JP4922933B2 - 電気浸透ポンプを備えた燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は燃料電池に関し、特に、燃料電池水、酸化剤流、及び液体反応剤の管理に関する。

プロトン交換膜燃料電池は、エネルギー密度が大きく、作動温度が低く、反応生産物が不活性であるため、携帯用電子機器、自動車、及び小規模の固定式電源装置に至る範囲のデバイス用のエネルギー源として非常に有望である。燃料電池（Fuel Cell：FC）は、触媒を介して、高エネルギー状態の反応物質分子から低エネルギー状態の生成物質分子への変換によってエネルギーを抽出するという原理に基づいて作動する。水素燃料電池（Hydrogen Fuel Cell：HFC）では、水素と酸素が結合して、水、熱及び電気エネルギーを生成する。それらの化学反応は、２つの触媒部位（アノード及びカソード）で起こる。ＨＦＣは、温室効果ガス又は公害を生じることなく、電気エネルギーを生成する。

プロトン交換膜燃料電池は、一般的に、アノード、イオン選択性膜及びカソードを備える。アノード及びカソードは、一般的に、疎水性ガス拡散層、触媒層及び電流収集層を有する。イオン選択性膜は、陽子を移送できるように設計されており、電子伝導及びアニオン移送に対して高い抵抗を有する。

ＨＦＣにおける正味化学反応は次の通りである。
２Ｈ_２＿４Ｈ^＋＋４ｅ⁻ ［１］
４Ｈ^＋＋４ｅ⁻＋Ｏ_２＿２Ｈ_２Ｏ ［２］

式［１］の反応はアノード触媒層で生じ、式［２］の反応はカソード触媒層で生じる。ＨＦＣの動作の基本原理は比較的単純であるが、燃料電池は現実的な運用問題を有しており、そのことによって燃料電池の能力が制限されている。

図１は、従来の水素燃料電池１００の例を示す。燃料電池１００は、反応剤ダクト１０２、アノード１０４、イオン透過膜１０６、カソード１０８、及び酸化剤ダクト１１０を備えている。イオン透過膜１０６は、弱い伝導体であり、外部のロード（load）１１４から流れる電子は、電力を生成する。アノード１０４から流れ出る電流１１２は、ロード１１４を通って、カソード１０８へ流れる。ロード１１４は、燃料電池が電力を供給するデバイスであり、例えばバッテリー、電気モータ又は電子デバイスなどである。入力反応剤（input reactant）１１６は、この場合は水素であり、反応剤ダクト１０２に流入する。入力反応剤１１６は、純粋な乾燥水素、又は水蒸気によって加湿された水素であり得る。使用されなかった反応剤１１６は、出力反応剤（output reactant）１２０として流出する。理想的には、水素燃料電池１００の場合は、出力反応剤流（output reactant stream）１２０における水素の分圧は、入力反応剤１１６と比べて小さい。入力酸化剤１１８は、酸化剤ダクト１１０に流入する。酸化剤流１１８は、純粋な酸素、わずかな酸素を含む大気、又は水蒸気によって加湿された前述したストリームの１つである。未使用の酸化剤及び未消費の搬送ガス（空気の場合は：Ｎ_２、ＣＯ_２、Ａｒなど）は、酸化剤出力流（oxidant output stream）１２２としての生成水１２４と共に、酸化剤ダクト１１０から流出する。生成水は、熱力学的条件に応じて、気体又は液体の両方として、燃料電池から排出される。

本出願では、酸化剤源として、酸素富化空気（純粋な酸素を含んでいる）が通常の空気と同じ意味で使用される。同じ燃料電池の電気密度に必要な、純粋な酸素の酸化剤の流速は、標準の空気の約５分の１であることは、当業者には明らかであろう。したがって、図がＯ_２と示したときは、供給される酸化剤は、酸素富化空気又は通常空気である。

適切な膜１０６の例としては、ポリペルフルオロスルホン酸から作成されるイオン交換ポリマー又はプロトン交換膜（Proton exchange membrane：PEM）がある（Nafion（登録商標）膜として、DuPont, USAから入手可能）。イオン輸送は、ポリマー内に存在するアニオン基（スルホン酸アニオン）によって構成されるイオン・ネットワークの経路に沿って行われる。液体水は、イオン輸送のための導電経路を形成すべく、ポリマー内のイオン部位の周囲に存在することが好ましい。そのため、このＰＥＭ１０６のタイプのイオン伝導性は、膜の適切な水和に左右される。膜１０６のイオン伝導性は、水分含有量とともに増大する。膜１０６を最適に水和することは、燃料電池性能にとって重要である。このため、水蒸気は、ＰＥＭ膜のドライアウトを防止するために、多くの場合は反応剤流で運ばれる。

いくつかの輸送機構は、膜１０６の水和に作用する。一般的な燃料電池における水の輸送機構は、蒸発、凝縮、拡散、及び電気浸透抗力である。膜１０６と反応剤流（１１６，１１８）との間の、水の蒸発及び凝縮速度は、（１）反応剤流における水蒸気の分圧、（２）気体温度及び膜温度、（３）気体の流速及び速度（velocity）、（４）膜の水和状態、によって決定される。一般的に、反応剤流は、ＰＥＭのドライアウトを防止するために加湿される。動作中は、水素／水化合物（例えば、（Ｈ_３Ｏ）^＋などのヒドロニウム化合物）によって、水はアノード１９４から電気浸透的に引き出されて、ＰＥＭ１０６を通ってカソード１０８へ送出される。この過程で、水分子は、水素プロトンによって、膜１０６を介して引き出される。研究は、各水素イオン輸送は、１〜５水素分子のカソード１０８への輸送を引き起こすことを示唆している。分子拡散は、膜１０６内の濃度勾配の減少により、水の流動をもたらす。水はカソードに向かって電気浸透的に引き出され、カソードで水が生成されるので、分子拡散は一般的にはアノードの方へ戻るいくつかの水の拡散輸送をもたらす。水輸送機構は強く結合しているので、膜１０６の水和を常時適切なレベルに保つことは困難である。たとえ単一の燃料電池流動構造でも、膜の水和は空間によって異なる。いくつかのシステムでは、水を排出するために、長くて曲がりくねった酸化剤流路を使用している。このような装置では、流路の長さに沿ったわずかな水含有量は、出口の方向に向かって徐々に増加する。

他の一般的なタイプの燃料電池は、直接メタノール型燃料電池（Direct Methanol Fuel Cell：DMFC）である。ＤＭＦＣは、反応剤流として、メタノール／水混合液を使用する。ＤＭＦＣのカソード側は、ＨＦＣの場合と同じように作用する。ＤＭＦＣでの正味化学反応は、次の通りである。
ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ＿ＣＯ_２＋６Ｈ^＋＋６ｅ⁻ ［３］
６Ｈ^＋＋６ｅ⁻＋３／２Ｏ_２＿３Ｈ_２Ｏ ［４］

式［３］の反応はアノード触媒層で起こり、式［４］の反応はカソード触媒層で起こる。ＤＭＦＣの利点としては、Ｈ_２よりもエネルギー密度が高いこと、貯蔵が容易であること、及び燃料補給を急速に行えることがある。これらの利点は、メタノールは室温及び室圧では最初は液体であるという事実に由来する。ＤＭＦＣの欠点は、ＣＯ_２が生成され、出力密度を減少させるということである。ＤＭＦＣは、そもそもは、携帯電子機器のために開発された。

図２は、従来の直接メタノール型燃料電池２００の例を示す。燃料電池２００は、入力反応剤１２６がメタノールと水とから成る以外は、図１に示した水素燃料電池１００と同様である。消費されなかった反応剤と二酸化炭素生成物との混合物２２０は、ダクト１０２を介してアノード領域から排出される。ＨＦＣと同様に、ＤＭＦＣは、酸化剤流として空気を使用するので、酸化剤流にはＮ_２及び他の希ガスが存在する。アノード排出流２２０は、メタノール、消耗した水、及びＣＯ_２から成る。

ＨＦＣとＤＭＦＣとの両方では、カソード１０８での生成水が酸素輸送を阻害し、高い電流密度での電池電位を減少させる。生成水を処理する最近の方法の１つとしては、酸化剤流によって水を除去することがある。この方法では、互いにかみ合う流れ分配器（interdigitated flow distributor）、又は曲がりくねった流路を使用して、電極のフラッディングの影響を減少させている。実験によって、フラッディングの有害な作用を減少させるのためには、一般的に、２〜６０倍の酸化剤の化学量論的割合が使用されることが分かっている。曲がりくねった、互いにかみ合う流路は、大きな圧力損失をもたらし、大きな酸化剤排出寄生出力（parasitic oxidant pumping power）を必要とする。酸化剤ポンピング電力は燃料電池から引き出され、燃料電池から出力される正味出力を減少させる。一般的に、ｋＷサイズの燃料電池では、酸化剤ポンプのような寄生装置によって、燃料電池の出力の２５％が失われる

本発明は、１つ以上の電気浸透ポンプを使用して、燃料電池用の液体の移送を行うシステムを提供する。また、本発明は、燃料電池に関連している方法であって、能動的フィードバック制御を含む方法を提供する。

本発明に係るシステムは、水、液体燃料混合物及び酸化剤流（oxidant stream）の移送を行うべく、燃料電池用の液体を移送するための、１つ以上の電気浸透ポンプを備えている。また、本発明に係る方法は、燃料電池に関連している方法であって、能動的フィードバック制御を含んでいる。動電学プンプと呼ばれることもある電気浸透ポンプは、ミクロン径の細孔又は流路（channel）を通る電気浸透を使用して、液体の流れと大きな駆動圧との両方を生成する装置である。電気浸透ポンプは可動部分を有しておらず、電気浸透ポンプの大きさはミクロンからメートルである。電気浸透ポンプを燃料電池に組み込むと、燃料電池の効率、安定性及び出力密度を向上させることができる。電気浸透（Electroosmotic：EO）ポンプは、燃料電池に一体化された層、又は外部装置として燃料電池と一体化される。電気浸透ポンプは、フラッディング（flooding）の影響を減少させるために、カソードから生成水を除去するのに使用することができる。除去された水は、起動時や反応剤流（reactant stream）が乾燥している作動状態において乾燥した反応剤流を加湿するのに、又はＰＥＭを直接的に加湿するのに使用することができる。また、生成水は、ＤＭＦＣ用のメタノール・水混合物に再利用される。また、電気浸透ポンプは、ＤＭＦＣの場合に、液体反応剤混合物を移送し、カソードにおける反応剤としての空気を追い出すのに使用することができる。

図３は、一体化された電気浸透ポンプを備えた水素燃料電池の一例を示す。水素燃料電池３００は、カソード３０８層と排水ダクト３１０との間に、電気浸透ポンプ３３０層を備えている。このポンプ３３０は、入力酸化剤（input oxidant）３１８をカソード３０８へ供給するための、１つ以上の流路（channel）３３４を有している。出力酸化剤（output oxidant）３３２は、流路３３４を通ってポンプ３３０から排出される。ポンプ３３０は、カソード３０８からダクト３１０へ、又はダクト３１０からカソード３０８へ、生成水３１２を移送する。過剰水３１４は、システムから排出される。電流３３６は、ロード（load）３３８を通って、アノード３０４からカソード３０８へ流れる。ダクト３０２は、反応剤３１６をアノード３０４に供給する。使用されなかった反応剤３２０は流路３０２から排出される。

電気浸透ポンプ３３０を燃料電池と一体化させることによって、カソードでフラッディングした水を除去することができ、大きな電流負荷での燃料電池３００の電位を増加させることができる。さらに、酸化剤の流速を、システムの化学量論的に必要とする速度に減少させることができる。ＥＯポンプを組み込むことにより、酸化剤の送達流路の設計は、例えば、蛇行や相互嵌合流路設計などの、カソードのフラッディングを軽減するための設計に制限されない。これらの理由によって、ＥＯポンプを一体化することにより、必要とされる総ポンプパワーは減少する。電気浸透ポンプ３３０の所要電力は、燃料電池３００の出力電力と比べると小さい。燃料電池の出力電力及び電気浸透ポンプの消費電力の予測値は、現行のモデル［Larminie & Dicks, Yao et al.］から得ることができる。例えば、０．５Ｖ、１Ａで５００ｍＷの電力を生成する燃料電池３００は、水を５．７μＬ／分で生成する［Larminie & Dicks］。そして、生成された水をＥＯポンプ３３０によって除去するためには、約２．５μＷの電力を消費する［ref Yao］。対照的に、生成水を除去するための空気ポンプを備えた小型の燃料電池では、空気ポンプは、燃料電池で生成された電力の優に半分以上を消費する。

Larminie & Dicksのモデルは、「“Fuel cell Systems Explained”, 2nd Edition, J. Wiley (2003)」に公開されている（この参照によって本発明に含まれるものとする）。同様に、S. Yao及びJ.G. Santiagoのモデルは、「“Porous Glass Electroosmotic pumps: Theory”, Journal of Colloid and Interfacial Science (2003)」に公開されている（この参照によって本発明に含まれるものとする）。

図４は、反応剤送達流路３３４を有する電気浸透ポンプ３３０の断面の例を示す。この図は、図３に示したポンプ３３０を上から見た図である。ポンプ３３０は、多孔性基板４０８、１つ以上の流路３３４、ポンプ・アノード４０２、及びポンプ・カソード４０４を含んでいる。ポンプ・アノード４０２及びポンプ・カソード４０４は、それらのカソード及びアノードの意味は印加された電位のバイアスに依存するので、互いに代替できる。流路３３４及びポンプ電極４０２，４０４は、多孔性で導電性の内面を有している。通常は、多孔性で導電性の内面は、不活性である白金から作成される。４１２は生成水であり、４１０は電界の向きの線である。生成水４１２は流路３３４の内側である。また、流路３３４の内側の３１８は、酸化剤流の範囲である。流路３３４内の水４１２は、電気浸透力によって流路３３４からカソード４０４の外面に向かう電磁線４１０をたどる。図４に示されたおおよその電磁線４１０の一般的性質及び実際の力線は、正確な多孔性基板の形状４０８、ポンプ・アノード４０２及びポンプ・カソード４０４の形状、多孔性導電層４０６のパターン及び伝導性、多孔性基板の含水量、及び印加電圧に依存する。ポンプ・アノード４０２、ポンプ・カソード４０４、及び多孔性導電層４０６は、連続的である必要はなく、断面にパターンされればよい。各断面は、独立して加電される。ポンプ・アノード４０２は、随意的に、図３に示す燃料電池３００のカソード３０８又はアノード３０４であり得る。燃料電池３００のカソード３０８又はアノード３０４をポンプ・アノード４０２又はポンプ・カソード４０４として使用し、ＥＯポンプを備えた燃料電池システム３００に必要とされる層の数を減らすこともできる。

図５は、電気浸透ポンプ基板の断面を示す。この基板４０８は、長さＬ、面積Ａ、体積∀、平均流路長さＬ_ｅ、及び総流路体積∀_ｅを有する。特に矢印で指しているのは、「曲がりくねった流路」と分類される流路である。

図６は、電気浸透ポンプの作動原理の例を示す。曲がりくねった流路６０２（細孔でもあり得る）、電源６０４、アノード６０６、カソード６０８、拡大部分６１０、帯電した孔壁６１２、及び、電解質中の電気的二重層６１４を示す。矢印は、電解質中における、比例する電気力線を示す。

燃料設計に適合する電気浸透ポンプは、多孔性のホウケイ酸塩ガラスフリット（Robu Glasfilter-Geraete GmbH, Germany）、焼結ガラス、その表面に薄い電気絶縁酸化層を有する多孔性シリコン、ガラス繊維物質（ガラス繊維ろ過紙を含む）、繊維ガラス、酸化アルミニウム、多孔性溶融石英、及び多孔性ポリマー層を使用して製造することができる。例示的なポンピング媒体は、厚さは１〜４ｍｍであり、孔隙率（porosity）は約０．４であり、屈曲度は約１．４であり、細孔の大きさは０．６〜１．２μｍの範囲である。ポンピング媒体は、飽和するまで吸水できるように、高い親水性を有することが好適である。液体水は、最初は、表面積が大きく親水性を有する多孔性のポンピング媒体によって引き起こされる毛管力によって、燃料電池のカソード表面から又はガス拡散層から排出される。水は、電気浸透ポンプ３３０のポンプ・アノード４０２とカソード４０４との間の回路が完了するまで、多孔性物質の表面をぬらし続ける。このように、ポンプは、自動プライミング（self-priming）する。このようにして、ポンプ基板４０８が一旦プライミングを開始すると、電気浸透力は、燃料電池３００のアノード３０４からカソード３０８へ、又はカソード３０８からアノード３０４へ、水を流動させる。水の流れは、図４に示す電磁線４１０と一致する。ポンピング媒体内における水４１４のブリッジ（bridge）が一旦壊れると、ポンプを横切る電流は止まり、ポンプは電力を消費しない。このようにして、ポンプ３３０は、自動調節を行う。電気浸透ポンプの作動に必要な電圧は、一般的には、２〜１００Ｖの範囲である。

図７Ａは、電気浸透ポンプを備えた水素燃料電池の例を示す。この燃料電池７００は、水素流（hydrogen stream）を導入して流通させるための少なくとも１つの流路７０４を有する第２の電気浸透ポンプ７０２が追加されていることを除いては、図３に示した燃料電池３００と同様である。このポンプ７０２は、燃料電池膜１０６の適切な水和を保つために、開放された貯水部７０７から水７０６を導入する、又は前記貯水部７０７へ水７０６を排出する。さらに、ポンプ７０２は、乾燥した水素と接触する領域に、貯水部７０７から水をポンピングすることにより、乾燥水素流３１６を加湿する方法として使用することができる。反対に、ポンプ７０２は、加湿された水素流３１６から凝縮された過剰水を送達流路７０４から除去することができる。

図７Ｂは、乾燥酸化剤流３１８を加湿するための電気浸透ポンプ３３０が一体化された燃料電池システムの例を示す。電気浸透ポンプ３３０は、１つ以上の流路によって、液相の生成水３１２をカソード３０８から、乾燥酸化剤流３１８と接触する領域７１０へ移送する。酸化剤は、水蒸気で飽和された加湿流路７１０から酸化剤流路へ排出され、カソード３０８と反応して電流を生成する。

図７Ｃは、乾燥水素３１６と乾燥酸化剤３１８との両方を加湿するための電気浸透ポンプ３３０が一体化された燃料電池システムの例を示す。ＥＯポンプ３３０は、液相の生成水３１２を、カソード３０８から、乾燥反応剤が流れる流路ネットワーク板（channel network plate）７２０へ移送する。流路ネットワーク板７２０は多孔領域を有し、水は当該板７２０を通って乾燥反応剤流路へ移送される。反応剤は、水蒸気で飽和された流路板７２０から、導管（conduit）７２２を通って酸化剤流路３１０へ排出され、カソード３０８と反応する。また、反応剤は、水蒸気で飽和された流路板７２０から、導管７２４を通って水素流路３０２へ排出され、アノード３０４と反応する。反応剤は、気体不透過性膜によって、互いに分離される。図７Ｄは、乾燥反応剤流を加湿するための、１つ以上の流路ネットワーク板７２０の例を示す。乾燥酸化剤及び乾燥水素は、それぞれ、１つ以上の個々の流路７３２及び７３０を通って、流路ネットワーク板７２０に入る。飽和された酸化剤は、ＥＯポンプ３３０の内部にある又は隣接する１つ以上の流路を通って、カソード３０８の表面を横切って流れる。

図８は、電気浸透ポンプ３３０が一体化された直接メタノール型燃料電池の例を示す。この燃料電池８００は、燃料源として水素ガスの代わりにメタノール及び水を使用することを除いては、図３に示した燃料電池３００と同様である。このＤＭＦＣ８００は、カソード３０８層と排水ダクト３１０との間に、電気浸透ポンプ３３０層を有している。ポンプ３３０は、入力酸化剤３１８をカソード３０８へ供給するための、１つ以上の流路３３４を有している。出力酸化剤３２２は、流路３３４を通ってポンプ３３０から排出される。ポンプ３３０は、カソード３０８からダクト３１０へ、又はダクト３１０からカソード３０８へ、生成水３１２を移送する。過剰水３１４は、システムから排出される。メタノールと水から成る入力反応剤流８２０は、反応剤ダクト８０２に流入する。二酸化炭素、水及び消費されなかったメタノールから成る出力反応剤流８１６は、反応流路８０２から流出する。

水の管理は、ＤＭＦＣにおける燃料電池性能にとって重要である。移送機構は、燃料電池のアノード側で水の蒸発及び凝縮が無いことを除いては、ＨＦＣ（水素燃料電池）のＰＥＭ（プロトン交換膜）の移送機構と同様である。ＤＭＦＣにおける他の課題は、メタノール／水混合液の管理である。純メタノールが貯蔵され、メタノール濃度が３Ｍで、ＤＭＦＣのＰＥＭの最適な操作が行われた場合は、高エネルギー密度が得られる。これらの理由により、カソードにおいて生成水を再利用して、貯蔵された純メタノール、及びアノード２２０から排出された消耗したメタノール／水混合液と混合することが好適である。

図９は、１つ以上のＥＯポンプが一体化されたＤＭＦＣの例を示す。この燃料電池９００は、アノード３０４の近傍に位置する第２の電気浸透ポンプ９０２を備えたことを除いては、図８に示した燃料電池８００と同様である。ポンプ９０２は、純メタノール（又はメタノールと水の混合液）９２０を受け取るための、１つ以上の流路９０４を有している。流路９０４は、前記反応剤混合液をアノード３０４へ移送し、アノード３０４から廃液流（waste stream）８１６を移送する。ポンプ９０２は、燃料電池性能を最適化すべく、水、純メタノール、又はメタノール／水混合液９０６を燃料電池９００のアノード側に供給する。

図１０は、直接メタノール型燃料電池の例を示す。この燃料電池１０００は、電気浸透ポンプ１００２がメタノールと水から成る反応剤混合液１０２０を提供することを除いては、図９に示した燃料電池９００と同様である。反応剤混合液のこの循環流は、受動的に供給されるシステムにおける、ＣＯ_２ガスの増加及びメタノールの減少に起因する電池電位の減少を抑制する。

図１１は、電気浸透ポンプによって回収された水を使用して、水素流３１６及び酸化剤流３１８の加湿を行うシステムの例を示す。燃料電池１１０２の水の正味生成量は、ＥＯポンプによって排出される。過剰水は、導管１１０８を介して２つの反応剤加湿貯水部１１１０，１１１２へ送出される。乾燥水素は、水素貯蔵源１１０４から加湿貯水部１１１０へ、流路１１１４を介して移送される。乾燥水素は、加湿貯水部１１１０において、例えば散布や噴霧などの様々な手段によって加湿することができる。水蒸気によって飽和された水素は、燃料電池内で電流を生成すべく、１１１６を介して水素反応剤注入口へ流れる。乾燥酸化剤は、その地域の大気圧での空気を貯蔵する空気貯蔵源１１０６から加湿貯水部１１１２へ、流路１１１８を介して移送される。乾燥酸化剤は、加湿貯水部１１１２において、例えば散布や噴霧などの様々な手段によって加湿することができる。水蒸気によって飽和された酸化剤は、燃料電池内で電流を生成すべく、１１２０を介して酸化剤反応剤注入口へ流れる。

図１２は、直接メタノール型燃料電池における、反応剤流及び酸化剤流の加湿の例を示す。この燃料電池１２０２は、１つ以上の電気浸透ポンプを備えた。第１の電気浸透ポンプ１２０４は、燃料電池１２０２のアノード側で、水及び／又はメタノールを管理するのに使用される。第２の電気浸透ポンプ１２０６は、燃料電池１２０２のカソード側で、水を管理するのに使用される。第３の電気浸透ポンプ１２０８は、メタノール源１２１４から混合ステーション１２１６へ、メタノールを移送するのに使用される。第４の電気浸透ポンプ１２１０は、生成水１１０８を加湿器１１１２及び／又は混合チャンバ１２１６へ移送するのに使用される。第５の電気浸透ポンプ１２１２は、メタノール及び水の反応剤混合液を燃料電池１２０２へ送出するのに使用される。電気浸透ポンプ１２０４，１２０６，１２０８，１２１０，１２１２の様々な任意の組み合わせを使用できることは明らかである。制御装置１２２０は、センサ１２２２を介して、燃料電池の電位又はメタノール濃度をモニタし、１つ以上のポンプ１２０４，１２０６，１２０８，１２１０，１２１２を制御する。

図１３は、水の能動的制御の例を示す。１３０２では、燃料電池の電流又は電位をモニタする。１３０４では、電気浸透ポンプで消費された電流をモニタする。１３０６では、制御アルゴリズムが入力を受信し、制御信号を送信する。１３０８では、電気浸透ポンプを横切る電位を変化させて、電気浸透ポンプの方向及び速度を制御する。

ＥＯポンプで消費される電流、及び／又は燃料電池の電位／電流はモニタされ、ＥＯポンプを横切る電位及びバイアスを制御するフィードバックとして使用される。ＥＯポンプを通過するバイアス及び電位は、水流動の方向及び速度を決定する。制御アルゴリズムは、１つ以上の入力を使用して、ＥＯポンプの電位及びバイアスを決定する。制御アルゴリズムは、アナログＰＩＤ制御装置、又は他の種類のデジタル制御装置と共に使用される。

図１４は、発電の例を示す。１４０２では、アノードに、第１の反応剤が供給される。１４０４では、カソードに、第２の反応剤が供給される。１４０６では、電気浸透ポンプによって、燃料電池のカソード側から水が除去される。１４０８では、アノードとカソードで行われる化学反応の組み合わせに基づいて、電力が生成される。１４１０では、除去された水は、随意的に、前記第１及び／又は第２反応剤を水蒸気で飽和させるのに使用される。

図１５は、液体移送の例を示す。１５０２では、アノードに、液相のメタノール及び水が供給される。１５０４では、カソードに、反応剤が供給される。１５０６では、少なくとも１つの電気浸透ポンプによって、少なくとも１つの液体が移動させられる。

図１６は、電気浸透ポンプを使用して酸化剤を燃料電池に移送する例を示す。この層は、次の順に示されている。カソード１６０２、酸化剤流路／電流コレクタ１６０４、マニホールド１６０６、上側貯蔵部１６０８、電気浸透ポンプ１６１０、及び下側貯蔵部１６１２。アノード又は膜は図示されていない。このような配列により、ポンプ１６１０は、マニホールド１６０６を介して下側貯蔵部１６１２から上側貯蔵部１６０８へ水を移送する。酸化剤ガスは、マニホールド１６０６に水が満たされたとき、酸化剤流路１６０４から追い出され、燃料電池から排出される。ポンプ１６１０は、その後、マニホールド１６０６から、随意的に上側貯蔵部１６０８から水を排出する。その結果、未使用の酸化剤が、酸化剤流路層１６０４に導入される。このサイクルは、その後、繰り返される。このように、ポンプ１６１０及び貯蔵部１６０８，１６１２の水の作用は、酸化剤流路１６０４から酸化剤を吸入及び排出する一種のダイヤフラム（diaphragm）としての役割を果たす。このシステムは、肺及び横隔膜の構成になぞらえることができる。酸化剤ガスは、その地域の気圧で吸入又は排出される通常の気体を用いることができる。これは、電気浸透ポンプの電力を減少させるが、水以外の液体を排出するのに有効である。空気と排出液との間の接合部分（interface）は、ピストン、流体界面、又は膜であり得る。

図１７は、積層されたシステムにおいて、平面状及び非平面状の電気浸透ポンプを使用する例を示す。この電気浸透ポンプは、複数の流路１７１８を有するアノード１７０２、膜１７０４、複数の流路１７２０を有するカソード層１７０６、上側電気浸透ポンプ１７０８、１つ以上の水平電気浸透ポンプ１７２６、下側電気浸透ポンプ１７１０、複数の流路１７２２を有するカソード１７１２、膜１７１４、及び複数の流路１７２４を有するアノード１７１６という様々な要素を有する。アノード流路１７１８，１７２４は、例えば、水素、又はメタン／水混合液などの反応剤を受け取る。カソード流路１７２０，１７２２は、酸化剤を受け取る。ポンプ１７０８，１７１０は、カソード流路１７２０，１７２２から、ポンプ１７０８，１７１０の接合部分及びそれらのカソード１７０６，１７１２を含んでいる平面に対して垂直な方向に、生成水を移送する。この生成水の垂直方向の流れは、酸化剤流路１７２０，１７２２から過剰水を排出する。積層された構造の燃料電池から生成水を排出するために、水平ポンプ１７２６は、ポンプ１７０８，１７１０の接合部分及びそれらのカソード１７０６，１７１２を含んでいる平面に対して水平な方向に、生成水を移送する。このように、電気浸透ポンプを使用して水平及び非水平方向に水を移送することによって、積層された燃料電池システムから生成水を除去することができる。

図１７に示す積層された燃料電池は、２つが向かい合った燃料電池であり、アノード／膜／カソードの積層が、次の燃料電池ユニットと異なる。また、アノード／膜／カソードの積層が、隣接して積層される燃料電池ユニットと共通するように、燃料電池スタックを構成することも可能である。その場合、生成水は、１つの燃料電池のカソードから次の燃料電池のアノードへ排出される。或いは、水は、各燃料電池ユニットのアノード及びカソードの両方から貯蔵部へ排出される。逆もまた同様である。

図１８Ａは、酸化剤流路層の一部としての電気浸透ポンプの例を示す。また、この分解図は、カソード３０８も示す。この流路層１８００に含まれる様々な要素としては、流路を有する固体ガス流路板１８０２（これらの板は、ほとんどの場合は導電性であり、電流コレクタとしての機能を果たす）、電気浸透ポンプ部分１８０４、流路入口１８０６、及び流路出口１８０８がある。このような構成により、酸化剤は、流路入口１８０６へ流入し、曲がりくねった経路を通り、流路出口１８０８から流出する。流路を通る酸化剤の流れは、生成水を流路から酸化剤の流れの方向に排出する。電気浸透ポンプ１８０４を有していない流路層の場合は、出口１８０８の近傍での水の蓄積によって、酸化剤の流れが著しく阻害され、カソードへの酸化剤の移送が著しく減少する。しかし、出口１８０８の近傍でポンプ１８０４を使用することによって、生成水を、前記板から隣の板へ垂直方向に排出することができる。ＥＯポンプ１８０４は流路層１８００のサイズのごく一部を占めるにすぎず、層１８００の標準的な部分１８０２が燃料電池の電流を通すので、電気抵抗が最小となる方法で構成することができる。ＥＯポンプ媒体部分１８０４の導電性は比較的弱いので、この構成は好都合である。

図１８Ｂは、酸化剤流路層の他の例を示す。この場合は、流路プレート１８２０，１８２２は、双極構造である。この分解図は、２つの流路板１８２０，１８２２を示しているが、カソード３０８又はアノード３０４は図示していない。カソード３０８は、上側プレート１８２０の上側に存在する。隣接して積層される燃料電池ユニットのためのアノード３０４は、下側プレート１８２２の下側に存在する。また、上側及び下側の流路プレート１８２０，１８２２の間で、反応剤及び酸化剤の流れが混合するのを阻害する部分的な層は図示していない。

この構成により、通常は過剰な液体の生成水を、カソード３０８から、乾燥した水素流れ３１６によって蒸発させることができるアノード３０４へ、送出することができる。この構成により、乾燥水素の入口１８１０が、生成水１８０８で飽和される酸化剤１８０８の近くになるように、反応剤流を酸化剤流の反対方向へ流すのに好都合である。或いは、出口１８１４を介して、このシステムから過剰の生成水を排出することもできる。部分的なＥＰポンプ表面を有するこの双極反応剤流路板は、燃料電池を積層化するのに有効である。また、この設計は、電流収集板の電気抵抗を最小限に抑える。

図１９は、電気浸透ポンプの例を示す。ポンプ１９００は、反応剤又は酸化剤をアノード又はカソードに移送する１つ以上の流路１９０２を有する。入口１９０４及び出口１９０８は、ポンプを通る流れを可能にする。入口１９０４から出口１９０８への経路は、図１８に示した流路入口１８０６から出口１８０８への経路よりも、ずっと直接的で平行な経路であることに留意されたい。平行な流路の構成は、通常は、曲がりくねった構成と比較すると、電力消費を大幅に節約する。

図２０は、組み込まれた電気浸透ポンプを備えた、空気を利用する燃料電池（air-breathing fuel cells）の例を示す。空気を利用する燃料電池２０００は、入力反応剤（例えば、加湿された水素、メタノール／水混合液）が供給されるアノード３０４、イオン透過膜３０６、燃料電池カソード３０８、多孔性基板２００２、ＥＯポンプ２００４、及び表面積が大きく親水性を有する水分蒸散層２００６を含んでいる。カソード３０８は、触媒層、カソードガス拡散層及びカソード電流コレクタから成る。多孔性基板２００２は、燃料電池電流を収集するために、例えばグラファイト又はステンレス鋼などの導電性材料から作成される。多孔性基板２００２は、酸化及び腐食を防止するために、例えば金や白金などの不活性層によって被覆される。カソード３０８の一部は、水分蒸散層２００６のみならず多孔性基板２００２、ＥＯポンプ・カソード３０８をも貫通する一連のオリフィス（orifice）２００８を介して、外気に露出される。その結果、外気中の酸素２０１０は、オリフィス２００８を通って燃料電池カソード３０８へ自由に到達することができる。酸素を使い果たした空気２０１２は、周囲に戻る。

図２１は、図２０に示した空気を利用する燃料電池の部分断面を示す。この実施形態では、外気からの酸素は、カソード３０８で陽子及び電子と反応して、生成水を生成する。この生成水は、その後、燃料電池の電流コレクタ及びＥＯポンプ・アノードの両方の機能を果たす多孔性基板２００２に入る。多孔性基板２００２内の生成水は、ＥＯポンプ２００４によって、表面積が大きく親水性を有する水分蒸散層２００６に送出される。表面積が大きい水分蒸散層２００６に送られた生成水は、周囲２０１４に蒸発する。

以上、本発明の好適な実施形態を記載したが、本発明の範囲及び精神から逸脱することなく、様々な変更や修正が可能であることは、当業者には明らかであろう。従って、本発明の範囲は、特許請求の範囲及びその均等範囲により決定されるべきである。

従来の水素燃料電池の例を示す。 従来の直接メタノール型燃料電池の例を示す。 電気浸透ポンプを備えた水素燃料電池の例を示す。 酸化剤流路を有する電気浸透ポンプの断面の例を示す。 電気浸透ポンプ基板の断面の例を示す。 電気浸透ポンプの動作原理の例を示す。 電気浸透ポンプを備えた水素燃料電池の例を示す。 燃料電池システムの例を示す。 燃料電池システムの例を示す。 流路ネットワーク板の例を示す。 電気浸透ポンプを備えた直接メタノール型燃料電池の例を示す。 電気浸透ポンプを備えた直接メタノール型燃料電池の例を示す。 電気浸透ポンプを備えた直接メタノール型燃料電池の例を示す。 酸化剤流を加湿するのに使用される装置の例を示す。 直接メタノール型燃料電池における、混合酸化剤流を加湿する装置の例を示す。 水の能動的制御の例を示す。 発電の例を示す。 液体移送の例を示す。 電気浸透ポンプを使用して酸化剤をポンピングする例を示す。 スタックされたシステムにおける、平面的で直列の電気浸透ポンプを使用する例を示す。 酸化剤流路層の例を示す。 酸化剤流路層の他の例を示す。 平行な反応剤ガス流路を有する電気浸透ポンプの例を示す。 電気浸透ポンプが組み込まれた、空気を利用する燃料電池の例を示す。 図２０に示した空気を利用する燃料電池の部分断面を示す。

Claims (47)

1. 燃料電池アノードと、
   燃料電池カソードと、
   前記燃料電池カソードへ又は前記燃料電池カソードから水を流動させるように配置された第１の電気浸透ポンプと
   を含み、
   前記第１の電気浸透ポンプは第１ポンプ電極と第２ポンプ電極とを含み、前記第１ポンプ電極は前記燃料電池カソードを含むことを特徴とする燃料電池・電気浸透ポンプシステム。
2. 請求項１に記載のシステムであって、
   前記第１の電気浸透ポンプは、前記燃料電池カソードと前記第１の電気浸透ポンプとの間に設けられた酸化剤流路を含む層に垂直な方向に水を排出することを特徴とするシステム。
3. 請求項１に記載のシステムであって、
   前記燃料電池アノードを前記第２ポンプ電極として使用することにより、必要とされる電極の数を減らすことを特徴とするシステム。
4. 請求項１に記載のシステムであって、
   複数の前記燃料電池が、直列に接続されることを特徴とするシステム。
5. 請求項１に記載のシステムであって、
   複数の前記燃料電池が、並列に接続されることを特徴とするシステム。
6. 請求項１に記載のシステムであって、
   前記燃料電池アノード、前記燃料電池カソード及び前記第１の電気浸透ポンプは、それぞれ層状に重なって前記燃料電池を構成し、
   前記第１の電気浸透ポンプは、前記燃料電池カソードに隣接して配置され、かつ前記燃料電池の層と平行な面に対して垂直な方向に水を排出することを特徴とするシステム。
7. 請求項１に記載のシステムであって、
   前記燃料電池アノード、前記燃料電池カソード及び前記第１の電気浸透ポンプは、それぞれ層状に重なって前記燃料電池を構成し、
   前記第１の電気浸透ポンプは、前記燃料電池カソードに隣接して配置され、かつ前記燃料電池の層と平行な面に対して平行な方向に水を排出することを特徴とするシステム。
8. 請求項１に記載のシステムであって、
   前記第１の電気浸透ポンプは、反応剤ガスを前記燃料電池カソードに移送することを特徴とするシステム。
9. 請求項１に記載のシステムであって、
   前記第１の電気浸透ポンプは、前記燃料電池カソードに隣接して配置され、前記燃料電池アノードへ水素を供給するための、前記第１の電気浸透ポンプと一体の水素供給一体型流路をさらに含むことを特徴とするシステム。
10. 請求項９に記載のシステムであって、
    前記第１の電気浸透ポンプは、前記水素供給一体型流路から水を排出するための水排出流路をさらに含むことを特徴とするシステム。
11. 請求項９に記載のシステムであって、
    前記第１の電気浸透ポンプは、乾燥した水素を加湿すべく、前記水素供給一体型流路へ水を移送することを特徴とするシステム。
12. 請求項１に記載のシステムであって、
    液体反応剤混合体を前記燃料電池アノードに供給するように前記燃料電池アノードと接触している第２の電気浸透ポンプをさらに含むことを特徴とするシステム。
13. 請求項１２に記載のシステムであって、
    前記第２の電気浸透ポンプは、前記燃料電池アノードへ前記液体反応剤混合体を供給するための流路を有していることを特徴とするシステム。
14. 請求項１に記載のシステムであって、
    前記燃料電池アノードは、当該燃料電池アノードへ液体反応剤混合体を供給するための無孔性流路構造を有し、
    該システムは、前記液体反応剤混合体を前記無孔性流路構造へ送達するための第３の電気浸透ポンプをさらに含み、
    前記第３の電気浸透ポンプは、該システムの層を含むことを特徴とするシステム。
15. 請求項１４に記載のシステムであって、
    前記第３の電気浸透ポンプは、前記液体反応剤混合体を排出する液体を送出することを特徴とするシステム。
16. 請求項１５に記載のシステムであって、
    前記送出される液体と前記排出される液体反応剤との間の接合部分をさらに含み、
    前記接合部分は、膜、気泡、流体界面、ダイヤフラム及びピストンからなるグループから選択されることを特徴とするシステム。
17. 請求項１に記載のシステムであって、
    前記燃料電池アノードは、触媒層、ガス拡散層及び電流収集層を有することを特徴とするシステム。
18. 請求項１に記載のシステムであって、
    前記燃料電池カソードは、触媒層、ガス拡散層及び電流収集層を有することを特徴とするシステム。
19. 請求項１に記載のシステムであって、
    燃料電池膜をさらに含み、前記燃料電池膜はイオン選択性膜であることを特徴とするシステム。
20. 請求項１９に記載のシステムであって、
    前記イオン選択性膜は、固体ポリマー電解質からなることを特徴とするシステム。
21. 請求項１に記載のシステムであって、
    前記第１の電気浸透ポンプは、前記燃料電池カソードに隣接して配置され、かつ酸素体を前記燃料電池カソードに供給するための流路を有することを特徴とするシステム。
22. 請求項２１に記載のシステムであって、
    前記流路は、多孔性導電層に沿っていることを特徴とするシステム。
23. 請求項２１に記載のシステムであって、
    前記流路は、前記燃料電池カソードと前記第１のポンプとの間の接合部分を含む平面と平行であることを特徴とするシステム。
24. 請求項１に記載のシステムであって、
    前記少第１の電気浸透ポンプは、多孔性ガラスフリットを含むことを特徴とするシステム。
25. 請求項１に記載のシステムであって、
    前記第１の電気浸透ポンプは、ガラス繊維布を含むことを特徴とするシステム。
26. 請求項１に記載のシステムであって、
    前記第１の電気浸透ポンプは、多孔性ポリマー層を含むことを特徴とするシステム。
27. 請求項１に記載のシステムであって、
    前記第１の電気浸透ポンプは、多孔性シリコン層を含むことを特徴とするシステム。
28. 請求項１に記載のシステムであって、
    前記第１の電気浸透ポンプは、多孔性酸化アルミニウム層を含むことを特徴とするシステム。
29. 請求項１に記載のシステムであって、
    カソード電流は、多孔性導電層によって収集され、前記多孔性導電層は、前記燃料電池カソードの層に重ねて配置されることを特徴とするシステム。
30. 請求項１に記載のシステムであって、
    カソード電流は、金属線によって収集されることを特徴とするシステム。
31. 請求項１に記載のシステムであって、
    カソード電流は、多孔性金属箔によって収集されることを特徴とするシステム。
32. 請求項１に記載のシステムであって、
    前記第１の電気浸透ポンプは、前記燃料電池カソードに隣接して配置され、ガス拡散層から水を直接的に除去することを特徴とするシステム。
33. 請求項１に記載のシステムであって、
    前記第１の電気浸透ポンプは、前記燃料電池カソードに隣接して配置され、かつ前記燃料電池カソードへ又は前記燃料電池カソードから水を移送し、
    前記第１の電気浸透ポンプは、酸化剤流を排出することを特徴とするシステム。
34. 請求項３３に記載のシステムであって、
    前記酸化剤が空気であることを特徴とするシステム。
35. 請求項３３に記載のシステムであって、
    前記酸化剤が酸素富化空気であることを特徴とするシステム。
36. 請求項１に記載のシステムであって、
    前記第１の電気浸透ポンプの外面の少なくとも一部は、多孔性導電層を含むことを特徴とするシステム。
37. 請求項３６に記載のシステムであって、
    前記多孔性導電層は多孔性白金であることを特徴とするシステム。
38. 請求項１に記載のシステムであって、
    前記第１の電気浸透ポンプは、親水性であり、自動プライミングを行うことを特徴とするシステム。
39. 請求項１に記載のシステムであって、
    前記第１の電気浸透ポンプは、自動調節を行うことを特徴とするシステム。
40. 請求項１に記載のシステムであって、
    前記反応剤ガスは、前記第１の電気浸透ポンプから除去された水を使用して、水蒸気によって水和されることを特徴とするシステム。
41. 請求項１に記載のシステムであって、
    当該システムは直接メタノール型燃料電池であり、
    前記第１の電気浸透ポンプによって除去された反応生成水は、反応剤流としてのメタノールと組み合わせられることを特徴とするシステム。
42. 請求項１に記載のシステムであって、
    前記第１の電気浸透ポンプは、生成水出口の近傍に配置されることを特徴とするシステム。
43. 請求項４２に記載のシステムであって、
    前記第１の電気浸透ポンプは、前記燃料電池カソードに隣接して配置され、
    前記第１の電気浸透ポンプの平面領域は、燃料電池膜の平面領域のごく一部であり、
    前記システムから第２のスタックされたシステムへの電流の電気抵抗は最小限に抑えられることを特徴とするシステム。
44. 請求項１に記載のシステムであって、
    前記第１の電気浸透ポンプは、多孔性カソード電流収集層を介して水を除去することを特徴とするシステム。
45. 請求項１に記載のシステムであって、
    前記燃料電池カソードはカソードガス拡散層とカソード触媒層とを含み、前記カソードガス拡散層及び前記カソード触媒層の一部は、大気に対して直接的に露出されることを特徴とするシステム。
46. 請求項４５に記載のシステムであって、
    前記第１の電気浸透ポンプの上部に、大きい表面積の親水性層が設けられることを特徴とするシステム。
47. 請求項１に記載のシステムであって、
    燃料電池カソード電流は、金網ワイヤによって収集されることを特徴とするシステム。

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