JPH05258757A - 燐酸燃料電池 - Google Patents

燐酸燃料電池

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JPH05258757A
JPH05258757A JP4169488A JP16948892A JPH05258757A JP H05258757 A JPH05258757 A JP H05258757A JP 4169488 A JP4169488 A JP 4169488A JP 16948892 A JP16948892 A JP 16948892A JP H05258757 A JPH05258757 A JP H05258757A
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ハンス・アーゲ・ヒユーラー
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クリステイアン・オルセン
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Abstract

(57)【要約】 【構成】 酸素を含有するオキシダントガスを使用する
ガス拡散カソード、水素を含有する燃料ガスを使用する
ガス拡散アノード、および燐酸と、燐酸の蒸気圧以下の
蒸気圧を有しており、それによってカソードの分極を減
少させるとともにかつ電池の効率を増加する弗素化化合
物およびシリコーン化合物からなる群から選択される少
なくとも0.1重量%の添加剤とからなる電解質をハウ
ジング内に含む燐酸燃料電池。 【効果】 電池の熱効率を増加できる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、燐酸燃料電池に関し、
詳しくは電解質が改良された燐酸燃料電池に関する。
【0002】
【従来技術】燃料電池において、ガス状の燃料の化学的
エネルギーが電力に転化されている。従来の燃料電池
は、アノード、カソードおよび電解に挟持された電解質
含浸マトリックスから構成されている。
【0003】燐酸燃料電池の操作において、含水素ガス
をアノードに供給し、そして含酸素ガスをカソードに供
給する。これらのガスは電極を通して分散し、そして電
極上で触媒の存在下に電解質と反応し、水、熱および電
気的エネルギーをもたらす。
【0004】アノードにおいて、供給ガスにおける水素
は、電気化学的反応により電子を放出する。このように
して発生した電流をアノードから外部回路を通じてカソ
ードに通電する。カソードにおいて、電気を酸素と電気
的に化合サセル。電解質を通じたイオンの流れは、回路
を完結する。
【0005】従って、燐酸燃料電池において進行する電
気化学的反応は、アノードにおいて H2 → 2H+ + 2e- そしてカソードにおいて 1/2O2 + 2H+ + 2e- → H2 O である。
【0006】燐酸は、高温で安定性が高く、CO2 およ
び水の除去が容易でありそしてイオン伝導性が高いので
酸性の水素−酸素燃料電池の常套の電解質である。しか
しながら、燐酸は、いくつかの望ましくない性質を有し
ている。燐酸は、高い酸濃度で酸素溶解性が低く酸素還
元速度が比較的におそいので非常に高いカソードの分極
を導く。
【0007】酸素の還元速度を高ることによって燐酸燃
料電池の効率を改良するために、当該電池における燐酸
電極のためにトリフルオロメタンスルホン酸を置換する
ことが提案されている。
【0008】トリフルオロメタンスルホン酸における酸
素還元速度は、より高い酸素溶解性故に電池の制限電流
を改良するので燐酸におけるようりも高い(R.C.B
hardway,N.G.SmartおよびJ.O.B
ockris;Proc.Intersoc.Ener
gy Convers.Emg.Conf.,1991
年,第26巻,第3号,第546〜569頁;P.Ze
llenay,B.R.Scharifkerおよび
J.O.Bockris;J.Electroche
m.Soc.,1986年,第133巻,第11号;第
2262〜2267頁)。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】その良好な性能に係わ
らず、蒸気圧が高いゆえにトリフルオロメタンスルホン
酸の使用は、実際の燐酸燃料電池の操作温度未満の温度
に制限されている。トリフルオロメタンスルホン酸の別
の欠点として、このものが多孔性電極中に非常に容易に
吸収されその結果ガス拡散が低くなりこれによって電極
の分極が高くなってしまう。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明者等は、少量の燐
酸の蒸気圧より低い蒸気圧を有する弗化有機化またはシ
リコーン化合物を燐酸燃料電池の燐酸電解質に転化する
と、当該電池の電極中の電解質の望ましくない吸収なし
に酸素の溶解性および電解質の拡散性を増加し、従って
従来操作されてきた燐酸燃料電池の性能を改善すること
を見出した。
【0011】従って本発明は、酸素を含有するオキシダ
ントガスを使用するガス拡散カソード、水素を含有する
燃料ガスを使用するガス拡散アノード、および燐酸と、
燐酸の蒸気圧以下の蒸気圧を有しており、それによって
カソードの分極を減少させるとともにかつ電池の効率を
増加する弗素化化合物およびシリコーン化合物からなる
群から選択される少なくとも0.1重量%の添加剤とか
らなる電解質をハウジング内に含む燐酸燃料電池を提供
するものである。
【0012】理論的な説明として、上述の電解質添加物
は、電極/電解質界面上に物理的に吸着された層を形成
し、この層において酸素の濃度がばらばらの燐酸におけ
る濃度よりも高くなり、それによってカソード上の酸素
還元が増加し、従って当該電池の熱効率が増加する。
【0013】
【実施例】以下、本発明を好適な実施例および図面によ
り更に詳しく説明する。図1〜3は、100%燐酸電解
質を用いて得られたものと比較した本発明による異なる
電解質添加剤を用いて得られた分極曲線である。
【0014】実施例において、使用した電解質Pt触媒
された炭素ガス拡散電極(0.5。mg/cm2 Ptを
カソードおよびアノードの両方に担持)である。全ての
実験を100% H3 PO4 を電解質として用い190
℃の温度で燃料として純粋な水素およびオキシダントと
して純粋な酸素を使用することによって行った。
【0015】電解質添加物を試験するために用いた燃料
電池ハウジングは、Giner,InC(Genera
l License GLV)製の製品である。温度を
コントローラ(Dowty TC−48,Dowty
Electronics Company)により制御
し、そして熱をハウジングの各末端プレートに糊付けさ
れた2つの柔軟製電気ヒータにより電池に供給した。電
池内の温度を±1℃以内に保持した。電池の水のバラン
スを保持するために、燃料ガスを72℃の蒸留水を含有
するサチュレータに通過させた。 例1 この例において、カリウムパーフルオロヘキサンスルホ
ネート(C6 13KO 3 S;C6 )を電極添加剤として
使用した。C6 13KO3 SはRiedel−de H
aenから購入した(98%純度)。燐酸(85%純
度,Riedel−de Haen)を過酸化水素で処
理することによって精製し、そして加熱により100%
にまで濃縮した。改良電解質を各々0.5:99.5の
重量比となるようにカリウムパーフルオロヘキサンスル
ホネートを100%燐酸に添加することによって調製し
た。100℃でマグネティックスターラーで攪拌する
と、乳白色のエマルジョンとなり、これを電解質として
直ちに使用した。電池試験結果を図1に示す。 例2 カリウムノナフルオロブタンスルホネート(C4 9
3 S;C4 )を電極添加剤として使用した。C4 9
KO3 Sは、Aldrich Chemical Co
mpany Inc.から購入した98%純度を有する
白色粉末である。100%燐酸を例1の通りに調製し
た。改良電解質を各々0.5:99.5、1:99.0
および1.5:98.5の重量比となるようにカリウム
ノナフルオロブタンスルホネートを100%燐酸に添加
することによって調製した。100℃でマグネティック
スターラーで攪拌すると、乳白色のエマルジョンとな
り、これを電解質として直ちに使用した。電池試験結果
を図1に示す。 例3 パーフルオロブチルアミン〔(C4 9 3 N;アミ
ン〕を電極添加剤として使用した。(C4 9 3 Nは
PCR Incorporatedから購入した透明液
(技術級)である。100%燐酸を例1の通りに調製し
た。改良電解質を各々0.5:99.5、1:99.0
および1.5:98.5の重量比となるようにパーフル
オロブチルアミンを100%燐酸に添加することによっ
て調製した。100℃でマグネティックスターラーで攪
拌すると、乳白色のエマルジョンとなり、これを電解質
として直ちに使用した。電池試験結果を図2に示す。 例4 シリコーンDC−550(Si−550)〔−Si(C
3 2 O−〕n を電極添加剤として使用した。シリコ
ーンDC−550はDow Co,から購入した透明な
液体である。100%燐酸を例1の通りに調製した。改
良電解質を各々0.5:99.5、1:99.0および
1.5:98.5の重量比となるようにシリコーンDC
−550を100%燐酸に添加することによって調製し
た。100℃でマグネティックスターラーで攪拌する
と、乳白色のエマルジョンとなり、これを電解質として
直ちに使用した。電池試験結果を図3に示す。
【0016】190℃で操作する水素−酸素燃料電池に
ついて、ΔHは約÷280kJ/モルH2 Oである。こ
れは熱電圧当量に転換することができる。 (280kJ/モル)/2×96.5kA・s)=1.45V。
【0017】従って、燃料電池の熱効率はVTHERM
1.45(但しVTHERM は電池熱電圧である)である。
図1〜3によると、400mA/cm2 の同一電流密度
において、電池熱効率が以下のとおりに計算できる。
【0018】100% H3 PO4 を電解質とした場合
(参考例として)、EffT =0.54/1.45=3
7.2%である。0.5%C6 13KO3 Sを電解質と
した場合(例1)、EffT =0.72/1.45=4
9.7%である(100% H3 PO4 と比較して1
2.5%増加)。
【0019】1.5%C4 9 KO3 Sを使用した場合
(例2)、EffT =0.67/1.45=46.2%
である(100% H3 PO4 と比較して9.0%増
加)。
【0020】1.5%(C4 9 3 Nを使用した場合
(例3)、EffT =0.65/1.45=44.8%
である(100% H3 PO4 と比較して7.6%増
加)。
【0021】1.0%シリコーンDC−550を使用し
た場合(例4)、EffT =0.66/1.45=4
5.5%である(100% H3 PO4 と比較して8.
3%増加)。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、100%燐酸電解質を用いて得られた
ものと比較した例1および例2の電解質添加剤を用いて
得られた分極曲線である。
【図2】図2は、100%燐酸電解質を用いて得られた
ものと比較した例3の電解質添加剤を用いて得られた分
極曲線である。
【図3】図4は、100%燐酸電解質を用いて得られた
ものと比較した例4の電解質添加剤を用いて得られた分
極曲線である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ハンス・アーゲ・ヒユーラー デンマーク国、ハルスホルム、ドロンニン ゲベエイ、11 (72)発明者 クリステイアン・オルセン デンマーク国、リングビー、プランタゲベ エイ、2アー、1テ・ハー (72)発明者 ロルフ・ウエー・ベルク デンマーク国、ビルム、フレンデル−プベ エイ、14

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 酸素を含有するオキシダントガスを使用
    するガス拡散カソード、水素を含有する燃料ガスを使用
    するガス拡散アノード、および燐酸と、燐酸の蒸気圧以
    下の蒸気圧を有しており、それによってカソードの分極
    を減少させるとともにかつ電池の効率を増加する弗素化
    化合物およびシリコーン化合物からなる群から選択され
    る少なくとも0.1重量%の添加剤とからなる電解質を
    ハウジング内に含む燐酸燃料電池。
  2. 【請求項2】 添加剤がノナフルオロブタンスルホン酸
    の塩からなる請求項1の燐酸燃料電池。
  3. 【請求項3】 ノナフルオロブタンスルホン酸の塩がカ
    リウムノナフルオロブタンスルホネートである請求項1
    の燐酸燃料電池。
  4. 【請求項4】 添加剤がパーフルオロヘキサンスルホン
    酸の塩からなる請求項1の燐酸燃料電池。
  5. 【請求項5】 パーフルオロヘキサンスルホン酸の塩が
    カリウムパーフルオロヘキサンスルホネートである請求
    項4の燐酸燃料電池。
  6. 【請求項6】 添加剤が一般式R1 2 3 Nを有する
    パー弗化トリアルキルアミンまたはその塩(式中、
    1 、R2 およびR3 は互いに独立してフルオロカーボ
    ン基である)である請求項1の燐酸燃料電池。
  7. 【請求項7】 パー弗化トリアルキルアミンがパーフル
    オロトリブチルアミンである請求項6の燐酸燃料電池。
  8. 【請求項8】 添加剤がポリアルキルシロキサンからな
    る請求項1の燐酸燃料電池。
  9. 【請求項9】 ポリアルキルシロキサンがポリメチルシ
    ロキサンである請求項8の燐酸燃料電池。
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