JP2015173118A - 燃料電池 - Google Patents
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Abstract
【課題】安定した出力を得る燃料電池を提供する。
【解決手段】膜電極接合体と、液体燃料が注入される燃料注入口32と膜電極接合体のアノード側の面に開口した複数の燃料排出口33とを有する燃料分配板31Aと、燃料注入口32から複数の燃料排出口33に向かって分岐した分岐部34Sと、燃料注入口32と複数の燃料排出口33との間に設けられた第1流路部34L1、第2流路部34L2、第1流路部34L1及び第2流路部34L2の間に配置され流路が延出する方向に直交する断面の面積が第1流路部34L1及び第2流路部34L2より小さい単一の第3流路部34L3並びに第1流路部34L1と第3流路部34L3及び第2流路部34L2と第3流路部34L3の少なくとも一方を接続するとともに、流路が延出する方向に直交する断面の面積が第3流路部34L3に向かって小さくなる第4流路部34L4とを有する。
【選択図】図3
【解決手段】膜電極接合体と、液体燃料が注入される燃料注入口32と膜電極接合体のアノード側の面に開口した複数の燃料排出口33とを有する燃料分配板31Aと、燃料注入口32から複数の燃料排出口33に向かって分岐した分岐部34Sと、燃料注入口32と複数の燃料排出口33との間に設けられた第1流路部34L1、第2流路部34L2、第1流路部34L1及び第2流路部34L2の間に配置され流路が延出する方向に直交する断面の面積が第1流路部34L1及び第2流路部34L2より小さい単一の第3流路部34L3並びに第1流路部34L1と第3流路部34L3及び第2流路部34L2と第3流路部34L3の少なくとも一方を接続するとともに、流路が延出する方向に直交する断面の面積が第3流路部34L3に向かって小さくなる第4流路部34L4とを有する。
【選択図】図3
Description
この発明は、液体燃料を用いた燃料電池の技術に関する。
近年、小型の燃料電池が注目を集めている。特に、メタノールを燃料として用いた直接メタノール型燃料電池(Direct Methanol Fuel Cell:DMFC)は、小型化が可能であり、さらに燃料の取り扱いも容易であるため、有望視されている。
DMFCは、アノードとカソードとの間に電解質膜を挟持させた構造の膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly:MEA)と、膜電極接合体にメタノールを供給する燃料供給機構と、を備えている。このようなDMFCのアノードでは、導入されたメタノールが酸化分解され、プロトン、電子および二酸化炭素が生成される。一方、カソードでは、空気中の酸素とアノード側から移動してきたプロトンとアノードから外部回路を通じて供給される電子とが反応して水が生成される。また、外部回路を通る電子によって電力が供給される。
例えば、特許文献1では、各セルを積み重ねたスタック構造の燃料電池において、生成した水によって一部の空気流路に生じた液詰まりを能動的に解消可能にすることを目的として、各セルの電解質膜を挟み込んだ流路板の各分岐流路の入口に流路の一部の断面積を小さくした絞りを設けた構成が開示されている(例えば、特許文献1)。
ところで、燃料電池の起動時では、例えば、液体燃料をポンプでMEAに送液する場合において、ポンプの動作が安定せず、ポンプによって過度の液体燃料がMEAに導かれることがあり、発電反応により発電部が過度に発熱してしまうことがある。これにより、生成した水が蒸発しアノード側に供給すべき水が不足してしまうことがあり、燃料電池の出力の低下を招くおそれがある。
この発明は、上述した問題点に鑑みなされたものであって、その目的は、安定した出力を得ることが可能な燃料電池を提供することにある。
この発明の態様による燃料電池は、アノードと、カソードと、前記アノードと前記カソードとの間に配置された電解質膜と、を有する膜電極接合体と、液体燃料が注入される燃料注入口と、前記アノード側の面に開口した複数の燃料排出口と、流路と、を有する燃料分配板と、前記流路の外に設けられ前記燃料注入口に前記液体燃料を注入するポンプと、を備え、前記流路は、前記燃料注入口と前記複数の燃料排出口とをポンプを介すること無しに接続し、前記燃料注入口から前記複数の燃料排出口に向かって分岐した分岐部と、前記燃料注入口と前記複数の燃料排出口との間に設けられた第1流路部、第2流路部、前記第1流路部および前記第2流路部の間に配置され前記流路が延出する方向に直交する断面の面積が前記第1流路部および前記第2流路部より小さい単一の第3流路部、ならびに前記第1流路部と前記第3流路部、および、前記第2流路部と前記第3流路部の少なくとも一方を接続するとともに、前記流路が延出する方向に直交する断面の面積が前記第3流路部に向かって小さくなる第4流路部と、を有する。
この発明によれば、安定した出力を得ることが可能な燃料電池を提供することができる。
以下、この発明の一実施の形態に係る燃料電池について図面を参照して説明する。図1に示すように、燃料電池1は、起電部を構成する膜電極接合体(MEA)2と、膜電極接合体2に燃料を供給する燃料供給機構3と、から主として構成されている。
すなわち、燃料電池1において、膜電極接合体2は、アノード触媒層11およびアノード触媒層11の上に配置されたアノードガス拡散層12を有するアノード(燃料極)13と、カソード触媒層14およびカソード触媒層14に積層されたカソードガス拡散層15を有するカソード(空気極/酸化剤極)16と、アノード触媒層11とカソード触媒層14とで挟持されたプロトン(水素イオン)伝導性の電解質膜17とを備えて構成されている。
アノード触媒層11やカソード触媒層14に含有される触媒としては、例えば白金(Pt)、ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、イリジウム(Ir)、オスミウム(Os)、パラジウム(Pd)等の白金族元素の単体、白金族元素を含有する合金等が挙げられる。アノード触媒層11には、メタノールや一酸化炭素等に対して強い耐性を有するPt−RuやPt−Mo等を用いることが好ましい。カソード触媒層14には、PtやPt−Ni等を用いることが好ましい。ただし、触媒は、これらに限定されるものではなく、触媒活性を有する各種の物質を使用することができる。また、触媒は、炭素材料のような導電性担持体を使用した担持触媒、あるいは無担持触媒のいずれであってもよい。
電解質膜17を構成するプロトン伝導性材料としては、例えばスルホン酸基を有するパーフルオロスルホン酸重合体のようなフッ素系樹脂(ナフィオン(商品名、デュポン社製)やフレミオン(商品名、旭硝子社製)等)、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂等の有機系材料、あるいはタングステン酸やリンタングステン酸等の無機系材料が挙げられる。ただし、プロトン伝導性の電解質膜17は、これらに限られるものではない。
アノード触媒層11に積層されるアノードガス拡散層12は、アノード触媒層11に燃料を均一に供給する役割を果たすと同時に、アノード触媒層11の集電機能を有するものである。カソード触媒層14に積層されるカソードガス拡散層15は、カソード触媒層14に酸化剤(空気あるいは酸素)を均一に供給する役割を果たすと同時に、カソード触媒層14の集電機能を有するものである。アノードガス拡散層12およびカソードガス拡散層15は、例えばカーボンペーパーなどの導電性を有する多孔質基材によって構成されている。
上述した膜電極接合体2は、集電体18によって挟持されている。この集電体18は、膜電極接合体2に備えられたアノード13と同数のアノード集電体18A、および、膜電極接合体2に備えられたカソード16と同数のカソード集電体18Cを有している。アノード集電体18Aは、アノード13のアノードガス拡散層12に積層されている。また、カソード集電体18Cは、カソード16のカソードガス拡散層15に積層されている。
アノード集電体18Aおよびカソード集電体18Cとしては、例えば金(Au)、ニッケル(Ni)などの金属材料からなる多孔膜(例えばメッシュ)または箔体、あるいはステンレス鋼(SUS)などの導電性金属材料に金などの良導電性金属を被覆した複合材などをそれぞれ使用することができる。
膜電極接合体2は、電解質膜17のアノード13側およびカソード16側にそれぞれ配置されたゴム製のOリング等のシール部材19によってシールされており、これにより、膜電極接合体2からの燃料漏れや酸化剤漏れが防止されている。
膜電極接合体2のカソード16側には、絶縁材料によって形成された板状体20が配置されている。この板状体20は、主に保湿層として機能する。すなわち、この板状体20は、カソード触媒層14で生成された水の一部が含浸されて水の蒸散を抑制するとともに、カソード触媒層14への空気の取入れ量を調整し且つ空気の均一拡散を促進するものである。この板状体20は、例えば多孔質構造の部材で構成され、具体的な構成材料としては、ポリエチレンやポリプロピレンの多孔質体などが挙げられる。
上述した膜電極接合体2は、燃料供給機構3とカバープレート21との間に配置されている。カバープレート21は、外観が略矩形状のものであり、例えばステンレス鋼(SUS)によって形成されている。また、カバープレート21は、酸化剤である空気を取入れるための複数の開口部(空気導入孔)21Aを有している。
燃料供給機構3は、膜電極接合体2のアノード13に対して燃料を供給するように構成されているが、特に、特定の構成に限定されるものではない。以下に、燃料供給機構3の一例について説明する。
燃料供給機構3は、例えば、箱状に形成された容器30を備えている。この燃料供給機構3は、液体燃料を収容する燃料収容部4と燃料供給路5およびポンプ6を介して接続されている。燃料供給機構3は、膜電極接合体2のアノード13の面方向に燃料を分散並びに拡散させつつ供給する燃料供給部31を備えている。燃料供給部31は、燃料分配板31Aを備えている。
燃料分配板31Aは、1つの燃料注入口32と、アノード13の面方向に開口した複数の燃料排出口33と、流路34を介して燃料注入口32と燃料排出口33とを接続した構成である。流路34の始端部には、燃料注入口32が設けられている。燃料注入口32は、ポンプ6および燃料供給路5を介して燃料収容部4に接続される。流路34の終端部には、燃料排出口33が設けられている。燃料排出口33は、例えば、128箇所にあり、燃料分配板31Aの面内に均一に形成されている。流路34は、途中で複数に分岐し、燃料排出口33に接続される。つまり、燃料注入口32から注入された液体燃料は、複数に分岐した流路34を介して複数の燃料排出口33にそれぞれ導かれる。流路34は、燃料分配板31A内に形成された細管で構成してもよく、燃料分配板31Aの表面に形成された溝で構成してもよい。
膜電極接合体2は、そのアノード13が上述したような燃料分配板31Aの燃料排出口33に対向するように配置されている。カバープレート21は、燃料供給機構3との間に膜電極接合体2を保持した状態で容器30に対してカシメあるいはネジ止めなどの手法により固定されている。これにより、燃料電池(DMFC)1の発電ユニットが構成されている。
燃料供給部31は、燃料分配板31Aと膜電極接合体2との間に燃料拡散室31Bとして機能する空間を形成するような構成であることが望ましい。この燃料拡散室31Bは、燃料排出口33から液体燃料が排出されたとしても気化を促進するとともに、面方向への拡散を促進する機能を有している。
膜電極接合体2と燃料供給部31との間には、膜電極接合体2をアノード13側から支持する支持部材を配置しても良い。また、膜電極接合体2と燃料供給部31との間には、少なくとも1つの多孔体を配置しても良い。
燃料収容部4には、膜電極接合体2に応じた液体燃料が収容されている。液体燃料としては、各種濃度のメタノール水溶液や純メタノール等のメタノール燃料が挙げられる。なお、液体燃料は、必ずしもメタノール燃料に限られるものではない。液体燃料は、例えば、エタノール水溶液や純エタノール等のエタノール燃料、プロパノール水溶液や純プロパノール等のプロパノール燃料、グリコール水溶液や純グリコール等のグリコール燃料、ジメチルエーテル、ギ酸、その他の液体燃料であってもよい。いずれにしても、燃料収容部4には、膜電極接合体2に応じた液体燃料が収容される。
さらに、燃料供給部31の燃料分配板31Aの燃料注入口32に接続されているポンプ6は、燃料を循環させる循環ポンプではなく、あくまでも燃料収容部4から燃料供給部31に液体燃料を送液する燃料供給ポンプである。燃料供給部31から膜電極接合体2に供給された燃料は、発電反応に使用され、その後に循環して燃料収容部4に戻されることはない。
この実施の形態の燃料電池1は、燃料を循環しないことから、従来のアクティブ方式とは異なるものであり、装置の小型化等を損なうものではない。また、液体燃料の供給にポンプ6を使用しており、従来の内部気化型のような純パッシブ方式とも異なる。図1に示す燃料電池1は、例えばセミパッシブ型と呼称される方式を適用したものである。
燃料供給に使用するポンプ6の種類は、特に限定されるものではないが、少量の液体燃料を制御性よく送液することができ、さらに小型軽量化が可能という観点から、ロータリベーンポンプ、電気浸透流ポンプ、ダイアフラムポンプ、しごきポンプ等を使用することが好ましい。ロータリベーンポンプは、モータで羽を回転させて送液するものである。電気浸透流ポンプは、電気浸透流現象を起こすシリカ等の焼結多孔体を用いたものである。ダイアフラムポンプは、電磁石や圧電セラミックスによりダイアフラムを駆動して送液するものである。しごきポンプは、柔軟性を有する燃料流路の一部を圧迫し、燃料をしごき送るものである。これらのうち、駆動電力や大きさ等の観点から、電気浸透流ポンプや圧電セラミックスを有するダイアフラムポンプを使用することがより好ましい。このポンプ6は、制御手段(図示しない)と電気的に接続されており、この制御手段によって、燃料供給部31に供給される液体燃料の供給量が制御される。
なお、このセミパッシブ型の燃料電池では、燃料収容部から膜電極接合体への燃料供給が行われる構成であればポンプに代えて燃料遮断バルブを配置する構成とすることも可能である。この場合には、燃料遮断バルブは、流路による液体燃料の供給を制御するために設けられるものである。
この実施の形態の燃料電池1においては、ポンプ6を用いて燃料収容部4から燃料供給部31に液体燃料が間欠的に送液される。ポンプ6で送液された液体燃料は、燃料供給部31を経て膜電極接合体2のアノード13の全面に対して均一に供給される。
すなわち、複数の単セルCの各アノード13の平面方向に対して均一に燃料が供給され、これにより発電反応が生起される。燃料供給用(送液用)のポンプ6の運転動作は、燃料電池1の出力、温度情報、電力供給先である電子機器の運転情報等に基づいて制御することが好ましい。
上述したように、燃料供給部31から放出された燃料は、膜電極接合体2のアノード13に供給される。膜電極接合体2内において、燃料は、アノードガス拡散層12を拡散してアノード触媒層11に供給される。液体燃料としてメタノール燃料を用いた場合、アノード触媒層11で下記の(1)式に示すメタノールの内部改質反応が生じる。なお、メタノール燃料として純メタノールを使用した場合には、カソード触媒層14で生成した水や電解質膜17中の水をメタノールと反応させて(1)式の内部改質反応を生起させる。あるいは、水を必要としない他の反応機構により内部改質反応を生じさせる。
CH3OH+H2O → CO2+6H++6e- …(1)
この反応で生成した電子(e-)は、集電体18を経由して外部に導かれ、いわゆる電気として携帯用電子機器等を動作させた後、集電体18を経由してカソード16に導かれる。(1)式の内部改質反応で生成したプロトン(H+)は、電解質膜17を経てカソード16に導かれる。カソード16には、酸化剤として空気が供給される。カソード16に到達した電子(e-)とプロトン(H+)は、カソード触媒層14で空気中の酸素と下記の(2)式にしたがって反応し、この反応に伴って水が生成する。
この反応で生成した電子(e-)は、集電体18を経由して外部に導かれ、いわゆる電気として携帯用電子機器等を動作させた後、集電体18を経由してカソード16に導かれる。(1)式の内部改質反応で生成したプロトン(H+)は、電解質膜17を経てカソード16に導かれる。カソード16には、酸化剤として空気が供給される。カソード16に到達した電子(e-)とプロトン(H+)は、カソード触媒層14で空気中の酸素と下記の(2)式にしたがって反応し、この反応に伴って水が生成する。
6e-+6H++(3/2)O2 → 3H2O …(2)
上述した燃料電池1の発電反応において、発電する電力を増大させるためには触媒反応を円滑に行わせるとともに、膜電極接合体2の電極全体に均一に燃料を供給し、電極全体をより有効に発電に寄与させることが重要となる。
上述した燃料電池1の発電反応において、発電する電力を増大させるためには触媒反応を円滑に行わせるとともに、膜電極接合体2の電極全体に均一に燃料を供給し、電極全体をより有効に発電に寄与させることが重要となる。
この実施の形態においては、図2に示すように、膜電極接合体2は、単一の電解質膜17の一方の面において間隔をおいて配置された複数のアノード13と、電解質膜17の他方の面においてアノード13のそれぞれと対向するように間隔をおいて配置された複数のカソード16と、を備えている。ここでは、アノード13およびカソード16がそれぞれ4個である場合を示している。
これらのアノード13とカソード16との各組み合わせは、それぞれ電解質膜17を挟持し、単セルCをなしている。ここでは、単セルCのそれぞれは、同一平面上において、その長手方向と直交する方向に間隔をおいて並んで配置されている。なお、膜電極接合体2の構造は、この例に限らず他の構造であっても良い。図2に示したような複数の単セルCを有する膜電極接合体2においては、各単セルCは、図示しない集電体によって電気的に直列に接続されている。
この実施の形態の燃料電池1においては、図3に示すように、燃料分配板31Aの流路34は、燃料分配板31Aの面方向(第1方向D1をX軸とし、および第1方向D1と直交する第2方向D2をY軸としたときのXY平面)に延出している。流路34は、第1流路部34L1と、第2流路部34L2と、第3流路部34L3と、第4流路部34L4と、第5流路部34L5と、燃料分配部34Sと、を有している。第3流路部34L3は、第1流路部34L1と第2流路部34L2との間に配置されている。第4流路部34L4は、第1流路部34L1と第3流路部34L3とを接続し、第2流路部34L2と第3流路部34L3とを接続している。
燃料注入口32と燃料分配部34Sとの間には、燃料注入口32から順に第2流路部34L2、第4流路部34L4、第3流路部34L3、第4流路部34L4、第1流路部34L1が配置されている。複数の第5流路部34L5は、燃料分配部34Sに接続され、分岐して複数の燃料排出口33と接続されている。ここでは、第5流路部34L5は、燃料分配部34Sから燃料排出口まで5回分岐し、128個の燃料排出口33に接続されている。
図4に示すように、第1流路部34L1は、一定の第1断面積S1を有している。第2流路部34L2は、一定の第2断面積S2を有している。ここでは、第1断面積S1と第2断面積S2とは、略同等である。第3流路部34L3は、第1断面積S1および第2断面積S2より小さい第3断面積S3を有している。第4流路部34L4は、第3流路部34L3に向かって断面積が小さくなる。ここでは、第1流路部34L1、第2流路部34L2、第3流路部34L3および第4流路部34L4は、それぞれ断面が矩形形状である。
また、第1流路部34L1、第2流路部34L2、第3流路部34L3および第4流路部34L4は、それぞれ高さHが略同等である。ここで、高さHとは、第1方向D1および第2方向D2と直交する第3方向D3の流路34の長さである。
なお、上述したように、図示しないが膜電極接合体2は、燃料分配板31Aの面方向(XY平面)に対向するように、燃料分配板31Aの上に配置されている。つまり、膜電極接合体2は、燃料分配板31Aの面方向(XY平面)に延出した流路34に対向するように配置されている。図4に示すように、第3流路部34L3は、膜電極接合体2と対向する上面TS3と、上面TS3と直交する第1側壁SD3Aおよび第2側壁とSD3Bと、を有している。また、第4流路部34L4は、膜電極接合体2と対向する上面TS4と、上面TS4と直交する第3側壁SD4Aおよび第4側壁SD4Bと、を有している。
図5に示すように、第3流路部34L3の第1側壁SD3Aと第4流路部34L4の第3側壁SD4Aとは、接続されている。また、第3流路部34L3の第2側壁SD3Bと第4流路部34L4の第4側壁SD4Bとは、接続されている。
なお、図5に示すように、第4流路部34L4の第3側壁SD4Aの延長面ES4Aと第4側壁SD4Bの延長面ES4Bとの間の角θ1が10°〜30°であることが望ましい。さらに、第1側壁SD3Aと第3側壁SD4Aとの間の角θ2と、第2側壁SD3Bと第4側壁SD4Bとの間の角θ3とが等しいことが望ましい。つまり、第1側壁SD3Aの延長面ES3Aと第3側壁SD4Aとの間の角θ4と、第2側壁SD3Bの延長面ES3Bと第4側壁SD4Bとの間の角θ5とが等しいことが望ましい。
このような構成の燃料電池1において、燃料注入口32から注入された液体燃料は、第1流路部34L1、第2流路部34L2、第3流路部34L3、第4流路部34L4、第5流路部34L5、燃料分配部34Sを介して燃料排出口33にそれぞれ導かれる。
本実施の形態において、燃料電池1の起動時でポンプ6によって過度の液体燃料が燃料注入口32に送液された場合においても、流路34が第1流路部34L1の第1断面積S1および第2流路部34L2の第2断面積S2より小さい第3断面積S3を有する第3流路部34L3を有しているため、第3流路部34L3の抵抗によって、過度の液体燃料が燃料排出口33に導かれることを抑制することができ、発電反応による発電部の過度の発熱を抑制することができる。これにより、カソード16で生成した水の過剰な蒸発を抑制することができ、適度な水を安定してアノード13に供給することができる。
ところで、このような構成において、第4流路部34L4の第3側壁SD4Aの延長面ES4Aと、第4側壁SD4Bの延長面ES4Bとの間の角θが180°である場合、第4流路部34L4の第3側壁SD4Aおよび第4側壁SD4Bの抵抗が大きく、第4流路部45L4で圧力が損失してしまい燃料排出口33まで十分な液体燃料を導くことができないことがある。これに対して、本実施の形態において、第4流路部34L4は、第3流路部34L3に向かって断面積が小さくなるため、第4流路部34L4の第3側壁SD4Aおよび第4側壁SD4Bによる圧力の損失を低減することをでき、燃料排出口33まで十分な液体燃料を導くことが可能である。
したがって、本実施の形態において、燃料電池1が第3流路部34L3および第4流路部34L4を有する燃料分配板31Aを備えているため、適量の液体燃料が燃料排出口33に導かれ、発電反応を安定して生起させることが可能となる。以上、本実施の形態によれば、安定した出力を得ることが可能な燃料電池1を提供することができる。
なお、ここでは、燃料分配部34Sと燃料注入口32との間に、第1流路部34L1、第2流路部34L2、第3流路部34L3、第4流路部34L4が配置された例を説明したが、この例に限らない。燃料分配部34Sと燃料排出口33とのいずれかの間に、第1流路部34L1、第2流路部34L2、第3流路部34L3、第4流路部34L4が配置されてもよい。このとき、図6に示すように、第6流路部34L6は、燃料注入口32と燃料分配部34Sとを接続している。第1流路部34L1、第2流路部34L2、第3流路部34L3、第4流路部34L4は、燃料分配部34Sと接続された各第5流路部34L5に介在するように配置される。第1流路部34L1、第2流路部34L2、第3流路部34L3、第4流路部34L4は、各第5流路部34L5の同じ位置に介在するように配置されることが望ましい。このような構成においても、本実施の形態と同様な効果が得られる。
さらに、第1流路部34L1が第4流路部34L4より燃料注入口32側に配置されている場合において、図7に示すように、その内面に内側に突出した凸部EPを有してもよい。このように構成において、燃料電池1の起動時で過度の液体燃料が燃料注入口32に送液された場合においても、第4流路部34L4が内面に凸部EPを有しているため、凸部EPの抵抗によって、さらに、過度の液体燃料が燃料排出口33に導かれることを抑制することができる。したがって、さらに、安定した出力を得ることが可能な燃料電池1を提供することができる。
また、ここでは、第4流路部34L4が第1流路部34L1と第3流路部34L3とを接続し、第2流路部34L2と第3流路部34L3とを接続した例を説明したが、この例に限らない。第4流路部34L4は、第1流路部34L1と第3流路部34L3、および、第2流路部34L2と第3流路部34L3の少なくとも一方を接続していればよい。第1流路部34L1が第2流路部34L2より燃料注入口32側に配置されている場合において、第4流路部34L4は、第1流路部34L1と第3流路部34L3とを接続していることが望ましい。
また、ここでは、燃料分配部34Sと接続された第5流路部34L5は、分岐して複数の燃料排出口33に接続された例を説明したが、この例に限らない。第5流路部34L5は、分岐せずに放射状に延出し、それぞれ独立して複数の燃料排出口33に接続されていてもよい。このような構成において、分岐による圧力損失を低減することが可能であり、燃料排出口33まで十分な液体燃料を導くことが可能である。
なお、図3乃至図5と図6においては、燃料分配板31A内の流路に形成された位置および断面積等異なるものであっても良いが、流路部の構成についての説明上、同じ符号を用いている。
次に、本実施の形態に係る燃料分配板31Aを備えた燃料電池1の効果を検証した。
サンプル1乃至サンプル6を用意する。図8に示すように、サンプル1乃至サンプル6において、燃料分配板31Aの流路34は、第1流路部34L1と、第2流路部34L2と、第3流路部34L3と、第4流路部34L4と、を備えている。また、サンプル1乃至サンプル6において、第1流路部34L1、第2流路部34L2、第3流路部34L3、第4流路部34L4は、第1方向D1において、第1流路部34L1、第4流路部34L4、第3流路部34L3、第4流路部34L4、第2流路部34L2の順で接続されている。第1流路部34L1、第2流路部34L2、第3流路部34L3および第4流路部34L4の断面は、矩形形状である。また、サンプル7においては、流路の檀面積が一定、すなわち、第3流路部34L3および第4流路部34L4を有さない構成である。
サンプル1乃至サンプル6において、第1流路部34L1および第2流路部34L2の第1方向D1に直交する第2方向D2の幅W1は、800μmである。第1流路部34L1、第2流路部34L2、第3流路部34L3および第4流路部34L4の第1方向D1および第2方向D2と直交する第3方向D3の高さHは、100μmである。第3流路部34L3の第2方向D2の幅W2は、40μmである。第1流路部34L1の第4流路部34L4の第3側壁SD4Aと接続された第5側壁SD5Aの延長面ES1Aと、第3流路部34L3の第1側壁SD3Aとの間の距離W3は、380μmである。
サンプル1において、第3流路部34L3の第1方向D1の長さL2は、1000μmである。2つの第4流路部34L4の第1方向D1の長さ2L1と第3流路部34L3の第1方向D1の長さL2との和の長さL3は、5000μmである。第4流路部34L4の第3側壁SD4Aの延長面ES4Aと第4側壁SD4Bの延長面ES4Bとの間の角θは、22°である。サンプル2において、長さL2は1000μmであり、長さL3は3700μmである。また、第3側壁SD4Aと第4側壁SD4Bとの間の角θは31°である。サンプル3において、長さL2は1000μmであり、長さL3は1300μmである。第3側壁SD4Aと第4側壁SD4Bとの間の角θは137°である。サンプル4において、長さL2は1000μmであり、長さL3は1600μmである。第3側壁SD4Aと第4側壁SD4Bとの間の角θは103°である。サンプル5において、長さL2は100μmであり、長さL3は2900μmである。第3側壁SD4Aと第4側壁SD4Bとの間の角θは30°である。サンプル6において、長さL2は100μmであり、長さL3は400μmである。第3側壁SD4Aと第4側壁SD4Bとの間の角θは、137°である。
サンプル1乃至サンプル6の燃料分配板31Aを備えた燃料電池1において、液体燃料の流量Q[μl/min]が100μl/min、500μl/min、1000μl/minのときの圧力損失ΔP[Pa]を測定した。ここで、圧力損失ΔPとは、第3流路部の長さ0mmにおける圧力と、第4流路部の長さL3mmにおける圧力との差である。
図9に流量Qと圧力損失ΔPとの関係を示す。なお、圧力損失ΔPは、サンプル7の流量100μl/minの圧力損失ΔPを1とした場合の相対値としている。
図9より明らかなとおり、第3流路部および第4流路部を形成することにより、それら流路部を形成していないサンプル7に比較し、圧力損失を大きくすることができる。さらに、サンプル1乃至サンプル6において、液体燃料の流量Qが増加するとともに圧力損失ΔPが大きくなることが分かる。サンプル1乃至サンプル6において、燃料分配板31Aの圧力損失ΔPと液体燃料の流量Qとの関係は、二次曲線で描くことができる。したがって、サンプル1乃至サンプル6において、過度の液体燃料が燃料注入口32に送液されたとき、流路34での圧力の損失が高く、過度の液体燃料が燃料排出口33に導かれることを抑制することができることが確認された。
次に、上記効果を確かめるため、サンプル8として、流路の断面積が一定の燃料分配板31A、サンプル9として、第3流路部34L3と、第4流路部34L4と、を有する燃料分配板31Aを用意し、それら燃料分配板31Aを搭載した発電試験を行った。
サンプル8およびサンプル9の燃料分配板31Aを有する燃料電池1を所定の設定温度で運転し、燃料電池1の立ち上がり時間t[秒]と、燃料電池1の起動時から1時間後までの最高温度T[℃]と、起動時から1時間後の発電量W[mWh]と、を測定した。
その結果、サンプル8の流路の断面積が一定の燃料分配板31Aを用いた場合の燃料電池1の平均最大温度は、設定温度から+7℃程度オーバーする。一方、サンプル9の第3流路部34L3と、第4流路部34L4とを有する燃料分配板31Aを用いた燃料電池1の平均最大温度は、設定温度から+4.5℃程度のオーバーに留まる事ができた。
また、上記発電開始から1時間程度の起動時の発電量の比は、サンプル9に比較しサンプル8は70%程度であった。つまり、燃料電池1が第3流路部34L3および第4流路部34L4を有する燃料分配板31Aを備えることによって、燃料電池1の発熱を抑制、すなわち最大温度抑制し、かつ起動立ち上がり速度抑制、すなわち発電部に負担をかけずに安定した起動を達成できることが確認された。
上述した本実施形態の燃料電池1は、各種の液体燃料を使用した場合に効果を発揮し、液体燃料の種類や濃度は限定されるものではない。ただし、燃料を面方向に分散させつつ供給する燃料供給部31は、特に燃料濃度が濃い場合に有効である。このため、各実施形態の燃料電池1は、濃度が80wt%以上のメタノールを液体燃料として用いた場合に、その性能や効果を特に発揮することができる。したがって、各実施形態は、メタノール濃度が80wt%以上のメタノール水溶液や純メタノールを液体燃料として用いた燃料電池1に好適である。
さらに、上述した各実施形態は、本発明をセミパッシブ型の燃料電池1に適用した場合について説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、内部気化型の純パッシブ型の燃料電池に対しても適用可能である。
なお、本発明は液体燃料を使用した各種の燃料電池に適用することができる。また、燃料電池の具体的な構成や燃料の供給状態等も特に限定されるものではなく、MEAに供給される燃料の全てが液体燃料の蒸気、全てが液体燃料、または一部が液体状態で供給される液体燃料の蒸気等、種々形態に本発明を適用することができる。実施段階では本発明の技術的思想を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化することができる。さらに、上記実施形態に示される複数の構成要素を適宜に組み合わせたり、また実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除したりする等、種々の変形が可能である。本発明の実施形態は本発明の技術的思想の範囲内で拡張もしくは変更することができ、この拡張、変更した実施形態も本発明の技術的範囲に含まれるものである。
以下に、本願の原出願に記載された発明を付記する。
[1]アノードと、カソードと、前記アノードと前記カソードとの間に配置された電解質膜と、を有する膜電極接合体と、
燃料が注入される燃料注入口と、前記アノード側の面に開口した複数の燃料排出口と、前記燃料注入口と前記燃料排出口とを接続する流路と、を有する燃料分配板と、を備え、
前記流路は、第1断面積を有する第1流路部と、第2断面積を有する第2流路部と、前記第1流路部と前記第2流路部との間に配置されるとともに第1断面積および第2断面積より小さい第3断面積を有する第3流路部と、前記第1流路部と前記第3流路部、および、前記第2流路部と前記第3流路部の少なくとも一方を接続するとともに前記第3流路部に向かって断面積が小さくなる第4流路部と、を有していることを特徴とする燃料電池。
[2]前記流路の断面は、矩形形状であることを特徴とする[1]に記載の燃料電池。
[3]前記流路の高さは、一定であることを特徴とする[1]に記載の燃料電池。
[4]前記第3流路部は、前記膜電極接合体と対向する上面と、前記上面と直交する第1側壁および第2側壁と、を有し、
前記第4流路部は、前記第1側壁と接続された第3側壁と、前記第2側壁と接続された第4側壁と、を有し、
前記第3側壁の延長面と前記第4側壁の延長面との間の角が10°〜30°であることを特徴とする[2]および[3]に記載の燃料電池。
[5]前記第1側壁と前記第3側壁との間の角と、前記第2側壁と前記第4側壁との間の角とは、等しいことを特徴とする[2]に記載の燃料電池。
[6]前記流路は、前記燃料注入口と前記第4流路部との間に燃料分配部を有することを特徴とする[1]に記載の燃料電池。
[7]前記流路は、前記燃料排出口と前記第4流路部との間に燃料分配部を有することを特徴とする[1]に記載の燃料電池。
[8]前記第1流路部は、前記第4流路部より前記燃料注入口側に配置され、その内面に内側に突出した凸部を有していることを特徴とする[1]に記載の燃料電池。
[9]前記アノードに供給される燃料は、メタノール濃度が80wt%以上のメタノール水溶液または純メタノールであることを特徴とする[1]に記載の燃料電池。
以下に、本願の原出願に記載された発明を付記する。
[1]アノードと、カソードと、前記アノードと前記カソードとの間に配置された電解質膜と、を有する膜電極接合体と、
燃料が注入される燃料注入口と、前記アノード側の面に開口した複数の燃料排出口と、前記燃料注入口と前記燃料排出口とを接続する流路と、を有する燃料分配板と、を備え、
前記流路は、第1断面積を有する第1流路部と、第2断面積を有する第2流路部と、前記第1流路部と前記第2流路部との間に配置されるとともに第1断面積および第2断面積より小さい第3断面積を有する第3流路部と、前記第1流路部と前記第3流路部、および、前記第2流路部と前記第3流路部の少なくとも一方を接続するとともに前記第3流路部に向かって断面積が小さくなる第4流路部と、を有していることを特徴とする燃料電池。
[2]前記流路の断面は、矩形形状であることを特徴とする[1]に記載の燃料電池。
[3]前記流路の高さは、一定であることを特徴とする[1]に記載の燃料電池。
[4]前記第3流路部は、前記膜電極接合体と対向する上面と、前記上面と直交する第1側壁および第2側壁と、を有し、
前記第4流路部は、前記第1側壁と接続された第3側壁と、前記第2側壁と接続された第4側壁と、を有し、
前記第3側壁の延長面と前記第4側壁の延長面との間の角が10°〜30°であることを特徴とする[2]および[3]に記載の燃料電池。
[5]前記第1側壁と前記第3側壁との間の角と、前記第2側壁と前記第4側壁との間の角とは、等しいことを特徴とする[2]に記載の燃料電池。
[6]前記流路は、前記燃料注入口と前記第4流路部との間に燃料分配部を有することを特徴とする[1]に記載の燃料電池。
[7]前記流路は、前記燃料排出口と前記第4流路部との間に燃料分配部を有することを特徴とする[1]に記載の燃料電池。
[8]前記第1流路部は、前記第4流路部より前記燃料注入口側に配置され、その内面に内側に突出した凸部を有していることを特徴とする[1]に記載の燃料電池。
[9]前記アノードに供給される燃料は、メタノール濃度が80wt%以上のメタノール水溶液または純メタノールであることを特徴とする[1]に記載の燃料電池。
13…アノード 16…カソード 17…電解質膜 2…膜電極接合体 32…燃料注入口 34…流路 33…燃料排出口 31A…燃料分配板 34L1…第1流路部 34L2…第2流路部 34L3…第3流路部 34L4…第4流路部 S1…第1断面積 S2…第2断面積 S3…第3断面積
Claims (7)
- アノードと、カソードと、前記アノードと前記カソードとの間に配置された電解質膜と、を有する膜電極接合体と、
液体燃料が注入される燃料注入口と、前記アノード側の面に開口した複数の燃料排出口と、流路と、を有する燃料分配板と、
前記流路の外に設けられ前記燃料注入口に前記液体燃料を注入するポンプと、を備え、
前記流路は、前記燃料注入口と前記複数の燃料排出口とをポンプを介すること無しに接続し、前記燃料注入口から前記複数の燃料排出口に向かって分岐した分岐部と、前記燃料注入口と前記複数の燃料排出口との間に設けられた第1流路部、第2流路部、前記第1流路部および前記第2流路部の間に配置され前記流路が延出する方向に直交する断面の面積が前記第1流路部および前記第2流路部より小さい単一の第3流路部、ならびに前記第1流路部と前記第3流路部、および、前記第2流路部と前記第3流路部の少なくとも一方を接続するとともに、前記流路が延出する方向に直交する断面の面積が前記第3流路部に向かって小さくなる第4流路部と、を有する、
燃料電池。 - 前記流路の高さは、一定である、
請求項1に記載の燃料電池。 - 前記第3流路部の前記断面および前記第4流路部の前記断面を含む前記流路の断面は、前記流路自体が延出した方向に直交する断面であり、矩形形状である、
請求項1に記載の燃料電池。 - 前記第3流路部は、前記膜電極接合体と対向する上面と、前記上面と直交する第1側壁および第2側壁と、を有し、
前記第4流路部は、前記第1側壁と接続された第3側壁と、前記第2側壁と接続された第4側壁と、を有し、
前記第3側壁の仮想上の第1延長面と前記第4側壁の仮想上の第2延長面とが内側になす角が10°〜30°であり、
前記第1延長面は、前記第3側壁と前記第1側壁との境界から前記角の頂点まで延出し、前記第2延長面は、前記第4側壁と前記第2側壁との境界から前記角の頂点まで延出している、
請求項3に記載の燃料電池。 - 前記第1側壁と前記第3側壁との間の角と、前記第2側壁と前記第4側壁との間の角とは、等しい、
請求項4に記載の燃料電池。 - 前記第1流路部は、前記第4流路部より前記燃料注入口側に配置され、その内面に内側に突出した凸部を有する、
請求項1に記載の燃料電池。 - 前記アノードに供給される前記液体燃料は、メタノール濃度が80wt%以上のメタノール水溶液または純メタノールである、
請求項1に記載の燃料電池。
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