JP4392823B2

JP4392823B2 - 固体電解質型燃料電池

Info

Publication number: JP4392823B2
Application number: JP2002339694A
Authority: JP
Inventors: 守成松浦; 好次南川; 勝茂林; 精二郎須田; 洲鵬李; 邦仁荒井
Original assignee: Mitsubishi Gas Chemical Co Inc
Current assignee: Mitsubishi Gas Chemical Co Inc
Priority date: 2002-11-22
Filing date: 2002-11-22
Publication date: 2010-01-06
Anticipated expiration: 2022-11-22
Also published as: JP2004172075A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、酸素の供給を改良した固体電解質型燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体電解質型燃料電池に用いられるイオン交換膜の種類は、陽イオン交換膜、陰イオン交換膜（アニオン交換膜）に分かれ、さらに陽イオン交換膜はプロトン交換膜とカチオン交換膜に分かれる。プロトン交換膜を用いた燃料電池ではアノードからカソードへプロトンが供給移動するため、空気及び酸素を酸化剤としてカソード側に供給により水が生成し、発電が可能となる。
【０００３】
しかしながら、カチオン及びアニオン交換膜を用いた燃料電池では、プロトン交換膜を用いる燃料電池と異なり、カソードの反応物質として酸素と水を必要とするため、一般に空気の加湿などによる外部から水分の供給が必要である。従って、アニオン及びカチオン交換膜を用いた燃料電池への水の供給はカソード性能を向上させるのに大きな要因となる。
【０００４】
一般的に燃料電池に用いられる酸化剤としては、コストの面から空気が使用される。このような場合、水分のカソードへの供給方法として、空気の水への通気などにより行われている。しかし、この方法には２つの課題がある。一つ目として、燃料電池の発電に利用されない空気中に存在する窒素を外気に戻すときに、加湿分の水分が空気中に放出されてしまうこと、２つ目として、加湿用として必要とされる水分量が窒素を外気に戻すときに放出されるため理論量より多くの水が必要となることである。
【０００５】
これらの課題を解決するには、窒素を外気に戻す必要性のある空気を使用せずに純酸素を使用することが好ましい。しかし、純酸素の取り扱うことは、保存容器、体積及びコストの点から実用的ではない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、上記したような課題を解決して、効率のよい燃料電池を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、燃料電池の酸素供給源について鋭意研究を重ねた結果、酸素供給源として過酸化水素を分解して発生した酸素を用いることにより、水蒸気の供給も同時に行えることを見出し、本発明に到達した。即ち本発明は、過酸化水素水溶液を過酸化水素分解触媒と接触させ、発生した酸素及び水蒸気をカソードに供給することを特徴とする燃料電池に関するものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明が適用される燃料電池は、一般に電解質としてイオン交換膜を使用する固体電解質型燃料電池である。そのようなカソードとアノードを分画しているイオン交換膜は燃料及び酸化剤の両方に対して耐食性を有する材料で構成されていることが必要である。
【０００９】
このイオン交換膜はアニオン交換膜、すなわちカソードにおいて酸素が水と反応して生成する水酸化物イオンを透過するものでもよいし、また、プロトン交換膜、すなわちアノードで生じるプロトンを透過するものであっても良い、さらに、カチオン交換膜、すなわちアノードに供給されるカチオンを透過するものであっても良い。このようなイオン透過膜の代表的なものとして、スチレン−ジビニルベンゼン共重合体にスルホン酸基や第四級アンモニウム塩基を導入した膜や、ポリビニルベンジルトリメチルアンモニウムクロリド、ポリスチレンスルホン酸ナトリウムを水−アセトン−臭化ナトリウムに溶解して得た膜、アクリロニトリル−メタクリルスルホン酸ナトリウム共重合体膜、パーフルオロスルホン酸膜などを挙げることができる。これらの透過膜は市販品として容易に入手することができる。特に好ましいのは、プロトン及びカチオンを透過しうる高分子電解膜、例えば、ナフィオン（デュポン社製）である。
【００１０】
次に、本発明におけるカソード及びアノードの電極材料としては、例えば炭素、白金を分散した炭素や鉄、ニッケル、クロム、銅、白金、パラジウムのような金属やそれらの合金が用いられる。発電効率や耐久性がよく、低コストという点でニッケル又はニッケル・クロム合金の多孔体、例えば粒状焼結体や発泡体を基材とし、その表面に白金、パラジウムのような貴金属をめっきしたものが好ましい。カソードとしては、その表面で酸素の還元反応が容易に進行する導電性材料が好ましい。また、カソードには、酸素呼吸材料、すなわち酸素ガスと接触して酸素を可逆的に吸収、放出しうる材料も用いることができる。また、アノードとしては、上記の電極材料を用いてもよい。
【００１１】
本発明における電極は、一方の側を陽極とし、他方の側を陰極とした両極電極として構成することもできる。電極の形状は任意であり、目的に応じて種々の形状、例えばシート状、管状、円筒状、方体状、球状などにすることができる。また、発泡体状やコロイド状、粉体状に形成することもできる。
【００１２】
本発明では、好ましくは１０〜６５重量％の過酸化水素水溶液を用いることにより、所望の加湿酸素を安定に得ることができる。本発明に用いられる過酸化水素分解触媒としては、過酸化水素分解能を有する貴金属、遷移金属、酸化物などから任意に選ばれる。具体例としては、白金、パラジウム、オスミウム、イリジウム、金、銀、銅、鉄、コバルト、マンガン、クロム、ニッケル、鉛、亜鉛、二酸化マンガンなどが挙げられる。このような過酸化水素の分解触媒は、その分解方法に応じて、粉粒状、棒状、板状、多孔板状、網状あるいは各種の単体に担持した形態で用いられる。
【００１３】
本発明における過酸化水素の分解方法としては、過酸化水素を過酸化水素分解触媒に通液することによって少量ずつ接触させる方法や、過酸化水素に過酸化水素分解触媒を浸漬する方法などが用いられる。過酸化水素を過酸化水素分解触媒に通液する方法は、過酸化水素の濃度、触媒との接触速度又は通液速度を変えることにより、加湿酸素の発生量及び発生速度を容易に制御できるため、比較的大量の過酸化水素を一定速度で分解するのに適している。過酸化水素に過酸化水素分解触媒を浸漬する方法は、過酸化水素の濃度、触媒の比表面積又は濃度を変えることにより加湿酸素の発生量及び発生速度を制御できるため、比較的少量の過酸化水素を分解するのに適している。
【００１４】
次に添付図面を用いて、過酸化水素分解の一方法として燃料電池の直前に設けた過酸化水素の過酸化水素分解触媒への通液による過酸化水素分解方法を説明する。図１において、ポンプ（３）により過酸化水素を過酸化水素分解触媒（２）と接触させ、そのとき生じた、酸素及び水蒸気は過酸化水素分解触媒の上部から抜け出し、燃料電池（１）のカソードに供給される。分解時に発生した凝縮水は、過酸化水素分解触媒の下方から抜け、水受けに貯まる。
【００１５】
【実施例】
次に、実施例および比較例により本発明をさらに具体的に説明する。但し、本発明は以下の実施例により制限されるものではない。
【００１６】
実施例１
アノードとして、水素吸蔵合金（ＬａＮｉ_4.7Ａｌ_0.3）の粉末（平均粒子径７５μｍ）をニッケルメッシュ（２００メッシュ）で挟んだ後、ローラプレスによりプレート状（２０×３０×２ｍｍ）に圧縮成形したものを使用した。カソードとして、カーボンシート（東レ社製）に白金粒子を担持して、その２０×３０ｍｍを切り取り使用した。上記のアノードとカソードの間を、カチオン交換型高分子電解質膜（デュポン社製，商品名「Ｎａｆｉｏｎ」Ｎ−１１７）により隔離した。
【００１７】
次に、アノード側に２０質量％ＮａＯＨ水溶液にＮａＢＨ₄を１０質量％の濃度で溶解した溶液を通液、またカソード側には、６０％過酸化水素水溶液２０ｍｌに二酸化マンガン６０ｍｇを投入することにより発生した、８０℃の酸素と水蒸気を３０分供給した。このとき、アノードとカソードの間に負荷をかけ、そのとき発生した発生電圧と発生電流を測定した。結果は電流密度１０ｍＡ／ｃｍ２、電圧１０６６ｍＶ及び電流密度３０ｍＡ／ｃｍ２、電圧６５０ｍＶであった。
【００１８】
比較例１
カソードへ純酸素のボイラー通気により作製した加湿酸素のみを供給した。それ以外は、実施例１と同様の実験を行った。このようにして得た発生電圧と発生電流は、電流密度１０ｍＡ／ｃｍ２、電圧１００８ｍＶ及び電流密度３０ｍＡ／ｃｍ２、電圧６９１ｍＶであった。
【００１９】
比較例２
カソードへ純酸素のみを供給した。それ以外は、実施例１と同様の実験を行った。このようにして得た発生電圧と発生電流は、電流密度０．３３ｍＡ／ｃｍ２、電圧７８３ｍＶであった。
【００２０】
【発明の効果】
本発明により、純酸素及び加湿用の水を別途に準備する必要なく燃料電池に加湿された酸素を供給することが可能である。また、過酸化水素分解の反応熱を利用することにより、供給酸素の温度を高く維持できるためにカソード性能がさらに向上される。さらに、空気を使用しないため、燃料電池に反応に使用されない窒素を外気に放出する必要性がなく、それと同時に放出される水も押さえることができる。このため、空気を加湿する燃料電池と比較して水の必要量を理論量に近づけることが可能となり、その結果、空気を加湿する燃料電池と比較してセル全体を軽くすることが可能となる。また、純酸素を保存する堅牢で重い容器を使用する必要性がないため、さらにセルを軽くすることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池
【符号の説明】
１燃料電池
２過酸化水素分解触媒
３ポンプ
４水受け
５過酸化水素

Claims

過酸化水素水溶液を過酸化水素分解触媒と接触させ、発生した酸素及び水蒸気をカソードに供給する燃料電池であって、（１）過酸化水素濃度が１０〜６５重量％である過酸化水素水溶液を用いて、（２）該過酸化水素水溶液を過酸化水素分解触媒に通液して酸素及び水蒸気を発生させ、又は該過酸化水素水溶液に過酸化水素分解触媒を浸漬して酸素及び水蒸気を発生させ、（３）過酸化水素分解の反応熱を利用した加湿酸素をカソードに供給することを特徴とする固体電解質型燃料電池。
過酸化水素分解触媒が二酸化マンガンである請求項１記載の固体電解質型燃料電池。