(57)【要約】  本発明において、異なる用途に対して、７０−１５０Ｗの機能的かつ携帯式の直接型水素化ホウ素ナトリウム燃料電池（ＤＳＢＨＦＣ）のシステム統合が実現される。システムは、水素化ホウ素ナトリウム燃料からの水素又は酸化剤の過酸化水素からの水素のいずれも燃料電池性能に影響を及ぼさないような方法で統合される。７０−１５０Ｗ電力システムは、４つの異なるグループから構成される。各グループは、７セルを含む２つのスタックを有する。従って、各グループは、合計１４セルを有する。システムは、全部で５６セルを有する。貯蔵タンクからポンピングされる燃料及び酸化剤は、アノード及びカソードラインを通過して分配ユニットに送られる。この分配器において、各スタックに対して全ての給送ラインに分配されたアノード及びカソード流れは、分配ラインを通過してセルに到達する。スタック内の燃料及び酸化剤溶液は、収集ラインを通過して収集ユニットに到達する。この流れは、収集ユニットから給送タンクに返送される。このようにして、各７セルグループに対するタンク内の燃料及び酸化剤の循環が実現され、性能が高められる。【選択図】図１ａ
2012513074.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
過酸化水素（水溶液）から形成された酸素と、水素化ホウ素ナトリウム及び該水素化ホウ素ナトリウムから形成された過酸化水素（水溶液）を直接使用することによってエネルギを発生する水素との燃料電池性能を悪化させず、統合及び作動の実施のために、作動の開始又は作動中に問題を有するセルが新しいものと迅速かつ容易に交換されて重量及び容積を最小にするための複数のモジュール及び該モジュール内の複数のセルで構成された携帯式燃料電池システムであって、
ａ）各々が互いに直列に電気的に接続された７セルから構成される２つのスタックで各々が構成され、燃料及び酸化剤が該スタックにのみ給送される独立４グループ（１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ）と、
ｂ）各スタックが７セルから構成された各グループ（１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ）内の２つのスタック間にあり、２つのサブスタックによって使用される共通板（２１）と、
ｃ）前記７セルスタックのアノード及びカソードに隣接して置かれた耐食性集電体（１４）と、
ｄ）前記燃料及び酸化剤を貯蔵タンクからアノード（４ａ）側及びカソード（４ｂ）側分配ユニット入力ラインを通して送るポンプ（３ａ、３ｂ）と、
ｅ）アノード入力流れのための最低限８分配ポイントを有する分配ユニット（５ａ）及びアノード出力流れのための最低限８収集ポイントを有する収集ユニット(１０ａ)と、
ｆ）カソード入力流れのための最低限８分配ポイントを有する分配ユニット（５ｂ）及びカソード出力流れのための最低限８収集ポイントを有する収集ユニット(１０ｂ)と、
を収容することを特徴とするシステム。
【請求項２】
各々が２５ｃｍ2の有効面積を有するセルから構成されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記アノード及びカソード側分配ユニットへの前記入力ライン（４ａ及び４ｂ）の直径が、アノード及びカソード側分配ユニットの出力ライン（６ａ−６ｈ及び７ａ−７ｈ）の直径より大きいことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記アノード及びカソード側収集ユニットの出力ライン（１１ａ及び１１ｂ）の直径が、それぞれ、該アノード及びカソード側収集ユニットの入力ライン（８ａ−８ｈ及び９ａ−９ｈ）よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料及び前記酸化剤は、異なるライン（６ａ−６ｈ及び７ａ−７ｈ）を通って前記７セルスタックに入り、かつ異なるライン（８ａ−８ｈ及び９ａ−９ｈ）を通って該スタックから出ることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
バイポーラ設計が使用されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
過酸化水素（水溶液）から形成された酸素と、水素化ホウ素ナトリウム及び水素化ホウ素ナトリウムから形成された過酸化水素（水溶液）を直接使用することによってエネルギを発生する水素との燃料電池性能を悪化させないための燃料電池システムであって、
ａ）燃料ポンプ（３ａ）及び酸化剤ポンプ（３ｂ）による燃料及び酸化剤溶液の燃料タンク（２ａ）及び酸化剤タンク（２ｂ）からアノード及びカソードそれぞれへの同時輸送と、
ｂ）アノード側分配ユニット入力ライン（４ａ）からアノード側分配ユニット（５ａ）を通してスタックの数と同じくらい多い分配ポイントを有する多くのセルから構成された燃料電池スタック（１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ）までのポンプ（３ａ）による前記燃料貯蔵タンクからの燃料の分配と、
ｃ）前記燃料電池スタックと同じくらい多い入力を有する収集ユニット（１０ａ）内に該燃料電池スタックから燃料を収集し、次に、それを前記燃料タンク（２ａ）への返送することと、
ｄ）アノード側収集ユニット出力ライン（１１ａ）の溶液よりも上方（好ましくは、０．５−１０ｃｍ）にある結果として、該アノード側収集ユニット出力ライン（１１ａ）内の少量の水素を外気へ除去することと、
ｅ）前記水素が除かれた燃料を前記燃料タンク（２ａ）内の燃料と混合し、次に、該混合燃料を前記アノードに再び給送し、次に、前記段階ａから段階ｅ間の手順を反復することと、
ｆ）１つよりも多い分配ポイントを有する分配ユニット（５ｂ）を備えたカソード側分配ユニット入力ライン（４ｂ）から１つよりも多いセルから構成された燃料電池スタックまでのポンプ（３ｂ）による前記酸化剤貯蔵タンクからの酸化剤の分配と、
ｇ）燃料電池内のスタックの数と同じくらい多い入力を有する収集ユニット（１０ｂ）内に前記燃料電池スタックから酸化剤を収集し、次に、それを前記酸化剤タンク（２ｂ）に返送することと、
ｈ）前記カソード側収集ユニット出力ライン（１１ｂ）の溶液よりも上方（好ましくは、０．５−１０ｃｍ）にある結果として、酸化剤側収集ユニット出力ライン（１１ｂ）内の少量の酸素を外気へ除去することと、
ｉ）酸素が除かれた前記酸化剤を前記酸化剤タンク（２ｂ）内の酸化剤と混合し、次に、該混合物を前記カソードに再び送り、次に、段階ｆから段階ｉ間の手順を反復することと、
を特徴とするシステム。
【請求項８】
前記燃料電池は、７セルから構成された２つのスタックで各々構成される４つの独立グループ（１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ）から構成されることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記燃料電池に給送される前記燃料は、ＮａＯＨ溶液内の水素化ホウ素ナトリウムであり、該燃料電池に給送される前記酸化剤は、Ｈ2ＳＯ4、ＨＣｌ、ＨＦのような無機酸溶液、好ましくは、Ｈ2ＳＯ4内の過酸化水素である。
【請求項１０】
前記アノード側収集ユニット出力ラインから前記アノードタンクに来る水素化ホウ素ナトリウムの望ましくない加水分解反応によって形成された前記少量の水素ガスの前記除去が提供され、
燃料給送ライン（１２）が、前記燃料タンク（２）の溶液内に保持され、
前記アノード側収集ユニット出力ライン（１１ａ）は、アノード給送溶液の上方（好ましくは、０．５−１０ｃｍ）にある、
ことを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記カソード側収集ユニット出力ライン（１１ｂ）から前記カソードタンクまで来る過酸化水素の分解によって形成された前記少量の酸素ガスの前記除去が提供され、
酸化剤給送ライン（１３）が、前記酸化剤タンク（２ｂ）の溶液内にあり、
前記カソード側収集ユニット出力ライン（１１ｂ）は、給送溶液の上方（好ましくは、０．５−１０ｃｍ）にある、
ことを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
請求項１及び請求項７に記載の前記分配（５ａ、５ｂ）及び収集（１０ａ、１０ｂ）ユニット、前記ライン（４、６、７、８、９、１１）、及びガスケット（１６）が、酸性及び塩基性腐食に耐性である。
【請求項１３】
請求項１及び請求項７に記載の前記酸化剤の前記燃料に対するモル比が、２：１と６：１の間、好ましくは、４：１である。
【請求項１４】
３−７ＭのＮａＯＨ、より好ましくは、６ＭのＮａＯＨが、前記燃料の安定化に対して適切であることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項１５】
前記酸化剤の流量の前記燃料の流量に対する比が、１と３の間であることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項１６】
アノード及びカソード溶液が、並流又は逆流として、好ましくは、逆流としてそれぞれアノード及びカソードに給送されることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、機能的かつ携帯式の７０−１５０Ｗ直接型水素化ホウ素ナトリウム燃料電池のシステム統合に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、反応の化学エネルギを直接に電気エネルギに変換する電気化学デバイスである。燃料電池の物理的構造は、多孔質アノード及び多孔質カソードに接触する電解質層から構成される。一般的な燃料電池において、燃料は、アノード（負極）に連続的に給送され、酸化剤（酸素／空気）は、カソード（正極）に連続的に給送される。燃料電池は、ポリマー電解質膜型燃料電池（ＰＥＭ）、直接型メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）、アルカリ型燃料電池（ＡＦＣ）、リン酸型燃料電池（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ）、及び固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）のような６グループに分類される。
【０００３】
燃料電池は、携帯式電子機器、車両、電力／熱生成プラント、並びに軍用及び民間施設のような様々な用途を有する。この点で、水素貯蔵が重要な問題であることを強調すべきである。この目的のために、ホウ素鉱物から製造される水素化ホウ素ナトリウムが、最も重要な水素貯蔵薬剤の１つとして公知である。
【０００４】
水素化ホウ素ナトリウムのアルカリ性水溶液は、接触的に分解して貯蔵された水素を放出する。水素化ホウ素ナトリウムは、水素２０％（重量で）までを貯蔵することができ、かつ易燃性又は爆発性ではない。水素発生速度は、容易に制御することができる。出現水素の半分は水素化物に由来し、他の半分は水に由来する。触媒及びメタホウ酸ナトリウムは、回収されて再使用することができる。燃料電池においては、水素が最初に原位置で生成されてそれ自体が使用されるか、又は水素化ホウ素ナトリウムを燃料として直接に使用することができるかのいずれかである。特に、携帯式燃料電池用途においては、直接型水素化ホウ素ナトリウム燃料電池（ＤＳＢＨＣ）は、直接型メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）の良好な代替物である。直接型メタノール燃料電池と直接型水素化ホウ素ナトリウム燃料電池とが比較された時に、電圧、理論比容量、及びエネルギ密度は、直接型メタノール燃料電池に対しては、それぞれ１．２４Ｖ、５０３０アンペア時／ｋｇ、及び６２００ワット時／ｋｇであるが、他方、直接型水素化ホウ素ナトリウム燃料電池に対しては、これらの値は１．６４Ｖ、５６６７アンペア時／ｋｇ、及び９２８５ワット時／ｋｇである。更に、ＤＭＦＣは、低いアノード反応速度、メタノールの有毒効果、及びアノードからカソードへのクロスオーバーのために幾らかの欠点を有する。トルコは、最高品質の世界の確定ホウ素埋蔵量の殆ど７０％を有する。直接型水素化ホウ素ナトリウム燃料電池は、電極触媒層（アノード及びカソード）、電解質（膜）（膜と電極の組合せはＭＥＡと呼ばれる）、バイポーラ板、集電板、ガスケット、及び他の接合要素から構成される。燃料電池スタックは、電力要件を満足させるための十分な数のセルを結合することによって製造される。
【０００５】
燃料電池スタックは、それらの用途、電力、及び電圧要件に基づく様々な設計を有する。これらの設計は、バイポーラ、疑似バイポーラ、及びモノポーラスタック設計である。また、各タイプは、空気給送及び加湿のためのスタック設計の相違に基づいてサブグループに分類することができる。バイポーラスタック設計は、ＰＥＭ燃料電池における高電力（１００Ｗ−１ＭＷ）要件に対して最良のものである。水及び熱の管理は、バイポーラスタック設計において重要な役割を果たしている。疑似バイポーラスタック設計は、２０−１５０Ｗの電力レベルに適切であり、これらのスタックでは加湿が必要である。モノポーラ設計は、低電力（１−５０Ｗ）及び高電圧のデバイスに適切である。加湿及び温度管理は、モノポーラシステム設計において重要である。用途のタイプに基づいて、疑似バイポーラ及びバイポーラのスタック設計は、互いの場所で使用することができる。モノポーラ設計は、アセンブリ内で広い表面積を有するコンピュータのようなデバイスにより適している。
【０００６】
特に液体燃料電池システムにおいては、反応中に出現する生成物及び副生成物が、スタック設計において極めて重要である。気体の生成物及び副生成物が形成される燃料電池においては、板が直列又は並列に接続されているかは、この接続形式が性能に大きく影響するので非常に重要である。
【０００７】
水素化ホウ素ナトリウム燃料電池に対しては様々な特許が存在する。これらの特許の多くは、水素化ホウ素ナトリウムの加水分解及び加水分解反応から生成された水素の利用に関する。１９５３年にＳｃｈｌｅｓｉｎｇｅｒ他によって公開された燃料電池における最初の論文は、水素化ホウ素ナトリウムからの水素の生成に関するものである。
【０００８】
特許番号ＵＳ  ５５９６４０において、水素を放出するＮａＢＨ4、ＫＢＨ4、ＬｉＡｌＨ4、ＫＨ、及びＮａＨのような一部の水素化物のアルカリ性溶液が使用される燃料電池が初めて言及された。この燃料電池においては、膜電解質は存在しない。Ａｍｅｎｄｏｌａ他は、彼らが、アニオン交換膜が使用される水素化ホウ素ナトリウム燃料電池を用いて７０℃で６０ｍＷ／ｃｍ2よりも大きい電力密度に到達できたことを１９９９年に報告した。
【０００９】
特許ＵＳ  ２００４０５２７２２、ＵＳ  ７０４５２３０、ＵＳ  ７１０５０３３、ＵＳ  ７０８３６５７、ＵＳ  ６８１１８３３４、ＵＳ  ６３３９５２９、ＵＳ  ６９３２８４７、ＵＳ  ６７２７０１２、ＵＳ  ６６８３０２５、ＵＳ  ６５３４０３３、ＵＳ  ６９４６１０４、ＵＳ  ６５４４００、ＪＰ  ２００４３４９０２９、ＪＰ  ２００４２４４２６２、ＪＰ  ２００６０６９８６９、ＪＰ  ２００６５８７５３、ＪＰ  ２００７０１２３１９、ＪＰ  ２００６０６９８６９は、水素化ホウ素ナトリウムからの水素生成及びこの水素の燃料電池への給送に関するものである。
【００１０】
特許番号ＫＲ  ２００４００８８９７において、直接型水素化ホウ素ナトリウム燃料電池が、空気電極と１０−４０％ＮａＢＨ4水溶液が給送される燃料電極と共に、アニオン性ポリマーセパレータ及び１３よりも大きいｐＨを有するアルカリ性電解質から構成されることが報告されている。特許番号ＵＳ  ２００７２１２５８において、直接液体給送型燃料電池が、ゲル電極及び液体燃料で構成され、この液体燃料が、金属水素化物及び／又はホウ水素化化合物であると言及されている。
【００１１】
燃料電池においては、通常は、空気又は酸素が酸化剤として使用される。これらの他に、過酸化水素も酸化剤として使用することができる。燃料電池での過酸化水素の使用に関しては様々な特許が存在する。特許ＵＳ  ２００５０２５５３４１及びＷＯ２００５１０７００２において、過酸化水素が直接型水素化ホウ素ナトリウム燃料電池の酸化剤として使用され、１２Ｖ及び７０℃での電力密度が３５０ｍＷ／ｃｍ2に到達し、かつ過酸化水素の使用によってこの燃料電池が潜水艦用途に使用することができることが報告されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】ＵＳ  ５５９６４０
【特許文献２】ＵＳ  ２００４０５２７２２
【特許文献３】ＵＳ  ７０４５２３０
【特許文献４】ＵＳ  ７１０５０３３
【特許文献５】ＵＳ  ７０８３６５７
【特許文献６】ＵＳ  ６８１１８３３４
【特許文献７】ＵＳ  ６３３９５２９
【特許文献８】ＵＳ  ６９３２８４７
【特許文献９】ＵＳ  ６７２７０１２
【特許文献１０】ＵＳ  ６６８３０２５
【特許文献１１】ＵＳ  ６５３４０３３
【特許文献１２】ＵＳ  ６９４６１０４
【特許文献１３】ＵＳ  ６５４４００
【特許文献１４】ＪＰ  ２００４３４９０２９
【特許文献１５】ＪＰ  ２００４２４４２６２
【特許文献１６】ＪＰ  ２００６０６９８６９
【特許文献１７】ＪＰ  ２００６５８７５３
【特許文献１８】ＪＰ  ２００７０１２３１９
【特許文献１９】ＫＲ  ２００４００８８９７
【特許文献２０】ＵＳ  ２００７２１２５８
【特許文献２１】ＵＳ  ２００５０２５５３４１
【特許文献２２】ＷＯ２００５１０７００２
【非特許文献】
【００１３】
【非特許文献１】Ｓｃｈｌｅｓｉｎｇｅｒ他、燃料電池における最初の論文、１９５３年
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明においては、７０−１５０Ｗの水素化ホウ素ナトリウム燃料電池が製造されて作動される。このシステムにおいては、アルカリ性溶液内の水素化ホウ素ナトリウムが燃料として使用され、酸性溶液内の過酸化水素が酸化剤として使用される。燃料及び酸化剤は燃料電池内に給送され、次に、過剰の燃料及び酸化剤のそれらのタンクへの返送及び／又は返送燃料の新しい燃料との混合が、それらのモル濃度を通じてモニタされる。
【００１５】
直接型水素化ホウ素ナトリウム燃料電池においては、燃料である水素化ホウ素ナトリウムは、全体的酸化反応によってメタホウ酸塩及び水に変換される。
【００１６】
アノード：ＮａＢＨ4＋８ＯＨ-→ＮａＢＯ2＋６Ｈ2Ｏ＋８ｅ-  Ｅ0＝−１．２４（１）
【００１７】
カソード：２Ｏ2＋４Ｈ2Ｏ＋８ｅ-→８ＯＨ-  Ｅ0＝０．４（２）
【００１８】
全体的：ＮａＢＨ4＋２Ｏ2→ＮａＢＯ2＋２Ｈ2Ｏ  Ｅ0＝１．６４（３）
【００１９】
しかし、上述したものとの並行反応により、反応（４）に従って水素化ホウ素ナトリウムは、水素とメタホウ酸塩にも変換される。
【００２０】
ＮａＢＨ4＋２Ｈ2Ｏ→４Ｈ2＋ＮａＢＯ2（４）
【００２１】
液体酸化剤が給送される時に、下の反応がアノードで生じる。
【００２２】
アノード：ＮａＢＨ4＋８ＯＨ-→ＮａＢＯ2＋６Ｈ2Ｏ＋８ｅ-  Ｅ0＝−１．２４（１）
【００２３】
しかし、カソードでは、液体酸化剤Ｈ2Ｏ2の異なる反応が生じる。
【００２４】
４Ｈ2Ｏ2→４Ｈ2Ｏ＋２Ｏ2
【００２５】
２Ｏ2＋４Ｈ2Ｏ＋８ｅ-→８ＯＨ-  Ｅ0＝０．４Ｖ、又は
【００２６】
４Ｈ2Ｏ2＋８ｅ-→８ＯＨ-  Ｅ0＝０．８７Ｖ、又は
【００２７】
４Ｈ2Ｏ2＋８Ｈ+＋８ｅ-→８Ｈ2Ｏ  Ｅ0＝１．７８Ｖ
【００２８】
全体的：ＮａＢＨ4＋４Ｈ2Ｏ2→ＮａＢＯ2＋６Ｈ2Ｏ＋８ｅ-  Ｅ0＝２．１１Ｖ又は３．０２Ｖ
【００２９】
直接型水素化ホウ素ナトリウム燃料電池において、水素は、使用された触媒によってアノードで生成され、酸素は、過酸化水素の分解の結果としてカソードで生成される。燃料及び酸化剤の液体相からの水素及び酸素の気体は、それぞれ水素及び酸素の流動体系を混乱させ、アノード及びカソード上の触媒と燃料及び酸化剤との接触を妨げる。本発明は、水素化ホウ素ナトリウムから形成された水素又は過酸化水素からの酸素のいずれも燃料電池の性能に影響を及ぼさない燃料電流システムの統合に関する。この７０−１５０Ｗシステムは、４つの異なるグループから構成される（図１）。これらの４つの異なるグループは、合計１４セルになる７セルの２つのスタックから構成される。各セルは、２５ｃｍ2の有効表面積を有する。
【００３０】
燃料貯蔵タンク（２ａ）からの燃料及び酸化剤貯蔵タンク（２ｂ）からの酸化剤は、６ｍｍ幅アノード側分配ユニット入力ライン（４ａ）に、更にアノード分配ユニット（５ａ）に、更にカソード側分配ユニット入力ライン（４ｂ）からカソード側分配ユニット（５ｂ）にポンピングされる（３ａ及び３ｂにより）。分配ユニット（５）において、各スタックに関する異なる給送ラインに分配されたアノード及びカソードの流れは、４ｍｍ幅アノード側スタック入力ライン（６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ、６ｅ、６ｆ、６ｇ、６ｈ）及びカソード側スタック入力ライン（７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ、７ｅ、７ｆ、７ｇ、７ｈ）を通過してセルに到達する。スタックで使用される燃料及び酸化剤は、４ｍｍアノード側スタック出力ライン（８ａ−８ｈ）を通過してアノード側収集ユニット（１０ａ）に、かつカソード側スタック出力ライン（９ａ−９ｈ）を通過してカソード側（１０ｂ）に移送される。これらの流れは、収集ユニット（１０ａ、１０ｂ）から６ｍｍライン（９ａ−９ｈ）を通過して燃料タンク（２ａ）及び酸化剤（２ｂ）に返送される。アノード及びカソード側スタック分配ユニット入力ライン（４ａ及び４ｂ）の直径は、アノード及びカソード側スタック入力ライン（６ａ−６ｈ）及び（７ａ−７ｈ）の直径よりも大きい。アノード及びカソード側収集ユニット出力ライン（１１ａ及び１１ｂ）の直径は、アノード及びカソード側スタック出力ライン（８ａ−８ｈ）及び（９ａ−９ｈ）の直径よりも大きい。すなわち、７セルの各々内の十分な流量での燃料及び酸化剤の循環が達成され、性能が高められる。
【００３１】
燃料及び酸化剤給送ライン（１２、１３）は、燃料タンク（２ａ）及び酸化剤タンク（２ｂ）内の溶液内にそれらがあるようにそれぞれ配置される。アノード及びカソード側収集ユニット出力ライン（１１ａ、１１ｂ）のレベルは、給送溶液の上方（好ましくは０．５−１０ｃｍ）にある。この高さ及び返送混合物の流量は、燃料及び酸化剤タンクにおける均一な混合に対して十分である。アノード及びカソード側出力ラインが給送溶液の上方にあるので、アノードでの少量の燃料ラインで生成された水素と酸化剤ライン内のカソードで生成された酸素とは、出力ラインを通じて空気中に出ることができる。
【００３２】
各グループは、２つの異なるスタックで構成され、各スタックは、７つの異なるセルから構成される（図２）。スタックは、集電体（１４）、モノポーラ板（１５）、ガスケット（１６）、膜電極ユニット（１７）、バイポーラ板（１８）、終板（２０ａ、２０ｂ）、及び中板（２１）から構成される。各グループにおいて、第１及び第２の７−セル−スタックの燃料／アノード出力部及び酸化剤／カソード入力部は、中板（２１）上にある（図３）。選択された流動場設計に関する各スタックのためのセル数は、スタック性能試験によって判断される。各々７セルを有する２つのスタックから構成されるグループの特性は、重量及び容積の最小化、並びに統合の容易性を考慮することによって判断すべきである。このシステム統合は、あらゆる問題のあるセルが作動の開始又は作動中に容易かつ迅速に新しいものと交換することができるので、このように有利である。
【００３３】
２つの７−セル−スタックを有する直接型水素化ホウ素ナトリウム燃料電池グループが図４に示されている。アノード及びカソード流れは、２つの７−セル−スタックに逆流方向に給送される。この状況は、給送方向を考慮することにより、アノード（６ａ、６ｂ）及びカソード（７ａ、７ｂ）の入力部及び出力部（８ａ、８ｂ及び９ａ、９ｂ）に対して図４に表されている。
【００３４】
当業技術における実験結果及びシステムの統合を以下に説明する。
【００３５】
本発明において、６ＭのＮａＯＨ溶液内の１ＭのＮａＢＨ4が燃料として使用され、１．５ＭのＨ2ＳＯ4溶液内の２．５ＭのＨ2Ｏ2が酸化剤として使用される。燃料及び酸化剤は、燃料電池に直接に給送される。
【００３６】
カチオン交換膜である「Ｎａｆｉｏｎ  １１７」が電解質として使用される。この膜は、最初に３％Ｈ2Ｏ2（水溶液）内で１時間煮沸され、次に、純水内で別に１時間煮沸される。最後に、この膜は、１ＭのＮａＯＨ溶液内で１時間煮沸される。この膜は、純水内に放置され、次に、使用前にＫｉｍｗａｐｓ紙を用いて乾かされる。
【００３７】
アノードインクは、「Ｂｌａｃｋ  Ｐｅａｒｌ」上のＰｔ−Ａｕ合金から調製され、カソードインクは、「Ｖｕｌｃａｎ  ＸＣ  ７２」上のＡｕ触媒から調製された。アノード及びカソードインクの両方は、カーボンクロス上にアノードに対して０．７５ｍｇ／ｃｍ2の状態、かつカソードに対して１ｍｇ／ｃｍ2の状態で適用された。
【００３８】
燃料電池スタックに使用されるバイポーラ板（１８）は、酸及び蛇行流動場による塩基腐食に抵抗性のある複合材板であった。金メッキ銅板（１４）が、集電体として使用された。燃料及び酸化剤給送ライン（４、６、７、８、及び９）、ガスケット（１６）、ポンプ（３ａ、３ｂ）、分配ユニット（５）、及び収集ユニット（１０）は、テフロンで製造される。膜及び電極から構成される膜電極ユニット（１７）及びモノ／バイポーラ板（１５、１８）における密封は、ガスケット（１６）によって提供される。実験は、室温で行われる。全開回路電圧は、８０−８５Ｖである。
【００３９】
図５においては、酸化剤としての異なる酸のタイプの４Ｍ過酸化水素の効果が調査されている。より高い電力密度には、ＨＣｌに換えてＨ2ＳＯ4が使用された時に到達することができる。
【００４０】
図６においては、酸化剤の過酸化水素濃度の効果が調査されている。過酸化水素濃度での増大に伴って性能が僅かに改善したと測定されたが、この改善は、過酸化物濃度での増大と比較するとより小さかった。
【００４１】
図７は、性能に対するカソード流量の影響を示している。５−セル−スタックにおいて、６ＭのＮａＯＨ内の１ＭのＮａＢＨ4が燃料として使用され、１．５ＭのＨ2ＳＯ4内の２．５ＭのＨ2Ｏ2が酸化剤として２５ｍＬ／分の流量で使用される。試験は室温で行われ、カソード側流量の効果が考察された。実験中に、各セルの電圧が測定され、この電圧が１．５−１．５７Ｖの間で変化することが測定された。２５ｍＬ／分の流量で、特に出力セルに接近したセルにおいて、電圧値は、１Ｖ未満であったことが見られた。カソード流量が５０ｍＬまで増大された時に性能が改善したことが観察されたが、カソード流量が７５ｍＬ／分に増大された時には、この性能は改善しなかった。この性能は、低電流密度に影響されなかったが、高電流密度では改善したことも観察された。
【００４２】
図８は、５−セル−スタックに対してアノード及びカソード溶液の給送方向が調査された時の効果を示している。燃料が逆方向から給送された場合、電力密度は僅かに高かった。
【００４３】
５−セル−スタックの製造の後、１０−セル−スタックが製作され、各セルの電圧値が個々に測定された。性能測定において、カソード流量がアノード流量の２倍であった時に、７セルの電圧は、１．０１から０．７４Ｖの間で変化し、他方、３セルの電圧は、０．５２から０．５８Ｖの間で変化した。従って、７−セルを有するスタックを製造することが決められた。スタックが製造された時に、システムの人間工学的態様も考慮に入れられた。支持板の容積及び重量を低減するために、７セルを有する２つのスタックを構成するグループが統合された。７−セル−スタックの燃料のための第１及び第２の出力及び酸化剤の第１及び第２の入力は、燃料側入力ライン（６ａ−６ｈ）及び酸化剤側入力ライン（７ａ−７ｈ）をそれぞれ通じて中板（２１）上で行われる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】直接型水素化ホウ素ナトリウム燃料電池システムの概略図である（１ａアノード側、１ｂカソード側）。
【図２】各々７セルから構成された２つの異なるスタックで構成される１４−セル−グループの概略図である。
【図３】各々７セルから構成された２つの異なるスタックで構成される１４−セル−グループ内に使用される中板の詳細図である。
【図４】各々７セルから構成された２つの異なるスタックで構成される１４−セル−グループ内のアノード及びカソードの入力部及び出力部の図である。
【図５】酸化剤側での酸のタイプの影響を示す図である。
【図６】酸化剤濃度の影響を示す図である。
【図７】５セルスタック内のカソード流量の影響を示す図である。
【図８】５セルスタック内の燃料及び酸化剤の給送方向の影響を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４５】
図中の番号の詳細説明
１  グループ
１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ  各々７セルを含む２スタックから構成されるグループ
２  タンク
２ａ  燃料タンク／アノードタンク
２ｂ  酸化剤タンク／カソードタンク
３  ポンプ
３ａ  燃料ポンプ
３ｂ  酸化剤ポンプ
４  分配ユニット入力ライン
４ａ  アノード側分配ユニット入力ライン
４ｂ  カソード側分配ユニット入力ライン
５  分配ユニット
５ａ  アノード側分配ユニット
５ｂ  カソード側分配ユニット
６  アノード側スタック入力ライン
６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ、６ｅ、６ｆ、６ｇ、６ｈ
７  カソード側スタック入力ライン
７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ、７ｅ、７ｆ、７ｇ、７ｈ
８  アノード側スタック出力ライン
８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ、８ｅ、８ｆ、８ｇ、８ｈ
９  カソード側スタック出力ライン
９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ、９ｅ、９ｆ、９ｇ、９ｈ
１０  収集ユニット
１０ａ  アノード側収集ユニット
１０ｂ  カソード側収集ユニット
１１  収集ユニット出力ライン
１１ａ  アノード側収集ユニット出力ライン
１１ｂ  カソード側収集ユニット出力ライン
１２  燃料給送ライン
１３  酸化剤給送ライン
１４  集電体
１５  一面だけに機械加工された流れ板／モノポーラ板
１６  ガスケット
１７  膜電極アセンブリ
１８  バイポーラ板
２０  終板（ａ、ｂ）
２１  中板
【符号の説明】
【００４６】
２ａ  燃料貯蔵タンク
２ｂ  酸化剤貯蔵タンク
５ａ  アノード側分配ユニット
５ｂ  カソード側分配ユニット
【図１ａ】
2012513074.tif 000003
【図１ｂ】
2012513074.tif 000004
2012513074.tif 000005
【図２】
2012513074.tif 000006
【図３】
2012513074.tif 000007
【図４】
2012513074.tif 000008
【図５】
2012513074.tif 000009
【図６】
2012513074.tif 000010
【図７】
2012513074.tif 000011
【図８】
2012513074.tif 000012
【手続補正書】
【提出日】平成23年4月20日(2011.4.20)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のモジュール及び該モジュール内の複数のセルを含み、水素化ホウ素ナトリウムから形成される水素と過酸化水素（水溶液）から形成される酸素とによってエネルギを発生する携帯式燃料電池システムであって、
ａ）各々が互いに直列に電気的に接続された７つのセルから構成される２つのスタックで各々構成され、燃料及び酸化剤が該スタックにのみ給送される独立した４つのグループ（１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ）と、
ｂ）前記２つのサブスタックの両方によって使用され、かつ各グループ（１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ）内の該２スタックの間にある共通板（２１）と、
ｃ）７−セルスタックのアノード及びカソードに隣接して置かれた耐食性集電体（１４）と、
ｄ）アノード（４ａ）側及びカソード（４ｂ）側分配ユニット入力ラインを通して貯蔵タンクから燃料及び酸化剤をポンピングするためのポンプ（３ａ、３ｂ）と、
ｅ）アノード入力流れのための最低限８分配ポイントを有する分配ユニット（５ａ）及びアノード出力流れのための最低限８収集ポイントを有する収集ユニット（１０ａ）と、
ｆ）カソード入力流れのための最低限８分配ポイントを有する分配ユニット（５ｂ）及びカソード出力流れのための最低限８収集ポイントを有する収集ユニット（１０ｂ）と、
を更に含むことを特徴とするシステム。
【請求項２】
前記アノード及びカソード側分配ユニットへの前記入力ライン（４ａ及び４ｂ）の直径が、アノード及びカソード側分配ユニットの出力ライン（６ａ−６ｈ及び７ａ−７ｈ）の直径よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記アノード及びカソード側収集ユニットの出力ライン（１１ａ及び１１ｂ）の直径が、それぞれ該アノード及びカソード側収集ユニットの入力ライン（８ａ−８ｈ及び９ａ−９ｈ）よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料及び前記酸化剤は、異なるライン（６ａ−６ｈ及び７ａ−７ｈ）を通って前記７セルスタックに入り、かつ異なるライン（８ａ−８ｈ及び９ａ−９ｈ）を通って該スタックから出ることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
燃料電池スタックが、バイポーラであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記セルに給送される前記燃料は、ＮａＯＨ溶液中の水素化ホウ素ナトリウムであり、該セルに給送される前記酸化剤は、無機酸溶液中の過酸化水素であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
水素化ホウ素ナトリウム（ＮａＢＨ4）及び酸化剤を使用して燃料電池にエネルギを発生させる方法であって、
ａ）燃料ポンプ（３ａ）及び酸化剤ポンプ（３ｂ）を用いて、それぞれ、燃料及び酸化剤溶液を燃料タンク（２ａ）及び酸化剤タンク（２ｂ）からアノード及びカソードに同時輸送する段階と、
ｂ）アノード側分配ユニット入力ライン（４ａ）からアノード側分配ユニット（５ａ）を通して燃料電池スタックの数と同じくらい多い分配ポイントを有する複数のセルを含む燃料電池スタック（１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ）まで、ポンプ（３ａ）を用いて前記燃料貯蔵タンクから燃料を分配する段階と、
ｃ）前記燃料電池スタックからの前記燃料を収集ユニット（１０ａ）に収集し、次に、それを前記燃料タンク（２ａ）に返送する段階と、
ｄ）水素が除かれた前記燃料を前記燃料タンク（２ａ）の燃料と混合し、次に、該混合燃料を前記アノードに再び給送し、次に、前記段階ａ及びｃを反復する段階と、
ｅ）１つよりも多い分配ポイントを有する分配ユニット（５ｂ）を備えたカソード側分配ユニット入力ライン（４ｂ）から燃料電池スタックまで前記酸化剤貯蔵タンクから前記酸化剤を分配する段階と、
ｆ）前記燃料電池スタックからの前記酸化剤を該燃料電池のスタックの数と同じくらい多い入力部を有する収集ユニット（１０ｂ）に収集し、次に、それを前記酸化剤タンク（２ｂ）に返送する段階と、
ｇ）酸素が除かれた前記酸化剤を前記酸化剤タンク（２ｂ）の酸化剤と混合し、次に、該混合物を前記カソードに送り、かつその後、次に、前記段階ｅからｆを反復する段階と、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項８】
前記アノード側収集ユニット出力ラインからアノードタンクに来る水素化ホウ素ナトリウムの望ましくない加水分解反応によって形成された水素ガスが除去されることを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項９】
燃料給送ライン（１２）が、前記燃料タンク（２）内の前記溶液内に保持され、前記アノード側収集ユニット出力ライン（１１ａ）は、アノード給送溶液の上方に保持されることを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
前記カソード側収集ユニット出力ライン（１１ｂ）からカソードタンクに来る過酸化水素の分解によって形成された酸素ガスが除去されることを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項１１】
酸化剤給送ライン（１３）が、前記酸化剤タンク（２ｂ）内の前記溶液内に保持され、前記カソード側収集ユニット出力ライン（１１ｂ）は、給送溶液の上方に保持されることを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項１２】
前記酸化剤の前記燃料に対するモル比が、２：１から６：１の間、好ましくは、４：１であることを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項１３】
前記燃料の安定化が、３−７ＭのＮａＯＨを用いて、好ましくは、６ＭのＮａＯＨを用いて行われることを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項１４】
前記酸化剤の流量の前記燃料の流量に対する比が、１から３の間であることを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項１５】
アノード及びカソード溶液が、並流又は逆流、好ましくは、逆流としてアノード及びカソードにそれぞれ給送されることを特徴とする請求項７に記載の方法。
【国際調査報告】
2012513074.tif 000013
2012513074.tif 000014