液体燃料の混合装置および直接液体燃料電池システム
【課題】回収された水の使用量を調節して，混合燃料の濃度を調節することが可能な，新規かつ改良された液体燃料の混合装置および直接液体燃料電池システムを提供する。
【解決手段】ウォータチャンバ２１０および燃料チャンバ２３０と，上記ウォータチャンバおよび上記燃料チャンバ間に垂直に設置され，所定高さに上記ウォータチャンバおよび上記燃料チャンバを連通する通路が形成されている仕切り２５０と，を備え，上記ウォータチャンバは，上記燃料電池のカソード電極から回収される水と空気とが流入される第１ポート２１１を備え，上記燃料チャンバは，上記燃料電池のアノード電極から回収される未反応燃料およびＣＯ２が流入される第３ポート２３１と，液体燃料タンクからの液体燃料が流入される第４ポート２３２と，上記燃料電池に混合された液体燃料が供給される第５ポート２３３と，を備える。
【解決手段】ウォータチャンバ２１０および燃料チャンバ２３０と，上記ウォータチャンバおよび上記燃料チャンバ間に垂直に設置され，所定高さに上記ウォータチャンバおよび上記燃料チャンバを連通する通路が形成されている仕切り２５０と，を備え，上記ウォータチャンバは，上記燃料電池のカソード電極から回収される水と空気とが流入される第１ポート２１１を備え，上記燃料チャンバは，上記燃料電池のアノード電極から回収される未反応燃料およびＣＯ２が流入される第３ポート２３１と，液体燃料タンクからの液体燃料が流入される第４ポート２３２と，上記燃料電池に混合された液体燃料が供給される第５ポート２３３と，を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，液体燃料の混合装置および直接液体燃料電池システムに関し，直接液体燃料電池に供給される液体燃料の濃度を一定に保持する液体燃料の混合装置および直接液体燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
直接液体燃料電池（Ｄｉｒｅｃｔ Ｌｉｑｕｉｄ Ｆｅｅｄ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）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との電気化学反応により電気を生成する発電装置である。エネルギー密度および電力密度が非常に高く，メタノールなどの液体燃料を直接使用するために，燃料改質器などの周辺装置を必要としない。また，燃料の保存および供給が容易であるという長所を有する。
【０００３】
直接液体燃料電池は，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，それぞれ燃料の供給および拡散のための燃料拡散層２２，３２と，燃料の酸化／還元反応が起きる触媒層２１，３１と，電極支持体２３，３３とを備える。
【０００４】
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るが，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，ニッケルのような遷移金属の合金触媒が使用される。電極支持体としては，炭素紙，炭素布などが使用され，燃料の供給と反応生成物の排出とが容易なように，撥水処理して使用される。電解質膜１は，厚さが５０μｍから２００μｍである高分子膜であり，水分を含有してイオン伝導性を有する水素イオン交換膜である。
【０００５】
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から構成され，反応式は次の通りである。
【０００６】
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−（アノード反応）・・・反応式１
３／２Ｏ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−→３Ｈ２Ｏ（カソード反応）・・・反応式２
ＣＨ３ＯＨ＋３／２Ｏ２→２Ｈ２Ｏ＋ＣＯ２（総括反応）・・・反応式３
【０００７】
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，水素イオンおよび電子が生成され，生成された水素イオンは，電解質膜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介して伝えられた電子と酸素との反応により水が生成される。従って，ＤＭＦＣの総括反応（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。このとき，メタノール１ｍｏｌが酸素と反応し，２ｍｏｌの水が生成される。
【０００８】
このとき使用される液体燃料は，純粋なメタノールではなく，システム内部で発生，または収容された水と混合されたものが使用される（例えば，特許文献１）。高濃度燃料を使用する場合，電解質膜（水素イオン交換膜）での燃料のクロスオーバー（すなわち，燃料がイオン交換膜を通過する現象）による発電性能の低下が大きい。そのため，一般的に０．５ｍｏｌから２ｍｏｌ（２体積％から８体積％）の低濃度メタノールに希釈して使用されている。
【０００９】
【特許文献１】米国特許第６，４９７，９７５号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかし，高濃度または純粋なメタノールを収容する燃料タンクを備えた現在利用できる直接液体燃料電池システムにおいて，燃料タンクからのメタノールとシステムから回収，または別の水タンクから供給された水との混合液を所定の均一濃度でアノード電極に供給することは難しい。
【００１１】
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，回収された水の使用量を調節して，混合燃料の濃度を調節することが可能な，新規かつ改良された液体燃料の混合装置および直接液体燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するために，本発明のある観点によれば，直接液体燃料電池に供給される液体燃料を混合する液体燃料の混合装置において：ウォータチャンバおよび燃料チャンバと；上記ウォータチャンバおよび上記燃料チャンバ間に垂直に設置され，所定高さに上記ウォータチャンバおよび上記燃料チャンバを連通する通路が形成されている仕切りと；
を備え，上記ウォータチャンバは，上記燃料電池のカソード電極から回収される水と空気とが流入される第１ポートを備え，上記燃料チャンバは，上記燃料電池のアノード電極から回収される未反応燃料およびＣＯ２が流入される第３ポートと，液体燃料タンクからの液体燃料が流入される第４ポートと，上記燃料電池に混合された液体燃料が供給される第５ポートと，を備えることを特徴とする，液体燃料の混合装置が提供される。
【００１３】
上記ウォータチャンバには，上記通路の下方に位置して余分の水を回収するための第２ポートがさらに形成されてもよい。
【００１４】
上記燃料チャンバの上部には，通気ホールが形成されてもよい。
【００１５】
上記燃料チャンバには，ほぼ水平に設置されて上部燃料チャンバおよび下部燃料チャンバを区分する混合板が設置され，上記第３ポートおよび第４ポートが上記混合板の対向する側にそれぞれ連結され，上記混合板には，上記第３ポートおよび第４ポートから流入された液体燃料を上記下部燃料チャンバに送る開孔部が形成されてもよい。
【００１６】
上記混合板には，上記第３ポートと上記開孔部との間，および上記第４ポートと上記開孔部との間に複数の平行した流路チャンネルが形成されてもよい。
【００１７】
上記混合板には，上記第３ポートと上記開孔部との間，および上記第４ポートと上記開孔部との間にそれぞれ複数の突出部が形成されてもよい。
【００１８】
上記通路は，上記下部燃料チャンバと連通されてもよい。
【００１９】
上記通路は，上記上部燃料チャンバと連通されるように形成され，上記混合板には，上記通路と連結された引き込み部が形成されてもよい。
【００２０】
上記混合板の開孔部は，上記第３ポートおよび上記第４ポート間で，上記第４ポート側に偏って形成されてもよい。
【００２１】
上記ウォータチャンバの上部は，上記第１ポートと対向して傾斜面が形成され，上記ウォータチャンバの上部には，大気と連通する通気ホールが形成されてもよい。
【００２２】
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，第１面と第２面とを有する電解質膜と，上記第１面に設けられたアノード電極と，上記第２面に設けられたカソード電極と，を備えた少なくとも２つのＭＥＡによる直接液体燃料電池スタックと；上記スタックの中間に介在され，隣接した１つのＭＥＡのアノード電極および他のＭＥＡのカソード電極に接触される少なくとも１枚の導電性バイポーラプレートと；上記スタックの両側終端部にそれぞれ設けられ，対向するＭＥＡに接触される導電性終端プレートと；上記スタックで垂直に貫通して燃料を供給または排出するラインを形成する複数の燃料出入孔と；液体燃料タンクと；上記液体燃料タンクからの液体燃料と上記燃料出入孔からの未反応燃料と水とを混合し，上記燃料出入孔を介して上記アノード電極に液体燃料を供給する液体燃料の混合装置と；を備え，上記液体燃料の混合装置は，ウォータチャンバおよび燃料チャンバと，上記ウォータチャンバおよび上記燃料チャンバ間に垂直に設置され，所定高さに上記ウォータチャンバおよび上記燃料チャンバを連通する通路が形成されている仕切りと，を備え，上記ウォータチャンバは，上記燃料電池スタックのカソード電極から回収される水と空気とが流入される第１ポートを備え，上記燃料チャンバは，上記燃料電池スタックのアノード電極から回収される未反応燃料およびＣＯ２が流入される第３ポートと，液体燃料タンクからの液体燃料が流入される第４ポートと，上記燃料電池に混合された液体燃料が供給される第５ポートと，を備えることを特徴とする，直接液体燃料電池システムが提供される。
【００２３】
上記ウォータチャンバには，上記通路の下方に位置して余分の水を回収するための第２ポートがさらに形成されており，上記第２ポートに連結され，上記ウォータチャンバに充填された水を排水する第１ポンプをさらに備えてよい。
【００２４】
上記燃料チャンバの上部には，通気ホールが形成されてもよい。
【００２５】
上記燃料チャンバには，ほぼ水平に設置されて上部燃料チャンバおよび下部燃料チャンバを形成する混合板が設置され，上記第３ポートおよび第４ポートが，上記混合板の対向する側にそれぞれ連結され，上記混合板には，上記第３ポートおよび第４ポートから流入された液体燃料を上記下部燃料チャンバに送る開孔部が形成されてもよい。
【００２６】
上記混合板には，上記第３ポートと上記開孔部との間，および上記第４ポートと上記開孔部との間にそれぞれ複数の平行した流路チャンネルが形成されてもよい。
【００２７】
上記混合板には，上記第３ポートと上記開孔部との間，および上記第４ポートと上記開孔部との間に複数の突出部が形成されてもよい。
【００２８】
上記通路は，上記下部燃料チャンバと連通されてもよい。
【００２９】
上記通路は，上記上部燃料チャンバと連通されるように形成され，上記混合板には，上記通路と連結された引き込み部が形成されてもよい。
【００３０】
上記混合板の開孔部は，上記第３ポートおよび上記第４ポートの間で，上記第４ポート側に偏って形成されてもよい。
【００３１】
上記ウォータチャンバの上部は，上記第１ポートと対向して傾斜面が形成され，上記ウォータチャンバの上部には，大気と連通する通気ホールが形成されてもよい。
【発明の効果】
【００３２】
以上説明したように，本願発明によれば，回収された水の使用量を調節して，混合燃料の濃度を調節することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
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。
【００３４】
図２は，本発明の望ましい実施形態による直接液体燃料電池システムの概略的な構成を図示した図面であり，図３は，図２の液体燃料の混合装置を概略的に図示した斜視図である。図４は，図３のＩＶ−ＩＶ線の断面図であり，図５は，図３のＶ−Ｖ線の断面図である。
【００３５】
まず，図３および図４を共に参照すれば，液体燃料の混合装置２００は，ウォータチャンバ２１０と，燃料チャンバ２３０と，それらチャンバ間の仕切り２５０とからなっている。ウォータチャンバ２１０には，カソード電極（図７の１３０）から水と共に空気（または酸化剤），水蒸気が流入される第１ポート２１１と，ウォータチャンバ２１０内の水を排水する第２ポート２１２とが形成されている。ウォータチャンバ２１０の上部は，第１ポート２１１に対向する傾斜面２１４が形成されており，またウォータチャンバ２１０の上部には，大気と連通される通気ホール２１６が形成されている。かかる構成により，第１ポート２１１に流入される混合物は，傾斜面２１４で衝突し，空気および水蒸気は，通気ホール２１６を介して外に排出される。
【００３６】
一方，上記仕切り２５０には，上記傾斜面２１４の下方位置に，ウォータチャンバ２１０および燃料チャンバ２３０間の通路２５２が形成されている。通路２５２は，ウォータチャンバ２１０の底面から所定高さに形成される。通路２５２は，複数のホールまたはスリットから形成可能である。第２ポート２１２は，第１ポート２１１より下方に設置され，また通路２５２の下方に配置される。第２ポート２１２には，第１ポンプ２１５が連結され，余分の水を別途のタンク（図示せず）または液体燃料タンク（図２の２６０）の空き空間に輸送できる。このように余分の水を排水するのは，燃料チャンバ２３０から直接液体燃料電池スタック１００に供給される液体燃料の濃度を調節するためである。
【００３７】
図３および図５を共に参照すれば，燃料チャンバ２３０には，アノード側からの水，ＣＯ２，未反応燃料が流入される第３ポート２３１と，燃料タンク２６０から第２ポンプ２６２により供給される燃料が流入される第４ポート２３２と，混合された燃料を燃料電池スタック（図２の１００）に供給する第５ポート２３３とが形成されている。また，燃料チャンバ２３０には，混合板２４０が水平に設置されている。この混合板２４０は，燃料チャンバ２３０を上部燃料チャンバおよび下部燃料チャンバに区分する。混合板２４０の側部には，対向して第３ポート２３１および第４ポート２３２がそれぞれ連結される。また，混合板２４０には，第３ポート２３１および第４ポート２３２に流入された液体を下部燃料チャンバに送り込む開孔部２４２が形成されている。燃料チャンバ２３０の上部には，複数の通気ホール２３５が形成されており，第３ポート２３１から未反応燃料と共に流入されたＣＯ２は，この通気ホール２３５を介して外部に排出される。
【００３８】
図６は，図３の混合板２４０の一例を図示した平面図である。図６を参照すれば，混合板２４０は，第３ポート２３１および第４ポート２３２がそれぞれ連結され，第３ポート２３１および第４ポート２３２の間には第３ポート２３１および第４ポート２３２からの流入方向と垂直方向に開孔部２４２が形成されている。開孔部２４２は，図６に図示されているように，たとえば複数のホールであるが，またスリットである場合もある。第３ポート２３１と開孔部２４２との間，および第４ポート２３２と開孔部２４２との間には，直線突出部２４３の間に形成されている互いに平行した複数の流路チャンネル２４４が形成されている。開孔部２４２は，流れ込む流量の少ない第４ポート２３２側に偏って形成されてもよい。第３ポート２３１からの希釈された燃料と，第４ポート２３２からの液体燃料は，開孔部２４２を通過しつつ互いに混合される。
【００３９】
ウォータチャンバ２１０に，通路２５２の高さ以上に水が満たされれば，余分の水は，通路２５２を通過して燃料チャンバ２３０に移動し，混合板２４０を通過した希釈された液体燃料とさらに混合される。このように均一に希釈された液体燃料は，第５ポート２３３を通過して直接液体燃料スタック１００に第３ポンプ（図２の２６２’）によって供給される。
【００４０】
図７は，図２の直接液体燃料電池スタック１００の概略的な構成を図示した断面図である。
【００４１】
図２および図７を共に参照すれば，直接液体燃料電池システムは，直接液体燃料電池スタック１００，液体燃料の混合装置２００，液体燃料タンク２６０，第１ポンプ２１５，第２ポンプ２６２，第３ポンプ２６２’，エアコンプレッサ２７０，メタノールセンサ２３６，循環経路２８０からなっている。
【００４２】
燃料電池スタック１００には，電解質膜１１０を中央に，その両側にアノード電極１２０およびカソード電極１３０が設けられた複数のＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）が電気的に順方向に配置されており，各ＭＥＡの間に導電性中間プレート１６０が介在されている。この導電性中間プレート１６０は，バイポーラプレートに該当する。そして，スタック１００の上下に導電性終端プレート１６１，１６２が位置する。導電性中間プレート１６０は，ＭＥＡに接触される面にだけ流路チャンネル１４３，１５３が形成されている。導電性終端プレート１６１，１６２は，それぞれＭＥＡに接触される面にだけ流路チャンネル１４３，１５３が形成されており，それ以外は，導電性中間プレート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）の導電性終端プレート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）の導電性終端プレート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，導電性終端プレート１６１，１６２の外側表面に，電流集電板１７１，１７２が位置する。
【００４３】
ＭＥＡおよびそれら間の導電性中間プレート１６０，スタック１００上下の導電性終端プレート１６１，１６２，電流集電板１７１，１７２は，両固定用終端プレート１８１，１８２によって，相互固定される。
【００４４】
そして，スタック１００には，垂直方向への複数の貫通孔である燃料出入孔１４５，１５５が形成される。各燃料出入孔１４５，１５５には，混合液体燃料または空気がそれぞれ流入され，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，ＣＯ２とがそれぞれ燃料出入孔（図示せず）を通過して排出される。図７には，混合燃料が流入される燃料出入孔１４５，および空気が流入される燃料出入孔１５５だけを図示した。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などが必要な部分に適用されるが，かかる流路形成構造は，一般的な技術であるから，具体的に説明を行わない。
【００４５】
エアコンプレッサ２７０は，燃料電池スタック１００の燃料出入孔１５５に空気を供給する。
【００４６】
第１ポンプ２１５は，液体燃料の混合装置２００の第２ポート２１２から液体燃料タンク２６０またはウォータタンク（図示せず）に水を排水するときに使用される。
【００４７】
第２ポンプ２６２は，液体燃料タンク２６０からの純粋な液体燃料を液体燃料の混合装置２００の第４ポート２３２に供給する。
【００４８】
第３ポンプ２６２’は，液体燃料の混合装置２００の第５ポート２３３から燃料電池スタック１００の燃料出入孔１５５に希釈された液体燃料を供給する。
【００４９】
メタノールセンサ２３６は，第５ポート２３３から燃料電池スタック１００までの間の循環経路２８０に設置され，アノード電極１２０に供給される液体燃料（すなわち，メタノール）の濃度を測定する。メタノールセンサ２３６で測定されたメタノール濃度によって，第１ポンプ２１５により排出される水の流量を調節でき，また第２ポンプ２６２により液体燃料の混合装置２００に供給される液体燃料の量を制御することもできる。
【００５０】
本発明の実施形態において，液体燃料タンク２６０には，純粋または高濃度の液体燃料，例えばメタノールが収容され，当該メタノールは，循環経路２８０を介して循環する。一方，本発明の実施形態によれば，水が外部から全面的に供給されるのではなくして，カソード電極１３０で発生した多量の水を回収してそれをアノード電極１２０に供給する。従って，排水する水の量は減り，排水された水は，液体燃料タンク２６０の空き空間に収容することもできる。
【００５１】
図８は，１ｍｏｌのメタノール溶液が収容された燃料タンクを使用する燃料電池システムの経時的な出力電圧をフローティングしたグラフである。
【００５２】
図８を参照すれば，燃料電池で排出される物質をいずれも排出する場合（ＥＸＰ１）と，燃料電池で排出される物質をいずれも燃料タンクで回収して使用する場合（ＥＸＰ２）と，本発明の実施形態にかかる液体燃料の混合装置２００を含む燃料電池の場合（ＥＸＰ３）とを比較した。ＥＸＰ１の場合，燃料電池に常に１ｍｏｌの濃度のメタノールが供給されるので，出力電圧が一定である。ＥＸＰ２の場合，経時的に燃料電池に供給されるメタノール濃度が低下し，従って出力電圧が継続的に上昇することが分かる。すなわち，出力電流が継続的に減少し，従って燃料電池の性能が急激に悪化する。ＥＸＰ３の場合，初期段階では，メタノール濃度のバランスが合わずに不安定であったが，すぐに安定化することが分かる。
【００５３】
図９は，本発明の他の実施形態にかかる液体燃料の混合装置２００の断面図である。上述の実施形態と実質的に同じ構成要素には，同じ参照番号を使用して詳細な説明は省略する。
【００５４】
図９を参照すれば，燃料チャンバ２３０には，アノード側からの水，ＣＯ２，未反応燃料が流入される第３ポート２３１と，燃料タンク２６０から第２ポンプ２６２により供給される燃料が流入される第４ポート２３２と，混合された燃料として燃料電池に供給される第５ポート（図示せず）とが形成されている。燃料チャンバ２３０には，水平に混合板３４０が設置されており，この混合板３４０は，燃料チャンバ２３０を上部燃料チャンバおよび下部燃料チャンバに区分する。混合板３４０の側部には，第３ポート２３１および第４ポート２３２が，それぞれ対向する側に連結される。通路２５２は，上部燃料チャンバ２３０に連結するように形成される。通路２５２は，混合板３４０の側部に連結されてもよい。混合板３４０には，第３ポート２３１，第４ポート２３２および通路２５２に流入された液体を下部燃料チャンバに送り込む開孔部３４２が形成されている。燃料チャンバ２３０の上部には，複数の通気ホール２３５が形成されており，第３ポート２３１から未反応燃料と共に流入されたＣＯ２は，この通気ホール２３５を介して外部に排出される。
【００５５】
図１０は，図９の混合板３４０の一例を図示した平面図である。図９および図１０を参照すれば，混合板３４０は，第３ポート２３１，第４ポート２３２が連結される部分と，通路２５２に流入された水が流れる引き込み口３４６が形成されている。第３ポート２３１，第４ポート２３２および引き込み口３４６の間には，第３ポート２３１および第４ポート２３２からの流入方向と垂直方向に開孔部３４２が形成されている。開孔部３４２は，スリットでもよい。第３ポート２３１，第４ポート２３２および引き込み口３４６と，開孔部３４２との間には複数の突出部３４８が形成され，流入される液体を分散させる。開孔部３４２は，流れ込む流量の少ない第４ポート２３２側に偏って形成されてもよい。第３ポート２３１からの希釈された燃料と，第４ポート２３２からの液体燃料および引き込み口３４６からの水は，開孔部３４２を通過しつつ互いに混合される。
【００５６】
本発明の実施形態によれば，液体燃料の混合装置は，燃料電池から循環される液体量と，液体燃料タンクからのメタノールの流量との混合を調節し，燃料電池に供給される液体燃料の濃度を一定に保持できる。従って，本実施形態にかかる燃料電池からの出力電圧が一定になる。また，純粋または高濃度のメタノールを収容して使用するので，エネルギー保存密度が向上する。
【００５７】
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，各種の変更例また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。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本発明は，液体燃料の混合装置および直接液体燃料電池システムに適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】直接液体燃料電池の基本的な構成を示す断面図である。
【図２】本発明の望ましい実施形態による直接液体燃料電池システムの概略的な構成を図示した図面である。
【図３】図２の液体燃料の混合装置を概略的に図示した斜視図である。
【図４】図３のＩＶ−ＩＶ線の断面図である。
【図５】図３のＶ−Ｖ線の断面図である。
【図６】図３の混合板の一例を図示した平面図である。
【図７】図２の直接液体燃料電池スタックの概略的な構成を図示した断面図である。
【図８】１ｍｏｌのメタノール溶液が保存された燃料タンクを使用する燃料電池システムの経時的な出力電圧を示したグラフである。
【図９】本発明の他の実施形態による液体燃料の混合装置の断面図である。
【図１０】図９の混合板の一例を図示した平面図である。
【符号の説明】
【００６０】
１００ 燃料電池スタック
１１０ 電解質膜
１２０ アノード電極
１３０ カソード電極
１４１ ガスケット
１４３ 液体燃料の流路チャンネル
１４５，１５５ 燃料出入孔
１５３ 空気の流路チャンネル
１６０ 中間伝導性プレート
１６１，１６２ 導電性終端プレート
１７１，１７２ 電流集電板
１８１，１８２ 固定用終端パネル
２００ 液体燃料の混合装置
２１０ ウォータチャンバ
２１１ 第１ポート
２１２ 第２ポート
２１４ 傾斜面
２１５ 第１ポンプ
２１６，２３５ 通気ホール
２３０ 燃料チャンバ
２３１ 第３ポート
２３２ 第４ポート
２３３ 第５ポート
２３６ センサ
２４０，３４０ 混合板
２４２，３４２ 開孔部
２４３ 直線突出部
２４４ 流路チャンネル
２５０ 仕切り
２５２ 通路
２６０ 燃料タンク
２６２ 第２ポンプ
２６２’ 第３ポンプ
２７０ エアコンプレッサ
２８０ 循環経路
３４６ 引き込み部
３４８ 突出部
【技術分野】
【０００１】
本発明は，液体燃料の混合装置および直接液体燃料電池システムに関し，直接液体燃料電池に供給される液体燃料の濃度を一定に保持する液体燃料の混合装置および直接液体燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
直接液体燃料電池（Ｄｉｒｅｃｔ Ｌｉｑｕｉｄ Ｆｅｅｄ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）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との電気化学反応により電気を生成する発電装置である。エネルギー密度および電力密度が非常に高く，メタノールなどの液体燃料を直接使用するために，燃料改質器などの周辺装置を必要としない。また，燃料の保存および供給が容易であるという長所を有する。
【０００３】
直接液体燃料電池は，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，それぞれ燃料の供給および拡散のための燃料拡散層２２，３２と，燃料の酸化／還元反応が起きる触媒層２１，３１と，電極支持体２３，３３とを備える。
【０００４】
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るが，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，ニッケルのような遷移金属の合金触媒が使用される。電極支持体としては，炭素紙，炭素布などが使用され，燃料の供給と反応生成物の排出とが容易なように，撥水処理して使用される。電解質膜１は，厚さが５０μｍから２００μｍである高分子膜であり，水分を含有してイオン伝導性を有する水素イオン交換膜である。
【０００５】
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から構成され，反応式は次の通りである。
【０００６】
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−（アノード反応）・・・反応式１
３／２Ｏ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−→３Ｈ２Ｏ（カソード反応）・・・反応式２
ＣＨ３ＯＨ＋３／２Ｏ２→２Ｈ２Ｏ＋ＣＯ２（総括反応）・・・反応式３
【０００７】
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，水素イオンおよび電子が生成され，生成された水素イオンは，電解質膜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介して伝えられた電子と酸素との反応により水が生成される。従って，ＤＭＦＣの総括反応（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。このとき，メタノール１ｍｏｌが酸素と反応し，２ｍｏｌの水が生成される。
【０００８】
このとき使用される液体燃料は，純粋なメタノールではなく，システム内部で発生，または収容された水と混合されたものが使用される（例えば，特許文献１）。高濃度燃料を使用する場合，電解質膜（水素イオン交換膜）での燃料のクロスオーバー（すなわち，燃料がイオン交換膜を通過する現象）による発電性能の低下が大きい。そのため，一般的に０．５ｍｏｌから２ｍｏｌ（２体積％から８体積％）の低濃度メタノールに希釈して使用されている。
【０００９】
【特許文献１】米国特許第６，４９７，９７５号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかし，高濃度または純粋なメタノールを収容する燃料タンクを備えた現在利用できる直接液体燃料電池システムにおいて，燃料タンクからのメタノールとシステムから回収，または別の水タンクから供給された水との混合液を所定の均一濃度でアノード電極に供給することは難しい。
【００１１】
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，回収された水の使用量を調節して，混合燃料の濃度を調節することが可能な，新規かつ改良された液体燃料の混合装置および直接液体燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するために，本発明のある観点によれば，直接液体燃料電池に供給される液体燃料を混合する液体燃料の混合装置において：ウォータチャンバおよび燃料チャンバと；上記ウォータチャンバおよび上記燃料チャンバ間に垂直に設置され，所定高さに上記ウォータチャンバおよび上記燃料チャンバを連通する通路が形成されている仕切りと；
を備え，上記ウォータチャンバは，上記燃料電池のカソード電極から回収される水と空気とが流入される第１ポートを備え，上記燃料チャンバは，上記燃料電池のアノード電極から回収される未反応燃料およびＣＯ２が流入される第３ポートと，液体燃料タンクからの液体燃料が流入される第４ポートと，上記燃料電池に混合された液体燃料が供給される第５ポートと，を備えることを特徴とする，液体燃料の混合装置が提供される。
【００１３】
上記ウォータチャンバには，上記通路の下方に位置して余分の水を回収するための第２ポートがさらに形成されてもよい。
【００１４】
上記燃料チャンバの上部には，通気ホールが形成されてもよい。
【００１５】
上記燃料チャンバには，ほぼ水平に設置されて上部燃料チャンバおよび下部燃料チャンバを区分する混合板が設置され，上記第３ポートおよび第４ポートが上記混合板の対向する側にそれぞれ連結され，上記混合板には，上記第３ポートおよび第４ポートから流入された液体燃料を上記下部燃料チャンバに送る開孔部が形成されてもよい。
【００１６】
上記混合板には，上記第３ポートと上記開孔部との間，および上記第４ポートと上記開孔部との間に複数の平行した流路チャンネルが形成されてもよい。
【００１７】
上記混合板には，上記第３ポートと上記開孔部との間，および上記第４ポートと上記開孔部との間にそれぞれ複数の突出部が形成されてもよい。
【００１８】
上記通路は，上記下部燃料チャンバと連通されてもよい。
【００１９】
上記通路は，上記上部燃料チャンバと連通されるように形成され，上記混合板には，上記通路と連結された引き込み部が形成されてもよい。
【００２０】
上記混合板の開孔部は，上記第３ポートおよび上記第４ポート間で，上記第４ポート側に偏って形成されてもよい。
【００２１】
上記ウォータチャンバの上部は，上記第１ポートと対向して傾斜面が形成され，上記ウォータチャンバの上部には，大気と連通する通気ホールが形成されてもよい。
【００２２】
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，第１面と第２面とを有する電解質膜と，上記第１面に設けられたアノード電極と，上記第２面に設けられたカソード電極と，を備えた少なくとも２つのＭＥＡによる直接液体燃料電池スタックと；上記スタックの中間に介在され，隣接した１つのＭＥＡのアノード電極および他のＭＥＡのカソード電極に接触される少なくとも１枚の導電性バイポーラプレートと；上記スタックの両側終端部にそれぞれ設けられ，対向するＭＥＡに接触される導電性終端プレートと；上記スタックで垂直に貫通して燃料を供給または排出するラインを形成する複数の燃料出入孔と；液体燃料タンクと；上記液体燃料タンクからの液体燃料と上記燃料出入孔からの未反応燃料と水とを混合し，上記燃料出入孔を介して上記アノード電極に液体燃料を供給する液体燃料の混合装置と；を備え，上記液体燃料の混合装置は，ウォータチャンバおよび燃料チャンバと，上記ウォータチャンバおよび上記燃料チャンバ間に垂直に設置され，所定高さに上記ウォータチャンバおよび上記燃料チャンバを連通する通路が形成されている仕切りと，を備え，上記ウォータチャンバは，上記燃料電池スタックのカソード電極から回収される水と空気とが流入される第１ポートを備え，上記燃料チャンバは，上記燃料電池スタックのアノード電極から回収される未反応燃料およびＣＯ２が流入される第３ポートと，液体燃料タンクからの液体燃料が流入される第４ポートと，上記燃料電池に混合された液体燃料が供給される第５ポートと，を備えることを特徴とする，直接液体燃料電池システムが提供される。
【００２３】
上記ウォータチャンバには，上記通路の下方に位置して余分の水を回収するための第２ポートがさらに形成されており，上記第２ポートに連結され，上記ウォータチャンバに充填された水を排水する第１ポンプをさらに備えてよい。
【００２４】
上記燃料チャンバの上部には，通気ホールが形成されてもよい。
【００２５】
上記燃料チャンバには，ほぼ水平に設置されて上部燃料チャンバおよび下部燃料チャンバを形成する混合板が設置され，上記第３ポートおよび第４ポートが，上記混合板の対向する側にそれぞれ連結され，上記混合板には，上記第３ポートおよび第４ポートから流入された液体燃料を上記下部燃料チャンバに送る開孔部が形成されてもよい。
【００２６】
上記混合板には，上記第３ポートと上記開孔部との間，および上記第４ポートと上記開孔部との間にそれぞれ複数の平行した流路チャンネルが形成されてもよい。
【００２７】
上記混合板には，上記第３ポートと上記開孔部との間，および上記第４ポートと上記開孔部との間に複数の突出部が形成されてもよい。
【００２８】
上記通路は，上記下部燃料チャンバと連通されてもよい。
【００２９】
上記通路は，上記上部燃料チャンバと連通されるように形成され，上記混合板には，上記通路と連結された引き込み部が形成されてもよい。
【００３０】
上記混合板の開孔部は，上記第３ポートおよび上記第４ポートの間で，上記第４ポート側に偏って形成されてもよい。
【００３１】
上記ウォータチャンバの上部は，上記第１ポートと対向して傾斜面が形成され，上記ウォータチャンバの上部には，大気と連通する通気ホールが形成されてもよい。
【発明の効果】
【００３２】
以上説明したように，本願発明によれば，回収された水の使用量を調節して，混合燃料の濃度を調節することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
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。
【００３４】
図２は，本発明の望ましい実施形態による直接液体燃料電池システムの概略的な構成を図示した図面であり，図３は，図２の液体燃料の混合装置を概略的に図示した斜視図である。図４は，図３のＩＶ−ＩＶ線の断面図であり，図５は，図３のＶ−Ｖ線の断面図である。
【００３５】
まず，図３および図４を共に参照すれば，液体燃料の混合装置２００は，ウォータチャンバ２１０と，燃料チャンバ２３０と，それらチャンバ間の仕切り２５０とからなっている。ウォータチャンバ２１０には，カソード電極（図７の１３０）から水と共に空気（または酸化剤），水蒸気が流入される第１ポート２１１と，ウォータチャンバ２１０内の水を排水する第２ポート２１２とが形成されている。ウォータチャンバ２１０の上部は，第１ポート２１１に対向する傾斜面２１４が形成されており，またウォータチャンバ２１０の上部には，大気と連通される通気ホール２１６が形成されている。かかる構成により，第１ポート２１１に流入される混合物は，傾斜面２１４で衝突し，空気および水蒸気は，通気ホール２１６を介して外に排出される。
【００３６】
一方，上記仕切り２５０には，上記傾斜面２１４の下方位置に，ウォータチャンバ２１０および燃料チャンバ２３０間の通路２５２が形成されている。通路２５２は，ウォータチャンバ２１０の底面から所定高さに形成される。通路２５２は，複数のホールまたはスリットから形成可能である。第２ポート２１２は，第１ポート２１１より下方に設置され，また通路２５２の下方に配置される。第２ポート２１２には，第１ポンプ２１５が連結され，余分の水を別途のタンク（図示せず）または液体燃料タンク（図２の２６０）の空き空間に輸送できる。このように余分の水を排水するのは，燃料チャンバ２３０から直接液体燃料電池スタック１００に供給される液体燃料の濃度を調節するためである。
【００３７】
図３および図５を共に参照すれば，燃料チャンバ２３０には，アノード側からの水，ＣＯ２，未反応燃料が流入される第３ポート２３１と，燃料タンク２６０から第２ポンプ２６２により供給される燃料が流入される第４ポート２３２と，混合された燃料を燃料電池スタック（図２の１００）に供給する第５ポート２３３とが形成されている。また，燃料チャンバ２３０には，混合板２４０が水平に設置されている。この混合板２４０は，燃料チャンバ２３０を上部燃料チャンバおよび下部燃料チャンバに区分する。混合板２４０の側部には，対向して第３ポート２３１および第４ポート２３２がそれぞれ連結される。また，混合板２４０には，第３ポート２３１および第４ポート２３２に流入された液体を下部燃料チャンバに送り込む開孔部２４２が形成されている。燃料チャンバ２３０の上部には，複数の通気ホール２３５が形成されており，第３ポート２３１から未反応燃料と共に流入されたＣＯ２は，この通気ホール２３５を介して外部に排出される。
【００３８】
図６は，図３の混合板２４０の一例を図示した平面図である。図６を参照すれば，混合板２４０は，第３ポート２３１および第４ポート２３２がそれぞれ連結され，第３ポート２３１および第４ポート２３２の間には第３ポート２３１および第４ポート２３２からの流入方向と垂直方向に開孔部２４２が形成されている。開孔部２４２は，図６に図示されているように，たとえば複数のホールであるが，またスリットである場合もある。第３ポート２３１と開孔部２４２との間，および第４ポート２３２と開孔部２４２との間には，直線突出部２４３の間に形成されている互いに平行した複数の流路チャンネル２４４が形成されている。開孔部２４２は，流れ込む流量の少ない第４ポート２３２側に偏って形成されてもよい。第３ポート２３１からの希釈された燃料と，第４ポート２３２からの液体燃料は，開孔部２４２を通過しつつ互いに混合される。
【００３９】
ウォータチャンバ２１０に，通路２５２の高さ以上に水が満たされれば，余分の水は，通路２５２を通過して燃料チャンバ２３０に移動し，混合板２４０を通過した希釈された液体燃料とさらに混合される。このように均一に希釈された液体燃料は，第５ポート２３３を通過して直接液体燃料スタック１００に第３ポンプ（図２の２６２’）によって供給される。
【００４０】
図７は，図２の直接液体燃料電池スタック１００の概略的な構成を図示した断面図である。
【００４１】
図２および図７を共に参照すれば，直接液体燃料電池システムは，直接液体燃料電池スタック１００，液体燃料の混合装置２００，液体燃料タンク２６０，第１ポンプ２１５，第２ポンプ２６２，第３ポンプ２６２’，エアコンプレッサ２７０，メタノールセンサ２３６，循環経路２８０からなっている。
【００４２】
燃料電池スタック１００には，電解質膜１１０を中央に，その両側にアノード電極１２０およびカソード電極１３０が設けられた複数のＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）が電気的に順方向に配置されており，各ＭＥＡの間に導電性中間プレート１６０が介在されている。この導電性中間プレート１６０は，バイポーラプレートに該当する。そして，スタック１００の上下に導電性終端プレート１６１，１６２が位置する。導電性中間プレート１６０は，ＭＥＡに接触される面にだけ流路チャンネル１４３，１５３が形成されている。導電性終端プレート１６１，１６２は，それぞれＭＥＡに接触される面にだけ流路チャンネル１４３，１５３が形成されており，それ以外は，導電性中間プレート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）の導電性終端プレート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）の導電性終端プレート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，導電性終端プレート１６１，１６２の外側表面に，電流集電板１７１，１７２が位置する。
【００４３】
ＭＥＡおよびそれら間の導電性中間プレート１６０，スタック１００上下の導電性終端プレート１６１，１６２，電流集電板１７１，１７２は，両固定用終端プレート１８１，１８２によって，相互固定される。
【００４４】
そして，スタック１００には，垂直方向への複数の貫通孔である燃料出入孔１４５，１５５が形成される。各燃料出入孔１４５，１５５には，混合液体燃料または空気がそれぞれ流入され，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，ＣＯ２とがそれぞれ燃料出入孔（図示せず）を通過して排出される。図７には，混合燃料が流入される燃料出入孔１４５，および空気が流入される燃料出入孔１５５だけを図示した。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などが必要な部分に適用されるが，かかる流路形成構造は，一般的な技術であるから，具体的に説明を行わない。
【００４５】
エアコンプレッサ２７０は，燃料電池スタック１００の燃料出入孔１５５に空気を供給する。
【００４６】
第１ポンプ２１５は，液体燃料の混合装置２００の第２ポート２１２から液体燃料タンク２６０またはウォータタンク（図示せず）に水を排水するときに使用される。
【００４７】
第２ポンプ２６２は，液体燃料タンク２６０からの純粋な液体燃料を液体燃料の混合装置２００の第４ポート２３２に供給する。
【００４８】
第３ポンプ２６２’は，液体燃料の混合装置２００の第５ポート２３３から燃料電池スタック１００の燃料出入孔１５５に希釈された液体燃料を供給する。
【００４９】
メタノールセンサ２３６は，第５ポート２３３から燃料電池スタック１００までの間の循環経路２８０に設置され，アノード電極１２０に供給される液体燃料（すなわち，メタノール）の濃度を測定する。メタノールセンサ２３６で測定されたメタノール濃度によって，第１ポンプ２１５により排出される水の流量を調節でき，また第２ポンプ２６２により液体燃料の混合装置２００に供給される液体燃料の量を制御することもできる。
【００５０】
本発明の実施形態において，液体燃料タンク２６０には，純粋または高濃度の液体燃料，例えばメタノールが収容され，当該メタノールは，循環経路２８０を介して循環する。一方，本発明の実施形態によれば，水が外部から全面的に供給されるのではなくして，カソード電極１３０で発生した多量の水を回収してそれをアノード電極１２０に供給する。従って，排水する水の量は減り，排水された水は，液体燃料タンク２６０の空き空間に収容することもできる。
【００５１】
図８は，１ｍｏｌのメタノール溶液が収容された燃料タンクを使用する燃料電池システムの経時的な出力電圧をフローティングしたグラフである。
【００５２】
図８を参照すれば，燃料電池で排出される物質をいずれも排出する場合（ＥＸＰ１）と，燃料電池で排出される物質をいずれも燃料タンクで回収して使用する場合（ＥＸＰ２）と，本発明の実施形態にかかる液体燃料の混合装置２００を含む燃料電池の場合（ＥＸＰ３）とを比較した。ＥＸＰ１の場合，燃料電池に常に１ｍｏｌの濃度のメタノールが供給されるので，出力電圧が一定である。ＥＸＰ２の場合，経時的に燃料電池に供給されるメタノール濃度が低下し，従って出力電圧が継続的に上昇することが分かる。すなわち，出力電流が継続的に減少し，従って燃料電池の性能が急激に悪化する。ＥＸＰ３の場合，初期段階では，メタノール濃度のバランスが合わずに不安定であったが，すぐに安定化することが分かる。
【００５３】
図９は，本発明の他の実施形態にかかる液体燃料の混合装置２００の断面図である。上述の実施形態と実質的に同じ構成要素には，同じ参照番号を使用して詳細な説明は省略する。
【００５４】
図９を参照すれば，燃料チャンバ２３０には，アノード側からの水，ＣＯ２，未反応燃料が流入される第３ポート２３１と，燃料タンク２６０から第２ポンプ２６２により供給される燃料が流入される第４ポート２３２と，混合された燃料として燃料電池に供給される第５ポート（図示せず）とが形成されている。燃料チャンバ２３０には，水平に混合板３４０が設置されており，この混合板３４０は，燃料チャンバ２３０を上部燃料チャンバおよび下部燃料チャンバに区分する。混合板３４０の側部には，第３ポート２３１および第４ポート２３２が，それぞれ対向する側に連結される。通路２５２は，上部燃料チャンバ２３０に連結するように形成される。通路２５２は，混合板３４０の側部に連結されてもよい。混合板３４０には，第３ポート２３１，第４ポート２３２および通路２５２に流入された液体を下部燃料チャンバに送り込む開孔部３４２が形成されている。燃料チャンバ２３０の上部には，複数の通気ホール２３５が形成されており，第３ポート２３１から未反応燃料と共に流入されたＣＯ２は，この通気ホール２３５を介して外部に排出される。
【００５５】
図１０は，図９の混合板３４０の一例を図示した平面図である。図９および図１０を参照すれば，混合板３４０は，第３ポート２３１，第４ポート２３２が連結される部分と，通路２５２に流入された水が流れる引き込み口３４６が形成されている。第３ポート２３１，第４ポート２３２および引き込み口３４６の間には，第３ポート２３１および第４ポート２３２からの流入方向と垂直方向に開孔部３４２が形成されている。開孔部３４２は，スリットでもよい。第３ポート２３１，第４ポート２３２および引き込み口３４６と，開孔部３４２との間には複数の突出部３４８が形成され，流入される液体を分散させる。開孔部３４２は，流れ込む流量の少ない第４ポート２３２側に偏って形成されてもよい。第３ポート２３１からの希釈された燃料と，第４ポート２３２からの液体燃料および引き込み口３４６からの水は，開孔部３４２を通過しつつ互いに混合される。
【００５６】
本発明の実施形態によれば，液体燃料の混合装置は，燃料電池から循環される液体量と，液体燃料タンクからのメタノールの流量との混合を調節し，燃料電池に供給される液体燃料の濃度を一定に保持できる。従って，本実施形態にかかる燃料電池からの出力電圧が一定になる。また，純粋または高濃度のメタノールを収容して使用するので，エネルギー保存密度が向上する。
【００５７】
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，各種の変更例また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。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本発明は，液体燃料の混合装置および直接液体燃料電池システムに適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】直接液体燃料電池の基本的な構成を示す断面図である。
【図２】本発明の望ましい実施形態による直接液体燃料電池システムの概略的な構成を図示した図面である。
【図３】図２の液体燃料の混合装置を概略的に図示した斜視図である。
【図４】図３のＩＶ−ＩＶ線の断面図である。
【図５】図３のＶ−Ｖ線の断面図である。
【図６】図３の混合板の一例を図示した平面図である。
【図７】図２の直接液体燃料電池スタックの概略的な構成を図示した断面図である。
【図８】１ｍｏｌのメタノール溶液が保存された燃料タンクを使用する燃料電池システムの経時的な出力電圧を示したグラフである。
【図９】本発明の他の実施形態による液体燃料の混合装置の断面図である。
【図１０】図９の混合板の一例を図示した平面図である。
【符号の説明】
【００６０】
１００ 燃料電池スタック
１１０ 電解質膜
１２０ アノード電極
１３０ カソード電極
１４１ ガスケット
１４３ 液体燃料の流路チャンネル
１４５，１５５ 燃料出入孔
１５３ 空気の流路チャンネル
１６０ 中間伝導性プレート
１６１，１６２ 導電性終端プレート
１７１，１７２ 電流集電板
１８１，１８２ 固定用終端パネル
２００ 液体燃料の混合装置
２１０ ウォータチャンバ
２１１ 第１ポート
２１２ 第２ポート
２１４ 傾斜面
２１５ 第１ポンプ
２１６，２３５ 通気ホール
２３０ 燃料チャンバ
２３１ 第３ポート
２３２ 第４ポート
２３３ 第５ポート
２３６ センサ
２４０，３４０ 混合板
２４２，３４２ 開孔部
２４３ 直線突出部
２４４ 流路チャンネル
２５０ 仕切り
２５２ 通路
２６０ 燃料タンク
２６２ 第２ポンプ
２６２’ 第３ポンプ
２７０ エアコンプレッサ
２８０ 循環経路
３４６ 引き込み部
３４８ 突出部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直接液体燃料電池に供給される液体燃料を混合する液体燃料の混合装置において：
ウォータチャンバおよび燃料チャンバと；
前記ウォータチャンバおよび前記燃料チャンバ間に垂直に設置され，所定高さに前記ウォータチャンバおよび前記燃料チャンバを連通する通路が形成されている仕切りと；
を備え，
前記ウォータチャンバは，前記燃料電池のカソード電極から回収される水と空気とが流入される第１ポートを備え，
前記燃料チャンバは，前記燃料電池のアノード電極から回収される未反応燃料およびＣＯ２が流入される第３ポートと，液体燃料タンクからの液体燃料が流入される第４ポートと，前記燃料電池に混合された液体燃料が供給される第５ポートと，を備えることを特徴とする，液体燃料の混合装置。
【請求項２】
前記ウォータチャンバには，前記通路の下方に位置して余分の水を回収するための第２ポートがさらに形成されたことを特徴とする，請求項１に記載の液体燃料の混合装置。
【請求項３】
前記燃料チャンバの上部には，通気ホールが形成されていることを特徴とする，請求項１または２に記載の液体燃料の混合装置。
【請求項４】
前記燃料チャンバには，ほぼ水平に設置されて上部燃料チャンバおよび下部燃料チャンバを区分する混合板が設置され，前記第３ポートおよび第４ポートが前記混合板の対向する側にそれぞれ連結され，前記混合板には，前記第３ポートおよび第４ポートから流入された液体燃料を前記下部燃料チャンバに送る開孔部が形成されていることを特徴とする，請求項１〜３のいずれかに記載の液体燃料の混合装置。
【請求項５】
前記混合板には，前記第３ポートと前記開孔部との間，および前記第４ポートと前記開孔部との間に複数の平行した流路チャンネルが形成されていることを特徴とする，請求項４に記載の液体燃料の混合装置。
【請求項６】
前記混合板には，前記第３ポートと前記開孔部との間，および前記第４ポートと前記開孔部との間にそれぞれ複数の突出部が形成されていることを特徴とする，請求項４または５に記載の液体燃料の混合装置。
【請求項７】
前記通路は，前記下部燃料チャンバと連通されていることを特徴とする，請求項４〜６のいずれかに記載の液体燃料の混合装置。
【請求項８】
前記通路は，前記上部燃料チャンバと連通されるように形成され，前記混合板には，前記通路と連結された引き込み部が形成されていることを特徴とする，請求項４〜６のいずれかに記載の液体燃料の混合装置。
【請求項９】
前記混合板の開孔部は，前記第３ポートおよび前記第４ポート間で，前記第４ポート側に偏って形成されていることを特徴とする，請求項４〜８のいずれかに記載の液体燃料の混合装置。
【請求項１０】
前記ウォータチャンバの上部は，前記第１ポートと対向して傾斜面が形成され，前記ウォータチャンバの上部には，大気と連通する通気ホールが形成されていることを特徴とする，請求項１〜９のいずれかに記載の液体燃料の混合装置。
【請求項１１】
第１面と第２面と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，を備えた少なくとも２つのＭＥＡによる直接液体燃料電池スタックと；
前記スタックの中間に介在され，隣接した１つのＭＥＡのアノード電極および他のＭＥＡのカソード電極に接触される少なくとも１枚の導電性バイポーラプレートと；
前記スタックの両側終端部にそれぞれ設けられ，対向するＭＥＡに接触される導電性終端プレートと；
前記スタックで垂直に貫通して燃料を供給または排出するラインを形成する複数の燃料出入孔と；
液体燃料タンクと；
前記液体燃料タンクからの液体燃料と前記燃料出入孔からの未反応燃料と水とを混合し，前記燃料出入孔を介して前記アノード電極に液体燃料を供給する液体燃料の混合装置と；を備え，
前記液体燃料の混合装置は，ウォータチャンバおよび燃料チャンバと，前記ウォータチャンバおよび前記燃料チャンバ間に垂直に設置され，所定高さに前記ウォータチャンバおよび前記燃料チャンバを連通する通路が形成されている仕切りと，
を備え，
前記ウォータチャンバは，前記燃料電池スタックのカソード電極から回収される水と空気とが流入される第１ポートを備え，
前記燃料チャンバは，前記燃料電池スタックのアノード電極から回収される未反応燃料およびＣＯ２が流入される第３ポートと，
液体燃料タンクからの液体燃料が流入される第４ポートと，
前記燃料電池に混合された液体燃料が供給される第５ポートと，を備えることを特徴とする，直接液体燃料電池システム。
【請求項１２】
前記ウォータチャンバには，前記通路の下方に位置して余分の水を回収するための第２ポートがさらに形成されており，前記第２ポートに連結され，前記ウォータチャンバに充填された水を排水する第１ポンプ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システム。
【請求項１３】
前記燃料チャンバの上部には，通気ホールが形成されていることを特徴とする，請求項１１または１２に記載の直接液体燃料電池システム。
【請求項１４】
前記燃料チャンバには，ほぼ水平に設置されて上部燃料チャンバおよび下部燃料チャンバを形成する混合板が設置され，前記第３ポートおよび第４ポートが，前記混合板の対向する側にそれぞれ連結され，前記混合板には，前記第３ポートおよび第４ポートから流入された液体燃料を前記下部燃料チャンバに送る開孔部が形成されていることを特徴とする，請求項１１〜１３のいずれかに記載の直接液体燃料電池システム。
【請求項１５】
前記混合板には，前記第３ポートと前記開孔部との間，および前記第４ポートと前記開孔部との間にそれぞれ複数の平行した流路チャンネルが形成されていることを特徴とする，請求項１４に記載の直接液体燃料電池システム。
【請求項１６】
前記混合板には，前記第３ポートと前記開孔部との間，および前記第４ポートと前記開孔部との間に複数の突出部が形成されていることを特徴とする，請求項１４または１５に記載の直接液体燃料電池システム。
【請求項１７】
前記通路は，前記下部燃料チャンバと連通されていることを特徴とする，請求項１４〜１６のいずれかに記載の直接液体燃料電池システム。
【請求項１８】
前記通路は，前記上部燃料チャンバと連通されるように形成され，前記混合板には，前記通路と連結された引き込み部が形成されていることを特徴とする，請求項１４〜１６のいずれかに記載の直接液体燃料電池システム。
【請求項１９】
前記混合板の開孔部は，前記第３ポートおよび前記第４ポートの間で，前記第４ポート側に偏って形成されていることを特徴とする，請求項１４〜１８のいずれかに記載の直接液体燃料電池システム。
【請求項２０】
前記ウォータチャンバの上部は，前記第１ポートと対向して傾斜面が形成され，前記ウォータチャンバの上部には，大気と連通する通気ホールが形成されていることを特徴とする，請求項１１〜１９のいずれかに記載の直接液体燃料電池システム。
【請求項１】
直接液体燃料電池に供給される液体燃料を混合する液体燃料の混合装置において：
ウォータチャンバおよび燃料チャンバと；
前記ウォータチャンバおよび前記燃料チャンバ間に垂直に設置され，所定高さに前記ウォータチャンバおよび前記燃料チャンバを連通する通路が形成されている仕切りと；
を備え，
前記ウォータチャンバは，前記燃料電池のカソード電極から回収される水と空気とが流入される第１ポートを備え，
前記燃料チャンバは，前記燃料電池のアノード電極から回収される未反応燃料およびＣＯ２が流入される第３ポートと，液体燃料タンクからの液体燃料が流入される第４ポートと，前記燃料電池に混合された液体燃料が供給される第５ポートと，を備えることを特徴とする，液体燃料の混合装置。
【請求項２】
前記ウォータチャンバには，前記通路の下方に位置して余分の水を回収するための第２ポートがさらに形成されたことを特徴とする，請求項１に記載の液体燃料の混合装置。
【請求項３】
前記燃料チャンバの上部には，通気ホールが形成されていることを特徴とする，請求項１または２に記載の液体燃料の混合装置。
【請求項４】
前記燃料チャンバには，ほぼ水平に設置されて上部燃料チャンバおよび下部燃料チャンバを区分する混合板が設置され，前記第３ポートおよび第４ポートが前記混合板の対向する側にそれぞれ連結され，前記混合板には，前記第３ポートおよび第４ポートから流入された液体燃料を前記下部燃料チャンバに送る開孔部が形成されていることを特徴とする，請求項１〜３のいずれかに記載の液体燃料の混合装置。
【請求項５】
前記混合板には，前記第３ポートと前記開孔部との間，および前記第４ポートと前記開孔部との間に複数の平行した流路チャンネルが形成されていることを特徴とする，請求項４に記載の液体燃料の混合装置。
【請求項６】
前記混合板には，前記第３ポートと前記開孔部との間，および前記第４ポートと前記開孔部との間にそれぞれ複数の突出部が形成されていることを特徴とする，請求項４または５に記載の液体燃料の混合装置。
【請求項７】
前記通路は，前記下部燃料チャンバと連通されていることを特徴とする，請求項４〜６のいずれかに記載の液体燃料の混合装置。
【請求項８】
前記通路は，前記上部燃料チャンバと連通されるように形成され，前記混合板には，前記通路と連結された引き込み部が形成されていることを特徴とする，請求項４〜６のいずれかに記載の液体燃料の混合装置。
【請求項９】
前記混合板の開孔部は，前記第３ポートおよび前記第４ポート間で，前記第４ポート側に偏って形成されていることを特徴とする，請求項４〜８のいずれかに記載の液体燃料の混合装置。
【請求項１０】
前記ウォータチャンバの上部は，前記第１ポートと対向して傾斜面が形成され，前記ウォータチャンバの上部には，大気と連通する通気ホールが形成されていることを特徴とする，請求項１〜９のいずれかに記載の液体燃料の混合装置。
【請求項１１】
第１面と第２面と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，を備えた少なくとも２つのＭＥＡによる直接液体燃料電池スタックと；
前記スタックの中間に介在され，隣接した１つのＭＥＡのアノード電極および他のＭＥＡのカソード電極に接触される少なくとも１枚の導電性バイポーラプレートと；
前記スタックの両側終端部にそれぞれ設けられ，対向するＭＥＡに接触される導電性終端プレートと；
前記スタックで垂直に貫通して燃料を供給または排出するラインを形成する複数の燃料出入孔と；
液体燃料タンクと；
前記液体燃料タンクからの液体燃料と前記燃料出入孔からの未反応燃料と水とを混合し，前記燃料出入孔を介して前記アノード電極に液体燃料を供給する液体燃料の混合装置と；を備え，
前記液体燃料の混合装置は，ウォータチャンバおよび燃料チャンバと，前記ウォータチャンバおよび前記燃料チャンバ間に垂直に設置され，所定高さに前記ウォータチャンバおよび前記燃料チャンバを連通する通路が形成されている仕切りと，
を備え，
前記ウォータチャンバは，前記燃料電池スタックのカソード電極から回収される水と空気とが流入される第１ポートを備え，
前記燃料チャンバは，前記燃料電池スタックのアノード電極から回収される未反応燃料およびＣＯ２が流入される第３ポートと，
液体燃料タンクからの液体燃料が流入される第４ポートと，
前記燃料電池に混合された液体燃料が供給される第５ポートと，を備えることを特徴とする，直接液体燃料電池システム。
【請求項１２】
前記ウォータチャンバには，前記通路の下方に位置して余分の水を回収するための第２ポートがさらに形成されており，前記第２ポートに連結され，前記ウォータチャンバに充填された水を排水する第１ポンプ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システム。
【請求項１３】
前記燃料チャンバの上部には，通気ホールが形成されていることを特徴とする，請求項１１または１２に記載の直接液体燃料電池システム。
【請求項１４】
前記燃料チャンバには，ほぼ水平に設置されて上部燃料チャンバおよび下部燃料チャンバを形成する混合板が設置され，前記第３ポートおよび第４ポートが，前記混合板の対向する側にそれぞれ連結され，前記混合板には，前記第３ポートおよび第４ポートから流入された液体燃料を前記下部燃料チャンバに送る開孔部が形成されていることを特徴とする，請求項１１〜１３のいずれかに記載の直接液体燃料電池システム。
【請求項１５】
前記混合板には，前記第３ポートと前記開孔部との間，および前記第４ポートと前記開孔部との間にそれぞれ複数の平行した流路チャンネルが形成されていることを特徴とする，請求項１４に記載の直接液体燃料電池システム。
【請求項１６】
前記混合板には，前記第３ポートと前記開孔部との間，および前記第４ポートと前記開孔部との間に複数の突出部が形成されていることを特徴とする，請求項１４または１５に記載の直接液体燃料電池システム。
【請求項１７】
前記通路は，前記下部燃料チャンバと連通されていることを特徴とする，請求項１４〜１６のいずれかに記載の直接液体燃料電池システム。
【請求項１８】
前記通路は，前記上部燃料チャンバと連通されるように形成され，前記混合板には，前記通路と連結された引き込み部が形成されていることを特徴とする，請求項１４〜１６のいずれかに記載の直接液体燃料電池システム。
【請求項１９】
前記混合板の開孔部は，前記第３ポートおよび前記第４ポートの間で，前記第４ポート側に偏って形成されていることを特徴とする，請求項１４〜１８のいずれかに記載の直接液体燃料電池システム。
【請求項２０】
前記ウォータチャンバの上部は，前記第１ポートと対向して傾斜面が形成され，前記ウォータチャンバの上部には，大気と連通する通気ホールが形成されていることを特徴とする，請求項１１〜１９のいずれかに記載の直接液体燃料電池システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００６−１９０６７４（Ｐ２００６−１９０６７４Ａ）
【公開日】平成１８年７月２０日（２００６．７．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−３７５６２２（Ｐ２００５−３７５６２２）
【出願日】平成１７年１２月２７日（２００５．１２．２７）
【出願人】（５９０００２８１７）三星エスディアイ株式会社 (2,784)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年７月２０日（２００６．７．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１２月２７日（２００５．１２．２７）
【出願人】（５９０００２８１７）三星エスディアイ株式会社 (2,784)
【Ｆターム（参考）】
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