粉末燃料電池
【課題】燃料電池の風流管理・熱管理・金属膨張・電解液オーバーフロー及び漏洩を有効に解決できる粉末燃料電池を提供する。
【解決手段】粉末燃料電池であって、少なくとも電流データ集収機と、燃料室と、多孔性隔膜と、電解液室及びガス拡散電極によって構成され，前記多孔性隔膜は燃料が反応した後の酸化物を孔洞から電解液室へ通過させ、且つ未反応の燃料を阻止し、前記電解液室は電解液貯蔵スペースを提供して、イオンを伝導させ、且つ反応後の酸化物を収集するスペースを提供し、前記ガス拡散電極は、少なくともその一側面が酸化剤の出入りする触媒を形成し、電子及び伝導イオンを取得し、突柱は電流データ収集機及びガス拡散電極を接続し、外部導線の接続を免じて直接陰極・陽極へ接続することによって、電気回路を形成し、電力の変換貯蔵を行い、且つ移動性電極を具備する。
【解決手段】粉末燃料電池であって、少なくとも電流データ集収機と、燃料室と、多孔性隔膜と、電解液室及びガス拡散電極によって構成され，前記多孔性隔膜は燃料が反応した後の酸化物を孔洞から電解液室へ通過させ、且つ未反応の燃料を阻止し、前記電解液室は電解液貯蔵スペースを提供して、イオンを伝導させ、且つ反応後の酸化物を収集するスペースを提供し、前記ガス拡散電極は、少なくともその一側面が酸化剤の出入りする触媒を形成し、電子及び伝導イオンを取得し、突柱は電流データ収集機及びガス拡散電極を接続し、外部導線の接続を免じて直接陰極・陽極へ接続することによって、電気回路を形成し、電力の変換貯蔵を行い、且つ移動性電極を具備する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本案発明は、粉末燃料電池、特に、低コストで、エネルギー密度が高く、高能率で、重量を軽減することのできる粉末燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
化学エネルギーを電気エネルギーに変換し、更に此れを還元する能力は、既に熟知されている。
しかし、例えば電気自動車に応用するような面では、高エネルギー密度・高エネルギー変換効率・低コスト・長い周期での生命安全性・便利さ及び環境保護効果などは、共に電池の生産時に考慮すべき要素であるが、一般の情況では、電池の組成重量及び体積を増加することになり、従って、操作可能な、安全で便利な商業化された実用電池の実現は難しい。
【０００３】
燃料電池は電気化学装置であり、その化学反応の一部エネルギーは、直接直流エネルギーに変換される。エネルギーの直流電気エネルギーへの直接変換は、エネルギーを熱に変換する必要をなくし、カルノー・サイクル(Carnot cycle)効果の制限を生じることを避けられる。
カルノー・サイクル効果の制限がなければ、理論的には、燃料電池の効率は伝統的エネルギー発生装置（例えばディーゼル・エンジン）より２倍から３倍高くなる。
【０００４】
燃料電池は、燃料によって次のように分類される、
（a） 燃料電池（水素・一酸化炭素・ガス炭化水素）。
（b） 液体燃料電池（アルコール・アルデヒド・bydhazine・炭化水素・化学化合物）。
（c） 固体燃料電池（石炭・木炭・コークス・金属片）。
【０００５】
近年は、エネルギー不足や地球温暖化、及びクリーンエネルギー、高効率に対するニーズ、又は運輸や電力負荷、独立電源に対する切迫したニーズなどによって、新しい電気化学電池の顕著な研究が進められている。
典型的な燃料電池は、重合物の電解質イオン隔膜（PEM, FC）で、此れはイオン交換重合物の膜を主とした、電解質のイオン交換膜である。
イオン隔膜は、陽極及び陰極のガス拡散電極の間に挟まれ、ガス拡散電極は各自の反応還元剤及び酸化剤ガスに見られる。
従って、電気化学反応が発生した時、二つの接点（三相界面）の間のどの接点も、電極の電解質重合物と反応物の気体の界面であり、例えば、酸素ガスが酸化剤としての気体であり、水素ガスが還元剤としての気体である場合、水素ガスは陽極へ、酸素ガスは陰極へ供給される。
その総化学反応は2H2＋O2−＞2H2Oであり、貴金属触媒の位置において発生する電気化学反応は下記に示す通りである。
陽極反応：2H2→4H+＋4e- E1/2＝0.828V
陰極反応：O2＋4H+＋4e-→2H2O E1/2＝0.401V
【０００６】
此れは現在市場でよく知られている各種の水素・酸素燃料電池であり、技術的にも既に成熟しているが、まだ現今のディーゼル・エンジンに取って代わることは出来ない。それは下記の欠点があるからである、
１．価格が高い。高価なイオン隔膜を使用しなければならず、電極触媒に高価な貴金属、例えばプラチナ・ルテニウム（Ruthenium, Ru）を使用しなければならない。
２．エネルギー密度が低い。理論的には、１キロの水素貯蔵材料では、僅か1.5W/T%であり、コストが高く、又高圧水素や液体水素を使用すると、エネルギー密度が一層低くなる。
３．安全性。危険である。水素ガスの燃焼速度は速く、燃え易く、爆発し易い。
４．エネルギー効率が低い。３０％〜６０％の効率しかない。
５・便利さ。高圧水素又は液体水素又は水素貯蔵金属材料に関わらず、水素儲蔵及び水素放出過程において何れも適当な熱管理を行わなければならないので、ガソリンのように早くて、便利で、随時補充できる長所がない。
【０００７】
以上の５項目は、燃料電池を実用化する上で最大の難点となっている。しかも、高純度の水素ガスの製造も困難であり（不純な水素ガスは電極を毒性化する）、そのため、水素ガスの価格が石油より何倍も高くなる。
【０００８】
これらの問題を改善するため、近年は科学者が液体燃料電池を提出している、此れは化学化合物、例えば水素化ホウ素化ナトリウムの反応を利用したものである。
その反応は、
陽極反応：BH4-＋8OH-→BO2-＋6H2O＋8e- E1/2＝1.24V
陰極反応：2O2＋4H2O＋8e-→8OH- E1/2＝0.401V
合わせて：BH4-＋2O2→BO2-＋2H2O E0＝1.64V
と成る。
【０００９】
この化合物の陽極は強アルカリと接触し、陰極は強酸と接触する。
貯蔵及びエネルギー密度の問題を解決することが出来るが、しかしエネルギーを完全に消耗することができず、一般の電池と同じように、１０％〜２０％が残留して変換できない。
この化合物は空気の影響を受けやすく、酸化汚染で水素ガスを放出するので、自己放電を避けるため、高価なイオン隔膜（PEM）及び希少金属を使用しなければならず、新たに燃料を添加する途中で、化合物が漏れたり環境を汚染したり、又強アルカリ・強酸を補充するときユーザーに傷害を与える可能性があり、万一漏洩すると危険を招き易く、技術的にもまだ成熟していない。
【００１０】
他に金属空気燃料電池があるが、この電池は、電池中の適当な電解液によって、反応金属電極電気化学を空気電極へ結合するもので、この技術領域では良く知られているように、前記電解液は一般苛性液体又は塩化ナトリウムであり、イオン伝導性であるが導電性ではない。
従って、空気陰極は片状をなして形成され、且つ相反する表面を備え、それぞれ電池の電解液および大気の中に暴露される。その間（電池運用期間中）大気中の酸素ガスが分解し、同時に陽極の金属が酸化する。だから適当な電流を提供して陽極及び陰極に接続された外部電気回路を流れさせ、且つ必ず外部電気回路に使用される導電素子と合併しなければならない。
【００１１】
亜鉛金属空気燃料電池の反応式は次の通りである。
1/2 O2＋H2O＋2e-→20H-O―0.401V 陰極に電気反応が起こる
Zn＋20H→ZnO＋H2O＋2e-―1.245V 陽極に電気反応が起こる
1/2 O2＋Zn＝ZnO―1.645V 理論的起電力
実際開回路の電圧は約1.5Ｖで、酸化され得る金属材料は亜鉛・鉄・マグネシウム・カルシウム・錫・アルミニウム・リチウム及び合金を含み、且つ金属又はその酸化物の形で存在する。
【００１２】
現在使われている商業用金属空気電池の中には、価格は安いが、体積が大きく、エネルギー密度が小さく、電力の補充には電池全体を交換するか充電するタイプがあり、毎回の使用で完全に消耗できず、いつも１０％〜２０％が酸化されずに残り、電力を浪費し、効率に影響して極めて不便である。
しかも金属空気燃料電池のもう一つの障碍は、空気（酸化剤）及び熱の管理及び金属の固有体積が膨張することで、亜鉛電極の膨張は金属亜鉛が酸化して酸化亜鉛及び水酸化亜鉛の体積差異によって発生する。亜鉛粉の比重は7.14、酸化亜鉛の比重は5.06であるので、比重が異なる。従って亜鉛粉が酸化すると体積が膨張し、電解液のオーバーフロー及び陽極の湾曲が起こる。此れはすべて金属亜鉛の酸化によって体積が変化するためである。
金属空気燃料電池のもう一つの障碍は、陽極が変質して起こる電池の失効であり、不均衡な放電が電池の出力動力を引き下げるので、ガソリンに取って代わることは難しい。
【００１３】
図１及び図２は、従来の典型的金属片燃料電池又は顆粒燃料電池を直列的に組み合わせたあと、例えば、風流管理・熱管理・金属膨張・電解液のオーバーフローや漏洩など直面すべき問題があり、そのため数多くの特許が派生している。
例えばアメリカ特許請求番号：60/340,592、60/380,048、60/387,355、60/285,850、60/384,547、60/384,550、60/391,860、60/340,592、60/389,821、60/386,121、60/326,432、60/346,128、09/805,419、09/621,836、09/893,163、60/288,675、60/292,237、09/258,573、09/584,875、60/301,558、60/312,659、09/695,698、09/695,699、60/290,945、60/286,199、09/594,649、09/414,874、60/275,786、09/695,697、60/358,229、60/274,337、09/827,982、60/344,546、60/324,867、60/340,697、60/298,537、60/295,634、60/267,819、60/286,198、60/263,174、60/270,952、60/267,933、60/261,126
など、何れも上述の問題に触れているが、本案発明によれば、これらの問題を併せて解決でき、かなり実用化される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本案発明の目的は、燃料電池の風流管理・熱管理・金属膨張・電解液オーバーフロー及び漏洩を有効に解決できる粉末燃料電池を提供することにある。
本案発明のもう一つの目的は、直接粉粒状燃料を燃料室へ補充し、粉粒状燃料を電解液と混合し、電流データ収集機に接触させて電力を提供し、金属酸化物が電解液に溶け込むと、再生された粉末燃料電気システムをリサイクルすることができる。
本案発明の又もう一つ別の目的は、操作が簡単で、電池常温及び大気圧によって即運用でき、且つ高エネルギー密度・高効率・低コスト・耐久性・便利さ・高度環境保護、及び容易なメンテナンス・電量変換保存且つ移動性電源を有し、永久的独立電源の粉末燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上述発明の目的を達成できる粉末燃料電池は、電流データ収集機と、燃料室と、多孔性隔膜と、電解液室と、ガス拡散電極と、を含み、前記電流データ集収機は、導電材料によって構成され、電子伝導データを収集する為のものである。前記燃料室は、粉状燃料の貯蔵スペースを提供し、電池の酸化反応を行う為のものである。前記多孔性隔膜は、燃料が反応した後の酸化物を通過させ、且つ未反応の燃料を阻止するもので、数個の孔洞を開設し、酸化物はこの孔洞を通って後述の電解液室へ至る。
前記電解液室は、電解液貯蔵スペースを提供して、イオンを伝導させ、且つ反応後の酸化物を収集するスペースを提供する。
前記ガス拡散電極は、少なくともその一側面が酸化剤の出入りする触媒を形成し、電子及び伝導イオンを取得する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図３は、本案発明に係る粉末燃料電池の組合せ平面図であり、主として、導電材料によって構成され、電子伝導を収集するための電流データ収集機１と、粉粒状燃料Ａ貯蔵スペースを提供し、電池の酸化反応を行うための燃料室２と、粉粒状燃料Ａが反応した後の酸化物Ｂを通過させ、且つ未反応の粉粒状燃料Ａを阻止する多孔性隔膜３と、電解液Ｃの貯蔵スペースを提供してイオンを伝導し、且つ反応後の酸化物Ｂ収集スペースを提供する電解液室４と、少なくとも一側面に酸化剤の出入り触媒を形成し、電子及び伝導イオンを取得するガス拡散電極と、を含む。尚、前記多孔性隔膜３には複数個の孔洞を設置し、酸化物Ｂはこの孔洞を通過して後述の電解液室４へ至る。
【００１７】
更に詳しく本案発明を説明するため、図４・図５及び図６を参照ください。前記電流データ収集機１は、板材であって良く、且つ導電材料で構成され、電子伝導のデータ収集に供す。前記導電材料は、銅・第一鉄金属・ステンレススチール・ニッケル・炭素・伝導性重合物（導電ゴム）・伝導性材質・石材・ガラス・金属、を含み、但しこれらに限らず、当業者がその他の材料を決定しても、すべて受け入れられる。
【００１８】
前記燃料室２は、粉粒状燃料Ａ貯蔵スペースを提供して、電池気化反応を行う。前記燃料室２は、絶縁材料によって成型された第一フレーム体であり、その頂端部分又は一端面は、粉粒状燃料Ａの通過を許す仕組みとなっており、且つ少なくとも開口２１を開設してつながっている。前記燃料室２の第一フレーム体は、ハードウエア又は弾性体の軟性材料であってもよく、超音波やレーザーで溶接しても良く、又は粘着剤を塗布したもの、或いは圧縮して電解液Ｃの漏洩を防ぐことの出来る密封第一フレーム体を形成してもよく、此れは当業者なら理解できる技術であるが、しかし此れによって制限されるものではない。
【００１９】
前記多孔性隔膜３には、複数個の孔洞を形成し、粉粒状燃料Ａが反応した後の酸化物Ｂが多孔性隔膜３を通過するのを許し、未反応の粉粒状燃料Ａを阻止する、前記孔洞の口径は３〜２００micronの間にあるのが好ましく、しかし、これによって制限されるものではなく、粉粒状燃料Ａの大小によって決められる、（一般金属粉末の体積は3〜5micron以上）5micron以上に加工されてもよい。前記粉粒状燃料が一旦反応して酸化すると、酸化物Ｂの粉末粒口径は0.8 micron以下である。従って電解液Ｃが流通又は振動すると、多孔性隔膜３は酸化物Ｂを孔洞から通過させ、そして粉粒状燃料Ａは、多孔性隔膜３によって阻止されて通過できない。従って新しい粉粒状燃料Ａは燃料室２の頂端開口２１で引き続き補充放電を行うことが出来る。
従来の金属片空気電極は酸化物を排出できないので、表面に酸化物の薄膜を生成し易く、不動状態となり、放電効果を押さえる影響が生じる。
本案発明では、粉粒状燃料Ａの生成物はナノメータ級の酸化物Ｂで、電解液Ｃに溶解し易く、多孔性隔膜３を通過し、電解液Ｃに伴って抽出され、その後に新しい粉粒状燃料Ａを補充するので、放電を続けても燃料が残留することがないのみならず、金属の粉粒状燃料Ａ体積の膨張によって、陽極と陰極間の隙間不均衡による効率低下、又は電解液Ｃのオーバーフロー及び電池構造の損傷問題が発生することもない。
【００２０】
前記多孔性隔膜３は、編みネット・打ち抜きネット・引っ張りネット・多孔性陶磁で単独に構成されてよく、粘着剤を塗布してプラスチック類や鉱物類・陶磁の絶縁ハードウエアで形成された第一フレーム体３１に被覆・固定しても良く、又は鋳型の中で第一フレーム体３１と一緒に成型してもよい。又は第一フレーム体３１と一緒に押し出し・射出して一体成型してもよい。此れは当業者なら分かる技術であるが、本案発明を制限するものではない。
【００２１】
本案発明の中の多孔性隔膜３は、大型化部品構成中に更に強度を増加しても良く、二層の異なる孔洞材料を採用し、第一層は、上述の3〜200micronの孔洞で、別の層は、200 micron以上の大孔洞で、当業者によって決められた寸法なら、使用できるが、しかし此れによって制限されるものではない。
【００２２】
電解液室４は、イオンを伝導できる電解液Ｃの貯蔵スペース及び反応後の酸化物Ｂの収集スペースを提供し、前記電解液室４は、絶縁材料で成型された第二フレーム体であり、この第二フレーム体はハードウエア又は弾性体の軟性材料であってもよく、超音波溶接やレーザー溶接、又は粘着剤を塗布したもの、又は圧縮して密封されたもので、電解液Ｃの漏洩を防止できるものであればよい、此れは当業者なら理解できる技術であるが、此れによって制限されるものではない。
【００２３】
電解液室４の頂端部分又はその一端面は、水性電解液Ｃ又は非水性電解液の通過を許す仕組みと成っており、且つ前記電解液室４の頂端部分又はその一端面に少なくとも補充口１４１を開設して連結してあり、そして前記電解液室４の底端部分又はその一端面は、別途電解液Ｃの循環出口及び酸化物Ｂの排出口用循環排出口４２を構成する仕組みとなっている。
【００２４】
前記ガス拡散電極５は、第二フレーム体５１に形成・固定され、ガス入り口５２及びガス出口５３を有し、且つ少なくとも一側面が酸化剤を出入り触媒させる複数のガス流通路５４を形成することによって、ガス流通路５４の間に拡散区域を形成し、前記ガス流通路５４は、予定された間隔で設置され又は固定距離で配列され、そして前記ガス流通路５４は前記ガス入り口５２及びガス出口５３と連結している。前記ガス入り口５２及びガス出口５３と隣接しない二つの頂点対角線上に設置されることによって、酸化剤が前記ガス入り口５２から任意のガス流通路５４を経由してガス出口５３へ至る時、何れも等距離でガス入り口５２からガス出口５３へ流動することによって、酸化剤が均衡に拡散される。
流体の酸化剤が流動する時は、最短距離を行くので、酸化剤を拡散させるための設計管理が必要で、更に酸化剤及びガス拡散電極が接触面積を増加できるようにする。
【００２５】
本案発明のガス拡散電極５は、電解液Ｃ面に対して、その操作上、任意の周知又は未知のガス拡散電極５を使用してよく、通常は、活性構成部品及び炭素基板と、連結に適した電流データ収集機１と、を含む。
前記ガス拡散電極５は又二重の機能を備え、例えば、多孔性ニッケル極又は石墨、又は炭素基板表面に放電及び充電の間に運転できる多孔性ニッケル穴基板を被覆してもよい。
基板の典型的ガス拡散電極５は、アメリカ特許番号6,368,751に発表されている、名称は、燃料電池用電気化学電極で、此れは当業者なら理解できる技術であるが、しかし此れによって制限されるものではない。
【００２６】
図６に示すように、ガス拡散電極５は、電解液Ｃの操作に際して、絶縁隔膜５６を被覆する必要がなく、補充システムが故障するのを防ぎ、酸化物Ｂがガス拡散電極収集機１にたまって直接接触してショートするのを防ぎ、電解液室４の中の酸化物Ｂが電流データ収集機１の金属面に付着して排出できなくなるのを防ぐため、メンテナンス・ステーションまで引き続き放電してよい。或いは不動状態となって効率が下がり、或いは小型３Ｃ電子製品又は電動自転車において、設計に自動循環補充係数を採用せず、人手で補充を行う場合も、少なくとも一層の絶縁隔膜５６を被覆してショートを防止しなければならない。
この絶縁隔膜５６は、プラスチック類・ガラス繊維類・鉱物類の織物・不織布・伸縮膜・固体電解質隔膜・固体イオン隔膜・イオン隔膜・高分子隔膜など何れも使用できる。此れは当業者なら理解できる技術であるが、此れによって制限されるものではない。
【００２７】
図７及び図８は、本案発明の実施例略図である。前記ガス流通路５４は、別途自由に突柱５５（又は導電突柱５５“）を間隔的に設置して形成したガス流通路５４を選択することも出来る。前記突柱５５（又は導電突柱５５“）は単数又は複数であって良く、導電体又は非導電体であっても良いが、しかし少なくとも突柱５５を導電材料とすることによって、外部導線との接続を免じると共に、酸化剤風流管理の機能があり、ガス流通路５４は同じ幅・同じ奥行き・及び等距離に設計されることによって、酸化剤をガス拡散電極５の全面に分布させ、ガス拡散電極５の使用効率を高めることが出来る。
【００２８】
本案発明に係るガス拡散電極５の構成部品は、図５及び図６に示すように、ガス入り口５２及びガス出口５３は、隣接しない二つの頂点対角線上に設置され、酸化剤が前記ガス入り口５２から任意のガス流通路５４を経由してガス出口５３へ至る時、何れも等距離でガス入り口５２からガス出口５３へ流動し、且つ前記ガス流通路５４の反対面に、別途絶縁隔膜層５６を被覆し、ショートするのを防止することが出来る。この隔膜はプラスチック類・ガラス繊維類・紙・織物・不織布・伸縮膜などであって良く、此れは当業者なら理解できる技術であるが、此れによって制限されるものではない。
【００２９】
更に図９から図１０を参照して、本案発明のもう一つの実施例である人工補充式粉末燃料電池の略図である。主として、前記電流データ収集機１と、前記燃料室２と、前記燃料室２を固定するための絶縁材料で成型されたフレーム体７と、このフレーム体７に開設された開口２１と、前記多孔性隔膜３と、絶縁材料で成型されたフレーム体７に固定され、補充口４１・排出口４３・排気部品４４を設けた電解液室４と、前記ガス拡散電極５と、を含み、前記排気部品４４の中には通気孔４４１が貫通され、この通気孔４４１の中に更に通気フィルター４４２を設置し、前記通気フィルター４４２は、通気性で水を通さない伸縮膜又はナノメータ級不織布通気膜で出来ている。
【００３０】
前記人工補充式粉末燃料電池は、又、図１１から図１４に示すように、上述の構成部品と違うところは、前記ガス拡散電極５が第二フレーム体５１の上に形成され、少なくともその一側面に酸化剤が出入り触媒する複数のガス流通路５４を形成し、前記側面は又第二フレーム体５１の上にガス入り口５２及びガス排気口５３を形成し、ガス流通路５４の反対面に絶縁隔膜５６が被覆されている。
【００３１】
更に図１５を参照して、此れは複数の粉末燃料電池で構成された人工補充式燃料電池であり、図に示すように、前記燃料電池の側辺にガス入り口５２又はガス排気口５３が見られ、且つ前記粉末燃料電池の頂端には燃料補充ボックス８を増設することが出来、前記燃料補充ボックス８には活動自在に開けられる上蓋８１と補充燃料区８２及び電解液オーバーフロー緩衝区８３を設置してある。
前記補充燃料区８２は、粉粒状燃料Ａを提供補充するか、又は粉末燃料室２の開口２１を経由して、粉粒状燃料Ａを燃料室２へ補充して入れる。
前記電解液オーバーフロー緩衝区８３は、電解液室４の上端に設置され、且つ前記電解液室４の頂端に少なくとも補充口４１を開設して前記電解液オーバーフロー緩衝区８３に連結すると共に、前記電解液オーバーフロー緩衝区８３には更に排気部品４４を設け、或いは前記補充燃料区８２との間に排気部品４４を設け、前記電解液室４の底端部分には、電解液Ｃ及び酸化物Ｂの排出を許す排出口４３を構成してある。
又、前記粉末燃料電池の底部には別途酸化物Ｂ及び電解液Ｃの収集ボックス９を増設してよく、前記収集ボックス９は抜き取り式又は活動式の構造を採用して、酸化物Ｂ及び電解液Ｃの回収用とすることも出来る、又、粉粒状燃料Ａ及び電解液Ｃの補充には、別途燃料センサー探知機６０６及び前記電解液センサー探知機607を増設して判定してもよい。
【００３２】
更に図１６を参照して、本案発明のもう一つの実施例である人工補充式粉末燃料電池略図である。主として、前記電流データ収集機１と、前記燃料電解液室２”と、前記ガス拡散電極５と、前記フレーム体７と、多孔性隔膜７１と、を含み、前記燃料電解液室２”は、粉粒状燃料Ａ及び電解液Ｃを混合した後の貯蔵スペースであり、その上に補充口２１”・排出口２３“及び排気部品４４を設けてあり、前記排気部品４４の中に通気孔４４１を貫通し、前記通気孔４４１には更に通気フィルター４４２を設け、前記通気フィルター４４２は通気疎水性で水を通さない伸縮膜或いはナノメータ級不織布通気膜である。
前記ガス拡散電極５には、絶縁隔膜５６層を被覆してショートを防いである。
前記フレーム体７の底部に多孔性隔膜７１を被覆してあり、前記多孔性隔膜７１は、酸化物Ｂを通過させることが出来る。
【００３３】
図１７を参照して、本案粉末燃料電池は、図１５及び図２２の粉末燃料電池と同じ効能を設計することができ、前記粉末燃料電池の頂端に燃料補充ボックス８及び電解液オーバーフロー緩衝区８３を設け、又底部には別途収集ボックス９を増設して、粉粒状燃料Ａ及び電解液Ｃの補充及び回収用とすることが出来る。
【００３４】
図１８及び図１９に示すのは、本案発明の又もう一つの実施例略図であり、主として、前記電流データ収集機１と、ガス入り口２１”・ガス出口２２”を設けた第一フレーム体２”と、第一フレーム体３１’に形成・固定され、ガス流通路３４’を設けた前記ガス拡散電極３と、補充口４１’及び循環排出口４２’を設けた第二フレーム体４’と、第二フレーム体５１’に形成・固定された前記多孔性隔膜５と、開口６１’を設けた第三フレーム体６’と、を含み、本案発明では、電流データ収集機１・第一フレーム体２’・ガス拡散電極３’・第二フレーム体４’・多孔性隔膜５’・及び第三フレーム体６’によって一つの単元を組成することによって、直列式に数個の単元で必要な燃料電池を形成することが出来る。
【００３５】
本案発明の前記電流データ収集機１・第一フレーム体２・ガス拡散電極３・第二フレーム体４’・多孔性隔膜５’・及び第三フレーム体６’及びもう一つの電流データ収集機１を組合わせた後、薄片状或いは扁平状の第一フレーム体２’・第二フレーム体４’・第三フレーム体６’によって、電流データ収集機１・第一フレーム体２・ガス拡散電極３・第二フレーム体４’・多孔性隔膜５’・及び第三フレーム体６’及びもう一つの電流データ収集機１の間に一定のスペースを形成し、それぞれガス流通路３４’・電解液室および粉末燃料室とすることが出来る。
電解液室の補充口４１’は、電解液Ｃの通過を許す仕組みとなっており、そして前記電解液室底端の循環排出口４２’は、電解液Ｃの循環排出及び酸化物Ｂの排出を許す仕組みとなっている。
前記粉末燃料室の頂端の所に開口６１’を開設し、粉粒状燃料Ａの通過を許す補充流通路を形成している。
【００３６】
尚、前記電流データ収集機１及びガス拡散電極３’に対向する表面側に別途突柱３５’（或いは導電突柱３５”）を設け、前記突柱３５’（或いは導電突柱３５”）はガス拡散電極３’に緊密接触して一体成型してよく、又は前記突柱３５’を電流データ収集機１’と一緒に一体成型し、同一導体を形成して外部導線の接続を免じ、直接陰極・陽極に接続して電気回路を形成することが出来る。
そして二本の突柱３５’の間隔スペースにガス流通路３４’を形成し、ガス流通路３４’は更にガス入り口３２’・ガス出口３３’と連結している。
前記ガス拡散電極３’は、更に図１８に示すように、間隔的にガス流通路３４’を設置し、ガス流通路３４’は更にガス入り口３２’及びガス出口３３’と連結している。
或いは図１９の別の実施例のように、前記ガス拡散電極３’のガス流通路３４’の反対面に、絶縁隔膜３６’を被覆してショートを防止する。
又は図２０及び図２１の別の実施例のように、前記ガス流通路３４’は、別途突柱３５’（或いは導電突柱３５”）によって間隔的に設置して形成したガス流通路３４’を自由に選択しても良く、前記突柱３５’（或いは導電突柱３５”）は、単数又は複数であって良く、導電体または非導電体であっても良いが、少なくとも一本の突柱３５’は導電材料である。
【００３７】
ガス拡散電極３’及び多孔性隔膜５’は、第二フレーム体４’によってその間に電解液室を形成し、電解液Ｃ及び酸化物Ｂの収集に供す、前記第二フレーム体４’に設置した補充口４１’には、電解液Ｃを入れ、循環排出口４２’を電解液Ｃの循環出口及び酸化物Ｂの排出口とすることが出来る。
【００３８】
多孔性隔膜５’及び別の電流データ収集機１’は、第三フレーム体６’によってその間に粉末燃料室を形成し、燃料貯蔵スペースとし、且つ第三フレーム体６’の開口６１’によって粉粒状燃料Ａの補充入り口とすることが出来る。
【００３９】
前記多孔性隔膜５’は、単独で構成されて良い。或いは第二フレーム体５１’の隔膜５２’を直接絶縁された第二フレーム体４’に被覆してもよい。或いは隔膜５２’を鋳型の中で注入成型し、或いは隔膜５２’を押し出し・射出して一体成型してもよい。或いは絶縁された第二フレーム体４’に被覆した後、更に第三フレーム体６’と一緒に圧製・焼結又はその他の粘着剤で粘結してもよい。此れは当業者なら理解できる技術であるが、此れによって制限されるものではない。
【００４０】
図２２は、本案発明の粉末燃料電池の補充循環略図である。本案発明の燃料電池は、上述金属空気燃料電池の起電公式のように、前記金属粉末燃料槽６０１の中の粉粒状燃料Ａ及び電解液貯蔵槽６０２の電解液Ｃは、混合機６０３によってそれぞれポンプ６０５で混合管６０４を経由して粉末燃料室２及び電解室４に入れて補充することが出来、粉粒状燃料も螺旋管方式で材料を入れることも出来る。此れは一般に知られている技術であり、粉粒状燃料Ａ及び電解液Ｃの補充は、燃料センサー６０６及び前記電解液センサー６０７によって判定することが出来る。（電池の運用期間中）空気は空気入り口６０８からフィルター６０９を経由してガス拡散電極５のガス流通路５４へ流れ、空気中の酸素は分解し、同時に陽極金属が酸化し、溶解反応を起こして、電池反応となる。
【００４１】
ガス流通路５４から出てきた空気は、ブロワ６１０によって空気出口から抜き取られ、溶解した酸化物Ｂは多孔性隔膜３の孔洞から、電解液Ｃは電解液室底端の循環排出口４２を通過して電池の外に排出される。
従って連続的に電流データ集収機１の金属粉粒状燃料Ａを供給し、長時間放電を達成することが出来る。
【００４２】
本案発明に係る粉末燃料電池は、常温及び大気下において運用でき、且つ電流データ集収機１及びガス拡散電極５の突柱５５（或いは導電突柱５５”）に直接接触導電し、同時に放熱効果もあり、又金属粉粒状燃料Ａは酸化し易い（従来の金属電気片空気電池は、酸化物を排出することが出来ないので、その表面に酸化物の薄膜を形成し易く、不動状態となって大電流出力において圧力低下を生じ、放電効率に影響する）、又その粉粒状燃料Ａの生成物はナノメータ級の酸化物Ｂで電解液Ｃに溶解し易く、電解液Ｃに伴って抽出され、粉末燃料電池に新しい粉粒状燃料Ａを補充することが出来、連続放電が出来るのみならず、残留燃料の放電もなく、その効率も高く、平方センチ当り500ミリアンペア以上で、１Ｖの場合もある。
【００４３】
電解液電流効率は９８％以上であり、総効率６０％以上、同様な材質の水素ガス燃料電池における平方センチ当り500ミリアンペアでは0.4Ｖの電圧しかない。原因は、水素電極反応の過電圧損及びイオン隔膜（PEM）のインピーダンス（電流効率に影響する）がないので、効率が明らかに大幅に向上する。
高電圧は電極数量が減らせることを意味し、コストを節減できるだけでなく、その体積も相対的に縮小できる。
【００４４】
一リットルのガソリンエネルギー密度は33,000KJで、１KWH=3600KJ=9.16KWである。
金属一キロの水素貯蔵材料の理論的貯蔵エネルギーは320Ｗであり、一方、一キロの粉粒状燃料Ａ（例えば亜鉛粉末）は820AＸ1,645Ｖで、そのエネルギー密度は貯蔵材料の４倍以上である。
又、一キロの亜鉛粉末の比重は7.14である、従って、一キロの亜鉛粉末エネルギー密度は9.63ＫＷで、ややガソリンより高い。
現有の化学化合物液体燃料電池の理論的飽和一リットルエネルギー密度は5.16ＫＷＨである、実際充電時は７割から８割のエネルギー密度しか得られない、放電時は約２０％のエネルギーが残留するので、エネルギー密度が低くなる。
【００４５】
本案発明に係る粉末燃料電池にはこのような欠点がなく、若しマグネシウム又はリチウム金属粉末を採用すれば、そのエネルギー密度は数倍以上となる。本案発明に係る粉末燃料電池の重量は軽く、自動車エンジン全体の重量より遥かに軽い。電気自動車に応用する場合、効率は自動車の２倍から３倍高い、電気自動車が市内で走行するとき、その効率は更に自動車より４倍以上も高く、車のエネルギー使用量を減少することができる。
【００４６】
本案発明に係る粉粒状燃料Ａ（例えば亜鉛粉末）は、更にビスマス・カルシウム・マグネシウム・アルミニウム・リチウム・インジウム・鉛・水銀・ガリウム・錫・カドミウム・ゲルマニウム・アンチモン・セレン・タリウム・及び少なくとも前述一種類を含む成分によって組成された合金を含む。
【００４７】
本案発明に係る燃料電池は、ガソリン車と同様に補充スタンドで使った分だけ補充することが出来、補充速度が速く且つ便利である。唯一の生成物である金属酸化物Ｂは、同時に回収して再生することが出来る（一般の電池は回収再生するにはコストが高すぎ、環境保護にも悪い。）補充スタンドでは、電気料金に利潤を加えるだけで、金属粉末を補充するわけではない。
【００４８】
冷空気が直接電流データ収集機１に接触するため、直接放熱することが出来る。湿気を空気に導入して放熱を強め、電極を活性化することも出来る。
酸化物Ｂ及び電解液Ｃが電解液室４底端の循環排出口４２からポンプ６１２によって電池の外へ排出された後、更にろ過分離装置６１４によって電解液Ｃ及び酸化物Ｂを分離させ、回収した酸化物Ｂは酸化物回収槽６１５へ保存され、回収した電解液Ｃは、再循環して電解液貯蔵槽６０２へ至る。
前記電池内又は電解液貯蔵槽６０２には温度センサー６１６及びファン（図示せず）を付け加えてよく、又、前記電解液Ｃは、別途冷却した後電池へ入るようにして、電池の温度を下げることが出来る。此れは電池内の温度によって設定すればよい。
【００４９】
燃料を補充するときは、電解液Ｃが混合管６０３を経由して金属粉粒状燃料Ａ（又は粉末燃料）を電池内に流し込んで燃料を補充する。燃料センサー６０６を設置すると電池内の燃料使用状況を監視することが出来、補充を行うか停止するかを決める。補充しすぎはショートを引き起こし、補充不足は電力の出力に影響する。
電解液センサー６０７の位置は、燃料センサー６０６の高さと差をつけ、点滴時間差（タイマーで）のテストを行って電解液Ｃの循環時間を測定すればよく、ずっと循環を続ける必要はない。又、電解器（図示せず）を増設して酸化物Ｂを直接還元してもよい。
従って、粉末燃料電池にはガソリン車の便利さと電池の便利さがあり、どこでも使用できる。加えて操作が簡単でほとんど如何なる保守及び消耗品も不要で、地球の資源を浪費することがない。
【００５０】
電気化学の理論上では、充電と放電は分けられるので、効率の高い異なる電極を使用すればよく、耐久性に優れ、超効率的である。
その環境保護性も又如何なる電池よりも優れている。金属粉末は直接燃焼酸化しないので、爆発することはなく、長期的貯蔵に適しており、貯蔵方式は簡単で特殊容器が要らず、一層運搬や電力保存に適し、電力変換の安全性は百パーセントである。
【００５１】
以上の論述から分かるように、粉末燃料電池は商業化において、エネルギー密度・変換効率・低コスト・長周期の寿命・環境保護効果・安全性・便利さ及び保守などの面で、それぞれ長所があり、実に高度の発明に属し、且つ進歩性があり、石化燃料にとって変わる時代の始まりでもある。
【００５２】
上述詳細な説明は、本案発明の実行可能な実施例の具体的説明である。但し本案発明の特許請求範囲を制限するものではなく、凡そ本案発明の技芸精神を逸脱せずなされる等価実施又は変更は、すべて本案の特許請求の範囲に含まれるものとする。
【００５３】
以上を総合すると、本案は空間形態において確かに創造的であるのみならず、従来の物品に比べ、上述幾多の効能があり、既に新規性及び進歩性の法定発明特許の要件を十分満たしておるものとして、茲に請求する次第である。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】従来の金属片燃料電池の組み立て略図である。
【図２】従来の顆粒燃料電池の略図である。
【図３】本案発明に係る粉末燃料電池の組合せ略図である。
【図４】本案発明に係る粉末燃料電池の粉粒状燃料及び電解液の平面図である。
【図５】本案発明に係る粉末燃料電池の斜視分解略図である。
【図６】本案発明に係る粉末燃料電池の別側面斜視分解略図である。
【図７】気体の導電拡散電極において、導電突柱を間隔的に設置して気体流通経路を形成した略図である。
【図８】気体の導電拡散電極において、突柱及び導電突柱を間隔的に設置して気体流通経路を形成した略図である。
【図９】本案発明に係る人工補充式粉末燃料電池の断面組合せ略図である。
【図１０】本案発明に係る人工補充式粉末燃料電池のもう一つの実施例の断面組合せ略図である。
【図１１】本案発明に係る人工補充式粉末燃料電池の又もう一つの実施例の断面組合せ略図である。
【図１２】人工補充式粉末燃料電池のガス拡散電極の別側面（反面）の略図である。
【図１３】人工補充式粉末燃料電池の多孔性隔膜の別側面（反面）の略図である。
【図１４】人工補充式粉末燃料電池の排気素子の局部拡大略図である。
【図１５】複数の粉末燃料電池で構成された人工補充式粉末燃料電池の断面略図である。
【図１６】本案発明のもう一つの実施例における人工補充式粉末燃料電池の実施例略図である。
【図１７】本案発明のもう一つの実施例において複数の粉末燃料電池によって構成された断面略図である。
【図１８】本案発明のもう一つの実施例における粉末燃料電池の斜視分解略図である。
【図１９】図１８の粉末燃料電池の別の側面（反面）の斜視分解略図である。
【図２０】図１８の前記ガス拡散電極において、導電突柱を間隔的に設置して気体流通路を形成した略図である。
【図２１】図１８のガス拡散電極において、突柱及び導電突柱を間隔的に設置して気体流通路を形成した略図である。
【図２２】本案発明に係る粉末燃料電池の補充循環の略図である。
【符号の説明】
【００５５】
１ 電流データ収集機
２ 燃料室
２” 燃料電解液室
２１ 開口
２１” 補充口
２３” 排出口
３ 多孔性隔膜
３１ 第一フレーム体
４ 電解液室
４１ 補充口
４２ 循環排出口
４３ 排出口
４４ 排気部品
４４１ 通気孔
４４２ 通気フィルター
５ ガス拡散電極
５１ 第二フレーム体
５２ ガス入り口
５３ ガス出口
５４ ガス流通路
５５ 突柱
５５” 導電突柱
５６ 絶縁隔膜
６０１ 金属粉末燃料槽
６０２ 電解液体貯蔵槽
６０３ 混合機
６０４ 混合管
６０５ ポンプ
６０６ 燃料センサー
６０７ 電解液センサー
６０８ 空気入り口
６０９ フィルター
６１０ ブロワー
６１１ 空気出口
６１２ ポンプ
６１３ 探知機
６１４ 濾過分離装置
６１５ 酸化物回収槽
６１６ 温度センサー
７ フレーム体
７１ 多孔性隔膜
８ 燃料補充ボックス
８１ 上蓋
８２ 補充燃料区
８３ 電解液オーバーフロー緩衝区
９ 収集ボックス
１’ 電流データ収集機
２’ 第一フレーム体
２１’ ガス入り口
２２’ ガス出口
３ ガス拡散電極
３１’ 第一フレーム体
３２’ ガス入り口
３３’ ガス出口
３４’ ガス流通路
３５’ 突柱
３５” 導電突柱
３６’ 絶縁隔膜
４’ 第二フレーム体
４１’ 補充口
４２’ 循環排出口
５’ 多孔性隔膜
５１’ 第二フレーム体
６’ 第三フレーム体
６１’ 開口
Ａ 粉粒状燃料
Ｂ 酸化物
Ｃ 電解液
【技術分野】
【０００１】
本案発明は、粉末燃料電池、特に、低コストで、エネルギー密度が高く、高能率で、重量を軽減することのできる粉末燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
化学エネルギーを電気エネルギーに変換し、更に此れを還元する能力は、既に熟知されている。
しかし、例えば電気自動車に応用するような面では、高エネルギー密度・高エネルギー変換効率・低コスト・長い周期での生命安全性・便利さ及び環境保護効果などは、共に電池の生産時に考慮すべき要素であるが、一般の情況では、電池の組成重量及び体積を増加することになり、従って、操作可能な、安全で便利な商業化された実用電池の実現は難しい。
【０００３】
燃料電池は電気化学装置であり、その化学反応の一部エネルギーは、直接直流エネルギーに変換される。エネルギーの直流電気エネルギーへの直接変換は、エネルギーを熱に変換する必要をなくし、カルノー・サイクル(Carnot cycle)効果の制限を生じることを避けられる。
カルノー・サイクル効果の制限がなければ、理論的には、燃料電池の効率は伝統的エネルギー発生装置（例えばディーゼル・エンジン）より２倍から３倍高くなる。
【０００４】
燃料電池は、燃料によって次のように分類される、
（a） 燃料電池（水素・一酸化炭素・ガス炭化水素）。
（b） 液体燃料電池（アルコール・アルデヒド・bydhazine・炭化水素・化学化合物）。
（c） 固体燃料電池（石炭・木炭・コークス・金属片）。
【０００５】
近年は、エネルギー不足や地球温暖化、及びクリーンエネルギー、高効率に対するニーズ、又は運輸や電力負荷、独立電源に対する切迫したニーズなどによって、新しい電気化学電池の顕著な研究が進められている。
典型的な燃料電池は、重合物の電解質イオン隔膜（PEM, FC）で、此れはイオン交換重合物の膜を主とした、電解質のイオン交換膜である。
イオン隔膜は、陽極及び陰極のガス拡散電極の間に挟まれ、ガス拡散電極は各自の反応還元剤及び酸化剤ガスに見られる。
従って、電気化学反応が発生した時、二つの接点（三相界面）の間のどの接点も、電極の電解質重合物と反応物の気体の界面であり、例えば、酸素ガスが酸化剤としての気体であり、水素ガスが還元剤としての気体である場合、水素ガスは陽極へ、酸素ガスは陰極へ供給される。
その総化学反応は2H2＋O2−＞2H2Oであり、貴金属触媒の位置において発生する電気化学反応は下記に示す通りである。
陽極反応：2H2→4H+＋4e- E1/2＝0.828V
陰極反応：O2＋4H+＋4e-→2H2O E1/2＝0.401V
【０００６】
此れは現在市場でよく知られている各種の水素・酸素燃料電池であり、技術的にも既に成熟しているが、まだ現今のディーゼル・エンジンに取って代わることは出来ない。それは下記の欠点があるからである、
１．価格が高い。高価なイオン隔膜を使用しなければならず、電極触媒に高価な貴金属、例えばプラチナ・ルテニウム（Ruthenium, Ru）を使用しなければならない。
２．エネルギー密度が低い。理論的には、１キロの水素貯蔵材料では、僅か1.5W/T%であり、コストが高く、又高圧水素や液体水素を使用すると、エネルギー密度が一層低くなる。
３．安全性。危険である。水素ガスの燃焼速度は速く、燃え易く、爆発し易い。
４．エネルギー効率が低い。３０％〜６０％の効率しかない。
５・便利さ。高圧水素又は液体水素又は水素貯蔵金属材料に関わらず、水素儲蔵及び水素放出過程において何れも適当な熱管理を行わなければならないので、ガソリンのように早くて、便利で、随時補充できる長所がない。
【０００７】
以上の５項目は、燃料電池を実用化する上で最大の難点となっている。しかも、高純度の水素ガスの製造も困難であり（不純な水素ガスは電極を毒性化する）、そのため、水素ガスの価格が石油より何倍も高くなる。
【０００８】
これらの問題を改善するため、近年は科学者が液体燃料電池を提出している、此れは化学化合物、例えば水素化ホウ素化ナトリウムの反応を利用したものである。
その反応は、
陽極反応：BH4-＋8OH-→BO2-＋6H2O＋8e- E1/2＝1.24V
陰極反応：2O2＋4H2O＋8e-→8OH- E1/2＝0.401V
合わせて：BH4-＋2O2→BO2-＋2H2O E0＝1.64V
と成る。
【０００９】
この化合物の陽極は強アルカリと接触し、陰極は強酸と接触する。
貯蔵及びエネルギー密度の問題を解決することが出来るが、しかしエネルギーを完全に消耗することができず、一般の電池と同じように、１０％〜２０％が残留して変換できない。
この化合物は空気の影響を受けやすく、酸化汚染で水素ガスを放出するので、自己放電を避けるため、高価なイオン隔膜（PEM）及び希少金属を使用しなければならず、新たに燃料を添加する途中で、化合物が漏れたり環境を汚染したり、又強アルカリ・強酸を補充するときユーザーに傷害を与える可能性があり、万一漏洩すると危険を招き易く、技術的にもまだ成熟していない。
【００１０】
他に金属空気燃料電池があるが、この電池は、電池中の適当な電解液によって、反応金属電極電気化学を空気電極へ結合するもので、この技術領域では良く知られているように、前記電解液は一般苛性液体又は塩化ナトリウムであり、イオン伝導性であるが導電性ではない。
従って、空気陰極は片状をなして形成され、且つ相反する表面を備え、それぞれ電池の電解液および大気の中に暴露される。その間（電池運用期間中）大気中の酸素ガスが分解し、同時に陽極の金属が酸化する。だから適当な電流を提供して陽極及び陰極に接続された外部電気回路を流れさせ、且つ必ず外部電気回路に使用される導電素子と合併しなければならない。
【００１１】
亜鉛金属空気燃料電池の反応式は次の通りである。
1/2 O2＋H2O＋2e-→20H-O―0.401V 陰極に電気反応が起こる
Zn＋20H→ZnO＋H2O＋2e-―1.245V 陽極に電気反応が起こる
1/2 O2＋Zn＝ZnO―1.645V 理論的起電力
実際開回路の電圧は約1.5Ｖで、酸化され得る金属材料は亜鉛・鉄・マグネシウム・カルシウム・錫・アルミニウム・リチウム及び合金を含み、且つ金属又はその酸化物の形で存在する。
【００１２】
現在使われている商業用金属空気電池の中には、価格は安いが、体積が大きく、エネルギー密度が小さく、電力の補充には電池全体を交換するか充電するタイプがあり、毎回の使用で完全に消耗できず、いつも１０％〜２０％が酸化されずに残り、電力を浪費し、効率に影響して極めて不便である。
しかも金属空気燃料電池のもう一つの障碍は、空気（酸化剤）及び熱の管理及び金属の固有体積が膨張することで、亜鉛電極の膨張は金属亜鉛が酸化して酸化亜鉛及び水酸化亜鉛の体積差異によって発生する。亜鉛粉の比重は7.14、酸化亜鉛の比重は5.06であるので、比重が異なる。従って亜鉛粉が酸化すると体積が膨張し、電解液のオーバーフロー及び陽極の湾曲が起こる。此れはすべて金属亜鉛の酸化によって体積が変化するためである。
金属空気燃料電池のもう一つの障碍は、陽極が変質して起こる電池の失効であり、不均衡な放電が電池の出力動力を引き下げるので、ガソリンに取って代わることは難しい。
【００１３】
図１及び図２は、従来の典型的金属片燃料電池又は顆粒燃料電池を直列的に組み合わせたあと、例えば、風流管理・熱管理・金属膨張・電解液のオーバーフローや漏洩など直面すべき問題があり、そのため数多くの特許が派生している。
例えばアメリカ特許請求番号：60/340,592、60/380,048、60/387,355、60/285,850、60/384,547、60/384,550、60/391,860、60/340,592、60/389,821、60/386,121、60/326,432、60/346,128、09/805,419、09/621,836、09/893,163、60/288,675、60/292,237、09/258,573、09/584,875、60/301,558、60/312,659、09/695,698、09/695,699、60/290,945、60/286,199、09/594,649、09/414,874、60/275,786、09/695,697、60/358,229、60/274,337、09/827,982、60/344,546、60/324,867、60/340,697、60/298,537、60/295,634、60/267,819、60/286,198、60/263,174、60/270,952、60/267,933、60/261,126
など、何れも上述の問題に触れているが、本案発明によれば、これらの問題を併せて解決でき、かなり実用化される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本案発明の目的は、燃料電池の風流管理・熱管理・金属膨張・電解液オーバーフロー及び漏洩を有効に解決できる粉末燃料電池を提供することにある。
本案発明のもう一つの目的は、直接粉粒状燃料を燃料室へ補充し、粉粒状燃料を電解液と混合し、電流データ収集機に接触させて電力を提供し、金属酸化物が電解液に溶け込むと、再生された粉末燃料電気システムをリサイクルすることができる。
本案発明の又もう一つ別の目的は、操作が簡単で、電池常温及び大気圧によって即運用でき、且つ高エネルギー密度・高効率・低コスト・耐久性・便利さ・高度環境保護、及び容易なメンテナンス・電量変換保存且つ移動性電源を有し、永久的独立電源の粉末燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上述発明の目的を達成できる粉末燃料電池は、電流データ収集機と、燃料室と、多孔性隔膜と、電解液室と、ガス拡散電極と、を含み、前記電流データ集収機は、導電材料によって構成され、電子伝導データを収集する為のものである。前記燃料室は、粉状燃料の貯蔵スペースを提供し、電池の酸化反応を行う為のものである。前記多孔性隔膜は、燃料が反応した後の酸化物を通過させ、且つ未反応の燃料を阻止するもので、数個の孔洞を開設し、酸化物はこの孔洞を通って後述の電解液室へ至る。
前記電解液室は、電解液貯蔵スペースを提供して、イオンを伝導させ、且つ反応後の酸化物を収集するスペースを提供する。
前記ガス拡散電極は、少なくともその一側面が酸化剤の出入りする触媒を形成し、電子及び伝導イオンを取得する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図３は、本案発明に係る粉末燃料電池の組合せ平面図であり、主として、導電材料によって構成され、電子伝導を収集するための電流データ収集機１と、粉粒状燃料Ａ貯蔵スペースを提供し、電池の酸化反応を行うための燃料室２と、粉粒状燃料Ａが反応した後の酸化物Ｂを通過させ、且つ未反応の粉粒状燃料Ａを阻止する多孔性隔膜３と、電解液Ｃの貯蔵スペースを提供してイオンを伝導し、且つ反応後の酸化物Ｂ収集スペースを提供する電解液室４と、少なくとも一側面に酸化剤の出入り触媒を形成し、電子及び伝導イオンを取得するガス拡散電極と、を含む。尚、前記多孔性隔膜３には複数個の孔洞を設置し、酸化物Ｂはこの孔洞を通過して後述の電解液室４へ至る。
【００１７】
更に詳しく本案発明を説明するため、図４・図５及び図６を参照ください。前記電流データ収集機１は、板材であって良く、且つ導電材料で構成され、電子伝導のデータ収集に供す。前記導電材料は、銅・第一鉄金属・ステンレススチール・ニッケル・炭素・伝導性重合物（導電ゴム）・伝導性材質・石材・ガラス・金属、を含み、但しこれらに限らず、当業者がその他の材料を決定しても、すべて受け入れられる。
【００１８】
前記燃料室２は、粉粒状燃料Ａ貯蔵スペースを提供して、電池気化反応を行う。前記燃料室２は、絶縁材料によって成型された第一フレーム体であり、その頂端部分又は一端面は、粉粒状燃料Ａの通過を許す仕組みとなっており、且つ少なくとも開口２１を開設してつながっている。前記燃料室２の第一フレーム体は、ハードウエア又は弾性体の軟性材料であってもよく、超音波やレーザーで溶接しても良く、又は粘着剤を塗布したもの、或いは圧縮して電解液Ｃの漏洩を防ぐことの出来る密封第一フレーム体を形成してもよく、此れは当業者なら理解できる技術であるが、しかし此れによって制限されるものではない。
【００１９】
前記多孔性隔膜３には、複数個の孔洞を形成し、粉粒状燃料Ａが反応した後の酸化物Ｂが多孔性隔膜３を通過するのを許し、未反応の粉粒状燃料Ａを阻止する、前記孔洞の口径は３〜２００micronの間にあるのが好ましく、しかし、これによって制限されるものではなく、粉粒状燃料Ａの大小によって決められる、（一般金属粉末の体積は3〜5micron以上）5micron以上に加工されてもよい。前記粉粒状燃料が一旦反応して酸化すると、酸化物Ｂの粉末粒口径は0.8 micron以下である。従って電解液Ｃが流通又は振動すると、多孔性隔膜３は酸化物Ｂを孔洞から通過させ、そして粉粒状燃料Ａは、多孔性隔膜３によって阻止されて通過できない。従って新しい粉粒状燃料Ａは燃料室２の頂端開口２１で引き続き補充放電を行うことが出来る。
従来の金属片空気電極は酸化物を排出できないので、表面に酸化物の薄膜を生成し易く、不動状態となり、放電効果を押さえる影響が生じる。
本案発明では、粉粒状燃料Ａの生成物はナノメータ級の酸化物Ｂで、電解液Ｃに溶解し易く、多孔性隔膜３を通過し、電解液Ｃに伴って抽出され、その後に新しい粉粒状燃料Ａを補充するので、放電を続けても燃料が残留することがないのみならず、金属の粉粒状燃料Ａ体積の膨張によって、陽極と陰極間の隙間不均衡による効率低下、又は電解液Ｃのオーバーフロー及び電池構造の損傷問題が発生することもない。
【００２０】
前記多孔性隔膜３は、編みネット・打ち抜きネット・引っ張りネット・多孔性陶磁で単独に構成されてよく、粘着剤を塗布してプラスチック類や鉱物類・陶磁の絶縁ハードウエアで形成された第一フレーム体３１に被覆・固定しても良く、又は鋳型の中で第一フレーム体３１と一緒に成型してもよい。又は第一フレーム体３１と一緒に押し出し・射出して一体成型してもよい。此れは当業者なら分かる技術であるが、本案発明を制限するものではない。
【００２１】
本案発明の中の多孔性隔膜３は、大型化部品構成中に更に強度を増加しても良く、二層の異なる孔洞材料を採用し、第一層は、上述の3〜200micronの孔洞で、別の層は、200 micron以上の大孔洞で、当業者によって決められた寸法なら、使用できるが、しかし此れによって制限されるものではない。
【００２２】
電解液室４は、イオンを伝導できる電解液Ｃの貯蔵スペース及び反応後の酸化物Ｂの収集スペースを提供し、前記電解液室４は、絶縁材料で成型された第二フレーム体であり、この第二フレーム体はハードウエア又は弾性体の軟性材料であってもよく、超音波溶接やレーザー溶接、又は粘着剤を塗布したもの、又は圧縮して密封されたもので、電解液Ｃの漏洩を防止できるものであればよい、此れは当業者なら理解できる技術であるが、此れによって制限されるものではない。
【００２３】
電解液室４の頂端部分又はその一端面は、水性電解液Ｃ又は非水性電解液の通過を許す仕組みと成っており、且つ前記電解液室４の頂端部分又はその一端面に少なくとも補充口１４１を開設して連結してあり、そして前記電解液室４の底端部分又はその一端面は、別途電解液Ｃの循環出口及び酸化物Ｂの排出口用循環排出口４２を構成する仕組みとなっている。
【００２４】
前記ガス拡散電極５は、第二フレーム体５１に形成・固定され、ガス入り口５２及びガス出口５３を有し、且つ少なくとも一側面が酸化剤を出入り触媒させる複数のガス流通路５４を形成することによって、ガス流通路５４の間に拡散区域を形成し、前記ガス流通路５４は、予定された間隔で設置され又は固定距離で配列され、そして前記ガス流通路５４は前記ガス入り口５２及びガス出口５３と連結している。前記ガス入り口５２及びガス出口５３と隣接しない二つの頂点対角線上に設置されることによって、酸化剤が前記ガス入り口５２から任意のガス流通路５４を経由してガス出口５３へ至る時、何れも等距離でガス入り口５２からガス出口５３へ流動することによって、酸化剤が均衡に拡散される。
流体の酸化剤が流動する時は、最短距離を行くので、酸化剤を拡散させるための設計管理が必要で、更に酸化剤及びガス拡散電極が接触面積を増加できるようにする。
【００２５】
本案発明のガス拡散電極５は、電解液Ｃ面に対して、その操作上、任意の周知又は未知のガス拡散電極５を使用してよく、通常は、活性構成部品及び炭素基板と、連結に適した電流データ収集機１と、を含む。
前記ガス拡散電極５は又二重の機能を備え、例えば、多孔性ニッケル極又は石墨、又は炭素基板表面に放電及び充電の間に運転できる多孔性ニッケル穴基板を被覆してもよい。
基板の典型的ガス拡散電極５は、アメリカ特許番号6,368,751に発表されている、名称は、燃料電池用電気化学電極で、此れは当業者なら理解できる技術であるが、しかし此れによって制限されるものではない。
【００２６】
図６に示すように、ガス拡散電極５は、電解液Ｃの操作に際して、絶縁隔膜５６を被覆する必要がなく、補充システムが故障するのを防ぎ、酸化物Ｂがガス拡散電極収集機１にたまって直接接触してショートするのを防ぎ、電解液室４の中の酸化物Ｂが電流データ収集機１の金属面に付着して排出できなくなるのを防ぐため、メンテナンス・ステーションまで引き続き放電してよい。或いは不動状態となって効率が下がり、或いは小型３Ｃ電子製品又は電動自転車において、設計に自動循環補充係数を採用せず、人手で補充を行う場合も、少なくとも一層の絶縁隔膜５６を被覆してショートを防止しなければならない。
この絶縁隔膜５６は、プラスチック類・ガラス繊維類・鉱物類の織物・不織布・伸縮膜・固体電解質隔膜・固体イオン隔膜・イオン隔膜・高分子隔膜など何れも使用できる。此れは当業者なら理解できる技術であるが、此れによって制限されるものではない。
【００２７】
図７及び図８は、本案発明の実施例略図である。前記ガス流通路５４は、別途自由に突柱５５（又は導電突柱５５“）を間隔的に設置して形成したガス流通路５４を選択することも出来る。前記突柱５５（又は導電突柱５５“）は単数又は複数であって良く、導電体又は非導電体であっても良いが、しかし少なくとも突柱５５を導電材料とすることによって、外部導線との接続を免じると共に、酸化剤風流管理の機能があり、ガス流通路５４は同じ幅・同じ奥行き・及び等距離に設計されることによって、酸化剤をガス拡散電極５の全面に分布させ、ガス拡散電極５の使用効率を高めることが出来る。
【００２８】
本案発明に係るガス拡散電極５の構成部品は、図５及び図６に示すように、ガス入り口５２及びガス出口５３は、隣接しない二つの頂点対角線上に設置され、酸化剤が前記ガス入り口５２から任意のガス流通路５４を経由してガス出口５３へ至る時、何れも等距離でガス入り口５２からガス出口５３へ流動し、且つ前記ガス流通路５４の反対面に、別途絶縁隔膜層５６を被覆し、ショートするのを防止することが出来る。この隔膜はプラスチック類・ガラス繊維類・紙・織物・不織布・伸縮膜などであって良く、此れは当業者なら理解できる技術であるが、此れによって制限されるものではない。
【００２９】
更に図９から図１０を参照して、本案発明のもう一つの実施例である人工補充式粉末燃料電池の略図である。主として、前記電流データ収集機１と、前記燃料室２と、前記燃料室２を固定するための絶縁材料で成型されたフレーム体７と、このフレーム体７に開設された開口２１と、前記多孔性隔膜３と、絶縁材料で成型されたフレーム体７に固定され、補充口４１・排出口４３・排気部品４４を設けた電解液室４と、前記ガス拡散電極５と、を含み、前記排気部品４４の中には通気孔４４１が貫通され、この通気孔４４１の中に更に通気フィルター４４２を設置し、前記通気フィルター４４２は、通気性で水を通さない伸縮膜又はナノメータ級不織布通気膜で出来ている。
【００３０】
前記人工補充式粉末燃料電池は、又、図１１から図１４に示すように、上述の構成部品と違うところは、前記ガス拡散電極５が第二フレーム体５１の上に形成され、少なくともその一側面に酸化剤が出入り触媒する複数のガス流通路５４を形成し、前記側面は又第二フレーム体５１の上にガス入り口５２及びガス排気口５３を形成し、ガス流通路５４の反対面に絶縁隔膜５６が被覆されている。
【００３１】
更に図１５を参照して、此れは複数の粉末燃料電池で構成された人工補充式燃料電池であり、図に示すように、前記燃料電池の側辺にガス入り口５２又はガス排気口５３が見られ、且つ前記粉末燃料電池の頂端には燃料補充ボックス８を増設することが出来、前記燃料補充ボックス８には活動自在に開けられる上蓋８１と補充燃料区８２及び電解液オーバーフロー緩衝区８３を設置してある。
前記補充燃料区８２は、粉粒状燃料Ａを提供補充するか、又は粉末燃料室２の開口２１を経由して、粉粒状燃料Ａを燃料室２へ補充して入れる。
前記電解液オーバーフロー緩衝区８３は、電解液室４の上端に設置され、且つ前記電解液室４の頂端に少なくとも補充口４１を開設して前記電解液オーバーフロー緩衝区８３に連結すると共に、前記電解液オーバーフロー緩衝区８３には更に排気部品４４を設け、或いは前記補充燃料区８２との間に排気部品４４を設け、前記電解液室４の底端部分には、電解液Ｃ及び酸化物Ｂの排出を許す排出口４３を構成してある。
又、前記粉末燃料電池の底部には別途酸化物Ｂ及び電解液Ｃの収集ボックス９を増設してよく、前記収集ボックス９は抜き取り式又は活動式の構造を採用して、酸化物Ｂ及び電解液Ｃの回収用とすることも出来る、又、粉粒状燃料Ａ及び電解液Ｃの補充には、別途燃料センサー探知機６０６及び前記電解液センサー探知機607を増設して判定してもよい。
【００３２】
更に図１６を参照して、本案発明のもう一つの実施例である人工補充式粉末燃料電池略図である。主として、前記電流データ収集機１と、前記燃料電解液室２”と、前記ガス拡散電極５と、前記フレーム体７と、多孔性隔膜７１と、を含み、前記燃料電解液室２”は、粉粒状燃料Ａ及び電解液Ｃを混合した後の貯蔵スペースであり、その上に補充口２１”・排出口２３“及び排気部品４４を設けてあり、前記排気部品４４の中に通気孔４４１を貫通し、前記通気孔４４１には更に通気フィルター４４２を設け、前記通気フィルター４４２は通気疎水性で水を通さない伸縮膜或いはナノメータ級不織布通気膜である。
前記ガス拡散電極５には、絶縁隔膜５６層を被覆してショートを防いである。
前記フレーム体７の底部に多孔性隔膜７１を被覆してあり、前記多孔性隔膜７１は、酸化物Ｂを通過させることが出来る。
【００３３】
図１７を参照して、本案粉末燃料電池は、図１５及び図２２の粉末燃料電池と同じ効能を設計することができ、前記粉末燃料電池の頂端に燃料補充ボックス８及び電解液オーバーフロー緩衝区８３を設け、又底部には別途収集ボックス９を増設して、粉粒状燃料Ａ及び電解液Ｃの補充及び回収用とすることが出来る。
【００３４】
図１８及び図１９に示すのは、本案発明の又もう一つの実施例略図であり、主として、前記電流データ収集機１と、ガス入り口２１”・ガス出口２２”を設けた第一フレーム体２”と、第一フレーム体３１’に形成・固定され、ガス流通路３４’を設けた前記ガス拡散電極３と、補充口４１’及び循環排出口４２’を設けた第二フレーム体４’と、第二フレーム体５１’に形成・固定された前記多孔性隔膜５と、開口６１’を設けた第三フレーム体６’と、を含み、本案発明では、電流データ収集機１・第一フレーム体２’・ガス拡散電極３’・第二フレーム体４’・多孔性隔膜５’・及び第三フレーム体６’によって一つの単元を組成することによって、直列式に数個の単元で必要な燃料電池を形成することが出来る。
【００３５】
本案発明の前記電流データ収集機１・第一フレーム体２・ガス拡散電極３・第二フレーム体４’・多孔性隔膜５’・及び第三フレーム体６’及びもう一つの電流データ収集機１を組合わせた後、薄片状或いは扁平状の第一フレーム体２’・第二フレーム体４’・第三フレーム体６’によって、電流データ収集機１・第一フレーム体２・ガス拡散電極３・第二フレーム体４’・多孔性隔膜５’・及び第三フレーム体６’及びもう一つの電流データ収集機１の間に一定のスペースを形成し、それぞれガス流通路３４’・電解液室および粉末燃料室とすることが出来る。
電解液室の補充口４１’は、電解液Ｃの通過を許す仕組みとなっており、そして前記電解液室底端の循環排出口４２’は、電解液Ｃの循環排出及び酸化物Ｂの排出を許す仕組みとなっている。
前記粉末燃料室の頂端の所に開口６１’を開設し、粉粒状燃料Ａの通過を許す補充流通路を形成している。
【００３６】
尚、前記電流データ収集機１及びガス拡散電極３’に対向する表面側に別途突柱３５’（或いは導電突柱３５”）を設け、前記突柱３５’（或いは導電突柱３５”）はガス拡散電極３’に緊密接触して一体成型してよく、又は前記突柱３５’を電流データ収集機１’と一緒に一体成型し、同一導体を形成して外部導線の接続を免じ、直接陰極・陽極に接続して電気回路を形成することが出来る。
そして二本の突柱３５’の間隔スペースにガス流通路３４’を形成し、ガス流通路３４’は更にガス入り口３２’・ガス出口３３’と連結している。
前記ガス拡散電極３’は、更に図１８に示すように、間隔的にガス流通路３４’を設置し、ガス流通路３４’は更にガス入り口３２’及びガス出口３３’と連結している。
或いは図１９の別の実施例のように、前記ガス拡散電極３’のガス流通路３４’の反対面に、絶縁隔膜３６’を被覆してショートを防止する。
又は図２０及び図２１の別の実施例のように、前記ガス流通路３４’は、別途突柱３５’（或いは導電突柱３５”）によって間隔的に設置して形成したガス流通路３４’を自由に選択しても良く、前記突柱３５’（或いは導電突柱３５”）は、単数又は複数であって良く、導電体または非導電体であっても良いが、少なくとも一本の突柱３５’は導電材料である。
【００３７】
ガス拡散電極３’及び多孔性隔膜５’は、第二フレーム体４’によってその間に電解液室を形成し、電解液Ｃ及び酸化物Ｂの収集に供す、前記第二フレーム体４’に設置した補充口４１’には、電解液Ｃを入れ、循環排出口４２’を電解液Ｃの循環出口及び酸化物Ｂの排出口とすることが出来る。
【００３８】
多孔性隔膜５’及び別の電流データ収集機１’は、第三フレーム体６’によってその間に粉末燃料室を形成し、燃料貯蔵スペースとし、且つ第三フレーム体６’の開口６１’によって粉粒状燃料Ａの補充入り口とすることが出来る。
【００３９】
前記多孔性隔膜５’は、単独で構成されて良い。或いは第二フレーム体５１’の隔膜５２’を直接絶縁された第二フレーム体４’に被覆してもよい。或いは隔膜５２’を鋳型の中で注入成型し、或いは隔膜５２’を押し出し・射出して一体成型してもよい。或いは絶縁された第二フレーム体４’に被覆した後、更に第三フレーム体６’と一緒に圧製・焼結又はその他の粘着剤で粘結してもよい。此れは当業者なら理解できる技術であるが、此れによって制限されるものではない。
【００４０】
図２２は、本案発明の粉末燃料電池の補充循環略図である。本案発明の燃料電池は、上述金属空気燃料電池の起電公式のように、前記金属粉末燃料槽６０１の中の粉粒状燃料Ａ及び電解液貯蔵槽６０２の電解液Ｃは、混合機６０３によってそれぞれポンプ６０５で混合管６０４を経由して粉末燃料室２及び電解室４に入れて補充することが出来、粉粒状燃料も螺旋管方式で材料を入れることも出来る。此れは一般に知られている技術であり、粉粒状燃料Ａ及び電解液Ｃの補充は、燃料センサー６０６及び前記電解液センサー６０７によって判定することが出来る。（電池の運用期間中）空気は空気入り口６０８からフィルター６０９を経由してガス拡散電極５のガス流通路５４へ流れ、空気中の酸素は分解し、同時に陽極金属が酸化し、溶解反応を起こして、電池反応となる。
【００４１】
ガス流通路５４から出てきた空気は、ブロワ６１０によって空気出口から抜き取られ、溶解した酸化物Ｂは多孔性隔膜３の孔洞から、電解液Ｃは電解液室底端の循環排出口４２を通過して電池の外に排出される。
従って連続的に電流データ集収機１の金属粉粒状燃料Ａを供給し、長時間放電を達成することが出来る。
【００４２】
本案発明に係る粉末燃料電池は、常温及び大気下において運用でき、且つ電流データ集収機１及びガス拡散電極５の突柱５５（或いは導電突柱５５”）に直接接触導電し、同時に放熱効果もあり、又金属粉粒状燃料Ａは酸化し易い（従来の金属電気片空気電池は、酸化物を排出することが出来ないので、その表面に酸化物の薄膜を形成し易く、不動状態となって大電流出力において圧力低下を生じ、放電効率に影響する）、又その粉粒状燃料Ａの生成物はナノメータ級の酸化物Ｂで電解液Ｃに溶解し易く、電解液Ｃに伴って抽出され、粉末燃料電池に新しい粉粒状燃料Ａを補充することが出来、連続放電が出来るのみならず、残留燃料の放電もなく、その効率も高く、平方センチ当り500ミリアンペア以上で、１Ｖの場合もある。
【００４３】
電解液電流効率は９８％以上であり、総効率６０％以上、同様な材質の水素ガス燃料電池における平方センチ当り500ミリアンペアでは0.4Ｖの電圧しかない。原因は、水素電極反応の過電圧損及びイオン隔膜（PEM）のインピーダンス（電流効率に影響する）がないので、効率が明らかに大幅に向上する。
高電圧は電極数量が減らせることを意味し、コストを節減できるだけでなく、その体積も相対的に縮小できる。
【００４４】
一リットルのガソリンエネルギー密度は33,000KJで、１KWH=3600KJ=9.16KWである。
金属一キロの水素貯蔵材料の理論的貯蔵エネルギーは320Ｗであり、一方、一キロの粉粒状燃料Ａ（例えば亜鉛粉末）は820AＸ1,645Ｖで、そのエネルギー密度は貯蔵材料の４倍以上である。
又、一キロの亜鉛粉末の比重は7.14である、従って、一キロの亜鉛粉末エネルギー密度は9.63ＫＷで、ややガソリンより高い。
現有の化学化合物液体燃料電池の理論的飽和一リットルエネルギー密度は5.16ＫＷＨである、実際充電時は７割から８割のエネルギー密度しか得られない、放電時は約２０％のエネルギーが残留するので、エネルギー密度が低くなる。
【００４５】
本案発明に係る粉末燃料電池にはこのような欠点がなく、若しマグネシウム又はリチウム金属粉末を採用すれば、そのエネルギー密度は数倍以上となる。本案発明に係る粉末燃料電池の重量は軽く、自動車エンジン全体の重量より遥かに軽い。電気自動車に応用する場合、効率は自動車の２倍から３倍高い、電気自動車が市内で走行するとき、その効率は更に自動車より４倍以上も高く、車のエネルギー使用量を減少することができる。
【００４６】
本案発明に係る粉粒状燃料Ａ（例えば亜鉛粉末）は、更にビスマス・カルシウム・マグネシウム・アルミニウム・リチウム・インジウム・鉛・水銀・ガリウム・錫・カドミウム・ゲルマニウム・アンチモン・セレン・タリウム・及び少なくとも前述一種類を含む成分によって組成された合金を含む。
【００４７】
本案発明に係る燃料電池は、ガソリン車と同様に補充スタンドで使った分だけ補充することが出来、補充速度が速く且つ便利である。唯一の生成物である金属酸化物Ｂは、同時に回収して再生することが出来る（一般の電池は回収再生するにはコストが高すぎ、環境保護にも悪い。）補充スタンドでは、電気料金に利潤を加えるだけで、金属粉末を補充するわけではない。
【００４８】
冷空気が直接電流データ収集機１に接触するため、直接放熱することが出来る。湿気を空気に導入して放熱を強め、電極を活性化することも出来る。
酸化物Ｂ及び電解液Ｃが電解液室４底端の循環排出口４２からポンプ６１２によって電池の外へ排出された後、更にろ過分離装置６１４によって電解液Ｃ及び酸化物Ｂを分離させ、回収した酸化物Ｂは酸化物回収槽６１５へ保存され、回収した電解液Ｃは、再循環して電解液貯蔵槽６０２へ至る。
前記電池内又は電解液貯蔵槽６０２には温度センサー６１６及びファン（図示せず）を付け加えてよく、又、前記電解液Ｃは、別途冷却した後電池へ入るようにして、電池の温度を下げることが出来る。此れは電池内の温度によって設定すればよい。
【００４９】
燃料を補充するときは、電解液Ｃが混合管６０３を経由して金属粉粒状燃料Ａ（又は粉末燃料）を電池内に流し込んで燃料を補充する。燃料センサー６０６を設置すると電池内の燃料使用状況を監視することが出来、補充を行うか停止するかを決める。補充しすぎはショートを引き起こし、補充不足は電力の出力に影響する。
電解液センサー６０７の位置は、燃料センサー６０６の高さと差をつけ、点滴時間差（タイマーで）のテストを行って電解液Ｃの循環時間を測定すればよく、ずっと循環を続ける必要はない。又、電解器（図示せず）を増設して酸化物Ｂを直接還元してもよい。
従って、粉末燃料電池にはガソリン車の便利さと電池の便利さがあり、どこでも使用できる。加えて操作が簡単でほとんど如何なる保守及び消耗品も不要で、地球の資源を浪費することがない。
【００５０】
電気化学の理論上では、充電と放電は分けられるので、効率の高い異なる電極を使用すればよく、耐久性に優れ、超効率的である。
その環境保護性も又如何なる電池よりも優れている。金属粉末は直接燃焼酸化しないので、爆発することはなく、長期的貯蔵に適しており、貯蔵方式は簡単で特殊容器が要らず、一層運搬や電力保存に適し、電力変換の安全性は百パーセントである。
【００５１】
以上の論述から分かるように、粉末燃料電池は商業化において、エネルギー密度・変換効率・低コスト・長周期の寿命・環境保護効果・安全性・便利さ及び保守などの面で、それぞれ長所があり、実に高度の発明に属し、且つ進歩性があり、石化燃料にとって変わる時代の始まりでもある。
【００５２】
上述詳細な説明は、本案発明の実行可能な実施例の具体的説明である。但し本案発明の特許請求範囲を制限するものではなく、凡そ本案発明の技芸精神を逸脱せずなされる等価実施又は変更は、すべて本案の特許請求の範囲に含まれるものとする。
【００５３】
以上を総合すると、本案は空間形態において確かに創造的であるのみならず、従来の物品に比べ、上述幾多の効能があり、既に新規性及び進歩性の法定発明特許の要件を十分満たしておるものとして、茲に請求する次第である。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】従来の金属片燃料電池の組み立て略図である。
【図２】従来の顆粒燃料電池の略図である。
【図３】本案発明に係る粉末燃料電池の組合せ略図である。
【図４】本案発明に係る粉末燃料電池の粉粒状燃料及び電解液の平面図である。
【図５】本案発明に係る粉末燃料電池の斜視分解略図である。
【図６】本案発明に係る粉末燃料電池の別側面斜視分解略図である。
【図７】気体の導電拡散電極において、導電突柱を間隔的に設置して気体流通経路を形成した略図である。
【図８】気体の導電拡散電極において、突柱及び導電突柱を間隔的に設置して気体流通経路を形成した略図である。
【図９】本案発明に係る人工補充式粉末燃料電池の断面組合せ略図である。
【図１０】本案発明に係る人工補充式粉末燃料電池のもう一つの実施例の断面組合せ略図である。
【図１１】本案発明に係る人工補充式粉末燃料電池の又もう一つの実施例の断面組合せ略図である。
【図１２】人工補充式粉末燃料電池のガス拡散電極の別側面（反面）の略図である。
【図１３】人工補充式粉末燃料電池の多孔性隔膜の別側面（反面）の略図である。
【図１４】人工補充式粉末燃料電池の排気素子の局部拡大略図である。
【図１５】複数の粉末燃料電池で構成された人工補充式粉末燃料電池の断面略図である。
【図１６】本案発明のもう一つの実施例における人工補充式粉末燃料電池の実施例略図である。
【図１７】本案発明のもう一つの実施例において複数の粉末燃料電池によって構成された断面略図である。
【図１８】本案発明のもう一つの実施例における粉末燃料電池の斜視分解略図である。
【図１９】図１８の粉末燃料電池の別の側面（反面）の斜視分解略図である。
【図２０】図１８の前記ガス拡散電極において、導電突柱を間隔的に設置して気体流通路を形成した略図である。
【図２１】図１８のガス拡散電極において、突柱及び導電突柱を間隔的に設置して気体流通路を形成した略図である。
【図２２】本案発明に係る粉末燃料電池の補充循環の略図である。
【符号の説明】
【００５５】
１ 電流データ収集機
２ 燃料室
２” 燃料電解液室
２１ 開口
２１” 補充口
２３” 排出口
３ 多孔性隔膜
３１ 第一フレーム体
４ 電解液室
４１ 補充口
４２ 循環排出口
４３ 排出口
４４ 排気部品
４４１ 通気孔
４４２ 通気フィルター
５ ガス拡散電極
５１ 第二フレーム体
５２ ガス入り口
５３ ガス出口
５４ ガス流通路
５５ 突柱
５５” 導電突柱
５６ 絶縁隔膜
６０１ 金属粉末燃料槽
６０２ 電解液体貯蔵槽
６０３ 混合機
６０４ 混合管
６０５ ポンプ
６０６ 燃料センサー
６０７ 電解液センサー
６０８ 空気入り口
６０９ フィルター
６１０ ブロワー
６１１ 空気出口
６１２ ポンプ
６１３ 探知機
６１４ 濾過分離装置
６１５ 酸化物回収槽
６１６ 温度センサー
７ フレーム体
７１ 多孔性隔膜
８ 燃料補充ボックス
８１ 上蓋
８２ 補充燃料区
８３ 電解液オーバーフロー緩衝区
９ 収集ボックス
１’ 電流データ収集機
２’ 第一フレーム体
２１’ ガス入り口
２２’ ガス出口
３ ガス拡散電極
３１’ 第一フレーム体
３２’ ガス入り口
３３’ ガス出口
３４’ ガス流通路
３５’ 突柱
３５” 導電突柱
３６’ 絶縁隔膜
４’ 第二フレーム体
４１’ 補充口
４２’ 循環排出口
５’ 多孔性隔膜
５１’ 第二フレーム体
６’ 第三フレーム体
６１’ 開口
Ａ 粉粒状燃料
Ｂ 酸化物
Ｃ 電解液
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電材料で構成され、電子伝導を収集するための電流データ収集機（１）と、
粉粒状燃料（Ａ）を貯蔵するスペースを提供して電池の酸化反応を行うための燃料室（２）と、
粉粒状燃料（Ａ）の反応後に酸化物（Ｂ）を通過させ、且つ未反応の粉粒状燃料（Ａ）を阻止する多孔性隔膜（３）と、
電解液（Ｃ）の貯蔵スペースを提供してイオンを伝導し、且つ反応後の酸化物（Ｂ）収集スペースを提供する電解液室（４）と、
酸化剤を触媒とすることによって、電子及びイオン伝導を取得するガス拡散電極（５）と、
を含むことを特徴とする粉末燃料電池。
【請求項２】
前記燃料室（２）は、絶縁材料で成型された第一フレーム体であり、その頂端部分は粉粒状燃料（Ａ）の通過を許す仕組みと成っている事を特徴とする請求項１に記載の粉末燃料電池。
【請求項３】
前記燃料室（２）の頂端には少なくとも開口（２１）を開設し、燃料室（２）とつながることを特徴とする請求項１に記載の粉末燃料電池。
【請求項４】
前記多孔性隔膜（３）には、複数個の孔洞を形成し、前記孔洞の口径は3〜200micronである事を特徴とする請求項１に記載の粉末燃料電池。
【請求項５】
前記多孔性隔膜（３）は、絶縁ハードウェアの第一フレーム体（３１）に塗布、被覆又は固定されてよいことを特徴とする請求項１に記載の粉末燃料電池。
【請求項６】
前記電解液室（４）は、絶縁材料で成型された第二フレーム体であることを特徴とする請求項１に記載の粉末燃料電池。
【請求項７】
前記電解液室（４）頂端部分は、電解液（Ｃ）の通過を許す補充口（４１）の構造と成っており、又、前記電解液室（４）底端部分は、別途電解液（Ｃ）の循環排出及び酸化物（Ｂ）の排出を許す循環排出口（４２）の構造となっている事を特徴とする請求項１に記載の粉末燃料電池。
【請求項８】
前記電解液室（４）の一端面は、電解液（Ｃ）の通過を許す補充口（４１）の構造と成っており、又、前記電解液室（４）の一端面は、別途電解液（Ｃ）の循環排出及び酸化物（Ｂ）の排出を許す循環排出口（４２）の構造となっている事を特徴とする請求項１に記載の粉末燃料電池。
【請求項９】
前記電解液室（４）の一端面は、電解液（Ｃ）の通過を許す補充口（４１）の構造と成っており、又前記電解液室（４）の底端部分は、電解液（Ｃ）及び酸化物（Ｂ）の排出を許す排出口（４３）の構造となっている事を特徴とする請求項１に記載の粉末燃料電池。
【請求項１０】
前記ガス拡散電極（５）は、第二フレーム体（５１）に形成・固定されていることを特徴とする請求項１に記載の粉末燃料電池。
【請求項１１】
前記ガス入り口（５２）及び前記ガス出口（５３）は、隣接しない両頂点の対角線上に設置されることによって、酸化剤が前記ガス入り口（５２）から任意のガス流通路（５４）を経由してガス出口（５３）に至る時、すべて等距離でガス入り口（５２）からガス出口へ流動できることを特徴とする請求項１に記載の粉末燃料電池。
【請求項１２】
前記ガス流通路（５４）は、突柱（５５）によって間隔的に設置形成されていることを特徴とする請求項１１に記載の粉末燃料電池。
【請求項１３】
前記ガス流通路（５４）は、導電突柱（５５”）によって間隔的に設置形成されていることを特徴とする請求項１１に記載の粉末燃料電池。
【請求項１４】
前記ガス流通路（５４）は、突柱（５５）及び導電突柱（５５”）によって間隔的に設置形成されていることを特徴とする請求項１１に記載の粉末燃料電池。
【請求項１５】
前記ガス拡散電極（５）は、ガス流通路（５４）の反面に、別途絶縁隔膜（５６）を被覆してショートを防止してよいことを特徴とする請求項１１に記載の粉末燃料電池。
【請求項１６】
前記電流データ収集機（１）には、更に突柱（５５）を含むことを特徴とする請求項１に記載の粉末燃料電池。
【請求項１７】
電流データ収集機（１’）と、
第一フレーム体（２’）と、
第一フレーム体（３１’）に形成・固定され、ガス入り口（３２’）及びガス出口（３３’）によって連結されているガス拡散電極（３’）と、
補充口（４１’）及び循環排出口（４２’）を設けた第二フレーム体（４’）と、
第二フレーム体（５１’）に形成・固定された多孔性隔膜（５’）と、
開口（６１’）を設けた第三フレーム体（６’）と、
を含むことを特徴とする粉末燃料電池。
【請求項１８】
前記第一フレーム体（２’）には、ガス入り口（２１’）及びガス出口（２２’）を設けてあることを特徴とする請求項１７に記載の粉末燃料電池。
【請求項１９】
前記電流データ収集機（１’）及びガス拡散電極（３’）の間に一定のスペースを形成して、ガス流通路（３４’）としたことを特徴とする請求項１７に記載の粉末燃料電池。
【請求項２０】
前記ガス拡散電極（３’）及び多孔性隔膜（５’）の間に一定のスペースを形成して、電解液室としたことを特徴とする請求項１７に記載の粉末燃料電池。
【請求項２１】
前記多孔性隔膜（５’）及び電流データ収集機（１’）の間に一定のスペースを形成して、粉末燃料室としたことを特徴とする請求項１７に記載の粉末燃料電池。
【請求項２２】
前記多孔性隔膜（５’）及び第二フレーム体（４’）は、一体構成されうることを特徴とする請求項１７に記載の粉末燃料電池。
【請求項２３】
前記多孔性隔膜（５’）、第二フレーム体（４’）及び第三フレーム体（６’）は、一体構成したことを特徴とする請求項１７に記載の粉末燃料電池。
【請求項２４】
導電材料で構成され、電子伝導を収集するための電流データ収集機（１’）と、
底部に多孔性隔膜（７１）を被覆してあるフレーム体（７）と、
フレーム体（７）の中に設置され、補充口（２１”）及び排出口（２１”）を設け、粉粒状燃料（Ａ）及び電解液（Ｃ）の貯蔵スペースを提供し、電池の酸化反応を行うための燃料電解液室（２”）と、
絶縁隔膜（５６）を被覆してショートを防止し、酸化剤を触媒として電子及びイオン伝導を取得するためのガス拡散電極（５）と、
を含むことを特徴とする粉末燃料電池。
【請求項１】
導電材料で構成され、電子伝導を収集するための電流データ収集機（１）と、
粉粒状燃料（Ａ）を貯蔵するスペースを提供して電池の酸化反応を行うための燃料室（２）と、
粉粒状燃料（Ａ）の反応後に酸化物（Ｂ）を通過させ、且つ未反応の粉粒状燃料（Ａ）を阻止する多孔性隔膜（３）と、
電解液（Ｃ）の貯蔵スペースを提供してイオンを伝導し、且つ反応後の酸化物（Ｂ）収集スペースを提供する電解液室（４）と、
酸化剤を触媒とすることによって、電子及びイオン伝導を取得するガス拡散電極（５）と、
を含むことを特徴とする粉末燃料電池。
【請求項２】
前記燃料室（２）は、絶縁材料で成型された第一フレーム体であり、その頂端部分は粉粒状燃料（Ａ）の通過を許す仕組みと成っている事を特徴とする請求項１に記載の粉末燃料電池。
【請求項３】
前記燃料室（２）の頂端には少なくとも開口（２１）を開設し、燃料室（２）とつながることを特徴とする請求項１に記載の粉末燃料電池。
【請求項４】
前記多孔性隔膜（３）には、複数個の孔洞を形成し、前記孔洞の口径は3〜200micronである事を特徴とする請求項１に記載の粉末燃料電池。
【請求項５】
前記多孔性隔膜（３）は、絶縁ハードウェアの第一フレーム体（３１）に塗布、被覆又は固定されてよいことを特徴とする請求項１に記載の粉末燃料電池。
【請求項６】
前記電解液室（４）は、絶縁材料で成型された第二フレーム体であることを特徴とする請求項１に記載の粉末燃料電池。
【請求項７】
前記電解液室（４）頂端部分は、電解液（Ｃ）の通過を許す補充口（４１）の構造と成っており、又、前記電解液室（４）底端部分は、別途電解液（Ｃ）の循環排出及び酸化物（Ｂ）の排出を許す循環排出口（４２）の構造となっている事を特徴とする請求項１に記載の粉末燃料電池。
【請求項８】
前記電解液室（４）の一端面は、電解液（Ｃ）の通過を許す補充口（４１）の構造と成っており、又、前記電解液室（４）の一端面は、別途電解液（Ｃ）の循環排出及び酸化物（Ｂ）の排出を許す循環排出口（４２）の構造となっている事を特徴とする請求項１に記載の粉末燃料電池。
【請求項９】
前記電解液室（４）の一端面は、電解液（Ｃ）の通過を許す補充口（４１）の構造と成っており、又前記電解液室（４）の底端部分は、電解液（Ｃ）及び酸化物（Ｂ）の排出を許す排出口（４３）の構造となっている事を特徴とする請求項１に記載の粉末燃料電池。
【請求項１０】
前記ガス拡散電極（５）は、第二フレーム体（５１）に形成・固定されていることを特徴とする請求項１に記載の粉末燃料電池。
【請求項１１】
前記ガス入り口（５２）及び前記ガス出口（５３）は、隣接しない両頂点の対角線上に設置されることによって、酸化剤が前記ガス入り口（５２）から任意のガス流通路（５４）を経由してガス出口（５３）に至る時、すべて等距離でガス入り口（５２）からガス出口へ流動できることを特徴とする請求項１に記載の粉末燃料電池。
【請求項１２】
前記ガス流通路（５４）は、突柱（５５）によって間隔的に設置形成されていることを特徴とする請求項１１に記載の粉末燃料電池。
【請求項１３】
前記ガス流通路（５４）は、導電突柱（５５”）によって間隔的に設置形成されていることを特徴とする請求項１１に記載の粉末燃料電池。
【請求項１４】
前記ガス流通路（５４）は、突柱（５５）及び導電突柱（５５”）によって間隔的に設置形成されていることを特徴とする請求項１１に記載の粉末燃料電池。
【請求項１５】
前記ガス拡散電極（５）は、ガス流通路（５４）の反面に、別途絶縁隔膜（５６）を被覆してショートを防止してよいことを特徴とする請求項１１に記載の粉末燃料電池。
【請求項１６】
前記電流データ収集機（１）には、更に突柱（５５）を含むことを特徴とする請求項１に記載の粉末燃料電池。
【請求項１７】
電流データ収集機（１’）と、
第一フレーム体（２’）と、
第一フレーム体（３１’）に形成・固定され、ガス入り口（３２’）及びガス出口（３３’）によって連結されているガス拡散電極（３’）と、
補充口（４１’）及び循環排出口（４２’）を設けた第二フレーム体（４’）と、
第二フレーム体（５１’）に形成・固定された多孔性隔膜（５’）と、
開口（６１’）を設けた第三フレーム体（６’）と、
を含むことを特徴とする粉末燃料電池。
【請求項１８】
前記第一フレーム体（２’）には、ガス入り口（２１’）及びガス出口（２２’）を設けてあることを特徴とする請求項１７に記載の粉末燃料電池。
【請求項１９】
前記電流データ収集機（１’）及びガス拡散電極（３’）の間に一定のスペースを形成して、ガス流通路（３４’）としたことを特徴とする請求項１７に記載の粉末燃料電池。
【請求項２０】
前記ガス拡散電極（３’）及び多孔性隔膜（５’）の間に一定のスペースを形成して、電解液室としたことを特徴とする請求項１７に記載の粉末燃料電池。
【請求項２１】
前記多孔性隔膜（５’）及び電流データ収集機（１’）の間に一定のスペースを形成して、粉末燃料室としたことを特徴とする請求項１７に記載の粉末燃料電池。
【請求項２２】
前記多孔性隔膜（５’）及び第二フレーム体（４’）は、一体構成されうることを特徴とする請求項１７に記載の粉末燃料電池。
【請求項２３】
前記多孔性隔膜（５’）、第二フレーム体（４’）及び第三フレーム体（６’）は、一体構成したことを特徴とする請求項１７に記載の粉末燃料電池。
【請求項２４】
導電材料で構成され、電子伝導を収集するための電流データ収集機（１’）と、
底部に多孔性隔膜（７１）を被覆してあるフレーム体（７）と、
フレーム体（７）の中に設置され、補充口（２１”）及び排出口（２１”）を設け、粉粒状燃料（Ａ）及び電解液（Ｃ）の貯蔵スペースを提供し、電池の酸化反応を行うための燃料電解液室（２”）と、
絶縁隔膜（５６）を被覆してショートを防止し、酸化剤を触媒として電子及びイオン伝導を取得するためのガス拡散電極（５）と、
を含むことを特徴とする粉末燃料電池。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【公開番号】特開２００８−３００３５６（Ｐ２００８−３００３５６Ａ）
【公開日】平成２０年１２月１１日（２００８．１２．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１４４３１０（Ｐ２００８−１４４３１０）
【出願日】平成２０年６月２日（２００８．６．２）
【出願人】（５０８１６５１０２）
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１２月１１日（２００８．１２．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年６月２日（２００８．６．２）
【出願人】（５０８１６５１０２）
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]