(57)【要約】主表面（２６）を有する基部（１４）を含む燃料電池（１０）及び燃料電池装置を形成する方法。少なくとも一つの燃料電池薄膜電極アセンブリ（１６）は、基部の主表面に形成される。水回収及び再循環システム（６４）は、キャップ部（２８）に画定され、基部に画定される水回収及び再循環チャネル（５３）に連通している。水回収及び再循環システムは、再循環のため少なくとも一つの燃料電池薄膜電極アセンブリのカソード側（２２）から、燃料電池薄膜電極のアノード側（１８）へ反応水を集めるために形成される。排出分離室（５０）は、基部に画定され、発生した気体の排出のために燃料電池薄膜電極アセンブリに連通する。
2005527063.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単一の本体で形成され、かつ主表面を有する基部と、
前記基部の前記主表面上に形成された、少なくとも一つの燃料電池薄膜電極アセンブリと、
前記少なくとも一つの燃料電池薄膜電極アセンブリから反応水を回収するために、配置される水回収及び再循環システムと、
前記基部内に画定され、かつ前記少なくとも一つの燃料電池薄膜電極アセンブリに連通する流体供給チャネルと、前記流体供給チャネルは、混合室と少なくとも一つの燃料含有流体入口とを備えることと、
前記基部内に画定され、かつ前記少なくとも一つの燃料電池薄膜電極アセンブリに連通する水回収及び再循環チャネルと、前記水回収及び再循環チャネルが、前記前記水回収及び再循環システムに連通することと、
前記少なくとも一つの燃料電池薄膜電極アセンブリから気体を排出するための前記流体供給チャネルから離間した排出分離室と、前記少なくとも一つの燃料電池薄膜電極アセンブリ、前記水回収及び再循環システム、前記協働する流体供給チャネル、前記水回収及び再循環チャネル、及び、前記協働する排出分離室が単一の燃料電池システムを、共同で、形成することと、
前記燃料電池アセンブリの電気的統合のために、前記基部内に形成される複数の電気構成要素とを備える燃料電池装置。
【請求項２】
前記基部はセラミック、プラスチック、ガラス、金属、シリコンのうちから選択される材料により形成される請求項１に記載の燃料電池装置。
【請求項３】
前記基部の前記主表面に形成される前記少なくとも一つの燃料電池薄膜電極アセンブリは、前記基部の前記主表面に形成される複数の燃料電池薄膜電極アセンブリからなり、各前記複数の燃料電池薄膜電極アセンブリは、隣接する燃料電池薄膜電極アセンブリから少なくとも０．０１ｍｍの間隔で配置される請求項２に記載の燃料電池装置。
【請求項４】
前記燃料電池薄膜アセンブリは、更に、第一電極と、前記第一電極に隣接するプロトン伝導性電解性で形成されるフィルムと、及び前記フィルムと接触される第二電極とを備える請求項１に記載の燃料電池装置。
【請求項５】
燃料電池薄膜電極アセンブリは、更に、前記第一電極において前記隣接フィルムの反対側に配置される気体拡散層、及び前記第二電極において前記隣接フィルムの反対側に配置される気体拡散層を備える請求項４に記載の燃料電池装置。
【請求項６】
単一の本体で形成され、かつ主表面を有する基部と、前記基部はセラミック、プラスチック、ガラス、金属、及びシリコンのうちから選択される材料により形成されることと、
前記基部の前記主表面上に形成された、少なくとも一つの燃料電池薄膜電極アセンブリと、前記少なくとも一つの燃料電池薄膜電極アセンブリは、第一電極と、プロトン伝導性電極から形成されたフィルムと、第二電極とを備えることと、
前記基部内に画定され、かつ前記少なくとも一つの燃料電池薄膜電極アセンブリに燃料含有流体を供給するために少なくとも一つの燃料電池薄膜電極アセンブリに連通する流体供給チャネルと、前記流体供給チャネルは、少なくとも一つの流体入口及び混合室を備えることと、
前記少なくとも一つの燃料電池薄膜電極アセンブリに連通する排出分離室と、前記排出分離室は、前記少なくとも一つの離間した燃料電池薄膜電極アセンブリから気体を排出するために、前記流体供給チャネルから離間されることと、
前記排出室及び混合室に流体連通する水再生及び再循環チャネルと、
流れ場を通じて、前記少なくとも一つの燃料電池薄膜電極アセンブリを通過する圧送気体流を生成するように特徴付けられる空気供給器と、前記流れ場に及び水回収及び再循環チャネルに流体連通する気水分離器とからなる水回収及び再循環システムを含むキャップ部と、
前記基部、前記少なくとも燃料電池薄膜電極アセンブリ、前記協働する流体供給チャネル、協働する分離室、前記水回収及び再循環チャネル、及び前記キャップ部が、共同で、単一の燃料電池アセンブリシステムを形成することとからなる燃料電池装置。
【請求項７】
燃料電池装置を製造する方法であって、
セラミック、プラスチック、ガラス、金属、及びシリコンのうちから選択される材料により形成される基部を提供する工程と、
第一電極、プロトン伝導性電解質で形成されるフィルム、及び第二電極を備える少なくとも一つの燃料電池薄膜電極アセンブリを前記基部の主表面に形成する工程と、
前記少なくとも一つの燃料電池薄膜電極アセンブリに燃料含有流体を供給するために、混合室及びメタノール濃度センサを備える流体供給チャネルを前記基部内に形成する工程と、
前記少なくとも一つの離間した燃料電池薄膜電極アセンブリから気体を排出するために、前記流体供給チャネルから離間した排出分離室を前記基部に形成する工程と、
前記排出分離室及び混合室に流体連通して水回収及び再循環チャネルを形成する工程と、
前記水回収及び再循環チャネルと、前記排気分離室とに流体連通した水回収及び再循環システムを、残留燃料含有流体及び反応水の回収及び再循環のために備えるキャップ部を形成する工程と、
前記基部の主表面に少なくとも一つの燃料電池薄膜電極アセンブリを形成する工程とからなり、前記少なくとも一つの離間した燃料電池薄膜電極アセンブリを形成する前記工程は、
前記基部の主表面に第一電極を設ける工程と、
前記第一電極に接触するプロトン伝導性電解質で形成されるフィルムを設ける工程と、
フィルム、少なくとも一つの離間した燃料電池薄膜電極アセンブリ及び協働する流体供給チャネルに接触する第二電極を設ける工程と、
排出分離チャネルと水回収及び再循環システムが協働し単一の燃料電池アセンブリシステムを形成する工程と、
及び形成された燃料電池アセンブリの電気的統合のため複数の電池要素からなる前記キャップ部を備える工程とを有する燃料電池装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池に関し、より詳細には、発電処理中に水を回収し及び再循環する、水回収及び再循環システムを有する直接メタノール燃料電池、及びこのシステムの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は概して、「バッテリの代替物」であり、バッテリと同様、燃焼することなく電気化学工程により電気を生成する。この利用される電気化学工程は、プロトンと空気中もしくは純ガス中の酸素とを結合させる。この工程は、二つの電極、即ちアノードとカソードとの間に挟持されたプロトン交換膜（ＰＥＭ）又はプロトン伝導膜を利用することにより達成される。燃料電池は公知のように、永久的な電気供給源である。水素は一般に、電気を生成するための燃料として使用される。この水素は、メタノール、天然ガス、ガソリンから生成されるか、または純粋水素として貯蔵され得る。直接メタノール燃料電池（ＤＭＦＣｓ）は、燃料として、気体または液体の形態にてメタノールを利用するために、従って高価な改質操作の必要性をなくす。ＤＭＦＣｓは、より単純なＰＥＭ電池システム、さらなる軽量性、合理化された生産性を提供するため、安価である。
【０００３】
標準的なＤＭＦＣでは、希釈されたメタノール水溶液がアノード側（第一の電極）に燃料として供給され、カソード側（第二の電極）は圧送された空気または周囲空気（またはＯ２）に露出される。ナフィオン（登録商標）型などの、プロトン伝導性膜は、一般にアノード側とカソード側とを分離する。これら燃料電池のうちの一部は、電圧又は電力の所要量に従って直列または並列に接続され得る。
【０００４】
一般的なＤＭＦＣの設計は、高温において圧送空気流を伴う大型のスタックである。より少ない空気を吸引するＤＭＦＣの設計はより複雑になる。従来のＰＥＭ燃料電池では、燃料電池アセンブリの間のスタックの連結は、気体分配のためにチャネルまたは溝が機械加工されている導電プレートによってなされる。一般的な従来の燃料電池は、アノード（Ｈ２またはメタノール側）カレントコレクタ、アノード裏当て、薄膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）（アノード／イオン伝導性薄膜／カソード）、カソード裏当て、及びカソードカレントコレクタからなる。各燃料電池は、約１．０Ｖを出力する能力を有する。より高い電圧を得るために、燃料電池は一般に、１つを他のものの上部におくように、直列（バイポーラ式、正から負）に積層される。従来の燃料電池はまた、より大きな電力を得るために並列（正から正）にも積層され得るが、一般にはこれに代えて単により大きな燃料電池が使用される。
【０００５】
直接メタノール燃料電池の作動中、希釈したメタノール水溶液（通常３−４重量重量％メタノール）が、アノード側で燃料として使用される。メタノール濃度が高すぎると、その結果、燃料電池の効率を著しく下げるメタノールのクロスオーバーの問題が生じる。メタノール濃度が低すぎると、アノード側において、燃料電池反応が生じるための燃料が不十分となる。現在の大きなＤＭＦＣの設計は、圧送空気流を利用している。携帯用途に対するシステムの小型化が困難であるため、より空気吸引が小さいＤＭＦＣの設計は実現が難しい。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
非常に希薄なメタノール混合物の形態による燃料の搬送は、携帯用途に対する小型電源の設計としては実用的でない、多大な量の燃料の搬送を必要とする。ＤＭＦＣシステムの
小型化は、別々にメタノール源と水源を備え、燃料電池反応のために正常な位置において混合することを必要とする。アノードへのメタノール及び水の供給を補助するために、燃料電池の反応後に、含水の燃料混合物を再循環し、拡散及び電気浸透効力によりカソードに到着した水と同様に、燃料電池の反応によってカソードにおいて生成される水を再利用することは利益があり得る。
【０００７】
従って、本発明の目的は、水の管理システムが小型化された装置に統合された、直接メタノール燃料電池システム設計を提供することにある。
本発明の目的は、微小チャネルと、空洞と、疎水性／親水性の処置と、且つ、燃料含有流体混合物、ポンピング、生産による副産物の水の再循環のための微小流体技術からなる水の管理システムとを備える直接メタノール燃料電池を提供することにある。
【０００８】
本発明の更なる目的は、全てのシステム構成要素がセラミック基部などの基部の内部、又は基部に隣接する位置に組込まれる、水の管理システムを備える直接メタノール燃料電池を提供することにある。
【０００９】
本発明の更なる目的は、微小チャネルと、空洞と、化学表面修飾と、及び燃料含有混合物、ポンピング、及び生産による副産物の水再循環のための微小流体技術からなる水の管理システムとを備える直接メタノール燃料電池の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の課題及び他の課題は部分的には解決され、上記の目的及び他の目的は、基部を含み、単一の本体で形成され、主表面及びキャップ部を有する燃料電池機器及び、燃料電池を形成する方法により実現される。少なくとも一つの薄膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）は基部の主表面上に形成される。薄膜電極アセンブリは圧送空気流に連通している。圧送空気はキャップ部で形成される流れ場を通じてカソードを通過させる。空気中の酸素は、電気を発生するためにＭＥＡによって利用され、カソードにおいて形成される副産物の水と、薄膜を通じて拡散した水及びメタノールとは、圧送空気流によって搬送され、これにより、空気、酸素が消耗した空気、又は残留酸素、水、及びいくらかのメタノールの混合物として、ＭＥＡを通過して排出される。圧送空気流は、次に気水分離機に入る。空気は疎水性薄膜を通じて分離機から排出され、一方、水は基部に画定される再循環チャネル内に再導入される。再循環チャネルは、少なくとも一つの薄膜電極アセンブリから、副産物の流体／水の再導入のための流体供給チャネルから離間される。流体供給チャネルは基部に画定され、少なくとも一つの薄膜電極アセンブリに燃料含有流体を供給するために少なくとも薄膜電極アセンブリに連結する。基部及びキャップ部を含む薄膜電極アセンブリは単一の燃料電池アセンブリを形成する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
水の管理は全てのポリマー電解質薄膜（ＰＥＭ）燃料電池にとって決定的である。水障壁の形成、又は浸水、それによる反応速度の低下から反応表面を保護する重要性は、決定的である。更に、高プロトン伝導性のために、薄膜の十分な水和を維持することは決定的である。液体の水の生成は、特に、圧力、温度、及び電力に依存する。従来の技術では、液体の水の除去は、主として、温度勾配（２相）、疎水的処理、ミクロ／マクロ多孔質拡散裏当て、対流気流による蒸発を通じて行われてきた。本発明により、気水分離器及び排気チャネルに連通した圧送空気流を含む水の管理の手段を備える燃料電池装置の水の管理を提供することが開示される。より詳細には、圧送空気流は、燃料電池装置のカソード側から、蓄積した液体の水を移動／再送するために利用される。蓄積後、水は、反応及びメタノール流の希釈のために燃料電池装置のアノード側のもとへ再導入／再循環される。
【００１２】
次に図を参照すると、図１は、本発明によって製造された水管理システムを備える直接
メタノール燃料電池の単純断面図である。燃料電池システムは、符号１０で示され、単一の燃料電池アセンブリ１２からなることを示されている。燃料電池アセンブリ１２は基部１４に形成されている。基部１４は、燃料電池アセンブリ１２に動力を与えるために利用される燃料及び酸化物質の混合物に対して非浸透性であるように設計される。一般に、水素含有燃料／酸化物質は燃料電池アセンブリ１２に動力を与えるために利用される。電気エネルギーを発生するために燃料電池アセンブリ１２によって消費される適切な燃料は、水素、メタン、メタノールなど水素含有物質である。この実施例では、メタノールは燃料電池アセンブリ１２のための燃料である。基部１４は一般的にガラス、プラスチック、シリコン、グラファイト、金属、セラミック、あらゆる適切な材料から形成される。この詳細な実施例では、燃料電池システム、又は平面スタック１０は、燃料電池薄膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）により画定される単一の直接メタノール燃料電池アセンブリ１２からなる（目下説明されている）。
【００１３】
基部１４は、内部に、図示するように複数の微小流体チャネルが形成されている。より詳細には、基部１４は、内部に、混合室３６に流体連通して流体入口３０を形成している。混合室３６は流体供給チャネル３２に流体連通している。流体供給チャネル３２は、積層セラミック技術、ミクロ機械加工、射出成形など、周知の標準的な技術を利用して、基部１４内に形成されている。流体供給チャネル３２は燃料含有流体３４を燃料電池１２に供給する。この詳細な例では、燃料含有流体３４は燃料タンク３５から搬送されるメタノール、及び再循環される水からなる（目下説明されている）。混合室３６は、図示されるように、基部１４内において、流体供給チャネル３２に微小流体連通して形成される。好適な実施例では、燃料含有流体３４は好適には水（９９．５重量％−９６．０重量％）内に０．５％−４．０％のメタノールを含む。目標は、メタノールをアセンブリ１０全体内に所望の水準のメタノール濃度を維持するために十分な速度でポンピングし、そして水をアセンブリ１２全体内に所望の水準のメタノール濃度（２％対９８％）を維持するために十分な速度でポンピングすることである。さらに燃料電池アセンブリ１２は、水素やエタノールなど他の流体燃料等を使い得る。しかし、エタノールは効率性が悪く、メタノールを使用した時よりも発生する電力が低いことに注目しなければならない。メタノールは規定の速度までポンプされ、水は、メタノール濃度センサ３８によってモニタされる統合水管理システム、（目下説明されている）、により供給される。メタノール濃度センサ３８は混合物中のメタノール比の維持を補助する。メタノール及び水は、燃料電池アセンブリ１２に流入する前に、混合室３６において均質に混合される。
【００１４】
作動中、アノード排気生成物は二酸化炭素分離室４０においてメタノールを、消費された水／メタノール混合物４６と二酸化炭素気体４８とに分離される。気体４８は気体浸透性薄膜（図示せず）を通って排気され、水／メタノール混合物４６は、ＭＥＭＳポンプ、又はチェックバルブ型アセンブリ等の任意のポンプ５４をその一部に備えた再循環チャネル５３を通って、混合室３６のもとへ再循環される。さらに、水管理システムは、再循環チャネル５３に微小流体連通している（目下説明されている）。水管理システムは、図示のように、燃料電池１２のカソード側から水を回収し、水を再循環チャネル５３に向ける役割をする。
【００１５】
水／メタノール混合物の管理及び再循環、次の燃料電池アセンブリにおける反応、カソードを通過して拡散した水の再生は、システムの小型化のために必要とされる( 目下説明されている) 。燃料供給システムが基部１４と流体連通する携帯用使い捨てカートリッジ様の装置によって搬送される。燃料タンク３５の形状によって、メタノールのみ、又は高濃度メタノールを含むことが予想される。
【００１６】
燃料電池アセンブリ１２は、カーボンクロスの裏当て１９などの気体拡散層及びプロトン伝導性電解質薄膜等のフィルム２０を備える第一電極１８又はアノードと、カーボンク
ロスの裏当て２３などの気体拡散層を備える第二電極２２又はカソードとからなる燃料電池薄膜電極アセンブリ１６を含む。第一電極１８及び第二電極２２は、白金、パラジウム、金、ニッケル、炭化タングステン、ルテニウム、モリブデン、及び合金、又は、白金、パラジウム、金、ニッケル、炭化タングステン、モリブデン、ルテニウムの化合物、又は他の適切な触媒材料のうちから選択される金属材料から形成される。好適な実施形態において、さらにフィルム２０は、燃料電池アセンブリ１２のアノード側（第一電極１８）から各燃料電池１２のカソード側（第二電極２２）への燃料の浸透を大部分防ぐナフィオン（登録商標）型の材料で形成されていると示されている。
【００１７】
詳細な例では、薄膜電極アセンブリ１６は、基部１４の主表面２６の最上位に形成された凹部２４内に配置される。薄膜電極アセンブリ１６は、凹部２４の形成を必要とすることなく、基部１４の主表面２６上に配置させ得ることがこの開示によって予想される。例えば、スペーサ（図示せず）が、基部１４及びキャップ部２８の間にある薄膜電極アセンブリ１６の完全な圧縮を回避するために使用され得る。
【００１８】
さらに、平面スタックアレイ１０は、その内部に形成される水回収及び再循環システム６４を有するキャップ部２８を備える。水回収及び再循環システム６４は、加圧力を提供し、それにより、周辺空気が流れ場２９を通じて圧送され得る空気供給器５０により提供される、圧送空気システムからなる。空気供給器５０は、圧電ポンプ、ダイヤプラムポンプ、ぺリストリックポンプ、ロータリーエアポンプ、等のエアポンプとして形成されるとして開示される。更に、空気供給器５０が扇風機などとして開示されることも予想される。作動中、空気供給器５０は流れ場２９を通じて周囲の空気５２の圧送気流を供給する。空気５２の圧送気流は、カソード２２を流れ、燃料電池アセンブリ１２に酸素を供給し、電気化学燃料電池反応及び電気の生成を提供する。カソード２２を通過した空気５２の圧送気流は、カソード２２に蓄積される水５９が排出流６１に搬送されることを提供する。排出流６１は残留気体５８と残留水６３に分離される気水分離タンク５６に入る。気水分離タンク５６は、疎水性の気体の浸透性薄膜６２であり、燃料電池アセンブリ１２によって利用されなかった残留空気５８を通過させることにより排気を提供するように構成されて開示される。残留水６３は気水分離タンク５６内に集められ、逆浸透性型薄膜６０などの薄膜を通じて再循環チャネル５３に戻され、最終的には燃料電池アセンブリ１２のアノード燃料側に向かう。アノード１８において、反応しないが、逆浸透性型薄膜６０を通過する水の浸透流を増加する燃料含有流体３４への溶質の追加が、この開示によって、予想される。逆浸透性型薄膜６０と気水分離タンク５２の間に能動バルブ（図示せず）を備えることは予想される。集められる水６３が、作動中に薄膜電極アセンブリ１６を通過させられるメタノール燃料を含み得ることが理解される。水／分離タンク５６における水６３の蓄積の次に、水６３は、反応及びメタノール流の希釈のための水回収戻りチャネル５３を通じて、燃料電池アセンブリ１２のアノード側へ戻される。
【００１９】
この型の水の管理システムは、カソードの浸水を除去するが、空気供給器５０に必要とされる電力によって、受動的なシステムよりも消費電力が増加する。それと共に、システムは、容易に且つより完全に回収し、従って、カソードの水の再導入が受動的なシステムよりも大きいことを可能にする。要素の小型化は、より小さな領域において水の回収及び再導入を可能にする。典型的な圧送空気システムの圧送と異なり、本開示の装置は方向の影響を受けない。
【００２０】
製造中、燃料電池薄膜電極アセンブリ１６はホットプレス法や公知の他の標準的な方法を使用して形成される。より詳細には、第一電極１８は基部１４に接触するよう形成、又は設置される。様々な材料が電極１８の形成に適している。適切な材料は、白金、パラジウム、金、ニッケル、炭化タングステン、ルテニウム、モリブデン、様々な合金、又は、それらの材料の化合物、又は他の適切な触媒材料である。
【００２１】
この特定の実施例において、及び、説明目的により、第一電極１８は約２．０ｃｍ×２．０ｃｍの寸法を有する。平面スタック１０は複数の燃料電池アセンブリ１２（図示せず）を備え、隣接する燃料電池アセンブリ１２の間が約０．０１ｍｍから１ｍｍの間隔である。必要な出力に基づき、燃料電池アセンブリ１２の数、燃料電池アセンブリ１２間の測定距離が、一つの単一燃料電池から、多数の燃料電池まで多数の燃料電池まで、燃料電池の平面配置を形成するために製造し得ることが理解される。
【００２２】
プロトン交換膜（ＰＥＭ）とも言われる、プロトン伝導性電解質から形成される、フィルム２０は、ナフィオン（登録商標）型の材料からなる。フィルム２０は上記のように、各燃料電池アセンブリ１２のアノード１８から燃料電池アセンブリ１２のカソード２２までの燃料含有流体３４の浸透を制限する役割をする。
【００２３】
さらに、薄膜電極アセンブリ１６を製造中、第二電極２２は第一電極１８と対応して協動するように形成されている。第二電極２２は対応する第一電極１８とほぼ同じ寸法を有して形成される。上記のように、燃料電池薄膜電極アセンブリ１６は、第一電極１８、フィルム２０、第二電極２２、気体拡散中間層、即ちより詳細には気体拡散層、又はカーボンクロスの裏当て層１９，２３からなることが理解される。
【００２４】
次に図２を参照すると、１０’と言われる燃料電池の別の実施形態が示されている。図２に示される詳細な実施形態の要素と、類似する図１に示される第一実施形態の全ての要素は、同じ番号で記載されているが、異なる実施形態を示すために加えられたプライムを有する。
【００２５】
燃料電池アセンブリ１２’は基部１４’に形成されている。図１に記載したように基部１４’は、さらに燃料電池１２’に動力を与えるために利用される燃料及び酸化物質の混合物に対して、ほぼ非浸透性であるように設計される。この例では、メタノールは燃料電池アセンブリ１２’のための燃料である。平面スタック１０’は燃料電池薄膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）により画定される単一の直接メタノール燃料電池１２’からなる（目下説明されている）。
【００２６】
基部１４’は、内部に図示するように複数の微小流体チャネルが形成されている。より詳細には、基部１４’は、内部に混合室３６’に流体連通する第一流体入口７０及び第二流体入口７２を形成している。混合室３６’は流体供給チャネル３２’に流体連通する。流体供給チャネル３２’は、積層セラミック技術、ミクロ機械加工、射出成形など、周知の標準的な技術を利用して、基部１４’内に形成されている。第一流体入口７０は燃料７１を混合室３６’に供給する。この詳細な例では、燃料７１は、メタノールタンク７５から直接供給されるメタノールを含む。第二流体入口７２は水７３を混合室３６’に供給する。より詳細には、水は水タンク７４から直接供給される。混合室３６’は、流体入口７０，７２、流体供給チャネル３２’及び再循環チャネル５３’に微小流体連通して基部１４’内に形成される。好適な実施例では、混合室３６’は、燃料７１、水７３、及び水／メタノール混合物４６’を混合し、好適には水（９９．５重量％−９６．０重量％）内に０．５重量％−４．０重量％のメタノールを含む燃料含有流体３４’を形成する。目標は、メタノール及び水をアセンブリ１２’全体に所望の水準のメタノール濃度を維持するために十分な速度でポンピングすることである。さらに燃料電池アセンブリ１２’は、水素やエタノールなど他の流体燃料等を使い得る。しかし、それらは効率性が悪く、メタノールを使用した時よりも発生する電力が低いことに注目しなければならない。この詳細な例では、別々のメタノールタンク７５及び水タンク７４が燃料含有流体３４’を供給するために使用される。作動中、メタノール７１は規定の速度によってポンプされ、水７３は、メタノール濃度センサ３８’によりモニタされる、（目下説明されている）統合水管理シ
ステムの効率によって判定した必要性に応じて供給される。メタノール濃度センサ３８’は混合物中のメタノール比の維持を補助する。メタノール、水、及び再循環水／メタノール混合物４６’は、混合室３６’において均質に混合され、燃料電池１２’に流入する前に、燃料含有流体３４’を形成する。燃料含有流体３４’への水７３の開始供給が本開示により予想されることが理解される。燃料含有流体３４’への水の次の供給が、統合水管理システムを通じて実現されることが予想される（目下説明されている）。
【００２７】
作動中、アノード排気生成物は二酸化炭素分離室４０’でメタノールを消費された水／メタノール混合物４６’と二酸化炭素気体４８’とに分離される。気体４８’は気体浸透性薄膜（図示せず）を通って排気され、メタノールを消費された水／メタノール混合物４６’は、ＭＥＭＳポンプ、またはチェックバルブ型アセンブリなどの任意のポンプ５４’をその一部に含み有する再循環チャネル５３’を通って、混合室３６’もとへ再循環される。さらに、水回収及び再循環システムは、再循環チャネル５３’に微小流体連通している（目下説明している）。水回収及び再循環システムは、図示のように、燃料電池アセンブリ１２’のカソード側から水及びあるいは非反応メタノールを回収し、これを再循環チャネル５３’に向ける役割をする。
【００２８】
上記のように、水／メタノール混合物の管理及び再循環、次の燃料電池アセンブリ１２’内の反応、カソードを通過して拡散した水の再生（目下説明している）は、システムを小型化するために必要である。この詳細な実施形態において、燃料供給システムが、メタノールタンク７５から供給されるメタノール７１と、最初は水タンク７５から、次に、又は必要ならば同時に、水の回収及び再循環システムから供給される水７３とからなることが予想される。メタノールタンク７５及び水タンク７４は、基部１４’と流体連通する、携帯使い捨てカートリッジ様装置により搬送される。
【００２９】
燃料電池アセンブリ１２’は、カーボンクロスの裏当て１９’などの気体拡散層及びプロトン伝導性電極薄膜等のフィルム２０’を備える第一電極１８’又はアノードと、カーボンクロスの裏当て２３’などの気体拡散層を備える第二電極２２’又はカソードとからなる燃料電池薄膜電極１６’を含む。第一電極１８’及び第二電極２２’は、白金、パラジウム、金、ニッケル、炭化タングステン、ルテニウム、モリブデン、及び合金、又は、白金、パラジウム、金、ニッケル、炭化タングステン、モリブデン、ルテニウムの化合物、又は他の適切な触媒材料のうちから選択される材料からなる。さらにフィルム２０’は、燃料電池アセンブリ１２’のアノード側（第一電極１８’）からカソード側（第二電極２２’）への燃料の浸透を防ぐナフィオン（登録商標）型の材料で形成されていると示されている。
【００３０】
図１の実施形態と大部分が類似する、薄膜電極アセンブリ１６’は、基部１４’の主表面２６’の最上位に形成された凹部２４’内に配置される。薄膜電極アセンブリ１６’は、凹部２４’の形成を必要とすることなく、基部１４’の主表面２６’上に配置させ得ることがこの開示によって予想される。例えば、スペーサ（図示せず）が、基部１４’及びキャップ部２８’の間にある薄膜電極アセンブリ１６’の完全な圧縮を回避するために使用され得る。
【００３１】
さらに、平面スタックアレイ１０’は、その内部に形成される水回収及び再循環システム６４’を有するキャップ部２８’を備える。水回収及び再循環システム６４’は、空気供給器５０’により供給される、圧送空気システムを備える。空気供給器５０’は、圧電ポンプ、ダイヤプラムポンプ、ぺリストリックポンプ、ロータリーエアポンプ、等のエアポンプとして形成されるとして開示される。更に、空気供給器５０’が扇風機などであることが本開示によって予想される。作動中、空気供給器５０’は流れ場２９’を通じて周囲の空気５２’の圧送気流を供給する。空気５２’の圧送気流は、カソード２２’を流れ
、燃料電池アセンブリ１２’に酸素を供給し、電気化学的な燃料電池反応及び電気の生成を提供する。カソード２２’を通過した空気５２’の圧送気流は、カソード２２’に蓄積される水が排出流６１’により搬送されることを提供する。放出される排出流６１’は大気に戻り、排出流６１’は残留気体５８’と残留水６３’に分離される気水分離タンク５６’に入る。気水分離タンク５６’は、疎水性であり、そこを通過する残留空気５８’の排気を提供するの浸透性薄膜６２’からなるように開示される。残留水６３’は気水分離タンク５６’内に集められ、結合部７８など、直接流体連通を通じて再循環チャネル５３’に戻され、最終的には燃料電池アセンブリ１２’のアノード燃料側に向かう。集められる水６３’が、作動中に、薄膜電極アセンブリ１６’を通過させられるメタノール燃料を含み得ることが理解される。水／分離タンク５６’における水６３’の蓄積の次に、水６３’は、反応及びメタノール流７１の希釈のための再循環チャネル５３’を通じて燃料電池アセンブリ１２’のアノード側へ戻される。
【００３２】
図２に関して示され記載されたこの実施形態は、図１に記載された実施形態とほぼ同様な手段であるが、この詳細な実施形態において、水タンク７４が水の開始起動供給をアセンブリ１２’に供給することが異なっている。作動中、燃料含有流体３４’内の水７３の比率は、統合水管理システム６４’から回収可能な水の量に基づいて調整される。これに加えて、この詳細な実施形態では、回収した水６３’は、結合部７８及び再循環チャネル５３’など直接流体連通を通じて、アセンブリ１２’のアノード側１８’のもとへ容易にポンピングされる
図３を参照すると、図２により示された本発明のシステムを詳細に示す概略ダイヤグラムが示されている。混合室３６に微小流体連通するメタノールタンク７５及び水タンク７４が示されている。混合室３６は、上記のように、メタノールと水の適切な比率を実現する役割をする。適切に混合されると、燃料含有流体は、流体供給チャネル３２を通じて、燃料電池アセンブリ１２に流入する。任意のＭＥＭ型のポンプ３３がこの流れを補助するために利用される。濃度及び温度センサ３８が、燃料含有流体のメタノール濃度及び温度のモニタを補助するために提供される。次に燃料含有流体は燃料電池スタック１２に到達し、発電する。電力がＤＣ−ＤＣコンバータ８０に供給され、ＤＣ−ＤＣコンバータ８０は、携帯電話８２など、その一部に充電可能なバッテリ８４及び制御回路８６を備える携帯電子機器の電源として利用可能な電圧に、発電した電圧を変換する。作動中、圧送空気流５２は統合水回収及び再循環システム６４によって供給される。水６３は、統合水回収及び再循環システム６４の一部として、圧送空気流５２によって、燃料電池アセンブリ１２のカソード側から回収され、及び気水分離室５８内において空気から分離される。次に、水６３は再循環チャネル５３を通じて、混合室３６に戻るように再循環される。流体の再循環は、水タンク７４からのより少ない水の消費と、従って水タンク７４のより少ない補充とを提供し、又は、別の方法として、水タンク７４の除去を提供する。
【００３３】
以上より、単一の燃料電池又は複数の燃料電池を含むものが平面上に形成され、従って、高電圧及び電力が単一の平面上で得られ得ることが提供される、統合水回収及び再循環システムを含む燃料電池システム、及びこのシステムの製造のために提供する製造方法が開示された。
【００３４】
この設計は、燃料電池アセンブリのカソードにおいて生成される水が、圧送空気流により集められ、再循環チャネル通じて混合室に戻るように再循環され、従って、水の供給消費及び補充がのより少ない簡略化したシステムを提供する。さらに、本発明のシステムは、半内蔵型システムであって、あまり方向の影響を受けず、従って、携帯電子機器に電源を供給する場合など、システムの移動を容易に提供することを開示する。
【００３５】
本発明の詳細な実施形態を示し、記載してきたが、更なる変更及び改良が当業者によって行われ得る。従って、本発明は示された特定の形状に限定されないことを理解され、添
付した請求項が、本発明の精神と範囲から離れることなくこのような全ての変更を保護することを意図する。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明による、水管理システムを備える直接メタノール燃料電池の簡略断面図。
【図２】本発明による、水管理システムを備える直接メタノール燃料電池を説明する簡略概略図ダイヤグラム。
【図３】図２により示された本発明のシステムを詳細に示す概略ダイヤグラム。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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