JP2010097734A - パラジウム薄膜を用いた脱水素タイプの固体高分子形燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】クロスオーバを防ぎ、高い起電力と高い燃料消費効率を取り出せる燃料電池を提供すること。
【解決手段】直接形燃料電池における燃料のクロスオーバを防ぐためアノード極にパラジウム薄膜を使用する。パラジウム薄膜のアノードで生成したプロトンは水素―酸素を用いた固体高分子形燃料電池と同様にカソードへ運ばれ、電池の回路を形成する。また、パラジウム薄膜をアノード極に使用したことによりクロスオーバを完全に防ぐことができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ギ酸やヒドラジンなどパラジウム薄膜上で水素を発生して分解する物質を燃料とし、発生した水素をパラジウム薄膜を通してパラジウム薄膜の裏側に送りパラジウム薄膜をアノードとして酸化する脱水素タイプの固体高分子形燃料電池に関する。

従来よりギ酸やヒドラジンを燃料とした燃料電池は数多く提案されている。しかし、アノードには炭素微粒子上に触媒を担持した触媒層を使っており、提案されたどの燃料電池でも水素―酸素燃料電池の理論起電力である1.23Vを超えたものはない。この理由は、電極触媒が高性能であっても、ギ酸やヒドラジンが触媒上で理論的な反応経路をたどっていないからであると考えられる。また、ギ酸やヒドラジンは、電極触媒上でいろいろな反応中間体を経て反応するため、電極触媒や電解質の機能を阻害していることも考えられる。

ギ酸やヒドラジンを燃料とする燃料電池の理論起電力は、水素―酸素燃料電池の理論起電力1.23Vよりも高いが、実際には1.23Vを超えるデータは報告されていない。その原因は、それらの燃料の電極反応が複雑で理論起電力を与える反応が起こらないからと考えられる。

また、燃料が電極で反応しないで燃料極（アノード）から酸素極（カソード）へ透過する、いわゆるクロスオーバ現象が起こり、電池性能を低下させる問題がある。すなわち、ギ酸やヒドラジンを燃料にした直接形燃料電池では燃料のクロスオーバが発生することより電池性能が低下するという問題があった。
特開2008-18314号公報 特開2008-18315号公報 特開2008-21466号公報

そこで本発明は、クロスオーバを防ぎ、高い起電力と高い燃料消費効率を取り出せる脱水素タイプの固体高分子形燃料電池を提供することを課題とする。

上記課題を解決することを目的としてなされた本発明燃料電池の構成は、直接形燃料電池における燃料のクロスオーバを防ぐためアノード極にパラジウム薄膜を使用したこと特徴とするものである。
パラジウム薄膜のアノードで生成したプロトンは水素―酸素を用いた通常の固体高分子形燃料電池と同様にカソードへ運ばれ、電池の回路を形成する。また、パラジウム薄膜をアノード極に使用したことによりクロスオーバを完全に防ぐことができる。

すなわち、パラジウムは水素を吸蔵する性質があるので、アノードにパラジウム薄膜を使用すると、燃料のクロスオーバを防ぐと共に、電流を取り出すときだけ燃料がパラジウム薄膜上で水素に分解し、パラジウム薄膜を通して消費される。これによりパラジウム薄膜を使った燃料電池は、燃料の消費効率を格段に向上させるのみならず、燃料電池を小型化でき、かつ、その商用化を可能にする。

本発明燃料電池は、パラジウム薄膜を使用したことにより、ギ酸やヒドラジンのクロスオーバを防ぎ、高性能を発揮する脱水素タイプの固体高分子形燃料電池を提供することができる。

本発明によれば、ギ酸やヒドラジンに限らず脱水素反応、加水分解などで水素を発生する物質、例えば、ナトリウムボロハイドライドのような無機化合物やテトラリン、デカリンのような有機ハイドライドなど、無機，有機ハイドライドを燃料とする固体高分子形燃料電池を提供することができる。

また、本発明燃料電池は構造が簡単でクロスオーバーを防ぐことができることにより、脱水素型で小型コイン形状の固体高分子形燃料電池を提供することができる。

さらに、パラジウム薄膜を使用したことにより、クロスオーバの問題を解消できるのみならず、反応によって生じる反応中間生成による電極、電解質膜の阻害を防ぐことができる。

次に、本発明の実施の形態例について、図を参照して以下に説明する。図１はパラジウム電極を用いた本発明燃料電池の構成を模式的に示した正面図、図２はコイン型に形成した本発明燃料電池の一例の正断面図、図３は図２の本発明燃料電池の電池特性を示す線図である。

図1にその概念図を示した請求項１の発明の具体的な例について説明する。
図１おいて、１は負極（アノード）のパラジウム電極で、燃料導入管６を通して、水素、ヒドラジンなどの燃料をアノード室４に投入される。これらの燃料は電極１により水素に分解され、パラジウム薄膜の裏面（アノード室側）で酸化された後、生成した水素イオンがカソードに供給される。
２は電解質膜で、固体高分子電解質を使えば液漏れを防ぐことができる。３はガス拡散電極（カソード電極）で、正極の役目を果たす。
アノード室４（負極室）は、燃料を備蓄することが可能であり、また、カソード室５（正極室）は、通常は純酸素を供給するが、空気で置き換えることもできる。６は燃料導入管（導入部）、７は酸素または空気の導入管（導入部）である。

次に、請求項２以降の発明について、その実施形態の一例について説明する。図２はコイン型に形成した本発明燃料電池の概念図である。
図２において、20は大略コインケース状をなす本発明燃料電池（コイン型）のケースで、底壁21に多数の孔による空気取入孔17を備えている。
図２のケース20の内部には、底壁21の側から順にカソード極13、イオン交換膜12、パラジウム薄膜11（以下、Ｐd薄膜11ともいう）によるアノード極が積層配置されている。
Ｐd薄膜11の上面には、パラジウムによりメッシュ状又はポーラス状などに形成されたスペーサ10が配置されて、このスペーサ10の上方に、このケース20の蓋22がケース20の内面にパッキン23を介して配置されている。
蓋22とＰd薄膜11の間の空間が形成するアノード室14には、燃料（水素）が収容されており、以上によりコイン型の本発明燃料電池の一例を形成する。

図３は図２の本発明燃料電池の電池特性を示すグラフである。
図３の電池特性の線図において、点線で示す電圧Ａ、出力Ａは常時水素、酸素を導入して発電させたときの電池特性を示したもの、一点鎖線で示す電圧Ｂ、出力Ｂはアノード室14に一旦水素を導入したあと、水素を窒素で追い出し、吸蔵していた水素で発電を行ったときの電池特性である。アノードに用いたパラジウム薄膜は水素を吸蔵する働きがあるので、吸蔵した水素で発電が可能であること、並びに、ギ酸やヒドラジンから水素を取り込むことが可能という特長を備えている。

本発明は、パラジウムが水素を吸蔵する性質を利用してアノード電極を形成したので、脱水素を起こしやすい燃料をパラジウム薄膜上で脱水素分解し、分解した水素はパラジウム薄膜内に吸蔵されるため、アノードでの反応は水素の反応と同じで反応はきわめて速い。

また、パラジウムアノードは、燃料のクロスオーバを防ぐことと水素だけを透過させることから、電極での反応が活発になり、高性能の電池特性が得られる。

さらに、パラジウム薄膜を分解触媒として純水素だけを反応させる本発明燃料電池では、電解質膜を阻害することなく燃料電池を運転することができる点で従来のものに比べてきわめて有利である。

加えて、パラジウム薄膜を使うことで燃料供給系が簡単になり、コイン形状のような小型燃料電池の製造が可能になる。

現状の携帯機器用の電源としてはリチウムイオン電池が主流であるが、機器の機能の多様化，多機能化によって電源としての容量が不足するようになった。
しかるに、本発明によれば固体高分子形燃料電池を、リチウムイオン電池の容量を大幅に上回る電源としてコイン形に形成した脱水素タイプの小型燃料電池として提供できるので、携帯機器の分野で容量の大きな小型電源として広く利用することができる。

パラジウム電極を使った本発明燃料電池の概念図。 パラジウム膜を使ってコイン型に形成した本発明燃料電池の一例を示す模式的断面図。 図２のコイン型燃料電池の電池特性を示す線図。

符号の説明

１ パラジウムアノード
２ 電解質膜
３ カソード電極（ガス拡散電極）
４ アノード室
５ カソード室
６ 燃料導入部
７ 酸素導入部

Claims (4)

1. パラジウム薄膜をアノードとし、固体高分子膜を電解質として用い、カソードを組み合わせて備えた脱水素タイプの固体高分子形燃料電池。
2. 燃料電池は小形のコイン型に形成した請求項１の燃料電池。
3. ギ酸、ヒドラジン、ナトリウムボロハイドライド、有機ハイドライドなど、パラジウム上で脱水素を起こす燃料を使用する請求項１又は２の燃料電池。
4. パラジウム薄膜は、燃料の貯蔵容器であると共に、必要な時に水素を供給する水素の貯蔵容器として作用するように形成した請求項２又は３の燃料電池。

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