JP2009533818A - 改良された電気化学装置 - Google Patents
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Abstract
Description
外部回路を通して2つの電極を繋ぐことは、回路内に電流が流れることを引き起こし、セルから電力を引き出す。上述した別々の半セル反応の合計である全体的燃料電池反応は、電気エネルギーと熱を生成する。
(ii)シリコン技術;シリコンウェハー上の導電/非導電経路のパターニングか、反応物気体のためのチャネルの上に多孔性のシリコン層の複雑な構築物をウェハー内に作り出す方法の開発;
(iii)印刷回路ボード(PCB)技術;電気的に絶縁された複合材料上での銅の薄層の使用。
燃料電池装置の部品は、通常一緒に締め付けられる必要がある。低い内部抵抗は、あらゆる燃料電池装置の性能を向上するための鍵となるパラメータである。内部抵抗は、装置の部品の総内在抵抗、即ち活性層の抵抗と、GDL、膜、コンタクトの抵抗、である。一般に、燃料電池への締め付け力の印加は2つの目的のために働くことができる:
i)気体拡散層(GDL)を圧縮し、部品をお互いに対して(例えば、電流コレクターをGDLに対しておよび/またはGDLを膜電極アッセンブリー(MEA)に対して)押し付けることにより、GDLと部品間(即ち、コンタクト抵抗)の内在電気抵抗が低下する;
ii)締め付け圧力が、締め付けエリアを取り囲むシールの正しい機能に貢献する。
図9に示す従来技術の燃料電池では、陰極電流コレクターの導電性網の目202(例えば、金メッキされたステンレス鋼網の目)は平坦であり、弱くて柔軟な構造のものであった。結果として、締め付け力は締め付けバーの真下で最も高く、締め付けバーと垂直の方向に網の周縁に向けて減少する。
金メッキされた網の目と締め付けバーが単一の部品で置き換えられ、従って燃料電池装置の組立てのステップがより少なくなり、例えば部品の誤配置のようなエラーの危険がより少ないので、簡略化された構成、
この側面の締め付け装置の使用はよりコンパクトなデザインを導き、それは燃料電池装置のより高いパワー密度を与えることになるので、増加されたパワー密度、
という利点を有する。
図9に示す従来技術の燃料電池では、その中に気体チャネルが掘られていて、それにセルへの水素の提供のために気体毛細管が取り付けられた支持板が使われる。気体チャネルは支持板を通して伸び、気体チャネルの気体毛細管への接続は支持板の側面に位置している。支持板は、典型的にはプレキシグラスのような堅い材料で作られている。気体チャネルは、接続を許容するために気体毛細管の直径を超える直径を有さなければならない。従って、支持板の厚さは気体毛細管の外径を超えなければならず、よって数ミリメータ、例えば2−3mm、になる。支持板の厚さは、図9に示す燃料電池のパワー密度に限度を設定する。
従来技術の燃料電池装置では、燃料(例えば、水素気体)は板の短い端を通して支持板に入る。この解決策では、支持板の気体入口開口部は、気体毛細管の先端を受けることができなければならず、それは気体毛細管の外径を超える支持板の厚さを示唆する。より薄い支持板の使用を許容するであろう、燃料電池装置に気体を提供する代替的なやり方を見つけることが有利であろう。
図9に示す従来技術の燃料電池装置では、燃料電池装置の端電流コレクターは、お互いから距離を置いて異なる位置に置かれており、それは端電流コレクターからの電流導線の接続を複雑にする。本発明は、例えばマイクロ燃料電池システムのパワーエレクトロニクスへの、燃料電池装置の電流コレクターの接続のための簡略化された解決策を提供することを目的とする。
この構成では、締め付けは、締め付け板または支持板の周縁だけに設けられるのではなく、それは支持板の中間にも置くことができても良い。
図9に示したもののような燃料電池装置は、周辺環境の温度に敏感である。もし温度が0℃に近いかそれより低ければ、燃料電池装置内部の触媒反応と陽子伝導性は温度に敏感なので、装置からハイパワーを得ることは困難である。更に、もし装置が0℃に近いかそれより低い温度で作動されると、燃料電池装置の使用中に(凝集された形の)水が形成され、それは低下した性能を導くかもしれないという問題があり得る。よって、周辺環境よりも高い温度に燃料電池装置を保つことができる必要がある。
鋼鉄板を持つ4セルユニット
この例では、各セルが2.1cm2活性表面を有する4セルユニットが組み立てられる。偏極曲線データが、例1として下のテーブルに提示されている。この燃料電池の締め付け手段は、15mm×14mmの気体拡散層(GDL)と同じサイズの長方形穴を有する1mm厚の鋼鉄板であった。穴上で中心にあるが両面接着剤によって鋼鉄板からは電気的に絶縁された、17mm×23mmでcm当り650個の穴の網の目を有した4つの金メッキされた鋼鉄網も使われた。膜電極アッセンブリー(MEA)は、GoreからのPrimea 58(0.4mgPtcm−2陰極、0.4mgPtcm−2陽極、18μm厚膜)であった。GDLは、それらのマイクロ多孔側をMEAに向けられた、GoreからのCarbel製品であった。
セルが正方形に置かれた4セルユニット
他の例では、60mm×40mmの寸法の正方形にセルが置かれた4セルユニットが組み立てられてテストされた。ここではスクリューによって正方形の中心で締め付けが起こるので、この例の締め付けは例1とは異なる。また、締め付けの陰極側は、支持板よりも大きい平坦な内部表面を有する硬いプラスチックボックスの筐体である。金メッキされた鋼鉄網と両面接着剤が、前のものと同様のやり方でこの例でも使われた。この例のMEAとGDLのような部品とアッセンブリーは、正方形構造にフィットするやり方で気体フローチャネルが異なるようにデザインされた以外は、前に述べたものと同様であった。この例と上に挙げたものとのもう一つの違いは、燃料電池の総活性エリアであり;この場合にはそれは5.28cm2で、例1よりも少ない。
湾曲した表面を持つ4セルユニット
この例は、例1と同様の4セル装置であり、事実セル当り2.1cm2の同一の活性エリア表面も有する。金メッキされた鋼鉄網と両面接着剤が、前の2つのものと同様のやり方でこの例でも使われた。しかし、第一の例とこれの間には2つの大きな違いがある。第一に、セルは、36mmの外径の彎曲した支持板表面上に作成される。セルのアッセンブリーは前の場合と同様になされたが、今回MEAとGDLは彎曲した表面の周りに巻かれ、よってアーチ形になっている。陰極側の締め付けは、彎曲した表面に渡って貼り付けられた0.05mm厚の薄いステンレス鋼フォイルであった。そして第二に、この例で使われたMEAは、GoreからのPrimea 5710(0.4mgPtcm−2陰極、0.1mgPtcm−2陽極、18μm厚膜)である。
Claims (29)
- 支持板の一表面上で直列接続に配置された少なくとも2つの燃料電池を含んだ平面構成空気呼吸ポリマー電解質電気化学装置であって、燃料電池(2’、2’’、2’’’;943)は、支持板の面積よりも大きな面積を有する軸受け板(218;942)に対して押し付けるように配置されていることを特徴とするもの。
- 軸受け板(942)は、例えば各燃料電池(943)のエリア内に位置する穴(944)である気体浸透性部を含む、請求項1の装置。
- 板(942)は、携帯電話のような製品のアーチ形または彎曲した筐体である、請求項1または2のいずれか一つの装置。
- 支持板(309、310、311)は、サンドイッチ構造の少なくとも3層からなり、端層は気体入口および気体出口を形成するのに使われる一方、中間層は異なる気体入口と出口の間に気体チャネルを作るのに使われる、請求項1−3のいずれか一つの装置。
- 前記空気呼吸ポリマー電解質燃料電池の各々は、
−陽極電流コレクターと、
−陰極電流コレクターと、
―固体イオン導電ポリマー膜電解質、陽極、陽極気体裏板、陰極、陰極気体裏板からなる膜電極アッセンブリーからなり、
前記膜電極アッセンブリーは、陽極気体裏板が陽極電流コレクターに向けられて取り付けられ、陰極気体裏板が陰極電流コレクターに向けられて取り付けられるように前記陽極電流コレクターと前記陰極電流コレクターの間に配置され、
膜電極アッセンブリーは、接着剤によって密封されて陽極電流コレクターに直接取り付けられ、
前記接着剤は、陽極気体裏板に隣接して対応する第一の領域と、第一の領域を取り囲む第二の領域をカバーし、それにより膜電極アッセンブリーと陽極電流コレクターの間にシールを作成し、よって陽極気体チェンバーを作成し、前記接着剤は少なくとも第一の領域において電気的に導電性である、
請求項1−4のいずれか一つの装置。 - 支持板(211)は、サンドイッチ構造の少なくとも3層からなり、第一の外側層は燃料気体入口(201)からなり、中間層は気体チャネルを形成する開口孔(221、224)からなり、第二の外側層は各燃料電池の燃料電池気体チェンバーへの/からの気体の入口と出口のための開口部(222、223)からなる、請求項1−5のいずれか一つの装置。
- 支持板の一端に気体接続手段が設けられている、請求項1−6のいずれか一つの装置。
- 膜電極アッセンブリーは、接着剤によって密封されて陽極電流コレクターに直接取り付けられ、その接着剤は、陽極気体裏板に隣接して対応する第一の領域と、第一の領域を取り囲む第二の領域をカバーし、それにより膜電極アッセンブリーと陽極電流コレクターの間に封印を作成し、よって陽極気体チェンバーを作成し、前記接着剤は少なくとも前記第一の領域において電気的に導電性である、請求項1−7のいずれか一つの装置。
- 支持板(111)上で直列接続に配置された少なくとも2つの燃料電池(1’、1’’)を含んだ平面構成空気呼吸ポリマー電解質電気化学装置であって、燃料電池(1’、1’’)は、支持板(111)の反対側の表面上に対になって配置されていることを特徴とするもの。
- 支持板(111)は、サンドイッチ構造の少なくとも3層からなり、第一の外側層(309)は燃料気体入口(301)からなり、中間層(310)は気体チャネルを形成する開口孔(302、308)からなり、第二の外側層(311)は燃料電池気体チェンバーへの/からの気体の入口と出口のための開口部(303、304)からなる、請求項9の装置。
- 支持板(111)は、その上に燃料電池(1’、1’’)が配置されたメイン支持板部(112、312)と端板部(113、313)からなり、最初の燃料電池(1’)の陰極電流コレクター(105)と最後の燃料電池(1’’)の陽極電流コレクター(107)は端板部(113,313)の表面エリアまで伸び、前記端板部は電流コレクターコンタクトへの接続のために適応されている、請求項9または10の装置。
- 支持板の端板部に気体接続手段が設けられている、請求項11の装置。
- 締め付け手段は、アーチ形締め付けバーまたは締め付け板の形状を有する、請求項9−12のいずれか一つの装置。
- 前記燃料電池(1’、1’’)の各々は、陽極電流コレクター(106a、107)と、陽極気体拡散層(108)と、陰極気体拡散層(110)と、陰極電流コレクター(105、106b)と、固体イオン導電ポリマー膜電解質、陽極、陰極からなる膜電極アッセンブリー(109)からなり、前記膜電極アッセンブリー(109)と気体拡散層(108、110)は、陽極気体チェンバーを規定するように陽極気体拡散層が陽極電流コレクターに向けられて取り付けられ、陰極気体拡散層が陰極電流コレクターに向けられて取り付けられるように、前記陽極電流コレクター(106a、107)と前記陰極電流コレクター(105、106b)の間に配置される、請求項9−13のいずれか一つの装置。
- 膜電極アッセンブリーは、接着剤によって密封されて陽極電流コレクターに直接取り付けられ、その接着剤は、陽極気体裏板に隣接して対応する第一の領域と、第一の領域を取り囲む第二の領域をカバーし、それにより膜電極アッセンブリーと陽極電流コレクターの間にシールを作成し、よって陽極気体チェンバーを作成し、前記接着剤は少なくとも前記第一の領域において電気的に導電性である、請求項9−14のいずれか一つの装置。
- 請求項1−6の平面構成空気呼吸ポリマー電解質電気化学装置の接続のための電流コレクターコンタクトであって、電気化学装置の支持板(311)の端板部(313)が開口孔に挿入された時に、陽極電流コレクター(107)と陰極電流コレクター(105)に接触するように、コンタクト手段(704)が設けられた伸長された開口孔(703)からなるもの。
- 燃料電池の締め付けのための締め付け装置(4a、b、c)であって、その装置は、載置部材を受けるためのその端部(43a、b、c)に、燃料電池に対して締め付け装置を締めてしっかり締め付けるための手段(41a、b、c)を有する締め付けバー(40a、b、c)からなり、締め付けバーはアーチ形の形状を有することを特徴とするもの。
- 締め付けバー(40a、b、c)は、端部(43a、b、c)よりも高い曲げ抵抗を中央部(44a、b、c)において有する、請求項17の締め付け装置。
- 締め付けバー(40a)は、中央部(44a)が端部(43a)よりも高い硬度を有するように、一様な厚さを有し、非一様な材料硬度を有する材料から作られている、請求項18の締め付け装置。
- 締め付けバー(40b)は、中央部(44b)が端部(43b)よりも高い厚さを有するように、一様な材料硬度と非一様な厚さを有する、請求項18の締め付け装置。
- 締め付けバー(40c)は、中央部(44c)が端部(43c)よりも高い曲げ彎曲を有するように、一様な厚さと非一様なアーチ形の形状を有する、請求項18の締め付け装置。
- 載置部材を受けるための手段(41)は、伸長された板(40)の各端部に位置する開口部である、請求項17−21のいずれか一つの締め付け装置。
- 燃料電池の締め付けのための締め付け装置(4d)であって、その装置は、空気アクセスのための開口部が設けられ、載置部材を受けるためのその角部(43d)に、燃料電池に対して締め付け装置を締めてしっかり締め付けるための手段(41d)を有する締め付け板(40d)からなり、中央部44dが2つの垂直な方向に曲げられるように締め付け板は彎曲していることを特徴とするもの。
- 燃料電池の締め付けのための締め付け装置(4e)であって、その装置は、実質的に平坦な前側(47)と、後ろ側(48)を有する締め付け板(40e)からなり、それは固体部(45)と開口孔部(46)からなり、前記開口孔部は、前記開口孔部の中央部(44e)が後ろ側(48)の方向にふくらむように、弾力性材料から構成されアーチ形であるかまたは彎曲していることを特徴とするもの。
- 請求項17−24のいずれか一つに請求された締め付け装置からなる燃料電池。
- 燃料入口チャネルと燃料出口(308)からなる燃料電池支持板であって、前記燃料入口チャネルは、燃料サプライへの接続のための入口開口部(301)と、燃料電池陽極気体チェンバーへの接続のための出口開口部(303)を有し、支持板は、少なくともサンドイッチ構造の第一の外側層(309)、中間層(310)、第二の外側層(311)からなり、前記燃料入口チャネルは第一および第二の外側層(309,311)の表面との組み合わせで中間層(310)内の伸長された開口孔(302)によって閉じ込められ、前記入口開口部(301)は伸長された開口孔(302)の一端に隣接して第一の外側層(309)内に配置され、前記出口開口部(303)は伸長された開口孔の他の端に隣接して第二の外側層(311)内に配置されていることを特徴とするもの。
- 支持板の一つの側から支持板の反対側への燃料の伝導のための燃料転送チャネルから更になる、請求項26の支持板。
- 電流コレクターコンタクトへの接続のための電流コレクター部(312)からなり、その電流コレクター部は支持板から伸びている、請求項26または27の支持板。
- 燃料入口チャネルの入口開口部(301)は電流コレクター部(312)に設けられている、請求項26の支持板。
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