Kathodenkatalysatorschicht 18 ein Ionenleitwiderstand spürbar. Daher ist innerhalb der Verunreinigungen insbesondere die Notwendigkeit zur Beseitigung von Kationen überaus hoch.
Um also innerhalb der ersten Aufgabe eine Aufgabe zum Beseitigen insbesondere von Kationen in den Verunreinigungen zu übernehmen, ist bevorzugt in dem Brennstofffilter 6 ein Kationenaustauschsystem mit einem Ionenaustauschharz (Kationenaustauschharz) enthalten. Dieses Ionenaustauschharz ist bevorzugt in Pulverform oder granularer Form vorhanden und in einem Behälter oder ähnlichem aus Harz aufgenommen. Die durchschnittliche Korngröße des Ionenaustauschharzes beträgt hier 100 μm–1000 μm. Um ferner zusätzlich zu den Kationen in den Verunreinigungen enthaltene Anionen mit dem Brennstofffilter 6 zu beseitigen, kann im dem Brennstofffilter 6 auch ein Anionenaustauschsystem mit einem Ionenaustauschharz (Anionenaustauschharz) enthalten sein. Ferner kann im Brennstofffilter 6 auch ein Aktivkohlefilter oder ähnliches zum Beseitigen von organischen Verunreinigungen enthalten sein.
Die Verwendung eines Ionenaustauschharzes als Strukturmaterial für den Brennstofffilter 6 ist auch aus der Sicht vorteilhaft, im Rahmen derer der Brennstofffilter die zweite Aufgabe besitzt. Grund dafür sind die folgenden Überlegungen. Das Ionenaustauschharz absorbiert für eine große Adsorptionsfähigkeit von Flüssigkeiten teilweise durch das Brennstofffilter 6 hindurchtretenden verdünnten Brennstoff. Vorzugsweise wird in einem Innenraum des Ionenaustauschharzes eine Strömungsgeschwindigkeit des von dem Ionenaustauschharz adsorbierten verdünnten Brennstoffes reduziert. Andererseits wird die Strömungsgeschwindigkeit von verdünntem Brennstoff, der durch einen Zwischenraum in dem Ionenaustauschharz fließt, kauf reduziert. Folglich wird die Strömungsgeschwindigkeit des verdünnten Brennstoffes in dem Brennstofffilter 6 teilweise reduziert mit dem Ergebnis, dass der verdünnte Brennstoff mit einer hohen Wirkung durchmischt und die Durchmischung des Wassers und des Brennstoffs in dem verdünnten Brennstoff gefördert wird. Schließlich wird der verdünnte Brennstoff in diesem Zustand der Anode 14 zugeführt.
Von dem verdünnten Brennstoff, mit dem die Anode 14 versorgt wird, bewegt sich ein Großteil durch Effekte aufgrund Konzentrationsdiffusion vom Brennstoffströmungskanal 20 durch die Anodendiffusionsschicht 17 hindurch zur Anodenkatalysatorschicht 16. Dann entsteht an der Anode 14 eine Reaktion. Für den Fall, dass der verdünnte Brennstoff eine Ethanol-Wasser-Lösung ist, entsteht die in der Reaktionsgleichung (1) gezeigte Reaktion an der Anode 14. Als Ergebnis davon wird an der Anode 14 Kohlendioxid gebildet. Dieses Kohlendioxid wird durch den Brennstoffströmungskanal 20 hindurch aus der Anode 14 ausgestoßen. Dabei werden bei der Reaktion unverbrauchter Brennstoff und nicht zur Anodenkatalysatorschicht 16 bewegter Brennstoff zusammen mit dem Kohlendioxid durch den Brennstoffströmungskanal 20 hindurch aus der Anode 14 ausgestoßen.
An der DOFC 101 ist die durch eine Eingangsöffnung des Oxidationsmittelströmungskanals 21 hindurch führende Kathodenversorgungsleitung 46 angeschlossen. Der Oxidationsmittelversorgungsabschnitt 7 ist an diesem Oxidationsmittelversorgungsabschnitt 46 angeordnet. Der Oxidationsmittelversorgungsabschnitt 7 saugt in der Kathodenversorgungsleitung 46 das Oxidationsmittel an und versorgt gleichzeitig damit die Kathode 15 mit diesem Oxidationsmittel. Vielmehr wird normalerweise in der Luft enthaltener Sauerstoff als Oxidationsmittel verwendet. In diesem Fall wird in der Kathodenversorgungsleitung 46 zum Beispiel von außerhalb des Brennstoffzellensystems 1 Luft angesaugt. Darüber hinaus ist der Oxidationsmittelversorgungsabschnitt 7 beispielsweise eine Luftpumpe.
Der Oxidationsmittelfilter 12 gesehen von dem Oxidationsmittelversorgungsabschnitt 7 an einer Stelle auf der der DOFC 101 gegenüberliegenden Seite an der Kathodenversorgungsleitung 46 angeordnet. Der Oxidationsmittelfilter 12 beseitigt in der Kathodenversorgungsleitung 46 durch Sammeln von im angesaugten Oxidationsmittel enthaltenen Verunreinigungen aus dem Oxidationsmittel die Verunreinigungen. Vielmehr ist, für den Fall, dass das Oxidationsmittel Luft ist, der Oxidationsmittelfilter 12 beispielsweise ein Luftfilter. Der Luftfilter sammelt aus der Luft Verunreinigungen, wie enthaltenen Staub, Dreck, organisches Gas, auf die Stromerzeugung einen Einfluss auswirkende anorganische Gase und so weiter.
Von dem Oxidationsmittel, mit dem die Kathode 14 versorgt wird, bewegt sich ein Großteil durch Effekte aufgrund Konzentrationsdiffusion vom Oxidationsmittelströmungskanal 21 durch die Kathodendiffusionsschicht 19 hindurch zur Kathodenkatalysatorschicht 18. Dann entsteht an der Kathode 15 eine Reaktion. Für den Fall, dass das Oxidationsmittel Sauerstoff ist, entsteht die in der Reaktionsgleichung (2) gezeigte Reaktion an der Kathode 15. Als Ergebnis davon wird an der Kathode 15 Wasser gebildet. Dieses Wasser wird durch den Oxidationsmittelströmungskanal 21 hindurch aus der Kathode 15 ausgestoßen. Dabei werden bei der Reaktion unverbrauchtes Oxidationsmittel und nicht zur Kathodenkatalysatorschicht 18 bewegtes Oxidationsmittel zusammen mit dem Wasser durch den Oxidationsmittelströmungskanal 21 hindurch aus der Kathode 15 ausgestoßen.
Die Steuervorrichtung 10 steuert innerhalb des ersten Brennstoffversorgungsabschnitts 4, des zweiten Brennstoffversorgungsabschnitts 5 und des Oxidationsmittelversorgungsabschnitts 7 insbesondere den die Antriebsquellen aufweisenden Versorgungsbereich. In 1 ist der Fall gezeigt, dass die Steuervorrichtung 10 den gesamten Versorgungsbereich steuert. Nachstehend wird anhand des Falles, dass in dem ersten Brennstoffversorgungsabschnitt 4 und dem zweiten Brennstoffversorgungsabschnitt 5 jeweils eine Flüssigkeitspumpe vorhanden ist, der Steuerablauf der Steuervorrichtung 10 erläutert.
Die Steuervorrichtung 10 erfasst zunächst den elektrischen Strom aus der elektrischen Stromerzeugung der DOFC 101. Basierend auf diesem elektrischen Strom aus der elektrischen Stromerzeugung steuert die Steuervorrichtung 10 daraufhin den ersten Brennstoffversorgungsabschnitt 4 und den zweiten Brennstoffversorgungsabschnitt 5 durch Aussenden eines Steuersignals an diese. Im Wesentlichen regelt die Steuervorrichtung 10 im ersten Brennstoffversorgungsabschnitt 4 und im zweiten Brennstoffversorgungsabschnitt 5 die Versorgungsmenge an flüssigen Brennstoff beziehungsweise an verdünntem Brennstoff.
Konkreter wird durch die Steuerung der Steuervorrichtung 10 im ersten Brennstoffversorgungsabschnitt 4 ein Gleichgewicht zwischen einer Verbrauchsmenge an Brennstoff (das heißt, eine Gesamtmenge aus einer zur elektrischen Stromerzeugung betragenden Brennstoffmenge und einer durch Brennstoffdurchtritt verloren gegangenen Brennstoffmenge) und einer Versorgungsmenge an Brennstoff gesteuert. Durch Halten des Gleichgewichts zwischen der Verbrauchsmenge und der Versorgungsmenge wird die Brennstoffkonzentration des verdünnten Brennstoffes, mit dem die Anode 14 versorgt wird, auf einer Sollkonzentration gehalten, ohne dass ein Erfassen einer Brennstoffkonzentration mittels eines Brennstoffkonzentrationsensors notwendig ist.
Ferner wird durch die Steuerung der Steuervorrichtung 10 im zweiten Brennstoffversorgungsabschnitt 5 eine Versorgungsmenge an verdünntem Brennstoff derart gesteuert, dass sie in einem vorbestimmten Bereich bleibt. In der vorliegenden Ausführung ist der vorbestimmte Bereich derart gewählt, dass weder eine Konzentrationspolarisation, die in einem Bereich um eine Ausgangsöffnung des Brennstoffströmungskanals 20 entsteht zunimmt noch eine Menge an Brennstoffdurchtritt in einem Bereich an der Eingangsöffnung des Brennstoffströmungskanals 20 zunimmt. Ist vielmehr sie Versorgungsmenge an verdünntem Brennstoff zu klein, nimmt die oben genannte Konzentrationspolarisation zu, mit dem Ergebnis, dass die elektrische Spannung aus der elektrischen Stromerzeugung sinkt. Ferner nimmt, wenn die Versorgungsmenge an verdünntem Brennstoff zu groß ist, die oben genannte Menge an Brennstoffdurchtritt zu.
Normalerweise wird die Versorgungsmenge an verdünntem Brennstoff zur Anode 14 basierend auf einem chemischen Mischverhältnis (sogenanntes stöchiometrisches Verhältnis) zwischen der gelieferten Brennstoffmenge in dem verdünnten Brennstoff und der Brennstoffmenge, die an der Anode 14 an der elektrischen Stromerzeugung beteiligt ist, geregelt. Speziell ist bevorzugt, dass das stöchiometrische Verhältnis in einem Bereich zwischen 1,3~2,5 liegt. Für den Fall, dass die Versorgungsmenge an verdünntem Brennstoff derart geregelt wird, dass das stöchiometrische Verhältnis in einem Bereich zwischen 1,3~2,5 liegt, stellt sich für die Brennstoffkonzentration in der Flüssigkeit, die aus der Anode 14 ausgestoßen wird, das 1/8-fache~2/3-fache der Brennstoffkonzentration in dem verdünnten Brennstoff ein, der geliefert wird. Für den Fall, dass die Anode 14 beispielsweise mit einem verdünnten Brennstoff versorgt wird, der eine Brennstoffkonzentration von 1 mol/L aufweist, wird aus der Anode 14 eine Flüssigkeit ausgestoßen, die eine Brennstoffkonzentration zwischen 0,12~ 0,7 mol/L aufweist.
Ferner ist für die Brennstoffkonzentration in dem verdünnten Brennstoff ein maximaler Wert für den Wirkungsgrad der elektrischen Energieerzeugung bevorzugt. Der Wirkungsgrad der elektrischen Energieerzeugung ist im Einzelnen in den nachstehenden Vergleichsausdrücken (5) und (6) definiert: Wirkungsgrad der elektrischen Energieerzeugung = elektrische Spannung aus der elektrischen Energieerzeugung/theoretisch erreichbare elektrische Spannung × Wirkungsgrad des Brennstoffes (5) Theoretisch erreichbare elektrische Spannung E = –DG/nF (6) (G: Gibbssche freie Energie, n: an der Reaktion beteiligte Zahl an Elektronen, F: Faraday-Konstante)
In der DOFC 101 beträgt die theoretisch erreichbare elektrische Spannung 1,21 V. Ferner ist in der DOFC 101 zum Steuern eines Absenkens der elektrischen Spannung aus der elektrischen Energieerzeugung durch Steuern der Menge an Brennstoffdurchtritt eine Brennstoffkonzentration des verdünnten Brennstoffs, mit dem die Anode 14 versorgt wird, vorzugsweise in einem Bereich von 0,5~4 mol/L.
In dem Brennstoffzellensystem 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist in dem Brennstofftank 2 (oder in der Brennstoffkartusche) ein hochkonzentrierter flüssiger Brennstoff gelagert. Daher ist in dem Brennstoffzellensystem 1 eine hohe Energiedichte verwirklicht. Zusätzlich wird in dem Brennstoffzellensystem 1 die Anode 14 mit einem verdünnten Brennstoff niedriger Brennstoffkonzentration versorgt. Auf diese Weise wird die Menge an Brennstoffdurchtritt gesenkt, mit dem Ergebnis, dass in dem Brennstoffzellensystem 1 ein hoher Brennstoffwirkungsgrad realisiert wird.
Ferner passiert in dem Brennstoffzellensystem 1 der verdünnte Brennstoff vor dem Zuführen zur Anode 14 den Brennstofffilter 6. Auf diese Weise werden in dem verdünnten Brennstoff enthaltene Verunreinigungen durch den Brennstofffilter 6 beseitigt. Daher wird hinsichtlich der Elektrolytmembran 13, der Anodenkatalysatorschicht 16 und der Kathodenkatalysatorschicht 18 ein Absenken der Protonenleitfähigkeit, die die genannten Elektrolyte besitzen, vermieden.
In dem Fall, dass der Brennstofffilter 6 aus einem Ionenaustauschharz zusammengesetzt ist, wird die Vermischung des Wassers und des Brennstoffes innerhalb des verdünnten Brennstoffes in dem Brennstofffilter gefördert, mit dem Ergebnis, dass eine Brennstoffkonzentration in dem verdünnten Brennstoff vergleichmäßigt wird. In der Folge wird unter anderem die Entstehung des lokalen Brennstoffdurchtritts und die Entstehung eines lokalen Brennstoffmangels vermieden, mit dem Ergebnis, dass die Leistungsfähigkeit zur Erzeugung des elektrischen Stromes gesteigert wird. Ferner besteht in dem Brennstoffzellensystem 1 zum Mischen des aus dem Brennstofftank 2 gelieferten hochkonzentrierten Brennstoffes und der aus dem Flüssigkeitssammeltank 3 gelieferten rückgeführten Flüssigkeit (niedrigkonzentrierter Brennstoff mit Wasser als Hauptbestandteil) und Vergleichmäßigen keine Notwendigkeit für unter anderem einen Mischtank mit einer großen Kapazität und eine hohe Mischleistungsfähigkeit bereitstellende aufwändige mechanische Komponente oder Mischvorrichtung. Folglich kann gemäß dem Brennstoffzellensystem 1 eine Zunahme an Volumen und Kosten vermieden werden.
Ferner ist in dem Brennstoffzellensystem 1 der Flüssigkeitssammeltank 3 über die Ausstoßleitung 48 nach außen hin geöffnet. Jedoch ist die Brennstoffkonzentration der rückgeführten Flüssigkeit im Flüssigkeitssammeltank 3 niedriger als die Brennstoffkonzentration des verdünnten Brennstoffs, der in der Anodenentsorgungsleitung 45 fließt. Entsprechend wird Dichte des in dem Flüssigkeitssammeltank 3 entstehenden Brennstoffgases spürbar gering. Ferner ist auch in dem Fall, dass die Menge des die Ausstoßleitung 48 passierenden und ausgestoßenen Brennstoffgases klein und daher das Abgas aus dem Flüssigkeitssammeltank 3 in diesem Zustand aus dem Brennstoffzellensystem 1 nach außen ausgestoßen wird, ist die Möglichkeit für gesundheits- und umweltschädliche Einflüsse gering. In dem Fall, dass ein Luftgasfilter 11 gemäß der vorliegenden Ausführungsform in der Ausstoßleitung 48 angeordnet ist, steigt ferner die Sicherheit des Brennstoffzellensystems 1.
[Ausführungsbeispiel]
<Ausführungsbeispiel 1>
(a) Herstellung der Anodenkatalysatorschicht
Zur Herstellung der Anodenkatalysatorschicht 16 wurde ein Anodenkatalysatorsubstratkörper verwendet, der den Anodenkatalysator und einen den besagten Anodenkatalysator tragenden Katalysatorsubstratkörper enthält. Als Anodenkatalysator wurde ein PtRu-Katalysator (Molverhältnis Pt:Ru = 1:1) verwendet. Ferner wurde als Anodenkatalysatortragekörper ein Industrieruß (Markenname: Ketjenblack ECP, hergestellt von Ketjenblack International) verwendet. Für den Anodenkatalysatorsubstratkörper wurde hinsichtlich eines Gesamtgewichts des PtRu-Katalysators und des Ketjenblacks für das Gewichtsverhältnis des PtRu-Katalysators 50% gewählt.
Durch Mischen einer Flüssigkeit, in der der oben genannte Anodenkatalysatorsubstratkörper mit einer Isopropanol-Wasser-Lösung dispergiert ist, und einer Nafion (eingetragenes Warenzeichen)-Dispersionsflüssigkeit (hergestellt von Sigma-Aldrich Japan, Aktiengesellschaft, Nafion 5 Gew.-% Lösung), die ein Polymerelektrolyt ist, wurde die Anodenkatalysatorschichttinte hergestellt. Die Anodenkatalysatorschichttinte wurde unter Verwendung des Doctor-Blade-Verfahrens auf eine Polytetrafluorotehylen(PTFE)-Schicht aufgetragen und danach getrocknet. Auf diese Weise wurde die Anodenkatalysatorschicht 16 erhalten.
(b) Herstellung der Kathodenkatalysatorschicht
Zur Herstellung der Kathodenkatalysatorschicht 18 wurde ein Kathodenkatalysatorsubstratkörper verwendet, der den Kathodenkatalysator und einen den besagten Kathodenkatalysator tragenden Katalysatorsubstratkörper enthält. Als Kathodenkatalysator wurde der gleiche Industrieruß wie für den Anodenkatalysator verwendet (Handelsname: Ketjenblack ECP, Ketjenblack International Com). Für den Kathodenkatalysatorsubstratkörper wurde hinsichtlich eines Gesamtgewichts eines Pt-Katalysators und des Ketjenblacks für das Gewichtsverhältnis des Pt-Katalysators 50% gewählt. Dann wurde unter Verwendung dieses Kathodenkatalysatorsubstratkörpers durch das gleiche Verfahren wie für die Anodenkatalysatorschicht 16 die Kathodenkatalysatorschicht 18 hergestellt.
(c) Herstellung der Anodendiffusionsschicht
(Herstellung des Anodendiffusionsschichtsubstrats)
Als poröses Material mit elektrischer Leitfähigkeit, welches das Anodendiffusionsschichtsubstrat 27 ausbildet, wurde ein Kohlepapier (hergestellt von Toray (Aktiengesellschaft), TGP-H-090, Dicke 270 μm) verwendet. Dieses Kohlepapier wird in einer PTFE-Dispersion (hergestellt von Sigma-Aldrich Japan, Aktiengesellschaft), die ein PTFE enthält, das eine wasserabweisende Substanz ist, getränkt und danach getrocknet. Auf diese Weise wird das Kohlepapier einer wasserabweisenden Behandlung unterzogen. Dadurch entsteht das Anodendiffusionsschichtsubstrat 27.
(Herstellung der mikroporösen Schicht)
Durch Dispergieren und Mischen einer Dispergierflüssigkeit mit einer wasserabweisenden Substanz und einer elektrisch leitfähigen Substanz in einem Ionenaustauschwasser, dem ein bestimmtes Tensid hinzugefügt ist, wurde eine Paste für die mikroporöse Schicht hergestellt. Als Dispergierflüssigkeit mit einer wasserabweisenden Substanz wurde eine PTFE-Dispersion (hergestellt von Sigma-Aldrich Japan, Aktiengesellschaft, PTFE-Gehalt 60 Masse-%) verwendet. Als elektrisch leitfähige Substanz wurde Acetylen-Ruß (produziert von Denki Kagaku Kogyo (Aktiengesellschaft), Denka Black) verwendet.
Danach wurde die Paste für die mikroporöse Schicht auf eine Seite des Anodendiffusionsschichtsubstrats 27 aufgetragen und im Anschluss daran getrocknet. Auf diese Weise wurde die Anodendiffusionsschicht 17 hergestellt.
(d) Herstellung der Kathodendiffusionsschicht
(Herstellung des Kathodendiffusionsschichtsubstrats)
Als elektrisch leitfähiges poröses Material, welches das Kathodendiffusionsschichtsubstrat ausbildet, wurde Karbonfaser verwendet (hergestellt von der Firma Ballard Material Products, AvCarb (eingetragene Schutzmarke) 1071HCB). Hinsichtlich dieser Karbonfaser wurde das Kathodendiffusionsschichtsubstrat 29 durch Unterziehen einer wasserabweisenden Behandlung in der gleichen Weise wie das Anodendiffusionsschichtsubstrat 27 hergestellt.
(Herstellung der mikroporösen Schicht)
Es wurde eine Paste vorbereitet, die gleich der Paste für die mikroporöse Schicht ist, die bei der Herstellung der Anodendiffusionsschicht 17 verwendet wurde. Danach wurde durch Auftragen der Paste für die mikroporöse Schicht auf eine Seite des Kathodendiffusionsschichtsubstrats 29 und durch Trocknen im Anschluss daran die mikroporöse Schicht 28 hergestellt. Auf diese Weise wurde die Kathodendiffusionsschicht 19 hergestellt.
(e) Herstellung der Membran-Elektroden-Anordnung (MEA)
Zunächst wurde als Elektrolytmembran 13 das von der Firma Du Pont (Aktiengesellschaft) hergestellte Nafion (eingetragene Schutzmarke) vorbereitet. Nun wurden sowohl die Anodenkatalysatorschicht 16 als auch die Kathodenkatalysatorschicht 18, die oben auf den PTFE-Schichten ausgebildet sind, jeweils mit der Oberfläche, die der die PTFE-Schicht berührenden Oberfläche gegenüberliegt, auf die Elektrolytmembran 13 so aufgelegt, dass sie auf beiden Seiten der Elektrolytmembran 13 aufgeschichtet sind. Danach wurden durch Verwenden eines Heißpressverfahrens die Anodenkatalysatorschicht 16 und die Kathodenkatalysatorschicht 18 mit der Elektrolytmembran 13 verbunden. Im Anschluss daran wurden die PTFE-Schichten von der Anodenkatalysatorschicht 16 und von der Kathodenkatalysatorschicht 18 abgezogen.
Als nächsten wurde durch Verwenden eines Heißpressverfahrens mit der Anodenkatalysatorschicht 16 die Anodendiffusionsschicht 17 verschmolzen und ferner mit der Kathodenkatalysatorschicht 18 die Kathodendiffusionsschicht 19 verschmolzen. Auf diese Weise wurde die MEA hergestellt. Dabei wurden die Elektroden quadratisch mit einer Seitenlänge von 18 mm ausgebildet.
(f) Herstellung der Direktoxidationsbrennstoffzelle (DOFC)
An beiden Seiten der Elektrolytmembran 13 wurden die zwei aus Gummi hergestellten Dichtungen 22 und 23 angeordnet, die freibleibende Bereiche der Elektrolytmembran 13 vollständig abdichten und sowohl die Anode 14 als auch die Kathode 15 umschließen. Danach wurde der Anodenseparator 24, der zwischen sich und der Elektrolytmembran 13 die Anode 14 einklemmt, auf die MEA geschichtet. Ferner wurde der Kathodenseparator 25, der zwischen sich und der Elektrolytmembran 13 die Kathode 15 einklemmt, auf die MEA geschichtet. Auf diese Weise wurde durch den Anodenseparator 24 und den Kathodenseparator 25 die MEA gestapelt. Jedoch wurde vor dem Aufschichten zur MEA in dem Anodenseparator 24 in der Oberfläche, die die Anode 14 berührt, der Brennstoffströmungskanal 20 zum Führen des Brennstoffes ausgebildet. Ferner wurde in dem Kathodenseparator 25 in der Oberfläche, die die Kathode 15 berührt, der Oxidationsmittelströmungskanal 21 zum Führen des Oxidationsmittels ausgebildet. Die Gestalt der Kanäle wurde in Form von Serpentinen ausgebildet. Auf diese Weise wurde die Direktoxidationsbrennstoffzellenzelle 102 ausgebildet.
In dieser Weise wurde eine Gesamtzahl von 10 Brennstoffzellen 102 hergestellt, wobei diese aufeinander geschichtet wurden. Danach wurden in der Schichtrichtung der Brennstoffzellenzelle 102 an jede der beiden Enden, an denen der Anodenseparator 24 und der Kathodenseparator 25 angeordnet ist, die Stromsammelplatte, die Isolierplatte und die Abschlussplatte in dieser Reihenfolge aufgeschichtet. Der auf diese Weise erhaltene Schichtkörper wurde mit einem vorbestimmten Abschlussverfahren fertiggestellt. Danach wurde an die Außenseiten der Abschlussplatten eine Heizung zur Temperaturregelung angeklebt. Ferner wurden durch Verbinden von Mehrfachanschlussplatten am Eingang des Brennstoffströmungskanals 20 am Eingang des Brennstoffströmungskanals 20 geführte Kanäle zu einem zusammengefasst. In der gleichen Weise wurden die am Ausgang des Brennstoffströmungskanals 20 geführten Strömungskanäle, die am Eingang des Oxidationsmittelströmungskanals 21 geführten Strömungskanäle und die am Ausgang des Oxidationsmittelströmungskanals 20 geführten Strömungskanäle jeweils zu einem zusammengefasst. Auf diese Weise wurde ein Zellenstapel hergestellt, wobei dieser Zellenstapel verwendet wurde, um die DOFC 101 aufzubauen.
(g) Herstellung des Brennstoffzellensystems
Zunächst wurden als erster Brennstoffversorgungsabschnitt 4 und als zweiter Brennstoffversorgungsabschnitt 5 eine von Nihon Seimitsu Kagaku Co. Ltd hergestellte Hochdruckpumpe („Personal Pump”, NP-KX-Serie (Handelsname)) verwendet. Als Steuervorrichtung 10 wurde ein Personal Computer verwendet. Somit wurden durch Steuern der oben genannten Hochdruckpumpe durch den Personal Computer die durch die Brennstoffleitung 41 fließende Durchflussmenge an flüssigen Brennstoff und die durch die Anodenversorgungsleitung 43 fließende Durchflussmenge an verdünntem Brennstoff geregelt. In dem Brennstofftank 2 wurde als flüssiger Brennstoff Methanol mit 100% Dichte eingefüllt. Die Durchflussmengen des flüssigen Brennstoffes und des verdünnten Brennstoffes wurden geregelt, um in dem der Anode 14 zugeführten verdünnten Brennstoff eine Brennstoffdichte von 1 mol/L zu erreichen.
Als Oxidationsmittelversorgungsabschnitt 7 wurde eine komprimierte Luft liefernde Pressluft-Gasflasche und, zum Regeln der Durchflussmenge der komprimierten Luft, ein Massenflussregler, der von den Horiba Werken (Aktiengesellschaft) hergestellt wurde. Dann wurde mittels des Personal Computers, der die Steuervorrichtung 10 ist, durch Steuern des Massenflussreglers die Menge an komprimierter Luft, die durch die Kathodenversorgungsleitung 46 strömt, geregelt.
Als Flüssigkeitssammeltank 3 wurde ein aus Polypropylen hergestellter Harzbehälter verwendet. Dann wurde an den oberen Bereich des Harzbehälters die Kathodenentsorgungsleitung 47 und die Ausstoßleitung 48 angeschlossen, während an den unteren Teil des Harzbehälters die Anodenentsorgungsleitung 45 und die Flüssigkeitsrückführleitung 42 angeschlossen wurde. Die Flüssigkeitsrückführleitung 42 und die Brennstoffleitung 41 sind durch ein aus Polypropylenharz hergestelltes Rohr miteinander verbunden, das die Form eines Y-Buchstaben aufweist.
Als Ausgangsmaterial für den Brennstofffilter 6 wurde verwendet ein positiv geladenes, stark säurehaltiges Kationenaustauschharz aus der Gruppe sulfonierter Polystyrole verwendet. Im Einzelnen wurden 100 g des stark säurehaltigen Kationenaustauschharzes mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 500 mm und einer Rohdichte an Teilchen von 830 g/L vorbereitet, wobei der Brennstofffilter 6 durch Ausfüllen einer kreisförmigen Form aus Polypropylen mit 10 cm Höhe und 4 cm Innendurchmesser mit diesem stark säurehaltigen Kationenaustauschharz gebildet wurde. Die Reindichte an Teilchen des ausgefüllten stark säurehaltigen Kationenaustauschharz und des betrug 130 g/L. Daher ist in Wirklichkeit zwischen den Teilchen des stark säurehaltigen Kationenaustauschharzes ein Zwischenraum von 65% vorhanden.
Als ein Anodenwärmetauschabschnitt 8 wurden ein aus Edelstahl gefertigtes Rippenrohr und ein dieses abkühlender Axialventilator verwendet. Im Kathodenwärmetauschabschnitt 9 wird das gleiche verwendet. Ferner wurden, um eine Temperatur des Zellenstapels bei 60°C zu halten, Luftflüsse der Axialventilatoren geregelt.
Auf diese Weise wurde das Brennstoffzellensystem hergestellt. Dabei wurde in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel kein Ausstoßfilter 11 angeordnet, damit die im Abgas enthaltene Menge an Brennstoffbestandteilen nachgewiesen werden kann.
(h) Bewertung der Energieerzeugungseigenschaften und des Abgases
Die Energieerzeugung unter Verwendung des oben genannten Brennstoffzellensystems 1 wird wie folgt durchgeführt. Die DOFC10 wird mit einer elektrischen Verbrauchseinrichtung verbunden, wobei mittels dieser elektrischen Verbrauchseinrichtung ein erzeugter elektrischer Strom auf einen Sollstrom von 150 mA/cm² geregelt wurde. Als stöchiometrisches Verhältnis der Luft wurde 4 und als stöchiometrisches Verhältnis des Brennstoffs wurde 1,5 gewählt. Als Zeitdauer der Energieerzeugung wurden 60 Min gewählt wobei in dieser Zeit die durchschnittliche elektrische Spannung und der Wirkungsgrad des Brennstoffes untersucht wurden. Ferner wurde die jeweils die Dichte des aus der Ausstoßleitung 48 ausgestoßenen Methanols gemessen. Dabei wurde die untersuchte durchschnittliche elektrische Spannung als elektrische Spannung der elektrischen Energieerzeugung des Brennstoffzellensystems 1 behandelt.
Ferner wurde zur Feststellung des Wirkungsgrades des Brennstoffes eine verwendete MCO-Menge (siehe Gleichung (4)) wie folgt festgestellt. Zunächst wurde die Dichte des durch die Kathodenentsorgungsleitung 46 strömenden Kohlendioxids mittels eines tragbaren CO₂-Messgeräts der Firma Vaisala erfasst. Zur gleichen Zeit wurde die Durchflussmenge eines Gases, das durch die Kathodenentsorgungsleitung 47 fließt, durch Verwendung eines Durchflussmessgerätes bestimmt, das mit der Seifenfilmmethode betrieben wurde. Das in diesem Gas enthaltene Kohlendioxid wechselwirkt mit der Menge an durch den Methanolübertritt (MCO) an der Kathode 15 ankommenden Methanols in einer Wechselwirkung. Daher wurde durch Ermitteln der gesamten ausgestoßenen Menge an Kohlendioxid, die durch die Kathodenentsorgungsleitung 47 strömte, die der oben genannten Wechselwirkung zugrunde liegende MCO-Menge ermittelt. Ferner wurde zum Ermitteln des Brennstoffwirkungsgrades als elektrischer Strom der elektrischen Energieerzeugung der Wert des elektrischen Stromes verwendet, der über die elektrische Verbrauchseinrichtung fließt. Auf diese Weise wurde der Wirkungsgrad des Brennstoffes basierend auf der Gleichung (4) bestimmt.
Die Dichte des Methanols, das aus der Ausstoßleitung 48 ausgeströmt, kann durch Anordnen eines Messrohres am Ausgangsbereich der Ausstoßleitung 48 gemessen werden.

Die auf diese Weise erhaltenen Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt. (Tabelle 1)

	elektrische Spannung (V) aus der Energieerzeugung	Wirkungsgrad (%) des Brennstoffes	Dichte (ppm) des ausgestoßenen Methanols
Ausführungsbeispiel 1	0,45	83	50
Vergleichsbeispiel 1	0,44	82	3000
Vergleichsbeispiel 2	0,38	78	50
VergleichsBeispiel 3	0,36	76	50

<Vergleichsbeispiel 1>
In dem Vergleichsbeispiel 1 wurde in dem Brennstoffzellensystem gemäß dem Ausführungsbeispiel 1 die Brennstoffleitung 41 mit dem Flüssigkeitssammeltank 3 verbunden, wobei in dem Flüssigkeitssammeltank 3 der hochkonzentrierte Brennstoff mit der rückgeführten Flüssigkeit gemischt wurde. Der übrige Aufbau ist identisch zum Ausführungsbeispiel 1. Ferner wurde in dem Brennstoffzellensystem, das gemäß dem Vergleichsbeispiel 1 aufgebaut ist, die Bewertung der Energieerzeugungseigenschaften und des Abgases in der gleichen Weise durchgeführt, wie im Ausführungsbeispiel 1. Dieses Ergebnis ist in der Tabelle 1 gezeigt.
<Vergleichsbeispiel 2>
In dem Vergleichsbeispiel 2 wurde in dem Brennstoffzellensystem gemäß dem Ausführungsbeispiel 1 wurde der Brennstofffilter 6 zwischen dem Flüssigkeitssammeltank 3 und dem Verbindungsabschnitt 44 für zwei Flüssigkeiten angeordnet. Der übrige Aufbau ist identisch zum Ausführungsbeispiel 1. Ferner wurde in dem Brennstoffzellensystem, das gemäß dem Vergleichsbeispiel 2 aufgebaut ist, die Bewertung der Energieerzeugungseigenschaften und des Abgases in der gleichen Weise durchgeführt, wie im Ausführungsbeispiel 1. Dieses Ergebnis ist in der Tabelle 1 gezeigt.
<Vergleichsbeispiel 3>
In dem Vergleichsbeispiel 3 wurde in dem Brennstoffzellensystem gemäß dem Ausführungsbeispiel 1 wurde der Brennstofffilter 6 weggelassen. Der übrige Aufbau ist identisch zum Ausführungsbeispiel 1. Ferner wurde in dem Brennstoffzellensystem, das gemäß dem Vergleichsbeispiel 3 aufgebaut ist, die Bewertung der Energieerzeugungseigenschaften und des Abgases in der gleichen Weise durchgeführt, wie im Ausführungsbeispiel 1. Dieses Ergebnis ist in der Tabelle 1 gezeigt.
Aus den in Tabelle 1 gezeigten Ergebnissen ergeben sich die folgenden Erkenntnisse. Zunächst lässt sich erkennen, dass in dem Brennstoffzellensystem gemäß dem Ausführungsbeispiel 1, verglichen mit dem Brennstoffzellensystem gemäß dem Vergleichsbeispiel 1 die Dichte des ausgestoßenen Methanols deutlich abnimmt. Dabei lässt sich in dem Brennstoffzellensystem gemäß dem Ausführungsbeispiel 1 durch Anordnen des Ausstoßfilters 11 in der Ausstoßleitung 48 die Dichte des ausgestoßenen Methanols weiter reduzieren. Selbst wenn das Brennstoffzellensystem daher in einem Innenraum verwendet wird, ist dennoch eine hohe Sicherheit gegeben. Weil ferner die Dichte des Methanols in dem ausgestoßenen Gas gering ist, ist es nicht notwendig, als Filter 11 für das ausgestoßene Gas einen in seinen Kosten und Volumen großen Gasfilter zu verwenden, der eine große Filterwirkung für Methanol aufweist.
Zudem lässt sich erkennen, dass in dem Brennstoffzellensystem gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel verglichen mit den Brennstoffzellensystemen der Vergleichsbeispiele 2 und 3 die elektrische Spannung der elektrischen Energieerzeugung und der Wirkungsgrad des Brennstoffes deutlich ansteigt. Der Grund hierfür ist wie folgt: In den Vergleichsbeispielen 2 und 3 können der Brennstoff und die rückgeführte Flüssigkeit nicht ausreichend gemischt werden, so dass der Anode 14 ein verdünnter Brennstoff mit einer uneinheitlichen Brennstoffdichte zugeführt wird. Zudem entstehen in den Vergleichsbeispielen 2 und 3 mehr lokale MCO und mehr Diffusionspolarisation durch lokale Brennstoffdurchtritte mit dem Ergebnis, dass die elektrischen Energieerzeugungseigenschaften abnehmen. Im Gegensatz dazu wird in dem Brennstoffzellensystem gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel durch den Brennstofffilter 6 die Mischung von Brennstoff und Wasser in dem verdünnten Brennstoff gefördert mit dem Ergebnis, dass der Anode 14 ein verdünnter Brennstoff mit einer einheitlichen Brennstoffdichte zugeführt wird. Entsprechend wird die Entstehung lokaler MCOs und Diffusionspolarisation durch lokale Brennstoffdurchtritte vermieden mit dem Ergebnis, dass die elektrischen Energieerzeugungseigenschaften gesteigert werden.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand der vorliegenden bevorzugten Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist es selbstverständlich, dass solch eine Offenbarung nicht als einschränkend ausgelegt werden soll. Verschiedene Variationen und Modifikationen werden dem einschlägigen Fachmann, an den sich die vorliegende Erfindung richtet, ohne Zweifel aufwerfen, nachdem er die obige Offenbarung gelesen hat. Entsprechend ist es beabsichtigt, dass die angehängten Ansprüche als alle Variationen und Modifikationen abdeckend interpretiert werden sollen, die in das wahre Wesen und Umfang der Erfindung fallen.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Das Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung ist als elektrische Energiequelle für tragbare elektronische Kleingeräte, wie tragbare Personal Computer, tragbare Telefongeräte und tragbare Informationsendgeräte (PDA) und so weiter von Nutzen. Ferner ist das Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung als tragbare elektrische Energiequelle von Nutzen.
Bezugszeichenliste

1: Brennstoffzellensystem
2: Brennstofftank
3: Flüssigkeitssammeltank
4: erster Brennstoffversorgungsabschnitt
5: zweiter Brennstoffversorgungsabschnitt
6: Brennstofffilter
7: Oxidationsmittelversorgungsabschnitt
13: Elektrolytmembran
14: Anode
15: Kathode
101: Direktoxidationsbrennstoffzelle (DOFC)
102: Brennstoffzellenzelle

Claims

Brennstoffzellensystem, umfassend eine Membran-Elektroden-Anordnung mit einer Anode, einer Kathode und einer Elektrolytmembran zwischen der zuvor genannten Anode und der zuvor genannten Kathode, einen Brennstofftank zum Speichern des flüssigen Brennstoffs, einen Flüssigkeitssammeltank zum Speichern einer aus wenigstens einer der zuvor genannten Anode und der zuvor genannten Kathode ausgestoßene Flüssigkeit als rückgeführte Flüssigkeit, einen Verbindungsabschnitt für zwei Flüssigkeiten zum Herstellen eines verdünnten Brennstoffes durch Mischen des aus dem zuvor genannten Brennstofftank gelieferten flüssigen Brennstoffes und der aus dem zuvor genannten Flüssigkeitssammeltank gelieferten rückgeführten Flüssigkeit, einen ersten Brennstoffversorgungsabschnitt zum Versorgen des zuvor genannten flüssigen Brennstoffes an den zuvor genannten Verbindungsabschnitt für zwei Flüssigkeiten, einen zweiten Brennstoffversorgungsabschnitt zum Versorgen des zuvor genannten verdünnten Brennstoffes an die zuvor genannte Anode, und einen Brennstofffilter zum Filtern von Verunreinigungen, die in dem zuvor genannten verdünnten Brennstoff enthalten sind, wobei der Brennstofffilter zwischen dem zuvor genannten Verbindungsabschnitt für zwei Flüssigkeiten und der zuvor genannten Anode angeordnet ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei der zuvor genannte Brennstofffilter ein Ionentauschharz entweder in Pulverform oder in Granulatform enthält.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, wobei das Ionenaustauschharz ein Kationenaustauschharz ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 3, wobei die Brennstoffkonzentration des zuvor genannten verdünnten Brennstoffs ausgehend von einer Brennstoffkonzentration des flüssigen Brennstoffs in einem Innern des zuvor genannten Brennstofftanks weniger als 1/2-fache und mehr als 1/30 beträgt.
Brennstoffzellensystem nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 4, wobei der zuvor genannte Verbindungsabschnitt für zwei Flüssigkeiten ein entweder eine Y-Buchstabenform oder eine T-Buchstabenform aufweisendes Dreirichtungsrohr ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 5, wobei der zuvor genannte zweite Brennstoffversorgungsabschnitt zwischen dem zuvor genannten Verbindungsabschnitt für zwei Flüssigkeiten und der zuvor genannten Anode angeordnet ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 5, wobei zuvor genannte flüssige Brennstoff eine Brennstoffart enthält, die aus einer Gruppe ausgewählt ist, die sich wenigstens aus Methanol, Ethanol, Formaldehyd, Ameisensäure, Dimethylether und Athylenglykol sowie ihren niedermolekularen Polymeren zusammensetzt.