JP2009080948A - 燃料電池発電システムおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】液体燃料が流通する配管内にＣＯ_２等のガスが流入することを防止して、圧力損失を抑制し、燃料電池発電システムを小型化する。
【解決手段】液体を燃料とする燃料電池発電システムは、電解質膜３を挟んで互いに対向するアノードおよびカソードを有する膜電極複合体８と、アノードに隣接して配置される疎液性多孔体１０と、この疎液性多孔体１０に隣接するアノード流路板３０を有する。このアノード流路板３０には、アノードで生成されるガスを疎液性多孔体１０を介して回収するガス回収流路３２と、アノードに液体燃料を供給する燃料供給流路３１が形成されている。また、この燃料電池発電システムには、燃料をアノード流路板３０の外側を通ってアノード流路板３０の出口側から入口側に循環させるアノード循環系５４と、膜電極複合体８で消費された分の燃料をアノード循環系５４に補給する手段を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、液体燃料を直接電極に供給して発電する燃料電池発電システムおよび、その製造方法に関する。

アルコール等の液体燃料を直接発電部に供給する直接型燃料電池は、気化器や改質器等の補器が不要なため、携帯機器の小型電源等への利用が期待されている。このような直接型燃料電池としては、アルコール水溶液を発電部に直接供給してプロトンを取り出すと共に、発電部から排出された水等の排出物を発電部の上流側に配置された混合タンク等に循環させて再利用する循環型燃料電池発電システムが知られている。

直接メタノール供給型燃料電池（ＤＭＦＣ）においては、アノード、カソードおよび膜電極複合体（ＭＥＡ）を備える発電セルを積層したセルスタック（発電部）において、発電が行われている。アノードには、送液ポンプ等を介して水およびメタノールの混合溶液が送られ、式（１）に示す反応が生じ、二酸化炭素が発生する。一方、カソードには送気ポンプ等を介して空気が送られ、式（２）に示す反応が生じ、水が発生する。

ＣＨ₃ＯＨ ＋ Ｈ₂Ｏ → ＣＯ₂ ＋ ６Ｈ⁺ ＋ ６ｅ⁻ ・・・（１）
３／２Ｏ₂ ＋ ６Ｈ⁺＋ ６ｅ⁻ → ３Ｈ₂Ｏ ・・・（２）
アノードで発生したＣＯ_２および水、並びに未反応のメタノールなどを含む混合溶液は、気液二相流となってアノードから排出される。アノードから排出された気液二相流は、アノードの出口側の流路に設けられた気液分離器などにより気体と液体に分離される。分離後の液体は、回収流路を介して混合タンク等へ循環させ、分離後の気体は、大気に放出させている。

しかしながら、アノードの出口側の流路に気液分離器を設ける方法では、アノード流路内とアノード出口側の流路に気液二相流が流通するため、アノード流路の圧力損失が大きくなる。また、気液分離器を配置することにより、アノード循環部が大きくなるため、小型化が困難になる場合がある。

直接型燃料電池を小型化する手法としては、例えば特許文献１に開示されているように、アノード電極の拡散層と互いに隣り合った燃料供給用流路と生成ガス排出用流路が存在するセパレータの間に多孔質膜を介在させる手法などが知られている。
特開２００６−４９１１５号公報

しかしながら、上述の例では、燃料供給流路を流通する液体燃料に気体が混入し、気液二相流が形成され、気液二相流が形成される場合がある。その結果、体積膨張による流速の高速化やメニスカス形成による流体の圧力損失増加が、発生し、ポンプの消費電力が増加したり、アノード循環系が大きくなるという問題点がある。

本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、その目的は、液体燃料が流通する配管内にＣＯ_２等のガスが流入することを抑制して、圧力損失を抑制し、燃料電池発電システムを小型化可能とすることである。

上記目的を達成するため本発明に係る燃料電池システムは、電解質膜を挟んで互いに対向するアノードおよびカソードを有する膜電極複合体と、前記アノードに隣接するように配置される疎液性多孔体と、前記疎液性多孔体に隣接して前記アノードで生成されるガスを前記疎液性多孔体を介して回収するガス回収流路および、前記アノードに液体の燃料を供給する燃料供給流路を有するアノード流路板と、を有することを特徴とする。

また、本発明に係る燃料電池発電システムの製造方法は、電解質膜を挟んで互いに対向するアノードおよびカソードを有する膜電極複合体および前記アノードに隣接するように疎液性多孔体を配置する疎液性多孔体配置工程と、前記疎液性多孔体配置工程の後に、前記疎液性多孔体に隣接して前記アノードで生成されるガスを前記疎液性多孔体を介して回収するガス回収流路および、前記アノードに液体の燃料を供給する燃料供給流路を有するアノード流路板を、前記疎液性多孔体に隣接配置するアノード流路板配置工程と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、液体燃料が流通する配管内にＣＯ_２等のガスが流入することが抑制されて、圧力損失が抑制され、燃料電池発電システムの小型化が可能になる。

以下、図面を用いて本発明について実施形態を説明する。なお、同一部分または類似部分には、同一符号を付して、重複説明を省略する。

［第１の実施形態］
図１は、本発明に係る第１の実施形態の構成を示す燃料電池発電システムの概略断面図である。本実施形態に係る燃料電池発電システムは、アノードおよびカソードに挟み込まれるように配置される電解質膜３などを有する膜電極複合体８を具備している。電解質膜３は、プロトン導電性の固体高分子膜等から構成されている。アノードは、電解質膜３の表面に触媒を塗布して形成されたアノード触媒層１と、この外側に形成されたアノードガス拡散層４などにより構成されている。カソードは、電解質膜３のアノード触媒層１が形成された反対側の表面に触媒を塗布して形成されたカソード触媒層２と、この外側に形成されたカソードガス拡散層５などにより構成されている。

この燃料電池発電システムは、さらに、アノードガス拡散層４に接するように配置される疎液性多孔体１０と、この疎液性多孔体１０に接してその外側に配置されたアノード流路板３０と、疎液性多孔体１０および膜電極複合体８などを介してアノード流路板３０に対向するカソード流路板４０などを具備している。また、アノード流路板３０とカソード流路板４０は、ガスケット９を介して膜電極複合体８の周囲をシールしている。

また、この燃料電池発電システムは、例えば高濃度メタノール等の液体燃料が貯蔵される燃料タンク４５と、燃料を供給する燃料供給配管５１等を具備している。

電解質膜３は、テトラフルオロエチレンとペルフルオロビニルエーテルスルフォン酸とのコポリマー（例えば、ナフィオン（デュポン社の登録商標））が利用可能である。アノード触媒層１には、白金ルテニウム等を利用でき、カソード触媒層２には白金等を利用することが可能である。アノードガス拡散層４およびカソードガス拡散層５には、多孔質のカーボンペーパー等が用いられる。

アノード触媒層１とアノードガス拡散層４との間には、疎液処理した、サブミクロンの孔径からなる数十ミクロン厚みのカーボン製のアノードマイクロポーラス層６が配置されていてもよい。カソード触媒層２とカソードガス拡散層５との間には、サブミクロンの孔径からなる数十ミクロン厚みのカーボン製のカソードマイクロポーラス層７が配置されていてもよい。

疎液性多孔体１０は、アノードガス拡散層４に接する面とアノード流路板３０に接する面を有している。すなわち、アノード拡散層４とアノード流路板３０の間に挟まれるように配置されている。疎液性多孔体１０のアノード流路板３０に接する面側の少なくとも一部が、疎液処理された平均孔径が約１マイクロメートル以下である導電性を有する材料であることが望ましい。

液体燃料としてメタノール水溶液を用いる場合、メタノールは表面張力が小さいため、高濃度のメタノールは四フッ化エチレン樹脂（例えばテフロン（デュポン社の登録商標））で疎液処理した平均孔径がサブマイクロメートルの緻密多孔体へも容易に浸透する。四フッ化エチレン樹脂等で疎液処理した平均孔径が約１マイクロメートルより小さいカーボン材の緻密多孔体には、濃度が３Ｍ（ｍｏｌ／Ｌ）以下のメタノール水溶液は浸透しなかった。

疎液性多孔体１０には、疎液処理されたカーボン繊維よりなる孔径が数マイクロメートルの細孔を有するカーボンペーパー、燒結金属を疎液処理した材料や、電気伝導性を有する孔径が数マイクロメートル以下の多孔体で疎液性を有する材料を用いることができる。その場合には、少なくともアノード流路板３０に接する面には、疎液処理されたカーボンの平均孔径が約１マイクロメートルより小さい緻密多孔体層であることが望ましい。孔径が小さい方が、メタノール水溶液が浸透しにくくなる。

アノード流路板３０は、液体燃料を流通させる燃料供給流路３１とガス回収流路３２を有している。燃料供給流路３１は、例えば液体燃料用サーペンタイン流路３１ａと、燃料供給部３１ｂから構成されている。液体燃料用サーペンタイン流路部３１ａは、液体燃料を少なくとも１本の流路で上流側から下流側に向かって蛇行させて流すように形成された流路である。一方、燃料供給部３１ｂは、液体燃料用サーペンタイン流路部３１ａから分岐されアノードガス拡散層４側へ、液体燃料用サーペンタイン流路部３１ａを流通する燃料の一部をアノードガス拡散層４へ供給するように形成されている。

ガス回収流路３２は、例えば、ガス用流路３２ａと、ガス回収部３２ｂから構成されている。ガス用流路３２ａは、ガスを燃料供給流路３１と交差せず流すように形成された流路である。ガス回収部３２ｂは、アノードガス拡散層４中からＣＯ_２等の気体を回収するように形成されている。

燃料タンク４５から、順に、第１ポンプ４７、開閉バルブ４９、および第２ポンプ４８が設けられて、液体燃料用サーペンタイン流路部３１ａの入口側に接続される。さらに燃料供給配管５１は液体燃料用サーペンタイン流路部３１ａの出口側から、背圧弁５０等を経て開閉バルブ４９の下流側で第２ポンプ４８の上流側に接続される。すなわち、開閉バルブ４９より下流側において、循環経路を形成している。本実施形態では、この循環経路をアノード循環系５４と定義している。

カソード流路板４０は、カソード触媒層２に空気を送給するための吸気供給孔４１を有している。なお、カソードガス拡散層５とカソード流路板４０との間には、カソード触媒層２が乾燥することを防止するための保湿機能を有する多孔体２０を備えていてもよい。

この例では、カソード流路板４０に吸気供給孔４１があることによって、ブリージング（自然吸気方式）により空気を膜電極複合体８に供給することが可能である。

なお、本実施形態の説明で用いる疎液性とは、メタノール水溶液が多孔体等に浸透しない、あるいは浸透しにくいという意味で用いており、例えば液体燃料の接触角５０°を境界として疎液性を有する意味で用いている。

続いて、液体燃料等の流れについて説明する。本実施形態では、燃料タンク４５に貯蔵される液体燃料は高濃度メタノールを使用している。燃料タンク４５に貯蔵される高濃度メタノールは、アノード循環系５４に供給される。すなわち、高濃度メタノールは、第１ポンプ４７、開閉バルブ４９、第２ポンプ４８を介して、アノード循環系５４に供給され、燃料供給配管５１を通るスタックから排出された希釈メタノールと混合し、所定の濃度で、アノード流路板３０に設けられた燃料供給流路３１の液体燃料用サーペンタイン流路３１ａの入口側に供給される。

液体燃料用サーペンタイン流路部３１ａに供給された液体燃料の一部は、例えば、メタノールおよび水蒸気として、疎液処理された疎液性多孔体１０を介して、アノードガス拡散層４側へ供給される。アノード拡散層４を流通する液体燃料は、アノード触媒層１に供給されて発電等に使用され、一部は電解質膜３を透過して、カソード側で透過（クロスオーバー）する。これ以外の液体燃料は、液体燃料用サーペンタイン流路３１ａの出口側に接続される燃料供給配管５１に流通される。液体燃料用サーペンタイン流路３１ａの出口側から燃料供給配管５１に供給される液体燃料は、背圧弁５０を介して、開閉バルブ４９の下流側で第２ポンプ４８の上流側に供給され、再び液体燃料用サーペンタイン流路３１ａの入口側に供給される。

一方、発電中に式（１）の反応等により発生するＣＯ_２は、燃料供給流路３１を流通することなく、ガス回収部３２ｂを流通して、ガス用流路部３２ａを流通し、ＣＯ_２排気部５２から燃料電池発電システムの外部へ排気される。したがって、アノード流路板３０に形成される液体燃料用サーペンタイン流路部３１ａおよび燃料供給部３１ｂにおいて、ＣＯ_２が流入することによる圧力損失を抑制することが可能となる。

式（１）に示すアノード発電反応によりＣＯ_２が生成し、このＣＯ_２は、アノードガス拡散層４を介して疎液性多孔体１０中を流通する。このときＣＯ_２は、アノード流路板３０と疎液性多孔体１０との界面において、ガス回収部３２ｂを優先的に流通する。つまり、疎液性多孔体１０内のＣＯ_２は、疎液性多孔体１０が疎液特性を有しているために、液体燃料が満たされる燃料供給部３１ｂ内において気泡を形成し、燃料供給路３１ｂに流通することよりも、液体燃料が満たされていないガス回収部３２ｂのほうへ流通しやすい。

この結果、アノード流路板３０の燃料供給流路３１の出口側を流通する液体燃料中に気体が混入することを防止できるため、気液二相流の形成が抑制される。よって、燃料供給流路３１は、ＣＯ_２混入による体積膨張による流速の高速化や、メニスカス形成による流体の圧力損失の増大を抑制することが可能となる。したがって、アノード（燃料供給流路３１）の圧力損失を大幅に小さくすることが可能となる。

なお、アノードガス拡散層４における単位面積当たりのＣＯ_２透過流量は少ないため、ＣＯ_２が疎液性多孔体１０を通過する場合の圧力損失は小さい。また、膜電極複合体８を任意の方向に傾けた場合においても、疎液性多孔体１０が配置されているために、ＣＯ_２と未反応の燃料を容易に気液分離することが可能である。

燃料供給流路３１の出口側に排出された未利用の液体燃料は、燃料供給流路３１の入口に循環される。式（１）に示すアノード発電反応で消費されるメタノールおよび水と、アノード側からカソード側へクロスオーバーするメタノールおよび水は、その分だけ、高濃度メタノール水溶液が貯蔵される燃料タンク４５からアノード循環系５４へ供給される。

このことにより、燃料供給流路３１を循環する液体燃料は体積モル濃度が３Ｍ以下の低濃度メタノール水溶液となる。３Ｍ以下の低濃度メタノールは、疎液性多孔体１０には浸透しにくいため、燃料供給流路３１から疎液性多孔体１０を介してガス回収流路３２内へ流出することを防止できる。

本実施形態によれば、別体として気液分離器等を配置することなく気液分離を行うことが可能となり、燃料電池発電システムをより小型化することが可能となる。

また、上述のように液体燃料が循環経路を流通することにより、高濃度燃料を用いることができる。

［第２の実施形態］
図２は、本発明に係る第２の実施形態を示す燃料電池発電システムの概略断面図である。

本実施形態の燃料電池発電システムは、膜電極複合体８のアノードガス拡散層４のアノード流路板３０側に疎液処理された疎液性マイクロポーラス層１１を有している。この疎液性マイクロポーラス層１１は、アノードガス拡散層４の表面上に一体的に形成された薄膜層である。すなわち、本実施形態の特徴は、第１の実施形態で用いた疎液性多孔体１０の代替として、疎液処理された疎液性マイクロポーラス層１１を適用することにある。

なお、本実施形態の疎液性マイクロポーラス層１１には、平均径が約１マイクロメートル以下の孔が形成されている。また、この疎液性マイクロポーラス層１１は、カーボン材などからなる薄膜層でもよい。

アノード流路板３０は、サーペンタイン形状を形成する液体燃料用サーペンタイン流路部３１ａと、ガス回収流路３２を有している。ガス回収流路３２は、第１の実施形態と同様に、ガス用流路３２ａと、ガス回収部３２ｂから構成されている。

液体燃料用サーペンタイン流路部３１ａは、疎液性マイクロポーラス層１１に沿うように形成されている。さらに、この液体燃料用サーペンタイン流路部３１ａは、この流路内に満たされた液体燃料が、疎液性マイクロポーラス層１１に接するように形成されている。

アノード発電反応により生成されて疎液性マイクロポーラス層１１を通過するＣＯ_２は、第１の実施形態と同様に、疎液性マイクロポーラス層１１が疎液特性を有しているため、液体燃料用サーペンタイン流路部３１ａを流通せずに、ガス回収部３２ｂを優先的に流通する。ガス回収部３２ｂを流通するＣＯ_２は、ガス用流路３２ａを通り、ＣＯ_２排気部５２から燃料電池発電システムの外部に排気される。

［その他の実施形態］
上記実施形態の説明は、本発明を説明するための例示であって、特許請求の範囲に記載の発明を限定するものではない。又、本発明の各部構成は上記実施形態に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である。

上述した燃料供給流路３１およびガス回収流路３２の構成は、サーペンタイン型に限らない。これは単なる例示であり、他にも様々な構成の燃料供給流路３１やガス回収流路３２が採用できる。

また、液体燃料は、メタノール以外の液体で、例えばアルコール、炭化水素、およびエーテル等を用いることも可能である。

本発明に係る燃料電池発電システムの第１の実施形態の構成を示す概略断面図である。 本発明に係る燃料電池発電システムの第２の実施形態の構成を示す概略断面図である。

符号の説明

１…アノード触媒層、２…カソード触媒層、３…電解質膜、４…アノードガス拡散層、５…カソードガス拡散層、６…アノードマイクロポーラス層、７…カソードマイクロポーラス層、８…膜電極複合体、９…ガスケット、１０…疎液性多孔体、１１…疎液性マイクロポラリス層、２０…多孔体、３０…アノード流路板、３１…燃料供給流路、３１ａ…液体燃料用サーペンタイン流路部、３１ｂ…燃料供給部、３２…ガス回収流路、３２ａ…ガス用流路、３２ｂ…ガス回収部、４０…カソード流路板、４１…吸気供給孔、４５…燃料タンク、４７…第１ポンプ、４８…第２ポンプ、４９…開閉バルブ、５０…背圧弁、５１…燃料供給配管、５２…ＣＯ_２排気部、５４…アノード循環系

Claims (5)

1. 電解質膜を挟んで互いに対向するアノードおよびカソードを有する膜電極複合体と、
   前記アノードに隣接するように配置される疎液性多孔体と、
   前記疎液性多孔体に隣接して前記アノードで生成されるガスを前記疎液性多孔体を介して回収するガス回収流路および、前記アノードに液体の燃料を供給する燃料供給流路を有するアノード流路板と、
   を有することを特徴とする燃料電池発電システム。
2. 前記疎液性多孔体は、前記アノードの前記電解質膜と接する面の反対面上に形成される薄膜層であって、前記膜電極複合体と一体となるように構成されていること、を特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電システム。
3. 前記疎液性多孔体は、平均孔径が１マイクロメートル以下の多数の孔が形成されたカーボン材を有すること、を特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池発電システム。
4. 前記燃料は、濃度が３Ｍ以下のメタノール水溶液であること、を特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池発電システム。
5. 電解質膜を挟んで互いに対向するアノードおよびカソードを有する膜電極複合体および前記アノードに隣接するように疎液性多孔体を配置する疎液性多孔体配置工程と、
   前記疎液性多孔体配置工程の後に、前記疎液性多孔体に隣接して前記アノードで生成されるガスを前記疎液性多孔体を介して回収するガス回収流路および、前記アノードに液体の燃料を供給する燃料供給流路を有するアノード流路板を、前記疎液性多孔体に隣接配置するアノード流路板配置工程と、
   を有することを特徴とする燃料電池発電システムの製造方法。

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