JP2009534808A - 燃料電池 - Google Patents
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Abstract
Description
i)膜厚を増加させる。即ち、水素燃料電池向けの通常の50μm膜の代わりに、一般に170μmのNafionが使用される。これによって膜の抵抗は増加するが、クロスオーバの影響は完全には解消されない。
ii)Nafionタイプのスルホン化したフルオロポリマーに対して代替膜を使用する。通常、これらの膜は、効果的に動作するように、或いはあまり導電又は膨張しないように、高温度(100℃超)を必要とする。
iii)カソード用に選択的触媒を使用する。これらは、一般に、酸素低減に関してPt及びPt含有触媒などの貴金属含有触媒より劣った触媒である。
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Xa[ZbMcOd]
という式によって示され得る。この式で、Xは、水素、アルカリ金属、アルカリ土類金属、アンモニア及びそれらの2つ以上の組合せから選択され、Zは、B、P、S、As、Si、Ge、Ni、Rh、Sn、Al、Cu、I、Br、F、Fe、Co、Cr、Zn、H2、Te、Mn及びSe並びにそれらの2つ以上の組合せから選択され、Mは、Mo、W、V、Nb、Ta、Mn、Fe、Co、Cr、Ni、Zn、Rh、Ru、TI、Al、Ga、In、及び第1、第2及び第3の遷移金属系列及びランタン系列から選択された他の金属並びにそれらの2つ以上の組合せから選択される金属であり、
aは[McOd]陰イオンを荷電平衡させるのに必要な複数のXであり、
bは0から20であるが、より好ましくは0〜2であり、
cは1から40であり、
dは1から180である。
a)陽子交換膜に隣接して位置するアノードでアルコール燃料を酸化することによってH+イオンを形成するステップと、
b)陽子交換膜の反対側に隣接して位置するカソードに、酸化した状態の不揮発性レドックスカップル溶液を含むカソード液を供給するステップと、
c)電荷の平衡を保つために、H+イオンが膜を通り抜けるのに付随してカソードと接触するのに際してレドックスカップルが還元させることを可能にするステップとを含む。
d)カソードから、触媒が再度酸化される再酸化ゾーンへ、カソード液を通るステップを含んでよい。
[R]ox+ne−→3[R]red
(4/n)[R]red+O2+4H+→(4/n)[R]ox+2H2O
(2/n)[R]red+H2O2+2H+→(2/n)[R]ox+2H2O
H3Na2PMo9V3O40を含むカソード液の溶液が準備され、図7を参照しながら説明された燃料電池に概ね一致する燃料電池のカソードチャンバへ詰められた。
図2を参照すると、レドックスカソードのガスカソードとの比較が示されている。レドックスカソードの性能がより優れていることが認められ、60℃の空気ガスカソードの性能が50℃のレドックスカソードの性能に相当する。アノード触媒層は、内部に、4mg/cm2のJMのPtRuブラック及び10重量パーセントのNafionを含む。アノードガス拡散層は、10%テフロン(登録商標)化されたカーボン紙であって2mg/cm2のXC−72カーボン及び10%のNafionを有するものであった。
ここで、図3及び図4を参照すると、カーボン電極でのメタノールの挙動を検討するためにサイクリックボルタンメトリーが使用されている。検討対象の燃料電池内に使用されていた100ppmのRVCから成る作用電極が使用された。メタノールによる電流レベルは、燃料電池の動作電位の範囲内で±0.01mA/cm2未満であった。これは動作中の燃料電池の電流密度と比較して無視できる電流である。メタノールが存在する状態での低レベルのPOMのCVは、燃料電池の動作範囲内で影響が最小であることを示す。したがって、クロスオーバの影響は電極に限定されており、メタノールの酸化による逆電流は生じない。また、POM低減の損失は小さい。
この例では、先の例で使用されたものと類似の電池、カソードとアノードの構成が用いられた。図5は、約180μのnafion 117と約120μのnafion 115の間の性能比較を示す。性能に対するメタノールクロスオーバの悪影響のためにnafion 117が好まれる空気カソードと対比して、電流/電圧範囲のほとんど全体にわたって性能がより優れることが明らかに示されている。
図6を参照すると、この例では、Etek SERIES 12D−W MEA(5層)Half Membraneの1/2 MEAを使用した。DMFC向け汎用の5層の織ってあるウェブ上のGDLベース電極集合体は、電池及びカソードが、アノード向けの改善された民生用の曲がりくねった流れ場を使用する、以前の例と似ている。その他の詳細は図の見出しに示されている。
Claims (10)
- アノード領域内にアノードを含み、且つカソード領域内にカソードを含む燃料電池であって、該アノードが、イオン選択性ポリマー電解質膜によって該カソードから分離され、その使用時に該電池のアノード領域にはアルコール燃料が供給され、その使用時に該電池のカソード領域には酸化物質が供給され、そして該電池には、該アノードと該カソードの間に電気回路を生成するための手段、及び該電池の該カソード領域内の該カソードとの流れる流体連接にある溶液中に不揮発性のレドックスカップルが与えられていて、該レドックスカップルは、該電池の動作中に該カソードで少なくとも部分的に還元され、且つ該カソードでのそのような還元の後に酸化物質との反応によって少なくとも部分的に再生成され、カソード液の溶液における該レドックスカップル及び/又は該レドックスカップルの濃度が、該電池のアノード領域から該電池のカソード領域へとポリマー電解質膜を越えるアルコール燃料のクロスオーバによるアルコール燃料の酸化によって、動作中の該電池によって生成された電流密度が実質的に影響されないように選択される、上記燃料電池。
- アルコール燃料が少なくとも1つの低分子量アルコールを含む、請求項1に記載の燃料電池。
- アルコール燃料が、メタノール、エタノール、プロパノール、イソプロピルアルコール及びブタノール、ジプロピレングリコール及びエチレングリコール、並びにこれらの2つ以上の混合物から選択される、請求項2に記載の燃料電池。
- レドックスカップルのレドックス電位が、酸素の電位から0.01Vから0.3Vの異なる、請求項1から3のいずれか一項に記載の燃料電池。
- 燃料電池の動作温度が100℃未満である、請求項1から4のいずれか一項に記載の燃料電池。
- レドックスカップルが少なくとも1つの遷移金属錯体を含む、請求項1から5のいずれか一項に記載の燃料電池。
- レドックスカップルがポリオキソメタレート化学種を含む、請求項6に記載の燃料電池。
- カソード液の溶液中のレドックスカップルの濃度が少なくとも約0.1Mである、請求項1から7のいずれか一項に記載の燃料電池。
- 電池のカソード領域に、カソード液の溶液を蓄えるための貯蔵容器が与えられる、請求項1から8のいずれか一項に記載の燃料電池。
- 燃料電池に、切り替え可能な電子バルブが装着されて、燃料電池に起電力が供給されるときに接続ラインに沿った電子の逆流が可能になる、請求項1から9のいずれか一項に記載の燃料電池。
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