(57)【要約】単一体から形成されると共に主要面（２６）を有する基体部分（１４）を含む燃料電池システム（１０）、および、該燃料電池システムを形成する方法。上記基体部分の上記主要面上には、少なくとも１個の燃料電池膜電極アセンブリ（１６）が形成される。上記基体部分内には混合チャンバ（３６）を含む流体供給チャネル（３２）が画成され、該チャネルは上記燃料電池膜電極アセンブリに対して燃料担持流体（３４）を供給するように、該膜電極アセンブリと連通する。上記燃料電池膜電極アセンブリおよび上記燃料供給チャネルと連絡して該電極アセンブリに対する燃料の混合物を調整すべくメタノール濃度センサ（３８）が配置される。上記基体部分内には、水回収／再循環システム（５３）を含むと共に上記膜電極アセンブリと連通する排出チャネル（３８）が画成される。
2004521442.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単一体から形成されると共に主要面を有する基体部分と、
前記基体部分の主要面上に形成された少なくとも１個の燃料電池膜電極アセンブリと、
前記基体部分内に画成されると共に前記少なくとも１個の燃料電池膜電極アセンブリと連通する流体供給チャネルであって、混合チャンバと少なくとも２個の燃料担持流体用流入口とを備える流体供給チャネルと、
前記流体供給チャネルおよび前記少なくとも１個の燃料電池膜電極アセンブリと連絡するように配置されることで前記膜電極アセンブリに対する燃料供給の監視を行なうメタノール濃度センサと、
前記基体部分内に画成されると共に、前記少なくとも１個の燃料電池膜電極アセンブリと連通する排出チャネルと、該排出チャネルは水回収／再循環システムを備え、該排出チャネルは前記流体供給チャネルから離間されて前記少なくとも１個の燃料電池膜電極アセンブリからの流体を排出し、前記少なくとも１個の燃料電池膜電極アセンブリと、協働する流体供給チャネルと、協働する排出チャネルとが単一の燃料電池アセンブリを形成することと、
前記燃料電池アセンブリの電気的統合を行なうために前記基体部分に形成された複数の電気的要素とを備える、燃料電池システム。
【請求項２】
単一体から形成されると共に主要面を有する基体部分であって、セラミック、プラスチック、ガラスおよびケイ素のうちから選択された材料から形成される基体部分と、
前記基体部分の前記主要面上に形成された少なくとも１個の燃料電池膜電極アセンブリであって、第１電極と、該第１電極と接触すると共にプロトン伝導性電解質から形成された膜と、該膜と接触する第２電極とを備える、燃料電池膜電極アセンブリと、
前記基体部分内に画成されると共に、前記少なくとも１個の燃料電池膜電極アセンブリと連通して、前記少なくとも１個の燃料電池膜電極アセンブリに対して燃料担持流体を供給する流体供給チャネルであって、第１燃料担持流体用流入口、第２燃料担持流体用流入口および混合チャンバを更に備える、流体供給チャネルと、
アノードおよびカソードを有する一体化メタノール濃度センサであって、前記アノードに流体を供給するために前記流体供給チャネルと連通し、かつ前記少なくとも１個の燃料電池膜電極アセンブリと連絡するように配置されることにより、該膜電極アセンブリに対する燃料供給の調整を提供する一体化メタノール濃度センサと、
前記基体部分内に画成されると共に前記少なくとも１個の燃料電池膜電極アセンブリと連通する排出チャネルと、該排出チャネルは前記流体供給チャネルから離間されて、少なくとも１個の離間された燃料電池膜電極アセンブリからの流体を排出し、該排出チャネルは前記少なくとも１個の燃料電池膜電極アセンブリの第２電極と流体連通する水回収／再循環アセンブリを更に備え、前記少なくとも１個の燃料電池膜電極アセンブリと、協働する流体供給チャネルと、協働する排出チャネルとは組み合わされ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を電気的に統合するための複数の電気的要素を備える頂上部分とを備える、燃料電池配列装置。
【請求項３】
燃料電池配列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、グラファイトおよびケイ素のうちから選択された材料から形成される基体部分を備える工程と、
少なくとも１個の燃料電池膜電極アセンブリに対して燃料担持流体を供給する流体供給チャネルであって、混合チャンバおよびメタノール濃度センサを更に備える流体供給チャネルを前記基体部分内に形成する工程と、
アノードおよびカソードを含むメタノール濃度センサであって、前記アノードに流体を供給するために前記流体供給チャネルと連通するように、且つ前記少なくとも１個の燃料
電池膜電極アセンブリと連絡するように配置されることにより、該膜電極アセンブリに対する燃料供給の調整を提供するメタノール濃度センサを形成する工程と、
前記流体供給チャネルから離間されて前記少なくとも１個の離間された燃料電池膜電極アセンブリから流体を排出する排出チャネルであって、消費された燃料担持流体の回収および再循環のための水回収／再循環システムを更に備える排出チャネルを前記基体部分内に形成する工程と、
前記少なくとも１個の燃料電池膜電極アセンブリを前記基体部分の前記主要面上に形成する工程であって、前記少なくとも１個の離間された燃料電池膜電極アセンブリを形成する工程は、前記基体部分の主要面上に第１電極を設ける工程と、該第１電極に接触すると共にプロトン伝導性電解質から形成された膜を配備する工程と、該膜と接触する第２電極を配備する工程とを含み、前記少なくとも１個の離間された燃料電池膜電極アセンブリと、協働する流体供給チャネルと、協働する排出チャネルとが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の複数の電気的要素を含む頂上部分を形成する工程とを含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池に関し、より詳細には、気体もしくは液体燃料の消費により電気エネルギが生成される、一体化されたメタノール濃度センサを含む直接メタノール型燃料電池システムおよび該システムを作製する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は一般に「バッテリの代替品」であると共に、バッテリと同様に燃焼を要することなく電気化学的プロセスにより電気を生成する。用いられる電気化学的プロセスは、空気からの酸素または純粋気体としての酸素に対する水素プロトンの結合を実現する。上記プロセスは、２個の電極すなわちアノードおよびカソードの間に挟持されたプロトン交換膜（ＰＥＭ）を利用して達成される。公知の如く、燃料電池は電気の永続的な供給体である。水素は典型的に電気を生成する燃料として用いられると共に、メタノール、天然ガス、石油から処理されもしくは純粋な水素として貯蔵される。直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）は燃料として気体もしくは液体の形態のメタノールを利用することから、不経済な改質操作の必要性が排除される。ＤＭＦＣは、より簡素なＰＥＭ電池システムであって、低重量で製造が効率化されるが故に低コストのＰＥＭ電池システムを実現する。
【０００３】
標準的なＤＭＦＣにおいては、アノード側（第１電極）には燃料としてメタノールの希釈水溶液が供給されると共にカソード側（第２電極）は強制空気なまたは周囲空気（もしくはＯ2 ）に露出される。典型的には、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）型のプロトン伝導膜がアノード側とカソード側とを分離する。これらの燃料電池の幾つかは、電力要件に依存して直列もしくは並列に接続され得る。
【０００４】
典型的にＤＭＦＣ設計態様は、約６０乃至８０℃の高温にて動作すべく強制空気流を備えた大型のスタックである。より小型の空気吸入型ＤＭＦＣ設計態様は、全てのシステム構成要素の小型化が必要なので更に複雑となる。従来のＰＥＭ燃料電池においてスタック接続は、気体分配のためのチャネルもしくは溝が加工された伝導プレートにより、各燃料電池アセンブリ間で行われる。典型的な従来の燃料電池は、アノード（Ｈ2 もしくはメタノール側）集電体、アノード裏材、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）（アノード電解触媒／イオン伝導膜／カソード電解触媒）、カソード裏材およびカソード集電体から成る。直接メタノール型燃料電池に対する典型的な開回路電圧は、約０．３乃至０．５Ｖの範囲である。更なる高電圧を得るために燃料電池は典型的に、上下に重ねて（負に対して正とするバイポーラ式で）直列に積層されるかまたは個々のセルを平面配置として直列に接続される。高電流を得るためには従来の燃料電池を（正に対して正とする）並列で積層することも可能であるが、一般的には単により大型の燃料電池を代わりに用いる。
【０００５】
直接メタノール型燃料電池の動作中において、アノード側における燃料としては希釈水性メタノール（通常は３〜４体積％のメタノール）が用いられる。現在のＤＭＦＣ設計態様は、強制空気流を備えたより大型のスタックに対するものである。而して、より小型の空気吸入型ＤＭＦＣ設計態様は達成するのが困難である。と言うのも、必要なシステム構成要素の全てを小型化してそれらを携帯用途に必要な小型ユニットへと一体化することは困難だからである。非常に希薄なメタノール混合物の形態の燃料を保持するには大量の燃料を保持する必要があるが、これは携帯用途に対する小型電源の設計態様に対して実用的でない。上記ＤＭＦＣシステムを小型化するには、メタノールと水とを別個に保持し、燃料電池反応を起すために、それらをその場所で混合する必要がある。メタノール濃度が高すぎる場合にはメタノールのクロスオーバの問題が在り、燃料電池の効率が低下する。メタノール濃度が低すぎる場合には、燃料電池反応に対してアノード側には十分な燃料が存在しなくなる。
【０００６】
故に、脱イオン水中のメタノールの混合物から成る燃料の濃度を監視すべく、ＤＭＦＣシステムにメタノール・センサのような化学センサを一体化すれば有用であろう。化学センサとは、特定の分析対象物もしくは事象を検出して定量化するために化学反応を利用する測定装置として定義され得る。ＤＭＦＣシステムにおいて分析対象物は、脱イオン水中のメタノールである。既に開発されたものとしては、電気化学式、測光式、熱量測定式、音響式もしくは機械式の種々の化学センサが在る。これらの内、燃料の濃度を監視する目的でＤＭＦＣシステムに一体化される場合には、電位差測定もしくは電流測定の原理で動作する電気化学式センサが有用であろう。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
故に本発明の目的は、燃料供給を監視する一体化センサを含む直接メタノール型燃料電池システムの設計態様を提供することに在る。
【０００８】
本発明の目的は、燃料担持流体の混合、圧送および再循環のためのマイクロチャネルおよびキャビティならびにマイクロ流体技術を包含する直接メタノール型燃料電池システムおよび一体化センサを提供することに在る。
【０００９】
本発明の更なる目的は、全てのシステム構成要素がセラミック基体部分などの基体部分の内部に埋設された直接メタノール型燃料電池システムおよび一体化センサを提供することに在る。
【００１０】
本発明の更なる目的は、直接メタノール型燃料電池システムおよび一体化センサを作製する方法であって、燃料担持流体の混合、圧送および再循環に対してマイクロ流体技術を基礎とするマイクロチャネルおよびキャビティを備える工程を含む方法を提供するに在る。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
単一体から形成されると共に主要面を有する基体部分を含む燃料電池システムおよび該燃料電池システムを形成する方法においては、上記のおよび他の問題が少なくとも部分的に解決されると共に上記のおよび他の目的が実現される。基体部分の主要面上には、少なくとも１個の膜電極アセンブリが形成される。基体部分内には流体供給チャネルが画成され、該チャネルは上記少なくとも１個の膜電極アセンブリに対して燃料担持流体を供給すべく該少なくとも１個の膜電極アセンブリと連通される。流体供給チャネルおよび膜電極アセンブリと流体が流れるように連通（以下、「流体連通」と称する）して、膜電極アセンブリに対する燃料供給を調整すべく、一体化メタノール濃度センサが配備される。基体部分内には排出チャネルが画成され、該チャネルは少なくとも１個の膜電極アセンブリと連通する。排出チャネルは、少なくとも１個の膜電極アセンブリから流体を排出すべく流体供給チャネルから離間される。膜電極アセンブリおよび協働する流体供給チャネルおよび協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。
【００１２】
当業者であれば、上述のおよび更に詳細な本発明の目的および利点は図面に関する本発明の好適な実施形態の以下の詳細な説明から容易に明らかとなろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
各図を参照すると、図１は本発明に従い作製された直接メタノール型燃料電池システムの略断面図を示している。より詳細には、概して符号１２が付された２つの直接メタノール型燃料電池を含む平面スタック配列１０が形成される。各燃料電池１２は、隣接する燃料電池１２から少なくとも１ｍｍだけ離間されて。必要とされる電力出力に依存し、燃料電池の平面配列を形成するためい一個から多数個の燃料電池の任意数の燃料電池１２が作製され得ることを理解すべきである。基体部分１４の材料は、燃料電池１２にエネルギ供給すべく用いられる燃料および酸化剤材料に対して不透過性となるように設計される。典型的には、燃料電池１２にエネルギを供給するために水素含有燃料が用いられる。電気エネルギを生成するために燃料電池１２により消費されるのに適した燃料は、水素、メタンおよびメタノールなどの水素含有物質である。この特定の例においては、燃料電池１２に対してメタノールの水溶液が用いられる。基体部分１４は典型的には、ガラス、プラスチック、ケイ素、グラファイト、セラミック、または他の任意の適切な材料で形成される。この特定実施例において平面スタック配列１０は燃料電池膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）（現在論じている図２）により各々が画成される少なくとも２個の直接メタノール型燃料電池１２を備えることから、平面スタック配列１０は２個の燃料電池膜電極アセンブリを有する。
【００１４】
図示したように基体部分１４は、内部に形成された複数のマイクロ流体チャネルを有する。より詳細には基体部分１４は、流体供給チャネル３２と流体連通して形成された第１流体流入口３０および第２流体流入口３１を有する。流体供給チャネル３２は、多層セラミック技術、マイクロ加工または射出成形などの業界公知の標準技術を利用して基体部分１４に形成される。流体供給チャネル３２は、離間された少なくとも２個の燃料電池１２の各々に対して燃料担持流体３４を供給する。この特定例において燃料担持流体３４は、メタノール・タンク３５および水タンク３７または再循環チャネル５３から直接的に供給されるメタノールおよび水から成る。示された如く混合チャンバ３６は、流体供給チャネル３２とマイクロ流体連通すべく基体部分１４に形成される。好適実施例において燃料担持流体３４は好適には、水（９９．５％〜９６．０％）中に含まれた０．５％〜４．０％のメタノールである。目的は、約０．００２ｍｌ／分の速度にて全体アセンブリ１０にメタノールを圧送すると共に約０．０９８ｍｌ／分の速度（２％対９８％）にてアセンブリ１０に水を圧送することである。燃料電池アセンブリ１０は水素もしくはエタノールなどの他の燃料も使用し得るが、エタノールはメタノールを用いた場合よりも効率的でなく且つメタノールほどの電力を生成しないことに留意されたい。この特定例においては、燃料担持流体３４を供給するために独立したメタノール・タンク３５および水タンク３７が用いられる。メタノールおよび水は、メタノール濃度センサ３８により調整され、必要に応じて添加される。燃料供給においてメタノールの濃度を検知する上でメタノール濃度センサ３９は、フィードバック・ループ４０を介して流入口３０および流入口３１と連絡する。メタノール濃度センサ３９は、上記混合物におけるメタノール比率の維持を補助する。メタノールおよび水は、個々の燃料電池１２へと流れる前に混合チャンバ３６内で均一に混合される。流体供給チャネル３２は各々個別に形成された燃料電池１２に対して燃料担持流体３４へ等しくかつ同時に送給を行なうことを理解すべきである。
【００１５】
これに加えて基体部分１４には、離間された少なくとも２個の燃料電池１２の各々と連通する排出チャネル３８が形成される。排出チャネル３８は、燃料電池１２から排出生成物４２すなわち二酸化炭素と水／メタノール混合物とを除去する役割を果たす。動作の間、排出生成物は二酸化炭素分離チャンバ４４において水／メタノール混合物４６および二酸化炭素気体４８へと分離される。次に気体４８は気体透過膜などの排出口５２を介して排出され、水／メタノール混合物４６は、当該再循環チャネル５３の一部としてＭＥＭＳポンプまたは逆止弁形式アセンブリなどのポンプ５４を含む再循環チャネル５３を介して混合チャンバ３６に戻るように再循環される。
【００１６】
上記システムを小型化するためには、上記燃料電池内における反応に引き続く水／メタノール混合物の再循環、および、カソードを通して拡散された水の再利用が必要とされる。上記燃料送給システムは、基体部分１４に対して管材を介して接続された携帯式の使い捨てカートリッジ状デバイス内に保持されるべきメタノール・タンク３５および水タンク３７の形態でメタノールおよび水を含むことが予期される。
【００１７】
燃料電池デバイス１０は、典型的には、その一部として４個の個別燃料電池１２を有するものとして形成され、約５．５ｃｍ×５．５ｃｍ×．５ｃｍの寸法を有する全体の基体部分１４を有する。前記個別燃料電池１２は、１．５乃至２．０平方センチメートルの面積を有する。個々の個別燃料電池１２は、約０．５Ｖおよび２２．５ｍＡ／ｃｍ2 の電力を生成し得る。
【００１８】
次に図２を参照すると、単一個の燃料電池アセンブリ１２’を備える、概して符号１０’が付された燃料電池システムが示される。図１に示された第１実施形態の構成要素であって、図２に示されたこの特定実施形態の構成要素と同様な全ての構成要素は、異なる実施形態を示すようにダッシュ記号を付して同一の番号により表されていることに留意されたい。燃料電池アセンブリ１２’は燃料電池膜電極アセンブリ１６を備えるが、該アセンブリ１６は、炭素布裏材１９を含む第１電極１８と、プロトン伝導性電解質膜のような膜２０と、炭素布裏材２３を含む第２電極２２とを備える。第１電極および第２電極１８，２２は、白金、パラジウム、金、ニッケル、タングステン、ルテニウム、モリブデン、オスミウム、イリジウム、銅、コバルト、鉄、ならびに、白金、パラジウム、金、ニッケル、タングステン、モリブデン、オスミウム、イリジウム、銅、コバルト、鉄およびルテニウムの合金のうちから選択される任意の金属を含む。電極１８，２２に含有され得る他の成分は、プロトン伝導性ポリマ、導電性ポリマ、ならびに、炭素および金属酸化物などの無機支持体である。膜２０について更に説明すると、該膜２０は燃料電池１２’のアノード側（第１電極１８）からカソード側（第２電極２２）への燃料の浸透を防止するＮａｆｉｏｎ（登録商標）型材料から形成されるものである。
【００１９】
この特定例において膜電極アセンブリ１６は、基体部分１４’の主要最上面２６に形成された凹所２４内に配置される。本開示によれば、膜電極アセンブリ１６は、必ずしも凹所２４を形成する必要なく、基体部分１４’の主要面２６上に配置され得ることが予見される。この場合には、膜電極アセンブリ１６の完全な圧縮を回避すべく（図示せず）スペーサが用いられる。
【００２０】
平面スタック１０’は更に頂上部分を備え、より詳細にはこの特定例においては膜電極アセンブリ１６上に重ねられて配置される集電体２８を備える。集電体２８は、概して符号２７が付されたキャップ部分の一部として形成される。キャップ部分２７は、周囲空気に対する第２電極２２の露出を提供する。
【００２１】
製造の間において個々の燃料電池膜電極アセンブリ１６は、加熱プレス法または業界公知の他の任意の方法を用いて形成される。より詳細には、複数の第１電極１８は基体部分１４’の主要面２６と接触して形成または配置される。先に記載したように、電極１８の形成に対しては種々の材料が適切である。
【００２２】
この特定実施形態において、まや代表的な目的に対し、複数の第１電極１８の各々は約２．０ｃｍ×２．０ｃｍの寸法を有する。図１に関して先に論じた如く平面スタック１０’が複数の燃料電池１２’を備える場合、隣接する各燃料電池１２の間には約０．５ｍｍ乃至１ｍｍの間隔が設けられる。
【００２３】
プロトン交換膜（ＰＥＭ）とも称されるプロトン伝導性電解質から形成される膜２０は典型的には、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）型材料からなる。先に述べられた如く膜２０は、燃料電池１２のアノード１８から燃料電池１２のカソード２２への燃料の浸透を制限する役割を果たす。
【００２４】
次に、膜電極アセンブリ１６の作製の間、複数の第１電極１８と対応して協働すべく複数の第２電極２２が形成される。各第２電極２２は、対応する第１電極１８とほぼ同一の寸法を有して形成される。前述したように、燃料電池膜電極アセンブリ１６は各々、第１電極１８、膜２０および第２電極２２を備えることを理解すべきである。
【００２５】
最後に、第２電極２２に対して集電体２８が位置決めされる。集電体２８は少なくとも０．１ｍｍの厚さであると共に、燃料電池１２’の接点の場所に応じた長さで形成される。代替実施例においては、上記デバイスが複数の燃料電池１２’を含む場合に該複数の燃料電池１２’は、蒸着もしくはスパッタリングにより被着された銀導電塗料を用いて電気的に接続され得る。これに対して適切な材料は、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）または他の任意の低電気抵抗材料である。上記電極材料のバルク抵抗率（ｂｕｌｋ  ｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙ）および電極の面積により、抵抗損失を最小化する集電方式の種類が決定される。これに加え、本開示によれば、複数の直接メタノール型燃料電池１２’間の電気接続を達成するためのものとして、パターン化された導電エポキシおよびプレス加工、ワイヤボンディング、タブボンディング、スプリング接点、可撓性テープまたはワニ口クリップが予見される。各燃料電池１２’は所望の結果として生じる電圧に依存して、直列接続もしくは並列接続のいずれかを利用して電気接続され得ることが予期されることを理解すべきである。複数の燃料電池１２’の（図示せず）電気接続を達成するために、各第２電極２２が隣接する第１電極１８に電気接続されることにより直列電気接続で接続されて、燃料電池配列装置１０’の出力電圧が増大される。あるいは、各第１電極１８が隣接する第１電極１８に電気接続されると共に各第２電極２２が隣接する第２電極２２に電気接続されることにより並列電気接続で接続されて燃料電池配列装置１０’の出力電圧が増大される。
【００２６】
次に図３を参照すると、本発明に係る燃料送給システム６０を詳説する簡略回路図が示される。示されるのは、混合チャンバ３６とマイクロ流体連通するメタノール・タンク３５および水タンク３７である。組み合わされることで、タンク３５，３７ならびに混合チャンバ３６はシステム６０の燃料送給６２の部分を形成する。先に論じた如く混合チャンバ３６は、適切な比率のメタノール／水を供給する役割を果たす。適切に混合されたなら、燃料担持流体は上記流体供給チャネルを通過して燃料電池１２へと流れる。この流れを支援すべく、選択的なＭＥＭＳ型ポンプ４０が用いられる。上記燃料担持流体のメタノール濃度および温度の監視を支援すべく濃度センサ３９が設けられる。これに加え、温度センサおよび流量センサが備えられる。動作の間、消費された流体は上記排出チャネルを介し、概して符号４４が付された二酸化炭素分離チャンバ／二酸化炭素排気口へと排出される。これに加え、燃料電池１２のカソード側と、分離チャンバ４４とからは水が回収され、混合チャンバ３６に戻るべく再循環チャネル５３を介して再循環される。この流体の再循環によって、水タンク３７から消費される水が少なくなることから、水タンク３７の補充は少なくて済む。記述された如くこれらの構成要素は組み合わされて、システム６０のマイクロ流体部分６４を構成する。
【００２７】
前述したように、燃料担持流体が燃料電池スタック１２に到達すると電力が生成される。生成された電力はＤＣ−ＤＣ変換器６８に供給される。該変換器６８は生成された電圧を、携帯電話７０およびその一部として包含された再充電可能バッテリ７２および制御回路７４などの携帯電子デバイスに給電するために使用可能な電圧へと変換する。これらの構成要素は組み合わされて、システム６０の電子機器部分６６を構成する。
【００２８】
次に図４乃至図６を参照すると略断面図で示されるのは、図１および図２の本発明のメタノール・センサ３９，３９’として作用する種々の形式のメタノール濃度センサ８０，８０’，８０”である。先に記載したように、この特定発明において、センサ３９は、電気化学的反応により生成された電流もしくは電圧信号を測定する。この電流もしくは電圧信号は、脱イオン水中のメタノールの濃度に比例する。図４、図５および図６を通して、各センサ８０，８０’，８０”は、基材１４上に装着された金製集電体層８８と、カバー９２とを備える。膜電極アセンブリ８２はそのプロトン伝導性機能の故に備えられると共に、複数の電極８４，８５ならびに膜層８７を有する。電極８４，８５は、プロトン伝導性ポリマおよび無機支持体を有するかまたは有さないで、水素放出のためには白金で形成され、メタノール電解酸化のためには白金／ルテニウムで形成される。（０．８Ｖより高い）高電位においては、メタノール電解酸化のために白金が使用された。
【００２９】
図４を更に詳細に参照すると、電位差測定センサとして形成されたメタノール・センサ８０が示される。示したように、水溶液８６中のメタノールは、底部セラミック基材すなわち集電体８８を介してセンサ８０に進入する。溶液８６はアセンブリ８２の白金／ルテニウム電極８４と接触し、そこでメタノールが酸化される。生成物は次に（矢印により示したように）流動系を介して白金電極８５へと搬送され、其処で化学方程式９０に従い還元される。電子の流れは、メタノールの濃度に比例する電流として測定される。センサ８０は、電極８４にて酸化されるメタノールの量により拡散制限される。このセンサ設計態様を図１および図２のセンサ３９に用いると、電流と濃度との間における非線形の関係が見出される。
【００３０】
次に図５を参照すると、センサ８０’と参照される、センサ３９のための代替実施例が示される。図４に示された第１実施例の構成要素であって図５および図６に示された付加的実施例の構成要素と同様な全ての構成要素は、異なる実施例を示すべく夫々ダッシュ記号および二重ダッシュ記号を付して同一の番号により表されることに留意されたい。センサ８０’は被駆動モード・メタノール・センサであり、より詳細にはセンサ８０’は電流測定センサとして形成される。該センサを駆動すべく、０．８Ｖより高い電圧が印加される。上記第１実施例と同様に、水溶液８６’中のメタノールはセラミック基材８８’に形成された開孔を介してセンサ８０’に進入する。この溶液は次に、膜電極アセンブリ８２’の白金電極８４’と接触する。メタノールは次に膜８７’を介して逆側の白金電極８５’へと通過し、其処でメタノールは酸化される。空気に対するシールは、閉成された蓋部セラミック基材９２’により提供される。生成物は膜電極アセンブリ８２’を介して戻るべく拡散し、其処で水素は白金電極８４’上で酸化される。電子の流れは、メタノールの濃度に比例する電流として測定される。センサ８０’は、膜アセンブリ８２’を通過するメタノールの飽和量により拡散制限される。センサ８０’が完全に駆動されるには、該センサ８０’を駆動するために飽和電圧を使用しなければならない。この飽和電圧は、膜８７’の厚みと、アセンブリ８２’におけるセラミック基材８８’に形成される上記開孔の寸法とに基づく。このセンサ設計態様を用いると、電流と濃度との間に線形の関係が見出される。
【００３１】
次に図６を参照すると、センサ３９に対する本発明の付加的な実施形態が示されている。図６に示したように、受動モード・メタノール・センサとして形成されたセンサ８０”が示される。より詳細にはセンサ８０”は電位差測定センサとして形成されるが、この場合にセンサ８０”を駆動する上で電圧は必要とされず、また該センサは電圧信号を生成することから、受動モードで動作すると称される。前述した各実施例と同様に、水溶液８６”内のメタノールはセラミック基材８８”を介してセンサ８０”に進入する。溶液８６”は白金／ルテニウム電極８４”と接触し、其処でメタノールは酸化される。水素イオンは膜８７”を介して拡散し、其処で空気中の酸素との接触により還元される。電子の流れは、メタノールの濃度に比例する電流として測定される。センサ８０”は、カバー９２”を介して進入する空気の量により制限される。カバー９２”を介して進入する空気は、膜電極アセンブリ８２”に接触することから電子の流れを駆動する要因である。空気カソードすなわち電極８５”に対する空気の流れがセラミック基材の空気吸入層の開孔サイズにより制限されることを除き、センサ８０”は直接メタノール型燃料電池として作用する。
【００３２】
したがって、平坦面上に形成される単一個の燃料電池もしくは複数個の燃料電池を備えるとともに、燃料供給においてメタノール濃度を調整するメタノール濃度センサが一体化された、直接メタノール型燃料電池システムおよび作製方法が開示された。より詳細には、上記設計態様によれば一体化されたセンサを備えることができる。これに加え、本発明のシステムは半自給式であり、且つ配向により影響されないことから携帯式電子デバイスに対して電力を提供するなどの場合にシステムの移動を容易にすることが開示された。
【００３３】
本発明の特定実施例が図示かつ記述されたが、当業者であれば更なる改変および改良を想起し得よう。故に本発明は示された特定形態に限定されるのではなく、添付の各請求項において本発明の精神および有効範囲から逸脱しない全ての改変の網羅が企図されることは理解される。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】複数のマイクロ流体チャネルを含む単一基体部分上に形成された一体化センサを含む本発明に係る直接メタノール型燃料電池システムの略断面図。
【図２】一体化センサが形成された本発明に係る直接メタノール型燃料電池システムの代替実施例の略断面図。
【図３】本発明の前記システムを示す簡略回路図。
【図４】本発明の前記燃料電池システムに一体化されるメタノール・センサの部分略断面図。
【図５】本発明の前記燃料電池システムに一体化されるメタノール・センサの部分略断面図。
【図６】本発明の前記燃料電池システムに一体化されるメタノール・センサの部分略断面図。
【図３】
2004521442.tif 000003
【国際公開パンフレット】
2004521442.tif 000004
2004521442.tif 000005
2004521442.tif 000006
2004521442.tif 000007
2004521442.tif 000008
2004521442.tif 000009
2004521442.tif 000010
2004521442.tif 000011
2004521442.tif 000012
2004521442.tif 000013
2004521442.tif 000014
2004521442.tif 000015
2004521442.tif 000016
2004521442.tif 000017
2004521442.tif 000018
2004521442.tif 000019
2004521442.tif 000020
2004521442.tif 000021
2004521442.tif 000022
2004521442.tif 000023
2004521442.tif 000024
2004521442.tif 000025
2004521442.tif 000026
2004521442.tif 000027
2004521442.tif 000028
2004521442.tif 000029
2004521442.tif 000030
2004521442.tif 000031
2004521442.tif 000032
2004521442.tif 000033
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004521442.tif 000034
【国際調査報告】
2004521442.tif 000035
2004521442.tif 000036
2004521442.tif 000037