JP2009514169A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

水素発生器と、水素発生器からの水素に曝されるアノードと周囲環境に曝されるカソードとを有する燃料電池スタックとを備える発電機である。カソードからの水流を促進するため、疎水性の層および親水性の層が使用される。それによって拡散経路が燃料電池のカソードを水素発生器から分離する。一実施形態では、燃料電池から生成される水蒸気は、水素を発生するための水素発生器によって使用される水とほぼ一致する。
【選択図】図１

Description

陽イオン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池を使用したある種の従来技術の発電機では、水素・酸素をＰＥＭ燃料電池に供給する水素発生化学反応を制御するために空気圧弁が使用される。弁は発電機の容積と重さのかなりの部分を占め、したがって発電機のエネルギ密度と比エネルギとを低減させる。

ＰＥＭ燃料電池は水素と酸素とを化合して水にして、その工程で電流を生成する簡単な化学反応を利用する。水素を水酸化リチウムアルミニウムなどの燃料と水蒸気との化学反応によって発生させてもよい。アノードで、水素分子がプラチナ触媒によってイオン化され、電子を放出する。ＰＥＭは陽子を通すが電子は通さない。その結果、水素イオンはＰＥＭを通ってカソードに流れ、一方、電子は外部回路を流れる。電子は外部回路を通って進行するので、電動モータ、電球、または電子回路などの電気デバイスに給電することによって電子は有用な機能を果たすことができる。カソードで、電子および水素イオンは酸素と化合して水を生成する。反応の副生成物は水および熱である。

ある発電機では、水はカソードに累積する傾向がある。水は細孔を、ひいては反応種への通路を塞ぐことがあり、したがって発電の電力を低下させる。

以下の説明では、説明の一部を形成し、実施できる例示的な特定の実施形態が示されている添付図面が参照される。これらの実施形態は、当業者が本発明を実施できるように十分に詳細に説明され、本発明の範囲から離れることなく別の実施形態が使用されてもよく、構造的、論理的および電気的変更を行ってもよいことを理解されたい。したがって、以下の説明は限定的な意味に取られるものではなく、本発明は添付の特許請求の範囲によって規定される。

詳細な説明は、水の再利用を含んでもよい無弁発電機を含む複数の実施形態を記載する。
図１は発電機１００の正面断面図である。図２は発電機１００の上面断面図である。発電機は、空気に曝される燃料電池スタック１１０を備えている。発電機１００は一実施形態では、２つの端部を有する中空シリンダとして形成され、燃料１２０を囲んでいる。発電機の形状の他の幾何形状には正多面体、球形、および他の非幾何的形状が含まれる。一実施形態では、燃料は電気を生成するための発電スタック１１０によって使用される水素発生燃料である。一実施形態での燃料は水素と多孔質金属水素化物燃料とを含んでいる。燃料電池スタック１１０は空気からの酸素と化合して水と電気とを生成する。

過剰な水素が発生した場合に圧力を逃がすために圧力開放弁１３０を使用してもよい。開放弁を、燃料によって発生される水素にアクセスできるように発電機上に配置してもよい。燃料の性質が多孔質であるため、開放弁を発電機の端部の１つの上に配置することが可能になる。一実施形態では、圧力開放弁１３０は爆発を防止するための安全弁として動作する。圧力開放弁１３０は、一実施形態では、発電機の内圧が雰囲気圧以上の１０から１００ＰＳＩなどの所定値以上に上昇すると、水素を大気または周囲に逃がす。弁は内圧を逃がした後に閉鎖して、発電機が定常動作に戻れるようにしてもよい。

図３Ａは燃料電池スタック３００の断面図を示す。カソード電流コレクタ３０５が燃料電池スタック３００の外側に形成され、空気に曝される。空気が通過できるように細孔が電流コレクタ３０５内に形成されている。カソードガス拡散層（ＧＤＬ）３１０がカソード電流コレクタに結合されている。疎水性ミクロ多孔質層３１５がカソードＧＤＬ上に形成され、カソードＧＤＬ３１０をＮａｆｉｏｎ（登録商標）薄膜層３２０などの触媒被覆された陽イオン交換膜（ＰＥＭ）から分離する。

親水性ミクロ多孔質層３２５は層３２０をアノードＧＤＬ３３０から分離し、アノードＧＤＬはアノード電流コレクタ３３５に結合されている。アノード電流コレクタ３３５は、水素がアノードへと通過できるように内部に形成された細孔を有している。アノード電流コレクタ３３５は水蒸気および水素透過性薄膜３４０によって分離されている。薄膜３４０は液体水および粒子を透過しない。薄膜３４０は燃料３４５をアノード電流コレクタ３３５から分離するために使用される。カソードと水素発生燃料との間の層は、水蒸気に曝されると水素を発生する燃料３４５を含む水素発生器からカソードを分離し、拡散経路を提供する。

図３Ｂは代替の燃料電池スタック３６０を示している。一実施形態では、陽イオン交換部材３６２は、パーフルオロスルホン酸、またはパーフルオロカルボン酸、または炭化水素膜、または合成膜などのパーフルオロ化された薄膜からなっている。燃料電池スタックはカソード電流コレクタ３６４と、ミクロ多孔質層を有するカソードガス拡散電極３６６（疎水性ＭＰＬを有するこのガス拡散電極は、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）上にではなくミクロ多孔質層の表面上に触媒３６８を有していること以外はガス拡散層と同一である）と、ＭＰＬの表面上に触媒３７４を有する疎水性ＭＰＬを有する陽イオン交換膜（触媒なしの）アノードガス拡散電極３７０と、アノード電流コレクタ３８０とから構成されている。

一実施形態では、ガス拡散電極は３つの層を有する一片である。３つの層はガス拡散層（ＧＤＬ）（カーボン紙）、ミクロ多孔質層（ＭＰＬ）（ＰＴＦＥまたはＰＶＤＦ）、および触媒層（炭素／プラチナ）である。

図４は燃料電池スタック３００の斜視図である。複数の細孔４１０を示したアノード電流コレクタ３３５が図示されている。一実施形態では、細孔は水素がアノードガス拡散層３３０へと移動できるように比較的大きい。

水素発生器内で使用される水は、周囲からの酸素と水素発生器からの水素との電気化学反応によって燃料電池内で生成される。電気的負荷が一定の場合、燃料電池で生成される水は電気化学反応で消費される水素を発生するために必要な水の量と正確に、またはほぼ一致し、したがって生成される水が再利用されれば反応は自己維持される。ほぼ一致という用語は、燃料電池で生成される水が、水素を発生するために必要な水と正確には一致しないことを考慮に入れたものである。周囲からの水蒸気は輸送されることもあり、水蒸気の一部が周囲に損失されることもある。開放弁１３０は反応が過剰な水素を発生する場合に備えられる。

カソードＧＤＬ上の疎水性コーティングおよびアノードＧＤＬ上の親水性コーティングは、ＰＥＭの両側の水圧差を高めることによってＰＥＭを通る（カソードからアノードへの）水の逆透過を促進する。アノードでの吸湿性材料（水素発生水素化物燃料）は、カソードでの湿気（蒸気圧）を低減することによってＰＥＭの両側の水圧差をさらに高める。このようにして燃料電池カソードと水素発生器との間に拡散経路が設けられる。

発電機１００は可動部品の必要なく電力を発生する無弁発電機である。さらに、燃料電池から燃料への水蒸気の拡散を制御するために弁を使用する発電機によって負わされる発電の制約はない。さらに、無弁発電機は自己調整の水流をもたらす。水素発生量は、可動部品の必要なく燃料電池から引き出される電力に従って調整される。さらに、弁を作動させる必要がないことで、燃料電池が発電機の表面の位置を占めてもよく、燃料が発電機の容積の多くを占める。弁をなくすることで発電機の容積の相当部分が追加の燃料のために空けられ、発電機のエネルギ密度と比エネルギとが向上する。

既存のバッテリと同じ立体形状、または所望のその他の形状を有する発電機などの多くの異なるサイズの発電機を形成してもよい。一実施形態では、コンテナ内の選択された穴を通して、またはガス透過性コンテナを通してカソードに周囲空気への継続的なアクセスをもたらすコンテナ内に発電機を実装してもよい。コンテナは電流コレクタプレートへの導線を有していてもよい。同様に、コンテナは、所望の電圧および電流容量を提供するために直列または並列に電気的に接続された複数の燃料電池を有していてもよい。

ある実施形態では、発電機は液体水を必要としない。水蒸気は燃料電池のカソード領域から供給され、空気はカソードの間近に供給される。水輸送は燃料電池の薄膜を通して行われる。水の経路は燃料電池のカソード領域から設けられ、空気の経路はカソードの間近に設けられ、この経路は燃料電池膜を通らない。燃料電池を通る水輸送は差圧と共に変化する。水輸送量が減少すると圧力差は増大する。

様々な実施形態で、カソードからアノードへの水輸送を促進するため、ミクロ多孔質層が燃料電池膜に付加される。カソードからアノードへの水輸送を促進するため、疎水性層が燃料電池に付加される。カソードからアノードへの水輸送を促進するため、親水性層も燃料電池に付加される。

燃料電池は微細加工工程で製造されてもよく、発電が不要の際にカソードが空気および水蒸気に過剰に曝されることを防止するため、保護カバーを備えてもよい。発電が必要な場合はキャップを取り外してもよい。

カソードでの水の透過流束Ｊ_Ｍは３つの成分、すなわち拡散、浸透抗力、および水透過性の関数である。

カソードでの水の透過流束がゼロである場合は、電流（Ｉ）は、

であり、ただし、

電流密度（Ｉ）はＰＥＭ膜の両側の絶対圧力差の関数である。
Ｉ＝ｆ（Ｐ_カソード−Ｐ_アノード）
水の発生、ひいては水素の発生は電流の関数であるため、フィードバック機構が組み込まれており、圧力を制御し、発電機を定常状態に保つ。したがって、制御弁は必要ない。
Ｈ_２Ｏ_発生∝Ｈ_２発生∝Ｉ
前述のように、燃料電池のカソードでの水の透過流束は少なくとも３つの水輸送モード、すなわち、ＰＥＭ膜内での水の拡散、電気浸透、および水透過の総量である。

拡散による発電機内への（カソードからアノードへの）水輸送は薄膜を利用し、かつ薄膜の両側の大きい水濃度差を利用することによって促進される。
電気浸透による発電機からの（アノードからカソードへの）水輸送は電流密度の関数であり、低い電流密度によって最小化できる。

水透過による発電機内への（カソードからアノードへの）水輸送は、疎水性コーティングおよびカソードＧＤＬ上の小さい細孔サイズ、ならびに親水性コーティングおよびアノードＧＤＬ上の大きい細孔サイズを利用することによって促進される。水透過性は、アノードで低湿度の（低水圧の）大気を生成する吸湿性の燃料を使用することによって高められる。水透過性はさらに、燃料電池の薄膜の両側の圧力差を調整することによって高めることができる。これは発電機を周囲の水素圧よりも低い圧力で運転することによって達成可能である。

カソードからアノードへの水の透過流束を高くするため、幾つかの方法を用いてもよい。薄膜の厚さ（δ_Ｍ）などのパラメータが最小化されてもよい。カソードのミクロ多孔質層の接触角（θ_Ｃ）が最大化されてもよい。さらに、カソードのミクロ多孔質層の細孔半径（ｒ_Ｃ）が最小化されてもよい。アノードのミクロ多孔質層の接触角（ｒ_Ｃ）が最小化されてもよい。さらに、アノードのミクロ多孔質層の細孔半径（θ_Ｃ）を最大化することがカソードからアノードへの水の透過流束を高めることに役立つ。一実施形態では、パラメータが最小化または最大化されるべきではないが、それはパラメータがその極値で他の要因に悪影響を及ぼして発電機の性能を制限するからである。

薄膜の両側での圧力差と水透過との関係によって、発電機は弁を使用せずに化学反応を調整可能になる。水はこのような定常状態条件で再利用される。このような再利用ができるように、水流に影響する上記のパラメータが平衡されてもよい。ミクロ多孔質層（ＭＰＬ）は、通常はＰＴＦＥまたはＰＶＤＦであるポリマー結合剤と混合された１００から５００ｎｍの炭素または黒鉛粒子からなっている。カソードＭＰＬの細孔サイズは１００から１０００ｎｍの範囲でよく、厚さは１０から１００ｕｍの範囲でよく、接触角は９０から１２０°の範囲でよい。アノードＭＰＬの細孔サイズは５００から２０００ｎｍの範囲でよく、厚さは１０から１００ｕｍの範囲でよく、接触角は５０から９０°の範囲でよい。これらの各パラメータと範囲は近似値であり、様々な実施形態でこれらの値を超えてもよい。

負荷が一定である定常状態条件では、燃料電池によって水が生成される速度は水素発生反応によって水が消費される速度に等しい。反応は自己維持型であり、発電機内部の圧力は一定である。負荷が増大すると、水素が燃料電池によって消費されるので、発電機内部の圧力は低下する。内圧の低下によって、水の透過性は高まり、したがってより多くの水が水素発生器に輸送され、より多くの水素が発生され、より低圧で新たな定常状態が達成される。

負荷が低減すると、発電機内の圧力が上昇し、それによって水の透過性と水素の発生が低減し、より高圧で新たな定常状態が達成される。無負荷状態では、薄膜を通る水素浸透損は水透過率にほぼ一致し、最大の定常状態圧が達成される。一実施形態では、様々な理由で過剰な水素が発生された場合に圧力を逃がすために水素発生器に近接した開放弁を備えてもよい。

図５は発電機５００のさらに別の実施形態を示す。コンテナ５１０は水素発生燃料５１５を保持し、これは一実施形態では発電機の実質的な容積を占める。Ｇｏｒｅ Ｔｅｘ（登録商標）水蒸気および水素透過薄膜などの薄膜５２０は燃料５１５を燃料電池アセンブリ５３０から分離する。燃料電池アセンブリ５３０は燃料電池スタック３００と同様に形成されてもよい。

一実施形態では燃料電池アセンブリ５３０は空間５３５によって薄膜５２０から分離される。空間５３５は水素が累積し、燃料電池スタックのポートを経てアノードとカソードへと進むためのスペースを提供する。このように、一実施形態では、拡散経路が燃料電池のカソードを水素発生器から分離する。一実施形態では燃料電池アセンブリ５３０はコンテナ５１０によって支持される。コンテナ５１０はさらに、開口部５４０およびベース５４５を含んでいる。開口部５４０は周囲空気、および電気を発生するために反応で使用される酸素へのアクセスをもたらす。このような開口部は、カソードに供給される酸素量を所望の発電に十分な量に限定するように制限されてもよい。

燃料電池のカソードでの制限によって、カソードから周囲への水蒸気の拡散を制限しつつ、所望の電力レベルにとって実質的に十分な酸素が周囲からカソードに拡散することが可能になる。開口部５４０はさらに、開口部とカソードとの間に配置された酸素透過性、水蒸気不透過性薄膜５４５を含んでいてもよく、これはカソードから周囲への水蒸気の透過を制限しつつ、所望の電力レベルにとって実質的に十分な酸素が周囲からカソードに透過することを可能にする。一実施形態では、薄膜５５０は高い選択性をもたらすため、フッ素化されたエチレンポリマーまたはプロピレン（ＦＥＰ）またはパーフルオロアルコキシ（ＰＦＡ）の薄層（単層または多層）からなっている。別の材料も同様に作用できる。このような薄膜は、発電機１００などの別の実施形態で使用されてもよく、カソードを囲んでもよい。

例示的実施形態による発電機の断面図である。 例示的実施形態による発電機の上面断面図である。 例示的実施形態による燃料電池スタックの断面図である。 例示的実施形態による代替の燃料電池スタックの断面図である。 例示的実施形態による燃料電池スタックの斜視図である。 例示的実施形態による代替の発電機の断面図である。

Claims (25)

1. 燃料電池スタックであって、
   カソード電流コレクタと、
   前記カソード電流コレクタに電気的に結合されたカソードガス拡散層と、
   前記カソードガス拡散層によって支持された疎水性層と、
   前記疎水性コーティングに隣接する触媒被覆された陽イオン交換部材と、
   前記触媒被覆された陽イオン交換部材に隣接する親水性層と、
   前記親水性層を支持するアノードガス拡散層と、
   前記アノードガス拡散層に電気的に結合されたアノード電流コレクタと、
   を備える燃料電池スタック。
2. 請求項１に記載の燃料電池スタックであって、前記疎水性層と親水性層とが、カソードからアノードへの水の逆透過を促進する燃料電池スタック。
3. 請求項１に記載の燃料電池スタックであって、前記疎水性層と親水性層とが、前記陽イオン交換部材の両側の水圧差を高める燃料電池スタック。
4. 請求項１に記載の燃料電池スタックであって、前記カソードが比較的小さい細孔サイズを有する燃料電池スタック。
5. 請求項１に記載の燃料電池スタックであって、前記アノードが比較的大きい細孔サイズを有する燃料電池スタック。
6. 請求項１に記載の燃料電池スタックであって、薄膜によって前記アノード電流コレクタから分離された水素発生燃料をさらに備える燃料電池スタック。
7. 請求項６に記載の燃料電池スタックであって、前記薄膜が水蒸気透過性および水素透過性薄膜である燃料電池スタック。
8. 請求項６に記載の燃料電池スタックであって、前記水素発生燃料が水素および多孔質金属水素化物燃料である燃料電池スタック。
9. 請求項１に記載の燃料電池スタックであって、前記陽イオン交換部材が、パーフルオロスルホン酸、またはパーフルオロカルボン酸のようなパーフルオロ化された膜、または炭化水素膜、または合成膜である燃料電池スタック。
10. 請求項１に記載の燃料電池スタックであって、前記ガス拡散層が、ポリマー結合剤と混合された１００ｎｍから５００ｎｍの炭素または黒鉛粒子を有するミクロ多孔質層（ＭＰＬ）である燃料電池スタック。
11. 請求項１０に記載の燃料電池スタックであって、前記ポリマー結合剤がＰＴＦＥまたはＰＶＤＦである燃料電池スタック。
12. 請求項１１に記載の燃料電池スタックであって、前記カソードＭＰＬが約１００ｎｍから約１０００ｎｍの範囲の細孔を有する燃料電池スタック。
13. 請求項１２に記載の燃料電池スタックであって、前記カソードＭＰＬが約１０ｕｍから約１００ｕｍの範囲の厚さを有する燃料電池スタック。
14. 請求項１２に記載の燃料電池スタックであって、前記カソードＭＰＬが約９０°から約１２０°の範囲の接触角を有する燃料電池スタック。
15. 請求項１１に記載の燃料電池スタックであって、前記アノードＭＰＬが、約５００ｎｍから約２０００ｎｍの範囲の細孔を有する燃料電池スタック。
16. 請求項１１に記載の燃料電池スタックであって、前記アノードＭＰＬが約１０ｕｍから約１００ｕｍの範囲の厚さを有する燃料電池スタック。
17. 請求項１１に記載の燃料電池スタックであって、前記アノードＭＰＬが約５０°から約９０°の範囲の接触角を有する燃料電池スタック。
18. 請求項１に記載の燃料電池スタックであって、前記燃料電池スタックを周囲から分離し、前記カソードから周囲への水蒸気の拡散を制限しつつ、所望の電力レベルのために酸素の流れが周囲から前記カソードに拡散することを制限する開口部を有するコンテナをさらに備える燃料電池スタック。
19. 請求項１８に記載の発電機であって、前記開口部と前記カソードとの間に配置された、酸素透過性で水蒸気不透過性の膜をさらに備える発電機。
20. 発電用の燃料電池スタックであって、
    カソード電流コレクタと、
    前記カソード電流コレクタに電気的に結合されたカソード疎水性ガス拡散層と、
    アノード電流コレクタと、
    前記アノード電流コレクタに電気的に結合されたアノード親水性ガス拡散層と、
    前記疎水性層と前記親水性層との間に挟装された触媒被覆された陽イオン交換部材と、
    を備える燃料電池スタック。
21. 請求項２０に記載の燃料電池スタックであって、前記燃料電池スタックを周囲から分離し、前記カソードから周囲への水蒸気の拡散を制限しつつ、所望の電力レベルのために酸素の流れが周囲から前記カソードに拡散することを制限する開口部を有するコンテナをさらに備える燃料電池スタック。
22. 請求項２１に記載の発電機であって、前記開口部と前記カソードとの間に配置された、酸素透過性で水蒸気不透過性の膜をさらに備える発電機。
23. 発電用の燃料電池スタックであって、
    カソード電流コレクタと、
    前記カソード電流コレクタに電気的に結合されたカソード疎水性ガス拡散層と、
    アノード電流コレクタと、
    前記アノード電流コレクタに電気的に結合されたアノード親水性ガス拡散層と、
    前記ガス拡散層の間に挟装された陽イオン交換部材と、を備え、
    前記ガス拡散層の少なくとも１つが触媒を含む燃料電池スタック。
24. 請求項２３に記載の燃料電池スタックであって、前記陽イオン交換部材がパーフルオロ化された膜である燃料電池スタック。
25. 請求項２４に記載の燃料電池スタックであって、前記膜がパーフルオロスルホン酸、またはパーフルオロカルボン酸、または炭化水素膜、または合成膜である燃料電池スタック。

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