JP4317802B2 - 燃料電池システムおよびその作動方法 - Google Patents
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Description
1.「間接式」または「改質式(refomer)」燃料電池:その有機燃料は、触媒反応によって改質処理されて一酸化炭素のなくなった水素になり、そのようにして得られた水素が燃料電池のアノードで酸化される。
2.「直接酸化式」燃料電池:その有機燃料は、予め化学的に変更されることなく燃料電池の中へ直接供給され、アノードで酸化される。
図1は、ハウジング12、アノード14、カソード16および固体ポリマープロトン導電性カチオン交換電解質膜18を備えた液体供給有機燃料電池10を示す。以下に一層詳細に説明するように、アノード14、カソード16および固体ポリマー電解質膜18は、単一の多重層複合構造体が好ましく、これはこの明細書では膜−電極組立てと呼称する。ポンプ20は、有機燃料と水の溶液をハウジング12のアノード室22内にポンプ送りするために設置されている。その有機燃料と水の混合物は、出口ポート23から取り出して、メタノールタンク19を有する、図2を参照して以下に説明する再循環システムを通して再循環される。アノード室で生成した二酸化炭素は、タンク19内のポート24を通して放出される。酸素または空気の圧縮器26が、酸素または空気を、ハウジング12内のカソード室28中に供給するために設けられている。以下に説明する図2は、再循環システムを有する個々の燃料電池のスタックを組み込んだ燃料電池システムを示す。図1の燃料電池の以下の詳細な説明は、アノード14、カソード16および膜18の構造と機能を主に中心として行う。
硫酸電解質およびナフィオン(登録商標)電解質に対するメタノールの電気酸化の挙動は、電気化学電池(図示してないが、以下に図10に示す電着電池に類似したもの)における静電流分極測定法(galvanostatic polarization measurements)により研究されてきた。電池は、作用電極、白金対向電極および参照電極からなっている。作用電極は、選択した電解質と液体燃料を含有する溶液の内部で分極している。参照電極に対する作用電極の電位をモニターする。
液体供給燃料電池のためのアノード構造体は、従来の燃料電池のそれとは全く異なっていなければならない。従来の燃料電池は、ガス、液体および固体の平衡をもたらすことのできるガス拡散型の電極構造体を採用している。しかしながら、液体供給型の燃料電池には、バッテリに類似のアノード構造体が必要である。アノード構造体は、多孔質でなければならず、そして液体燃料を濡らすことができなければならない。加えて、その構造体は、電子をアノード電流コレクタ(カーボンペーパ)へ、そして水素/ヒドロニウムイオンをナフィオン(登録商標)電解質膜へと、効果的に運ぶために、電子の導電性とイオンの導電性の両方を有していなければならない。さらに、アノード構造体は、アノードにおける好都合なガス放出特性を確保するのに助けとならなければならない。
電極触媒層および炭素繊維製アノード支持体14(図1)は、好ましくは、ナフィオン(登録商標)のような親水性で水不溶性のプロトン導電高分子添加物で含浸するのがよい。添加物は、一つには、プロトンおよび電気酸化反応で作られるヒドロニウムを効果的に運ぶことができるように、アノードの内部に設けられる。イオノマ添加物は、電極の細孔を液体の燃料/水の溶液により均一に濡らすのを促進することもして、電極触媒のよりよい利用をも実現している。アニオンの吸着が減ることによるメタノールの電気酸化の挙動も、改善される。さらに、イオノマ添加物を使用することにより、アノードのための好都合なガス放出特性を確保することの助けとなる。
図9〜11を参照して、有機燃料電池に使用するための電極を製造する方法について、以下に詳細に説明する。この方法は、上述の液体有機燃料電池に使用するためのカソードを製造するのに採用して非常に有利である。しかしながら、図9〜11の方法により調製された電極は、種々の有機燃料電池に今までのものの代替として使用することもできる。
電着浴中おける添加剤としてのC−8酸の使用は以上に述べた。C−8酸は、硫酸電解質を用いた液体供給型燃料電池の燃料中における添加剤として加えることが有利であることも確定された。特に、分子式C8F17SO3Hを有し、0.001〜0.1Mの濃度の直鎖C−8酸は、液体供給型燃料電池中で優れた湿潤剤であることが見いだされた。
図13〜15は、有機直接液体供給型燃料電池への燃料としてジメトキシメタン(DMM)を使用してなされた実験の結果を示す。使用に際しては、DMMは約0.1〜2Mの範囲の濃度にまで水が混ぜられて燃料電池に供給された。他の濃度もまた有効であろう。燃料電池は通常の設計のものでもよいし、上述した1つまたはそれ以上の改良を含んでいてもよい。燃料電池の中で、DMMは電池のアノードで電気酸化される。DMMの電気酸化は、一連の解離ステップとそれに続く二酸化炭素及び水を生成する表面反応を含んでいる。この電気化学反応は次式[化4]で与えられる。
図16〜18は、有機直接液体供給型燃料電池への燃料としてトリメトキシメタン(TMM)を使用してなされた実験の結果を示す。DMMに関して上述したように、使用に際しては、TMMは約0.1〜2Mの範囲の濃度にまで水が混ぜられて燃料電池に供給された。他の濃度もまた有効であろう。燃料電池は通常の設計のものでもよいし、上述した1つまたはそれ以上の改良を含んでいてもよい。燃料電池の中で、TMMは電池のアノードで電気酸化される。TMMの電気化学的酸化は、次の反応式[化5]の作用により示される。
図19〜21は、有機直接液体供給型燃料電池への燃料としてトリオキサンを使用してなされた実験の結果を示す。DMM及びTMMに関して上述したように、使用に際しては、トリオキサンは約0.1〜2Mの範囲の濃度にまで水が混ぜられて燃料電池に供給された。他の濃度もまた有効であろう。燃料電池は通常の設計のものでもよいし、上述した1つまたはそれ以上の改良を含んでいてもよい。燃料電池の中で、トリオキサンは電池のアノードで電気酸化される。トリオキサンの電気化学的酸化は、次の反応式[化6]の作用により示される。
Claims (5)
- 所定分量のメタノール含有液体燃料を貯蔵するように適合された内面および出口ポートを有するメタノール貯蔵タンクと、
前記メタノール貯蔵タンクから前記メタノール含有液体燃料を受けるとともに水を受け、前記メタノール含有液体燃料および前記水を収容する内面を有し、また、少なくとも一つのリサイクルされた燃料成分源を受けるリサイクルポートを有する循環タンクと、
前記循環タンクに接続され、前記メタノール含有液体燃料および前記水を前記循環タンクから出口ポートへポンプ送りする燃料ポンプと、
中に複数の燃料電池エレメントを含み、各燃料電池エレメントはメタノールおよび水並びに酸素と電気化学的に反応して電気、二酸化炭素および水並びに生成物を作るタイプのものであり、前記燃料ポンプの出口ポートからメタノールと水を含有する燃料を受ける第一の側および酸素成分を受ける第二の側を有する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックの第一の側における出口に接続されていて前記燃料電池スタックと反応した使用済み燃料成分を受けて、前記使用済み燃料成分のうち使用可能な部分を抽出し、前記使用可能な部分を前記循環タンクの前記リサイクルポートにリサイクル燃料成分として戻す第一の水回収ユニットと、
前記燃料電池スタックの第二の側における出口に接続されていて前記燃料電池スタックを通過した使用済みの酸素成分を受けて、前記使用済みの酸素成分から水を回収するように作動し、その回収された水を前記循環タンクの方へ戻す第二の水回収ユニットとを備えてなり、
前記第一の水回収ユニットは、二酸化炭素を含有する前記使用済み燃料を微孔材料管の中を通すことにより前記微孔材料管の壁を通して二酸化炭素を放出させる構造を有する、前記使用済み燃料から二酸化炭素を除去するためのエレメントをも含んでいる
ことを特徴とする、水リサイクル系を有する燃料電池システム。 - 請求項1に記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記メタノール貯蔵タンクと前記循環タンクの間に接続されるとともに前記第二の水回収装置に接続された燃料および水注入装置を備えてなり、
前記燃料および水注入装置は、前記メタノール貯蔵タンクからの前記メタノール含有液体燃料および前記第二の水回収装置からの水を混ぜ合わせて、前記循環タンクに供給する
ことを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項1に記載の燃料電池システムにおいて、
前記メタノール貯蔵タンクは濃縮されたメタノールを貯蔵し、前記メタノール循環タンク内にはメタノールの水溶液があり、前記メタノールの水溶液は実質的に酸電解質を含んでいない
ことを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項1に記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池スタックは、
前記第一の側に、前記メタノールおよび水を含有する燃料と反応するための構造を有するアノード電極と、
前記第二の側に、前記酸素成分と反応するための構造を有するカソード電極と、
前記アノード電極および前記カソード電極の間に両者電極に結合されて設けられているプロトン導電性膜を有してなる電解質とを含んでなる
ことを特徴とする燃料電池システム。 - (a)メタノールおよび水を含む燃料と反応する構造を有するアノード電極をスタックの第一の側に設け、(b)酸素成分と反応する構造を有するカソード電極をスタックの第二の側に設け、(c)前記アノード電極および前記カソード電極の間に両電極に結合されたプロトン導電性の膜で構成された電解質を設け、(d)前記アノード電極、前記カソード電極および前記電解質を保持するとともに前記アノード電極に燃料を接触させるように燃料を入らせるポートを前記第一の側に保持するためのケーシングを設けることにより燃料電池スタックを形成するステップと、
所定分量のメタノール含有液体燃料および水を循環タンクの中に貯蔵するステップと、
前記循環タンクから前記メタノール含有液体燃料および水を前記燃料電池スタックの前記ポートに供給するステップと、
前記燃料電池スタックと反応した使用済み燃料成分を受けて、前記使用済み燃料成分のうち使用可能な部分を抽出し、前記使用可能な部分を前記循環タンクにリサイクル燃料成分として戻す第一の水回収ステップと、
前記燃料電池スタックを通過した使用済みの酸素成分を受けて、前記使用済みの酸素成分から水を回収し、その回収された水を前記循環タンクの方へ戻す第二の水回収ステップとを含んでなり、
前記第一の水回収ステップは、二酸化炭素を含有する前記使用済み燃料を微孔材料管の中を通すことにより前記微孔材料管の壁を通して二酸化炭素を放出させ、前記使用済み燃料から二酸化炭素を除去するステップを含む
ことを特徴とする、水リサイクル系を有するメタノールベース燃料電池システムの作動方法。
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