燃料電池
本発明による燃料電池（１０４、１０４’、２０４、２０４’）は、反応物を逐次的に消費する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、反応物（即ち、燃料と酸化剤）を、電気と反応生成物に変換するものであり、充電式バッテリなどのような長い充電サイクルによって中断されず、比較的小型軽量で、実質的に環境排出物を生成しないため有用である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、本発明者は、従来の燃料電池に改良の余地があると判断した。例えば、本発明者は、発電反応前に反応物を混合する燃料電池の性能を改善することが望ましいと判断した。そのような燃料電池は、「単一チャンバ燃料電池」とも称される。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
【発明を実施するための最良の形態】
【０００５】
添付の図面を参照して、本発明の好ましい実施形態を詳細に説明する。
【０００６】
以下に、現在最もよく知られている本発明の実施形態を詳しく説明する。この説明は、限定するものとして捉えられるべきではなく、単に本発明の一般的な原理を例示するためのものにすぎない。簡略化のため、本発明と関係のない燃料電池構造の詳細な考察は省略することに留意されたい。また、本発明は、現在開発中又はまだ未開発の技術を含む、広範な燃料電池技術に適用可能である。例えば、以下、固体酸化物燃料電池（「ＳＯＦＣ」）に関連して種々の例示的な燃料電池システムを説明するが、プロトン交換膜（「ＰＥＭ」）燃料電池などの他のタイプの燃料電池にも、本発明は等しく適用可能である。
【０００７】
例えば図１〜図３に示すように、本発明の一実施形態による燃料電池システム１００は、１つ又は複数の固体酸化物燃料電池アセンブリ１０２を含む。各燃料電池アセンブリ１０２は、燃料極１０６と空気極１０８とが電解質１１０によって隔てられている燃料電池１０４と、ハウジング１１２とを含む。適切なマニホルド（図示せず）を備えるアセンブリパッケージ１１４内に、１つ又は複数の燃料電池アセンブリ１０２が配列されている。多数の燃料電池アセンブリ１０２を含むアセンブリパッケージは、「スタック」とも称される。ハウジング１１２は、パッケージ１１４自体の一体部とすることも、あるいはハウジングは、組み立て時にパッケージに組み込まれる別個の構造要素とすることもできる。
【０００８】
例示的な燃料電池アセンブリ１０２はまた、燃料極１０６及び空気極１０８上に燃料／酸化剤混合物を導き且つＵ字型形状を有する、反応物チャネル１１６を備える。図３をより詳細に参照すると、燃料／酸化剤混合物は、反応物チャネル入口１１８から各燃料電池アセンブリ１０２に入り、次に燃料極領域１２０、中間領域１２２、及び空気極領域１２４を通る。排出物（例えば、副生物と未使用反応物）は、反応物チャネル出口１２６から燃料電池アセンブリ１０２外へと出る。各燃料電池アセンブリ１０２の入口１１８と出口１２６は、パッケージ１１４内のマニホルドに接続されている。本明細書において開示、説明する例示的な実施形態では、ハウジング１１２は、反応物チャネルの入口１１８及び出口１２６以外に関しては閉じられている。したがって、例示的な実施形態における反応物供給元は反応物チャネル入口１１８ただ一つであるが、本発明はそのような構成に限定されない。
【０００９】
Ｈ２、又はＣＨ４、Ｃ２Ｈ６、Ｃ３Ｈ８などの炭化水素のような燃料は、図１に示す例示的なシステム１００内の燃料源１２８によって供給され、Ｏ２や周囲空気などの酸化剤は、酸化剤源１３０によって供給される。周囲空気を用いる場合、酸化剤源は、単に通気孔であるか、又は通気孔とファンから構成される。燃料と酸化剤は、パッケージ１１４内のマニホルド機構によって混合され、燃料／酸化剤混合物が、反応物チャネル１１６の入口１１８から導入される。混合物中の燃料と酸化剤の比率は、用いる燃料の種類に依存する。燃料／酸化剤混合物は、単一の供給源内に一緒に貯蔵することもできる。
【００１０】
反応物チャネル１１６内の酸化剤は、空気極１０８において電気化学的にイオン化される。それによって生成したイオンは、伝導性電解質１１０中を拡散して、燃料極１０６において燃料と反応して副生物（例示的な実施形態ではＣＯ２と水蒸気）を生成する。副生物と未使用反応物は、出口１２６から反応物チャネル１１６を出て、副生物出口１３２を介してパッケージ１１４外へと放出される。コントローラ１３４を設けることによって、例示的な燃料電池システム１００の運転を監視し制御することができる。あるいはまた、燃料電池システムの運転は、ホスト（即ち、電力消費）装置によって制御することができる。
【００１１】
電流の収集に関しては、燃料極１０６と空気極１０８に沿って接点パッド（図示せず）まで電流コレクタ（図示せず）を延在させることが好ましい。適切な電流コレクタ材料としては、ステンレス鋼、銀（空気極のみ）、金、及び白金が挙げられる。あるいはまた、燃料極１０６及び空気極１０８を形成するために用いられる材料に、優れた導電性を有するランタンストロンチウムクロマイトなどの材料を付加することもできる。パッケージ１１４内の隣り合った燃料電池アセンブリ１０２の燃料極接点パッドは、空気極接点パッドと同様に、互いに直列に接続することができる。しかしながら、実際の接続方式は、負荷の電力要件に依存する。
【００１２】
本発明の燃料電池システムには、燃料供給源１２８及び／又は酸化剤供給源１３０が補充可能（又は交換可能）なものが包含され、また、消費される全ての燃料及び／又は酸化剤が最初から燃料供給源内に存在するものも包含されることに留意されたい。さらに、必要に応じて、パッケージ１１４、燃料源１２８、及び酸化剤源１３０は、同じハウジング内に配置することができる。そのようなハウジングは、当該燃料電池システムから電力を供給されるべき装置へと接続するための、プラス接点とマイナス接点を有することが好ましい。
【００１３】
図１〜図３に示す例示的な実施形態では、燃料極１０６は、高選択性の電極触媒材料から形成されている。燃料極１０６に用いられる「高選択性の（ｈｉｇｈｌｙ ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ）電極触媒材料」とは、好ましくは、酸化剤を還元させることなく（又は、燃料極が完全に選択性でない場合は、酸化剤を約２０％より多くは還元させることなく）、燃料極における燃料の完全な酸化（又は、少なくとも８０％の酸化）を引き起こす材料である。酸化剤をほとんど又は全く還元させることなく、燃料を燃料極１０６において反応させること、即ち、混合ガス反応がほとんど又は全くないこと、が重要である。何故なら、そのような酸化剤の還元は、燃料電池の効率を低下させるからである。燃料／酸化剤混合物が空気極１０８に達する前に燃料の全て又はほとんどが消費されると仮定すると、空気極に達する燃料／酸化剤混合物の全部（又は、大部分）が酸化剤である。空気極１０８に達するガスの残りは、燃料極１０６での反応による副生物となる。したがって、空気極を形成するのに用いた材料の選択性に関係なく、燃料電池効率の低下を招く空気極１０８での混合ガス反応（即ち、燃料の直接酸化）は防止される。したがって、空気極１０８は、高選択性でない（ｎｏｎ−ｈｉｇｈｌｙ ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ）電極触媒材料から形成することができる。「高選択性でない」電極触媒材料は、燃料及び酸化剤の両方と反応する材料である。
【００１４】
図４に、燃料／酸化剤混合物中の反応物の逐次的な消費、例えば一方の電極における燃料／酸化剤混合物中の一方の反応物の消費とその後の他方の電極における他方の反応物の消費、に関するグラフを示す。燃料／酸化剤混合物が、入口１１８において反応物チャネル１１６に入る際に、燃料及び酸化剤各々の化学量論濃度はその初期レベル、即ち最大レベルにある。初期レベルを等しいものとして示しているが、初期レベルは、具体的用途並びに燃料に適合するように、変化させ得る。混合物が燃料極領域１２０を通り、燃料が燃料極１０６において酸化すると、燃料／酸化剤混合物中の燃料の化学量論濃度は低下し、酸化剤の化学量論濃度は実質的に同じままである。そして、燃料の消費された反応物混合物は中間領域１２２を通って空気極領域１２４に入り、酸化剤が空気極１０８において還元される。排出物（例えば、副生物と燃料／酸化剤混合物の未使用部分）は、出口１２６から反応物チャネル１１６外へと出る。燃料及び酸化剤の最終レベルをゼロより大きいものとして示しているが、多くの場合、未使用燃料と酸化剤がほとんどなくなるように燃料電池を構成し、燃料／酸化剤混合物を選択することが望ましいことに留意されたい。
【００１５】
燃料／酸化剤混合物中の反応物の逐次的消費には、いくつかの利点がある。例えば、前に述べたように、燃料極においてほぼ全ての燃料を消費することにより、即ち、空気極における実質的な反応を防ぐのに最小限十分な燃料を消費することにより、空気極に高選択性でない電極触媒材料を使用することが容易になる。高選択性でない電極触媒材料を使用することにより、燃料電池のコストが削減される。また、高選択性でない電極触媒材料を使用することにより、燃料電池の他の構成要素の熱膨脹係数により厳密に一致する電極触媒材料を使用すること、並びに高選択性の電極触媒材料よりも活性の高い電極触媒材料を使用することが容易になる。
【００１６】
例示的な燃料電池１０４と基板１１２の材料、寸法及び構成は、燃料電池の種類（例えば、ＳＯＦＣ、ＰＥＭなど）及び意図する用途に依存するが、また本発明は特定の材料、寸法、構成又は種類に限定されるものではないが、以下では、ＳＯＦＣ１０４を備える例示的な燃料電池アセンブリ１０２について説明する。高選択性の燃料極１０６は、多孔性の、セラミック、金属複合材料（「サーメット」とも称される）から形成することが好ましく、厚さは約０．５〜約１０００μｍ（一般に厚さは約１０〜約２５０μｍ）である。適切なセラミックスとしては、サマリアドープドセリア（「ＳＤＣ」）、ガドリニアドープドセリア（「ＧＤＣ」）及びイットリア安定化ジルコニア（「ＹＳＺ」）が挙げられ、また、適切な金属としては、ニッケル、銅及びパラジウムが挙げられる。高選択性でない空気極１０８は、厚さ約０．５μｍ〜約１０００μｍ（一般には厚さは約１０μｍ〜約５０μｍ）のサーメットから形成することが好ましい。適切なセラミックスとしては、ＳＤＣ、サマリウムストロンチウムコバルタイト（「ＳＳＣＯ」）、ランタンストロンチウムマンガナイト（「ＬＳＭ」）が挙げられ、また、適切な金属としては、白金、白金ルテニウム、及び白金ロジウムが挙げられる。電解質１１０は、ＳＤＣ、ＧＤＣ、ＹＳＺ又はランタンストロンチウムガリウムマグネシウム（「ＬＳＧＭ」）などの稠密セラミックであり、厚さは約２μｍ〜約１０００μｍ（一般に厚さは５ｐｍ〜約５０μｍ）であることが好ましい。燃料極１０６、空気極１０８、及び電解質１１０の表面積は、平面図として見たとき、一般に、約０．００１ｃｍ２〜約１０，０００ｃｍ２（一般に約２．５〜２５０ｃｍ２）である。
【００１７】
本発明は、以上述べた例示的な実施形態に限定されない。例えば図５に示すように、燃料電池アセンブリ内の燃料極と空気極の相対位置は逆にすることもできる。例示的な燃料電池アセンブリ１０２’及び燃料電池１０４’は、図３に示した燃料電池アセンブリ１０２及び燃料電池１０４に実質的に類似し、類似する構成要素は類似する符号で表している。しかしながら、この図では、空気極１０８’が反応物チャネル入口１１８と関連付けられており、燃料極１０６’が反応物チャネル出口１２６と関連付けられている。同様に、反応物チャネルの燃料極領域１２０と空気極領域１２４の位置は逆にされている。したがって、燃料／酸化剤混合物は、燃料極１０６’に達する前に、空気極１０８’を通過する。
【００１８】
図５に示す例示的な実施形態では、空気極１０８’は、高選択性の電極触媒材料から形成されている。空気極１０８’に用いる「高選択性の」電極触媒材料は、空気極において燃料を酸化することなく（又は、空気極が完全に選択性でない場合は、燃料を約２０％より多く酸化することなく）、空気極における酸化剤の完全な還元（又は、少なくとも８０％の還元）を引き起こすような材料である。燃料をほとんど又は全く酸化させることなく、酸化剤を空気極１０８’において反応させること、即ち、混合ガス反応がほとんど又は全くないこと、が重要である。何故なら、そのような酸化は、燃料電池の効率を低下させるからである。燃料／酸化剤混合物が燃料極１０６’に達する前に全て（又は、ほとんど全て）の酸化剤が消費されると仮定すると、燃料極に達する燃料／酸化剤混合物の全部（又は少なくとも大部分）は燃料である。したがって、効率の低下を招く燃料極１０６’での混合ガス反応は、燃料極を形成するのに用いた材料の選択性に関係なく、防止される。したがって、燃料極１０６’は、高選択性でない電極触媒材料から形成することができる。
【００１９】
例示的な燃料電池アセンブリ１０２’内の燃料極１０６’に用いられる高選択性でない電極触媒材料は、厚さ約０．５μｍ〜約１０００μｍ（一般には厚さ約１０μｍ〜約２５０μｍ）のサーメットであることが好ましい。適切なセラミックスとしては、ＳＤＣ、ＧＤＣ及びＹＳＺが挙げられ、適切な金属としては、白金、白金ニッケル、及び白金パラジウムが挙げられる。例示的な高選択性の空気極１０８’は、厚さ約２μｍ〜約１０００μｍ（一般に、厚さ約２０μｍ）の多孔性セラミックであることが好ましい。適切な高選択性の電極触媒セラミック材料としては、ＳＳＣＯ及びＬＳＭが挙げられる。ロジウムあるいはルテニウムと組み合わせたＳＤＣ、ＧＤＣ若しくはＹＳＺを含むサーメットを使用することもできる。電解質１１０の材料は、前述の材料と同じもの、即ち厚さ約２μｍ〜約１０００μｍ（一般に約５μｍ〜約５０μｍ）のＳＤＣ、ＧＤＣ、ＹＳＺ、ＬＳＧＭなどの稠密セラミックスであることが好ましい。
【００２０】
図５記載の例示的実施形態に関する、燃料／酸化剤混合物中の反応物の逐次的消費のグラフを図６に示す。燃料／酸化剤混合物が入口１１８から反応物チャネルに入る際、燃料及び酸化剤の各化学量論濃度はその初期レベル、即ち最高レベルにある。初期レベルを等しいものとして示しているが、初期レベルは、具体的な用途及び燃料に適合するように変化させ得る。混合物が空気極領域１２４内を通って、酸化剤が空気極１０８’で還元されると、燃料／酸化剤混合物中の酸化剤の化学量論濃度が低下し、燃料の化学量論濃度は実質的に同じままである。次に、酸化剤の消費された反応物混合物が中間領域１２２を通って燃料極領域１２０に入り、そこで燃料が燃料極１０６’で酸化される。排出物（例えば、副生物と燃料／酸化剤混合物の未使用部分）は、出口１２６から反応物チャネル１１６外へ出る。燃料と酸化剤の最終レベルがゼロよりも大きいものとして示しているが、多くの場合、未使用の燃料と酸化剤がほとんどなくなるように燃料電池を構成し、燃料／酸化剤混合物を選択することが望ましいことに注意されたい。
【００２１】
燃料電池アセンブリ１０２の代わりに、図５記載の例示的な燃料電池アセンブリ１０２’を図１記載のシステム１００に組み込むことができる。あるいはまた、システム１００は、複数の燃料電池アセンブリ１０２と１０２’を交互に備えることができる。
【００２２】
図７に、他の例示的な燃料電池アセンブリを、符号２０２を付して概略的に示す。例示的な燃料電池アセンブリ２０２は、燃料極２０６、空気極２０８及び電解質２１０を有する燃料電池２０４と、ハウジング２１２とを含む。燃料極２０６と空気極２０８は、例示的な燃料電池１０４とは異なり、燃料電池２０４内の電解質２１０の同じ側にある。ハウジング２１２は、燃料／酸化剤混合物を燃料極２０６及び空気極２０８上に導く反応物チャネル２１６を備える。燃料／酸化剤混合物は、反応物チャネル入口２１８から入り、燃料極領域２２０、中間領域２２２及び空気極領域２２４を通る。排出物（例えば、副生物や未使用反応物）は、反応物チャネル出口２２６から燃料電池アセンブリ外へ出る。入口２１８と出口２２６は、図１記載のパッケージ１１４に類似のパッケージのようなパッケージのマニホルドに接続することができる。燃料電池ハウジング２１２は、反応物チャネルの入口２１８と出口２２６以外は閉じられていることが好ましく、反応物の唯一の供給元は入口である。また、１つ又は複数のハウジング２１２は、パッケージの一体部とすることができ、あるいは１つ又は複数のハウジングは、組み立て時にパッケージに組み込まれる別個の構造要素とすることもできることを理解されたい。
【００２３】
図７記載の例示的な実施形態では、燃料極２０６は、反応物チャネル入口２１８近傍に配置され且つ高選択性の電極触媒材料から形成されており、空気極２０８は、高選択性でない電極触媒材料から形成されている。これらの材料に関しては、先に図１〜図４を参照して詳しく述べた。例示的な燃料電池アセンブリ２０２は、図１〜図４を参照して前述したように燃料／酸化剤混合物中の反応物を逐次的に消費する。
【００２４】
図８に移ると、燃料電池アセンブリ２０２内の燃料極と空気極の相対位置は逆にすることができる。例示的な燃料電池アセンブリ２０２’及び燃料電池２０４’は、図７記載の燃料電池アセンブリ２０２及び燃料電池２０４に実質的に類似しており、類似する構成要素は類似の符号を付して表している。しかしながら、空気極２０８’は反応物チャネル入口２１８と関連付けられており、燃料極２０６’は反応物チャネル出口２２６と関連付けられている。同様に、反応物チャネルの燃料極領域２２０と空気極領域２２４の位置が逆にされている。したがって、燃料／酸化剤混合物は、空気極２０８’に達した後で燃料極２０６’に達する。燃料極２０６’は、高選択性でない電極触媒材料から形成され、空気極２０８’は、高選択性の電極触媒材料から形成される。そのような材料に関しては、前に図５及び図６を参照して詳しく述べている。例示的な燃料電池アセンブリ２０２’は、図５及び図６に関して前述したように、燃料／酸化剤混合物中の反応物を逐次的に消費する。
【００２５】
燃料電池アセンブリ１０２の代わりに、図７及び図８記載の例示的な燃料電池アセンブリ２０２及び２０２’を図１記載のシステム１００に組み込むことができる。あるいはまた、システム１００は、複数の燃料電池アセンブリ２０２と２０２’を交互に備えることもできる。
【００２６】
例示的な燃料電池システム１００は、燃料電池アセンブリ１０２、１０２’、２０２及び２０２’、あるいはこれらの組み合わせを含むことができ、様々な電力消費装置に組む込むことができる。電力消費装置の例としは、ノートブック型パーソナルコンピュータ（「ＰＣ」）、手持ち式ＰＣ、パームトップＰＣ、及び携帯情報端末（「ＰＤＡ」）、携帯電話などの通信装置、無線電子メール機器及び電子ブック、ビデオゲームや他の玩具、コンパクトディスクプレーヤやビデオカメラなどの音響ビデオ装置が挙げられるが、これらに限定されない。他の電子装置としては、移動試験システム、携帯型プロジェクタ、及び携帯型フラットパネルテレビのような携帯型テレビがある。図９を参照すると、例示的な装置３００は、燃料電池システム１００と、燃料電池システム１００によって電力を供給される電力消費装置３０２とを含む。例示的な電力消費装置は、特定の装置内の、電力を消費する任意の又は全ての装置を意味する。
【００２７】
以上、好ましい実施形態に関して本発明を説明してきたが、前述の好ましい実施形態に対し種々の修正及び／又は追加が当業者には容易に理解されよう。本発明の範囲は、そのような全ての修正及び／又は追加にまで及ぶものとする。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の好ましい実施形態による燃料電池システムの概略図
【図２】本発明の好ましい実施形態による燃料電池の断面図
【図３】本発明の好ましい実施形態による燃料電池アセンブリの断面図
【図４】図３記載の燃料電池アセンブリ内の種々の位置における、燃料と酸化剤の相対化学量論濃度を示すグラフ
【図５】本発明の好ましい実施形態による燃料電池アセンブリの断面図
【図６】図５記載の燃料電池アセンブリ内の様々な位置における、燃料と酸化剤の相対化学量論濃度を示すグラフ
【図７】本発明の好ましい実施形態による燃料電池アセンブリの断面図
【図８】本発明の好ましい実施形態による燃料電池アセンブリの断面図
【図９】本発明の好ましい実施形態による装置を示すブロック図
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、反応物（即ち、燃料と酸化剤）を、電気と反応生成物に変換するものであり、充電式バッテリなどのような長い充電サイクルによって中断されず、比較的小型軽量で、実質的に環境排出物を生成しないため有用である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、本発明者は、従来の燃料電池に改良の余地があると判断した。例えば、本発明者は、発電反応前に反応物を混合する燃料電池の性能を改善することが望ましいと判断した。そのような燃料電池は、「単一チャンバ燃料電池」とも称される。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
【発明を実施するための最良の形態】
【０００５】
添付の図面を参照して、本発明の好ましい実施形態を詳細に説明する。
【０００６】
以下に、現在最もよく知られている本発明の実施形態を詳しく説明する。この説明は、限定するものとして捉えられるべきではなく、単に本発明の一般的な原理を例示するためのものにすぎない。簡略化のため、本発明と関係のない燃料電池構造の詳細な考察は省略することに留意されたい。また、本発明は、現在開発中又はまだ未開発の技術を含む、広範な燃料電池技術に適用可能である。例えば、以下、固体酸化物燃料電池（「ＳＯＦＣ」）に関連して種々の例示的な燃料電池システムを説明するが、プロトン交換膜（「ＰＥＭ」）燃料電池などの他のタイプの燃料電池にも、本発明は等しく適用可能である。
【０００７】
例えば図１〜図３に示すように、本発明の一実施形態による燃料電池システム１００は、１つ又は複数の固体酸化物燃料電池アセンブリ１０２を含む。各燃料電池アセンブリ１０２は、燃料極１０６と空気極１０８とが電解質１１０によって隔てられている燃料電池１０４と、ハウジング１１２とを含む。適切なマニホルド（図示せず）を備えるアセンブリパッケージ１１４内に、１つ又は複数の燃料電池アセンブリ１０２が配列されている。多数の燃料電池アセンブリ１０２を含むアセンブリパッケージは、「スタック」とも称される。ハウジング１１２は、パッケージ１１４自体の一体部とすることも、あるいはハウジングは、組み立て時にパッケージに組み込まれる別個の構造要素とすることもできる。
【０００８】
例示的な燃料電池アセンブリ１０２はまた、燃料極１０６及び空気極１０８上に燃料／酸化剤混合物を導き且つＵ字型形状を有する、反応物チャネル１１６を備える。図３をより詳細に参照すると、燃料／酸化剤混合物は、反応物チャネル入口１１８から各燃料電池アセンブリ１０２に入り、次に燃料極領域１２０、中間領域１２２、及び空気極領域１２４を通る。排出物（例えば、副生物と未使用反応物）は、反応物チャネル出口１２６から燃料電池アセンブリ１０２外へと出る。各燃料電池アセンブリ１０２の入口１１８と出口１２６は、パッケージ１１４内のマニホルドに接続されている。本明細書において開示、説明する例示的な実施形態では、ハウジング１１２は、反応物チャネルの入口１１８及び出口１２６以外に関しては閉じられている。したがって、例示的な実施形態における反応物供給元は反応物チャネル入口１１８ただ一つであるが、本発明はそのような構成に限定されない。
【０００９】
Ｈ２、又はＣＨ４、Ｃ２Ｈ６、Ｃ３Ｈ８などの炭化水素のような燃料は、図１に示す例示的なシステム１００内の燃料源１２８によって供給され、Ｏ２や周囲空気などの酸化剤は、酸化剤源１３０によって供給される。周囲空気を用いる場合、酸化剤源は、単に通気孔であるか、又は通気孔とファンから構成される。燃料と酸化剤は、パッケージ１１４内のマニホルド機構によって混合され、燃料／酸化剤混合物が、反応物チャネル１１６の入口１１８から導入される。混合物中の燃料と酸化剤の比率は、用いる燃料の種類に依存する。燃料／酸化剤混合物は、単一の供給源内に一緒に貯蔵することもできる。
【００１０】
反応物チャネル１１６内の酸化剤は、空気極１０８において電気化学的にイオン化される。それによって生成したイオンは、伝導性電解質１１０中を拡散して、燃料極１０６において燃料と反応して副生物（例示的な実施形態ではＣＯ２と水蒸気）を生成する。副生物と未使用反応物は、出口１２６から反応物チャネル１１６を出て、副生物出口１３２を介してパッケージ１１４外へと放出される。コントローラ１３４を設けることによって、例示的な燃料電池システム１００の運転を監視し制御することができる。あるいはまた、燃料電池システムの運転は、ホスト（即ち、電力消費）装置によって制御することができる。
【００１１】
電流の収集に関しては、燃料極１０６と空気極１０８に沿って接点パッド（図示せず）まで電流コレクタ（図示せず）を延在させることが好ましい。適切な電流コレクタ材料としては、ステンレス鋼、銀（空気極のみ）、金、及び白金が挙げられる。あるいはまた、燃料極１０６及び空気極１０８を形成するために用いられる材料に、優れた導電性を有するランタンストロンチウムクロマイトなどの材料を付加することもできる。パッケージ１１４内の隣り合った燃料電池アセンブリ１０２の燃料極接点パッドは、空気極接点パッドと同様に、互いに直列に接続することができる。しかしながら、実際の接続方式は、負荷の電力要件に依存する。
【００１２】
本発明の燃料電池システムには、燃料供給源１２８及び／又は酸化剤供給源１３０が補充可能（又は交換可能）なものが包含され、また、消費される全ての燃料及び／又は酸化剤が最初から燃料供給源内に存在するものも包含されることに留意されたい。さらに、必要に応じて、パッケージ１１４、燃料源１２８、及び酸化剤源１３０は、同じハウジング内に配置することができる。そのようなハウジングは、当該燃料電池システムから電力を供給されるべき装置へと接続するための、プラス接点とマイナス接点を有することが好ましい。
【００１３】
図１〜図３に示す例示的な実施形態では、燃料極１０６は、高選択性の電極触媒材料から形成されている。燃料極１０６に用いられる「高選択性の（ｈｉｇｈｌｙ ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ）電極触媒材料」とは、好ましくは、酸化剤を還元させることなく（又は、燃料極が完全に選択性でない場合は、酸化剤を約２０％より多くは還元させることなく）、燃料極における燃料の完全な酸化（又は、少なくとも８０％の酸化）を引き起こす材料である。酸化剤をほとんど又は全く還元させることなく、燃料を燃料極１０６において反応させること、即ち、混合ガス反応がほとんど又は全くないこと、が重要である。何故なら、そのような酸化剤の還元は、燃料電池の効率を低下させるからである。燃料／酸化剤混合物が空気極１０８に達する前に燃料の全て又はほとんどが消費されると仮定すると、空気極に達する燃料／酸化剤混合物の全部（又は、大部分）が酸化剤である。空気極１０８に達するガスの残りは、燃料極１０６での反応による副生物となる。したがって、空気極を形成するのに用いた材料の選択性に関係なく、燃料電池効率の低下を招く空気極１０８での混合ガス反応（即ち、燃料の直接酸化）は防止される。したがって、空気極１０８は、高選択性でない（ｎｏｎ−ｈｉｇｈｌｙ ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ）電極触媒材料から形成することができる。「高選択性でない」電極触媒材料は、燃料及び酸化剤の両方と反応する材料である。
【００１４】
図４に、燃料／酸化剤混合物中の反応物の逐次的な消費、例えば一方の電極における燃料／酸化剤混合物中の一方の反応物の消費とその後の他方の電極における他方の反応物の消費、に関するグラフを示す。燃料／酸化剤混合物が、入口１１８において反応物チャネル１１６に入る際に、燃料及び酸化剤各々の化学量論濃度はその初期レベル、即ち最大レベルにある。初期レベルを等しいものとして示しているが、初期レベルは、具体的用途並びに燃料に適合するように、変化させ得る。混合物が燃料極領域１２０を通り、燃料が燃料極１０６において酸化すると、燃料／酸化剤混合物中の燃料の化学量論濃度は低下し、酸化剤の化学量論濃度は実質的に同じままである。そして、燃料の消費された反応物混合物は中間領域１２２を通って空気極領域１２４に入り、酸化剤が空気極１０８において還元される。排出物（例えば、副生物と燃料／酸化剤混合物の未使用部分）は、出口１２６から反応物チャネル１１６外へと出る。燃料及び酸化剤の最終レベルをゼロより大きいものとして示しているが、多くの場合、未使用燃料と酸化剤がほとんどなくなるように燃料電池を構成し、燃料／酸化剤混合物を選択することが望ましいことに留意されたい。
【００１５】
燃料／酸化剤混合物中の反応物の逐次的消費には、いくつかの利点がある。例えば、前に述べたように、燃料極においてほぼ全ての燃料を消費することにより、即ち、空気極における実質的な反応を防ぐのに最小限十分な燃料を消費することにより、空気極に高選択性でない電極触媒材料を使用することが容易になる。高選択性でない電極触媒材料を使用することにより、燃料電池のコストが削減される。また、高選択性でない電極触媒材料を使用することにより、燃料電池の他の構成要素の熱膨脹係数により厳密に一致する電極触媒材料を使用すること、並びに高選択性の電極触媒材料よりも活性の高い電極触媒材料を使用することが容易になる。
【００１６】
例示的な燃料電池１０４と基板１１２の材料、寸法及び構成は、燃料電池の種類（例えば、ＳＯＦＣ、ＰＥＭなど）及び意図する用途に依存するが、また本発明は特定の材料、寸法、構成又は種類に限定されるものではないが、以下では、ＳＯＦＣ１０４を備える例示的な燃料電池アセンブリ１０２について説明する。高選択性の燃料極１０６は、多孔性の、セラミック、金属複合材料（「サーメット」とも称される）から形成することが好ましく、厚さは約０．５〜約１０００μｍ（一般に厚さは約１０〜約２５０μｍ）である。適切なセラミックスとしては、サマリアドープドセリア（「ＳＤＣ」）、ガドリニアドープドセリア（「ＧＤＣ」）及びイットリア安定化ジルコニア（「ＹＳＺ」）が挙げられ、また、適切な金属としては、ニッケル、銅及びパラジウムが挙げられる。高選択性でない空気極１０８は、厚さ約０．５μｍ〜約１０００μｍ（一般には厚さは約１０μｍ〜約５０μｍ）のサーメットから形成することが好ましい。適切なセラミックスとしては、ＳＤＣ、サマリウムストロンチウムコバルタイト（「ＳＳＣＯ」）、ランタンストロンチウムマンガナイト（「ＬＳＭ」）が挙げられ、また、適切な金属としては、白金、白金ルテニウム、及び白金ロジウムが挙げられる。電解質１１０は、ＳＤＣ、ＧＤＣ、ＹＳＺ又はランタンストロンチウムガリウムマグネシウム（「ＬＳＧＭ」）などの稠密セラミックであり、厚さは約２μｍ〜約１０００μｍ（一般に厚さは５ｐｍ〜約５０μｍ）であることが好ましい。燃料極１０６、空気極１０８、及び電解質１１０の表面積は、平面図として見たとき、一般に、約０．００１ｃｍ２〜約１０，０００ｃｍ２（一般に約２．５〜２５０ｃｍ２）である。
【００１７】
本発明は、以上述べた例示的な実施形態に限定されない。例えば図５に示すように、燃料電池アセンブリ内の燃料極と空気極の相対位置は逆にすることもできる。例示的な燃料電池アセンブリ１０２’及び燃料電池１０４’は、図３に示した燃料電池アセンブリ１０２及び燃料電池１０４に実質的に類似し、類似する構成要素は類似する符号で表している。しかしながら、この図では、空気極１０８’が反応物チャネル入口１１８と関連付けられており、燃料極１０６’が反応物チャネル出口１２６と関連付けられている。同様に、反応物チャネルの燃料極領域１２０と空気極領域１２４の位置は逆にされている。したがって、燃料／酸化剤混合物は、燃料極１０６’に達する前に、空気極１０８’を通過する。
【００１８】
図５に示す例示的な実施形態では、空気極１０８’は、高選択性の電極触媒材料から形成されている。空気極１０８’に用いる「高選択性の」電極触媒材料は、空気極において燃料を酸化することなく（又は、空気極が完全に選択性でない場合は、燃料を約２０％より多く酸化することなく）、空気極における酸化剤の完全な還元（又は、少なくとも８０％の還元）を引き起こすような材料である。燃料をほとんど又は全く酸化させることなく、酸化剤を空気極１０８’において反応させること、即ち、混合ガス反応がほとんど又は全くないこと、が重要である。何故なら、そのような酸化は、燃料電池の効率を低下させるからである。燃料／酸化剤混合物が燃料極１０６’に達する前に全て（又は、ほとんど全て）の酸化剤が消費されると仮定すると、燃料極に達する燃料／酸化剤混合物の全部（又は少なくとも大部分）は燃料である。したがって、効率の低下を招く燃料極１０６’での混合ガス反応は、燃料極を形成するのに用いた材料の選択性に関係なく、防止される。したがって、燃料極１０６’は、高選択性でない電極触媒材料から形成することができる。
【００１９】
例示的な燃料電池アセンブリ１０２’内の燃料極１０６’に用いられる高選択性でない電極触媒材料は、厚さ約０．５μｍ〜約１０００μｍ（一般には厚さ約１０μｍ〜約２５０μｍ）のサーメットであることが好ましい。適切なセラミックスとしては、ＳＤＣ、ＧＤＣ及びＹＳＺが挙げられ、適切な金属としては、白金、白金ニッケル、及び白金パラジウムが挙げられる。例示的な高選択性の空気極１０８’は、厚さ約２μｍ〜約１０００μｍ（一般に、厚さ約２０μｍ）の多孔性セラミックであることが好ましい。適切な高選択性の電極触媒セラミック材料としては、ＳＳＣＯ及びＬＳＭが挙げられる。ロジウムあるいはルテニウムと組み合わせたＳＤＣ、ＧＤＣ若しくはＹＳＺを含むサーメットを使用することもできる。電解質１１０の材料は、前述の材料と同じもの、即ち厚さ約２μｍ〜約１０００μｍ（一般に約５μｍ〜約５０μｍ）のＳＤＣ、ＧＤＣ、ＹＳＺ、ＬＳＧＭなどの稠密セラミックスであることが好ましい。
【００２０】
図５記載の例示的実施形態に関する、燃料／酸化剤混合物中の反応物の逐次的消費のグラフを図６に示す。燃料／酸化剤混合物が入口１１８から反応物チャネルに入る際、燃料及び酸化剤の各化学量論濃度はその初期レベル、即ち最高レベルにある。初期レベルを等しいものとして示しているが、初期レベルは、具体的な用途及び燃料に適合するように変化させ得る。混合物が空気極領域１２４内を通って、酸化剤が空気極１０８’で還元されると、燃料／酸化剤混合物中の酸化剤の化学量論濃度が低下し、燃料の化学量論濃度は実質的に同じままである。次に、酸化剤の消費された反応物混合物が中間領域１２２を通って燃料極領域１２０に入り、そこで燃料が燃料極１０６’で酸化される。排出物（例えば、副生物と燃料／酸化剤混合物の未使用部分）は、出口１２６から反応物チャネル１１６外へ出る。燃料と酸化剤の最終レベルがゼロよりも大きいものとして示しているが、多くの場合、未使用の燃料と酸化剤がほとんどなくなるように燃料電池を構成し、燃料／酸化剤混合物を選択することが望ましいことに注意されたい。
【００２１】
燃料電池アセンブリ１０２の代わりに、図５記載の例示的な燃料電池アセンブリ１０２’を図１記載のシステム１００に組み込むことができる。あるいはまた、システム１００は、複数の燃料電池アセンブリ１０２と１０２’を交互に備えることができる。
【００２２】
図７に、他の例示的な燃料電池アセンブリを、符号２０２を付して概略的に示す。例示的な燃料電池アセンブリ２０２は、燃料極２０６、空気極２０８及び電解質２１０を有する燃料電池２０４と、ハウジング２１２とを含む。燃料極２０６と空気極２０８は、例示的な燃料電池１０４とは異なり、燃料電池２０４内の電解質２１０の同じ側にある。ハウジング２１２は、燃料／酸化剤混合物を燃料極２０６及び空気極２０８上に導く反応物チャネル２１６を備える。燃料／酸化剤混合物は、反応物チャネル入口２１８から入り、燃料極領域２２０、中間領域２２２及び空気極領域２２４を通る。排出物（例えば、副生物や未使用反応物）は、反応物チャネル出口２２６から燃料電池アセンブリ外へ出る。入口２１８と出口２２６は、図１記載のパッケージ１１４に類似のパッケージのようなパッケージのマニホルドに接続することができる。燃料電池ハウジング２１２は、反応物チャネルの入口２１８と出口２２６以外は閉じられていることが好ましく、反応物の唯一の供給元は入口である。また、１つ又は複数のハウジング２１２は、パッケージの一体部とすることができ、あるいは１つ又は複数のハウジングは、組み立て時にパッケージに組み込まれる別個の構造要素とすることもできることを理解されたい。
【００２３】
図７記載の例示的な実施形態では、燃料極２０６は、反応物チャネル入口２１８近傍に配置され且つ高選択性の電極触媒材料から形成されており、空気極２０８は、高選択性でない電極触媒材料から形成されている。これらの材料に関しては、先に図１〜図４を参照して詳しく述べた。例示的な燃料電池アセンブリ２０２は、図１〜図４を参照して前述したように燃料／酸化剤混合物中の反応物を逐次的に消費する。
【００２４】
図８に移ると、燃料電池アセンブリ２０２内の燃料極と空気極の相対位置は逆にすることができる。例示的な燃料電池アセンブリ２０２’及び燃料電池２０４’は、図７記載の燃料電池アセンブリ２０２及び燃料電池２０４に実質的に類似しており、類似する構成要素は類似の符号を付して表している。しかしながら、空気極２０８’は反応物チャネル入口２１８と関連付けられており、燃料極２０６’は反応物チャネル出口２２６と関連付けられている。同様に、反応物チャネルの燃料極領域２２０と空気極領域２２４の位置が逆にされている。したがって、燃料／酸化剤混合物は、空気極２０８’に達した後で燃料極２０６’に達する。燃料極２０６’は、高選択性でない電極触媒材料から形成され、空気極２０８’は、高選択性の電極触媒材料から形成される。そのような材料に関しては、前に図５及び図６を参照して詳しく述べている。例示的な燃料電池アセンブリ２０２’は、図５及び図６に関して前述したように、燃料／酸化剤混合物中の反応物を逐次的に消費する。
【００２５】
燃料電池アセンブリ１０２の代わりに、図７及び図８記載の例示的な燃料電池アセンブリ２０２及び２０２’を図１記載のシステム１００に組み込むことができる。あるいはまた、システム１００は、複数の燃料電池アセンブリ２０２と２０２’を交互に備えることもできる。
【００２６】
例示的な燃料電池システム１００は、燃料電池アセンブリ１０２、１０２’、２０２及び２０２’、あるいはこれらの組み合わせを含むことができ、様々な電力消費装置に組む込むことができる。電力消費装置の例としは、ノートブック型パーソナルコンピュータ（「ＰＣ」）、手持ち式ＰＣ、パームトップＰＣ、及び携帯情報端末（「ＰＤＡ」）、携帯電話などの通信装置、無線電子メール機器及び電子ブック、ビデオゲームや他の玩具、コンパクトディスクプレーヤやビデオカメラなどの音響ビデオ装置が挙げられるが、これらに限定されない。他の電子装置としては、移動試験システム、携帯型プロジェクタ、及び携帯型フラットパネルテレビのような携帯型テレビがある。図９を参照すると、例示的な装置３００は、燃料電池システム１００と、燃料電池システム１００によって電力を供給される電力消費装置３０２とを含む。例示的な電力消費装置は、特定の装置内の、電力を消費する任意の又は全ての装置を意味する。
【００２７】
以上、好ましい実施形態に関して本発明を説明してきたが、前述の好ましい実施形態に対し種々の修正及び／又は追加が当業者には容易に理解されよう。本発明の範囲は、そのような全ての修正及び／又は追加にまで及ぶものとする。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の好ましい実施形態による燃料電池システムの概略図
【図２】本発明の好ましい実施形態による燃料電池の断面図
【図３】本発明の好ましい実施形態による燃料電池アセンブリの断面図
【図４】図３記載の燃料電池アセンブリ内の種々の位置における、燃料と酸化剤の相対化学量論濃度を示すグラフ
【図５】本発明の好ましい実施形態による燃料電池アセンブリの断面図
【図６】図５記載の燃料電池アセンブリ内の様々な位置における、燃料と酸化剤の相対化学量論濃度を示すグラフ
【図７】本発明の好ましい実施形態による燃料電池アセンブリの断面図
【図８】本発明の好ましい実施形態による燃料電池アセンブリの断面図
【図９】本発明の好ましい実施形態による装置を示すブロック図
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料極（１０６、１０６’、２０６、２０６’）と、
空気極（１０８、１０８’、２０８、２０８’）と、
前記燃料極及び前記空気極と関連付けられた電解質（１１０、２１０）と、
を含んで成り、
前記燃料極及び前記空気極のうち一方が、高選択性の電極触媒材料から形成されており、前記燃料極及び前記空気極のうち他方が、高選択性でない電極触媒材料から形成されている、燃料電池。
【請求項２】
前記電解質（１１０）が、第１及び第２の面を画定しており、前記燃料極（１０６、１０６’）が前記第１の面と関連付けられ、且つ前記空気極（１０８、１０８’）が前記第２の面と関連付けられている、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記電解質（２１０）が、第１及び第２の面を画定しており、前記燃料極（２０６、２０６’）が前記第１の面と関連付けられ、且つ前記空気極（２０８、２０８’）が前記第１の面と関連付けられている、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項４】
入口（１１８、２１８）及び出口（１２６、２２６）を画定する反応物チャネル（１１６、２１６）を備えるハウジング（１１２、２１２）であって、前記反応物チャネルが、前記入口と前記出口以外に関しては閉じている、ハウジング（１１２、２１２）と、
前記ハウジング内に配置され、前記入口と前記出口との間の前記反応物チャネルに露出している燃料極（１０６、１０６’、２０６、２０６’）と、前記入口と前記出口との間の前記反応物チャネルに露出している空気極（１０８、１０８’、２０８、２０８’）と、前記燃料極及び前記空気極と関連付けられた電解質（１１０、２１０）とを含む燃料電池（１０４、１０４’、２０４、２０４’）であって、前記燃料極が前記入口及び前記出口のうちの一方に近く、前記空気極が前記入口及び前記出口のうちの他方に近い、燃料電池（１０４、１０４’、２０４、２０４’）と、
を含んで成る、燃料電池アセンブリ。
【請求項５】
前記反応物チャネル（１１６）が、Ｕ字型形状を画定し、
前記電解質（１１０）が第１及び第２の面を画定し、前記燃料極（１０６、１０６’）が前記第１の面と関連付けられ、且つ前記空気極（１０８、１０８’）が前記第２の面と関連付けられている、請求項４に記載の燃料電池アセンブリ。
【請求項６】
前記反応物チャネル（２１６）が、前記入口から前記出口までほぼ直線状であり、
前記電解質（２１０）が第１及び第２の面を画定し、前記燃料極（２０６、２０６’）が前記第１の面と関連付けられ、且つ前記空気極（２０８、２０８’）が前記第１の面と関連付けられている、請求項４に記載の燃料電池アセンブリ。
【請求項７】
前記燃料極（１０６、１０６’、２０６、２０６’）及び前記空気極（１０８、１０８’、２０８、２０８’）のうちの一方が、高選択性の電極触媒材料から形成されており、前記燃料極及び前記空気極の他方が、高選択性でない電極触媒材料から形成されている、請求項４に記載の燃料電池アセンブリ。
【請求項８】
燃料源（１２８）と、
燃料極（１０６、１０６’、２０６、２０６’）、空気極（１０８、１０８’、２０８、２０８’）、並びに前記燃料極及び前記空気極と関連付けられた電解質（１１０、２１０）を含む燃料電池（１０４、１０４’、２０４、２０４’）であって、前記燃料極及び前記空気極のうち一方が高選択性の電極触媒材料から形成されており、前記燃料極及び前記空気極のうち他方が高選択性でない電極触媒材料から形成されている、燃料電池（１０４、１０４’、２０４、２０４’）と、
を含んで成る、燃料電池システム。
【請求項９】
前記電解質（１１０）が第１及び第２の面を画定し、前記燃料極（１０６、１０６’）が前記第１の面と関連付けられ、且つ前記空気極（１０８、１０８’）が前記第２の面と関連付けられている、請求項８に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記電解質（２１０）が第１及び第２の面を画定し、前記燃料極（２０６、２０６’）が前記第１の面と関連付けられ、且つ前記空気極（２０８、２０８’）が前記第１の面と関連付けられている、請求項８に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
酸化剤源（１３０）をさらに含む、請求項８に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記燃料源（１２８）からの燃料と前記酸化剤源（１３０）からの酸化剤とを混合することによって燃料／酸化剤混合物を生成し且つ前記燃料／酸化剤混合物を前記燃料電池に供給するように構成されたパッケージ（１１４）をさらに含む、請求項１１に記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
入口（１１８、２１８）及び出口（１２６、２２６）を画定する反応物チャネル（１１６、２１６）を備えるハウジング（１１２、２１２）であって、前記反応物チャネルが前記入口と前記出口以外に関しては閉じている、ハウジング（１１２、２１２）と、
前記入口に接続されている反応物源（１２８、１３０）と、
前記ハウジング内に配置されており、前記入口と前記出口との間の前記反応物チャネルに露出している燃料極（１０６、１０６’、２０６、２０６’）と、前記入口と前記出口の間の前記反応物チャネルに露出している空気極（１０８、１０８’、２０８、２０８’）と、前記燃料極及び前記空気極と関連付けられた電解質（１１０、２１０）とを含む燃料電池（１０４、１０４’、２０４、２０４’）であって、前記燃料極が前記入口及び前記出口のうちの一方に近く、前記空気極が前記入口及び前記出口の他方に近い、燃料電池（１０４、１０４’、２０４、２０４’）と、
を含んで成る、燃料電池システム。
【請求項１４】
前記反応物チャネル（１１６）が、Ｕ字型形状を画定し、
前記電解質（１１０）が第１及び第２の面を画定し、前記燃料極（１０６、１０６’）が前記第１の面と関連付けられ、且つ前記空気極（１０８、１０８’）が前記第２の面と関連付けられている、請求項１３に記載の燃料電池システム。
【請求項１５】
前記反応物チャネル（２１６）が、前記入口から前記出口までほぼ直線状であり、
前記電解質（２１０）が第１及び第２の面を画定し、前記燃料極（２０６、２０６’）が前記第１の面と関連付けられ、且つ前記空気極（２０８、２０８’）が前記第１の面と関連付けられている、請求項１３に記載の燃料電池システム。
【請求項１６】
前記燃料極（１０６、１０６’、２０６、２０６’）及び前記空気極（１０８、１０８’、２０８、２０８’）のうち一方が、高選択性の電極触媒材料から形成されており、前記燃料極及び前記空気極の他方が、高選択性でない電極触媒材料から形成されている、請求項１３に記載の燃料電池システム。
【請求項１７】
前記燃料電池に燃料／酸化剤混合物を供給するステップと、
前記燃料と前記酸化剤とを逐次的に消費することによって電気を生成するステップと、
を包含する、燃料電池の運転方法。
【請求項１８】
前記燃料と前記酸化剤とを逐次的に消費することによって電気を生成する前記ステップが、
前記酸化剤を実質的に消費せずに前記燃料／酸化剤混合物中の前記燃料を消費すること、及び
前記燃料／酸化剤混合物中の前記燃料を消費する前記ステップの後で、前記酸化剤を消費すること、
を包含する、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記酸化剤を実質的に消費せずに前記燃料／酸化剤混合物中の前記燃料を消費する前記ステップが、前記酸化剤の２０％より多くを実質的に消費することなく、前記燃料／酸化剤混合物中の少なくとも８０％の前記燃料を消費することを含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記燃料と前記酸化剤とを逐次的に消費することによって電気を生成する前記ステップが、
前記燃料を実質的に消費せずに前記燃料／酸化剤混合物中の前記酸化剤を消費すること、及び
前記燃料／酸化剤混合物中の前記酸化剤を消費する前記ステップの後で、前記燃料を消費すること
を包含する、請求項１７に記載の方法。
【請求項２１】
前記燃料を実質的に消費せずに前記燃料／酸化剤混合物中の前記酸化剤を消費する前記ステップが、前記燃料の２０％より多くを実質的に消費することなく、前記燃料／酸化剤混合物中の少なくとも８０％の前記酸化剤を消費することを含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項１】
燃料極（１０６、１０６’、２０６、２０６’）と、
空気極（１０８、１０８’、２０８、２０８’）と、
前記燃料極及び前記空気極と関連付けられた電解質（１１０、２１０）と、
を含んで成り、
前記燃料極及び前記空気極のうち一方が、高選択性の電極触媒材料から形成されており、前記燃料極及び前記空気極のうち他方が、高選択性でない電極触媒材料から形成されている、燃料電池。
【請求項２】
前記電解質（１１０）が、第１及び第２の面を画定しており、前記燃料極（１０６、１０６’）が前記第１の面と関連付けられ、且つ前記空気極（１０８、１０８’）が前記第２の面と関連付けられている、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記電解質（２１０）が、第１及び第２の面を画定しており、前記燃料極（２０６、２０６’）が前記第１の面と関連付けられ、且つ前記空気極（２０８、２０８’）が前記第１の面と関連付けられている、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項４】
入口（１１８、２１８）及び出口（１２６、２２６）を画定する反応物チャネル（１１６、２１６）を備えるハウジング（１１２、２１２）であって、前記反応物チャネルが、前記入口と前記出口以外に関しては閉じている、ハウジング（１１２、２１２）と、
前記ハウジング内に配置され、前記入口と前記出口との間の前記反応物チャネルに露出している燃料極（１０６、１０６’、２０６、２０６’）と、前記入口と前記出口との間の前記反応物チャネルに露出している空気極（１０８、１０８’、２０８、２０８’）と、前記燃料極及び前記空気極と関連付けられた電解質（１１０、２１０）とを含む燃料電池（１０４、１０４’、２０４、２０４’）であって、前記燃料極が前記入口及び前記出口のうちの一方に近く、前記空気極が前記入口及び前記出口のうちの他方に近い、燃料電池（１０４、１０４’、２０４、２０４’）と、
を含んで成る、燃料電池アセンブリ。
【請求項５】
前記反応物チャネル（１１６）が、Ｕ字型形状を画定し、
前記電解質（１１０）が第１及び第２の面を画定し、前記燃料極（１０６、１０６’）が前記第１の面と関連付けられ、且つ前記空気極（１０８、１０８’）が前記第２の面と関連付けられている、請求項４に記載の燃料電池アセンブリ。
【請求項６】
前記反応物チャネル（２１６）が、前記入口から前記出口までほぼ直線状であり、
前記電解質（２１０）が第１及び第２の面を画定し、前記燃料極（２０６、２０６’）が前記第１の面と関連付けられ、且つ前記空気極（２０８、２０８’）が前記第１の面と関連付けられている、請求項４に記載の燃料電池アセンブリ。
【請求項７】
前記燃料極（１０６、１０６’、２０６、２０６’）及び前記空気極（１０８、１０８’、２０８、２０８’）のうちの一方が、高選択性の電極触媒材料から形成されており、前記燃料極及び前記空気極の他方が、高選択性でない電極触媒材料から形成されている、請求項４に記載の燃料電池アセンブリ。
【請求項８】
燃料源（１２８）と、
燃料極（１０６、１０６’、２０６、２０６’）、空気極（１０８、１０８’、２０８、２０８’）、並びに前記燃料極及び前記空気極と関連付けられた電解質（１１０、２１０）を含む燃料電池（１０４、１０４’、２０４、２０４’）であって、前記燃料極及び前記空気極のうち一方が高選択性の電極触媒材料から形成されており、前記燃料極及び前記空気極のうち他方が高選択性でない電極触媒材料から形成されている、燃料電池（１０４、１０４’、２０４、２０４’）と、
を含んで成る、燃料電池システム。
【請求項９】
前記電解質（１１０）が第１及び第２の面を画定し、前記燃料極（１０６、１０６’）が前記第１の面と関連付けられ、且つ前記空気極（１０８、１０８’）が前記第２の面と関連付けられている、請求項８に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記電解質（２１０）が第１及び第２の面を画定し、前記燃料極（２０６、２０６’）が前記第１の面と関連付けられ、且つ前記空気極（２０８、２０８’）が前記第１の面と関連付けられている、請求項８に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
酸化剤源（１３０）をさらに含む、請求項８に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記燃料源（１２８）からの燃料と前記酸化剤源（１３０）からの酸化剤とを混合することによって燃料／酸化剤混合物を生成し且つ前記燃料／酸化剤混合物を前記燃料電池に供給するように構成されたパッケージ（１１４）をさらに含む、請求項１１に記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
入口（１１８、２１８）及び出口（１２６、２２６）を画定する反応物チャネル（１１６、２１６）を備えるハウジング（１１２、２１２）であって、前記反応物チャネルが前記入口と前記出口以外に関しては閉じている、ハウジング（１１２、２１２）と、
前記入口に接続されている反応物源（１２８、１３０）と、
前記ハウジング内に配置されており、前記入口と前記出口との間の前記反応物チャネルに露出している燃料極（１０６、１０６’、２０６、２０６’）と、前記入口と前記出口の間の前記反応物チャネルに露出している空気極（１０８、１０８’、２０８、２０８’）と、前記燃料極及び前記空気極と関連付けられた電解質（１１０、２１０）とを含む燃料電池（１０４、１０４’、２０４、２０４’）であって、前記燃料極が前記入口及び前記出口のうちの一方に近く、前記空気極が前記入口及び前記出口の他方に近い、燃料電池（１０４、１０４’、２０４、２０４’）と、
を含んで成る、燃料電池システム。
【請求項１４】
前記反応物チャネル（１１６）が、Ｕ字型形状を画定し、
前記電解質（１１０）が第１及び第２の面を画定し、前記燃料極（１０６、１０６’）が前記第１の面と関連付けられ、且つ前記空気極（１０８、１０８’）が前記第２の面と関連付けられている、請求項１３に記載の燃料電池システム。
【請求項１５】
前記反応物チャネル（２１６）が、前記入口から前記出口までほぼ直線状であり、
前記電解質（２１０）が第１及び第２の面を画定し、前記燃料極（２０６、２０６’）が前記第１の面と関連付けられ、且つ前記空気極（２０８、２０８’）が前記第１の面と関連付けられている、請求項１３に記載の燃料電池システム。
【請求項１６】
前記燃料極（１０６、１０６’、２０６、２０６’）及び前記空気極（１０８、１０８’、２０８、２０８’）のうち一方が、高選択性の電極触媒材料から形成されており、前記燃料極及び前記空気極の他方が、高選択性でない電極触媒材料から形成されている、請求項１３に記載の燃料電池システム。
【請求項１７】
前記燃料電池に燃料／酸化剤混合物を供給するステップと、
前記燃料と前記酸化剤とを逐次的に消費することによって電気を生成するステップと、
を包含する、燃料電池の運転方法。
【請求項１８】
前記燃料と前記酸化剤とを逐次的に消費することによって電気を生成する前記ステップが、
前記酸化剤を実質的に消費せずに前記燃料／酸化剤混合物中の前記燃料を消費すること、及び
前記燃料／酸化剤混合物中の前記燃料を消費する前記ステップの後で、前記酸化剤を消費すること、
を包含する、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記酸化剤を実質的に消費せずに前記燃料／酸化剤混合物中の前記燃料を消費する前記ステップが、前記酸化剤の２０％より多くを実質的に消費することなく、前記燃料／酸化剤混合物中の少なくとも８０％の前記燃料を消費することを含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記燃料と前記酸化剤とを逐次的に消費することによって電気を生成する前記ステップが、
前記燃料を実質的に消費せずに前記燃料／酸化剤混合物中の前記酸化剤を消費すること、及び
前記燃料／酸化剤混合物中の前記酸化剤を消費する前記ステップの後で、前記燃料を消費すること
を包含する、請求項１７に記載の方法。
【請求項２１】
前記燃料を実質的に消費せずに前記燃料／酸化剤混合物中の前記酸化剤を消費する前記ステップが、前記燃料の２０％より多くを実質的に消費することなく、前記燃料／酸化剤混合物中の少なくとも８０％の前記酸化剤を消費することを含む、請求項２０に記載の方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公表番号】特表２００６−５１６７９８（Ｐ２００６−５１６７９８Ａ）
【公表日】平成１８年７月６日（２００６．７．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−５０１１０８（Ｐ２００６−５０１１０８）
【出願日】平成１６年１月２３日（２００４．１．２３）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００４／００１７８０
【国際公開番号】ＷＯ２００４／０６６４２４
【国際公開日】平成１６年８月５日（２００４．８．５）
【出願人】（５０３００３８５４）ヒューレット−パッカード デベロップメント カンパニー エル．ピー． (1,145)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成１８年７月６日（２００６．７．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年１月２３日（２００４．１．２３）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００４／００１７８０
【国際公開番号】ＷＯ２００４／０６６４２４
【国際公開日】平成１６年８月５日（２００４．８．５）
【出願人】（５０３００３８５４）ヒューレット−パッカード デベロップメント カンパニー エル．ピー． (1,145)
【Ｆターム（参考）】
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