(57)【要約】【課題】水素を循環して再利用することができる水素燃料電池を提供する。【解決手段】アノードモジュール１０、カソードモジュール２０、触媒層３０、陽子交換膜４０、水素供給装置５０、水素吸蔵金属層６０、水素吸収装置７０を含む。触媒層３０は第１電極板１１と陽子交換膜４０の間に介在れ、第１電極板１１と電気的に導通する。水素供給装置５０は水素を触媒層３０に供給することで、触媒層３０から水素を解離して電子と水素陽子にする。水素吸蔵金属層６０は陽子交換膜４０と第２電極板２１の間に介在され、第２電極板２１と電気的に導通する。水素陽子が陽子交換膜４０を通過した後、第２電極板２１から来る電子と水素吸蔵金属層６０を結合反応して水素化合金となる。水素吸収装置７０は水素化合金から水素を吸収して貯蔵タンク７１へ送り、循環再利用に供する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１電極板を有するアノードモジュールと、
第２電極板を有するカソードモジュールと、
前記第１電極板と前記第２電極板の間に介在される陽子交換膜と、
前記第１電極板と前記陽子交換膜の間に介在されると共に、前記第１電極板と電気的に導通し、前記第１電極板に対面する前記陽子交換膜の第１面に密着される触媒層と、
水素を前記触媒層に供給することで、触媒層から水素を解離して電子と水素陽子にし、電子を第１電極板に送り、水素陽子を前記陽子交換膜を介して第２電極板に移動する水素供給装置と、を備え、
前記陽子交換膜と前記第２電極板の間に水素吸蔵金属層が介在され、前記水素吸蔵金属層は、第２電極板と電気的に導通し、しかも前記第２電極板に対面する前記陽子交換膜の第２面に密着され、水素陽子が前記陽子交換膜を通る時、前記第２電極板から来る電子と結合反応して水素化合金となり、
水素吸収装置をさらに含み、水素吸収装置は、前記水素化合金で水素をくみ取ると共に再利用に供することを特徴とする水素燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の水素燃料電池において、
前記触媒層は、前記陽子交換膜の第１面にコーティングされ、前記水素吸蔵金属層は、前記陽子交換膜の第２面に水素吸蔵金属の粉末を塗布してコーティングされることを特徴とする水素燃料電池。
【請求項３】
請求項１に記載の水素燃料電池において、
前記触媒層は、前記第１電極板に対面する前記陽子交換膜の１面にコーティングされ、前記水素吸蔵金属層は、前記第２電極板に対面する前記陽子交換膜の１面に水素吸蔵金属の粉末を塗布してコーティングされることを特徴とする水素燃料電池。
【請求項４】
請求項１に記載の水素燃料電池において、
前記アノードモジュールは、吸気管と、前記第１電極板と前記触媒層の間に密着される第１フローフィールドプレートとをさらに含み、前記吸気管は、前記第１電極板１１を貫き前記第１フローフィールドプレートの拡散気道と連通し、前記水素供給装置は、前記の水素吸収装置の貯蔵タンクと連通する輸送吸気管と、前記輸送吸気管に隣設するポンプとを含み、前記輸送吸気管は、前記アノードモジュールの前記吸気管と連通し、前記ポンプは前記輸送吸気管の水素を前記吸気管と前記拡散気道を介して前記触媒層へ移送し、しかも前記触媒層には、水素が通り抜ける孔が隙間なく密設されることを特徴とする水素燃料電池。
【請求項５】
請求項４に記載の水素燃料電池において、
前記輸送吸気管には、湿気水分子を生成する加湿装置が接続され、これにより、前記湿気水分子は水素に従って前記陽子交換膜に移送されることを特徴とする水素燃料電池。
【請求項６】
請求項１に記載の水素燃料電池において、
前記カソードモジュールは、排気管と、前記第２電極板２１と前記水素吸蔵金属層の間に密着される第２フローフィールドプレートを含み、前記排気管は、前記第２電極板を貫き前記第２フローフィールドプレートの拡散気道と連通し、前記水素吸収装置は、吸気管と、吸気管に隣設する真空ポンプと、前記真空ポンプの起動または停止時の制御モジュールを含み、前記吸気管は、一端が排気管と連通し、他端が前記水素吸収装置の貯蔵タンクと連通することを特徴とする水素燃料電池。
【請求項７】
請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の水素燃料電池において、
水素吸蔵金属層は、マグネシウム系水素吸蔵金属、レアアース系水素吸蔵金属、チタニウム系水素吸蔵金属、鉄系水素吸蔵合金のうちの一つの材料から選択されたもので形成されることを特徴とする水素燃料電池。
【請求項８】
請求項１に記載の水素燃料電池において、
さらに前記アノードモジュールの外側には、第１プレッシャープレートが密着され、前記カソードモジュールの外側には、第２プレッシャープレートが密着され、前記第１プレッシャープレートには、吸気口が穿設され、前記第２プレッシャープレートには、排気口が開設され、
前記吸気口は一端が水素供給装置と連通し、他端が吸気管と連通し、前記排気口は一端が水素吸収装置と連通し、他端が排気管と連通することを特徴とする水素燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池に関し、特に水素を循環して再利用する水素燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般的な水素燃料電池は水素の化学エネルギーを電気エネルギーに転換する装置であり、その基本的な構造は図９に示すとおり、アノードモジュール１１０、カソードモジュール１２０、陽子交換膜１４１、水素供給装置１４２、酸素供給装置１４３および排水管１４４を含む。陽子交換膜１４１はアノードモジュール１１０とカソードモジュール１２０の間に介在する。陽子交換膜１４１の２面はそれぞれ一層の触媒層１４０(すなわち白金またはパラジウムの触媒層)を覆設する。
【０００３】
図１０に示すとおり、アノードモジュール１１０は、第１電極板１１１、第1フローフィールドプレート１１２、吸気管１４５および第１プレッシャープレート１８０を含む。第１フローフィールドプレート１１２は第１電極板１１１と触媒層１４０に密着する。第１プレッシャープレート１８０は第１電極板１１１の外側に密着し、かつその上に吸気口１８２を設ける。吸気口１８２は、一端が水素供給装置１４２と接続し、他端が吸気管１４５と接続する。吸気管１４５は第１電極板１１１を貫き、第１フローフィールドプレート１１２の拡散ダクト１１２ａと接続する。カソードモジュール１２０は、第２電極板１２１、第２フローフィールドプレート１２２、吸気管１４６および第２プレッシャープレート１８１を含む。第２フローフィールドプレート１２２は第２電極板１２１と別の触媒層１４０の間に密着する。第２プレッシャープレート１８１は第２電極板１２１の外側に密着し、かつその上に吸気口１８３を設ける。吸気管１４６は第２電極板１２１と第２フローフィールドプレート１２２の拡散ダクト１２２ａと接続する。吸気口１８３は、一端が酸素供給装置１４３と接続し、他端が吸気管１４６と接続し、さらにボルト１８４で積層に綴じて固定した水素燃料電池モジュールとなる。水素がアノードモジュール１１０から進入した時、水素は触媒層１４０により水素陽子と電子に解離する。電子は外部負荷回路９０よりカソードモジュール１２０に進入する。水素陽子が陽子交換膜１４１を通過した後、外部負荷回路９０から取得した電子およびカソードモジュール１２０の酸素と結合反応して水と熱になり、排水管１４４から水を排出する。
【０００４】
一般的に水素燃料電池は環境に対して汚染をもたらすことはないと言われ、燃料油エンジンと電動車バッテリーの代わりにはなれるが、ただし触媒層として覆設しなければならない２層の白金やパラジウムの材料コストが比較的高い。さらに、一般的な水素燃料電池のもう一つの問題は、電池が正常に負荷に対し放電できるためには、必ず酸素と電子で水素陽子を結合反応させ水と熱にしなければならず、そうなると、水素陽子を回収し循環して再利用することができず、その結果水素エネルギーを無駄にし、水素燃料電池の給電航続力を下げることになる。
【０００５】
水素吸蔵金属は低温または高圧の環境下で水素を吸収し貯蔵した水素化合金で、高温または低圧の環境下で吸収した水素を放出することができ、また吸蔵水素量が大きく、容易に活性し、温度と圧力が適切で、吸蔵放出速度が速く、寿命が長く、コストが低廉であるなどの優位性を備えている。すでに各産業で広範囲にわたり活用されており、例えば冷凍設備、水素燃料電池の水素貯蔵体とニッケル水素二次電池の陰極の製造用途などがある。そのうち、ニッケル水素二次電池とニッケルカドミウム二次電池の最大の差異は、ニッケル水素二次電池は水素吸蔵金属により陰極でもともと使用していたカドミウム材の代わりとすることである。水素吸蔵金属が水酸化カリウム電解液の中で充電する時、合金の表面は電気化学反応が進む。水分子を離れた微小な水素原子は合金表面を移動し、合金内で拡散溶解に進み、合金と反応して金属水素化物を生成し、同時に反応熱を放出する。ニッケル水素二次電池は静電容量をニッケルカドミウム二次電池の３倍程度に上昇させることができるが、ただ、ニッケル水素二次電池は水素吸蔵金属を結合して陰極の反応効果を改善するだけで、しかも水素を回収し循環して再利用する機能が設置されていないため、電気量を消耗した時や廃棄する時に、依然として環境に対して汚染をもたらすことになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】なし
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこで、本発明の主な目的は、白金またはパラジウムの触媒層をただ１層覆設することにより、水素陽子を回収循環再利用の水素を供給できる水素燃料電池に転換できる水素燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明の水素燃料電池は、第１電極板を有するアノードモジュールと、第２電極板を有するカソードモジュールと、前記第１電極板と前記第２電極板の間に介在される陽子交換膜と、前記第１電極板と前記陽子交換膜の間に介在されると共に、前記第１電極板と電気的に導通し、前記第１電極板に対面する前記陽子交換膜の第１面に密着される触媒層と、水素を前記触媒層に供給することで、触媒層から水素を解離して電子と水素陽子にし、電子を第１電極板に送り、水素陽子を前記陽子交換膜を介して第２電極板に移動する水素供給装置と、を備え、前記陽子交換膜と前記第２電極板の間に水素吸蔵金属層が介在され、前記水素吸蔵金属層は、第２電極板と電気的に導通し、しかも前記第２電極板に対面する前記陽子交換膜の第２面に密着され、水素陽子が前記陽子交換膜を通る時、前記第２電極板から来る電子と結合反応して水素化合金となり、水素吸収装置をさらに含み、水素吸収装置は貯蔵タンクが前記水素化合金で水素をくみ取り、循環再利用が継続することを最も主要な特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明はわずかに１層の白金またはパラジウムの触媒層を覆設するだけなので、材料コストを低減でき、水素陽子を回収し循環して再利用できる水素となり、水素エネルギーの無駄を軽減でき、水素燃料電池の給電運転時間を高め、水素燃料電池の商業活用を実施できる可能性が大幅に高まるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の基本的特徴である構造の断面概略図である。
【図２】本発明の基本的特徴である構造の気体循環配置の実施例の概略図である。
【図３】本発明の基本的特徴である構造の気体循環配置の別の実施例の概略図である。
【図４】本発明の単体燃料電池の実施例の分解斜視図である。
【図５】本発明の単体燃料電池の実施例の組合せ状態の外観図である。
【図６】本発明の単体燃料電池の実施例の組合せ状態の断面図である。
【図７】図６中の円Ｃの一部分拡大図である。
【図８】本発明の単体燃料電池３つの実施例の組合せ状態の外観図である。
【図９】公知の水素燃料電池の基本的な特徴である構築の断面概略図である。
【図１０】公知の水素燃料電池の具体的な実施例の分解斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
＜本発明の技術概念＞
本発明が一般的な水素燃料電池と違うところは、解離した水素陽子が電子や酸素と結合反応する必要なく水と熱になることで、酸素供給装置(例えば酸素供給管やポンプ)および第２層の触媒層を設置する必要がないことである。本発明の技術概念は、陽子交換膜を通過した水素陽子を外部負荷回路が取得した電子および水素吸蔵金属層と結合反応させて水素化合金となり、さらに水素吸収装置を透過し水素化合金に貯蔵された水素に対し回収と吸収、循環して再利用することができる。そのため、本発明はカソードモジュールまたは陽子交換膜にただ１層の触媒層を覆設するだけで良く、触媒層１層分の材料コストを節約できるだけでなく、回収した水素を続けて循環して再利用することができ、これにより製造コスト低減と水素燃料節約などの効果を達成できる。
【００１２】
＜本発明の基本的特徴＞
図１〜図４が示すとおり、本発明の基本的な実施例はアノードモジュール１０、カソードモジュール２０、触媒層３０および陽子交換膜４０、水素供給装置５０、水素吸蔵金属層６０および水素吸収装置７０などの技術的特徴を含む。アノードモジュール１０は第１電極板１１を１つ含む。カソードモジュール２０は第２電極板２１を１つ含む。陽子交換膜４０は第１電極板１１と第２電極板２１の間に介在する。触媒層３０は第１電極板１１と陽子交換膜４０の間に介在し、さらに第１電極板１１と電気的導通を形成し、陽子交換膜４０に第１電極板１１の第１面４１に向かって貼り付ける。水素供給装置５０は水素を触媒層３０に供給することで、触媒層３０から水素を解離して電子と水素陽子にし、電子は第１電極板１１に送り、水素陽子は陽子交換膜４０を通過して第２電極板２１に移動する。その中で、本発明の一般的な水素燃料電池との差異は、陽子交換膜４０と第２電極板２１の間に水素吸蔵金属層６０を１つ介在させ、第２電極板２１と電気的導通を築き、しかも陽子交換膜４０を第２電極板２１の第２面４２に向かって貼り付ける。水素陽子が陽子交換膜４０を通過した後、第２電極板２１から来る電子と水素吸蔵金属層６０を結合反応して水素化合金とする。さらに水素吸収装置７０で水素化合金から水素を吸収し循環利用する。
【００１３】
＜本発明の具体的実施例＞
図４〜図８に示したとおり、本発明の比較的具体的な実施例は、アノードモジュール１０、カソードモジュール２０、触媒層３０(すなわち白金またはパラジウム材の薄膜層を含む)と陽子交換膜４０、水素供給装置５０、水素吸蔵金属層６０および水素吸収装置７０を含む。触媒層３０および水素吸蔵金属層６０の設置位置は陽子交換膜４０の２面４１、４２に覆設できる。方法の１つは、触媒層３０を陽子交換膜４０の第１面４１に覆設し、水素吸蔵金属層６０を塗布技術で水素吸蔵金属の粉末を塗布し陽子交換膜４０の第２面４２をコーティングする。もう１つの方法は、触媒層３０を第１電極板１１の陽子交換膜４０の面に向かって覆設し、水素吸蔵金属層６０は塗布技術で水素吸蔵金属の粉末を塗布し第２電極板２１に陽子交換膜４０側の面をコーティングする。前記の塗布技術は一般的な水素吸蔵金属粉末塗布法、あるいは水素吸蔵金属粉末吹付け塗装法である。その中で、水素貯蔵効果を高めるために、水素吸蔵金属層６０の厚さは触媒層３０の複数倍以上となる。また、水素吸蔵金属層６０の具体的な実施はマグネシウム系水素吸蔵金属（又は合金）、レアアース系水素吸蔵金属（又は合金）、チタニウム系水素吸蔵金属（又は合金）あるいは鉄系水素吸蔵金属（又は合金）など材料である。
【００１４】
図４で示したのは、本発明の単体水素燃料電池の分解概略図である。図５と図７で示したのは、本発明の単体水素燃料電池の組合せ概略図。図６で示したのは、３組の単体水素燃料電池を積み重ねて組合せた水素燃料電池モジュールの概略図となり、これによりアノードモジュール１０とカソードモジュール２０間の電位を高める。
【００１５】
図４、図７および図８で示したとおり、各単体水素燃料電池のアノードモジュール１０は第１電極板１１を含み、第１電極板１１と触媒層３０の間の第１フローフィールドプレート１３に密着する。吸気管１２が第１電極板１１を貫き第１フローフィールドプレート１３の拡散気道１３０と接続する。カソードモジュール２０は第２電極板２１と、第２電極板２１と水素吸蔵金属層６０の間に密着する第２フローフィールドプレート２３を含む。排気管２２は第２電極板２１を貫き第２フローフィールドプレート２３の拡散気道２３０と連通する。
【００１６】
図２と図４が示すとおり、水素供給装置５０は貯蔵タンク７１に接続（又は連通）する吸気管５１、および吸気管５１に隣設するポンプ５２を含む。吸気管５１は吸気管１２と接続する。ポンプ５２は輸送吸気管５１の水素を用いて吸気管１２および拡散気道１３０を通って触媒層３０を抜ける、しかも触媒層３０には水素が通り抜ける孔が隙間なく広がっている(本図には例示せず)。水素吸収装置７０は吸気管７４、吸気管７４に隣設する真空ポンプ７２および真空ポンプ７２の起動／停止時の制御モジュール７３を含む。吸気管７３は一端が排気管２２と接続し、他端が貯蔵タンク７１と接続する。制御モジュール７３の具体的実施例は一種プログラム化した制御装置や、あるいは一般的なタイマースイッチなどの実施形態であり、さらに水素吸蔵金属層６０の水素貯蔵量にもとづいて真空ポンプ７２の始動時機を決定できる。
【００１７】
図４〜図８に示したとおり、商品を綴じるために、本発明はさらにアノードモジュール１０の外側に密着する第１プレッシャープレート８０、およびカソードモジュール２０の外側に密着する第２プレッシャープレート８１を含む。第１プレッシャープレート８０に吸気口８２を貫通させる。吸気口８２は一端が水素供給装置５０と接続し、他端が吸気管１２と接続する。第２プレッシャープレート８１を貫いて排気口８３を設ける。排気口８３は一端方が水素吸収装置７０と接続し、他端が排気管２２と接続し、さらに複数のボルト８４で積み重ねて固定し水素燃料電池モジュールとする。
【００１８】
図７と図８が示すとおり、積み重ねた水素燃料電池モジュールの吸気管１２は排気管２２が各単体水素燃料電池を貫き水素を各単体水素燃料電池に運ぶことができ、また各単体水素燃料電池の水素を吸収するなどの目的を達成し、本発明の吸気管１２はせん孔またはダクトの実施形態であり、前記当該せん孔またはダクトは各単体水素燃料電池を貫き、吸気管１２を各単体水素燃料電池の第１フローフィールドプレート１３の拡散気道１３０と通じ合わせるだけであり、水素に拡散気道１３０から平均的に触媒層３０の中に注入する。排気管２２は同様にせん孔またはダクトの実施形態であり、当該せん孔またはダクトが各単体水素燃料電池を貫き、しかも排気管２２は各単体水素燃料電池の第２フローフィールドプレート２３の拡散気道２３０とただ通じ合わせているだけである。拡散気道２３０により水素化合金が貯蔵する水素を吸収する。
【００１９】
図３に示したとおり、水素陽子の伝導効果を高めるため、吸気管５１に湿気水分子を生成する加湿装置５３を隣設する。湿気水分子は水素に従って陽子交換膜４０に送られる。
【００２０】
＜本発明の運用＞
図１〜図５に示したとおり、本発明の運用時は、まず水素供給装置５０を起動し、水素をアノードモジュール１０の吸気管１２を通して触媒層３０に送り、水素が触媒層３０を通過する時、水素が触媒層３０により触媒解離で電子と水素陽子となり、電子は外部負荷ＲＬ回路９０からカソードモジュール２０に入り、水素陽子は陽子交換膜４０を通過して外部負荷ＲＬ回路９０が取得した電子と水素吸蔵金属層６０(マグネシウム系の水素吸蔵金属)が結合反応して水素化合金となる。温度が摂氏６０度の以下の時には、水素吸蔵金属は水素を吸収貯蔵し、水素化合金に転化する。水素化合金が水素を吸収して飽和状態になった時、制御モジュール７３は水素吸収装置７０を起動し、水素吸蔵金属が低圧(つまり負圧状態)または高温状態(約摂氏３００度以上)で水素を放出する特性があるため、水素吸収装置７０を透過する吸収運用で発生した負圧作用が、水素化合金内に貯蔵した水素を貯蔵タンク７１が吸収し、循環再利用が継続する。
【符号の説明】
【００２１】
１０、１１０：アノードモジュール
１１、１１１：第１電極板
１２、１４５、１４６：吸気管
１３、１１２：第１フローフィールドプレート
１３０：拡散気道
２０、１２０：カソードモジュール
２１、１２１：第２電極板
２２：排気管
２３、１２２：第２フローフィールドプレート
２３０：拡散気道
３０、１４０：触媒層
４０、１４１：陽子交換膜
４１：第１面
４２：第２面
５０、１４２：水素供給装置
５１：吸気管（又は輸送吸気管）
５２：ポンプ
５３：加湿装置
６０：水素吸蔵金属層
７０：水素吸収装置
７１：貯蔵タンク
７２：真空ポンプ
７３：制御モジュール
７４：吸気管
８０、１８０：第１プレッシャープレート
８１、１８１：第２プレッシャープレート
８２、１８２、１８３：吸気口
８３：排気口
８４、１８４：ボルト
９０：外部負荷回路
１４３：酸素供給装置
１４４：排水管
１１２ａ：第１拡散気道
１２２ａ：第２拡散気道
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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