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2014年03月13日

"よりBetterな”お役立ち情報（燃料電池）

カテゴリ：再生可能エネルギー関連情報

今回は、以前にもご紹介した事のある燃料電池のアイデア商品。

以前のご紹介ページ

以前紹介したコンパクト燃料電池の開発会社　アクアフェアリーの商品は販売中止しておりますので、
新たにスマートフォン等に充電できるコンパクト燃料電池の商品を見つけたのでご紹介します。

メーカーの特許を調べたら、登録になっているのが一件ありました。

【特許番号】特許第５４３８９００号（Ｐ５４３８９００）
【出願日】平成１７年１０月１２日（２００５．１０．１２）
【出願人】マイエフシーエイビー（スウェーデン）

【発明の名称】電気化学的装置

【発明の詳細な説明】

本発明は、固体高分子形電気化学装置、および平面構造で給排気する固体高分子形電気化学装置のための電気化学装置構成部品に関連する。電気化学装置は、燃料電池としても電解槽としても使用できる。

【背景技術】
通常、燃料電池とは化学反応のエネルギーを電気に変換する装置である。燃料電池は、燃料と酸化剤がセル外に格納されている点で電池とは異なり、そのため燃料と酸化剤が供給されている限り発電することができる。燃料電池は、電解質によって分離された２つの適当な電極によって、燃料と酸化剤を接触させることにより起電力を生み出す。

電解槽は、燃料電池とは反対の機能を備えた装置である。電解槽は電気エネルギーを、水素と酸素の形で化学エネルギーに変換する。固体高分子形燃料電池では、水素ガスなどの燃料が一方の電極に供給され、式（１）に示すように負極（アノード）の電極触媒上で水素イオンと電子に解離される。

電子は、電極の導電性構造を通過して、前述の燃料電池によって駆動される外部電気回路に送られる。最初の電極における水素の解離によって生じた水素イオンは、電解質膜を通って第二の電極に移動する。同時に、酸素ガスや空気といった酸化剤が第二の電極に供給され、負極(カソード)の電極触媒の表面に吸着し、燃料電池によって駆動される外部電気回路から移動してきた電子によって表面酸化物種(surface oxide species)が形成され、これによって酸化剤は電気化学的に還元される。この表面酸化物が電解質膜を通ってきた水素イオンと反応して水になり、これは全体の反応における生成物となる。水は電極から脱離し、カソードのセルから排出される。生成した水の一部は、凝縮した形で、カソード内と吸湿膜にとどまる。水素消費型の燃料電池の２つの電極における半電池反応はそれぞれ次の通りである。

Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ－（１）； 1/2Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ－→Ｈ２Ｏ（２）

単セルを使用するような応用の仕方もあるが、実地では燃料電池は個々のセルのポテンシャルを付加的に一体化させてさらに大きく有益なポテンシャルを得るために、しばしば直列に連結される。直列につながれたセルは、一つのセルのアノードと隣のセルのカソードが接触するように単一構成部品の異なる面をそれぞれ直接に接続したり、外部の電気結合(electrical linkage)を介して接続したりすることができる。燃料電池を直列に積層したものは、燃料電池スタックと称されているが、２種類のガスを供給するために、通常はマニホールドシステムを備えている。燃料と酸化剤はマニホールドによって正しい電極に導かれ、反応物質もしくは冷却媒体によって冷却される。また、スタックの中には電流コレクタ、セル間シール及びその他の構成部品がある。スタックと、関連するハードウェアとが、燃料電池モジュールを構成している。

固体高分子電解質膜を使用する燃料電池において、膜は反応ガスの混合を防ぐ障壁になるとともに、電解質膜の役割も果たす。ＰＥＭ燃料電池は、その詳細がDhar, U.S. Pat. No. 5,242,764に記載されており、参照して本明細書に組み入れられている。プロトン交換膜形（“ＰＥＭ”）燃料電池における出力に対する重量の比を向上させるために、多くの研究と開発が行われてきた。このうちほとんどの研究が、比較的重いスタックの単位体積当たりの電力を増大させることに関わっていた。

本発明の固体高分子形電気化学装置は、小さい装置である。定置型や移動型への応用（１－２００ｋＷ）への状況とは異なり、小型固体高分子形燃料電池（マイクロワットから何百ワットまで）を開発する主な動機は、環境面の利点ではなく、一次電池や二次電池の既存技術と比較して技術的な向上が予測可能な点である。さらに、電池は比較的高額であるため、移動型への応用よりは材料費が安い。電池に対して固体高分子形燃料電池（“ＰＥＦＣ”）が期待される利点は、より高いエネルギー密度（Ｗｈｇ－１）と再充電時間が必要ないことである。

今まで、ＰＥＦＣは大型セル用に主に開発されてきた。そこでは特定の制限（温度、反応物質流量および湿度）があることのメリットが、関連した補助構成部品（冷却システム、コンプレッサおよびファン、加湿器）の予想重量と電力消費量にまさることはなかった。さらに最近では、重量のある炭素成分を、より薄く軽い金属成分に切り替えることにより、スタック重量を減らすための努力がなされた。しかしながら、これらのユニットは大規模な応用のために設計されたもので、３０ｋＷのものも含まれている。したがって、上記と同様のスタック補助設備を必要とする。さらに、これらのシステムではスタックに付属した補助設備は、キロワットのレベルで効率的に機能するように設計されている。これらシステムをスケールダウンしたものは、より低電力、例えば５０～１５０ワットの範囲が要求される用途への応用が試みられた。ただし、これらのシステムは、ポンプやコンプレッサなどの回転構成部品のスケールダウンが適切にできないので、何十、何百ワットといったスタック出力には最適ではない。結果として、この設計ではスケールダウンしても、多くの小規模の用途、例えば携帯用の用途や個人用の用途には重すぎる。

携帯用および個人用の用途において、重要な課題は単位体積当たりのワット数、単位重量当たりのワット数、つまりＷ／ｃｍ３およびＷ／ｇである。

最小限の制御で機能するように設計されている必要がある 。

その設計では必然的にスタックから平面セルへ移行した。なぜなら、平面セルが熱除去とカソードへの空気供給に優れているからである。すべての平面構造は、次に直列接続において伝導体・絶縁体の混合パターンを含んでいる。平面セル間の直列接続には二つの方法がある。

第一は、しばしば積層設計と称されるものであるが、カソードが一方に配置され、他方にアノードが配置されており、それぞれのセルのカソードが次の隣接するセルのアノードに接続されているものである。接続は膜の中央に切れ目(breaches)を入れるか、活性部分(active area)を避けて膜の縁を超えて電流を導くことによって行われる。後者を選択すると、膜を切ることを回避し、それによって各アノードの締め付けに最新の注意を払うことを防いでいる。

平面セルを直列に接続する第二の方法は、 フリップフロップ設計 と俗に呼ばれているもので、セルを内蔵した２枚のプレート(cell-house plate)を構築し、それぞれの表面に沿って交互にカソードとアノードを配置している。そして、一つのセルのカソードが、隣のセルのアノードに電気的に接続されている。受動型ＰＥＦＣでは、水が燃料電池反応からのみ生成される場合でも、面内直列接続を選択した設計にも関わらず、低抵抗の膜を必要とする。この事実は、燃料のクロスオーバーが問題とならない限り、薄い膜を要求する。仮にＰＥＦＣが平均して電流密度２００ｍＡ／ｃｍ２以上で機能するなら、燃料のクロスオーバーは問題ではなく、膜の薄さはその機械的完全性のみによって制限される。小さい界面抵抗を維持しつつ、低圧縮が加えられると有利である。このことが特に、カソードへの空気の拡散に有利に働く。低圧縮は、ガスバッキング(gas backing)の高い空隙率(high porosity)を維持するための助けになっており、カソードへの空気の拡散に有利に働く。

（１）電流コレクタおよびセルハウジングに黒鉛もしくはステンレス鋼製のプレートを用いた従来のＰＥＦＣ構造の小型化。
（２）シリコン技術：シリコンウエハーにおける導電・非導電パスのパターニングもしくはウエハー内に多孔質シリコン層の複雑な構造を反応ガスの流路の上に作る方法の開発。
（３）プリント基板（ＰＣＢ）技術：電気絶縁複合材に対する薄い銅の層の使用。

本発明は、これらの技術に限定されるものではない。なぜなら、ガスタイトな材料（例えば、金属、プラスチック、紙または紙の合成物）ならどのようなものからでも作ることが可能なガス供給用の支持板のみしか要求しないからである。

燃料電池を改善し、簡素化する要望がある。いろいろな試みがなされ、それには接着による結合によってクランプ材(clamping means)を部分的に代用することを含んでいる。US 2004/0161655に一つの手法が記載されており、所望の個数の膜／電極接合体とバイポーラプレートを使用して、膜／電極接合体の非活性な周囲(non-active perimeter)をバイポーラプレートの片側の周囲フレームに接着することによって電気化学的スタックを組み立てる方法が開示されている。硬化性(curable)もしくは熱可塑性の接着剤が薄くシール部に設置され、接着剤が完全に固定し、セルフレームと膜／電極接合体を接着するまで、セルフレームと膜／電極接合体が押さえつけられる。この手法で注意すべきことは、一つの膜／電極接合体のカソード側が、膜／電極接合体を接着するバイポーラグリッドもしくはバイポーラプレートのカソード側へ確実に向くように正しく配置する必要があるということである。さらに、接着剤は、バイポーラ部品のどの部分、例えばバイポーラ部品の流れ場やマニホールド、チャネル(channel)、コンビネーション(combinations)などの周囲に付ける場合でも、注意深く接着を行う必要があり、これによって反応流体、冷却流体、加熱流体にそれぞれの領域を逸脱させないために必要な流体シールを提供することができる。また、この手法によって生産されたセルスタック、特に大型のセルは、それでもやはり圧着力を必要とする。

したがって、より 優れた出力密度を提供し、多くの補助設備を必要としない軽量の燃料電池システム が求められている。また、生産が容易で扱いやすい高パフォーマンスの燃料電池、あるいは電解槽のニーズもある。

したがって、本発明の目的は、 燃料電池としても電解槽としても機能可能な改良された電気化学装置 を提供することである。

本発明のもう一つの目的は、 型締め力(clamping pressure)を必要としない電気化学装置 を提供することである。

さらに、本発明の別の目的は、 能動部品（活性部分）を容易に交換できる電気化学装置 を提供することである。・・・以下省略

以上は１８ページの明細書から技術的な背景とこの発明の目的を抜粋しました。