JP2005517273A - High power density fuel cell layer device using microstructured components - Google Patents
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Abstract
【課題】
【解決手段】 本発明は、燃料を有する燃料プレナムと、酸化剤を有する酸化剤プレナムと、前記燃料および酸化剤プレナムと連通する多孔質基板と、前記多孔質基板で作られたチャネルと、アノードと、カソードと、前記アノードとカソードに接するチャネルの一部にあり前記カソードへの燃料の移動と前記アノードへの酸化剤の移動を防ぐ電解質と、前記多孔質基板の一部に燃料が流入するのを防ぐ第1のコーティングと、前記多孔質基板の一部に酸化剤が流入するのを防ぐ第2のコーティングと、2つのシーラント・バリアと、陽極および陰極接続とから作られる燃料電池であり、前記において本発明はまた、多重燃料電池層構造と、2層燃料電池層構造と、燃料電池層を作るための方法とに関与するものである。【Task】
The present invention includes a fuel plenum having a fuel, an oxidant plenum having an oxidant, a porous substrate in communication with the fuel and the oxidant plenum, a channel made of the porous substrate, an anode, And a cathode, an electrolyte in a part of a channel in contact with the anode and the cathode, preventing movement of fuel to the cathode and oxidant to the anode, and fuel flows into a part of the porous substrate A fuel cell made of a first coating that prevents oxidant, a second coating that prevents oxidant from flowing into a portion of the porous substrate, two sealant barriers, and an anode and cathode connection. In the foregoing, the present invention also relates to a multiple fuel cell layer structure, a two-layer fuel cell layer structure, and a method for making a fuel cell layer.
Description
本発明は燃料電池に関するものである。より具体的には、本発明は単一の多孔質基板を用いて形成される個別チャネル内にある複数の電池を有する燃料電池層に関するものである。 The present invention relates to a fuel cell. More specifically, the present invention relates to a fuel cell layer having a plurality of cells in individual channels formed using a single porous substrate.
高電力密度燃料電池は長い間望まれてきた。 High power density fuel cells have long been desired.
既存の燃料電池は一般に、個々の燃料電池を積み上げたアセンブリになっており、各電池が低電圧で高電流を生み出す。典型的な電池構造は反応物質の分配と電流収集を行うデバイス類を含み、前記デバイス類はガス拡散層と、第1の触媒層と、電解層と、第2の触媒層と、第2のガス拡散層とから成る層状電気化学アセンブリに接触するように配置される。溶融炭酸塩電池のような高温燃料電池を除き、陽子交換膜か、直接メタノールか、固体酸化物か、あるいはアルカリかを用いた燃料電池の大半は層状平面構造を有し、前記の層状平面構造は、まず個別のコンポーネントとして層を形成した後にそれらの層を互いに接触させるように積み上げることにより機能的な燃料電池スタックとして組み立てられる。 Existing fuel cells are typically an assembly of individual fuel cells, with each cell producing a high current at a low voltage. A typical battery structure includes devices for reactant distribution and current collection, the devices including a gas diffusion layer, a first catalyst layer, an electrolytic layer, a second catalyst layer, and a second catalyst layer. Arranged in contact with a layered electrochemical assembly comprising a gas diffusion layer. Except for high-temperature fuel cells such as molten carbonate cells, most fuel cells using proton exchange membranes, direct methanol, solid oxide, or alkali have a layered planar structure, and the layered planar structure described above. Is assembled as a functional fuel cell stack by first forming the layers as individual components and then stacking the layers in contact with each other.
前記の層状平面構造燃料電池の1つの大きな問題点は、層の密接な電気的接触が保たれなければならず、それらの接触が密でないと前記スタックの内的抵抗が高まり、前記燃料電池の全体的な効率が低減することであった。 One major problem with the layered planar structure fuel cell is that intimate electrical contact of the layers must be maintained, otherwise the internal resistance of the stack is increased and the fuel cell The overall efficiency was to be reduced.
前記層状平面構造燃料電池の第2の問題点は、前記層構造燃料電池の内部凹所にある反応物質と冷却剤を密閉し、正しい流れを確実に保つために、層間の接触を一定に維持しなければならないことであった。また、前記電池の全体的面積が大きくなり過ぎると、反応物質であるガス流体が電解質表面に正しく流通分布するのを維持するために必要な接触力を生み出すことが難しくなる。 A second problem with the layered planar fuel cell is that the reactants and coolant in the inner recess of the layered fuel cell are sealed to maintain constant contact between the layers to ensure proper flow. It was something that had to be done. Also, if the overall area of the battery becomes too large, it will be difficult to generate the contact force necessary to maintain the reactant gas fluid in the correct distribution on the electrolyte surface.
また、前記層状平面構造の燃料電池を用いる既存のデバイス類は、燃料と酸化剤の両方を前記層状平面構造の燃料電池の平面内に流す必要があるため、実用可能な電池を作るためには、典型的に第1の流体場と第1のガス拡散層と第1の触媒層と第1の電解層と第2触媒層と第2ガス拡散層と第2流体場層と分離器とから成る、典型的に8層だが少なくとも4層、多い場合は10層の個別層を必要とするという特徴も持つ。これらの層は通常、分離された燃料電池コンポーネントとして製造され、次に層を互いに接触させて燃料電池スタックが作られる。それらの層を接触させる際は、前記の層内部におけるガスの拡散を起こす一方、組み立てられた燃料電池スタックからガス漏れを防ぐように注意する必要がある。さらに、前記スタックの燃料電池が生み出す電流はすべて、前記スタックの各層を通過する必要があり、そのためには個別層の単純な接触によって導電性のあるパスが与えられなければならない。結果的に、周囲のシールを活性化し、内部の接触抵抗を減らすためには、組み立て後のスタックをかなりの力で押し付けなくてはシーリングと導電性が得られない。
In addition, since existing devices using the fuel cell having the layered planar structure need to flow both the fuel and the oxidant in the plane of the fuel cell having the layered planar structure, in order to make a practical battery. , Typically from a first fluid field, a first gas diffusion layer, a first catalyst layer, a first electrolytic layer, a second catalyst layer, a second gas diffusion layer, a second fluid field layer and a separator. It is also characterized by the fact that it typically requires 8 individual layers but at least 4 layers, in
既存の燃料電池のコンフィギュレーションを持つ層の製造は高価で難しくなりがちである。酸化剤および燃料流体場および分離器としての役割をする双極プレートは、加工の難しいグラファイトから作られることがよくあり、前記の燃料電池スタックのコストへのかなりの加算となる。膜電極アセンブリ(MEA)は通常、固体ポリマー電解質の片側をまず触媒でコーティングし、次にガス拡散電極を前記電解質に押し付けて作られる。前記燃料電池アセンブリにおいては、複数の個別双極プレートと膜電極アセンブリが連続的に接続されている必要がある。通常、隣り合わせとなる双極プレートと膜電極アセンブリの間に個別のシールを付ける必要があり、シールされた双極とMEAの層から成るスタック全体をかなり強い圧縮力で押さえつけておく必要がある。 Manufacturing layers with existing fuel cell configurations tends to be expensive and difficult. Bipolar plates that serve as oxidant and fuel fluid fields and separators are often made from difficult to process graphite, which is a significant addition to the cost of the fuel cell stack. Membrane electrode assemblies (MEAs) are typically made by first coating one side of a solid polymer electrolyte with a catalyst and then pressing a gas diffusion electrode against the electrolyte. In the fuel cell assembly, it is necessary that a plurality of individual bipolar plates and a membrane electrode assembly are continuously connected. Typically, a separate seal must be applied between adjacent bipolar plates and membrane electrode assemblies, and the entire stack of sealed bipolar and MEA layers must be held down with a fairly strong compressive force.
個別の層を連続的にアセンブリする方法を必要としない代替的な燃料電池設計がこれまで必要とされてきた。この必要に応える1つの方法は、従来の燃料電池設計に伴う共通の問題から開放された新規のデバイスを作り出すために、ミクロ製造技術とナノ構造材料を組み合わせることにより可能となるミクロ構造の方法を用いた燃料電池を構築することである。ミクロ規模技術の燃料電池への応用は数多くの明らかな利点がある。具体的には、より薄い層と新規の構成による電力密度の増加、熱および質量移動の向上、より優れた触媒利用率および/またはより正確な触媒利用率、導電パスの長さが短縮することによる損失削減により、燃料電池の効率が上がり、容積比の電力密度を上げることが可能となることである。前記の電池設計に付属システムを含める機会と新用途が期待されることも、さらなる潜在的利益である。 There has been a need for alternative fuel cell designs that do not require a method of sequentially assembling individual layers. One way to meet this need is to develop a microstructural method that is possible by combining microfabrication techniques and nanostructured materials to create new devices that are freed from the common problems associated with conventional fuel cell designs. It is to construct the fuel cell used. The application of microscale technology to fuel cells has many obvious advantages. Specifically, thinner layers and new configurations increase power density, improve heat and mass transfer, better catalyst utilization and / or more accurate catalyst utilization, and reduced conductive path length. By reducing the loss caused by the fuel cell, the efficiency of the fuel cell is increased and the power density of the volume ratio can be increased. An additional potential benefit is the opportunity to include accessory systems and new applications in the battery design.
これまで、層状平面構造燃料電池よりも少ない部品から成るミクロ燃料電池の必要性があった。部品のより少ないミクロ燃料電池であれば、現在の燃料電池よりもはるかに少ない製造費になるだろう。 To date, there has been a need for a micro fuel cell consisting of fewer parts than a layered planar structure fuel cell. A micro fuel cell with fewer parts would be much less expensive to manufacture than current fuel cells.
これまで、様々な電解質を利用することのできるミクロ燃料電池の必要性があった。 Until now, there has been a need for a micro fuel cell that can utilize various electrolytes.
これまで、燃料電池内の接触抵抗がはるかに少ないミクロ燃料電池の必要性があった。 To date, there has been a need for a micro fuel cell with much less contact resistance within the fuel cell.
過去の数々の発明において、ミクロ規模の製造技術が燃料電池に使われてきた。米国特許第5,861,221号は、従来型のMEAをいくつも用い、1つのMEAの陰極端を次のMEAの陽極端に直列接続した「膜片」について記述している2つのコンフィギュレーションが考慮されている。第1のコンフィギュレーションではMEAを段階的コンフィギュレーションに置くことによって「膜片」を構築している。第2のコンフィギュレーションでは電池を直列接続するための導電部分を有する端と端をつないでMEAを合体させている。同じ発明者らによるいくつかの追加研究(米国特許第5,925,477号)では、電池の導電性を改善するために前記電極間に分路が取り入れられている。MEA自体は従来の層構造を持つ設計であり、端をつなげるアセンブリ全体は隣接するMEA間に従来から使われているシールに依然として依存している。 In many past inventions, micro-scale manufacturing techniques have been used for fuel cells. US Pat. No. 5,861,221 uses two conventional MEAs and describes two configurations that describe a “membrane piece” in which the cathode end of one MEA is connected in series with the anode end of the next MEA. Has been taken into account. In the first configuration, the “membrane piece” is constructed by placing the MEA in a staged configuration. In the second configuration, the MEAs are combined by connecting the ends having conductive portions for connecting the batteries in series. Some additional work by the same inventors (US Pat. No. 5,925,477) incorporates shunts between the electrodes to improve battery conductivity. The MEA itself is a design with a conventional layer structure, and the entire assembly connecting the ends still relies on the seals conventionally used between adjacent MEAs.
米国特許第5,631,099号と第5,759,721号も同様の直列接続のコンセプトを用いているが、その他数多くのミクロ規模の技術を燃料電池の設計に応用している。そうすることにより、単一の構造内に多重燃料電池が同時に形成される。前記燃料電池もキャリアに層状平面デバイスが取り付けられたものであり、隣接する燃料電池間を相互接続するにはキャリア層を貫通することが要求される。これらの特許に記述されている技術の大半は、メタノール耐性のある触媒の創出と、前記電池内のメタノールのクロスオーバーを防ぐために前記触媒にパラジウム層を応用することと関連している。 US Pat. Nos. 5,631,099 and 5,759,721 use a similar series connection concept, but apply many other micro-scale techniques to fuel cell design. By doing so, multiple fuel cells are simultaneously formed in a single structure. The fuel cell also has a layered planar device attached to a carrier, and it is required to penetrate the carrier layer in order to interconnect adjacent fuel cells. Most of the techniques described in these patents relate to the creation of methanol-tolerant catalysts and the application of a palladium layer to the catalyst to prevent methanol crossover in the cell.
国際公開第01/95406号は複数のMEA構造を作り出すためにセグメント化された単一膜デバイスについて記述している。製造が困難である複雑な双極プレートは燃料と酸化剤の両方をMEA層の両側に提供する。米国特許第6,127,058号も同様の構造について記述しているが、反応ガスの複雑なマニホールドに代わり、MEA層の片側に1つの反応物質を与えている。前記の単一MEA層内に形成される燃料電池の直列相互接続は、MEA層の上端からMEA層の下端へ電気的に接続されたデバイスの周辺に置かれた外部電流コレクタを通して行われる。前述の周辺電気接続は非効率的である。 WO 01/95406 describes a single membrane device that is segmented to create multiple MEA structures. Complex bipolar plates that are difficult to manufacture provide both fuel and oxidant on both sides of the MEA layer. US Pat. No. 6,127,058 describes a similar structure, but instead of a complex manifold of reactive gases, one reactant is provided on one side of the MEA layer. The series interconnection of fuel cells formed in the single MEA layer is made through an external current collector placed around the device that is electrically connected from the upper end of the MEA layer to the lower end of the MEA layer. The aforementioned peripheral electrical connections are inefficient.
先行技術の燃料電池の中には、ミクロ製造技術の応用によってサイズと製作費の削減を試みているものがある。例えば、ケース・ウェスタン・リザーブ大学のデバイスでは、印刷および半導体製造に用いられるものと同様の薄膜層プロセスを用いたキャリア基板に多重燃料電池が形成されている(Wainwright et al."A micro fabricated Hydrogen/Air Fuel Cell"195 Meeting of the Electrochemical Society,Seattle,WA,1999)。これらの設計においても、燃料電池がベース基板の上に構築されている点を除き、従来の平面を用いた設計がそのまま使われている。まず前記カソードを前記の平面電解質の上に作らねばならず、次に明示的な相互接続を用いて隣接するアノードにそれを接続する必要がある。 Some prior art fuel cells attempt to reduce size and manufacturing costs through the application of microfabrication technology. For example, Case Western Reserve University devices have multiple fuel cells formed on a carrier substrate using a thin film layer process similar to that used in printing and semiconductor manufacturing (Wainwright et al. “A microfabricated Hydrogen”). / Air Fuel Cell "195 Meeting of the Electrochemical Society, Seattle, WA, 1999). In these designs, the conventional design using a plane is used as it is, except that the fuel cell is constructed on the base substrate. The cathode must first be made on the planar electrolyte, and then it must be connected to the adjacent anode using explicit interconnections.
上記の電池はすべて、電極の端で電流を集める方法を採用している。これにより、これら電池の内部における抵抗が大幅に高まる。これら電池はいずれも、容易な製造に適した唯一の電解質である固体ポリマー電解質をベースとしている。さらに、上記の電池はすべて、単一の電解質平面内に多重燃料電池を形成することによってミクロ燃料電池の設計を達成している。 All the above batteries employ a method of collecting current at the ends of the electrodes. This greatly increases the resistance inside these batteries. Both of these batteries are based on a solid polymer electrolyte, which is the only electrolyte suitable for easy manufacture. Furthermore, all of the cells described above achieve a micro fuel cell design by forming multiple fuel cells in a single electrolyte plane.
平面ではない電解質を用いるという概念は過去にも考慮されてきた。英国特許第2,339,058号は起伏のある電解質層を用いた燃料電池について記述している。このコンフィギュレーションでは、従来の層状MEAが起伏するような形で構築されている。このMEAは双極プレートの間に置かれる。この設計により、与えられた容積に入れ込むことが可能な活性面積が増える。しかし、この設計も依然として、イクスプリシット・シールを用いる高価で複雑な層構造に依存しており、内部の電気接続とシーリングを維持する圧縮力を要求する。日本特許第50903/1996号は、非平面だが区分的にリニアな形状に(MEAであろう)発電エレメントを挟み込む働きをするための交互に突出した部分を持つ平面分離器を全般に有する固体ポリマー燃料電池について記述している。英国特許第2,339,058号と同じく、前記のものも引き続き、高価で複雑な層構造に依存しているが、この設計は分離器プレートを使って無理にMEAを非平面にすることによりMEAに不必要な応力を加えることにもなる。 The concept of using a non-planar electrolyte has been considered in the past. British Patent 2,339,058 describes a fuel cell using a undulating electrolyte layer. In this configuration, the conventional layered MEA is constructed such that it undulates. This MEA is placed between the bipolar plates. This design increases the active area that can be accommodated in a given volume. However, this design still relies on an expensive and complex layered structure that uses explicit seals and requires a compressive force to maintain internal electrical connections and sealing. Japanese Patent No. 50903/1996 is a solid polymer generally having a planar separator with alternating protruding portions to serve to sandwich the power generating element in a non-planar but piecewise linear shape (which would be an MEA) A fuel cell is described. Like British Patent No. 2,339,058, the above continues to rely on expensive and complex layer structures, but this design is made by using a separator plate to force the MEA to be non-planar. Unnecessary stress is also applied to the MEA.
非平面設計のほかに、一部の先行技術はチューブ状のコンフィギュレーションを採用している。米国特許第6,060,188号は単一のMEAが円筒状に形成された円筒状の燃料電池について記述している。燃料もしくは酸化剤が前記円筒の内部凹所に運ばれ、別の反応物質がその外部に運ばれる。この設計内で各円筒構造が単一の燃料電池を作り出し、燃料電池である環状円筒形の壁を通って電流が流れる。燃料電池間の電気的相互接続を与える方法あるいは個々の燃料電池をシールする方法については開示されていない。この設計は、よく知られている固体酸化物燃料電池のチューブ状設計に類似している。 In addition to the non-planar design, some prior art employs a tubular configuration. US Pat. No. 6,060,188 describes a cylindrical fuel cell in which a single MEA is formed into a cylindrical shape. Fuel or oxidant is carried into the inner recess of the cylinder and other reactants are carried to the outside. Within this design, each cylindrical structure creates a single fuel cell, and current flows through the annular cylindrical wall of the fuel cell. There is no disclosure of how to provide electrical interconnection between fuel cells or how to seal individual fuel cells. This design is similar to the well-known solid oxide fuel cell tubular design.
同じ容積の中に含まれる活性面積の増加、すなわち活性面積の密度の増加を可能にする燃料電池トポロジーあるいは燃料電池アーキテクチャーの開発が必要とされてきた。これにより、今日の燃料電池開発者の大半が行っているのとは異なる方法により燃料電池を最適化することが可能となる。 There has been a need to develop fuel cell topologies or fuel cell architectures that allow for an increase in the active area contained within the same volume, ie, an increase in the density of active areas. This makes it possible to optimize the fuel cell in a different way than most of today's fuel cell developers do.
本発明は、統合設計を持つ特定の燃料電池層アーキテクチャーに関するものであり、前記においてガス拡散層と触媒層と電解質層の機能は単一の基板に統合されている。この統合設計により、より単純な製造プロセスと設計のスケーリングが可能となる。 The present invention relates to a specific fuel cell layer architecture with an integrated design, in which the functions of the gas diffusion layer, the catalyst layer and the electrolyte layer are integrated on a single substrate. This integrated design allows for simpler manufacturing processes and design scaling.
より具体的には、前述の燃料電池層は、燃料プレナムと、酸化剤プレナムと、前記燃料プレナムおよび前記酸化剤プレナムと連通する多孔質基板とを用いて外部負荷に接続する。前記燃料電池層は多孔質基板と、前記多孔質基板を用いて形成された数多くの燃料電池とを有する。各燃料電池は個別チャネルと、第1のチャネル壁に配置された第1の触媒層と、第2のチャネル壁に配置された第2の触媒層と、第1の触媒層から形成されたアノードおよび第2の触媒層から形成されたカソードと、カソードへの燃料移動およびアノードへの酸化剤移動を防ぐために前記個別チャネルに配置された電解質とを有する。前記燃料電池はまた、前記多孔質基板の一部に燃料が入り込まないようにするために前記多孔質基板の少なくとも一部に配置された第1のコーティングと、前記多孔質基板の一部に酸化剤が入り込まないようにするために前記多孔質基板の少なくとも一部に配置された第2のコーティングと、第1の側面に配置された第1のシーラント・バリアと、第2の側面に配置された第2のシーラント・バリアと、前記燃料電池間に配置された第3のシーラント・バリアと、第1の側面に配置された陽極接続と、第2の側面に配置された陰極接続とを有する。 More specifically, the fuel cell layer is connected to an external load using a fuel plenum, an oxidant plenum, and a porous substrate communicating with the fuel plenum and the oxidant plenum. The fuel cell layer includes a porous substrate and a number of fuel cells formed using the porous substrate. Each fuel cell includes an individual channel, a first catalyst layer disposed on the first channel wall, a second catalyst layer disposed on the second channel wall, and an anode formed from the first catalyst layer. And a cathode formed from the second catalyst layer, and an electrolyte disposed in the individual channel to prevent fuel transfer to the cathode and oxidant transfer to the anode. The fuel cell also includes a first coating disposed on at least a portion of the porous substrate to prevent fuel from entering a portion of the porous substrate, and oxidizing the portion of the porous substrate. A second coating disposed on at least a portion of the porous substrate to prevent entry of an agent, a first sealant barrier disposed on the first side, and a second side disposed on the second side. A second sealant barrier, a third sealant barrier disposed between the fuel cells, an anode connection disposed on the first side, and a cathode connection disposed on the second side. .
複数の極めて細かなサイズの燃料電池が単一の基板の内部に作られると、より高い総合電力密度が達成される。さらに、前記単一基板内の多重燃料電池は、並列に並べることが可能であり、前記燃料電池層を高容量の自動化製造によって構築する可能性につながる。単一基板の中に燃料電池を組み合わせることにより、外的なシールとクランプを施す必要性が最小限になる。 Higher overall power density is achieved when multiple very fine sized fuel cells are made inside a single substrate. Furthermore, the multiple fuel cells in the single substrate can be arranged in parallel, leading to the possibility of constructing the fuel cell layer by high-volume automated manufacturing. Combining fuel cells in a single substrate minimizes the need for external sealing and clamping.
前記燃料電池層の設計の様々なバリエーションが考えられる。それらバリエーションの中には、燃料と酸化剤のプレナムをデッドエンド式にするもの、前記燃料電池層が容積を封じ込めるもの、前記多孔質基板が非平面コンフィギュレーションあるいは平面コンフィギュレーションであるもの、前記燃料電池層が円筒形の中に容積を封じ込めるものが含まれる。様々な導電性および非導電性の多孔質媒体から前記基板を作ることができる。 Various variations of the design of the fuel cell layer are conceivable. Among these variations are those in which the fuel and oxidant plenums are dead-end type, those in which the fuel cell layer contains volume, those in which the porous substrate has a non-planar configuration or a planar configuration, the fuel Included are battery layers that contain a volume in a cylindrical shape. The substrate can be made from a variety of conductive and non-conductive porous media.
サイズ的には、前記チャネルは高さ1ナノメートル〜10cm、幅1ナノメートル〜1mm、長さ1ナノメートル〜100メートルの範囲のサイズが可能である。本発明の単一の燃料電池の発電能力としては、約0.25ボルト〜約4ボルトが考えられる。 In terms of size, the channel can be 1 nanometer to 10 cm high, 1 nanometer to 1 mm wide, and 1 nanometer to 100 meters long. The power generation capacity of a single fuel cell of the present invention can be from about 0.25 volts to about 4 volts.
この設計の燃料電池層1層に使用可能な燃料電池は1個〜5000個であるが、好ましい実施形態において、前記燃料電池層は75個〜150個を合体させた燃料電池を有するものと考えられる。この燃料電池層は0.25ボルト〜2500ボルトの電圧を産出する能力を持つものと考えられる。より多くのチャネルを持つ燃料電池は、より高い電圧を産出することができる。 Although one to 5,000 fuel cells can be used for one fuel cell layer of this design, in a preferred embodiment, the fuel cell layer is considered to have a fuel cell in which 75 to 150 cells are combined. It is done. This fuel cell layer is considered to have the ability to produce a voltage of 0.25 to 2500 volts. Fuel cells with more channels can produce higher voltages.
本発明に使用可能な電解質は、ゲルか液体か固体材料である。前記電解質を1ナノメートル〜1.0mmの厚さとすることができ、あるいは、第1の壁から第2の壁へのチャネルをそれぞれ単純に隙間なく満たすこともできると考えられる。薄いチャネルを有するということは、すなわち薄い電解質であるということであり、前記燃料電池の効率が上がる。 The electrolyte that can be used in the present invention is a gel, liquid, or solid material. It is believed that the electrolyte can be 1 nanometer to 1.0 mm thick, or that each channel from the first wall to the second wall can simply be filled without a gap. Having a thin channel means a thin electrolyte, which increases the efficiency of the fuel cell.
本発明の燃料電池層は、まず第1に燃料源を燃料プレナム注入口に接続し、第2に燃料プレナム放出口を再循環コントローラに接続し、第3に酸化剤プレナム注入口を酸化剤源に接続し、第4に酸化剤プレナム放出口をフロー制御システムに接続し、第5に陽極接続と陰極接続を外部負荷に接続し、第6に前記注入口に燃料と酸化剤を流し込み、最後に前記燃料電池によって発電された電気を用いて負荷装置を駆動することによって使用することができる。 The fuel cell layer of the present invention first connects the fuel source to the fuel plenum inlet, second connects the fuel plenum outlet to the recirculation controller, and third connects the oxidant plenum inlet to the oxidant source. 4th, connecting the oxidant plenum outlet to the flow control system, 5th connecting the anode and cathode connections to the external load, 6th pouring fuel and oxidant into the inlet, and finally Further, it can be used by driving a load device using electricity generated by the fuel cell.
本発明はミクロ構造燃料電池に関するものであり、好ましくは多孔質である基板と、単一あるいは複数の基板構造を有する燃料電池のアセンブリと、前述の燃料電池および燃料電池層の製造方法とに関するものである。 The present invention relates to a microstructured fuel cell, preferably a porous substrate, a fuel cell assembly having a single or multiple substrate structure, and a method of manufacturing the fuel cell and fuel cell layer described above. It is.
本発明は、統合設計を持つ特定の燃料電池アーキテクチャーに関するものであり、前記においてガス拡散層と触媒層と電解質層の機能は単一の基板に統合されている。このアーキテクチャーは、実用的な燃料電池を形成する様々な「層」をまとめて折り込み、直線、曲線、起伏だけでなくフラクタルな形状の電解質パスを作り出すことが可能であり、それにより電気化学的に活性な表面積を増やし、より高い容積ベースの電力密度を達成することができる。さらに、様々な燃料電池層を単一の基質内に作ることにより、電気接続を生み出すための燃料電池コンポーネントの単純な接触の問題がなくなり、よって、電池内抵抗を低減する可能性が生まれる。前記の電池層自体のコンフィギュレーションは、平面、非平面、あるいはインボリュートが可能であり、表面積を増やす上でいっそう有利であり、また、用途に関しても柔軟性が与えられる。この統合設計により、より単純な製造プロセスと設計のスケーリングが可能となる。 The present invention relates to a specific fuel cell architecture with an integrated design, in which the functions of the gas diffusion layer, the catalyst layer and the electrolyte layer are integrated on a single substrate. This architecture allows the various “layers” that make up a practical fuel cell to be folded together to create a fractal shaped electrolyte path as well as straight lines, curves, and reliefs, thereby allowing electrochemical The active surface area can be increased and higher volume-based power density can be achieved. Furthermore, by making the various fuel cell layers in a single substrate, the problem of simple contact of the fuel cell components to create an electrical connection is eliminated, thus creating the possibility of reducing the resistance in the cell. The configuration of the battery layer itself can be planar, non-planar, or involute, which is more advantageous for increasing the surface area, and also gives flexibility in application. This integrated design allows for simpler manufacturing processes and design scaling.
既存の燃料電池設計と異なり、本発明は1つの実施形態において、滑らかな起伏をしない回旋状電解層を提供する。本発明のその他の実施形態は本質的に滑らかではない形を含む。前述の滑らかでない電解パスにより、与えられた容積に前記燃料電池の反応を詰め込むための全体的な表面積が、従来の燃料電池設計のように平面電解層を用いた場合よりも大きくなる。本発明はまた、別々の電解層の間の距離を大幅に減らすことにより、与えられた容積における表面積を従来の設計よりも大きくすることができる。 Unlike existing fuel cell designs, the present invention, in one embodiment, provides a convoluted electrolytic layer that does not have smooth relief. Other embodiments of the invention include shapes that are not inherently smooth. The aforementioned non-smooth electrolysis path results in a larger overall surface area for packing the fuel cell reaction into a given volume than with a planar electrolysis layer as in conventional fuel cell designs. The present invention also allows the surface area in a given volume to be greater than conventional designs by significantly reducing the distance between the separate electrolytic layers.
本発明は、長い電解パス長を与えるフラクタル・パターンを参考にした設計を用いることを考慮する。本発明は、層状プロセスに依存せず、製造後に個別の層状コンポーネントをアセンブルする必要のない燃料電池と「スタック」を構築する方法を含む。MEA層と双極プレートの従来の関係を排除し、多重分離層構造への依存をなくす。本発明はまた、アセンブル後の燃料電池デバイスの底面(フットプリント)全体に対して、個々の燃料電池が横に立てられた設計も考慮する。本発明は、並列製造方法を用い、単一の基板に1つに統合化された構造を持つ多重燃料電池の構築を考慮する。 The present invention contemplates using a design that references a fractal pattern that provides a long electrolytic path length. The present invention includes a method of building a fuel cell and “stack” that does not rely on a layered process and does not require assembly of individual layered components after manufacture. The conventional relationship between the MEA layer and the bipolar plate is eliminated, and the dependence on the multiple separation layer structure is eliminated. The present invention also contemplates a design in which individual fuel cells are laid sideways with respect to the entire bottom surface (footprint) of the assembled fuel cell device. The present invention contemplates the construction of multiple fuel cells having a structure integrated into one on a single substrate using a parallel manufacturing method.
具体的には、前記燃料電池に多孔質基板を用い、前記基板を通して反応ガスが駆動力をほとんど必要とせずに拡散することを考慮する。前記基板は導電性でも、そうでなくてもよい。導電性の場合は、典型的にカソードからアノードを分離する働きをするように前記基板の少なくとも一部を絶縁することが考慮され、カソードからアノードを分離する電解質によってこの絶縁体を作り、必要であれば絶縁構造部材を選択的に追加してもよい。より具体的には、前記燃料電池は、(a)燃料を伴う燃料プレナムと;(b)酸化剤を伴う酸化剤プレナムと;(c)前記燃料プレナムと連通する多孔質基板、および上部、底部、第1の側面、第2の側面を持つ前記酸化剤プレナムと;(d)前記多孔質基板を用いて作られた、第1のチャネル壁と第2のチャネル壁を有するチャネルと;(e)第1のチャネル壁の多孔質基板に配置された第1の触媒層から作られたアノードと;(f)第2のチャネル壁の多孔質基板に配置された第2の触媒層から作られたカソードと;(g)前記カソードへの燃料の移動を防ぎ、前記アノードへの酸化剤の移動を防ぐように、前記アノードおよび前記カソードに接触するチャネルの部分に少なくとも配置された電解質と;(h)燃料が前記多孔質基板の少なくとも一部に入るのを防ぐために前記多孔質基板の少なくとも一部に配置された第1のコーティングと;(i)酸化剤が前記多孔質基板の少なくとも一部に入るのを防ぐために前記多孔質基板の少なくとも一部に配置された第2のコーティングと;(j)第1の側面に配置された第1のシーラント・バリアと第2の側面に配置された第2のシーラント・バリアと;(k)第1の側面に配置された陽極接続と;(l)第2の側面に配置された陰極接続とを有するものと考えられ、前記において結果的に得られる燃料電池は外部負荷を駆動する電流を生む。 Specifically, a porous substrate is used for the fuel cell, and it is considered that the reaction gas diffuses through the substrate with almost no driving force. The substrate may or may not be conductive. In the case of conductivity, it is typically considered to insulate at least a portion of the substrate to serve to separate the anode from the cathode, and this insulator is created by the electrolyte separating the anode from the cathode, and is necessary. If necessary, an insulating structural member may be selectively added. More specifically, the fuel cell comprises: (a) a fuel plenum with fuel; (b) an oxidant plenum with an oxidant; (c) a porous substrate in communication with the fuel plenum; The oxidant plenum having a first side, a second side; (d) a channel having a first channel wall and a second channel wall made using the porous substrate; A) an anode made from a first catalyst layer disposed on the porous substrate of the first channel wall; and (f) a second catalyst layer disposed on the porous substrate of the second channel wall. (G) an electrolyte disposed at least in a portion of the channel in contact with the anode and the cathode to prevent fuel migration to the cathode and to prevent oxidant migration to the anode; h) Fuel is small in the porous substrate A first coating disposed on at least a portion of the porous substrate to prevent at least a portion from entering; and (i) the porous to prevent an oxidant from entering at least a portion of the porous substrate. A second coating disposed on at least a portion of the porous substrate; (j) a first sealant barrier disposed on the first side and a second sealant barrier disposed on the second side; (K) an anode connection disposed on the first side; and (l) a cathode connection disposed on the second side, wherein the resulting fuel cell drives an external load. To produce a current.
本発明の1つの実施形態の横断面を示す図1において、燃料電池8は燃料11を含むオプショナルな燃料プレナム10を有する。多孔質基板12は前記オプショナル燃料プレナム10に隣接する。前記燃料プレナムはオプショナルな燃料プレナム注入口18を有することができる。前記燃料プレナムはまた、オプショナルな燃料プレナム放出口20を有することができる。オプショナルな酸化剤プレナム16は、オプショナルな酸化剤プレナム注入口52を有することができる。前記酸化剤プレナムはまた、オプショナルな酸化剤プレナム放出口54を有することができる。酸化剤プレナムを使わない場合は、前記燃料電池は周囲環境を酸化剤源として用いる。
In FIG. 1, which shows a cross-section of one embodiment of the present invention, a
前記多孔質基板12は長方形か、四角形か、直交形か、あるいは不規則な形を採ることができる。この図の実施形態においては単一の平面内に作られているが、非平面基板または多重基板コンフィギュレーションも想定される。
The
前記多孔質基板を用いて作られたチャネル14は、直線形あるいは任意の設計とすることができる。任意の設計とする場合、本用途において一貫して前記チャネルは「起伏のある」チャネルと呼ばれる。複数のチャネルがある場合は、少なくとも1つが起伏のあるチャネルである場合がある。前記チャネル14は第1のチャネル壁22と第2のチャネル壁24を有する。さらに、前記多孔質基板12は上部100と底部102と第1の側面104と第2の側面106を有する。
The
前記チャネルは起伏のあるチャネルか、直線的チャネルか、不規則なチャネルを持つことができる。起伏がある場合、前記チャネルはシヌソイド(正弦)形が可能であり、起伏がある場合、前記チャネルは少なくとも3つの平面を持つ形が可能である。 The channels can have undulating channels, straight channels, or irregular channels. If there is an undulation, the channel can be sinusoidal, and if there is an undulation, the channel can be shaped with at least three planes.
アノード28は第1のチャネル壁22の表面上あるいはその中に作られるが、前記アノードを前記壁に埋め込むことも可能である。アノード28は、第1のチャネル壁22の上あるいは中の第1の触媒層38を用いて作り出される。
The
カソード30は第2のチャネル壁24の表面上あるいはその中に作られる。アノード28と同様、カソード30を第2のチャネル壁24に埋め込むことが可能である。カソード30は第2の触媒層40を用いて作り出される。
The
図1a、1b、1cは前記燃料電池の前記カソードおよびアノードの詳細を示す。図1aは前記多孔質基板12内の第1の深さにあるアノード28を示し、図1bは前記多孔質基板12内の第2の深さにあるアノード28を示し、図1cはカソード30を示す。
1a, 1b and 1c show details of the cathode and anode of the fuel cell. 1a shows the
前記の触媒層を第1およびチャネル壁上に配置することも、前記チャネル壁中に作ることも可能である。1つの実施形態では、第1および第2の触媒層を前記多孔質基板に触媒活性を起こすために少なくとも最低限の深さで配置する。 The catalyst layer can be arranged on the first and channel walls or can be made in the channel walls. In one embodiment, the first and second catalyst layers are disposed at least at a minimum depth to cause catalytic activity in the porous substrate.
図1を再び参照すると、チャネル14に電解質32が配置されている。
Referring again to FIG. 1, an
第1のコーティング34を前記多孔質基板の部分に少なくとも配置し、前記多孔質基板12の少なくとも一部に燃料が入り込むのを防ぐ。第2のコーティング36を前記多孔質基板の部分に少なくとも配置し、前記多孔質基板12の少なくとも一部に酸化剤が入り込むのを防ぐ。
A
第1のシーラント・バリア44を前記多孔質基板の第1の側面に配置し、第2のシーラント・バリア46を前記多孔質基板の第2の側面に配置する。前記シーラント・バリアをシーラント・バリアチャネル43の内部に配置するという選択肢も可能である。
A
陽極接続50を、前記多孔質基板の第1の側面上の前記多孔質基板12と接続する。
An
陰極接続48を、前記多孔質基板の第2の側面上の前記多孔質基板12と接続する。
A
結果的に得られる燃料電池は外部負荷58を駆動する電流56を流す。
The resulting fuel cell passes a current 56 that drives an
図2は本発明の別の実施形態であり、図1の実施形態に含まれていた燃料放出口20と酸化剤放出口54を具体的に排除した燃料電池108のデッドエンド式バージョンを示す。
FIG. 2 is another embodiment of the present invention and shows a dead-ended version of the
本発明のこの実施形態の1つのバージョンにおいて、電解質32を角度76で、好ましくは多孔質基板12の大半の部分の縦または横軸74に直角となる角度でチャネル14に取り付ける可能性を考慮する。
In one version of this embodiment of the invention, consider the possibility of attaching the
図2においてオプショナルな支材26が第1のチャネル壁22と第2のチャネル壁24を分離しているが、前記支材はすべての実施形態で必要とされるものではない。いくつかの代替案は図2aが示すような複数の資材を想定している。本発明において、1から50あるいはそれ以上の支材が考慮される。
In FIG. 2, an
図2aを参照すると、流体場126を持つ固体燃料プレナム10および流体場126を持つ固体酸化剤プレナム16とともに燃料電池が示されている。また、前記燃料プレナムは前記燃料を含む透過性材料を有するものと想定される。前記酸化剤プレナムも透過性材料を有することができる。前記燃料プレナムおよび酸化剤プレナムを同じ方法で構築する必要はなく、酸化剤および燃料プレナムのコンフィギュレーションの様々な組み合わせを用いることが可能であると理解される。前記燃料プレナムおよび前記酸化剤プレナムはそれぞれ、様々な形、円形、楕円形、長方形、あるいは四角形をとることができる。前記燃料プレナムを長方形の横断面とすることを特に考慮する。
Referring to FIG. 2 a, a fuel cell is shown with a
図3は、図1の実施形態の燃料注入口18と燃料放出口20および酸化剤注入口52と酸化剤放出口54を排除した燃料電池110のデッドエンド式バージョンの別の実施形態の横断面である。図3aは酸化剤プレナム16がすべて取り除かれた燃料電池の実施形態を示す。前述の実施形態において、前記電池は酸化剤供給源として周囲環境を利用する。図3bは燃料プレナム10が完全に取り除かれた燃料電池の実施形態を示す。このコンフィギュレーションにおいて、前記燃料電池は燃料供給源として周囲環境を利用する。
3 is a cross-sectional view of another embodiment of a dead-ended version of the
図4は第2の基板62から作られた第2の燃料電池114に隣接するように作られた、基板12から作られた第1の燃料電池66を示す。第1および第2の燃料電池は、複数の基板をつなげることによって、あるいは図5が示すように、複数チャネル14を単一基板12の中に作り出すことによって、第1の燃料電池66および第2の燃料電池114を作ることができる。
FIG. 4 shows a
図4において、別々の多孔質基板を用いて多重燃料電池構造が作られており、それらをシーラント・バリア44のところで互いに接続して燃料電池層が形成される。この図において第1の燃料電池66は第2の燃料電池114に接続される。複数の燃料電池をこの方法で接続し、燃料側面116と酸化剤側面118を持つ燃料電池層64を作り出すことができる。前記図面の詳細は、図1の記述の項目番号を参照すれば簡単に理解されるため、ここでは説明を省く。
In FIG. 4, multiple fuel cell structures are made using separate porous substrates, which are connected together at a
この実施形態において、前記燃料電池層が外部負荷を駆動する電流を生み出すことができるように、前記燃料電池を直列か、並列か、直列と並列の組み合わせによって接続するものと想定する。 In this embodiment, it is assumed that the fuel cells are connected in series, in parallel, or a combination of series and parallel so that the fuel cell layer can generate a current that drives an external load.
図4aは、燃料プレナムが周囲環境に開かれている燃料電池層を示す。前記燃料プレナムは流体場を有する透過性材料または固体材料とすることができる。前記燃料プレナムはまた、長方形の横断面が可能である。図4bは、酸化剤プレナムが周囲環境に開かれている燃料電池層を示す。この図において、少なくとも1つのオプショナルな支材26が、少なくとも1つの燃料電池上に示されている。図4cは図4で記述した方法によって最高5000個の電池が接続された燃料電池層の実施形態を示す。
FIG. 4a shows the fuel cell layer with the fuel plenum open to the surrounding environment. The fuel plenum may be a permeable material having a fluid field or a solid material. The fuel plenum can also have a rectangular cross section. FIG. 4b shows the fuel cell layer with the oxidant plenum open to the surrounding environment. In this figure, at least one
図5において、同じ燃料電池構造が単一の多孔質基板12に形成されている。この実施形態において、多重燃料電池が図1の記述と同じ方法によって前記多孔質基板の中に作られる。この場合は前記燃料電池が単一基板の中に作られるため、それぞれの燃料電池に伴うシーラント・バリアと電気接続は必要ない。代わりに第1のシーラント・バリア44を前記多孔質基板の第1の側面に配置し、第2のシーラント・バリア46を前記多孔質基板の第2の側面に配置し、複数の第3のシーラント・バリア45を前記燃料電池の間に置く。前記シーラント・バリアは前記燃料電池層の中の燃料電池間のガス透過性分離器となる。
In FIG. 5, the same fuel cell structure is formed on a single
図4a、4b、4cの多重基板構造を示す同じ実施形態を、図5に示す単一基板構造にも用いることができるものと理解される。 It will be appreciated that the same embodiment showing the multiple substrate structure of FIGS. 4a, 4b, 4c can also be used for the single substrate structure shown in FIG.
図4の構造あるいは図5の構造のいずれによるものであっても、2つの燃料電池のこの関係は、互いに連結する、任意の数の燃料電池を置く場合にも同じである。どちらの実施形態においても、前記多重構造の末端はシーラント・バリア44と第2のシーラント・バリア46で密閉される。どちらの実施形態においても、陰極接続48を前記多重燃料電池アセンブリの一方の端に取り付け、陽極接続50を前記多重燃料電池アセンブリのもう一方の端に取り付けることにより、前記多重燃料電池アセンブリが外部負荷装置を駆動することが可能となる。
Regardless of whether the structure of FIG. 4 or the structure of FIG. 5 is used, this relationship between the two fuel cells is the same when any number of fuel cells are connected to each other. In either embodiment, the ends of the multiple structure are sealed with a
燃料プレナム10とつなげられる燃料側面116と酸化剤プレナム16とつなげられる酸化剤側面118を有する燃料電池層64は、多重燃料電池の連結によって作り出される。
A
前記燃料電池層64内の燃料電池が作られる基板が導電性であれば、個々の燃料電池によって作られる電流は前記基板と前記シーラント・バリア44を通過して直接流れることができ、形成される前記の燃料電池層の中に双極燃料電池構造を作り出す。前記燃料電池層64内の燃料電池が作られる基板が導電性でない場合は、第1のコーティング34と第2のコーティング36をどちらも導電性材料で作るべきであり、第1のコーティング34がアノード40と電気的に接触し、第2のコーティング36がカソード38と電気的に接触するようにするべきである。第1のコーティング34と第2のコーティング36はまた、導電性シーラント・バリア44と電気的接触をするように作られる。いずれの場合も、導電性あるいは非導電性の基板を用い、前記燃料電池が生み出す電流を、陽極接続および陰極接続に伝達することが可能である。
If the substrate on which the fuel cells in the
図5aは前記燃料電池層の別のコンフィギュレーションを示す。このコンフィギュレーションでは、第1の燃料電池のアノードを第2の燃料電池のカソードに接続するために第1のコーティング34が延長されている。第2のコーティング36も同様に、第1の燃料電池のアノードに接触するように延長されている。末端の第1のコーティングおよび末端の第2のコーティングを使い、末端の燃料電池を陽極接続50および陰極接続48に接続することができる。このコンフィギュレーションでは、第1のコーティングは燃料が前記アノードに到達するように部分的に多孔質になっており、第2のコーティングは酸化剤が前記カソードに到達するように部分的に多孔質になっている。このコンフィギュレーションでは、前記多孔質基板もシーラント・バリアも導電性である必要がない。また、前記電池間の電気的接触を与えるために第1のコーティングのみを延長すること、あるいは、前記電池間の電気的接触を与えるために第2のコーティングのみを延長することも想定する。
FIG. 5a shows another configuration of the fuel cell layer. In this configuration, the
1つの燃料電池層に多重燃料電池を入れると、図4および図5が示すように、個々の燃料電池が直列電気接続される。前記の多重燃料電池の合計電圧は、前記燃料電池層の末端のどちらかに陽極接続と陰極接続の電位差を作り出す。より多くの燃料電池によって、前記燃料電池層が前記電気接続間により高い電圧を起こすことが可能になる。隣接するアノードとカソードの間に電気接続パスが作られる限り、導電性あるいは非導電性の基板、バリア、キャップのあらゆる組み合わせを使うことができる。この方法は、個別コンポーネントを押し付ける必要も、個別に作られる層状コンポーネントを使用することもなく、前記燃料電池層のそれぞれの燃料電池の電気接続は、エッジ・コレクト式(端で集める方法)か、好ましくは双極直列式かのいずれかによって実現される。また、前記燃料電池層の電流の流れの方向は、前記燃料電池に対し、大半の電流設計に見られるような直交にはならず、全体として前記燃料電池の平面の方向となる。また、燃料電池層内で前記燃料電池を並列または直列と並列の組み合わせで電気接続することも想定する。 When multiple fuel cells are put in one fuel cell layer, individual fuel cells are electrically connected in series as shown in FIGS. The total voltage of the multiple fuel cell creates a potential difference between the anode and cathode connections at either end of the fuel cell layer. More fuel cells allow the fuel cell layer to generate a higher voltage between the electrical connections. Any combination of conductive or non-conductive substrates, barriers and caps can be used as long as an electrical connection path is created between adjacent anodes and cathodes. This method does not require the pressing of individual components or the use of individually made layered components, and each fuel cell electrical connection of the fuel cell layer can be edge-collected (a method of collecting at the end), Preferably, it is realized by either of the bipolar series type. Also, the direction of current flow in the fuel cell layer is not orthogonal to the fuel cell as seen in most current designs, but is generally in the direction of the plane of the fuel cell. It is also assumed that the fuel cells are electrically connected in parallel or in a combination of series and parallel in the fuel cell layer.
図6は燃料電池層64の破断斜視図である。この図において第1の燃料電池66はシーラント・バリア44によって第2の燃料電池114と分離されている。第3の燃料電池115は別のシーラント・バリア4によって第2の燃料電池114と分離されている。前記の層は図4および5が示す層と同じ構造を有する。前記単一燃料電池層64はいくつでも希望する数のシーラント・バリアと電池を含むことができる。前記燃料電池層内の個々の燃料電池間の間隔は設計者の裁量によって決められるが、製造適合性という実用上の問題と前記多孔質基板の大量輸送の問題による制限を受ける。
FIG. 6 is a cutaway perspective view of the
前記燃料電池層64の全体的な構造が、前記の個々の燃料電池の直列接続を作り出す。陽極接続50と陰極接続48が、前記燃料電池層内で作られる単一電池の電圧を掛けた数である電圧を生み出す燃料電池層に、外部負荷を接続するのを可能にする。
The overall structure of the
図7は前記燃料電池層64を示す図6と類似の図であるが、この図においては、前記燃料電池8がそれぞれ、直線度の低い構造を持つチャネル14を有する。図7もやはり図6と同じく、図4および5が示す構造と基本的に同じ構造を使っているが、複数回繰り返すことによって多重電池構造を作り出している。前記のチャネルが持つ直線度の低い構造により、前記チャネル壁に作られるアノードとカソードの電気化学的に活性な面積が増える。前記の直線度の低いチャネルを滑らかな起伏、あるいは極めて広い面積を持つことで知られているフラクタル構造のパスに似た不規則な形にすることが可能である。本発明ではどのような任意のチャネル構造を使うこともできるので、各燃料電池内の電極の面積が最適化される。1つの好ましい実施形態は、互いに平行に並び、フラクタル・パターンを思わせる形で逆に折り返す不規則なパスを描く複数の細いチャネルを含む。本発明の別の好ましい実施形態は、少なくとも3つの平面にある少なくとも1つのチャネルを含む。
FIG. 7 is a view similar to FIG. 6 showing the
図8は多重燃料電池層の円筒形バージョン250の斜視図である。このバージョンでは、数多くの非平面燃料電池208を組み合わせて、容積210を封じ込める燃料電池層64が作られる。閉じ込められた容積210を燃料プレナムとして使い、前記電池の外側の環境が酸化剤を供給する。また、前記円筒の外側の環境によって燃料を供給し、閉じ込められた容積210を酸化剤プレナムとして使うことも想定する。前記円筒形燃料電池250を、図5で電池を組み合わせるために説明した方法を用いて、円筒形にした単一の多孔質基板を用いて作ることも、図4で電池を組み合わせるために説明した方法を用いて、複数の多孔質基板を合わせて円筒形にしたもので作ることもできる。
FIG. 8 is a perspective view of a
図8aは前記燃料電池208の非平面バージョンの断面図である。前記燃料電池は燃料注入口18と燃料放出口20のある燃料プレナム10と、酸化剤注入口52と酸化剤放出口54のある酸化剤プレナム16を有する。非平面多孔質基板212は前記燃料プレナム10とも前記酸化剤プレナム16と連通する。チャネル14は前記の非平面多孔質基板212内部に作られる。前記チャネル14は、図1の説明方法で作られたアノード40とカソード38を有し、電解質32で充填される。前記燃料電池は支材26と第1のコーティング34と第2のコーティング36を有する。前記陰極コネクタ48はシーラント・バリア44に隣接している。前記陽極コネクタ50はオプショナルなシーラント・バリア46に隣接している。
FIG. 8 a is a cross-sectional view of a non-planar version of the
この図面においては前記燃料電池の非平面的な性質を示すために弧を用いているが、あらゆる任意のコンフィギュレーションを用いることが可能である。図1の燃料電池と同じく、前記非平面燃料電池を組み合わせて多重電池を有する1つの非平面燃料電池層を形成することができ、前記非平面燃料電池を様々なコンフィギュレーションのオプショナルな酸化剤プレナムおよび燃料と組み合わせることができる。 In this figure, arcs are used to show the non-planar nature of the fuel cell, but any arbitrary configuration can be used. As with the fuel cell of FIG. 1, the non-planar fuel cells can be combined to form a single non-planar fuel cell layer having multiple cells, and the non-planar fuel cell can be configured with an optional oxidant plenum in various configurations. And can be combined with fuel.
図9は円筒形燃料電池の横断面である。この場合、前記非平面基板212を円筒形にして容積210を囲う。この図面の燃料電池は、燃料を前記燃料電池に与える働きをする封入された容積210の中に、燃料11として示されている。このコンフィギュレーションにおいて、前記電池外部の周辺環境が酸化剤を供給する。また、封入された容積210の中に前記酸化剤を含め、周辺環境が燃料を供給することも想定する。
FIG. 9 is a cross-sectional view of a cylindrical fuel cell. In this case, the
図10は、別の実施形態である円筒形燃料電池251で、前記円筒の軸に対し放射状かつ直交するように配列された前記非平面燃料電池208のチャネル14を有する。この図の燃料電池208を、図4で記述したように組み立てるか、あるいは図5で記述したように単一の円筒状基板の中に形成することができるものと理解される。
FIG. 10 shows another embodiment of a
図11は、別の実施形態である円筒状燃料電池252で、前記円筒の周辺にらせん状に巻くように配列された前記非平面燃料電池のチャネル14を有する。この図においては単一のらせん状チャネル14のみが示されているが、前記多孔質基板を用い、複数のチャネルを持つ多重燃料電池を形成することもできる。
FIG. 11 shows another embodiment of a
容積を円筒形で囲う電池のみを示したが、押し出し成形の長方形、四角形、楕円形、三角形、およびその他の形、さらに非押し出し成形の円錐形、三角錐、フットボール形の物体、および容積を囲うその他の形も本発明の一部として含まれるものと想定する。 Only batteries that enclose the volume in a cylindrical shape are shown, but they also surround extruded rectangles, squares, ellipses, triangles, and other shapes, as well as non-extruded cones, triangular pyramids, football-shaped objects, and volumes Other forms are assumed to be included as part of the present invention.
図12は、2つの燃料電池層を有する2層燃料電池層構造254の内部が見える破断斜視図であり、第1の燃料電池層64と第2の燃料電池層112がそれぞれアノード側とカソード側を有し、前記において第1の燃料電池層のアノード側264と第2の燃料電池層のアノード側268が互いに接するように第1の燃料電池層64は第2の燃料電池層112の上に積まれている。
FIG. 12 is a cutaway perspective view showing the inside of a two-layer fuel
図12において、シール130を第1と第2の燃料電池層の間に置き、燃料プレナム124を形成する。前記の2つの陽極接続を陽極コネクタ120に接続し、前記の2つの陰極接続を陰極コネクタ122に接続することにより、個々の燃料電池層が電気的に並列接続されるようにする。その結果得られるアセンブリは、上部70と底部72を有する2層燃料電池層構造254であり、前記上部および底部はそれぞれの燃料電池層のカソード側である。その結果得られる構造は、封入プレナム空気呼吸燃料電池(enclosed plenum air breathing fuel cell)であり、前記燃料電池において、各燃料電池層の中の個々の燃料電池は直列電気接続されており、前記の2つの燃料電池層は並列電気接続されている。前記の構造内部に供給する必要があるのは燃料のみであり、電流は前記の2つの燃料電池層の内部を互いに独立に流れる。前記構造の燃料電池層の末端にある陽極接続と陰極接続が並列接続される場所においてのみ、前記の2つの燃料電池層の間で電気接続がある。
In FIG. 12, a
また、酸化剤を入れた共通プレナムを作り出すように、前記燃料電池層をカソード対カソードとなるように配置することも想定する。このコンフィギュレーションにおいて、前記燃料電池の層は燃料供給源として周囲環境を利用する。 It is also envisioned that the fuel cell layers are arranged to be cathode-to-cathode so as to create a common plenum containing an oxidant. In this configuration, the fuel cell layer utilizes the ambient environment as a fuel supply source.
本発明の多孔質基板として様々な材料を用いることができるが、1つの使用可能な材料として以下の導電性材料が挙げられる。金属発泡材、グラファイト、グラファイトコンポジット、少なくとも1つのシリコンウェファー、焼結ポリテトラフロロエチレン、結晶性ポリマー、結晶性ポリマーコンポジット、強化フェノール樹脂、カーボンクロス、炭素発泡材、カーボンエーロゲル、セラミック、セラミックコンポジット、炭素とポリマーのコンポジット、セラミックとガラスのコンポジット、再生有機材料などの材料、および前記材料の組み合わせを本発明に使用可能なものと考える。 Although various materials can be used as the porous substrate of the present invention, one usable material includes the following conductive materials. Metal foam, graphite, graphite composite, at least one silicon wafer, sintered polytetrafluoroethylene, crystalline polymer, crystalline polymer composite, reinforced phenolic resin, carbon cloth, carbon foam, carbon aerogel, ceramic, ceramic composite It is contemplated that materials such as carbon and polymer composites, ceramic and glass composites, recycled organic materials, and combinations of these materials may be used in the present invention.
前記チャネルは、チャネルの壁を分離するオプショナルな支材を最高50まで有するものと考える。前記チャネルは前記多孔質基板の内部に形成されるものと想定する。前記チャネルを作る技法として、切断、除去(アブレーティング)、成形(モールディング)、エッチング、押し出し成形、型押し、ラミネーション、包埋法、溶融法、あるいは前記技法の組み合わせが挙げられる。前記チャネルは起伏したもの、あるいは少なくとも3つの平面にあるものが可能である。 The channel is considered to have up to 50 optional supports that separate the walls of the channel. It is assumed that the channel is formed inside the porous substrate. Techniques for making the channel include cutting, removal (abrating), molding (etching), etching, extrusion, embossing, lamination, embedding, melting, or a combination of the techniques. The channel can be undulating or in at least three planes.
前記支材は前記チャネルの最端部、たとえば上部または底部に置くか、前記チャネルの中央部分に置くか、あるいは前記チャネルの中央に斜めに向けて置くことができる。前記支材として絶縁材を使うことも考える。本発明において絶縁材を用いる場合は、シリコン、グラファイト、グラファイトコンポジット、ポリテトラフロロエチレン、ポリメタメタクリル樹脂、結晶性ポリマー、結晶性コポリマー、前記の架橋ポリマー、木材、および前記の組み合わせが使用可能である。 The struts can be placed at the extreme end of the channel, for example at the top or bottom, at the center of the channel, or at an angle towards the center of the channel. Consider using an insulating material as the support material. In the case of using an insulating material in the present invention, silicon, graphite, graphite composite, polytetrafluoroethylene, polymethacrylic resin, crystalline polymer, crystalline copolymer, the above-mentioned crosslinked polymer, wood, and the above combination can be used. is there.
サイズ的には、前記チャネルは高さ1ナノメートル〜10cm、幅1ナノメートル〜1mm、長さ1ナノメートル〜100メートルの範囲のサイズが可能である。 In terms of size, the channel can be 1 nanometer to 10 cm high, 1 nanometer to 1 mm wide, and 1 nanometer to 100 meters long.
選択的に燃料電池層内部に入ることもある本発明の単一の燃料電池の発電能力としては、約0.25ボルト〜約4ボルトが考えられる。この設計の燃料電池層1層に使用可能な燃料電池は1個〜5000個であるが、好ましい実施形態において、前記燃料電池層は75個〜150個を合体させた燃料電池を有する。この燃料電池層は0.25ボルト〜2500ボルトの電圧を産出する能力を持つものと考えられる。より多くのチャネルを持つ燃料電池は、より高い電圧を産出することができる。 The power generation capacity of a single fuel cell of the present invention that may optionally enter the fuel cell layer is considered to be about 0.25 volts to about 4 volts. Although 1 to 5000 fuel cells can be used for one fuel cell layer of this design, in a preferred embodiment, the fuel cell layer has 75 to 150 combined fuel cells. This fuel cell layer is considered to have the ability to produce a voltage of 0.25 to 2500 volts. Fuel cells with more channels can produce higher voltages.
純粋な水素か、水素を含む気体か、ギ酸か、アンモニアとメタノールとエタノールとホウ化水素ナトリウムとを用いた水溶液か、前記の組み合わせかを前記燃料として用いて本発明を組み立てることができる。純粋な酸素か、酸素を含む気体か、空気か、酸素富化空気か、前記の組み合わせを前記酸化剤として用いて本発明を組み立てることができる。 The present invention can be assembled using pure hydrogen, a gas containing hydrogen, formic acid, an aqueous solution using ammonia, methanol, ethanol and sodium borohydride, or a combination thereof as the fuel. The present invention can be assembled using pure oxygen, oxygen-containing gas, air, oxygen-enriched air, or a combination of the above as the oxidant.
本発明に使用可能な電解質は、ゲルか液体か固体材料である。以下を含め、様々な材料が使用可能なものと考慮され以下を含む。スルホン基を含む過フッ化ポリマー、pHが最高4までの酸性水溶液、pHが7を超えるアルカリ水溶液、および前記の組み合わせ。さらに、前記電解質層を1ナノメートル〜1.0mmの厚さとすることができ、あるいは、第1の壁から第2の壁へ向かう起伏したチャネルをそれぞれ単純に隙間なく埋めることもできると考えられる。 The electrolyte that can be used in the present invention is a gel, liquid, or solid material. Various materials are considered to be usable, including: Perfluorinated polymers containing sulfone groups, acidic aqueous solutions with a pH of up to 4, alkaline aqueous solutions with a pH above 7, and combinations of the foregoing. Furthermore, it is considered that the electrolyte layer can have a thickness of 1 nanometer to 1.0 mm, or each of the undulating channels from the first wall to the second wall can be simply filled without a gap. .
前記多孔質基板に第1と第2のコーティングを用いて前記燃料電池を製造する。これらのコーティングは同じ材料でも異なる材料でもよい。少なくとも前記コーティングのうち1つは、ポリマーコーティングか、エポキシか、ポリテトラフロロエチレンか、ポリメチルメタクリル樹脂か、ポリエチレンか、ポリプロピレンか、ポリブチレンか、前記のコポリマーか、前記の架橋ポリマーか、導電性金属か、あるいは前記の組み合わせとすることができる。あるいは、第1または第2のコーティングは、金かプラチナかアルミニウムかブリキ、またはこれらの合金、またはその他の金属または金属的な組み合わせによるコーティングのような薄い金属層を有することができる。 The fuel cell is manufactured using the first and second coatings on the porous substrate. These coatings may be the same material or different materials. At least one of the coatings is a polymer coating, epoxy, polytetrafluoroethylene, polymethyl methacrylic resin, polyethylene, polypropylene, polybutylene, the copolymer, the cross-linked polymer, conductive It can be metal or a combination of the above. Alternatively, the first or second coating can have a thin metal layer, such as a coating of gold, platinum, aluminum, tin, or alloys thereof, or other metals or metal combinations.
本発明に使用可能な第1および第2の触媒層として、貴金属、貴金属を用いた合金、プラチナ、プラチナ合金、ルテニウム、ルテニウム合金、および前記材料の組み合わせが考えられる。好ましい電圧を生むために、少なくとも1つの貴金属を有する三元合金が使用可能と考えられる。プラチナ−ルテニウム合金とプラチナも本発明に使用可能と考えられる。前記のそれぞれの触媒層にはある量の触媒を有するが、触媒の量は各層によって異なる場合がある。 As the first and second catalyst layers that can be used in the present invention, a noble metal, an alloy using a noble metal, platinum, a platinum alloy, ruthenium, a ruthenium alloy, and a combination of the above materials can be considered. It is believed that a ternary alloy with at least one noble metal can be used to produce a favorable voltage. Platinum-ruthenium alloys and platinum are also contemplated for use with the present invention. Each of the catalyst layers has a certain amount of catalyst, but the amount of catalyst may vary from layer to layer.
第1および第2の触媒層を、触媒活性を起こすために必要な少なくとも最低限の深さで前記多孔質基板に配置する。前記多孔質基板を燃料プレナムに接続し、さらに水平の軸を作る。前記チャネルに配置された電解質を、前記の水平軸に対し垂直な向きで配置する。前記の多孔質基板は平面形でも、容積を囲む形でも、円筒形でもよい。前記多孔質基板は導電性材料でもよい。 The first and second catalyst layers are disposed on the porous substrate with at least a minimum depth necessary for causing catalytic activity. The porous substrate is connected to a fuel plenum and a horizontal axis is created. The electrolyte disposed in the channel is disposed in a direction perpendicular to the horizontal axis. The porous substrate may be planar, enclose the volume, or cylindrical. The porous substrate may be a conductive material.
本発明で考慮されるオプショナルのシーラント・バリアとして、シリコン、エポキシ、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリブチレン、前記のコポリマー、前記のコンポジット、あるいは前記の組み合わせが可能である。 The optional sealant barrier considered in the present invention can be silicon, epoxy, polypropylene, polyethylene, polybutylene, the copolymer, the composite, or the combination.
前記燃料電池を作る1つの方法として、以下の工程を考慮する。
a.第1の側面と第2の側面を有する上部と底部を有する多孔質基板を形成する。
b.前記上部の少なくとも一部に第1のコーティングを配置する。
c.前記底部の少なくとも一部に第2のコーティングを配置する。
d.前記多孔質基板を用い、第1のチャネル壁と第2のチャネル壁を有するチャネルを形成する。
e.第1のチャネル壁に第1の触媒層を置くことによりアノードを形成する。
f.第2のチャネル壁に第2の触媒層を置くことによりカソードを形成する。
g.前記アノードと前記カソードに接触するチャネルの部分に少なくとも電解質を配置する。
h.陽極接続を前記多孔質基板の第1の側面の一方の端に取り付け、陰極接続を前記多孔質基板の第2の側面の一方の端に取り付ける。
i.燃料電池を形成する前記多孔質基板に燃料プレナムを取り付ける。
j.前記多孔質基板に酸化剤プレナムを取り付ける。
k.前記燃料電池の少なくとも一部の周囲にシーラント・バリアを配置する。
l.前記燃料プレナムに燃料を入れ、前記酸化剤プレナムに酸化剤を入れる。
As one method of making the fuel cell, consider the following steps.
a. A porous substrate having a top and a bottom having a first side and a second side is formed.
b. A first coating is disposed on at least a portion of the top.
c. A second coating is disposed on at least a portion of the bottom.
d. Using the porous substrate, a channel having a first channel wall and a second channel wall is formed.
e. An anode is formed by placing a first catalyst layer on the first channel wall.
f. A cathode is formed by placing a second catalyst layer on the second channel wall.
g. At least an electrolyte is disposed in a portion of the channel that contacts the anode and the cathode.
h. An anode connection is attached to one end of the first side of the porous substrate and a cathode connection is attached to one end of the second side of the porous substrate.
i. A fuel plenum is attached to the porous substrate forming the fuel cell.
j. An oxidant plenum is attached to the porous substrate.
k. A sealant barrier is disposed around at least a portion of the fuel cell.
l. Fuel is put into the fuel plenum, and oxidant is put into the oxidant plenum.
使用する特定の材料の要求および製作プロセスの要求に応じて、記述した操作手順が変化したり、工程を組み合わせる場合がある。同様に、前記方法によれば前記多孔質基板の中に1から250若しくはそれ以上のチャネルを形成する場合がある。 Depending on the requirements of the particular material used and the requirements of the fabrication process, the described operating procedures may vary or the processes may be combined. Similarly, the method may form 1 to 250 or more channels in the porous substrate.
本発明で想定する燃料電池を形成するもう1つの方法として、以下の工程を考慮する。a.前記燃料プレナムに前記多孔質基板を合体する前に、上記方法の工程a〜hを必要なだけ繰り返し、少なくとももう1つの追加燃料電池を形成する。
b.少なくとも追加燃料電池のシーラント・バリアに前記多孔質基板をシーラント・バリアで固定して燃料電池を形成し、追加的に作られた燃料電池が固定されている燃料電池層を、前記燃料電池層にあるそれぞれのシーラント・バリアのところまで延長する。
c.前記燃料電池層の陽極接続と陰極接続を合体する。
d.前記の合体した燃料電池を前記燃料プレナムに取り付ける。
e.前記の合体した燃料電池を前記酸化剤プレナムに取り付ける。
As another method of forming the fuel cell assumed in the present invention, the following steps are considered. a. Prior to combining the porous substrate with the fuel plenum, steps a to h of the above method are repeated as necessary to form at least one additional fuel cell.
b. At least the porous substrate is fixed to the sealant barrier of the additional fuel cell with the sealant barrier to form a fuel cell, and a fuel cell layer to which the additionally manufactured fuel cell is fixed is attached to the fuel cell layer. Extend to each sealant barrier.
c. The anode connection and cathode connection of the fuel cell layer are combined.
d. The combined fuel cell is attached to the fuel plenum.
e. The combined fuel cell is attached to the oxidant plenum.
前記燃料電池層内の燃料電池の陽極接続と陰極接続は、直列か、並列か、直列と並列の組み合わせによって接続することができる。 The anode connection and cathode connection of the fuel cells in the fuel cell layer can be connected in series, in parallel, or in a combination of series and parallel.
燃料電池層を作るさらにもう1つの方法として、以下の工程を考慮する。 As yet another method of making a fuel cell layer, consider the following steps.
a.上部と底部、第1の側面と第2の側面を有する多孔質基板を形成する。
b.前記上部の少なくとも一部に第1のコーティングを配置する。
c.前記底部の少なくとも一部に第2のコーティングを配置する。
d.前記多孔質基板を用いて複数の個別チャネルを形成し、前記において各個別チャネルは第1のチャネル壁と第2のチャネル壁を有する。
e.複数の第1の触媒層を第1のチャネル壁に置くことにより、複数のアノードを形成する。
f.複数の第2の触媒層を第2のチャネル壁に置くことにより、複数のカソードを形成する。
g.各個別チャネルの部分に少なくとも電解質を配置する。
h.第1の側面の少なくとも一部に第1のシーラント・バリアを配置する。
i.第2の側面の少なくとも一部に第2のシーラント・バリアを配置する。
j.個別チャネルそれぞれの間に複数の第3のシーラント・バリアを作り、互いに隣接する複数の独立した燃料電池を、前記多孔質基板の中に作る。
k.前記多孔質基板の第1の側面に陽極接続を取り付ける。
l.前記多孔質基板の第2の側面に陰極接続を取り付ける。
m.燃料電池陽極接続を独立したそれぞれの燃料電池に取り付ける。
n.燃料電池陰極接続を、燃料電池層を形成する独立したそれぞれの燃料電池に取り付ける。
o.前記燃料電池層の少なくとも一部の周囲にシーラント・バリアを配置する。
a. A porous substrate having a top and a bottom, a first side and a second side is formed.
b. A first coating is disposed on at least a portion of the top.
c. A second coating is disposed on at least a portion of the bottom.
d. A plurality of individual channels are formed using the porous substrate, wherein each individual channel has a first channel wall and a second channel wall.
e. A plurality of anodes are formed by placing a plurality of first catalyst layers on the first channel wall.
f. A plurality of second catalyst layers are placed on the second channel wall to form a plurality of cathodes.
g. At least an electrolyte is placed in each individual channel portion.
h. A first sealant barrier is disposed on at least a portion of the first side.
i. A second sealant barrier is disposed on at least a portion of the second side.
j. A plurality of third sealant barriers are created between each individual channel, and a plurality of independent fuel cells adjacent to each other are created in the porous substrate.
k. An anode connection is attached to the first side of the porous substrate.
l. A cathode connection is attached to the second side of the porous substrate.
m. A fuel cell anode connection is attached to each independent fuel cell.
n. A fuel cell cathode connection is attached to each independent fuel cell forming the fuel cell layer.
o. A sealant barrier is disposed around at least a part of the fuel cell layer.
上述の方法のいずれにおいても、前記多孔質基板を作るための異なる数々の方法が本発明において考慮される。前記多孔質基板を作る方法として、鋳造の後焼成する方法、前もって形成した塊から層をスライスする方法、成形法、押し出し成形法、あるいは前記の組み合わせが挙げられる。形成された多孔質基板は非平面ないし容積を封入するものとすることができる。 In any of the above methods, a number of different methods for making the porous substrate are contemplated in the present invention. Examples of the method for producing the porous substrate include a method of baking after casting, a method of slicing a layer from a previously formed lump, a molding method, an extrusion molding method, or a combination thereof. The formed porous substrate can enclose a non-planar or volume.
記述した方法のいずれにも、追加的工程を加えることができる。前記基板の上部および底部をコーティングする前に、前記多孔質基板をマスキングする工程を加えることができる。第1のチャネル壁と第2のチャネル壁それぞれの間に支材を挿入する工程を加えることができる。前記電解質を加える前に、上部と底部に配置されるコーティングの一部をはがすよう選択する工程を加えることができる。 Additional steps can be added to any of the methods described. A step of masking the porous substrate may be added before coating the top and bottom of the substrate. A step of inserting a strut between each of the first channel wall and the second channel wall can be added. Prior to adding the electrolyte, a step can be added to choose to remove a portion of the coating disposed on the top and bottom.
個別チャネルを作る工程の方法として、型押し、除去(アブレーティング)、エッチング、押し出し成形、ラミネーション、型押し、包埋法、溶融法、成形(モールディング)、切断、あるいは前記の組み合わせが挙げられる。レーザーエッチング、深反応性イオンエッチング、あるいはアルカリエッチングによるエッチングが可能である。 Examples of the process for forming the individual channels include embossing, removal (abrating), etching, extrusion molding, lamination, embossing, embedding method, melting method, molding (molding), cutting, or a combination of the above. Etching by laser etching, deep reactive ion etching, or alkali etching is possible.
前記燃料電池層の独立した燃料電池の燃料電池陽極接続と燃料電池陰極接続は、直列か、並列か、直列と並列の組み合わせによって接続することができる。 The fuel cell anode connection and the fuel cell cathode connection of the independent fuel cells of the fuel cell layer can be connected in series, in parallel, or a combination of series and parallel.
少なくとも前記コーティングのうち1つを薄膜堆積法により配置する場合はその方法として、スパタリング、非電着性金属析出法、電気めっき法、はんだ法、物理的蒸気堆積法、および化学蒸気堆積法を用いることができる。前記コーティングのうち少なくとも1つがエポキシコーティングである場合は、以下の1群から選択した方法によりそのコーティングを配置することができる。スクリーン印刷、インクジェット印刷、へらを用いて広げる方法、吹き付け堆積法、真空バギング、および前記の組み合わせ。前記多孔質基板に前記コーティングを施す際、マスクを使うことができる。必要であれば、前記電解質を加える前に前記コーティングの一部を取り除くことができる。 When at least one of the coatings is disposed by thin film deposition, sputtering, non-electrodeposition metal deposition, electroplating, soldering, physical vapor deposition, and chemical vapor deposition are used. be able to. When at least one of the coatings is an epoxy coating, the coating can be disposed by a method selected from the following group. Screen printing, inkjet printing, spreading with a spatula, spray deposition, vacuum bagging, and combinations thereof. A mask can be used when the coating is applied to the porous substrate. If necessary, a portion of the coating can be removed before adding the electrolyte.
前記多孔質基板を作る方法として、鋳造の後焼成する方法、前もって作った塊から薄層をスライスする方法、成形法、あるいは押し出し成形法が挙げられる。それぞれの個別チャネルを形成する前に、前記多孔質基板を非平面形に形成することができる。また、それぞれの個別チャネルを形成する前に、前記多孔質基板を、容積を封入する形に形成することもできる。 Examples of the method for producing the porous substrate include a method of firing after casting, a method of slicing a thin layer from a previously formed lump, a molding method, and an extrusion molding method. Prior to forming each individual channel, the porous substrate can be formed non-planar. In addition, the porous substrate can be formed to enclose a volume before forming each individual channel.
本発明は、前記燃料電池層を有するミクロ構造燃料電池システムでもある。前記燃料電池層はアノード側とカソード側、陽極の末端と陰極の末端を有する。前記の陽極の末端と陰極の末端の間に少なくとも1つの表面があり、少なくとも1つの表面上に少なくとも1つの電子システムが取り付けられている。 The present invention is also a microstructure fuel cell system having the fuel cell layer. The fuel cell layer has an anode side and a cathode side, an anode end and a cathode end. There is at least one surface between the end of the anode and the end of the cathode, and at least one electronic system is mounted on the at least one surface.
前記の電子システムとは、携帯(セル方式)電話、PDA、衛星電話、ラップトップコンピュータ、ポータブルDVD、ポータブルCDプレーヤー、ポータブルパーソナルケア・エレクトロニクス、ポータブルブームボックス、ポータブルテレビ、レーダー、無線送信機、レーダー探知機、あるいは前記の組み合わせである。前記のシステムが取り付けられた燃料電池層によって生産される電力が前記電子システムに供給される。前記電子システムはまた、燃料電池運転のための補助的機能も果たす。前記の補助的機能には、燃料電池性能監視、燃料電池制御、燃料電池故障診断、燃料電池性能最適化、燃料電池性能記録、あるいは前記の組み合わせが含まれる。前記燃料電池層の各側面に1つ以上の電子システムを取り付けることが可能である。 The above electronic systems include portable (cell) phones, PDAs, satellite phones, laptop computers, portable DVDs, portable CD players, portable personal care electronics, portable boom boxes, portable TVs, radars, radio transmitters, radars A detector or a combination of the above. Electric power produced by the fuel cell layer to which the system is attached is supplied to the electronic system. The electronic system also performs an auxiliary function for fuel cell operation. Such auxiliary functions include fuel cell performance monitoring, fuel cell control, fuel cell failure diagnosis, fuel cell performance optimization, fuel cell performance record, or a combination of the foregoing. One or more electronic systems can be attached to each side of the fuel cell layer.
本発明はまた、多数の燃料電池層を有する多重燃料電池層構造である。第1の燃料電池層のアノード側が第2の燃料電池層のアノード側に合体するように、第1の燃料電池層を第2の燃料電池層の上に積み上げる。第3の燃料電池層のカソード側が第2の燃料電池層のカソード側に合体するように、第3の燃料電池層を第2の燃料電池層の上に積み上げ、燃料電池層が互いに隣接するスタックを形成する。さらに追加燃料電池層を同様の方法で第1、第2、第3の燃料電池層に追加することができる。第1の燃料電池層のアノード側が第2の燃料電池層のアノード側に合体して2層スタックを形成するように第1の燃料電池層を第2の燃料電池層の上に積み上げると、2層燃料電池層構造が作られる。 The present invention is also a multiple fuel cell layer structure having multiple fuel cell layers. The first fuel cell layer is stacked on the second fuel cell layer so that the anode side of the first fuel cell layer merges with the anode side of the second fuel cell layer. The third fuel cell layer is stacked on the second fuel cell layer so that the cathode side of the third fuel cell layer is merged with the cathode side of the second fuel cell layer, and the fuel cell layers are adjacent to each other. Form. Further, additional fuel cell layers can be added to the first, second, and third fuel cell layers in the same manner. When the first fuel cell layer is stacked on the second fuel cell layer such that the anode side of the first fuel cell layer merges with the anode side of the second fuel cell layer to form a two-layer stack, 2 A layer fuel cell layer structure is created.
前記の多重燃料および2層電池層構造はまた、少なくとも1つのプレナムを形成する隣接する燃料電池層の間にある少なくとも1つのシールと、外部負荷に前記スタックを接続するための陽極コネクタと、外部負荷に前記スタックを接続するための陰極コネクタとを有する。前記燃料電池層のアノード側に燃料を供給し、前記の複数の燃料電池層のカソード側に酸化剤を供給すると、電流が流れて外部負荷を駆動する。 The multi-fuel and two-layer cell layer structure also includes at least one seal between adjacent fuel cell layers forming at least one plenum, an anode connector for connecting the stack to an external load, and an external And a cathode connector for connecting the stack to a load. When fuel is supplied to the anode side of the fuel cell layer and oxidant is supplied to the cathode side of the plurality of fuel cell layers, an electric current flows to drive an external load.
また別の実施形態において、前記の多重燃料電池層構造ないし2層電池層構造は、前記スタックの少なくとも1つの燃料電池層に作られる少なくとも1つの流体場も有することができる。前記流体場を作る方法として切断、除去(アブレーティング)、成形、型押し、エッチング、ラミネーティング、包埋法、溶融法、あるいは前記の組合せが挙げられる。 In another embodiment, the multiple fuel cell layer structure or the two-layer cell layer structure may also have at least one fluid field created in at least one fuel cell layer of the stack. Examples of the method for creating the fluid field include cutting, removing (ablating), molding, embossing, etching, laminating, embedding, melting, and combinations thereof.
燃料電池層構造のプレナムとしては、燃料プレナム、酸化剤プレナム、あるいは前記の組み合わせが可能である。陽極の末端と陰極の末端は、陽極コネクタと陰極コネクタの間で直列に接続するか、陽極コネクタと陰極コネクタに並列に接続するか、前記両方を組み合わせた接続によって接続することができる。 The fuel cell layer structure plenum may be a fuel plenum, an oxidant plenum, or a combination of the foregoing. The end of the anode and the end of the cathode can be connected in series between the anode connector and the cathode connector, connected in parallel to the anode connector and the cathode connector, or by a combination of both.
本発明の燃料電池を使用するには、第1に燃料源を燃料プレナム注入口に接続し、第2のに燃料プレナム放出口を再循環コントローラに接続し、第3に酸化剤プレナム注入口を酸化剤源に接続し、第4に酸化剤プレナム放出口をフロー制御装置に接続し、第5に陽極接続と陰極接続を外部負荷に接続し、第6に前記注入口に燃料と酸化剤を流し、前記燃料電池によって作られる電気によって負荷装置を駆動する。 To use the fuel cell of the present invention, firstly a fuel source is connected to the fuel plenum inlet, secondly a fuel plenum outlet is connected to the recirculation controller, and thirdly an oxidant plenum inlet. Connect to the oxidant source, fourth connect the oxidant plenum outlet to the flow control device, fifth connect the anode and cathode connections to the external load, and sixth connect fuel and oxidant to the inlet The load device is driven by electricity generated by the fuel cell.
前記燃料電池のデッドエンド式バージョンを使う場合はずっと単純な操作になる。第1に前記燃料注入口を燃料供給に接続し、第2に前記酸化剤注入口を酸化剤供給に接続し、第3に陽極接続と陰極接続を外部負荷に接続すると、前記燃料電池が生み出す電気が負荷装置を駆動する。 Using a dead-end version of the fuel cell is a much simpler operation. First, the fuel inlet is connected to the fuel supply; second, the oxidant inlet is connected to the oxidant supply; and third, the anode and cathode connections are connected to an external load, creating the fuel cell. Electricity drives the load device.
本発明の方法はさらに、前記燃料および酸化剤をそれぞれのプレナムに供給した後に前記プレナム放出口と注入口を密閉することによってデッドエンド式燃料電池を作る工程を有することができる。その後、陽極および陰極接続を用いて前記燃料電池を外部負荷に接続し、外部負荷を駆動することができる。 The method of the present invention may further comprise the step of making a dead-end fuel cell by sealing the plenum outlet and inlet after supplying the fuel and oxidant to the respective plenum. Thereafter, the fuel cell can be connected to an external load using an anode and cathode connection to drive the external load.
本発明においては、前記燃料電池を稼動するために、あらゆる燃料および酸化剤の注入口と放出口の組み合わせを使うことを想定する。 In the present invention, it is assumed that any combination of fuel and oxidant inlets and outlets is used to operate the fuel cell.
本発明の具体的な好ましい実施形態を参考として、本発明を詳細に説明してきたが、本発明の範囲内で様々なバリエーションと改良が可能であるものと理解されるべきである。 Although the invention has been described in detail with reference to specific preferred embodiments thereof, it should be understood that various variations and modifications can be made within the scope of the invention.
例として、本発明の具体的な実施形態を、添付の図面を参照して説明する。
Claims (162)
a.燃料を有する燃料プレナムと、
b.酸化剤を有する酸化剤プレナムと、
c.上部、底部、第1の側面、および第2の側面を有し、前記燃料プレナムおよび前記酸化剤プレナムと連通する多孔質基板と、
d.前記多孔質基板を用いて形成されたチャネルであって、第1のチャネル壁と第2のチャネル壁を有するチャネルと、
e.前記第1のチャネル壁の多孔質基板上に配置された第1の触媒層から形成されるアノードと、
f.前記第2のチャネル壁の多孔質基板上に配置された第2の触媒層から形成されるカソードと、
g.前記カソードへの燃料の移動と前記アノードへの酸化剤の移動を防ぐために、前記アノードおよび前記カソードに接触する前記チャネルの部分に少なくとも配置される電解質と、
h.前記多孔質基板の少なくとも一部に燃料が入り込むのを防ぐために、前記多孔質基板の少なくとも一部分に配置される第1のコーティングと、
i.前記多孔質基板の少なくとも一部に酸化剤が入り込むのを防ぐために、前記多孔質基板の少なくとも一部分に配置される第2のコーティングと、
j.前記第1の側面に配置される第1のシーラント・バリアおよび前記第2の側面に配置される第2のシーラント・バリアと、
k.前記第1の側面に配置される陽極接続と、
l.前記第2の側面に配置される陰極接続と、を有し、
前記において結果として得られる燃料電池は外部負荷を駆動する電流を生み出すものである。 A fuel cell,
a. A fuel plenum having fuel;
b. An oxidant plenum having an oxidant;
c. A porous substrate having a top, a bottom, a first side, and a second side and in communication with the fuel plenum and the oxidant plenum;
d. A channel formed using the porous substrate, the channel having a first channel wall and a second channel wall;
e. An anode formed from a first catalyst layer disposed on a porous substrate of the first channel wall;
f. A cathode formed from a second catalyst layer disposed on the porous substrate of the second channel wall;
g. An electrolyte disposed at least in a portion of the channel in contact with the anode and the cathode to prevent fuel migration to the cathode and oxidant migration to the anode;
h. A first coating disposed on at least a portion of the porous substrate to prevent fuel from entering at least a portion of the porous substrate;
i. A second coating disposed on at least a portion of the porous substrate to prevent oxidant from entering at least a portion of the porous substrate;
j. A first sealant barrier disposed on the first side and a second sealant barrier disposed on the second side;
k. An anode connection disposed on the first side;
l. A cathode connection disposed on the second side surface,
In the foregoing, the resulting fuel cell produces a current that drives an external load.
a.上部と底部、第1の側面と第2の側面を有する多孔質基板を形成する工程と、
b.前記上部の少なくとも一部に第1のコーティングを配置する工程と、
c.前記底部の少なくとも一部に第2のコーティングを配置する工程と、
d.前記多孔質基板を用い、各個別チャネルが第1のチャネル壁と第2のチャネル壁を有する複数の個別チャネルを形成する工程と、
e.複数の第1の触媒層を前記第1のチャネル壁に置くことにより、複数のアノードを形成する工程と、
f.複数の第2の触媒層を前記第2のチャネル壁に置くことにより、複数のカソードを形成する工程と、
g.各個別チャネルの部分に少なくとも電解質を配置する工程と、
h.前記第1の側面の少なくとも一部に第1のシーラント・バリアを配置する工程と、
i.前記第2の側面の少なくとも一部に第2のシーラント・バリアを配置する工程と、
j.個別チャネルそれぞれの間に複数の第3のシーラント・バリアを作り、互いに隣接する複数の独立した燃料電池を前記多孔質基板の中に作る工程と、
k.前記多孔質基板の第1の側面に陽極接続を取り付ける工程と、
l.前記多孔質基板の前記第2の側面に陰極接続を取り付ける工程と、
m.燃料電池陽極接続を独立したそれぞれの燃料電池に取り付ける工程と、
n.燃料電池陰極接続を、前記燃料電池層を形成する独立したそれぞれの燃料電池に取り付ける工程と、
o.前記燃料電池層の少なくとも一部の周囲にシーラント・バリアを配置する工程と、
を有する方法である。 A method of manufacturing a fuel cell layer, comprising:
a. Forming a porous substrate having a top and bottom, a first side and a second side;
b. Disposing a first coating on at least a portion of the top;
c. Disposing a second coating on at least a portion of the bottom;
d. Using the porous substrate to form a plurality of individual channels, each individual channel having a first channel wall and a second channel wall;
e. Forming a plurality of anodes by placing a plurality of first catalyst layers on the first channel walls;
f. Forming a plurality of cathodes by placing a plurality of second catalyst layers on the second channel walls;
g. Disposing at least an electrolyte in each individual channel portion;
h. Disposing a first sealant barrier on at least a portion of the first side;
i. Disposing a second sealant barrier on at least a portion of the second side surface;
j. Creating a plurality of third sealant barriers between each individual channel and creating a plurality of independent fuel cells adjacent to each other in the porous substrate;
k. Attaching an anode connection to the first side of the porous substrate;
l. Attaching a cathode connection to the second side of the porous substrate;
m. Attaching a fuel cell anode connection to each independent fuel cell;
n. Attaching a fuel cell cathode connection to each independent fuel cell forming the fuel cell layer;
o. Disposing a sealant barrier around at least a portion of the fuel cell layer;
It is the method which has.
a.1つのアノード面と1つのカソード面、陽極端と陰極端を有する燃料電池層において、第1の燃料電池層のアノード側と第2の燃料電池層のカソード側が接するように第1の燃料電池層を第2の燃料電池層の上に積み重ね、第3の燃料電池層のカソード側が前記第2の燃料電池層のカソード側に接するように前記第3の燃料電池層を前記第2の燃料電池層に積み重ねることにより、燃料電池層が隣接するスタックを形成し、同様の方法によって追加的な燃料電池層を前記第1、第2、および第3の燃料電池層の上に載せることができる燃料電池層を複数と、
b.少なくとも1つのプレナムを形成するように、隣接する前記燃料電池層の間にある少なくとも1つのシールと、
c.外部負荷に前記スタックを接続するための陽極コネクタと、
d.前記外部負荷に前記スタックを接続するための陰極コネクタと、を有し、
複数の燃料電池層のアノード側に燃料を供給し、複数の燃料電池層のカソード側に酸化剤を供給すると、前記外部負荷を駆動する電流が生まれるものである。 A multi-fuel cell layer structure,
a. In the fuel cell layer having one anode surface and one cathode surface, and an anode end and a cathode end, the first fuel cell layer is disposed so that the anode side of the first fuel cell layer and the cathode side of the second fuel cell layer are in contact with each other. Are stacked on the second fuel cell layer, and the third fuel cell layer is placed on the second fuel cell layer so that the cathode side of the third fuel cell layer is in contact with the cathode side of the second fuel cell layer. The fuel cells can be stacked to form an adjacent stack, and additional fuel cell layers can be mounted on the first, second, and third fuel cell layers in a similar manner. With multiple layers,
b. At least one seal between adjacent fuel cell layers so as to form at least one plenum;
c. An anode connector for connecting the stack to an external load;
d. A cathode connector for connecting the stack to the external load;
When fuel is supplied to the anode side of the plurality of fuel cell layers and oxidant is supplied to the cathode side of the plurality of fuel cell layers, a current for driving the external load is generated.
a.1つのアノード面と1つのカソード面すなわち陽極端と陰極端を有する燃料電池層において、第1燃料電池層のアノード側と第2の燃料電池層のカソード側が接するように第1燃料電池層を第2の燃料電池層の上に積み重ね、第3の燃料電池層のカソード側が前記第2の燃料電池層のカソード側に接するように前記第3の燃料電池層を前記第2の燃料電池層に積み重ねることにより、燃料電池層が隣接するスタックを形成し、同様の方法によって追加的な燃料電池層を前記第1の、第2および第3の燃料電池層の上に載せることができる燃料電池層を複数と、
b.少なくとも1つのプレナムを形成するように、隣接する前記燃料電池層の間にある少なくとも1つのシールと、
c.前記スタックの少なくとも1つの燃料電池層に作られる少なくとも1つの流体場と、
d.外部負荷に前記スタックを接続するための陽極コネクタと、
e.前記外部負荷に前記スタックを接続するための陰極コネクタと、を有し、
複数の燃料電池層のアノード側に燃料を供給し、複数の燃料電池層のカソード側に酸化剤を供給すると、前記外部負荷を駆動する電流が生まれるものである。 A multi-fuel cell layer structure,
a. In the fuel cell layer having one anode surface and one cathode surface, that is, an anode end and a cathode end, the first fuel cell layer is arranged so that the anode side of the first fuel cell layer and the cathode side of the second fuel cell layer are in contact with each other. The third fuel cell layer is stacked on the second fuel cell layer so that the cathode side of the third fuel cell layer is in contact with the cathode side of the second fuel cell layer. A fuel cell layer in which a fuel cell layer forms an adjacent stack, and an additional fuel cell layer can be placed on the first, second and third fuel cell layers in a similar manner. Multiple,
b. At least one seal between adjacent fuel cell layers so as to form at least one plenum;
c. At least one fluid field created in at least one fuel cell layer of the stack;
d. An anode connector for connecting the stack to an external load;
e. A cathode connector for connecting the stack to the external load;
When fuel is supplied to the anode side of the plurality of fuel cell layers and oxidant is supplied to the cathode side of the plurality of fuel cell layers, a current for driving the external load is generated.
a.各燃料電池層がアノード側とカソード側、陽極端と陰極端を有する第1の燃料電池層と第2の燃料電池層において、第1の燃料電池層のアノード側と第2の燃料電池層のアノード側と接して2層スタックを形成するように前記第1の燃料電池層が前記第2の燃料電池層の上に積み重ねられた第1の燃料電池層と第2の燃料電池層と、
b.燃料プレナムを形成するように、前記第1および第2の燃料電池層の間に置かれたシールと、
c.外部負荷に前記2層スタックを接続するための陽極コネクタと、
d.前記外部負荷に前記2層スタックを接続するための陰極コネクタと、を有し、
前記燃料プレナムに燃料を供給し、前記カソード側を酸化剤にさらすと、前記外部負荷を駆動する電流が生まれる。 A two-layer fuel cell layer structure,
a. In the first fuel cell layer and the second fuel cell layer, each fuel cell layer having an anode side and a cathode side, and an anode end and a cathode end, the anode side of the first fuel cell layer and the second fuel cell layer A first fuel cell layer and a second fuel cell layer, wherein the first fuel cell layer is stacked on the second fuel cell layer so as to form a two-layer stack in contact with the anode side;
b. A seal placed between the first and second fuel cell layers to form a fuel plenum;
c. An anode connector for connecting the two-layer stack to an external load;
d. A cathode connector for connecting the two-layer stack to the external load;
When fuel is supplied to the fuel plenum and the cathode side is exposed to an oxidant, an electric current is generated to drive the external load.
a.各燃料電池層がアノード側とカソード側、陽極端と陰極端を有する第1の燃料電池層と第2の燃料電池層において、第1の燃料電池層のカソード側が第2の燃料電池層のカソード側と接して2層スタックを形成するように前記第1の燃料電池層が前記第2の燃料電池層の上に積み重ねられた第1の燃料電池層と第2の燃料電池層と、
b.酸化剤プレナムを形成するように、前記第1および第2の燃料電池層の間に置かれたシールと、
c.外部負荷に前記2層スタックを接続するための陽極コネクタと、
d.前記外部負荷に前記2層スタックを接続するための陰極コネクタと、を有し、
前記酸化剤プレナムに酸化剤を供給し、前記アノード側を燃料にさらすと、前記外部負荷を駆動する電流が生まれるものである。 A two-layer fuel cell layer structure,
a. In each of the first fuel cell layer and the second fuel cell layer, each fuel cell layer has an anode side and a cathode side, and an anode end and a cathode end, and the cathode side of the first fuel cell layer is the cathode of the second fuel cell layer. A first fuel cell layer and a second fuel cell layer, wherein the first fuel cell layer is stacked on the second fuel cell layer so as to form a two-layer stack in contact with the side;
b. A seal placed between the first and second fuel cell layers to form an oxidant plenum;
c. An anode connector for connecting the two-layer stack to an external load;
d. A cathode connector for connecting the two-layer stack to the external load;
When an oxidant is supplied to the oxidant plenum and the anode side is exposed to fuel, a current for driving the external load is generated.
a.前記球体の動きを制御するために前記アニュラス内に置かれる移動可能な制御手段と、
b.長さの延長と縮小のために移動可能な方法で前記ボールバルブに取り付けられるチューブラーピストンであり、前記制御手段信号に連動する前記チューブラーピストンを延長するための前記制御方法と合体される前記チューブラーピストンと、
c.開かれた位置と閉じられた位置の間にあるバルブ閉鎖材を動かすために交互に適用もしくは排出される、チュービングハンガー上部にある遠隔のソースからの加圧流体が流れる流体ポートとを有する。 The apparatus of claim 4, wherein the ball valve further comprises:
a movable control means placed in the annulus to control the movement of the sphere;
b. A tubular piston attached to the ball valve in a movable manner for length extension and reduction, combined with the control method for extending the tubular piston in conjunction with the control means signal. The tubular piston,
c. having a fluid port through which pressurized fluid from a remote source on top of the tubing hanger is applied or discharged alternately to move the valve closure between the open and closed positions; .
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