(57)【要約】本発明は、燃料電池のアノードチャンバを形成する、新規アノードプレートに関する。このアノードプレートは、アノード燃料流れ場、実質的に気体透過性膜、およびこの膜に直ぐ隣接して配置された、出口に連結されたチャネルを備える。このチャネルは、アノードチャンバ中で発生した気体状流出物を、この出口を介して燃料電池の外に方向付ける。この新規アノードプレートは、単一の燃料電池において使用され得るか、複数の燃料電池配列中のカソードプレートに電気的かつ機械的に連結され得るか、または燃料電池スタックについての双極プレートを生成するカソードプレートと組み合わされ得る。あるいは、アノードプレートおよびカソードプレートの特徴は、単一の構成要素に一体化され、従って、スタックおよびこのスタックを実行するための系の性能を改善し、そしてそれらのサイズを制限し得る。
2006507625.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタックのための双極プレートであって、該燃料電池スタックが、少なくとも２つの別個の燃料電池を含み、該プレートが、以下：
第１の燃料電池内のアノード部分であって、該アノード部分が、燃料流れ場、該第１の燃料電池の膜電解質のアノード側面から離れて配置された気体透過性膜、および該気体透過性膜に隣接して配置された気体状流出物排出チャネルであって、該排出チャネルが、該膜電解質のアノード側面からの気体状流出物を出口を介して連絡させる、チャネル、含む、アノード部分；ならびに
第２の燃料電池内のカソード部分であって、該カソード部分が、流れ場を有し、該流れ場によって、酸素が、該燃料電池のカソード部分に導入される、カソード部分、
を含む、双極プレート。
【請求項２】
請求項１に記載の双極プレートであって、前記気体透過性膜が、前記燃料流れ場の第１の側面の少なくとも一部のためのカバーとして機能する、双極プレート。
【請求項３】
請求項１に記載の双極プレートであって、前記気体透過性膜が、実質的に液体不透過性である、双極プレート。
【請求項４】
請求項１に記載の双極プレートであって、前記気体透過性膜が、該気体透過性膜を通る気体の連絡を実質的にブロックするための第１の材料、および該気体透過性膜を通る気体の連絡を可能にするための第２の材料を含む、双極プレート。
【請求項５】
請求項４に記載の双極プレートであって、前記第１の材料が、前記気体透過性膜の第１の部分を構成し、前記第２の材料が、前記気体透過性膜の一部の領域を構成する、双極プレート。
【請求項６】
請求項４に記載の双極プレートであって、前記第１および第２の材料が一緒に結合されて、１つの気体透過性膜を形成する、双極プレート。
【請求項７】
請求項４に記載の双極プレートであって、前記第１および第２の材料が、互いに機械的に接着されて、１つの気体透過性膜を形成する、双極プレート。
【請求項８】
請求項４に記載の双極プレートであって、前記第１の材料が、複数の開口部を含み、前記第２の材料が、該複数の開口部の各々の中に配置される、双極プレート。
【請求項９】
前記第２の材料がＺｉｎｔｅｘ（登録商標）を含む、請求項４に記載の双極プレート。
【請求項１０】
前記第２の材料が、発泡ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）を含む、請求項４に記載の双極プレート。
【請求項１１】
前記第１および第２の材料が合わせられて、実質的に１つの構造体を形成する、請求項４に記載の双極プレート。
【請求項１２】
請求項４に記載の双極プレートであって、前記第２の材料が、複数の部分に分割され、該複数の部分が、前記第１の材料に沿って間隔を空けられている、双極プレート。
【請求項１３】
前記複数の部分が、前記燃料流れ場の幅に沿って実質的に広がる、請求項１２に記載の双極プレート。
【請求項１４】
前記複数の部分が、前記燃料流れ場の長さに沿って実質的に広がる、請求項１２に記載の双極プレート。
【請求項１５】
請求項４に記載の双極プレートであって、前記第２の材料が、気体状生成物の放出を可能にするためのミクロメッシュのウェブを含み、前記第１の材料が、該第２の材料に沿って断続的に配置された複数のストリップを含む、双極プレート。
【請求項１６】
燃料電池スタックの燃料電池であって、以下：
アノードチャンバ；
カソードチャンバ；
該チャンバの間に位置付けられる、プロトン伝導性膜電解質；および
双極プレート、
を備え、該双極プレートが、以下：
アノード部分であって、該アノード部分が、該燃料電池の該アノードチャンバ内の該膜電解質のアノード側面に配置され、該アノード部分が、燃料流れ場、該膜電解質から離れて位置付けられた気体透過性膜、および該気体透過性膜にすぐに隣接して位置付けられた気体状流出物通気口チャネルを備え、ここで、該通気口チャネルが、該燃料電池のアノード側から出口へと気体状流出物を連絡する、アノード部分、
を備える、燃料電池。
【請求項１７】
請求項１６に記載の燃料電池であって、前記気体透過性膜が、前記燃料流れ場の第１側面のカバーとして機能する、燃料電池。
【請求項１８】
燃料電池系であって、以下：
燃料を該燃料電池系に送達するための、燃料送達手段；
少なくとも２つの燃料電池を備える燃料電池スタックであって、ここで、各燃料電池が、アノードチャンバ、カソードチャンバ、該アノードチャンバと該カソードチャンバとの間に位置付けられた膜電解質；および
双極プレート、
を備え、該双極プレートが、以下：
アノード部分であって、該アノード部分が、第１燃料電池の該アノードチャンバ内の該膜電解質のアノード側面に配置され、該アノード部分が、燃料流れ場、該第１燃料電池の第１膜電解質のアノード裏打ち層から離れて位置付けられた気体透過性膜、および該気体透過性膜にすぐに隣接して位置付けられた気体状流出物通気口チャネルを備え、ここで、該通気口チャネルが、該燃料電池のアノード側から出口を介して気体状流出物を連絡する、アノード部分、ならびに
カソード部分であって、酸素が該燃料電池のカソードに導入される流れ場を有する、隣接する燃料電池のカソードチャンバにおけるカソードとして機能するための、カソード部分、
を備える、燃料電池系。
【請求項１９】
請求項１８に記載の燃料電池系であって、前記気体透過性膜が、前記燃料流れ場の第１側面のカバーとして機能する、燃料電池系。
【請求項２０】
請求項１８に記載の燃料電池系であって、前記燃料送達手段が、該燃料電池系の内部にある、燃料電池系。
【請求項２１】
少なくとも２つの個々の燃料電池を備える燃料電池スタックであって、ここで、隣接する燃料電池が、隣接する燃料電池の間で共有される共有双極プレートを備え、そして該双極プレートのアノード側が、該アノードから気体状流出物を通気するための通気口チャネルを備える、燃料電池スタック。
【請求項２２】
膜電解質を有する燃料電池のためのアノードプレートであって、該アノードプレートが、以下：
燃料流れ場であって、該燃料流れ場が、該膜電解質に実質的に対向して位置付けられた部分を有し、そして気体透過性膜を備える、燃料流れ場；および
該気体透過性膜にすぐ隣接して位置付けられた気体状流出物通気口チャネルであって、ここで、該通気口チャネルが、該燃料流れ場から出口を介して気体状流出物を連絡する、気体状流出物通気口チャネル、
を備える、アノードプレート。
【請求項２３】
請求項２２に記載のアノードプレートであって、前記アノードプレートが、前記燃料電池に組み込まれる、アノードプレート。
【請求項２４】
燃料電池であって、以下：
膜電解質；
該膜電解質の近位に配置されたアノード裏打ち層；
カソードチャンバを形成するカソードプレートであって、該カソードプレートは、酸素が該カソードプレートに導入される流れ場を備える、カソードプレート；
該カソードプレートの近位に配置されたカソード裏打ち層；
アノードチャンバを形成するアノードプレートであって、該アノードプレートは、燃料流れ場、該膜電解質のアノード裏打ち層から離れて配置された気体透過性膜、および該気体透過性膜に直ぐ隣接して配置された、気体状流出物通気チャネルを備え、ここで、該通気チャネルは、出口を介して、該燃料電池の該アノード側から、気体状流出物を連絡する、アノードプレート、
を備える、燃料電池。
【請求項２５】
前記気体透過性膜が、前記燃料流れ場の第一の側面上のカバーとして機能する、請求項２４に記載の燃料電池。
【請求項２６】
燃料電池系のアノード側面から気体状流出物を除去する方法であって、該燃料電池系は、膜電解質、燃料流れ場を有するアノードチャンバ、燃料送達手段、気体透過性膜および該気体透過性膜と連絡した出口を備え、該方法は、以下：
該アノードチャンバにおいて気体状流出物を収集する工程；および
該収集された気体状流出物を該出口へと連絡する工程、
を包含する、方法。
【請求項２７】
前記収集された気体状流出物が、流体連絡チャネルを介して前記出口と連絡している、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記燃料電池系が、単一の燃料電池、複数の燃料電池、ならびに燃料電池スタックおよび燃料送達手段を有する燃料電池系からなる群より選択される、請求項２６に記載の方法。
【請求項２９】
前記気体状流出物が前記アノードチャンバにおいて収集される速度を調整する工程をさらに包含する、請求項２６に記載の方法。
【請求項３０】
前記調整する工程が、前記アノードチャンバに露出された前記気体透過性膜の表面積を変化させる工程を包含する、請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
前記調整する工程が、前記気体透過性膜の材料を変化させる工程を包含する、請求項２９に記載の方法。
【請求項３２】
前記材料が、第一の吸収速度を有する元々の第一材料から、該第一の吸収速度とは異なる第二の吸収速度を有する第二材料に変化される、請求項３１に記載の方法。
【請求項３３】
前記調整する工程が、前記気体透過性膜の第一材料と共に第二材料を含める工程を包含し、ここで、該第二材料は、該気体透過性膜の吸収速度を変化させる、請求項２９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
（優先権の主張）
本発明は、米国仮特許出願番号６０／３６２，３６０（２００２年３月６日出願）（その開示内容全体が、本明細書中に参考として援用される）の、米国特許法第１１９条ｅ項下での優先権を主張する。
【０００２】
（発明の背景）
（発明の分野）
本発明は、有機燃料の電気化学的酸化／還元によって電気的エネルギーを生成するために、直接供給式燃料電池を提供し、特に一体型の気体分離を有する直接供給式メタノール燃料電池系を提供する。
【０００３】
（先行技術）
燃料電池は、電気化学的反応を使用して発電するデバイスである。種々の材料が、この電池の構成成分として選択された材料に依存して、燃料としての使用に適切であり得、そして企図された適用のために、この燃料電池が電力を供給する。
【０００４】
炭素質燃料を利用する燃料電池系は、「改質装置に基づく」系（すなわち、この系において、燃料は、燃料電池系に導入される前に、燃料から水素を抽出するために、ある様式で処理される系）または「直接酸化」系（この系において、燃料は、内部処理または外部処理を区別する必要性なしに、電池に直接的に供給される系）に分類され得る。大部分の据え置き燃料電池は、改質装置に基づく燃料電池系である。しかしながら、燃料処理は高価でありかつかなりの体積を必要とするので、改質装置に基づく系は、現在、比較的高い電力適用に制限される。これらの系が持続性の電気的エネルギーを供給する能力のために、燃料電池は、家庭用電化製品（例えば、携帯用コンピュータおよび携帯電話）を含むより小さいデバイスのための電源として、ますます重んじられている。従って、改質装置に基づく燃料電池および直接酸化燃料電池の両方についての設計が、携帯用電子素子における使用のために研究されてきた。改質装置に基づく系は、通常、そのサイズ、費用、および現在の燃料改質装置の技術的複雑性に一部起因して、小さいデバイスのための実行可能な電源と見なされている。
【０００５】
従って、かなりの研究が、小さい適用のための直接酸化燃料電池系、特に、炭素質燃料（メタノール、エタノールおよびそれらの水溶液が挙げられるが、これらに限定されない）を使用する直接系の設計に集中している。直接酸化燃料電池系の一実施例は、直接メタノール燃料電池系である。直接メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）電力系が、より小さい適用のための電力の供給にとって有利であるいくつかの理由が存在する。第一に、メタノールは、高いエネルギー含量を有し、従って、小型のエネルギー備蓄手段を提供する。さらに、メタノールは、比較的容易に貯蔵され且つ取り扱われ得る。なぜなら、ＤＭＦＣ系における発電に必要な反応は、周囲条件下で起こるからである。
【０００６】
ＤＭＦＣ電力系はまた、環境にやさしいので、特に有利である。ＤＭＦＣ電力系における化学反応は、副産物として（発生した電気に加えて）、二酸化炭素および水を生じる。さらに、メタノールおよび酸素の一定の供給（好ましくは、外気からの供給）により、継続的に電気的エネルギーが生成され、連続的な比出力が維持され得る。従って、携帯電話、携帯用コンピュータ、および他の携帯用電子機器は、長時間電気を供給され得、一方ではアルカリ電池、Ｎｉ−ＭＨ電池およびリチウムイオン電池の再利用および処分に関連する、少なくともいくつかの環境障害および費用が、実質的に低減または排除され得る。
【０００７】
ＤＭＦＣ電力系における電気化学的反応は、メタノールおよび水のＣＯ２および水への変換である。さらに具体的には、ＤＭＦＣにおいて、メタノール（その水溶液であり得る）は、触媒の存在下でプロトン導電性の電子的に非導電性の膜であるアノード面に導入される。燃料が触媒に接触すると、燃料由来の水素原子が、燃料分子の他の成分から分離される。アノードチャンバの流れ場板を、外部電気的荷重を介してカソードチャンバの流れ場板に接続している回路を閉鎖すると、水素原子からプロトンおよび電子が分離され、その結果、プロトンが膜電解質を通過し、そして電子が外部荷重を介して移動する。次いで、これらのプロトンおよび電子は、カソードチャンバ中で酸素と結合し、水を生成する。アノードチャンバ内において、燃料の炭素成分は、水との化合によってＣＯ２に変換され、さらなるプロトンおよび電子を生成する。
【０００８】
ＤＭＦＣにおける主な電気化学プロセスは、以下である：
アノード反応：ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ＝ＣＯ２＋６Ｈ＋＋６ｅ
カソード反応：３／２Ｏ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−＝２Ｈ２Ｏ
正味の反応：ＣＨ３ＯＨ＋３／２Ｏ２＝ＣＯ２＋Ｈ２Ｏ
ＤＭＦＣ中のメタノールは、好ましくは、「メタノールクロスオーバー」の効果を減少させるために水溶液において使用される。メタノールクロスオーバーは、メタノール分子が、電気を発生させることなく、膜電解質のアノード側から膜電解質を通ってカソード側に流れる現象である。熱はまた、「クロスオーバーした」メタノールがカソードチャンバで酸化される場合に発生する。本発明の膜電解質がメタノールおよび水に（ある程度まで）透過性であるので、メタノールクロスオーバーが生じる。
【０００９】
単一燃料電池の電圧出力は、所望の適応に対して適切な電力を提供するのに十分ではないかもしれない。厳しい形態因子の制限および漸増する携帯電子機器の電力条件の要求を考慮すると、ほとんどの適用は、単一の代表的なＤＭＦＣが提供し得る電圧と比較して、さらにより高い電圧を必要とし、これは、１．５ボルトのオーダーである。例えば、ラップトップコンピューターに有効な電圧は、２４ボルトほどであり得る。燃料電池技術を使用して、このような電圧を得るために、個々の燃料電池は、一連で接続されて、代表的に、燃料電池スタックを形成する。
【００１０】
現在の燃料電池スタックの設計は、双極プレートを利用して、大きさを減少し、そしてこのアセンブリの効率を増加させている。２つの電流集電器の代わりに、１つのプレートのみが、流れ場とともに使用され、この流れ場は切断されて、プレートの各々の側面となる。すなわち、プレートの１つの側面は、１つの燃料電池のアノードチャンバにおいて使用されるが、他方の側面は、隣接する燃料電池のカソードチャンバにおいて使用される。単一のプレートはまた、このプレートの一方の側面への燃料の分配、および好ましくは、周囲の空気からこのプレートの他方の側面への酸化剤の分配を補助するように機能し得る。
【００１１】
双極プレートは、代表的に、気体透過性物質から作製され、アノード側上の燃料とカソード側上の酸化剤との混合を防ぐ。燃料電池のアノードチャンバへの酸素の導入は、代表的に、電池の性能を低減させ、そして、燃料電池系内での電気の生成に寄与することなく、メタノールの完全な酸化を引き起こし得る。
【００１２】
双極プレートは、この双極プレートの片側のアノードで生じる電子が、このプレートを通って導通され得るように、導電性であり、ここで、これらの電子は、双極プレートのもう一方のカソードに入る。２つの端プレート（電池の完全なスタックの各端の１つ）は、外部回路を介して接続されている。
【００１３】
双極プレートを使用する燃料電池スタックにかかわる問題の１つは、アノードチャンバから流出液を排出することである。先行技術のＤＭＦＣ系は、再循環構成系によってこの問題に取り組む。このような系において、流出液戻りラインに組み込まれた気体分離器は、アノード流出液流体から気体を除去するために使用される。気体分離器は、未使用の燃料溶液から二酸化炭素を分離し、二酸化炭素を排出する。
【００１４】
先行技術の再循環構成は、アノード流出液（未使用のメタノール燃料を保存し、そして燃料電池が必要とする電力の素早い変化に対して、この燃料供給を鈍くする）処理の問題のいくつかに取り組んでいるが、これらの系は、代表的に、そのようにするための別個の補助装置（気体分離器および気体から液体を分離する他の部品が挙げられるが、これらに限定されない）を組み込む。この補助装置は、容量を消費し、材料全般および組立てにコストを加え、携帯電力および電子工学適用にとって再循環ＤＭＦＣ系をあまり実現可能でないものにする。さらに、燃料電池スタック系において、気体分離器は、全体としてこのスタックおよび系の性能を確実にするように使用されなければならない。従って、この燃料電池スタックのコストは、このようなさらなる要求から見て、劇的に増加する。
【００１５】
従って、燃料電池スタックの燃料電池からアノード流出気体を除去するための装置および方法を提供することが望ましく、ここで、液体は、さらなる容積または構成要素を加えることなく、スタック内で気体から分離され得る。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１６】
（発明の要旨）
本発明は、上記の関連する概要を説明し、外部気体分離器を使用せずにアノード流出気体を通気するための新規のデバイスおよび方法を示す。
【００１７】
本発明の１つの実施形態において、少なくとも２つの別個の燃料電池を有する、燃料電池スタックのための双極プレートは、第１の燃料電池にアノード部分を備え、ここでこのアノード部分が、燃料流れ場、第１の燃料電池の膜電解質のアノード側から離れて位置する気体透過性膜、および、気体透過性膜に隣接して配置される気体状流出物通気チャネルを備える。通気チャネルは、通気口を介して、膜電解質のアノード側からの流出気体を連絡する。双極プレートはまた第２の燃料電池にカソード部分を備え、流れ場を有し、それにより酸素が燃料電池のカソード部分に導入される。
【００１８】
本発明の別の実施形態において、燃料電池スタックの燃料電池は、アノードチャンバ、カソードチャンバ、チャンバ間に位置付けられるプロトン導性膜電解質および双極プレートを備える。双極プレートは、燃料電池のアノードチャンバ内にある膜電解質のアノード側に配置されるアノード部分を備える。アノード部分は、燃料流れ場、第１の燃料電池の膜電解質から離れて位置付けられる気体透過性膜、および、気体透過性膜隣接して位置付けられる気体状流出物通気チャネルを備える。通気チャネルは、通気口へと、燃料電池のアノード側からの流出気体を連絡する。
【００１９】
本発明の別の実施形態において、燃料電池系は、少なくとも２つの燃料電池備える燃料電池スタックおよび燃料送達手段を備える。各燃料電池は、アノードチャンバ、カソードチャンバおよびアノードチャンバとカソードチャンバとの間に位置付けられる膜電解質を備える。この系はさらに、双極プレートを備える。双極プレートは、第１の燃料電池のアノードチャンバにおける膜電解質のアノード側に配置されるアノード部分を備える。アノード部分は、燃料流れ場、第１の燃料電池の膜電解質のアノード裏打ち層から離れて位置付けられた気体透過性膜、および、気体透過性膜に隣接して位置付けられた気体状流出物通気チャネルを備える。通気チャネルは、通気口を介して、燃料電池のアノード側からの流出気体を連絡する。双極プレートはまた、近接する燃料電池のカソードチャンバ内でカソードとして機能するカソード部分を備え、流れ場を有し、それによって、燃料電池のカソードに酸素を導入する。
【００２０】
本発明のなお別の実施形態において、燃料電池スタックは、少なくとも２つの別個の燃料電池を備え、ここで近接する燃料電池は、近接する燃料電池の間で共有される共有双極プレートを備え、そして、双極プレートのアノード側は、アノードからの流出気体を流出するための通気チャネルを備える。
【００２１】
本発明の別の実施形態において、膜電解質を備える、燃料電池のためのアノードプレートが提供される。アノードプレートは、実質的に膜電解質に対向して位置付けられるその部分を有する、燃料流れ場を備える。燃料流れ場は、気体透過性膜、および、気体透過性膜に隣接して位置付けられる気体状流出物通気チャネルを備える。通気チャネルは、通気口を介して、燃料流れ場からの流出気体を連絡する。
【００２２】
なお別の実施形態において、膜電解質、膜電解質に近接して位置付けられるアノード裏打ち層、カソードチャンバを形成するカソードプレート、およびカソードプレートに近接して位置付けられるカソード裏打ち層を備える燃料電池が提供される。カソードプレートは、酸素がカソードプレートに導入される流れ場を備える。燃料電池はまた、アノードチャンバを形成するアノードプレートを備える。アノードプレートは、燃料流れ場、および、膜電解質のアノード裏打ち層から離れて位置付けられる気体透過性膜を備える。アノードプレートはまた、通気口へと、燃料電池のアノード側からの流出気体を連絡するために、気体透過性膜に隣接して位置付けられる気体状流出物通気チャネルを備える。
【００２３】
本発明の別の実施形態において、燃料電池系のアノード側から流出気体を除去する方法が提供される。この実施形態のための燃料電池系は、膜電解質、燃料流れ場を有するアノードチャンバ、燃料送達手段、気体透過性膜、および、気体透過性膜と連絡する通気口を備える。この方法は、アノードチャンバで流出気体を回収する工程、および通気口へと、回収した流出気体を連絡する工程を包含する。
【００２４】
本発明の実施形態はまた、以下の特徴のうちの１以上を用いて訴求され得る：
−膜を通した気体連絡を実質的にブロックするための第１材料および膜を通しての気体連絡を可能にするための第２材料から製造された気体透過性膜を有する。この第１材料は、この膜の第１場を含み得、そして第２材料は、この膜の第２場を含み得る；
−上記で概説した通りの第１材料および第２材料は、一緒に結合され得る；
−第１材料および第２材料は、機械的に互いに固定され得る；
−この第１材料は、複数の開口部を含み得、そしてこれらの第２材料は、これらの複数の開口部の各々の内部に配置され得る；
−この第２材料は、Ｚｉｎｔｅｘ（登録商標）を含み得る；
−この第２材料は、発泡ＰＴＦＥを含み得る；
−これらの第１材料および第２材料は組み合わされて、単一構造体を実質的に形成し得る；
−この第２材料は、第１材料に沿って間隔が空けられた複数の部分に分けられ得る；
−これらの複数の部分は、燃料流れ場の幅に実質的にまたがり得る；
−これらの複数の部分は、燃料流れ場の長さに実質的にまたがり得る；
−この第２材料は、マイクロメッシュのウェブを含み得、そしてこの第１材料は、第２材料に沿って断続的に配置された複数のストリップを含み得る；そして
−この第１材料は、第２材料から分離され得る。
【００２５】
本発明の実施形態および特徴は、本明細書に添付の図面（以下に簡単に記載される）を参照して、そして以下に続く本発明の詳細な説明を参照してさらに明らかになる。
【００２６】
（実施形態の詳細な説明）
以下に記載の本発明の例示的な実施形態は、有機燃料反応物および酸化剤の電気化学的酸化／還元を通して電気エネルギーを産生するための、直接供給燃料電池系を提供する。より詳細には、本発明は、有機燃料（例えば、メタノール）の電気化学的酸化および酸化剤（例えば、空気）の還元を通して電気エネルギーを産生するための、直接供給メタノール燃料電池系に関し得る。
【００２７】
しかし、当業者は、本発明による実施形態が、直接供給メタノール燃料電池に限定されないが、むしろ、有機燃料反応物および酸化剤の電気化学的酸化／還元から電気エネルギーを生成する他の燃料電池系にも用いられ得ることを認識する。当業者はまた、本明細書中に開示される発明が、種々の系およびアーキテクチャに用いられ得ることを認識する。
【００２８】
本発明の実施形態を図１〜４を参照して記載し、これらは、実施形態を説明する目的で表されており、特許請求の範囲の範囲を限定することは意図しない。
【００２９】
図１は、先行技術の燃料電池スタック１００を示す。示されるように、複数の燃料電池が一緒に配置され、そして、それらの間に双極プレート１１０を備える。特に、先行技術のスタックの各々の燃料電池は、この燃料電池スタックの一方の端部にカソード端プレート１０８を備え、そしてスタックのもう一方の端部にアノードプレート１０６を備える。記載されるように、双極プレートは、隣接する燃料電池の間に配置される。各双極プレートは、燃料流れ場１０２を有するアノード側および空気流れ場１０４を備えるカソード側を備える。各燃料電池はまた、膜電解質１１２を備え、これは、アノードプレート（チャンバ）とカソードプレート（チャンバ）との間に配置される。拡散層１１４は、膜電解質のいずれかの側面に配置され（アノードチャンバおよびカソードチャンバに隣接して）、その結果、この膜は、燃料混合物および空気に十分に曝される。燃料流れ場および空気流れ場以外に、このスタックの流動管理系は、示されず、そして、必要なポンプを備え得、先行技術において、また、燃料がスタックに供給され、かつ、気体が燃料電池スタックの各電池のアノード面から分離される手段を備える。燃料電池スタック１００は、電気負荷（電球１０１）に接続するために電気エネルギー（ｅ−）を生成する。
【００３０】
図２〜４に示されるように、本発明は、例えば、直接酸化燃料電池スタック２を備え、これは、複数の燃料電池を備え得、各燃料電池は、対応する燃料電池のアノード側８とカソード側１０との間に配置される、プロトン伝導性の非導電性膜電解質６を有する膜電解質アセンブリ４を有する。アノードチャンバおよびカソードチャンバの実際の形状は、「流れ場」によって規定され、これは、一般的に、アノードプレート（燃料流れ場）およびカソードプレート（空気流れ場）にそれぞれ一体化される。これら流れ場は、燃料および酸化剤を膜電解質に分配するのに役立つ。図２は、スタックが２つの電池のみから構成されるように示されるが、任意の数の燃料電池が積重ねられ、所望の電圧および電流条件を達成し得る。燃料供給３（これは、任意の１つ以上の燃料供給源を備え得る）、燃料カートリッジ、混合チャンバおよび／または貯蔵チャンバ（水性の、例えば、燃料混合物を生成および／または貯蔵するため）ならびにポンプ、またはこれらの任意の組み合わせは、燃料（好ましくは、混合物形態（例えば、水溶液））を燃料流れ場に送達する。この燃料混合物は、導管５またはチャネル、または任意の他の手段を介して各燃料電池の燃料流れ場に供給され、燃料混合物を燃料流れ場へと流体連絡させ得る。
【００３１】
膜電解質６の各表面は、電気触媒によりコーティングされ得、この電気触媒は、膜のアノード面上のアノード反応部位１２および膜のカソード面上のカソード反応部位１４として機能し得る。これらのアノード反応部位およびカソード反応部位は、ＤＭＦＣの電気化学的反応を促進する。
【００３２】
電気触媒が、アノードチャンバおよびカソードチャンバ内の他の領域に提供され得、従って、本発明が、触媒が膜電解質上に提供される燃料電池に限定されないことに留意する価値はある。
【００３３】
拡散層１６および１８は、膜のいずれかの側面に備えられ得、そして配置され得る。これらの層は、メタノール溶液（アノード拡散層１６）のアノード反応部位へのより均質で効率的な供給、および酸化剤（カソード拡散層１８）のカソード反応部位へのより均質で効率的な供給を提供する。膜電解質の各々のアノード側上およびカソード側上の拡散層１６および１８はまた、ＤＭＦＣ電力系における適切な水のバランスを維持する速度で、膜電解質への、そして膜電解質からの水の分配および除去を補助することによって、膜電解質の適切な加湿を維持するのに役立ち得る。さらに、各層は、燃料流れ場および空気流れ場とともに使用され、さらに、燃料および酸化剤のそれぞれの反応部位への分配に役立ち得る。
【００３４】
燃料電池スタックの内部の隣接する燃料電池間に、双極プレートアセンブリ２５が、提供され、そして、このプレートのアノード側８は、１つの燃料電池２４におけるアノードとして機能し、このプレートのカソード側１０は、隣接する燃料電池２８におけるカソードとして機能する。この双極プレートアセンブリは、導電性物質（例えば、限定されないが、カーボンコンポジット、グラファイト）または多くの金属（限定されないが、ステンレス鋼が挙げられる）から構成され、その結果、電子は、一連の接続のために隣接する燃料電池間で導通し得る。
【００３５】
双極アセンブリは、プレートのアノード側に向けられた燃料流れ場３０およびプレートのカソード側に向けられた酸化剤流れ場３２を備える。燃料流れ場の各通路の基部は、気体透過性膜の第一側面３４、液体不透過性膜３６を備え、他の側面３８は、通気通路４０に接続している。通気通路は、双極プレートの外側に配置されるポート４２に接続される少なくとも１つの端部を備える。このポートは、周囲の空気に曝露され得るか、または別の導管に接続され得、この導管は、気体が通路からポートに、周囲の環境に通過することを可能にするか、もしくは燃料電池系中で動作することを可能にする。当業者は、双極プレートアセンブリの構成要素が、公知の成形技術および製造技術を使用して、単一構成要素に一体化され得ることを認識する。気体透過性膜３６が、通気通路４０を収容ポート４２まで満たし得ることもまた、当業者によって理解される。
【００３６】
新規な双極アセンブリが、圧縮燃料電池スタックを用いて使用されるように示されるが、本発明はまた、燃料電池スタックの第二燃料電池のカソードプレートに電気的に結合される第一燃料電池の単一アノードプレートに関し得、気体透過と関連する燃料流れ場を含むアノードプレート、液体不透過性膜および通気通路／ポートを有する。さらに、アノードプレートまたはアセンブリのこの新規な配列はまた、単一燃料電池系を用いて適切に使用される。
【００３７】
このように、双極プレートのアノード側（または別の単一燃料電池もしくは単一燃料電池のアノードプレート）上の燃料流れ場で生じる気体状流出物は、通路を通過し、そしてポートを通って燃料電池スタックから逃れる。
【００３８】
燃料電池系の気体透過性膜は、拡散層との十分な電気的接触が維持される場合、気体透過性膜、好ましくは液体不透過性物質（例えば、発泡ポリフルオロエチレンまたは他の選択された発泡ポリマー）から実質的に構成され得る。あるいは、膜は、気体と連絡しない第一物質で構成され、ここで、第二気体拡散物質は、第一物質の間の予測されるパターンで配置される。当業者は、流れ場プレートが、流れ場のプレートを製造するために使用される物質に起因するので、流れ場のプレートの正確なパターンがまた、双極プレートまたはアセンブリ中で気体透過性膜、液体不透過性膜の最適なパターンの決定に寄与することを認識する。従って、このようなパターンの例は、図３Ａ〜３Ｃにおいて示される。図３Ａにおいて、気体透過性物質３６の「鉛直板」は、気体制御物質３７上の特定の位置に配置される。図３Ｂは、類似の実施形態を示すが、板３６は、「水平に」または不規則な様式（例えば、対角）で配置され、各アノードチャンバからの気体の実質的な一定除去を可能にする。気体透過性物質のパッチ３６は、図３Ｃに示されるようにパターン化され得る。従って、気体透過性物質のこのようなパターンを使用する場合、燃料流れ場の各通路の全体領域は、膜に曝露されることを必要としない。通気通路に関しては、アノード側の気体流出を適切に自由にするために予め決定された量の膜と連絡するように形成されることのみが必要である。
【００３９】
あるいは、気体透過性物質、液体不透過性物質は、周囲の環境と連絡し得るか、または通気は、周囲の環境と連絡する。例として、そして限定されないが、図４Ａは、アノード流れ場プレート４０２の上面半断面図（すなわち、燃料流れ場に対して垂直に見る）を示し、ここで、気体透過性物質４０４（クロスハッチング）は、プレートの縁から延び、周囲の環境に直接的または間接的に連絡する。従って、流れ場の通路を通って（矢印）通過する燃料溶液は、燃料混合液、未反応燃料、およびアノードの半反応によって生じる気体で構成される。これらの気体が、気体透過性膜に接触するようになる場合、これらは、流れ場の通路中で液体から除去され、そして周囲の環境に通気される。
【００４０】
図４Ｂは、燃料流れ場４０２の端部の半断面図を示し、燃料流れ場の一部だけが、どのように気体透過性膜４０４（クロスハッチング）に曝露される必要があるかを示す。この実施形態において、気体透過性膜は、流出導管４０６を備え、流出物を通気口４０８に導く。燃料の流れは、＋および−の符号で示される：ページからの燃料混合物の流れ（＋）およびページ中への燃料混合物の流れ（−）。このような設計のさらなる利点は、双極プレートまたはアセンブリと隣接ＭＥＡとの間の適正接触を可能にし、これによって、スタックおよび燃料電池系の性能を改善することである。
【００４１】
本発明のこの実施形態の新規な特徴は、アノードで発生される気体が、カソードプレートの他の成分を用いて、気体透過性膜の立体配置を改変することによって流れ場から除去される速度および／またはプロフィールをカスタマイズする能力である。特に、周囲の環境への出口の数、ならびにそのサイズ、形および並べ方のパターンは、変動する速度および／またはプロフィールで気体が漏れることを可能にするように設計され得る。さらに、この実施形態の設計および操作は、アノードチャンバ中のＣＯ２気泡の併合および／または蓄積（これは、時々燃料電池の反応および／または効率を制限する）を避けるかまたは最小にする。さらに、気体分離特性は、アノードの気体が所望の速度で系から漏れることを可能にし、そして／または特定の気体が選択的に通過することを可能にし得る気体透過性膜の材料を選択することよってさらにカスタマイズされ得る。
【００４２】
第２の物質を分離する気体は、限定されないが、各燃料電池のアノードチャンバから二酸化炭素を除去する高い能力を有する疎水性ポリマーから構築される。第２の物質の疎水性ポリマーとしては、限定されないが、Ｗ．Ｌ．Ｇｏｒｅ  ＆  Ａｓｓｏｃｉａｔｅｓ  ｏｆ  Ｎｅｗａｒｋ，ＤＥから入手可能なＺＩＮＴＥＸ（登録商標）が挙げられる。ある場合に、二酸化炭素が物質を優先的に通過することを可能にする物質を使用し、これによって膜を通過する酸素の量を制限することが所望され得る。酸素の通過を制限しながら、二酸化炭素を優先的に通過させる物質の１つの例は、Ｂｉｏｇｅｎｅｒａｌ  Ｉｎｃ．，Ｓａｎ  Ｄｉｅｇｏ，ＣＡから入手可能なＴｅｆｌｏｎ（登録商標）ＡＦである。
【００４３】
気体透過性液体不透過性の膜は、共押出しを介して、または当業者に周知の他の方法を使用して製造され得る。あるいは、開口部は、ダイを用いて第１の物質から打ちぬかれ得、そして第２の物質が、適切な接着剤を使用して添加されたか、あるいは機械的に固定されたか、または他の方法で取り付けられ得る。
【００４４】
本発明に従う気体透過性液体不透過性の膜とアノードチャンバ中の液体とを曝露することは、周囲の酸素がアノードチャンバへと移動し得る程度を制限する。あるいは、他の設計およびプロフィールを使用して、通気孔および気体透過性膜からアノードチャンバへの他の周囲の気体の拡散を制限し得る。気体透過性部分は、製造に使用される方法に関係なく、ＣＯ２を除去する能力を増加するように設計され得る。
【００４５】
従って、記載される本発明のいくつかの実施形態によって種々の変更、改変および改善は、当業者が容易に想像し得る。このような変更、改変および改善は、本発明の範囲および精神の範囲内であることが意図される。従って、前述の説明は、例示のみであり、そして限定として意図されない。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】図１は、先行技術の燃料電池スタックの断面図を図示し、ここでは、燃料チャネルを通しての燃料流れ場がこのページに対して垂直である。
【図２】図２は、多燃料電池配置における本発明の１実施形態による新規のアノードプレートを図示する。
【図３Ａ】図３Ａは、本発明での使用のための気体透過性膜の種々の配置を図示する。
【図３Ｂ】図３Ｂは、本発明での使用のための気体透過性膜の種々の配置を図示する。
【図３Ｃ】図３Ｃは、本発明での使用のための気体透過性膜の種々の配置を図示する。
【図４Ａ】図４Ａは、単一燃料電気のアノードプレート、燃料電池スタックのためのアノード−カソード（双極）プレートアセンブリ、または本発明に従って燃料電池スタックで使用するための双極プレートのいずれかによって形成される例示的なアノード流れ場チャネルの一部を図示する。
【図４Ｂ】図４Ｂは、単一燃料電気のアノードプレート、燃料電池スタックのためのアノード−カソード（双極）プレートアセンブリ、または本発明に従って燃料電池スタックで使用するための双極プレートのいずれかによって形成される例示的なアノード流れ場チャネルの一部を図示する。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【国際調査報告】
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