JP6959787B2 - 燃料電池 - Google Patents
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Description
(2)O2+2H2O+4e−→4OH− (カソード電極での反応)
(4)2H2+4OH−→4H2O+4e−
この場合、アノード電極の近傍に窒素ガスおよび水素ガスを存在させることができるので、液体燃料のカソード電極への漏出を低減することができる。
1.燃料電池
図1に示すように、燃料電池1は、ヒドラジン類を含有する液体燃料が直接供給される固体高分子型燃料電池である。燃料電池1は、プロトン交換形燃料電池であってもよく、アニオン交換型燃料電池であってもよい。第1実施形態および第2実施形態では、燃料電池1がプロトン交換形燃料電池1Aである態様を示し、第3実施形態では、燃料電池1がアニオン交換形燃料電池1Bである態様を示す。
アノード電極9は、上記したように、発電層3と分解層4とを備えており、好ましくは、発電層3と分解層4とのみから構成される。
発電層3は、電解質層8の一方側の面に形成されており、電解質層8と分解層4との間に配置されている。発電層3の一方面(電解質層8と反対側の面)には、第1アノード側拡散シート49Aが積層されている。つまり、発電層3は、電解質層8と第1アノード側拡散シート49Aとの間に、それらと直接接触するように挟まれている。
分解層4は、発電層3の一方側(発電層3に対して電解質層8の反対側)に、発電層3に対して間隔を空けて配置されている。発電層3と分解層4との間には、第1アノード側拡散シート49Aが配置され、分解層4の一方面(発電層3と反対側の面)には、第2アノード側拡散シート49Bが配置されている。
このようなアノード電極9を調製するには、まず、水素反応触媒が溶媒中に分散する水素反応触媒インク(分散液)と、ヒドラジン分解触媒が溶媒中に分散するヒドラジン分解触媒インク(分散液)とを準備する。
上記したプロトン交換形燃料電池1Aでは、発電時において、ヒドラジン類を含有する液体燃料が燃料側流路16に供給され、空気が酸素側流路18に供給される。
そして、ヒドラジンの分解により生じた水素は、第1アノード側拡散シート49Aを通過して、発電層3に接触する。すると、発電層3において、水素反応触媒(水素還元触媒)が作用して、下記式(B)に示すように、ヒドラジンの分解により生じた水素を還元する。
一方、酸素側流路18に供給される空気は、カソード電極10と接触しながら酸素側流路18を通過する。これにより、カソード電極10において、下記(C)に示す電気化学反応が生じる。
つまり、プロトン交換形燃料電池1A全体として下記式(D)に示す反応が連続的に生じて、プロトン交換形燃料電池1Aに起電力が発生する。
4.作用効果
燃料電池1(プロトン交換形燃料電池1A)では、アノード電極9が、ヒドラジン類を水素と窒素とに分解するヒドラジン分解触媒を含有する分解層4と、水素を酸化または還元させる水素反応触媒を含有する発電層3とを、別々の層として備えている。
次に、図2を参照して、本発明の第2実施形態を説明する。
第3実施形態では、燃料電池1がアニオン交換形燃料電池1Bである場合について説明する。
その後、発電層3において、下記(F)に示す電気化学反応が生じる。具体的には、発電層3において、水素反応触媒が水素酸化触媒として作用し、下記式(F)に示すように、ヒドラジン類の分解により生じた水素を酸化する。
一方、カソード電極10では、下記(G)に示す電気化学反応が生じる。
つまり、アニオン交換形燃料電池1B全体として下記式(H)に示す反応が連続的に生じて、アニオン交換形燃料電池1Bに起電力が発生する。
このような第3実施形態は、図1および図2のいずれの構成においても適用することができる。また、第3実施形態によっても、第1実施形態および第2実施形態と同様の作用効果を奏することができる。また、第1実施形態〜第3実施形態は、適宜組み合わせることができる。
カーボン(ケッチェンブラック、商品名ECP600JD、ライオン社製)0.5gを、0.4Lの純水に分散させた。次いで、その分散液に、硝酸ニッケル(Ni(NO3)2・6H2O、キシダ化学社製)と、ヘキサクロロ白金(IV)酸(H2(PtCl6)・6H2O、キシダ化学社製)とを、NiとPtとの原子数比率が1:1になり、触媒全質量に対して金属質量が20質量%になるように添加して、24時間撹拌した。
調製例1のPtNi担持担体0.47gを、ジルコニアボール(アズワン社製、直径5mm)67gの存在下において撹拌した。
Pt単体がカーボン(触媒担体)に担持されたPt単体担持担体(商品名TEC10E50E、田中貴金属社製、Pt単体の担持割合50質量%)0.23gを、ジルコニアボール(アズワン社製、直径5mm)33gの存在下において撹拌した。
調製例1のPtNi担持担体0.47gと、上記の単体担持担体(商品名TEC10E50E、田中貴金属社製)0.23gとを、ジルコニアボール(アズワン社製、直径5mm)100gの存在下において混合した。
上記のPt単体担持担体(商品名TEC10E50E、田中貴金属社製)1gを、ジルコニアボール(アズワン社製、直径5mm)100gの存在下において撹拌した。
(発電層の調製)
ダブル吐出式スプレー塗工機(ノードソン社製)に、調製例3の水素反応触媒インクをセットした。
また、ダブル吐出式スプレー塗工機に、調製例4のヒドラジン分解触媒インクをセットした。
また、ダブル吐出式スプレー塗工機に、調製例5のカソード触媒インクをセットした。
製造例1における(発電層の調製)と同様にして、電解質膜上に発電層を形成した。
ダブル吐出式スプレー塗工機(ノードソン社製)に、調製例4のアノード触媒インクをセットした。
<アンモニア排出量の測定>
製造例1〜3の膜電極接合体を、日本自動車研究所(JARI)標準セルにセットして、セル温度を80℃、燃料温度を80℃、空気温度を80℃、加湿温度を75℃に設定した。
図3に示す評価結果から、アノード電極が、ヒドラジン分解触媒を含有する分解層と、水素反応触媒を含有する発電層とに分けられる製造例1および製造例2の膜電極接合体は、アノード電極がヒドラジン分解触媒および水素反応触媒を含有する1層である製造例3の膜電極接合体と比較して、アンモニア排出量を低減できることが確認された。
3 発電層
4 分解層
8 電解質層
9 アノード電極
10 カソード電極
Claims (1)
- 電解質層と、
前記電解質層の一方側に配置されるアノード電極と、
前記電解質層の他方側に配置されるカソード電極と、を備え、
前記アノード電極は、
ヒドラジン類を水素と窒素とに分解するヒドラジン分解触媒を含有する分解層と、
前記電解質層と前記分解層との間に配置され、水素を酸化または還元させる水素反応触媒を含有する発電層と、を備えることを特徴とする、燃料電池。
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