(57)【要約】【解決手段】  電気化学的エネルギー変換を達成するための様々な装置及び方法が詳細に提供される。本発明の一実施例によれば、電気化学的エネルギー変換電池は、第１及び第２の反応物供給部が第１の触媒電極及び第２の触媒電極と選択的に連通することを可能にするように構成されている。第１及び第２の反応物供給部と第１及び第２の触媒電極との選択的な連通は、反応物供給流れ経路の変更に起因し、又は、第１及び第２の触媒電極の移動に起因し得る。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気化学的エネルギー変換電池を備える装置であって、
第１の触媒電極、及び、該第１の触媒電極とインターフェースを形成する第１の電解質部又は分極可能な誘電部を備える、第１の電池部と、
第２の触媒電極、及び、該第２の触媒電極とインターフェースを形成する第２の電解質部又は分極可能な誘電部を備える第２の電池部であって、前記電気化学的エネルギー変換電池は、前記第１の電解質部又は分極可能な誘電部から前記第２の電解質部又は分極可能な誘電部へのイオンの事実上全ての輸送を禁止するように構成される、前記第２の電池部と、
前記第１の触媒電極及び前記第２の触媒電極と連通する第１及び第２の反応物供給部と、
を備え、
前記エネルギー変換電池は、前記第１及び第２の反応物供給部が前記第１の触媒電極及び前記第２の触媒電極と選択的に連通することを可能にするように構成されている、前記装置。
【請求項２】
前記第１及び第２の反応物供給部は、変更可能な流れ経路を備え、前記第１及び第２の反応物供給部と前記第１の触媒電極及び前記第２の触媒電極との前記選択的な連通は、前記流れ経路の変更に起因することができる、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記第１及び第２の触媒電極は、移動可能であり、前記第１及び第２の反応物供給部と前記第１の触媒電極及び前記第２の触媒電極との前記選択的な連通は、前記第１及び第２の触媒電極の前記移動に起因することができる、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記電気化学的エネルギー変化電池は、更に、前記第１及び第２の反応物供給部の間で前記第１及び第２の触媒電極の連通を交互に行うように構成されている、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記電気化学的エネルギー変化電池は、前記第１及び第２の反応物供給部の流れ経路を変更することによって該第１及び第２の反応物供給部の前記連通を交互に行うように構成されている、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記電気化学的エネルギー変化電池は、前記第１及び第２の触媒電極を移動させることによって該第１及び第２の反応物供給部の前記連通を交互に行うように構成されている、請求項４に記載の装置。
【請求項７】
前記第１の反応物供給部は、アノード反応物源を備え、前記第２の反応物供給部は、カソード反応物源を備える、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記アノード反応物源は、前記第１及び第２の触媒電極と選択的に連通した状態にあり、前記カソード反応物源は、前記第１及び第２の触媒電極と選択的に連通した状態にある、請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記アノード反応物源は、水素を含む、請求項７に記載の装置。
【請求項１０】
前記第１及び第２の触媒電極は、次の反応、即ち、
【化１】
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に触媒作用を及ぼすように構成されている、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記カソード反応物源は、酸素を含んでいる、請求項７に記載の装置。
【請求項１２】
前記第１及び第２の触媒電極は、次の反応、即ち、
【化２】
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に触媒作用を及ぼすように構成されている、請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
反応物コントローラを更に備え、
該反応物コントローラは、
アノード反応物及びカソード反応物を前記第１の触媒電極に連続的に交互に差し向け、カソード反応物及びアノード反応物を前記第２の触媒電極に連続的に交互に差し向けるように構成されている、請求項１に記載の装置。
【請求項１４】
前記反応物コントローラは、前記アノード反応物の流れ経路及び前記カソード反応物の流れ経路を変更することにより前記反応物を差し向けるように構成されている、請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
前記反応物コントローラは、前記第１及び第２の電極の位置を変更することにより前記反応物を差し向けるように構成されている、請求項１３に記載の装置。
【請求項１６】
アノード反応物及びカソード反応物を前記第１及び第２の触媒電極に差し向け、それにより、次の反応、即ち、
【化３】
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が前記前記第１及び第２の触媒電極の互いに異なる電極で同時に発生するように構成される反応物コントローラを更に備え、
上記式において、Ａ、Ｂ、Ｃ及びＤは１つ以上の反応物を各々含み、χｅ−は所定数の電子を表す、請求項１に記載の装置。
【請求項１７】
前記アノード反応物は水素を含み、前記カソード反応物は酸素を含む、請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
前記反応物コントローラは、前記アノード反応物及びカソード反応物を前記第１及び第２の触媒電極に差し向けるように構成され、それにより、前記反応、即ち、
【化４】
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は、次の反応、即ち、
【化５】
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のうち少なくとも１つを含む、請求項１６に記載の装置。
【請求項１９】
前記反応物コントローラは、前記アノード反応物及びカソード反応物を前記第１及び第２の触媒電極に差し向けるように構成され、それにより、前記反応、即ち、
【化６】
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は、次の反応、即ち、
【化７】
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のうち少なくとも１つを含む、請求項１６に記載の装置。
【請求項２０】
前記反応物コントローラは、
前記アノード反応物が前記第１の触媒電極に差し向けられている間に、カソード反応物を前記第２の触媒電極に差し向け、
前記カソード反応物が前記第１の触媒電極に差し向けられている間に、アノード反応物を前記第２の触媒電極に差し向けるように更に構成されている、請求項１６に記載の装置。
【請求項２１】
前記電気化学的エネルギー変換電池は、前記第１及び第２の触媒電極が、前記第１及び第２の反応物供給部の互いに異なる供給部と実質的に排他的な連通状態にあるように構成されている、請求項１に記載の装置。
【請求項２２】
前記第１の電解質部又は分極可能な誘電部と、前記第２の電解質部又は分極可能な誘電部とは、共通膜の互いに異なる部分によって形成されている、請求項１に記載の装置。
【請求項２３】
前記共通膜は、一つの触媒層から反対側の触媒層までイオンを輸送しない、請求項２２に記載の装置。
【請求項２４】
前記第１の電解質部又は分極可能誘電部と、前記第２の電解質部又は分極可能誘電部とは、各々の分離膜により画定される、請求項１に記載の装置。
【請求項２５】
前記各々の分離電解質膜は、イオン輸送バリアにより分離されている、請求項２４に記載の装置。
【請求項２６】
前記各々の分離電解質膜は、炭素質材料により分離されている、請求項２４に記載の装置。
【請求項２７】
前記電気化学エネルギー変換電池は、前記第１及び第２の電解質部又は分極可能誘電部が実質的な加湿を受けないように構成されている、請求項１に記載の装置。
【請求項２８】
前記エネルギー変換電池の前記第１の電池部は、イオン輸送バリアにより前記エネルギー変換電池の前記第２の電池部から分離されている、請求項１に記載の装置。
【請求項２９】
前記イオン輸送バリアは、膜を備えている、請求項２８に記載の装置。
【請求項３０】
前記イオン輸送バリアは、電解質材料を備えている、請求項２８に記載の装置。
【請求項３１】
前記イオン輸送バリアは、炭素質材料を備えている、請求項２８に記載の装置。
【請求項３２】
前記イオン輸送バリアは、電荷バランスキャパシターを備えるように構成されている、請求項２８に記載の装置。
【請求項３３】
前記エネルギー変換電池の前記第１の電池部は、共通の電解質膜を通して前記エネルギー変換電池の前記第２の電池部に連結されている、請求項１に記載の装置。
【請求項３４】
前記共通の電解質膜は、イオンの事実上全ての輸送を禁止するように構成された電解質材料を備える、請求項３３に記載の装置。
【請求項３５】
前記共通の電解質膜は、前記第１及び第２の触媒電極とインターフェースを形成する、請求項３３に記載の装置。
【請求項３６】
前記エネルギー変換電池の前記第１の電池部は、前記エネルギー変換電池の前記第２の電池部に機械的に連結されている、請求項１に記載の装置。
【請求項３７】
前記電気化学的エネルギー変換電池は、該電池からの電気化学的エネルギーの発生が、前記第１及び第２の電解質部又は分極可能な誘電部の加湿に依存しないように構成されている、請求項１に記載の装置。
【請求項３８】
前記第１及び第２の電解質部又は分極可能な誘電部は、該電解質部又は誘電部を通した水分子の輸送を阻止する、請求項１に記載の装置。
【請求項３９】
前記エネルギー変換電池は、前記第１の触媒電極が、（ｉ）前記第２の触媒電極がカソード作動状態で作動するときのアノード作動状態、及び、（ｉｉ）前記第２の触媒電極がアノード作動状態で作動するときのカソード作動状態の間で交互に変化するように、前記第１及び第２の触媒電極が作動状態の間を交互に変化させることを可能にするように構成されている、請求項１に記載の装置。
【請求項４０】
前記エネルギー変換電池は、前記アノード及びカソード作動状態の与えられた一つにおける前記触媒電極の作動が、前記第１及び第２の反応物供給部のいずれが前記第１の触媒電極及び前記第２の触媒電極と連通するかに関係するように構成されている、請求項３９に記載の装置。
【請求項４１】
前記電気化学エネルギー変換電池は、前記第１の触媒電極の少なくとも一部分を形成する第１の伝導材料層と、前記第２の触媒電極の少なくとも一部分を形成する第２の伝導材料層と、を備える、請求項１に記載の装置。
【請求項４２】
前記第１及び第２の伝導材料層は、イオン輸送バリアにより分離されている、請求項４１に記載の装置。
【請求項４３】
前記電気化学エネルギー変換電池は、前記第１及び第２の伝導材料層が、前記第１及び第２の反応物供給部の互いに異なる供給部と実質的に排他的に連通するように構成されている、請求項４１に記載の装置。
【請求項４４】
前記電気化学エネルギー変換電池は、前記第１の触媒電極と前記第２の触媒電極とを形成する伝導材料層を備える、請求項１に記載の装置。
【請求項４５】
前記伝導材料層は、イオン輸送バリアに亘って形成される、請求項４４に記載の装置。
【請求項４６】
前記電気化学的エネルギー変換電池は、前記伝導材料層の一部分が前記第１の反応物供給部と実質的に排他的に連通する状態となり、前記伝導材料層の他の部分が前記第２の反応物供給部と実質的に排他的に連通する状態となるように構成されている、請求項４４に記載の装置。
【請求項４７】
前記伝導材料層は、回転式電極を備える、請求項４４に記載の装置。
【請求項４８】
前記伝導材料層は、略平坦な回転式電極を備える、請求項４７に記載の装置。
【請求項４９】
前記電気化学的エネルギー変換電池は、前記回転式電極の任意の与えられた回転位置において、前記伝導材料層の一部分が前記第１の反応物供給部と実質的に排他的に連通する状態となり、前記伝導材料層の他の部分が前記第２の反応物供給部と実質的に排他的に連通する状態となるように構成されている、請求項４７に記載の装置。
【請求項５０】
前記電気化学的エネルギー変換電池は、前記回転式電極の連続回転位置において、前記伝導材料層の連続部分が前記第１及び第２の反応物供給部と実質的に排他的に連通する状態となるように構成されている、請求項４９に記載の装置。
【請求項５１】
前記第１及び第２の電池部分のうち少なくとも１つは、前記第１及び第２の触媒電極の少なくとも１つに近接して配置された少なくとも１つの陽子親和性疎水性分子を含む陽子親和性疎水性材料を更に備えている、請求項１に記載の装置。
【請求項５２】
前記第１及び第２の電池部分の両方が、前記第１及び第２の触媒電極に近接して配置された少なくとも１つの陽子親和性疎水性分子を含む陽子親和性疎水性材料を備えている、請求項５１に記載の装置。
【請求項５３】
前記陽子親和性疎水性材料は、それが近接して配置されるところの前記触媒電極に連結されている、請求項５１に記載の装置。
【請求項５４】
前記陽子親和性疎水性材料は、強い陽子親和性の少なくとも１つの領域と、少なくとも１つの疎水基とを有する化合物を含む、請求項５１に記載の装置。
【請求項５５】
前記陽子親和性疎水性材料は、強い陽子親和性の少なくとも１つの領域を有する疎水性無機化合物を含む、請求項５１に記載の装置。
【請求項５６】
前記陽子親和性疎水性材料は、水と連結するように電子的に構成され、強い陽子親和性の少なくとも１つの領域を有する化合物を含む、請求項５１に記載の装置。
【請求項５７】
前記装置は、複数の前記電気化学的エネルギー変換電池を備える、請求項１に記載の装置。
【請求項５８】
前記装置は、前記第１及び第２の反応物供給部のうち少なくとも１つと連通した反応物処理システムを更に備える、請求項１に記載の装置。
【請求項５９】
前記反応物処理システムは、水素ガスを提供するように構成されている、請求項５８に記載の装置。
【請求項６０】
前記反応物処理システムは、１次反応器と、水ガスシフト反応器と、最終段階のスクラバーと、を備える、請求項５９に記載の装置。
【請求項６１】
前記装置は、車両ボディと、電気的エネルギーの供給に応答して該車両ボディに運動を分与するように構成される動力機構と、を更に備え、
前記電気化学的エネルギー変換電池は、前記電気的エネルギーを供給するように構成される、請求項１に記載の装置。
【請求項６２】
前記装置は、前記電気化学的エネルギー変換電池と連通した反応物処理システムを更に備える、請求項６１に記載の装置。
【請求項６３】
電気化学的エネルギー変換電池を備える装置であって、
前記電気化学的エネルギー変換電池は、
第１の触媒電極、及び、該第１の触媒電極とインターフェースを形成する第１の電解質部又は分極可能な誘電部を備える、第１の電池部と、
第２の触媒電極、及び、該第２の触媒電極とインターフェースを形成する第２の電解質部又は分極可能な誘電部を備える第２の電池部であって、前記電気化学的エネルギー変換電池は、前記第１の電解質部又は分極可能な誘電部から前記第２の電解質部又は分極可能な誘電部へのイオンの事実上全ての輸送を禁止するように構成される、前記第２の電池部と、
前記第１及び第２の電解質部又は分極可能な誘電部とインターフェースを形成し、それらの間に配置されたイオン輸送バリアと、
を備え、
前記イオン輸送バリアは、電荷バランスキャパシター構造を備える、装置。
【請求項６４】
電気化学的エネルギー変換電池を備える装置であって、
前記電気化学的エネルギー変換電池は、
第１の触媒電極、及び、該第１の触媒電極とインターフェースを形成する第１の電解質部又は分極可能な誘電部を備える、第１の電池部と、
第２の触媒電極、及び、該第２の触媒電極とインターフェースを形成する第２の電解質部又は分極可能な誘電部を備える第２の電池部と、
前記第１の触媒電極及び前記第２の触媒電極と連通する第１及び第２の反応物供給部と、
を備え、
前記装置は、前記第１及び第２の反応物供給部が前記第１の触媒電極及び前記第２の触媒電極と選択的に連通することを可能にするように構成されている、前記装置。
【請求項６５】
電気化学的エネルギー変換電池を備える装置を作動させる方法であって、
前記電気化学的エネルギー変換電池の第１及び第２の電池部を指定する工程であって、該第１の電池部は、第１の触媒電極、及び、該第１の触媒電極とインターフェースを形成する第１の電解質部又は分極可能な誘電部を備え、前記第２の電池部は、第２の触媒電極、及び、該第２の触媒電極とインターフェースを形成する第２の電解質部又は分極可能な誘電部を備え、前記電気化学的エネルギー変換電池は、前記第１の電解質部又は分極可能な誘電部から前記第２の電解質部又は分極可能な誘電部へのイオンの事実上全ての輸送を禁止するように構成される、前記工程と、
前記第１の触媒電極及び前記第２の触媒電極と連通する第１及び第２の反応物供給部を作動させ、該第１及び第２の反応物供給部が前記第１の触媒電極及び前記第２の触媒電極と選択的に連通するようにする工程と、
を備える、方法。
【請求項６６】
前記第１及び第２の反応物供給部は、前記第１及び第２の反応物供給部の流れ経路を変更することにより前記第１及び第２の触媒電極と選択的に連通した状態に配置される、請求項６５に記載の方法。
【請求項６７】
前記第１及び第２の反応物供給部は、前記第１及び第２の触媒電極を移動させることにより前記第１及び第２の触媒電極と選択的に連通した状態に配置される、請求項６５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２００３年１月１０日に出願された米国仮出願シリアル番号６０／４３９，２４７号の利益を請求する。
【０００２】
本発明は、反応の化学的エネルギーを電気的エネルギーに変換する方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
本発明は、反応の化学的エネルギーが電気的エネルギーに変換される燃料電池技術にある程度関連している。燃料電池の心臓部を構成する３つの主要な構成要素は、燃料電極（アノード）と、酸素電極（カソード）と、電解質とである。燃料電池技術における進歩は、耐久性、水管理、熱管理、燃料貯蔵、燃料分配、空気分配、冷却剤分配、及び、電力調整に関連した、幾多の持続的な設計上の挑戦事項によって、ある程度まで制限されてきた。本発明の範囲は、特有の利点を組み込む装置又は任意の特定の問題を解決する装置に制限されないが、本発明の様々な実施例は、これらの設計調整事項のうち１つ以上に取り組むため利用することができることは、明記しておく価値がある。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
電気化学的エネルギー変換を達成するための様々な装置及び方法が詳細に提供される。本願で詳細には開示されていない追加の装置及び方法を、本願明細書の様々な記載から探り出すことができる。本発明の一実施形態によれば、電気化学的エネルギー変換電池が提供される。該電池は、第１及び第２の電池部と、第１及び第２の反応物供給部と、を備える。第１の電池部は、第１の触媒電極、及び、該第１の触媒電極とインターフェースを形成する第１の電解質部又は分極可能な誘電部を備える。第２の電池部は、第２の触媒電極、及び、該第２の触媒電極とインターフェースを形成する第２の電解質部又は分極可能な誘電部を備える。電気化学的エネルギー変換電池は、第１の電解質部又は分極可能な誘電部から第２の電解質部又は分極可能な誘電部へのイオンの事実上全ての輸送を禁止するように構成される。第１及び第２の反応物供給部は、第１の触媒電極及び第２の触媒電極と連通する。エネルギー変換電池は、第１及び第２の反応物供給部が第１の触媒電極及び第２の触媒電極と選択的に連通することを可能にするように構成されている。第１及び第２の反応物供給部と第１及び第２の触媒電極との選択的な連通は、反応物供給流れ経路の変更に起因し、又は、第１及び第２の触媒電極の移動に起因し得る。
【０００５】
本発明の別の実施形態によれば、電気化学的エネルギー変換電池が提供される。該電池は、第１及び第２の電池部と、第１及び第２の反応物供給部と、を備える。第１の電池部は、第１の触媒電極、及び、該第１の触媒電極とインターフェースを形成する第１の電解質部又は分極可能な誘電部を備える。第２の電池部は、第２の触媒電極、及び、該第２の触媒電極とインターフェースを形成する第２の電解質部又は分極可能な誘電部を備える。    
【０００６】
イオン輸送バリアは、第１及び第２の電解質部又は分極可能な誘電部とインターフェースを形成し、それらの間に配置される。
【０００７】
本発明の追加の実施形態によれば、本発明に係る電気化学的エネルギー変換電池を備える装置を作動させる方法が提供される。
【０００８】
従って、本発明の目的は、反応の化学的エネルギーの電気的エネルギーへの変換を改善することである。本発明の他の目的は、具体化された本発明の記載の観点で明らかとなろう。
【実施例】
【０００９】
本発明の特定の実施例の次の詳細な説明は、添付図面と関連付けられて読まれるとき、最も良く理解することができる。これらの図面では、同様の構成は、同様の参照番号で指し示されている。
【００１０】
最初に、図１を参照すると、本発明に係る電気化学的エネルギー変換電池１０の概略図が示されている。一般に、電気化学的変換電池１０は、第１及び第２の電池部２０、３０と、第１及び第２の反応物供給部Ｒ１、Ｒ２と、を備える。第１の電池部２０は、第１の触媒電極２２と、第１の触媒電極２２とインターフェースを形成する第１の電解質部２４と、を備える。同様に、第２の電池部３０は、第２の触媒電極３２と、該第２の触媒電極３２とインターフェースを形成する第２の電解質部３４と、を備える。図２及び図３を参照して詳細に後述されるように、第１及び第２の電解質部２４，３４をイオン輸送バリアにより分離することができ、このバリアにより第１及び第２の電解質部２４，３４の間の事実上全てのイオン輸送を禁止する。代替例として、図５Ａ及び図５Ｂを参照して詳細に後述されるように、第１及び第２の電解質部２４，３４は、イオンに対して非伝導性を持つ単一の電解質材料の２つの半部分、又は、イオンに対して非伝導性を持つ単一の分極可能な誘電材料の２つの半部分として単に定義することができる。従って、第１及び第２の電解質部２４，３４は第１及び第２の電解質部２４、３４の間のイオンの輸送を禁止する特定の構造を参照すること無く、単に図１に概略的に示されているだけである。
【００１１】
図２、図３、図５Ａ、及び、図５Ｂを参照して詳細に後述されるように、電気化学的変換電池１０の作動能力は、電池１０の第１の電解質部２４から電池１０の第２の電解質部３４まで電池１０をイオンが横切って輸送されることに依存もしなければ、要求もしていない。電池１０は、第１の電解質部２４から第２の電解質部３４のイオンの輸送を禁止するように詳細に構成されてもよい。電解質部２４，３４の各々は、電解質材料内での電荷の再分配を支持するが、イオンは、第１の電解質部２４から第２の電解質部３４へと電池１０を横切って輸送されない。
【００１２】
第１及び第２の反応物供給部Ｒ１、Ｒ２は、第１の触媒電極２２及び第２の触媒電極３２と連通した状態で配置されている。図６乃至図８に示された代替実施例に関して詳細に後述されるように、エネルギー変換電池１０は、第１及び第２の反応物供給部Ｒ１、Ｒ２が第１の触媒電極２２と第２の触媒電極３２と選択的に連通することを可能にするように構成されている。より詳しくは、電気化学的エネルギー変換電池１０は、第１及び第２の反応物供給部Ｒ１、Ｒ２の間で第１の触媒電極２２と第２の触媒電極３２の連通を交互に行うように構成されている。
【００１３】
第１及び第２の反応物供給部Ｒ１、Ｒ２と第１及び第２の触媒電極２２、３２との選択的連通は、第１及び第２の反応物供給部Ｒ１、Ｒ２の流れ経路の変更、又は、第１及び第２の触媒電極２２、３２の移動のいずれかに起因することができる。図６は、流れ経路の変更を提供することができる手段の一例を示し、図７乃至図８は、第１及び第２の触媒電極を移動させるための機構を示している。これらの図面の各々は、以下に詳細に後述される。なお、図６乃至図８に示された機構は、図示の目的のみのため与えられ、流れ経路の変更及び電極移動を提供する追加の機構も、本発明の範囲内にある。
【００１４】
ここで、図２及び図３を参照すると、同様の構成は、同様の参照番号で指し示されており、本発明の一実施例に係る電気化学的変換電池の拡大部分が示されている。第１の反応物供給部Ｒ１は、水素を含むアノード反応物源を備える。第２の反応物供給部Ｒ２は、酸素を含むカソード反応物源を備える。概略的に示されるように、図２及び図３では、アノード反応物源Ｒ１は、図２の第１の触媒電極２２及び図３の第２の触媒電極３２と連通している。逆に、カソード反応物源Ｒ２は、図２の第１の触媒電極３２及び図３の第１の触媒電極２２と連通している。
【００１５】
触媒電極２２、３２の構造に関して、多数の適切な電極構成は、電気化学的エネルギー変換の分野で教えられている。例えば、図２及び図３に示されるように、電極２２，３２の各々は、プラチナのような触媒粒子が分散された炭素のような高い表面積の導電材料の層を備えている。
【００１６】
アノード反応物源Ｒ１が水素を含む場合、第１及び第２の触媒電極２２、３２は、次の反応に触媒作用を及ぼすように構成されている。
【００１７】
【化１】
2006513542.tif 000003
カソード反応物源Ｒ２が酸素を含む場合、第１及び第２の触媒電極２２、３２は、次の反応に触媒作用を及ぼすように構成されている。
【００１８】
【化２】
2006513542.tif 000004
図２に概略的に表されるように、水素又は水素含有ガスを、第１の触媒電極２２に差し向けている間に、酸素又は酸素含有ガスを、第２の触媒電極３２に差し向けることにより、抵抗負荷４０に電流を流すことができる。
【００１９】
より詳しくは、図２に参照されるように、水素又は水素含有ガスＲ１が第１の触媒電極２２に差し向けられるときには、次の反応が触媒作用を及ぼされる。
【００２０】
【化３】
2006513542.tif 000005
酸素又は酸素含有ガスＲ２が第２の触媒電極３２に差し向けられるときには、次の反応が触媒作用を及ぼされる。
【００２１】
【化４】
2006513542.tif 000006
第１の電極が電子を与え、第２の電極が電子を要求する、２つの異なる電極２２，３２における２つの反応の存在は、電極２２，３２の間に導電接続された負荷４０に亘って流れる電流の発生をもたらす。
【００２２】
次に、図３を参照すると、水素又は水素含有ガスＲ１を第２の触媒電極３２に差し向けることにより、反対電位の電流を、負荷４０に亘って流れさせることができ、該触媒電極で、次の反応が触媒作用を及ぼされる。
【００２３】
【化５】
2006513542.tif 000007
更には、酸素、又は酸素含有ガスＲ２を第１の触媒電極２２に差し向けることにより、反対電位の電流を、負荷４０に亘って流れさせることができ、該触媒電極で、次の反応が触媒作用を及ぼされる。
【００２４】
【化６】
2006513542.tif 000008
再び、第１の電極が電子を与え、第２の電極が電子を要求する、２つの異なる電極２２，３２における２つの反応の存在は、負荷４０に亘って流れる反対電位の電流の発生をもたらす。
【００２５】
上述した態様における、水素及び酸素の第１の触媒電極２２への連続的に交互に切り替える連続的な差し向け、並びに、酸素及び水素の第２の触媒電極３２への連続的に交互に切り替える連続的な差し向けは、抵抗負荷４０に亘って交流型式の電流の連続的な発生を生じさせる。本発明を実施する当業者により認知されるように、アノード又はカソード作動様態における触媒電極２２、３２の作用は、第１及び第２の反応物供給部Ｒ１、Ｒ２のいずれを第１の触媒電極２２と第２の触媒電極３２と連通するかの機能である。水素及び酸素を第１及び第２の触媒電極２２に交互態様で差し向けることにより、第１の触媒電極が、（ｉ）第２の触媒電極がカソード作動状態で作動するときのアノード作動状態と、(ｉｉ)第２の触媒電極がアノード作動状態で作動するときのカソード作動状態との間を交互に実行するように、電極２２、３２はその作動状態を交互に実行する。効率を最適化するため、電気化学的エネルギー変換電池は、第１及び第２の触媒電極２２、３２が、第１及び第２の反応物供給部Ｒ１、Ｒ２の互いに異なるもの同士との実質的に排他的な連通状態にあるように、構成することができる。
【００２６】
交流型式の電流の発生は、第１及び第２の電解質部２４、３４の加湿に依存せず、電解質部２４、３４を横断する水分子又はイオンの輸送にも依存していないことを明記することは意義がある。その結果、本発明を実施するため可能となる適切な電解質材料の組は、比較的大きくなり、より耐久性を持ち、より低いコストの材料を包含し得る。加えて、電池１０の作動温度は、電解質の加湿が要求される場合に導入される設計の拘束条件により制限される。より高い作動温度も電池効率の増大を与えることができる。
【００２７】
上記されたように、第１及び第２の触媒電極２２，３２への反応物Ｒ１、Ｒ２の差し向けは、様々に適切な機構のうち任意の一つにより達成することができる。例えば、アノード又はカソードの反応物の流れ経路を変えることにより、又は、第１及び第２の触媒電極２２、３２の位置を変えることにより、第１及び第２の触媒電極２２，３２の互いに異なる電極へと反応物Ｒ１、Ｒ２を差し向けるように反応物コントローラを提供し、構成することができると考えられる。上述した反応が第１及び第２の触媒電極２２，３２の互いに異なる電極に同時に発生するように第１及び第２の触媒電極２２，３２にアノード及びカソード反応物Ｒ１、Ｒ２を差し向けるように反応物コントローラが構成されている場合、電池効率を最適化することができると考えられる。
【００２８】
本発明は、アノード及びカソード反応物として水素及び酸素を特定して本文中で図示されたが、様々な反応物を、本発明の範囲内で用いることができると考えられる。例えば、適切なアノード反応物は、一酸化炭素、又は、電気科学的エネルギー変換電池内の次の一般的な種類の反応を支持する他の任意の反応物を含み得るが、これに限定されるものではない。
【００２９】
【化７】
2006513542.tif 000009
ここで、Ａ及びＢは、１つ以上の反応物（一つは、非帯電分子又は原子、他は、イオンを含む）を含むことができ、χｅ−は、所定数の電子を表す。同様に、適切なカソード反応物は、塩素、一酸化窒素、又は、電気化学的エネルギー変換電池内の次の一般種類の反応を支持する他の任意の反応物を含んでいてもよいが、これに限定されるものではない。
【００３０】
【化８】
2006513542.tif 000010
ここで、Ｃ及びＤは、１つ以上の反応物を含むことができ、χｅ−は、所定数の電子を表す。
【００３１】
図２及び図３に示されるように、電気化学的エネルギー変換電池１０は、第１の電解質部２４と第１の触媒電極２２とのインターフェース、並びに、第２の電解質部３４と第２の触媒電極３２とのインターフェースの各々を画定するように構成されている。電解質部２４，３４の各々とその対応する電極２２、３２との間の間隔は、図２及び図３に概略的に示されているが、本発明を実施する当業者により認知されるように、当該間隔は、非類似及び／又は非均一のもの同士の境界でインターフェースを形成する材料の自然の結果である。
【００３２】
電荷バランスキャパシター構造は、第１及び第２の電池部２０、３０を電荷バランス膜４２を用いて分離することにより形成される。電荷バランス膜４２は、図２及び図３に示されるように、一対の炭素質層４４及び支持層４５を含み、又は、第１及び第２の電池部分２２、３２の電解質部２４，３４を分離するように構成された任意種類の構造を含んでいてもよく、電荷バランスキャパシターとして機能することができる。電荷バランス膜４２は、第１及び第２の電解質部２４，３４の間から事実上全てのイオン輸送を禁止することによりイオン輸送バリアとして機能する。この機能は、電解質部が、他の方法では電池１０を電池１０に亘るイオンの輸送を促進するであろう場合には特に有用となる。膜４２は、例えば、炭素質膜、誘電膜、適切な電解質又は非電解質材料、又は、実質的にイオン非伝導性である任意の材料を含んでいてもよい。
【００３３】
上記したように、たとえ第１及び第２の電解質部２４，３４が、電池１０に亘ってイオンの輸送を促進したとしても、イオン輸送バリアとして役立たせて第１の電解質部２４及び第２の電解質部３４を画定させるため、炭素質膜又は別の種類の電解質若しくは非電解質イオン輸送バリアを、第１及び第２の電池部２０、３０の間に設けてもよい。
【００３４】
図４に示された実施例では、第１及び第２の拡散媒体電極２１、３１は、第１及び第２の触媒電極２２，３２への電気的接続、及び、反応物Ｒ１、Ｒ２の通路のための流れ場を画定させるように設けられている。拡散媒体電極２１、３１の特定の構造は、本発明の範囲を超えているが、電気化学的変換、特に水素／酸素駆動式の燃料電池の分野で容易に利用可能な教えから収集することができる。第１及び第２の電解質部２４、３４は、一対の炭素質層４４と、単一支持層４５とを備える単一のラミネートにより支持されるものとして図４に示されている。しかし、様々な適切な構造が装置に何らかの構造的完全性を与え、第１及び第２の電解質部２４，３４の間のイオン輸送を禁止させる場合には、該構造をこれらの３つの層の代わりに利用することができる。図４に示された実施例を詳細に参照すると、厚さの寸法は、第１及び第２の触媒電極２２，３２に関しては約１０ミクロンのオーダーにあり、第１及び第２の電解質部２４，３４に関しては約３乃至５ミクロンのオーダーにあり得る。炭素質層４４は、高い表面積（約１０００ｍ２／ｇを超える）の炭素を含み得る。
【００３５】
図５Ａ及び図５Ｂに示された実施例を参照すると、同様の構造が同様の参照番号で示されており、図２及び図３に示された第１及び第２の電解質部２４、３４は、電解質又は分極可能な誘電イオン輸送バリア材料２５、即ち、電池１０を横切るイオンの輸送を促進しない材料によって、置換可能である。イオン輸送バリア材料２５は、第１及び第２の触媒電極２２，３２とのインターフェースを画定し、適切な電解質即ち高い誘電率の分極可能材料を含むことができる。
【００３６】
図５Ａ及び図５Ｂに示されるように、発生した電流の大きさ及び極性、並びに、第１及び第２の電解質部におけるアニオンＡｎ−と、カチオンＣａ＋の分布は、いずれの反応物Ｒ１、Ｒ２が第１及び第２の触媒電極２２，３２の互いに異なる電極に各々差し向けられるかに依存している。詳しくは、図５Ａを参照すると、第１の触媒電極２２から第２の触媒電極３２への高い電流状態が示されている。図５Ａでは、第１の反応物Ｒ１としての水素が、以前酸素にさらされていた電極である第２の触媒電極３２に差し向けられる。第１及び第２の触媒電極２２、３２で発生する反応は、水素イオンＨ＋が電解質又は誘電イオン輸送バリア材料２５に入らず、通過もしないことを除いて、図２及び図３を参照して上述されたものに類似している。水素イオンＨ＋は、第１の触媒電極２２の領域に残っており、その一方で、電解質内のアニオンＡｎ−及びカチオンＣａ＋は、第２の触媒電極３２内の水素イオンＨ＋及び酸素イオンＯ−２の電荷をバランスさせる分布を呈している。
【００３７】
第１及び第２の反応物Ｒ１、Ｒ２へのさらしが連続してなされるとき、その結果生じた反応は、利用可能な水素イオンＨ＋及び酸素イオンＯ２−を消耗させ、電流の減少及び電解質内のアニオンＡｎ−及びカチオンＣａ＋の再分布へと導く。図５Ｂを参照すると、電流の大きさがゼロに向かう傾向にあるので、反応物の供給は、第１の反応物Ｒ１としての水素を第２の触媒電極３２へと差し向け、第２の反応物Ｒ２としての酸素を第１の触媒電極３２へと差し向けるように制御される。その結果として生じた反応は、交流電流信号の第２の半分を完了し、再び、図５Ａ及び図５Ｂに示されるように、イオン輸送バリア材料２５中のアニオンＡｎ−及びカチオンＣａ＋を再分配させる。
【００３８】
図６の実施例では、それぞれの非触媒層２６，３６、例えば、大きい表面積の炭素は、第１及び第２の触媒電極２２，３２に隣接した夫々の第１及び第２の電解質部２４，３４とインターフェースを形成している。加えて、割り込みイオン輸送バリア電荷バランス膜４２は、２つの非触媒層２６、３６の間に配置されている。更に、第１及び第２の反応物分配器２８、３８は、第１及び第２の触媒電極２２，３２に亘って反応物ガスの略均一な分配を形成するため、第１及び第２の拡散媒体電極２１，３１と連通した状態で設けられている。上記に手短に記載されているように、図６は、流れ経路変更を設けることができる手段の一例を更に示している。反応物コントローラ５０は、反応物Ｒ１、Ｒ２が、第１及び第２の電池部２０の各々に導入される制御を可能にするため１組のソレノイドバルブ５２と情報伝達可能に設けられている。
【００３９】
ここで、図７及び図８に示された本発明の代替実施例を参照すると、代替の機構として、第１及び第２の触媒電極２２、３２を動かすことにより、第１及び第２の電池部分２０、３０と選択的に連通した状態に反応物供給部Ｒ１、Ｒ２を配置することが示されている。詳しくは、図７及び図８の実施例では、電気化学的エネルギー変換電池１０は、第１の触媒電極２２と第２の触媒電極３２とを形成する伝導材料層を備えている。第１及び第２の触媒電極２２、３２は、電池１０の第１及び第２の電解質部２４、３４を形成する電解質支持層に亘って形成されている。
【００４０】
第１の触媒電極２２と第２の触媒電極３２とを形成する伝導材料層は、本願では回転電極と称される。それは、反応物Ｒ１、Ｒ２の存在により画定された２つの異なる反応物領域Ｒ１、Ｒ２を通って回転するからである。伝導層が回転するとき、伝導材料層の一部分は第１の反応物供給部Ｒ１と実質的に排他的な連通状態にあり、その一方で伝導材料層の他の部分は第２の反応物供給部Ｒ２と実質的に排他的な連通状態にある。回転電極の回転連続点において、伝導材料層の連続的部分は、第１及び第２の反応物供給部Ｒ１、Ｒ２と実質的に排他的な連通状態にある。かくして、第１の触媒電極２２の動的物理的境界は、伝導層のどの部分が第１の反応物供給部Ｒ１と連通するかに従って画定される。同様に、第２の触媒電極３２の動的物理的境界は、伝導層のどの部分が第２の反応物供給部Ｒ２と連通するかに従って画定される。各電極で発生する反応は、本発明の静止電極の実施例の説明で上記した通りであり、電子が概略的にＴ１及びＴ２で表されるターミナルで収集され、分配されるとき、負荷４０に亘って電流を生じさせる。ターミナルＴ１及びＴ２は、略平坦な回転式電極構造が回転するとき、第１の触媒電極２２から電子を収集し、第２の触媒電極３２上にイオンを分配させるように構成されている。
【００４１】
なお、性能を更に改善するため本発明の触媒電極の一方又は両方に近接して陽子親和性疎水性材料が設けられてもよい。詳しくは、第１及び第２の触媒電極へのイオン輸送率は、第１及び第２の陽子親和性疎水性材料の存在により向上させることができる。第１及び第２の陽子親和性疎水性材料は、反応物供給部からのイオンを受け取るからである。更に、第１及び第２の陽子親和性疎水性材料は、反応物供給部中の水の一部が、第１及び第２の触媒電極に入ることを防止することができる。かくして、第１及び第２の陽子親和性疎水性材料は、第１及び第２の触媒電極上の触媒が飽和状態となり、よって第１及び第２の触媒電極汚触媒活性を減少させることを防止することができる。
【００４２】
陽子親和性疎水性材料は、それが近接して位置するところの触媒電極に連結されているか又は該触媒電極を覆って分布されていてもよい。或いは、より一般的には、陽子親和性疎水性材料は、触媒電極への陽子の引き付けを増大させるため触媒電極に十分に近くなるように、単に第１又は第２の触媒電極に近接して配置されていてもよい。陽子親和性疎水性材料は、例えば、第１又は第２の触媒電極に連結された単層であってもよい。勿論、陽子親和性疎水性材料の存在は、本発明の欠くべからざる構成要素であるとも、重要な構成要素であるともみなすべきではない。
【００４３】
陽子親和性疎水性材料は、強い陽子親和性の少なくとも１つの領域と少なくとも１つの疎水性グループとを有する化合物、例えば、強い陽子親和性の少なくとも１つの領域を有する疎水性無機化合物を含むべきである。陽子親和性疎水性材料は、水と化合されるように電子的に構成され、強い陽子親和性の少なくとも１つの領域を有する化合物を含んでいてもよい。より一般的には、陽子親和性疎水性材料は、陽子を引き付けることができ、疎水特性を有する少なくとも１つの分子を含んでいてもよい。本発明を記載し、画定させるという目的のために、分子は、該分子の別の領域に対して又は該分子に近接した材料に対して強い陽子親和性により特徴付けられる少なくとも一つの部分を含む場合には、「陽子親和性性」と特徴付けることができる。分子は、水に関して反発し、吸着することができず、又は他の仕方で水に対する親和性を欠いた少なくとも１つの部分、或いは、水の輸送を更に阻止するため特定の箇所で水と連結するように電子的に構成された少なくとも１つの部分を備える場合には、「疎水性」として特徴付けることができる。
【００４４】
陽子親和性の領域は、分子上で位置決めされていてもよい。更には、強い陽子親和性の領域は、強い塩基の官能基を組み込むことにより提供され得る。例えば、第１及び第２の陽子親和性疎水性材料は、強いブロンステッド塩基の官能基を持つことができる。第１及び第２の陽子親和性疎水性材料は、一般に、約１２．５ｐＫａより大きいイオン化定数を有する。
【００４５】
第１及び第２の陽子親和性疎水性材料の疎水特性は、任意の適切な態様で提供されてもよい。例えば、分子は、疎水性有機バックボーン、又は、疎水性無機成分を持つことができる。分子は、強い陽子親和性領域の構造に組み込まれた疎水基を持っていてもよい。分子は、水輸送を更に阻止するため、特定の箇所で水と連結するように電子的に構成されていてもよい。加えて、第１及び第２の陽子親和性疎水性材料は、陽子の隣接した輸送位置に触媒箇所を有する分子を提供するため貴金属と複合体を形成してもよい。第１及び第２の陽子親和性疎水性材料は、一般に、装置の作動状態で安定であるように選択されている。
【００４６】
適切な有機陽子親和性疎水性材料２０の例は、１，６−ジアザビシクロ[４．４．４]テトラデカン、及び、三環系テトラアミノ[２６]アダマンゼンを含むが、これらに限定されるものではない。適切な無機陽子親和性疎水性材料２０の例は、ホスファボラン。ホスファカルボラン、及び、カルボランを含むが、これらに限定されるものではない。貴金属と錯体を形成する適切な陽子親和性疎水性材料２０の例は、１，８−ビス（ジオルガノフォフィノ）ナフタレンＰｔ（ＩＩ）錯体、及び、[｛eta(6).eta(1).eta(1)-C6H3(CH3)-5-[CH2-2-C6F4P(C6F5)CH2](2)-1,3｝RuCl]＋錯体を含むが、これらに限定されるものではない。適切な陽子親和性疎水性材料は、強い陽子親和性及び疎水特性の所望の領域を有するように処理されてもよい。
【００４７】
本発明の装置は、反応物処理システム６０を更に備えることができる。例えば、図９を参照すると、水素を本発明の電気化学的エネルギー変換電池１０に供給するための反応物処理システム６０が示されている。１次反応器６２と、水ガスシフト反応器６４と、最終段階のスクラバー６６とは、電池１０に水素ガスＨ２を提供するため利用されてもよい。１次反応器６２では、炭化水素燃料蒸気と酸素含有流とを含むことができる反応物の混合物Ｒは、１次反応器６２へと流入される。酸素含有流れは、空気、蒸気、及び、それらの組み合わせを含むことができる。反応物の混合物Ｒは、該反応物の混合物を１次反応器に流入する前に、予め加熱された空気及び蒸気の流入流れに炭化水素燃料を混合することにより、形成することができる。反応物の混合物Ｒが１次反応器６２内に流れ込んだ後、反応物の混合物Ｒは、少なくとも１つの改質触媒を有する少なくとも１つの反応領域の上方を通過し、水素を含む生成ガス流れは、触媒作用の下で生成される。生成ガス流れは、一酸化炭素等の不純物を減少させるため、水ガスシフト反応器６４と、採取段階のスクラバー６６とを通過させられてもよい。一旦、不純物が取り除かれると、水素の流れＨ２を、燃料電池１０を燃料供給するため使用することができる。
【００４８】
図１０を参照すると、本発明の装置は、車両７０であってもよく、該車両は、車両ボディ７２と、電気化学的変換電池１０を備える少なくとも１つの電気化学的触媒反応電池と、を有することができる。電池１０は、車両ボディ７２に少なくとも部分的に原動力を提供するように構成されている。車両７０は、燃料電池１０に反応物を供給するための反応物処理システム６０を持っていてもよい。電池１０及び燃料処理システム６０が概略的に示されており、車両ボディ７２内に任意の適切な態様で使用又は配置されてもよいことが当業者によって理解されよう。
【００４９】
なお、「好ましくは」、「一般的に」及び「典型的な」のような用語は、請求された発明の範囲を制限するために用いられておらず、幾つかの特徴が、請求された発明の構成又は作用に欠くべからざるもの、本質的なもの、及び、重要なものとさえ意味するようには用いられていない。これらの用語は、本発明の特定の実施例に利用可能であろうがなかろうが、強調された代替若しくは追加の特徴を単に意図したものである。
【００５０】
本発明を記載し、画定するという目的のために、「実質的な」という用語は、任意の定量的な比較、値、測定値、又は他の表現に帰着し得る不確実性の固有の度合いを表すため、本願で利用されている。また、「実質的な」という用語は、定量的な表現が、本事項の基本的機能における変化を生じさせること無く、記載された参照事項からばらつき得る度合いを表すために利用されている。
【００５１】
本発明を詳細にその特定の実施例を参照して説明したが、添付された請求の範囲で画定された発明の範囲から逸脱すること無く、多数の変更及び変形が可能であることは明らかである。例えば、本発明は、単一の電気化学的エネルギー電池を参照して示されたが、本発明に係る装置は、複数の電気的に相互接続された電池を備えることができる。同様に、本発明の特定の実施例は、特定の反応物Ｒ１、Ｒ２と、Ｐｔのような触媒材料とを参照して示されたが、様々な同様の機能の反応物及び触媒を用いることができる。更には、本発明の幾つかの態様は、好ましいか或いは特別に利点があるものとして同定されているが、本発明は、必ずしも、本発明のこれらの好ましい態様に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】図１は、本発明に係る電気化学的エネルギー変換電池の概略図である。
【図２】図２は、本発明の一実施例に係る電気化学的エネルギー変換電池の２つの異なる作動状態の一方の概略図である。
【図３】図３は、本発明の一実施例に係る電気化学的エネルギー変換電池の２つの異なる作動状態の他方の概略図である。
【図４】図４は、本発明に係る電気化学的エネルギー変換電池の概略断面図である。
【図５Ａ】図５Ａは、本発明の別の実施例に係る電気化学的エネルギー変換電池の異なる作動状態の一方の概略図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、本発明の別の実施例に係る電気化学的エネルギー変換電池の異なる作動状態の他方の概略図である。
【図６】図６は、本発明に係る代替の電気化学的エネルギー変換電池の概略図であり、電池のための適切な反応物供給を特に強調したものである。
【図７】図７は、本発明に係る回転式電気化学的エネルギー変換電池の概略図である。
【図８】図８は、本発明に係る回転式電気化学的エネルギー変換電池の概略図である。
【図９】図９は、本発明に係る、反応物処理システム及び電気化学的エネルギー変換電池の概略図である。
【図１０】図１０は、本発明に係る、燃料処理システム及び電気化学的エネルギー変換電池を有する車両の概略図である。
【図１】
2006513542.tif 000018
【図２】
2006513542.tif 000019
【図３】
2006513542.tif 000020
【図４】
2006513542.tif 000021
2006513542.tif 000022
2006513542.tif 000023
【図６】
2006513542.tif 000024
【図７】
2006513542.tif 000025
【図８】
2006513542.tif 000026
【図９】
2006513542.tif 000027
【図１０】
2006513542.tif 000028
【国際調査報告】
2006513542.tif 000029