JP2005243270A - Fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、例えばテトラヒドロホウ酸塩などの金属水素錯化合物のアルカリ水溶液からなる燃料液が供給される燃料電池に関する。 The present invention relates to a fuel cell to which a fuel liquid comprising an alkaline aqueous solution of a metal hydrogen complex compound such as tetrahydroborate is supplied.
燃料電池は、負極及び正極に夫々燃料及び酸化剤を連続的に供給し、そのときに起こる化学反応により得られるエネルギーを電気的エネルギーに変換する装置であり、環境に易しいクリーンな動力源として注目を集めている。例えば、メタノールを改質して水素リッチなガスを取り出し、この水素リッチなガスを燃料として用いる燃料電池は従来から良く知られているが、最近において水素化ホウ素ナトリウム(NaBH4)などの水素化ホウ素錯化合物の液体燃料を用いた燃料電池(ボロハイドライド燃料電池)が検討されている。例えば、水素化ホウ素ナトリウム(NaBH4)はアルカリ水溶液中において安定しており、BH4−をBO2−に変換するときの電気化学的電位がより卑になることから理論電圧が高く、また水素を発生させる改質器が不要であるなどの利点がある。この種の燃料電池は、特許文献1に記載されている。 A fuel cell is a device that continuously supplies fuel and an oxidant to the negative electrode and the positive electrode, respectively, and converts the energy obtained by the chemical reaction that takes place into electrical energy. Collecting. For example, a fuel cell that reforms methanol to extract a hydrogen-rich gas and uses this hydrogen-rich gas as a fuel has been well known, but recently, a borohydride such as sodium borohydride (NaBH4). A fuel cell (borohydride fuel cell) using a complex compound liquid fuel has been studied. For example, sodium borohydride (NaBH4) is stable in an alkaline aqueous solution, BH4 - the BO2 - theoretical voltage from the electrochemical potential is baser when converting to high, also to generate hydrogen There are advantages such as no need for a reformer. This type of fuel cell is described in Patent Document 1.
例えば、特許文献1には、図16に示すボロハイドライド燃料電池が記載されている。この燃料電池は、樹脂などの絶縁性のケース体11内を高分子電解質膜からなる透過膜12により2つの領域に区画し、一方の領域には酸化剤極13が透過膜12の一面側に接触して設けられ、また他方の領域には燃料極14が透過膜12の他面側に接触して設けられている。酸化剤極13及び燃料極14は、例えばニッケルなどの粒状焼結体或いは発泡体などの多孔質体を基材とし、その表面に白金、パラジウムなどの貴金属をメッキしたものなどが用いられる。更に酸化剤極13とケース体11の一方の側面との間には酸化剤、例えば空気を通流させる酸化剤流路部15が形成され、また燃料極14とケース体11の他方の側面との間には燃料を通流させる燃料流路部16が形成されている。
For example, Patent Document 1 describes a borohydride fuel cell shown in FIG. In this fuel cell, an
このような燃料電池においては、酸化剤流路部15に例えば加湿された空気を通流させると共に燃料流路部16に水素化ホウ素ナトリウム(NaBH4)のアルカリ水溶液である燃料を通流させると、燃料極14では下記の(1)式に示すように8電子反応が主として起こる。
In such a fuel cell, for example, when humidified air is allowed to flow through the oxidant
NaBH4+8NaOH→NaBO2+6H2O+8Na++8e−……(1)
燃料極14で生成したナトリウムイオン(Na+)は、透過膜12を通過して酸化剤極13に移動し、電子は外部に接続された図示しない回路を通して酸化剤極13に受け渡される。そして、酸化剤極13では、下記の(2)式に示すように、外部に接続された回路を通して電子が受け渡され、外部から酸化剤として供給された酸素(O2)及び水(H2O)と、透過膜12から移動してきたナトリウムイオンとが触媒作用により反応して水酸化ナトリウムを生成する。また透過膜12から移動してきた水素イオンが酸素と反応して水を生成する反応も起こっている。
NaBH4 + 8NaOH → NaBO2 + 6H2O + 8Na + + 8e − (1)
Sodium ions (Na + ) generated at the
2O2+4H2O+8Na++8e−→8NaOH……(2)
図16では燃料電池の基本構造を示しているが、実際に用いられる燃料電池スタックでは透過膜12、酸化剤極13及び燃料極14は接着剤により互に重ね合わされた膜・電極接合体として構成されている。しかしながら、透過膜12は例えば陽イオン透過性膜などからなる高分子電解質膜で作られていることから、透過膜12の両面が酸化剤極13及び燃料極14に夫々直接接触する構造にすると、製作過程あるいは構造体を燃料電池に組み込むときに透過膜12の膜表面を損傷するおそれがある。このように透過膜12が損傷すると、燃料が漏洩し所要の電気的特性が得らなくなる。
2O 2 + 4H 2 O + 8Na + + 8e − → 8 NaOH (2)
FIG. 16 shows the basic structure of the fuel cell, but in a fuel cell stack that is actually used, the
また、上記の(1)式に示すように燃料極14で生成したナトリウムイオンは、透過膜12を通過して酸化剤極13に移動するが、透過膜12に接触する燃料極14の一面側では、触媒反応によって電離したナトリウムイオンが透過膜12の表面全体に均一に分散しないことから透過膜12におけるナトリウムイオンの有効通過面積が生かされていない。また燃料極14においては下記に示す(3)式及び(4)式の反応が起こっており、そのため、発生する水素ガスの気泡が透過膜12の表面に吸着するので、同様に透過膜12におけるナトリウムイオンの有効通過面積が減り、この結果、出力電圧が低下してしまうという問題がある。
Further, as shown in the above equation (1), sodium ions generated at the
BH4−+8OH−→BO2−+6H2O+8e−……(3)
BH4−+4OH−→BO2−+2H2O+2H2+4e−……(4)
更にまた、透過膜12に接触する酸化剤極13の一面側では、上述のように(2)式の反応が起こっており、この一面側の表面部に生成された水酸化ナトリウム(NaOH)が、多孔質体である酸化剤極13の内部に溜まり、酸化剤極13における触媒反応が阻害されるという問題がある。更に、蒸発により透過膜の水分が失われてナトリウムイオンの移動抵抗が増加するため、このことが出力低下の要因にもなっている。
BH4 - + 8OH - → BO2 - + 6H2O + 8e - ...... (3)
BH4 − + 4OH − → BO2 − + 2H2O + 2H2 + 4e − (4)
Furthermore, as described above, the reaction of the formula (2) occurs on one surface side of the
本発明は係る事情に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、電離した金属イオンに対する透過膜の移動抵抗を小さくして電気特性を向上させる燃料電池を提供することにある。更に本発明の他の目的は、酸化剤極の内部に溜まる金属水酸化物を抑えることで電気特性を向上させる燃料電池を提供することにある。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a fuel cell in which electric resistance is improved by reducing the movement resistance of a permeable membrane with respect to ionized metal ions. Still another object of the present invention is to provide a fuel cell that improves electrical characteristics by suppressing metal hydroxide accumulated in the oxidizer electrode.
本発明は、燃料極と酸化剤極との間に透過膜を介在させ、燃料として金属水素錯化合物のアルカリ水溶液を用いる燃料電池において、前記燃料極と透過膜との間に吸水性の緩衝材を設けたことを特徴とする。この燃料電池は、前記緩衝材が燃料の流路部を兼用してもよい。この場合、前記燃料極と緩衝材との間に、燃料と通流させるための液流拡散体により構成された流路部を備えた構造であってもよいし、前記燃料極における透過膜の反対側に設けられ、燃料を通流させるための流路部を備えた構造であってもよい。 The present invention relates to a fuel cell in which a permeable membrane is interposed between a fuel electrode and an oxidizer electrode and an alkaline aqueous solution of a metal hydride complex is used as a fuel, and a water absorbing buffer material between the fuel electrode and the permeable membrane. Is provided. In this fuel cell, the buffer material may also serve as a fuel flow path. In this case, the fuel electrode and the buffer material may be provided with a flow path portion constituted by a liquid flow diffuser for allowing the fuel to flow, or the permeable membrane of the fuel electrode may be provided. The structure provided with the flow path part provided in the other side and allowing a fuel to flow through may be sufficient.
更に他の本発明は、燃料極と酸化剤極との間に透過膜を介在させ、燃料として金属水素錯化合物のアルカリ水溶液を用いる燃料電池において、前記酸化剤極と透過膜との間に吸水性の緩衝材を設けたことを特徴とする。また、この燃料電池においては、緩衝材に吸収された金属水酸化物例えば水酸化ナトリウム水溶液を排出する排出口を設けることが好ましい。 In still another aspect of the present invention, in a fuel cell in which a permeable membrane is interposed between a fuel electrode and an oxidant electrode and an alkaline aqueous solution of a metal hydride complex is used as a fuel, water absorption is performed between the oxidant electrode and the permeable membrane. A characteristic buffer material is provided. In this fuel cell, it is preferable to provide a discharge port for discharging a metal hydroxide absorbed by the buffer material, such as a sodium hydroxide aqueous solution.
前記緩衝材は、例えばカーボンペーパ、カーボンクロス(織布)又は不織布が用いられる。また前記金属水素錯化合物は、例えば水素化ホウ素錯化合物である。 For example, carbon paper, carbon cloth (woven fabric) or non-woven fabric is used as the buffer material. The metal hydrogen complex compound is, for example, a borohydride complex compound.
本発明によれば、燃料極と透過膜との間に吸水性の緩衝材を介在させることにより、燃料が緩衝材に吸収されて保水される。このため燃料中の金属イオン例えばナトリウムイオンが緩衝材の中を拡散しながら移動するので、つまりこの緩衝材が金属イオンの通流に対するバッファになるので、透過膜における金属イオンの有効通過面積が向上して金属イオンの通過がスムーズになり、電気特性が向上する。 According to the present invention, by interposing a water-absorbing buffer material between the fuel electrode and the permeable membrane, the fuel is absorbed by the buffer material and retained. For this reason, metal ions such as sodium ions in the fuel move while diffusing in the buffer material, that is, the buffer material acts as a buffer against the flow of metal ions, so the effective passage area of metal ions in the permeable membrane is improved As a result, the passage of metal ions becomes smooth and the electrical characteristics are improved.
また他の発明によれば、酸化剤極と透過膜との間に吸水性の緩衝材を介在させることにより、酸化剤極側にて生成した電極反応の生成物(発電生成物)である金属水酸化物例えば水酸化ナトリウム水溶液が緩衝材により吸収される。このため酸化剤極の内部への移動が防止されると共に透過膜における含水率が安定化してナトリウムイオンの移動抵抗の増加が解消されるので電気特性が向上する。 According to another invention, a metal that is a product of an electrode reaction (power generation product) generated on the oxidant electrode side by interposing a water-absorbing buffer material between the oxidant electrode and the permeable membrane. Hydroxides such as aqueous sodium hydroxide are absorbed by the buffer material. For this reason, movement to the inside of the oxidizer electrode is prevented, and the moisture content in the permeable membrane is stabilized, and the increase in sodium ion migration resistance is eliminated, so that the electrical characteristics are improved.
〔第1の実施の形態〕
本発明に係る燃料電池の第1の実施の形態の基本構成について図1及び図2を参照しながら説明する。図1において、2は角型のケース体であり、このケース体2内は透過膜3により酸化剤極(正極)室4と燃料極(負極)室5とに区画されている。酸化剤極室4には、板状の酸化剤極41がその一面側を透過膜3に接触するように設けられると共に、酸化剤極41の他面側とケース体2との間には、例えば空気などの酸化剤を通流させる流路部42が形成されている。この流路部42には、酸化剤供給路43及び排出路44が接続されており、酸化剤供給路43には、上流側から酸化剤供給源45、供給ポンプ46、加湿手段47及び加熱手段48がこの順に設けられている。
[First Embodiment]
A basic configuration of the first embodiment of the fuel cell according to the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2. In FIG. 1,
燃料極室5には、板状の燃料極51が透過膜3と対向するように配置され、燃料極51の一面側と透過膜3との間には、例えばカーボンペーパからなる例えば厚さ0.25mmの吸水性の緩衝材6が介在している。より詳しくは、緩衝材6は透過膜3の有効領域と同じ大きさの層をなす面状体として構成されている。また燃料極51の他面側とケース体2との間には、燃料を通流させる第1の流路部52が形成されている。この第1の流路部52には、燃料供給路70及び排出路71が接続されており、前記燃料供給路70には供給ポンプ72が介設されている。また燃料供給路70の上流側と排出路71の下流側との間には燃料供給源である燃料貯槽73が介在しており、燃料供給路70及び排出路71により燃料の循環路が構成されている。
A plate-
以上の燃料電池において、ケース体2を構成する材料としては、絶縁材が有利であり、例えば絶縁性セラミックス、樹脂及び金属酸化物などが用いられる。透過膜3としては例えば陽イオン透過性膜などからなる高分子電解質膜を用いることができ、陽イオン透過性膜としては例えば商品名「ナフィオン」(デュポン株式会社社製)を用いることができるが、陰イオン透過性膜あるいは陽イオン、陰イオンの両方を透過する双極性透過膜などを用いることができる。この実施の形態では、沸騰している水酸化ナトリウム水溶液の前記「ナフィオン」を浸漬して煮沸処理したものを使用している。「ナフィオン」はフッ素樹脂を骨格としてこのフッ素樹脂中の炭素にSO3−イオンが結合しており、このイオンに水素イオン(H+)が吸着している状態である。そこで水酸化ナトリウムにより煮沸処理すると水素イオン(H+)がナトリウムイオン(Na+)により置き換わる。即ち市販の上記の透過膜は交換基がスルホン酸型(SO3H)であるが、水酸化ナトリウム水溶液により処理することでナトリウム型(SO3Na)に変わったことになる。
In the fuel cell described above, an insulating material is advantageous as a material constituting the
酸化剤極41及び燃料極51としては、白金を分散した炭素又は鉄、ニッケル、クロム、銅、白金、パラジウムなどの金属あるいはそれらの金属の合金が用いられ、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・クロム合金の多孔質体、例えば粒状焼結体や発泡体を基材とし、その表面に白金、パラジウムなどの貴金属からなる触媒をメッキして触媒層を形成したものなどが用いられる。この第1の実施の形態では酸化剤極41及び燃料極51として、例えば多孔質体の基材の両面に触媒層が形成されたものを用いている。
As the
燃料極51としては、上記の電極材料を用いてもよいが、特に好ましいのは水素吸蔵合金又はその水素化物である。この水素吸蔵合金又はその水素化物は、水素を可逆的に吸収、放出し得るものであれば特に制限はなく、例えばMg2Ni合金、Mg2NiとMgとの共晶合金のようなMg2Ni系合金のA2B型合金、ZrNi2系合金、TiNi2系合金などのラベス相系AB2型合金、TiFe系合金のようなAB型合金、LaNi5系合金のようなAB5型合金、TiV2系合金のようなBCC型合金の中から任意に選ぶことができる。
As the
この中で好ましいのは、LaNi4.7Al0.3合金、MmNi0.35Mn0.4Al0.3Co0.75合金(但しMmはミッシュメタル)、MmNi3.75Co0.75Mn0.20Al0.30合金(但しMmはミッシュメタル)、Ti0.5Zr0.5Mn0.8Cr0.8Ni0.4、Ti0.5Zr0.5Mn0.5Cr0.5Ni、Ti0.5Zr0.5V0.75Ni1.25、Ti0.5Zr0.5V0.5Ni1.5、Ti0.1Zr0.9V0.2Mn0.6Co0.1Ni1.1、MmNi3.87Co0.78Mn0.10Al0.38(但しMmはミッシュメタル)などである。 Among these, LaNi4.7Al0.3 alloy, MmNi0.35Mn0.4Al0.3Co0.75 alloy (where Mm is Misch metal), MmNi3.75Co0.75Mn0.20Al0.30 alloy (where Mm is Misch metal), Ti0.5Zr0.5Mn0.8Cr0.8Ni0.4, Ti0.5Zr0.5Mn0.5Cr0.5Ni, Ti0.5Zr0.5V0.75Ni1.25, Ti0.5Zr0.5V0.5Ni1.5, Ti0.1Zr0.9V0.2Mn0. 6Co0.1Ni1.1, MmNi3.87Co0.78Mn0.10Al0.38 (where Mm is Misch metal).
これらの水素吸蔵合金又はその水素化物は、表面をフッ化処理することにより、その性能を著しく高めることができる。即ち、このようなフッ化処理を行うことにより、接触する負極液に対する耐腐食性が付与され、且つ長時間に亘って高い発電容量を維持しうる。このフッ化処理は、例えば水素吸蔵合金又はその水素化物をフッ化剤含有水溶液中に浸漬し、その表面をフッ素化することによって行われる。 The performance of these hydrogen storage alloys or hydrides thereof can be significantly improved by subjecting the surface to fluorination treatment. That is, by performing such a fluorination treatment, corrosion resistance to the contacting negative electrode solution is imparted, and a high power generation capacity can be maintained for a long time. This fluorination treatment is performed, for example, by immersing a hydrogen storage alloy or a hydride thereof in an aqueous solution containing a fluorinating agent and fluorinating the surface.
酸化剤極41に供給される酸化剤としては、酸素ガス又は空気であってもよいが、既述の(2)式の反応が進行するためには図1に示すように、これら酸化剤ガス中に例えば加湿器47により水分を含ませることが好ましい。また酸化剤はガスに限られず、活性酸素発生剤水溶液、例えば過酸化水素などの過酸化物の水溶液であってもよい。
The oxidant supplied to the
燃料としては、金属水素錯化合物のアルカリ水溶液が用いられ、金属水素錯化合物としては例えば水素化ホウ素ナトリウム(NaBH4)、水素化ホウ素カリウム(KBH4)、または水素化ホウ素リチウム(LiBH4)などの水素化ホウ素錯化合物を挙げることができるが、その他に水素化アルミニウムリチウム(LiAlH4)、水素化ホウ素亜鉛(Zn(BH4)2)などを挙げることができる。アルカリ水溶液としては、例えば水酸化ナトリウムや水酸化カリウムなどのアルカリ金属水酸化物を用いることができる。アルカリ水溶液の濃度は、あまり高濃度にすると金属水素錯化合物が溶解しにくくなるので、例えば30重量%の範囲で選択することが好ましく、例えば20重量%に調製される。金属水素錯化合物は、目的とする発電容量及びアルカリ水溶液に対する溶解性を考慮して例えば0.1〜50重量%の濃度で用いるのが好ましい。 As the fuel, an alkali aqueous solution of a metal hydride complex is used. Examples of the metal hydride complex include hydrogenation such as sodium borohydride (NaBH4), potassium borohydride (KBH4), or lithium borohydride (LiBH4). Examples of the boron complex compound include lithium aluminum hydride (LiAlH4) and zinc borohydride (Zn (BH4) 2). As the alkaline aqueous solution, for example, an alkali metal hydroxide such as sodium hydroxide or potassium hydroxide can be used. If the concentration of the aqueous alkali solution is too high, the metal-hydrogen complex compound becomes difficult to dissolve, so it is preferably selected within the range of 30% by weight, for example, 20% by weight. The metal hydrogen complex compound is preferably used at a concentration of, for example, 0.1 to 50% by weight in consideration of the desired power generation capacity and solubility in an alkaline aqueous solution.
緩衝材6としては、一般にカーボンペーパ、カーボンクロス(織布)及び不織布が、導電性且つ耐腐食性を有するため好ましく用いられる。その他に耐腐食性を付与したパルプなどよりなるシート又は不織布、ポリビニールアルコールなどの合成ポリマーよりなる不織布も用いることができる。なお、前記シートや不織布を用いる場合、カーボンを含む顔料を染み込ませることが導電性を確保する上で好ましい。
Generally, carbon paper, carbon cloth (woven fabric), and nonwoven fabric are preferably used as the
次にこの実施の形態の作用について図1及び図2を参照しながら説明する。酸化剤供給源45からの酸化剤例えば空気を供給ポンプ46により酸化剤極室4の流路部42に供給する。ここで酸化剤を流路部42に供給する前に加湿器47により例えば絶対温度で30〜70%程度に加湿し、更に加熱器48で必要な温度、例えば40〜90℃に加熱する。流路部42を通流した空気は排出路44から排出される。
Next, the operation of this embodiment will be described with reference to FIGS. An oxidant such as air from the
一方燃料貯槽73から例えば水酸化ホウ素ナトリウムを水酸化ナトリウムに溶解させてなる燃料を供給ポンプ72により燃料極室5の第1の流路部52に供給する。この例では第1の流路部52から排出された燃料は燃料貯槽73に戻され、循環される。燃料は多孔質体である燃料極51内に浸透していき、このとき従来技術の項目でも述べたように(4)式(既述の(1)式に相当する)で示される8電子反応が主として起こり、また(5)式で示される4電子反応も起こっていると考えられる。
On the other hand, for example, a fuel obtained by dissolving sodium borohydride in sodium hydroxide is supplied from the
NaBH4+8NaOH→NaBO2+6H2O+8Na++8e−……(4)
NaBH4+4NaOH→NaBO2+2H2O+2H2+4Na++4e−……(5)
このようにして外部に接続された回路に燃料極51から電子が取り出されると共に、燃料中のナトリウムイオンが、燃料を保水した緩衝材6及び透過膜3を通って酸化剤極室4側に移動し、既述の(2)式にも示したようにナトリウムイオンと酸素及び水分とから水酸化ナトリウムが生成される。
NaBH 4 +8
NaBH 4 +
In this way, electrons are taken out from the
このような実施の形態によれば、透過膜3と燃料極51との間に吸水性の緩衝材6を介在させているので次のような効果がある。燃料極51での電極反応によって電離した金属イオンであるナトリウムイオンが、保水された緩衝材6の中を拡散しながら自由に移動する。このように緩衝材6によって拡散されたナトリウムイオンは、緩衝材6と面接触している透過膜3の表面全体に均一に分散するので、透過膜3におけるナトリウムイオンの有効通過面積が向上してナトリウムイオンの通過がスムーズになる。
According to such an embodiment, since the water-absorbing
また、従来の項目でも述べたように透過膜3に接触する燃料極51の一面側では下記に示す(6)式及び(7)式(既述の(3)式及び(4)式に相当する)の反応が起こっており、燃料極51での電極反応が進むにつれて燃料極51の透過膜3側で生成された下記の(6)式に示した4電子反応の水素ガスの生成により発生した気泡が、吸水性の緩衝材6に捕獲されるので、透過膜3に付着することが低減され、この結果、透過膜3におけるナトリウムイオンの通過面積が向上してナトリウムイオンの通過がスムーズになり、従って、後述の実施例からも明らかなように電気特性が向上する。
Further, as described in the conventional item, on the one surface side of the
BH4−+8OH−→BO2−+6H2O+8e−……(6)
BH4−+4OH−→BO2−+2H2O+2H2+4e−……(7)
更に燃料極51と透過膜3とを直接接触させることなく、これらの間に吸水性の緩衝材を介在させることで、透過膜3の膜表面の損傷の発生を抑え、燃料極室5から酸化剤極室4への燃料漏れの防止に役立つ。
BH4 - + 8OH - → BO2 - + 6H2O + 8e - ...... (6)
BH4 − + 4OH − → BO2 − + 2H2O + 2H2 + 4e − (7)
Further, the
〔第2の実施の形態〕
本発明に係る燃料電池の第2の実施の形態の基本構成について図3を参照しながら説明する。この燃料電池は、第1の実施の形態の燃料電池において、燃料極51と透過膜3との間に介設した保水性の緩衝材3に燃料を供給するように構造を工夫したものである。即ち、前記燃料供給流路70及び排出路71に分流供給路74及び分流排出路75を夫々設け、緩衝材6の上部側及び下部側に前記分流供給路74及び分流排出路75を夫々接続し、前記分流供給路74から燃料を緩衝材6に供給し、緩衝材6を通って分流排出路75から燃料が排出される構造である。この場合、緩衝材6の厚さを例えば0.25mmにすることで、当該緩衝材6は、燃料の流路部としての役割を果たすことになる。
[Second Embodiment]
The basic configuration of the second embodiment of the fuel cell according to the present invention will be described with reference to FIG. In this fuel cell, the structure is devised so that fuel is supplied to the water
この実施の形態の作用について述べると、流路部52及び緩衝材6に供給された燃料は、多孔質体である燃料極51の一面側及び他面側から浸透していき、上述したように8電子反応及び4電子反応が起こる。電極反応によってフリーになった金属イオンであるナトリウムイオンは、燃料で保水された緩衝材6の中を拡散しながら透過膜3を通過して酸化剤極室4側の酸化剤極41に到達し、既述の(2)式にも示したようにナトリウムイオンと酸素及び水分とから水酸化ナトリウムが生成される。
Describing the operation of this embodiment, the fuel supplied to the
このような構造であっても第1の実施の形態の燃料電池と同様な効果を得ることができると共に、緩衝材6が燃料の流路部としての役割を果たすので、燃料極51の一面側及び他面側の両方から燃料を接触させることができる。そして、新しい燃料が燃料極51における透過膜3側の面に拡散するので、この部分で活発に電極反応が起こり、そこでフリーになったナトリウムイオンが、燃料極51を通らずにそのまま緩衝材6を介して透過膜3に移動するので、ナトリウムイオンの移動抵抗がより一層小さくなる。
Even with such a structure, the same effect as that of the fuel cell according to the first embodiment can be obtained, and the
〔第3の実施の形態〕
本発明に係る燃料電池の第3の実施の形態の基本構成について図4を参照しながら説明する。この燃料電池は、第1の実施の形態の燃料電池において、燃料極51と緩衝材6との間に燃料の第2の流路部をなす液流拡散体、例えば板状に形成された網状構造体であるニッケルネット53を介設したものである。即ち、前記燃料供給流路70及び排出路71に分流供給路76及び分流排出路77を夫々設け、ニッケルネットの上部側及び下部側に前記分流供給路76及び分流排出路77を夫々接続させ、前記分流供給路76から燃料をニッケルネット53に供給し、ニッケルネット53を通って分流排出路77から燃料が排出される構造である。燃料極51と緩衝材6との間の燃料の第2の流路部はニッケルネット51などの網状構造体に限られないが、燃料が流路部を通流するときに燃料極53に接触する燃料ができるだけ拡散して入れ替わることができるように燃料を攪拌するものが好ましく、このため単なる空間とするよりも燃料が衝突しながら流れる構造のものという点で拡散層ともいうべき網状構造体が好ましい。この第2の流路部としては、他に多孔質シート、発泡シートなどを挙げることができる。
[Third Embodiment]
The basic configuration of the third embodiment of the fuel cell according to the present invention will be described with reference to FIG. This fuel cell is the same as that of the fuel cell of the first embodiment, but is a liquid flow diffuser that forms a second flow path portion of fuel between the
この実施の形態の作用について図5の(a)を参照しながら説明すると、第1の流路部52に供給された燃料では、上述した作用を呈し、ニッケルネット53に供給された燃料では、ニッケルネット53により拡散されるので、そのときの攪拌作用が働いて燃料極51に接触、浸透しながら下流側に移動する。このときにニッケルネット53を流れている燃料である水素化ホウ素ナトリウムが燃料極51の表面の触媒層に接触して電極反応が起こり、その結果電荷担体であるナトリウムイオンがフリーな状態になり、このナトリウムイオンは、燃料で保水された緩衝材6の中を拡散しながら透過膜3を通過して酸化剤極室4側の酸化剤極41に到達し、既述の(2)式にも示したようにナトリウムイオンと酸素及び水分とから水酸化ナトリウムが生成される。
The operation of this embodiment will be described with reference to (a) of FIG. 5. The fuel supplied to the first
このような構造であっても第1の実施の形態と同様な効果を得ることができると共に、燃料極51と緩衝材6との間に第2の流路部であるニッケルネット53を介在させているので、ニッケルネット53に接する燃料極51の一面側の電極反応によって生成したナトリウムイオンは燃料極51を通過しないので、この燃料極51が抵抗とならず、スムーズに透過膜3に到達することができる。従ってナトリウムイオンが燃料極室5から酸化剤極室4側に移動するときの抵抗が小さいので、電流の増加に伴って起こる出力電圧の低下を抑えることができる。
Even with such a structure, the same effects as those of the first embodiment can be obtained, and the
また、上述のようにニッケルネット53を用いることは有効であるが、ニッケルネット53と透過膜3との間に緩衝材を介在させない場合では、図5の(b)に示すイメージ図のように、透過膜3中のナトリウムイオンは均一に拡散せずにそのまま透過膜3を通過してしまう。即ち、ニッケルネット53が網状構造体であるため、網状部分にナトリウムイオンがぶつかって通過することができず、網状部分以外のスペースからしかナトリウムイオンが通過しないので、透過膜3における有効面積が制限されてしまう。これに対し、透過膜3とニッケルネット53との間に緩衝材6を介設させると、図5の(c)に示すイメージ図に示すように、ニッケルネット53を通過したナトリウムイオンが緩衝材6によって均一に拡散し、そして一旦この緩衝材6にナトリウムイオンが多数捕獲されて透過膜3へ移動するので、透過膜3におけるナトリウムイオンの通過面積が向上する。
Further, although it is effective to use the
〔第4の実施の形態〕
本発明に係る燃料電池の第4の実施の形態の基本構成について図6の(a)を参照しながら説明する。この燃料電池は、第1の実施の形態の燃料電池において、燃料極51と透過膜3との間に緩衝材6を介設させる代わりに、酸化剤極41と透過膜3との間に例えば既述と同様の緩衝材6を設けた点に特徴がある。また酸化剤極室4側において、緩衝材6の下面側には金属水酸化物例えば水酸化ナトリウム水溶液を排出するための排出口である排出路49aが設けられている。
[Fourth Embodiment]
A basic configuration of the fourth embodiment of the fuel cell according to the present invention will be described with reference to FIG. In the fuel cell according to the first embodiment, instead of interposing the
緩衝材6に接触する酸化剤極41の一面側では、既述のように(2)式の反応が起こっており、吸水性の緩衝材6がこの一面側に生成された水酸化ナトリウム水溶液を吸収する。そして緩衝材6に溜まった水酸化ナトリウム水溶液は、重力により緩衝材6内を下降して、排出路49aから排出される。
As described above, the reaction of the formula (2) occurs on one side of the
また、図6の(b)に示すように酸化剤極41に金属水酸化物例えば水酸化ナトリウム水溶液の排出口である多数の透孔49bを設けるようにしてもよい。この場合、酸化剤を流路部42に供給することによって生じる負圧により緩衝材6内の液体が引き込まれ、この透孔49bを介して、緩衝材6に溜まった水酸化ナトリム水溶液が排出されることになる。
Further, as shown in FIG. 6B, the
この実施の形態によれば、酸化剤極41と透過膜3との間に吸水性の緩衝材6を介在させることにより、酸化剤極41の一面側にて生成した電極反応の生成物(発電生成物)である金属水酸化物例えば水酸化ナトリウム水溶液が緩衝材6により吸収される。このため酸化剤極41の内部へのナトリウムイオンの同伴水の移動が抑止され、加えて透過膜3における含水率が安定することから、ナトリウムイオンの移動抵抗の増加が解消されるので電気特性が安定する。
According to this embodiment, by interposing the water-absorbing
また酸化剤極41と透過膜3とを直接接触させることなく、これらの間に吸水性の緩衝材を介在させることで、透過膜3の膜表面の損傷の発生を抑え、燃料極室5から酸化剤極室4への燃料漏れの防止に役立つ。
Further, by causing a water-absorbing buffer material to intervene between the
〔第5の実施の形態〕
次に上述の実施の形態をより具現化した例について図7〜図12を参照しながら説明する。この例は図4に示す第3の実施の形態の単位セルを積層して燃料電池スタックとして構成したものである。但し、この明細書では、燃料電池スタックを燃料電池と呼ぶことにする。以下の説明において、図4に相当する部分について便宜上同じ符号を付しておく。図7中の6A、6Bは、例えば導電性材料からなるセパレータ(バイポーラプレート)であり、これらセパレータ6A、6Bの間には透過膜3が配置される。透過膜3と一方のセパレータ6Aとの間には既述の緩衝材6、ニッケルネット53及び燃料極51が配置されると共に透過膜3と他方のセパレータ6Bとの間には酸化剤極41が配置され、図8に示すように燃料極51、ニッケルネット53、緩衝材6、透過膜3、酸化剤極41及び後述のガスケット7A、7Bを含む単位セル60がセパレータ6A及び6Bを介して複数個積層され、この積層体がエンドプレート100及び101の間に固定される。燃料極51、ニッケルネット53、緩衝材6及び酸化剤極41は例えば接着剤などで互いに固定され、膜・電極接合体(MEA:Membrance Electrode Assembly)を構成している。
[Fifth Embodiment]
Next, an example that further embodies the above-described embodiment will be described with reference to FIGS. In this example, the unit cells of the third embodiment shown in FIG. 4 are stacked to constitute a fuel cell stack. However, in this specification, the fuel cell stack is referred to as a fuel cell. In the following description, the same reference numerals are given for the portions corresponding to FIG. 7A and 6B are separators (bipolar plates) made of, for example, a conductive material, and the
各セパレータ6A、6Bの表面(図7中の手前側の面)及び裏面(奥側の面)には、各々屈曲路をなす溝が形成されている。各セパレータ6A、6Bの表面側の溝は酸化剤の流路61であり、裏面側の溝は燃料の流路62である。前記流路61は第3の実施の形態の第1の流路部42に相当する。なお図7において左端には、セパレータ6Aの裏面側を見せている。7A、7Bはガスケットであり、これらガスケット7A、7Bには各々窓71が形成されている。一方のガスケット7Aの窓71には、燃料極51、ニッケルネット53及び緩衝材6が密に嵌合され、他方のガスケット7Bの窓71には、酸化剤極41が密に嵌合される。
Grooves forming curved paths are formed on the front surface (front surface in FIG. 7) and back surface (rear surface) of each
セパレータ6Aにおける酸化剤の流路61の左上端には排出口63が形成されており、透過膜3及びガスケット7A、7Bには、この排出口63に対応する部位に夫々孔31、72、72が穿設されている。従って前記流路61の右下端の供給端61aに供給された酸化剤は当該流路61を流れて排出口63から排出され、孔72、31、72を通ってセパレータ6Bの流路61の供給端61aに到達する。
A
図9は、セパレータ6Aにおける燃料極51及びニッケルネット53の取り付け状態を示す図であり、図10はセパレータ6Aの裏面側を示す図である。セパレータ6Aの流路62は、この例では図10における流路62の左上端部には、燃料の供給口64が穿設されており、ここから供給された燃料が流路62及びニッケルネット53を通って流路62の右下端部の排出端65に向かうことになる。流路62が形成される領域はほぼ四角形であるが、入口側及び出口側はその四角形領域から符号62b、62cで示すように左右に少しはみ出しており、ニッケルネットの一面は、このはみ出した部分を除く四角形と同じ大きさに作られている。
FIG. 9 is a view showing a state where the
セパレータ6Aとニッケルネット53との間には、その両面が夫々セパレータ6A及びニッケルネット53に接触した状態で燃料極51が介在している。この燃料極51の幅(図9中左右方向の長さ)はニッケルネット53と同じ寸法であるが、上下方向の長さはニッケルネット53よりも短く、燃料極51の上端及び下端は、ニッケルネット53の上端及び下端よりも夫々流路62の幅のおよそ半分の長さ(2個の溝62aの幅分)だけ内側に寄っている。従って図9からも分かるように、燃料極51の上下からはみ出したニッケルネット53の部分及びガスケット7Aで囲まれる空間(連通路)66、67が形成され、上側の燃料の供給口64は空間66を通じてニッケルネット53に連通し、またニッケルネット53の下部側(排出側)は空間67を通じて燃料の排出端65に連通している。
A
透過膜3及びガスケット7A、7Bには、前記排出端65に対応する位置に夫々孔(図9ではガスケット7Aの孔73が示されている)が穿設されており、この排出端65から排出された燃料は、各孔を通ってセパレータ6Bの流路62における図7では隠れて見えない燃料供給口に到達する。従ってこの例では、ガスケット7Aの孔73が燃料の排出口に相当する。
In the
続いてこの実施の形態の作用について図11及び図12を用いて説明すると、セパレータの供給口64に送られた燃料は、セパレータ6Aに形成された溝からなる屈曲した流路62に流れると共に、連通路66を介して、ニッケルネット53の図中上端部における燃料極51からはみ出した部位から流入して、図11の矢印102に示すように当該ニッケルネット53を流れ、下端側の連通路67を介して排出端65に到達する。この燃料は共に排出端65から図7に示すように透過膜3の孔32及びガスケット7Bの排出口73を介してセパレータ6Bの一面側に形成された燃料の流路62の供給端に到達する。また既述のようにセパレータ6Bの流路61の入口側に供給された酸化剤、例えば加湿された空気はセパレータ6Bの流路61を流れる。
Next, the operation of this embodiment will be described with reference to FIGS. 11 and 12. The fuel sent to the
このような実施の形態においても、先の第3の実施の形態の効果と同様の効果が得られる。なお第1、第2及び第4の実施の形態の単位セルを積層して同様に燃料電池スタックとして構成してもよく、第1、第2及び第4の実施の形態の効果と同様の効果を得ることができる。 Also in such an embodiment, the same effect as the effect of the third embodiment is obtained. The unit cells of the first, second, and fourth embodiments may be stacked and similarly configured as a fuel cell stack, and the same effects as the effects of the first, second, and fourth embodiments. Can be obtained.
なお、第1〜第5の実施の形態の燃料電池において、酸化剤極と透過膜との間及び燃料極と透過膜との間の両方に吸水性の緩衝材を介在させてもよい。即ち、第1〜第3及び第5の実施の形態において、透過膜3と酸化剤極41との間に緩衝材6を介在させた構成、即ち、第4の実施の形態を組み合わせた構成としてもよい。このようにすれば、透過膜3の両面の損傷の発生を抑えることができ、燃料極室5から酸化剤極室4への燃料漏れを防止できる。また、第2及び第3の実施の形態においては、必ずしも第1の流路部52を設けなくてもよく、この場合、燃料極51は多孔質体でなくてもよく、例えば透過膜3側に触媒層を形成したものを用いてもよい。
In the fuel cells of the first to fifth embodiments, a water absorbing buffer material may be interposed between the oxidant electrode and the permeable membrane and between the fuel electrode and the permeable membrane. That is, in the first to third and fifth embodiments, a configuration in which the
次に本発明の効果を確認するために行った実験について述べる。 Next, an experiment conducted for confirming the effect of the present invention will be described.
(実験例)
A.実施例1
フッ化処理した平均粒径2〜5μmのZr0.9Ti0.1Mn0.6V0.2Co0.1Ni1.1の合金粉末13.6gとフッ素樹脂であるPTFE粉末1.36gとを擦り混ぜた後、この混合物を基材であるNi発泡体(縦80mm、横84.6mm、厚さ0.8mm)の両面に塗布して触媒層を形成した。そして、このNi発泡体を100メッシュのNi網で包んだ後、ロールプレスによりこれらを圧着して厚さ0.5mmの板状の燃料極を作製した。また酸化剤極としては、基材であるカーボンブラック(縦80mm、横84.6mm、厚さ0.2mm)の表面に触媒である白金粒子を分散し担持させた酸化剤極を用いた。
(Experimental example)
A. Example 1
After 13.6 g of Zr0.9Ti0.1Mn0.6V0.2Co0.1Ni1.1 alloy powder having an average particle diameter of 2 to 5 μm treated with fluorination and 1.36 g of PTFE powder, which is a fluororesin, were rubbed together, The catalyst layer was formed on both surfaces of a Ni foam (80 mm long, 84.6 mm wide, 0.8 mm thick) as a base material. And after wrapping this Ni foam with a 100 mesh Ni net | network, these were crimped | bonded by the roll press and the plate-shaped fuel electrode of thickness 0.5mm was produced. As the oxidant electrode, an oxidant electrode in which platinum particles as a catalyst were dispersed and supported on the surface of carbon black (80 mm length, 84.6 mm width, 0.2 mm thickness) as a base material was used.
上記の燃料極と酸化剤極との間に陽イオン交換膜(デュポン社製、商品名:ナフィオン)からなる透過膜を設けると共に燃料極と透過膜との間に緩衝材であるカーボンペーパ(縦80mm、横84.6mm、厚さ0.25mm)(東洋紡績社製)を介在させてこれらを密に接合し、図1に示す構造の燃料電池を作製した。そしてこの燃料電池の出力電圧と出力電流との関係を調べた。この測定方法については、図13に示すように燃料電池200に定電流源201を介して負荷抵抗202を接続し、負荷抵抗202を一定にして定電流源201のパラメーターを変えて定電流源201から出力される電流を変えることで燃料電池の出力電圧を測定した。測定条件は、燃料極に供給する燃料は、20重量%の水酸化ナトリウム水溶液に水素化ホウ素ナトリウムを10重量%溶解させて、温度60℃に調節し、0.135リットル/分の流量で燃料極に供給した。酸化剤極に供給する酸化剤は、空気を加湿器で60℃にまで加湿し、5リットル/分の流量で酸化剤極に供給した。
A permeable membrane made of a cation exchange membrane (made by DuPont, trade name: Nafion) is provided between the fuel electrode and the oxidizer electrode, and carbon paper (vertical) is used as a buffer material between the fuel electrode and the permeable membrane. 80 mm, width 84.6 mm, thickness 0.25 mm) (manufactured by Toyobo Co., Ltd.) and these were tightly joined to produce a fuel cell having the structure shown in FIG. The relationship between the output voltage and output current of this fuel cell was examined. As for this measurement method, as shown in FIG. 13, a
B.比較例1
燃料極と透過膜との間にカーボンペーパを介在させない他は、実施例1と同様にして燃料電池を作製し、この燃料電池の出力電圧を同様の測定条件で調べた。
B. Comparative Example 1
A fuel cell was fabricated in the same manner as in Example 1 except that no carbon paper was interposed between the fuel electrode and the permeable membrane, and the output voltage of this fuel cell was examined under the same measurement conditions.
(結果及び考察)
図14は、実施例1及び比較例1の結果を示し、縦軸に電力密度(mW/cm2)を取り、横軸に電流密度(A/cm2)を取った特性図である。図13から分かるように比較例1の電流密度及び電力密度の最高値は、夫々0.27A/cm2及び155mW/cm2であるのに対して、実施例1の電流密度及び電力密度の最高値は、夫々0.35A/cm2及び195mW/cm2であり、よって燃料極と酸化剤極との間にカーボーンペーパを介在させた燃料電池の方が、より多くの電流及び電力を取り出せることができる。
(Results and discussion)
FIG. 14 shows the results of Example 1 and Comparative Example 1, and is a characteristic diagram in which the vertical axis represents power density (mW / cm 2) and the horizontal axis represents current density (A / cm 2). As can be seen from FIG. 13, the maximum values of current density and power density of Comparative Example 1 are 0.27 A /
また、図15は、実施例1及び比較例1において電流密度を0.2A/cm2に維持した状態での電力密度の経時変化を示し、縦軸に電力密度(mW/cm2)を取り、横軸に経過時間(min)を取った特性図である。図15から分かるように燃料極と透過膜との間にカーボンペーパを介在させた燃料電池の方が、経過時間に対する電力密度の落ち込みの程度が小さいことが理解できる。
FIG. 15 shows the change in power density over time in the state where the current density was maintained at 0.2 A /
2 ケース体
3 透過膜
4 酸化剤極室
41 酸化剤極
42 流路部
49a 排出路
49b 透孔
5 燃料極室
51 燃料極
52 第1の流路部
53 ニッケルネット
6 緩衝材
61 流路
62 流路
6A、6B セパレータ
7A、7B ガスケット
2
Claims (8)
前記燃料極と透過膜との間に吸水性の緩衝材を設けたことを特徴とする燃料電池。 In a fuel cell in which a permeable membrane is interposed between a fuel electrode and an oxidant electrode and an alkaline aqueous solution of a metal hydride complex is used as a fuel,
A fuel cell, wherein a water-absorbing buffer material is provided between the fuel electrode and the permeable membrane.
前記酸化剤極と透過膜との間に吸水性の緩衝材を設けたことを特徴とする燃料電池。 In a fuel cell in which a permeable membrane is interposed between a fuel electrode and an oxidant electrode and an alkaline aqueous solution of a metal hydride complex is used as a fuel,
A fuel cell, wherein a water-absorbing buffer material is provided between the oxidant electrode and the permeable membrane.
8. The fuel cell according to claim 1, wherein the metal hydride complex compound is a borohydride complex compound.
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JP2010140708A (en) * | 2008-12-10 | 2010-06-24 | Sony Corp | Fuel cell and electronic equipment |
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- 2004-02-24 JP JP2004047827A patent/JP2005243270A/en active Pending
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