JP2006236776A - Fuel cell - Google Patents

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JP2006236776A
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修 一丸
Masataka Kato
正孝 加藤
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    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To solve problems of alkaline fuel cells in which hydrogen H2 and oxygen O2 used as fuel can not be supplied without completely excluding carbon dioxide CO2 contained as impurities because the electrolyte of hydrogen H2 and oxygen O2 is changed in quality and increased in an electrical resistance by the carbon dioxide CO2, or an alkaline solution should be neutralized with an acid agent and a neutralized salt should be excluded before being drained away. <P>SOLUTION: This fuel cell (HIWFC) is structured by using hydroxide ion water as electrolyte. The hydroxide ion water has a boiling point of about 100°C and low corrosive. Therefore, the fabric of cotton 100% is used as a matrix (an substance is impregnated into which the hydroxide ion water of an electrolyte), and polypropylaene can be used as a structure material. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

電解質として水酸化物イオン水(Hydroxide Ion Water)を使用することを特徴とする水酸化物イオン水型燃料電池(Hydroxide Ion Water Fuel Cell;HIWFC)に関する。   The present invention relates to a hydroxide ion water fuel cell (HIWFC) characterized by using hydroxide ion water as an electrolyte.

燃料電池は基本的にアノード(燃料、水素)極、電解質、カソード(空気、酸素)極の3つの要素からなっている。電解質の種類に基づいて燃料電池を分類すると、アルカリ型燃料電池、りん酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、固体酸化物型燃料電池、固体高分子型燃料電池等がある。(たとえば非特許文献1、2、3参照。)。   A fuel cell basically comprises three elements: an anode (fuel, hydrogen) electrode, an electrolyte, and a cathode (air, oxygen) electrode. When fuel cells are classified based on the type of electrolyte, there are alkaline fuel cells, phosphoric acid fuel cells, molten carbonate fuel cells, solid oxide fuel cells, solid polymer fuel cells, and the like. (For example, refer nonpatent literature 1, 2, and 3.).

アルカリ型燃料電池(AFC;Alkaline Fuel Cell)は、Pt(・Ag)、水酸化カリウム水溶液、Pt(・Au) の構成で、常温から80℃程度で動作する。アルカリ性電解質を用いるので電極触媒、電池構成材料の選択が容易で、コスト的にも安く作ることができ、且つ優れた電池性能を示す。しかし、二酸化炭素CO2によって電解質が変質し、電気抵抗が増大するので、燃料として供給される水素H2や酸素O2の中に不純物として含まれる二酸化炭素CO2は、これを完全に除去してからでないと供給できないという問題がある。   An alkaline fuel cell (AFC) is composed of Pt (• Ag), an aqueous potassium hydroxide solution, and Pt (• Au) and operates from room temperature to about 80 ° C. Since an alkaline electrolyte is used, it is easy to select an electrode catalyst and a battery constituent material, and it can be produced at low cost, and exhibits excellent battery performance. However, carbon dioxide CO2 alters the electrolyte and increases electrical resistance, so carbon dioxide CO2 contained as an impurity in hydrogen H2 and oxygen O2 supplied as fuel must be completely removed. There is a problem that it cannot be supplied.

二酸化炭素の影響は次のように説明できる。(1)理科年表によれば、水H2Oの1cc当り20℃で0.8ccの二酸化炭素CO2が溶ける。(2)溶けた二酸化炭素は CO2 + H2O -> H2CO3 の反応により、炭酸となる。(3)炭酸は水酸化カリウムKOHと反応し、水と炭酸カリウムになる。すなわち H2CO3 + 2KOH -> K2CO3 + 2H2O である。(4)炭酸カリウムK2CO3は不溶塩であり沈澱するので、炭酸イオンは水中から無くなる。(5)炭酸イオンが無くなれば、空気中の二酸化炭素CO2は再び、水に溶け込んでくる。
このプロセスが繰り返し生じて、ついにカリウムイオンK+が無くなるまで二酸化炭素は溶け込み続ける。カリウムイオンが無くなると、炭酸の濃度が高くなり、二酸化炭素は溶解平衡に到達し、水中に溶け込まなくなる。
The effect of carbon dioxide can be explained as follows. (1) According to the scientific chronology, 0.8 cc of carbon dioxide CO2 dissolves at 20 ° C per cc of water H2O. (2) The dissolved carbon dioxide becomes carbonic acid by the reaction of CO2 + H2O-> H2CO3. (3) Carbonic acid reacts with potassium hydroxide KOH to form water and potassium carbonate. That is, H2CO3 + 2KOH-> K2CO3 + 2H2O. (4) Since potassium carbonate K2CO3 is an insoluble salt and precipitates, carbonate ions disappear from the water. (5) When the carbonate ions disappear, the carbon dioxide CO2 in the air is dissolved in water again.
This process repeats and carbon dioxide continues to dissolve until the potassium ion K + is finally gone. When potassium ions disappear, the concentration of carbonic acid increases and carbon dioxide reaches a dissolution equilibrium and does not dissolve in water.

カリウムイオンK+が存在しているかぎり、炭酸が反応する。従って、カリウムイオンK+を無くす事ができれば、二酸化炭素はアルカリ溶液に影響を及ぼさないことがわかる。   As long as potassium ion K + is present, carbonic acid reacts. Therefore, it can be seen that carbon dioxide does not affect the alkaline solution if potassium ion K + can be eliminated.

燃料電池の廃棄の際にアルカリ剤を酸で中和して水質基準以下にして、排水したとしても、川や海に中和塩は蓄積され続ける。中和塩は水中でイオン化し、各々のイオンを水分子が取り囲む。一般に1個のイオンには水分子4個〜5個が配位するので、中和塩の増加に伴い、自由な水分子は減少する。それは、淡水でなく海水のように微生物に作用し、水環境における生態系に大きな影響を及ぼす問題がある。また水質基準を満たす排水中の中和塩は、生態の食物連鎖により濃縮されて生態系に影響を与える問題がある。
一般的に、隔膜材料として広く使用されてきたアスベストは、最近になって、発ガン性の問題があることが報告されている。
Even when the fuel cell is discarded, the alkaline agent is neutralized with acid to make it below the water quality standard, and even if it is drained, the neutralized salt continues to accumulate in the river and the sea. The neutralized salt is ionized in water, and water molecules surround each ion. In general, since 4 to 5 water molecules are coordinated to one ion, free water molecules decrease as the neutralization salt increases. It has a problem of acting on microorganisms like seawater instead of fresh water, and having a great influence on the ecosystem in the aquatic environment. In addition, neutralized salts in wastewater that meet water quality standards are concentrated by the ecological food chain, which affects the ecosystem.
In general, asbestos, which has been widely used as a diaphragm material, has recently been reported to have a carcinogenic problem.

固体高分子型燃料電池(PEFC;Polymer Electrolyte Fuel Cell)は、Pt(・C)、弗素樹脂系プロトン交換膜、Pt(・C) の構成で、電解質に固体のプロトン交換膜(Proton Exchange Membrane)(固体高分子電解質膜;Solid Polymer Electrolyte Membrane)を用いており、動作温度は常温から80℃である。PEFCでは強酸性イオン交換膜を用いるので、活物質であるH2やO2にCO2が含まれていてもよい。しかし、電解質の腐食性が強く、電極触媒が白金に制限され、COは触媒毒となる問題がある。またプロトン交換膜は高価(商品名ナフィオンNafion膜は25cmx25cmで5万円程度)であり、水分を含有しないとイオン導電性が著しく低下するため、電池の作動時に水分の蒸発を避けねばならないという問題がある。また、プロトン交換膜は、製造時に有毒物質を用いるので、人体に害があり、環境に優しくないという問題があった。   The polymer electrolyte fuel cell (PEFC) is composed of Pt (・ C), fluororesin proton exchange membrane, Pt (・ C), and a solid proton exchange membrane (Proton Exchange Membrane) in the electrolyte. (Solid Polymer Electrolyte Membrane) is used, and the operating temperature is from room temperature to 80 ° C. Since PEFC uses a strongly acidic ion exchange membrane, CO2 may be contained in H2 and O2 which are active materials. However, there is a problem that the electrolyte is highly corrosive, the electrode catalyst is limited to platinum, and CO becomes a catalyst poison. Proton exchange membranes are expensive (trade name Nafion Nafion membranes are approximately 50,000 yen at 25cm x 25cm), and if they do not contain moisture, the ionic conductivity is significantly reduced, so evaporation of moisture must be avoided during battery operation. There is. In addition, since the proton exchange membrane uses a toxic substance at the time of manufacture, there is a problem that it is harmful to the human body and is not friendly to the environment.

固体高分子型燃料電池においてアノード(燃料、水素)極表面及びカソード(空気、酸素)極表面において以下の現象が起きていると考えられる。   In the polymer electrolyte fuel cell, it is considered that the following phenomenon occurs on the anode (fuel, hydrogen) electrode surface and the cathode (air, oxygen) electrode surface.

アノード(燃料)極の白金表面に水素分子が近付くと、水素分子の最外殻分子軌道と白金原子の最外殻電子軌道とが重なりあって、水素分子は白金原子と活性錯体を形成する。活性錯体を形成した水素分子は白金表面に吸着される。吸着された水素分子は2つの原子状水素となる。原子状水素の最外殻電子軌道にある電子は、白金原子の最外殻電子軌道に遷移する。遷移した電子は外部回路へ進み空気極に到達する。電子を放出した原子状水素は水素イオンになる。水素イオンは電気的クーロン力により、空気極の酸素イオンに引き付けられ、近付いて、水素イオンは酸素イオンと結合して水になる。   When a hydrogen molecule approaches the platinum surface of the anode (fuel) electrode, the outermost molecular orbital of the hydrogen molecule and the outermost electron orbit of the platinum atom overlap, and the hydrogen molecule forms an active complex with the platinum atom. The hydrogen molecules forming the active complex are adsorbed on the platinum surface. The adsorbed hydrogen molecules become two atomic hydrogens. Electrons in the outermost electron orbit of atomic hydrogen transition to the outermost electron orbit of platinum atoms. The transitioned electrons travel to the external circuit and reach the air electrode. The atomic hydrogen that released the electrons becomes hydrogen ions. Hydrogen ions are attracted to oxygen ions at the air electrode by the electric Coulomb force, approaching, and hydrogen ions combine with oxygen ions to become water.

カソード(空気)極の白金表面に酸素分子が近付くと、酸素分子の最外殻分子軌道と白金原子の最外殻電子軌道とが重なりあって、酸素分子は白金原子と活性錯体を形成する。活性錯体を形成した酸素分子は白金表面に吸着される。吸着された酸素分子は2つの原子状酸素となる。燃料極から外部回路を通って来た電子は、カソード(空気)極表面の白金原子の最外殻電子軌道に到達する。白金原子の最外殻電子軌道にある電子は、原子状酸素の最外殻電子軌道に遷移する。この遷移する電子を原子状酸素が受け取ると、原子状酸素は酸素イオンになる。酸素イオンは電気的クーロン力により、燃料極の水素イオンに引き付けられ、近付いて、酸素イオンは水素イオンと結合して水になる。   When an oxygen molecule approaches the platinum surface of the cathode (air) electrode, the outermost molecular orbital of the oxygen molecule and the outermost electron orbit of the platinum atom overlap, and the oxygen molecule forms an active complex with the platinum atom. Oxygen molecules forming an active complex are adsorbed on the platinum surface. The adsorbed oxygen molecules become two atomic oxygen. Electrons coming from the fuel electrode through the external circuit reach the outermost electron trajectory of platinum atoms on the cathode (air) electrode surface. Electrons in the outermost electron orbit of the platinum atom transition to the outermost electron orbit of atomic oxygen. When atomic oxygen receives these transition electrons, the atomic oxygen becomes oxygen ions. Oxygen ions are attracted to the hydrogen ions at the fuel electrode due to the electric Coulomb force, approaching, and oxygen ions combine with the hydrogen ions to become water.

電子は燃料(水素)極から外部回路を通り、空気極へ流れる。しかし、電流の方向と電子の流れる方向とは反対であるから、電流は空気極から水素極へと流れる。従って、起電力はカソード(空気、酸素)極が正電位となり、アノード(燃料、水素)極が負電位となる。   Electrons flow from the fuel (hydrogen) electrode through the external circuit to the air electrode. However, since the direction of current is opposite to the direction of flow of electrons, the current flows from the air electrode to the hydrogen electrode. Therefore, the electromotive force has a positive potential at the cathode (air, oxygen) electrode and a negative potential at the anode (fuel, hydrogen) electrode.

燃料電池全体での反応は式 H2 + (1/2)O2 -> H2O(液) + 68.3kcal で与えられる。一方、水の気化熱は9.72kcal/molであり、室温20℃から100℃まで水を加熱するのに必要な熱は18cc×80℃=1.44kcal/molであることから、室温20℃の水を蒸発させるのに必要な熱量は11.16kcal/molである。   The overall fuel cell reaction is given by the formula H2 + (1/2) O2-> H2O (liquid) + 68.3 kcal. On the other hand, the heat of vaporization of water is 9.72 kcal / mol, and the heat required to heat water from room temperature 20 ° C. to 100 ° C. is 18 cc × 80 ° C. = 1.44 kcal / mol. The amount of heat required to evaporate is 11.16 kcal / mol.

1molの水素ガスを供給すると1molの水と68.3kcalの熱が生じるが、1molの水が蒸発するときに11.16kcalの熱を吸収するに過ぎないので、燃料電池を80℃程度の一定値に保持するためには、57.14kcalの熱を取り除く必要がある。この57.14kcal/molの熱を取り除く一つの方法として、57.14kcal/11.6kcal/mol=5.12molの室温(20℃)の水を供給してもよい。または放熱板やヒートパイプを通じて空冷や水冷してもよい。   Supplying 1 mol of hydrogen gas generates 1 mol of water and 68.3 kcal of heat, but only absorbs 11.16 kcal of heat when 1 mol of water evaporates, so the fuel cell is held at a constant value of about 80 ° C. To do so, it is necessary to remove 57.14kcal heat. As one method for removing the heat of 57.14 kcal / mol, 57.14 kcal / 11.6 kcal / mol = 5.12 mol of room temperature (20 ° C.) water may be supplied. Or you may air-cool or water-cool through a heat sink and a heat pipe.

木屑や綿の主成分であるセルロースは、40%以上の濃度の塩酸で溶解することが知られており、硫酸では75%以上の濃度で溶解する。(非特許文献4参照。)。   Cellulose, which is the main component of wood chips and cotton, is known to dissolve in hydrochloric acid having a concentration of 40% or higher, and in sulfuric acid, it is dissolved in a concentration of 75% or higher. (Refer nonpatent literature 4.).

濃度75%の硫酸は、比重が1.62g/ccであり、強電解質であり、そのpHは−1.09pHである。また、40%塩酸は密度が1.198g/ccであり、−1.12pHである。従って、−1pH近傍にセルロースが溶けるような水素イオン濃度の臨界値が存在すると考えられる。   Sulfuric acid having a concentration of 75% has a specific gravity of 1.62 g / cc, is a strong electrolyte, and has a pH of -1.09. In addition, 40% hydrochloric acid has a density of 1.198 g / cc and a pH of −1.12. Therefore, it is considered that there is a critical value of hydrogen ion concentration in which cellulose dissolves in the vicinity of −1 pH.

電解質の導電率σはσ=Qnμで与えられる。ここでQはキャリアの電荷、nはキャリアの密度、μはキャリアの移動度である。水酸化物イオン水を電解質とする燃料電池において電気のキャリアは水酸化物イオンOH-である。電解質の抵抗率ρはρ=1/σで与えられる。電解質の電気抵抗RはR=ρl/Aで与えられる。ここでlは電極間の距離、Aは電極の有効断面積である。   The conductivity σ of the electrolyte is given by σ = Qnμ. Here, Q is the carrier charge, n is the carrier density, and μ is the carrier mobility. In a fuel cell using hydroxide ion water as an electrolyte, the carrier of electricity is hydroxide ion OH-. The resistivity ρ of the electrolyte is given by ρ = 1 / σ. The electrical resistance R of the electrolyte is given by R = ρl / A. Here, l is the distance between the electrodes, and A is the effective sectional area of the electrodes.

ボイラーなどの排ガス中の亜硫酸ガスを除去する排煙脱硫法において、特に石灰石-石膏法で用いられている耐食合金として、Ni基合金にはc-276合金、625合金、c-22合金、G合金、825合金、20合金、904L合金、ステンレス鋼としては、6Moステンレス鋼、255二相ステンレス鋼、2205二相ステンレス鋼、317LMNステンレス鋼などがある。(非特許文献5参照。)。   In the flue gas desulfurization method that removes sulfurous acid gas in exhaust gas from boilers, etc., the Ni-base alloys include c-276 alloy, 625 alloy, c-22 alloy, G Examples of the alloy, 825 alloy, 20 alloy, 904L alloy, and stainless steel include 6Mo stainless steel, 255 duplex stainless steel, 2205 duplex stainless steel, and 317LMN stainless steel. (Refer nonpatent literature 5.).

従来、半導体基板の洗浄水を作るために、高純度の白金Pt、イリジウムIr、オスミウムOsなどの白金族元素、又は炭素電極、又はグラファイト電極又はグラッシーカーボン電極などのような溶出の少ない電極材が用いられている。(たとえば、特許文献1参照。)。   Conventionally, high purity platinum Pt, iridium Ir, osmium Os and other platinum group elements such as platinum electrode, carbon electrode, graphite electrode, glassy carbon electrode, etc. It is used. (For example, refer to Patent Document 1).

触媒燃焼は高温炎の代わりに触媒を用いて、燃料と酸素とをその表面上で反応させる燃焼方式である。メタン、プロパンなどの炭化水素系燃料ではパラジウム、白金触媒を用いても、300℃以上の温度でないと触媒燃焼が起こらないが、水素では室温でも起こる。この点に注目したのが水素の触媒燃焼で、次のような利点がある。(1)室温から400℃付近までの温度が出力調整で自在に得られる。(2)無炎燃焼なので、火災の危険が少なく、NOxを発生しない。(3)炎燃焼限界以下の希薄水素も使用できる。(4)水素炎は透明で熱放射が少ないのに対し、触媒が熱放射体となり輻射熱が得易い。(例えば、非特許文献6参照。)。   Catalytic combustion is a combustion system in which a catalyst is used instead of a high-temperature flame, and fuel and oxygen are reacted on the surface. Hydrocarbon fuels such as methane and propane, even when using palladium or platinum catalysts, do not cause catalytic combustion unless the temperature is 300 ° C. or higher, but hydrogen also occurs at room temperature. This point was noticed by catalytic combustion of hydrogen, which has the following advantages. (1) A temperature from room temperature to around 400 ° C. can be freely obtained by adjusting the output. (2) Since it is flameless combustion, there is little risk of fire and NOx is not generated. (3) Dilute hydrogen below the flame combustion limit can also be used. (4) While the hydrogen flame is transparent and has little heat radiation, the catalyst becomes a heat radiator and it is easy to obtain radiant heat. (For example, refer nonpatent literature 6.).

水素を燃料とした場合、燃えにくい炭化水素系燃料と異なり、多くの物質が低温で有効な燃焼触媒となる。白金Pt、パラジウムPdなどの高活性触媒を用いると、室温で水素を流すだけで燃焼が開始し、完全燃焼させながら50℃位から炎着火温度(500〜600℃)まで、水素流量を変えるだけで温度が調節できる。高活性触媒としては、Ptのほかに、Pd、Ir、Ru、PdO、PtO2、RuO2が知られている。   When hydrogen is used as fuel, many substances are effective combustion catalysts at low temperatures, unlike hydrocarbon fuels that are difficult to burn. When using a highly active catalyst such as platinum Pt or palladium Pd, combustion starts just by flowing hydrogen at room temperature, and only by changing the hydrogen flow rate from about 50 ° C to the flame ignition temperature (500 to 600 ° C) with complete combustion. To adjust the temperature. In addition to Pt, Pd, Ir, Ru, PdO, PtO2, and RuO2 are known as highly active catalysts.

水素の極低温触媒燃焼は、ロケットの液体水素燃料の自動着火の手段として注目されている。種々の貴金属およびそれらの合金のうち、極低温ではIrが最も触媒活性が高い。Ptの場合は担持量を増やしても燃焼開始温度は-120℃程度であり、活性はほとんど変化しないが、Irの場合は10wt%以上担持すると急激に活性が高くなり、30wt%担持すれば液体窒素温度(−196℃)でも水素の触媒燃焼が可能である。   The cryogenic catalytic combustion of hydrogen is attracting attention as a means of automatic ignition of rocket liquid hydrogen fuel. Of various precious metals and their alloys, Ir has the highest catalytic activity at cryogenic temperatures. In the case of Pt, even if the loading amount is increased, the combustion start temperature is about -120 ° C, and the activity hardly changes. Hydrogen catalytic combustion is possible even at a nitrogen temperature (−196 ° C.).

白金存在下での水素の触媒燃焼において、白金の表面では次のような現象が起きていると考えられる。
水素分子が白金表面に近付くと、水素分子は白金原子と活性錯体を形成する。活性錯体を形成した水素分子は白金表面に吸着される。吸着された水素分子は2つの原子状水素となる。原子状水素の最外殻電子軌道にある電子は白金原子の最外殻電子軌道に遷移する。電子を放出した原子状水素は水素イオンになる。
In catalytic combustion of hydrogen in the presence of platinum, the following phenomenon is considered to occur on the surface of platinum.
As the hydrogen molecule approaches the platinum surface, the hydrogen molecule forms an active complex with the platinum atom. The hydrogen molecules forming the active complex are adsorbed on the platinum surface. The adsorbed hydrogen molecules become two atomic hydrogens. Electrons in the outermost electron orbit of atomic hydrogen transition to the outermost electron orbit of platinum atoms. The atomic hydrogen that released the electrons becomes hydrogen ions.

同時に、酸素分子が白金表面に近付くと、酸素分子は白金原子と活性錯体を形成する。活性錯体を形成した酸素分子は白金表面に吸着される。吸着された酸素分子は2つの原子状酸素となる。白金原子の最外殻電子軌道にある電子は、原子状酸素の最外殻電子軌道に遷移して、原子状酸素は酸素イオンになる。酸素イオンは電気的クーロン力により、水素イオンに引き付けられ、近付いて、酸素イオンは水素イオンと結合して水になる。   At the same time, when an oxygen molecule approaches the platinum surface, the oxygen molecule forms an active complex with the platinum atom. Oxygen molecules forming an active complex are adsorbed on the platinum surface. The adsorbed oxygen molecules become two atomic oxygen. The electrons in the outermost electron orbit of the platinum atom transition to the outermost electron orbit of atomic oxygen, and the atomic oxygen becomes oxygen ions. Oxygen ions are attracted to hydrogen ions by electric Coulomb force, approaching, and oxygen ions combine with hydrogen ions to become water.

従って、酸素イオンが水素イオンと結合する化学反応の面から見ると、水素の触媒燃焼と燃料電池は等価であることがわかる。すなわち水素の触媒燃焼の状況は、燃料電池における燃料極と空気極とを極度に近付けた場合に相当している。よって、水素の触媒燃焼における高活性触媒は燃料電池の燃料極として使用できる可能性がある。   Therefore, from the viewpoint of the chemical reaction in which oxygen ions are combined with hydrogen ions, it can be seen that hydrogen catalytic combustion is equivalent to a fuel cell. That is, the state of catalytic combustion of hydrogen corresponds to a case where the fuel electrode and the air electrode in the fuel cell are extremely close to each other. Therefore, there is a possibility that a highly active catalyst in catalytic combustion of hydrogen can be used as a fuel electrode of a fuel cell.

白金が水素を吸着する性質は電気力、磁気力、核力、重力のいづれかに基くものと考えられる。しかし、水素原子は水素イオンと電子の結合からなり、すでに電気的に中和しているので、電気力が原因ではないと考えられる。また、水素分子は水素原子同士が磁気的に結合しているので、磁気力が原因ではないと考えられる。核力であれば、核融合が起きることになるが、白金と水素の原子核は融合していないから、核力が原因ではないと考えられる。従って、白金が水素を吸着する性質は重力が原因であることが導かれる。   The property of platinum adsorbing hydrogen is considered to be based on one of electric force, magnetic force, nuclear force, and gravity. However, the hydrogen atom is composed of a combination of hydrogen ions and electrons, and has already been electrically neutralized, so it is considered that the electric force is not the cause. In addition, hydrogen atoms are considered not to be caused by magnetic force because hydrogen atoms are magnetically coupled to each other. Nuclear power will cause nuclear fusion, but the nuclear force of platinum and hydrogen is not fused, so it is thought that nuclear power is not the cause. Therefore, it is derived that the property of platinum adsorbing hydrogen is caused by gravity.

ここで、白金が水素を吸着する性質は重力が原因であるとすると、密度の大きな物質であるほど吸着する力は大きくなることが予想される。白金は原子核が重く、密度も大きい物質であるのでこの予想に一致している。また、密度の大きな物質ほど低い温度で触媒燃焼が起きることが予想される。白金PtよりもイリジウムIrのほうが密度が大きい(白金の密度は21.45g/ccであり、イリジウムの密度は22.61g/ccである。)ので、白金PtよりもイリジウムIrのほうが低い温度で触媒燃焼する事実と一致している。
特許公開2001-96273 燃料電池に関する技術動向調査、特許庁技術調査課、平成13年5月31日、2P 水素エネルギー最先端技術、太田時男 監修、(株)NTS、1995年1月31日第1刷発行、263P 腐食防食ハンドブック、(社)腐食防食協会、丸善株式会社平成12年2月29日発行、749p。 ウッドケミカルスの最新技術、飯塚尭介 監修、(株)シーエムシー、2000年発行、39p。 腐食防食ハンドブック、(社)腐食防食協会、丸善株式会社平成12年2月29日発行、768p。 水素エネルギー最先端技術、株式会社エヌティーエス、1995年1月31日第1刷発行、p.570
Here, assuming that the property that platinum adsorbs hydrogen is caused by gravity, it is expected that the higher the density of the substance, the larger the adsorbing force. Platinum is a substance with heavy nuclei and high density, which is consistent with this expectation. Further, it is expected that catalytic combustion occurs at a lower temperature as the density of the substance increases. Since iridium Ir has a higher density than platinum Pt (the density of platinum is 21.45 g / cc and the density of iridium is 22.61 g / cc), catalytic combustion at a lower temperature of iridium Ir than platinum Pt It is consistent with the fact that
Patent Publication 2001-96273 Technical trend survey on fuel cells, JPO technical research section, May 31, 2001, 2P State-of-the-art hydrogen energy technology, supervised by Tokio Ota, NTS Co., Ltd. Corrosion Protection Handbook, Corrosion Protection Association, Maruzen Co., Ltd. February 29, 2000, 749p. The latest technology of Wood Chemicals, supervised by Keisuke Iizuka, CM Co., Ltd., 2000, 39p. Corrosion Protection Handbook, Corrosion Protection Association, Maruzen Co., Ltd. February 29, 2000, 768p. Hydrogen Energy State-of-the-art Technology, NTS Co., Ltd., January 31, 1995, first printing, p.570

アルカリ型燃料電池においては、二酸化炭素CO2によって電解質が変質し、電気抵抗が増大するので、燃料として供給される水素H2や酸素O2の中に不純物として含まれる二酸化炭素CO2は、これを完全に除去してからでないと供給できないという問題があった。また燃料電池を廃棄する場合や、アルカリ溶液が飛散する事故が起きた場合には、アルカリ溶液を酸剤で中和した後、中和塩を除去して排水する必要があるという問題があった。しかし、水質基準以下に中和塩を除去しても河川では、食物連鎖による濃縮作用により、中和塩が蓄積し、生態系に影響を及ぼすという問題があった。また隔膜として広く使用されてきたアスベストは、最近になって発ガン性があるという問題があった。その一方で、100℃以下で動作し、中和塩の問題もない固体高分子型燃料電池においては、高分子膜の価格が高いという問題があった。又、高分子膜は製造時に危険物質を使用するので人体に害があり、環境に優しくないという問題があった。その一方で、環境に優しくコストの安いセルロースをマトリクス(電解質を保持するための隔膜)として使用する場合で、且つ、強い酸性の電解質溶液を用いた場合には、電解質溶液のpHが -1pH以下に低下し過ぎて、セルロースが溶けてしまう可能性があるという問題があった。   In alkaline fuel cells, the carbon dioxide CO2 changes the electrolyte and increases the electrical resistance, so the carbon dioxide CO2 contained as an impurity in the hydrogen H2 and oxygen O2 supplied as fuel is completely removed. There was a problem that it could only be supplied after that. In addition, when the fuel cell is discarded or an accident in which the alkaline solution is scattered occurs, it is necessary to neutralize the alkaline solution with an acid agent and then remove the neutralized salt to drain the solution. . However, even if neutralized salt is removed below the water quality standard, there is a problem in rivers where neutralized salt accumulates due to the concentration by the food chain, affecting the ecosystem. In addition, asbestos, which has been widely used as a diaphragm, has recently had a problem of being carcinogenic. On the other hand, in the polymer electrolyte fuel cell that operates at 100 ° C. or less and has no problem of neutralization salt, there is a problem that the price of the polymer membrane is high. In addition, since the polymer film uses a hazardous substance at the time of manufacture, there is a problem that it is harmful to the human body and is not friendly to the environment. On the other hand, when using cellulose that is environmentally friendly and low in cost as a matrix (a diaphragm for holding the electrolyte), and when a strongly acidic electrolyte solution is used, the pH of the electrolyte solution is −1 pH or less. However, there is a problem that the cellulose may be dissolved too much.

本発明はこの問題を解決するものであり、アルカリ型燃料電池において、電解質として水酸化物イオン水を使用することを特徴とする燃料電池である。
また前記電解質を含浸させるための隔膜としてセルロース又は綿100%の布を用い、かつ燃料電池の水酸化物イオン水に接触する部分の構造材としてポリプロピレンを使用することを特徴とする前記燃料電池である。
すなわちアルカリ型燃料電池の電解質として水酸化物イオン水(Hydroxide Ion Water)を用いることにより、カリウムイオンK+やナトリウムイオンNa+等を含まないので、炭酸が中和されないことから、二酸化炭素の影響が抑えられる。
また、水酸化物イオン水の沸点は約100℃であり、カリウムイオンK+やナトリウムイオンNa+等の触媒を含んでいないことから、腐食性も低いので、マトリクス(電解質の水酸化物イオン水を含浸させる基材)としてセルロースまたは綿100%の布を使用し、水酸化物イオン水に接触する部分の構造材としてポリプロピレンを使用することができる。
The present invention solves this problem, and is a fuel cell characterized in that hydroxide ion water is used as an electrolyte in an alkaline fuel cell.
Further, in the fuel cell, a cellulose or 100% cotton cloth is used as a diaphragm for impregnating the electrolyte, and polypropylene is used as a structural material of a portion in contact with hydroxide ion water of the fuel cell. is there.
In other words, by using hydroxide ion water as an electrolyte for alkaline fuel cells, it does not contain potassium ions K +, sodium ions Na +, etc., so carbon dioxide is not neutralized. Is suppressed.
In addition, since the boiling point of hydroxide ion water is about 100 ° C. and does not contain a catalyst such as potassium ion K + or sodium ion Na +, the corrosiveness is low. 100% cotton cloth can be used as the base material to be impregnated with polypropylene, and polypropylene can be used as the structural material in contact with the hydroxide ion water.

図1に水酸化物イオン水型燃料電池の模式図を示す。水素ガスは燃料極気体拡散層1を通り、燃料極触媒層2において、水素イオンH+(陽子)になり、電解質溶液保持層(セルロースまたは布)3に入る。酸素ガスは、空気極気体拡散層を通り、空気極触媒層で酸素イオンO2-になり、電解質溶液保持層(セルロースまたは布)3に入る。水酸化物イオン水に触れる部分の構造材6はポリプロピレンである。電解質溶液は電解質溶液導入口7から入れて、電解質溶液排出口8から取り出すことができる。   FIG. 1 shows a schematic diagram of a hydroxide ion water fuel cell. The hydrogen gas passes through the fuel electrode gas diffusion layer 1, becomes hydrogen ions H + (protons) in the fuel electrode catalyst layer 2, and enters the electrolyte solution holding layer (cellulose or cloth) 3. The oxygen gas passes through the air electrode gas diffusion layer, becomes oxygen ions O 2− in the air electrode catalyst layer, and enters the electrolyte solution holding layer (cellulose or cloth) 3. The structural material 6 in contact with the hydroxide ion water is polypropylene. The electrolyte solution can be put in from the electrolyte solution introduction port 7 and taken out from the electrolyte solution discharge port 8.

水素原子Hは電子e-と陽子H+(=水素イオン)からなる。
陽子水とは、純水または水を電気分解しているときに陽極近傍に生成する水のことであり、陽子H+(=水素イオン)を多く含み、酸性を示す水のことをいう。
水素イオン水と陽子水とは同じものを意味している。
水酸化物イオン水とは、純水または水の電気分解における陰極近傍の水のことであり、水酸化物イオンOH-を多く含む水のことをいう。
Hydrogen atom H consists of electron e- and proton H + (= hydrogen ion).
Proton water is pure water or water generated near the anode when electrolyzing water, and means water that contains a large amount of protons H + (= hydrogen ions) and shows acidity.
Hydrogen ion water and proton water mean the same thing.
The hydroxide ion water is pure water or water in the vicinity of the cathode in the electrolysis of water, and means water containing a lot of hydroxide ions OH-.

陽子粉末とは陽子水から水分を除去し、乾燥した粉末のことをいう。
水素イオン粉末とは水素イオン水から水分を除去し、乾燥した粉末のことをいう。
水酸化物イオン粉末とは水酸化物イオン水から水分を除去し、乾燥させた粉末のことをいう。
電解質溶液として用いる13pHの水酸化物イオン水のpH調整に水酸化物イオン粉末を使うことが望ましい。
The proton powder is a powder obtained by removing moisture from proton water and drying it.
The hydrogen ion powder is a powder obtained by removing moisture from hydrogen ion water and drying it.
The hydroxide ion powder is a powder obtained by removing moisture from hydroxide ion water and drying it.
It is desirable to use hydroxide ion powder for pH adjustment of 13 pH hydroxide ion water used as an electrolyte solution.

さらに電解質溶液として14pHや15pHの水酸化物イオン水を用いれば、電気抵抗が低くなり、効率良く大きな電流を取り出せるが、その反面、水酸化物イオン水の腐食性も高くなるために、装置を低コストな材料で作ることができなくなるという欠点が生じる。従って、水酸化物イオン水のpH値は13pH程度が望ましい。   Furthermore, if 14 pH or 15 pH hydroxide ion water is used as the electrolyte solution, the electrical resistance is lowered and a large current can be extracted efficiently, but on the other hand, the corrosivity of the hydroxide ion water is also increased. The disadvantage is that it cannot be made of low-cost materials. Accordingly, the pH value of hydroxide ion water is desirably about 13 pH.

電解質を含浸させ、隔膜として用いるセルロース又は綿100%の布の厚みは厚いほど、機械的強度は高くなるが、3mm以上であれば、電気抵抗も高くなり、効率低下を招く。反対に布の厚みを薄くすれば電気抵抗は低くなり、効率は高くなるが、10μm未満では機械的強度を保持することが難しくなり、薄すぎて短絡事故が起こり易くなる。従って、電解質を含浸させる綿100%の布の厚みは、20μmから3mmであればよく、50μmから2mmが望ましく、0.1mmから1mmがさらに望ましい。   The thicker the cellulose or 100% cotton cloth impregnated with the electrolyte is, the higher the mechanical strength is. However, if it is 3 mm or more, the electrical resistance is also increased, leading to a reduction in efficiency. On the other hand, if the thickness of the cloth is reduced, the electrical resistance is lowered and the efficiency is increased. However, if it is less than 10 μm, it is difficult to maintain the mechanical strength, and it is too thin to easily cause a short circuit accident. Accordingly, the thickness of the 100% cotton cloth impregnated with the electrolyte may be 20 μm to 3 mm, preferably 50 μm to 2 mm, and more preferably 0.1 mm to 1 mm.

純水が供給されている間は燃料電池の電解質の抵抗が低く保持されるので、式 H2 + (1/2)O2 -> H2O(液) + 68.3kcal の化学反応が進み、発熱するが、純水の供給が不十分であると、電解質部分での電気抵抗が高くなるので、電流が流れにくくなり、陽子H+(:水素イオン)または水酸化物イオンOH-の移動量が減少し、発熱も減少する。従って、水の沸点である100℃が燃料電池としての動作温度の上限となる。   Since the resistance of the fuel cell electrolyte is kept low while pure water is supplied, the chemical reaction of the formula H2 + (1/2) O2-> H2O (liquid) + 68.3kcal proceeds and generates heat. If the supply of pure water is inadequate, the electrical resistance at the electrolyte portion will increase, making it difficult for current to flow, reducing the amount of proton H + (: hydrogen ion) or hydroxide ion OH- transfer, Fever is also reduced. Therefore, the upper limit of the operating temperature of the fuel cell is 100 ° C., which is the boiling point of water.

しかし、電解質部分に水分がまったくなくなり、乾燥してしまうと、気体拡散電極(多孔質電極)を通り抜けた水素ガスと酸素ガスが、白金等の高活性触媒の表面で出会い、水素の触媒燃焼が起きて、発熱し続けて、100℃をはるかに超えて、焼損事故が起こる可能性があるので、電解質部分に水分センサを導入して、水素ガスの供給時には、水分がなくならないように調節する必要がある。   However, when the electrolyte part is completely dehydrated and dried, hydrogen gas and oxygen gas that have passed through the gas diffusion electrode (porous electrode) meet on the surface of a highly active catalyst such as platinum, and catalytic combustion of hydrogen occurs. Wake up and continue to generate heat, and over 100 ° C may cause a burning accident, so install a moisture sensor in the electrolyte part and adjust it so that it does not lose moisture when supplying hydrogen gas There is a need.

水素の触媒燃焼は、室温における水素と酸素の化合反応であり、その熱化学反応式は、燃料電池における熱化学反応式と等しいことがわかる。これは、水素の触媒燃焼における高活性触媒の表面での水素の反応が、燃料電池における燃料極表面での水素の反応と等しいことを示している。従って、水素の触媒燃焼における高活性触媒は、燃料電池における燃料極として使用できる可能性がある。   The catalytic combustion of hydrogen is a combination reaction of hydrogen and oxygen at room temperature, and it can be seen that the thermochemical reaction formula is equal to the thermochemical reaction formula in the fuel cell. This indicates that the hydrogen reaction at the surface of the highly active catalyst in the catalytic combustion of hydrogen is equal to the hydrogen reaction at the fuel electrode surface in the fuel cell. Therefore, a highly active catalyst in catalytic combustion of hydrogen may be used as a fuel electrode in a fuel cell.

水素の触媒燃焼における高活性触媒としては、Ptのほかに、Pd、Ir、Ru、PdO、PtO2、RuO2が知られている。さらに今日知られていない材料であっても、水素の触媒燃焼における高活性触媒であり、かつ耐食性の高いものは、燃料電池の燃料極の材料として使用できる。   In addition to Pt, Pd, Ir, Ru, PdO, PtO2, and RuO2 are known as highly active catalysts in catalytic combustion of hydrogen. Furthermore, even a material that is not known today can be used as a material for the fuel electrode of a fuel cell if it is a highly active catalyst in catalytic combustion of hydrogen and has high corrosion resistance.

燃料極の材料は、水素の触媒燃焼の高活性触媒であり、かつ耐食性が高く、溶出しにくい材料であることが望ましい。具体的には白金PtやイリジウムIrなどがある。   The material of the fuel electrode is preferably a material that is a highly active catalyst for catalytic combustion of hydrogen, has high corrosion resistance, and is difficult to elute. Specific examples include platinum Pt and iridium Ir.

空気極は燃料電池の運転中または停止後に、1V程度の高電位状態に耐える必要があることから、空気極の材料は耐食性が高く、溶出しにくい材料であることが望ましい。具体的には白金PtやイリジウムIrなどがある。   Since the air electrode needs to withstand a high potential state of about 1 V during or after operation of the fuel cell, it is desirable that the material of the air electrode is a material that has high corrosion resistance and is difficult to elute. Specific examples include platinum Pt and iridium Ir.

水酸化物イオン水型燃料電池の廃棄の際に、電解質溶液である水酸化物イオン水を陽子粉末(水素イオン粉末)や陽子水(水素イオン水)で中和し、pH7の水にしてから、環境に影響がないように廃棄することが望ましい。
水酸化物イオン水型燃料電池の故障事故時に水酸化物イオン水の漏れる事故が起きた場合には直ちに、水素イオン粉末で中和処理が行えるように、燃料電池の外側に水素イオン粉末を配置しておくことが望ましい。さらに、事故時には自動的に中和反応が進むように、フェールセーフを基本方針にした設計を行うことが望ましい。
When the hydroxide ion water fuel cell is discarded, the electrolyte ion hydroxide ion water is neutralized with proton powder (hydrogen ion powder) or proton water (hydrogen ion water) to obtain pH 7 water. It is desirable to dispose of it so as not to affect the environment.
Place hydrogen ion powder on the outside of the fuel cell so that it can be neutralized with hydrogen ion powder immediately in the event of a hydroxide ion water leakage accident at the time of a hydroxide ion water fuel cell failure accident It is desirable to keep it. Furthermore, it is desirable to design based on fail-safe policy so that the neutralization reaction automatically proceeds in the event of an accident.

燃料電池が大量生産されると環境に与える影響は大きくなるので、部品1個に至るまでその製造工程を、環境にやさしいグリーンプロセスに変更していくことが望ましい。
さらに製造、運転、定期点検、事故、故障修理、廃棄という燃料電池のライフタイム全体に渡って関連する部品の一つ一つについて環境負荷を評価することが望ましい。
When fuel cells are mass-produced, the impact on the environment will increase, so it is desirable to change the manufacturing process up to a single component to an environmentally friendly green process.
In addition, it is desirable to evaluate the environmental impact of each relevant component throughout the lifetime of the fuel cell: manufacturing, operation, periodic inspection, accidents, fault repairs, and disposal.

運転条件として、室温(20℃)程度で動作させる場合には、流入する水素1molに対して68.3kcalの発熱を冷却するための冷却装置が必要である。
同時に、流入する水素1モル当たり、1モルの水が電解質溶液中に生成する。従って、電解質溶液中の水素イオン濃度は上昇し、水酸化物イオン水のpH値は13pHよりも小さくなる。このため、電解質溶液を一旦外側に取り出してから、pHを調節し、再び、電解質部分に戻すためのpH調節装置が必要である。
When operating at about room temperature (20 ° C.) as an operating condition, a cooling device for cooling the heat generated at 68.3 kcal per 1 mol of flowing hydrogen is required.
At the same time, one mole of water is produced in the electrolyte solution per mole of hydrogen flowing in. Accordingly, the hydrogen ion concentration in the electrolyte solution increases, and the pH value of the hydroxide ion water becomes smaller than 13 pH. For this reason, after taking out electrolyte solution outside once, pH adjustment is needed to adjust pH and to return to an electrolyte part again.

運転条件として、温度を100℃程度に保持すれば、水分は水蒸気になって、蒸散するので、電解質溶液のpH値が上昇する。このため、電解質溶液中に純水を補充する必要があり、pH調節装置または純水の補充装置を必要とする。さらに運転開始前に加熱装置で燃料電池を100℃まで加熱する必要がある。   As operating conditions, if the temperature is maintained at about 100 ° C., the moisture becomes water vapor and evaporates, so that the pH value of the electrolyte solution increases. For this reason, it is necessary to replenish pure water in an electrolyte solution, and a pH adjuster or a replenisher of pure water is required. Furthermore, it is necessary to heat the fuel cell to 100 ° C. with a heating device before the start of operation.

100℃と室温の中間に、生成する水分量と蒸発する水分量がちょうど釣り合うような温度が存在する。この温度のことをここでは、臨界温度Tcと呼ぶことにする。Tcは燃料電池の熱容量と構造や動作状態に依存し、その燃料電池の固有な値である。   Between 100 ° C. and room temperature, there is a temperature at which the amount of water produced and the amount of water evaporated are just balanced. This temperature is referred to herein as the critical temperature Tc. Tc depends on the heat capacity, structure and operating state of the fuel cell, and is a unique value of the fuel cell.

運転条件として、温度を臨界温度Tcで一定に制御することにより、電解質の水分量を一定値に保持することができ、水分の補充や、pHの調節をしなくて済む。しかし、温度をTcで一定に保持するために加熱装置と冷却装置が必要となる。加熱装置としては電気ヒーター或いはガスのヒーター等がある。   By controlling the temperature to be constant at the critical temperature Tc as the operating condition, the amount of water in the electrolyte can be maintained at a constant value, and it is not necessary to replenish water or adjust pH. However, a heating device and a cooling device are required to keep the temperature constant at Tc. Examples of the heating device include an electric heater and a gas heater.

電解質溶液のpHを調整するために、燃料電池は電解質溶液導入口と電解質溶液排出口を備えることが望ましい。燃料電池から取り出された電解質溶液のpH値を設定値に調節するために、電解質溶液のpH値を測定するpH測定手段を備え、電解質溶液に強い水酸化物イオン水又は、水酸化物イオン粉末を加えるための添加手段を備えたpH調節手段を備えることが望ましい。   In order to adjust the pH of the electrolyte solution, the fuel cell preferably includes an electrolyte solution inlet and an electrolyte solution outlet. In order to adjust the pH value of the electrolyte solution taken out from the fuel cell to the set value, it is equipped with pH measuring means for measuring the pH value of the electrolyte solution, and hydroxide ion water or hydroxide ion powder that is strong against the electrolyte solution It is desirable to provide a pH adjusting means including an adding means for adding.

燃料電池は、電解質溶液の温度を調節するために、電解質溶液の温度を測定する温度測定手段と、電解質溶液の温度を調節する温度調節手段を備えることが望ましい。燃料電池の発電出力を調整するために、空気極に空気、又は酸素を供給する供給手段、又は燃料極に燃料、又は水素を供給する供給手段には、圧力、又は流量を調節する調節手段を備えることが望ましい。燃料電池の電解質溶液と気体との分離を行うために、燃料極と空気極には気体拡散電極を用いることが望ましい。   The fuel cell preferably includes temperature measuring means for measuring the temperature of the electrolyte solution and temperature adjusting means for adjusting the temperature of the electrolyte solution in order to adjust the temperature of the electrolyte solution. In order to adjust the power generation output of the fuel cell, supply means for supplying air or oxygen to the air electrode, or supply means for supplying fuel or hydrogen to the fuel electrode is provided with adjusting means for adjusting the pressure or flow rate. It is desirable to provide. In order to separate the electrolyte solution and gas of the fuel cell, it is desirable to use gas diffusion electrodes for the fuel electrode and the air electrode.

発電に利用できる。水酸化物イオン水は沸点が100℃程度で腐食性が低いので、マトリクス(電解質の水酸化物イオン水を含浸させる基材)に綿100%の布を用いたり、ポリプロピレンなどの安価な材料を構造材として用いることができる。隔膜としてアスベスト等の発ガン性物質を用いないので人体に安全になる。また燃料電池の廃棄のときも、水酸化物イオン水は陽子水で中和してpH7の水にすることができるので、中和塩の問題を生じないし、排水もきれいにできて、環境に良い。25cm角で5万円程度の高価なプロトン交換膜に比べて、綿の布は価格が安い。さらに製造工程で有害物質のフッ酸を使用するプロトン交換膜に比べて、綿100%の布は、製造工程で有害物質を使用しないので環境によい。水酸化物イオン水もその製造工程に有害物質を含まないので環境によい。各要素部品を含めた燃料電池の製造工程全体がグリーンプロセスに近付くので環境によい。電解質溶液のpHは13pH近くなので、セルロースが溶ける可能性は無くなり、従って、セルロース隔膜の耐久性は高まり、寿命が長くなる利点がある。   Can be used for power generation. Since hydroxide ionized water has a boiling point of about 100 ° C and is not corrosive, use a 100% cotton cloth for the matrix (base material impregnated with electrolyte hydroxide ionized water) or use inexpensive materials such as polypropylene. It can be used as a structural material. Since no carcinogenic substances such as asbestos are used as the diaphragm, it is safe for the human body. Also, when the fuel cell is discarded, the hydroxide ion water can be neutralized with proton water to pH 7 water, so there is no problem of neutralization salt, the drainage can be cleaned and the environment is good. . Compared to an expensive proton exchange membrane of about 50,000 yen for a 25cm square, cotton cloth is cheaper. Furthermore, compared to proton exchange membranes that use hydrofluoric acid, which is a hazardous substance in the manufacturing process, 100% cotton fabric is good for the environment because it does not use any harmful substances in the manufacturing process. Hydroxide ion water is also good for the environment because it does not contain harmful substances in its production process. The entire manufacturing process of the fuel cell including each component is close to the green process, which is good for the environment. Since the pH of the electrolyte solution is close to 13 pH, there is no possibility that the cellulose dissolves. Therefore, there is an advantage that the durability of the cellulose diaphragm is increased and the life is extended.

燃料電池の電解質溶液を水酸化物イオン水に限定することにより、構造材として綿やポリプロピレン等の安全で安価な材料を使用することが可能となり、しかも従来型と同程度の性能を持つ燃料電池を実現することができた。   By limiting the electrolyte solution of the fuel cell to hydroxide ion water, it is possible to use a safe and inexpensive material such as cotton or polypropylene as the structural material, and the fuel cell has the same performance as the conventional type. Was able to be realized.

カソードとアノードに白金を使用し、電解液として水酸化物イオン水を使用し、マトリクス(電解質の水酸化物イオン水を含浸させる基材)に綿100%の布を用いた。以下のように燃料電池を製作した。   Platinum was used for the cathode and the anode, hydroxide ion water was used as the electrolyte, and a 100% cotton cloth was used for the matrix (base material impregnated with the electrolyte hydroxide ion water). A fuel cell was manufactured as follows.

厚さ0.2mmで100%綿の布を広げて位置を固定し、この布の上に厚さ0.2mm、直径9cmのポリプロピレン(A)を乗せてセロハンテープで固定した。直径9cmのポリプロピレン(A)の中心位置に、ハンダゴテで、直径4cmの穴を開けた。直径4cmの穴の円周に沿ってポリプロピレンを熔かして布に熔着させた後、直径4cmの穴の外側にある余分の布を切りとった。   A cloth of 100% cotton having a thickness of 0.2 mm was spread and fixed in position, and a polypropylene (A) having a thickness of 0.2 mm and a diameter of 9 cm was placed on the cloth and fixed with cellophane tape. A hole with a diameter of 4 cm was made with a soldering iron in the center position of polypropylene (A) with a diameter of 9 cm. After melting the polypropylene along the circumference of the hole with a diameter of 4 cm and fusing it to the cloth, the excess cloth outside the hole with a diameter of 4 cm was cut off.

直径4cmの穴の布の上に、直径0.3mm、長さ30cmの白金線(1)を渦巻状に巻いて乗せた。最外周の白金線3cmを引き出して端子とした。白金線の上に等間隔に置いた3本の1mm×1mm×10cmのポリプロピレンの細い棒を熔着して布の上に固定した。   A platinum wire (1) having a diameter of 0.3 mm and a length of 30 cm was spirally wound on a cloth having a hole with a diameter of 4 cm. A 3 cm outermost platinum wire was pulled out to be a terminal. Three 1 mm × 1 mm × 10 cm thin polypropylene bars placed at equal intervals on the platinum wire were welded and fixed on the cloth.

直径9cmのポリプロピレン(A)を裏返して、セロハンテープで固定し、直径4cmの穴の布の上に、直径0.3mm、長さ22cmの白金線(2)を渦巻状に巻いて乗せた。最外周の白金線3cmを引き出して端子とした。白金線の上に等間隔に置いた3本の1mm×1mm×10cmのポリプロピレンの細い棒を熔着して布の上に固定した。   The polypropylene (A) having a diameter of 9 cm was turned upside down and fixed with cellophane tape, and a platinum wire (2) having a diameter of 0.3 mm and a length of 22 cm was spirally wound on the cloth having a hole of 4 cm in diameter. A 3 cm outermost platinum wire was pulled out to be a terminal. Three 1 mm × 1 mm × 10 cm thin polypropylene bars placed at equal intervals on the platinum wire were welded and fixed on the cloth.

下側に長さ30cmの白金線(1)が、上側に長さ22cmの白金線(2)が来るように、直径9cmのポリプロピレン(A)を水平に置いて固定した。水素ガスのノズルの位置を白金線(1)の渦巻きの中心軸にあわせて、1cm下の高さに固定した。水素ガスは下から上に向かって吹き出す配置にした。   A polypropylene (A) having a diameter of 9 cm was horizontally placed and fixed so that a platinum wire (1) having a length of 30 cm came to the lower side and a platinum wire (2) having a length of 22 cm to the upper side. The position of the nozzle of the hydrogen gas was fixed at a height of 1 cm below the center axis of the spiral of the platinum wire (1). Hydrogen gas was arranged to blow out from the bottom to the top.

白金線の端子をクリップで挟んで、テスターのマイナス端子を下側の白金線(1)に接続し、プラス端子を上側の白金線(2)の端子に接続した。テスターで白金線間の電気抵抗を測定すると20Mオーム以上で測定不能であった。水道水を布の上から数滴落して布と白金線を濡らすと、電気抵抗は2Mオームとなった。   The platinum wire terminal was sandwiched between clips, the tester's negative terminal was connected to the lower platinum wire (1), and the positive terminal was connected to the upper platinum wire (2). When the electric resistance between the platinum wires was measured with a tester, it could not be measured at 20 M ohms or more. When a few drops of tap water were dropped on the cloth to wet the cloth and platinum wire, the electrical resistance became 2M ohms.

直径9cmのポリプロピレン(A)の下側の白金線(1)に、水素ガスを吹き付けると、開放電圧は0.6Vから0.7Vであった。但し、開放電圧を測定した電圧計の内部抵抗は10Mオームである。布を濡らしていた水分が少なくなると電圧は低下し、水分を加えると上昇した。水素ガスを止めると電圧は0Vに近付いた。   When hydrogen gas was blown onto the platinum wire (1) on the lower side of the polypropylene (A) having a diameter of 9 cm, the open circuit voltage was 0.6V to 0.7V. However, the internal resistance of the voltmeter which measured the open circuit voltage is 10M ohm. The voltage decreased when the moisture that had wetted the cloth decreased, and increased when moisture was added. When the hydrogen gas was turned off, the voltage approached 0V.

水素の流量を約10ml/minから約200ml/minまで変化させても燃料電池の開放電圧は0.7V程度でほとんど変化しなかった。これは、水素ガスと接触する白金の有効断面積が0.03cm×20cm=0.6cm2程度と小さいためであると考えられる。   Even when the flow rate of hydrogen was changed from about 10 ml / min to about 200 ml / min, the open-circuit voltage of the fuel cell was about 0.7 V and hardly changed. This is presumably because the effective area of platinum in contact with hydrogen gas is as small as 0.03 cm × 20 cm = 0.6 cm 2.

燃料電池に1オームの負荷抵抗を接続し、水素ガスを流すと、負荷抵抗の両端の電圧は0.12mVであった。オームの法則より、1オームの負荷抵抗に流れている電流値は0.12mV/1オーム=0.12mAである。   When a load resistance of 1 ohm was connected to the fuel cell and hydrogen gas was allowed to flow, the voltage across the load resistance was 0.12 mV. According to Ohm's law, the value of the current flowing through a load resistance of 1 ohm is 0.12 mV / 1 ohm = 0.12 mA.

電解質の導電率σはσ=Qnμで与えられる。また抵抗率はρ=1/σである。7pHの純水の水素イオン濃度は1e-7mol/lであり、13pHの水酸化物イオン水の水素イオン濃度は1e-13 mol/lである。
電解質の導電率σは水酸化物イオンの濃度に比例し、水素イオン濃度に反比例するから、本発明の構成の燃料電池において、7pHの純水の場合の電解質の電気抵抗が1Mオームであるとすれば、13pHの水酸化物イオン水の場合の電解質の電気抵抗は1オームとなる。
The conductivity σ of the electrolyte is given by σ = Qnμ. The resistivity is ρ = 1 / σ. The hydrogen ion concentration of 7 pH pure water is 1e-7 mol / l, and the hydrogen ion concentration of 13 pH hydroxide ion water is 1e-13 mol / l.
Since the electrical conductivity σ of the electrolyte is proportional to the hydroxide ion concentration and inversely proportional to the hydrogen ion concentration, in the fuel cell having the configuration of the present invention, the electrical resistance of the electrolyte in the case of 7 pH pure water is 1 M ohm. In this case, the electrical resistance of the electrolyte in the case of 13 pH hydroxide ion water is 1 ohm.

燃料電池の起電力を0.6Vとし、白金の有効断面積を0.6cm2と仮定するとオームの法則より、電解質の抵抗が1Mオームのときは、0.6V/1Mオーム=0.6μAの電流(電流密度0.6μA/0.6cm2=1μA/cm2)が得られ、電解質の抵抗が1オームのときは0.6V/1オーム=0.6A程度の電流固(電流密度0.6A/0.6cm2=1A/cm2)が得られる。13pHの水酸化物イオン水の場合の電流密度1A/cm2は、従来の高分子電解質型燃料電池の性能と同程度である。   Assuming that the electromotive force of the fuel cell is 0.6 V and the effective cross-sectional area of platinum is 0.6 cm 2, according to Ohm's law, when the resistance of the electrolyte is 1 M ohm, a current of 0.6 V / 1 M ohm = 0.6 μA (current density 0.6 μA / 0.6cm2 = 1μA / cm2) is obtained, and when the resistance of the electrolyte is 1 ohm, current solidity (current density 0.6A / 0.6cm2 = 1A / cm2) of about 0.6V / 1 ohm = 0.6A is obtained . The current density of 1 A / cm 2 in the case of 13 pH hydroxide ion water is comparable to the performance of conventional polymer electrolyte fuel cells.

燃料電池動作の必要条件を知るために、白金をいくつかの他の金属で置き換えてみたところ、燃料極は常に白金でなければならないことを確認した。さらに空気極は白金でなくてもよいことを発見した。   In order to know the requirements for fuel cell operation, we replaced platinum with several other metals and found that the anode must always be platinum. Furthermore, it was discovered that the air electrode need not be platinum.

水平においた布の有効直径が6cmであり、上側に直径0.3mmで長さが1mのステンレス線を渦巻き状に巻いて布の上において、等間隔に置いた3本の2mm×1mm×6cmのポリプロピレンの棒で押えながら熔着して固定した。布の下側に直径0.1mmで長さが1mの白金線を渦巻状に巻いて布の6cmの円の上に置いた。等間隔に置いた3本の2mm×1mm×6cmのポリプロピレンの棒で押えながら熔着して固定した。   The effective diameter of the cloth placed horizontally is 6 cm. On the upper side, three 2 mm x 1 mm x 6 cm pieces of stainless steel wire having a diameter of 0.3 mm and a length of 1 m are spirally wound on the cloth. While pressing with a polypropylene rod, it was welded and fixed. A platinum wire having a diameter of 0.1 mm and a length of 1 m was spirally wound under the cloth and placed on a 6 cm circle of the cloth. The two 2 mm × 1 mm × 6 cm polypropylene bars placed at equal intervals were welded and fixed while being pressed.

水道水を滴下して白金線と布を濡らした。
下から白金線に対して水素を吹き付けると0.6V程度の開放電圧が出た。但し、開放電圧を測定した電圧計の内部抵抗は10Mオームである。
布の上下を逆さまにして、白金線が上側にして、ステンレス線が布の下側になるように固定して下から水素をステンレス線に吹き付けると電圧は数十mV程度と僅かに変化しただけで、0.6Vに比べると無視できる程度の変化であった。
Tap water was dropped to wet the platinum wire and cloth.
When hydrogen was blown against the platinum wire from the bottom, an open circuit voltage of about 0.6 V was output. However, the internal resistance of the voltmeter which measured the open circuit voltage is 10M ohm.
When the cloth is turned upside down, the platinum wire is on the top and the stainless steel wire is on the bottom of the cloth, and hydrogen is blown onto the stainless steel wire from the bottom, the voltage changes only slightly to several tens of mV. In comparison with 0.6V, the change was negligible.

空気極と燃料極の組み合わせとして、白金と白金、金と金、ステンレスとステンレス、銅と銅、あるいは別々の金属の組み合わせを試したところ、水素を吹き付ける燃料極が白金であった時は常に0.5V〜0.6Vの開放電圧が得られることがわかった。逆に、燃料極がステンレス、銅、金の場合は開放電圧がほぼ0Vであった。すなわち、燃料極が白金のときには、空気極がステンレス、銅、金のどの金属であっても発電できた。   I tried platinum and platinum, gold and gold, stainless steel and stainless steel, copper and copper, or a combination of different metals as a combination of air electrode and fuel electrode. It was found that an open circuit voltage of V to 0.6V can be obtained. Conversely, when the fuel electrode was stainless steel, copper, or gold, the open circuit voltage was almost 0V. That is, when the fuel electrode was platinum, power could be generated regardless of whether the air electrode was stainless steel, copper, or gold.

水酸化物イオン水型燃料電池HIWFCの単電池(単セル)は水酸化物イオン水を保持したマトリクスを、ガス拡散電極(空気極及び燃料極)で挟んだ板状の構造をとることが望ましい。この電池の空気極側に酸素(を含む空気)、燃料極側に水素(を含む改質ガス等)を流通し発電させる。作動温度は室温から100℃である。単セルの電圧は約1Vなので通常は複数のセルを電気的に直列になるように積層したセルスタックとして使用するが、その際には空気極と燃料極のガスの混合を防ぐためのセパレータがセルの間に挟まれる。   It is desirable that the unit cell (unit cell) of the hydroxide ion water fuel cell HIWFC has a plate-like structure in which a matrix holding hydroxide ion water is sandwiched between gas diffusion electrodes (air electrode and fuel electrode). . The battery is supplied with oxygen (including air) on the air electrode side and hydrogen (including reformed gas) on the fuel electrode side to generate power. The operating temperature is from room temperature to 100 ° C. Since the voltage of a single cell is about 1V, it is usually used as a cell stack in which a plurality of cells are stacked in series electrically. In that case, a separator is used to prevent gas mixture between the air electrode and the fuel electrode. Sandwiched between cells.

さらに微量ながらガス中に飛散していく水酸化物イオン水を補充するための水酸化物イオン水保持板(リザーバ)をセパレータとセルの間に挟むことが望ましい構成である。水酸化物イオン水保持板のセル側の面には反応ガス流路となる溝を形成する事が望ましい。   Further, it is desirable that a hydroxide ion water holding plate (reservoir) for replenishing hydroxide ion water scattered in the gas with a small amount is sandwiched between the separator and the cell. It is desirable to form a groove serving as a reaction gas channel on the cell side surface of the hydroxide ion water holding plate.

セルスタック内には、5〜8セルごとに発電時の排熱を除去するための冷却板を設けることが望ましい。冷却板は冷却水管をカーボン板に埋め込んだ構造として、冷却水はセル間の絶縁を確保するために超純水クラスの低電気伝導率に管理することが望ましい。   In the cell stack, it is desirable to provide a cooling plate for removing exhaust heat during power generation every 5 to 8 cells. It is desirable that the cooling plate has a structure in which a cooling water pipe is embedded in a carbon plate, and the cooling water is managed to have an ultrapure water class low electrical conductivity in order to ensure insulation between cells.

水酸化物イオン水型燃料電池HIWFCでは電気及び熱の伝導率が高く、13pHの水酸化物イオン水に比較的耐食性のあるカーボンなどを主要な構成材料(触媒担体、電極基材、セパレータ、リザーバ、冷却板)として使用することが望ましい。しかし、カーボンも電気化学的な腐食を受けることがあるので注意が必要である。たとえば、触媒担体の腐食は触媒粒子の孤立等による特性低下につながり、セパレータの腐食はセパレータを介しての電気化学的な水酸化物イオンの移動に伴う水酸化物イオン欠乏や水酸化物イオン過多による特性低下等につながる。   Hydroxide ion water fuel cell HIWFC has high electrical and thermal conductivity, and carbon, which is relatively corrosion resistant to 13 pH hydroxide ion water, is the main constituent material (catalyst carrier, electrode substrate, separator, reservoir) It is desirable to use as a cooling plate. However, care must be taken because carbon may also be subjected to electrochemical corrosion. For example, corrosion of the catalyst carrier leads to deterioration of characteristics due to isolation of catalyst particles, etc., and corrosion of the separator is caused by deficiency of hydroxide ions or excessive hydroxide ions accompanying electrochemical movement of hydroxide ions through the separator. It leads to characteristic deterioration by.

この腐食反応を抑えるために、2000℃〜3000℃の高温処理によりグラファイト化し、耐食性を高めたカーボン材料を水酸化物イオンに触れる部分に用いることが望ましい。ただ、高温処理されていても電気化学的な電位が上昇すると腐食速度は増大する。従って、通常運転状態、起動や停止、出力変化等の過渡的状態を問わず、セルスタック各部において高電位状態を防ぐことが重要である。   In order to suppress this corrosion reaction, it is desirable to use a carbon material that has been graphitized by high-temperature treatment at 2000 ° C. to 3000 ° C. and that has improved corrosion resistance in contact with hydroxide ions. However, the corrosion rate increases as the electrochemical potential rises even at high temperature. Therefore, it is important to prevent a high potential state in each part of the cell stack regardless of a transitional state such as a normal operation state, start and stop, and output change.

カーボン腐食以外に、運転温度下での高電位状態では触媒金属のPtの水酸化物イオン水中への溶解、再析出による触媒表面積の減少が問題となる。特に運転温度での無負荷状態(電位1V前後)におけるダメージは大きく、短時間で電池性能を低下させる。発電停止直後にこのような状態になる可能性が最も大きいが、窒素パージによる速やかな酸素濃度低減や抵抗投入による電位制御等の対策をとることが望ましい。   In addition to carbon corrosion, in a high potential state at the operating temperature, there is a problem of reduction of the catalyst surface area due to dissolution and reprecipitation of Pt of the catalyst metal in hydroxide ion water. In particular, the damage in the no-load state (potential around 1 V) at the operating temperature is great, and the battery performance is lowered in a short time. Although there is a high possibility that such a state will occur immediately after the power generation is stopped, it is desirable to take measures such as quick oxygen concentration reduction by nitrogen purge and potential control by adding resistance.

セルからの排ガス中の水酸化物イオン水による配管材料の腐食は、ガスリークや腐食生成物による閉塞などにつながる場合もある。特に問題となるのは水酸化物イオン凝縮量の多いセルスタックのガスマニホールドで、耐食性樹脂で被覆する等の対策をとることが望ましい。このほか、熱回収用の冷却水関係の熱交換器の腐食についても注意する必要がある。   Corrosion of the piping material by hydroxide ion water in the exhaust gas from the cell may lead to gas leakage or clogging by corrosion products. In particular, it is desirable to take measures such as coating the gas manifold of the cell stack with a large amount of hydroxide ion condensation with a corrosion-resistant resin. In addition, it is necessary to pay attention to the corrosion of heat exchangers related to cooling water for heat recovery.

布の隔膜の厚みを0.2mmとすると、布が濡れるように水酸化物イオン水を満たすので、ひとつの隔膜部の大きさを100cmx100cmx0.02cm=200ccと仮定すると、0.6Vのセルが10個で6Vのスタックにして、全部で2リットルの水酸化物イオン水が必要である。   Assuming that the cloth diaphragm thickness is 0.2 mm, hydroxide ion water is filled so that the cloth gets wet. Therefore, assuming that the size of one diaphragm portion is 100 cm × 100 cm × 0.02 cm = 200 cc, there are 10 cells of 0.6V. A total of 2 liters of hydroxide ion water is required in a 6V stack.

13pHの水酸化物イオン水は1リットル当り1モル(17g)の水酸化物イオンを含んでいる。12pHの水酸化物イオン水10リットルを煮沸して、13pHの水酸化物イオン水1リットルを作ることができる。11pHの水酸化物イオン水100リットルを煮沸して、13pHの水酸化物イオン水1リットルを作ることができる。10pHの水酸化物イオン水1000リットルを煮沸して、13pHの水酸化物イオン水1リットルを作ることができる。
純水(精製水)は20リットルで3000円であったので、1000リットルで150000円である。
13 pH hydroxide ion water contains 1 mol (17 g) of hydroxide ions per liter. Boil 10 liters of 12 pH hydroxide ion water to make 1 liter of 13 pH hydroxide ion water. 100 liters of 11 pH hydroxide ion water can be boiled to make 1 liter of 13 pH hydroxide ion water. 1000 liters of 10 pH hydroxide ion water can be boiled to make 1 liter of 13 pH hydroxide ion water.
Since pure water (purified water) costs 3000 yen for 20 liters, it costs 150,000 yen for 1000 liters.

これまでに発明者は、最高で10pHの水酸化物イオン水1リットルを100Vで1mAで1Hで製造したので、1kWHを30円とすると電気料金は3円となる。
よって10pHの水酸化物イオン水1000リットルの原価は150003円である。
So far, the inventor has produced 1 liter of hydroxide ion water with a maximum pH of 10 at 100 V and 1 mA at 1 H, so if 1 kW is 30 yen, the electricity charge is 3 yen.
Therefore, the cost of 1000 liters of 10 pH hydroxide ion water is 150003 yen.

さらに10pHの水酸化物イオン水1000リットルを煮沸して、13pHの水酸化物イオン水1リットルを作るには水の温度を20℃から100℃まで上げて、さらに蒸発させるために、気化熱9.7kcal/molが必要である。999リットルの水を蒸発させるためには (100-20℃)×999リットル×1000cc=79920kcal と999000/18×9.7kcal=538350kcalが必要である。1kwH=861kcalより、21536円かかる。従って、13pHの水酸化物イオン水2リットルは(21536円+150003円)×2=343078円かかる。   Furthermore, to make 1 liter of 13 pH hydroxide ion water by boiling 1000 liters of 10 pH hydroxide ion water, raise the temperature of the water from 20 ° C to 100 ° C and further evaporate the heat of vaporization 9.7 kcal / mol is required. In order to evaporate 999 liters of water, (100-20 ° C) x 999 liters x 1000 cc = 79920 kcal and 999000/18 x 9.7 kcal = 538350 kcal are required. It costs 21536 yen from 1kwH = 861kcal. Therefore, 2 liters of 13 pH hydroxide ion water costs (21536 yen + 150003 yen) x 2 = 343078 yen.

25cm×25cmの高分子電解質膜の価格が5万円程度であったので、100cm×100cmで、20万円として、6スタックで120万円となる。従って、電解質と隔膜をあわせたコストについてみると、従来のものよりも4倍程度安くなる。   Since the price of the polymer electrolyte membrane of 25 cm × 25 cm was about 50,000 yen, it would be 200,000 yen at 100 cm × 100 cm, and 1.2 million yen for 6 stacks. Therefore, the total cost of the electrolyte and the diaphragm is about 4 times cheaper than the conventional one.

常温から100℃以下で動作する燃料電池としては、高分子電解質燃料電池PEFCが主流であるが高分子電解質膜のコストが高いという問題がある。電解質として水酸化物イオン水を使用すれば、腐食性が低下し、高分子電解質膜のかわりに、100%綿の布をマトリクス(電解質の水酸化物イオン水を含浸させる基材)として使用したり、ポリプロピレンを構造材として使用できるので、低コストな燃料電池をつくることができ、産業として利用できる可能性が高い。   As a fuel cell operating from room temperature to 100 ° C. or less, a polymer electrolyte fuel cell PEFC is mainstream, but there is a problem that the cost of the polymer electrolyte membrane is high. If hydroxide ion water is used as the electrolyte, the corrosiveness is lowered, and instead of the polymer electrolyte membrane, 100% cotton cloth is used as a matrix (base material impregnated with electrolyte hydroxide ion water). In addition, since polypropylene can be used as a structural material, a low-cost fuel cell can be produced, and there is a high possibility that it can be used as an industry.

本発明の水酸化物イオン水型燃料電池の模式図を示す。The schematic diagram of the hydroxide ion water type fuel cell of the present invention is shown.

符号の説明Explanation of symbols

1 燃料極気体拡散層
2 燃料極触媒層
3 電解質溶液保持層(セルロースまたは布)
4 空気極触媒層
5 空気極気体拡散層
6 構造材(ポリプロピレン)
7 電解質溶液導入口
8 電解質溶液排出口
1 Fuel electrode gas diffusion layer 2 Fuel electrode catalyst layer 3 Electrolyte solution holding layer (cellulose or cloth)
4 Air electrode catalyst layer 5 Air electrode gas diffusion layer 6 Structural material (polypropylene)
7 Electrolyte solution inlet 8 Electrolyte solution outlet

Claims (2)

アルカリ型燃料電池において、電解質として水酸化物イオン水を使用することを特徴とする燃料電池。 A fuel cell characterized in that hydroxide ion water is used as an electrolyte in an alkaline fuel cell. 電解質を含浸させるための隔膜としてセルロース又は綿100%の布を用い、かつ燃料電池の水酸化物イオン水に接触する部分の構造材としてポリプロピレンを使用することを特徴とする請求項1に記載の燃料電池。
2. The method according to claim 1, wherein a cloth made of 100% cotton or cellulose is used as a diaphragm for impregnating an electrolyte, and polypropylene is used as a structural material of a portion in contact with hydroxide ion water of a fuel cell. Fuel cell.
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