(57)【要約】【課題】　本発明は一般に、燃料電池の分野に関し、より具体的には、液状の電解質を含む燃料電池に関する。【解決手段】　燃料電池組立体は少なくとも１つの燃料電池（１０）を含む。該燃料電池（１０）は、電気絶縁材料を含む少なくとも１つのスペーサ要素（２２）によって離間状態で保持されたアノード（１５）とカソード（１６）とを備える。スペーサ要素（２２）の近位端はカソード（１６）と接触しており、遠位端はアノード（１５）と接触している。電解質（１７）は、アノード（１５）とカソード（１６）の間に配置され、これらと接触している。該電解質（１７）は、燃料電池作動温度において約０．９５より大きい水素化物イオン伝導度数を有する溶融塩を含む。カソード１６に隣接する燃料ガス入口（１８）が、燃料ガスを電解質へ供給するために設けられる。アノード（１６）に隣接する酸化ガス入口（１９）が、酸化ガスを電解質（１７）へ供給するために設けられる。排気口（２０）はアノード（１５）と流体連通している。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの燃料電池（１０）を含む燃料電池組立体であって、該燃料電池が、
　ａ．少なくとも１つのスペーサ要素（２２）によって離間状態で保持された、アノード（１５）とカソード（１６）とを含み、
前記少なくとも１つのスペーサ要素（２２）が電気絶縁材料を備え、前記スペーサ要素の近位端が前記カソード（１６）に接触し、前記スペーサ要素の遠位端が前記アノード（１５）に接触しており、前記燃料電池が、
　ｂ．前記アノード（１５）と前記カソード（１６）との間に配置されてこれらと接触する、前記燃料電池（１０）の作動温度において約０．９５より大きい水素化物イオン伝導度数を有する溶融塩を含む電解質（１７）と、
　ｃ．前記カソード（１６）に隣接する、燃料ガスを前記電解質（１７）に供給するための燃料ガス入口（１８）と、
　ｄ．前記アノード（１５）に隣接する、酸化ガスを前記電解質（１７）に供給するための酸化ガス入口（１９）と、
　ｅ．前記アノード（１５）と流体連通する排気口（２０）と、
を更に含むことを特徴とする燃料電池組立体。
【請求項２】
前記アノード（１５）と前記カソード（１６）の少なくとも１つが、水素透過性固体膜を含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池組立体。
【請求項３】
前記膜が、パラジウムと、バナジウムと、ベータチタンと、パラジウム及び銀を含む合金とからなる群から選択された少なくとも１つの材料を含むことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池組立体。
【請求項４】
前記アノード（１５）と前記カソード（１６）の少なくとも１つが、少なくとも１つの焼結高融点材料を含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池組立体。
【請求項５】
前記焼結高融点材料が、モリブデン、タングステン、レニウム、及びバナジウムからなる群から選択された少なくとも１つの材料を含むことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池組立体。
【請求項６】
前記アノード（１５）と前記カソード（１６）の少なくとも１つが、前記焼結高融点材料と水素透過性固体膜とを含む複合材料を更に含むことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池組立体。
【請求項７】
前記アノード（１５）と前記カソード（１６）の少なくとも１つが、約５０ミクロンから約５００ミクロンまでの範囲の厚さを有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池組立体。
【請求項８】
前記溶融塩が、少なくとも１つの溶融ハロゲン化アルカリと、少なくとも１つの溶融金属水素化物とを含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池組立体。
【請求項９】
少なくとも１つの燃料電池（１０）を含む燃料電池組立体であって、該燃料電池が、
　ａ．少なくとも１つのスペーサ要素（２２）によって離間状態で保持された、アノード（１５）とカソード（１６）とを含み、
前記少なくとも１つのスペーサ要素（２２）が電気絶縁材料を備え、前記スペーサ要素の近位端が前記カソード（１６）に接触し、前記スペーサ要素の遠位端が前記アノード（１５）に接触しており、前記燃料電池が、
　ｂ．前記アノード（１５）と前記カソード（１６）との間に配置されてこれらと接触する、塩化リチウム及び塩化カリウムからなる群から選択された少なくとも１つの溶融ハロゲン化アルカリ金属と、更に水素化リチウムとを含む電解質（１７）と、
　ｃ．前記カソード（１６）に隣接する、水素を含む燃料ガスを前記電解質に供給するための燃料ガス入口（１８）と、
　ｄ．前記アノード（１５）に隣接する、酸素を含む酸化ガスを前記電解質（１７）に供給するための酸化ガス入口（１９）と、
　ｅ．前記アノード（１５）と流体連通する排気口（２０）と、
を更に含むことを特徴とする燃料電池組立体。
【請求項１０】
アノード（１５）と、
　前記アノード（１５）に対して離間して配置されたカソード（１６）と、
　前記カソード（１６）と流体連通している水素化物イオンの供給源と、
　前記アノード（１５）と流体連通している酸素の供給源と、
を備える燃料電池（１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
　本発明は一般に、燃料電池の分野に関し、より具体的には、液状の電解質を含む燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
　当該技術分野においては、化学反応からのエネルギーを電気エネルギーへと変換する装置として、様々な種類の燃料電池が知られている。各種の燃料電池には、現在のところ、その使用を特定の用途に限定する１つ又はそれ以上の制限がある。例えば、熱再生式の液体燃料電池は、別の加熱装置によって維持される高温度（例えば約８００℃から約１３００℃）において水素化リチウムと水素化ナトリウムとの混合物を熱分解して水素を発生させることにより、水素の流れを生じさせる。次いで、水素は、高圧（１０気圧もしくはそれよりも高い）でセルを通過して水素化物イオンを移動させ、該水素化物イオンは、電極で電子を放出して電気を発生する。電気エネルギーに変換されるのは、熱エネルギーのほんの一部だけである。高温加熱装置の必要性及び高圧ガスを取り扱う能力により、大きさや費用の点で制限を伴う設計が更に複雑になる。別の例は、従来の水素・酸素燃料電池であり、これに使用される電解質は、プラスの水素イオン（Ｈ+）を大量輸送するための移動度が制限されており、従って、発生する電気エネルギーは、電気化学的変換から理想上得ることができるエネルギーに比べると格段に少ない。更に、ポリマー電解質を使用する燃料電池のような他の形式の燃料電池においては、一酸化炭素、硫化水素、塩素等のようなガス状不純物の存在により、電極が損なわれる危険性が高い。
【０００３】
　固体酸化物型燃料電池は、固体の金属酸化物セラミック電解質を使用している。この電解質は、約１０００℃といった高温で作動する。この高温の作動温度により、酸素イオンの輸送を可能にし、酸素イオンは、電極で電子を放出して電気を発生させることができる。しかしながら、壊れやすいセラミック電解質の使用、高温に耐えうる構造材料の必要性、及び冷却システムを追加する必要性により、固体酸化物型燃料電池の信頼性は、限られたものになる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
　従って、当該技術分野においては、現行の燃料電池よりも低温で効率的かつ確実に作動する燃料電池が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
　本発明の実施形態は、少なくとも１つの燃料電池を含む燃料電池組立体を提供する。この燃料電池は、電気絶縁材料を含む少なくとも１つのスペーサ要素によって離間状態で保持されたアノードとカソードとを備える。スペーサ要素の近位端はカソードと接触しており、遠位端はアノードと接触している。電解質はアノードとカソードの間に配置され、これらと接触している。該電解質は、燃料電池の作動温度において約０．９５より大きい水素化物イオン伝導度数を有する溶融塩を含む。カソードに隣接する燃料ガス入口は、燃料ガスを電解質へ供給するために設けられる。アノードに隣接する酸化ガス入口は、酸化ガスを電解質へ供給するために設けられる。排気口は、アノードと流体連通している。
【０００６】
　本発明の別の実施形態は、少なくとも１つのスペーサ要素によって離間状態で保持された、アノードとカソードを更に備える少なくとも１つの燃料電池を含む燃料電池組立体を提供する。該スペーサ要素は電気絶縁材料を備える。スペーサ要素の近位端はカソードと接触しており、遠位端はアノードと接触している。アノードとカソードの間に配置され、これらと接触する電解質は、塩化リチウム及び塩化カリウムからなる群から選択された少なくとも１つの溶融ハロゲン化アルカリ金属を含み、更に水素化リチウムを含む。カソードに隣接する燃料ガス入口は、水素を含む燃料ガスを電解質へ供給するために設けられる。アノードに隣接する酸化ガス入口は、酸素を含む酸化ガスを電解質へ供給するために設けられる。排気口は、アノードと流体連通している。
【０００７】
　本発明の更に別の実施形態は、アノードと、アノードに対して離間して配置されたカソードと、カソードと流体連通している水素化物イオンの供給源と、アノードと流体連通している酸素の供給源と、電解質とを備える燃料電池を提供する。電解質は溶融塩を含み、該溶融塩は、燃料電池の作動温度において約０．９５より大きい水素化物イオン伝導度数を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
　本発明のこれら又は他の特徴、態様及び利点は、以下の説明、特許請求の範囲、及び添付の図面を参照することによって、より理解されるであろう。
【０００９】
　図１を参照すると、本発明の一実施形態は、少なくとも１つの燃料電池１０を含むアレイ又はスタックである燃料電池組立体である。この実施形態による燃料電池１０は、少なくとも１つのスペーサ要素２２によって離間した状態で保持されたアノード１５とカソード１６とを備える。この実施形態によるスペーサ要素２２は、これらに限定されるものではないが、アルミナ、ジルコニア、窒化ホウ素、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、ケイ酸塩ガラス、のような電気絶縁材料を含む。さらに、スペーサ要素２２は、カソード１６に接触している近位端と、アノード１５に接触している遠位端とを備える。
【００１０】
　一実施形態において、アノード１５とカソード１６のうちの少なくとも１つは、水素透過性の固体膜を含む。これらの材料による水素吸蔵特性は、例えば燃料ガス入口１８を通って供給される燃料ガスの迅速な拡散を可能にする。特定の実施形態においては、膜は、パラジウムと、バナジウムと、ベータチタンと、パラジウム及び銀を含む合金とからなる群から選択された少なくとも１つの材料を含む。別の実施形態においては、アノード１５とカソード１６のうちの少なくとも１つは、焼結高融点材料を含み、該材料も、多孔性構造を介してガスの迅速な拡散を可能にする。適切な焼結高融点材料は、これらに限定されるものではないが、モリブデン、タングステン、レニウム及びバナジウムを含む。別の実施形態においては、より高速なガスの拡散を促進するために、アノード１５とカソード１６のうちの少なくとも１つに、焼結高融点材料及び固体膜を含む複合材料が用いられる。
【００１１】
　特定の実施形態においては、アノード１５及びカソード１６は、管状の形状にされる。管状の形状は、流れの均一性を保ち、これにより燃料電池に全体にわたって安定した密度勾配を確立するのに役立つ。この結果、安定した、時間に依存しない燃料電池の電流特性が得られることになる。その上、管状の形状は、構造上の完全性と安全性を長期間にわたって保ち、パッケージの小型性を高める。他の実施形態においては、アノード１５とカソード１６は平坦にされる。平坦な幾何学的形状は、拡散速度の向上を促進し、その結果、電力密度を高める。さらに、平坦な形状のものは、製造が容易なため、容易に利用可能である。
【００１２】
　幾つかの実施形態においては、アノード１５とカソード１６のうちの少なくとも１つは、約５０ミクロンから約５００ミクロンまでの範囲の厚さがある。特定の実施形態においては、アノード１５とカソード１６の厚さは、約５０ミクロンから約２５０ミクロンまでの範囲にされる。さらに、他の幾つかの実施形態によれば、アノード１５とカソード１６の厚さは、約７５ミクロンから約１５０ミクロンまでの範囲内とすることができる。一般に、アノード１５とカソード１６の厚さは、燃料電池１０の抵抗を最小にするために、機械的な設計制約が許す限り薄く設計される。
【００１３】
　電解質１７は、アノード１５とカソード１６の間に配置され、これらと接触している。電解質１７は、燃料電池の作動温度において約０．９５より大きい水素化物イオン伝導度数を持つ溶融塩を含む。この範囲内の水素化物イオン（Ｈ-）伝導度数を持つ電解質１７を使用することで、燃料電池は、費用効果のある適切な効率で確実に作動されることになる。幾つかの実施形態においては、燃料電池の作動温度は、特定の適切な電解質材料が溶融状態にあり、かつ所望の効率レベルで水素化物イオンを伝導できることを保証する約２５０℃から約６５０℃までの範囲内にされる。特定の実施形態においては、電解質１７の燃料電池作動温度は、約２５０℃から約６００℃までの範囲内にされる。本発明の特定の実施形態によると、燃料電池の作動温度は、約３００℃から約４５０℃までの範囲内にされる。
【００１４】
　幾つかの実施形態においては、電解質１７は、少なくとも１つの溶融ハロゲン化アルカリと、少なくとも１つの溶融金属水素化物とを含む。本発明者らは、この種の電解質が、上に述べた範囲の燃料電池作動温度において、適切に高い水素化物イオン伝導度を有することを見出したが、これは、本発明の実施形態において利用される。本発明の一実施形態によると、ハロゲン化アルカリは、塩化リチウム、臭化リチウム、フッ化リチウム、塩化カリウム、臭化カリウム、フッ化カリウム、塩化ナトリウム、臭化ナトリウム、フッ化ナトリウム、及びこれらの混合物からなる群から選択される。好適なアルカリ水素化物は、これらに限定されるものではないが、水素化リチウム、水素化カリウム、水素化ナトリウム、及びこれらの混合物を含む。本発明の一実施形態によると、溶融塩は、アルカリ水素化物を、溶融塩混合物の総量の約５重量パーセントから約２５重量パーセントまでの範囲内で含む。このことは、燃料電池の初期起動時でさえも、水素化物イオンの移動度を確実にする。特定の実施形態において、溶融塩は、アルカリ水素化物を、溶融塩混合物の総量の約１０重量パーセントから約２０重量パーセントまでの範囲内で含む。
【００１５】
　カソード１６に隣接する燃料ガス入口１８は、燃料ガスを電解質１７に供給する。幾つかの実施形態においては、燃料ガスは水素を含み、好適な燃料ガスは、これらに限定されるものではないが、メタンとプロパンのうちの少なくとも１つを含むガスを含んでいる。当業者であれば、メタン又はプロパンのような炭化水素化合物が燃料ガスとして使用される場合には、炭化水素化合物から水素を取り出すために改質器（図示せず）が使用され、その後水素が燃料ガス入口１８を通って電解質１７へ運ばれることが理解されるであろう。アノード１５に隣接する酸化ガス入口１９は、酸化ガスを電解質１７に供給する。幾つかの実施形態において、酸化ガスは酸素を含み、特定の実施形態においては、酸化ガスは大気を含む。
【００１６】
　図２を参照すると、燃料ガスは、カソード１６を通して拡散される。燃料ガス中の水素は、反応１０６に従って、電極内の自由電子と反応する。
Ｈ2(g)＋２ｅ-→２Ｈ-
【００１７】
　電解質１７をわたって運ばれる水素化物イオンは、アノード１５の中に及びアノードをわたって拡散し、そこで酸化ガスと接触し、該ガスと反応して、自由電子と水を生成する。アノード１５は、酸化ガスと反応生成物である水が電解質１７と混ざり合うのを防ぐために、物理的障壁として機能する。自由電子は、外部負荷２１を介してアノード１５とカソード１６が接続されたときに、アノード１５からカソード１６へと流れる。アノードの反応１０７は、図２において以下のように表されている。
（１／２）Ｏ2(g)＋２Ｈ-→Ｈ2Ｏ＋２ｅ-
反応全体は、以下のように表される。
Ｈ2(g)＋（１／２）Ｏ2(g)→Ｈ2Ｏ(g)
【００１８】
　上記の反応は発熱性であり、したがって、初期起動後に燃料電池の作動温度が一定のレベルに保たれる。これにより反応で生成した水分子は水蒸気相に変化する。使用されなかったガス及び水蒸気は、排気口２０から排出される。
【００１９】
　本発明の別の実施形態は、アノード１５と、アノード１５に対して離間して配置されたカソード１６と、カソード１６と流体連通する水素化物イオンの供給源と、アノードと流体連通する酸素の供給源と、溶融塩を含む電解質１７とを含み、該溶融塩が燃料電池の作動温度において約０．９５より大きい水素化物イオン伝導度数を有する燃料電池である。本発明の燃料電池組立体の要素について説明された種々の代替物も、この燃料電池の実施形態に適用される。これらの実施形態においては、すでに述べたように、水素化物イオンの供給源は燃料ガスである場合が多く、酸素の供給源は酸化ガスである場合が多い。
【００２０】
　燃料ガス及び酸化ガスは、種々の供給源から得ることが可能であり、従って、この種の燃料電池は、種々の応用分野で用いるのに好適である。例えば、炭化水素が分解されて水素が生成される、スキッドマウント式の移動可能な改質器ユニットにおいて使用することが可能であり、従って、電気自動車又は他の任意の小規模発電での使用に好適である。集中型発電装置における大規模な発電のための典型的な燃料電池スタックが、図３に示されている。集中型発電装置における大規模な発電のために、水素は、典型的には水性ガスシフト反応によって石炭ガスから得ることができる。このようにして、シフト・コンバータ２０１において石炭改質器ガスから生成した水素ガスは、入口２０４で燃料電池スタック２００に送り込まれる。燃料電池スタック２００は、個々の燃料電池ユニット２１０を収容している。酸素又は大気中の空気が、燃料電池スタック２００の入口２０５へ送り込まれる。上記で説明したような反応において生成した、使用されなかった酸素と水蒸気は、凝縮器２１６及び連結管２１４を通じて再利用される。使用されなかった水素は、ポート２０７から連結管２１２を通じて再利用される。燃料電池はまた、水素と酸素を低温保管装置２１８から供給することが可能な宇宙用電力装置の用途に用いることもできる。
【００２１】
　ここでは種々の実施の形態について説明したが、当業者であれば、本明細書内の要素、変形物、均等物又は改善物の種々の組合せを作ることが可能であり、これらは特許請求の範囲において定義される本発明の技術的範囲内に尚含まれることが本明細書から理解されるであろう。
【００２２】
　特許請求の範囲に示される参照番号は、本発明の技術的範囲を狭めることを意図するものではなく、これらを容易に理解するためのものである。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】化学エネルギーを電気に変換するための燃料電池の断面図。
【図２】発電の仕組みを示す燃料電池の断面図。
【図３】集中型発電装置における燃料電池スタックの典型的な適用例。
【符号の説明】
【００２４】
　１０　燃料電池
　１５　アノード
　１６　カソード
　２２　スペーサ要素
　１７　電解質
　１８　燃料ガス入口
　１９　酸化ガス入口
　２０　排気口
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【外国語明細書】
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