(57)【要約】簡易化された直接酸化燃料電池システムが記載されている。当該燃料電池は、電池燃料極での未反応燃料あるいは電池空気極での水の再循環を必要としないように、消費時に電池燃料極に燃料が添加され且つ電池空気極において水が蒸発除去されるように構築されている。加えて、燃料極反応で生じた二酸化炭素は、燃料極チャンバ構造の一部として組み込まれているＣＯ２気体透過性膜材料を用いてシステム外部に受動的に排出される。一実施形態では、等ギア簡易化された直接酸化燃料電池は、燃料極に近接して配置されたガス透過性で液体非透過性の膜を備え、それによって二酸化炭素の分離が実施される。本発明の他の態様によれば、メタノール及び水用の別個の容器からの別個のコンジットと密封インターフェースを備える燃料容器及び供給アセンブリが提供される。これによって、水をメタノール溶液に混ぜることができ、それによってシステム内のメタノール及び水の濃度を調節することができる。この設計はそれらの液体の導入を制限し、それによって、キャリーオーバーやクロスオーバーによるメタノールや水の損失は最小限となる。ポンプを用いることなく消費時に燃料が添加され且つＣＯ２の分離が行われる、当該受動的なシステムは、ついには、低い寄生損失に起因して、負荷に供給される正味の電力を高めるであろう。【特許請求の範囲】
【請求項１】
直接酸化燃料電池であって、
（Ａ）燃料極面及び空気極面を有する触媒作用のある膜電解質と、
（Ｂ）前記触媒作用のある膜電解質の前記燃料極面と燃料電池ハウジングの外壁部分との間に画定される燃料極チャンバによって前記燃料電池を包囲する燃料電池ハウジングと、
（Ｃ）前記燃料極チャンバ内に存在する液体が前記触媒作用のある膜電解質を横切る以外は前記燃料極チャンバから出られないように液体出口ポートを有していない燃料極チャンバへの直接燃料供給と、
（Ｄ）前記触媒作用のある膜電解質の前記燃料極面に近接して前記燃料極チャンバ内に配置されている少なくとも１つの気体排出物放出ポートと、
（Ｅ）前記燃料電池の発電反応で生じた電子の通路を与える、前記燃料電池に接続された負荷と、
からなる、直接酸化燃料電池。
【請求項２】
前記液体閉空間内への直接燃料供給によって供給された物質が、１００％までの燃料である、請求項１に記載の直接酸化燃料電池。
【請求項３】
前記燃料が、メタノールである、請求項２に記載の直接酸化燃料電池。
【請求項４】
燃料が、燃料極での液体の再循環なしに、前記燃料極チャンバ内への前記直接燃料供給によって供給される、請求項１に記載の直接酸化燃料電池。
【請求項５】
前記空気極で生じた水が、積極的に収集されるか、又はポンプによって前記燃料極チャンバに送られる、請求項１に記載の直接酸化燃料電池。
【請求項６】
前記気体排出物放出ポートを介して前記燃料電池から排出される気体排出物が、少なくとも部分的に二酸化炭素から構成される、請求項１に記載の直接酸化燃料電池。
【請求項７】
前記燃料極チャンバの１つの壁の少なくとも一部が、ガス透過性で且つ液体非透過性である、請求項１に記載の直接酸化燃料電池。
【請求項８】
直接酸化燃料電池であって、
（Ａ）燃料極面及び空気極面を有する、触媒作用のある膜電解質と、
（Ｂ）前記触媒作用のある膜電解質の前記燃料極面と燃料電池ハウジングの外壁部分との間に画定される燃料極チャンバを備え、且つ燃料が前記燃料極チャンバに供給されるが、前記燃料極チャンバから積極的には再循環されない、燃料電池ハウジングと、
（Ｃ）前記触媒作用のある膜電解質と前記ハウジングとの間に配置された燃料極気体生成物除去要素と、
からなる、直接酸化燃料電池。
【請求項９】
（Ａ）直接酸化燃料電池であって、
（i）燃料極面及び空気極面を有する、触媒作用のある膜電解質と、
（ii）前記触媒作用のある膜電解質の前記燃料極面と燃料電池ハウジングの外壁部分との間に画定される燃料極チャンバによって前記燃料電池を包囲する燃料電池ハウジングと、
（iii）前記燃料極チャンバ内の液体閉空間内への直接燃料供給であって、それによって前記直接燃料供給によって前記チャンバ内へ入る液体燃料が前記触媒作用のある膜電解質を横切る以外は前記チャンバから出ることができない、直接燃料供給と、
（iv）前記触媒作用のある膜電解質の前記燃料極面に近接して前記燃料極チャンバ内に配置されている少なくとも１つの気体排出物放出ポートと、
を有する直接酸化燃料電池と、
（Ｂ）前記燃料極チャンバに接続された燃料源と、
（Ｃ）前記燃料電池から電流を集め負荷に送る手段と、
からなり、それによって空気極で生成した水のポンプによる外部排水や積極的に水を除去する要素を用いることなく、燃料が前記燃料極チャンバに供給されると前記燃料電池によって電気が生成される、直接酸化燃料電池システム。
【請求項１０】
直接酸化燃料電池であって、
（Ａ）燃料極面及び空気極面を有する、触媒作用のある膜電解質アセンブリと、
（Ｂ）前記触媒作用のある膜電解質アセンブリの前記燃料極面に近接して配置されている、前記燃料電池の前記燃料極面から気体を排出する手段と、
からなる、直接酸化燃料電池。
【請求項１１】
燃料極面及び空気極面を有する触媒作用のある膜電解質を有する直接酸化燃料電池において使用するための気体管理要素であって、
気体透過性で、液体非透過性の材料から実質的に構成され、前記触媒作用のある膜電解質アセンブリの前記燃料極面に近接して配置されている要素、
を含んで成る気体管理要素。
【請求項１２】
前記材料が、燃料極排出気体には透過性であるが酸素には実質的にあまり透過性でないような様式で気体選択性である、請求項１１に記載の気体管理要素。
【請求項１３】
前記気体管理要素が、流れ場要素の一部をなし、前記膜電解質の活性領域に燃料を効果的に供給すると共に前記流れ場要素に気体放出機能を与える、請求項１１に記載の気体管理要素。
【請求項１４】
燃料が、結合された燃料極側拡散層を通って前記膜電解質の前記活性領域に供給される、請求項１３に記載の気体管理要素。
【請求項１５】
前記流れ場が、燃料極で生じた気体の除去を促進し、それによって、前記燃料電池の前記燃料極チャンバ内に過剰の燃料極気体生成物が蓄積する前に、それらが前記直接酸化燃料電池から放出される、請求項１３に記載の気体管理要素。
【請求項１６】
燃料極で生じた気体が関連燃料源から前記燃料極チャンバへの燃料の流れに混ざり妨害する前に放出されるような様式で、前記気体管理要素が前記燃料電池内に配置されている、請求項１１に記載の気体管理要素。
【請求項１７】
（Ａ）プロトン伝導性で、電子非伝導性の触媒作用のある膜電解質と、
（Ｂ）前記膜電解質上に配置された触媒と、
（Ｃ）前記膜電解質の燃料極面に隣接して配置されている燃料極拡散層と、
（Ｄ）前記膜電解質の空気極面に隣接して配置されている空気極拡散層と、
（Ｅ）前記燃料極拡散層に結合された、又は近接している、気体透過性で、液体非透過性の層と、
からなる、直接酸化燃料電池の膜電極アセンブリ。
【請求項１８】
前記気体透過性で、液体非透過性の層が、前記燃料極拡散層に機械的に取り付けられているか、又は結合している、請求項１７に記載の膜電極アセンブリ。
【請求項１９】
（Ａ）（i）プロトン伝導性で、非導電性の触媒作用のある膜電解質と、
（ii）前記膜電解質上に配置された触媒と、
（iii）前記膜電解質の燃料極面に隣接して配置された燃料極拡散層と、
（iv）前記膜電解質の空気極面に隣接して配置された空気極拡散層と、
を備える膜電極アセンブリと、
（Ｂ）前記燃料極拡散層に結合された気体透過性で、液体非透過性の層と、
（Ｃ）燃料電池で生成された電気を関連負荷に伝導させるための、前記燃料電池を横切る接続と、
（Ｄ）前記燃料電池を実質的に包囲する燃料電池ハウジングと、
からなる、直接酸化燃料電池。
【請求項２０】
（Ａ）燃料源と、
（Ｂ）（i）プロトン伝導性で、非導電性の触媒作用のある膜電解質と、
（ii）前記膜電解質上に配置された触媒と、
（iii）前記膜電解質の燃料極面に隣接して配置された燃料極拡散層と、
（iv）前記膜電解質の空気極面に隣接して配置された空気極拡散層と、
（v）前記燃料極拡散層に結合されたガス透過性で、液体非透過性の層と、
（vi）燃料電池によって生成された電気を関連負荷に伝導させるための、前記燃料電池を横切る接続と、
を備える直接酸化燃料電池と、
からなる直接酸化燃料電池システム。
【請求項２１】
前記燃料が、１００％までの燃料である、請求項２０に記載の直接酸化燃料電池システム。
【請求項２２】
前記燃料が、メタノールである、請求項２１に記載の直接酸化燃料電池システム。
【請求項２３】
燃料極面及び空気極面を有する触媒作用のある膜電解質を備える直接酸化燃料電池における燃料極排出物を処理する方法であって、
前記直接酸化燃料電池の前記燃料極面に近接して配置された気体透過性で、液体非透過性の層から実質的に構成される気体管理要素を設けることによって燃料極気体排出物を液体から分離するステップを包含する、方法。
【請求項２４】
前記膜電解質アセンブリの前記燃料極面に接触するように前記気体透過性で、液体非透過性の層を設けることを包含する、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
燃料極面及び空気極面を有する触媒作用のある膜電解質と、前記燃料極面と燃料電池の外壁との間に画定される燃料極チャンバとを備える直接酸化燃料電池において燃料極生成気体を分離する方法であって、
燃料を再循環することなく、前記燃料電池の前記燃料極チャンバ内に収容されている燃料液体から燃料極生成気体を分離するステップを包含する、方法。
【請求項２６】
（Ａ）燃料源と、
（Ｂ）燃料極面及び空気極面を有する触媒作用のある膜電解質を備える直接酸化燃料電池と、
（Ｃ）前記触媒作用のある膜電解質の前記燃料極面と電池ハウジングの外壁部分との間に画定される燃料極チャンバを備える電池ハウジングであって、前記チャンバが液体用の出口ポートを有していない、電池ハウジングと、
（Ｄ）前記直接酸化燃料電池システムへの燃料供給を制御するための、前記燃料源と前記直接酸化燃料電池の前記燃料極面との間に配置された要素と、
からなる、直接酸化燃料電池システム。
【請求項２７】
前記要素が、ポンプや積極的な再循環機構を用いることなく、前記燃料供給を制御する、請求項２６に記載の直接酸化燃料電池システム。
【請求項２８】
前記燃料源の実質的に全体が、前記燃料電池内部に配置されている、請求項２６に記載の直接酸化燃料電池システム。
【請求項２９】
前記燃料源が、前記燃料電池外部に配置されている、請求項２６に記載の直接酸化燃料電池システム。
【請求項３０】
前記燃料源の前記燃料と前記燃料電池の前記燃料極チャンバとの間に差圧が存在する、請求項２６に記載の直接酸化燃料電池システム。
【請求項３１】
燃料供給を制御するための前記要素が、ポンプを備える、請求項２６に記載の直接酸化燃料電池システム。
【請求項３２】
前記燃料源が、前記燃料源と前記燃料電池の前記燃料極との間で混合され得る２つ以上の液体を含有する、請求項２６に記載の直接酸化燃料電池システム。
【請求項３３】
前記燃料源が、メタノールと水を含有する、請求項３２に記載の直接酸化燃料電池システム。
【請求項３４】
前記燃料源が、１００％までの燃料を前記燃料電池に供給し得る、請求項２６に記載の直接酸化燃料電池システム。
【請求項３５】
前記燃料が、メタノールである、請求項３４に記載の直接酸化燃料電池システム。
【請求項３６】
前記燃料の供給が、吸引によって実施される、請求項２６に記載の直接酸化燃料電池システム。
【請求項３７】
前記吸引による供給が、前記燃料源と前記直接酸化燃料電池の前記燃料極との間に配置された多孔性要素内の毛管ネットワークの作用によって実施される、請求項２６に記載の直接酸化燃料電池システム。
【請求項３８】
直接酸化燃料電池に燃料を供給する方法であって、前記燃料電池の燃料極で消費された燃料を燃料源から供給される同容積の新しい燃料あるいは燃料と水との混合物で置換するような様式で、前記燃料電池の前記燃料極に燃料を供給するステップを包含する、方法。
【請求項３９】
燃料源と、燃料極面及び空気極面を有する触媒作用のある膜電解質を備える直接酸化燃料電池と、前記燃料極面と前記直接酸化燃料電池の外壁部分との間に画定され且つ燃料が出ることのできるポートを有していない燃料極チャンバと、を備える直接酸化燃料電池システムへの燃料供給を制御する方法であって、
前記触媒作用のある膜電解質の前記燃料極面と前記燃料源との間に配置される物質輸送制御要素を設け、それによって前記燃料電池への燃料供給がポンプや再循環要素を用いることなく制御される、方法。
【請求項４０】
前記燃料電池内部に前記燃料源の全体を配置するステップをさらに包含する、請求項３９に記載の方法。
【請求項４１】
前記燃料電池外部に前記燃料源を配置するステップをさらに包含する、請求項３９に記載の方法。
【請求項４２】
前記燃料源内の燃料に微圧をかけて前記燃料源内の燃料と前記燃料電池の前記燃料極チャンバ内の燃料との間に差圧を発生させるステップをさらに包含する、請求項３９に記載の方法。
【請求項４３】
前記燃料源内に２つ以上の液体を供給するステップと、
前記燃料源と前記燃料電池の前記燃料極チャンバとの間で前記液体を混合するステップと、
を包含する請求項３９に記載の方法。
【請求項４４】
前記燃料源に供給される前記液体が、メタノールと水を含む、請求項４３に記載の方法。
【請求項４５】
前記燃料として１００％までのメタノールからなる物質を供給することを包含する、請求項３９に記載の方法。
【請求項４６】
前記燃料物質が、メタノールである、請求項４５に記載の方法。
【請求項４７】
前記燃料を吸引によって前記燃料極チャンバに供給するステップをさらに包含する、請求項３９に記載の方法。
【請求項４８】
前記燃料源と前記直接酸化燃料電池の前記燃料極チャンバとの間に配置されている多孔性要素内の毛管ネットワークの吸引作用によって、前記燃料源からの燃料を前記燃料極に供給するステップをさらに包含する、請求項３９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して燃料電池の分野に関し、より詳細には、燃料容器、燃料供給及び反応生成物放出システムを備えた直接酸化燃料電池を含む簡易化された直接酸化燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電気化学反応を用いて発電を行う装置である。当該電池の構成要素として選択される材料に応じて、広範な物質が燃料としての使用に適している。メタノールや天然ガスのような有機物質は高い固有エネルギーを有するため、燃料として魅力的な選択肢である。
【０００３】
燃料電池システムは、「改質器ベース」システム（即ち、燃料が燃料電池に導入される前に、何らかの方法で燃料から水素を抽出するために燃料を処理するもの）、又は別個の内部処理あるいは外部処理を要することなく電池に燃料を直に供給する「直接酸化」システムに分類することができる。現在利用可能な燃料電池のほとんどは、改質器ベース燃料電池システムである。しかしながら、燃料処理は高価であり且つかなりの容積を必要とするため、改質器ベースシステムは現在、比較的高出力用途に制限されている。
【０００４】
直接酸化燃料電池システムは、比較的大規模な用途のみならず、比較的小規模の携帯型機器（例えば、携帯電話、携帯型コンピュータ及びラップトップコンピュータ）における多数の用途によく適し得る。典型的に、直接酸化燃料電池では、水溶液状態の炭素質液体燃料（典型的にメタノール水溶液）が膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）の燃料極側に適用される。当該ＭＥＡには、プロトン伝導性であるが非導電性の膜（ＰＣＭ）が含まれる。典型的に、当該ＰＣＭ表面上に、燃料極上での燃料の直接酸化を可能とする触媒が配置される（又はそうでなければ、燃料電池の燃料極チャンバ内にある）。プロトン（燃料中に存在する水素からの、及び燃料極反応に伴う水分子からの）は、電子から分離する。該プロトンは、電子に対して非透過性であるＰＣＭを通って移動する。前記電子は異なる進路を探し、そして空気極反応に関わるプロトン及び酸素分子と再結合する。従って、電子は、負荷を通って移動し、電力を供給する。
【０００５】
直接酸化燃料電池システムの一例は、直接メタノール燃料電池システム、即ちＤＭＦＣシステムである。ＤＭＦＣシステムでは、水溶液状態のメタノールが燃料（「燃料混合物」）として用いられ、酸素、好適には周囲空気からのものが酸化剤として使用される。ＤＭＦＣシステムが電力消費装置に電気を供給できるようにする、ＤＭＦＣ内で起こる基本的な反応は２つある。それらは、メタノールと水からなる燃料混合物のＣＯ２、プロトン、電子への燃料極解離と、プロトン、電子及び酸素の水への空気極結合である。総括反応は、これらの反応のどちらかが適切な速度で進行しなくなることで制限され得る（より詳細には、燃料混合物の酸化不足は空気極での水の生成を制限するであろうし、逆も起こり得る）。ＤＭＦＣに共通する問題は、メタノールが膜を通って燃料電池の燃料極部分から燃料電池の空気極チャンバへと通過し得ることである。メタノールクロスオーバーとして知られるこの現象は、濃縮溶液ではなく、希釈メタノール水溶液を燃料として導入することによって制限することができる。
【０００６】
燃料電池及び燃料電池システムは、比較的低濃度の環境汚染物質を放出しつつ炭素質燃料を電気出力に効率的に変換する能力を有するため、最近ますます注力されている開発の対象となっている。しかしながら、簡便でコスト高価の高い方法で且つ許容し得る形状因子及び容積制限内で複雑な炭素質燃料を改質することに関連する技術的困難性のため、携帯用途への燃料電池の適用は容易ではない。さらに、実用的なエネルギー密度を達成するために、水素ガスは高圧極低温で貯蔵するか、又は重い吸着材料中で貯蔵しなければならないため、実質的に純粋な水素（適切な操作条件下では気体である）のための安全で効率的な貯蔵手段には難題がある。一方、メタノールやメタノール水溶液などの比較的弱い化学結合を有する水素リッチな化合物（あまりないが、エタノール、プロパン、ブタン及び他の炭素質液体又はそれらの水溶液）中に水素を貯蔵する簡便な手段が見出されている。
【０００７】
特定のＤＭＦＣに関しては、携帯型電子機器において使用するために、商業生産用に開発されている。こうして、燃料電池を備えるＤＭＦＣシステム及びその構成要素は、発電反応を最適化するのみでなくコスト効果的でもある材料を用いて、製造することができる。さらに、それらの材料に関連する製造プロセスは、労働密度コストが法外なものとなってはいけない。
【０００８】
典型的なＭＥＡは、中央に配されたプロトン伝導性で非導電性の膜（「ＰＣＭ」）を備える。市販のＰＣＭの一例は、Ｎａｆｉｏｎ（Ｅ．Ｉ．  Ｄｕｐｏｎｔ  ｄｅ  Ｎｅｍｏｕｒｓ  ａｎｄ  Ｃｏｍｐａｎｙ社の登録商標）、即ち、広範な厚みとそれに対応する重量の、パーフルオロスルホン酸基の側鎖末端を有するパーフルオロカーボンポリマーからなるカチオン交換膜、である。ＰＣＭは、典型的に、白金、又は白金／ルテニウム混合物もしくは合金粒子などの電極触媒で各面がコーティングされている。当該触媒コーティングされたＰＣＭの両面上に、当該電極アセンブリは典型的に拡散層を備える。拡散層は、燃料の場合には燃料極に隈無く均一に液体燃料を、又はＰＣＭの空気極表面に隈無く均一に空気もしくは他の源からの気体酸素を、供給する機能を有する。加えて、多くの場合、コーティングされたＰＣＭに接触していない方の拡散層表面上に流れ場プレートが配置される。当該流れ場プレートは、電気化学反応の反応物及び副生物の物質輸送をもたらす機能を有し、流れ場プレートはまた、電子を収集し、負荷に接続されている外部導線に電子を伝導させるよう機能する点で、電流収集機能も有する。
【０００９】
直接メタノール燃料電池は、典型的に、ポンプ処理をはじめとする、直接メタノール燃料電池内の反応物及び副生物を管理するための積極的な管理スキームを採用している。さもなければ、燃料電池システムの全体で燃料混合物、副生物及び反応物が循環することとなる。しかしながら、これらの反応物及び副生物を積極的に管理することは、ポンプや流れチャネルあるいはコンジットの使用を伴う。ＤＭＦＣの非常に有望な用途である小さな携帯型機器に関しては、ポンプや他の機器に起因する寄生電力損失及び消費容積は、小さなユニットの総合電力出力及び容積と比較して、比較的大きい。よって、余分なポンプ、弁、並びに電力を消費しシステム内部容積を占領する構成要素は使用しないことが好ましい。さらに、そのような追加の構成要素は、特に商業規模で製品を製造する場合に、より高い製造費用及び製品費用に帰着し得る。加えて、システム内部の気体と液体の積極的な管理に伴う付加的な複雑性によって、携帯型機器に関連する必要な形状因子及び空間的制限を満足させ難い大きなシステムが作り出される。
【００１０】
従って、当該システムの複雑性並びに容積を最小限化することが非常に重要であり、大規模製造時の製造コスト及び製造の複雑性を低減させることもまた重要である。
【００１１】
システムの検討に加えて、当業者には既知のような、ＤＭＦＣに関連する特定の現象を最小限化することによって、燃料電池の効率を最大限にすることが重要である。１つの目的は、燃料電池の燃料極側に必要以上のメタノールが供給され、発電することなく空気極へと通過する場合に発生し、それによって燃料を浪費し不必要な熱を生成する、望ましくないメタノールクロスオーバーを最小限化することである。加えて、空気極触媒が浸水し空気極での半反応が中断され性能低下に帰着することを避けるために、空気極拡散層上に空気極で生成された水が蓄積されないようにすることもまた望ましい。
【００１２】
電池内の未反応燃料量が過剰になるのを防ぐために燃料極にメタノール量を調節する能力が付与された直接酸化燃料電池システムが依然として望まれている。加えて、システムの簡易性及び信頼性を実現し大量生産用の当該システムの大規模製造を可能とする、簡易化された電池構造並びに流れ調節用の簡便な機構が必要とされている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
従って、本発明の目的は、第一に、システム内への液体の流入を制御することによってクロスオーバーやキャリーオーバーによるメタノール及び水の浪費を最小限化することであり、より積極的な液体の流れを有するより複雑なシステムにおいて苦慮されるところの寄生損失を最小限化することによって、負荷に供給される正味電力を高める非常に簡便な燃料供給システムを提供することである。この種の受動的な直接酸化燃料電池システムの運転は、燃料電池内の二酸化炭素ガスを分離することによってもまた促進され、それによってＤＭＦＣシステムにおいて少なくとも１つのポンプの必要性がなくなる。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
これらの利点及び他の利点が、簡易化された直接酸化燃料電池システムを提供する本発明によってもたらされる。本発明の一実施形態では、燃料電池は、膜電極アセンブリの燃料極面に概して平行に配置される気体透過性層を有する膜電極アセンブリを備える。当該気体透過性層は、燃料極拡散層に近接して、概して平行に配置された気体透過性の材料を含み、それは、無酸素反応で生じるＣＯ２を除去し、それを燃料極区画から取り除く。こうして、ＣＯ２は簡単にシステムの外に排出され、燃料極反応を妨害し得る蓄積を避けることができる。
【００１５】
加えて、関連する燃料源に接続された燃料供給アセンブリは、燃料に圧力をかけ、それによって燃料を燃料極に供給する加圧要素を備える。こうして、発電反応が起こるとき、ＣＯ２の分離と燃料の消費が組み合わさって起こり、燃料極区画に空き空間が生じる。この生じた空き空間は、加圧した燃料電池供給システムからの新たな燃料ですぐに満たされる。この方法では、消費された量の燃料のみが添加され、それによって、燃料電池システムに未反応燃料を再循環させて戻す必要がなくなる。これはまた、ポンプや弁、及び他の再循環装置の必要性を最小限化又は排除する。本発明の本実施形態の他の態様によれば、燃料電池の空気極側からの液体水の回収、及び水の再循環は必須でない。これによって、さらにＤＭＦＣシステムは簡易化される。限定はしないが、米国特許第５、５９９、６３８号、５、９９２、００８号、及び５、９４５、２３１号に記載のものをはじめとする、積極的なＤＭＦＣシステム設計に関する従前の特許において開示されているように、そのような積極的なシステム設計におけるＣＯ２の排出及びメタノール濃度の制御のためには、燃料極での液体再循環が必要である。
【００１６】
本発明のさらに他の態様によれば、異なる要素が別個の源からの燃料と水とを燃料電池に供給するところの燃料供給アセンブリを備える燃料電池システムが記載される。純メタノール又は濃縮メタノール溶液を１つのチャンバに収容し、水又はより希釈されたメタノール溶液を他のチャンバに収容する。当該チャンバは、好ましくは、圧力下にある柔軟な袋であるが、特定の条件下では、剛体壁を有する容器を用いることができる。外側ハウジング内部に配置された第１の内側容器に燃料溶液が収容され、当該第１の内側容器から燃料電池へと燃料コンジットがつながっている。同じく外側ハウジング内部に配置されている第２の内側容器に、燃料と混合されることになる水が収容される。第２の容器から燃料電池へと、水コンジットがつながっている。混合アセンブリは、燃料コンジットを水コンジットに経路決めし、それによって水と燃料が混合される。あるいはまた、混合アセンブリは水コンジットを燃料コンジットに経路決めし、それによって水と燃料が混合される。あるいはまた、燃料コンジットと水コンジットがつながるところの混合チャンバを備えることができ、混合後、物質は所望の濃度で燃料電池、典型的には燃料電池の燃料極拡散層、に供給される。
【００１７】
本発明の本実施形態の他の態様によれば、燃料溶液及び水は、別個の燃料チャネルによって燃料電池に供給され、プロトン伝導性膜上の燃料極触媒に導入される前に、燃料極拡散層上で直に混合処理が行われる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明を十分に理解するために、従来技術で理解されているような、直接酸化燃料電池の構成要素、直接酸化燃料電池及び典型的な直接酸化燃料電池システムの基本操作を簡単に説明する。従来技術の直接酸化燃料電池システム２を図１に図示する。燃料電池システム２は、例えば直接メタノール燃料電池３（「ＤＭＦＣ」）であり得る、直接酸化燃料電池を備える。例示目的で、本明細書では、燃料成分がメタノール又はメタノール水溶液である、ＤＭＦＣ３を備える本発明の例示的実施形態を説明する。しかしながら、本発明の範囲内において他の燃料を適切な燃料電池に使用し得ることを理解されたい。従って、本明細書で用いるとき、用語「燃料」には、メタノール、エタノール、プロパン、ブタンあるいはそれらの組合せやそれらの水溶液、並びに直接酸化燃料電池システムで使用しやすい他の炭化水素燃料が含まれる。
【００１９】
ＤＭＦＣ３を備えるシステム２は、関連する燃料源から燃料を供給するための燃料供給システム４を有する。ＤＭＦＣ３は、膜電極アセンブリ６（ＭＥＡ）を包囲するハウジング５を備える。ＭＥＡ６は、プロトン伝導性で非導電性の膜７を組み入れている。ＰＣＭ７は、燃料極面８及び空気極面１０を有しており、その各々は、限定はしないが、白金あるいは白金とルテニウムとの混合物あるいは白金／ルテニウム合金をはじめとする、触媒によってコーティングすることができる。当該触媒は、担持することも、非担持とすることもでき、又は改良イオノマー混合物内部に分散させることもできる。ハウジング５とＰＣＭの燃料極面によって画定されるＤＭＦＣ３部分は、本明細書では燃料極チャンバ１８と称する。ハウジングとＰＣＭの空気極面によって画定されるＤＭＦＣ３部分は、本明細書では空気極チャンバ２０と称する。反応物及び副生物の流れを促進するために、流れ場プレート及び拡散層（図１に図示せず）などの直接メタノール燃料電池システムの付加的要素を採用することことができ、燃料極チャンバ１８及び空気極チャンバ２０内部に備えることができる。
【００２０】
ここで図２を参照すると、膜電極アセンブリ６は、中央に配された、プロトン伝導性膜（ＰＣＭ）７を有する。ＰＣＭ７は、電子に対して非透過性であり、それ故、電子は負荷を通って移動し電力をもたらす。ＰＣＭ７は、ポリパーフルオロビニルエーテルスルホン酸（Ｅ．Ｉ．  Ｄｕｐｏｎｔ  ｄｅ  Ｎｅｍｏｕｒｓ  ａｎｄ  Ｃｏｍｐａｎｙ社の登録商標ＮＡＦＩＯＮとして市販されている）などの適切な材料から構成されている。燃料極拡散層２２とＰＣＭ７との間には、触媒１０、典型的には白金あるいは白金とルテニウムとの合金、が配置されている。空気極拡散層２４とＰＣＭ７との間にも、空気極触媒１２、典型的には白金、が配置されている。また、燃料極拡散層２２は、燃料極流れ場プレート２６と接触している。本発明のいくつかの実施形態では、流れ場プレート２６と拡散層２２は１つの構成要素からなすことができる。空気極拡散層２４は、空気極流れ場プレート２８に接触している。燃料電池のこれらの構成要素は、電気伝導を促進し且つ接触損失を最小限化するように互いに明確に定義された接触状態にある。当業者には理解されるように、ＭＥＡは６層からなるデバイスである必要はなく、いくつかの構成要素の機能が組み合わされる場合には、より少ない構成要素からなることができる。
【００２１】
さらに、当業者には十分理解されるように、発電反応は、燃料成分がＰＣＭ７の燃料極面８に導入され、且つ酸素、通常は周囲空気の導入によって簡易化されている、がＰＣＭ７の空気極面１０に導入される際に、起こる。より詳細には、炭素質燃料は、ＤＭＦＣ３の燃料極チャンバ１８に供給される。燃料混合物は、後に本明細書でさらに詳しく論じる流れ場プレート及び／又は拡散層内のチャネルを通って通過し、ついには触媒に達する。膜表面上にある、又はさもなければ膜表面近傍に存在する、触媒は、ＰＣＭ燃料極面上で炭素質燃料の直接酸化を可能とする。これによって、燃料混合物の燃料及び水分子からＣＯ２、プロトン及び電子が生成する。外部回路を閉じると、これらのプロトンは、電子に対して非透過性のＰＣＭ７を通過する。電子は、外部回路の負荷２１を通って移動し、負荷に電力を供給した後、空気極電気化学反応においてプロトン及び酸素と再結合する。化学反応が続く限り、電流は外部回路を通り続ける。
【００２２】
本発明によれば、受動的なＤＭＦＣシステムが提供され、そこでは、燃料極からの未反応燃料を再循環する必要がないように供給燃料が効率的に消費されるような様式でＭＥＡ６に燃料が供給される。これは、本発明のいくつかの態様に基づいて実施可能である。当業者には十分理解されるように、直接メタノール燃料電池は、反応の化学生成物として、空気極において液体の水（Ｈ２Ｏ）を、燃料極において二酸化炭素ガス（ＣＯ２）を生成する。図１及び米国特許第５、５９９、６３８号に記載されているもののような従来システムは、未反応の燃料混合物及びそれに含まれる二酸化炭素を燃料電池燃料極チャンバ外部に置かれたガスセパレータ内を循環させることによって、又は燃料電池燃料極チャンバ外部に置かれた排出口において二酸化端を周囲環境に直に受動的に、即ち溶液中では気体は上昇しやすいことを利用して、排出させることによって、燃料極反応で生じた二酸化炭素をシステムから周囲空気へと分離する。あるいはまた、二酸化炭素を用いて、システム内部の仕事を実施することができる。そのようなシステムは、ＰＡＳＳＩＶＥＬＹ  ＰＵＭＰＥＤ  ＬＩＱＵＩＤ  ＦＥＥＤ  ＦＵＥＬ  ＣＥＬＬ  ＳＹＳＴＥＭとして２０００年１１月２１日に出願された自己の米国特許出願第０９／７１７、７５４号に記載されており、参照することでその全てを取り入れることとする。
【００２３】
二酸化炭素を利用する他の方法は、ＭＥＴＨＯＤ  ＡＮＤ  ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ  ＦＯＲ  ＣＯ２−ＤＲＩＶＥＮ  ＭＡＮＡＧＥＭＥＮＴ  ＦＯＲ  Ａ  ＤＩＲＥＣＴ  ＯＸＩＤＡＴＩＯＮ  ＦＵＥＬ  ＣＥＬＬ  ＳＹＳＴＥＭとして２００１年４月１８日に出願された米国特許出願第０９／８３７、８３１号に記載されており、それは、プロトン伝導性膜の空気極面に積極的に空気を引き寄せるために二酸化炭素を利用する方法を説明している。
【００２４】
一方、本発明によれば、まず第一に、二酸化炭素を含有する燃料溶液を循環させる必要なくシステム外に二酸化炭素が排出される場合、ポンプを用いずに構築することで、直接メタノール燃料電池を簡易化することができる。本発明の概略図を図１Ａに記載しており、それは、ＣＯ２のそのような受動的な選択的排出を可能とする二酸化炭素セパレータを備えている。
【００２５】
二酸化炭素は、気体透過性層３０によって、システムの外に排出される。図２では、気体透過性で液体非透過性の層が、燃料極拡散層の反対側に機械的に固定あるいは結合されている。これは、ガスセパレータ／燃料極拡散層／燃料極触媒／ＰＣＭ／空気極触媒／空気極拡散層を備える６層からなるＭＥＡを形成する。当該ＭＥＡの燃料極側からの燃料極生成気体（ＣＯ２）の除去は、好ましくは多孔性もしくは発泡ＰＴＦＥから構成された気体透過性層３０によって達成され、それは、直接メタノール燃料電池膜７の燃料極面８に密接した燃料極拡散層の前面とは反対の側に近接して配置される。ＣＯ２を受動的に効果的に除去することで、燃料極燃料消費プロセスによっては燃料極区画の容積変化のみが生じるため、得られるシステムは、消費される速度にて燃料を導入させることだけで、燃料極への燃料の供給を自己調節する。
【００２６】
燃料の消費及び生成二酸化炭素の放出によって生じる空間を十分に満たすのに十分な燃料が常にシステムに導入されることを保証するために、燃料は、微圧下で電池に供給される。燃料極区画において生じた気体は、分離膜両側でのＣＯ２分圧の差によって気体透過性層３０を通って移動する。生成ガスが効果的に排出される場合には、燃料極区画での燃料消費によって空き空間がもたらされ、当該空き空間は即座に加圧した燃料源からの追加の燃料によってみたされるであろう。燃料極区画には燃料出口が実質的になく、それ故、燃料は、消費される速度にて、及び／又はメタノールクロスオーバーによって浪費される速度でしか燃料極区画１８に入ることができない。しかしながら、受動的なＤＭＦＣシステムに関するこのスキームによれば、消費と同速度で燃料を供給し、燃料極区画内のメタノール濃度を制限し制御することによって、メタノールクロスオーバーが最小限化される。
【００２７】
図３は、気体透過性層３０の上面図であり、その中には流れ場チャネル３４が作られている。燃料混合物は、燃料極チャンバに添加され、そして曲線状経路の流れ場３４に沿って気体透過性膜に沿って移動し、燃料が燃料極拡散層に導入される。
【００２８】
図５及び６に図示するように、気体透過性層３０は、燃料極表面８に密接している拡散層２２に近接して配置されている。燃料入口５０によって、ＭＥＡ６の気体透過性層３０と空気極表面８との間に燃料を導入することができる。気体透過性層３０内の流れ場は、燃料を蛇行した経路に沿って送り、実質的に均一となるように燃料極拡散層を横切って燃料を供給する。
【００２９】
反応でＣＯ２が生じると、それは気体透過性層中に引き込まれ、膜電極アセンブリから離れる。気体透過性層３０は、気体に対して透過性であるが、メタノールや水のような液体に対しては非透過性であり、また他の疎水性材料から作られているため、当該気体透過性層を燃料溶液中の液体が通過するのを防ぐことができる。ＣＯ２分離層内に流れ場をホットプレスしたりあるいは切削加工することによって燃料コンジットを作ることができ、それは好ましくは、発泡ＰＴＦＥあるいは他の気体透過性材料から製造される。漏れに抗するためそれをシールし（より暗い部分４４によって概略的に図示するように）、それによって気体のみがシステムの外側に向く矢印の方向に移動し、燃料は図面に対して垂直方向（ｚ軸）に移動する。あるいはまた、気体透過性層３０部分は、特定領域のみ二酸化炭素を通過させることができ、これによって気体透過性層３０のこれらの領域でそれが除去されるように、処理することができる。従って、膜３０による燃料電池燃料極チャンバ１８からの燃料極生成気体の除去は、分離コンジットや分離チャンバ内を燃料を移動させる必要なく実施されることを理解されたい。さらに、ＭＥＡ６に気体透過性層３０を機械的に取り付けたり、又は拡散層にそれを結合させたりすることによって、図２記載の６層からなるＭＥＡを形成することが可能である。
【００３０】
あるいはまた、気体透過性膜を、ＰＣＭ７の表面に隣接する燃料極拡散層と物理的に接触させた状態とすることもできる。いずれの場合においても、ＣＯ２分子が合体して、燃料電池内及びその周辺の流体の流れを妨害し得る大きな泡沫を形成する前に、燃料極拡散層を通ってＣＯ２が外部に出られるように、気体透過性膜は十分に近接している。気体透過性膜は、燃料極反応で生じた二酸化炭素ガスを燃料極表面から離れさせる。当業者は、当該気体透過性膜が、二酸化炭素の放出を可能とするだけでなく、大気中の酸素が燃料電池の燃料極区画内に入ることも可能とすることを理解されよう。酸素が燃料極チャンバに入ると、燃料電池の電力出力の低下させ、ＤＭＦＣシステムの性能に悪影響を与える。しかしながら、この問題は、Ｂｉｏｇｅｎｅｒａｌ  Ｉｎｃ．社から入手可能なＴｅｆｌｏｎ  ＡＦチューブのような気体選択材料を利用することによって対処することができ、それは、優先的に二酸化炭素を通過させ、酸素に関してはそれより著しく少ししか通過させず、それによってシステムから二酸化炭素を除去しつつシステムに導入される酸素量を制限することができるものである。さらに、一旦燃料電池から放出されると、蛇行経路を介して周囲環境にまで二酸化炭素を移動させることができ、それによって、燃料極チャンバ内へ酸素が入るのを実質的に防止する二酸化炭素の「膜」が形成される。大気圧よりも高い燃料極チャンバ内部のＣＯ２圧によって、燃料極チャンバを離れるＣＯ２の流れは促進されるため、二酸化炭素の「膜」の形成はさらに助長される。いずれの場合においても、酸素の制限導入に起因する損失は、流量制御装置の寄生電力消費によって生じるそれらよりは非常に低いと考えられる。
【００３１】
本発明の他の態様によれば、空気極反応で生じた水は大気中に蒸発するか、さもなければ除去される。こうして、水を再循環させるための付加的要素は必要ない。この方法では、燃料消費時に容積復元法（ｖｏｌｕｍｅ  ｒｅｐｌａｃｅｍｅｎｔ  ｍｅｔｈｏｄ）により燃料が添加されるところの、受動的なシステムが提供される。これによって、比較的寄生損失が低いために負荷に供給される正味の電力が向上するであろう簡便なシステムが提供される。図６を参照すると、本発明の他の態様を概略的に図示しており、そこでは、膜電極アセンブリの異なるポート位置に第２の燃料入口６０が備えられており、システム内に第２の燃料濃縮物を導入することができる。例えば、燃料極チャンバ１８内への２つの燃料入口を有することによって、第１の入口５０によって高濃度メタノール（あるいは純メタノール）を供給することができ、例えば、第２のポート６０によって低濃度メタノール（あるいは水）を供給することができる。各入口は、別個独立して、メタノールあるいは水（種々の濃度の水溶液）を供給することができ、それによって高濃度燃料と低濃度燃料とを切り替えることによって燃料濃度を制御することができる。弁のフィードバック機構には、電池温度、メタノール濃度、セル電圧、セル電流及びセル電力出力又は特定の用途で望まれる他の手段を用いることができる。図６では、燃料入口を燃料電池システムの反対側に配置して示しているが、それらは互いに近接して配置することも同様にできる。
【００３２】
図５及び６に図示する設計によって、もし必要であるとしても小数のポンプを用いて、十分に機能的なＤＭＦＣを製造することができる。これは、本明細書に記載のような携帯型機器に関して特に重要である。何故ならば、そのような機器では、たとえ小さいポンプでも、各ポンプの運転に伴い、かなりの寄生電力損失につながり得るからである。比較的複雑で且つ非効率的な操作である、燃料の再循環、空気極での水の収集、又は反応物や副生物の内部循環を必要としない機能的なＤＭＦＣを組み立てることもできる。この設計によって、システム容積電力密度が高く寄生電力損失が最小限である非常にコンパクトなＤＭＦＣシステムを構築することができ、より少数の積極的制御機構を備えるＤＭＦＣを実現することができ、それによって、ＤＭＦＣシステムの複雑性と経費が削減される。
【００３３】
本発明の他の実施形態では、気体透過性材料を用いる少なくとも１つの表面を有する燃料極チャンバを製造する以外は、典型的な拡散層を用いてＤＭＦＣを製造する。本発明の本態様の２つの例を、図６Ａ及び６Ｂに記載する。図６Ａ−６Ｂでは、気体透過性層領域を図６ａにおいては窓６２及び６４で、図６Ｂにおいては小窓６５から６８で表している。これらの気体透過性部分は、二酸化炭素ガスが燃料電池から除去されるのを可能とする。本発明の本実施形態を実施すれば、より典型的なＭＥＡアセンブリをＤＭＦＣ及びＤＭＦＣシステムの製造に利用することができる。
【００３４】
加えて、気体透過性材料を通過するメタノール蒸気が周囲環境中に存在する酸素にさらされる際に確実に酸化されるように、気体透過性材料に触媒を適用することもできる。
【００３５】
図を明瞭とする目的で、図６Ａ及び６Ｂは、燃料極チャンバの一方の側の気体透過性膜領域を示していることに注意されたい。本発明の範囲内において、気体透過性表面、窓あるいは他の形状を、燃料極チャンバの任意の面上に、あるいは当該チャンバの複数の面（あるいは側）上に、設計し得ることを理解されたい。
【００３６】
ここで図７Ａから１０を参照すると、本発明の他の態様が記載されている。図７は、図１のシステム（構成要素が燃料容器及び供給アセンブリ４として符号を付されているもの）において用いることができる、燃料容器及び供給アセンブリ７００を図示している。当該燃料容器及び供給アセンブリ７００は、外側ハウジング７０２を備える。当該外側ハウジング７０２は、実質的に剛体のカートリッジとし得る。カートリッジ７０２は、外部の燃料供給装置、又はシステム内部の内部リザーバ内に挿入することができる。当該カートリッジ７０２は、２つの折り畳み式容器を収容しており、第１の容器７０４は燃料溶液用容器である。これには、重メタノールあるいは濃縮メタノール水溶液の状態のＭｅＯＨ（「メタノール」）を用いることができる。第２の折り畳み式容器７０６は、好ましくは、水あるいは希釈メタノール水溶液（「水」）を収容する。燃料容器７０４はコンジット７１０を有しており、それは、ハウジング７０２から燃料電池システムの方へつながっており、当該システムは線７２０で概略的に示されている。水容器７０６である第２の容器は、システム７２０へつながっているコンジット７２２を有する。
【００３７】
インターフェース７３０は、燃料容器、供給アセンブリ、及び燃料電池システムの間に適切に配された密封シールである。それには、機械的接続又は液体及び気体の両方に対して非透過性のエラストマーシールを用いることができ、それによって、メタノール溶液及び水は、漏れや損失なく燃料電池システム内に送られる。本発明の代替態様によれば、燃料容器及び供給アセンブリ７００は外側ハウジング７０２（燃料容器７０４及び水容器７０６を収容する）を有し、この場合、インターフェース７３０は直接メタノール燃料電池システム内部に配される（図７Ｂ）。
【００３８】
当業者には理解されるように、燃料電池に供給される燃料濃度を調節するために、メタノール又はメタノール溶液を水と混合することが望ましい。ある場合には、システムを始動するために、あるいは高出力需要を満たすために、高濃度の燃料が必要となる場合がある。システムを連続的に作動させるために、又はバッテリー支援ＮＶＲＡＭによってもたらされる機能と同様の、システム電力オフのときの携帯情報端末内の非揮発データの維持のような非常に低電力の機能ために電力を供給するためには、比較的低濃度の燃料が必要となる。
【００３９】
図７Ａ及び７Ｂの実施形態では、メタノール及び水は、別々のコンジット７１０と７２２を介してシステム内部に導入される。混合は、メタノールコンジット７１０が水コンジット７２２に合流し当該２つの物質が単一コンジット７４０内で混合されるところの図７Ａに示すもののような、多数の方法の１つを用いて実施される。あるいはまた、図７Ｂに図示するように、水コンジット７２２がメタノールコンジット７１０に合流する。燃料成分の流れは、弁７４８のような絞り弁によって制御することができる。合流したコンジット７４０は、次いで、本明細書において先述したように、燃料電池の燃料極部分１８（図５）の流れ場プレート及び拡散層（又は気体透過性層）に導かれる。
【００４０】
本発明の他の態様を、図８に図示する。図８は、メタノールあるいはメタノール溶液容器８０４と水容器８０６とを収容する外側ハウジング８０２を有する燃料供給アセンブリ８００を示す。コンジット８１０は、メタノール容器８０４から引かれている。コンジット８２２は、水容器８０６から引かれている。インターフェース８３０は、燃料電池システム８２０内に入る２つのコンジットのための密封接続をもたらす。
【００４１】
弁をつけられた適切な量のコンジット８１０及び８２２は、所望のメタノール濃度に適合するように、混合チャンバ８５０に導入される。混合されると、燃料水溶液は、弁８５６で流れを調節され、図５に図示されるもののような、燃料流れプレート及び燃料電池膜電極アセンブリの燃料極部分拡散層に送られる。
【００４２】
当業者には理解されるように、ポンプを用いて本発明を実施することで、必要なときに確実に燃料混合物を利用することができる。しかしながら、ポンプは燃料電池システムに複雑性、重量及び容積を付与し、寄生損失を増大させるため、ＦＵＥＬ  ＣＯＮＴＡＩＮＥＲ  ＡＮＤ  ＤＥＬＩＶＥＲＹ  ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ  ＦＯＲ  Ａ  ＬＩＱＵＩＤ  ＦＥＥＤ  ＦＵＥＬ  ＣＥＬＬ  ＳＹＳＴＥＭと題された２００２年１月８日付けの同出願人による現在同時出願中の米国特許出願第１０／０４１、３０１号に記載のような、加圧要素を備える加圧カートリッジが好ましい。また、燃料容器及び供給システムはカートリッジ式である必要はなく、補充式である必要さえないことにも注意されたい。燃料容器は、電力を供給するシステムあるいは装置の内部に収容することができる。あるいはまた、使い捨てユニットとして管理することも、本発明の範囲内である。
【００４３】
本発明の本実施形態の他の態様を図９に示す。燃料容器及び供給アセンブリ９００（図９）は、メタノール溶液用容器９０４と水用容器９０６を包囲する外側ハウジング９０２を有する。メタノール溶液はメタノールコンジット９１０を通って流れ、水は水コンジット９２２を通って流れる。これらのコンジットを、図１０において断面図で示している。当該コンジットは、その中を流体が通過し得るそれらの壁に沿って開口を備える。メタノールは、コンジット１０１０の壁の中を通過し、燃料極拡散層１００１中に入る。同様に、水は流れチャネル１０１２内の開口を介して燃料電池燃料極拡散層１００１に分散する。プロトン伝導性膜１００５（空気極拡散層１００８にも密接している）に導入される前に、異なる液体は拡散層内で混ざり合う。弁を用いて、各拡散層に分散される燃料及び／又は水の量を制御することができる。
【００４４】
図７Ａから１０に図示される実施形態では、燃料用容器７０２と水用容器７０６内に保持されたメタノールと水との燃料混合物の種々の成分は、例えば、加圧下にある柔軟な袋として容器に入れられている。あるいはまた、当該容器は剛体壁を有するチャンバとすることができ、この場合、燃料は吸引あるいは重力によって引き寄せられる。重ねて、当業者は、メタノールに純メタノール又は濃縮メタノール水溶液のどちらでも使用し得ることは理解されるであろう。
【００４５】
本発明のこれらの実施形態は、水や燃料を再循環せず且つ二酸化炭素の除去に気体透過性層を用いる燃料電池システムに採用することが好ましい。
【００４６】
本明細書に記載の本発明によって、簡易化されより少ない電力損失を示し且つポンプや他の再循環要素の使用を必要としない、改良された直接酸化燃料電池がもたらされることが、当業者には理解されよう。それはまた、燃料濃度の調節を可能とし、それによって、消費時のみ燃料を添加することができるようになる。こうして、システム内への燃料導入を制限することによって、メタノールクロスオーバー及び水キャリーオーバーに伴う問題は軽減される。
【００４７】
先の説明は、本発明の特定の実施形態に関するものであった。しかしながら、説明した実施形態に他の変更及び他の改良を施し、そのような利点のいくつかあるいは全てを実現させ得ることは明らかであろう。従って、添付の特許請求の範囲の対象には、本発明の真の趣旨及び範囲に合致する限り、そのような全ての変更及び改良が包含される。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】従来技術の直接酸化燃料電池システムのブロック図
【図１Ａ】本発明を採用し得る直接メタノール燃料電池システムのブロック図
【図２】燃料極拡散層に密接した燃料極気体透過性層を備える、本発明の膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）の一実施形態の概略断面図
【図３】その中に燃料流れ通路システムが備えられている、本発明の気体分離層の平面図
【図４】燃料溶液に対しては非透過性であると共に二酸化炭素を分離し得る、本発明の気体透過性層の実施形態の概略的な側断面
【図５】気体透過性で液体非透過性の膜が燃料極表面に近接して配置されており、それによって二酸化炭素をシステム外に排出し得る、本発明の他の実施形態の概略的な側部
【図６】システムに第２の燃料入口が付与され、それによって高濃度メタノールを第１の入口に供給し、低濃度のものを第１の入口に供給し得る、図５記載の装置の代替実施形態
【図６Ａ】本発明の一態様による、気体透過性壁部分を有する燃料極チャンバの等角投影図
【図６Ｂ】異なる態様の燃料極チャンバを含む、気体透過性材料を備える図６Ａ記載の装置
【図７Ａ】燃料及び水用の別個の袋を収容する、本発明のによる直接メタノール燃料供給アセンブリの一実施形態の概略断面図
【図７Ｂ】図７Ａ記載の装置の代替実施形態
【図８】燃料溶液と水が別個の燃料袋内にあり且つ燃料と水を混合するための混合チャンバにつながっているコンジットを備える、本発明の燃料容器及び供給装置の他の実施形態
【図９】燃料及び水用の別個のコンジットが燃料電池の拡散層に直につながっている、燃料容器及び供給装置の代替実施形態
【図１０】本発明による、燃料極拡散層に接触して示されているコンジットを備える、図９記載の装置の側断面
【図１】
2005518646.tif 000002
【図１Ａ】
2005518646.tif 000003
【図２】
2005518646.tif 000004
【図３】
2005518646.tif 000005
【図４】
2005518646.tif 000006
【図５】
2005518646.tif 000007
【図６】
2005518646.tif 000008
【図６Ａ】
2005518646.tif 000009
【図６Ｂ】
2005518646.tif 000010
【図７Ａ】
2005518646.tif 000011
【図７Ｂ】
2005518646.tif 000012
【図８】
2005518646.tif 000013
【図９】
2005518646.tif 000014
【図１０】
2005518646.tif 000015
【国際調査報告】
2005518646.tif 000016
2005518646.tif 000017
2005518646.tif 000018
2005518646.tif 000019