JP2004031286A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】液体燃料を供給する燃料電池において、燃料チャンネルでの燃料流速の分布を小さくすることで、燃料極への燃料供給の均一化を図り、高性能な発電を可能とする。
【解決手段】プレート１の燃料チャンネル２に、燃料分配基板７に設けた供給孔７ａから燃料を供給すると共に、ガス分配基板８に設けた供給孔８ａから炭酸ガスを供給する。燃料の供給孔７ａ及び炭酸ガスの供給孔８ａは、各燃料チャンネル２に対応させて個別に設ける。これにより、燃料チャンネル２の入口側での燃料流速が従来よりも速くなり、出口側との流速分布が小さくなる。燃料チャンネル２の下流側には気体を選択的に透過するガス透過基板９を設け、終端部には吸水基材を設けて、未反応に終わった燃料は気液分離して別個に排出する。
【選択図】　　図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、直接型メタノール燃料電池等の液体燃料を用いて発電する燃料電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
直接型メタノール燃料電池は、電解質に例えば固体高分子膜を用い、この固体高分子膜を燃料極と酸化剤極との両電極で挟んだ構造を基体とするもので、燃料極に燃料としてメタノール水溶液を供給すると共に、酸化剤極に酸化剤として空気又は酸素を供給して発電する。この発電の際に、メタノール水溶液と酸素とが反応して、炭酸ガスと水とが生成される。その反応式は次の通りである。
【０００３】
燃料極（アノード）：ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋６Ｈ^＋６ｅ⁻
酸化剤極（カソード）：Ｏ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ⁻→２Ｈ_２Ｏ
全反応：ＣＨ_３ＯＨ＋３／２Ｏ_２→ＣＯ_２＋２Ｈ_２Ｏ
【０００４】
前記燃料の供給は、通常図７に示すように燃料極に対面して配設されたプレートＡに燃料チャンネルＢ（流路）を凹溝状に並設し、この燃料チャンネルＢに沿って燃料Ｃを流すことで行われる。燃料極側では、反応に伴って炭酸ガスＤが生成され、この炭酸ガスＤにより燃料極の表面が覆われてしまうと燃料の供給不足となり、発電性能が低下してしまう。このため、燃料チャンネルＢ内の炭酸ガスＤを早期に排出する必要がある。
【０００５】
従来、炭酸ガスＣを早期に排出するために、燃料をポンプ等により供給し、燃料チャンネルＢ内で燃料Ｃを反重力方向（下から上）に流し、燃料Ｃと共に炭酸ガスＤを強制的に排出する技術が開示されている（例えば、特開平９−１６１８２２号公報）。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように燃料チャンネルＢに燃料Ｃを供給し、この燃料Ｃと共に炭酸ガスＤを排出する場合、プレートＡの燃料供給口Ｅ（マニホールド）に燃料Ｃが供給され、電極面での反応の進行に伴って生成した炭酸ガスＤが燃料チャンネルＢを流れ、排出口Ｆ（マニホールド）から共に排出される。一例として燃料に１ｍｏｌ／Ｌメタノール水溶液を使用し、燃料利用率５０％とした場合、体積比で投入燃料の１０倍以上の炭酸ガスが生成する。１アンペア当たりのメタノール水溶液流量（１ｍｏｌ／Ｌ、燃料利用率５０％）は０．２１ｍＬ／ｍｉｎで、１アンペア当たりの炭酸ガス生成量（２０℃）は、２．５ｍＬ／ｍｉｎである。
【０００７】
燃料チャンネルＢにおける燃料Ｃの流速は、燃料供給口Ｅに近い入口側が最も遅く、流れるに従って生成炭酸ガスの増加に伴い流速が増し、排出口Ｆに近い出口側が最も速くなる。このため、燃料Ｃが燃料極と接する時間は、入口側は長く、出口側は短くなり、入口側の方が反応しやすくて電流分布が生じてしまう。従って、電池性能の低下を引き起こし、寿命特性も低下する問題があった。燃料電池の性能を高めるには、電流分布が生じないよう、燃料極への燃料供給を均一にすることが望まれる。
【０００８】
そこで、本発明は、燃料チャンネルでの燃料流速の分布を小さくすることにより、燃料極への燃料供給の均一化を図り、高性能に発電できるようにした燃料電池を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するための具体的手段として、本発明は、液体燃料を燃料極に供給し、酸化剤を酸化剤極に供給して発電する燃料電池において、前記液体燃料と、燃料極に対して不活性なガス又は燃料極から排出されるガスの少なくとも一部とを燃料極側の燃料チャンネルに流通させるようにした燃料電池を要旨とする。
この燃料電池において、前記燃料極に対して不活性なガスは、炭酸ガス、窒素、不活性ガスのいずれか又はこれらのうちの２種類以上からなる混合ガスであること、
液体燃料の供給口と、燃料極に対して不活性なガスの供給口とは、燃料チャンネル毎に個別に設けること、
前記燃料チャンネルの下流部に気体を選択的に排出する気体排出口を設け、更にその下流に液体排出口を設けること、
を特徴とするものである。
【００１０】
又、本発明は、液体燃料を燃料極に供給し、酸化剤を酸化剤極に供給して発電する燃料電池において、前記液体燃料と共に空気又は酸素或は窒素を燃料極に供給するようにした燃料電池を要旨とする。
この燃料電池において、前記酸化剤極から排出される空気を、液体燃料と共に燃料極に供給すること、
水に空気又は酸素をバブリングさせ、その気泡を含む水を液体燃料と混合して燃料極に供給すること、
前記バブリングさせた後の空気又は酸素を酸化剤極に供給すること、
を特徴とするものである。
【００１１】
本発明では、燃料チャンネルに、燃料と共に炭酸ガス等の不活性なガス（電極反応を阻害しない）を流通させることで、入口側と出口側の燃料速度の差を小さくすることができる。又、燃料チャンネル毎に独立した燃料供給口とガス供給口とを設けることで、燃料が各チャンネルに均一に分配され、電流分布が均一になる。更に、出口側で気液分離して排出することにより、ガス詰まりや液詰まりが解消され、電池性能が安定する。
【００１２】
本発明では、燃料チャンネルに、燃料と共に空気又は酸素或は窒素を供給することで、燃料チャンネルを流通する流体の総量を増加させ、入口側と出口側の燃料流速の差を小さくすることができ、酸化剤極から排出される空気を利用することができる。又、水にバブリングした後の空気を酸化剤極に供給することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
次に、本発明に係る燃料電池の実施形態について添付図面を参照しながら説明する。図１において、１は燃料極に対面するプレートであり、その内面側には複数の燃料チャンネル２が凹溝状に並設されている。このプレート１は、燃料チャンネルの上流側に燃料用マニホールド３が形成され、その上方にはガス用マニホールド４が形成され、下流側には気体排出用マニホールド５が形成され、その下方には液体排出用マニホールド６が形成されている。
【００１４】
燃料用マニホールド３は、横長の凹陥状に形成されると共に両端部に供給口３ａがそれぞれ貫通して形成されている。各プレート１における供給口３ａは燃料電池スタックの積層方向に連通して燃料の供給流路を構成する。
【００１５】
図２に示すように、燃料用マニホールド３の底部には板状の燃料分配基板７が装着され、この燃料分配基板７には小径の供給孔７ａが前記燃料チャンネル２にそれぞれ対応して設けられている。これにより、燃料電池に供給される燃料（メタノール水溶液）は、スタック積層方向の供給流路を流れて各プレート１の供給口３ａから燃料用マニホールド３内に流入し、燃料分配基板７の供給孔７ａから各燃料チャンネル２内に分配供給される。
【００１６】
前記ガス用マニホールド４も同様に、横長の凹陥状に形成されると共に両端部に供給口４ａがそれぞれ貫通して形成されている。各プレート１における供給口４ａは燃料電池スタックの積層方向に連通してガスの供給流路を構成する。
【００１７】
ガス用マニホールド４の底部には板状のガス分配基板８が装着され、このガス分配基板８には小径の供給孔８ａが前記燃料チャンネル２にそれぞれ対応して設けられている。これにより、燃料電池に供給されるガスは、スタック積層方向の供給流路を流れて各プレート１の供給口４ａからガス用マニホールド４内に流入し、ガス分配基板８の供給孔８ａから各燃料チャンネル２内に分配供給される。
【００１８】
燃料チャンネル２に供給するガスは、燃料極を阻害しない不活性のガスであることが好ましく、例えば炭酸ガス、窒素、不活性ガス等を用いることができ、空気であっても良い。
【００１９】
前記気体排出用マニホールド５は、横長の凹陥状に形成されると共に両端部に排出口５ａがそれぞれ貫通して形成されている。各プレート１における排出口５ａは燃料電池スタックの積層方向に連通して気体の排出流路を構成する。
【００２０】
気体排出用マニホールド５は、内部に気体を選択的に排出する機能を持つガス透過基板９が燃料チャンネル２に接するように装着されている。このガス透過基板９を透過したガスは、気体排出用マニホールド５を通って排出口５ａに流れ、更に気体排出流路を経て外部に排出される。
【００２１】
ガス透過基板９の素材としては、例えば撥水処理を施したカーボンペーパー、四フッ化エチレン樹脂からなる多孔質膜、ＰＴＦＣ（ポリテトラフルオロエチレン）、ポリウレタンコートしたポリエステル繊維等を用いることができる。
【００２２】
前記液体排出用マニホールド６は、横長の凹陥状に形成されると共に両端部に排出口６ａがそれぞれ貫通して形成されている。各プレート１における排出口６ａは燃料電池スタックの積層方向に連通して液体の排出流路を構成する。
【００２３】
液体排出用マニホールド６の内部には、燃料チャンネル２からの排液を速やかに吸収し、各チャンネルとも円滑に排出するために、吸液基材１０が燃料チャンネル２の終端部に接するように装着されている。従って、前記ガス透過基板９により気液分離された後の液体は、吸液基材１０によって吸収されると共に排出口６ａに流れ込み、液体排出流路を経て外部に排出される。
【００２４】
吸液基材１０としては、例えばポリエステル、レーヨン、ナイロン、ポリエステル／アクリル等を主成分とする織布、不織布、フェルトを用いることができる。
【００２５】
このように構成された燃料電池において、前記のように燃料としてメタノール水溶液が、酸化剤として空気又は酸素がそれぞれ供給されて発電が行われる。メタノール水溶液は、燃料供給流路を流れて各プレート１の供給口３ａから燃料用マニホールド３内に流入し、燃料分配基板７の供給孔７ａから各燃料チャンネル２内に供給される。
【００２６】
このメタノール水溶液の供給と同時に、各燃料チャンネル２に炭酸ガスが供給される。この炭酸ガスは、供給流路を流れて各プレート１の供給口４ａからガス用マニホールド４内に流入し、ガス分配基板８の供給孔８ａから各燃料チャンネル２内に供給される。
【００２７】
これにより、図３のように各燃料チャンネル２には燃料と共に炭酸ガスが供給されることとなり、重力方向（上から下）に流れる。この炭酸ガスの供給によって燃料チャンネル２の入口側での燃料の流速が速められる。
【００２８】
電極面１１（図１）では、電池反応によって炭酸ガスが生成され、この生成炭酸ガスが燃料中に混入するため、総液量が多くなって燃料の流速は入口側より多少速くなるが、従来に比して入口側と出口側との燃料流速の分布を小さく抑えることができる。これにより、燃料極への燃料供給のほぼ均一化が図れ、電流分布を小さくすることができる。従って、安定した高性能発電が達成できる。
【００２９】
電極面１１で未反応に終わった燃料と炭酸ガスは、燃料チャンネル２の下流部において前記ガス透過基板９により気体が選択的に分離され、ガス透過基板９を透過した気体は気体排出用マニホールド５内に流入し、その排出口５ａから気体排出流路を経て外部に排出される。
【００３０】
ガス透過基板９により気体が選択的に分離された残液は、燃料チャンネル２の終端部において前記吸液基材１０により吸収されると共に、液体排出用マニホールド６内に流入し、その排出口６ａから液体排出流路を経て外部に排出される。
【００３１】
このようにして、ガス透過基板９により気液分離され、気体と液体とが別個に排出されるため、各燃料チャンネル２の終端部でガス詰まりや液詰まりが生じることはなく、燃料の連続供給が円滑に行える。尚、燃料とガスのマニホールドは上下逆に位置させても良い。
【００３２】
図４は、本発明に係る燃料電池の他の実施形態を示すもので、燃料電池２１に燃料（メタノール水溶液）を供給する経路を簡略に表してある。この場合、燃料に空気又は酸素を混合して燃料電池の燃料極に供給することに特徴を有する。
【００３３】
メタノール供給源２２からはメタノールを、純水供給源２３からは純水をそれぞれ混合タンク２４に供給して混合する。供給管路の要所には流量調整弁２５、２６が設けられ、メタノールと純水の供給量をそれぞれ調整できるようにしてある。
【００３４】
混合タンク２４で混合されたメタノール溶液は、ポンプ２７により燃料電池２１の燃料極に供給されるが、その際メタノール溶液中に空気が混入される。この空気は、外気から取り込んだ場合にはフィルタを通して除塵したものを用いる。
【００３５】
燃料電池２１に供給された燃料は、燃料極に対面するプレートの燃料チャンネルに沿って流れるが、この場合には燃料中に空気が混入されているため、流体の総量が増加している。このため、燃料チャンネルの入口側での流速は従来に比して速くなる。
【００３６】
前記の実施形態と同様に、電極面では電池反応によって炭酸ガスが生成され、この生成炭酸ガスが燃料中に混入するため、総液量が多くなって燃料の流速は入口側より多少速くなるが、従来に比して入口側と出口側との燃料流速の分布を小さく抑えることができる。これにより、燃料極への燃料供給のほぼ均一化が図れ、電流分布を小さくすることで、安定した高性能の発電が可能となる。
【００３７】
未反応に終わった燃料は、燃料電池２１から排出されて前記混合タンク２４に戻される。戻された燃料中に含まれている炭酸ガスと窒素は、混合タンク２４内から排除する。この実施形態では、燃料極に空気を供給しているが、代わりに燃料極から排出される炭酸ガスの一部をポンプで燃料極に供給してもよい。
【００３８】
ここで、直接型メタノール燃料電池の燃料極に、燃料と共に空気又は窒素を供給し、定電流発電時のセル電圧を測定する実験を行った。実験条件は次の通りであった。
［セル仕様］
電極面積：２５ｃｍ^２
燃料極：カーボン担持ＰｔＲｕ触媒
酸化剤極：カーボン担持Ｐｔ触媒
電解質膜：Ｎａｆｉｏｎ１１７（デュポン社の商標名）

［測定結果］
表１のようになった。
【００３９】
【表１】

【００４０】
この実験結果から、燃料に混合する空気又は窒素の流量は２ｍＬの時がセル電圧良好であることが判明した。流量２０ｍＬの場合、窒素を混合した場合と比べ空気を混合した場合の方がセル電圧が低かった。これは空気中の酸素の影響であるが、空気を混合しない場合よりは性能が高く、本発明による効果は認められる。
【００４１】
図５は、燃料のメタノール水溶液に、燃料電池２１の酸化剤極から排出される空気の一部を混入して燃料極に供給するようにした実施形態を示すものである。上記実施形態と同一部材は同一の符号を付ける。
【００４２】
燃料と共に空気を燃料極に供給した場合、空気量が多いと空気中の酸素が燃料と反応することにより、分極が増大しつまり電圧低下を来たす問題が生じるため、空気量は過剰にならないように設定する必要がある。本実施形態では、燃料電池２１の酸化剤極から排出される空気の一部を燃料極に供給するものである。この空気は酸素濃度が低いため、燃料極に供給するのに適している。
【００４３】
図６は、更に他の実施形態を示すもので、水に予め空気をバブリングし、気泡を含んだ水とメタノールを混合して燃料極に供給する構成に特徴を有する。即ち、水タンク２８に収納された純水に空気を吹き込んで気泡を発生させ、この気泡を含む水をポンプ２９で管路に送り込み、メタノール供給源２２からポンプ２７を介して管路に送り込まれたメタノールとを合流させて燃料極に供給する。又、バブリング後の空気（水分含有）を水タンク２８から酸化剤極に供給する。
【００４４】
この場合も、燃料と共に空気を燃料極に供給することになるので、上記実施形態の場合と同じ効果が得られる。更に、酸化剤極には加湿した空気が供給されることから、酸化剤極での湿潤度が均一化され、電池性能が向上する。尚、図４〜図６の実施形態において、空気の代わりに酸素を用いることも可能である。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、液体燃料を供給して発電する燃料電池において、液体燃料と共に炭酸ガス等の不活性なガスを燃料チャンネルに供給する構成にしたので、燃料チャンネルの入口側と出口側との流速分布を小さくすることができ、これにより燃料極への燃料供給の均一化を図り、電流分布の小さい高性能な発電が可能となる。又、本発明は、液体燃料と共に空気又は酸素或は窒素を供給することにより、同様の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池の実施形態を示すもので、燃料極に対面するプレートの概略内面図
【図２】図１のＸ−Ｘ線断面図
【図３】燃料チャンネルに燃料が流通する状態を示す説明図
【図４】液体燃料に空気を混合して、燃料極に供給する実施形態を示す説明図
【図５】液体燃料に酸化剤極から排出された空気の一部を混合して、燃料極に供給する実施形態を示す説明図
【図６】水に予め空気をバブリングし、気泡を含む水をメタノールと混合して燃料極に供給すると共に、バブリング後の空気を酸化剤極に供給する実施形態を示す説明図
【図７】従来の燃料電池における燃料チャンネルに燃料が流通する状態を示す説明図
【符号の説明】
１…プレート
２…燃料チャンネル
３…燃料用マニホールド
４…ガス用マニホールド
５…気体排出用マニホールド
６…液体排出用マニホールド
７…燃料分配基板
７ａ…供給孔
８…ガス分配基板
８ａ…供給孔
９…ガス透過基板
１０…吸液基材
１１…電極面
２１…燃料電池
２２…メタノール供給源
２３…純水供給源
２４…混合タンク
２５、２６…流量調整弁
２７…ポンプ
２８…水タンク
２９…ポンプ

Claims (8)

1. 液体燃料を燃料極に供給し、酸化剤を酸化剤極に供給して発電する燃料電池において、前記液体燃料と、燃料極に対して不活性なガス又は燃料極から排出されるガスの少なくとも一部とを燃料極側の燃料チャンネルに流通させることを特徴とする燃料電池。
2. 前記燃料極に対して不活性なガスは、炭酸ガス、窒素、不活性ガスのいずれか又はこれらのうちの２種類以上からなる混合ガスである請求項１記載の燃料電池。
3. 液体燃料の供給口と、燃料極に対して不活性なガスの供給口とは、前記燃料チャンネル毎にそれぞれ個別に設ける請求項１又は請求項２記載の燃料電池。
4. 前記燃料チャンネルの下流部に気体を選択的に排出する気体排出口を設け、更にその下流に液体排出口を設ける請求項１〜請求項３いずれか１項記載の燃料電池。
5. 液体燃料を燃料極に供給し、酸化剤を酸化剤極に供給して発電する燃料電池において、前記液体燃料と共に空気又は酸素或は窒素を燃料極に供給することを特徴とする燃料電池。
6. 前記酸化剤極から排出される空気を、液体燃料と共に燃料極に供給する請求項５記載の燃料電池。
7. 水に空気又は酸素をバブリングさせ、その気泡を含む水を液体燃料と混合して燃料極に供給する燃料電池。
8. 前記バブリングさせた後の空気又は酸素を酸化剤極に供給する請求項７記載の燃料電池。

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