JP2008300215A - Fuel cell - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To suppress deterioration of an electrolytic solution while suppressing large-sizing of a fuel cell system even in the case an alkaline electrolytic solution is used as an electrolyte of the alkaline fuel cell. <P>SOLUTION: The alkaline fuel cell has an electrolytic solution portion in which an electrolytic solution to move negative ions is filled and a first electrode and a second electrode arranged so as to interpose the electrolytic solution portion. A first electrolyte membrane which is a membrane to move negative ions is arranged between the first electrode and the electrolytic solution portion. Furthermore, if required, a second electrolyte membrane which is a membrane to move the negative ions is arranged between the second electrode and the electrolytic solution portion. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

この発明は燃料電池に関する。更に、具体的には、陰イオンを移動させる電解液と、これを挟んで配置されたアノード極とカソード極とを有するアルカリ型燃料電池に関するものである。   The present invention relates to a fuel cell. More specifically, the present invention relates to an alkaline fuel cell having an electrolytic solution that moves anions, and an anode electrode and a cathode electrode that are sandwiched therebetween.

従来、燃料電池の１つとして、電解質にアルカリ性の水溶液である電解液を用い、この電解質の両側に電極を配置して構成されるアルカリ型燃料電池が知られている。一般にアルカリ型燃料電池は、アルカリ性の電解液を用いるため、電極触媒の材料選択や電池構成材料の選択が容易であり、また常温〜８０℃で動作し、優れた性能を有している。   2. Description of the Related Art Conventionally, as one type of fuel cell, an alkaline fuel cell configured by using an electrolytic solution that is an alkaline aqueous solution as an electrolyte and arranging electrodes on both sides of the electrolyte is known. In general, an alkaline fuel cell uses an alkaline electrolyte, so that it is easy to select a material for an electrode catalyst and a battery constituent material, and it operates at room temperature to 80 ° C. and has excellent performance.

しかし、例えば特開２００６−２３６７７６号には、アルカリ型燃料電池のアルカリ性の電解液は、大気中に含まれる二酸化炭素によって変質するため、電気抵抗が増大することが指摘されている。より具体的に、この従来技術によれば、二酸化炭素（ＣＯ２）が水に溶けて炭酸イオンが発生する。その結果、例えば電解液として水酸化カリウム水溶液（ＫＯＨ）が用いられている場合、炭酸イオンと水酸化カリウムとが反応し、水と炭酸カリウム塩（Ｋ２ＣＯ３）が発生する。このような反応による電解液中のカリウムイオン（Ｋ＋）の減少により、電解質の伝導性が低下し、水酸化物イオンの移動ができなくなり、電解質の電気抵抗が増大して燃料電池の発電性能が低下することとなる。 However, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-236776 points out that the electrical resistance increases because the alkaline electrolyte of the alkaline fuel cell is altered by carbon dioxide contained in the atmosphere. More specifically, according to this prior art, carbon dioxide (CO 2 ) dissolves in water to generate carbonate ions. As a result, for example, when potassium hydroxide aqueous solution (KOH) is used as the electrolytic solution, carbonate ions and potassium hydroxide react to generate water and potassium carbonate salt (K 2 CO 3 ). Due to the reduction of potassium ions (K + ) in the electrolyte due to such a reaction, the conductivity of the electrolyte decreases, the hydroxide ions cannot move, the electric resistance of the electrolyte increases, and the power generation performance of the fuel cell Will be reduced.

これに対して、上記従来技術では、水酸化カリウム水溶液に替えて、電解液として水酸化物イオン水を用いることとしている。上記従来技術によれば電解液にカリウムイオンが存在しなければ、炭酸イオンとの上記の反応を起こすことがないため、電解液の劣化の問題を解消できるとしている。   On the other hand, in the said prior art, it replaces with potassium hydroxide aqueous solution and is supposed to use hydroxide ion water as electrolyte solution. According to the above prior art, if potassium ions are not present in the electrolytic solution, the above-described reaction with carbonate ions does not occur, so that the problem of deterioration of the electrolytic solution can be solved.

特開２００６−２３６７７６号公報JP 2006-236776 A 特開２００４−１８５９１９号公報JP 2004-185919 A 特開２００４−１４６３８７号公報JP 2004-146387 A

上記のように、アルカリ性の電解液を用いるアルカリ型燃料電池においては、二酸化炭素による電解液の劣化を抑えることが重要となる。これに対して上記従来技術では、電解液として水酸化物イオン水を用いることで二酸化炭素による劣化を防止している。しかし、上記従来技術は水酸化物イオン水を電解液とするものに限定され、水酸化物イオン水以外の電解液を電解質とするアルカリ型燃料電池の劣化防止に寄与するものではない。   As described above, in an alkaline fuel cell using an alkaline electrolyte, it is important to suppress deterioration of the electrolyte due to carbon dioxide. On the other hand, in the said prior art, deterioration by a carbon dioxide is prevented by using hydroxide ion water as electrolyte solution. However, the above prior art is limited to those using hydroxide ion water as an electrolytic solution, and does not contribute to prevention of deterioration of an alkaline fuel cell using an electrolyte solution other than hydroxide ion water as an electrolyte.

ここで、特に、水酸化カリウム水溶液や水酸化ナトリウム水溶液等のイオン性液体やその水溶液の中には高いイオン伝導性を示すものがあり、このような水溶液を用いることで、アルカリ型燃料電池において高い発電性能を確保することが期待できる。従って、電解質として用いる電解液の種類に関わらず、二酸化炭素が存在する環境下においても、その劣化を抑えて運転できる燃料電池が望まれる。   Here, in particular, some ionic liquids such as an aqueous potassium hydroxide solution and an aqueous sodium hydroxide solution and those aqueous solutions exhibit high ionic conductivity. By using such an aqueous solution, in an alkaline fuel cell, High power generation performance can be expected. Therefore, there is a demand for a fuel cell that can be operated while suppressing deterioration even in an environment where carbon dioxide is present, regardless of the type of electrolyte used as the electrolyte.

これに対して、例えば、燃料電池の大気供給系に、二酸化炭素を除去するスクラバー等を設置し、スクラバーを通過した大気をカソード極に供給することで、電解液の劣化を抑えることが考えられる。しかし、一般に、スクラバー等の炭素除去システムは容積が大きく、燃料電池の大型化の原因となる。また、スクラバーは、スクラバー内の物質に二酸化炭素を吸着させることで二酸化炭素を除去するものであるため、スクラバーの定期的な交換が必要となる。   On the other hand, for example, a scrubber or the like that removes carbon dioxide is installed in the air supply system of the fuel cell, and the air that has passed through the scrubber is supplied to the cathode electrode to suppress the deterioration of the electrolyte. . However, generally, a carbon removal system such as a scrubber has a large volume, which causes an increase in the size of the fuel cell. In addition, since the scrubber removes carbon dioxide by adsorbing carbon dioxide to the material in the scrubber, it is necessary to periodically replace the scrubber.

更に、アノード極に炭素を有する燃料を供給する場合には、電気化学反応の結果、アノード極で二酸化炭素が発生することが多い。しかし、電気化学反応で生成された二酸化炭素を、電解液に接することなく除去する装置を取り付けることは困難である。しかし、燃料電池の幅広い使用を考慮すると、電解液を劣化させることなく、燃料としてアルコール等の炭素を有する燃料を用いることができるようにすることが望ましい。   Furthermore, when supplying a fuel containing carbon to the anode, carbon dioxide is often generated at the anode as a result of the electrochemical reaction. However, it is difficult to attach a device that removes carbon dioxide generated by the electrochemical reaction without contacting the electrolytic solution. However, considering the wide use of fuel cells, it is desirable to be able to use a fuel having carbon such as alcohol as the fuel without deteriorating the electrolyte.

この発明は、上記の課題を解決することを目的として、燃料電池システムの大型化を抑えつつ、アルカリ型燃料電池の電解質としてアルカリ性の電解液を用いる場合にも、電解液の劣化を抑えるように改良した燃料電池を提供することを目的とする。   In order to solve the above-mentioned problems, the present invention suppresses the deterioration of the electrolytic solution even when an alkaline electrolytic solution is used as the electrolyte of the alkaline fuel cell while suppressing an increase in the size of the fuel cell system. An object is to provide an improved fuel cell.

上記目的を達成するため、第１の発明は、燃料電池であって、
陰イオンを移動させる電解液が充填された電解液部と、
前記電解液部を挟むように配置された第１電極と第２電極と、
陰イオンを移動させる膜であって、前記第１電極と、前記電解液部との間に配置された第１電解質膜と、
を備えることを特徴とする。 In order to achieve the above object, a first invention is a fuel cell,
An electrolyte part filled with an electrolyte that moves anions, and
A first electrode and a second electrode arranged so as to sandwich the electrolyte part;
A membrane for moving anions, the first electrolyte membrane disposed between the first electrode and the electrolyte part;
It is characterized by providing.

第２の発明は、第１の発明において、陰イオンを移動させる膜であって、前記第２電極と、前記電解液部との間に配置された第２電解質膜を、更に備えることを特徴とする。   According to a second invention, in the first invention, the film further moves a negative ion, and further includes a second electrolyte film disposed between the second electrode and the electrolyte part. And

第３の発明は、第１又は第２の発明において、前記前記陰イオンを移動させる膜は、アニオン交換基を有する固体高分子膜であることを特徴とする。   According to a third invention, in the first or second invention, the membrane for moving the anion is a solid polymer membrane having an anion exchange group.

第４の発明は、第１から第３のいずれかの発明において、前記電解液は、水酸化カリウム水溶液又は水酸化ナトリウム水溶液であることを特徴とする。   According to a fourth invention, in any one of the first to third inventions, the electrolytic solution is an aqueous potassium hydroxide solution or an aqueous sodium hydroxide solution.

第５の発明は、第１から第４のいずれかの発明において、
前記第１電極は、カソード極であって、
前記カソード極には酸化剤として大気が供給されることを特徴とする。 According to a fifth invention, in any one of the first to fourth inventions,
The first electrode is a cathode electrode,
The cathode is supplied with air as an oxidant.

第６の発明は、第１から第４のいずれかの発明において、
前記第１電極は、アノード極であって、
前記アノード極には、燃料として、炭素を有する燃料が供給されることを特徴とする。 A sixth invention is any one of the first to fourth inventions,
The first electrode is an anode electrode,
The anode electrode is supplied with a fuel containing carbon as a fuel.

第７の発明は、第１から第６のいずれかの発明において、前記電解液部に接続され、電解液を、前記電解液部内から流入させ、又は前記電解液部内に流入させるリザーブタンクを、更に備えることを特徴とする。   In a seventh aspect of the present invention, in any one of the first to sixth aspects of the present invention, a reserve tank connected to the electrolytic solution section and causing the electrolytic solution to flow in from the electrolytic solution section or to flow into the electrolytic solution section, It is further provided with the feature.

第８の発明は、第１から第７のいずれかの発明において、前記電解液部内に配置されて前記電解液部を支持し、かつ電解液を通過させる複数の孔を有する支持部材を、更に備えることを特徴とする。   According to an eighth invention, in any one of the first to seventh inventions, there is further provided a support member that is disposed in the electrolytic solution portion, supports the electrolytic solution portion, and has a plurality of holes through which the electrolytic solution passes. It is characterized by providing.

第９の発明は、第８の発明において、前記支持部材は、絶縁性の材料によって構成されることを特徴とする。   In a ninth aspect based on the eighth aspect, the support member is made of an insulating material.

第１の発明によれば、第１電極と電解液部との間に、陰イオンを移動させる膜である第１電解質膜が配置されている。これにより、電解液部の第１電極側が第１電解質膜によって保護される。従って、燃料電池を大型化することなく、第１電極側に二酸化炭素が存在する環境下における電解液の劣化を抑えることができる。   According to 1st invention, the 1st electrolyte membrane which is a film | membrane which moves an anion is arrange | positioned between the 1st electrode and the electrolyte solution part. Thereby, the 1st electrode side of an electrolyte part is protected by the 1st electrolyte membrane. Therefore, it is possible to suppress deterioration of the electrolyte solution in an environment where carbon dioxide exists on the first electrode side without increasing the size of the fuel cell.

第２の発明によれば、第２電極と電解液部との間に、陰イオンを移動させる膜である第２電解質膜が配置されている。これにより、第２電極側にも二酸化炭素が存在する環境下においても、第２電極側からの電解液の劣化を抑えることができる。   According to the second invention, the second electrolyte membrane, which is a membrane for moving anions, is disposed between the second electrode and the electrolytic solution section. Thereby, deterioration of the electrolyte solution from the second electrode side can be suppressed even in an environment where carbon dioxide exists on the second electrode side.

第３の発明によれば、陰イオンを移動させる膜として、アニオン交換基を有する固体高分子膜を用いている。固体高分子膜は二酸化炭素が存在する環境下においても、二酸化炭素による影響を受け難い膜である。従って、電解液部の表面にこのような膜を配置することで、より確実に電解液の劣化を防止することができる。   According to the third invention, a solid polymer membrane having an anion exchange group is used as a membrane for moving anions. The solid polymer film is a film that is hardly affected by carbon dioxide even in an environment where carbon dioxide exists. Therefore, by disposing such a film on the surface of the electrolytic solution part, it is possible to prevent the deterioration of the electrolytic solution more reliably.

ところで、水酸化カリウム水溶液又は水酸化ナトリウム水溶液は陰イオンの伝導率が高く、これらの電解液を燃料電池の電解質として用いることで燃料電池の高い発電性能を期待することができる。しかし、これらの電解液は、二酸化炭素が存在する環境下では劣化しやすい。この点、第４の発明によれば、これらの電解液が電解質膜で保護された構成となっている。従って、これらの電解液を用いることで、燃料電池の高い発電性能を確保することができると共に、二酸化炭素が存在する環境下においても電解液の劣化を抑えることができる。   By the way, potassium hydroxide aqueous solution or sodium hydroxide aqueous solution has high anion conductivity, and high power generation performance of the fuel cell can be expected by using these electrolytes as the electrolyte of the fuel cell. However, these electrolytic solutions are easily deteriorated in an environment where carbon dioxide exists. In this regard, according to the fourth invention, these electrolyte solutions are protected by the electrolyte membrane. Therefore, by using these electrolytic solutions, high power generation performance of the fuel cell can be ensured, and deterioration of the electrolytic solution can be suppressed even in an environment where carbon dioxide exists.

第５の発明によれば、第１電極であるカソード極と電解液との間には、第１電解質膜が配置された構成となる。つまり、電解液部のカソード極側は、第１電解質膜に保護されている。従って、カソード極に大気が供給される場合にも、大気中の二酸化炭素による電解液の劣化を抑えることができる。   According to the fifth aspect of the invention, the first electrolyte membrane is arranged between the cathode electrode, which is the first electrode, and the electrolytic solution. That is, the cathode electrode side of the electrolytic solution part is protected by the first electrolyte membrane. Therefore, even when the atmosphere is supplied to the cathode electrode, it is possible to suppress deterioration of the electrolytic solution due to carbon dioxide in the atmosphere.

第６の発明によれば、第１電極であるアノード極と電解液との間には、第１電解質膜が配置された構成となる。つまり、電解液部のアノード極側は、第１電解質膜によって保護されている。従って、アノード極に燃料として炭素を含む燃料が供給される場合にも、燃料中の炭素から生成される二酸化炭素による電解液の劣化を抑えることができる。   According to the sixth aspect of the invention, the first electrolyte membrane is arranged between the anode electrode, which is the first electrode, and the electrolytic solution. That is, the anode electrode side of the electrolytic solution part is protected by the first electrolyte membrane. Therefore, even when a fuel containing carbon is supplied to the anode electrode as a fuel, it is possible to suppress the deterioration of the electrolytic solution due to carbon dioxide generated from the carbon in the fuel.

第７の発明によれば、燃料電池は、電解液を、電解液部内から流入させ、又は電解液部内に流入させるリザーブタンクを有している。これにより、燃料電池の電気化学反応による反応熱により、アノード極やカソード極等が膨張し、電解液がその膨張による圧力を受ける場合にも、電解液の移動によって圧力を低減することができる。従って、電解液部及び燃料電池全体の圧力を一定の範囲に維持することができ、燃料電池の発電性能を維持することができる。   According to the seventh aspect of the invention, the fuel cell has the reserve tank that allows the electrolytic solution to flow in from the electrolytic solution portion or to flow into the electrolytic solution portion. Thus, even when the anode electrode, the cathode electrode, or the like expands due to reaction heat due to the electrochemical reaction of the fuel cell and the electrolyte receives pressure due to the expansion, the pressure can be reduced by the movement of the electrolyte. Therefore, the pressure of the electrolyte part and the entire fuel cell can be maintained within a certain range, and the power generation performance of the fuel cell can be maintained.

第８の発明によれば、電解液部には、電解液部を支持し、かつ電解液を通過させる孔を複数有する支持部材が配置されている。これにより、燃料電池の反応熱による膨張により第１又は第２電解質膜が圧力を受ける場合にも、電解液部側からは支持部材で支持される。従って、第１又は第２電解質膜の圧力による変形を抑えることができる。   According to the eighth invention, the support member having a plurality of holes for supporting the electrolyte solution part and allowing the electrolyte solution to pass therethrough is disposed in the electrolyte solution part. As a result, even when the first or second electrolyte membrane receives pressure due to expansion due to reaction heat of the fuel cell, it is supported by the support member from the electrolyte portion side. Therefore, deformation due to the pressure of the first or second electrolyte membrane can be suppressed.

第９の発明によれば、支持部材は絶縁性の材料で形成される。従って、電解質膜に膜破れが発生した場合にも、この膜破れによる短絡を防ぐことができる。これにより、第１電解質膜及び第２電解質膜を薄くして、抵抗を小さくすることができ、燃料電池の発電性能を向上させることができる。   According to the ninth invention, the support member is formed of an insulating material. Therefore, even when a membrane breakage occurs in the electrolyte membrane, a short circuit due to the membrane breakage can be prevented. Thereby, the first electrolyte membrane and the second electrolyte membrane can be thinned to reduce the resistance, and the power generation performance of the fuel cell can be improved.

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、同一または相当する部分には同一符号を付してその説明を簡略化ないし省略する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is simplified or omitted.

実施の形態．
図１は、この発明の実施の形態の燃料電池の構成について説明するための模式図である。図１に示す燃料電池はアルカリ型燃料電池である。燃料電池は電解質部１０を有している。電解質部１０は、両側にアニオン交換膜１２、１４（第１、第２電解質膜）を有している。両アニオン交換膜１２と１４との間の空間（以下「電解液部」とする）には、電解液１６が充填されている。また電解液部内には、ゼオライト等によって網状に形成された支持部材１８が配置されている。 Embodiment.
FIG. 1 is a schematic diagram for explaining the configuration of a fuel cell according to an embodiment of the present invention. The fuel cell shown in FIG. 1 is an alkaline fuel cell. The fuel cell has an electrolyte part 10. The electrolyte part 10 has anion exchange membranes 12 and 14 (first and second electrolyte membranes) on both sides. A space between both anion exchange membranes 12 and 14 (hereinafter referred to as “electrolyte portion”) is filled with an electrolyte solution 16. Further, a support member 18 formed in a net shape with zeolite or the like is disposed in the electrolyte part.

電解質部１０の両側にはカソード極２０とアノード極３０とが、電解質部１０を挟んで配置されている。具体的に、カソード極２０は、アニオン交換膜１２に接した状態で配置されている。一方、アノード極３０は、アニオン交換膜１４に接した状態で配置されている。カソード極２０及びアノード極３０の両外側、即ち、アニオン交換膜１２、１４に接する面とは反対側には、それぞれ集電板４０が配置されている。   On both sides of the electrolyte part 10, a cathode electrode 20 and an anode electrode 30 are arranged with the electrolyte part 10 interposed therebetween. Specifically, the cathode electrode 20 is disposed in contact with the anion exchange membrane 12. On the other hand, the anode electrode 30 is disposed in contact with the anion exchange membrane 14. On both outer sides of the cathode electrode 20 and the anode electrode 30, that is, on the side opposite to the surface in contact with the anion exchange membranes 12 and 14, current collector plates 40 are respectively arranged.

カソード極２０側の集電板４０には酸素経路５０が接続されている。酸素経路５０及び集電板４０を介してカソード極２０に大気が供給され、カソード極２０から酸素経路５０側に、未反応の酸素を含む大気オフガスが排出される。一方、アノード極３０側の集電板４０には燃料経路５２が接続され、燃料経路５２には燃料供給源（図示せず）が接続されている。燃料供給源からは、燃料としてエタノール等の炭素を含む燃料が供給される。燃料供給源から供給された燃料は、燃料経路５２及び集電板４０を介してアノード極３０に供給され、アノード極３０から燃料経路５２側に、電気化学反応により生成された水、二酸化炭素等や未反応の燃料等（以下「排燃料」とする）が排出される。   An oxygen path 50 is connected to the current collector plate 40 on the cathode electrode 20 side. The atmosphere is supplied to the cathode electrode 20 through the oxygen path 50 and the current collector plate 40, and the atmospheric off-gas containing unreacted oxygen is discharged from the cathode electrode 20 to the oxygen path 50 side. On the other hand, a fuel path 52 is connected to the current collector plate 40 on the anode electrode 30 side, and a fuel supply source (not shown) is connected to the fuel path 52. A fuel containing carbon such as ethanol is supplied as a fuel from the fuel supply source. The fuel supplied from the fuel supply source is supplied to the anode electrode 30 through the fuel path 52 and the current collector plate 40, and water, carbon dioxide, etc. generated by an electrochemical reaction from the anode electrode 30 to the fuel path 52 side. And unreacted fuel (hereinafter referred to as “exhaust fuel”).

また、電解液部には、配管６０を介して、リザーブタンク６２が取り付けられている。リザーブタンク６２内には、電解液部内と同一の電解液１６が充填されている。電解液１６は、電解液部とリザーブタンク６２との間を、配管６０を介して移動できるようになっている。   In addition, a reserve tank 62 is attached to the electrolyte part via a pipe 60. The reserve tank 62 is filled with the same electrolyte 16 as that in the electrolyte part. The electrolytic solution 16 can be moved between the electrolytic solution part and the reserve tank 62 via a pipe 60.

上記のように構成された燃料電池の運転中、カソード極２０には大気（又は酸素）が供給される。カソード極２０に大気が供給されると、大気中の酸素分子はカソード極２０の触媒作用により、いくつかの段階を経て、電極から電子を受け取って水酸化物イオンが生成される。水酸化物イオンは電解質部１０を通過してアノード極３０側に移動する。カソード極２０での反応は、次式（１）のようになる。
１/２Ｏ２＋Ｈ２Ｏ＋２ｅ− → ２ＯＨ− ・・・（１） During operation of the fuel cell configured as described above, the cathode 20 is supplied with air (or oxygen). When the atmosphere is supplied to the cathode 20, oxygen molecules in the atmosphere receive electrons from the electrode through several stages due to the catalytic action of the cathode 20, and generate hydroxide ions. The hydroxide ions pass through the electrolyte part 10 and move to the anode electrode 30 side. The reaction at the cathode electrode 20 is represented by the following equation (1).
1/2 O 2 + H 2 O + 2e − → 2OH − (1)

一方、アノード極３０に供給される燃料が純水素である場合には、アノード極３０の触媒作用により水素と、電解質部１０を通過した水酸化物イオンとが反応して水が生成されると共に、電子が放出される。アノード極３０での、純水素との電気化学反応は、次式（２）のようになる。
Ｈ２＋２ＯＨ− → ２Ｈ２Ｏ＋２ｅ− ・・・（２） On the other hand, when the fuel supplied to the anode electrode 30 is pure hydrogen, hydrogen is generated by the reaction between the hydrogen ions and the hydroxide ions that have passed through the electrolyte section 10 due to the catalytic action of the anode electrode 30. , Electrons are emitted. The electrochemical reaction with pure hydrogen at the anode 30 is represented by the following formula (2).
H 2 + 2OH − → 2H 2 O + 2e − (2)

また、アノード極３０に、エタノール等の炭素を含む燃料が供給される場合にも、アノード極３０の触媒作用により燃料が分解されることで、水素原子が取り出され、水素と水酸化物イオンとの電気化学反応が起きる。この場合、水と共に二酸化炭素が生成される。具体的に、例えば、燃料としてエタノールが供給される場合、アノード極３０では、次式（３）に示す反応が起こる。
ＣＨ３ＣＨ２ＯＨ＋１２ＯＨ− → ２ＣＯ２＋９Ｈ２Ｏ＋１２ｅ− ・・（３） Further, even when a fuel containing carbon such as ethanol is supplied to the anode 30, the fuel is decomposed by the catalytic action of the anode 30, so that hydrogen atoms are taken out, and hydrogen and hydroxide ions and The electrochemical reaction occurs. In this case, carbon dioxide is generated together with water. Specifically, for example, when ethanol is supplied as a fuel, the reaction represented by the following formula (3) occurs at the anode 30.
CH 3 CH 2 OH + 12OH − → 2CO 2 + 9H 2 O + 12e − (3)

以上のようなアノード極３０側とカソード極２０側における反応をまとめると、燃料電池全体では水の生成反応が起き、このとき電子が両極側の集電板４０を介して移動し、これにより電流が流れて発電することになる。   When the reactions on the anode electrode 30 side and the cathode electrode 20 side as described above are put together, a water generation reaction occurs in the entire fuel cell, and at this time, electrons move through the current collector plates 40 on both electrode sides, whereby the current flows. Will flow and generate electricity.

カソード極２０及びアノード極３０は、それぞれ上記の電気化学反応を触媒するものであれば、特に限定されるものではない。カソード極２０及びアノード極３０の触媒の構成材料としては、例えば、鉄（Ｆｅ）、白金（Ｐｔ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）を含んで形成されたもの、あるいは、これらの金属のいずれか１以上をカーボン等の担体に担持させたもの、あるいは、これらの金属原子を中心金属とする有機金属錯体、あるいは、このような有機金属錯体と担体に担持させたもの等があげられる。また、触媒の表面には多孔質等で構成された拡散層を配置することもできる。   The cathode electrode 20 and the anode electrode 30 are not particularly limited as long as they catalyze the above electrochemical reaction. As a constituent material of the catalyst of the cathode electrode 20 and the anode electrode 30, for example, a material containing iron (Fe), platinum (Pt), cobalt (Co), nickel (Ni), or these metals Examples include one in which any one or more is supported on a carrier such as carbon, an organometallic complex having these metal atoms as a central metal, or such an organometallic complex supported on a carrier. In addition, a diffusion layer made of a porous material or the like can be disposed on the surface of the catalyst.

ところで、上記のようにアノード極３０にエタノールなどの炭素を有する燃料が用いられる場合には、アノード極３０側には、その触媒反応によって発生した二酸化炭素が存在する。また、カソード極２０側には、酸化剤として大気が供給されるため、大気中の二酸化炭素が存在する。このように二酸化炭素が存在する環境に電解液が晒される場合、二酸化炭素又はこれにより発生した炭酸イオンと電解液とが反応し、電解液が劣化することとなる。   By the way, when a fuel having carbon such as ethanol is used for the anode electrode 30 as described above, carbon dioxide generated by the catalytic reaction is present on the anode electrode 30 side. In addition, since the atmosphere is supplied as an oxidant to the cathode 20 side, carbon dioxide in the atmosphere exists. When the electrolytic solution is exposed to an environment where carbon dioxide exists in this way, carbon dioxide or carbonate ions generated thereby react with the electrolytic solution, and the electrolytic solution deteriorates.

この電解液の劣化を防止するため、上記のように電解液１６と、カソード極２０又はアノード極３０との間には、それぞれアニオン交換膜１２、１４が配置されている。これにより電解液１６は、カソード極２０及びアノード極３０に直接接触しない。即ち、電解液１６は、二酸化炭素が存在する環境に触れない構造とされている。従って、両極に二酸化炭素が存在する環境下であっても、電解液１６への二酸化炭素による影響を低く抑えることができる。   In order to prevent the deterioration of the electrolytic solution, the anion exchange membranes 12 and 14 are disposed between the electrolytic solution 16 and the cathode electrode 20 or the anode electrode 30 as described above. Thereby, the electrolytic solution 16 does not directly contact the cathode electrode 20 and the anode electrode 30. That is, the electrolytic solution 16 has a structure that does not touch the environment where carbon dioxide exists. Therefore, even in an environment where carbon dioxide is present in both electrodes, the influence of carbon dioxide on the electrolyte solution 16 can be kept low.

具体的に、実施の形態の燃料電池では、電解液１６が充填された電解液部の両側には固体高分子からなるアニオン交換膜１２、１４が配置されている。この膜は、二酸化炭素による影響を受け難い膜である。カソード極２０及びアノード極３０は、このアニオン交換膜１２、１４によって、電解液１６から隔離されている。従って、カソード極２０又はアノード極３０に二酸化炭素が存在する環境下であっても、電解液１６はその影響を受けることなく、多くの水酸化物イオンを伝導することができる。   Specifically, in the fuel cell according to the embodiment, anion exchange membranes 12 and 14 made of a solid polymer are disposed on both sides of the electrolyte part filled with the electrolyte solution 16. This film is hardly affected by carbon dioxide. The cathode electrode 20 and the anode electrode 30 are isolated from the electrolyte solution 16 by the anion exchange membranes 12 and 14. Therefore, even in an environment where carbon dioxide is present in the cathode electrode 20 or the anode electrode 30, the electrolyte solution 16 can conduct many hydroxide ions without being affected by the influence.

アニオン交換膜１２、１４は、二酸化炭素による被毒が少なく、かつ、カソード極２０で生成される水酸化物イオン（ＯＨ−）をアノード極３０に移動させることができる媒体である。具体的に、例えば、１〜３級アミノ基、４級アンモニウム基、ピリジル基、イミダゾール基、４級ビリジウム基、４級イミダゾリウム基などのアニオン交換基を有する固体高分子膜（アニオン交換樹脂）があげられる。また、固体高分子の膜としては、例えば、炭化水素系及びフッ素系樹脂などがあげられる。 The anion exchange membranes 12 and 14 are media that are less poisoned by carbon dioxide and can move hydroxide ions (OH − ) generated at the cathode electrode 20 to the anode electrode 30. Specifically, for example, a solid polymer membrane (anion exchange resin) having an anion exchange group such as a primary to tertiary amino group, a quaternary ammonium group, a pyridyl group, an imidazole group, a quaternary bilidium group, and a quaternary imidazolium group. Can be given. Examples of the solid polymer film include hydrocarbon-based and fluorine-based resins.

また、アニオン交換膜１２、１４に挟まれた空間である電解液部には、電解液１６が充填される。ここでは電解液部がアニオン交換膜１２、１４により保護され、両極２０、３０に接しない構造となっているため、電解液１６として強いアルカリ性を示し、伝導率の高い水溶液を用いることができる。具体的に、実施の形態の燃料電池では、電解液１６として水酸化カリウム水溶液が用いられる。水酸化カリウム水溶液を用いることで、電解液部の伝導率を高い状態とすることができるため、高い燃料電池の発電性能を期待できる。   In addition, an electrolytic solution 16 is filled in an electrolytic solution portion that is a space between the anion exchange membranes 12 and 14. Here, since the electrolytic solution portion is protected by the anion exchange membranes 12 and 14 and is not in contact with the two electrodes 20 and 30, an aqueous solution exhibiting strong alkalinity and high conductivity can be used as the electrolytic solution 16. Specifically, in the fuel cell according to the embodiment, an aqueous potassium hydroxide solution is used as the electrolytic solution 16. By using the potassium hydroxide aqueous solution, the conductivity of the electrolyte part can be made high, so that high power generation performance of the fuel cell can be expected.

また、電解液部には支持部材１８が配置されている。燃料電池の運転中には電気化学反応の発熱によって燃料電池の温度が上昇する。このため電極側からの膨張により、アニオン交換膜１２又は１４が圧力を受ける場合がある。この場合にも、電解液部側から支持部材により支持されているため、アニオン交換膜１２、１４の変形を抑えることができる。   A support member 18 is disposed in the electrolyte part. During operation of the fuel cell, the temperature of the fuel cell rises due to heat generated by the electrochemical reaction. For this reason, the anion exchange membrane 12 or 14 may be subjected to pressure due to expansion from the electrode side. Also in this case, deformation of the anion exchange membranes 12 and 14 can be suppressed because they are supported by the support member from the electrolyte part side.

支持部材１８の構成材料は、電解液１６を通過させる多数の孔を有し、かつ電解液１６が充填された空間を支持できるものであれば、特に限定されるものではない。但し、アニオン交換膜１２又は１４は、電解質部１０での導電率を高いものとするため、薄いものとする場合がある。このような場合に、アニオン交換膜１２又は１４の膜破れ等が生じた場合にも電極間の短絡を防ぐため、支持部材１８は絶縁性の材料で形成されることが望ましい。具体的にはゼオライトの多孔体やプラスチックの多孔体等を用いることが考えられる。   The constituent material of the support member 18 is not particularly limited as long as it has a large number of holes through which the electrolytic solution 16 can pass and can support the space filled with the electrolytic solution 16. However, the anion exchange membrane 12 or 14 may be thin in order to increase the conductivity in the electrolyte part 10. In such a case, it is desirable that the support member 18 be formed of an insulating material in order to prevent a short circuit between the electrodes even when the anion exchange membrane 12 or 14 is broken. Specifically, it is possible to use a porous body of zeolite, a porous body of plastic, or the like.

また、電解液部に接続されたリザーブタンク６２内には、電解液１６が充填されている。これにより電解液１６は、電解液部とリザーブタンク６２との間を配管６０を介して移動することができる。従って、燃料電池の運転中、各部材の熱膨張によって電解液１６が押された場合には、電解液１６の一部が配管６０を介してリザーブタンク６２に導入される。一方、燃料電池の運転中の膨張が収まり電解液１６への圧力が減少すると、燃料電池側にリザーブタンク６２から電解液１６が流入することとなる。これにより、電解液１６への熱膨張による圧力を軽減することができると共に、電解質部１０あるいは燃料電池全体の圧力を一定の範囲に保つことができるようになっている。   In addition, the reserve tank 62 connected to the electrolyte section is filled with the electrolyte 16. As a result, the electrolytic solution 16 can move between the electrolytic solution section and the reserve tank 62 via the pipe 60. Accordingly, during operation of the fuel cell, when the electrolytic solution 16 is pushed by the thermal expansion of each member, a part of the electrolytic solution 16 is introduced into the reserve tank 62 via the pipe 60. On the other hand, when the expansion during the operation of the fuel cell is stopped and the pressure to the electrolyte 16 is reduced, the electrolyte 16 flows from the reserve tank 62 to the fuel cell side. Thereby, the pressure due to the thermal expansion to the electrolyte solution 16 can be reduced, and the pressure of the electrolyte part 10 or the entire fuel cell can be kept in a certain range.

以上のように、実施の形態の燃料電池においては、電解質部１０内の電解液部において電解液１６を用いることで、高い伝導率を確保することができ、燃料電池の発電性能を向上させることができる。また、このとき電解液１６はアニオン交換膜１２、１４で保護されているため、二酸化炭素による劣化が抑えられる。従って、大気や、アルコール等、炭素を含む酸化剤、あるいは燃料を供給することができ、幅広い燃料等の選択性を確保することができる。更に、電解質部１０の中心部に高い伝導率を有する電解液１６を充填することで、アニオン交換膜のみを電解質として用いる場合に比べて、電解質の伝導率を高くしつつ、高い導電性を確保することができる。   As described above, in the fuel cell according to the embodiment, by using the electrolyte solution 16 in the electrolyte part in the electrolyte part 10, high conductivity can be ensured and the power generation performance of the fuel cell can be improved. Can do. At this time, since the electrolytic solution 16 is protected by the anion exchange membranes 12 and 14, deterioration due to carbon dioxide can be suppressed. Therefore, it is possible to supply an oxidant containing carbon, such as air, alcohol, or the like, or fuel, and it is possible to ensure a wide range of fuel selectivity. Furthermore, by filling the electrolyte 16 having a high conductivity in the center of the electrolyte part 10, the conductivity of the electrolyte is increased while ensuring high conductivity compared to the case where only the anion exchange membrane is used as the electrolyte. can do.

なお、実施の形態では、電解液１６として水酸化カリウム水溶液を用いる場合について説明した。しかし、この発明はこれに限るものではなく、例えば、水酸化ナトリウム水溶液や、他のイオン性液体、あるいはこれらの水溶液を用いるものであってもよい。このような電解液のように高い伝導率を有するものを用いることで、燃料電池の発電性能を高く維持することができる。   In the embodiment, the case where a potassium hydroxide aqueous solution is used as the electrolytic solution 16 has been described. However, the present invention is not limited to this, and for example, an aqueous sodium hydroxide solution, another ionic liquid, or an aqueous solution thereof may be used. By using such an electrolyte having high conductivity, the power generation performance of the fuel cell can be kept high.

また、実施の形態では、アノード極３０に、燃料としてエタノールを供給する場合について説明した。しかしこの発明において燃料はこれに限るものではなく、例えばアルコール類を含む炭化水素系液体燃料や、メタン等の炭化水素系ガスを用いることができる。この場合にも、アノード極３０と電解液１６との間にはアニオン交換膜１４が配置されているため、燃料から二酸化炭素が発生する場合にも、電解液１６の劣化を抑えることができる。   In the embodiment, the case where ethanol is supplied to the anode 30 as the fuel has been described. However, in the present invention, the fuel is not limited to this, and for example, a hydrocarbon liquid fuel containing alcohols or a hydrocarbon gas such as methane can be used. Also in this case, since the anion exchange membrane 14 is disposed between the anode electrode 30 and the electrolytic solution 16, deterioration of the electrolytic solution 16 can be suppressed even when carbon dioxide is generated from the fuel.

また、この発明は、燃料として炭素を含む燃料が供給される場合に限るものではない。例えば燃料として、純水素やアンモニア等の炭素を含まないものを供給することができる。この場合には、アノード極３０側で二酸化炭素が生成されないため、アノード極３０側に存在する二酸化炭素は僅かな量となる。従って、炭素を含まない燃料を供給する場合には、カソード極２０側にのみアニオン交換膜１２を配置し、アノード極３０と電解液部との間には、アニオン交換膜１４を配置しない構造としてもよい。   The present invention is not limited to the case where a fuel containing carbon is supplied as the fuel. For example, fuel that does not contain carbon such as pure hydrogen and ammonia can be supplied. In this case, since carbon dioxide is not generated on the anode electrode 30 side, a small amount of carbon dioxide exists on the anode electrode 30 side. Accordingly, when supplying fuel not containing carbon, the anion exchange membrane 12 is disposed only on the cathode electrode 20 side, and the anion exchange membrane 14 is not disposed between the anode electrode 30 and the electrolyte part. Also good.

また、カソード極２０側には、酸化剤として大気を供給する場合について説明した。大気中には、酸素と共に二酸化炭素が存在する。しかし、カソード極２０と電解液部との間には、アニオン交換膜１２が配置されているため、カソード極２０側からの二酸化炭素による電解液１６の劣化を抑えることができる。しかし、この発明においてカソード極側に供給される酸化剤は、大気に限るものではなく、例えば純酸素を供給するものであってもよい。例えば、純酸素の供給は、大気中から二酸化炭素を除去するスクラバー等を取り付けることにより実現できる。この場合、カソード極２０側をほぼ二酸化炭素が存在しない環境となる。従って、このような場合には、アノード極３０側にのみアニオン交換膜１４を配置し、カソード極２０と電解液１６との間のアニオン交換膜１２は配置しないものとしてもよい。   Further, the case where air is supplied as an oxidizing agent to the cathode 20 side has been described. In the atmosphere, carbon dioxide is present together with oxygen. However, since the anion exchange membrane 12 is disposed between the cathode 20 and the electrolyte part, deterioration of the electrolyte 16 due to carbon dioxide from the cathode 20 side can be suppressed. However, in the present invention, the oxidant supplied to the cathode side is not limited to the atmosphere, and may be, for example, pure oxygen. For example, the supply of pure oxygen can be realized by attaching a scrubber or the like that removes carbon dioxide from the atmosphere. In this case, the cathode 20 side is in an environment in which almost no carbon dioxide exists. Therefore, in such a case, the anion exchange membrane 14 may be disposed only on the anode electrode 30 side, and the anion exchange membrane 12 between the cathode electrode 20 and the electrolyte solution 16 may not be disposed.

また、図１においては、説明の簡略化のため、燃料電池内に１の電解質部１０とその両側に配置された一対の電極（アノード極３０及びカソード極２０）のみを例示している。しかし燃料電池は、電解質部１０と一対の電極とを、セパレータで隔離して複数積層したスタック構造としてもよい。この場合には、リザーブタンク６２は、それぞれの電解質部１０の電解液部に接続されるようにして、各電解液部内の電解液１６を移動できるようにすればよい。なお、この場合にもアノード極３０とカソード極２０の表面にそれぞれ拡散層を配置した構造とすることもできる。   Further, in FIG. 1, for simplification of description, only one electrolyte portion 10 and a pair of electrodes (anode electrode 30 and cathode electrode 20) disposed on both sides thereof are illustrated in the fuel cell. However, the fuel cell may have a stack structure in which a plurality of electrolyte parts 10 and a pair of electrodes are separated by a separator. In this case, the reserve tank 62 may be connected to the electrolyte part of each electrolyte part 10 so that the electrolyte solution 16 in each electrolyte part can be moved. In this case as well, a structure in which diffusion layers are arranged on the surfaces of the anode electrode 30 and the cathode electrode 20 can be used.

また、実施の形態ではリザーブタンク６２に電解液部が接続されている場合について説明した。しかし、この発明はこれに限るものではなく、リザーブタンクを有さないものであってもよい。   In the embodiment, the case where the electrolytic solution part is connected to the reserve tank 62 has been described. However, the present invention is not limited to this, and may not have a reserve tank.

また、実施の形態では電解液１６部に支持部材１８を配置する場合について説明した。この支持部材１８により、例えば、熱膨張によりアニオン交換膜１２、１４が圧力を受けた場合にも、電解液部側からは支持部材１８により支持することができる。従ってアニオン交換膜１２、１４の変形を抑えることができる。しかし、この発明は支持部材１８を有する構造に限るものではない。   Further, in the embodiment, the case where the support member 18 is disposed on the electrolyte solution 16 part has been described. For example, even when the anion exchange membranes 12 and 14 are subjected to pressure due to thermal expansion, the support member 18 can be supported by the support member 18 from the electrolyte portion side. Therefore, deformation of the anion exchange membranes 12 and 14 can be suppressed. However, the present invention is not limited to the structure having the support member 18.

また、支持部材１８は、絶縁性の材料で形成される場合について説明した。これにより、アニオン交換膜１２又は１４で膜破れが発生した場合にも、支持部材１８による短絡を防ぐことができる。しかし、この発明はこれに限るものではなく、支持部材１８が他の材料により構成されているものであってもよい。   Further, the case where the support member 18 is formed of an insulating material has been described. Thereby, even when a membrane breakage occurs in the anion exchange membrane 12 or 14, a short circuit by the support member 18 can be prevented. However, the present invention is not limited to this, and the support member 18 may be made of another material.

なお、上記以外の点についても、以上の実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に限定されるものではない。また、実施の形態において説明する構造は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。   Regarding points other than the above, in the above embodiment, when the number of each element, quantity, quantity, range, etc. is mentioned, particularly when clearly indicated or when the number is clearly specified in principle The number is not limited to the above. The structures described in the embodiments are not necessarily essential to the present invention unless otherwise specified or clearly specified in principle.

この発明の実施の形態における燃料電池について説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the fuel cell in embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

１０ 電解質部
１２、１４ アニオン交換膜
１６ 電解液
１８ 支持部材
２０ カソード極
３０ アノード極
４０ 集電板
５０ 酸素経路
５２ 燃料経路 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Electrolyte part 12, 14 Anion exchange membrane 16 Electrolytic solution 18 Support member 20 Cathode electrode 30 Anode electrode 40 Current collecting plate 50 Oxygen path 52 Fuel path

Claims (9)

陰イオンを移動させる電解液が充填された電解液部と、
前記電解液部を挟むように、それぞれ配置された第１電極と第２電極と、
陰イオンを移動させる膜であって、前記第１電極と、前記電解液部との間に配置された第１電解質膜と、
を備えることを特徴とする燃料電池。 An electrolyte part filled with an electrolyte that moves anions, and
A first electrode and a second electrode arranged so as to sandwich the electrolyte part,
A membrane for moving anions, the first electrolyte membrane disposed between the first electrode and the electrolyte part;
A fuel cell comprising: 陰イオンを移動させる膜であって、前記第２電極と、前記電解液部との間に配置された第２電解質膜を、更に備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。   2. The fuel cell according to claim 1, further comprising a second electrolyte membrane that moves an anion and is disposed between the second electrode and the electrolytic solution section. 前記陰イオンを移動させる膜は、アニオン交換基を有する固体高分子膜であることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池。   The fuel cell according to claim 1, wherein the membrane that moves the anion is a solid polymer membrane having an anion exchange group. 前記電解液は、水酸化カリウム水溶液又は水酸化ナトリウム水溶液であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池。   The fuel cell according to any one of claims 1 to 3, wherein the electrolytic solution is an aqueous potassium hydroxide solution or an aqueous sodium hydroxide solution. 前記第１電極は、カソード極であって、
前記カソード極には酸化剤として大気が供給されることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の燃料電池。 The first electrode is a cathode electrode,
The fuel cell according to claim 1, wherein the cathode electrode is supplied with air as an oxidant. 前記第１電極は、アノード極であって、
前記アノード極には、燃料として、炭素を有する燃料が供給されることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の燃料電池。 The first electrode is an anode electrode,
The fuel cell according to any one of claims 1 to 4, wherein the anode electrode is supplied with a fuel containing carbon as a fuel. 前記電解液部に接続され、電解液を、前記電解液部内から流入させ、又は前記電解液部内に流入させるリザーブタンクを、更に備えることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の燃料電池。   7. The reserve tank according to claim 1, further comprising a reserve tank that is connected to the electrolytic solution part and causes the electrolytic solution to flow in from the electrolytic solution part or to flow into the electrolytic solution part. 8. Fuel cell. 前記電解液部内に配置されて前記電解液部を支持し、かつ電解液を通過させる複数の孔を有する支持部材を、更に備えることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の燃料電池。   The fuel according to any one of claims 1 to 7, further comprising a support member that is disposed in the electrolyte part, supports the electrolyte part, and has a plurality of holes that allow the electrolyte to pass therethrough. battery. 前記支持部材は、絶縁性の材料によって構成されることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池。   The fuel cell according to claim 8, wherein the support member is made of an insulating material.
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