JP2008515166A - 燃料源、燃料電池、及び燃料電池の作動方法 - Google Patents

Abstract

燃料源、燃料電池、及び燃料電池の作動方法を開示する。一態様では、本発明は、燃料浸透性物質から実質的に作製されたハウジングと、前記ハウジング内の燃料とを包含する、燃料電池用の燃料源を特色とする。

Description

本発明は、燃料源、燃料電池、及び前記電池の作動方法に関する。

燃料電池は、典型的に２つ以上の反応体間の電気化学反応から、電気エネルギーを提供できる装置である。一般に燃料電池は、アノード及びカソードと呼ばれる２つの電極と、電極間に配置された固体電解質とを包含する。アノードはアノード触媒を含有し、カソードはカソード触媒を含有する。膜電解質のような電解質は、典型的にイオン的に伝導性であるが、電子的に非伝導性である。電極及び固体電解質は、２つのガス拡散層（ＧＤＬｓ）間に配置され得る。

燃料電池の作動中、反応体は適切な電極に導かれる。アノードでは、反応体（単数又は複数）（アノード反応体（単数又は複数））は、アノード触媒と相互作用して、イオン及び電子のような反応中間体を形成する。イオン反応中間体は、アノードから電解質を通ってカソードへ流れることができる。一方、電子は、アノードから、アノード及びカソードに電気的に接続している外部負荷を通ってカソードへ流れる。電子が外部負荷を通って流れると、電気エネルギーが提供される。カソードでは、カソード触媒は、別の反応体（単数又は複数）（カソード反応体（単数又は複数））、アノードで形成された前記中間体、及び電子と相互作用して、燃料電池反応を完結する。

例えば、直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）と呼ばれることもある燃料電池の一種では、アノード反応体としてはメタノール及び水が挙げられ、カソード反応体としては酸素（例えば空気から）が挙げられる。アノードでは、メタノールが酸化され；そしてカソードでは、酸素が還元される：
ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋６Ｈ^＋＋６ｅ⁻（１）
３／２Ｏ_２＋６Ｈ^＋＋６ｅ⁻→３Ｈ_２Ｏ（２）
ＣＨ_３ＯＨ＋３／２Ｏ_２→ＣＯ_２＋２Ｈ_２Ｏ（３）
式（１）に見られるように、メタノールの酸化は、二酸化炭素、プロトン、及び電子を生成する。プロトンは、アノードから電解質を通ってカソードへ流れる。電子は、アノードから外部負荷を通ってカソードへ流れ、それにより電気エネルギーを提供する。カソードでは、プロトン及び電子が酸素と反応して水を形成する（式２）。式３は、全体的な燃料電池反応を示す。

本発明は、燃料源、燃料電池、および前記電池の作動方法に関する。

一態様では、本発明は、燃料浸透性物質から実質的に作製されたハウジングと、前記ハウジング内の燃料とを包含する、燃料電池用の燃料源を特色とする。

実施形態は、以下の特徴のうち１つ以上を包含してよい。燃料浸透性物質は、少なくとも約０．００１ｇ／ｈｒ・ｃｍ^２の燃料浸透性を有する。燃料浸透性物質は、液体非燃料種に対してまたは気体非燃料種の気圧（atm）当たり約１０^−３ｇ／ｈｒ・ｃｍ^２以下の非燃料浸透性を有する。燃料浸透性物質は複数の層を包含する。燃料浸透性物質は、第２層の燃料浸透性とは異なる燃料浸透性を有する第１層を包含する。燃料浸透性物質は、第２層の多孔性とは異なる多孔性を有する第１層を包含する。燃料浸透性物質は、フルオロカーボンポリマー、変性ポリエチレン、変性ポリプロピレン、ポリカーボネート、ポリイミド、ポリスルホン、ポリスルフィド、ポリウレタン、ポリエステル、ポリシリコーン、ポリ（１−トリメチルシリル−１−プロピン）、およびポリ（４−メチル−２−ペンテン）から成る群より選択される。燃料浸透性物質は、ハウジングの外部表面積の少なくとも約６０％、例えば少なくとも約８０％を画定する。

ハウジングは、その容積を変えることが可能であり得る。ハウジングは、燃料浸透性物質の第１層と、空洞を画定するように前記第１層と結合された燃料浸透性物質の第２層とを包含し得る。ハウジングは、燃料電池の電極の表面積に実質的に相当する初期表面積を有する部分を包含し得る。ハウジングは、角柱体または立方体であり得る。ハウジングは、燃料浸透性物質から成ることができる。燃料源は、更に、ハウジングの内部と流体連通する感圧性弁を包含し得る。ハウジングは、感圧性弁を画定することができる。ハウジングは、選択的な折り畳み部分を包含することができる。

燃料は、液体またはゲルの状態であり得る。燃料はメタノールを包含することができる。

別の態様では、本発明は、燃料浸透性で非燃料不浸透性の物質から専ら作製された折り畳み式ハウジングと、前記ハウジング内の燃料とを包含する、メタノールをエネルギー源とする燃料電池用の燃料源であって、前記燃料がメタノールを含んでなる、前記燃料電池用の燃料源を特色とする。

実施形態は、以下の特徴のうち１つ以上を包含してよい。燃料浸透性で非燃料不浸透性の物質は、少なくとも約０．００１ｇ／ｈｒ・ｃｍ^２の燃料浸透性を有する。燃料浸透性で非燃料不浸透性の物質は、液体非燃料種に対してまたは気体非燃料種の気圧（atm）当たり約１０^−３ｇ／ｈｒ・ｃｍ^２以下の非燃料浸透性を有する。燃料浸透性で非燃料不浸透性の物質は、フルオロカーボンポリマー、変性ポリエチレン、変性ポリプロピレン、ポリカーボネート、ポリイミド、ポリスルホン、ポリスルフィド、ポリウレタン、ポリエステル、ポリシリコーン、ポリ（１−トリメチルシリル−１−プロピン）、およびポリ（４−メチル−２−ペンテン）から成る群より選択される。前記ハウジングが、燃料電池の電極の表面積に実質的に相当する初期表面積を有する部分を含んでなる、請求項２１に記載の燃料。燃料源は、更に、ハウジングの内部と流体連通する感圧性弁を包含する。ハウジングは、選択的な折り畳み部分を包含する。燃料浸透性で非燃料不浸透性の物質は、複数の層を包含する。

燃料は、液体またはゲルの状態であり得る。

もう一つの態様では、本発明は、アノード、カソードおよび電解質を含んでなる燃料電池と、前記燃料電池と連結するように構成された燃料源とを包含する燃料電池システムであって、前記燃料源が燃料浸透性で非燃料不浸透性の物質から実質的に作製された折り畳み式ハウジングと、前記ハウジング内の燃料とを具備してなる、前記燃料電池システムを特色とする。

実施形態は、以下の特徴のうち１つ以上を包含してよい。燃料浸透性で非燃料不浸透性の物質は、液体非燃料種に対してまたは気体非燃料種の気圧（atm）当たり少なくとも約０．００１ｇ／ｈｒ・ｃｍ^２の燃料浸透性と、約１０^−２ｇ／ｈｒ・ｃｍ^２以下の非燃料浸透性とを有する。燃料浸透性で非燃料不浸透性の物質は、フルオロカーボンポリマー、変性ポリエチレン、変性ポリプロピレン、ポリカーボネート、ポリイミド、ポリスルホン、ポリスルフィド、ポリウレタン、ポリエステル、ポリシリコーン、ポリ（１−トリメチルシリル−１−プロピン）、およびポリ（４−メチル−２−ペンテン）から成る群より選択される。ハウジングは、燃料電池のアノードの表面積に実質的に相当する初期表面積を有する部分を包含する。ハウジングは、燃料浸透性で非燃料不浸透性の物質から成る。前記システムは、更に、ハウジングの内部と流体連通する感圧性弁を包含する。燃料は、液体またはゲルの状態のメタノールを包含する。システムは、更に、燃料源を担持しかつ燃料電池と嵌合するように構成された支持体を包含する。

別の態様では、本発明は、燃料電池のアノードを、燃料浸透性で非燃料不浸透性の物質から実質的に作製されたハウジングからの燃料と接触させることを包含する、燃料電池の作動方法を特色とする。

実施形態は、以下の特徴のうち１つ以上を包含してよい。前記方法は、更に、ハウジングを折り畳むことを包含する。前記方法は、更に、選択的な折り畳み部分に沿ってハウジングを折り畳むことを包含する。前記方法は、更に、ハウジングから圧力を抜くことを包含する。

本発明の他の態様、特徴、及び利点は、図面、説明、及び請求項から明らかであろう。

図１を参照すると、直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）システムのような燃料電池システム２０が示されている。燃料電池システム２０は、燃料電池スタック２２；燃料入口２６を介して燃料電池スタックと流体連通する燃料システム２４；燃料出口２８；燃料電池スタックと流体連通するカソード反応体（例えば、空気）入口３０；およびカソード反応体出口３２を包含する。明確にするため、燃料電池スタック２２は、１つの燃料電池３４（以下に記載）を有するように示されているが、他の実施形態では、燃料電池スタックは、例えば直列又は並列に配列された、複数個の燃料電池を包含する。簡潔に言えば、燃料電池３４は、アノード３６、カソード３８、及びアノードとカソードとの間の電解質４０を包含する。燃料電池３４は、更に、電解質４０とアノード３６とカソード３８とのアセンブリの両側に１つ配置された、２つのガス拡散層（ＧＤＬ）４２および４４も包含する。

図２を参照すると、燃料システム２４は、燃料電池スタック２２に気相燃料を供給するように構成される。示すように、燃料システム２４は、支持体部材４６（例えば、カートリッジ）と、支持体部材に収容された燃料源４８とを包含する。図３も参照すると、燃料源４８は、閉じたハウジングを画定する１つ以上の（示すように、２つの）実質的に燃料浸透性の膜５０と、ハウジング内の燃料５２（例えば、メタノールを包含する燃料）とを包含する。前記膜５０は、可撓性を有しかつ変形可能であって、このことにより、燃料５２が膜に浸潤して、反応のために燃料電池３４へ流れるように、使用中に燃料源４８を変形させることが可能になる。より具体的には、燃料源４８は、燃料５２が使用中に使い尽くされるように容積を折り畳むことができ、このことが燃料電池システム２０の性能を向上することができる。

例えば、燃料源４８は使用中に折り畳むことができるため、膜からアノードの方へ広がる有害な影響が軽減できる。燃料電池システムの幾つかの実施形態では、燃料システム２４は、膜がアノードと間隔をあけて隣接するように、燃料電池スタックまたは燃料電池と連結する。例えば、膜がアノードの方へ広がらないかまたはアノードと接触しないように燃料源４８を折り畳ませることによって、燃料電池システムの性能と鋭敏に関連する可能性がある、アノードと膜との間の空間が、実質的に維持される。加えて、アノードと膜との間の空間を維持することは、燃料電池の性能に害を及ぼす可能性もある、アノードと膜との間での凝縮された流動体（例えば、水）の取り込みを低減できる。

燃料源４８の変形する能力は、燃料源の性能の、燃料源および／または燃料電池システム２０の配向性への依存を軽減することもできる。例えば、図２を参照すると、燃料５２が使用中に消費されるにつれて、燃料源４８は、膜５０が燃料と接触し続けるように、それ自体を折り畳むかまたは容積を縮小させることができる。結果として、膜５０を通過する燃料５２の、燃料電池３４への拡散（例えば、浸透）は、燃料と膜との間の境界面が燃料消費中に不変であり得るため、比較的安定であり続けることが可能である。燃料供給速度は、例えば、燃料を気体容積によって膜（単数または複数）と分離させることに比べて、燃料５２の表面積を燃料浸透性膜（単数または複数）５０に接触させることによっても増進される。加えて、燃料源４８の性能は、燃料源がどのように配向されているかに関わらず燃料５２が膜５０と接触しつづけるため、その配向とは無関係である可能性があり、そのことは燃料の容積に準拠し得る。その配向性とは無関係に、正確にかつ規則正しく作動する燃料源４８の能力は、燃料源に、使用中に移動または再配置される場合がある装置内で用いられる多用性を与える。

相対的に、燃料源４８の膜５０が外部の非燃料種の浸透を許容し、そして燃料源が燃料消費中に折り畳まれない場合は、その後、燃料５２が燃料源から外へ拡散しかつ気体が燃料源内に拡散するので、気体容積（例えば、気泡）が燃料源の中で作り出される可能性がある。気体容積は、燃料源が燃料電池に対してどのように配向されるかに応じて、燃料源の性能に影響を及ぼし得る。例えば、図２を更に参照すると、燃料電池が（図２に示すような）燃料源の下にある場合、その後、燃料拡散は、燃料５２から膜５０を通過して燃料電池へ向かう。燃料電池が（図２に示すような）燃料源の上にある場合、その後、燃料拡散は燃料５２から気体容積を介して（気体容積が燃料よりも密度が小さいと仮定して）、膜５０を通過して燃料電池へ向かう。燃料電池が（図２に示すような）燃料源の側面にある場合、その後、気体容積の寸法に応じて、燃料５２から燃料電池への燃料拡散は、気体容積に影響される場合がある。特に、気体容積が、燃料電池と隣接する膜５０の一部と接触している場合、その後、気体容積が燃料電池への燃料の拡散通路にあるために、燃料拡散は気体容積に影響され得る。従って、燃料源内の気体容積の存在は、その配向に応じて、燃料源の性能を変える可能性がある。

前述のように、膜５０は、実質的に燃料浸透性である。比較的高い燃料浸透性は、高い燃料供給速度を提供することができる。また、実質的に膜（単数または複数）５０から燃料源４８を形成することによって、燃料５２は、燃料浸透性物質の比較的大きな表面積と接触することができ、そのことが燃料供給速度を更に増進させ得る。幾つかの実施形態では、膜５０は、３０℃において約０．００１ｇ／ｈｒ・ｃｍ^２〜約２ｇ／ｈｒ・ｃｍ^２の燃料浸透性を有する。例えば、燃料浸透性は、３０℃において約０．００１、０．０５、０．１０、０．２５、０．５０、０．７５、１．００、１．２５、１．５０、もしくは１．７５ｇ／ｈｒ・ｃｍ^２以上；および／または３０℃において約２、１．７５、１．５０、１．２５、１．００、０．７５、０．５０、０．２５、０．１０、もしくは０．０５ｇ／ｈｒ・ｃｍ^２以下であり得る。

加えて、幾つかの実施形態では、膜５０は、実質的に非燃料不浸透性である。膜５０の非燃料不浸透性は、非燃料が燃料源４８へ侵入することによって、燃料５２を希釈しおよび／または燃料源を膨張させる（これらはいずれも、燃料電池の性能を低下させる可能性がある）のを制限する。非燃料の例としては、いずれかの残留空気の構成成分（例えば、窒素および酸素）、アノードに関して発生した二酸化炭素、および水が挙げられる。膜５０は、液体非燃料に対して（または気体非燃料種の気圧（atm pressure）当たり）約１×１０^−３ｇ／ｈｒ・ｃｍ^２以下、例えば、約１×１０^−４ｇ／ｈｒ・ｃｍ^２未満、約１×１０^−５ｇ／ｈｒ・ｃｍ^２未満、または、約１×１０^−６ｇ／ｈｒ・ｃｍ^２未満の非燃料浸透性を有することができる。例えば、実質的に４×１０^−５ｇ−ＣＯ_２／ｈｒ・ｃｍ^２気圧（atm）−ＣＯ_２未満の二酸化炭素浸透性は、３０ｍＷ／ｃｍ^２で作動する、等しい膜面積および電解質面積を有する２０％効率のメタノール型燃料電池の放電中に気泡の形成を防止することができる。

膜５０は、ポリマー類を包含することができる（例えば、専らポリマーから形成され得る）。ポリマーの例としては、フルオロカーボンポリマー類、変性ポリエチレン類（例えば、グラフト化ポリエチレン類）、変性ポリプロピレン類（例えば、グラフト化ポリプロピレン類）、ポリカーボネート類、ポリイミド類、ポリスルホン類、ポリスルフィド類、ポリウレタン、ポリエステル類、およびポリシリコーン類が挙げられる。特に、ポリジメチルシリコーン（ＰＤＭＳ）およびポリ（トリメチル）シリルプロピン類（ＰＴＭＳＰ）は、非燃料の比較的低い取り込みで、高い燃料供給速度を提供することができる。ポリウレタン類（例えば、ディアフィールド・ウレタン社（Deerfield Urethane, Inc.）（マサチューセッツ州ウェイトリー（Whately））からの２５．４μｍ（１ミル）厚）は、高い供給速度、燃料放出中の屈曲または折り畳み能力、および低い気体透過性を提供できる。加えて、前記材料は、熱接着の影響を受けやすい可能性があり、そのことを用いて燃料源４８を製作することができる。幾つかの実施形態では、ポリマー（単数または複数）は、例えば燃料輸送を可能にするように、連結された連続的な孔の網状組織を有する多孔性であり得る。

幾つかの実施形態では、膜５０は、膜の性能を高めるために１つ以上の添加物を包含することができる。例えば、ポリマーを包含する膜は、前記ポリマーを可塑化するかまたは他の機械的特性を提供することが可能な添加物を包含して、燃料源４８の組み立て（例えば、製作および取り扱い）を向上させることができる。添加物の例としては、高分子量（非揮発性）グリコール類、並びに柔軟性および製造し易さを可能にするように機械的特性に影響を及ぼし得るその他の可塑剤添加物類が挙げられる。他の実施形態では、添加物を有さないことが、膜５０を通過する燃料の拡散（例えば、浸透気化）を増進できる。

幾つかの実施形態では、膜５０は、非ポリマーを包含することができる。例えば、膜５０は、紙などのセルロースを包含することができる。他の例としては、例えば、コネチカット州ファーミントン（Farmington）のモット社（Mott Corporation）による焼結３１６ステンレス鋼膜などの金属シート類、金属箔類、あるいは炭素層類を包含する、燃料浸透性の多孔性膜類が挙げられる。

膜５０の合計厚さは、例えば、膜の特定の材料（単数または複数）、標的とされる燃料の浸透性、標的とされる非燃料の不浸透性、および／または標的とされる燃料電池の性能に依存し得る。幾つかの実施形態では、厚さの下限は、均一で且つ実質的に無欠陥の（例えば、実質的に穴の無い）膜を提供するように選択される。厚さの上限は、体積要件のために（例えば、特定の容量内に貯蔵できる燃料の量を最大限にするために）存在して、燃料が使い尽くされるにつれて膜が折り畳めるように可撓性を提供する。膜５０は、約１００ナノメートル〜約２００マイクロメートルの合計厚さを有することができる。

膜５０は、１つの均質な材料、または１つの材料もしくは様々な材料の複数の層を包含することができる。一例として、複合膜構造体は、ＰＴＭＳＰを包含する比較的多孔性の部分（例えば、厚さの点から主要な層として）と、ＰＴＭＳＰを包含する比較的緻密な部分（例えば、主要な層上に配置される層）とを包含して、水よりもメタノールに対する選択性を提供することができる。複合膜構造体は、膜５０に選択性を与えることができ、そのことは、燃料源４８への透水性がメタノール活性、ひいては燃料供給速度に及ぼす可能性がある影響を軽減するのに有益であり得る。ＰＴＭＳＰなどの多孔性でかつ緻密なポリマー類は、メンブラン・テクノロジー・リサーチ社（Membrane Technology Research, Inc.）（カリフォルニア州メンロ・パーク（Menlo Park））から市販されている。複合膜構造体の例は、例えば、「化学工業における膜技術（Membrane Technology in the Chemical Industry）」、Ｓ．Ｐ．ヌーンズ（S.P. Nunes）およびＫ．−Ｖ．パインマン（K.-V. Peinemann）編、ワイリー−ＶＣＨ（Wiley-VCH）、２００１年、１４９〜１５１頁に記載されている。

燃料源２４は、２つ以上の膜５０を合わせて接着してハウジングを形成することによって形成できる。例えば、膜５０は合わせて、接着剤を用いて、または熱シールすること（ホットプレート加圧成形、金型周辺の溶融、および／またはレーザー接着）によって、接着することができる。ハウジングは、意図される燃料電池システムと共に使用するために構成されたいかなる形状にも形成できる。例えば、図４〜６を参照すると、燃料源２４は、角柱構造体（図４）、立方構造体（図５）、または円形構造体（図６）を形成するように、合わせて接着される複数の膜５０を包含することができる。幾つかの実施形態では、ハウジングは、例えば、射出成形によって形成される、１つの一体成形膜５０を包含することができる。

ハウジングは、専ら膜（単数または複数の）５０から成ることができ、またはハウジングは、部分的に膜（単数または複数の）から作製されることができる。後者の選択は、燃料源４８からあらゆる外側方向への燃料の浸透を防止するのに使用できる。例えば、燃料源４８の１つ以上の壁は、外部カートリッジ・ハウジングの一部によって、または燃料電池システム内の配列によって遮断されてよい。外部の障害物は、局所的に浸透した燃料蒸気がアノードへ達するのを防止する場合がある。従って、燃料源４８から到達し難い領域への燃料の浸透を防ぐために、燃料源の１つ以上の区分を、燃料および非燃料種に対して不浸透性であり得る材料から製作することができる。更に、前記材料が可撓性であれば、非浸透性区分（単数または複数）は、燃料源４８の折り畳み能力を提供するかまたはそれに寄与することができる。幾つかの実施形態では、ハウジングの表面積の少なくとも約２５％（例えば、少なくとも約３０％、少なくとも約４０％、少なくとも約５０％、少なくとも約６０％、少なくとも約７０％、少なくとも約８０％、もしくは少なくとも約９０％）は、膜（単数または複数）５０で画定される。ハウジングの残りの表面積は、燃料および非燃料種に対して実質的に不浸透性で、かつ恐らく可撓性であるように選択される材料、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、およびこれらまたは他の材料の変性コポリマー類で画定することができる。

幾つかの実施形態では、図７を参照すると、燃料源４８は、膜５０中に形成された１つ以上の選択的な折り畳み部分５４（示すような、折り目の列（crease lines））を包含する。選択的な折り畳み部分５４は、例えば、燃料源の耐用期間中、実質的に固定された燃料浸透作用領域を保持しながら、燃料源を予め定められた方法で折り畳むことによって燃料源４８の容積収縮を高める。選択的な折り畳み部分５４は、膜５０の一部を取り除くことによって、例えば、機械的に脆弱化すること、薄くすること（例えば、エキシマレーザーを用いて）、および／またはスクライビングによって、形成できる。

ハウジングを形成した後、燃料電池スタック２２に燃料を気体状態で提供することが可能な燃料５２を、ハウジングに入れる（例えば、注入される）ことができる。アルコール（例えばメタノール及び／もしくはエタノール）又は炭化水素を包含するもののような燃料５２は、スタック２２に気体燃料を提供するのに十分な蒸気圧を有する液体又はゲルの状態（例えば、非気体状態）であり得る。燃料ゲルは、純粋で高濃度の気相燃料分子を放出し得る粘稠物質（例えば、約５×１０^−５〜約２００Ｐａ・ｓ（約０．０５〜約２００，０００センチポアズ））である。粘度は、例えば約１０、２５、５０、１００、もしくは１５０Ｐａ・ｓ（約１０，０００、２５，０００、５０，０００、１００，０００、もしくは１５０，０００センチポアズ）以上；及び／又は約２００、１５０、１００、５０、もしくは２５Ｐａ・ｓ（約２００，０００、１５０，０００、１００，０００、５０，０００、もしくは２５，０００センチポアズ）以下であり得る。燃料ゲル組成物の一例は、燃料（例えば、メタノール）；希釈剤（例えば、脱イオン水）；増粘剤（例えば、カーボポール（Carbopol）ＥＺ−３（酸性で、疎水変性された、架橋ポリアクリレート粉末））；及び中和剤（例えば、トリイソプロパノールアミン）を包含する。他の燃料ゲルは、カーボポール（Carbopol）レオロジー変性剤（ＢＦグッドリッチ（BF Goodrich）製）の使用例を説明しているノベオン（Noveon）からの文献に記載されており；及び調理用燃料（例えば、ステルノ（Sterno）から入手可能であり、及びノベオン（Noveon）により処方例が列記されている）に例示される。液体燃料としては、純粋なメタノール、またはメタノールおよび水並びに／もしくは非燃料構成成分としてのゲル化剤を包含する溶液を挙げることができる。燃料５２は、エタノール、エチレングリコール、および／またはギ酸などの添加物類、並びに燃料構成成分を包含することができる。幾つかの実施形態では、燃料５２は、供給速度を最大にしかつ過剰な非燃料容積および質量を最小限に抑えるために約９０重量％を超えるメタノールを含有するが、約２０重量％を超える非燃料構成成分（単数または複数）を用いて、燃料電池を強化することもできる。

支持体部材４６は、燃料源４８を担持し、かつ意図される燃料電池システムと連結するように構成されたいかなる形状でもあり得る。例えば、図２に示すように、支持体部材４６は、燃料電池システムと嵌合すること（例えば、スナップ嵌め）ができる交換可能なカートリッジであり得る。その他の実施形態では、図８を参照すると、支持体部材４６は、支持体部材が燃料源４８と隣接する（例えば、接触する）場所と、支持体部材が燃料電池と隣接する場所との間に流体連通を提供する１つ以上の溝７０を包含し得る。溝７０は、燃料電池と、燃料源４８の一部（複数）との間に拡散通路を提供し、それ以外の点では、支持体部材４６（例えば、支持体部材の側壁）によって閉鎖される。あるいは、または更に、図９を参照すると、燃料源４８の側面からの燃料供給を増進するために、支持体部材４６の燃料源を固定する部分（例えば、内部側壁）は、ギザギザであり得、その縁は燃料源に穴が開くのを防止するために平滑化されている。

図１を参照すると、燃料電池３４の一例がここに描かれている。燃料電池３４は、電解質４０、電解質の第１面に接合されたアノード３６、及び電解質の第２面に接合されたカソード３８を包含する。電解質４０、アノード３６およびカソード３８は、ガス拡散層（ＧＤＬｓ）４２及び４４の間に配置される。

電解質４０は、電子の流れに対する実質的な抵抗性を備えると同時に、イオンがその中を流れるのを許容できるべきである。ある実施形態では、電解質４０は、固体ポリマープロトン交換膜（例えば、スルホン酸基を含有する固体ポリマー）等の固体ポリマー（例えば、固体ポリマーイオン交換膜）である。このような膜は、商標ナフィオン（NAFION）としてＥ．Ｉ．デュポン・ド・ヌムール社（E.I. DuPont de Nemours Company）（デラウェア州ウィルミントン（Wilmington））から市販されている。あるいは、電解質４０は、Ｗ．Ｌ．ゴア＆アソシエイツ（W. L. Gore & Associates）（メリーランド州エルクトン（Elkton））から入手可能な市販製品ゴア−セレクト（GORE-SELECT）からも調製できる。

アノード３６は、メタノール及び水と反応して、二酸化炭素、プロトン及び電子を形成することができる、触媒のような物質から形成され得る。このような物質の例としては、例えば、白金、白金合金（例えば、Ｐｔ−Ｒｕ、Ｐｔ−Ｍｏ、Ｐｔ−Ｗ、又はＰｔ−Ｓｎ）、カーボンブラック上に分散された白金が挙げられる。さらにアノード３６は、アノードがプロトンを導くのを許容する、アイオノマー性材料のような電解質（例えばナフィオン（NAFION））も包含できる。あるいは、懸濁液は、固体電解質４０と向き合うガス拡散層（以下に記載）の表面に適用され、その後、懸濁液は乾燥される。さらにアノード３６の調製方法は、結合を達成するための圧力及び温度の使用を包含してもよい。

カソード３８は、酸素、電子及びプロトンと反応して水を形成することができる、触媒のような物質から形成され得る。このような物質の例としては、例えば、白金、白金合金（例えば、Ｐｔ−Ｃｏ、Ｐｔ−Ｃｒ、又はＰｔ−Ｆｅ）、およびカーボンブラック上に分散された貴金属類が挙げられる。さらにカソード３８は、カソードがプロトンを導くのを許容する、アイオノマー性材料のような電解質（例えばナフィオン（NAFION））を包含することができる。カソード３８は、アノード３６に関する前述のように調製することができる。

ガス拡散層（ＧＤＬｓ）４２及び４４は、気体及び液体の両方を透過し得る物質から形成することができる。ＧＤＬｓの例は、マサチューセッツ州ナティック（Natick）のエテック（Etek）、カリフォルニア州ヴァレンシア（Valencia）のＳＧＬ、及びミズーリ州セントルイス（St. Louis）のゾルテック（Zoltek）などの、様々な会社から入手可能である。ＧＤＬｓ４２及び４４は、導電性であり得るので、アノード３６からアノード流場プレート（flow field plate）（図示せず）へ、及びカソード流場プレート（図示せず）からカソード３８へ、電子が流れることができる。

使用方法を包含する、直接メタノール型燃料電池および燃料電池システムの他の実施形態は、例えば、同一出願人による米国特許出願第（U.S.S.N.）１０／７７９，５０２号（２００４年２月１３日出願、および名称「燃料電池（Fuel Cell）」）；「燃料電池システムの説明（Fuel Cell Systems Explained）」、Ｊ．ララミニー（J. Laraminie）、Ａ．ディックス（A. Dicks）、ワイリー（Wiley）、ニューヨーク、２０００年；「直接メタノール型燃料電池：２０世紀の電気化学の夢から２１世紀の先端技術へ（Direct Methanol Fuel Cells: From a Twentieth Century Electrochemist’s Dream to a Twenty-first Century Emerging Technology）」、Ｃ．ラミー（C. Lamy）、Ｊ．リーガー（J. Leger）、Ｓ．スリニヴァサン（S. Srinivasan）、電気化学の最新の問題（Modern Aspects of Electrochemistry）、第３４号、Ｊ．ボックリス（J. Bockris）ら編、クルワー・アカデミック／プレナン・パブリッシャーズ（Kluwer Academic / Plenum Publishers）、ニューヨーク（２００１年）、５３〜１１８頁；並びに「携帯機器用小型燃料電池の開発（Development of a Miniature Fuel Cell for Portable Applications）」、Ｓ．Ｒ．ナラヤナン（S. R. Narayanan）、Ｔ．Ｉ．ヴァルズ（T. I. Valdez）およびＦ．クララ（F. Clara）、直接メタノール型燃料電池（Direct Methanol Fuel Cells）内、Ｓ．Ｒ．ナラヤナン（S. R. Narayanan）、Ｓ．ゴッテルフェルド（S. Gottesfeld）およびＴ．ツァウォジンスキ（T. Zawodzinski）、編者ら、電気化学会予稿集（Electrochemical Society Proceedings）、２００１−４（２００１年）、ニュージャージー州ペニントン（Pennington）に記載されており、いずれも本明細書に参照として組み込まれる。

燃料電池システム２０の作動中、燃料システム２４からの燃料５２は、アノード３６へ導入され、カソード反応体（例えば、空気）はカソード３８へ導入されて、前述のようにそれぞれの酸化および還元反応から電気的エネルギーが生成される。特に、燃料５２が膜（単数または複数）を通過して蒸発および浸透してアノード３６へ拡散するにつれて、燃料源４８は、燃料容積の減少に合わせて変形する。この変形は、配向依存性が低いかまたはそれを全く有しない均一な方法で燃料５２を供給することができることによって、燃料電池システム２０の性能を高めることができる。

特定の実施形態を記載してきたが、本発明はこのように限定されない。

例えば、図１０を参照すると、幾つかの実施形態では、支持体部材４６は、支持体部材の全体および燃料源４８と燃料電池との間に広がるスクリーンまたはメッシュ８０を包含することができる。スクリーン８０は、燃料源４８が、例えば燃料電池のアノードと、接触するのを制限することができる。

あるいはまたは更に、図１１を参照すると、燃料システム２４は、燃料電池システムを使用していないときに燃料システムから燃料電池への燃料の流れを部分的にまたは完全に削減する（例えば、隔離する）１つ以上の抑制機構を包含することができる。抑制機構は、燃料５２の望ましくない損失、並びにアノード室内で堆積しかつ電解質４０を横切って移動して寄生損失（それによる、実行時間の縮小）およびカソード３８での混成電位（それによる、出力の低下）を生じさせるのを制限することができる。抑制機構の一例は、支持体部材の全体および燃料源４８と燃料電池との間に広がる感圧性弁９０（示すような、ポリマー膜から作製されたスリット弁）である。感圧性弁は、（例えば、堆積された燃料蒸気との）圧力差があるときに自動的に開くことができ、そして圧力差が無くなると（例えば、燃料が排出されると）閉じる。感圧性弁は、例えば米国特許出願第（U.S.S.N.）１０／２３６，１２６号（２００２年９月６日出願）に記載されている。

幾つかの実施形態では、燃料源４８は、支持体部材を用いずに使用することができる。

以下の実施例は、例示であって、限定しようとするものではない。

実施例１
この実施例は、液体メタノール燃料源の作製および蒸気供給ＤＭＦＣ内での放出を例示する。

燃料源またはポケットを、マサチューセッツ州ウェイトリー（Whately）のディアフィールド・ウレタン社（Deerfield Urethane, Inc）からの２５．４μｍ（１ミル）厚のポリウレタンの約１４．５ｃｍ^２（２．２５インチ^２）を用いて組み立てた。四角形のポケットの辺は、３辺をインパルスシーラー（Impulse Sealer）（アメリカン・インターナショナル・エレクトリック（American International Electric）製ＡＩＥ−２００型）を用いて熱ボンド加工して、２．２６ｇの純粋な（neat）メタノールを充填し、その後、最後の縁を塞ぐことによって閉じた。

次に、燃料ポケットを単一セル蒸気供給ＤＭＦＣの中に、特に燃料蒸気がアノードに到達できるようにアノードと隣接する閉じた空洞内に配置した。セルの膜電解質アセンブリは、ナフィオン（Nafion）(登録商標)高分子電解質膜（デラウェア州ウィルミントン（Wilmington）のＥ．Ｉ．デュポン・ド・ヌムール社（E.I. DuPont de Nemours Company）から市販されている）、Ｐｔ／Ｒｕアノード、および電極活性面積５ｃｍ^２のＰｔカソードを包含した。セルは、０．１８Ｖまでの周期的な掃引を含んでなる０．３Ｖの放電に付した後、開回路状態にした。燃料電池を「仰向け」にして、すなわち、燃料ポケットを前記電池の下にして、２０時間運転させた。運転中、制御された周囲条件を用いた：２６℃および湿度３０％。実験完了後、ポケット内には液体がほとんど（＜０．５ｇ）残っていなかった。ポケット容積は、残っている少量の液体と一致して、実質的に減少した。この観察は、燃料ポケット内の気体の望ましい排出を示した。図１２は、２０時間の定電位作動中の放電曲線（時間対出力密度）を示す。

実施例２
この実施例は、ゲル化メタノール燃料を有する燃料源またはポケットの作製を例示する。

それぞれがおよそ７．６２ｃｍ×３．８１ｃｍ（３．０×１．５インチ）（４．５インチ^２または２９０ｃｍ^２）の、４つの別個の燃料ポケットを、インパルスシーラー（Impulse Sealer）（アメリカン・インターナショナル・エレクトリック（American International Electric）製ＡＩＥ−２００型）を用いて熱ボンド加工して、過度の量の予め作製されたゲル化メタノールを充填した。マサチューセッツ州ウェイトリー（Whately）のディアフィールド・ウレタン社（Deerfield Urethane, Inc.）からの２５．４μｍ（１ミル）厚のポリウレタンフィルムの７．６２ｃｍ×７．６２ｃｍ（３．０×３．０インチ）シートを半分に折り畳んで７．６２ｃｍ×３．８１ｃｍ（３×１．５インチ）の矩形を形成し、そしてポケットの作製を開始するように２つの縁を封止した。ポケットの両端は、３．８１×３．８１ｃｍ（１．５×１．５インチ）のパネル２枚で封止した。過度の量の予め作製されたゲル化メタノール燃料を、開いた縁から入れて、ポケットに最大容量まで充填した。（ゲル化燃料は、カーボポール（Carbopol）ＥＺ−３約１．６６重量％、ＮａＯＨ０．０４％、およびメタノール９８．３０重量％から構成した。）ポケットの最後の縁を、空気の取り込みを最小限に抑えるように注意しながら封止した。充填されたポケットの高さは、平坦な表面に置き、広げて、平らにしたとき、約０．７６〜１ｃｍ（０．３〜０．４インチ）であった。

実施例３
この実施例は、非燃料浸透性物質を実質的に包含する燃料源の作製を例示する。

半可撓性の立方構造体は、可撓性で折り畳み可能な実質的にメタノール不浸透性の材料である１２７μｍ（５ミル）厚のポリエチレンシート２枚から、インパルスシーラー（Impulse Sealer）（アメリカン・インターナショナル・エレクトリック（American International Electric）製ＡＩＥ−２００型）を用いて熱封止した。得られた立方体の平坦な面それぞれの寸法は、４．５×４．５ｃｍ（１−３／４×１−３／４インチ）であった。

その他の実施形態では、立方体は、燃料電池アノードへの燃料蒸気漏れのための面切欠を包含することができる。切欠部分は、開けたままにしておくか、あるいは配向非依存性のために、燃料浸透性および燃料不浸透性の区分の縁を熱又は機械的に封止することによって燃料浸透性膜で覆うことができる。

実施例４
この実験は、液体メタノール燃料ポケットの機械的堅牢性および封止一体性を例示する。

２つの別個の燃料ポケットをインパルスシーラー（Impulse Sealer）（アメリカン・インターナショナル・エレクトリック（American International Electric）製ＡＩＥ−２００型）を用いて組み立てて、過度の量の液体メタノールを充填した。マサチューセッツ州ウェイトリー（Whately）のディアフィールド・ウレタン社（Deerfield Urethane, Inc.）からの２５．４μｍ（１ミル）厚のポリウレタンフィルムのおよそ１０．１６×７．６２ｃｍ（４×３．０インチ）のシート２枚をそれぞれ半分に折り畳んで５．０８×３．８ｃｍ（２×１．５インチ）の矩形を形成し、ポケットの作製を開始するように２つの縁をそれぞれ封止した。ポケットの両端は、３．８×３．８ｃｍ（１．５×１．５インチ）のパネル２枚で封止した。過度の量の液体メタノール燃料を、開いた縁から入れて、ポケットに最大容量まで充填した。直立させたまま、空気の取り込みを最小限に抑えるようにポケットの最後の縁を液面で締め付けて封止した。平坦な表面に載せて、各液体ポケットを、およそ１．２７ｃｍ（０．５インチ）の高さおよびおよそ５．０８×７．６ｃｍ（２×３インチ）の面積にセルフレベリングした（self-leveled）。

封止一体性を定性的に確認するために、各ポケットを、乾燥したティッシュペーパー上に幾つかの異なる配向で、およそ数秒の持続時間、載せておいた。各ポケットを持ち上げたとき、液体の痕跡は観られず、ポケットからメタノール液体の漏れが無視できるほどであることを示した。時間が経つと、ポケットの寸法は、膜表面からのメタノール蒸気の浸透に起因して縮小した。

機械的堅牢性を定性的に確認するために、ポケットのうち一方を、０．９ｍ（３フィート）を超える垂直距離から落下させて、乾燥ティッシュペーパー上に載せることによって漏れを再試験した。再びポケットを持ち上げたとき、液体の痕跡は観られず、液体メタノールの漏れがないことを示した。

特許出願、特許公報、及び特許のような、本明細書にて言及された全ての参考文献は、その全体を参照として組み込まれる。

燃料電池システムの一実施形態の概要図。 燃料源および支持体を包含する燃料カートリッジの一実施形態の透視図。 燃料源の一実施形態の斜視図。 角柱形燃料源の一実施形態の斜視図。 立方形燃料源の一実施形態の斜視図。 円形燃料源の一実施形態の斜視図。 選択的な折り畳み線を有する燃料源の一実施形態の斜視図。 支持体部材の一実施形態の透視図。 支持体部材の一実施形態の斜視図。 スクリーンを有する支持体部材の一実施形態の斜視図。 抑制機構を有する支持体部材の一実施形態の斜視図。 出力密度対時間を表す放電曲線。

Claims (43)

1. 燃料電池用の燃料源であって、
   燃料浸透性物質から作製されたハウジング；および
   前記ハウジング内の燃料を具備してなる、燃料源。
2. 前記ハウジングがその体積を変化させることが可能である、請求項１に記載の燃料源。
3. 前記燃料浸透性物質が、少なくとも約０．００１ｇ／ｈｒ・ｃｍ^２の燃料浸透性を有する、請求項１に記載の燃料源。
4. 前記燃料浸透性物質が、液体非燃料種に対してまたは気体非燃料種の気圧（atm）当たり約１０^−３ｇ／ｈｒ・ｃｍ^２以下の非燃料浸透性を有する、請求項１に記載の燃料源。
5. 前記燃料浸透性物質が複数の層を具備してなる、請求項１に記載の燃料源。
6. 前記燃料浸透性物質が、第２層の燃料浸透性とは異なる燃料浸透性を有する第１層を具備してなる、請求項５に記載の燃料源。
7. 前記燃料浸透性物質が、第２層の多孔性とは異なる多孔性を有する第１層を具備してなる、請求項５に記載の燃料源。
8. 前記燃料浸透性物質が、フルオロカーボンポリマー、変性ポリエチレン、変性ポリプロピレン、ポリカーボネート、ポリイミド、ポリスルホン、ポリスルフィド、ポリウレタン、ポリエステル、ポリシリコーン、ポリ（１−トリメチルシリル−１−プロピン）、およびポリ（４−メチル−２−ペンテン）から成る群より選択される、請求項１に記載の燃料源。
9. 前記ハウジングが、燃料浸透性物質の第１層、および空洞を画定するように前記第１層と結合した燃料浸透性物質の第２層を具備してなる、請求項１に記載の燃料源。
10. 前記ハウジングが、燃料電池の電極の表面積に実質的に相当する初期表面積を有する部分を含んでなる、請求項１に記載の燃料源。
11. 前記ハウジングが角柱体または立方体である、請求項１に記載の燃料源。
12. 前記ハウジングが燃料浸透性物質から成る、請求項１に記載の燃料源。
13. 前記ハウジングの内部と流体連通する感圧性弁を更に具備してなる、請求項１に記載の燃料源。
14. 前記ハウジングが感圧性弁を画定する、請求項１３に記載の燃料源。
15. 前記燃料が液体状態である、請求項１に記載の燃料源。
16. 前記燃料がゲル状態である、請求項１に記載の燃料源。
17. 前記燃料がメタノールを含んでなる、請求項１に記載の燃料源。
18. 前記燃料浸透性物質が、前記ハウジングの外部表面積の少なくとも約６０％を画定する、請求項１に記載の燃料源。
19. 前記燃料浸透性物質が、前記ハウジングの外部表面積の少なくとも約８０％を画定する、請求項１に記載の燃料源。
20. 前記ハウジングが選択的な折り畳み部分を含んでなる、請求項１に記載の燃料源。
21. メタノールをエネルギー源とする燃料電池用の燃料源であって、
    燃料浸透性で非燃料不浸透性の物質から専ら作製された折り畳み式ハウジング；および
    前記ハウジング内の燃料を具備してなり、前記燃料がメタノールを含んでなる、燃料源。
22. 前記の燃料浸透性で非燃料不浸透性の物質が、少なくとも約０．００１ｇ／ｈｒ・ｃｍ^２の燃料浸透性を有する、請求項２１に記載の燃料源。
23. 前記の燃料浸透性で非燃料不浸透性の物質が、液体非燃料種に対してまたは気体非燃料種の気圧（atm）当たり約１０^−３ｇ／ｈｒ・ｃｍ^２以下の非燃料浸透性を有する、請求項２１に記載の燃料源。
24. 前記の燃料浸透性で非燃料不浸透性の物質が、フルオロカーボンポリマー、変性ポリエチレン、変性ポリプロピレン、ポリカーボネート、ポリイミド、ポリスルホン、ポリスルフィド、ポリウレタン、ポリエステル、ポリシリコーン、ポリ（１−トリメチルシリル−１−プロピン）、およびポリ（４−メチル−２−ペンテン）から成る群より選択される、請求項２１に記載の燃料源。
25. 前記ハウジングが、燃料電池の電極の表面積に実質的に相当する初期表面を有する部分を含んでなる、請求項２１に記載の燃料源。
26. 前記ハウジングの内部と流体連通する感圧性弁を更に具備してなる、請求項２１に記載の燃料源。
27. 前記燃料が液体状態である、請求項２１に記載の燃料源。
28. 前記燃料がゲル状態である、請求項２１に記載の燃料源。
29. 前記ハウジングが選択的な折り畳み部分を含んでなる、請求項２１に記載の燃料源。
30. 前記の燃料浸透性で非燃料不浸透性の物質が複数の層を具備してなる、請求項２１に記載の燃料源。
31. 燃料電池システムであって、
    アノード、カソード、および電解質を含む、燃料電池と；
    前記燃料電池と連結するように構成された燃料源とを含み、前記燃料源が、燃料浸透性で非燃料不浸透性の物質から作製された折り畳み式ハウジングと、前記ハウジング内の燃料とを具備してなる、燃料電池システム。
32. 前記の燃料浸透性で非燃料不浸透性の物質が、少なくとも約０．００１ｇ／ｈｒ・ｃｍ^２の燃料浸透性、および液体非燃料種に対してまたは気体非燃料種の気圧（atm）当たり約１０^−２ｇ／ｈｒ・ｃｍ^２以下の非燃料浸透性を有する、請求項３１に記載のシステム。
33. 前記の燃料浸透性で非燃料不浸透性物質が、フルオロカーボンポリマー、変性ポリエチレン、変性ポリプロピレン、ポリカーボネート、ポリイミド、ポリスルホン、ポリスルフィド、ポリウレタン、ポリエステル、ポリシリコーン、ポリ（１−トリメチルシリル−１−プロピン）、およびポリ（４−メチル−２−ペンテン）から成る群より選択される、請求項３１項に記載のシステム
34. 前記ハウジングが、燃料電池のアノードの表面積に実質的に相当する初期表面を有する部分を含んでなる、請求項３１に記載のシステム。
35. 前記ハウジングが、前記の燃料浸透性で非燃料不浸透性の物質から成る、請求項３１に記載のシステム。
36. 前記ハウジングの内部と流体連通する感圧性弁を更に具備してなる、請求項３１に記載のシステム。
37. 前記燃料が、液体状態のメタノールを含んでなる、請求項３１に記載のシステム。
38. 前記燃料が、ゲル状態のメタノールを含んでなる、請求項３１に記載のシステム。
39. 前記燃料源を担持しかつ前記燃料電池と嵌合するように構成された支持体を更に具備してなる、請求項３１に記載のシステム。
40. 燃料電池の作動方法であって、
    前記燃料電池のアノードを、燃料浸透性で非燃料不浸透性の物質から実質的に作製されたハウジングからの燃料と接触させることを含んでなる、方法。
41. 前記ハウジングを折り畳むことを更に含んでなる、請求項４０に記載の方法。
42. 前記ハウジングを選択的な折り畳み部分に沿って折り畳むことを更に含んでなる、請求項４１に記載の方法。
43. 前記ハウジングからの圧力を抜くことを更に含んでなる、請求項４０に記載の方法。

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