JP2008243741A - 燃料電池 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】この燃料電池10は、膜電極複合体12において電解膜12aのアノード電極側に液体燃料を供給する液体燃料供給路20aと、上記複合体において電解膜のカソード電極側に空気を供給する空気供給路12gと、そして、上記複合体において電解膜のアノード電極側から気体を排出する気体排出路20bと、アノード電極12b及びアノード電極の外表面に相互に密封状態で積層された複数枚の積層体を含む積層体構造20と、を備える。液体燃料供給路が、積層体構造20を貫通する少なくとも1つの貫通孔TH1を含んでおり、気体排出路が、液体燃料供給路の貫通孔から独立して積層体構造を貫通する少なくとも1つの貫通孔TH2を含んでいる。
【選択図】図1
Description
電子(e-)はアノード電極とカソード電極とを結ぶ電線によりアノード電極からカソード電極に向かい移動する。水素イオン(H+)は電解膜をアノード電極側からカソード電極側へと透過し、電解膜のカソード電極側に設けられている触媒により水素イオン(H+)は空気供給通路により膜電極複合体の電解膜のカソード電極側に供給された空気中の酸素(O2)と以下のように反応して水(H2O)となる。
膜電極複合体の電解膜のカソード電極側に生じた水は、液体排出路により膜電極複合体の外部に排出され、その後に液体燃料タンクに戻される。液体燃料タンクには液体燃料タンク中の液体燃料よりも濃度の高いメタノールを貯蔵した補充用燃料タンクが接続されている。そして、液体燃料タンク中の液体燃料のメタノール濃度が所定の値以下になると補充用燃料タンクから所定量の高濃度のメタノールが液体燃料タンクに補充され、液体燃料タンク中の液体燃料のメタノール濃度を所定の値にまで戻す。
図1には、この発明の第1の実施の形態に従った燃料電池10の縦断面図が概略的に示されている。
電子(e-)はアノード電極12bとカソード電極12cとを結ぶ図示されていない電線によりアノード電極12bからカソード電極12cに向かい移動する。水素イオン(H+)は電解膜12aをアノード電極側からカソード電極側へと透過し、電解膜12aのカソード電極側に設けられている触媒層12dにより水素イオン(H+)は空気供給通路12gにより膜電極複合体12の電解膜12aのカソード電極側に供給された空気中の酸素(O2)と以下のように反応して水(H2O)となる。
膜電極複合体12の電解膜12aのカソード電極側で上述した如く生成された水(H2O)は、液体のまま、又は蒸発して、空気供給路12gから外部空間に排出される。
この変形例では、図5中に示されている如く、膜電極複合体12においてアノード電極12bと気−液・分離構造体24の微小通路部材26との間に介在された貫通孔部材54をさらに備えている。貫通孔部材54は、気−液・分離構造体24の微小通路部材26の複数の貫通孔26aに対応した複数の第1の貫通孔54(図5では、図面の明確化のために1点鎖線の複数の行列の交差部位で示されている)と、複数の第1の貫通孔54から独立しておりアノード電極12bの内表面における気体排出路20bの少なくとも1つの貫通孔TH2の出口OT2に対応した複数の第2の貫通孔54bと、が設けられている。
図6には、この発明の第1の実施の形態に従った燃料電池10の第2の変形例の縦断面図が概略的に示されている。
図7の(A)には、この発明の第2の実施の形態に従った燃料電池70の縦断面図が概略的に示されている。
i=150mA/cm2,
qMeOH_gen=6.3x10-4ccm/cm2,そして
C.O.(クロスオーバー)が20%であるとすると、
qMeOH_total=7.9x10-4ccm/cm2となる。
UMeOH_total=6.7x10-3cm/s,
DH2O=3x10-5cm2/s,そして小さな断面積の貫通孔TH1Sの長さL=0.2cmであるとするとD/L=1.5x10-4cm/sとなる。
次に、図8の(A)乃至図11の(C)を参照しながら、図7の(A)を参照しながら前述したこの発明の第2の実施の形態に従った燃料電池70において使用されている積層体構造20´についてより詳細に説明する。
貫通孔TH1´も形成されている。
Claims (17)
- 電解膜と、電解膜の両側に配置されたアノード電極及びカソード電極と、を含む膜電極複合体と;
膜電極複合体において電解膜のアノード電極側に液体燃料を供給する液体燃料供給路と;
膜電極複合体において電解膜のカソード電極側に空気を供給する空気供給通路と;
膜電極複合体において電解膜のアノード電極側から気体を排出する気体排出路と;そして、
アノード電極の外表面に相互に密封状態で積層された複数枚の積層体と;
を備えており、
アノード電極及び上記複数枚の積層体が積層構造体を構成していて、
上記液体燃料供給路が、上記積層構造体を貫通する少なくとも1つの貫通孔を含んでおり、
上記気体排出路が、上記液体燃料供給路の上記少なくとも1つの貫通孔から独立して上記積層構造体を貫通する少なくとも1つの貫通孔を含んでいる、
ことを特徴とする燃料電池。 - 上記液体燃料供給路は、電解膜を向いたアノード電極の内表面における上記少なくとも1つの貫通孔の出口が上記積層体中でアノード電極から最も離れた積層体における上記液体燃料供給路の上記少なくとも1つの貫通孔の断面積よりも大きな断面積を有しており、
上記気体排出路は、電解膜を向いたアノード電極の内表面における上記少なくとも1つの貫通孔の出口が、上記積層体中でアノード電極から最も離れた積層体における上記気体排出路の上記少なくとも1つの貫通孔の断面積よりも大きな断面積を有している、ことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池。 - 膜電極複合体において電解膜とアノード電極との間に介在され、上記液体燃料供給路により膜電極複合体において電解膜のアノード電極側に供給された液体燃料と電解膜のアノード電極側において液体燃料から生じた気体とを分離し分離された気体を上記気体排出路に導くよう構成された気−液・分離構造体をさらに備える、ことを特徴とする請求項2に記載の燃料電池。
- 気−液・分離構造体は、アノード電極の内表面における上記液体燃料供給路の上記少なくとも1つの貫通孔の出口に対応した位置から電解膜に向かい延出した複数の貫通孔と、複数の貫通孔よりも微小であり複数の貫通孔とアノード電極の内表面における上記気体排出路の上記少なくとも1つの貫通孔の出口に連通した微小通路と、を含む微小通路部材を含んでおり、微小通路部材は疎水性及び撥水性の少なくともいずれか一方を有している、ことを特徴とする請求項3に記載の燃料電池。
- 膜電極複合体においてアノード電極と気−液・分離構造体との間に介在され、気−液・分離構造体の複数の複数の貫通孔に対応した複数の第1の貫通孔と、上記複数の第1の貫通孔から独立しておりアノード電極の内表面における上記気体排出路の上記少なくとも1つの貫通孔の出口に対応した複数の第2の貫通孔と、が設けられている貫通孔部材をさらに備えている、ことを特徴とする請求項4に記載の燃料電池。
- アノード電極の内表面における上記液体燃料供給路の上記少なくとも1つの貫通孔の出口は、上記内表面に沿い等間隔のピッチで蛇行しており、
アノード電極において上記気体排出路は複数の貫通孔を有していて、アノード電極の内表面における上記気体排出路の上記複数の貫通孔の出口は、上記内表面において上記液体燃料供給路の上記少なくとも1つの貫通孔の出口の複数の蛇行部分の夫々に挟まれた複数の細長い領域で対応する蛇行部分に沿い延出している、
ことを特徴とする請求項2に記載の燃料電池。 - アノード電極の外表面に隣接した第1の積層体において上記気体排出路は2つの貫通孔を含んでいて、
第1の積層体における上記気体排出路の2つの貫通孔の一方は、アノード電極における上記気体排出路の複数の細長い貫通孔と1個おきに対応してアノード電極における上記気体排出路の上記対応する細長い貫通孔に沿い延出し上記対応する細長い貫通孔に連通する複数の細長い連通部分と、複数の細長い連通部分の夫々の一端を相互に接続する1つの接続部分と、を含んでおり、
第1の積層体における上記気体排出路の2つの貫通孔の他方は、アノード電極における上記気体排出路の複数の細長い貫通孔の残りに対応してアノード電極における上記気体排出路の上記対応する細長い貫通孔に沿い延出し上記対応する細長い貫通孔に連通する複数の細長い連通部分と、複数の細長い連通部分の夫々において、上記一方の貫通孔の上記複数の細長い連通部分の夫々の上記一端とは反対側に位置する他端を相互に接続する1つの接続部分と、を含んでおり;
第1の積層体における上記液体燃料供給路の少なくとも1つの貫通孔はアノード電極における上記液体燃料供給路の少なくとも1つの貫通孔に連通しており;
上記第1の積層体の外表面に隣接した第2の積層体における上記液体燃料供給路の少なくとも1つの貫通孔は上記第1の積層体における上記液体燃料供給路の少なくとも1つの貫通孔に連通しており;そして、
上記第2の積層体において上記気体排出路は2つの貫通孔を含んでいて、上記第2の積層体における上記気体排出路の2つ貫通孔の夫々は上記第1の積層体における上記気体排出路の上記2つの貫通孔の夫々の接続部分の一部に連通している、
ことを特徴とする請求項6に記載の燃料電池。 - 液体燃料供給路は、膜電極複合体において電解膜のアノード電極側で使用された分の液体燃料を液体燃料供給路に補充するよう構成された液体燃料補充ユニットを含んでいる、
ことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池。 - 上記複数の積層体の中の最も外側の積層体における上記液体燃料供給路の貫通孔に接続された一端部と、膜電極複合体及び上記複数の積層体の外側で上記液体燃料供給路に接続された他端部と、を有しており、膜電極複合体において電解膜のアノード電極側で未反応な液体燃料を液体燃料供給路に戻す液体燃料戻し路をさらに備えている、ことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池。
- 液体燃料戻し路は液体燃料戻し路中の液体燃料の濃度を測定するよう構成された液体燃料濃度測定ユニットを含んでおり、そして、
液体燃料供給路は液体燃料濃度測定ユニットにより測定された液体燃料の濃度が所定の値よりも低下した場合に新たな液体燃料を液体燃料供給路に補充するよう構成された液体燃料補充ユニットを含んでいる、
ことを特徴とする請求項9に記載の燃料電池。 - 液体燃料は炭化水素又は炭化水素と水との混合物を含む、ことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池。
- 炭化水素がメタノールを含むことを特徴とする請求項11に記載の燃料電池。
- アノード電極の外表面に隣接した積層体を除く少なくとも1つの積層体における上記液体燃料供給路の上記少なくとも1つの貫通孔の断面積は、上記少なくとも1つの積層体よりもアノード電極に近い積層体における上記液体燃料供給路の上記少なくとも1つの貫通孔の断面積よりも小さく設定されており、
上記少なくとも1つの貫通孔の上記小さな断面積は、上記小さな断面積の上記少なくとも1つの貫通孔を通過して膜電極複合体における電解膜のアノード電極側に向かう液体燃料に、膜電極複合体において電解膜のアノード電極側からの液体燃料の逆流を防止する流速を生じさせる、
ことを特徴とする請求項2に記載の燃料電池。 - アノード電極において上記液体燃料供給路の上記少なくとも1つの貫通孔は、アノード電極の内表面に沿い等間隔のピッチで蛇行しており、
アノード電極において上記気体排出路は複数の貫通孔を有していて、アノード電極の内表面における上記気体排出路の上記複数の貫通孔の出口は、上記内表面において上記液体燃料供給路の上記少なくとも1つの貫通孔の出口の複数の蛇行部分の夫々に挟まれた複数の細長い領域で対応する蛇行部分に沿い延出している、
ことを特徴とする請求項13に記載の燃料電池。 - アノード電極の外表面に隣接した第1の積層体において上記液体燃料供給路は、アノード電極における上記液体燃料供給路の上記少なくとも1つの貫通孔の出口の複数の蛇行部分の夫々の長手方向に沿った複数の位置に上記小さな断面積の複数の貫通孔を含んでいて、
上記第1の積層体において上記気体排出路は、アノード電極における上記気体排出路の複数の貫通孔に対応して延出している複数の貫通孔を含んでいる、
ことを特徴とする請求項14に記載の燃料電池。 - 上記第1の積層体の外表面に隣接した第2の積層体において上記液体燃料供給路は、アノード電極における上記液体燃料供給路の上記少なくとも1つの貫通孔の長手方向に沿って上記等間隔のピッチで蛇行している少なくとも1つの貫通孔を含んでおり、
上記第2の積層体において上記気体排出路は、上記第1の積層体における上記気体排出路の複数の貫通孔に対応して延出している複数の貫通孔を含んでいる、
ことを特徴とする請求項15に記載の燃料電池。 - 上記第2の積層体の外表面に隣接した第3の積層体において上記気体排出路は2つの貫通孔を含んでいて、
上記第3の積層体における上記気体排出路の2つの貫通孔の一方は、上記第2の積層体における上記気体排出路の複数の細長い貫通孔と1個おきに対応して上記第2の積層体における上記気体排出路の上記対応する細長い貫通孔に沿い延出し上記対応する細長い貫通孔に連通する複数の細長い連通部分と、複数の細長い連通部分の夫々の一端を相互に接続する1つの接続部分と、を含んでおり、
上記第3の積層体における上記気体排出路の2つの貫通孔の他方は、上記第2の積層体における上記気体排出路の複数の細長い貫通孔の残りに対応して上記第2の積層体における上記気体排出路の上記対応する細長い貫通孔に沿い延出し上記対応する細長い貫通孔に連通する複数の細長い連通部分と、複数の細長い連通部分の夫々において、上記一方の貫通孔の上記複数の細長い連通部分の夫々の上記一端とは反対側に位置する他端を相互に接続する1つの接続部分と、を含んでおり;
上記第3の積層体の外表面に隣接した第4の積層体における上記液体燃料供給路の少なくとも1つの貫通孔は上記第3の積層体における上記液体燃料供給路の少なくとも1つの貫通孔に連通しており;そして、
上記第4の積層体において上記気体排出路は2つの貫通孔を含んでいて、上記第4の積層体における上記液体燃料供給路の2つ貫通孔の夫々は上記第3の積層体における上記気体排出路の上記2つの貫通孔の夫々の接続部分の一部に連通している、
ことを特徴とする請求項16に記載の燃料電池。
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