(57)【要約】【課題】サイズを小型化し、かつ効率を改善するための、ＤＭＦＣシステムと結合可能な新しいサブシステムを開発することが求められている。【解決手段】モジュールを基にした小型直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）システムが提供される。システムは、カソード流出流からの水回収、アノード流出流からの二酸化炭素分離、流入凝縮メタノールの希釈及びＤＭＦＣシステムの温度管理の重要な機能を実行する。システムは、従来の凝縮器を中心としたＤＭＦＣシステムと比較して、ＤＭＦＣシステムの効率を少なくとも２５％向上し、コストを削減し、信頼性を向上している。加えて、プレートからなるモジュールを使用し、それらをＤＭＦＣシステムと適切に結合することによって、従来の凝縮器を中心としたＤＭＦＣシステムと比較して、サイズを略３５％以上小型化している。【選択図】図１
2008502105.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直接メタノール型燃料電池システムであって、
（ａ）直接メタノール型燃料電池スタックと、
（ｂ）前記直接メタノール型燃料電池スタックに付設されるスタックを形成する、各々が流路を有する複数のプレートとを含み、
前記プレートの第１のセットは、前記直接メタノール型燃料電池スタックのアノード流出流から二酸化炭素を分離し、
前記プレートの第２のセットは、前記直接メタノール型燃料電池スタックのカソード流出流から水を抽出し、
第３のプレート又は前記プレートの第３のセットは、
（ｉ）前記二酸化炭素を実質的に含まない前記プレートの前記第１のセットからの出力と、
（ｉｉ）前記抽出された水を実質的に含む前記プレートの前記第２のセットからの出力と、
（ｉｉｉ）メタノール供給源からのメタノールとを混合して混合物を生成し、
前記混合物は、アノード入力燃料として、前記直接メタノール型燃料電池スタックのアノード入力に流入することを特徴とするシステム。
【請求項２】
１組の前記プレートの前記第１のセットは、前記二酸化炭素を透過させる膜を内部に配置していることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
１組の前記プレートの前記第２のセットは、空気又は水蒸気を透過させる膜を内部に配置していることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
２つ以上の流路を直接接続するため、前記複数のプレートの内の１つ或いは複数の前記プレートを貫通する１つ或いは複数の貫通孔を更に含むことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記直接メタノール型燃料電池スタックの流入流又は流出流を、前記流路の内の１つと直接接続するため、前記複数のプレートの内の１つ或いは複数の前記プレートを貫通する１つ或いは複数の貫通孔を更に含むことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記プレートの第４のセットは、空気対空気熱交換器を形成することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記第３のプレート又は前記プレートの前記第３のセットは、温度調節器として使用することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
温度調節のため、１つ或いは複数の放熱ファンを更に含むことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
１つ或いは複数の断熱層を更に含むことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
直接メタノール型燃料電池システムであって、
（ａ）アノードフロープレート及びカソードフロープレートを備える直接メタノール型燃料電池スタックと、
（ｂ）前記直接メタノール型燃料電池スタックに付設されるスタックを形成する、各々が流路を有する複数のプレートと、
（ｃ）前記アノードフロープレートの出力を、前記流路の内の１つと直接接続するため、前記複数のプレートの内の１つ或いは複数の前記プレートを貫通する第１の孔又は第１の一連の孔と、
（ｄ）前記カソードフロープレートの出力を、前記流路の内の１つと直接接続するため、前記複数のプレートの内の１つ或いは複数の前記プレートを貫通する第２の孔又は第２の一連の孔とを含むことを特徴とするシステム。
【請求項１１】
前記アノードフロープレートの入力に、前記流路の内の１つを直接接続するため、前記複数のプレートの内の１つ或いは複数の前記プレートを貫通する第３の孔又は第３の一連の孔を更に含むことを特徴とする請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
前記カソードフロープレートの入力に、前記流路の内の１つを直接接続するため、前記複数のプレートの内の１つ或いは複数の前記プレートを貫通する第３の孔又は第３の一連の孔を更に含むことを特徴とする請求項１０に記載のシステム。
【請求項１３】
１つ或いは複数の流路が、ガスを放出するための出口孔を有していることを特徴とする請求項１０に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に直接メタノール型燃料電池に関している。更に詳しくは、本発明は、水管理、熱調節、二酸化炭素分離及びメタノール希釈をするための小型多機能モジュールを使用する直接メタノール型燃料電池システムに関している。
【背景技術】
【０００２】
直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）は、従来の電池と同様に、２つの電気化学反応により直流電流を提供する。これらの反応は、反応物質が連続して供給される電極にて発生する。負電極（アノード）は、例えばメタノールのような燃料を供給することによって担持され、正電極（カソード）は、酸素又は空気の供給によって担持される。電流を供給している時は、メタノールは電子を生成するために、アノード電気触媒にて電気化学的に酸化され、その生成された電子は外部回路を介してカソード電気触媒に移動し、還元反応で酸素と共に消費される。その回路は、電解質中のプロトンの移動によってセル内部で担持される。
【０００３】
ＤＭＦＣシステムは、ＤＭＦＣスタックを様々なサブシステムと結合しており、サブシステムには、例えばシステムの水、燃料、空気、加湿及び温度状態を管理するためのものがある。システムは通常セルスタックの構成要素と共に反応する両電極内部での電極反応に動的制約を受けており、これらのサブシステムは、システム全体の効率を改善することを目的としている。
【０００４】
従来のＤＭＦＣシステムによる１つの問題は、アノード流出流からの二酸化炭素の分離に関している。二酸化炭素は、一般的には混合液体（メタノール及び水）を燃料電池スタックの流入口に再循環する前に、ガス／液体分離システムを用いて分離されている。この従来の方法では、メタノール及び水蒸気は、まず冷却ファン（又はラジエータ）を用いて凝縮され、それによって二酸化炭素ガスが液体（メタノール及び水）から分離され、放出される。回収された液体のメタノール及び水は、次に再循環ポンプを用いて混合タンクに汲み上げられ、燃料電池スタックに供給される前に新しいメタノールと混合される。新しいメタノールは、回収されたメタノール及び水で希釈され、スタックに供給される前に所望の濃度を達成する。メタノール及び水の混合物から二酸化炭素を分離する従来のプロセスは、電力消費量が大きく、大型設備を必要とし、アノード流出流中に蒸気の状態で存在するメタノール及び水の一部が、二酸化炭素と共に失われているため非常に効率が悪い。
【０００５】
従来のＤＭＦＣシステムの別の問題の例として、水の管理に関するものがあり、特にＤＭＦＣシステムで使用されるポリマ電解質膜（ＰＥＭ）スタックにとって重要なことである。ＤＭＦＣスタックは、十分な含水量を維持し、膜の脱水及びカソード触媒層の乾燥を防がなければならない。膜の脱水は膜抵抗を増加させ、乾燥したカソードは白金触媒の酸素還元活性を低下させるので、両者共ＤＭＦＣスタックの性能を低下させる。一方、より一般的な例では、ＤＭＦＣスタックの水管理問題は、スタックの乾燥よりもむしろ水が多すぎるために発生していることが多い。水が多すぎると触媒粒子周囲に水膜を形成するため、触媒層への酸素の拡散を妨げる（フラッディング）。従来のＤＭＦＣシステムの場合、燃料電池スタックの含水量は、スタックの温度及び空気の流速を、例えば空気圧縮システム及び空気対空気凝縮器で制御することによって管理されている。しかしながら、そのようなシステムは、ＤＭＦＣスタックによって生成される電力と比較して大量の電力を消費するため、全体的効率を低下させる。
【０００６】
従来のＤＭＦＣシステムのまた別の問題の例として、温度管理に関するものがある。一般的に、温度管理はアノード及びカソードの両方の流れによって制御されている。カソード側の冷却は、スタックを貫流する空気による水の蒸発を用いて、スタックを冷却することによって達成されている。カソード側の冷却は、高い二段燃焼率（４〜６の範囲の二段燃焼率）及びカソードに存在している水を蒸発させるために、カソードを貫流する空気の流速を利用している。同様に、水の蒸発は結果としてスタックの冷却をもたらす。水で飽和した流出空気は、次に水を凝縮するためにカソード側の凝縮システムを通過し、アノードに供給する水を補充するために、その凝縮された水を再利用する。アノード側の冷却は、メタノール及び水の混合物がスタックから流出した後に、その混合物を冷却することによって達成される。アノード流出流の流れに沿って設置された冷却ラジエータは、液体（メタノール及び水）を冷却及び凝縮し、それによって二酸化炭素を分離させる。この従来の温度管理の方法は、多数の設備を必要とし、それらを作動させるために、燃料電池スタックにて生成される電力を著しく大量に消費するため、システムの全体的効率及びシステムの出力密度を低下させやすい。
【０００７】
従来のＤＭＦＣシステムのまた別の問題の例として、水を自律させるような商用燃料電池システムの実現があるが、ＤＭＦＣに供給する最適な燃料に、純メタノール又は市販メタノールを必要とする。しかしながら、純メタノール燃料は、濃度勾配に起因する電解質膜の全域に渡るメタノールの交差を減少させるために、大型のメタノール−水混合タンクの中で強度に希釈する必要がある。これらの問題は、従来、メタノール及び水の透過を制限し得る膜の開発の試み又はカソード流出流からアノードに水を再循環するための、大型で、かつ多くの電力を消費する設備（凝縮器、混合タンク、凝縮器のための冷却ファン、熱交換器及び質量変換器）の使用によって、解決することが検討されてきている。水及びメタノールの交差を制限し得る好適な膜がないため、後者の方が好ましい選択である。しかしながら、この方法は出力密度の低下はもちろんのこと、ＤＭＦＣの装置又は補助システムの平衡を保たせる複合成分及びサブシステムから非常に大きな寄生電力消費を引起している。
【０００８】
従って、サイズを小型化し、かつ効率を改善するための、ＤＭＦＣシステムと結合可能な新しいサブシステムを開発することが求められている。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、新規かつ簡潔な小型直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）システムの問題解決策である。本システムは、カソード流出流からの水回収、アノード流出流からの二酸化炭素の分離、流入凝縮メタノールの希釈及びＤＭＦＣシステムの温度管理のような重要な機能に関する問題に取り組んでいる。本発明によって提供されるシステムは、より本質的な解決策であり、大型かつ電力消費が大きな装置の使用を回避している。それ故に、従来の凝縮器を中心としたＤＭＦＣシステムと比較して、ＤＭＦＣシステムの効率は少なくとも２５％向上している。加えて、本システムはこれら凝縮器を中心としたＤＭＦＣシステムと比較して、比較的サイズが小さい。これはＤＭＦＣシステムとして適切に結合されるようなプレートからなるモジュールを使用することが主な要因である。本システム一式のサイズは、一般に従来の凝縮器を中心としたＤＭＦＣシステムと比較して、略３５％以上小型化される。
【００１０】
更に、本発明のＤＭＦＣシステムは、凝縮器を中心としたＤＭＦＣシステムの構成要素及びサブシステムの大部分を取除くことによってコストを削減している。これら構成要素及びサブシステムの削除によって、磨耗及び破損しやすい可動部品が排除されるので、本発明のシステムは信頼性を増すこともできる。これら従来の部品は、膜及びプレートのような、より頑丈な固定部品に置換されている。
【００１１】
ＤＭＦＣシステムは、ＤＭＦＣスタック及び複数のプレートを含んでいる。各プレートは流路を有している。複数のプレートからなるプレートのセットは、互いに特有の機能を有する様々なモジュールを形成し、共にＤＭＦＣスタックに適切に結合される。これらモジュールは、二酸化炭素分離モジュール、水管理モジュール、混合モジュール及びメタノールモジュールである。モジュールは様々な方法で配置することが可能であり、主に適用用途及びスペースの制限によって決定される。
【００１２】
更に詳しくは、プレートの第１のセットは、ＤＭＦＣスタックのアノード流出流から二酸化炭素を分離する、二酸化炭素モジュールである。１組のこれらプレートは、二酸化炭素を透過させる膜を内部に配置している。プレートの第２のセットは、ＤＭＦＣスタックのカソード流出流から水を抽出する（後でメタノールの希釈に使用され得る）、水管理モジュールである。これらプレートのセットは空気及び／又は水蒸気を透過させる膜を内部に配置している。第３のプレート又はプレートの第３のセットは、（ｉ）二酸化炭素を実質的に含まない、プレートの第１のセットからの出力と、（ｉｉ）抽出された水を実質的に含む、プレートの第２のセットからの出力と、（ｉｉｉ）メタノール供給源からのメタノールとを混合する。第３のプレート又はプレートの第３のセットは混合モジュールであり、混合物をアノード入力燃料として、ＤＭＦＣスタックのアノード入力に出力する。
【００１３】
モジュールとして及びＤＭＦＣシステムとして、プレート、流路或いはプレート及び流路をコンパクトに結合することは、入口孔、出口孔及び貫通孔のような独特の孔を使用することによって成し遂げられる。特に本発明のシステムは、２つ以上の流路を直接接続するため、複数のプレートの内の１つ或いは複数のプレートを貫通する１つ或いは複数の貫通孔を含んでいる。加えて、本発明のシステムは、ＤＭＦＣスタックの流入流又は流出流に、流路の内の１つを直接接続するため、複数のプレートの内の１つ或いは複数のプレートを貫通する１つ或いは複数の貫通孔を含んでいる。
【００１４】
本発明のシステムには、いくつかの変更が含まれる。例えば１つの変更として、プレートの第４のセットを有し、空気対空気熱交換器を形成する。別の変更として、第３のプレート又はプレートの第３のセットが温度調節器として使用される。加えて、熱を調節するために放熱ファン又は断熱層が加えられる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１は、互いに特有の機能を有する複数の小型サブシステムを備える直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）システム１００の概観を示している。これらサブシステムは、モジュールとも呼ばれることがある。多機能モジュールの主要な目的は、ＤＭＦＣシステム全体のサイズを小型化することのほかに、ＤＭＦＣシステムの全体的効率も向上させることである。本発明のＤＭＦＣシステムの活用例には、（ｉ）電動フォークリフトのための車載用補助充電器及びバッテリ充電器として、（ｉｉ）クラス８トラックのための補助電源装置として、（ｉｉｉ）気象台、石油及びガス機器のデータ監視システム、電話局、交通システム又は同様のもの等に使用するためのオフグリッド電源として、（ｉｖ）電話局、病院又は同様の場所等の代替不可能な配電網に対するバックアップ電源に加えて通常の電源又はエネルギ源として使用する等がある。
【００１６】
ＤＭＦＣシステム１００は、ＤＭＦＣスタック１１０、二酸化炭素分離モジュール１２０、水管理モジュール１３０、混合モジュール１４０及びメタノールモジュール１５０を含んでいる。小型ＤＭＦＣシステム本体を提供するため、モジュールは、好ましくはプレートを使用して積層され、共に結合される。プレートは、流入流又は流出流のための流路を有しており、それは例えばプレートの表面にエッチング又は機械加工されている。プレートは、様々な材料から構成されて良く、例えば金属、ステンレススチール、グラファイト又は十分な抗張力を有する様々な熱伝導性の材料等であって良い。そのようなプレート及び流路を形成するための方法は、当技術分野において周知である。
【００１７】
小型積層システムとしての様々なモジュールの結合は、プレート、流路或いはプレート及び流路に孔を備えることを必要とする。それらは、流れを流入するための孔（入口孔）、あるプレートから別のプレートに流れる流れで、かつその両プレートの間に配置されたプレートを貫通する流れのための孔（貫通孔）及び流れを流出するための孔（出口孔）である。図１の実施態様において、入口孔は、二酸化炭素モジュールへのアノード流入流ａ０及び水管理モジュールへのカソード流入流ｃ０に使用されている。混合モジュールは、３つの入口孔を備えており、二酸化炭素モジュール、水管理モジュール及びメタノール供給源の各々の出口孔から発生する流出流ａ０１、ｈ１及びａ１に使用されている。ＤＭＦＣスタックは、カソード流入空気流ｃ１１及びアノード流入流ａ１１のための２つの入口孔を備えており、アノード流入流ａ１１のための入口孔は、混合モジュールの出口孔と接続されている。上述の出口孔は、１つのプレートから別のプレートへの流れを接続しており、その両プレート間にあるいくつかのプレートを貫通孔によってバイパスしている。しかしながら、プレート間に流れを接続しないような出口孔もあり、それらは流れをプレート又はシステムから放出するために使用されている（例えば野外に）。そのような出口孔の実施例には、二酸化炭素Ｃ０２を放出するための二酸化炭素モジュールからの出力（放出）があり、不必要な空気ｃ０１を放出するための水管理モジュールからの出力（放出）がある。
【００１８】
図１は、様々なモジュールの詳細な配置を示している。しかしながら、本発明はこの配置に限定されるわけではなく、異なる配置に変更することができる。配置の選択は、具体的な孔及び接続の選択、即ち適用用途に関するスペースの制限によって決定され得る。モジュールは、長方形の配置だけではなく、概ね立方体又は正方形に配置することも可能である。各モジュールのサイズは、使用されるプレートの数量によって決定する。
【００１９】
小型二酸化炭素モジュールのサイズは、略９”×６”×１／２”（略２７立方インチ）であって良い。この実施例では、各プレートは略１／４”の厚さを有している。一般に、個々の寸法は変化することがあるが、二酸化炭素モジュールの容量は、通常略３０立方インチより小さく、更に好ましくは略２７立方インチ以下である。当業者には容易に明らかなことであるが、現在の実用技術は２７立方インチより更に小さいモジュールを作製することが可能であり、これらは全て本発明の範囲に含まれている。
【００２０】
小型水管理モジュールのサイズは、略９”×６”×１／２”（略２７立方インチ）であって良い（図４−５を参照されたい）。この実施例では、各プレート、即ち２つのプレートは略１／４”の厚さを有している。別の実施例において、厚さ１／４”のプレートを３つ使用する小型水管理モジュールのサイズは、略９”×６”×３／４”（略４０立方インチ）であって良い（図２−３を参照されたい）。また別の実施例において、厚さ１／４”のプレートを４つ使用する小型水管理モジュールのサイズは、略９”×６”×１”（略５４立方インチ）であって良い（図６−７を参照されたい）。一般に、個々の寸法は変化することがあるが、水管理モジュールの容量は、通常略２７、４０又は５４立方インチより少ない（或いは著しく少ない）。当業者には容易に明らかなことであるが、現在の実用技術は２７、４０又は５４立方インチより更に小さいモジュールを作製することが可能であり、これらは全て本発明の範囲に含まれている。
【００２１】
小型混合モジュールのサイズは、略９”×６”×１／４”（略１３．５立方インチ）であって良い。この実施例では、プレートは略１／４”の厚さを有している。一般に、個々の寸法は変化することがあるが、混合モジュールの容量は、通常略１４立方インチより少なく、更に好ましくは略１４立方インチ以下である。当業者には容易に明らかなことであるが、現在の実用技術は１４立方インチより更に小さいモジュールを作製することが可能であり、これらは全て本発明の範囲に含まれている。
【００２２】
小型メタノールモジュール（供給源）のサイズは、略１ガロンから略２０ガロンであって良く、当業者には容易に明らかなことであるが、通常は適用用途によって決定する。
【００２３】
本発明のＤＭＦＣシステム全体のサイズは、従来の凝縮器を中心としたＤＭＦＣシステムと比較して、少なくとも３５％縮小しており、プレートが更に小型化されれば、更に縮小する。本発明のＤＭＦＣシステム全体の効率は、従来の凝縮器を中心としたＤＭＦＣシステムと比較して、少なくとも２５％向上している。サイズの縮小及び効率の改善は、主に各モジュール及びそれらの結合による簡潔な解決策、即ち、電力を多く消費する装置の排除及び膜を備えた装置のような受動装置の導入の結果である。当業者には容易に明らかなことであるが、出力密度はシステムの容量に反比例する。即ち、システムの容量の増加は、システム全体の出力密度を減少させるという結果をもたらす。１ｋＷのＤＭＦＣシステムのサイズは、略８５−１１５ｌｔｓである。
【００２４】
以下の記載は、様々な典型的な実施態様を含んでおり、異なるモジュールがそれぞれの機能を提供するためにどのようにデザインでき、それらがＤＭＦＣシステムにどのように結合できるのか記載している。
【実施例】
【００２５】
実施例１
【００２６】
図２−３は、カソード流出流からの水回収、アノード流出流からの二酸化炭素分離、流入凝縮メタノールの希釈及びＤＭＦＣシステムの温度管理の重要な機能を実行する方法の実施例を示している。個々のモジュールは、順序に関して特定の選好なく記載されている。
【００２７】
１．１  二酸化炭素分離モジュール
【００２８】
図２−３は、プレートのセットを有する二酸化炭素分離モジュールを示しており、通常は２つのプレートＰ１１及びＰ１２が互いに合わせられている。プレートＰ１１及びＰ１２は、二酸化炭素透過性の膜Ｍ１を内部に配置している。各プレートＰ１１及びＰ１２は、プレートにエッチングされた又は機械加工された流路を有している。各流路は膜Ｍ１に面し、かつ接触している。言い換えれば、膜Ｍ１は、２つの流路間のバリアである。
【００２９】
プレートＰ１１の流路は、直接メタノール型燃料電池スタック１２０のアノード流出流ａ０を受容する。このアノード流出流ａ０は、通常は二酸化炭素、未反応メタノール及び未反応の水を含んでいる。流れａ０に存在する二酸化炭素は、アノードにて生じる電気化学的酸化反応の結果として生成される。流れａ０の温度は、直接メタノール型燃料電池スタックの温度に近い温度（＋／−２℃）であり、従って流れａ０は、スタックにて発生した著しく大量の熱を伝達しなければならない。
【００３０】
膜Ｍ１の主要な目的は、二酸化炭素を透過させることであり、二酸化炭素以外のガスを実質的に制限し、アノード流出流ａ０に存在する液体を実質的に制限する。二酸化炭素が膜Ｍ１を透過するように推進する力は、膜Ｍ１をはさんで相対する二酸化炭素の分圧の差であり、即ち、プレートＰ１１の二酸化炭素の分圧は、プレートＰ１２の二酸化炭素の分圧よりも高い。一実施態様において、膜は凡そ０．１から０．５ｐｓｉｇの圧力差を必要とする。しかしながら、本発明はこの圧力範囲に限定されるわけではなく、二酸化炭素が透過し、抽出が生じるならば、いかなる範囲であっても良い。
【００３１】
実施例の好適な膜は、ポリマ及びセラミックのハイブリッド膜のほか、疎水性微多孔膜も含んでいる。ハイブリッド膜を使用する目的は、膜が二酸化炭素に対して高い透過性を有しているだけではなく、二酸化炭素に関して高い選択性も有しているからであり、そのことはゾルゲル反応及び重合の組合せによって作成される相当数のハイブリッド膜によって示されている。好適な膜の例には、例えば、ジフェニルジメトキシシラン（diphenyldimethoxysilane：DPMOS）、トリメトキシシラン（trimethoxysilane：TMOS）、フェニルトリメトキシシラン（phenyltrimethoxysilane：PTMOS）、ポリ（アミド−６−ｂ−エチレンオキシド）とシリカ、アミノプロピルトリメトキシシラン（aminopropyltrimethoxysilane：APrTMOS）、アルミナ上のシリカ−ポリイミド及び同様なものがあるが、これらに限定されるわけではない。膜の二酸化炭素の典型的な流束は、１０−６〜１０−７ｍｏｌ／ｍ２−ｓｅｃ−Ｐａの範囲である。当業者には明らかなことであるが、別の種類の膜は異なる範囲の流速を有していることがあり、それらは全て本発明の範囲内である。
【００３２】
アノード流出流は流路を通過し、それによって膜Ｍ１を介して二酸化炭素を透過する。この流路のもう一方の端部において、アノード流出流には、未反応メタノール及び未反応の水が含まれているが、二酸化炭素は実質的に含んでいない。未反応メタノール及び未反応の水は、出力ａ０１として流路から流出する。出力ａ０１は、混合モジュール内で使用されることがあり、メタノールモジュール１５０からのメタノール燃料及び水管理モジュール１３０からの水と混合され得る。混合モジュール１４０からのこの混合物は、直接メタノール型燃料電池スタック１１０へのアノード流入流ａ１１として使用され得る。二酸化炭素分離モジュールのプレートＰ１２の別の流路において、透過された二酸化炭素は収集され、出口孔を介してＣＯ２（放出）として流路からシステム外に放出する。
【００３３】
１．２  水管理モジュール
【００３４】
図２−３は、プレートＰ２１、Ｐ２２及びＰ２３及び膜Ｍ２を有する水管理モジュールを示しており、膜Ｍ２を使用してカソード流出流ｃ０中の空気から水を分離し、回収する。ＤＭＦＣスタックのカソード流出流ｃ０は、プレートＰ２１の流路（例えば、プレートＰ２１の内面にエッチング又は機械加工された溝）に流入し、通過する。ここで、ｃ０は空気脱水膜Ｍ２と接触している。膜Ｍ２は２つの機能を実行する。
（ｉ）Ｍ２は選択的空気脱水膜であり、水蒸気のみを透過可能とし、ｃ０中の空気又は液体の水の流れが透過することを制限する。一実施態様において、真空又は膜Ｍ２を挟んで相対する低い圧力差を生成するため、小型低電力吸引ポンプが使用されることがあり、水蒸気の選択的輸送を促進する。
（ｉｉ）Ｍ２は、プレートＰ２１及びＰ２２間のバリアとして機能する。
【００３５】
Ｍ２として好適な空気脱水膜の例には、例えば、Ａｉｒ  Ｐｒｏｄｕｃｔｓ  ａｎｄ  Ｃｈｅｍｉｃａｌｓから市販されているＣａｃｔｕｓＴＭ（ＰＲＩＳＭＴＭ）膜或いはＢａｌｓｔｏｎ  Ｉｎｃ．又はＰａｒｋｅｒ  Ｈａｎｎｉｆｉｎから市販されている空気脱水膜があるが、これらに限定されるわけではない。これらの膜は、Ａｉｒ  Ｐｒｏｄｕｃｔｓ  Ｉｎｃ．が立てた次の方程式によって規定される水蒸気の流速を一般に有している。
Ｎｗｖ＝Ｐｉ／Ｌ＝（３００〜１５００）１０−６ｃｍ３／ｃｍ２．ｓ．ｃｍＨｇ
ここで、Ｎｗｖは膜を透過する水蒸気の流束であり、Ｐｉは膜を透過する水蒸気の透過性であり、Ｌは膜の厚さである。
【００３６】
プレートＰ２１にて、流れｃ０中の空気は放出される。ｃ０から水蒸気を抽出する目的は、燃料（アノード）側のメタノール容器からの純メタノールの希釈のため、液体の水の供給を適切に提供することである。更に、その目的はアノード側で生じる電気化学的メタノール酸化反応に水を提供することであり、即ち、水はその反応のための反応物質である。ｃ０中の水蒸気は、膜Ｍ２を透過し、ｈ０としてプレートＰ２２から流出し、引き続きプレートＰ２３に流入する。流れｈ０中の水蒸気は、プレートＰ２３の過飽和現象によって液体の水に凝縮し、水蒸気からの空気の分離は、水蒸気の蒸気圧力の増加をもたらし、従って、プレートＰ２３の水蒸気の縮合を引起す。従って、生成された液体の水は、流れｈ１、即ち、復水流として、送水ポンプを用いてＰ２３から汲み上げられる。
【００３７】
１．３  空気供給
【００３８】
空気供給サブシステムは、ＤＭＦＣスタックの電気化学反応の需要を満足するように、酸素ｃ１１をカソードに提供するために追加されている。ＤＭＦＣスタックは、電気化学的電流生成反応で消費される酸素のほかにも、酸素を必要とする。メタノールは、小さい分子で、完全に水混和性のある分子であり、セルのアノード側（燃料側）からカソード側（空気側）に移動する傾向がある。カソード触媒で燃焼するこの交差メタノールは、スタックに追加の酸素需要、追加の廃熱及び追加の水を作り出す。空気供給サブシステムの機能は多岐に渡っており、即ち、（ｉ）酸素をカソードに提供し、（ｉｉ）燃料電池の反応及び交差によって生成された水を除去することでスタックの水位を制御し、（ｉｉｉ）スタックから廃熱を取除く。
【００３９】
大気状態にて空気ｃ１１は、空気ポンプを用いて直接メタノール型燃料電池スタックのカソードに供給される。空気は空気ポンプに供給される前に、先ず空気フィルタを通過することがある。ｃ１１は、カソードにて生じる電気化学的還元反応のための酸素を提供するほかに、膜を横断してカソードに交差する多くのメタノールと反応するための酸素も提供する。水蒸気で飽和した不必要な空気及び液体の水の一部は、通常はスタックの動作温度近傍の温度にて、カソード流出流ｃ０としてＤＭＦＣスタックから流出する。ＤＭＦＣスタックの温度は、４０℃から８０℃の範囲で変動することができる。ＤＭＦＣスタックのカソード側に存在する水蒸気及び液体の水は、カソードにて生じる酸素還元反応で生成する水と、アノード側からカソード側に電解質膜を横断する水の交差による水との両者からもたらされる。
【００４０】
１．４  混合モジュール
【００４１】
プレートＰ３１は、混合モジュールの実施例であり、３つの入力が使用可能な容器である。第１の入力は、二酸化炭素分離モジュールからの流れａ０１であり、プレートＰ３１に流入する。第２の入力は、プレートＰ２３からの流れｈ１であり、上記に記載されているように送水ポンプを用いてプレートＰ３１に供給される。更に、第３の入力は新しいメタノール又は純メタノールの流れ、即ちａ１であり、定量ポンプを用いてメタノールモジュールからプレートＰ３１に供給される。プレートＰ３１は、受動混合装置又は受動混合を行うコンパートメントであり、ここで、流入純メタノール流ａ１を、スタックのアノード側にａ１１として供給する前に希釈する目的で、ｈ１、ａ０１及びａ１が混合される。流れａ０１がアノードにて発生した熱の主要な伝達手段であるため、プレートＰ３１は、別の機能、即ち、温度管理にも使用される。この熱は通常は室温であるため、この熱の大部分は熱的に調整される、或いはメタノール流ａ１の温度を上昇させる。このプロセスは、プレートＰ３１から流出する流れａ１１の温度を、直接メタノール型燃料電池スタックの流れの温度に接近させる。必要に応じて、流れａ１１を冷却するための小型放熱ファンを追加しても良い。
【００４２】
１．５  小型多機能モジュール
【００４３】
図３は、ＤＭＦＣシステムのための小型多機能モジュールシステムを構成する実施例を示している。この構造は、様々なプレート、膜及び孔を含んでおり、例えば以下のようなものがある。
１．  ａ０のための入口孔を有するプレートＰ１１。
２．  ｃ０の通過を可能にする貫通孔を有するプレートＰ１１及びプレートＰ１２。
３．  ａ０１のための出口孔を有するプレートＰ１１。
４．  ａ０１の通過を可能にする貫通孔を有するプレートＰ１２、Ｐ２１、Ｐ２２及びＰ２３。
５．  二酸化炭素（Ｃ０２）のための出口孔を有するプレートＰ１２。
６．  ｃ０のための入口孔を有するプレートＰ２１。
７．  ｃ０１のための出口孔を有するプレートＰ２１。
８．  ｈ０のための出口孔を有するプレートＰ２２。
９．  ｈ０のための入口孔を有するプレートＰ２３。
１０．ｈ１のための出口孔を有するプレートＰ２３。
１１．ａ０１、ｈ１及びａ１のための入口孔を有するプレートＰ３１。
１２．ａ１１のための出口孔を有するプレートＰ３１。
１３．ａ０及びａ０１の流れのための流路を有するプレートＰ１１（例えば、流路はプレート内面に備えられた溝）。
１４．二酸化炭素（Ｃ０２）の流れのための流路を有するプレートＰ１２（例えば、流路はプレート内面に備えられた溝）。
１５．ｃ０及びｃ０１の流れのための流路を有するプレートＰ２１（例えば、流路はプレート内面に備えられた溝）。
１６．ｈ０の流れのための流路を有するプレートＰ２２（例えば、流路はプレート内面に備えられた溝）。
【００４４】
実施例２
【００４５】
図４−５は、カソード流出流からの水回収、アノード流出流からの二酸化炭素分離、流入凝縮メタノールの希釈及びＤＭＦＣシステムの温度管理の重要な機能を実行する方法の別の実施例を示している。この実施例は、実施例１の変更であり、水管理装置／モジュールによる水の回収に違いがある。その他の構成要素又はモジュールの記載については、上述の記載を参照されたい。
【００４６】
２．１  水管理
【００４７】
この実施態様では、カソード流出流ｃ０は、プレートＰ２２の流路に（例えば、プレートＰ２２の内面にエッチング又は機械加工された溝を介して）流入する。ここで、ｃ０は膜Ｍ３と接触している。膜Ｍ３は次の２つの機能を実行する。
（ｉ）膜Ｍ３は選択的透過膜であり、空気のみを透過可能とし、水蒸気又は液体の水の輸送を制限する（この図４−５に関する記載は、膜Ｍ２と対照的である）。膜Ｍ３を挟んで相対する圧力差が、空気の透過を生じさせている。一実施例において、膜Ｍ３を挟んで相対する圧力差は、略０．５〜０．７５ｐｓｉである。しかしながら、本発明はこの圧力範囲に限定されるわけではなく、空気が透過し、抽出が生じるならば、いかなる範囲であっても良い。
（ｉｉ）膜Ｍ３は、プレートＰ２１及びプレートＰ２２間のバリアとして機能する。
【００４８】
空気は膜Ｍ３を透過してプレートＰ２１に流入し、ｃ０１としてプレートＰ２１から放出される。流れｃ０中の水蒸気は、過飽和現象によって液体の水に凝縮する。膜Ｍ３を横断する空気の透過は、Ｐ２２の混合物中の水蒸気の蒸気圧力の増加をもたらす。この水蒸気の蒸気圧力の増加は、過飽和を推進する力であり、水蒸気から液体の水への縮合が結果として起こる。従って、流れｃ０からの空気の分離によって生成された液体の水は、プレートＰ２２からプレートＰ３１に、流れｈ１、即ち、復水流として送水ポンプを用いて汲み上げられる。プレートＰ２１及びＰ２２及び膜Ｍ３の機能は、膜Ｍ３を利用してカソード流出流ｃ０中の空気から水を本質的に分離し、回収することである。本発明に照らして、このモジュールは、水管理モジュールと呼ばれる（図１も参照されたい）。
【００４９】
２．２  小型多機能モジュール
【００５０】
図５は、ＤＭＦＣシステムのための小型多機能モジュールシステムを構成する実施例を示している。この構造は、様々なプレート、膜及び孔を含んでおり、例えば以下のようなものがある。
１．  ａ０のための入口孔を有するプレートＰ１１。
２．  ｃ０の通過を可能にする貫通孔を有するプレートＰ１１、Ｐ１２及びＰ２１。
３．  ａ０１のための出口孔を有するプレートＰ１１。
４．  ａ０１の通過を可能にする貫通孔を有するプレートＰ１２、Ｐ２１及びＰ２２。
５．  二酸化炭素（Ｃ０２）のための出口孔を有するプレートＰ１２。
６．  ｃ０１のための出口孔を有するプレートＰ２１。
７．  ｃ０のための入口孔を有するプレートＰ２２。
８．  ｈ１のための出口孔を有するプレートＰ２２。
９．  ａ０１、ｈ１及びａ１のための入口孔を有するプレートＰ３１。
１０．ａ１１のための出口孔を有するプレートＰ３１。
１１．ａ０及びａ０１の流れのための流路を有するプレートＰ１１（例えば、流路はプレート内面に備えられた溝）。
１２．二酸化炭素（Ｃ０２）の流れのための流路を有するプレートＰ１２（例えば、流路はプレート内面に備えられた溝）。
１３．ｃ０１の流れのための流路を有するプレートＰ２１（例えば、流路はプレート内面に備えられた溝）。
１４．ｃ０及びｈ１の流れのための流路を有するプレートＰ２２（例えば、流路はプレート内面に備えられた溝）。
【００５１】
実施例３
【００５２】
図６−７は、カソード流出流からの水回収、アノード流出流からの二酸化炭素分離、流入凝縮メタノールの希釈及びＤＭＦＣシステムの温度管理の重要な機能を実行する方法のまた別の実施例を示している。この実施例は、実施例１及び２の特徴を組込んでいる。加えて、下記に記載される別の変更が追加されている。その他の構成要素又はモジュールの記載については、上述の記載を参照されたい。
【００５３】
３．１  変更
【００５４】
第１の変更は、二酸化炭素分離モジュールに関してであり、実施例１及び２と同様な方法で（受動）混合装置として機能するプレートＰ３１に付設されることがある。加えて、流れａ０１からの放熱による熱損失を防ぐため、プレートＰ１１、Ｐ１２及びＰ３１からなるこの小型多機能モジュールの両側に、断熱材ＴＩが追加されている。
【００５５】
第２の変更は、水管理モジュールに関してであり、実施例１及び２の両者の解決策を用いている。図６−７は、ＤＭＦＣスタックからのカソード流出流ｃ０（即ち、水蒸気で飽和した不必要な空気及びスタックの温度に近い温度を有する液体の水）を、流量制御バルブを使用して２つの流れｃ０に分配している。ｃ０の第１の流れは、プレートＰ４１に供給される。プレートＰ４１及びプレートＰ４２及び膜Ｍ２の組合せは、実施例１の水管理モジュールと類似している。相違点は、実施例３ではプレートＰ２３が省略され、プレートＰ４２の流出流ｃ１１を、ここでは直接メタノール型燃料電池スタックのカソード入力に直接供給していることである。ｃ０の第２の流れは、プレートＰ２２に供給されている。プレートＰ２１及びプレートＰ２２及び膜Ｍ３の組合せは、実施例２の水管理モジュールと類似している。追加の注意点として、流れｃ０中の空気は膜Ｍ３を介してプレートＰ２１へ透過し、流れｃ０１として流出する。
【００５６】
第３の変更も水管理モジュールに関してであり、プレートＰ２２は蒸気を凝縮するために冷却され、それによって回収された水から空気を分離する。縮合は、強制空気冷却ファンによって提供される冷却の結果であるほか、過飽和の結果でもある。ｃ０２の導入によって引起される空気の分離によってＰ２２の水蒸気圧が増加するため、過飽和が引起される。冷却は、膜Ｍ３に疎水性微多孔膜が使用される場合、特に効果がある。
【００５７】
第４の変更は、加湿及び温度調整に関してである。流れｃ１は、システムに導入される新鮮な空気であり、空気ポンプを用いてプレートＰ５２に導入される。更に、空気を空気ポンプに流入させる前に、空気フィルタが使用される。流れｃ１は、空気対空気熱交換器（プレートＰ５１及びＰ５２）を通過する。ここで、その流れはプレートＰ２１で発生する流れｃ０１によって温度調整される。温度調整プロセスの後、流れｃ０１は、ｃ０１（放出）として大気中に放出される。温度調整された空気の流れは、ｃ１１として流出し、膜Ｍ２と接触しているプレートＰ４２を通過する。膜Ｍ２は、ｃ０からの水を使用して流れｃ１１を加湿する。温度調整され、かつ加湿された空気の流れは、流れｃ１１としてプレートＰ４２から流出し、電気化学的還元反応のためにカソードに導入される。その一方で、Ｐ４１で除湿された流れｃ０は、ｃ０２として流出し、プレートＰ２２に導入される。加えて、熱調節を提供するために、例えばプレートＰ５１及びＰ２１の側面に、放熱ファンが使用される。
【００５８】
３．２  小型多機能モジュール
【００５９】
図７は、ＤＭＦＣシステムのための小型多機能モジュールシステムを構成する実施例を示している。この構造は、様々なプレート、膜及び孔を含んでおり、例えば以下のようなものがある。
１．  ａ０のための入口孔を有するプレートＰ１１。
２．  ａ０１のための出口孔を有するプレートＰ１１。
３．  ａ０１の通過を可能にする貫通孔を有するプレートＰ１２。
４．  二酸化炭素（Ｃ０２）の流れのための溝が備えられた内面を有するプレートＰ１２。
５．  ａ０１、ｈ１及びａ１のための入口孔を有するプレートＰ３１。
６．  ａ１１のための出口孔を有するプレートＰ３１。
７．  ｃ０のための入口孔を有するプレートＰ２２。
８．  ｃ０１のための出口孔を有するプレートＰ２１。
９．  ｃ０のための入口孔を有するプレートＰ２２及びＰ４１。
１０．ｈ１のための出口孔を有するプレートＰ２２及びＰ４１。
１１．ｃ０２のための出口孔を有するプレートＰ４１。
１２．ｃ０２のための入口孔を有するプレートＰ２２。
１３．ｃ０１の通過を可能にする貫通孔を有するプレートＰ２２、Ｐ４１及びＰ４２。
１４．ｃ０１のための入口孔を有するプレートＰ５１。
１５．ｃ１１のための出口孔を有するプレートＰ４２及びＰ５２。
１６．ｃ０１のための出口孔を有するプレートＰ５１。
１７．ｃ１のための入口孔を有するプレートＰ５２。
１８．ｃ１１のための貫通孔を有するプレートＰ５１。
１９．ｃ１１のための入口孔を有するプレートＰ４２。
２０．ａ０及びａ０１の流れのための溝が備えられた内面を有するプレートＰ１１。
２１．二酸化炭素（Ｃ０２）の流れのための流路を有するプレートＰ１２（例えば、流路はプレート内面に備えられた溝）。
２２．ｃ０１の流れのための流路を有するプレートＰ２１（例えば、流路はプレート内面に備えられた溝）。
２３．ｃ０、ｈ１及びｃ０２の流れのための流路を有するプレートＰ２２（例えば、流路はプレート内面に備えられた溝）。
２４．ｃ０、ｃ０２及びｈ１の流れのための流路を有するプレートＰ４１（例えば、流路はプレート内面に備えられた溝）。
２５．ｃ１１の流れのための流路を有するプレートＰ４２（例えば、流路はプレート内面に備えられた溝）。
【００６０】
本発明は、いくつかの典型的な実施態様に基づいて記載されてきたが、これらは全ての特徴を説明することを目的としており、本発明をこれらに制限することを目的とするものではない。従って、本発明は実施の詳細において多くの変更が可能であり、当業者によって、ここに含まれている記載より変更が導出され得る。１つの変更として、流体を通過させるための流路を有するプレートは、効率的な熱伝達機構のためのフィンを備えた構造であっても良い。別な変更として、流れａ１１をＤＭＦＣスタックのアノードに流入させる前に、冷却用の小型ラジエータを通過させても良い。また別な変更として、本発明は１ｋＷ以上の電力を発生させるＤＭＦＣシステムを含むことがある。それは、この電力範囲で従来の凝縮器を中心としたシステムが抱えていたサイズ及び効率の問題を明らかに克服したからである。しかしながら、本発明はそのような電力範囲に制限されるわけではなく、５０Ｗから１ｋＷのＤＭＦＣシステム、或いは一般に、様々な種類の電力範囲又は用途であっても良い。特許請求の範囲及びそれらと法的に均等な範囲に属する変更は、全て本発明の精神と範囲内に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明に基づく直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）システムの典型的な実施態様を示す図である。
【図２】本発明に基づくＤＭＦＣシステムの実施例１を示す図である。
【図３】図２の実施例１に基づく小型多機能モジュール（ＣＭＭ）の配置構造を示す図である。
【図４】本発明に基づくＤＭＦＣシステムの実施例２を示す図である。
【図５】図４の実施例２に基づく小型多機能モジュール（ＣＭＭ）の配置構造を示す図である。
【図６】本発明に基づくＤＭＦＣシステムの実施例３を示す図である。
【図７】図６の実施例３に基づく小型多機能モジュール（ＣＭＭ）の配置構造を示す図である。
【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６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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