JP2007087924A - アルカリ型燃料電池 - Google Patents
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Abstract
【課題】性能向上が図れて、電解液の流動性による断電発生及び電池機能の損傷を防ぐことができ、低価格な金属電極を使用したアルカリ型燃料電池を提供する。
【解決手段】耐アルカリまたは耐酸性を有し、粉末粒度が５０〜２００μｍの範囲内で、珪素と酸化チタンの混合粉末からなるセラミック粉末を素材として製造された多孔性電解膜が電解液室に埋め込まれる。水素極の触媒素材は、ニッケル６５％、アルミ３５％の触媒合金に、結合剤としてＰＴＦＥ７％、１％のカーボンブラックを添加したものである。酸素極の素材は、カーボンブラック上に銀の粒子を担持させたＡｇ／Ｃにおいて銀が４．５ｍｇ／ｃｍ２に対してＰＴＦＥ７％を添加したものである。電極の触媒膜の素材は、水素吸着力と耐腐食性があり広い表面積を有するニッケルまたは銀の粉末である。
【選択図】図１
【解決手段】耐アルカリまたは耐酸性を有し、粉末粒度が５０〜２００μｍの範囲内で、珪素と酸化チタンの混合粉末からなるセラミック粉末を素材として製造された多孔性電解膜が電解液室に埋め込まれる。水素極の触媒素材は、ニッケル６５％、アルミ３５％の触媒合金に、結合剤としてＰＴＦＥ７％、１％のカーボンブラックを添加したものである。酸素極の素材は、カーボンブラック上に銀の粒子を担持させたＡｇ／Ｃにおいて銀が４．５ｍｇ／ｃｍ２に対してＰＴＦＥ７％を添加したものである。電極の触媒膜の素材は、水素吸着力と耐腐食性があり広い表面積を有するニッケルまたは銀の粉末である。
【選択図】図１
Description
本発明は、性能を向上させたアルカリ型燃料電池に係り、より詳細には、電解液室内での電解液の流動性による断電発生及び電池機能の損傷を防いで、定置型ではなく移動型として適したものとするとともに、低価格な金属電極を使用して常用化を容易としたアルカリ型燃料電池に関する。
既存のアルカリ型燃料電池は、通常、電解槽でアルカリ電解液を触媒反応に適した５０〜８０℃の温度に上昇させた後、燃料電池の電解液室内にポンプでポンピングする。電解液は触媒膜に染み込んで、触媒反応によって生じるイオンの移動が容易となるように電解液室内の空間を液状に満たす。この状態から、電解液は流動されて再び電解槽に戻る。そして再度電解液室内に移動される。燃料電池の稼動時、電解液は、このように連続的に繰り返して循環される。
この過程中、搭載した燃料電池自体が動くと、電解液室内の電解液は力が偏った方向に追われて、反対側の電解室の壁に空き空間が生じてイオンの移動を邪魔し、燃料電池としての機能が停止される断電現象が発生する。
このような問題点を克服して、組み立て時または稼動中の外圧による電解液室及び電極の変形などの問題も含めて解決するため、本発明は、多孔性電解膜で電解液室を満たすようにしたものである。
最近の例では、プラスチックメッシュまたはガラス繊維等で電解液室を満たし、電解液の流動圧が電極の壁に直接加えられないようにして、シリンダ部と電極の壁の損傷及び変形を防いだものがある。しかし、燃料電池自体が急激に動かされ場合の電解液の流動が偏る現象を阻止するには不十分である。依然として、局部的に不均一な稠密構造を有しているから、電解液室内の電解液の円滑な循環に障害を起こす。また、電極の壁の支持も不十分であるから、電極の変形またはシリンダ部に損傷を起こして、長時間の使用時には性能の劣化をきたす。
電解液側の電極の壁になる電極の触媒膜素材は、主に白金カーボン素材が使用されている。この素材は貴金属で高価であるから、これに替わる低価格な素材の研究開発が続けられている。例えば、ニッケルとアルミニウムの合金から、アルミニウムを溶融除去したものはラネー触媒（またはラネー金属）として知られる。しかし、ラネー金属や担持金属は、まだ実用化されていない状況にある。
特開２００２−８７０６号公報
本発明の目的は、性能向上が図れて、電解液の流動性による断電発生及び電池機能の損傷を防ぐことができ、低価格な金属電極を使用したアルカリ型燃料電池を提供することにある。
前記目的を達成するために、本発明による請求項１のアルカリ型燃料電池は、耐アルカリまたは耐酸性を有し、粉末粒度が５０〜２００μｍの範囲内で、珪素と酸化チタンの混合粉末からなるセラミック粉末を素材として製造された多孔性電解膜が、水素極と酸素極の間の電解液室に埋め込まれていることを特徴とする。
本発明による請求項２のアルカリ型燃料電池は、水素極の触媒材料が、重量比（ｗｔ％）がニッケル６５％、アルミ３５％の触媒合金に、結合剤としてＰＴＦＥ（ポリテトラフロエラエチレン）７％、さらに１％のカーボンブラックを添加したものであることを特徴とする。
本発明による請求項３のアルカリ型燃料電池は、カーボンブラック上に銀の粒子を担持させたＡｇ／Ｃの銀が４．５ｍｇ／ｃｍ２に対してＰＴＦＥ（ポリテトラフロエラエチレン）７％を添加したものであることを特徴とする。
本発明による請求項４のアルカリ型燃料電池は、電極の触媒膜の素材が、水素吸着力と耐腐食性があり広い表面積を有するニッケルまたは銀の粉末であることを特徴とする。
本発明の請求項１によれば、電解液室に、５０〜２００μｍ範囲内にある珪素と酸化チタンの混合粉末を素材として製造された多孔性電解膜を埋め込んだので、燃料電池自体が動いても、電解液室内の電解液が一緒に動くことがなく断電現象を防止できる。電解液室の多孔性電解膜は電極を押さえるから、組み立て時あるいは実際の使用時、電極の変形を防ぎ、耐久性を向上させることができる。
本発明の請求項２によれば、水素極の触媒材料であるニッケルとアルミに、カーボンブラックが加えられるから、水素極の分極抵抗を下げることができる。つまり、水素極の電圧降下をより小さくできる。また、この水素電極によれば、既存の触媒電極の問題点である物質伝達の抵抗も下げるので、電解液が拡散膜側にあふれ出す現象を効果的に遮断することができる。
本発明の請求項３によれば、Ａｇ／ＣにＰＴＦＥを添加した材料の酸素極によれば、水素極と酸素極の単位電極における性能向上の目標であるＭａｘ．３５０ｍＡ／ｃｍ２に均衡させることができる。
本発明の請求項４によれば、触媒膜の素材をニッケルまたは銀の粉末としたので、白金カーボン素材である貴金属の触媒膜より安価な代替素材とすることができる。
以下、添付の図面を参照して本発明の実施例について詳細に説明する。
図１は、本発明によるアルカリ型燃料電池のスタック構成図である。電池スタック７は、左手前側から右奥に向かって、水素ガス１６のチャンバ、水素極１、多孔性電解膜４、酸素極２、酸素ガス１７のチャンバの順に配置される。多孔性電解膜４は水素極１と酸素極２に挟み込まれる形となる。そのため、電池スタック７が動いても電解液が偏る現象が発生しないようにできる。また、多孔性電解膜４は水素極１と酸素極２を押さえることにもなるから、各電極の変形が起こらないようにできる。水素ガス１６は水素燃料供給口８から供給され、水素燃料排出口１１から出る。酸素ガス１７または空気は、酸素燃料供給口９から供給され、酸素燃料排出口１２から出る。電解液１５は電解液供給口１０から供給され、電解液排出口１３から出る。
多孔性電解膜４の材料は、電解液に強く、耐アルカリ性または耐酸性のセラミック粉末素材である珪素と酸化チタンの混合粉末を使って製造する。粉末素材の粉末粒度は５０〜２００μｍの範囲内の粉末素材を使って製造する。主に板状に形成して、低圧の電解液を吸い込むのに適した構造としている。多孔性電解膜４は水素極１と酸素極２の間に位置する。
図２は、本発明によるアルカリ型燃料電池の電極構成図である。電極は、図２に示すように、拡散膜５と触媒膜６で構成される。水素燃料供給口８から供給された水素ガスは水素極１の拡散膜５にしみ込む。酸素燃料供給口から供給された酸素ガスまたは空気は、酸素極２の拡散膜５にしみ込む。電解液供給口１０から供給された電解液は、多孔性電解膜４にしみ込んで通過し、均一な圧力の電解液となって触媒膜６にしみ込む。電極の気液接触面での酸化、還元反応によって電子とイオンを生成して電気を発生する。反応式は次の式で表される。生成物である水（Ｈ２Ｏ）は、電解液の排出口から排出される。
水素極：Ｈ２ → ２Ｈ＋ ＋ ２ｅ−
酸素極：２Ｈ＋ １／２・Ｏ２ ＋ ２ｅ− → Ｈ２Ｏ
トータル：Ｈ２ ＋ １／２・Ｏ２ → Ｈ２Ｏ
水素極：Ｈ２ → ２Ｈ＋ ＋ ２ｅ−
酸素極：２Ｈ＋ １／２・Ｏ２ ＋ ２ｅ− → Ｈ２Ｏ
トータル：Ｈ２ ＋ １／２・Ｏ２ → Ｈ２Ｏ
水素極１の拡散膜５は、ニッケル６５％とアルミ３５％の触媒合金に、ＰＴＦＥ７％とカーボンブラック１％を添加したものである。酸素極２の拡散膜５は、カーボンブラック上に銀の粒子を担持させたＡｇ／ＣにＰＴＦＥ７％を添加したものである。アルカリ型燃料電池の電極の触媒膜は、これまで白金カーボン素材が主であったが、耐腐食性に優れたニッケルまたは銀の粉末素材が、水素吸着力と広い表面積を持っていることから、貴金属である白金カーボン触媒膜を代替する素材として選択した。
図３は、本発明によるアルカリ型燃料電池の多孔性電解膜の構成図である。多孔性電解膜４は、珪素と酸化チタンの混合粉末からなるセラミック粉末を素材として製造される。多孔性電解膜４は板状で多数の気孔１４を有する。図３の右側の黒い丸は、ニッケル網（Ｎｉｃｋｅｌ Ｓｃｒｅｅｎ）である。
本発明は、アルカリ型燃料電池に好適である。
１ 水素極
２ 酸素極
３ 電解液室
４ 多孔性電解膜
５ 拡散膜
６ 触媒膜
７ 電池スタック
８ 水素燃料供給口
９ 酸素燃料供給口
１０ 電解液供給口
１１ 水素燃料排出口
１２ 酸素燃料排出口
１３ 電解液排出口
１４ 気孔
１５ 電解液
１６ 水素ガス
１７ 酸素ガス
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１２ 酸素燃料排出口
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１６ 水素ガス
１７ 酸素ガス
Claims (4)
- 耐アルカリ性または耐酸性を有し、粉末粒度が５０〜２００μｍの範囲内で、珪素と酸化チタンの混合粉末からなるセラミック粉末を素材として製造された多孔性電解膜が、水素極と酸素極の間の電解液室に埋め込まれていることを特徴とするアルカリ型燃料電池。
- 水素極の触媒材料が、重量比（ｗｔ％）がニッケル６５％、アルミ３５％の触媒合金に、結合剤としてＰＴＦＥ（ポリテトラフロエラエチレン）７％、さらに１％のカーボンブラックを添加したものであることを特徴とするアルカリ型燃料電池。
- 酸素極の材料が、カーボンブラック上に銀の粒子を担持させたＡｇ／Ｃの銀が４．５ｍｇ／ｃｍ２に対してＰＴＦＥ（ポリテトラフロエラエチレン）７％を添加したものであることを特徴とするアルカリ型燃料電池。
- 電極の触媒膜の素材が、水素吸着力と耐腐食性があり広い表面積を有するニッケルまたは銀の粉末であることを特徴とするアルカリ型燃料電池。
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