JP6799368B2 - 改質器のない燃料電池と組み合わせた装置および方法 - Google Patents

改質器のない燃料電池と組み合わせた装置および方法 Download PDF

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Description

本開示は、改質器のない燃料電池のための電解質膜の様々な実施形態を提示する。本燃料電池は、燃料マニホールドで燃料供給から酸化可能な燃料（例えば、水素またはメタンなどの炭素質燃料）、および空気マニホールドで空気供給から空気を受け取る。本電解質膜は、燃料電池が水の沸点を超え５００℃未満の運転温度に曝露されるときイオン性スーパーオキシド形態の酸素を伝導して、電気化学的に酸素を燃料と結合させ電気を生成する。様々な実施形態において、本電解質膜は多孔性基板およびイオン性液体を含む。
燃料電池には、分散型発電について大きな将来性がある。燃料電池は単純なサイクルタービンより高い熱力学的効率で運転することができるので、温暖化ガス削減への影響は意義深い。燃料電池による地域向けで分散型の発電は、集中化された発電で観察されるような７−１０％の伝送損失を受けない。さらに、分散型発電は、中央の発電プラントを無能化し、多くの市民を無力化し得る自然災害、サイバー攻撃およびテロ攻撃に抗する社会的弾力性を提供する。
風および太陽などの変動エネルギー資源（ＶＥＲ）を、その予測不可能性のため、負荷全体の一定割合を超えて主要送電網へ継続して組み込むことができるか、という意義深い議論がある。多くのエネルギー運転者が既にそのような予測不可能性について苦情を言い始め、より多くのＶＥＲを送電網へ組み込む能力を問題にしている。分散型発電機としての燃料電池は、優れた代替をそのような問題に提供する。分散型発電機として、燃料電池は、地域の電力を供給しつつ、また、要求に応じて送電網にエネルギーを送り込み、それにより負荷の平衡を取り、加えて、より多くのＶＥＲを送電網に組み込むことができるようにする。
ほとんどすべての燃料電池は燃料として水素を用いて働くが、しかし、水素自体は天然の燃料ではない。水素は、通常、炭化水素の水蒸気改質によって得られる。改質はかなりの量のエネルギーを費やし、結果として正味の熱力学的効率を下げ、システム費用を増す。天然ガスは、米国で強力に成功裡に探究されており、到来する数十年のために選択できる実用的燃料であろう。したがって、燃料電池は、改質された水素とは全く反対に、天然ガス、すなわちメタンで動くことが望ましい。
実用的に製造されている２種類の有力な燃料電池、プロトン交換膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ）および固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）がある。どちらも比較的成熟した技術であるが、広範囲の使用を妨げる欠点をかかえている。これらは、それぞれ２５−１００℃および７００−１０００℃の範囲で働く。
ＰＥＭＦＣはプロトン（水素イオン）伝導燃料電池であるが、ＳＯＦＣは酸素伝導燃料電池である。したがって、ＰＥＭＦＣでは、天然ガスで動くには改質器を使用しなければならないが、ＳＯＦＣなどの酸素伝導燃料電池は、水素と炭化水素（すなわちメタン）の両方で動く潜在力を有する。図１を参照すると、酸素伝導膜に対する水素伝導膜のイオン輸送が示されている。
ＰＥＭＦＣは、改質器が必要であるため、経済的、エネルギー的に非効率である。ＰＥＭ膜が水和形態においてのみ働き、反応の結果、多量の水が生成するので、電池の両側の水分管理は困難な課題である。触媒の水没および水の枯渇によるカーボン担体の分解などの他の問題が生じる。さらに、燃料または空気の流れ中のＣＯｘ、ＮＯｘおよびＳＯｘの存在が、触媒に毒作用を与える。そのため、化学的洗浄などの追加の基礎設備が、そのような不純物を減らすかなくすために必要となり、それにより経済的およびエネルギー効率の利点が減少する。
ＳＯＦＣは、非常に高温で運転され、酸素を伝導するので、天然ガスを直接使用する潜在力を有する。しかし、最も実際的で最も実用的なＳＯＦＣは、必要に応じて実施するために水蒸気改質器を使用しなければならない。これらは、通常、酸素伝導膜としてドープしたイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）を使用する。高温（平均８００℃）では、（ａ）触媒、例えばＮｉおよびＮｉＯが、熱膨張係数（ＣＴＥ）のミスマッチのために数回の熱サイクルで膜に固着できなくなる；（ｂ）市販プラスチック、ならびにアルミニウムおよび普通の鋼鉄などの市販金属を使用することができず、高価な金属およびセラミック構造部材を必要とする；（ｃ）ガス備品および制御が、高温で運転するために極端に高くつくなどの重大な問題が生じる。そのような高温での運転は、材料信頼性および安全の課題を含む。
多くの燃料電池は燃料として水素で働くが、水素は、天然には高い存在率では存在しない。これは、通常、炭化水素の水蒸気改質によって得られるが、非効率的で高価である。したがって、燃料電池は、改質された水素と全く反対に、天然ガス（主としてメタン）を直接使用することが望ましい。新しい型のアルカリ、酸および溶融塩電解質が研究されている。しかし、これらの技術では、この研究は、水素イオン（プロトン）伝導電解質にあり、ＩＴＦＣに供給される燃料が水素でなければならない必要性があり、改質器は、メタンまたは他の炭素質燃料から水素を発生させることを必要とする。
一態様において、改質器のない燃料電池と組み合わせた装置が提供される。一実施形態において、本装置は、燃料マニホールドおよび空気マニホールドを用いて組み立てて改質器のない燃料電池を形成するように構成された電解質膜を含み、ここで、前記燃料マニホールドは、ガス状、液状およびスラリー状の少なくとも１つの燃料供給から酸化可能な燃料を受け取るように構成され、ここで、前記空気マニホールドは少なくとも酸素を含む空気の供給から空気を受け取るように構成され、ここで、前記電解質膜は、前記改質器のない燃料電池が水の沸点を超える運転温度に曝露されるとき、イオン性スーパーオキシド形態の酸素を伝導するように構成され、前記酸素を前記酸化可能な燃料と電気化学的に結合させて電気を生成する。この実施形態において、前記電解質膜は、多孔性で電気的に非伝導性の基板と；前記多孔性基板の燃料マニホールド側に沿って堆積させたアノード触媒層と；前記多孔性基板の空気マニホールド側に沿って堆積させたカソード触媒層と；前記電解質膜を形成するための、前記アノードおよびカソード触媒層間の前記多孔性基板に充填するイオン性液体とを含む。
別の態様において、改質器のない燃料電池と組み合わせた装置を製作する方法が提供される。一実施形態において、本方法は、電気的に非伝導性の粒子から多孔性基板を形成するステップと；前記多孔性基板の第１の側に沿ってアノード触媒層を堆積させるステップと；前記多孔性基板の第２の側に沿ってカソード触媒層を堆積させるステップと；前記アノードおよびカソード触媒層間の前記多孔性基板にイオン性液体を充填して、前記電解質膜の前記第１の側に対して燃料マニホールド、および前記電解質膜の前記第２の側に対して空気マニホールドを用いて組み立てられるように構成された前記電解質膜を形成して改質器のない燃料電池を形成するステップとを含む。この実施形態において、前記燃料マニホールドは、ガス状、液状およびスラリー状の少なくとも１つの燃料供給から酸化可能な燃料を受け取るように構成される。記載されている実施形態において、前記空気マニホールドは少なくとも酸素を含む空気の供給から空気を受け取るように構成される。この実施形態において、前記電解質膜は、前記改質器のない燃料電池が水の沸点を超える運転温度に曝露されるとき、イオン性スーパーオキシド形態の酸素を伝導するように構成され、前記酸素を前記酸化可能な燃料と電気化学的に結合させて電気を生成する。
また別の態様において、改質器のない燃料電池と組み合わせた装置を運転する方法が提供される。一実施形態において、本方法は、改質器のない燃料電池を形成するために燃料マニホールドおよび空気マニホールドを用いて組み立てられた電解質膜を水の沸点を超える運転温度に曝露するステップと；ガス状、液状およびスラリー状の少なくとも１つの燃料供給から酸化可能な燃料を前記燃料マニホールドに供給するステップと；少なくとも酸素を含む空気の供給から空気マニホールドに前記空気を供給するステップと；イオン性スーパーオキシド形態の酸素を前記電解質膜に通して伝導して電気化学的に前記酸素を酸化可能な燃料と結合させて電気を生成するステップとを含む。この実施形態において、前記電解質膜は、電気的に非伝導性の粒子によって形成された多孔性基板と、前記多孔性基板の燃料マニホールド側に沿って堆積させたアノード触媒層と、前記多孔性基板の空気マニホールド側に沿って堆積させたカソード触媒層と、前記アノードおよびカソード触媒層間の多孔性基板に充填するイオン性液体とを含む。
酸素伝導膜に対する水素伝導膜のイオン輸送を描いている。 複合イオン性液体／セラミック膜システムを用いる燃料電池構造である。 多孔性セラミック基板のＳＥＭ顕微鏡写真である。 基板上に層にした触媒材料を描いている。 イオン性液体の化学構造である。 陰イオンおよび陽イオンを含むフッ化イオン性液体である。 小規模燃料電池である。 マルチセルシステムの図である。 活性マニホールドと一次マニホールドの間の関係を描く。 燃料電池で使用される種々の燃料についいての電流密度対温度のプロットである。 燃料電池で使用されるメタンについての分極プロットである。 改質器のない燃料電池と組み合わせた電解質膜の例示の実施形態の構成図である。 改質器のない燃料電池と組み合わせた電解質膜を製作する工程の例示の実施形態の流れ図である。 改質器のない燃料電池と組み合わせた電解質膜を運転する工程の例示の実施形態の流れ図である。
本開示は、結果として直接の酸素輸送、および水素に限定されない種々様々の燃料との反応をもたらす、スーパーオキシド形態の酸素イオンを伝導する電解質／膜システムを提供する。この技術を用いて構築された燃料電池は、メタンから水素への改質器を必要とせず、中間温度の範囲で運転される。中間温度燃料電池は、種々様々の炭素系投入燃料を利用することができる。電解質膜システムは、ほとんどどんな燃料とも直接反応することを可能にする形態で酸素を輸送する。この膜は、別々の燃料処理系統に対する必要性をなくし、総費用を低減する。本燃料電池は、比較的低温、５００℃未満、好ましくは１００から３００℃の間で運転され、既存の高温燃料電池と関連した長期耐久性の問題を回避する。
本開示は、改質器のない燃料電池の様々な実施形態を提示する。ＰＥＭＦＣとＳＯＦＣの熱的範囲間で運転することができる燃料電池は、中間温度燃料電池（ＩＴＦＣ）と一般に呼ばれる。ＩＴＦＣは、１００−５００℃の温度範囲で運転される。本出願は、その温度範囲（１００−３００℃）の下端で運転される燃料電池を対象とし、追加のコストおよび信頼性の利点をもたらす。
ＩＴＦＣは、運転温度が水の沸点を超えるので、ＰＥＭＦＣにおける水関連の問題を克服する。ＩＴＦＣは、またＳＯＦＣと関連したほとんどの熱的問題を克服するが、その理由は、そのような低温で（ａ）熱膨張係数（ＣＴＥ）のミスマッチはより御しやすい；（ｂ）ガスを扱う部材は液体ほど高価ではない；および（ｃ）安価な材料（アルミニウム、鋼鉄およびプラスチックなど）を構造部材として使用することができるからである。
新しい型のアルカリ、酸および溶融塩電解質が研究されている。しかし、これらの技術で水素イオン（プロトン）伝導電解質が研究され、ＩＴＦＣに供給される燃料は水素でなければならない必要性があり、改質器は、メタンから水素を発生させる必要がある。
本出願は、結果として直接の酸素輸送、および水素に限定されない種々様々の燃料との反応をもたらす、スーパーオキシド形態の酸素イオンを伝導する電解質／膜システムを提供する。この技術を用いて構築された燃料電池は、メタンから水素への改質器を必要としない。
本出願は、メタン、ブタン、プロパンおよび石炭などの様々な複合燃料を電気化学的に消費することができる、改質器のない酸素伝導多重燃料中間温度燃料電池（Ｒｅｆｏｒｍｅｒ−ｌｅｓｓ Ｏｘｙｇｅｎ−ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ Ｍｕｌｔｉ−ｆｕｅｌ Ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ−ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ）（ＲＯＮＩＮ）を対象とする。本出願は、一般的範疇の中間温度燃料電池（ＩＴＦＣ）に当たるが、水素改質は必要でない。この技術の主要な利点は、高分子および金属の構造部材および密封部材の使用を可能にする、運転の相対的な低温（１００−３００℃）であり、それによりコストを下げ、結果として得られる燃料電池システムの信頼性および寿命を高める。
イオン性液体（ＩＬ）は、様々な電気化学および流体の特性を示すように調整することができる新しい種類の材料である。イオン性液体は、特定のガスに対してイオンの溶解性および伝導性を示す。微多孔性セラミック中で固定された特異的なイオン性液体に基づく膜は、燃料電池で酸素を伝導するために使用することができる。多孔性セラミックが触媒処理されている場合、そのようなＩＬは、酸素を、天然ガスメタンなどの炭素質ガスと電気化学的に結合させて電気を生成する。
図２を参照すると、複合ＩＬ／セラミック膜システム２０４を収容するマニホールド２０２を有する燃料電池２００が描かれている。マニホールド２０２は、プラスチック構造体およびガスケットを含む。
複合ＩＬ／セラミック膜システム２０４はマニホールド２０２内に描かれている。膜システム２０４は、イオン性スーパーオキシド形態の酸素を輸送し、結果として燃料との直接的酸素反応をもたらす。イオン輸送はボックス２０６中に図解される。膜システム２０４および燃料電池２００は、メタンから水素への改質器を含まない。
膜システム２０４は、多孔性セラミック基板、および基板の全体にわたって固定されたイオン性液体を含む。図３を参照すると、多孔性セラミック基板３００の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）顕微鏡写真が示されている。基板３００は、２−１５マイクロメートル（μｍ）の寸法のアルミナセラミック粒子を板材の形態に融合させることにより作られる。一実施形態において、基板３００の得られた孔径は１−５μｍであり、空隙率はおよそ３５％である。別の実施形態において、基板３００は、厚さ１ミリメートル（ｍｍ）であり、３０センチメートル（ｃｍ）ｘ３０ｃｍもの大きさのサイズに製造することができる。基板３００は、触媒およびイオン性液体電解質を受け入れることができる。
多孔性セラミック基板３００は、両側がスパッタされるか、または触媒材料の薄層で被覆される。図４を参照すると、触媒材料の相異なる層が描かれている。一実施形態において、触媒層は、０．１ｍｇ／ｃｍ２のＰｔを用いて最大１ｍｇ／ｃｍ２の別の金属（Ｎｉ、Ａｕ、Ａｇなど）とともに基板の両側にスパッタした４０２である。別の実施形態において、白金黒粉末の被膜４０４は、次に４００−１３５０℃の温度で焼結されて、基板３００のアルミナセラミック粒子に白金を恒久的に結合する。その結果、より少ない正味のＰＧＭ装填であるが、正味の触媒表面積は投影表面積の２０倍を超える。
多孔性セラミック基板３００が触媒処理された後、細孔は酸素伝導イオン性液体で充填され固定される。イオン性液体の型は、燃料電池２００で使用される燃料に依存する。一実施形態において、天然ガスの形態のメタン、および空気の形態の酸素は、膜２０４の両側に供給される。酸素は酸素側の表面で触媒作用を受け、負に帯電したスーパーオキシドとして細孔中のイオン性液体部分に進入する。酸素は、酸素側電極から電子を収集することによりスーパーオキシドになる。酸素側の反応は次のように描かれる：
酸素側：２Ｏ２（ＩＬ中に溶解）＋２ｅ−→Ｏ２＊−（スーパーオキシド）
負に帯電したスーパーオキシドは、イオン性液体によって膜２０４を通って膜２０４の反対側へ移動する。スーパーオキシドは、燃料側の触媒表面でメタン燃料と直接反応して二酸化炭素（ＣＯ２）および水（Ｈ２Ｏ）を発生する。燃料側の反応は次のように描かれる：
燃料側：ＣＨ４＋２Ｏ２＊−→ＣＯ２＋２Ｈ２Ｏ＋２ｅ−
２００℃でのこの反応に対する開放電位は、小規模試験燃料電池でおよそ０．８Ｖである。４００℃未満の温度で、ＣＨ４およびＯ２の電気化学反応は、無視できる量のＣＯを生成する。ＣＨ４中の炭素のほとんどすべてはＣＯ２に変換される。燃料側の反応が低温であるために、燃料電池はＣＯ−ＣＯ２の触媒転換を必要としない。これは、６００℃を超える温度で運転するとき触媒改質器を必要とし、かなりの量のＣＯを生成し、そのため、触媒転換サブシステムを実施しなければならず、結果として資本コストの追加および効率性の低下をもたらす以前のＳＯＦＣとは異なる。
一実施形態において、燃料として天然ガスを使用するとき、天然ガスの電気化学的酸化はイオン性液体［Ｅｍｉｍ］＋［ＯＴｆ２］−と反応する。図５を参照すると、イオン性液体の化学構造が描かれている。一実施形態において、イオン性液体はある量のＣＨ４およびＯ２を溶解し、そのため反応がより効率的になるが、それは、酸化および還元の両方がただ１つの相、すなわち液相中で起こり得るからである。
図６を参照すると、フッ化イオン性液体は、大きな正のイオンおよび大きな負のイオンからなる。陰イオン、すなわち負のイオンは、イオン性液体の電気化学的および化学的特性を決定し、陽イオン、すなわち正のイオンは、レオロジーおよびガス溶解などの物理的特性を決定する。この実施形態において、イオン性液体は、陰イオン［ＯＴｆ２］−（酸素が溶解するのを助ける）を有し、これは、フッ化イオン性液体の特徴であり、酸素がスーパーオキシドに転換されたとき、陰イオンはそれが安定するのを助ける。Ｃ−Ｆ結合の大きな双極子モーメントは、スーパーオキシドの共鳴を保持するのを助け、結果的にイオン性液体の分解をもたらす反応を起こさせないと考えられる。陽イオン［Ｅｍｉｍ］＋は、メタンが溶解するのを助ける。陽イオンは、また、反応の生成物であるＣＯ２を溶解する。この化学現象に関しては、フッ化イオン性液体中の溶解したＣＯ２が、ＣＨ４およびＯ２の両方の溶解性を上げ、反応を強める。
図７を参照すると、記載された膜７０２を使用する小規模燃料電池７００が描かれている。燃料電池はマニホールド７０４を含む。一実施形態において、マニホールド７０４はグラファイトフェルトを使用して構築される。フェルトは、高い伝導性、圧縮性および非常に多孔性のグラファイト繊維材料である。フェルトは９５％多孔性であり、この温度で酸化せず、苛酷な化学的環境に耐性がある。そのようなフェルトは、実用的フローバッテリー中の燃料電池およびフローセルの環境において使用されている。
燃料電池は、燃料電池部を収容するために使用されるバイポーラ板などの構造材料をさらに含む。一実施形態において、バイポーラ板は、可撓性で、実用的燃料電池およびフローバッテリーに使用される、フルオロカーボン／グラファイト複合板である。パッシブな構造材料は、４００℃まで運転されるように工業的に製造される高温プラスチックからできている。高温プラスチックの１つの系統は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、すなわちデュポンによって製造されるテフロン（登録商標）に由来する。ＰＴＦＥのある種の変形は、ガラス繊維などの好適な充填材料とともに、３３０℃の運転温度に耐えることができる。そのようなプラスチックは、燃料電池中２７０℃までの温度で好首尾であり、何の劣化もない。高温プラスチックの別の系統は、エステルまたはケトン鎖のシリコーン誘導体に由来する。１つのそのような実用的材料、ＵＨＴの構造は、４００℃まで使用することができる。
燃料電池は、燃料電池部材を一緒にはめるためのガスケットを含む。ガスケット材は、デュポンによって製造されるカルレッツなどの修飾ビニリデン−フルオリド−ヘキサフルオロ−プロピレン（ＦＦＫＭ）でできたフルオロカーボンエラストマーとすることができる。これは、３２７℃の温度まで運転することができる。対象とする温度範囲で働くガスケット材の別の系統は、４５０℃の温度まで運転される、繊維を装填したシリコーンである。
燃料電池は、また、構造を完成するための他の部品を含む。ボルト、圧縮ばねおよびガス備品は鋼鉄製とすることができる。最終の集電器は銅製である。ガス備品７０６は、使用場所の温度に応じて、銅およびサントプレーンなどの高品質のポリオレフィンエラストマーハイブリッドでできていてもよい。加圧板はアルミニウム製である。
別の実施形態において、燃料電池は一緒に積み重ねられ、直列に相互連結して合計電力を生み出す。図８を参照すると、マルチセルシステム８００が描かれている。この実施例において、７つの電池が直列に連結したマルチセルシステム８００が描かれているが、しかし、この実施例の電池の数は、本出願では限定されないことが認識される。
触媒処理された表面を有しイオン性液体が包埋されたセラミック膜８０２は、両側の伝導性ガスマニホールド８０４間に配置される。セラミック膜８０２の触媒処理した表面は、膜８０２のアノードおよびカソード側に位置する。一実施形態において、触媒材料は、白金族金属、すなわちルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウムまたは白金である。別の実施形態において、触媒材料は、ニッケル、酸化ニッケル銀もしくは金などの非白金族金属、または白金族金属を装填したニッケル、酸化ニッケル銀もしくは金である。一実施形態において、包埋されるイオン性液体は、ブチル−メチル−イミダゾリウム−トリフルオロ−メタン−スルホナート（［Ｃ４Ｃ１Ｉｍ］＋［Ｏｔｆ］−と短縮される）である。陰イオン［Ｏｔｆ］−は、スーパーオキシドイオンの活性化および伝導に対する役割を有する。一実施形態において、イオン性液体の陽イオンの選択によって、酸素の溶解性を上げる。別の実施形態において、ホスホニウムなどの陽イオンは使用可能な温度範囲を上げるために使用される。一実施形態において、多孔性セラミック膜８０２は、厚さ１．０ｍｍ、１−５μｍの粒体および孔径、ならびに３５％の空隙率を有する焼結アルミナでできている。別の実施形態において、膜８０２は約０．２５ｍｍであり、電池の電気抵抗を下げるために空隙率は５０％を超える。
一実施形態において、伝導性ガスマニホールド８０４は圧縮性グラファイトフェルト製である。バイポーラ板８０６は、マニホールド／膜組立体８０２、８０４のどちらかの側に配置される。一実施形態において、バイポーラ板８０６は複合グラファイト製である。バイポーラ板／マニホールド／膜組立体８０２、８０４、８０６を繰り返して、直列に一緒に相互連結した合計７つの電池８０８を構築する。どちらの端部の電極も集電器８１０とともに配置される。一実施形態において、集電器８１０は銅板である。加圧板８１２は、どちらの側にもガスを密封するガスケット８１４とともに配置される。一実施形態において、加圧板８１２は、約０．５インチの厚さを有するアルミニウムでできている。加圧板８１２は、酸素および燃料用のガス入口／出口備品８１６を含む。ここでは７つの電池が示されているが、電池の数は、実用化において制限因子ではない。
マルチセルシステム８００の動作中に、１５０から２２０℃の間の温度で反応速度は増加し、直線的より速くなる。膜８０２に使用されるイオン性液体に応じて、温度は４００℃まで上げることができる。邪魔板または流路を通る膜の活性域の燃料および酸素の流量分布は一様である。燃料および酸素の適当な分布は、燃料電池の性能および寿命に影響を与える。グラファイトフェルトの流動経路は燃料電池８００において使用され、ここで、グラファイトフェルトの圧縮した厚さは、１ｍｍから５ｍｍの間にあり、圧縮率は２０％から８０％の間にある。
マルチセルスタック構造は、全体の圧力および流速を用いて、スタック中の異なる電池へ燃料および酸素を分布させる。電池は空気としてスタック中で並行であるので、各電池中の燃料および酸素の流速は、十分に均衡が取れていなければならない。ガス分布が一様になるように、一次マニホールドは、主要な活性マニホールドより低い抵抗を呈するように、各電池において設計されている。図９を参照すると、一次および活性マニホールド間の関係が示されている。活性マニホールド９００の幅は、一次マニホールド９０２の幅の１０−５０倍である。一実施形態において、フェルト様の活性マニホールドの代わりに、網状フェルトおよびを膨張グラファイト、型押ししたニッケルめっき鋼鉄流路などの種々の材料を用いる、曲がりくねった活性マニホールドおよび経路が使用される。
本燃料電池は、種々の燃料の使用に適応可能である。図１０を参照すると、電流密度対温度が、燃料電池で使用される種々の燃料についてグラフ表示されている。実効電流密度は、合計電流（マイクロアンペア）を膜の投影面積（ｃｍ２）で除することにより測定される。マルチセルスタックは、４００度までの温度について温度制御された環境に配置される。代替燃料は水素、ブタン、プロパンまたは石炭であってもよい。各代替燃料に関しては、種々のイオン性液体が燃料電池内で種々の水準の反応性で運転される。例えば、イオン性液体、エチル−メチル−イミダゾリウム−ジシアナミド（［Ｅｍｉｍ］＋［ジシアナミド］−と短縮される）は亜瀝青炭に対してうまく働くが、メタン燃料には、イオン性液体、エチル−メチル−ピロリジニウム−ホウ素−テトラフルオリド（［ＥｍＰｙｒ］＋［ＢＦ４］−または［Ｅｍｉｍ］＋［ＯＴｆ２］−と短縮される）を用いるとうまく働く。
図１１を参照すると、［Ｅｍｉｍ］＋［ＯＴｆ２］−を用いる２２０℃でのメタンについての分極プロットが、２ｃｍ２の断面積を有する燃料電池について示されている。Ｙ軸は、非線形の対数尺度であり、反応速度は前に論じたように直線より速く増加することを示す。開放電圧（ＯＣＶ）は、これらの条件について０．８Ｖであることを示す。短絡電流は１５ｍＡであり、７０％ＯＣＶ（＝０．５６Ｖ）での電流は約９．５ｍＡである。２ｃｍ２の電池面積の場合、電流密度はおよそ５ｍＡ／ｃｍ２であると計算される。
本出願が実験的な燃料電池の寸法に限定されないことは認識される。燃料電池および／またはマルチセルスタックは、より大きな電流および電圧出力のために拡張することができる。
図１２を参照すると、電解質膜１２００の例示の実施形態は、燃料マニホールド１２０２および空気マニホールド１２０４を用いて組み立てられるように構成されて改質器のない燃料電池１２０６を形成する。燃料マニホールド１２０２は、酸化可能な燃料１２０８（例えば、水素またはメタンなどの炭素質燃料）を、ガス状、液状、スラリー状または任意の適切な形態の燃料供給１２１０から受け取るように構成される。空気マニホールド１２０４は空気供給１２１４から空気１２１２を受け取るように構成される。空気１２１２は少なくとも酸素を含む。電解質膜１２００は、改質器のない燃料電池１２０６が水の沸点を超える運転温度に曝露されるときイオン性スーパーオキシド形態の酸素を伝導するように構成され、酸素を酸化可能な燃料１２０８と電気化学的に結合させて電気１２１６を生成する。
電解質膜１２００は、多孔性基板１２１８、アノード触媒層１２２０、カソード触媒層１２２２およびイオン性液体１２２４を含む。多孔性基板１２１８は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）などの電気的に非伝導性の粒子によって形成される。アノード触媒層１２２０は、多孔性基板１２１８の燃料マニホールド側に沿って堆積される。カソード触媒層１２２２は、多孔性基板１２１８の空気マニホールド側に沿って堆積される。イオン性液体１２２４は、アノードおよびカソード触媒層１２２０、１２２２の間の多孔性基板１２１８に充填して電解質膜１２００を形成する。電解質膜１２００の別の実施形態において、多孔性基板１２１８は電気的に非伝導性の粒子を融合させることにより形成される。電解質膜１２００のまた別の実施形態において、多孔性基板１２１８は所定厚さを有する多孔板に形成される。多孔板は多孔性基板１２１８の燃料マニホールドおよび空気マニホールド側を画定し、所定厚さは、アノードおよびカソード触媒層１２２０、１２２２の間の空間を画定する。電解質膜１２００のなお別の実施形態において、電気的に非伝導性の粒子は、セラミック粒子、ガラス粒子、アルミナセラミック粒子、または任意の適切な型の粒子を含む。電解質膜１２００の別の実施形態において、電気的に非伝導性の粒子の寸法は２から１５μｍの範囲にある。
電解質膜１２００のなおまた別の実施形態において、イオン性液体１２２４は、４０℃から２００℃の範囲の運転温度で液状、１０００オーム／ｃｍ未満のインピーダンス、および０．１ｐｓｉ未満の蒸気圧を維持する。電解質膜１２００の別の実施形態において、イオン性液体１２２４は、少なくとも１個の炭素原子を有する分子を含む。電解質膜１２００のまた別の実施形態において、イオン性液体１２２４はフッ化イオン性液体を含む。電解質膜１２００のなお別の実施形態において、イオン性液体１２２４は、［Ｅｍｉｍ］＋［ＯＴｆ２］−；［Ｃ４Ｃ１Ｉｍ］＋［Ｏｔｆ］−；［ホスホニウム］＋［Ｏｔｆ］−；［Ｅｍｉｍ］＋［ジシアナミド］−；［ＥｍＰｙｒ］＋［ＢＦ４］−；または任意の適切なイオン性液体を含む。電解質膜１２００のまた別の実施形態において、イオン性液体１２２４は陽イオンおよび陰イオンを含む。この実施形態において、陽イオンは、［Ｅｍｉｍ］＋、［Ｃ４Ｃ１Ｉｍ］＋、［ホスホニウム］＋、［ＥｍＰｙｒ］＋、または任意の適切な陽イオンを含む。記載されている実施形態において、陰イオンは、［ＯＴｆ２］−、［Ｏｔｆ］−、［ジシアナミド］−、［ＢＦ４］−、または任意の適切な陰イオンを含む。
電解質膜１２００の別の実施形態において、アノード触媒層１２２０は、白金族金属、ルテニウム元素、ロジウム元素、パラジウム元素、オスミウム元素、イリジウム元素、白金元素、ニッケル元素、酸化ニッケル化合物、金元素、銀元素、または任意の適切な触媒元素もしくは化合物を含む。
電解質膜１２００のまた別の実施形態において、カソード触媒層１２２２は、白金族金属、ルテニウム元素、ロジウム元素、パラジウム元素、オスミウム元素、イリジウム元素、白金元素、ニッケル元素、酸化ニッケル化合物、金元素、銀元素、または任意の適切な触媒元素もしくは化合物を含む。
なお別の実施形態において、アノード触媒層１２２０に対して配列されたアノード電極１２２６、およびカソード触媒層１２２２に対して配列されたカソード電極１２２８を用いて、電解質膜１２００は改質器のない燃料電池１２０６に組み立てられるように構成され、その結果、改質器のない燃料電池１２０６が水の沸点を超える運転温度に曝露された後、および、酸化可能な燃料１２０８が燃料マニホールド１２０２に供給され空気１２１２が空気マニホールド１２０４に供給された後、電気化学ポテンシャル１２１６がアノードおよびカソード電極１２２６、１２２８の両端に発生し、対応する電流がアノードおよびカソード電極１２２６、１２２８を通って移動する。さらなる実施形態において、酸素の伝導に関連して、電解質膜１２００は、カソード触媒層１２２２でスーパーオキシドを触媒するように構成され、その結果、スーパーオキシドの負に帯電したイオン形態がカソード電極１２２８から電子を収集することによりイオン性液体１２２４に進入する。なおさらなる実施形態において、酸素の伝導に関連して、電解質膜１２００は、スーパーオキシドの負に帯電したイオン化形態をイオン性液体１２２４を通ってアノード触媒層１２２０へ伝導するように構成され、そこで、それは酸化可能な燃料１２０８と反応して二酸化炭素および水１２３０を発生させる。
なおまた別の実施形態において、電解質膜１２００は、改質器のない燃料電池１２０６が５００℃未満の運転温度に曝露されたとき、イオン性スーパーオキシド形態の酸素を伝導するように構成される。
別の実施形態において、電解質膜１２００は、改質器のない燃料電池１２０６が３００℃未満の運転温度に曝露されたとき、イオン性スーパーオキシド形態の酸素を伝導するように構成される。また別の実施形態において、電解質膜１２００は、改質器のない燃料電池１２０６が２００℃から３００℃の範囲の運転温度に曝露されたとき、イオン性スーパーオキシド形態の酸素を伝導するように構成される。
電解質膜１２００のなお別の実施形態において、ガス状の酸化可能な燃料１２０８は、水素ガス、メタンガス、ブタンガス、プロパンガス、天然ガス、ガス状炭化水素、または他の適切な酸化可能なガスを含む。電解質膜１２００のまた別の実施形態において、液状の酸化可能な燃料１２０８は、オレフィン、アルコール、有機酸、エステル、アルデヒド、石油、液体炭化水素、または他の適切な酸化可能な液体を含む。電解質膜１２００の別の実施形態において、スラリー状の酸化可能な燃料１２０８は、石炭粉末、粉砕して対応する粉末を形成した固体炭化水素、または他の適切な酸化可能な粉末を含む。電解質膜１２００のまた別の実施形態において、スラリー状の酸化可能な燃料１２０８は、粉砕して対応する粉末を形成し、イオン性液体１２２４と混合された固体炭化水素を含む。
図１３を参照して、改質器のない燃料電池と関連した電解質膜を製作するプロセス１３００の例示の実施形態は、多孔性基板が電気的に非伝導性の粒子から形成される１３０２から始まる。１３０４では、アノード触媒層は多孔性基板の第１の側に沿って堆積される。次に、カソード触媒層は多孔性基板の第２の側に沿って堆積される（１３０６）。１３０８では、アノードおよびカソード触媒層間の多孔性基板にイオン性液体が充填されて電解質膜を形成する。電解質膜は、電解質膜の第１の側に対して燃料マニホールド、および電解質膜の第２の側に対して空気マニホールドを用いて組み立てられて、改質器のない燃料電池を形成するように構成される。燃料マニホールドは、酸化可能な燃料（例えば、水素またはメタンなどの炭素質燃料）を、ガス状、液状、スラリー状、または任意の適切な形態の燃料供給から受け取るように構成される。空気マニホールドは空気供給から空気を受け取るように構成される。この空気は少なくとも酸素を含む。電解質膜は、改質器のない燃料電池が水の沸点を超える運転温度に曝露されるとき、イオン性スーパーオキシド形態の酸素を伝導して、酸素を酸化可能な燃料と電気化学的に結合させて電気を生成するように構成される。
別の実施形態において、工程１３００は、また、電気的に非伝導性の粒子を融合させて多孔性基板を形成するステップを含む。工程１３００のまた別の実施形態において、細孔が１ナノメートル（ｎｍ）から１０μｍの範囲となるように、多孔性基板は形成される。工程１３００のなお別の実施形態において、細孔が１から５μｍの範囲になるように、多孔性基板は形成される。工程１３００のなおまた別の実施形態において、多孔性基板の空隙率が約３５パーセントになるように、多孔性基板は形成される。工程１３００の別の実施形態において、多孔性基板の空隙率が約３５から５０パーセントを超える範囲となるように、多孔性基板は形成される。
また別の実施形態において、工程１３００はまた、アノードおよびカソード触媒層間の空間を画定する所定厚さを有する、多孔性基板の第１および第２の側を画定する多孔板に、多孔性基板を形成するステップを含む。工程１３００のなお別の実施形態において、電気的に非伝導性の粒子は、セラミック粒子、ガラス粒子、アルミナセラミック粒子、または任意の適切な型の粒子を含む。
工程１３００のなおまた別の実施形態において、電気的に非伝導性の粒子の寸法は２から１５μｍの範囲にある。工程１３００の別の実施形態において、イオン性液体は、少なくとも１個の炭素原子を有する分子を含む。工程１３００のまた別の実施形態において、イオン性液体はフッ化イオン性液体を含む。工程１３００のなお別の実施形態において、イオン性液体は［Ｅｍｉｍ］＋［ＯＴｆ２］−；［Ｃ４Ｃ１Ｉｍ］＋［Ｏｔｆ］−；［ホスホニウム］＋［Ｏｔｆ］−；［Ｅｍｉｍ］＋［ジシアナミド］−；［ＥｍＰｙｒ］＋［ＢＦ４］−；または任意の適切なイオン性液体を含む。工程１３００のなおまた別の実施形態において、イオン性液体は陽イオンおよび陰イオンを含む。この実施形態において、陽イオンは、［Ｅｍｉｍ］＋、［Ｃ４Ｃ１Ｉｍ］＋、［ホスホニウム］＋、［ＥｍＰｙｒ］＋、または任意の適切な陽イオンを含む。記載されている実施形態において、陰イオンは、［ＯＴｆ２］−、［Ｏｔｆ］−、［ジシアナミド］−、［ＢＦ４］−、または任意の適切な陰イオンの１つを含む。
工程１３００の別の実施形態において、アノード触媒層は、白金族金属、ルテニウム元素、ロジウム元素、パラジウム元素、オスミウム元素、イリジウム元素、白金元素、ニッケル元素、酸化ニッケル化合物、金元素、銀元素、または任意の適切な触媒元素もしくは化合物を含む。
また別の実施形態において、工程１３００はまた、多孔性基板の第１の側にアノード触媒層を焼結、スパッタ、または薄層金属スパッタするステップを含む。次に、アノード触媒層は電気化学的にめっきされる。
なお別の実施形態において、工程１３００はまた、０．１ｍｇ／ｃｍ２の白金族金属を、１．０ｍｇ／ｃｍ２のニッケル元素、酸化ニッケル化合物、金元素、銀元素、または任意の適切な触媒元素もしくは化合物とともに、多孔性基板の第１の側にスパッタしてアノード触媒層を形成するステップを含む。
また別の実施形態において、工程１３００はまた、多孔性基板の第１の側に接着層をスパッタするステップを含む。次に、白金黒粉末の被膜が接着層に焼結されてアノード触媒層を形成する。工程１３００の別の実施形態において、カソード触媒層は、白金族金属、ルテニウム元素、ロジウム元素、パラジウム元素、オスミウム元素、イリジウム元素、白金元素、ニッケル元素、酸化ニッケル化合物、金元素、銀元素、または任意の適切な触媒元素もしくは化合物の１つを含む。
また別の実施形態において、工程１３００はまた、多孔性基板の第２の側にカソード触媒層を焼結、スパッタ、または薄層金属スパッタするステップを含む。次いで、カソード触媒層は電気化学的にめっきされる。
なお別の実施形態において、工程１３００はまた、０．１ｍｇ／ｃｍ２の白金族金属を、１．０ｍｇ／ｃｍ２のニッケル元素、酸化ニッケル化合物、金元素、銀元素、または任意の適切な触媒元素もしくは化合物とともに、多孔性基板の第２の側にスパッタしてカソード触媒層を形成するステップを含む。
なおまた別の実施形態において、工程１３００はまた、多孔性基板の第２の側に接着層をスパッタするステップを含む。次に、白金黒粉末の被膜が接着層に焼結されてカソード触媒層を形成する。
工程１３００の別の実施形態において、電解質膜は、改質器のない燃料電池が５００℃未満の運転温度に曝露されたとき、イオン性スーパーオキシド形態の酸素を伝導するように構成される。工程１３００のまた別の実施形態において、電解質膜は、改質器のない燃料電池が３００℃未満の運転温度に曝露されたとき、イオン性スーパーオキシド形態の酸素を伝導するように構成される。工程１３００のなお別の実施形態において、電解質膜は、改質器のない燃料電池が２００℃から３００℃の範囲の運転温度に曝露されたとき、イオン性スーパーオキシド形態の酸素を伝導するように構成される。
工程１３００のなおまた別の実施形態において、ガス状の酸化可能な燃料は、水素ガス、メタンガス、ブタンガス、プロパンガス、天然ガス、およびガス状炭化水素の少なくとも１つを含む。工程１３００の別の実施形態において、液状の酸化可能な燃料は、オレフィン、アルコール、有機酸、エステル、アルデヒド、石油および液体炭化水素の少なくともの１つを含む。工程１３００のまた別の実施形態において、スラリー状の酸化可能な燃料は、石炭粉末、および粉砕して対応する粉末を形成した固体炭化水素の少なくとも１つを含む。工程１３００のなお別の実施形態において、スラリー状の酸化可能な燃料は、粉砕して対応する粉末を形成し、イオン性液体と混合された固体炭化水素を含む。
図１４を参照すると、改質器のない燃料電池と組み合わせた電解質膜を運転する工程１４００の例示の実施形態は、燃料マニホールドおよび空気マニホールドを用いて組み立てられて改質器のない燃料電池を形成する電解質膜が、水の沸点を超える運転温度に曝露される１４０２から始まる。１４０４では、酸化可能な燃料（例えば、水素またはメタンなどの炭素質燃料）が、ガス状、液状、スラリー状、または任意の適切な形態の燃料供給から燃料マニホールドに供給される。次に、空気が、空気供給から空気マニホールドに供給される（１４０６）。この空気は少なくとも酸素を含む。１４０８では、イオン性スーパーオキシド形態の酸素は、電解質膜を通って伝導され、電気化学的に酸素を酸化可能な燃料と結合させて電気を生み出す。電解質膜は、電気的に非伝導性の粒子によって形成された多孔性基板と、多孔性基板の燃料マニホールド側に沿って堆積させたアノード触媒層と、多孔性基板の空気マニホールド側に沿って堆積させたカソード触媒層と；アノードおよびカソード触媒層間の多孔性基板に充填するイオン性液体とを含む。
工程１４００の別の実施形態において、多孔性基板は、電気的に非伝導性の粒子を融合させることにより形成される。工程１４００のまた別の実施形態において、多孔性基板は所定厚さを有する多孔板に形成される。多孔板は、多孔性基板の燃料マニホールドおよび空気マニホールド側を画定し、所定厚さは、アノードおよびカソード触媒層の間の空間を画定する。工程１４００のなお別の実施形態において、電気的に非伝導性の粒子はセラミック粒子、ガラス粒子、アルミナセラミック粒子、または任意の適切な型の粒子を含む。
工程１４００のなおまた別の実施形態において、イオン性液体は、４０℃から２００℃の範囲の運転温度で液状、１０００オーム／ｃｍ未満のインピーダンス、および０．１ｐｓｉ未満の蒸気圧を維持する。工程１４００の別の実施形態において、イオン性液体は、少なくとも１個の炭素原子を有する分子を含む。工程１４００のまた別の実施形態において、イオン性液体はフッ化イオン性液体を含む。工程１４００のなお別の実施形態において、イオン性液体は、［Ｅｍｉｍ］＋［ＯＴｆ２］−；［Ｃ４Ｃ１Ｉｍ］＋［Ｏｔｆ］−；［ホスホニウム］＋［Ｏｔｆ］−；［Ｅｍｉｍ］＋［ジシアナミド］−；［ＥｍＰｙｒ］＋［ＢＦ４］−；または任意の適切なイオン性液体を含む。工程１４００のなお別の実施形態において、イオン性液体は陽イオンおよび陰イオンを含む。この実施形態において、陽イオンは、［Ｅｍｉｍ］＋、［Ｃ４Ｃ１Ｉｍ］＋、［ホスホニウム］＋、［ＥｍＰｙｒ］＋、または任意の適切な陽イオンを含む。記載されている実施形態において、陰イオンは、［ＯＴｆ２］−、［Ｏｔｆ］−、［ジシアナミド］−、［ＢＦ４］−、または任意の適切な陰イオンの１つを含む。
工程１４００のまた別の実施形態において、アノード触媒層は、白金族金属、ルテニウム元素、ロジウム元素、パラジウム元素、オスミウム元素、イリジウム元素、白金元素、ニッケル元素、酸化ニッケル化合物、金元素、銀元素、または任意の適切な触媒元素もしくは化合物を含む。
工程１４００の別の実施形態において、カソード触媒層は、白金族金属、ルテニウム元素、ロジウム元素、パラジウム元素、オスミウム元素、イリジウム元素、白金元素、ニッケル元素、酸化ニッケル化合物、金元素、銀元素、または任意の適切な触媒元素もしくは化合物を含む。
工程１４００のまた別の実施形態において、電解質膜は、アノード触媒層に対して配列されたアノード電極、およびカソード触媒層に対して配列されたカソード電極を用いて改質器のない燃料電池に組み立てられるように構成される。この実施形態において、工程１４００はまた、アノードおよびカソード電極の両端に電気化学ポテンシャルを発生させるステップ、ならびに対応する電流がアノードおよびカソード電極を通って移動するステップを含む。さらなる実施形態において、工程１４００はまた、カソード触媒層でスーパーオキシドを触媒し、その結果、スーパーオキシドの負に帯電したイオン化形態が、カソード電極から電子を収集することによりイオン性液体に進入するステップを含む。なおさらなる実施形態において、工程１４００はまた、スーパーオキシドの負に帯電したイオン化形態をイオン性液体を通ってアノード触媒層へ伝導し、そこで、それは酸化可能な燃料と反応して二酸化炭素および水を発生させるステップを含む。
なお別の実施形態において、工程１４００はまた、改質器のない燃料電池が５００℃未満の運転温度に曝露されたとき、イオン性スーパーオキシド形態の酸素を伝導するステップを含む。なおまた別の実施形態において、工程１４００はまた、改質器のない燃料電池が３００℃未満の動作温度に曝露されたとき、イオン性スーパーオキシド形態の酸素を伝導するステップを含む。別の実施形態において、工程１４００はまた、改質器のない燃料電池が２００℃から３００℃の範囲の運転温度に曝露されたとき、イオン性スーパーオキシド形態の酸素を伝導するステップを含む。
工程１４００のまた別の実施形態において、ガス状の酸化可能な燃料は、水素ガス、メタンガス、ブタンガス、プロパンガス、天然ガス、ガス状炭化水素、または任意の適切な酸化可能なガスを含む。工程１４００のなお別の実施形態において、液状の酸化可能な燃料は、オレフィン、アルコール、有機酸、エステル、アルデヒド、石油、液体炭化水素、または任意の適切な酸化可能な液体を含む。工程１４００のなおまた別の実施形態において、スラリー状の酸化可能な燃料は、石炭粉末、粉砕して対応する粉末を形成した固体炭化水素、または任意の適切な酸化可能な粉末の少なくとも１つを含む。工程１４００のなおまた別の実施形態において、スラリー状の酸化可能な燃料は、粉砕して対応する粉末を形成し、イオン性液体と混合された固体炭化水素を含む。

Claims (10)

  1. 改質器のない燃料電池と組み合わせた装置であって、燃料マニホールドおよび空気マニホールドを用いて組み立てて改質器のない燃料電池を形成するように構成された電解質膜を含み、ここで、前記燃料マニホールドは、ガス状、液状およびスラリー状の少なくとも１つの燃料供給から酸化可能な燃料を受け取るように構成され、ここで、前記空気マニホールドは少なくとも酸素を含む空気の供給から前記空気を受け取るように構成され、ここで、前記電解質膜は、前記改質器のない燃料電池が水の沸点を超える運転温度に曝露されるとき、イオン性スーパーオキシド形態の酸素を伝導するように構成され、前記酸素を前記酸化可能な燃料と電気化学的に結合させて電気を生成し、前記電解質膜は、
    多孔性で電気的に非伝導性の基板と；
    前記多孔性基板の燃料マニホールド側に沿って堆積させたアノード触媒層と；
    前記多孔性基板の空気マニホールド側に沿って堆積させたカソード触媒層と；
    前記電解質膜を形成するために、前記アノードおよびカソード触媒層間の前記多孔性基板に充填するイオン性液体とを含む装置。
  2. 前記イオン性液体が、少なくとも１個の炭素原子を有する分子を含む、請求項１に記載の装置。
  3. 前記イオン性液体がフッ化イオン性液体を含む、請求項１に記載の装置。
  4. 前記イオン性液体が、［エチル−メチル−イミダゾリウム］+、［ブチル−メチル−イミダゾリウム］+、［ホスホニウム］+および［エチル−メチル−ピロリジニウム］+の１つを含む陽イオン、ならびに［トリフルオロ−メタン−スルホナート］-、［ジシアナミド］-および［ＢＦ4］-の１つを含む陰イオンを含む、請求項１に記載の装置。
  5. 前記アノード触媒層が、白金族金属、ルテニウム元素、ロジウム元素、パラジウム元素、オスミウム元素、イリジウム元素、白金元素、ニッケル元素、酸化ニッケル化合物、金元素、および銀元素の少なくとも１つを含み；
    ここで、前記カソード触媒層は、白金族金属、ルテニウム元素、ロジウム元素、パラジウム元素、オスミウム元素、イリジウム元素、白金元素、ニッケル元素、酸化ニッケル化合物、金元素および銀元素の１つを含む、請求項１に記載の装置。
  6. 前記アノード触媒層に対して配列されたアノード電極、および前記カソード触媒層に対して配列されたカソード電極を用いて、前記電解質膜が改質器のない燃料電池に組み立てられるように構成され、その結果、前記改質器のない燃料電池が水の沸点を超える運転温度に曝露された後、および、酸化可能な燃料が前記燃料マニホールドに供給され空気が前記空気マニホールドに供給された後、電気化学ポテンシャルが前記アノードおよびカソード電極の両端に発生し、対応する電流が前記アノードおよびカソード電極を通って移動する、請求項１に記載の装置。
  7. 前記改質器のない燃料電池が５００℃未満の運転温度に曝露されたとき、前記イオン性スーパーオキシド形態の酸素を伝導するように構成される、請求項１に記載の装置。
  8. ガス状の酸化可能な燃料が、水素ガス、メタンガス、ブタンガス、プロパンガス、天然ガスおよびガス状炭化水素の少なくとも１つを含む、請求項１に記載の装置。
  9. 改質器のない燃料電池と組み合わせた装置を製作する方法であって、
    電気的に非伝導性の粒子から多孔性基板を形成するステップと；
    前記多孔性基板の第１の側に沿ってアノード触媒層を堆積させるステップと；
    前記多孔性基板の第２の側に沿ってカソード触媒層を堆積させるステップと；
    前記アノードおよびカソード触媒層間の前記多孔性基板にイオン性液体を充填して、電解質膜の前記第１の側に対して燃料マニホールド、および前記電解質膜の前記第２の側に対して空気マニホールドを用いて組み立てられるように構成された前記電解質膜を形成して改質器のない燃料電池を形成するステップとを含み、
    ここで、前記燃料マニホールドは、ガス状、液状およびスラリー状の少なくとも１つの燃料供給から酸化可能な燃料を受け取るように構成され、ここで、前記空気マニホールドは少なくとも酸素を含む空気の供給から前記空気を受け取るように構成され、ここで、前記電解質膜は、前記改質器のない燃料電池が水の沸点を超える運転温度に曝露されるとき、イオン性スーパーオキシド形態の酸素を伝導するように構成され、前記酸素を前記酸化可能な燃料と電気化学的に結合させて電気を生成する方法。
  10. 改質器のない燃料電池と組み合わせた装置を運転する方法であって、
    改質器のない燃料電池を形成するために燃料マニホールドおよび空気マニホールドを用いて組み立てられた電解質膜を、水の沸点を超える運転温度に曝露するステップと；
    ガス状、液状およびスラリー状の少なくとも１つの燃料供給から酸化可能な燃料を前記燃料マニホールドに供給するステップと；
    少なくとも酸素を含む空気の供給から前記空気を空気マニホールドに供給するステップと；
    イオン性スーパーオキシド形態の酸素を前記電解質膜に通して伝導して電気化学的に酸素を酸化可能な燃料と結合させて電気を生成するステップとを含み、
    ここで、前記電解質膜は、電気的に非伝導性の粒子によって形成された多孔性基板と、前記多孔性基板の燃料マニホールド側に沿って堆積させたアノード触媒層と、前記多孔性基板の空気マニホールド側に沿って堆積させたカソード触媒層と、前記アノードおよびカソード触媒層間の多孔性基板に充填するイオン性液体とを含む方法。
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