(57)【要約】アノードチャンバおよびカソードチャンバを規定し、かつ、触媒、アノードチャンバとカソードチャンバとの間に配置されたプロトン導電性であるが非導電性の膜、および第１のベントを備えるハウジング、第１のバルブを介してガスをアノードチャンバと伝達する燃料チャンバ、第２のバルブを介してガスをアノードチャンバと伝達する液体チャンバ、ならびに第２のベントを有する混合チャンバを備える。混合チャンバは、第３のバルブを介してガスをアノードチャンバと伝達し、かつ燃料バルブを通じて燃料チャンバから燃料を、液体バルブを介して液体チャンバから液体を、および排出液バルブを介してアノードチャンバから排出液を受け取る。混合チャンバは、さらに、燃料混合物を燃料混合物バルブを介してアノードチャンバに供給する。排出ガスを用いて、本発明は、流体を燃料電池システムのエレメント間に駆動する。【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードチャンバおよびカソードチャンバを規定し、かつ、触媒、該アノードチャンバと該カソードチャンバとの間に配置されたプロトン導電性であるが非導電性の膜、および該アノードチャンバ内の第１のベントを備えるハウジングと、
第１のバルブを介してガスを該アノードチャンバと伝達する燃料チャンバと、
第２のバルブを介してガスを該アノードチャンバと伝達する水チャンバと、
第２のベントを有する混合チャンバであって、第３のバルブを介してガスを該アノードチャンバと伝達し、
燃料バルブを通じて該燃料チャンバから燃料を、水バルブを介して該水チャンバから水を、および排出液バルブを介して該アノードチャンバから排出液を受取り、
燃料混合物バルブを介して該アノードチャンバに燃料混合物を供給する、混合チャンバと
を備える、燃料電池システム。
【請求項２】
前記水チャンバは、カソードチャンババルブを介して前記カソードチャンバと連絡する、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記第１のベントは、前記アノードチャンバ内の圧力を放出するように動作可能である、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記第１のベントは、前記アノードチャンバ内の圧力を周囲圧力と等化させるように動作可能である、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記第２のベントは、前記混合チャンバ内の圧力を放出するように動作可能である、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記第２のベントは、前記混合チャンバ内の圧力を周囲圧力と等化させるように動作可能である、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記排出ガスが前記それぞれのチャンバ内に貯蔵された液体と混合することを回避するために、少なくとも１つの不透気性膜がそれぞれのチャンバ内に配置される、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記燃料電池は、直接酸化燃料電池である、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記燃料は、炭素質燃料を含む、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記燃料は、メタノールを含む、請求項９に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
コントローラをさらに備える、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記コントローラは、前記燃料電池が電気エネルギーを生成する時間の量を追跡するためのタイマーを備える、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
前記コントローラは、前記燃料電池によって生成される電気の量をモニタリングするための電気メータを備える、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
前記アノードチャンバおよび前記カソードチャンバの少なくとも１つに提供される拡散層をさらに備える、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項１５】
前記システムは、バイポーラスタックとともに用いられる、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項１６】
前記システムは、複数のプロトン導電膜とともに用いられる、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項１７】
前記複数のプロトン導電膜は、実質的に単一の平面に設けられる、請求項１６に記載の燃料電池システム。
【請求項１８】
燃料電池システムのチャンバ間で液体を移動させる方法であって、
該燃料電池システムの貯蔵された液体を有するアノードチャンバおよび第１のチャンバを外部圧力から密閉して、閉じたサブシステムを作製する工程と、
該アノードチャンバで生成された排出ガスが該アノードチャンバと該第１のチャンバとの間で自由に流れることを可能にする工程と、
該第１のチャンバ内に該排出ガスの一部を貯蔵する工程であって、該アノードチャンバで生成される該排出ガスの体積が増加するために、該サブシステムの第１の圧力が増加する、工程と、
該第１のチャンバを該アノードチャンバから密閉する工程であって、該排出ガスは、該アノードチャンバと該第１のチャンバとの間の流れを実質的に中断する、工程と、
該第２のチャンバ内の第２の圧力を該第１の圧力よりも低いポイントに下げることによって、第２のチャンバと該第１のチャンバとの間に圧力差を生成する工程と、
該第１のチャンバと該第２のチャンバとの間のコンジットを開く工程であって、該圧力差の結果として、該第１のチャンバに貯蔵された該液体が該第２のコンジットを介して該第２のチャンバに流れ込む、工程と
を包含する、方法。
【請求項１９】
前記第１のチャンバは混合チャンバであり、前記液体は燃料混合物であり、前記第２のチャンバは前記アノードチャンバである、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記第１のチャンバは液体チャンバであり、前記液体は水であり、前記第２のチャンバは、燃料と水とを混合して、前記アノードチャンバに供給するための燃料混合物を形成する混合チャンバである、請求項１８に記載の方法。
【請求項２１】
前記第１のチャンバは燃料チャンバであり、前記液体は燃料であり、前記第２のチャンバは、燃料と水とを混合して、前記アノードチャンバに供給するための燃料混合物を形成する混合チャンバである、請求項１８に記載の方法。
【請求項２２】
前記第１のチャンバは前記アノードチャンバであり、前記液体は排出液であり、前記第２のチャンバは、燃料と水とを混合して、該アノードチャンバに供給するための燃料混合物を形成する混合チャンバである、請求項１８に記載の方法。
【請求項２３】
燃料電池システムの第１のチャンバに貯蔵された液体を攪拌する方法であって、
アノードチャンバを外部圧力から密閉する工程と、
該アノードチャンバで生成された排出ガスを該アノードチャンバ内に貯蔵する工程であって、生成される該排出ガスの体積が増加するために、該アノードチャンバのアノード圧力が所定の期間にわたって増加する、工程と、
第１のチャンバの第１の圧力を該アノード圧力よりも低いポイントに下げることによって、該第１のチャンバと該アノードチャンバとの間に圧力差を生成する工程と、
該アノードチャンバと該第１のチャンバとの間のコンジットを開く工程であって、該圧力差の結果として、該アノードチャンバに貯蔵された該排出ガスが該第１のチャンバに流れ込み、該第１のチャンバ内に貯蔵された該液体を攪拌する、工程と
を包含する、方法。
【請求項２４】
前記第１の圧力は、前記第１のチャンバに前記アノードチャンバよりも低い圧力を有する環境への排出口をつくることによって低減される、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記環境は、周辺空気圧である、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
アノードチャンバおよびカソードチャンバを規定し、かつ、触媒、該アノードチャンバと該カソードチャンバとの間に配置されたプロトン導電性であるが非導電性の膜、および第１のベントを備えるハウジングと、
第１のバルブを介してガスを該アノードチャンバと伝達する燃料チャンバと、
第２のバルブを介して該アノードチャンバと連絡する液体チャンバと、
第２のベントを有する混合チャンバであって、第３のバルブを介して該アノードチャンバと連絡し、
燃料バルブを介して該燃料チャンバから燃料を、液体バルブを介して該液体チャンバから液体を、および排出液バルブを介して該アノードチャンバから排出液を受取り、
燃料混合物バルブを介して該アノードバルブに燃料混合物を供給する、混合チャンバとを備える燃料電池システムにおいて、
該混合チャンバ内に貯蔵された燃料混合物を該アノードチャンバに移動させる方法であって、
該第１のベント、該第２のベント、該第１のバルブ、該第２のバルブ、該燃料バルブ、該燃料混合バルブ、該液体バルブ、および該排出液バルブを閉じる工程であって、閉じたサブシステムが該アノードチャンバと該混合チャンバとの間に作製される、工程と、
該第３のバルブを開いて、該アノードチャンバで生成された排出ガスが該アノードチャンバと該混合チャンバとの間で自由に流れることを可能にする工程と、
該アノードチャンバで生成された該排出ガスの一部を該混合チャンバに貯蔵する工程であって、所定の体積の該排出ガスが、該閉じたサブシステム内に第１の圧力を確立し、該第１の圧力は、該排出ガスが生成されると益々高くなる、工程と、
該第３のバルブを閉じて、該混合チャンバを該アノードチャンバから隔離する工程と、
該第１のベントを開いて、該アノードチャンバにおける該第１の圧力を放出し、これにより、該第１の圧力よりも低い第２の圧力が、該アノードチャンバ内に確立され、該混合チャンバと該アノードチャンバとの間に圧力差が生じる工程と
該第１のベントを閉じる工程と、
該燃料混合物バルブを開いて、該圧力差の結果として、該燃料混合物が該混合チャンバから該アノードチャンバに流れ込むことを可能にする工程と
を包含する、方法。
【請求項２７】
アノードチャンバおよびカソードチャンバを規定し、かつ、触媒、該アノードチャンバと該カソードチャンバとの間に配置されるプロトン導電性であるが非導電性の膜、および第１のベントを備えるハウジングと、
第１のバルブを介してガスを該アノードチャンバと伝達する燃料チャンバと、
第２のバルブを介して該アノードチャンバと連絡する水チャンバと、
第２のベントを有する混合チャンバであって、第３のバルブを介して該アノードチャンバと連絡し、
燃料バルブを介して該燃料チャンバから燃料を、水バルブを介して該水チャンバから水を、および排出液バルブを介して該アノードチャンバから排出液を受取り、
燃料混合物バルブを介して該アノードチャンバに燃料混合物を供給する、混合チャンバとを備える燃料電池システムにおいて、
該液体チャンバ内に貯蔵された液体を該混合チャンバに移動させる方法であって、
該第１のベント、該第２のベント、該第１のバルブ、該第３のバルブ、該燃料バルブ、該燃料混合物バルブ、該水バルブ、および該排出液バルブを閉じる工程であって、閉じたサブシステムが該アノードチャンバと該液体チャンバとの間に作製される、工程と、
該第２のバルブを開いて、該アノードチャンバで生成された排出ガスが、該アノードチャンバと該水チャンバとの間で自由に流れることを可能にする工程と、
該アノードチャンバで生成された該排出ガスの一部を該水チャンバに貯蔵する工程であって、所定の体積の排出ガスが、該閉じたサブシステム内に第１の圧力を確立し、該第１の圧力は、該排出ガスが生成されると益々高くなる、工程と、
該第２のバルブを閉じて、該水チャンバを該アノードチャンバから隔離する工程と、
該第２のベントを開いて、該混合チャンバ内の第２の圧力を該第１の圧力よりも低くし、該水チャンバと該混合チャンバとの間に圧力差を生成する工程と、
該第２のベントを閉じる工程と、
該水バルブを開いて、該圧力差の結果として、液体が該水チャンバから該混合チャンバに流れ込むことを可能にする工程と
を包含する、方法。
【請求項２８】
アノードチャンバおよびカソードチャンバを規定し、かつ、触媒、該アノードチャンバと該カソードチャンバとの間に配置されたプロトン導電膜、および第１のベントを備えるハウジングと、
第１のバルブを介してガスを該アノードチャンバと伝達する燃料チャンバと、
第２のバルブを介して該アノードチャンバと連絡する水チャンバと、
第２のベントを有する混合チャンバであって、第３のバルブを介して該アノードチャンバと連絡し、
燃料バルブを介して該燃料チャンバから燃料を、水バルブを介して該水チャンバから水を、および排出液バルブを介して該アノードチャンバから排出液を受取り、
燃料混合バルブを介して燃料混合物を該アノードチャンバに供給する、混合チャンバとを備える燃料電池システムにおいて、
該燃料チャンバ内に貯蔵された燃料を該混合チャンバに移動させる方法であって、
該第１のベント、該第２のベント、該第２のバルブ、該第３のバルブ、該燃料バルブ、該燃料混合バルブ、該水バルブ、および該排出液バルブを閉じる工程であって、閉じたサブシステムが該アノードチャンバと該水チャンバとの間に作製される、工程と、
該第１のバルブを開いて、該アノードチャンバで生成された排出ガスが該アノードチャンバと該燃料チャンバとの間で自由に流れることを可能にする工程と、
該アノードで生成された該排出ガスの一部を該燃料チャンバに貯蔵する工程であって、所定の体積の該排出ガスは、該閉じたサブシステム内で第１の圧力を確立し、該第１の圧力は、該排出ガスが生成されると益々高くなる、工程と、
該第１のバルブを閉じて、該燃料チャンバを該アノードチャンバから隔離する工程と、
該第２のベントを開いて、第２の圧力を該第１の圧力よりも低くし、該燃料チャンバと該混合チャンバとの間に圧力差を生成する工程と、
該第２のベントを閉じる工程と、
該燃料バルブを開いて、該圧力差の結果として、燃料が該燃料チャンバから該混合チャンバに流れ込むことを可能にする工程と
を包含する、方法。
【請求項２９】
アノードチャンバおよびカソードチャンバを規定し、かつ、触媒、および該アノードチャンバと該カソードチャンバとの間に配置されたプロトン導電膜を備えるハウジングであって、該アノードチャンバは、第１のベントを備える、ハウジングと、
第１のバルブを介してガスを該アノードチャンバと伝達する燃料チャンバと、
第２のバルブを介して該アノードチャンバと連絡する水チャンバと、
第２のベントを有する混合チャンバであって、第３のバルブを介して該アノードチャンバと連絡し、
燃料バルブを介して該燃料チャンバから燃料を、液体バルブを介して該液体チャンバから液体を、および排出液バルブを介して該アノードチャンバから排出液を受取り、
燃料混合物バルブを介して該アノードチャンバに燃料混合物を提供する、混合チャンバとを備える燃料電池システムにおいて、
該混合チャンバ内に貯蔵された燃料混合物を攪拌する方法であって、
該第１のベント、該第２のベント、該第１のバルブ、該第２のバルブ、該第３のバルブ、該燃料バルブ、該燃料混合物バルブ、該水バルブ、および該排出液バルブを閉じる工程であって、閉じたサブシステムが該アノードチャンバと該水チャンバとの間に作製される、工程と、
該アノードチャンバで生成された排出ガスを該アノードチャンバに貯蔵する工程であって、所定の体積の該排出ガスは、該アノードチャンバ内に第１の圧力を確立し、該第１の圧力は、該排出ガスが生成されると益々高くなる、工程と、
該第２のベントおよび該第３のベントを開いて、該貯蔵された排出ガスが、該アノードチャンバから該混合チャンバに流れ込み、かつ該第２のベントから流れ出すことを可能にする工程であって、該混合チャンバに貯蔵された該燃料混合物は、該圧力差の結果として、該排出ガスが該混合チャンバに流れ込み、かつ該第２のベントから流れ出した結果として攪拌される、工程と
を包含する、方法。
【請求項３０】
燃料電池システムであって、
アノードチャンバおよびカソードチャンバを規定し、かつ、触媒、および該アノードチャンバと該カソードチャンバとの間に配置されたプロトン導電性であるが非導電性の膜を備えるハウジングであって、該アノードチャンバは第１のベントを備える、ハウジングと、
第１のバルブを介してガスを該アノードチャンバと伝達する燃料チャンバと、
水チャンバと、
ポンプであって、燃料バルブを介して該燃料チャンバから燃料を、該水チャンバから水を、および該アノードチャンバから排出液を受取り、燃料混合物を該アノードチャンバに供給する、ポンプと
を備える、燃料電池システム。
【請求項３１】
アノードチャンバおよびカソードチャンバを規定し、かつ、触媒、および該アノードチャンバと該カソードチャンバとの間に配置されたプロトン導電性であるが非導電性の膜を備えるハウジングであって、該アノードチャンバはベントを備える、ハウジングと、
第１のバルブを介してガスを該アノードチャンバと伝達する燃料チャンバと、
水チャンバと、
ポンプであって、燃料バルブを介して該燃料チャンバから燃料を、該水チャンバから水を、および該アノードチャンバから排出液を受取り、
該燃料混合物を該アノードチャンバに供給する、ポンプと
を備える燃料電池システムにおいて、
該ポンプに燃料を供給する方法であって、
該燃料バルブを閉じる工程と、
該第１のバルブを開いて、該アノードチャンバで生成された排出ガスが、該アノードチャンバと該燃料チャンバとの間で自由に流れることを可能にし、該アノードチャンバと該燃料チャンバとの間に閉じたサブシステムを作製する工程と、
該アノードチャンバで生成された該排出ガスの一部を該燃料チャンバに貯蔵する工程であって、所定の体積の該排出ガスが該閉じたサブシステム内に第１の圧力を確立し、該第１の圧力は、該排出ガスが生成されると益々高くなり、かつ、該第１の圧力は、該ポンプの第２の圧力よりも高く、該第１の圧力と該第２の圧力との間に圧力差が確立される、工程と、
該第１のバルブを閉じて、該燃料チャンバを該アノードチャンバから隔離する工程と、
該燃料バルブを開いて、該圧力差の結果として、燃料が該燃料チャンバから該ポンプに流れ込むことを可能にする工程と
を包含する、方法。
【請求項３２】
アノードチャンバおよびカソードチャンバを規定し、かつ、触媒、該アノードチャンバと該カソードチャンバとの間に配置されたプロトン導電性であるが非導電性の膜と、第１のベントとを備えるハウジングと、
第１のバルブを介してガスを該アノードチャンバと伝達する燃料チャンバと、
第２のバルブを介して該アノードチャンバと連絡する水チャンバと、
第２のベントを有する混合チャンバであって、第３のバルブを介して該アノードチャンバと連絡し、
燃料バルブを介して該燃料チャンバから燃料を、液体バルブを介して該水チャンバから水を、および排出液バルブを介して該アノードチャンバから排出液を受取り、
燃料混合物バルブを介して燃料混合物コンジットを介して燃料混合物を該アノードチャンバに供給する、混合チャンバとを備える、燃料電池システムにおいて、
排出液を該アノードチャンバから該混合チャンバに移動させる方法であって、
該第１のベント、該第２のベント、該第１のバルブ、該第２のバルブ、該第３のバルブ、該燃料バルブ、該燃料混合物バルブ、該水バルブ、および該排出液バルブを閉じて、閉じたサブシステムが該アノードチャンバと該混合チャンバとの間に確立される、工程と、
該アノードチャンバで生成された排出ガスを該アノードチャンバに貯蔵する工程であって、所定の体積の該排出ガスが該アノードチャンバ内に第１の圧力を確立し、該第１の圧力は、該排出ガスが生成されると益々高くなる、工程と、
該第２のベントおよび該排出物バルブを開いて、該圧力差の結果として、該アノードチャンバに貯蔵された排出液が該アノードチャンバから該混合チャンバに流れ込むことを可能にする工程と
を包含する、方法。
【請求項３３】
燃料電池システムであって、
アノードチャンバおよびカソードチャンバを規定し、かつ、触媒、該アノードチャンバと該カソードチャンバとの間に配置されたプロトン導電性であるが非導電性の膜、および第１のベントを備えるハウジングと、
該アノードチャンバから排出液を受取るための第１の端部、および燃料と排出液との混合物を該アノードチャンバに供給するための第２の端部を有する第１のコンジットと、
第１のバルブを介してガスを該アノードチャンバと伝達し、かつ燃料バルブを介して液体を該第１のコンジットと伝達する燃料チャンバと
を備える、システム。
【請求項３４】
水チャンバは、前記カソードチャンバ中で生成された排出物を受取るために該カソードチャンバと連絡する、請求項３３に記載の燃料セルシステム。
【請求項３５】
燃料電池システムであって、
アノードチャンバおよびカソードチャンバを規定し、かつ、触媒、該アノードチャンバと該カソードチャンバとの間に配置されたプロトン導電性であるが非導電性の膜、およびベントを備えるハウジングと、
第１のバルブを介してガスを該アノードチャンバと伝達し、かつ燃料バルブを介して液体を該アノードチャンバと伝達する燃料チャンバと
を備える、システム。
【請求項３６】
アノードチャンバおよびカソードチャンバを規定し、かつ、触媒、および該アノードチャンバと該カソードチャンバとの間に配置されたプロトン導電性であるが非導電性の膜を備えるハウジングであって、該アノードチャンバはベントを備える、ハウジングと、
第１のバルブを介してガスを該アノードチャンバと伝達し、かつ燃料バルブを介して液体を該アノードチャンバと伝達する燃料チャンバとを備える燃料電池システムにおいて、
該アノードチャンバに燃料を供給する方法であって、
該燃料バルブを閉じる工程と、
該アノードチャンバで生成された排出ガスが該アノードチャンバと該カソードチャンバとの間で自由に流れることを可能にし、該アノードチャンバと該燃料チャンバとの間に閉じたサブシステムを作製する、工程と、
該アノードチャンバで生成された該排出ガスの一部を該燃料チャンバに貯蔵する工程であって、所定の体積の該排出ガスは、該閉じたサブシステム内に第１の圧力を確立し、該第１の圧力は、該排出ガスが生成されると益々高くなる、工程と、
該第１のバルブを閉じて、該燃料チャンバを該アノードチャンバから隔離する工程と、
該ベントを開いて、該燃料チャンバと該アノードチャンバとの間に圧力差を生成する工程と、
該燃料バルブを開いて、該圧力差の結果として、燃料が該燃料チャンバから該アノードチャンバに流れ込むことを可能にする工程と
を包含する、方法。
【請求項３７】
直接酸化燃料電池システム用の燃料−水混合物中の燃料の濃度を制御する方法であって、
該直接酸化燃料電池システム内の燃料−水混合物中の燃料の第１の濃度レベルを決定する工程と、
該第１の濃度レベルを特定の動作状態のために必要とされる第２の必要とされる濃度レベルと比較する工程とを包含し、
該第１の濃度レベルが第２の必要とされる濃度レベルよりも低い場合、該燃料−水混合物に燃料が追加され、かつ
該第１の濃度レベルが該第２の必要とされる濃度レベルよりも高い場合、該燃料−水混合物に水が追加される、方法。
【請求項３８】
直接酸化燃料電池システム用の燃料−水混合物中の燃料の濃度を制御するシステムであって、
アノードチャンバおよびカソードチャンバを規定するハウジングであって、触媒、およびプロトン導電性であるが非導電性の膜をさらに備え、該アノードは液体−燃料混合物である、ハウジングと、
該燃料−水混合物中の燃料の第１の濃度レベルを決定するための燃料濃度センサと、
燃料を貯蔵するための燃料チャンバであって、該燃料−水混合物と連絡する、燃料チャンバと、
液体を貯蔵するための水チャンバであって、該燃料−水混合物と連絡する、水チャンバと、
該燃料−水混合物への燃料の第１の流れを制御し、該燃料−水混合物への液体の第２の流れを制御するコントローラであって、ルックアップテーブルがメモリに格納されたメモリを備え、該ルックアップテーブルは、動作状態データおよび関連した燃料濃度レベルを含む、コントローラと
を備える、システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（発明の背景）
（発明の分野）
本発明は、流体を燃料電池で駆動する方法および装置に関し、より具体的には、流体、特に、水、燃料、燃料混合物、および排出液を、自己発生した圧力差を用いて直接メタノール燃料電池システムに移動させる方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
（従来技術の背景）
ポータブル電子機器において用いるための直接メタノール燃料電池システムを含むが、これに限定されない直接酸化燃料電池システムを開発するために、過去数年にわたって実質的研究がなされてきた。当業者は、直接酸化燃料電池が、燃料電池システムに導入された後に燃料が処理されることを必要としないことを理解する。直接メタノール燃料電池システムを適切に動作させるために、電気を生成するための燃料電池にシステム内の流体が利用可能であることが要求される。
【０００３】
現在、直接メタノール燃料電池システム（ＤＭＦＣシステム）を含む直接酸化燃料電池システムは、通常、システムが適切に動作するように、特定の物理的配向で動作される（例えば、燃料供給、水供給）。しかしながら、ＤＭＦＣシステムの複数の潜在的用途が、種々の配向で動作されるので、ＤＭＦＣシステムが、その配向に関わらず動作可能であることが要求される。
【０００４】
燃料を燃料電池に供給する従来の方法は、図１に示されるように、ポンプ（単数または複数）を用いて燃料を方向付けることに集中してきた。あるいは、燃料をシステム内に駆動させるために加圧燃料タンクまたはカートリッジが用いられ得る。しかしながら、ポンプは、寄生電力損失をもたらし、燃料を直接メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）に有効に送達する加圧燃料タンクの製造は、コストが非常に高く、困難である。さらに、未反応のメタノール／水燃料混合物を再循環させ、かつシステムに適切な燃料を提供するニートメタノールを追加するＤＭＦＣシステムにおいて、アノードに導入される前に、新しいメタノールが、混合物に均一に混合されることを保証することが必要である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従って、燃料電池システム内で流体の流れおよび組成を管理するためにポンプまたは他の電力消費デバイスが用いられることを必要としない燃料送達および混合維持システムを有することが所望される。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
（発明の要旨）
本発明は、流出ガスによって生成された圧力差を用いて、流体を燃料電池システム全体にわたって駆動させ、かつ燃料と水とを混合して燃料混合物にする一意的方法および装置を提供する。従って、本発明は、電気駆動ポンプまたは他の電気駆動装置を使用することなく、直接的酸化燃料電池システムで流体を移動および混合することを可能にする。
【０００７】
本発明は、アノードで生成されたＣＯ２を利用してメタノールおよび水の十分な流れを、最終的に燃料電池のアノードチャンバに維持および提供する新規の装置および方法を提供する。本発明が、バイポーラスタックを利用する構成、および、単一平面に作製された複数のプロトン導電膜を用いる構成、または単一電池直接メタノール燃料電池システム設計を用いる構成を含むが、これらに限定されない、種々の燃料電池構成で用いられ得ることが当業者によって理解される。
【０００８】
従って、本発明の目的は、燃料混合物の均一な供給が燃料電池のアノードチャンバに提供され、発電反応を継続することを可能にすることを保証する手段を提供することである。
【０００９】
本発明の目的は、さらに、燃料電池システムに配向への非依存性を提供することである。すなわち、本発明は、燃料電池システムが多様な配向で動作することを可能にする。従来技術の直接酸化燃料電池システムによると、燃料電池は、通常、単一位置に留まることが必要とされるので、システム内での液体／ガスの移動を支援するために重力が用いられる。従って、本発明は、直接酸化燃料電池システムがポータブル電子機器において用いられることを可能にする。
【００１０】
本発明のさらなる目的は、燃料混合物の含む構成要素の適切な量が混合チャンバに供給されることを保証する燃料電池システムを提供することである。
【００１１】
本発明の別の目的は、燃料混合物、未反応の燃料および水を含むアノード排出液、追加された燃料および／または追加された水の適切な流れが生じることを保証することである。さらに、本発明は、「ニート」メタノールをアノード排出液およびカソードで生成された水との混合を加速および強化することを可能にする。
【００１２】
本発明の実施形態の各々において、燃料は、カートリッジ（万年筆において用いられるものと同様）を介して、または再充填され得るタンクを通じてシステムに送達され得ることに留意することが重要である。本発明に記載されたバルブは、好適には、電気で起動され、開いたときにのみ、好適には、１方向にのみ流体が流れることを可能にすることをさらに理解されたい。
【００１３】
従って、本発明の第１の局面において、燃料電池システムは、アノードチャンバおよびカソードチャンバを規定するハウジングを備え、かつ触媒、アノードチャンバとカソードチャンバとの間に配置されたプロトン導電（しかしながら非導電性である）膜、およびアノードチャンバを周囲の環境と接続する第１のベントを備える。触媒は、好適には、プロトン導電膜のアノードおよびカソード面に付与される。システムは、さらに、第１のバルブを介してアノードチャンバとガスを伝達する燃料チャンバ、第２のバルブを介してアノードチャンバとガスを伝達する水チャンバ、および第２のベントを有する混合チャンバをさらに備える。混合チャンバは、第３のバルブを介してアノードチャンバとガスを伝達し、かつ燃料バルブを通じて燃料チャンバから燃料を、水バルブを介して水チャンバから水を、かつ排出液バルブを介してアノードチャンバから排出液を受取る。混合チャンバは、さらに、燃料混合バルブを介して燃料混合物をアノードチャンバに提供する。
【００１４】
本発明のさらに別の局面において、燃料電池システムのチャンバ間で液体を移動させる方法は、燃料電池システムの貯蔵された液体をチャンバに有するアノードチャンバおよび第１のチャンバを外部圧力から密閉して、閉じたサブシステムを作製する一方で、アノードチャンバで生成された流出ガスがアノードチャンバと第１のチャンバとの間を自由に流れることを可能にする工程と、流出ガスの一部を第１のチャンバに貯蔵する工程とを包含する。生成された流出ガスの体積が増加するために、サブシステムの第１の圧力は、アノードチャンバ内で大きくなる。この方法は、さらに、第１のチャンバをアノードチャンバから密閉する工程と、アノードチャンバと第１のチャンバとの間の流出ガスの流れを実質的に中断する工程と、第２のチャンバ内の第２の圧力を第１の圧力よりも低いポイントに下げることによって、第２のチャンバと第１のチャンバとの間に圧力差を生成する工程と、第１のチャンバと第２のチャンバとの間のコンジットを開いて、ここで、圧力差の結果として、第１のチャンバに貯蔵された液体が第２のコンジットを介して第２のチャンバに流れ込む工程とをさらに包含する。
【００１５】
上述の局面において、第１および第２のチャンバは、以下の通りであり得る。
2004527091.tif 000002
本発明のさらに別の局面において、燃料電池システムの第１のチャンバに貯蔵された液体を攪拌する方法は、外部圧力からアノードチャンバを密閉する工程と、アノードチャンバに生成された流出ガスをアノードチャンバ内に貯蔵する工程であって、ここで、生成される流出ガスの体積が増加するために、アノードチャンバ内の圧力が所定の期間にわたって増加する、工程とを包含する。この方法は、さらに、第１のチャンバの第１の圧力をアノード圧力よりも低いポイントに下げることによって、第１のチャンバとアノードチャンバとの間に圧力差を生成する工程と、アノードチャンバと第１のチャンバとの間のコンジットを開く工程とをさらに包含する。圧力差の結果として、アノードチャンバに貯蔵された流出ガスは、第１のチャンバに流れ込み、そこに貯蔵された液体を攪拌し、その後、周囲環境に排出される。
【００１６】
本発明の以下のさらなる局面は、第１の局面に記載された燃料電池システムとの関連で機能し、燃料電池システムのチャンバ間で特定の流体を移動させる方法に関し、かつ、各々、以下に詳述される。
【００１７】
混合チャンバ内に貯蔵された燃料と水との混合物をアノードチャンバに移動させる方法である。この方法は、第１のベント、第２のベント、第１のバルブ、第２のバルブ、燃料バルブ、燃料混合物バルブ、水バルブ、および排出液バルブを閉じる工程と、アノードチャンバと混合チャンバとの間に閉じたサブシステムを確立する工程とを包含する。この方法は、第３のバルブを開いて、アノードチャンバにおいて生成された流出ガスがアノードチャンバと混合チャンバとの間で自由に流れることを可能にする工程と、アノードチャンバで生成された流出ガスの一部を混合チャンバに貯蔵する工程とをさらに包含する。流出ガスの体積は、閉じたサブシステム内に第１の圧力を確立し、第１の圧力は、流出ガスが生成されると益々高くなる。この方法は、さらに、第３のバルブを閉じて、アノードチャンバから混合チャンバを閉じる工程と、第１のベントを開いて、アノードチャンバに第１の圧力を放出し、これにより、第１の圧力よりも低い第２の圧力が確立され、混合チャンバとアノードチャンバとの間に圧力差が生成される工程と、第１のベントを閉じて、燃料混合バルブを開く工程と、圧力差の結果として、燃料混合物が混合チャンバからアノードチャンバに流れ込むことを可能にする工程とをさらに包含する。
【００１８】
水チャンバ内に貯蔵された水を混合チャンバに移動させる方法である。この方法は、第１のベント、第２のベント、第１のバルブ、第３のバルブ、燃料バルブ、燃料混合物バルブ、水バルブおよび排出液バルブを閉じる工程であって、閉じたサブシステムがアノードチャンバと水チャンバとの間に確立される、工程を包含する。この方法は、第２のバルブを開いて、アノードチャンバで生成された流出ガスがアノードチャンバと水チャンバとの間で自由に流れることを可能にする工程と、アノードチャンバで生成された流出ガスの一部を水チャンバに貯蔵する工程とをさらに包含する。所定の体積の流出ガスは、閉じたサブシステム内に第１の圧力を確立し、第１の圧力は、流出ガスが生成されと益々高くなる。その後、第２のバルブが閉じられて、水チャンバをアノードチャンバから隔離し、その後、第２のベントが開けられて、混合チャンバ内の第２の圧力を第１の圧力よりも低くし、水チャンバと混合チャンバとの間に圧力差を生成する。この方法は、第２のベントを閉じる工程、水バルブを開く工程と、圧力差の結果として、水が水チャンバから混合チャンバに流れ込むことを可能にする工程とをさらに包含する。
【００１９】
燃料チャンバ内に貯蔵された燃料を混合チャンバに移動させる方法は、第１のベント、第２のベント、第２のバルブ、第３のバルブ、燃料バルブ、燃料混合物バルブ、水バルブ、および排出液バルブを閉じる工程と、閉じたサブシステムをアノードチャンバと水チャンバとの間に確立する工程と、アノードチャンバで生成された流出ガスがアノードチャンバと燃料チャンバとの間で自由に流れることを可能にする第１のバルブを開く工程と、アノードチャンバで生成された流出ガスの一部を燃料チャンバに貯蔵する工程とを包含する。所定の体積の流出ガスは、閉じたサブシステム内に第１の圧力を確立し、これは、流出ガスが生成されると益々高くなる。この方法は、第１のバルブを閉じて、燃料チャンバをアノードチャンバから隔離する工程と、第２のベントを開いて、第２の圧力を第１の圧力よりも低くする工程と、燃料チャンバと混合チャンバとの間に圧力差を生成する工程と、第２のベントを閉じる工程と、燃料バルブを開く工程と、圧力差の結果として、燃料が燃料チャンバから混合チャンバに流れ込むことを可能にする工程とをさらに包含する。
【００２０】
排出液をアノードチャンバから混合チャンバに移動させる方法は、第１のベント、第２のベント、第１のバルブ、第２のバルブ、第３のバルブ、燃料バルブ、燃料混合物バルブ、水バルブを閉じて、アノードチャンバと液体チャンバとの間に閉じたサブシステムを作製する工程と、アノードチャンバで生成された流出ガスをアノードチャンバに貯蔵する工程とを包含する。所定の体積の流出ガスは、流出ガスが生成されるにつれて益々高くなるアノードチャンバ内に第１の圧力を確立する。この方法は、第２のベントおよび排出バルブを開いて、圧力差の結果として、第２のベント、およびアノードチャンバに貯蔵された排出液がアノードチャンバから混合チャンバに流れ込むことを可能にする工程をさらに包含する。
【００２１】
混合チャンバ内に貯蔵された燃料混合物を攪拌する方法は、第１のベント、第２のベント、第１のバルブ、第２のバルブ、第３のバルブ、燃料バルブ、燃料混合物バルブ、水バルブ、および排出液バルブを閉じる工程であって、アノードチャンバと水チャンバとの間に閉じたサブシステムが作製される、工程と、アノードチャンバで生成された流出ガスをアノードチャンバに貯蔵する工程とを包含する。所定の体積の流出ガスは、アノードチャンバ内に第１の圧力を確立し、この圧力は、流出ガスが生成されるにつれて益々高くなる。この方法は、第２のベントおよび第３のバルブを開いて、貯蔵された流出ガスがアノードチャンバから混合チャンバに流れ込み、第２のベントから流れ出すことを可能にし、ここで、圧力差の結果として、流出ガスが混合チャンバに流れ込み、第２のベントから流れ出す結果、混合チャンバに貯蔵された燃料混合物が攪拌される、工程をさらに包含する。
【００２２】
上述の局面において、それぞれのチャンバに低圧を有する環境への排出口をつけることによって、特定のチャンバ内の圧力が低減され得る。従って、このような環境は、周囲空気圧を含み得る。
【００２３】
本発明のさらに別の局面において、第１の局面と同様の燃料電池システムは、混合チャンバの代わりにポンプを備える。流出ガスは、燃料を燃料チャンバからポンプに移動させるために用いられる。従って、この局面は、アノードチャンバおよびカソードチャンバを規定するハウジングを備え、このハウジングは、触媒、および、アノードチャンバとカソードチャンバとの間に配置されたプロトン導電性であるが非導電性の膜を備え、ここで、アノードチャンバは、第１のベント、第１のバルブを介してガスをアノードチャンバと伝達する燃料チャンバ、水チャンバおよびポンプを備える。ポンプは、燃料バルブを介して燃料チャンバから燃料を、アノードチャンバから排出液を受取る。ポンプは、燃料混合物をアノードチャンバに供給する。
【００２４】
本発明のさらなる局面において、上述の燃料電池システムは、燃料をポンプに供給する方法によって用いられ、この方法は、燃料バルブを閉じる工程と、第１のバルブを開いて、アノードチャンバで生成された流出ガスがアノードチャンバと燃料チャンバとの間で自由に流れることを可能にする工程と、アノードチャンバと燃料チャンバとの間に閉じたサブシステムを作製する工程と、アノードチャンバで生成された流出ガスの一部を燃料チャンバに貯蔵する工程とを包含する。所定の体積の流出ガスは、閉じたサブシステム内に第１の圧力を確立し、第１の圧力は、流出ガスが生成されると益々高くなり、第１の圧力は、ポンプの第２の圧力よりも高く、これらの間に圧力差を生成する。この方法は、第１のバルブを閉じて、燃料チャンバをアノードチャンバから隔離する工程と、燃料バルブを開いて、圧力差の結果として、燃料が燃料チャンバからポンプに流れ込むことを可能にする工程とをさらに包含する。
【００２５】
本発明のさらなる局面において、燃料電池システムは、アノードチャンバおよびカソードチャンバを規定し、かつ、触媒、アノードチャンバとカソードチャンバと第１のベントとの間に配置されたプロトン導電性であるが非導電性の膜、および第１のベントを備えるハウジング、排出液をアノードチャンバから受取るための第１の端部と、燃料および／または水、および排出液からなる燃料混合物をアノードチャンバに供給するための第２の端部とを有する第１のコンジット、ならびに第１のバルブを介してガスをアノードチャンバと伝達し、燃料バルブを介して第１のコンジットと連絡する燃料チャンバを備える。水チャンバは、さらに、カソードチャンバと連絡して、カソードチャンバ内のカソードで生成された水を受取り得る。
【００２６】
本発明のさらに別の局面において、直接酸化燃料電池システム用の燃料−水混合物中の燃料の濃度を制御する方法は、直接酸化燃料電池システムのアノードチャンバの燃料−水混合物中の燃料の第１の濃度レベルを決定する工程と、第１の濃度レベルを、特定の動作状態のために必要とされる第２の必要な濃度レベルと比較する工程とを包含する。燃料は、所与の動作状態下で第１の濃度レベルが第２の必要とされる濃度レベルよりも低い場合、燃料は燃料−水混合物に追加され、所与の動作状態下で第１の濃度レベルが第２の必要とされる濃度レベルよりも高い場合、燃料−水混合物に水が追加される。
【００２７】
関連する局面において、この方法を実行するシステムは、アノードチャンバおよびカソードチャンバを決定するハウジングを備え、このハウジングは、さらに、触媒、およびプロトン導電性であるが非導電性の膜を備え、アノードチャンバは、燃料−水混合物を含む。システムは、さらに、燃料−水混合物中の燃料の第１の濃度レベルを決定するための燃料濃度センサと、燃料を貯蔵するための燃料チャンバであって、液体燃料混合物と連絡する、燃料チャンバと、水を貯蔵するための水チャンバであって、燃料−水混合物と連絡する、水チャンバと、燃料−水混合物への燃料の第１の流れを制御し、燃料−水混合物への水の第２の流れを制御するためのコントローラとをさらに備え、コントローラは、ルックアップテーブルがメモリに格納されたメモリを備える。ルックアップテーブルは、動作状態データ、および関連した燃料濃度レベルを含む。
【００２８】
本発明の上述の局面をより良好に理解するために、以下において、添付の図面、および文書による説明に言及される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
（好適な実施形態の説明）
（第１の実施形態）
図２に示されるように、直接メタノール燃料電池システム２は、アノードチャンバ６およびカソードチャンバ８、プロトン導電性であるが非導電性の膜（プロトン導電膜）１０、ならびに触媒を規定するハウジング４と、混合チャンバ１２と、燃料タンク１４と、水タンク１６とを備える。触媒は、アノードチャンバおよびカソードチャンバのいずれかの場所に配置され得るが、好適には、プロトン導電膜の一方の面または両面に付与され得る。
【００３０】
ガス搬送コンジットは、アノードチャンバを（コンジット１７を介して）燃料タンクの各々に（コンジット１８を介して）、水タンクに（コンジット２０を介して）、および混合チャンバに（コンジット２２を介して）接続する。ガス搬送コンジットは、アノードで生成された排出ガス、すなわちＤＭＦＣシステム中のＣＯ２をアノードチャンバから燃料電池の１つ以上の他のエレメントに渡す。
【００３１】
各コンジットは、さらに、特定のコンジット内の流れを制御するバルブを備える。従って、ガスコンジット１７はバルブ１７Ａを備え、ガスコンジット１８はバルブ１８Ａを備え、ガスコンジット２０はバルブ２０Ａを備え、ガスコンジット２２はバルブ２２Ａを備える。本発明の各実施形態において、ガス分離器（図示せず）は、当該分野において周知の方法を用いて組み込まれ得る。液体搬送コンジットは、燃料および水を燃料タンク（コンジット２４を介して）、および水タンク（コンジット２６を介して）からそれぞれ混合チャンバに搬送する。さらなる液体コンジットは、燃料混合物を混合チャンバから（コンジット２８を介して）アノードチャンバに、および排出液（未反応メタノールおよび水）をアノードチャンバから混合チャンバに渡す。
【００３２】
液体搬送コンジットの各々は、さらに、流れを制御するバルブを備える。従って、コンジット２４はバルブ２４Ａを備え、コンジット２６はバルブ２６Ａを備え、コンジット２８はバルブ２８Ａを備え、コンジット３０はバルブ３０Ａを備える。
【００３３】
アノードチャンバ、混合チャンバおよび水タンクは、各々、外部環境へのベントを備え、このベントは、各々内の圧力が周囲環境と等化することを可能にするように開けられ得る。
【００３４】
第１の実施形態において、それぞれのチャンバに含まれる流体は、流体を提供するチャンバと流体を受取るチャンバとの間に発生する圧力差を介して、別のチャンバに駆動されるか、または攪拌され得る。特に、アノードチャンバ内のメタノール燃料混合物のアノード酸化の結果として生成されるＣＯ２ガスを用いて、圧力は、受取チャンバ内の圧力よりも供給チャンバ内で上昇させられ得る。２つのチャンバ間の流体搬送コンジットは、適切な時間に開けられ、一旦圧力が所定のレベルに達すると、液体を供給チャンバから受取チャンバに駆動するバルブを備える。
【００３５】
従って、本発明の第１の実施形態による、燃料電池システムのエレメントおよびチャンバの中でそれぞれのバルブを所定の順序で選択的に開閉することによって、エレメント間の選択された流体の流れが確立される。
【００３６】
例えば、流体は、（混合チャンバから）直接的に、または混合チャンバを通って燃料タンクおよび水タンクからアノードチャンバに移動され得る。さらに、アノードチャンバからの未反応メタノールおよび排出液が、バルブの調整された開閉を通じてアノードチャンバから混合チャンバに移動され得る。従って、種々の機能がこのシステムを用いて実行され得る。
【００３７】
以下の記載は、本発明による燃料電池システムを用いて実行され得る異なった機能の例である。各実施例は、特定の機能を実行するために機能、作動、およびバルブ位置の仕様を定める。
【００３８】
以下の機能の各々は、燃料電池の動作中に生じる。特に、電気負荷（図示せず）は、燃料電池のアノードチャンバとカソードチャンバとの間に電気的に配置され、これにより、カソードチャンバに輸送されるべきアノードチャンバで生成される電子の経路を確立する。従って、回路を閉じて、燃料電池に負荷を接続する前の燃料電池の初期状態において、アノードチャンバは、適切な量の燃料混合物の最初の供給を含み、排出物はまだ生成されていない。
【００３９】
当業者は、この実施形態の記載が、アノードチャンバに隣接するガス搬送コンジット１７に沿って配置される第１のバルブ１７Ａ（および関連したバルブ位置）を備えるが、これは必要ではないことを理解する。他のエレメントに隣接して配置されるガスバルブの動作は、この第１のバルブを余分なものにするが、概念上は、システム内のより効率的な圧力のキャプチャおよびベントを可能にする。
【００４０】
機能１：燃料混合物をアノードチャンバに加える
混合チャンバとアノードチャンバとの間の圧力差は、アノードチャンバ、混合チャンバ、およびこれらに接続するガス搬送コンジットを備える閉じたサブシステムを作製することによって確立される。アノードチャンバに生成されたＣＯ２が増加して、サブシステム内の対応する圧力の上昇を生成する。従って、サブシステムは、以下のバルブ位置を用いて確立される。
【００４１】
2004527091.tif 000003
アノードチャンバおよび混合チャンバは同じ圧力であり、初期圧力（通常、周囲、大気圧である）よりも高いので、２つのチャンバは、互いに隔離され、アノードチャンバ内の圧力は、２つのチャンバ間に必要とされる圧力差を生成するように低減される。
【００４２】
従って、バルブは、以下の態様で配置される。
【００４３】
2004527091.tif 000004
アノードベントは、その後、チャンバの圧力を周囲圧力と等化させるために開けられる。従って、混合チャンバは、より高い圧力に留まるので、２つのチャンバ間に圧力差が確立される。
【００４４】
従って、混合チャンバ内の流体をアノードチャンバに移動させるために、バルブは以下の態様で配置される。
【００４５】
2004527091.tif 000005
＊バルブは、開の状態であり得るが、好適には閉じられる
アノードベントは、その後、閉じられ得るか、または流体輸送の間、開いた状態であり得る。しかしながら、次の圧力駆動機能を起こすために、アノードベントが閉じられなければならず、これにより、流体輸送が行われるチャンバ間に必要とされる圧力差を生成するために、ＣＯ２ガスが有効に用いられ得る。
【００４６】
機能２：混合チャンバに水を加える
水チャンバと混合チャンバとの間の圧力差が、アノードチャンバ、水チャンバ、およびこれらと接続するガス搬送コンジットを備える閉じたサブシステムを作製することによって確立される。アノードチャンバ内に生成されたＣＯ２ガスが増加し、サブシステム内の圧力の対応する増加を生成する。従って、サブシステムは、以下のバルブ位置を用いて確立される。
【００４７】
2004527091.tif 000006
水チャンバと混合チャンバとの間の圧力差があることを保証するために、混合チャンバにおけるベントは、混合チャンバの圧力を周囲圧力と等化させるために開けられる。その後、バルブは、以下の態様で配置される。
【００４８】
2004527091.tif 000007
水チャンバは、周囲よりも高い圧力であるので、従って、混合チャンバ内の圧力よりも高く、これにより、２つのチャンバ間に圧力差を確立する。
【００４９】
従って、水を水チャンバから混合チャンバに移動させるために、混合チャンバベントは、閉じられ、バルブが以下の態様で配置される。
【００５０】
2004527091.tif 000008
＊バルブは、開の状態であり得るが、好適には閉じられる
アノードベントは、バルブ２０Ａが閉じられた後に開けられ得るか、または閉じられた状態であり得る。しかしながら、次の圧力駆動機能を引き起こすために、アノードベントが閉じられなければならず、これにより、流体輸送が行われるチャンバ間で必要とされる圧力差を生成するために、ＣＯ２ガスが有効に用いられ得る。
【００５１】
機能３：燃料を混合チャンバに加える
燃料チャンバと混合チャンバとの間の圧力差は、アノードチャンバ、燃料チャンバ、およびこれらと接続するガス搬送コンジットを備える閉じたサブシステムを作製することによって確立される。アノードチャンバで生成されたＣＯ２が増加し、サブシステム内の圧力の対応する増加を生成する。従って、サブシステムは、以下のバルブ位置を用いて確立される。
【００５２】
2004527091.tif 000009
水チャンバと混合チャンバとの間の圧力差があることを保証するために、混合チャンバにおけるベントは、混合チャンバの圧力を周囲圧力と等化させるために開けられる。その後、バルブは、以下の態様で配置される。
【００５３】
2004527091.tif 000010
燃料チャンバは、周囲よりも高い圧力であるので、従って、混合チャンバの圧力よりも高く、これにより、２つのチャンバ間に圧力差を確立する。
【００５４】
従って、燃料を燃料チャンバから混合チャンバに移動させるために、混合チャンバベントは、閉じられ、バルブは、以下の態様で配置される。
【００５５】
2004527091.tif 000011
＊バルブは、開の状態であり得るが、好適には閉じられる
アノードベントは、バルブ１８Ａが閉じられた後に開けられ得るか、または閉じられた状態であり得る。しかしながら、次の圧力駆動機能を起こすために、アノードベントは閉じられなければならず、これにより、流体輸送が行われるチャンバ間に必要とされる圧力差を生成するために、ＣＯ２ガスが有効に用いられ得る。
【００５６】
機能４：排出液をアノードチャンバから混合チャンバに移動させる
アノードチャンバと混合チャンバとの間の圧力差は、システムの残りの部分からアノードチャンバを隔離することによって確立される。アノードチャンバで生成されたＣＯ２は、増加し、対応する圧力の増加を生成する。従って、アノードベントは閉じられ、バルブは以下の態様で配置される。
【００５７】
2004527091.tif 000012
アノードチャンバと混合チャンバとの間に圧力差があることを保証するために、混合チャンバにおけるベントは、混合チャンバの圧力を周囲圧力と等化させるために開けられる。その後、バルブは、以下の態様で配置され、排出液をアノードチャンバから混合チャンバに送る。
【００５８】
2004527091.tif 000013
その後、アノードチャンバで生成されたＣＯ２は周囲環境にベントされ得るか、または燃料電池システム内で圧力差を生成するために用いられ得る。
【００５９】
機能５：混合チャンバ内の燃料混合物を攪拌する。
【００６０】
アノードチャンバと混合チャンバとの間の圧力差は、システムの残りの部分からアノードチャンバを隔離することによって確立される。アノードチャンバで生成されたＣＯ２は増加し、圧力の対応する増加を生成する。従って、アノードベントは閉じられ、バルブは以下の態様で配置される。
【００６１】
2004527091.tif 000014
アノードチャンバと混合チャンバとの間に圧力差があることを保証するために、混合チャンバにおけるベントは、混合チャンバの圧力を周囲圧力と等化させるために開けられる。その後、バルブは、以下の態様で配置され、燃料−水混合物を攪拌するために、混合チャンバを通って流れるＣＯ２をアノードチャンバから混合チャンバに送る。
【００６２】
2004527091.tif 000015
燃料−水混合物を適切に混合するために１つ以上の駆動が必要とされることが当業者に理解される。
【００６３】
カソードで生成された水は、ウィッキング剤を介して、および／または、「ＭＥＴＨＯＤＳ  ＡＮＤ  ＡＰＰＲＡＴＵＳＥＳ  ＦＯＲ  ＭＡＮＡＧＩＮＧ  ＥＦＦＬＵＥＮＴ  ＰＲＯＤＵＣＴＳ  ＩＮ  Ａ  ＤＩＲＥＣＴ  ＣＯＮＶＥＲＳＩＯＮ  ＦＵＥＬ  ＣＥＬＬ  ＳＹＳＴＥＭ」と称される関連する米国特許出願第０９／８１８，２９０号（２００１年３月２７日出願）（本発明の譲受人によって共有に係る）（この出願は、参考のため、全体が援用される）に記載されるシステムの使用を含む他のシステムによってカソードから水タンクに移動され得る。カソードで生成された水は、さらに、重力に基づくシステムを含むが、これに限定されない、当業者によって公知の他の手段によって水タンクへと除去され得る。
【００６４】
バルブのみを用いてＣＯ２の流れを制御する本発明の実施形態を実現することが好ましいが、必要な圧力差を生成する前にＣＯ２が種々の液体と混合し、泡立つことを回避するために可撓性の不浸透性膜２００（図７）もまた用いられ得る。
【００６５】
本発明のバルブは、電気的または機械的に駆動され得、かつ当業者に周知の種々の設計を用いて製作され得る。さらに、流体バルブは、好適には、起動されると放出される液体の量を制御するために用いられ得る計量バルブである。
【００６６】
バルブの開閉を調整するために、コンピュータプロセッサおよび関連する支援および周辺システムが用いられ、かつ上述の機能によりバルブをくどうするようにプログラムされる。
【００６７】
（第２の実施形態）
図３は、本発明による第２の実施形態を示す。ここで、直接メタノール燃料電池システムは、ベント４６を有するアノードチャンバ４４およびカソードチャンバ４８を規定するハウジング４２を備える。このシステムは、プロトン導電性であるが非導電性の膜５０（プロトン導電膜）、触媒、ポンプ５２、燃料タンク５４および水タンク５６を備える。前の実施形態におけるように、触媒は、アノードチャンバおよびカソードチャンバのいずれかの場所に配置され得るが、好適には、プロトン導電膜５０の一方の面または両面に付与される。
【００６８】
ポンプは、「ＰＡＳＳＩＶＥＬＹ  ＰＵＭＰＥＤ  ＬＩＱＵＩＤ  ＦＥＥＤ  ＦＵＥＬ  ＣＥＬＬ  ＳＹＳＴＥＭ」と称される米国特許出願第０９／７１７，７５４号（２０００年１２月８日出願）（本発明の譲受人によって共有に係る）（この出願は、参考のため、全体が援用される）に開示されるような受動的駆動ポンプを含むが、これに限定されないことを理解されたい。ガス搬送コンジット５８は、アノードチャンバを燃料タンクに接続する。液体搬送コンジットは、燃料および水をコンジット６０および６２を介して燃料タンクおよび水タンクから、それぞれ、ポンプへ、燃料混合物をコンジット６４を介してポンプからアノードチャンバへ、排出液をコンジット６６を介してアノードチャンバからポンプへ搬送する。排出液をカソードチャンバから水タンクに輸送するさらなる液体コンジット６８が含まれ得る。バルブ６０Ａは、流れを燃料タンクからポンプへと制御する。
【００６９】
第１の発明によるバルブによって実行される機能と同様に、この実施形態は、アノードチャンバで生成されたＣＯ２を利用して、燃料タンクとポンプとの間に圧力差を生成し、これにより、燃料混合物が過度に希薄（すなわち、水／燃料混合物中の燃料が十分でない）である場合、燃料がポンプに駆動され得る。
【００７０】
ポンプは、燃料混合物をアノードチャンバに強制的に入れるように、および排出液をアノードチャンバから引き出すために動作する。ポンプ上に位置するベントは、ポンプ内の圧力が周囲圧力と等化されることを可能にして、燃料タンクとポンプとの間に適切な圧力差が生成されることを保証する。
【００７１】
従って、アノードベント４６を閉じ、バルブ５８Ａおよび５８Ｂを開き、かつバルブ６０Ａを閉じることによって燃料タンクにおける圧力が増加される。タンクの圧力が燃料タンクの圧力よりも低い圧力、すなわち、周囲圧力であることを保証するために、ポンプベント５３は開けられる。
【００７２】
燃料タンクの圧力が燃料をポンプの中に駆動するために適切なレベルに達し、ポンプが燃料の追加を必要とする場合、バルブ５８Ａおよび５８Ｂは、閉じられ（しかし、一方または両方が開いた状態であり得る）、アノードベント４６が開けられ、ポンプベント５３は閉じられ、バルブ６０Ａが開けられる。その後、燃料は、ポンプとは異なった圧力によって駆動される。
【００７３】
（第３の実施形態）
本発明の第４の実施形態による燃料電池は、混合チャンバの代わりに再循環コンジット６９が含まれることを除いて、第１および第２の実施形態に記載されるＤＭＦＣと実質的に同様である。特に、アノードチャンバ７０からの排出液は、アノードチャンバの一方の端部からコンジットを通って、他方の端部に循環させられる。燃料タンク７２は、燃料をコンジット７４および７４Ａ燃料バルブを通って再循環コンジットに供給する。同様に、水タンクは、水をコンジット８０および水バルブ８０Ａを通って再循環コンジットに供給する。
【００７４】
従って、燃料および水は、必要とされると再循環コンジットに供給され、これにより、燃料混合物中の燃料濃度は、所定の量で留まるか、または必要に応じて適合され得る。従って、ガスコンジット８４は、排出ガスをアノードチャンバ７０からコンジット７１および関連したバルブ７１Ａならびにコンジット７７および関連したバルブ７７Ａそれぞれを介して燃料タンク７２および水タンク７８の各々に送達する。カソードチャンバ７５からの排出物は、液体コンジット７９およびバルブ７９Ａを介して水タンク７８に送達され得る。
【００７５】
燃料を再循環コンジットに移動させるために、アノードベント７３が閉じられ、バルブ８４Ａおよび７１Ａが開けられ、かつバルブ７７Ａ、７４Ａ、８０Ａおよび７９Ａが閉じられる。アノードチャンバで生成されるＣＯ２の体積が増えると、アノードチャンバ／燃料タンクの圧力が上昇する。この圧力が所定のレベルに達し、燃料混合物がより多くの燃料を必要する場合、バルブ８４Ａおよび／または７１Ａは閉じられ、アノードベントは中の圧力を周囲圧力と等化させるために開けられ、これにより、燃料タンクと再循環コンジット／アノードチャンバとの間に圧力差を確立する。その後、アノードベントは閉じられ、バルブ７４Ａは開けられる。圧力差は、燃料を燃料タンクから駆動し、再循環コンジットの中に駆動する。
【００７６】
水を燃料混合物に送達するために同じプロセスが用いられる。アノードベント７３は閉じられ、バルブ８４Ａおよび７７Ａが開けられ、バルブ７１Ａ、７４Ａ、８０Ａおよび７９Ａが閉じられる。アノードチャンバ／水チャンバ内の圧力が所定の量に達し、かつ燃料混合物がより多くの水を必要とした後、バルブ８４Ａおよび／または７７Ａは閉じられ、アノードベントは開けられる。アノードベントを開くことによって、当然、チャンバの圧力が周囲と等化され、水タンクとアノードチャンバとの間に必要な圧力差を生成する。アノードベントは、その後、閉じられ、バルブ８０Ａが開けられ、水を燃料混合物に駆動する。
【００７７】
（第４の実施形態）
図５は、この場合、システムが水タンクならびに関連したコンジットおよびバルブを含まないことを除いて、図４のものと同様の設計を示す。燃料を再循環コンジットに駆動するために、図４と関連して記載された手順が後に続く。さらなる水が、必要に応じて、カソードチャンバから供給され得、適切な燃料−水混合を維持する。
【００７８】
（第５の実施形態）
図６は、図４および図５のものとはさらに別の代替的設計を示す。特に、この実施形態において、燃料は、希釈されることなくアノードチャンバに直接供給され、第３および第４の実施形態と関連して記載されたものと同じ手続きで駆動される。
【００７９】
（第６の実施形態）
図８は、ＤＭＦＣの燃料混合物中の適切なレベルの燃料を決定するための方法およびシステムに関する本発明による第６の実施形態を示す。このシステムは、図２に示されるシステムを参照して記載される。
【００８０】
システム内に配置された燃料濃度センサ２１（図９）は、燃料混合物中の燃料の第１の濃度レベルを決定するために用いられる。燃料タンクおよび水タンクは、前の実施形態による方法を用いて、燃料および水をそれぞれ燃料混合物に供給する。燃料セルシステム、特に、ガスおよび液体バルブ、ならびにベントは、図９に示されるコントローラ１００を介して作動および制御される。図９は、燃料電池システムのバルブおよびベントの各１つと連絡するコントローラを示す。コントローラは、特定の動作パラメータの燃料混合物中の燃料レベルと関連したデータを有するルックアプテーブルを含むメモリ１０２をさらに備える。クロック／タイマー１０６は、取得する燃料濃度レベル間の時間を測定するために用いられる。あるいは、燃料濃度レベルを再測定するときを決定するために、燃料電池システムの電気的出力を測定する電気メータまたは他のデバイスが用いられ得る。図８に示されるように、システムは、燃料混合物中の燃料レベル、および測定デバイス１０４を用いるシステムに必要とされる電気をモニタリングする。従って、システムは、現在の燃料濃度を取得し（工程Ｓ１）、かつ、これをルックアップテーブルを用いて特定の状態のために必要とされる燃料レベルと比較する（工程Ｓ２）。燃料混合物が過度に希薄であり、燃料タンクからより多くの燃料を必要とする場合、システムは適切なベントおよびバルブを開いて／閉じて、燃料を燃料混合物に駆動する（工程Ｓ７、Ｓ８）。燃料混合物が過度に濃く、水タンクからより多くの水を必要とする場合、システムは、適切に応答する（工程Ｓ４、Ｓ５）。
【００８１】
燃料または水が追加される度に、経過する期間が事前プログラムされ、これにより、コンポーネントは、既存の混合物と十分に混合し得る。そうでない場合、燃料レベルセンサは、誤った読み出しを取得し、かつ燃料または水を不適切な時間にシステムに供給し得る。これは、最終的に、ＤＭＦＣの非効率的な動作につながり、燃料電池システムの故障につながる可能性がある。
【００８２】
当業者は、図９のコントローラ、および図８に略述された方法が、本発明の上述の実施形態のいずれかで用いられ得ることを理解する。簡略化するために、コントローラは、図２に示されるようなバルブおよびベントと連絡することがしめされた。
【００８３】
従って、上述の実施形態に鑑みて本発明が示されたが、種々の変更、改変および改善が、当業者によって容易に行われる。このような変更、改変および改善は、本発明の範囲および主旨内であることが意図される。従って、これまでの記載は、例示にすぎず、限定することは意図されない。発明の限定は、上記の請求項およびその均等物によってのみ定義される。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】図１は、燃料電池システムのアノードに燃料混合物を供給するためにポンプを用いる従来技術の燃料電池システムの模式図を示す。
【図２】図２は、本発明の実施形態による、システム全体にわたって液体を駆動するために流出ガスが用いられる燃料電池システムの模式図を示す。
【図３】図３は、本発明の実施形態による、燃料電池おいて液体を部分的に駆動するために、アノードチャンバで生成された流出ガスが用いられる燃料電池システムの模式図を示す。
【図４】図４は、本発明の別の実施形態による、燃料電池システムの模式図を示す。
【図５】図５は、本発明による別の実施形態による、燃料電池の模式図を示す。
【図６】図６は、本発明の別の実施形態による、燃料電池の模式図を示す。
【図７】図７は、本発明の別の実施形態による、燃料電池の模式図を示す。
【図８】図８は、本発明の別の実施形態による、燃料電池の模式図の実施形態と共に用いられる可撓性の不浸透性ダイヤフラムを示す。
【図９】図９は、本発明による、燃料電池システムのバルブの開閉を制御するためのコントローラの模式図を示す。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際調査報告】
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