(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子装置に接続可能に構成されて当該電子装置に電気を供給する燃料カートリッジにおいて、少なくとも１つの膜電極組立体と、燃料を含有する燃料貯蔵部とを有し、上記燃料が上記膜電極組立体で反応して上記電気を生成し、かつバランス・オブ・プラントの少なくともいくつかが上記カートリッジ内に配置できるように、上記燃料が上記燃料貯蔵部から上記電子装置に搬送され、かつ、上記カートリッジに戻されることを特徴とする燃料カートリッジ。
【請求項２】
上記燃料貯蔵部または上記膜電極組立体は上記カートリッジに取り外し可能に結合され、上記燃料貯蔵部または上記膜電極組立体が再充填または交換可能である請求項１記載の燃料カートリッジ。
【請求項３】
上記電子装置はさらに第１の電気コンタクトおよびコントローラを有し、上記燃料カートリッジはさらに第２の電気コンタクトを有し、上記燃料カートリッジを上記電子装置に動作可能に関連付けたときに上記第１および第２の電気コンタクトが電気的に接続され、上記コントローラが上記電子装置および上記燃料カートリッジの機能を制御する請求項１記載の燃料カートリッジ。
【請求項４】
上記燃料カートリッジは上記膜電極組立体の上流に流体連通された熱交換器をさらに有し、上記燃料が上記熱交換器に運ばれて冷却されたのち、上記膜電極組立体に運ばれる請求項１記載の燃料カートリッジ。
【請求項５】
上記燃料カートリッジは上記燃料貯蔵の下流に流体連通されたイオンフィルタをさらに有する請求項１記載の燃料カートリッジ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、一般には、燃料電池システム、より具体的には、燃料電池および燃料カートリッジを用いる燃料電池システムに関し、さらに詳細には、この発明は、膜電極組立体の燃料カートリッジへの組み込みに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、直接すなわち、反応物質、すなわち燃料および酸素の化学エネルギを直流（ＤＣ）電気に直接変換する装置である。多くの漸増している用途において、燃料電池は、化石燃料の燃焼などの従来の発電よりも効率的であり、リチウムイオンバッテリーなどの携帯型蓄電池より効率的である。
【０００３】
一般に、燃料電池技術はアルカリ燃料電池、高分子電解質燃料電池、りん酸燃料電池、溶融炭酸塩燃料電池、固体酸化物燃料電池、および酵素燃料電池のような様々な異なった燃料電池を含む。いくつかの燃料電池は圧縮水素（Ｈ２）を燃料として利用する。圧縮された水素は一般に、高い圧力の下で保たれ、そのため、扱いが難しい。その上、大きい貯蔵タンクが通常必要で、消費者向け電子製品用に十分小さくすることができない。陽子交換膜（ＰＥＭ）燃料電池は、水素燃料に改質されるメタノール（ＣＨ３ＯＨ）、水素化ホウ素ナトリウム（ＮａＢＨ４）、炭化水素（例えばブタン）又は他の燃料を利用する。従来の改質燃料電池は、燃料を水素に変換させて燃料電池内で酸素と反応させるために改質材や気化および補助システムを必要とする。最近の進歩により、改質材または改質燃料電池が消費者向け電子製品に有望になっている。他のＰＥＭ燃料電池は直接にメタノール（ＣＨ３ＯＨ）を使用する（「ダイレクトメタノール燃料電池」すなわちＤＭＦＣ）。ＤＭＦＣでは、メタノールが直接に燃料電池中で酸素と反応し、このＤＭＦＣは、最も簡単で可能性としては最も小さくなる燃料電池であり、消費者向け電子製品用の電力供給に最も有望である。固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）は炭化水素例えばブタンを高熱で変換して電気を生じる。ＳＯＦＣは、燃料電池反応を起こさせるために１０００°Ｃの範囲の比較的高温を必要とする。
【０００４】
電気を発生させる化学反応は燃料電池のそれぞれのタイプごとに異なる。ＤＭＦＣでは、各電極での化学電気反応と燃料電池に関する総合的な反応は以下の通り記述される：
【０００５】
陽極での半反応：
ＣＨ３ＯＨ  ＋  Ｈ２Ｏ  →  ＣＯ２  ＋  ６Ｈ＋  ＋  ６ｅ−
陰極での半反応：
Ｏ２  ＋  ４Ｈ＋  ＋  ４ｅ−  →  ２Ｈ２Ｏ
全体の燃料電池反応：
ＣＨ３ＯＨ  ＋  １。５Ｏ２  →  ＣＯ２  ＋  ２Ｈ２Ｏ
【０００６】
ＰＥＭを通る水素イオン（Ｈ＋）が陽極から陰極を通り抜けてマイグレーションするために、また、自由電子（ｅ−）がＰＥＭを通り抜けられないため、電子は外部回路を通って流れなければならず、外部回路を通して電流を生じさせる。この外部回路は、モバイルすなわちセル電話、計算機、パーソナルデジタツアシスタンツ、ラップトップコンピュータ、電力ツールなどの有益な消費者向けの電子製品であってよい。
【０００７】
ＤＭＦＣは、特許文献１および特許文献２に開示されており、詳細はこれらに記載のとおりである。一般に、ＰＥＭはＮａｆｉｏｎ（商標）などの高分子から作られており、ＤｕＰｏｎｔから入手可能であり、厚さが約０．０５ｍｍ〜約０．５０ｍｍの範囲のペルフルオ化合物材料、その他である。陽極は、典型的には、白金ルテニウムなどの触媒の薄層によってサポートされたテフロン（Ｔｅｆｌｏｎｉｚｅｄ。「テフロン」は登録商標である）のカーボン紙から製造される。陰極は、典型的には、白金粒子が膜の一面に接着されるガス拡散電極である。
【０００８】
水素化ホウ素ナトリウム改質燃料電池の他の燃料反応は以下のようなものである：
ＮａＢＨ４（液体）＋２Ｈ２Ｏ→（加熱または触媒）→４（Ｈ２）＋（ＮａＢＯ２）（液体）
陽極での半反応：
Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−
陰極での半反応：
２（２Ｈ＋＋２ｅ−）＋Ｏ２→２Ｈ２Ｏ
適切な触媒は白金およびルテニウム、その他である。水素化ホウ素ナトリウムを改質して生成された水素燃料は燃料電池中で、酸化剤例えばＯ２と反応させられ、電気（すなわち電子の流れ）および水の副産物を生成する。ホウ酸ナトリウム（ＮａＢＯ２）の副産物も改質プロセスで生成される。水素化ホウ素ナトリウム燃料電池は特許文献３に検討されており、参照してここに組み入れる。
【０００９】
燃料電池アプリケーションにとってより重要な特徴の一つは燃料の貯蔵である。燃料サプライは燃料電池または当該燃料電池が給電する電子装置に容易に挿入できなくてはならない。
【００１０】
特許文献３は、水素化ホウ素ナトリウムをカートリッジ内で改質して水素と副産物を生成する燃料カートリッジを開示している。ただし、この先行技術は、その場で燃料を生成でき、または、非腐食性の低コストの貯蔵に適した試薬を含む燃料サプライ、または以下に説明する利点や特徴を有する燃料サプライを開示していない。
【００１１】
典型的には、ＭＥＡは燃料電池内に配置され、燃料電池は消費者向け電子装置内に配置される。特許文献４および特許文献５はそのような装置を開示している。そのような装置では、燃料サプライは取り外し可能であり、カートリッジ内に貯蔵される。ＭＥＡの寿命は通常ＰＥＭの寿命に制約される。ＰＥＭの効率は種々の要因、例えば、燃料流速、燃料の金属イオン濃度、燃料の温度、および周囲／貯蔵温度に影響を受ける。ＰＥＭの効率が十分に低いレベルであると、ＰＥＭを交換または再生する必要がある。ＰＥＭを頻繁に調整するのは、電子装置の調整を必要とするので好ましくない。
【００１２】
電子装置を調整することなくＰＥＭを調整または修理できる燃料電池セルが要請される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】米国特許第５９９２００８号
【特許文献２】米国特許第５９４５２３１号
【特許文献３】米国公開特許出願２００３／００８２４２７
【特許文献４】米国公開特許出願２００３／００８２４１６
【特許文献５】米国公開特許出願２００３／００８２４２６
【発明の開示】
【００１４】
この発明は、燃料カートリッジ室部の輪郭を定義するハウジングを具備する電子装置と、燃料カートリッジ室部に取り外し可能に収納できる燃料カートリッジとを有する燃料電池システムに向けられている。燃料カートリッジは少なくとも１つの膜電極組立体と燃料を含有する燃料貯蔵部とを有する。燃料は膜電極組立体に運ばれて電子装置に電力供給される電気に変換される。電子装置は電子装置および燃料カートリッジの機能を制御するコントローラを有して良く、バランス・オブ・プラントが少なくとも部分的に電子装置内で起こる。
【００１５】
この発明は、また、電子装置に挿入可能に構成されて当該電子装置に電気を供給する燃料電池カートリッジに向けられている。燃料電池カートリッジは膜電極組立体またはスタック、および燃料を含有する燃料貯蔵部を具備する。燃料は膜電極組立体で反応して電気を生成する。
【００１６】
添付図面は明細書の一部を形成し、明細書との関連において理解されるべきであり、種々の図において類似の参照番号は類似の部分を示すために用いられる。添付図面は以下のとおりである。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】燃料貯蔵部およびＭＥＡまたはスタックを具備する燃料カートリッジを含むこの発明の燃料電池システムを、燃料カートリッジが動作可能に電子装置に結合されている状態で示す模式図である。
【図２】図１の燃料電池システムを、カートリッジが電子装置から取り外された状態で示す分解模式図である。
【図３】燃料カートリッジが電子装置の外部で用いられるこの発明の代替的な燃料電池システムを示す模式図である。
【図４】燃料カートリッジが２つの電子装置の外部で用いられるこの発明の代替的な燃料電池システムを示す模式図である。
【図５】この発明の燃料電池カートリッジの模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
添付図面に例示され、以下で詳細に説明されるように、この発明は、メタノールと水、メタノール／水混合液、濃度が変化するメタノール／水混合液または純粋なメタノールなどの燃料電池用の燃料を使用する燃料電池システムに向けられている。メタノールは多くのタイプの燃料電池、例えば、ＤＭＦＣ、酵素燃料電池、改質燃料電池、その他に使用できる。燃料電池システムは他のタイプの燃料電池の燃料、例えば、エタノールまたはアルコール、水素に改質できる化学物質、または、燃料電池の性能や効率を改善することができる他の化学物質を含んでも良い。燃料は、または、水酸化カリウム（ＫＯＨ）電解質を含み、これは金属燃料電池またはアルカリ燃料電池とともに用いることができ、燃料サプライに貯蔵することができる。金属燃料電池に対しては、燃料はＫＯＨ電解質反応溶液に浸漬された液体担持亜鉛の形態をしており、電池空洞中の陽極は亜鉛粒子からなる粒状陽極である。ＫＯＨ電解質溶液は、「１または複数の負荷に電力供給するように構成された燃料電池システムの使用方法」という題名で２００３年４月２４日に公開された米国公開特許出願２００３／００７７４９３に開示されており、参照してここに組みこむ。燃料は、また、メタノール、過酸化水素、および硫酸の混合物を含み、これはシリコンチップ状に形成された触媒を通過して流れ燃料電池反応を生成する。燃料は、また、液体水素化ホウ素ナトリウム（ＮａＢＨ４）および水を含み、これは上述のとおりである。燃料はさらに炭化水素燃料を含み、炭化水素燃料は、これに限定されないが、ブタン、灯油、アルコール、および天然ガスを含み、これは、「液体ヘテロインタフェース燃料電池デバイス」という題名で、２００３年５月２２日に公開された米国公開特許出願２００３／００９６１５０に開示されており、参照してここに組みこむ。ブタンは固体酸化物燃料電池に適した燃料である。燃料は、また、燃料と反応する液体酸化物を含む。したがって、この発明は、サプライ中に含有され、また、その他、燃料電池システムにより使用される、任意のタイプの燃料、電解質溶液、酸化物溶液または液体または固定に制約されない。ここで使用される用語「燃料」は、燃料電池または燃料サプライ中で反応することができるすべての燃料を含み、また、上述の適切な燃料、電解質溶液、酸化物溶液、液体、固体および／または化学物質ならびにこれらの混合物のすべてを含むが、これに限定されない。
【００１９】
ここで使用される用語「燃料サプライ」は、これに限定されないが、使い捨てカートリッジ、再充填可能／再使用可能カートリッジ、コンテナ、電子製品内に配置されるカートリッジ、取り外し可能なカートリッジ、電子製品の外部に配置されるカートリッジ、燃料タンク、燃料再充填タンク、燃料を貯蔵する他のコンテナ、および、燃料タンク、コンテナに結合された管材を含む。１のカートリッジがこの発明の例示的な実施例との関連で以下に説明されるが、これら実施例は他の燃料サプライにも適用可能であり、この発明は燃料サプライのいかなる特定のタイプにも限定されないことに留意されたい。
【００２０】
添付図面に例示され、以下で詳細に説明されるように、この発明は、図１に示されるような、負荷１１に電力を供給する燃料電池システム１０に向けられている。負荷１１は典型的には燃料電池カートリッジ１２が給電する電子装置である。燃料電池システム１０の第１の実施例では、負荷すなわち電子装置１１は、任意の有用な消費者向け電子装置の外部回路および関連する機能部である。この実施例において、電子装置１１は、燃料電池カートリッジ１２を取り外し可能に収容するための燃料カートリッジ室部１６（図２参照）の輪郭を定めるハウジング１４を含む。図１において、カートリッジ１２は室部１６に収容され、カートリッジ１２は電子装置１１に動作可能に接続されている。燃料カートリッジ１２の燃料が空のとき、ユーザはカートリッジを電子装置から外して、他のカートリッジを挿入したり、または空のカートリッジを再充填したりすることができる。これは図２に示すとおりである。
【００２１】
電子装置は、モバイルすなわちセル電話、計算機、電力ツール、ガーデニングツール、パーソナルデジタツアシスタンツ、デジタルカメラ、ラップトップコンピュータ、コンピュータゲームシステム、携帯型音楽システム（ＭＰ３、ＣＤプレーヤ）、グルーバルポジショニングシステム、キャンプ装置、その他を含んでよい。
【００２２】
図１は、２組の接続線を含む。第１の組の接続線は流体すなわち液体および気体の線を含み、線は流れの方向を示す矢印を有する。第２の組の接続線は電気線を含み、この線は電気接続を示す黒丸を交差位置に有する。この実施例はここではダイレクトメタノール燃料電池に関して説明されるが、この実施例は任意の燃料電池に適切である。
【００２３】
電子装置１１は好ましくは以下の電気的に制御される部品を有する。すなわち、第１の電気コンタクト１８、カートリッジ１２を収容するようにされた室部１６、コントローラ２０、オプションのバッテリ２１、ポンプ２２、流量計２４、燃料濃度センサ２５、および水絞りバルブ２６である。コントローラ２０はこれら装置と電気的に接続されている。さらに、電子装置１１は以下の流体部品を有する。すなわち、空気室部２８、二酸化炭素分離器３０、凝縮器３２、および混合室部３４である。これら流体部品は他の１つまたは複数の流体部品と流体的に接続されている。これについては以下に説明する。さらに、電子装置は電池用の複数のバルブ要素３６ｂ、３８ｂ、４０ｂ、４２ｂ、４４ｂを有し、電子装置１１の種々の流体部品を燃料電池カートリッジ１２の種々の流体部品に接続する。これについては以下で詳細に説明する。
【００２４】
燃料電池カートリッジ１２は好ましくは以下の電気的に制御される部品を含む。すなわち、第２の電気コンタクト４６、情報記憶装置４７、および制御バルブ５０である。コンタクト４６は情報記憶装置４７および制御バルブ５０に電気的に接続され、第１の電気コンタクト１８と接触する。さらに、燃料電池カートリッジ１２は、燃料貯蔵部５２を含むハウジング５１（破線で示す）、膜電極組立体（ＭＥＡ）５４、および熱交換器５６を有する。ＭＥＡすなわち要素５４はスタックも指す。ここで用いられるように、スタックは少なくとも１つの膜電極組立体およびバイポーラ板を含む。スタックは、また、オプションの燃料および酸素サプライおよび電流回収部品を含む。熱交換器５６は電子装置１１の内部に配置されてもよい。ＭＥＡ５４は好ましくは陽極５４ａ、陽子交換膜（ＰＥＭ）５４ｂまたは他の電解質層、および陰極５４ｃを含む。オプションとして、燃料電池カートリッジ１２はさらにイオンフィルタ５８およびイオンセンサ６０を含んでもよい。これら部品は他の１つまたは複数の流体部品と流体的に接続されている。これについては以下に説明する。さらに燃料カートリッジ１２は複数のバルブ要素３６ａ、３８ａ、４０ａ、４２ａ、４４ａを含み、これらが複数のバルブ要素３６ｂ、３８ｂ、４０ｂ、４２ｂ、４４ｂと関連して動作して燃料カートリッジ１２の種々の部品を電子装置１１の種々の部品と流体的に接続させる。これについては以下に説明する。
【００２５】
図１を参照すると、カートリッジ１２が室部１６に装填または挿入されると、第１および第２の電気コンタクト１８および４６が接続してコントローラ２０が情報記憶装置４７およびカートリッジ１２の他の電気部品と電気的に結合される。この結果、コントローラ２０は燃料電池カートリッジ１２から情報を受け取り制御バルブ５０の機能を制御でき、また、情報記憶装置４７に対して情報を読み書きできる。好ましいコントローラおよび情報記憶装置ならびにその動作は本出願人に係る２００３年１２月１日出願の「情報記憶装置およびコントロールシステムを含む燃料電池サプライ」という題名の米国特許出願１０／７２５２３７に開示されている。'２３７出願の内容は参照してここに組み入れる。
【００２６】
適切な情報記憶装置は、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリメモリ（ＲＯＭ）、プログラマブルリードオンリメモリ（ＰＲＯＭ）、消去可能プログラマブルリードオンリメモリ（ＥＰＲＯＭ）、電子的消去可能プログラマブルリードオンリメモリ（ＥＥＰＲＯＭ）、フラッシュメモリ、電子的に読み出し可能な要素（例えば、抵抗、容量、インダクタ、ダイオード、およびトランジスタ）、光学的に読み出し可能な要素（例えばバーコード）、磁気的に読み出し可能な要素（例えば磁気ストリップ）、集積回路（ＩＣチップ）、およびプログラマブルロジックアレイ（ＰＬＡ）およびスマートチップ（例えばバッテリ内に用いられるもの）、その他を含む。好ましい情報記憶装置はＰＬＡおよびＥＥＰＲＯＭを含み、この発明はここではＥＥＰＲＯＭに関連して説明する。ただし、この発明は情報記憶装置の具体的なタイプにいずれにも制約されないことに留意されたい。
【００２７】
典型的には、情報は二進システムのゼロ（０）およびワン（１）として記憶される。これら二進デジットのグループが８進デジット（３つの二進デジットのグループ）または１６進デジット（４つの二進デジットのグループ）を形成する。情報記憶装置からの読み出しが容易なので一般に１６進デジットが用いられる。
【００２８】
ＥＥＰＲＯＭは、ユーザが変更可能なリードオンリメモリであり、これは、他のプログラミング手段で同一のピンに通常の電子的書き込み電圧より大きな電圧を印可して、その有効寿命の間、繰り返し、消去および更新書き込みまたは再プログラム可能である。ＥＥＰＲＯＭは更新のために燃料サプライから取り外す必要がない。ＥＥＰＲＯＭの所定部分は書き込み保護可能であり、すなわち、当初書き込まれた情報が保存され、書き込み電圧から防護され、他方、ＥＥＰＲＯＭの他の部分は繰り返し再書き込み可能であるという、利点がある。さらに、ＥＥＰＲＯＭは、他のＲＯＭと同様に、メモリすなわちそこに蓄えられているデータを維持するために電力を必要としない。したがって、電気装置を電源オンしたときに、電気装置はＥＥＰＲＯＭに蓄えられている情報に依拠してそのプログラムを開始し実行させることができる。ＥＥＰＲＯＭを消去し再書き込みするには、コントローラがＥＥＰＲＯＭの特定の位置に予め定めた電圧を印可し新たな情報を記憶させる。
【００２９】
ＥＥＰＲＯＭは、他のＲＯＭと同様に広く商業的に入手可能である。適切なＥＥＰＲＯＭはカリフォルニア州、サンノゼのＳｙｐｒｅｓｓ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ社、および、カリフォルニア州、サンノゼのＡｌｔｅｒａ社、および、アリゾナ州、チャンドラーのＭｉｃｒｏｃｈｉｐ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ社から入手できる。
【００３０】
代替的な実施例において、第１および第２の電気コンタクト１８および４６の間の電気接続はワイヤレスでもよい。適切なワイヤレス伝送システムはＢｌｕｅ  Ｔｏｏｔｈ（登録商標）技術、高周波、赤外線、その他を含む。
【００３１】
コントローラ２０は、情報記憶装置４７に対する読み書きに加えて、電子装置１１の機能、および電子装置１１およびカートリッジ１２内のバルブ、センサおよびポンプを制御する。好ましくは、ハウジング１７は少なくとも１つのオプションのバッテリを支持し、ＭＥＡが動作していないとき、またはスタートアップ時に燃料電池システム１０おおび電子装置１１の種々の部品に電力供給を行えるようにする。代替的には、オプションのバッテリ２１は、カートリッジ１２が空のとき、または燃料電池／ＭＥＡがオフのときに、コントローラ２０に電力供給する。オプションのバッテリ２１は太陽電池パネルに置き換えまたは併せて使用してもよい。
【００３２】
適切なポンプ２２は、本出願人に係る米国特許出願１０／３５６７９３、同１０／６２９００４、同１０／６２９００６に詳細に開示されている。'７９３特許出願は「燃料電池用の燃料カートリッジ」という題名で２００３年１月３１日に出願された。'００４特許出願は「柔らかいライナーを具備する燃料カートリッジ」という題名で２００３年７月２９日に出願された。'００６特許出願は「連結バルブを具備する燃料カートリッジ」という題名で２００３年７月２９日に出願された。これら特許出願の内容は参照してここに組み入れる。
【００３３】
適切なポンプはピエゾ電気ポンプである。適切なピエゾ電気ポンプは、バージニア州のニューポートニューズのＰＡＲ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ、ＬＬＣから入手できるようなものである。ピエゾ電気ポンプは、可動備品を伴わず、軽量、小型、頑丈、静粛および高効率である。これらポンプの励起電圧は約５０Ｖより大きなものであり、例えば、約１５ミリアンペアから約１３０ミリアンペアの大さの電流を約２．２Ｖ（直流）から約１２Ｖ（直流）の入力電圧で引き込む。ピエゾ電気ポンプの流速は、約０から約５ｐｓｉの範囲の圧力下で、約１０ｍｌ／時から約９００ｍｌ／時である。ポンプの大きさは約０．５平方インチから約１．５平方インチであり、約０．５インチ未満の厚さである。ピエゾ電気ポンプは、燃料電池および燃料カートリッジに用いられる燃料と相性がよい材料から構築されても良い。これらポンプは広範囲に動作して寿命も長い。
【００３４】
この実施例において、ポンプ２２はカートリッジ１２の外部にあり、ハウジング１７中に取り付けられる。この結果、カートリッジ１２がハウジングから取り外されると、図２に示すように、ポンプ２２はハウジング１７中に残る。ポンプ２２はこの実施例では混合室部３４の上流にある。代替的な実施例では、ポンプ２２は混合室部３４の下流（すなわち混合室部３４およびバルブ要素３６ｂの間）または他の位置にあってもよい。さらに代替的にはポンプ２２を省略してもよく、カートリッジ１２を圧縮して燃料がカートリッジ１２から制御バルブを介して電子装置１１に駆動されてよい。
【００３５】
さらに図１を参照すると、燃料カートリッジ１２は燃料貯蔵部５２を収容する室部５１ａを具備するハウジング５１を含む。この実施例では、燃料貯蔵部５２はハウジング５１と別に外側シェルまたは外側ケーシング５２ａを含んでよい。外側ケーシングは比較的堅固でも柔軟でもよい。燃料貯蔵部５２は内側燃料ライナーすなわちブラダーを具備し、または具備せずに形成できる。ライナーなしのカートリッジおよび関連部品は'７９３特許出願に開示されている。内側ライナーすなわちブラダー付きのカートリッジは'００４特許出願に開示されている。
【００３６】
バルブ要素３６ａはカートリッジ１２に結合され、バルブ要素３６ｂは電子装置１１に結合されている。バルブ３６ａ，ｂは好ましくは二要素バルブである。燃料カートリッジ１２が電子装置１１から取り外されるときに、各バルブ要素がシールを形成できる。二要素バルブは'００６特許出願に詳細に開示されている。カートリッジ１２が室部１６内にあるときには、貯蔵部５２内の燃料は混合室部３４とバルブ要素３６ａ，ｂを介して流体連通される。
【００３７】
この発明の他の側面によれば、イオンフィルタ５８およびイオンセンサ６０がオプションとしてカートリッジ１２に設けられる。イオンフィルタおよびイオンセンサは本出願人に係る「イオンフィルタを含む燃料電池システム」という題名で２００３年１２月１日に出願された米国特許出願１０／７２５２３５に十分に開示されている。イオンフィルタは燃料からイオンを除去してＰＥＭの寿命を伸ばす。イオンフィルタ５８は燃料貯蔵部５２の内部または外部に配置できる。イオン粒子はイオン捕捉剤、機レート剤またはイオン交換膜（例えばＰＥＭ材料）により除去できる。
【００３８】
イオンセンサ６０はフィルタの有効性を確かめフィルタの交換時期を決定できる。イオンセンサ６０は好ましくは、図示のとおり、燃料電池カートリッジ１２の内部に配置され、また電子装置１１内に配置される。コントローラ２０はイオンセンサ６０を用いて燃料中のイオンレベルを読み出し、この情報を情報記憶装置４７に書き込め、これにより、イオンが許容レベルを超えた燃料を使用しないようにする。イオンセンサ６０は燃料の電導性を読み出すことにより確かめることができる。電導性が大きければイオンレベルが高いことを意味する。電子装置がオンとなったときや異なるカートリッジが挿入されたときにコントローラはいつでもコントローラが燃料中のイオンレベルをチェックできる。
【００３９】
ＭＥＡ５４は典型的には２つのバイポーラ板（図示しない）の間に配置される。この発明では、ＭＥＡ５４は、好ましくはカートリッジ１２内の室部５３に収容される。このため、ＭＥＡは好ましくは費用効率が良い材料から製造され、カートリッジ１２が空のときに配置できる。この発明の１実施例の利点は、ＭＥＡを使い捨てるときにイオンフィルタおよび／またはイオンセンサを省略できるという点である。さらに、内側室部５１または貯蔵部５２を再充填および／または交換することができ、また、燃料電池カートリッジ１２はＭＥＡを交換しなければならなくなるまで、再利用できる。したがって、ＭＥＡまたはスタック５４は、カートリッジの残部が再利用できる間、交換可能である。これにより、燃料電池設計者は燃料電池カートリッジ１２内で使い捨て、または、再利用可能なＰＥＭを選択できる。
【００４０】
好ましくは、陽極５４ａおよび陰極５４ｃが通常の材料から製造される。ＭＥＡのＰＥＭ５４ｂは好ましくはイオン導電性ポリマーから製造される。適切なイオン導電性ポリマーは、これに限定されないが、触媒でコーティングされたペルフルオロ化スルホン酸ポリマーであり、上述のＤｕＰｏｎｔ者からＮａｆｉｏｎ（商標）として入手できる。触媒コーティングされたポリマーは触媒「サポート」（ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ）ポリマーとして知られている。適切な触媒は、白金およびルテニウム、またはこれらの合金、その他の金属を含む。他の適切なイオン導電性ポリマーは、ニュージャージー州、マレイヒルのＣｅｌａｎｅｓｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌｓ−ＵＳＡ社により製造されるポリベンゾイミダゾール（ＰＢＩ）である。ＰＢＩは１２０°Ｃから２００°Ｃの範囲で動作可能な高温ＰＥＭである。
【００４１】
他の適切なイオン導電性ポリマーはＤａｖｉｓ，Ｔ．Ａ、Ｇｅｎｄｒｓ，Ｊ．Ｄ．およびＰｌｅｔｃｈｅｒ，Ｄ．の"Ｆｉｒｓｔ  Ｃｏｕｒｓｅ  ｉｎ  ＩｏｎＰｅｒｍｅａｂｌｅ  Ｍｅｍｂｒａｎｅｓ"、ｐｐ．３５−５７、および、米国特許第６６３０５１８号に説明されており、参照してその内容を組み入れる。これらポリマーは、イオン化可能な基を含有する官能化されたアルケンで共重合された非置換のアルケンまたはその先駆体（例えばＮａｆｉｏｎ（商標）ペルフルオロ化膜）、および、重合化されたアルケンおよび事後的に膜に導入されたイオン基を含む。他の適切なイオン導電性ポリマーはＧｏｒｅｔｅｘ耐天候性材料であり、これは、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）であり、ペルフルオロポリマーを細孔に充填し、ポリビニルフルオライド（ＰＶＣ）フィルムを２．５％のクロロスルホン酸溶液中で照射したものである。'５１８特許出願は他の適切なイオン導電性ポリマーを開示し、これには、照射された後にスルホン化される低浸透性膜が含まれる。適切な膜は、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリヘキサフルオロプロピレン、ポリクロロトリフルオロエチレン、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリビニルフルオライド（ＰＶＦ）、ポリビニリデンフロライド（ＰＶＤＦ）、それらのコポリマーおよびそれらのブレンドを含む。これらの膜および高浸透性の膜はこの発明に使用できる。他の適切な膜は、また、Ｐｏｌｙｆｕｅｌ社が製造したものである。任意のイオン交換材料を利用でき、また、低廉な材料例えばこの段落で検討したものを利用できる。なぜならば、カートリッジが空になったとき、またはＭＥＡの効率が著しく減少したときにＭＥＡを交換できるからである。
【００４２】
陽極５４ａでの反応の結果、二酸化炭素を含み気体副産物がＤＭＦＣ反応の陽極側に形成される。これら気体副産物および、もしあるならば未反応の燃料は、電子装置１１の二酸化炭素分離器３０にバルブ要素３８ａ，ｂを介して運ばれる。バルブ要素３８ａ，ｂはバルブ３６ａ，ｂと類似の二要素バルブであってよい。二酸化炭素分離器３０はガスの自然な浮力を用いて未使用の燃料から分離する。さらに、二酸化炭素分離器３０は逃がしバルブ３０ａを具備し電子装置１１の外側の二酸化炭素を外気に排出する。逃がしバルブは'００４特許出願に開示されたポペット型のバルブとしてよい。
【００４３】
陰極からのこれら液体／水副産物は、電子装置１１内の凝縮器３２へバルブ要素４０ａ，ｂを介して運ばれる。バルブ要素４０ａ，ｂはバルブ３６ａ，ｂと類似の二要素バルブであってよい。凝縮器３２は水副産物を受け取ってもしあれば水蒸気を凝縮し液体状態の水を混合室部３４へ運ぶ。さらに、凝縮器３２は逃がしバルブ３２ａを含んで電子装置１１外部の任意の気体を外気に排出する。代替的には、逃がしバルブ３０ａおよび／または３２ａは混合室部３４上の単一の逃がしバルブで置き換えても良い。
【００４４】
バルブ２６は、水および未使用の燃料の混合室部３４への流れを安定化させ、燃料／水混合物中の最適な燃料濃度を得るのを支援する。コントローラ２０はバルブ２６を制御して室部３４中の適切な燃料／水濃度を実現する。
【００４５】
適切な濃度の燃料／水混合物は室部３４からポンプ２２により運ばれる。燃料／水混合物の燃料濃度は燃料濃度センサ２５により測定され、コントローラ２０により水絞りバルブ２６を用いて監視・制御される。そのようなセンサは米国特許出願公開２００３／０１３１６６３および同２００３／０１３４１６２および米国特許第６２５４７４８号および同第６３０６２８５号に開示されている。これらの内容は参照してここに組み入れる。
【００４６】
燃料／水混合物はポンプ２２から燃料カートリッジ１２中の熱交換器５６へバルブ要素４４ａ，ｂを介して流れる。バルブ要素ａ４４，ｂは、バルブ３６ａ，ｂと類似の二要素バルブであってよい。ＭＥＡ、より具体的には、ＰＥＭは燃料温度に影響を受けるので、熱交換器５６は燃料を好ましい温度範囲へと冷却する。熱交換器は通常の熱交換器でよくフィンを含む。
【００４７】
燃料／水混合物は熱交換器からＭＥＡ５４の陽極５４ａへ流れて反応し電気を発生して電子装置１１に対して電力供給する。この実施例では、制御バルブ５０が燃料のＭＥＡ５４への流れを制御する。制御バルブ５０は予め定められた径で開くことができる可変オリフィスを有して流れを調整しても良い。代替的な制御バルブは'２３７特許出願に開示されている。同様の制御バルブは米国特許第４４９６３０９号および同第４５６０３４５号に開示されている。これら２つの特許の内容は参照してここに組み入れる。
【００４８】
電子装置１１は空気を含有する空気室部２８をさらに有する。空気は空気室部２８から燃料カートリッジ１２中の陰極５４ｃへバルブ要素４２ａ，ｂを介して流れる。バルブ要素４２ａ，ｂはバルブ３６ａ，ｂと類似の二要素バルブであってよい。代替的には、空気は周囲雰囲気から直接に陰極に、または陰極を収容する前の電子装置を通じて供給できる。ポンプまたはファンを使用して空気を運んでも良い。
【００４９】
図１および図２に示すように、ＭＥＡはカートリッジ１２内に配置されてより容易に取り替え可能である反面、「バランス・オブ・プラント」は実質的に電子装置で実行される。この利点は、バランス・オブ・プラントは繊細または効果な項目、例えば、コントローラ、ポンプを含むということであり、これらは電子装置内に配置するのが適当である。費用および信頼性に応じてこれら項目をカートリッジ内に配置しても良い。
【００５０】
図３を参照すると、この発明の他の側面にしたがって、燃料カートリッジ１１２が電子装置の外部に配置されたままで電子装置１１１とともに動作するように設けられ調整されている。電子装置１１１は装置１１の種々の電子部品および流体部品を含み、これには第１のコンタクト１１８が含まれる。この実施例において、第１のコンタクトは電子装置１１１の部品を燃料カートリッジ１１２に電気的および流体的に接続する部品を含む。燃料カートリッジ１１２は、燃料カートリッジ１２の種々の電子的および流体的な部品を含み、これには第２のコンタクト１４６が含まれる。この実施例において、第２のコンタクトは、コンタクト１１８および１４６が動作するように関係付けられているときに、電子装置１１１の部品を燃料カートリッジ１１２に電気的および流体的に接続する部品を含む。代替的な実施例では、燃料カートリッジ１１２は、第２のコンタクトと、ラップトップ１１１を使用時に保持するオプションのプラットフォームとを具備するドッキングステーションに組みこまれていても良い。
【００５１】
図４を参照すると、この発明の他の側面によれば、燃料カートリッジ２１２は中央燃料ステーション、またはハブ、またはマニホールドとして設けられ、２またはより多くの電子装置２１１とともに、装置の外部で動作するようになっている。燃料カートリッジは任意の数の電子装置２１１とともに動作するように設計できる。各電子装置２１１は装置１１の種々の電子および流体部品を含み、これには第１のコンタクト２１８が含まれる。この実施例において、第１のコンタクトは電子装置２１１の部品を燃料カートリッジ２１２に電気的および流体的に接続する部品を含む。燃料カートリッジ２１２は、燃料カートリッジ１２の種々の電子的および流体的な部品を含み、これには第２のコンタクト２４６およびライン２４６ａ，ｂが含まれる。この実施例において、第２のコンタクト２４６は、コンタクト２１８および２４６が動作するように関係付けられているときに、電子装置２１１の部品を燃料カートリッジ２１２に電気的および流体的に接続する部品を含む。
【００５２】
この発明の他の側面によれば、電子装置１１の内部に配置されるいくつかの部品は、図１に示すように、カートリッジ１２の内部または表面上に移動させることができる。例えば、ポンプ２２および混合室部３４はカートリッジ１２に移動させることができる。さらに、空気室部２８、凝縮器３２および二酸化炭素分離器３０の部品の１または複数をカートリッジ１２に移動させることもできる。
【００５３】
代替的には、ＭＥＡ５４を電子装置に移動させることができ、燃料貯蔵部５２、ポンプ２２および混合室部３４はカートリッジ１２中に配置する。燃料および水の混合物は電子装置１１に運ぶ前にカートリッジ内で準備しＭＥＡでの反応に供させる。
【００５４】
この発明の他の側面によれば、図１において配置されているすべての燃料電池部品はカートリッジ１２に移動させられる。図５を参照すると、カートリッジ１２は交換可能／再充填可能な燃料サプライ５２および修繕可能／交換可能なＭＥＡまたはスタックを具備するスタンドアローンの燃料電池である。このカートリッジ１２の出力はＭＥＡ５４から生じる電気である。このようなシステムの利点は、（ｉ）ＭＥＡの大きさや形状を電子装置１１がどのようなものであれそれを動作させる二樽電気を生じさせることができること、（ｉｉ）バルブ結合３６ａ，ｂ、３８ａ，ｂ、４０ａ，ｂ、４２ａ，ｂ、４４ａ，ｂおよび電気接続１８、４６を最小化または省略できることである。
【００５５】
ここに開示された発明の例示的な実施例がこの発明の目的を達成することは明らかであるが、当業者が種々の変形や他の実施例を構成できることは容易に理解できる。さらに、任意の実施例の特徴および／または要素を、単独で、または他の実施例の特徴および／または要素と組み合わせて使用できる。添付の特許請求の範囲は、これらすべての変形例や実施例を、その趣旨を逸脱することなくカバーすることを意図するものであることは、容易に理解できる。
なお、以下に、上述実施例の技術的な特徴を列挙する。
［技術的特徴１］
燃料カートリッジ室部の輪郭を定義するハウジングを具備する電子装置と、
上記燃料カートリッジ室部に取り外し可能に収納できる燃料カートリッジとを有し、
上記燃料カートリッジは少なくとも１つの膜電極組立体と燃料を含有する燃料貯蔵部とを有し、上記電子装置で利用される電気に変換するために上記燃料を上記膜電極組立体に運ぶ前に上記燃料を上記電子装置に運べるようにしたことを特徴とする燃料電池システム。
［技術的特徴２］
上記電子装置はさらに第１の電気コンタクトおよびコントローラを有し、上記燃料カートリッジはさらに第２の電気コンタクトを有し、上記燃料カートリッジを上記電子装置に動作可能に関連付けたときに上記第１および第２の電気コンタクトが電気的に接続され、上記コントローラが上記電子装置および上記燃料カートリッジの機能を制御する技術的特徴１記載の燃料電池システム。
［技術的特徴３］
上記膜電極組立体は陽極、陽子交換膜および陰極を含む技術的特徴１記載の燃料電池システム。
［技術的特徴４］
燃料カートリッジは上記第２の電気コンタクトと電気的に接続されている情報記憶装置をさらに有し、上記燃料カートリッジを上記電子装置に動作可能に関連付けたときに上記情報記憶装置がコントローラにより読み出し可能である技術的特徴１記載の燃料電池システム。
［技術的特徴５］
上記燃料カートリッジは上記膜電極組立体の上流に流体連通された熱交換器をさらに有し、上記燃料が上記熱交換器に運ばれて冷却されたのち、上記膜電極組立体に運ばれる技術的特徴１記載の燃料電池システム。
［技術的特徴６］
燃料カートリッジは上記燃料貯蔵の下流に流体連通されたイオンフィルタをさらに有する技術的特徴１記載の燃料電池システム。
［技術的特徴７］
燃料カートリッジはさらにイオンセンサを有し、このイオンセンサが上記第２の電気コンタクトと電気的に接続される技術的特徴１記載の燃料電池システム。
［技術的特徴８］
上記電子装置は、上記燃料を上記膜電極組立体へ運ぶのを支援するポンプをさらに有し、上記燃料カートリッジが上記電子装置と動作可能に関連付けられる技術的特徴１記載の燃料電池システム。
［技術的特徴９］
上記ポンプは上記第２の電気コンタクトおよび上記コントローラと電気的に接続される技術的特徴８記載の燃料電池システム。
［技術的特徴１０］
上記電子装置はさらに空気室部を有し、上記燃料カートリッジが上記電子装置に動作可能に関連付けられたときに上記空気室部が上記膜電極組立体の陰極と流体連通されて空気が上記陰極に運ばれる技術的特徴１記載の燃料電池システム。
［技術的特徴１１］
上記電子装置がさらに気体副産物分離器を有し、上記燃料カートリッジが上記電子装置に動作可能に関連付けられたときに上記二酸化炭素分離器が上記膜電極組立体の陽極に流体連通されて気体副産物が上記気体産物分離器へ運ばれる技術的特徴１記載の燃料電池システム。
［技術的特徴１２］
上記電子装置はさらに凝集器を有し、上記燃料カートリッジが上記電子装置に動作可能に関連付けられたときに上記凝集器が上記膜電極組立体の陰極に流体連通されて液体副産物が上記凝集器に運ばれる技術的特徴１記載の燃料電池システム。
［技術的特徴１３］
上記電子装置はさらに混合室部を有し、上記燃料カートリッジが上記電子装置に動作可能に関連付けられたときに上記混合室部が上記凝集器および上記燃料貯蔵部に流体連通されて上記燃料が混合室部に運ばれ上記副産物が上記混合室部に運ばれ、上記燃料および上記副産物が混合されたのちに上記膜電極組立体に運ばれる技術的特徴１２記載の燃料電池システム。
［技術的特徴１４］
上記電子装置は上記凝集器および上記混合室部の間に配置され上記凝集器および上記混合室部と流体連通された絞り（ｍｅｔｅｒｉｎｇ）バルブを有し、上記副産物が上記絞りバルブを介して上記混合室部に運ばれる技術的特徴１３記載の燃料電池システム。
［技術的特徴１５］
上記膜電極組立体は使い捨て可能である技術的特徴１記載の燃料電池システム。
［技術的特徴１６］
上記燃料貯蔵部は使い捨て可能である技術的特徴１記載の燃料電池システム。
［技術的特徴１７］
上記膜電極組立体はスタック中に配列される技術的特徴１記載の燃料電池システム。
［技術的特徴１８］
第１の電気コンタクトおよびこの第１の電気コンタクトと電気的に接続されているコントローラを具備する電子装置と、
上記電子装置と動作可能に関連付けられ、かつ、第２の電気コンタクト、少なくとも１つの膜電極組立体、および燃料を含有する燃料貯蔵部を有する燃料カートリッジとを有し、
上記燃料カートリッジを上記電子装置に動作可能に関連付けたときに上記第１および第２の電気コンタクトが電気的に接続され、上記コントローラが上記電子装置および上記燃料カートリッジの機能を制御し、かつ、上記電子装置で利用される電気に変換するために上記燃料が上記膜電極組立体に運ばれることを特徴とする燃料電池システム。
［技術的特徴１９］
上記電子装置はさらに複数の第１の流体部品を有し、上記燃料カートリッジは複数の第２の流体部品と複数の二要素バルブとを有し、第１組のバルブ要素が上記燃料カートリッジに結合され、第２組のバルブ要素が上記電子装置に結合され、上記燃料カートリッジを上記電子装置に動作可能に関連付けたときに上記第１組および第２組のバルブ要素が係合して上記複数の第１の流体部品と上記複数の第２の流体部品との間を流体連通可能にする技術的特徴１８記載の燃料電池システム。
［技術的特徴２０］
電子装置に挿入可能に構成されて当該電子装置に電気を供給する燃料電池カートリッジにおいて、少なくとも１つの膜電極組立体と、燃料を含有する燃料貯蔵部とを有し、上記燃料が上記膜電極組立体で反応して上記電気を生成し、かつバランス・オブ・プラントが上記カートリッジ内で起こることを特徴とする燃料電池カートリッジ。
［技術的特徴２１］
上記燃料貯蔵部は上記カートリッジに取り外し可能に結合され、上記燃料貯蔵部が再充填または交換可能である技術的特徴２０記載の燃料電池カートリッジ。
［技術的特徴２２］
上記膜電極組立体が上記カートリッジに取り外し可能に結合され、上記膜電極組立体が修繕または交換可能である技術的特徴２０記載の燃料電池カートリッジ。
【符号の説明】
【００５６】
１１       電子装置
１２       燃料電池カートリッジ
１６       燃料カートリッジ室部
１７       ハウジング
１８       第１の電気コンタクト
２０       コントローラ
２２       ポンプ
２４       流量計
２５       燃料濃度センサ
２６       水絞りバルブ
２８       空気室部
３０       二酸化炭素分離器
３２       凝縮器
３４       混合室部
４６       第２の電気コンタクト
４７       情報記憶装置
５０       制御バルブ
５２       燃料貯蔵部
５４       ＭＥＡまたはスタック
５４ａ     陽極
５４ｂ     ＰＥＭ
５４ｃ     陰極
５６       熱交換器
５８      イオンフィルタ
６０      イオンセンサ
【図１】
0005518114.tif 000002
【図２】
0005518114.tif 000003
【図３】
0005518114.tif 000004
【図４】
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【図５】
0005518114.tif 000006