(57)【要約】本発明は、燃料用の搬送デバイスによって、一般に、メタノールを供給される直接酸化燃料電池を動作させる方法に関する。本発明は、同様に、直接酸化燃料電池、燃料リザーバ、および燃料電池を通して燃料を搬送する少なくとも１つの装置を備える対応する装置に関する。
2009517807.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードとカソードを有する膜電極接合体、ならびに、それぞれ、少なくとも１つの集電板を有する少なくとも１つのアノード側およびカソード側の流体分配構造を収容する、少なくとも１つの直接酸化燃料電池と、少なくとも１つの燃料リザーバと、前記燃料電池を通して燃料を搬送する少なくとも１つのデバイスとを備える装置において、
前記装置は、前記燃料電池を通る燃料の体積流量を調整する制御ユニットをさらに有し、その結果、燃料を搬送する前記デバイスの不連続動作が可能になることを特徴とする装置。
【請求項２】
前記制御ユニットは、切換え可能弁、特に、２安定弁を有する圧力容器であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
非動作状態で燃料を搬送する前記デバイスは、前記リザーバから前記燃料電池への燃料の搬送を可能にすることを特徴とする請求項１または２に記載の装置。
【請求項４】
燃料を搬送する前記デバイスは、ポンプ、特に、マイクロポンプであることを特徴とする請求項１から３までのいずれかに記載の装置。
【請求項５】
前記ポンプは拡散要素を有するポンプであることを特徴とする請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記膜電極接合体は、プロトン伝導膜および、それぞれアノード側およびカソード側の触媒層と拡散層を備えることを特徴とする請求項１から５までのいずれかに記載の装置。
【請求項７】
前記膜電極接合体は、プロトン伝導膜と、それぞれアノード側およびカソード側触媒層と、微細構造とを備えることを特徴とする請求項１から５までのいずれかに記載の装置。
【請求項８】
前記プロトン伝導膜は、燃料および反応生成物について不浸透性であることを特徴とする請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記触媒層は、プラチナ、ルテニウム、および／または、その合金を含むことを特徴とする前記２つの請求項のいずれかに記載の装置。
【請求項１０】
前記燃料電池は、前記液体燃料のガス成分を除去するデバイスをさらに有することを特徴とする請求項１から９までのいずれかに記載の装置。
【請求項１１】
前記脱ガスデバイスは、前記流体分配構造の微細構造の形態で存在し、前記流体分配構造からのガス媒体の除去を補助することを特徴とする請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記流体分配構造は、Ｔ形状の断面を有する少なくとも１つの流路を有することを特徴とする請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
前記燃料電池は、前記アノード側に少なくとも１つのバリア層を有し、前記バリア層はガスについて透過性があり、液体について不透過性であり、その結果、前記液体は前記流体分配構造に保持され、前記ガスは前記流体分配構造から搬送除去されることを特徴とする請求項１０から１２までのいずれかに記載の装置。
【請求項１４】
前記少なくとも１つのバリア層は、疎油性膜を備えることを特徴とする請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
アノード側端板およびカソード側端板は、前記膜電極接合体から離れて配置される前記流体分配構造の側面に配設されることを特徴とする前記２つの請求項のいずれかに記載の装置。
【請求項１６】
前記少なくとも１つのバリア層は、前記アノード側端板と前記アノード側流体分配構造との間に配設される請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
前記少なくとも１つのバリア層は、前記アノード側流体分配構造から離れて配置される前記アノード側端板の側面に配設されることを特徴とする請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
搬送デバイスによって燃料を供給される直接酸化燃料電池を動作させる方法において、
前記燃料電池内の燃料の体積流量は、前記体積流量が不連続になるように制御されることを特徴とする方法。
【請求項１９】
前記体積流量は、所定の間隔で前記燃料電池内にもたらされることを特徴とする請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記間隔長は、前記流体分配構造の幾何形状、前記燃料電池の動作点、および燃料の希釈の関数として設定されることを特徴とする請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記搬送デバイスは、電流または電圧が決められた閾値より下がるときにスイッチオンされることを特徴とする請求項１８から２０までのいずれかに記載の方法。
【請求項２２】
ポンプは搬送デバイスとして使用されることを特徴とする請求項１８から２１までのいずれかに記載の方法。
【請求項２３】
請求項１から１７までのいずれかに記載の装置を使用することを特徴とする請求項１８から２２までのいずれかに記載の方法。
【請求項２４】
直接酸化燃料電池を動作させるための、請求項１から１７までのいずれかに記載の装置の使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料用の搬送デバイスによって、一般に、メタノールを供給される直接酸化燃料電池を動作させる方法に関する。本発明は、同様に、直接酸化燃料電池、燃料リザーバ、および燃料電池を通して燃料を搬送する少なくとも１つのデバイスを備える対応する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気小型消費者機器（ＰＤＡ、携帯電話など）のエネルギー要求は、絶えず増加している。しかし、マイクロプロセッサは、過去１０年で約３０倍速くなったが、電池のエネルギー密度は２倍になっただけである。燃料電池は、この状況で、従来の電池および蓄電池のための考えられる置換物または補助品とみなされる。特に、直接酸化燃料電池（たとえば、直接エタノール燃料電池）は、特に有望な移動体エネルギー源と考えられる。それは、液体燃料が、かなり容易に取り扱われることができ、また、一般に、電池および蓄電池に比べて数倍高いエネルギー密度を持つからである。
【０００３】
直接酸化燃料電池の動作についての本質的な難問の１つは、アノード側での炭素含有液体燃料の酸化中における二酸化炭素気泡の生成にある。例として、水を使用したメタノールの酸化：ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋６Ｈ＊＋６ｅが述べられてもよい。これらの気泡は、ガス拡散層内か、または、流体分配構造内で固定され、そのため、活性セル表面および燃料電池の性能を低下させる可能性がある。
【０００４】
標準的な動作モードでは、直接酸化燃料電池に液体燃料を供給するポンプは、連続して動作する。ガス気泡は、一般に超化学量論的な体積流量によって液体内に溶解するか、または、液体によって燃料電池から洗い落とされ、その後の工程で、液体燃料から分離される。これは、かなり大きなポンプの電力要求を伴うポンプの連続動作を必要とし、その結果、燃料電池システム全体のシステム効率を減少させる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
最新技術の連続動作式システムから始めて、燃料電池のより高いシステム効率を達成することができるように、直接酸化燃料電池の動作を改善することが、本発明の目的であった。さらに、いわゆる、燃料のクロスオーバ、すなわち、膜を通した未消費燃料の貫入が防止されるシステムが提供されることを意図された。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この目的は、請求項１を特徴付ける特徴を有する一般的な装置、および請求項１８を特徴付ける特徴を有する一般的な方法によって達成される。本発明による装置の使用は、請求項２４に述べられる。さらなる従属請求項は、さらなる有利な展開を明らかにする。
【０００７】
本発明によれば、少なくとも１つの直接酸化燃料電池、少なくとも１つの燃料リザーバ、および燃料電池を通して燃料を搬送する少なくとも１つのデバイスを備える装置が提供される。直接酸化燃料電池は、それにより、アノードとカソードを有する膜電極接合体（ＭＥＡ）、ならびに、それぞれ、少なくとも１つの集電板を有する少なくとも１つのアノード側およびカソード側の流体分配構造を収容する。流体分配構造によって、ガス状遊離体と液状遊離体は、共に、それにより、膜まで誘導されることができる、あるいは、酸化の間に形成されるガス状生成物または液状生成物は、除去されることができる。
【０００８】
本発明による装置の特定の特徴は、装置が、さらに、燃料電池を通る燃料の体積流量(volume flow)を調整する制御ユニットをさらに有することである。本発明によるこの制御ユニットを使用することによって、燃料を搬送するデバイスの不連続動作を可能にすることができる。本発明によるこの装置を使用して、かなり高い燃料電池のシステム効率が達成されることができる。
【０００９】
このパワー増加は、燃料が連続して圧送されないことに起因する可能性がある種々の要因を有する。一方、アノード電極におけるメタノール濃度は、燃料の一定の消費によって減少し、カソードへの燃料のクロスオーバが減少し、電流密度が増加する。第２の理由は、連続動作中にわずかに形成し、発生するだけであるＣＯ２気泡内での、燃料のガス状のまたは蒸気形成の凝集状態の生成にある。ガス状燃料は、液体凝集状態と比較して、酸化反応のよりよい動力学、すなわち、高い効率を有する。電極は、この場合、必ずしも液体に接触しないため、クロスオーバは、さらに減少する可能性がある。永続的な流れによる「冷却」が起こらないため、温度上昇はまた、さらなる寄与を提供する。これは、同様に、酸化反応の改善された動力学をもたらす。
【００１０】
本発明による装置内の制御ユニットは、好ましくは、切換え可能弁、好ましくは、２安定弁を有する圧力容器である。
【００１１】
ポンプは、燃料を搬送するデバイスとして、特に適する。特に、液体が、そこを通して非動作状態で流れることができるポンプが好ましいため、非動作状態において、さらなる燃料消費があっても、燃料電池内の燃料の消耗が防止される。こうしたポンプの例は、逆止め弁の代わりに、拡散要素を有するポンプ（いわゆる、ノズル拡散ポンプ）である。
【００１２】
膜電極接合体は、最新技術から知られている構成を有する。そのため、膜電極接合体は、たとえば、ナフィオンでできたプロトン伝導膜および、それぞれアノード側およびカソード側の触媒層と拡散層を備える。プロトン伝導膜は、それにより、燃料および反応生成物について不浸透性であるべきである。
【００１３】
触媒層に関しては、大きな活性表面を有し、一酸化炭素に耐性があり、またできる限り２次反応または２次生成物がない材料が好まれるにちがいない。したがって触媒層は、プラチナ、ルテニウム、および／またはそれらの合金を含むことが特に好ましい。
【００１４】
拡散層は、陽極触媒層に対する燃料の搬送および陰極触媒層に対するさらなる遊離体の搬送を可能にすることを意図される。さらに、拡散層は、陽極触媒層からのガス状反応生成物の搬送か、または、陰極触媒層からの反応生成物の搬送を可能にしなければならない。拡散層のさらなる要件は、電子伝導についての拡散層の特性に関係する。
【００１５】
拡散層の代わりに、微細構造も使用されることができる。
【００１６】
本発明による装置のさらなる好ましい変形は、燃料電池が、さらに、液体燃料の脱ガスを行うデバイスをさらに有することを可能にする。これについての変形は、流体分配構造からのガス状媒体の除去が、それによって補助される流体分配構造の微細構造化を提供する。この変形に関して、図１〜４が参照される。
【００１７】
脱ガスについての別の変形は、燃料電池が、アノード側で、ガスおよび液体について不浸透性である少なくとも１つのバリア層を有することを可能にする。結果として、液体は前記流体分配構造内に保持され、ガスは流体分配構造から搬送除去されることができる。この変形に関して図５が参照される。バリア層は、それにより、好ましくは、疎油性膜である。しかし、同様に、微細構造またはセラミックが、バリア層として使用されることもできる。バリア層の配置構成に関して、第１の好ましい変形は、バリア層が、ＭＥＡから離れて配置される流体分配構造の側面に位置するアノード側端板とアノード側流体分配構造との間に配設されることを可能にする。別の好ましい変形は、バリア層が、アノード側流体分配構造から離れて配置されるアノード側端板の側面に配設されることを可能にする。好ましくは、端板は脱ガス穴を持っている。
【００１８】
本発明によれば、搬送デバイスによって燃料を供給される直接酸化燃料電池を動作させる方法が、同様に、提供される。燃料電池を通る燃料の体積流量が制御され、その結果、不連続な体積流量が可能になることが、本発明による方法の特定の特徴である。この不連続な体積流量は、前に述べた利点を与える。
【００１９】
好ましい変形は、体積流量が、所定の間隔でもたらされることを可能にする。これは、燃料電池を通る燃料の搬送が、第１段階Ａでもたらされ、一方、搬送が、さらなる段階Ｂで中断され、段階ＡとＢが交互に行われることを意味する。間隔長に関して、間隔長は、流体分配構造の幾何形状、燃料電池の動作点、および燃料の希釈の関数として設定されるため、強制的な必須条件は存在しない。
【００２０】
本発明による方法は、好ましくは、本発明による上述した装置と共に実施される。しかし、個々のコンポーネントの任意の配置構成を有するデバイスと共にこの方法を実施することも可能である。
【００２１】
本発明による主題は、ここで示す特別な実施形態に本発明を限定することなく、以下の図を参照してより詳細に説明されることが意図される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
図１では、同じ流路１が４回示され、前記流路は、それ自体は示されない化学マイクロ反応器内に統合され、それぞれ、図の底部にある側面２が触媒膜に当接した状態で化学マイクロ反応器内に配設される。流路１は、流動可能媒体を伝導させ、流動可能媒体は、本発明の場合、液体に関係する。所定の要件に従う化学マイクロ反応器の動作は、触媒膜におけるガスの形成に関連し、そのガスは、側面２で流路１に入り、そこで気泡を形成する。こうした気泡によって形成される混在物３は、４つの連続する時点のａ）、ｂ）、ｃ）およびｄ）で特徴付けられた図解で図１に示され、図解ｂ）は、図解ａ）に示す混在物の後で０．０００７５５秒経った時点を再現し、図ｃ）は、０．００１１７５秒経った時点を、図ｄ）は、０．００３０１秒経った時点を再現する。
【００２３】
同様に具現化される他のデバイスの場合、混在物３は、流路１を通して誘導される媒体と区別することができる流体によって形成されることもできる。それぞれの流動可能媒体は、液体としてではなく、ガスとして存在することができることも可能であることになる。ここで述べる事例では、流動可能媒体は、それぞれ、図１の左にある端部から流路１に供給される液状反応体に関係する。それぞれ、図１の右にある図示する流路１の一端では、前記流路は、端部が開いた流路出口４を有し、出口４を通して、混在物３を形成するガスが、マイクロ反応器の環境内に逃げることができる。
【００２４】
流路１は、Ｔプロファイルを形成する断面を有し、側面２は、Ｔプロファイルの横バーから突出するさらなるバーで終わる。混在物３の表面エネルギーの最小化をもたらす毛管力の結果として、側面２で形成された混在物３は、最初に、述べたさらなるバーが、横バーに接する地点まで増大し、その結果、混在物３は、側面２に当接する触媒膜から取り除かれる。
【００２５】
さらに、混在物３を、毛管力が、再び混在物３に作用する形にさせる幾何形状を、流路１が有し、前記毛管力は、混在物３を、流路１に沿って流路出口４に向かって移動するようにさせる。この幾何形状は、比Ａ’／ｌ’および比Ａ／ｌが、流路１に沿って流路出口４に向かうにつれて、全く単調にかつ常に増加することを特徴とする。ここで、値Ａは、表面積として規定され、値ｌは、流路１の長手方向に垂直な、流路１のそれぞれの断面についてのこの断面の周囲長として規定されてもよく、一方、表面積がＡ’と呼ばれ、また、この断面内にある関連する表面の周囲ラインの長さがｌ’と呼ばれてもよく、この表面は、Ａ’／ｌ’が、断面内にある全ての他の関連する表面と比較して、最大値をとるように規定され、θは、濡れ角として規定され、流路１によって伝導される流動媒体と、混在物３を形成するガス（または、本発明の他の実施形態では液体流体）との間で、流路壁５における各断面のレベルに設定され、また、完全に、最初に述べた流動媒体内にある。本例では、θ＜π／２が適用されるため、特に、ｓｉｎ（ｃｏｓθ）＝＋１が適用され、したがって、値ｓｉｎ（ｃｏｓθ）Ａ’／ｌ’およびｓｉｎ（ｃｏｓθ）Ａ／ｌは、流路１に沿って端部が開いた流路出口４に向かうにつれて、全く単調にかつ常に増加する。
【００２６】
流路１に沿って流路出口４に向かう、述べた値または比の単調増加は、本事例の場合、以下のように達成される。すなわち、流路１の断面の表面積Ａ、したがって、断面内にあり、かつ、断面内で混在物３を呈しようとする表面に対する良好な近似として対応する、述べた表面の表面積Ａ’が、流路に沿って単調に増加するように、達成される。それにより、流路１に沿う表面ＡおよびＡ’の増加は、述べたＴプロファイルの横バーに垂直な、流路１に沿う方向に単調に増加する断面の寸法が形成されるように達成され、それは、拡張部によって達成され、それは、流路１の間に増加し、Ｔプロファイルの部分のそれは、横バーおよびそれに伴うプロファイル変化に垂直な方向の横バーを形成する。Ｔプロファイルの横バーをそれぞれ形成する流路１の部分は、その結果、楔形状を維持する。同様に、流路１の他の幾何形状が考えられ、流路１の断面の最大直径および／またはこの断面の寸法が、その直径に垂直な流路１に沿う方向に単調に増加して、その結果、毛管力による優先方向への混在物３の移動を誘発する。図１からの流路１の本事例では、プロファイル変化は、述べたように生成され、Ａ／ｌ２として規定された比およびＡ’／ｌ’２として規定された比は、流路１に沿って流路出口４に向かうにつれて、常にかつ全く単調に増加する。
【００２７】
最後に、別法として、または、付加的に、たとえば、場所依存コーティングによって、流路に沿って変化する表面特性を有するプロファイル変化を受けるように、流路１の流路壁５を構成することも可能であることになり、それにより、混在物３を形成するガス、流路１によって伝導される流動媒体、および流路壁５の表面特性の関数である濡れ角θは、流路１に沿って変化する値を有し、また、混在物３は、その結果、流路出口４に向かって混在物３を移動させる毛管力を生じる、または、毛管力を増加させる形にされる。
【００２８】
図１において一定比例尺で示されない流路は、さらに、流路１の断面の表面積Ａが、流路開始時に２５０００μｍ２の値を有し、０．７ｍｍの長さの伸張部にわたって流路１に沿って一様に増加し、流路出口４で最大９５０００μｍ２の値になるような寸法に作られる。それにより、流路１は、本事例の場合、述べたＴプロファイルの横バーの長さによって提供される５００μｍの一定幅を有する。流路壁５の少なくとも１つの壁をわずか約０．００１°だけ傾斜させることだけによって断面変化が達成される、１つの毛管の対応する構成も可能であろう。
【００２９】
示す流路１を収容するマイクロ反応器の動作中に、混在物３（その１つが図１に示される）は、側面２で生成され、混在物３を形成するガスは、側面２または側面２に当接する触媒膜上で、デバイスに関連して起こる反応に基づいて明白に確立される化学組成を有する。したがって、同様に、流路１の特性を述べるために先に使用された濡れ角θもまた確立される。流路１の述べた幾何形状のために、もっぱら毛管力によって駆動される混在物３は、ここで、流路出口４の方へ移動させられる。
【００３０】
化学的マイクロ反応器内とは別に、上述した流路１のタイプの流動媒体を伝導する毛管は、特に、脱ガスするか、または、他の混在物を除去するために、他のデバイス内に、たとえば、補充可能液体を含むデバイス（その補充は、通常、気泡形成を伴う）内に設けられることもできる。補充インクカートリッジは、例として述べられてもよい。
【００３１】
燃料電池スタックの２極板内で液状反応体を搬送するのに役立ち、先に述べた流路１と同様な寸法を有する、同様な流路１は、断面図（図解ａ）〜ｆ））および側面図（図解ｇ）およびｇ））として図２に示される。それ自体は示されない燃料電池スタックは、本事例では、直接エタノール燃料電池を備え、図示する流路１は、主に、述べた反応体を形成するメタノールを搬送するのに役立つ。
【００３２】
流路１は、やはりＴプロファイルを形成する断面を有し、それぞれ図２の底部にあるこのＴプロファイルの横バーは、触媒の役目をする拡散層に当接し、また、その一部が、電質解膜に当接する。拡散層は、燃料電池スタックの動作中にガス状二酸化炭素が、その上で形成される活性表面６を形成し、前記二酸化炭素は、流路１内で、メタノールで囲まれる混在物３を形成する。Ｔプロファイルの横バーは、２つの端部に向かってテーパが付く形を有し、活性表面６から離れる方を向くさらなるバーが、横バー上の中心で突出する。ａ）〜ｆ）を特徴とする図２の図解は、この形のプロファイルによって、成長する混在物３が、毛管力のために、述べたさらなるバーの方へ移動し、小さな混在物３をそれ自身の中に吸収する大きな混在物３が途中で見られるという結果がもたらされることを示す。本発明の他の実施形態では、Ｔプロファイルの横バー上の中心で始まる、述べたさらなるバーは、横バーから外に幅広化し、その結果、毛管力のために、Ｔプロファイルのさらなるバー内への、したがって、活性表面６から離れる、混在物３の移動が誘発されることができることが実現される可能性がある。同様に、流路１は、本発明の変更形態で、活性表面６に当接する脚部を有するＬプロファイル（横バーの半分を省略することによってもたらされることになる）によって構成されることもできる。
【００３３】
先に述べた例の場合、図２に示す流路１はまた、断面Ａを有し、断面Ａは、流路１に沿って流路出口４の方に向かって、常にかつ全く単調に増加し、Ａ／ｌとして規定される比もまた、流路出口４の方に向かって、常にかつ全く単調に増加し、ｌは、流路１の断面の周囲長として規定される。混在物３は、０〜π／２の小さな値を有する濡れ角または接触角θを、流路壁５に関して形成し、このために、比Ａ／ｌの述べた増加、および、比Ａ’／ｌ’（ Ａ’およびｌ’は、図１の文脈で、先に説明したように規定されてもよい）のこのような関連する増加は、流路出口４に向かって移動するこれらの毛管力が混在物３に作用するという結果をもたらす。断面Ａの増加および流路出口４へ向かう混在物３の、述べたように誘発された、移動の増加は、２つの連続した時点を再現する図解ｇ）およびｈ）に示される。濡れ角θも、１つの時点における図解に示される。
【００３４】
ここで述べる流路１と同様に、冷却材流路も構成されることができ、冷却材流路は、液状冷却材を導き、冷却材流路内で、冷却材の気泡が、燃料電池スタックまたは別の化学マイクロ反応器の動作中に、形成する可能性がある。対応する流路１はまた、２極板内だけでなく、たとえば燃料電池の他の電流消費機器内にも配設されることができる。
【００３５】
繰り返される特徴が、同じ参照数字で再び特徴付けられる図３および４は、毛管力に起因する可能性がある気泡搬送についての述べた作用を再び示す。図３の左側では、流体の混在物３を有する流路１が示され、流動媒体によって、右と左が囲まれる。混在物３の外にあり、完全に流動媒体内にあるものとして規定される接触角θは、ここでは、π／２より小さいため、流路４へ（ここでは、左に）向かうＡ／ｌ（およびＡ’／ｌ’）の増加は、この方向への気泡搬送をもたらす。同じ図３において、別のデバイスからの別の流路１は右側に示され、混在物３が同様に形成される。しかし、その場合、π／２より大きい接触角θが設定される。流路出口４（ここでは、右にある）に向かうＡ／ｌ（およびＡ’／ｌ’）の減少がもたらされ、それにより、混在物３が流路出口４に移動する。
【００３６】
図４は、θ＞π／２についての左側とθ＜π／２についての右側の２つの例において、流路断面が一定である場合でも、θの場所依存値によって、対応する作用がどのようにもたらされるかを示す、両方の事例において、流路出口４（それぞれ、左にある）に向かうときのθの増加は、各混在物３に作用する力をもたらし、混在物３を流路出口４に向けて移動させる。示される事例全てにおいて、各混在物３の、２つの対向配置される端部における異なる毛管圧によって、移動がもたらされ、毛管圧は、混在物の境界を定めるメニスカスの異なる曲率に反映される。この作用は、図３の例では、流路の幾何形状によって、図４の例では、場所依存接触角θによって生じ、場所依存接触角θは、流路１に沿って変化する流路壁５の表面コーティングによって達成されることができる。もちろん、図３および４を参照して述べた作用は、（特徴の組合せによって）重ね合わされることができる。
【００３７】
したがって、本微細構造を用いると、流体伝導流路１の幾何形状が、各要件に合うように相応して構成されるように、ガス気泡の搬送のための幾何学的構造を使用することが特に提案される。たとえば、流路１の側壁２が、反応がそこで起こる膜によって形成され、たとえば、できる限り迅速に除去されることを意図されるガスを生成する場合、流路の幾何形状は、毛管力だけのために、ガスが膜から搬送除去されるように構成されることができる。したがって、本明細書で提示されるタイプの構造は、ガス体積の受動的除去のために使用されることができ、流路１は、優先方向を定めることができ、また、かなり長い伸張部にわたる受動的搬送のために使用されることができる。それにより、ガス気泡の放出に関して、外的に作用する力が必要とされず、したがって、たとえば、ポンプなどの対応する外部コンポーネントも必要とされない。図１および２は、数値フローシミュレーションに基づいており、混在物３を形成するガス体積が、表面エネルギーの最小化によって、断面の特定のセクション内にどのようにそれぞれ移動するか、また、異なる毛管圧によって、流路１に沿った移動をどのようにさせられるかを示す。この移動は、通常、流路出口４において流路５から対応するガス体積が分離するまで続く。そのとき、エネルギー最小化に達するからである。
【００３８】
したがって、化学反応器システム内で混在物３を形成する相（通常、ガス）の搬送のための、本明細書で述べるタイプの受動システムを使用することが特に提案される。こうした構造の使用に適する典型的な反応器は、たとえば、ガス気泡がそこで連続して生成される触媒膜を有する燃料電池などの触媒反応器である。ガス気泡の速い除去によって、活性膜表面の閉塞が防止され、この膜表面が洗い流され清潔になる。生じるガス気泡は、流路１の特別に適合した幾何形状を使用して、ガス気泡についての膜表面の通常は定期的な洗浄を独立して確保する。この方法は、最大の自由反応表面を確保し、対応する反応体を反応器に自動で補充することを確実にし、したがって、最新技術に比べて大きな利点を提供する。
【００３９】
気泡を形成する相の受動的搬送のための望ましい毛管力を生じさせる幾何学的構造は、ウェブおよび細幅化(narrowings)を含むことができる、または、ウェブおよび細幅化によって生成されることができる。それにより、幾何形状は、その幾何形状のために、また幾何学的構造の表面品質のために、気泡を形成する相が優先方向に移動させられる（生じる気泡の表面張力によって駆動される）ように生成されることを意図され、気泡の搬送は、通常、もっぱら受動的にもたらされる、すなわち、相境界における毛管力だけによって駆動される。
【００４０】
図５では、特許請求される装置の本発明による変形の構成が示される。これは、アノード側およびカソード側の触媒層８および８’ならびにガス拡散層９および９’がそこに当接するプロトン伝導膜７を有する膜電極接合体（ＭＥＡ）に基づく。アノード側には、関連する集電板１１を有する流体分配構造１０が、その後配設される。同様に、カソード側は、集電板１１’を有する流体分配構造１０’を有する。端板１２および１２’は、それぞれ、両側で終端を形成し、さらに、ガス浸透性であるが液体不浸透性のバリア層は、アノード側、たとえば、疎油性膜上に配設される。このバリア相１３を使用して、燃料は、流体分配構造内に保持され、一方、メタノールの酸化の場合に生成される二酸化炭素は、環境内に逃げることができる。バリア層のこの配置構成は、必須ではない。というのは、端板１２上にも外部からバリア層を塗布することができるためである。
【００４１】
図６を参照すると、燃料の脈動搬送中の電圧推移が示される。本事例では、２０分間、燃料電池を動作させるのに、２０秒間のポンピングで十分である。
【００４２】
図７では、３つの異なる動作モードが、互いに比較される。３つの動作モードとは、最新の技術から知られている連続ポンピング（Ａ）、リザーバと燃料電池との間の弁を閉じる不連続ポンピング（Ｂ）、およびリザーバ内の静水圧によって補助される不連続ポンピング（Ｃ）である。３つの変形全てにおいて、脱ガスは、図１〜４にも示した先に述べた微細構造によってもたらされた。燃料の高い流量は、結果として、燃料のいわゆるクロスオーバが補助されることによる、高い圧力および一定の高い燃料濃度のために、燃料電池の性能に悪い影響を及ぼす可能性がある。逆に、低い流量は、燃料電池システムの全体効率を補助する。図７を見てわかるように、連続ポンピング（図７のＢ）によって、電流、したがって、燃料電池の性能が向上する可能性がある。この場合、ポンプは、停止され、約２３分後に短時間の間、スイッチオンされる。非動作状態で液体の流れを可能にするポンプが使用される（図７のＣ）ため、さらなる向上が達成される可能性がある。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】４つの連続する時点における、混在物を有する微細構造の形態でガス状成分を除去するデバイスからの流路部の斜視図である。
【図２】６つの連続する時点における、混在物を有する微細構造の異なる実施形態の流路を通る断面図と、２つ連続する時間における混在物を有する同じ流路の側面図である。
【図３】微細構造の他の２つの実施形態のそれぞれからの流路を通る長手方向断面図である。
【図４】同様に、さらなる実施形態の２つの流路のそれぞれを通る長手方向断面図である。
【図５】本発明による装置の略構成図である。
【図６】不連続体積流量による、時間を関数とする電圧推移のグラフである。
【図７】微細構造を用いた、連続体積流量、不連続体積流量、およびリザーバ内の静水圧によって補助される不連続体積流量による、電流密度の比較を示すグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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