(57)【要約】【課題】      本発明は、簡単に構成され及び簡単に操作することができ、貫流方法により燃料電池の陰極に供給される担体要素と燃料の混合物中の燃料の濃度を変更又は増加することができる燃料電池用装置を提供することにある。【解決手段】      本発明に係る装置は、燃料を貯蔵する燃料貯蔵装置と貫流装置とを有する。前記貫流装置の壁は、少なくとも一部が前記燃料に対して透過性のある膜から構成される。前記貫流装置を用いて、前記燃料と担体要素の混合物は前記貯蔵装置を通って輸送される。前記混合物中の燃料の濃度は、前記透過性膜の壁を経由して燃料拡散によって増加される。【選択図】図１
2007509472.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料と担体要素の液体混合物中の燃料濃度(５)を増加する燃料濃度増加装置であって、
前記燃料を貯蔵できる少なくとも一つの燃料貯蔵装置(１)と、
少なくとも一部が前記燃料貯蔵装置(１)に配置され、前記貯蔵装置(１)を通って前記燃料と担体要素の混合物を輸送する少なくとも一つの貫流装置(２)とを備え、
前記貫流装置(２)は、前記燃料に対して透過性又は半透過性であるが、前記担体要素に対して透過性でない少なくとも一つの膜を含み、又は膜の輸送特性によって燃料を前記燃料と担体要素の液体混合物に無抵抗に添加することができるようにした膜からなることを特徴とする燃料濃度増加装置。
【請求項２】
前記装置は、燃料電池に配置され及び／又は前記燃料と担体要素の混合物を交換するために燃料電池に連結された燃料交換連結部を有することを特徴とする請求項１に記載の燃料濃度増加装置。
【請求項３】
前記燃料電池は直接型メタノール燃料電池であることを特徴とする請求項２に記載の燃料濃度増加装置。
【請求項４】
前記燃料電池の陽極に生成された水は、前記燃料と担体要素の混合物に加えることのできることを特徴とする請求項２又は３に記載の燃料濃度増加装置。
【請求項５】
前記燃料貯蔵装置(１)に貯蔵されている燃料及び／又は前記燃料と担体要素の混合物を加熱するために、加熱装置は前記燃料濃度増加装置に配置されること、及び／又は前記燃料濃度増加装置は熱的に又は物理的に燃料電池に連結されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の燃料濃度増加装置。
【請求項６】
熱遮断部は、前記燃料貯蔵装置(１)に一体化され、又はそれに配置されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の燃料濃度増加装置。
【請求項７】
前記熱遮断部は断熱材を含む又は断熱材からなる、及び／又は前記熱遮断部は壁と、壁と壁の間に位置する真空とを有することを特徴とする請求項６に記載の燃料濃度増加装置。
【請求項８】
前記担体要素と燃料の混合物中の燃料濃度(５)を複数回に増加するために、前記燃料と担体要素の混合物は、前記貫流装置(２)を通って複数回に輸送することのできることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の燃料濃度増加装置。
【請求項９】
前記燃料貯蔵装置(１)は、容器及び／又はタンクを含む又は容器及び／又はタンクからなることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の燃料濃度増加装置。
【請求項１０】
前記燃料貯蔵装置(１)は、純粋又は高濃度の燃料を含むことを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の燃料濃度増加装置。
【請求項１１】
前記燃料貯蔵装置(１)は、担体要素において燃料を含み、燃料濃度は50〜100パーセント、好ましくは75〜100パーセントであることを特徴とする請求項１０に記載の燃料濃度増加装置。
【請求項１２】
少なくとも一つの支持装置及び／又は固定装置は、前記燃料貯蔵装置(１)に配置されていることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載の燃料濃度増加装置。
【請求項１３】
前記配置された少なくとも一つの支持装置及び／又は固定装置は、発泡材を含む又は発泡材からなることを特徴とする請求項１２に記載の燃料濃度増加装置。
【請求項１４】
前記膜は、酸性型(H+)のペルフルオロスルホン酸／ポリテトラフルオロエチレン共重合体を含む又は酸性型(H+)のペルフルオロスルホン酸／ポリテトラフルオロエチレン共重合体からなることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか一項に記載の燃料濃度増加装置。
【請求項１５】
前記貫流装置(２)を通る前記燃料と担体要素の混合物の貫流流量は、0.1 ml/min〜1000 ml/min、好ましくは1 ml/min〜100 ml/minの範囲において桁規模であることを特徴とする請求項１〜１４のいずれか一項に記載の燃料濃度増加装置。
【請求項１６】
前記貫流装置(２)の任意の空間的な指向を得るために、支持装置は前記貫流装置(２)の上に又は周囲に配置されることを特徴とする請求項１〜１５のいずれか一項に記載の燃料濃度増加装置。
【請求項１７】
前記支持装置は、発泡材を含む又はからなることを特徴とする請求項１６に記載の燃料濃度増加装置。
【請求項１８】
前記貫流装置(２)は、少なくとも一つのチャンネルを含む又は少なくとも一つのチャンネルからなることを特徴とする請求項１〜１７のいずれか一項に記載の燃料濃度増加装置。
【請求項１９】
前記チャンネルは円状の断面を有することを特徴とする請求項１８に記載の燃料濃度増加装置。
【請求項２０】
少なくとも一つのフィルターは前記貫流装置(２)に配置されていることを特徴とする請求項１〜１９のいずれか一項に記載の燃料濃度増加装置。
【請求項２１】
前記担体要素及び／又は前記燃料は、液体を含む又は液体からなることを特徴とする請求項１〜２０のいずれか一項に記載の燃料濃度増加装置。
【請求項２２】
前記担体要素は、水、水蒸気及び／又はさらなる材料を有する水と水蒸気の混合物を含む又は水、水蒸気及び／又はさらなる材料を有する水と水蒸気の混合物からなることを特徴とする請求項１〜２１のいずれか一項に記載の燃料濃度増加装置。
【請求項２３】
前記担体要素は、さらに酸、好ましくは硫酸を含むことを特徴とする請求項２２に記載の燃料濃度増加装置。
【請求項２４】
前記燃料はアルコールを含む又はアルコールからなることを特徴とする請求項１〜２３のいずれか一項に記載の燃料濃度増加装置。
【請求項２５】
前記燃料は、メタノール及び／又はアルコールを含む又はメタノール及び／又はアルコールからなることを特徴とする請求項２４に記載の燃料濃度増加装置。
【請求項２６】
燃料と担体要素の液体混合物中の燃料濃度を増加する燃料濃度増加方法であって、
少なくとも一つの貫流装置(２)の少なくとも一部は、燃料で満たされた体積のあるものに設置されることと、
膜の輸送特性によって、燃料は前記燃料と担体要素の混合物の体積に無抵抗に添加されるように、少なくとも一つの前記燃料に対して通過性又は半通過性であり、前記担体要素に対して透過性のない膜を含む又はからなる前記貫流装置(２)を通って前記燃料と担体要素の混合物が輸送されることを特徴とする燃料濃度増加方法。
【請求項２７】
請求項１〜２５のいずれか一項に係る装置は使用されることを特徴とする請求項２６に記載の燃料濃度増加方法。
【請求項２８】
前記燃料と担体要素の混合物中の燃料濃度を複数回に増加するために、前記燃料と担体要素の混合物は、前記貫流装置(２)を通って複数回に輸送することを特徴とする請求項２６又は２７に記載の燃料濃度増加方法。
【請求項２９】
前記燃料と担体要素の混合物は、濃度増加後に燃料電池の陰極に輸送されることを特徴とする請求項２６〜２８のいずれか一項に記載の燃料濃度増加方法。
【請求項３０】
燃料電池の陽極で生成された水は、前記燃料と担体要素の混合物に導入されることよって再利用されることを特徴とする請求項２６〜２９のいずれか一項に記載の燃料濃度増加方法。
【請求項３１】
前記燃料及び／又は前記燃料と担体要素の混合物及び／又は前記担体要素は加熱されることを特徴とする請求項２６〜３０のいずれか一項に記載の燃料濃度増加方法。
【請求項３２】
前記燃料と担体要素の混合物は、前記貫流装置(２)を通って輸送される前に及び／又は後に濾過されることを特徴とする請求項２６〜３１のいずれか一項に記載の燃料濃度増加方法。
【請求項３３】
請求項１〜２５のいずれか一項に係る装置を、燃料電池の前記陰極に供給する前記燃料供給流を変更するのに使用すること。
【請求項３４】
前記請求項に係る装置を、直接型メタノール燃料電池に使用すること。
【請求項３５】
請求項２６〜３２のいずれか一項に係る方法を、燃料電池の前記陰極に供給する前記燃料供給流を変更するのに使用すること。
【請求項３６】
前記請求項に係る方法を、直接型メタノール燃料電池に使用すること。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の技術分野において、燃料電池の陰極に稀釈された燃料を供給する装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池とは、電気化学反応が行われて電気エネルギーを得る装置である。過去数十年間に、燃料電池はかなり注目されている。これは、燃料電池の潜在的な高エネルギー密度及び現在のエネルギー生成システムと比べて廃棄ガス又は廃棄物の全体の減少のためである。燃料電池はそのモジュール性のために、小さな携帯型応用品から大きなエネルギー生成プラントまでのエネルギー生成の全範囲をカバーすることができる。応用及び燃料電池の要素として使用される材料に応じて、様々の材料が電池の燃料として使用されることが可能である。メタノール又はホルムアルデヒドの様な有機材料は高エネルギー密度のために、燃料の有望な候補である。
【０００３】
電解質イオン導体によってお互いに隔離されている反応室に起こる互いに独立している二つの電気化学反応を用いて、燃料電池は化学エネルギーを電気エネルギーに変換する。
【０００４】
水素作動の高分子電解質膜燃料電池(PEMFC)において、水素は陰極でプロトンに酸化される。これらのプロトンは電解膜を通して陽極に移動するが、電子は電解膜の電気絶縁性のために、残留する又は外部回路へ導き出される。陽極において、電子及びプロトンを用いて、酸素は水素作動のPEMFCの唯一の排出物である水に還元される。
【０００５】
燃料電池が現在小型電気製品に使用されている充電式電池に置き換わることは望ましい。例えば携帯型パソコンのような携帯型電子応用分野において、一回の電池充電につき使用時間の不足に悩まされているので、高エネルギー密度を有するエネルギー供給装置は、例えば燃料電池、極めて望ましい。
【０００６】
携帯型パソコンシステム用の燃料電池の可能な実施例は、高分子電解質膜燃料電池(PEMFC)及び直接型メタノール燃料電池(DMFC)である。
【０００７】
PEMFCは水素で作動され、高エネルギー密度を有するが、例えば考慮しなければならない不満足な燃料貯蔵及び安全面の不備、完璧に解決されない熱及び水の管理などの様々な不利点、及び水素環境に用いられる材料を発見するのに悩みもある。
【０００８】
一方、DMFCは反応動力学及び燃料の干渉すなわちメタノールが電解膜を通過してしまうことに問題があるため、低エネルギー密度を有する。DMFCの主な利点は、高エネルギー密度(メタノール)を有する燃料の簡単貯蔵及びシステム全体構造の簡単さにある。
【０００９】
DMFCにおいて、陰極の電気化学反応は、メタノール及び水を二酸化炭素(CO2)、水素イオン(H+)及び電子(e-)に変換することである。水素イオンは、電解質としての高分子又はプラスチック材料の膜を通って陽極に流れて行く。一方、自由電子は一般に陰極と陽極との間に連結している消費ユニットを通過する。陽極では、酸素は水素イオンと自由電子とに反応して水を形成する。従って、DMFCの排出物は二酸化炭素及び水だけを含む。このような直接型メタノール燃料電池は、例えば特許文献１の明細書に記載されている。
【００１０】
近年では、携帯型応用に対するさまざまな燃料電池システムの試作品は提示されている。しかしながら、それらを比較的に少量のエネルギーを生成する電池又は他の装置に匹敵させるためには、更なる開発が必要である。潜在的な高エネルギー密度を使い物にするためには、より良い貯蔵及び供給システム(燃料を陰極に供給する)が必要である。現在では、開発の焦点は供給システム側、すなわち、例えば適宜の構築部品及び要素を選択する及び安定な操作を可能にする制御ルーチンを開発することにある。
【００１１】
担体要素と燃料との混合物中における燃料電池用燃料の濃度を変更する装置は、既に従来の技術である。特許文献２の明細書は、燃料を水と混合する方法、関連する装置及び両者の使用を記述している。燃料電池のパワーに基づいた制御を保証するためには、燃料混合物の規定された流速での使用は必要である。特許文献2によってこのような混合物を作るために、水はパンプされ、中空体を通過する。この中空物は、少なくとも各々のセクションにおいて多孔材料で作られた壁を有し、燃料はこの多孔壁の反対側のある区域に規定された流速でパンプされる。
【００１２】
圧力差の結果として、燃料は多孔壁の全体表面を通る時に多孔壁から浸透して均質の混合物を生成させる。関連した装置(１０、２０)において、少なくとも中空物(１、２１)の異なるセクションは多孔壁(２、２２)を有する。この型の装置は、好ましくは作動温度及び作動圧力が事前に設置することのできる直接型メタノール燃料電池DMFCに使用される。
【００１３】
特許文献３は、ガスサンプルの稀釈を精確に制御することのできる装置を記述している。例えばテフロンから作られた透過性膜によって制御された拡散が行われるので、高濃度のガスサンプルは、例えば廃ガスサンプル、高精度で稀釈される。この膜は、円筒軸と垂直となるように円筒状に設けられたハウジングに導入され、このハウジングを二つの部分に分離する。この二つの部分の各々には、鍾形のコアが導入される。コアの端壁はその膜との隙間があるので、鍾形のコアは膜の反対側に円筒軸の横断方向に伸びるガス貫流通路を形成し、従って、ガスが膜を通して流れることができる。または、鍾形のコアの側壁は円筒状ハウジングとの隙間があるので、従って円状断面を有するガスの縦軸流路を形成する。
【００１４】
ガスサンプルは、各々の縦軸流路から導入され、それぞれのコアの端壁を通って伸びるパイプによって各々の横断流路から輸送されて行く。電気加熱素子はハウジングの側壁に設置され、温度センサーにより制御される。これらの温度センサーは、円筒軸の横断方向に伸びる透過性膜の近傍のガス貫流通路に設置される。ハウジングにおいて温度の精確制御が可能となるように、ハウジングの全体は断熱材料で囲まれる。
【００１５】
本発明と対照的に、ここで膜は貫流装置の壁として使用され、ガス流は膜の両側に輸送されて行く。この膜は、燃料と担体要素の混合物中の液体燃料濃度を増加するためではなく、ガス流を稀釈するために機能する。圧力は、この膜の両側に印加される。
【００１６】
特許文献４の明細書は、複数の壁を有する燃料容器及び供給システムを示している。この公開された文献は、直接型メタノール燃料電池とともに使用することのできる燃料容器及び供給システムを掲載している。
【００１７】
この燃料容器及び供給システムは、最良の実施例において、純粋のメタノール又は水性のメタノール／水混合物の形式で燃料電池に導入される燃料を使用する。この燃料が燃料電池から導出される前に、燃料を包含する物質は添加物と混合される。この燃料を包含する物質は外側容器を有する内側タンクに収納される。全体の供給装置が破裂されるときに、燃料を包含する物質は添加物と混合されるように、外側容器と可撓性のバルーンとの間の空間により画成された混合室は添加物で満たされている。
【００１８】
この発明の一つの実施例において、内側タンクは可撓性のバルーンである。針に設けられた破裂装置が開示され、この破裂装置は、純粋な形態の燃料を引き出し、容器を使用する又は再び充填する必要があるとき、まだ残っている全ての燃料が添加物と混合されるように、可撓性のバルーンを引き裂く。
【００１９】
特許文献５は、メタノール／水の混合物がタンクによって供給される燃料電池システムを開示している。所定のメタノール濃度を設定するために、特定数量のメタノールは制御素子によってさらに添加される。
【００２０】
直接型メタノール燃料電池DMFCにおいて、メタノールと水の水素は、下記の反応方程式に準じて利用される：
CH3OH + H2O → CO2 + 6H++ 6e-
【００２１】
従って、メタノールと水の混合物を陰極に供給する必要がある。理想的なモル比は１：１である。DMFCの最も重大な問題は、膜又は電解質を通るメタノールの干渉である。ポリマー又はプラスチック材料の膜又は電解質におけるプロトン輸送(水素イオン)は、水が伴う。PEMFCにおいて、一つのプロトンは、陰極から陽極までには例えば二つ又は三つの水分子と同行する。
【００２２】
メタノールと水の間の物理的類似性(即ち、分子のサイズ、双極子モーメント)の結果として、DMFCにおける液体の両方は、電解質を通過して陰極から陽極に行く。このことは、陽極における混成電位及び全体的な低電池電圧の原因となる。これらのロスを最小限にするためには、現在一般に使用されているメタノールと水との体積混合比は、１：２０から１：１０(vol/vol)までの間にある。
【００２３】
直接型メタノール燃料電池の全体の反応方程式を考慮すれば、作動中に水が生成されることは明らかである:
CH3OH + 3/2 O2 → 2H2O + CO2
これが、水を再補充する必要がないことを示す。
【００２４】
従って、メタノールを所望の量でシステムに供給すれば、妥当である。現在では、このことは、既に稀釈された燃料を貯蔵する(１)か、又は一つが水用、一つがメタノール用の二つのタンクを使用する(２)かによって実施される。より高エネルギー密度を有するために、(２)のように高濃度のメタノールの貯蔵が好ましい。
【００２５】
しかしながら、(２)はまた、より複雑な供給及び混合システムの原因になる。各々のタンクは供給制御ためのポンプが必要となり、タンクが燃料濃度センサー及び稀釈された燃料流を燃料電池に流れていくことを確保するための混合タンクと併用されなければならない。従って、高濃度のメタノールを貯蔵することによって、エネルギー密度の高収益が注目されるが、これはより複雑なシステムを犠牲にすることである。
【００２６】
実際には、操作を最適化するために、陰極に消耗されたメタノールの量を簡単に添加することによって、メタノールの濃度と変化の負荷と等しくする必要がある。特許文献６(直接型メタノール電池中のメタノールの濃度をセンサーなしで最適化する装置及び方法)の明細書にはこれを示している。この特許文献明細書は、メタノールセンサーを必要せず、直接型メタノール電池中のメタノールの濃度を制御する装置及び方法を記載している。迅速的にメタノールの濃度を制御するために、例えば消費ユニットのポテンシャル差、開放回路のポテンシャル、燃料供給装置の端末に近い陰極のポテンシャル、又は燃料電池の短絡回路電流などの一つ又はより多くの燃料電池操作パラメーターは用いられることによって行われる。
【００２７】
既に記述されたように、直接型アルコール燃料電池又はメタノール燃料電池には、稀釈された燃料、すなわち、水と燃料／メタノールの混合物を供給することは望ましい。メタノールの干渉によって電圧ロスが低減されるので、この電池を用いて得られるエネルギーを増加する。
【００２８】
しかし、メタノールの稀釈によって他の不利点が生じる：
・水を貯蔵及び処理するために必要とされる構成及び工程のために、燃料電池システムの構成はより複雑及びより高価になる。
・ポテンシャル、燃料電池の商用応用に関して重要な要素である燃料電池システムの単位体積のエネルギーは、低減される。
【特許文献１】US 5,599,638
【特許文献２】WO 02/14212 A1
【特許文献３】US 3,833,016
【特許文献４】US 0,127,141 A1
【特許文献５】DE 35 08 153
【特許文献６】US 0,086,193 A1
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２９】
本発明の目的は、簡単に構成され及び簡単に操作することができる燃料電池用装置を提供することにある。この装置は、貫流方法により作動し、担体要素と燃料の混合物中の燃料の濃度を変更又は増加する。担体要素と燃料の混合物は燃料電池の陰極に供給される。
【課題を解決するための手段】
【００３０】
本発明の目的は、特許請求項１に係る装置及び特許請求項２６に係る方法によって達成される。また、本発明に係る装置、記載された方法及び使用の有利な進歩は、対応の従属請求項に記載される。
【００３１】
例えば燃料電池に用いられる担体要素と燃料混合物中の燃料の濃度を増加する本発明に係る燃料濃度増加装置は、以下の構成要素を有する。
【００３２】
燃料貯蔵装置例えばタンクには、少なくとも一つの貫流装置が設けられている。この貫流装置を用いて、担体要素と燃料の混合物は燃料貯蔵装置から輸送される。この貫流装置は対応する輸送性質を有する燃料に対して透過性又は半透過性である膜として構成され、又は、この貫流装置はこのような膜を有することが極めて重要である。
【００３３】
この膜を用いて、燃料貯蔵装置に貯蔵されている好都合に濃縮された燃料は、担体要素と燃料の混合物がこの貫流装置を通って輸送されることと使用される燃料に関する拡散性質とによって、担体要素と燃料の混合物に添加される。
【００３４】
従って、燃料貯蔵装置に貯蔵されている燃料は、膜として設けられた貫流装置、又は貫流装置の膜部分から拡散し、この貫流装置は好ましくは例えば円状断面を有するチャンネルを含むことができ、その結果として、陰極供給流又は担体要素と燃料中の燃料濃度は、貫流装置を通過する経路に伴い増加される。
【００３５】
従って、本発明の基礎は、燃料に対して透過性又は半透過性である膜が直接型メタノール電池の貯蔵及び供給システムに使用されるので、膜において物質の有利な輸送性質を利用することである。稀釈された燃料の陰極供給流は、燃料タンクに導入されたこのような膜貫流装置を通って輸送されるので、従って燃料(アルコール)は、陰極供給流に無抵抗に添加することができる。
【００３６】
第一の有利な実施例において、本発明に係る装置は、燃料／担体要素の混合物中の燃料の濃度が複数回に増加されるように貫流装置はその混合物の複数貫流が可能とするように構成される。例えば螺旋形に設けられている貫流ループを用いることで、上記の効果を得ることができる。
【００３７】
更なる有利な実施例において、複数の貫流装置又は複数のチャンネルは、燃料貯蔵装置又は燃料タンクを通って設置される。ここで単一の貫流装置は任意の形状とサイズとを有すること及び燃料タンクに対して任意に指向されることができる。一つだけの貫流装置が存在する場合にも適応することは言うまでもない。
【００３８】
本発明に係る装置の更なる有利な実施例において、燃料電池の陽極に生成された水は、陰極供給流に添加されるので、再利用される。
【００３９】
更なる有利な実施例において、空間的な指向から独立している操作または操作の空間的に独立なモードを得るために、本発明に係る装置の燃料タンクは、例えば発泡材又は他の材料から作られた要素、安定装置又は支持装置が備わっている。
【００４０】
更なる有利な実施例において、燃料に対して透過性又は半透過性の膜貫流装置が物理指向から独立して操作ができるように、発泡材又は他の支持材はこの貫流装置の周りに設けられている。
【００４１】
更なる有利な実施例において、少なくとも一つのフィルターは燃料タンク及び／又は貫流装置の流入及び／又は流出区域に挿入される。
【００４２】
更なる有利な実施例において、この装置は燃料タンクに熱遮断及び／又は加熱装置が提供されている。
【００４３】
更なる有利な実施例において、この装置は燃料電池に熱的に又は物理的に連結される。
【００４４】
言うまでもなく、本発明に係る装置は、水以外の担体要素と、燃料タンクのおおよそ高濃度の燃料と、任意の種類及び流速の陰極供給流と、燃料に対して透過性又は半透過性及び任意の材料から作られた膜及び／又は既に述べられたメタノール以外に例えばエタノールのような最も多様な燃料とも操作され又は使用されることができる。
【発明の効果】
【００４５】
従来の技術に対して、前記の燃料濃度増加装置は一連の利点を有する：
・本発明の装置を用いれば、燃料供給ためのシステムを複数のポンプの使用を介して複雑な方法で設置せず、メタノールを濃縮された形で貯蔵することは可能である。よって、システムに要求された体積を低減して、従ってシステムのエネルギー密度を増加する。陰極の供給に単一のポンプだけが要求されるので、液体作動の直接型アルコール燃料電池の燃料供給システムはより簡単になる。従って、燃料電池システムは、構成上にはよりコンパクト、より簡単であり及びより経済的でもある。
・本発明に係る装置を用いれば、簡単な方法で燃料／水の混合物の陰極供給流にメタノールを無抵抗に添加することは可能である。
・本発明のシステムに要求されるエネルギー消耗要素はより少ない。       
【発明を実施するための最良の形態】
【００４６】
以下の実施例に記載されるように、本発明に係る装置は燃料電池の燃料濃度を増加するために構成又は使用されることができる。実施例に関連された及び以下に記載された図面は、本発明に係る装置の同一又は対応する要素又は構築部分に対応している参照番号を有する。
【実施例】
【００４７】
図１は、立体図で高濃度のメタノールで満たされている直方体のタンク１を示す。円状の断面を有する貫流チャンネル２は、タンク１の左側壁１Aからタンク１に導入される。この貫流チャンネルの壁は、DupontTM社、NafionO社からの、酸性型(H+)のペルフルオロスルホン酸／ポリテトラフルオロエチレン共重合体である膜からなる。
【００４８】
ここで、円筒状の貫流チャンネル２の円筒軸線は、タンク１の左側壁１Aと右側壁１Bとに垂直である。貫流チャンネル２は、再び右側壁１Ｂを経由してタンク１から導出される。左から、メタノールと水の混合物は、貫流チャンネル２に導入３される。続いて、タンク１に位置する貫流チャンネル２の部分を貫流して、この混合物は再び貫流チャンネル２の右側から導出４される。
【００４９】
貫流チャンネル２の壁はメタノールに対して透過性のある膜からなる。立方体は高濃度のメタノールで満たされているメタノール貯蔵タンク１を表す。陰極供給流、即ちメタノールと水の混合物はチャンネル２に輸送される。メタノールに対して透過性のある膜からなる壁は、メタノールをメタノール貯蔵タンク１からチャンネル２に拡散して、そして水とメタノールの混合物に拡散することを可能にする。従って、陰極供給流はメタノールタンク１を貫流するまでに、この供給流のメタノール濃度が増加される。
【００５０】
このようなシステム構成を用いれば、第二のポンプは必要せず、高濃度のメタノールが貯蔵されることはできる。同時に、陰極供給流はより低いメタノール濃度を有する。
【００５１】
図２は、メタノールと水の混合物の貫流が円状の断面を有するチャンネル２を通過する間にメタノール濃度の増加を示す。この図は、タンク１を平面図で、タンク１の左側壁１Aと右側壁１Bとを貫通するチャンネル２を立体図で、またより低いメタノール初期濃度を有するメタノールと水の混合物を左側からチャンネル２に導入３すること及び増加されたメタノール濃度を有するメタノールと水の混合物を右側からチャンネル２の中から排出４することを示す。メタノール濃度５の増加は、チャンネル内部の左から右まで濃くなる灰色陰影により図解的に示されている。タンクからチャンネルへのメタノール拡散は、矢印６により特徴付けられる。
【００５２】
従って、図２は混合物がタンク１の内部に位置するチャンネル２の区域に流れる時に混合物のメタノール濃度の増加を示している。メタノールに対して透過性であるチャンネル２の膜壁を経由するメタノールの拡散は、貯蔵タンク１とチャンネル２において陰極供給流とのメタノールの濃度差に基づいて影響される。
【００５３】
高濃度のメタノールは24.6モル濃度(メタノールのモル数／リットル)であり、最適の陰極供給流は１〜２モル濃度、即ち約１部のメタノールを２０部の水に入れる濃度(vol/vol)である。メタノールに透過性のある膜を経由する輸送は温度、圧力及び膜厚にも依存する。従って、チャンネルから排出する混合物流４のメタノール濃度は、述べられた性質に流速及び燃料で満たされたタンク又はタンクに位置するメタノールに浸透された膜の区域にあるチャンネルの長さを加えて決定される。       
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】燃料に対して透過性である膜からなるチャンネルは燃料を含むタンクを貫通することを示す概要図である。
【図２】図１に示された装置中の燃料の濃度増加を示す概要図である。
【符号の説明】
【００５５】
１：燃料貯蔵装置
１A：左側壁
１B：右側壁
２：貫流装置
３：導入
４：導出
５：燃料濃度
６：矢印
【図１】
2007509472.tif 000003
【図２】
2007509472.tif 000004
【国際調査報告】
2007509472.tif 000005
2007509472.tif 000006
2007509472.tif 000007
2007509472.tif 000008