(57)【要約】  直接酸化型燃料電池システムは、カソード、アノード、および両電極間の電解質膜を含み、カソードおよびアノードにおいて選択された電気化学反応を行う少なくとも１つの膜／電極接合体（ＭＥＡ）と、カソードおよびアノードと流体的に連通しており、アノードからの未反応燃料並びにカソードおよびアノードにおける電気化学反応の液状およびガス状生成物を受け取る気液分離器と、少なくとも１つのＭＥＡおよび気液分離器それぞれの温度を調節する温度調節器とを備える。好ましくは、気液分離器の温度はＭＥＡよりも低くなるように調節／制御される。
2009512135.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）カソード、アノード、および両電極間に配置された電解質膜を含み、前記カソードおよび前記アノードにおいて選択された電気化学反応を行う少なくとも１つの膜／電極接合体（ＭＥＡ）と、
（ｂ）前記カソードおよび前記アノードと流体的に連通しており、前記アノードからの未反応燃料並びに前記カソードおよび前記アノードにおける前記選択された電気化学反応の液状およびガス状生成物を受け取る気液分離器と、
（ｃ）前記少なくとも１つのＭＥＡおよび前記気液分離器それぞれの温度を調節する温度調節器と、
を備える直接酸化型燃料電池（ＤＯＦＣ）システム。
【請求項２】
（ｄ）前記アノードと流体的に連通している燃料源と、
（ｅ）前記カソードと流体的に連通している酸化剤源と、
をさらに備える請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記燃料源が、前記未反応燃料および前記液状生成物を前記気液分離器から前記アノードに供給する構造を含む請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
（ｆ）前記選択された電気化学反応の酸化剤化学量論比を調節するコントローラをさらに備える請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
前記気液分離器が、少なくとも１つの前記ガス状生成物をそこから排出する構造を含む請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記少なくとも１つのＭＥＡが、スタックに配列された複数のＭＥＡを備える請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記温度調節器が、前記少なくとも１つのＭＥＡおよび前記気液分離器をほぼ同じ温度に維持する構造を備える請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記温度調節器が、前記少なくとも１つのＭＥＡおよび前記気液分離器を熱接触させて維持する構造を備える請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
スタックに配列された複数のＭＥＡを備え、前記気液分離器が前記スタックと一体に形成された請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
前記温度調節器が、前記少なくとも１つのＭＥＡおよび前記気液分離器を異なる温度に維持する構造を備える請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
前記温度調節器が、前記少なくとも１つのＭＥＡを前記気液分離器よりも高い温度に維持する構造を備える請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
前記温度調節器が、前記少なくとも１つのＭＥＡおよび前記気液分離器を実質上熱的に隔離して維持する熱アイソレータを備える請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
スタックに配列された複数のＭＥＡを備え、前記気液分離器が前記スタックの側面に沿って取り付けられ、前記熱アイソレータが前記気液分離器と前記スタックとの間の熱アイソレータである請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
スタックに配列された複数のＭＥＡを備え、前記気液分離器が前記スタックと一体に形成され、前記熱アイソレータが前記スタックの一部を通って延びる少なくとも１つの溝または深いくぼみを備える請求項１２に記載のシステム。
【請求項１５】
カソード、アノード、および両電極間に配置された電解質膜を含む少なくとも１つの膜／電極接合体（ＭＥＡ）と、前記カソードおよび前記アノードと流体的に連通しており、（１）前記アノードからの未反応燃料並びに前記カソードおよび前記アノードにおける電気化学反応の液状およびガス状生成物を受け取り、かつ（２）前記未反応燃料および前記液状生成物を前記アノードに供給する気液分離器と、を備える直接酸化型燃料電池（ＤＯＦＣ）システムを動作させる方法であって、
前記少なくとも１つのＭＥＡおよび前記気液分離器それぞれの温度を熱的に調節する工程を含む方法。
【請求項１６】
前記少なくとも１つのＭＥＡおよび前記気液分離器をほぼ同じ温度に維持する工程を含む請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記少なくとも１つのＭＥＡおよび前記気液分離器を異なる温度に維持する工程を含む請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
前記少なくとも１つのＭＥＡを前記気液分離器よりも高い温度に維持する工程を含む請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記アノードおよび前記カソードから回収される液状生成物の量が、前記少なくとも１つのＭＥＡの温度によって制御される請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
スタックの形態の複数のＭＥＡに、前記スタックの一部に収容された前記気液分離器を提供する工程と、前記気液分離器を収容している前記スタックの前記一部が前記スタックの最も低い温度領域内に位置するように、前記スタック内に温度勾配を発生させる工程と、を含む請求項１７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、一般に、燃料電池および燃料電池システムに関し、より具体的には、高濃度燃料、例えばメタノールで動作する空気流通式の直接酸化型燃料電池およびシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
直接酸化型燃料電池（ＤＯＦＣ）は、液体燃料の電気化学的酸化によって電気を発生させる電気化学装置である。ＤＯＦＣは、予め燃料を処理する段階を必要としないので、間接型燃料電池、すなわち予め燃料を処理する必要がある電池よりも、重量およびスペースの点で相当な利点を提供する。対象となる液体燃料としては、メタノール（ＣＨ3ＯＨ）、ギ酸、ジメチルエーテル（ＤＭＥ）など、ならびにそれらの水溶液が挙げられる。酸化剤は、ほぼ純粋な酸素（Ｏ2）、または空気中にあるような酸素の希釈流であってもよい。ＤＯＦＣを移動および携帯用途（例えば、ノートブック・コンピュータ、携帯電話、ＰＤＡなど）に利用する重要な利点としては、液体燃料の貯蔵と取り扱いが容易であり、かつそのエネルギー密度が高いことが挙げられる。
【０００３】
ＤＯＦＣシステムの一例は、直接型メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）である。ＤＭＦＣは、一般に、アノードと、カソードと、それらの間に配置されたプロトン伝導性電解質膜とを有する膜／電極接合体（以下、「ＭＥＡ」）を利用する。電解質膜の代表例は、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）などの、パーフルオロスルホン酸とテトラフルオロエチレンのコポリマーからなるものである（Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）は、Ｅ．Ｉ．Ｄｕｐｏｎｔ  ｄｅ  Ｎｅｍｏｕｒｓ  ａｎｄ  Ｃｏｍｐａｎｙの登録商標である）。ＤＭＦＣでは、メタノール／水溶液が燃料としてアノードに直接供給され、空気が酸化剤としてカソードに供給される。アノードにおいて、メタノール（ＣＨ3ＯＨ）は、触媒、典型的にはＰｔまたはＲｕ金属ベースの触媒の存在下で水（Ｈ2Ｏ）と反応して、二酸化炭素（ＣＯ2）、プロトン（Ｈ+イオン）、および電子（ｅ-）を生成する。電気化学反応は式（１）として以下に示される。
【０００４】
【化１】
2009512135.tif 000003
【０００５】
ＤＭＦＣの動作中、プロトンは、電子非伝導性であるプロトン伝導性電解質膜を通ってカソードに移動する。電子は、電力を負荷装置に送達する外部回路を通ってカソードに進む。カソードでは、プロトン、電子、および典型的には空気からの酸素（Ｏ2）分子が結合して、生成物として水を形成する。電気化学反応は次の式（２）で与えられる。
【０００６】
【化２】
2009512135.tif 000004
【０００７】
電気化学反応（１）および（２）は、次の式（３）に示されるような全体的な電池反応を形成する。
【０００８】
【化３】
2009512135.tif 000005
【０００９】
従来のＤＭＦＣの１つの欠点は、メタノールが部分的にアノードからカソードまで電解質膜に浸透することであり、そのような浸透したメタノールは「クロスオーバー・メタノール」と称される。クロスオーバー・メタノールは、化学的に（すなわち、電気化学的にではなく）カソードにおいて酸素と反応し、その結果、燃料利用効率とカソード電位が低減し、それに対応して燃料電池の発電が低減する。したがって、ＤＭＦＣシステムには、メタノールのクロスオーバーとその不利益な結果を制限するため、過度に希釈した（３〜６体積％）メタノール溶液をアノード反応に使用するのが一般に行われている。しかし、そのようなＤＭＦＣシステムに関する問題は、可搬型システムに大量の水を収容する必要があるということであり、したがってシステムのエネルギー密度が減少する。
【００１０】
特に、ＤＭＦＣ技術は現在、リチウムイオン技術に基づくものなどの高度な電池と競合しているため、高濃度燃料が使用可能であることが可搬型の電源にとって望ましい。しかし、高濃度燃料（例えば、純メタノール）を備えた燃料カートリッジが水をほとんど、またはまったく収容していない場合であっても、アノード反応、すなわち式（１）には、完全な電解酸化のため、各メタノール分子に対して水１分子を依然として必要とする。同時に、酸素の還元、すなわち式（２）によって、カソードにおいて水が生成される。したがって、高濃度燃料を利用する燃料電池を十分に活用するためには、（ａ）電池からの水分損失全体（主にカソードを介して）が、好ましくは正味の水分生成量を超過しない（すなわち、式（３）に従って消費される各メタノール分子に対して水２分子）電池内での正味の水バランスを維持することと、（ｂ）生成された水の一部をカソードからアノードに運搬することが望ましい。
【００１１】
濃縮燃料を直接使用するために、上述の目的を達成するのに２つの方策が開発されている。第１の方策は、カソード水蒸気を回収し、それをアノードに戻す、能動的な水分凝縮およびポンプ輸送システム（特許文献１）である。この方法は、濃縮された（かつ、さらには純粋な）メタノールを燃料カートリッジに収容するという目的を達成するものの、嵩高いコンデンサおよびその冷却／ポンプ輸送付属物が必要なため、システムの体積が大幅に増加し、それに付随して電力損失も大きくなる。
【００１２】
第２の方策は、高疎水性のマイクロポーラス層（ＭＰＬ）をカソードに含めることによってカソードにおいて水圧が発生し、この圧力が、薄膜を介してカソードからアノードへ水を駆動するのに利用される、受動的な水分還流技術である（非特許文献）。この受動的な方策は効率的であり、付随的な電力損失を招かないものの、戻される水分量、したがってメタノール燃料の濃度は、電池の温度と電力密度に大きく依存する。現在、純メタノールの直接的な使用は、４０℃以下かつ低電力密度（３０ｍＷ／ｃｍ2未満）においてのみ実証されている。大幅に低濃度のメタノール燃料は、高電力密度（例えば、６０ｍＷ／ｃｍ2）のシステムで、６０℃などの高温において利用される。それに加えて、この方法には薄膜が必要であるため、燃料効率と電池の動作電圧が犠牲になり、したがってエネルギー効率全体が低くなる。
【特許文献１】米国特許第５５９９６３８号
【非特許文献１】Ｒｅｎ  ｅｔ  ａｌ．ａｎｄ  Ｐａｓａｏｇｕｌｌａｒｉ＆Ｗａｎｇ，Ｊ．Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．，ｐｐ  Ａ３９９−Ａ４０６，Ｍａｒｃｈ，２００４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
したがって、高電力および高温の動作条件下で、自動的に燃料電池内の水バランスを維持し、かつ十分な量の水をカソードからアノードへ戻す、直接酸化型燃料電池システムが広く必要とされている。また、純メタノールを含む高濃度燃料で動作し、外部から給水するか、または電気化学的に生成された水を濃縮する必要性を最小限に抑える、直接酸化型燃料電池も必要とされている。
【００１４】
上記を考慮して、上述の式（４）に従って所望の酸化剤化学量論比を得るための、空気の流量を計算するには、ＤＭＦＣシステムのＭＥＡ燃料電池スタックおよび気液分離器それぞれの温度を測定／認識することが望ましいと考えられる。したがって、これらの温度の制御に対応できる適切な構造を備えたＤＭＦＣシステムを提供することで、空気流の計算が容易になり、燃料とスペースの最適な利用が可能になるであろう。したがって、本開示は、所望の酸化剤化学量論量と最適な燃料利用を提供するため、ＭＥＡスタック温度と気液分離器温度の制御に対応する目的で作成された。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本開示の利点は、改善された直接酸化型燃料電池システムである。
【００１６】
本開示の別の利点は、高濃度燃料で動作する改善された直接酸化型燃料電池システムである。
【００１７】
本開示のさらに別の利点は、回収水の量が制御され、気液分離器のスペースが最小限に抑えられた、改善された直接酸化型燃料電池システムである。
【００１８】
本開示のさらに別の利点は、最適な電流密度および燃料利用効率で動作する、改善された直接酸化型燃料電池システムである。
【００１９】
本開示のさらなる利点は、直接酸化型燃料電池システムを動作させる改善された方法である。
【００２０】
本開示の追加の利点および他の特徴は、以下の説明に記載され、また部分的には、以下の記載を考察することによって当業者には明らかになり、あるいは本開示を実践することによって理解することができる。それらの利点は、添付の特許請求の範囲に特定して指摘されるように実現し達成することができる。
【００２１】
本開示の１つの観点によれば、上述および他の利点は、
（ａ）カソード、アノード、および両電極間に配置された電解質膜を含み、カソードおよびアノードにおいて選択された電気化学反応を行う少なくとも１つの膜／電極接合体（ＭＥＡ）と、
（ｂ）カソードおよびアノードと流体的に連通しており、アノードからの未反応燃料並びにカソードおよびアノードにおける選択された電気化学反応の液状およびガス状生成物を受け取る気液分離器と、
（ｃ）少なくとも１つのＭＥＡおよび気液分離器それぞれの温度を調節する温度調節器と
を備える改善された直接酸化型燃料電池システムによって、部分的に達成される。
【００２２】
本開示の実施形態によれば、システムは、
（ｄ）アノードと流体的に連通している燃料源と、
（ｅ）カソードと流体的に連通している酸化剤源と、
（ｆ）選択された電気化学反応の酸化剤化学量論比を調節するコントローラとをさらに備える。
【００２３】
本開示の実施形態によれば、燃料源は、未反応燃料および液状生成物を気液分離器からアノードに供給する構造を含み、気液分離器は、少なくとも１つのガス状生成物をそこから排出する構造を含み、少なくとも１つのＭＥＡは、スタックに配列された複数のＭＥＡを備える。
【００２４】
本開示の実施形態は、温度調節器が、少なくとも１つのＭＥＡおよび気液分離器をほぼ同じ温度に維持する構造を備える実施形態と、温度調節器が、少なくとも１つのＭＥＡおよび気液分離器を熱接触させて維持する構造を備える実施形態で、例えば、複数のＭＥＡがスタックに配列され、気液分離器がスタックと一体に形成されている場合、とを含む。
【００２５】
本開示の別の実施形態によれば、温度調節器は、少なくとも１つのＭＥＡおよび気液分離器を異なる温度に維持する構造を備える。好ましい一実施形態では、温度調節器は、少なくとも１つのＭＥＡおよび気液分離器を実質上熱的に隔離して維持するようにして、少なくとも１つのＭＥＡを気液分離器よりも高い温度に維持する構造を備える。例えば、複数のＭＥＡがスタックに配置される場合に、気液分離器をスタックの側面に沿って取り付け、熱アイソレータ構造が気液分離器とスタックの間の熱アイソレータを備えるようにする。あるいは、複数のＭＥＡがスタックに配置される場合に、気液分離器をスタックと一体に形成し、熱アイソレータ構造がスタックの一部を通って延びる少なくとも１つの溝または深いくぼみを備えるようにする。
【００２６】
本開示の別の観点は、カソード、アノード、および両電極間に配置された電解質膜を含む少なくとも１つの膜／電極接合体（ＭＥＡ）と、カソードおよびアノードと流体的に連通しており、（１）アノードからの未反応燃料並びにカソードおよびアノードにおける電気化学反応の液状およびガス状生成物を受け取り、かつ（２）未反応燃料および液状生成物をアノードに供給する気液分離器と、を備える直接酸化型燃料電池（ＤＯＦＣ）を動作させる改善された方法であって、少なくとも１つのＭＥＡおよび気液分離器それぞれの温度を熱的に調節する工程を含む方法である。
【００２７】
本開示の実施形態は、（１）少なくとも１つのＭＥＡおよび気液分離器をほぼ同じ温度に維持する工程を含む方法と、（２）少なくとも１つのＭＥＡおよび気液分離器を異なる温度に維持する方法、好ましくは、少なくとも１つのＭＥＡを気液分離器よりも高い温度に維持する工程を含む方法と、を含む。
【００２８】
本開示の実施形態によれば、アノードおよびカソードから回収される液状生成物の量は、少なくとも１つのＭＥＡの温度を調節することによって制御され、また、方法は、スタックの形態の複数のＭＥＡに、スタックの一部に収容された気液分離器を提供する工程と、気液分離器を収容しているスタックの一部がスタックの最も低い温度領域内に位置するように、スタック内に温度勾配を発生させる工程と、を含む。
【００２９】
本開示の追加の利点は、以下の詳細な説明から当業者には容易に明白になると思われるが、以下の説明では、限定目的ではなく単に例示目的で、本開示の好ましい実施形態のみが示され記載される。理解されるように、本開示は他の、ならびに異なる実施形態が可能であり、また、そのいくつかの詳細は様々な明白な観点において修正することができ、それらはすべて本発明の趣旨から逸脱するものではない。したがって、図面および説明は、限定的ではなく事実上例示的であるものと見なされる。
【００３０】
本開示の様々な特徴および利点は、本発明の範囲を限定するのではなく単に例示目的で提供される添付図面を参照して、より明白になり、かつ容易になるものと思われるが、それらの様々な特徴は、必ずしも縮尺どおりに描写されておらず、それよりも関連する特徴を最も良好に示すように描写される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
本開示は、直接酸化型燃料電池（ＤＯＦＣ）およびＤＯＦＣシステム、例えば上述したようなメタノールに基づくＤＭＦＣシステムの、所望の酸化剤化学量論比を得るため、かつ最適な燃料貯蔵、水分回収、および電力出力を得るために、空気流量比の信頼性の高い計算を得ることに関する。
【００３２】
図１を参照すると、高濃度燃料で動作するように適合されたＤＯＦＣ、例えばメタノールに基づくＤＭＦＣシステム１０の例示的な一実施形態が概略的に示されており、そのシステムは、高電力かつ高温の動作条件下で、燃料電池内の水のバランスを維持し、十分な量の水をカソードからアノードへ戻す。（ＤＯＦＣおよびシステムは、同時係属中の、同一出願人による、２００４年１２月２７日に出願された米国特許出願第１１／０２０３０６号に開示されている）。
【００３３】
図１に示されるように、ＤＭＦＣシステム１０は、一般的にＭＥＡと称される多層の複合膜／電極接合体または構造２を形成する、アノード１２、カソード１４、およびプロトン伝導性電解質膜１６を含む。典型的には、ＤＭＦＣシステム１０などの燃料電池システムは、スタックの形態の複数のそのようなＭＥＡを有するが、図１は、例示を単純にするため、単一のＭＥＡのみを示す。典型的には、膜／電極接合体２は、燃料および副生成物を接合体（例示の便宜上、図示されない）に供給し、かつそこから戻すための、蛇行する流路を有するセパレータ板によって分離される。燃料電池スタックでは、ＭＥＡおよびセパレータ板は、交互になった層の形態で一列に並べられて電池のスタックを形成し、スタックの端部は、集電板と電気絶縁板に挟まれ、ユニット全体は締結構造を用いて固定される。例示を単純にするため図１には示されないが、負荷回路がアノード１２およびカソード１４に電気的に接続される。
【００３４】
燃料源、例えば、高濃度燃料１９（例えば、メタノール）を収容した燃料容器またはカートリッジ１８は、アノード１２（後述）と流体的に連通している。酸化剤、例えば、ファン２０および関連する導管２１によって供給される空気は、カソード１４と流体的に連通している。燃料カートリッジ１８からの高濃度燃料は、関連する導管セグメント２３'および２５を介して、ポンプ２２によって気液分離器２８に直接供給されるか、あるいは、ポンプ２２および２４ならびに関連する導管セグメント２３、２３'、２３''、および２３'''を介してアノード１２に直接供給される。
【００３５】
動作中、高濃度燃料１９は、ＭＥＡ２のアノード側に、あるいは、電池スタックの場合にはスタックのアノードセパレータの入口マニホールドに導入される。電気化学反応（式（２）によって表される）によって、ＭＥＡ２のカソード１４側またはカソード電池スタックで生成された水は、カソード出口ポート／導管３０を介してそこから引き出され、気液分離器２８に供給される。同様に、過剰な燃料、水、およびＣＯ2ガスは、アノード出口ポート／導管２６を介して、ＭＥＡ２のアノード側またはアノード電池スタックから引き出され、気液分離器２８に供給される。空気または酸素は、ＭＥＡ２のカソード側に導入され、電気化学的に生成される液体の水の量を最大限にするとともに、電気化学的に生成される水蒸気の量を最小限にするように調節され、それによって、システム１０から逃げる水蒸気が最小限にされる。
【００３６】
図示されるように、動作中、空気はカソード１４に導入され（上述）、過剰な空気および液体の水は、そこからカソード出口ポート／導管３０を介して引き出され、気液分離器２８に供給される。さらに後述されるように、送り込まれる空気の流量または空気の化学量論量は、電気化学的に生成される水の液相の量を最大限にするとともに、電気化学的に生成される水の気相の量を最小限にするように制御される。酸化剤の化学量論比の制御は、燃料電池システムの動作条件に応じてファン２０の速度を固定の速度で設定するか、あるいは、電子制御装置（ＥＣＵ）４０、例えばデジタルコンピュータに基づくコントローラを用いて得ることができる。ＥＣＵ４０は、カソード出口ポート／導管３０に動作可能に接続されたＣＯ2またはＯ2ガスセンサから、および気液分離器２８の液相２９と接触している温度センサから入力信号を受け取り（各センサは、例示を単純にするため図面には示されない）、カソード排気における液体の水相を最大限にし、排気における水蒸気相を最小限にするように、酸化剤化学量論比を調整し、それによって、ＭＥＡ２のカソードで生成されそこから排出される水蒸気を濃縮する水コンデンサの必要性が最小限になる。それに加えて、ＥＣＵ４０は、電池内に水が過剰に蓄積するのを回避するため、冷機始動中酸化剤の化学量論量を最小設定を超えて増加させることができる。
【００３７】
動作中に気液分離器２８内に蓄積する液体の水２９は、循環ポンプ２４ならびに導管セグメント２５、２３''、および２３'''を介してアノード１２に戻すことができる。排気炭酸ガスは、気液分離器２８のポート３２を通って放出される。
【００３８】
上述したように、カソード排出水、すなわち動作中にカソードにおいて電気化学的に生成される水は、液相と気相に分割され、各相における水の相対量は、主に温度および空気流量によって制御される。十分に小さな酸化剤の流量または酸化剤の化学量論量を使用することによって、液体の水の量を最大限にし、水蒸気の量を最小限にすることができる。その結果、カソード排気からの液体の水は、システム内に自動的に捕捉することができ、すなわち外部のコンデンサは不要であり、液体の水は、アノードの電気化学反応を行うのに使用するのに十分な量で、高濃度（例えば、約５モル濃度（Ｍ）を超える）の燃料と合体させることができ、それによって、燃料濃度および貯蔵能力が最大限になり、かつシステム全体のサイズが最小限になる。水は、例えば、ＣＯ2ガスとメタノール水溶液を分離するのに典型的に使用されるものなど、既存のタイプのアノード気液分離器２８内で回収することができる。
【００３９】
図１に示される直接酸化型燃料電池システム１０は、ポリマー電解質膜１６と、触媒層およびガス拡散層からそれぞれなり、膜を間に挟んだ一対の電極（アノード１２およびカソード１４）とを含む、少なくとも１つのＭＥＡ２を備える。典型的なポリマー電解質材料としては、パーフルオロスルホン酸基を有するフッ化ポリマー、またはポリ（アリーレンエーテルエーテルケトン）（「ＰＥＥＫ」）などの炭化水素ポリマーが挙げられる。電解質膜は、例えば、約２５〜約１８０μｍなどの任意の厚さのものであることができる。触媒層は、典型的に、白金もしくはルテニウム・ベースの金属、またはそれらの合金を含む。アノードおよびカソードは、典型的には、燃料をアノードに、酸化剤をカソードに供給する流路を有するセパレータ板の間に挟まれる。燃料電池は、隣接するＭＥＡの間に挟まれてＭＥＡを互いに直列に電気的に接続し、かつ機械的に支持する、少なくとも１つの導電性のセパレータを有する、複数のそのようなＭＥＡ２を含むことができる。
【００４０】
ＥＣＵ４０は、酸化剤の流量または化学量論比を調整してカソード排気中の液体の水相を最大限にし、排気中の水蒸気相を最小限にし、それによって水コンデンサが不要になる。ＥＣＵ４０は、特定の式、例示的には次の式（４）に従って、酸化剤化学量論比を調整する。
【００４１】
【数１】
2009512135.tif 000006
【００４２】
式中、ζcは酸化剤化学量論量、γは燃料源中の水と燃料の比、ｐsatは電池温度に対応する水蒸気飽和圧力、ｐはカソードの動作圧、ηfuelは燃料効率である。そのような制御された酸化剤化学量論量により、あらゆる動作条件下で、ＤＭＦＣ中の適切な水バランス（すなわち、アノード反応に十分な水）が自動的に確保される。例えば、ＤＭＦＣシステムの始動中、電池温度が、例えば２０℃から動作点の６０℃まで上昇するとき、対応するｐsatは最初は低く、したがって、システム内に過剰に水が蓄積し、その結果液体の水による電池のフラッディングを回避するため、大きな酸化剤化学量論量が使用されるべきである。電池温度が増加すると、酸化剤の化学量論量は式（４）に従って減少する。
【００４３】
詳細に上述してきたように、システム１０などのＤＭＦＣシステムの、ＭＥＡ燃料電池スタック２および気液分離器２８それぞれの温度を測定／認識することは、所望の酸化剤化学量論比を得るため、上述の式（４）に従って、酸化剤（例えば、空気）の流量を計算するために望ましい。本開示は、システム１０などのＤＯＦＣ／ＤＭＦＣシステムにこれらの温度の調節／制御を提供することで、有利には、空気流の計算が容易になり、最適な発電密度が可能になるとともに、最適な水分回収と燃料およびスペースの利用が可能になるという認識に基づいており、それらは、ノートブック・コンピュータなどの移動および携帯用途においてＤＯＦＣ／ＤＭＦＣシステムの最適な性能を得るための要素である。したがって、所望の酸化剤化学量論量、最適な発電密度、ならびに最適な水分回収と燃料およびスペースの利用を提供するためには、ＭＥＡスタック温度と気液分離器温度とを制御することが最も望ましい。
【００４４】
本質的に、また図面に概略的に示されるように、本開示で意図されるＤＯＦＣ／ＤＭＦＣシステムは、スタック構造に配列された複数のほぼ平坦なＭＥＡを備え、スタック構造は、燃料および酸化剤（空気）の取込口と、それらに対応する一対の燃料および酸化剤（空気）の排出口とを備える。燃料および空気の排出口は、未反応燃料、例えば液体メタノールなどの「クロスオーバー」燃料（上述）と、電気化学反応（例えば、式（２）によって表される）によって生成された水とを気液分離器内に蓄積するため、分離器に接続され、それらの未反応液体燃料および回収水は、互いに混合され、燃料電池スタックに再供給される。電気化学反応のガス状生成物（例えば、式（１）に従って発生するＣＯ2）は空気中に排出される。その結果、本開示で意図されるＤＯＦＣ／ＤＭＦＣシステムは、適切な負荷装置に供給するための、高濃度燃料（例えば、メタノール）の電気への効率的な変換ができる、自給式かつ自立式の動作を提供する。
【００４５】
図２を参照すると、本開示の一実施形態によるＤＯＦＣ／ＤＭＦＣシステムの一部の単純化した斜視図が示されており、この図は、実施形態を理解するのに関連すると考えられるシステムの構成要素のみを、すなわち、スタック構造に配列され、燃料供給流路、例示的には蛇行する流路を含む複数のほぼ平坦なＭＥＡと、一端にガス排出ポートを含む端板（または天板）と、ＭＥＡスタックの第１の端部においてそれと一体に、かつ天板のガス排出ポートと垂直に位置合わせされて形成された気液分離器と、ＭＥＡスタックの第２の端部における燃料取込口と、気液分離器および燃料取込口に流体接続された一対の導管に接続され、燃料（例えば、メタノール）と液状反応生成物（例えば、回収水）の混合物を再利用のために気液分離器から燃料取込口に供給するポンプとを示す。燃料排出口および酸化剤（空気）排出口は、単純にするため図面には示されていない構造によって、気液分離器に流体接続される。
【００４６】
この実施形態によれば、気液分離器は、ＭＥＡ燃料電池スタックと一体に形成され、そのためスタックと熱的に接続され、したがって、動作中、ＭＥＡスタックとほぼ同じ温度に維持される。例えば、ＭＥＡスタック温度は、動作中、約６０℃に制御／調節される（例えば、反応により発生する熱、および周囲空気（すなわち室温）によるスタックの冷却によって）場合、気液分離器の温度は約６０℃とほぼ同じになり、この動作温度により、燃料（メタノール）と混合されて再利用のため液体で回収されるのではなく、水蒸気としてシステムから排出される水がどの程度かがほぼ決まる。気液分離器の温度がＭＥＡスタック温度によって固定的に決まるこの実施形態によれば、上述の式（４）に従って所望の酸化剤化学量論比を得るための、空気流量の計算が容易になる。
【００４７】
図３を参照すると、本開示の別の実施形態によるＤＯＦＣ／ＤＭＦＣシステムの一部の単純化された斜視図が示されており、気液分離器は、ＭＥＡスタックから熱的に隔離され、したがって、ＤＯＦＣ／ＤＭＦＣシステムの動作中、ＭＥＡスタックとは異なる（好ましくはより低い）温度になるように調節／制御される。この実施形態によれば、気液分離器は、例えば熱伝導性の低い材料で形成された、介在する熱アイソレータを介してＭＥＡスタックの第１の端部に取り付けられ、端板（または天板）は、ＭＥＡスタックの第１の端部のみまで延び、ガス排出口は気液分離器と一体にされている。
【００４８】
単に例示として、この実施形態によれば、動作中のＭＥＡスタックの温度は、燃料電池の反応によって発生する熱および周囲空気によるスタックの冷却によるように、約６０℃で調節／制御されてもよく、気液分離器の温度は、ＭＥＡスタック温度と周囲温度（室温）の間、例えば約５０℃になる。実際上、ＭＥＡおよび気液分離器の温度の差は、機械的設計と熱的隔離材料の熱伝導性とによって決まる。この実施形態によれば、温度を測定し調節／制御するため、一対の熱センサが提供される。すなわち、第１のセンサはＭＥＡスタック内に埋め込まれ、第２のセンサは周囲温度（室温）を測定するのに利用される。その結果、気液分離器温度が見積もられ、式（４）に従ってｐ／ｐsatを決定することができる。
【００４９】
気液分離器がＭＥＡスタックよりも低温であるように調節／制御される、この実施形態によるＤＯＦＣ／ＤＭＦＣ燃料電池の動作は、（１）より高濃度の燃料（例えば、メタノール）を燃料カートリッジ（例えば、図１に符号１８によって示される）に貯蔵することができ、（２）ＭＥＡスタック温度がより高いことによって、発電（すなわち、電流）効率がより良好になるという点で有利である。
【００５０】
ＭＥＡスタックと気液分離器の間の熱隔離、したがって、ＭＥＡスタックと気液分離器の異なる動作温度を達成するための代替構造が、図４に示される。図４は、本開示のさらに別の実施形態による直接酸化型燃料電池システムの一部の単純化された斜視図である。
【００５１】
図２に示されるものと類似のこの実施形態によれば、少なくとも１つの溝または深いくぼみ、好ましくは一対の溝または深いくぼみがＭＥＡスタック内に形成され、空隙をそれぞれ有するそれらの溝または深いくぼみは、ＭＥＡスタックの主要部分とＭＥＡスタックの一端におけるそのマイナーな部分との間の熱アイソレータとして働く。このマイナー部分は気液分離器と一体に形成される。図３に示し上述した実施形態と同様に、この実施形態は、次の有利なＤＯＦＣ／ＤＭＦＣ動作を提供することができる。すなわち、（１）気液分離器温度がより低いことによって、より高濃度の燃料（例えば、メタノール）を燃料カートリッジ（例えば、図１に符号１８によって示される）に貯蔵することができ、（２）ＭＥＡスタック温度がより高いことによって、発電（すなわち、電流）効率が増加する。
【００５２】
本開示に従ってＭＥＡスタックと気液分離器の異なる温度を達成するさらに別の方策は、動作中、高温領域と低温領域がシステム内に存在するという、ＤＯＦＣ／ＤＭＦＣシステムの熱設計を利用することである。より低温の領域は気液分離器を収容するのに利用することができ、より高温の領域はＭＥＡスタックに利用される。ＭＥＡスタック温度がより高いことによって、燃料電池性能が向上し、ＭＥＡスタックの電力密度が大幅に増加する一方、より低温の領域に収容された気液分離器によって、システムから排出される水蒸気の量が制限される。
【００５３】
そのような動作に適した設計の一例は、約７０℃で動作する、より高温のＭＥＡスタック領域と、約５５℃で動作する、より低温の気液分離器領域である。そのような熱設計によって、さらに、ＭＥＡスタックの平均温度が上昇し、その熱放散能力が自動的に増加し、それにより、ＭＥＡスタック温度の調節に利用される任意の冷却ファンのサイズ（および電力消費）が低減される。
【００５４】
要約すると、本開示は、ＤＯＦＣ／ＤＭＦＣシステムを最適に動作させるための構造および方法論を提供するものであり、ＭＥＡスタックおよび気液分離器の温度の調節／制御は、酸化剤化学量論量の制御を容易にし、かつ最小限のスペース要件で最適な電流発生をもたらすのに利用される。それに加えて、本開示は、ＭＥＡスタック温度が気液分離器温度よりも高いシステムのいくつかの実施形態を提供するものであり、それにより、（１）気液分離器温度がより低いことによって、より高濃度の燃料（例えば、メタノール）を燃料カートリッジに貯蔵することができ、（２）ＭＥＡスタック温度がより高いことによって、より高い発電（すなわち、電流）効率が得られる。また、ＭＥＡに再循環される回収水の量は、スタック冷却ファンによって容易に制御される。最後に、本開示は、従来の技術および方法論を用いて、ＤＯＦＣ／ＤＭＦＣシステムに対して容易に実施することができる。
【００５５】
上記の記載では、本開示をより良好に理解できるようにするため、特定の材料、構造、プロセスなどの多数の特定の詳細が説明されている。ただし、本開示は、具体的に説明した詳細を用いることなく実践することができる。他の例では、本開示を不必要に不明瞭にしないようにするために、周知の加工材料および技術は詳細には記載されていない。
【００５６】
本発明の好ましい実施形態のみを、ただし本発明の汎用性のいくつかの実施例を本開示に示し、記載してきた。本開示は、他の様々な組合せおよび環境にて使用することができ、また、本開示に明示される発明概念の範囲内で変更および／または修正する余地があることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】高濃度メタノール燃料で動作することができる直接酸化型燃料電池（ＤＯＦＣ）システムの単純化した概略図である。
【図２】本開示の一実施形態によるＤＯＦＣシステムの一部の単純化した斜視図である。
【図３】本開示の別の実施形態によるＤＯＦＣシステムの一部の単純化した斜視図である。
【図４】本開示のさらに別の実施形態によるＤＯＦＣシステムの一部の単純化した斜視図である。
【図１】
2009512135.tif 000007
【図２】
2009512135.tif 000008
【図３】
2009512135.tif 000009
【図４】
2009512135.tif 000010
【国際調査報告】
2009512135.tif 000011
2009512135.tif 000012
2009512135.tif 000013