(57)【要約】【課題】より高いエネルギ密度、より高い効率及びより低いコストを実現する燃料電池発電機を提供する。【解決手段】オキシダントと混合した高濃度燃料を用いて、アノード反応選択触媒及びカソード反応選択触媒を備えた燃料電池発電機を動作させる。燃料は、実質的に、電池を１回通過する間に消費される。【選択図】図１
2008516401.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池発電装置であって、
それぞれが非導電性の浸透性膜によって分離されたアノード及びカソードを備えると共に、前記アノードがアノード反応選択触媒を有し、前記カソードがカソード反応選択触媒を有している複数の燃料電池と、
オキシダント反応物と混合された高濃度燃料の流体を前記燃料電池を順次通過させて、前記燃料電池のそれぞれが前記混合流体に含まれる燃料の一部を消費し、該燃料電池のそれぞれにおいて燃料濃度が漸減するように、該流体を導く手段とを備えていることを特徴とする燃料電池発電装置。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池発電装置において、
前記燃料の少なくとも半分を消費するのに十分な燃料電池を備えていることを特徴とする燃料電池発電装置。
【請求項３】
請求項１に記載の燃料電池発電装置において、
前記混合反応体流体に含まれる前記燃料を、高濃度から１０％（モル分率）未満の濃度になるまで消費するのに十分な燃料電池を備えていることを特徴とする燃料電池発電装置。
【請求項４】
請求項１に記載の燃料電池発電装置において、
前記オキシダントと混合された燃料の流体を導く手段は、該流体を前記燃料電池を軸方向に通過するように導くことを特徴とする燃料電池発電装置。
【請求項５】
請求項１に記載の燃料電池発電装置において、
前記アノード及び前記カソードは、浸透性であり、
前記オキシダントと混合された燃料の流体を導く手段は、前記アノード及び前記カソードに対して平行に前記燃料電池を通過するように該流体を導くことを特徴とする燃料電池発電装置。
【請求項６】
請求項４に記載の燃料電池発電装置において、
連続する燃料電池の前記アノード及び前記カソードは、先行する燃料電池の前記アノード及び前記カソードよりも大きな表面積を有することを特徴とする燃料電池発電装置。
【請求項７】
燃料電池発電装置であって、
混合反応体燃料電池スタックと、
燃料源及びオキシダント源とを備え、
該燃料及びオキシダントは混合され、前記スタックに含まれる燃料電池を順次通過するように流れ、前記スタックの中を通って前記混合反応体を１回通過するときに、前記それぞれの燃料電池においてアノード及びカソードに接触して、前記燃料の少なくとも半分が消費されることを特徴とする燃料電池発電装置。
【請求項８】
請求項７に記載の装置において、
前記スタック内に流入する前記燃料は、少なくとも５０％（モル分率）の濃度を有することを特徴とする燃料電池発電装置。
【請求項９】
混合反応体ダイレクトメタノール燃料電池スタックであって、
メタノールと水と空気との混合体を供給して動作する複数の燃料電池を備え、
前記供給混合体におけるメタノール対水のモル比が１：１より大きく、
前記燃料と空気との混合体は、前記複数の燃料電池を順次通過するように流れ、前記供給混合体に含まれる前記燃料の少なくとも半分が前記複数の燃料電池によって漸次的に消費されることを特徴とする混合反応体ダイレクトメタノール燃料電池スタック。
【請求項１０】
請求項９に記載の混合反応体ダイレクトメタノール燃料電池スタックにおいて、
前記供給混合体に含まれる前記燃料、空気及び水は全て、それぞれが気相であることを特徴とする混合反応体ダイレクトメタノール燃料電池スタック。
【請求項１１】
請求項９に記載の混合反応体ダイレクトメタノール燃料電池スタックにおいて、
流体連通するように前記スタックに接続されて、該スタックからの排出物に含まれる残留燃料を受け取って燃焼させるテールガス燃焼器を備えていることを特徴とする混合反応体ダイレクトメタノール燃料電池スタック。
【請求項１２】
電力を発生する方法であって、
オキシダントと混合された高濃度燃料の混合体を、それぞれがアノード反応選択触媒を有するアノードとカソード反応選択触媒を有するカソードとを備えて前記アノード及び前記カソードは非導電性の浸透性膜によって分離されている複数の燃料電池からなるスタック内に流す工程と、
前記スタックにおいて、前記流体が前記アノード反応選択触媒及び前記カソード反応選択触媒に接触して、前記燃料電池のそれぞれが前記燃料の一部を消費して電流を生成し、それにより、該燃料電池のそれぞれによって前記燃料の濃度が漸次的に減少するように、前記混合体を前記燃料電池を順次通過させるように流す工程とを包含することを特徴とする方法。
【請求項１３】
請求項１２に記載の方法において、
前記アノード及び前記カソードは浸透性であり、
前記混合体を前記燃料電池の前記アノード及び前記カソードを軸方向に通過させるように流す工程を包含することを特徴とする方法。
【請求項１４】
請求項１２に記載の方法において、
前記混合体を前記燃料電池の前記アノード及び前記カソードに接触しつつ前記燃料電池を通過させるように流す工程を包含することを特徴とする方法。
【請求項１５】
請求項１３に記載の方法において、
前記スタックの中を通って前記混合体を１回通過するときに、前記混合体に含まれる前記燃料の少なくとも半分を消費する工程を包含することを特徴とする方法。
【請求項１６】
請求項１３に記載の方法において、
前記スタックにおいて、前記燃料の濃度が５％未満にまで低下するように、前記燃料を十分に消費する工程を包含することを特徴とする方法。
【請求項１７】
請求項１２に記載の方法において、
前記燃料とオキシダントとの混合体を気相の状態で前記スタック内に供給する工程を包含することを特徴とする方法。
【請求項１８】
請求項１２に記載の方法において、
前記スタックからの流出物に含まれる残留ガスを燃焼する工程を包含することを特徴とする方法。
【請求項１９】
請求項１８に記載の方法において、
前記燃焼によって生じた熱を前記燃料を気化して供給するために使用する工程を包含することを特徴とする方法。
【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、小型混合反応体(CMR)型ダイレクトメタノール燃料電池(DMFC)に関する。
【０００２】
（本発明の契約上の起源）
尚、本発明は、アメリカ合衆国陸軍の裁定により与えられたW911NF-04-C-0009に基づく政府援助によって為されたものである。合衆国政府は、本発明において所定の権利を有する。
【背景技術】
【０００３】
燃料電池発電機は、燃料及びオキシダント（例えば水素）或いはメタン燃料及び空気由来の酸素を消費して電気を発生する電気化学システムである。従来の燃料電池は、概して、燃料電極（アノード）と、酸化電極（カソード）と、燃料と酸化電極との間に配置された電解質と、燃料電極に燃料を供給する燃料供給管と、酸化電極に酸化剤（例えば空気）を供給する酸化剤供給管と、化学反応の副生成物を電極から離すように搬送する１つ以上の搬送管と、アノードから負荷へ及び負荷からカソードへと電流を伝達する為の電気コンタクトとから構成される。
【０００４】
携帯型電子機器及び他の用途の電源として開発される有力な候補であるダイレクトメタノール燃料電池(DMFC)において、燃料はメタノールであり、空気又は他の原料から得た酸素をオキシダントとして使用し得、その副生成物は二酸化炭素及び水である。化学反応は以下の通り。
【０００５】
アノード反応：ＣＨ３ＯＨ ＋ Ｈ２Ｏ → ６Ｈ＋ ＋ ＣＯ２ ＋ ６ｅ−  ・・・（１）
カソード反応：3/2Ｏ２ ＋ ６Ｈ＋ ＋ ６ｅ− → ２Ｈ２Ｏ  ・・・（２）
反応全体：ＣＨ３ＯＨ ＋ 3/2Ｏ２ → ＣＯ２ ＋ ２Ｈ２Ｏ  ・・・（３）
メタノール及び水は、燃料格納タンク又は他の材料からアノードに提供される。アノード反応（反応式（１））によって生成された水素陽子（６Ｈ＋）は、電解質を介してカソードへと移動し、カソード反応（反応式（２））に加わる。一方、電子（６ｅ−）は、電流として、アノードから負荷を通ってカソードへと流れ、カソード反応（反応式（２））に加わる。カソード反応において、オキシダントは陽子と反応し、電子を得て水を形成する。
【０００６】
従来のダイレクトメタノール燃料電池(DMFC)においてメタノールがカソードに接触するのは望ましくない。なぜなら、カソードにおいてメタノールがオキシダントと反応して、二酸化炭素及び水を形成するからである。その反応は以下の通り。
【０００７】
クロスオーバー反応：ＣＨ３ＯＨ ＋ 3/2Ｏ２ → ＣＯ２ ＋ ２Ｈ２Ｏ  ・・・（４）
この種の反応は、作用する電子を発生することなくメタノールを生成するので、無駄であり、燃料電池の能力及び効率を低下させる。したがって、従来のダイレクトメタノール燃料電池(DMFC)を効率的に動作させる為に、アノードとカソードとを選択膜によって分離する必要がある。すなわち、メタノールが選択膜を通ってカソード側へと移動するのを防止しつつ、陽子（反応式（１）の６Ｈ＋）を燃料電池のアノード側から選択膜を介してカソード側へと移動させる働きをする選択膜を、アノードとカソードとの間に設ける必要がある。例えば、Wilkinsonらの米国特許第6,613,464号及びGorerの米国特許第6,723,678号を参照。
【０００８】
電解質膜には、陽子移動を許容し且つメタノール移動を防止するという選択性を少なくともある程度は有するものがあるが、それらは完璧ではない。これまでのところ、メタノールが膜を越えてカソードに達し、燃料電池の効率を低下させる上記反応式（４）の寄生反応に加わるのを完全に防止することは出来なかった。したがって、そのようなクロスオーバー損失及びその結果生じるメタノール燃料の浪費を低減する為に、たいていの従来のDMFCシステムは、メタノールを水で希釈し（通常は１〜１０％メタノールの範囲）、消費された燃料を補填し且つ希釈された燃料濃度を厳密に制御された範囲内に維持するのに十分な燃料を追加しつつ、その溶液を不定的にアノードを越えて再循環させる。残念ながら、そのようなメタノールの希釈及び再循環は、燃料の浪費を低減し且つ燃料の流路あたりの利用度が低い(low per-pass utilization)という問題を解消するものの、従来のDMFCシステムの複雑さ、サイズ及び重量、つまりプラントの均衡（ＢＯＰ）に加えて、メタノール濃度を狭い範囲内に維持するための追加の配管系統、ポンプ、濃度センサ及びメタノール注入システム、並びに再循環流から気泡を除去するための二酸化炭素分離器や他の部品を設ける必要がある。さらに、希釈メタノールを使用する必要があるので、濃縮メタノール供給源を搬送してシステムの一部として消費場所でメタノールを希釈するのか（この場合、水の回収及び回復を行う設備がかなり複雑になる）、或いは希釈した燃料を搬送するのか（この場合、重量が増え、利用可能な燃料エネルギが減る）のいずれかを選択する必要がある。
【０００９】
混合反応体燃料電池の昨今の進歩の成果として、アノード及びカソードにおいて所望の反応（それぞれ上記反応式（１）及び（２））のみを生じる選択性のアノード触媒及びカソード触媒を用いることにより、従来のDMFCシステムにおいてカソードからメタノール燃料を離しておく為の選択膜を設ける必要がなくなった（例えば、Priestnallらの米国特許出願公報US 2004/0058203 A1及びUS 2003/0165727 A1を参照のこと。本明細書中、これら米国特許出願公報を参考として援用する）。しかし、希釈メタノール燃料を用いたために流路あたりの燃料利用度が低い従来のＤＭＦＣ発電機に、混合反応体型電池スタックを単に置換的に組み込むことは、プラントの均衡の問題を悪化させるだけである。例えば、反応物は全て一緒に混合されているので、上記のように利用されないメタノール燃料を二酸化炭素からだけでなく水からも分離する必要があり、更に使い果たされた空気をスタックから分離する必要がある。単に液相へと凝縮するだけでは不十分である。なぜなら、再循環においてメタノールの希釈に必要な量よりも多くの水が生成される（上記反応式（２）及び（３）を参照）からである。また、混合反応体排気を排出することは許されない。なぜなら、メタノールの分圧は低く、排気流内のメタノールが人間に対する許容曝露レベルを３５０倍以上も超え、排気から出た毒性を有するメタノール蒸気が車内又は狭室内に急速に充満し得るからである。メタノール／水混合体からメタノールを逆蒸留(reverse distillation)することに依存する緩和スキームは、重量が重く、嵩張り、低速であり、且つ脆弱である。
【発明の開示】
【００１０】
したがって、本発明の目的は、概して、より高いエネルギ密度、より高い効率及びより低いコストを実現する燃料電池発電機を提供することである。
【００１１】
本発明の別の目的は、混合反応体ダイレクトメタノール燃料電池を更に発展させ、上記従来のシステムよりも効率的で、エネルギ密度が高く、複雑さが低減され、且つ、プラントの均衡の問題が低減された発電機システムを実現することである。
【００１２】
本発明の上記目的及び他の目的を達成する為、従来のDMFCシステムにおいて必要であるのとは異なり、効率的な燃料電池動作のために、アノード反応選択触媒及びカソード反応選択触媒を有する燃料電池において用いる混合反応体（つまり燃料及びオキシダント）を希釈して低濃度範囲に維持する必要性をなくすることをまず考え、確認した。従来とは異なり、燃料電池は、広い濃度範囲に亘って効率的に動作し得る。それを実現することにより、燃料は、再循環させる必要がなく、高燃料濃度でオキシダントと混合することが出来、アノード反応選択触媒及びカソード反応選択触媒を有する１つ以上の燃料電池を通過する１つの流路において消費されるという次の着想及び実現に至る。好適な実施形態において、高濃度燃料とオキシダントとの混合体が、連続する燃料電池を逐次通過するように流れ、各電池が所定増分量の燃料を消費する。
【００１３】
尚、本明細書に含まれ且つ本明細書の一部を構成する添付の図面は、本発明の好適な実施形態を示し、発明の詳細な説明と共に、本発明の原理を説明するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の混合反応体高濃度燃料電池システム１００は、選択性触媒（すなわち、反応式（１）のアノード反応を可能にする第１の触媒及び反応式（２）のカソード反応を可能にする第２の触媒）でコーティングされた一連の電極を含むスタック内を流れる混合反応体により、図１に模式的に示すように、一度の流通で高濃度燃料を１００％利用することが可能になるという着想及びその後の確認に基づいている。クロスオーバーの問題が存在しないので、従来のDMFCシステムとは異なり、電池１，２，３，・・・Ｎ内で燃料を希釈する必要がない。図２のグラフに示すように、従来のDMFCシステムにおける燃料電池は、非常に狭い範囲のメタノール濃度（例えば、約２〜８％（モル分率））でのみ効率的に動作し得るのに対して、選択性のアノード触媒及びカソード触媒（１００％の選択性を有する触媒と仮定）を備えた混合反応体燃料電池は、広範なメタノール濃度範囲（例えば、１〜９７％（モル分率））に亘って効率的に動作し得る。プラチナ−ルテニウムを用いた場合、９５％のアノード反応選択性が示され、ルテニウム−セレニウム(Ru-Se)を用いた場合、７５％のカソード選択性が示された。アノード触媒及びカソード触媒の両方について選択性の更なる向上が達成され得ると考えられる。したがって、従来のDMFCシステムのように、燃料を厳密に制御された濃度範囲内に維持し、オキシダントを独立した流路を介してカソードに供給しつつ、アノードにおいて燃料と水との混合体を何度も再循環させなければならない代わりに、本発明における燃料は、流入ストリーム４０内の初期高濃度混合体内に含まれた状態で供給され得、順次複数の燃料電池１，２，３，・・・Ｎを通過すると、実質的に全ての燃料が消費される。燃料電池１，２，３，・・・Ｎの各々は、ストリーム４０，４２，４４，４６内の燃料の一部を消費し、最後の電池Ｎから出る最終流出物Ｎ８内には、二酸化炭素及び水が残留している。
【００１５】
図１において、高濃度燃料の混合体（例えばオキシダントと混合したメタノール）を含む初期流体ストリーム４０を、燃料電池（例えば燃料電池１，２，３，・・・Ｎ）のスタック１００を順次通過させる。各電池１，２，３，・・・Ｎは、それぞれ、選択性アノード１１，２１，３１，・・・Ｎ１と、選択性カソード１２，２２，３２，・・・Ｎ２を含み、これらは完全浸透性又は透過性の膜１３，２３，３３，・・・Ｎ３によってそれぞれ分離されている。初期流入流体４０は、アノード反応（上記反応式（１））の為の高濃度燃料と少なくとも第１の電池におけるアノード反応（上記反応式（１））に十分な水との混合体並びにカソード反応（上記反応式（２））の為のオキシダントを含んでいる。この混合反応体の初期流体４０が第１の電池１を通過すると、上記反応式（１）が示すように、燃料の一部がアノード反応によって消費されて、陽子（６Ｈ＋）、電子（ｅ−）及び二酸化炭素（ＣＯ２）が生成される。その後、上記反応式（２）が示すように、カソード反応が、オキシダントの一部（3/2Ｏ２）並びに陽子（６Ｈ＋）及び電子（６ｅ−）を消費して、更に水を生成する。アノード１１及びカソード１２にそれぞれ接続された適切なコンタクト１４，１５が、アノード１１において生成された電子（ｅ−）を電流として伝え、負荷（図示せず）に給電し、その電流（ｅ−）をカソード１２に戻す。
【００１６】
したがって、第１の電池１における反応の結果、初期高濃度燃料の一部及び初期オキシダントの一部が消費され、電流が生成されて負荷に給電する。尚、負荷は、将来電気を使用する為の蓄電部を含み得る（例えば、二次電池、キャパシタ等を充電する）。また、第１の電池１において更なる水が生成される。この水は、以降の電池２，３，・・・Ｎのアノード反応に利用可能であり、二酸化炭素副生成物が生成される。その結果、第１の電池１からの流出物混合体４２における燃料は、初期流体４０内の高濃度燃料より幾分希薄であるが、第２の電池２において消費するのに依然利用可能である。また、第１の電池１からの流出流体４２は、第１の電池１において消費されなかったオキシダントと、水と、第１の電池１からの二酸化炭素副生成物を含んでいる。
【００１７】
第１の電池１からの流出ストリーム４２は、第２の電池２に流入する。ストリーム４２内のさらなる所定増分量の燃料及びオキシダントが第２の電池２において消費され、コンタクト２４，２５を介して電流が生成される。これにより、更なる二酸化炭素及び水が生成され、第２の電池２からの流出ストリーム４４内の燃料及びオキシダントが、第１の電池１からの流出ストリーム４２よりも更に幾分薄くなる。同様に、流出ストリーム４４は、第３の電池３に流入する。第３の電池３は、燃料及びオキシダントの一部を更に消費し、コンタクト３４，３５を介して電流を生成する。第３の電池３の流出物４６には更に生成された二酸化炭素及び水が含まれる。
【００１８】
図１に、３つのドット及び最後の電池Ｎで模式的に示すように、このシーケンスは、燃料を消費するのに何個の電池が必要であるとかどれだけの量の燃料が望まれるかに関わらず、最後まで継続される。たいていの場合、ストリーム４０，４２，４４，４６内の燃料の略全てを消費するのが望ましい。その場合、流出物Ｎ８は、実質的に残留燃料を含まず、その大部分は二酸化炭素、水、及び幾らかの残留オキシダントである。初期流入体４０内の初期燃料濃度は、第１の電池１における第１のアノード反応に十分な水が提供される限り、所望の濃度に設定し得る。反応式（１）に示すように、燃料分子消費量と水分子消費量との比は１：１であり、つまり、メタノール(CH3OH)の各分子が消費される毎に、水(H2O)の１分子が消費される。したがって、例えば、３％の燃料が第１の電池１において消費され得る場合、第１のアノード１１における反応に利用可能な３％の水を得る為には、混合体の「燃料−水」部分における最大燃料濃度は９７％である。本発明の目的の為に、高燃料濃度は、燃料−水混合体中少なくとも５０％の燃料（モル分率）、好適には少なくとも７０％、更に好適には少なくとも９０％と考えられる。各電池１，２，３，・・・Ｎによって消費される燃料の量は、各種変数（各電池におけるアノード及びカソードそれぞれの表面積、燃料濃度、触媒選択性、電池を通過する電流を含む）に依存する。
【００１９】
各電池１，２，３，・・・Ｎによって消費される燃料の量も、各電池１，２，３，・・・Ｎによって生成される電流の量を決定する。上述の通り、コンタクト対１４-１５，２４-２５，３４-３５，・・・Ｎ４-Ｎ５を提供して、各電池１，２，３，・・・Ｎでの電流の出し入れを行う。したがって、電池１，２，３，・・・Ｎを、並列、直列若しくは並列及び直列を組み合わせた形態で互いに電気的に接続し得る。電池を直列に電気接続した場合、直列接続における各電池は、同じ電流を搬送する。各セルにおける電圧は、各種パラメータのうち、反応体濃度及び電池の電流密度（mA/cm2）に依存する。効率的動作の為に、高い電池電圧が望ましい。したがって、燃料濃度は電池電圧の因子であるので、直列に接続された連続する電池１，２，３，・・・Ｎの各々における燃料濃度が徐々に低下することを考慮すると、連続する電池の各々のアノード及びカソードの面積を増やして燃料濃度の減少を補うのが望ましい。これにより、電池電流密度は低下し、電池電圧は、均等なサイズの電池から得られる値より大きくなるように上昇する。このように、電池毎にアノード及びカソードのサイズを変えることが実施可能である。なぜなら、混合反応体燃料電池は、従来の燃料電池スタックとは異なり、かさばって且つ複雑な構造の双極板を用いて、スタック内部でさまざまな反応体と流出物との異なる流れを誘導する必要がないからである。
【００２０】
本発明と共に用いる好適な電池構造を図３に示す。説明の一貫性の為、図３において用いる参照符号は、図１で用いたものと同じである。第１の燃料電池１のみを図３に示すが、図示した構成は、スタックに含まれる他の電池２，３，・・・Ｎについても同じである。図３において、オキシダントを空気として示すが、それとは別の気体又は液体のオキシダント（例えば、純粋酸素、酸素及び他の気体からなる混合ガス、過酸化水素、硝酸若しくは他の酸化剤等）であり得る。好適な燃料はメタノールであるが、本発明は、水素燃料又は従来の燃料電池において使用し得る他の酸化可能な燃料（例えば、炭化水素類、アルコール類、又は水素化物類）と共に用い得る。
【００２１】
図３に示すように、アノード１１、カソード１２及び電解質膜１３は、好適には浸透性であり、それにより、燃料及びオキシダントの混合体４０は、アノード１１、電解質膜１３及びカソード１２を軸１０の方向に直接通過し得る。それぞれの選択性触媒は、アノード１１及びカソード１２の浸透性表面上にコーティングされる。アノード反応に用いる選択性触媒の例として、プラチナ−ルテニウム化合物が挙げられる。カソード反応に用いる選択性触媒の例として、ルテニウム−セレニウム化合物、ロジウム−硫黄化合物、及びCo-TMPP等の金属ポルフィリン化合物が挙げられる。
【００２２】
電解質１３，２３，３３，・・・Ｎ３の主な機能は、陽子（Ｈ＋）をアノードからカソードへ自由に移動させつつ、それぞれのアノード−カソード対１１-１２，２１-２２，３１-３２，・・・Ｎ１-Ｎ２を電気的に分離することであるので、電解質膜１３に用い得る材料は、電気絶縁体であり且つ陽子を透過する性質を有すればよく、適切な材料が多く存在する。言うまでもなく、電池１の流体通過設計もまた、膜１３が浸透性であり、反応物が電池１を軸方向に通過できることを要求する。浸透性電解質膜１３に適した材料の例として、ナフィオン(Nafion)及びCalifornia州Mountain ViewのPolyfuel, Inc.によって製造されるその代替膜が挙げられる。
【００２３】
電極の表面上に反応物を分散させる為に、ガス分散層１６が設けられる。ガス分散層１６に適した材料として、炭素繊維製の布又はフェルトが挙げられる。
【００２４】
言うまでもなく、使用上、アノード１１、膜１３、カソード１２及びガス分散層１６は、互いに物理的に接触した状態で全て一緒に配置されており、図３に示すような離れた状態にはなっていない。各電池１，２，３，・・・Ｎの全体の厚さは、約０．２ｍｍであり得る。また、スタックに含まれる複数の電池１，２，３，・・・Ｎは、互いに次々と配置され得、各電池間では、例えば、第１の電池１のカソード１２と第２の電池２のアノード２１とをガス分散層１６のみが分離している。以降、スタック１００に含まれる全ての電池１，２，３，・・・Ｎについても同様である。
【００２５】
言うまでもなく、図４に示すように、混合反応体が、アノード１１及びカソード１２に対して平行に電池１を通過する構成も可能である。そのような種類のスタック構成１００’において、複数の電池１’，２’，３’，・・・Ｎ’を、互いの側部同士が隣り合う且つ／又は互いの端部同士が隣り合うように、任意の線上又は行列上に配置し得る。この構成において、図１の軸方向の流れについて上で説明したのと同様に、混合反応体流４０’，４２’，４４’，４６’，・・・Ｎ８’中の連続する電池の各々が燃料を漸次的に消費し、最終的には略全ての燃料が消費される。
【００２６】
実際には、当業者が、本発明の原理を理解した上で、その技術及び能力の範囲内で、電池は任意の構造又はチャンバ（管、箱又は混合反応体流を閉じこめて所望の様態で電池を通過させることが出来るその他のコンテナ等）内に積層又は配列され得る。
【００２７】
上述のように、本発明の一回通過型混合反応体燃料電池におけるオキシダントは、液体又は気体であり得る。燃料も液体であり得るが、特に、気体のオキシダント（例えば、空気中の酸素）を用いる場合、気化された燃料を含む混合反応体ストリームを用いるのが有利である。
【００２８】
これも上で述べたように、本発明の一回通過型混合反応体燃料電池スタックは、燃料電池発電システムの複雑さを大幅に減少し得る。そのような一回通過型混合反応体燃料電池発電システム１１０の一例を、図５に模式的に示す。燃料（この例ではメタノール）は、燃料貯蔵タンク１１２から引き出され、ポンプ１１４によって燃料気化器１１６へと給送される。燃料気化器１１６において、混合反応体スタック１００に給送する前の準備として、燃料が気化される。ブロワ１１８は、空気（つまり空気中の酸素）をオキシダントとして供給し、流入口管１２０内でオキシダントが気化された燃料と混合され、燃料電池のスタック１００内に導入される。スタック１００において、燃料及びオキシダントは、図１の電池１，２，３，・・・Ｎ（若しくは図４の電池１，２’，３’，・・・Ｎ’）について上で説明したように、電池を通過し、このとき、燃料が消費されて電気が生成される。電気は、適当な導電体１２２によって負荷（図示せず）に供給される。主に二酸化炭素(CO2)及び水(H2O)からなり、残留気体成分及び最小量の（理想的にはゼロの）残留燃料をさらに含む流出物が、排出口１２４を介して排出される。スタック１００内で反応によって生成された熱を用いて、気化器１１６における燃料気化の助けとし得る。排気（テールガス）内にかなりの量の残留燃料が含まれる場合、排気を燃焼させて、その熱を気化器１１６にて用いて燃料気化の助けとし得る。
【００２９】
図５に示す一回通過型混合反応体燃料電池発電システム１１０は、５つの主要構成部材（燃料電池のスタック１００、燃料タンク１１２、燃料ポンプ１１４、気化器１１６及びエアブロワ１１８）並びに１０個の接続部のみから構成され、センサ及びバルブを有さない。対照的に、図６に示す従来のDMFCシステムは相当複雑であり、具体的には、１１個の構成部材（２個のセンサ及び３個のバルブを含む）並びに２４個の接続部から構成される。燃料濃度を厳密に制御された範囲内に維持しつつ、未使用のメタノールを反応副生成物から分離して、スタック内で燃料を循環させる必要性が原因となって、従来のDMFCシステムは複雑になっている。本発明の一回通過型混合反応体燃料電池システムでは、それらの要件を考慮する必要がない。したがって、本発明の一回通過型混合反応体システムにおいて、比エネルギ（単位重量あたりの電気エネルギ発生量）は、従来のDMFCシステムにおいて実現可能な比エネルギよりもかなり高い。例えば、図５の一回通過型混合反応体システム１１０が、20ワットの平均電力で1,440ワット時のエネルギを生成するようなサイズである場合、このシステムは、乾燥質量約460グラムを有する通常の材料で形成し得、システムと燃料の合計重量が0.98キログラムであり、これにより、１キログラムあたり1,021ワット時の比エネルギが得られる。対照的に、乾燥質量860グラム、1.4キログラムの従来のDMFCシステムで、略同量の燃料を用いた場合、１キログラムあたり約714ワット時の比エネルギしか得られない。
【００３０】
また、全ての反応体及び反応副生成物を蒸気又は気相の状態で用いて本発明のシステム１１０を動作することにより、スタック１００（又は図４のスタック１００’）にて反応体をポンプで給送するのに必要な動力が低減されるという予期せざる利益が得られる。例えば図６に示すような従来のDMFC燃料電池システムでは、液体メタノール−水混合体が第１の供給システムによってアノードに供給され、第２の供給システムによって空気がカソードに供給される。セル動作により、上述のように、アノード側で二酸化炭素ガスが発生し、カソード側で水が発生する。カソード側で発生した水は、電解質膜上の反応部位を阻害し得る。そのため、従来のDMFCシステムでは、発生した水を除去する為に、通常、小さな流路に比較的高速の空気を流す。小さな流路にそのような高速の空気を流すと、カソード空気側で相当な気圧の低下（通常5,000 Pa超）が起こり、その結果、カソードエアブロワからの大きな寄生的動力消費が生じる。実際、空気をカソードに提供するのに必要な動力は、従来のDMFCシステムにおいて、一番目又は二番目に大きな寄生動力部分である。
【００３１】
対照的に、本発明の一回通過型混合反応体燃料電池発電システム１１０は、全ての反応体が気相であり、液体生成物である水をスタック１００から除去する為の高速気流は必要ない。気流の速度が下がるほど、ポンプの動力はより少なくて済み、これにより、寄生的動力損失が低減され、システム全体の効率が向上する。
【００３２】
上述のように、ある好適な実施形態において、スタック１００は浸透性の電池１，２，３，・・・Ｎによって構成され、軸流通モードで動作する、つまり、図３の軸１０の方向に流れる。この軸流型の構成において、大きな断面領域を気流に利用可能であり、気圧の低下もほとんど観察されない。気圧低下が小さいので、要求されるポンプ動力が減少し、システム効率が向上する。圧力上昇幅の小さなエアブロワは、圧力上昇幅の大きなブロワと比べて小型であり且つ静かであり得、システムサイズ及びノイズに関して更なる利益をもたらす。したがって、より高い燃料濃度で単一流路を用いて混合反応体燃料電池を動作させることにより、システムが単純化されるだけでなく、より小型で且つより静音の、効率が向上した燃料電池発電機システムを実現できるという利点を含む、予期せざる利益が得られる。
【００３３】
上で説明した方法及び実施形態のさまざまな改変例及び組合せは当業者によって容易に為され得る。本発明は、図示又は上で説明した構成及びプロセスそのものに限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲によって規定される発明の範囲に含まれる全ての適切な改変例及び均等物が可能である。尚、本明細書及び特許請求の範囲において用いられる「含む」「包含する」「備えている」「有する」（"comprise"、"comprises"、"comprising"、"have"、"having"、"include"、"including"及び"includes"）等々の文言は、説明する特徴、構成要素又は工程の存在を特定することを意図したものであり、それ以外に１以上の特徴、構成要素、工程又はそれらの群の存在又は追加の可能性を除外するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】図１は、１つのスタックに含まれる一連の燃料電池の模式図であり、混合反応体流及び該スタックを通過する該混合反応体流の一度の通過において燃料が消費されて電流が生成される様子を示す模式図である。
【図２】図２は、混合反応体燃料電池の効率を従来のダイレクトメタノール燃料電池(DMFC)の効率と比較し、メタノール濃度の関数として示すグラフである。
【図３】図３は、本発明において用いる混合反応体軸流燃料電池を含む構成部材の分解図である。
【図４】図４は、本発明において用いる混合反応体平行流燃料電池のマトリクス型スタックの一例を示す分解図である。
【図５】図５は、本発明の好適な実施形態による混合反応体燃料電池システムの模式図である。
【図６】図６は、従来のダイレクトメタノール燃料電池(DMFC)システムの模式図であり、本発明の混合反応体燃料電池システムと比較して、従来のDMFCシステムのプラントの均衡の複雑さを示す模式図である。
【符号の説明】
【００３５】
１，２，…，Ｎ            燃料電池
１１，２１，…，Ｎ１      選択性アノード
１２，２２，…，Ｎ２      選択性カソード
１００                    混合反応体スタック
１１２                    燃料貯蔵タンク
【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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【国際調査報告】
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