(57)【要約】  第一の電極と、第二の電極と、該第一および第二の電極の間の多孔質セパレータと、入口および出口を有する第一のチャンネルと、入口および出口を有する第二のチャンネルとを具備した電気化学電池。前記第一のチャンネルは、第一の電極および多孔質セパレータと連続しており、第二のチャンネルは、第二の電極および多孔質セパレータと連続している。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気化学電池であって：
第一の電極と、
第二の電極と、
前記第一の電極と前記第二の電極の間に配置された多孔質セパレータと、
入口および出口を有する第一のチャンネルと、
入口および出口を有する第二のチャンネルと
を具備し、
前記第一のチャンネルは、前記第一の電極および前記多孔質セパレータと実質的に連続しており、
前記第二のチャンネルは、前記第二の電極および前記多孔質セパレータと実質的に連続している電気化学電池。
【請求項２】
請求項１に記載の電気化学電池であって、
第一の液体が前記第一のチャンネルを通って流れるときに層流が樹立され、
第二の液体が前記第二のチャンネルを通って流れるときに層流が樹立される電気化学電池。
【請求項３】
請求項１に記載の電気化学電池であって、前記多孔質セパレータを横切って前記第一の電極から前記第二の電極までの測定された距離が、最大で１ｃｍである電気化学電池。
【請求項４】
請求項１に記載の電気化学電池であって、前記多孔質セパレータを横切って前記第一の電極から前記第二の電極までの測定された距離が、最大で１ｍｍである電気化学電池。
【請求項５】
請求項１に記載の電気化学電池であって、前記多孔質セパレータを横切って前記第一の電極から前記第二の電極までの測定された距離が、最大で０．５ｍｍである電気化学電池。
【請求項６】
請求項１に記載の電気化学電池であって、前記電気化学電池が燃料電池である電気化学電池。
【請求項７】
請求項１に記載の電気化学電池であって、前記第一の電極がガス拡散電極である電気化学電池。
【請求項８】
請求項４に記載の電気化学電池であって、前記第二の電極がガス拡散電極である電気化学電池。
【請求項９】
請求項１に記載の電気化学電池であって、前記多孔質セパレータが１〜１００ミクロンの厚さを有する電気化学電池。
【請求項１０】
請求項１に記載の電気化学電池であって、前記多孔質セパレータが５ｎｍ〜５ミクロンの孔サイズを有する電気化学電池。
【請求項１１】
請求項１に記載の電気化学電池であって、前記多孔質セパレータが１０6〜１０11孔／ｃｍ2の孔密度を有する電気化学電池。
【請求項１２】
請求項１に記載の電気化学電池であって、前記多孔質セパレータが０．１％〜５０％の多孔性度を有する電気化学電池。
【請求項１３】
請求項６に記載の電気化学電池であって、前記第一の電極がガス拡散電極である電気化学電池。
【請求項１４】
請求項１３に記載の電気化学電池であって、前記多孔質セパレータを横切って前記第一の電極から前記第二の電極までの測定された距離が、最大で１ｃｍである電気化学電池。
【請求項１５】
請求項１４に記載の電気化学電池であって、前記多孔質セパレータが１〜１００ミクロンの厚さを有する電気化学電池。
【請求項１６】
請求項１４に記載の電気化学電池であって、前記多孔質セパレータが５ｎｍ〜５ミクロンの孔サイズを有する電気化学電池。
【請求項１７】
請求項１４に記載の電気化学電池であって、前記多孔質セパレータが１０6〜１０11孔／ｃｍ2の孔密度を有する電気化学電池。
【請求項１８】
請求項１４に記載の電気化学電池であって、前記多孔質セパレータが０．１％〜５０％の多孔性度を有する電気化学電池。
【請求項１９】
請求項１８に記載の電気化学電池であって、前記多孔質セパレータが１〜１００ミクロンの厚さと、５ｎｍ〜５ミクロンの孔サイズと、１０6〜１０11孔／ｃｍ2の孔密度とを有する電気化学電池。
【請求項２０】
電気を発生させる方法であって：
第一のチャンネルを通して第一液体を流すことと；
第二のチャンネルを通して第二の液体を流すことと
を含んでなり、
前記第一のチャンネルは、第一の電極および多孔質セパレータと実質的に連続しており、
前記第二のチャンネルは、第二の電極および前記多孔質セパレータと実質的に連続しており、
前記第一の液体は、前記第一の電極および前記多孔質電極と接触しており、
前記第二の液体は、前記第二の電極および前記多孔質セパレータと接触しており、
前記第一および第二の電極において相補的な半電池反応が生じる方法。
【請求項２１】
請求項２０に記載の方法であって、前記第一のチャンネル内の前記第一の液体によって層流が樹立され、また前記第二のチャンネル内の前記第二の液体によって層流が樹立される方法。
【請求項２２】
請求項２０に記載の方法であって、前記多孔質セパレータを横切って前記第一の電極から前記第二の電極までの測定された距離が、最大で１ｃｍである方法。
【請求項２３】
請求項２０に記載の方法であって、前記多孔質セパレータを横切って前記第一の電極から前記第二の電極までの測定された距離が、最大で１ｍｍである方法。
【請求項２４】
請求項２０に記載の方法であって、前記多孔質セパレータを横切って前記第一の電極から前記第二の電極までの測定された距離が、最大で０．５ｍｍである方法。
【請求項２５】
請求項２０に記載の方法であって、前記電気化学電池が燃料電池である方法。
【請求項２６】
請求項２０に記載の方法であって、前記第一の電極がガス拡散電極である方法。
【請求項２７】
請求項２３に記載の方法であって、前記第一の電極がガス拡散電極である方法。
【請求項２８】
請求項２０に記載の方法であって、前記多孔質セパレータが１〜１００ミクロンの厚さを有する方法。
【請求項２９】
請求項２０に記載の方法であって、前記多孔質セパレータが５ｎｍ〜５ミクロンの孔サイズを有する方法。
【請求項３０】
請求項２０に記載の方法であって、前記多孔質セパレータが１０6〜１０11孔／ｃｍ2の孔密度を有する方法。
【請求項３１】
請求項２０に記載の方法であって、前記多孔質セパレータが０．１％〜５０％の多孔性度を有する方法。
【請求項３２】
請求項２５に記載の方法であって、前記第一の電極がガス拡散電極である方法。
【請求項３３】
請求項３２に記載の方法であって、前記多孔質セパレータを横切って前記第一の電極から前記第二の電極までの測定された距離が、最大で１ｃｍである方法。
【請求項３４】
請求項３３に記載の方法であって、前記多孔質セパレータが１〜１００ミクロンの厚さを有する方法。
【請求項３５】
請求項３３に記載の方法であって、前記多孔質セパレータが５ｎｍ〜５ミクロンの孔サイズを有する方法。
【請求項３６】
請求項３３に記載の方法であって、前記多孔質セパレータが１０6〜１０11孔／ｃｍ2の孔密度を有する方法。
【請求項３７】
請求項３３に記載の方法であって、前記多孔質セパレータが０．１％〜５０％の多孔性度を有する方法。
【請求項３８】
請求項３７に記載の方法であって、前記多孔質セパレータが１〜１００ミクロンの厚さと、５ｎｍ〜５ミクロンの孔サイズと、１０6〜１０11孔／ｃｍ2の孔密度とを有する方法。
【請求項３９】
電気化学電池であって：
第一の電極と、
第二の電極と、
前記第一の電極および前記第二の電極と連続した第一のチャンネルと
を具備し、
前記第一の電極はガス拡散電極であり、
第一の液体が、前記第一の電極と接触して前記チャンネルを通って流れ、且つ第二の液体が、前記第二の電極と接触して前記チャンネルを通って流れるときに、前記第一および第二の液体の両方において層流が樹立されるようになっている電気化学電池。
【請求項４０】
請求項３９に記載の電気化学電池であって、前記多孔質セパレータを横切って前記第一の電極から前記第二の電極までの測定された距離が、最大で１ｃｍである電気化学電池。
【請求項４１】
請求項３９に記載の電気化学電池であって、前記多孔質セパレータを横切って前記第一の電極から前記第二の電極までの測定された距離が、最大で１ｍｍである電気化学電池。
【請求項４２】
請求項３９に記載の電気化学電池であって、前記多孔質セパレータを横切って前記第一の電極から前記第二の電極までの測定された距離が、最大で０．５ｍｍである電気化学電池。
【請求項４３】
請求項３９に記載の電気化学電池であって、前記電気化学電池が燃料電池である電気化学電池。
【請求項４４】
電気を発生させる方法であって：
チャンネルを通して第一液体を流すことと；
チャンネルを通して第二の液体を流すことと
を含んでなり、
前記チャンネルは、第一の電極および第二の電極と実質的に連続しており、
前記第一の液体は、前記第一の電極と接触しており、
前記第二の液体は、前記第二の電極と接触しており、
前記第一の電極はガス拡散電極であり、
前記第一および第二の電極において相補的な半電池反応が生じる方法。
【請求項４５】
請求項４４に記載の方法であって、前記第一の液体が電解質を含有し、前記第二の液体が燃料を含有してなる方法。
【請求項４６】
請求項４４に記載の方法であって、酸化剤を含有するガスが、前記ガス拡散電極に供給される方法。
【請求項４７】
請求項４６に記載の方法であって、前記酸化剤が酸素である方法。
【請求項４８】
請求項４６に記載の方法であって、前記ガスが空気である方法。
【請求項４９】
電気化学電池であって：
第一の電極と、
第二の電極と
を具備し、
前記第一の電極はガス拡散電極であり、
イオンが、膜を横切ることなく前記第一の電極から前記第二の電極へと移動する電気化学電池。
【請求項５０】
請求項４９に記載の電気化学電池であって、前記多孔質セパレータを横切って前記第一の電極から前記第二の電極までの測定された距離が、最大で１ｃｍである電気化学電池。
【請求項５１】
請求項４９に記載の電気化学電池であって、前記多孔質セパレータを横切って前記第一の電極から前記第二の電極までの測定された距離が、最大で１ｍｍである電気化学電池。
【請求項５２】
請求項４９に記載の電気化学電池であって、前記多孔質セパレータを横切って前記第一の電極から前記第二の電極までの測定された距離が、最大で０．５ｍｍである電気化学電池。
【請求項５３】
請求項４９に記載の電気化学電池であって、前記電気化学電池が燃料電池である電気化学電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気化学的エネルギー変換のための電気化学装置（例えば燃料電池およびバッテリー）に関する。更に詳細に言えば、本発明は、多孔質セパレータに隣接したチャンネル、ガス拡散電極、および層流を利用した種々の電気化学装置を教示する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池技術は、多くの用途のための代替エネルギー源として、大きな将来性を示している。ポリマー電解質膜燃料電池、直接メタノール燃料電離、アルカリ性燃料電池、リン酸燃料電池、溶融炭酸塩燃料電池、および固体酸化物燃料電池を含む幾つかのタイプの燃料電池が構築されてきた。
【０００３】
全ての燃料電池は同様の原理の下で動作するが、該電池の物理的部品、化学、および動作温度は大きく変化する。例えば、動作温度は室温から約１０００℃まで変化することができる。モバイル用途（例えば自動車および／または携帯マイクロエレクトロニクス電源）においては、高速開始、軽量および低コストの、高電力密度が可能な燃料電池が必要とされている。今日まで、ポリマー電解質燃料電池（ＰＥＦＣ）は、それらの低い動作温度（例えば６０〜１２０℃）および固有の迅速開始能力の故に、このような用途のためのシステムとして選択されてきた。
【０００４】
先行技術の図１は、ポリマー電解質燃料電池２の断面概略図を示している。ＰＥＦＣ２は、導電体として作用する大表面積アノード４、アノード触媒６（典型的には白金）、導電体として作用する大表面積カソード８、カソード触媒１０（典型的には白金）、および電池用固体電解質として働くポリマー電解質膜（ＰＥＭ）１２を含んでいる。ＰＥＭ１２は、アノード４およびカソード８を物理的に分離する。気相および／または液相の燃料（典型的には水素またはアルコール）は、アノード触媒６の上に運ばれ、そこで酸化されて、水素燃料の場合にはプロトンおよび電子を生じ、アルコール燃料の場合にはプロトン、電子および二酸化炭素を生じる。電子は外部回路１６を通ってカソード８へと流れ、そこには定常的に空気、酸素、または水性酸化剤（例えば化案化物）が供給される。アノード４で発生したプロトンは、ＰＥＭ１２を通してカソード８へと選択的に拡散し、そこではプロトンおよび電子の存在下に酸素がカソード触媒１０において還元され、水を生じる。燃料もしくは酸化剤（または両者）がガスの形態であるときは、対応の電極のためにガス拡散電極（ＧＤＢ）が使用されてよい。商業的に入手可能なＧＤＥは、典型的には多孔質導電体（例えば炭素）を含んでおり、該ガスが電極ならびに触媒に達することを可能にする。
【０００５】
多くの液体燃料が利用可能である。にもかかわらず、燃料電池用途のために特に重要なものとして、メタノールが浮上してきた。先行技術の図２は、直接メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）１８の概略断面図を示している。ＤＭＦＣのための電気化学半反応は次の通りである。
アノード：  ＣＨ3ＯＨ  ＋  Ｈ2Ｏ  →  ＣＯ2  ＋  ６Ｈ+  ＋６ｅ-
カソード：  ３／２ Ｏ2  ＋  ６Ｈ+  ＋６ｅ-  →  ３Ｈ2Ｏ
電池反応：  ＣＨ3ＯＨ  ＋  ３／２ Ｏ2  →  ＣＯ2  ＋  ２Ｈ2Ｏ
【０００６】
図２に示したように、該電池はメタノール燃料を直接利用し、予備的な改変工程を必要としない。モバイル電力（低エネルギー）用途において電気エネルギーを製造するために、ＤＭＦＣに対する興味が増大している。しかし、現在のところでは、幾つかの基本的制限がＤＭＦＣの開発および商業化を妨げている。
【０００７】
従来のＤＭＦＣに伴う一つの主要な問題は、液体供給燃料（即ちメタノール）をガス状酸化剤から分離するために使用される材料が、典型的には、ガス状供給水素燃料と共に使用するために開発されたタイプの静止ポリマー電解質膜（ＰＥＭ）であることである。このＰＥＭは、一般に、メタノールまたは他の溶解された燃料に対して充分に不透過性ではない。その結果、「メタノールクロスオーバー」として知られる望ましくない事象が生じ、それによってメタノールは該膜を通してアノードからカソード触媒へと移動し、そこでは酸素の存在下で直接反応して、熱、水、二酸化炭素を生じ、使用可能な電流を生じない。燃料の固有の浪費になることに加えて、メタノールクロスオーバーはまた、カソードにおいて脱分極ロス（混合された電位）をも生じ、一般には低下した電池特性を導く。
【０００８】
新しいタイプの燃料電池、即ち、層流燃料電池（以下では「ＬＦＦＣ」と称する）は、液体流の層流特性を使用して、燃料流と酸化剤流との間の混合またはクロスオーバーを制限し、また動的伝導性インターフェース（以下では「誘導された動的伝導性インターフェース」または「ＩＤＣＩ」という）を形成し、これは幾つかのＬＦＦＣ設計において、静止ＰＥＭまたは従来の電気化学装置の塩橋を全体的に置換えることができる。該ＩＤＣＩは、溶解された種および流れチャンネルの寸法に依存して、かなりの流れ距離および滞留時間に亘って濃度勾配を維持することができる。
【０００９】
この種のフローセル設計の特徴を用いた燃料電池が、図３の従来技術に示されている。この設計においては、燃料入力２２（例えばＭｅＯＨおよびプロトン電解質供給源を含有する水溶液）および酸化剤入力２４（例えば、溶存酸素、過マンガン酸カリウムまたは過酸化水素、およびプロトン電解質供給源を含有する溶液）は液体形態である。この二つの溶液を微小チャンネル２６の中にポンプ輸送することにより、平行な層流が動的プロトン伝導性インターフェース２８を誘導し、これは流体の流れの間中維持される。二つの流体の流速が一定に維持され、且つ電極がチャンネルの底および／または頂部表面に適正に堆積されれば、ＩＤＣＩがアノード３０とカソード３２の間に樹立されて、燃料流および酸化剤流が間違った電極に接触するの抑える。この特別なＬＦＦＣ設計において、電極は並列構成になっている。
【００１０】
燃料電池は、対面ＬＦＦＣ設計を有してよい。この設計においては、燃料入力（例えば、燃料およびプロトン電解質供給源を含有する水溶液）および酸化剤入力（例えば、溶存酸素、過マンガン酸カリウムもしくは過酸化水素、およびプロトン電解質供給源）の両方共が、液体の形態である。二つの溶液を微小チャンネルの中にポンプ輸送することによって、平行な層流が動的伝導性インターフェースを誘導し、これはアノードとカソードの間に液体が流れる間はずっと維持されて、燃料の流れおよび酸化剤の流れが間違った電極に接触するのを禁止しながら、電気回路を完成させる。燃料および酸化剤の流速が同じであれば、ＩＤＣＩは流れチャンネルの中間に直接樹立されるであろう。対面ＬＦＦＣは、ＩＤＣＩを、有意なクロスオーバー効果を受けることなく電極の間に意のままに位置決めする能力の結果として、顕著な動作上の融通性を与え、また並列設計では与えられない比較的短く且つ均一な電極間距離による低い内部電池抵抗の可能性に起因して、顕著な特性能力を提供する。この対面設計には、使用され得るであろう多くの潜在的な流れ形状が存在する。断面積は同一でも、異なるチャンネル幅および高さ並びに電極間距離を有するＬＦＦＣが可能であるが、設計における最良の選択は、最も小さい電極間距離および最も高い活性面積：容積の比である。一般に、比較的短い高さおよび広い幅が好ましく、重力界に対して直交して位置するときには、電池動作の下で最良の全体的特性を提供するであろう。しかし、最適化された対面ＬＦＦＣが傾斜または揺動されると、前記の流れは反転しまたは捩れて、燃料および酸化剤を間違った電極と接触させ、安定な液流が再度樹立され得るまでは、クロスオーバー、突発的故障、および／または電池反転を導く可能性がある。これらの現象は、ＬＦＦＣの適用可能性および有用性を厳しく制限するものである。全ての重力方向および衝撃様状態の下で液体流を安定化させ、また流れを分割およびリサイクルさせながら、その特性の全ての利点を利用する最適な対面設計の改善が必要とされている。
【発明の開示】
【００１１】
本発明は、電気化学的エネルギー変換のための種々の電気化学装置を教示する。一つの実施形態において、本発明は、第一の電極と、第二の電極と、該第一および第二の電極の間の多孔質セパレータと、入口および出口を有する第一のチャンネルと、入口および出口を有する第二のチャンネルを具備した電気化学電池を教示する。前記第一のチャンネルは、前記第一の電極および多孔質セパレータと連続しており、前記第二のチャンネルは、前記第二の電極および多孔質セパレータと連続している。
【００１２】
別の実施形態において、本発明は電気を発生させる方法であって、第一の液体を第一のチャンネルを通して流すことと；第二の液体を第二のチャンネルを通して流すことを含んでなる方法を教示する。前記第一のチャンネルは、前記第一の電極および多孔質セパレータと連続しており、前記第二のチャンネルは前記第二の電極および多孔質セパレータと連続しており、前記第一の液体は前記第一の電極および前記多孔質セパレータと接触しており、前記第二の液体は前記第二の電極および前記多孔質セパレータと接触していて、前記第一および第二の電極において相補的な半電池反応が生じる。
【００１３】
別の実施形態において、本発明は、第一の電極と、第二の電極と、前記第一および第二の電極と連続した第一のチャンネルとを具備した電気化学電池を教示する。前記第一の電極はガス拡散電極であり、第一の液体が前記第一の電極と接触して前記チャンネルを通って流れ、また前記第二の液体が前記第二の電極と接触して前記チャンネルを通って流れるときに、前記第一および第二の液体の両方において層流が樹立されるようになっている。
【００１４】
別の実施形態において、本発明は電気を発生させる方法であって、第一の液体をチャンネルを通して流すことと；第二の液体を前記チャンネルを通して流すこととを含んでなる方法を教示する。前記チャンネルは、第一の電極および第二の電極と連続しており、前記第一の液体は前記第一の電極と接触し、前記第二の液体は前記第二の電極と接触しており、前記第一の電極はガス拡散電極であり、前記第一および第二の電極において相補的な半電池反応が生じる。
【００１５】
第五の側面において、本発明は、第一の電極および第二の電極を具備する電気化学電池である。この第一の電極はガス拡散電極であり、イオンは、膜を横切ることなく前記第一の電極から前記第二の電極へと移動する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
なかでも、本発明は、層流燃料電池（ここでは「ＬＦＦＣ」と称する）の流体流れの間に多孔質セパレータ（多孔質プレートとも称する）を含めることが、殆どの条件下において、流れの位置を安定化し、限定し、維持することを可能にすることを教示する。この安定化はまた、個々の流れを分離およびリサイクルできる信頼性のある機構を提供する。前記多孔質セパレータは、当該流れの間のイオン伝導を有意に妨害しない。加えて、多孔質セパレータを含めることは燃料のクロスオーバーを減少し、更には、個々の流れ内において、乱流および二相ガス／液体栓流を可能にする。本発明はまた、燃料流とカソードの間、または酸化剤流とアノードの間に電解質流を含めることが、それぞれ、カソードまたはアノードとしての拡散電極の組込みを可能にすることを教示する。
【００１７】
この説明および添付の特許請求の範囲を通して、「電気化学電池」の語句は、何れかの起電力装置（any seat of electromotive force）の極めて一般的な意味に理解されるべきである。「電気化学電池」の語句は、ガルバノ電池（ボルタ電池）および電解質電池の両方を意味し、またバッテリー、燃料電池、光電池（光ボルタ電池）、熱電対列、電気発生器、静電気発生器、太陽電池などを包含するものである。加えて、この説明の全体を通して、また添付の特許請求の範囲において、「相補的半電池反応」の語句は、電気化学電池において生じる酸化反応および還元反応の極めて一般的意味に理解されるべきである。
【００１８】
図４は、多孔質セパレータを含む燃料電池の一実施形態を示している。本発明の一つの実施形態において、燃料電池は、トラックエッチセパレータ１６２５（多孔質セパレータ）を含んでおり、これは燃料電池の中に流入してくる燃料流１６７０および酸化剤流１６６０の分離を可能にする。燃料流１６７０はアノード１６２０を通過して流れ、また酸化剤流１６６０はカソード１６１０を通過して流れ、これら流れ間のイオンの拡散（特に拡散ゾーン１６４０を横切って）、並びに燃料および酸化剤の消耗（特に消耗ゾーン１６５０に沿って）を可能にする。次いで、消耗された酸化剤流１６８０および消耗された燃料流１６９０は燃料電池を出て行く。
【００１９】
多孔質セパレータは異なる流れを分離して、それらが容易に異なる方向に向けられることを可能にし、後続のリサイクルのために酸化剤、燃料、および／または電解質流を分離した状態で維持するために特に有用である。該多孔質セパレータは、前記流れ間のイオン輸送を顕著に妨害することなく、この目的を達成する。該多孔質セパレータは親水性であり、従って、前記流れ内の流体は、毛管作用によって孔の中に引き込まれ、従って該セパレータの両側にある二つの流体の流れが接触して、二つの流れ間のイオン輸送を可能にする。更に、該孔が小さく、且つ該孔の合計面積が多孔質セパレータの合計面積の小さいパーセンテージしか占めないときは、例え流れ間の圧力に有意な差があっても、一方の流れから他方への流体の質量輸送は非常に小さい；これは、既に低いＬＦＦＣの燃料クロスオーバーを越えて、燃料クロスオーバーを更に低減する。最後に、孔から液体を排除するためには大きな過大圧が必要なので、ガスは多孔質セパレータを容易には通過できない。
【００２０】
多孔質セパレータの厚さ、孔サイズの直径、孔密度および多孔性度は、実施のために適した如何なる測定値であってもよいが、幾つかの可能な範囲の一例が実用的である。別の実施形態において、例えば、多孔質セパレータは０．５〜１０００ミクロンの厚さ、１〜１００ミクロン、または６〜２５ミクロンの厚さを有することができる。更に、別の実施形態において、前記多孔質セパレータの孔の平均直径（穴サイズ）は、例えば、１ｎｍ〜１００ミクロン、５ｎｍ〜５ミクロン、または１０〜１００ｎｍであることができる。個々の孔の直径は何れも、顕微鏡下で直接観察されたときの孔と同じ面積を有する円の直径である。更に、別の実施形態では、孔密度は、例えば１０4〜１０12孔／ｃｍ2、１０6〜１０11孔／ｃｍ2、１０7〜１０10孔／ｃｍ2であることができる。孔密度は、顕微鏡で直接観察したときに、多孔質セパレータのサンプル部分における孔の数を数えることにより決定することができる。加えて、別の実施形態においては、全ての孔の表面積を多孔質セパレータの全表面積で除算したものである多孔性度は、例えば、０．０１〜７０％、０．１〜５０％、または１〜２５％であることができる。この多孔性度は、平均孔直径、穴密度、および多孔質セパレータの面積から決定することができる：
多孔性度＝π（密度）（平均直径）／セパレータの面積
【００２１】
多孔質セパレータは、何れかの適切な材料、例えば電気化学電池内の運転中にそれが動作する温度において、これに接触する液体に対して不活性な材料で製造することができる。例えば、金属、セラミック、シリコンを含む半導体、ポリマー、プラスチックおよびその組み合せを含む有機材料、並びに天然材料および複合材が使用されてよい。ポリマー、プラスチックおよび組み合せが特に好ましい。とりわけ好ましいのは、商業的に入手可能なトラックエッチされたフィルターであり、これはイオン衝撃に続く化学エッチングにより、イオンが移動した軌跡に沿って貫通孔を形成したポリマーフィルムである。商業的に入手可能なポリカーボネート製トラックエッチ材料の物理的特性の要約が、下記の表に列記されている。
2008513962.tif 000002
Ａ）１０ｐｓｉ圧力降下
【００２２】
図５および図５Ａは、多孔質セパレータを含む燃料電池の実施形態を示している。層または膜１７４５（例えば、Ｋａｐｔｏｎまたはエッチングしたガラス）および第二の膜１７５５（例えば、Ｋａｐｔｏｎ、エッチングしたガラスもしくは白金）が、触媒を備えた電極１７４０（例えば、白金箔、または表面に触媒を備えたグラファイトもしくは高度にドープされたシリコンのような導電体）の間に配置される。二つの膜１７４５および１７５５の間には多孔質セパレータ１７７５があり、これらは一緒になって酸化剤流チャンネル１７６０および燃料流チャンネル１７５０を定義する。任意に、イオンに対して透過性の膜（例えばＮＡＦＩＯＮ）を、燃料流１７５０に付随した電極の表面として使用してもよい。多孔質セパレータ１７７５は、二つの流れ１７５０および１７６０のためのチャンネルを定義し、更に孔を通してのイオン輸送を可能にする。当該電気化学電池を他の装置に電気的に接続するのを補助するために、金のようなコンタクトパッド（図示せず）が電極の外側に形成されてもよい。図５Ａには、触媒層１７３５も示されている。
【００２３】
図６および図６Ａは、Ｏ2または空気のような、ガス状酸化剤を使用する電気化学電池の実施形態を示している。該燃料電池は、任意の多孔質セパレータ１８２５を含んでおり、燃料電池の中に流入する燃料１８７０および電解質１８３５の分離を可能にする。電解質１８３５は、任意のイオン透過性膜１８４５に沿って流れ、或いはイオン透過性膜が存在しないときは、カソード１８１０（これはＧＤＦである）に沿って流れる。ガス状酸化剤１８６０は、酸素分子を受取るＧＤＥに沿って流れる。幾つかの実施形態において、ガス状酸化剤１８６０は、多孔質セパレータ１８２５に沿った燃料流および電解質流に見られるのと同じタイプの層流が、ガス状酸化剤１８６０と電解質１８３５の間に観察され得るような圧力で提供される。液体およびガスのためのチャンネルにおいて圧力降下が種々に変化する間、消耗された酸化剤１８８０が出て行く場所で充分な圧力を維持することは、ＧＤＥ（カソード）１８１０を通る本質的に一方向の酸化剤の拡散を生じるのに充分な圧力のガス状酸化剤１８６０をもたらすであろう。従って、このような条件下において、電解質１８３５はガス状酸化剤１８３５の中へ最小限に拡散するだけであり、触媒層内に３相インターフェースを形成する。ガス状酸化剤１８６０として純粋な酸素が使用されるときは消費された酸化剤が形成されず、従って出口は不要である；そこを通って酸化剤が流れるチャンネルは、閉鎖されるか、またはカソード１８１０の底部付近に終端を有してよい。図６Ａにも、触媒を備えた電極１８４０（例えば、グラファイトプレート）、層または膜１８４５（例えばＫａｐｔｏｎ）、およびもう一つの電極１８３０（例えばグラファイト）が示されている。
【００２４】
ガス状酸化剤１８６０がカソード１８１０を通過して流れると共に、燃料１８７０および電解質１８３０がアノード１８２０を通過して流れると、イオンは、特に拡散ゾーン１８４０で多孔質セパレータを横切って拡散し（または多孔質セパレータの不存在下では、イオンは電解質流１８３５と燃料流１８７０の間の界面に形成されたＩＤＣＩを横切って拡散する）、また消耗ゾーン１８５０に沿って消耗される。次いで、消耗されたガス状酸化剤１８８０、電解質１８３５および消耗された燃料１８９０は燃料電池を出て行く。図示のように、任意に、電解質１８３５は燃料電池へとリサイクルして戻されてよく、また消耗された燃料１８９０中に残っている如何なる燃料も、燃料電池へとリサイクルして戻されてもよい。
【００２５】
その多くが商業的に入手可能であるＧＤＥは、多孔質導電体、および好ましくは触媒を含んでおり、該導電体上において、ガス状酸化剤と液体中のイオン（例えば、電解質中のＨ+イオン）の間で相補的な半電池反応が生じるようになっている。典型的には、その上に触媒が存在するＧＤＥ上には、多孔質疎水性層が存在する。好ましくは、ＧＤＥは導電体上に触媒を備えた多孔質導電体であり、また液体が該多孔質導電体を濡らすことを可能にする親水性表面を有していて、ＧＤＥで生じた水がＧＤＥの表面に沿って広がり、ガス状酸化剤の中へと蒸発し、または循環する電解質の中に流入することを可能にする。電解質に面したＧＤＥ側面上に存在する如何なるコーティングまたは層も、ガス流の中へと液体を顕著にブレークスルーまたは溢出させることなく、触媒層へのイオンの導通を可能にしなければならない。例えば、ＧＥＤは、厚さ５０〜２５０ミクロンのテフロン化（０〜５０％）されたＴｏｒｒａｙ紙（ドイツ国ヴィースバーデンのＳＧＬカーボンＡＧから入手可能な多孔質導電体）のような多孔質炭素基板を含んでおり、その上には、５０ミクロン以下の合計厚さを有するＮＡＦＩＯＮ１１２または発泡ポリエチレンのような、イオンに対して透過性の膜または多孔質層の触媒化表面（例えば４ｍｇ／ｃｍ2のＰｔ黒）が結合されている。循環する電解質は、例えば、０．５〜２．０Ｍの硫酸であってよい。ＰＥＦＣに使用されるＮＡＦＩＯＮ膜とは異なり、本発明においてＧＤＥと共に使用される膜は、典型的には該膜の両面に触媒を有することはなく、むしろ触媒は膜の片面にのみ存在するであろう。
【００２６】
燃料電池によって生じる電流密度は種々の因子に依存して広範に変化することができるが、幾つかの可能な範囲の一例が実用的である。本発明の一つの実施形態において、当該燃料電池は、例えば少なくとも５０ｍＡ／ｃｍ2を発生することができる。別の実施形態において、当該燃料電池は、例えば少なくとも４００ｍＡ／ｃｍ2を発生することができる。更に、他の実施形態において、当該燃料電池は、例えば少なくとも１０００ｍＡ／ｃｍ2（１００〜１０００ｍＡ／ｃｍ2、２００〜８００ｍＡ／ｃｍ2、および４００〜６００ｍＡ／ｃｍ2）を発生することができる。
【００２７】
種々の燃料電池が議論されてきた。各燃料電池は、電力供給源を提供するために、おそらくは、支援技術と共にモジュールまたはコンポーネントの中に組み込まれる。その結果、このような燃料電池を使用して電力供給源の実装を提供することが有用であろうと思われる。
【００２８】
図７は、燃料電池を含む電力システムの実施形態を示している。該電力システムは、燃料電池および電力を生じるための支援部品を使用する。これらの支援部品には、燃料および電解質、ポンプおよびブロワ、電力調節器、バッテリー電源、および種々の制御部品を含んでいる。例えば、この電力システムは燃料電池スタック１９１０を含んでおり、これは本発明の燃料電池のような燃料電池のスタックであってよい。燃料電池スタック１９１０には二重ポンプ１９２０が接続されており、該ポンプは、燃料混合チャンバ１９５０からの燃料および電解質貯留器１９４０からの電解質を提供する。二重ポンプ１９２０は、別の実施形態では二つの単一ポンプで置換えられてもよい。混合チャンバ１９５０は、燃料電池スタック１９１０から（その出口を通して）消耗された燃料を受取り、また燃料貯留器１９３０から制御弁１９６０を通して燃料を受取る。同様に、燃料貯留器１９４０は、燃料電池スタック１９１０から電解質液を受取り、また燃料電池スタック１９１０から消耗された酸化剤（例えば酸素を消費された空気）を受取ってもよい。また、この消耗された酸化剤は電解質貯留器１９４０に侵入し、次いで出て行ってよい。電解質は、好ましくは燃料電池スタック１９１０のプロセスによって消耗されないので、頻繁に補充される必要はないはずである。燃料貯留器１９３０は、燃料システムに燃料を提供するために、必要に応じて充填されてよい。混合チャンバ１９５０および燃料貯留器１９３０において燃料を望ましいレベルに維持するために、空の混合チャンバ１９５０に二酸化炭素を充填し、燃料を混合チャンバ１９５０に満たしたときに、これを燃料容器１９３０の中に強制導入させるようにしてもよい。過剰の二酸化炭素は該システムから流出されてよい。
【００２９】
ガス状酸素を提供するために（例えば専用の酸素供給源または周囲の空気から）、ブロワ１９７０が、ガス状酸素を燃料電池スタック１９１０の中に送風する。ブロワ１９７０、ポンプ１９２０および制御弁１９６０は、全てＤＣ−ＤＣコンバータ１９８０によって電力を供給されてよく、該コンバータは主に燃料電池スタック１９１０から電力を引出す。コンバータ１９８０は、潜在的には電圧または電力調節器として働き、幾つかの実施形態では１８Ｗの出力を提供する。典型的には、１８Ｗの出力は、例えば燃料電池１９１０からの２０Ｗの出力に基づくことができる。これは、ブロワ１９７０、ポンプ１９２０および制御弁１９６０を運転するための２Ｗの必要電力を可能にするが、これは、このような部品のための合理的な電力量である。
【００３０】
燃料電池スタック１９１０から供給される電力には、明らかな始動遅延（電力を発生するために燃料電池は燃料を必要とする）と、例えば燃料または電解質中の空気泡に起因した不定期な分断の間で中断が生じ得ることに留意すべきである。従って、始動時に当該システムに電力を提供し、また供給不足の状況において小量の電力を提供するために、バッテリー１９９０が設けられる。バッテリー１９９０は、再充電可能であっても、または再充電可能でなくてもよく、好ましくは、非常に稀な場合を除いて取り替える必要はないであろう。
【００３１】
ここに記載した電気化学電池技術は、バッテリー、燃料電池および光電池を含む多くのシステムに適用可能である。この技術は、携帯型およびモバイル型の燃料電池システム、並びに他の電気装置、例えば携帯電話、ラップトップコンピュータ、ＤＶＤプレーヤ、テレビジョン、掌型パイロット、計算機、ポケットベル、手持ち型ビデオゲーム、リモートコントロール、テープカセット、ＣＤプレーヤ、ＡＭおよびＦＭラジオ、オーディオレコーダ、ビデオレコーダ、カメラ、デジタルカメラ、ナビゲーションシステム、腕時計、および電源を必要とする他の電子製品において特に有用であろうと思われる。また、この技術は、宇宙船に用いられるシステムを含む、自動車および航空機においても有用であろうことが想定される。
【００３２】
以下の記載は、ここに記載した実施形態に基づいて燃料の化学エネルギーを電気に変換するための、本発明によって想定された幾つかの実施例を提供する。この一組の実施例は決して網羅的なものではなく、端に本発明の広範囲な適用可能性を反映するものである。
【００３３】
実施例１：  溶解された酸化剤を用いた単一チャンネルＬＦＦＣ
２５μｍのＰｔ層はアノードのためのチャンネル高さを提供し、また該Ｐｔ層は上記触媒層のための電流コレクタとしても作用した。触媒層は、ＮＡＦＩＯＮ１１７膜の表面に結合された４．０ｍｇ／ｃｍ2のＰｔ／Ｒｕ触媒であった。２５μｍのＫａｐｔｏｎ層はカソードのためのチャンネル高さを提供し、また２５μｍのＰｔ層がカソード触媒および電流コレクタとして作用した。電極から電極への距離は５６μｍであり、アノードをカソードから分離するために使用した多孔質層は、１００ｎｍ孔を６×１０8孔／ｃｍ2でトラックエッチされた厚さ６μｍのポリカーボネート層であった。これは、約２〜４％の多孔性度に等しい。トラックエッチ特性を最適化するために、多孔性度８〜１２％で孔サイズ２００ｎｍの膜厚１２μｍについても評価した。チャンネル寸法は、幅１．０ｍｍ、高さ５０ミクロン、および長さ３０ｍｍであった。Ｋａｐｔｏｎ層、トラックエッチ層、および電流コレクタの全てが非常に平坦で且つ整列されていれば、外部圧縮力場（１００〜５００ｌｂｓ）の下に保持されている間、外部漏出点は観察されなかった。
【００３４】
図８に示した実験のために、２ＭのＨ2ＳＯ4中の１Ｍメントールを燃料として使用し、また２ＭのＨ2ＳＯ4中の０．１Ｍ〜０．２ＭのＫＭｎＯ4を酸化剤として使用した。流速は、０．３〜０．６ｍＬ／ｍｉｎで変化させた。これらの流速は、これらチャンネル寸法で約５〜１５ｐｓｉの背圧を提供した。図８から分かるように、低流速および低酸化剤濃度において輸送制限が観察され、該電池がカソード制限されたことを示した。ＣＯ2バブル形成は、約１５０ｍＡ／ｃｍ2よりも高い燃料流においてのみ観察することができた。この燃料流におけるバブルの存在は、電池特性を観察可能なほどには低下させなかった。燃料流の紫色の不存在もまた、電池を出るときに完全に分離された燃料流と酸化剤流の内部混合が僅かしかないか、または全くないことを示した。
【００３５】
実施例２：  溶解された酸化剤を用いた多重チャンネルＬＦＦＣ
外部で多分岐した１×５ＬＦＦＣアレイが製造された。２５μｍのＫａｐｔｏｎスペーサ層＋２５μｍのＰｔ層がアノードのためのチャンネル高さを提供し、該Ｐｔ層はまた、その上の触媒層のための電流コレクタ（エッジ収集）として働いた。アノード触媒層は、ＮＡＦＩＯＮ１１７膜上の４．０ｍｇ／ｃｍ2のＰｔ／Ｒｕ触媒であり、これは、触媒層に剛性および機械的一体性（平坦さ）を与えるために、次いで３Ｍ熱硬化性エポキシ型接着剤層を用いて１２５μｍのＫａｐｔｏｎ膜に熱的に結合（熱プレス）された。５０μｍのＫａｐｔｏｎ層はカソードのためのチャンネル高さを提供し、また２５μｍのＰｔ層がカソード触媒および電流コレクタとして作用した。電極から電極への距離は１１２μｍであり、アノードをカソードから分離するために使用した多孔質層は、１００ｎｍ孔を１×１０9孔／ｃｍ2でトラックエッチされた厚さ１２μｍのＫａｐｔｏｎ膜であった。これは約８％の多孔性度に等しい。トラックエッチ特性を最適化するために、膜厚７、１２および２５μｍ、多孔性度１〜１５％、孔サイズ５０、７５および１００ｎｍについても評価した。チャンネル寸法は、幅１．５ｍｍ、高さ１１２ミクロン、および長さ３０ｍｍであった。Ｋａｐｔｏｎ層、トラックエッチ層、および電流コレクタの全てが非常に平坦で且つ整列されていれば、外部圧縮力場（１００〜５００ｌｂｓ）の下で保持されている間、外部の漏出点は観察されなかった。これら結合されていない層についても、ほぼ均等な流れ分布が観察された。図９に示した実験のために、２ＭのＨ2ＳＯ4中の１Ｍの蟻酸を燃料として使用し、また２ＭのＨ2ＳＯ4中の０．１ＭのＫＭｎＯ4を酸化剤として使用した。全ての場合に、０．２ｍＬ／ｍｉｎ／チャンネルの流速が用いられた。この流速は、このチャンネル高さで約５ｐｓｉの背圧を与えた。図９から分かるように、平行な多重チャンネルを用いても高電流密度が達成され、約１５０ｍＡ／ｃｍ2の燃料流においてＣＯ2バブル形成を観察することができたが、等しい流れを有するにもかかわらず全てのチャンネルが同じ負荷曲線を与えたわけではなく、これは不均一な触媒分布または電流収集の結果として説明され得る。この燃料流におけるバブルの存在は電池特性を低下させなかった。燃料流の紫色の不存在もまた、電池を出るときに完全に分離された燃料流と酸化剤流の内部混合が僅かしかないか、または全くないことを示した。
【００３６】
実施例３：  内部で補充可能な酸化剤を用いた多重チャンネルＬＦＦＣ
外部で多分岐した１×５ＬＦＦＣアレイが製造された。アノードは触媒化されたグラファイトシート（１ｍｍ）であった。５０μｍのＫａｐｔｏｎ層がアノードのためのチャンネル高さを提供した。５０μｍのＫａｐｔｏｎ層が電解質のためのチャンネル高さを提供した。アノードをカソードから分離する多孔質層は、１００ｎｍ孔を６×１０8孔／ｃｍ2でトラックエッチされた厚さ６μｍのポリカーボネート層で構成された。これは約２〜４％の多孔性度に等しい。液体チャンネル寸法は、幅１．５ｍｍ、高さ５０ミクロン、および長さ３０ｍｍであった。電極から電極への距離は１３０μｍであった。カソードは、予め触媒化された２５０μｍのＧＤＥに結合された２５μｍのＮＡＦＩＯＮ１１１で構成されており、そのガス多孔質側は０．５ｍｍのグラファイトガス流チャンネルに露出され、またＮＡＤＩＯＮ側は電解質に露出された。Ｋａｐｔｏｎ層、トラックエッチ層、および電流コレクタの全てが非常に平坦で且つ整列されていれば、外部圧縮力場（１００〜５００ｌｂｓ）の下で保持されている間、外部漏出点は観察されなかった。これら結合されていない層についても、チャンネルの間のほぼ均等な流れ分布が観察された。図１０は、燃料流（４ｍＬ／ｍｉｎ合計）のための１．０Ｍ硫酸、電解質流（４ｍＬ／ｍｉｎ合計）のための１．０Ｍ硫酸、および周囲酸素（１０００ｍＬ／ｍｉｎ合計）において、メタノールの燃料濃度を増大させた結果として生じる室温特性の改善を示している。アノードは、グラファイトプレート上に堆積された５ｍｇ／ｃｍ2／５０／５０Ｐｔ／Ｒｕ黒であり、またカソードは、ＧＤＥ上に堆積された２ｍｇ／ｃｍ2５０％Ｐｔ／Ｃおよび４ｍｇ／ｃｍ2Ｐｔ黒であった。図１０から分かるように、平行な多重チャンネルを用いても高電流密度が達成され、また約１５０ｍＡ／ｃｍ2以上の燃料流においてのみ、ＣＯ2バブル形成を観察することができた。燃料流におけるバブルの存在は電池特性を低下させなかった。電解質中におけるバブルの不存在およびガス流中における液体の不存在は、電池を出るときには完全に分離された燃料流、電解質流および酸化剤流の内部混合が殆どないか、または全くないことを示した。１２ＭのＭｅＯＨでは僅かな特性低下が観察されたが、これは増大した電池抵抗の結果であり、燃料クロスオーバーの結果ではないと決定された。
上記で述べた外部で多分岐した１×５ＬＦＦＣアレイに対する温度上昇の影響が研究され、同一の動作条件および温度条件下において商業的に入手可能なＤＭＦＣ（ＮＡＦＩＯＮ１１７膜電極アセンブリーを用いた５ｃｍ2）との比較がなされた。但し、ＤＭＦＣは燃料流の中に如何なる硫酸も有していなかった。ＬＦＦＣの温度を５０℃に上昇させ、且つ燃料としての１ＭのＭｅＯＨを維持することによって、期待されたように、特性における全体の増大が観察された（図１１参照）。しかし、燃料として再度８ＭのＭｅＯＨを使用したときの改善は小さいものであり、上昇した温度ではアノードへの輸送の問題は大したたことはなく、これらの条件下ではカソードが最もＬＦＦＣを制限し易いことを示唆している。１ＭのＭｅＯＨと共に商業的に入手可能なＤＭＦＣを試験したときには、同じ条件下でのＬＦＦＣよりも、僅かに良好な特性が観察された。しかしながら、該ＤＭＦＣが８ＭのＭｅＯＨに露出されたときには、クロスオーバーの結果として特性に否定的な影響が出た。この研究が示したことは、ＬＦＦＣ設計が、従来のＤＭＦＣ設計よりも、より低い電池抵抗、より良好な質量輸送特性、および遥かに低いクロスオーバー率を有することである。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】従来技術の図１は、ポリマー電解質燃料電池の概略断面図を示している。
【図２】従来技術の図２は、直接メタノール燃料電池の概略断面図を示している。
【図３】従来技術の図３は、層流に誘導された動的インターフェースを含む並列電極構成の直接メタノール燃料電池の概略図を示している。
【図３Ａ】図３Ａは、層流に誘導された動的インターフェースを含む対面電極構成の直接液体燃料電池の概略図を示している。
【図４】図４は、多孔質セパレータを含む燃料電池の実施形態を示している。
【図５】図５は、多孔質セパレータを含む燃料電池の実施形態を示している。
【図５Ａ】図５Ａは、多孔質セパレータを含む燃料電池の実施形態を示している。
【図６】図６は、ガス状酸素を使用する燃料電池の実施形態を示している。
【図６Ａ】図６Ａは、ガス状酸素を使用する燃料電池の実施形態を示している。
【図７】図７は、燃料電池を含むシステムの実施形態示している。
【図８】図８は、リサイクル能力を持った個別のＬＦＦＣについての、移動制限された負荷曲線のグラフである。
【図９】図９は、１×５のＬＦＦＣアレイについての電池電位 vs.電流密度のグラフである。
【図１０】図１０は、異なる燃料濃度において室温で運転されたＬＦＦＣについての分極曲線のグラフである。
【図１１】図１１は、両者とも５０℃で運転された、商業的に入手可能なＤＭＦＣおよび１×５のＬＦＦＣアレイの特性を比較するグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図３Ａ】
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【図４】
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【図５】
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【図５Ａ】
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【図６】
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【図６Ａ】
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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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【図１１】
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【国際調査報告】
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