(57)【要約】本発明は、直接メタノール燃料電池における使用のための、プロトン伝導性膜を提供し、ここで、この膜の一部は、プロトンをこの膜のアノード面からこの膜のカソード面へと伝導し、そしてこの膜の一部は、この膜のアノード側からこの膜のカソード側へと放出し、このカソード側で、このガスは環境に排気される。本発明はまた、このプロトン伝導性膜からなり、そしてガスをこの膜のアノード側からこの膜のカソード側へと排気する、膜電極アセンブリ、燃料電池および燃料電池システムを包含する。このカソード側で、このガスは環境に排気される。
2004536419.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池のための膜電解質であって、該膜電解質は、該膜の第１の側から該膜の第２の側へとプロトンを伝導するための、第１の材料、および該膜の該第１の側から該膜の該第２の側へとガスを伝導するための、第２の材料を備える、膜電解質。
【請求項２】
前記第１の材料が、前記膜電解質の第１の領域を備え、そして前記第２の材料が、前記膜の第２の領域を備える、請求項１に記載の膜電解質。
【請求項３】
前記第１および第２の材料が、一緒に結合されている、請求項２に記載の膜電解質。
【請求項４】
前記第１および第２の材料が、互いに機械的に固定されている、請求項２に記載の膜電解質。
【請求項５】
前記第１の材料および前記第２の材料が、１片より多くの材料の上に堆積しており、そして一緒に固定されている、請求項１に記載の膜電解質。
【請求項６】
前記第１の材料が、複数の開口部を備え、そして前記第２の材料が、該複数の開口部の各々の内部に位置している、請求項１に記載の膜電解質。
【請求項７】
前記第１の材料が、水に対するかなりの親和性、かなりのプロトン伝導能力、およびかなりの酸化耐性が挙げられる特徴を有する、親水性ポリマーを含む、請求項１に記載の膜電解質。
【請求項８】
前記第１の材料が、パーフルオロスルホン置換されたポリテトラフルオロエチレンを含む、請求項１に記載の膜電解質。
【請求項９】
前記第１の材料が、ＮＡＦＩＯＮ（登録商標）−Ｔｅｆｌｏｎ（登録商標）−リンタングステン酸を含む、請求項１に記載の膜電解質。
【請求項１０】
前記第１の材料が、ＮＡＦＩＯＮ（登録商標）−リン酸水素ジルコニウムを含む、請求項１に記載の膜電解質。
【請求項１１】
前記第１の材料が、ポリエーテルエーテルケトンを含む、請求項１に記載の膜電解質。
【請求項１２】
前記第１の材料が、ポリベンゾイミダゾールを含む、請求項１に記載の膜電解質。
【請求項１３】
前記第１の材料が、ポリビニラジンフルオリドを含む、請求項１に記載の膜電解質。
【請求項１４】
前記第２の材料が、Ｚｉｎｔｅｘ（登録商標）を含む、請求項１に記載の膜電解質。
【請求項１５】
前記第２の材料が、発泡ＰＴＦＥを含む、請求項１に記載の膜電解質。
【請求項１６】
前記膜が、触媒でコーティングされている、請求項１に記載の膜電解質。
【請求項１７】
前記膜電解質の前記プロトン伝導部分が、触媒でコーティングされている、請求項１に記載の膜電解質。
【請求項１８】
前記第１および前記第２の材料が、単一層構造を実質的に形成するように組み合わせられている、請求項１に記載の膜電解質。
【請求項１９】
前記第２の材料が、前記第１の材料に沿って間隔を空けた複数の部分に分割されている、請求項１に記載の膜電解質。
【請求項２０】
前記複数の部分が、前記膜電解質の幅に実質的に延びている、請求項１９に記載の膜電解質。
【請求項２１】
前記複数の部分が、前記膜電解質の長さに実質的に延びている、請求項１９に記載の膜電解質。
【請求項２２】
前記第２の材料が、マイクロメッシュのウェブを備え、そして前記第１の材料が、該第２の材料に沿って断続的に位置する複数のストリップを備える、請求項１に記載の膜電解質。
【請求項２３】
前記第１の材料が、前記第２の材料とは別体である、請求項１に記載の膜電解質。
【請求項２４】
燃料電池のための膜であって、該膜は、該膜の第１の側から該膜の第２の側へとプロトンを伝導するための、第１の材料、ならびに排出口を備え、該排出口は、該膜の該第１の側と連絡する第１の端部、および該膜の該第２の側と連絡する第２の端部を有し、ここで、該排出口は、該第１の側から該第２の側へとガスを伝導する、膜。
【請求項２５】
燃料電池システムのための膜電極アセンブリであって、以下：
ガスを放出する、プロトン伝導性の膜電解質であって、該膜電解質は、該燃料電池システムのアノードチャンバに曝露された第１の側、および該燃料電池システムのカソードチャンバに曝露された第２の側を有し、ここで、該膜は、プロトンを伝導するための第１の材料、およびガスを放出するための第２の材料を含む、膜電解質；
該膜電解質の該第１の側の近位に位置する、第１の触媒；
該アノード電極の近位に位置する、アノードガス拡散層；
該膜電解質の該第２の側に隣接して位置する、第２の触媒；ならびに
該カソード電極の近位に位置する、カソードガス拡散層、
を備える、膜電極アセンブリ。
【請求項２６】
前記アノードガス拡散層および／または前記カソードガス拡散層が、多孔性炭素を含む、請求項２５に記載の膜電極アセンブリ。
【請求項２７】
前記多孔性炭素が、炭素繊維紙を含む、請求項２５に記載の膜電極アセンブリ。
【請求項２８】
前記多孔性炭素が、カーボン布を含む、請求項２５に記載の膜電極アセンブリ。
【請求項２９】
前記アノードガス拡散層および／または前記カソードガス拡散層が、約１５０μｍ〜４００μｍの間の厚みを有する、請求項２５に記載の膜電極アセンブリ。
【請求項３０】
前記アノードガス拡散層および／または前記カソードガス拡散層が、添加剤で処理されている、請求項２３に記載の膜電極アセンブリ。
【請求項３１】
前記添加剤がＴｅｆｌｏｎ（登録商標）を含む、請求項３０に記載の膜電極アセンブリ。
【請求項３２】
前記アノードガス拡散層および前記カソードガス拡散層の各々が、前記膜の前記第２の材料へ／該第２の材料からガスを指向するためのチャネルを備える、請求項２５に記載の膜電極アセンブリ。
【請求項３３】
燃料電池のための膜電解質を備える、燃料電池であって、該膜電解質が、ハウジング内に配置された、該膜の第１の側から該膜の第２の側へとプロトンを伝導するための、第１の材料、および該膜の該第１の側から該膜の該第２の側へとガスを伝導するための、第２の材料を備える、燃料電池。
【請求項３４】
燃料電池であって、該燃料電池は、ハウジング、および該ハウジング内に配置された膜電極アセンブリを備え、該ハウジングは、アノードチャンバおよびカソードチャンバを形成し、該膜電極アセンブリは、以下：
ガスを放出する、プロトン伝導性の膜電解質であって、該膜電解質は、該燃料電池システムのアノードチャンバに曝露された第１の側、および該燃料電池システムのカソードチャンバに曝露された第２の側を有する、膜電解質；
該膜電解質の該第１の側の近位に位置する、第１の触媒；
該アノード電極の近位に位置する、アノードガス拡散材料；
該膜電解質の該第２の側に隣接して位置する、第２の触媒；ならびに
該カソード電極の近位に位置する、カソードガス拡散材料、
を備える、燃料電池。
【請求項３５】
燃料電池システムであって、以下：
燃料送達デバイス；
液体炭素質燃料を有する燃料源であって、該源は、該燃料送達デバイスと連絡している、燃料源；
アノードチャンバであって、該アノードチャンバは、該燃料送達デバイスから燃料混合物を受容するための、入口、および該燃料送達デバイスへと未反応燃料を戻すための、出口を備える、アノードチャンバ；
カソードチャンバであって、該カソードチャンバは、酸化剤が該カソードチャンバ内に流れることを可能にするための、入口、ガス流出物を排出するための第１の出口、および該燃料送達デバイスに水流出物を指向するための、第２の出口を有する、カソードチャンバ；ならびに
該アノードチャンバと該カソードチャンバとの間に位置する、膜電解質であって、該膜電解質は、該アノードチャンバから該カソードチャンバへとプロトンを伝導するための、第１の材料、および該アノードチャンバから該カソードチャンバへとガスを伝導するための、第２の材料を備える、膜電解質、
を備える、燃料電池システム。
【請求項３６】
前記燃料源が、前記燃料電池システムの内部にある、請求項３５に記載の燃料電池システム。
【請求項３７】
前記燃料源が、前記燃料電池システムの外部にある、請求項３５に記載の燃料電池システム。
【請求項３８】
燃料電池システムであって、以下：
燃料送達デバイス；
該燃料送達デバイスと連絡している、燃料源；
アノードチャンバであって、該燃料送達デバイスから燃料混合物を受容するための入口を備える、アノードチャンバ；
カソードチャンバであって、酸化剤が該カソードチャンバ内に流れることを可能にする入口、および流出物を該カソードチャンバから排出させるための出口を備える、カソードチャンバ；ならびに
該アノードチャンバと該カソードチャンバとの間に位置する、膜電解質であって、該膜電解質は、該アノードチャンバから該カソードチャンバへとプロトンを伝導するための、第１の材料、および該アノードチャンバから該カソードチャンバへとガスを伝導するための、第２の材料を備える、膜電解質、
を備える、燃料電池システム。
【請求項３９】
前記燃料源が、前記燃料電池システムの内部にある、請求項３８に記載の燃料電池システム。
【請求項４０】
前記燃料源が、前記燃料電池システムの外部にある、請求項３８に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（発明の背景）
（発明の分野）
本発明は、有機燃料の電気化学的酸化／還元によって電気エネルギーを発生させるための、直接供給（ｄｉｒｅｃｔ  ｆｅｅｄ）燃料電池を提供し、そして特に、一体化されたガス分離を有する直接供給メタノール燃料電池に関する。
【０００２】
（先行技術）
燃料電池技術は、当該分野において周知であり、そして携帯用電源およびエレクトロニクスの適用のための、長時間にわたる電源の商業的な開発のための機会を提供する。消費者のエレクトロニクスの広いアレイのより大きな携帯性に、傾向が向くが、燃料電池技術は、携帯用電源に対する増加する要求に適うように、代替の電源を約束する。燃料電池は、潜在的に、現在、消費者エレクトロニクスに使用される種々の型の高密度バッテリー（例えば、水素化ニッケル金属およびリチウムイオンバッテリーシステム、ならびに比較的安価なアルカリバッテリー）を置換し得るか、またはこれらのバッテリーと好ましく匹敵し得る。これらの型のバッテリーは、このような消費者のエレクトロニクス（例えば、小型コンピュータおよび携帯電話）に対して満足のいく電源ではない。これは、これらの低い電力密度、短いサイクル寿命、充電可能性または費用のいずれかに起因する。さらに、これらの全ての型のバッテリーは、環境の安全性に関する懸念および適切な処分のための費用を提示する。
【０００３】
燃料電池システムは、燃料反応物（メタノールまたは水素）および酸化剤（空気または酸素）が関与する単純な電気化学的反応から発生するエネルギーを、使用可能な電気エネルギーに変換する、電気を発生させるデバイスである。「直接」型の燃料電池（ここで、燃料反応物は、事前の改変も酸化もなしに、燃料電池内に直接供給される）は、アノード電極、カソード電極、および電解質から構成され、この電解質は、イオン伝導膜であり、これが、電極を分離する。燃料反応物は、代表的に、燃料電池アノードに導入され、そして触媒層は、プロトン伝導膜と断続的に接触する。この触媒層は、燃料反応物を、酸化の結果としてプロトンと電子とに分離する、アノード電気触媒として働き、プロトンを、反応分子から放出する。アノードにおいて発生したプロトンは、イオン伝導膜を選択的に通過して、燃料電池カソードに通る。第２の触媒層（代表的に、イオン伝導膜と断続的に接触する）は、カソード電解質として働き、これは、空気または酸素によって提供される酸素分子でプロトンを還元して、水を形成する。燃料反応物分子のアノード酸化によって発生した電子は、イオン伝導膜を通過し得ず、そしてカソード電極に向かって膜の周囲を流れなければならない。この電子の流れは、燃料電池の外側の集電体プレートによって収集され、そして電気回路へと指向され、これによって、電気を発生させる。
【０００４】
従って、イオン伝導膜を通るプロトン（水素イオン）の流れ、およびカソードに向かっての電子の移動が、燃料電池において電気エネルギーを発生させる。燃料反応物および酸化剤の供給が一定に保たれる限り、この燃料電池は連続的に電気エネルギーを発生させ得、そして特定の電力出力を維持し得る。さらに、燃料電池は、燃料反応物の酸化／還元反応の副生成物として、水および二酸化炭素を生成させて、クリーンに作動する。従って、燃料電池は、潜在的に、小型コンピュータおよび携帯電話を、数時間ではなく数日間、作動させ得、一方で高密度バッテリーおよびアルカリバッテリーに付随する危険および処分の費用を減少または排除する。挑戦は、燃料電池技術を開発し、そして直接燃料電池を、消費者エレクトロニクスの適用のために、小規模すなわち「マイクロ」燃料電池の形態および作動の要件に適合するように設計することである。
【０００５】
携帯用エレクトロニクス適用のための潜在的な電源システムとしての性能および信頼度を実証する、直接燃料電池としては、直接メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）システムが挙げられ、これは、燃料反応物としてメタノールを使用し、そしてイオン伝導膜電解質を組み込む。膜電解質は、非液体の、非腐食性の電解質であって、低温での作動が可能であり、このことは、このような電解質を、静止および形態型のエレクトロニクスの適用のために商業的に魅力的にする。さらに、膜電解質は、優れた電気化学的安定性および機械的安定性を有し、そしてこれらが電解質とセパレータとの両方として機能することを可能にする、高いイオン伝導性を有する。
【０００６】
先行技術の直接メタノール燃料電池（例えば、米国特許第６，３０３，２４４号、同第５，９９２，００８号、同第５，９４５，２３１号、同第５，７７３，１６２号、同第５，５９９，６３８号、同第５，５７３，８６６号、および同第４，４２０，５４４号に開示される燃料システム）は、代表的に、パーフルオロカーボンスルホン酸（ＰＦＳＡ）イオノマー（例えば、ＮＡＦＩＯＮ（登録商標））（Ｅ．Ｉ．ｄｕＰｏｎｔ  ｄｅ  Ｎｅｍｏｕｒｓ  ａｎｄ  Ｃｏ．から市販されている）から構成される、プロトン伝導性の、カチオン交換ポリマー膜を使用する。ＤＭＦＣシステムのための膜電解質として働く、市販のＮＡＦＩＯＮ（登録商標）膜は、一般に、２５〜１７５μｍの厚みを有する。複合膜もまた市販されており、そして膜電解質として働き得る。複合膜は、均一イオノマー膜より有意に薄く、そして一般に、１０〜２５μｍの厚みを有する。このような複合膜としては、例えば、ＰＦＳＡを充填した孔隙を有する、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）マイクロメッシュ材料（Ｗ．Ｌ．Ｇｏｒｅ，Ｉｎｃ．Ｎｅｗａｒｋ，ＤＥから入手可能）が挙げられる。
【０００７】
膜電解質は、代表的に、アノード電極とカソード電極との間に挟まれており、これらの電極は、膜電解質の表面と密接に接触した、触媒層から構成される。この触媒層は、燃料反応物の電気化学的酸化／還元を触媒する電気触媒であり、ここで、アノード電気触媒は、燃料反応物から水素プロトンを解離させ、そしてカソード電気触媒は、水素イオンを酸素で還元させて、水を形成する。米国特許第５，５２３，１７７号に開示されているように、高表面積粒子（例えば、白金およびルテニウムの合金粒子）が、アノード電気触媒として通常使用される。白金／ルテニウム（Ｐｔ／Ｒｕ）合金粒子は、予め決定された比で、ガス拡散層に、膜電解質の表面と密接に接触して塗布されて、アノード触媒層４２を形成し、この層は、電気化学的酸化の部位として働く。通常のカソード電気触媒は、白金ブラック（Ｐｔブラック）であり、これは同様に、ガス拡散層に、膜電解質の反対の表面と密接に接触して塗布されて、アノード触媒層４２を形成し、この層は、電気化学的還元の部位として働く。Ｐｔ／Ｒｕアノード電気触媒およびＰｔブラックカソード電解質触媒を使用する、先行技術のＤＭＦＣシステムにおける電気化学的プロセスは、以下である：
アノード：  ＣＨ３ＯＨ  ＋  Ｈ２Ｏ  ＝  ＣＯ２  ＋  ６Ｈ＋  ＋  ６ｅ
カソード：  Ｏ２  ＋  ４ｅ  ＋  ４Ｈ＋  ＝  ２Ｈ２Ｏ
正味のプロセス：  ＣＨ３ＯＨ  ＋  ３／２  Ｏ２  ＝  ＣＯ２  ＋  ２Ｈ２Ｏ。
【０００８】
電気触媒は、代表的には、ガス拡散層と結合されるか、またはガス拡散層に取り付けられる。このガス拡散層は、代表的には、ガス拡散器およびガス分離器として作用する非触媒作用での多孔性のカーボン紙またはカーボン布から構成される。アノード電極のガス拡散層は、メタノールのアノード酸化のための効率的な水の供給を提供する。水素イオンの電気化学的還元から形成される水または水蒸気を膜電解質から除去する一方で、カソード電極のガス拡散層は、酸化剤、空気または酸素の効率的な供給を提供する。電気化学的プロセスの副生成物は、アノード電極から二酸化炭素を排出するアノード排出口、およびカソード電極から水を除去し、空気を排出するカソード排出口によって燃料電池から除去される。
【０００９】
燃料電池の外側の集電体プレートは、燃料電池ユニットを完成させ、メタノールの電気化学的酸化によって発生した電子を伝導し、収集する。集電体プレートは、代表的には、炭素複合材料またはステンレス鋼およびチタンのような金属から構成され、高い電気伝導率を示すはずである。集電体プレートはまた、反応物に対して不透過性であるべきである。集電体プレートは、双極性プレートとして構成され得るか、または反応燃料および酸化剤の効率的供給、および各電極からの空気、二酸化炭素および水の効率的除去を提供するある範囲の流れチャネルジオメトリを有する流れ領域を含み得る。
【００１０】
ＤＭＦＣシステムは、しばしば、特定の電力要求量を満たすために十分な出力密度を得るためにセルスタックを形成するように接合された多くの単一燃料電池を含む複数セル「スタック」である。電力要求量に対して必要な出力密度を提供する一方で、携帯用エレクトロニクス適用のための代替的な電源としてＤＭＦＣシステムを使用する可能性は、システム全体の大きさの減少に依存する。さらに、消費者エレクトロニクス適用のためのＤＭＦＣシステムは、積極的な加湿または冷却を行わない周囲の空気圧を含む温和な操作条件下で、電力を自己調節し発生することを可能にする開発および設計技術を必要とする。このような操作条件は、熱損失のための外部フィン、冷却のためのファンおよび加圧ガス反応物を供給するための外部フローポンプおよび十分な膜の加湿のための水のような、代表的に既存のＤＭＦＣシステムに付随した補助設備および外部移動部品の縮小または排除を必要とする。さらに、メタノール燃料を貯蔵および供給するために使用されるポンプおよびリザーバ、ならびに液体燃料電池廃液からガスを除去するために使用されるガス分離器のような周辺の機構またはシステムは、携帯用電源および消費者エレクトロニクス適用のためのＤＭＦＣシステムにおいて縮小されるかまたは排除される必要がある。
【００１１】
現在、先行技術のＤＭＦＣシステムは、代表的には、米国特許第６，３０３，２４４号、同第５，９９２，００８号、同第５，９４５，２３１号、同第５，７９５，４９６号、同第５，７７３，１６２号、同第５，５９９，６３８号、同第５，５７３，８６６号および同第４，４２０，５４４号に開示されるような、２つの基本配置、すなわちフロースルー配置および再循環配置で作動する。このフロースルー配置は、ニートなメタノールまたはメタノールおよび水の溶液のいずれかの蒸気または水性ストリームとして、燃料電池のアノード電極にメタノールを直接供給する。アノード酸化副生成物（具体的には、二酸化炭素、ならびに燃料不純物および少量の未使用メタノール）が、燃料電池からアノード排出口を通して除去される。フロースルー配置は、未使用メタノール燃料を浪費し、燃料電池上に対する需要電力（ｐｏｗｅｒ  ｄｅｍａｎｄ）の急速および／または頻繁な変化に対して、燃料供給が影響されやすくなるという欠点を有する。さらに、フロースルー配置は、燃料電池から排出されたアノード廃液を処理することに関する問題をもたらす。周辺の機構またはシステムは、燃料電池から排出されるアノード廃液を除去および廃棄するために、ＤＭＦＣシステムのフロースルー配置を必要とする。このような機構またはシステムは、携帯用のエレクトロニクス適用における使用に対して、フロースルーＤＭＦＣシステムを非実用的にする。
【００１２】
しかし、ＤＭＦＣシステムの再循環配置は、アノード電極にアノード液体を再循環させるという利点を有し、これは、未使用のメタノール燃料を貯蔵し、燃料混合物を循環するために必要とされる電力のコストで電気化学的酸化／還元プロセスによって発生するアノード廃液を含む。図１を参照して、再循環配置において作動する先行技術ＤＭＦＣシステムは、一般に、外部燃料源２および燃料電池４のアノード電極５に（代表的には、メタノールおよび水の溶液として）メタノールを供給するための送達機構３、およびカソード電源６に酸化剤として空気を供給するための外部空気供給源を備える。このアノード廃液は、メタノールのアノード酸化の副生成物（二酸化炭素および未使用メタノールを含む）を含み、一方でカソード廃液は、水素イオンおよび酸素のカソード還元の副生成物（水蒸気および空気を含む）を含む。廃液戻りラインに組み込まれたガス分離器７、８は、廃液流体からガスを除去するために使用される。アノード廃液戻りラインに組み込まれたガス分離器７は、未使用のメタノール溶液から二酸化炭素を効率的に分離し、ＤＭＦＣシステムから二酸化炭素を排出する。同様に、カソード廃液戻りラインに組み込まれたガス分離器８は、水蒸気から空気を分離し、ＤＭＦＣシステムから二酸化炭素を排出し、水が燃料送達機構３に戻ることを可能にする。
【００１３】
再循環配置を備える先行技術のＤＭＦＣシステムは、アノード廃液の処理、未使用メタノール燃料の貯蔵の問題を克服する。このような特徴は、携帯用電源および携帯用消費者エレクトロニクスにおけるＤＭＦＣシステムの使用に対して非常に有利である。しかし、先行技術ＤＭＦＣシステムの再循環配置は、再循環ループにおける補助周辺設備または外部周辺設備（具体的には、ガス分離器）を組み込まなければならず、これは、再循環ＤＭＦＣシステムを、携帯用電源およびエレクトロニクス適用に対して実現可能でないようにする。
【００１４】
それ故に、外部ガス分離器が再循環ループから除去され、副生成物ガスが燃料電池システム内の液体ストリームから除去される、再循環型直接供給メタノール燃料電池システムを提供することが所望される。
【００１５】
（発明の要旨）
本発明は、燃料電池内で起こる反応の結果として発生するプロトン（電子ではない）を伝導することに特殊化された部分、およびアノードチャンバに存在するガスを、膜を通してカソードチャンバ（ここで、ガスが周囲の環境に排気される）内に放出することに特殊化された他の部分を備える、直接的なメタノール燃料電池における使用のための膜を提供する。本発明のこの実施形態の別の局面は、上記膜の１つまたは両方の局面への触媒の適用を含む。
【００１６】
本発明の別の実施形態は、第１の実施形態の膜から作製された膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）を含み、この膜は、膜までおよび膜からの反応物および副生成物の分配を補助する２つの拡散層の間に挟まれ、そして、このアセンブリは、この膜に対向するガス拡散層の面上に配置された集電構成要素を備え、これは、アノードで発生した二酸化炭素を膜を通して放出することを可能にする。
【００１７】
本発明の第３の実施形態は、第２の実施形態のＭＥＡを使用して作製されたＭＥＡから構成される燃料電池を含み、これはハウジング内に配置され、カソードチャンバからアノードチャンバを分離する。上記アノードチャンバは、反応物の入口および出口を有し、これを通して、未使用の燃料がアノードチャンバから除去され得る。上記カソードチャンバは、酸化剤入口および酸化剤出口を有し、これらを通して、酸化剤（好ましくは、周囲の空気）は、ＭＥＡのカソード面に導入される。
【００１８】
本発明の最後の実施形態は、第３の実施形態に記載される燃料電池から構成される燃料電池システムを含み、これは、燃料の導入、燃料電池システムからの副生成物の除去、ロードへの電力の送達、および燃料電池システムの制御のための他の機能のための手段および装置を含む。このようなシステムは、アノードで発生した二酸化炭素が、膜電極アセンブリを通してカソードチャンバ（ここで、二酸化炭素が周囲の環境に排出される）内に放出されることを可能にする。
【００１９】
従って、本発明の１局面において、燃料電池のための膜電解質は、上記膜の第１の側から膜の第２の側までプロトンを伝導するための第１の材料、および上記膜の第１の側から上記膜の第２の側までガスを伝導するための第２の材料を含む。
【００２０】
本発明の別の局面において、燃料電池のための膜は、膜の第１の側から上記膜の第２の膜までプロトンを伝導するための第１の材料、ならびに膜の第１の側と連通する第１の端部および上記膜の第２の側と連通する第２の端部を有する排気口を備える。この排気口は、第１の側から第２の側までガスを伝導する。
【００２１】
本発明のなお別の局面において、燃料電池システムのための膜電極アセンブリは、燃料電池システムのアノードチャンバに曝露された第１の側および燃料電池システムのカソードチャンバに曝露された第２の側を有する、ガスを発生し、プロトン伝導性の膜電解質を含む。この膜は、プロトンを伝導するための第１の材料およびガスを発生するための第２の材料を含む。このアセンブリはまた、膜電解質の第１の側に近接して配置された第１の触媒、アノード電極に近接して配置されたアノードガス拡散層、膜電解質の第２の側に隣接して配置された第２の触媒およびカソード電極に近接して配置されたカソードガス拡散層を備える。
【００２２】
本発明のなお別の局面において、燃料電池は、膜の第１の側から膜の第２の側までプロトンを伝導するための第１の材料および膜の第１の側から膜の第２の側までガスを伝導するための第２の材料を含み、ハウジング内に配置された、燃料電池のための膜電解質を備える。
【００２３】
さらになお別の局面において、燃料電池は、ハウジング、ならびにアノードチャンバおよびカソードチャンバを形成するハウジング内に配置された膜電極アセンブリを備える。この膜電極アセンブリは、ガスを発生し、プロトン伝導性の膜電解質を備え、この膜電解質は、以下：燃料電池システムのアノードチャンバに曝露された第１の側およびこの燃料電池システムのカソードチャンバに曝露された第２の側、上記膜電解質の第１の側に近接して配置された第１の触媒、アノード電極に近接して配置されたアノードガス拡散材料、膜電解質の第２の側に隣接して配置された第２の触媒、ならびにカソード電極に近接して配置されたカソードガス拡散材料を有する。
【００２４】
本発明のさらなる局面において、燃料電池システムは、以下：燃料送達デバイス、炭素質燃料を有する燃料供給源であって、燃料送達デバイスと連通する燃料供給源、燃料送達デバイスから燃料混合物を受容するための入口および燃料送達デバイスに未反応の燃料を戻すための出口を有するアノードチャンバ、酸化剤がカソードチャンバに流れることを可能にするための入口を有するカソードチャンバ、ガス状流出物を排出するための第１の出口および燃料送達デバイスに廃水を方向付けするための第２の出口、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膜電解質であって、アノードチャンバからカソードチャンバまでプロトンを伝導するための第１の材料およびアノードチャンバからカソードチャンバまでガスを伝導するための第２の材料を含む膜電解質を備える。
【００２５】
本発明のなお別の局面において、燃料電池システムは、以下：燃料送達デバイス、この燃料送達デバイスと連通する燃料供給源、この燃料送達デバイスから燃料混合物を受容するための入口を有するアノードチャンバ、カソードチャンバに酸化剤が流れることを可能にするための入口およびカソードチャンバから外に廃液を排出するための出口を有するカソードチャンバ、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膜電解質であって、アノードチャンバからカソードチャンバまでプロトンを伝導するための第１の材料およびアノードチャンバからカソードチャンバまでガスを伝導するための第２の材料を含む、膜電解質、を含む。
【００２６】
本発明のよりよい理解のために、図面が参照され、これらは本明細書中で参考として援用される。
【００２７】
（好ましい実施形態の詳細な説明）
以下に記載される本発明の例示的な実施形態は、有機燃料反応物および酸化剤の電気化学的な酸化／還元を通して電気エネルギーを生成するための直接供給燃料電池システムを提供する。より詳細には、本発明は、メタノールのような有機燃料の電気化学的酸化、および空気のような酸化剤の電気化学的還元を通して電気エネルギーを生成するための直接供給メタノール燃料電池システムに関する。
【００２８】
この直接供給メタノール燃料電池システムは、再循環配置において作動し得、燃料反応物から排ガスを分離するプロトン伝導膜電解質を備える。１つの実施形態において、本発明は、プロトン伝導性材料およびガス分離材料の複合材料として構成されたプロトン伝導性膜電解質を提供する。しかし、当業者は、本発明に従う実施形態は直接供給メタノール燃料電池に限定されず、むしろ、有機燃料反応物および酸化剤の電気化学的酸化／還元から電気エネルギーを発生する他の燃料電池システムにおいても使用され得ることを理解する。当業者はまた、本明細書中に開示される本発明がまた、種々のシステムおよび構築物に使用され得ることを理解する。
【００２９】
本発明の実施形態は、図１〜７を参照して記載され、これらは、実施形態を例示する目的のために提供され、特許請求の範囲を限定することは意図されない。
【００３０】
図２を参照して、本発明の第１の実施形態は、メタノールおよび水の溶液のような有機燃料反応物ならびに周囲の空気のような酸化剤の電気化学的酸化／還元から電気エネルギーを発生するための直接供給燃料電池システム１０を提供する。直接供給燃料電池システム１０は、アノードチャンバ２０、カソードチャンバ３０およびこのアノードチャンバ２０とカソードチャンバ３０との間に配置された膜電極アセンブリ４０を有する燃料電池外側ハウジング１２を備える。このアノードチャンバ２０は、アノードチャンバ２０内に燃料反応物を導入するためのアノード入口２２を備える。このアノード入口２２は、燃料供給源２６からアノード入口２２へ燃料反応物を送達する送達機構２４に接続される。このアノードチャンバ２０はまた、アノードチャンバ２０から未使用の燃料反応物または酸化していない燃料反応物を除去するために、アノード廃液出口２８を備える。このアノード廃液出口２８は、アノードチャンバ２０への再循環のためのアノード廃液戻りライン２９によって送達機構２４に酸化していない燃料反応物を戻す。この膜電極アセンブリ４０は、アノードで発生した二酸化炭素をアノードチャンバ２０からカソードチャンバ３０へ放出する。カソードチャンバ３０は、二酸化炭素および他の副生成物（例えば、空気、水蒸気および不純物）を、カソードチャンバ３０から、燃料電池システム１０に対して外側の雰囲気に排出するための、カソード廃液排出口３６を備える。このカソードチャンバ３０はまた、外部供給源３４からカソードチャンバ３０まで酸化剤を送達するためのカソード入口３２を備える。戻り供給ライン３９は、カソードチャンバ３０内に発生する水を輸送するために、そしてアノードチャンバ２０に燃料反応物を再循環のための送達機構２４に水を戻すために、カソードチャンバ３０に接続され得る。
【００３１】
図２が示すように、本発明の燃料電池システム１０の第１の実施形態は、再循環配置で作動し、それによって、燃料反応物は、燃料反応物をアノードチャンバ２０に送達し、アノードチャンバ２０への再循環のために送達機構２４に酸化していない燃料反応物を戻す閉鎖型ループによって保存される。燃料電池システム１０によって発生する水は、カソードチャンバ３０から水を除去し、アノードチャンバ２０まで燃料反応物を再循環するための送達機構２４に水を戻す閉鎖型ループによって保存される。燃料反応物の酸化から発生する二酸化炭素は、膜電極アセンブリ４０によって、カソードチャンバ３０に放出され、このカソードチャンバ３０で、二酸化炭素がカソード廃液排出口３６を介して排気される。図１に示される先行技術の燃料電池システムにおいて使用されるような、アノードチャンバ２０から二酸化炭素を除去するためのアノード排出口の必要性は排除され、それによって本発明の直接供給燃料電池システム１０の複雑性を低減する。
【００３２】
図３〜４を参照して、燃料電池システム１０の膜電極アセンブリ４０は、アノードガス拡散層４４、アノード触媒層４２、ガスを分離するプロトン伝導性膜電解質８０、カソード触媒層４６、およびカソードガス拡散層４８から構成される。アノードガス拡散層４４およびアノード触媒層４２は、アノード側４１上で膜電解８０と接触しており、そしてカソード触媒層４６およびカソードガス拡散層４８は、カソード側３１上で膜電解質８０と接触しており、その結果、膜電解質８０は、アノード触媒層４２とカソード触媒層４６との間に挟まれ、そしてこの膜電解質８０および触媒層４２、４６は、アノードガス拡散層４４とカソードガス拡散層４８との間に挟まれる。
【００３３】
図２および図３を参照して、第１の実施形態の直接供給燃料電池システム１０において使用される燃料反応物は、炭化水素燃料（メタノールを含むがこれに限定されない）のような有機燃料である。メタノールは、蒸気としてか、またはニートのメタノールもしくはメタノールおよび水の溶液のいずれかの直接供給液体流として、燃料電池システム１０に供給され得る。他の炭化水素燃料（例えば、エタノール、エチレングリコールであるがこれらに限定されない）は、蒸気または液体状態のいずれかで燃料電池システム１０に供給されて、本発明の燃料電池システム１０で使用され得る。第１の実施形態の直接供給燃料電池システム１０において使用される酸化剤は、好ましくは周囲空気または加圧空気のいずれかとして供給される空気である。他の酸化剤（例えば、限定されないが、酸素または過酸化水素）は、本発明の燃料電池システム１０で使用され得る。例示の目的のために、この第１の実施形態は、燃料反応物としてメタノールおよび水の溶液の直接供給液体流および酸化剤として周囲空気を参照して記載される。
【００３４】
メタノールおよび水の燃料溶液は、燃料源２６（例えば、限定されないが、燃料レザバ、燃料カートリッジ、または燃料電池ハウジング１２の外部表面に脱着可能に連結されるかもしくは燃料電池システム１０に組み込まれるその他の収容デバイス）から膜電極アセンブリ４０に送達されるか、あるいは燃料電池システム１０の外部の源から供給される。メタノールおよび水の溶液は、送達機構２４によりアノード入口２２に送達され、この送達機構２４としては、燃料反応物をアノード入口２２に供給するための、ポンプデバイスまたはサイホンデバイスが挙げられるが、これらに限定されない。メタノールおよび水の溶液は、アノード入口２２を通ってアノードチャンバ２０へと流れ、ここでこのメタノールおよび水の溶液は、アノードチャンバ２０中、および膜電極アセンブリ４０へと導入される。図３に示されるように、このメタノールおよび水の溶液は、特定のジオメトリーを有する流れ領域２５を有するアノード伝導プレート２３により、アノードチャンバ２０全体にわたって分配される。この流れ領域のジオメトリーは、直接供給燃料電池システム１０の操作の間に、膜電極アセンブリ８０へのメタノールおよび水の溶液の効率的な分配を提供するのに役立つ。流れ領域２５のジオメトリーとしては、特定のパターンに配置された複数のフローチャネルまたは特定の形状の単一のフローチャネル（例えば、図３に示されるような、蛇行したフローチャネル）が挙げられ得るが、これらに限定されない。流れ領域２５のジオメトリーは、アノード伝導プレート２３の全体にわたって効率的に延びている。アノード伝導プレート２３は、電気伝導性材料（例えば、限定されないが、炭素複合材料、グラファイト、またはステンレス鋼を含むがこれに限定されない多数の金属）から構築される。流れ領域２５のジオメトリーは、アノード伝導プレート２３を機械加工するか、またはアノード伝導プレート２３が構築される材料と適合性の、当該分野で周知の方法により流れ領域２５を形成することにより達成される。
【００３５】
メタノールおよび水の溶液は、膜電解質８０のアノード側４１に導入される。アノード触媒層４２およびアノードガス拡散層４４は、アノード側４１の膜電解質８０の第１表面上に配置される。このアノードガス拡散層４４は、メタノールおよび水の溶液が直接燃料電池システム１０の操作の間、膜電極アセンブリ４０を通って効率的に分配されることを確実にするのに役立つ。
【００３６】
アノードガス拡散層４４は、当該分野で周知の多孔性の炭素繊維紙および／またはカーボン布から構築され、これらとしては、ＴＯＲＡＹ（登録商標）紙またはＥ−ＴＥＫ（登録商標）クロス（Ｓｏｍｍｅｒｓｅｔ，ＮＪのＥ−Ｔｅｋ，Ｉｎｃ．，Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  ｏｆ  ＤｅＮｏｒａ  Ｎ．Ａ．，Ｉｎｃから入手可能）が挙げられるが、これらに限定されない。構成材料に依存するが、アノードガス拡散層４４は、一般的に約１５０μｍ〜約４００μｍの範囲の厚さを有する。アノードガス拡散層４４は、当該分野で周知の添加剤でさらに処理され得る。これらの添加剤は、アノードガス拡散層４４の拡散または他の特性を有効に増大させ、例えば、防湿用のＴＥＦＬＯＮ（登録商標）であるが、これに限定されない。
【００３７】
アノード触媒層４２は、高い表面積の触媒合金粒子（例えば、白金粒子（Ｐｔ）または白金およびルテニウムの合金粒子（Ｐｔ／Ｒｕ）の混合物）を含む。この電気触媒粒子は、アノードガス拡散層４４または膜電解質８０のいずれかの上にロードされて、電気触媒として作用する。Ｐｔ／Ｒｕ合金粒子は、当該分野で周知であり、金属微粉末の形態で「担持されていない」粒子としてか、または「担持された」粒子のいずれかとして提供される。この「担持された」粒子としては、高い表面積の粒子上に分散された電気触媒粒子（例えば、限定されないが、Ｂｏｓｔｏｎ，ＭＡのＣａｂｏｔ  Ｉｎｃ．から入手可能なＶｕｌｃａｎ  ＸＣ−７２Ａ）が挙げられる。アノード触媒層４２は、一般的に約５μｍ〜約１５μｍの範囲の厚さを有する。あるいは、アノード触媒層４２は、その他の伝導性／反応性高表面積粒子または粒子複合材料（例えば、限定されないが、Ｐｔ／Ｒｕ／オスミウムの組合せ）から構築され得る。このような代替の構成材料は、アノード電極の白金をロードするレベルを低下させるのに適切であり、それゆえにアノード電極の費用を低減する。
【００３８】
アノード触媒層４２は、代表的にアノードガス拡散層４４上または膜電解質８０の第１表面上のいずれかにロードされる。このアノードガス拡散層４４は、膜電解質８０の第１表面に熱プレスされて、アノード電極４２の有効な性能のために十分な接触を達成する。このアノード触媒層４２は、電気触媒として作用し、そしてメタノールおよび水の溶液が電気化学的酸化を受ける部位であり、ここで、水素イオンは、以下：
ＣＨ３ＯＨ  ＋  Ｈ２Ｏ  ＝  ＣＯ２  ＋  ６Ｈ＋  ＋  ６ｅ
のようにメタノールから解離される。
【００３９】
カソード触媒層４２およびカソードガス拡散層４８は、カソード側３１の膜電解質８０の第２表面上に配置される。このカソード触媒層４２は、カソードガス拡散層４８、または膜電解質８０の第２表面に適用される。このカソードガス拡散層４８は、膜電解質８０の第２表面に対して熱プレスされて、カソード触媒層４２の有効な性能のために十分な接触を達成し得る。ガス拡散層電極４８は、直接燃料電池システム１０の操作の間、膜電極アセンブリ４０を通って空気が効率的に分配されるのを確実にするために役立つ。さらに、カソードガス拡散層４８は、水および二酸化炭素のような副生成物が水素イオンおよび酸素の電気化学的還元から生成した場合に、カソード電極から水および二酸化炭素を効率的に除去するのに役立つ。カソードガス拡散層４８は、同様に、当該分野で周知の多孔性材料から構築され、これらの材料としては、炭素繊維紙（例えば、ＴＯＲＡＹ（登録商標）紙）および／またはカーボン布（例えば、Ｅ−ＴＥＫ（登録商標）クロス）が挙げられるが、これらに限定されない。ガス拡散層４８は、構成材料に依存して、一般的に約１５０μｍ〜約４００μｍの範囲の厚さを有する。このカソードガス拡散層４８は、当該分野で周知の添加剤でさらに処理され得、これらの添加剤は、カソードガス拡散層４８の拡散または他の特性を有効に増加させる。
【００４０】
カソード触媒層４２は、担持するカーボンブラックの表面上に堆積された白金合金粒子を含み、そして一般的に約５μｍ〜約１５μｍの範囲の厚さを有する。カソード電極４６は、電気触媒として作用し、そして水素イオンおよび酸素が電気化学的還元を受ける部位であり、ここで、水素イオンは、以下：
３／２Ｏ２  ＋６ｅ  ＋６Ｈ＋  ＝  ３Ｈ２Ｏ
のように、酸素分子と共に還元される。
【００４１】
図３〜５を参照して、第１の実施形態のガス分離プロトン伝導性膜電解質８０は、第１の材料５０と第２の材料５２との複合材料であり、ここでこの第２の材料５２は、アノードで生成したガス（ａｎｏｄｉｃａｌｌｙ  ｇｅｎｅｒａｔｅ）を、膜電解質８０と一体化された排出口へと放出する。この第１の材料５０は、この膜電解質８０を横切ってプロトン（水素イオン）を伝導するが、電子は伝導しない。一方、第２の材料５２は、膜電解質８０を通してガス（例えば、二酸化炭素）を分離し、伝導する。この膜電解質８０の第１および第２の材料５０、５２は、直接供給燃料電池システム１０の操作の間のアノードチャンバ内のメタノールおよび水の溶液の反応から、それぞれ選択的にプロトンおよび二酸化炭素を分離する。
【００４２】
メタノールは、上記のようにアノード触媒層４２において酸化され、そして水素イオンと二酸化炭素に解離する。膜電解質８０のプロトン伝導性の第１の材料５０は、アノード電極からカソード電極へと水素イオンを伝導する。水素イオンは、カソード電極において酸素と共に還元を受けて、カソードチャンバ３０において水を形成する。ガスを分離する第２の材料５２は、メタノール／水液体流がアノード電極を通過する際に、この酸化するメタノール／水の液流からアノードの二酸化炭素を効率的に分離または除去する。二酸化炭素は、膜電解質８０のガスを分離する第２材料５２を通って、他の経路も可能であるが代表的にはカソードチャンバ３０へと伝導される。二酸化炭素は、続いてカソードチャンバ３０から、直接供給燃料電池システム１０の外部の大気へと、カソード流出排出口３６により排気される。膜電解質８０を横切るアノード二酸化炭素の輸送、および続くカソード流出排出口３６を通る直接供給燃料電池システム１０からのアノード二酸化炭素の除去は、アノードチャンバ２０においてアノード流出排出口がアノード電極から二酸化炭素を排気する必要性を排除する。
【００４３】
カソード流出排出口３６を通してカソードチャンバ３０からアノードの二酸化炭素を排気することはまた、アノード流出戻りライン２９において外部ガス分離器がアノード流体流出物から二酸化炭素を除去する必要性を排除する。排気のために酸化するメタノールおよび水の溶液からカソードチャンバ３０へと二酸化炭素を除去して伝導することにより、複合膜電解質８０は、直接供給燃料電池システム１０の外部周囲装置または構成要素の大きさを低減し、それにより、再循環構成の直接供給燃料電池システム１０を製造および操作する複雑さおよび費用を低減する。さらに、複合膜電解質８０はまた、酸化されていないメタノールおよび水の溶液を、アノード流出物から回収し、そしてアノードチャンバ２０へと再循環し、それにより、直接供給メタノール燃料電池システム１０の全体的な再循環構成を単純化する一方で、燃料反応物を節約することを可能にする。
【００４４】
第１の実施形態の膜電解質８０のプロトン伝導性の第１の材料５０は、限定されないが、水に対する高い親和性、高いプロトン伝導容量および優れた酸化耐性を有する親水性ポリマーから構築される。このプロトン伝導性の第１の材料５０はまた、水素イオンを輸送する能力を有し、一方でその他の望ましくないイオンおよび分子は拒絶する。このプロトン伝導性の第１の材料５０としては、限定されないが、ペルフルオロスルホン置換ポリテトラフルオロエチレン（例えば、ｄｕＰｏｎｔから市販されているイオノマーＮＡＦＩＯＮ（登録商標））が挙げられ得る。ＮＡＦＩＯＮ（登録商標）は、当該分野で周知の魅力的なプロトン伝導性ポリマーであり、しばしば、直接供給メタノール燃料電池システムにおいて膜電解質として使用される。ＮＡＦＩＯＮ（登録商標）は、メタノール燃料電池の化学的環境に対する高い耐性、高い機械的強度、および予測可能な寸法変化を有する。第１の実施形態の直接供給燃料電池システム１０での使用に適切な他の膜電解質材料としては、ＮＡＦＩＯＮ（登録商標）−ＴＥＦＬＯＮ（登録商標）−ホスホタングステン酸（ＮＰＴＡ）およびＮＡＦＩＯＮ（登録商標）−リン酸水素ジルコニウム（ＮＺＨＰ）が挙げられるが、これらに限定されない。
【００４５】
膜電解質８０のガスを分離する第２の材料５２は、限定されないが、有機燃料反応物から二酸化炭素を放出する高い能力および膜電解質８０を通して二酸化炭素をカソードチャンバ３０へ伝導する高い透過性を有する疎水性ポリマーから構築される。この第２の材料５２の疎水性ポリマーとしては、Ｎｅｗａｒｋ，ＤＥのＷ．Ｌ．Ｇｏｒｅ＆Ａｓｓｏｃｉａｔｅｓから入手可能なＺＩＮＴＥＸ（登録商標）が挙げられ得るが、これに限定されない。
【００４６】
ＮＡＦＩＯＮ（登録商標）のような比較的高価なプロトン伝導性ポリマーを備える膜電解質８０の高い製造費用に起因して、他のポリマー変形物または材料が、膜電解質の大容量製造に伴う高い費用を低減するために、膜電解質８０のプロトン伝導性の第１の材料５０として、単独または組み合わせて使用され得る。プロトン伝導性の第１の材料５０が構築され得る代替の材料としては、ポリビニラジン（ｐｏｌｙｖａｎｉｌａｄｉｎｅ）フルオリド（ＰＶＤＦ）が挙げられるが、これに限定されない。
【００４７】
図４〜５を参照して、膜電解質８０は、プロトン伝導性の第１の材料５０の少なくとも第１の部分およびガスを放出する第２の材料５２の少なくとも第２の部分の構成において複合材料として構築され、ここでこの第１および第２の部分は、同一平面で接触しており、単層の基本構造を形成する。図４〜５に示されるように、第１の実施形態の１つの変形において、複合膜電解質８０は、第１の材料５０の２つ以上の部分と、同一平面において第１の材料の各部分の間に交互に配置された第２の材料５２の２つ以上の部分とから形成されて、単層の基本構造を形成する。図４〜５に示されるように、第２の材料５２は、第１の材料５０の隣接する部分の間に縞模様として組み込まれ得、膜電解質８０の全体的な形状および寸法に依存して、膜電解質８０全体の長さまたは幅のいずれかにわたる。複合膜電解質における第２の部分に対する第１の部分の全体的な寸法の比は、システムおよび使用される燃料の特徴に依存する。
【００４８】
第１および第２の材料５０、５２は、互いに対して異なる関係で構成されるかまたは方向付けられて、複合膜電解質８０の代替の構成または基本構造を形成し得る。図６を参照して、第１の実施形態の別の変形において、複合膜電解質８０は、ガスを分離する疎水性の材料（例えば、ＴＥＦＬＯＮ（登録商標））のウェブまたはマイクロメッシュ基本構造を形成する第２の材料５２を含み得、ここで、プロトン伝導性で親水性の第１の材料５０（例えば、ＮＡＦＩＯＮ（登録商標））のストリップまたは「縞（ｓｔｒｉｐｅ）」が、第２の材料５２と共に組み込まれるか、または第２の材料５２と共に作製されて、選択的伝導性の複合膜電解質８０を形成する。
【００４９】
第１の実施形態の膜電解質８０は、一般的に、アノード電極とカソード電極との間に挟まれた、燃料電池システム１０内の中心位置に配置される。
【００５０】
膜電解質８０の全体的な寸法は、直接供給燃料電池システム１０の用途、製造形態の要因、および直接供給燃料電池システム１０の構成に依存する。膜電解質８０の表面積（セルの表面積）は、一般的には、特定の電力適用に必要な電力密度（Ｗ／ｃｍ２）に依存して、約１０ｃｍ２〜約１００ｃｍ２の範囲である。燃料電池表面積（ｃｍ２）は、直接供給燃料電池システム１０により生成される電流を決定する。本発明の直接供給メタノール燃料電池システム１０は、１以上の他の直接供給燃料電池システム１０と結合されて、多重セルシステムまたはスタックを形成し、特定の電気エネルギーの要求を満たすのに必要な電力密度を達成し得る。例えば、約１０ｃｍ２の全セル表面積を有する単一燃料電池システム１０は、特定の電気出力に十分な電力密度を提供しないかもしれない。しかし、３つ〜５つの単一の燃料電池システム１０（それぞれが１０ｃｍ２の全セル表面積を有する）が結合されて、複数のセルの全表面積が３０ｃｍ２〜５０ｃｍ２である多重セルシステムを形成し、直接燃料電池システム１０により提供される全体の電力および電圧を効率的に増加させる。
【００５１】
図７を参照して、本発明の第２の実施形態は、２つの膜のイオン伝導性電解質６０を有する直接供給燃料電池システム１０を提供する。この２つの膜のイオン伝導性電解質６０は、第１の材料から構築されるプロトン伝導性膜６１、および第１の膜６１と第２の膜６２を隔離するガスケット６３を備える第２の材料から構築されるガス放出膜６２を備える。プロトン伝導性膜６１の第１の材料は、限定されないが、アノード電極６４からカソード電極６５への酸化燃料反応物の液体流から生じるプロトン（水素イオン）を伝導する特性を有する親水性ポリマーである。ガス放出膜６２の第２の材料は、限定されないが、酸化燃料反応物の液体流から二酸化炭素を分離する特性、およびアノード電極６４からカソード電極６５へ二酸化炭素を伝導する特性を有する疎水性ポリマーである。
【００５２】
図７に示されるように、直接供給燃料電池システム１０の操作の間、液体燃料反応物（例えば、メタノールおよび水の溶液）は、アノード伝導プレート６６の流れ領域６７を通り、そしてアノード電極６４を通過する。メタノールおよび水の溶液からのプロトン（電子ではない）が伝導される。プロトンは、プロトン伝導性膜６１を通ってカソード電極６５へと伝導される。メタノールおよび水の溶液が、ガス放出膜６２を備えるアノード電極６４の領域を通過して循環する際に、気体の二酸化炭素は、ガス放出膜６２により、酸化するメタノールおよび水の溶液から分離されるかまたは除去される。ガス放出膜６２により除去された二酸化炭素は、アノード電極６４からカソード６５まで伝導される。十分な量の酸化剤（例えば、周囲空気または加圧空気）は、カソード導体により形成される流れ領域６８を介して導入される。さらに、流れ領域６８は、放出された二酸化炭素が、ガス放出膜６２を含むカソード電極６５の領域から出るための経路を提供し、そしてプロトン伝導性膜６１を含むカソード電極６５の領域から、酸素を伴う水素イオンの還元により形成される水を除去する。空気、二酸化炭素、および水蒸気は、カソードガス流出排出口７０により直接供給燃料電池システム１０から続けて排気される。カソードチャンバおよび／または流れ領域のジオメトリーは、二酸化炭素が、外へ出るカソードフロー中に排出されるようにされ得る。
【００５３】
本発明の他の実施形態において、図８〜１０に示されるように、ガスを分離するプロトン伝導性の膜電解質１２２は、第２の材料１２６を収容するための複数の開口部１２４ａを有する第１の材料１２４を含む。この開口部および第２の材料は、ガス放出部分を共に形成する。第２の材料１２６は、膜電解質１２２と一体化されたガス分離器またはガス排出口として作用して、ガス（例えば、二酸化炭素）を分離および伝導し、そして第１の材料１２４は、膜電解質１２２を横切ってプロトン（水素イオン）を伝導する特性を有する。膜電解質１２２の第１の材料１２４および第２の材料１２６は、直接供給燃料電池システムの操作の間に、膜のアノード面に液体流を導入する際に、メタノールおよび水の溶液から、それぞれプロトンおよび二酸化炭素を選択的に分離する。
【００５４】
本発明のこの実施形態の新規な特徴は、ガスを放出する速度および／またはプロファイルをカスタマイズできることである。具体的には、開口部１２４ａの数、ならびにそれらの大きさおよび形状は、種々の速度および／またはプロファイルでガスを放出するように設計され得る。さらに、この実施形態の設計および操作により、アノードチャンバにおける二酸化炭素気泡の融合および／または蓄積が回避される。この気泡の融合および／または蓄積は、反応を制限し得、したがって燃料電池の効率を制限し得る。
【００５５】
第１および第２の材料は、同時押し出し成型により、または当業者に周知の他の方法を使用して、製造され得る。あるいは、開口は、ダイを用いて第１の材料から穿孔され得、そして第２の材料は適切な接着剤で付加されるか、または機械的に固定されるか、他の方法で装着される。
【００５６】
燃料チャンバ内の膜電解質のアノード面上の静水圧は、ガス種、特に酸素がカソードチャンバからアノードチャンバに入るのを防ぎ、そして二酸化炭素が膜電解質のカソード面を介して外に出るのを促進する。あるいは、他の設計およびプロファイルを使用して、カソードチャンバからアノードチャンバへと膜電解質を介して反応物および副生成物が拡散するのを制限し得る。各々のガス放出部分は、製造に使用される方法に関わらず、膜電解質を通して二酸化炭素を放出する能力を増大するように設計され得る。このような設計は、第２の材料のドームまたはスパイクを有するガス放出構成要素を形成することを包含するか、または開口部および／もしくは第２の材料のサイズおよび形状に、任意のさらなる第３の寸法構成要素を加えることによる。
【００５７】
図１０に示されるように、ガス拡散層１２８は、膜電解質１３２の表面トポグラフィー１３０に対応する（相補的（ｃｏｍｐｌｉｍｅｎｔａｒｙ）である）ように設計され得る。膜電解質１３６とガス拡散層１２８との間の隙間１３４は、二酸化炭素を、この膜のガス放出部分１３８へと放出する。さらに、このガス拡散層は、上に位置付けられたチャネル（示さず）か、またはこのチャネル内で特異的に二酸化炭素をガス放出部分へと方向付けるチャネルを備え得る。このようなチャネルは、ガス拡散膜上にそれらをエンボス加工するか、または当業者に公知のほかの方法を使用することにより形成され得る。
【００５８】
本発明の少なくとも１つの例示的な実施形態をこのようにして記載してきたが、種々の変更、改変、および改良が、当業者に容易に想到される。このような変更、改変および改良は、本発明の範囲および本質内であることが意図される。したがって、前述の記載は、例示としてのみであり、限定を意図しない。本発明の限定は、添付の特許請求の範囲およびそれらの等価物でのみ規定される。
【図面の簡単な説明】
【図１】
図１は、先行技術の直接供給メタノール燃料電池システムの概略図である。
【図２】
図２は、本発明の直接供給メタノール燃料電池システムの第１の実施形態の概略図である。
【図３】
図３は、第１の実施形態のアノード電極、カソード電極およびイオン伝導膜電解質の電気化学的プロセスの断面概略図である。
【図４】
図４は、アノード電極およびカソード電極を有する第１の実施形態の膜電解質の断面斜視図である。
【図５】
図５は、第１の実施形態の膜電解質の断面側面図である。
【図６】
図６は、第１の実施形態の膜電解質の別のバージョンの斜視図である。
【図７】
図７は、本発明の第２の実施形態の２つの膜電解質の斜視図である。
【図８】
図８は、本発明の第４の実施形態に従う膜電解質の斜視図である。
【図９Ａ】
図９Ａは、本発明の第４の実施形態に従う膜電解質の別の斜視図である。
【図９Ｂ】
図９Ｂは、本発明の第４の実施形態に従う膜電解質のなお別の斜視図である。
【図１０】
図１０は、本発明の第５の実施形態に従う膜電解質およびガス拡散膜の斜視図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図７】
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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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