JP5253814B2 - 高濃度燃料および低酸化剤化学量論比で作動する直接酸化型燃料電池および直接酸化型燃料電池システム - Google Patents
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Description
本発明の他の利点および特徴は、以下に示す明細書に記載されており、また、以下の記載を吟味したり、本発明の開示を実施することによっても、当業者に明らかになり理解されよう。これらの利点は、添付の請求項に記載されるように実現することができる。
式中、ξ c は酸化剤の化学量論比、γは燃料供給における燃料に対する水の比率、p sat はセル温度に対応する飽和水蒸気圧、pはカソード作動圧力、およびη fuel は燃料効率である。
本発明の様々な特徴および利点は、添付の図面を参照することにより、より明確になると考えられるが、図面は説明のためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。なお、図面においては、同じ番号は同様の構造を表している。
以下のようなセルを用いて実験を行った。このセルは5cm2の活性面積を有し、カソードGDLは300μmの厚さのカーボンクロス製GDLおよび30μmの厚さの微多孔層(MPL)で構成した。アノード基材層は東レ製の厚さ260μmのカーボンペーパーTGPH090であった。MEAは、アノード基材層およびカソードGDLを、触媒をコーティングしたナフィオン(登録商標)112膜にホットプレスすることにより作製した。アノードのPt-Ru(Pt-Ru black HiSPEC6000、Pt:Ru=1:1 原子比、Alfa Aesar、Johnson Matthey Company社製)の付加量およびPt(カーボンに担持されたもの、E-TEK製の40%Pt/ヴァルカン XC72)の付加量はそれぞれ6mg/cm2および1.2mg/cm2であった。このMEAをサーペンタイン型流路を有する通常用いられるセル固定部材内に配し、セルを図1に示す条件と同様に運転した。
Claims (14)
- アノード、カソード、およびプロトン伝導性電解質膜を含む少なくとも1つの膜電極接合体(MEA)ならびにこれを挟持するアノード集電板およびカソード集電板を含む燃料電池セルと、
高濃度燃料を収容し、前記少なくとも1つのMEAのアノードと流体接続している燃料カートリッジと、
前記少なくとも1つのMEAのカソードと流体接続している酸化剤源と、
前記燃料の濃度および前記燃料電池セルの温度に応じて、5以下の酸化剤の化学量論比を決定し、これに基づいて酸化剤の流量を制御するコントローラと、を具備し、
前記カソードは、カソード触媒層、疎水性微多孔層および疎水性ガス拡散層を含み、
前記コントローラは、式(i)に従って前記酸化剤の化学量論比を決定し、これに基づいて前記酸化剤の流量を制御する、直接酸化型燃料電池システム。
式中、ξ c は酸化剤の化学量論比、γは燃料供給における燃料に対する水の比率、p sat はセル温度に対応する飽和水蒸気圧、pはカソード作動圧力、およびη fuel は燃料効率である。 - 前記電解質膜はフッ素化ポリマーまたは炭化水素ポリマーであり、その膜厚は25〜180マイクロメートルである請求項1に記載の直接酸化型燃料電池システム。
- 前記アノードは、プラチナ、ルテニウムまたはその合金を含む触媒層を具備する請求項1に記載の直接酸化型燃料電池システム。
- 前記カソード触媒層は、カーボンに担持されたプラチナまたは担持されないプラチナを含む請求項1に記載の直接酸化型燃料電池システム。
- 前記疎水性ガス拡散層は、カーボンクロス、カーボン不織布、またはカーボンペーパーからなり、その内部構造は液状の水の排出を促進するため異方性を有している請求項1に記載の直接酸化型燃料電池システム。
- 前記疎水性微多孔層は、PTFEと混合されたカーボン粉末を含み、カーボン粉末の充填率は約35重量%より高い請求項1に記載の直接酸化型燃料電池システム。
- 前記疎水性微多孔層の平均孔径は約0.01μm〜約0.5μmであり、厚さは約25μm〜約50μmである請求項1に記載の直接酸化型燃料電池システム。
- 前記MEAと流体接続して液状の水および未反応燃料を保持する気液分離器をさらに具備する請求項1に記載の直接酸化型燃料電池システム。
- 前記酸化剤は空気であって、前記空気の化学量論比が約5以下において、前記カソードの排出物が実質的に液状の水を含有する請求項1に記載の直接酸化型燃料電池システム。
- 前記気液分離器があらかじめ希釈燃料水溶液を収容している請求項8に記載の直接酸化型燃料電池システム。
- 前記気液分離器が、前記燃料カートリッジのコンパートメントに収容された、膨張可能なプラスチックバッグを含む請求項8に記載の直接酸化型燃料電池システム。
- 前記システムが、前記MEAの前記カソードで生成されそこから排出された水蒸気を凝縮する水凝縮器を具備していない請求項1に記載の直接酸化型燃料電池システム。
- 前記燃料カートリッジが少なくとも5Mのメタノール水溶液を収容している請求項1に記載の直接酸化型燃料電池システム。
- アノード、カソード、およびこれらの間に介在するプロトン伝導性電解質膜を含む少なくとも1つの膜電極接合体(MEA)を具備する燃料電池セルを含む直接酸化型燃料電池システムの運転方法であって、
高濃度燃料を前記MEAのアノードに供給する工程と、
酸化剤を前記MEAのカソードに供給する工程と、
直接酸化型燃料電池システムの運転の全期間中においてアノードの電気化学反応に必要となる水の全量を供給するのに十分な量の液状の水をカソードから直接回収する工程と、
前記燃料の濃度および前記燃料電池セルの温度に応じて、5以下の前記酸化剤の化学量論比を決定し、これに基づいて酸化剤の流量を制御する工程と、
を含み、
前記酸化剤の流量を制御する工程では、式(i)に従って前記酸化剤の化学量論比を決定し、これに基づいて前記酸化剤の流量を制御する、直接酸化型燃料電池システムの運転方法。
式中、ξ c は酸化剤の化学量論比、γは燃料供給における燃料に対する水の比率、p sat はセル温度に対応する飽和水蒸気圧、pはカソード作動圧力、およびη fuel は燃料効率である。
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