JP2010165680A - 湿度が調整される燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の通常の動作を中断せずに、湿度が調整される燃料電池を提供することを目的とする。
【解決手段】水素・酸素燃料電池は、電解質層を共有し、夫々で少なくとも１つの電極が異なっている主セル(FC1) 及び副セル(FC2) 、電解質層の湿度を測定する測定手段(34)、及び同一の負荷(L) に関する主セル(FC1) 及び副セル(FC2) の作動と、異なる２つの負荷(L,33)に関する主セル(FC1) 及び副セル(FC2) 夫々の作動とを制御する制御手段(35)を備える。
【選択図】図４

Description

本発明は、燃料電池に関し、特に水素・酸素燃料電池に関し、更に具体的にはこのよう燃料電池の加湿の制御に関する。

図１に示されているように、水素・酸素燃料電池は、シート状の２層の触媒層3,4 間に挟まれたシート状の電解質層1 を備えており、触媒層3,4 は、接触面として機能するために導電層6,7 で覆われている。燃料電池の上面が酸素（例えば、周囲空気）に接し、燃料電池の下面が水素に接している。

このような条件下では、燃料電池が負荷8 に接続されているとき、正電圧が上面側すなわちカソード極に印加され、負電圧が下面側すなわちアノード極に印加されることにより、電流が負荷8 に流れる。アノード極側では、触媒層3 がガス状の水素分子を２個の陽子及び２個の電子に変えて、陽子は、アノード極側の触媒層3 から電解質層1 を介してカソード極側の触媒層4 に移動する。カソード極側の触媒層4 では、２個の電子が負荷8 を流れることにより2H⁺+1/20₂+2e^- →H₂O の反応が生じる。

一般に、電解質層1 はNAFION（ナフィオン、登録商標）を含み、触媒層3,4 は、例えば数パーセントの白金を含む炭素及び白金の混合物である。触媒層3,4 は更に、例えば20乃至40%の所定量のナフィオンを含んでいることが好ましい。

導電層6,7 は、導電性及び水素又は酸素に対する浸透性の両方を有するために、例えば非常に薄い金の層から形成されている。導電層6,7 は、更に金のグリッドから形成されてもよい。

図２は、超小型電子技術を用いた燃料電池を示す。この燃料電池はシリコンウエハ10上に形成されており、シリコンウエハ10は、薄い第１絶縁層11とより厚い第２絶縁層12とで覆われてもよい。開口部が、第２絶縁層12の一部に形成されている。この開口部に、触媒層3 、電解質層1 及び触媒層4 が連続的に堆積されている。（電解質層1 、触媒層3,4 及び第２絶縁層12は、電解質層1 及び触媒層3,4 の内の少なくとも幾つかが開口部を大幅に越えて延びるような厚さを有してもよい。）下方のアノード極である導電層6 により、下方の触媒層3 との接触が可能になる。上方のカソード極である導電層7 により、上方の触媒層4 との接触が可能になる。アノード極6 及びカソード極7 は夫々開口部を備えており、チャネル13が、開口部に対向して下面のメタライゼーションによりシリコンウエハ10に形成されている。更に、筐体15が、燃料電池の下面側に設けられており、筐体15は、水素源又は水素発生源に接続された水素バッファタンクとして用いられるチャンバを画定している。

上記の構成は、単なる具体例である。図２に示されているように形成されてもよい様々なタイプの燃料電池が、当技術では公知である。例えば、燃料電池を支持するシリコンウエハの一部を薄くすることが好ましい。シリコンウエハ10の薄くされた部分が、穿孔されて水素を通過させるチャネル13となる。一般的に、シリコンウエハの全表面が、少なくとも天然の酸化シリコンから形成された絶縁体で覆われていると理解すべきである。

触媒層3,4 は、例えばインクジェット蒸着等の任意の手段によって形成される。ナフィオンを含む電解質層1 は、例えば回転加工される。このような燃料電池では、提供され得る電力が、特に、シリコンウエハの面における燃料電池によって占められる表面積に比例する。一般に、図２に関連して説明されたタイプの燃料電池の有用な表面積は、１cm² 乃至３cm² の範囲内である。

特開２００７−１６５１４８号明細書

このような水素・酸素燃料電池は、特に、携帯電話又はコンピュータのような携帯機器への搭載に適している。しかしながら、既に説明されているように、燃料電池の動作に関する反応が水の生成を含み、電解質層の含水率が制限範囲内にあるとき、燃料電池が最も有効に動作するので、このような水素・酸素燃料電池には使用する際の問題がある。先行技術では、特に、例えば燃料電池が非常に乾燥した環境に配置されているので、又は動作条件（高電圧及び低電流）が水の供給に適していないので、前記燃料電池が動作中に完全に乾燥する場合に、燃料電池を確実に加湿するための様々な手段が用いられている。先行技術の加湿手段は、一般的に複雑で、例えば、燃料電池に供給するガス（空気又は酸素及び水素）に水蒸気が追加されている。更に、電解質層の湿度を測定するために、一般的に燃料電池の通常の動作を中断する必要がある。

本発明の目的は、既存の燃料電池の欠点の内の幾つかを解消して湿度が調整される燃料電池を提供することである。

本発明の他の目的は、燃料電池の通常の動作を中断せずに、湿度が調整される燃料電池を提供することである。

本発明の他の目的は、特に簡素な燃料電池を提供することである。

本発明の他の目的は、燃料電池の通常の製造技術以外の技術の使用を必要としない燃料電池を提供することである。

これらの目的及び他の目的の全て又は一部を達成するために、本発明は、水素・酸素燃料電池において、電解質層を共有し、夫々で少なくとも１つの電極が異なっている主セル及び副セル、前記電解質層の湿度を測定する測定手段、及び同一の負荷に関する前記主セル及び副セルの作動と、異なる２つの負荷に関する前記主セル及び副セル夫々の作動とを制御する制御手段を備えることを特徴とする燃料電池を提供する。

本発明によれば、前記測定手段は、前記副セルのインピーダンスを測定する手段を含む。

本発明によれば、前記制御手段は、前記同一の負荷に関する前記副セルの作動を周期的に遮断し、前記測定手段による前記電解質層の湿度の測定を開始させ、湿度が所定の閾値以下である場合、前記副セルを負荷に接続して湿度を増加させる状態で前記副セルを作動させる。

本発明によれば、前記副セルは、前記主セルの外周部に配置されている。

本発明によれば、前記副セルの作動を切り替えるための切替手段を更に備える。

本発明の前述の目的、特徴及び利点を、添付図面を参照して、本発明を限定するものではない以下の具体的な実施形態において詳細に説明する。

燃料電池を非常に簡略化して示す断面図である。 先行技術に係る燃料電池を簡略化して示す断面図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池を非常に簡略化して示す断面図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池の制御回路の一例を示す図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池を簡略化して示す断面図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池を簡略化して示す平面図である。

明確にするために、同一の要素は異なる図面において同一の参照番号で示されており、更に、一体化された構成要素の表示において通例であるように、様々な図面は正しい縮尺から外れている。

図３は、図１に示された燃料電池と同様の本発明の実施形態に係る燃料電池の一般的な構造を非常に概略的に示す。燃料電池は、主セルと副セルとに分割されており、主セル及び副セルは同一の電解質層21を共有している。電解質層21の下面側には、触媒層23及び導電層26が設けられている。電解質層21の上面側には、第１主触媒層24及び第２副触媒層25が設けられており、第１主触媒層24及び第２副触媒層25は、離れており、導電層27,28 で夫々覆われている。従って、燃料電池は、単一のアノード極A （導電層26）及び２つのカソード極K1,K2 （導電層27,28 ）を含む。以下に図６に関連して説明しているように、カソード極K2は、例えば、カソード極K1の外周部に配置されている。電解質層21は透水性を有し、電解質層21には水分子が十分に拡散されており、湿度が、主セル側でも副セル側でも電解質層21全体で均一である。

電解質層21の湿度が十分であるか否かをチェックするために、副セルを周期的に用いる。本発明の利点によれば、検査は、主セルの動作を中断せずに行われ得る。湿度が十分ではない場合、副セルが、主負荷とは異なる負荷に対して電解質層の湿度を増加させるような状態で作動される。このために、例えば、副セルを短絡させる、又は副セルをほとんど短絡させることにより、高電流密度で副セルを作動する処理が行なわれてもよい。

図４は、本発明を実施するために用いられ得る制御回路の一例を示す図である。図４では、主セルがFC1 として示され、副セルがFC2 として示されている。主セルFC1 及び副セルFC2 は通常、例えば携帯電話の回路である負荷L に、場合によっては緩衝コンデンサを介して電力を供給する。スイッチ31が、副セルFC2 のカソード極K2と負荷L との間に配置されている。副セルFC2 のアノード極A 及びカソード極K2が、スイッチ32を介して追加の負荷33に接続されている。副セルFC2 のアノード極A 及びカソード極K2は更に、測定回路34に接続されている。制御部35が、測定回路34、スイッチ31,32 、及び場合によっては追加の負荷33を制御する。測定回路34及び制御部35は、例えば副セルFC2 によって電力が供給されている。

通常の動作では、スイッチ31はオンにされ、スイッチ32はオフにされている。主セルFC1 及び副セルFC2 は共に負荷L に電力を供給する。制御部35は、周期的にスイッチ31をオフにし、測定回路34を起動する。測定回路34は、例えば、インピーダンスの測定（又は、電気化学インピーダンス分光測定）により、又は当技術で公知の他の任意の手段により電解質層の状態を測定する。測定結果により、電解質層の湿度が十分ではないと決定した場合、制御部35は、副セルFC2 による追加の負荷33への電力供給を大幅に増加するように、スイッチ31をオフにしスイッチ32をオンにし続ける。追加の負荷33は、制御部35によって制御され得る負荷であってもよい。副セルFC2 による追加の負荷33への大幅な電力供給の増加は、単なる短絡であってもよく、又は抵抗を下げてもよい。電解質層21の再加湿処理中に、制御部35は、測定回路34から与えられた測定結果を確認し、電解質層21の湿度が十分になると、スイッチ32をオフに戻し再加湿処理を中断する。その後、スイッチ31をオンに戻し、主セルFC1 及び副セルFC2 は共に負荷L に電力を供給すべく作動する。制御部35は、例えば、スイッチ31を短時間オフにし、例えば定期的に（毎分）測定を行なうことにより、周期的に湿度を確認するだけである。

副セルFC2 の使用が、図２と関連して説明されたタイプの構造に特に適していることを注目すべきである。図５は、図２に対応する断面図であり、本発明に係る燃料電池を示す。図２と同一の要素は、同一の参照番号で示されており、副セルの触媒層及び導電層が、参照番号4',7' で夫々示されている。

図６は、副セルが主セルの外周部に配置されている図５に示されているような燃料電池を簡略化して示す平面図である。

言うまでもなく、本発明は、当業者に想起される様々な変更がなされ得る。特に、主セル及び副セルが共通のアノード極及び離れたカソード極を有する燃料電池が、上記に説明されている。逆の状況、又はアノード極及びカソード極が離れている構成が提供されてもよい。

本発明は、様々な材料が連続した層で堆積されている燃料電池の具体的な実施形態に関して特に説明されている。本発明は、更に、様々な材料のシートが、例えば圧力が印加された状態で互いに堆積されている燃料電池にも適用される。

様々な変形例を備えた様々な実施形態が、上記に説明されている。あらゆる進歩性を示すことなく、これらの様々な実施形態及び変形例の様々な要素を組み合わせることは当業者の技能の範囲内である。更に、ナフィオン以外の材料が電解質層に用いられてもよく、炭素及び白金以外の材料が、触媒層に用いられてもよく、例えば炭素及び白金−コバルト、又は炭素及び白金−ニッケルが用いられてもよい。

21 電解質層
27,28 電極，導電層
31,32 スイッチ
34 測定回路（測定手段）
35 制御部（制御手段）
FC1 主セル
FC2 副セル
L,33 負荷

Claims (5)

1. 水素・酸素燃料電池において、
   電解質層を共有し、夫々で少なくとも１つの電極が異なっている主セル及び副セル、
   前記電解質層の湿度を測定する測定手段、及び
   同一の負荷に関する前記主セル及び副セルの作動と、異なる２つの負荷に関する前記主セル及び副セル夫々の作動とを制御する制御手段を備えることを特徴とする燃料電池。
2. 前記測定手段は、前記副セルのインピーダンスを測定する手段を含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記制御手段は、前記同一の負荷に関する前記副セルの作動を周期的に遮断し、前記測定手段による前記電解質層の湿度の測定を開始させ、湿度が所定の閾値以下である場合、前記副セルを負荷に接続して湿度を増加させる状態で前記副セルを作動させることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
4. 前記副セルは、前記主セルの外周部に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
5. 前記副セルの作動を切り替えるための切替手段を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。

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