JP2015053275A - プロトン交換膜燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】プロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池ベースの発電機において、発電により生成した水の再利用を含む弁無し発電機を提供する。
【解決手段】燃料電池スタック３００と、燃料電池スタックにより囲まれた水と反応する水素生成燃料３４５とを有し、燃料電池スタック３００が、カソード電流コレクタ３０５と、カソード電流コレクタ３０５に電気的に結合され、疎水性層３１５を有するカソードガス拡散層３１０と、アノード電流コレクタ３３５と、アノード電流コレクタ３３５に電気的に結合され、親水性層３２５を有するアノードガス拡散層３３０と、疎水性層３１５と親水性層３２５との間にサンドイッチ状に挟まれたプロトン交換部材３２０とを備え、疎水性層３１５を有するカソードガス拡散層３１０と親水性層３２５を有するアノードガス拡散層３３０とが、発電の調節を提供するように水を再利用するために作動する燃料電池スタック。
【選択図】図３Ａ

Description

いくつかの従来のプロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池ベースの発電機では、ＰＥＭ燃料電池に酸素と水素とを供給する水素生成化学反応を制御するために空気圧弁が使用される。この弁は、発電機の体積および重量の大きな部分を含み、したがって発電機のエネルギー密度および比エネルギーを減少させる。

ＰＥＭ燃料電池は、水素と酸素とを結合して水にする簡単な化学反応を使用し、このプロセスで電流を生成する。水素は、水素化アルミニウムリチウムなどの燃料と水蒸気の間の化学反応によって生成されることがある。アノードで、水素分子は、白金触媒によってイオン化され、電子を放出する。ＰＥＭは、プロトンが通り抜けて流れることを可能にするが、電子が流れることはできない。その結果として、水素イオンはＰＥＭを通り抜けてカソードに流れるが、電子は外部回路を通って流れる。電子は外部回路を通過するので、電気モータ、電球または電子回路のような電気デバイスに電力を供給して有用な仕事を行なうことができる。カソードで、電子および水素イオンは酸素と結合して水を形成する。この反応の副生成物は、水と熱である。

いくつかの発電機では、水は、カソードに蓄積する傾向がある。この水は細孔を、したがって反応種の経路を塞いで、発電の低下をもたらすことがある。

以下の説明において、説明の一部を形成する添付の図面が参照され、図面では、実施されてもよい特定の実施形態が例示として示されている。これらの実施形態は、当業者が本発明を実施することができるように十分に詳細に説明されており、さらに、理解されるべきことであるが、本発明の範囲から逸脱することなしに、他の実施形態が利用される可能性があり、また構造的、論理的および電気的な変更が加えられる可能性がある。したがって、以下の説明は、限定された意味で解釈されるべきでなく、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲によって定義される。

詳細な説明は、水再利用を含むことができる弁無し発電機を含んだ多くの実施形態を説明する。
図１は、発電機１００の前面断面図である。図２は、発電機１００の上面断面図である。この発電機は、空気にさらされた燃料電池スタック１１０を備える。発電機１００は、一実施形態では、２つの端部を有する中空円筒として組み立てられ、燃料１２０を囲繞している。この発電機の形の他の幾何学的形状には、長方形中実体、球体、および他の非幾何学的形状がある。一実施形態では、燃料は、電気を生成するために発電スタック１１０で使用される水素生成燃料である。一実施形態の燃料は、水素および多孔質金属水素化物燃料を含む。燃料電池スタック１１０は、空気からの酸素と結合して水と電気を生成する。

圧力リリーフ弁１３０は、万一過剰な水素が生成された場合に圧力を解放するために使用されてもよい。このリリーフ弁は、燃料で生成される水素に通じる状態で発電機の上に位置付けされてもよい。燃料の多孔質性は、リリーフ弁が発電機の端部の一方に位置付けされることを可能にする。一実施形態では、圧力リリーフ弁１３０は、爆発を防ぐための安全弁として動作する。一実施形態では、発電機の内圧が、周囲圧力より６８９５０Ｐａから６８９５００Ｐａ（１０から１００ＰＳＩ）高いなどの所定値より高く上がった場合、圧力リリーフ弁１３０は、水素を大気または周囲に逃がす。この弁は、内圧解放の後で閉じて、発電機が正常動作を再開することができるようにしてもよい。

図３Ａは、燃料電池スタック３００の断面を示す。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、空気にさらされている。空気が通過することができるように電流コレクタ３０５に細孔が形成されている。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。疎水性微小多孔質層３１５がカソードＧＤＬ上に形成され、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）膜層３２０などの触媒被覆プロトン交換膜（ＰＥＭ）からカソードＧＤＬ３１０を分離している。

親水性微小多孔質層３２５が、層３２０をアノードＧＤＬ３３０から分離し、アノードＧＤＬ３３０は、今度は、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には細孔が形成されて、水素がアノードへと通過することができるようにしている。アノード電流コレクタ３３５は、水蒸気および水素透過性膜３４０によって分離されている。膜３４０は、液体の水および微粒子を透過しない。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。カソードと水素生成燃料の間の層は、水蒸気にさらされたとき水素を生成する燃料３４５を含む水素生成器からカソードを分離し、拡散経路を形成する働きをする。

図３Ｂは、代替え燃料電池スタック３６０を示す。一実施形態では、プロトン交換部材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のようなパーフルオロ化膜または炭化水素膜または複合膜を含む。燃料電池スタックは、カソード電流コレクタ３６４、微小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）上ではなく微小多孔質層の表面上に触媒３６８があることを除いて、ガス拡散層と同じである）、プロトン交換膜（触媒のない）、ＭＰＬの表面に触媒３７４を有する疎水性ＭＰＬの付いたアノードガス拡散電極３７０、およびアノード電流コレクタ３８０から構成される。

ガス拡散電極は、一実施形態では、３層を有する一部品である。この３層は、ガス拡散層（ＧＤＬ）（カーボン紙）、微小多孔質層（ＭＰＬ）（ＰＴＦＥまたはＰＶＤＦ）および触媒層（炭素／白金）である。

図４は、燃料電池スタック３００の斜視図である。アノード電流コレクタ３３５が図示され、多数の細孔４１０を示している。一実施形態では、これらの細孔は、比較的大きく、水素が通り抜けてアノードガス拡散層３３０に移動できるようにする。

水素生成器で使用される水は、周囲からの酸素と水素生成器からの水素との間の電気化学反応によって燃料電池の中で生成される。一定の電気負荷のとき、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生成するために必要とされる水の量そのものであるか、またはこの量に実質的に一致しているので、生成される水が再利用されるとき、反応は自動継続する。実質的に一致するという用語は、燃料電池で生成された水が水素を生成するために必要とされる水に正確には一致しない可能性があることを考慮している。周囲からの水蒸気もまた運ばれる可能性があり、いくらかの水蒸気は周囲の方に失われる可能性がある。反応が過剰な水素を生成する場合に備えて、リリーフ弁１３０が設けられる。

カソードＧＤＬの疎水性被膜およびアノードＧＤＬの親水性被膜は、ＰＥＭの両端間の液圧差を増すことによって、ＰＥＭを通り抜ける水の逆透過（カソードからアノードへ）を促進する。アノードの吸湿性材料（水素生成水素化物燃料）は、カソードの湿度（蒸気圧）を減少させてＰＥＭの両端間の液圧差をさらに高める。したがって、燃料電池カソードと水素生成器との間に拡散路が生成される。

発電機１００は、可動部分を必要とせずに電力を生成する弁無し発電機である。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課せられる、発電に対する制限がない。さらに、弁無し発電機は、自己調節水流を実現することができる。水素生成の速度は、可動部分を必要とすることなしに、燃料電池から取り出される電力に従って調節される。その上さらに、操作すべき弁を必要としないことによって、燃料電池は、発電機の表面を占めることができ、その結果、燃料が発電機の大きな体積を占めるようになる。弁を除去することは、発電機の体積の大部分を追加の燃料のために空けることになり、発電機のエネルギー密度および比エネルギーを改善する。

既存の電池と同じ体積形状または所望の他の形を有するものなどの多くの異なる大きさの発電機が形成される可能性がある。一実施形態では、発電機は、容器の選ばれた穴を通してか、ガスを透過する容器を通してかのどちらかでカソードの周囲空気への継続的な接触を可能にする容器に入れられてもよい。容器は、電流収集板へのリード線を有してもよい。同様に、容器は、所望の電圧および電流能力を実現するように直列または並列に電気的に結合された多数の燃料電池を有してもよい。

いくつかの実施形態では、発電機は液体の水を必要としない。水蒸気は燃料電池のカソード領域から供給され、空気はカソードのすぐ隣で供給される。水輸送は、燃料電池の膜を通してである。水の経路は、燃料電池のカソード領域から設けられ、空気はカソードに直に隣接するが、同経路は燃料電池の膜を通過しない。燃料電池を通しての水輸送は圧力差で変化する。水輸送速度の減少は、圧力差の増加である。

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に、微小多孔質層が燃料電池膜に付け加えられる。カソードからアノードへの水輸送を促進するために、疎水層が燃料電池に付け加えられる。カソードからアノードへの水輸送を促進するために、親水性層もまた、燃料電池に付け加えられる。

燃料電池は、微細加工プロセスを用いて製造されてもよく、さらに、発電が要求されないとき空気および水蒸気に過剰にさらされることを防ぐために、カソードに保護カバーが設けられてもよい。発電が要求されるとき、このキャップが取り除かれてもよい。

カソードでの水流束ＪＭは、少なくとも３つの成分、すなわち拡散、浸透抵抗および液圧透過の関数である。

カソードでの水流束がゼロである場合、電流（Ｉ）は、

であり、ここで、

である。電流密度（Ｉ）は、ＰＥＭ膜の両端間の絶対圧力差の関数である。
Ｉ＝ｆ（Ｐカソード−Ｐアノード）
水生成およびしたがって水素生成は、電流の関数であるので、帰還機構が組み込まれて、圧力を制御し、発電機を安定に保つ。したがって、制御弁は必要でない。
Ｈ２Ｏ生成∝Ｈ２生成∝Ｉ
前に示されたように、燃料電池カソードでの水流束は、水輸送の少なくとも３つのモード、すなわちＰＥＭ膜中の水拡散、電気浸透、および液圧透過の和である。

拡散（カソードからアノードへ）による発電機中への水輸送は、薄い膜を使用し、かつ膜の両端間に大きな水濃度差を使用することによって促進される。
電気浸透（アノードからカソードへ）による発電機からの水輸送は、電流密度の関数であり、低電流密度で最小限にされることが可能である。

液圧透過による発電機中への水輸送（カソードからアノードへの）は、カソードＧＤＬに対して疎水性被膜および小さな孔径を使用し、アノードＧＤＬに対して親水性被膜および大きな孔径を使用することによって、促進される。液圧透過は、低湿度（低液圧）大気をアノードに生成する吸湿性燃料を使用することによって高められる。液圧透過は、また、燃料電池膜の両端間に圧力差を生じさせることによって高められてもよい。これは、発電機を周囲水素圧力よりも低くして動作させることによって達成されてもよい。

カソードからアノードへの水流束を増すためにいくつかの方法が使用されてもよい。膜厚（δＭ）などのパラメータが最小限にされてもよい。カソード微小多孔質層の接触角（θＣ）が最大限にされてもよい。カソード微小多孔質層の孔半径（ｒＣ）がまた最小限にされてもよい。アノード微小多孔質層の接触角（ｒＣ）が最小限にされてもよい。また、アノード微小多孔質層の孔半径（θＣ）を最大限にすることは、カソードからアノードへの水流束を増すのに役立つ。一実施形態では、これらのパラメータは、両極端のとき発電機性能を限定する他の要素にマイナスの影響を及ぼすので、最小限または最大限にされるべきでない。

膜の両端間の圧力差と液圧透過の間の関係は、発電機が弁を使用することなしに化学反応を調節することができるようにする。そのような定常状態条件で水が再利用される。水流に影響を及ぼす上のパラメータは、そのような再利用を行なうように平衡を保たれてもよい。微小多孔質層（ＭＰＬ）は、高分子結合剤、通常ＰＴＦＥまたはＰＶＤＦと混合された１００から５００ｎｍの炭素または黒鉛粒子から構成される。カソードＭＰＬの孔径は、１００から１０００ｎｍに及んでもよく、厚さは１０から１００ｕｍに及んでもよく、さらに接触角は９０から１２０度でもよい。アノードＭＰＬの孔径は、５００から２０００ｎｍに及んでもよく、厚さは１０から１００ｕｍでもよく、接触角は５０から９０度でもよい。これらのパラメータおよび範囲の各々は、近似であり、様々な実施形態で超えられる可能性がある。

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、水素生成反応によって水が消費される速度に等しい。この反応は自己継続し、発電機内部の圧力は一定である。負荷が増大された場合、発電機内部の圧力は、燃料電池によって水素が消費されるにつれて低下する。内部圧力の降下によって液圧透過が増加するようになり、したがって、より多くの水が水素生成器の中に運ばれてより多くの水素が生成され、より低い圧力で新しい定常状態が実現される。

負荷が減少されると、発電機内部で圧力が上昇し、これは液圧透過および水素生成を減少させ、より高い圧力で新しい定常状態が実現される。無負荷のとき、膜を通り抜ける水素透過損失は、液圧透過速度に実質的に一致し、最大定常状態圧力が実現される。一実施形態では、様々な理由のために万一過剰な水素が生成された場合、圧力を減じるために、水素生成器の近くにリリーフ弁が設けられることがある。

図５は、発電機５００のさらに他の実施形態を示す。容器５１０は、水素生成燃料５１５を収容し、この燃料は、一実施形態では、発電機の実質的な体積を占めている。ＧｏｒｅＴｅｘ水蒸気および水素透過性膜などの膜５２０が、燃料電池アセンブリ５３０から燃料５１５を分離している。燃料電池アセンブリ５３０は、燃料電池スタック３００と同じやり方で形成されてもよい。

一実施形態では、燃料電池アセンブリ５３０は、空間５３５によって膜５２０から分離されている。空間５３５は、水素が蓄積し燃料電池スタックの出入り口を通り抜けてアノードおよびカソードの方向へ進むためのスペースを与える。したがって、一実施形態では、拡散路が燃料電池カソードを水素生成器から分離している。一実施形態の燃料電池アセンブリ５３０は、容器５１０によって支えられている。また、容器５１０は、開口５４０およびベース５４５を含む。開口５４０は、周囲空気との接触を可能にし、それで電気を生成するために反応で使用される酸素との接触を可能にする。そのような開口は、カソードに供給される酸素の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。

燃料電池カソードでの制限は、カソードから周囲への水蒸気の拡散を制限しながら、所望の電力レベルのために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できるようにする。開口５４０は、また、開口とカソードの間に位置付けされた酸素透過性水蒸気不透過性膜５４５を含むことができ、そしてそれは、カソードから周囲への水蒸気の透過を制限しながら、所望の電力レベルのために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ができるようにする。一実施形態では、膜５５０は、高い選択性を可能にするために、フッ素化されたエチレン重合体またはプロピレン（ＦＥＰ）またはパーフルオロアルコキシ（ＰＦＡ）の１つまたは複数の薄い層を備える。他の材料もまた同様に動作することができる。そのような膜は、また、他の実施形態で、発電機１００のようなもので使用されてもよく、そこではカソードを囲繞することがある。

要約書は、読者が技術的な開示の本質および要点を素早く確かめることができるようにするために、３７Ｃ．Ｆ．Ｒ§１．７２（ｂ）を遵守するように提供される。要約書は、特許請求の範囲または意味を解釈または限定するように使用されないという理解で提出される。

本発明の実施形態に従った発電機を示す断面図である。 本発明の実施形態に従った発電機を示す上面断面図である。 本発明の実施形態に従った燃料電池スタックを示す断面図である。 本発明の実施形態に従った代替え燃料電池スタックを示す断面図である。 本発明の実施形態に従った燃料電池スタックを示す斜視図である。 本発明の実施形態に従った代替え発電機を示す断面図である。

Claims (13)

1. 燃料電池スタック（１１０、３００、５３０）と、前記燃料電池スタック（１１０、３００、５３０）により囲まれた水と反応する水素生成燃料（３４５、５１５）とを有し、
   前記燃料電池スタック（１１０、３００、５３０）が、
   カソード電流コレクタ（３０５）と、
   前記カソード電流コレクタ（３０５）に電気的に結合され、疎水性層（３１５）を有するカソードガス拡散層（３１０）と、
   アノード電流コレクタ（３３５）と、
   前記アノード電流コレクタ（３３５）に電気的に結合され、親水性層（３２５）を有するアノードガス拡散層（３３０）と、
   前記疎水性層（３１５）と前記親水性層（３２５）との間にサンドイッチ状に挟まれたプロトン交換部材（３２０）とを備え、
   前記疎水性層（３１５）を有するカソードガス拡散層（３１０）と前記親水性層（３２５）を有するアノードガス拡散層（３３０）とが、発電の調節を提供するように水を再利用するために作動する、発電機（１００）。
2. 前記水素生成燃料（３４５、５１５）はほぼ円筒形であり、前記燃料電池スタック（１１０、３００、５３０）は、シェルの外側に前記カソード電流コレクタ（３０５）を有する同軸の円筒形シェルである、請求項１に記載の発電機。
3. 前記カソード電流コレクタ（３０５）は、絶えず周囲にさらされている、請求項１に記載の発電機。
4. 燃料電池スタック（１１０、３００、５３０）と、
   前記燃料電池スタック（１１０、３００、５３０）から空間（５３５）によって分離された水素生成燃料（３４５、５１５）と、
   前記燃料電池スタック（１１０、３００、５３０）を周囲から分離し、カソード電流コレクタ（３０５）から周囲への水蒸気の拡散を制限しながら、所望の発電レベルのために、周囲から前記カソード電流コレクタ（３０５）への酸素の流れの拡散を制限する開口（５４０）を有する容器とを備える発電機（１００）であって、
   前記燃料電池スタック（１１０、３００、５３０）が、
   カソード電流コレクタ（３０５）と、
   前記カソード電流コレクタ（３０５）に電気的に結合され、疎水性層（３１５）を有するカソードガス拡散層（３１０）と、
   アノード電流コレクタ（３３５）と、
   前記アノード電流コレクタ（３３５）に電気的に結合され、親水性層（３２５）を有するアノードガス拡散層（３３０）と、
   前記疎水性層（３１５）と前記親水性層（３２５）との間にサンドイッチ状に挟まれたプロトン交換部材（３２０）とを備える、発電機（１００）。
5. 前記燃料電池スタック（１１０、３００、５３０）は、第1の平面に形成され、かつ前記容器によって支えられ、前記容器の中で前記空間（５３５）によって前記第1の平面から分離されている、請求項４に記載の発電機（１００）。
6. 前記容器は、前記カソード電流コレクタ（３０５）を周囲にさらすための穴を備える、請求項５に記載の発電機（１００）。
7. 前記カソード電流コレクタ（３０５）は、前記カソード電流コレクタ（３０５）を周囲にさらすための細孔（４１０）を備える、請求項６に記載の発電機（１００）。
8. 前記アノード電流コレクタ（３３５）は、前記アノード電流コレクタ（３３５）を生成された水素にさらすための細孔（４１０）を有する、請求項５に記載の発電機（１００）。
9. 前記プロトン交換部材（３２０）は、触媒（３６８、３７４）を備える、請求項５に記載の発電機（１００）。
10. 前記ガス拡散層の少なくとも１つは、触媒（３６８、３７４）を備える、請求項５に記載の発電機。
11. 前記開口（５４０）と前記カソード電流コレクタ（３０５）との間に位置付けされた酸素透過性水蒸気不透過膜（５５０）をさらに備える、請求項４に記載の発電機。
12. 前記疎水性層（３１５）を有するカソードガス拡散層（３１０）と前記親水性層（３２５）を有するアノードガス拡散層（３３０）とが、発電の調節を提供するように水を再利用するために作動する、請求項４に記載の発電機。
13. 燃料電池スタック（１１０、３００、５３０）と、
    前記燃料電池スタック（１１０、３００、５３０）から空間（５３５）によって分離された水素生成燃料（３４５、５１５）であり、燃料電池スタック（１１０、３００、５３０）が第1の平面内に形成され、容器により支持されており、前記水素生成燃料（３４５、５１５）が空間（５３５）によって前記容器内で前記第１の平面から分離されている、水素生成燃料（３４５、５１５）とを備える発電機（１００）であって、
    前記燃料電池スタック（１１０、３００、５３０）が、
    カソード電流コレクタ（３０５）と、
    前記カソード電流コレクタ（３０５）に電気的に結合され、疎水性層（３１５）を有するカソードガス拡散層（３１０）と、
    アノード電流コレクタ（３３５）と、
    前記アノード電流コレクタ（３３５）に電気的に結合され、親水性層（３２５）を有するアノードガス拡散層（３３０）と、
    前記疎水性層（３１５）と前記親水性層（３２５）との間にサンドイッチ状に挟まれたプロトン交換部材（３２０）とを備え、
    前記容器が、前記燃料電池スタック（１１０、３００、５３０）を周囲から分離し、カソード電流コレクタ（３０５）から周囲への水蒸気の拡散を制限しながら、所望の発電レベルのために、周囲から前記カソード電流コレクタ（３０５）への酸素の流れの拡散を制限する開口（５４０）を有する、発電機（１００）。