JP2004505417A - Microcell electrochemical devices and assemblies and methods of making and using the same - Google Patents
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Abstract
マイクロセル構造と70のアセンブリは、電気化学的なエネルギー生成/変換に効率的に利用されている。本発明のマイクロセル構造は、燃料電池やバッテリーシステムなどの応用例で、高電圧、高電流密度の出力を生み出す、シート状(60, 62, 64, 66)に加工され、下部構造として束ね、さらに大きなまとまりで束ねられた構造に組み立てられた、個々の繊維状マイクロセル要素から容易に作成できる。The assembly of the microcell structure and 70 is efficiently utilized for electrochemical energy generation / conversion. The microcell structure of the present invention is applied to a fuel cell, a battery system, or the like, and is processed into a sheet shape (60, 62, 64, 66) that produces a high voltage and a high current density output, and is bundled as a lower structure. It can be easily made from individual fibrous microcell elements assembled into a larger bundled structure.
Description
【0001】
発明の分野
本発明は、マイクロセルによる電気化学的装置およびアセンブリ、様々な技術を用いた同装置の作成方法、およびかかる装置とアセンブリの使用方法に関するものである。
【0002】
技術の説明
エネルギー供給とエネルギー変換装置の技術分野、特に燃料電池やバッテリーの開発では、十分な出力(高電流および高電圧の両方あるいは一方)で、高電流密度、単位容積当たりのエネルギー出力の高い装置を開発する試みが続けられてきた。
【0003】
バッテリーや燃料電池などの電気化学的セルは、構造的には比較的単純で、内部短絡を避けるように分けられた陽極、陰極をそれぞれ利用し、電解質液に接触するように電極を配置している。電極の化学反応により、電極回路が外部負荷と共役した時、反応の化学的エネルギーが電気的エネルギーに変換され、電子の流れが電力を生み出す。
【0004】
バッテリーセルでは、それぞれの電極間に隔離板を用いることができ、複数のシート状要素が連続して向き合ったアセンブリに配列し、または、かかるシートが(らせん状に)回転した配置で一緒に巻き付けることもできる。
【0005】
燃料電池は電気自動車の電源として、また分散発電の応用分野で、現在、非常に関心が寄せられている。
【0006】
燃料電池では、燃料を導入して電極(陽極)と接触させ、酸化剤がもう一方の電極(陰極)と接触することで、陽イオンと陰イオンの流れが確立し、外部負荷がセルと共役した時に電子の流れが生じる。電流の出力は、電極に浸した触媒(例えば、液体水素燃料電池の場合には白金)、特定の燃料/酸化剤の電気化学的反応の反応速度論など、多くの因子によってコントロールされる。
【0007】
現在、単一セルの電圧は、多くの燃料電池で約0.6〜0.8ボルトの範囲である。電流密度が増加すると電圧とセル効率が対応して低下するため、動作電圧は電流によって変化する。電流密度が高くなると、多くのポテンシャルエネルギーが熱に変換されるため、セルの電気エネルギーが低下する。
【0008】
燃料電池に改質装置を組み込み、改質装置が天然ガス、メタノールなどの供給原料から水素などの燃料を発生させる配置を作ることもできる。その後、改質装置から生じた燃料生成物が燃料電池で用いられ、電気エネルギーを生み出す。
【0009】
この技術では、多数の形式の燃料電池が説明されている。これを挙げると、
・電解質をフッ化スルホン酸ポリマーあるいは同様の高分子素材とした、高分子電解質型燃料電池
・水酸化カリウムなどの電解質を用い、ニッケル、銀、金属酸化物、スピネル、あるいは貴金属などの触媒を入れた電極間の基質で、そのKOH電解質が保たれる、アルカリ型燃料電池
・高温で作動する電解質として濃リン酸を用いたリン酸燃料電池
・アルカリ炭酸塩あるいはナトリウム/カリウムの電解質を用い、アルミン酸リチウムのセラミック基質中、およそ600〜700℃の温度で作動し、アルカリ電解質が高伝導の溶融塩を形成する、溶融塩燃料電池
・電解質としてイットリア安定化ジルコニアなどの金属酸化物を用い、高温で作動し、コバルト−ジルコニアあるいはニッケル−ジルコニアの陽極とストロンチウムをドープしたマンガン酸ランタンの陰極間で、酸素のイオン伝導が促進される、固体電解質型燃料電池
などがある。
【0010】
燃料電池は比較的効率が高く、排気ガス/排出固体のレベルはごく低い。こうした特徴のため、燃料電池はエネルギー変換装置として、現在、非常に関心を寄せられている。従来の燃料電池プラントの効率は、使用されている燃料の低位発熱量(LHV)により、通常40〜55%の範囲である。
【0011】
環境への排気が少ないことに加え、燃料電池は一定温度で作動し、電気化学的反応からの発熱は廃熱発電に応用でき、全体としての効率が向上する。燃料電池の効率は全くサイズに依存しないため、燃料電池のデザインはワットからメガワットまで広範な電気出力に拡張可能である。
【0012】
電気化学的エネルギー分野における最近の技術革新は、バッテリー、燃料電池などの電気化学的装置の応用分野で用いられる、小型の電気化学的セル、つまりマイクロセルの開発である。マイクロセル技術は、すべてRay R. Eshraghiに与えられた米国特許番号5,916,514、5,928,808、5,989,300、6,004,691に説明されている。これらの特許で説明されたマイクロセル構造は、電気化学的セルコンポーネントをつなげるホローファイバー構造から成る。
【0013】
上述のEshraghiの特許では、単一のセルが電極あるいはその活性物質、多孔質膜の隔離板、電解質、第二の電解質あるいはその活性物質を含む繊維で構成された、電気化学的セル構造について説明している。セルのデザインについてもEshraghiの特許で説明され、この中では隣接した単繊維が利用され、1つは電極あるいはその活性物質、隔離板、および電解質を含む単繊維、2つ目は第二の電解質で構成される単繊維である。そのため、隣接した繊維はセルの陽極および陰極となる。今回の発明では、Eshraghiのマイクロセル技術がさらに躍進を遂げている。
【0014】
発明の詳細な説明とその好適な実施例
Eshraghiの米国特許番号5,916,514、5,928,808、5,989,300、6,004,691の開示は、参考のため本書に全て添付する。ここにに使用されている通り、マイクロセルという用語は電気化学的にエネルギーを発生あるいは変換するセル構造を指し、その多孔質の中に電解質を配置した多孔質膜の隔離板を含む。多孔質膜の隔離板は伝導性の繊維と接触しており、その繊維が電気化学的セルの陽極と陰極を形成する電気触媒と接触しているか、電気触媒でコーティングされている。
【0015】
この後に続く説明では、主にすぐに利用できる本発明の燃料電池の実施例を示しているが、この説明が、本発明と一致した対応するバッテリーセル、および他の形態の電気化学的セル装置にも同様に応用できることは有り難い。
【0016】
当然、バッテリーセルでは、電気化学的活性が必要な場合は、構造の外部に備え付けるのではなく、バッテリー内に(電極の)活性物質を存在させ、セルに保存する点で、燃料電池と異なる。
【0017】
従って、マイクロセルをバッテリーセルに用いる場合は、繊維の中心で内腔が必要なく、その結果、バッテリーセルの応用分野では、モジュラーアセンブリの繊維束が対応して単純化される。従って、バッテリーセルの応用分野でのマイクロセルは、燃料電池に使用されるマイクロセルとは構造的にも操作的にも異なる。
【0018】
特別な形態では、マイクロセルが内部電極の活性物質、内部電極の活性要素に接触した微小孔性の膜隔離板、微小孔性の膜隔離板の孔にある電解質、外部の電極活性要素で構成され、その内部、外部電極の活性部分は、1つ以上の電極、電流コレクタ、電気触媒のコンポーネントで構成される。
【0019】
別の特別な形態では、マイクロセルに繊維状の内部電極が含まれていることもある。この内部電極は微小孔性の膜隔離板に囲まれ、その多孔質の中に電解質を配置し、伝導物質に沿って電気触媒を繊維の孔側(内部電極を形成する)あるいはシェル側(外部電極を形成する)に含浸するか、電気触媒でコーティングしている。
【0020】
燃料電池の応用分野では、マイクロセルのホローファイバーの孔が、気体あるいは液体の供給コンポーネント(燃料あるいは酸化剤など)を通す通路内腔の特徴を決める。特定の関連応用分野によって、多種類の電解質をマイクロセルの燃料電池に用いることができる。
【0021】
好適な形態では、マイクロセルの全てのコンポーネントが、単繊維アセンブリに加工される。マイクロセルは、いかなる規定の長さにもすることができ、典型的には直径と長さの比が1よりも大幅に大きくなる。また、以下にその詳細を説明する、束状の形態を含め、複数のマイクロセルアセンブリに容易に整形できる。このようなマイクロセルアセンブリ、あるいはかかるアセンブリの集合体を集め、全体の配列がシェルおよび管の熱交換器と類似した、燃料電池モジュールを形成することができる。
【0022】
複数のマイクロセル要素を、全体として単一の構成に束状の複数セルモジュールを組み入れるように加工する場合、結果として得られる単一の小型構成は、高密度のエネルギー出力を生み出し、燃料電池あるいはその他、そのような束から加工される電気化学的セル装置の容積(と「足跡」)を最小限とすることができる。
【0023】
1つの実施例としての本発明のマイクロセル装置は、微小孔性の膜隔離板に囲まれた内部電極(あるいは多数の電流コレクタ繊維)を用いて加工される。このような実施例では、内部電極の電気触媒を膜隔離板の内壁にコーティングするか、含浸する(または、内側の電流コレクタ繊維にコーティングされている)。
【0024】
1つの実施例では、膜隔離板壁面で、触媒溶液の電気触媒を含浸する。これに代わる別の実施例では、膜の紡糸プロセス中に、膜隔離板の孔から触媒の薄いインク塗料を汲み出す。
【0025】
多孔質の隔離膜−電極を持つアセンブリを形成する1つの技術では、電流コネクタ繊維を電気触媒の塗料でコーティングする。1つの実施例では、このようなコーティングを押出成形で行う。別の実施例では、電流コネクタ繊維をメッキ溶液でコーティングする。さらに別の実施例では、電流コネクタ繊維を金属触媒のプラズマ蒸着によりコーティングする。
【0026】
燃料電池の積み重ねあるいはモジュールを形成する場合、セルの孔側およびシェル側を分離、密閉するため、マイクロセル繊維を束ねて取り付ける。大きな燃料電池構造では、孔の空いた中心軸の周りにマイクロセルを巻き付けることもでき、これにより、回転軸はセルのシェル側にガスを封入できる構造となる。
【0027】
燃料電池の実施例や今回の発明の他の電気化学的セルに関する実施例で用いられる、微小孔性の膜隔離板の要素については、電解質を含侵あるいは混和する適切な方法を利用することは、常に有用である。電解質を含侵する、実例として好適な技術は、溶液の含侵である。
【0028】
多孔質膜の隔離板要素自体は、様々な種類、構造とすることができ、特定の種類の燃料電池や他の電気化学的セルの応用分野で用いられるように、成形することができる。例えば、高分子電解質型燃料電池では、非対称の経路を持つ多孔性構造が好まれ、電気触媒層に隣接するイオン交換ポリマーの連続層ができる。酸型あるいはアルカリ型燃料電池では、泡状の多孔質膜要素とすることが望ましい。本技術の高度な方法のおかげで、膜隔離板の構成および形態の選択は、必要以上の実験をしなくとも容易に決定できる。
【0029】
本発明の好適例に従ってマイクロセルから生成された燃料電池は単極であり、双極性の流れを持った板を必要としない。セルおよび電流コレクタは繊維状のため、大きな電極の表面面積を非常に小さな容積に小型化することができる。個々の束状セルの並列接続では、電流が加算され、単位容積当たりの電流密度を非常に高くすることができ、マイクロセルアセンブリを高電圧、高効率で稼動することができる。
【0030】
1つの実施例では、それぞれのマイクロセルの内部電極を接続し、マイクロセルアセンブリに1つ目の端子を形成し、繊維要素のシェル外側、あるいはそのような1束のマイクロセルのシェル外側で電流コレクタを2つ目の末端とする。燃料電池に使用するため、このようなアセンブリを構成、配置する場合は、燃料および酸化剤が、対応するそれぞれの束のシェル側と孔側の電極を通過するようにする。この燃料電池の個別のマイクロセル要素では、微小孔膜を適当な電解質で浸し、バリアあるいは隔離要素を形成する。電解質の種類によって、微小孔性の基質と電解質を合わせ、固体基質あるいは液体−固体基質の形で新たな構造を形成することができる。
【0031】
単繊維状の内部電極要素を含むマイクロセル装置を利用した燃料電池の応用例では、内部電極要素のサイズを選択し、電極を含む膜隔離板の孔側で適当な大きさの内腔を形成する。複数の繊維をホローファイバーの膜隔離板の孔に取り付け、ホローファイバー内に内腔を形成する隙間空間を作ることもできる。燃料電池を稼動した際に、内腔は(液体あるいは気体の)燃料あるいは酸化剤を内部電極に届かせるため、内腔の形成は重要である。
【0032】
好適な形態では、電気触媒と第二電極の伝導物質を、微小孔性の膜隔離板シェルの外側にコーティングするか、押出あるいは含侵し、電解質を膜隔離板の微小孔中に入れ、マイクロセル構造を形成する。
【0033】
微小孔性の膜隔離板は、適当な素材の構造であれば、いかなるものからも形成することができる。1つの実施例では、半透性のイオン交換膜グループから選択した素材、および選択透過ポリマーあるいはイオン交換ポリマーのシェル側あるいは孔側でコーティングした多孔質膜から、微小孔性の膜隔離板を加工する。
【0034】
このマイクロセル構造では、内部電極あるいは電流コレクタを隔離板の孔にしっかりと固定して、繊維の内壁に隣接させ、電解質あるいは電解質/電気触媒層を界面で接触させる。繊維状のマイクロセル構造を相互に密集させて束ねた場合、外電極あるいは電流コレクタを、シェル側の電解質あるいは隣接したセルの電解質/電気触媒層と密接に接触させることもできる。
【0035】
従って、燃料電池の応用分野では、通常の稼働中に気体供給(燃料あるいは酸化剤)が内腔を通過できるように、マイクロセル構造の内腔が十分「開いて」いなければならない。このような目的では、燃料電池装置にポンプ、ファン、送風機、コンプレッサ、排出装置などが含まれていることが望ましい。燃料電池を稼動させるために必要な流速には、比較的低い圧力差しか必要としないため、(ガス供給をマイクロセルのホローファイバー内腔を通過するために)必要なポンピングは、上述のタイプの市販されている液体ドライバー装置で容易に対応できる。
【0036】
マイクロセル構造およびアセンブリの連続接続
単一のマイクロセルの電圧レベルで高い電流密度を達成するためには、多数のマイクロセルを並列に接続する。このような目的でのマイクロセルの並列接続は、マイクロセルを相互に並列に束ね、電流コレクタの末端を得られたマイクロセルアセンブリの各末端で接続することで、容易に達成できる。
【0037】
しかし、単一のマイクロセルから生じる電圧を超えた高電圧を達成するためには、マイクロセルを連続的に相互接続することが必要である。以降にさらに詳述するが、必要なマイクロセルアセンブリの幾何によって、様々な方法を利用して連続接続を達成することができる。例えば、長方形や円筒形の構成が望ましい場合もある。
【0038】
本発明に基づき、望みの電流を得るために、まず並列とした繊維状マイクロセルの下部構造の束を組み立てる。次に、望みの電圧を達成するため、この下部構造の束を連続接続させる。
【0039】
下部構造の束状マイクロセルアセンブリを形成する1つの好適アプローチは、通常、並列に配置したマイクロセル要素のシート状配置を形成することである。ここでは、マイクロセルが相互に隣り合っており、電流コレクタを、通常隣り合って相互に位置を合わせた平らなシートの末端から延びる(つまり、通常、電流コレクタの末端が相互に単一平面上に配置されるようにする、またそれ以外の場合は、通常、マイクロセルから突き出た電流コレクタが、電流コレクタが突き出たマイクロセルシートのアセンブリ面の奥行きと、同一の広がりを持つようにする)。次に、マイクロセル要素の第一層に、外側の電流コレクタ要素を構成する第二層をかぶせ、重ねたシートの内側電流コレクタが突き出ている面とは反対側から、外側の電流コレクタが延びるように配置する。さらに外側の電流コレクタを通常は同じ長さまで外向きに延ばし、外側の電流コレクタの末端で相互に位置が合っているようにし、通常、シートアセンブリの平らな水平面に対する、単一の垂直面に備え付ける。
【0040】
上述のシートアセンブリを形成する目的で、第一層を構成する繊維状マイクロセル部品を相互に固定し、そのような要素を単一の網状構造あるいはシート構造とすることができる。同様の方法で、内側の接続メッシュ構造あるいは編み込まれた構造、横に並べた接着テープ、あるいは並列アセンブリの電流コレクタ要素を作る他の方法などにより、繊維状マイクロセル要素と重なった外側の電流コレクタを、相互にシート構造あるいは網状構造で安定化することができる。
【0041】
いかなる適当な方法も利用し、ここに説明したマイクロセルアセンブリのそれぞれのシートのような層を形成することができるのは、幸いである。そのような層は、例えば、マイクロセルあるいは電流コレクタ繊維をシート状に編み込むか、それらを樹脂性基質にはめ込むか、あるいはその他適当な方法により前もって形成することができる。
【0042】
一度、マイクロセル要素の層と外側電流コレクタ部品の層を互いに重ね合わせて接触させると、その複合構造を円筒形に回転し、それぞれの反対の末端を結合し、マイクロセルの多様性をなす、下部構造の束状アセンブリを形成することができる。
【0043】
このようなアセンブリは、例えばホローファイバーの濾過モジュールを加工する場合など、従来ホローファイバー膜を取り付けるために利用していた方法を用いて、いかなる適切な方法でも結合することができる。その結果、結合された下部構造の束は、それぞれ末端に陽極および陰極ができる。一方の端子は、最初に説明した層のマイクロセル要素から突き出た、内側電流コレクタ要素によって形成され、もう一方の端子は、下部構造の束の反対側の末端から突き出た電流コレクタによって形成される。
【0044】
その後、最初の下部構造の束の正極を次の束の負極に接続し、これを繰り返して束を連続的に接続する。その後、接続された束の長い鎖を、各末端と続くマイクロセル間の接続部で交互に各束を丸め、円筒状に再度束ねる。その交互に並列に配置されるように丸められた下部構造の束アセンブリを次に、その各末端で結合し、下部構造の束を多重に持った複合構造としての束を形成する。
【0045】
連続した束には、単一構造を構成する、平行接続および連続接続の両方に繊維状マイクロセルが含まれ、次にこの単一構造を、以下に詳細を説明するシェルおよび管の熱交換アセンブリのような枠の中に置く。
【0046】
前述の考察から明らかなように、下部構造の束間で短絡を避けるためには、多孔性であるが電気的には絶縁体の素材で各束を覆う必要がある。従って、各束をファイバーグラスあるいは多孔質素材の包装膜の中に覆い、この中で束が差し込まれるか、包装素材で包まれているようにすることができる。
【0047】
下部構造の束を交互に形成し、各末端を交互に束に詰めることで、束の正極端を別の束の負極に近づけることができる。この代替技術では、下部構造の束を最初に取り付け、その後最初の束の正極を次の隣り合った束の負極に接続することで、連続接続する必要がある。下部構造の束は、単に各マイクロセルの電気接続を形成することでも接続できる。代わりに、(全てのマイクロセル繊維が下部構造の束で並列接続されている)束の接続点で、表面が鏡像になっている末端プレート、およびそのプレートにデザイン、構築された端子の連続接続の跡を利用することもでき、束の各接続点でプレートが電気的に接続され、自動的に連続接続となる。
【0048】
さらに下部構造の束を取り付ける別の代替技術では、各束の末端に、密閉した管シート膜をつけて加工することもできる。この後、各束を枠に挿入し、下部構造の束と同じパラメーター(外周)のサイズの各末端を開口することができる。このような加工をすることで、例えば、Oリングや他の密閉方法により、各束を容器のそれぞれの末端で密閉することができ、再度束を取り付ける必要がない。このような構成では、簡単に、また容易に影響を及ぼすことができるように、下部構造の各束を容器から取り除いたり、容器に入れることができ、全体として、マイクロセル装置の発電能力を増加、低下させることができる。
代わりに、マイクロセル層と外側電流コレクタを交互に重ね、配列を繰り返すことで、この下部構造の束を長方形に加工することもでき、望みの高さ、長方形の断面積とすることができる。マイクロセル繊維要素および外側電流コレクタを構成する層は、前述の通り、シート様にすることができる。
【0049】
それぞれの繊維状マイクロセル要素および外側電流コレクタの下部構造としての層を連続接続する場合、電流コレクタ要素は通常、繊維状マイクロセル要素と長さが同様という特徴を持っており、それぞれの繊維状マイクロセル要素と電流コレクタ層が縦方向に互いを相殺する。このような配置では、外側電流コレクタ要素を繊維状のマイクロセル層の他端以上に移動させ、外側電流コレクタ要素が反対側の末端で対応して短くなるため、第一層(下の層)の繊維状マイクロセル要素が外側電流コレクタ層の末端よりも長くなる。
【0050】
従って、層状アセンブリの各末端では、上方あるいは下方の層の「末端が短くなった」ラインができ、全体のアセンブリの各末端で結合した構造ができるのは、この短い末端部分となる。
【0051】
この下部構造の層アセンブリに多孔性の絶縁シート素材を置き、2つ目の下部構造の層アセンブリは、多孔性の絶縁体シート上に作る。2つ目の下部構造の層アセンブリでは、下部層を多孔性の絶縁体シート上に直接置き、外側電流コレクタの層と重ねて、互いに相殺させ、新しい下部構造層の正極を全体のアセンブリでは最初の下部構造層の負極として、同じ面に来るように配置する。下部構造層が望みの高さとなるまで、また望みの電圧が達成できるまで、この加工パターンを続ける。例えば、以下に説明する伝導性の棒状部品あるいはひも状部品とともに、各末端それぞれの陽極、陰極電流コレクタの端を互いに接続する。
【0052】
代わりに、それぞれの下部構造層を積み重ねる前に、最初に隣接した層の陽極、陰極端と繊維状シートを電気的に接続し、層状アセンブリを加工することができる。その後、最後に積み重ねた下部構造層をアセンブリの両端で結合し、下部構造層アセンブリの孔をシェル側から分離、密閉する。次に、繊維を積み重ねた束を結合したものを孔を開けた管に置くと、この管がアセンブリのホローファイバーのシェル側に通ずる燃料注入口として機能する。例えば、それぞれの層が重ね合わさるように、直線上あるいは数珠状のエポキシや他の結合化合物を両端に置くことで、繊維が層状となるように、繊維状のマイクロセル要素と外側電流コレクタを交互に取り付けることができる。繊維状マイクロセル要素が完全に湿り、得られた管シートが漏れ内容にしっかりと固定するように、適切な粘度の結合素材を選択する。
【0053】
一度結合すると、マイクロセル層の束あるいは積み重ねは容器の中に入り、いずれかの末端(シェル側あるいは孔側)で燃料が注入されたときに、マイクロセル要素のシェルおよび孔が密閉、分離される。生成したユニットは長方形のシェルと管状の熱交換器という構成を取っており、このようなユニットは、容器の孔側に燃料を送る1つ以上の注入口と容器の孔側から使われた燃料を取り除く1つ以上の排出口を持たせることで、有利に加工できる。
【0054】
マイクロセル要素を積み重なった層に入れた場合、このような積み重ねは、各末端で結合材間の孔を開けた管上に位置する。管の孔を開けていない部分を容器の他端より長くする、例えば説明した通り、マイクロセル要素の孔側に燃料注入口あるいは排出口を持たせたり、密閉した状態で容器より管を長くすることで、マイクロセル要素のシェル側に燃料注入口ができる。層状のマイクロセルの積み重ねは、孔を開けた送管の両側に置くことができ、以下のその詳細を説明するように、対称な二重の積み重ねを作ることができる。
【0055】
今回の発明の1つの側面では、マイクロセルアセンブリの小さな下部構造の束を、同一のセル容器の中で電気的に連続接続することができ、あるいはより小さな燃料電池モジュールを電気的に連続接続し、全体の電池電圧を上げることができる。今回の発明の別の実施例として、高電圧レベルを達成する1つのアプローチは、(それぞれが多数のマイクロセル装置を構成する)燃料電池の積み重ねを何倍にもし、並列にガスを供給し、積み重ね自体を連続接続されたマイクロセル束のアセンブリとするものである。
【0056】
1つの実施例では、伝導繊維をマイクロセル装置とともに束ね、伝導繊維が繊維シェル側の電流コレクタとして機能するようにする。シェル側の電流コレクタ、あるいは代わりに適当な電気触媒でコーティングした外側電極を、共通のプレートに接続し、束状アセンブリの最初の端子を構築する。同様に、マイクロセル繊維の孔よりも長くした内部電極をプレートに接続し、アセンブリに2つ目の端子を形成する。
【0057】
このような燃料電池アセンブリでは、燃料あるいは酸化剤が繊維の孔側あるいはシェル側それぞれの電極を通り、電解質を入れた膜隔離板が燃料あるいは酸化剤が他方の電極に移動するのを防ぐ。
【0058】
本発明では、最終段階のより大きな束構造を成す、下部構造の束を形成するため、マイクロセルの繊維構造が有用に取り付けられ、下部構造の束が連続あるいは並列に接続されている(あるいは以下に考察するように、一部の構造や下部構造の束をマイクロセル要素の並列接続アセンブリと並列に接続することで、他の下部構造の束と連続接続させることもできる。連続接続したマイクロセル要素が下部構造の束を形成し、これが相互に並列接続される逆の配置も、一部の応用分野で有用である)。
【0059】
1つの好適な実施例では、マイクロセル繊維構造を下部構造の束として加工し、この束を他の束と一緒に集め、再び結合し、燃料電池モジュールを形成する。このようなマイクロセル繊維構造あるいは下部構造の束の構造を固定するために用いられる有利な結合基質は、エポキシ、ウレタン、シリコン、EPDMゴムなどのカプセルの材料基質など、適当であれば、いかなる結合基質あるいはカプセルの材料基質でも良い。
【0060】
下部構造の束は、最終モジュールのアセンブリで利用した工程と同様、各末端をOリングで密閉した管シートから作成することができ、その下部構造の束を、孔を持たせた金属あるいは高分子のシートに挿入する。これで、燃料電池の容器には2面ができ、1面はそれぞれの末端に、下部構造の束の管シートの外径サイズに切り取った孔があることになる。
【0061】
この配列により、下部構造の束を全体のモジュールに付け加えたり、取り除いたりすることで、電力を増減できる(例えば、据え置き蓄電池、あるいは調節可能な自動車の電力を供給する電気自動車など、動力輸送の応用分野での電源)。下部構造の束をモジュールから取り外した場合、表面の孔を孔と同じ大きさの空のシートで密閉することができる。この特徴のため、欠陥のある下部構造の束を取り外し、新しい束と取り替えることで、個々の束を修理できることにもなる。下部構造の束自体、より小さな下部構造の束を形成する結合ユニットとすることもできる。
【0062】
図1−4は、マイクロセルアセンブリの組立を示した、繊維状要素の構造の透視図である。
【0063】
図1に示す通り、繊維状マイクロセルシート10は、平行な配置に相互に並べて置かれた、複数の繊維状マイクロセル要素12からできている。それぞれの繊維状マイクロセル要素12は、示されている通り、複数の縫い合わされた継ぎ目16により強固にしてあるか、テープ、粘着剤などの添付方法を使用して強固にしてあり、単繊維状マイクロセルの要素シートを形成している。
【0064】
示されているシート10は、要素12の最初の末端18に合わせて、互いに横に並べてある。つまり、この末端は全体的に、互いに軸に対して同一の広がりを持っており、末端18は内側電流コレクタ14が突き出たシート面を横切って広がる共通の垂直面にある。
【0065】
同様の方法で、繊維状マイクロセル要素12の反対側の末端20は互いに横に位置を合わせて並べてあり、その末端は通常、繊維状マイクロセル要素12の反対面で横に垂直に広がる面に、相互に並べてある。
【0066】
この方法で、線維は互いに隣接しながら平面に置かれて、網目状の構造に集まり、繊維のシートを形成している。
【0067】
複数の外側電流コレクタ24も同様に、縫い合わされた継ぎ目26により並列に並べた配置で強固にしてあるか、代わりにテープ、粘着ひもなどの連結方法を使用して強固にしてあり、図2に示されている通り、シート22を形成している。このようなシート22では、それぞれの末端28および30を構成する電流コレクタ24は、互いに位置が合わせてあり、繊維状電流コレクタの各末端が、網の各末端で横に垂直に広がる面にあることになる。
【0068】
次に、繊維状マイクロセル要素12のシート10および繊維状電流コレクタ要素24のシート22を、電流コレクタシート22が繊維状マイクロセル要素のシート10の上になるように重ね、図3に示した結合構造32を作る。
【0069】
このような結合構造32では、それぞれのシート10および22が互いに縦に相殺し、示されている通り、シート10の内側電流コレクタ要素14がシート22の外側電流コレクタよりも長くなるようにし、それに対応して、結合構造の反対側で、シート22の外側電流コレクタがシート10の内側電流コレクタ14の端よりも長くなるようにする。従って、上に載せたシート22のそれぞれの外側電流コレクタは、下になったシート10の対応した繊維状マイクロセル要素と接触する。
【0070】
図4では、図3の結合構造32が、第2の層36を下層として上に形成されるアセンブリの最下層になっている。第2の層36は並列に並べられた繊維状マイクロセル要素38を含み、対応するシートを形成し、第2の層には、示されているように縫い合わされた継ぎ目40で外側の電流コレクタ48が固定されたシートを上にかぶせてある。
【0071】
この第2の層には、繊維状マイクロセル要素38がそれぞれの末端42および44で互いに位置を合わせてあり、外側の電流コレクタ48のシートは、繊維状マイクロセル要素38のシートの縦方向に置いてある。このような配列では、外側の電流コレクタ48が繊維状マイクロセル要素38の末端42より長くなり、繊維状マイクロセル要素38の内側の電流コレクタ46が外側の電流コレクタ48の末端よりも長くなる。
【0072】
同時に、アセンブリの各末端で第1層と第2層それぞれから、縦に突き出た電流コレクタは、互いに軸に対して同一の広がりを持っている。高分子でできた多孔性の絶縁層あるいはファイバーグラスシートである50は、図4に示す通り、層32および層36の間に置く。
【0073】
図5は、電流コレクタあるいはマイクロセル繊維アセンブリの電極要素をつなぐコネクタ52の透視図である。コネクタ52には、2つのはね54と56があり、これが互いに90°の角度になっていて、このはねが互いにくっつくように押し合わせることができる。複数の電流コレクタあるいは電極要素をコネクタのはねの間に置き、はねを押し合わせると、電流コレクタあるいは電極要素は電気的にしっかりと接触する。
【0074】
図6では、図4のマイクロセルアセンブリを示しており、図右側の電流コレクタ要素がコネクタ52に固定され、電流コレクタ要素2つが互いに電気的に接触している。
【0075】
図7では、マイクロセルアセンブリ70の透視図を分解組立図で示し、連続接続したマイクロセルシート層60、62、64、66を示している。下のシート層60は、コネクタ72で接続された内側電流コレクタ要素から成り、このような層の上に重なった外側電流コレクタのシートが、今度はコネクタ74で留められている。
【0076】
このアセンブリで次に上になった層は、コネクタ78で接続された内側電流コレクタから成り、コネクタ78は内部連結76でコネクタ74と結合している。同様に外側電流コレクタはコネクタ80と結合している。
【0077】
コネクタ80は、内部連結82によって、このアセンブリで次に上になった層のコネクタ84と結合している。コネクタ84は、この次に上になった層の内側の電流コレクタを接続し、この層の反対側の末端では、コネクタ86が内部連結88を介し、このアセンブリの一番上層のコネクタ90に外側電流コレクタを接続している。
【0078】
コネクタ90はこのアセンブリの一番上層の内側の電流コレクタを接続し、このアセンブリの一番上層の反対側の末端では、外側電流コレクタがコネクタ92によって接続されている。
【0079】
このアセンブリを構成する各層は、それぞれ対応する多孔性の絶縁シート94、96、98によって隣接する層と隔離されている。
【0080】
前述の配置によって、図7のアセンブリの各構成層は、図でそれぞれのコネクタが逆に示されていることからも明らかなように、先頭から末尾に連続して次に隣り合った層と結合している。
【0081】
図8は、連続してつなげられたマイクロセル層の層状配列を成すアセンブリ100の概略図であり、層102および104が多孔性の絶縁シート110で分けられ、層104および106は多孔性の絶縁シート112で分けられ、106および108は多孔性の絶縁シート114で分けられている。
【0082】
図9は、マイクロセル層を連続してつなげた配列130の三次元透視図である。最下層が示されており、これは繊維状マイクロセル要素122のシートになっている。122から内側電流コレクタ要素124が層の左側に突き出て、外側電流コレクタ要素126が上に重なり、マイクロセル層を形成している。概略図に示してある通り、最下層は、多孔性の絶縁層128によって、次に上になった層と電気的に分離していることが示されている。他の層も同様の構成になっている。最上層130は、示されている通り、隣り合って配置された3つの繊維状マイクロセル要素で構成されており、このアセンブリの他の繊維状マイクロセル要素のシートも対応して構成されている。このようにして、束状マイクロセルの構造が形成されている。
【0083】
図10では、マイクロセルの下部構造の束138を結合した配置136を示す。ここでは、コンポーネントの下部構造の束が、それぞれ反対側の電流コレクタ要素140および142と連続的に結合されており、隣り合った束は多孔性の絶縁シート147により、電気的接触から切り離されており、短絡の可能性がなくなっている。示されている通り、下部構造の束138はそれぞれの末端で、結合材144および146によって結合されている。
【0084】
図11は、二重に積み重ねた束状のマイクロセル層で、上面152とオプションとして下面(図11の図には示されていない)に孔154を開けた管150の透視図である。2つの固定壁156、158が両側にあり、繊維シートを所定の位置に固定している。望みの電圧が得られるまで、孔を開けた管の上に繊維を積み重ねる。示されている通り、内部のプレナムチャンバの管150に液体の導入/排出管160をつなげている。
【0085】
横になった繊維シートはエポキシで結合することができる。代わりに、繊維シートを容器に束ねて取り付け、この行程を終えることもできる。繊維は、開いた末端が開いたままになるように、各末端で結合する。孔を開けた管が繊維のシェル側への導入口となる。
【0086】
図12では、容器150に埋め込んだマイクロセル繊維束162の横断立面図を示している。この繊維束は繊維状マイクロセル要素の層164および166で構成され、外側の電流コレクタ要素のシート168を間に置き、隣接した電流コレクタと繊維状マイクロセル要素のシートの間を、多孔性の絶縁素材でできたシート170が分離している。この束は、結合材163により取り付けられている。
【0087】
図13は、図12の容器の側面図であり、固定壁156および容器の液体の導入/排出管160、また束の各面180および182の端子の結合を示している。
【0088】
図14では、注入口198から供給ガスを受け取る送管196の反対側で、繊維状マイクロセルシートが2つの下部構造の束188および190で結合した配置186を示している。送管には、上面および下面ともに孔があり、構成する下部構造の束それぞれは、上の束が結合材192で留められ、下の束は結合材194で留められている。
【0089】
図15では、孔を開けた管の各面で積み重ねるようにマイクロセル要素を構成した、二段重ねの配置200の側面図である。ガス供給管198が図に示されている。この図に示されている配置には、対応する電流コレクタ要素を結合する、コネクタ/端子部品の202、204、206が含まれている。
【0090】
図16は、孔を開けた送管の片面に取り付けた繊維状マイクロセル要素のアセンブリ210の透視図であり、ガス注入口224および固定壁216を含む。結合した長方形の微小繊維の束を配置し、結合材218および220によって、それぞれの末端が結合されている。
【0091】
図17では、孔を開けた送管238の両面に繊維を置いた場合の容器230を示している。この容器は、マイクロセルアセンブリのシェル側から気体を排出する排出口242のある中央部232、孔側で使用された気体を排出する排出口248を備えた末端部234、および孔側の気体を容器に導入する注入口246のある末端部236で構成される。孔の開いた送管を配置して、供給ガスを容器の中央部232に送り、そのシェル側で流れを作っている。
【0092】
図18は、結合材266および268によって、その各末端で結合されたマイクロセル束280を含む、システム250の立面図である。これらの結合材は、容器252の内表面をOリング270および272によってしっかりと漏れないように留めている。
【0093】
容器252にはフランジ256があり、容器の末端部258と中央部をつないでいる。容器の中央部には内容積252があり、これは末端容積278が結合材268によって、末端容積282が結合材266によって分けられている。燃料注入口276は末端容積278につながり、末端容積282は使用されたガスの排出口284につながっている。
【0094】
使用されたガスの排出口264は内容積262とつながっている。送管260は内容積262のマイクロセル束280に中心まで延び、縦に孔が開いており、内容積のマイクロセル束280のシェル側に供給ガスを導入する。使用されたガスは排出口264に排出される。注入口276から末端容積278に導入された燃料は、束280のマイクロセル要素の孔側を流れ、束から末端容積282に流れた後、容器252の排出口284から排出される。
【0095】
電流コレクタは末端容積282の端子292と結合し、その端子構造は容器252の外部に延びている。反対側の末端容積278では、もう一方の内側および外側の電流コレクタが端子290と結合し、この端子は容器の外部に延びている。
【0096】
図19では、末端302が開いた、孔を開けた送管300を示している。中央部306の縦に沿って孔308が開いている。
【0097】
図20では、図19の孔を開けた管300の周りに回転あるいは巻き付けることができる、繊維状マイクロセルとシェル側の電流コレクタのシート312、314を示す。このシートを回転させているところを示したものが図21、回転し終えた形が図22である。
【0098】
シートは他方のシート上に置き、繊維状マイクロセルシート312の末端が、シェル側の電流コレクタシート314よりも一端で長くなり、もう一端ではシェル側の電流コレクタシート314が長くなる。その後、シート312、314を孔を開けた管300の周りにきつく巻き付け、結合材322および324で留めている。
【0099】
図23は繊維状マイクロセルとシェル側の電流コレクタのシート332、334、および絶縁シート330(ファイバーグラスや多孔質のプラスチック素材など)を示している。図24は、繊維状マイクロセルとシェル側の電流コレクタのシートを2枚ずつ含めた、シートアセンブリ338、340、342、344、346の透視図である。
【0100】
図25は、埋め合わされた繊維層を用いたマイクロセルアセンブリ338、340、342、344、346の側面図である。セルを形成する2つの繊維層の間に絶縁シートを置いている。図25に示されているように、絶縁体の一方の面のシートが絶縁体の端よりも長ければ、繊維層を別の繊維層と連続して接続することができる。
【0101】
図26は、マイクロセルを束にしたもの350の断面図である。これは、陽極354に陰極352を散在させ、束にした構成のアセンブリとなっている。
【0102】
図27は、マイクロセルの下部構造の束360を連続的につなげた場合の側面図であり、下部構造の束362、366、370、374がコネクタ364、368、372によりそれぞれ内部連結されている。前の束に対して後に折り畳んだり、次の束に対して前に折り畳んだりできるように、下部構造の束の鎖をアコーディオンのように折り畳むため、このコネクタは柔軟性が高いことが望ましく、全方向に曲がるものが最も好ましい。
【0103】
図28は、マイクロセルの下部構造の束をコンポーネントとして、連続につなぐために用いられるコネクタ376の透視図である。コネクタ376は、押し合わせることができるはね378、380が間隔をおいてペアに構成され、それぞれがペンチなどの道具により押し合わせることができ、下部構造の束の突出した電流コレクタを圧縮してしっかりとつかむ。このはねは伝導性で、それ自体が曲がることのできるくびき要素382で内部連結されている。このくびき要素はワイヤーや金属フィラメントなどで作るができ、それぞれのはね378および380がつないだ下部構造の束を電気的に内部連結する役割を果たす。
【0104】
図29は、複数の束を持つアセンブリ390で、その中に、各束391に対応する送管394を入れ、管シート393を取り付け、Oリングのシーリング剤392でそこをしっかりと漏れないように密閉した場合の横断立面図である。
【0105】
図30は、図29の複数の束を持つアセンブリの横断立面図である。この中で、それぞれの束が連続して接続され、図29に対応して番号が付けてある。連続した配置でワイヤー398をつなぐことで、それぞれ隣接する束が相互に連結された端子要素396および400で内部連結されている。
【0106】
図31は、下部構造の束を複数入れた燃料電池モジュールの断面図で、図29に対応して番号が付けてあり、下部構造の束が取り除かれた場合、空のまま密閉した要素402および404がモジュールを囲った管シート393を閉鎖する要因となる。
【0107】
図32は、マイクロセルでできた複数の下部構造の束460、462、464と、分岐させて配置した送管450を持つ燃料電池モジュール410の側面図である。このモジュールには、モジュールの容器壁と管シート472および474で仕切られた中央内容積424を囲む容器422が含まれる。管シート472に対して、下部構造の束はOリング要素438で漏れないようにしっかりと固定されており、474に対しては、下部構造の束はOリング要素434で漏れないようにしっかりと固定されている。
【0108】
容器の末端要素は、それぞれ末端容積426および428で囲まれている。末端容積426には、ガスを流すために送管450がつなげられた多岐管があり、枝分かれしたライン454、456、458につながった多岐管のライン452によって、3つの下部構造の束460、462、464それぞれに供給ガスが送られる。枝分かれしたライン454、456、458はそれぞれの下部構造の束に結合されている。
【0109】
下部構造の束は、下部構造の束460および462を内部連結する連結ライン440および下部構造の束462および464を内部連結する連結ライン442によって、相互に次々と連続結合されている。示されている通り、このように連続した外側の下部構造の束は、端子444および446によってそれぞれ結合されている。
【0110】
容器右側の末端部分はフランジ430によって、容器の主要な中央要素と結合されており、相互に機械的な留め金のような方法で結合し、容器のコンポーネント要素をしっかりと漏れないように固定することができる。
【0111】
この容器では、燃料注入口466で燃料と酸化剤の流れの一方を末端容積426に導入し、その孔側で下部構造の束に流す。
【0112】
排出口468は、図の左要素で容器422につながっており、容器の末端容積から使用された供給ガスを排出する。
【0113】
使用されたガスの排出口470は、容器の主要な中央部分にあり、容器の内容積424で、下部構造の束のシェル側から使用されたガスを排出する。
【0114】
図33は、マイクロセルの下部構造の束494、496、489、498を含むモジュール480が入っている容器515の内部容積506に、送管514を通過させたものを示した、断面からの側面図である。この配置では、管シート500および502で、下部構造の束が対応するサイズの受入口に取り付けられており、管シートはOリングのシーリング剤492により、容器が漏れないようにしっかりと固定されている。この方法では、容器の内部容積が中央容積506と末端容積526および528に分けられる。
【0115】
容器には、供給ガスの注入口510、使用されたガスの排出口508および512が取り付けられている。下部構造の束のシェル側で使用されたガスは、排出口508で容器から排出され、注入口510に入った供給ガスは、下部構造の束の孔側を流れ、末端容積528に排出される。末端容積528からは、孔側で使用されたガスが排出口512で容器から排出される。
【0116】
容器515の内部容積にある下部構造の束は、連続したコネクタライン516、518、520によって相互に連続して結合され、連続して配置された外側の下部構造の束は、端子522および524で結合される。
【0117】
容器515はフランジ443で開いて右側の末端部分を取り外すことができ、その後、それぞれの下部構造の束を評価して修理あるいは交換することができる。
【0118】
従って、本発明に沿ったマイクロセルは、隣り合った部品(繊維状マイクロセルシート層、下部構造の束)と次々と、容易に互いを連結させることができ、多孔性で絶縁体の電気を通さない素材でできたシートやシージングボードによって、あるいはこのように隣接したマイクロセル部品間の電気的干渉を確実になくすような方法で、相互に遮断することができる。本技術の高度な方法のおかげで、図32および33で示された多数の下部構造の束は一例に過ぎず、本発明の特定の応用分野では、特定の実施例でのエネルギー発生の需要や、他システムの構造上、操作上のパラメータによって、多数の下部構造の束を様々に変化させることができる。
【0119】
本発明のマイクロセル部品を利用した高電圧電気化学的セルの製造では、マイクロセルの束状あるいはシート状アセンブリを製造する。例えば、200アンペアの設計電流が必要な場合、多数の繊維状マイクロセルを並列に接続し、必要な電流を発生させる。得られたマイクロセル構造は円筒状に束ねられるか、複数の層を持ったアセンブリを形成するために用いる。束の場合、陽極および陰極の繊維状要素は電気的に絶縁状態である必要があるが、それでもお互い密接に接触していなければならない。この高電圧を達成するためは、シートあるいは束を連続に接続する、つまり、1つのセルの陽極を次の隣接したセルの陰極に接続する。相互に連続結合したセル、束、あるいはシートを同一の容器に埋め込んで密閉すれば、望みの高電圧を発生する電気化学的セルモジュールとなる。
【0120】
端子の管理
マイクロセル要素を束ねるか、そうでなければ小型の構造に集めて、モジュール式電気化学的セルアセンブリを形成すると、得られた電気化学的エネルギー生成/エネルギー変換装置は作動中に多量の熱を発生する。
マイクロセアセンブリから熱を取り除くため、今回の発明に沿って様々な方法が利用できる。
【0121】
本発明の1つの特徴では、伝熱管をマイクロセル束、下部構造の束、あるいは他の集合マイクロセルアセンブリに分配する。好適な実施例では、このような伝熱管を、マイクロセルアセンブリの繊維状マイクロセル要素と並列に配置する。
【0122】
別の実施例では、伝熱管をアセンブリの下部構造の束間に置き、伝熱管が少なくとも(下部構造の束の端あるいは外側の一部が取り付けられている)管シート面の一端から反対の端まで延びるようにする。本技術の高度な方法のおかげで、伝熱管の数、サイズ、材質は、回収する必要のある熱量、燃料電池の操作温度、使用している熱交換液の種類、液体のポンピング要件あるいは流速によって容易に決定できる。
【0123】
燃料電池モジュールのマイクロセル繊維の孔側に流れる、燃料からの熱交換液分離を管理するため、伝熱管の長さがシェル側のマイクロセルホローファイバーの孔側を密閉する管シート以上になるように、伝熱管の長さを選択することができる。次に伸張した伝熱管を再度取り付け、伝熱管の孔とマイクロセルホローファイバーの孔の間にバリアを形成する。
【0124】
伝熱管を取り付けた燃料電池モジュールの最終アセンブリは、最初の容器の一端に熱交換液を導入する注入口を付けた構成、および2つの結合部位(つまり結合した伝熱管と結合したマイクロセル要素)の間にマイクロセルの孔側に燃料を導入する注入口を付けた第二の容器を含んでいることが好ましく、容器の構造は反対側で対応した構造になっており、熱交換液と使用した燃料を排出するそれぞれの排出口があることが望ましい。
【0125】
今回の発明に沿ったマイクロセルの電気化学的セルモジュールについて、代わりに利用できる熱管理デザインでは、マイクロセル構造の孔側かシェル側のいずれか、またはその両方の電流コレクタとして、中空の、非多孔性、伝導、伝熱の管を利用する。電流コレクタは各管シートの反対側で終端するため、熱交換の電流コレクタ管を上述のように取り付け、一端のみで熱交換液の容器と孔側/供給を隔離することになる。反対の末端では、伝熱管が管シートで終端する。
【0126】
この配置では、熱交換液と孔に流れる燃料を、排出口で混ぜることができる。このシステム設計では、熱交換液がマイクロセルの孔に入らず、触媒あるいは電解質と接触しない。例えば、孔に流れる燃料と熱交換液を同じ方向でモジュールに供給することができ、熱交換液と孔に流れる燃料がマイクロセルの燃料注入口以外では、混ぜらないようにすることができる。
【0127】
次に、熱交換液を別のユニットで回収するか、容器のプレナムを利用して熱交換液を収集し、リサイクルすることができる。例えば、燃料が気体あるいは水素ガスの場合、熱交換液と熱量の分離は容易に達成することができる。
【0128】
熱交換液と孔に流れる燃料が同じ(例えば空気)という特別な実施例では、熱交換液と燃料を混ぜることもでき、さらに分離する必要はない。
【0129】
さらなる実施例では、マイクロセル要素のシェル側あるいは孔側の電流コレクタから、熱を伝導することで、マイクロセルモジュールから熱を取り除く。このアプローチでは、電流コレクタの末端を延ばし、マイクロセルモジュールの入った容器内側のプレナム、あるいは繊維孔に出入りする燃料の注入口あるいは排出口で、容器内に位置する熱交換路にある熱交換液に浸す。後のケースでは、熱交換通路の入口と出口が、マイクロセルモジュールの内容積と漏れないようにしっかり分離されている。
【0130】
図を参照すると、図34は示されている通り、伝熱繊維や伝熱管538をマイクロセル束532に散らばせた(分布させた)マイクロセルアセンブリ530の断面図である。
【0131】
示されているマイクロセルアセンブリでは、各マイクロセル束を管シート536の対応したサイズの孔に取り付け、マイクロセル束をOリングのシーリング剤により、そのような孔で漏れないようにしっかりと密閉している。もう1つの方法としては、マイクロセル束532の末端伝熱管538を取り付け、管シート536を形成する。
【0132】
図35は、空気路/燃料路および伝熱路を示した、燃料電池モジュールの横断立面図である。
【0133】
燃料電池モジュール540は、結合材552および554によってマイクロセルアセンブリ550が取り付けられた容器541で構成されている。結合材は、Oリングのシーリング剤556および558によって、容器の内壁周囲と密閉するようにかみ合っている。この方法では、結合材552および554で固定された容器に、内容積560ができる。ガス排出口586は、容器の主要な中央部に取り付けられ、アセンブリ550のマイクロセル要素のシェル側とガスの流れをつないでいる。
【0134】
図35の燃料電池モジュールは、それぞれ、容器541の内壁とOリングのシーリング剤578で密閉するようにはめ込まれた管シート562、容器の内壁とOリングのシーリング剤580で密閉するようにはめ込まれた管シート578を特徴としている。
【0135】
このような配列では、中間にある容積576が結合材552と管シート578の間にあり、末端容積が示されている図の左側、容器の端にある。
【0136】
対応して、中間容積568が結合材554と管シート562の間に形成され、図35では、容器の右端部分で末端容積も図に示されている。
【0137】
冷却剤の注入口582は燃料電池モジュール容器の右端部分にあり、冷却剤の注入口590は容器の左端要素にある。
【0138】
燃料注入口584はモジュールの中間容積568とつながっており、使用された燃料の排出口588はモジュールの反対側の末端で、中間容積576とつながっている。
【0139】
マイクロセルアセンブリ550の横断面に(縦軸を横切って)分布しているのは、複数のホローファイバー伝熱路604であり、これはマイクロセルアセンブリおよび中間容積の全長に延び、管シート562および578を越えてそれぞれ末端容積566および565に延びている。
【0140】
中央の送管592は右側から容器に入り、マイクロセルアセンブリ550の中央まで延びている。マイクロセルアセンブリ内では、特徴として送管に孔が開いており、マイクロセルアセンブリの繊維状マイクロセル要素のシェル側に燃料を供給している。
【0141】
中間容積568および576の電流コレクタは、それぞれ端子600および602にはめ込んであり、この端子は容器541の外に延びている。
【0142】
容器541はフランジ570と連結し、適当な機械的な留め金によって固定されている。ここでは、容器の右中央の容積および末端容積部分は取り外し可能になっていて、燃料電池モジュールの内部につながっている。
【0143】
作動中は冷却剤が(図35に示されていない外部の供給源から)末端容積566に流れ、末端が開いた伝熱管604を流れ、軸方向に管を流れて反対側の末端容積565に行き、ここから冷却剤が排出口590を通して排出される。また、例えば連続したループのように、注入口582に冷却剤が再循環して熱回収を行うようにもすることができる。同時に、供給(酸化剤および燃料)がマイクロセルアセンブリ550のマイクロセル要素のシェル側および孔側それぞれに導入され、電気化学的反応により電力が発生して、それぞれ端子600および602を介して外部負荷に伝わる。このような目的では、端子は適当な回路と外部負荷コンポーネントと結合している。
【0144】
図36は、繊維状マイクロセル要素612が散らばったホローファイバー614を組み込んだマイクロセル束610の断面図である。 このような束では、ホローファイバーが外部電極として機能し、熱交換も可能になっている。従って、マイクロセルアセンブリの操作中、束から偶発的に電気化学的反応により発生した熱を取り除くため、例えば空気などの伝熱物質の流れを介して、内腔の孔を通過させることに加え、ホローファイバーを電気触媒物質でコーティング、含侵、押出することができ、そうでなければ電極要素として構成し、機能的に使用することができる。
【0145】
図37は、ホローファイバーの伝熱要素を利用した燃料電池モジュールの断面からの側面図である。
【0146】
図37の燃料電池モジュール620は容器625で構成され、フランジ構造624でつばが付けてある。これが容器の右部分を分け、主要な中央部分から切り離し、モジュールの内部構造につながっている。容器625には、結合材628および630で結合されたマイクロセル束626が含まれ、容器625の内壁表面がOリングのシーリング剤632および634で漏れないようにしっかりと密閉され、内壁とそれぞれの結合材628および630で仕切られた、容器内の内容積636を規定している。
【0147】
結合材630の軸方向にあるのが管シート640で、ここでは内容積660を規定し、容器の内壁をOリング要素642で密閉している。
【0148】
電流コレクタを構成する伝熱管は管シート628で終端し、伝熱/電流コレクタ管が容器622の末端容積662につながっている。
【0149】
容器内の管シート640の外側が末端容積658である。中央送管641は容器の末端壁622よりも長く、マイクロセルアセンブリ626の中央に延びている。このような中央送管はマイクロセルアセンブリ内で孔が開いており、アセンブリのシェル側に燃料を供給している。
【0150】
容器の右部分はフランジ624で取り外しができ、モジュールの内部につながっている。【0151】
中間容積660には、燃料を導入し、アセンブリ626を介して容積662に燃料を流す注入口646がある。容積662には、使用した燃料を排出する排出口648がある。容器の中間容積636には、シェル側で使用された燃料を排出する排出口538がある。
【0152】
モジュールの末端容積658には、冷却水を導入し、この容積に延びるホローファイバー要素に冷却水を流す注入口644がある。ホローファイバー要素を介して軸方向に流れた冷却水は反対側の末端容積662に流れる。
【0153】
本実施例のホローファイバーの伝熱路はホローファイバーの電極で形成され、示されている通り、このような電極が、それぞれ対応する端子652および656と末端容積で共役している。
【0154】
図38は、熱伝導により電流コレクタから熱交換を行う燃料電池モジュールの横断立面図である。モジュール700には、マイクロセルアセンブリ704が含まれる容器702があり、それぞれOリングのシーリング材710で密閉された結合材706、およびOリングのシーリング材712で密閉された結合材708が取り付けられている。その結果、内容積720の範囲が規定され、内容積720から使用された燃料を排出する排出口740につながっている。
【0155】
中央送管714はマイクロセルアセンブリ704の中央に延び、マイクロセルアセンブリ内で縦に沿って孔が開いており、アセンブリのシェル側に燃料を供給している。
【0156】
容器702の末端容積724には、燃料を導入し、マイクロセルアセンブリ704の孔を通過して末端容積722に燃料を流す注入口742があり、末端容積722からは、排出口732から使用された燃料を排出する。
【0157】
このモジュールでは、熱交換器746が末端容積724に含まれ、マイクロセルアセンブリの電流コレクタ要素と接触して熱交換を行っている。(図38には示されていない供給源からの)熱交換液を熱交換器あるいは注入口748に導入し、循環させて排出口750から排出させる。
【0158】
同様の方法で、反対側の末端容積722には、熱交換器780と熱交換液を受けとって流す注入口728、および2つ目の熱交換器780から熱交換液を排出させる排出口730が含まれる。
【0159】
それぞれの末端の電流コレクタは、端子738および736と導電接続している。容器702の左部分にはフランジ726でつばが付けてあり、これにより容易に容器を開放し、容器の内部にアクセスすることができる。
【0160】
図39は、本発明の1つの実施例としての、燃料電池系の回路図である。燃料電池系780にはマイクロセルモジュール782が含まれ、ここには冷却液の注入口810、冷却液の排出口792、燃料注入口794、酸化剤注入口799、使用された燃料の排出口786、使用された酸化剤の排出口804と連結した容器784が含まれている。燃料注入口786は、背圧調節バルブ788とつながった排出ラインに結合している。同様の方法で、使用された酸化剤の排出口804は、背圧調節バルブ808とつながった排出ライン806に結合している。それぞれの背圧調節バルブ788および808を調節し、燃料および酸化剤類が関与した電気化学的反応の速度と程度を制御することができる。
【0161】
この系には、燃料供給タンク798が含まれ、燃料注入管794につながった燃料供給ライン796と結合している。同様に、酸化剤タンク802には、酸化剤供給ライン800が結合し、これが酸化剤注入口799と共役している。
【0162】
この系では、冷却剤を循環させる配置が取られており、冷却剤排出口792と結合した再循環ライン816があり、そこにポンプ818と熱交換器820が配置されている。熱交換器820は暖まった冷却液から熱を取り除き、この液をサージタンク814にリサイクルして供給ライン812から冷却水注入口810に戻す。
【0163】
その結果、図39で示されたシステムが稼働すると、容器のホローファイバー製伝熱管を通して冷却液が流れ、サージタンクに連続的に再循環し、サージタンクでは冷却水を滞流させて高率で電気化学的酸化を行う。
【0164】
二重膜のマイクロセル構造とアセンブリ
本発明の特別な応用分野では、通常、マイクロセル構造が二重膜構成で利用される。
【0165】
1つの実施例では、このようなタイプのマイクロセル構造を、ホローファイバー製内部隔離板によって容易に形成し、内側電流コレクタおよび内部電極の電気触媒をシェル側に取り付ける。このようなホローファイバー製内部隔離板は、ホローファイバーの外部隔離板によって囲まれている。外部ホローファイバー膜の孔を電解質に侵し、外部電極の電気触媒で外部ホローファイバー膜のシェル側をコーティングし、二重膜のマイクロセル構造を形成する。
【0166】
二重膜のマイクロセル構造は、希望に応じて、ホローファイバー製内部隔離板を、燃料(水素や酸素など)を選択的に浸透させる膜として利用することができるため、有利である。これは、例えば内部隔離板の内壁やシェル外側を、望みのガスを優先的に電極に浸透させる選択透過素材でコーティングすることにより、達成できる。従って、この二重膜デザインは、電気触媒あるいは電解質が燃料中の有害となりうる不純物に接触するのを軽減あるいは除去する上で、利点がある。この選択透過膜に使用することができる素材は、セルロース・エーテル、ポリイミド、ポリスルホン、パラジウムなどである。
【0167】
二重膜の隔離板を含む別のマイクロセル構造では、内部隔離板の内壁をCO−H2O変換を低温で行う改質触媒に浸すか、これによってコーティングすることもある。このようなデザインでは、内部隔離板のシェル側が陽極あるいは陰極の燃料を選択できる素材でコーティングされている。
【0168】
別の二重膜デザインでは、水素あるいは酸素を選択できる素材で陽極あるいは陰極をコーティングする。このような場合、外側のホローファイバー膜のシェル側で保護用の選択透過素材を導電性とし、外部電極の電流コレクタとシェル側の電気触媒で電気的に接触できるようにする必要がある。パラジウムなどの選択透過素材をこのような目的で使用することもできる。代わりに必要であれば、伝導性の選択透過素材を陰極あるいは陽極コンポーネントのいずれか1つに用いることもできる。
【0169】
二重膜加工を利用したさらに別のデザインでは、伝導性のホローファイバー製内部隔離板を利用する。このような伝導性のホローファイバー製隔離板は、焼結金属、カーボン、グラファイトにより生成できる。このような二重膜デザインの実施例の中には、内部ホローファイバーの伝導性によっては、内側電流コレクタが必要ないものもある。
【0170】
内側および外側のホローファイバー膜は、例えばポリプロピレン、ポリスルホン、ポリアクリルアミドなど、適切であれば、いかなる市販の膜とすることもできる。1つの実施例では、例えば、存在しうる他のガスやコンポーネント(燃料不純物など)を通過させないで、供給ガス(燃料、酸化剤)を選択的に透過できるようにするなど、膜に選択透過性を持たせるように処理する。特定の例の方法によって、溶液を沈着させる、電解質でコーティングするなどによって、保護用の水素透過バリア層を沈着させ、膜表面に、水素は通過できるが窒素あるいは酸素は閉鎖されるパラジウムフィルムを形成させることができる。例えば、Gryaznov et al., ”Selectivity in Catalysis by Hydrogen−Porous Membranes ”, Discussions of the Faraday Society No 72 (1982), pp. 73−78、Gryaznov, ”Hydrogen Permeable Palladium Membrane Catalysts ”, Platinum Metals Review, 1986 30 (2), pp. 68−72、およびArmor, ”Catalysis with Permselectrive Inorganic Membranes”, Applied Catalysis, 49 (1989), pp. 1−25を参照していただきたい。
【0171】
図40は、マイクロセルの陽極あるいは陰極に導電性の選択透過膜を用いた、二重膜デザインのマイクロセル900の断面図である。マイクロセル900は、外側の電気触媒層912、微小孔性の膜/電解質910、電気触媒908、内側の水素あるいは酸素選択性膜906、内孔904中の電流コレクタあるいは電極要素902で構成されている。
【0172】
図41は、マイクロセルの陽極あるいは陰極を保護する選択透過膜を用いた、二重隔離デザインのマイクロセル914の断面図である。マイクロセル914は、外側の電気触媒層930、微小孔性の膜/電解質928、電気触媒926、電流コレクタあるいは電極要素922、多孔性の内部隔離板920、内側の水素あるいは酸素選択性膜918、内孔916で構成されている。
【0173】
図42は、マイクロセルの陽極および陰極要素を覆う選択透過膜を用いた、二重隔離デザインのマイクロセル932の断面図である。マイクロセル932は、外側の水素あるいは酸素選択性の導電性膜948、電気触媒層946、微小孔性の膜/電解質944、電気触媒942、電流コレクタあるいは電極要素940、多孔性の内部隔離板938、内側の水素あるいは酸素選択性の膜936、内孔934で構成されている。
【0174】
図43は、マイクロセルの陽極と陰極両方を覆う選択透過膜、および導電性の内部隔離板を用いた、二重隔離デザインのマイクロセル950の断面図である。マイクロセル950は、外側の水素あるいは酸素選択性の導電性膜966、電気触媒層964、微小孔性の膜/電解質962、電気触媒960、伝導性、多孔性の電流コレクタあるいは電極要素958、内側の水素あるいは酸素選択性の膜956、内孔952で構成されている。
【0175】
図44は、マイクロセルの陽極と陰極両方を覆う選択透過膜、および内部隔離板の内壁に改質触媒を用いた、二重隔離デザインのマイクロセル970の断面図である。マイクロセル970は、外側の電気触媒層986、微小孔性の膜/電解質984、電気触媒982、電流コレクタあるいは電極要素980、内部の水素あるいは酸素選択性膜978、多孔性の内部隔離板976、CO−水変換/改質触媒97、内孔972で構成されている。
【0176】
マイクロセル構造とこれを含むアセンブリの製造
商業用の大量生産については、そのコンポーネントのほとんどを入れたマイクロセル装置を、1回の押出段階で高率に製造できることが望ましい。この大量加工プロセスの重要な側面は、内部電極を微小孔性の膜隔離板で囲むことである。
【0177】
このような目的では、押出成形(紡糸口金)の孔先の管の中心に、導電性の繊維鎖を通すことができる。「ドープ」と呼ばれる、微小孔性の膜隔離板の骨格を形成する素材が、孔先の管の周りで連続して押し出され、導電性の繊維鎖となる。窒素のような気体あるいは水のような液体など、内部の凝集液が、内部の電極繊維あるいは繊維状電流コレクタに沿って孔先の管を通過する。
【0178】
上述の操作では、マイクロセル繊維のサイズは押出成形の開口部のサイズによって決定される。このような開口部は、例えば100ミクロン以下という規模から、様々なサイズとすることができ、膜はこれに対応して厚さ数ミクロンという薄さにすることもできる。
【0179】
マイクロセルの加工方法でインクペーストを利用した場合は、電気触媒ペーストが同時に孔から押出される。押出された繊維を、急冷槽あるいは水などの外部凝集剤に浸す。押出された繊維が凝集/クエンチ操作を経ると、孔先にある水溶性化合物が凝集/失活剤に到達した時、内部電極の周りに微小構成の膜構造が即座に形成される。
【0180】
膜のドープ形成、使用した凝集剤のタイプ、紡糸操作の温度などのパラメータを選択し、それに対応して制御することによって、膜隔離板の孔の構造、多孔率、孔の大きさを正確に制御できる。特定の条件は、本技術の高度な方法のおかげで、必要以上の努力をしなくとも簡単な実験でかかるプロセスにより容易に決定できる。
【0181】
ポリスルホン、ポリアクリルアミド、他の高温ポリマー、ガラス、セラミック素材など、微小孔性の膜隔離板を形成するには、様々な素材が有用であり、制限がない。
【0182】
上述の紡糸工程によって、マイクロセルを連続的に高率で加工することができる。
【0183】
高分子電解質型燃料電池や外部電極の電気触媒の例では、微小孔性の膜隔離板−カプセル化された内部電極構造の形成後、このカプセル化構造をイオン交換ポリマーで外側(シェル側)をコーティングするか、含侵する。同様の押出プロセスにより、有利にこのような外部コーティングを行うことができる。
【0184】
図45は、ナフィオンあるいは電気触媒により膜繊維992を浸すための溶液含侵系988の概要工程図である。膜繊維992は繊維スプール990から出て、ローラー994の作用により、溶液槽996を通過し、ここで繊維が含侵される。含侵された繊維はその後、ガイドロール998を越え、加熱体999の列を通り、最終的にテークアップワインダ1000につながる。
【0185】
本発明の電気化学的セルのさらなる応用例は、化学物質の生成などである。本発明に沿って加工されたマイクロセルを利用して化学合成に有利に応用することができ、このマイクロセルは、化学反応に必要な単位容積当たりの高電流密度、電極膜の距離(厚さ)を最小限としたことによる低い内部抵抗、物質移動抵抗が低いことによる高効率をもたらす。
【0186】
さらに、今回の発明によって加工されたマイクロセルを利用し、他の形態の電力が利用できる場において、水素および酸素を発生させることもできる。このような応用分野では、セルで生成した水素(あるいは他の燃料ガス)を保存し、発電に利用することができる。
【0187】
例えば、マイクロセルの繊維構造で電流コレクタの周りに高分子の多孔質膜が形成された後、この構造を直接、ナフィオン溶液(固体5%の水溶液あるいはアルコール液)などの水溶性ポリマーの電解質溶液に通し、多孔性の高分子膜の孔にポリマー電解質を浸すことができる。工程中の、多孔性の高分子膜を電解質含浸剤の組成に浸す時間、繰り返し構造をこの組成に接触させる場合の接触回数(つまり、1回通過させるか、2回通過させるかなど)によって、含侵されたポリマー電解質の量を様々に選択することができる。
【0188】
電解質を浸したのと同じ工程ライン、あるいは代わりに続く加工操作段階において、1つの工程実施例では、マイクロセル繊維を乾燥し、H2[PtCl6]を含むメッキ溶液を使用して、電気触媒素材として白金に染み込ませる。この後、水素化ホウ素ナトリウム(NaBH4)などの還元剤槽に繊維を通し、白金の組成を元素の金属白金に還元する。
【0189】
本発明の1つの実施例に沿ったこの連続技術を利用し、膜のシェル外側のみを白金に染み込ませる。白金メッキ溶液を繊維の孔から汲み上げることで繊維を容器に取り付けた後に、膜の内壁を染み込ませる。
【0190】
別の実施例では、繊維を取り付けた後に、繊維のシェル側および孔側両方を染み込ませる。
【0191】
イオン交換用のナフィオンの電解質溶液を膜の孔に含侵した後、本発明の別の側面に沿って、適当な粒子サイズの活性炭をのせた翼形の白金により電気触媒をコーティングする。白金をのせた活性炭粒子は、通常、重量で5〜10%の範囲である。原則的には、ペーストの組成を白金をのせた活性炭粒子、結合材としてナフィオンイオノマー、テフロン(登録商標)であるポリテトラフルオロエチレンのエマルジョンとして調整する。その後、繊維のシェル側にペーストをコーティングするか、代わりに押出する。
【0192】
様々な方法で、繊維壁の内側にペーストをコーティングすることができる。1つのアプローチでは、多孔性の膜隔離板要素を電流コレクタの周りに回転させている間に、ペーストを同時に押出成形する。2つ目のアプローチは、事前に電流コレクタの周りにペーストを押出してから、電流コレクタを膜繊維に挿入する。3つ目のアプローチとして、セルアセンブリの形成と取り付けが終わってから、薄いペーストを多孔性の膜隔離板の孔にポンピングすることもできる。
【0193】
別の実施例では、多孔性の膜隔離板要素の内側に電解質を入れ、白金イオンを含む溶液からの電着、電解メッキ溶液による工程、あるいは無電解メッキ溶液による工程によって触媒を塗布する。
【0194】
マイクロセルアセンブリの腐食管理
従来の燃料電池技術の応用分野では、通常、電流コレクタとして使用する素材は、グラファイトの種類に限られていた。アルミニウムあるいはチタンで形成される電流コレクタは、金などの耐食コーティング剤でコーティングすることができるが、燃料電池の作動時に特徴的な、過度の腐食条件や熱サイクル下では、このようなコーティング剤は電流コレクタ要素から剥がれたり層間剥離する傾向がある。
【0195】
マイクロセル要素を使用することで、グラファイト素材以外の電流コレクタの素材を構成要素として利用することができる。電気化学的セルモジュールのマイクロセル構造で利用される金属繊維は、様々な技術でコーティングすることで、耐久性のある耐食性を達成することができる。このような目的の有用なコーティング技術には、耐食性の金属組成やポリアナリンなどの高分子素材を用いた、電気化学的沈着、無電解コーティング、浸せき塗装、押出などがあり、制限がない。
【0196】
電流コレクタに使用されるコーティング用の金属物質の好適なアプローチとして、プラズマコーティング技術により沈着したアモルファス金属組成を使用することなどがある。一般に、コーティング剤の構成がアモルファス状である方が、耐食性は優れる。さらに、様々なアモルファス状の金属組成は、表面積を非常に大きくする。このように表面積の大きい金属組成の例として、ニッケル水素の電気触媒素材がある。このような表面積の大きい金属組成を使用することは、本質的には、繊維状のマイクロセルの表面積を大きくすることにつながり、このようなアモルファス状の金属コーティングが燃料電池の水素貯蔵に効果的に利用できることから、構造的、操作的に大幅な利点となる可能性がある。
【0197】
金属繊維物質の耐食性を向上させる別のアプローチとして、金属繊維を重合前駆物質あるいはその他の有機コーティング剤でコーティングし、そのコーティングを炭化することもできる。金属繊維上にグラファイト素材を形成する高分子の炭化により、耐食性であるが、炭素あるいはグラファイトのみの場合よりも高い伝導性を持ったコーティングが生じる。
【0198】
コーティングの処理でピンホールが存在した場合、腐食したり、マイクロセルの一部分から他の部分への接続が途切れる可能性があり、これはセルの有用な電力密度を低下させる。別のアプローチでは、炭素繊維がマイクロセルの電流コレクタと密接に接触するように、マイクロセルの孔あるいはシェル側に炭素繊維を一緒に配置するという製造方法により、このような電気的な切断による欠陥を避ける。このような配置では、電気化学的セルの作動中に電流コレクタが腐食してしまった場合でも、炭素あるいはグラファイトの繊維がそこを通る電流の流れを維持し、その結果、かなりの腐食が生じて電流コレクタ要素が切断あるいは変質しても、電気が途切れることはない。
【0199】
燃料電池が腐食した条件で金属製の電流コレクタ繊維の耐用年数を向上するため、金属繊維をポリマー素材などの化合物でコーティングすることは有利であり、この後、コーティングされた繊維のポリマー素材が熱分解を受けやすくなる。それ自体が炭素繊維を形成する、従来利用されてきた技術を利用し、繊維をコーティングした素材を熱分解し、炭素に変化させる。
【0200】
(サイズに関係なく)金属製の電流コレクタ繊維の連続層を形成すると、放射状および縦方向に電気を通す繊維が形成され、同時に表層がその下の金属を腐食から保護するため、耐食性となる。
【0201】
図46は、外表面に高分子化合物のコーティング1006を施した金属繊維1004を含む、導体要素1002の立面図である。例えば溶射、浸せき塗装、ローラー塗装など、適切な方法で繊維をコーティングする。
【0202】
図47は、図46の熱分解した後の対応する繊維1002を示したものである。その外表面は熱分解された炭素のコーティング1008で構成されている。
【0203】
電流コレクタおよび電極の準備については、本発明の1つの実施例では、マイクロセルの伝導性金属繊維を銅、アルミニウム、あるいはチタンの繊維で構成し、直径が約100ミクロンから約10,000ミクロンの範囲とし、金や白金など、適切な厚さの耐食性金属でコーティングする。
【0204】
代わりに、直径が約100ミクロンから約10,000ミクロンの範囲で、優れた伝導性を持つ炭素/グラファイト繊維を利用し、白金などの金属触媒により硬化することもできる。このような白金の硬化は、H2[PtCl6]を含むメッキ溶液に繊維を接触させ、その後水素化ホウ素ナトリウム(NaBH4)に接触させて白金化合物を元素の金属白金に還元することで、有利に行うことができる。
【0205】
電流コレクタに関しては、ピンホールやコーティングの欠陥があると、金属電流コレクタの腐食が加速される。このような腐食の結果、(導体の連続性が損なわれる結果)繊維状のセルが切断されたり、動作不能となる可能性があるマイクロセルの電圧および電流が一部切断されるのを避けるため、繊維状の炭素電流コレクタをコーティングされた金属繊維の横に置くことは有利である。図48では、コーティングされた金属繊維1012の横に繊維状の炭素電流コレクタ1014を置いたものを示している。図48に示す通り、炭素繊維1014はコーティングされた繊維1012と密接に接触することになる。
【0206】
図49では、図48のコーティングされた金属繊維1012を切断した繊維アセンブリを示している。腐食によりコーティングされた金属繊維の連続性が一点で切断された場合には、腐食した金属繊維1012の2つの部分と接触した炭素繊維1014が連続性を保ち、炭素繊維/金属繊維の配置の奥行きに沿って、一方から他方へ電流を通過させることができる。
【0207】
マイクロセルアセンブリの水分管理
水が反応の副生成物となるマイクロセルの電気化学的反応では、膜が乾燥するのを防ぐために、燃料を加湿することができ、マイクロセルアセンブリには水を加えたりそこから過剰の水を取り除く水管理システムが含まれていることが望ましい。
【0208】
一般に、マイクロセル構造の表面積が大きく、物質移動抵抗が低いと、マイクロセルモジュールから水を取り除くことは、従来の平面状の燃料電池構造よりも問題にならない。
【0209】
様々な代替法を利用して、マイクロセル燃料電池モジュールの水管理能力をさらに高めることもできる。例えば、燃料電池のアセンブリに伝熱管を利用し、アセンブリがナフィオンでコーティングされたホローファイバー膜、あるいは他の水を選択的に透過させることができるイオン交換ポリマーなどの素材で構成される場合、および熱交換液が水の場合は、燃料電池に水を供給したり燃料電池から熱を取り除くために、伝熱管を用いることができる。
【0210】
燃料電池から熱を取り除く1つのアプローチは、マイクロセル束に分配させるように、多孔性の平面ホローファイバー膜を持たせることである。この構造配置では、燃料電池の稼働中に、水が灯心現象により膜の壁を透過し、ホローファイバーの孔を下に通過して活性表面から取り除かれる。その後、結果として通過した水を、モジュールを含む容器にあるプレナムに集め、システムから排出することができる。
【0211】
燃料電池から水を取り除くことについて、今回の発明では、様々なアプローチを検討している。繊維状セルあるいはマイクロセルでできた燃料電池では、生成した水を取り除くため、親水性化合物で処理したホローファイバー膜を、電極あるいは電流コレクタを含む繊維状セルの間に断続的に詰めることができる。これらのホローファイバー膜はセルのシェル側と密接に接触し、孔側が開いているため、燃料電池で生成した水は、灯心現象により吸収され、ホローファイバー膜の孔を下に通過して、電極を含むセルから取り除かれる。その結果、セルが水で溢れるのを解消することができる。
【0212】
モジュールを垂直に取り付けた場合、水を重力によってセルの下部に集め、そこから排出させることもできる。
【0213】
図50では、ホローファイバーとマイクロセル管の束1020の横断面を示している。この中で、平面のホローファイバー要素1026には、マイクロセルの繊維要素1022およびシェル側の電極1024が散在している。このようなホローファイバー要素を利用して、アセンブリから水を通過させる。図51は、マイクロセル燃料電池モジュール1030の横断立面図であり、示されている通り、垂直に配置したマイクロセルアセンブリ1036を含む容器1032などがある。容器1032にはフランジ1034があり、これによって容器の上端を取り除いて、マイクロセルアセンブリおよび他のモジュールの内部コンポーネントにアクセスすることができる。
【0214】
マイクロセルアセンブリ1036は、上端が結合材1040で取り付けられ、Oリングのシーリング剤1042で容器の内壁と漏れないようにしっかりと密閉されている。同様に、マイクロセルアセンブリ1036は、下端が結合材1044で取り付けられ、Oリングのシーリング剤1046で容器の内壁と漏れないようにしっかりと密閉されている。
【0215】
マイクロセルアセンブリ1036には中央送管1080がはめ込まれ、これはマイクロセルアセンブリの内容積で孔が開いている。さらに、燃料注入口1060が、上部の末端容積1048からアセンブリのマイクロセル要素の孔側に燃料を供給している。ホローファイバー要素の下端で排出された燃料は、下部の末端容積1050に入り、排出口1072あるいは1070で容器から排出される。
【0216】
排出口1078は容器の内部容積1038にあり、内部容積(シェル側)で使用された燃料を排出する。
【0217】
容器1032の下端はプレナムチャンバー1076で構成され、これが重力によって容器の下部に流れた水(凝縮液)を受け取り、溢れた水を排出口1072あるいは1070から排出させる。
【0218】
示されている通り、マイクロセルアセンブリのそれぞれの末端で、電流コレクタ要素がそれぞれの端子1082および1084と結合している。
【0219】
従って、マイクロセルアセンブリに利用されたホローファイバーの管状要素が、このようなホローファイバーの孔で通路に過剰の水を浸透させ、これをプレナムチャンバーに排出させることで、電気化学的燃料電池モジュールから、容易に過剰の水を取り除くことができる。
【0220】
その他、適切な方法を利用して、マイクロセルアセンブリから水を運ぶことができ、これには、マイクロセル束から収集管あるいは収集場所に水を流す、表面張力あるいは毛管効果を利用した要素や構造を含む。例として、1981年3月3日にLeslie C. KunおよびElias G. Ragiに対して発行された米国特許4,253,519で説明している、フィルム圧縮装置の強化構造では、同様の構成のマイクロセル繊維あるいは束、下部構造の束にオーバーレイ構造を有効利用し、液体を流して回収し、これを燃料電池モジュールから排出している。
【0221】
前述の各アプローチでは、電解質/触媒−被含浸コーティング繊維を任意にテフロン(登録商標)であるポリテトラフルオロエチレンのエマルジョンでコーティングし、膜/電極アセンブリに疎水性を与えることもできる。このような臨機応変の措置によって、セルに導入あるいは形成された水は、触媒表面からはじかれ、燃料あるいは酸化剤(水素や酸素など)に対する触媒部位の有効性を向上させる。
【0222】
ここに、特定の実施例、特徴、側面を参照して本発明について説明してきたが、本発明はこれに限らず、他の改良、変化、応用、実施例の実用に拡張され、それに沿った全ての他の改良、変化、応用、実施例が、本発明の精神と範囲に含まれるものとみなされることが認識されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図1】マイクロセルアセンブリの組立を示した、繊維要素構造の透視図である。
【図2】マイクロセルアセンブリの組立を示した、繊維要素構造の透視図である。
【図3】マイクロセルアセンブリの組立を示した、繊維要素構造の透視図である。
【図4】マイクロセルアセンブリの組立を示した、繊維要素構造の透視図である。
【図5】電流コレクタあるいはマイクロセル繊維アセンブリの電極要素をつなぐコネクタの透視図である。
【図6】アセンブリの一方を末端とした、本発明の1つの実施例としてのマイクロセルアセンブリである。
【図7】マイクロセルアセンブリの透視図を分解組立図で示し、連続してつなげられたマイクロセルシートを示した。
【図8】連続してつなげられたマイクロセルシートの層状配列の概略図である。
【図9】マイクロセル層を連続してつなげた配列の三次元透視図である。
【図10】マイクロセルシートを取り付けた配置を示す。
【図11】電気化学的セルを二重に積み重ねた束状の組立で、上面とオプションとして下面に孔を開けた管の透視図である。
【図12】容器に取り付けたマイクロセル繊維束の横断立面図である。
【図13】図12の容器の側面図である。
【図14】マイクロセルシートを二段積み重ねた場合の横断立面図である。
【図15】孔を開けた管の各面で積み重ねるようにシートを配置した、二段重ねのマイクロセル装置の側面図である。
【図16】孔を開けた送管の片面に取り付けた繊維の透視図である。
【図17】孔を開けた送管の両面に繊維を置いた容器を示す。
【図18】マイクロセルのアセンブリを構成する、電気化学的セル装置の側面図である。
【図19】マイクロセル構造を形成する回転軸として使用される、孔を開けた送管を示す。
【図20】図19の孔を開けた管の周りに回転あるいは巻き付けることができる、繊維状マイクロセルとシェル側の電流コレクタのシートを示す。
【図21】図20のシートを回転させているところを示したものである。
【図22】図20のシートが回転し終えた形である。
【図23】繊維状マイクロセル部分とシェル側の電流コレクタのシート、および絶縁シート(ファイバーグラスや多孔質のプラスチック素材など)を示す。
【図24】繊維状マイクロセル部分とシェル側の電流コレクタのシートを2枚ずつ含めた、シートアセンブリの透視図である。
【図25】埋め合わされた繊維層状のシートを用いたマイクロセルアセンブリの側面図である。
【図26】マイクロセルを束にしたものの断面図である。
【図27】本発明の1つの実施例として、マイクロセルの下部構造の束を連続的につなげた場合の側面図である。
【図28】マイクロセルの下部構造の束をコンポーネントとして、連続につなぐために用いられるコネクタの透視図である。
【図29】複数の束を持つアセンブリで、その中に、各束に対応する送管を入れた場合の横断立面図である。
【図30】複数の束を持つアセンブリの中で、それぞれの束が連続して接続された場合の横断立面図である。
【図31】下部構造の束を複数入れた燃料電池モジュールで、空のまま密閉した要素がモジュールを囲った部分の表面シートを封鎖している場合の断面図である。
【図32】マイクロセルでできた下部構造の束が複数あり、分岐させて配置した送管を持つ燃料電池モジュールの側面図である。
【図33】今回の発明の1つの実施例として、下部構造のマイクロセル束を含むモジュール容器の内部容積に、送管を通過させたものを示した断面からの側面図である。
【図34】伝熱繊維や伝熱管をマイクロセル束に散らばせたマイクロセルアセンブリの断面図である。
【図35】下部構造の束の間に散らばった空気路/燃料路および伝熱路を示した、燃料電池モジュールの横断立面図である。
【図36】ホローファイバーが外部電極要素として機能し、熱交換が可能なマイクロセル束の断面図である。
【図37】熱交換/電流コレクタ用のホローファイバーを持つ燃料電池の横断面からみた側面図である。
【図38】熱伝導により電流コレクタから熱交換を行う燃料電池モジュールの横断立面図である。
【図39】本発明の1つの実施例としての、燃料電池系の回路図である。
【図40】マイクロセルの陽極あるいは陰極に導電性の選択透過膜を用いた、二重膜デザインの断面図である。
【図41】マイクロセルの陽極あるいは陰極を保護する選択透過膜を用いた、二重隔離デザインの断面図である。
【図42】マイクロセルの陽極と陰極両方を覆う選択透過膜を用いた、二重隔離デザインの断面図である。
【図43】マイクロセルの陽極と陰極両方を覆う選択透過膜、および多孔性、導電性の内部隔離板を用いた、二重隔離デザインの断面図である。
【図44】マイクロセルの陽極と陰極両方を覆う選択透過膜、および内部隔離板の内壁に改質触媒を用いた、二重隔離デザインの断面図である。
【図45】ナフィオンあるいは電気触媒に膜繊維を浸すための溶液含侵系の概要工程図である。
【図46】外表面に高分子化合物を持たせた金属繊維の正面図である。
【図47】図46の熱分解後で、その外表面が熱分解された炭素でコーティングされた繊維を示す。
【図48】コーティングされた金属繊維の横に繊維状の炭素電流コレクタを置いたものを示す。
【図49】図48のコーティングされた金属繊維を切断した繊維アセンブリを示す。
【図50】ホローファイバーとマイクロセル管束の断面を示す。ここでは、平らなホローファイバー要素がアセンブリから水を運ぶために用いられている。
【図51】モジュールから排出された水が下のプレナムスペースに流れて取り除かれるように配置し、マイクロセル束を垂直、上方に拡張したものを示す。[0001]
Field of the invention
The present invention relates to electrochemical devices and assemblies with microcells, methods of making such devices using various techniques, and methods of using such devices and assemblies.
[0002]
Technical description
In the technical field of energy supply and energy conversion equipment, especially in the development of fuel cells and batteries, develop equipment with sufficient power (high current and / or high voltage), high current density and high energy output per unit volume Attempts have been made to do so.
[0003]
Electrochemical cells, such as batteries and fuel cells, are relatively simple in structure, use an anode and a cathode that are separated to avoid internal short circuits, and arrange the electrodes so that they come into contact with the electrolyte solution. I have. When the electrode circuit is conjugated to an external load by a chemical reaction of the electrodes, the chemical energy of the reaction is converted to electrical energy and the flow of electrons produces power.
[0004]
In battery cells, a separator can be used between each electrode, in which multiple sheet-like elements are arranged in a continuously facing assembly or such sheets are wound together in a (helically) rotated configuration You can also.
[0005]
Fuel cells are currently of great interest as power sources for electric vehicles and in distributed power applications.
[0006]
In a fuel cell, fuel is introduced and brought into contact with the electrode (anode), and the oxidant contacts the other electrode (cathode), establishing the flow of cations and anions and coupling external loads to the cell. Then, a flow of electrons occurs. The output of the current is controlled by a number of factors, such as the catalyst immersed in the electrodes (eg, platinum in the case of a liquid hydrogen fuel cell), the kinetics of the specific fuel / oxidant electrochemical reaction.
[0007]
Currently, single cell voltages range from about 0.6 to 0.8 volts for many fuel cells. As current density increases, voltage and cell efficiency decrease correspondingly, so operating voltage varies with current. As the current density increases, much of the potential energy is converted to heat, which reduces the electrical energy of the cell.
[0008]
It is also possible to incorporate a reformer into a fuel cell and create an arrangement in which the reformer generates fuel such as hydrogen from a feedstock such as natural gas or methanol. Thereafter, the fuel products from the reformer are used in the fuel cell to produce electrical energy.
[0009]
In this technique, many types of fuel cells are described. To name this,
・ Polymer electrolyte fuel cell using fluorinated sulfonic acid polymer or similar polymer as electrolyte
An alkaline fuel cell that uses an electrolyte such as potassium hydroxide and is a substrate between electrodes containing a catalyst such as nickel, silver, metal oxide, spinel, or noble metal, and that maintains the KOH electrolyte.
・ A phosphoric acid fuel cell using concentrated phosphoric acid as the electrolyte that operates at high temperatures
A molten salt fuel cell using an alkaline carbonate or sodium / potassium electrolyte, operating at a temperature of about 600-700 ° C. in a lithium aluminate ceramic substrate, wherein the alkaline electrolyte forms a highly conductive molten salt;
Using a metal oxide such as yttria-stabilized zirconia as the electrolyte and operating at a high temperature, oxygen ion conduction is promoted between the cobalt-zirconia or nickel-zirconia anode and the strontium-doped lanthanum manganate cathode , Solid oxide fuel cell
and so on.
[0010]
Fuel cells are relatively efficient and have very low levels of exhaust gas / emission solids. Because of these features, fuel cells are currently of great interest as energy conversion devices. The efficiency of conventional fuel cell plants is typically in the range of 40-55%, depending on the lower heating value (LHV) of the fuel being used.
[0011]
In addition to low emissions to the environment, the fuel cell operates at a constant temperature, and the heat generated from the electrochemical reaction can be applied to waste heat power generation, improving overall efficiency. Because the efficiency of fuel cells is completely independent of size, fuel cell designs are scalable to a wide range of electrical power from watts to megawatts.
[0012]
A recent innovation in the field of electrochemical energy is the development of small electrochemical cells, or microcells, used in the application of electrochemical devices such as batteries and fuel cells. All microcell technologies are based on RayR. This is described in U.S. Patent Nos. 5,916,514, 5,928,808, 5,989,300, 6,004,691 to Eshraghi. The microcell structures described in these patents consist of hollow fiber structures connecting electrochemical cell components.
[0013]
The above-mentioned Eshraghi patent describes an electrochemical cell structure in which a single cell is composed of an electrode or its active material, a separator of a porous membrane, an electrolyte, a second electrolyte or a fiber containing the active material. are doing. The design of the cell is also described in the Eshraghi patent, in which adjacent monofilaments are utilized, one being an electrode or its active material, a monofilament containing the separator and electrolyte, and the second being a second electrolyte. It is a single fiber composed of Thus, adjacent fibers become the anode and cathode of the cell. In the present invention, Eshraghi's microcell technology has made further strides.
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Detailed description of the invention and its preferred embodiment
The disclosures of Eshraghi U.S. Patent Nos. 5,916,514, 5,928,808, 5,989,300, 6,004,691 are all hereby incorporated by reference. As used herein, the term microcell refers to a cell structure that electrochemically generates or converts energy, and includes a porous membrane separator having an electrolyte disposed within its porosity. The separator of the porous membrane is in contact with the conductive fibers, which are in contact with or coated with the electrocatalyst forming the anode and cathode of the electrochemical cell.
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In the description that follows, reference is made primarily to the readily available embodiments of the fuel cell of the present invention, but the description is directed to corresponding battery cells, and other forms of electrochemical cell devices consistent with the present invention. I am grateful that the same can be applied to.
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Naturally, battery cells differ from fuel cells in that when electrochemical activity is required, the active material (of the electrodes) is present in the battery and stored in the cell, rather than being provided outside the structure.
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Therefore, when microcells are used for battery cells, no lumen is required at the center of the fiber, which results in a correspondingly simplified fiber bundle of the modular assembly in battery cell applications. Thus, microcells in battery cell applications are structurally and operatively different from microcells used in fuel cells.
[0018]
In a special form, the microcell consists of the active material of the internal electrode, the microporous membrane separator in contact with the active element of the internal electrode, the electrolyte in the pores of the microporous membrane separator, and the external electrode active element The active part of the internal and external electrodes is composed of one or more electrodes, current collectors and electrocatalytic components.
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In another particular configuration, the microcell may include a fibrous internal electrode. This internal electrode is surrounded by a microporous membrane separator, in which an electrolyte is placed in the porosity, and an electrocatalyst is applied along with the conductive material on the pore side (forming the internal electrode) or the shell side (external Electrode forming) or coated with an electrocatalyst.
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In fuel cell applications, the hollow fibers of the microcells define the passage lumen through which gas or liquid supply components (such as fuel or oxidizer) pass. Many types of electrolytes can be used in microcell fuel cells, depending on the particular relevant application.
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In a preferred form, all components of the microcell are processed into a monofilament assembly. Microcells can be of any defined length, and typically have a diameter to length ratio much greater than one. In addition, it can be easily formed into a plurality of microcell assemblies, including a bundle-like configuration, which will be described in detail below. Such microcell assemblies, or collections of such assemblies, can be assembled to form a fuel cell module whose overall arrangement is similar to a shell and tube heat exchanger.
[0022]
When multiple microcell elements are fabricated to incorporate a bundle of multiple cell modules into a single overall configuration, the resulting single miniature configuration produces a high density of energy output and can be a fuel cell or In addition, the volume (and "footprint") of the electrochemical cell device processed from such a bundle can be minimized.
[0023]
In one embodiment, the microcell device of the present invention is fabricated using internal electrodes (or multiple current collector fibers) surrounded by a microporous membrane separator. In such an embodiment, the electrocatalyst of the inner electrode is coated or impregnated on the inner wall of the membrane separator (or coated on the inner current collector fibers).
[0024]
In one embodiment, the membrane separator wall is impregnated with an electrocatalyst of a catalyst solution. In another alternative embodiment, during the membrane spinning process, a thin catalyst paint is pumped through holes in the membrane separator.
[0025]
One technique for forming an assembly with a porous separator-electrode is to coat the current connector fibers with an electrocatalytic paint. In one embodiment, such coating is performed by extrusion. In another embodiment, the current connector fibers are coated with a plating solution. In yet another embodiment, the current connector fibers are coated by plasma deposition of a metal catalyst.
[0026]
When stacking fuel cells or forming modules, microcell fibers are bundled and attached to separate and seal the pore side and the shell side of the cells. In a large fuel cell structure, the microcell can also be wound around a perforated central axis, thereby providing a structure in which the rotating shaft can enclose gas on the shell side of the cell.
[0027]
For the elements of the microporous membrane separator used in the fuel cell embodiment and other electrochemical cell embodiments of the present invention, it is not possible to use an appropriate method of impregnating or mixing the electrolyte. , Always useful. An illustratively preferred technique for impregnating the electrolyte is solution impregnation.
[0028]
The porous membrane separator element itself can be of various types and structures and can be shaped for use in certain types of fuel cells and other electrochemical cell applications. For example, in a polymer electrolyte fuel cell, a porous structure with asymmetric pathways is preferred, resulting in a continuous layer of ion exchange polymer adjacent to the electrocatalyst layer. In an acid or alkaline fuel cell, it is desirable to use a foamed porous membrane element. Thanks to the advanced methods of the present technology, the choice of membrane separator configuration and morphology can be readily determined without undue experimentation.
[0029]
Fuel cells produced from microcells in accordance with embodiments of the present invention are monopolar and do not require bipolar flow plates. Because the cells and current collectors are fibrous, the surface area of a large electrode can be reduced to a very small volume. The parallel connection of the individual bundled cells adds current, allows very high current density per unit volume, and allows the microcell assembly to operate at high voltage and high efficiency.
[0030]
In one embodiment, the internal electrodes of each microcell are connected, forming a first terminal in the microcell assembly, and the current flowing outside the shell of the fiber element, or the shell of such a bundle of microcells. The collector is the second end. When such an assembly is constructed and arranged for use in a fuel cell, the fuel and oxidant pass through the respective shell-side and hole-side electrodes of the respective bundle. In the individual microcell elements of this fuel cell, the microporous membrane is soaked with a suitable electrolyte to form a barrier or isolation element. Depending on the type of electrolyte, the microporous substrate and the electrolyte can be combined to form a new structure in the form of a solid substrate or a liquid-solid substrate.
[0031]
In an application example of a fuel cell using a microcell device including a single-fiber-shaped internal electrode element, the size of the internal electrode element is selected, and an appropriate sized lumen is formed on the hole side of the membrane separator including the electrode. I do. A plurality of fibers can be attached to the holes of the hollow fiber membrane separator to create an interstitial space forming a lumen within the hollow fibers. The formation of the lumen is important because when the fuel cell is operated, the lumen allows the fuel or oxidant (liquid or gas) to reach the internal electrodes.
[0032]
In a preferred form, the electrocatalyst and conductive material of the second electrode are coated or extruded or impregnated on the outside of the microporous membrane separator shell, the electrolyte is placed in the micropores of the membrane separator, and the microcell Form the structure.
[0033]
The microporous membrane separator can be formed from any suitable material structure. In one embodiment, a microporous membrane separator is fabricated from a material selected from the group of semipermeable ion exchange membranes and a porous membrane coated on the shell or pore side of a permselective or ion exchange polymer. I do.
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In this microcell structure, the internal electrode or current collector is firmly fixed in the hole in the separator, adjacent to the inner wall of the fiber, and the electrolyte or electrolyte / electrocatalyst layer is in contact at the interface. When the fibrous microcell structures are bundled closely together, the outer electrode or current collector can be in intimate contact with the electrolyte on the shell side or the electrolyte / electrocatalyst layer of the adjacent cell.
[0035]
Therefore, in fuel cell applications, the lumen of the microcell structure must be "open" enough to allow the gas supply (fuel or oxidant) to pass through the lumen during normal operation. For such a purpose, it is desirable that the fuel cell device includes a pump, a fan, a blower, a compressor, a discharge device, and the like. Since the flow rate required to operate the fuel cell requires only a relatively low pressure drop, the pumping required (to pass the gas supply through the hollow fiber lumen of the microcell) is of the type described above. It can be easily handled by a commercially available liquid driver device.
[0036]
Continuous connection of microcell structures and assemblies
To achieve high current density at the voltage level of a single microcell, multiple microcells are connected in parallel. Parallel connection of microcells for this purpose can be easily achieved by bundling the microcells in parallel with each other and connecting the ends of the current collector to each end of the obtained microcell assembly.
[0037]
However, achieving high voltages beyond the voltage generated from a single microcell requires continuous interconnection of the microcells. As will be described in further detail below, depending on the required microcell assembly geometry, a variety of methods can be used to achieve a continuous connection. For example, a rectangular or cylindrical configuration may be desirable.
[0038]
In accordance with the invention, a bundle of substructures of fibrous microcells in parallel is first assembled to obtain the desired current. The bundle of substructures is then connected in series to achieve the desired voltage.
[0039]
One preferred approach to forming a substructure bundle of microcell assemblies is to form a sheet-like arrangement of microcell elements, usually arranged in parallel. Here, the microcells are adjacent to each other and the current collectors extend from the ends of the normally adjacent and co-aligned flat sheet (ie, the ends of the current collectors are usually coplanar with each other). The current collector protruding from the microcell is usually coextensive with the depth of the assembly surface of the microcell sheet from which the current collector protrudes) . Next, the first layer of the microcell element is covered with a second layer constituting the outer current collector element, and the outer current collector extends from the side of the stacked sheets opposite to the side from which the inner current collector protrudes. To be arranged. Furthermore, the outer current collector extends outward, usually to the same length, so that they are mutually aligned at the ends of the outer current collector, and are usually mounted on a single vertical plane, relative to the flat horizontal surface of the sheet assembly .
[0040]
For the purpose of forming the above-mentioned sheet assembly, the fibrous microcell parts constituting the first layer can be fixed to each other, and such elements can be formed into a single net structure or sheet structure. In a similar manner, the outer current collector overlaps the fibrous microcell element, such as by an inner connecting mesh or braided structure, side-by-side adhesive tape, or other method of making a parallel-assembled current collector element. Can be mutually stabilized by a sheet structure or a network structure.
[0041]
Fortunately, any suitable method can be used to form a sheet-like layer for each of the microcell assemblies described herein. Such layers can be preformed, for example, by weaving the microcells or current collector fibers into a sheet, embedding them in a resinous substrate, or other suitable methods.
[0042]
Once the layers of the microcell element and the layers of the outer current collector component are brought into contact with each other in superposition, the composite structure is rotated into a cylindrical shape, joining the opposite ends of each other, forming the diversity of the microcell, A subassembly bundle can be formed.
[0043]
Such an assembly can be combined in any suitable manner, for example, when processing a hollow fiber filtration module, using methods conventionally used to attach hollow fiber membranes. As a result, the combined substructure bundle has an anode and a cathode at each end. One terminal is formed by an inner current collector element protruding from the microcell element of the first described layer, and the other terminal is formed by a current collector protruding from the opposite end of the substructure bundle. .
[0044]
Then, the positive electrode of the first substructure bundle is connected to the negative electrode of the next bundle, and this is repeated to continuously connect the bundles. The long strands of the connected bundle are then alternately rolled at each end and at the junction between the subsequent microcells, and re-bundled into a cylindrical shape. The substructure bundle assemblies that have been rolled up so as to be placed in an alternating side-by-side relationship are then joined at each end thereof to form a composite bundle having multiple substructure bundles.
[0045]
The continuous bundle includes fibrous microcells in both parallel and continuous connections that make up a single structure, which is then combined with a shell and tube heat exchange assembly, described in detail below. Place in a frame like
[0046]
As is apparent from the above discussion, in order to avoid a short circuit between the bundles of the substructure, it is necessary to cover each bundle with a porous but electrically insulating material. Therefore, each bundle can be covered in a fiberglass or porous packaging film, in which the bundle is inserted or wrapped in a packaging material.
[0047]
By alternately forming substructure bundles and packing each end alternately into a bundle, the positive end of the bundle can be closer to the negative electrode of another bundle. This alternative technique requires a continuous connection by first attaching the substructure bundle and then connecting the positive pole of the first bundle to the negative pole of the next adjacent bundle. Substructure bundles can also be connected simply by forming electrical connections for each microcell. Instead, at the connection points of the bundle (all microcell fibers are connected in parallel in a substructure bundle), a terminal plate with a mirror image of the surface and a continuous connection of terminals designed and constructed on that plate Can be used, and the plates are electrically connected at each connection point of the bundle, automatically forming a continuous connection.
[0048]
Yet another alternative for attaching substructure bundles is to fabricate a sealed tube sheet membrane at the end of each bundle. Thereafter, each bundle can be inserted into a frame to open each end with the same parameter (perimeter) size as the underlying structure bundle. By performing such processing, each bundle can be sealed at each end of the container by, for example, an O-ring or another sealing method, and there is no need to attach the bundle again. With such a configuration, each bundle of substructure can be removed from or placed in a container so that it can be easily and easily affected, thereby increasing the power generation capacity of the microcell device as a whole. , Can be lowered.
Alternatively, by alternately stacking the microcell layers and outer current collectors and repeating the arrangement, the bundle of substructures can also be machined into a rectangle, with the desired height and rectangular cross-sectional area. The layers comprising the microcell fiber element and the outer current collector can be sheet-like, as described above.
[0049]
When connecting the fibrous microcell elements and the layers as the substructure of the outer current collector in series, the current collector elements usually have the same length characteristics as the fibrous microcell elements and the respective fibrous microcell elements The microcell element and the current collector layer vertically offset each other. In such an arrangement, the outer current collector element is moved beyond the other end of the fibrous microcell layer and the outer current collector element is correspondingly shortened at the opposite end, so that the first layer (lower layer) Are longer than the end of the outer current collector layer.
[0050]
Thus, at each end of the layered assembly, there is a "shortened" line in the upper or lower layer, and it is this short end portion that forms a bonded structure at each end of the entire assembly.
[0051]
A porous insulating sheet material is placed on this substructure layer assembly, and a second substructure layer assembly is made on the porous insulator sheet. In the second substructure layer assembly, the lower layer is placed directly on a porous insulator sheet, superimposed on the outer current collector layer and offset each other, and the new substructure layer cathode is replaced by the first in the overall assembly. As the negative electrode of the lower structure layer, it is arranged so as to come on the same surface. This processing pattern is continued until the desired lower structure layer is at the desired height and the desired voltage can be achieved. For example, the ends of the anode and cathode current collectors at each end are connected to each other, together with a conductive rod or cord as described below.
[0052]
Alternatively, the laminar assembly can be processed by electrically connecting the fibrous sheet with the anode and cathode ends of the adjacent layers first before stacking the respective substructure layers. Thereafter, the last stacked lower structure layer is joined at both ends of the assembly, and the holes of the lower structure layer assembly are separated from the shell side and sealed. The combined bundle of fibers is then placed in a perforated tube which acts as a fuel inlet to the hollow fiber shell side of the assembly. For example, fibrous microcell elements and outer current collectors are alternated so that the fibers are layered by placing a straight or beaded epoxy or other binding compound at each end so that the layers overlap. Can be attached to Choosing a bonding material of appropriate viscosity so that the fibrous microcell elements are completely wetted and the resulting tubesheet is firmly fixed to the leak contents.
[0053]
Once bonded, the bundle or stack of microcell layers enters the container, and when fuel is injected at either end (shell or perforated), the shells and perforations of the microcell elements are sealed and separated. You. The resulting unit takes the form of a rectangular shell and a tubular heat exchanger, such a unit comprising one or more inlets for delivering fuel to the perforated side of the container and the fuel used from the perforated side of the container. It can be advantageously processed by having one or more outlets to remove ash.
[0054]
When the microcell elements are placed in stacked layers, such a stack is located on a tube that has holes at each end between the binders. Make the unperforated part of the tube longer than the other end of the container, for example, as described, provide a fuel inlet or outlet on the hole side of the microcell element, or make the tube longer than the container in a sealed state This creates a fuel inlet on the shell side of the microcell element. Stacks of layered microcells can be placed on either side of the perforated flues, creating symmetrical double stacks, as described in more detail below.
[0055]
In one aspect of the invention, a bundle of small substructures of a microcell assembly can be electrically connected in the same cell container, or a smaller fuel cell module can be electrically connected. , The overall battery voltage can be increased. As another embodiment of the present invention, one approach to achieving high voltage levels is to multiply the stack of fuel cells (each comprising a number of microcell devices) and supply gas in parallel, The stack itself is an assembly of continuously connected microcell bundles.
[0056]
In one embodiment, the conductive fibers are bundled with the microcell device such that the conductive fibers function as a current collector on the fiber shell side. The shell-side current collector, or alternatively the outer electrode coated with a suitable electrocatalyst, is connected to a common plate to build the first terminal of the bundle assembly. Similarly, an internal electrode that is longer than the microcell fiber holes is connected to the plate to form a second terminal in the assembly.
[0057]
In such a fuel cell assembly, the fuel or oxidant passes through the electrodes on the pore side or shell side of the fiber, respectively, and the membrane separator containing the electrolyte prevents the fuel or oxidant from migrating to the other electrode.
[0058]
In the present invention, the fiber structures of the microcells are usefully attached and the substructure bundles are connected in series or in parallel to form a substructure bundle that forms a larger, final bundle structure. As discussed above, some bundles of structures and substructures can be connected in parallel with other substructure bundles by connecting them in parallel with the parallel connection assembly of microcell elements. The reverse arrangement, in which the elements form a bundle of substructures, which are connected in parallel with one another, is also useful in some applications).
[0059]
In one preferred embodiment, the microcell fibrous structure is processed as a substructure bundle, and the bundle is collected together with the other bundles and rejoined to form a fuel cell module. Advantageous bonding substrates used to secure the structure of such microcell fibrous structures or bundles of substructures include any suitable bonding materials, such as epoxy, urethane, silicon, EPDM rubber, etc. It may be a substrate or a material substrate of a capsule.
[0060]
The substructure bundle can be made from a tube sheet sealed at each end with O-rings, similar to the process used in the assembly of the final module, and the substructure bundle is made of perforated metal or polymer. To the sheet. As a result, the fuel cell container has two surfaces, and one surface has at each end thereof a hole cut out to the outer diameter of the tube sheet of the bundle of the lower structure.
[0061]
This arrangement allows the power to be increased or decreased by adding or removing substructure bundles to or from the entire module (for example, in stationary transport batteries, or in electric transport vehicles that provide adjustable vehicle power, for power transport applications). Power in the field). When the substructure bundle is removed from the module, the holes in the surface can be sealed with an empty sheet the same size as the holes. This feature also allows individual bundles to be repaired by removing the defective substructure bundle and replacing it with a new bundle. The substructure bundle itself may be a coupling unit that forms a smaller substructure bundle.
[0062]
FIGS. 1-4 are perspective views of the structure of the fibrous element, showing the assembly of the microcell assembly.
[0063]
As shown in FIG. 1, a fibrous microcell sheet 10 is made up of a plurality of fibrous microcell elements 12 placed side by side in a parallel arrangement. Each fibrous microcell element 12, as shown, has been strengthened by a plurality of stitched seams 16 or has been strengthened using an attached method such as tape, adhesive, etc. The element sheet of the microcell is formed.
[0064]
The sheets 10 shown are side by side with one another to the first end 18 of the element 12. That is, the ends are generally coextensive with respect to the axis of one another, and the ends 18 are in a common vertical plane extending across the sheet surface from which the inner current collector 14 protrudes.
[0065]
In a similar manner, the opposite ends 20 of the fibrous microcell elements 12 are aligned side-by-side with one another, the ends of which are typically on the opposite side of the fibrous microcell elements 12 to a vertically extending surface. , Side by side.
[0066]
In this manner, the fibers are laid flat, adjacent to each other, and gathered in a network-like structure to form a sheet of fibers.
[0067]
The plurality of outer current collectors 24 are also similarly stiffened in a side-by-side arrangement by stitched seams 26, or alternatively are stiffened using a connection method such as tape, adhesive lace, etc. As shown, a sheet 22 is formed. In such a sheet 22, the current collectors 24 comprising the respective ends 28 and 30 are aligned with one another, with each end of the fibrous current collector lying in a plane extending laterally vertically at each end of the mesh. Will be.
[0068]
Next, the sheet 10 of the fibrous microcell element 12 and the sheet 22 of the fibrous current collector element 24 were overlapped such that the current collector sheet 22 was on the sheet 10 of the fibrous microcell element, as shown in FIG. A coupling structure 32 is made.
[0069]
Such a coupling structure 32 causes the respective sheets 10 and 22 to vertically offset each other, such that the inner current collector element 14 of the sheet 10 is longer than the outer current collector of the sheet 22 as shown, and Correspondingly, on the opposite side of the coupling structure, the outer current collector of sheet 22 is longer than the end of inner current collector 14 of sheet 10. Thus, each outer current collector of the overlaid sheet 22 contacts a corresponding fibrous microcell element of the underlying sheet 10.
[0070]
In FIG. 4, the coupling structure 32 of FIG. 3 is the lowermost layer of the assembly formed thereon with the second layer 36 as the lower layer. The second layer 36 includes fibrous microcell elements 38 arranged side by side to form a corresponding sheet, and the second layer includes an outer current collector with seams 40 stitched as shown. A fixed sheet 48 is put on the fixed sheet.
[0071]
In this second layer, the fibrous microcell elements 38 are aligned with each other at their respective ends 42 and 44, and the sheet of outer current collector 48 is oriented in the longitudinal direction of the sheets of fibrous microcell elements 38. I have put it. In such an arrangement, the outer current collector 48 is longer than the end 42 of the fibrous microcell element 38, and the inner current collector 46 of the fibrous microcell element 38 is longer than the end of the outer current collector 48.
[0072]
At the same time, the current collectors projecting vertically from the first and second layers respectively at each end of the assembly are coextensive with respect to one another with respect to the axis. A porous insulating layer or fiberglass sheet 50 made of a polymer is placed between layers 32 and 36 as shown in FIG.
[0073]
FIG. 5 is a perspective view of the connector 52 connecting the current collector or electrode elements of the microcell fiber assembly. The connector 52 has two springs 54 and 56, which are at an angle of 90 ° to each other, so that the springs can be pressed together. When a plurality of current collectors or electrode elements are placed between the springs of the connector and the springs are pressed together, the current collectors or electrode elements are in firm electrical contact.
[0074]
FIG. 6 shows the microcell assembly of FIG. 4, in which the current collector element on the right side of the figure is fixed to the connector 52 and the two current collector elements are in electrical contact with each other.
[0075]
In FIG. 7, a perspective view of the microcell assembly 70 is shown in an exploded view, and the microcell sheet layers 60, 62, 64, and 66 connected in series are shown. The lower sheet layer 60 consists of inner current collector elements connected by connectors 72, the sheet of outer current collector overlying such a layer being fastened by connectors 74, in turn.
[0076]
The next layer up in this assembly consists of an inner current collector connected by a connector 78, which is connected to a connector 74 by an internal connection 76. Similarly, the outer current collector is coupled to connector 80.
[0077]
The connector 80 is connected by an internal connection 82 to a connector 84 of the next higher layer in the assembly. A connector 84 connects the current collector inside the next higher layer, and at the opposite end of this layer, a connector 86 is connected via an internal connection 88 to a connector 90 on the top layer of the assembly. The current collector is connected.
[0078]
Connector 90 connects the current collector inside the top layer of the assembly, and at the opposite end of the top layer of the assembly, the outer current collector is connected by connector 92.
[0079]
Each layer of the assembly is separated from adjacent layers by a corresponding porous insulating sheet 94, 96, 98, respectively.
[0080]
With the above arrangement, each component layer of the assembly of FIG. 7 is joined to the next adjacent layer in a continuous manner from top to bottom, as is evident from the respective connectors being shown inverted in the figure. are doing.
[0081]
FIG. 8 is a schematic diagram of an assembly 100 in a layered arrangement of successively connected microcell layers, wherein layers 102 and 104 are separated by a porous insulating sheet 110 and layers 104 and 106 are porous insulating layers. Sheets 112 and 106 and 108 are separated by a porous insulating sheet 114.
[0082]
FIG. 9 is a three-dimensional perspective view of an array 130 in which microcell layers are continuously connected. The bottom layer is shown, which is a sheet of fibrous microcell elements 122. From 122, an inner current collector element 124 projects to the left of the layer and an outer current collector element 126 overlies to form a microcell layer. As shown in the schematic, the bottom layer is shown to be electrically separated from the next overlying layer by a porous insulating layer 128. Other layers have the same configuration. The top layer 130 is composed of three fibrous microcell elements arranged side by side, as shown, and the sheets of other fibrous microcell elements of this assembly are correspondingly configured. . In this way, a structure of a bundle of microcells is formed.
[0083]
FIG. 10 shows an arrangement 136 in which bundles 138 of the substructure of the microcell are connected. Here, a bundle of component substructures is continuously coupled to opposing current collector elements 140 and 142, respectively, and adjacent bundles are separated from electrical contact by a porous insulating sheet 147. And the possibility of a short circuit is gone. As shown, the bundles 138 of the substructure are joined at each end by binders 144 and 146.
[0084]
FIG. 11 is a perspective view of a tube 150 with doubly stacked bundles of microcell layers with perforations 154 in the upper surface 152 and optionally the lower surface (not shown in FIG. 11). Two fixing walls 156, 158 are on both sides to fix the fiber sheet in place. Stack the fibers on the perforated tube until the desired voltage is obtained. As shown, a liquid inlet / outlet tube 160 is connected to the inner plenum chamber tube 150.
[0085]
The reclined fiber sheet can be bonded with epoxy. Alternatively, the fiber sheet can be bundled and attached to the container to complete the process. The fibers bind at each end such that the open ends remain open. The perforated tube serves as an inlet for the fiber on the shell side.
[0086]
FIG. 12 shows a cross-sectional elevation view of the microcell fiber bundle 162 embedded in the container 150. This fiber bundle is composed of fibrous microcell element layers 164 and 166, with an outer current collector element sheet 168 therebetween, and a porous sheet between the adjacent current collector and fibrous microcell element sheet. The sheet 170 made of an insulating material is separated. This bundle is attached by a bonding material 163.
[0087]
FIG. 13 is a side view of the container of FIG. 12, showing the fixed wall 156 and the liquid inlet / outlet tube 160 of the container and the connection of the terminals on each side 180 and 182 of the bundle.
[0088]
FIG. 14 shows an arrangement 186 in which fibrous microcell sheets are joined in two substructure bundles 188 and 190 on the opposite side of the conduit 196 that receives the feed gas from the inlet 198. The feed pipe has holes on the upper surface and the lower surface, and the bundles of the lower structures constituting the bundle are fastened with the binding material 192 at the upper bundle and fastened with the binding material 194 at the lower bundle.
[0089]
FIG. 15 is a side view of a two-tier arrangement 200 in which the microcell elements are configured to stack on each side of a perforated tube. A gas supply tube 198 is shown in the figure. The arrangement shown in this figure includes connector / terminal components 202, 204, 206 that couple corresponding current collector elements.
[0090]
FIG. 16 is a perspective view of a fibrous microcell element assembly 210 attached to one side of a perforated tubing, including a gas inlet 224 and a stationary wall 216. A bundle of bound rectangular microfibers is arranged, and the ends are bound by binders 218 and 220.
[0091]
FIG. 17 shows a container 230 in which fibers are placed on both sides of a perforated pipe 238. The container has a central portion 232 having an outlet 242 for discharging gas from the shell side of the microcell assembly, an end portion 234 having an outlet 248 for discharging gas used on the hole side, and gas on the hole side. It comprises a distal end 236 with an inlet 246 for introduction into the container. A perforated conduit is arranged to feed gas to the central portion 232 of the vessel, creating a flow on its shell side.
[0092]
FIG. 18 is an elevational view of a system 250 that includes a bundle of microcells 280 joined at each end by bonds 266 and 268. These binders keep the inner surface of the container 252 tightly sealed by the O-rings 270 and 272.
[0093]
The container 252 has a flange 256 connecting the end 258 and the center of the container. There is an inner volume 252 in the center of the container, with an end volume 278 separated by a binder 268 and an end volume 282 by a binder 266. The fuel inlet 276 leads to a terminal volume 278 and the terminal volume 282 leads to an outlet 284 for the used gas.
[0094]
The used gas outlet 264 is connected to the internal volume 262. The feed pipe 260 extends to the center of the microcell bundle 280 having the internal volume 262, and has a vertical hole. The supply gas is introduced to the shell side of the microcell bundle 280 having the internal volume. The used gas is discharged to the outlet 264. The fuel introduced from the inlet 276 into the terminal volume 278 flows through the pore side of the microcell element of the bundle 280, flows from the bundle to the terminal volume 282, and is discharged from the outlet 284 of the container 252.
[0095]
The current collector couples to a terminal 292 of the terminal volume 282, the terminal structure extending out of the container 252. At the opposite end volume 278, the other inner and outer current collectors couple to terminal 290, which extends outside the container.
[0096]
FIG. 19 shows a perforated tubing 300 with an open end 302. A hole 308 is opened along the length of the central portion 306.
[0097]
FIG. 20 shows fibrous microcells and shell side current collector sheets 312, 314 that can be rotated or wrapped around the perforated tube 300 of FIG. FIG. 21 shows a state in which the sheet is being rotated, and FIG. 22 shows a state in which the sheet has been rotated.
[0098]
The sheet is placed on the other sheet, and the end of the fibrous microcell sheet 312 is longer at one end than the current collector sheet 314 on the shell side, and the current collector sheet 314 on the shell side is longer at the other end. Thereafter, the sheets 312, 314 are tightly wrapped around the perforated tube 300 and fastened with binders 322 and 324.
[0099]
FIG. 23 shows fibrous microcells, sheets 332 and 334 of the current collector on the shell side, and an insulating sheet 330 (such as fiberglass or a porous plastic material). FIG. 24 is a perspective view of a sheet assembly 338, 340, 342, 344, 346 including two sheets of fibrous microcells and two current collectors on the shell side.
[0100]
FIG. 25 is a side view of the microcell assembly 338, 340, 342, 344, 346 using the filled fiber layer. An insulating sheet is placed between the two fiber layers forming the cell. As shown in FIG. 25, if the sheet on one side of the insulator is longer than the end of the insulator, the fiber layer can be connected to another fiber layer continuously.
[0101]
FIG. 26 is a cross-sectional view of a bundle 350 of microcells. This is an assembly in which a cathode 352 is scattered on an anode 354 and bundled.
[0102]
FIG. 27 is a side view in the case where the bundles 360 of the lower structure of the microcell are continuously connected, and the bundles 362, 366, 370, 374 of the lower structure are internally connected by connectors 364, 368, and 372, respectively. . The connector is preferably flexible, since the substructure bundle chains are folded like an accordion so that they can be folded back into the previous bundle or forward into the next bundle. Those that bend in the direction are most preferred.
[0103]
FIG. 28 is a perspective view of a connector 376 used to connect the bundle of the substructure of the microcell as a component in a continuous manner. The connector 376 comprises a pair of spaced-apart springs 378, 380, each of which can be pressed together by tools such as pliers, compressing the protruding current collector of the bundle of substructures. Hold firmly. This spring is conductive and interconnected by a bendable yoke element 382 itself. The yoke element can be made of wire, metal filament, or the like, and serves to electrically interconnect the bundle of substructures to which respective springs 378 and 380 are connected.
[0104]
FIG. 29 shows an assembly 390 having a plurality of bundles, in which a feed tube 394 corresponding to each bundle 391 is inserted, a tube sheet 393 is attached, and an O-ring sealing agent 392 is used to prevent leakage therethrough. It is a cross-sectional elevation view at the time of sealing.
[0105]
FIG. 30 is a cross-sectional elevation view of the multi-bundle assembly of FIG. 29. In this, the respective bundles are connected successively, and are numbered corresponding to FIG. By connecting the wires 398 in a continuous arrangement, each adjacent bundle is interconnected by interconnected terminal elements 396 and 400.
[0106]
FIG. 31 is a cross-sectional view of a fuel cell module containing a plurality of substructure bundles, numbered corresponding to FIG. 29, and having the empty closed element 402 and 404 causes the tube sheet 393 surrounding the module to be closed.
[0107]
FIG. 32 is a side view of a fuel cell module 410 having a plurality of substructure bundles 460, 462, and 464 made of microcells, and a branch pipe 450. The module includes a container 422 surrounding a central inner volume 424 separated by the container wall of the module and tube sheets 472 and 474. For the tube sheet 472, the undercarriage bundle is firmly secured at the O-ring element 438 and for 474, the undercarriage bundle is securely secured at the O-ring element 434. Fixed.
[0108]
The container end element is surrounded by end volumes 426 and 428, respectively. The end volume 426 has a manifold to which a conduit 450 is connected for flowing gas, and a bundle 460, 462 of three substructures by manifold lines 452 connected to branched lines 454, 456, 458. , 464, respectively. The branched lines 454, 456, 458 are connected to respective substructure bundles.
[0109]
The bundles of the lower structure are continuously connected to each other one after another by a connection line 440 interconnecting the bundles 460 and 462 of the lower structure and a connection line 442 interconnecting the bundles 462 and 464 of the lower structure. As shown, such continuous outer substructure bundles are joined by terminals 444 and 446, respectively.
[0110]
The right end portion of the container is connected to the main central element of the container by a flange 430 and is connected to each other in a mechanically clasp-like manner to secure the component elements of the container in a leaktight manner. be able to.
[0111]
In this container, one of the fuel and oxidant streams is introduced into the terminal volume 426 at the fuel inlet 466 and flows to the substructure bundle at the hole side.
[0112]
The outlet 468 is connected to the container 422 by the left element in the figure, and discharges the used supply gas from the terminal volume of the container.
[0113]
The used gas outlet 470 is located in the main central part of the container and discharges the used gas from the shell side of the bundle of the substructure in the inner volume 424 of the container.
[0114]
FIG. 33 shows a cross-sectional side view of the interior volume 506 of a container 515 containing a module 480 containing a bundle 494, 496, 489, 498 of the microcell substructure, passing through a conduit 514. FIG. In this arrangement, with tube sheets 500 and 502, the bundle of substructures is attached to a correspondingly sized receiving opening, and the tube sheets are secured tightly by an O-ring sealant 492 to prevent leakage of the container. I have. In this method, the interior volume of the container is divided into a central volume 506 and end volumes 526 and 528.
[0115]
The container is fitted with a supply gas inlet 510 and used gas outlets 508 and 512. Gas used on the shell side of the undercarriage bundle exits the vessel at outlet 508, and feed gas entering inlet 510 flows through the hole side of the undercarriage bundle and exits to terminal volume 528. . From the terminal volume 528, the gas used on the hole side is discharged from the container at the outlet 512.
[0116]
The bundle of substructures in the interior volume of the container 515 are connected to one another in succession by a continuous connector line 516, 518, 520, and the bundle of outer substructures arranged in series is terminals 522 and 524. Be combined.
[0117]
The container 515 can be opened at the flange 443 to remove the right-hand end, after which the respective substructure bundle can be evaluated and repaired or replaced.
[0118]
Therefore, the microcell according to the present invention can easily connect adjacent components (fibrous microcell sheet layers, bundles of the substructure) one after another, and can conduct electricity from a porous insulator. They can be isolated from each other by sheets or sheathing boards made of impermeable material or in such a way as to ensure that there is no electrical interference between adjacent microcell components. Thanks to the advanced methods of the present technology, the bundle of multiple substructures shown in FIGS. 32 and 33 is only an example, and in certain applications of the present invention, the demand for energy generation in particular embodiments may be reduced. The bundle of a number of substructures can be varied in various ways depending on the structural and operational parameters of other systems.
[0119]
In the manufacture of high voltage electrochemical cells utilizing the microcell components of the present invention, bundle or sheet assemblies of microcells are manufactured. For example, if a design current of 200 amps is required, a number of fibrous microcells are connected in parallel to generate the required current. The resulting microcell structure can be bundled into a cylinder or used to form an assembly with multiple layers. In the case of a bundle, the anodic and cathodic fibrous elements need to be electrically insulated, but must still be in intimate contact with each other. To achieve this high voltage, the sheets or bundles are connected in series, that is, the anode of one cell is connected to the cathode of the next adjacent cell. When cells, bundles, or sheets that are continuously connected to each other are embedded and sealed in the same container, an electrochemical cell module that generates a desired high voltage is obtained.
[0120]
Terminal management
When the microcell elements are bundled or otherwise assembled into a compact structure to form a modular electrochemical cell assembly, the resulting electrochemical energy generation / energy conversion device generates a large amount of heat during operation. I do.
Various methods are available for removing heat from the microse assembly in accordance with the present invention.
[0121]
In one aspect of the invention, the heat transfer tubes are distributed into microcell bundles, substructure bundles, or other collective microcell assemblies. In a preferred embodiment, such tubes are arranged in parallel with the fibrous microcell elements of the microcell assembly.
[0122]
In another embodiment, the heat transfer tubes are placed between the bundles of the substructure of the assembly, and the heat transfer tubes are at least opposite from one end of the tube sheet surface (where the end of the substructure bundle or part of the outside is attached). So that it extends to Thanks to the advanced method of this technology, the number, size and material of the heat transfer tubes depends on the amount of heat that needs to be recovered, the operating temperature of the fuel cell, the type of heat exchange liquid used, the pumping requirements of the liquid or the flow rate. Can be easily determined.
[0123]
In order to control the heat exchange liquid separation from the fuel flowing to the pore side of the microcell fiber of the fuel cell module, the length of the heat transfer tube must be longer than the tube sheet that seals the pore side of the microcell hollow fiber on the shell side. In addition, the length of the heat transfer tube can be selected. Next, the stretched heat transfer tube is attached again, and a barrier is formed between the hole of the heat transfer tube and the hole of the microcell hollow fiber.
[0124]
The final assembly of the fuel cell module with the heat transfer tubes is configured with an inlet for introducing the heat exchange liquid at one end of the first container, and two coupling sites (ie, microcell elements coupled with the coupled heat transfer tubes). It is preferable to include a second container with an inlet for introducing fuel on the hole side of the microcell between the two, and the structure of the container is a corresponding structure on the opposite side, and is used with a heat exchange liquid. It is desirable to have a respective outlet for discharging waste fuel.
[0125]
For a microcell electrochemical cell module in accordance with the present invention, an alternative thermal management design is to use a hollow, non-porous, non-porous, shell-side, or both, current collector for the microcell structure. Use porous, conductive and heat transfer tubes. Since the current collector terminates on the opposite side of each tubesheet, the heat exchange current collector tubes will be mounted as described above, and only one end will isolate the heat exchange liquid container from the hole side / supply. At the opposite end, the heat transfer tubes terminate in tube sheets.
[0126]
In this arrangement, the heat exchange liquid and the fuel flowing into the holes can be mixed at the outlet. In this system design, the heat exchange liquid does not enter the pores of the microcell and does not come into contact with the catalyst or electrolyte. For example, the fuel and heat exchange liquid flowing in the holes can be supplied to the module in the same direction, and the heat exchange liquid and the fuel flowing in the holes can be prevented from mixing except at the fuel inlet of the microcell.
[0127]
Next, the heat exchange liquid can be collected in another unit, or the heat exchange liquid can be collected and recycled using the plenum of the container. For example, when the fuel is gas or hydrogen gas, separation of the heat exchange liquid and the heat can be easily achieved.
[0128]
In special embodiments where the heat exchange liquid and the fuel flowing to the holes are the same (eg, air), the heat exchange liquid and the fuel can be mixed and need not be separated.
[0129]
In a further embodiment, heat is removed from the microcell module by conducting heat from a current collector on the shell or hole side of the microcell element. In this approach, the end of the current collector is extended and the heat exchange liquid located in the heat exchange channel located inside the container at the plenum inside the container containing the microcell module, or at the fuel inlet or outlet coming into or out of the fiber holes. Soak in In the latter case, the inlet and outlet of the heat exchange passage are tightly separated from the internal volume of the microcell module so as not to leak.
[0130]
Referring to the figure, FIG. 34 is a cross-sectional view of a microcell assembly 530 with heat transfer fibers and tubes 538 scattered (distributed) as shown.
[0131]
In the microcell assembly shown, each microcell bundle is attached to a correspondingly sized hole in tube sheet 536 and the microcell bundle is tightly sealed with an O-ring sealant to prevent leakage at such holes. ing. As another method, the end heat transfer tubes 538 of the microcell bundle 532 are attached, and the tube sheet 536 is formed.
[0132]
FIG. 35 is a cross-sectional elevation view of the fuel cell module showing the air / fuel path and the heat transfer path.
[0133]
The fuel cell module 540 includes a container 541 to which a microcell assembly 550 is attached by bonding materials 552 and 554. The binder is meshed with the O-ring sealant 556 and 558 to seal around the inner wall of the container. In this way, an interior volume 560 is created in the container secured by the binders 552 and 554. A gas outlet 586 is attached to the main center of the vessel and connects the gas flow to the shell side of the microcell element of the assembly 550.
[0134]
The fuel cell module of FIG. 35 is fitted so as to be tightly sealed with the inner wall of the container 541 and the O-ring sealing agent 578, and the tube sheet 562 and the inner wall of the container and the O-ring sealing agent 580, respectively. Tube sheet 578.
[0135]
In such an arrangement, an intermediate volume 576 is between the tie 552 and the tubesheet 578, at the end of the container, on the left side of the figure where the terminal volume is shown.
[0136]
Correspondingly, an intermediate volume 568 is formed between the bonding material 554 and the tube sheet 562, and in FIG. 35 the terminal volume is also shown in the right end portion of the container.
[0137]
The coolant inlet 582 is at the right end of the fuel cell module container, and the coolant inlet 590 is at the left end element of the container.
[0138]
A fuel inlet 584 connects to the intermediate volume 568 of the module, and a used fuel outlet 588 connects to the intermediate volume 576 at the opposite end of the module.
[0139]
Distributed in the cross-section of the microcell assembly 550 (across the vertical axis) are a plurality of hollow fiber heat transfer paths 604, which extend the full length of the microcell assembly and intermediate volume, and include tube sheets 562 and Extending beyond 578 to terminal volumes 566 and 565, respectively.
[0140]
A central conduit 592 enters the container from the right and extends to the center of the microcell assembly 550. Within the microcell assembly, there is a perforation in the feed line, which provides fuel to the shell side of the fibrous microcell element of the microcell assembly.
[0141]
The current collectors of the intermediate volumes 568 and 576 fit into terminals 600 and 602, respectively, which extend out of the container 541.
[0142]
Container 541 is connected to flange 570 and is secured by a suitable mechanical clasp. Here, the right center volume and the terminal volume of the container are removable and are connected to the interior of the fuel cell module.
[0143]
In operation, coolant flows to terminal volume 566 (from an external source not shown in FIG. 35), flows through open-ended heat transfer tubes 604, flows axially through the tubes to the opposite terminal volume 565. From which coolant is discharged through outlet 590. Also, the coolant may be recirculated to the inlet 582 for heat recovery, for example, as a continuous loop. At the same time, feeds (oxidant and fuel) are introduced into the shell side and the hole side of the microcell element of the microcell assembly 550, respectively, and power is generated by an electrochemical reaction, which causes an external load via terminals 600 and 602, respectively. It is transmitted to. For such purposes, the terminals are coupled to appropriate circuitry and external load components.
[0144]
FIG. 36 is a cross-sectional view of a microcell bundle 610 incorporating hollow fibers 614 interspersed with fibrous microcell elements 612. In such a bundle, the hollow fiber functions as an external electrode, and also allows heat exchange. Thus, during operation of the microcell assembly, in addition to passing through the bore of the lumen, for example, through a flow of heat transfer material, such as air, to remove heat generated by accidental electrochemical reactions from the bundle, Hollow fibers can be coated, impregnated and extruded with an electrocatalytic material, or otherwise configured as an electrode element and used functionally.
[0145]
FIG. 37 is a side view from a cross section of a fuel cell module using a hollow fiber heat transfer element.
[0146]
The fuel cell module 620 of FIG. 37 is constituted by a container 625, and is flanged with a flange structure 624. This separates the right part of the container and separates it from the main central part, leading to the internal structure of the module. The container 625 includes a bundle of microcells 626 joined by binders 628 and 630, the inner wall surface of the container 625 is tightly sealed so as not to leak with O-ring sealants 632 and 634, and the inner wall and the respective It defines an internal volume 636 in the container, separated by binders 628 and 630.
[0147]
In the axial direction of the bonding material 630 is a tube sheet 640, which defines an internal volume 660, and seals the inner wall of the container with an O-ring element 642.
[0148]
The heat transfer tubes that make up the current collector terminate in a tube sheet 628, which connects to the terminal volume 662 of the container 622.
[0149]
Outside the tubesheet 640 in the container is a terminal volume 658. The central conduit 641 is longer than the end wall 622 of the container and extends to the center of the microcell assembly 626. Such a central conduit is perforated in the microcell assembly and supplies fuel to the shell side of the assembly.
[0150]
The right part of the container is removable by a flange 624 and connects to the interior of the module. [0151]
Intermediate volume 660 has an inlet 646 for introducing fuel and flowing fuel to volume 662 via assembly 626. The volume 662 has an outlet 648 for discharging spent fuel. The intermediate volume 636 of the container has an outlet 538 for discharging spent fuel on the shell side.
[0152]
The end volume 658 of the module has an inlet 644 for introducing cooling water and flowing the cooling water to hollow fiber elements extending into this volume. Cooling water flowing axially through the hollow fiber element flows to the opposite end volume 662.
[0153]
The hollow fiber heat transfer path of this embodiment is formed by hollow fiber electrodes, and as shown, such electrodes are conjugated to the corresponding terminals 652 and 656, respectively, at the terminal volume.
[0154]
FIG. 38 is a cross-sectional elevation view of a fuel cell module that performs heat exchange from a current collector by heat conduction. The module 700 includes a container 702 containing a microcell assembly 704, to which a bonding material 706 sealed with an O-ring sealing material 710 and a bonding material 708 sealed with an O-ring sealing material 712 are attached. I have. As a result, the range of the internal volume 720 is defined, and the internal volume 720 is connected to the outlet 740 for discharging the used fuel.
[0155]
A central conduit 714 extends into the center of the microcell assembly 704 and is vertically drilled in the microcell assembly to supply fuel to the shell side of the assembly.
[0156]
The terminal volume 724 of the container 702 has an inlet 742 for introducing fuel and flowing fuel through a hole in the microcell assembly 704 to the terminal volume 722, from which the outlet 732 is used. Drain fuel.
[0157]
In this module, a heat exchanger 746 is included in the terminal volume 724 and contacts the current collector element of the microcell assembly to effect heat exchange. Heat exchange liquid (from a source not shown in FIG. 38) is introduced into a heat exchanger or inlet 748 and circulated and discharged from outlet 750.
[0158]
In a similar manner, the opposite end volume 722 has an inlet 728 for receiving and flowing the heat exchanger 780 and the heat exchange fluid, and an outlet 730 for discharging the heat exchange fluid from the second heat exchanger 780. included.
[0159]
Each terminal current collector is in conductive connection with terminals 738 and 736. The left portion of the container 702 is flanged with a flange 726 to allow easy opening of the container and access to the interior of the container.
[0160]
FIG. 39 is a circuit diagram of a fuel cell system as one embodiment of the present invention. The fuel cell system 780 includes a microcell module 782, which includes a coolant inlet 810, a coolant outlet 792, a fuel inlet 794, an oxidizer inlet 799, and a used fuel outlet 786. And a container 784 connected to the outlet 804 of the used oxidant. The fuel inlet 786 is connected to an exhaust line connected to the back pressure adjusting valve 788. In a similar manner, the outlet 804 of the used oxidant is coupled to an outlet line 806 that connects to a back pressure regulating valve 808. The respective back pressure regulating valves 788 and 808 can be adjusted to control the rate and extent of the electrochemical reaction involving the fuel and oxidants.
[0161]
The system includes a fuel supply tank 798 coupled to a fuel supply line 796 leading to a fuel injection pipe 794. Similarly, an oxidizer supply line 800 is coupled to the oxidizer tank 802 and is conjugated to an oxidizer inlet 799.
[0162]
In this system, a coolant circulation arrangement is provided, including a recirculation line 816 coupled to a coolant outlet 792, where a pump 818 and a heat exchanger 820 are located. The heat exchanger 820 removes heat from the warmed coolant and recycles this fluid to the surge tank 814 and returns it from the supply line 812 to the coolant inlet 810.
[0163]
As a result, when the system shown in FIG. 39 is operated, the coolant flows through the hollow fiber heat transfer tube of the container, continuously recirculates to the surge tank, and the surge tank causes the coolant to stagnate at a high rate. Perform electrochemical oxidation.
[0164]
Double membrane microcell structure and assembly
In particular applications of the invention, microcell structures are usually utilized in a double membrane configuration.
[0165]
In one embodiment, a microcell structure of this type is easily formed by hollow fiber internal separators, with the inner current collector and the internal electrode electrocatalyst attached to the shell side. Such hollow fiber inner separators are surrounded by hollow fiber outer separators. The pores of the outer hollow fiber membrane are eroded by the electrolyte, and the outer hollow fiber membrane shell side is coated with the electrocatalyst of the outer electrode to form a double membrane microcell structure.
[0166]
The dual membrane microcell structure is advantageous because the hollow fiber internal separator can be used as a membrane to selectively permeate fuel (such as hydrogen or oxygen), if desired. This can be achieved, for example, by coating the inner wall of the inner separator or the outer shell with a permselective material that preferentially allows the desired gas to penetrate the electrodes. Thus, this dual membrane design is advantageous in reducing or eliminating the contact of the electrocatalyst or electrolyte with potentially harmful impurities in the fuel. Materials that can be used for the permselective membrane include cellulose ether, polyimide, polysulfone, and palladium.
[0167]
In another microcell structure including a bilayer separator, the inner wall of the inner separator is CO-H2It may be immersed in, or coated with, a reforming catalyst that performs O conversion at a low temperature. In such a design, the shell side of the internal separator is coated with a material that allows the choice of anode or cathode fuel.
[0168]
In another dual membrane design, the anode or cathode is coated with a material that can select hydrogen or oxygen. In such a case, it is necessary to make the permselective material for protection conductive on the shell side of the outer hollow fiber membrane so that the current collector of the external electrode and the electrocatalyst on the shell side can make electrical contact. A permselective material such as palladium may be used for such a purpose. Alternatively, if desired, a conductive permselective material can be used for either one of the cathode or anode components.
[0169]
Yet another design utilizing double membrane processing utilizes a conductive hollow fiber internal separator. Such conductive hollow fiber separators can be made of sintered metal, carbon, or graphite. In some embodiments of such a dual membrane design, depending on the conductivity of the inner hollow fiber, an inner current collector is not required.
[0170]
The inner and outer hollow fiber membranes can be any suitable commercially available membranes, for example, polypropylene, polysulfone, polyacrylamide, and the like. In one embodiment, the membrane is selectively permeable, such as allowing the feed gas (fuel, oxidant) to selectively pass without passing through other gases and components (such as fuel impurities) that may be present. Process to have. By a specific example method, a protective hydrogen permeable barrier layer is deposited by depositing a solution, coating with an electrolyte, etc. to form a palladium film on the membrane surface that allows hydrogen to pass but nitrogen or oxygen is closed. Can be done. See, for example, Gryaznov et al. , "Selectivity in Catalysis by Hydrogen-Porous Membranes", Discussions of the Faraday Society No. 72 (1982), pp. 147-64. 73-78, Gryaznov, "Hydrogen Permeable Palladium Membrane Catalysts", Platinum Metals Review, 1986 30 (2), pp. 146-64. 68-72, and Armor, "Catalysis with Permselective Inorganic Membrane", Applied Catalysis, 49 (1989), pp. 90-80. Please refer to 1-25.
[0171]
FIG. 40 is a cross-sectional view of a micro-cell 900 having a double-membrane design using a conductive permselective membrane for the anode or the cathode of the micro-cell. Microcell 900 comprises an outer electrocatalyst layer 912, a microporous membrane / electrolyte 910, an electrocatalyst 908, an inner hydrogen or oxygen selective membrane 906, a current collector or electrode element 902 in an inner hole 904. I have.
[0172]
FIG. 41 is a cross-sectional view of a microcell 914 having a double isolation design using a permselective membrane for protecting the anode or the cathode of the microcell. The microcell 914 includes an outer electrocatalyst layer 930, a microporous membrane / electrolyte 928, an electrocatalyst 926, a current collector or electrode element 922, a porous inner separator 920, an inner hydrogen or oxygen selective membrane 918, It is constituted by an inner hole 916.
[0173]
FIG. 42 is a cross-sectional view of a microcell 932 in a dual isolation design using a permselective membrane covering the anode and cathode elements of the microcell. The microcell 932 includes an outer hydrogen or oxygen selective conductive membrane 948, an electrocatalyst layer 946, a microporous membrane / electrolyte 944, an electrocatalyst 942, a current collector or electrode element 940, and a porous inner separator 938. , An inner hydrogen or oxygen selective film 936, and an inner hole 934.
[0174]
FIG. 43 is a cross-sectional view of a microcell 950 with a dual isolation design using a permselective membrane covering both the anode and cathode of the microcell and a conductive internal separator. Microcell 950 includes an outer hydrogen or oxygen selective conductive membrane 966, an electrocatalyst layer 964, a microporous membrane / electrolyte 962, an electrocatalyst 960, a conductive, porous current collector or electrode element 958, an inner Of hydrogen or oxygen selective membrane 956 and inner hole 952.
[0175]
FIG. 44 is a cross-sectional view of a microcell 970 having a double isolation design using a permselective membrane covering both the anode and the cathode of the microcell and a reforming catalyst on the inner wall of the internal separator. Microcell 970 comprises an outer electrocatalyst layer 986, a microporous membrane / electrolyte 984, an electrocatalyst 982, a current collector or electrode element 980, an internal hydrogen or oxygen selective membrane 978, a porous internal separator 976, It comprises a CO-water conversion / reforming catalyst 97 and an inner hole 972.
[0176]
Manufacture of microcell structures and assemblies containing them
For commercial mass production, it is desirable to be able to produce a microcell device containing most of its components in a single extrusion step at a high rate. An important aspect of this mass processing process is to surround the internal electrodes with microporous membrane separators.
[0177]
For this purpose, a conductive fiber chain can be passed through the center of the tube at the tip of the extrusion (spinneret). The material that forms the skeleton of the microporous membrane separator, called the "dope," is continuously extruded around the tube at the tip of the hole, forming conductive fiber chains. An internal flocculant, such as a gas such as nitrogen or a liquid such as water, passes through the bore tube along the internal electrode fibers or fibrous current collector.
[0178]
In the operation described above, the size of the microcell fibers is determined by the size of the extrusion opening. Such openings may be of various sizes, for example from a scale of less than 100 microns, and the membrane may be correspondingly thin, a few microns thick.
[0179]
When the ink paste is used in the microcell processing method, the electrocatalyst paste is simultaneously extruded from the holes. The extruded fibers are immersed in an external flocculant such as a quench bath or water. When the extruded fibers undergo an agglomeration / quenching operation, a microstructured membrane structure is immediately formed around the internal electrode when the water-soluble compound at the pore reaches the aggregating / deactivating agent.
[0180]
By selecting parameters such as membrane dope formation, the type of flocculant used, and the temperature of the spinning operation, and controlling them accordingly, the pore structure, porosity, and pore size of the membrane separator can be accurately determined. Can control. Specific conditions can be easily determined by such a process with simple experimentation without undue effort, thanks to the advanced methods of the present technology.
[0181]
A variety of materials are useful and unlimited for forming microporous membrane separators, such as polysulfone, polyacrylamide, other high temperature polymers, glass, and ceramic materials.
[0182]
By the spinning process described above, the microcell can be continuously processed at a high rate.
[0183]
In the case of a polymer electrolyte fuel cell or an electrocatalyst for an external electrode, for example, after forming a microporous membrane separator-encapsulated internal electrode structure, the encapsulated structure is ion-exchanged on the outside (shell side) with an ion exchange polymer. Coat or impregnate. A similar extrusion process can advantageously provide such an outer coating.
[0184]
FIG. 45 is a schematic process diagram of a solution impregnation system 988 for immersing the membrane fibers 992 with Nafion or an electrocatalyst. The membrane fibers 992 exit the fiber spool 990 and, by the action of the rollers 994, pass through a solution bath 996 where the fibers are impregnated. The impregnated fibers then pass over guide rolls 998, through rows of heating elements 999, and finally to take-up winder 1000.
[0185]
A further application of the electrochemical cell of the invention is for the production of chemical substances. The present invention can be advantageously applied to chemical synthesis using a microcell processed according to the present invention. This microcell has a high current density per unit volume required for a chemical reaction, a distance of an electrode film (thickness). ) Minimizes internal resistance, and provides high efficiency due to low mass transfer resistance.
[0186]
Further, hydrogen and oxygen can be generated in a place where other forms of electric power can be used by using the microcell processed according to the present invention. In such an application field, hydrogen (or other fuel gas) generated in the cell can be stored and used for power generation.
[0187]
For example, after a polymer porous film is formed around a current collector in a microcell fiber structure, this structure is directly applied to an electrolyte solution of a water-soluble polymer such as a Nafion solution (a 5% solid solution or an alcohol solution). And the polymer electrolyte can be immersed in the pores of the porous polymer membrane. Depending on the time during which the porous polymer membrane is immersed in the composition of the electrolyte impregnating agent during the process, and the number of times of contacting the repetitive structure with this composition (ie, once or twice) The amount of impregnated polymer electrolyte can be variously selected.
[0188]
In the same process line where the electrolyte was soaked, or alternatively in a subsequent processing operation, in one process embodiment, the microcell fibers are dried and H2[PtCl6] To the platinum as an electrocatalyst material. Thereafter, sodium borohydride (NaBH)4) To reduce the platinum composition to elemental metallic platinum.
[0189]
Using this continuous technique in accordance with one embodiment of the present invention, only the shell exterior of the membrane is impregnated with platinum. After attaching the fiber to the container by pumping the platinum plating solution out of the hole in the fiber, the inner wall of the membrane is impregnated.
[0190]
In another embodiment, both the shell side and the pore side of the fiber are impregnated after the fiber is installed.
[0191]
After impregnating the pores of the membrane with Nafion's electrolyte solution for ion exchange, according to another aspect of the invention, the electrocatalyst is coated with airfoil platinum loaded with activated carbon of a suitable particle size. Activated carbon particles loaded with platinum are usually in the range of 5-10% by weight. In principle, the composition of the paste is prepared as an emulsion of activated carbon particles on which platinum is applied, Nafion ionomer as binder and polytetrafluoroethylene which is Teflon®. The shell side of the fiber is then coated with a paste or alternatively extruded.
[0192]
The paste can be coated on the inside of the fiber wall in various ways. In one approach, the paste is extruded simultaneously while rotating the porous membrane separator element around the current collector. The second approach involves extruding the paste around the current collector before inserting the current collector into the membrane fibers. As a third approach, once the cell assembly has been formed and mounted, a thin paste can be pumped into the pores of the porous membrane separator.
[0193]
In another embodiment, the electrolyte is placed inside a porous membrane separator element and the catalyst is applied by electrodeposition from a solution containing platinum ions, an electroplating solution process, or an electroless plating solution process.
[0194]
Corrosion control of microcell assembly
In the field of application of conventional fuel cell technology, the materials used as current collectors are usually limited to the type of graphite. Current collectors made of aluminum or titanium can be coated with a corrosion-resistant coating such as gold, but under excessive corrosive conditions and thermal cycling that are characteristic of fuel cell operation, such coatings can It tends to peel off or delaminate from the current collector element.
[0195]
By using the microcell element, a material of the current collector other than the graphite material can be used as a component. The metal fibers used in the microcell structure of the electrochemical cell module can achieve durable corrosion resistance by being coated by various techniques. Useful coating techniques for such purposes include, but are not limited to, electrochemical deposition, electroless coating, dip coating, extrusion, etc. using a corrosion resistant metal composition or a polymeric material such as polyanaline.
[0196]
A preferred approach for metallic materials for coatings used in current collectors includes using amorphous metal compositions deposited by plasma coating techniques. In general, the corrosion resistance is better when the composition of the coating agent is amorphous. In addition, various amorphous metal compositions result in very large surface areas. An example of such a metal composition having a large surface area is a nickel-hydrogen electrocatalyst material. The use of such a high surface area metal composition essentially leads to an increase in the surface area of the fibrous microcells, and such an amorphous metal coating is effective for hydrogen storage in fuel cells. Can have significant structural and operational advantages.
[0197]
Another approach to improving the corrosion resistance of metal fiber materials is to coat the metal fibers with a polymerization precursor or other organic coating and carbonize the coating. The carbonization of the polymer that forms the graphite material on the metal fibers results in a coating that is corrosion resistant but has higher conductivity than carbon or graphite alone.
[0198]
If pinholes are present in the coating process, they can corrode or break the connection from one part of the microcell to another, which reduces the useful power density of the cell. Another approach is to use a manufacturing method that places the carbon fibers together on the pore or shell side of the microcell so that the carbon fibers are in intimate contact with the current collector of the microcell. Avoid. In such an arrangement, if the current collector erodes during operation of the electrochemical cell, the carbon or graphite fibers maintain the flow of current therethrough, resulting in considerable corrosion. If the current collector element breaks or deteriorates, the electricity will not be interrupted.
[0199]
It is advantageous to coat the metal fibers with a compound, such as a polymer material, in order to increase the service life of the metal current collector fibers under conditions in which the fuel cell has corroded, after which the coated fiber polymer material is heated. Becomes susceptible to decomposition. Utilizing a conventionally used technique of forming carbon fiber itself, the fiber-coated material is pyrolyzed and converted to carbon.
[0200]
The formation of a continuous layer of metallic current collector fibers (regardless of size) results in the formation of radially and longitudinally conducting fibers, while the surface protects the underlying metal from corrosion and is therefore corrosion resistant.
[0201]
FIG. 46 is an elevational view of a conductor element 1002 that includes a metal fiber 1004 having an outer surface coated with a polymeric compound 1006. The fibers are coated by any suitable method, such as, for example, thermal spraying, dip coating, roller coating.
[0202]
FIG. 47 shows the corresponding fiber 1002 after pyrolysis of FIG. Its outer surface is composed of a pyrolytic carbon coating 1008.
[0203]
Regarding the preparation of the current collectors and electrodes, in one embodiment of the present invention, the conductive metal fibers of the microcell are comprised of copper, aluminum, or titanium fibers and have a diameter of about 100 microns to about 10,000 microns. Range and coated with a corrosion-resistant metal of appropriate thickness, such as gold or platinum.
[0204]
Alternatively, carbon / graphite fibers having a good conductivity in the range of about 100 microns to about 10,000 microns in diameter can be utilized and cured with a metal catalyst such as platinum. Such hardening of platinum can be attributed to H2[PtCl6] To a plating solution containing sodium borohydride (NaBH4) To reduce the platinum compound to the elemental metal platinum.
[0205]
With respect to current collectors, pinholes and coating defects accelerate corrosion of metal current collectors. To avoid cutting off the microcells' voltages and currents that could result in fibrous cells being cut or inoperable as a result of such corrosion (resulting in loss of conductor continuity). It is advantageous to place the fibrous carbon current collector beside the coated metal fibers. FIG. 48 shows a fibrous carbon current collector 1014 placed beside the coated metal fiber 1012. As shown in FIG. 48, the carbon fibers 1014 will be in intimate contact with the coated fibers 1012.
[0206]
FIG. 49 shows a fiber assembly obtained by cutting the coated metal fiber 1012 of FIG. If the continuity of the coated metal fiber is cut at one point due to corrosion, the carbon fiber 1014 in contact with the two parts of the corroded metal fiber 1012 maintains continuity and the depth of the carbon fiber / metal fiber arrangement Along, current can be passed from one to the other.
[0207]
Microcell assembly moisture management
In the electrochemical reaction of the microcell, where water is a by-product of the reaction, the fuel can be humidified to prevent the membrane from drying out, and the microcell assembly can be filled with excess water or excess water. It is desirable to include a water management system for removal.
[0208]
Generally, if the microcell structure has a large surface area and low mass transfer resistance, removing water from the microcell module is less of a problem than conventional planar fuel cell structures.
[0209]
Various alternatives may be utilized to further enhance the water management capabilities of the microcell fuel cell module. For example, if a heat transfer tube is used in a fuel cell assembly, and the assembly is made of a material such as a hollow fiber membrane coated with Nafion or another ion exchange polymer that can selectively permeate water, and When the heat exchange liquid is water, a heat transfer tube can be used to supply water to the fuel cell or remove heat from the fuel cell.
[0210]
One approach to removing heat from the fuel cell is to have a porous planar hollow fiber membrane to distribute the microcell bundle. In this structural arrangement, during operation of the fuel cell, water penetrates the walls of the membrane by wicking and is passed down through the holes of the hollow fiber and removed from the active surface. The resulting water can then be collected in a plenum in the container containing the module and drained from the system.
[0211]
The present invention considers various approaches to removing water from the fuel cell. In fuel cells made of fibrous cells or microcells, hollow fiber membranes treated with hydrophilic compounds can be intermittently packed between fibrous cells containing electrodes or current collectors to remove the generated water. . Since these hollow fiber membranes are in close contact with the shell side of the cell and the pore side is open, the water generated by the fuel cell is absorbed by the wick phenomenon and passes down the pores of the hollow fiber membrane to form the electrode. Is removed from the cell containing As a result, the cells can be prevented from overflowing with water.
[0212]
When the module is mounted vertically, water can also be collected by gravity at the bottom of the cell and drained from it.
[0213]
FIG. 50 shows a cross section of a bundle 1020 of hollow fibers and microcell tubes. Among them, flat hollow fiber elements 1026 are interspersed with microcell fiber elements 1022 and shell-side electrodes 1024. Utilizing such hollow fiber elements, water is passed from the assembly. FIG. 51 is a cross-sectional elevation view of a microcell fuel cell module 1030, such as a container 1032 that includes a vertically arranged microcell assembly 1036, as shown. The container 1032 has a flange 1034 that allows the top end of the container to be removed to access the internal components of the microcell assembly and other modules.
[0214]
The microcell assembly 1036 is attached at the upper end with a binder 1040 and is tightly sealed with an O-ring sealant 1042 to prevent leakage with the inner wall of the container. Similarly, the microcell assembly 1036 is attached at its lower end with a binder 1044 and is tightly sealed with an O-ring sealant 1046 to prevent leakage with the inner wall of the container.
[0215]
A central conduit 1080 is fitted into the microcell assembly 1036, which is perforated with the internal volume of the microcell assembly. In addition, a fuel inlet 1060 supplies fuel from the upper end volume 1048 to the pore side of the microcell element of the assembly. Fuel discharged at the lower end of the hollow fiber element enters the lower end volume 1050 and is discharged from the container at outlet 1072 or 1070.
[0216]
The outlet 1078 is in the inner volume 1038 of the container and discharges the used fuel in the inner volume (shell side).
[0217]
The lower end of the container 1032 is constituted by a plenum chamber 1076, which receives water (condensate) flowing to the lower portion of the container by gravity and discharges overflowing water from the outlet 1072 or 1070.
[0218]
As shown, at each end of the microcell assembly, a current collector element is coupled to a respective terminal 1082 and 1084.
[0219]
Accordingly, the hollow fiber tubular elements utilized in the microcell assembly allow the excess water to penetrate the passages in such hollow fiber holes and drain it into the plenum chamber, thereby removing the water from the electrochemical fuel cell module. , Can easily remove excess water.
[0220]
In addition, water can be transported from the microcell assembly using any suitable method, including flowing water from the microcell bundle to a collection tube or location, using surface tension or capillary effect elements and structures. including. As an example, on March 3, 1981, Leslie C. et al. Kun and Elias G .; The reinforced structure of the film compression apparatus described in U.S. Pat. No. 4,253,519 issued to Ragi effectively utilizes the overlay structure for microcell fibers or bundles of similar construction, and bundles of substructures. The liquid is collected by flowing, and is discharged from the fuel cell module.
[0221]
In each of the foregoing approaches, the electrolyte / catalyst-impregnated coated fibers can optionally be coated with an emulsion of Teflon® polytetrafluoroethylene to impart hydrophobicity to the membrane / electrode assembly. With such flexible measures, water introduced or formed in the cell is repelled from the catalyst surface, improving the effectiveness of the catalyst site for fuel or oxidizing agents (such as hydrogen and oxygen).
[0222]
Although the present invention has been described herein with reference to a particular embodiment, features, and aspects, the present invention is not limited to this, but is extended to, and adapted to, other modifications, variations, applications, and practical applications of the embodiment. It will be appreciated that all other modifications, variations, applications, and embodiments are considered to be within the spirit and scope of the invention.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view of a fiber element structure showing the assembly of a microcell assembly.
FIG. 2 is a perspective view of a fiber element structure showing the assembly of the microcell assembly.
FIG. 3 is a perspective view of the fiber element structure showing the assembly of the microcell assembly.
FIG. 4 is a perspective view of a fiber element structure showing the assembly of the microcell assembly.
FIG. 5 is a perspective view of a connector connecting the current collector or electrode elements of the microcell fiber assembly.
FIG. 6 is a microcell assembly according to one embodiment of the invention, terminated at one end of the assembly.
FIG. 7 shows a perspective view of the microcell assembly in an exploded view, showing the continuously connected microcell sheets.
FIG. 8 is a schematic view of a layered arrangement of continuously connected microcell sheets.
FIG. 9 is a three-dimensional perspective view of an array in which microcell layers are continuously connected.
FIG. 10 shows an arrangement with a microcell sheet attached.
FIG. 11 is a perspective view of a tube with a double stack of electrochemical cells with perforations on the top and optionally the bottom.
FIG. 12 is a cross-sectional elevation view of a microcell fiber bundle attached to a container.
FIG. 13 is a side view of the container of FIG.
FIG. 14 is a cross-sectional elevation view in a case where microcell sheets are stacked in two stages.
FIG. 15 is a side view of a two-tiered microcell device in which sheets are arranged to be stacked on each side of a perforated tube.
FIG. 16 is a perspective view of a fiber attached to one side of a perforated delivery tube.
FIG. 17 shows a container with fibers placed on both sides of a perforated tube.
FIG. 18 is a side view of an electrochemical cell device constituting a microcell assembly.
FIG. 19 shows a perforated tubing used as a rotating shaft to form a microcell structure.
FIG. 20 shows a sheet of fibrous microcells and current collectors on the shell side that can be rotated or wrapped around the perforated tube of FIG. 19;
FIG. 21 illustrates a state where the sheet in FIG. 20 is being rotated.
FIG. 22 shows a state in which the sheet of FIG. 20 has been rotated.
FIG. 23 shows a fibrous microcell part, a sheet of a current collector on the shell side, and an insulating sheet (such as fiberglass or a porous plastic material).
FIG. 24 is a perspective view of a sheet assembly including two sheets of a fibrous microcell portion and a shell-side current collector.
FIG. 25 is a side view of a microcell assembly using a filled fiber layered sheet.
FIG. 26 is a cross-sectional view of a bundle of micro cells.
FIG. 27 is a side view of a case where the bundles of the lower structure of the microcell are continuously connected as one embodiment of the present invention.
FIG. 28 is a perspective view of a connector used to continuously connect a bundle of substructures of a microcell as a component.
FIG. 29 is a cross-sectional elevation view of an assembly having a plurality of bundles, in which a feed tube corresponding to each bundle is placed.
FIG. 30 is a cross-sectional elevation view of an assembly having a plurality of bundles when the respective bundles are connected in series.
FIG. 31 is a cross-sectional view of a fuel cell module in which a plurality of bundles of a lower structure are inserted, in which an airtightly sealed element closes a topsheet of a portion surrounding the module.
FIG. 32 is a side view of a fuel cell module having a plurality of bundles of a lower structure made of microcells and having a feed pipe branched and arranged.
FIG. 33 is a side view from a cross-section showing an internal volume of a module container including a microcell bundle having a lower structure passed through a pipe as one embodiment of the present invention.
FIG. 34 is a cross-sectional view of a microcell assembly in which heat transfer fibers and heat transfer tubes are dispersed in a microcell bundle.
FIG. 35 is a cross-sectional elevation view of the fuel cell module showing the air / fuel and heat transfer paths scattered between the substructure bundles.
FIG. 36 is a cross-sectional view of a microcell bundle in which a hollow fiber functions as an external electrode element and can exchange heat.
FIG. 37 is a cross-sectional side view of a fuel cell having hollow fibers for heat exchange / current collector.
FIG. 38 is a cross-sectional elevation view of a fuel cell module performing heat exchange from a current collector by heat conduction.
FIG. 39 is a circuit diagram of a fuel cell system as one embodiment of the present invention.
FIG. 40 is a cross-sectional view of a double membrane design using a conductive permselective membrane for the anode or cathode of the microcell.
FIG. 41 is a cross-sectional view of a double isolation design using a permselective membrane to protect the anode or cathode of the microcell.
FIG. 42 is a cross-sectional view of a dual isolation design using a permselective membrane covering both the anode and cathode of the microcell.
FIG. 43 is a cross-sectional view of a double isolation design using a permselective membrane covering both the anode and cathode of the microcell, and a porous, conductive internal separator.
FIG. 44 is a cross-sectional view of a dual isolation design using a permselective membrane covering both the anode and cathode of the microcell, and a reforming catalyst on the inner wall of the internal separator.
FIG. 45 is a schematic process diagram of a solution impregnation system for immersing membrane fibers in Nafion or an electrocatalyst.
FIG. 46 is a front view of a metal fiber having a polymer compound on the outer surface.
FIG. 47 shows fibers coated with pyrolyzed carbon on the outer surface after the pyrolysis of FIG. 46.
FIG. 48 shows a fibrous carbon current collector beside a coated metal fiber.
FIG. 49 shows a fiber assembly cut from the coated metal fibers of FIG. 48.
FIG. 50 shows a cross section of a hollow fiber and a microcell tube bundle. Here, flat hollow fiber elements are used to carry water from the assembly.
FIG. 51 shows a vertical, upward expansion of a microcell bundle arranged so that water drained from the module flows to the lower plenum space for removal.
Claims (247)
内部電極および外部電極の少なくとも一方が炭素あるいはグラファイトの電流コレクタを含み、分解してそこで電気的に断絶しやすい、炭素あるいはグラファイトではない電流コレクタと密接に接触したマイクロセル構造。A microcell structure comprising an internal electrode, a microporous membrane separator in contact with the internal electrode, an electrolyte in the pores of the microporous membrane separator, and an external electrode;
A microcell structure in intimate contact with a non-carbon or non-graphite current collector, wherein at least one of the inner and outer electrodes comprises a carbon or graphite current collector, which is susceptible to disassembly and electrical disconnection there.
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