(57)【要約】直接メタノール燃料電池では、カートリッジ（３）を通して高濃度のメタノール混合物を１次燃料容器（１）に定期的に添加することによって、燃料効率が維持される。カートリッジ（３）は、発電プロセスにおける燃料消費によるメタノールおよび部分的水の損失を補給する。典型的なシステムでは、燃料補給機構は、電力変換プロセスを監視する電子装置を通して制御され、残りの動作容量を予想することができる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直接メタノール燃料電池装置であって、
燃料容器と、
燃料容器に隣接するアノードと、
前記アノードに隣接するプロトン交換膜と、
前記プロトン交換膜に隣接するカソードと、
前記カソードに隣接する酸素供給源と、
水中に第１の濃度のメタノールを含む前記燃料容器と、
前記燃料容器と選択的に連絡結合するカートリッジと、
水中に第２の濃度のメタノールを含む流体を含む前記カートリッジ容器と、を備え、前記第２の濃度が前記第１の濃度より高い装置。
【請求項２】
前記第２の濃度が少なくとも前記第１の濃度の２倍である、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記第２の濃度が少なくとも前記第１の濃度の３倍である、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記選択的連絡結合が、人間の使用者によって起動可能な押しピンを含み、前記ピンが前記カートリッジを穿孔する、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記選択的連絡結合が、電子的手段によって起動可能なポンプを備え、前記ポンプが流体を前記カートリッジから前記容器へと給送する、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
直接メタノール燃料電池を使用するための方法であって、
水中に第１の濃度のメタノールがある第１の溶液をアノードに接触させる段階であって、前記第１の溶液が容器内に含まれる段階と、
酸素をカソードに接触させる段階であって、前記カソードがプロトン交換膜に隣接し、前記プロトン交換膜が前記アノードに隣接する段階と、
その後に、カートリッジを前記容器に連絡結合する段階であって、前記カートリッジが水中に第２の濃度のメタノールがある第２の溶液を含み、前記第２の濃度が前記第１の濃度より高い段階と、を含む方法。
【請求項７】
前記第２の濃度が少なくとも前記第１の濃度の２倍である、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記第２の濃度が少なくとも前記第１の濃度の３倍である、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記カートリッジを前記容器に連絡結合させる段階が、人間の使用者によりピンを押すことを含み、前記ピンが前記カートリッジを穿孔する、請求項６に記載の方法。
【請求項１０】
前記カートリッジを前記容器に連絡結合する段階が、ポンプを起動することを含み、前記ポンプが流体を前記カートリッジから前記容器へと給送する、請求項６に記載の方法。
【請求項１１】
直接メタノール燃料電池装置であって、
燃料容器と、
前記燃料容器に隣接するアノードと、
前記アノードに隣接するプロトン交換膜と、
前記プロトン交換膜に隣接するカソードと、
前記カソードに隣接する酸素供給源と、
水中にメタノールを含む前記燃料容器と、
前記燃料容器内の攪拌装置と、を備える装置。
【請求項１２】
前記燃料電池装置に関して実行する測定の関数として、ある間隔で前記攪拌装置を動作させる電子機器をさらに備える、請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
直接メタノール燃料電池を使用するための方法において、
メタノール水溶液をアノードに接触させる段階であって、前記溶液が容器内に含まれる段階と、
酸素をカソードに接触させる段階であって、前記カソードがプロトン交換膜に隣接し、前記プロトン交換膜が前記アノードに隣接する段階と、
その後に、前記溶液を攪拌する段階と、を含む方法。
【請求項１４】
前記攪拌は、人間の使用者が使用中に燃料電池を移動させる結果として実行される、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記攪拌は、前記容器内に含まれる攪拌装置による攪拌の結果として実行される、請求項１３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、燃料電池および燃料電池での使用方法に関し、特に直接メタノール燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
本出願は、２００３年１月１５日出願の米国特許出願第６０／４４０，６５７号に対する優先権を主張し、その出願はすべての目的のために参照により本明細書に組み込むものとする。
【０００３】
無線電話、ノートブック・コンピュータおよび携帯情報端末（ＰＤＡ）のような大部分の手持ち式消費者電子機器は、充電式電池または使い捨て電池によって駆動される。
【０００４】
充電式電池の分野では、歴史的にニッケル・カドミウム電池が使用されていた。最近では、ニッケル水素電池を使用し、さらに最近ではリチウムイオン技術が使用されている。このような電池の化学的性質の変遷は、電力対重量の比率を改善したが、充電式電池で使用可能なエネルギー密度に自然が上限も加える。
【０００５】
使い捨て電池の分野では、現在使用されている主な技術はアルカリ電池である。このような電池の使用可能なエネルギー密度にも、自然が上限を加える。
【０００６】
それ故、手持ち式消費者電子機器の設計者は、機器の重量および大きさが過剰になるのを防止したいという考えによって部分的に加えられた電池寿命への制限に直面することになる。
【０００７】
近年、手持ち式消費者電子機器への電力供給を含む多様な用途に燃料電池を使用するという予想に多大な注意が払われてきた。様々な困難を克服した後、燃料電池は、このような用途の有用な電源であると証明することが可能であるようである。燃料電池は、補給が容易な燃料を有する安価な燃料を使用する軽量電源の可能性を提供する。
【０００８】
しかし、今日の燃料電池には多くの課題がある。電池が切れ、補給が厄介なことがある。所与の供給燃料から使用可能なすべてのエネルギーを抽出することは容易ではない。
【０００９】
ある燃料電池は直接メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）と呼ばれる。ＤＭＦＣでは、メタノールが酸素と反応し、その１つの副産物が水である。図３で示すように、メタノールおよび酸素がプロトン交換膜に向かって流れる。電力は、膜と並置したアノードとカソードから引き出される。図３の「有効燃料」領域２は純粋なメタノールで充填されず、メタノール水溶液を含むことは重要である。典型的なメタノール濃度は３％である。
【００１０】
ＤＦＭＣは、メタノールが水素イオンと電子に分解することによって電気を発生する。水素イオンはプロトン交換膜を通ってカソード領域へと伝搬し、電子は、プロセス中に電気を供給する負荷を通ってカソードに到達する。カソード領域に到達した電子は水素イオンと再結合し、これが空気によって供給された酸素と結合して、副産物として純水を供給する。
【００１１】
例えば、「Ｆｕｅｌ  ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ  ｆｏｒ  ｌｉｑｕｉｄ  ｆｕｅｌ  ｃｅｌｌｓ」と題した米国特許出願公報第２００４０００１９８９号および「Ｍｕｌｔｉｐｌｅ−ｗａｌｌｅｄ  ｆｕｅｌ  ｃｏｎｔａｉｎｅｒ  ａｎｄ  ｄｅｌｉｖｅｒｙ  ｓｙｓｔｅｍ」と題した公報第２００２０１２７１４１号に示されるように、適切な燃料電池構造を考案するために、多くの研究が試みられてきた。「Ｄｅｖｉｃｅ  ａｎｄ  ｍｅｔｈｏｄ  ｔｏ  ｅｘｐａｎｄ  ｏｐｅｒａｔｉｎｇ  ｒａｎｇｅ  ｏｆ  ａ  ｆｕｅｌ  ｃｅｌｌ  ｓｔａｃｋ」と題した国際特許出願公報第ＷＯ０３／０９４３１８号も参照されたい。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
上述したように、ＤＭＦＣは比較的小さく、小型電子装置で使用するのに潜在的に適している。このように使用するための鍵は、さらなる小型化、費用の削減、さらに電池性能の改善である。
【００１３】
ＤＭＦＣがより良い性能を発揮するために改善する方法を考案することが極めて望ましい。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、燃料使用の有効性、さらに消費者による使用の容易さ、および携帯用コンピュータおよび電子機器に使用する技術と電力管理方法との統合に関する重要な性能の問題のいくつかに対処する。そのために、燃料補給方法を実施する燃料貯蔵装置について説明する。高濃度メタノール混合物を貯蔵する装置（以降はカートリッジとする）について説明する。電池の出力電圧に比例して（またはそれに応答して）カートリッジと主燃料容器との間の通路の開閉を制御する機構について説明する。
【００１５】
電池の残りの容量の計算に基づいて主燃料容器内のメタノール濃度を調節する代替機構について説明する。自動的補給を駆動するために十分な電力が残っていない場合に、強制的に補給するために使用者が起動できる手動方法について説明する。電流（負荷電流）および電池電圧の測定値（図１参照）に基づいて電池に残っている電気エネルギーを計算する方法について説明する。特に、これによって電池の残りの容量をさらに容易に表示できるようになる（例えば、「スマート電池」）。残りの燃料容量に関して電子機器によって提供される情報に基づいて、燃料濃度を調節することが可能である。
【００１６】
直接メタノール燃料電池では、カートリッジを通して主燃料容器内にさらに高濃度のメタノール混合物を定期的に添加することによって燃料効率が維持される。カートリッジは、発電プロセスでの燃料消費によるメタノールおよび部分的な水の損失を補給する。典型的なシステムでは、燃料補給機構は、電力変換プロセスを監視して、残りの使用容量を予測することができる電子装置を通して制御される。
【００１７】
電池の電圧が（電池出力電圧から判断して）限界しきい値より下まで低下した状況では、電池の動作を回復するために、カートリッジの破壊的穿孔について説明する。
【００１８】
本発明をいくつかの図の図面を参照して説明する。
【実施例】
【００１９】
図１は、典型的なＤＭＦＣの電圧および電流を示す。この図（および図２および図６）の横軸は任意の単位の時間である。（これらの３つの図の）Ｙ軸は電圧および電流を示す。図１では、プロット３１は出力電圧が標準負荷まで低下することを示す。プロット３２は使用可能な電流を示す。動作停止電圧を画定する突然の事象が時間３３で発生し、その後は電圧が非常に低く、使用が制限される。これらのプロットで図示した電池には、試験負荷として小型モータを使用した。
【００２０】
電圧と電流との積をある時間にわたって積分し、図で示すようなワット時容量を規定することが重要である。このワット時容量は、燃料電池で作業する場合に最適化しようとする重要なパラメータの１つである。
【００２１】
図２は、燃料の性能における燃料混合物の攪拌の効果を示す。発明者は、攪拌の効果をアノード領域におけるメタノールの濃度が水素および二酸化炭素への分解により絶えず低下することによるためであるとする。攪拌は、アノード領域を含む容器内で均質な濃度を達成する。図２では、攪拌なしの結果が、電圧の線４４および電流の線４２で見られる。攪拌した場合、その結果は、電圧の線４３および電流の線４１で見られる。理解されるように、合計発電量（電圧と電流の積を生産間隔にわたって積分した値として定義される）は、攪拌ありの場合が攪拌なしの場合よりはるかに大きい。
【００２２】
結論は、燃料が最初は最適なメタノール濃度を有する場合でも、このような補助がなければアノード領域でこれを維持することができないということである。
【００２３】
本発明の一実施形態では、アノード領域に最大の、または可能な限り最大に近いメタノール濃度を絶えず提供するために、圧電ポンプ（または他の攪拌手段）を設けて、燃料を循環させる。実験によると、連続的に攪拌する必要はない。代わりに、間隔をおいて攪拌を実行することができる。攪拌の頻度は、主燃料容器のサイズおよび形状に依存する。攪拌装置としては、以下で説明するような圧電ポンプを使用することができる。
【００２４】
図３は、本発明の別の実施形態を提示する。この実施形態では、ＤＭＦＣの従来技術の部品を見ることができる。すなわち燃料容器１、有効燃料位置２、プロトン交換膜、酸素入口、およびアノードおよびカソードである。高濃度メタノール混合物を含むカートリッジ３、弁６、押しピン８、および安全ロック７も設けることが重要である。安全ロック７は、押しピン８を不注意に押すことを防止する働きをする。
【００２５】
電池の電圧によって、または残りの電力を計算することによって限界しきい値であると判断されると、システムが使用者に対して警報を発する。その後、使用者は安全ロック７を外し、押しピン８を押す。この行為の結果、針５がカートリッジ３を穿孔し、高濃度メタノール流体４の混合物が主容器１に入ることができる。その結果、濃縮された燃料が電池の動作を回復する。
【００２６】
この方法は、携帯電話のような比較的小さい燃料キャニスタでの実施態様に効果的である。この方法を使用すると、１つのカートリッジで電池の発電能力を２倍にすることができる。
【００２７】
図４および図５は、本発明の他の実施形態を提示する。電子装置（図４および図５では明快さを期して削除）が（電圧の測定によって、または残りの容量の計算によって）臨界低電力状態を検出すると、これは小型ポンプ７を作動させ、決定された量の高濃度メタノール流体をカートリッジ３から主燃料容器１へと強制的に移動させる。流体は弁５を通過する。小型ポンプ７は、図４で明快さを期して削除された圧電素子６を含み、これは駆動回路により配線９によって駆動される。
【００２８】
図５は、小型ポンプの動作を強調する。典型的な配置構成では、マイクロコントローラ２２がパルス列２１を発し、これが圧電素子６を前後に移動させる。これは矢印２３で示すように流体を給送する。
【００２９】
マイクロコントローラ２２は、電池の電圧、温度などに基づいて電池の残留容量を計算し、ポンプ７を毎回起動すべき時間の量を決定する。
【００３０】
マイクロコントローラ２２によって、圧電素子６が指定の時間量だけ振動し、主容器１内のメタノール濃度を回復する。
【００３１】
この動作のデューティ・サイクルは、主容器１の容積および毎回の燃料濃度計算値に基づいて動的に調節される。
【００３２】
図６は、本発明から利益を受ける燃料電池の実際の測定値を示す。プロット５１および５２は、それぞれ電圧および電流を示す。１７時間が経過し、その間に燃料電池から電力が容易に使用可能である。次に、動作停止電圧（図１参照）に到達する前に、点Ａで燃料を追加する。この特定のケース２では、１０％の濃度のメタノールを含む２立方センチメートル（ｃｃｓ）の流体を燃料容器１に添加する。言い換えると、モータが停止する直前の点Ａで、２ｃｃの１０％メタノール溶液を主容器の残りの流体に添加し、攪拌する。
【００３３】
理解されるように、標準負荷を通る電流の場合と同様に、電圧が以前の高いレベルに回復する。電池の寿命は３３時間以上に延び、電池の有効寿命のほぼ２倍になる。
【００３４】
点Ａの決定は、用途および負荷状態に依存することに留意されたい。燃料の量に加えて、有効燃料が３％の最適濃度を決して超えないように、主容器中の流体の体積に基づいて注入を正確に決定しなければならない。この限界の理由は、有効燃料の濃度が３％より高くなると、触媒として使用するプラチナ、さらにプロトン交換膜が急速に劣化するからである。
【００３５】
異なる触媒または異なるプロトン交換膜を使用すると、濃度の限界が異なることがあることを理解されたい。
【００３６】
上述した方法は、燃料電池の動作を延ばし、それと同時に電池自体の有効寿命を維持する。
【００３７】
図６を参照すると、電池の電圧が急速に回復することが分かる。補給用流体を主容器１内で能動的に攪拌しなかった場合は、こうならない。
【００３８】
一実施形態では、ＤＭＦＣ燃料補給容器（カートリッジ）３は、新しいカートリッジ３と交換するために、使用後に廃棄することができる。この燃料補給方法は、使用者にとって最も便利であることが予想される。燃料の補給のために、使用者が化学物質と直接接触しないからである。本発明によって進める１つの方法は、１つの負荷サイクルにわたって正確なメタノール濃度を使用するカートリッジを提供することである。
【００３９】
本発明によって、おなじカートリッジをより長い時間にわたって使用し、電池の使用量を増加させ、さらに動作費用を削減することができる。
【００４０】
メタノールの濃度（通常は３％の溶液）および燃料の体積が与えられると、ＤＭＦＣから生産できる電気量の理論的計算を実行することができる。しかし、電池の実際の性能は、電池の温度、周囲温度、負荷状態などの動的パラメータから影響を受ける。燃料の容量の有効定量は、これらの動作パラメータをすべて、燃料状態とともに考慮することによって正確に見積もることができる。
【００４１】
携帯電話のような特定の移動用途では、使用者が機器を移動させるにつれて、攪拌が自然に実行されるので、小型ポンプ機構を実施する必要がないことに留意されたい。
【００４２】
当業者には、本発明に対して無数の明白な改善および変形が困難なく考案され、これはすべて請求の範囲内に入るものとする。特に、本発明の教示はＤＭＦＣ以外の燃料電池も利することが予想される。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】典型的なＤＭＦＣの電圧および電流を示す。
【図２】攪拌を使用するＤＭＦＣの電圧および電流を示す。
【図３】再充填カートリッジおよび押しピンを使用するＤＭＦＣを示す。
【図４】再充填カートリッジおよび小型ポンプを使用するＤＭＦＣを示す。
【図５】ポンプが動作した状態の図４のＤＭＦＣを示す。
【図６】より多くの燃料が注入されるＤＭＦＣの電圧および電流を示す。
【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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