JP2007115685A - 直接酸化燃料電池用の循環液を有する複式ポンプアノードシステム - Google Patents

Abstract

【課題】カソード排気からの水の回収を要することなく、未希釈のメタノールを含むカートリッジからの高濃度燃料でアノードを直接作動することを可能にする直接酸化燃料電池アノードシステムの提供。
【解決手段】直接酸化燃料電池アノードシステムは、アノードと、アノードと流体的に連通し、かつ循環ポンプを含む循環回路であって、循環ポンプが、循環回路内に循環液を循環させるように構成されている循環回路と、燃料カートリッジと、循環回路及び燃料カートリッジと流体的に連通しており、燃料カートリッジからの燃料を循環液内に注入するように構成されている燃料ポンプとを含み、アノードシステムは、カソード排気から水を受け入れないように構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般に、携帯電源用の電気を生成する電気化学燃料電池に関する。

直接酸化燃料電池（ＤＯＦＣ）は、液体燃料の完全な電気酸化から電気を生成する電気化学デバイスである。対象となる液体燃料は、典型的には、メタノール、ギ酸、ジメチルエーテル（ＤＭＥ）及びこれらの水溶液を含む。酸化剤は、実質的に純酸素、または、空気中の酸素等の低濃度の流れとすることができる。携帯及びモバイル用途（例えば、ノートパソコン、携帯電話、ＰＤＡ等）にＤＯＦＣを用いることの顕著な利点は、容易な蓄電／取扱い及び液体燃料の高エネルギ密度を含む。

ＤＯＦＣシステムの一つの例は、直接メタノール型燃料電池またはＤＭＦＣである。ＤＭＦＣは、一般に、アノード、カソード及びそれらの間に置かれたプロトン伝導膜電解質を有する膜電極一体構造（以後、“ＭＥＡ”と呼ぶ）を用いる。膜電解質の典型的な例は、ナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ（登録商標））（ナフィオンは、Ｅ．Ｉ Ｄｕｐｏｎｔ ｄｅ Ｎｅｍｏｕｒｓ ａｎｄ Ｃｏｍｐａｎｙの登録商標である）。メタノール／水溶液は、アノードに燃料として直接供給され、空気は、カソードに酸化剤として供給される。アノード側では、メタノールは、二酸化炭素、プロトン及び電子を生成するＰｔ−Ｒｕ触媒がある場合、水と反応する。すなわち、

プロトンは、電子に対して非伝導性である上記プロトン伝導膜電解質を介して上記カソードへ移動する。電子は、電力が供給されている外部回路を介してカソードへ移動する。カソード側では、プロトン、電子及び空気中の酸素分子が結合して水を形成し、すなわち、

これら２つの電気化学反応は、全体として、

のような電池反応を構成する。

一般的に、ＤＭＦＣにおいては、メタノールは、一部がアノードからカソードへ膜電解質を浸透し、このようなメタノールは、“クロスオーバーメタノール”と呼ばれる。クロスオーバーメタノールは、カソードで酸素と反応し、燃料電池の発電を抑制する、燃料利用効率及びカソード電位の低下を引き起こす。加えて、電気浸透抗力（ｅｌｅｃｔｒｏｏｓｍｏｔｉｃ ｄｒａｇ）及び拡散によって引き起こされる、上記膜を介した多量の水クロスオーバーが存在し、アノードからの著しい水損失を生じる。従って、ＤＭＦＣシステムの場合、（１）メタノールクロスオーバーおよび不利な結果を制限するために、及び（２）十分な水を供給して、膜を介したカソードへの過剰な水クロスオーバーを支えるために、アノード内で非常に薄い（３〜６容量パーセント）メタノール溶液を用いることが一般的である。しかし、そのようなＤＭＦＣシステムに伴う問題は、携帯システムに収容するためにシステムが相当量の水を要し、そのため、システムのエネルギ密度を犠牲にするということである。

いくつかの従来のシステムは、カソード排気から水を回収し、水をアノードに再循環させる（米国特許第５，５９９，６３８号明細書）。ポリマー電解液燃料電池のガス拡散層における液体水輸送は、Ｕ．Ｐａｓａｏｇｕｌｌａｒｉ及びＣ．Ｙ．Ｗａｎｇにより、Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．のＶｏｌ．１５１（２００４年３月）のＡ３９９〜Ａ４０６ページで論じられている。

直接酸化燃料電池の複式ポンプアノードシステムは、アノードと、循環回路及び循環回路内で液体を循環させる循環ポンプと、燃料カートリッジと、燃料カートリッジから循環液内に燃料を注入する燃料ポンプとを含む。アノードシステムは、カソード排気から水を受け入れないように構成されている。

ＤＭＦＣ技術は、リチウムイオン電池等の進化した電池と競合している。本発明者等は、高濃度の燃料をアノードで用いる能力が、ＤＭＦＣ等の携帯電源にとって好適であることを見出した。

一つの実施形態は、直接酸化燃料電池が、カソード排気からの水の回収を要することなく、未希釈のメタノールを含むカートリッジからの高濃度燃料で直接作動することが可能な複式ポンプアノードシステムを提供する。別の実施形態は、カートリッジ内の高濃度燃料及び高温の電池温度を用いて、最適な性能を維持する直接酸化燃料電池を提供する。

一つの実施形態は、携帯電源用の電気を生成する電気化学燃料電池を提供する。別の実施形態は、カソード排気からの水の回収または再循環または再利用を要することなく、高濃度の燃料で作動する直接メタノール型燃料電池を提供する。他の実施形態は、カソードで生成された水が回収または再循環されず、カソード排気から廃棄される複式ポンプアノードシステムを有する燃料電池を含む。

水がカソード排気から回収されない場合、燃料カートリッジからの燃料の最大許容濃度は、アノード区画からの水及びメタノールの損失によって決まる。アノードからのメタノール損失のモル比は、

によって表され、ただし、βは、クロスオーバーメタノールと、発電のために消費されたメタノールとの比であり、Ｆは、ファラデー定数である。等式（４）の右辺の“１”は、発電のために、すなわち、電流密度Ｉを生成するために、アノード触媒層で消費された１モルのメタノールを表す。同様に、アノードからの水損失のモル比は、

によって示され、ただし、αは、上記電解質膜を突き抜けるプロトン当たりの水分子の数であり、あるいは、膜を通過する正味の水輸送係数として一般的に知られている。括弧内に記載されている“１”は、アノード反応（１）で消費された１モルの水に対応する。従って、アノードに供給されるメタノールと水のモル比は、

に等しい。

一実施形態において、βは、燃料効率を８０％超に維持するために、０．２５未満になるように制御される。そのため、上記モル比によって等価的に与えられる燃料濃度は、単に、等式（６）に従って、水クロスオーバー係数αに依存する。例えば、β＝０．２５（８０％の燃料効率）及びα＝０．４の場合、等式（６）は、上記燃料カートリッジ内で、１１．２Ｍのモル濃度を生じる。表１は、上記膜のメタノールクロスオーバー係数β＝０．２５と仮定した場合の、燃料カートリッジにおける最大許容濃度（Ｍ）と、膜の水クロスオーバー係数αとの１対１の対応を表にしたものである。すなわち、低いαを実現することは、ＤＭＦＣにおいて高濃度燃料を用いることに対する一つの鍵である。

βは、０、０．１、０．１５、０．２、０．２５、０．３、０．３５、０．４、０．４５、０．５、０．６、０．７、０．８、０．９または１、これらの間の何れかの非整数値、あるいは、それらの何れかの組合せを含む０〜１の幅がある。この範囲のβを超えて、燃料効率は、５０、５５、６０、６５、７０、７５、８０、８５、９０、９５、９９、実質的に１００、または１００％、これらの間の非整数を含む何れかの値、あるいは、それらの何れかの組合せを含む何れかの値を含む、５０〜１００％の幅がある。一実施形態において、βは、８０％以上の燃料効率を維持するために、０．２５以下になるように制御される。一実施形態において、燃料効率は、８０％以上である。

以下の表１は、燃料モル濃度（メタノール／水溶液のメタノールモル）と、β＝０．２５の場合に上記膜を介した水クロスオーバー係数αとの関係を示す。

最近になって、低αＭＥＡが、２つの主要な方法によって可能になってきている。一つは、２００４年１２月１７日に出願された米国特許出願第１１／０１３，９２２号明細書に記載されているような薄いナフィオン（登録商標）膜を介して液体水バックフローを用いることであり、出願の内容全体を本願明細書に援用する。このアプローチにおいては、６０℃においてα＝０．４が、高疎水性微多孔層を、空気循環カソード及び薄い膜（例えば、ナフィオン（登録商標）１１２）に用いることにより実証されている（Ｃ．Ｌｉｍ及びＣ．Ｙ．Ｗａｎｇの“Ｈｉｇｈ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌｓ”（２００２年５月１２日〜１７日のフィラデルフィアでの第２０１回Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ Ｍｅｅｔｉｎｇで提示された論文Ｎｏ．２００）及びＣ．Ｌｉｍ及びＣ．Ｙ．Ｗａｎｇの“Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ Ｈｉｇｈ−Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ ｆｏｒ ａ Ｌｉｑｕｉｄ−Ｆｅｅｄ Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ”（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐｏｗｅｒ Ｓｏｕｒｃｅｓ １１３、１４５〜１５０ページ、２００３年１月）、これらそれぞれの内容全体を本願明細書に援用する）。低αを得るための他の可能性は、炭化水素膜を用いることである。例えば、α＝１．３は、スルホン化ポリ（アリーレンエーテルベンゾニトリル）膜（Ｙ．Ｓ．Ｋｉｍ、Ｍ．Ｊ．Ｓｕｍｎｅｒ、Ｗ．Ｌ．Ｈａｒｒｉｓｏｎ、Ｊ．Ｓ．Ｒｉｆｆｌｅ、Ｊ．Ｅ．ＭｃＧｒａｔｈ及びＢ．Ｓ．Ｐｉｖｏｖａｒの“Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ Ｄｉｓｕｌｆｏｎａｔｅｄ Ｐｏｌｙ（ａｒｙｌｅｎｅ ｅｔｈｅｒ ｂｅｎｚｏｎｉｔｒｉｌｅ）Ｃｏｐｏｌｙｍｅｒｓ、Ｊ．Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．のＶｏｌ．１５１のＡ２１５７〜Ａ２１７２ページ、２００４年１２月、その内容全体を本願明細書に援用する）の場合に実証された。

残念なことに、低αＭＥＡを有することは、等式（６）によって説明されるように、それ以上の高濃度燃料の上記アノードへの直接供給を可能にしない。これは、高濃度燃料のアノードへの直接供給が、メタノールと水のバランスを満たすものの、２つの不利な結果、すなわち、（１）上記膜全域での大きなメタノール濃度勾配による増加したメタノールクロスオーバー、及び（２）高濃度液体燃料によるかなり高いメタノール蒸気飽和圧力によるＣＯ_２放出を介した過剰なメタノール蒸気損失をもたらすからである。一つの実施形態は、それらの問題を解決する循環液を伴う複式ポンプアノードを提供して、それによって、等式（６）によって指定されるような高濃度燃料の直接使用を可能にする。

一つの実施形態は、循環液を伴う複式ポンプアノードを提供し、循環回路内に注入されるメタノールと水の全体の比率は、表１に見られるように、β＝０．２５の場合、０．０２〜１．２５の範囲の比率を有し、この範囲は、０．０２、０．０３、０．０４、０．０５、０．０６、０．０７、０．０８、０．０９、０．１、０．２、０．３、０．４、０．５、０．６、０．７、０．８、０．９、１．０、１．１、１．２及び１．２５、及びこれらの間の何れかの非整数値を含む。一実施形態において、比率は、０．３超である。

図１は、アノード側に２つのポンプを有するそのような直接酸化燃料電池システムを概略的に示す。一実施形態によれば、図１は、システムにおける燃料としてのメタノールを示す。しかし、液体炭素質燃料等の他の燃料も適している。一実施形態において、燃料は、含酸素燃料である。別の実施形態においては、燃料は、Ｃ−Ｃ結合を有していない。他の実施形態においては、燃料は、メタノール、ギ酸、ジメチルエーテル、水性メタノール溶液、水性ギ酸溶液、水性ジメチルエーテル溶液、またはそれらの混合物、あるいは、それらの組合せ等である。

一実施形態において、燃料は、高濃度燃料である。高濃度燃料は、約１０〜２４Ｍの範囲の濃度を有し、この範囲は、１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９、２０、２１、２２、２３または２４Ｍ、あるいは、これらの間の何れかの非整数値を含む何れかの値を含む。一実施形態において、燃料は、水性メタノール溶液中で、３０重量％のメタノールである。別の実施形態においては、燃料は、純粋なまたは実質的に純粋なメタノールである。

一実施形態においては、図１に示すように、上記複式ポンプアノードシステムは、循環回路と、ＣＯ_２ガスが排出されるガス分離器と、循環ポンプと、高濃度燃料を注入する燃料ポンプとを含む。循環回路は、アノードアウトレットとアノードインレットとを接続する。燃料電池は、アノードと、カソードと、プロトン伝導性電解質膜とを含む。アノード、カソード及び膜は、好ましくは、ＭＥＡと呼ばれる多層構造である。上記ガス分離器は、アノードの排気からＣＯ_２ガスを排出する。

一実施形態においては、最初に、循環流体と呼ばれる少量の液体が、上記循環回路内に蓄えられる。循環流体は、キャリア液体として作用し、一実施形態においては、燃料電池の作動によって生成されず、または消費されない。一実施形態において、循環流体は、アノードの反応に関与しない。一実施形態において、循環流体は、上記膜を透過しない。一実施形態において、循環流体は、アノードの反応に関与する。一実施形態において、循環流体は、膜を透過する。一実施形態においては、循環流体の量が、一定または実質的に一定のレベルに維持される。一実施形態において、循環流体は、アノードの反応に関与し、循環流体の量が、一定または実質的に一定のレベルに維持される。一実施形態において、循環流体は、膜を透過し、循環流体の量が、一定または実質的に一定のレベルに維持される。循環流体は、純水、または低濃度の水・メタノール溶液、あるいは、第３の液体を含有する水性メタノール溶液とすることができる。一実施形態において、第３の液体は、メタノール及び水と混和性である。別の実施形態においては、第３の液体は、アノード触媒側のメタノールよりも揮発性が低く、かつ電気化学的活性が低い。他の実施形態においては、第３の液体は、アノード触媒に吸収されず、または、アノード触媒を汚染しない。別の実施形態においては、第３の液体は、膜電解質を透過するのが困難な大きな分子を有する。第３の液体の適切な非限定的例は、ジメチルスルホキシド、エタノール、硫酸、トリフリック酸、酢酸、５％ナフィオン（登録商標）溶液、極性溶媒、高沸点を有する高極性溶媒、またはこれらの組合せを含む。

一実施形態において、上記燃料カートリッジからの高濃度燃料は、燃料ポンプによって、上記アノードインレット近くの上記循環回路に注入される。燃料ポンプの比率は、燃料カートリッジからのメタノール及び水が、等式（４）及び（５）に従って、アノードの反応または上記膜を通ってカソード側へクロスオーバーの何れかによるアノードにおける損失の割合と整合するように制御される。従って、アノードの排気は、循環流体の元の組成に戻る。循環回路内では、循環流体は、高濃度燃料の注入によって燃料が量的に充実しているアノードインレットおよびその後アノード消費により燃料が激減する、アノードの内側部を除いて、その初期の組成に保たれる。一実施形態において、循環液は、燃料電池における燃料クロスオーバー及びアノードガス放出への燃料蒸発が最小化されるように、燃料カートリッジからの燃料を薄めるバックグラウンド流体を提供する。アノード排気は、ガス分離器へ戻され、ここで、ＣＯ_２ガスが排出され、液体は、循環ポンプ内に再び入る。ガス分離器内に存在する小さな気泡が、循環ポンプ内に混入すること、およびアノードに入って自発的な燃料欠乏やそれに伴う電池電圧の変動を引き起こすことを防ぐために、多孔性薄膜フィルタを必要に応じて循環ポンプの取り入れ口に用いてもよい。

循環液を伴う本発明の複式ポンプアノードシステムの一つの利点は、燃料ポンプが、等式（４）及び（５）により必要とされる正確な量のメタノール及び水を注入するように制御されると共に、循環ポンプを、アノードからのＣＯ_２の除去を容易にして、電池性能を最適化するように独立して制御することができるということである。そのため、高濃度燃料の使用及び最適化された電池性能に対するＤＭＦＣの両方の要求は、２つのポンプを能動的かつ独立して制御するこのシステムによって同時に満たすことができる。

燃料注入ポンピング速度と循環ポンピング速度の関数関係は、

のように数学的に表すことができ、ただし、Ｆ_１、Ｆ_２及びＦ_３は、図２に示すように、それぞれ、循環液の流量、上記燃料カートリッジからの燃料の流量、及びＤＭＦＣのアノード内への液体の総供給量である。同様に、Ｃ_１、Ｃ_２及びＣ_３は、それぞれ、循環液中のメタノール濃度、燃料カートリッジ内のメタノール濃度及びＤＭＦＣのアノード内への液体の総供給量である。Ｃ_３及びＦ_３の値は、最高の電池性能をもたらすのに必要な最適条件によって決まる。Ｃ_２及びＦ_２の値は、等式（４）及び（５）によって必要とされる反応物質の量によって決まる。等式（７）から、Ｃ_１及びＦ_１を決めることができる。

一実施形態においては、図３に示すように、上記燃料カートリッジからの燃料を、循環ポンピングによって循環液と良好に混合することができるように、燃料注入ポイントが上記循環ポンプの前にある複式ポンプアノードシステムが提供される。

別法として、上記燃料カートリッジからの高濃度燃料を、垂直な燃料ポンプにより、多孔性構造を介してアノードプレートの面に対してシャワーのように注入することができる。このような面供給は、アノードの流路全域で均一なメタノール濃度を生成し、いくつかの用途において効果をもたらす可能性がある。

上記燃料電池の始動時において、少量の水を伴う循環液の少量の初期充填を、上記ガス分離器内部に含めることができる。別法として、水の初期充填はなくすことができる。設計点または作動温度（例えば、４５〜６０℃）より低い温度からの燃料電池の始動時には、上記膜を介した水クロスオーバー係数は、最初は、低い電池温度により低くなっている。すなわち、最初は、アノードの排気内に過剰な水が存在し、この過剰が、上記ガス分離器内で保たれて、上記循環液が形成されることになる。ＤＭＦＣ温度が一旦、設計点に達すると、アノード排気内には過剰な水は存在せず、循環回路内の液体の量は増加が止まる。

一実施形態において、上記ガス分離器は、図４に示すように、燃料カートリッジと共に、可膨張性バッグ、例えば、プラスチックバッグ内に収容することができる。一実施形態において、上記燃料カートリッジは、最初に、高濃度のメタノール燃料等の燃料で満たすことができるとともに、ガス分離器からはガスが抜かれる。上記システムの作動時に、燃料は徐々に消費され、燃料カートリッジは小さくなっていき、ガス分離器は水を集めかつ上記循環回路からの燃料を薄めるにつれて、サイズが大きくなる。一実施形態において、ガス分離器によって分離されたＣＯ_２ガスは、バッグの外部へ排出される。従って、システムの動作中、ガス分離器は、バッグの内部の大部分を占め、燃料カートリッジは、より小さい一部を占める。この実施形態は、システムにおけるガス分離器の空間要件をなくすか、または最小化する。

図１に示す上記システムにおける上記プロトン伝導電解質膜は、フッ素化膜または炭化水素膜の何れかとすることができる。膜を用いて実現することができるαの値が低くなればなるほど、等式（６）に従って、より高濃度の燃料を用いることができる。

カソード側は、空気循環または空気通気（ａｉｒ ｂｒｅａｔｈｉｎｇ）のいずれかとすることができる。カソード側からの水の回収は必要ない。

一実施形態において、上記燃料電池は、１００ｍＷ〜１００Ｗの範囲の出力を実現でき、この範囲は、１００、２００、３００、４００、５００、６００、７００、８００または９００ｍＷ、１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、４５、５０、６０、７０、８０、９０または１００Ｗ、または、これらの間の何れかの非整数値を含む何れかの値、あるいは、それらの組合せを含む。

上記燃料電池は、何らかの電子デバイス用の電源として、例えば、バッテリー交換、補充またはバックアップとして適している。電子デバイスのいくつかの非限定的例は、コンピュータ、携帯情報端末、携帯電話、カメラ、デジタルカメラ、携帯音楽装置、携帯型ゲーム機等を含む。

以下の実施例は、説明目的のためだけに示し、別に指定しない限り、限定を意図するものではない。

１２ｃｍ^２の活性領域を有する電池を使用し、カソードのガス拡散層（以後、“ＧＤＬ”と呼ぶ）が、厚さ３００μｍのカーボンクロスＧＤＬと厚さ３０μｍの微小孔層（ＭＰＬ）とを含む実験を行った。アノード裏打ち層は、２６０μｍの厚さを有するＴｏｒａｙのカーボンペーパーＴＧＰＨ ０９０とした。上記ＭＥＡは、アノードの裏打ち層及びカソードのＧＤＬを、触媒をコーティングしたナフィオン（登録商標）１１２膜上に加熱加圧することにより形成した。アノードへのＰｔ−Ｒｕ（Ｐｔ−Ｒｕ ｂｌａｃｋ ＨｉＳＰＥＣ ６０００、Ｐｔ：Ｒｕ＝１：１の原子比率、Ａｌｆａ Ａｅｓａｒ、Ｊｏｈｎｓｏｎ Ｍａｔｔｈｅｙ Ｃｏｍｐａｎｙ）の装填及び（Ｅ−ＴＥＫのカーボン４０％ Ｐｔ／Ｖｕｌｃａｎ ＸＣ７２上に支持された）Ｐｔは、それぞれ、４．６ｍｇ／ｃｍ^２及び１．２ｍｇ／ｃｍ^２であった。ＭＥＡは、２路蛇行フローフィールドを有する従来の電池取付け具に取付け、電池は、図１に示すのと同じ構成で作動させた。

図５は、１７５ｍＡ／ｃｍ^２で放電すると共に、１０Ｍのメタノール燃料を供給した１２ｃｍ^２セルの電圧曲線を示す。燃料の供給速度は、３０μｌ／分であり、アノードの循環速度は、１９０μｌ／分であり、カソードの空気流量は、７０ｃｃ／分に設定した。常に２Ｍで作動し、かつ他の同等の条件下で作動する基準電池性能と比較して、実施例のセルは、同様の高性能をもたらした。加えて、実施例のセルは、６時間のテスト中、安定して作動することができる。

本願明細書で論じたいくつかの実施形態は、カソード排気からの水の回収を伴うことなく高濃度燃料を用いること、および希釈メタノールで最適化した電池性能を実現することを可能にする。燃料供給速度及び用いる空気の量的関係は、セルの作動条件によって変化する可能性があることに注意すべきである。

高濃度燃料に直接作用する直接メタノール型燃料電池の複式ポンプアノードシステムを概略的に示す図である。モル濃度（M）は、溶液中のメタノール濃度を示す。 燃料の流量とメタノール濃度、循環液の流量とメタノール濃度、及びＤＭＦＣへの供給量と濃度の関数関係を示す図である。 複式ポンプアノードシステムの実施形態を概略的に示す図である。 複式ポンプアノードシステムの別の実施形態を概略的に示す図である。 １０Ｍの燃料供給で、６時間のテスト中に１７５ｍＡ／ｃｍ^２で放電した１２ｃｍ^２電池の電圧曲線、及び基準電池との比較を示すグラフである。

Claims (23)

1. アノードと、
   前記アノードと流体的に連通しており、かつ循環ポンプ備える循環回路であって、前記循環ポンプが、前記循環回路内に循環液を循環させるように構成されている循環回路と、
   燃料カートリッジと、
   前記循環回路及び前記燃料カートリッジと流体的に連通しており、前記燃料カートリッジからの燃料を前記循環液内に注入するように構成されている燃料ポンプと、
   を備え、カソード排気からの水を受け入れないように構成されている、直接酸化燃料電池アノードシステム。
2. 前記循環回路が、さらにガス分離器を備える、請求項１に記載のアノードシステム。
3. 前記ガス分離器が、前記循環液からＣＯ_２を分離するように構成されている、請求項２に記載のアノードシステム。
4. 可膨張性バッグをさらに備え、前記ガス分離器及び前記燃料カートリッジが、共に前記可膨張性バッグ内に収容されている、請求項２に記載のアノードシステム。
5. 前記循環回路がさらに前記循環液を含む、請求項１に記載のアノードシステム。
6. 前記循環液が、水、水性燃料溶液、ジメチルスルホキシド、エタノール、硫酸、トリフリック酸、ナフィオン溶液、極性溶媒、または、それらの混合物からなる群から選択される少なくとも１つの流体を含む、請求項５に記載のアノードシステム。
7. 前記燃料ポンプが、前記循環ポンプの上流または下流の前記循環液内に燃料を注入するように構成されている、請求項１に記載のアノードシステム。
8. 前記アノードが面を備え、前記燃料ポンプが、前記アノードの面と垂直に前記燃料を注入するように構成されている、請求項１に記載のアノードシステム。
9. 前記循環回路がさらに、前記燃料ポンプと前記アノード面との間に多孔性構造を備え、前記燃料が前記多孔性構造を介して前記アノード面と垂直に注入される、請求項８に記載のアノードシステム。
10. 前記燃料カートリッジがさらに前記燃料を含む、請求項１に記載のアノードシステム。
11. 前記燃料が、液状炭素質燃料または含酸素燃料である、請求項１０に記載のアノードシステム。
12. 前記燃料が、メタノール、水性メタノール、ギ酸、水性ギ酸、ジメチルエーテル、水性ジメチルエーテル、またはそれらの組合せからなる群から選択される少なくとも１つの燃料を含む、請求項１０に記載のアノードシステム。
13. 前記燃料カートリッジ内の燃料の濃度が、次の式（Ｉ）に従って規定され、
    

    

    ただし、Ｎ_{ＣＨ３ＯＨ}は、前記アノードからのメタノール損失のモル比であり、Ｎ_Ｈ２Ｏは、前記アノードからの水損失のモル比であり、βは、クロスオーバーメタノールと発電で消費されたメタノールとの比であり、αは、最終的な水輸送係数である、請求項１に記載のアノードシステム。
14. 請求項１の前記アノードシステムと、カソードと、前記アノードと前記カソードとの間のプロトン伝導膜電解質とを備える、直接酸化燃料電池。
15. 直接メタノール型燃料電池である、請求項１４に記載の燃料電池。
16. プロトン当たり１水分子未満の前記アノードからカソードへの最終的な水クロスオーバーを有する、請求項１４に記載の燃料電池。
17. 前記電解質膜が、フッ素化ポリマーまたは炭化水素ポリマーを含む、請求項１４に記載の燃料電池。
18. カソード排気をさらに備え、前記カソード排気で生成された水が回収されない、請求項１４に記載の燃料電池。
19. 請求項１４の前記燃料電池を備える電子デバイス。
20. 請求項１４の前記燃料電池を用いて電力を生成することを含む方法。
21. 前記燃料を前記循環液内に注入することをさらに含む、請求項２０に記載の方法。
22. 前記燃料が水性メタノールを含み、前記アノードからのメタノール及び水の損失を補償する割合で注入される、請求項２０に記載の方法。
23. 前記カソードで水を生成することをさらに含み、前記水が再利用されない、請求項２０に記載の方法。

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