WO2006095840A1 - 燃料電池 - Google Patents

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Abstract

 本発明は、アニオン交換膜からなる電解質層4と、電解質層4を挟んで対向配置される燃料側電極2および酸素側電極3とを備える燃料電池1において、燃料側電極2に、金属触媒としてコバルトを含ませる。また、燃料として、ヒドラジンなどの、少なくとも水素および窒素を含有する化合物を使用する。

Description

明 細 書 燃料電池 技術分野 本発明は、 燃料電池に関し、 より詳しくは、 固体高分子型燃料電池 に関する。 背景技術 現在まで、燃料電池としては、 アルカリ型(A F C)、固体高分子型(P E F C)、 リン酸型 (P AF C)、 溶融炭酸塩型 (MC F C)、 固体電解質 型 (S O F C) などの各種のものが知られている。 なかでも、 固体高分 子型燃料電池は、 比較的低温で運転できることから、 例えば、 自動車用 途などの、 各種用途での使用が検討されている。

このような固体高分子型燃料電池では、 燃料が供給される燃料側電極 と、 酸素が供給される酸素側電極とが、 固体高分子膜からなる電解質層 を挟んで対向配置されており、 固体高分子膜がァニオン交換膜である場 合には、 燃料としてヒドラジンを燃料側電極に供給することが知られて いる (例えば、 特許文献 1参照。)。 また、 電解質層が、 ァニオン交換膜からなる固体高分子膜である場合 には、 燃料側電極では > 燃料と水酸化物イオンとを反応させて、 電子を 生成させる必要があり、 そのような燃料側電極には、 通常、 白金族元素 からなる金属触媒が含まれている (例えば、 特許文献 2参照。)。 特許文献 1 :特開昭 6 1 - 4 2 8 7 5号公報

特許文献 2 :特開平 7 - 9 0 1 1 1号公報 しかるに、 燃料側電極において、 燃料と水酸化物イオンとを反応させ て、 電子を生成させるには、 燃料に水酸化物イオンを直接反応させる一 段反応と、 燃料を、 水素と窒素とに分解した後に、 分解により生成した 水素に水酸化物イオンを反応させる二段反応との 2種類の反応がある。 二段反応は、 燃料が一旦水素と窒素とに分解するので、 その分解反応の ためのエネルギーロスを生じる。 そのため、 燃料利用効率の低下や発熱 量の増加を招き、 ひいては、 発電性能の低下が不可避となる。 しかるに、 白金族元素は高価である上に、 上記した分解反応を生じや すく、 そのため、 ァニオン交換膜からなる電解質層が用いられる固体高 分子型燃料電池においては、 その発電性能の向上を、 それほど図ること ができないという不具合がある。 発明の開示 本発明の目的は、 燃料として、 少なくとも水素および窒素を含む化合 物を含み、 電解質層として、 ァニオン交換膜が用いられる燃料電池にお いて、 コストの低減および発電性能の向上を、 同時に図ることのできる 燃料電池を提供することにある。 上記目的を達成するために、 本発明は、

( 1 ) . ァニオン交換膜である電解質層と、

少なくとも水素および窒素を含有する化合物を含む燃料が供給され る燃料側電極と、 酸素が供給される酸素側電極と、 前記燃料側電極と酸 素側電極の両方は前記電解質層を挟んで対向配置され、

前記燃料側電極と前記電解質層の反対側において対向配置され、 前記 燃料側電極に燃料を供給する燃料供給部材と、

前記酸素側電極と前記電解質層の反対側において対向配置され、 前記 酸素側電極に酸素を供給する酸素供給部材とを備える燃料電池において、 前記燃料側電極は、 コバルト金属を含むことを特徴とする、

( 2 ). 前記コバルト金属は、 コバルト金属の微粉末であることを 特徴とする、 ( 1 ) に記載の燃料電池、

( 3). 前記コバルト金属微粉末の比表面積が 5〜 6 0 m2Zgであ ることを特徴とする、 ( 2 ) に記載の燃料電池、

(4). 前記コバルト金属微粉末の含有量は 0 · 1〜 1 0. O mg Zc m2であることを特徴とする、 ( 2 ) または( 3 ) に記載の燃料電池、 ( 5 ). 前記燃料側電極がコバルト金属を力一ボンに担持させたも のであることを特徴とする、 ( 1 ) に記載の燃料電池、

(6). 前記コバルト金属の比表面積が 6〜 1 40 m2/gであるこ とを特徴とする、 ( 5) に記載の燃料電池、

( 7 ). 前記コバルト金属の担持量は 0. 1〜: L O . Omg/cm2 であることを特徴とする、 (5) または ( 6 ) に記載の燃料電池、

(8 ). 前記燃料が、 ヒドラジン類であることを特徴とする、 ( 1 )

〜 ( 7) のいずれか 1項に記載の燃料電池、

( 9).前記酸素側電極が、銀を含むことを特徴とする、( 1 )〜(8) のいずれか 1項に記載の燃料電池、

( 1 0). 前記銀の担持量は、 0. 1〜 1 0 m g/ c m2であることを 特徴とする、 (9 ) 記載の燃料電池。 本発明の燃料電池によれば、 燃料側電極にコバルトが含まれているこ とから、 コストの低減を図りつつ、 燃料の分解反応を抑制でき、 燃料側 電極に供給された燃料に水酸化物イオンを直接反応させることができる。 それゆえ、燃料利用効率の向上、発熱量の抑制を実現でき、ひいては、 発電性能の向上を図ることができる。 また、 常温付近 ( 3 0 °C ) で高い 活性が得られるため、 例えば、 運転温度が常温付近である小型の携帯機 器などに用いる燃料電池として、 特に有用である。

さらに、 電解質層がアルカリ雰囲気であることから、 コバルトの溶出が 低減され、 燃料側電極の耐久性を向上させることができる。 また、 酸素側電極に銀が含まれている場合には、 コス トの低減を図り つつ、 出力特性の向上を図ることができる。 図面の簡単な説明 第 1図は、本発明の燃料電池の一実施形態を示す概略構成図である。 第 2図は、 燃料側電極の活性測定の結果を示すグラフである。

第 3図は、 セル発電特性の測定結果 (電流-出力特性) を示すグラフ である。

第 4図は、 セル発電特性の測定結果 (電流-電圧特性) を示すグラフ である。

第 5図は、本発明の燃料電池と従来の燃料電池との電流-電圧特性の 比較を示すグラフである。

第 6図は、本発明の燃料電池と従来の燃料電池との電流-出力特性の 比較を示すグラフである。 発明を実施するための最良の形態 第 1図は、 本発明の燃料電池の一実施形態を示す概略構成図である。 第 1図において、 この燃料電池 1は、 燃料電池セル Sを備えており、 燃 料電池セル Sは、燃料側電極 2、酸素側電極 3および電解質層 4を備え、 燃料側電極 2および酸素側電極 3が、 それらの間に電解質層 4を挟んだ 状態で、 対向配置されている。

燃料側電極 2は、 電解質層 4の一方の面に対向接触されている。 この 燃料側電極 2は、 金属触媒としてコバルト (C o )、 好ましくは、 コバル 卜のみを含むものであること以外は、 特に限定されず、 例えば、 コバル ト金属の微粉末から形成してもよく、 また、 コバルト金属をカーボンに 担持させるようにして形成することができる。 コバルト金属の微粉末は、 例えば、 その 1次粒子の平均粒子径が、 1 m以下の微粉末として定義することができる。 なお、 平均粒子径は、 X線回折法により測定した結晶子径 (クリスタツ ト径) もしくは透過型 電子顕微鏡による形態観察により求めた 1次粒子の平均値を指称し、 例 えば、 レーザ回折などの沈降法により求めた粒子径は、 1次粒子が凝集 することにより大きな値を示すが、 このような粒子径は除外される。 また、 このようなコバルト金属の微粉末の比表面積は、 例えば、 5〜 6 0 m2/ gである。

コバルト金属の微粉末から燃料側電極 2を形成するには、 特に制限さ れないが、 例えば、 膜-電極接合体を形成する。 膜-電極接合体は、 公知 の方法により形成することができる。 例えば、 まず、 コバルト金属の微 粉末と電解質溶液とを混合し、 必要によりアルコールなどの適宜の有機 溶剤を添加して粘度を調整することにより、 コバルト金属の微粉末の分 散液を調製する。 次いで、 その分散液を、 電解質層 4 (ァニオン交換膜) の表面にコーティングすることにより、 コバルト金属の微粉末を電解質 層 4の表面に定着させる。 コバルト金属の微粉末の含有量は、 例えば、 0. l〜 1 0mg/c m2 である。

また、 コバルト金属を力一ボンに担持させるには、 例えば、 硝酸コバ ルトなどのコバル卜の無機塩の溶液またはスラリーを調製し、 その溶液 またはスラリーを、 多孔質の力一ボン担体に含浸させた後、 還元雰囲気 下において焼成する。

担持するコバルト金属は、 その 1次粒子の平均粒子径が、 例えば、 5 〜 1 0 0 n mであり、 その比表面積が、 例えば、 6〜 1 4 0 mV gであ る。 また、 コバルト金属の担持量は、 例えば、 0. 1〜 1 0. O mg/ cm2、 好ましくは、 0. 5〜 5. Omg/c m2である。 この燃料側電極 2では、 後述するように、 供給される、 少なくとも水 素および窒素を含有する化合物 (以下、 「燃料化合物」 という。) と、 電 解質層 4を通過した水酸化物イオン (OH— ) とを反応させて、 電子 (e -) と窒素 (N2) と水 (H2〇) とを生成させる。

酸素側電極 3は、 電解質層 4の他方の面に対向接触されている。 この 酸素側電極 3は、 特に限定されないが、 例えば、 触媒が担持される多孔 質電極として形成されている。 上記触媒としては、 後述するように、 酸素 (02) と水 (H2〇) とか ら水酸化物イオン(0H—)を生成させる触媒作用を有するものであれば、 特に限定されないが、 例えば、 白金族元素 (R u、 R h、 P d、 〇 s、 I r、 P t: )、 鉄族元素 (F e、 C o、 N i ) などの周期表第 8〜 1 0 (V I I I ) 族元素や、 例えば、 C u、 A g、 Auなどの周期表第 1 1 ( I B) 族元素など、 さらにはこれらの組み合わせなどが挙げられる。 なか でも、 好ましくは、 A gおよび N iが挙げられ、 さらに好ましくは、 A gが挙げられる。 触媒の担持量は、 例えば、 0. l〜 1 0mgZ c m2、 好ましくは、 0. l〜 5mg/ c m2である。 また、 上記触媒は、 カーボ ンに担持させることが望ましい。 この酸素側電極 3では、 後述するように、 供給される酸素 (〇2) と、 水 (H20) と、 外部回路 1 3を通過した電子 (e— ) とを反応させて、 水酸化物イオン (OH— ) を生成させる。

電解質層 4は、 ァニオン交換膜から形成されている。 ァニオン交換膜 としては、 酸素側電極 3で生成される水酸化物イオン (OH— ) を、 酸素 側電極 3から燃料側電極 2へ移動させることができる媒体であれば、 特 に限定されないが、 例えば、 4級アンモニゥム基、 ピリジニゥム基など のァニオン交換基を有する固体高分子膜 (ァニオン交換樹脂) が挙げら れる。 燃料電池セル Sは、 さらに、 燃料供給部材 5および酸素供給部材 6を 備えている。 燃料供給部材 5は、 ガス不透過性の導電性部材からなり、 その一方の面が、 燃料側電極 2に対向接触されている。 そして、 この燃 料供給部材 5には、 燃料側電極 2の全体に燃料を接触させるための燃料 側流路 7が、一方の面から凹む葛折状の溝として形成されている。なお、 この燃料側流路 7は、 その上流側端部および下流側端部に、 燃料供給部 材 5を貫通する供給口 8および排出口 9がそれぞれ連続して形成されて いる。 また、 酸素供給部材 6も、 燃料供給部材 5と同様に、 ガス不透過性の 導電性部材からなり、 その一方の面が、 酸素側電極 3に対向接触されて いる。そして、 この酸素供給部材 6にも、 酸素側電極 3の全体に酸素(空 気) を接触させるための酸素側流路 1 0カ^ 一方の面から凹む葛折状の 溝として形成されている。 なお、 この酸素側流路 1 0にも、 その上流側 端部および下流側端部に、 酸素供給部材 6を貫通する供給口 1 1および 排出口 1 2がそれぞれ連続して形成されている。 そして、 この燃料電池 1は、 実際には、 上記した燃料電池セル Sが、 複数積層されるスタック構造として形成される。 そのため、 燃料供給部 材 5および酸素供給部材 6は、 実際には、 両面に燃料側流路 7および酸 素側流路 1 0が形成されるセパレー夕として構成される。

なお、 図示しないが、 この燃料電池 1には、 導電性材料によって形成 される集電板が備えられており、 集電板に備えられた端子から燃料電池 1で発生した起電力を外部に取り出すことができるように構成されてい る。 また、 試験的 (モデル的) には、 この燃料電池セル Sの燃料供給部材 5と酸素供給部材 6とを外部回路 1 3によって接続し、 その外部回路 1 3に電圧計 1 4を介在させて、 発生する電圧を計測することもできる。 そして、 本発明においては、 上記燃料化合物を含む燃料が、 改質など を経由することなく、 直接供給される。 この燃料化合物では、水素は窒素に直接結合していることが好ましい。 また、 燃料化合物は、 窒素-窒素結合を有するものが好ましく、 炭素 -炭 素結合を有しないものが好ましい。 また、 炭素の数はできる限り少ない ものが好ましく、 さらにできればゼロであるものが最も好ましい。

また、 このような燃料化合物には、 その性能を阻害しない範囲におい て、 酸素原子、 ィォゥ原子などを含んでいてよく、 より具体的には、 力 ルポニル基、水酸基、水和物、スルホン酸基あるいは硫酸塩などとして、 含まれていてもよい。 このような観点から、 本発明において燃料化合物としては、 具体的に は、 例えば、 ヒ ドラジン (NH2NH2)、 水加ヒ ドラジン (ΝΗ2ΝΗ2 · Η20)、 炭酸ヒドラジン ((NH2NH2) 2C〇2)、 硫酸ヒドラジン (NH 2NH2 ' H2S 04)、 モノメチルヒ ドラジン (CH3NHNH2)、 ジメチル ヒ ドラジン ((CH3) 2NNH2、 CH3NHNHCH3)、 カルボンヒ ドラ ジド ((NHNH2) 2CO) などのヒ ドラジン類、 例えば、 尿素 (NH2 CONH2)、 例えば、 アンモニア (NH3)、 例えば、 イミダゾ一ル、 1 , 3 , 5-トリアジン、 3-ァミノ- 1 , 2, 4 -トリァゾールなどの複素環 類、 例えば、 ヒ ドロキシルァミン (NH2OH)、 硫酸ヒ ドロキシルアミ ン (NH2OH · H2S 04) などのヒ ドロキシルァミン類などが挙げられ る。 このような燃料化合物は、 単独または 2種類以上組み合わせて用い ることができる。 好ましくは、 ヒ ドラジン類が挙げられる。 上記した燃料化合物のうち、 炭素を含まない化合物、 すなわち、 ヒド ラジン (NH2NH2)、 水加ヒ ドラジン (ΝΗ2ΝΗ2 · H2〇)、 硫酸ヒ ド ラジン (NH2NH2 · H2S〇4)、 アンモニア (NH3)、 ヒ ドロキシルァ ミン (NH2OH)、 硫酸ヒ ドロキシルァミン (NH2〇H · H2S 04) な どは、 後述する ドラジンの反応のように、 C Oによる触媒の被毒がない ので耐久性の向上を図ることができ、 実質的なゼロエミッションを実現 することができる。 燃料は、 上記例示の燃料化合物をそのまま用いてもよいが、 上記例示 の燃料化合物を、 例えば、 水および/またはアルコール (例えば、 メタ ノール、 エタノール、 プロパノール、 イソプロパノールなどの低級アル コールなど) などの溶液として用いることができる。

この場合、 溶液中の燃料化合物の濃度は、 燃料化合物の種類によっても 異なるが、 例えば、 1〜 9 0重量%、 好ましくは、 1〜 3 0重量%でぁ る。 さらに、 燃料は、 上記した燃料化合物をガス (例えば、 蒸気) として 用いることができる。

そして、 酸素供給部材 6の酸素側流路 1 0に酸素 (空気) を供給しつ つ、 燃料供給部材 5の燃料側流路 7に上記した燃料を供給すれば、 酸素 側電極 3においては、 次に述べるように、 燃料側電極 2で発生し、 外部 回路 1 3を介して移動する電子 ( e—) と、 水 (H 2〇) と、 酸素 (0 2) とが反応して、 水酸化物イオン (O H— ) を生成する。 生成した水酸化 物イオン (O H—) は、 ァニオン交換膜からなる電解質層 4を、 酸素側電 極 3から燃料側電極 2へ移動する。 そして、 燃料側電極 2においては、 電解質層 4を通過した水酸化物イオン (O H— ) と、 燃料とが反応して、 電子 ( e— ) が生成する。 生成した電子 ( e— ) は、 燃料供給部材 5から 外部回路 1 3を介して酸素供給部材 6に移動され、 酸素側電極 3へ供給 される。 このような燃料側電極 2および酸素側電極 3における電気化学 的反応によって、 起電力が生じ、 発電が行われる。 そして、 このような電気化学的反応には、 燃料側電極 2において、 燃 料に水酸化物イオン (ΟΓΤ) を直接反応させる一段反応と、 燃料を、 水 素 (Η2) と窒素 (Ν2) とに分解した後に、 分解により生成した水素 (Η 2) に水酸化物イオン (〇Η— ) を反応させる二段反応との 2種類の反応 がある。

例えば、 燃料としてヒドラジン (ΝΗ2ΝΗ2) を用いた場合には、 一 段反応は、 燃料側電極 2、 酸素側電極 3および全体として、 次の反応式 ( 1 ) 〜 ( 3 ) で表すことができる。

( 1 ) ΝΗ2ΝΗ2+ 40Η"→4Η20 + Ν2+ 4 e" (燃料側電極) ( 2) 〇2+ 2 H2〇 + 4 e—→4 OH— (酸素側電極)

( 3) NH2NH2+〇2→ 2 H20 + N2 (全体)

また、 二段反応は、 燃料側電極 2、 酸素側電極 3および全体として、 次の反応式 (4)

〜 ( 7 ) で表すことができる。

(4) NH2NH2→ 2 H2+N2 (分解反応;燃料側電極)

( 5 ) H2+ 2 OH"→2 H20+ 2 (燃料側電極)

( 6 ) 1 Z 2〇2+ H2〇 + 2 e -→ 2〇 H— (酸素側電極)

( 7 ) H2+ 1 / 202→H20 (全体)

上記反応式 (4) に示すように、 二段反応では、 ヒドラジン (NH2 NH2) が、 一旦、 水素 (H2) と窒素 (N2) とに分解するので、 その分 解反応のためのエネルギーロスを生じる。 そのため、 二段反応の一段反 応に対する割合が多くなると、 燃料利用効率の低下や発熱量の増加を招 き、 ひいては、 発電性能の低下が不可避となる。 しかるに、 従来から金属触媒として燃料側電極 2に含まれている白金 族元素、 特に、 白金は、 高価でありながら、 上記式 (4) で示される分 解反応を生じやすく、 発電性能の向上を図るには限界がある。

しかし、 この燃料電池 1では、 上記したように、 燃料側電極 2には、 金属触媒として、 コバルトが含まれている。 このコバルトは、 白金など の白金族元素よりも低コストであり、 しかも、 燃料 (上記の例ではヒド ラジン) の分解反応 (上記式 (4 ) で示される分解反応) を抑制して、 燃料の水酸化物イオン (〇H— ) に対する直接反応 (上記式 ( 1 ) で示さ れる反応) を促進することができる。 それゆえ、 コストの低減を図りつ つ、 燃料利用効率の向上、 発熱量の抑制を実現でき、 ひいては、 発電性 能の向上を図ることができる。 なお、 この燃料電池 1の運転条件は、 特に限定されないが、 例えば、 燃料側電極 2側の加圧が 2 0 0 k P a以下、 好ましくは、 1 0 0 k P a 以下であり、 酸素側電極 3側の加圧が 2 0 0 k P a以下、 好ましくは、 1 0 0 k P a以下であり、 燃料電池セル Sの温度が 0〜 1 2 0 °C、 好ま しくは、 2 0〜 8 0 °Cとして設定される。

以上、 本発明の実施形態について説明したが、 本発明の実施形態は、 これに限定されるものではなく、 本発明の要旨を変更しない範囲で、 適 宜設計を変形することができる。 本発明の燃料電池の用途としては、 例えば、 自動車、 船舶、 航空機な どにおける駆動用モー夕の電源や、 携帯電話機などの通信端末における 電源などが挙げられる。 次に、 本発明を実施例および比較例に基づいて説明するが、 本発明は 下記の実施例によって限定されるものではない。

ぐ燃料側電極の活性測定 > コバルト金属の微粉末、 コバルト担持力一ボンおよび白金担持力一ポ ンの 3種類の燃料側電極について、それぞれのテス トピースを作製して、 活性を測定した。 コバル卜金属の微粉末からなる燃料側電極のテス 卜ピース(C o )は、 コバルトナノパウダー (平均粒子径 2 8 nm、 比表面積 5 0 m2/ g、 J u n y e製) と、 ァニオン交換樹脂との混合物を、 アルコール類などの 有機溶媒に適宜分散させて、 インクを調製した後、 得られたインク 1 x Lをマイク口ピぺッ トで枰取して、 グラッシ一力一ボン電極上に滴 下し、 乾燥させることにより、 作製した。 コバルト担持カーボンからなる燃料側電極のテス卜ピース(C oZC) は、 硝酸コバルト水溶液をカーボン (Vu l c a n XC- 72、 比表面 積 2 5 Om g) に含浸させて、 還元雰囲気で焼成することにより粉末 を生成させた後、 得られた粉末と、 ァニオン交換樹脂との混合物を、 ァ ルコール類などの有機溶媒に適宜分散させて、ィンクを調製し、さらに、 得られたインク 1 Lをマイクロピぺッ トで秤取して、 グラッシ一カー ボン電極上に滴下し、 乾燥させることにより、 作製した。 白金担持力一ボン電極のテス トピース (P t /C) は、 P E F C用電 極触媒 (TE C 1 0 V 5 0 E、 田中貴金属工業 (株) 製) の粉末と、 ァ 二オン交換樹脂との混合物を、 アルコール類などの有機溶媒に適宜分散 させて、 インクを調製した後、 得られたインク 1 Lをマイクロピぺッ 卜で秤取して、 グラッシ一カーボン電極上に滴下し、 乾燥させることに より、 作製した。 燃料側電極の活性は、 回転ディスク電極によるサイクリックボルタン メトリーで、 ヒドラジン酸化電位を求めることにより測定した。 具体的 には、 1 Nの KOH水溶液中で、 上記燃料側電極のテストピースを安定 化させた後、 このテストピースを、 水加ヒドラジンを l mo 1 ZLの割 合で含有する 1 Nの KOH水溶液に浸漬して、 その活性を測定した。 対 極には、 白金線を使用し、 参照電極には、 銀-塩化銀電極を使用した。 ま た、 活性測定の走査範囲は、 〇 0で-1. 2〜- I V、 〇 0ノ。で-1. 2 〜― 0. 8 ¥、 ? セ /(:で_1. 0〜― 0. 9 Vとした(対 Ag/A g C 1 )。 活性測定 (力ソード掃引) の結果を第 2図に示す。

第 2図に示すように、 〇 0ぉょび〇 0 /じは、 燃料側電極の触媒とし て一般的な P t /Cに比べて、 低いポテンシャルから立ち上がりを示し ており、 電圧のロス (過電圧) が少なかった。 また、 同程度のポテンシ ャルでは、 より高い電流が得られた。

ぐセル発電特性の測定 >

銀担持カーボン、 白金担持力一ボンおよびニッケル担持力一ボンの 3 種類の酸素側電極について、 それぞれ、 コバルト金属微粉末の燃料側電 極を用いて、 ァニオン交換膜-電極接合体のセルュニットを作製し、その セル発電特性を測定した。 ァニオン交換膜-電極接合体は、 コバルトナノパウダー(平均粒子径 2 8 nm、 比表面積 5 0 m2/ g、 J u n y e製) とァニオン交換樹脂とを 混合し、 得られた混合物を、 アルコール類などの有機溶媒に適宜分散さ せて、 インクを調製した後、 得られたインクを、 ァニオン交換膜の一方 側表面に直接塗布して、 前記一方側表面に燃料側電極 (C o) を一体的 に形成させる。 次いで、 硝酸銀水溶液をカーボン (Vu l c a n XC- 7 2、 比表面積 2 5 Om g) に含浸後、 還元雰囲気で焼成させて得ら れた、銀を 5 0重量%担持させた力一ボンの粉末、白金担持カーボン(P E F C用電極触媒、 TE C 1 0 V 5 0 E、 田中貴金属工業 (株) 製) の 粉末、 または、 硝酸ニッケル水溶液をカーボン (V u l c a n X C- 7 2 ) に含浸後、 還元雰囲気で焼成させて得られた、 ニッケル粉末を 5 0重量%担持させたカーボンの粉末と、 ァニオン交換樹脂とを混合し、 得られた混合物を、 アルコール類などの有機溶媒に適宜分散させて、 ィ ンクを調製した後、 得られたインクを、 ァニオン交換膜の他方側表面に 直接塗布して、 前記他方側表面に酸素側電極 (AgZC、 P t ZCまた は N i /C) を一体的に形成させることにより、 作製した。 得られたァニオン交換膜-電極接合体の酸素側電極の触媒担持量およ び燃料側電極についての触媒含有量は、 それぞれ、 次のとおりである。

( 1 ) 燃料側電極 (C o) : 2. 6 mg/ cm2、 酸素側電極 (A g

/C) 2. 6 m g / c m2

(2 ) 燃料側電極 (C o) : 2. 7 mgZc m2、 酸素側電極 (P t 2. 6 m g / c m2

( 3 ) 燃料側電極 (C o) : 2. 6 mg/ cm2、 酸素側電極 (N i

ZC) 2. 6 m g / c m2

次いで、得られたァニオン交換膜 -電極接合体の両面に、 ガス拡散層と なる導電性多孔質体の力一ポンシ一卜を接合し、 燃料電池の単セルュニ ッ卜を作製した。 これらの単セルユニッ トに対して、 燃料側電極側には、 水加ヒドラジ ン l mo l /dm3- 1 N- KOH水溶液を、 2mLZm i nの速度で供給 し、 酸素側電極側には、 空気を 0. 5 L/m i nの速度で供給した。 運 転条件は、 供給圧を 1 2 0 k P a ' a b s とし、 セル運転温度は 3 0 °C とした。

上記の条件で得られた、 電流-出力の特性を第 3図に、 電流-電圧の特 性を第 4図に、 それぞれ示す。 第 3図および第 4図に示すように、 酸素側電極が A g/Cであるとき は、 出力密度が高く、 優れた出力特性を示していた。 また、 酸素側電極 が N i /Cであるときは、 酸素側電極が P t /Cであるときに比べて、 出力特性が低下するものの、 N iの価格は P tの価格に比べて著しく低 いことから、 コスト面で有利であり、 しかも、 コスト対効果の観点から は、 出力特性は十分であった。 また、 上記 ( 1 ) の、 燃料側電極がコバルト金属の微粉末 (C o) で、 酸素側電極が銀担持カーボン(A g/C) であるァニオン交換膜-電極接 合体を用いた単セルユニッ ト (本願実施例) と、 従来の直接メタノール 型燃料電池 (DMF C) の単セルユニッ トとの出力特性を比較した。

DMF Cには、 高分子膜がァニオン交換膜であるもの (ァニオン型) と、 高分子膜がカチオン交換膜であるもの (カチオン型) の 2種類を使 用した。 第 5図および第 6図に示すように、 上記 ( 1 ) の単セルユニッ ト (本 願実施例) は、 DM F Cのァニオン型およびカチオン型のいずれのタイ プのものと比べても、 出力特性が優れていた。 具体的には、 最高出力密 度での電圧は、 上記 ( 1 ) の単セルユニッ ト (本願実施例) が、 0. 5 V (効率 3 2 %) であるのに対し、 カチオン型の DMF Cでは、 0. 2 V (効率 1 7 %) であった。 しかも、 上記 ( 1 ) の単セルユニッ ト (本願実施例) は、 電極の触媒 として、 高価な P tや R uを用いないことから、 低コストであって、 さ らに、 DM F Cに比べて、 装置がコンパク トであった。

本発明は、 以上の記載に限定されるものではなく、 特許請求の範囲に 記載した事項の範囲において、種々の設計変更を施すことが可能である。 産業上の利用の可能性

本発明の燃料電池によれば、 燃料利用効率の向上、 発熱量の抑制を実 現でき、 ひいては、 発電性能の向上を図ることができる。

Claims

請 求 の 範 囲
1. ァニオン交換膜である電解質層と、
少なくとも水素および窒素を含有する化合物を含む燃料が供給され る燃料側電極と、 酸素が供給される酸素側電極と、 前記燃料側電極と酸 素側電極の両方は前記電解質層を挟んで対向配置され、
前記燃料側電極と前記電解質層の反対側において対向配置され、 前記 燃料側電極に燃料を供給する燃料供給部材と、
前記酸素側電極と前記電解質層の反対側において対向配置され、 前記 酸素側電極に酸素を供給する酸素供給部材とを備える燃料電池において、 前記燃料側電極は、 コバルト金属を含むことを特徴とする。
2. 前記コバルト金属は、 コバルト金属の微粉末であることを特徴 とする、 請求項 1に記載の燃料電池。
3. 前記コバルト金属微粉末の比表面積が 5〜 6 0 m2Zgである ことを特徴とする、 請求項 2に記載の燃料電池。
4. 前記コバルト金属微粉末の含有量は 0. 1〜 1 0. Omg/c m2であることを特徴とする、 請求項 2または 3に記載の燃料電池。
5. 前記燃料側電極がコバルト金属をカーボンに担持させたもので あることを特徴とする、 請求項 1に記載の燃料電池。 6. 前記コバルト金属の比表面積が 6〜 1 40 m2Zgであること を特徴とする、 請求項 5に記載の燃料電池。 あることを特徴とする、 請求項 5または 6に記載の燃料電池。
8. 前記燃料が、 ヒドラジン類であることを特徴とする、 請求項 1 〜 7のいずれか 1項に記載の燃料電池
9. 前記酸素側電極が、 銀を含むことを特徴とする、 請求項 1〜 8 のいずれか 1項に記載の燃料電池。
1 0. 前記銀の担持量は、 0. 1〜 1 0 mgZc m2であることを 特徴とする、 請求項 9に記載の燃料電池。
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