(57)【要約】単一の本体で形成され主表面を有する基部（１４）を備える燃料電池システムおよび該燃料電池システムを製造する方法。少なくとも一つの薄膜電極アセンブリ（１６）が、基部の主表面上に形成されている。混合室を有する流体供給チャネル（３２）が基部内にて区画形成され、該チャネルは燃料含有流体（３４）を薄膜電極アセンブリに供給するために燃料電池薄膜に連通している。水再生系（５６）および再循環システムを有する排出チャネル（３８）が基部内にて区画形成され、薄膜電極アセンブリに連通している。薄膜電極アセンブリ、共働する液体供給チャネル、および共働する排出チャネルは、単一の燃料電池アセンブリを形成する。
2004504700.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単一の本体で形成され、かつ主表面を有する基部と、
該基部の主表面上に形成された、少なくとも一つの燃料電池薄膜電極アセンブリと、
前記基部内に区画形成され、かつ少なくとも一つの燃料電池薄膜電極アセンブリに連通する流体供給チャネルと、該流体供給チャネルは、混合室と少なくとも二つの燃料含有流体インレットとを備えることと、
前記基部内に区画形成され、かつ前記少なくとも一つの燃料電池薄膜電極アセンブリに連通する排出チャネルと、該排出チャネルは水再生および再循環システムを備え、該排出チャネルは流体供給チャネルから離間されて少なくとも一つの燃料電池薄膜電極アセンブリからの流体を排出し、前記少なくとも一つの燃料電池薄膜電極アセンブリ、共働する流体供給チャネル、および共働する排出チャネルは、単一の燃料電池を形成することと、
前記燃料電池アセンブリの電気的統合のために、前記基部内に形成された複数の電気構成要素と、
を備える燃料電池システム。
【請求項２】
単一の本体で形成され、かつ主表面を有する基部と、該基部はセラミック、プラスチック、ガラス、およびシリコンのうちから選択される材料からなることと、
該基部の主表面上に形成された少なくとも一つの燃料電池薄膜電極アセンブリと、該少なくとも一つの燃料電池薄膜電極アセンブリは、第一の電極と、該第一の電極に接触しプロトン伝導性電界質を形成するフィルムと、該フィルムに接触している第二の電極とを備えることと、
前記基部内に区画形成され、かつ前記少なくとも一つの燃料電池薄膜電極アセンブリに燃料含有流体を供給するために、前記少なくとも一つの燃料電池薄膜電極アセンブリに連通した流体供給チャネルと、該流体供給チャネルはさらに、燃料含有流体インレットと、第二の燃料含有流体インレットと、混合室とを有することと、
前記基部内に区画形成され、かつ前記少なくとも一つの燃料電池薄膜電極アセンブリに連通した排出チャネルと、該排出チャネルは、流体供給チャネルから離間されて少なくとも一つの離間した燃料電池薄膜電極アセンブリからの流体を排出し、該排出チャネルはさらに、少なくとも一つの燃料電池薄膜電極アセンブリに流体が流れるように連通した水再生および再循環アセンブリを有し、少なくとも一つの燃料電池薄膜電極アセンブリと、共働する流体供給チャネルと、共働する排出チャネルとが共働して単一の燃料電池アセンブリを形成することと、
形成された複数の燃料電池アセンブリの電気的統合のために、複数の電気構成要素を有する上部部分と、
を備える燃料電池アレイ装置。
【請求項３】
燃料電池アレイ装置を製造する方法であって、
セラミック、プラスチック、ガラス、およびシリコンのうちから選択される材料からなる基部を提供する工程と、
前記少なくとも一つの燃料電池薄膜電極アセンブリに燃料含有流体を供給するために基部内に流体供給チャネルを形成する工程であって、該流体供給チャネルはさらに混合室およびメタノール濃度センサを備える工程と、
基部内に排出チャネルを形成する工程であって、該排出チャネルは流体供給チャネルから離間されて前記少なくとも一つの離間した燃料電池薄膜電極アセンブリから流体を排出し、該排出チャネルはさらに使用済み燃料含有流体の再生および再循環のための水再生および再循環システムを備える工程と、
前記基部の主表面上に前記少なくとも一つの燃料電池薄膜電極アセンブリを形成する工程であって、該少なくとも一つの燃料電池薄膜電極アセンブリを形成する工程は、第一の電極を基部の主表面に提供する段階と、第一の電極と接しておりかつプロトン伝導性電解質を形成するフィルムを設ける段階と、フィルムと接触させて第二の電極を設ける段階とを含み、少なくとも一つの離間した燃料薄膜電極アセンブリと、共働する流体供給チャネルと、共働する排出チャネルとは、単一の燃料電池アセンブリを形成する工程と、
形成された燃料電池アセンブリの電気的統合のために、複数の電気構成要素を含む上部部分を形成する工程からなる方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（発明の分野）
本発明は燃料電池に関し、より詳細には電気的エネルギーが気体燃料または液体燃料の消費によって生産される直接メタノール燃料電池システム、および該システムの製造方法に関する。
【０００２】
（発明の背景）
燃料電池は概して、「バッテリ代替装置」であり、バッテリと同様、燃焼することなく電気化学プロセスにより電気を生成する。利用される電気化学工程は、空気中の水素と酸素とを結合させる。このプロセスは、二つの電極、即ちアノードとカソードの間に挟持されたプロトン交換膜（ＰＥＭ）を利用することにより達成される。燃料電池は周知のように、永久的な電気供給源である。水素は一般に、電気を生成するための燃料として使用される。該水素は、メタノール、天然ガス、ガソリンから処理されるか、または純粋水素として貯蔵され得る。直接メタノール燃料電池（ＤＭＦＣｓ）はメタノールを、気体または液体の形態にて燃料として利用するので、高価な改質操作の必要性が排除される。ＤＭＦＣｓは、より単純なＰＥＭ電池系、さらなる軽量性、合理化された生産性を提供するので、安価である。
【０００３】
標準ＤＭＦＣでは、希釈されたメタノール水溶液がアノード側（第一の電極）に燃料として供給され、カソード側（第二の電極）は圧送された空気または周囲空気（またはＯ２）に露出される。ナフィオン（ｎａｆｉｏｎ）型のプロトン伝導性膜は、一般にアノード側とカソード側とを分離する。これら燃料電池のうちの一部は、出力用件に従って直列または並列に接続され得る。
【０００４】
一般的なＤＭＦＣｓの設計は、高温において圧送気体流を伴う大型のスタックである。より小さい空気吸引を伴うＤＭＦＣの設計は、より複雑である。従来のＰＥＭ燃料電池では、スタックの連結は燃料電池アセンブリと導電プレートとの間でなされ、導電プレートには、気体分配のためにチャネルまたは溝が機械加工されていた。典型的な従来の燃料電池は、アノード（Ｈ２またはメタノール側）カレントコレクタ、アノードバッキング、薄膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）（アノード／イオン伝導性薄膜／カソード）、カソードバッキング、およびカソードカレントコレクタからなる。各燃料電池は、約１．０Ｖを発電する。より高い電圧を得るために、燃料電池は一般に各々が各々の上部に直列（バイポーラ式、正から負）に積層されている。従来の燃料電池はまた、より大きな電力を得るために並列（正から正）にも積層され得るが、一般には、単により大きな燃料電池が使用される。
【０００５】
直接メタノール燃料電池の作動中、希釈したメタノール水溶液（通常３〜４％メタノール）が、アノード側で燃料として使用される。メタノール濃度が高すぎると、燃料電池の効率を下げるクロスオーバーの問題が生じる。メタノール濃度が低すぎると、燃料電池反応のためのアノード側の燃料が不十分となる。現在のＤＭＦＣの設計は、圧送気体流を伴うより大きなスタックとなっている。より空気吸引が小さいＤＭＦＣの設計は、携帯型用途のためのシステムの小型化において複雑である為実現するのは難しい。携帯型の用途にとって、非常に希薄なメタノール混合物の形態の燃料は、多大な量の該燃料を必要とするので、携帯型の用途のための小型電源の設計としては実用的でない。ＤＭＦＣシステムの小型化は、メタノールおよび水を分離して携帯し、燃料電池反応のためにインシトゥ（ｉｎ−ｓｉｔｕ）にて混合することが要求される。燃料電池反応の後に、水燃料混合物を再循環し、薄膜全面に拡散した水に加えて燃料電池反応で発生した水をリサイクルすることもまた、システムの小型化に要求されている。
【０００６】
従って、本発明の目的は、少なくとも一つの直接メタノール燃料電池が小型システム内に統合された、直接メタノール燃料電池システムの設計を提供することである。
【０００７】
本発明の目的は、燃料含有流体の混合、ポンピング、および再循環のための、微小チャネルおよび微小流体技術を有する、直接メタノール燃料電池システムを提供することである。
【０００８】
本発明のさらなる目的は、向きに無関係な直接メタノール燃料電池システムを提供することである。
【０００９】
本発明のさらなる目的は、全ての構成要素が、セラミック基部部分のような基部の内側に埋設された、直接メタノール燃料電池を提供することである。
【００１０】
本発明のさらなる目的は、微小流体技術が、燃料含有流体の混合、ポンピングおよび再循環の基礎となる微小チャネルおよびキャビティを提供する段階を含む、直接メタノール燃料電池システムの製造方法を提供することである。
【００１１】
（発明の概要）
上記および他の問題点は少なくとも一部が解決され、上記および他の目的は、単一の本体で形成され、かつ主表面を有する基部を備えた燃料電池アレイ装置と、該燃料電池アレイの製造方法にて実現することができる。前記基部の主表面上に、少なくとも一つの薄膜電極アセンブリが形成されている。前記基部内には流体供給チャネルが区画形成され、該流体供給チャネルは少なくとも一つの薄膜電極アセンブリへ燃料含有流体を供給するために、その少なくとも一つの薄膜電極アセンブリに連通している。前記基部内には排出チャネルが区画形成され、少なくとも一つの薄膜電極アセンブリに連通している。排出チャネルは流体供給チャネルから離間されて少なくとも一つの薄膜電極アセンブリから流体を排出する。薄膜電極アセンブリ、共働する流体供給チャネル、および共働する排出チャネルは、単一の燃料電池アセンブリを形成している。形成された複数燃料電池アセンブリの電気的統合のために、複数の電気構成要素を有する上部部分がさらに備えられている。
【００１２】
（好ましい実施態様の説明）
図面を参照すると、図１は、本発明に従って製造された直接メタノール燃料電池の平面スタックアレイの略断面図である。より詳細には、概して符号１２で参照される少なくとも二つの直接メタノール燃料電池を備える平面スタックアレイ１０が形成されている。燃料電池１２は基部１４上に形成され、各燃料電池１２は、隣接する燃料電池１２から少なくとも１ｍｍ離間されている。要求される電力出力に従って、図２（目下説明されている）に図示されるような一つの燃料電池から多数の燃料電池まで、任意の数の燃料電池１２を製造して、燃料電池平面アレイを形成し得ることが理解されよう。基部１４は、燃料電池１２にエネルギーを与えるために利用される燃料および酸化剤材料の混合物に不浸透性であるよう設計された材料から形成されている。一般に、燃料電池１２にエネルギーを与えるためには、水素を含む燃料／酸化剤混合物が利用される。燃料電池１２に消費され電気的エネルギーを生成する適切な燃料としては、水素、メタンおよびメタノールなどの材料が含まれる。この特定の実施態様では、メタノールが燃料電池１２に使用される。基部１４は、一般にガラス、プラスチック、シリコン、セラミック、または他の適切な材料により形成される。この特定の実施態様では、平面スタックアレイ１０は、各々が燃料電池薄膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）（図２にて目下説明されている）によって区画形成された少なくとも二つの直接メタノール燃料電池１２を備え、従って平面スタックアレイ１０は、少なくとも二つの燃料電池薄膜電極アセンブリを有する。
【００１３】
基部１４には、図示するように、複数のミクロ流体チャネルが形成されている。より詳細には、基部１４には、流体供給チャネル３２と流体が流れるように連通した、第一の流体インレット３０および第二の流体インレット３１が形成されている。流体供給チャネル３２は、マルチレイヤセラミック技術、ミクロ機械加工、または射出成形などの標準的な当業者に周知の技術を利用して、基部１４内に形成される。流体供給チャネル３２は、燃料含有流体３４を少なくとも二つの離間した燃料電池１２の各々へ供給する。この特定の実施例において、燃料含有流体３４を供給するために、分離したメタノールタンク３５および水タンク３７が利用される。混合室３６は、図示するように基部１４内に、流体供給チャネル３２と流体が流れるように連通して形成されている。好ましい実施態様にて、燃料含有流体３４は、水（９６％〜９９．５％）中、０．５％〜４．０％のメタノールを含む。メタノールをアセンブリ１０全体内に０．００２ｍｌ／分の速度で、および水をアセンブリ１０内に０．０９８ｍｌ／分の速度で（２％〜９８％）ポンピングすることが目標である。燃料電池アセンブリ１０は、水素またはエタノールなど他の燃料を使用することもできるが、エタノールは同様の効率を有さず、かつメタノール使用時に生成されるほどの電力を生成しないことに留意されたい。この特定の実施態様にて、分離したメタノールタンク３５と水タンク３７は、燃料含有流体３４を供給するために利用される。メタノールは所定の速度にてポンピングされ、水は、メタノール濃度センサ３７により決定された必要な量だけ加えられる。メタノール濃度センサ３９は、混合物中にてメタノール比の維持を援助する。メタノールおよび水は、各個別の燃料電池１２に流入する前に、混合室３６にて均質に混合される。流体供給チャネル３２は、別個に形成された燃料電池１２の各々へ、同等および同時に燃料含有流体３４を供給することが理解されよう。
【００１４】
加えて、少なくとも二つの離間した燃料電池１２の各々と連通した排出チャネル３８が、基部１４内に形成されている。排出チャネル３８は、燃料電池１２から排出生成物４２、即ち二酸化炭素および水／メタノール混合物を除去する役割をする。作動中、排出生成物は二酸化炭素分離室４０にて、水／メタノール混合物４６および二酸化炭素４８に分離される。次に、気体４８はガス浸透性薄膜などの排出アウトレット５２を通って排気され、水／メタノール混合物４６は、その一部にＭＥＭＳポンプなどのポンプ５４、またはチェックバルブ型アセンブリを備えた再循環チャネル５３を通って再循環され、混合室３６に返還される。加えて、気体浸透性水再生システム５６および水再生返還チャネル５８は、わずかに流体が流れるように連通している（以下、「微量流体連通している」と称す）。水再生システム５６は、図示するように、燃料電池１２のカソード側からの水を回収し、水再生返還チャネル５８へ導く役割をする。水再生返還チャネル５８は、分離室４４におよび最終的には混合室３６に微量流体連通している。
【００１５】
燃料電池内の反応に続く水／メタノール混合物の再循環と、カソード全面に拡散した水のリサイクルは、システムの小型化に要求されている。燃料供給システムは、メタノールおよび水をメタノールタンク３５および水タンク３７の形態にて有し、チュービングを介して基部１４へ連通され、携帯型使い捨てカートリッジ様装置内にて携帯されることが予想される。
【００１６】
燃料電池アレイ１０は一般に、その一部として四つの個別燃料電池１２が形成されている。基部１４の全体寸法が約５．５ｃｍ×５．５ｃｍ×５．５ｃｍであり、個別燃料電池１２の面積は４×１．５〜２．０ｃｍ２である。各個別燃料電池１２は、約０．５Ｖおよび２２．５ｍＡ／ｃｍ２の電力を発電することができる。
【００１７】
今図２を参照すると、単一燃料電池アセンブリ１２’を備えた、概して符号１０’で参照される燃料電池システムが図示される。図２に図示される特定の実施態様と同様の図１に図示される第一の実施態様の構成部分はすべて、同じ数字が、異なる実施態様を区別するためプライムを付して記されていることに留意されたい。燃料電池１２’は、カーボンクロスのバッキング１９を有する第一の電極１８、多孔性のプロトン伝導性電極薄膜からなるフィルム２０、およびカーボンクロスのバッキング２３を有する第二の電極２２を備える。第一および第二の電極１８，２２は、白金、パラジウム、金、ニッケル、炭化タングステン、ルテニウム、モリブデン、および白金、パラジウム、金、ニッケル、炭化タングステン、モリブデン、ルテニウムの合金のうちから選択される材料から形成される。フィルム２０はさらに、燃料電池１２’のアノード側（第一の電極１８）からカソード側（第二の電極２２）への燃料の浸透を防止する、ナフィオン（ｎａｆｉｏｎ）型の材料から形成されていることが記述される。
【００１８】
この特定の実施態様において、薄膜電極アセンブリ１６は、基部１４’の一番上の主表面２６内に形成された凹部２４内に位置している。薄膜電極アセンブリ１６は、凹部２４の形成を必要とすることなく、基部１４’の主表面２６上に位置させ得ることがこの開示によって予想される。この場合、スペーサ（図示せず）が、薄膜電極アセンブリ１６の完全な圧縮を回避するために利用されるであろう。
【００１９】
平面スタックアレイ１０’は、さらに上部部分を、より詳細にはこの特定の実施態様においては、薄膜電極アセンブリ１６に重なるように位置するカレントコレクタ２８を備える。カレントコレクタ２８は、好ましい実施態様においては、個別に形成された燃料電池薄膜電極アセンブリ１６の各々の上部に別々に形成されているように開示されている。カレントコレクタ２８は、好ましい実施態様にてさらに、穿孔された波形の金被覆ステンレス鋼として記載されている。加えて、カレントコレクタ２８は、いかなる導電性材料からも形成され得ることが理解されよう。
【００２０】
製造中、個々の燃料電池薄膜電極アセンブリ１６は、直接塗装法またはホットプレス法を使用して形成される。より詳細には、複数の第一の電極１８は、基部１４’の表面２６と直接接触して形成または配置される。電極１８の形成には、様々な材料が適切である。適切な材料には、白金、パラジウム、金、ニッケル、炭化タングステン、ルテニウム、モリブデン、およびこれらの材料の様々な合金が含まれる。
【００２１】
この特定の実施態様において、また模範を示す目的として、複数の第一の電極１８の各々は、約２．０ｃｍ×２．０ｃｍの寸法を有する。図１に関して以前に説明したように、平面スタック１０’が複数の燃料電池１２’を有するとき、隣接する燃料電池１２同士の間には、約０．５ｍｍ〜０．１ｍｍの離間距離がある。
【００２２】
プロトン交換膜（ＰＥＭ）とも呼ばれるプロトン伝導性電界質から形成されたフィルム２０は、ナフィオン（ｎａｆｉｏｎ）型の材料からなる。フィルム２０は、以前に述べたように、燃料電池１２のアノード１８側からカソード２２側への燃料の浸透を制限する役割をする。
【００２３】
次に、薄膜電極アセンブリ１６の製造中、複数の第二の電極２２は、複数の第一の電極１８と対応して共働するよう形成される。各第二の電極２２は、対応する第一の電極１８とほぼ同じ寸法を有するよう形成される。説明したように、燃料電池薄膜電極アセンブリ１６は各々、第一の電極１８、フィルム２０および第二の電極２２を備えることが理解されよう。
【００２４】
最後に、カレントコレクタ２８は、第二の電極２２に対して配置される。カレントコレクタ２８は、少なくとも０．１ｍｍの厚さと、各燃料電池１２’と接触する点に応じた長さとを有して形成される。代替として、該装置が複数の燃料電池１２’を有するときは複数の燃料電池１２’は、気化またはスパッタリングで溶着された銀導電性塗料を使用して電気的にインターフェースされてもよい。適切な材料としては、金（Ａｕ）、銀（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）、または他の低電気抵抗材料がある。電極材料のバルク抵抗、および電極の面積は、オーム損失を最小にするための集電機構の型を決定する。加えて、複数の直接メタノール燃料電池１２’同士の間の電気的インターフェースを達成する本開示にて予想される物としては、パターン化された導電エポキシ樹脂の押圧、ワイアボンディング、タブボンディング、ばね接点、フレックステープ、またはわに口クリップがある。燃料電池１２’が、所望の結果電圧に依存して、直列接続または並列接続のいずれかを利用して電気的にインターフェースされ得ると予想されることが理解されよう。複数の燃料電池１２’の電気的インターフェース（図示せず）を達成するために、各第二の電極２２は、隣接した第一の電極１８と電気的に接続され、従って直列の電気的インターフェースにて接続され、燃料電池アレイ装置１０’の出力電圧を増加させる。または、各第一の電極１８は隣接した第一の電極１８と電気的に接続され、各第二の電極２２は隣接した第二の電極２２と電気的に接続され、かように並列の電気的インターフェースにて接続されることによって燃料電池アレイ装置１０’の出力電圧を増加させる。
【００２５】
今図３を参照すると、本発明のシステムを詳述する略ブロック図を図示する。混合室３６と微量流体連通したメタノールタンク３５および水タンク３７が図示される。混合室３６は、以前に説明したように、メタノールの水に対する適切な比を達成する役割をする。燃料含有流体は、適切に混合されると、燃料電池１２に向かって流体供給チャネルを通って流れる。この流れを補助するために、ＭＥＭ型のポンプ４０が任意で用いられている。メタノール濃度および燃料含有流体の温度を監視するのを補助するために、濃度センサ３９を設ける。燃料含有流体は次に、燃料電池スタック１２に到達して、電力を発生する。該電力は、携帯電話６０などのポータブル電子機器に電圧を与えるために、発生した電圧を変換するＤＣ−ＤＣ変換機６２に供給される。該変換機６２はその一部として充電式バッテリ６４を備える。作動中、使用済み流体は排出チャネルを通って、概して符号４４で参照される二酸化炭素分離室および二酸化炭素排出口に向かって排出される。加えて、燃料電池１２のカソード側および分離室４４から水が再生され、再循環チャネルを通って混合室３６に再循環される。この流体の再循環によって、水タンク３７の水の消費がより少なくなり、従って水タンク３７の補充が少なくなる。
【００２６】
従って、ここに開示するのは、平面上に形成された単一の燃料電池またな複数の燃料電池を有することにより単一平面上でより高い電圧および電流が得られる燃料電池システムおよび該システムの製造を提供する製造方法である。より詳細には、この設計は、使用済み燃料を部分的に分離して、使用可能な副産物すなわち水を再循環させることにより、貯蔵された水の消費と補充を抑える単純なシステムを提供する。加えて本発明のシステムは、準自立型（ｓｅｍｉ‐ｓｅｌｆ　ｃｏｎｔａｉｎｅｄ）システムであり、向きに無関係なため、携帯型電子機器に電力供給する場合などシステムを移動させ易くする。
【００２７】
本発明の特定の実施態様を開示し記述したが、当業者によってさらなる変更および改良が行われるであろう。従って本発明は、開示した特定の形態に制限されるものではないと理解される事を願い、また付随の請求項は本発明の精神および範囲を逸脱しない全ての改良を包含することを意図する。
【図面の簡単な説明】
【図１】単一基部上に形成され複数の微量流体チャネルを備えた、本発明による複数の直接メタノール燃料電池装置の略断面図。
【図２】単一基部上に形成され複数の微量流体チャネルを備えた、本発明による単一の直接メタノール燃料電池の略平面図。
【図３】本発明のシステムを図示する略ブロック図。
【国際公開パンフレット】
2004504700.tif 000003
2004504700.tif 000004
2004504700.tif 000005
2004504700.tif 000006
2004504700.tif 000007
2004504700.tif 000008
2004504700.tif 000009
2004504700.tif 000010
2004504700.tif 000011
2004504700.tif 000012
2004504700.tif 000013
2004504700.tif 000014
2004504700.tif 000015
2004504700.tif 000016
2004504700.tif 000017
2004504700.tif 000018
2004504700.tif 000019
2004504700.tif 000020
2004504700.tif 000021
2004504700.tif 000022
2004504700.tif 000023
2004504700.tif 000024
2004504700.tif 000025
2004504700.tif 000026
2004504700.tif 000027
2004504700.tif 000028
2004504700.tif 000029
2004504700.tif 000030
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004504700.tif 000031
2004504700.tif 000032
【国際調査報告】
2004504700.tif 000033
2004504700.tif 000034