JP2003535450A - 非水性電解質を含有した燃料電池および燃料電池システム - Google Patents

非水性電解質を含有した燃料電池および燃料電池システム

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Abstract

(57)【要約】 本発明は、非水性電解質を備えている燃料電池ならびに燃料電池システムを提供するものである。本発明による燃料電池は、水素流を受領し得るよう構成されたアノード領域と；酸素を含有した流れを受領し得るよう構成されたカソード領域と；アノード領域とカソード領域とを隔離するための電解質バリアであるとともに非水性電解質を備えた電解質バリアと；を具備している。非水性電解質は、好ましくは酸性または塩基性であるとともに、非水性電解質が酸である場合には２５℃において５×１０-6よりも大きな酸イオン化定数（Ｋa ）を有し、あるいは、非水性電解質が塩基である場合には２５℃において５×１０-6よりも大きな塩基イオン化定数（Ｋb ）を有している。燃料電池の動作温度は、３００℃未満とされる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、大まかには、燃料電池および燃料電池システムに関するものであり
、より詳細には、非水性電解質を含有した燃料電池および燃料電池システムに関
するものである。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
電気化学的燃料電池とは、燃料源と酸化剤とを反応させることによって電流を
生成するデバイスのことである。通常、燃料源は、水素ガスとされ、酸化剤は、
酸素とされる。このような反応剤を利用した燃料電池の例は、プロトン交換膜燃
料電池（proton exchange membrane fuel cell，ＰＥＭＦＣ、あるいは、ＰＥＭ
燃料電池）である。このような燃料電池においては、水素ガスが、燃料電池のア
ノードチャンバ内において触媒的に分解されて、プロトンと電子とに解離する。
遊離プロトンは、電解質膜を通して、燃料電池のカソードチャンバ内へと吸引さ
れる。電子は膜を通過することができず、その代わりに、カソードチャンバへと
到達するためには外部回路を通らなければならない。カソードチャンバ内におい
ては、プロトンと電子とは、酸素と反応して水を生成する。アノードからカソー
ドチャンバへの電子の正味の流通が、電流を生成し、この電流を、例えば自動車
やボートや照明器具や電気製品や家庭用品等といったような関連電気デバイスま
たはエネルギー消費デバイスとして燃料電池に対して接続された電気的負荷に対
して、使用することができる。
【０００３】 電解質膜を通しての燃料電池による水素イオン輸送能力は、電解質膜の水和の
関数である。例えばＰＥＭ燃料電池やアルカリ型燃料電池（alkaline fuel cell
，ＡＦＣ）といったような低温タイプの燃料電池の場合には、イオン伝導性電解
質は、水によって膨潤された強酸性のポリマー膜とされたり（ＰＥＭＦＣの場合
）、あるいは、例えば水酸化カリウムといったような強塩基性の水性溶液とされ
たり（ＡＦＣの場合）、する。これらイオン伝導性電解質は、乾燥（水分の消失
）や溢水（水分の過度の吸収）に敏感である。いずれか起こっても、燃料電池の
性能が低下し、早すぎる故障を招いてしまう。参考のためその全体がここに組み
込まれることとなる米国特許明細書第６，０５９，９４３号には、例えば燃料電
池といったような電気化学的デバイス内において適正な水分バランスを維持する
ことに関連した多数の問題点を開示している。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、非水性電解質を備えている燃料電池ならびに燃料電池システムを提
供する。本発明による燃料電池は、水素流を受領し得るよう構成されたアノード
領域と；酸素を含有した流れを受領し得るよう構成されたカソード領域と；アノ
ード領域とカソード領域とを隔離するための電解質バリアであるとともに非水性
電解質を備えた電解質バリアと；を具備している。非水性電解質は、好ましくは
酸性または塩基性であるとともに、非水性電解質が酸である場合には２５℃にお
いて５×１０-6よりも大きな酸イオン化定数（Ｋa ）を有し、あるいは、非水性
電解質が塩基である場合には２５℃において５×１０-6よりも大きな塩基イオン
化定数（Ｋb ）を有している。燃料電池の動作温度は、３００℃未満とされ、１
００℃超においてもまた１００℃においてもまた１００℃未満においても動作す
ることができる。
【０００５】 本発明の多数の特徴点は、添付図面を参照しつつ本発明を何ら限定するもので
はなく単なる例示としてのいくつかの好ましい実施形態に関しての以下の詳細な
説明により、当業者には明らかとなるであろう。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明による燃料電池システムが、図１において、全体的に符号（１０）によ
って示されている。このシステム（１０）は、燃料電池スタック（１２）と、ア
ノード供給原料（１６）の供給源（１４）と、を備えている。アノード供給原料
（１６）は、流れ（ストリーム）（１７）として燃料電池スタック（１２）に対
して供給される。アノード供給原料（１６）は、化学的に拘束された水素を含有
している任意の適切な化合物であるとともに、燃料電池のアノードにおいてプロ
トンを遊離するような適切な化合物である。適切なアノード供給原料（１６）の
例は、水素ガスである。他の例としては、メタノールや、ヒドラジンや、エタノ
ールや、ホルムアルデヒド、がある。供給源（１４）は、アノード供給原料を格
納した貯蔵タンクや他のリザーバを備えることができる。アノード供給原料（１
６）は、例えばポンピングや重力流といったような任意の適切な機構によって、
燃料電池スタック（１２）へと搬送される。例えば、供給源（１４）は、圧縮水
素ガスのタンク、メタノールのタンクまたは流体保持容器、等とすることができ
る。他の例としては、吸蔵した水素ガスを保持しているハイドライドベッドがあ
る。
【０００７】 これに代えて、供給源（１４）は、例えば化学反応等によってアノード供給原
料（１６）を生成し得るよう構成された１つまたは複数のデバイスを有すること
ができる。そのような供給源（１４）の例は、図２に示されるようなものであっ
て、少なくとも１つの燃料処理装置（１８）を備えている。燃料処理装置（１８
）は、燃料処理装置のための供給原料を含有した供給流（２０）を受領し得るよ
う構成されている。供給流（２０）は、例えばポンピングや重力流といったよう
な任意の適切な機構によって、燃料処理装置へと搬送される。燃料処理装置（１
８）は、供給流（２０）を原料として水素ガス（２２）の形態とされたアノード
供給原料（１６）を生成する。好ましくは、燃料処理装置は、実質的に純粋な水
素ガスを生成し得るように構成されている。さらに好ましくは、燃料処理装置は
、純粋な水素ガスを生成し得るように構成されている。本発明の目的のためには
、実質的に純粋な水素ガスは、９０％超の純度のものであり、好ましくは９５％
超の純度のものであり、さらに好ましくは９９％超の純度のものであり、なおも
さらに好ましくは９９．５％超の純度のものである。水素ガスを生成するための
適切な燃料処理装置は、米国特許明細書第６，２２１，１１７号、米国特許明細
書第５，９９７，５９４号、および、米国特許明細書第５，８６１，１３７号、
に開示されているとともに、さらに、２０００年３月１３日付けで出願された“
Fuel Processor”と題する米国特許予備出願明細書第６０／１８８，９９３号に
記載されている。これら文献の全体は、参考のため、ここに組み込まれる。
【０００８】 燃料処理装置（１８）が水素ガス（２２）を生成するために利用する適切な機
構の非限定的な例としては、スチーム改質や、自熱改質や、熱分解や、部分酸化
や、電気分解や、照射による分解、がある。供給流（２０）を形成する個々の流
れの組成および数は、燃料処理装置（１８）が水素ガス（２２）を生成するため
に利用する機構に依存して変更される傾向がある。例えば、燃料処理装置（１８
）が、スチーム改質や自熱改質によって水素ガスを生成する場合には、供給流（
２０）は、例えば図２に示すように、炭素を含有した供給原料（２４）と水（２
６）とを備えている。燃料処理装置（１８）が、炭素を含有した供給源量の熱分
解または照射または触媒による部分酸化によって水素ガスを生成する場合には、
供給流（２０）は、炭素を含有した供給原料を備えているものの、水は備えてい
ない。燃料処理装置（１８）が、電気分解によって水素ガスを生成する場合には
、供給流（２０）は、水を備えているものの、炭素を含有した供給原料は備えて
いない。供給流が、水と、水に対して可溶性であるような炭素含有供給原料と、
を備えているときには、供給流は、例えば図２において実線で示すように、単一
流とすることができる。炭素含有供給原料が水に対して混和性でないときには、
水と、炭素含有供給原料とは、例えば図２において破線で示すように、別々の供
給流（２０）によって搬送される。
【０００９】 炭素含有供給原料（２４）の例としては、アルコールおよび炭化水素がある。
適切な炭化水素を例示するならば、メタン、プロパン、天然ガス、ディーゼル油
、灯油、ガソリン、等がある。適切なアルコールを例示するならば、メタノール
、エタノール、プロパノール、例えばエチレングリコールやプロピレングリコー
ルといったようなポリオール、がある。限定するものではないが、スチーム改質
装置という形態とされた燃料処理装置のための好ましい供給原料は、メタノール
であり、より詳細には、燃料電池用グレードのメタノールである。一般に、水性
ガスシフト反応を行うために使用される触媒は、スチーム改質用メタノールに対
して適切である。メタノールのスチーム改質用の触媒として一般的に使用されて
いる（なおかつ、市販されている）触媒には、銅と酸化鉛との混合物や、銅と酸
化クロムとの混合物、がある。これら触媒の組成は、硫黄化合物やリン化合物や
揮発性重金属（例えば、カドミウム、水銀）や重金属化合物によって、非常に迅
速にかつ大幅に悪影響を受ける。したがって、メタノールは、改質用触媒が悪影
響を受けることがないよう、それら化合物を含有していないことが好ましい。同
様に、他の炭素含有供給原料は、それら原料から水素ガスを生成するために使用
されている改質用触媒や他の触媒が悪影響を受けてしまうような上記化合物や他
の化合物を実質的に含有していないべきである。
【００１０】 燃料電池スタック（１２）は、燃料電池スタック（１２）に対して供給された
アノード供給原料（１６）（あるいは水素ガス（２２））の一部から電流（２８
）を生成し得るように構成されている。例示する従来的燃料電池の例は、プロト
ン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池、および、アルカリ型燃料電池である。燃料電池ス
タック（１２）は、典型的には、共通の端部プレート（３２）どうしの間におい
て互いに集積化された複数の燃料電池（３０）を備えている。共通端部プレート
（３２）には、流体供給コンジット／排出コンジット（図示せず）が設けられて
いる。燃料電池スタック（１２）内の燃料電池の数は、例えば所望電力出力やシ
ステムのサイズ制限や利用可能な水素量（あるいは、利用可能な他のアノード供
給原料の量）の最大値といったような要因に応じてといったようにして、変更す
ることができる。しかしながら、燃料電池スタック（１２）が唯一の燃料電池（
３０）を備えている構成も、また、燃料電池スタック（１２）が複数の燃料電池
（３０）を備えている構成も、本発明の範囲内である。典型的には、燃料電池ス
タック（１２）は、流れ（１７）のすべてをあるいは少なくとも実質部分を受領
し、受領した原料から電流（２８）を生成する。この電流は、例えば自動車や住
居や他の居住性施設や商業施設といったような関連エネルギー消費デバイス（３
４）に対して電力を供給するために使用することができる。
【００１１】 デバイス（３４）の例示としての例には、限定するものではないけれども、モ
ータ自動車や、娯楽用車両や、ボートや、ツールや、照明や、照明アセンブリや
、電気器具（例えば家庭用の電気器具や他の電気器具）や、家庭用品や、情報送
信や、通信装置、等がある。デバイス（３４）は、図１および図２においては概
略的に図示されていること、および、燃料電池システムから電流を受領し得るよ
う構成された１つまたは複数のデバイスまたはデバイス集合体を表すことを意図
していることは、理解されるであろう。『関連』という用語は、デバイス（３４
）が、スタック（１２）によって生成された電力を受領し得るように構成されて
いることを意味している。デバイス（３４）に対しての供給前に、電力を貯蔵す
ることや、電力を変換したり他の処理を行ったりすることも、本発明の範囲内で
ある。同様に、デバイス（３４）は、スタック（１２）に対して集積化（あるい
は一体化）することができる。あるいは、デバイス（３４）は、例えば電力搬送
ラインを介してといったようにして、スタック（１２）によって生成された電流
を単に受領し得るように構成することができる。
【００１２】 図３には、本発明に基づいて構成された燃料電池（３０）の一例が示されてい
る。燃料電池（３０）は、アノード領域（３６）と、カソード領域（３８）と、
を備えている。図３に概略的に示されているように、アノード領域（３６）は、
アノード電極（４０）を有し、カソード領域（３８）は、カソード電極（４２）
を有している。任意の適切な電極構成を使用することができる。例示するならば
、各電極は、多孔性のものとすることができ、電極触媒（４４）と電気伝導性支
持体（４６）とを含有している。電気伝導性支持体（４６）は、電流収集デバイ
ス（４８）に対して電気的に接続されている。電流収集デバイス（４８）からは
、エネルギー消費デバイス（３４）が直接的にまたは間接的に電流（２８）を受
領し得るようになっている。
【００１３】 燃料電池のアノード領域（３６）は、流れ（１７）の少なくとも一部を受領す
る。アノード領域（３６）は、周期的にパージされ、水素ガスを含有しているか
もしれないパージ流（５０）を放出する。これに代えて、燃料電池のアノード領
域から、水素ガスを連続的に放出することができる。パージ流は、周囲雰囲気に
放出したり、燃焼させたり、加熱のために使用したり、燃料として使用したり、
あるいは、燃料処理装置アセンブリのための供給原料として使用したり、するこ
とができる。燃料電池スタックの中の複数の燃料電池は、燃料電池スタック内に
設置された個々の燃料電池からのそれぞれのパージ流からなる共通パージ流を放
出することができる。各燃料電池からのパージ流は、適切な収集アセンブリ内に
おいて集積化することができ、収集アセンブリを通して、集合させたパージ流を
、燃料として使用したり、供給原料として使用したり、加熱のために使用したり
、あるいは、収集して貯蔵したり、することができる。
【００１４】 カソード領域（３８）は、例えば純粋酸素の流れや空気流や酸素ガスが増量さ
れた空気流といったような、酸素（５４）を含有した流れ（５２）を受領し、酸
素が部分的に枯渇したまたは実質的に枯渇したカソード空気排出流（５６）を放
出する。空気流の流速は、一般に、純粋酸素の流速よりも大きい。それは、空気
流の場合には、酸素原子濃度が、純粋酸素よりも少ないからである。
【００１５】 アノード領域とカソード領域とは、水素イオン（プロトン）を通過させること
ができる電解質バリア（６０）を介して、隔離されている。水素ガス（２２）（
あるいは、化学的に拘束された水素を含有しているとともに燃料電池スタックの
アノードにおいてプロトンを遊離するような他の化合物）から遊離した電子は、
バリア（６０）を通過することができず、その代わりに、外部回路（６１）を通
らなければならない。これにより、電流（２８）が生成され、この電流（２８）
を、デバイス（３４）がなす負荷に対して使用することができる。電流（２８）
は、また、燃料電池システムの動作のための電源として使用することができる。
燃料電池システムの電力要求は、燃料電池システムのプラント要求のバランスと
してトータルで捉えることができる。
【００１６】 電解質バリア（６０）は、非水性電解質（６２）と、支持構造すなわち閉込構
造（６４）と、を備えている。適切な支持構造（６４）の例としては、電解質（
６２）を吸収する吸収性媒体、および、多孔質構造、がある。吸収性媒体の例と
しては、膨潤したポリマーマットおよびフィルムがある。適切なポリマーの例は
、NAFION（登録商標）という商標名で DuPont 社によって市販されているポリマ
ーである。このポリマーは、例えば０．０２５４ｍｍ〜０．２７９４ｍｍ（０．
００１インチ〜０．０１１インチ）といったような範囲において、様々な厚さの
ものが市販されている。一般に、より薄いシートの方が好ましい。それは、薄い
シートの方が、電解質を通っての拡散距離が短いからである。多孔質構造の例に
は、マットやメッシュやチャネルがあり、これらは、毛細管作用によって、およ
び／または、電解質と多孔質構造との間の表面張力によって、電解質を含有して
いる。支持構造は、電解質によって飽和させることができる。これに代えて、特
に電解質が疎水性であるような場合には、電解質の伝導性を低下させないように
、完全飽和未満の飽和状態とすることができる。
【００１７】 電解質（６２）は、小さな蒸気圧あるいは場合によっては格別に小さな蒸気圧
と、低粘度と、１００℃未満の融点好ましくは２５℃未満の融点と、を有するこ
とができる。電解質は、大きなイオン伝導性を有することができ、０．６Ｖ以上
という好ましくは１．５Ｖ以上という電気化学的ポテンシャル範囲を有すること
ができる。そのような範囲にわたっては、電解質の成分（プロトンや水酸化物イ
オン以外の成分）は、電極上において酸化も還元もされない。
【００１８】 水性ベースの電解質を有しているような従来技術による低温タイプの燃料電池
においては、水が、燃料電池の動作温度において揮発性である。本明細書におい
ては、『低温』という用語は、１００℃未満の温度を意味するものとして使用さ
れ、『高温』という用語は、３００℃超の温度を意味するものとして使用され、
『中温』という用語は、１００℃〜３００℃という温度を意味するものとして使
用される。水が、低温型燃料電池の動作温度において揮発性であることにより、
電解質内の水分量は、水分量が少なすぎて電解質が乾燥してしまったり水分量が
多すぎて電解質が溢水状態となってしまったりしないように、連続的に観測され
なければならない。水分量が少なすぎると、電解質のイオン伝導性が低下してし
まい、逆に、水分量が多すぎると、電解質を通ってのイオンの伝導を妨害してし
まうような水滴が発生してしまう。さらに、水性電解質を使用している燃料電池
においては、燃料電池は、典型的には、生成水が電解質の体積を無用に増大させ
ないよう、生成水を除去し得るように構成される。このような水分量観測や水分
量維持には、かなりの観測および／または制御が必要であって、そうしないと、
燃料電池の動作や効率を維持することができない。
【００１９】 過剰の水分を管理して除去するための方法は、燃料電池または燃料電池スタッ
クを、１００℃あるいは１００℃超という動作温度で動作させることである。こ
のような温度で燃料電池を動作させることにより、水分が蒸発する。その結果、
水分は、電解質の体積を増大させることができなくなる。しかしながら、低温用
の水性ベースの電解質は、１００℃超で使用することができない。高温用の無機
電解質は、低温や中温では、十分なイオン伝導性を発揮しない。実際、いくつか
の高温用の無機電解質は、低温や中温では、液体ですらない。１００℃超の温度
で動作する燃料電池の例としては、リン酸燃料電池（１８０〜２００℃）や、溶
融炭酸型燃料電池（４５０〜５５０℃）や、固体酸化物燃料電池（６００〜７０
０℃）、がある。
【００２０】 電解質（６２）は、疎水性アニオンおよび疎水性カチオンを使用することによ
って、水に対して非常に小さな溶解度を示すことができる。非水性電解質（６２
）が水に対して非溶解性または非常に小さな溶解性であることにより、電解質バ
リア（６０）内における水分量の管理の必要性を除去した燃料電池（３０）をも
たらす。
【００２１】 非水性電解質（６２）は、燃料電池（３０）が、中温条件においても、また、
水性電解質が典型的に動作しているような低温条件においても、動作することを
可能とする。言い換えれば、燃料電池（３０）のイオン伝導性は、低温と中温と
の双方における燃料電池の動作に関して許容可能である。したがって、燃料電池
（３０）（および燃料電池スタック（１２））が、０℃（あるいは、約０℃）〜
３００℃（あるいは、約３００℃）という温度範囲で動作することは、本発明の
範囲内である。多くの実施形態においては、燃料電池（３０）は、約１５℃〜約
２００℃で動作し、より典型的には、約１５℃〜約１５０℃で動作する。また、
燃料電池、あるいは、燃料電池スタックが、０℃で動作することも、１５℃〜１
００℃で動作することも、１００℃で動作することも、あるいは、例えば最大２
００℃や最大３００℃といったように１００℃超で動作することも、本発明の範
囲内である。
【００２２】 高温で動作することの利点は、燃料電池の効率が、動作温度の上昇につれて向
上することである。動作温度が上昇するにつれて、アノード面上におけるおよび
カソード面上における電極触媒作用が、より活性化されるようになる。また、ア
ノード触媒が、ガス相不純物に対して、鈍感となる。燃料電池を高い動作温度で
動作させた際の他の結果は、排出流が、低温燃料電池における対応排出流と比較
して、より高温であることである。したがって、高温燃料電池における排出流は
、含有熱量が大きく、熱交換器によって回収することができ、あるいは、後段側
における使用に際して排出流を加熱する必要性をなくしたりあるいは少なくした
りすることができる。同様に、供給流（１７，５２）を、従来技術による低温燃
料電池における場合よりも、より高温で供給することができる。これにより、供
給流が、低温燃料電池における使用に適した温度よりも高温のものとして利用可
能な場合に、それら供給流を冷却する必要性をなくしたりあるいは少なくしたり
することができる。
【００２３】 非水性電解質（６２）は、純粋な化合物とすることも、また、水分が主成分で
はないような混合物とすることも、できる。典型的には、非水性電解質は、モル
比率で５％未満という水分含有率であるべきである。電解質が、プロトンに対し
てではなく電子に対する障壁として機能することにより、非水性電解質は、良好
ではない電子伝導体でありかつ良好なイオン伝導体であるべきである。非水性電
解質は、小さな揮発性を有しているべきである。このことは、電解質の公称沸点
が、９０℃以上好ましくは１３０℃以上さらに好ましくは１５０℃以上であるこ
とを意味している。非水性電解質は、５℃未満という、好ましくは０℃未満とい
う、融点を有しているべきである。
【００２４】 非水性電解質（６２）の例としては、例えばリン酸や硫酸といったような無機
酸や、例えばデカンやヘキサデカンといったような低揮発性炭化水素、がある。
これに代えて、非水性電解質は、複数の化合物からなる混合物とすることができ
る。このような混合物は、炭化水素溶媒と酸性溶質または塩基性溶質との組合せ
、多価アルコール溶媒と酸性溶質または塩基性溶質との組合せ、ポリエーテル溶
媒と酸性溶質または塩基性溶質との組合せ、有機イオン性液体溶媒と酸性溶質ま
たは塩基性溶質との組合せ、あるいは、９０℃超という公称沸点を有した任意の
有機溶媒と酸性溶質または塩基性溶質との組合せ、を備えることができる。酸性
溶質は、溶液中においてイオン化されてプロトンを放出するような溶質であるべ
きである。塩基性溶質は、溶液中においてイオン化されて水酸化物イオンを放出
するような溶質であるべきである。適切な溶媒の例としては、ヘキサデカン、デ
カン、灯油、プロピレンカーボネート、プロピレングリコール、ｏ−ジクロロベ
ンゼン、１，３，５−トリクロロベンゼン、がある。適切な酸性溶質の例として
は、ヘキサフルオロリン酸、テトラフェニルホウ酸、硫酸、過塩素酸、がある。
適切な塩基性溶質の例としては、水酸化テトラメチルアンモニウム、水酸化テト
ラエチルアンモニウム、水酸化テトラプロピルアンモニウム、水酸化テトラブチ
ルアンモニウム、他の水酸化テトラアルキルアンモニウム、がある。
【００２５】 非水性電解質の他の例は、有機イオン性液体である。有機イオン性液体は、例
えば、M. Freemantle 氏による“Eyes on Ionic Liquids,”Chemical Engineeri
ng and News, May 15, 2000, p. 37-50 において議論されている。この文献の
全体は、参考のため、ここに組み込まれる。一般に、有機イオン性液体は、室温
において液体であり（すなわち、融点が室温以下）かつ融解時にまたは溶解時に
イオン化が起こるような有機塩を含有している。
【００２６】 燃料電池内において電解質を形成する有機イオン性液体の背景をなす化学につ
いて、以下説明する。一例として、１−エチル−３−メチル−イミダゾリウムテ
トラフルオロボレートについて考察する。これは、米国ウィスコンシン州ミルウ
ォーキー所在の Aldrich Chemical Co. 社から市販されている有機イオン性液体
である（融点が１５℃で、沸点が３５０℃超）。この化合物がＰＥＭ燃料電池内
において電解質として機能するためには、共役塩基は、テトラフルオロホウ酸イ
オン（ＢＦ4 -）であり、このイオンは、アノードにおいてプロトン化されて共役
酸ＨＢＦ4 を形成する。１−エチル−３−メチル−イミダゾリウムカチオンと一
緒に使用するものとしては、テトラフルオロホウ酸よりも、他のアニオンを選択
することができる。例えば、他の適切なアニオンには、テトラフェニルホウ酸（
ＢＰｈ4 -）や、ヘキサフルオロリン酸（ＰＦ6 -）、がある。
【００２７】 有機イオン性液体の例としては、疎水性アニオンまたは親水性アニオンと結合
した１，３−ジアルキルイミダゾリウムカチオンがある。特定の例としては、１
−ブチル−３−メチル−イミダゾリウムヘキサフルオロフォスフェート、１−ブ
チルピリジニウムニトレート、１−エチル−３−メチル−イミダゾリウムビス（
トリフルオロメタンサルフォネート）、１−エチル−３−メチル−イミダゾリウ
ムビス（トリフルオロメタンサルフォニル）イミド、がある。有機イオン性液体
自体が、電解質（６２）を形成することができる。あるいは、有機イオン性液体
は、例えば上述したような酸性溶質や塩基性溶質のための溶媒とすることができ
る。
【００２８】 好ましい非水性電解質（６２）は、強酸または強塩基のいずれかである。なぜ
なら、電解質は、プロトン供与体または水酸化物イオン供与体のいずれかとして
機能しなければならないからである。本発明の目的においては、強酸とは、２５
℃において、５×１０-6よりも大きな、好ましくは１×１０-4よりも大きな、よ
り好ましくは１×１０-2よりも大きな、イオン化定数（Ｋa ）を有した酸として
あるいは多塩基酸の場合には第１イオン化定数を有した酸として、定義される。
同様に、本発明の目的においては、強塩基とは、２５℃において、５×１０-6よ
りも大きな、好ましくは１×１０-4よりも大きな、より好ましくは１×１０-2よ
りも大きな、イオン化定数（Ｋb ）を有した塩基として定義される。本明細書に
おいては、『酸』という用語は、プロトン供与体またはブレーンステッド・ロー
リー酸を意味しており、『塩基』という用語は、水酸化物イオン供与体またはブ
レーンステッド・ローリー塩基を意味している。
【００２９】 強酸性非水性電解質は、燃料電池が、例えばプロトン交換膜燃料電池（ＰＥＭ
ＦＣ）といったようなプロトンイオンを原理とするものである場合に使用される
。一方、強塩基性非水性電解質は、燃料電池が、例えばアルカリ型燃料電池（Ａ
ＦＣ）といったような水酸化物イオンを原理とするものである場合に使用される
。よって、本発明において好適に使用される非水性電解質は、典型的には、強酸
および強塩基である。これに代えて、その文献の全体が参考のためここに組み込
まれるような米国特許明細書第５，９６５，０５４号に記載されているものとい
ったような弱酸性および弱塩基からなる非水性電解質は、電気化学的に活性なイ
オンの添加によって、すなわちプロトンまたは水酸化物イオンの添加によって、
強酸性非水性電解質または強塩基性非水性電解質を形成し得るように変更するこ
とができる。
【００３０】 上述したように、燃料処理装置（１８）は、スチーム改質や自熱改質や電気分
解や照射や熱分解や触媒による部分酸化を含めた任意の適切な水素生成機構を使
用することができる。適切な燃料処理装置（１８）の例は、スチーム改質器であ
る。適切なスチーム改質器の一例は、図４において、全体的に符号（１３０）に
よって示されている。改質器（１３０）は、スチーム改質触媒（１３４）を有し
た改質領域すなわち水素生成領域（１３２）を備えている。これに代えて、改質
器（１３０）は、自熱改質触媒を有した自熱改質器とすることができる。改質領
域（１３２）においては、供給流（２０）から供給された水と炭素含有供給原料
とを原料として、改質された流れ（１３６）が生成される。改質された流れは、
典型的には、水素ガスと不純物とを含有しており、そのため、分離領域すなわち
精製領域（１３８）へと送られ、そこで、水素ガスが精製される。分離領域（１
３８）においては、水素含有流が、任意の適切な圧力駆動分離プロセスを使用す
ることによって、集合的に符号（１４０）によって示されているような１つまた
は複数の副生成物流と、水素リッチな流れ（１４２）と、に分離される。図４に
おいては、水素リッチな流れ（１４２）は、流れ（１７）を形成するものとして
図示されている。
【００３１】 分離領域（１３８）内における使用に適した構造の一例は、１つまたは複数の
水素透過性金属膜（１４６）を有した膜モジュール（１４４）である。複数の水
素選択性金属膜から形成された適切な膜モジュールの例は、米国特許明細書第６
，２２１，１１７号に開示されている。この文献の全体は、参考のため、ここに
組み込まれる。この文献においては、全体的に平板状の複数の膜が、複数のチャ
ネルを有した膜モジュールへと組み立てられる。複数のチャネルを通して、膜に
対して不純ガス流が導入されるとともに、精製ガス流が膜から回収され、さらに
、副生成物流が膜から除去される。例えばフレキシブルなグラファイト製ガスケ
ットといったようなガスケットを使用することによって、導入用流通チャネルお
よび透過用流通チャネルの周縁部のシールを得ることができる。また、上記文献
には、チューブ状の水素選択性膜を使用しても良いことも、開示されている。他
の適切な膜ならびに膜モジュールは、２０００年７月１９日付けで出願された“
Hydrogen-Permeable Metal Membrane and Method for Producing the Same” と
題する米国特許予備出願明細書第０９／６１８，８６６号に記載されている。こ
の文献の全体は、参考のため、ここに組み込まれる。他の適切な燃料処理装置は
、また、上述した特許文献に記載されている。
【００３２】 薄くかつ平板状の水素透過性膜は、好ましくは、パラジウム合金から形成され
ており、より詳細には、パラジウムと３５ｗｔ％〜４５ｗｔ％の銅との合金から
形成されている。水素選択性膜と称することもできるこのような膜は、典型的に
は、約０．０２５４ｍｍ（０．００１インチ）厚さとされた薄い箔から形成され
る。しかしながら、膜を、上述したもの以外の水素選択性金属および水素選択性
金属合金や、水素透過性かつ水素選択性のセラミクスまたは炭素化合物、から形
成しても良いことは、本発明の範囲内である。膜の厚さは、上述した厚さよりも
厚いものともまた薄いものともすることができる。例えば、膜を薄くすることに
より、それに応じた分だけ、水素流量を増大させることができる。複数の水素透
過性膜は、例えば上記文献に開示されているように共通の透過チャネルの周囲に
おいて対をなして配置するといったようにして、任意の適切な構成で配置するこ
とができる。１つまたは複数の水素透過性膜は、他の構成とすることもでき、例
えば上記文献に開示されているようにチューブ状構成とすることができる。
【００３３】 分離領域（１３８）における使用に適した圧力分離プロセスの他の例は、圧力
スイング吸着（pressure swing adsorption,ＰＳＡ）である。圧力スイング吸着
（ＰＳＡ）プロセスにおいては、ガス状不純物が、水素ガスを含有した流れから
除去される。ＰＳＡは、適切な温度条件および圧力条件下においてはある種のガ
スが吸着性表面上に対して他のガスよりも多く吸着するという原理に基づいてい
る。典型的には、吸着によって改質流（１３６）から除去されるのは、不純物と
される。水素精製においてＰＳＡを使用することの利点は、通常的な不純物ガス
（例えば、ＣＯ、ＣＯ2、ＣＨ4といったような炭化水素、および、Ｎ2 ）が、吸
着性材料上へと、比較的多く吸着することに起因している。水素は、ごくわずか
しか吸着することがなく、そのため、水素は、吸着材ベッドを通過する。一方、
不純物は、吸着材上に捕捉される。例えばＮＨ3やＨ2ＳやＨ2Ｏ といったような
不純物ガスは、吸着性材料上に非常に多く吸着し、したがって、他の不純物と一
緒に、流れ（１３６）から除去される。吸着性材料を再生しようとする場合に、
そのような不純物が流れ（１３６）内に存在しているときには、分離領域（１３
８）は、好ましくは、吸着性材料に対しての流れ（１３６）の導入前にそのよう
な不純物を除去し得るよう構成された適切なデバイスを備えている。それは、不
純物を脱離させることの方が困難であるからである。
【００３４】 不純物ガスの吸着は、高圧において起こる。圧力が下がると、不純物が、吸着
性材料から脱離する。これにより、吸着性材料が再生される。典型的には、ＰＳ
Ａは、周期的プロセスであって、連続動作（バッチ操作とは対照的）のためには
、少なくとも２つのベッドを必要とする。吸着性ベッドにおいて使用可能である
ような適切な吸着性材料の例は、活性化された炭素および活性化されたゼオライ
トであり、特に５オングストロームのゼオライトである。吸着性材料は、通常、
ペレットの形態とされ、従来技術による収容ベッド構成を使用して円筒状圧力容
器内に配置される。しかしながら、吸着性材料に関しての他の適切な組成や形態
や構成を使用することができることは、理解されるであろう。
【００３５】 改質器（１３０）は、必須ではないけれども、さらに、図５に示すような追加
精製領域（１４８）を備えることができる。追加精製領域（１４８）は、分離領
域（１３８）から水素リッチな流れ（１４２）を受領し、選択された化合物の濃
度を低減させることによりまたは選択された化合物を除去することにより、この
流れ（１４２）をさらに精製する。例えば、流れ（１４２）が、例えば燃料電池
スタック（１２）といったような燃料電池スタック内における使用を意図してい
る場合には、例えば一酸化炭素や二酸化炭素といったような、燃料電池スタック
を損傷してしまいかねない化合物を、水素リッチな流れから除去すべきである。
一酸化炭素の濃度は、制御システムが燃料電池スタックを孤立化させないように
するためには、１０ｐｐｍ（パートパーミリオン）未満とすべきである。好まし
くは、制御システムは、一酸化炭素濃度を、５ｐｐｍ未満へと制限し、より好ま
しくは、１ｐｐｍ未満へと制限する。二酸化炭素濃度は、一酸化炭素濃度よりも
大きくても良い。例えば、２５％という二酸化炭素濃度を、許容可能とすること
ができる。二酸化炭素濃度は、好ましくは１０％未満とされ、より好ましくは１
％未満とされる。とりわけ好ましい二酸化炭素濃度は、５０ｐｐｍ未満である。
ここで例示した許容可能最小濃度が、例示の目的のものに過ぎないこと、および
、例示した濃度以外の濃度を使用することができ、それも本発明の範囲内である
こと、は理解されるであろう。例えば、特定の使用者または製造業者は、上述し
たものとは異なるような最小濃度や最大濃度やあるいは濃度範囲を設定すること
ができる。
【００３６】 追加精製領域（１４８）は、流れ（１４２）内における選択された化合物の濃
度を除去または低減するための任意の適切な構造を備えている。例えば、流れが
所定以上の一酸化炭素濃度または二酸化炭素濃度を含有している場合には損傷を
受けかねないようなＰＥＭ燃料電池スタックや他のデバイスに対して流れを使用
することを意図しているときには、少なくとも１つのメタン生成触媒ベッド（１
５０）を備えていることが望ましい。ベッド（１５０）は、一酸化炭素および二
酸化炭素を、メタンおよび水へと、変換する。ここで、メタンと水との双方とも
が、ＰＥＭ燃料電池スタックを損傷するものではない。追加精製領域（１４８）
は、さらに、すべての未反応供給原料を水素ガスへと変換し得るよう、例えば他
の改質用触媒ベッドといったような他の水素生成デバイス（１５２）を備えるこ
とができる。そのような実施形態においては、第２改質用触媒ベッドは、メタン
生成触媒ベッドよりも上流側に配置されることが好ましい。それは、メタン生成
触媒ベッドの下流側に、一酸化炭素や二酸化炭素を再導入しないためである。
【００３７】 スチーム改質器は、典型的には、２００℃〜７００℃という温度範囲で、かつ
、３４５ｋＰａ〜６９００ｋＰａ（５０ｐｓｉ〜１０００ｐｓｉ）という圧力範
囲で、動作する。しかしながら、この範囲外の温度であっても本発明の範囲内で
あり、このような温度は、使用されている燃料処理装置の特定のタイプや特定の
構成に依存する。例えばヒータやバーナや燃焼触媒等といったような任意の適切
な加熱機構または加熱デバイスを使用することによって、加熱を行うことができ
る。このような加熱アセンブリは、燃料処理装置の外部に配置することも、また
、燃料処理装置の一部をなす燃焼チャンバを形成することも、できる。燃料処理
システムや、燃料電池システムや、外部供給源や、これらの組合せは、加熱アセ
ンブリのための燃料をもたらすことができる。
【００３８】 上述したもの以外の他の任意の燃料処理装置を使用することができ、また、他
の任意の適切な水素ガス源を使用することができ、これらも本発明の範囲内であ
る。他の水素供給源の例としては、例えば、貯蔵タンクや、水素ガスを吸蔵した
供給源を含有しているハイドライドベッド、といったような、貯蔵デバイスがあ
る。
【００３９】 上記においてはＰＥＭ燃料電池に関して説明したけれども、非水性ブレーンス
テッド−ローリー電解質（６０）を、他の形態をなす燃料電池に対して適用する
ことは、本発明の範囲内である。例えば、本発明によるシステムは、例えばアル
カリ型燃料電池（ＡＦＣ）や直接型メタノール燃料電池（direct methanol fuel
cell,ＤＭＦＣ）といったような、他の低温型および中温型燃料電池に対して適
用することができる。
【００４０】 ［産業的応用性］ 本発明は、エネルギー生成システムに対して応用可能であり、特に、燃料電池
ならびに燃料電池システムに対して応用可能である。
【００４１】 上記の説明が、個々に有用性を有した様々な個別の特徴点を包含していること
が信じられている。各特徴点についてそれぞれの好ましい形態に関して説明した
けれども、上述した特定の実施形態は、可能な様々な変形を制限するためのもの
ではない。本発明の主題は、上述した様々な部材や特性や機能や性質に関しての
、新規性および進歩性を有したすべての組合せや部分的組合せを包含している。
同様に、特許請求の範囲においては、『１つの』部材または『第１の』部材また
は類似表現を使用しているけれども、それは、２つ以上のそのような部材を備え
ることを排除するものではなく、１つまたは複数のそのような部材を備えること
をも含んでいるものとして、理解されたい。
【００４２】 特許請求の範囲が、上述した１つまたは複数の特徴点に関しての、新規性およ
び進歩性を有した特定の組合せや部分的組合せを特定的に規定していることが信
じられている。様々な部材や特性や機能や性質に関しての他の組合せや部分的組
合せを具現したさらなる特徴点を、現在の請求項の補正によって、あるいは、本
出願または関連出願における新たな請求項の提示によって、主張することができ
る。そのような補正請求項や新規請求項は、同じ特徴点に関するものであるか他
の特徴点に関するものであるかにかかわらず、また、当初請求項の範囲と同じで
あるか違っているかあるいはより広いかあるいはより狭いかにかかわらず、本発
明の主題内に包含されているものと見なされる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に基づいて構成された燃料電池システムを概略的に示す図
である。
【図２】 本発明に基づいて構成された他の燃料電池システムを概略的に示
す図である。
【図３】 本発明に基づいて構成された燃料電池を概略的に示す図である。
【図４】 図２の燃料電池システムにおいて使用するのに適した燃料処理装
置を概略的に示す図である。
【図５】 図２の燃料電池システムにおいて使用するのに適した他の燃料処
理装置を概略的に示す図である。
【符号の説明】
１０ 燃料電池システム １２ 燃料電池スタック １４ アノード供給原料の供給源 １６ アノード供給原料 １７ 流れ（アノード供給原料を含有した流れ、水素流） １８ 燃料処理装置 ２０ 供給流 ２２ 水素ガス（アノード供給原料） ２４ 炭素を含有した供給原料 ３０ 燃料電池 ３６ アノード領域 ３８ カソード領域 ５２ 酸素を含有した流れ ６０ 電解質バリア（電解質手段） ６２ 非水性電解質 １３０ 改質器 １３２ 改質領域、水素生成領域 １３４ スチーム改質触媒（改質用触媒） １３６ 改質された流れ（水素ガスと他のガスとを含有した混合ガス流） １３８ 分離領域、精製領域 １４０ 副生成物流 １４２ 水素リッチな流れ（少なくとも実質的に純粋な水素流） １４８ 追加精製領域 １５０ 追加精製ベッド
【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書
【提出日】平成１４年７月２２日（２００２．７．２２）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項２９】 燃料電池システムであって、 燃料処理装置と、少なくとも１つの燃料電池を備えた燃料電池スタックと、を
具備してなり、 前記燃料処理装置が、 炭素を含有した供給原料を有した供給流を受領し得るよう構成されていると
ともに、水素ガスと他のガスとを含有した混合ガス流を生成し得るよう構成され
ている、水素生成領域と； 前記混合ガス流を受領し得るよう構成されているとともに、前記混合ガス流
を、少なくとも実質的に純粋な水素流と、実質的に他のガスを含有している副生
成物流と、に分離し得るよう構成されている、分離領域と； を備え、 前記燃料電池スタックが、 前記少なくとも実質的に純粋な水素流の少なくとも一部を受領し得るよう構
成されたアノード領域と； 酸素を含有した流れを受領し得るよう構成されたカソード領域と； 前記アノード領域と前記カソード領域とを隔離するための電解質バリアと；
を備え、 前記電解質バリアが、酸または塩基のいずれかとされた非水性液体電解質を備
え、 該非水性液体電解質が、該非水性液体電解質が酸である場合には２５℃におい
て５×１０-6よりも大きな酸イオン化定数（Ｋa ）を有し、あるいは、前記非水
性液体電解質が塩基である場合には２５℃において５×１０-6よりも大きな塩基
イオン化定数（Ｋb ）を有していることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３０】 請求項２９記載の燃料電池システムにおいて、 前記分離領域が、少なくとも１つの水素選択性膜を備えていることを特徴とす
る燃料電池システム。
【請求項３１】 請求項２９記載の燃料電池システムにおいて、 前記水素生成領域が、改質用触媒を有した改質領域を備えていることを特徴と
する燃料電池システム。
【請求項３２】 請求項２９記載の燃料電池システムにおいて、 前記燃料処理装置が、前記燃料電池スタックに対して前記流れを供給する前に
、前記少なくとも実質的に純粋な水素流の純度を高め得るよう構成された追加精
製触媒ベッドを備えていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３３】 請求項２９記載の燃料電池システムにおいて、 前記非水性液体電解質が、該非水性液体電解質が酸性である場合には２５℃に
おいて１×１０-2よりも大きな酸イオン化定数（Ｋa ）を有し、あるいは、前記
非水性液体電解質が塩基性である場合には２５℃において１×１０-2よりも大き
な塩基イオン化定数（Ｋb ）を有していることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３４】 請求項２９記載の燃料電池システムにおいて、 前記非水性液体電解質が、該非水性液体電解質が酸性である場合には２５℃に
おいて１×１０-4よりも大きな酸イオン化定数（Ｋa ）を有し、あるいは、前記
非水性液体電解質が塩基性である場合には２５℃において１×１０-4よりも大き
な塩基イオン化定数（Ｋb ）を有していることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３５】 請求項２９記載の燃料電池システムにおいて、 前記非水性液体電解質が、酸であることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３６】 請求項２９記載の燃料電池システムにおいて、 前記非水性液体電解質が、塩基であることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３７】 請求項２９記載の燃料電池システムにおいて、 前記非水性液体電解質が、有機イオン性液体を含有していることを特徴とする
燃料電池システム。
【請求項３８】 請求項２９記載の燃料電池システムにおいて、 前記非水性液体電解質が、溶媒と、酸性溶質または塩基性溶質と、の混合物を
含有していることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３９】 請求項２９記載の燃料電池システムにおいて、 前記溶媒が、有機イオン性液体を含有していることを特徴とする燃料電池シス
テム。
【請求項４０】 請求項２９記載の燃料電池システムにおいて、 前記非水性液体電解質が、５％未満というモル比率で水分を含有していること
を特徴とする燃料電池システム。
【請求項４１】 請求項２９記載の燃料電池システムにおいて、 前記非水性液体電解質の沸点が、９０℃以上であることを特徴とする燃料電池
システム。
【請求項４２】 請求項２９記載の燃料電池システムにおいて、 前記非水性液体電解質の沸点が、１３０℃以上であることを特徴とする燃料電
池システム。
【請求項４３】 請求項２９記載の燃料電池システムにおいて、 前記非水性液体電解質の沸点が、１５０℃以上であることを特徴とする燃料電
池システム。
【請求項４４】 請求項２９記載の燃料電池システムにおいて、 前記非水性液体電解質の融点が、５℃未満であることを特徴とする燃料電池シ
ステム。
【請求項４５】 請求項２９記載の燃料電池システムにおいて、 前記非水性液体電解質の融点が、０℃未満であることを特徴とする燃料電池シ
ステム。
【請求項４６】 請求項２９記載の燃料電池システムにおいて、 前記燃料電池の動作温度が、０℃〜３００℃であることを特徴とする燃料電池
システム。
【請求項４７】 請求項２９記載の燃料電池システムにおいて、 前記燃料電池の動作温度が、１５℃〜２００℃であることを特徴とする燃料電
池システム。
【請求項４８】 請求項２９記載の燃料電池システムにおいて、 前記燃料電池の動作温度が、１５℃〜１５０℃であることを特徴とする燃料電
池システム。
【請求項４９】 請求項２９記載の燃料電池システムにおいて、 前記燃料電池の動作温度が、０℃〜１００℃であることを特徴とする燃料電池
システム。
【請求項５０】 請求項２９記載の燃料電池システムにおいて、 前記燃料電池の動作温度が、１００℃超であることを特徴とする燃料電池シス
テム。
【請求項５１】 請求項２９記載の燃料電池システムにおいて、 前記燃料電池の動作温度が、１５０℃〜３００℃であることを特徴とする燃料
電池システム。
【請求項５２】 請求項２９記載の燃料電池システムにおいて、 前記燃料電池の動作温度が、前記燃料電池の動作条件下における水の沸点より
も高温であることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５５】 燃料電池システムであって、 化学的に拘束された水素を含有しているとともに燃料電池のアノードにおいて
プロトンを遊離するような少なくとも１つの化合物を備えているアノード供給原
料の供給源と； 前記アノード供給原料を含有した流れを受領し得るよう構成されているととも
に、少なくとも１つの燃料電池を備えている、燃料電池スタックと； を具備してなり、 前記燃料電池スタックが、 前記アノード供給原料を含有した前記流れの少なくとも一部を受領し得るよ
う構成されたアノード領域と； 酸素を含有した流れを受領し得るよう構成されたカソード領域と； 前記アノード領域と前記カソード領域とを隔離するための電解質バリアと；
を備え、 前記電解質バリアが、酸性または塩基性のいずれかとされた非水性液体電解質
を備え、 該非水性液体電解質が、該非水性液体電解質が酸性である場合には２５℃にお
いて５×１０-6よりも大きな酸イオン化定数（Ｋa ）を有し、あるいは、前記非
水性液体電解質が塩基性である場合には２５℃において５×１０-6よりも大きな
塩基イオン化定数（Ｋb ）を有していることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５６】 請求項５５記載の燃料電池システムにおいて、 前記アノード供給原料が、水素ガスを含有していることを特徴とする燃料電池
システム。
【請求項５７】 請求項５５記載の燃料電池システムにおいて、 前記アノード供給原料が、メタノールを含有していることを特徴とする燃料電
池システム。
【請求項５８】 請求項５５記載の燃料電池システムにおいて、 前記アノード供給原料が、ヒドラジンを含有していることを特徴とする燃料電
池システム。
【請求項５９】 請求項５５記載の燃料電池システムにおいて、 前記アノード供給原料が、ホルムアルデヒドを含有していることを特徴とする
燃料電池システム。
【請求項６０】 請求項５５記載の燃料電池システムにおいて、 前記アノード供給原料が、エタノールを含有していることを特徴とする燃料電
池システム。
【請求項６１】 請求項５５記載の燃料電池システムにおいて、 前記供給源が、貯蔵タンクを備えていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６２】 請求項５５記載の燃料電池システムにおいて、 前記供給源が、化学反応によって前記アノード供給原料を生成し得るよう構成
されたデバイスを備えていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６３】 請求項５５記載の燃料電池システムにおいて、 前記供給源が、燃料処理装置を備え、 前記アノード供給原料が、少なくとも実質的に純粋な水素ガスであることを特
徴とする燃料電池システム。
【請求項６４】 請求項６３記載の燃料電池システムにおいて、 前記燃料処理装置が、改質用触媒を有したスチーム改質器であることを特徴と
する燃料電池システム。
【請求項６５】 請求項６３記載の燃料電池システムにおいて、 前記燃料処理装置が、炭素を含有した供給原料の部分的酸化によって前記アノ
ード供給原料を生成し得るよう構成されていることを特徴とする燃料電池システ
ム。
【請求項６６】 請求項６３記載の燃料電池システムにおいて、 前記燃料処理装置が、水の電気分解によって前記アノード供給原料を生成し得
るよう構成されていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６７】 請求項６３記載の燃料電池システムにおいて、 前記燃料処理装置が、炭素含有原料の照射によって前記アノード供給原料を生
成し得るよう構成されていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７０】 燃料電池システムであって、 燃料処理装置と、少なくとも１つの燃料電池を備えた燃料電池スタックと、を
具備してなり、 前記燃料処理装置が、 炭素を含有した供給原料を有した供給流を受領し得るよう構成されていると
ともに、水素ガスと他のガスとを含有した混合ガス流を生成し得るよう構成され
ている、水素生成領域と； 前記混合ガス流を受領し得るよう構成されているとともに、前記混合ガス流
を、少なくとも実質的に純粋な水素流と、実質的に他のガスを含有している副生
成物流と、に分離し得るよう構成されている、分離領域と； を備え、 前記燃料電池スタックが、 前記少なくとも実質的に純粋な水素流の少なくとも一部を受領し得るよう構
成されたアノード領域と； 酸素を含有した流れを受領し得るよう構成されたカソード領域と； 前記アノード領域と前記カソード領域とを隔離する非水性液体電解質手段と
； を備えていることを特徴とする燃料電池システム。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ，ＴＲ)，ＯＡ(ＢＦ ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ， ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，Ｇ Ｍ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ， ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ， ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，Ｂ Ｚ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＯ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ ，ＤＫ，ＤＭ，ＤＺ，ＥＣ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ， ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，Ｉ Ｎ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ， ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，Ｐ Ｌ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ， ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ

Claims (64)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 燃料電池であって、 水素流を受領し得るよう構成されたアノード領域と； 酸素を含有した流れを受領し得るよう構成されたカソード領域と； 前記アノード領域と前記カソード領域とを隔離するための電解質バリアと； を具備してなり、 前記電解質バリアが、酸性または塩基性の非水性電解質を備え、 該非水性電解質が、該非水性電解質が酸である場合には２５℃において５×１
    ０-6よりも大きな酸イオン化定数（Ｋa ）を有し、あるいは、前記非水性電解質
    が塩基である場合には２５℃において５×１０-6よりも大きな塩基イオン化定数
    （Ｋb ）を有し、 動作温度が、３００℃未満であることを特徴とする燃料電池。
  2. 【請求項２】 請求項１記載の燃料電池において、 前記非水性電解質が、酸であることを特徴とする燃料電池。
  3. 【請求項３】 請求項１記載の燃料電池において、 前記非水性電解質が、塩基であることを特徴とする燃料電池。
  4. 【請求項４】 請求項１記載の燃料電池において、 前記非水性電解質が、有機イオン性液体を含有していることを特徴とする燃料
    電池。
  5. 【請求項５】 請求項１記載の燃料電池において、 前記非水性電解質が、硫酸を含有していることを特徴とする燃料電池。
  6. 【請求項６】 請求項１記載の燃料電池において、 前記非水性電解質が、溶媒と、酸性溶質または塩基性溶質と、の混合物を含有
    していることを特徴とする燃料電池。
  7. 【請求項７】 請求項６記載の燃料電池において、 前記溶媒が、有機イオン性液体を含有していることを特徴とする燃料電池。
  8. 【請求項８】 請求項６記載の燃料電池において、 前記溶媒が、炭化水素、多価アルコール、ポリエーテル、有機イオン性液体、
    および、公称沸点が９０℃超である有機液体、からなるグループの中から選択さ
    れたものであることを特徴とする燃料電池。
  9. 【請求項９】 請求項６記載の燃料電池において、 前記溶媒が、ヘキサデカン、デカン、灯油、プロピレンカーボネート、プロピ
    レングリコール、ｏ−ジクロロベンゼン、および、１，３，５−トリクロロベン
    ゼン、からなるグループの中から選択されたものであることを特徴とする燃料電
    池。
  10. 【請求項１０】 請求項６記載の燃料電池において、 前記酸性溶質が、ヘキサフルオロリン酸、テトラフェニルホウ酸、硫酸、およ
    び、過塩素酸、からなるグループの中から選択されたものであることを特徴とす
    る燃料電池。
  11. 【請求項１１】 請求項６記載の燃料電池において、 前記塩基性溶質が、水酸化テトラアルキルアンモニウムであることを特徴とす
    る燃料電池。
  12. 【請求項１２】 請求項１記載の燃料電池において、 前記非水性電解質が、該非水性電解質が酸である場合には２５℃において１×
    １０-2よりも大きな酸イオン化定数（Ｋa ）を有し、あるいは、前記非水性電解
    質が塩基である場合には２５℃において１×１０-2よりも大きな塩基イオン化定
    数（Ｋb ）を有していることを特徴とする燃料電池。
  13. 【請求項１３】 請求項１記載の燃料電池において、 前記非水性電解質が、該非水性電解質が酸である場合には２５℃において１×
    １０-4よりも大きな酸イオン化定数（Ｋa ）を有し、あるいは、前記非水性電解
    質が塩基である場合には２５℃において１×１０-4よりも大きな塩基イオン化定
    数（Ｋb ）を有していることを特徴とする燃料電池。
  14. 【請求項１４】 請求項１記載の燃料電池において、 前記非水性電解質が、５％未満というモル比率で水分を含有していることを特
    徴とする燃料電池。
  15. 【請求項１５】 請求項１記載の燃料電池において、 前記非水性電解質の沸点が、９０℃以上であることを特徴とする燃料電池。
  16. 【請求項１６】 請求項１記載の燃料電池において、 前記非水性電解質の沸点が、１３０℃以上であることを特徴とする燃料電池。
  17. 【請求項１７】 請求項１記載の燃料電池において、 前記非水性電解質の沸点が、１５０℃以上であることを特徴とする燃料電池。
  18. 【請求項１８】 請求項１記載の燃料電池において、 前記非水性電解質の融点が、５℃未満であることを特徴とする燃料電池。
  19. 【請求項１９】 請求項１記載の燃料電池において、 前記非水性電解質の融点が、０℃未満であることを特徴とする燃料電池。
  20. 【請求項２０】 請求項１記載の燃料電池において、 動作温度が、０℃〜３００℃であることを特徴とする燃料電池。
  21. 【請求項２１】 請求項１記載の燃料電池において、 動作温度が、１５℃〜２００℃であることを特徴とする燃料電池。
  22. 【請求項２２】 請求項１記載の燃料電池において、 動作温度が、１５℃〜１５０℃であることを特徴とする燃料電池。
  23. 【請求項２３】 請求項１記載の燃料電池において、 動作温度が、０℃〜１００℃であることを特徴とする燃料電池。
  24. 【請求項２４】 請求項１記載の燃料電池において、 動作温度が、１００℃超であることを特徴とする燃料電池。
  25. 【請求項２５】 請求項１記載の燃料電池において、 動作温度が、１５０℃〜３００℃であることを特徴とする燃料電池。
  26. 【請求項２６】 請求項１記載の燃料電池において、 動作温度が、前記燃料電池の動作条件下における水の沸点よりも高温であるこ
    とを特徴とする燃料電池。
  27. 【請求項２７】 燃料電池システムであって、 燃料処理装置と、少なくとも１つの燃料電池を備えた燃料電池スタックと、を
    具備してなり、 前記燃料処理装置が、 炭素を含有した供給原料を有した供給流を受領し得るよう構成されていると
    ともに、水素ガスと他のガスとを含有した混合ガス流を生成し得るよう構成され
    ている、水素生成領域と； 前記混合ガス流を受領し得るよう構成されているとともに、前記混合ガス流
    を、少なくとも実質的に純粋な水素流と、実質的に他のガスを含有している副生
    成物流と、に分離し得るよう構成されている、分離領域と； を備え、 前記燃料電池スタックが、 前記少なくとも実質的に純粋な水素流の少なくとも一部を受領し得るよう構
    成されたアノード領域と； 酸素を含有した流れを受領し得るよう構成されたカソード領域と； 前記アノード領域と前記カソード領域とを隔離するための電解質バリアと；
    を備え、 前記電解質バリアが、酸または塩基のいずれかとされた非水性電解質を備え、 該非水性電解質が、該非水性電解質が酸である場合には２５℃において５×１
    ０-6よりも大きな酸イオン化定数（Ｋa ）を有し、あるいは、前記非水性電解質
    が塩基である場合には２５℃において５×１０-6よりも大きな塩基イオン化定数
    （Ｋb ）を有していることを特徴とする燃料電池システム。
  28. 【請求項２８】 請求項２７記載の燃料電池システムにおいて、 前記分離領域が、少なくとも１つの水素選択性膜を備えていることを特徴とす
    る燃料電池システム。
  29. 【請求項２９】 請求項２７記載の燃料電池システムにおいて、 前記水素生成領域が、改質用触媒を有した改質領域を備えていることを特徴と
    する燃料電池システム。
  30. 【請求項３０】 請求項２７記載の燃料電池システムにおいて、 前記燃料処理装置が、前記燃料電池スタックに対して前記流れを供給する前に
    、前記少なくとも実質的に純粋な水素流の純度を高め得るよう構成された追加精
    製触媒ベッドを備えていることを特徴とする燃料電池システム。
  31. 【請求項３１】 請求項２７記載の燃料電池システムにおいて、 前記非水性電解質が、該非水性電解質が酸性である場合には２５℃において１
    ×１０-2よりも大きな酸イオン化定数（Ｋa ）を有し、あるいは、前記非水性電
    解質が塩基性である場合には２５℃において１×１０-2よりも大きな塩基イオン
    化定数（Ｋb ）を有していることを特徴とする燃料電池システム。
  32. 【請求項３２】 請求項２７記載の燃料電池システムにおいて、 前記非水性電解質が、該非水性電解質が酸性である場合には２５℃において１
    ×１０-4よりも大きな酸イオン化定数（Ｋa ）を有し、あるいは、前記非水性電
    解質が塩基性である場合には２５℃において１×１０-4よりも大きな塩基イオン
    化定数（Ｋb ）を有していることを特徴とする燃料電池システム。
  33. 【請求項３３】 請求項２７記載の燃料電池システムにおいて、 前記非水性電解質が、酸であることを特徴とする燃料電池システム。
  34. 【請求項３４】 請求項２７記載の燃料電池システムにおいて、 前記非水性電解質が、塩基であることを特徴とする燃料電池システム。
  35. 【請求項３５】 請求項２７記載の燃料電池システムにおいて、 前記非水性電解質が、有機イオン性液体を含有していることを特徴とする燃料
    電池システム。
  36. 【請求項３６】 請求項２７記載の燃料電池システムにおいて、 前記非水性電解質が、溶媒と、酸性溶質または塩基性溶質と、の混合物を含有
    していることを特徴とする燃料電池システム。
  37. 【請求項３７】 請求項２７記載の燃料電池システムにおいて、 前記溶媒が、有機イオン性液体を含有していることを特徴とする燃料電池シス
    テム。
  38. 【請求項３８】 請求項２７記載の燃料電池システムにおいて、 前記非水性電解質が、５％未満というモル比率で水分を含有していることを特
    徴とする燃料電池システム。
  39. 【請求項３９】 請求項２７記載の燃料電池システムにおいて、 前記非水性電解質の沸点が、９０℃以上であることを特徴とする燃料電池シス
    テム。
  40. 【請求項４０】 請求項２７記載の燃料電池システムにおいて、 前記非水性電解質の沸点が、１３０℃以上であることを特徴とする燃料電池シ
    ステム。
  41. 【請求項４１】 請求項２７記載の燃料電池システムにおいて、 前記非水性電解質の沸点が、１５０℃以上であることを特徴とする燃料電池シ
    ステム。
  42. 【請求項４２】 請求項２７記載の燃料電池システムにおいて、 前記非水性電解質の融点が、５℃未満であることを特徴とする燃料電池システ
    ム。
  43. 【請求項４３】 請求項２７記載の燃料電池システムにおいて、 前記非水性電解質の融点が、０℃未満であることを特徴とする燃料電池システ
    ム。
  44. 【請求項４４】 請求項２７記載の燃料電池システムにおいて、 前記燃料電池の動作温度が、０℃〜３００℃であることを特徴とする燃料電池
    システム。
  45. 【請求項４５】 請求項２７記載の燃料電池システムにおいて、 前記燃料電池の動作温度が、１５℃〜２００℃であることを特徴とする燃料電
    池システム。
  46. 【請求項４６】 請求項２７記載の燃料電池システムにおいて、 前記燃料電池の動作温度が、１５℃〜１５０℃であることを特徴とする燃料電
    池システム。
  47. 【請求項４７】 請求項２７記載の燃料電池システムにおいて、 前記燃料電池の動作温度が、０℃〜１００℃であることを特徴とする燃料電池
    システム。
  48. 【請求項４８】 請求項２７記載の燃料電池システムにおいて、 前記燃料電池の動作温度が、１００℃超であることを特徴とする燃料電池シス
    テム。
  49. 【請求項４９】 請求項２７記載の燃料電池システムにおいて、 前記燃料電池の動作温度が、１５０℃〜３００℃であることを特徴とする燃料
    電池システム。
  50. 【請求項５０】 請求項２７記載の燃料電池システムにおいて、 前記燃料電池の動作温度が、前記燃料電池の動作条件下における水の沸点より
    も高温であることを特徴とする燃料電池システム。
  51. 【請求項５１】 燃料電池システムであって、 化学的に拘束された水素を含有しているとともに燃料電池のアノードにおいて
    プロトンを遊離するような少なくとも１つの化合物を備えているアノード供給原
    料の供給源と； 前記アノード供給原料を含有した流れを受領し得るよう構成されているととも
    に、少なくとも１つの燃料電池を備えている、燃料電池スタックと； を具備してなり、 前記燃料電池スタックが、 前記アノード供給原料を含有した前記流れの少なくとも一部を受領し得るよ
    う構成されたアノード領域と； 酸素を含有した流れを受領し得るよう構成されたカソード領域と； 前記アノード領域と前記カソード領域とを隔離するための電解質バリアと；
    を備え、 前記電解質バリアが、酸性または塩基性のいずれかとされた非水性電解質を備
    え、 該非水性電解質が、該非水性電解質が酸性である場合には２５℃において５×
    １０-6よりも大きな酸イオン化定数（Ｋa ）を有し、あるいは、前記非水性電解
    質が塩基性である場合には２５℃において５×１０-6よりも大きな塩基イオン化
    定数（Ｋb ）を有していることを特徴とする燃料電池システム。
  52. 【請求項５２】 請求項５１記載の燃料電池システムにおいて、 前記アノード供給原料が、水素ガスを含有していることを特徴とする燃料電池
    システム。
  53. 【請求項５３】 請求項５１記載の燃料電池システムにおいて、 前記アノード供給原料が、メタノールを含有していることを特徴とする燃料電
    池システム。
  54. 【請求項５４】 請求項５１記載の燃料電池システムにおいて、 前記アノード供給原料が、ヒドラジンを含有していることを特徴とする燃料電
    池システム。
  55. 【請求項５５】 請求項５１記載の燃料電池システムにおいて、 前記アノード供給原料が、ホルムアルデヒドを含有していることを特徴とする
    燃料電池システム。
  56. 【請求項５６】 請求項５１記載の燃料電池システムにおいて、 前記アノード供給原料が、エタノールを含有していることを特徴とする燃料電
    池システム。
  57. 【請求項５７】 請求項５１記載の燃料電池システムにおいて、 前記供給源が、貯蔵タンクを備えていることを特徴とする燃料電池システム。
  58. 【請求項５８】 請求項５１記載の燃料電池システムにおいて、 前記供給源が、化学反応によって前記アノード供給原料を生成し得るよう構成
    されたデバイスを備えていることを特徴とする燃料電池システム。
  59. 【請求項５９】 請求項５１記載の燃料電池システムにおいて、 前記供給源が、燃料処理装置を備え、 前記アノード供給原料が、少なくとも実質的に純粋な水素ガスであることを特
    徴とする燃料電池システム。
  60. 【請求項６０】 請求項５９記載の燃料電池システムにおいて、 前記燃料処理装置が、改質用触媒を有したスチーム改質器であることを特徴と
    する燃料電池システム。
  61. 【請求項６１】 請求項５９記載の燃料電池システムにおいて、 前記燃料処理装置が、炭素を含有した供給原料の部分的酸化によって前記アノ
    ード供給原料を生成し得るよう構成されていることを特徴とする燃料電池システ
    ム。
  62. 【請求項６２】 請求項５９記載の燃料電池システムにおいて、 前記燃料処理装置が、水の電気分解によって前記アノード供給原料を生成し得
    るよう構成されていることを特徴とする燃料電池システム。
  63. 【請求項６３】 請求項５９記載の燃料電池システムにおいて、 前記燃料処理装置が、炭素含有原料の照射によって前記アノード供給原料を生
    成し得るよう構成されていることを特徴とする燃料電池システム。
  64. 【請求項６４】 燃料電池システムであって、 燃料処理装置と、少なくとも１つの燃料電池を備えた燃料電池スタックと、を
    具備してなり、 前記燃料処理装置が、 炭素を含有した供給原料を有した供給流を受領し得るよう構成されていると
    ともに、水素ガスと他のガスとを含有した混合ガス流を生成し得るよう構成され
    ている、水素生成領域と； 前記混合ガス流を受領し得るよう構成されているとともに、前記混合ガス流
    を、少なくとも実質的に純粋な水素流と、実質的に他のガスを含有している副生
    成物流と、に分離し得るよう構成されている、分離領域と； を備え、 前記燃料電池スタックが、 前記少なくとも実質的に純粋な水素流の少なくとも一部を受領し得るよう構
    成されたアノード領域と； 酸素を含有した流れを受領し得るよう構成されたカソード領域と； 前記アノード領域と前記カソード領域とを隔離する電解質手段と； を備えていることを特徴とする燃料電池システム。
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