JP2006252884A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 液体電解質を使用し、小型軽量化が可能で、発電効率が高い燃料電池を提供すること。
【解決手段】 液体電解質４と、液体電解質４に浸漬されている燃料側電極２および酸素側電極３とを備える燃料電池１において、燃料側電極２として、内部空間が形成される中空形状をなし、その内部空間（燃料貯留部７）へ燃料を供給するための燃料供給口８が形成されている燃料側支持体６と、燃料側支持体６の外側面に形成された触媒層９とを有するものを用いる。また、酸素側電極３として、内部空間が形成される中空形状をなし、その内部空間（酸素貯留部１１）へ酸素を供給するための酸素供給口１２が形成されている酸素側支持体１０と、酸素側支持体１０の外表面に形成された触媒層１３とを有するものを用いる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、液体電解質を用いた燃料電池に関する。

現在まで、燃料電池としては、アルカリ型（ＡＦＣ）、リン酸型（ＰＡＦＣ）、固体高分子型（ＰＥＦＣ）、溶融炭酸塩型（ＭＣＦＣ）、固体酸化物型（ＳＯＦＣ）などの各種のものが知られており、これらは、液体電解質を用いるものと固体電解質を用いるものとに大別される。
これらのうち、液体電解質を用いる燃料電池は、一般に、平板状の燃料側電極および酸素側電極と、液体電解質とを有する燃料電池セルを備えており、液体電解質は、例えば、高分子膜などのマトリックス中に含浸されて、燃料側電極と酸素側電極との間に挟んだ状態で配置されている。また、燃料側電極および酸素側電極は、液体電解質に接触する一方側表面と反対側の他方側表面に、それぞれ溝を備えており、この溝は、上記各電極の他方側表面の間で平板状のセパレータを挟持することで、燃料または酸素を供給するための流路を形成している。

一方、特許文献１には、液体電解質をマトリックス中に含浸させずに、流体として使用する燃料電池が記載されている。この燃料電池では、燃料側電極（負極）と酸素側電極（正極）とが、互いに独立したセル内に配置されて、液体電解質中にそれぞれ浸漬されており、さらに、燃料および酸素は、各上記セルの液体電解質中に、それぞれ直接供給される。それゆえ、この燃料電池によれば、燃料電池の大型化の原因となるセパレータが不要になる。
特表２００１−５１５２６４号公報

しかしながら、特許文献１に記載の燃料電池では、液体電解質中に燃料および酸素が直接供給されることから、燃料および酸素は、分子状態で存在するよりも、イオン化された状態で存在しやすくなる。それゆえ、燃料電池内の電気化学的反応により得られる電圧の低下と、それに伴う発電効率の低下とが不可避となる。また、そのために、大きな電力を得ようとすると、セルを数多く設ける必要があり、燃料電池が大型化するという不具合がある。

そこで、本発明の目的は、液体電解質を使用し、小型軽量化が可能で、発電効率が高い燃料電池を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明は、
（１） 液体電解質、前記液体電解質に浸漬されている燃料側電極および前記液体電解質に浸漬されている酸素側電極を備え、
前記燃料側電極は、内部空間が形成される中空形状をなし、その内部空間へ燃料を供給するための燃料供給口が形成されている燃料側支持体と、前記燃料側支持体の外側面に形成された触媒層とを有しており、
前記酸素側電極は、内部空間が形成される中空形状をなし、その内部空間へ酸素を供給するための酸素供給口が形成されている酸素側支持体と、前記酸素側支持体の外表面に形成された触媒層とを有していることを特徴とする、燃料電池、
（２） 前記酸素側支持体の外側面と、前記燃料側支持体の外側面との表面積比を自在に設定できることを特徴とする、前記（１）に記載の燃料電池、
を提供するものである。

本発明の燃料電池では、燃料側電極および酸素側電極を形成する支持体が中空形状をなしており、この支持体の内部空間に、燃料供給口または酸素供給口から燃料または酸素が供給されることから、燃料電池のセルを形成するセパレータが不要になる。また、燃料および酸素が液体電解質中に直接供給されないことから、同じ液体電解質中に、燃料側電極と酸素側電極との両方を浸漬させることができ、電極ごとに液体電解質を収容する槽を設ける必要がない。

さらに、本発明の燃料電池では、燃料および酸素を、分子状態のままで電気化学的反応に関与させられることから、燃料および酸素のイオン化に伴って電気化学的反応により得られる電圧が低下することを防止できる。
それゆえ、本発明の燃料電池によれば、燃料電池の小型化を実現しつつ、発電効率が高い燃料電池を提供することができる。

図１は、本発明の燃料電池の一実施形態を示す概略構成図である。図１において、この燃料電池１は、燃料側電極２、酸素側電極３、液体電解質４、および、液体電解質４を収容する槽５を備えており、燃料側電極２および酸素側電極３は、液体電解質４に浸漬されている。
図２は、本発明の燃料電池の燃料側電極２および酸素側電極３の一実施形態を示す斜視図と、その部分拡大断面図であり、図３は、燃料側電極２および酸素側電極３の他の実施形態を示す斜視図である。

図１および図２に示すように、燃料側電極２は、内部空間が形成される中空形状をなしており、その内部空間へ燃料を供給するための燃料供給口８が形成されている燃料側支持体６と、燃料側支持体６の外側面に形成された触媒層９とを有している。
燃料側支持体６は、燃料ガスを透過させ、かつ、液体電解質４を透過させにくい導電性材料から、有底円筒形状に形成されており、その内部空間が、燃料Ｆを貯留するための燃料貯留部７とされている。

導電性材料としては、例えば、多孔質の導電性カーボン、例えば、ニッケル、チタンなどの金属の多孔体などが用いられる。
上記のような燃料側支持体６は、上記例示の導電性材料から、例えば、発泡成形により、成形することができる。また、燃料側支持体６の空孔率は、好ましくは、５０〜９０％であり、より好ましくは、６０〜８０％である。燃料側支持体６の空孔率を上記範囲に設定することで、後述する燃料側電極２での反応の効率を向上させることができ、ひいては、燃料電池１の発電効率を向上させることができる。

燃料側支持体６は、必要により、燃料側支持体６の外側面または内側面に、ガスおよび液体（例えば、燃料Ｆ、液体電解質４など）を通しにくく、イオン（例えば、水素イオン（Ｈ⁺）または水酸化物イオン（ＯＨ^-））を通しやすい膜を設けてもよい。このような膜を設けることで、液体電解質４中への燃料Ｆの漏出を抑制することができ、液体電解質４の品質の維持を図ることができる。また、上記のような膜としては、後述する液体電解質４が酸性であるか、塩基性であるかによって適宜選択されるものであり、液体電解質４が酸性である場合には、例えば、水素イオン伝導を担う酸性高分子膜が挙げられ、液体電解質４が塩基性である場合には、例えば、水酸化物イオン伝導を担う塩基性高分子膜が挙げられる。

触媒層９に用いられる触媒としては、例えば、白金族元素（Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ）、鉄族元素（Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ）などの周期表第８〜１０（ＶＩＩＩ）族元素や、例えば、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕなどの周期表第１１（ＩＢ）族元素など、さらにはこれらの組み合わせなどが挙げられ、好ましくは、Ｐｔ（白金）が挙げられる。また、燃料の種類によって一酸化炭素（ＣＯ）が副生する場合には、上記例示の元素とともに、ルテニウム（Ｒｕ）を用いることで、触媒の被毒を防止することができる。触媒の担持量は、特に限定されないが、例えば、０．１〜１０．０ｍｇ／ｃｍ²、好ましくは、０．１〜５．０ｍｇ／ｃｍ²である。

触媒層９を形成するには、特に制限されないが、例えば、触媒１４、高分子電解質１５および適当な溶媒を配合して、得られた混合物を、燃料側支持体６を浸漬して、乾燥させることにより形成される。また、上記混合物を、燃料側支持体６の表面に塗布して、乾燥させることにより形成することもできる。
燃料側支持体６の外径は、好ましくは、３ｍｍ以下であり、より好ましくは、１〜２ｍｍである。また、燃料側支持体６の内径は、燃料側支持体６の外径に対して、好ましくは、２０〜９０％であり、より好ましくは、２０〜５０％である。

燃料側電極２は、後述するように、液体電解質４が後述する酸性電解質である場合には、燃料貯留部７に供給される燃料Ｆを反応させて、水素イオン（Ｈ⁺）および電子（ｅ^-）を生成させる。また、液体電解質４が後述する塩基性電解質である場合には、燃料貯留部７に供給される燃料Ｆと、液体電解質４中の水酸化物イオン（ＯＨ^-）とを反応させて、電子（ｅ^-）および水（Ｈ₂Ｏ）を生成させる。燃料側電極２にて生成した電子（ｅ^-）は、燃料側支持体６から外部回路１６を介して酸素側支持体１０に移動され、酸素側電極３へ供給される。

燃料貯留部７に供給される燃料Ｆとしては、特に限定されず、例えば、水素（Ｈ₂）、例えば、メタノール（ＣＨ₃ＯＨ）などのアルコール類、例えば、ヒドラジン（ＮＨ₂ＮＨ₂）などのヒドラジン類、例えば、アンモニア（ＮＨ₄）、例えば、メタン（ＣＨ₄）などの炭化水素類などが挙げられる。これらの燃料Ｆは、好ましくは、ガスとして用いられる。

なお、燃料側電極２は、例えば、燃料Ｆが水素（Ｈ₂）である場合には、電子（ｅ^-）および水（Ｈ₂Ｏ）のみを生成させ、燃料Ｆがメタノール（ＣＨ₃ＯＨ）である場合には、電子（ｅ^-）、水（Ｈ₂Ｏ）、二酸化炭素（ＣＯ₂）および副生物としての一酸化炭素（ＣＯ）を生成させ、燃料Ｆがヒドラジン（ＮＨ₂ＮＨ₂）である場合には、電子（ｅ^-）、水（Ｈ₂Ｏ）および窒素（Ｎ₂）を生成させる。

燃料貯留部７に供給される燃料Ｆの供給圧は、好ましくは、常圧〜２気圧である。燃料Ｆの供給圧を上記範囲に設定することにより、液体電解質４が、燃料側支持体６を通過して、燃料貯留部７に浸透するのを抑制することができる。
酸素側電極３は、上記した燃料側電極２と同様に、内部空間が形成される中空形状をなしており、その内部空間へ酸素（または空気）を供給するための酸素供給口１２が形成されている酸素側支持体１０と、酸素側支持体１０の外側面に形成された触媒層１３とを備えている。

酸素側支持体１０は、酸素（または空気）を透過させ、かつ、液体電解質４を透過させにくい導電性材料から、有底円筒形状に形成されており、その内部空間が、酸素（または空気）Ａを貯留するための酸素貯留部１１とされている。
酸素側支持体１０に用いられる導電性材料としては、上記例示の導電性材料と同様のものが挙げられる。

上記のような酸素側支持体１０は、燃料側支持体６と同様に、導電性材料から、例えば、発泡成形により、成形することができる。また、酸素側支持体１０の空孔率は、好ましくは、５０〜９０％であり、より好ましくは、６０〜８０％である。酸素側支持体１０の空孔率を上記範囲に設定することで、後述する酸素側電極３での反応の効率を向上させることができ、ひいては、燃料電池１の発電効率を向上させることができる。

酸素側支持体１０は、必要により、酸素側支持体１０の外側面または内側面に、ガスおよび液体（例えば、酸素（または空気）Ａ、液体電解質４など）を通しにくく、イオン（例えば、水素イオン（Ｈ⁺）または水酸化物イオン（ＯＨ^-））を通しやすい膜を設けてもよい。このような膜を設けることで、液体電解質４中への酸素（または空気）Ａの漏出を抑制することができ、液体電解質４の品質の維持を図ることができる。また、上記のような膜としては、後述する液体電解質４の酸性および塩基性の種別に応じて、上記の酸性高分子膜や塩基性高分子膜から、適宜選択して用いることができる。

触媒層１３に用いられる触媒としては、上記例示の触媒と同様のものが挙げられる。また、触媒の担持量は、上記の触媒層９の場合と同じ範囲に設定すればよい。
なお、後述する液体電解質４が、塩基性電解質である場合には、後述する反応式に示すように、酸素側電極３での反応に、酸素（Ｏ₂）だけでなく、水（Ｈ₂Ｏ）も必要になることから、触媒層１３は、親水性であることが好ましい。触媒層１３を親水性に形成するには、これに限定されないが、例えば、触媒を担持する担体として、親水化処理されたカーボンを用い、触媒として、上記白金族元素の単体の微粒子を用いればよい。

触媒層１３を形成するには、特に制限されず、例えば、上述の、燃料側支持体６の表面に触媒層９を形成する場合と同様にすればよい。
酸素側支持体１０の外径は、好ましくは、３ｍｍ以下であり、より好ましくは、１〜２ｍｍである。また、酸素側支持体１０の内径は、酸素側支持体１０の外径に対して、好ましくは、２０〜９０％であり、より好ましくは、２０〜５０％である。

酸素側電極３は、後述するように、液体電解質４が後述する酸性電解質である場合には、酸素貯留部１１に供給される酸素（Ｏ₂）と、液体電解質４中の水素イオン（Ｈ⁺）と、外部回路１６を通過した電子（ｅ^-）とを反応させて、水（Ｈ₂Ｏ）を生成させる。また、液体電解質４が後述する塩基性電解質である場合には、酸素貯留部１１に供給される酸素（Ｏ₂）と、液体電解質４中の水（Ｈ₂Ｏ）と、外部回路１６を通過した電子（ｅ^-）とを反応させて、水酸化物イオン（ＯＨ^-）を生成させる。

酸素貯留部１１には、酸素ガスが単独で貯留され、または、空気が貯留される。酸素貯留部１１に供給される酸素（または空気）Ａの供給圧は、好ましくは、常圧〜２気圧である。酸素（または空気）Ａの供給圧を上記範囲に設定することにより、液体電解質４が、酸素側支持体１０を通過して、酸素貯留部１１に浸透するのを抑制することができる。
上記の燃料電池１では、一対の燃料側電極２および酸素側電極３が、所定の間隔を隔てて、後述する槽５内に配置される。また、燃料側電極２の燃料貯留部７および酸素側電極３の酸素貯留部１１と、液体電解質４とは、燃料側支持体６または酸素側支持体１０によって隔てられることから、上記燃料電池１においては、従来の燃料電池に必須の構成要素であるセパレータが不要となる。

また、上記の燃料電池１では、燃料側電極２および酸素側電極３の内部空間が、それぞれ、燃料貯留部７または酸素貯留部１１として用いられることから、燃料側電極２および酸素側電極３の表面積は、互いに独立して、自在に設定することができる。
それゆえ、例えば、過電圧が小さい燃料（例えば、水素など）を用いる場合には、燃料側電極２の表面積を相対的に小さくして、または、酸素側電極３の表面積を相対的に大きくして、酸素側電極３の表面積に対する燃料側電極２の表面積の比率を小さくすることができる。また、逆に、過電圧が大きい燃料（例えば、メタノールなど）を用いる場合には、燃料側電極２の表面積を相対的に大きくして、または、酸素側電極３の表面積を相対的に小さくして、酸素側電極３の表面積に対する燃料側電極２の表面積の比率を大きくすることができる。

このように、燃料側電極２および酸素側電極３の表面積比を、燃料の過電圧に応じて最適化することにより、燃料電池１の発電効率をより一層向上させることができる。しかも、燃料側電極２および酸素側電極３の表面積比を最適化することで、触媒使用量の低減を図ることもできる。
燃料側電極２および酸素側電極３の表面積比を調節するには、例えば、電極の本数、径、断面形状などを適宜、変更すればよい。本数を変更することにより、その表面積を増大させた電極の具体例としては、例えば、図３に示すように、内部空間が形成される中空略円筒形状の支持体１７を、各支持体１７の軸方向ｘが並行するように、複数本（図３では６本）並べて連結した電極連結体１８が挙げられる。

液体電解質４としては、例えば、水素イオン導電性を有する酸性の液体電解質、または、水酸化物イオン導電性を有する塩基性の液体電解質が挙げられる。酸性電解質としては、例えば、リン酸、硫酸、塩酸およびこれらの水溶液などが挙げられる。また、塩基性電解質としては、例えば、水酸化カリウム、水酸化ナトリウムなどのアルカリ金属水酸化物の水溶液などが挙げられる。

槽５としては、液体電解質４を収容、密封させて、この液体電解質４中に、燃料側電極２および酸素側電極３を浸漬させることができ、かつ、絶縁性を示すものであること以外は、特に制限されず、例えば、樹脂板、セラミックス、表面に絶縁性被膜（例えば、樹脂被膜など）を有する金属板などから形成されたボックスタイプの槽が挙げられる。
槽５は、例えば、注入口２０および排出口２１を備えていてもよい。この注入口２０および排出口２１から液体電解質４を出し入れし、槽５内を循環させて、後述する電気化学的反応により生成した水を液体電解質４から除去することにより、液体電解質４の希釈を防止することができる。

上記の燃料電池１では、液体電解質４中でのイオンの拡散に伴う発電効率の低下を抑制するために、好ましくは、対をなす燃料側電極２および酸素側電極３のユニット毎に、後述する槽５内に隔壁１９を配置する。
隔壁１９としては、特に限定されないが、例えば、樹脂フィルムなどの絶縁性フィルムなどが挙げられる。具体的には、例えば、厚さが数〜数十μｍの樹脂フィルムが挙げられる。

上記の燃料電池１は、燃料側支持体６および酸素側支持体１０のそれぞれに備えられた端子（図示せず）から、外部回路１６を通じて、電気化学的反応により発生した起電力を外部に取り出すことができるように構成されている。
また、モデル的には、燃料電池１の燃料側支持体６と酸素側支持体１０とを、外部回路１６によって接続し、その外部回路１６に電圧計を介在させることにより、発生する電圧を計測することもできる。

上記の燃料電池１では、酸素側支持体１０の酸素貯留部１１に酸素（空気）Ａを供給しつつ、燃料側支持体６の燃料貯留部７に上記した燃料Ｆを供給すれば、酸素側電極３においては、次に述べるように、燃料側電極２で発生し、外部回路１６を介して移動する電子（ｅ^-）と、液体電解質４中に存在し、または、燃料側電極２で発生して、液体電解質４中を移動する水（Ｈ₂Ｏ）と、酸素（Ｏ₂）とが反応して、水（Ｈ₂Ｏ）または水酸化物イオン（ＯＨ^-）を生成する。そして、燃料側電極２においては、燃料Ｆが反応して、または、酸素側電極３で発生して、液体電解質４中を移動する水酸化物イオン（ＯＨ^-）と、燃料Ｆとが反応して、電子（ｅ^-）が生成する。生成した電子（ｅ^-）は、燃料側支持体６から外部回路１６を介して酸素側支持体１０に移動され、酸素側電極３へ供給される。このような燃料側電極２および酸素側電極３における電気化学的反応によって、起電力が生じ、発電が行われる。

上記の電気化学的反応は、液体電解質４が酸性電解質である場合には、次の反応式（１）〜（３）で表すことができる。
（１） Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^- （燃料側電極）
（２） １／２Ｏ₂＋２Ｈ⁺＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ （酸素側電極）
（３） Ｈ₂＋１／２Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ （全体）
また、液体電解質４が塩基性電解質である場合には、次の反応式（４）〜（６）で表すことができる。
（４） Ｈ₂＋２ＯＨ^-→２Ｈ₂Ｏ＋２ｅ^- （燃料側電極）
（５） １／２Ｏ₂＋Ｈ₂Ｏ＋２ｅ^-→２ＯＨ^- （酸素側電極）
（６） Ｈ₂＋１／２Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ （全体）
なお、上記反応式は、いずれの場合も、燃料Ｆとして、水素（Ｈ₂）を用いた場合を示している。

上記の燃料電池１の運転条件は、特に限定されないが、例えば、槽５内の液体電解質４の温度が、０〜１２０℃、好ましくは、２０〜８０℃として設定される。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の実施形態は、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲で、適宜設計を変形することができる。
本発明の燃料電池の用途としては、例えば、自動車などにおける駆動用モータの電源や、コジェネレーション（熱電併給）システムにおける電源などが挙げられる。

本発明の燃料電池の一実施形態を示す概略構成図である。 燃料側電極または酸素側電極の一実施形態を示す斜視図およびその部分拡大断面図である。 燃料側電極または酸素側電極の他の実施形態を示す斜視図である。

符号の説明

１ 燃料電池
２ 燃料側電極
３ 酸素側電極
４ 液体電解質
６ 燃料側支持体
７ 燃料貯留部（内部空間）
８ 燃料供給口
９ 触媒層
１０ 酸素側支持体
１１ 酸素貯留部（内部空間）
１２ 酸素供給口
１３ 触媒層

Claims (2)

1. 液体電解質、前記液体電解質に浸漬されている燃料側電極および前記液体電解質に浸漬されている酸素側電極を備え、
   前記燃料側電極は、内部空間が形成される中空形状をなし、その内部空間へ燃料を供給するための燃料供給口が形成されている燃料側支持体と、前記燃料側支持体の外側面に形成された触媒層とを有しており、
   前記酸素側電極は、内部空間が形成される中空形状をなし、その内部空間へ酸素を供給するための酸素供給口が形成されている酸素側支持体と、前記酸素側支持体の外表面に形成された触媒層とを有していることを特徴とする、燃料電池。
2. 前記酸素側支持体の外側面と、前記燃料側支持体の外側面との表面積比を自在に設定できることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池。

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