(57)【要約】      （修正有）【課題】カソード水の外部の回収なしに、燃料電池セル内における水の流れ及び分配を適切に制御することにより直接高濃度のメタノールにより作動されるＤＭＦＣシステムを実現する。【解決手段】  直接型メタノール燃料電池ユニットは、アノード、疎水性マイクロポーラス層を持つカソード及び電解質膜を含む燃料電池セルと、前記アノードへ燃料を供給する燃料供給路と、を備える。前記燃料供給路は、水の逆拡散を防ぐ向流水バリアとアノードで発生したガスを流すガス流路を有する。前記水バリアと前記カソードマイクロポーラス層との間には、水富化帯が形成される。この帯のいずれかの側からの水の損失は、なくなるか減少し、これにより燃料流路中の高濃度のメタノールの直接の使用が許容されて、高い効率と出力性能とがもたらされる。前記電池ユニットは、能動的に空気を循環したカソードと、吸気式のカソードのいずれにも同様に適用することができる。【選択図】図１
2006173106.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード、カソードおよびその間に挟持された電解質膜と、
前記アノードで生成したガスを流通可能な、前記アノードに積層された、アノード流路と、
水の逆拡散に対する抵抗を有する、前記アノード流路と燃料流路の間に積層された、向流水バリアと、
前記水バリアと前記アノード流路とを通して前記アノードへ燃料を供給する前記燃料流路と、
を備えた、燃料電池セル。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池セルであって、
前記水バリアは多孔質ないし穿孔された材料よりなる。
【請求項３】
請求項１及び２の何れかに記載の燃料電池セルであって、さらに
前記アノード流路の端部に気液分離膜を備える。
【請求項４】
請求項１乃至３の何れかに記載の燃料電池セルであって、
前記アノードは、前記電解質膜に接するアノード触媒層と、前記アノード流路に接するアノードガス拡散層と、前記アノード触媒層と前記アノードガス拡散層との間に配置されたアノードマイクロポーラス層と、を備える。
【請求項５】
請求項１乃至４の何れかに記載の燃料電池セルであって、
前記電解質膜は前記アノードの近傍に親水性の層を備え、前記カソードの近傍に疎水性の層を備える。
【請求項６】
請求項１乃至５の何れかに記載の燃料電池セルであって、
前記カソードは、前記電解質膜に接するカソード触媒層と、カソードガス拡散層と、前記カソード触媒層と前記カソードガス拡散層との間に配置されたカソードマイクロポーラス層と、を備える。
【請求項７】
請求項１乃至６の何れかに記載の燃料電池セルであって、
αを前記電解質膜を透過する水分子のプロトン１つあたりの数、βをカソードへクロスオーバーするメタノールと発電に寄与するメタノールの比とすると、前記燃料は、水のメタノールに対するモル比で（１＋６α）：（１＋β）に混合されたメタノール及び水からなる。
【請求項８】
請求項１乃至７の何れかに記載の燃料電池セルであって、前記電解質膜の厚さは９０ミクロン以下である。
【請求項９】
アノード、カソードおよびその間に挟持された電解質膜と、
前記アノードで生成したガスを流通可能な、前記アノードに積層された、アノード流路と、
水の逆拡散に対する抵抗を有する、前記アノード流路と燃料流路の間に積層された、向流水バリアと、
前記水バリアと前記アノード流路とを通して前記アノードへ燃料を供給する前記燃料流路と、
前記燃料を貯留する燃料タンクと、
前記燃料を前記アノードへ輸送すべく前記燃料タンクと前記アノードとを連絡する多孔体と、
を備えた燃料電池システム。
【請求項１０】
請求項９に記載の燃料電池システムであって、
前記カソードは、外気に露出している。
【請求項１１】
請求項９及び１０の何れかに記載の燃料電池システムであって、
前記アノードおよび前記カソードは、前記カソードで生成した水の一部を燃料の希釈に利用するべく構成されている。
【請求項１２】
請求項９乃至１１の何れかに記載の燃料電池システムであって、
αを前記電解質膜を透過する水分子のプロトン１つあたりの数、βをカソードへクロスオーバーするメタノールと発電に寄与するメタノールの比とすると、前記燃料タンクに貯留された前記燃料は、水のメタノールに対するモル比で（１＋６α）：（１＋β）に混合されたメタノール及び水からなる。
【請求項１３】
請求項９乃至１２の何れかに記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記カソードで生成した水を前記燃料タンクへ回収するべく、前記カソードと前記燃料タンクとの間に接続された、回収路を備える。
【請求項１４】
請求項９乃至１３の何れかに記載の燃料電池システムであって、前記アノード触媒層近傍の水の濃度は、前記燃料タンク内の水の濃度より２０Ｍ以上増大している。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直接メタノール燃料電池セル（ＤＭＦＣ）及びこれを使用した燃料電池システムに関し、さらに詳しくは、アノードの高濃度のメタノールに作用するＤＭＦＣ及びこれを使用した燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的な燃料電池は、アノード、カソードおよびこれらに挟持されたプロトン導電性の電解質膜を有する膜電極アセンブリ（以下、ＭＥＡ）を備える。直接型メタノール燃料電池（以下、ＤＭＦＣ）の場合、前記アノードへ燃料としてメタノール／水の溶液を供給し、カソードへ酸化剤として空気を供給する。ＤＭＦＣは、燃料から水素を取り出すための改質器を必要としないので、小型化には有利である。
【０００３】
前記電解質膜はアノードおよびカソードの間のイオンを交換する働きをなすものであって、通常、保湿する必要がある。一般的に、保湿のための水はアノード側に供給されるか、またはカソード側における還元反応から生成される。
【０００４】
前記メタノールの一部は、前記アノードから前記カソードへ前記電解質膜を浸透することが知られており、これを「クロスオーバーメタノール」と呼ぶ。前記クロスオーバーメタノールは、前記カソードにおいて酸素と反応し、燃料利用効率低下の要因となるとともに、逆起電力の原因となって、前記燃料電池の起電力を抑制する。
【０００５】
前記アノードにおけるメタノールの濃度を適切に制御することは重要である。過度な高濃度は、多量のクロスオーバーメタノールの発生につながり、それゆえ起電力の低下をもたらす。さらに極端な場合には、ＭＥＡの劣化が起こりかねない。一方、過度な低濃度は、発電のための燃料供給の不足につながる。
【０００６】
前記メタノール−水の混合物は、予め適切な濃度としておいて、燃料タンクに貯留しておくことができる。しかしこの場合、比較的大型の燃料タンクが必要である。カソードで生成する水を回収してメタノールに添加し、以って適切な濃度の混合物とすることもできる。この場合は高濃度のメタノールを燃料タンクに貯留できるので、小容量の燃料タンクであっても比較的に大きなエネルギ密度が得られる。しかし、この場合には、水を回収してメタノールに添加するための装置を付加する必要がある。これら従来の慣行は、小型化に有利であるＤＭＦＣの利点を損なうものである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記の問題を克服し、カソード水の外部の回収なしに、燃料電池セル内における水の流れ及び分配を適切に制御することにより直接高濃度のメタノールにより作動されるＤＭＦＣシステムを実現することを意図している。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の重要な特徴は、空気をカソード流通路に循環させながら、アノード流路とカソード触媒層との間の領域に豊富な水を留めることにある。これは、一方の面に、生成した水が薄い電解質膜を通してアノードへ押し戻され得るように高度に疎水性にされたカソードマイクロポーラスレイヤー（ＭＰＬ）を用いることにより実現される。前記領域の他方の面、すなわち前記アノード流路の外面に、金属、高分子、セラミクス中に多数の細長い穴ないし細孔を内包した水バリア層が挿入される。このバリアは、液体の流動路を許容する特別な特性を有する。水の逆方向への逆拡散が本質的に減少する。それゆえこのバリアを、「向流」水バリアと呼ぶ。前記セルが通電中の時、カソード触媒層における消費及びメタノール及び水のクロスオーバーは、これら孔／細孔を通るアノード流路への強い液体の流れを生み、それ故下流が上流へ影響しないという効果を生ずる。この向流効果は、実質的に下流（水富化帯）から上流（燃料流路）への水の逃散を減ずる。それ故、前記向流バリアと前記カソードＭＰＬは、逃散しないように効果的に水を保護し、カソード触媒層及び電解質膜の近傍に常に水富化帯を維持する。燃料電池セル内の水富化帯の存在は、高濃度のメタノールの利用を可能とし、良好な燃料効率とセル性能をもたらす。
【０００９】
本発明の一局面によれば、燃料電池セルは、アノード、カソードおよびその間に挟持された電解質膜と、前記アノードで生成したガスを流通可能な、前記アノードに積層されたアノード流路と、水の燃料流路への逆拡散に対する抵抗を有する向流水バリアと、水のアノードへの逆流を促進するカソードＭＰＬと、を備える。
【００１０】
本発明の更なる長所ならびに局面は、本発明を実施することを考慮して最良の態様を例示することにより簡単に本発明の実施形態を図示及び説明した後述の説明から当業者にとり容易に明らかとなる。以下に説明されるように、本発明は他の異なる実施形態が可能であり、そのいくつかの詳細は本発明の思想から離れることなく種々の明白な点で修正することが可能である。それゆえ、図面と説明は、本質的に実例として解釈すべきであって、限定的に解釈するべきではない
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１を参照するに、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システム１は、アノード触媒層３、カソード触媒層５およびこれらに挟持されたプロトン導電性を有する電解質膜７よりなるＭＥＡを備える。
【００１２】
上記アノード触媒層３は、燃料（メタノール水溶液）を酸化することによって、燃料から電子とプロトンを取り出すものである。アノード触媒層３は、例えばカーボンペーパーよりなるアノードガス拡散層１１を隣接して備える。
【００１３】
前記カソード触媒層５は、酸素を還元して電子を取り出すものであって、さらにカソードガス拡散層９を隣接して備える。発生された電子と前記アノード触媒層３において発生したプロトンとは前記カソード触媒層５上で反応して水が生成する。
【００１４】
前記電解質膜７は、プロトン導電性を有するイオン交換樹脂よりなるものである。その好適な例は、テトラフルオロエチレンとペルフルオロビニルエーテルスルフォン酸とのコポリマーであって、より好適には商品名ナフィオン（米国デュポン社）が例示できる。
【００１５】
前記ＭＥＡは、公知の構成が適用しうるものであって、より詳細な説明は省略する。
【００１６】
前記カソード触媒層５の外表面、すなわち前記電解質膜７の反対側の面には、例えば多孔質のカーボンクロスないしカーボンペーパーよりなるカソードガス拡散層９が積層されており、大気に開放されている。このカソードガス拡散層９は、毛管力による水圧を高くするために、疎水処理を施して疎水性にしてある。
【００１７】
前記アノード触媒層３の、前記電解質膜７の反対側の面には、例えば多孔質のカーボンクロスないしカーボンペーパーよりなるアノードガス拡散層１１が積層されている。そして、このアノードガス拡散層１１は、親水処理を施して親水性にしてある。
【００１８】
前記アノード触媒層３および前記カソード触媒層５において、それぞれ、化学反応式
（アノード反応）
CH3OH + H2O → CO2 + 6H+ + 6e−       −(1)
（カソード反応）
3/2O2 + 6H+ + 6e− → 3H2O    −(2)
で表わされる化学反応が進行する。
【００１９】
液体飽和度ｓは、体積Vlの液体が多孔体中の体積Vの空間を占めているとすると、
s = Vl / V    −(3)
により定義される。
【００２０】
多孔体が親水性であるとすると、多孔体における毛管力Ｐｃは、式
【数１】
2006173106.tif 000003
【００２１】
により表される。また疎水性の場合は、
【数２】
2006173106.tif 000004
【００２２】
である。ここで、σ：液体の表面張力、θc：液体接触角、ε：多孔体空隙率、Ｋ：多孔体浸透率である。すなわち、σ，θc，εおよびＫが所与のとき、毛管力による静水圧は液体飽和度ｓの関数として、図２に示されるごとく表すことができる。親水性の多孔体において、静水圧は大気圧と同じかより低く、疎水性の多孔体において、静水圧は大気圧と同じかより高くなることが、図２より理解される。
【００２３】
上記構成において、アノード反応（１）によりアノード触媒層３にＣＯ2が発生すると、アノード触媒層３の液体飽和度ｓは１より小さくなり、カソード反応（２）によりカソード触媒層５に水が生成されると、カソード触媒層５側の液体飽和度ｓは０より大きくなる。そして、前述したように、アノードガス拡散層１１は親水性であり、カソードガス拡散層９は疎水性であるので、カソードガス拡散層９側の毛管力の圧力の方がアノードガス拡散層１１側の毛管力の圧力よりも高くなる。
【００２４】
カソードガス拡散層９とアノードガス拡散層１１との毛管力の差により誘起された水圧差ΔＰは、前記カソード触媒層５において生成された水の一部をアノード触媒層３へ輸送する駆動力となる。この輸送された水は、アノード触媒層３側の水富化帯に帰着する。
【００２５】
前記電解質膜７を透過する正味の水の輸送には、アノード触媒層３側からカソード触媒層５側へプロトンが移動するときに付随する移動（水ドラッグ）と、拡散、前記水圧差による水圧浸透とがある。前記拡散は、イオン交換膜７を通した水の量の差に駆動されるものである。前述したように、親水性のアノードガス拡散層１１と疎水性のカソードガス拡散層９により毛管力の差によって水圧差が生じているので、この水圧差によっても水はカソード触媒層５からアノード触媒層３へ輸送される。すなわち、水は、水圧差による水圧浸透によって、液体飽和度としては小さいカソード触媒層５からアノード触媒層３へ移動される。
【００２６】
前記水ドラッグによるフラックスは、次式で与えられる。
【数３】
2006173106.tif 000005
【００２７】
ここで、ndはプロトン１個当たりに随伴する水分子の数、Ｉは電流、Ｆはファラデー定数である。ndはナフィオン膜の場合、２．５程度である。
【００２８】
水の拡散のフラックスは、次式で与えられる。
【数４】
2006173106.tif 000006
【００２９】
ここで、λはナフィオンのイオン交換基であるスルフォン酸基１つあたりの水分子の量［Ｈ２Ｏ］／［ＳＯ３−］であり、ＥＷはナフィオン膜のモル当量、δはナフィオン膜の膜厚、Ｄはナフィオン中の水の拡散係数、ρはナフィオンの密度である。λは、ナフィオン膜が液体の水と接している場合、２２程度であり、飽和水蒸気と接している場合、１４程度である。
【００３０】
また、水圧差による水の輸送のフラックスは、次式で与えられる。
【数５】
2006173106.tif 000007
【００３１】
ここで、
【数６】
2006173106.tif 000008
【００３２】
であり、μは粘度である。下付文字”mem”は電解質膜を表す。下付文字”a”および”c”はそれぞれアノード、カソードを表す。下付文字”m/a”は電解質膜とアノードとの境界を、”m/c”は電解質膜とカソードとの境界をそれぞれ表す。
【００３３】
カソード側の静水圧をあげるためには、多孔体の孔径を小さくし、水の透過率を下げ、かつ撥水性を上げることが好ましい。一方で、空気ないし水をカソード触媒層９に供給する必要がある。そこで、撥水処理した、サブミクロンの孔径からなる数十ミクロン厚みのカーボン製のカソードマイクロポーラスレイヤー１４を、前記カソード触媒層５とカソードガス拡散層９との間に介在せしめる。このことにより、静水圧を高めることと、カソード触媒層９への十分な空気の供給との両立が可能となる。
【００３４】
メタノールのクロスオーバーを低減するために、従来のＤＭＦＣは、膜厚が１５０μｍ程度のナフィオン膜が適用されている。しかしながら式（８）から理解されるように、毛管力差による水の輸送を容易にするため、ナフィオン膜はより薄いほうが好ましい。本発明によれば、ナフィオン１１３５ないしより薄い膜を用いることにより、カソード流路に空気を循環させながら、膜を通る水の率はゼロないし負にまで減少することを、試験結果は示している。膜の厚さは、３．５ｍｉｌまたは９０μｍと同じか、より薄い。
【００３５】
前記膜を通したメタノールのクロスオーバーと燃料の損失を軽減するべく、アノード中の水富化帯を維持するため、前記アノードガス拡散層１１の外側には、さらに、アノード流路１９と、そのさらに外側には水バリア１５が積層されている。前記水バリア１５は、水に対した逆拡散に対して大きな抵抗を有する。アノード流路１９より燃料流路２１へ水が拡散してしまうとアノード流路１９におけるメタノール濃度が増加してしまうという問題が生じる。前記水バリア１５は、水がアノード流路１９より燃料流路２１に拡散することを妨げて、アノード流路１９における定常的に低いメタノール濃度を保つことを可能にする。前記水バリア１５は、化学的に安定で耐腐食性の材料のプレート中に規則的または不規則なパターンの一連の穴を有するものである。従って、セルが通電中の時にメタノールと水のアノード触媒層への供給により誘起される、前記穴を通る液体の速度は、十分に速くなる。これは、ｕｌＬＷＢ／ＤＨ２Ｏで定義される無次元数（即ちペクレ数）が１０のオーダーまたはより高くなることにつながる。ここでｕｌは前記水バリア中の前記穴を通る液体の速度、ｕｌＬＷＢは前記水バリアの厚さ、ＤＨ２Ｏは液体中の水の拡散係数である。ペクレ数が１０に達すると、“向流”と呼ぶ状態が生じ、例えばアノード流路の内側などの前記バリアの下流は、もはやアノード流路に位置する上流に影響しなくなる。図４は種々のペクレ数に対する水バリア内の水濃度プロフィルをプロットしたものである。見ての通り、ペクレ数１０において、バリア中の中間点における水濃度の傾きが消失し、このため前記燃料流路への水の逆拡散がゼロを示す。このような水バリアは高いメタノール濃度でも水の燃料流路への逃散を効果的に防ぐ。前記水バリア１５は、例えばアノード流路１９において水の濃度が５０Ｍであったとしても、燃料流路２１における水の濃度を０−３０Ｍという状態に保つことを可能にする。
【００３６】
具体的には、前記水バリアを通る液体の速度はアノード触媒層における物質収支から計算され、すなわち、
【数７】
2006173106.tif 000009
【００３７】
である。ここでＳは水バリア１５の開いている面積率であり、Ｉは運転電流密度、ρｌはメタノール／水溶液密度、Ｆはファラデー定数（９６，４８７Ｃ／ｍｏｌ）、ＭＭｅＯＨはメタノールの分子量（即ち３２ｇ／ｍｏｌ）、ＭＨ２Ｏは水の分子量（即ち１８ｇ／ｍｏｌ）である。βは、発電のために消費されるメタノールに対するカソードへクロスオーバーするメタノールの比である。αは、高分子膜を透過するプロトン１つあたり水分子の数である。明らかに、式（９）の右辺の第１および第２の項は、セルが通電したときのアノード触媒層からのメタノールと水の損失を表している。このことは、水バリアを通る液体の流れは、電気化学反応および膜を通した電流の流れにより促進されることを意味する。
【００３８】
前記アノード流路１９は、アノード反応によって生じたＣＯ2を流通せしめるべく構成されている。前記アノード流路１９は、ＣＯ2を重力または内部圧力による浮力を利用して、外部へ排出する。前記アノード流路１９が前記アノード触媒層３からＣＯ2を運び去るので、アノード触媒層３においてのアノード反応が促進される。アノード流路１９における水およびメタノールの濃度はＣＯ2ガスが移動することによる撹拌効果によりほぼ均一に保たれる。
【００３９】
水バリアが導電性物質よりなる場合には、水バリア１５とアノードガス拡散層１１との間にセルからの集電を可能とする接点が存在する。水バリアが電気的絶縁性物質よりなる場合には、水バリア１５はアノードガス拡散層からの集電を可能とするべく導電性の金属グリッド、メッシュないしフレームに収納される。金属の集電器（図１には示されていない）は、当業者が知るごとく、カソード側から集電するためにカソードガス拡散層９の外側に置かれる。電力はアノードとカソード集電器の間で得ることができる。
【００４０】
前記構成において、燃料流路２１、水バリア１５、アノード流路１９、アノードガス拡散層１１及びアノードマイクロポーラスレイヤー１３等は、前記燃料電池セル１のアノード触媒層３に対して燃料を供給するための燃料供給路を構成するものである。高濃度の燃料（例えば５０〜１００％メタノール）を貯留した燃料タンク２３と前記燃料流路２１とを相互接続した接続路２５には燃料ポンプ２７が配置してある。また、燃料流路２１と燃料タンク２３は、未反応のメタノールを回収するための回収路２９を介して接続してあり、この回収路２９にはラジエター３０を配置してもよい。
【００４１】
以上のごとき構成において、アノード触媒層３側のアノード反応によって発生したＣＯ2は、重力および／または内部圧力を利用してアノード流路１９から外部へ排出され、カソード触媒層５側のカソード反応によって発生した水の一部は、毛管力によりアノード触媒層３側へ移動して、アノード触媒層３へ供給されるメタノールの希釈に利用される。図３に、燃料電池セル１における水濃度の分布を概略的に示す。
【００４２】
一方、前記燃料タンク２３から燃料流路２１へ供給された高濃度の燃料（例えば５０〜１００％メタノール）は、水バリア１５を介して、アノード流路１９、アノードガス拡散層１１側へ透過する。水バリア１５は、前記アノード流路１９から前記燃料流路２１への水の逆拡散を抑制する。すなわち、前記水バリア１５は、燃料流路２１における濃度を高く保つものである。
【００４３】
そして、前記アノードガス拡散層１１内からアノード触媒層３側への燃料の透過は、アノードマイクロポーラスレイヤー１３の存在により穏当に制限されることとなる。したがって、前記アノード触媒層３側へ透過した燃料は、前記カソードガス拡散層９側から毛管力によって移動して来る水によってさらに希釈される。すなわち、燃料は適正濃度に調整される。なお、前記燃料流路２１において余分な燃料は、回収路２９を介して燃料タンク２３に回収される。
【００４４】
上記説明より理解されるように、本実施形態によれば、介在する水バリア１５が水のアノード流路１９からの水の逆拡散を抑制するため、燃料タンク２３から燃料流路２１へ供給される燃料は一定の濃度に保持される。アノード触媒層３中のメタノールはカソードマイクロポーラスレイヤー１４から移動される水と混合されて適正な低濃度に調整される。以上の作用により、燃料タンク２３内には高濃度の燃料を貯留することが許容される。
【００４５】
したがって、燃料タンク２３内に予め３Ｍ程度の濃度に希釈されたメタノール水溶液を貯留する場合と比較すると、燃料タンク２３の小型化が可能であり、また、燃料タンクを小型化しない場合にはより大きな発電容量の実現が可能となる。また、カソード触媒層５側において発生した水の一部は、毛管力の差を利用して、他の付加的な装置は必要とせずに、移動されて燃料を適正濃度に希釈することに利用できるものであるので、全体的構成の簡素化および小型化を図ることができる。
【００４６】
アノード流路１９においてＣＯ２が排出される端部に、気液分離膜３７を設けてもよい。燃料電池システム１が任意の方向に置かれている場合でもＣＯ２を排出させることが可能である。
【００４７】
当該セルデザインは、自発的に始動ないし停止しうる。負荷がつながれて始動する間、入バルブ３３と出バルブ３５を開き、液体ポンプ２７を作動させることにより、濃縮メタノール溶液がアノード燃料流路２１に送給され、引き続いて電気化学的消費の下に水バリア１５を通る液体の流れにより、アノード流路１９に送給される。セルは一定の負荷の下、次第に定常状態に達する。停止の際には、液体ポンプ２７は逆に作動して燃料流路２１中の液体は燃料タンクに返送される。入バルブ３３と出バルブ３５は閉じられ、液体ポンプは停止される。
【００４８】
上述の構成において、アノード触媒層３に供給されるメタノールのフラックスは、次式で表される。
【数８】
2006173106.tif 000010
【００４９】
ここで、βはカソードへクロスオーバーするメタノールと発電に寄与するメタノールの比である。アノード反応（１）により、メタノール１モルにつき６モルのプロトンと６モルの電子を発生するので、電流Ｉを発生するために必要なメタノールのフラックスは、電流Ｉを６Ｆで割った値と等しい。クロスオーバーするメタノールのフラックスはそのβ倍であり、全メタノールのフラックスは両者の和であるから、式（１０）が得られる。また、アノード触媒層３に供給される水のフラックスは、次式で表される。
【数９】
2006173106.tif 000011
【００５０】
ここで、αは電解質膜７を透過する水分子のプロトン１つあたりの数である。括弧内の１は、アノード反応（１）により消費される水の量に相当している。アノード触媒層３に供給される水とメタノールのモル比は、
【数１０】
2006173106.tif 000012
【００５１】
である。すなわち、（１＋カソードへ透過する水の割合）：（１＋クロスオーバーするメタノールの割合）と等しい。燃料タンク内の水とメタノールのモル比を、予めこれと等しくしておけば、燃料タンク２３から燃料流路２１にかけてメタノール水溶液の濃度は常に一定に保たれるので、ワンパス供給が可能となる。燃料流路２１から燃料タンク２３へ燃料を循環しても、燃料タンク２３内のメタノール水溶液濃度は一定に保つことができる。例えば、β＝０．２（２０％の燃料クロスオーバー）とα＝０．４では、式（１２）から燃料供給においてモル濃度１１Ｍとなる。
【００５２】
本発明の第２の実施形態を図５を参照して以下に説明する。前述の第１の実施形態と実質的に同一の構成要素には同一符号を付して重複した説明は省略する。なお、図５においては、前記アノード触媒層３、カソード触媒層５及び電解質膜７は膜・電極接合体（ＭＥＡ）として表してある。また、前記アノードガス拡散層１１、アノードマイクロポーラスレイヤー１３、水バリア１５及びアノード流路１９は接合体３３と一体として図示してある。
【００５３】
この第２の実施形態においては、多孔体３５が燃料タンク２３と前記接合体３３の間に配置されており、前述した接続路２５及び燃料ポンプ２７は省略されている。
【００５４】
したがって、本実施形態は、前述した第１の実施形態と同様の効果を奏して燃料タンク２３内には高濃度の燃料を貯留することが許容されると共に、前述した接続路２５、燃料ポンプ２７を省略することができ、構成の簡素化を図ることができるものである。
【００５５】
本発明の第３の実施形態を図６を参照して以下に説明する。前述のいずれかの実施形態と実質的に同一の構成要素には同一符号を付して重複した説明は省略する。
【００５６】
本実施形態においては、高濃度のメタノールがタンク４１内に収容されており、これをポンプＰ１によって前記タンク２３へ供給する。また、カソード拡散層９の外側面に積層されたカソード流路４３に対してポンプＰ２により空気を供給し、前記カソード流路４３の排ガスをコンデンサ４５により冷却し、排ガス中の水蒸気を凝縮させる。前記コンデンサ４５により復水された水は、ポンプＰ３により前記燃料タンク２３に回収される。
【００５７】
本実施形態によれば、前記燃料タンク２３内のメタノール水溶液濃度が多少変動しても、燃料タンク２３からアノード触媒層３までの水バリアが大きいため、アノード触媒層３におけるメタノール濃度の変動を小さく抑えることができる。
【００５８】
前述の説明において、複数の特定の詳細、すなわち特定の素材、構造、プロセス等、は、本発明のよりよい理解のために記載されている。しかしながら、本発明はここに記載された特定の詳細によらずに実施することができる。別の場合には、本発明を不必要に分かりにくくしないために、よく知られた工程および構造は、記載していない。
【００５９】
本開示においては、本発明の好適な実施形態に限り、かつその限られた実施の例を示しかつ説明している。本発明は他の様々な結合及び環境において使用することができ、かつここに表現された発明概念の範囲において変更ないし修正しうると解釈すべきである。
【００６０】
前述の本発明の実施形態の説明は、下記の図面と組み合わせて読むときに、最もよく理解しうる。ここで、種々の特徴は必ずしも一定の縮尺で描かれておらず、関連する特徴を例証するべく描かれている。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】図１は、本発明の第１の実施形態による燃料電池システムの模式図である。
【図２】図２は、液体の飽和度と静水圧との関係を表すグラフである。
【図３】図３は、燃料電池の構造に関する液体の水の分布と水富化帯の概略図である。
【図４】図４は、水バリアの内側の水の濃度分布を表すグラフである。
【図５】図５は、本発明の第２の実施形態による燃料電池システムの模式図である。
【図６】図６は、本発明の第３の実施形態による燃料電池システムの模式図である。
【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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【外国語明細書】
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