(57)【要約】【課題】【解決手段】発電装置は、水素を発生させる燃料のような水素源と、水素を発生させる燃料を周囲環境から分離する陽子交換膜を有する燃料電池とを備えている。弁が燃料電池と周囲環境との間に配設され、弁の起動により水が燃料電池に入り又は燃料電池から出ることが制御可能に防止される。１つの実施の形態において、多数の燃料電池が燃料の周りにて円に配置され、弁は、燃料電池に相応する多数の開口部を有する回転可能なリングの形状とされた仕切り弁である。【選択図】図１
2009527101.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電装置において、
水素源と、
燃料電池の各々がカソードと、陽子交換膜と、水素源と周囲環境との間に配置されたアノードとを有する燃料電池の多層積重ね体を備え、各層内のアノード及びカソードは電気的に連結され、また、層は、電気的に連結されて所望の電圧又は電流を提供する、発電装置。
【請求項２】
請求項１に記載の発電装置において、前記積重ね体の各層は、多数の燃料電池を備え、前記積重ね体の第一の層は、周囲環境に露呈される燃料電池の各々のカソードを有し、前記積重ね体の第二の層は、水素源からの水素に露呈される層内の各燃料電池のアノードを有する、発電装置。
【請求項３】
請求項１に記載の発電装置において、周囲環境に対して露呈された水蒸気透性、水素不透性の膜を更に備える、発電装置。
【請求項４】
請求項１に記載の発電装置において、１つの層内の燃料電池は、電気的に直列に又は並列に連結される、発電装置。
【請求項５】
請求項１に記載の発電装置において、燃料電池の層は、中央コラムにて接点を有し、前記層は、中央コラムを介して電気的に直列に又は並列に連結される、発電装置。
【請求項６】
請求項１に記載の発電装置において、燃料電池の層は、水素源からの水素が層内の各燃料電池のアノードに接触することを許容し、また、燃料電池から発生された水蒸気が水素源に戻るための経路も提供する開口部を有する、発電装置。
【請求項７】
請求項６に記載の発電装置において、層の各々は、カソードが周囲環境にアクセスすることを許容するよう層の間にて周囲環境に対する開口部を有する、発電装置。
【請求項８】
請求項１に記載の発電装置において、燃料電池から電気的に隔離された支持構造体を更に備える、発電装置。
【請求項９】
請求項８に記載の発電装置において、前記支持構造体は、多数のアコーディオン形状の板を別個の板内に配設された燃料電池と接続する中央コラムであって、異なる板からの燃料電池に接続する導電体の導管として作用する前記中央コラムを提供する、発電装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の発電装置において、燃料電池を含まない別の板は、一側部にて周囲環境に且つ反対側部にて水素に露呈される、水蒸気透性、水素不透性の膜を備える、発電装置。
【請求項１１】
請求項１に記載の発電装置において、
水素源と燃料電池との間に配設された圧力調節弁を更に備え、該圧力調節弁は、水素を発生させる燃料の第一の側部に配設された圧力応答型の可撓性ダイヤフラムと、板弁を支持構造体の第一の板の上に着座するよう接続するピストンとから成る、発電装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載の発電装置において、圧力調節された弁は、水素源と燃料電池との間の圧力が所定のレベル以上であるとき、第一の板に着座する、発電装置。
【請求項１３】
請求項１２に記載の発電装置において、圧力調節された弁は、水素源と燃料電池との間の圧力が所定のレベル以下であるとき、水素源を燃料電池に露呈することを許容する、発電装置。
【請求項１４】
請求項１に記載の発電装置において、燃料電池の層の各々は、円に配置された多数の燃料電池を備え、該発電装置は、周囲環境に対する燃料電池カソードの層のアクセスを制御可能に提供するよう配置された多数開口部の仕切り弁を更に備える、発電装置。
【請求項１５】
発電装置において、
水素を発生させる燃料と、
燃料電池の各々がカソードと、陽子交換膜と、燃料と周囲環境との間に配置されたアノードとを有する燃料電池の多層積重ね体を備え、各層内のアノード及びカソードは、電気的に連結され、また、層は、電気的に連結されて所望の電圧又は電流を提供し、
燃料電池を保持し且つ周囲環境に対するカソード及び水素に対するアノードのアクセスを提供する多数の板を有する支持構造体であって、燃料電池の板を電気的に接続する導管を提供するコラムを有する前記支持構造体と、
水素を発生させる燃料と燃料電池との間に配設された圧力調節された弁とを備える、発電装置。
【請求項１６】
請求項１５に記載の発電装置において、コラムは、水素発生燃料からの水素に対するアノードのアクセスを許容する中央コラムである、発電装置。
【請求項１７】
請求項１５に記載の発電装置において、板は、アコーディオン状に互いに接続され、周囲環境に対するカソードのアクセスを許容する、発電装置。
【請求項１８】
請求項１５に記載の発電装置において、１つの層内の燃料電池は、電気的に直列に又は並列に連結される、発電装置。
【請求項１９】
請求項１５に記載の発電装置において、燃料電池の層は、電気的に直列に又は並列に連結される、発電装置。
【請求項２０】
異なる電力出力を提供するよう多数燃料電池層発電装置内にて燃料電池の形態を電気的に設定する方法において、
１つの層内の燃料電池を電気的に直列に及び（又は）並列に連結するステップと、
所望の電気的特徴が得られるよう層を電気的に直列に及び（又は）並列に連結するステップとを備える、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、米国法３５Ｕ．Ｓ．Ｃ§１１９（ｅ）に基づいて、２００６年１月１０日付けで出願された米国仮特許出願第６０／７５７，８２３号の利益を主張するものである。上記米国仮特許出願の明細書は、参考として引用し本明細書に含めてある。
【背景技術】
【０００２】
幾つかの燃料電池系の発電装置において、水素は、水の存在下にて燃料から取得され、次に、燃料電池内に導入されて電気を発生させる。水素発生器及び陽子交換膜（ＰＥＭ）燃料電池に基づく発電装置は、典型的に、発電装置が効率良く作動する狭い電力出力範囲を提供する。発電装置の電力出力を変化させるためには、通常、発電装置の設計を変更することを必要とするが、これは、望ましくないことである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
発電装置は、燃料を発生させる水素のような水素源と、多層の燃料電池の形態とを有している。燃料電池の多層又は積重ね体は、設計変更せずに、広範囲の電力出力を発生させ得るように容易に改造される発電装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
１つの実施の形態において、１つの層内の燃料電池の各々は、燃料を発生させる水素を周囲環境から分離する陽子交換膜を有している。層は、酸素源である周囲環境が膜のカソード側に提供され、水素を発生させる燃料から発生された水素は、陽子交換膜のアノード側にて利用できるような態様にて配置されている。燃料電池は、直列及び（又は）並列に電気的に連結して、所望の電圧／電流を提供することができる。発電装置は、１つ又は複数の追加の層を直列に又は並列に容易に追加して電力の出力を増大させることができるような設計とされている。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００５】
以下の説明において、実施可能である特定の実施の形態の一部を形成し且つ、その特定の実施の形態を単に一例として示す添付図面を参照する。これらの実施の形態は、当該技術の当業者が本発明を実施するのを可能にするのに十分、詳細に説明し、また、その他の実施の形態が利用可能であり、本発明の範囲から逸脱せずに、構造上、論理的、また、電気的変更を為すことが可能であることを理解すべきである。このため、以下の説明は、限定的な意味に解釈されるべきではなく、本発明の範囲は、特許請求の範囲によって規定される。
【０００６】
水蒸気と水分を吸収する固体燃料物質との反応を通じて内部にて水素ガスを発生させる発電装置が提供される。水素ガスは、陽子交換膜を保持する燃料電池のような、燃料電池にて酸素と反応し、電気エネルギを発生させる。水素と酸素との反応は、また、燃料電池にて副産物として水分子を発生させる。この発生された水は、燃料電池から水蒸気として、固体の燃料物質を保持する燃料室まで能動的に拡散され、この燃料室にて水は燃料物質と反応して水素ガスを発生させる。発生された電気エネルギを使用して、発電装置の寸法に依存して、発電装置と接続された大型又は小型の装置を作動させることができる。
【０００７】
発電装置は、発電装置の１つ又はより多くの燃料電池のアノード及びカソードと電気的に接続された無線センサ、携帯電話、又はその他のハンドヘルド型（手持ち型）エレクトロニック装置のような小型の装置を作動させるのに使用することができる。燃料電池の多層は、周囲環境からの酸素及び電力を発生させる水素に対して燃料電池からのアクセスを提供する構造体により支持することができる。
【０００８】
単一の発電装置の設計は、所望の数の燃料電池層を積層するだけで広範囲の電力レベルに対応することができる。各層内の燃料電池は、直列に接続し、また、層は並列に接続することができる（より多くの電流を提供し得るように）。例えば、１つの燃料電池層は、１０ｍＷの発電装置を提供することができる。２０ｍＷが要求される場合、２層を使用することができ、その後も同様である。電気的及びガスの接続は、燃料電池のスタック内にて中央コラムを通して行なうことができる。燃料電池及び層は、所望に応じて直列に及び（又は）並列に電気的に連結して、高又は低電圧及び電流を提供することができる。層を追加して電力出力を増大させ又は除去して電力出力を減少させることができる。
【０００９】
図１は、多層の積層形発電装置１００の断面図である。発電装置１００は、容器１１０内に水素発生燃料１０５を保持している。支持構造体１１５は、容器に連結され且つ、１つの実施の形態にて積層した関係にて複数の板１２０、１２５、１３０、１３５、１４０、１４５を保持している。板は、内部コラム１５０及び外部リング構造体１５５を介して互いに連結されている。この連結は、アコーディオン状の断面を提供し且つ、周囲環境１５７が参照番号１６０、１６２、１６４にて示した多層にて多数の燃料電池のカソード側まで流れるのを許容する。内部コラム１５０は、燃料１０５から発生された水素が参照番号１６６、１６８、１７０で示した多層にて多数の燃料電池のアノード側まで流れるのを許容する。多数の層を共に連結して所望の電力レベルを提供する電極１８０も示されている。電極は、また、１つの実施の形態にて内部コラム１５０内に配設し又は、更なる実施の形態にて何れかに配置することができる。
【００１０】
発電装置１００の組み立てた構成部品の各々は、ポリエチレンテレフタレート（図示せず）のような適正材料から形成された管のような、適宜な中空の構造体内に更に収容することができる。該収容体は、また、適宜なキャップ（図示せず）にて頂面及び（又は）底面にキャップ止めすることができ、該キャップは、除去可能とし且つ、収容体と同様の又は異なる材料にて形成することができる。
【００１１】
１つの実施の形態において、図示するように、燃料電池の３つのレベルが提供される。例えば、各層が１０ｍＷの電力を提供する場合、発電装置は、３０ｍＷの電力を提供する。層は、設計及び寸法に依存して、異なる電力レベルを提供することができる。相応する燃料電池を有する板の追加の層を追加して電力出力を増大させ、又はより少ない層を使用して電力出力を減少させることができる。発電装置は、発電装置の設計を変更することなく、作動するため使用することのできる異なる装置の必要条件に適合するよう容易に形成することができる。更なる実施の形態において、燃料電池の多層を提供することができるが、所望の数の層のみを電気的に接続すればよい。このことは、同一の発電装置が異なる電力出力レベルを提供する形態とすることを許容する。
【００１２】
支持構造体１１５は、１つの実施の形態にて、燃料電池から電気的に隔離されている。該支持構造体は、ＰＥＴにて又は十分な支持力を提供するスチール又はその他の材料にて出来たものとすることができる。
【００１３】
１つの実施の形態において、外部リング構造体１５５は、周囲空気がカソードまで流れるのを許容するよう、板又は支持構造体１１５間の通路又は流路に相応する穴又は開口部を有することができる。該外部リング構造体は、図示するように、完全に開いたものとし、又は、単に、所望に応じて機械的安定性を提供するようピラー又はその他の支持構造体を有するようにしてもよい。内部コラム１５０は、同様に、アノードが水素にアクセスすることを許容する同様の構造とすることができる。
【００１４】
板１２５、１３５及び１４５は、燃料電池を支持する支持構造体を提供する。上述したように、燃料電池の各々は、カソードと、電極とを有している。板は、また、燃料電池の各側部がカソード側に対する周囲環境のような適正媒体、及び燃料電池のアノード側に対する水素に対して露呈されることを保証する。支持板と交互に配置された板１２０、１３０、１３５は、アノードに対する周囲環境の障壁として作用し、また、周囲環境からカソードへの経路又は通路を提供する。
【００１５】
１つの実施の形態において、圧力調節弁１８２が水素を発生させる燃料と燃料電池との間に配設されている。該弁は、水素を発生させる燃料の第一の側部に配設された圧力応答型の可撓性ダイヤフラム１８４と、板弁１８８を支持構造体の板１２０の上に着座するよう接続するピストン又は幹部１８６とから成っている。板１２０は、板弁１８８と密封接触する環状のシートリング１９０を有することができる。
【００１６】
図示した実施の形態において、ダイヤフラムは、燃料から燃料電池に対向している。更なる実施の形態において、ダイヤフラムは、同一側に配置し又は所望に応じて、発電装置における色々な異なる箇所に配置することができる。ダイヤフラムは、上述した実施の形態と同様の態様にて作用する。燃料８０５は、また、上述した実施の形態と同様の態様の構造とすることもできる。
【００１７】
更なる実施の形態において、回転するリングゲート弁を板１２５、１３７のような板の間に配置し、板１２５内にて支持された燃料電池を周囲環境から選択的に閉鎖することができる。燃料電池内のその他の層は正常に作動を続けることができる。更なる実施の形態において、リングゲート弁は、また、所望に応じて周囲環境を全ての燃料電池から閉鎖し得るよう配置することができる。板１４５の上の追加的な板を使用して、かかるリングゲートを板１４５内にて支持された燃料電池に対して支持することができる。
【００１８】
発電装置１００の部品の各々は、適正な重合系材料、金属又は発電装置の所期の用途の条件により決定されるようなその他の材料にて製造することができる。一例としての材料は、非限定的に、ポリエチレンテレフタレートを含む。発電装置１００の構成部品の寸法は極めて小さいスケールとすることができるが、発電装置１００の使用に対して変更することもできる。かかる無水の小型発電装置の外寸法は、約１ｍｍから約１００ｍｍの長さ、約１ｍｍから約１００ｍｍの幅、約１から約１００ｍｍの奥行きの範囲とし又は更なる実施の形態において、約１ｍｍから約２５ｍｍの長さ又はより多くの電池が積層される場合、より長くすることができる。更なる実施の形態において、発電装置は約１ｍｍから約２５ｍｍの幅又は、約１ｍｍから約２５ｍｍの奥行きの範囲とすることができる。これらの寸法は、単に一例であり、且つ制限を意味するものではなく、更なる実施の形態として遥かに大きく又は小さくすることができる。
【００１９】
図２は、一例としての実施の形態に従った、１つの層内の燃料電池を示すブロック概略図である。層の各々は、所望の異なる燃料電池の配列又は、同一の配列を有することができる。１つの実施の形態において、燃料電池の形状は、層の表面の利用を最適化し得るような設計とされる。図２に示したように、４つの燃料電池２１０、２２０、２３０及び２４０は、ピン形状をしており、また、支持構造体１１５の一部分により支持されている。内部コラム１５０は、層の中央に示されている。各種の層との電気的接続は、１つの実施の形態にて内部コラム１５０を介して為すことができる。更なる実施の形態において、各種の形状及び寸法のより多く又はより少ない燃料電池を利用することができる。その他の形状は、矩形、四角形、円形、三角形等を含むが、これらにのみ限定されるものではない。図示したパイ形状は、一定の直径をした発電装置の容器内にて利用可能な表面積を最大にすることにより、高い電力密度を提供することができる。
【００２０】
図３Ａ及び図３Ｂは、一例としての実施の形態に従って、１つの層内にて燃料電池間の各種の電気的接続を示す電気的概略図である。図３Ａには、１つの層内における６つの燃料電池間の直列接続が示されている。電池は、層内にてアノード対カソードの接続にて連結されており、１組みの隣接する燃料電池のアノード及びカソードは、更なる層内にて燃料電池及び外部負荷と連結するための接点３１０、３１５を提供する。図３Ｂには、１つの層内における６つの燃料電池間の並列接続が示されている。カソードの各々は、接点３２０により互いに接続することができ、また、アノードの各々は、接点３２５により互いに接続することができる。接点３２０及び３２５は、その他の層及び外部負荷の接続点として作用する。
【００２１】
図４Ａ及び図４Ｂは、一例としての実施の形態に従った、層の間の各種の電気的接続を示す電気的概略図である。図４Ａには、３つの層間の並列接続が示されている。導体４１０は、層１２５、１３５、１４５の各々の間にてアノードに連結される一方、導体４１５は、層１２５、１３５、１４５の各々の間にてカソードに連結される。図４Ｂには、発電装置内の３つの層間の直列接続が示されている。層１２５のアノードは、コネクタ４２０を介して層１３５のカソードに連結されている。層１３５のアノードは、コネクタ４２５を介して層１４５のカソードに連結されている。層１３５のアノード４３５及び層１２５のカソード４４０は、負荷と接続することができる。更なる実施の形態において、コネクタ４２０、４２５は、所望に応じて層の異なる電極を接続することができる。層を接続する何れの方法も１つの層内にて電池と接続する異なる方法と併用して、広範囲の電圧及び電流のオプションを提供することができる。電力を増大させるため更なる層を追加することもできる。より少ない層を使用してもよく、又は、層は電力を少なくするよう、接続しないままにしてもよい。
【００２２】
更なる実施の形態において、層及び発電装置の全体的な大きさは、広範囲の電力が得られるよう改変することができる。所望であれば、更なる層を追加して、電力レベルを増大させることができる。選んだ燃料電池は、所望であれば、更なる実施の形態にて連結し又は連結しなくてもよい。
【００２３】
１つの実施の形態において、単一の燃料電池により提供された電力は、燃料電池の陽子交換膜の面積に比例する。燃料電池により発生された電圧は、約０．９５ボルトであり、また、負荷が燃料電池から電流を吸引するとき、降下する可能性がある。燃料電池に対する典型的な作動範囲は、０．６から０．６５ボルトの範囲である。幾つかの電池を並列に接続することは、所定の電流の吸引量に対してより高い作動電圧となる。同様に、１組みの電池の電圧を増大をさせるため、これらの電池は直列に接続することができる。負荷の下、より高い電圧を維持するためには、１つの層内の全ての電池のような、１組みの電池を直列に連結することができる一方、異なる層は、並列に接続することができる。これらは、発電装置の基本的な設計を変更せずに、電気的接続を改変することにより実現できる形態の単に幾つかの例にしか過ぎない。１つの層内の燃料電池を直列に及び（又は）並列に電気的に連結し且つ、層を直列に及び（又は）並列に電気的に連結することにより、電圧及び（又は）電流のような所望の電気的特性を得ることができる。
【００２４】
図５は、更なる一例としての実施の形態に従った、１つの層５００内における燃料電池のブロック概略図である。この実施の形態において、５つの燃料電池５１０、５１５、５２０、５２５及び５３０が直列に連結されている。各燃料電池のカソードは、隣接する燃料電池のアノードに連結され、燃料電池５２５のカソード５３５は、中央コラム５４５内にてアクセス接点５４０に電気的に連結されている。燃料電池５３０のアノード５５０は、中央コラム５４５内にてアクセス接点５５５に連結されている。積層した層の発電装置内の各種の層におけるアクセス点は、中央コラム５４５を介して容易に連結することができ、このことは、また、燃料電池に対して水素を提供する。
【００２５】
図６は、コラム５４０を介して燃料電池の各種の層に対する電気的接続部６１０、６１５、及び一例としての実施の形態に従い、水蒸気透性、水素不透性の膜６２０、６２５、６３０を使用する状態を示す燃料電池スタック６００の断面図である。水蒸気透性、水素不透性の膜６２０、６２５、６３０は、１つの実施の形態において、ナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ）（登録商標）膜とすることができる。これらの膜は、１つの実施の形態にて、燃料電池６４０、６４５、６５０に対向する位置に固定され、また、燃料電池により発生された水を回収するため使用することができる。この形態において、燃料電池は、著しく高い電流密度にて作動することができ、それは、これらは、電気を発生させ且つ、水を回収するという二重の目的を果たす必要はないからである。コラム５４０は、中央コラムとすることができ、また、直列及び並列のような、所望の態様にて、燃料電池の各種の層を電気的に連結するため使用することができる導電体に対する導管として作用することができる。
【００２６】
読者が技術的開示の性質及び要旨を迅速に確認することを許容するため、３７Ｃ．Ｆ．Ｒ．§１．７２（ｂ）に適合するよう、要約書が提供される。要約書は、請求項の範囲又は意味を解釈し又は限定するため使用されないとの理解の下、提出されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】一例としての実施の形態に従った多層燃料電池を有する筒形発電装置の断面図である。
【図２】一例としての実施の形態に従った層内の燃料電池のブロック概略図である。
【図３】３Ａ及び３Ｂは、一例としての実施の形態に従った１つの層内の燃料電池間の各種の電気的接続を示す電気的概略図である。
【図４】４Ａ及び４Ｂは、一例としての実施の形態に従った層間の各種の電気的接続を示す電気的概略図である。
【図５】更なる一例としての実施の形態に従った層内の燃料電池のブロック概略図である。
【図６】一例としての実施の形態に従った電気的接続を示し且つ、水蒸気透過性、水素不透性の膜の使用状態を示す、層の燃料電池積重ね体の断面図である。
【図１】
2009527101.tif 000003
【図２】
2009527101.tif 000004
【図３Ａ】
2009527101.tif 000005
【図３Ｂ】
2009527101.tif 000006
【図４Ａ】
2009527101.tif 000007
【図４Ｂ】
2009527101.tif 000008
【図５】
2009527101.tif 000009
【図６】
2009527101.tif 000010
【手続補正書】
【提出日】平成20年10月17日(2008.10.17)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電装置において、
水素源（１０５）と、
燃料電池の各々がカソードと、陽子交換膜と、水素源と周囲環境との間に配置されたアノードとを有する燃料電池（１６６、１６８、１７０）の多層積重ね体とを備え、
各層内のアノード及びカソードは電気的に連結され（図３Ａ、図３Ｂ、図５）、また、前記層は電気的に連結されて（１８０、４１０、４１５、４２０、４２５）所望の電圧又は電流を提供する、発電装置。
【請求項２】
請求項１に記載の発電装置において、
燃料電池から電気的に隔離された支持構造体（１１５）を更に備え、
該支持構造体は、多数のアコーディオン形状の板（１２０、１２５、１３０、１３５、１４０、１４５）を別個の板内に配設された燃料電池と接続する中央コラム（１５０、５４５）であって、異なる板からの燃料電池に接続する導電体（１８０、４１０、４１５、４２０、４２５）の導管として作用する前記中央コラムを提供する、発電装置。
【請求項３】
請求項１に記載の発電装置において、
水素源（１０５）と燃料電池（１６６、１６８、１７０）との間に配設された圧力調節弁（１８８、１８２、１８６、１８４）を更に備え、該圧力調節弁は、水素を発生させる燃料の第一の側部に配設された圧力応答型の可撓性ダイヤフラム（１８４）と、板弁（１８８）を支持構造体の第一の板（１２０）の上に着座するよう接続するピストン（１８６）とから成り、
周囲環境に対して露呈された水蒸気透性、水素不透性の膜（６２０、６２５、６３０）を更に備える、発電装置。
【請求項４】
異なる電力出力を提供するよう多数燃料電池層発電装置（１００、５００）内にて燃料電池（５１０、５１５、５２０、５２５、５３０）の形態を電気的に設定する方法において、
１つの層内の燃料電池を電気的に直列に及び（又は）並列に連結する（図３Ａ、図３Ｂ）ステップと、
所望の電気的特徴が得られるよう層を電気的に直列に及び（又は）並列に連結する（図４Ａ、図４Ｂ）ステップとを備える、方法。
【国際調査報告】
2009527101.tif 000011
2009527101.tif 000012
2009527101.tif 000013
2009527101.tif 000014
2009527101.tif 000015