JP2009514175A - 複雑な組成の燃料に適した燃料電池システムおよびその運転方法 - Google Patents

複雑な組成の燃料に適した燃料電池システムおよびその運転方法 Download PDF

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Abstract

一の側面に第１の触媒電極を有し、当該一の側面と対向する側面に第２の触媒電極を有する第１の電極電解液アセンブリと、大気温度において前記第１の触媒電極に燃料を供給する第１の導管とを備える燃料電池システムが提供される。当該燃料電池システムは、一の側面に第３の触媒電極を有し、当該一の側面と対向する側面に第４の触媒電極を有する第２の電極電解液アセンブリと、前記第２の触媒電極と前記第３の触媒電極との間に液体を密封するように取り付けられたメッシュとを備える。第２の導管が、第４の触媒電極に対し液体により酸化剤を供給可能なように第４の触媒電極に接続されている。当該燃料電池システムは、さらに、第１の電極電解液アセンブリに対し電位を与える手段と、第２の電極電解液アセンブリから出力されるエネルギーを消費する電気的負荷回路とを備える。

Description

本発明は、大まかには、燃料電池および燃料処理システムと、それらを運転する方法に関し、より詳しくは、電気化学的手段により、燃料電池システム内の有機燃料を大気温度にて処理する技術に関する。
燃料電池は、無公害の発電方法を提供するための複数の電気化学セルで構成されている。燃料電池が、一般の電池等の他の電気化学的なエネルギー変換器と異なる点は、燃料電池が有する電極の各々に燃料と酸化剤が継続的に供給されると同時に、反応生成物が燃料電池から継続的に除去される、という点である。燃料と酸化剤が電極に供給される限り、基本的に電流は流れ続ける。燃料電池は、多数の電気化学セルを積層し電気的に接続することにより形成され、住居用、商業用、工業用といった様々な規模の電力需要に対し電力供給を行うことができる。燃料電池システムが備える燃料電池の各々は、電解溶剤とそれに接触する少なくとも２個の触媒電極を有する電極電解液アセンブリを備えている。燃料電池の各々はまた、燃料と酸化剤の供給量を管理すると同時に、温度が燃料電池の運転可能な範囲内にとどまるように制御する装置を有している。純粋な水素を燃料に用いた場合、他の燃料と比較してより効率的に燃料電池による電力出力を得ることができる。しかしながら、水素には、高い可燃性、貯蔵の困難性、比較的高い生産コスト、といった多くの難点がある。
燃料電池には、水素だけでなく、自然由来の有機燃料や人工的に合成された燃料を用いることもできる。自然由来の燃料は、供給量が潤沢であり、ひどくコスト高な合成燃料と比べ低コストであるため、一般的に合成燃料よりも好まれる。自然由来の有機燃料は、合成燃料と同様に、水蒸気改質反応などの吸熱化学反応を用いることにより、燃料電池システムの外部において水素を生成することができる。しかしながら、水蒸気改質反応は、負荷調整のために加えられる熱エネルギーの量に依存して反応速度が決まるため、反応速度を速めることができない。従って、水蒸気改質反応は大気温度よりもかなり高温でほぼ定常的に運転される燃料電池に利用されるに留まる。定常的な運転に限定されるということは、そのような燃料電池は、変化しやすい電気負荷の需要に追従して電力の出力を変化させることができない、ということである。さらに、そのような高温における燃料電池の運転においては、高分子化合物でできた電解質膜のほとんどを利用することができない。燃料電池の運転を大気温度で可能とするために、水蒸気改質反応を燃料電池の外部で行うように設計された燃料電池システムも多々ある。しかしながら、燃料電池の外部で水蒸気改質反応を行わせるとコスト高となり、またそれにより、変化する負荷需要に追従する能力が高まるわけでもない。燃料電池の外部において水蒸気改質反応により生成された水素を貯蔵設備に蓄積することは可能である。しかしながら、水素のような極めて可燃性が高い燃料を貯蔵することは危険である。さらに、水素貯蔵施設を用いる場合、燃料電池を一定位置に据え付けて利用する必要がある。
自然由来の有機物から得られた水素を利用する燃料電池の電極のあるものは、運転に要する温度が水の沸点より低いルテニウムを電極における触媒に用いる。しかしながら、ルテニウムを用いた触媒電極を備えた燃料電池は通常、大気温度より高い温度で運転される。
水素は、簡単な構造のメタノールなどの水溶性の有機燃料から、大気温度にて（すなわち、水蒸気改質反応を用いることなく）生成することができる。しかしながら、メタノールの利用は一般的に、幅広い用途に利用可能なほど費用効率が高くない。ヘキソースなどの複雑な組成の有機燃料は、自然界に豊富にあり費用も安価なため、燃料電池に利用するのに望ましい。燃料電池で用いる際、ヘキソースなどの複雑な組成の有機燃料は一連の電気化学的な脱水素反応において反応し、水素を放出する。典型的な例によれば、そのような脱水素反応の結果、中間体が生成される。そのような中間体はさらに反応し、廃棄物質となる。しかしながら、中間体のあるものは、触媒電極の燃料側を汚染し非活性化して水素の生成を根本的に止めてしまうことが判っている。メタノールなどの特定の燃料は、高温で運転すれば、燃料側の触媒電極を汚染することが少ない。しかしながら、メタノールは電解質膜を容易に透過して移動し、触媒電極の酸化剤側を分極化してしまう。このような分極化は燃料電池の性能を低下させる。
メタノールが電解質膜を透過して移動することを抑制するために、水素透過金属バリアが利用可能である。しかしながら、金属バリアを利用すると、水素イオンや中性原子などの電気化学的に活性化した他の物質の透過も抑制されてしまい、メタノール燃料そのものから得られる性能も制限されてしまう。ポリマーなどの他の透過成膜を用いてメタノールの電極への到達を制御する方法を用いる場合、金属バリアを備えた燃料電池より高い性能を発揮する正常運転のためには、高温を要するという欠点がある。
触媒電極を備える燃料電池の性能は、特に大気温度に近い温度における運転において、触媒の失活と反応中間体による汚染のために低下する。白金を含む触媒電極においては、通常、一酸化炭素が汚染を引き起こす反応中間体である。燃料電池の運転温度を約摂氏２００度まで上げれば、そのような汚染を除去できる。燃料電池の運転を継続的に固定の場所またはその周辺で行う場合であれば、燃料電池の運転温度を上げることができるが、燃料電池を一時的な場所や必要が生じた場所で運転する場合にはそれは困難であるし、また高温運転においてはポリマー電解質膜の利用も不可能となる。
大気温度に近い温度において燃料電池内で複雑な組成の燃料を処理可能な燃料処理装置／システムを備える燃料電池システムの提供が求められている。先行技術による方法や、運搬可能もしくは一時的な場所で運転可能なシステムに対するこれらのニーズに応じるために開発されている先行技術の方法およびシステムは、高価、低効率、低性能のいずれかであるか、もしくはそれらの全ての欠点を有している。上記の事情に照らし、本発明は、先行技術が有する欠点および難点を改善もしくは解消することを目的とする。
本発明の一態様によれば、大気温度で有機燃料を処理し電気エネルギーを生成することが可能な燃料電池が提供される。燃料電池は２つの電極電解液アセンブリを備え、それらの各々はそれらの対向する２つの側面の各々に触媒電極を有し、それらの電極の間には導電性のメッシュが密封されて配置されている。第１の導管は大気温度で燃料を電極電解液アセンブリの一方の側面に供給する。導電性のメッシュは貫通する複数の開口部を有し、触媒電極の各々のメッシュに隣接する部分がその開口部を介して互いに通じている。第２の導管は酸化剤を電極電解液アセンブリの他方の側面に供給する。燃料電池システムは電極電解液アセンブリの一つに対し電位を与える手段と、電極電解液アセンブリの他の一つから生成されるエネルギーを使用する電気的負荷回路を備えている。
上記態様の一実施例によれば、電位を与える手段は、一方の電極電解液アセンブリの一方の側面と導電的に接続された正極と、同じ電極電解液アセンブリの反対の側面と導電的に接続された負極とを有し、水素生成反応の処理に用いられるエネルギーの供給と触媒電極からの汚染物質の除去とを行い、一方の電極電解液アセンブリを通じた他方の電極電解液アセンブリへの水素の移動をもたらす。
本発明の他の一態様によれば、電極電解液アセンブリを１つのみ有し、大気温度で有機燃料を処理し電気エネルギーを生成することが可能な燃料電池が提供される。燃料電池システムは、電極電解液アセンブリを備え、その電極電解液アセンブリの一方の側面には第１の触媒電極が設けられ、その電極電解液アセンブリの反対の側面には第２の触媒電極が設けられている。第１の導管は大気温度で第１の触媒電極に燃料を供給し、第２の導管は第２の触媒電極に酸化剤を供給する。燃料電池システムは第１の触媒電極、電極電解液アセンブリおよび第２の触媒電極に対し電位を与える手段を備えている。さらに、燃料電池システムは、第１の触媒電極、電極電解液アセンブリおよび第２の触媒電極から生成されるエネルギーを消費する電気的負荷回路を備えている。
上記態様の一実施例によれば、電位を与える手段は、第１の触媒電極と導電的に接続された正極と、第２の触媒電極と導電的に接続された負極とを有し、水素生成反応の処理に用いられるエネルギーの供給と第１の触媒電極からの汚染物質の除去とを行い、電極電解液アセンブリを通じた第２の触媒電極への水素の移動をもたらす。燃料電池システムはまた上記の電位を与える手段を含む第１の電気回路を備えている。第１の電気回路と電気的負荷回路とは互いに連動し、運転中、電気的負荷回路が開いている時に第１の電気回路が閉じ、第１の電気回路が開いている時に電気的負荷回路が閉じる。運転中、第１の電気回路と電気的負荷回路とは所定の時間の経過に伴い開閉される。
本発明のさらに他の一態様は、燃料と酸化剤が各々の導管を通って電極電解液アセンブリに供給される燃料電池システムの運転方法に関する。電位を与える手段の正極と一方の触媒電極とを導電的に接続し、電位を与える手段の負極と他方の触媒電極とを導電的に接続することにより、大気温度で水素を生成し触媒電極の一つから汚染物質を除去する電気化学反応に用いられるエネルギーが供給される。水素は一方の電極電解液アセンブリから他方の電極電解液アセンブリへ移動し、他方の電極電解液アセンブリにおいてエネルギーの生成に用いられる。
本発明のさらに他の一態様は、電極電解液アセンブリを１つのみ有する燃料電池システムの運転の方法に関し、その方法は電位を与える手段を含む第１の電気回路を準備するステップを備える。第１の電気回路は電気的負荷回路と連動し、運転中、電気的負荷回路が開いている時に第１の電気回路が閉じ、第１の電気回路が開いている時に電気的負荷回路が閉じる。第１の電気回路と電気的負荷回路は所定の時間の経過に伴い周期的に開閉され、それにより燃料処理段階と発電段階とが切り替わる。
本発明のさらに他の一態様は、燃料電池システムに適した燃料の選択の方法に関し、望ましくは、水に溶解する燃料を選択するステップと、当該燃料の有するギブズの自由エネルギーが当該燃料の反応熱より大きくなるように、当該燃料の水溶液を選択するステップとを備える。
図１には、単一セルの燃料電池システム（以下、燃料電池システム２と呼ぶ）が示されている。燃料電池システム２は、第１の電極電解液アセンブリ４と、第２の電極電解液アセンブリ６と、それらの間に配置されそれらに密封されている導電性のメッシュ８とを備えている。第１の導管１０は第１の電極電解液アセンブリ４の一方の側面に液体を供給可能なように接続されており、第２の導管１２は第２の電極電解液アセンブリ６の一方の側面に液体を供給可能なように接続されている。少なくとも第１の導管１０および第２の導管１２の一部は、導電性の物質でできている。燃料電池システム２は、エネルギー蓄積装置１６を含む第１の電気回路１４を備えており、エネルギー蓄積装置１６は第１の電極電解液アセンブリ４に対し与えられる第１の電位の形で処理エネルギーを供給する。また、第２の電極電解液アセンブリ６にはそれをまたぐように電気的負荷回路１８が接続されており、電気的負荷回路１８は第２の電極電解液アセンブリ６から第２の電位の形で生成されるエネルギーを消費する。燃料電池システム２が複数、電気的に直列回路を形成するように接続されてもよいし、運転に用いられる液体の供給設備内に積層されてもよい。第１の電気回路１４はエネルギー蓄積装置１６を含むものとして説明したが、本発明はその点につき限定されず、第１の電気回路１４がバッテリー、キャパシタ、それらの複数を組み合わせたもの等、処理エネルギーを供給可能な他の手段を含んでもよい。
図１および図２に示されるように、第１の電極電解液アセンブリ４は電解質膜５を備え、電解質膜５は望ましくはイオン交換ポリマーでできており、当該電解質膜は第１の電極２１と第２の電極２２とを有し、それらの電極は望ましくは電解質膜の表面に加熱圧着された触媒電極である。同様に、第２の電極電解液アセンブリ６もまた電解質膜５を備え、電解質膜５は望ましくはイオン交換ポリマーでできており、当該電解質膜は第３の電極２３と第４の電極２４とを有し、それらの電極は望ましくは電解質膜の表面に加熱圧着された触媒電極である。ポリマーでできた電解質膜５は一般的に柔軟な弾性素材であり、いずれのイオン導電性素材が用いられてもよいが、一般的にはイオンの双方向の移動を可能とする炭化水素樹脂もしくはフッ素炭化樹脂が用いられる。炭化水素樹脂に関して言えば、特定の用途にフェノール系物質が用いられる。フッ素炭化樹脂は特に、化学的な腐食を伴う環境下において耐久性があり有効である。電極の製造に適する素材としては、白金、パラジウム、ロジウム、金、タングステン、タンタル、ルテニウム、およびそれらの合金や組み合わせがあるが、それらに限られない。本発明は上記の点に関し限定されず、他の膜および他の電極が本発明において用いられてもよい。
第１の電極電解液アセンブリ４はまた、貫通孔２０および貫通孔２５と、シール面２８とを有している。第２の電極電解液アセンブリ６は第１の電極電解液アセンブリ４と同様の構成である。第２の電極２２および第３の電極２３はメッシュ８と導電的に接続され、第１の電極２１は第１の導管１０と導電的に接続され、第４の電極２４は第２の導管１２と導電的に接続されている。第１および第２の電極電解液アセンブリが他の構成部品に組み付けられると、貫通孔２０および貫通孔２５は液体が燃料電池システム２を貫き流れるためのマニホールドを形成する。第１の電極電解液アセンブリ４および第２の電極電解液アセンブリ６は互いに同様の構成であるものとして説明したが、本発明はその点につき限定されず、例えば、第１および第２の電極電解液アセンブリが異なる素材でできている、異なる製造方法で製造されるなど、異なる構成であってもよい。
図１に示されるように、組み立てられると、第１の導管１０は第１の電極２１に液体を供給可能なように接続され、大気温度で第１の電極２１に燃料を供給する。望ましくは、燃料が供給され水素の生成のために処理される間の燃料の温度は、高分子電解質の利用に適するように、約華氏６０度から約華氏１００度の範囲内である。燃料の処理と燃料電池の運転が大気温度にて行われると、燃料電池および燃料処理システムの少なくとも一方を暖めるために要する起動時間が不要となるため、燃料電池システムは一時的な負荷要求に応じることが可能となる。大気温度の運転は約華氏６０度から約華氏１００度の範囲内であるものとして説明したが、本発明はその点につき限定されず、例えば、本発明にかかる燃料電池システムが約華氏１８０度までの温度で運転されるものとしてもよい。
第２の導管１２は第４の電極２４に液体を供給可能なように接続され、第４の電極２４に酸化剤を供給する。望ましくは、第１の導管１０は第１の電極２１に燃料を供給する閉じたループシステムの一部を構成し、第２の導管１２は第４の電極２４に酸化剤を供給する閉じたループシステムの一部を構成する。反応生成物および余分な熱は、それぞれ、閉じたループシステムにおいて第１の導管１０および第２の導管１２を通る燃料および酸化剤の流れに伴い、燃料電池システム２から外部へ運び出される。
さらに、図１に示されるように、エネルギー蓄積装置１６の正極は第１の導管１０および第１の電極２１と導電的に接続され、エネルギー蓄積装置１６の負極はメッシュ８および第２の電極２２と導電的に接続されている。第１の電気回路１４に含まれるエネルギー蓄積装置１６は、水素を生成する電気化学反応に用いられる処理エネルギーを供給するとともに第１の電極２１において生成される汚染物質である一酸化炭素（ＣＯ）を除去するために、分極されている。水素は第１の電極電解液アセンブリ４を通じて第３の電極２３へと移動する。下記の式１は第１の電極電解液アセンブリ４において起こる電気化学反応の全体を示したものである。式１は特に、第１の触媒電極に水がある状態で第１の電極電解液アセンブリ４に対し第１の電位が与えられることにより、水素（Ｈ）系物質が生成され、第１の電極２１から汚染物質ＣＯが除去される様子を示している。
Figure 2009514175
式１に示される電気化学反応に要する処理エネルギーは、約０．１０３ボルトである。第２の電極電解液アセンブリ６から生じる電気エネルギーの出力は式１の電気化学反応に要する処理エネルギーよりも大きい。第２の電極電解液アセンブリ６において、メッシュ８が負極を、また第２の導管１２が正極を構成している。望ましくは、第１の導管１０の電位は第２の導管１２の電位よりも低い。式１に示されるように、水はこの電気化学反応に必要な反応物質の１つである。従って、導管は燃料の水溶液を供給可能なように構成されることが望ましい。
上記反応に関するギブズの自由エネルギーは、所定の反応経路によって取り出すことができる論理的に最大の仕事量を示す。反応により生成される熱は、標準状態において１モルの物質が化学反応により変化する際にシステムにおいて生じるエンタルピーの変化に相当する。従って、燃料は、反応により生じる熱の絶対値より大きな絶対値のギブズの自由エネルギーを有することが望ましい。特に、２以上の水素結合を有する複雑な組成の有機燃料が望ましい。望ましい複雑な組成の有機燃料の例としては、ヘキソースＣ６Ｈ１２Ｏ６に例示される炭水化物があり、ヘキソースＣ６Ｈ１２Ｏ６の生成する熱は１モルあたり−６６９．９２キロカロリーであり、ヘキソースＣ６Ｈ１２Ｏ６の有するギブズの自由エネルギーは１モルあたり−６８８．３３キロカロリーである。大気温度における処理に適した他の複雑な組成の有機燃料には、ヒドラジンやほとんどの軽質炭化水素が含まれる。
図３には、燃料電池システム２の起動後、エネルギー蓄積装置１６が第１の電気回路１４から切断され、第２の電極電解液アセンブリ６から出力されるエネルギーの一部が電気化学反応の処理エネルギーとして用いられている状態が示されている。また、出力される電気エネルギーの残りは電気的負荷回路１８に接続された何らかの有用な電気負荷Ｌにより消費される様子も示されている。第２の電極電解液アセンブリ６より出力される電気エネルギーは電気化学反応において消費される処理エネルギーよりも大きい。
図３には、第３の電気回路１７に接続された安定抵抗器９が示されている。安定抵抗器９の一方の端子は第１の導管１０と導電的に接続され正電荷を運ぶ。安定抵抗器９の他方の端子は第２の導管１２と導電的に接続され負電荷を運ぶ。第３の電気回路１７は電気的負荷回路１８の電流量を安定させるとともに、水素を生成する電気化学反応に用いられる処理エネルギーを提供する。第３の電気回路１７は電気的負荷回路１８から得られる電流の少なくとも一部を処理エネルギーとして利用可能とする。電気的負荷回路１８を流れる電流量は処理エネルギーの供給のために第３の電気回路１７を流れる電流量より大きい。安定抵抗器９は、第１の導管１０の電位が第２の導管１２の電位より低くなるように、第３の電気回路１７を流れる電流量を調整する。安定抵抗器９が第３の電気回路１７の電流量を調整するものとして説明したが、本発明はその点に関し限定されず、例えば、燃料処理電流と外部負荷とをより細かく一致させることが可能な半導体装置や電流制御装置といった他の装置が用いられてもよい。
図４には、燃料電池システム２の起動後、エネルギー蓄積装置１６が第１の電気回路１４から切断されている状態が示されている。運転中、燃料電池システムは第１サイドＰと第２サイドＳとを持つ誘導装置２９に導電的に接続されている。第１サイドＰは主回路１１と分岐回路１３とを有している。主回路１１は回路を繰り返し開閉することで誘導装置２９を帯電させるための切替装置３５を備えている。主回路１１は第２の電極電解液アセンブリ６に対し電気的に接続され、その両端はそれぞれ第２の導管１２およびメッシュ８で終端処理されている。第２サイドＳは第２サイド回路１５と負荷Ｌとを有している。主回路１１、分岐回路１３および第２サイド回路１５はメッシュ８において最も負の極性を示し、第１の導管１０において２番目に負の極性を示すように接続されており、切替装置３５が繰り返し開閉される際に第１の導管１０はメッシュ８に対し正の極性となり、第２の導管１２において最も正の極性が示される。
図４には、主回路１１が分岐回路１３に電流を流し電気化学反応の処理エネルギーを提供することにより、第２の電極電解液アセンブリ６から出力される電気エネルギーを消費する状態が示されている。エネルギー蓄積装置１６から出力される電気エネルギーのうち残りの部分は誘導装置２９を帯電させるために消費された後、電気的負荷回路１８に接続された何らかに利用される電気的な負荷Ｌに消費される。第２の電極電解液アセンブリ６から出力される電気エネルギーの一部は分岐回路に流れ、残りの部分は誘導装置を帯電させるものとして説明したが、本発明はその点に関し限定されず、例えば、出力されるエネルギーの実質的に全てを誘導装置の帯電に消費し、その帯電により第２サイドにおいて処理エネルギーのための電流および何らかに利用される負荷により消費される電流を生じさせるようにしてもよい。
図５〜図７には、メッシュ８が第１の活性面３２に散在する複数の開口部３０を有する導電性物質でできている様子が示されている。望ましい実施例において、開口部３０は互いに間隔をおいて離れた複数の壁部３１により区切られ、メッシュが第１の電極電解液アセンブリ４と第２の電極電解液アセンブリ６の間に配置された時に、第２の電極２２および第３の電極２３の一部が変形し開口部３０に入り込んで互いにかみ合う。燃料電池システム２の運転の間、水素イオンなどの水素系物質は、互いにかみ合った第２の電極２２および第３の電極２３の部分を通って第１の電極電解液アセンブリ４から第２の電極電解液アセンブリ６へと移動する。望ましくは、メッシュ８は少なくとも第２の電極２２および第３の電極２３よりも高い導電性を有し、第１の活性面３２の全体およびそれにかみ合っている第２の電極２２および第３の電極２３の部分に電流を行き渡らせる。メッシュ８は、少なくとも第１の電気回路１４および電気的負荷回路１８の電気端子となる。
メッシュ８の一方の側面には、実質的にその周辺を囲むようにシール面３４がある。シール面３４には接合パターン３６（例えば、複数の溝）が形成されており、電極電解液アセンブリの柔らかいポリマー材料としっかりとかみ合ってそれを密封する。説明のために例示の接合パターン３６は、互いに平行の複数の尾根部分を有し、それらが複数の溝を形成している。メッシュ８の他方の側面も同様のシール面と接合パターンを有している。メッシュ８が第１の電極電解液アセンブリ４および第２の電極電解液アセンブリ６の間に配置された時に、シール面３４の尾根部分がそれらの電極電解液アセンブリの材料に押しつけられ、変形して、それらの各々の意図された空洞部分に液体を確実に密封することを可能にする。
また、図５に示されるように、メッシュ８は貫通孔３８および貫通孔３９を有している。メッシュ８が他の構成部品に組み付けられると、貫通孔３８および貫通孔３９は液体が燃料電池システム２を貫き流れるためのマニホールドを形成する。シール面３４は実質的に貫通孔３８および貫通孔３９の周辺も囲むように伸びている。
図８において、燃料電池システムは燃料電池システム１０２として示されている。燃料電池システム１０２は第１の電極電解液アセンブリ１０４と第２の電極電解液アセンブリ１０６を備えている。第１の電極電解液アセンブリ１０４は電解質膜１０５を備え、電解質膜１０５は望ましくはイオン交換ポリマーでできており、当該電解質膜は第１の電極１２１と第２の電極１２２とを有し、それらの電極は望ましくは電解質膜の表面に加熱圧着された触媒電極である。第２の電極１２２はその中に埋め込まれた形で導電性のメッシュ１０８を有している。同様に、第２の電極電解液アセンブリ１０６もまた電解質膜１０５を備え、電解質膜１０５は望ましくはイオン交換ポリマーでできており、当該電解質膜は第３の電極１２３と第４の電極１２４とを有し、それらの電極は望ましくは電解質膜の表面に加熱圧着された触媒電極である。第３の電極１２３はその中に埋め込まれた形で導電性のメッシュ１０８を有している。第１の導管１１０は第１の電極１２１に液体を供給可能なように接続され、第２の導管１１２は第４の電極１２４に液体を供給可能なように接続されている。第１の電極電解液アセンブリ１０４と第１の導管１１０、第２の電極電解液アセンブリ１０６と第２の導管１１２は互いに導電的に接続されている。燃料電池システム１０２は、エネルギー蓄積装置１１６を含む第１の電気回路１１４を備えており、エネルギー蓄積装置１１６は第１の電極電解液アセンブリ１０４に対し第１の電位を与える。また、第２の電極電解液アセンブリ１０６にはそれをまたぐように電気的負荷回路１１８が接続されており、電気的負荷回路１１８は第２の電極電解液アセンブリ１０６から第２の電位の形で生成されるエネルギーを消費する。
メッシュ１０８は上述したメッシュ８と同様のものである。特に、望ましくは、メッシュ１０８は少なくとも第２の電極１２２および第３の電極１２３よりも高い導電性を有し、第２の電極１２２および第３の電極１２３の全体にわたり電流を供給する。また、メッシュ１０８は少なくとも第１の電気回路１１４および電気的負荷回路１１８の電気端子となる。組み立てられた時に、第２の電極１２２および第３の電極１２３は互いに隣接する位置で密着する。
図９において、燃料電池システムは燃料電池システム２０２として示されている。燃料電池システム２０２は第１の電極電解液アセンブリ２０４と第２の電極電解液アセンブリ２０６を備えている。第１の電極電解液アセンブリ２０４は電解質膜２０５を備え、電解質膜２０５は望ましくはイオン交換ポリマーでできており、当該電解質膜は第１の電極２２１を有し、その電極は望ましくは電解質膜の表面に加熱圧着された触媒電極である。この燃料電池システムにおいては、第２の電極および第３の電極が１つの共通電極２２２に統合されており、共通電極２２２はその中に埋め込まれた形で導電性のメッシュ２０８を有している。第２の電極電解液アセンブリ２０６もまた電解質膜２０５を備え、電解質膜２０５は望ましくはイオン交換ポリマーでできており、当該電解質膜は第４の電極２２４を有し、その電極は望ましくは電解質膜の表面に加熱圧着された触媒電極である。共通電極２２２は第１および第２の電極電解液アセンブリの電解質膜２０５の面の間に配置されている。第１の導管２１０は第１の電極２２１に液体を供給可能なように接続され、第２の導管２１２は第４の電極２２４に液体を供給可能なように接続されている。第１の電極電解液アセンブリ２０４と第１の導管２１０、第２の電極電解液アセンブリ２０６と第２の導管２１２は互いに導電的に接続されている。燃料電池システム２０２は、エネルギー蓄積装置２１６を含む第１の電気回路２１４を備えており、エネルギー蓄積装置２１６は第１の電極電解液アセンブリ２０４に対し第１の電位を与える。また、第２の電極電解液アセンブリ２０６にはそれをまたぐように電気的負荷回路２１８が接続されており、電気的負荷回路２１８は第２の電極電解液アセンブリ２０６から第２の電位の形で生成されるエネルギーを消費する。
メッシュ２０８は上述したメッシュ８およびメッシュ１０８と同様のものである。特に、望ましくは、メッシュ２０８は少なくとも共通電極２２２よりも高い導電性を有し、共通電極２２２の全体にわたり電流を供給する。また、メッシュ２０８は少なくとも第１の電気回路２１４および電気的負荷回路２１８の電気端子となる。
図１０に示されるように、本発明の一実施例において、第１の導管１０は複数の通路４０で構成された第２の活性面５１を備え、それらの通路４０を通じて、隣接して配置されている第１の触媒電極との間の液体の流れが確保される。望ましくは、第１の導管１０の少なくとも一部は触媒電極よりも高い導電性を有し、第２の活性面５１およびそれとかみ合っている第１の触媒電極の部分の全体に電流を供給する。第１の導管１０は第１の電気回路１４の電気端子となる。また、第２の導管１２は電気的負荷回路１８の電気端子となる。第１の導管１０および第２の導管１２は回路の電気端子となるものとして説明したが、本発明はこの点に関し限定されず、それらの導管と導電的に接続された独立した電気端子が本発明において用いられてもよい。
第１の導管１０の電極側には、実質的にその周辺を囲むようにシール面４４がある。シール面４４には接合パターン（例えば、複数の溝）が形成されており、メッシュ８に関し上述したものと同様に、電極電解液アセンブリの柔らかいポリマー材料としっかりとかみ合ってそれを密封する。第１の導管１０の電極側には、さらに、貫通孔４８および貫通孔４９が設けられている。第１の導管１０が他の構成部品に組み付けられると、貫通孔４８および貫通孔４９は液体が燃料電池システム２を貫き流れるためのマニホールドを形成する。シール面４４は実質的に貫通孔４８および貫通孔４９の周辺も囲むように伸びている。
図１０および図１１に示されるように、第１の導管１０は液体吸入路５０および液体供給機構５２を有している。また、第１の導管１０は液体排出路５４および液体受取機構５６を有している。液体吸入路５０は貫通孔４８との間で液体の流れにより接続され、処理液を液体供給機構５２に供給する。液体供給機構５２は、処理液を概ね矢印５７の方向に向けて第２の活性面５１に供給し、その結果、組み立てられた状態で電極電解液アセンブリの表面に接する導管の第２の活性面５１に液体が配給される。第２の活性面５１から溢れ出た液体は液体受取機構５６により受け取られ、液体受取機構５６はその処理液を概ね矢印５９の方向に向けて液体排出路５４およびセルの排出マニホールドの一部を構成する貫通孔４８に導く。第２の導管１２の構成および製造材料は第１の導管１０のものと同様である。
図１２に示されるように、組み立てられた燃料電池システム２は、第１の電極電解液アセンブリ４、第２の電極電解液アセンブリ６、そしてそれらに挟まれる位置に配置されそれらと互いに密封するように組み合わされるメッシュ８を備えている。第１の導管１０は第１の電極電解液アセンブリ４の一方の側面に液体を供給可能なように接続されており、第２の導管１２は第２の電極電解液アセンブリ６の一方の側面に液体を供給可能なように接続されている。燃料電池システム２が組み立てられると、各々の部品が有する貫通孔４９、貫通孔２０、貫通孔３８、貫通孔２５および貫通孔４８が吸入液体マニホールド６０を形成し、各々の部品が有する貫通孔４８、貫通孔２５、貫通孔３９、貫通孔２０および貫通孔４９が吸入液体マニホールド６１を形成し、各々の部品が有する貫通孔４９、貫通孔２０、貫通孔３８、貫通孔２５および貫通孔４８が排出液体マニホールド６２を形成し、各々の部品が有する貫通孔４８、貫通孔２５、貫通孔３９、貫通孔２０および貫通孔４９が排出液体マニホールド６３を形成する。
図１３に示されるように、複数の燃料電池システム２を積層体６６に組み立てると都合のよい場合がしばしばある。積層体６６においては各々の燃料電池システム２が伝導体２７により電気的に直列に接続され、各導管を通じた燃料および酸化剤の流れは並流するように構成・管理され、互いに隣接する燃料電池システムの間には絶縁体の分離層６８が配置され燃料電池システムの端末処理がなされている。燃料電池システム２の各々はエネルギー蓄積装置１６を含む第１の電気回路１４を備え、第１の電極電解液アセンブリ４に対し第１の電位を与える。さらに、積層体６６の一方の端に位置する燃料電池システム２のメッシュ８と、積層体６６の他方の端に位置する燃料電池システム２の第２の導管１２との間には電気的負荷回路１９が接続され、積層体６６から第２の電位の形で出力されるエネルギーを消費する。ある燃料電池システム２の第２の導管１２と、その燃料電池システム２に隣接する燃料電池システム２のメッシュ８とは伝導体２７により導電的に接続されている。具体的には、複数の燃料電池システム２は電気的に直列に接続されている。積層体６６は、図１に例示の単一セルの燃料電池システム２に関し上述したものと同様に動作する。複数の燃料電池システム２の各々は伝導体２７により電気的に直列に接続され、各導管を通じた燃料および酸化剤の流れは並流するように構成・管理されるものとして説明したが、本発明はその点につき限定されず、他のいかなる構成の燃料電池システムの積層体が本発明において採用されてもよい。
図１４に示されるように、単一セルの燃料電池システム３０２は燃料処理と燃料電池装置の役割とを交互に果たす電極電解液アセンブリ３０４を備えている。電極電解液アセンブリ３０４は第１の導管３１０と第２の導管３１２との間に配置されている。電極電解液アセンブリ３０４はその一方の側面に設けられた第１の触媒電極３２１と、その反対の側面に設けられた第２の触媒電極３２２とを有している。電極電解液アセンブリ３０４は電解質膜３０５を有し、電解質膜３０５は望ましくは、第１の電極電解液アセンブリ４に関し上述したものと同様に、イオン交換ポリマーでできている。
第１の導管３１０は第１の触媒電極３２１に液体を供給可能なように接続され、大気温度にて第１の触媒電極３２１に燃料を供給する。第２の導管３１２は第２の触媒電極３２２に液体を供給可能なように接続されており、第２の触媒電極３２２に酸化剤を供給する。燃料電池システム３０２は電極電解液アセンブリ３０４に第１の電位を与えるためのエネルギー蓄積装置３１６を含む第１の電気回路３１４を備えている。さらに、電極電解液アセンブリ３０４には電極電解液アセンブリ３０４から第２の電位の形で出力されるエネルギーを消費する電気的負荷回路３１８が接続されている。燃料電池システム３０２が複数、電気的に直列回路を形成するように接続されてもよいし、運転に用いられる液体の供給設備内に積層されてもよい。第１の電気回路３１４はエネルギー蓄積装置３１６を含むものとして説明したが、本発明はその点につき限定されず、第１の電気回路３１４がバッテリー、キャパシタ、それらの複数を組み合わせたもの等を含んでもよい。
電極電解液アセンブリ３０４と第１の導管３１０および第２の導管３１２はマニホールドを形成する貫通孔を有している。第１の導管３１０および第２の導管３１２はシール面を有し、電極電解液アセンブリと互いに密封するように組み合わされ、液体吸入路、液体供給機構、液体排出路、および液体受取機構を形成する。さらに、燃料電池システム３０２は燃料電池システム２と類似の構成により、複雑な組成の有機燃料の水溶液を大気温度で処理する。
図１４に示されるように、エネルギー蓄積装置３１６の正極は第１の導管３１０および第１の触媒電極３２１と間欠的に導電的に接続され、エネルギー蓄積装置３１６の負極は第２の導管３１２および第２の触媒電極３２２と間欠的に導電的に接続される。第１の導管３１０は主に有機燃料を第１の触媒電極３２１に供給するために用いられ、第２の導管３１２は主に酸化剤を第２の触媒電極３２２に供給するために用いられる。第１の電気回路３１４に含まれるエネルギー蓄積装置３１６の双極性により、第１の触媒電極３２１にて発生する一酸化炭素（ＣＯ）による汚染が除去されると同時に水素系物質を生成する電気化学反応のための処理エネルギーが供給される。生成された水素は電極電解液アセンブリ３０４と通じて移動する。電気的負荷回路３１８は電極電解液アセンブリ３０４をまたぐように間欠的に接続され、電極電解液アセンブリ３０４から第２の電位の形で出力されるエネルギーを消費する。
図１５および図１６に示されるように、第１の電気回路３１４と電気的負荷回路３１８とは互いに連動し、運転中、電気的負荷回路３１８にエネルギーが供給されない期間のうちの少なくとも一部の期間に第１の電気回路３１４にエネルギーが供給され、それに続く第１の電気回路３１４にエネルギーが供給されない期間のうちの少なくとも一部の期間に電気的負荷回路３１８にエネルギーが供給される。運転中、電気的負荷回路３１８を開いた後、第１の所定の時間だけ閉じる処理が繰り返され、一方、第１の電気回路３１４は燃料の処理の後、第２の所定の時間だけ充電を行う、という動作を周期的に繰り返す。
図１５には、燃料処理段階における燃料電池システム３０２が示されており、スイッチ３７０およびスイッチ３７１が燃料処理の位置にあり、エネルギー蓄積装置３１６の正極が第１の触媒電極３２１と導電的に接続され、エネルギー蓄積装置３１６の負極が第２の触媒電極３２２と導電的に接続され、その結果、第１の電気回路３１４における電流が矢印３７３の方向に流れる。燃料処理段階の間、スイッチ３７２は電気的負荷回路３１８を開く位置となり、その回路に電流は流れない。燃料処理段階の間、エネルギー蓄積装置は第１の触媒電極３２１において発生した一酸化炭素（ＣＯ）による汚染の除去および水素を生成する電気化学反応のための処理エネルギーを供給する。
図１６には、発電段階における燃料電池システム３０２が示されており、スイッチ３７０およびスイッチ３７１が充電位置に変更されており、エネルギー蓄積装置３１６の正極が第２の触媒電極３２２と導電的に接続され、エネルギー蓄積装置３１６の負極が第１の触媒電極３２１と導電的に接続され、その結果、第１の電気回路３１４における電流が矢印３７４の方向に流れ、それによりエネルギー蓄積装置３１６が再び充電された状態となる。また、スイッチ３７２は電気的負荷回路３１８を閉じる位置となり、その回路には第２の電位の形でエネルギーの出力が供給され、電流が矢印３７５の方向に流れる。
図１５乃至図１７に示されるように、発電段階において、スイッチ３７２が閉じられ、スイッチ３７０およびスイッチ３７１が充電位置にあると、電流量は正の値を示す。エネルギー蓄積装置３１６の充電のために第１の電気回路３１４を流れる電流量の相対的な値が図１７の矢印３８４で示されており、電気的負荷回路３１８を流れ電気的な負荷により消費される余分な電流量の相対的な値が図１７の矢印３８５で示されている。発電段階において、エネルギー蓄積装置３１６の充電に要する電流量の値は、電気的な負荷により消費され得る電流量よりも少ないことが望ましい。
また、図１５乃至図１７に示されるように、燃料処理段階において、スイッチ３７０およびスイッチ３７１が燃料処理位置にあり、スイッチ３７２が開かれると、エネルギー蓄積装置３１６からの電流量は負の値を示す。水素生成反応のための処理エネルギーの供給に要する電流量の値が図１７の矢印３８３で示されている。燃料処理段階の間、基本的に電気的負荷回路３１８には電流は流れない。処理エネルギーは電気的な負荷により消費され得るエネルギー全体よりも少ないことが望ましい。
さらに、スイッチ３７０およびスイッチ３７１が燃料処理位置にありスイッチ３７２が開いている第１の期間３８７は、スイッチ３７２が閉じられスイッチ３７０およびスイッチ３７１が充電位置にある第２の期間３８６よりも短いことが望ましい。望ましくは、第１の期間３８７は約０．０１秒から約１０秒の間であり、第２の期間３８６は約０．５分から約１０分の間である。そのように周期的に燃料処理と発電の段階が切り替わることにより、１つの電極電解液アセンブリが燃料処理と発電の両方に用いられ、その結果、燃料電池システム３０２の構成が簡素化される。
第１の期間３８７は約０．０１秒から約１０秒の間であり、第２の期間３８６は約０．５分から約１０分の間であることが望ましいものとして説明したが、本発明はその点に関し限定されず、例えば、発電能力の低下を示すパラメータに応じて第２の期間を選択し、発電段階において第１の触媒電極３２１において発生した汚染物質の量に応じた必要な燃料処理量に基づき第１の期間を選択するといった性能に応じた制御を採用するなど、他の期間が用いられてもよい。そのような方法で第１の期間および第２の期間を選択すると、全体としての出力を増加させ、燃料処理に要するエネルギーを少なくすることができ、燃料電池システムの効率を高めることができる。上述した性能に応じた制御における発電能力の低下を示すパラメータとしては、例えば、燃料の温度、電極の温度、燃料の流率、酸化剤の流率、電気的な負荷量、燃料電池システムもしくは個々のセルにおける電圧などがある。
図１８の曲線８８に示されるように、運転開始直後の燃料電池システムの電力密度は電流密度に応じて変化する。同様に、曲線８９に示されるように、運転開始直後の燃料電池システムの電圧もまた、電流密度に応じて変化する。図に例示の燃料電池システムにおいては、電力密度は点９３において最大値約０．３４Ｗ／ｃｍ２となる。３分間運転すると、第１の触媒電極３２１に生じた汚染物質のために燃料電池システムの性能が低下する。そのような３分間の運転の後、燃料電池の電力密度は曲線９０に示されるように低下し、燃料電池システムの電圧は曲線９１に示されるように低下する。そのような燃料電池の性能の低下により、電力密度の最大値は点９４で示されるように約０．２１Ｗ／ｃｍ２に低下する。燃料電池システムの出力のうち、線９２で示される約０．１７５Ｗ／ｃｍ２が外部の負荷により消費される。性能に応じた制御法による場合、電力密度の最大値である点９４が外部負荷の線９２を下回るより前に、第１の触媒電極３２１から汚染物質を除去するために発電を一時的に中断する。性能に応じた制御法によれば、第２の時間が負荷量に応じて調整可能となるので、変化する負荷に対し電力を供給するための燃料電池において効果的である。
図１９に示されるように、複数の燃料電池システム３０２を双極性の積層体３６６に組み立ててもよい。複数の燃料電池システム３０２の各々は第１の導管３１０と第２の導管３１２との間に配置された電極電解液アセンブリ３０４を備えている。例えば、互いに隣り合う第１の導管３１０と第２の導管３１２との間の電気的な接続を維持するために、それらの間に双極性の分離板３６９が配置された状態で、複数の燃料電池システム３０２が双極性の積層体３６６に組み立てられる。一方の端に位置する燃料電池システム３０２には、絶縁体のカバー３６８と、それと隣り合う第１の導管３１０との間に挟まれる形で第１の端末伝導体３７７が配置されており、他方の端に位置する燃料電池システム３０２には、もう一つの絶縁体のカバー３６８と、それと隣り合う第２の導管３１２との間に挟まれる形で第２の端末伝導体３７９が配置されている。第１の端末伝導体３７７および第２の端末伝導体３７９は、それぞれ、隣接する第１の導管３１０および第２の導管３１２とかみ合い、導電的に接続されている。絶縁体のカバーは双極性の積層体３６６の端部を絶縁体し防護している。
また、燃料電池システム３０２は第１の端末伝導体３７７および第２の端末伝導体３７９を挟み電位を与えるエネルギー蓄積装置３１６を含む第１の電気回路３１４を備える。第１の端末伝導体３７７および第２の端末伝導体３７９には、電気的負荷回路３１８も接続されており、出力されるエネルギーを消費する。図には燃料処理段階の状態のスイッチ３７０およびスイッチ３７１を含む第１の電気回路３１４が示され、スイッチ３７２は開いた位置にある。双極性の積層体３６６は連動を制御する回路を含み、図１１乃至図１４に示した単一セルの燃料電池システム３０２に関し上述したものと同様に動作するように構成されている。
本発明は一態様として、燃料電池システム２の運転方法を提供する。燃料電池システム２の運転方法においては、まず第１のステップとして、第１の電極２１を一方の側面に、また第２の電極２２をそれと反対の側面に有する第１の電極電解液アセンブリ４と、第１の触媒電極に液体を供給可能なように接続された第１の導管１０と、第３の電極２３を一方の側面に、また第４の電極２４をそれと反対の側面に有する第２の電極電解液アセンブリ６と、複数の開口部を有し第２の触媒電極と第３の触媒電極との間に配置され密封され、それらの開口部を通じて第２の触媒電極と第３の触媒電極とを接続する導電性のメッシュ８と、第４の触媒電極に液体を供給可能なように接続された第２の導管１２と、エネルギー蓄積装置１６を含む第１の電気回路１４と、電気的負荷回路１８が準備される。
燃料電池システム２の運転方法は、さらに、複雑な組成の有機構造を有した燃料の水溶液を第１の導管１０を通じて供給ステップと、第２の導管１２を通じて酸化剤を供給するステップとを備え、望ましくは、少なくとも燃料電池システムの運転の時間の一部において燃料が大気温度である。燃料電池システム２の運転方法は、さらに、エネルギー蓄積装置１６の正極、第１の導管１０、そして第１の電極２１の間に導電的な接続を確立するステップを備える。導電的な接続は、エネルギー蓄積装置１６の負極、メッシュ８、そして第２の電極２２の間にも確立される。このようにエネルギー蓄積装置を接続することにより、大気温度において水素を生成すると同時に第１の触媒電極から汚染物質を除去する電気化学反応を活性化させるための処理エネルギーが供給される。
燃料電池システム２の運転方法は、さらに、第１の触媒電極に水素を供給し、その水素を第１の電極電解液アセンブリを通じて第３の触媒電極に移動させるステップを備える。第２の電極電解液アセンブリに対し、それをまたぐように電気消費を行う電気的負荷回路を接続することにより、エネルギーが第２の電極電解液アセンブリから出力され、電気化学反応により第３の電極２３において水素が消費されるとともに、第４の電極２４において酸化剤が消費される。その結果、電気的負荷回路１８に電流が流れる。
本発明は一態様として、燃料電池システム３０２の運転方法も提供する。燃料電池システム３０２の運転方法においては、まず第１のステップとして、第１の触媒電極を一方の側面に、また第２の触媒電極をそれと反対の側面に有する電極電解液アセンブリと、第１の触媒電極に液体を供給可能なように接続された第１の導管と、第２の触媒電極に液体を供給可能なように接続された第２の導管と、エネルギー蓄積装置３１６を含む第１の電気回路３１４と、電気的負荷回路３１８が準備される。
燃料電池システム３０２の運転方法は、複雑な組成の有機構造を有した燃料の水溶液を第１の導管３１０を通じて供給するステップと、第２の導管３１２を通じて酸化剤を供給するステップとを備え、望ましくは、燃料が大気温度である。燃料電池システム３０２の運転方法は、さらに、エネルギー蓄積装置３１６の正極と第１の触媒電極との間に導電的な接続を確立するステップと、エネルギー蓄積装置３１６の負極と第２の触媒電極との間に導電的な接続を確立するステップとを備える。このようにエネルギー蓄積装置を接続することにより、大気温度において第１の触媒電極から汚染物質を除去すると同時に水素を生成する電気化学反応を活性化させるための処理エネルギーが供給される。
燃料電池システム３０２の運転方法は、さらに、第１の触媒電極３２１に水素を供給するステップを備える。所定時間、望ましくは約０．０１秒から約１０秒の間の時間の経過後、それまでかけられていた第１の電位が燃料電池システム３０２から取り除かれる。続いて、電極電解液アセンブリ３０４に対しそれをまたぐように、電気的な負荷を有する電気的負荷回路３１８を導電的に接続することにより、エネルギーが電極電解液アセンブリから出力され、電気化学反応により電極電解液アセンブリから生成される水素のほとんどと酸化剤のほとんどが電気化学反応により消費される。その結果、電気的負荷回路３１８に電流が流れる。
燃料電池システム３０２の運転方法は、運転中、電気的負荷回路が開いている時に第１の電気回路が閉じられ、第１の電気回路が開いている時に電気的負荷回路が閉じられ、所定の時間の経過ごとに周期的に第１の電気回路と電気的負荷回路とが開閉されるように、第１の電気回路３１４と電気的負荷回路３１８とを互いに連動させるステップを備える。望ましくは、燃料処理段階において第１の電気回路が閉じられ電気的負荷回路が開かれる時間は約０．０１秒から約１０秒の間のいずれかであり、それに続く発電段階において電気的負荷回路が閉じられ第１の電気回路が開かれる時間は約０．５分から約１０分の間のいずれかである。電気的負荷回路３１８は第１の所定の時間の経過に伴い周期的に開閉され、一方、第１の電気回路３１４は第２の所定の時間の経過に伴い周期的に燃料処理と充電とを切り替えながら行う。
本発明は、さらに一態様として、燃料電池システムに適する燃料の選択方法を提供し、その選択方法は、水に溶解する燃料を選択するステップと、選択した燃料のギブズの自由エネルギーがその燃料の反応熱より大きくなるようにその燃料の水溶液を選択するステップとを備える。
本明細書においては、本発明の特定の実施例を参照しつつ本発明の開示および説明を行ったが、他に様々な本発明の実施例や変形例を考えることができ、別途提出する特許請求の範囲は本発明の真の技術的思想の範囲内において、それらの実施例や変形例を含むことを意図している。
図１は、本発明にかかる燃料電池システムの概略図である。 図２は、電極電解液アセンブリを上から見た図である。 図３は、本発明において燃料電池から出力されるエネルギーにより処理エネルギーが供給される様子を示した概略図である。 図４は、図３に示される燃料電池に対し処理エネルギーを供給するための誘導装置を設けた場合の概略図である。 図５は、メッシュを上から見た図である。 図６は、図５に示されるメッシュの断面図である。 図７は、図５に示されるメッシュの第１および第２の電極電解液アセンブリの間に位置する部分の断面図である。 図８は、各々の電極に埋め込まれたメッシュを有する燃料電池システムの断面図である。 図９は、共通の電極に埋め込まれたメッシュを有する燃料電池システムの断面図である。 図１０は、導管を上から見た図である。 図１１は、導管の断面を示す概略図である。 図１２は、燃料電池システムの分解組立概略図である。 図１３は、図１に示される燃料電池システムを複数、積層した状態を示す概略図である。 図１４は、電極電解液アセンブリを１つのみ有する燃料電池システムの概略図である。 図１５は、図１４に示される燃料電池システムに電源の切られた電気的負荷回路を接続した状態を示す概略図である。 図１６は、図１４に示される燃料電池システムに電源の入れられた電気的負荷回路を接続した状態を示す概略図である。 図１７は、燃料処理段階および発電段階における運転パラメータのグラフである。 図１８は、燃料電池システムにおける電流密度に応じて変化する電圧および電力密度のグラフである。 図１９は、図１４に示される燃料電池を複数、積層した状態を示す概略図である。

Claims (22)

  1. 電極電解液アセンブリであって、当該電極電解液アセンブリの有する複数の側面のうち一の側面に第１の触媒電極を有し、当該複数の側面のうち当該一の側面と対向する位置の側面に第２の触媒電極を有する第１の電極電解液アセンブリと、
    大気温度において前記第１の触媒電極に燃料を供給可能なように前記第１の触媒電極に接続された第１の導管と、
    電極電解液アセンブリであって、当該電極電解液アセンブリの有する複数の側面のうち一の側面に第３の触媒電極を有し、当該複数の側面のうち当該一の側面と対向する位置の側面に第４の触媒電極を有する第２の電極電解液アセンブリと、
    伝導性のメッシュであって、当該メッシュを貫通する複数の開口部を有し、当該複数の開口部を介して前記第２の触媒電極と前記第３の触媒電極とが通じるように、前記第２の触媒電極と前記第３の触媒電極との間に密封するように取り付けられたメッシュと、
    前記第４の触媒電極に酸化剤を供給可能なように前記第４の触媒電極に接続された第２の導管と、
    前記第１の触媒電極と前記第２の触媒電極に接続され前記第１の電極電解液アセンブリに対し電位を与える手段と、
    前記第３の触媒電極と前記第４の触媒電極に接続され前記第２の電極電解液アセンブリから出力されるエネルギーを消費する電気的負荷回路と
    を備える燃料電池システム。
  2. 前記電位を与える手段は、前記第１の触媒電極と導電的に接続された正極と、前記第２の触媒電極と導電的に接続された負極とを有し、水素生成反応に用いられる処理エネルギーの供給と、前記第１の触媒電極からの汚染物質の除去と、前記第１の電極電解液アセンブリから前記第３の触媒電極への水素の移動とをもたらす
    請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 前記電気的負荷回路を流れる電流の少なくとも一部を前記電気的負荷回路から受け取り、当該受け取った電流を前記水素生成反応に用いられる処理エネルギーの供給のために利用可能とする第３の電気回路を備え、
    前記処理エネルギーの量は前記出力されるエネルギーの量よりも少ない
    請求項２に記載の燃料電池システム。
  4. 誘導装置を備え、
    前記誘導装置は前記出力されるエネルギーにより帯電し、少なくとも前記処理エネルギーの供給を行う
    請求項３に記載の燃料電池システム。
  5. 前記第１の導管は前記燃料の水溶液を供給可能であり、
    前記燃料のギブズの自由エネルギーは前記燃料の反応熱よりも大きい
    請求項２に記載の燃料電池システム。
  6. 前記燃料は有機構造を有する
    請求項５に記載の燃料電池システム。
  7. 前記第２の触媒電極および前記第３の触媒電極のうちの少なくとも一方に少なくとも１のメッシュが埋め込まれている
    請求項１に記載の燃料電池システム。
  8. 前記第２の触媒電極と前記第３の触媒電極は統合して１つの共通触媒電極を形成し、
    前記メッシュは、前記共通触媒電極に埋め込まれている
    請求項１に記載の燃料電池システム。
  9. 請求項１に記載の燃料電池システムを複数備え、
    前記複数の燃料電池システムは、前記複数の燃料電池システムの各々が備える前記第１の導管、前記第１の電極電解液アセンブリ、前記メッシュ、前記第２の電極電解液アセンブリおよび前記第２の導管が当該順序で順次配置されるように積層され、
    前記複数の燃料電池システムのうち互いに隣り合う２つの燃料電池システムの間と、積層された前記複数の燃料電池システムの両端とに各々配置された絶縁性の分離層を備え、
    前記電位を与える手段は、前記複数の燃料電池システムの各々に関し、前記第１の触媒電極と前記第２の触媒電極に接続され前記第１の電極電解液アセンブリに電位を与え、
    前記電気的負荷回路は、積層された前記複数の燃料電池システムの全体を挟むように接続され前記複数の燃料電池システムの全体から出力されるエネルギーを消費し、
    前記複数の燃料電池システムは互いに導電的に接続されている
    燃料電池システム。
  10. 電極電解液アセンブリであって、当該電極電解液アセンブリの有する複数の側面のうち一の側面に第１の触媒電極を有し、当該複数の側面のうち当該一の側面と対向する位置の側面に第２の触媒電極を有する電極電解液アセンブリと、
    大気温度において前記第１の触媒電極に燃料を供給可能なように前記第１の触媒電極に接続された第１の導管と、
    前記第２の触媒電極に酸化剤を供給可能なように前記第２の触媒電極に接続された第２の導管と、
    前記第１の触媒電極と前記第２の触媒電極に接続され前記電極電解液アセンブリに対し電位を与える手段と、
    前記第１の触媒電極と前記第２の触媒電極に接続され前記電極電解液アセンブリから出力されるエネルギーを消費する電気的負荷回路と
    を備える燃料電池システム。
  11. 前記電位を与える手段は、前記第１の触媒電極と導電的に接続された正極と、前記第２の触媒電極と導電的に接続された負極とを有し、水素生成反応に用いられる処理エネルギーの供給と、前記第１の触媒電極からの汚染物質の除去とをもたらす
    請求項１０に記載の燃料電池システム。
  12. 前記電位を与える手段を含む第１の電気回路を備え、
    運転中、前記電気的負荷回路が開かれている時に前記第１の電気回路が閉じられ、前記第１の電気回路が開いている時に前記電気的負荷回路が閉じられるように、前記第１の電気回路と前記電気的負荷回路が互いに連動するように開閉され、前記第１の電気回路と前記電気的負荷回路の各々の開かれた状態および閉じられた状態が所定の時間だけ維持される
    請求項１０に記載の燃料電池システム。
  13. 前記電位を与える手段は、電気エネルギー貯蓄装置、バッテリーおよびキャパシタのうちの少なくともいずれか１つを有する
    請求項１０に記載の燃料電池システム。
  14. 前記処理エネルギーの量は前記出力されるエネルギーの量よりも少なく、運転中、前記出力されるエネルギーの一部は前記電位を与える手段に供給される
    請求項１１に記載の燃料電池システム。
  15. 前記第１の電気回路は、前記電気的負荷回路が閉じられた状態で維持される時間よりも短い時間、閉じられた状態で維持される
    請求項１２に記載の燃料電池システム。
  16. 前記第１の導管は前記燃料の水溶液を供給可能であり、
    前記燃料のギブズの自由エネルギーは前記燃料の反応熱よりも大きい
    請求項１１に記載の燃料電池システム。
  17. 前記燃料は有機構造を有する
    請求項１６に記載の燃料電池システム。
  18. 請求項１０に記載の燃料電池システムを複数備え、
    前記複数の燃料電池システムは、前記複数の燃料電池システムの各々が備える前記第１の導管、前記電極電解液アセンブリおよび前記第２の導管が当該順序で順次配置されるように積層され、
    前記複数の燃料電池システムのうち互いに隣り合う２つの燃料電池システムの間に配置された双極性の分離層と、積層された前記複数の燃料電池システムの両端に配置された絶縁性の分離層とを備え、
    前記電位を与える手段は前記複数の燃料電池システムの全体に対し電位を与え、
    前記電気的負荷回路は前記複数の燃料電池システムの全体を挟むように接続され前記複数の燃料電池システムの全体から出力されるエネルギーを消費し、
    前記複数の燃料電池システムは互いに導電的に接続されている
    燃料電池システム。
  19. 電極電解液アセンブリであって当該電極電解液アセンブリの有する複数の側面のうち一の側面に第１の触媒電極を有し当該複数の側面のうち当該一の側面と対向する位置の側面に第２の触媒電極を有する第１の電極電解液アセンブリと、前記第１の触媒電極に液体を供給可能なように接続された第１の導管と、電極電解液アセンブリであって当該電極電解液アセンブリの有する複数の側面のうち一の側面に第３の触媒電極を有し当該複数の側面のうち当該一の側面と対向する位置の側面に第４の触媒電極を有する第２の電極電解液アセンブリと、伝導性のメッシュであって当該メッシュを貫通する複数の開口部を有し当該複数の開口部を介して前記第２の触媒電極と前記第３の触媒電極とが通じるように前記第２の触媒電極と前記第３の触媒電極との間に密封するように取り付けられたメッシュと、前記第４の触媒電極に液体を供給可能なように接続された第２の導管と、電位を与える手段と、電気的負荷回路とを準備するステップと、
    大気温度において、有機構造を有する燃料の水溶液を前記第１の導管を通じて供給するステップと、
    酸化剤を前記第２の導管を通じて供給するステップと、
    前記電位を与える手段の正極と前記第１の触媒電極との間に導電的な接続を確立するステップと、
    前記電位を与える手段の負極と前記第２の触媒電極との間に導電的な接続を確立するステップと、
    大気温度において水素の生成と前記第１の触媒電極からの汚染物質の除去とをもたらす電気化学反応に用いられる処理エネルギーを供給するステップと、
    前記第１の触媒電極に前記水素を供給するステップと、
    前記水素を前記第１の電極電解液アセンブリを通じて前記第３の触媒電極へ移動させるステップと、
    前記第２の電極電解液アセンブリをまたぐように、前記第２の電極電解液アセンブリに対し、電気的な負荷を含む前記電気的負荷回路を接続するステップと、
    前記第２の電極電解液アセンブリにおいてエネルギーを生成し出力するステップと、
    前記第３の触媒電極において、前記水素と前記酸化剤とを電気化学反応において消費するステップと、
    前記電気的負荷回路に電流を流すステップと
    を備える燃料電池システムの運転の方法。
  20. 電極電解液アセンブリであって当該電極電解液アセンブリの有する複数の側面のうち一の側面に第１の触媒電極を有し当該複数の側面のうち当該一の側面と対向する位置の側面に第２の触媒電極を有する電極電解液アセンブリと、前記第１の触媒電極に液体を供給可能なように接続された第１の導管と、前記第２の触媒電極に液体を供給可能なように接続された第２の導管と、電位を与える手段と、電気的負荷回路とを準備するステップと、
    大気温度において、有機構造を有する燃料の水溶液を前記第１の導管を通じて供給するステップと、
    酸化剤を前記第２の導管を通じて供給するステップと、
    前記電位を与える手段の正極と前記第１の触媒電極との間に導電的な接続を確立するステップと、
    前記電位を与える手段の負極と前記第２の触媒電極との間に導電的な接続を確立するステップと、
    大気温度において水素の生成と前記第１の触媒電極からの汚染物質の除去とをもたらす電気化学反応に用いられる処理エネルギーを供給するステップと、
    前記第１の触媒電極に前記水素を供給するステップと、
    前記電位を与える手段を前記電極電解液アセンブリから切断するステップと、
    前記電極電解液アセンブリをまたぐように、前記電極電解液アセンブリに対し、前記電気的負荷回路を接続するステップと、
    前記電極電解液アセンブリにおいてエネルギーを生成し出力するステップと、
    前記電極電解液アセンブリから供給される前記水素と、前記酸化剤とを、電気化学反応において消費するステップと、
    前記電気的負荷回路に電流を流すステップと
    を備える燃料電池システムの運転の方法。
  21. 前記電位を与える手段を含む第１の電気回路を準備するステップと、
    運転中、前記電気的負荷回路が開かれている時に前記第１の電気回路が閉じられ、前記第１の電気回路が開いている時に前記電気的負荷回路が閉じられるように、前記第１の電気回路と前記電気的負荷回路を互いに連動するように開閉することにより、所定の時間の経過に伴い周期的に前記第１の電気回路と前記電気的負荷回路の各々を開閉するステップと
    を備える請求項２０に記載の方法。
  22. 水に溶解する燃料を選択するステップと、
    前記燃料のギブズの自由エネルギーが前記燃料の反応熱より大きくなるように、前記燃料の水溶液を選択するステップと
    を備える燃料電池システムに用いられる燃料の選択の方法。
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