JP2003517096A - 電気化学セル - Google Patents

電気化学セル

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JP2003517096A JP2001545388A JP2001545388A JP2003517096A JP 2003517096 A JP2003517096 A JP 2003517096A JP 2001545388 A JP2001545388 A JP 2001545388A JP 2001545388 A JP2001545388 A JP 2001545388A JP 2003517096 A JP2003517096 A JP 2003517096A
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Abstract

(57)【要約】 水素電極と、酸素電極と、水素電極と酸素電極との間に置かれた膜と、区画貯蔵タンク４２とを含む電気化学セル装置である。区画貯蔵タンクは、可動仕切りによって隔てられた第１流体貯蔵部と第２流体貯蔵部とを備える。区画貯蔵タンクは、電気化学セルと流体が通じている。更に、電解質膜は水素電極と前記酸素電極との間に直に接して置かれ、酸素流れ場は酸素電極に直に隣接して置かれ、水素流れ場は水素電極に直に隣接して置かれ、水流れ場は酸素流れ場と流体が通じ、媒体仕切りは酸素流れ場と水流れ場との間に置かれている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 （技術分野） 本発明は、電気化学セル装置に関し、特に、低重力環境で作動可能な電気化学
セル装置の使用に関するものである。
【０００２】 （背景技術） 電気化学セルはエネルギー変換装置であり、通常、電解セル又は燃料電池のい
ずれにも分類される。電解セルは、水を電気分解して水素ガスと酸素ガスとを生
成することから水素発生器として機能し、水素と酸素とを電気化学的に反応させ
て電気を発生することから燃料電池としても機能する。
【０００３】 図１に、典型的なプロトン交換膜型燃料電池１０の部分断面図を詳細に示す。
燃料電池１０では、水素ガス１２と反応水１４とを水素電極（アノード）１６に
導入する一方、酸素ガス１８を酸素電極（カソード）２０に導入する。燃料電池
の作動に用いる水素ガス１２は、純粋な水素源、メタノール、その他の水素源に
由来するもので良い。水素ガスはアノード１６で電気化学的に反応し、水素イオ
ン（プロトン）と電子を生じる。アノード１６からの電子の流れは電気的に接続
した外部負荷２１を通り、プロトンは膜２２を通ってカソード２０へ移動する。
カソード２０では、プロトンと電子が酸素ガスと反応して生成水１４’を生じる
。これには更に、膜２２を通ってカソード２０へ引き寄せられた全ての反応水１
４も含まれる。アノード１６とカソード２０との間の電位を外部負荷の電力に利
用することができる。
【０００４】 図１に示す燃料電池と同じ配置は、一般に電解セルにも用いられる。典型的な
アノード供給水電解セル（図示せず）では、処理水を酸素電極（電解セルではア
ノード）側からセルに供給して、酸素ガスと電子とプロトンとを生成する。電解
反応は、アノードに電源の正端子を電気的に接続し、水素電極（電解セルではカ
ソード）に電源の負端子を接続することにより促進される。処理水の一部と酸素
ガスは電池から出るが、プロトンと水はプロトン交換膜を通ってカソードに移動
し、ここで水素ガスが生成する。カソード供給電解セル（図示せず）では、処理
水を水素電極に供給し、水の一部はカソードから膜を通ってアノードへ移動し、
ここでプロトンと酸素ガスが生じる。処理水の一部は膜を通らずにセルのカソー
ド側から出る。プロトンは膜を通ってカソードに移動し、ここで水素ガスが生成
する。
【０００５】 典型的な電気化学セルは、スタックに並んだ１つ以上の単電池と、スタック構
造中に形成された入出管路よりセル中に注がれる作動流体とを含む。スタック中
のセルは連続的に配列し、それぞれカソードと、プロトン交換膜と、アノードと
を含む。一般的なある配列では、アノード、カソード、又はその両者は、膜への
ガス拡散を促進するガス拡散電極である。カソード／膜／アノード集合体（以後
、これを“膜電極集合体”又は“ＭＥＡ”と呼ぶ）はそれぞれ、一般的に、スク
リーンパック又は双極板を含む流れ場によって両側を支えられている。このよう
な流れ場は流体の移動と膜の水和を促し、ＭＥＡの機械的支持体となる。セル中
には圧力差が生じることがあるため、しばしば圧縮パッドや他の圧縮手段を用い
てセルの活性領域（すなわち電極）の圧縮を均一に保ち、流れ場とセル電極とを
長期に亘り密着させる。
【０００６】 ある配置では、電気化学セルを用いて、必要に応じて電気を水素に変換し、ま
た水素を電気に戻すことができる。このような装置は一般に再生燃料電池装置と
呼ばれる。
【０００７】 電気化学セル装置は一般に重力場で使用される。電気化学セルを燃料電池モー
ドで使用した場合、重力によって電極表面から水が引き離され、電解セルモード
では、ガスと水とが共にセルスタックから排出されるため、重力による相分離が
必要である。
【０００８】 しばしば低重力環境、更には無重力環境において電気化学セル装置の使用が望
まれる場合がある。しかし通常の配置では、燃料電池モードの場合、電極上に水
が溜まって電極への酸素の接触が阻害されてしまい、電解セルモードでは、新た
な水／ガス分離法が必要となる。いずれも問題の解決には、余分な装置コストや
装置の複雑化、消費電力が必要となる。
【０００９】 既存の電気化学セル装置はその目的には適しているが、特に低重力又は無重力
環境における電気化学セル装置としての改良が求められている。
【００１０】 （発明の開示） 上記の欠点や問題点は、水素電極と、酸素電極と、水素電極と酸素電極との間
に置かれた膜と、可動仕切りによって隔てられた第１流体貯蔵部と第２流体貯蔵
部とを備えた区画貯蔵タンクと、を含む電気化学セルによって軽減される。この
とき、区画貯蔵タンクは電気化学セルと流体が通じている。
【００１１】 本発明は更に、水素電極と、酸素電極と、水素電極と酸素電極との間に直に接
して置かれた電解質膜と、酸素電極に直に隣接して置かれた酸素流れ場と、水素
電極に直に隣接して置かれた水素流れ場と、酸素流れ場と流体が通じている水流
れ場と、酸素流れ場と水流れ場との間に置かれた媒体仕切りと、を含む電気化学
セルに関するものである。
【００１２】 上記の点や、本発明の他の態様及び特長は、以下の詳細な記述と図より、当業
者には明確に理解されよう。
【００１３】 （発明を実施するための最良の形態） 本発明は電気化学セル及び電気化学セル装置に関する。この装置は、１つ以上
の電気化学セルと、低重力又は無重力環境でも装置の使用を可能にする区画貯蔵
タンクとを備えている。この装置に負荷又は電流を印加すると、外部ポンプ及び
そのポンプの稼働に必要な外部電源のいずれも必要とすることなく、装置は静か
に作動する。ここでいう“低重力”とは、地球の表面重力、すなわち約９．７８
ｍ／ｓ2より小さい重力、望ましくは約０〜約９．５ｍ／ｓ2、より望ましくは約
０．１〜約９．０ｍ／ｓ2を意味する。もちろん本装置は低重力環境において有
用であるが、通常の重力でも使用できることは理解されよう。
【００１４】 本発明は、水素と酸素と水とを用いるプロトン交換膜型電気化学セルについて
述べているが、この発明は全てのタイプの電気化学セルに適用可能であることが
容易に理解される点に注意すべきである。更に、例えばリン酸、固体酸化物、水
酸化カリウム等、またこれらに限らず、あらゆる種類の電解質が使用される。更
に、水素、臭素、酸素、空気、塩素、ヨウ素など、またこれに限らず様々な反応
物も使用できる。特定のタイプの電気化学セルに関して一般に知られるように、
異なる反応物及び／又は異なる電解質を用いた場合、それに従って流れや反応は
変化することが理解される。
【００１５】 図２を参照するならば、電気化学セル３０は、水素流れ場３２と、酸素流れ場
３４と、その間に置かれたＭＥＡ３６と、水流れ場３８と、導電性で多孔性の媒
体仕切り４０とを含む。区画貯蔵タンク４２には、酸素貯蔵部４４と水貯蔵部４
６とが含まれ、これらは可動仕切り４８によって隔てられている。酸素貯蔵部４
４は管路５０を経て酸素流れ場３４に接続し、水貯蔵部４６は管路５２を経て水
流れ場３８に接続し、水素貯蔵タンク５４は管路５６を経て水素流れ場３２に接
続してる。
【００１６】 貯蔵タンク５４と区画貯蔵タンク４２とは、必要な圧力と反応物への暴露に耐
えるものであればどのような既存の材料から成るものでも良いが、用途に応じて
必要量の流体を保持する十分な容量を持つことが望ましい。管路５０、５２、５
６も、必要な圧力と反応物との暴露に耐えるものであればどのような材料であっ
ても良い。酸素貯蔵部４４（一方の流体部分）と水貯蔵部４６（もう一方の流体
部分）とを隔てる可動仕切り４８は、貯蔵ガスと化学反応を起こさないものであ
ればどのような材料から成るものであっても良く、２つの貯蔵流体が混じり合う
のを実質的に防ぎ、酸素貯蔵部４４の体積を水貯蔵部４６の体積に反比例して変
化させるものであればどのような形状でも良い。区画貯蔵タンク４２としては、
例えば、ブラダタンク、ベローズタンク、ピストンタンク、ダイヤフラムタンク
などが使用可能であり、低重力又は無重力での使用ではエラストマー製ブラダを
備えたステンレススチール製容器が一般的に望ましい。
【００１７】 電解装置モードで使用する場合、貯蔵水を水素ガスと酸素ガスとに変換する。
これにより生じた水素は、高圧ガスとして、又はその代わりに金属水素化物や炭
素を元にした貯蔵（例えば、微粒子、ナノファイバー、ナノチューブ等）、その
他、また前述の貯蔵媒体の１つ以上の組み合わせなどの固体状態で貯蔵すること
ができる。
【００１８】 生成した酸素ガスは管路５０を通って酸素貯蔵部４４へ行き、その中の酸素圧
を高めて、可動仕切り４８に圧力を及ぼす。可動仕切り４８にかかった圧力は水
貯蔵部４６の圧力を高め、管路５２を経て水を電気化学セル３０の水流れ場３８
へ押しやる。
【００１９】 しかし全ての場合において、酸素の圧力は水の圧力より大きく、酸素圧力と水
圧力との差は多孔性媒体仕切り４０のバブル圧より小さい。燃料電池モードでは
、可動仕切り４８の動きは逆となり、貯蔵酸素を水に変換して酸素貯蔵部４４の
圧力を低下させる。この状態では反応によって生じた水は水貯蔵部４６に流れ戻
る。
【００２０】 図２では、可動仕切り４８のガス側の貯蔵ガスとして酸素を示したが、水素を
用いても良く、あるいは、それぞれ可動仕切りを備えた２つのタンクを用いるな
らば、酸素と水素とを同時に使用することもできる。別の配置では、可動仕切り
に酸素ガスと水素ガスの両者の圧力が累加して働くよう、一つの区画貯蔵タンク
のガス貯蔵部を、酸素と水素のために更に２つの独立した貯蔵部に区切っている
。
【００２１】 電気化学セル３０を更に詳細に示す図３では、ＭＥＡ３６は、酸素電極５８と
、水素電極６０と、両者の間に置かれたプロトン交換膜（電解質）６２とから成
る。
【００２２】 膜６２は、電気化学セルの膜の形成に通常用いられるものであればどのような
材質であっても良い。電解質は、電気化学セルの作動条件下において固体又はゲ
ルであるものが望ましい。典型的に、膜６２の厚さは、約０．０５インチ（約１
．２７ミリメートル、“ｍｍ”）まで、約０．００１〜約０．０１５インチ（約
０．０２５４〜約０．３８１ｍｍ）が望ましい。有用な材料としては、プロトン
伝導性イオノマーやイオン交換樹脂が挙げられる。プロトン伝導性イオノマーは
、アルカリ金属、アルカリ土類金属塩、又はプロトン酸と、１種以上の極性ポリ
マー（例えば、ポリエーテル、ポリエステル、又はポリイミド）との錯体、ある
いは、アルカリ金属、アルカリ土類金属塩、又はプロトン酸と、上記の極性ポリ
マーをセグメントとして含む網目又は架橋ポリマーとの錯体を含むものである。
有用なポリエーテルとしては、ポリオキシアルキレン類（例えば、ポリエチレン
グリコール、ポリエチレングリコールモノエーテル、ポリエチレングリコールジ
エーテル、ポリプロピレングリコール、ポリプロピレングリコールモノエーテル
、ポリプロピレングリコールジエーテル、等）、これらのポリエーテルの１種以
上の共重合体（例えば、ポリ（オキシエチレン−コ−オキシプロピレン）グリコ
ール、ポリ（オキシエチレン−コ−オキシプロピレン）グリコールモノエーテル
、ポリ（オキシエチレン−コ−オキシプロピレン）グリコールジエーテル、等）
、エチレンジアミンと上記のポリオキシアルキレン類との縮合生成物、エステル
類（例えば、上記のポリオキシアルキレン類のリン酸エステル、脂肪族カルボン
酸エステル、又は芳香族カルボン酸エステル）などが挙げられる。例えば、ポリ
エチレングリコールとジアルキルシロキサン、ポリエチレングリコールと無水マ
レイン酸、又はポリエチレングリコールモノエチルエーテルとメタクリル酸との
共重合体などは、使用に十分なイオン伝導性を示すことが当該技術では知られて
いる。有用な錯体形成試薬としては、アルカリ金属塩、アルカリ土類金属塩、プ
ロトン酸、プロトン酸塩などが挙げられる。上記の塩類に有用な対イオンは、ハ
ロゲンイオン、過塩素酸イオン、チオシアン酸イオン、トリフルオロメタンスル
ホン酸イオン、ホウフッ化イオン、等である。このような塩類の具体例としては
、フッ化リチウム、ヨウ化ナトリウム、ヨウ化リチウム、過塩素酸リチウム、チ
オシアン酸ナトリウム、トリフルオロメタンスルホン酸リチウム、ホウフッ化リ
チウム、ヘキサフルオロリン酸リチウム、リン酸、硫酸、トリフルオロメタンス
ルホン酸、テトラフルオロエチレンスルホン酸、ヘキサフルオロブタンスルホン
酸、等が挙げられるが、これらに限るものではない。
【００２３】 プロトン伝導性材料として有用なイオン交換樹脂としては、炭化水素型及びフ
ルオロカーボン型の樹脂が挙げられる。炭化水素型イオン交換樹脂としては、フ
ェノール型又はスルホン酸型樹脂が挙げられ、例えば、フェノール−ホルムアル
デヒドなどの縮合樹脂、ポリスチレン、スチレン−ジビニルベンゼン共重合体、
スチレン−ブタジエン共重合体、スチレン−ジビニルベンゼン−塩化ビニルター
ポリマー、等である。これらはスルホン化によりカチオン交換能に富み、あるい
はクロロメチル化後に対応する第四級アミンに変換することでアニオン交換能に
富む。
【００２４】 フルオロカーボン型イオン交換樹脂としては、テトラフルオロエチレン−パー
フルオロスルホニルエトキシビニルエーテルやテトラフルオロエチレン−ヒドロ
キシル化（パーフルオロビニルエーテル）共重合体の水和物などが挙げられる。
例えば、燃料電池のカソードを耐酸化性及び／又は耐酸性としたい場合、スルホ
ン酸、カルボキシル酸、及び／又はリン酸官能性を持つフルオロカーボン型樹脂
が望ましい。フルオロカーボン型樹脂は典型的に、ハロゲン、強酸、塩基による
酸化に対し優れた抵抗性を示す。スルホン酸官能基を持つフルオロカーボン型樹
脂の一例は、ＮＡＦＩＯＮ（登録商標）樹脂（デラウェア州ウィルミントン、デ
ュポン・ケミカルズ（DuPont Chemicals））である。
【００２５】 電極５８、６０は、白金、パラジウム、ロジウム、イリジウム、ルテニウム、
オスミウム、炭素、金、タンタル、スズ、インジウム、ニッケル、タングステン
、マンガン等、また前述の材料を１種以上含む混合物、酸化物、合金、化合物な
どの材料から成る、一般的な電極で良い。更に、単独で、あるいは上記のものと
組み合わせて使用できる触媒としては、グラファイトや有機金属類（例えば、フ
タロシアニン類及びポルフィリン類）、またこれらを組み合わせたものなどが挙
げられる。使用可能な触媒のいくつかは、本件に引用して援用する、米国特許第
３，９９２，２７１号、米国特許第４，０３９，４０９号、米国特許第４，２０
９，５９１号、米国特許第４，７０７，２２９号、米国特許第４，４５７，８２
４号に開示されている。この触媒には、ばらばらの触媒粒子、水和したイオノマ
ー固体、フルオロカーボン、他のバインダ材料、電気化学セル触媒に従来より使
用される他の材料、また前述のものを１種以上組み合わせたものが含まれても良
い。有用なイオノマー固体は、全て膨潤し（すなわち部分的に解離したポリマー
材料）、プロトンと水とを伝導する材料となる。使用可能なイオノマー固体は、
炭化水素主鎖を持つものや、パーフルオロスルホン酸イオノマー（フルオロカー
ボン主鎖を持つ）などのパーフルオロイオノマーである。イオノマー固体と更に
触媒については、本件に引用して援用する、モルターらによる米国特許第５，４
７０，４４８号に更に述べられている。
【００２６】 電子を移動させるため、電極を電気的負荷及び／又は電源と電気的に接続する
。電気的接続は、ワイヤ、トラス／バスロッド、ブスバー、それらを組み合わせ
たもの、又は他の電気的コネクタなど、通常のどのような電気的コネクタを用い
ても良い。
【００２７】 酸素流れ場３４と水素流れ場３２は、ＭＥＡ３６の両側に設けられ、一般に多
孔性かつ導電性の材料から成る。多孔性で導電性の材料とは、膜部材の支えとな
る構造的完全性を備え、装置内の流体を適当な電極５８又は６０の間で流通させ
ることができ、また電流を適当な電極５８又は６０の間で伝導できるものである
。
【００２８】 酸素流れ場３４は、ＭＥＡ３６に直に隣接して置かれた多孔性材料６４を含む
ことが望ましい。この多孔性材料６４は、ガスと水とを双方向に流し、ＭＥＡ３
６から液状の水を吸い取るウィック（wick）として働くことによって膜への、ま
た膜からの水の流れを促進し、更に電極支持体として働くことができる。望まし
くは、多孔性材料６４に隣接してスクリーンを置き、流れ場部材（例えば、スク
リーン層、双極板、その他の種類の支持構造物の１つ以上）を多孔性材料６４と
電極５８との間に置く。
【００２９】 導電性で多孔性の媒体仕切り４０に隣接し電気的に接している水流れ場３８は
、他の流れ場３２、３４と同じ、又は異なる多孔性の導電性材料から成る。水流
れ場３８に使用する材料は、多孔性媒体仕切り４０との間で水を流通させるもの
でなければならない。
【００３０】 流れ場３２、３４、３８はそれぞれ、スクリーンパック、溝など流れのための
仕組みを中に形成した双極板、その他、あるいは前述の支持構造物の１つ以上の
組み合わせなどの、支持構造物を含むものである。適当なスクリーンパックは、
織った金属、膨張させた金属、穿孔した又は多孔性の板、織物（織布及び不織布
）、セラミックス（例えば、微粒子を充填したセラミックス）、ポリマー、その
他の材料、あるいはそれらを組み合わせた導電性材料から成り、膜部材としての
構造完全性を備え、かつ様々な流体の適当な流れ場を形成し、電極間の電子輸送
を保持するものである。典型的なスクリーンパックは、例えば、ニオブ、ジルコ
ニウム、タンタル、チタン、ステンレススチールなどのスチール、ニッケル、コ
バルト、また前述の材料を１種以上含む混合物、酸化物、合金などの材料から成
るものである。スクリーンの開口部の外形は、楕円から、円、六角形、菱形まで
あり、その他、細長いものや多辺形とすることができる。使用される特定の多孔
性導電性材料は、膜部材の導電性材料のある側特有の作動条件によって決まる。
適当なスクリーンパックの例は、その内容を全て本件に引用して援用する、同一
出願人による米国特許出願第０９／４６４，１４３号、代理人整理番号９８−１
７９６、及び、米国特許出願第０９／１０２，３０５号、代理人整理番号９７−
１８０１に開示されている。流れ場３２、３４、３８の大きさと外形は、必要な
流量調整が十分可能なものでなければならない。典型的に、その厚さは約１０イ
ンチ（約２５４ｍｍ）まで、望ましくは約０．００１〜約０．１インチ（約０．
０２５４〜約２．５４ｍｍ）である。
【００３１】 多孔性媒体仕切り４０は通常、酸素流れ場３４と水流れ場３８との間に置かれ
、電気的に接している。多孔性媒体仕切り４０は、酸素流れ場３４と水流れ場３
８との間で、酸素の通過にとっては障壁となるが、水の流れは通過させ、更に、
本件で後述するように電極５８、６０への、又は電極からの電子の流れも通過さ
せるものであればどのような材料でも良い。
【００３２】 別の実施の形態では、媒体仕切り４０は水素流れ場３２と電気的に接して置く
こともできる。この実施の形態では、水は水素電極上でも生じ、媒体仕切り４０
を通り抜けて区画タンク４２へ移動し、あるいは区画タンク４２から水素電極６
０へ行き、膜６２を通り抜けて酸素電極５８へ移動し、そこで反応して酸素と水
素イオンとを生じる。
【００３３】 多孔性媒体仕切り４０は、電気化学セルの環境（例えば、必要な圧力差、望ま
しくは約４，０００ｐｓｉまで、又はそれ以上、温度は約２５０℃までで、水素
、酸素、水に暴露される）において化学反応を起こさない導電性材料であればど
のようなものでも良い。可能な材料としては、例えば、炭素、ニッケル及びニッ
ケル合金（例えば、インディアナ州ココモ、ヘインズ・インターナショナル（Ha
ynes International）より市販のハステロイ（Hastelloy）（登録商標）、ウェ
ストバージニア州ハンティントン、ＩＮＣＯ・アロイズ・インターナショナル社
（INCO Alloys International Inc.）より市販のインコネル（Inconel）（登録
商標））、コバルト及びコバルト合金（例えば、ニューヨーク州ライ、メリーラ
ンド・スペシャルティ・ワイヤ社（Maryland Specialty Wire, Inc.）より市販
のＭＰ３５Ｎ（登録商標）、ヘインズ・インターナショナルより市販のヘインズ
２５、イリノイ州エルギン、エルギロイ・リミテッド・パートナーシップ（Elgi
loy Limited Partnership）より市販のエルギロイ（登録商標））、チタン、ジ
ルコニウム、ニオブ、タングステン、ハフニウム、鉄及び鉄合金（例えば、ステ
ンレススチールなどのスチール）、また前述の材料を１種以上含む酸化物、混合
物、合金などが挙げられる。
【００３４】 多孔性媒体仕切り４０の詳細な形状は、繊維状（ランダム、織布、不織布、裁
断、連続、等）、顆粒状、微粒子粉末、予備成型品、また前述の形状の１種以上
を組み合わせたものなどである。媒体仕切り４０の大きさと結合構造は、酸素の
流れは阻害するが必要な水の移動は十分可能な（又は他の適当な流体調整を行う
）ものでなければならない。典型的に、その厚さは約０．５インチ（約１２．７
ｍｍ）まで、望ましくは約０．００１〜約０．３インチ（約０．０２５４〜約７
．６２ｍｍ）であり、より望ましくは約０．００１〜約０．０５インチ（約０．
０２５４ｍｍ〜約１．２７）であり、最も望ましくは約０．００１〜約０．０３
インチ（約０．０２５４〜約０．７６２ｍｍ）である。更に、媒体仕切り４０を
通して必要な流量を得るため、バブル圧は約０．０１ポンド／平方インチ（ｐｓ
ｉ）以上なければならず、約７．０〜約８．０ｐｓｉが望ましい。
【００３５】 燃料電池として作動させる前に、区画貯蔵タンク中の貯蔵ガスの圧力を、貯蔵
されている水の圧力より大きく（例えば約１ｐｓｉまで大きくする。一般に約０
．３〜約０．５ｐｓｉ大きければ十分であり、圧力差は媒体仕切り４０のバブル
圧まで可能である。）することが望ましい。この圧力差により、最初、可動仕切
り４８は区画貯蔵タンク４２の水貯蔵部４６側に偏り、水流れ場３８に水を押し
出す。例えば、機械力、液圧、又は同様な力の偏りを貯蔵タンク４２にかけてベ
ローズを押し開くこともできる。このとき偏りは、媒体仕切り４０のバブル圧よ
り低い圧力とすることが望ましい。
【００３６】 電気化学セル３０を使用するには、最初に外部電源（図示せず）により充電す
ることが望ましい。充電の間、セル３０は電解装置として働き、水（又は、水素
、臭素などの他の流体状反応物）を、例えば水素と酸素とに分解する。水素と酸
素は装置中のそれぞれの領域（例えば、水素は貯蔵タンク５４、酸素は酸素貯蔵
部４４）に貯蔵され、作動圧力に達したら、装置を燃料電池として使用して発電
することができる。つまり、外部電源を外し、電気的負荷（例えば、図１に示す
負荷２１）を充電した装置に接続できる。こうしてセル３０は燃料電池として作
動可能となり、水素と酸素とを水に再結合する際に電流を発生する。電流が発生
しなくなったら、この装置を光電池や他の電源などの外部電源を用いて再び充電
して再生する。
【００３７】 酸素貯蔵部４４からの貯蔵酸素と、水素貯蔵タンク５４からの水素は、電気化
学セル３０のそれぞれの活性領域へ移動する。水素ガスは水素流れ場３２を通っ
て流れ、水素電極６０で水素イオンと自由電子に分解する。水素イオンはプロト
ン交換膜６２を通り抜けて酸素流れ場３４に移動するが、電子は外部負荷を経て
から酸素電極５８に至る。酸素電極５８では、水素イオンは酸素と電子と結合し
て水を生成する。新たに生成した水は酸素流れ場３４を通り抜け、多孔性媒体仕
切り４０によって水流れ場３８に吸い出される。水は、水流れ場３８から区画貯
蔵タンク４２の水貯蔵部４６へ管路によって送られ、可動仕切り４８は水の体積
の増加に応じてガス貯蔵側４４に向かって移動する。
【００３８】 貯蔵ガスの圧力が燃料電池３０の作動に必要な値以下に下がったら、外部電源
を装置に取り付けることができる。次にセル３０を逆に、電解装置として作動さ
せ、酸素ガスの圧力以下にされていた貯蔵水を水流れ場３８に供給する。多孔性
媒体仕切り４０は水を水流れ場３８から酸素流れ場３４へ吸い出す。理論的に限
定しようとするものではないが、水蒸気状の水は酸素流れ場３４を通って酸素電
極５８に移動し、ここで酸素ガスと、水素イオンと、電子とを生じると考えられ
る。再び水素イオンは膜６２を通り抜け、電子は外部負荷を経由して水素電極６
０に移動し、ここで両者は結合して水素を生成する。
【００３９】 図３のセル３０の配置を持つ電気化学セルを組み立て、試験した。セルの活性
面積は０．０５平方フィート（４６．４平方ｃｍ）であり、５０立方ｃｍ（ｃｃ
）の容積を持つ３１６ステンレススチール製水タンクと、５００ｃｃの容積を持
つ３１６ステンレススチール製水素タンクと、５００ｃｃの容積を持つ３１６ス
テンレススチール製酸素タンクとは流体が通じている。単一セルは、ＮＡＦＩＯ
Ｎ（登録商標）膜、水素流れ場と酸素流れ場と水流れ場としてチタン合金製スク
リーンパック、媒体仕切りとしてチタン合金製多孔板を用いて構成した。この装
置を、無重力条件下、１１９度Ｆ（４８．３℃）、水素と酸素の流体の流れが、
それぞれ４０ｐｓｉ及び５０ｐｓｉの圧力に等しくなるようにして作動させた。
次の表は上記のセルの分極データをまとめたもので、表１は電解のデータを、表
２は燃料電池のデータを示す。
【００４０】
【表１】
【表２】
【００４１】 この電気化学セル３０は、地球外環境などの低重力、更には無重力環境でも、
ポンプやファン、その他の補助装置の駆動に従来の装置では必要であった外部電
源を必要とすることなく作動可能である。セル３０は、区画貯蔵タンクを用いて
もあるいは用いなくても有効である。電気化学セル装置は、例えば、軌道上の宇
宙ステーションの外側に取り付けた光電池により、電解装置モードで充電し、そ
の後燃料電池として用いて電気を発生する。この装置は再生可能であり、ポンプ
を使用する必要が無いため、電気の必要に応じたスタンドアローン型装置として
使用することができる。更に、この電気化学セル装置は可動要素がより少ないた
め既存の装置に比べて信頼性が高い。本発明は必要に応じて低重力及び無重力環
境のいずれでも作動可能である。最後に、本発明は使用する部品がより少なくま
た一体化されているため、既存の電気化学セル装置よりコンパクトである。
【００４２】 望ましい実施の形態を示し、述べてきたが、本発明の意図及び範囲から外れる
ことなく、様々な変形及び置換が可能である。従って、本発明は説明のために述
べられたものであって、限定するものでないことは理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【図１】 電気化学的反応を示す先行技術の電気化学セルの略線図である。
【図２】 低重力電気化学セル装置のある実施の形態の略線図である。
【図３】 低重力電気化学セルのある実施の形態の拡大断面図である。
【手続補正書】
【提出日】平成１４年６月１８日（２００２．６．１８）
【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】
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】 （発明の開示） 上記の欠点や問題点は、水素電極と、酸素電極と、水素電極と酸素電極との間
に置かれた膜とを含む１つ以上の電気化学セルと、可動仕切りによって隔てられ
た第１流体貯蔵部と第２流体貯蔵部とを備えた区画貯蔵タンクと、を含む電気化
学セル装置によって軽減される。このとき、区画貯蔵タンクは電気化学セルと流
体が通じている。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２５】 電極５８、６０は、白金、パラジウム、ロジウム、イリジウム、ルテニウム、
オスミウム、炭素、金、タンタル、スズ、インジウム、ニッケル、タングステン
、マンガン等、また前述の材料を１種以上含む混合物、酸化物、合金、化合物な
どの材料から成る、一般的な電極で良い。更に、単独で、あるいは上記のものと
組み合わせて使用できる触媒としては、グラファイトや有機金属類（例えば、フ
タロシアニン類及びポルフィリン類）、またこれらを組み合わせたものなどが挙
げられる。使用可能な触媒のいくつかは、米国特許第３，９９２，２７１号、米
国特許第４，０３９，４０９号、米国特許第４，２０９，５９１号、米国特許第
４，７０７，２２９号、米国特許第４，４５７，８２４号に開示されている。こ
の触媒には、ばらばらの触媒粒子、水和したイオノマー固体、フルオロカーボン
、他のバインダ材料、電気化学セル触媒に従来より使用される他の材料、また前
述のものを１種以上組み合わせたものが含まれても良い。有用なイオノマー固体
は、全て膨潤し（すなわち部分的に解離したポリマー材料）、プロトンと水とを
伝導する材料となる。使用可能なイオノマー固体は、炭化水素主鎖を持つものや
、パーフルオロスルホン酸イオノマー（フルオロカーボン主鎖を持つ）などのパ
ーフルオロイオノマーである。イオノマー固体と更に触媒については、モルター
らによる米国特許第５，４７０，４４８号に更に述べられている。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２８】 酸素流れ場３４は、ＭＥＡ３６に直に隣接して置かれた多孔性材料６４を含む
ことが望ましい。この多孔性材料６４は、ガスと水とを双方向に流し、ＭＥＡ３
６から液状の水を吸い取るウィック（wick）として働くことによって膜への、ま
た膜からの水の流れを促進し、更に電極支持体として働くことができる。望まし
くは、多孔性材料６４に隣接してスクリーンを置き、流れ場部材（例えば、スク
リーン層、双極板、その他の種類の支持構造物の１つ以上）を電極５８と反対側 の 多孔性材料６４の表面に近接して置く。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３０】 流れ場３２、３４、３８はそれぞれ、スクリーンパック、溝など流れのための
仕組みを中に形成した双極板、その他、あるいは前述の支持構造物の１つ以上の
組み合わせなどの、支持構造物を含むものである。適当なスクリーンパックは、
織った金属、膨張させた金属、穿孔した又は多孔性の板、織物（織布及び不織布
）、セラミックス（例えば、微粒子を充填したセラミックス）、ポリマー、その
他の材料、あるいはそれらを組み合わせた導電性材料から成り、膜部材としての
構造完全性を備え、かつ様々な流体の適当な流れ場を形成し、電極間の電子輸送
を保持するものである。典型的なスクリーンパックは、例えば、ニオブ、ジルコ
ニウム、タンタル、チタン、ステンレススチールなどのスチール、ニッケル、コ
バルト、また前述の材料を１種以上含む混合物、酸化物、合金などの材料から成
るものである。スクリーンの開口部の外形は、楕円から、円、六角形、菱形まで
あり、その他、細長いものや多辺形とすることができる。使用される特定の多孔
性導電性材料は、膜部材の導電性材料のある側特有の作動条件によって決まる。
適当なスクリーンパックの例は、同一出願人による米国特許出願第０９／４６４
，１４３号、代理人整理番号９８−１７９６、及び、米国特許出願第０９／１０
２，３０５号、代理人整理番号９７−１８０１に開示されている。流れ場３２、
３４、３８の大きさと外形は、必要な流量調整が十分可能なものでなければなら
ない。典型的に、その厚さは約１０インチ（約２５４ｍｍ）まで、望ましくは約
０．００１〜約０．１インチ（約０．０２５４〜約２．５４ｍｍ）である。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３３】 多孔性媒体仕切り４０は、電気化学セルの環境（例えば、必要な圧力差、望ま
しくは約４，０００ｐｓｉ（約２７，５００ｋＰａ）まで、又はそれ以上、温度
は約２５０℃までで、水素、酸素、水に暴露される）において化学反応を起こさ
ない導電性材料であればどのようなものでも良い。可能な材料としては、例えば
、炭素、ニッケル及びニッケル合金（例えば、インディアナ州ココモ、ヘインズ
・インターナショナル（Haynes International）より市販のハステロイ（Hastel
loy）（登録商標）、ウェストバージニア州ハンティントン、ＩＮＣＯ・アロイ
ズ・インターナショナル社（INCO Alloys International Inc.）より市販のイン
コネル（Inconel）（登録商標））、コバルト及びコバルト合金（例えば、ニュ
ーヨーク州ライ、メリーランド・スペシャルティ・ワイヤ社（Maryland Special
ty Wire, Inc.）より市販のＭＰ３５Ｎ（登録商標）、ヘインズ・インターナシ
ョナルより市販のヘインズ２５、イリノイ州エルギン、エルギロイ・リミテッド
・パートナーシップ（Elgiloy Limited Partnership）より市販のエルギロイ（
登録商標））、チタン、ジルコニウム、ニオブ、タングステン、ハフニウム、鉄
及び鉄合金（例えば、ステンレススチールなどのスチール）、また前述の材料を
１種以上含む酸化物、混合物、合金などが挙げられる。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３４】 多孔性媒体仕切り４０の詳細な形状は、繊維状（ランダム、織布、不織布、裁
断、連続、等）、顆粒状、微粒子粉末、予備成型品、また前述の形状の１種以上
を組み合わせたものなどである。媒体仕切り４０の大きさと結合構造は、酸素の
流れは阻害するが必要な水の移動は十分可能な（又は他の適当な流体調整を行う
）ものでなければならない。典型的に、その厚さは約０．５インチ（約１２．７
ｍｍ）まで、望ましくは約０．００１〜約０．３インチ（約０．０２５４〜約７
．６２ｍｍ）であり、より望ましくは約０．００１〜約０．０５インチ（約０．
０２５４ｍｍ〜約１．２７ｍｍ）であり、最も望ましくは約０．００１〜約０．
０３インチ（約０．０２５４〜約０．７６２ｍｍ）である。更に、媒体仕切り４
０を通して必要な流量を得るため、バブル圧は約０．０１ポンド／平方インチ（
ｐｓｉ）（約０．０７キロパスカル（ｋＰａ））以上なければならず、約７．０
〜約８．０ｐｓｉ（約４８〜約５６ｋＰａ）が望ましい。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３５】 燃料電池として作動させる前に、区画貯蔵タンク中の貯蔵ガスの圧力を、貯蔵
されている水の圧力より大きく（例えば約１ｐｓｉまで大きくする。一般に約０
．３〜約０．５ｐｓｉ（約２．０〜約３．５ｋＰａ）大きければ十分であり、圧
力差は媒体仕切り４０のバブル圧まで可能である。）することが望ましい。この
圧力差により、最初、可動仕切り４８は区画貯蔵タンク４２の水貯蔵部４６側に
偏り、水流れ場３８に水を押し出す。例えば、機械力、液圧、又は同様な力の偏
りを貯蔵タンク４２にかけてベローズを押し開くこともできる。このとき偏りは
、媒体仕切り４０のバブル圧より低い圧力とすることが望ましい。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３９】 図３のセル３０の配置を持つ電気化学セルを組み立て、試験した。セルの活性
面積は０．０５平方フィート（４６．４平方ｃｍ）であり、５０立方ｃｍ（ｃｃ
）の容積を持つ３１６ステンレススチール製水タンクと、５００ｃｃの容積を持
つ３１６ステンレススチール製水素タンクと、５００ｃｃの容積を持つ３１６ス
テンレススチール製酸素タンクとは流体が通じている。単一セルは、ＮＡＦＩＯ
Ｎ（登録商標）膜、水素流れ場と酸素流れ場と水流れ場としてチタン合金製スク
リーンパック、媒体仕切りとしてチタン合金製多孔板を用いて構成した。この装
置を、無重力条件下、１１９度Ｆ（４８．３℃）、水素と酸素の流体の流れが、
それぞれ４０ｐｓｉ（２７５ｋＰａ）及び５０ｐｓｉ（３４５ｋＰａ）の圧力に
等しくなるようにして作動させた。次の表は上記のセルの分極データをまとめた
もので、表１は電解のデータを、表２は燃料電池のデータを示す。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４２】 望ましい実施の形態を示し、述べてきたが、本発明の範囲から外れることなく
、様々な変形及び置換が可能である。従って、本発明は説明のために述べられた
ものであって、限定するものでないことは理解されよう。
───────────────────────────────────────────────────── 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，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ， ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，Ｃ Ｈ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ，ＥＥ ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ， ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，Ｋ Ｐ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ， ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，Ｓ Ｇ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ (72)発明者 モルター トレント エム アメリカ合衆国 コネチカット州 グラス トンベリー ハーベスト レーン 114 Ｆターム(参考） 4K021 AA01 BA02 BB03 BC01 CA02 DB05 DB18 EA04 5H026 AA06 CC01 CX01 CX05 5H027 AA06 BA11 BA13 BC01 MM01

Claims (16)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 電気化学セル装置であって、 水素電極と、酸素電極と、前記水素電極と前記酸素電極との間に直に接して置か
    れた電解質膜と、を含む１つ以上の電気化学セルと、 前記電気化学セルと流体が通じ、可動仕切りによって隔てられた第１流体貯蔵部
    と第２流体貯蔵部とを含む区画貯蔵タンクと、 前記水素電極に隣接して置かれ、流体が通じている水素流れ場と、前記酸素電極
    に隣接して置かれ、流体が通じている酸素流れ場と、前記酸素流れ場に隣接して
    置かれ、流体と電気とが通じている第１媒体仕切りと、前記水素流れ場に隣接し
    て置かれ、流体と電気とが通じている第２媒体仕切りと、 を備えることを特徴とする電気化学セル装置。
  2. 【請求項２】 請求項１に記載の電気化学セル装置であって、前記媒体仕切
    りは、炭素、ニッケル、コバルト、チタン、ジルコニウム、ニオブ、タングステ
    ン、ハフニウム、鉄、及び、前述の材料の１種以上を含む酸化物、混合物、合金
    、から成る材料の群より選ばれることを特徴とする電気化学セル装置。
  3. 【請求項３】 請求項１に記載の電気化学セル装置であって、前記媒体仕切
    りの厚さは約０．５インチまでであることを特徴とする電気化学セル装置。
  4. 【請求項４】 請求項１に記載の電気化学セル装置であって、前記媒体仕切
    りの厚さは約０．００１〜約０．３インチであることを特徴とする電気化学セル
    装置。
  5. 【請求項５】 請求項１に記載の電気化学セル装置であって、前記媒体仕切
    りの厚さは約０．００１〜約０．０５インチであることを特徴とする電気化学セ
    ル装置。
  6. 【請求項６】 請求項１に記載の電気化学セル装置であって、前記媒体仕切
    りの厚さは約０．００１〜約０．０３インチであることを特徴とする電気化学セ
    ル装置。
  7. 【請求項７】 請求項１に記載の電気化学セル装置であって、前記媒体仕切
    りのバブル圧は約０．０１ｐｓｉ以上であることを特徴とする電気化学セル装置
    。
  8. 【請求項８】 請求項７に記載の電気化学セル装置であって、前記媒体仕切
    りのバブル圧は約７．０〜約８．０ｐｓｉであることを特徴とする電気化学セル
    装置。
  9. 【請求項９】 請求項７に記載の電気化学セル装置であって、更に、気／液
    圧力差を前記バブル圧まで保つことのできる機械力の偏りを含むことを特徴とす
    る電気化学セル装置。
  10. 【請求項１０】 請求項１に記載の電気化学セル装置であって、前記可動仕
    切りは、ブラダ、ベローズ、ピストン、又はダイヤフラムであることを特徴とす
    る電気化学セル装置。
  11. 【請求項１１】 請求項１に記載の電気化学セル装置であって、前記ガス貯
    蔵部は前記酸素流れ場と流体が通じていることを特徴とする電気化学セル装置。
  12. 【請求項１２】 請求項１に記載の電気化学セル装置であって、前記ガス貯
    蔵部は前記水素流れ場と流体が通じていることを特徴とする電気化学セル装置。
  13. 【請求項１３】 電気化学セルであって、 水素電極と、 酸素電極と、 前記水素電極と前記酸素電極との間に直に接して置かれた電解質膜と、 前記酸素電極に隣接して置かれ、流体が通じている酸素流れ場と、 前記水素電極に隣接して置かれ、流体が通じている水素流れ場と、 前記酸素流れ場と流体が通じている水流れ場と、 前記酸素流れ場と前記水流れ場との間に置かれた第１媒体仕切りと、 前記水素流れ場と前記水流れ場との間に置かれた第２媒体仕切りと、 を含むことを特徴とする電気化学セル。
  14. 【請求項１４】 電気化学セル装置の操作法であって、 水を酸素電極へ導入する工程と、 前記水を電気分解し、酸素と、水素イオンと、電子とを生成し、前記水素イオン
    を膜を通り抜けて水素電極へ移動する工程と、 前記酸素を、区画貯蔵タンクの酸素貯蔵部へ送り、前記酸素により前記貯蔵タン
    ク中の圧力を増大させて可動仕切りを動かし、これにより前記水を前記区画貯蔵
    タンクから前記酸素電極へ押しやる工程と、 前記電子を前記水素電極へ移動する工程と、 前記水素イオンと前記電子とを反応させて水素を生成する工程と、 を含むことを特徴とする電気化学セル装置の操作法。
  15. 【請求項１５】 請求項３２に記載の電気化学セル装置の操作法であって、
    更に、前記水を前記区画貯蔵タンクから水流れ場、媒体仕切り及び酸素流れ場を
    通って前記酸素電極へ送る工程を含むことを特徴とする電気化学セル装置の操作
    法。
  16. 【請求項１６】 電気化学セルの操作法であって、 導電性で多孔性の媒体を間に挟んで酸素流れ場と隣り合って置かれた水流れ場に
    水を導入する工程と、 前記水を前記媒体仕切りと前記酸素流れ場とを通って酸素電極へ送る工程と、 前記水を電気分解し、酸素と、水素イオンと、電子とを生成し、前記水素イオン
    を膜を通り抜けて水素電極へ移動する工程と、 前記電子を前記水素電極へ送る工程と、 前記水素イオンと前記電子とを反応させて水素を生成する工程と、 を含むことを特徴とする電気化学セルの操作法。
JP2001545388A 1999-12-16 2000-12-14 電気化学セル Pending JP2003517096A (ja)

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