JP2005158739A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】機械的故障を低減する燃料電池を提供する。
【解決手段】電解質層のパターニングにおいて、マニホールドを形成するための少なくとも一つの凹部を設け、電極が第一の凹部に形成された第一のマニホールドの中に設置される。アノード電極とカソード電極の位置は、アノード、カソードのの二つの電極間の距離が電解質層の平均厚さより少なくなるように配置される。アノードからカソードへ、あるいはカソードからアノードへイオンが移動する距離を短くするために、電解質の厚みを変え、少なくともアノードまたはカソードの何れか一方を、凹部に設置する。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池および燃料電池スタックに関する。

燃料電池は、２つの化合物、一般的には燃料と酸化剤から電気エネルギーを直接生成する電気化学システムである。図１は、電解質層１０４が燃料と酸化剤を分離する典型的な燃料電池システムを示す。電解質層１０４はプロトン交換膜（ＰＥＭ）として機能するが、このＰＥＭは水素イオン伝導体でありながら、電子絶縁体である。水素原子がアノードで水素ガスまたは炭化水素発生源から触媒され、その電子から分離する。電子は電極アセンブリ（図示せず）から外部負荷１１６を通って流れ、カソード１１２に戻る。水素イオンは、ＰＥＭ１０４の中を伝導され、カソード１１２において電子と水素と結合し、廃棄物である水または蒸気を形成する。外部負荷１１６を通じてカソード１１２からアノード１２０に流れる電流は、有益な電気エネルギーとなる。燃料電池の動作のより詳細な説明は、１９８９年にニューヨークのVan Nostrand Reinhold Co.により出版されたAppleby, A.J.とFoulke, F.R.による「燃料電池ハンドブック(Fuel Cell Handbook)」に記載されている。

図のシステムにおいて、電解質層１０４はできるだけ薄く形成するのが理想的である。薄い電解質層が望ましいのは、薄い構造であるほどイオン伝導性にすぐれ、電気抵抗が低減されるからである。一般に、イオンコンダクタンスは厚さに反比例し、電気抵抗は厚さにほぼ比例する。電解質層内の電気抵抗が高いと、出力損失が増大する。

しかしながら、電解質層１０４を薄くすると、製造しにくさが増し、電解質不良の可能性が高まる。まず、薄い電解質層では、燃料と酸化剤を分離する効果がないかもしれない。燃料が電解質層の中にその電子とともに拡散すると、電子は有益なエネルギーを提供するための外部回路を通過しないため、電池の効率が下がる。このような状態は、燃料クロスオーバーと呼ばれる。燃料クロスオーバーは、カソード１１２で酸化し、発熱する。これは、薄型のＮａｆｉｏｎ（登録商標）をベースとする膜をメタノール燃料とともに使用する場合のひとつの制約である。第二に、多くの燃料電池用膜技術においては、やわらかい、あるいは壊れやすい材料が使用される。このような材料で作られる薄い電解質層は、しばしば機械的に不安定である。膜が漏れたり裂けたりして、燃料と酸化剤が全体的に混合すると、電池は故障し、アノードまたはカソードの触媒材料が無拘束の発熱反応を起こす。燃料電池の設計者は、安全性、燃料クロスオーバー（これには厚い電解質層が好ましい）とイオン伝導効率（これには、薄い電解質層が好ましい）とのバランスをとらなければならない。構造的に弱い電解質層の問題を解決するために、Dyer他の米国特許第４，８６３，８１３号は、図２に示すように、分離の役割を果たす電解質層を除き、酸化剤と燃料を共通領域２０４の中にまとめている。燃料と酸化剤との無拘束の反応を防止するために、この反応を促進する触媒は、反応を起こす種から遮断されている。触媒を遮断するために、Dyer特許は、触媒を電極組成物の中に含め、選択的透過性電極を使用することを教示している。したがって、たとえば、アノードを燃料に対して透過性を持つが、酸化剤は透過させないようにすることができる。このような選択的透過性電極の設計については、Taylor他（米国特許第５，１０２，７５０号）およびEllgen他（米国特許第５，１６２，１６６号）においても説明されている。しかしながら、このような選択的透過性電極の製造は困難であり、それによって電極の設計が制約され、その結果、最適な性能が得られない。

米国特許第４，８６３，８１３号明細書 米国特許第５，１０２，７５０号明細書 米国特許第５，１６２，１６６号明細書

上記のことから、燃料と酸化剤を分離した状態で、しかも電解質の機械的堅牢性について妥協せずにすむ電解質構造を形成する改良されたシステムが必要である。燃料クロスオーバーが小さい電解質の場合、より薄い電解質層を機械的に強化する方法により、イオン伝導性と効率が改善される。

電解質の改良された機械的設計を取り入れた燃料電池について説明する。ひとつの実施形態において、改良された電解質層がパターニングされ、マニホールドを形成するための少なくともひとつの凹部がこれに設けられる。電極が第一の凹部に形成された第一のマニホールドの中に設置される。アノード電極とカソード電極の位置は、アノード、カソードの２つの電極間の距離が電解質層の平均厚さより少なくなるように配置される。

より厚い電解質層を使用することができ、しかもアノードをカソードに接近させて設置することが可能な燃料電池システムについて説明する。このシステムは、燃料用と酸化剤用のチャンバを分離し、燃料電池の機械的故障を低減し、製造を簡素化し、燃料電池の性能を保持する。

図３は、電解質層３０４の上に形成された燃料電池の断面図である。図の実施形態において、電解質層３０４は厚いフィルムであり、これは基板としても機能する。あるいは、電解質層３０４を支持基板（図示せず）の上に形成することもできる。電解質３０４の上部のデュアルマニホールドカバー３２８は燃料用マニホールド３３２と酸化剤用マニホールド３３６でなる別々のマニホールドを作る。燃料用マニホールド３３２の中にアノード３０８があり、酸化剤用マニホールド３３６の中にカソード３１２がある。

ひとつの実施形態において、電解質層３０４は固形酸材料（solid acid material）から作られる。固形酸材料は電子絶縁体でありながら、高いイオン伝導性を有する。これらの特徴から、固形酸は特に燃料電池に適しており、これについては、２００１年４月１９日付Nature誌４１０号９１０から９１３ページに掲載されたHaile他による「固形酸形燃料電池(Solid Acid Fuel Cell)」と題する記事の中で説明されている。しかしながら、固形酸材料からは脆弱なセラミック材料ができ、これは支持手段のない非常に薄い電解質構造の製造には適していない。

アノード３０８とカソード３１２は、伝導性材料、一般にはグラファイト等の不活性伝導体で形成され、電解質層３０４に隣接して設置される。アノード３０８またはカソード３１２のいずれか一方あるいはアノードとカソードの両方は、燃料と酸化剤との反応を促進するため、プラチナおよび／またはルテニウム等の触媒を含むのが一般的である。触媒は、分子間相互作用のための基板として機能し、燃料と酸化剤の分割、たとえば水素と酸素、Ｈ₂とＯ₂のＨとＯへの分割を促進する。一般に、単原子種のみ反応する。

図３において、アノード３０８とカソード３１２は、電解質層３０４の第一の表面３１６の上の共通平面内に形成される。ただし、平坦であることは要件ではない。小さな分離距離３１８だけアノード縁辺部３２０は最も近いカソード縁辺部３２４から離れている。分離距離３１８は、好ましくは１０マイクロメートル未満である。電流路３４４は、カソード縁辺部３２４とアノード縁辺部３２０に近いギャップ領域の中に集中する。

マニホールド３２８内の分離壁３４０は、燃料用チャンバ３３２と酸化剤用チャンバ３３６を分離する。燃料用マニホールド３３２には通常、水素または炭化水素等の燃料およびアノード３０８が収容される。酸化剤用マニホールド３３６には通常、カソード３１２と、酸素等の酸化剤が収容される。分離壁３４０の厚さは、アノードをカソードから分離する距離３１８の下限を画定する。アノード３０８をカソード３１２の近くに設置することが望ましいため、分離壁３４０は薄いこと、しばしば、幅１０マイクロメートル未満であることが好ましい。このような寸法のマニホールドを形成するためには、フォトリソグラフィ技術をはじめとする多数の技術を使用できる。

矢印３４４は、水素イオン等の燃料イオンの流れを示す。水素イオンは通常、アノード３０８から電解質層３０４を通ってカソード３１２へと流れ、ここで酸化剤と反応する。反応後、燃料電池は水を生成する。イオンの流れによって電位差が生じ、この電位差が電子をアノードから電気回路（図示せず）を通ってカソードへと駆動する。電子の流れが外部の電気回路への供給電力となる。矢印３４４は、電解質層３０４の片側に入り、電解質層３０４の同じ側のカソードの付近から出る水素イオンの流れを示す。この新規なイオンの経路により、電解質層の厚さが水素イオンの経路の長さを決定する要因とはならなくなる。したがって、カソードからアノードまでの間の距離を、電解質層の厚さより実質的に小さくすることができる。

図４〜図６は、電解質、たとえば固形酸が成形、機械加工その他によって成形され、凹部を有する平坦でない表面が作られている燃料電池の構造を示す。平坦な、あるいは成形、機械加工その他によって形成されたマニホールドは、凹部を密閉して燃料用および酸化剤用チャンバを形成し、その中に電極とアノードが設置される。

図４は、波型の電解質層４０４を利用する燃料電池４００の実施形態を示す。波型の電解質層４０４は、波型構造から形成された少なくとも２つの凹部４０２，４０６を含む。アノード４０８とカソード４１２は、対応する凹部４０２，４０６に設置される。各々の凹部は一般に断面が三角形であり、その幅は一般に、最も大きい地点で１から１０００マイクロメートルの範囲である。凹部４０２，４０６は、燃料用および酸化剤用マニホールドを形成するよう配置される。

電解質層の形成あるいは波型化は、たとえば、電解質層の成形または機械加工を含むさまざまな技術によって実現される。セラミック電解質層の場合、これを素地の状態でパターニングしてから焼成するか、あるいは焼成した後でパターニングすることができる。凹部を非常に小さく形成することが望まれる場合、フォトリソグラフィによるエッチング加工で凹部を形成することができる。代表的なフォトリソグラフィ技術は、１９８６年にカリフォルニア州サンセット・ビーチのLattice Pressから出版されたWolf, SとTauber, R.N.による「VLSA時代のためのシリコン加工(Silicon Processing for the VLSI Era)」に記載されている。当業者は、その他の方法を利用しても波型電解質層を形成することができる。

波型電解質層４０４の山部４４４は、燃料用チャンバと酸化剤用チャンバの間の分離壁となる。燃料用および酸化剤用チャンバは、凹部４０２，４０６から形成される。燃料電池４００のマニホールドカバー４３２は山部４４４に連結し、燃料用チャンバ４３６と酸化剤用チャンバ４４０を密閉し、密閉されたチャンバは燃料電池マニホールドである。山部４４４の高さが他の山部４５２，４５６の上部と平面を形成する場合、マニホールドカバー４３２は、燃料電池マニホールドを密閉する平面構造であってもよい。

矢印４４４は、アノード４０８から山部４４４を通ってカソード４１２に至る燃料イオンの移動を示す。燃料イオンは電解質層に入り、電解質層４０４の同じ面４４８から出る。山部４４４の上の山形コーナー４４５は、燃料イオンの入口と出口を分離する。アノード４０８上の最も近い地点からこれに対応するカソード４１２上の最も近い地点までの距離４１４は、電解質層４０４の平均厚さ４２４より実質的に小さい。距離４１４はまた、電解質層４０４の中点における厚さより小さい。本明細書において、中点における厚さとは、電解質層の半分がその中点の厚さより厚く、電解質層の半分がその中点の厚さより薄いという厚さの数値と定義される。

図５は、電解質層５０４の中に溝が形成されている燃料電池５００を示す。溝は凹部５０６，５０８を形成し、これが密閉されると、マニホールドが形成される。凹部を有するマニホールドは各々、コーナー５１２，５１６を有するほぼ箱型の断面を持つ。対応する凹部を有する電解質層を形成する技術には、電解質層５０４の成形、電解質層の機械加工、電解質層のジェット印刷あるいはその他、当業者に知られているセラミックパターニング技術がある。

電解質層５０４の分割部分５５２は、隣接する凹部５０６，５０８を分離する。分割部分５５２のアスペクト比は低く保たれ、好ましくは、分割部分５５２の高さ５６０を、幅５６４の２０倍より小さくする。アスペクト比を低くすることにより、分割部分５５２の強度が維持される。

アノード５３２とカソード５３６は、対応する凹部５０６，５０８の中に形成される。アノード５３２とカソード５３６を凹部５０６，５０８の輪郭と合致させることにより、アノードの一部５４８が電解質層の分割部分５５２と重複する。同様に、カソードの一部５５６は電解質層の分割部分５５２と重複する。このように、アノードの一部５４８とカソードの一部５５６は、電解質層の分割部分５５２の両側に接触する。分割部分５５２が、一般的には５０ミクロンと薄いことにより、アノードの一部５４８をカソードの一部５５６に近接させて設置することができ、その結果、２つの部分の間のイオン交換が促進される。

一般的な燃料電池はアノード−カソード構造を繰り返し、燃料電池から発生される電圧と電流を増加させている。たとえば、この構造を直列で繰り返し、連続する凹部５４４の中の第三のアノードの次に対応するカソード（図示せず）を設置することができる。燃料は各アノードを囲み、酸化剤は各カソードを囲む。陽イオンにより正に荷電した水素イオンのような電解した燃料原子は、アノードから電解質層５０４を通ってカソードに流れ、カソードにおいて酸化剤と反応する。あるいは、陰イオンにより負に荷電した酸素イオンのような電解した酸化剤は、カソードから電解質層５０４を通ってアノードに流れ、アノードにおいて燃料と反応する。イオンのほとんどは、アノードからカソードへの最短経路を移動する。この最短経路は、分割部分５５２を通る。その結果生じる電位差を電気回路の駆動に使用することができる。

燃料と酸化剤を入れるために、マニホールドカバー５４９は電解質層５０４に連結し、燃料または酸化剤を入れるのに適した少なくとも２つのチャンバ周辺を密封する。マニホールドカバーはまた、分割部分５５２を含む電解質層の山部の構造的支持手段にもなる。マニホールドカバーは、燃料、電解質、触媒との適合性のあるプラスチックまたはセラミックをはじめとするさまざまな材料で構成できる。電解質の中には、摂氏数千度という高温下でも動作するものもある。アノードとカソードの両方をカバーするマニホールドカバーは、一般に、アノードとカソードのショートを防止するため、電気的に十分に絶縁される。

図６は、電解質層６０４が少なくとも２つの凹部６０８，６１２を有するようにパターニングされた燃料電池６００の断面図である。電解質層のパターニングは、電解質層の機械加工、電解質層の成形あるいは当業者に知られるその他の技術により実現できる。電解質層６０４のうちより厚い領域６１６は、電解質層６０４のうちより薄い領域６２０を強化する「リブ」として機能する。薄い領域の厚さは一般に５０ミクロン未満であり、厚い領域の厚さは一般に少なくとも１００ミクロンである。凹部の高さ対幅のアスペクト比は非常にさまざまであるが、通常、アスペクト比は０．４以下に保たれる。アスペクト比を低くすることで、電解質層が、電解質層６０４の凹部を有する薄い部分の強度を維持するのに十分に厚い部分を確実に有することになる。

燃料用マニホールドカバー６２４と酸化剤用マニホールドカバー６２８は、電解質層６０４の反対側に連結する。電解質層６０４の凹部はマニホールドカバーと連結され、対応する燃料用マニホールド６３２と酸化剤用マニホールド６３６を形成する。マニホールドカバーはまた、電解質層６０４を硬化し、強化する役割も果たす。燃料用チャンバ６３２の中の電解質層６０４に隣接するアノードと酸化剤用チャンバ６３６の中の電解質層６０４の反対側に隣接するカソードは、電気的接触点を提供する。燃料イオンは電解質層６０４の第一の面６３８に入り電解質層６０４の第二の面６４０から出る。電解質層６０４から出た後、燃料イオンは、酸化剤用チャンバ６３６内で触媒と酸化剤と相互作用する。あるいは、酸化剤のイオンが電解質層６０４の第一の面に入り、第二の面６３８から出る。

燃料電池は時々、空間体積をより効率的に利用するために積み重ねられる。（前出の「燃料電池ハンドブック」のAppleby参照。）図７は、燃料電池７００の断面図であり、図５および図６の燃料電池構造と同様または同等の複数の燃料電池７０４，７０８を積み重ねるひとつの方法を示す。アノード７１６，７１８を含む電池は、カソード７２０を含む電池に隣接させて設置される。図にある特定の実施形態においては、４つの隣接するカソード７２０がアノード７１６を囲んでいるが、他の電気的または機械的にニーズに合わせ、図とは異なる配置としてもよい。アノードとカソードは、一般的に伝導体および触媒を含む、当業界で周知の材料で構成できる。

電池を積み重ね、その出力を電気的に連結することにより、スタックにより出力される電圧または電流を増大させることができる。並列の電気的接続により電流が増加し、直列接続はスタックにより出力される電圧を増加させる。

隣接する電池同士の電気的接続は、さまざまな方法で行われる。ひとつの実施形態において、マニホールドそのものにおいては電気的接続を行わず、エンドプレート（図示せず）において電気接続が行われる。エンドプレートは、図７の断面図に平行に、燃料電池構造の前後の終端を形成する。電池を電気的に相互接続するその他の方法も使用できる。

上記の燃料電池の例７００において、電池間のマニホールドカバーは、取り除かれている。そのかわり、隣接する電池の壁は、各電池を密封する役割を果たす。この場合もマニホールドカバーは電池スタックの上下または左右で利用できる。個々の電池は脆弱であるが、積み重ねることで、構造全体の機械的強度が増す。

以上の説明において、さまざまな詳細事項が示された。この詳細事項には、理想的な寸法、電解質層の形状、代表的な電解質の材料の例、燃料電池用の一般的な燃料が含まれる。これらの詳細事項は、本発明を理解しやすくし、例を挙げるために記載された。しかしながら、これらの詳細事項は、特許請求範囲を限定するものと解釈してはならない。本発明の範囲は、特許請求の範囲によってのみ定義される。

燃料電池の従来技術による構造を示す図である。 燃料と酸化剤をまとめた、燃料電池の改良された従来技術による構造を示す図である。 分離したマニホールドを有するコプラナ燃料電池の一実施形態を示す図である。 波型の電解質層を有するコプラナ燃料電池の一実施形態を示す図である。 溝付の電解質層を有するコプラナ燃料電池の一実施形態を示す図である。 強化用リブを備える凹部を有する電解質層を使用した図である。 燃料電池が積み重ねられた、凹部を有する燃料電池の一実施形態を示す図である。

符号の説明

１０４，３０４，４０４，５０４，６０４ 電解質層、１１２，３１２，４１２，５３６，７２０ カソード、１１６ 外部負荷、１２０，３０８，４０８，５３２，５４０，７１６，７１８ アノード、３１６ 第一の表面、３１８ 分離距離、３２０ アノード縁辺部、３２４ カソード縁辺部、３２８，４３２，５４９，６２４ マニホールドカバー、３３２，６３２ 燃料用マニホールド、３３６，４４０，６３６ 酸化剤用マニホールド、３４０ 分離壁、３４４ 矢印、電流路、４００，５００，６００，７００，７０４，７０８ 燃料電池、４０２，４０６，５０６，５０８，５４４，６０８，６１２ 凹部、４１４ 距離、４２４ 平均厚さ、４４４ 山部、４４５ 山形コーナー、５５２ 分割部分、６３２ 燃料用チャンバ、６３６ 酸化剤用チャンバ、６３８ 第一の面、６４０ 第二の面。

Claims (4)

1. 第一の凹部を有し、厚みが一様でない電解質と、
   前記第一の凹部に設置された第一の電極と、
   前記第一の電極との最短距離が前記電解質の最も厚い部分の厚さより小さくなるよう配置された第二の電極と、
   を備えることを特徴とする燃料電池。
2. 少なくとも２つの凹部を有し、厚みが一様でない電解質と、
   前記少なくとも２つの凹部の第一の凹部に設置されたアノードと、
   前記少なくとも２つの凹部の第二の凹部に設置されたカソードを備え、
   前記アノードとカソードは、前記アノードから前記カソードまでの最短距離が前記電解質の最も厚い部分より小さくなるよう配置されることを特徴とする燃料電池。
3. 第一の面を有する電解質と、
   前記電解質と接触するマニホールドカバーを備え、
   前記マニホールドカバーと電解質とは２つのマニホールドを形成し、第一のマニホールドはアノードを有し、第二のマニホールドはカソードを有し、前記２つのマニホールドは何れも前記電解質の前記第一の面にあることを特徴とする燃料電池。
4. 第一の燃料電池を形成し、第一の凹部を有し、厚みが一様でない、第一の電解質層と、
   前記第一の凹部に設置された第一の電極と、
   前記第一の電極との最短距離が、前記第一の電解質層の最も厚い部分の厚さより小さくなるよう配置された第二の電極と、
   前記第一の電解質層の上に設置された第二の電解質層を備え、
   前記第二の電解質層は第二の燃料電池を有し、前記第一の燃料電池は前記第二の燃料電池と電気的に連結されていることを特徴とする燃料電池スタック。
   
   

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