JP2021176138A

JP2021176138A - 炭素燃料電池

Info

Publication number: JP2021176138A
Application number: JP2020097245A
Authority: JP
Inventors: 秀和井戸; Hidekazu Ido
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2020-05-01
Filing date: 2020-05-01
Publication date: 2021-11-04

Abstract

【課題】高温の溶融炭酸塩を用いることなく、高温に耐えうる装置が不要な、炭素を燃料に用いた燃料電池を提供する。【解決手段】ｐＨ１１以上の炭酸カリウム水溶液を電解液とし、炭素電極をアノードとし、空気極をカソードとすることによって、高温の溶融塩や高温に耐えうる装置を必要としない直接炭素燃料電池を提供することができる。【選択図】図１

Description

本発明は、炭素を燃料とした燃料電池に関する。

燃料電池は、水素やメタノールなどを燃料として発電する装置である。アノードで燃料が酸化されるときに放出される電子が、外部回路を通してカソードに運ばれ、酸素が還元される。

炭素を燃料とした燃料電池も検討されている（特許文献１参照）。これは溶融炭酸塩からなる電解質と、電解質と酸素と二酸化炭素に接するカソードと、電解質に接するアノードと、アノード近傍の電解質中に存在する粒状の固体炭素と、隔壁とを有し、アノードの少なくとも一部に、固体炭素を通過させない貫通孔が設けられており、貫通孔の開口面に固体炭素４が圧接されていることを特徴とする直接炭素燃料電池である。

また、以下のような直接炭素燃料電池も知られている（特許文献２参照）。直接炭素燃料電池は、炭酸塩または水酸化物塩の少なくとも一方を含む電解質の中に空気極（カソード）および燃料極（アノード）を配置して、４００℃以上９００℃以下に加熱することで発電する。燃料極は、再生炭素繊維で構成されている。

特開２０１８−１３３２２５号公報特開２０１８−１８５９７１号公報

本発明の課題は、下記従来技術の抱える問題点を解決できる、炭素を燃料とした燃料電池を提供することである。

特許文献１記載の溶融炭酸塩からなる電解質を用いる直接炭素燃料電池では、溶融炭酸塩が８００℃と高温であり、高温に耐えうる装置が必要となり、そのため小型化も困難となることが問題である。

また、特許文献２記載の炭酸塩または水酸化物塩の少なくとも一方を含む電解質を用いて燃料極に再生炭素繊維を用いる燃料電池も、４００℃以上９００℃以下に加熱することが必要であり、高温に耐えうる装置が必要となり、小型化も困難であることが問題である。

本発明者は、ｐＨ１１以上の炭酸カリウム水溶液を電解液とし、炭素電極をアノードとし、空気極をカソードとすることによって、高温を必要としない直接炭素燃料電池が作動することを見出した。

直接炭素燃料電池の構成を示す図である。

一般に、炭素は、水溶液中で安定である。これは、炭素原子間の結合が強く、室温付近では酸化還元反応が遅いためと考えられる。炭素を燃料電池の燃料とするためには、高温の溶融塩電解質を用いる必要があった。

本発明では、ｐＨ１１以上の炭酸カリウム水溶液を電解液とすることにより、炭素を燃料とした燃料電池を作動させることを可能とした。

ｐＨ１１未満ではアノードで炭素が酸化された場合に二酸化炭素ガスが炭素アノード表面に付着しやすくなり、炭素の酸化反応継続の妨げとなる。ｐＨ１１以上においては、炭素が酸化されて生じる二酸化炭素は炭酸イオンとなって溶解するため、炭素の酸化反応継続の妨げとなり難いと考えられる。

作動温度は０〜１００℃が好ましく、より好ましくは、２０〜８０℃である。０℃以下では電解液が凝固する可能性があり、１００℃以上では電解液が沸騰する可能性がある。また、２０℃以下では電解液の冷却設備が必要となり、８０℃以上では電解液の蒸発が多くなる。

溶融塩を用いないため、高温を要さず、高温の溶融塩に耐えられる高耐食性部材を必要とせず、小型化も容易になり、高温に加熱するための電力が不要となり、発電に要するエネルギー消費を抑えることができる。

カソードでは空気中の酸素が還元され水酸化物イオンを生じる。カソードには、多孔質炭素を用いることが好ましい。多孔質炭素は表面積が大きく、酸素の吸着と還元に有効なためであるが、酸素還元が可能であれば炭素以外の多孔質体も使用可能である。

アノードは、各種炭素材が使用可能であるが、例えば、グラファイト、石炭、木炭、炭素繊維等を用いることができる。

電解液としては、ｐＨ１１以上の電解質水溶液を用いることができ、アルカリ金属の水酸化物やリチウム以外のアルカリ金属の炭酸塩の水溶液を電解液として用いることができる。このうち空気中の二酸化炭素によるｐＨへの影響が少ない炭酸塩が好ましく、炭酸塩のなかでは発電中のｐＨの安定性の観点で溶解度の高い炭酸カリウムがさらに好ましい。

電解液の濃度は、炭酸イオン濃度として、３ｍｏｌ／ｋｇ以上であることが好ましい。これはアノードで生成する二酸化炭素が炭酸水素イオンとして溶解しやすいためである。

必要に応じて、アノードとカソードとの接触を防止するためにセパレータを使用する。セパレータとしては、電解液を保持できる多孔質体を用いることができ、たとえば、紙、セラミック、プラスチック製等の多孔質体を用いることができる。

作動時の雰囲気は酸素を含んでいればよく、空気でよい。

炭酸カリウム５ｇを水５ｇに溶解させ、ｐＨ１１の炭酸カリウム水溶液（３．６ｍｏｌ／ｋｇ）を調製した。この水溶液を含浸した紙（クッキングペーパー、パルプ１００％）をセパレータとして挟み、炭素棒（グラファイト、ケニス製、Ｃ−１００、φ５ｍｍ×１００ｍｍ）のアノードと、集電体（ステンレス板、ＳＵＳ３０４、直径７０ｍｍ円板）上に直径７０ｍｍの円状領域に敷きつめた活性炭（ユーイーエス製、ＫＤ−ＧＡ−Ｍ−２００、８〜３０ｍｅｓｈ、ヨウ素吸着容量１１５２ｍｇ／ｇ）のカソードをセパレータに接して配置し、室温、空気中、開回路電圧と電流を測定した。

測定した結果、開回路電圧は０．４Ｖ、電流値は０．１ｍＡであった。

以上から、ｐＨ１１以上の炭酸カリウム水溶液を電解液とし、炭素電極をアノードとし、空気極をカソードとすることにより、炭素を燃料とする燃料電池が作動することが確認された。

１炭素棒（アノード）
２セパレータ（炭酸カリウム水溶液含浸）
３活性炭（カソード）
４ステンレス板（集電体）

Claims

ｐＨ１１以上の炭酸カリウム水溶液を電解液とし、炭素電極をアノードとし、空気極をカソードとすることからなる、燃料電池。