(57)【要約】      （修正有）【課題】燃料電池における電気エネルギーの収集効率を向上させる。【解決手段】第１のリード線により形成される陰極伝導体１１０と第２のリード線により形成される陽極伝導体１２０を備える電気回路が提案される。第１および第２のリード線は各々所定の直径の金属線で構成される。第１および第２のリード線の少なくとも一方の一部分は直径方向に押し潰され、表面積が増加されている。一実施例において、陰極伝導体および陽極伝導体は燃料電池等のエネルギー生成装置の電解質物質に接するように配置される。前記第１および第２のリード線の表面積が増加された部分により、伝導体の質量や引っ張り強度を増加することなく、従って燃料電池の重量や他の特性を従来の燃料電池のそれらと比べて不利となるように変更することなく、燃料電池のエネルギー収集総量の増加がもたらされる。【選択図】図１
2011146361.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のリード線を形成する陰極伝導体と、
第２のリード線を形成する陽極伝導体と
を備え、
前記第１のリード線および前記第２のリード線の各々は所定の直径を有する金属線を備え、前記第１のリード線および前記第２のリード線の少なくとも一方が備える前記所定の直径を有する金属線の少なくとも一部分が前記所定の直径を有する金属線の前記一部分ではない部分と比較してより広い表面積を有するように偏平化されている
電気回路。
【請求項２】
前記所定の直径を有する金属線の前記偏平化されている一部分は、前記所定の直径を有する金属線の前記一部分ではない部分と比較して、同じ広さの断面積を有し、かつより広い表面積を有する
請求項１に記載の電気回路。
【請求項３】
前記所定の直径を有する金属線の前記偏平化されている一部分の表面積は、前記所定の直径を有する金属線の前記一部分ではない部分の表面積の少なくとも２倍である
請求項１に記載の電気回路。
【請求項４】
前記第１のリード線および前記第２のリード線の少なくとも一方は、前記所定の直径を有する金属線の前記偏平化されている一部分と比較して、同じ広さの断面積を有する金属製リボンを備える
請求項１に記載の電気回路。
【請求項５】
前記第１のリード線および前記第２のリード線は、ニッケルもしくはニッケル合金である
請求項１に記載の電気回路。
【請求項６】
前記第１のリード線および前記第２のリード線の少なくとも一方の一部分が耐熱、多孔質および非伝導性の絶縁体により被覆されている
請求項１に記載の電気回路。
【請求項７】
前記絶縁体は、セラミック絶縁体、セラミック類似物絶縁体およびシリコン絶縁体のうちの少なくともいずれかで構成される
請求項１に記載の電気回路。
【請求項８】
前記セラミック類似物絶縁体は、アルミナ−ボリア−シリカ絶縁体で構成される
請求項７に記載の電気回路。
【請求項９】
前記陰極伝導体および前記陽極伝導体は燃料電池の電解質物質に接するように配置される
請求項１に記載の電気回路。
【請求項１０】
前記電解質物質は固体酸化物で構成される
請求項９に記載の電気回路。
【請求項１１】
陰極伝導体と、
陽極伝導体と、
前記陰極伝導体と前記陽極伝導体との間に配置された電解質物質と、
前記陽極伝導体に対し、酸素イオンに還元される酸素を供給するための第１の注入口と、
前記陰極伝導体に対し燃料を供給するための第２の注入口と
を備えるエネルギー生成装置であって、
前記酸素イオンは拡散しつつ前記電解質物質を通って前記陰極伝導体に向かい移動し、前記燃料を電気化学的に酸化して電子を生成し、
前記エネルギー生成装置に接続された外部の電気回路が前記陰極伝導体から前記電子を受け取る
エネルギー生成装置。
【請求項１２】
前記陰極伝導体は第１のリード線から形成され、前記陽極伝導体は第２のリード線から形成され、前記第１のリード線および前記第２のリード線は各々、所定の直径を有する金属線を備え、前記第１のリード線および前記第２のリード線の少なくとも一方が備える前記所定の直径を有する金属線の少なくとも一部分が、表面積が増加するように偏平化されている
請求項１１に記載のエネルギー生成装置。
【請求項１３】
前記第１のリード線および前記第２のリード線の少なくとも一方は、前記所定の直径を有する金属線の前記偏平化されている一部分と比較して、同じ広さの断面積を有する金属製リボンを備える
請求項１２に記載のエネルギー生成装置。
【請求項１４】
前記第１のリード線および前記第２のリード線の少なくとも一方の一部分が耐熱、多孔質および非伝導性の絶縁体により被覆されている
請求項１１に記載のエネルギー生成装置。
【請求項１５】
前記電解質物質は固体酸化物で構成される
請求項１１に記載のエネルギー生成装置。
【請求項１６】
所定の直径および第１の表面を有する第１の金属線を設けるステップと、前記所定の直径を有する前記第１の金属線の一部分を偏平に加工して前記第１の表面と比較してより広い第２の表面を形成するステップと、
前記第１の金属線の前記一部分をエネルギー生成装置のリード線を構成する伝導体として当該エネルギー生成装置に接続するステップと
を備えるエネルギー生成装置の伝導体を構成する方法。
【請求項１７】
前記所定の直径を有する金属線の前記偏平に加工されている一部分が、前記所定の直径を有する金属線の他の部分と比較して同じ断面積を維持する
請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記第２の表面は、前記第１の表面と比較して少なくとも２倍の表面積を有する
請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
前記所定の直径を有する第２の金属線の一部分を偏平に加工して前記第２の金属線に関する前記第２の表面を形成するステップと、
前記第２の金属線の前記一部分を前記エネルギー生成装置のリード線を構成する伝導体として当該エネルギー生成装置に接続するステップと
を備え、
前記第１の金属線は陰極伝導体であり、前記第２の金属線は陽極伝導体である
請求項１６に記載の方法。
【請求項２０】
前記第１の金属線および前記第２の金属線は、ニッケルもしくはニッケル合金である
請求項１６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、広くは、ある処理や装置に電力を供給する燃料電池に関連し、より詳しくは、燃料電池の伝導体の電気エネルギーの収集効率を向上するシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば燃料電池と触媒コンバータなどのエネルギー生成装置はよく知られている。一般的に言って、燃料電池は水素を酸素と結合させることにより、電力を生成する。例えば、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は燃料を直接酸化させることにより電力を生成する。ＳＯＦＣの装置は、固体酸化物、もしくはセラミックの電解質を備えている。この分類に区分される燃料電池の利点としては、発電効率が高いこと、長期間に渡り動作が安定すること、燃料が柔軟に選択できること、汚染物質を含む排気が少ないこと、低コストであること、などが挙げられる。既に認識されている不利な点としては、運転に高温を要するため、運転開始に長時間を要するとともに、使用目的に対する機械的／化学的な適合性の問題が生じ得る点が挙げられる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
燃料電池の運転において、酸素は陽極において還元され酸素イオンになる。酸素イオンは拡散し固体酸化物を通って燃料電池における陰極に至り、そこで燃料（例えば、メタン、プロパン、ブタンといった軽質炭化水素、その他それに類するもの）を電気化学的に酸化する。その酸化反応において、２つの電子とともに、通常水が副産物として生成される。それらの電子は外部の回路を通って流れ、電力として使用される。本願発明者は燃料電池内における電気エネルギーの収集効率を向上することに課題があることを認識している。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本願発明はその一側面として、第１のリード線から形成される陰極の伝導体と、第２のリード線から形成された陽極の伝導体を備える電気回路に関する。一実施例において、第１のリード線と第２のリード線は各々所定の直径の金属線で構成されている。少なくとも第１のリード線および第２のリード線のいずれか一方に関し、所定の直径の金属線の少なくとも一部は、その一部において他の部分と比較し表面積が増加するように、直径方向に偏平となるように加工が施されている。
【０００５】
本願発明の一側面として、直径方向に偏平となるように加工された部分は他の部分と同じ断面積を有しつつ表面積が増加されている。一実施例において、直径方向に偏平となるように加工された部分の増加された表面積は、少なくとも概ね他の部分の表面積の２倍である。また、一実施例において、第１および第２のリード線はニッケルもしくはニッケル合金である。
【０００６】
さらに他の一実施例において、第１のリード線および第２のリード線の一方もしくは両方の一部は、耐熱、多孔質の非電導性の絶縁体もしくは編み材料により被覆されている。その絶縁体は、例えば、セラミック絶縁体、セラミック類似物絶縁体、シリコン絶縁体の少なくともいずれかであってもよい。一実施例において、セラミック類似物絶縁体は、アルミナ−ボリア−シリカ絶縁体である。一実施例において、編み材料は耐熱の編組スリーブである。
【０００７】
さらに他の実施例において、陰極の伝導体と陽極の伝導体は燃料電池の電解質物質に接するように配置されている。電解質物質は、例えば固体酸化物電解質である。
【０００８】
本願発明はその一側面として、陰極の伝導体、陽極の伝導体、そして、それらの陰極の伝導体と陽極の伝導体との間に配置された電解質物質を有する燃料電池に関する。一実施例において、第１の注入口から陽極の伝導体に対し酸素が供給され、酸素が酸素イオンに還元され、第２の注入口から陰極の伝導体に対し燃料が供給される。酸素イオンは拡散し電解質物質を通って陰極の伝導体に移動し、燃料を電気化学的に酸化して電子を生成する。外部の電気回路は燃料電池に接続され、陰極の伝導体から電子を受け取る。
【０００９】
一実施例において、陰極の伝導体は第１のリード線により構成され、陽極の伝導体は第２のリード線により構成される。第１のリード線と第２のリード線は各々、所定の直径の金属線を備えている。少なくとも第１のリード線および第２のリード線のいずれかに関し、その所定の直径の部分の一部が偏平に加工され、その表面積が増加されている。
【００１０】
他の実施例において、第１のリード線および第２のリード線の一方もしくは両方に関する一部が耐熱性、多孔質、非伝導性の絶縁体で被覆されている。さらに他の実施例において、電解質物質は固体酸化物電解質を含む。
【００１１】
上述の側面および上記の実施例における特徴について、以下の記載において、添付の図面を参照しながら説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、エネルギー収集能力の向上された伝導体を少なくとも１つ備える燃料電池の回路図の略図である。
【図２】図２は、偏平加工もしくは押し潰し加工の施された部分を有するリード線を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に述べるように、本願発明者は、例えば燃料電池、触媒コンバータ、その他それに類する装置のようなエネルギー生成装置に接続される外部の電気回路の伝導体の表面積を増加させることにより、電気エネルギーの収集効率が向上することを発見した。１以上の伝導体の表面積を増加させることにより、エネルギー生成装置により生成され、収集されるエネルギーの総量を増加させることができる。本願発明者はさらに、伝導体の質量を増加させることなく、また伝導体の引っ張り強度やその断面積を小さくすることなく、従って、エネルギー生成装置の重量やその他の仕様に変更をもたらすことなく、増加された表面積を持つ伝導体を提供することが望ましいことを発見した。
【００１４】
図１は、外部電気回路２００に供給するために電力を生成する、例えば固体酸化物形燃料電池のようなエネルギー生成装置１００の回路図の略図である。燃料電池１００は、陰極伝導体１１０と陽極伝導体１２０とを備え、それらは例えば固体酸化物やセラミックなどの電解質物質１４０に接するように配置されている。当技術分野において一般的に知られているように、酸素１５０（例えば、空気）は注入口１５２から燃料電池１００に供給され、例えば軽質炭化水素などの燃料１６０は注入口１６２から燃料電池１００に供給される。
【００１５】
図１に示されるように、酸素１５０は陽極伝導体１２０において還元され酸素イオン１５４になる。酸素イオン１５４は電解質物質１４０を通って核酸し、陰極伝導体１１０に移動し、燃料１６０を電気化学的に酸化する。その酸化反応において、電子（ｅ−）１８０が生成される。電子１８０は、例えば外部電気回路２００における処理や装置２１０に供給するための使用される電力として陰極伝導体１１０から外部電気回路２００を通って陽極伝導体１２０に向かい流れる。
【００１６】
以下において、エネルギー生成装置１００は燃料電池として記述されるが、エネルギー生成装置１００が例えば水などの液体を水素イオンと電子（例えば、電子１８０）に解離させる触媒反応をもたらす触媒コンバータである場合も本願開示の技術範囲内に含まれる点が理解されるべきである。
【００１７】
本願発明によれば、陰極伝導体１１０および陽極伝導体１２０の少なくともいずれか一方は、例えばニッケルもしくはニッケル合金などの金属線１１５（図２（Ａ）および（Ｂ））からできている。一実施例において、ニッケル合金の金属線は、例えばオメガ・エンジニアリング・インコーポレイテッド（アメリカ合衆国コネチカット州スタンフォード）によりＮＩＳＩＬ（商標）というブランド名で販売されている合金などのニッケル−シリコン合金である。また、一実施例において、ニッケルもしくはニッケル合金の金属線による伝導体１１５は、公称直径ＤＮが約０．０１０インチ（０．２５４６ｍｍ）から約０．２５０インチ（６．３５０ｍｍ）までの範囲内の金属線からできている。なお、直径ＤＮが約０．０１０インチ（０．２５４６ｍｍ）から約０．２５０インチ（６．３５０ｍｍ）までの範囲内の金属線は、その表面積が、１インチ長さ当たり約０．０３１４平方インチ（１ミリメートル長さ当たり約２０．２６ｍｍ２）から１インチ長さ当たり約０．７８５平方インチ（１ミリメートル長さ当たり約５０６．４５ｍｍ２）となる。
【００１８】
一実施例において、ニッケルもしくはニッケル合金の金属線である陰極伝導体１１０はエネルギー生成装置１００（例えば、燃料電池）により生成されたエネルギー（例えば、電子１８０）を収集する。ニッケルもしくはニッケル合金の金属線である陰極伝導体１１０は燃料電池１００から処理もしくは装置２１０を伴う外部電気回路２００に対し電子を導くリード線である。また、一実施例において、ニッケルもしくはニッケル合金の金属線である陽極伝導体１２０は外部電気回路２００から燃料電池１００に電子を戻すリード線である。本願発明の一側面において、直径ＤＮの金属線である伝導体１１５（例えば陰極伝導体１１０および／もしくは陽極伝導体１２０）の所定部分１１７は、断面積が円形の状態から押し潰し加工もしくは偏平化加工によりその表面積が少なくとも約２倍となっている。それは、例えば、直径方向の長さを約０．０２０インチ（０．５０８ｍｍ）から約０．００５インチ（０．１２７ｍｍ）へと偏平化もしくは押し潰しすることにより実現することができる。偏平化されると、金属線の所定部分１１７は幅ＷＣが約０．０４５インチ（１．１４３ｍｍ）のリボンのような形状となり、断面積が元の円柱形の金属線（例えば直径がＤＮ）の断面積と同じ（０．０３１４平方インチ、０．７９７６ｍｍ）であるが、厚さＴＣが約０．００５インチ（０．１２７ｍｍ）となる。この例示的な実施態様において、直径ＤＮが約０．０２０インチ（０．５０８ｍｍ）の金属線は１インチ長さ当たり約０．０６３４平方インチ（１ミリメートル長さ当たり約４０．９０ｍｍ２）の表面積を持ち、押し潰された金属線伝導体の所定部分１１７は１インチ長さ当たり約０．１０４５平方インチ（１ミリメートル長さ当たり約６７．４２ｍｍ２）の表面積を持つ。従って、押し潰しにより表面積や約２倍となっている。押し潰し加工もしくは偏平化加工により、燃料電池１００に用いられている既存のニッケルもしくはニッケル合金の伝導体１１５と比べ、その伝導体の質量および引っ張り強度のいずれも増加しておらず、その結果、燃料電池１００はその重量やその他の特性を従来型の燃料電池のそれらと比較し変更することなく、収集可能なエネルギーの総量を増加することができる点は特筆すべき点である。また、表面積の増加により、接続性（例えば、点接触が線接触となる）とともに、伝導体１１５の伝導性も向上する点も特筆すべき点である。
【００１９】
一実施例において、押し潰した金属線の伝導体に代えて、押し潰した金属線と同じ断面積を持つ金属リボンが採用されてもよい（例えば、所定部分１１７が金属線１１５の長さ方向の全体を占める）。一実施例において、金属線の陰極伝導体１１０および金属線の陽極伝導体１２０の一方もしくは両方が、例えば、セラミック絶縁体、セラミック類似物絶縁体、シリコン絶縁体、もしくは編組スリーブのような耐熱、多孔質、非伝導性の絶縁体もしくは編み材料１１８により被覆されている。一実施例において、セラミック類似物絶縁体は、アルミナ−ボリア−シリカ絶縁体である。一実施例において、編み材料は、例えばＮＥＸＴＥＬ（アメリカ合衆国登録商標）編組スリーブなどの耐熱編組スリーブである（Ｎｅｘｔｅｌは３Ｍ、アメリカ合衆国ミネソタ州セント・ポールの登録商標）。
【００２０】
上記の記載は、本願発明の実施例を単に説明するためのものであり、いわゆる当業者が本願において開示さいた実施例から離れることなく様々な代替例や変形例を導き出すことが可能である。従って、上記の実施例は上記の開示および添付の請求項のいずれかに記載の技術的範囲内に入る全ての代替例や変形例、変化例を包含することを意図している。
【符号の説明】
【００２１】
１００：エネルギー生成装置
２００：外部電気回路
１１０：陰極伝導体
１２０：陽極伝導体
１４０：電解質物質
１５０：酸素
１５２：注入口
１６０：燃料
１６２：注入口
１５４：酸素イオン
２１０：装置
１１５：金属線
１８０：電子
１１７：所定部分
１１８：編み材料
【図１】
2011146361.tif 000003
【図２】
2011146361.tif 000004
【手続補正書】
【提出日】平成22年8月25日(2010.8.25)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００５】
本願発明の一側面として、直径方向に偏平となるように加工された部分は他の部分と同じ断面積を有しつつ表面積が増加されている。一実施例において、直径方向に偏平となるように加工された部分の増加された表面積は、他の部分の表面積の１．５倍以上である。また、一実施例において、第１および第２のリード線はニッケルもしくはニッケル合金である。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１５】
図１に示されるように、酸素（Ｏ２）１５０は陽極伝導体１２０において還元され酸素イオン（Ｏ２−）１５４になる。酸素イオン１５４は電解質物質１４０を通って核酸し、陰極伝導体１１０に移動し、燃料１６０を電気化学的に酸化する。その酸化反応において、電子（ｅ−）１８０が生成される。電子１８０は、例えば外部電気回路２００における処理や装置２１０に供給するための使用される電力として陰極伝導体１１０から外部電気回路２００を通って陽極伝導体１２０に向かい流れる。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１７】
本願発明によれば、陰極伝導体１１０および陽極伝導体１２０の少なくともいずれか一方は、例えばニッケルもしくはニッケル合金などの金属線１１５（図２（Ａ）および（Ｂ））からできている。一実施例において、ニッケル合金の金属線は、例えばオメガ・エンジニアリング・インコーポレイテッド（アメリカ合衆国コネチカット州スタンフォード）によりＮＩＳＩＬ（商標）というブランド名で販売されている合金などのニッケル−シリコン合金である。また、一実施例において、ニッケルもしくはニッケル合金の金属線による伝導体１１５は、公称直径ＤＮが約０．０１０インチ（０．２５４ｍｍ）から約０．２５０インチ（６．３５０ｍｍ）までの範囲内の金属線からできている。なお、直径ＤＮが約０．０１０インチ（０．２５４ｍｍ）から約０．２５０インチ（６．３５０ｍｍ）までの範囲内の金属線は、その表面積が、１インチ長さ当たり約０．０３１４平方インチ（１ミリメートル長さ当たり約０．７９８０ｍｍ２）から１インチ長さ当たり約０．７８５平方インチ（１ミリメートル長さ当たり約１９．９５ｍｍ２）となる。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１８】
一実施例において、ニッケルもしくはニッケル合金の金属線である陰極伝導体１１０はエネルギー生成装置１００（例えば、燃料電池）により生成されたエネルギー（例えば、電子１８０）を収集する。ニッケルもしくはニッケル合金の金属線である陰極伝導体１１０は燃料電池１００から処理もしくは装置２１０を伴う外部電気回路２００に対し電子を導くリード線である。また、一実施例において、ニッケルもしくはニッケル合金の金属線である陽極伝導体１２０は外部電気回路２００から燃料電池１００に電子を戻すリード線である。本願発明の一側面において、直径ＤＮの金属線である伝導体１１５（例えば陰極伝導体１１０および／もしくは陽極伝導体１２０）の所定部分１１７は、断面積が円形の状態から押し潰し加工もしくは偏平化加工によりその表面積が１．５倍以上となっている。それは、例えば、直径方向の長さを約０．０２０インチ（０．５０８ｍｍ）から約０．００５インチ（０．１２７ｍｍ）へと偏平化もしくは押し潰しすることにより実現することができる。偏平化されると、金属線の所定部分１１７は幅ＷＣが約０．０４５インチ（１．１４３ｍｍ）のリボンのような形状となり、断面積が元の円柱形の金属線（例えば直径がＤＮ）の断面積と同じ（０．０３１４平方インチ、０．７９８０ｍｍ２）であるが、厚さＴＣが約０．００５インチ（０．１２７ｍｍ）となる。この例示的な実施態様において、直径ＤＮが約０．０２０インチ（０．５０８ｍｍ）の金属線は１インチ長さ当たり約０．０６３４平方インチ（１ミリメートル長さ当たり約１．６１０ｍｍ２）の表面積を持ち、押し潰された金属線伝導体の所定部分１１７は１インチ長さ当たり約０．１０４５平方インチ（１ミリメートル長さ当たり約２．６５４ｍｍ２）の表面積を持つ。従って、押し潰しにより表面積が１．５倍以上となっている。押し潰し加工もしくは偏平化加工により、燃料電池１００に用いられている既存のニッケルもしくはニッケル合金の伝導体１１５と比べ、その伝導体の質量および引っ張り強度のいずれも増加しておらず、その結果、燃料電池１００はその重量やその他の特性を従来型の燃料電池のそれらと比較し変更することなく、収集可能なエネルギーの総量を増加することができる点は特筆すべき点である。また、表面積の増加により、接続性（例えば、点接触が線接触となる）とともに、伝導体１１５の伝導性も向上する点も特筆すべき点である。
【手続補正５】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項３】
前記所定の直径を有する金属線の前記偏平化されている一部分の表面積は、前記所定の直径を有する金属線の前記一部分ではない部分の表面積の１．５倍以上である
請求項１に記載の電気回路。
【手続補正６】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１８】
前記第２の表面は、前記第１の表面と比較して１．５倍以上の表面積を有する
請求項１６に記載の方法。
【手続補正７】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2011146361.tif 000005
【外国語明細書】
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2011146361000003.pdf
2011146361000004.pdf