(57)【要約】  燃料電池及び燃料電池の作動方法を開示する。一つの態様において、本発明は、以下、出口を有するハウジングと、ハウジング内に部分を有する構造体と、構造体が空洞を画定し、かつ空洞と流体連通する開口を画定する表面を有するものであり、及びハウジング内の燃料を包含する燃料電池の燃料源、を特色とする。燃料は、構造体の開口及び空洞に通じる出口と流体連通する。
2007522621.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の燃料源であって、
出口を有するハウジングと、
前記ハウジング内に部分を有する構造体と、該構造体が空洞を画定し、かつ、該空洞と流体連通する開口を画定する表面を有するものであり、及び
前記ハウジング内の燃料とを含んでなり、該燃料が前記構造体の前記開口及び前記空洞に通じる出口と流体連通するものである、燃料源。
【請求項２】
前記構造体が細長い管を含んでなり、かつ、前記空洞が管の管腔である、請求項１に記載の燃料源。
【請求項３】
前記開口が、前記開口を通る非ガス状燃料の流量を低減するように設定されてなる、請求項１に記載の燃料源。
【請求項４】
前記ハウジング内に複数個の構造体を含んでなる、請求項１に記載の燃料源。
【請求項５】
前記構造体が疎水性物質を含んでなる、請求項１に記載の燃料源。
【請求項６】
前記出口と流体連通する拡散管を更に含んでなる、請求項１に記載の燃料源。
【請求項７】
前記拡散管を通る流量を選択的に低減できる弁を更に含んでなる、請求項６に記載の燃料源。
【請求項８】
前記出口を通る流量を選択的に低減できる弁を更に含んでなる、請求項１に記載の燃料源。
【請求項９】
前記弁がスリット弁を含んでなる、請求項８に記載の燃料源。
【請求項１０】
前記ハウジングが入口を有し、かつ、前記燃料源が前記入口と流体連通する拡散管を更に含んでなる、請求項１に記載の燃料源。
【請求項１１】
前記燃料がゲルを含んでなる、請求項１に記載の燃料源。
【請求項１２】
前記燃料が液体を含んでなる、請求項１に記載の燃料源。
【請求項１３】
前記燃料がアルコールを含んでなる、請求項１に記載の燃料源。
【請求項１４】
前記燃料がメタノールを含んでなる、請求項１３に記載の燃料源。
【請求項１５】
前記燃料と流体連通する二酸化炭素ゲッターを更に含んでなる、請求項１に記載の燃料源。
【請求項１６】
前記ハウジングが難燃性物質を含んでなる、請求項１に記載の燃料源。
【請求項１７】
前記ハウジングが燃料電池システムと係合するよう設定されてなる、請求項１に記載の燃料源。
【請求項１８】
燃料源であって、
出口を有する前記ハウジングと、
前記ハウジング内に部分を有する複数個の細長い管と、該各管は管腔を画定し、複数個の開口を画定する表面を有してなり、及び
前記ハウジング内のゲルを含む燃料とを含んでなり、該燃料が前記開口及び前記管の内腔に通じる前記出口と流体連通するものであり、
ここで、前記燃料源が燃料システムと流体連通するよう設定されてなる、燃料源。
【請求項１９】
前記燃料がメタノールを含んでなる、請求項１８に記載の燃料源。
【請求項２０】
燃料電池システムであって、
燃料電池と、
前記燃料電池と流体連通する燃料源と、該燃料源がアルコールを含んでなるものであり、及び
流体流路に沿って、前記燃料電池と前記燃料源の間にあるガス移動体とを含んでなる、燃料電池システム。
【請求項２１】
前記燃料源が出口を有するハウジングを含んでなり、かつ、前記ガス移動体が流体流路に沿って前記出口と前記燃料電池の間にある、請求項２０に記載の燃料電池システム。
【請求項２２】
前記燃料源が入口を有するハウジングを含んでなり、かつ、前記ガス移動体が流体流路に沿って前記入口と前記燃料電池の間にある、請求項２０に記載の燃料電池システム。
【請求項２３】
前記ガス移動体が送風機を含んでなる、請求項２０に記載の燃料電池システム。
【請求項２４】
前記流体流路に沿って前記燃料電池と前記燃料源の間に拡散管を更に含んでなる、請求項２０に記載の燃料電池システム。
【請求項２５】
前記流体流路に沿って前記燃料電池と前記燃料源の間にある弁を更に含んでなる、請求項２０に記載の燃料電池システム。
【請求項２６】
前記燃料源がゲルを含んでなる、請求項２０に記載の燃料電池システム。
【請求項２７】
前記燃料源が、出口を有するハウジングと、前記ハウジング内の構造体と、該構造体が空洞を画定し、かつ、該空洞と流体連通する開口を画定する表面を有するものであり、及び
前記ハウジング内の燃料とを含んでなり、該燃料が前記構造体の前記開口及び前記空洞に通じる出口と流体連通するものである、請求項２０に記載の燃料電池システム。
【請求項２８】
前記燃料源が、出口を有するハウジングと、前記ハウジング内の複数個の細長い管と、該各管は管腔を画定し、かつ、前記管腔と流体連通する複数個の開口を画定する表面を有してなり、及び前記ハウジング内のゲルを含む燃料とを含んでなり、該燃料が前記開口及び前記管の前記内腔に通じる前記出口と流体連通するものである、請求項２０に記載の燃料電池システム。
【請求項２９】
燃料電池システムの作動方法であって、
前記燃料ガスが、燃料源内に部分を有する構造体の開口及び空洞を通過し、及び
前記燃料ガスが、燃料電池の陽極に接触することを含んでなる、方法。
【請求項３０】
前記燃料ガスが、前記燃料源内に部分を有する複数個の構造体の複数個の開口及び複数個の空洞を通過することを含んでなる、請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
前記構造体が細長い管を含んでなる、請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
前記燃料ガスが拡散管を通過することを更に含んでなる、請求項２９に記載の方法。
【請求項３３】
弁により燃料ガスを制限することを更に含んでなる、請求項２９に記載の方法。
【請求項３４】
前記燃料源から前記燃料電池に前記燃料ガスを送風することを更に含んでなる、請求項２９に記載の方法。
【請求項３５】
前記燃料電池システムの出口から前記燃料源にガスを送風し、及び該ガスが燃料に接触することを更に含んでなる、請求項に記載２９の方法。
【請求項３６】
前記燃料源が液体燃料又はゲル燃料を含んでなる、請求項２９に記載の方法。
【請求項３７】
前記燃料源がメタノールを含んでなるものである、請求項２９に記載の方法。
【請求項３８】
燃料電池システムの作動方法であって、
燃料源から前記燃料電池に燃料ガスを送風し、該燃料源がアルコールを含んでなるものであり、及び
前記燃料ガスが燃料電池の陽極に接触するこを含んでなる、方法。
【請求項３９】
前記燃料ガスが拡散管を通過することを更に含んでなる、請求項３８に記載の方法。
【請求項４０】
前記燃料ガスの流量を低減することを更に含んでなる、請求項３８に記載の方法。
【請求項４１】
前記燃料源が液体燃料又はゲル燃料を含んでなる、請求項３８に記載の方法。
【請求項４２】
燃料電池システムの作動方法であって、
前記燃料電池システムの出口から燃料源にガスを送風し、及び
前記ガスを前記燃料源内の燃料に接触することを含んでなり、該燃料がアルコールを含んでなるものである、方法。
【請求項４３】
前記ガスが拡散管を通過することを更に含んでなる、請求項４２に記載の方法。
【請求項４４】
前記ガスが乾燥剤又は二酸化炭素ゲッターに接触することを更に含んでなる、請求項４２に記載の方法。
【請求項４５】
前記ガスの流量を低減することを更に含んでなる、請求項４２に記載の方法。
【請求項４６】
前記燃料源が液体燃料又はゲル燃料を含んでなる、請求項４２に記載の方法。
【請求項４７】
燃料電池システムに作動方法であって、
燃料ガスが、燃料源内の部分を有する複数個の構造体の複数個の開口及び複数個の空洞を通過し、
前記燃料ガスが、前記燃料源から燃料電池に送風され、及び
前記燃料ガスが、前記燃料電池の陽極に接触することを含んでなる、方法。
【請求項４８】
前記燃料ガスが拡散管を通過することを更に含んでなる、請求項４７に記載の方法。
【請求項４９】
前記燃料ガスの流量を低減することを更に含んでなる、請求項４７に記載の方法。
【請求項５０】
前記燃料電池から燃料源に出口ガスを送風し、及び該出口ガスが前記燃料源内の燃料と接触することを更に含んでなる、請求項４７に記載の方法。
【請求項５１】
前記出口ガスが拡散管を通過することを更に含んでなる、請求項５０に記載の方法。
【請求項５２】
前記出口ガスの流量を低減することを更に含んでなる、請求項５０に記載の方法。
【請求項５３】
前記燃料源が液体燃料又はゲル燃料を含んでなる、請求項４９に記載の方法。
【請求項５４】
燃料電池用の燃料源であって、
出口を有するハウジングと、
前記ハウジング内に部分を有する構造体と、該構造体が空洞を画定し、及びガス透過性物質、液体不浸透性物質を含むものであり、及び
前記ハウジング内の燃料とを含んでなり、該燃料が前記構造体の前記開口及び前記空洞に通じる前記出口と流体連通するものである、燃料源。
【請求項５５】
前記ガス透過性物質、前記液体不浸透性物質がポリテトラフルオロエチレンを含んでなる、請求項５４に記載の燃料源。
【請求項５６】
前記燃料が液体又はゲルを含んでなる、請求項５４に記載の燃料源。
【請求項５７】
前記ハウジング内に複数個の構造体を含んでなる、請求項５４に記載の燃料源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池及び電池の作動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、一般に２つ以上の反応体間の電気化学反応から、電気エネルギーを提供できる装置である。一般に燃料電池は、陽極及び陰極と呼ばれる２つの電極と、電極間に配置された固体電解質とを包含する。陽極は陽極触媒を含有し、陰極は陰極触媒を含有する。電解質膜のような電解質は、一般的にイオン的に伝導性であるが、電子的に非伝導性である。電極及び固体電解質は、２つのガス拡散層（ＧＤＬｓ）間に配置され得る。
【０００３】
燃料電池の作動中、反応体は適切な電極に導かれる。陽極では、反応体（単数又は複数）（陽極反応体（単数又は複数））は、陽極触媒と相互作用し、イオン及び電子のような反応中間体を形成する。イオン反応中間体は、陽極から陰極に、電解質を通って流れることができる。しかし電子は、電気的に陽極及び陰極に接続する外部荷電（load）を通って、陽極から陰極に流れる。電子が外部荷電（load）を通って流れると、電気エネルギーが提供される。陰極では、陰極触媒は、もう一つの反応体（単数又は複数）（陰極反応体（単数又は複数））、陽極にて形成された中間体、及び電子と相互作用し、燃料電池反応を完結する。
【０００４】
例えば、直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）と呼ばれることもある燃料電池の一種では、陽極反応体はメタノール及び水を含有し、陰極反応体は酸素（例えば空気から）を含有する。陽極ではメタノールが酸化され；及び陰極では酸素が還元される：
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−        （１）
３／２Ｏ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−→３Ｈ２Ｏ        （２）
ＣＨ３ＯＨ＋３／２Ｏ２→ＣＯ２＋２Ｈ２Ｏ        （３）
式（１）に見られるように、メタノールの酸化は、二酸化炭素、プロトン、及び電子を製造する。プロトンは、陽極から陰極に、電解質を通って流れる。電子は、陽極から陰極に、外部荷電（load）を通って流れ、それにより電気エネルギーを提供する。陰極では、プロトン及び電子が酸素と反応し、水を形成する（式２）。式３は、全体的な燃料電池反応を示す。
【０００５】
本発明は、燃料電池及び電池の作動方法に関する。
【０００６】
一つの態様において、本発明は、透湿要素（単数又は複数）、及び気相燃料を放出し得る燃料（例えば燃料ゲル）を包含する燃料源を有するＤＭＦＣシステムのような燃料電池システムを特色とする。透湿要素（単数又は複数）は、高い表面積（比較的一定な燃料との境界面）を備えることができ、その結果、比較的一定な燃料を供給することができる。さらに、高い表面積の境界面は、気相中の燃料の供給と相まって、燃料源の幾何学的多様性及び配置多様性を高める。燃料源は、例えば燃料電池の設置面積の領域に一致する必要がない。また気相燃料の供給は、寄生損失（及び実行時間の低減）並びに陰極での混成電位（及び出力の低減）を引き起こし得る陽極から陰極への燃料の移動（例えば、メタノールクロスオーバー）を低減することもできる。さらには、燃料源は、低容量設計において、漏電に対する良い防御と同時に、これらの特色を備え得る。
【０００７】
ある実施形態では、燃料電池システムは、気相燃料の流量を積極的に調整し、さらにシステムの性能（例えば、燃料源の配置多様性（orientational versatility））を高める１つ以上のガス移動体を包含する。
【０００８】
あるいは又は加えて、燃料電池システムは、気相燃料の流量を調節する１つ以上の制限的機構を包含することができる。
【０００９】
一つの態様において、本発明は以下、出口を有するハウジングと、ハウジング内に部分を有する構造体と、該構造体が空洞を画定し、かつ、該空洞と流体連通する開口を画定する表面を有するものであり、及び前記ハウジング内の燃料を含んでなり、該燃料が前記構造体の前記開口及び前記空洞に通じる出口と流体連通するものである燃料電池のための燃料源を特色とする。
【００１０】
実施形態は、以下の特色の１つ以上を包含してもよい。構造体は細長い管を含有し、かつ空洞は管の管腔である。ハウジングは入口を有し、かつさらに燃料源は入口と流体連通する拡散管を含んでなる。ハウジングは難燃性の物質を包含する。ハウジングは、燃料電池システムと係合するよう設定される。開口は、開口を通る非ガス状燃料の流量を低減するよう設定される。燃料源は、ハウジング内に複数個の構造体を包含する。構造体は疎水性物質を包含する。さらに燃料源は、拡散管を通る流体の流量を選択的に低減できる出口及び／又は弁（例えばスリット弁）と流体連通する拡散管を包含する。さらに燃料源は、燃料と流体連通する二酸化炭素ゲッターを包含する。燃料はゲル及び／又は液体を包含する。燃料はアルコール（例えばメタノール）を包含する。
【００１１】
もう一つの態様では、本発明は以下、出口を有するハウジングと、ハウジング内に部分を有する複数個の細長い管と、該各管は管腔を画定し、及び複数個の開口を画定する表面を有してなり、及びハウジング内でゲルを含んでなる燃料であって、管の開口及び管腔に通じる出口と流体連通する燃料、ここで燃料源は、燃料システムと流体連通するよう設定されることを包含する燃料源を特色とする。燃料はメタノールを包含することができる。
【００１２】
もう一つの態様では、本発明は以下、燃料電池と流体連通する燃料源であってアルコールを含む燃料を含んでなる燃料源と、及び流体流路に沿って燃料電池と燃料源の間にあるガス移動体、を含有する燃料電池システムを特色とする。
【００１３】
実施形態は、以下の特色の１つ以上を包含してもよい。燃料源は出口を有するハウジングを包含し、及びガス移動体（例えば送風機）は流体流路に沿って出口と燃料電池の間にある。燃料源は入口を有するハウジングを包含し、及びガス移動体は流体流路に沿って入口と燃料電池の間にある。さらに燃料電池システムは、流体流路に沿って燃料電池と燃料源の間にある拡散管を包含する。さらに燃料電池システムは、流体流路に沿って燃料電池と燃料源の間にある弁を包含する。燃料源はゲルを包含する。
【００１４】
燃料源は以下、出口を有するハウジングと、ハウジング内の構造体が空洞を画定し、かつ空洞と流体連通する開口を画定する表面を有するものであり、ハウジング内の燃料とを含んでなり、燃料が構造体の開口及び空洞に通じる出口と流体連通する燃料を包含できる。
【００１５】
燃料源は以下、出口を有するハウジングと、ハウジング内の複数個の細長い管、この各管は管腔を画定し、及び管腔と流体連通する複数個の開口を画定する表面を有してなり、及びハウジング内のゲルを含んでなる燃料であって開口及び管腔に通じる出口と流体連通する燃料、を包含できる。
【００１６】
もう一つの態様では、本発明は以下、燃料ガスが燃料源内に部分を有する構造体の開口及び空洞を通過し、かつ燃料ガスが燃料電池の陽極に接触する方法を含んでなる燃料電池システムの作動方法を特色とする。
【００１７】
実施形態は、以下の特色の１つ以上を包含してもよい。方法は、燃料ガスが、燃料源内に部分を有する複数個の構造体の複数個の開口及び複数個の空洞を通過することを包含する。構造体は細長い管を包含する。さらに方法は、燃料ガスが拡散管を通過し、弁により燃料ガスを制限し、燃料源から燃料電池に燃料ガスを送風し、及び／又は燃料電池システムの出口から燃料源にガスを風送し、及びガスが燃料に接触することを包含する。燃料源は、液体燃料又はゲル燃料（例えばメタノールを包含するもののような）を包含する。
【００１８】
もう一つの態様では、本発明は以下、燃料ガスを燃料源から燃料電池に送り、この燃料源はアルコールを含んでなるものであり、及び燃料ガスが燃料電池の陽極に接触する方法を含んでなる燃料電池システムの作動方法を特色とする。
【００１９】
実施形態は、以下の特色の１つ以上を包含してもよい。さらに方法は、燃料ガスが拡散管を通過すること、及び／又は燃料ガスの流量を低減することを包含する。燃料源は液体燃料又はゲル燃料を包含する。
【００２０】
もう一つの態様では、本発明は以下、ガスを燃料電池システムの出口から燃料源に送り、及びガスを燃料源内の燃料に接触させる方法、この燃料はアルコールを含んでなること、を包含する燃料電池システムの作動方法を特色とする。
【００２１】
さらに方法は、ガスが拡散管を通過すること、ガスが乾燥剤又は二酸化炭素ゲッターに接触すること、及び／又はガスの流量を低減することを包含できる。燃料源は液体燃料又はゲル燃料を包含できる。
【００２２】
もう一つの態様では、本発明は、燃料ガスを燃料源内の部分を有する複数個の構造体の複数個の開口及び複数個の空洞を通過させ、燃料ガスを燃料源から燃料電池に送風し、及び燃料ガスを燃料電池の陽極に接触させることを包含する燃料電池システムの作動方法を特色とする。
【００２３】
実施形態は、以下の特色の１つ以上を包含してもよい。さらに方法は、燃料ガスを拡散管を通過させて、燃料ガスの流量を低減し、出口ガスを燃料電池から燃料源に送り、及び出口ガスを燃料源内の燃料に接触させ；出口ガスを拡散管を通過させ、及び／又は出口ガスの流量を低減することを包含する。燃料源は液体燃料又はゲル燃料を包含する。
【００２４】
本発明の他の態様、特色、及び利点は、図、説明、及び請求項から明らかであろう。
【００２５】
図１に関して、燃料電池システム２０（例えば、直接メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）システムなど）が示されている。燃料電池システム２０は、燃料電池スタック２２；燃料電池スタックと流体連通する燃料源２４（例えば、メタノール含有カートリッジ）；燃料電池スタック及び燃料源と流体連通する２つのガス移動体２６及び２８；及び空気移動体３０を包含する。図示するため、燃料電池スタック２２は、１つの燃料電池３２（以下に記載）を有するように示されているが、他の実施形態では、燃料電池スタックは、例えば直列又は並列に並んだ、複数個の燃料電池３２を包含する。簡潔に言えば、燃料電池３２は、陽極３４、陰極３６、及び陽極と陰極の間の電解質３８を包含する。さらに燃料電池３２は、電解質３８、陽極３４、及び陰極３６の集合体の各側に配置されるガス拡散層（ＧＤＬ）４０及び４２を含有する。空気移動体３０は、陰極反応体（例えば空気）の陰極３６への流れ、及び陰極生成物（単数又は複数）（例えば水）の陰極からの流れを促進するために、配置される。ガス移動体２６及び２８は、陽極反応体（単数又は複数）（例えば、メタノール及び水）の燃料源２４から陽極入口５４への流れ、及び陽極生成物（単数又は複数）（例えば、二酸化炭素）の陽極出口５６から離れての（図によると燃料源への）流れを促進するために、配置される。
【００２６】
図２に関して、燃料源２４は、燃料電池スタック２２に気相燃料を供給するよう設定される。図のように、燃料源２４は、入口４７及び出口５３を有するハウジング４４を包含する角柱形カートリッジの形状をしている。ハウジング４４内に、燃料源２４は、燃料４８及びその燃料内の１つ以上の（図では４つ）透湿要素４６（例えば燃料に囲まれた）を包含する。ある実施形態では、透湿要素４６は、空洞５０を画定する外面を有する細長い構造体であり、及び１つ以上の開口５２と穿通する。空洞５０及び開口（単数又は複数）５２は、入口４７及び出口５３と流体連通する。透湿要素は、例えば、管腔を画定する両口の穿孔の管状構造体であることができ、及び他の実施形態では、透湿要素は、あらゆる断面の形状（例えば、三角形、正方形、長方形、あるいは３，４，５，６，７，８又はそれを超える辺を有する規則的多角形又は不規則的多角形）を有することができる。透湿要素４６は、ハウジング４４の実質的に全長、又はその部分に伸びることができる。透湿要素の断面の幅又は直径は、約０．０１ミクロン〜約１０ｍｍ（約１ｍｍ〜約５ｍｍのような、例えば約１ｍｍ）であり得る。燃料源２４は、同じサイズ及び形状の、又は異なるサイズ及び／又は形状の透湿要素４６を包含することができる。透湿要素４６は、燃料４８との長期間の接触に対して安定な物質（ポリプロピレンのような）で形成することができる。ある場合には、例えばＤＭＦＣシステム等の場合、透湿要素４６を形成するのに使用される材料は、水分凝縮の可能性を低減するよう疎水性であり、それによって気相中に水を保持する。
【００２７】
開口５２は、ガス状燃料の開口通過を可能にし、一方で、非ガス状燃料（例えば液体燃料）の通過を妨げる（例えば表面張力に起因して）ようなサイズである。開口５２は、例えば円形、楕円形、３、４、５、６、７、８又はそれを超える辺を有する規則的多角形あるいは不規則的多角形であり得る。ある場合には、開口５２は、約０．００１ｍｍ〜約５ｍｍの平均幅又は直径を有し；例えば、平均幅又は直径は、約０．０５ｍｍ以上、０．５ｍｍ以上、１ｍｍ以上、又は３ｍｍ以上、及び／又は約５ｍｍ以下、３ｍｍ以下、１ｍｍ以下、０．５ｍｍ以下、又は０．０５ｍｍ以下であり得る。開口５２は、規則的なパターンで、又は無作為に、透湿要素４６上に配置することができる。
【００２８】
燃料源２４は、いかなる数又は配列の透湿要素４６も包含できる。透湿要素４６は、不規則的に又は規則的に（例えば行と列の配列に）配置することができる。透湿要素（単数又は複数）４６は、互いに及び／又はハウジング４４の内面に、接触することができる。ある実施形態では、透湿要素４６は、互いに及び／又はハウジング４４と、間隔をあけている。例えば、透湿要素４６は、プラスチックワイヤー枠（frame）又は骨格（scaffold）を使用して、予め定められた位置に保持され得る。また枠又は骨格は、透湿要素４６の位置を保持する一方、燃料源２４への燃料４８の搭載をも許容する。使用中、燃料４８は消費されるので、もし燃料搭載後、枠又は骨格が取り除かれるならば、透湿要素４６は、移動して互いに接触させてもよい。
【００２９】
燃料４８は、ガス状形態の燃料を燃料電池スタック２２に提供することができる。
【００３０】
アルコール（例えばメタノール及び／又はエタノール）又は炭化水素を包含するもののような燃料４８は、スタック２２にガス状燃料を提供するのに十分な蒸気圧を有する液体又はゲルの形状であり得る。燃料ゲルは、純粋で高濃度の気相燃料分子を放出し得る粘稠物質（例えば、約５×１０−５〜２００Ｐａ・ｓ（０．０５〜約２００，０００センチポアズ））である。粘度は、例えば約１０、２５、５０、１００、又は１５０Ｐａ・ｓ（約１０，０００、２５，０００、５０，０００、１００，０００、又は１５０，０００センチポアズ）以上；及び／又は約２００、１５０、１００、５０、又は２５Ｐａ・ｓ（約２００，０００、１５０，０００、１００，０００、５０，０００、又は２５，０００センチポアズ）以下であり得る。燃料ゲル組成物の例としては、燃料（例えばメタノール）；希釈剤（例えば脱イオン水）；増粘剤（例えばカーボポール（Carbopol）ＥＺ−３（酸性，疎水変性，架橋ポリアクリレート粉末））；及び中和剤（例えばトリイソプロパノールアミン）が挙げられる。他の燃料ゲルは、ノベオン（Noveon）からの文献（これはカーボポール（Carbopol）レオロジー変性剤（ＢＦグッドリッチ（BF Goodrich）製造）の使用例を説明している）に記載されており；及び調理用燃料（例えば、ステルノ（Sterno）から入手可能、及びノベオン（Noveon）により処方例が列記されている）に例示される。
【００３１】
十分に高粘度である燃料ゲルは、例えばプラスチックグリッドを使用することにより（図示せず）、ハウジング４４内に拘束され得る。図２に見られるように、燃料４８は、燃料蒸気が放出され得る２つの境界面を提供する２つの末端スペース５１を画定するよう拘束される。使用中、気相燃料分子は、燃料４８から、透湿要素の開口５２及び空洞５０を通り、出口５３を通り、及び燃料電池３２の陽極３４に流れ得る。
【００３２】
気相燃料を提供し得る燃料と、透湿要素４６の併用は、燃料電池システム２０内への燃料の供給、及びその性能を高める。透湿要素４６は、あらゆる形状の燃料源内において、燃料源の設置面積を増大せずに、燃料４８との高い表面積の境界面を備え得る。例えば、４×８×１ｃｍの角柱燃料カートリッジ（体積３２ｃｃ）では、ある設計の燃料カートリッジにとっては、カートリッジの広領域の設置面積の表面積は３２ｃｍ２である。比較して、４つの透湿要素（例えば直径２ｍｍ、長さが８ｃｍより僅かに短い、透過性５０％）を使用すると、２つの４×１ｃｍ長方形境界面（末端スペース５１から合計８ｃｍ２）と、加えて透湿要素により提供される面積（それぞれ２．５ｃｍ２より僅かに少ない）とをもたらし、合計は１８ｃｍ２より僅かに少ない。１０つの透湿要素では、約２．５ｃｃ（燃料カートリッジ体積の１０％未満）の体積負担において、合計表面積は３３ｃｍ２より僅かに少ない（要素に関して２５ｃｍ２より僅かに少なく、加えて２つの境界面に関して８ｃｍ２）。さらに、燃料４８との高い表面積の境界面を備えることにより、出口５３の断面積を必ずしも増大せず、透湿要素４６は、燃料電池スタック２２に関して、燃料源２４の多様性（例えば、その形状及び／又は配向の点で）を高める。燃料源２４は、良好な性能のために、燃料電池３２の設置面積と同じ領域（すなわち実質的に陽極３４の活動領域に一致）を想定する必要がない。また、透湿要素４６は燃料４８に接触可能であるので、透湿要素４６と燃料の間の境界面は、比較的一定のままであることができ、例えば燃料は透湿要素から遠ざからない。結果として、使用中、燃料４８が消費されるにつれて、燃料源２４は一定の燃料供給速度を維持することができ、それによって燃料電池スタック２２が一定の出力を提供することを許容する。さらに、燃料源２４は、特に燃料４８がゲルを含有する時、漏電に対する良い防御を有する比較的簡潔な（例えば、可動部なし）低容量設計において、上の特色を備え得る。
【００３３】
さらには、燃料システム２０の性能は、ガス移動体２６及び２８のどちらか又は両方を使用することにより、さらに向上され得る。ガス移動体２６及び２８は、燃料電池スタック２２への及び燃料電池スタック２２からのガスの流量を調節し、及びさらに燃料源２４が、その燃料電池スタック２２との配向において、より多様性であることを許容する。ガス移動体２６は、燃料源２４の出口４８と、燃料電池スタック２２の陽極入口５４との間のガス流路に位置する。ガス移動体２６は、透湿要素４６から燃料電池３２への気相燃料の流れを促進し得る（例えば、引き寄せる（drawing））。ガス移動体は２８であり、燃料電池スタック２２の陽極出口５６と、燃料源２４の入口４６との間のガス流路に位置する。ガス移動体２８は、燃料電池３２から燃料源２４への（例えば、再循環水への）、陽極出口ガス（例えば、未反応燃料、二酸化炭素、及び水）の流れを促進し得る。ガス移動体２６及び２８は、例えば送風機（例えば、ＤＣモーターを有するもの（コットール・ジンロン機械装置（Kot'l JinLong Machinery）（中国ＰＲ，温州）より入手可能）及びインペラであり得る。他の実施形態では、ガス移動体２６及び２８は、ダイヤフラムポンプ及びその変形物、又は蠕動ポンプであり得る。ポンプの例は、米国特許第６，２７４，２６１号；ＰＣＴ国際公開特許ＷＯ００／３６６９６；同ＷＯ０１／９７３１７；同ＷＯ０１／９７３１８；同ＷＯ０１／９７３１９；及び同ＷＯ０２／３１９０６に記載されており、これらのすべては、それらの全体が本明細書に参考文献として組み込まれる。ガス移動体（単数又は複数）２６及び／又は２８は、燃料電池スタック２２の一体的な構成要素（例えば、スタックの中又は上に位置する）であることができ、あるいはガス移動体（単数又は複数）は、燃料源２４の構成要素であることができる。
【００３４】
ある実施形態では、燃料電池システム２０は、燃料電池システムが使用中でない時、燃料源２４からの及び燃料源２４へのガス流量を部分的に又は完全に低減する（例えば、隔離（isolate））１つ以上の制限的機構を包含する。燃料源２４への及び燃料源２４からのガスの流れを制限すると、燃料４８の分解（例えば空気による酸化）、及び燃料の不必要な蒸発を低減できる。制限的機構の例としては、ポリマー膜から作られたスリット弁のような感圧性弁、又はポップアップ弁が挙げられる。感圧性弁は、圧力差がある時（例えば、ガス移動体（単数又は複数）２６及び／又は２８が活性化される時）自動的に開くことができ、及び圧力差が解消される時（例えば、ガス移動体（単数又は複数）が不活性化される時）閉じることができる。感圧性弁は、例えばＳ．Ｓ．Ｎ．１０／２３６，１２６（２００２年９月６日出願）に記載されている。他の制限的機構の例としては、重力駆動型フラップ、電気機械弁、あるいは手動操作ラッチ又は弁のような機械弁が挙げられる。制限的機構は、燃料源２４の入口４７及び／又は出口５３の横断面を横切って、及び／又はあらゆる組み合わせのあらゆる燃料電池スタック２２の入口（単数又は複数）及び／又は出口（単数又は複数）を横切って、広がることができる。
【００３５】
あるいは又は加えて、図３及び４を参照すると、制限的機構は、燃料源２４の入口４７及び／又は出口４８と流体連通する、及び／又は燃料電池スタック２２のあらゆる入口（単数又は複数）及び／又は出口（単数又は複数）を横切る、拡散管４９をあらゆる組み合わせで包含することができる。拡散管は、十分に長い空洞又は管腔を有する構造体であるので、駆動力（例えば、ガス移動体からの）がなく、管を通るガス拡散は、有効弁を提供するのに十分に低い。ある実施形態では、拡散管の長さは、カートリッジの約半分の長さよりも長く、カートリッジの全長までである。１つを超える拡散管は、例えば、両側のカートリッジの外側の連結管、並びに多数の入口及び出口を備えることにより、使用され得る。また拡散管は、米国特許出願０９／４００，０２０（１９９９年９月２１日出願）、及び米国特許第５，５６０，９９９号及び同第５，７２１，０６４号にも記載されている。ある実施形態では、拡散管（単数又は複数）は、管（単数又は複数）の横断面を横切って伸びる制限的機構（例えば、スリット弁又はフラップ弁）を１つ以上包含することができる。制限的機構（単数又は複数）は、拡散管（単数又は複数）の長さを短くすることができ、及び／又は燃料源２４の隔離を増強することができる。拡散管（単数又は複数）は、燃料源２４の構成要素（例えばハウジング４４内又は外に一体的に形成された）、あるいは燃料電池スタック３２の一体的な構成要素であり得る。上述の制限的機構は、ガス移動体２６及び２８と共に、又はガス移動体２６及び２８なしで、燃料電池システムにおいて使用され得る。
【００３６】
空気移動体３０は、陰極３６への陰極反応体（単数又は複数）（例えば、酸素）の流れ、及び陰極からの陰極生成物（単数又は複数）（例えば、水）の流れを促進するよう設定される。
【００３７】
空気移動体３０は、ガス移動体２６又は２８（例えば送風機）と同じであり得る。
【００３８】
再び図１を参照すると、燃料電池３２の実施例が、直ちに記載されているであろう。燃料電池３２は、電解質３８、電解質の第一面に接合する陽極３４、及び電解質の第二面に接合する陰極３６を包含する。電解質３８、陽極３４、及び陰極３６は、ガス拡散層（ＧＤＬｓ）４０及び４２の間に配置される。
【００３９】
電解質３８は、電子の流れに対する実質的な抵抗性を備えると同時に、イオンがそれを通して流れるのを許容できるべきである。ある実施形態では、電解質３８は、例えば、固体ポリマープロトン交換膜（例えば、スルホン酸基を含有する固体ポリマー）等の固体ポリマー（例えば、固体ポリマーイオン交換膜）である。このような膜は、商標ナフィオン（NAFION）のもとで、Ｅ．Ｉ．デュポン・ヌムール社（E.I. DuPont de Nemours Company）（デラウェア州ウィルミントン）から市販されている。あるいは電解質３８は、Ｗ．Ｌ．ゴア＆アソシエイツ（W. L. Gore & Associates）（メリーランド州，エルクトン）から入手可能な市販製品ゴア−セレクト（GORE-SELECT）からも調製できる。
【００４０】
陽極３４は、メタノール及び水と反応し、二酸化炭素、プロトン及び電子を形成することができる、触媒のような物質から形成され得る。このような物質の例としては、例えば、白金、白金合金（例えば、Ｐｔ−Ｒｕ、Ｐｔ−Ｍｏ、Ｐｔ−Ｗ、又はＰｔ−Ｓｎ）、カーボンブラック上に分散した白金が挙げられる。さらに陽極３４は、陽極がプロトンを導くのを許容する、アイオノマー性材料のような電解質（例えばナフィオン（NAFION））を包含できる。あるいは、懸濁液がガス拡散層（以下に記載）の表面に適用され、これは固体電解質３８に面し、その後、懸濁液は乾燥される。さらに陽極３４の調製方法は、結合を達成する圧力及び温度の使用を包含してもよい。
【００４１】
陰極３６は、酸素、電子及びプロトンと反応し、水を形成することができる、触媒のような物質から形成され得る。このような物質の例としては、例えば、白金、白金合金（例えば、Ｐｔ−Ｃｏ、Ｐｔ−Ｃｒ、又はＰｔ−Ｆｅ）、カーボンブラック上に分散した貴金属が挙げられる。さらに陰極３６は、陰極がプロトンを導くのを許容する、アイオノマー性材料のような電解質（例えばナフィオン（NAFION））を含有できる。陰極３６は、陽極３４に関して上述したようにして調製できる。
【００４２】
ガス拡散層（ＧＤＬｓ）４０及び４２は、気体及び液体の両方の透過性がある物質で形成され得る。好適なＧＤＬｓは、エテック（Etek）（マサチューセッツ州，ナティック）、ＳＧＬ（カリフォルニア州，ヴァレンシア）、及びゾルテック（Zoltek）（ミズーリ州，セントルイス）のような様々な会社から入手可能である。ＧＤＬｓ４０及び４２は、導電性であり得るので、陽極３４から陽極流場プレート（flow field plate）（図示せず）へ、及び陰極流場プレート（図示せず）から陰極３６へ、電子が流れることができる。
【００４３】
使用方法を包含する、直接メタノール燃料電池及び燃料電池システムの他の実施形態は、例えば「燃料電池システム解説（Fuel Cell Systems Explained）」（Ｊ．ララミニー，Ａ．ディック，ウィリー（J.Laraminie, A. Dicks, Wiley），ニューヨーク，２０００））；「直接メタノール燃料電池（Direct Methanol Fuel Cells）：２０世紀の電気化学者の夢から２１世紀の未来技術へ（From a Twentieth CenturyElectrochemist's Dream to a Twenty-first Century Emerging Technology）」（Ｃ．ラミー，Ｊ．リージャー，Ｓ．スリニバサン（C. Lamy, J. Leger, S. Srinivasan），電気化学の現代態様（Modern Aspects of Electrochemistry），Ｎｏ．３４，Ｊ．ボックリス（J. Bockris）ら編集，クルワー・アカデミック（Kluwer Academic）／プレナム・パブリッシャー（Plenum Publishers），ニューヨーク（２００１） ５３−１１８頁））；及び「携帯用途のための小型燃料電池の発展（Development of a Miniature Fuel Cell for Portable Applications）」（Ｓ．Ｒ．ナラヤナン，Ｔ．Ｉ．バルデス，及びＦ．クララ，（S. R. Narayanan, T.1. Valdez and F. Clara），直接メタノール燃料電池，Ｓ．Ｒ．ナラヤナン，Ｓ．ゴッテスフェルド，及びＴ．ザワジンスキー編集者（S. R. Narayanan, S. Gottesfeld and T. Zawodzinski, Editors），電気化学会会報（Electrochemical Society Proceedings），２００１−４（２００１）ニュージャージー州，ペニントン）に記載されており、全ては参考文献として本明細書に組み込まれる。
【００４４】
他の実施形態
燃料源２４のハウジング４４は、燃料と係合でき、及び燃料を燃料電池又は燃料電池スタックへ供給できる、あらゆる形状であり得る。例えば、図５を参照すると、燃料源２４’は、例えば燃料電池又は燃料電池スタックの対応する入口及び出口に係合する、例えばスナップ止めする又は固定するように設定された入口４７’及び出口５３’を包含する。源２４’は、上述のあらゆる１つ以上の制限的機構を包含できる。
【００４５】
ある実施形態では、燃料源の燃えやすさを低減するために、燃料源２４のハウジング４４は、（例えば、以下を含有する組成物から形成された）難燃剤（例えば、ＣＮ−２６１６，窒素−リン膨張性化合物，グレートレイク化学（Great Lakes Chemical）から入手可能）を包含する。
【００４６】
陽極入口５４は、陽極５４の活動領域への燃料の均等な分配を強化するために、１つ以上の特色を包含できる。例えば、図６Ａ、６Ｂ、及び６Ｃを参照すると、燃料電池システムは、効率的な蒸気流のために、１つ以上のガス拡散器６０、６２、及び／又は６４を包含できる。ガス拡散器は、例えば、陽極入口５４と係合する又は陽極入口５４近くにある截頭円錐形部材（図６Ａ）、プレート（図６Ｂ）、又はスクリーン（図６Ｃ）であることができる。ガスが陽極入口５４を出て、陽極室に入ると、ガスは陽極室に分散し、ＭＥＡ表面にわたる他の領域と比較して低燃料濃度の領域の発生を低減する。ガス拡散器は、燃料源、燃料電池、又は燃料電池スタックと一体であり得る。ガス拡散器は、燃料電池システムの陰極側上に使用できる。単一入口給送管からの陽極及び／又は陰極ガスの他の分散方法としては、例えば連結管を使用して、入口を多数口に分裂することが挙げられる。
【００４７】
ある実施形態では、燃料電池システムは、１つのみのガス移動体、例えばガス移動体２６又はガス移動体２８を包含する。
【００４８】
ある実施形態では、本明細書に記載された燃料電池システムは、譲渡された米国特許出願１０／４３８，０３１（２００３年５月１４日出願）に記載されたもののような１つ以上の排出制御システムを包含する。簡潔には、排出制御システムは、周囲に放出される未反応燃料及び一部酸化の生成物（例えば、ホルムアルデヒド及び／又はギ酸）の量を低減できる。燃料電池システム内でのこれらの配置を包含する、排出制御システムの実施形態は、米国特許出願１０／４３８，０３１に記載されている。
【００４９】
あるいは又は加えて、燃料電池システムは、燃料電池スタック２２からの二酸化炭素の排出を低減できる物質（例えばゲッター物質）を包含することができる。酸化カルシウムのようなゲッター物質は、流体流路に沿って出口５６の下流のどこにでも位置できる。例えば燃料源２４は、ハウジング４４内にゲッター物質を含有できる。
【００５０】
ある実施形態では、透湿要素は、いずれの開口も包含しない。米国公開特許出願２００３／０２１５６８６  Ａ１、及びリム（Lim）ら，カルボキシル化ポリ（塩化ビニル）及びポリウレタンでできたガス透過性膜（Gas Permeable Membranes Composed of Carboxylated Poly（vinyl chloride）and Polyurethane），ブル．韓国化学全誌（Bull. Korean Chem Soc.）１９９９，２０巻，Ｎｏ．６，６７２-６７６に記載されているように（本明細書に参考文献として組み込まれる）、透湿要素は、例えば、延伸されたポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリプロピレン、ポリスチレン、及びポリエチレンの膜などの、ガス透過性・液体不浸透性物質で形成できる。ガス透過性・液体不浸透性物質は、ゲル燃料及び／又は液体燃料と共に使用可能である。ガス透過性・液体不浸透性物質で形成された透湿要素は、本明細書に記載された燃料源又は燃料電池システムのあらゆる実施形態と共に使用可能である。
【実施例】
【００５１】
以下の説明する実施例は、燃料ゲルの製造方法を記述する。燃料ゲルは、メタノールを約７５．０重量％；脱イオン水を約２４．０重量％；カーボポール（Carbopol）ＥＺ−３を約０．５重量％；及びトリイソプロパノールアミンを約０．５重量％包含する。
【００５２】
カーボポール（Carbopol）ＥＺ−３増粘剤は、攪拌なしで水に添加され、数分間水に浸された。次に、攪拌しながらメタノールを添加する。次に、攪拌しながら融解トリイソプロパノールアミンを添加する。この工程後、他の添加剤（難燃剤のような、例えばＣＮ−２６１６）もまた添加できる。トリイソプロパノールアミンの添加後、透明ゲルが形成し、これは燃料カートリッジに注ぎ込まれ又は送り込まれ、冷却され、及びさらにゲル化し得る。
【００５３】
特許出願、特許公報、及び特許のような、本明細書にて言及された全ての参考文献は、その全体が参考文献として組み込まれる。
【００５４】
他の実施形態は、請求項内にある。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】燃料電池システムの実施形態の概要図。
【図２】燃料源の実施形態の実例。
【図３】燃料源の実施形態の概要図。
【図４】燃料源の実施形態の概要図。
【図５】燃料源の実施形態の実例。
【図６Ａ】ガス拡散器の実例。
【図６Ｂ】ガス拡散器の実例。
【図６Ｃ】ガス拡散器の実例。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【国際調査報告】
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