JP4002247B2 - 触媒燃焼器シール部材を備えた燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、一般に、電気化学的電力システムに関し、より詳細には、触媒燃焼器シール部材を備えた燃料電池に関する。

バッテリと同じように、燃料電池は、設計及び原材料の改良によって利益を得てきた。金属酸化物のセラミック化合物によって、燃料電池の可搬性と小型化はかつてないほど向上した。しかしながら、燃料電池を製造する際の１キロワット時当たりのコストが、例えば発電所の蒸気タービン並びに自動車のオルタネータやバッテリなどの従来の発電装置を製造する際の１キロワット時当たりのコストと競合できるようになるには、まだいくつかの課題が残っている。

電極の化学的特性及び物理的特性の進歩に加え、セラミック工学及び固体電解質の化学的性質の進歩によって、燃料電池の発電効率は向上し、燃料の使用量が減少した。固体電解質燃料電池（ＳＯＦＣ）は、一方の電極−電解質界面から他方の電極−電解質界面へと帯電したアニオンを輸送するのに液相を必要としないため、それは本当に固体状態である。ＳＯＦＣは、腐食の心配がなく、電解質には交換が必要な部分あるいは相がないため、さらには、固体電解質はひび割れる可能性はあるが液体状の化学種は存在せずそれらが漏れ出る可能性がないため、設計を簡易化することにより製造コストを削減することができる。

ＳＯＦＣのコストを高める１つの特徴は、シール部材が必要なことである。例えば、デュアルチャンバＳＯＦＣでは、燃料極の燃料流チャンバを、空気極の酸化剤流チャンバと厳密に封鎖しなければならず、さもないと燃料ガスが空気極チャンバに移動して空気極が汚染され酸化剤流が薄くなり、それによって燃料電池の効率が低下してしまう。反対側のチャンバからの所望でないガスが化学吸着することによって、燃料極と空気極の両方が汚染され得る。傷つき易い剛体であることの多いシール部材は、通常７００℃（４００℃〜１０００℃）の温度に耐えることができ、さらに漏れやひび割れなしに長い寿命をもたらさなければならない。シングルチャンバＳＯＦＣは、シール部材を必要とすることなく発電することができるが、シングルチャンバＳＯＦＣを製造するのに必要な電極材料は、大容量発電のためには極めて慎重に選択する必要があるが、これは容易には実現できない。

従って、デュアルチャンバＳＯＦＣ内のシール部材を改善するか又はなくすことが必要である。

本発明の一実施形態によれば、燃料極チャンバと空気極チャンバとを分離するシール部材を用いず、ガス透過性燃焼器のみを用いて作動する２チャンバ（「デュアルチャンバ」）燃料電池が提供される。また、本発明の他の実施形態では、電極を有する燃料電池内において触媒燃焼器をシール部材として使用する方法が提供される。

本発明のデュアルチャンバ燃料電池は、燃料極チャンバと空気極チャンバとを分離するシール部材の代わりにガス透過性燃焼器を用いているため、従来のシール部材によって課される燃料電池の寿命に関する制限が回避される。また、高コストの材料及び構造の電極を必要とするシングルチャンバ燃料電池と異なり、本発明のデュアルチャンバ燃料電池は、従来の燃料電池と同じ比較的安価な電極を使用することができる。

本発明の主要な内容及びそれと関連する方法には、燃料極チャンバと空気極チャンバとを分離するシール部材を用いず、ガス透過性燃焼器のみを用いて作動する例示的な２チャンバ（「デュアルチャンバ」）燃料電池が含まれる。チャンバを分離するシール部材がない（又は、ガス透過性燃焼器からなる多孔質シール部材だけがある）ため、シール部材によって課される燃料電池の寿命に関する制限が回避される。寿命が従来のシール部材の耐久性に依存しなくなるため、ガス透過性燃焼器を「シール部材」として有する例示的な燃料電池の寿命は制限されない。通常、従来のシール部材は、限られた期間しか、燃料電池の高温且つ過酷な酸化還元環境に耐えることができない。そのような従来のシール部材は、最終的にひび割れて破損し、燃料電池の効率低下及び故障に帰着する。

さらに、例示的な無シール又は多孔質シールの燃料電池（今後、「無シール燃料電池」と記載する）は、無シール設計を実現するために、高価且つ製造が困難な電極に依存しない。シングルチャンバ固体電解質燃料電池も無シール設計を実現し得るが、高コストの材料及び構造の電極を必要とする。

例示的な無シール燃料電池は、従来の燃料電池と同じ比較的安価な電極を使用することができるが、燃料流及び酸化剤流が所望でない電極に移動したり、電極を汚染したりしないように燃料流を酸化剤流から封鎖する代わりに、燃料流及び酸化剤流が所望の電極を経る経路を通過した後に当該燃料流及び酸化剤流を中和する。一旦中和した後は、中和された生成物を除去することも残すこともできるが、当該生成物が留まり、当該生成物の一部がどちらかの電極と接触したとしてもほとんど害は無い。一実施形態においては、中和器は触媒燃焼器であり、燃料極及び空気極に無害な二酸化炭素や水などの生成物が形成される。これらの生成物が燃料極及び空気極に無害な理由は、一般に、これらの生成物は、燃料電池の電気化学的な酸化還元反応の排出生成物として電極から既に放散されたものと同じ生成物だからである。

図１に、燃料極チャンバ１０２と空気極チャンバ１０４とを備える例示的な無シールデュアルチャンバ燃料電池１００を示す。燃料極チャンバ１０２と空気極チャンバ１０４は接続され燃料電池１００内に連続空間を形成しており、即ち、２つのチャンバを分離するシール部材がないため、燃料極チャンバ１０２と空気極チャンバ１０４との間をガスは自由に流れることができる。燃料流１０６が燃料極チャンバ１０２に導入され、燃料極１１０表面に燃料（ガス）が提供され、酸化剤流１０８が空気極チャンバ１０４に導入され、空気極１１２に酸化剤（ガス）が提供される。

例示的な燃料電池１００は、固体電解質燃料電池（ＳＯＦＣ）、プロトン伝導性セラミック燃料電池、アルカリ燃料電池、高分子固体電解質膜（ＰＥＭ）燃料電池、溶融炭素塩燃料電池、固体酸燃料電池、あるいは直接メタノールＰＥＭ燃料電池とし得ることに注意されたい。例示的な電解質１１４は、任意の適切な電解質材料から形成することができる。様々な例示的な電解質には、酸素アニオン伝導膜電解質、プロトン伝導性電解質、炭酸塩（ＣＯ_３ ^２−）伝導性電解質、ＯＨ⁻伝導性電解質、及びそれらの混合物が含まれる。

他の例示的な電解質には、立方蛍石構造電解質、ドープド立方蛍石電解質、プロトン交換ポリマー電解質、プロトン交換セラミックス電解質、及びそれらの混合物が含まれる。さらに、例示的な電解質１１４はまた、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、サマリウムドープドセリア（ＳＤＣ）、ガドリニウムドープドセリア（ＧＤＣ）、Ｌａ_ａＳｒ_ｂＧａ_ｃＭｇ_ｄＯ_３−δ、及びそれらの混合物とすることができ、これらは特に固体電解質燃料電池における使用に適している。

本実施態様では、例示的な燃料極１１０及び例示的な空気極１１２は、固体酸化物電解質などの電解質１１４プレートを「サンドイッチしている」実質的に平坦なプレートである。燃料極１１０及び空気極１１２は、特定の最終用途によって要求され且つ／又は必要とされるような任意の適切な材料から形成することができる。種々の例示的な燃料極及び／又は空気極は、金属（単数又は複数）、セラミック（単数又は複数）及び／又はサーメット（単数又は複数）とし得る。例示的な燃料極１１０に適し得る金属の非限定的な例には、ニッケル、白金及びそれらの混合物のうちの少なくとも１つが含まれる。燃料極１１０に適し得るセラミックスの非限定的な例には、Ｃｅ_ｘＳｍ_ｙＯ_２−δ、Ｃｅ_ｘＧｄ_ｙＯ_２−δ、Ｌａ_ｘＳｒ_ｙＣｒ_ｚＯ_３−δ、及びそれらの混合物のうちの少なくとも１つが含まれる。燃料極に適し得るサーメットの非限定的な例には、Ｎｉ−ＹＳＺ、Ｃｕ−ＹＳＺ、Ｎｉ−ＳＤＣ、Ｎｉ−ＧＤＣ、Ｃｕ−ＳＤＣ、Ｃｕ−ＧＤＣ及びそれらの混合物のうちの少なくとも１つが含まれる。

空気極に適し得る金属の非限定的な例には、銀、白金、及びそれらの混合物のうちの少なくとも１つが含まれる。空気極に適し得るセラミックスの非限定的な例には、Ｓｍ_ｘＳｒ_ｙＣｏＯ_３−δ、Ｂａ_ｘＬａ_ｙＣｏＯ_３−δ、Ｇｄ_ｘＳｒ_ｙＣｏＯ_３−δのうちの少なくとも１つが含まれる。

例えばメタン（ＣＨ_４）１１６、水素（Ｈ_２）１１８、あるいは燃料電池に使用される特定の電極組成に適する他の炭化水素燃料（即ち、エタン、ブタン、プロパン、天然ガス、メタノール、さらにはガソリン等）などの、デュアルチャンバ燃料電池における発電に適する炭化水素燃料を、燃料流１０６に含有させ得る。図では、メタン１１６及び水素１１８が、代表的な燃料として示されている。

燃料極１１０においては、メタン１１６が燃料極１１０表面（通常は多孔質）に吸着し、燃料極−電解質界面１２０へと拡散する。空気極１１２においては、酸素（Ｏ_２）などの酸化剤分子が空気極１１２表面（通常は多孔質）に吸着し、空気極−電解質界面１２４へと拡散する。

酸素分子１２２が空気極−電解質界面１２４へと拡散する際、燃料電池の外部電気回路１２６から入ってくる電子に露出されるようになり、当該電子を捕捉して酸素アニオン（Ｏ^２−）１２８となる。酸素アニオン１２８は、正にバイアスされた燃料極−電解質界面１２０へ移動する。酸素アニオン１２８とメタン１１６（又は、他の燃料）が、燃料極−電解質界面１２０で出くわすと（１３０）、メタン１１６と酸素アニオン１２８とは結合して（酸化反応）、水１３２や二酸化炭素１３４などの反応生成物が生じる。反応生成物が生じると、電子が残る。酸素アニオン１２８は、メタンの炭素原子あるいは２つの水素原子のいずれかと結合するたびに２つの電子を失う（即ち、２つの電子が、界面１２０に生じる）。この失われた電子（即ち、界面１２０に生じた電子）が、燃料電池の外部電気回路１２６を介して利用することができる電流の源である。水１３２及び二酸化炭素１３４は、燃料極１１０の外表面へ拡散し、燃料流１０６の流れに戻る。

水素１１８は、メタン１１６の酸化と同様に酸化される。水素１１８の分子は、燃料極１１０表面に吸着し、燃料極−電解質界面１２０へと拡散する。水素１１８の分子は、界面又はその近傍で、酸素アニオン１２８と結合して（１３６）水１３２となる。この反応では、使用される各酸素アニオン１２８ごとに２つの電子が解放される。水は、燃料極１１０から移動し、燃料流１０６の流れに戻る。

燃料流１０６及び酸化剤流１０８はそれぞれ、わずかに圧力がかかった状態で燃料極チャンバ１０２及び空気極チャンバ１０４に導入される。燃料流及び酸化剤流それぞれの流れが、各々の電極上を通過するとき、これら燃料流及び酸化剤流２つの流れを分離するシール障壁はない。燃料が爆発性の場合は、必要に応じて燃料極チャンバ１０２及び空気極チャンバ１０４をその体積が最小となるように調整することができる。

燃料流１０６と酸化剤流１０８が出くわし、燃料極チャンバ１０２と空気極チャンバ１０４を分離するシール部材なしに混ざり始める境界に、燃料流１０６及び／又は酸化剤流１０８を中和する燃焼器１３８を配置する。燃料流１０６及び酸化剤流１０８は両方とも、所望でない電極に流れることになる前に、燃焼器１３８に移動する（又は、部分的に通過する）。一実施態様においては、燃焼器１３８は、燃料と酸化剤との酸化反応に触媒作用し、それによって燃料と酸化剤は例えば二酸化炭素と水に中和され、次いで二酸化炭素と水は例示的な無シール燃料電池１００から自由に流れ出るか又は電極へと移動する。排気１４０は、例示的な無シール燃料電池１００から出ると思われるが、一部の水１３２と二酸化炭素１３４といった酸化生成物が逆流又は拡散によって一方の電極に達する場合がある。しかし、これは例示的な無シール燃料電池１００の作動には無害であり、燃料流１０６及び／又は酸化剤流１０８のわずかな希釈がせいぜい起こるぐらいである。

従って、上記実施形態では、燃焼器１３８は、燃料電池スタック（１１０，１１２，１１４）に隣接して配置され且つ例示的な無シール燃料電池１００の燃料電池スタックと例示的な無シール燃料電池１００の１つ以上の壁面との間に境界を形成できるガス透過性触媒メッシュである。例示的な無シール燃料電池１００から放出される燃料、酸化剤及び可燃ガスは当該境界に達し、ガス透過性触媒メッシュ燃焼器１３８内（及び／又はガス透過性触媒メッシュ燃焼器１３８上）に含まれる１つ以上の触媒と反応する。

図２に、図１の例示的な無シールデュアルチャンバ燃料電池１００の三次元図を示す。本実施態様では、燃料流１０６が燃料極１１０表面を隈無く流れ且つ酸化剤流１０８が空気極１１２表面を隈無く流れているスタック、即ち「サンドイッチ」設計にて、燃料極１１０、空気極１１２、及び電解質１１４が配置されている。燃料流１０６及び酸化剤流１０８は、燃焼器１３８の存在によっておおよそ境界が形成されてはいるが、接続されて例示的な無シール燃料電池１００内に連続空間を形成している燃料極チャンバ１０２（図１に示した）及び空気極チャンバ１０４（図１に示した）に収容される。

燃焼器１３８は、燃料極チャンバ１０２からの燃料と空気極チャンバ１０４からの酸化剤を少なくとも部分的に混合し、混合した燃料及び酸化剤を少なくとも部分的に燃焼させ得る、燃料極チャンバ１０２及び空気極チャンバ１０４の境界をおおよそ形成している（より正確には、燃料極燃料流１０６と空気極酸化剤流１０８との境界をおおよそ形成している）無シール燃料電池１００の一領域である。燃焼器１３８は、１本のワイヤあるいは「スパークプラグ」ポイントのようなほとんど目立たないものとすることができ、又は従来の燃料電池シール部材に似た、ガスケットのようなガス透過膜あるいはガス透過壁などのガス透過性を維持しているもっと目立つものとし得る。

種々の実施形態において、燃焼器１３８は、高活性触媒、付着触媒粉末、１つ以上のワイヤあるいはワイヤメッシュ、ガス流チャンバの被覆領域、触媒粉末が表面に付着した支持材料からなるガス透過メッシュのような支持材料によって適所に保持されている触媒、多孔質固体、触媒細管アレイや触媒粒子アレイ、などからなる燃焼ポイントとし得る。支持材料は、固体表面、メッシュ、ハニカムモノリス、電解質あるいは電極の拡張部などとし得る。支持材料は、セラミック、サーメット、合金、電極材料、固体酸化物電解質材料などから製造し得る。一実施態様では、燃焼器は、コーディエライト（２Ａｌ_２Ｏ_３・２ＭｇＯ・５ＳｉＯ_２）、又はガンマアルミナ及びセリア（ＣｅＯ_２）修飾剤のウォッシュコートを有する他の適切なセラミック材料からなる多孔質のセラミックモノリスである。当該モノリス上に、白金、ロジウム、パラジウム、ルテニウム、ニッケル、金、マンガン及び銅のうちの１つ以上を付着させ、モノリス表面に焼結させる。別の実施形態では、一般用途の燃焼器１３８には、単にＹＳＺ上に白金を担持したものを使用し得る。

上記のような燃焼器１３８は、その全体を触媒によって製造することができ、又は一部を触媒によって、一部を触媒でない支持材料のような非触媒から製造することもできる。従って、燃焼器１３８は、その全体を白金、ロジウム、パラジウム、ルテニウム、金、ニッケル、マンガン及び／又は銅を単独で又は組み合わせて用いて製造することができ、又は前述の支持材料に付着させ且つ／又は焼結させて製造することもできる。燃焼器１３８にはまた、前述の金属の合金、酸化物及びサーメットに加え、Ａｌ_２Ｏ_３、ＣｅＯ_２、ＴｉＯ_２、固体酸化物電解質などの多くの他の触媒及び支持材料が含まれ得る。

一変更形態では、触媒燃焼器１３８は、空間を満たすように形成され且つ高表面積を有するが電極区画の一方に背圧を発生させるために遮断を行おうとしない限りガスの流れをそれほど遮らない「スチールウールテクスチャード加工」の形態をとり得る。（ここで使用される「背圧」とは、燃焼器と一方の流入口との間の付加的な圧力を意味する）。メッシュは、当然ながら、金属、合金、サーメット、及び／又は金属（単数又は複数）、合金（単数又は複数）、サーメット（単数又は複数）などで表面加工された基材から製造することができる。

一実施形態では、燃焼器１３８は、電解質１１４にのみ取り付けられ支持されている。これは、燃焼器１３８が導電体であり、電解質１１４による絶縁が必要な場合に有益である。その場合、セラミックと金属酸化物の特性を有し、それ故多くの様相において非伝導体、即ち電気的絶縁体である固体酸化物タイプの電解質１１４を使用することができる。そのような導電性燃焼器１３８を電解質１１４にのみ取り付けることによって、燃焼器１３８を介する燃料極１１０と空気極１１２との間の電気的短絡の可能性がなくなる。一般に、燃焼器１３８は、電解質１１４や電極などの燃料電池スタック要素への取付け部からガス流チャンバの壁面まで延在しており、それによって、燃焼器１３８を経由する以外、ガス流の一方が所望でない電極に至る経路がなくなる。

いくつかの実施態様においては、電解質１１４に取り付けられている例示的な燃焼器１３８によって、電解質１１４及び／又は燃料極−電解質−空気極スタック全体を加熱できるという副次的な利点がもたらされる。燃焼器１３８は、残っている燃料流１０６と酸化剤流１０８とを触媒作用にて酸化させる場合、例えばスタックを包囲する触媒ヒータとして機能する。例示的な無シール燃料電池１００が、高い温度の恩恵を受けるタイプの場合、燃焼器１３８は、スタックを直接加熱する「燃える炎」のように機能し得る。

図３に、燃焼器１３８が電解質１１４に直には取り付けられていない例示的な無シール燃料電池３００の平面図を示す。燃焼器１３８によっては、電解質１１４に有害な影響を及ぼす材料を含むものがあり、従って、それらが電解質１１４と接触することは望ましくなく、又は特定の実施形態の燃焼器１３８の導電率が、いくつかの電解質１１４との接触には適さないことがある。さらに、特に無シール燃料電池３００が比較的低温の種類（例えば、バイオ燃料電池）である場合、燃焼器１３８によっては、例示的な無シール燃料電池３００の電解質１１４あるいは他の部分と接触させるには温度が高すぎる場合がある。燃焼器１３８を例示的な無シール燃料電池３００の他の部分から隔離させつつ燃焼器１３８を支持するために、熱及び／又は電気絶縁体３０２を用い得る。

燃焼器１３８、絶縁体３０２、電解質１１４、電極（１１０，１１２）、あるいは燃料極もしくは空気極に取り付けられている電気コレクタのいずれかによって、燃焼器１３８が取り付けられている燃料極−電解質−空気極スタックをガス流チャンバ内に支持することができる。スタックが片側だけで支持されている場合は、絶縁体３０２及び燃焼器１３８が取り付けられているスタックは三次元に自由に膨張収縮することができ、異なる熱膨張率を有する複数の異なる材料を互いに接続させる場合に重要となり得る。

燃焼器１３８を例示的な無シールデュアルチャンバ燃料電池１００、２００、３００に組み込むために、他の設計構成を使用し得る。図４に、燃焼器１３８が燃料極１１０に直に取り付けられており、且つ燃焼器１３８が燃料極１１０とのみ直に熱的に及び電気的に接触している例示的な無シールデュアルチャンバ燃料電池４００の実施形態を示す。本実施態様では、燃焼器１３８は、燃料極１１０の電気化学反応を向上させる追加の触媒成分（単数又は複数）を有し得る。当該触媒成分は、使用済み及び／又は未使用の燃料成分を、吸着及び電気への電気化学的変換のためにより酸化されやすい燃料成分に分解し改質することによって、これらの反応を促進する。従って、いくつかの実施形態では、燃焼器１３８が導電体の場合は、燃焼器１３８は、燃料極１１０上あるいは燃料極１１０内で起こる吸着及び／又は電気化学反応に寄与する電子沈降（ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｓｉｎｋｉｎｇ）あるいは他の電子的作用をもたらし得る。例えば、一実施態様において、燃焼器１３８は、燃焼器１３８の物理的表面上を流れるガスから静電荷を収集し、電子を燃料極１１０に与える。

いくつかの変更形態では、前述のように、燃焼器１３８は、例示的な無シールデュアルチャンバ燃料電池４００内の燃料極−電解質−空気極スタックの支持体として機能し得る。他の変更形態では、燃焼器１３８は、燃料極−電解質−空気極スタックの支持体、及び燃料極１１０と燃料電池の外部電気回路との間を接続する電子コレクタの両方として機能し得る。

図５は、管状ガス流チャンバ５０８内において各スタック（５０２，５０４，５０６）が各スタック外縁のつばによってのみ支持されているデュアルチャンバ燃料極−触媒−空気極スタック５０２、５０４、５０６からなる例示的な無シールアレイ５００を示しており、このつばは燃焼器１３８を有するか又は燃焼器１３８からなり、各スタック５０２、５０４、５０６の燃料極１１０だけに取り付けられている。燃料流１０６は、燃料流１０６に面する燃料極１１０を有する２つの隣り合った円盤形の燃料極−電解質−空気極スタック（例えば、５０２と５０４）の間に入る。燃料流１０６は、各燃料極１１０の中心に導かれ、円盤外縁に向かって放射状に流れ、そこで「使用済み燃料」は燃焼器１３８に接することになる。酸化剤流１０８は、酸化剤流１０８に面する空気極１１２を有する２つの隣り合った円盤形の燃料極−触媒−空気極スタック５０４、５０６の間に導入される。酸化剤流１０８は各空気極１１２の中心に導かれ、円盤外縁に向かって放射状に流れ、やはり燃焼器１３８に接することになる。「使用済み」燃料流１０６と「使用済み」酸化剤流１０８とが燃焼器１３８で出くわすと、これらは反応して、例示的なデュアルチャンバ無シールアレイ５００の電気化学的作動に障害を及ぼさない二酸化炭素や水などの生成物を形成する。中和された生成物は、ポートあるいは収集管５０７経由で出ることもでき、放置することもでき、及び／又は排出させることもできる。

一実施態様では、燃焼器１３８は、それぞれの円盤形の燃料極−電解質−空気極スタック５０２、５０４、５０６の物理的な支持構造体であるだけではなく、各スタックの燃料極１１０と、管状ガス流チャンバ５０８の内壁（本実施形態では、これもまた導電体である）とだけに取り付けられている導電体でもある。従って、管状ガス流チャンバ５０８は各スタックにおいて各燃料極１１０のコレクタとして働き、各スタックの空気極１１２は電池の電気回路５１２に接続されている共通コレクタバス５１０を有する。従って、燃焼器１３８は、燃料流１０６と酸化剤流１０８を触媒作用による酸化によって中和して燃料極区画と空気極区画との間のシール部材を不要にする役割と、管状ガス流チャンバ内で燃料電池スタックを物理的に支持する役割と、電池の電気回路５１２に接続するための電子コレクタを燃料極１１０に提供する役割、の３つの役割を果たす。

図６に示すように、円盤形スタックの外縁に使用される例示的な燃焼器１３８は、例示的な無シール部材燃料電池６００の小型化をも可能にする。例示的な小型無シール部材燃料電池６００（例えば、１ミリメートル未満あるはもっと小さい直径の管を備える）は、例示的な小型無シール部材燃料電池６００内に取り付けられている隣り合った円盤形の燃料極−電解質−空気極スタック６０２、６０４を有する（スタック間距離は非常に大きい）。各スタック６０２、６０４は、燃料電池６００内に燃焼器１３８からなるつばだけで支持されており、燃焼器１３８は、各スタック６０２、６０４の燃料極１１０だけに取り付けられている。燃料流１０６は、燃料流１０６に面している燃料極１１０を有する隣接する２つのスタック６０２、６０４の間に入る。燃料流１０６は各燃料極１１０の中心に導かれ、円盤外縁に向かって放射状に流れ、そこで「使用済み燃料」が燃焼器１３８と接触することになる。酸化剤流１０８は酸化剤流１０８に面している空気極１１２を有する隣接する２つのスタック（例えば、６０２）の間に導入される。酸化剤流１０８は各空気極１１２の中心に導かれ、円盤外縁に向かって放射状に流れ、そこで燃焼器１３８と接触することになる。「使用済み」燃料流１０６と「使用済み」酸化剤流１０８が燃焼器１３８において出くわすと反応し合って、例示的な小型デュアルチャンバ無シール部材燃料電池６００の電気化学作動に障害を及ぼさない二酸化炭素や水などの生成物が形成される。中和された生成物は、ポート又は収集管５０７を介して出ることもでき、及び／又は排出させることもできる。

各スタックの外縁に使用されている燃焼器１３８によって、燃料及び／又は酸化剤流が移動して電極を汚染する心配なしに、小さな円盤形の燃料極−電解質−空気極スタック６０２、６０４の寸法を小さくすることができる。小さい円盤では、予備の面がほとんどないので、表面のそのような汚染を許容できないことがある。管状及びその他の種類の無シール部材燃料電池６００は、小さな円盤スタック６０２、６０４上に外縁燃焼器１３８を備えることによって、当該燃焼器１３８を用いずに達成し得る以上に小型化させることができる。

図７に、燃焼器１３８が空気極１１２にのみ取り付けられている例示的な無シール部材デュアルチャンバ燃料電池７００の一実施形態を示す。燃料極１１０上の燃料流１０６は、空気極１１２に取り付けられている燃焼器１３８まで達することがあるが、燃料構成成分は空気極１１２表面に到達する前に酸化される。

空気極１１２に取り付けられている燃焼器１３８は、空気極１１２の触媒特性に応じて、空気極１１２が酸素分子を酸素アニオン１２８へと還元するのに役立つ。燃焼器１３８が導電体の場合は、いくつかの実施形態では、燃焼器１３８は、空気極１１２上あるいは空気極１１２内で起こる吸着及び／又は電気化学反応に役立つ電子沈降や他の電子的作用を提供し得る。一実施態様では、燃焼器１３８は、燃焼器１３８の物理表面上を流れているガスから静電荷を収集し、その電子を空気極１１２に与える。

いくつかの変更形態では、燃焼器１３８は、空気極１１２の支持によって、例示的な無シール部材デュアルチャンバ燃料電池７００内の燃料極−電解質−空気極スタックの支持体として機能し得る。他の変更形態においては、燃焼器１３８は、空気極１１２を介する燃料極−電解質−空気極スタックの物理的支持体としてだけではなく、空気極１１２と燃料電池の外部電気回路との間を接続する電子コレクタとしても機能し得る。

図８に、複数の燃料極−電解質−空気極スタック８０２、８０４を備えている例示的な無シール部材デュアルチャンバ燃料電池８００を示す。各燃料極−電解質−空気極スタック８０２、８０４は、電解質層１１４を有する。しかしながら、本実施形態では、電解質層１１４は、薄すぎて電解質１１４の端に燃焼器１３８を取り付けることができない。従って、製造時に電解質プレート８０６、８０８の両端を対応する電極の端を越えて延在させ、それによって電解質１１４の薄い端にではなく露出した電解質プレート両端８０６、８０８の上面及び／又は下面に燃焼器１３８を取り付けることができる。

例示的な無シール部材デュアルチャンバ燃料電池８００は、燃焼器１３８に余分な酸化剤を提供する機構を備えることができる。燃焼器１３８周辺に酸化剤を供給するために、１つ以上のポート８１０をチャンバ設計に組み込み得る。また、酸化剤ポート８１０は、空気噴射器、酸素供給管、及び／又は空気極１１２への酸化剤流１０８の分岐管とし得る。

いくつかの実施形態では、例示的な無シール部材燃料電池８００の煙道又は排気口において吸引８１２を実施することで、燃料流１０６、酸化剤流１０８、並びに酸化還元及び燃焼ガス生成物の排気流を補助し得る。吸引８１２は、ポンプ、ファン、及び／又は垂直排気煙突のサイフォン効果（高温の排気ガスが煙突内を上昇することで吸引がもたらされる）によってもたらし得る。

燃焼器１３８によって燃料極チャンバ１０２及び空気極チャンバ１０４の排気口経路全体を横切る境界を形成することができるため、燃焼器１３８を用いて燃料流及び／又は酸化剤流を部分的に妨げることができる。例えば、燃料流１０６に対する抵抗を作り出すことには燃料流１０６の速度を遅くできるという利点があり、それによって燃料の吸着及び拡散速度が、ガス流チャンバを通過するガス流の速度よりも遅い場合には燃料の無駄を少なくし得る。より詳細には、燃焼器１３８の燃料酸化活性は、燃焼器１３８が許容する燃料流１０６の速度に合わせて選択又は調整することができる。従って、燃料流１０６速度を遅くするために、燃料酸化にあまり活性の高くない燃焼器１３８を、燃料電池のガス流チャンバ内に物理的に配置することもある。一方、ガスが極めて自由に通ることができるように、極めて活性の高い燃焼器１３８をガス流チャンバ内に物理的に配置することがある。一実施態様においては、燃焼器１３８は、１つ以上の次元に関して変化する流体抵抗を有するガス透過性触媒ガスケットである。これにより、燃料電池内に１度に複数のガス流を管理するために、単一の燃焼器１３８を配置することができる。そのような燃焼器１３８を使用することで、触媒作用にとって、燃料流１０６及び酸化剤流１０８の適切で且つ／又は化学量論的な混合を達成することができる。

さらに、燃焼器１３８は、燃料極チャンバ及び／又は空気極チャンバ内に差分の背圧（先に定義したような付加的な圧力）を発生させるように配置することができる。例えば、空気が使用される場合は酸化剤はおそらく十分であり、空気極側の背圧は必要とされないが、特定の燃料極と燃料の組合せでは、選択される燃料ガスが圧力のかかった状態で適用される際に利益をうむ燃料極材料及び多孔率を有する燃料極１１０からなっている。あるいはまた、おそらく燃料は燃料極１１０において吸着又は拡散するのが困難な燃料であり、燃料極側の圧力を高くすると燃料電池の電気化学反応が進行する。例示的な無シール部材燃料電池８００に使用される燃焼器１３８（単数又は複数）は、燃料極チャンバ及び／又は空気極チャンバに所望の背圧を与えるように選択し且つ／又は配置することができる。

図９は、無シール部材燃料電池を製造する例示的な方法９００である。本流れ図では、操作を個々のブロックにまとめている。

ブロック９０２において、燃料極チャンバと空気極チャンバとの間のガスの自由な流れを可能にするために、燃料極チャンバと空気極チャンバを接続する。ガス流の観点からは、２つのチャンバの間にはシール部材がないため、無シール部材燃料電池は接続されている１つのガス流チャンバのみを有する。

ブロック９０４において、燃料流及び／又は酸化剤流を中和するために、無シール部材燃料電池内に燃焼器を配置する。例えば、燃焼器は、燃料流が空気極に達し且つ／又は酸化剤流が燃料極に達し、それにより燃料極と空気極の効率が低下する前に、燃料を酸化して二酸化炭素と水にする。

図１０は、電極を有する燃料電池内のシール部材として触媒燃焼器を使用する例示的な方法１０００である。本流れ図では、操作を個々のブロックにまとめている。

ブロック９０２において、燃料が所望の電極を経る経路を通過した後に、燃料と接するように触媒燃焼器を配置する。

ブロック９０４において、燃料が所望でない電極と接触する前に、燃料を触媒作用によって転換する。

結論
以上の解説によって、様々な例示的な無シール部材燃料電池及びそれに関連する方法を説明した。本発明を構造的特徴及び／又は方法論的手順に固有の文言で示したが、併記の特許請求の範囲に定義された手段は、説明した特定の特徴又は手順に必ずしも限定されないことを理解されたい。

本発明の一実施形態による、ガス透過性燃焼器を備えた例示的な燃料電池 本発明の一実施形態による、電解質に取り付けられているガス透過性燃焼器を有する例示的な燃料電池 本発明一実施形態による、絶縁体に取り付けられているガス透過性燃焼器を有する例示的な燃料電池 本発明の一実施形態による、燃料極に取り付けられているガス透過性燃焼器を有する例示的な燃料電池 本発明の一実施形態による、ガス透過性燃焼器が燃料電池スタックを支持し且つコレクタを与えている例示的な管状燃料電池 本発明の一実施形態による、ガス透過性燃焼器を有する例示的な小型管状燃料電池 本発明の一実施形態による、空気極に取り付けられているガス透過性燃焼器を有する例示的な燃料電池 本発明の一実施形態による、ガス透過性燃焼器を有する例示的な２セル燃料電池 本発明の一実施態様による、ガス透過性燃焼器を有する燃料電池を製造する例示的な方法の流れ図 燃料電池において触媒燃焼器をシール部材として使用する例示的な方法の流れ図

符号の説明

１００ （無シール部材）デュアルチャンバ燃料電池
１０２ 燃料極チャンバ
１０４ 空気極チャンバ
１０６ 燃料（流）
１０８ 酸化剤（流）
１１０ 燃料極
１１２ 空気極
１１４ 電解質
１３８ ガス透過性触媒燃焼器（ガス透過性触媒ガスケット）
５０２ 燃料電池スタック
５０８ チャンバ

Claims (20)

1. 燃料極チャンバと空気極チャンバとを分離するシール部材の代わりにガス透過性触媒燃焼器（１３８）を有するデュアルチャンバ燃料電池（１００）であって、
   燃料極（１１０）に燃料（１０６）を提供する燃料極チャンバ（１０２）と、
   前記燃料極チャンバ（１０２）に接続され前記デュアルチャンバ燃料電池（１００）内に連続空間を形成している、空気極（１１２）に酸化剤（１０８）を提供する空気極チャンバ（１０４）と、
   前記燃料（１０６）を前記酸化剤（１０８）と反応させる、前記連続空間内にある触媒燃焼器（１３８）であって、前記燃料極チャンバと前記空気極チャンバとを分離するシール部材の代わりに用いられている触媒燃焼器（１３８）と、
   を備えるデュアルチャンバ燃料電池（１００）。
2. 前記燃料（１０６）が前記空気極（１１２）に流れる前に且つ前記酸化剤（１０８）が前記燃料極（１１０）に流れる前に、前記触媒燃焼器（１３８）が前記燃料（１０６）を前記酸化剤（１０８）と反応させる請求項１に記載のデュアルチャンバ燃料電池（１００）。
3. 前記触媒燃焼器（１３８）が、Ａｌ_２Ｏ_３、ＣｅＯ_２、ＴｉＯ_２、及び固体酸化物電解質のうちの１つを含む請求項１に記載のデュアルチャンバ燃料電池（１００）。
4. 前記触媒燃焼器（１３８）が、白金、ロジウム、ルテニウム、パラジウム、ニッケル、銅、マンガン、及び金のうちの１つを含む請求項１に記載のデュアルチャンバ燃料電池（１００）。
5. 前記触媒燃焼器（１３８）が、白金、ロジウム、ルテニウム、パラジウム、ニッケル、銅、マンガン及び金のうちの１つのサーメットを含む請求項１に記載のデュアルチャンバ燃料電池（１００）。
6. 前記触媒燃焼器（１３８）が、白金、ロジウム、ルテニウム、パラジウム、ニッケル、銅、マンガン、及び金のうちの１つの酸化物を含む請求項１に記載のデュアルチャンバ燃料電池（１００）。
7. 前記触媒燃焼器（１３８）が、前記燃料極（１１０）及び前記空気極（１１２）のうちの一方にのみ取り付けられている請求項１に記載のデュアルチャンバ燃料電池（１００）。
8. 前記触媒燃焼器（１３８）が、導電性であり、且つ前記触媒燃焼器（１３８）表面を通過するガス流から電子を集め、前記燃料極（１１０）及び前記空気極（１１２）のうちの一方に電子を移動させる請求項７に記載のデュアルチャンバ燃料電池（１００）。
9. 前記触媒燃焼器（１３８）が、前記デュアルチャンバ燃料電池（１００）の前記電解質（１１４）、前記燃料極（１１０）、及び前記空気極（１１２）のうちの少なくとも１つを加熱する請求項１に記載のデュアルチャンバ燃料電池（１００）。
10. 燃料流（１０６）を酸化剤流（１０８）と分離するシール部材の代わりに、前記燃料流（１０６）を酸化するために燃料電池（１００）内に配置されている触媒と、
    前記燃料流（１０６）及び前記酸化剤流（１０８）と同時に接触するように前記触媒を配置するための前記触媒の支持体と、
    を備える燃料電池（１００）用の燃焼器（１３８）。
11. 前記燃焼器（１３８）が、前記酸化剤流（１０８）を用いて前記燃料流（１０６）を酸化する間に付加的な圧力を発生させるために、燃料流及び／又は酸化剤流を阻害するように前記燃料電池（１００）内に配置される請求項１０に記載の燃焼器（１３８）。
12. 前記触媒が、白金、ロジウム、ルテニウム、ニッケル、銅、金、マンガン、及びパラジウムからなる触媒群から選択される請求項１０に記載の燃焼器（１３８）。
13. １つ以上の触媒と、
    燃料極−電解質−空気極スタック（５０２）外縁に隣接して配置することができる内縁部と、
    前記燃料極−電解質−空気極スタック（５０２）を収容することができる管状チャンバ（５０８）の内壁に隣接して配置される外縁部と、
    を含み、それによって前記燃料極−電解質−空気極スタック（５０２）と前記管状チャンバ（５０８）の間にガス透過性の境界を形成することができるガス透過性触媒燃焼器（１３８）であって、燃料電池（１００）内の燃料及び酸化剤（１０６，１０８）が前記１つ以上の触媒と反応する、ガス透過性触媒燃焼器（１３８）。
14. 前記ガス透過性触媒燃焼器（１３８）が、ガス流抵抗を有している請求項１３に記載のガス透過触媒燃焼器（１３８）。
15. 前記ガス流抵抗が、前記燃料電池（１００）の燃料（１０６）に対する前記１つ以上の触媒の活性に応じて変えられている請求項１４に記載のガス透過触媒燃焼器（１３８）。
16. 燃料極チャンバと空気極チャンバとを分離するシール部材の代わりにガス透過性触媒燃焼器（１３８）を使用するデュアルチャンバ燃料電池（１００）を製造する方法（１０００）であって、
    燃料（１０６）が所望の電極（１１０）を経る経路を通過した後に、前記触媒燃焼器（１３８）が前記燃料（１０６）と接するように前記触媒燃焼器（１３８）を配置するステップを包含し、
    前記燃料（１０６）が所望でない電極（１１２）と接触する前に、前記燃料（１０６）を触媒燃焼させることが可能となる、方法（１０００）。
17. 前記酸化剤（１０８）が所望の電極（１１２）を経る経路を通過した後に、前記触媒燃焼器（１３８）が前記酸化剤（１０８）と接触するように前記触媒燃焼器（１３８）を配置するステップをさらに包含し、
    前記酸化剤（１０８）が所望でない電極（１１０）と接触する前に、前記酸化剤（１０８）を用いて前記燃料（１０６）を触媒燃焼させることが可能となる、請求項１６に記載の方法（１０００）。
18. 前記触媒燃焼器（１３８）の触媒活性を調整するステップをさらに包含し、前記燃料（１０６）の燃焼性に比例するように前記触媒活性を調整する請求項１６に記載の方法（１０００）。
19. 前記触媒燃焼器（１３８）の触媒活性を調整するステップをさらに包含し、前記燃料（１０６）の流速に比例するように前記触媒活性を調整する請求項１６に記載の方法（１０００）。
20. 前記触媒燃焼器（１３８）を調整して前記燃料（１０６）の流速を制御するステップをさらに包含し、前記触媒燃焼器（１３８）の触媒活性に比例するように前記燃料（１０６）の流速を調整する請求項１６に記載の方法（１０００）。

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