(57)【要約】パッシブな空気吸出入式燃料電池システムの動作方法について記載する。一実施形態において、そのシステムは、１つまたは複数個の燃料電池、および燃料供給源に接続された閉じた燃料プレナムを含む。本方法のある実施形態において、燃料電池カソードは、外気にさらされ、燃料は、燃料プレナムを通して外気圧を超える圧力でアノードに供給される。【選択図】図５
2009524902.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パッシブな反応物供給による燃料電池システムの動作方法であって、前記燃料電池システムは、イオン伝導性電解質により隔てられた、複数のアノードおよび複数のカソード、ならびに、流体的に前記複数のアノードに接続する閉じた燃料供給源を含み、
ａ．前記カソードを外気にさらすステップと、
ｂ．前記外気の圧力を超える圧力で前記アノードに燃料を供給するステップと
を有する、方法。
【請求項２】
前記燃料は水素である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
燃料利用率が７５％を超える、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記燃料利用率が９０％を超える、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
燃料供給圧力が少なくとも１つの圧力調整器によって制御される、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記燃料供給源は、金属水素化物、複合金属水素化物、カーボングラファイト・ナノファイバ、圧縮水素ガス、ケミカル・ハイドライドからなる群から選択される水素貯蔵材料を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
燃料が、実質的に一定の圧力で前記複数のアノードに供給される、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記燃料が前記複数のアノードに供給されるときの前記圧力は、前記燃料電池システムの電力需要の影響を受けない、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記閉じた燃料供給源と前記複数のアノードとの間には圧力調整についての構成部品がない、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記燃料が前記アノードに供給されるときの前記圧力は、前記燃料電池システムの電力需要に左右される、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記閉じた燃料供給源と前記複数のアノードとの間に１つまたは複数個の圧力制御構成部品が配置される、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記燃料供給源は金属水素化物を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記燃料が加水されていない、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記燃料電池システムは、燃料電池の平面配列を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
前記平面配列内の各個別の燃料電池の領域が０．０００００００１ｃｍ２から１０００ｃｍ２までの範囲である、請求項１０に記載の方法。
【請求項１６】
前記反応物燃料は、並列に接続された前記複数のアノードのそれぞれに供給される、請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
前記反応物燃料は、直列に接続された前記複数のアノードの少なくとも一部へ供給され
る、請求項１に記載の方法。
【請求項１８】
前記イオン伝導性電解質は、プロトン交換膜である、請求項１に記載の方法。
【請求項１９】
前記イオン伝導性電解質は、ペルフルオロスルホン酸の重合体を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２０】
前記イオン伝導性電解質のイオン伝導度が、前記イオン伝導性電解質の水和レベルに左右される、請求項１に記載の方法。
【請求項２１】
前記イオン伝導性電解質の厚さが、１ミクロンから１００ミクロンの範囲である、請求項１に記載の方法。
【請求項２２】
パッシブな反応物供給による燃料電池システムの動作方法であって、前記燃料電池システムは、少なくとも１つのアノード、少なくとも１つのカソード、イオン伝導性電解質、および、前記燃料電池システムに連結された燃料供給源を有し、ここで前記イオン導電性電解質はそれぞれのアノードとカソードとの間に配置され、
ａ．前記燃料供給源を、周囲圧力を超える圧力にまで加圧するステップと、
ｂ．前記カソードを外気にさらすステップと、
を有する、方法。
【請求項２３】
前記燃料供給源は金属水素化物を含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
パッシブな反応物供給による燃料電池の動作方法であって、前記燃料電池は、少なくとも１つのアノード、少なくとも１つのカソード、イオン伝導性電解質、および、前記燃料電池システムに接続された閉じた燃料プレナムを有し、ここで前記イオン導電性電解質はそれぞれのアノードとカソードとの間に配置され、
ａ．前記カソードを外気にさらすステップと、
ｂ．前記外気の圧力を超える圧力で、前記燃料プレナムにより燃料を前記アノードへ供給するステップと、
を有する、方法。
【請求項２５】
パッシブな反応物供給により燃料電池システムを操作する方法であって、前記燃料電池システムは、少なくとも１つのアノード、少なくとも１つのカソード、イオン伝導性電解質、および、前記少なくとも１つのアノードに流体的に接続する閉じた燃料供給源を有し、ここで前記イオン導電性電解質はそれぞれのアノードとカソードとの間に配置され、
ａ．前記カソードを外気にさらすステップと、
ｂ．前記外気の圧力を超える圧力で、前記少なくとも１つのアノードに燃料を供給するステップであって、前記燃料電池システムにより生成される水の量が、前記燃料電池システムから排出される水の量と実質的に等しくなるように、定常状態動作の間、前記燃料電池による水収支が実現されるように、前記圧力が選ばれるステップと、
を有する、方法。
【請求項２６】
パッシブな反応物供給により燃料電池システムを操作する方法であって、前記燃料電池システムは、少なくとも１つのアノード、少なくとも１つのカソード、イオン伝導性電解質、および、前記少なくとも１つのアノードに流体的に接続する閉じた燃料供給源を有し、ここで前記イオン導電性電解質はそれぞれのアノードとカソードとの間に配置され、
ａ．前記カソードを外気にさらすステップと、
ｂ．前記外気の圧力を超える圧力で、前記少なくとも１つのアノードに燃料を供給するステップであって、前記圧力は、前記カソードから前記アノードへの窒素拡散の緩和および
前記電解質の妥当な水和の維持に対して効果的である、ステップと、
を有する、方法。
【請求項２７】
携帯型電源、携帯電話、ＰＤＡ、衛星電話、ラップトップ・コンピュータ、携帯型ＤＶＤ再生機、携帯型ＣＤ再生機、携帯型パーソナル・ケア・デバイス、携帯型ステレオ、携帯型テレビ、無線送信機、レーダ送信機、レーダ探知機、ラップトップ・コンピュータ、何らかの携帯型電子デバイス、何らかの携帯型通信デバイス、およびこれらの組合せのうちのひとつ以上の筐体内に、前記燃料電池システムが組み込まれている、請求項１、２２、２４、２５、２６に記載の方法。
【請求項２８】
燃圧が調整される、請求項１、２２、２４、２５、２６に記載の方法。
【請求項２９】
前記アノードからの燃料のパージまたは排出によって燃料が前記燃料電池システムから放出されることのない、請求項１、２２、２４、２５、２６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
＜優先権主張＞
２００６年１月２５日出願の米国特許仮出願整理番号６０／７４３，１７３に対する、米国特許法第１１９条（ｅ）のもとの優先権の利益を本非仮出願は主張し、この米国特許仮出願整理番号６０／７４３，１７３は参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
＜技術分野＞
本発明は、燃料電池に関し、より詳細には、パッシブ式の、密封型燃料供給システムを有する空気吸出入式燃料電池の動作方法に関する。動作時間を延ばし、高い燃料利用率を達成するために、本方法の実施形態を使用することができる。
【０００３】
＜著作権＞
本特許文献の開示部分は、著作権保護を受ける素材を含む。本特許文書または本特許開示は、特許商標局の特許資料または記録に記載されているので、著作権者は、本特許文書または本特許開示の何者による複製に対しても異議はないが、いかなる著作権も著作権者に留保される。以下におよび本文書の一部を形成する図面に記載されるようなソフトウエアならびにデータへ、以下の通知は充当される。
Ｃｏｐｙｒｉｇｈｔ  ２００５、Ａｎｇｓｔｒｏｍ  Ｐｏｗｅｒ社。著作権完全保持。
【背景技術】
【０００４】
電気化学的燃料電池は、燃料および酸化剤（オキシダント）を電気に変換する。固体高分子式の電気化学的燃料電池は一般的に、２つの電極、アノードとカソードとの間に配置された、イオン交換膜または何らかの他の種類の固体高分子電解質を使用する。アノード、カソードはそれぞれ、所望の電気化学反応を誘発するための触媒層を有する。従来の水素燃料電池システムの実施形態を、図１の１０に概略的に示す。このシステムは、アノード１２および水素ガス吸口１４ならびにカソード１８および空気吸口２０を含む。水素ガスは、吸口１４において燃料電池に入り、アノード１２において酸化して陽子１６および電子１７を形成する。（空気中のものなどの）酸素は、カソード１８において還元されて水２２になる。この燃料電池システムはまた、アノード１２からカソード１８への陽子の通過のためのプロトン交換膜２４を含む。水素イオンを導通することに加えて、膜２４はオキシダント流から水素燃料流を分離する。従来の燃料電池はまた、オキシダントおよび燃料のための、それぞれ排出口２４および２６を含む。
【０００５】
多くの従来の燃料電池では、加圧された反応物流を導くために電気伝導性の反応物流れ場プレートが使用される。この反応物は、加圧されて反応物流吸口と反応物流排出口との間のアノードおよびカソードを横断して流れることがある。通常そのような反応物流れ場プレートには、少なくとも１つの流路またはチャネルが片面または両面に形成されている。流体流れ場プレートは、集電装置の働きをし、電極を補助し、燃料およびオキシダントのアノード表面ならびにカソード表面それぞれへのアクセス・チャネルまたはアクセス経路を提供し、かつ電池の動作間に形成される水などの反応生成物の除去のための経路を提供する。
【０００６】
電極全体に反応物の十分な供給がない場合、燃料電池の性能は、大幅に損なわれる可能性がある。したがって、電極での十分な供給を保証するために、過剰な反応物を燃料電池に提供することは、従来の燃料電池においてよくあることである。しかしこうするとアノード電極の場合には一般に、有用な燃料が浪費されて、燃料利用率が低下してしまう。この燃料利用率は、供給される燃料の量と実際に消費されて電力を生成する燃料の量との割合である。電力を生成するために、燃料電池に供給される全ての燃料が使用されることが理想的である（燃料利用率が１であるかまたは１００％であるということ）。
【０００７】
燃料利用率を上げようとして、反応物側の片側または両側が閉モードで動作するように設計された燃料電池もある。この状況においては、閉ざされた側で使用される反応物は、ほぼ純粋である。それにもかかわらず、そのようなシステムに関係している問題のうちの１つに、アノードに堆積して局所的な燃料濃度を薄めかねない無反応成分の蓄積がある。電力需要を支えるために必要な燃料供給が得られない場合（システム内の特定の燃料電池内で局所的に得られない場合でさえ）、燃料電池システムは、全体的または局所的燃料供給不足に陥ることがある。燃料供給不足は、半永久的で修復のできない、燃料電池の物質的損傷を引き起こす可能性があり、この物質的損傷は、性能の低下またはシステムの最終的な故障に結びつく。
【０００８】
閉じた燃料システムにおいては、アノードで蓄積しやすい無反応成分の色々なソースがある。１つは燃料流自体の中の不純物である。燃料が非常に純粋であって異質成分の濃度がとても低かったとしても、これら異質成分は、閉じたシステムにおいては時間とともに堆積しやすい。カソードで生成された水および（空気吸出入構成内の）空気中の窒素も、電解質を越えてアノードに溜まりやすい。
【０００９】
通常の解決方法は、閉じたシステム・オペレーションにおいてアノードに堆積することがある無反応成分を周期的に排出するための燃料通路のどこかに、パージ・バルブ（閉鎖系の動作では、平常時に閉である）を組み込むことである。従来の燃料電池パージ・システムにおいては、例えば、手動で定められたまたは規則的に定められた時間間隔で、あるいは何らかのモニタされたパラメータに応答して、パージ・バルブは時々開放される。あるいは、反応物を少しずつ排出することで、無反応成分の蓄積を阻止できる。無反応成分が、アセンブリ内の各電池の出口領域よりはむしろ、燃料電池のアセンブリの内の１つのみまたは少しの燃料電池内に先に蓄積しやすくなるように、燃料電池システムを通しての反応物流経路を構成してもよい。
【００１０】
そのようなシステムは、完全なデッドエンド式というわけではない。パージまたは継続した排出は、閉じた燃料供給システムを有する燃料電池の性能を改善することができるが、有用な燃料を浪費し、それによって燃料利用率を低下させる。パージ装置が必要な場合、パージまたは継続的な排出はまた、システムの寄生負荷および複雑さを増大させる。さらに、水素の周囲環境への放出は、望ましくないことがある。
【発明の開示】
【００１１】
以下の詳細な説明は、添付の図面に対する参照を含む。この参照は、この詳細な説明の一部を形成する。これら図面は、本発明を実践することのできる具体的な実施形態を、例証として示す。本明細書中では「実施例」とも呼ばれるこれら実施形態について、当業者が本発明を実践することが可能なほど、十分詳細に記載する。本発明の範囲から逸脱することなしに、本実施形態が組み合わされること、他の実施形態が利用されること、または構造上および論理上の変化が加えられることはありうることである。したがって、以下の詳細な説明は、限定した意味で理解されることとなるものではなく、かつ本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲およびその均等物により定められる。
【００１２】
本明細書において、“ａ”または“ａｎ”は、「１つ以上」を含み、“ｏｒ（または）”は、他に指示が無ければ非排他的なｏｒを意味する。さらに、本明細書で使用される表現法や用語で、他に定義されていないものは、説明目的のためだけのものであり、制限目的のものではないことを理解されたい。さらに、本文書中に参照される全ての、刊行物、特許、および特許文書は、個々に参照として組み込まれる如く、全体として本明細書に参照として組み込まれる。本文書と上記のように参照として組み込まれた文書との間の矛盾した用法の場合、組み込まれた参照の中の用法は、本文書中での用法の補足とみなすべきである。調和しない食い違いに関しては、本文書の用法が優先する。
【００１３】
本発明の詳細な実施形態を本明細書中に開示するが、開示される実施形態が、色々な他の形式で実現し得る本発明の単なる典型であることは理解されるべきである。本明細書に開示される、具体的な、構造的および機能的詳細は、意味を限定するものとして解釈されるのではなく、燃料電池動作の本実施形態を様々に利用するように当業者へ教えるための、単なる根拠として解釈されるものである。図面を通して、同様の要素には同様の数字を付す。本明細書中に記載する、燃料電池の本動作方法の実施形態は一般に、輸送用途、携帯型電源、家庭用および商用発電、大規模発電、小規模システムでの発電を含む、一般の燃料電池発電に適用され、かつそのようなシステムの使用から恩恵を受けることになる他のいかなる用途にも適用される。
【００１４】
本明細書に記載する、本発明の実施形態は、閉じた燃料供給源を有する、パッシブ式の、空気吸出入式燃料電池の動作方法に関する。
【００１５】
本明細書で使用するように、「パッシブ式」とは、外因的な機械力を全く利用しない反応物の流れのことを指す。例えば、反応物の流れは、拡散または圧力勾配の差から起こることもある。燃料電池システムにおけるパッシブ式動作のもとで、反応物の圧力を例えば、調整、調節、または変動することもできる。
【００１６】
本明細書で使用するように、「デッドエンド式」とは、燃料が燃料電池中を再循環しない、または燃料が燃料供給源から排出、放出、吐出される燃料電池あるいは燃料電池システムを指す。例えば、燃料源から１つまたは複数の燃料電池を通過するいかなる燃料も、燃料電池反応により消費される。デッドエンド動作に関しては、燃料電池または燃料電池システムは、例えば、閉じたプレナムを含む。ある実施形態では、デッドエンド式燃料電池システムは閉じた燃料排出口を含み、別の実施形態では、デッドエンド式燃料電池システムは燃料排出口を含まない。
【００１７】
本明細書で使用するように、「圧力」は、表層に一様に加わる力のことを指し、領域単位あたりの力として測定されることがある。例えば、反応物のまたは燃料の圧力は、燃料電池システム中での使用に伴い、調整されることまたは変動することがある。本明細書中に使用されるように、圧力には、絶対圧力測定値および相対圧力測定値の両方が含まれる。
【００１８】
本明細書で使用するように、「パージ」または「パージする」は、物質または複数の物質を排出、放出、または除去することを指す。例えば、ある実施形態では、そのような物質は、無反応成分の蓄積物または混入物を含むことがある。例えば、無反応成分は、閉じた燃料電池システム中でアノードに堆積することがあり、バルブの開放などのパージをすることにより除去されることがある。
【００１９】
本明細書で使用するように、「燃料供給源」という用語は、燃料を貯蔵する、あらゆる構造またはアセンブリを指す。燃料の１つの例には水素がある。燃料供給源では、燃料は、多様なメカニズムを使用し貯蔵してよい。例えば、水素燃料供給において、金属水素化物、複合金属水素化物、カーボングラファイト・ナノファイバ、圧縮水素ガス、ケミカル・ハイドライド、またはこれらの物質の組合せとして、水素を貯蔵できる。ある実施形態に関しては、燃料供給源にはまた、燃料貯蔵物質および燃料貯蔵物質とともに燃料貯蔵成分が含まれる。ある実施形態に関しては、燃料貯蔵器などの燃料供給源が内部にある。別の実施形態に関しては、燃料供給源が外部にあるか、または燃料カートリッジなどのように着脱可能になっている。別の実施形態に関しては、燃料供給源は、カートリッジのような内部構成部品と外部構成部品との組合せである。選択的に燃料プレナムを通じて、このカートリッジは、燃料電池システムのアノードへの燃料のための燃料を供給する貯蔵器を満たす。
【００２０】
本明細書で使用するように、「燃料プレナム」、「燃料エンクロージャ」および「燃料チャンバ」という用語は、燃料を含有する構造を指す。この燃料は、流動的に燃料電池のアノードに接触することがある。燃料プレナム、燃料エンクロージャ、および燃料チャンバは、可撓性のある実施形態、燃料電池システム内に一体的に形成された実施形態、ならびに多様な形状およびサイズになることがある実施形態を有する。
【００２１】
いくつかの場合には燃料は加圧されたソースから供給されるが、大部分の従来の燃料電池においては、通常は外力による、燃料のアノードへの流れがある。燃料電池システムはまた、ある種の、アクティブな流れ制御を通常は組み込む。このアクティブな流れ制御は、燃料電池出力要求または何らかの他のパラメータに応答して、一方のまたは双方の反応物の供給の割合を調節する。ロータメータまたはマスフロー制御装置がしばしば使用される。
【００２２】
パッシブ式の空気吸出入式燃料電池において、カソードは、外気にたださらされる。燃料電池が動作するとき、カソードは、周囲空気からの酸素を消費して燃料電池反応を補助する。空気はこのように、拡散によりカソードへ供給される。カソードへのオキシダントのアクティブな流れ制御は存在しないし、オキシダント吸口または排出口は当然存在しない。ある実施形態に関しては、パッシブな反応物供給をともなう燃料電池アセンブリには、変動、調整、または調節される圧力の操作が組み込まれる。
【００２３】
閉じた燃料エンクロージャとは、燃料電池への燃料供給がデッドエンド式であることを意味する。燃料は、燃料電池アセンブリのアノードに流動的に接触し、還元反応を通して消費される。燃料が消費されるにつれて、例えば強制対流により燃料が加圧されると、燃料は、燃料供給源から燃料プレナム内に流れることがある。燃料流経路の構造次第で、反応が進むにつれ、１つの電池から次の電池への燃料が流れることもあるが、アセンブリ全体としては、排出口がなくアノード側の燃料の排出または流出のない、閉じた燃料エンクロージャを有する。しかしながら、電解質からカソードへの拡散を通して少量の燃料が失われる状況もあると認識されたい。
【００２４】
一実施形態では、図５の１００における分解斜視図に示される燃料電池システムにはとりわけ、１つ以上の燃料電池層１０２が含まれる。この燃料電池層１０２には、イオン導電性電解質１０９を間に挟んだアノード１０８およびカソード１０７、ならびに燃料供給源（例えば、燃料カートリッジまたは内部燃料貯蔵器）１０４を有する。色々な実施例において、燃料供給源１０４は、燃料補給ポート１１２および／または圧力調整器１１０を任意に備える。燃料補給ポート１１２は、圧力によって作動するバルブであり、このバルブを介して、燃料供給源１０４内へと、例えば流体燃料などの流体が流れこめるようになっている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
燃料エンクロージャまたは燃料プレナム（図示せず）は、燃料貯蔵器１０４の少なくとも１つの面に隣接するように燃料電池層１０２を配置することにより、作成することができる。燃料電池層１０２に接触する、燃料供給源１０４の面の、周囲は、（圧縮式か、または弾性の）ガスケットあるいは接着剤などの封部材１２６により封をすることで、閉じた燃料エンクロージャ（図示せず）を形成できる。例示的実施形態において、圧力調整器１１０は、燃料供給源１０４を燃料エンクロージャまたは燃料プレナム（図示せず）に流
体学的に接続する。
【００２６】
そのような燃料電池システムを動作する本方法の実施形態は、（ひとつ以上の）カソード１０７を外気にさらすステップと、外気圧を超える圧力で、燃料プレナム（図示せず）を通し（ひとつ以上の）アノード１０８へ燃料流を供給するステップとを含む。
【００２７】
アノード１０８からカソード１０７への正差圧の利用は、性能を向上させること、動作時間を延ばすこと、かつ／またはパッシブ式の空気吸出入式燃料電池システムにおいて、高い燃料利用率の達成を可能にすることが分かっている。正差圧の利用により、７５％を超える、または、さらには９０％を超える燃料利用率の達成が可能なことがある。
【００２８】
アノードの燃圧がより高いと、カソード側の空気からの窒素の移動を妨げると考えられる。閉じた燃料エンクロージャにおける窒素の蓄積は、燃料電池の性能の低下を伴う、少なくとも局所的な燃料供給不足に最終的につながり、場合によっては燃料電池自体への最終的な損傷につながる。とはいえ、圧力差が大きすぎる（燃圧が大きすぎる）と、アノードからカソードへの水素のクロスオーバが多く起こりすぎてしまうことになる。このことは、燃料を浪費し（燃料利用率を低下させる）、カソードにおける酸化反応を妨げることがある。
【００２９】
さらに、アノード１０８からカソード１０７における圧力差を利用することで、電池の水管理法を変更可能である。電解質中のプロトン伝達から電極中の反応ガスの増加に至るまでのあらゆることに水の存在が影響を与えることがあるので、このことは電池動作に有意な影響を与えることがある。
【００３０】
本方法のある実施形態では、燃料は、実質的に純粋な水素である。例えば、圧縮水素源、金属水素化物などの水素貯蔵材料、複合性金属水素化物、カーボングラファイト・ナノファイバ、またはケミカル・ハイドライド水素源から、水素は供給されることがある。水素貯蔵材料として使用することができるいくつかの金属水素化物があり、この金属水素化物は一般的に、その結晶構造（すなわち、ＡＢ５、ＡＢ２、ＡＢ  ＢＣＣ）により分類される。水素化物は、金属または合金であることがある。水素化物の例には、これらに限定されないが、ＬａＮｉ５、ＦｅＴｉ、ミッシュメタル水素化物（ＭｍＮｉ５などの金属または鉱石の混合物）、バナジウム水素化物、マグネシウム水素化物、合金水素化物、固溶体水素化物、多相水素化物、複合水素化物、これらの合金、またはこれらの固溶体が含まれる。ケミカル・ハイドライド水素源の例には、これらに限定されないが、水素化ホウ素ナトリウム、ナトリウム・アルミニウム・ハイドライド（ナトリウムアラナート）、およびリチウム・アルミニウム・ハイドライド（リチウムアラナート）が含まれる。
【００３１】
ある実施形態においては、燃料は、例えば図５の１１０に示すような圧力調整器を介して燃料エンクロージャに供給される。燃料は、一定の圧力でまたは可変の圧力で供給されることがある。燃料が供給される圧力は、例えば燃料電池または燃料電池層の電力需要などの、システム性能の様相に応じて調節されることがある。燃料は、アクティブな流れ制御なしで（例えば、マス・フロー・メータまたはロータメータを使用することなしで）供給される。本方法のある実施形態では、燃料がアノードに供給される圧力は、例えば図５の１０２に示すような燃料電池または燃料電池層からの電力需要に影響されないでいることができる。ある実施形態では、燃料エンクロージャ（図示せず）に供給される燃料の圧力は調整されない。例えば、水素が金属水素化物から放出されるいかなる圧力下においても金属水素化物から水素を燃料エンクロージャが受け取るように、燃料エンクロージャは、金属水素化物水素貯蔵システムに流動的に接続されることがある。パッシブ式の空気吸出入式燃料電池となるよう構成されることができる、広範囲にわたる多様な燃料電池アーキテクチャにおいて、本明細書中に記載する本方法実施形態は実現されることがある。例えば、全て参照により本明細書に組み込まれ、共同所有された、ＣＯＭＰＡＣＴ  ＣＨＥＭＩＣＡＬ  ＲＥＡＣＴＯＲと題する米国出願第１０／８８７，５１９号、ＣＯＭＰＡＣＴ  ＣＨＥＭＩＣＡＬ  ＲＥＡＣＴＯＲ  ＷＩＴＨ  ＲＥＡＣＴＯＲ  ＦＲＡＭＥと題する米国特許出願第１０／８１８，６１０号、ＦＵＥＬ  ＣＥＬＬ  ＬＡＹＥＲと題する米国特許出願第１０／８１８，６１１号、ＦＵＥＬ  ＣＥＬＬ  ＬＡＹＥＲ  ＷＩＴＨ  ＲＥＡＣＴＯＲ  ＦＲＡＭＥと題する米国特許出願第１０／８１８，８４３号、およびＥＬＥＣＴＲＯＣＨＥＭＩＣＡＬ  ＦＵＥＬ  ＣＥＬＬＳ  ＦＯＲＭＥＤ  ＯＮ  ＰＬＥＡＴＥＤ  ＳＵＢＳＴＲＡＴＥＳと題する米国特許出願第１１／０４７，５５７号に記載されるタイプの燃料電池アセンブリとともに、本方法の実施形態は使用することができる。別の実施例として、共同所有されたＥＬＥＣＴＲＯＣＨＥＭＩＣＡＬ  ＦＵＥＬ  ＣＥＬＬＳ  ＨＡＶＩＮＧ  ＣＵＲＲＥＮＴ−ＣＡＲＲＹＩＮＧ  ＳＴＲＵＣＴＵＲＥＳ  ＵＮＤＥＲＬＹＩＮＧ  ＲＥＡＣＴＩＯＮ  ＬＡＹＥＲＳと題する米国特許出願第１１／０４７，５６０号（同様に、参照により本明細書に含まれる）に記載されるタイプの燃料電池アセンブリとともに、本方法の実施形態は使用することができる。この特許出願は平面燃料電池配列を含む。
【００３２】
アセンブリ内の燃料電池は、並列または直列に、あるいは並列と直列との組み合わせを含む副次的集まり状に、電気的に接続できる。本方法の実施は基本的に、アセンブリ内の燃料電池が互いに電気的接続されるやり方を問わない。
【００３３】
閉じた燃料エンクロージャは、多様なやり方で構成することができる。例えば、並列状の各複数のアノードに燃料が供給されるように、あるいは直列状のもしくは何らかの他の構成の、いくつかのまたは全てのアノードに燃料が供給されるように、閉じた燃料エンクロージャは構成されることがある。本方法実施形態の実施は、特定の設計に対し最適化されることはあるが、やはり、アセンブリ内のアノードの流動的な相互接続のされ方の影響を受けない。
【００３４】
燃料電池アセンブリは従来の燃料電池のように、電極の表面を渡るように反応物を導くための個別的なフロー・チャネルを組み込む必要はない。
【００３５】
ある実施形態では、燃料プレナムがもはや燃料電池システムのはっきりとした構成部品ではないように、燃料をアノードと燃料供給源との間に一体してはさむために、燃料供給源１０４が燃料電池アセンブリに直接連結されることを意図しているが、代わりに、システムの他の構成部品の統合を通して、燃料プレナムは暗黙のうちに作成されるものと考えることがある。ある実施形態では、燃料供給源と燃料プレナムとが本質的に１つの独立体となるように、燃料プレナムは、燃料供給源内に直接統合される。
【００３６】
むき出しのカソードは、多様な危険からの保護を必要とすることがある。そのような危険には、これらに限定されないが、磨耗または破壊などの物理的損傷、過度の乾燥、過度の湿気、およびＳＯ２、ＣＯ、ＣＯ２などの大気中汚染物質が含まれることがあり、これらは、触媒および／または燃料電池の性能に対して好ましくないことがある。それゆえに、燃料電池システムは、カソードを保護するためのメカニズムを含むことがある。さらに、そのようなメカニズムはまた、システムの水管理についての特徴に影響し、システムの水管理についての特徴を改め、かつ／または制御するために使用することができる。そのようなメカニズムの例には、これに限定されないが、以下が含まれる。
１．  汚染物質を吸収するために活性化する、ガス拡散層内に置かれた炭素層。
２．  カソードに撥水性を与える、燃料電池の表面上に置かれた疎水性層。
３．  ｉ．  多孔性の疎水性テフロン（登録商標）シートと
ｉｉ．  多孔性の活性炭フィルタとを
有する、燃料電池を覆う多孔性カバー。
４．  スクリーン状のまたはメッシュ状のカバー。
【００３７】
カソードを保護するためのこれらのメカニズムは、独立してまたは互いに協働して使用されることがある。これらのメカニズムは単に、カソードを保護するための方法の実施例であり、網羅的なリストではないことを理解されたい。
【００３８】
ある実施形態では、燃料電池システムは、燃料エンクロージャ吸口、およびふさがれた燃料エンクロージャ排出口を含む。ある実施形態に関しては、燃料電池システムは、燃料エンクロージャ排出口を全く含まない。燃料電池システムは、周囲空気にさらされた、または周囲空気と流動的に接触するカソードを含むことがある。燃料電池システムはまた、アノードとカソードとの間に配置された電解質を含む。ある実施形態に関しては、電解質にはイオン交換膜またはイオン導電性電解質が含まれる。
【００３９】
燃料エンクロージャ排出口がある場合、水素が燃料電池システムから排出するのを防ぐために、燃料エンクロージャ排出口はふさがれて、事実上燃料エンクロージャをデッドエンド式にする。本明細書に記載する方法の実施形態はまた、電解質中の窒素拡散を緩和するのに効果的な燃圧で燃料電池システムを動作することを含む。
【００４０】
本明細書に記載する本方法実施形態は、効果的な燃圧を識別しその燃圧を燃料電池動作に適応させることにより、燃料電池効率および性能を改善する。燃料電池中の水収支を改め、かつ／または燃料電池中の水収支を制御するために、燃圧は選ばれることがある。これらに限定されるわけではないが、温度、圧力、気体組成、燃料利用率、水収支、電流密度などの操作変数、ならびに理想的な電池電位に影響を与える不純物および燃料電池寿命や電圧損失の大きさなどの他の要因を見積もることにより、燃料電池の動作点は選択されることがある。従来技術のシステムでは、システムに適用される負荷の変化と、適用された負荷の変化に対するシステムの対応との間には、時延がしばしば存在する。本明細書で記載される、本発明の方法実施形態は、燃料エンクロージャに対する内部燃料供給圧力の一定の応用法をうまく利用するので、時延および時延から生じる問題を解消する。ある実施形態に関しては、内部燃料供給圧力は予め選択してある。他のいかなる燃料供給制御も必要でない。ある実施形態に関しては、燃料供給制御の唯一の手段は圧力調整器である。ある実施形態に関しては、燃料供給圧力は、予め選択する代わりに、圧力調整器を通して制御され、例えば環境条件、電力需要、および／または燃料量など多くの所望パラメータに基づき、改めることができる。
【００４１】
反応物需要を超過して、燃料は燃料電池システムに提供されるので、燃料制御により動的制御なしでのよりフレキシブルな操作が可能になる。流量の制御よりはむしろ圧力の制御が改善され、安定した、燃料供給制御を可能にする。さらに、圧力制御は負荷需要の影響を受けないので、流量よりはむしろ圧力制御を使用した、燃料供給制御は、燃料電池または燃料電池スタックへの燃料供給を単純化する。燃料電池アセンブリに対する燃料の圧力を調整するために、フィードバック制御について記載してきたが、特定の種類の用途については、他のタイプの制御が適当な場合があることが理解される。ある実施形態に関しては、燃料電池システムはまた、図５の１２６で示すような封止材を含み、この封止材は燃料電池システムからの燃料の損失を防止する。燃料電池システムはまた、オス型電気コネクタおよびメス型電気コネクタを含むことがある。
【実施例】
【００４２】
記載された方法実施形態の適用例をここに示す。それら実施例は、本方法実施形態を上手く記載するために示すのであって、本方法実施形態を限定するために示すのではない。
【００４３】
実施例１
図２に示すテスト結果は、高い燃料利用率を達成すると同時に長期の動作時間および安定した性能を遂げる際の問題点を例示する。図２は、種々の燃料利用率でのデッドエンド・モードおよびオープンエンド・モードの両方における燃料電池システムの動作を例示する。４つ全てのテストにおいて、燃料電池カソードは、オキシダントの供給のために外気に単にさらされた。そして圧縮ガス・シリンダからの純粋な乾燥水素がアノードに向けられた。調査された燃料電池は、２００ｍＡ／ｃｍ２で操作される１０セル・アセンブリであった。
【００４４】
曲線Ａは、燃料電池システムが１ｐｓｉｇ未満の水素圧力においてオープンエンドで操作されたときの（すなわち水素がアノードを通って流れ、排出口から出て行く場合の）動作時間に対する電圧を示す。流量は、燃料利用率が約９０％であったほどであった。すなわち、アノードに供給された水素のほとんどが消費された。この高い燃料利用率（それに応じて低い水素流量）においては、わずか約５分の後、燃料電池性能は劇的に低下した。
【００４５】
グラフ全域にかけて広がる平坦な曲線である曲線Ｂは、上に同じタイプのオープンエンド型の動作を示すが、燃料利用率がわずか約４０％の流量における動作である。すなわち、実質的な過度の水素がアノードに供給され、燃料排出口を通って燃料電池システムを出て行った。これらの状況の下で、１時間超（テストが予定通りに終了するまで）の間、燃料電池は安定した性能を見せた。
【００４６】
２つの傾斜がある曲線である曲線Ｃは、約９０％の水素利用率での水素によりデッドエンド式の動作を行う、同上の燃料電池システム（燃料排出口は閉ざされていた）を示す。アノードからカソードへの圧力差は、最初のうちは約０．２５ｐｓｉｇであった。電圧が下がり始めると、アノードからカソードへの圧力差は、約２．８５ｐｓｉｇまで増加した。燃圧の増加にも関わらず、わずか約２０分の後、燃料電池の電圧は劇的に減衰した。燃料排出口バルブを一時的に開放し少量の水素が燃料電池システムから排出されるようにすると、燃料電池の電圧は短い間元に戻ったが、約２．８５ｐｓｉｇの圧力差にも関わらず、燃料電池の電圧は、排出口が閉ざされた状態において数分以内に再度減衰した。
【００４７】
実施例２
この実施例においては、実施例１と同じ１０セル・アセンブリが、アノードからカソードへのずっとより高い圧力差（今回は約２４ｐｓｉｇ）をかけた水素によりデッドエンド式で動作された。カソードは再度、オキシダントの供給のために外気にそのままさらした。このデッドエンド式動作中の、動作時間に対する電圧のグラフを図３に示す。約７．０ボルトから約７．５ボルトの間の電圧において、テストが計画の通り停止された時間である２５，０００秒（ほぼ７時間）を超えて燃料電池が動作したことを、このグラフは示す。このことからは、燃料側がデッドエンドになっているパッシブ式の空気吸出入式燃料電池システムにおいて、高い圧力差を利用することの利点が示されている。これらの動作条件下におけるこの特定のタイプおよびサイズの燃料電池システムに関しては、２．８５ｐｓｉｇの差は十分でなかったが（実施例１に示すように）、圧力差を強めて２４ｐｓｉｇにすると、動作時間においての有意な改善が得られた。
【００４８】
実施例３
この実施例においては、実施例１および２で利用されたのとは異なる燃料電池アーキテクチャを使用して本方法はテストされ（ＥＬＥＣＴＲＯＣＨＥＭＩＣＡＬ  ＦＵＥＬ  ＣＥＬＬＳ  ＨＡＶＩＮＧ  ＣＵＲＲＥＮＴ−ＣＡＲＲＹＩＮＧ  ＳＴＲＵＣＴＵＲＥＳ  ＵＮＤＥＲＬＹＩＮＧ  ＲＥＡＣＴＩＯＮ  ＬＡＹＥＲＳに記載されるように）、図４に示すように、動作時間に対する電圧は、２００ｍＡ／ｃｍ２において測定された。周辺温度もまたモニタした。これをグラフに示す。やはり燃料電池カソードは、オキシダントの供給のために外気にそのままさらした。水素は、約５ｐｓｉｇの圧力で、デッドエンド式
のアノードに供給された。データは、スタックが約１９００時間（１０週間超）の間、４ボルトから８ボルトの電圧範囲内で動作したことを示す。排出またはパージされることなしに、水素は、終始デッドエンドのままであった。周辺温度は、摂氏約２０度から３５度の範囲であった。
【００４９】
したがって、これらの動作条件下でのこの特定の燃料電池アーキテクチャに関しては、５ｐｓｉｇのアノードとカソードとの間の圧力差は、長期時間の水素による安定したデッドエンド動作を可能にするのに十分であった。
【００５０】
ある実施形態に関しては、本明細書に記載する方法に用いる燃料電池アセンブリは、電気駆動デバイスの筐体に組み込まれる。燃料電池の電気駆動デバイスの筐体との統合は、燃料電池のカソード領域部分がデバイス・エンクロージャの外側の一部を形成する可能性をもたらす。これによりスペースの無駄を減らすことができる。ある実施形態では、カソードは周囲環境にさらされ、アノードおよび燃料プレナムは燃料電池システムの内面に位置している。本明細書に記載する方法および燃料電池実施形態は、電子デバイスに取り込むことができると考えられる。そのような電子デバイスには、例えば以下のもの、携帯電話、ＰＤＡ、衛星電話、ラップトップ・コンピュータ、携帯型ＤＶＤ再生機、携帯型ＣＤ再生機、携帯型パーソナル・ケア・デバイス、携帯型ステレオ、携帯型テレビ、レーダ、無線送信機、レーダ探知機、ラップトップ・コンピュータ、およびこれらの組合せがある。
【００５１】
本発明のある実施形態の記載では、添付の図面について言及している。この添付の図面は、明細書の一部を形成し、実践されることのある本発明の具体的な実施形態がその中に例証として示してある。図面中ではそれぞれの図を通して、同じ番号は、実質的に同種の構成部品のことを言う。当業者が本発明を実践することを可能にするほど、これら実施例は十分詳細に記載してある。本発明の範囲から逸脱することなしに、別の実施形態が利用され、構造的、論理的、および電気的変化が加えられることがある。以下の詳細な記載は、限定的な意味で取られるべきではなく、本発明の範囲は、添付の請求項およびその請求項が権利を有する均等物の全範囲によってのみ定義される。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】従来の燃料電池の概略図である。
【図２】様々な条件下で動作するパッシブ式の空気吸出入式１０セル燃料電池システムの動作時間に対する燃料電池電圧を示すグラフ図である。
【図３】およそ２４ｐｓｉｇのアノードからカソードの圧力差において、デッドエンドで水素により操作される、パッシブ式の空気吸出入式１０セル燃料電池システムに関する、動作時間内のボルトに対する燃料電池の電圧を示すグラフ図である。
【図４】およそ５ｐｓｉｇのアノードからカソードの圧力差においてのパッシブ式の空気吸出入式の平面燃料電池配列の長時間にわたるデッドエンド式動作に関する、動作時間に対する燃料電池の電圧を示すグラフ図である。
【図５】本発明の燃料電池システムの実施形態の分解斜視図である。
【図１】
2009524902.tif 000003
【図２】
2009524902.tif 000004
【図３】
2009524902.tif 000005
【図４】
2009524902.tif 000006
【図５】
2009524902.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】平成19年6月22日(2007.6.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パッシブな反応物供給による燃料電池システムの動作方法であって、前記燃料電池システムは、イオン伝導性電解質により隔てられた、複数のアノードおよび複数のカソード、ならびに、流体的に前記複数のアノードに接続する閉じた燃料供給源を含み、
ａ．前記カソードを外気にさらすステップと、
ｂ．前記外気の圧力を超える圧力で前記アノードに燃料を供給するステップと
を有する、方法。
【請求項２】
前記燃料は水素である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
燃料利用率が７５％を超える、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記燃料利用率が９０％を超える、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
燃料供給圧力が少なくとも１つの圧力調整器によって制御される、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記燃料供給源は、金属水素化物、複合金属水素化物、カーボングラファイト・ナノファイバ、圧縮水素ガス、ケミカル・ハイドライドからなる群から選択される水素貯蔵材料を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
燃料が、実質的に一定の圧力で前記複数のアノードに供給される、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記燃料が前記複数のアノードに供給されるときの前記圧力は、前記燃料電池システムの電力需要の影響を受けない、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記閉じた燃料供給源と前記複数のアノードとの間には圧力調整についての構成部品が
ない、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記燃料が前記アノードに供給されるときの前記圧力は、前記燃料電池システムの電力需要に左右される、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記閉じた燃料供給源と前記複数のアノードとの間に１つまたは複数個の圧力制御構成部品が配置される、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記燃料供給源は金属水素化物を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記燃料が加水されていない、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記燃料電池システムは、燃料電池の平面配列を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
前記平面配列内の各個別の燃料電池の領域が０．０００００００１ｃｍ２から１０００ｃｍ２までの範囲である、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記反応物燃料は、並列に接続された前記複数のアノードのそれぞれに供給される、請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
前記反応物燃料は、直列に接続された前記複数のアノードの少なくとも一部へ供給される、請求項１に記載の方法。
【請求項１８】
前記イオン伝導性電解質は、プロトン交換膜である、請求項１に記載の方法。
【請求項１９】
前記イオン伝導性電解質は、ペルフルオロスルホン酸の重合体を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２０】
前記イオン伝導性電解質のイオン伝導度が、前記イオン伝導性電解質の水和レベルに左右される、請求項１に記載の方法。
【請求項２１】
前記イオン伝導性電解質の厚さが、１ミクロンから１００ミクロンの範囲である、請求項１に記載の方法。
【請求項２２】
パッシブな反応物供給による燃料電池システムの動作方法であって、前記燃料電池システムは、少なくとも１つのアノード、少なくとも１つのカソード、イオン伝導性電解質、および、前記燃料電池システムに連結された閉じた燃料供給源を有し、ここで前記イオン導電性電解質はそれぞれのアノードとカソードとの間に配置され、
ａ．前記閉じた燃料供給源を、周囲圧力を超える圧力にまで加圧するステップと、
ｂ．前記カソードを外気にさらすステップと、
を有する、方法。
【請求項２３】
前記閉じた燃料供給源は金属水素化物を含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
パッシブな反応物供給による燃料電池の動作方法であって、前記燃料電池は、少なくとも１つのアノード、少なくとも１つのカソード、イオン伝導性電解質、および、前記燃料電池システムに接続された閉じた燃料プレナムを有し、ここで前記イオン導電性電解質はそれぞれのアノードとカソードとの間に配置され、
ａ．前記カソードを外気にさらすステップと、
ｂ．前記外気の圧力を超える圧力で、前記燃料プレナムにより燃料を前記アノードへ供給
するステップと、
を有する、方法。
【請求項２５】
パッシブな反応物供給により燃料電池システムを操作する方法であって、前記燃料電池システムは、少なくとも１つのアノード、少なくとも１つのカソード、イオン伝導性電解質、および、前記少なくとも１つのアノードに流体的に接続する閉じた燃料供給源を有し、ここで前記イオン導電性電解質はそれぞれのアノードとカソードとの間に配置され、
ａ．前記カソードを外気にさらすステップと、
ｂ．前記外気の圧力を超える圧力で、前記少なくとも１つのアノードに燃料を供給するステップであって、前記燃料電池システムにより生成される水の量が、前記燃料電池システムから排出される水の量と実質的に等しくなるように、定常状態動作の間、前記燃料電池による水収支が実現されるように、前記圧力が選ばれるステップと、
を有する、方法。
【請求項２６】
パッシブな反応物供給により燃料電池システムを操作する方法であって、前記燃料電池システムは、少なくとも１つのアノード、少なくとも１つのカソード、イオン伝導性電解質、および、前記少なくとも１つのアノードに流体的に接続する閉じた燃料供給源を有し、ここで前記イオン導電性電解質はそれぞれのアノードとカソードとの間に配置され、
ａ．前記カソードを外気にさらすステップと、
ｂ．前記外気の圧力を超える圧力で、前記少なくとも１つのアノードに燃料を供給するステップであって、前記圧力は、前記カソードから前記アノードへの窒素拡散の緩和および前記電解質の妥当な水和の維持に対して効果的である、ステップと、
を有する、方法。
【請求項２７】
携帯型電源、携帯電話、ＰＤＡ、衛星電話、ラップトップ・コンピュータ、携帯型ＤＶＤ再生機、携帯型ＣＤ再生機、携帯型パーソナル・ケア・デバイス、携帯型ステレオ、携帯型テレビ、無線送信機、レーダ送信機、レーダ探知機、ラップトップ・コンピュータ、何らかの携帯型電子デバイス、何らかの携帯型通信デバイス、およびこれらの組合せのうちのひとつ以上の筐体内に、前記燃料電池システムが組み込まれている、請求項１、２２、２４、２５、２６に記載の方法。
【請求項２８】
燃圧が調整される、請求項１、２２、２４、２５、２６に記載の方法。
【請求項２９】
前記アノードからの燃料のパージまたは排出によって燃料が前記燃料電池システムから放出されることのない、請求項１、２２、２４、２５、２６に記載の方法。
【手続補正書】
【提出日】平成20年9月29日(2008.9.29)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パッシブな反応物供給による燃料電池システムの動作方法であって、前記燃料電池システムは、イオン伝導性電解質により隔てられた、複数のアノードおよび複数のカソード、ならびに、流体的に前記複数のアノードに接続する閉じた燃料供給源を含み、
ａ．前記カソードを外気にさらすステップと、
ｂ．前記外気の圧力を超える圧力で前記アノードに燃料を供給するステップと
を有する、方法。
【請求項２】
前記燃料は水素である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
燃料利用率が７５％を超える、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記燃料利用率が９０％を超える、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
燃料供給圧力が少なくとも１つの圧力調整器によって制御される、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記燃料供給源は、金属水素化物、複合金属水素化物、カーボングラファイト・ナノファイバ、圧縮水素ガス、ケミカル・ハイドライドからなる群から選択される水素貯蔵材料を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
燃料が、実質的に一定の圧力で前記複数のアノードに供給される、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記燃料が前記複数のアノードに供給されるときの前記圧力は、前記燃料電池システムの電力需要の影響を受けない、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記閉じた燃料供給源と前記複数のアノードとの間には圧力調整についての構成部品がない、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記燃料が前記アノードに供給されるときの前記圧力は、前記燃料電池システムの電力需要に左右される、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記閉じた燃料供給源と前記複数のアノードとの間に１つまたは複数個の圧力制御構成部品が配置される、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記燃料供給源は金属水素化物を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記燃料が加水されていない、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記燃料電池システムは、燃料電池の平面配列を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
前記平面配列内の各個別の燃料電池の領域が０．０００００００１ｃｍ２から１０００ｃｍ２までの範囲である、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記反応物燃料は、並列に接続された前記複数のアノードのそれぞれに供給される、請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
前記反応物燃料は、直列に接続された前記複数のアノードの少なくとも一部へ供給される、請求項１に記載の方法。
【請求項１８】
前記イオン伝導性電解質は、プロトン交換膜である、請求項１に記載の方法。
【請求項１９】
前記イオン伝導性電解質は、ペルフルオロスルホン酸の重合体を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２０】
前記イオン伝導性電解質のイオン伝導度が、前記イオン伝導性電解質の水和レベルに左右される、請求項１に記載の方法。
【請求項２１】
前記イオン伝導性電解質の厚さが、１ミクロンから１００ミクロンの範囲である、請求項１に記載の方法。
【請求項２２】
パッシブな反応物供給による燃料電池システムの動作方法であって、前記燃料電池システムは、少なくとも１つのアノード、少なくとも１つのカソード、イオン伝導性電解質、および、前記燃料電池システムに連結された閉じた燃料供給源を有し、ここで前記イオン導電性電解質はそれぞれのアノードとカソードとの間に配置され、
ａ．前記閉じた燃料供給源を、周囲圧力を超える圧力にまで加圧するステップと、
ｂ．前記カソードを外気にさらすステップと、
を有する、方法。
【請求項２３】
前記閉じた燃料供給源は金属水素化物を含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
パッシブな反応物供給による燃料電池の動作方法であって、前記燃料電池は、少なくとも１つのアノード、少なくとも１つのカソード、イオン伝導性電解質、および、前記燃料電池システムに接続された閉じた燃料プレナムを有し、ここで前記イオン導電性電解質はそれぞれのアノードとカソードとの間に配置され、
ａ．前記カソードを外気にさらすステップと、
ｂ．前記外気の圧力を超える圧力で、前記燃料プレナムにより燃料を前記アノードへ供給するステップと、
を有する、方法。
【請求項２５】
携帯型電源、携帯電話、ＰＤＡ、衛星電話、ラップトップ・コンピュータ、携帯型ＤＶＤ再生機、携帯型ＣＤ再生機、携帯型パーソナル・ケア・デバイス、携帯型ステレオ、携帯型テレビ、無線送信機、レーダ送信機、レーダ探知機、ラップトップ・コンピュータ、何らかの携帯型電子デバイス、およびこれらの組合せのうちのひとつ以上の筐体内に、前記燃料電池システムが組み込まれている、請求項１、２２、２４に記載の方法。
【請求項２６】
燃圧が加減される、請求項１、２２、２４に記載の方法。
【請求項２７】
燃料の前記アノードからのパージまたは排出によって燃料が前記燃料電池システムから放出されることのない、請求項１、２２、２４に記載の方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
＜優先権主張＞
２００６年１月２５日出願の米国特許仮出願整理番号６０／７４３，１７３に対する、米国特許法第１１９条（ｅ）のもとの優先権の利益を本非仮出願は主張し、この米国特許仮出願整理番号６０／７４３，１７３は参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
＜技術分野＞
本発明は、燃料電池に関し、より詳細には、パッシブ式の、密封型燃料供給システムを有する空気吸出入式燃料電池の動作方法に関する。動作時間を延ばし、高い燃料利用率を達成するために、本方法の実施形態を使用することができる。
【０００３】
＜著作権＞
本特許文献の開示部分は、著作権保護を受ける素材を含む。本特許文書または本特許開示は、特許商標局の特許資料または記録に記載されているので、著作権者は、本特許文書または本特許開示の何者による複製に対しても異議はないが、いかなる著作権も著作権者に留保される。以下におよび本文書の一部を形成する図面に記載されるようなソフトウエアならびにデータへ、以下の通知は充当される。
Ｃｏｐｙｒｉｇｈｔ  ２００５、Ａｎｇｓｔｒｏｍ  Ｐｏｗｅｒ社。著作権完全保持。
【背景技術】
【０００４】
電気化学的燃料電池は、燃料および酸化剤（オキシダント）を電気に変換する。固体高分子式の電気化学的燃料電池は一般的に、２つの電極、アノードとカソードとの間に配置された、イオン交換膜または何らかの他の種類の固体高分子電解質を使用する。アノード、カソードはそれぞれ、所望の電気化学反応を誘発するための触媒層を有する。従来の水素燃料電池システムの実施形態を、図１の１０に概略的に示す。このシステムは、アノード１２および水素ガス吸口１４ならびにカソード１８および空気吸口２０を含む。水素ガスは、吸口１４において燃料電池に入り、アノード１２において酸化して陽子１６および電子１７を形成する。（空気中のものなどの）酸素は、カソード１８において還元されて水２２になる。この燃料電池システムはまた、アノード１２からカソード１８への陽子の通過のためのプロトン交換膜２４を含む。水素イオンを導通することに加えて、膜２４は
オキシダント流から水素燃料流を分離する。従来の燃料電池はまた、オキシダントおよび燃料のための、それぞれ排出口２４および２６を含む。
【０００５】
多くの従来の燃料電池では、加圧された反応物流を導くために電気伝導性の反応物流れ場プレートが使用される。この反応物は、加圧されて反応物流吸口と反応物流排出口との間のアノードおよびカソードを横断して流れることがある。通常そのような反応物流れ場プレートには、少なくとも１つの流路またはチャネルが片面または両面に形成されている。流体流れ場プレートは、集電装置の働きをし、電極を補助し、燃料およびオキシダントのアノード表面ならびにカソード表面それぞれへのアクセス・チャネルまたはアクセス経路を提供し、かつ電池の動作間に形成される水などの反応生成物の除去のための経路を提供する。
【０００６】
電極全体に反応物の十分な供給がない場合、燃料電池の性能は、大幅に損なわれる可能性がある。したがって、電極での十分な供給を保証するために、過剰な反応物を燃料電池に提供することは、従来の燃料電池においてよくあることである。しかしこうするとアノード電極の場合には一般に、有用な燃料が浪費されて、燃料利用率が低下してしまう。この燃料利用率は、供給される燃料の量と実際に消費されて電力を生成する燃料の量との割合である。電力を生成するために、燃料電池に供給される全ての燃料が使用されることが理想的である（燃料利用率が１であるかまたは１００％であるということ）。
【０００７】
燃料利用率を上げようとして、反応物側の片側または両側が閉モードで動作するように設計された燃料電池もある。この状況においては、閉ざされた側で使用される反応物は、ほぼ純粋である。それにもかかわらず、そのようなシステムに関係している問題のうちの１つに、アノードに堆積して局所的な燃料濃度を薄めかねない無反応成分の蓄積がある。電力需要を支えるために必要な燃料供給が得られない場合（システム内の特定の燃料電池内で局所的に得られない場合でさえ）、燃料電池システムは、全体的または局所的燃料供給不足に陥ることがある。燃料供給不足は、半永久的で修復のできない、燃料電池の物質的損傷を引き起こす可能性があり、この物質的損傷は、性能の低下またはシステムの最終的な故障に結びつく。
【０００８】
閉じた燃料システムにおいては、アノードで蓄積しやすい無反応成分の色々なソースがある。１つは燃料流自体の中の不純物である。燃料が非常に純粋であって異質成分の濃度がとても低かったとしても、これら異質成分は、閉じたシステムにおいては時間とともに堆積しやすい。カソードで生成された水および（空気吸出入構成内の）空気中の窒素も、電解質を越えてアノードに溜まりやすい。
【０００９】
通常の解決方法は、閉じたシステム・オペレーションにおいてアノードに堆積することがある無反応成分を周期的に排出するための燃料通路のどこかに、パージ・バルブ（閉鎖系の動作では、平常時に閉である）を組み込むことである。従来の燃料電池パージ・システムにおいては、例えば、手動で定められたまたは規則的に定められた時間間隔で、あるいは何らかのモニタされたパラメータに応答して、パージ・バルブは時々開放される。あるいは、反応物を少しずつ排出することで、無反応成分の蓄積を阻止できる。無反応成分が、アセンブリ内の各電池の出口領域よりはむしろ、燃料電池のアセンブリの内の１つのみまたは少しの燃料電池内に先に蓄積しやすくなるように、燃料電池システムを通しての反応物流経路を構成してもよい。
【００１０】
そのようなシステムは、完全なデッドエンド式というわけではない。パージまたは継続した排出は、閉じた燃料供給システムを有する燃料電池の性能を改善することができるが、有用な燃料を浪費し、それによって燃料利用率を低下させる。パージ装置が必要な場合、パージまたは継続的な排出はまた、システムの寄生負荷および複雑さを増大させる。さ
らに、水素の周囲環境への放出は、望ましくないことがある。
【発明の開示】
【００１１】
以下の詳細な説明は、添付の図面に対する参照を含む。この参照は、この詳細な説明の一部を形成する。これら図面は、本発明を実践することのできる具体的な実施形態を、例証として示す。本明細書中では「実施例」とも呼ばれるこれら実施形態について、当業者が本発明を実践することが可能なほど、十分詳細に記載する。本発明の範囲から逸脱することなしに、本実施形態が組み合わされること、他の実施形態が利用されること、または構造上および論理上の変化が加えられることはありうることである。したがって、以下の詳細な説明は、限定した意味で理解されることとなるものではなく、かつ本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲およびその均等物により定められる。
【００１２】
本明細書において、“ａ”または“ａｎ”は、「１つ以上」を含み、“ｏｒ（または）”は、他に指示が無ければ非排他的なｏｒを意味する。さらに、本明細書で使用される表現法や用語で、他に定義されていないものは、説明目的のためだけのものであり、制限目的のものではないことを理解されたい。さらに、本文書中に参照される全ての、刊行物、特許、および特許文書は、個々に参照として組み込まれる如く、全体として本明細書に参照として組み込まれる。本文書と上記のように参照として組み込まれた文書との間の矛盾した用法の場合、組み込まれた参照の中の用法は、本文書中での用法の補足とみなすべきである。調和しない食い違いに関しては、本文書の用法が優先する。
【００１３】
本発明の詳細な実施形態を本明細書中に開示するが、開示される実施形態が、色々な他の形式で実現し得る本発明の単なる典型であることは理解されるべきである。本明細書に開示される、具体的な、構造的および機能的詳細は、意味を限定するものとして解釈されるのではなく、燃料電池動作の本実施形態を様々に利用するように当業者へ教えるための、単なる根拠として解釈されるものである。図面を通して、同様の要素には同様の数字を付す。本明細書中に記載する、燃料電池の本動作方法の実施形態は一般に、輸送用途、携帯型電源、家庭用および商用発電、大規模発電、小規模システムでの発電を含む、一般の燃料電池発電に適用され、かつそのようなシステムの使用から恩恵を受けることになる他のいかなる用途にも適用される。
【００１４】
本明細書に記載する、本発明の実施形態は、閉じた燃料供給源を有する、パッシブ式の、空気吸出入式燃料電池の動作方法に関する。
【００１５】
本明細書で使用するように、「パッシブ式」とは、外因的な機械力を全く利用しない反応物の流れのことを指す。例えば、反応物の流れは、拡散または圧力勾配の差から起こることもある。燃料電池システムにおけるパッシブ式動作のもとで、反応物の圧力を例えば、調整、調節、または変動することもできる。
【００１６】
本明細書で使用するように、「デッドエンド式」とは、燃料が燃料電池中を再循環しない、または燃料が燃料供給源から実質的に排出、放出、吐出される燃料電池あるいは燃料電池システムを指す。例えば、燃料源から１つまたは複数の燃料電池を通過するいかなる燃料も、システムから放散することなしに燃料電池反応により消費される。デッドエンド動作に関しては、燃料電池または燃料電池システムは、例えば、閉じたプレナムを含む。ある実施形態では、デッドエンド式燃料電池システムは閉じた燃料放出口を含み、別の実施形態では、デッドエンド式燃料電池システムは燃料放出口を含まない。
【００１７】
本明細書で使用するように、「圧力」は、表層に一様に加わる力のことを指し、領域単位あたりの力として測定されることがある。例えば、反応物のまたは燃料の圧力は、燃料電池システム中での使用に伴い、調整されることまたは変動することがある。本明細書中
に使用されるように、圧力には、絶対圧力測定値および相対圧力測定値の両方が含まれる。
【００１８】
本明細書で使用するように、「パージ」または「パージする」は、物質または複数の物質を排出、放出、または除去することを指す。例えば、ある実施形態では、そのような物質は、無反応成分の蓄積物または混入物を含むことがある。例えば、無反応成分は、閉じた燃料電池システム中でアノードに堆積することがあり、バルブの開放などのパージをすることにより除去されることがある。
【００１９】
本明細書で使用するように、「燃料供給源」という用語は、燃料を貯蔵する、あらゆる構造またはアセンブリを指す。燃料の１つの例には水素がある。燃料供給源では、燃料は、多様なメカニズムを使用し貯蔵してよい。例えば、水素燃料供給において、金属水素化物、複合金属水素化物、カーボングラファイト・ナノファイバ、圧縮水素ガス、ケミカル・ハイドライド、またはこれらの物質の組合せとして、水素を貯蔵できる。ある実施形態に関しては、燃料供給源にはまた、燃料貯蔵物質および燃料貯蔵物質とともに燃料貯蔵成分が含まれる。ある実施形態に関しては、燃料貯蔵器などの燃料供給源が内部にある。別の実施形態に関しては、燃料供給源が外部にあるか、または燃料カートリッジなどのように着脱可能になっている。別の実施形態に関しては、燃料供給源は、カートリッジのような内部構成部品と外部構成部品との組合せである。選択的に燃料プレナムを通じて、このカートリッジは、燃料電池システムのアノードへの燃料のための燃料を供給する貯蔵器を満たす。
【００２０】
本明細書で使用するように、「燃料プレナム」、「燃料エンクロージャ」および「燃料チャンバ」という用語は、燃料を含有する構造を指す。この燃料は、流動的に燃料電池のアノードに接触することがある。燃料プレナム、燃料エンクロージャ、および燃料チャンバは、可撓性のある実施形態、燃料電池システム内に一体的に形成された実施形態、ならびに多様な形状およびサイズになることがある実施形態を有する。
【００２１】
いくつかの場合には燃料は加圧されたソースから供給されるが、大部分の従来の燃料電池においては、通常は外力による、燃料のアノードへの流れがある。燃料電池システムはまた、ある種の、アクティブな流れ制御を通常は組み込む。このアクティブな流れ制御は、燃料電池出力要求または何らかの他のパラメータに応答して、一方のまたは双方の反応物の供給の割合を調節する。ロータメータまたはマスフロー制御装置がしばしば使用される。
【００２２】
パッシブ式の空気吸出入式燃料電池において、カソードは、外気にたださらされる。燃料電池が動作するとき、カソードは、周囲空気からの酸素を消費して燃料電池反応を補助する。空気はこのように、拡散によりカソードへ供給される。カソードへのオキシダントのアクティブな流れ制御は存在しないし、オキシダント吸口または排出口は当然存在しない。ある実施形態に関しては、パッシブな反応物供給をともなう燃料電池アセンブリには、変動、調整、または調節される圧力の操作が組み込まれる。
【００２３】
閉じた燃料エンクロージャとは、燃料電池への燃料供給がデッドエンド式であることを意味する。燃料は、燃料電池アセンブリのアノードに流動的に接触し、還元反応を通して消費される。
【００２４】
一実施形態では、図５の１００における分解斜視図に示される燃料電池システムにはとりわけ、１つ以上の燃料電池層１０２が含まれる。この燃料電池層１０２には、イオン導電性電解質１０９を間に挟んだアノード１０７およびカソード１０８、ならびに燃料供給源（例えば、燃料カートリッジまたは内部燃料貯蔵器）１０４を有する。色々な実施例に
おいて、燃料供給源１０４は、燃料補給ポート１１２および／または圧力調整器１１０を任意に備える。燃料補給ポート１１２は、圧力によって作動するバルブであり、このバルブを介して、燃料供給源１０４内へと、例えば流体燃料などの流体が流れこめるようになっている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
燃料エンクロージャまたは燃料プレナム（図示せず）は、燃料貯蔵器１０４の少なくとも１つの面に隣接するように燃料電池層１０２を配置することにより、作成することができる。燃料電池層１０２に接触する、燃料供給源１０４の面の、周囲は、（圧縮式か、または弾性の）ガスケットあるいは接着剤などの封部材１２６により封をすることで、閉じた燃料エンクロージャ（図示せず）を形成できる。例示的実施形態において、圧力調整器１１０は、燃料供給源１０４を燃料エンクロージャまたは燃料プレナム（図示せず）に流体学的に接続する。
【００２６】
そのような燃料電池システムを動作する本方法の実施形態は、（ひとつ以上の）カソード１０８を外気にさらすステップと、外気圧を超える圧力で、燃料プレナム（図示せず）を通し（ひとつ以上の）アノード１０７へ燃料流を供給するステップとを含む。
【００２７】
アノード１０７からカソード１０８への正差圧の利用は、性能を向上させること、動作時間を延ばすこと、かつ／またはパッシブ式の空気吸出入式燃料電池システムにおいて、高い燃料利用率の達成を可能にすることが分かっている。正差圧の利用により、７５％を超える、または、さらには９０％を超える燃料利用率の達成が可能なことがある。
【００２８】
アノードの燃圧がより高いと、カソード側の空気からの窒素の移動を妨げると考えられる。閉じた燃料エンクロージャにおける窒素の蓄積は、燃料電池の性能の低下を伴う、少なくとも局所的な燃料供給不足に最終的につながり、場合によっては燃料電池自体への最終的な損傷につながる。とはいえ、圧力差が大きすぎる（燃圧が大きすぎる）と、アノードからカソードへの水素のクロスオーバが多く起こりすぎてしまうことになる。このことは、燃料を浪費し（燃料利用率を低下させる）、カソードにおける酸化反応を妨げることがある。
【００２９】
さらに、アノード１０７からカソード１０８における圧力差を利用することで、電池の水管理法を変更可能である。電解質中のプロトン伝達から電極中の反応ガスの増加に至るまでのあらゆることに水の存在が影響を与えることがあるので、このことは電池動作に有意な影響を与えることがある。
【００３０】
本方法のある実施形態では、燃料は、実質的に純粋な水素である。例えば、圧縮水素源、金属水素化物などの水素貯蔵材料、複合性金属水素化物、カーボングラファイト・ナノファイバ、またはケミカル・ハイドライド水素源から、水素は供給されることがある。水素貯蔵材料として使用することができるいくつかの金属水素化物があり、この金属水素化物は一般的に、その結晶構造（すなわち、ＡＢ５、ＡＢ２、ＡＢ  ＢＣＣ）により分類される。水素化物は、金属または合金であることがある。水素化物の例には、これらに限定されないが、ＬａＮｉ５、ＦｅＴｉ、ミッシュメタル水素化物（ＭｍＮｉ５などの金属または鉱石の混合物）、バナジウム水素化物、マグネシウム水素化物、合金水素化物、固溶体水素化物、多相水素化物、複合水素化物、これらの合金、またはこれらの固溶体が含まれる。ケミカル・ハイドライド水素源の例には、これらに限定されないが、水素化ホウ素ナトリウム、ナトリウム・アルミニウム・ハイドライド（ナトリウムアラナート）、およびリチウム・アルミニウム・ハイドライド（リチウムアラナート）が含まれる。
【００３１】
ある実施形態においては、燃料は、例えば図５の１１０に示すような圧力調整器を介し
て燃料エンクロージャに供給される。燃料は、一定の圧力でまたは可変の圧力で供給されることがある。燃料が供給される圧力は、例えば燃料電池または燃料電池層の電力需要などの、システム性能の様相に応じて調節されることがある。燃料は、アクティブな流れ制御なしで（例えば、マス・フロー・メータまたはロータメータを使用することなしで）供給される。本方法のある実施形態では、燃料がアノードに供給される圧力は、例えば図５の１０２に示すような燃料電池または燃料電池層からの電力需要に影響されないでいることができる。ある実施形態では、燃料エンクロージャ（図示せず）に供給される燃料の圧力は調整されない。例えば、水素が金属水素化物から放出されるいかなる圧力下においても金属水素化物から水素を燃料エンクロージャが受け取るように、燃料エンクロージャは、金属水素化物水素貯蔵システムに流動的に接続されることがある。パッシブ式の空気吸出入式燃料電池となるよう構成されることができる、広範囲にわたる多様な燃料電池アーキテクチャにおいて、本明細書中に記載する本方法実施形態は実現されることがある。例えば、全て参照により本明細書に組み込まれ、共同所有された、ＣＯＭＰＡＣＴ  ＣＨＥＭＩＣＡＬ  ＲＥＡＣＴＯＲと題する米国出願第１０／８８７，５１９号、ＣＯＭＰＡＣＴ  ＣＨＥＭＩＣＡＬ  ＲＥＡＣＴＯＲ  ＷＩＴＨ  ＲＥＡＣＴＯＲ  ＦＲＡＭＥと題する米国特許出願第１０／８１８，６１０号、ＦＵＥＬ  ＣＥＬＬ  ＬＡＹＥＲと題する米国特許出願第１０／８１８，６１１号、ＦＵＥＬ  ＣＥＬＬ  ＬＡＹＥＲ  ＷＩＴＨ  ＲＥＡＣＴＯＲ  ＦＲＡＭＥと題する米国特許出願第１０／８１８，８４３号、およびＥＬＥＣＴＲＯＣＨＥＭＩＣＡＬ  ＦＵＥＬ  ＣＥＬＬＳ  ＦＯＲＭＥＤ  ＯＮ  ＰＬＥＡＴＥＤ  ＳＵＢＳＴＲＡＴＥＳと題する米国特許出願第１１／０４７，５５７号に記載されるタイプの燃料電池アセンブリとともに、本方法の実施形態は使用することができる。別の実施例として、共同所有されたＥＬＥＣＴＲＯＣＨＥＭＩＣＡＬ  ＦＵＥＬ  ＣＥＬＬＳ  ＨＡＶＩＮＧ  ＣＵＲＲＥＮＴ−ＣＡＲＲＹＩＮＧ  ＳＴＲＵＣＴＵＲＥＳ  ＵＮＤＥＲＬＹＩＮＧ  ＲＥＡＣＴＩＯＮ  ＬＡＹＥＲＳと題する米国特許出願第１１／０４７，５６０号（同様に、参照により本明細書に含まれる）に記載されるタイプの燃料電池アセンブリとともに、本方法の実施形態は使用することができる。この特許出願は平面燃料電池配列を含む。
【００３２】
アセンブリ内の燃料電池は、並列または直列に、あるいは並列と直列との組み合わせを含む副次的集まり状に、電気的に接続できる。本方法の実施は基本的に、アセンブリ内の燃料電池が互いに電気的接続されるやり方を問わない。
【００３３】
閉じた燃料エンクロージャは、多様なやり方で構成することができる。例えば、並列状の各複数のアノードに燃料が供給されるように、あるいは直列状のもしくは何らかの他の構成の、いくつかのまたは全てのアノードに燃料が供給されるように、閉じた燃料エンクロージャは構成されることがある。本方法実施形態の実施は、特定の設計に対し最適化されることはあるが、やはり、アセンブリ内のアノードの流動的な相互接続のされ方の影響を受けない。
【００３４】
燃料電池アセンブリは従来の燃料電池のように、電極の表面を渡るように反応物を導くための個別的なフロー・チャネルを組み込む必要はない。
【００３５】
ある実施形態では、燃料プレナムがもはや燃料電池システムのはっきりとした構成部品ではないように、燃料をアノードと燃料供給源との間に一体してはさむために、燃料供給源１０４が燃料電池アセンブリに直接連結されることを意図しているが、代わりに、システムの他の構成部品の統合を通して、燃料プレナムは暗黙のうちに作成されるものと考えることがある。ある実施形態では、燃料供給源と燃料プレナムとが本質的に１つの独立体となるように、燃料プレナムは、燃料供給源内に直接統合される。
【００３６】
むき出しのカソードは、多様な危険からの保護を必要とすることがある。そのような危
険には、これらに限定されないが、磨耗または破壊などの物理的損傷、過度の乾燥、過度の湿気、およびＳＯ２、ＣＯ、ＣＯ２などの大気中汚染物質が含まれることがあり、これらは、触媒および／または燃料電池の性能に対して好ましくないことがある。それゆえに、燃料電池システムは、カソードを保護するためのメカニズムを含むことがある。さらに、そのようなメカニズムはまた、システムの水管理についての特徴に影響し、システムの水管理についての特徴を改め、かつ／または制御するために使用することができる。そのようなメカニズムの例には、これに限定されないが、以下が含まれる。
１．  汚染物質を吸収するために活性化する、ガス拡散層内に置かれた炭素層。
２．  カソードに撥水性を与える、燃料電池の表面上に置かれた疎水性層。
３．  ｉ．  多孔性の疎水性テフロン（登録商標）シートと
ｉｉ．  多孔性の活性炭フィルタとを
有する、燃料電池を覆う多孔性カバー。
４．  スクリーン状のまたはメッシュ状のカバー。
【００３７】
カソードを保護するためのこれらのメカニズムは、独立してまたは互いに協働して使用されることがある。これらのメカニズムは単に、カソードを保護するための方法の実施例であり、網羅的なリストではないことを理解されたい。
【００３８】
ある実施形態では、燃料電池システムは、燃料エンクロージャ吸口、およびふさがれた燃料エンクロージャ排出口を含む。ある実施形態に関しては、燃料電池システムは、燃料エンクロージャ排出口を全く含まない。燃料電池システムは、周囲空気にさらされた、または周囲空気と流動的に接触するカソードを含むことがある。燃料電池システムはまた、アノードとカソードとの間に配置された電解質を含む。ある実施形態に関しては、電解質にはイオン交換膜またはイオン導電性電解質が含まれる。
【００３９】
燃料エンクロージャ排出口がある場合、水素が燃料電池システムから排出するのを防ぐために、燃料エンクロージャ排出口はふさがれて、事実上燃料エンクロージャをデッドエンド式にする。
【００４０】
本明細書に記載する本方法実施形態は、効果的な燃圧を識別しその燃圧を燃料電池動作に適応させることにより、燃料電池効率および性能を改善する。燃料電池中の水収支を改め、かつ／または燃料電池中の水収支を制御するために、燃圧は選ばれることがある。これらに限定されるわけではないが、温度、圧力、気体組成、燃料利用率、水収支、電流密度などの操作変数、ならびに理想的な電池電位に影響を与える不純物および燃料電池寿命や電圧損失の大きさなどの他の要因を見積もることにより、燃料電池の動作点は選択されることがある。従来技術のシステムでは、システムに適用される負荷の変化と、適用された負荷の変化に対するシステムの対応との間には、時延がしばしば存在する。本明細書で記載される、本発明の方法実施形態は、燃料エンクロージャに対する内部燃料供給圧力の一定の応用法をうまく利用するので、時延および時延から生じる問題を解消する。ある実施形態に関しては、内部燃料供給圧力は予め選択してある。他のいかなる燃料供給制御も必要でない。ある実施形態に関しては、燃料供給制御の唯一の手段は圧力調整器である。ある実施形態に関しては、燃料供給圧力は、予め選択する代わりに、圧力調整器を通して制御され、例えば環境条件、電力需要、および／または燃料量など多くの所望パラメータに基づき、改めることができる。
【００４１】
反応物需要を超過して、燃料は燃料電池システムに提供されるので、燃料制御により動的制御なしでのよりフレキシブルな操作が可能になる。流量の制御よりはむしろ圧力の制御が改善され、安定した、燃料供給制御を可能にする。さらに、圧力制御は負荷需要の影響を受けないので、流量よりはむしろ圧力制御を使用した、燃料供給制御は、燃料電池または燃料電池スタックへの燃料供給を単純化する。燃料電池アセンブリに対する燃料の圧
力を調整するために、フィードバック制御について記載してきたが、特定の種類の用途については、他のタイプの制御が適当な場合があることが理解される。ある実施形態に関しては、燃料電池システムはまた、図５の１２６で示すような封止材を含み、この封止材は燃料電池システムからの燃料の損失を防止する。燃料電池システムはまた、オス型電気コネクタおよびメス型電気コネクタを含むことがある。
【実施例】
【００４２】
記載された方法実施形態の適用例をここに示す。それら実施例は、本方法実施形態を上手く記載するために示すのであって、本方法実施形態を限定するために示すのではない。
【００４３】
実施例１
図２に示すテスト結果は、高い燃料利用率を達成すると同時に長期の動作時間および安定した性能を遂げる際の問題点を例示する。図２は、種々の燃料利用率でのデッドエンド・モードおよびオープンエンド・モードの両方における燃料電池システムの動作を例示する。４つ全てのテストにおいて、燃料電池カソードは、オキシダントの供給のために外気に単にさらされた。そして圧縮ガス・シリンダからの純粋な乾燥水素がアノードに向けられた。調査された燃料電池は、２００ｍＡ／ｃｍ２で操作される１０セル・アセンブリであった。
【００４４】
曲線Ａは、燃料電池システムが１ｐｓｉｇ未満の水素圧力においてオープンエンドで操作されたときの（すなわち水素がアノードを通って流れ、排出口から出て行く場合の）動作時間に対する電圧を示す。流量は、燃料利用率が約９０％であったほどであった。すなわち、アノードに供給された水素のほとんどが消費された。この高い燃料利用率（それに応じて低い水素流量）においては、わずか約５分の後、燃料電池性能は劇的に低下した。
【００４５】
グラフ全域にかけて広がる平坦な曲線である曲線Ｂは、上に同じタイプのオープンエンド型の動作を示すが、燃料利用率がわずか約４０％の流量における動作である。すなわち、実質的な過度の水素がアノードに供給され、燃料排出口を通って燃料電池システムを出て行った。これらの状況の下で、１時間超（テストが予定通りに終了するまで）の間、燃料電池は安定した性能を見せた。
【００４６】
２つの傾斜がある曲線である曲線Ｃは、水素によりデッドエンド式の動作を行う、同上の燃料電池システム（燃料排出口は閉ざされていた）を示す。アノードからカソードへの圧力差は、最初のうちは約０．２５ｐｓｉｇであった。電圧が下がり始めると、アノードからカソードへの圧力差は、約２．８５ｐｓｉｇまで増加した。燃圧の増加にも関わらず、わずか約２０分の後、燃料電池の電圧は劇的に減衰した。燃料排出口バルブを一時的に開放し少量の水素が燃料電池システムから排出されるようにすると、燃料電池の電圧は短い間元に戻ったが、約２．８５ｐｓｉｇの圧力差にも関わらず、燃料電池の電圧は、排出口が閉ざされた状態において数分以内に再度減衰した。
【００４７】
実施例２
この実施例においては、実施例１と同じ１０セル・アセンブリが、アノードからカソードへのずっとより高い圧力差（今回は約２４ｐｓｉｇ）をかけた水素によりデッドエンド式で動作された。カソードは再度、オキシダントの供給のために外気にそのままさらした。このデッドエンド式動作中の、動作時間に対する電圧のグラフを図３に示す。約７．０ボルトから約７．５ボルトの間の電圧において、テストが計画の通り停止された時間である２５，０００秒（ほぼ７時間）を超えて燃料電池が動作したことを、このグラフは示す。このことからは、燃料側がデッドエンドになっているパッシブ式の空気吸出入式燃料電池システムにおいて、高い圧力差を利用することの利点が示されている。これらの動作条件下におけるこの特定のタイプおよびサイズの燃料電池システムに関しては、２．８５ｐ
ｓｉｇの差は十分でなかったが（実施例１に示すように）、圧力差を強めて２４ｐｓｉｇにすると、動作時間においての有意な改善が得られた。
【００４８】
実施例３
この実施例においては、実施例１および２で利用されたのとは異なる燃料電池アーキテクチャを使用して本方法はテストされ（ＥＬＥＣＴＲＯＣＨＥＭＩＣＡＬ  ＦＵＥＬ  ＣＥＬＬＳ  ＨＡＶＩＮＧ  ＣＵＲＲＥＮＴ−ＣＡＲＲＹＩＮＧ  ＳＴＲＵＣＴＵＲＥＳ  ＵＮＤＥＲＬＹＩＮＧ  ＲＥＡＣＴＩＯＮ  ＬＡＹＥＲＳに記載されるように）、図４に示すように、動作時間に対する電圧は、２００ｍＡ／ｃｍ２において測定された。周辺温度もまたモニタした。これをグラフに示す。やはり燃料電池カソードは、オキシダントの供給のために外気にそのままさらした。水素は、約５ｐｓｉｇの圧力で、デッドエンド式のアノードに供給された。データは、スタックが約１９００時間（１０週間超）の間、４ボルトから８ボルトの電圧範囲内で動作したことを示す。排出またはパージされることなしに、水素は、終始デッドエンドのままであった。周辺温度は、摂氏約２０度から３５度の範囲であった。
【００４９】
したがって、これらの動作条件下でのこの特定の燃料電池アーキテクチャに関しては、５ｐｓｉｇのアノードとカソードとの間の圧力差は、長期時間の水素による安定したデッドエンド動作を可能にするのに十分であった。
【００５０】
ある実施形態に関しては、本明細書に記載する方法に用いる燃料電池アセンブリは、電気駆動デバイスの筐体に組み込まれる。燃料電池の電気駆動デバイスの筐体との統合は、燃料電池のカソード領域部分がデバイス・エンクロージャの外側の一部を形成する可能性をもたらす。これによりスペースの無駄を減らすことができる。ある実施形態では、カソードは周囲環境にさらされ、アノードおよび燃料プレナムは燃料電池システムの内面に位置している。本明細書に記載する方法および燃料電池実施形態は、電子デバイスに取り込むことができると考えられる。そのような電子デバイスには、例えば以下のもの、携帯電話、ＰＤＡ、衛星電話、ラップトップ・コンピュータ、携帯型ＤＶＤ再生機、携帯型ＣＤ再生機、携帯型パーソナル・ケア・デバイス、携帯型ステレオ、携帯型テレビ、レーダ、無線送信機、レーダ探知機、ラップトップ・コンピュータ、およびこれらの組合せがある。
【００５１】
本発明のある実施形態の記載では、添付の図面について言及している。この添付の図面は、明細書の一部を形成し、実践されることのある本発明の具体的な実施形態がその中に例証として示してある。図面中ではそれぞれの図を通して、同じ番号は、実質的に同種の構成部品のことを言う。当業者が本発明を実践することを可能にするほど、これら実施例は十分詳細に記載してある。本発明の範囲から逸脱することなしに、別の実施形態が利用され、構造的、論理的、および電気的変化が加えられることがある。以下の詳細な記載は、限定的な意味で取られるべきではなく、本発明の範囲は、添付の請求項およびその請求項が権利を有する均等物の全範囲によってのみ定義される。
【００５２】
実施形態
１．  パッシブな反応物供給による燃料電池システムの動作方法であって、前記燃料電池システムは、イオン伝導性電解質により隔てられた、複数のアノードおよび複数のカソード、ならびに、流体的に前記複数のアノードに接続する閉じた燃料供給源を含み、
前記カソードを外気にさらすステップと、
前記外気の圧力を超える圧力で前記アノードに燃料を供給するステップと
を有する、方法。

２．  前記燃料は水素である、実施形態１に記載の方法。

３．  燃料利用率が７５％を超える、実施形態１に記載の方法。

４．  前記燃料利用率が９０％を超える、実施形態１に記載の方法。

５．  燃料供給圧力が少なくとも１つの圧力調整器によって制御される、実施形態１に記載の方法。

６．  前記燃料供給源は、金属水素化物、複合金属水素化物、カーボングラファイト・ナノファイバ、圧縮水素ガス、ケミカル・ハイドライドからなる群から選択される水素貯蔵材料を有する、実施形態１に記載の方法。

７．  燃料が、実質的に一定の圧力で前記複数のアノードに供給される、実施形態１に記載の方法。

８．  前記燃料が前記複数のアノードに供給されるときの前記圧力は、前記燃料電池システムの電力需要の影響を受けない、実施形態１に記載の方法。

９．  前記閉じた燃料供給源と前記複数のアノードとの間には圧力調整についての構成部品がない、実施形態１に記載の方法。

１０．  前記燃料が前記アノードに供給されるときの前記圧力は、前記燃料電池システムの電力需要に左右される、実施形態１に記載の方法。

１１．  前記閉じた燃料供給源と前記複数のアノードとの間に１つまたは複数個の圧力制御構成部品が配置される、実施形態１に記載の方法。

１２．  前記燃料供給源は金属水素化物を含む、実施形態１に記載の方法。

１３．  前記燃料が加水されていない、実施形態１に記載の方法。

１４．  前記燃料電池システムは、燃料電池の平面配列を有する、実施形態１に記載の方法。

１５．  前記平面配列内の各個別の燃料電池の領域が０．０００００００１ｃｍ２から１０００ｃｍ２までの範囲である、実施形態１４に記載の方法。

１６．  前記反応物燃料は、並列に接続された前記複数のアノードのそれぞれに供給される、実施形態１に記載の方法。


１７．  前記反応物燃料は、直列に接続された前記複数のアノードの少なくとも一部へ供給される、実施形態１に記載の方法。

１８．  前記イオン伝導性電解質は、プロトン交換膜である、実施形態１に記載の方法。

１９．  前記イオン伝導性電解質は、ペルフルオロスルホン酸の重合体を含む、実施形態１に記載の方法。

２０．  前記イオン伝導性電解質のイオン伝導度が、前記イオン伝導性電解質の水和レベ
ルに左右される、実施形態１に記載の方法。


２１．  前記イオン伝導性電解質の厚さが、１ミクロンから１００ミクロンの範囲である、実施形態１に記載の方法。

２２．  パッシブな反応物供給による燃料電池システムの動作方法であって、前記燃料電池システムは、少なくとも１つのアノード、少なくとも１つのカソード、イオン伝導性電解質、および、前記燃料電池システムに連結された閉じた燃料供給源を有し、ここで前記イオン導電性電解質はそれぞれのアノードとカソードとの間に配置され、
前記燃料供給源を、周囲圧力を超える圧力にまで加圧するステップと、
前記カソードを外気にさらすステップと、
を有する、方法。

２３．  前記燃料供給源は金属水素化物を含む、実施形態２２に記載の方法。

２４．  パッシブな反応物供給による燃料電池の動作方法であって、前記燃料電池は、少なくとも１つのアノード、少なくとも１つのカソード、イオン伝導性電解質、および、前記燃料電池システムに接続された閉じた燃料プレナムを有し、ここで前記イオン導電性電解質はそれぞれのアノードとカソードとの間に配置され、
前記カソードを外気にさらすステップと、
前記外気の圧力を超える圧力で、前記燃料プレナムにより燃料を前記アノードへ供給するステップと、
を有する、方法。

２５．  携帯型電源、携帯電話、ＰＤＡ、衛星電話、ラップトップ・コンピュータ、携帯型ＤＶＤ再生機、携帯型ＣＤ再生機、携帯型パーソナル・ケア・デバイス、携帯型ステレオ、携帯型テレビ、無線送信機、レーダ送信機、レーダ探知機、ラップトップ・コンピュータ、何らかの携帯型電子デバイス、およびこれらの組合せのうちのひとつ以上の筐体内に、前記燃料電池システムが組み込まれている、実施形態１、２２、２４に記載の方法。

２６．  燃圧が加減される、実施形態１、２２、２４に記載の方法。

２７．  燃料の前記アノードからのパージまたは排出によって燃料が前記燃料電池システムから放出されることのない、実施形態１、２２、２４に記載の方法。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】従来の燃料電池の概略図である。
【図２】様々な条件下で動作するパッシブ式の空気吸出入式１０セル燃料電池システムの動作時間に対する燃料電池電圧を示すグラフ図である。
【図３】およそ２４ｐｓｉｇのアノードからカソードの圧力差において、デッドエンドで水素により操作される、パッシブ式の空気吸出入式１０セル燃料電池システムに関する、動作時間内のボルトに対する燃料電池の電圧を示すグラフ図である。
【図４】およそ５ｐｓｉｇのアノードからカソードの圧力差においてのパッシブ式の空気吸出入式の平面燃料電池配列の長時間にわたるデッドエンド式動作に関する、動作時間に対する燃料電池の電圧を示すグラフ図である。
【図５】本発明の燃料電池システムの実施形態の分解斜視図である。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図４】
2009524902.tif 000008
【国際調査報告】
2009524902.tif 000009
2009524902.tif 000010