(57)【要約】【課題】メタノールクロスオーバー（ｃｒｏｓｓｏｖｅｒ）問題を解決でき高性能の燃料電池装置の提供。【解決手段】少なくとも一つの膜電極アセンブリ、少なくとも一つのチャネル板及び少なくとも一つの浸透膜を包含し、該膜電極アセンブリは陽極電極、陰極電極及び電解質膜を具備する。浸透膜は該膜電極アセンブリと該チャネル板の間に設置されて、チャネル板に流入する液体燃料を十分に浸透膜に浸透させ、且つ浸透膜を透過した液体燃料の濃度を低くし、すなわち、浸透膜を透過した液体燃料は濃度が比較的低い液体燃料となり、且つ膜電極アセンブリの陽極電極に供給されて電気化学反応を実行する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池装置において、
陽極電極、陰極電極及び電解質膜を包含する少なくとも一つの膜電極アセンブリと、
少なくとも一つのチャネル板と、
少なくとも一つの浸透膜であって、該膜電極アセンブリと該チャネル板の間に設置され、該チャネル板に流入する液体燃料を該浸透膜に浸透させ且つ該浸透膜より染み出る液体燃料の濃度を低くするのに用いられ、該浸透膜より染み出た液体燃料を該陽極電極に供給して電気化学反応に供する、上記浸透膜と、
を包含することを特徴とする、燃料電池装置。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池装置において、該浸透膜が全フッ素化スルホン酸薄膜であることを特徴とする、燃料電池装置。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池装置において、該全フッ素化スルホン酸薄膜の厚さが２００μｍであることを特徴とする、燃料電池装置。
【請求項４】
請求項１記載の燃料電池装置において、該液体燃料がメタノール水溶液であることを特徴とする、燃料電池装置。
【請求項５】
請求項１記載の燃料電池装置において、該燃料電池装置がダイレクトメタノール燃料電池であることを特徴とする、燃料電池装置。
【請求項６】
請求項１記載の燃料電池装置において、該電解質膜がプロトン交換膜であることを特徴とする、燃料電池装置。
【請求項７】
燃料電池装置の製造方法において、
陽極電極、陰極電極及び電解質膜を包含する少なくとも一つの膜電極アセンブリを提供する工程と、
少なくとも一つのチャネル板を提供する工程と、
少なくとも一つの浸透膜を該膜電極アセンブリと該チャネル板の間に設置する工程と、  を包含したことを特徴とする、燃料電池装置の製造方法。
【請求項８】
請求項７記載の燃料電池装置の製造方法において、該浸透膜を全フッ素化スルホン酸薄膜とすることを特徴とする、燃料電池装置の製造方法。
【請求項９】
請求項８記載の燃料電池装置の製造方法において、該全フッ素化スルホン酸薄膜の厚さを２００μｍとすることを特徴とする、燃料電池装置の製造方法。
【請求項１０】
請求項７記載の燃料電池装置の製造方法において、該電解質膜をプロトン交換膜とすることを特徴とする、燃料電池装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一種の燃料電池装置に係り、特に、メタノールクロスオーバー（ｃｒｏｓｓｏｖｅｒ）問題を解決でき高性能の燃料電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は燃料と酸化剤中に保存されている化学エネルギーを電極を通して反応させて電気エネルギーに転化させる発電装置である。燃料電池の種類は相当に多く、且つ分類の方式もそれぞれに違いがあり、電解質性質の違いにより区分するなら、アルカリ性燃料電池、りん酸燃料電池、プロトン交換膜燃料電池、溶融炭酸塩燃料電池、固体酸化物燃料電池等の五種類の異なる電解質の燃料電池がある。そのうち、プロトン交換膜燃料電池はまたいわゆるダイレクトメタノール燃料電池を包含し、メタノールを直接に燃料とし、先に改質して水素ガスとなす必要がなく、それは現在研究開発されているエネルギー量が比較的高い技術の一つであり、その応用目標は、大型発電所、自動車用発電機、携帯式電源等を包含する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
周知の燃料電池装置、例えばダイレクトメタノール燃料電池は、メタノール水溶液を燃料として膜電極アセンブリの陽極電極に供給する時、未反応のメタノールは膜電極アセンブリ中の電解質膜を通過しさらに陰極電極上に拡散し、これによりメタノールクロスオーバー（ｃｒｏｓｓｏｖｅｒ）が引き起こされ、これが燃料電池の性能を明らかに低下させる。関係する研究によると、低濃度、例えば６〜１６ｗｔ％のメタノール水溶液を使用することで、メタノールクロスオーバーの機会を減らすことができ、燃料電池の出力性能を高めることができる。しかし、伝統的な燃料電池は自身の煩瑣な燃料希釈作業のために、燃料電池の体積を有効に制御することができない。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の提供する燃料電池装置は、少なくとも一つのチャネル板、少なくとも一つの膜電極アセンブリであって、陽極電極、陰極電極及び電解質膜を包含する上記膜電極アセンブリ、及び、該膜電極アセンブリと該チャネル板の間に設置された少なくとも一つの浸透膜を包含する。該チャネル板に流入した液体燃料は該浸透膜に浸透し、且つ該浸透膜より染み出た液体燃料の濃度は下がり、その後、該浸透膜より染み出た液体燃料が該陽極電極に提供されて電気化学反応が行われることを特徴とする。
【０００５】
また、本発明は一種の燃料電池装置の製造方法を提供し、それは、陽極電極、陰極電極及び電解質膜を包含する少なくとも一つの膜電極アセンブリを提供する該膜電極アセンブリを提供する工程、少なくとも一つのチャネル板を提供する工程、及び、該膜電極アセンブリと該チャネル板の間に少なくとも一つの浸透膜を設置する工程を包含する。
【発明の効果】
【０００６】
本発明は一種の燃料電池装置を提供し、それは、メタノールクロスオーバー現象のもたらす出力性能低下の問題を解決する。
【０００７】
本発明は一種の燃料電池装置を提供し、それは、直接高濃度の燃料を使用でき、且つ伝統的な燃料電池の、必要な且つ煩瑣な燃料濃度希釈作業を省略し、これにより燃料電池の全体体積を効果的に縮小できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
図１及び図２を参照されたい。図１は本発明の燃料電池装置の基本部分の立体分解図である。図２は図１の燃料電池装置の組合せ後の断面図である。図１から分かるように、本発明の燃料電池装置１は少なくとも膜電極アセンブリ１０、チャネル板１２、集電板１６及び浸透膜１４を包含する。完全な燃料電池を構成するその他の部分、例えば燃料チャネル構造、燃料保存槽、陰極チャネル板、燃料混合槽等には本発明の重点はないため、説明を省略する。
【０００９】
図１、２に示されるように、膜電極アセンブリ１０は、陽極電極１００、陰極電極１０４及び電解質膜１０２を包含する。そのうち、陽極電極１００と陰極電極１０４は対向するように設置され、電解質膜１０２は陽極電極１００と陰極電極１０４の間に介装される。且つ電解質膜１０２にはプロトン交換膜等のイオン伝導性が良好な電解質膜が採用される。
【００１０】
チャネル板１２は本発明では特に一枚の陽極チャネル板を指し、且つチャネル板１２は燃料入口１２０、チャネル構造１２２及び燃料出口１２４を具えている。本発明の燃料電池装置１はダイレクトメタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）に適用可能で、このためチャネル板１２に流入する液体燃料はメタノール水溶液とされ、本発明の機能が向上されたところは、チャネル板１２に流入する液体燃料に濃度希釈作業を行う必要がなく、直接使用できるところである。本発明の上述の機能を実現する技術原理は、浸透膜１４に関係があり、図２において更に詳細に説明される。図１を参照されたいが、液体燃料が燃料入口１２０よりチャネル板１２に流入し、その後、チャネル構造１２２を通過し、最後に燃料出口１２４よりチャネル板１２を流出する。
【００１１】
浸透膜１４は膜電極アセンブリ１０とチャネル板１２の間に設置され、図１、２に示されるように、浸透膜１４はチャネル板１２と集電板１６の間に介装される。上述の設置により、チャネル板１２に流入する液体燃料は浸透膜１４に十分に浸透し、且つ浸透膜１４より染み出た液体燃料の濃度は下がり、その後、浸透膜１４より染み出た液体燃料は集電板１６の穿孔１６ａを通過し、陽極電極１００に供給されて電気化学反応に供される。
【００１２】
図３を参照されたい。浸透膜１４は液体燃料濃度希釈の機能を具備する。濃度が３０ｗｔ％のメタノール水溶液を浸透膜１４に浸透させた後、浸透膜１４自身の構造がメタノール分子２を隔離する特性を具備するため、メタノール水溶液の濃度値は浸透膜１４の厚さｄの増加に伴い、徐々に下がり、最後には濃度が５〜１０ｗｔ％のメタノール水溶液となり、これにより浸透膜１４が濃度希釈の用途を具備し、一般の燃料電池が必要とする燃料の濃度希釈作業に応用可能であることが分かる。本発明で使用する浸透膜１４は全フッ素化スルホン酸薄膜で具体的に実施され、全フッ素化スルホン酸薄膜の適当な厚さは２００μｍとされる。
【００１３】
図４は本発明の燃料電池装置の製造方法のフローチャートであり、その製造方法３は、工程３００、工程３０２及び工程３０４を包含する。図１も対照し、各工程について説明する。工程３００は少なくとも一つの膜電極アセンブリ１０を提供する工程で、そのうち、膜電極アセンブリ１０は陽極電極１００、陰極電極１０４、及び電解質膜１０２を包含する。且つ電解質膜１０２にはプロトン交換膜を採用できる。更に工程３０２は少なくとも一つのチャネル板１２を提供する工程である。工程３０４は少なくとも一つのの浸透膜１４を提供する工程で、該浸透膜１４は膜電極アセンブリ１０とチャネル板１２の間に設置する。提供する浸透膜１４は例えば厚さが２００μｍの全フッ素化スルホン酸薄膜とする。本発明の製造方法３で製造した燃料電池装置は、図１、２に示されるような燃料電池装置１である。
【００１４】
図５は本発明の燃料電池装置と浸透膜を不設置の燃料電池装置の電流−電圧曲線図である。同じ１アンペアの電流下では、本発明の燃料電池装置１は浸透膜１４を加えたために、電圧が０．４Ｖとなるが、浸透膜不設置の燃料電池装置の電圧は約０．２６Ｖであり、比較すると、本発明の燃料電池装置１の電圧は浸透膜不設置の燃料電池装置の電圧に較べて高い。
【００１５】
さらに、図６の、本発明の燃料電池装置１と浸透膜不設置の燃料電池装置の電流−パワー曲線図を参照されたい。同じ１アンペアの電流下では、本発明の燃料電池装置１は浸透膜１４を加えたことにより、パワーが約０．４Ｗとなるが、浸透膜不設置の燃料電池装置のパワーは０．３Ｗに及ばず、比較すると、本発明の燃料電池装置１のパワーは浸透膜不設置の燃料電池装置の仕事率より高い。
【００１６】
図５及び図６から分かるように、出力電圧或いは出力パワーのいずれであっても、本発明の燃料電池装置１は浸透膜不設置の燃料電池装置に較べて高く、ゆえに本発明の燃料電池装置１は伝統的な燃料電池装置に出現するメタノールクロスオーバーが出力性能を低くする問題を解決し、これが本発明の主要な長所である。さらに、本発明の燃料電池装置１は燃料濃度希釈機能を具備する浸透膜１４を使用し、ゆえに、直接高濃度の燃料を使用でき、且つ伝統的な燃料電池が必要とし且つ煩瑣な燃料濃度希釈の作業を省略でき、このため燃料濃度の全体体積を効果的に縮小できる。
【００１７】
以上の実施例は本発明の範囲を制限するものではなく、本発明に基づきなしうる細部の修飾或いは変更はいずれも本発明の請求範囲に属するものとする。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の燃料電池装置の基本部分の立体分解図である。
【図２】図１の燃料電池装置の組合せ後の断面図である。
【図３】図１中の浸透膜を濃度が３０％のメタノール水溶液に応用した時の性能試験図である。
【図４】本発明の燃料電池装置の製造方法のフローチャートである。
【図５】本発明の燃料電池装置と浸透膜を不設置の燃料電池装置の電圧対電流の変化曲線図である。
【図６】本発明の燃料電池装置と浸透膜不設置の燃料電池装置の電流−仕事率曲線図である。
【符号の説明】
【００１９】
１  燃料電池装置
１０  膜電極アセンブリ
１００  陽極電極
１０２  電解質膜
１０４  陰極電極
１２  チャネル板
１２０  燃料入口
１２２  チャネル構造
１２４  燃料出口
１４  浸透膜
１６  集電板
１６ａ  穿孔
２  メタノール分子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2008117769.tif 000006
【図５】
2008117769.tif 000007
【図６】
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