(57)【要約】燃料電池システムは、外部から供給される酸素を水素と電気化学的に組み合わせて、直流電気エネルギーと反応生成物としての水とを生成するための、燃料電池の外装の中に配置された燃料電池を有する。燃料容器の中に入れられた化学水素化物などの水素含有燃料は、副産物の水を受け入れて、これと反応して水素を生成し、水素は燃料電池に供給されて、外部から供給される水素を加えることを必要とせず燃料電池の動作を持続する。水素の供給部を燃料電池と統合した結果、重量と容積が減少し、さらに電力発生と内部的な水の管理を支えるために水素の生成が内部的かつ化学的に制御され、これによって液体の水の放出が実質的に減少する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電気エネルギーを生成する方法であって、
燃料電池を動作させて、外部から供給される酸素ガスを水素ガスと電気化学的に組み合わせて、直流電気エネルギーと反応生成物としての水とを生成するステップと、
水を水素含有燃料に通過させ、水素含有燃料は水と反応して水素ガスを生成するステップと、
水素ガスを燃料電池に向けて燃料電池の動作を持続させるステップと
を含む方法。
【請求項２】
燃料電池が薄膜燃料電池である請求項１に記載の方法。
【請求項３】
燃料電池の動作によって生成される水が主として水蒸気の形であり、水素含有燃料は水蒸気と反応して水素ガスを生成する請求項１に記載の方法。
【請求項４】
燃料電池が薄膜燃料電池である請求項３に記載の方法。
【請求項５】
水素含有燃料が化学水素化物である請求項４に記載の方法。
【請求項６】
化学水素化物がＮａＢＨ4、ＣａＨ2、ＬｉＢＨ4、及びＬｉＡｌＨ4から成る群から選択される請求項５に記載の方法。
【請求項７】
水素含有燃料が化学水素化物である請求項１に記載の方法。
【請求項８】
化学水素化物がＮａＢＨ4、ＣａＨ2、ＬｉＢＨ4、及びＬｉＡｌＨ4から成る群から選択される請求項７に記載の方法。
【請求項９】
燃料電池の動作によって生成される水が水素含有燃料の実質的にすべてと反応するために十分であるように、燃料電池に関連させて水素含有燃料を選択する請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
燃料電池の動作によって生成される水が水素含有燃料と反応して、外部から供給される水素ガスの追加を必要とすることなく、燃料電池の動作を持続するための十分な水素ガスを生成する請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
水素含有燃料が、水素含有燃料と水の反応速度を上昇及び／または低下させるために１つまたは複数の添加物を含む請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
直流電気エネルギーを生成するための燃料電池システムであって、酸素の入口と水素の入口と水の出口とを有する外装と、酸素の入口を通って導かれた酸素ガスを水素の入口を通って導かれた水素ガスと電気化学的に組み合わせて、直流電気エネルギーと反応生成物として水とを生成するための、外装の中に配置された燃料電池と、水の出口を通って排出される水と反応して水素ガスを生成するように水の出口と連絡している水素含有燃料と、水素含有燃料によって生成された水素ガスを燃料電池に導いて燃料電池の動作を持続させるために、燃料電池と水素の入口とを相互接続する導管とを含む燃料電池システム。
【請求項１３】
水素含有燃料を中に入れた燃料容器をさらに含み、前記燃料容器は、水の出口と連絡した入口と、導管と連絡した出口とを有する請求項１２に記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
燃料容器が燃料電池の外装から取外し可能であり、水素含有燃料を入れた他の燃料容器と取替え可能である請求項１３に記載の燃料電池システム。
【請求項１５】
燃料電池が外装に取外し可能に連結されている請求項１４に記載の燃料電池システム。
【請求項１６】
外装の水の出口を燃料容器の入口と相互接続する他の導管をさらに含む請求項１３に記載の燃料電池システム。
【請求項１７】
前記他の導管に沿って配置された通気バルブをさらに含む請求項１６に記載の燃料電池システム。
【請求項１８】
酸素の入口を通す酸素ガスの導入を制御するための入口バルブをさらに含む請求項１７に記載の燃料電池システム。
【請求項１９】
酸素の入口を通す酸素ガスの導入を制御するための入口バルブをさらに含む請求項１２に記載の燃料電池システム。
【請求項２０】
水素含有燃料が化学水素化物である請求項１２に記載の燃料電池システム。
【請求項２１】
化学水素化物がＮａＢＨ4、ＣａＨ2、ＬｉＢＨ4、及びＬｉＡｌＨ4から成る群から選択される請求項２０に記載の燃料電池システム。
【請求項２２】
燃料電池が混合気体燃料電池を含む請求項１２に記載の燃料電池システム。
【請求項２３】
燃料電池が薄膜燃料電池を含む請求項１２に記載の燃料電池システム。
【請求項２４】
水素含有燃料が、水素含有燃料と水の反応速度を上昇及び／または低下させるために１つまたは複数の添加物を含む請求項１２に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して燃料電池に関し、具体的には気体水素含有燃料を消費して電気エネルギーと水を生成する燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、燃料電池は、空気中の酸素を使用して水素ガスと電気化学的に結合させ、周知の電気化学的原理によって電気エネルギーを生成する、正規の発電過程において水を発生させる。エネルギー変換のための有利な燃料電池は、本発明者の米国特許第４８６３８１３号、Ｒｅ３４２４８、米国特許第４９８８５８２号、米国特許第５０９４９２８号に記載されている。本明細書に記載の形式の燃料電池では、水素と酸素の気体混合物などの水素含有物質が、直流電気エネルギーに直接変換されて、反応生成物は水だけである。
【０００３】
このようなある特定の例示的な燃料電池では、擬ベーマイトで作られたサブミクロン厚のガス浸透性イオン伝導電解膜が、白金メッキされた不浸透性基板を含む電極の上に付着させられている。例えば白金層を、燃料電池の他の電極を形成させるために膜の上面に付着さ背ている。この電極は、気体混合物が膜を通過できるようにするために十分に多孔質である。水素／空気混合物では、このような燃料電池は、約１ボルトという大きな出力電圧で有用な電流を提供する。基本的な燃料電池によって提供される電圧と電流は実用的な関心を寄せられる多くの適用に適切である。本発明者は、特にラップトップ・コンピュータと携帯電話などの携帯式電子装置に適用するためや、別の用途の燃料電池のためのコンパクトな水素源を考案することが望ましいと認識した。軽量の燃料電池と小容積の水素源との適切な組合せは、バッテリと比較して携帯用電子利用例用の改善された電源を提供することができよう。
【０００４】
水素含有量の多いいくつかの化学水素化物材料は水と反応して水素を発生させる。燃料電池において使用するために化学水素化物及びこれと反応するのに必要な水との組み合わせた重量と容積を、燃料の「比エネルギー」含有量と呼び、これは通常、ワット時（エネルギー含有量）を化学水素化物にそれに必要な反応水を足したものの重量または容積で割ったものとして測定される。よって、ワット時／キログラムまたはワット時／リットルが、燃料電池用燃料の比エネルギーの例である。ある携帯用の適用例では、電池燃料電池システムと呼ばれることがある、燃料を備えた燃料が、燃料電池システムの携行重量と容積を減らすことができる特定の高い比エネルギーの燃料を使用するので有利である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明者は、燃料電池がその発電動作の正規の過程において副産物として水を生成するので、化学水素化物燃料との反応物としてこの副産物の水を使用することができる燃料電池は、追加の水を運ぶ必要性を省くことによって燃料電池の比エネルギーを向上させる点で有利であると認識する。したがって、ただ１つの反応物、化学水素化物を燃料電池システムに用意することだけが必要となる。本発明者は、燃料供給量と混合された空気に耐性ある燃料電池が、水素を発生するこのような方法にとって特に利益があると認識する。本発明者はまた、このような燃料電池システムにおける水素発生度の化学的制御手段を用いることが有利になると認識する。本発明者はさらに、携帯用燃料電池システムは、動作している燃料電池の近傍における濡れや湛水を避けるために電気エネルギーの正規の生成中に生じる水を収集するための手段を用いることから利益が得られると認識する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、化学水素化物などの化学燃料と、燃料電池からの副産物の水との反応から派生する水素燃料を備えた燃料電池の動作を実施する。この燃料供給手段と適切な燃料電池との統合は、燃料電池システムと呼ばれる装置を構成し、この装置は、これが酸素または空気の外部供給源を必要とするだけで、個別または追加の水供給源を必要とする燃料電池システムよりも高い比エネルギー密度を有することを特徴とする。燃料電池自体が有する水出力部を内部的に利用することによって、本発明は、燃料電池が本発明の原理に一致した燃料供給部に結合されている燃料電池システムの性能、制御、安全性を改善する。装置の改善された性能は、重量と容積によって測定されるように、より高い比エネルギー含有量を特徴とする。この改善は、化学水素化物と反応して水素を生成するための追加の水を含む必要性を除去することによって達成される。
【０００７】
本発明の追加の利点は、これが化学水素化物への水供給を制御することによって水素の発生度を制御できることである。水素を含む化学燃料との反応のために利用可能な水供給は、需要電気エネルギーによって制御される。本発明では、動作過程中に水蒸気を生成する燃料電池が、適切な化学水素化物に結合され、燃料電池によって供給される以外に個別の水源は不必要である。この化学水素化物は、水蒸気と反応して燃料電池と同じ周囲条件の下で水素ガスを生成する水素含有燃料として定義される。本発明では、燃料電池排出物からの水蒸気は適切な化学水素化物材料を入れた容器に向かって導かれ、ここで反応して水素を形成し、次いで水素は燃料電池のアノードに配送されて、電気エネルギーの生成を持続する。
【０００８】
しかし典型的な燃料電池は、空気と混合されるカソード即ち正の電極において水を生成し、こうして、この典型的な燃料電池排出物の化学水素化物との反応後の生成物は、水素と空気の両方を含むことになる。これらの典型的な燃料電池の設計では、燃料は空気によってほとんど汚染されていないことが必要である。したがって、燃料電池がそのアノード即ち負電極において空気がほとんど混合していない水素を必要とする場合には、空気から水蒸気を、または空気から水素を分離するための追加の手段が有利となるはずで、こうして、ほとんど空気が混合していない水素のみが燃料電池のアノードに供給される。
【０００９】
水蒸気を生成するのみならず、電気エネルギーを発生するために空気と水素の混合物を必要とする燃料電池が、このような燃料電池を動作させるために空気から水を、または空気から水素を分離する必要がないので、特に本発明から利益を得ることは有利である。このような燃料電池の例は、本発明者の米国特許第４８６３８１３号、Ｒｅ３４２４８、米国特許第４９８８５８２号、米国特許第５０９４９２８号に記載されている。本発明と組み合わせたこの燃料電池は、好ましい実施形態を構成するはずである。本発明から有利に利益を得る別の燃料電池は、空気が混合しない水を生成する燃料電池で、例えば電池のアノード即ち負電極側において水を生成し、ここでほとんど水素が伴うという燃料電池であり、例えば固体酸化物燃料電池である。
【００１０】
燃料電池は生成される電気エネルギーの量に正比例して副産物の水を生成するので、本発明における水の供給は電気エネルギー需要によって調整される。本発明において、燃料電池の動作を持続するために燃料電池が生成するものと同じ量の反応物の水を必要とするために、化学水素化物などの化学燃料が選ばれることが好ましい。このことは水素の過度の無駄な生成を防止し、これによって制御として作用し、残りの化学水素化物の保存と安全の両方に有利である。化学水素化物はまた、燃料電池による水の供給が化学水素化物のすべてに反応するために十分であるように選択されることが好ましい。生成される所与の量の電気エネルギーについて、燃料電池で使用するために必要な水素の生成度は、好ましい化学水素化物を使用するときに燃料電池が生成する水の量と正確に釣り合う。電気エネルギー需要が増すほど、より多くの水の生成を伴ってより多くの電流が生成され、この水の生成は化学水素化物との反応でより多くの水素の生成につながり、より高い電気エネルギー需要を支える。電気エネルギーの需要がゼロに減少すると、生成される水の量はこれに対応してゼロに減少し、この結果、水素の量もゼロに減少し、このことは水素の貯蔵と運搬の安全な方法を提供する。こうして、本発明は、生成される水素の量の効率的で安全な制御手段を提供することができる。
【００１１】
本発明の別の利点は、燃料電池からの生成物である水を有効に吸収し、これによって、動作中の燃料電池からの出口近傍における濡れと湛水を防止することができきる固体水素含有燃料であろう。いくつかの無機化学水素化物は、水蒸気と反応して水素を提供し、本発明では「水の管理」の有利な方法である固体生成物も生成する。本発明は燃料の残存エネルギー含有量を測定する手段を提供するので、さらなる付随の利益が本発明を特徴付ける。本発明を使用する燃料電池については、水素の生成には、化学水素化物容器内の重量及び容積の利益が伴う。このような物理的変化は、簡単な重量測定または容積測定用の手段によって監視することもでき、化学素化物によって受ける反応の程度の、したがってシステムの残存エネルギー含有量の尺度を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の上記のならびにその他の目的、特徴、及び利点は、添付の図面と共に本発明の下記の詳細な説明を読むことによって、当業者には容易に明らかになろう。
【００１３】
燃料供給源と統合された燃料電池
本発明による燃料電池システムの例示的な一例を図１に示す。燃料電池システムは、燃料容器２の中に収容された例えばＮａＢＨ4化学水素化物などの水素含有燃料１を含む。燃料容器２は、主として水蒸気の形で水を容器２の中に入れるための入口３を有し、これは水素含有燃料１と反応して水素ガスを生成させるためであり、水素ガスは出口４を通って容器１を出る。
【００１４】
燃料電池外装５の中に燃料電池６を配置してある。燃料電池６は例えば本発明者の米国特許第４８６３８１３号、Ｒｅ４３２４８、米国特許第４９８８５８２号、米国特許第５０９４９２８号に記載されている形式のものであってよく、これらの特許の開示はすべて本発明の開示の一部を構成し、これにより本明細書に参照によって組み込まれている。このような燃料電池６の一例が図１に概略的に示され、これは、不浸透性基板１８と、不浸透性または浸透性の触媒電極１７と、浸透性イオン伝導電気絶縁電解膜１６（本発明者の以前の特許では固体電解体と称した）と、浸透性触媒電極１５とを有する混合気体燃料電池を含む。触媒電極１５、１７と膜１６は前記の開示に従って一般的に薄く、これらの開示に関連して使用された薄膜燃料電池という用語はこのことに由来する。対照的に、基板１８は薄膜燃料電池と比較すると一般に比較的厚い。これが薄膜燃料電池のための機械的支持物として作用するからである。基板１８が電子的に伝導性であってもよいことは有用である。燃料電池６は、燃料電池によって生成される電気エネルギーを抽出するための一対のリード線６ａ、６ｂを備えている。リード線６ａ、６ｂは、当技術分野では周知の方法で燃料電池の電極に接続されている。燃料電池の外装５は、酸素を外装の中に導くための酸素の入口７と、水素を外装の中に導くための水素の入口８と、外装から水を排出するための水の出口９とを備えている。酸素ガスの流入を制御するために、入口バルブ１０が酸素の入口７に設けることが望ましい。
【００１５】
図１に示す実施形態では、燃料容器２の出口４は、導管１１によって外装５の水素の入口８に直接連結されている。この方式で、燃料容器２の内部は燃料電池外装５の内部と連絡しており、燃料１によって生成された水素ガスは出口４を通り、導管１１と水素の入口８とを通って燃料電池の外装５の中に向かう。この実施形態では、別の導管１２が、燃料電池の外装５の水の出口９と燃料容器２の入口３とを連絡している。これにより、燃料電池６の動作中に生成された水は、水素含有燃料１との反応のために燃料容器２の中に入ることができる。必要であれば、通気バルブ１４を導管１２に沿って備えてもよい。
【００１６】
動作状態では、酸素または空気が（開位置にある）入口バルブ１０と酸素入口７とを通って燃料電池の外装５の中に入り、水素入口８を通って入ってきた水素と混合し、燃料電池６のために必要な気体混合物を形成し、電気エネルギーを発生させる。電気エネルギーは燃料電池電極に取り付けられたリード線６ａ、６ｂに沿って流れる。対応する量の水蒸気が燃料電池６によって発生し、燃料電池の外装５から水の出口９を通って排出され、導管１２を通過して、入口３を経て水素含有燃料１に至る。水蒸気は燃料容器２の中で水素含有燃料１と反応し、この結果、より多くの水素が燃料電池６に移り、電気エネルギーの発生を持続させる。
【００１７】
入口７、８と出口９の主な目的は一次燃料電池反応物の酸素と水素さらには生成物の水をそれぞれ通過させることであるが、実用面では、その他の気体が一次反応物と生成物に付随することもある。例えば水に加えて、反応しない酸素と水素を含む、燃料電池６によって反応しなかった気体が出口９を通過して、次いで燃料１、容器２、出口４、導管１１、入口８を通じて反応されずに外装５に移ることもある。酸素源として空気が使用される場合には、窒素もまた反応せずに、図１に示されさらに図２に図解される燃料電池システムの各要素を通過する。続いて、このような空気は正規の燃料電池動作の結果として消耗される酸素となる。
【００１８】
指示された流れパターンを維持するために、酸素または空気を、入口バルブ１０が開いている酸素入口７を通して燃料電池外装５の中に強制的に入れることもできる。これを、燃料電池６によって生成される電気エネルギーの一部を使用することによって達成することもできる。燃料容器２からの酸素減損空気を除去して、酸素入口７を通じて酸素に富む空気によって置き代えることができるように、通気バルブ１４を組み込む必要性もあり得る。
【００１９】
図１における配置構成の変形は、燃料電池の外装５が燃料容器２に直接連結されるように、バルブ１０、１４を取り除き、かつ出口４、入口８、導管１１、１２を取り除くようにしても良い。燃料電池の外装５の中に備えられた（出口９などの）１つまたは複数の開口部が、燃料容器２の中に備えられた（入口３などの）同様な開口部と整列し、こうして酸素入口７を通って拡散する空気が、燃料容器２から拡散する水素と混合して、燃料電池６による発電のために必要な混合気体環境を提供し、燃料電池外装５から拡散する水蒸気が水素含有燃料１との反応のために燃料容器２に入る。この変形配置構成は、より簡単な設計を可能にし、より低い電力レベルを発生し、セルフォンなどの低電力の携帯式装置に適切であろう。セルフォン伝送中に必要なより高い電力は、低電力燃料電池システムによって絶えず充電が持続される小さなバッテリによって電力供給されてもよい。
【００２０】
本発明の別の態様によれば、燃料容器２を燃料電池システムに取外し可能に連結させ、燃料容器２を外して、新しい燃料容器に取り代えることができるようにすることである。この目的のために、ねじ山による連結またはボルト付きフランジ連結などの任意の適切な取外し可能連結を使用して、燃料容器２の入口３と出口４を導管１１、１２に取外し可能に連結してもよい。出口４と、入口８と、導管１１、１２がない実施形態では、燃料容器２は燃料電池の外装５に取外し可能に直接連結されるので、燃料電池の外装５の出口９は燃料容器２の入口３と直接連絡することになる。所望する場合には、複数の整列された出口９と入口３を外装５と容器２にそれぞれ備えることができる。代替案として導管１２を残してもよい。この場合、燃料容器２の入口３のみが取外し可能に導管１２に直接連結する必要がある。この方式で、消費された燃料容器２を取り外して新しい燃料容器と代えることができる。
【００２１】
図１の燃料電池システムに伴う反応順序を図２において気体流れ図として示す。即ち、
燃料電池６において、４Ｈ2＋２Ｏ2（空気）⇒４Ｈ2Ｏ（＋電気エネルギー）
燃料容器２の中で、ＮａＢＨ4＋４Ｈ2Ｏ⇒４Ｈ2＋ＮａＯＨ.Ｂ（ＯＨ）3
総合的反応、ＮａＢＨ4＋２Ｏ2（空気）⇒ＮａＯＨ.Ｂ（ＯＨ）3
【００２２】
総合的反応は、図１に示す燃料電池システムが、空気の中で容易に入手可能なただ１つの外部反応物（酸素）から電気エネルギーを生成すること、及び電気エネルギー生成のために内部的に必要である以外に過剰な水素が生成されないことを示す。反応は、燃料電池によって生成される水の量が化学水素化物材料のすべてと反応するために十分であることも示す。水と水素の生成の内部サイクルが、システムを本質的に安全にする電気エネルギーの外部需要によって直接制御され、調整される。このサイクルを下記のように特徴付けることができる。即ち、所与の電気エネルギー生成量のために、燃料電池の中で使用するために必要な水素の生成度は、適切な化学水素化物を使用するときに燃料電池が生成する水の量と正確に釣り合う。電気エネルギーの需要が増加すると、より多くの電流が生成されて、より多くの水の生成がこれに伴い、より高い電気エネルギー需要を支えるためにより多くの水素の生成となる。電気エネルギーの需要がゼロに減少すると、これに応じて水の生成がゼロに減少し、この結果、水素の量もゼロに減少し、これは入口バルブ１０を閉じて水素を貯蔵及び運搬するためにシステムを安全にする。
【００２３】
米国特許第４８６３８１３号、Ｒｅ４３２４８、米国特許第４９８８５８２号、米国特許第５０９４９２８号に記載されているような、空気と２〜４％の水素の混合物に露出して電力を生成することができる燃料電池は、特に本発明から利益を得ることになろう。なぜなら、水蒸気に関する空気の搬送容量が同じ範囲にある、即ち２０〜３０℃の温度範囲において２〜４％の範囲にあるからである。この特定の利益が生じる理由は、上記の例示的反応では、所定数の水の分子と化学水素化物との反応が同じ数の水素分子を生成し、したがって生成された水素の量を、空気中において安全な水素レベルと一般に考えられる２〜４％の範囲に自然に制御することであり、これは携帯電話やラップトップ・コンピュータなどが構想される携帯式電子装置において特に有益である。その上に、水蒸気としての水の供給は、化学水素化物燃料を最も効率的に利用するための有利な手段である。
【００２４】
図１に示すように、入口バルブ１０は、使用していないときには、空気または酸素の燃料電池システムへの非制御アクセスを防止する。典型的には、入口バルブ１０が、燃料電池６がもはや電力を給送していないときには機械的または電気的に作動される遮断バルブを含む。燃料電池６が電力生成のために動作していないときには通気バルブ１４も閉じられる。
【００２５】
本発明は、化学水素化物と反応するために外部の水を供給することを不要にする入口と出口のシステムによって、燃料電池を化学燃料に結合する。これによって本発明の燃料電池システムは、水素化ホウ素ナトリウムについては約３分の２の重量と容積の節減になる必要とされない水の量だけ、重量が軽くなり、容積が小さくなる。これは明らかに携帯式の適用には有利である。水素化ホウ素ナトリウム（反応物の水の容積または重量は含まない）の水素含有量に基づく比エネルギー密度は、リットル当り約６，３００ワット時であり、キログラム当り５，９００ワット時である。その他の化学水素化物には、本発明によって使用される場合にさらに高いエネルギー密度を提供するものもあろう。
【００２６】
燃料
いくつかの適切な無機化学水素化物は、本発明の利益を受けるように釣り合った様式で水と反応して、水素を供給する。このような反応の例を以下に挙げる。
ＮａＢＨ4＋４Ｈ2Ｏ⇒４Ｈ2＋ＮａＯＨ.Ｂ（ＯＨ）3
ＮａＢＨ4＋４Ｈ2Ｏ⇒４Ｈ2＋ＮａＢＯ2.２Ｈ2Ｏ
ＣａＨ2＋２Ｈ2Ｏ⇒２Ｈ2＋Ｃａ（ＯＨ）2
ＬｉＢＨ4＋４Ｈ2Ｏ⇒４Ｈ2＋ＬｉＯＨ.Ｂ（ＯＨ）3
ＬｉＡｌＢＨ4＋４Ｈ2Ｏ⇒４Ｈ2＋ＬｉＯＨ.Ａｌ（ＯＨ）3
【００２７】
これらは、本発明の有益な使用のための適切な燃料の例である。これらの選択は、これらの比エネルギー密度、水蒸気との反応速度、水蒸気との反応の完全性、温度などを含む要素にも依存する。実質的により高い比エネルギー密度が、リットル当り及びキログラム当り約１０，０００ワット時のエネルギー密度を有するＬｉＢＨ4などのＬｉベースの水素化物を使用することで可能となる。本発明において使用されると、この比エネルギーは通常燃料電池用に普及している燃料よりもはるかに高い。その燃料とは、水と反応して水素ガスを生成する本発明において使用される化学水素化物燃料とは逆に水素ガスを吸着及び脱着するメタノールや比較的重い金属水素化物などである。
【００２８】
本発明の有利な実施形態は、燃料電池が供給する水蒸気によってできるだけ多くの化学水素化物燃料を利用するための手段を含むことになる。燃料電池から化学水素化物に供給される水は、気化状態にある場合には、固体化学水素化物の塊体の中に貫通する助けとなり、水が液体状態である場合よりも利用可能な固体化学水素化物のさらに均一な程度の反応（高い利用度）を達成する。特に、蒸気としての水は固体化学水素化物粒体の蒸気通路封鎖の開始を減らすことができる。そうでなければ、固体化学水素化物粒体は、化学水素化物の内部粒子へのさらなる水のアクセスを排除することによって、システムのエネルギー密度を減らすことになるであろう。
【００２９】
水蒸気が入り貫通するのを促進する不活性物質と化学水素化物の粒子との混合は有利である。化学水素化物の粒度と粒度分布の賢明な選択も、高い利用率を得るには有利となる。水蒸気に対する化学水素化物燃料の孔隙率の増加は、化学水素化物をシートまたはウェハの形にして、各シートまたはウェハの間に空気の空間を備えることによって、達成することができる。それによって、水蒸気を容易に入れるようにすることができ、より高い化学水素化物の反応と均一性を促進させることができる。固体化学水素化物の反応速度を、ルテニウムまたは酸含有化合物の追加を含む反応用の触媒などの添加物を化学水素化物に含めることによって上げることもできる。
【００３０】
溶融可能ポリマーを化学水素化物に添加することは、そのポリマーとして温度が許容できないレベルにまで上がった場合に、融解して残りの化学水素化物燃料全体に分散するポリマーを選択することによって、安全性のためには有益となる。すなわち、その融解したポリマーが、入って来る水蒸気とのさらなる反応に対する障壁となるので、水蒸気の化学水素化物燃料との反応速度を低下させる。
【００３１】
主なる水素源が水素含有燃料の水との反応によることが予想されるが、この燃料が順次このように反応することによって水素の生成速度は低下し、燃料電池は、電力出力を低下させずに維持するためには補足の水素供給を必要とすることがある。
【００３２】
水の管理と処分
水素と酸素から電気エネルギーを生成する燃料電池はすべて水を発生し、この水は周囲温度では凝集してその電極に蓄積し、電極の触媒表面への反応気体の流れを妨害することによって電極の性能を低下させる。これは通常は空気流を増加して水を追い払うことによって防止される。本発明は、空気流を増すことを必要とせずに水蒸気を減少させ、燃料電池の直ぐ近傍で「乾燥」として作用することによって水の凝集物の形成を内部的に減少させる。これは、湿気が生じやすい人々や装置の近くにおける燃料電池の適用において特に有利である。
【００３３】
本発明は、消費された化学水素化物と化学的に反応した水の両方を機械的手段によって除去することを予期している。図１の燃料容器２の除去と未反応化学水素化物を入れた容器による取替えを、簡単かつ効率的に設計することができる。固体ホウ砂である消費した水素化ホウ素ナトリウムの処分は、本発明のために問題になるとは予期されない。
【００３４】
本発明の好ましい実施形態を、混合気体燃料電池を参照して説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、水素を消費して反応生成物として水を生成する任意の型の燃料電池を一般に使用して、本発明を実施することができる。例えば本発明を、燃料電池が水素を消費して反応生成物として水を生成することを条件として、カソード電力とアノード電極において異なる反応物濃度または異なる反応物濃度を必要とする燃料電池を使用して、実施することができる。
【００３５】
本発明をこの現在好ましい実施形態を参照して説明したが、その他の実施形態ならびにすべての実施形態に対する明白な変形及び変更も、当業者には容易に明白になろう。本発明は、添付の特許請求の範囲の精神と範囲の中にあるすべてのこのような実施形態、変形形態、及び変更形態に及ぶことを意図するものである。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の原理による燃料電池システムの単純化された概略図である。
【図２】図１に示す燃料電池システムの動作中の酸素源として空気を使用して生じる反応を示す説明図である。
【図１】
2006503414.tif 000003
【図２】
2006503414.tif 000004
【国際調査報告】
2006503414.tif 000005