(57)【要約】  直接メタノール型燃料電池のための構成は、燃料源を直接メタノール型燃料電池に供給する燃料カートリッジを含む。燃料カートリッジは、燃料カートリッジ内に存在する表面領域強化平面気化膜を有する。本構成は、燃料カートリッジからの燃料を収容する燃料タンクも含み、燃料タンクは、燃料を燃料電池に供給するよう配置される。燃料タンクは、燃料タンク内に存在する表面領域強化平面気化膜も含む。燃料カートリッジ及び燃料タンク内に存在する表面領域強化平面気化膜の組み合わせは、燃料の二段階気化を燃料電池にもたらす。含まれる他の機能は、気化速度を増大するために、燃料の温度を上昇し、或いは、燃料タンク内の圧力を減少するための受動的又は能動的構成である。
2007506253.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料源を直接メタノール型燃料電池に供給する燃料カートリッジであって、
ハウジングと、
該ハウジング内の含有物が前記ハウジングから漏れることを可能にする燃料出口と、
当該燃料カートリッジ内に存在する表面領域強化気化膜とを含む、
燃料カートリッジ。
【請求項２】
前記表面領域強化気化膜は、前記ハウジング内部の実質的部分の周りに配置された高分子膜である、請求項１に記載の燃料カートリッジ。
【請求項３】
前記表面領域強化気化膜は、蒸気透過性表面領域を増大するための高分子膜の多層又は折畳みから成る複合材料膜である、請求項１に記載の燃料カートリッジ。
【請求項４】
前記表面領域強化気化膜は、一連の折畳みとして配置された膜である、請求項１に記載の燃料カートリッジ。
【請求項５】
前記表面領域強化気化膜は、気化のための有効膜表面領域を増大するために、マクロ孔的に不規則な及び／又は微小孔的に粗面化された膜表面を備える高分子膜である、請求項１に記載の燃料カートリッジ。
【請求項６】
前記表面領域強化気化膜は、酸化可能燃料の液体源を前記酸化可能燃料の気相源から離間する、請求項１に記載の燃料カートリッジ。
【請求項７】
当該燃料カートリッジは、酸化可能燃料の液体源及び／又は炭素質化合物若しくはそのような化合物の組み合わせを包含する、請求項１に記載の燃料カートリッジ。
【請求項８】
酸化可能燃料の液体源はメタノールである、請求項１に記載の燃料カートリッジ。
【請求項９】
前記表面領域強化気化膜は、ポリウレタン、シリコン、ポリ（トリメチルシリルプロピン）、高分子化合物、及び、高分子組成から成る群から選択される高分子材料から成る、請求項１に記載の燃料カートリッジ。
【請求項１０】
前記表面領域強化気化膜は、所与のカートリッジサイズのために、前記出口ポートへの気相メタノールの供給速度を増大する、請求項１に記載の燃料カートリッジ。
【請求項１１】
燃料源を直接メタノール型燃料電池に供給する燃料カートリッジであって、
ハウジングと、
該ハウジングによって支持された燃料出口ポートと、
当該燃料カートリッジ内に存在する複合材料膜とを含み、
該複合材料膜は、
多孔性基板と、
該多孔性基板の第一表面に亘って配置された高分子膜と、
前記基板の反対面に亘って配置されたメタノール不透過性材料の塗膜とを含む、
燃料カートリッジ。
【請求項１２】
液相メタノールが前記高分子膜に移動し、気相に変換することを可能にするために、前記基板は、前記多孔性材料内の前記液相メタノールを保持するために設けられている、請求項１１に記載の燃料カートリッジ。
【請求項１３】
前記複合材料膜は、円筒形状素子に巻き入れられる、請求項１１に記載の燃料カートリッジ。
【請求項１４】
前記高分子膜と前記メタノール不透過性塗膜との間の間隙が、メタノール蒸気の高フラックスを前記出口ポートへ移動するための経路をもたらす、請求項１１に記載の燃料カートリッジ。
【請求項１５】
複数の前記複合材料膜が、当該燃料カートリッジ内に配置されている、請求項１１に記載の燃料カートリッジ。
【請求項１６】
複数の前記複合材料膜が、当該燃料カートリッジ内に配置され、且つ、円筒形状素子に巻き入れられる、請求項１１に記載の燃料カートリッジ。
【請求項１７】
前記基板は、ポリエチレン、ポリプロピレン、ナイロン、ポリウレタン、他の類似の高分子、又は、これらの高分子の１つ又はそれ以上の複合材料である、請求項１１に記載の燃料カートリッジ。
【請求項１８】
前記高分子膜は、ポリウレタン材料である、請求項１１に記載の燃料カートリッジ。
【請求項１９】
前記高分子材料は、ポリウレタン、シリコン、ポリ（トリメチルシリルプロピン）、高分子組成、及び、複合材料から成る群から選択される、請求項１８に記載の燃料カートリッジ。
【請求項２０】
前記高分子は、気化を管理するための微小孔特性を有する、請求項１８に記載の燃料カートリッジ。
【請求項２１】
前記膜は、高分子で被覆された燒結金属ディスクである、請求項１１に記載の燃料カートリッジ。
【請求項２２】
前記メタノール不透過性塗膜は、橋架ゴム、高分子／無機複合材料、表面フッ化処理高密度ポリウレタン、又は、他のメタノール不透過性材料である、請求項１１に記載の燃料カートリッジ。
【請求項２３】
前記基板は、ポリエチレン、ポリプロピレン、ナイロン、ポリウレタン、他の類似の高分子、又は、これらの高分子の１つ又はそれ以上の複合材料であり、前記高分子膜は、ポリウレタン、シリコン、ポリ（トリメチルシリルプロピン）、又は、ポリウレタン、シリコン、若しくは、ポリ（トリメチルシリルプロピン）の複合材料であり、前記メタノール不透過性塗膜は、橋架ゴム、高分子／無機複合材料、表面フッ化処理高密度ポリエチレンのような表面処理材料、又は、他のメタノール不透過性材料である、請求項１１に記載の燃料カートリッジ。
【請求項２４】
多孔性基板と、
該多孔性基板の第一表面に亘って配置された高分子膜と、
前記基板の反対表面に亘って配置されたメタノール不透過性材料の塗膜とを含む、
燃料カートリッジ内に存在する複合材料膜。
【請求項２５】
液相メタノールが前記高分子膜に移動し、気相に転換することを可能にするために、前記基板は、前記多孔性材料内の前記液相メタノールを保持するために設けられている、請求項２４に記載の複合材料膜。
【請求項２６】
前記複合材料膜は、円筒形状素子に巻き入れられる、請求項２４に記載の複合材料膜。
【請求項２７】
前記高分子膜と前記メタノール不透過性塗膜との間の間隙が、メタノール蒸気の高フラックスを前記出口ポートへ移動するための経路をもたらす、請求項２４に記載の複合材料膜。
【請求項２８】
前記基板は、ポリエチレン、ポリプロピレン、ナイロン、ポリウレタン、他の類似の高分子、又は、これらの高分子の１つ又はそれ以上の複合材料である、請求項２４に記載の複合材料膜。
【請求項２９】
前記高分子材料は、ポリウレタン、シリコン、ポリ（トリメチルシリルプロピン）、高分子組成、及び、複合材料から成る群から選択される、請求項２４に記載の複合材料膜。
【請求項３０】
前記高分子は、気化を管理するための微小孔特性を有する、請求項２４に記載の複合材料膜。
【請求項３１】
前記膜は、高分子で被覆された燒結金属ディスクである、請求項２４に記載の複合材料膜。
【請求項３２】
前記メタノール不透過性塗膜は、橋架ゴム、高分子／無機複合材料、表面フッ化処理高密度ポリウレタン、又は、他のメタノール不透過性材料である、請求項２４に記載の複合材料膜。
【請求項３３】
前記基板は、ポリエチレン、ポリプロピレン、ナイロン、ポリウレタン、他の類似の高分子、又は、これらの高分子の１つ又はそれ以上の複合材料であり、前記高分子膜は、ポリウレタン、シリコン、ポリ（トリメチルシリルプロピン）、又は、ポリウレタン、シリコン、若しくは、ポリ（トリメチルシリルプロピン）の複合材料であり、前記メタノール不透過性塗膜は、橋架ゴム、高分子／無機複合材料、表面処理フッ化高密度ポリエチレンである、請求項２４に記載の複合材料膜。
【請求項３４】
直接メタノール型燃料電池と、
燃料源を前記直接メタノール型燃料電池に供給する燃料カートリッジとを含み、
該燃料カートリッジは、
ハウジングと、
該ハウジングによって支持された燃料出口ポートと、
前記燃料カートリッジ内に存在する表面領域強化平面気化膜と、
前記燃料カートリッジからの燃料を収容し、且つ、該燃料を前記燃料電池に供給するために配置された燃料タンクとを含み、
該燃料タンクは、
ハウジングと、
前記燃料タンク内に存在する表面領域強化平面気化膜とを含み、
該表面領域強化平面気化膜は、前記燃料カートリッジ内に存在する前記表面領域強化平面気化膜と共に、前記燃料電池への燃料の二段階気化をもたらす、
構成。
【請求項３５】
前記表面領域強化平面気化膜の少なくとも１つは、高表面領域膜をもたらすために、前記ハウジングの内部外周の実質的部分の周りに配置された高分子膜である、請求項３４に記載の構成。
【請求項３６】
蒸気透過性表面領域を増大するために、前記表面領域強化平面気化膜の少なくとも１つは、高分子膜の多層又は折畳みから成る複合材料膜である、請求項３４に記載の構成。
【請求項３７】
前記表面領域強化平面気化膜の少なくとも１つは、一連の折畳みとして配置された膜である、請求項３４に記載の構成。
【請求項３８】
前記表面領域強化平面気化膜の少なくとも１つは、気化のための有効膜表面を増大するために、マクロ孔的に不規則な及び／又は微小孔的に粗面化された膜表面を備える高分子膜である、請求項３４に記載の構成。
【請求項３９】
電子機器を動作する方法であって、
当該方法は、
燃料源を直接メタノール型燃料電池に供給するために燃料カートリッジを配置するステップを含み、
該燃料カートリッジは、
ハウジングと、
該ハウジングによって支持された出口ポートと、
前記燃料カートリッジ内に存在する複合材料膜とを含み、
該複合材料膜は、
多孔性基板と、
該多孔性基板の第一表面に亘って配置された高分子膜と、
前記多孔性基板の反対表面に亘って配置されたメタノール不透過材料の塗膜とを含む、
方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、携帯型電子機器の電力供給に関する。
【背景技術】
【０００２】
携帯型電子機器は、通常、一次電池又は充電式電池のいずれかで電力供給される。携帯型電子機器の成長、及び、使用パターンの変化は、電子機器に電力供給する充電式電源のための機会を提供している。一次電池はより大きなエネルギー密度を有するが、それらの内部抵抗はより大きく、一次電池は高ドレイン電子機器に余り適していない。充電式電池は大きな電荷を処理し得るが、多くの用途のための十分なエネルギー容量を有さない。
【０００３】
携帯型機器用の電源内に組み込まれる燃料電池は、高エネルギー含量燃料を使用し得るため、従来的な充電システムよりも長い連続稼働時間を約束する。直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）及び水素固体高分子型（ＰＥＭ）燃料電池のような携帯型電力用途における商業化のために、幾つかの燃料電池技術が現在開発中である。
【０００４】
ＤＭＦＣにおいて、燃料はメタノール又は水とメタノールとの混合である。メタノール又はメタノール混合は液体としてＤＭＦＣ内の陽極室に供給され、メタノールは陽極室内で燃料から電気への電気化学変換の一部として酸化される。ＤＭＦＣシステムにおける運用課題は、「メタノールクロスオーバー」、即ち、陽極室内の約３％より上のメタノール濃度で、受容し難い程に大量のメタノールが高分子電解質膜を横断して移動し、寄生損失（連続稼働時間の減少）及び出力電力の減少を招く陰極での混成電位差の双方を引き起こす現象である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
記載されているのは、燃料を蒸気として燃料電池に供給するための燃料気化速度を増大する実施態様である。燃料を蒸気として提供するために、強化膜が燃料カートリッジ又は燃料タンク内に配置される。燃料供給速度は、強化膜の表面領域に比例する。これはコンパクトな燃料タンク又は燃料カートリッジシステムを許容する。コンパクトな燃料タンク又は燃料カートリッジシステムを提供することによって、より高出力のＤＭＦＣシステムを可能にするために、メタノール燃料の気相供給をより高速にもたらし得る。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の特徴によれば、燃料カートリッジは、燃料源を直接メタノール型燃料電池に供給する。燃料カートリッジは、ハウジングと、ハウジングによって支持された燃料出口ポートと、燃料カートリッジ内に存在する表面領域強化平面気化膜とを含む。
【０００７】
他の実施態様は請求項の範囲内にある。表面領域強化気化膜は、ハウジング内部の実質的部分の周りに配置された高分子膜である。表面領域強化気化膜は、蒸気透過性表面領域を増大するための高分子膜の多層又は折畳みから成る複合材料膜である。表面領域強化気化膜は、一連の折畳みとして配置された膜である。表面領域強化気化膜は、気化のための有効膜表面領域を増大するために、マクロ孔的に不規則な及び／又は微小孔的に粗面化された膜表面を備える高分子膜である。表面領域強化気化膜は、酸化可能燃料の液体源を酸化可能燃料の気相源から離間する。表面領域強化気化膜は、酸化可能燃料の液体源を包含する。酸化可能燃料の液体源はメタノールである。表面領域強化気化膜は、ポリウレタン、シリコン、ポリ（トリメチルシリルプロピン）、高分子化合物、及び、高分子組成から成る群から選択される高分子材料から成る。表面領域強化気化膜は、所与のカートリッジサイズのために、出口ポートへの気相メタノールの供給速度を増大する。
【０００８】
本発明の追加的な特徴によれば、燃料カートリッジは燃料源を直接メタノール型燃料電池に供給する。燃料カートリッジは、ハウジングと、ハウジングによって支持された燃料出口ポートと、燃料カートリッジ内に存在する複合材料膜とを含む。複合材料膜は、多孔性基板と、多孔性基板の第一表面に亘って配置された高分子膜と、基板の反対表面に亘って配置されたメタノール不透過性材料の塗膜とを含む。
【０００９】
本発明の追加的な特徴によれば、燃料カートリッジ内に存在する複合材料膜は、多孔性基板と、多孔性基板の第一表面に亘って配置された高分子膜と、基板の反対面に亘って配置された不透過性メタノールの塗膜とを含む。
【００１０】
本発明の追加的な特徴によれば、構成は、直接メタノール型燃料電池と、燃料源を直接メタノール型燃料電池に供給する燃料カートリッジとを含む。燃料カートリッジは、ハウジングと、ハウジングによって支持された燃料出口ポートと、燃料カートリッジ内に存在する表面領域強化平面気化膜とを含む。構成は、燃料カートリッジからの燃料を収容する燃料タンクをさらに含み、燃料タンクは、燃料を燃料電池に供給するために配置される。燃料タンクは、ハウジングと、燃料タンク内に存在する表面領域強化平面気化膜とを含み、表面領域強化平面気化膜は、燃料カートリッジ内に存在する表面領域強化平面気化膜と共に、燃料電池への燃料の二段階気化をもたらす。
【００１１】
本発明の追加的な特徴によれば、電子機器を動作する方法は、燃料源を直接メタノール型燃料電池に供給するために燃料カートリッジを配置するステップを含み、燃料カートリッジは、ハウジングと、ハウジングによって支持された出口ポートと、燃料カートリッジ内に存在する複合材料膜とを含む。複合材料膜は、多孔性基板と、多孔性基板の第一表面に亘って配置された高分子膜と、多孔性基板の反対表面に亘って配置されたメタノール不透過性材料の塗膜とを含む。
【００１２】
そのようなアプローチは、燃料電池がポンプ又は陽極内の低メタノール滑動を維持するための他の能動制御の必要なしに動作することを可能にする。本アプローチは、高速な蒸気供給を可能にし、よって、特定の電池サイズ及びジオメトリのための従来的なアプローチよりも高出力のＤＭＦＣシステムを許容する。
【００１３】
本発明の１つ又はそれ以上の実施態様の詳細は、添付の図面及び以下の記載において説明される。本発明の他の特徴、目的、及び、利点は、本記載及び図面並びに請求項から明らかであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図１Ａを参照すると、携帯型電力供給された電子機器１０（以後、装置１０）が示されている。装置１０は、エネルギー源、例えば、燃料カートリッジ１２を収容するための区画（図示せず）を有するハウジング（図示せず）を含む。装置１０は、燃料源（メタノール又はメタノール溶液又は含有及び／又は炭素質化合物又は水素形態を供給するためのそのような化合物の混合）を液体としてよりはむしろ気体として燃料電池に供給する燃料カートリッジ１２をインターフェース接続するための相互接続部１６も含む。燃料カートリッジ１２は、概ね４４で指し示される膜を含み、膜は燃料の液相を気相に仕切り、気相は燃料カートリッジの出口に供給され、燃料電池１８内に供給され得る。膜４４の実施態様は、以下の図２Ａ乃至２Ｅに記載されている。燃料カートリッジが記載されているが、図１Ｂに示されるようなタンク１３のような燃料容器の他の実施態様も含まれる。その例において、燃料タンク１３は膜４４を含み、膜４４を有する燃料カートリッジ１２から燃料を収容するか、或いは、例えば、液体燃料をタンク１３内に注入することによって、カートリッジ１２から直接的に或いは非固定の燃料源を介して燃料充填されるよう配置されている。
【００１５】
一部の実施態様において、燃料電池１８は直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）である。選択的に、相互接続部１６は、電池電源、例えば、一次又は二次、例えば、充電式電池（図示せず）又は燃料カートリッジ１２のいずれかをインターフェース接続する。そのような相互接続部１６は、燃料カートリッジと電池との間を区別可能であり、燃料カートリッジが一時的に利用不能な状況において、燃料電池によって電力供給される機器が、電池電力の下で動作するのを可能にする便利な技法を提供する。装置１０は如何なる種類の携帯型機器でもあり得る。非限定的な例は、携帯電話、携帯型コンピュータ、又は、オーディオ／ビデオ機器を含む。
【００１６】
図２Ａ乃至２Ｃを参照すると、燃料カートリッジ１２は、相互接続部１６（図１）と相補的な燃料供給インターフェースを有し、図示されるように、出口ポート３２を含む。燃料カートリッジ１２は、燃料カートリッジ１２内に存する表面領域強化平面気化膜４４の使用によって、燃料電池への気相燃料の供給速度を増大するための機構を含み、それは燃料を直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）に供給する。
【００１７】
図２Ａ乃至２Ｃに示されるように、カートリッジ出口は、出口ポートであり得る。狭い出口ポートの１つの利点は、カートリッジ１２が、著しい燃料損失なしに装置を容易に挿入し或いは取り出すというような付加的な機能性に対してより修正可能であり得ることである。狭い開口の他の利点は、（以下に議論されるように）狭い出口を用いて選択的な抵抗加熱をより精細に制御し得ることである。所望であれば、流れをさらに制限するために、例えば、締付け機構も用い得る。
【００１８】
出口ポートに対する他のアプローチは、カートリッジ１２を燃料電池陽極（図示せず）から分離する開放キャビティとしてある。開放キャビティ出口は、狭い出口で起こり得るようには陽極への蒸気拡散を不利に制限しない。ＤＭＦＣ陽極への最大運搬を可能にするために、狭い開放キャビティ出口は、カートリッジ１２とほぼ同じぐらい広くあり得る。よって、カートリッジ１２は、使用時に取り外される一時的なカバー、又は、開口をカバーする類似物を有し得る。一部の実施態様において、カートリッジ１２は、カートリッジ１２内の開口に亘って配置される膜４４の一部を有し得る。一般的には、大きな開口が好ましい。
【００１９】
ポリウレタン、シリコン、ポリ（トリメチルシリルプロピン）、及び、その他を含む多様な高分子材料から膜４４を二次加工し得る。高分子の二次加工は、（気化機構による）気化プロセス又は高密度膜構造を管理するために微小空洞を導入することを含み得る。類似の気化性能を達成するために、高分子で被覆された或いは被覆されていない焼結金属ディスクから膜を二次加工し得る。
【００２０】
燃料供給速度を増大し安定化する異なる表面領域強化平面気化膜４４が、高表面領域膜をもたらすために燃料カートリッジ１２の内部外周の実質的部分の周りに配置された高分子膜４６を含む図２Ａ乃至２Ｅに示されている。図２Ｂは、蒸気透過表面領域を増大するために、複数層又は高分子膜の折り畳みから成る複合材料膜４８を示している。図２Ｃに示されるような一連の折り畳みとして膜５０を配置し得る。図２Ｄ及び２Ｅは他の技法を示しており、気化のための有効膜表面領域を増大するために、高分子膜５２が微孔質的に不規則な（図示せず）或いは微孔質的に粗面化された（図示されている）膜表面を備える。
【００２１】
図２Ａを参照すると、ガス透過性膜４６が示されている。ガス透過性膜４６は、メタノール６２の液体源をメタノールの気相６４から離間している。蒸気は、膜４６とカートリッジ１２の内壁との間の間質容積を占めている。出口ポート４２で平面的ジオメトリの膜を使用する代わりに、膜４６は燃料容積を取り囲むように選択され、且つ、燃料カートリッジ１２の壁の内側部分の周りに配置され、所与のカートリッジ又はタンクの大きさのために、膜領域の増大及び気相状態のメタノールの出口ポート４２への供給速度の上昇を可能にする。燃料供給速度は、平面的な膜４６の表面領域に比例する。膜４６は気相状態で燃料供給速度を増大し、メタノール燃料蒸気の高速を高出力ＤＭＦＣで電力供給される機器に提供するために、膜を標準的な或いはコンパクトな燃料タンク又は燃料カートリッジシステムと共に用い得る。
【００２２】
図２Ｂを参照すると、膜表面領域を増大するために、多層膜４８は、カートリッジ１２の外周の周りに配置された高分子膜の一連の層又は折り畳みを含む。巻線形電池としての多層膜４８の例は、液体メタノールが膜４８ａに移動し、気相に変換するのを可能にするために、液相状態のメタノールを材料の孔内に保持する多孔性材料の基板４８ｂの第一表面に亘って配置された気化膜４８ａを含む。膜は多様な高分子システムの１つから二次加工され、ポリウレタン、ポリ（トリメチルシリルプロピン）、及び、複合材料を含む他の高分子組成を含む。高分子の二次加工は、（気化機構による）気化プロセス又は高密度膜構造を管理するために微小空洞を導入することを含み得る。
【００２３】
類似の気化性能を達成するために、被覆された或いは被覆されていない燒結金属ディスクからも膜４８を二次加工し得る。基板４８ａは、ポリエチレン、ポリプロピレン、ナイロン、ポリウレタン、他の類似の高分子、又は、１つ又はそれ以上のこれらの高分子の複合材料を含む多様な高分子システムの１つから成る。類似の性能を達成するために、被覆された或いは被覆されていない焼結金属からも基板４８ａを二次加工し得る。
【００２４】
一部の実施態様において、基板４８ａの材料は、「スポンジ状」材料のさらなる品質を有し得る。スポンジ材料４６ｂの反対面はメタノール透過性層４８ｃで被覆され、それは架橋ゴム、高分子／無機複合材料、表面フッ化高密度ポリウレタンのような表面処理材料、又は、他のメタノール透過性材料のような材料から二次加工され得る。
【００２５】
気化膜４８ａとメタノール透過膜４８ｃとの間の間隙配列が、メタノール蒸気の高フラックスを燃料電池内の陽極室へ搬送するための経路をもたらす状態で、この三層構造４８ａ乃至４８ｃを巻線形にし、且つ、カートリッジを含む円筒形容器内に配置し得る。この多層膜４８は、比較的コンパクトな燃料タンク又は燃料カートリッジ１２からのメタノール蒸気の極めて高フラックスをもたらし得る。三層構造は、一連の平面層としても構成され、図４等におけるようなプリズム状の電池内のハウジングの出口ポートでハウジング外周の周りに配置されるように、多様な形状及び多様な構造のハウジング内に配置され得る。
【００２６】
巻線形配置の高い表面領域（図２Ｂ）と長方形の液体燃料囲繞膜（図２Ａ）との間の様々な中間配置が可能である。例えば、図２Ｃに示されるような中間密度折畳み膜５０は、多層構造において得られる高フラックス及び選択肢（図２Ａ）の低膜容量（即ち、堅い熱エネルギー密度）を均衡し得る。ガス透過性膜５０は、燃料カートリッジ１２の内壁間に延在し、燃料カートリッジ１２の出口ポート３２の近傍に蒸気室５１を提供する。
【００２７】
図２Ｄ及び２Ｅを参照すると、速度増大高分子膜５２を提供する他のアプローチは、無作為又はパターン状の膜表面の粗面化による（図２Ｅ）。ガス透過性膜５２は、燃料カートリッジ１２の内壁間に配置され、燃料カートリッジ１２の出口ポートの近傍に蒸気室５１を提供する。粗面化は膜の片面上又は両面上にあり得る。膜の片側（一般的には蒸気側）は透過率を制限し得る。膜の透過率制限側を増大することが好ましい。
【００２８】
燃料電池内の陽極層と平行に且つ重なり合って配置される受動的なガス透過性膜を用いた燃料電池の陽極へのメタノールの室温気相供給は、低出力（＜３Ｗ）ＤＭＦＣシステム）のために良好に動作し得るが、そのようなアプローチは、高出力動作を持続するための十分なメタノール蒸気フラックスを提供し得ない。これは、膜使用可能気化プロセスにおける本質的限界に起因する。メタノールのユニット領域当たりのメタノールフラックスは、メタノールの酸化を陽極の類似領域のための適当な速度で維持するのに十分である。しかしながら、数ワットの電力範囲より上では、燃料電池動作をより高い電力で持続するのに必要なメタノールフラックスを維持するために、膜の領域は不当に大きく成長する必要がある。より高い電力動作のための平面膜領域を提供するのに必要とされる幾何学的寸法を備える燃料電池は、一般消費者の使用にとって便利でない。加えて、大きな膜は機械的に不安定であり、時間と共に機械的不良のより高い可能性を有する。動作地点及び膜材料の選択に依存して、例えば、１Ｗの例示的な電力範囲は０．７ｃｍ２の膜領域を必要とし得るのに対し、５Ｗの用途は３．３ｃｍ２の膜領域を必要とし得る。３．３ｃｍ２以上で、これは多くの一般消費者用途のために非実用的となる。何故ならば、それは極めて大きな膜表面領域を必要とするからである。
【００２９】
カートリッジ内に配置される抵抗素子、或いは、電子機器から発生する熱の使用のいずれかによって、上記のアプローチと共に局所的加熱を用い得る。
【００３０】
上記に記載されたアプローチは、固定的な幾何学的領域に亘る概ね４４の膜構造の有効表面領域（及び全体的な蒸気透過速度）の増大を招く。燃料カートリッジ又は燃料タンク内に配置された強化膜４４は、膜の強化表面領域に比例する速度で、燃料電池への蒸気としての燃料供給をもたらす。強化表面領域膜は、より高い電力のＤＭＦＣシステムを可能にするために、メタノールの気相をより高速に供給し得るコンパクトな燃料タンク又は燃料カートリッジシステムを許容する。そのようなアプローチは、陽極内における低いメタノール活動を維持するために、燃料電池がポンプ又は他の作動制御の必要なしに動作することも可能にする。
【００３１】
図３を参照すると、図示のように、蒸気燃料供給を増大するために、抵抗加熱素子７２が気化膜インターフェース４４に配置されている。温度が上昇すると共に、気化速度が著しく増大する。温度を上昇し、よって、気化速度を増大するために、図２Ａ乃至２Ｄに記載された気化膜構造は、局所的熱源として加熱素子を用い得る。図３に例証される加熱素子７２は、主電荷（装置１０）と電気的に平行に配置され、出力電力中に正味ブーストをもたらすために、燃料電池電気出力の小さな割合によって電力供給される。
【００３２】
加熱素子７２の１つの例は、ワイヤ、例えば、比較的高い抵抗特性を有するコイルワイヤである。ワイヤとしての加熱素子７２のための典型的な抵抗特性は、１０〜１Ｍオーム／センチメータの範囲内である。加熱素子７２は、タングステンのような比較的高い抵抗材料から成り得る。使用し得る他の材料は、ニッケル／クロム合金及びその他を含む。燃料電池の腐食及び汚染に対する保護をもたらすために、高抵抗材料を高分子又は貴金属で被覆し得る。抵抗素子７２は、気化膜４４構造の１つ（例えば、図２Ａ乃至２Ｅの実施態様のいずれか又は他の構造）と熱連絡して配置される。
【００３３】
膜４４及び抵抗素子７２は、主として燃料の気相によって占められる、カートリッジ１２の出口ポート３２を含む或いは含まない蒸気室７４、例えば、液体燃料７６の間の空間をもたらす。膜温度が上昇すると、それは気化速度を上昇するので、抵抗加熱素子７２は直接的に膜４４と接触するのが好ましい。加熱素子７２は、膜４４の液体側又は気体側にあるか、或いは、膜４４内に埋め込まれ得る。後者の２つの選択肢（蒸気側及び埋込み）は、カートリッジ内の液体の不必要な加熱を最小限化するという利点を有する。加えて、例えば、燒結金属は、膜材料及び抵抗加熱器の双方として働き得る。抵抗素子７２によって提供される熱は、膜４４に亘って気化速度を増大し、燃料電池によって電力供給される装置１０が比較的冷たい周囲温度環境で用いられるとき、全体的性能を向上し得る。
【００３４】
図４を参照すると、他のアプローチ８０は、液体燃料、例えば、燃料カートリッジ１２内のメタノールを、膜の必要なしに熱プロセスを通じて全体的に気化し得る。この構成では、電力は燃料電池（図示せず）から取り出されるか、或いは、加熱機構８４に電力供給するために燃料カートリッジ１２内又は燃料カートリッジ１２上に位置する小さな電池８２（例えば、ボタン電池）を通じて供給される。ここで、加熱機構８４は、燃料カートリッジ１２の出口ポート３２に配置されるワイヤとしての電池への接続なしに、概略的に示されている。
【００３５】
燃料カートリッジ１２は、加熱素子８４を含むプリズム状の電池ケース８６としてここに例証される壁又は本体と、燃料不透過性材料、例えば、燃料カートリッジ１２内部の可動壁又はピストン８８と接触するゴム及びその類似物の内部燃料袋９０とを含む。バネ８９が壁に力を加える。壁又はピストン８８がプリズム状ケースの長さに沿って移動するときにそれを案内するために、ガイド（図示せず）を用い得る。液体燃料、例えば、メタノールは袋９０内に配置されている。液体が燃料カートリッジ１２から消費されると、袋９０内の圧力が弱まり、袋９０内のメタノールが燃料カートリッジ１２の出口ポート３２に供給されるのを保証するために、バネ８９によって生成される力が壁又はピストン８９を袋９０に対して押し付ける。壁／ピストン８８及びバネ８９は、ケースの向きとは無関係に、袋９０からの液体の均一な供給を保証する。
【００３６】
出口ポート３２は、気化加熱ユニットと一体の燃料弁を有し得る。図４Ａに示されるような１つの実施態様は、弁組立体（図示せず）内の狭窄領域内に配置された抵抗加熱素子を含む。一部の実施態様では、加熱素子８４を省略し得る。燃料カートリッジ１２内の或いは燃料カートリッジ１２上に支持されたボタン電池によって、或いは、外部リード線（図示せず）を介して、抵抗加熱器のための電力を燃料電池電源から得ることができる。他の実施態様も可能である。
【００３７】
図４Ａを参照すると、一体化された気化加熱ユニットを有する燃料弁７０の例が示されている。燃料弁７０は、膜構造４６を含む図４に示されるカートリッジ１２の実施態様のための出口３２として例証されている。出口３２は、一体化された加熱素子７３を有する弁３３として描写されている。弁３３はカートリッジ壁６５上で支持され、且つ、例えば、図示のような弁の中心に配置されて、或いは、弁の側壁（図示せず）の周りに配置されて、或いは、側壁（図示せず）に一体化されて多様な構造のいずれか１つの内側に配置される加熱素子７３を含む。加熱素子は、膜４６に亘る気化速度を上昇するために配置される。弁は、使用期間中にそれを装置に固定するための多様な機構、例えば、バイオネット接続、ネジ接続等を有し得る。
【００３８】
図５を参照すると、蒸気供給を増進するための代替的な構成は、気化室４４の浸透（蒸気）側の上に減圧をもたらし、（圧力増加と類似して）圧力減少は液体を沸騰又は蒸発させ得るという原理を利用することである。別な言い方をすれば、減圧下流側は燃料の蒸気濃度を徐々に減少し、よって、液相から気相への燃料透過のための駆動力を増大する。
【００３９】
減圧を誘発する１つの機構は、カートリッジ１２の蒸気側９０上の容積を増大することである。カートリッジ１２の蒸気側は、ピストン９２とカートリッジ１２の出口ポート３２近傍のカートリッジ１２の内部領域との間に配置された１つ又はそれ以上のバネ機構９４によってカートリッジ１２内の液体９６に対して付勢される蒸気透過性ピストン９４を含む。ピストン」９２の１つの実施態様は、蒸気膜４４としてある。ワイヤメッシュ又は剛的な微小孔性又はマクロ孔性層が、可撓な気化層（例えば、過フッ化炭素水素高分子、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ポリイミド、ポリスルホン、ポリスルフィド、ポリウレタン、ポリエステル、セルロース、又は、紙）を機械的に支持し得る。リングピストン９２は、カートリッジ壁に沿う滑動中に漏れ止め封止をもたらす。リング外径は、カートリッジ直径内に辛うじて組み入れられる。蒸気側への液流漏れを最小限化するために、リング及び隣接カートリッジ壁は、燃料剥離及び燃料性透過材料から成るか或いは燃料剥離又は燃料透過性材料で被覆される。そのような材料又は塗膜は、フッ素重合体、例えば、ポリテトラフルオロエチレン等である。加えて、特にリングのために、十分に剛的な材料が、機械的な安定性を依然としてもたらすと同時に、リングの径方向厚さを最小限化するのが好適であり、最大の覆いなし膜領域を許容する。
【００４０】
液体容積が減少すると、ピストン９２が出口ポート３２からさらに離れて移動し、カートリッジ１２の蒸気側の上の容積を拡張するので、蒸気側の容積が増大する。再び、気化膜４４は燃料を液相で含み、蒸気のみが蒸気側９０に浸透することを主として可能にする。機械的作用は、能動的（例えば、バネの力を用いて）又は受動的（例えば、液体の移動だけを用いて）であり得る。受動的作動は、リングピストンの低摩擦に依存する。
【００４１】
図６を参照すると、燃料電池１８は、陽極１０２と、セパレータ１０５によって離間された陰極１０３とを有する燃料電池スタック１００（単一の膜電極組立体）として示されている。燃料スタック１００は、燃料カートリッジ１２の蒸気側９０近傍に配置されている。燃料カートリッジ１２からの蒸気は、燃料電池１８の陽極電極１０２に直接的に流れる。
【００４２】
蒸気室７４の容積の追加的な拡張を許容することによって、カートリッジ１２の蒸気側９０に誘発される容積拡張を液体燃料相の収縮容積よりも大きくし得る。
【００４３】
図７を参照すると、追加的な容積を気相室７４に提供することによって、蒸気供給を増大するための構成１１０が示されている。図５におけるように、ピストン９２及び内部バネ９４を含む燃料カートリッジ１２の蒸気側９０は、カートリッジ１２の蒸気室７４の有効容積を増大するための構成１１０で増大される。カートリッジ１２の外面の周りに配置され、且つ、内部蒸気室７４と蒸気連絡している外部室１１２によって、追加的な容積が気相室７４に提供されている。外部室１１２は、カートリッジ１２の出口ポート３２近傍に、蒸気透過性ピストン１１４と燃料電池１８との間に配置された１つ又はそれ以上の外部バネ機構１１６によってカートリッジ１２内の外部室１１２内の蒸気に対して付勢された蒸気透過性ピストン１１４を有する。蒸気圧が増大すると、蒸気圧の増大は、外部室１１４の容積を増大するようにピストン１１４を移動させる。
【００４４】
蒸気透過性ピストン１１４の１つの実施態様は、固形封止材料、又は、ポリフルオロアルケン、フルオロエラストマ、及び、ゴム、例えば、シリコン、フルオロシリコン、ニトリルネオプレン、天然、又は、ポリウレタンのような封止材料が塗布された金属である。機械的剛性をもたらすために、リングピストンに金属コアを含め得る。外部室１１４は、燃料蒸気、陽極反応生成物、及び、場合によっては、（窒素のような）不活性ガスの拡張可能なガス容積であり得る。外部室１１４内の圧力増加を回避するために、外部室１１４の反対の（例えば、リングピストンの反対側上の）収縮容積は、外部環境に放出されるのが好ましい。
【００４５】
ここに独立のバネで示されるように、拡張は液体減少と無関係であり得る。代替的に、液体減少で内部ピストン運動と平行に滑動するよう機械的に（或いは所望であれば磁気的に）外部リングピストンを接続し得る。さらに、燃料が減少するにつれて容積の拡張を増大するために、蒸気側キャビティを成形（例えば、コーン状）し得る。液体収縮よりも大きい蒸気側拡張は、追加的な全体的容積を必要とするという不利点を有する。
【００４６】
燃料供給の制御のために、表面位置で可変透過を有するよう、膜を合成し或いは（例えば、局所的圧縮又は伸長によって）処理し得る。例えば、もし陽極への不均一な燃料分布がもたらされるならば、燃料分布にさえ位置可変透過性（及び、よって、可変燃料フラックス）をもたらし得る。
【００４７】
図８を参照すると、図１Ａ及び１Ｂに描写された携帯型電力供給された電子機器１０が、エネルギー源、例えば、上述のような燃料カートリッジ１２の１つを収容する区画を有するハウジング１１と共に示されている。相互接続部１６は、燃料源（水素の形態）を、液体としてよりもむしろ蒸気として燃料電池（図示せず）に供給する燃料カートリッジ１２をインターフェース接続している。燃料カートリッジ１２は、燃料の液相を燃料カートリッジ１２の出口３２に供給され得る気相と仕切る気化膜４４を含む。燃料カートリッジ１２の一部の実施態様において、壁又は少なくとも壁の一部、例えば、燃料カートリッジ１２の１２ａは、熱伝導性材料、典型的には金属から二次加工される。燃料カートリッジ１２のそのような実施態様は、燃料カートリッジの壁を、ラップトップコンピュータのような小型携帯機器によって発生する熱のためのヒートシンクとして用いる。金属又は導電性材料又は導電性材料から成るカートリッジの少なくともそれらの部分は、機器１０内の放熱構成部品１９と熱連絡して配置されている。燃料カートリッジは、放熱構成部品１９、例えば、ラップトップ内のＣＰＵと近接近して、或いは、一部の携帯型電源装置内で用いられる微小ファン（図示せず）と関連する気流内に配置されている。
【００４８】
燃料カートリッジ１２は、電子機器１０内の放熱構成部品１９から熱を引き離す。熱は燃料カートリッジ１２の熱伝導性壁を越えて移転され、カートリッジ１２内のメタノール蒸気の圧力の付随的増大をもたらす。蒸気圧の増大は、セパレータ膜４４を通じたより高速の蒸気流を可能にする。この技法は、メタノール蒸気圧の増大、よって、燃料電池へのより大きな燃料供給をもたらす受動システムを備える燃料カートリッジ１２をもたらす。加えて、燃料カートリッジ１２のヒートシンクとしての使用は、機器効率を強化し且つ機器の稼働時間を増加するために、冷却ファンの必要（及び機器上のエネルギー流出）を著しく低減し得る。燃料カートリッジ１２の精密な構造は、機器１０の構造、機器によって発生する熱量、及び、ファンの存否に依存し得る。
【００４９】
燃料カートリッジ１２の構造は、燃料カートリッジ１２の残余の断熱壁１２ｂと結合された金属又は他の熱伝導材料壁１２ａを含む。熱伝導壁１２ａは、機器内の熱源１９と直接接触して、少なくとも熱源１９と近接近して、或いは、熱源１９から熱を除去するために用いられる空気流路（図示せず）内に配置されている。代替的に、熱伝導は、燃料出口ポート３２近傍の燃料カートリッジ１２の上部にあり、カートリッジ内に設けられた蒸気室と概ね整列し得る。一部の実施態様において、燃料カートリッジ１２のハウジングは、完全に金属又は他の熱伝導性材料から成り得る。燃料カートリッジは、図１、２Ａ乃至２Ｄに描写されるようなプリズム型、円筒型等の多様な形状を取り得る。
【００５０】
図９を参照すると、温度変化に伴うメタノール蒸気圧の変化を描写するプロット図が示されている。
【００５１】
カートリッジ１２は、動作期間中に大量の熱を発生する電気構成部品と共に特に有用である。カートリッジ１２は、理想的には燃料カートリッジと直接接触して配置される機器内の熱発生面を利用する特徴を有する。一部の実施態様において、カートリッジは燃料タンクとして構成され、放熱装置上のヒートシンク素子を補完又は置換し得る。メタノール液体を包含するカートリッジは、気相燃料供給システム、及び、機器１０のためのヒートシンクとして作用する。よって、ヒートシンクとして作用する燃料カートリッジは、機器１０から熱を除去することを助けるのに対し、発生する熱はメタノール蒸気の蒸気圧を増大し、従って、膜表面によって燃料電池に供給され得る気化燃料の量を増大する。メタノール燃料への熱移転を増大するために、燃料カートリッジは、外部及び／又は内部ファンを含み得る。
【００５２】
パーベーパレーションでは、膜よりも前に気化されるよりもむしろ燃料が膜を通じて移動するときに、燃料は気化される。膜の一部の実施態様は、パーベーパレーション膜と考えられ得るのに対し、他の実施態様は気化膜と考えられ得る。例えば、膜なしの或いは膜より前（蒸気−蒸気浸透）の直接加熱は、直接気化プロセスである。
【００５３】
図２Ａ乃至２Ｅにおいて上述されたアプローチは、固定的幾何学領域を越える概ね４４の膜構成の有効表面領域（及び、よって、蒸気透過の全体的速度）の増大を招く。燃料カートリッジ又は燃料タンク内に配置された強化膜４４は、膜の強化表面領域に比例する速度で、燃料電池への蒸気としての燃料供給をもたらす。図３乃至９に描写される構成は、液体燃料源の温度上昇を伴って、気化速度を指数関数的に増大する。強化表面領域膜及び／又は熱若しくは圧力減少機構は、より高出力のＤＭＦＣシステムを可能にするために、メタノールの気相を高速で供給し得るコンパクトな燃料タンク又は燃料カートリッジシステムを許容する。そのようなアプローチは、燃料電池が、陽極内の低メタノール活動を維持するためのポンプ又は他の能動制御の必要なしに動作することも可能にする。
【００５４】
本発明の多数の実施態様が記載された。それにも拘わらず、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく多様な変更をなし得ることが理解されよう。例えば、置換可能な燃料カートリッジである代わりに、構成は、再充填機構を通じて定期的に補充され得る恒久的に取り付けられる燃料タンクであり得る。加えて、第二膜システムを包含する恒久的に取り付けられる燃料タンクを有する燃料電池組立体に気相メタノールをもたらすために、燃料カートリッジを用い得る。そのようなシステムにおいて、第二膜は、燃料電池への気相メタノールのフラックスを、単一段階階気化アプローチの制御よりも多くの蒸気制御をもたらし得る二段階で規制する。よって、本技法は恒久的に取り付けられる燃料タンク、置換可能な燃料電池カートリッジ、又は、それらの双方を備える燃料電池組立体に適用する。従って、他の実施態様は請求項の範囲内にある。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１Ａ】燃料電池によって電力供給される電子機器を描写するブロック図である。
【図１Ｂ】燃料電池によって電力供給される電子機器を描写するブロック図である。
【図２Ａ】燃料カートリッジ内の高分子膜の構成を描写する概略図である。
【図２Ｂ】燃料カートリッジ内の高分子膜の構成を描写する概略図である。
【図２Ｃ】燃料カートリッジ内の高分子膜の構成を描写する概略図である。
【図２Ｄ】燃料カートリッジ内の高分子膜の構成を描写する概略図である。
【図２Ｅ】燃料カートリッジ内の高分子膜の構成を描写する概略図である。
【図３】局所加熱構成を有する燃料カートリッジを描写する概略図である。
【図４】袋及び局所加熱構成を有する燃料カートリッジを描写する概略図である。
【図４Ａ】燃料カートリッジのための弁の特徴を描写する概略図である。
【図５】燃料カートリッジ内に蒸気圧差を誘発するための多様な構成を描写する概略図である。
【図６】燃料カートリッジ内に蒸気圧差を誘発するための多様な構成を描写する概略図である。
【図７】燃料カートリッジ内に蒸気圧差を誘発するための多様な構成を描写する概略図である。
【図８】電源装置及び燃料カートリッジの構造詳細を描写する概略図である。
【図９】温度変化に伴うメタノール蒸気圧を示すプロット図である。
【図１Ａ】
2007506253.tif 000003
【図１Ｂ】
2007506253.tif 000004
【図２Ａ】
2007506253.tif 000005
【図２Ｂ】
2007506253.tif 000006
【図２Ｃ】
2007506253.tif 000007
【図２Ｄ】
2007506253.tif 000008
【図２Ｅ】
2007506253.tif 000009
【図３】
2007506253.tif 000010
【図４】
2007506253.tif 000011
【図４Ａ】
2007506253.tif 000012
【図５】
2007506253.tif 000013
【図６】
2007506253.tif 000014
【図７】
2007506253.tif 000015
【図８】
2007506253.tif 000016
【図９】
2007506253.tif 000017
【国際調査報告】
2007506253.tif 000018
2007506253.tif 000019
2007506253.tif 000020