JP4121491B2 - 液体燃料混合装置及びこれを適用した直接液体燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は液体燃料混合装置及びこれを適用した直接液体燃料電池に係り、さらに詳細には微細気孔を有する透過膜を通じて液体燃料を水または希釈された液体燃料溶液で前記液体燃料を透過させて水と液体燃料とを混合させる液体燃料混合装置及びこれを適用した直接液体燃料電池に関する。

直接液体燃料電池は、メタノール、エタノールなどの有機化合物燃料と酸化剤である酸素との電気化学反応によって電気を生成する発電装置であってエネルギー密度及び電力密度が非常に高く、メタノールなど液体燃料を直接使用するため、燃料改質器など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に示されたように、アノード電極２とカソード電極３間に電解質膜１が介在されている構造を有する。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と燃料の酸化／還元反応が起こる触媒層２１，３１、そして電極支持体２３，３３を揃える。電極反応のための触媒は、低温でも優秀な特性を有する白金のような貴金属触媒が使用されて反応副生成物である一酸化炭素による触媒被毒現象を防止するためにルテニウム、ロジウム、オスミウム、ニッケルのような転移金属の合金触媒が使われる。電極支持体は、炭素紙、炭素クロスが使われ、燃料の供給と反応生成物の排出とが容易になるように撥水処理して使用する。電解質膜は、厚さが５０〜２００μｍである高分子膜であって水分を含有し、イオン伝導性を有する水素イオン交換膜が使われる。

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（Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ、以下ＤＭＦＣ）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の還元によるカソード反応とより構成され、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（全体反応）

酸化反応（反応式１）が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）が起こるカソード電極３では、水素イオンと外部回路を通じて伝えられた電子そして酸素間の反応によって水が生成される。したがって、ＤＭＦＣ全体反応（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となる。

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以下となり、実際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こるために０.４〜０.６Ｖほどとなる。したがって、所望の容量の電圧を得るためには数枚の単位セルを直列に連結しなければならない。スタックは、数枚の単位セルが積層され、積層された単位セルが電気的に直列連結されたものである。単位セル間には導電性プレート（通常、バイポーラプレートという）が介在されて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として電気伝導性と機械的強度とが優秀でかつ加工性が良好な黒鉛ブロックが主に適用され、メタルまたは伝導性高分子が含まれている複合材料によるブロックも適用される。バイポーラプレートの表面にはアノードとカソードに燃料と空気を独立的に供給するために流路（チャンネル）が形成されている。スタックの中間に位置するバイポーラプレートの両面に空気供給チャンネル及び燃料供給チャンネルがそれぞれ形成されており、スタックの端部に位置するバイポーラプレート（この場合、さらに正確にはモノポーラプレートという）には空気供給チャンネルまたは燃料供給チャンネルが形成されている。

図２に示されたように、空気供給チャンネル及び燃料供給チャンネル９１の各形態は、導電性プレート９の表面全体にわたって空気または燃料が流動できるように一列及び平行またはサーペンタイン状を有する。図２では、サーペンタイン状のチャンネル９１を示し、９１ａは燃料または空気の流入口であり、９１ｂはその出口である。

前記のような電池またはスタックに燃料を供給するための燃料供給装置には、燃料を保存する燃料タンクと、液体燃料を燃料タンクから電池またはスタックに燃料を給送するための燃料ポンプと、酸化剤である空気を供給するためのコンプレッサまたは空気ポンプと、を含む。

理論的に、液体燃料であるメタノールは、反応式１のように水と１：１モル（Ｍ）比で反応するため、メタノール１Ｍと水１Ｍとの混合液（約６４ｗｔ.％のメタノール）を使用できるが、このように１：１（メタノール：水）の高濃度燃料を使用する場合、電解質として使われる高分子膜（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）による発電性能の減少が大きいため、一般的に２〜５Ｍ（６〜１６ｗｔ.％）の低濃度メタノールを使用する。低濃度のメタノールを使用する場合、同じ燃料体積でメタノールが占める比率が小さいため、燃料のエネルギー量が顕著に少なくなり、したがって、高いエネルギーの発電のためには燃料ポンプに燃料を多量にスタックに供給しなければならない。

図３は、メタノールと水とが混合された混合燃料のスタックに対する供給及び回収構造を示す従来の典型的な直接液体燃料電池システムの混合燃料循環回路を示す図面である。

図３を参照すれば、スタック４の内部カソード（電極）側に還元反応のための空気が供給され、またカソードから使われた空気は再び外部に排出される。そして、液体燃料、例えばメタノール及び水の混合燃料が混合燃料タンク５から燃料ポンプ６によってスタック４の内部のアノード（電極）側に供給され、そして使用後に未反応の燃料は再びアノード（電極）から混合燃料タンク５に復帰させる。

このようにメタノールと水とが混合された状態でスタックに供給され、再び燃料タンクに復帰する循環供給構造によれば、スタックの内部から混合燃料のうちメタノールが酸化反応によって消耗及び還元反応によって水が発生することによって、スタックの内部で混合燃料内のメタノール濃度が低下し、この状態で燃料タンクに復帰して燃料タンク内の混合燃料をさらに希釈させる。このような混合燃料のうちメタノールの消耗及び水の増加は、結果的に発電効率を低下させる。このように希釈された濃度のメタノールを使用する図３に示されたようなシステムは、混合燃料タンクのサイズによってメタノールの保存容量が制限されるだけでなく、メタノールが希釈された状態であるために長時間の発電が難しいという欠点を有している。

このような点を補完するためにメタノールと水を別途に保存し、これを混合器で混合した後にスタックに供給する方式が提案され、このような方式に関する一例が特許文献１に開示されている。

図４は、前記のようにメタノールと水とが別途に保存される直接液体燃料電池システムの混合燃料循環回路を示す図面である。

図４を参照すれば、スタック４の内部カソード側に還元反応のための空気が供給され、カソードから使われた空気は再び外部に排出され、この時に空気中に含まれた反応副産物としての水は回収されて水タンク６に送られる。一方、メタノールタンク７には高濃度または純粋メタノールが保存される。

燃料として使われる水及びメタノールは、別途のタンク６，７に保存され、水及びメタノールは各ポンプＰによって燃料混合器８に供給され、ここで、水とメタノールが混合された後にスタック４のアノード側に送られる。

この方式は、水とメタノールとが別途のタンクに保存されるために使われる水の体積を大きく減らすことができ、一方、メタノールの体積を増大させることができるので長時間の発電が可能である。しかし、別途に保存されたメタノールと水とを混合するための燃料混合器が追加的に必要であるという欠点を有している。また、混合された状態の燃料の供給及び回収過程を反復する循環構造で使用する場合、未反応のメタノールと水との相互分離が難しく、一旦混合された燃料は、図３に示された従来の電池システムのように混合された状態で循環しなければならず、したがって、混合燃料の循環による欠点を依然として有している。

一方、特許文献２にはメタノール測定センサーを使用してメタノールと水とを混合器でのメタノール濃度を測定することによって水とメタノールとの比率を調節するシステムが開示されている。

しかし、メタノールセンサーを採用した燃料電池システムは、数百ワット以上の中、大型燃料電池システムで適用されるが、小型燃料電池システムにメタノールセンサーを適用する時に燃料電池システムの重量と体積とが増加するという問題がある。
米国特許第６,３０３,２４４号公報 米国特許第６,３０６,２８５号公報

本発明は前記従来の技術の問題点を改善するために創出されたものであって、別途のメタノール濃度センサーを使用せずに回収される液体燃料及び水と高濃度の液体燃料とを混合する液体燃料混合装置及びこれを適用した直接液体燃料電池装置を提供するところにその目的がある。

また、本発明は従来の同等燃料体積の燃料電池に比べてさらにすぐれた発電能力を有する直接液体燃料電池装置を提供するところにその他の目的がある。

前記目的を達成するために、本発明の液体燃料混合装置は、直接液体燃料電池に供給される液体燃料を混合する燃料混合装置において、液体燃料タンク及び水タンクと、前記液体燃料タンクの液体燃料に接触するように配置されて前記液体燃料タンク内の液体燃料を前記水タンクから供給された液体に混合する液体燃料混合器と、を備え、前記液体燃料混合器は、前記水タンクから供給される液体を流動させるウォーターチャンネルと、前記ウォーターチャンネルで前記ウォーターチャンネルの液体と接触する時に前記液体燃料を前記ウォーターチャンネルに透過させて前記液体は前記液体燃料タンクに透過させない液体燃料透過膜と、を備える。

本発明の一実施形態によれば、前記ウォーターチャンネルが前記液体燃料タンクの下部に形成される。

前記液体燃料透過膜及び前記液体燃料タンクの前記液体燃料間にウィッキング部材をさらに備えることが望ましい。

本発明の他の実施形態によれば、前記ウォーターチャンネルが前記液体燃料タンクの一側面に垂直に形成される。

また、前記液体燃料タンクで前記液体燃料が保存される領域の底部には所定傾斜度で傾斜板がさらに配置される。

前記ウォーターチャンネルは、サーペンタイン状の流路を備えることが望ましい。

前記液体燃料タンク及び前記水タンクには埃の流入を防止するフィルタがそれぞれ配置されることが望ましい。

また、前記ウォーターチャンネルの出口に連結されたフィーディングポンプをさらに備えることが望ましい。

前記目的を達成するために本発明による直接液体燃料電池装置の第１類型は、第１面及び第２面を有する電解質膜と、前記第１面に配置されたアノード電極と前記第２面に配置されたカソード電極とを備えるＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と、前記ＭＥＡのアノード電極に接触するものであってアノード電極に供給される液体燃料が流動する流路チャンネルが形成された第１導電性プレートと、前記ＭＥＡのカソード電極に空気を供給する第２導電性プレートと、液体燃料タンク及び水タンクと、前記液体燃料タンクの液体燃料に接触するように配置されて前記液体燃料タンク内の液体燃料を前記水タンクから供給された液体に混合して前記流路チャンネルに供給する液体燃料混合器と、を備え、前記液体燃料混合器は、前記水タンクからの液体を流動させるウォーターチャンネルと、前記ウォーターチャンネルで前記ウォーターチャンネルの液体と接触する時に前記液体燃料を前記ウォーターチャンネルに透過させ、前記液体は前記液体燃料タンクに透過させない液体燃料透過膜と、を備える。

前記流路チャンネルと、前記水タンク及び前記燃料混合器は液体燃料が循環する循環経路に連結され、前記第２導電性プレートを通過した空気及び生成された水は前記水タンクに回収されることが望ましい。

前記目的を達成するために本発明による直接液体燃料電池装置の第２類型は、第１面及び第２面を有する電解質膜と、前記第１面に設けられたアノード電極と前記第２面に設けられたカソード電極とを揃えた少なくとも二つのＭＥＡによるスタックと、前記スタックの中間に介在されて隣接した一つのＭＥＡのアノード電極及び他のＭＥＡのカソード電極に接触する少なくとも一つの導電性中間プレートと、前記スタックの両側端部にそれぞれ設けられて対向するＭＥＡに接触する導電性エンドプレートと、各電極と接触するプレートの内面に形成されて供給される燃料が流動される流路チャンネルと、前記スタックから垂直に貫通して前記流路チャンネルに該当する燃料を供給または排出するラインを形成する多数の燃料出入り孔と、液体燃料タンク及び水タンクと、前記液体燃料タンクの液体燃料に接触するように配置されて前記液体燃料タンク内の液体燃料を前記水タンクから供給された液体に混合して前記燃料出入り孔を通じて前記アノード電極と接触するプレートに形成された流路チャンネルに供給する液体燃料混合器と、を備え、前記液体燃料混合器は、前記水タンクからの液体を流動させるウォーターチャンネルと、前記ウォーターチャンネルで前記液体燃料を前記ウォーターチャンネルに透過させて前記液体は前記燃料タンクに透過させない液体燃料透過膜と、を備える。

また、前記アノード電極と連結された燃料出入り孔と、前記水タンク及び前記液体燃料混合器は液体燃料が循環する循環経路に連結され、前記カソード電極と連結された燃料出入り孔を通過した空気及び生成された水は、前記水タンクに回収されることが望ましい。

本願発明によれば、直接液体電池スタックに高いエネルギー密度の液体燃料が保存できて発電時間の延長が可能であり、１台のフィーディングポンプのみ使用し、高コストのメタノールセンサーを使用しないので、燃料電池の製造コストを節減でき、小型の直接液体燃料電池の製作も可能になる。

以下、添付された図面を参照しつつ本発明による直接液体燃料電池の燃料供給方法及びこれを適用した直接液体燃料電池装置の望ましい実施形態を詳細に説明する。

図５は、本発明の第１実施形態による燃料電池システムの直接メタノール電池装置の概略的な構成を示す図面であり、図６は、図５のメタノール混合装置を概略的に示す図面である。

まず、図６を参照すれば、純粋メタノールが保存されたメタノール燃料タンク２１０の下部に水が通過するウォーターチャンネル２１５が形成されており、ウォーターチャンネル２１５の上部にはウォーターチャンネル２１５を通過する水と接触するように透過膜２１４、例えば、デュポン社のＮＡＦＩＯＮ（登録商標）を使用するか、またはＵＦ（Ｕｌｔｒａ−Ｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ）メンブレンが配置されている。そして、透過膜２１４の上部にはウィッキング部材、例えば、所定厚さの多孔性フォームであるスポンジ２１２が配置され、スポンジ２１２の上部には純粋メタノールが保存される。

前記ウォーターチャンネル２１５は、図２に示されたように、一面にサーペンタイン状に形成されている。

メタノール燃料タンク２１０のメタノールは、表面張力が小さくて透過膜２１４を容易に通過するが、水は表面張力が大きいので、透過膜２１４を通過できない。すなわち、メタノールがウォーターチャンネル２１５を通過する水に染み込む。

ウォーターチャンネル２１５の一側に所定流量で水を流入させれば、この水はウォーターチャンネル２１５に沿って流れつつ透過膜２１４から染み出るメタノールと共に移動する。すなわち、メタノールの下部のウォーターチャンネル２１５と、透過膜２１４及びスポンジ２１２は水とメタノールとの燃料混合器２１１を形成する。

図５を参照すれば、一つの電解質膜１１０の両面にアノード電極１２０及びカソード電極１３０が形成された一般的な構造を有するＭＥＡに対する空気及び液体燃料（メタノール）の供給構造を概略的に示す。

本発明の液体燃料のメタノールは、前述したように燃料タンク２１０の下部の燃料混合器２１１のウォーターチャンネル２１５を通過する時にメタノールと水とが混合された状態で循環経路２１８を通じて直接液体燃料電池１００のアノード電極１２０側の液体燃料供給部１４０に供給される。そして、空気はコンプレッサ２３０またはエアポンプからカソード電極１３０に接した空気供給部１５０を通じてエアーがカソード電極１３０に供給される。

前記のような液体燃料部１４０及び空気供給部１５０は、導電性プレート、例えばバイポーラプレートに形成された流路チャンネルに設けられる。前記液体燃料供給部１４０を通過した残りの液体燃料は、水タンク２２０を経由する循環経路２１８に連結される。

循環経路２１８上にはフィーディングポンプ２１６が設けられており、したがって、循環経路２１８を通じてメタノールと水とが混合されて循環される。循環過程中でメタノール濃度は漸進的に上昇する。空気供給部１５０側からの反応副生成物の排出経路２３１を通じて排出される反応生成物のうち水は回収されて前記循環経路２１８を通じてまたは水タンク２２０に直接回収される。図５では、前記排出経路２３１が前記循環経路２１８に連結されていることが示されている。これは、理解を助けるためのものであって例示的なものに過ぎない。

本発明の燃料供給装置において、液体燃料タンク２１０には純粋または高濃度の液体燃料、例えばメタノールが保存され、このメタノールは循環経路２１８を通じて循環する。一方、本発明によれば、水タンク２２０が燃料タンク２１０に比べて相対的に小さなサイズに形成されうる。これは、すべての水が外部から供給されるものではなく、カソード電極から発生した多量の水を回収してこれをアノード電極反応に使用するためである。したがって、水タンク２２０内の水に対比して多量のメタノールを保存して使用するため、燃料電池システムの長期間の使用が可能になる。そして、アノード電極に対する混合燃料の濃度調節は、循環経路を通過する流量調節、すなわち、フィーディングポンプの給送量の調節を通じてなされうる。

前記実施形態では一つのＭＥＡによる燃料電池装置を記述したが、本発明は多数のＭＥＡが積層された燃料スタック電池にも適用されうる。

図７は、本発明の燃料混合装置が適用される燃料スタック電池の概略的な構成図を示す図面である。

図７を参照すれば、燃料スタック電池には電解質膜１１０を中央としてその両側にアノード電極１２０及びカソード電極１３０が設けられた多数のＭＥＡが電気的に順方向に配置されており、各ＭＥＡの間に中間導電性プレート１６０が介在されている。この中間導電性プレート１６０はバイポーラプレートに該当する。そして、前記スタックの上下に導電性エンドプレート１６１，１６２が位置する。前記導電性エンドプレート１６１，１６２はそれぞれＭＥＡに接触する面にのみ流路チャンネル１４３，１５３が形成されており、その他には中間導電性プレート１６０と実質的に同じ構造を有する。すなわち、一側（図面で上端側の）導電性エンドプレート１６１の内面に液体燃料流路チャンネル１４３が形成され、他側（図面で下端側の）導電性エンドプレート１６２の内面に空気流路チャンネル１５３が形成されている。そして、前記導電性エンドプレート１６１，１６２の外面に電流集電板１７１，１７２が位置する。

前記ＭＥＡ及びこれらの間の中間導電性プレート１６０、及びスタックの上下の導電性エンドプレート１６１，１６２は両固定用エンドプレート１８１，１８２によって相互固定される。

そして、前記スタックには垂直方向への多数の貫通孔である燃料出入り孔１４５，１５５が形成され、各燃料出入り孔１４５，１５５には混合液体燃料または空気が区別されて入り込んでそれぞれ流路チャンネル１４３，１５３を通過した後、未反応の燃料（液体燃料または空気）と反応生成物である水、ＣＯ_２がそれぞれ燃料出入り孔（図示せず）を通じて排出される。図７には、混合燃料が入る燃料出入り孔１４５と、エアーが入る燃料出入り孔１５５のみ図示した。適切な流路を形成するために流動遮断のためのガスケット１４１が必要な部分に適用されるが、このような流路形成構造は一般的な技術であるので、ここで具体的に説明されない。

前記のようなスタック構造の燃料出入り孔１４５，１５５に図５及び図６に示された循環経路２１８及び排出経路２３１を連結しうる。

図８は、本発明の第２実施形態によるＤＭＦＣの概略的な構成を示す図面であり、図９は、図８のメタノール混合装置を概略的に示す図面であり、第１実施形態と同じ部材には同じ参照番号を使用し、ここで詳細な説明は省略する。

まず、図９を参照すれば、純粋メタノールが保存されたメタノール燃料タンク３１０の一側内面に水が通過するウォーターチャンネル３１５が形成されており、ウォーターチャンネル３１５の上部にはウォーターチャンネル３１５を通過する水と接触するように透過膜３１４、例えば、デュポン社のＮＡＦＩＯＮ（登録商標）を使用するか、またはＵＦメンブレンが配置されている。そして、透過膜３１４の上部にはウィッキング部材、例えば所定厚さの多孔性フォームであるスポンジ３１２が配置され、スポンジ３１２の上部には純粋メタノールが保存される。

前記ウォーターチャンネル３１５は、図２に示されたように、一面にサーペンタイン状に形成されている。

メタノール燃料タンク３１０のメタノールは、表面張力が小さくて透過膜３１４を容易に通過するが、水は表面張力が大きいので、透過膜３１４を通過できない。すなわち、メタノールがウォーターチャンネル３１５を通過する水に染み込む。

ウォーターチャンネル３１５の一側に所定流量で水を流入させれば、この水はウォーターチャンネル３１５に沿って流れつつ透過膜３１４から染み出るメタノールと共に移動する。すなわち、メタノールの下部のウォーターチャンネル３１５と、透過膜３１４及びスポンジ３１２は水とメタノールとの燃料混合器３１１を形成する。

３１９は傾斜板であって、燃料タンク３１０内のメタノールの使用効率を高める。

図８を参照すれば、水タンク２２０からフィーディングポンプ２１６によって水がウォーターチャンネル３１５に沿って流れる。この時、燃料タンク３１０内のメタノールはスポンジ３１２を濡らし、スポンジ３１２内のメタノールは透過膜３１４を通じてウォーターチャンネル３１５に流れる。ウォーターチャンネル３１５を通過した液体、すなわち、水と混合されたメタノールはアノード供給部１４０を通過しつつ一部はアノード電極１２０に吸収され、残りの未反応の希釈されたメタノールは循環経路２１８に沿って水タンク２２０に回収される。

一方、エアコンプレッサ２３０によって圧縮された空気は、カソード供給部１５０を通じてカソード電極１３０に酸素を供給し、カソード電極１３０から生成された水を、排出経路２３１を通じて循環経路２１８に送る。この水は水タンク２２０に回収される。

第２実施形態による燃料混合装置を備えた燃料電池システムで、水タンク２２０に回収される水に希釈されたメタノールが混合されている。したがって、水タンク２２０からウォーターチャンネル３１５に引き込まれる液体にはメタノールが混ざっているので、液体燃料の循環過程が反復すればするほど、ウォーターチャンネル３１５に引き込まれるメタノールの濃度が高まる。しかし、メタノール燃料タンク３１０内のメタノールが減少するにつれて、透過膜と接触するメタノールの水位が低くなり、したがってスポンジ３１２を通過してウォーターチャンネル３１５に入り込むメタノールの流量が減少する。したがって、ウォーターチャンネル３１５に引き込まれる液体のメタノール濃度は高まるが、透過膜３１４を通過するメタノール流量は減少するので、ウォーターチャンネル３１５を通過するメタノール濃度は一定のレベルに維持される。

図１０、図１１及び図１２は、本発明の第２実施形態に適用されるメタノールと水との混合装置を示す図である。

図１０を参照すれば、図の左側には水タンク２２０が配置されており、右側にはメタノールタンク３１０が配置されている。各タンク２２０，３１０の上部にはこれらタンクを大気圧と連通させて外部から引き込まれる埃をこすフィルタ２２０ａ，３１０ａが配置されている。一方、メタノールタンク３１０内には底部に傾斜板３１９が形成されている。この傾斜板３１９は、透過膜３１４から遠ざかる方向に上方に傾いている。この傾斜板３１９を使用すれば、メタノールタンク３１０内で燃料電池スタックに供給されるメタノールの量を最大に活用できる利点がある。

図１１を参照すれば、水タンク２２０の上部には二つのニップルが配置されている。第１ニップル２２１にはアノード電極１２０を通過する循環経路２１８が連結される。アノード電極を通過した循環経路２１８には希釈されたメタノール溶液とＣＯ_２ガスとが含まれている。第１ニップル２２１を通過したメタノール溶液及びＣＯ_２ガスは壁体に当接した後、メタノール溶液は水タンク２２０に流入され、ＣＯ_２ガスは上部に形成された排気口２２１ａを通じて大気中に排出される。この第１ニップル２２１及び排気口２２１ａはＣＯ_２セパレータを形成する。

一方、第２ニップル２２２にはカソード電極１３０を通過する排出経路２３１に連結される。カソード電極を通過したラインには水と空気とが含まれている。第２ニップル２２２を通過した水及びエアーは壁体にぶつかった後、水は水タンク２２０に流入され、空気は上部に形成された排気口２２２ａを通じて大気中に排出される。この第２ニップル２２２及び排気口２２２ａはエアセパレータを形成する。

図１２は、ウォーターチャンネル３１５の形状を示す図であって、第３ニップル３１８にはフィーディングポンプ２１６の吸入口が連結される。フィーディングポンプ２１６が稼動されれば、水タンク２２０内の水（希釈されたメタノール溶液）は水タンク２２０の下部に形成されたウォーターチャンネルの入口３１７から上方に上がった後、サーペンタイン状の流路を過ぎて第３ニップル３１８に流入される。この時、水が半透過性膜３１４に接触しつつメタノール溶液がウォーターチャンネル３１５内の流体に入り込みつつ第３ニップル３１８に流れる。

図１３は、２Ｍのメタノール溶液を燃料電池スタックに供給する時と、本発明による燃料混合装置を使用してメタノール溶液を燃料電池スタックに供給する時との燃料電池スタックの性能変化を示すグラフである。

図１３で見れば、一定の電圧で２Ｍメタノール溶液を供給する時に一定の電流密度を表し、本発明の第２実施形態による方法で混合されたメタノール溶液を供給する時にも、メタノールセンサーを使用せずとも一定の電流密度を示すことが分かる。

表１は、図１２の透過膜の面積が３.７ｃｍ^２である場合、ウォーターチャンネルに通過される流量を第３ニップルに連結されたフィーディングポンプで調節した時、ウォーターチャンネルを通過するメタノール透過量の変化を実験したデータであり、図１４は、表１のデータをプロットしたグラフである。

図１４及び表１を共に参照すれば、アノード供給部に供給される水の流束を変化させれば、透過性膜を通過するメタノールの流束が線形的に変わることが分かる。したがって、ウォーターチャンネルを流れる流束を調節すれば、メタノールの透過流束を調節できることが分かる。このような原理を利用すれば、ウォーターチャンネルを通過する流体のメタノール濃度を調節でき、特に本発明の第１実施形態に有用に利用できる。

前記のような本発明によれば、メタノール１Ｍ（約４０ｃｍ^３）が反応すれば、２Ｍ（約３６ｃｍ^３）の水が生成されるため（反応式３）、水の再循環効率が３０％以上になれば、水保存タンクの水の体積は一定量以上を維持しうる。したがって、水タンクの水の量を最少化させることが可能であるため、従来の技術に比べて同じ燃料体積（メタノール＋水）でエネルギー量（メタノール量）を大きく向上させる。

液体燃料を使用する直接液体燃料電池は、燃料の取扱いが容易であり、ガスに比べて同じ体積で多量のエネルギーが得られるという長所がある。しかし、固体電解質膜でのクロスオーバーによる性能低下によって低濃度の液体燃料を使用することは同じ燃料体積でエネルギー密度と効率とを大きく低下させる。エネルギー密度を向上させるためには、高濃度の液体燃料を使用してスタックから排出される未反応混合液（液体燃料＋水）を再使用しなければならない。

本発明では低濃度の液体燃料＋水混合液とカソードから生成される水とを共に再循環して使用することによって、初期に使われる水の体積を大きく減らせ、同じ体積内に多量のエネルギーを保存させてエネルギー密度を大きく向上させる効果をもたらす。

実際に、１Ｌ（１,０００ｃｍ^３）のメタノール保存タンクを有するＤＭＦＣシステムを構築する時、従来の技術を使用すれば、２〜５Ｍほどの低濃度メタノールを使用するため、総燃料体積のうちメタノールの量は、２Ｍの場合に８０ｃｍ^３（６.４ｗｔ.％メタノール）、５Ｍの場合に２００ｃｍ^３（１６ｗｔ.％メタノール）に過ぎない。本発明によれば、水の体積を１００ｃｍ^３以下に減らせてメタノールの体積が９００ｃｍ^３以上になって２Ｍと５Ｍとに比べてそれぞれ１１.３、４.５倍多い量のメタノールを同じ体積に保存できてエネルギー密度を大きく向上させる効果がある。

本発明は、図面に示された実施形態を参考として説明されたが、これは例示的なものに過ぎず、当業者ならば、これから多様な変形及び均等な他の実施形態が可能であることが分かる。したがって、本発明の真の技術的保護範囲は、特許請求の範囲によって決定されなければならない。

本発明の液体燃料混合装置及びこれを適用した直接液体燃料電池は、例えば、火力を使用しない発電装置、特に小型の直接液体燃料電池の製作に適用可能である。

直接液体燃料電池の基本的な構造を示す断面図である。 従来の直接液体燃料電池に燃料を供給するために適用される導電性プレートの平面図である。 従来の直接液体燃料電池の基本的な構造を示す構成図である。 従来の他の直接液体燃料電池の基本的な構造を示す構成図である。 本発明の第１実施形態によるＤＭＦＣ装置の概略的な構成を示す図面である。 図５のメタノール混合装置を概略的に示す図面である。 本発明の燃料混合装置が適用されるスタック電池の概略的な構成を示す図面である。 本発明の第２実施形態による直接メタノール電池装置の概略的な構成を示す図面である。 図８のメタノール混合装置を概略的に示す図面である。 本発明の第２実施形態に適用されるメタノール及び水の混合装置を示す図である。 本発明の第２実施形態に適用されるメタノール及び水の混合装置を示す図である。 本発明の第２実施形態に適用されるメタノール及び水の混合装置を示す図である。 ２Ｍのメタノール溶液を燃料電池スタックに供給する時と、本発明による燃料混合装置を使用してメタノール溶液を燃料電池スタックに供給する時との燃料電池スタックの性能変化を示すグラフである。 図１２のウォーターチャンネルに通過される流量を変化させた時、ウォーターチャンネルを通過するメタノール濃度の変化をフローティングしたグラフである。

符号の説明

２１０ メタノール燃料タンク
２１１ 燃料混合器
２１２ スポンジ
２１４ 透過膜
２１５ ウォーターチャンネル

Claims (29)

1. 直接液体燃料電池に供給される液体燃料を混合する燃料混合装置において、
   液体燃料タンク及び水タンクと、
   前記液体燃料タンクの液体燃料に接触するように配置されて前記液体燃料タンク内の液体燃料を前記水タンクから供給された液体に混合する液体燃料混合器と、を備え、
   前記液体燃料混合器は、前記水タンクから供給される液体を流動させるウォーターチャンネルと、
   前記ウォーターチャンネルで前記ウォーターチャンネルの液体と接触する時に前記液体燃料を前記ウォーターチャンネルに透過させて前記液体は前記液体燃料タンクに透過させない液体燃料透過膜と、を備えることを特徴とする液体燃料混合装置。
2. 前記ウォーターチャンネルが前記液体燃料タンクの下部に形成されたことを特徴とする請求項１に記載の液体燃料混合装置。
3. 前記液体燃料透過膜及び前記液体燃料タンクの前記液体燃料間にウィッキング部材をさらに備えることを特徴とする請求項２に記載の液体燃料混合装置。
4. 前記ウォーターチャンネルが前記液体燃料タンクの一側面に垂直に形成されたことを特徴とする請求項１に記載の液体燃料混合装置。
5. 前記液体燃料透過膜及び前記液体燃料タンクの前記液体燃料間にウィッキング部材をさらに備えることを特徴とする請求項４に記載の液体燃料混合装置。
6. 前記液体燃料タンクで前記液体燃料が保存される領域の底部には所定傾斜度で傾斜板がさらに配置されたことを特徴とする請求項４に記載の液体燃料混合装置。
7. 前記ウォーターチャンネルは、サーペンタイン状の流路を備えたことを特徴とする請求項１に記載の液体燃料混合装置。
8. 前記液体燃料タンク及び前記水タンクには埃の流入を防止するフィルタがそれぞれ配置されたことを特徴とする請求項１に記載の液体燃料混合装置。
9. 前記ウォーターチャンネルの出口に連結されたフィーディングポンプをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の液体燃料混合装置。
10. 第１面及び第２面を有する電解質膜と、前記第１面に配置されたアノード電極と前記第２面に配置されたカソード電極とを備える電解質膜／電極複合体（ＭＥＡ）と、
    前記ＭＥＡのアノード電極に接触するものであって、アノード電極に供給される液体燃料が流動する流路チャンネルが形成された第１導電性プレートと、
    前記ＭＥＡのカソード電極に空気を供給する第２導電性プレートと、
    液体燃料タンク及び水タンクと、
    前記液体燃料タンクの液体燃料に接触するように配置されて前記液体燃料タンク内の液体燃料を前記水タンクから供給された液体に混合して前記流路チャンネルに供給する液体燃料混合器と、を備え、
    前記液体燃料混合器は、前記水タンクからの液体を流動させるウォーターチャンネルと、
    前記ウォーターチャンネルで前記ウォーターチャンネルの液体と接触する時に、前記液体燃料を前記ウォーターチャンネルに透過させて前記液体は前記液体燃料タンクに透過させない液体燃料透過膜と、を備えることを特徴とする直接液体燃料電池。
11. 前記ウォーターチャンネルが前記液体燃料タンクの下部に形成されたことを特徴とする請求項１０に記載の直接液体燃料電池。
12. 前記液体燃料透過膜及び前記液体燃料タンクの前記液体燃料間にウィッキング部材をさらに備えることを特徴とする請求項１１に記載の直接液体燃料電池。
13. 前記ウォーターチャンネルが前記液体燃料タンクの一側面に垂直に形成されたことを特徴とする請求項１０に記載の直接液体燃料電池。
14. 前記液体燃料透過膜及び前記液体燃料タンクの前記液体燃料間にウィッキング部材をさらに備えることを特徴とする請求項１３に記載の直接液体燃料電池。
15. 前記液体燃料タンクで前記液体燃料が保存される領域の底部には所定傾斜度で傾斜板が形成されたことを特徴とする請求項１３に記載の直接液体燃料電池。
16. 前記ウォーターチャンネルは、サーペンタイン状の流路を備えたことを特徴とする請求項１０に記載の直接液体燃料電池。
17. 前記液体燃料タンク及び前記水タンクには埃の流入を防止するフィルタがそれぞれ配置されたことを特徴とする請求項１０に記載の直接液体燃料電池。
18. 前記ウォーターチャンネルの出口から前記流路チャンネル間に連結されたフィーディングポンプをさらに備えることを特徴とする請求項１０に記載の直接液体燃料電池。
19. 前記流路チャンネルと、前記水タンク及び前記液体燃料混合器は前記液体燃料が循環する循環経路に連結され、
    前記第２導電性プレートを通過した空気及び生成された水は、前記水タンクから回収されることを特徴する請求項１８に記載の直接液体燃料電池。
20. 第１面及び第２面を有する電解質膜及び前記第１面に設けられたアノード電極と前記第２面に設けられたカソード電極とを備えた少なくとも二つのＭＥＡによる燃料電池スタックと、
    前記スタックの中間に介在されて隣接した一つのＭＥＡのアノード電極及び他のＭＥＡのカソード電極に接触する少なくとも一つの導電性中間プレートと、
    前記スタックの両側端部にそれぞれ設けられて対向するＭＥＡに接触する導電性エンドプレートと、
    各電極と接触するプレートの内面に形成されて供給される燃料が流動する流路チャンネルと、
    前記スタックから垂直に貫通して前記流路チャンネルに該当する燃料を供給または排出するラインを形成する多数の燃料出入り孔と、
    液体燃料タンク及び水タンクと、
    前記液体燃料タンクの液体燃料に接触するように配置されて前記液体燃料タンク内の液体燃料を前記水タンクから供給された液体に混合して前記燃料出入り孔を通じて前記アノード電極と接触するプレートに形成された流路チャンネルに供給する液体燃料混合器と、を備え、
    前記液体燃料混合器は、前記水タンクからの液体を流動させるウォーターチャンネルと、
    前記ウォーターチャンネルで前記液体燃料を前記ウォーターチャンネルに透過させて前記液体は前記燃料タンクに透過させない液体燃料透過膜と、を備えることを特徴とする直接液体燃料電池。
21. 前記ウォーターチャンネルが前記液体燃料タンクの下部に形成されたことを特徴とする請求項２０に記載の直接液体燃料電池。
22. 前記液体燃料透過膜及び前記液体燃料タンクの前記液体燃料間にウィッキング部材をさらに備えることを特徴とする請求項２１に記載の直接液体燃料電池。
23. 前記ウォーターチャンネルが前記液体燃料タンクの一側面に垂直に形成されたことを特徴とする請求項２０に記載の直接液体燃料電池。
24. 前記液体燃料透過膜及び前記液体燃料タンクの前記液体燃料間にウィッキング部材をさらに備えることを特徴とする請求項２３に記載の直接液体燃料電池。
25. 前記液体燃料タンクで前記液体燃料が保存される領域の底部には所定傾斜度で傾斜板がさらに形成されたことを特徴とする請求項２３に記載の直接液体燃料電池。
26. 前記ウォーターチャンネルは、サーペンタイン状の流路を備えたことを特徴とする請求項２０に記載の直接液体燃料電池。
27. 前記液体燃料タンク及び前記水タンクには埃の流入を防止するフィルタがそれぞれ配置されたことを特徴とする請求項２０に記載の直接液体燃料電池。
28. 前記ウォーターチャンネルの出口及び前記流路チャンネル間に連結されたフィーディングポンプをさらに備えることを特徴とする請求項２０に記載の直接液体燃料電池。
29. 前記アノード電極と連結された燃料出入り孔と、前記水タンク及び前記液体燃料混合器は液体燃料が循環する循環経路に連結され、
    前記カソード電極と連結された燃料出入り孔を通過した空気及び生成された水は、前記水タンクから回収されることを特徴とする請求項２８に記載の直接液体燃料電池。