JP4899297B2 - 燃料電池 - Google Patents
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Description
関するものである。
本発明者は、従来の燃料電池において、効率的な燃料電池の稼動を行うために燃料貯蔵部内の燃料を加圧するに場合に、燃料貯蔵部内の燃料が外部に漏洩してしまうという問題を解決すべく、以下に示す発明の基本骨子に想到した。
燃料電池には、発電部100に設けられたアノードに面して、当該アノードに供給する燃料(図1の斜線)を貯蔵する燃料貯蔵部210が設けられており、この燃料貯蔵部210の燃料には、圧力印加部300から圧力が印加されている。そして、燃料貯蔵部210のアノード面と対向する面に、非多孔質状のガス透過膜220を設ける。
『透過係数=透過量(体積)×フィルムの厚さ÷(圧力差×透過面積×時間)』
の関係により求められる。この関係式から透過係数は、フィルムの厚さに比例し、フィルムの透過面積に反比例することがわかる。
次に、本発明の基本骨子を踏まえた実施形態について、図面を参照して説明する。
図2は、本発明の実施形態に係る燃料電池の分解斜視図である。
この燃料電池は、発電を行う発電部100と、発電部100のアノード30側に設けられたアノード側筐体200と、アノード側筐体200に設けられた燃料貯蔵部210に貯蔵されている液体燃料に圧力を印加する圧力印加部300と、発電部100のカソード側に設けられたカソード側筐体400を備えている。
図3は、発電部100の概略構成を示す断面図である。
図3に示すように、発電部100は、酸素を活物質として還元するカソード10と、燃料を酸化するアノード30と、カソード10とアノード30との間に設けられた固体電解質層20を備えている。
アノード側筐体200は、前述したように、発電部100のアノード30側に設けられており、その内部にアノード30に供給する液体燃料を貯蔵する燃料貯蔵部210が配設されている。この燃料貯蔵部210には、燃料供給口211に接続された配管310を介して液体燃料が供給されており、この供給された液体燃料を貯蔵する燃料供給管212が設けられている。また、圧力印加部300から供給されるブタンガス、あるいはフロンガス等により、燃料供給管212の液体燃料に適度な圧力が印加されている。そして、燃料貯蔵部210の側面には、燃料貯蔵部210の内部に存在するガスを外部に透過させる非多孔質状のガス透過膜220が設けられている。
図4に示すように、燃料貯蔵部210の一方の面には、燃料供給管212の液体燃料が直接供給されるようにアノード30が配設されており、その対向する面にガス透過膜220が配設されている。この際、この燃料供給管212の液体燃料には圧力印加部300により圧力が印加されており、ガス透過膜220は、非多孔質膜で形成されているため、燃料貯蔵部210に圧力が印加されている状況下であっても、液体燃料を燃料貯蔵部210の外部に漏洩させることなく、アノード30で生成された生成ガスを外部に透過させることができる。また、液体燃料としてメタノール水溶液を用いた場合には、図4に示すように、アノード30で生成された二酸化炭素がガス透過膜220を透過して外部に放出される。
アノード電極層31に白金−ルテニウム合金担持触媒、カソード電極層13に白金担持触媒、ガス拡散層12,32にカーボンペーパー、カソード集電体層11及びアノード集電体層に金メッキを施したSUS、固体電解質層20にポリパーフルオロスルホン酸系の樹脂、具体的にはデュポン社製の製品名Nafion117を用いて発電部10を作成した。また、液体燃料として、20vol%メタノール水溶液を9.0cc程度、ガス透過膜として、シリコーン膜を用いた。
カソード:O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O
アノード:CH3OH + H2O → CO2 + 6H+ + 6e-
この図5Bは、図5Aの関係により算出されるものであり、例えば、電流値が10(mA/cm2)では1分間あたり二酸化炭素が2.321244×10-2(cm3)、電流値が50(mA/cm2)では1分間あたり二酸化炭素が0.116062(cm3)、電流値が100(mA/cm2)では1分間あたり二酸化炭素が0.232124(cm3)発生することになる。
前述したように、気体の透過係数は、
『透過係数=透過量(体積)×フィルムの厚さ÷(圧力差×透過面積×時間)』
の関係により求められる。
この図6Bは、図6Aの関係により算出されるものであり、例えば、膜厚が10μmでは1分間あたり二酸化炭素が1.458076(cm3/cm2・min)、膜厚が50μmでは1分間あたり二酸化炭素が0.291615(cm3/cm2・min)、膜厚が100μmでは1分間あたり二酸化炭素が0.145808(cm3/cm2・min)、膜厚が150μmでは1分間あたり二酸化炭素が0.097205(cm3/cm2・min)、膜厚が200μmでは1分間あたり二酸化炭素が0.072904(cm3/cm2・min)透過することになる。
図7は、本発明の実施形態に係る燃料電池において、圧力印加部300により印加する圧力と発電効率との関係を示した特性図である。
酸素を還元するカソードと、燃料を酸化するアノードと、前記カソードと前記アノードとの間に設けられた電解質層とを含んで構成される発電部と、
前記燃料を貯蔵する燃料貯蔵部と、
前記燃料貯蔵部に貯蔵されている燃料に対して圧力を印加する圧力印加部と
を有し、
前記燃料貯蔵部には、非多孔質状であり、前記圧力印加部により圧力が印加された状態で前記アノードで生成された生成ガスのみを透過する非多孔質膜が設けられていることを特徴とする燃料電池。
前記非多孔質膜は、シリコーンまたはポリイミドを主材料とするものからなることを特徴とする付記1に記載の燃料電池。
前記非多孔質膜における厚さ及び前記燃料と接する面の表面積は、少なくとも、前記生成ガスに対する当該非多孔質膜の透過係数と、前記圧力印加部により印加される圧力とをパラメータとして設定されていることを特徴とする付記1又は2に記載の燃料電池。
前記燃料貯蔵部が前記アノードと接して配設されており、
前記非多孔質膜は、前記燃料貯蔵部の前記アノードに接する面と対向する面に配置されていることを特徴とする付記1〜3のいずれか1項に記載の燃料電池。
前記燃料貯蔵部に貯蔵されている燃料が液体燃料であることを特徴とする付記1〜4のいずれか1項に記載の燃料電池。
前記液体燃料がメタノール水溶液であることを特徴とする付記5に記載の燃料電池。
前記非多孔質膜は、繊維状に形成されていることを特徴とする付記1〜6のいずれか1項に記載の燃料電池。
前記生成ガスは、二酸化炭素を含むガスであることを特徴とする付記1〜7のいずれか1項に記載の燃料電池。
11 カソード集電体層
12 ガス拡散層
13 カソード電極層
20 固体電解質層
30 アノード
31 アノード電極層
32 ガス拡散層
33 アノード集電体層
100 発電部(MEA)
200 アノード側筐体
210 燃料貯蔵部
211 燃料供給口
212 燃料供給管
220 ガス透過膜
300 圧力印加部
310 配管
400 カソード側筐体
410 酸素供給孔
Claims (4)
- 酸素を還元するカソードと、液体燃料を酸化するアノードと、前記カソードと前記アノードとの間に設けられた電解質層とを含んで構成される発電部と、
前記液体燃料を貯蔵する燃料貯蔵部と、
前記燃料貯蔵部に貯蔵されている前記液体燃料に対して圧力を印加する圧力印加部と
を有し、
前記燃料貯蔵部には、非多孔質状であり、前記圧力印加部により圧力が印加された状態で前記アノードで生成された生成ガスのみを透過する非多孔質膜が設けられており、
前記圧力印加部から供給されるブタンガス、あるいはフロンガスにより、前記液体燃料に圧力が印加されることを特徴とする燃料電池。 - 前記非多孔質膜は、シリコーンまたはポリイミドを主材料とするものからなることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池。
- 前記非多孔質膜における厚さ及び前記液体燃料と接する面の表面積は、少なくとも、前記生成ガスに対する当該非多孔質膜の透過係数と、前記圧力印加部により印加される圧力とをパラメータとして設定されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の燃料電池。
- 前記燃料貯蔵部が前記アノードと接して配設されており、
前記非多孔質膜は、前記燃料貯蔵部の前記アノードに接する面と対向する面に配置されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の燃料電池。
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