DE69632550T2

DE69632550T2 - Direkte Methanol-Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE69632550T2
Application number: DE69632550T
Authority: DE
Inventors: Takafumi Wako-shi OKAMOTO
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1995-12-06
Filing date: 1996-12-05
Publication date: 2005-05-25
Anticipated expiration: 2016-12-06
Also published as: DE69608770D1; DE69632550D1; DE69608770T2; EP0778631B1; EP0978892A2; EP0778631A1; US5723228A; EP0978892A3; EP0978892B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine direkte Methanol-Brennstoffzelle, umfassend: wenigstens eine Brennstoffzelleneinheit, welche eine Anode und eine Kathode umfasst, die sich gegenüberliegend bereitgestellt sind, wobei zwischen ihnen eine Ionenaustauschmembran angeordnet ist, sowie eine Mehrzahl von Separatoren umfasst, um die Brennstoffzelleneinheit dazwischen aufzunehmen, so dass eine wässrige Methanollösung der Brennstoffzelle als Brennstoff direkt zugeführt wird.
Es wurden Brennstoffzellen entwickelt, welche beispielsweise eine Mehrzahl von gestapelten Brennstoffzelleneinheiten umfassen, welche jeweils eine Anode und eine Kathode aufweisen, die sich gegenüberliegend bereitgestellt sind, wobei zwischen ihnen eine Ionenaustauschmembran angeordnet ist und wobei die Brennstoffzelleneinheiten zwischen Separatoren angeordnet sind. Solche Brennstoffzellen werden in verschiedenen Anwendungen zur praktischen Nutzung gebracht.
Derartige bekannte Brennstoffzellen schließen eine direkte Methanol-Brennstoffzelle ein, in welcher eine wässrige Methanollösung in einem flüssigen Zustand einer Anode direkt zugeführt wird und sauerstoffhaltiges Gas (Luft) einer Kathode zugeführt wird, so dass die wässrige Methanollösung mit Wasser reagiert, um ein Wasserstoffion zu erhalten, und eine Bewegung des Wasserstoffions durch eine Ionenaustauschmembran ermöglicht die Erzeugung elektrischer Energie, welche außerhalb der Brennstoffzelle verfügbar ist.
Die direkte Methanol-Brennstoffzelle weist ein System auf, wie es beispielsweise in der japanischen Patent-Offenlegungsschrift Nr. 5-174856 offenbart ist. Ein solches System wird unter Bezugnahme auf 1 erläutert. Eine Methanolelektrode 2 und eine Luftelektrode 3 sind an beiden Seiten einer für Methanol undurchlässigen Membran 1 angeordnet und eine Elektrolytlösung 4 wird zwischen diese eingefüllt, so dass eine direkte Methanol-Brennstoffzelle konstruiert wird. In diesem System wird elektrische Energie erzeugt, indem eine wässrige Methanollösung der Methanolelektrode 2 zugeführt wird, während Luft (Sauerstoff) der Luftelektrode 3 zugeführt wird.
Bei der oben beschriebenen herkömmlichen Technik wird es jedoch der wässrigen Methanollösung als Brennstoff und der Luft als sauerstoffhaltiges Gas erlaubt, bezüglich der Methanolelektrode 2 und der Luftelektrode 3 in eine identische Richtung zu strömen. Daher weist eine die wässrige Methanollösung und die Luft betreffende Auslassseite 5b in der Brennstoffzelle eine Temperatur auf, welche höher ist als eine Temperatur einer Einlassseite 5a, und zwar aus dem folgenden Grund. Die durch exothermische Reaktionen an der Methanolelektrode 2 und der Luftelektrode 3 erzeugte Wärme und die durch Kontaktwiderstand oder dergleichen verursachte Wärme werden einem Wärmeaustausch mit der wässrigen Methanollösung und dem Gas, welche von der Einlassseite 5a zur Auslassseite 5b strömen, ausgesetzt und die Methanolelektrode 2 und die Luftelektrode 3 werden ihrerseits an der Auslassseite 5b übermäßig erwärmt. Dabei zeigt sich ein Problem dahingehend, dass die zuvor beschriebene Situation eine Verteilung der an der Methanolelektrode 2 und der Luftelektrode 3 erhaltenen Spannung verursacht, was in einer instabilen Ausgabespannung resultiert.
Die JP-61-279069 offenbart eine Flüssigbrennstoffzelle, in welcher der Brennstoff und das sauerstoffhaltige Gas in dieselbe Richtung oder in Richtungen senkrecht zueinander strömen gelassen werden.
Die JP-1154467 offenbart eine Flüssigbrennstoffzelle, welche gebildet ist, indem Nuten zum Zuführen und Auslassen eines Brennstoffs und eines Oxidationsmittels an der einen Seite eines leitfähigen porösen Substrats ausgebildet sind und ein Katalysator wie Platin an dessen anderer Seite aufgetragen wird.
Die JP-63-141265 offenbart eine Flüssigbrennstoffzelle, welche zwischen einem Paar Elektroden als Elektrolyt Ionenaustauschmembranen sowie zwischen den Elektroden und deren jeweiliger Sauerstoff- bzw. Brennstoffkammer Stromkollektoren aufweist.
Die US A-3,013,098 und die US-A-3,143,440 offenbaren Flüssigbrennstoffzellen, in welchen der Flüssigbrennstoff und Sauerstoff in entgegengesetzte Richtungen strömen gelassen werden.
Die US 5,364,711 beschreibt ebenfalls eine Brennstoffzelle, welche entlang einer Fläche der Brennstoffelektrode einen Weg umfasst, um der Brennstoffelektrode Brennstoff zuzuführen.
Eine allgemeine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine direkte Methanol-Brennstoffzelle bereitzustellen, welches ermöglicht, zuverlässig eine stabile Ausgabespannung zu halten, ohne in irgendeiner Brennstoffzelleneinheit irgendeine ungleichmäßige Temperaturverteilung zu verursachen.
Eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine direkte Methanol-Brennstoffzelle bereitzustellen, welche ein einfaches System aufweist und welche es ermöglicht, zuverlässig eine korrekte Menge einer wässrigen Methanollösung einer gesamten Fläche der Anode zuzuführen.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine direkte Methanol-Brennstoffzelle gemäß Anspruch 1 bereitgestellt.
Vorzugsweise ist das anodenseitige Elementarbauteil aus einem porösen Kohlenstoffmaterial zusammengesetzt.
Noch stärker bevorzugt wird es, wenn das anodenseitige Elementarbauteil eine Strömungseinstellplatte für wässrige Methanollösung umfasst, wobei die aus dem porösen Kohlenstoffmaterial zusammengesetzte Strömungseinstellplatte für wässrige Methanollösung einer Wasserabweisungsbehandlung unterzogen worden ist.
Wahlweise ist das kathodenseitige Elementarbauteil aus einem dichten Material zusammengesetzt.
Vorzugsweise umfasst das kathodenseitige Elementarbauteil eine Strömungseinstellplatte für sauerstoffhaltiges Gas, wobei die Strömungseinstellplatte für sauerstoffhaltiges Gas aus irgendeinem der folgenden Materialien zusammengesetzt ist: leitfähiges Metall, leitfähiger/leittfähiges Gummi/Kautschuk, leitfähiges Harz, graffitisierter Kohlenstoff, rostfreier Stahl, Nickellegierung.
Vorzugsweise strömt die wässrige Methanollösung als Brennstoff durch die Brennstoffzelleneinheit in einer Richtung, welche der Richtung, in welcher ein sauerstoffhaltiges Gas strömt, entgegengesetzt ist.
Somit ist es möglich, die ungleichmäßige Temperaturverteilung in der Brennstoffzelleneinheit auf ein Minimalmaß zu reduzieren, welches so klein wie möglich ist. Es ist daher möglich, von der Brennstoffzelleneinheit eine stabile Ausgabespannung zu erhalten.
Der wässrigen Methanollösung wird es vorzugsweise ermöglicht, direkt in eine Richtung entgegengesetzt zur Schwerkraft und entlang des Zuleitungskanals für wässrige Methanollösung zu strömen. Dementsprechend wird Kohlendioxidgas, welches bei der Reaktion von Methanol und Wasser erzeugt wird, ohne Probleme nach oben ausgelassen.
Der Zuleitungs-Fluidkanal für sauerstoffhaltiges Gas, welcher parallel zu dem Zuleitungskanal für wässrige Methanollösung ausgebildet ist, kann eine Labyrinthstruktur aufweisen. Dementsprechend ist es möglich, durch die Reaktion erzeugtes Wasser einfach und zuverlässig zu entfernen.
Das anodenseitige Elementarbauteil, aus welchem jeder Separator einer Mehrzahl von Separatoren aufgebaut ist, ist aus einem porösen leitfähigen Material, beispielsweise aus einem porösen Kohlenstoffmaterial, zusammengesetzt. Wird eine Mischlösung aus Methanol und Wasser in einen Kanal eingeleitet, welcher an einer Rückflächenseite des anodenseitige Elementarbauteils bereitgestellt ist, so durchdringt die Mischlösung das anodenseitige Elementarbauteil. Die Mischlösung wird somit der Anode zugeführt, welche sich in Kontakt mit einer vorderen Flächenseite des anodenseitigen Elementarbauteils befindet.
Dementsprechend kann die wässrige Methanollösung einer gesamten Betriebsfläche der Anode mit gleichmäßiger Konzentration zugeführt werden. Es ist somit möglich, eine korrekte Menge der wässrigen Methanollösung der gesamten Anode zuverlässig zuzuführen.
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun im Folgenden lediglich beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert, wobei:
1 eine schematische Illustration einer direkten Methanol-Brennstoffzelle gemäß dem Stand der Technik zeigt,
2 eine Illustration im vertikalen Querschnitt einer direkten Methanol-Brennstoffzelle zeigt, welche nicht gemäß der beanspruchten Erfindung ausgebildet ist,
3 eine perspektivische Explosionsdarstellung einer in 2 gezeigten direkten Methanol-Brennstoffzelle zeigt,
4 eine Vorderansicht einer Ionenaustauschmembran und einer Elektrode zeigt, welche in 3 gezeigt sind,
5 eine Vorderansicht einer in 3 gezeigten Dichtung zeigt,
6 eine Vorderansicht einer in 3 gezeigten, ersten Verteilerplatte zeigt,
7 eine Vorderansicht einer zweiten, in 3 gezeigten Verteilerplatte zeigt,
8 eine Vorderansicht einer in 3 gezeigten Flächendruck-Erzeugungsplatte zeigt,
9 eine Vorderansicht eines in 3 gezeigten Separator-Hauptkörpers zeigt,
10 eine perspektivische Ansicht einer in 3 gezeigten Strömungseinstellplatte zeigt,
11 eine perspektivische Illustration in Explosionsdarstellung von Hauptbestandteilen einer anderen, nicht gemäß der beanspruchten Erfindung ausgebildeten direkten Methanol-Brennstoffzelle zeigt,
12 eine schematische Illustration eines Systems einer direkten Methanol-Brennstoffzelle gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt,
13 eine schematische, perspektivische Illustration der in 12 gezeigten Brennstoffzelle zeigt,
14 eine perspektivische Illustration in Explosionsdarstellung eines Bestandteils der in 12 gezeigten Brennstoffzelle zeigt,
15 eine Querschnittsansicht entlang einer Linie XV-XV in 13 zeigt,
16 eine Querschnittsansicht entlang einer Linie XVI-XVI in 13 zeigt,
17 eine Querschnittsansicht entlang einer Linie XVII-XVII in 13 zeigt.
2 zeigt eine vertikale Querschnittsansicht einer direkten Methanol-Brennstoffzelle 10, welche nicht gemäß der beanspruchten Erfindung ausgebildet ist. 3 zeigt eine perspektivische Illustration in Explosionsdarstellung der direkten Methanol-Brennstoffzelle 10.
Die direkte Methanol-Brennstoffzelle 10 umfasst eine Mehrzahl von Brennstoffzelleneinheiten 18, welche jeweils umfassen: eine Kathode 14 und eine Anode 16, welche sich gegenüberliegend bereitgestellt sind, wobei eine Ionenaustauschmembran 12 zwischen ihnen angeordnet ist, sowie eine Mehrzahl von Separatoren 20, um die Brennstoffzelleneinheiten 18 dazwischen aufzunehmen. Die Brennstoffzelleneinheiten 18 und die Separatoren 20 sind durch ein Paar Endplatten 22a, 22b und vier Spannbolzen 24 integral befestigt.
Wie in 4 gezeigt ist, ist die Ionenaustauschmembran 12 an ihrem oberen Abschnitt versehen mit einem Einlassloch 12a für sauerstoffhaltiges Gas, einem Kühlwasserauslassloch 12b und einem Brennstoffauslassloch 12c, um einen Teil einer wässrigen Methanollösung, welcher keine Reaktion eingegangen ist, und entstandenes Kohlendioxidgas auszulassen. Die Ionenaustauschmembran 12 ist an ihrem unteren Abschnitt mit einem Auslassloch 12d für sauerstoffhaltiges Gas, einem Kühlwassereinlassloch 12e und einem Brennstoffeinlassloch 12f zum Einlassen einer Mischlösung aus Methanol und Wasser versehen.
Eine erste Dichtung 30 und eine zweite Dichtung 32 sind an beiden Seiten der Brennstoffzelleneinheit 18 angeordnet. Die erste Dichtung 30 weist eine große Öffnung 34 zum Aufnehmen der Anode 16 auf und die zweite Dichtung 32 weist eine große Öffnung 36 zum Aufnehmen einer Kathode 14 auf. Wie in 5 gezeigt ist, sind die erste und zweite Dichtung 30, 32 an ihren oberen Abschnitten jeweils mit Einlasslöchern 30a bzw. 32a für sauerstoffhaltiges Gas, Kühlwasserauslasslöchern 30b bzw. 32b sowie Brennstoffauslasslöchern 30c bzw. 42c versehen. Die erste und zweite Dichtung 30, 32 sind an ihren unteren Abschnitten jeweils mit Auslasslöchern 30d bzw. 32d für sauerstoffhaltiges Gas, Kühlwassereinlasslöchern 30e bzw. 32e und Brennstoffeinlasslöchern 30f bzw. 32f versehen.
Der Separator 20 umfasst im Wesentlichen eine erste Verteilerplatte 42, eine erste Flächendruckerzeugungsplatte 44, welche in Anlage mit der ersten Verteilerplatte 42 ist, einen Separator-Hauptkörper 48, welcher zwischen der ersten Flächendruckerzeugungsplatte 44 und einer zweiten Flächendruckerzeugungsplatte 46 angeordnet ist, und eine zweite Verteilerplatte 50, welche in Anlage gegen die zweite Flächendruckerzeugungsplatte 46 ist.
Wie in 6 gezeigt ist, ist die erste Verteilerplatte 42 aus einer rechteckigen flachen Platte zusammengesetzt. Eine Zuleitungsausnehmung 42a für sauerstoffhaltiges Gas zum Zuleiten von sauerstoffhaltigem Gas ist an einer oberen rechten Ecke der ersten Verteilerplatte 42 bereitgestellt. Ein Kühlwasserauslassloch 42b zum Auslassen von Kühlwasser ist neben der Zuleitungsausnehmung 42a für sauerstoffhaltiges Gas bereitgestellt. Ein Brennstoffauslassloch 42c zum Auslassen des keine Reaktion eingegangenen Bestandteils der wässrigen Methanollösung und von erzeugtem Kohlendioxidgas ist an einer oberen linken Ecke der ersten Verteilerplatte 42 bereitgestellt. Eine Auslassausnehmung 42d für sauerstoffhaltiges Gas ist an einer unteren linken Ecke der ersten Verteilerplatte 42 bereitgestellt. Ein Kühlwassereinlassloch 42e und ein Brennstoffeinlassloch 42f zum Einlassen von Methanol und Wasser sind in dieser Reihenfolge in einem Bereich bereitgestellt, welcher von der Auslassausnehmung 42d für sauerstoffhaltiges Gas zur unteren rechten Ecke der ersten Verteilerplatte 42 reicht. Die Zuleitungsausnehmung 42a für sauerstoffhaltiges Gas steht mit der Auslassausnehmung 42d für sauerstoffhaltiges Gas über eine Öffnung 45 in Verbindung, in welcher, wie später beschrieben wird, eine Strömungseinstellplatte 80 für sauerstoffhaltiges Gas aufgenommen ist.
Die erste Verteilerplatte 42 und die zweite Verteilerplatte 50 sind im Wesentlichen so eingerichtet, dass sie einander symmetrisch sind, und letztere ist in 7 gezeigt. Auf eine detaillierte Erläuterung für die zweite Verteilerplatte 50 wird verzichtet. Jedoch ist die zweite Verteilerplatte 50 an ihrem oberen Abschnitt mit einem Zuleitungsloch 50a für sauerstoffhaltiges Gas, einem Kühlwasserauslassloch 50b und einer Brennstoffauslassausnehmung 50c versehen, während sie an ihrem unteren Abschnitt mit einem Auslassloch 50d für sauerstoffhaltiges Gas, einem Kühlwassereinlassloch 50e und einer Brennstoffeinlassausnehmung 50f versehen ist. Die Brennstoffauslassausnehmung 50c steht mit der Brennstoffeinlassausnehmung 50f über eine Öffnung 52 in Verbindung, in welcher, wie später beschrieben wird, eine Strömungseinstellplatte 82 für wässrige Methanollösung aufgenommen ist.
Wie in 8 gezeigt ist, ist die erste Flächendruckerzeugungsplatte 44 eine flache Platte, welche aus einem elektrisch leitfähigen Material zusammengesetzt ist, oder sie ist ganzheitlich mit der später beschriebenen Strömungseinstellplatte 80 für sauerstoffhaltiges Gas ausgebildet oder mit demselben Material wie diese verarbeitet und hergestellt. Die erste Flächendruckerzeugungsplatte 44 ist an ihrem oberen Abschnitt versehen mit einem Zuleitungsverbindungsloch 44a für sauerstoffhaltiges Gas, welches mit der Zuleitungsausnehmung 42a für sauerstoffhaltiges Gas der ersten Verteilerplatte 42 in Verbindung steht, einem Kühlwasserauslass-Verbindungsloch 44b, welches mit dem Kühlwasserauslassloch 42b in Verbindung steht, und einem Verbindungsloch 44c, welches mit dem Brennstoffauslassloch 42c in Verbindung steht. Die erste Flächendruckerzeugungsplatte 44 ist an ihrem unteren Abschnitt versehen mit einem Verbindungsloch 44d, welches mit der Auslassausnehmung 42d für sauerstoffhaltiges Gas der ersten Verteilerplatte 42 in Verbindung steht, einem Verbindungsloch 44e, welches mit dem Kühlwassereinlassloch 42e in Verbindung steht, sowie einem Verbindungsloch 44f, welches mit dem Brennstoffeinlassloch 42f in Verbindung steht.
Die zweite Flächendruckerzeugungsplatte 46 ist im Wesentlichen in der selben Weise konstruiert wie die oben beschriebene erste Flächendruckerzeugungsplatte 44 und eine detaillierte Erläuterung dieser wird weggelassen.
9 zeigt die dritte Verteilerplatte, und zwar den Separator-Hauptkörper 48, welcher zwischen der ersten Verteilerplatte 42 und der zweiten Verteilerplatte 50 anzuordnen ist. Der Separator-Hauptkörper 48 ist zum Zuleiten von Kühlwasser zum Kühlen der Brennstoffzelleneinheit 18 bereitgestellt. Die Separator-Haupteinheit 48, welche relativ dick ist, ist vorzugsweise aus einem leitfähigen dichten Material (Festkörper) gebildet. Der Separator-Hauptkörper 48 weist an seiner oberen rechten Ecke ein Zuleitungsloch 48a für sauerstoffhaltiges Gas auf, um mit der Zuleitungsausnehmung 42a für sauerstoffhaltiges Gas der ersten Verteilerplatte 42 und dem Verbindungsloch 44a der ersten Flächendruckerzeugungsplatte 44 in Verbindung zu stehen. Eine Kühlwasserauslassausnehmung 48b, welche mit dem Kühlwasserauslassloch 42b der ersten Verteilerplatte 42 und dem Verbindungsloch 44b in der ersten Flächendruckerzeugungsplatte 44 in Verbindung steht, ist an einem im Wesentlichen oberen mittleren Abschnitt des Separator-Hauptkörpers 48 neben dem Loch 48a bereitgestellt. Der Separator-Hauptkörper 48 ist an seiner oberen linken Ecke mit einem Brennstoffauslassloch 48c versehen, welches mit dem Brennstoffauslassloch 42c der ersten Verteilerplatte 42 und dem Verbindungsloch 44c der ersten Flächendruckerzeugungsplatte 44 in Verbindung steht. Der Separator-Hauptkörper 48 ist an seiner unteren linken Ecke mit einem Auslassloch 48d für sauerstoffhaltiges Gas versehen, welches mit der Auslassausnehmung 42d für sauerstoffhaltiges Gas der ersten Verteilerplatte 42 und dem Verbindungsloch 44d der ersten Flächendruckerzeugungsplatte 44 in Verbindung steht. Eine Kühlwassereinlassausnehmung 48e ist, wie in 8 gezeigt, genau unterhalb der Kühlwasserauslassausnehmung 48b bereitgestellt. Der Separator-Hauptkörper 48 ist an seiner unteren rechten Ecke mit einem Brennstoffeinlassloch 48f versehen. Die Kühlwasserauslassausnehmung 48b steht mit der Kühlwassereinlassausnehmung 48e über einer Öffnung 62 in Verbindung, welche großflächig definiert ist.
Strömungseinstellplatten 70, 72 für Kühlwasser werden an der Öffnung 62 des Separator-Hauptkörpers 48 angebracht und befestigt. Wenn die Strömungseinstellplatten 70, 72 für Kühlwasser miteinander verbunden sind, so weisen sie eine Dicke auf, welche im Wesentlichen die gleiche ist wie eine Dicke des Separator-Hauptkörpers 48. Die Strömungseinstellplatte 70 für Kühlwasser weist eine Mehrzahl von parallelen Nuten 70a auf, welche, wie in 2 gezeigt, vertikal verlaufen. Die Strömungseinstellplatte 72 für Kühlwasser weist außerdem eine Mehrzahl von parallelen Nuten 72a in Nebeneinanderstellung auf. Wenn die Strömungseinstellplatten 70, 72 für Kühlwasser kombiniert werden, so definieren die Nuten 70a, 72a miteinander jeweils große Strömungseinstellkanäle für Kühlwasser. Die jeweiligen Strömungseinstellkanäle für Kühlwasser befinden sind natürlich in Kommunikationszustand mit der Kühlwasserauslassausnehmung 48b und der Kühlwassereinlassausnehmung 48e.
Wie in 2, 3 und 10 gezeigt ist, ist eine Strömungseinstellplatte für sauerstoffhaltiges Gas (kathodenseitiges Elementarbauteil) 80 an der Öffnung 45 der ersten Verteilerplatte 42 angebracht. Eine erste Oberfläche der Strömungseinstellplatte 80 für sauerstoffhaltiges Gas ist flach ausgebildet. Eine Mehrzahl von parallelen Nuten (Zuleitungsfluidkanäle für sauerstoffhaltiges Gas) 80a, welche vertikal verlaufen, sind an einer zweiten Oberfläche der Strömungseinstellplatte 80 für sauerstoffhaltiges Gas ausgebildet. Die parallelen Nuten 80a ermöglichen es, dass die Zuleitungsausnehmung 42a für sauerstoffhaltiges Gas mit der Auslassausnehmung 42d für sauerstoffhaltiges Gas in Verbindung steht. Sauerstoffhaltigem Gas wird es ermöglicht, entlang der Nuten 80a in Schwerkraftrichtung zu strömen (siehe die durch einen Pfeil A in 2 und 10 gezeigte Richtung).
Eine Strömungseinstellplatte für wässrige Methanollösung (anodenseitiges Elementarbauteil) 82 ist an der Öffnung 52 der zweiten Verteilerplatte 50 angebracht. Eine erste Oberfläche der Strömungseinstellplatte 82 für wässrige Methanollösung ist flach ausgebildet. Eine Mehrzahl paralleler Nuten (Zuleitungsfluidkanäle für wässrige Methanollösung) 82a, welche vertikal verlaufen, sind an einer zweiten Oberfläche der Strömungseinstellplatte 82 für wässrige Methanollösung ausgebildet. Die parallelen Nuten 82a ermöglichen es, dass die Brennstoffauslassausnehmung 50a mit der Brennstoffeinlassausnehmung 50f in Verbindung steht. Einer Mischlösung aus Methanol und Wasser wird es ermöglicht, entlang der Nuten 82a in eine der Schwerkraft entgegengesetzte Richtung (siehe die durch einen Pfeil B in 2 und 10 gezeigte Richtung) zu strömen.
Eine Dicke der ersten Verteilerplatte 42 und der Strömungseinstellplatte 80 für sauerstoffhaltiges Gas ist im Wesentlichen die gleiche wie eine Dicke der zweiten Verteilerplatte 50 und der Strömungseinstellplatte 82 für wässrige Methanollösung.
Der Separator-Hauptkörper 48 ist wie oben beschrieben ausgebildet und ist zwischen der ersten Flächendruckerzeugungsplatte 44 und der zweiten Flächendruckerzeugungsplatte 46 angeordnet und diese sind zwischen der ersten Verteilerplatte 42 und der zweiten Verteilerplatte 50 angeordnet. Die zweite Dichtung 32 ist in Anlage mit der ersten Verteilerplatte 42 und die erste Dichtung 30 ist in Anlage mit der zweiten Verteilerplatte 50. Die Brennstoffzelleneinheit 18 ist zwischen der Dichtung 30 und der Dichtung 32 angeordnet.
Die Brennstoffzelle wird nachfolgend entlang einer durch einen in 3 gezeigten Pfeil angedeuteten Richtung erläutert. Eine Kombination erhält man beispielsweise durch die Verwendung der ersten Verteilerplatte 42 einschließlich der dann enthaltenen Strömungseinstellplatte 80 für sauerstoffhaltiges Gas, der zweiten Dichtung 32, der Kathode 14, der Ionenaustauschmembran 12, der Anode 16, der ersten Dichtung 30, der zweiten Verteilerplatte 50 einschließlich der Strömungseinstellplatte 82 für wässrige Methanollösung, der zweiten Flächendruckerzeugungsplatte 46, dem Separator-Hauptkörper 48 einschließlich der dann enthaltenen Strömungseinstellplatten 70, 72, und der ersten Flächendruckerzeugungsplatte 44. Eine große Anzahl von Kombinationen werden so gestapelt, dass ein Stapelende an der Endplatte 22a anliegt und das andere Stapelende an der Endplatte 22b anliegt. Die Endplatten 22a, 22b sind mithilfe der Spannbolzen 24 integral befestigt. Wie in 2 gezeigt ist, sind ein Methanolbehälter 85 und ein Wasserbehälter 86 mit einem Zuleitungskanal 89 über Pumpen 87 bzw. 88 verbunden. Der Zuleitungskanal 89 steht mit einem Zuleitungsanschluss für wässrige Methanollösung der Endplatte 22a in Verbindung. Ein Speicherbehälter 90 für wässrige Methanollösung, welcher mit einem Auslassanschluss für wässrige Methanollösung der Endplatte 22a in Verbindung steht (siehe 3), ist mit einem Rückschlagventil 92 zusammen mit einem Drucksensor 91 versehen. Eine Pumpe 94 ist mit einem Umlaufkanal 93 verbunden, welcher eine Verbindung von dem Speicherbehälter 90 für wässrige Methanollösung zu dem Zuleitungskanal 89 bereitstellt. Ein erster und ein zweiter Konzentrationssensor 95, 96 zum Erfassen der Konzentration der wässrigen Methanollösung sind stromabwärts des Zuleitungskanals 89 und an einer unteren Endseite des Speichertanks 90 für wässrige Methanollösung angeordnet.
Das sauerstoffhaltige Gas ist beispielsweise Luft. Die Luft wird in das Innere der Brennstoffzelle 10 durch einen Filter 97, ein Gebläse (oder Kompressor) 98 und eine Kühleinrichtung 99 eingeleitet. Die Luft wird aus der Brennstoffzelle 10 ausgelassen, wobei die Luft durch eine Kühleinrichtung 100 gekühlt wird, um Wasser durch ein Ventil 101 abzuziehen. Die Luft wird dann durch ein Rückschlagventil 102 nach außen ausgestoßen.
Die Funktionsweise der wie oben beschrieben konstruierten direkten Methanol-Brennstoffzelle 10 wird nachfolgend erläutert.
Wie in 2 gezeigt ist, werden Methanol und Wasser von dem Methanolbehälter 86 bzw. dem Wasserbehälter 72 zugeleitet und in dem Zuleitungskanal 89 vermischt. Die Mischlösung aus Methanol und Wasser wird in den Brennstoffkanal in die direkte Methanol-Brennstoffzelle 10 eingelassen, d. h. z. B. in das Brennstoffeinlassloch 42f der ersten Verteilerplatte 42, mit welcher der Separator 20 konstruiert ist, in die Brennstoffeinlasslöcher 30f, 12f, 32f der Brennstoffzelleneinheit 18 und in die Brennstoffeinlassausnehmung 50f der zweiten Verteilerplatte 50. Der Mischlösung wird es ermöglicht, in der der Schwerkraft entgegengesetzten Richtung von der Brennstoffeinlassausnehmung 50f der zweiten Verteilerplatte 50 entlang der Nuten 82a der Strömungseinstellplatte 82 für wässrige Methanollösung zu strömen. Entsprechend wird die Mischlösung aus Wasser und Methanol der Anode 16 als Brennstoff zugeführt.
Andererseits tritt die Luft als sauerstoffhaltiges Gas durch den Filter 97, das Gebläse 98 und die Kühleinrichtung 99. Die Luft erreicht den Kanal für sauerstoffhaltiges Gas in der direkten Methanol-Brennstoffzelle 10, d. h. die Zuleitungsausnehmung 42a für sauerstoffhaltiges Gas der ersten Verteilerplatte 42 und die Einlasslöcher 30a, 12a, 32a für sauerstoffhaltiges Gas der Brennstoffzelleneinheit 18. Die Luft wird dann dem Zuleitungsloch 50a für sauerstoffhaltiges Gas der zweiten Verteilerplatte 50 zugeführt. Die der Zuleitungsausnehmung 42a für sauerstoffhaltiges Gas zugeleitete Luft wird in die Nuten 80a der Strömungseinstellplatte 80 für sauerstoffhaltiges Gas eingelassen und sie strömt in Richtung der Schwerkraft entlang der Nuten 80a. Die Luft wird somit der Kathode 14 zugeführt, mit welcher die Brennstoffzelleneinheit 18 konstruiert ist. Luft, welche nicht an einer Reaktion teilgenommen hat, wird durch die Auslassausnehmung 42d für sauerstoffhaltiges Gas der ersten Verteilerplatte 42 usw. nach außen aus der direkten Methanol-Brennstoffzelle 10 ausgelassen.
Kühlwasser tritt durch das Kühlwassereinlassloch 42e der ersten Verteilerplatte 42, die Kühlwassereinlasslöcher 30e, 12e, 32e der Brennstoffzelleneinheit 18 und das Kühlwassereinlassloch 50e der zweiten Verteilerplatte 50 und erreicht die Kühlwassereinlassausnehmung 48e des Separator-Hauptkörpers 48. Von der Ausnehmung 48e wird Kühlwasser in die Nuten 70a, 72a zwischen den Strömungseinstellplatten 70, 72 für Kühlwasser eingelassen. Kühlwasser strömt vom Boden zur Oberseite durch Räume der Nuten 70a, 72a.
Methanol reagiert mit Wasser, um Kohlendioxidgas und ein Wasserstoffion an der Anode 16 zu erzeugen, wie es in der folgenden Formel (1) gezeigt ist: CH₃OH + H₂O → CO₂ + 6H⁺ + 6e^– (1)
Das erzeugte Wasserstoffion diffundiert und bewegt sich durch die Ionenaustauschmembran 12 in Richtung zur Kathode 14. Das Wasserstoffion reagiert mit einem Elektron und Sauerstoff der Luft durch einen äußeren Kreis an der Kathode 14, wie dies in der folgenden Formel (2) gezeigt ist: 6H⁺ + 3/2·O₂ + 6e^– → 3H₂O (2)
Betreffend die der Anode 16 zugeführte wässrige Methanollösung wird ein Teil der wässrigen Methanollösung, der keine Reaktion eingegangen ist, zusammen mit dem erzeugten Kohlendioxidgas (Kohlensäuregas) der Brennstoffauslassausnehmung 50c der zweiten Verteilerplatte 50 zugeleitet und durch die Verbindungslöcher 44c, die Brennstoffauslasslöcher 42c, 32c, 12c, 30c, usw., welche in Verbindung mit der Brennstoffauslassausnehmung 50c sind, wird er aus der direkten Methanol-Brennstoffzelle 10 nach außen ausgelassen.
Die Nuten 82a der Strömungseinstellplatte 32 für wässrige Methanollösung sind parallel zur Schwerkraftrichtung ausgebildet und die Nuten 80a der Strömungseinstellplatte 80 für sauerstoffhaltiges Gas sind ebenfalls parallel zur Schwerkraftrichtung ausgebildet. Die wässrige Methanollösung strömt durch die Nuten 82a in der zur Schwerkraft entgegengesetzten Richtung, während die Luft durch die Nuten 80a in Richtung der Schwerkraft strömt (siehe 2).
Dementsprechend strömen die wässrige Methanollösung als der Brennstoff und die Luft als das sauerstoffhaltige Gas in der Brennstoffzelleneinheit 18 als Gegenströmungen in entgegengesetzte Richtungen. Es ist daher möglich, die ungleichmäßige Temperaturverteilung über die gesamte Brennstoffzelleneinheit 18 auf einem Minimalwert zu halten, welcher so klein wie möglich ist. Daher wird eine Wirkung dahingehend erreicht, dass eine stabile Ausgabespannung von der Brennstoffzelleneinheit 18 einfach und zuverlässig erhalten werden kann.
Die wässrige Methanollösung strömt in der zur Schwerkraft entgegengesetzten Richtung entlang der Nuten 82a der Strömungseinstellplatte 82 für wässrige Methanollösung. Kohlendioxidgas, welches bei der Reaktion der wässrigen Methanollösung, wie in der Formel (1) gezeigt, produziert wird, wird dementsprechend ohne Probleme nach oben ausgelassen. In der Brennstoffzelleneinheit 18 verbleibt kein Kohlendioxidgas.
Eine weitere direkte Methanol-Brennstoffzelle 104, welche nicht gemäß der beanspruchten Erfindung ausgebildet ist, ist in 11 gezeigt.
Die direkte Methanol-Brennstoffzelle 104 ist im Wesentlichen in der selben Weise aufgebaut, wie die direkte Methanol-Brennstoffzelle 10, die in den 2 bis 10 gezeigt ist. Jedoch weist eine Strömungseinstellplatte 105 für sauerstoffhaltiges Gas eine Struktur auf, welche von der Struktur der oben beschriebenen Strömungseinstellplatte 80 für sauerstoffhaltiges Gas verschieden ist. Die Strömungseinstellplatte 105 für sauerstoffhaltiges Gas weist nämlich eine erste Oberfläche auf, welche flach ist, und weist eine zweite Oberfläche auf, an welcher ein Labyrinthkanal 105a bereitgestellt ist, wobei sich das sauerstoffhaltige Gas vertikal durch den Labyrinthkanal 105a schlängelt.
In der wie oben beschrieben konstruierten direkten Methanol-Brennstoffzelle 104 strömt das sauerstoffhaltige Gas (Luft) in Richtung der Schwerkraft entlang des Labyrinthkanals 105a, der an der Strömungseinstellplatte 105 für sauerstoffhaltiges Gas ausgebildet ist. Dementsprechend strömen die wässrige Methanollösung und das sauerstoffhaltige Gas als Gegenströmungen in entgegengesetzte Richtungen. Es ist möglich, die ungleichmäßige Temperaturverteilung über die gesamte Brennstoffzelleneinheit 18 in derselben Weise wie bei der ersten Ausführungsform auf ein Maß zu minimieren, welches so gering wie möglich ist. Ferner erhält man einen Vorteil dahingehend, dass Wasser, welches durch die Reaktion an der Seite der Strömungseinstellplatte 105 für sauerstoffhaltiges Gas wie in der Formel (2) gezeigt, erzeugt wird, problemlos entlang des Labyrinthkanals 105a entfernt wird.
12 zeigt schematisch ein System einer direkten Methanol-Brennstoffzelle 110 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Da in dieser Ausführungsform dieselben grundlegenden Komponenten wie die in den vorhergehenden Brennstoffzellen beschriebenen durch dieselben Bezugszeichen bezeichnet sind, wird auf eine detaillierte Beschreibung derselben verzichtet. Die Brennstoffzelle 110 umfasst eine Mehrzahl von Brennstoffzelleneinheiten 118, welche jeweils eine Kathode 114 und eine Anode 116 umfassen, die sich gegenüberliegend bereitgestellt sind, wobei zwischen Ihnen eine Ionenaustauschmembran 112 angeordnet ist und eine Mehrzahl von Separatoren 120 umfassen, um die Brennstoffzelleneinheiten 118 dazwischen aufzunehmen. Die Brennstoffzelleneinheiten 118 und die Separatoren 120 sind durch ein Paar Endplatten 122a, 122b und vier Spannbolzen 124 integral befestigt (siehe 12 und 13).
Wie in 14 gezeigt ist, ist die Ionenaustauschmembran 112 an ihrem oberen Abschnitt versehen mit einem Einlassloch 112a für sauerstoffhaltiges Gas, einem Kühlwasserauslassloch 112b und einem Brennstoffauslassloch 112c zum Auslassen eines Teils einer wässrigen Methanollösung, welcher nicht an einer Reaktion teilgenommen hat, sowie von erzeugtem Kohlendioxidgas. Die Ionenaustauschmembran 112 ist an ihrem unteren Abschnitt versehen mit einem Auslassloch 112d für sauerstoffhaltiges Gas, einem Kühlwassereinlassloch 112e und einem Brennstoffeinlassloch 112f zum Einlassen einer Mischlösung aus Methanol und Wasser.
Eine erste Dichtung 130 und eine zweite Dichtung 132 sind an beiden Seiten der Brennstoffzelleneinheit 118 angeordnet. Die erste Dichtung 130 weist eine große Öffnung 134 zum Aufnehmen der Anode 116 auf und die zweite Dichtung 132 weist eine große Öffnung 136 zum Aufnehmen einer Kathode 118 auf. Die erste und zweite Dichtung 130, 132 sind an ihren oberen Abschnitten jeweils mit Einlasslöchern 130a bzw. 132a für sauerstoffhaltiges Gas, Kühlwasserauslasslöchern 130b bzw. 132b und Brennstoffauslasslöchern 130c bzw. 133c versehen. Die erste und die zweite Dichtung 130, 132 sind an ihren unteren Abschnitten jeweils mit Auslasslöchern 130d bzw. 132d für sauerstoffhaltiges Gas, Kühlwassereinlasslöchern 130e bzw. 132e und Brennstoffeinlasslöchern 130f bzw. 132f versehen.
Der Separator 120 umfasst einen an einer Seite der Anode 116 gelegenen ersten Separatorabschnitt 140, einen an einer Seite der Kathode 114 gelegenen zweiten Separatorabschnitt 142 und eine zwischen dem ersten und dem zweiten Separatorabschnitt 140, 142 angeordnete Trennplatte 144.
Eine erste Verteilerplatte 146, mit welcher der ersten Separatorabschnitt 140 konstruiert ist, ist aus einer rechteckigen flachen Platte mit einer durch ihr Zentrum geführten großen Öffnung 148 zusammengesetzt. Die erste Verteilerplatte 146 ist an ihrem oberen Abschnitt mit einem Einlassloch 146a für sauerstoffhaltiges Gas, einem Kühlwasserauslassloch 146b und einem Brennstoffauslassloch 146c versehen. Die erste Verteilerplatte 146 ist an ihrem unteren Abschnitt mit einem Auslassloch 146d für sauerstoffhaltiges Gas, einem Kühlwassereinlassloch 146e und einem Brennstoffeinlassloch 146f versehen. Die Löcher 146c, 146f der ersten Verteilerplatte 146 stehen durch die Öffnung 148 und Ausnehmungen 147a, 147b, welche an zueinander verschiedenen Seiten der ersten Verteilerplatte 146 bereitgestellt sind, miteinander in Verbindung (siehe 14, 15 und 16).
Eine Strömungseinstellplatte für wässrige Methanollösung (anodenseitiges Elementarbauteil) 150 ist an der Öffnung 148 der ersten Verteilerplatte 146 angebracht. Die Strömungseinstellplatte 150 für wässrige Methanollösung weist eine erste Fläche auf, welche flach ist, und eine zweite Fläche, an welcher Brennstoffauslasskanäle 150a ausgebildet sind. Die Brennstoffauslasskanäle 150 erstrecken sich parallel in Richtung der Schwerkraft (vertikale Richtung). Das Loch 146c steht über die Ausnehmung 147a in Verbindung mit den Kanälen 150a. Die Mischlösung aus Methanol und Wasser wird einem Kanal (welcher später beschrieben wird) zugeführt, welcher auf der Seite der flachen Fläche der Strömungseinstellplatte 150 für wässrige Methanollösung ausgebildet ist, die aus einem porösen leitfähigen Material ausgebildet ist, um die Mischlösung aus Methanol und Wasser der Anode 116 entsprechend einer Permeation zuzuführen. Genauer gesagt ist die Strömungseinstellplatte 150 für wässrige Methanollösung aus einem porösen Kohlenstoffmaterial wie aus einem gesinterten porösen Kohlenstoffmaterial zusammengesetzt. Wenn die Strömungseinstellplatte 150 für wässrige Methanollösung aus dem gesinterten porösen Kohlenstoffmaterial gebildet ist, so weist sie vorzugsweise eine solche Porosität auf, dass ihre Porigkeit nicht mehr als 70% beträgt und ihr Porendurchmesser nicht mehr als 40 μm beträgt, um Tropfen von Wasser zu vermeiden.
Vorzugsweise ist die Strömungseinstellplatte 150 für wässrige Methanollösung aus einem porösen Material zusammengesetzt, welches einer Wasserabweisungsbehandlung unterzogen wurde, um die Haltbarkeit zu verbessern. Die Wasserabweisungsbehandlung wird durchgeführt, indem beispielsweise die Strömungseinstellplatte 150 für wässrige Methanollösung in eine Dispersionslösung von PTFE (Polytetrafluorethylen) eingetaucht wird, welche auf eine vorbestimmte Konzentration eingestellt ist, und sie dann bei Zimmertemperatur getrocknet wird, woraufhin sie bei 300 bis 380°C beheizt wird.
Der zweite Separatorabschnitt 142 ist in derselben Weise aufgebaut wie der oben beschriebene erste Separatorabschnitt 140 und umfasst eine erste Verteilerplatte 152 und eine Strömungseinstellplatte für sauerstoffhaltiges Gas (kathodenseitiges Elementarbauteil) 156, um an eine Öffnung 154 der zweiten Verteilerplatte 152 zu passen.
Die zweite Verteilerplatte 152 ist an ihrem oberen Abschnitt mit einem Einlassloch 152a für sauerstoffhaltiges Gas, einem Kühlwasserauslassloch 152b und einem Brennstoffauslassloch 152c versehen. Die zweite Verteilerplatte 152 ist an ihrem unteren Abschnitt mit einem Auslassloch 152d für sauerstoffhaltiges Gas, einem Kühlwassereinlassloch 152e und einem Brennstoffeinlassloch 152f versehen. Die Löcher 152a, 152d stehen mit der Öffnung 154 über Ausnehmungen 158a, 158b in Verbindung, welche an einer Flächenseite der zweiten Verteilerplatte 152 bereitgestellt sind (siehe 14, 15 und 17). Die Löcher 152b, 152e stehen mit der Öffnung 154 über Ausnehmungen 158c, 158d in Verbindung (siehe 16).
Die Strömungseinstellplatte 156 für sauerstoffhaltiges Gas weist eine erste Fläche auf, welche flach ist, und weist eine zweite Fläche auf, an welcher Kanäle 156a ausgebildet sind. Das sauerstoffhaltige Gas schlängelt sich durch die Kanäle 156a in vertikaler Richtung. Die Strömungseinstellplatte 156 für sauerstoffhaltiges Gas ist aus einem dichten Material, genauer aus graffitisiertem Kohlenstoff, aus rostfreiem Stahl, aus einem leitfähigen Metall, welches eine Korrosionsfestigkeit wie eine Nickellegierung umfasst, einschließlich beispielsweise einer Nickellegierung, aus leitfähigem Gummi/Kautschuk oder aus einem leitfähigen Harz zusammengesetzt.
Die Trennplatte 144 ist zusammengesetzt aus dichtem und leitfähigem graffitisiertem Kohlenstoff, rostfreiem Stahl, einem leitfähigen Metall mit einer Korrosionsfestigkeit wie eine Nickellegierung, einem leitfähigen Gummi/Kautschuk, einem leitfähigen Harz oder aus einem aus einer Kombination der vorstehenden Materialien erhaltenen Material. Die Trennplatte 144 ist an ihrem oberen Abschnitt mit einem Einlassloch 144a für sauerstoffhaltiges Gas, einem Kühlwasserauslassloch 144b und einem Brennstoffauslassloch 144c versehen. Die Trennplatte 144 ist an ihrem unteren Abschnitt mit einem Auslassloch 144d für sauerstoffhaltiges Gas, einem Kühlwassereinlassloch 144e und einem Brennstoffeinlassloch 144f versehen.
Wie in 15 gezeigt ist, weist der Separator 120 einen ersten Kanal 160 auf, um die Mischlösung aus Methanol und Wasser in diesen einzulassen, wobei der erste Kanal 160 zwischen der Trennplatte 144 und der Seite der flachen Fläche der Strömungseinstellplatte 150 für wässrige Methanollösung ausgebildet ist. Wie in 16 gezeigt, ist der zweite Kanal 162 zum Einlassen von Kühlwasser zum Kühlen der Kathode 114 zwischen der Trennplatte 144 und der Seite der flachen Fläche der Strömungseinstellplatte 156 für sauerstoffhaltiges Gas vorgesehen.
Die Funktionsweise der wie oben beschrieben konstruierten Brennstoffzelle 110 wird nachfolgend erläutert.
Wie in 12 gezeigt ist, wird Methanol von einem Methanolbehälter 85 unter der Wirkung einer Pumpe 87 einem Zuleitungskanal 89 zugeführt. Wasser wird von einem Wasserbehälter 86 unter der Wirkung einer Pumpe 88 dem Zuleitungskanal 89 zugeleitet. Entsprechend tritt die Mischlösung aus Methanol und Wasser durch den Zuleitungskanal 89 und gelangt durch das Loch 146f der ersten Verteilerplatte 146, mit welcher der erste Separatorabschnitt 140 in der Brennstoffzelle 110 konstruiert ist, sowie die Löcher 130f, 112f, 132f der Brennstoffzelleneinheit 118 zu dem Loch 152f der zweiten Verteilerplatte 152, mit welcher der zweite Separatorabschnitt 142 konstruiert ist.
Wie in 15 gezeigt ist, tritt die Mischlösung durch das Loch 146f und die Ausnehmung 147b der ersten Verteilerplatte 146 und wird in den ersten Kanal 160 eingelassen, welcher zwischen der Trennplatte 144 und der Strömungseinstellplatte 150 für wässrige Methanollösung gebildet ist. In dieser Ausführungsform ist die Strömungseinstellplatte 150 für wässrige Methanollösung aus dem porösen leitfähigen Material gebildet. Die in den ersten Kanal 160 eingelassene Mischlösung durchdringt daher die Strömungseinstellplatte 150 für wässrige Methanollösung und erreicht den Kanal 150a. Die Mischlösung aus Wasser und Methanol als Brennstoff wird somit der Anode 116 zugeführt.
Andererseits wird Luft als das sauerstoffhaltige Gas von außen durch einen Filter 97 unter der Wirkung eines Gebläses (oder eines Kompressors) 98 zugeführt. Die Luft wird durch eine Kühleinheit 99 gekühlt und wird dann in die Brennstoffzelle 110 eingelassen. Die Luft wird dem Loch 152a der zweiten Verteilerplatte 152, welche den zweiten Separatorabschnitt 142 bildet, über das Loch 146a der ersten Verteilerplatte 146 und die Löcher 130a, 112a, 132a der Brennstoffzelleneinheit 118 zugeleitet.
Wie in 15 gezeigt ist, wird die dem Loch 152a zugeleitete Luft durch die Ausnehmung 158a in die Kanäle 156a der Strömungseinstellplatte 156 für sauerstoffhaltiges Gas eingelassen und strömt entlang der Kanäle 156a. Die Luft wird somit der Kathode 114 zugeführt, mit welcher die Brennstoffzelleneinheit 118 konstruiert ist. Wie in 17 gezeigt ist, wird ein nicht verwendeter Teil der Luft durch das Loch 146d der ersten Verteilerplatte 146 usw. nach außen aus der Brennstoffzelle 110 ausgelassen. Ausgelassene Luft wird durch eine Kühleinrichtung 100 gekühlt, um Wasser zu entziehen, und wird dann durch ein Rückschlagventil 102 nach außen ausgestoßen (siehe 12).
Wie in 16 zu sehen ist, tritt Kühlwasser durch das Loch 146e des ersten Separatorabschnitt 140 und durch die Löcher 130e, 112e, 132e der Brennstoffzelleneinheit 118 und erreicht das Loch 152e des zweiten Separatorabschnitts 142. Das Kühlwasser tritt durch die Ausnehmung 158d, welche mit dem Loch 152e in Verbindung steht, und wird in den zweiten Kanal 162 eingelassen, welcher zwischen der Trennplatte 144 und der Strömungseinstellplatte 156 für sauerstoffhaltiges Gas ausgebildet ist. Das Kühlwasser strömt somit durch den zweiten Kanal 162 vom Boden zur Oberseite.
An der Anode 116 reagiert Methanol mit Wasser an einem in der Elektrode enthaltenen Elektrodenkatalysator, um Kohlendioxidgas und ein Wasserstoffion zu erzeugen, wie in Formel (1) gezeigt ist.
Das wie oben beschrieben erzeugte Wasserstoffion diffundiert und bewegt sich durch die Ionenaustauschmembran 112 in Richtung zur Kathode 114. An der Kathode 114 reagiert das Wasserstoffion mit Sauerstoff der Luft, um Wasser zu erzeugen, wie in der Formel (2) gezeigt ist.
Was die der Anode 116 zugeführte wässrige Methanollösung betrifft, so werden Methanol und Wasser, welche nicht an einer Reaktion teilgenommen haben, zusammen mit erzeugtem Kohlendioxidgas (Kohlensäuregas) durch die Ausnehmung 147a des ersten Separatorabschnitts 140, wie in 17 gezeigt, dem Loch 146c zugeleitet und werden durch die Löcher 144c, 152c, 132c, 112c, 130c usw., welche in Verbindung mit dem Loch 146c stehen, in einen Speicherbehälter 90 für wässrige Methanollösung eingelassen.
Kohlendioxidgas, welches in der wässrigen Methanollösung koexistiert, wird in den Speicherbehälter 90 für wässrige Methanollösung abgezogen. Die wässrige Methanollösung, aus welcher Kohlendioxidgas entfernt worden ist, wird durch eine Pumpe 94 dem Zuleitungskanal 89 zugeführt. Dementsprechend wird der nicht an einer Reaktion beteiligte Anteil der wässrigen Methanollösung der Brennstoffzelle 110 zur Wiederverwendung zugeführt, was es ermöglicht, die wässrige Methanollösung effizient auszunutzen.
In dieser Ausführungsform ist die Strömungseinstellplatte für wässrige Methanollösung 150 aus dem porösen leitfähigen Material zusammengesetzt und die Mischlösung aus Methanol und Wasser wird in den ersten Kanal 160 eingelassen, welcher an der Seite der flachen Fläche der Strömungseinstellplatte 150 für wässrige Methanollösung ausgebildet ist. Dementsprechend durchdringt die Mischlösung die Strömungseinstellplatte 150 für wässrige Methanollösung und wird der gesamten Betriebsfläche der Anode 116 im Wesentlichen gleichzeitig zugeleitet. Daher kann die wässrige Methanollösung, verglichen mit der herkömmlichen Brennstoffzelle, in welcher es der wässrigen Methanollösung ermöglicht wird, entlang eines zwischen der Anode 116 und der Strömungseinstellplatte 150 für wässrige Methanollösung gebildeten Kanals zu strömen, der gesamten Betriebsfläche der Anode bei einer gleichmäßigen Konzentration ohne irgendwelche Änderungen der Konzentration stabil zugeführt werden. Dementsprechend kann die wässrige Methanollösung unter Verwendung eines einfachen Systems der gesamten Anode 116 in einer korrekten Menge zugeleitet werden. Es wird daher die Wirkung erhalten, dass die Energieerzeugungsleistung der gesamten Brennstoffzelle 110 effektiv verbessert wird.
Ein erster und ein zweiter Konzentrationssensor 95, 96 zum Erfassen der Konzentration der wässrigen Methanollösung sind an einer Seite stromabwärts des Zuleitungskanals 89 bzw. an einer unteren Endseite des Speicherbehälters 90 für wässrige Methanollösung angeordnet. Man erzielt damit den Vorteil, dass die wässrige Methanollösung der Brennstoffzelle 110 stets bei einer optimalen Konzentration zuverlässig zugeleitet werden kann.
Die Kanäle 150a, welche parallel in Richtung der Schwerkraft verlaufen, sind an der Strömungseinstellplatte 150 für wässrige Methanollösung an derjenigen Flächenseite ausgebildet, welche in Kontakt mit der Anode 116 ist. An der Anode 116 erzeugtes Kohlendioxidgas kann somit problemlos nach oben ausgelassen werden und es verbleibt kein Kohlendioxidgas in der Nähe der Anode 116.
Wenn bei der direkten Methanol-Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung die Mischlösung aus Methanol und Wasser in den Kanal eingelassen wird, welcher an der Rückseitenfläche des aus dem porösen leitfähigen Material gebildeten anodenseitigen Elementarbauteils bereitgestellt ist, so durchdringt die Mischlösung das anodenseitige Elementarbauteil und wird der Anode zugeleitet. Dementsprechend kann die wässrige Methanollösung der gesamten Betriebsfläche der Anode mit einer gleichmäßigen Konzentration stabil zugeleitet werden. Die wässrige Methanollösung kann somit der gesamten Anode in korrekter Menge zuverlässig zugeleitet werden. Dementsprechend wird die Energieerzeugungsleistung der Brennstoffzelle effektiv verbessert.

Claims

Direkte Methanol-Brennstoffzelle, umfassend: wenigstens eine Brennstoffzelleneinheit (118), welche eine Anode (116) und eine Kathode (114) umfasst, die sich gegenüberliegend bereitgestellt sind, wobei zwischen ihnen eine Ionenaustauschmembran (112) angeordnet ist, sowie eine Mehrzahl von Separatoren umfasst, um die Brennstoffzelleneinheit (118) dazwischen aufzunehmen, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Separatoren umfasst: kathodenseitige und anodenseitige Elementarbauteile (156, 150), welche durch eine Trennplatte (144) voneinander separiert sind, wobei das anodenseitige Elementarbauteil eine erste Fläche aufweist, welche mit der Anode in Kontakt ist und mit der Anode einen ersten Kanal (150a) definiert, und eine zweite, der ersten Fläche gegenüberliegende Fläche aufweist, welche zusammen mit der Trennplatte einen zweiten Kanal (160) zum Einbringen einer Mischlösung aus Methanol und Wasser definiert, und wobei das anodenseitige Elementarbauteil aus einem porösen, leitfähigen Material gebildet ist, um die in den zweiten Kanal eingebrachte Mischlösung über Permeation durch das anodenseitige Elementarbauteil der Anode zuzuführen.
Direkte Methanol-Brennstoffzelle nach Anspruch 1, in welcher das anodenseitige Elementarbauteil (150) aus einem porösen Kohlenstoffmaterial zusammengesetzt ist.
Direkte Methanol-Brennstoffzelle nach Anspruch 2, in welcher das aus dem porösen Kohlenstoffmaterial zusammengesetzte Elementarbauteil (150) einer Wasserabweisungsbehandlung unterzogen worden ist.
Direkte Methanol-Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, in welcher das kathodenseitige Elementarbauteil (156) aus einem dichten Material zusammengesetzt ist.
Direkte Methanol-Brennstoffzelle nach Anspruch 4, in welcher das kathodenseitige Elementarbauteil (156) aus irgendeinem Material, ausgewählt aus leitfähigem Metall, leitfähigem Gummi/Kautschuk, leitfähigem Harz, graphitisiertem Kohlenstoff, rostfreiem Stahl oder einer Nickellegierung, zusammengesetzt ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, in welcher das anodenseitige Elementarbauteil (150) in einem ersten Rahmen (146) angeordnet ist und das kathodenseitige Elementarbauteil in einem zweiten Rahmen (152) angeordnet ist.