(57)【要約】  直接酸化型燃料電池（ＤＯＦＣ）システムは、カソード、アノード、および両電極間に配置された電解質を含む、少なくとも１つの燃料電池アセンブリと、アノードの入口と流体的に連通する液体燃料の供給源と、カソードの入口と流体的に連通する酸化剤供給部と、アノードの出口およびカソードの出口と流体的に連通し、（１）未反応燃料ならびに液体生成物およびガス生成物を受け取り、かつ（２）燃料と液体生成物の溶液をアノードの入口に供給する、気液分離器と、液体生成物の量を測定し、かつ測定された液体生成物の量に応答して、システム運転の酸化剤化学量論比を制御する制御システムとを備える。あるいは、制御システムは、アノードの入口に供給される溶液中の液体燃料の濃度を、システムの運転温度または出力電力に基づいて制御する。
2009527092.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直接酸化型燃料電池（ＤＯＦＣ）システムであって、
（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を含む、少なくとも１つの燃料電池アセンブリと、
（ｂ）前記アノードの入口と流体的に連通する液体燃料の供給源と、
（ｃ）前記カソードの入口と流体的に連通する酸化剤供給部と、
（ｄ）前記アノードの出口および前記カソードの出口と流体的に連通し、（１）未反応燃料、液体生成物、およびガスを受け取り、かつ（２）液体生成物に含めた液体燃料の溶液を前記アノードの前記入口に供給する、気液分離器と、
（ｅ）前記液体生成物の量を測定し、かつ前記測定された液体生成物の量に応答して、前記ＤＯＦＣシステムの酸化剤化学量論比を、運転中に適切な値に制御する制御システムと、
を備えるＤＯＦＣシステム。
【請求項２】
前記制御システムが、前記液体生成物の量を測定するセンサを含む、
請求項１に記載のＤＯＦＣシステム。
【請求項３】
前記センサが、前記気液分離器内に含まれる前記液体生成物の量を測定する、
請求項２に記載のＤＯＦＣシステム。
【請求項４】
前記制御システムが、前記酸化剤化学量論比を定期的にまたは連続して制御することができる、
請求項１に記載のＤＯＦＣシステム。
【請求項５】
前記制御システムが電子制御ユニット（ＥＣＵ）を備える、
請求項１に記載のＤＯＦＣシステム。
【請求項６】
前記ＥＣＵが、（１）前記測定された液体生成物の量を所定量と比較して、前記測定された量が前記所定量よりも多いか、少ないか、それとも前記所定量と同じであるかを決定し、（２）前記比較に基づいて計算係数を決定し、（３）前記計算係数を利用して酸化剤化学量論比の前記適切な値を計算し、かつ（４）前記酸化剤供給部を調節して、酸化剤化学量論比の前記適切な値を達成するようにプログラムされた電子計算機を備える、
請求項５に記載のＤＯＦＣシステム。
【請求項７】
（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を含む、少なくとも１つの燃料電池アセンブリと、
（ｂ）前記アノードの入口と流体的に連通する液体燃料の供給源と、
（ｃ）前記カソードの入口と流体的に連通する酸化剤供給部と、
（ｄ）（１）前記カソードおよびアノードから未反応燃料、液体生成物、およびガスを受け取り、かつ（２）液体生成物に含めた液体燃料の溶液を前記アノードの前記入口に供給する、気液分離器と、
（ｅ）前記アノードの前記入口に供給される前記溶液中の前記液体燃料の濃度を制御する制御システムと、
を備える、直接酸化型燃料電池（ＤＯＦＣ）システム。
【請求項８】
前記制御システムが、前記液体燃料の供給源および前記気液分離器から前記アノードの前記入口への前記液体燃料の供給を調節することができる、
請求項７に記載のＤＯＦＣシステム。
【請求項９】
前記制御システムが、前記酸化剤化学量論比を定期的にまたは連続して制御することができ、電子制御ユニット（ＥＣＵ）を備える、
請求項８に記載のＤＯＦＣシステム。
【請求項１０】
前記制御システムが、前記少なくとも１つの燃料電池アセンブリの運転温度を測定するセンサを含み、前記ＥＣＵが、（１）前記アノードの前記入口に供給される前記溶液中の前記液体燃料の適切な濃度を、前記センサによって測定される前記少なくとも１つの燃料電池アセンブリの運転温度に基づいて決定し、かつ（２）前記液体燃料の供給源および前記気液分離器から前記アノードの前記入口への前記液体燃料の前記供給を調節して、前記適切な濃度を達成するようにプログラムされた電子計算機を備える、
請求項９に記載のＤＯＦＣシステム。
【請求項１１】
前記計算機が、前記アノードの前記入口に供給される前記液体燃料の前記濃度と、前記少なくとも１つの燃料電池アセンブリの前記運転温度との所定の関係を用いてプログラムされる、
請求項１０に記載のＤＯＦＣシステム。
【請求項１２】
前記ＥＣＵが、（１）前記アノードの前記入口に供給される前記溶液中の前記液体燃料の適切な濃度を、前記少なくとも１つの燃料電池アセンブリの所望の出力電力に基づいて決定し、かつ（２）前記液体燃料の供給源および前記気液分離器から前記アノードの前記入口への前記液体燃料の前記供給を調節して、前記適切な濃度を達成するようにプログラムされた電子計算機を備える、
請求項９に記載のＤＯＦＣシステム。
【請求項１３】
前記計算機が、前記アノードの前記入口に供給される前記溶液中の前記液体燃料の前記濃度と、前記少なくとも１つの燃料電池アセンブリの前記出力電力との所定の関係を用いてプログラムされる、
請求項１２に記載のＤＯＦＣシステム。
【請求項１４】
カソード、アノード、および両電極間に配置された電解質を含む、少なくとも１つの燃料電池アセンブリと、前記アノードの入口と流体的に連通する液体燃料の供給源と、前記カソードの入口と流体的に連通する酸化剤供給部と、前記アノードの出口および前記カソードの出口と流体的に連通し、（１）未反応燃料、液体生成物、およびガスを受け取り、かつ（２）液体生成物に含めた液体燃料の溶液を前記アノードの前記入口に供給する、気液分離器とを備える、直接酸化型燃料電池（ＤＯＦＣ）システムを運転する方法であって、
前記液体生成物の量を測定し、前記測定された液体生成物の量に応答して、前記ＤＯＦＣシステムの酸化剤化学量論比を、運転中に適切な値に制御すること、
を含む方法。
【請求項１５】
前記気液分離器内に含まれる前記液体生成物の量を測定することができるセンサを利用すること、
を含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
（１）前記測定された液体生成物の量を所定量と比較して、前記測定された量が前記所定量よりも多いか、少ないか、それとも前記所定量と同じであるかを決定し、（２）前記比較に基づいて計算係数を決定し、（３）前記計算係数を利用して前記適切な酸化剤化学量論比を計算し、かつ（４）前記酸化剤供給部を調節して、前記適切な酸化剤化学量論比を達成するようにプログラムされた電子計算機を利用すること、
をさらに含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
カソード、アノード、および両電極間に配置された電解質を含む、少なくとも１つの燃料電池アセンブリと、前記アノードの入口と流体的に連通する液体燃料の供給源と、前記カソードの入口と流体的に連通する酸化剤供給部と、前記アノードの出口および前記カソードの出口と流体的に連通し、（１）未反応燃料、液体生成物、およびガスを受け取り、かつ（２）液体生成物に含めた液体燃料の溶液を前記アノードの前記入口に供給する、気液分離器とを備える、直接酸化型燃料電池（ＤＯＦＣ）システムを運転する方法であって、
前記アノードの前記入口に供給される前記溶液中の前記液体燃料の濃度を制御すること、
を含む方法。
【請求項１８】
前記液体燃料の供給源および前記気液分離器から前記アノードの前記入口への前記液体燃料の供給を調節すること、
を含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記少なくとも１つの燃料電池アセンブリの運転温度を測定するセンサと、（１）前記アノードの前記入口に供給される前記溶液中の前記液体燃料の適切な濃度を、前記センサによって測定される前記少なくとも１つの燃料電池アセンブリの運転温度に基づいて決定し、かつ（２）前記液体燃料の供給源および前記気液分離器から前記アノードの前記入口への前記液体燃料の前記供給を調節して、前記適切な濃度を達成するようにプログラムされた電子計算機とを利用すること、
を含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記アノードの前記入口に供給される前記溶液中の前記液体燃料の前記濃度と、前記少なくとも１つの燃料電池アセンブリの前記運転温度との所定の関係を用いてプログラムされた計算機を利用すること、
を含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
（１）前記アノードの前記入口に供給される前記溶液中の前記液体燃料の適切な濃度を、前記少なくとも１つの燃料電池アセンブリの所望の出力電力に基づいて決定し、かつ（２）前記液体燃料の供給源および前記気液分離器から前記アノードの前記入口への前記液体燃料の前記供給を調節して、前記適切な濃度を達成するようにプログラムされた電子計算機を利用すること、
を含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２２】
前記アノードの前記入口に供給される前記溶液中の前記液体燃料の前記濃度と、前記少なくとも１つの燃料電池アセンブリの前記出力電力との所定の関係を用いてプログラムされた計算機を利用すること、
を含む、請求項２１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、燃料電池システム、およびその運転方法に関する。より詳細には、本開示は、直接メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）などの直接酸化型燃料電池（ＤＯＦＣ）、ならびにそのシステムおよび運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
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、あらかじ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、すなわちあらかじ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。ＤＯＦＣで使用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−テトラフルオロエチレン共重合体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】
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【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、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】
2009527092.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】
2009527092.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１）。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、高電力および高温運転条件下で、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に戻すＤＯＦＣ／ＤＭＦＣシステムが、広く必要とされている。純メタノールを含む高濃度燃料で運転し、外部から水を供給し、または電気化学的に生成された水を凝縮する必要を最小限に抑えるＤＯＦＣ／ＤＭＦＣシステムが、さらに必要とされている。
【００１４】
例えば、電気的負荷の動的に変化する要件と合致するように、運転（出力）電流、したがって燃料変換効率の可変制御が必要とされる場合のような、様々な動的に変化する条件およびシナリオ下での運転を容易にするＤＯＦＣ／ＤＭＦＣシステムおよびその運転方法が、さらに必要とされている。
【００１５】
前述のことに鑑みて、非常に高濃度の燃料および高電力効率で最適な性能が得られるように、ＤＯＦＣ／ＤＭＦＣシステムの運転パラメータの可変な（すなわち動的な）制御を容易にする、改善されたＤＯＦＣ／ＤＭＦＣシステムおよび方法が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本開示の一利点は、運転中に生成された生成物の量を測定し、かつ測定された量に応答して酸化剤化学量論比を制御する制御システムを含む、改善された直接酸化型燃料電池（ＤＯＦＣ）システムである。
【００１７】
本開示の別の利点は、システムの電極アセンブリのアノードに供給される溶液中の液体燃料の濃度を制御する制御システムを含む、改善されたＤＯＦＣシステムである。
【００１８】
本開示のさらに別の利点は、運転中に生成された生成物の量を測定し、かつ測定された量に応答して酸化剤化学量論比を制御することを含む、ＤＯＦＣシステムを運転する改善された方法である。
【００１９】
本開示のさらに別の利点は、システムの電極アセンブリのアノードに供給される溶液中の液体燃料の濃度を制御することを含む、ＤＯＦＣシステムを運転する改善された方法である。
【００２０】
本開示のさらなる利点および特徴は、続く開示の中で記載され、一部は、下記を検討すれば当業者に明らかとなり、または、本開示の実施から知り得ることができる。それらの利点は、添付の特許請求の範囲において個々に指摘されるように実現し、得ることができる。
【００２１】
本開示の一観点によれば、前述の利点および他の利点が、一部には、改善された直接酸化型燃料電池（ＤＯＦＣ）システムであって、
（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を含む、少なくとも１つの燃料電池アセンブリと、
（ｂ）アノードの入口と流体的に連通する液体燃料の供給源と、
（ｃ）カソードの入口と流体的に連通する酸化剤供給部と、
（ｄ）アノードの出口およびカソードの出口と流体的に連通し、（１）未反応燃料、液体生成物、およびガスを受け取り、かつ（２）液体燃料と液体生成物の溶液をアノードの入口に供給する、気液分離器と、
（ｅ）液体生成物の量を測定し、かつ測定された液体生成物の量に応答して、ＤＯＦＣシステムの酸化剤化学量論比を、運転中に適切な値に制御する制御システムと、
を備えるＤＯＦＣシステムによって達成される。
【００２２】
本開示の実施形態によれば、制御システムは、液体生成物の量を測定するセンサを含み、そのセンサは、気液分離器内に含まれる液体生成物の量を測定し、制御システムは、酸化剤化学量論比を定期的にまたは連続して制御することができ、その制御システムは、電子制御ユニット（ＥＣＵ）を備える。
【００２３】
好ましくは、ＥＣＵは、（１）測定された液体生成物の量を所定量と比較して、測定された量の方が多いか、少ないか、それとも測定された量が所定量と同じであるかを決定し、（２）比較に基づいて計算係数を決定し、（３）計算係数を利用して酸化剤化学量論比の適切な値を計算し、かつ（４）酸化剤供給部を調節して、酸化剤化学量論比の適切な値を達成するように、プログラムされた電子計算機を備える。
【００２４】
本開示の別の観点は、
（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を含む、少なくとも１つの燃料電池アセンブリと、
（ｂ）アノードの入口と流体的に連通する液体燃料の供給源と、
（ｃ）カソードの入口と流体的に連通する酸化剤供給部と、
（ｄ）（１）カソードおよびアノードから未反応燃料、液体生成物、およびガスを受け取り、かつ（２）液体生成物に含めた液体燃料の溶液をアノードの入口に供給する、気液分離器と、
（ｅ）アノードの入口に供給される溶液中の液体燃料の濃度を制御する制御システムと
を備える、改善された直接酸化型燃料電池（ＤＯＦＣ）システムである。
【００２５】
本開示によれば、制御システムは、液体燃料の供給源および気液分離器からアノードの入口への液体燃料の供給を調節することができ、制御システムは、酸化剤化学量論比を定期的にまたは連続して制御することができ、電子制御ユニット（ＥＣＵ）を備え、制御システムは、少なくとも１つの燃料電池アセンブリの運転温度を測定するセンサを含む。
【００２６】
本開示のいくつかの実施形態によれば、ＥＣＵは、（１）アノードの入口に供給される溶液中の液体燃料の適切な濃度を、センサによって測定される少なくとも１つの燃料電池アセンブリの運転温度に基づいて決定し、かつ（２）液体燃料の供給源および気液分離器からアノードの入口への液体燃料の供給を調節して、適切な濃度を達成することができる電子計算機を備え、計算機は、アノードの入口に供給される液体燃料の濃度と、少なくとも１つの燃料電池アセンブリの運転温度との所定の関係を用いてプログラムされる。
【００２７】
本開示の他の実施形態によれば、ＥＣＵは、（１）アノードの入口に供給される溶液中の液体燃料の適切な濃度を、少なくとも１つの燃料電池アセンブリの所望の出力電力に基づいて決定し、かつ（２）液体燃料の供給源および気液分離器からアノードの入口への液体燃料の供給を調節して、適切な濃度を達成するようにプログラムされた電子計算機を備え、計算機は、アノードの入口に供給される液体燃料の濃度と、少なくとも１つの燃料電池アセンブリの出力電力との所定の関係を用いてプログラムされる。
【００２８】
本開示のさらに別の観点は、カソード、アノード、および両電極間に配置された電解質を含む、少なくとも１つの燃料電池アセンブリと、アノードの入口と流体的に連通する液体燃料の供給源と、カソードの入口と流体的に連通する酸化剤供給部と、アノードの出口およびカソードの出口と流体的に連通し、（１）未反応燃料、液体生成物、およびガスを受け取り、かつ（２）液体生成物に含めた液体燃料の溶液をアノードの入口に供給する、気液分離器とを備える、直接酸化型燃料電池（ＤＯＦＣ）システムを運転する改善された方法であって、
液体生成物の量を測定し、測定された液体生成物の量に応答して、ＤＯＦＣシステムの酸化剤化学量論比を、運転中に適切な値に制御すること
を含む方法である。
【００２９】
本開示の実施形態によれば、この方法は、気液分離器内に含まれる液体生成物の量を測定するセンサを利用すること、および（１）測定された液体生成物の量を所定量と比較して、測定された量の方が多いか、少ないか、それとも測定された量が所定量と同じであるかを決定し、（２）比較に基づいて計算係数を決定し、（３）計算係数を利用して適切な酸化剤化学量論比を計算し、かつ（４）酸化剤供給部を調節して、適切な酸化剤化学量論比を達成するようにプログラムされた電子計算機を利用することを含む。
【００３０】
本開示のさらに別の観点は、カソード、アノード、および両電極間に配置された電解質を含む、少なくとも１つの燃料電池アセンブリと、アノードの入口と流体的に連通する液体燃料の供給源と、カソードの入口と流体的に連通する酸化剤供給部と、アノードの出口およびカソードの出口と流体的に連通し、（１）未反応燃料、液体生成物、およびガスを受け取り、かつ（２）液体生成物に含めた液体燃料の溶液をアノードの入口に供給する、気液分離器とを備える、直接酸化型燃料電池（ＤＯＦＣ）システムを運転する改善された方法であって、
アノードの入口に供給される溶液中の液体燃料の濃度を制御すること
を含む方法である。
【００３１】
本開示のいくつかの実施形態によれば、この方法は、液体燃料の供給源および気液分離器からアノードの入口への液体燃料の供給を調節することを含み、その方法は、少なくとも１つの燃料電池アセンブリの運転温度を測定するセンサと、（１）アノードの入口に供給される溶液中の液体燃料の適切な濃度を、センサによって測定される少なくとも１つの燃料電池アセンブリの運転温度に基づいて決定し、かつ（２）液体燃料の供給源および気液分離器からアノードの入口への液体燃料の供給を調節して、適切な濃度を達成するようにプログラムされた電子計算機とを利用することを含む。好ましくは、アノードの入口に供給される液体燃料の濃度と、少なくとも１つの燃料電池アセンブリの運転温度との所定の関係を用いてプログラムされた計算機が利用される。
【００３２】
本開示の他の実施形態によれば、この方法は、（１）アノードの入口に供給される溶液中の液体燃料の適切な濃度を、少なくとも１つの燃料電池アセンブリの所望の出力電力に基づいて決定し、かつ（２）液体燃料の供給源および気液分離器からアノードの入口への液体燃料の供給を調節して、適切な濃度を達成するようにプログラムされた電子計算機を利用することを含む。好ましくは、アノードの入口に供給される液体燃料の濃度と、少なくとも１つの燃料電池アセンブリの出力電力との所定の関係を用いてプログラムされた計算機が利用される。
【００３３】
本開示のさらなる利点は、本開示の好ましい実施形態のみが、限定としてではなく単に例として示し、説明される以下の詳細な説明から、当業者に容易に明らかとなるであろう。理解されるように、すべて本開示の精神から逸脱することなく、本開示は他の実施形態および異なる実施形態が可能であり、そのいくつかの詳細は、様々な明白な観点から変更することができる。したがって、図面および説明は、限定的ではなく、本質的に例示的であると見なすべきである。
【００３４】
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ためではなく、例示のみを目的として提供される添付の図面を参照することによって、より明らかに、また容易になるであろう。図面では、同じ参照符号が、同様の特徴を示すために全体を通じて使用され、様々な特徴が、必ずしも一定の縮尺で描かれるのではなく、関連する特徴を最も良く示すように描かれている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
本開示は、高濃度燃料で運転する、高電力変換効率の、動的に制御可能な直接酸化型燃料電池（ＤＯＦＣ）およびＤＯＦＣシステム、例えば直接メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）およびシステム、ならびにその運転方法に関する。
【００３６】
図１を参照すると、図には、高濃度燃料で運転するＤＯＦＣシステム、例えばメタノール・ベースのＤＭＦＣシステム１０の一例示的実施形態が概略的に示されている。このシステムは、高電力および高温運転条件の下で、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に戻す。（ＤＯＦＣ／ＤＭＦＣシステムは、２００４年１２月２７日出願の、同時係属の、本願の譲受人に譲渡された米国特許出願第１１／０２０３０６号において開示されている。）
【００３７】
図１に示すように、ＤＭＦＣシステム１０は、一般にＭＥＡと呼ばれる多層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。一般には、ＤＭＦＣシステム１０などの燃料電池システムは、複数のそのようなＭＥＡをスタックの形で有するが、図１は、例示を簡単にするために、単一のＭＥＡのみを示す。しばしば膜電極接合体２は、燃料を接合体に供給し、燃料および副生成物をそこから戻すための蛇行流路を有するバイポーラ板によって分離される（例示の都合上図示せず）。燃料電池スタックでは、ＭＥＡおよびバイポーラ板が、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１〜３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。
【００３８】
燃料の供給源、例えば、高濃度燃料１９（例えばメタノール）を収容する燃料容器またはカートリッジ１８が、（以下に説明するように）アノード１２と流体的に連通する。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が、カソード１４と流体的に連通する。燃料カートリッジ１８からの高濃度燃料が、ポンプ２２によって、関連する導管区分２３'および２５を介して気液分離器２８に直接供給されるか、またはポンプ２２および２４、ならびに関連する導管区分２３、２３'、２３''および２３'''を介して、アノード１２に直接供給される。
【００３９】
運転の際には、高濃度燃料１９がＭＥＡ２のアノード側に、また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。ＭＥＡ２のカソード１４側、またはカソード電池スタックで、（式（２）で表す）電気化学反応によって生成された水が、そこからカソード出口ポート／導管３０を介して取り出されて、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ガスが、ＭＥＡ２のアノード側、またはアノード電池スタックから、アノード出口ポート／導管２６を介して取り出されて、気液分離器２８に供給される。空気または酸素が、ＭＥＡ２のカソード側に導入されて、電気化学的に生成される液体の形をとる水の量を最大にすると共に、電気化学的に生成される水蒸気の量を最小限に抑えるように調節され、それによって、水蒸気がシステム１０から逃れるのが最小限に抑えられる。
【００４０】
システム１０の運転中に、（上記で説明したように）空気がカソード１４に導入され、過剰な空気および液体の水が、そこからカソード出口ポート／導管３０を介して取り出されて、気液分離器２８に供給される。以下にさらに論じるように、入力空気流量または空気の化学量論比が、電気化学的に生成された水の液相の量を最大にすると共に、電気化学的に生成された水の蒸気相の量を最小限に抑えるように制御される。酸化剤の化学量論比は、燃料電池システムの運転条件に応じてファン２０の速度を一定速度に設定することによって、または電子制御ユニット（ＥＣＵ）４０、例えばデジタル・コンピュータ・ベースのコントローラによって制御することができる。ＥＣＵ４０は、気液分離器２８の液相２９と接する温度センサ（例示を簡単にするために、図中には示さず）から入力信号を受け取り、カソード排気中の液体水相を最大にし、かつ排気中の水蒸気相を最小限に抑えるように、酸化剤の化学量論比を調整し、それによって、水凝縮器が、ＭＥＡ２のカソードから生成し、排出された水蒸気を凝縮する必要を最小限に抑える。さらにＥＣＵ４０は、燃料電池内に過剰な水が蓄積しないようにするために、起動中に、酸化剤の化学量論比を、最小設定値を超えて増大させることができる。
【００４１】
運転中に気液分離器２８内に蓄積する液体の水２９は、循環ポンプ２４ならびに導管区分２５、２３''および２３'''を介して、アノード１２に戻すことができる。排出二酸化炭素ガスが、気液分離器２８のポート３２を通じて放出される。
【００４２】
上記で示したように、カソード排出水、すなわち運転中にカソードで電気化学的に生成された水が、液相およびガス相に分割され、各相における水の相対量が、主として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流量または酸化剤の化学量論比を使用することによって、液体の水の量を最大にし、かつ水蒸気の量を最小限に抑えることができる。その結果、カソード排気からの液体の水を、システム内で自動的に捕捉することができ、すなわち外部の凝縮器を不要とし、また液体の水を十分な量で、例えば約５モル濃度（Ｍ）を上回る高濃度燃料と混ぜ合わせてアノードの電気化学反応の実施に使用し、それによって燃料の濃度および貯蔵容量を最大にし、システムの全体的なサイズを最小限に抑えることができる。この水は、例えばＣＯ2ガスとメタノール水溶液を分離するのに一般に使用されるような、既存のタイプの気液分離器２８内で回収することができる。
【００４３】
図１に示すＤＯＦＣシステム１０は、少なくとも１つのＭＥＡ２を備え、ＭＥＡ２は、高分子電解質膜１６と、その膜を挟む触媒層およびガス拡散層からそれぞれが構成される一対の電極（アノード１２およびカソード１４）とを含む。典型的な高分子電解質材料には、パーフルオロスルホン酸基を有するフッ素化ポリマー、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ある。電解質膜は、例えば約２５〜約１８０μｍのような、任意の適切な厚さとすることができる。触媒層は一般に、白金またはルテニウム系の金属、あるいはそれらの合金を含む。アノードおよびカソードは一般に、燃料をアノードに、また酸化剤をカソードに供給するための流路を有するバイポーラ・セパレータ板で挟まれる。燃料電池スタックは、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。
【００４４】
上に示したように、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水相を最大にし、かつ排気中の水蒸気相を最小限に抑え、それによって、水凝縮器の必要を排除する。ＥＣＵ４０は、酸化剤の流量、したがって化学量論比を、特別な式、以下に例示する式（４）に従って調整する。
【００４５】
【数１】
2009527092.tif 000006
【００４６】
式中、ζcは酸化剤化学量論比であり、γは燃料供給源における水と燃料の比であり、ｐsatは、電池温度に対応する飽和水蒸気圧であり、ｐはカソード作動圧力であり、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比により、どんな運転条件下でも、ＤＭＦＣ内で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システムの起動中に、電池温度が例えば２０℃から６０℃の運転点まで増大すると、対応するｐsatが初めは低く、したがって、システム内の過剰な水の蓄積、したがって液体の水による電池のフラッディングを回避するために、大きな酸化剤化学量論比（流量）を使用すべきである。電池温度が増大するにつれて、式（４）に従って、酸化剤化学量論比（例えば空気流量）が低減される。
【００４７】
上記では、ＭＥＡ２内で電気化学反応によって生成され、気液分離器２８に供給される液体（例えば水）の量が、基本的に一定であり、それによって、ポンプ２４ならびに導管区分２５、２３''および２３'''を介してアノード１２の入口に戻される液体生成物の量が、基本的に一定であり、燃料容器またはカートリッジ１８からの高濃度液体燃料１９と適切な比で混合されて、アノード１２に燃料が理想的な濃度で供給されると仮定されている。
【００４８】
しかし、いくつかの要因または条件が、システム運転の理想からの偏差を引き起こすことがある。例えば、温度変化、負荷要件、運転電流誤差、酸化剤の効率の変化などが、理想的な運転条件からの偏差を招くことがある。さらには、理想的な運転からの偏差は、１つまたは複数の燃料電池を長期間にわたって保管した結果、また液体生成物（例えば水）の一部分の蒸発から生じることがある。
【００４９】
したがって、ＤＯＦＣ／ＤＭＦＣシステムの高燃料効率および高電力出力での最適な運転の持続には、システムの運転パラメータを求め、それを適切なレベルまたは値、例えば燃料供給濃度に、動的に変化する形で制御するための、制御および／または調節のシステムおよび方法が必要である。
【００５０】
図２を参照すると、図には、本開示の実施形態による、動的に制御可能なＤＯＦＣ／ＤＭＦＣシステム５０の簡略化された概略図が示されている。システム５０は、図１のシステム１０に類似しており、したがって、システム５０の動的制御面に関係する構成要素および特徴のみを以下に説明する。
【００５１】
図示のように、システム５０は、気液分離器２８内に含まれる液体生成物（例えば水）の量を、任意の所与の瞬間に感知／決定する液体レベル・センサ装置４２を含む。センサ装置４２は、図では、気液分離器２８の外側にある、すなわち気液分離器２８の外壁に沿って配置されているが、センサ装置２８は、そのような配置に限定されず、気液分離器２８の内側にあってもよい。本開示に従って使用するのに適したセンサ装置４２には、それらに限定されないが光電装置や浮子装置など、様々な従来型の液体レベル感知装置がある。図示の実施形態によれば、センサ装置４２からの出力信号が、線４３を介してＥＣＵ４０に入力として供給される。
【００５２】
これらの実施形態によれば、上記で示した、酸化剤化学量論比（すなわちＭＥＡ２のカソード１４への空気流量）を、ＭＥＡ２のアノード１２に供給される燃料溶液中の燃料（例えばメタノール）と液体（例えば水）の比に関係付けるための式（４）は、以下のように、液体（例えば水）生成物の量の所定（すなわち期待）値からの偏差を考慮に入れる計算係数Ａを含むように変更される。
【００５３】
【数２】
2009527092.tif 000007
【００５４】
ただし、液体生成物の量が所定量よりも少ない場合、Ａ＜１であり、
液体生成物の量が所定量よりも多い場合、Ａ＞１であり、
液体生成物の量が所定量と同じである場合、Ａ＝１
である。
【００５５】
図２に示すように、ＤＯＦＣ／ＤＭＦＣシステム５０は、アノード１２およびカソード１４それぞれの出口と（導管２６および３０を介して）流体的に連通する気液分離器２８を含み、（１）未反応燃料、液体生成物、およびガスを受け取り、かつ（２）液体生成物に含めた液体燃料の溶液を（導管区分２５、２３''、および２３'''、ならびにポンプ２２および２４を介して）アノードの入口に供給し、システム５０はさらに、カソードおよびアノードでの選択された電気化学反応によって生成されて、気液分離器２８内に含められる液体生成物の量を測定し、かつ測定された液体生成物の量に応答して、酸化剤（例えば空気）化学量論比を、システム５０の運転中に（ファン２０の制御を通じて）適切な値に制御するセンサ装置４２およびＥＣＵ４０から構成される制御システムを含む。
【００５６】
好ましくは、ＥＣＵ４０は、（１）測定された液体生成物の量を所定の液体生成物の量と比較して、測定された量が所定量よりも多いか、少ないか、それとも所定量と同じであるかを決定し、（２）比較に基づいて計算係数を決定し、（３）計算係数Ａを含む上記の式（５）を利用して適切な酸化剤化学量論比を計算し、かつ（４）酸化剤供給部（すなわちファン２０の速度）を連続してまたは定期的に調節して、適切な酸化剤化学量論比を達成するようにプログラムされた電子計算機を備える。
【００５７】
図３に注意を向けると、図には、本開示のさらなる実施形態によるＤＯＦＣ／ＤＭＦＣシステムの、簡略化された概略図が示されている。これまでと同じように、図示のシステムは、図１のシステム１０と類似しており、したがって、システムの動的制御面に関係する構成要素および特徴のみを以下に説明する。
【００５８】
本開示のいくつかの実施形態によれば、システム６０は、ＭＥＡ２の温度を感知して、測定された温度を示す入力信号をＥＣＵ４０に供給するセンサ装置４４を含む。システム６０はさらに、ＥＣＵ４０から循環ポンプ２４および高濃度燃料供給ポンプ２２とそれぞれ接続／連通する線４６および４７を含み、導管２３、２３'、２３''、２３'''および２５を介してアノード１２の入口に供給される燃料の溶液または混合液中の高濃度燃料と液体生成物の比を調節する。
【００５９】
これらの実施形態によれば、ＤＯＦＣ／ＤＭＦＣシステム６０は、（導管２６および３０を介して）アノード１２およびカソード１４それぞれの出口と流体的に連通する気液分離器２８を含み、（１）未反応燃料、液体生成物、およびガスを受け取り、かつ（２）未反応液体燃料と液体生成物の混合液／溶液を（導管２３、２３'、２３''、２３'''および２５を介して）アノードの入口に供給し、システム６０はさらに、高濃度液体燃料の供給源１８および気液分離器２８からアノードの入口に供給される混合液／溶液中の未反応液体燃料の濃度を制御する制御システムを含む。
【００６０】
好ましくは、ＥＣＵ４０は、（１）アノードの入口に供給される溶液中の液体燃料の適切な濃度を、センサ４４によって測定される少なくとも１つの燃料電池アセンブリ２の運転温度に基づいて決定し、かつ（２）液体燃料の供給源１８および気液分離器２８からアノード１２の入口への液体燃料１９の供給を調節して、適切な濃度を達成するようにプログラムされた電子計算機を備える。計算機は、アノードの入口に供給される液体燃料の濃度と、燃料電池アセンブリの運転温度との所定の関係を用いてプログラムされる。
【００６１】
図４を参照すると、図には、（システム６０などの）ＤＯＦＣ／ＤＭＦＣシステムの供給燃料濃度と、システムの運転温度との所定の関係の例を示すグラフが示されている。上記で示したように、ＥＣＵ４０は、アノードの入口に供給される液体燃料の濃度と燃料電池アセンブリの運転温度との、そのような所定の関係を用いてプログラムされる。
【００６２】
本開示のさらに別の実施形態によれば、ＤＯＦＣ／ＤＭＦＣシステムは、ＭＥＡのアノード１２に供給される燃料混合液／溶液の燃料／液体生成物比の適切な値を求めるために、ＭＥＡ２の運転温度の測定を必要としない。そうではなく、ＥＣＵ４０は好ましくは、（１）アノードの入口に供給される溶液／混合液中の液体燃料の適切な濃度を、燃料電池アセンブリの所望の（すなわち予め選択された）出力電力に基づいて求め、かつ（２）液体燃料の供給源１８および気液分離器２８からアノード１２の入口への液体燃料の供給を、連続してまたは定期的に調節して、適切な濃度を達成するようにプログラムされた電子計算機を備える。計算機は、アノードの入口に供給される液体燃料の濃度と、燃料電池アセンブリの出力電力密度との所定の関係を用いてプログラムされる。
【００６３】
例として、図５は、本開示によるＤＯＦＣ／ＤＭＦＣシステムの供給燃料濃度と所望の出力電力密度との所定の関係の例を示すグラフである。上記で示したように、ＥＣＵ４０は、アノードの入口に供給される液体燃料の濃度と少なくとも１つの燃料電池アセンブリの運転温度との、そのような所定の関係を用いてプログラムされる。
【００６４】
図６を参照すると、図には、システム出力電力密度のいくつかの例について、本開示によるＤＯＦＣ／ＤＭＦＣシステムの出力電圧の変動を、システムの出力電流の関数として示すグラフが示されている。図から明らかなように、燃料および液体（水）の供給が最も良い最適な運転点は、ＤＯＦＣ／ＤＭＦＣシステムの電力出力密度によって変わる。
【００６５】
要約すると、本開示は、生成された液体（水）の量の期待（予め選択された）量からの偏差に応答しての酸化剤（空気）化学量論比の変動、および燃料電池の運転温度または出力電力密度の所望（予め選択された）値からの変化／偏差に応答しての供給燃料濃度の変動を含む、ＤＯＦＣ／ＤＭＦＣシステムを運転する際のいくつかの利点をもたらす。
【００６６】
先の説明では、本開示をより良く理解するために、特定の材料、構造、反応物、プロセスなど、多くの特定の詳細が述べられている。しかし、本開示は、具体的に述べられた詳細を用いずに実施することができる。他の場合には、本開示を不必要に曖昧にしないために、公知の加工材料および技法が詳細に説明されていない。
【００６７】
本開示では、本開示の広い用途のうち数例の他は、本開示の好ましい実施形態のみが示され、説明されている。本開示は、様々な他の組合せおよび環境において使用することができ、本明細書において表記される本発明の概念の範囲内にある変更および／または修正が可能であることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】高濃度メタノール燃料で運転することができる直接酸化型燃料電池（ＤＯＦＣ）システム、すなわちＤＭＦＣシステムの、簡略化された概略図である。
【図２】本開示の実施形態によるＤＯＦＣ／ＤＭＦＣシステムの、簡略化された概略図である。
【図３】本開示の他の実施形態によるＤＯＦＣ／ＤＭＦＣシステムの、簡略化された概略図である。
【図４】本開示によるＤＯＦＣ／ＤＭＦＣシステムの供給燃料濃度の変動を、システムの運転温度の関数として示すグラフである。
【図５】本開示によるＤＯＦＣ／ＤＭＦＣシステムの供給燃料濃度の変動を、システムの所望の出力電力の関数として示すグラフである。
【図６】システム出力電力のいくつかの例について、本開示によるＤＯＦＣ／ＤＭＦＣシステムの出力電圧の変動を、システムの出力電流の関数として示すグラフである。
【図１】
2009527092.tif 000008
【図２】
2009527092.tif 000009
【図３】
2009527092.tif 000010
【図４】
2009527092.tif 000011
【図５】
2009527092.tif 000012
【図６】
2009527092.tif 000013
【手続補正書】
【提出日】平成20年9月26日(2008.9.26)
【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】請求項２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項２】
前記制御システムが、前記液体生成物の前記量を測定するセンサを含む、
請求項１に記載のＤＯＦＣシステム。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５１】
図示のように、システム５０は、気液分離器２８内に含まれる液体生成物（例えば水）の量を、任意の所与の瞬間に感知／決定する液体レベル・センサ装置４２を含む。センサ装置４２は、図では、気液分離器２８の外側にある、すなわち気液分離器２８の外壁に沿って配置されているが、センサ装置４２は、そのような配置に限定されず、気液分離器２８の内側にあってもよい。本開示に従って使用するのに適したセンサ装置４２には、それらに限定されないが光電装置や浮子装置など、様々な従来型の液体レベル感知装置がある。図示の実施形態によれば、センサ装置４２からの出力信号が、線４３を介してＥＣＵ４０に入力として供給される。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６３】
例として、図５は、本開示によるＤＯＦＣ／ＤＭＦＣシステムの供給燃料濃度と所望の出力電力密度との所定の関係の例を示すグラフである。上記で示したように、ＥＣＵ４０は、アノードの入口に供給される液体燃料の濃度と少なくとも１つの燃料電池アセンブリの所望の出力電力密度との、そのような所定の関係を用いてプログラムされる。
【国際調査報告】
2009527092.tif 000014
2009527092.tif 000015
2009527092.tif 000016