JP2006309987A

JP2006309987A - アルカリ性電解液型燃料電池

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Publication number: JP2006309987A
Application number: JP2005128497A
Authority: JP
Inventors: Yukinobu Mori; 幸信森
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-04-26
Filing date: 2005-04-26
Publication date: 2006-11-09

Abstract

【課題】従来のアルカリ性電解液型燃料電池及び固体高分子電解質型燃料電池に勝って、常温はいうまでもなく、少なくとも−４０℃〜＋７０℃という広い周囲温度範囲で作動し、電解液の劣化がないので長寿命であり、しかも構造が簡単で、経済的に製造可能で、メンテナンスフリーで、しかも実質的に公害性のない、アルカリ性電解液型燃料電池を提供する。
【解決手段】少なくとも、正電極板と、負電極板と、前記正、負電極板に挟持され、中間部に水酸イオンを選択的に通過させるセパレータを備える電解液槽とを含み、前記電解液槽はさらに前記セパレータよりも正電極側に酸素流入弁を備え、かつ前記セパレータよりも負電極側に水素流入弁を備えており、前記電解液槽が、海水から、化学的手段を用いないで物理的手段のみを用いて得られるｐＨ９〜１４のアルカリ性電解液により満たされていることを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、アルカリ性電解液型燃料電池に係り、特に、ｐＨ９〜１４のアルカリ性電解液を利用したアルカリ性電解液型燃料電池に関するものである。

石炭、ガソリン、軽油などの化石燃料は、産業革命以後、自動車等の動力源としてはもちろん電力発生など多岐にわたって用いられ、これらの化石燃料の利用により、人類は飛躍的な生活水準の向上や産業の発展を享受した。
しかしながらその反面、地球は深刻な環境破壊の脅威にさらされ、さらに化石燃料の長期的安定供給にも疑問が投げかけられている。

そこで化石燃料に代わる代替クリーンエネルギーとして、外部から燃料及び酸化剤を送り込み続けることによって連続的に電気化学エネルギーが得られる燃料電池が、その高効率と性能によって着目されている。

燃料電池としては、アルカリ型、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体電解質型、固体高分子電解質型などがある。
このうち、アルカリ性水溶液を電解液として水素−酸素燃料電池反応を示すアルカリ性電解液型燃料電池は、米国ＮＡＳＡによる宇宙開発用に始まって最初に開発され、作動温度が５０〜１５０℃と比較的低温である。

アルカリ性電解液型燃料電池は、一般的に多孔質電極構成材である金属又は炭素からなる負極及び正極と、両極を隔てる電解液とにより構成されるものであり、外部から負極（水素極）へ燃料水素ガスが、正極（酸素極）へ酸素がそれぞれ供給されるものである。
即ち水素極では、供給された水素ガスが電極細孔内の反応点で電極に添加された触媒に吸着されて活性水素原子となり、この活性水素原子が同じ電極の反対側から細孔を通じて反応点に達した水酸イオンと反応して水となって１個の電子が電極へ送られる。

一方酸素極では、水素極で取り出された電子が外部回路を介して該電極に到達し、外部から供給されて電極細孔内の反応点に達して触媒に吸着された酸素分子が電極から２個の電子を受け取って電解液からの水と反応して過酸化水素イオンと水酸イオンを生成し、この過酸化水素イオンが分解して水酸イオンと酸素となる。

酸素は再び電極反応に利用され、水酸イオンは先に水素極で消費された電解液中の水酸イオンを補充することとなり、電解液中を移動して水素極に達することで全体の回路を形成し、電池全体では水素と酸素とから水が生成する反応が行われることになる。

しかしながら、このような従来のアルカリ性電解液型燃料電池においては、電解液中に炭酸ガスが入ると、水と反応して炭酸イオンが発生し電解液を中和してしまうので、電極での反応が妨げられ性能が劣化し、これによって寿命が制限される、という問題が生じる。
従って従来のアルカリ性電解液型燃料電池においては、燃料ガスとして純粋な水素及び酸素ガスが各電極に供給されることが必須であり、精製水素及び酸素ガスを供給するシステムの設置が必要とされてきた。

即ち、実質的に稼動可能な燃料電池システムを実現しようとすると燃料電池本体だけではなく、水素及び酸素の精製装置、貯蔵装置、及び管理・調整用の周辺機器等が必要になり、その大型化、複雑化、コスト増が避けられないので、現状の燃料電池開発の大勢は固体高分子電解質型に集中している。

しかしながら固体高分子電解質型燃料電池も類似の問題を抱えている上に、固体高分子電解質が効果的に作動するためには現状最低でも８０℃以上の周囲温度が要求されるので、厳密な空調システムが必要になる。
従って、アルカリ型であれ固体高分子電解質型であれ、経済的に製造できる燃料電池の開発が切実に待たれている。

そこでアルカリ型電池に関しては、最近、水素化ホウ素ナトリウム（ＮａＢＨ_４）などの可溶性金属水素化物を燃料とする技術が注目されている。
例えば特許文献１には、ＭＢＨ_４（Ｍはアルカリ金属原子であり、ナトリウムＮａの場合を含む。）をアルカリ液に溶解させてこれを第１、第２電極で挟持する技術が開示されている。

この方法によれば、ＮａＢＨ_４はアルカリ液中では安定であり、第２電極での加水分解の結果として純粋な水素が得られ、直ちに酸化されるので、水素精製・貯蔵装置は不要になる。

しかしながら、特許文献１にも記載されているように「第１極は一方の面側でアルカリ溶液に接触すると共に、他方の面側で酸素含有ガス（空気）に接触しているので、反応が進むに伴って前記酸素含有ガスに含まれる炭酸ガスが前記電解質に悪影響を及ぼし、経時と共に出力電圧が低下する」という問題が解決されない。

この問題に対しては、特許文献１には、望ましい方法として「アルカリ溶液を攪拌する」手段や「例えば０．５重量％以上、３重量％以下の、スメクタイト等のアルカリ膨潤性粘土鉱物を含有」させる方法が開示されているが、いずれも決定的対策にはならない可能性がある。
特開２００４−３１９３００号公報

本発明の目的は、上記のような燃料電池における諸問題を解決するためになされたものであり、従来のアルカリ性電解液型燃料電池及び固体高分子電解質型燃料電池に勝って、常温はいうまでもなく、少なくとも−４０℃〜＋７０℃という広い周囲温度範囲で作動し、電解液の劣化がないので長寿命であるアルカリ性電解液型燃料電池を提供することにある。

本発明の他の目的は、構造が簡単で、経済的に製造可能で、メンテナンスフリーで、しかも実質的に公害性のない、アルカリ性電解液型燃料電池を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の請求項１によるアルカリ性電解液型燃料電池は、少なくとも、正電極板と、負電極板と、前記正、負電極板に挟持され、中間部に水酸イオンを選択的に通過させるセパレータを備える電解液槽とを含み、前記電解液槽はさらに前記セパレータよりも正電極側に酸素流入弁を備え、かつ前記セパレータよりも負電極側に水素流入弁を備えており、前記電解液槽が、海水から、化学的手段を用いないで物理的手段のみを用いて得られるｐＨ９〜１４のアルカリ性電解液により満たされていることを特徴とする。

また、請求項２に記載のとおり、少なくとも、酸素流入弁を備える酸素供給槽と、酸素を通過させる多孔質の正電極板と、中間部に水酸イオンを選択的に通過させるセパレータを備える電解液槽と、水素を通過させる多孔質の負電極板と、水素流入弁を備える水素供給槽とをこの順に積層されて含み、前記電解液槽が、海水から、化学的手段を用いないで物理的手段のみを用いて得られるｐＨ９〜１４のアルカリ性電解液により満たされていることを特徴とする。

また、請求項３に記載のとおり、請求項１に係り、前記正電極板、電解液槽、セパレータ、及び負電極板が同心円筒形状をなして配置されていることを特徴とする。

また、請求項４に記載のとおり、請求項２に係り、前記酸素供給槽、正電極板、電解液槽、セパレータ、負電極板、及び水素供給槽が同心円筒形状をなして配置されていることを特徴とする。

本発明によるアルカリ性電解液型燃料電池では、アルカリ性電解液として、海水から、化学的手段を用いないで物理的手段のみを用いて得られるｐＨ９〜１４のアルカリ性電解液（以下、「スーパーナチュラル電解液」、略して「ＳＮ電解液」という）を用いているので、従来のアルカリ性電解液型燃料電池と異なり、正極側に酸素を供給する際に通常の空気を直接電解液に供給しても、従来技術の場合のように空気中の２酸化炭素によりアルカリ性電解液が中和されるなどの電解液の劣化がないので、本発明により電解液の劣化により寿命が制限されない長寿命のアルカリ性電解液型燃料電池が得られる。

本発明によるアルカリ性電解液型燃料電池では、アルカリ性電解液として「ＳＮ電解液」を用いているので、運転により発生した水により希釈されたアルカリ性「ＳＮ電解液」は従来のアルカリ性電解液型燃料電池の場合の苛性カリなどと異なり、人畜無害であるので、通常の水と同じように廃棄または循環させて「ＳＮ電解液」原液の希釈に用いることができ、メンテナンスフリーで実質的に公害性のないアルカリ性電解液型燃料電池が得られる。

本発明によるアルカリ性電解液型燃料電池では、アルカリ性電解液として「ＳＮ電解液」を用いているので、従来技術による固体高分子電解質型燃料電池と異なり、常温はいうまでもなく、少なくとも−４０℃〜＋７０℃という広い周囲温度範囲で作動し、構造が簡明で経済的に製造でき、メンテナンスフリーで長寿命のアルカリ性電解液型燃料電池が得られる。

以下、本発明に係る実施の形態と効果を、図面を参照して具体的に説明する。
図１〜４は各々第１〜４の実施例を示す模式図である。

図１は、本発明による第１の実施例を示す模式図であって、正極１５が結合された正電極板１０、電解液槽３０、負極５５が結合された負電極板５０がこの順に積層され、電解液槽は、中間部に水酸イオンを選択的に通過させるセパレータ３５を備え、電解液槽の内部はアルカリ性「ＳＮ電解液」２、４で満たされる。

電解液槽３０に備えた酸素流入弁２５、水素流入弁４５を通じ各々空気（酸素）と水素が「ＳＮ電解液」に直接供給されても、空気（酸素）中や水素中の２酸化炭素により「ＳＮ電解液」のアルカリ性が失われることはなく、正、負電極板のアルカリ性電解液に接する面上では、上記従来のアルカリ性電解液型燃料電池の場合と基本的に同一の電気化学反応が持続して起こる。

即ち、正極１５側では１分子の酸素Ｏ_２と２分子の水Ｈ_２Ｏと正電極板から供給される４個の電子ｅ⁻が反応して４個の水酸イオンＯＨ⁻が生成され（この結果正極はプラスに帯電する）、４個の水酸イオンはセパレータ３５を通過して負極５５側に到達し、そこで２分子の水素Ｈ_２と反応して４分子の水と４個の電子が生成され（この結果負極はマイナスに帯電し、正負極間に所定の電位差を生じる）、正負極間に負荷を接続すると、上記４個の電子が負極側から正極側に流れ、電池作用を生じる。

酸素流入弁２５、水素流入弁４５から各々供給された空気（酸素）、水素のうち、上記の反応で使われなかった空気（酸素）、水素がある場合は、各々酸素流出弁２７、水素流出弁４７から排出される。
同時に電解液中には全体として１分子の酸素と２分子の水素あたり２分子の水Ｈ_２Ｏが生成されることになり、この水により希釈された「ＳＮ電解液」は余剰水として水流出弁（図示せず）から排出されなければならないが、「ＳＮ電解液」は苛性カリなどと異なり人畜無害であるので、通常の水と同様に廃棄しても公害性がない。

図２を参照すると、本発明による第２の実施例を示す模式図であって、酸素（空気）流入弁２５と酸素（空気）流出弁２７とを備える酸素供給槽２０と、正極１５が結合された、酸素と水だけを選択的に通過させる多孔質の正電極板１１と、中間部に水酸イオンを選択的に通過させるセパレータ３５を備える電解液槽３０と、負極５５が結合された、水素と水だけを選択的に通過させる多孔質の負電極板５１と、水素流入弁４５と水素流出弁４７とを備える水素供給槽４０とがこの順に積層されており、電解液槽は、海水から、化学的手段を用いないで物理的手段のみを用いて得られるｐＨ９〜１４のアルカリ性電解液（ＳＮ電解液）２、４により満たされている。

本実施例においても、酸素と水素が各々多孔質の正、負電極板１１、５１を通じて電解液と電極板の界面に供給されるので、上記と同一の電気化学反応が生じる。

本構造によれば、特に酸素（空気）を供給する際に付随する２酸化炭素による電解液の劣化をさらに厳密に抑制できるだけではなく、電池作用の副産物である水を廃棄する際に、希釈した「ＳＮ電解液」として廃棄するのではなく、水だけを酸素供給槽及び／又は水素供給槽に備えた排水弁（図示せず）を通じて廃棄でき、電解液槽中の「ＳＮ電解液」の濃度を低下させないので、「ＳＮ電解液」の品質がさらにメンテナンスフリーに維持できる。

図３を参照すると、本発明による第３の実施例を示す模式図であって、第１の実施例に対応して、正電極板１０、電解液槽３０、電解液槽中のセパレータ３５、及び負電極板５０が同心円筒形状をなして配置されている。

このような、簡明な積層パイプ状構造をとることにより、第１の実施例よりもさらに経済的な製造が可能になる。

図４を参照すると、本発明による第４の実施例を示す模式図であって、第２の実施例に対応して、酸素（空気）供給槽２０、多孔質の正電極板１１、電解液槽３０、電解液槽中のセパレータ３５、多孔質の負電極板５１、及び水素供給槽４０が同心円筒形状をなして配置されている。

このような、簡明な積層パイプ状構造をとることにより、第２の実施例よりもさらに経済的な製造が可能になる。

第１の実施例に係るアルカリ性電解液型燃料電池を示す模式図である。第２の実施例に係るアルカリ性電解液型燃料電池を示す模式図である。第３の実施例に係るアルカリ性電解液型燃料電池を示す模式図であり、（Ａ）は立面断面図、（Ｂ）は平面断面図である。第４の実施例に係るアルカリ性電解液型燃料電池を示す模式図であり、（Ａ）は立面断面図、（Ｂ）は平面断面図である。

符号の説明

２、４「ＳＮ電解液」
１０正電極板
１１多孔質の正電極板
１５正極
２０酸素供給槽
２５酸素流入弁
２７酸素流出弁
３０電解液槽
３５セパレータ
４０水素供給槽
４５水素流入弁
４７水素流出弁
５０負電極板
５１多孔質の負電極板
５５負極

Claims

少なくとも、正電極板と、負電極板と、前記正、負電極板に挟持され、中間部に水酸イオンを選択的に通過させるセパレータを備える電解液槽とを含み、前記電解液槽はさらに前記セパレータよりも正電極側に酸素流入弁を備え、かつ前記セパレータよりも負電極側に水素流入弁を備えており、前記電解液槽が、海水から、化学的手段を用いないで物理的手段のみを用いて得られるｐＨ９〜１４のアルカリ性電解液により満たされていることを特徴とするアルカリ性電解液型燃料電池。
少なくとも、酸素流入弁を備える酸素供給槽と、酸素を通過させる多孔質の正電極板と、中間部に水酸イオンを選択的に通過させるセパレータを備える電解液槽と、水素を通過させる多孔質の負電極板と、水素流入弁を備える水素供給槽とをこの順に積層されて含み、前記電解液槽が、海水から、化学的手段を用いないで物理的手段のみを用いて得られるｐＨ９〜１４のアルカリ性電解液により満たされていることを特徴とするアルカリ性電解液型燃料電池。
前記正電極板、電解液槽、セパレータ、及び負電極板が同心円筒形状をなして配置されていることを特徴とする請求項１に記載のアルカリ性電解液型燃料電池。
前記酸素供給槽、正電極板、電解液槽、セパレータ、負電極板、及び水素供給槽が同心円筒形状をなして配置されていることを特徴とする請求項２に記載のアルカリ性電解液型燃料電池。