(57)【要約】【課題】内部で燃料電池の電極が気体拡散に対する抵抗の悪影響を低減すべく回転し、且つ燃料電池内の燃料と酸化剤との間の分離が保持されるような回転電極型燃料電池を提供する。【解決手段】回転電極型燃料電池10は、筐体12、及び該筐体12内に回転可能に取り付けられる積層ディスク組立体14を備えている。積層ディスク組立体14は、互いに接続された複数の電気化学電池18を備えている。筐体12内で積層ディスク組立体14を回転させるためのモーター15は、積層ディスク組立体14に係合している。燃料流通路17が、電気化学電池18に燃料を供給するため、筐体12内に設けられている。酸化剤流通路34が、電気化学電池18に酸化剤を供給するため、筐体12内に設けられていて、上記燃料流通路17から物理的に分離されている。【選択図】図２
2007141841.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
筐体と、
上記筐体内に回転可能に取り付けられ、互いに接続された複数の電気化学電池を有する積層ディスク組立体と、
上記筐体内で上記積層ディスク組立体を回転させるために、該積層ディスク組立体に接続されるモーターと、
燃料を上記複数の電気化学電池に分配するために上記筐体内に設けられた燃料流通路と、
酸化剤を上記複数の電気化学電池に分配するために上記筐体内に設けられ、且つ上記燃料流通路とは物理的に分離されている酸化剤流通路と、を有する、
燃料電池。
【請求項２】
上記複数の電気化学電池は、リザーバー・プレートと、該リザーバー・プレートに保持された膜電極組立体と、を有する、
請求項1に記載の燃料電池。
【請求項３】
上記リザーバー・プレート及び上記膜電極組立体に係合する放射状の絶縁物を少なくとも一つ有する、
請求項2に記載の燃料電池。
【請求項４】
上記少なくとも一つの放射状の絶縁物は、上記燃料流通路と上記酸化剤流通路との間のシールとして機能する、
請求項3に記載の燃料電池。
【請求項５】
上記膜電極組立体は、正極触媒層と、負極触媒層と、上記正極触媒層と上記負極触媒層との間に配設されたプロトン透過膜と、を有する、
請求項2乃至4のいずれか一つに記載の燃料電池。
【請求項６】
上記膜電極組立体は、上記正極触媒層が上記燃料流通路に面し、上記負極触媒層が上記酸化剤流通路に面するように設けられている、
請求項5に記載の燃料電池。
【請求項７】
上記正極触媒及び上記負極触媒は、上記プロトン透過膜の上に塗布されてなる、
請求項5又は6に記載の燃料電池。
【請求項８】
上記正極触媒層、上記膜及び上記負極触媒層が一緒に圧縮されるように構成されている、
請求項5乃至7のいずれか一つに記載の燃料電池。
【請求項９】
筐体と、
上記筐体内に回転可能に取り付けられ、互いに接続された複数の電気化学電池を有する積層ディスク組立体と、
上記筐体内で上記積層ディスク組立体を回転させるために、該積層ディスク組立体に接続されるモーターと、
燃料を上記複数の電気化学電池に分配するために上記筐体内に設けられた燃料流通路と、
酸化剤を上記複数の電気化学電池に分配するために上記積層ディスク組立体の外側に設けられ、且つ上記燃料流通路とは物理的に分離されている酸化剤流通路と、を有する、
燃料電池。
【請求項１０】
上記複数の電気化学電池は、それぞれ、放射状に延びるリザーバー・プレートと、該リザーバー・プレートによって保持されて放射状に延びる膜電極組立体と、を有する、
請求項9に記載の燃料電池。
【請求項１１】
上記リザーバー・プレート及び上記膜電極組立体に係合する複数の放射状の絶縁物を更に有する、
請求項10に記載の燃料電池。
【請求項１２】
上記膜電極組立体は、正極触媒層と、負極触媒層と、上記正極触媒層と上記負極触媒層との間に配設されたプロトン透過膜と、を有する、
請求項10又は11のいずれか一つに記載の燃料電池。
【請求項１３】
上記各電気化学電池の上記リザーバー・プレートは、隣接する上記電気化学電池のうちの一つの膜電極組立体に係合されている、
請求項10乃至12のいずれか一つに記載の燃料電池。
【請求項１４】
上記燃料流通路は、上記電気化学電池のそれぞれの上記リザーバー・プレートと膜電極組立体との間に延びるように設けられていて、
上記酸化剤流通路は、上記各電気化学電池の膜電極組立体と、隣接する上記電気化学電池の一つの上記リザーバー・プレートとの間に延びるように設けられている、
請求項13に記載の燃料電池。
【請求項１５】
上記膜電極組立体は、上記燃料流通路に面する正極触媒層と、上記酸化剤流通路に面する負極触媒層と、上記正極触媒層と上記負極触媒層との間に配設されたプロトン透過膜と、を有する、
請求項10乃至14のいずれか一つに記載の燃料電池。
【請求項１６】
筐体を準備する工程と、
複数の電気化学電池を準備し、上記複数の電気化学電池を互いに接続することにより、積層ディスク組立体を形成する工程と、
上記積層ディスク組立体を上記筐体の中に回転可能に取り付ける工程と、
上記積層ディスク組立体を上記筐体内で回転させるために、上記積層ディスク組立体にモーターを接続する工程と、
上記筐体内に、上記複数の電気化学電池と流体接続される燃料流通路を設ける工程と、
上記筐体内に、上記燃料流通路に対して物理的に分離するように酸化剤流通路を設ける工程と、を有する、
燃料電池の製造方法。
【請求項１７】
上記複数の電気化学電池を準備する工程は、
放射状に延びるリザーバー・プレートを準備する工程と、
放射状に延びる膜電極組立体を準備する工程と、
上記放射状に延びる膜電極組立体を上記リザーバー・プレートに取り付ける工程と、
を有する、請求項16に記載の方法。
【請求項１８】
上記リザーバー・プレート及び上記膜電極組立体に係合する複数の放射状絶縁体を準備する工程を更に備えた、
請求項17に記載の方法。
【請求項１９】
上記放射状に延びる膜電極組立体を準備する工程は、
支持プレート、正極触媒層、膜、及び負極触媒層を準備する工程と、
上記支持プレート、上記正極触媒層、上記膜、及び上記負極触媒層を一緒に圧縮する工程と、を有する、
請求項17又は18に記載の方法。
【請求項２０】
上記放射状に延びる膜電極組立体を準備する工程は、
支持プレートを準備する工程と、
上記支持プレート上に正極触媒層を塗布する工程と、
上記正極触媒層上に膜を塗布する工程と、
上記膜上に負極触媒層を塗布する工程と、を有する、
請求項17又は18に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池及び、その製造方法に関する。具体的には、本発明は、燃料電池内の燃料と酸化剤との間の分離を維持しながら気体拡散に対する抵抗の悪影響を低減するために回転する電極を備えた回転電極型燃料電池及びその製造方法に関連する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池技術は、定置装置及びけん引装置用に、きれいで効率的なエネルギーを提供できる可能性を有する。他の電気化学的なデバイスと同様、燃料電池を機能させるためには、反応物質分配（物質移動）、触媒反応性、イオン分離及び、電流回収という、主要な機能を果たす一連の構成部品を必要とする。しかしながら、今まで、燃料電池システムの効率は、設計の不手際に起因して電池の分極が増大する（電流のインピーダンスによる電圧の低下）場合を除いて、主要機能を果たす手段を提供するシステム構成部品を具現化する段階で、その理論上の最大値を遥かに下回っていた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
最近、燃料電池設計の改良が進み、構成要素に起因する分極はかなり低減している。例えば、低抵抗で、より薄くてより頑健な膜を提供する透過膜技術が開発され、所定の電流密度を達成するために必要な負荷を低減する触媒合金が開発され、そして、打ち抜き加工された金属プレートや革新的な炭素製造方法を用いた製造技術が、電流回収の効率を改善するために用いられている。しかしながら、反応物質分配に関する改良は、流れ場の設計や気体の加圧に焦点が当てられてきた。これらの技術は、燃料/酸化剤の利用率を改善することができるが、（流れ抵抗の増加による）効率の低下や、（取り付けを必要とする追加の構成部品や、それらの重量及びコストによる）複雑性の増加という代償を払って達成される。
【０００４】
電気化学的システム内の物質移動の影響を低減するために使用される手段として、電気活性種が拡散浸透層の外側面に移動する速度を流体力学的に変えることにより、物質移動（拡散）への抵抗によって達成される濃度勾配を大きく低減させるよう、電極の少なくとも一つを高速で回転させる、「回転ディスク（spinning disc）」或いは「回転バンド（spinning band）」技術が良く知られている。これらの形式の電極は、小さな単一の電池において液状媒質の中で使用されるのが一般的である。しかしながら、「回転ディスク」タイプの燃料電池の電極配置において、燃料及び酸化剤は別々に保持されないのが一般的である。
【０００５】
したがって、内部で燃料電池の電極が、気体拡散に対する抵抗の悪影響を低減すべく回転し、且つ燃料電池内の燃料と酸化剤との間の分離が保持されるような回転電極型燃料電池が必要とされる。そのような回転電極型燃料電池は、液体に対する回転電極配置の実用可能性を拡大し、過剰なクロスオーバー電流を生じやすいシステムの性質を改善し、これにより従来の触媒の使用を可能とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は概して、回転電極型燃料電池を対象とする。回転電極型燃料電池は、筐体を備えている。積層ディスク組立体な筐体内で回転可能に支持されていて、互いに接続された複数の電気化学セルを備えている。モーターが、筐体内で積層ディスク組立体を回転させるべく、積層ディスク組立体に係合している。燃料流通路が、燃料を電気化学電池に分配するために筐体内に設けられている。酸化剤流通路が、酸化剤を電気化学電池に分配するために筐体内に設けられ、そして燃料流通路から物理的に分離されている。本発明は更に、燃料電池の製造方法を対象とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
図面を参照すると、本発明による回転電極型燃料電池の実例となる実施形態が、図1内の参照符号10によって概略的に示されている。回転電極型燃料電池10は、図示するように、積層ディスク組立体14を収容する筒状の筐体12を備えているのが一般的である。燃料注入口16が、例えば水素を含む燃料36を積層ディスク組立体14に分配するため、筐体12の一端部に設けられている。燃料排出口32が、積層ディスク組立体14から未反応の燃料を回収するため、筐体の他端部に設けられている。酸化剤注入口（不図示）及び酸化剤排出口（不図示）が、夫々、酸素を含む酸化剤38を筐体12の中に分配し、余分な酸化剤38を排出水とともに筐体12から回収するために、筐体12に設けられている。
【０００８】
図2に示すように、積層ディスク組立体14は、概略円盤状であり、且つ、積層構造を形成するように互いに直列に接続された複数の電気化学電池18を備えている。各電気化学電池18は、積層ディスク組立体14の内側及び外側の夫々において、燃料流通路17と酸化剤流通路34との間の物理的障壁として機能するリザーバー・プレート20を備えている。積層ディスク組立体の夫々の端部において、燃料流通路17は燃料注入口16及び燃料排出口32と流体接続するように設けられている。さらに、酸化剤流通路34は、積層ディスク組立体14の夫々の端部に設けられる酸化剤注入口（不図示）及び酸化剤排出口（不図示）と流体接続するように設けられている。
【０００９】
電気化学電池18の夫々は、リザーバー・プレート20に取り付けられる膜電極組立体（membrane electrode assembly: MEA)22を更に備えている。燃料流通路17は、リザーバー・プレート20と各電気化学電池18のMEA 22との間に延設されるのが一般的である。酸化剤流通路34は、各電気化学セル18のMEA 22と、隣接する電気化学セル18のリザーバー・プレート20との間に延設されるのが一般的である。MEA 22は、正極（陽極）触媒層26と負極（陰極）触媒層28との間に挟まれるプロトン透過膜24に取り付けられる多孔性の支持プレート（不図示）を備えているのが一般的である。好ましくは、正極触媒層26は燃料流通路17に晒され、一方で、負極触媒層28は酸化剤流通路34に晒される。放射状の絶縁体30は、（負極用の）アノード電流コレクタ、又は（正極用の）カソード電流コレクタのいずれかに接触し、燃料流通路17と酸化剤流通路34との間のシールとして機能する。MEA組立体22は、多機能であり、機械的基盤、双極性捕集媒体、イオン伝導機構及び、各電気化学電池18のアノードとカソードの両方の触媒として機能する。積層ディスク組立体14の長手方向に亘って、各電気化学電池18のMEA 22が、隣接する電気化学電池18のリザーバー・プレート20に順々に接続される。
【００１０】
積層ディスク組立体14内外の、燃料流通路17及び酸化剤流路34のぞれぞれの位置を、燃料流通路17が積層ディスク組立体14の外側になり、酸化剤流通路34が積層ディスク組立体14の内側になるように、入れ替え可能であることは理解される。その場合には、正極触媒層26及び負極触媒層28の位置が、図2に示されている夫々の位置に対して反対になる。更に、上述の場合には、図1に示す燃料注入口16が、酸化剤を筐体12に分配するための酸化剤注入口になる。
【００１１】
各MEA 22の支持プレート（不図示）は、最適な機械的強度及び電気伝導率の要求を満たすように設計される、カーボン或いは、コーティングされた金属板からなる。また、支持プレートは、乱流を増加させ且つ障壁層を低減するための適切な窪み及び形態を有するように製造される場合がある。MEA 22は、その中に支持プレート、正極触媒層26、膜24、及び負極触媒層28が配設され且つ共に圧縮されたサンドイッチ構造として形成されている。あるいは、MEA 22は、本技術分野の当業者によって知られているように、一連の触媒及び、支持プレート上に順次、成形或いは塗られた構成要素として形成される場合もある。
【００１２】
積層ディスク組立体14は、本技術分野の当業者の知識によって、筐体12の内側で回転可能に取り付けられる。モーター15は、積層ディスク組立体14を筐体12内で回転させるため、積層ディスク組立体14に係合している。電気化学電池18のMEA 22及びリザーバー・プレート20は、積層ディスク組立体14全体が筐体12内で大きい角加速度で回転するように、同心に設けられている。積層ディスク組立体14の電流回収構造により、図2に示すように、積層ディスク組立体14の一端部が正に帯電する一方、積層ディスク組立体14の他端部が負に帯電する。電流は、ブラシ（不図示）若しくは、本技術分野の当業者に既知の、従来からある他の手段を使用することにより、回転する積層ディスク組立体14から取り出される。
【００１３】
図1及び図2において、MEA/支持プレート組立体22の夫々は、プレートとして示されている。その代わりにMEA/支持プレート組立体22を、環状リング構造（不図示）で形成することができる。その場合には、各MEA/支持プレート組立体22が、低減された活性表面範囲と等速度領域を有することは、本技術分野の当業者によって理解されるであろう。
【００１４】
回転電極型燃料電池の動作中において、モーター15は、図2中の矢印によって示すように、積層ディスク組立体14を回転させる。例えば水素を含む気体や液体等の燃料36は、回転電極型燃料電池10の燃料注入口16を介して燃料流通路17内に分配される。同時に、例えば酸素を含む気体や液体等の酸化剤38（図2）は、筐体12の外側から酸化剤ガス流通路34の中に分配される。燃料流通路17内において、燃料36は各MEA 22の正極触媒層26に接触する。その結果、燃料36が酸化されるときに、燃料から電子が得られる。得られた電子は、例えば燃料電池自動車の電気駆動モーター（不図示）のような外部回路（不図示）を介して分配される。プロトンが、膜24を取りぬけて、MEA 22の負極触媒層28に移動する。負極触媒層28において、外部回路から戻ってきた電子が、膜24からのプロトン及び酸化剤38内の酸素と結合し、副生成物としての水を形成する。排出水は、酸化剤流通路34から回収され、そして、筐体12に設けられた排出口（不図示）を介して筐体12から放出される。
【００１５】
積層ディスク組立体14は、図示されているように垂直方向に置いても良いし、最適な空間利用のために水平方向に置いても良い（不図示）。水平方向に配置する場合は、液体燃料を使用する場合に燃料を容易に固定できるという利点を有する。補助的な流体調整装置の必要性を低減若しくは取り除くため、積層ディスク組立体14全体での燃料36や酸化剤38の輸送は、回転する積層ディスク組立体14に適切に設けられたフィン部材（不図示）によって強化され得る。気体を導入するためのフロート弁（不図示）と結合する液体シール（不図示）は、燃料36を酸化剤38から分離するためのみならず、積層ディスク組立体14内の燃料圧を維持するために用いられる。
【００１６】
ここで、図1および図2を用いて、本発明の実施形態の一つの燃料電池10の製造方法について説明する。本実施形態の燃料電池10は、筐体12を準備する工程と、複数の電気化学電池18を準備し、これらの複数の電気化学電池18を互いに接続することにより、積層ディスク組立体14を形成する工程と、積層ディスク組立体14を筐体12の中に回転可能に取り付ける工程と、積層ディスク組立体14を筐体12内で回転させるため、積層ディスク組立体14にモーター15を接続する工程と、筐体12内に、複数の電気化学電池18と流体接続させるように燃料流通路17を設ける工程と、筐体12内に、燃料流通路17に対して物理的に分離させるように酸化剤流通路34を設ける工程と、を有する製造方法によって製造される。ここで、上述の複数の電気化学電池を準備する工程は、放射状に伸びるリザーバー・プレート20を準備する工程と、放射状に伸びる膜電極組立体22を準備する工程と、放射状に伸びる膜電極組立体22をリザーバー・プレート20に取り付ける工程とを備えている。また、上述の製造方法は、リザーバー・プレート20及び膜電極組立体22に係合する、複数の放射状絶縁体30を準備する工程を更に備えている場合もある。なお、上述の放射状の膜電極組立体22を準備する工程は、支持プレート、正極触媒層26、膜24、及び負極触媒層28を準備する工程と、これら支持プレート、正極触媒層26、膜24、負極触媒層28を一緒に圧縮する工程とを有するものでも、或いは、支持プレートを準備する工程と、支持プレート上に正極触媒層26を塗布する工程と、正極触媒層26上に膜24を塗布する工程と、該膜24上に負極触媒層28を塗布する工程とを有するものでも良い。
【００１７】
本発明に係る回転電極型燃料電池が多くの利点を有することは、本技術分野の当業者によって理解されるであろう。例えば、燃料及び酸化剤の輸送が、従来の制限された流れ場に比べて大きい断面積/低い速度で行われ、それにより圧力損失及び気体のポンピングによる非効率性を低減することができる。更に、活性剤がほぼ同様の方法で供給され、燃料及び酸化剤が燃料電池の注入口や排出口の近くで優先的に分解に至る触媒利用上の問題を最小化する。積層ディスク組立体の角速度は、最適な動力要求に対して調整可能であるが（より速い回転がより大きい電流をもたらす）、必ずしも必要ではない。これは、素早い過渡応答を提供する能力における有利な点を促進する。酸化副生成物の管理が、回転する積層ディスク組立体14の遠心作用によって改善される。例えば、液体の水が回転作動下でMEAから追い出され、触媒サイトやガス通路の閉塞といった、液体の水の生成に関連する一般的な問題を解消する。気体拡散層及び膜抵抗の最小化を伴うフィン設計が、MEAの冷却に効率的な低い圧力低下を可能とし、それにより専用の熱交換装置が必要なくなる。この燃料電池は、共に本技術分野において良く知られた技術である、型打ちされた部品と圧着溶接部品とを主として使用することにより、実質的に製造可能である。
【００１８】
本発明の好ましい実施形態を説明してきたが、本発明において種々の修正が行われ得ること、特許請求の範囲が、本発明の技術思想及び範囲に含まれるそのような修正の全てを保護することを目的としていることは、認識及び理解できるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明に係る回転電極型燃料電池の実例となる実施形態の斜視概略図である。
【図２】本発明に係る回転電極型燃料電池の積層ディスク組立体の断面図である。
【符号の説明】
【００２０】
10．  回転電極型燃料電池
12.   筐体
14．  積層ディスク組立体
15．  モーター
16．  燃料注入口
17．  燃料流通路
18．  電気化学電池
20．  リザーバー・プレート
22．  膜電極組立体（MEA)
26．  正極触媒層
28．  負極触媒層
32．  燃料排出口
34．  酸化剤流通路
36．  燃料
38．  酸化剤
【図１】
2007141841.tif 000003
【図２】
2007141841.tif 000004