JP4658883B2

JP4658883B2 - 水回収システム、及びそれを具備した直接液体燃料電池

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Publication number: JP4658883B2
Application number: JP2006241471A
Authority: JP
Inventors: 慧貞趙; 赫張; 京煥崔; 在▲ヨン▼ 李
Original assignee: Samsung SDI Co Ltd
Current assignee: Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2005-10-19
Filing date: 2006-09-06
Publication date: 2011-03-23
Anticipated expiration: 2026-09-06
Also published as: CN1983699A; CN100517846C; US7923159B2; KR100682865B1; JP2007115667A; US20070087251A1

Description

本発明は、水回収システム、及びそれを具備した直接液体燃料電池に関する。

直接液体燃料電池（ＤｉｒｅｃｔＬｉｑｕｉｄＦｅｅｄＦｕｅｌＣｅｌｌ）は、メタノール、エタノールのような有機化合物燃料と、酸化剤である酸素（空気内の酸素）との電気化学反応により電気を生成する発電装置であり、エネルギー密度及び電力密度が非常に高い。また、この直接液体燃料電池は、メタノールなどの液体燃料を直接使用するので、燃料改質器など周辺装置が不要であり、かつ燃料の保存及び供給が容易であるという長所を有している。

図１は、従来の直接液体燃料電池の単位セルを示す断面図である。直接液体燃料電池の単位セルは、図１に示すように、アノード電極２とカソード電極３との間に電解質膜１が介在してメンブレン電極アセンブリ（ＭＥＡ：ＭｅｍｂｒａｎｅＥｌｅｃｔｒｏｄｅＡｓｓｅｍｂｌｙ）構造を形成する。アノード電極２とカソード電極３との構造は、それぞれ燃料の供給及び拡散のための燃料拡散層２２、３２と、燃料の酸化／還元の反応が起きる触媒層２１、３１と、そして電極支持体２３、３３とを具備する。また、ＭＥＡの各電極２、３の電解質膜１と接する面に対して反対の面には、導電性プレート４が配置される。この導電性プレート４は、流路４１、４２を有しており、この流路４１、４２には、各電極２、３に供給される燃料等が流れる流路４１、４２が形成される。

直接液体燃料電池のうち、メタノールと水とを混合燃料として使用する直接メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ：ＤｉｒｅｃｔＭｅｔｈａｎｏｌＦｕｅｌＣｅｌｌ）の電極反応は、燃料が酸化されるアノード反応と、水素イオンと酸素による還元によるカソード反応とで構成され、反応式は次の通りである。

（反応式１）
ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋６Ｈ^＋＋６ｅ⁻（アノード反応）

（反応式２）
３／２Ｏ_２＋６Ｈ^＋＋６ｅ⁻→３Ｈ_２Ｏ（カソード反応）

（反応式３）
ＣＨ_３ＯＨ＋３／２Ｏ_２→２Ｈ_２Ｏ＋ＣＯ_２（総括反応）

酸化反応（反応式１）の起こるアノード電極２では、メタノールと水との反応によって二酸化炭素、６個の水素イオン及び６個の電子が生成される。そして、生成された水素イオンは、電解質膜１を通過してカソード電極３に伝えられる。還元反応（反応式２）の起こるカソード電極３では、水素イオンと、外部回路を介して伝えられた電子と、酸素との反応により水が生成される。従って、ＤＭＦＣ総括反応（反応式３）は、メタノールと酸素とが反応して、水と二酸化炭素とを生成する反応になる（総括反応）。

ＤＭＦＣの単位セルの発生電圧は、理論的には、１．２Ｖほどであるが、常温、常圧の条件で、開回路電圧（ｏｐｅｎｃｉｒｃｕｉｔｖｏｌｔａｇｅ）は、１Ｖ以下になり、実際の作動電圧は、活性化過電圧及び抵抗過電圧による電圧降下が起きるために、０．３〜０．７Ｖほどとなる。従って、所望の容量の電圧を得るためには、いくつもの単位セルを直列に連結させねばならない。

高濃度燃料を使用する場合、電解質膜（水素イオン交換膜）での燃料のクロスオーバー（燃料がイオン交換膜を通過する現象）による発電能力の減少が大きいため、一般的に、液体燃料は、純粋なメタノールではなく、システム内部で発生するか、またはすでに保存されている水とメタノールとの混合物を使用する。

しかし、従来の直接液体燃料電池によれば、水と混合された低濃度のメタノールを燃料タンクに保存して使用する場合、燃料タンクの体積が大きくなるために、小型燃料電池システムには適用し難いという問題点がある。

携帯機器用小型燃料電池としては、複数の単位セルが形成されたモノポーラタイプの直接液体燃料電池が使われうる。しかし、高エネルギー密度のために、高濃度、例えば、純粋なメタノール燃料を使用し、メタノール燃料の希釈のために、カソード電極からの水を回収してアノード電極に供給する水回収システムが必要である。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、カソード電極で生成された水を直接アノード電極へ移送し、燃料タンクから供給された燃料と混合して使用することで、燃料タンクには、高濃度の燃料を保存して使用することが可能な、新規かつ改良された水回収システム、及びそれを具備した直接液体燃料電池を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、直接液体燃料電池におけるＭＥＡのカソード電極からの水を回収してアノード電極に供給する水回収システムにおいて、カソード電極上に配置された第１部材及び第１部材を支持する第１支持プレートと、アノード電極上に配置された第２部材及び第２部材を支持する第２支持プレートと、を具備し、第１部材及び第２部材は、ＭＥＡの電解質膜に形成されたスリットを介して連結されることを特徴とする、水回収システムが提供される。

かかる構成により、カソード電極で発生した水は、第１部材に吸収され、第１部材に吸収された水は、スリットを介して第２部材に送られる。そして、第２部材に送られた水は、カソード電極に提供される。よって、カソード電極で生成された水を、直接アノード電極に供給することができる。

また、ＭＥＡには、複数の単位セルが形成されており、スリットは、ＭＥＡの長手方向に形成されてもよい。かかる構成により、カソード電極で生成された水を、アノード電極に効率的に供給することができる。

また、第１部材及び第２部材は、それぞれスリットに対応するメイン部材と、メイン部材からメイン部材に垂直方向に延長された複数のサイド部材と、を具備してもよい。かかる構成により、カソード電極で生成された水は、第１部材のサイド部材に吸収され、第１部材のメイン部材に送られる。その後、当該水は、第２部材のメイン部材に供給され、第２部材のサイド部材に送られる。そして、当該水は、第２部材のサイド部材からアノード電極に供給される。

また、第１支持プレート及び第２支持プレートには、サイド部材が挿入されるグルーブが形成されており、第１支持プレート及び／または第２支持プレートには、メイン部材をガイドするガイドが突設されてもよい。かかる構成により、サイド部材を所定の位置に固定することができ、強度を補強することができる。また、ガイドは、メイン部材を補強、保護することができる。

また、第１支持プレートには、外部空気を通過させる通路が形成されており、通路は、グルーブと直接接触しなくてもよい。かかる構成により、第１支持プレートの通路（通気孔）を介して、空気をカソード電極に供給することができる。また、グルーブに結合されたサイド部材内の水が、通路を通過する空気と接することが無く、水と空気が混合されることを防ぐことができる。よって、水（水滴等）によって、空気の供給を妨げることを防止できる。

また、第２支持プレートには、燃料を通過させる通路が形成されており、通路は、グルーブと直接接触しなくてもよい。かかる構成により、第２支持プレートの通路（ホール）を介して、燃料をアノード電極に供給することができる。また、グルーブに結合されたサイド部材内の水が、通路を通過する燃料と接することが無く、水と燃料が混合されることを防ぐことができる。よって、水（水滴等）によって、燃料の供給を妨げることを防止できる。

また、第１支持プレート上には、空気は通過させ、アノード電極で生成された水の外部流出を防止する空気透過膜がさらに設置されてもよい。かかる構成により、アノード電極で生成された水が、第１支持プレートの通路等を介して、外部に漏れ出ることを防ぐことができ、第１支持プレートの通路を介して、空気をアノード電極に供給することができる。

また、第１支持プレート及び第２支持プレートは、疏水性部材または非伝導性金属部材であり、第１部材及び第２部材は、多孔性物質から形成されてもよい。かかる構成により、アノード電極からカソード電極に供給される水は、多孔質物質の孔を介して第１部材及び第２部材の内部を円滑に流れることができる。また、第１支持プレート及び第２支持プレートは、疎水性の表面を有する（あるいは、親水性が低い）ために、多孔質物質中の水の流れを妨げずにすみ、円滑にする。

また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、互いに対応する複数のアノード電極及び複数のカソード電極が電解質膜の両面に形成されたＭＥＡと、ＭＥＡのカソード電極からの水を回収してアノード電極に供給する水回収システムと、を具備する直接液体燃料電池において、水回収システムは、カソード電極上に配置された第１部材及び第１部材を支持する第１支持プレートと、アノード電極上に配置された第２部材及び第２部材を支持する第２支持プレートと、を具備し、第１部材及び第２部材は、ＭＥＡの電解質膜に形成されたスリットを介して連結されることを特徴とする、直接液体燃料電池が提供される。

また、ＭＥＡには、複数の単位セルが形成されており、スリットは、ＭＥＡの長手方向に形成されてもよい。

また、第１部材及び第２部材は、それぞれスリットに対応するメイン部材と、メイン部材からメイン部材に垂直方向に延長された複数のサイド部材と、を具備してもよい。

また、第１支持プレート及び第２支持プレートには、サイド部材が挿入されるグルーブが形成されており、第１支持プレート及び／または第２支持プレートには、メイン部材をガイドするガイドが突設されてもよい。

また、第１支持プレートには、外部空気を通過させる通路が形成されており、通路は、グルーブと直接接触しなくてもよい。

また、第２支持プレートには、燃料を通過させる通路が形成されており、通路は、グルーブと直接接触しなくてもよい。

また、第１支持プレート上には、空気は通過させ、アノード電極で生成された水の外部流出を防止する空気透過膜がさらに設置されてもよい。

また、第１支持プレート及び第２支持プレートは、疏水性部材または非伝導性金属部材であり、第１部材及び第２部材は、多孔性物質から形成されてもよい。

以上説明したように、本発明によれば、カソード電極で生成された水を直接アノード電極へ移送し、燃料タンクから供給された燃料と混合して使用することで、燃料タンクには、高濃度の燃料を保存して使用することができる。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

図２は、本発明の実施形態にかかる直接液体燃料電池の水回収システムの構成を示す概略図である。図２に示すように、電解質膜１１０の両面に、アノード電極１２０及びカソード電極１３０が形成されている。電解質膜１１０、アノード電極１２０及びカソード電極１３０は、メンブレン電極アセンブリ（ＭＥＡ）を形成する。

ＭＥＡの両側には、水回収部１４０、１５０が設置されている。カソード電極１３０で生成された水は、カソード側の水回収部１５０に移動し、カソード側の水回収部１５０は、アノード側の水回収部１４０に水を移送する。アノード側の水回収部１４０は、アノード電極１２０に水を供給する。このとき、燃料タンク１６０から水回収部１４０をバイパスして供給される燃料と、水回収部１４０から供給された水とは、アノード電極１２０に供給され、燃料拡散層２２（図１）を介して混合され、触媒層２１（図１）に供給される。外部空気は、カソード側の水回収部１５０をバイパスしてカソード電極１３０に供給される。

図３は、本実施形態にかかる水回収システムを適用した直接液体燃料電池を示す分離斜視図であり、図４は、本実施形態にかかる水回収システムを適用した直接液体燃料電池を示す分離断面図である。また、図５は、図３の一部を示す分離斜視図である。

図３〜図５に示すように、本実施形態による水回収システムは、ＭＥＡのカソード電極２３０から水を回収してアノード電極２２０に供給する。ＭＥＡには、複数の単位セル、例えば、１２個の単位セルが形成されている。水回収システムは、カソード電極２３０上に配置された第１部材２３１及び第１部材２３１を支持する第１支持プレート２３６と、アノード電極２２０上に配置された第２部材２２１及び第２部材２２１を支持する第２支持プレート２２６とを具備する。第１部材２２１及び第２部材２３１は、連結されている。

第１部材及び第２部材２３１、２２１は、多孔性物質、例えば、スポンジから形成され、第１支持プレート及び第２支持プレート２３６、２２６は、疏水性部材または疏水性処理された材質で形成することができ、または非伝導性金属部材でありうる。ＭＥＡの電解質膜２１０には、長手方向にスリット２１２が形成されており、第１部材２３１は、スリット２１２を通過しつつ、第２部材２２１と接触する。すなわち、カソード電極２３０で生成された水を第１部材２３１が吸収し、第２部材２２１に移送する。

第１部材２３１及び第２部材２２１は、それぞれスリット２２１に対応するメイン部材２３２、２２２と、メイン部材２３２、２２２から電極方向に延長された複数のサイド部材２３３、２２３とを具備する。すなわち、メイン部材２３２は、ＭＥＡの形成面に垂直方向に突出した形状を有し、スリット２２１の形状に対応した形状を有する。また、メイン部材２２２は、メイン部材２３２と連結するよう、スリット２２１の形状に対応した短冊状の形状を有する。また、サイド部材２３３、２２３は、各メイン部材２３２、２２２から、メイン部材２３２、２２２の長手方向（スリット２２１の長手方向であり、ＭＥＡの長手方向でもある）に垂直かつＭＥＡ（各電極２３０、２２０）の形成面と平行な方向に延長形成された複数の短冊状の形状を有する。

第１支持プレートに２３６は、外部空気を通過させる通路、例えば、複数の通気孔２３７が形成されており、メインガイド２３２の位置を固定させるガイド２３４が垂直に形成されている。また、第１支持プレート２３６には、サイド部材２３３を固定させるグルーブ２３５が形成されている。通気孔２３７は、グルーブ２３５と連結されないことが望ましい。すなわち、空気が、水が吸収された第１部材２３１と直接接触しないことが空気供給面で望ましい。すなわち、通気孔２３７は、グルーブ２３５間に配置されることが望ましい。

第２支持プレート２２６には、燃料を通過させる通路、例えば、複数のホール２２７が形成されている。また、第２支持プレート２２６には、サイド部材２２３を固定させるグルーブ２２５が形成されている。ホール２２７は、グルーブ２２５と連結されないことが望ましい。すなわち、燃料が、水が吸収された第２部材２２１と直接接触しないことが燃料供給面で望ましい。すなわち、ホール２２７は、グルーブ２２５間に配置されることが望ましい。

第１支持プレート２３６上には、空気は通過させ、カソード電極２３０上で生成された水の外部流出を防止する空気透過膜２６０、例えば、多孔性のポリ四フッ化エチレン（ＰＴＦＥ）膜がさらに設置されうる。参照番号２７０は、燃料タンクであり、多様な形態に形成されうるので、ここでの詳細な説明は省略する。

以下、本実施形態による水回収システムの作用について、図面を参照して詳細に説明する。

空気透過膜２６０を通過した空気は、第１支持プレート２３６に形成された通気孔２３７を介してカソード電極２３０に供給される。カソード電極２３０で生成された水は、第１部材２３１のサイド部材２３３に吸収され、第１部材２３１のメイン部材２３２及び第２部材２２１のメイン部材２２２を介してサイド部材２２３に移送され、第２支持プレート２２６のホール２２７を介して供給される燃料と混合されてアノード電極２２０に供給される。従って、本実施形態による水回収システムは、カソード電極２３０で生成された水をアノード電極２２０側に移送し、高濃度の燃料と混合して使用できる。

以上説明したように、本実施形態にかかる直接液体燃料電池の水回収システムは、カソード電極２３０で生成された水を直接アノード電極２２０へ移送し、燃料タンク２７０から供給された燃料と混合して使用するので、燃料タンク２７０には、高濃度の燃料を保存して使用できる。従って、燃料タンク２７０を小型化することができ、燃料電池の小型化に寄与できる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上記実施形態では、直接液体燃料電池に適用されたが、本発明はかかる例に限定されない。例えば、燃料電池関連の技術分野に効果的に適用してもよい。

本発明は、に適用可能である。本発明は、水回収システム、及びそれを具備した直接液体燃料電池に適用可能であり、特にカソード電極で生成された水をアノード電極に供給される燃料と混合させて使用する直接液体燃料電池の水回収システムに適用可能である。

従来の直接液体燃料電池の単位セルを示す断面図である。本発明の実施形態にかかる直接液体燃料電池の水回収システムの構成を示す概略図である。同実施形態にかかる水回収システムを適用した直接液体燃料電池を示す分離斜視図である。同実施形態にかかる水回収システムを適用した直接液体燃料電池を示す分離断面図である。図３の一部を示す分離斜視図である。

符号の説明

１、１１０、２１０電解質膜
２、１２０、２２０アノード電極
３、１３０、２３０カソード電極
４導電性プレート
２１、３１触媒層
２２、３２燃料拡散層
２３、３３電極支持体
４１、４２流路
１４０、１５０水回収部
１６０、２７０燃料タンク
２１２スリット
２２１第２部材
２２２、２３２メイン部材
２２３、２３３サイド部材
２２５グルーブ
２２６第２支持部プレート
２２７ホール
２３１第１部材
２３４ガイド
２３６第１支持プレート
２３７通気孔
２６０空気通過膜

Claims

直接液体燃料電池におけるＭＥＡのカソード電極からの水を回収してアノード電極に供給する水回収システムにおいて：
前記カソード電極上に配置され第１部材及び前記第１部材を支持する第１支持プレートと；
前記アノード電極上に配置された第２部材及び前記第２部材を支持する第２支持プレートと；
前記ＭＥＡの電解質膜に形成されたスリットと；
を備え；
前記第１部材は、前記カソード電極上に配置され、水を吸収するサイド部材と、前記スリットを通過して前記第２部材と接触するメイン部材を備え、
前記第２部材は、前記アノード電極上に配置され、水を吸収移送するサイド部材と、前記スリットを通過して前記第１部材と接触するメイン部材とを備えることを特徴とする、直接液体燃料電池の水回収システム。
前記ＭＥＡには、複数の単位セルが形成されており、前記スリットは、前記ＭＥＡの長手方向に形成されたことを特徴とする、請求項１に記載の水回収システム。
前記第１支持プレート及び前記第２支持プレートには、前記サイド部材が挿入されるグルーブが形成されており、
前記第１支持プレート及び／または第２支持プレートには、前記メイン部材をガイドするガイドが突設されたことを特徴とする、請求項１または２のいずれかに記載の水回収システム。
前記第１支持プレートには、外部空気を通過させる通路が形成されており、前記通路は、前記グルーブと直接接触しないことを特徴とする、請求項３に記載の水回収システム。
前記第２支持プレートには、燃料を通過させる通路が形成されており、前記通路は、前記グルーブと直接接触しないことを特徴とする、請求項３または４に記載の水回収システム。
前記第１支持プレート上には、空気は通過させ、前記アノード電極で生成された水の外部流出を防止する空気透過膜がさらに設置されたことを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の水回収システム。
前記第１支持プレート及び前記第２支持プレートは、疏水性部材または非伝導性金属部材であり、前記第１部材及び前記第２部材は、多孔性物質から形成されたことを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載の水回収システム。
互いに対応する複数のアノード電極及び複数のカソード電極が電解質膜の両面に形成されたＭＥＡと、前記ＭＥＡの前記カソード電極からの水を回収して前記アノード電極に供給する水回収システムと、を具備する直接液体燃料電池において：
前記水回収システムは、
前記カソード電極上に配置された第１部材及び前記第１部材を支持する第１支持プレートと；
前記アノード電極上に配置された第２部材及び前記第２部材を支持する第２支持プレートと；
前記ＭＥＡの電解質膜に形成されたスリットと；
を備え；
前記第１部材は、前記カソード電極上に配置され、水を吸収するサイド部材と、前記スリットを通過して前記第２部材と接触するメイン部材を備え、
前記第２部材は、前記アノード電極上に配置され、水を吸収移送するサイド部材と、前記スリットを通過して前記第１部材と接触するメイン部材とを備えることを特徴とする、直接液体燃料電池。
前記ＭＥＡには、複数の単位セルが形成されており、前記スリットは、前記ＭＥＡの長手方向に形成されたことを特徴とする、請求項８に記載の直接液体燃料電池。
前記第１部材及び前記第２部材は、それぞれ前記スリットに対応するメイン部材と、前記メイン部材から前記メイン部材に垂直方向に延長された複数のサイド部材と、を具備することを特徴とする、請求項８または９に記載の直接液体燃料電池。
前記第１支持プレート及び前記第２支持プレートには、前記サイド部材が挿入されるグルーブが形成されており、
前記第１支持プレート及び／または第２支持プレートには、前記メイン部材をガイドするガイドが突設されたことを特徴とする、請求項８〜１０のいずれかに記載の直接液体燃料電池。
前記第１支持プレートには、外部空気を通過させる通路が形成されており、前記通路は、前記グルーブと直接接触しないことを特徴とする、請求項１１に記載の直接液体燃料電池。
前記第２支持プレートには、燃料を通過させる通路が形成されており、前記通路は、前記グルーブと直接接触しないことを特徴とする、請求項１１または１２に記載の直接液体燃料電池。
前記第１支持プレート上には、空気は通過させ、前記アノード電極で生成された水の外部流出を防止する空気透過膜がさらに設置されたことを特徴とする、請求項８〜１３のいずれかに記載の直接液体燃料電池。
前記第１支持プレート及び前記第２支持プレートは、疏水性部材または非伝導性金属部材であり、前記第１部材及び前記第２部材は、多孔性物質から形成されたことを特徴とする、請求項８〜１４のいずれかに記載の直接液体燃料電池。