JP2008500707A - 電気化学電源設計及び部品 - Google Patents

Abstract

特に、多孔質コアと、当該多孔質コアを挟む２つのイオン伝導膜とを含むイオン伝導膜アセンブリが提供され、多孔質コアは、イオン伝導液を保持するようになっている。

Description

本発明は特に、スタック型燃料電池アセンブリを含む燃料電池及び他の電気化学電源、並びに燃料電池において用いるためのデバイスに関する。また本発明は、可逆燃料電池及びフロー電池のような他の電気化学システムにおいても用いることができる。

スタック型燃料電池アセンブリＦＣＳが図１Ａに示される。基本素子は燃料電池５であり、それは、膜電極アセンブリ１、膜電極アセンブリ１の一方にある陰極チャンバ、及び他方にある陽極チャンバから構成される。これらのチャンバは、図示されるシール２内に設けられる。これらの燃料電池素子５の間には双極板３がある。双極板はスタック型燃料電池５を電気的に接続する。多くの場合に、付加的な冷却板６が組み込まれ、放熱を改善する。図において、そのスタックは、端板４によって、２つの端部において閉じられる。図１Ｂには、燃料電池が取り出して示される。膜電極アセンブリは典型的には、電解質１６（ポリマー電解質膜又はアルカリ電解質等）、電極１７及び拡散層７を含む。電極は典型的には、支持材料と、貴金属、遷移金属又はそれらの合金のような触媒とを含む。

燃料電池において用いられるイオン伝導膜は典型的には、燃料として純粋な水素を用いて、９５℃より低い温度において動作する。いくつかの膜はメタノール燃料で動作するが、メタノールが膜に十分に浸透しないので（メタノールクロスオーバ）、エネルギー効率が低下する。したがって、水素燃料電池の場合に、さらに高温（１２０〜２００℃）において動作するか、又は直接メタノール燃料電池の場合に、低いメタノールクロスオーバ速度を有する、新たな膜が必要とされている。本発明は、中でも、これらの問題に対処するイオン伝導膜を得るための設計を提供する。

典型的には、触媒支持材料を用いて触媒粒子が支持され、その触媒粒子からの電子がガス拡散層に、その後、双極板に、さらにその後、スタック内の次の電池に伝導する。通常、支持材料としてカーボンブラックが用いられるが、カーボンブラックを一貫して処理することは難しく、その電子伝導度は満足のいくものではない。本発明は、中でも、電気的な接続性を改善する触媒支持層のための設計及び処理方法を提供する。

双極板は導電性でなければならないが、分離した燃料電池からの反応物が移動できてはならない。多くの場合に、グラファイト板が用いられるが、そのような板は価格が高く、その機械的強度は、所望の強度よりも小さい。金属を用いることはできるが、金属板は多くの場合に腐食を受けやすい。金、又はこれまでに開発されてきた、それ以外の新規の金属材料は、より大きな耐化学薬品性を有するが、耐腐食性金属材料のコストは高い。さらに、双極板の電気的な流動場及び表面特性は、燃料電池、フロー電池等の性能にとって重要である。本発明は、中でも、（ｉ）これらの問題に対処する双極板のための設計、及び（ｉｉ）新たな双極板のためのガス拡散層の設計を提供する。

拡散層は、多孔質構造を有し、導電性でなければならない。さらに、拡散層と電極又は双極板との間の電気的な接触抵抗を最小限に抑えて、内部の電力損を低減しなければならない。本発明は、中でも、接触抵抗を低減できるようにする拡散層を提供する。

自動車、トラック、トラクタ等、又は無線、携帯電話、メディアプレーヤ等の移動及びポータブルの応用形態において水素燃料電池を用いるために、燃料密度が高い水素燃料の供給源が有用であろう。本発明は、中でも、高密度の水素源を設けるための設計、及び水素源を完全な燃料電池電源システムに組み込むための設計を提供する。

記述される設計は、製造コストを下げ、燃料電池効率を高め、且つ燃料電池重量又は体積を小さくするものと考えられる。

［例示的な実施の形態］
一実施の形態では、多孔質コアと、当該多孔質コアを挟む２つのイオン伝導膜とを含むイオン伝導膜アセンブリが提供され、多孔質コアは、イオン伝導液を保持するようになっている。そのようなイオン伝導膜は、たとえば、３０℃〜２００℃、又は１１０℃〜２００℃において動作する電気化学電源において用いることができる。

別の実施の形態では、多孔質伝導マトリックスと、当該多孔質伝導マトリックスによって支持されるカーボンナノチューブと、当該カーボンナノチューブ上に堆積される電極触媒とを含む多孔質電極が提供される。

別の実施の形態では、２つ以上の電気化学電池と、２つの電気化学電池間にある双極板とを含むスタック型電気化学電源アセンブリが提供され、その双極板は、（ｉ）金属層と、１つ又は複数の抵抗層であって、当該抵抗層（複数可）を貫通する導電性バイアを含む、１つ又は複数の抵抗層とを含むか、又は（ｉｉ）（１）抵抗層であって、当該抵抗層を貫通する導電性バイアを含む、抵抗層を含むコアと、（２）抵抗層の２つの主面上にある金属コーティングとから基本的に構成される。「基本的に構成される」は、構成要素（１）及び（２）を指しているが、たとえば構成要素（１）は、その特徴を含む。それが表面層である場合には、「抵抗」層は、スタック型電気化学電源のための適度な寿命を得るために、その層が許容する関連の電気化学電池との接触（ただし、これが唯一の変数である場合）に起因する腐食に十分に耐えることができる層である。内部にある場合には、「抵抗」層は、十分に電気伝導しないので、バイアが電源としての役割を改善するような層である。そのような抵抗層は、そうである必要はないが、誘電体であると見なされる材料から形成することができる。

別の実施の形態では、２つ以上の電気化学電源電池と、２つの当該電気化学電源電池間にある双極板と、２つ以上の当該電気化学電源電池のための、当該電気化学電源電池のイオン伝導膜と上記双極板との間に配置される拡散層とを含む電気化学電源アセンブリが提供され、拡散層は、多孔質カーボンブランケットを含み、カーボンブランケットは、少なくとも１つの主面上に、カーボンブランケットよりも大きな導電容量を有する導電性エリアのパターンを含み、そのエリアは上記双極板と電気的に接触するようになっている。双極板は、拡散層の導電性エリアと位置合わせし、且つ接触するようになっている電気的な接点を含む。

別の実施の形態では、複合水素化物及び活性金属の混合物と、入口チャネル及び出口チャネルとを含む容器と、複合水素化物／金属混合物を加熱するための電気ヒータとを備える固体水素源が提供される。そのような固体水素源は、要求に応じて水素を発生させるために水の供給源の間にある１つ又は複数のバルブを有する導管とともに用いることができる。

［発明の詳細な説明］
図２は、多孔質コア１１２を挟むイオン伝導膜１１１の層を有するハイブリッドイオン伝導膜アセンブリ１００を示す。多くの事例において、挟まれる多孔質コアは１つで十分であると考えられるが、さらに多くの多孔質コアを用いることもできる。動作時に、多孔質コア１１２は、酸性水溶液のような電解液内に浸漬される。イオン伝導膜１１１には、たとえばナフィオン（Dupontから市販される）等を用いることができる。

多孔質材料には、たとえば、石英、ガラス、セラミック又は金属を用いることができる。ガラス又は石英である場合には、細孔を設けるためにエッチングすることができるか、又は多孔質材料としてガラス繊維ブランケット、布又は紙を用いることができる。多孔質コアの厚みは、たとえば、１０〜２，０００μｍである。実施形態に応じて、その厚みは、以下の下端値（その値を含む）のうちの１つ、又は以下の上端値（その値を含む）のうちの１つから選択することができる。下端値は、１０、２０、５０、１００、２００、４００、８００、１，２００、１，６００及び２，０００μｍである。上端値は、２０、５０、１００、２００、４００、８００、１，２００、１，６００、２，０００及び５，０００μｍである。たとえば、その厚みは、５０〜２００μｍにすることができる。実施形態に応じて、その細孔サイズは、以下の下端値（その値を含む）のうちの１つ、又は以下の上端値（その値を含む）のうちの１つから選択することができる。下端値は、５、１０、２０、５０、１００、２００、４００及び８００ｎｍ、並びに１、５、１０、２０、３０、５０及び１００μｍである。上端値は、１０、２０、５０、１００、２００、４００及び８００ｎｍ、並びに１、５、１０、２０、３０、５０、１００及び２００μｍである。

図３は、ハイブリッドイオン伝導膜アセンブリの一実施形態の拡大した断面図を示す。観察のために拡大する断面が図２に示される（ここで例示するためにすぎないが、その実施形態は図２に示されるイオン伝導膜アセンブリにおいて用いられたものと仮定する）。この実施形態は、主細孔２１４と、メソ細孔２１５とを有する。主細孔及びメソ細孔が、コア領域全体を構成することができるか、又は構造的な構成要素、又は充填構成要素２１３が存在する場合もある。実施形態に応じて、メソ細孔のサイズは、以下の下端値（その値を含む）のうちの１つ、又は以下の上端値（その値を含む）のうちの１つから選択することができる。下端値は、５、１０、２０、５０、１００、２００、３００及び４００ｎｍである。上端値は、２０、５０、１００、２００、３００、４００及び５００ｎｍである。大きい方の細孔（たとえば、主細孔２１４）の場合、実施形態に応じて、細孔サイズは、以下の下端値（その値を含む）のうちの１つ、又は以下の上端値（その値を含む）のうちの１つから選択することができる。下端値は、１００、２００、４００及び８００ｎｍ、並びに１、５、１０、２０及び３０μｍである。上端値は、２００、４００及び８００ｎｍ、並びに１、５、１０、２０、３０、５０、１００及び２００μｍである。

ハイブリッド膜内のポリマー層の厚みは、実施形態に応じて、以下の下端値（その値を含む）のうちの１つ、又は以下の上端値（その値を含む）のうちの１つから選択することができる。下端値は、０．１、０．２、０．５、１、２、５及び１０μｍである。上端値は、０．２、０．５、１、２、５、１０及び２０μｍである。たとえば、その厚みは、０．５〜２μｍにすることができる。ハイブリッドイオン伝導膜アセンブリの全厚は、実施形態に応じて、以下の下端値（その値を含む）のうちの１つ、又は以下の上端値（その値を含む）のうちの１つから選択することができる。下端値は、１、５、１０、２０、５０、１００及び２００μｍである。上端値は、２５、５０、１００、２００、５００及び１，０００μｍである。たとえば、その厚みは２５〜１００μｍにすることができる。

図２及び図３のハイブリッドイオン伝導膜アセンブリの実施形態は、電解液がポリマー電解質よりもはるかに高い伝導率を有するので、高い電解質伝導度を提供する。さらに、多孔質コア基板内で薄膜ポリマー電解質と電解液とを直に接触させることによって、水がポリマー膜内に移動しやすくなり、膜が濡れたままになるので、水管理が簡単になる。膜ポリマーは薄くすることができるので、その電気抵抗が小さくなり、それにより、高温動作用に設計される膜の低い伝導度に関する問題が克服される。同様に、透過率が低いメタノール又は他の有機物を使用し、従来どおりに低い陽子伝導度を有する膜を薄くして、有効な低い有機物透過率を維持するが、陽子伝導度をより効率的にすることができるものと考えられる。

特定の実施形態では、そのハイブリッドイオン伝導膜アセンブリは、比較的高温で動作する。たとえば、その温度は、以下の下端値（その値を含む）のうちの１つ、又は以下の上端値（その値を含む）のうちの１つから選択することができる。下限値は、１０、２５、５０、６０、７０、８０、９０、１００、１１０、１２０、１３０、１４０及び１５０℃である。上限値は、９０、１００、１１０、１２０、１３０、１４０、１５０、１８０及び２００℃である。たとえば、その温度は、１１０〜１８０℃、又は１１０〜２００℃にすることができる。

一実施形態では、そのハイブリッドイオン伝導膜アセンブリは、水素ハロゲン電池のような、可逆燃料電池において利用される。低ハロゲンクロスオーバ速度のポリマー膜をハイブリッド膜において用いて、高い陽子伝導度及び低いハロゲンクロスオーバが達成される。

一実施形態では、そのハイブリッド膜アセンブリは、多硫化ナトリウム及びバナジウムレドックスフロー電池のようなフロー電池の応用形態において用いられる。硫黄及び臭素イオン、又はバナジウムイオンの低クロスオーバのような、電解液内の成分のクロスオーバが低いポリマー膜をハイブリッド膜において用いて、高い活性イオン（ナトリウムイオン又は陽子等）伝導度及び他の成分の低いクロスオーバが達成される。

電気化学電源の電極性能を改善するために、図４に示されるように、ガス拡散層１７１のような多孔質支持マトリックスの表面上に固定されるカーボンナノチューブ１７３上に電極触媒を堆積することによって、カーボンナノチューブ含有電極が構成される。そのようなナノチューブ含有電極を形成するために、たとえば、最初に、支持マトリックス１７１上に、カーボンナノチューブ形成触媒を堆積することができる。その後、たとえば、米国特許第６，６９２，７１７号によって記述される条件を用いて、高温及び炭素含有雰囲気を用いて、そのマトリックス上でカーボンナノチューブ１７３を成長させる。その後、カーボンナノチューブ上に電極触媒を堆積することができる。カーボンナノチューブの大きな表面積及び高い電子伝導率が、電極性能を大幅に改善するものと考えられる。

ナノチューブ形成触媒は、たとえば、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｖ、Ｍｎのような遷移金属、又はＰｔ、Ｇｄ、Ａｇ、Ｒｕ、Ｒｈ又はそれらの合金のような貴金属である。触媒は、たとえば、真空蒸着及び他の物理工程によって、又はゾル−ゲル及び他の湿式化学工程によって堆積することができる。ナノチューブ形成触媒には、シリコン（Nature, Oct. 29, 1998, vol. 395, pp. 878-881に記述される工程等）、又はＳｉＣの触媒粒子を用いることもできる。Ｓｉ粒子及びＳｉＣ粒子は、化学気相成長によって、又は堆積されたシリコンと支持マトリックス１７１内のグラファイトとを高温で反応させることによって堆積することができる。実施形態によっては、ナノチューブ含有電極は、フロー電池及び可逆燃料電池において用いられる。

実施形態によっては、ナノチューブ含有電極は、フロー電池又は可逆燃料電池において用いられる。詳細には、これらの実施形態では、電極触媒支持ナノチューブ２１７−２は、マトリックス繊維２１７−１からの支持を受けて、支持マトリックス２１７の上及び中に根を張ることができることが好ましい（図５に示されるような三次元複合構造）。この３Ｄ複合電極構造は、触媒支持のための大きな表面積、及び多孔質支持マトリックスの中の電解液の質量輸送のための大きな細孔の両方を提供するであろう。

一実施形態では、双極板３０は、金属コア３１と、双極板にわたって電気的な接続性を得るための導電性バイア３２と、抵抗層３３とを有する（図６Ａ）。金属コア層は、たとえば、高密度に、又は多孔質にすることができるか、或いは高密度の内側コアに多孔質表面を有することができる。抵抗層は、金属コアの腐食に対する強度及び／又は保護を与えることができる。導電性バイア３２の外側端部はオプションで、金のような耐腐食性の金属材料（図示せず）でコーティングされる。

又は、図６Ｂの実施形態の場合のように、双極板の表面を、耐腐食性の導電性材料１３４の層で均一にコーティングして、双極板の表面導電率を改善することができる。耐腐食性は、双極板について予想される動作環境における耐性である。耐腐食性の導電性材料には、たとえば、プラチナ、金、適当な合金、炭素（グラファイト）等を用いることができる。

金属コアの厚み範囲は（表面スケール下で）、以下の下端値（その値を含む）のうちの１つ、又は以下の上端値（その値を含む）のうちの１つから選択される。下端値は、２０、５０、１００、２００及び５００μｍである。上端値は、２００、５００、１，０００、２，０００及び３，０００μｍである。たとえば、その厚みは１００〜３００μｍにすることができる。

導電性バイア３２は、円形、方形又は他の断面形状を有することができ、たとえば、１０〜１０，０００μｍの断面寸法（大きい方の寸法で）を有することができる。断面寸法は、たとえば、以下の下端値（その値を含む）のうちの１つ、又は以下の上端値（その値を含む）のうちの１つから選択される。下端値は、１０、２５、５０、１００、２００、５００及び１，０００μｍである。上端値は、５０、１００、２００、５００、１，０００、２，０００、３，０００及び４，０００μｍである。たとえば、断面寸法は、２５〜５００μｍ、又は５０〜５００μｍ、又は１００〜５００μｍにすることができる。導電性バイア３２の高さは、抵抗層の厚みと同じか、又はそれよりも高くすることができる。抵抗層の表面上に延在するバイアは、スタック内の電気的な接触抵抗を小さくすることができる。バイアは、上側（端面に近い部分）においてはより耐腐食性の高い材料を用いる等、異なる部分において異なる材料を用いることができるか、又は結合層を用いて、金属コアとの接触を助長することができる。バイアの量は、電池動作電流密度によって決定される。フロー電池のような低い動作電流密度では、数平方センチメートル当たり１つのバイアを用いることができる。高出力の電気化学電源のような、高い動作電流密度では、１平方センチメートル当たり数百個のバイアを用いることができる。

実施形態に応じて、バイアは、それらのバイアが貫通する抵抗層の体積の５０％以下、４０％以下、３０％以下、２０％以下、１０％以下、５％以下、２％以下、１％以下、０．５％以下である。

抵抗層厚は、抵抗性コーティングの被着工程によって決定される。抵抗層厚は、以下の下端値（その値を含む）のうちの１つ、又は以下の上端値（その値を含む）のうちの１つから選択することができる。下端値は、０．１、１、１０及び５０μｍである。上端値は、１０、２０、５０、１００、５００及び２，０００μｍである。たとえば、その厚みは、５〜５０μｍにすることができる。

双極板の全厚の範囲は、たとえば、以下の下端値（その値を含む）のうちの１つ、又は以下の上端値（その値を含む）のうちの１つから選択される。下端値は、１０、５０、１００、２００及び５００μｍである。上端値は、２００、５００、１，０００、２，０００及び５，０００μｍである。たとえば、その厚みは、１００〜３００μｍにすることができる。

抵抗層は、当該技術分野において認識されている条件下での金属層の反応によって、高密度の薄膜表面スケールとして形成することができる。適当な高密度の表面スケールを形成する金属は、たとえば、ステンレス鋼又はチタンを含む。この場合、導電性バイアは、表面スケールコーティングを形成する前に、導電性バイア材料をスポット堆積することによって形成することができる。スポット堆積工程には、印刷、電気めっき、スパーティング（spurting）等を用いることができる。高密度の表面スケールを形成するために、たとえば、金属コアを、酸素又は窒素が存在する中で、１００℃〜１，３００℃のような適当な温度まで加熱することができる。

別法では、抵抗層は厚膜工程によって形成することができる。そのような工程では、抵抗性テープが形成され、そのテープに導電性バイアのための小さな孔が開けられる。その後、抵抗性テープは金属コアプレートに張り合わせられる。抵抗性テープ６を張り合わせる前又は後に、孔内に導電性バイアを施すことができる。導電性バイア材料を施すための工程には、スクリーン印刷、充填等を用いることができる。抵抗性材料には、たとえば、ポリマー又はセラミック（ガラスセラミックを含む）を用いることができる。セラミック抵抗性材料の場合には、グリーンテープとしてセラミック層を張り合わせ、その後、金属コアとともに高温で焼成されて、グリーンテープが密度を高められ、抵抗層が得られる。セラミック抵抗層を金属コアプレート上に被着するための１つの方法は、米国特許第５，５８１，８７６号、第５，７２５，８０８号、第５，７４７，９３１号、第６，１４０，７９５号に記述されるような、低温セラミック金属同時焼成技術（ＬＴＣＣ−Ｍ）を用いることである。

一実施形態では、金属コア層は多孔質であり（多孔質表面と、高密度の内側コアとを含む）、抵抗層は薄膜である。抵抗層は、表面全体（多孔質金属層の内側表面を含む）をコーティングし、腐食に対して金属を保護することができる。

一実施形態では、双極板は波形にすることができる。図７Ａに示されるように、導電性バイア４３２は双極板４３１の高い点（又は下側の低い点）にあり、それにより、燃料電池、電池等の電極又は拡散層との接触を助長する。波形にされた双極板は、流体（燃料電池のためのガス及びフロー電池のための液体を含む）を輸送するためのチャネルを設けるように波形にすることができる。波形の形状及び寸法は、燃料電池、フロー電池等の最良の性能を得るために最適化することができる。

波形の形状は、角度を成す（直線部及び曲線部を有する）か、曲線にすることができるか、又は島状（又は半島状）にすることができる。双極板の所与の側又は両側において、実施形態に応じて、隆起部間の距離は、以下の下端値（その値を含む）のうちの１つ、又は以下の上端値（その値を含む）のうちの１つから選択することができる。下端値は、０．０２、０．０４、０．０６、０．０８、０．１、０．２、０．４、０．６、０．８、１．０、１．５、２．０、２．５、３．０、３．５、４．０及び４．５ｍｍである。上端値は、０．０４、０．０６、０．０８、０．１、０．２、０．４、０．６、０．８、１．０、１．５、２．０、２．５、３．０、３．５、４．０、４．５及び５．０ｍｍである。たとえば、その距離は、０．０２〜５ｍｍ、又は０．１〜２ｍｍにすることができる。「波形」は、双極板として用いるのに適した形状全体の上にある高いスポット及び低いスポットから成る任意のパターンを意味する。

一実施形態では、図７Ａの差込図に示されるように、波形のエリアの表面上にマイクロチャネル又はピット４３７を埋め込むことができる。マイクロチャネル又はピット４３７は、波形の上に凝縮する水を散開させるような寸法及び形状を有する。マイクロチャネル又はピットは、波形に沿って（たとえば、波形によって形成されるチャネルにおいて）、実効的にガスを遮断するようなサイズの水滴が形成されるのを低減することができる。マイクロチャネル又はピット４３７の形状は、たとえば、円形、方形又は他の断面形状を有することができ、たとえば、１〜５００μｍの断面寸法（大きい方の寸法で）を有することができる。断面寸法（幅）は、たとえば、以下の下端値（その値を含む）のうちの１つ、又は以下の上端値（その値を含む）のうちの１つから選択される。下端値は、１、５、５０及び１００μｍである。上端値は、５０、１００、２００及び５００μｍである。たとえば、断面寸法は、２５〜１００μｍ、又は５０〜２００μｍにすることができる。通常、これらのマイクロチャネルは、図９に示されるチャネルよりも小さい。

一実施形態では、図８に示されるように、２枚以上の金属シートを溶接するか、又は他の方法で結合又は接合して、中空のコア７３９を形成することができる。中空のコア内のチャネルは、双極板のための熱交換チャネルとして用いることができる。水のような熱交換媒体が中空のコア内に流れ、燃料電池、フロー電池スタック等の温度を制御することができる。図８に示される２枚のシートによって示されるような、金属コアを形成する結合された個々の金属部品は、１つの「金属層」を形成することができる。

厚膜抵抗性表面コーティングを用いる一実施形態では、図９（拡散層２７０を含む）に示されるように、双極板は、抵抗層２３３内にチャネル２３５を組み込み、ガス又は他の流体の輸送を助長する（たとえば、マニホルドとしての役割を果たす）ことができる。チャネル２３５は、抵抗性テープが金属コア層に張り合わせられる前又は後に、エンボス加工等によって形成することができる。図には示されないが、この実施形態の双極板の表面は、図６Ｂに示されるのと同じようにして導体で覆うことができるが、その導体表面はチャネルを形成する輪郭に従う。

厚膜抵抗性表面層を用いる一実施形態では、図１０及び図７Ｂに示されるように、双極板は、抵抗層２３１又は５３５と金属コア層３３１又は５３４との間に熱交換チャネル３３６又は５３６を封入することができる。水のような熱交換媒体が、これらの封入されたチャネル内に流れ、燃料電池、フロー電池スタック等の温度を制御することができる。

熱交換チャネル３３６は、たとえば、抵抗性材料を被着する前に金属コアを成形し、その後、抵抗層を被着してチャネルを同時に形成することによって形成することができる。熱交換チャネル５３６は、たとえば、金属上に抵抗性テープ５３５を調整しながら張り合わせて、導管５３６を保持することによって、又はグラファイト又はポリマー粉末のような可燃性の材料を導管５３６の場所に被着し、抵抗性テープ５３５（セラミックテープ等）を張り合わせて、その一体に張り合わせたものを焼成して、導管５３６の中を開けることによって形成することができる。

図７Ｃに示されるような一実施形態では、双極板は、そのコアとして、両側に薄い金属箔６３４を有する抵抗層６３３と、抵抗性コア層６３３を貫通して双極板を貫通する電気的接続を確立する導電性バイア６３２とを有する。表面金属箔６３４は、均一に覆うことができるか、又はその表面をパターニングして、種々の導電性バイア６３２を接続することができる。この実施形態は、波形の双極板で例示されるが、このようにして、平坦な双極板も設計することができる。実施形態に応じて、セラミックコア６３３のための厚みの範囲は、以下の下端値（その値を含む）のうちの１つ、又は以下の上端値（その値を含む）のうちの１つから選択される。下端値は、１０、５０、１００、２００、５００μｍである。上端値は、５０、１００、２００、５００、１，０００μｍである。たとえば、その厚みは、１０〜５０μｍ、又は１００〜５００μｍにすることができる。表面金属箔６３４は、特定の電気化学電源における腐食に耐えるように選択される金属箔である。そのような金属材料は、金、プラチナ、適当な合金等を含む。金属箔６３４は、双極板の他の構成要素と組み合わせて、陰極チャンバ及び陽極チャンバ内の反応物及び生成物を分離するだけの十分な厚みを有する。

図１１Ａ及び図１１Ｂは、多孔質カーボンマトリックスシート７１及び接触エリア７２から構成される拡散層７０を示す。これらの接触エリア７２は、マトリックスシートよりも高い導電度を有する。燃料電池及びフロー電池アセンブリでは、これらの接触エリアを、導電性バイアと位置合わせして、システム全体の電気的に完全な状態を確保することができる。

接触エリア７２は、円形、方形又は他の形状を有する点状物にすることができる。またそれは、双極板の接触エリア全体を整合させるために、連続したライン又はストリップ（図には示されない）にすることもできる。この低接触抵抗の拡散層は、燃料電池、フロー電池等の、従来のグラファイト系の双極板とともに用いることができる。実施形態に応じて、接触エリアによって占められる拡散層の表面の表面積は、５０％以下、４０％以下、４０％以下、２０％以下、１０％以下、５％以下である。

拡散層の主面の寸法は、対応する電極及び双極板の寸法と同じにすることができる。実施形態によっては、これらの拡散層は、双極板上に位置合わせされ、取り付けられる、小さなストリップにすることができる。

これらの接触エリア７２は、マトリックスと同じ材料を用いるが、より高密度（低多孔率）の構造にすることができるか、又は高い導電率、化学的安定性、より強い接着性等の、より良好な性能を有する異なる材料を用いることができる。これらの導電性エリアは、たとえば、導電性インクを被着し、その導電性インクを加熱して焼結し、実効的な導体にすることによって形成することができる。被着工程には、印刷、真空蒸着、電気めっき等を用いることができる。接触エリアの質量又は高さを大きくする必要がある場合には、その被着工程は、必要に応じて何度も繰り返すことができる。電極又は双極板は、隆起したスポットのような、接触エリア７２と接触させるための完全に一致しているスポットを有することもできるが、必ずしもその必要はない。

水素ガスの低いエネルギー密度は、移動デバイスにおいて用いるための障害になる。液体水素が取り扱い難いことが、それを用いることの障害になるが、水素化物が、電気化学電源のための水素の高密度の水素源としての役割を果たすことができる。

全ての水素化物の中でも、複合水素化物は、適切に管理されるなら、高密度のエネルギー源として最も有望である。そのような複合水素化物は、たとえば、水素化ホウ素及び水素化アルミニウムを含む。そのような水素化物は、Ｍ（ＢＨ_４）及びＭ（ＡｌＨ_４）を含む。ただし、Ｍは、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、ＮＨ_３又はＮＨ_４である。

おそらく、水素化物から水素を得るための最も簡単な方法は、以下の化学式によって示される熱分解による。
２ＮａＢＨ_４ → ２ＮａＨ＋２Ｂ＋３Ｈ_２ （Ｉ）
水素を得るための別の方法は、以下の化学式によって示される、水との反応による。
ＮａＢＨ_４＋２Ｈ_２Ｏ → ＮａＢＯ_２＋４Ｈ_２ （ＩＩ）
反応ＩＩは、より多くの水素を与える。電気化学電源システムでは、電気化学電源動作から水を生成することができ、排気から収集することができる。しかしながら、反応ＩＩの生成物は水を吸収し、以下のような水和物を形成する傾向がある。
ＮａＢＯ_２＋２Ｈ_２Ｏ → ＮａＢＯ_２・２Ｈ_２Ｏ （ＩＩＩ）
水和物は、水素化物の完全な反応を中断する可能性がある反応妨害水和物殻を形成するであろう。この問題を回避するための実効的な方法は、１２０〜２００℃のような高温で反応を実施することである。

図１２Ａ及び図１２Ｂの固体水素源８００は、水素を格納し抽出するための、有効でエネルギー効率の良い方法を提供する。その固体水素源は、給水チャネル８８１、加熱素子８８２（電気リード８８２−１によって駆動される）、水素生成組成物８８３及び水素放出チャネル８８４を有する容器から構成される。水素生成組成物には、水素化物、又は水素化物と反応金属との混合物を用いることができる。反応金属は、たとえば、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｎａ、Ｌｉ、Ｃａ及びＭｇを含む。金属は粉末の形で存在することができる。反応金属は、以下の化学式によって示されるように、水と反応して水素及び熱を放出する金属である。
Ｍｇ＋２Ｈ_２Ｏ → Ｍｇ（ＯＨ）_２＋Ｈ_２＋熱 （ＩＶ）
反応金属は、加熱素子８８２によって反応が開始された後に主な熱源を提供し、電池を高温に保持し、水和物の形成を避けることができる。その反応は、加熱素子８８２によって開始することができる。

加熱素子は、水素放出反応を引き起こすか、又は反応を加速するための役割を果たすことができる。加熱素子は、水素化物セル８８０において生じる過程において消費されることができる。たとえば、加熱素子は、反応金属から形成することができる。通常、水素化物セルが反応金属を含むとき、加熱素子は放出過程の初期段階においてのみ必要とされる。

一実施形態では、反応ＩＩのための水は、電源システム内の燃料電池スタックから供給することができる。さらに、スタックにおいて生成される余分な水は排気ガスから取り出され、反応ＩＩＩによって枯渇される固体水素源の枯渇される水素化物内に吸収されることができる。

［定義］
以下の用語は、本特許出願の目的のために、以下に記述されるそれぞれの意味を有するであろう。

・電気化学電源
電気化学電源は燃料電池、フロー電池等である。

・イオン伝導膜
イオン伝導膜は、陽子又は金属イオンを伝導し、電気化学電源の１つ又は複数の反応物が透過しないようにして、電気化学電源が動作できるようにするだけの十分な選択性を有する。その例には、陽子伝導膜及びナトリウムイオン伝導膜が含まれる。

・金属コーティング
双極板上の金属コーティングは、関連する表面の大部分において導体を設けるコーティングである。

・ピーク
波形のピークは、燃料電池スタックの次の層（拡散層、電極アセンブリ又は熱伝導体等）に最も近い点である。

・バイア
バイアは、抵抗層の厚みに関係なく、抵抗層を貫通する導電性経路である。

限定はしないが、特許及び特許出願を含む、本明細書において引用される刊行物及び引用文献は、個々の刊行物又は引用文献が具体的且つ個別に述べられ、本明細書において参照により援用されて十分に説明されているように、引用される全ての部分においてその全体が参照により本明細書に援用される。本特許出願が優先権を主張する特許出願も、刊行物及び引用文献に関して先に記述されたようにして、参照により本明細書に援用される。

本発明は、好ましい実施形態に重点を置いて記述されてきたが、好ましいデバイス及び方法の変更形態を用いることができること、及び本発明が本明細書において具体的に記述される以外の方法で実施できることが意図されていることは当業者には明らかであろう。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲によって規定されるような本発明の精神及び範囲内に含まれるすべての変更を含む。

燃料電池スタックの基本素子を示す図である。 燃料電池スタックの基本素子を示す図である。 ハイブリッドイオン伝導膜の構成要素を示す図である。 ハイブリッドイオン伝導膜の構成要素を示す図である。 電極構造を示す図である。 電極構造を示す図である。 双極板を示す図である。 双極板を示す図である。 双極板を示す図である。 双極板を示す図である。 双極板を示す図である。 双極板を示す図である。 双極板を示す図である。 双極板を示す図である。 拡散層を示す図である。 拡散層を示す図である。 固体水素源を示す図である。

Claims (21)

1. イオン伝導膜アセンブリであって、
   多孔質コアと、
   該多孔質コアを挟む、２つのイオン伝導膜と
   を含み、
   前記多孔質コアはイオン伝導液を保持するようになっている、イオン伝導膜アセンブリ。
2. 前記多孔質コアは、平均直径が２００μｍ以下の大きな細孔と、平均直径が５００ｎｍ以下の小さな細孔とを含む、請求項１に記載のイオン伝導膜アセンブリ。
3. 電気化学電源を動作させる方法であって、
   請求項１に記載のイオン伝導膜を含む電気化学電源を配設すること、及び
   １０℃〜２００℃の温度で前記電気化学電源を動作させること
   を含む、電気化学電源を動作させる方法。
4. 多孔質電極であって、
   多孔質伝導マトリックスと、
   該多孔質伝導マトリックスによって支持されるカーボンナノチューブと、
   該カーボンナノチューブ上に堆積される電極触媒と
   を含む、多孔質電極。
5. 前記カーボンナノチューブは前記多孔質伝導マトリックスの表面上にある、請求項４に記載の多孔質電極。
6. 前記カーボンナノチューブは前記多孔質伝導マトリックスと一体にされる、請求項４に記載の多孔質電極。
7. 電気化学電源であって、
   請求項６に記載の多孔質電極と、
   該多孔質電極に隣接するイオン伝導膜と
   を含む、電気化学電源。
8. スタック型電気化学電源アセンブリであって、
   ２つ以上の電気化学電池と、
   ２つの電気化学電池間にある双極板であって、（ｉ）金属層と、１つ又は複数の抵抗層であって、該抵抗層（複数可）を貫通する導電性バイアを含む、１つ又は複数の抵抗層とを含むか、又は（ｉｉ）（１）抵抗層であって、該抵抗層を貫通する導電性バイアを含む、抵抗層を含むコアと、（２）該抵抗層の２つの主面上にある金属コーティングとから基本的に構成される、双極板と
   を含む、スタック型電気化学電源アセンブリ。
9. 前記バイアは、前記抵抗層の体積の５０％以下が導体であるようになされる、請求項８に記載のスタック型電気化学電源アセンブリ。
10. 少なくとも一方の双極板は、２つの前記バイア含有抵抗層間に挟まれる金属層を含む、請求項８に記載のスタック型電気化学電源アセンブリ。
11. 前記金属層は多孔質であるか、又は多孔質表面を有する、請求項１０に記載のスタック型電気化学電源アセンブリ。
12. 少なくとも一方の双極板は、熱交換流体を運ぶようになっている内部チャネルを組み込む、請求項８に記載のスタック型電気化学電源アセンブリ。
13. 少なくとも一方の双極板は、２つの前記バイア含有抵抗層間に挟まれる金属層を含み、前記内部チャネルは該金属層内にある、請求項１２に記載のスタック型電気化学電源アセンブリ。
14. 少なくとも一方の双極板は波形にされる、請求項８に記載のスタック型電気化学電源アセンブリ。
15. 前記双極板の２つの外側の主面のうちの少なくとも一方は、該外側の主面（複数可）にわたって、凝縮水を散開させるようになっているマイクロチャネル又はピットを有する、請求項１４に記載のスタック型電気化学電源アセンブリ。
16. 少なくとも一方の双極板の外側表面は、電気化学電源の反応物が流動するためのチャネルを設けるような形状にされる、請求項８に記載のスタック型電気化学電源アセンブリ。
17. （ｉ）金属層と、１つ又は複数の抵抗層であって、該抵抗層（複数可）を貫通する導電性バイアを含む、１つ又は複数の抵抗層とを含むか、又は（ｉｉ）抵抗層であって、該抵抗層を貫通する導電性バイアを含む、抵抗層と、該抵抗層の２つの主面上にコーティングされる金属コーティングとから基本的に構成される、２つの電気化学電池間で用いるための双極板であって、
    ２つの前記バイア含有抵抗層間に挟まれる金属層を含むこと、
    （ｉｉ）に従うこと、
    熱交換流体を運ぶようになっている内部チャネルを組み込むこと、
    熱交換流体を運ぶようになっている内部チャネルを組み込み、該内部チャネルは金属層内にあること、
    熱交換流体を運ぶようになっている内部チャネルを組み込み、該内部チャネルは金属板と抵抗層との間にあること、
    該双極板の２つの外側の主面のうちの少なくとも一方は、該外側の主面（複数可）にわたって、凝縮水を散開させるようになっているマイクロチャネル若しくはピットを有すること、
    波形にされること、又は
    少なくとも一方の双極板の外側表面は、電気化学電源の反応物が流動するためのチャネルを設けるような形状にされること
    のうちの１つ又は複数が当てはまる、２つの電気化学電池間で用いるための双極板。
18. 電気化学電源アセンブリであって、
    ２つ以上の電気化学電源電池と、
    ２つの該電気化学電源電池間にある双極板と、
    １つ又は複数の該電気化学電源電池のための、該電気化学電源のイオン伝導膜と前記双極板との間に配置される拡散層と
    を含み、該拡散層は、
    多孔質カーボンブランケットを含み、該カーボンブランケットは、少なくとも１つの主面上に、該カーボンブランケットよりも大きな導電容量を有する導電性エリアのパターンを含み、該エリアは前記双極板と電気的に接触するようになっている、電気化学電源アセンブリ。
19. 固体水素源であって、
    複合水素化物及び反応金属の混合物と、入口チャネル及び出口チャネルとを含む容器と、
    前記複合水素化物を加熱するための電気ヒータと
    を含む、固体水素源。
20. 電源システムであって、
    水素を消費して、水を排出する電気化学電源と、
    ２つ以上の、請求項１９に記載の２つ以上の固体水素源と、
    排水が前記水素源に選択的に向けられるようにする能力がある配管及びバルブと
    を含む、電源システム。
21. 請求項２７に記載の電源システムを動作させる方法であって、
    前記水素源から水素を生成するために必要とされる量より多い余分な排水の少なくとも一部が、消耗した前記水素源によって吸収される、電源システムを動作させる方法。

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