(57)【要約】  燃料電池システムおよび燃料電池システムを作動する方法について示した。ある実施例では、当該システムおよび方法は、燃料電池システムからの有機物放出量を低減させる放出制御システムを有する。放出有機物は、例えばメタノール、蟻酸および／またはホルムアルデヒドである。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
出口、
該出口に連通された燃料電池スタック、
該燃料電池スタックに連通された有機燃料、および
前記出口に連通された放出制御システム、
を有する燃料電池システムであって、前記放出制御システムは、前記出口からの有機物放出量を低減することの可能な燃料電池システム。
【請求項２】
放出有機物は、メタノール、蟻酸およびホルムアルデヒドからなる群から選定され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】
前記出口は、アノード出口であ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】
前記出口は、カソード出口であることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記放出制御システムは、充填床を備えることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記充填床は、活性炭素、過マンガン酸カリウム、エルミンおよび酸化ランタンからなる群から選定された材料を有することを特徴とする請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記放出制御システムは、基材と、該基材上に分散された第１の材料とを有し、該第１の材料は、有機物放出量を低減することが可能であ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】
前記第１の材料は、活性炭素、過マンガン酸カリウム、エルミンおよび酸化ランタンからなる群から選定されることを特徴とする請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記有機燃料および放出制御システムは、モジュラーシステムの構成物であることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
さらに、燃料電池スタックへのガス流を制限するように適合された機構を有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１１】
前記機構は、感圧式バルブで構成されることを特徴とする請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
前記感圧式バルブは、スリットバルブで構成されることを特徴とする請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記機構は、形状記憶材料で構成されることを特徴とする請求項１０に記載のシステム。
【請求項１４】
前記機構は、前記出口を通るガス流を制限するように適合されることを特徴とする請求項１０に記載のシステム。
【請求項１５】
前記機構は、燃料電池スタックに連通された入口を通るガス流を制限するように適合されることを特徴とする請求項１０に記載のシステム。
【請求項１６】
前記有機燃料は、アルコールを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１７】
前記アルコールは、メタノールを含むことを特徴とする請求項１６に記載のシステム。
【請求項１８】
燃料電池スタックは、第１の材料を有するガス拡散層を備える燃料電池を有し、前記第１の材料は、該第１の材料と接触した有機物の放出量を低減することが可能であることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項１９】
前記第１の材料は、白金、パラジウム、ルテニウム、オスミウムおよびイリジウムからなる群から選定されることを特徴とする請求項１８に記載のシステム。
【請求項２０】
前記第１の材料は、酸化物で構成されることを特徴とする請求項１８に記載のシステム。
【請求項２１】
第１の材料が分散されたガス拡散層を備える燃料電池を有する燃料電池システムであって、前記第１の材料は、該第１の材料と接触した有機物の放出量を低減することが可能であることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２２】
前記第１の材料は、約０．１ｍｇ／ｃｍ２以下で、ガス拡散層に分散されることを特徴とする請求項２１に記載のシステム。
【請求項２３】
前記第１の材料は、約０．０５ｍｇ／ｃｍ２以下で、ガス拡散層に分散されることを特徴とする請求項２１に記載のシステム。
【請求項２４】
前記第１の材料は、約０．０１ｍｇ／ｃｍ２以下で、ガス拡散層に分散されることを特徴とする請求項２１に記載のシステム。
【請求項２５】
前記第１の材料は、白金、パラジウム、ルテニウム、オスミウムおよびイリジウムからなる群から選定されることを特徴とする請求項２１に記載のシステム。
【請求項２６】
前記第１の材料は、酸化物で構成されることを特徴とする請求項２１に記載のシステム。
【請求項２７】
前記酸化物は、酸化白金、酸化ルテニウム、酸化マンガンおよび酸化クロムからなる群から選定されることを特徴とする請求項２６に記載のシステム。
【請求項２８】
放出有機物は、メタノール、蟻酸およびホルムアルデヒドからなる群から選定されることを特徴とする請求項２１に記載のシステム。
【請求項２９】
カソード触媒と、該カソード触媒に連通された通路とを有する燃料電池スタック、および、
通路を流れるガス量を制限する機構、
を有する燃料電池システム。
【請求項３０】
前記通路は、カソード入口であることを特徴とする請求項２９に記載のシステム。
【請求項３１】
前記通路は、カソード出口であることを特徴とする請求項２９に記載のシステム。
【請求項３２】
前記機構は、感圧式バルブを含むことを特徴とする請求項２９に記載のシステム。
【請求項３３】
前記バルブは、スリットバルブを含むことを特徴とする請求項３０に記載のシステム。
【請求項３４】
前記機構は、形状記憶材料を含むことを特徴とする請求項２９に記載のシステム。
【請求項３５】
燃料電池システムを作動する方法であって、
燃料電池システム内の燃料電池触媒に、有機燃料を接触させるステップと、
燃料電池システムの出口からの有機物の放出量を低減させるステップと、
を有する方法。
【請求項３６】
放出有機物は、メタノール、蟻酸およびホルムアルデヒドからなる群から選定されることを特徴とする請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
出口からの放出物を、第１の材料と接触させるステップを有し、前記第１の材料は、出口から放出されるメタノールの量を低減することが可能であることを特徴とする請求項３５に記載の方法。
【請求項３８】
前記第１の材料は、炭素を含むことを特徴とする請求項３７に記載の方法。
【請求項３９】
出口からの放出物を、第１の材料と接触させるステップを有し、前記第１の材料は、出口から放出される蟻酸の量を低減することが可能であることを特徴とする請求項３５に記載の方法。
【請求項４０】
前記第１の材料は、酸化ランタンまたは炭素を含むことを特徴とする請求項３９に記載の方法。
【請求項４１】
出口からの放出物を、第１の材料と接触させるステップを有し、前記第１の材料は、出口から放出されるホルムアルデヒドの量を低減することが可能であることを特徴とする請求項３５に記載の方法。
【請求項４２】
前記第１の材料は、過マンガン酸カリウムまたはエルミンを含むことを特徴とする請求項４１に記載の方法。
【請求項４３】
有機燃料は、アルコールを含むことを特徴とする請求項３５に記載の方法。
【請求項４４】
前記アルコールは、メタノールを含むことを特徴とする請求項４３に記載の方法。
【請求項４５】
前記出口は、アノード出口であることを特徴とする請求項３５に記載の方法。
【請求項４６】
アノード出口からの放出物は、メタノールを含み、さらに、アノード出口からのメタノールを燃料電池に導入するステップを有することを特徴とする請求項３６に記載の方法。
【請求項４７】
前記出口は、カソード出口であることを特徴とする請求項３５に記載の方法。
【請求項４８】
さらに、燃料電池のガス拡散層に分散された第１の材料に、放出有機物を接触させるステップを有し、前記第１の材料は、有機物放出量を低減することが可能であることを特徴とする請求項３５に記載の方法。
【請求項４９】
前記第１の材料は、白金、パラジウム、ルテニウム、オスミウムおよびイリジウムからなる群から選定されることを特徴とする請求項４８に記載の方法。
【請求項５０】
前記第１の材料は、酸化物で構成されることを特徴とする請求項４８に記載の方法。
【請求項５１】
燃料電池システムを作動する方法であって、
燃料電池システムの作動を停止させるステップと、
燃料電池システムへのガス流を低減させるステップと、
を有する方法。
【請求項５２】
ガス流を低減させるステップは、形状記憶材料を含む機構を作動させるステップを有することを特徴とする請求項５１に記載の方法。
【請求項５３】
ガス流を低減させるステップは、燃料電池システムの作動が停止されてから実行されることを特徴とする請求項５１に記載の方法。
【請求項５４】
燃料電池システムのカソード入口を通るガス流を低減させるステップを有することを特徴とする請求項５１に記載の方法。
【請求項５５】
燃料電池システムのカソード出口を通るガス流を低減させるステップを有することを特徴とする請求項５１に記載の方法。
【請求項５６】
ガス流を低減させるステップは、感圧式バルブを用いて通路を制限するステップを有することを特徴とする請求項５１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムおよびそのシステムの作動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、通常、２またはそれ以上の反応物間の電気化学反応によって、電気エネルギーを提供することのできる装置である。一般に燃料電池は、アノードおよびカソードと呼ばれる２つの電極と、電極間に設置される固体電解質とを有する。アノードは、アノード触媒を含有し、カソードはカソード触媒を含有する。電解質は、固体薄膜電解質と呼ばれ、通常はイオン伝導性であるが、電気的な伝導性はない。電極および固体電解質は、２つのガス拡散層（ＧＤＬ）の間に設置される。
【０００３】
燃料電池の作動時には、反応物が適切な電極に導入される。アノードでは、反応物（アノード反応物）とアノード触媒との相互作用によって、イオンおよび電子等の反応中間体が生成される。イオン性反応中間体は、電解質を通ってアノードからカソードに流れる。ただし電子は、アノードとカソードを電気的に接続する外部負荷を通って、アノードからカソードに流れる。電子が外部負荷を通って流れる際に、電気エネルギーを取り出すことができる。カソードでは、カソード触媒と、他の反応物（カソード反応物）、アノードで生成される中間体および電子との相互反応が生じ、燃料電池反応が完遂する。
【０００４】
例えば、時折直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）と呼ばれる種類の燃料電池では、アノード反応物には、メタノールと水が含まれ、カソード反応物には、酸素（例えば空気から得られる）が含まれる。アノードでは、メタノールが酸化され、カソードでは、酸素が還元される：
【０００５】
【数１】
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式（１）に示すように、メタノールの酸化によって二酸化炭素、プロトンおよび電子が生じる。プロトンは、アノードから電解質を通ってカソードに進む。電子は、アノードから外部負荷を介してカソードに流れ、これにより電気エネルギーが提供される。カソードでは、プロトンと電子が酸素と反応して、水が生成される（式２）。式３には、全体の燃料電池反応を示す。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、燃料電池システムおよびそのシステムを作動する方法に関する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のある態様では、ある物質の放出が抑制される燃料電池システム、および燃料電池システムからの放出物を低減することの可能な、システムを作動する方法が提供される。直接メタノール型燃料電池システムのような燃料電池システムでは、ある有機物質が生成される。これらの有機物質は、例えばメタノール、蟻酸および／またはホルムアルデヒドであって、環境に放出されると有害な物質である。物質の放出を低減させることによって、これらの物質によって引き起こされる、健康および安全上のリスクを抑制することができる。
【０００８】
本発明の別の態様では、出口、該出口に連通した燃料電池スタック、該燃料電池スタッに連通した有機燃料、および前記出口に連通した放出制御システム、を有する燃料電池システムが提供される。制御システムは、出口からの有機物の放出量を低減することができる。放出有機物は、メタノール、蟻酸および／またはホルムアルデヒドを含む。
【０００９】
いくつかの実施例は、以下の１または２以上の特徴を有しても良い。出口は、アノード出口および／またはカソード出口である。放出制御システムは、活性炭素、過マンガン酸カリウム、エルミンまたは酸化ランタン等を含む充填床を有する。放出制御システムは、基材および該基材上に設置された第１の材料を有し、第１の材料は、有機物放出量を低減することができる。第１の材料には、活性炭素、カリウムマンガネート、エルミンまたはランタン酸化物等が含まれる。有機燃料および放出制御システムは、モジュラーシステムの構成物である。
【００１０】
さらに燃料電池システムは、例えば燃料電池スタックに連通された出口および／または入口を通って、燃料電池スタックに流れるガスを低減するように適合された機構を有する。この機構は、スリットバルブ等の感圧式バルブで構成される。この代わりに、あるいはこれに加えて、前記機構は、形状記憶材料で構成されても良い。
【００１１】
有機燃料には、メタノール等のアルコールが含まれる。
【００１２】
燃料電池スタックは、第１の材料を有するガス拡散層を備える燃料電池を有し、前記第１の材料は、該第１の材料と接触する有機物の放出量を低減することが可能である。第１の材料は、白金、パラジウムおよび／またはルテニウムを含む。
【００１３】
本発明の別の態様では、燃料電池システムは、第１の材料が分散されたガス拡散層を備える燃料電池を有し、前記第１の材料は、該第１の材料と接触する有機物の放出量を低減することが可能である。
【００１４】
いくつかの実施例は、以下の１または２以上の特徴を有しても良い。第１の材料は、約０．１ｍｇ／ｃｍ２以下、例えば約０．０５ｍｇ／ｃｍ２または約０．０１ｍｇ／ｃｍ２で、ガス拡散層に分散される。第１の材料は、白金、パラジウムまたはルテニウムを含む。第１の材料は、酸化白金、酸化ルテニウム、酸化マンガンまたは酸化クロム等の酸化物を含む。放出有機物は、メタノール、蟻酸および／またはホルムアルデヒドである。
【００１５】
本発明の別の態様では、燃料電池システムは、カソード触媒と、該カソード触媒に連通された通路とを有する燃料電池スタック、および通路を流れるガスを抑制するように適合された機構を有する。
【００１６】
いくつかの実施例は、以下の１または２以上の特徴を有しても良い。通路は、カソード入口である。通路はカソード出口である。機構は、スリットバルブのような感圧式バルブを有する。機構は、形状記憶材料を有する。
【００１７】
本発明の別の態様では、燃料電池システムを作動する方法が提供される。当該方法は、燃料電池システム内の燃料電池の触媒に、有機燃料を接触させるステップと、燃料電池システムの出口からの有機物放出量を低減させるステップとを有する。
【００１８】
いくつかの実施例は、以下の１または２以上の特徴を有しても良い。当該方法は、出口からの放出物を、炭素等の第１の材料と接触させるステップを有し、前記第１の材料は、出口からのメタノール、蟻酸および／またはホルムアルデヒドの量を低減することができる。出口はアノード出口であり、アノード出口からの放出物は、メタノールを含み、さらにアノード出口から燃料電池にメタノールを導入するステップを有する。出口はカソード出口であっても良い。放出有機物は、メタノール、蟻酸および／またはホルムアルデヒドを含む。有機燃料は、メタノール等のアルコールを含む。
【００１９】
さらに当該方法は、燃料電池のガス拡散層内に設置された第１の材料に、放出有機物を接触させるステップを有し、前記第１の材料は、有機物放出量を低減することができる。第１の材料は、白金、パラジウム、ルテニウムおよび／または酸化物を含む。
【００２０】
本発明の別の態様では、燃料電池システムを作動する方法は、燃料電池システムの作動を停止するステップと、燃料電池システムへのガス流を低減させるステップとを有する。
【００２１】
ガス流を低減させるステップは、形状記憶材料を有する機構を作動させるステップを有し、このステップは、燃料電池システムの作動が停止されてから実行される。
【００２２】
ガス流を低減させるステップは、燃料電池システムのカソード入口および／または燃料電池システムのカソード出口を通るガス流について、行われる。ガス流を低減させるステップは、感圧式バルブを用いて通路を制限するステップを有する。
【００２３】
本発明の他の態様、特徴および利点は、以下の図面、記載および特許請求の範囲から明らかとなろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
図１には、直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）システムのような、有機燃料電池システム２０が示されている。システム２０は、燃料電池スタック２２、燃料源（例えばメタノールカートリッジ）２４、空気移動器（例えばファンまたはブロワ）２６、２つの放出制御システム２８、３０、およびポンプ３１を有する。燃料電池スタック２２は、一つの燃料電池３２（以下に示す）または複数の燃料電池３２を有し、例えば直列または並列に配置される。燃料源２４は、アノード入口３４を介して燃料電池スタック２２と連通しており、放出制御システム２８は、アノード出口３６を介して燃料電池スタックと連通している。空気移動器２６は、カソード入口３８を介して燃料電池スタック２２と連通しており、放出制御システム３０は、カソード出口４０を介して燃料電池スタックと連通している。ポンプ３１は、スタック２２からの水をアノード入口３４に供給する（例えば前述の反応式１）。前述のように、放出制御システム２８、３０は、燃料電池システム２０で生成される有機物の放出量を減少（例えば消滅）させることができる。ホルムアルデヒド等の放出有機物は、有害であるが、有機物放出量を低減させることで、燃料電池システム２０の作動によって生じる健康および安全上のリスクを抑制することができる。
【００２５】
理論に拘束されることは好ましくないが、直接メタノール型燃料電池システムでは、メタノールの不完全な酸化によって、有機物の放出が生じる場合がある。燃料電池システム２０の作動中、燃料源２４からのメタノールと水は、入口３４を通って流れ、スタック２２の燃料電池３２のアノードと接する。完全な酸化が生じる場合、メタノールは酸化されて、多数の中間体（ホルムアルデヒド（ＨＣＨＯ）および蟻酸（ＨＣＯＯＨ））を生成し、これらはさらに酸化されて、最終生成物として二酸化炭素が生成され、アノード出口３６から環境側に放出される（反応式１）。アノードで生成された二酸化炭素の一部は、カソード側にも拡散し、カソード出口４０から環境側に放出される。しかしながら、ある作動条件下では、メタノールは完全に酸化されない場合がある。その結果、中間生成物は、アノード出口３６を通って流れ、有機物として環境側に放出される。
【００２６】
またある場合には、メタノールは電解質を通って拡散し、燃料電池３２のカソードに至る。カソードでは、メタノールは、空気移動器２６によって入口２８から導入された酸素と反応する。メタノールと酸素が反応して、中間生成物が生成され、その後これは、カソード出口４０を通り、有機物として環境側に放出される。また、未反応メタノールは、アノード出口３６および／またはカソード出口４０を通り、大気放出される。従ってある条件下では、ＤＭＦＣ等の燃料電池システムの作動によって、ホルムアルデヒド、蟻酸および／またはメタノール等の有機物が環境に放出される。
【００２７】
放出制御システム２８、３０は、燃料電池システムから環境側に放出される有機物放出量を低減（例えば消滅）するように適合される。前述のように、放出制御システム２８、３０として、多くの実施例を用いることができる。放出制御システム２８および３０は、実質的に同一または異なる、いずれの組み合わせであっても良い。ある実施例では、燃料電池システム２０は、一つの放出制御システムを有する。単一の放出制御システムは、アノード出口３６またはカソード出口４０に連通させても良く、あるいは出口を組み合わせて、両方の出口３６、４０に連通させても良い。以下の放出制御システム２８の説明は、放出制御システム３０に適用することも可能である。
【００２８】
図２には、ある実施例として、充填床管４２の形態の放出制御システム２８を示す。充填床管４２は、アノード出口３６と連通された入口４４と、例えば大気開放された出口４６とを有する。図のように、充填床管４２は、３つの材料４８、５０および５２を含み、これらの材料は、アノード出口３６から充填床管を通って流れる有機放出量を低減することができる。例えば、材料４８は、メタノールを減少させ、材料５０は、ホルムアルデヒドを減少させ、材料５２は、蟻酸を減少させる。
【００２９】
材料４８、５０および５２は、いかなる機構を用いて、有機物放出量を抑制しても良い。機構は、例えば吸収、吸着、触媒および／または放出物との反応（例えば分解）である。吸収／吸着によって放出ガスを減少させる材料の例は、アルミノケイ酸塩、ゼオライト、活性炭素またはカーボンブラック等の、高表面積の反応性および／または多孔質材料である。反応（例えば酸化および／または中性化）によって放出ガスを減少させる材料の例は、アルカリ、およびアルカリ土類酸化物、ランタン酸化物；過マンガン酸の無機および有機塩、重クロム酸塩およびルテニウム塩；塩素酸塩；亜塩素酸塩、次亜塩素酸塩；およびＣｕ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｆｅ、ＡｇおよびＭｎ等の遷移金属酸化物である。触媒（例えば分解および／または酸化）によって放出ガスを減少させる材料の例は、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｏｓ、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｔｉおよび他の酸化物等である。メタノールを減少させる特定の材料例は、活性炭素である。ホルムアルデヒドを減少させる材料例は、過マンガン酸カリウム、エルミンまたはＦＯＲＭＡＳＯＲＢ（登録商標）（Ｎｕｃｏｎインスツルメント社（オハイオ州コロンバス）から入手できる）等である。蟻酸を減少させる材料例は、ランタン酸化物または含浸活性炭素等の、塩基性材料である。
【００３０】
別の実施例も可能である。例えば材料４８、５０および／または５２は、粒状多孔質媒体上に支持された、例えばアルミナまたはジルコニアのような不活性酸化物であっても良い。材料４８、５０および／または５２は、いかなる順番で、管５２内の別々の位置に設置され、または層状に設置されても良く、あるいは管に沿って設置されても良い。各材料を１層以上用いても良い。ある実施例では、材料４８、５０および５２は、管４２内で相互に混合される。充填床管４２は、３材料未満の材料であっても良く、例えば２または単一の材料である。例えば充填床管４２は、ホルムアルデヒドおよび蟻酸を減少させる材料を含んでも良い。管４２内を流れるいかなる量のメタノールも減少させないようにして、このメタノールを、例えば出口４６からアノード入口３４に循環させても良い。
【００３１】
図３の別の実施例では、放出制御システム２８は、触媒変換器の原理に基づく形態のハウジング５４を有する。図に示すように、ハウジング５４は、アノード出口３６または燃料電池スタック２２と嵌合するように配置された入口５６と、通路５７と、出口として機能する複数の通気口５８とを有する。システム２８は、ハウジング５４内に、放出物が通過するフィルタ６０（例えば多孔質材料）と、有機放出物を減少させる１または２以上の材料６２とを有する。材料６２（ハウジング５４内部の配置を含む）は、前述の材料４８、５０および／または５２と同一の材料であっても良い。
【００３２】
図４および５には、放出制御システム２８の別の実施例を示す。図のように、システム２８は、アノード出口３６に連通された入口６６と、出口６８とを備えるハウジング６４を有する。システム２８は、ハウジング６４内に、材料４８、５０および／または５２に含浸または分散され、有機物放出量を低減させる１または２以上の物質７０を有する。物質７０は、例えば高表面積を提供する波型のフィルタペーパーであって、放出物質と材料４８、５０および／または５２の接触確率が増大する。
【００３３】
作動時には、前述の放出制御システム（例えば図２乃至５）の１または２以上のいかなる実施例を、システム２８および／または３０に用いても良い。アノード側では、水および燃料（メタノール等）が燃料電池スタック２２に導入され、酸化によって、電子、プロトンおよび二酸化炭素が生成する。二酸化炭素は、未反応燃料および部分酸化による生成物（例えばホルムアルデヒドおよび／または蟻酸）とともに、アノード出口３６を通り、放出制御システム２８に導入される。システム２８は、部分酸化の生成物および／または未反応燃料の環境側への放出量を抑制することができる。カソード側では、酸素（例えば空気から得られる）は、空気移動器２６によって燃料電池スタック２２に導入される。酸素は、電子およびプロトンと反応して、水を生成し、この水は、ポンプ３１によってアノード入口３４に供給される。また酸素は、アノード側からカソード側に拡散してきたメタノールと反応する（例えば酸化させる）。酸化によって、部分的に酸化された生成物が形成され、この生成物は、未反応メタノールとともに、カソード出口４０を通り、放出制御システム３０に導入される。システム３０は、環境側に放出される部分酸化の生成物および／または未反応燃料の量を減少させる。
【００３４】
さらに別の放出制御システムの実施例がある。
【００３５】
例えばある燃料電池システムでは、空気移動器は使用されず、空気の流れは、拡散に支配される。図６Ａおよび６Ｂには、燃料電池スタックのカソード側と嵌合するフレーム７４の形状の、放出制御システム７２を示す。フレーム７４は、フィルタ７６を有し、このフィルタは、１または２以上の材料７８に設置または含浸され、有機物の放出量を低減することができる。フィルタ７６の面積は、燃料電池スタックのカソード触媒の露出表面面積に相当する。材料７８は、前述の材料４８、５０および／または５２と同一であっても良い。さらにフレーム７４は、複数の開口８０を有し、これらの開口は、カソード入口およびカソード出口の両方として機能する（すなわちカソード入口とカソード出口の区別はない）。
【００３６】
別の実施例では、燃料源２４および放出制御システム２８は、モジュラーシステムに一体化される。図７には、燃料電池スタック８６と嵌合するように配置されたモジュラーシステム８４を備えた、燃料電池システム８２を示す。システム２０の構成物と同様の、燃料電池システム８２の他の構成物には、同一の参照符号が付されている。モジュラーシステム８４は、液体メタノールタンクのような、出口９０を備えた燃料源８８と、入口９４および出口９６を備えた放出制御システム９２とを有する。放出制御システム９２は、充填床管にすることができ、触媒変換器型装置であっても、前述の波型物質を有しても良い。モジュラーシステム８４は、スタック８６と嵌合するように配置され、例えば、出口９０はアノード入口３４と、また入口９４はアノード出口３６と嵌合する。従って、例えば新たな燃料源を提供する場合等、モジュラーシステムを交換する際には、放出制御システムを交換することができる。
【００３７】
さらに別の方法によって、有機物放出量を制御することが可能である。ある実施例では、燃料電池システムは、燃料電池スタックが停止しているとき（すなわちスタックから負荷が取り出されないとき）に、燃料電池スタック内に流れる空気を低減させる（例えば消滅させる）機構を有する。ある場合には、燃料電池スタックの停止時に、空気は、自由にカソードに、またはカソードから（例えば入口３８および／または出口４０を通って）、およびアノードに、またはアノードから（例えば出口３６を通って）、流れることができる。燃料電池スタックのアノード側にメタノールが存在する場合、および／またはメタノールが電解質を通ってカソードに流れる場合（例えば、寄生クロスオーバー）、メタノールが酸素（空気から得られる）と反応して、部分酸化生成物（ホルムアルデヒドおよび／または蟻酸等）が生じる可能性がある。しかし燃料電池スタックに通じる空気孔がある場合、スタック停止時でも酸素がメタノールと反応する可能性は、低下しない。従って部分酸化生成物（およびメタノール）を、環境側に放出することができる。また、スタックの作動中に生成したいかなる部分酸化生成物も、例えばカソード入口３８を介して、環境側に自由に拡散させることができる。
【００３８】
ある実施例では、燃料電池システムは、カソード入口３８、カソード出口４０および／またはアノード出口３６に適合された、１または２以上の機構を有する。この機構は、燃料電池スタックに流れる空気を低減するように構成される。この機構は、例えば、入口または出口を横断して延びる感圧式バルブであって、高分子膜またはポップアップ式バルブで構成されるスリットバルブ等である。感圧式バルブは、例えば２００２年９月６日に出願された、米国特許出願第１０／２３６，１２６号に示されている。本機構は、入口または出口を横断して延びる重力駆動式蓋弁であっても良い。本機構には、電気機械式バルブ、または手動式の留め金またはバルブ等の機械式バルブが含まれる。
【００３９】
別の機構には、ＮＩＴＩＮＯＬ（登録商標）（ニッケルチタン合金）または電流印加によって寸法が変化する他の材料の形状記憶材料を用いた、二重ラッチ機構が含まれる。図８Ａおよび８Ｂでは、ラッチ機構１１１は、固定式被覆板１１３と、可動式被覆板１１５と、可動式板に接続された第１のワイヤ１１９と、可動式板に接続された第２のワイヤ１２１とを有する。板１１３および１１５は、燃料スタック入口または出口を横断するように設置され、ガス（例えば空気）が流れ、または制限されるように構成される。より具体的には、板１１３および１１５は、開口１１７を有し、これらの開口は、可動板１１５の位置に応じて、位置が揃えられ、あるいはずらされる。開口１１７が揃っている場合は、空気は、板１１３および１１５を通ることができる（図８Ａ）。開口がずれている場合は、空気の流れは抑制されあるいは遮断される（図８Ｂ）。
【００４０】
可動板１１５の短軸に沿って平行に設置された２本のＮＩＴＩＮＯＬ（登録商標）ワイヤ等の、ワイヤ１１９および１２１は、可動板が選択位置に移動できるように構成される。例えばワイヤ１１９は、電気リード線（図示されていない）に接続され、（ワイヤを加熱する）電流が流れると、ワイヤの寸法が変化し（例えば収縮または膨張する）、板１１５が動いて開口１１７が揃えられ、これによりガスが流れるようになる。機構１１１は、板１１５および／またはワイヤ１１９をその位置に保持する留め金を有する。同様に、ワイヤ１２１は、電気リード線（図示されていない）に接続され、電流通電時には、ワイヤの寸法が変化し（また必要であれば、留め金に勝って）、板１１５が動いて開口１１７が揃わなくなり、これにより空気の流れが抑制される。機構１１１は、燃料電池システムに適合され、燃料電池システムの作動に合わせて作動される。電流は、燃料電池、再充電可能なバッテリー（例えば、ハイブリッド電源として燃料電池とともに設置される）、または燃料電池内の、もしくは燃料カートリッジ内の小型一次電池によって提供される。
【００４１】
以下、燃料電池３２の一例について説明する。図９において燃料電池３２は、電解質１００と、電解質の第１の側に接着されたアノード１０２と、電解質の第２の側に接着されたカソード１０４とを有する。電解質１００、アノード１０２およびカソード１０４は、２つのガス拡散層（ＧＤＬ）１０６と１０８の間に設置される。
【００４２】
電解質１００は、イオン伝導性を有するが、電子の移動に対しては実質的に抵抗となる。ある実施例では、電解質１００は、固体高分子プロトン交換膜（例えば、スルホン酸基を含む固体高分子）等の固体高分子（例えば固体高分子イオン交換膜）である。そのような膜は、ジュポン（Ｅ．  Ｉ．  ＤｕＰｏｎｔ  ｄｅ  Ｎｅｍｏｕｒｓ）社（デラウエア州ウィルミントン）からＮＡＦＩＯＮ（登録商標）と言う名称で市販されている。あるいは、電解質１００は、Ｗ．  Ｌ．  Ｇｏｒｅ  ＆  Ａｓｓｏｃｉａｔｅ社（メリーランド州エルクトン）から市販されているＧＯＲＥ−ＳＥＬＥＣＴから調製しても良い。
【００４３】
アノード１０２は、メタノールおよび水との相互作用によって、二酸化炭素、プロトンおよび電子を生成する触媒等の材料で構成される。そのような材料の一例は、例えば白金、白金合金（Ｐｔ−Ｒｕ、Ｐｔ−Ｍｏ、Ｐｔ−ＷまたはＰｔ−Ｓｎ等）、カーボンブラック上に分散された白金等である。さらにアノード１０２は、例えばＮＡＦＩＯＮのようなイオン伝導性電解質を有しても良く、この場合アノードは、プロトン伝導体となる。あるいは、固体電解質１００に面するガス拡散層（以下に示す）の表面に懸濁液を塗布してから、懸濁液を乾燥させても良い。さらにアノード１０２を調製する方法には、圧力および熱を利用して接着させる方法がある。
【００４４】
カソード１０４は、酸素、電子およびプロトンとの相互作用によって、水を生成する触媒等の材料で構成することができる。そのような材料の一例は、例えば白金、白金合金（Ｐｔ−Ｃｏ、Ｐｔ−ＣｒまたはＰｔ−Ｆｅ等）、カーボンブラック上に分散された貴金属等である。さらにカソード１０４は、例えばＮＡＦＩＯＮのようなイオン伝導性電解質を有しても良く、この場合カソードは、プロトン伝導体となる。カソード１０４は、前述のアノード１０２と同様の方法で、調製しても良い。
【００４５】
ガス拡散層（ＧＤＬ）１０６と１０８は、気体および液体の両方が透過する材料で構成される。好適なＧＤＬは、マサチューセッツ州ナティックのエテック（Ｅｔｅｋ）社、カリフォルニア州バレンシアのＳＧＬ社、およびミズーリ州セントルイスのゾルテック（Ｚｏｌｔｅｋ）社など、各社から市販されている。ＧＤＬ１０６と１０８は、電気伝導性であっても良く、この場合電子は、アノード１０２からアノード側流路板（図示されていない）に流れ、カソード側流路板（図示されていない）からカソード１０４に流れる。
【００４６】
ある実施例では、ガス拡散層１０６および／または１０８は、例えば燃料電池システムの作動条件下で、放出ガスを低減させることの可能な化学触媒等の材料を含む。例えばこの材料は、ホルムアルデヒド、蟻酸および／またはメタノールの酸化触媒として作用する。アノード１０２に隣接するガス拡散層１０６は、ＧＤＬ材料上に設置され、ホルムアルデヒドおよび／または蟻酸の酸化触媒として作用する材料、例えば白金、パラジウム、ルテニウム、オスミウム、ニッケル、銀、金、銅、鉄、クロム、コバルト、マンガン、チタンおよび／またはイリジウム等を含む。カソード１０４に隣接するガス拡散層１０８は、ＧＤＬ材料の上に設置され、ホルムアルデヒド、メタノールおよび／または蟻酸の酸化触媒として作用する材料、例えば前述の材料の酸化物（例えば白金酸化物、ルテニウム酸化物、マンガン酸化物またはクロム酸化物）等を含む。ある実施例では、ＧＤＬ１０６と１０８には、約０．１ｍｇ／ｃｍ２以下の材料が設置され、この量は、例えば０．０９  ｍｇ／ｃｍ２以下、０．０７ｍｇ／ｃｍ２以下、０．０５ｍｇ／ｃｍ２以下、０．０３ｍｇ／ｃｍ２以下または０．０１ｍｇ／ｃｍ２以下等である。
【００４７】
直接メタノール型燃料電池および燃料電池システムの別の実施例は、例えばＪ．Ｌａｒａｍｉｎｉｅ、Ａ．Ｄｉｃｋｓの「解説燃料電池システム」、Ｗｉｌｅｙ、ニューヨーク（２０００年）；Ｃ．Ｌａｍｙ、Ｊ．Ｌｅｇｅｒ、Ｓ．Ｓｒｉｎｉｖａｓａｎの「直接メタノール型燃料電池：２０世紀の電気化学者のドリームから２１世紀の新しい技術」、Ｍｏｄｅｒｎ  Ａｓｐｅｃｔｓ  ｏｆ  Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ、第３４巻、ｐ５３−１１８、Ｊ．Ｂｏｃｋｒｉｓら監修、Ｋｌｕｗｅｒ  Ａｃａｄｅｍｉｃ／Ｐｌｅｎｕｍ出版社、ニューヨーク（２００１年）；Ｓ．Ｒ．Ｎａｒａｙａｎａｎ、Ｔ．Ｉ．Ｖａｌｄｅｚ、Ｆ．Ｃｌａｒａの「携帯用小型燃料電池の開発」、直接メタノール型燃料電池、Ｓ．Ｒ．Ｎａｒａｙａｎａｎ、Ｓ．Ｇｏｔｔｅｓｆｅｌｄ、Ｔ．Ｚａｗｏｄｚｉｎｓｋｉ監修、Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ、２００１−４（２００１）Ｐｅｎｎｉｎｇｔｏｎ、ニュージャージー、に示されている。これらは本願の参照文献として取り入れられている。
【００４８】
別の実施例では、別の燃料として、別のアルコール（例えばエタノール）、炭化水素（例えばプロパンまたはブタン）またはこれらの混合物等、さらにこれらの水溶液を含む燃料が使用される。
【００４９】
ある実施例では、出口３６および／または４０に沿って、１以上の放出制御システムが使用される。例えばアノード出口３６は、２つの放出制御システムを有しても良い：第１のシステムは、ホルムアルデヒドの量を低減し、第２のシステムは、蟻酸の量を低減する。これらの放出制御システムは、前述のいかなる実施例であっても良く、いかなる組み合わせで使用しても良い。
【００５０】
スタック２２は、「ストリップセルスタック」または一連の燃料電池が水平に接続されたスタックであっても良い。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】燃料電池システムの実施例の概略図である。
【図２】放出制御システムの実施例の概略図である。
【図３】放出制御システムの実施例の概略図である。
【図４】放出制御システムの実施例の概略図である。
【図５】基材の実施例を示す図である。
【図６Ａ】放出制御システムの実施例の正面図である。
【図６Ｂ】図６Ａの６Ｂ−６Ｂ線に沿った、放出制御システムの断面図である。
【図７】燃料電池システムの実施例の概略図である。
【図８Ａ】ラッチング機構の開状態の実施例の概略図である。
【図８Ｂ】ラッチング機構の閉状態の実施例の概略図である。
【図９】燃料電池の実施例の概略図である。
【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６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【国際調査報告】
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