JP2014165109A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】クロスオーバーを防ぎつつアノードへ燃料の供給を促進して発電効率の向上を図ることができる。
【解決手段】互いに対向配置されたアノード６およびカソード７と、アノード６とカソード７との間に設けられ、アノード６が配置されて還元性を有する液体の第１の燃料Ｘが供給される第１の燃料室３とカソード７が配置されて酸化性を有する第２の燃料Ｙが供給される第２の燃料室４とを隔離する電解質膜５と、第１の燃料室３に電解質膜５側からアノード６に向かう電気浸透流Ｅを発生させる電気浸透流発生手段８とを備える燃料電池１を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池に関するものである。

従来、電気浸透流ポンプを用いてアノードへの燃料の供給を促進することによって発電効率の向上を図った燃料電池が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

特許第４９２２９３３号公報

しかしながら、特許文献１に記載の燃料電池において、電気浸透流ポンプによってアノードに向かって供給される燃料が、アノードを通過した後に流動方向の前方に位置する電解質膜にぶつかることにより、燃料が電解質膜を通過してカソード側へ流出するクロスオーバーという現象が促進される。このクロスオーバーによってアノード用の燃料がカソードで酸化反応することにより、起電力が低下し発電が阻害されてしまうという問題がある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、クロスオーバーを防ぎつつアノードへ燃料の供給を促進して発電効率の向上を図ることができる燃料電池を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は以下の手段を提供する。
本発明は、互いに対向配置されたアノードおよびカソードと、前記アノードと前記カソードとの間に設けられ、前記アノードが配置されて還元性を有する液体の第１の燃料が供給される第１の燃料室と前記カソードが配置されて酸化性を有する第２の燃料が供給される第２の燃料室とを隔離する電解質膜と、前記第１の燃料室に前記電解質膜側から前記アノードに向かう電気浸透流を発生させる電気浸透流発生手段とを備える燃料電池を提供する。

本発明によれば、アノードにおいて第１の燃料が酸化されることによって第１の燃料から電子が放出され、この電子を用いてカソードにおいて第２の燃料が還元される。このときのアノードからカソードに移動する電子を外部において電気エネルギーとして取り出すことができる。

この場合に、第１の燃料室においては、電気浸透流発生手段が発生した電気浸透流によって、電解質膜側からアノードへ向かう第１の燃料の流動が生じる。これにより、アノードへの第１の燃料の供給を促進して発電効率を向上することができる。また、電気浸透流およびこれによって生じる第１の燃料の流動の方向は、クロスオーバーを促進する第１の燃料の流動方向とは逆方向であるので、第１の燃料のクロスオーバーを防ぐことができる。

上記発明においては、前記電気浸透流発生手段が、前記アノードおよび前記電解質膜の配列方向に配列された、多孔質からなる一対の電極および該一対の電極の間に介在する多孔質からなる誘電体を有し、前記一対の電極の間に前記電気浸透流を発生する電気浸透流ポンプを備えていてもよい。
このようにすることで、簡易な構成で電気浸透流を発生することができる。

また、上記発明においては、前記一対の電極が、前記アノードを間に挟んで配置されていてもよい。
このようにすることで、アノードを横切る電気浸透流を発生させて、アノードへの第１の燃料の供給効率をさらに向上することができる。

また、上記発明においては、前記電気浸透流ポンプの、一方の前記電極が前記第１の燃料室に配置され、他方の前記電極が前記第２の燃料室に配置されていてもよい。
このようにすることで、アノードと電解質膜との間に介在する部材を減らし、アノードと電解質膜との間のイオンの受け渡しを効率的に行うことができる。

また、上記発明においては、前記アノードが、前記第１の燃料室の内面との間に間隔を空けて配置されていてもよい。
このようにすることで、アノードの周囲に第１の燃料が流動する流路を確保し、アノードを電解質膜側から通過した後にアノードの外面に沿ってアノードの電解質膜側へ戻る第１の燃料の循環を促進することができる。

また、上記発明においては、前記電解質膜が、アニオン交換膜であってもよい。
このようにすることで、第２の燃料室にアルカリ電解液を満たしたアニオン移動型に好適な構成することができる。

本発明によれば、クロスオーバーを防ぎつつアノードへ燃料の供給を促進して発電効率の向上を図ることができるという効果を奏する。

本発明の一実施形態に係る燃料電池の全体構成を示す断面図である。 図１の燃料電池の第１の変形例の全体構成を示す断面図である。 図１の燃料電池の第２の変形例の全体構成を示す断面図である。 図１の燃料電池の第３の変形例の全体構成を示す断面図である。 図１の燃料電池の第４の変形例の全体構成を示す断面図である。 図１の燃料電池の第５の変形例の全体構成を示す断面図である。

以下に、本発明の一実施形態に係る燃料電池１について図面を参照して説明する。
本実施形態に係る燃料電池１は、図１に示されるように、容器２と、該容器内を２つの部屋３，４に区画する電解質膜５と、該電解質膜５を間に挟んで対向配置されたアノード６およびカソード７と、アノード６が位置する第１の部屋３に配置された電気浸透流ポンプ（電気浸透流発生手段）８とを備えている。

容器２は、角筒状または円筒状であり、内部の空間が電解質膜５によって一端側の第１の部屋３と他端側の第２の部屋４とに区画されている。

第１の部屋（第１の燃料室）３は、容器２の一方の端壁、側壁および電解質膜５によって密閉された空間である。第１の部屋３には、アノード６の燃料となる、還元性を有する分子を含む燃料液（第１の燃料）Ｘが充填されている。還元性を有する分子としては、例えば、メタノール、エタノール、エチレングリコール、グリセロール等のアルコール、または、グルコース、ガラクトース等の糖が用いられる。燃料液Ｘは、硫酸や塩酸等の酸性電解質をさらに含んでいてもよい。

第２の部屋（第２の燃料室）４は、容器２の側壁および電解質膜５によって囲まれ、容器２の他端において外部に開放された空間であり、容器２の外部からカソード７の燃料となる空気が供給される。

アノード６およびカソード７は、平板状であり、電解質膜５に略平行に配置されている。また、カソード７は、第２の部屋４において、電解質膜５および容器２の側壁の内面と密着して第２の部屋４を密閉するように配置され、電解質膜５とは反対側の面の少なくとも一部が、容器２の外部に露出されている。また、アノード６およびカソード７は、容器２の外部を通る配線９によって互いに電気的に接続されている。

アノード６は、燃料液Ｘを酸化する電極であり、導電性材料からなる多孔質の基材と、該基材に担持され、燃料液Ｘの酸化反応を促進する触媒としての金属粒子とを備えている。基材の材料としては、カーボンが好適に用いられるが、ジルコニアやセリア等の酸化物にカーボン等の導電性材料が混合されてものが用いられてもよい。金属粒子の材料としては、白金、ルテニウム、ロジウム、金、銀等の貴金属や、コバルト、ニッケル、銅、鉄、マンガン、ニオブ、鉛等の卑金属、または、これら貴金属および卑金属の酸化物が好適に用いられる。これら金属および酸化物を組み合わせた２元系以上の金属や、２種類以上を含む合金が用いられてもよい。あるいは、触媒として、酵素およびメディエータが用いられてもよい。

カソード７は、空気に含まれる酸素（第２の燃料）Ｙを還元する電極であり、導電性材料からなる多孔質の基材と、該基材に担持され、酸素Ｙの還元反応を促進する触媒としての金属粒子とを備えている。基材の材料としては、カーボンが好適に用いられる。金属粒子の材料としては、白金が好適に用いられる。

電解質膜５は、水素イオンを選択的に透過させる性質を有するプロトン交換膜であり、アノード６での燃料液Ｘの酸化反応によって発生した水素イオンを、第１の部屋３からカソード７へ伝達する。

電気浸透流ポンプ８は、対向配置される一対の板状の電極８ａ，８ｂと、これら電極８ａ，８ｂの間において対向配置される一対の板状の誘電体８ｃ，８ｄと、一対の電極８ａ，８ｂ間に電圧を印加する電源８ｅとを備えている。

電極８ａ，８ｂおよび誘電体８ｃ，８ｄは、アノード６および電解質膜５の配列方向に沿って配列されており、一対の誘電体８ｃ，８ｄの間にアノード６が挟まれている。また、電極８ａ，８ｂおよび誘電体８ｃ，８ｄは、燃料液Ｘが通過可能な多孔質からなる。
電気浸透流ポンプ８は、電源８ｅから一対の電極８ａ，８ｂ間に電圧を印加することによって、電解質膜５側に位置する一方の電極８ａから誘電体８ｃ，８ｄおよびアノード６を横切って他方の電極８ｂへ向かう電気浸透流Ｅを発生させる。

ここで、アノード６、電極８ａ，８ｂおよび誘電体８ｃ，８ｄからなるユニットは、容器２の一端壁および側壁の内面との間に間隔を空けて配置されている。これにより、このユニットの周囲には燃料液Ｘが容易に流動可能な流路が確保され、破線矢印で示されるように、電解質膜５側からアノード６を通過した後に容器２の内面に沿って電解質膜５側へ戻る燃料液Ｘの循環経路が第１の部屋３に形成される。

電極８ａ，８ｂの材料としては、白金、金、銀、カーボン、ステンレス鋼等の導電性材料が好適に用いられる。特に、電極８ａ，８ｂは、カーボンペーパのような、燃料液Ｘと干渉しないカーボンからなる多孔質材料からなることが好ましい。

誘電体８ｃ，８ｄは、多孔質体、または、繊維もしくは粒子の充填層からなる。誘電体８ｃ，８ｄの材料としては、シリカ、アルミナ、チタニア、ジルコニア、酸化セリウム、酸化ランタン、酸化イットリウム、酸化ハフニウム、酸化マグネシウム、酸化タンタル、シリコン窒化物、ホウケイ酸塩、バイコール、プラスチックおよび石膏のいずれか、または、これらの混合物が好適に用いられる。誘電体８ｃ，８ｄの細孔径は、０．１μｍ〜８．０μｍであることが好ましく、誘電体８ｃ，８ｄの平均気孔率は、２５％〜５２％であることが好ましい。誘電体８ｃ，８ｄは、必要に応じて親水性処理が施されていてもよい。

電源８ｅは、容器２の外部に配置されており、一対の電極８ａ，８ｂ間に、好ましくは３０Ｖ以下の電圧を印加する。電源８ｅとしては、リチウムイオン電池のような２次電池、燃料電池、または、安定化電源等の専用の電源が用いられる。
なお、電気浸透流Ｅが発生するためには、燃料液Ｘが適切な電気的性質を有する必要がある。したがって、燃料液Ｘは、誘電体８ｃ，８ｄのゼータ電位が得られる適切なｐＨおよび導電率を有するように調整されおり、緩衝液を含んでいてもよい。

次に、このように構成された燃料電池１の作用について以下に説明する。
本実施形態に係る燃料電池１によれば、アノード６において燃料液Ｘに含まれるアルコールまたは糖等の分子が酸化されることによって、該分子から電子が放出されると共に水素イオンが生成する。放出された電子は、アノード６から配線９を通ってカソード７に移動する。一方、生成された水素イオンは、電解質膜５を介してカソード７に移動する。カソード７においては、空気中の酸素Ｙが、アノード６からの電子を用いて還元される。このときのアノード６からカソード７へ配線９を介して移動する電子を、配線９の途中位置において電気エネルギーとして取り出すことができる。

この場合に、本実施形態によれば、電気浸透流ポンプ８が発生する電気浸透流Ｅによって、アノード６を厚さ方向に通過して容器２の内面に沿って再びアノード６へ戻る燃料液Ｘの循環流が発生する。これにより、新鮮な燃料液Ｘのアノード６への供給と、アノード６において発生した反応生成物の除去とが連続的に行われるので、発電効率を向上することができるという利点がある。さらに、電気浸透流Ｅおよび燃料液Ｘの循環流は、電解質膜５近傍において電解質膜５側からアノード６に向かって流れるので、アノード６側から電解質膜５に向かって流れる燃料液Ｘは押し戻される。これにより、燃料液Ｘが電解質膜５を通過して第２の部屋４に流出するクロスオーバーを防ぐことができるという利点がある。

なお、電気浸透流Ｅの方向が、電解質膜５における水素イオンの移動方向とは逆方向になっているが、水素イオンは、燃料電池１の発電に伴う電解質膜５の両側の電荷のバランスを保つために電気浸透流Ｅの有無に関係なく移動するため、電気浸透流Ｅが水素イオンの移動に影響を与えることはない。

次に、本実施形態に係る燃料電池１の変形例について説明する。
（第１の変形例）
本実施形態の第１の変形例に係る燃料電池１０１は、図２に示されるように、第１の部屋３内の角部に設けられた保護部材１０を備えている点において、燃料電池１と異なっている。保護部材１０は、角をなして隣接する２つの面同士を滑らかに接続する曲面１０ａを有している。
このようにすることで、第１の部屋３において、角部でも燃料液Ｘを滑らかに流動させて燃料液Ｘをさらに滑らかに循環させることができ、発電効率をさらに向上することができる。

（第２の変形例）
本実施形態の第２の変形例に係る燃料電池１０２は、図３に示されるように、もう２つの電気浸透流ポンプ８１，８２を備えている点において、燃料電池１と異なっている。もう２つの電気浸透流ポンプ８１，８２は、一対の電極８ａ，８ｂと、これら電極８ａ，８ｂの間に配置される単一の誘電体８ｃと、一対の電極８ａ，８ｂ間に電圧を印加する電源８ｅとを備えている。これら電気浸透流ポンプ８１，８２は、アノード６と容器２の側壁との間に配置され、循環流の流動方向に沿ってアノード６に向かう電気浸透流Ｅを発生させるようになっている。
このようにすることで、燃料液Ｘの流動方向をより整えて、アノード６へさらに効率的に燃料液Ｘを供給することができる。

（第３の変形例）
本実施形態の第３の変形例に係る燃料電池１０３は、図４に示されるように、カソード７が、電解質膜５との間に間隔を空けて配置され、第２の部屋４に、水酸化ナトリウムまたは水酸化カリウム等のアルカリ電解液Ｚが充填されている点において、燃料電池１と異なっている。この構成においては、カソード７での酸素Ｙの還元反応によって生じた水酸化物イオンが、電解質膜５を介して第１の部屋３へ移動する。したがって、本変形例においては、電解質膜５として、プロトン交換膜に代えて、水酸化物イオンを選択的に透過させるアニオン交換膜が用いられる。

このようにすることで、アノード６とカソード７との間で水酸化物イオンが移動するアニオン伝導型の構成において、電解質膜５からアノード６に向かう電気浸透流Ｅによって水酸化物イオンの移動を促進することによりアノード６における水酸化物イオンの消費を促進し、発電効率を向上することができる。

なお、アニオン伝導型の燃料電池１０３においては、燃料液Ｘとして、上述したアルコールまたは糖に加えて、水酸化ナトリウム等のアルカリ性電解質をさらに含む液体が用いられてもよい。また、カソード７に担持される触媒として、上述した白金に代えて、酸化マンガンが用いられてもよい。

（第４の変形例）
本実施形態の第４の変形例に係る燃料電池１０４は、第３の変形例の燃料電池１０３のさらなる変形例であって、図５に示されるように、電気浸透流ポンプ８の構成のうち、一方の電極８ａおよび誘電体８ｃが、第２の部屋４に配置されている。

このようにしても、第３の変形例の燃料電池１０３と同様に動作することができる。また、アノード６と電解質膜５とが隣接して配置されるので、水酸化物イオンのアノード６への伝達効率を高めて発電効率を向上することができる。なお、本変形例のように、カソード７と電気浸透流ポンプ８の電極８ａとが隣接して配置される場合、カソード７と電極８ａとを互いに電気的に絶縁するために、カソード７と電極８ａとの間に図示しない絶縁部材が配置されるか、または、隙間が確保される。

（第５の変形例）
本実施形態の第５の変形例に係る燃料電池１０５は、第４の変形例の燃料電池１０４のさらなる変形例であって、図６に示されるように、一方の誘電体８ｃが電解質膜５と共通化されている。電解質膜５によって電気浸透流Ｅの発生に必要な表面電位が得られる場合には、電解質膜５が、電気浸透流ポンプの誘電体８ｃを兼ねることで、構成部材の数を削減し、小型化および低コスト化を図ることができる。

なお、本実施形態およびその変形例においては、電気浸透流ポンプ８の電極８ａ，８ｂとして、単一の部材からなるものが示されているが、電極８ａ，８ｂは、複数の部材から構成されていてもよい。また、電極８ａ，８ｂの寸法は、アノード６およびカソード７の寸法よりも、小さくても大きくてもよい。また、電極８ａ，８ｂは、互いに径方向にずれて配置されていてもよい。また、燃料液Ｘの通過を促進するために、アノード６、電極８ａ，８ｂおよび誘電体８ｃ，８ｄに、厚さ方向に貫通する貫通孔が設けられていてもよい。

１，１０１，１０２，１０３，１０４，１０５ 燃料電池
２ 容器
３ 第１の部屋（第１の燃料室）
４ 第２の部屋（第２の燃料室）
５ 電解質膜
６ アノード
７ カソード
８ 電気浸透流ポンプ（電気浸透流発生手段）
８ａ，８ｂ 電極
８ｃ，８ｄ 誘電体
８ｅ 電源
９ 配線
１０ 保護部材
１０ａ 曲面
Ｅ 電気浸透流
Ｘ 燃料液（第１の燃料）
Ｙ 酸素（第２の燃料）
Ｚ アルカリ電解液

Claims (6)

1. 互いに対向配置されたアノードおよびカソードと、
   前記アノードと前記カソードとの間に設けられ、前記アノードが配置されて還元性を有する液体の第１の燃料が供給される第１の燃料室と前記カソードが配置されて酸化性を有する第２の燃料が供給される第２の燃料室とを隔離する電解質膜と、
   前記第１の燃料室に前記電解質膜側から前記アノードに向かう電気浸透流を発生させる電気浸透流発生手段とを備える燃料電池。
2. 前記電気浸透流発生手段が、前記アノードおよび前記電解質膜の配列方向に配列された、多孔質からなる一対の電極および該一対の電極の間に介在する多孔質からなる誘電体を有し、前記一対の電極の間に前記電気浸透流を発生する電気浸透流ポンプを備える請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記一対の電極が、前記アノードを間に挟んで配置されている請求項２に記載の燃料電池。
4. 前記電気浸透流ポンプの、一方の前記電極が前記第１の燃料室に配置され、他方の前記電極が前記第２の燃料室に配置されている請求項３に記載の燃料電池。
5. 前記アノードが、前記第１の燃料室の内面との間に間隔を空けて配置される請求項１から請求項４のいずれかに記載の燃料電池。
6. 前記電解質膜が、アニオン交換膜である請求項１から請求項５のいずれかに記載の燃料電池。

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