JP2006520087A - 燃料電池構造体および組立体 - Google Patents
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Abstract
Description
発明の分野
本発明は、一般に、燃料電池構造体および組立体に関し、より詳しくは、効率のよい熱および/または湿気管理のために設定されかつ構成される複数の微小繊維状燃料電池要素を備える燃料電池構造体並びに組立体に関する。
近年、燃料電池または燃料電池組立体は、分散型発電用途だけでなく、携帯型または移動式の電気装置、電気を動力源とする車両に使用する電力源としてますます利用可能になってきた。
本発明の一の態様では、燃料電池サブ束に関し、これは、複数の微小繊維状燃料電池を含み、この場合、それぞれの微小繊維状燃料電池が、
(a)電解質媒体を含む中空微小繊維状膜分離器と、
(b)かかる膜分離器の内側表面と接触する内部電極触媒層と、
(c)かかる膜分離器の外側表面と接触する外部電極触媒層と、
(d)かかる膜分離器の内側表面と電気的に接触する個々の集電装置と、
を備え、かつ、複数の微小繊維状燃料電池のそれぞれは、その膜分離器の外側表面で共通集電装置と電気的に接触する。
(1)電解質媒体を有する膜分離器と、
(2)膜分離器の第1の表面と電気的に接触する第1の電極触媒層と、
(3)膜分離器の第2の反対側の表面と電気的に接触する第2の電極触媒層と、
(4)膜分離器の第1の表面と電気的に接触する個々の集電装置と、
を備え、それぞれの燃料電池要素は、その膜分離器の第2の反対側の表面で共通集電装置と電気的に接触する。
(a)電解質媒体を含む中空微小繊維状膜分離器と、
(b)膜分離器の内側表面と接触する内部電極触媒層と、
(c)膜分離器の外側表面と接触する外部電極触媒層と、
(d)膜分離器の内側表面と電気的に接触する個々の集電装置と、
を備える。
(a)内部集電装置と、
(b)内部電極触媒層と、
(c)電解質媒体を含む中空繊維状膜分離器と、
(d)外部電極触媒層と、
(e)任意選択の外部集電装置と、
を備える。
米国特許第5,916,514号明細書、米国特許第5,928,808号明細書、米国特許第5,989,300号明細書、米国特許第6,338,913号明細書、米国特許第6,399,232号明細書、米国特許第6,403,248号明細書、米国特許第6,403,517号明細書、米国特許第6,444,339号明細書、米国特許第6,495,281号明細書、および2003年3月7日に出願の米国仮特許出願第60/452,635号明細書の内容は、参照によりそれらの全体があらゆる目的のために本明細書に援用される。
本発明の一の態様では、新規な燃料電池サブ束構造体を提供し、これは、共通集電装置を共有する複数の燃料電池要素を備える。それぞれの燃料電池要素は、その中に電解質媒体を有する多孔性または非多孔性膜分離器を含む。この膜分離器は、第1の表面および第2の反対側の表面を画定する。第1および第2の電極触媒層が、かかる膜分離器のそれぞれの第1および第2の表面に設けられ、電気化学反応を促進する。それぞれの膜分離器の第1の表面にそれぞれの燃料電池要素用に個々の集電装置が設けられ、一方、共通集電装置はそれらの膜分離器の第2の反対側の表面で燃料電池要素の全てと電気的に接触する。
(a)内部集電装置と、
(b)電解質媒体を含む中空繊維状膜分離器と、
(c)内部電極触媒層と、
(d)外部電極触媒層と、
(e)外部集電装置と、
を備える。
本発明の別の態様は、その中に配置される1つ以上の燃料電池サブ束を有する熱伝導性管状の要素を備える燃料電池束に関する。
(1)全ての微小繊維状燃料電池要素の胴側を、その孔側から隔離するために、および
(2)燃料電池サブ束52を一緒にして単一のコア構造体に束ねるために、
燃料電池サブ束52の両端部に設けられる。図5Aおよび5Bに示すように、微小繊維状燃料電池要素は、注型封入部材54Aおよび54Bの外側表面上に開口部を有し、かかる開口部を経由して微小繊維状燃料電池要素の孔の中に原料または酸化体含有流体を導入することができる。場合により、さらにオーリング要素56Aおよび56Bを使用して、孔側から胴側への気密の密封を確実にすることができる。
(a)内部集電装置と、
(b)電解質媒体を含む中空繊維状膜分離器と、
(c)内部電極触媒層と、
(d)外部電極触媒層と、
(e)任意選択の外部集電装置と
を備える。
(1)微小繊維状燃料電池要素の孔側の原料(または酸化体)経路、
(2)空気チャネル管内の微小繊維状燃料電池要素の胴側の酸化体(または原料)経路、および
(3)空気チャネル管の外側の熱交換流体経路
が含まれる。これらの3つの流体経路は、微小繊維状燃料電池の膜分離器および空気チャネル管のそれぞれの壁によって互いに分離される。微小繊維状燃料電池要素の中空繊維状膜分離器は、両端部で空気チャネル管を越えて延在することが好ましい。かかる方法において、燃料(たとえば、水素またはメタノール)、酸化体(たとえば、酸素)、および熱交換流体が、上記3つの流体経路を経由して別々に燃料電池束を通過できるように、空気チャネル管と微小繊維状燃料電池の膜分離器を別々に注型封入して、それらのそれぞれの孔側を胴側から密封することができる。
本発明のなおさらに別の態様は、ハウジング内に配置される上記燃料電池束の組立体を含む燃料電池組立体に関し、それは、複数の気密に分離された区画、並びに、電気および熱エネルギーを生成するため、燃料電池束を経由して燃料含有流体、酸化体含有流体および熱交換流体を別々に通過させるように設定された複数の流体入口および出口を含む。
Claims (68)
- 複数の微小繊維状燃料電池を含む燃料電池サブ束であって、それぞれの微小繊維状燃料電池が、
(a)電解質媒体を含む中空微小繊維状膜分離器と、
(b)前記膜分離器の内側表面と接触する内部電極触媒層と、
(c)前記膜分離器の外側表面と接触する外部電極触媒層と、
(d)前記膜分離器の内側表面と電気的に接触する個々の集電装置と、
を備え、かつ、前記複数の微小繊維状燃料電池のそれぞれが、その膜分離器の外側表面で共通集電装置と電気的に接触する、燃料電池サブ束。 - 繊維状または管状形態を有する、請求項1に記載の燃料電池サブ束。
- 前記共通集電装置は、繊維状形態を有する、請求項1に記載の燃料電池サブ束。
- それぞれの微小繊維状燃料電池は、約100ミクロン〜約10ミリメートルの範囲の外径によって特徴づけられる、請求項1に記載の燃料電池サブ束。
- それぞれの微小繊維状燃料電池の前記中空微小繊維状膜分離器が、ペルフルロカーボン−スルホン酸系高分子、ポリスルホン系高分子、ペルフルオロカルボン酸系高分子、スチレン−ビニル−ベンゼン−スルホン酸系高分子およびスチレン−ブタジエン系高分子からなる群から選択されるイオン交換高分子を含む、請求項1に記載の燃料電池サブ束。
- それぞれの微小繊維状燃料電池の前記中空微小繊維状膜分離器は、ペルフルロカーボン−スルホン酸系高分子を含む、請求項1に記載の燃料電池サブ束。
- 前記共通集電装置は、固体の繊維状要素を備える、請求項1に記載の燃料電池サブ束。
- 前記共通集電装置は、中心空洞を有する中空繊維状要素を備える、請求項1に記載の燃料電池サブ束。
- 前記共通集電装置は、炭素、黒鉛、炭素繊維強化材料、ファイバーグラス強化材料、金属、金属合金、導電性高分子、高分子複合材料および導電性セラミックからなる群から選択される材料を含む、請求項1に記載の燃料電池サブ束。
- 前記共通集電装置は、チタン、ニオビウム、ニッケル、ジルコニウム、金、タンタル、白金、パラジウム、銀およびそれらの合金からなる群から選択される金属または金属合金を含む、請求項1に記載の燃料電池サブ束。
- 前記共通集電装置は、固相結合で互いに結合した2つ以上の金属層を有する金属被覆複合材料を含む、請求項1に記載の燃料電池サブ束。
- 前記金属被覆複合材料は、
(1)チタン、ニオビウム、ニッケル、ジルコニウム、金、タンタル、白金、パラジウム、銀およびそれらの合金からなる群から選択される金属または金属合金から形成される一番外側の層と、
(2)銅、アルミニウム、黄銅、青銅、ニッケル、銀およびそれらの合金からなる群から選択される金属または金属合金から形成される1つ以上の内側の層と、
を含む、請求項11に記載の燃料電池サブ束。 - 少なくとも1つの微小繊維状燃料電池の前記個々の集電装置は、固相結合で互いに結合した2つ以上の金属層を有する金属被覆複合材料を含む、請求項1に記載の燃料電池サブ束。
- 前記複数の微小繊維状燃料電池は、包装要素により共通集電装置のまわりに巻回される、請求項1に記載の燃料電池サブ束。
- 前記共通集電装置は、燃料電池サブ束の一端部で微小繊維状燃料電池の膜分離器を越えて延在し、かつ、前記微小繊維状燃料電池要素の個々の集電装置は、前記燃料電池サブ束の他端で前記膜分離器を越えて延在する、請求項1に記載の燃料電池サブ束。
- 前記微小繊維状燃料電池要素が並列に接続され、かつ、前記燃料電池サブ束が、第1および第2の電気的接触をさらに含む、請求項1に記載の燃料電池サブ束。
- 前記燃料電池サブ束の両端部が、微小繊維状燃料電池要素の孔側をそれらの胴側から隔離するために注型封入される、請求項1に記載の燃料電池サブ束。
- 前記燃料電池サブ束と、前記燃料電池サブ束がこれに直列に接続される隣接する燃料電池サブ束との間の電気的短絡を防止する多孔性の絶縁層をさらに含む、請求項1に記載の燃料電池サブ束。
- 前記多孔性の絶縁層が、多孔性のファイバーグラス・マトリックス、発泡体様の構造を有する多孔性の高分子マトリックスまたは絶縁メッシュを含む、請求項18に記載の燃料電池サブ束。
- 複数の微小繊維状燃料電池要素、並びに、共通の熱交換および/または加湿要素を備える燃料電池サブ束であって、それぞれの微小繊維状燃料電池要素は、
(a)内部集電装置と、
(b)電解質媒体を含む中空繊維状膜分離器と、
(c)内部電極触媒層と、
(d)外部電極触媒層と、
(e)外部集電装置と、
を備える、燃料電池サブ束。 - 前記共通の熱交換および/または加湿要素が、非導電性/熱伝導性材料を含む、請求項20に記載の燃料電池サブ束。
- 前記共通の熱交換および/または加湿要素が、非多孔性かつ親水性、または微小孔性かつ疎水性材料を含む膜壁を含む、請求項20に記載の燃料電池サブ束。
- 電気絶縁性かつ多孔性の被覆層をさらに含む、請求項20に記載の燃料電池サブ束。
- 前記電気絶縁性かつ多孔性の被覆層が、発泡体様の構造を有する多孔性のファイバーグラス・マトリックスまたは多孔性の高分子マトリックスを含む、請求項23に記載の燃料電池サブ束。
- 前記電気絶縁性かつ多孔性の被覆層が、1種または複数の疎水性材料を含む、請求項23に記載の燃料電池サブ束。
- 複数の燃料電池要素および共通集電装置を備える燃料電池構造体であって、それぞれの燃料電池要素が、
(1)電解質媒体を有する膜分離器と、
(2)前記膜分離器の第1の表面と電気的に接触する第1の電極触媒層と、
(3)前記膜分離器の第2の反対側の表面と電気的に接触する第2の電極触媒層と、
(4)前記膜分離器の第1の表面と電気的に接触する個々の集電装置と、
を備え、かつ、それぞれの燃料電池要素が、その膜分離器の第2の反対側の表面で共通集電装置と電気的に接触する、燃料電池構造体。 - 熱伝導性管状の要素およびその中に配置される1つ以上の燃料電池サブ束を含む燃料電池束であって、それぞれの燃料電池サブ束が、全てが共通集電装置と電気的に接触する複数の微小繊維状燃料電池を含み、それぞれの微小繊維状燃料電池が、
(a)電解質媒体を含む中空微小繊維状膜分離器と、
(b)前記膜分離器の内側表面と接触する内部電極触媒層と、
(c)前記膜分離器の外側表面と接触する外部電極触媒層と、
(d)前記膜分離器の内側表面と電気的に接触する個々の集電装置と、
を備える燃料電池束。 - 前記熱伝導性管状の要素内に配置される複数の燃料電池サブ束を含む、請求項27に記載の燃料電池束。
- 前記熱伝導性管状の要素が、炭素、黒鉛、炭素繊維強化複合材料、ファイバーグラス強化複合材料、金属、金属合金、熱伝導性高分子、高分子複合材料および熱伝導性セラミック材料からなる群から選択される材料を含む、請求項27に記載の燃料電池束。
- 前記熱伝導性管状の要素が、炭素、黒鉛、炭素繊維強化複合材料およびファイバーグラス強化複合材料からなる群から選択される材料を含む、請求項27に記載の燃料電池束。
- 前記熱伝導性管状の要素が、チタン、ニオビウム、ニッケル、ジルコニウム、金、タンタル、白金、パラジウム、銀およびそれらの合金からなる群から選択される金属または金属合金を含む、請求項27に記載の燃料電池束。
- 前記熱伝導性管状の要素が、固相結合で互いに結合した2つ以上の金属層を有する金属被覆複合材料を含む、請求項27に記載の燃料電池束。
- 前記熱伝導性管状の要素が、チタン、ニオビウム、ニッケル、ジルコニウム、金、タンタル、白金、パラジウム、銀およびそれらの合金からなる群から選択される金属または金属合金を含む最も内側の層と、銅、アルミニウム、黄銅、青銅、ニッケル、銀およびそれらの合金からなる群から選択される金属または金属合金を含んでなる1つ以上の外側の層とを含む、請求項32に記載の燃料電池束。
- 前記熱伝導性管状の要素が、熱伝導性高分子、高分子/金属複合材料、高分子/炭素複合材料および高分子/セラミック複合材料からなる群から選択される1種または複数の高分子材料を含む、請求項27に記載の燃料電池束。
- 前記1つ以上の燃料電池サブ束が、熱伝導性管状の要素内に着脱可能に取り付けられるコア構造体を形成するように組み立てられる、請求項27に記載の燃料電池束。
- 前記コア構造体は、前記微小繊維状燃料電池要素の胴側をそれらの孔側から隔離し、かつ、前記燃料電池サブ束を束ねる注型封入部材を含む、請求項35に記載の燃料電池束。
- 前記コア構造体は、前記注型封入部材のまわりにオーリング要素をさらに含む、請求項36に記載の燃料電池束。
- 前記コア構造体の注型封入部材が、前記熱伝導性管状の要素の内側表面を気密に密封する、請求項36に記載の燃料電池束。
- 前記コア構造体は、互いに並列接続の複数の燃料電池サブ束を含む、請求項35に記載の燃料電池束。
- 前記コア構造体は、互いに直列接続の複数の燃料電池サブ束を含み、かつ、それぞれの燃料電池サブ束は、多孔性の絶縁層によって覆われる、請求項35に記載の燃料電池束。
- 前記コア構造体は、前記複数の燃料電池サブ束を直列に接続する接続ワイヤを有する端末要素を含む、請求項40に記載の燃料電池束。
- 前記熱伝導性管状の要素が、第1の端部で第1の組の穿孔を、かつ、第2の端部で第2の組の穿孔を形成するように穿孔される、請求項36に記載の燃料電池束。
- 前記第1およびの組の穿孔の間の距離が、前記コア構造体の注型封入部材間のそれより小さい、請求項42に記載の燃料電池束。
- 空気チャネル管内に配置される1つ以上の微小繊維状燃料電池要素を備える燃料電池束であって、それぞれの微小繊維状燃料電池要素が、
(a)内部集電装置と、
(b)内部電極触媒と、
(b)電解質媒体を含む中空繊維状膜分離器と、
(d)外部電極触媒層と、
(e)任意選択の外部集電装置と、
を備える、燃料電池束。 - 前記空気チャネル管は熱伝導性管状の要素を備える、請求項44に記載の燃料電池束。
- 前記空気チャネル管は、熱および電気伝導性の管状の要素を備える、請求項44に記載の燃料電池束。
- 前記空気チャネル管は、炭素材料、炭素繊維強化複合材料、ファイバーグラス強化複合材料、金属、金属合金、熱伝導性高分子、高分子複合材料および熱伝導性セラミックからなる群から選択される材料を含む、請求項44に記載の燃料電池束。
- 前記空気チャネル管は、固相結合で互いに結合した2つ以上の金属層を有する金属被覆複合材料を含む、請求項44に記載の燃料電池束。
- 前記空気チャネル管は、チタン、ニオビウム、ニッケル、ジルコニウム、金、タンタル、白金、パラジウム、銀およびそれらの合金からなる群から選択される金属または金属合金を含んでなる最も内側の層と、銅、アルミニウム、黄銅、青銅、ニッケル、銀およびそれらの合金からなる群から選択される金属または金属合金を含んでなる1つ以上の外側の層と、を含む、請求項48に記載の燃料電池束。
- 前記空気チャネル管は、非多孔性かつ親水性の膜壁を有する高分子管状の要素を備える、請求項44に記載の燃料電池束。
- 前記空気チャネル管は、微小孔性かつ疎水性の膜壁を有する高分子管状の要素を備える、請求項44に記載の燃料電池束。
- 前記空気チャネル管は、非多孔性かつ親水性、または微小孔性かつ疎水性の膜壁を有する熱伝導性高分子管状の要素を備える、請求項44に記載の燃料電池束。
- 前記空気チャネル管は、高分子/金属複合材料、高分子/炭素組成物材料および高分子/セラミック複合材料からなる群から選択される高分子複合材料を含む熱伝導性高分子管状の要素を備える、請求項44に記載の燃料電池束。
- ハウジング内に配置される燃料電池束の組立体を供える燃料電池組立体であって、それぞれの燃料電池束が、熱伝導性管状の要素およびその中に配置される1つ以上の燃料電池サブ束を備え、それぞれの燃料電池サブ束が、全てが共通集電装置と電気的に接触する複数の微小繊維状燃料電池を備え、それぞれの微小繊維状燃料電池が、
(a)電解質媒体を含む中空微小繊維状膜分離器と、
(b)前記膜分離器の内側表面と接触する内部電極触媒層と、
(c)前記膜分離器の外側表面と接触する外部電極触媒層と、
(d)前記膜分離器の内側表面と電気的に接触する個々の集電装置と、
を備え、前記ハウジングは、複数の気密に分離された区画、並びに、電気および熱エネルギーを生成するため、前記燃料電池束を経由して燃料含有流体、酸化体含有流体および熱交換流体を別々に通過させるように設定され、かつ、構成された複数の流体入口および出口を含む、燃料電池組立体。 - 前記ハウジングは、中心区画、第1および第2の中間区画、並びに、第1および第2の端部区画を画定する管板の第1の対および管板の第2の対を含む、請求項54に記載の燃料電池組立体。
- 前記中心区画は、そこを経由して熱交換流体を通過させる前記燃料電池束の前記導電性管状の要素の胴側と連通する、請求項55に記載の燃料電池組立体。
- 前記第1および第2の中間区画は、燃料含有流体を前記微小繊維状燃料電池要素の胴側に供給するため、および、前記燃料電池束から消費された燃料を排出するため、それぞれの燃料電池束の熱伝導性管状の要素内に配置される前記燃料電池サブ束の微小繊維状燃料電池要素の胴側と連通する、請求項55に記載の燃料電池組立体。
- 前記第1および第2の端部区画は、酸化体含有流体を前記微小繊維状燃料電池要素の胴側に供給するため、および、消費された酸化体を前記燃料電池束から排出するため、それぞれの燃料電池束の熱伝導性管状の要素内に配置される燃料電池サブ束の微小繊維状燃料電池要素の孔側と連通する、請求項55に記載の燃料電池組立体。
- 前記第2の中間区画と、それに接続される放出管を有する前記第2の端部区画との間に隔離区画をさらに含む、請求項55に記載の燃料電池組立体。
- 前記ハウジングは長手方向軸線を有し、前記流体入口および出口は、前記ハウジングの前記長手方向軸線に対して略平行である、請求項54に記載の燃料電池組立体。
- 前記流体入口および出口は、熱交換入口管、熱交換出口管、燃料入口管および燃料出口管を含む、請求項60に記載の燃料電池組立体。
- その中に配置される1つ以上の燃料電池要素を有し、長手方向軸線を有する細長いハウジング構造体を備える燃料電池組立体であって、前記細長いハウジング構造体は、前記燃料電池要素を経由して2種以上の流体を別々に通過させる複数の流体入口および出口を含み、かつ、前記細長いハウジング構造体の全ての流体入口および出口は、前記細長いハウジングの長手方向軸線に対して略平行である、燃料電池組立体。
- ハウジング内に配置される燃料電池束の組立体を備える燃料電池組立体であって、それぞれの燃料電池束が、空気チャネル管内に配置される1つ以上の微小繊維状燃料電池要素を含み、それぞれの微小繊維状燃料電池要素が、
(a)内部集電装置と、
(b)内部電極触媒層と、
(c)電解質媒体を含む中空繊維状膜分離器と、
(d)外部電極触媒層と、
(e)任意選択の外部集電装置と、
を備え、前記ハウジングは、複数の気密に分離された区画、並びに、電気および熱エネルギーを生成するため、前記微小繊維状燃料電池束を経由して燃料含有流体、酸化体含有流体および熱交換流体を別々に通過させるように設定され、かつ、構成された複数の流体入口および出口を含む、燃料電池組立体。 - 水溶性熱交換流体が供給され、かつ、それぞれの燃料電池束の前記空気チャネル管は、非多孔性かつ親水性の膜壁を有する高分子管を含む、請求項63に記載の燃料電池組立体。
- 水溶性熱交換流体が、供給され、かつ、それぞれの燃料電池束の前記空気チャネル管は、微小孔性かつ疎水性の膜壁を有する高分子管を含む、請求項63に記載の燃料電池組立体。
- 水溶性熱交換流体が、供給され、前記組立体が、それぞれの燃料電池束毎に少なくとも1つの中空加湿繊維をさらに含み、それぞれの中空加湿繊維が、水溶性熱交換流体を、その孔を経由してそれぞれの前記燃料電池束の空気チャネル管のルーメンの中に流すように設定されかつ構成され、それによって前記空気チャネル管内の前記微小繊維状燃料電池要素を加湿する水蒸気が供給される、請求項63に記載の燃料電池組立体。
- それぞれの中空加湿繊維が、非多孔性かつ親水性の高分子膜壁を含む、請求項66に記載の燃料電池組立体。
- それぞれの中空加湿繊維が、微小孔性かつ疎水性の高分子膜壁を含む、請求項66に記載の燃料電池組立体。
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