JP4981251B2 - 膜電気化学発電機 - Google Patents

Description

本発明はサイズを小さくした膜電気化学発電機に関する。

膜電気化学発電機に基づいて化学的エネルギーを電気エネルギーへとエネルギー変換する処理が当技術分野で知られている。
図１には、膜電気化学発電機の一例が模式的に示されている。

電気化学発電機１は、相互に直列に接続されると共にフィルタ・プレス構成に従って組み立てられた複数の反応セル２によって形成される。
それぞれの反応セル２は、第１の気体状反応物（燃料）の反応の自由エネルギーを、第２の気体状反応物（酸化剤）を用いて、劣化させることなしに、完全に熱エネルギーの状態へと変換するものであり、従って、カルノー・サイクルの制限を受けない。この燃料は、反応セル２のアノード側チェンバへ供給されるものであり、例えば水素や、メタノールやエタノールなどの軽アルコールを含んだ混合物からなり、一方、酸化剤は、同じセルのカソード側チェンバへ供給されるものであり、例えば空気又は酸素からなる。この燃料は、アノード側チェンバで酸化されると同時にＨ⁺イオンを放出するものであり、一方、酸化剤は、カソード側チェンバで還元され、Ｈ⁺イオンを消費する。アノード側チェンバとカソード側チェンバとを分離するイオン交換膜によって、アノード側チェンバからカソード側チェンバへのＨ⁺イオンの連続した流れが可能とされ、一方、電子の通過を妨げる。このようにして、反応セル２の極で確立される電位の差が最大化される。

より詳細には、それぞれの反応セル２は平らな面を有する一対の導電性のバイポーラ・プレート３によって区画され、この間に外側に向かって、イオン交換膜４と、一対の多孔性電極５と、膜４と多孔性電極５の各々との間の界面に配された一対の触媒層６と、気体状反応物を分配し、導電性バイポーラ・プレート３を多孔性電極５へ電気的に接続する一対の電流コレクタ／ディストリビュータ７と、気体状反応物を脱出させないように反応セル２の周囲を封止することを目的とした一対の封止用ガスケット８とを備える。

各反応セル２の導電性のバイポーラ・プレート３及び封止用ガスケット８には、図１には示していない第１の開口が存在し、この第１の開口は、このセル自体のアノード側チェンバ及びカソード側チェンバへ、同じく図１には示していない分配チャネルを通して、接続される。この分配チャネルは、封止用ガスケット８の厚み内に得られ、櫛形の構造を有する。これらは、均等な様式で各反応セル２内で気体状反応物及び反応生成物を分配および収集し、この後者はオプションの残留反応物と混合される。

封止用ガスケット８には更に、冷却用流体（典型的には、脱イオン水）の通過のための第２の開口を備える。
上述した開口の間の結合によって、２つの上側長軸方向ダクト９、２つの下側長軸方向ダクト１０、並びに図１には示していない横側ダクトの形成体が決定される。図１には２つの上側長軸方向ダクト９のうちの１つだけを表しており、上側長軸方向ダクト９は、気体状反応物（燃料及び酸化剤）用の供給用マニホールドを画定し、図１には２つの下側長軸方向ダクト１０のうちの１つだけを表しており、下側長軸方向ダクト１０は、オプションの残留反応物（不活発性ガス及び反応物の未変換部分）と混合された反応生成物（水）向けの放出マニホールドを画定し、一方、横側ダクトは、冷却用流体向けの供給用マニホールドを画定する。代替の形態の１つとして、下側長軸方向ダクト１０は供給用マニホールドとして使用されることがあり、また上側長軸方向ダクト９は放出マニホールドとして使用されることがある。また、２つの気体状反応物のうちの一方は、上側長軸方向ダクト９のうちの１つを通して、対応する下側長軸方向ダクト１０を放出用に使用して、供給することが可能であり、もう一方の気体状反応物は、もう一方の下側長軸方向ダクト１０を通して、対応する上側長軸方向ダクト９を放出用に使用して、供給することが可能である。

反応セル２のアセンブリの外部には、電気化学発電機１を区画する２つの導電端子プレート１１が存在する。２つの導電端子プレート１１のうちの一方には、上側及び下側の長軸方向ダクト９及び１０と、横側ダクトとの水力学的な接続のための、図１には示していないノズルを備える。更に、双方の導電端子プレート１１には、電気化学発電機１の締め付けを達成するためのタイロッドを収容するために、適当な穴（同じく図１には示していない）を備える。

周知の電気化学発電機１はまた、反応セル２の間に配置された複数の冷却用セル（図１には示していない）を、同じ反応セルを基準として１：１、１：２又は１：３の比で備える。これらの冷却用セルは、全体として反応セル２と類似であるが、これらが、その内面上にイオン交換膜４、多孔性電極５及び触媒層６によって構成された電気化学的パッケージを備えていない点が異なる。

この周知の電気化学発電機１は、幾つかの態様では有利であるが、全体サイズが、封止用ガスケット８の厚さによって決定される限界値未満には実現できないという欠点を示す。実際に、封止用ガスケット８の厚さは分配用チャネルの実現を可能としなければならない。

導電性バイポーラ・プレートの面上に得られたチャネルを通して気体状反応物が直接分配される膜電気化学発電機も知られている。この場合には、その分配用チャネルは、気体を通過させるための経路の役割をすると共に電極面の大部分をカバーし、上側長軸方向ダクトを下側長軸方向ダクトに接続する。また、これらの電気化学発電機は、その分配用チャネルを薄肉のプレートを用いて実現するのが技術的に困難であるので、反応セルの厚さが過剰に厚くなる。

本発明の目的は、上述した欠点のない膜電気化学発電機を提供することである。

本発明によれば、請求項１に規定した膜電気化学発電機が提供される。

本発明の理解を深めるために、その一実施形態を、限定のためではない単なる一例として、添付の図面を参照しながらここに記載する。
図２は、相互に直列に接続され且つフィルタプレス型構成に従って組み立てられた複数の反応セル１０１及び複数の冷却用セル１０２によって形成された膜電気化学発電機１００一部分の断面図を示し、各冷却用セル１０２は、一対の反応セル１０１の間に配置されている。

より詳細には、各反応セル１０１は、平らな面を備えた一対の導電性のバイポーラ・プレート１０３よって区画されており、この間に、外側に向かって、イオン交換膜１０４と、一対の多孔性電極１０５と、導電性バイポーラ・プレート１０３を多孔性電極１０５に電気的に接続する一対の電流コレクタ／ディストリビュータ１０６と、気体状反応物が抜け出るのを避ける目的で反応セル１０１の周囲を封止することを目的とした一対の封止用ガスケット１０７とを備える。

図３ａ、図３ｂに表した導電性バイポーラ・シート１０３は、実質的に矩形の形状と、０．１〜０．４ｍｍの典型的な厚さとを有する。これらは、第１及び第２の上側開口１０８ａ₁、１０８ａ₂、第１及び第２の下側開口１０８ｂ₁、１０８ｂ₂、および横側開口１０９が設けられた周囲部分１０８を呈する。また、この周囲部分１０８には、電気化学発電機１００の締め付けを達成するためのタイロッドを収容するための複数の開口１１０を備える。

図３ｂに示すように、封止用ガスケット１０７は、モールジング（注入又は圧縮）、機械的アンカー固定、又はスティッキング（sticking、くっつけること）によって、各導電性バイポーラ・プレート１０３の１つの面上のみに敷設される。これらは、反応セル１０１の作用面積を区画するだけではなく、電流コレクタ／ディストリビュータ１０６のための台座も提供している。

詳細には、封止用ガスケット１０７は、例えば、シリコーン、エラストマなどの柔らかい材料で製作され、１０分の１ミリメートルの数倍から数ミリメートルまでの間で様々な値を取り得る最終的な厚さを呈する。

各導電性バイポーラ・プレート１０３はまた、０．１ｍｍと５ｍｍの間の直径を有する複数の上側校正済み穴１１３ａと複数の下側校正済み穴１１３ｂを備える。隣接する冷却用セル１０２から進んできた気体状反応物はこれら複数の上側校正済み穴１１３ａを通って流れる、反応生成物及び残留反応物はこれら複数の下側校正済み穴１１３ｂを通って反応セル１０１から出て行く（これについては、以下でより詳細に説明する）。上側校正済み穴１１３ａは、気体状反応物の一様な分配を保証する目的で相互に位置合わせされると共に、第１及び第２の上側開口１０８ａ₁、１０８ａ₂の下に配置される。下側校正済み穴１１３ｂは、相互に位置合わせされると共に、第１及び第２の下側開口１０８ｂ₁、１０８ｂ₂の上に配置される。上側校正済み穴１１３ａと下側校正済み穴１１３ｂの両者は、反応セル１０１の作用面積をより有効に活用できるようにするために、封止用ガスケット１０７から約１ｍｍの距離に配置される。

電気化学発電機１００の組み立ての間において、すべての導電性バイポーラ・プレート１０３の第１の上側開口１０８ａ₁と第２の上側開口１０８ａ₂の間の結合によって、２つの上側長軸方向ダクト１１１の形成が決定され、すべての導電性バイポーラ・プレート１０３の第１の下側開口１０８ｂ₁と第２の下側開口１０８ｂ₂の間の結合によって、２つの下側長軸方向ダクト１１２の形成が決定される。図２では２つの上側長軸方向ダクト１１１のうちの１つだけを表しており、２つの上側長軸方向ダクト１１１は気体状反応物（燃料及び酸化剤）供給用マニホールドを画定するものであり、他方、図２では２つの下側長軸方向ダクト１１２のうちの１つだけを表しおり、２つの下側長軸方向ダクト１１２はオプションの残留反応物と混合された反応生成物の放出マニホールドを画定する。代替の形態の１つとして、下側長軸方向ダクト１１２は供給用マニホールドとして使用され、上側長軸方向ダクト１１１は放出マニホールドとして使用されることがある。また、２つの気体状反応物のうちの一方を、２つの上側長軸方向ダクト１１１のうちの１つを通して、対応する下側長軸方向ダクト１１２を放出用に使用して、供給し、もう一方の気体状反応物を、もう一方の下側長軸方向ダクト１１２を通して、対応する上側長軸方向ダクト１１１を放出用に使用して、供給することが可能である。

更に、すべての導電性バイポーラ・シート１０３の横側開口１０９の結合によって、冷却用流体を通過させるための図２には示していない横側ダクトの形成が決定される。
ここで図４ａ、４ｂを参照すると、各冷却用セル１０２は、実質的に矩形の形状、並びに反応セル１０１の寸法と同等の寸法を有する。各冷却用セル１０２は、２つの気体状反応物のための分離用の面の役割をするプラスチック又は金属から製作された剛性の周囲部分１０２ａと、熱交換がそれを介して行われる電流コレクタ／ディストリビュータ１０６の台座を提供するための中空の中心部分１０２ｂとを備える。剛性の周囲部分１０２ａには、第１及び第２の上側開口１１４ａ₁、１１４ａ₂、第１及び第２の下側開口１１４ｂ₁、１１４ｂ₂、並びに横側開口１１５を備える。フィルタ・プレス構成では、冷却用セル１０２の第１及び第２の上側開口１１４ａ₁、１１４ａ₂は、反応セル１０１の第１及び第２の上側開口１０８ａ₁、１０８ａ₂と連携して、２つの上側長軸方向ダクト１１１を形成し、一方、冷却用セル１０２の第１及び第２の下側開口１１４ｂ₁、１１４ｂ₂は、反応セル１０１の第１及び第２の下側開口１０８ｂ₁、１０８ｂ₂と連携して、２つの下側長軸方向ダクト１１２を形成する。冷却用セル１０２の横側開口１１５は、反応セル１０１の横側開口１０９と連携して、冷却用流体の供給用マニホールドを形成する。剛性の周囲部分１０２ａはまた、電気化学発電機１００の締め付けを達成するためのタイロッドを収容するための複数の穴１１６を備える。

更に、各冷却用セル１０２は、剛性の周囲部分１０２ａの両面上に敷設されたガスケット１１７を備え、このガスケット１１７により、この周囲部分の各面上において、第１及び第２の上側開口１１４ａ₁、１１４ａ₂の下に配置された気体状反応物の収集ゾーン１１８ａと、第１及び第２の下側開口１１４ｂ₁、１１４ｂ₂の上側に配置された、反応生成物及び残留反応物の収集ゾーン１１８ｂと、２つの上側開口１１４ａ₁、１１４ａ₂のうちの一方を気体状反応物の収集ゾーン１１８ａに接続するための供給用チャネル１１９と、反応生成物及び残留反応物の収集ゾーン１１８ｂを下側開口１１４ｂ₁、１１４ｂ₂のうちの１つに接続するための放出チャネル１２０と、気体状反応物の収集ゾーン１１８ａおよび反応生成物及び残留反応物の収集ゾーン１１８ｂに対応して配置された冷却用流体の流入及び流出のための横側チャネル１２１とを画定する。このフィルタ・プレス構成において、気体状反応物の収集ゾーン１１８ａは上側校正済み穴１１３ａに被せられ、一方、反応生成物及び残留反応物の収集ゾーンは下側校正済み穴１１３ｂに被せられる。このガスケット１１７は、冷却用セル１０２内における気体状反応物の通過、反応生成物の通過、並びに残留反応物の通過を妨げるために、気体状反応物の収集ゾーン１１８ａ、並びに反応生成物及び残留反応物の収集ゾーン１１８ｂを封止する。

更に、このガスケット１１７は、反応セル１０１の封止用ガスケット１０７によって加えられる締め付け／組み立ての負荷に適合する柔らかい材料（シリコン、エラストマなど）で製作され、モールジング（注入又は圧縮）、機械的アンカー固定、又はスティッキングを介して剛性の周囲部分１０２ａ上に敷設される。

電気化学発電機１００は以下のように動作する。上側長軸方向ダクト１１１を通って電気化学発電機１００に供給される気体状反応物（燃料及び酸化剤）は、供給用チャネル１１９を通って気体状反応物の収集ゾーン１１８ａへ流れ込む。気体状反応物は、冷却用セル１０２内への流入が防止されており、気体状反応物はここから、隣接する反応セル１０１（図５）の導電性バイポーラ・プレート１０３上に配された複数の上側校正済み穴１１３ａを通って伝達される。このようにして、気体状反応物は、適正な反応が行われる反応セル１０１の作用面積へ到達する。

反応セル１０１内で生成された反応生成物及び残留反応物は、同じ反応セル（図５）の導電性バイポーラ・プレート１０３上に配置された複数の下側校正済み穴１１３ｂを通って伝達されて、隣接する冷却用セル１０２の放出生成物の収集ゾーン１１８ｂへ到達する。ここから、これらは放出チャネル１２０を通って電気化学発電機１００から出て行く。

横側ダクトを通って供給された冷却用流体は、横側チャネル１２１を通って冷却用セル１０２に入って出るものであり、こうしたセルの内部での流体の分配は電流コレクタ／ディストリビュータ１０６に委任される。

従って、本発明によれば、冷却用セル１０２は、冷却用流体を通すためのチャンバと、気体状反応物、反応生成物、及び残留反応物を通すためのチャンバとしての、二機能を実行する。

膜電気化学発電機１００によって実現することができる利点を以下に示す。
第１に、膜電気化学発電機１００は、周知の電気化学発電機と比べて全体サイズが著しい低減される。実際に、封止用ガスケットの厚みの内部に得られていた分配用チャネルを、導電性バイポーラ・プレート１０３上で実現させた上側および下側の校正済み穴１１３ａ及び１１３ｂに置き換えることによって、最小厚さのコンポーネント、特にガスケットに関して、の利用が可能となる。

更に、分配用チャネルを校正済み穴に置き換えることによって、ガスケット１０７及びガスケット１１７の封止の改善が可能となり、これは結果的に完全に平坦になる。最終的に、開示した電気化学発電機１００に対して、本発明の範囲を逸脱することなく修正及び変更が可能であることは明らかである。

図１は、従来技術によって実現される膜電気化学発電機の側面の分解図を示す。 図２は、本発明によって実現される膜電気化学発電機の一部分の断面を示す。 図３ａは、図２の電気化学発電機のコンポーネントの正面図を示す。 図３ｂは、図２の電気化学発電機のコンポーネントの正面図を示す。 図４ａは、図２の電気化学発電機の別のコンポーネントの正面図を示す。 図４ｂは、図２の電気化学発電機の別のコンポーネントの正面図を示す。 図５は、図２の電気化学発電機内における気体状反応物の経路を示す。

Claims (8)

1. 気体状反応物の供給を受けるものであり、相互に直列に接続され且つフィルタプレス型構成に従って組み立てられた複数の反応セル（１０１）と、それそれが一対の反応セル（１０１）の間に配置される複数の冷却用セル（１０２）とを備える膜電気化学発電機であって、
   各反応セル（１０１）は、実質的に矩形状の平坦な面を有する一対の導電性バイポーラ・プレート（１０３）によって区画されており、前記一対の導電性のバイポーラ・プレートの間には、外側に向かって、イオン交換膜（１０４）と、一対の多孔性の電極（１０５）と、前記導電性バイポーラ・プレート（１０３）を前記多孔性の電極（１０５）に電気的に接続する一対の電流コレクタ／ディストリビュータ（１０６）とが備えられ、
   前記バイポーラ・プレート（１０３）は、前記バイポーラ・プレート（１０３）の上側の半部を構成する上側領域と、前記バイポーラ・プレート（１０３）の下側の半部を構成する下側領域とを備え、更に、前記上側領域の周囲部分（１０８）に設けられる第１開口（１０８ａ₁、１０８ａ₂）と、前記下側領域の周囲部分（１０８）に設けられる第２開口（１０８ｂ₁、１０８ｂ₂）とを有し、
   前記第１開口（１０８ａ₁、１０８ａ ₂ ）が、気体状反応物の供給用マニホールドを画定する上側のダクト（１１１）の構成を決定し、前記第２開口（１０８ｂ ₁ 、１０８ｂ ₂ ）が、反応生成物の放出用マニホールドとを画定する下側のダクト（１１２）の構成を決定するものであり、
   前記発電機は、
   前記導電性バイポーラ・プレート（１０３）が、隣接した冷却セルからの前記気体状反応物の通路のためと、および前記反応生成物の放出のためとの、それぞれのために、複数の第１の穴（１１３ａ）と複数の第２の穴（１１３ｂ）とを備え、前記複数の第１の穴（１１３ａ）は、相互に位置合わせされ、前記バイポーラ・プレートの前記上側領域に位置し、前記第１開口（１０８ａ₁、１０８ａ₂）の下に配置されるものであり、前記複数の第２の穴（１１３ｂ）は、相互に位置合わせされ、前記バイポーラ・プレートの前記下側領域に位置し、前記第２開口（１０８ｂ₁、１０８ｂ₂）の上に配置されるものであり、
   それそれの冷却用セル（１０２）が、剛性の周囲部分（１０２ａ）と中空中心部分（１０２ｂ）とを備え、前記中空中心部分（１０２ｂ）は、対応する電流コレクタ／ディストリビュータ（１０６）の台座を提供し、前記剛性の周囲部分（１０２ａ）は、供給用開口（１１４ａ₁、１１４ａ₂）及び放出開口（１１４ｂ₁、１１４ｂ₂）を備え、前記供給用開口（１１４ａ₁、１１４ａ₂）は、前記導電性バイポーラ・プレートの前記第１開口（１０８ａ₁、１０８ａ₂）と連携して、供給用ダクト（１１１）を形成するものであり、前記放出開口（１１４ｂ₁、１１４ｂ₂）は、前記導電性バイポーラ・プレートの前記第２開口（１０８ｂ₁、１０８ｂ₂）と連携して、放出ダクト（１１２）を形成するものであり、
   前記剛性の周囲部分（１０２ａ）は、各面上において第１のガスケット（１１７）により覆われるものであり、前記第１のガスケット（１１７）は、前記剛性の周囲部分（１０２ａ）の各面上において、前記気体状反応物の収集ゾーン（１１８ａ）と、前記反応生成物の収集ゾーン（１１８ｂ）と、前記供給用開口（１１４ａ₁、１１４ａ₂）のうちの１つを前記気体状反応物の前記収集ゾーン（１１８ａ）に接続するための供給用チャネル（１１９）と、前記反応生成物の前記収集ゾーン（１１８ｂ）を前記放出開口（１１４ｂ₁、１１４ｂ₂）のうちの１つに接続するための放出チャネル（１２０）とを画定するものであり、
   前記第１のガスケット（１１７）は、前記気体状反応物の前記収集ゾーン（１１８ａ）と、前記反応生成物の前記収集ゾーン（１１８ｂ）とを封止して、前記冷却用セル（１０２）内において前記気体状反応物および前記反応生成物の通過を妨げるようにし、前記気体状反応物の前記収集ゾーン（１１８ａ）は、前記第１の穴（１１３ａ）に被せられ、前記反応生成物の前記収集ゾーン（１１８ｂ）が前記第２の穴（１１３ｂ）に被せられるものである、
   ことを特徴とする膜電気化学発電機。
2. 請求項１に記載の発電機であって、前記第１の穴及び前記第２の穴（１１３ａ、１１３ｂ）は、第２のガスケット（１０７）の内側縁部から１ｍｍの距離に配置され、前記第２のガスケット（１０７）は、前記周囲部分（１０８）の一面のみを覆い、前記第２のガスケット（１０７）は、前記反応セル（１０１）の前記電流コレクタ／ディストリビュータ（１０６）用の台座を提供し、且つ前記反応セル（１０１）の作用面積を区画する、ことを特徴とする発電機。
3. 請求項２に記載の発電機であって、前記第２のガスケット（１０７）は、注入モールジング又は圧縮モールジング又は機械的アンカー固定又は接着によって前記周囲部分（１０８）上に敷設される、ことを特徴とする発電機。
4. 請求項２又は３に記載の発電機であって、前記第２のガスケット（１０７）は、シリコン又はエラストマを含む柔らかい材料で作られるものである、ことを特徴とする発電機。
5. 請求項１ないし４の何れかに記載の発電機であって、前記第１の穴及び前記第２の穴（１１３ａ、１１３ｂ）は０．１ｍｍと５ｍｍの間の直径を有する、ことを特徴とする発電機。
6. 請求項１ないし５の何れかに記載の発電機であって、前記剛性の周囲部分（１０２ａ）はプラスチック又は金属で作られる、ことを特徴とする発電機。
7. 請求項１ないし６の何れかに記載の発電機であって、前記第１のガスケット（１１７）は、注入モールジング又は圧縮モールジング又は機械的アンカー固定又は接着によって前記剛性の周囲部分（１０２ａ）に敷設され、前記第１のガスケット（１１７）はシリコーン、エラストマ、その他を含む柔らかい材料で製作される、ことを特徴とする発電機。
8. 請求項１ないし７の何れかに記載の発電機であって、前記冷却用セル（１０２）の前記剛性の周囲部分（１０２ａ）に、冷却用流体が通るための横側開口（１１５）を備え、前記横側開口は、流入及び流出用の横側チャネル（１２１）により前記冷却用セルの中空中心部分との間で流体が通れるようにされる、ことを特徴とする発電機。

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