(57)【要約】プロトン伝導性セラミック電解質を有する電解質、およびこの電解質と接触する２相拡散膜電極を備える、プロトン伝導性燃料電池であって、この電極は、実質的に非多孔性であり、そして水素透過性である。また、プロトン伝導性セラミック電解質と接触している正極および負極を有する、プロトン伝導性燃料電池から、水素分子を発生させる方法は、水素気体混合物から純粋な水素を抽出する工程、およびこの燃料電池の正極において水蒸気を電気分解し、酸素分子（Ｏ２）および水素イオンを形成する工程、ならびにこれらの水素イオンをこの燃料電池の負極において還元して、水素分子（Ｈ２）を生成する工程を包含する。
2007523441.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プロトン伝導性燃料電池であって、
プロトン伝導性セラミックを含有する電解質；および
該電解質と接触している２相拡散膜電極であって、該電極は、実質的に非多孔性であり、そして水素透過性である、２相拡散膜電極、
を備える、燃料電池。
【請求項２】
前記プロトン伝導性セラミックが、バリウムおよびセリウムを含有する固体酸化物である、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記プロトン伝導性セラミックが、ＢａＣｅ（１−ｎ）ＸｎＯ（３−δ）を含有し、ここで：
Ｘは、ａ＋３の原子価状態を有する遷移金属、ランタニド、およびアクチニドからなる群より選択され；
ｎは、約０．０５〜約０．２０であり；そして
δは、約０．１０以下である、
請求項１に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記プロトン伝導性セラミックが、イットリウムをドープされたセリウム酸バリウムまたはガドリニウムをドープされたセリウム酸バリウムを含有する、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記プロトン伝導性セラミックが、ＢａＣｅ０．９Ｙ０．１Ｏ（３−δ）を含有し、ここで、δは約０．１０以下である、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記燃料電池が、約６００℃〜約８００℃の温度で作動する、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記燃料電池が、約７００℃の温度で作動する、請求項６に記載の燃料電池。
【請求項８】
前記電極が、アノードである、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項９】
前記電極が、カソードである、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項１０】
前記電極が、約５μｍ以下の厚さを有する、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項１１】
前記電極が、白金、パラジウム、銀またはニッケルを含有する、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項１２】
前記電極が、溶射されたニッケルを含有する、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項１３】
前記電極が、水に対して実質的に不透過性である、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項１４】
前記燃料電池が、約８５ｍＷ／ｃｍ２以上のピーク電力出力を有する、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項１５】
前記水素が、メタンによって供給される、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項１６】
プロトン伝導性セラミック電解質と接触している正極および負極を備えるプロトン伝導性燃料電池から、水素を発生させる方法であって、該方法は、
該燃料電池の正極において、水蒸気を電気分解し、水素分子（Ｏ２）および水素イオンを形成する工程；ならびに
該燃料電池の負極において、該水素イオンを還元し、水素分子（Ｈ２）を形成する工程、
を包含し、該電極が、実質的に非多孔性であり、そして水蒸気に対して実質的に不透過性である、方法。
【請求項１７】
前記燃料電池によって発生される前記水素分子が、実質的に水蒸気を含まない、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記水蒸気が、空気によって供給される、請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
前記プロトン伝導性セラミック電解質が、ＢａＣｅ０．９Ｙ０．１Ｏ（３−δ）を含有し、ここで、δは、約０．１０以下である、請求項１６に記載の方法。
【請求項２０】
前記水素が、炭化水素の改質または部分的酸化によって生成される、請求項１６に記載の方法。
【請求項２１】
前記炭化水素が、メタン、エタン、プロパン、ブタン、メタノール、エタノール、またはプロパノールである、請求項１６に記載の方法。
【請求項２２】
プロトン伝導性セラミック電解質と接触している正極および負極を備えるプロトン伝導性装置において、水素を精製する方法であって、該方法は、
該装置の正極において、不純物を含有する不純水素ガス由来の水素分子を酸化し、水素イオンを形成する工程；および
該装置の負極において、該水素イオンを還元し、実質的に純粋な水素分子（Ｈ２）を形成する工程、
を包含し、該電極は、実質的に非多孔性であり、そして該不純物に対して実質的に不透過性である、方法。
【請求項２３】
前記不純物が、Ｏ２、Ｈ２Ｏ、ＣＯ、およびＣＯ２からなる群より選択される、請求項２２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の引用）
本願は、２００３年９月２４日に出願された、発明の名称「Ｐｒｏｔｏｎｉｃ  Ｃｅｒａｍｉｃ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ」の、米国仮出願番号６０／５０５，８９４（その全内容は、本明細書中に参考として援用される）の利益を主張する。
【０００２】
（発明の分野）
本発明は、電気エネルギーまたは水素（Ｈ２）の発生のための、セラミックのプロトン伝導性燃料電池を包含する。具体的には、これらの燃料電池は、実質的に非多孔性の、水素（例えば、プロトン）伝導性の電極を備え、これらの電極は、他の気体（例えば、水蒸気）の通過を遮断しながら、水素の通過を可能にする。
【背景技術】
【０００３】
（発明の背景）
燃料電池は、燃料内に貯蔵された化学エネルギーを、従来の熱機関より高効率で、電気エネルギーに変換し得る。従来の熱機関は、最初に、化学エネルギーを、燃焼プロセス（例えば、天然ガスと酸素とを反応させて、二酸化炭素と水とを形成する）を介して、熱エネルギーに変換し、そしてこの熱エネルギーのうちのいくらかを、機械的作業（例えば、ピストンを圧縮すること、タービンブレードを回転させること）のために動力化し、これが次に、電気エネルギーに変換される。理想的な条件下においてさえも、代表的に、熱機関において放出される化学エネルギーのうちの半分より多くが、廃熱として失われる。
【０００４】
燃料電池は、燃料反応物（例えば、天然ガスおよび酸素）を生成物（例えば、二酸化炭素および水）に変換する場合の、燃焼工程を排除することによって、より高い変換効率を実現する。その代わりに、燃焼によって発生した熱エネルギーのほとんど全ては、この燃料電池において反応物が酸化される（例えば、Ｈ２→２Ｈ＋＋８ｅ−）部位から、この燃料電池において他の反応物が還元される（例えば、（１／２）Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ）部位へと移動する電子に流される（すなわち、電流を発生させる）。燃焼工程（および機械的作業工程）を排除することによって、燃料電池の燃焼効率を、熱機関を用いて可能なレベルより５０％高く増加させ得る。
【０００５】
燃料電池の酸化反応および還元反応は、燃料成分または酸化剤（例えば、水素、酸素）が電極（すなわち、アノードまたはカソード）および燃料電池の電解質と接触する、従来の燃料電池において起こる。反応物は、その反応部位に迅速かつ容易に到達する必要がある（そして生成物は、その反応部位を迅速かつ容易に離れる必要がある）ので、この燃料電池の電極および電解質は、反応物または生成物が容易に通過するように設計される。
【０００６】
従来の燃料電池は、燃料電池の反応物および他の材料が、電極／電解質界面に容易に接近し得るように、多孔性電極を用いて設計される。例えば、図１は、従来のプロトン交換膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ）のための、水素ガス側の電極／電解質界面を示す。この界面は、多孔性電極と接触しているバルク電解質１０２を備え、この多孔性電極は、触媒粒子１０６で被覆された炭素支持体１０４から作製される。繊維１０８は、この電極の面に付加されて、この電極の多孔度を増加させる。水素は、この多孔性電極構造体を自由に通過して、触媒粒子１０６において、酸化反応を起こす。この触媒粒子において、粒子１０６と、電解質１０２と、水素との接触（すなわち、「３相接触」）が存在する。この電極はまた、水蒸気に対して透過性であり、これによって、この３相接触、および水素の酸化後の、電解質１０２を横切るプロトンの拡散が、増強される。
【０００７】
燃料気体と、電極と、電解質との間での３相接触面積が大きいほど、この電極／電解質界面において発生し得る電流は、より大きい（しばしば、ｍＡ／ｃｍ２で測定される）。不運なことに、電極と電解質との間の直接的な接触が増加するほど、反応物気体がこの電極／電解質界面の方へと移動することがより困難になり、電流の発生を制限する。従って、電極／電解質界面への反応物（例えば、燃料気体）の移動を減少させることなく、電極と電解質との間の接触が増加され得る燃料電池に対する必要性が、存在する。
【０００８】
図１における電極の多孔度はまた、この電極を、液体の水または水蒸気に対して透過性にする。ＰＥＭＦＣの場合、この水透過性は、電極／電解質界面における反応を増加させることと、ＰＥＭ電解質を横切るプロトンの移動との両方のために、重要である。しかし、液体の水または水蒸気の透過性は、特に、例えば、混合気体または水蒸気の電解質からの分離によって純粋な水素を発生させるために、この燃料電池に電力を供給することによって、この燃料電池を逆に作動させることが望ましい場合、しばしば、欠点であり得る。
【０００９】
水蒸気の電気分解は、電気エネルギーが、水分子（Ｈ２Ｏ）を水素分子（Ｈ２）および酸素（（１／２）Ｏ２）に変換する場合に起こる。水の電気分解は、酸素分子およびプロトンを生成するために逆作動で作動している水素燃料電池のカソードにおいて起こり得、これらの酸素分子およびプロトンは、この電解質を横切って移動する。これらの移動しているプロトンがアノード／カソード界面に達すると、これらのプロトンは、還元されて、水素分子を形成し得る。不運なことに、従来のＰＥＭＦＣの透過性電極の設計において、水は、これらのプロトンと共にこの電解質を横切って移動し、そしてアノードにおいて生成する水素を汚染する。従って、水が水素を汚染することを防止する、水素分子生成システムに対する必要性が存在する。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１０】
（発明の簡単な要旨）
本発明の実施形態は、プロトン伝導性セラミックを含有する電解質を備える、プロトン伝導性燃料電池を包含する。この燃料電池はまた、この電解質と接触する２相拡散膜電極を備え、ここで、この電極は、実質的に非多孔性であり、そして水素に対して透過性である。
【００１１】
本発明の実施形態はまた、プロトン伝導性セラミック電解質と接触している正極および負極を有するプロトン伝導性燃料電池から、酸素分子および水素を発生させる方法を包含する。この方法は、この燃料電池の正極において、水蒸気を電気分解し、酸素分子（Ｏ２）および水素イオンを形成する工程、ならびにこの燃料電池の負極において、この水素イオンを還元し、水素分子（Ｈ２）を形成する工程を包含する。これらの電極は、実質的に非多孔性であり、そして水蒸気に対して実質的に不透過性である。
【００１２】
本発明の実施形態はまた、プロトン伝導性装置において、水素を精製する方法を包含し、この装置は、プロトン伝導性セラミック電解質と接触している正極および負極を備える。この方法は、この装置の正極において、不純物を含有する不純水素ガス由来の水素分子を酸化し、水素イオンを形成する工程、およびこの装置の負極において、これらの水素イオンを還元し、実質的に純粋な水素分子（Ｈ２）を形成する工程を包含する。この方法と共に使用される電極は、実質的に非多孔性であり得、そしてこれらの不純物に対して実質的に不透過性であり得る。
【００１３】
さらなる特徴は、部分的には、以下の説明に記載されており、そして部分的には、以下の明細書の試験によって、当業者に明らかになるか、または本発明の実施によって知られ得る。本発明の特徴および利点は、添付の特許請求の範囲において具体的に指摘される器具、組み合わせ、および方法によって、実現および達成され得る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
（発明の詳細な説明）
本発明は、少なくとも１つの実質的に非多孔性の電極と接触しているプロトン伝導性セラミック電解質を備える、燃料電池を包含する。この電極は、非多孔性であるにもかかわらず、水素の拡散に対して透過性である。この電極を通って拡散する水素は、この電極材料と同じ相で存在すると考えられ得、従って、移動する水素が電極／電解質界面において反応する地点は、「２相接触」と称され得、そしてこの電極は、２相拡散膜電極と称され得る。
【００１５】
この２相拡散膜電極は、実質的に非多孔性であるので、この電極と電解質との間の接触は、多孔性電極についてよりも高く、従って、この燃料によって発生し得る電流が増加する。この燃料電池において、１ｃｍ２あたりでのより高い電流が、可能である。なぜなら、水素は、この電解質における気相チャネルおよび細孔の必要なしに、電極／電解質界面に到達し得るからである。
【００１６】
この実質的に非多孔性の２相電極はまた、多孔性電極よりも低い抵抗で、電子を伝導する。これらの電極のこのより低い電気抵抗は、電流がこの電極を通って動かされるにつれて電気エネルギーが廃熱に変換されることに起因する、この燃料電池における寄生のエネルギー損失のかなりの原因を減少させる。例えば、金属ニッケルのバルク抵抗は、約１×１０−５Ω・ｃｍであり、一方、代表的な多孔性ニッケルセメント（例えば、３０％のＮｉを有し、そして３０％の多孔度を有するセメント）の抵抗は、約２×１０−３Ω・ｃｍである。
【００１７】
実質的に非多孔性の電極はまた、保護障壁として働いて、燃料プレナムおよび排気プレナム中の腐食性気体種および触媒抑止気体種が、電解質材料を攻撃することを防止し得る。例えば、図１に示される多孔性電極／電解質界面は、触媒抑止気体種（一酸化炭素（ＣＯ）および二酸化硫黄（ＳＯ２）など）を、触媒部位に到達させ、そしてＰＥＭ電極／電解質界面における水素の酸化をブロックさせる。さらに、この非多孔性電極は、多孔性電極より小さい表面積を、電極自体を攻撃し得る腐食性気体（例えば、酸化物）に提供する。
【００１８】
本発明の実施形態による、実質的に非多孔性の電極は、水素を除く全ての気体種の輸送を遮断する電極材料を含み得る。純粋な水素は、例えば、一酸化炭素、二酸化炭素、水蒸気、および他の種（炭化水素の改質によって通常発生する種が挙げられる）を含有する気体混合物から分離され得る。実質的に純粋な水素（Ｈ２）は、圧力勾配を適用することによって、または電気分解的に、この電池にわたって電圧を印加することによって、この気体混合物から選択的に除去され得る。
【００１９】
ここで図２を参照すると、本発明の実施形態による燃料電池における、電極／電解質界面２０６が示されている。電極／電解質界面２０６は、電解質２０２と、実質的に非多孔性の２相電極２０４との接触によって、形成される。電極２０４は、水素の移動に対して透過性である、実質的に非多孔性の材料から作製され得る。
【００２０】
電極２０４において使用され得る非多孔性材料の例としては、他の金属のうちでもとりわけ、白金、パラジウム、およびニッケルが挙げられる。この電極は、実質的に純粋な金属から作製され得、そしてまた、様々な種類の金属の合金（例えば、ニッケル−クロム合金）から作製され得る。多くの遷移族の金属は、高い水素拡散性および低い電気抵抗を有し、従って、水素拡散電極のために適切である。本発明の実施形態による電極は、約１０−５ｃｍ２／ｓ以上（例えば、約１０−３ｃｍ２／ｓ以上）の酸素拡散性を有し得る。さらに、これらの電極は、約１０−５Ω・ｃｍ以下の電気抵抗を有し得る。電極２０４は、好ましくは、約５μｍ〜約１μｍ、またはそれ以下（例えば、約３μｍ以下）の厚さを有する。
【００２１】
非多孔性電極２０４は、水素以外の気体（例えば、水蒸気、一酸化炭素、二酸化炭素、硫黄含有気体など）に対して、実質的に不透過性であり得る。上記のように、これらの気体に対する電極２０４の不透過性によって、これらの気体が、バルク電極２０２、反対側の電極（図示せず）上の部位、およびこの反対側の電極と接触している流体チャネル（例えば、気体チャネル）を汚染することが防止される。
【００２２】
電解質２０２は、プロトン（すなわち、Ｈ＋イオン）を伝導し得、一方でアノード電極とカソード電極との間の短絡回路を防止するための、電子に対する絶縁体として働き得る、セラミック材料（例えば、固体酸化物）から作製され得る。電解質２０２は、約０．８〜約０．９、またはそれ以上（例えば、約０．９９以上）のイオン輸率（すなわち、Ｈ＋伝導性／全伝導性の比）を有し得る。電解質２０２はまた、約１ｍｍ以下（例えば、約０．２ｍｍ以下、約０．０５ｍｍ以下など）の厚さで形成され得る。
【００２３】
本発明の燃料電池の実施形態において、電解質２０２は、ＢａＣｅ（１−ｎ）ＸｎＯ（３−δ）の式を有するペロブスカイト型セラミックから作製され得、ここで、Ｘは、ドーパントであり、遷移金属、ランタニド、およびアクチニドから選択され得、ｎは、約０．０５〜約０．２０であり；そしてδ（このセラミックにおける空酸素部位のモル分率を表す）は、約０．１０以下である。例えば、ドーパントＸは、イットリウム、ガドリニウム、または＋３の金属カチオンであり得、そしてペロブスカイト型セラミックについてのこの式は、ＢａＣｅ０．９Ｘ０．１Ｏ（３−δ）であり得る。
【００２４】
（例示的な燃料電池）
図３は、本発明の実施形態による燃料電池３０２の、単純化した概略図を示す。燃料電池３０２は、アノード電極３０４とカソード電極３０８との間の、プロトン伝導性電解質３０６を備える。電流は、導体３１０を通って、アノード電極３０４からカソード電極３０８へと移動し、この導体は、有用な作業（例えば、電気モータへの電力供給、バッテリの充電、照明の点灯、コンピュータの作動など）を行うために、この電流から電気エネルギーを動力化し、ロード３１２に結合され得る。
【００２５】
電気エネルギーは、燃料電池３０２において、燃料気体を、燃料電池３０２の燃料気体入口３１４を通して燃料チャネル側（すなわち、アノード電極側）へと供給することによって、発生する。使用される燃料としては、他の種類の水素含有燃料のうちでもとりわけ、水素（Ｈ２）、炭化水素（例えば、メタン（ＣＨ４）、エタン（Ｃ２Ｈ６）、プロパン（Ｃ３Ｈ８）、ブタンなど）、およびこれらの燃料の組み合わせが挙げられ得る。この燃料気体中の水素は、アノード電極において酸化されて、プロトン（これは、電極３０６を横切って移動する）および電子（これは、アノード電極３０４を通してカソード電極３０８へと電流を供給する）を生成し得る。キャリア気体（存在する場合）、水蒸気および酸化反応からの他の反応生成物（例えば、Ｎ２、Ｈ２Ｏ、ＣＯ２）は、燃料側の気体出口３１６を通って、燃料電池３０２の燃料チャンバ側から離れ得る。
【００２６】
電子が電気エネルギーをロード３１２へと送達した後に、これらの電子は、酸化物ガス入口３１８を通過する酸化物気体（例えば、空気）によって供給される酸素分子（Ｏ２）と、電解質３０６を横切って移動するプロトンとの還元反応に関与して、水を形成し得る。水蒸気は、他の還元生成物および（存在する場合）酸素に付随する気体（例えば、Ｎ２）と一緒になって、酸化物側気体出口３２０を通って燃料電池３０２の酸化物チャンバ側から出得る。
【００２７】
燃料電池３０２は、約６００℃〜約８００℃（例えば、約７００℃）の温度で作動し得る。燃料電池３０２によって発生する電流は、約１００ｍＡ／ｃｍ２〜約５００ｍＡ／ｃｍ２、またはそれ以上であり得る。水素燃料は、燃料電池３０２に、約７００ｍＶの作動電圧、および約１００ｍＷ／ｃｍ２〜約２５０ｍＷ／ｃｍ２、またはそれ以上のピーク作動電力を与える。
【００２８】
上記のように、燃料電池３０２は、メタン（ＣＨ４）のような炭化水素燃料と共に使用され得る。従来の燃料電池については、メタンは、改質反応を受けて、水素（Ｈ２）を発生させ得、次いで、この水素は、アノード反応において使用される。この改質は、通常、水蒸気を用いて行われ、そして以下によって表され得る：
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→３Ｈ２＋ＣＯ    （改質）
この改質反応によって生成するＣＯは、しばしば、水性気体シフト反応と称される第二の反応において、二酸化炭素およびさらなる水素に変換される。この第二の反応は、以下によって表され得る：
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→Ｈ２＋ＣＯ２    （シフト反応）。
【００２９】
電解質ポリマー中の精密な水分レベルを維持するためにより低温（例えば、１００℃未満）で作動しなければならないＰＥＭ燃料電池とは異なり、本発明の燃料電池は、電解質内の水の存在なしで、より高温で作動し得る。本発明の燃料電池は、約６００℃〜約８００℃の温度で作動する。
【００３０】
（例示的な水素発生システム）
図４は、本発明の実施形態に従う、水素（Ｈ２）発生システムを示す。この実施形態において、このシステムは、図３におけるロード３１２を図４における電気エネルギー源４１２で置き換えることによって、電解装置として作動する燃料電池を備え得る。この電気エネルギー源は、正極４０４から負極４０８へと電流を動かす。エネルギー源４１２は、種々の電気エネルギー源（例えば、電力グリッドに接続された電源、光電（例えば、太陽）発電システム、風力発電システム、水力発電システム、燃料燃焼（例えば、石炭、天然ガス、油、石油、アルコールなど）電力発生器、およびこれらの供給源の組み合わせ）のいずれかであり得る。
【００３１】
供給源４１２は、入口４１４においてこの電池に入る水分子の電気分解を誘発する。この水は、正極４０４において、酸素分子（Ｏ２）および水素イオンに酸化され得、一方で、電子が、供給源４１２によって、正極４０４から負極４０８へと送り込まれる。非多孔性の水素拡散電極４０４は、プロトンが、電解質４０６を横切って移動することを可能にし、一方で、酸素、Ｈ２Ｏ、および他の種（例えば、ＣＯ、ＣＯ２）（これらは、気体出口４１６を通して、他の気体と一緒に運び去られ得る）を遮断する。電解質４０６は、（従来のＰＥＭ電解質とは異なり）プロトンを伝導するために水で飽和される必要がない、プロトン性セラミック材料から作製され得るので、電極４０４において水を遮断することは、電解質４０６を横切るプロトン伝導を妨害しない。
【００３２】
電解質４０６を横切って伝導されるプロトンは、負極４０８において供給源４１２によって導体４１０を通して送り込まれる電子と再度結合して、水素分子を形成し得る。次いで、この水素は、電極４０８を通って拡散し得、そして出口４２０において、この燃料電池から出る。いくつかの実施形態において、乾燥したキャリア気体（例えば、Ｎ２）が、入口４１８から導入されて、電極４０４から燃料電池の外側へと拡散する水素を運ぶことを補助し得る。酸素および水が正極４０４を通って拡散し、そしてプロトンと一緒に電解質４０６を横切って移動することができないことにより、これらの種が、出口４２０においてこの燃料電池を出る、実質的に純粋な水素ガスを汚染することが防止される。
【００３３】
図４に記載されるシステムは、水素発生器または燃料電池の両方として働き得るが、このことは、必須ではない。本発明の実施形態はまた、燃料電池に可逆的に変換されない目的に専用の、水素発生システムを包含し得る。例えば、このシステムは、移動燃料電池（例えば、自動車、船などの輸送用運搬具において使用される燃料電池）のための、実質的に純粋な水素ガスを発生させるための、ベースステーション電解装置として使用され得る。この電解装置は、非移動性の電気エネルギー源４１２から、一定して水素燃料を発生させ得、その結果、運転者がこの運搬具を「満たす」ことを必要とする場合に、水素の十分な供給が、要求に応じて利用可能である。この電解装置はまた、制御器（図示せず）を備え得、この制御器は、最高時を外れた時間帯に、電力グリッドから水素を発生させ、このグリッドからの、そうでなければ浪費されるエネルギーの捕捉、貯蔵および最終的な使用を可能にするように、プログラムされ得る。
【００３４】
非多孔性の水素拡散電極４０４はまた、図４の水素発生システムが、水素ガス純化器として働くことを可能にし得ることもまた、理解されるべきである。例えば、水蒸気、一酸化炭素、二酸化炭素などを含有する不純な水素ガスが、入口４１４を通ってこの電池に入り得、そしてこの水素は、正極４０４においって酸化され得、一方で、不純物（例えば、Ｈ２Ｏ、ＣＯ、ＣＯ２など）は、遮断される。次いで、発生した水素イオンは、電解質４０６を横切って伝導され得、そして負極４０８において還元されて、実質的に純粋な水素ガスを作製し、この水素ガスは、出口４２０において、この純化電池を出る。
【実施例】
【００３５】
実施例１：本発明による水素／空気燃料電池を、７５０℃において７５０時間作動させた。この燃料電池は、ＢＣＹ１０（これは、式ＢａＣｅ０．９Ｙ０．１Ｏ（３−δ）を含有し、ここで、δは約０〜０．１０である）と称される固体酸化物ペロブスカイト型セラミックから形成された、１ｍｍの厚さの電極ディスクを備えた。この電解質を、カソード側で白金電極によって覆い、そしてアノード側で非多孔性の３μｍの厚さの溶射されたニッケル電極によって覆った。この燃料電池は、７００ｍＶにおいて、３０ｍＡ／ｃｍ２と４０ｍＡ／ｃｍ２との間の平均出力を生じた。
【００３６】
実施例２：本発明の実施形態による、第二の水素／空気燃料電池の電力出力を測定した。この電池は、カソード側において白金電極によって覆われ、そしてアノード側において非多孔性の２．３μｍの厚さのニッケル電極で覆われた、５００μｍの厚さのＢＣＹ１０電極を備えた。この燃料電池は、７００ｍＶにおいて、平均１００ｍＡ／ｃｍ２を生じ、最大電力は、８５ｍＷ／ｃｍ２であった。
【００３７】
両方の実験において、使用した燃料気体は、９９．９９９％の乾燥水素であった。約３週間の連続作動後に、ニッケル燃料側のアノード電極の、いかなる汚染も腐食も観察されなかった。この電池のカソード側において、空気によって供給された酸素が、移動するプロトンで還元されて、水を形成した。多孔性白金電極または電解質の、いかなる毒作用も腐食も観察されなかった。
【００３８】
いくつかの実施形態を記載したので、種々の改変、変更、構築、および均等物が、本発明の精神から逸脱することなく使用され得ることが、当業者によって認識される。さらに、多数の周知のプロセスおよび要素は、本発明を過度に不明瞭にしない目的で、記載されていない。従って、上記説明は、本発明の範囲を限定するとは解釈されるべきではない。
【００３９】
値の範囲が提供される場合、その間にある各値は、その文脈が他に明白に規定しない限り、その下限の単位の１０分の１まで、その範囲の上限と下限との間もまた、具体的に開示されていることが理解される。任意の言及された値の間のより小さい各範囲、あるいは言及される範囲の間にある値およびその言及される範囲内の他に言及された値もしくは間にある値は、本発明に含まれる。これらのより小さい範囲の上限および下限は、独立して、その範囲内に含まれてもまたはその範囲から除外されてもよく、そしていずれかもしくは両方の限度がそのより小さい範囲に含まれるか、またはどちらも含まれない各範囲もまた、本発明に含まれ、言及される範囲内のあらゆる具体的に排除される限定に供される。言及される範囲が、これらの限度のうちの一方または両方を含む場合、これらの含まれる限度のうちのいずれかまたは両方を排除する範囲もまた、本発明に含まれる。
【００４０】
本明細書中および添付の特許請求の範囲において使用される場合、単数形「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、その文脈が明白にそうではないと示さない限り、複数の言及を含む。従って、例えば、「プロセス」との言及は、複数のこのようなプロセスを包含し、そして「電極」との言及は、１つ以上の電極、および当業者に公知であるその均等物に対する言及を含む、などである。
【００４１】
また、用語「含む」、「含んでいる」、「備える」、「備えている」、および「備える」は、本明細書および添付の特許請求の範囲において使用される場合、言及される特徴、整数、構成要素、または工程の存在を詳述することが意図されるが、これらは、１つ以上の他の特徴、整数、構成要素、工程、または群の存在または追加を妨げない。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】図１は、従来のＰＥＭＦＣ電極／電解質界面を示す。
【図２】図２は、本発明の実施形態による、電極／電解質界面を示す。
【図３】図３は、本発明の実施形態による、ロードへと電気エネルギーを供給するための、単純化された燃料電池を示す。
【図４】図４は、本発明の実施形態による、単純化された水素ガス発生器を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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