JP4785617B2 - 直接液体燃料電池スタック - Google Patents
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Description
本発明は、直接液体燃料電池スタックに関する。
直接液体燃料電池は、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、メタノールなどの液体燃料を直接使用するため、燃料改質器などの周辺装置が不要であり、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。
直接液体燃料電池の単位セルは、図１に図示されているように、アノード電極２とカソード電極３との間に電解質膜１が介在され、メンブレン電極アセンブリ（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly)構造を形成する。各アノード電極２とカソード電極３の構造は、燃料の供給及び拡散のための燃料拡散層２２、３２、燃料の酸化／還元反応の起こる触媒層２１、３１、そして電極支持体２３、３３を具備する。
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：Direct Methanol Fuel Cell）の電極反応は、燃料が酸化される酸化反応と、水素イオンと酸素の還元による還元反応とから構成され、反応式は次の通りである。
［反応式１］
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−（酸化反応）
［反応式２］
３／２Ｏ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−→３Ｈ２Ｏ（還元反応）
［反応式３］
ＣＨ３ＯＨ＋３／２Ｏ２→２Ｈ２Ｏ＋ＣＯ２（総括反応）
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−（酸化反応）
［反応式２］
３／２Ｏ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−→３Ｈ２Ｏ（還元反応）
［反応式３］
ＣＨ３ＯＨ＋３／２Ｏ２→２Ｈ２Ｏ＋ＣＯ２（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り、二酸化炭素、６個の水素イオン及び電子が生成され、生成された水素イオンは、水素イオン交換膜１を経てカソード電極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、外部回路を介して伝えられた電子、そして酸素間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。
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、常圧条件で開回路電圧は、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、０．４〜０．６Ｖほどとなる。従って、所望の容量の電圧を得るためには、いくつかの単位セルを直列に連結せねばならない。
直接液体燃料電池スタックは、いくつかの単位セルが積層されたものであり、積層された単位セルは、電気的に直列連結されている。単位セルの間には、導電性プレートであるバイポーラプレート４が介在され、電気的に隣接した単位セルを電気的に相互連結する。バイポーラプレート４の両面には、流路４１、４２が形成され、接触される電極に液体燃料又は空気を供給する。
バイポーラプレート４のカソード電極３と対向する面には、酸素供給路、例えば、空気流路が形成されている。しかしながら、カソード電極３で生成された水が空気流路を塞ぐために、電力発生量が減少し、流路でのファン、又はブロアの圧力損失が増大するという問題があった。
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、酸素供給路としての空気流路から水を容易に除去することが可能な、新規かつ改良された直接液体燃料電池スタック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、電解質膜の両面にアノード電極とカソード電極とをそれぞれ具備するメンブレン電極アセンブリが積層され、アノード電極とカソード電極とにそれぞれ対向するように設置された導電性アノードプレートと導電性カソードプレートとを具備する直接液体燃料電池スタックにおいて、カソードプレートには、複数の平行な流路が形成され、カソードプレートの一側に流路に対して垂直方向に設置され、一面が流路のカソード電極に対向する面と略同一面内にある多孔性部材を備えたことを特徴とする、直接液体燃料電池スタックが提供される。
上記多孔性部材は、メンブレン電極アセンブリのカソードプレートにそれぞれ設けられ、多孔性部材の端部は、互いに連結されてもよい。
上記多孔性部材には、ウォータポンプが連結されてもよい。
上記流路の両端は、開放されてもよい。
上記多孔性部材は、複数の気孔が形成されたフォーム部材であってもよい。
上記カソードプレートには、流路間の突出した部分に貫通する燃料通路ホールが形成されてもよい。
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、電解質膜の両面にアノード電極とカソード電極とをそれぞれ具備するメンブレン電極アセンブリが積層され、アノード電極とカソード電極とにそれぞれ対向するように設置された導電性アノードプレートと導電性カソードプレートとを具備する直接液体燃料電池スタックにおいて、カソードプレートには、複数の平行な流路が形成され、カソードプレートの一側には、カソードプレートの流路に連通した通路が形成された多孔性部材が設置されたことを特徴とする、直接液体燃料電池スタックが提供される。
上記多孔性部材は、メンブレン電極アセンブリのカソードプレートにそれぞれ設けられ、多孔性部材の端部は、互いに連結されてもよい。
上記多孔性部材には、水ポンプが連結されてもよい。
上記流路の両端は、開放されてもよい。
上記多孔性部材は、複数の気孔が形成されたフォーム部材であってもよい。
上記カソードプレートには、流路間の突出した部分に貫通する燃料通路ホールが形成されてもよい。
本発明によれば、酸素供給路としての空気流路から水を容易に除去することができる。
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、本明細書および図面において、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。
（第１の実施形態）
まず、本発明の第１の実施形態に係る直接液体燃料電池スタック１００について説明する。図２は、本実施形態に係る直接液体燃料電池スタック１００の概略的側断面図である。直接液体燃料電池スタック１００には、複数のメンブレン電極アセンブリ（Membrane Electrode Assembly、以下「ＭＥＡ」という。）が垂直に積層されており、ＭＥＡ間には導電性プレートであるバイポーラプレート１１０が配置されている。各ＭＥＡは、メンブレン１４０を中央に置き、その両側にアノード電極１４２及びカソード電極１４４が配置されている。
まず、本発明の第１の実施形態に係る直接液体燃料電池スタック１００について説明する。図２は、本実施形態に係る直接液体燃料電池スタック１００の概略的側断面図である。直接液体燃料電池スタック１００には、複数のメンブレン電極アセンブリ（Membrane Electrode Assembly、以下「ＭＥＡ」という。）が垂直に積層されており、ＭＥＡ間には導電性プレートであるバイポーラプレート１１０が配置されている。各ＭＥＡは、メンブレン１４０を中央に置き、その両側にアノード電極１４２及びカソード電極１４４が配置されている。
直接液体燃料電池スタック１００の外側は、アノード電極１４２及びカソード電極１４４とそれぞれ接触する導電性プレートであるアノードプレート１６１及びカソードプレート１６２が配置されている。該アノードプレート１６１及びカソードプレート１６２は、その一面のみがＭＥＡと接触される。そのため、アノードプレート１６１及びカソードプレート１６２は、一面のみがバイポーラプレート１１０表面と同一の形状を有しており、その作用は、バイポーラプレート１１０と同一である。ＭＥＡ、ＭＥＡ間のバイポーラプレート１１０、アノードプレート１６１及びカソードプレート１６２は、両固定用エンドプレート１８０ａ、１８０ｂによって固定され、ネジによって螺合される。
前記バイポーラプレート１１０は、アノードプレート１６１及びカソードプレート１６２の組み合わせによっても形成することができる。
シーリング材１５０は、例えば、ガスケットであり、燃料通路ホール１１４ａ、１１４ｂを通過する液体燃料がカソード電極１４４と連通されることを防止する。
次に、本実施形態に係るバイポーラプレート１１０について説明する。図３は、図２に示したバイポーラプレート１１０であり、液体燃料の流路が形成された面を示す平面図である。なお、アノード電極１４２と接触するアノードプレート１６１の一面の形状も、図３の平面図と同一である。図４は、図２に示したバイポーラプレート１１０であり、空気流路が形成された面を示す斜視図である。
図３に示すように、バイポーラプレート１１０には、ＭＥＡの配置される電極領域１１１に、複数の溝状の燃料流路１１２が、複数回屈曲し、上部が開放されるように形成されている。電極領域１１１の外部には、マニフォールド１１３と、燃料通路ホール１１４ａ、１１４ｂが形成されている。マニフォールド１１３は、燃料流路１１２の出入り口と連結される。燃料通路ホール１１４ａ、１１４ｂは、マニフォールド１１３に連通され、液体燃料を供給又は排出する通路として、バイポーラプレート１１０を貫通する。マニフォールド１１３は、燃料通路ホール１１４ａ、１１４ｂと複数の燃料流路１１２とを連結する。
図４に示すように、バイポーラプレート１１０の空気流路は、複数の垂直溝である直線型流路１１５から形成されている。直線型流路１１５は、カソード電極反応で生成された水を、重力と、上方から流入される空気の流れとによって下方に移動させ、その後、移動した水は、直線型流路１１５の底に液滴となって形成される。
図２及び図４に示すように、バイポーラプレート１１０の一側には、液滴を吸収する親水性部材１７０が設置される。親水性部材１７０（多孔性部材）は、図４に示すように、その上部が前記直線型流路１１５の底と水平になるように設置され、その上部が液滴と接触して、液滴を吸収する。親水性部材１７０の端部１７０ａは、別の親水性部材１７２に連結されるように形成され、親水性部材１７２には、ウォータポンプＰが連結される。ウォータポンプＰで親水性部材１７２に吸収された水を外部に排出可能である。
バイポーラプレート１１０の燃料通路ホール１１４ａ、１１４ｂは、直線型流路１１５の部分ではなく、直線型流路１１５を形成するように直線型流路１１５に平行して突出した突出部分１１５ａに形成されることが望ましい。
親水性部材１７０、１７２には、複数の気孔が形成されたフォーム部材、例えば、スポンジ、又は気孔が形成されるように処理されたポリエチレン、ポリプロピレンが使用されうる。
本発明の親水性部材１７０は、バイポーラプレート１１０の空気流路を塞がないように形成されており、流入される空気の流れを塞がないので、圧力損失の原因とならない。
次に、本実施形態に係る直接液体燃料電池スタックによって得られる電力の時間経過について、従来技術と比較して説明する。図５は、従来の構造での燃料電池スタックの電力の時間経過を示した図面である。図６は、本発明の第１の実施形態に係る直接液体燃料電池スタックの電力の時間経過を示した図面である。
図５を参照すれば、経時的に燃料電池スタックの電力が低下している。これは、カソードプレートでの空気通路が水によって塞がれて起こるものと判断される。サクション１及びサクション２で、燃料電池スタックに形成された水を除去することにより、瞬間的にパワーが回復するということが分かる。
図６を参照すれば、サクション１〜サクション４のそれぞれで、ウォータポンプＰで水が除去されつつ、燃料電池スタックの電力が一定に高く維持されているということが分かる。
（第２の実施形態）
まず、本発明の第２の実施形態に係る直接液体燃料電池スタック１００について説明する。図７は、本実施形態に係るバイポーラプレートを示した斜視図であり、第１の実施形態に係る構成要素と実質的に同じ構成要素には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
まず、本発明の第２の実施形態に係る直接液体燃料電池スタック１００について説明する。図７は、本実施形態に係るバイポーラプレートを示した斜視図であり、第１の実施形態に係る構成要素と実質的に同じ構成要素には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
空気流路は、複数の直線型流路１１５により形成されている。直線型流路１１５は、カソード電極反応で生成された水を、重力と、上方から流入される空気の流れとによって下方に移動させ、その後、移動した水は、直線型流路１１５の底に液滴となって形成される。
バイポーラプレート１１０の一側には、液滴を吸収する親水性部材２７０が設置される。前記親水性部材２７０（多孔性部材）は、バイポーラプレート１１０の一側が延びるように形成されるように設置される。親水性部材２７０には、直線型流路１１５を延長した溝２７５が形成され、直線型流路１１５の下部、すなわち溝２７５と接触される液滴が、流入される空気の流れと重力とで親水性部材２７０に吸収される。親水性部材２７０としては、複数の気孔が形成されたフォーム部材、例えば、スポンジ、又は気孔が形成されるように処理されたポリエチレン、ポリプロピレンが使用されうる。
本発明の親水性部材２７０は、バイポーラプレート１１０の空気通路を塞がないように形成され、流入される空気の流れを塞がないので、圧力損失の原因とならない。
本発明によれば、カソード電極と接触される導電性プレートの一側が親水性部材と連結されつつも、導電性プレートに形成された空気通路が親水性部材により干渉されないので、空気通路に生成される液滴が容易に親水性部材に吸収され、従って、空気通路での圧力損失が発生しない。
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、各種の変更例又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。
本発明の直接液体燃料電池スタックは、例えば、燃料電池関連の技術分野に適用可能である。
１ 電解質膜（水素イオン交換膜）
２、１４２ アノード電極
３、１４４ カソード電極
４、１１０ バイポーラプレート
２１、３１ 触媒層
２２、３２ 燃料拡散層
２３、３３ 電極支持体
４１、４２ 流路
１００ 直接液体燃料電池スタック
１１１ 電極領域
１１２ 燃料流路
１１３ マニフォールド
１１４ａ、１１４ｂ 燃料通路ホール
１１５ 直線型流路
１１５ａ 突出部分
１４０ メンブレン
１５０ シーリング材
１６１ アノードプレート
１６２ カソードプレート
１７０、１７２、２７０ 親水性部材
１７０ａ 端部
１８０ａ、１８０ｂ エンドプレート
２７５ 溝
Ｐ ウォータポンプ
２、１４２ アノード電極
３、１４４ カソード電極
４、１１０ バイポーラプレート
２１、３１ 触媒層
２２、３２ 燃料拡散層
２３、３３ 電極支持体
４１、４２ 流路
１００ 直接液体燃料電池スタック
１１１ 電極領域
１１２ 燃料流路
１１３ マニフォールド
１１４ａ、１１４ｂ 燃料通路ホール
１１５ 直線型流路
１１５ａ 突出部分
１４０ メンブレン
１５０ シーリング材
１６１ アノードプレート
１６２ カソードプレート
１７０、１７２、２７０ 親水性部材
１７０ａ 端部
１８０ａ、１８０ｂ エンドプレート
２７５ 溝
Ｐ ウォータポンプ
Claims (6)
- 電解質膜の両面にアノード電極とカソード電極とをそれぞれ具備するメンブレン電極アセンブリが積層され、前記アノード電極と前記カソード電極とにそれぞれ対向するように設置された導電性アノードプレートと導電性カソードプレートとを具備する直接液体燃料電池スタックにおいて：
前記カソードプレートには、両端が前記カソードプレートの端部に接触し、前記両端が空気の流出入が可能なように開放された上下方向に複数の平行な溝状の直線型流路が形成され、
前記カソードプレートの下端にのみ前記流路に対して垂直方向に設置され、一面が前記流路の前記カソード電極に対向する面と略同一面内にあり、複数の前記カソードプレートにそれぞれ設けられる多孔性部材を備え、
複数の前記多孔性部材において、前記多孔性部材の端部のみが、吸収された水を外部に排出可能であるウォータポンプが連結された一つの別の多孔性部材によって互いに連結されることを特徴とする、直接液体燃料電池スタック。 - 前記多孔性部材は、複数の気孔が形成されたフォーム部材であることを特徴とする、請求項１に記載の直接液体燃料電池スタック。
- 前記カソードプレートには、前記流路間の突出した部分に貫通する燃料通路ホールが形成されたことを特徴とする、請求項１に記載の直接液体燃料電池スタック。
- 電解質膜の両面にアノード電極とカソード電極とをそれぞれ具備するメンブレン電極アセンブリが積層され、前記アノード電極と前記カソード電極とにそれぞれ対向するように設置された導電性アノードプレートと導電性カソードプレートとを具備する直接液体燃料電池スタックにおいて：
前記カソードプレートには、両端が前記カソードプレートの端部に接触し、前記両端が空気の流出入が可能なように開放された上下方向に複数の平行な溝状の直線型流路が形成され、
前記カソードプレートの下端にのみ、前記カソードプレートの流路に連通した通路が形成され、複数の前記カソードプレートにそれぞれ設けられる多孔性部材が設置され、
複数の前記多孔性部材において、前記多孔性部材の端部のみが、吸収された水を外部に排出可能であるウォータポンプが連結された一つの別の多孔性部材によって互いに連結されることを特徴とする、直接液体燃料電池スタック。 - 前記多孔性部材は、複数の気孔が形成されたフォーム部材であることを特徴とする、請求項４に記載の直接液体燃料電池スタック。
- 前記カソードプレートには、前記流路間の突出した部分に貫通する燃料通路ホールが形成されたことを特徴とする、請求項４に記載の直接液体燃料電池スタック。
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