JPS6380480A - 燃料電池及び燃料電池で発電する方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は燃料電池に関するものである。

本発明は、詳細には、燃料電池を使用して、電気を発生
させる方法に関するものである。

燃料電池によって電気エネルギｐＨを生じさせるために
は、電池のアノーｒ／アノーＶ液界面、及びカソード／
カソード液界面に、それぞれ燃料及び酸化剤を送り込む
。資料Ｕ８−Ａ−３６５７０１５によれば、アノード区
画室及びカソード区画室がイオン透過性のセパレータで
隔離されていて、それぞれアルカリ性アノ−Ｖ液及び酸
性カソード液を含有する燃料電池を使用し、使用燃料は
ヒーラジンであり、かつ酸化剤は硝酸である。この公知
の方法には、有毒な窒素酸化物を発生するという不利な
点がある。その上、この方法では高価な燃料を使用しな
ければならない。

資料Ｕ８−Ａ−３４４６６７１によれば、アノード液及
びカソード液が両方共酸である燃料電池を便用し、かつ
ペルオキシ化合物（過酸化水素が好ましい）を酸化剤と
して使用し、かつアルコールを燃料として使用している
。この公知の方法でも、やはり高価な燃料が必要であり
、かつ大気中に二酸化炭素を発生させる。

本発明では、燃料電池方法によって電気を発生させるた
めの新規で、やさしい、しかも経済的な方法を提供する
ことによって、これらの不利な点を克服し、この方法で
は有毒または汚染生成物を発生させない。

従って、本発明は電気を発生させる方法に関するもので
あり、本発明の方法に工れば、燃料及び酸化剤を、電池
のアノード及びアルカリ性アノ−Ｐの界面、並びにイオ
ン透過性のセパレーターでアルカリ性アノード液から隔
離しである、カソード及び酸性カソード液の界面で、そ
れぞれ燃料電池に導入し、本発明によって、過或化水素
を燃料として使用する。

本発明による方法では、燃料−池のアノード及びカソー
ドは導電性があり、かつ電解液、燃料及び酸化剤に対し
て化学的に不活性な物質で作らなければならない。両′
シ極は、例えば、グラファイト、炭素、例えばニッケル
、ルテニウム、白金及び金のような、元素の周期表の遷
移元素から選定する金属、またはこれらの元素の少なく
とも一種類を含有する合金、例えばパラジウム−金合金
で作ることができる。本発明の範囲内で使用することの
できる電極の別の例は、資料ＰＲ−Ａ−１４７９７６２
及びＩＦＲ−Ａ−１５５５９６０（エイチ、ピー、ビア
ー（Ｈ，Ｂ、　Ｂｅｅｒ　）　）に記載しである、フィ
ルム形成物質（チタン、ジルコニウム、ハフニウム、バ
ナジウム、ニオブ、タンタル及びこれらの金属の合金か
ら選定する）で作る保持体、及び白金、パラジウム、イ
リジウム、ロジウム、オスミウム及びルテニウムから選
定する、少なくとも一種類の金属の酸化物を含有する導
電性コーティングを含有する電極である。この種類の、
特に推奨される電極は、コーティングに、一般式がＲｈ
２Ｔｅ０６、Ｒｈ２ＷＯ，、Ｒｈ３ＭＱＯ６またはＲｈ
８ｂ０４である化合物を含有する電極である（資料、１
’Ｒ−Ａ−２０９９６４７，１’Ｒ−Ａ−２０９９６４
８、ＦＲ−人−２０９９６４９、ＩＰＲ−ム−２１２１
５１１、ＦＲ−人−２１４５４８５−ツルペイ　アンド
　シー（８０ＬＶＡ！　＆　Ｏｌｅ　）　）。これらの
電極では、場合によっては、フィルム形成物質で作っで
ある保持体で、鋼またはアルミニウムのような一段と良
好な導電体物質で作っであるコアを囲んでもよい。

セパレーターの機能は、酸性のカソード液及びアルカリ
性のアノ−げ液を物理的に隔離し、しかもイオンを通過
させることである。この九めにはセパレータｐＨを例え
は、ポリフッ化ビニリデンまたはポリテトラフルオロエ
チレンのようなフッ素化重合体製の不活性微孔性膜にす
ることができる。

アニオンまたはカチオンに対して選択透過性のめる膜、
例えば［ナフィオン（ＮＡＰ工０Ｎ）Ｊ（シュポン（Ｄ
ｕＰｏｎｔ　：］　）なる商品名で市販されているカチ
オン膜を使用するのが好ましく、この膜はスルホン酸か
ら誘導する官能基を含有する過フッ素化重合体シートで
ある。

本発明によって使用する燃料電池では、アノード液はア
ルカリ性電解液であり、またカソード液は酸性電解液で
ある。他の条件がすべて等しい場合には、アノード液の
−とカソード液のｐＨとの間の差違が大きい程、電池の
端子で生じる電圧が高い。一般に、この−の差違に関し
ては、少なくとも７であることが望ましく、１０よりも
大きいのが好ましい。

更に、本発明による方法の独特の実施態様によれば、ア
ノード区画室では１１．６３よりも大きいβ値を維持す
るのが有利であり、この値は方程式％式％ による過酸化水素の解離５０％に相当するーである。

好′ましい−】値は、アノード区画室では１３よりも大
きい値、またカンーｒ区画室では２よりも低い値である
。このためには、アノード液を、例えば、アルカリ金属
水酸化の水溶液にすることができ、またカソード液を、
例えば、塩酸または硫酸の水溶液にすることができ、場
合によっては、この溶液にリン酸を添加する。水酸化ナ
トリウム及び硫酸の濃厚な水溶液が好ましい。

本発明によれば、燃料電池のアノードでは、過酸化水素
を燃料として使用する。

理論的な解釈に拘束されたいのではないが、アノードで
の電気化学的反応は下記、 Ｈｏ、−＋　ＯＨ−→ｏ２↑＋Ｈ２Ｑ　＋　２ｅ−であ
ると考えている。

それ故、本発明による方法には酸素を発生するという有
利な特徴があり、これで容易に好結果にすることができ
る。

本発明による方法では、過酸化水素を純粋な状態、ある
いは水溶液の形態で使用することができる。過酸化水素
約７０宣量チを含有する市販の水溶液が適切である。

本発明による方法は、過酸化水素の安定性、及び電解液
を液体状態に維持することと矛循しない、あらゆる温度
及び圧力で行うことができる。本発明の方法は６０℃を
超えない温度で行うのが好ましく、環境温度が特に有利
である。

本発明による方法の独特の実施態様では、収率を改善す
るように、過酸化水素に対する安定剤をアノード区画室
のアルカリ性アノード液に混合する。安定剤は多価アル
コールから選定するのが好ましく、好ましい多価アルコ
ールの例はグリセリン、ホリエチレンクリコール及ヒエ
チレンクリコールである。

本発明による方法の特に有利な実施態様では、過酸化水
素を燃料としてアノード、及び酸化剤とし℃カソードの
両方で使用する。

理論的な解釈に拘束されたいのではないが、カソードで
の電気化学的反応は、下記、 Ｈ２Ｏ２＋　２Ｈ”　＋　２ｅ−→２１（２０であると
考えている。

それ故、本発明による方法の、この実施態様には毒性あ
るいは汚染性の生成物を遊離しないというｇ著な有利な
特徴がある。

本発明による方法のこの実施態様を変更して、イオンＦ
ｅ”　、Ｏｕ２＋及びυ０２＋から選定する電気的活性
イオンを酸性カソードｔＬ中に導入する。

本発明による方法の上記の実施態様では、アノード及び
カソードでの過酸化水素の電気化学反応で、カソード液
の−の徐々な増加、及びアノード液の−の低下をもたら
すことになり、これは電解液を再生しなゆれはならない
ことを示唆している。

電解液の再生は、−値を設定した値に確実に維持したま
まで、周期的に、あるいは連続的に行うことができる。

本発明によれば、燃料電池のアノード液及びカッ−に液
を再生する有利な方法は、水素化合物を燃料として送り
込む第二燃料電池のカソード区画室及びアノード区画室
の中で、それぞれ両液を循環させることである。この再
生方法では、第二電池で使用する燃料は、アノードでプ
ロトンを遊離することのできる水素化合物でなければな
らない。この化合物は、例えば、メタン、ヒドラジン、
または、好ましくは、水素にすることができる。酸化剤
は、例えば、空気、酸素または過酸化水素にすることが
できる。本発明のこの実施態様を行う特に有利な方法で
は、電解液を二個の燃料電池の間で連続的に循環させ、
かつ第二電池の操作に必要な酸化剤は、第一電池で生成
する酸素及び（または）第一電池のアノード区画室で生
じる電解液に同伴される過酸化水素である。

本発明はまた本発明による方法を使用する燃料電池に関
するものであり、該電池はイオン透過性のセパレーター
で、アルカリ性アノード液を含有するアノード区画室、
並びに酸性カソード液を含有するカソード区画室に分離
された容器、及び燃料をアノード区画室に、また酸化剤
をカソード区画室に入れる装置から成っており、燃料は
過酸化水素である。

本発明による燃料電池の好ましい実施態様では、燃料電
池の酸化剤は過酸化水素である。本発明による燃料電池
のこの実施態様を特に有利に変更した場合では、燃料電
池のアノード区画室、及びカソード区画室を、それぞれ
アルカリ性アノード液を再生する装置、及び酸性カソー
ド液を再生する装置に接続し、アノード液を再生する装
置及びカソード液を再生する装置は、それぞれ水素を燃
料として、また酸素または過酸化水素を酸化剤として供
給を受ける第二燃料電池のカソード区画室及びアノード
区画室である。第二電池では、気体燃料の使用は、アノ
−Ｐが多孔性１Ｊｌｔ極であることを示唆している。選
定する酸化剤が空気筒たは酸素であれば、カソードも多
孔性電極でなければならない。

本発明の特徴及び細部は、図面を参考にして、下記の若
干の実施態様の説明から推論されるであろう。

第１図は本発明による方法を使用する燃料゛電池の略図
である。

第２図は本発明の独特の実施態様を使用する、燃料電池
三個を用いるプラントの略図である。

これらの図面では、同じ参照番号で同じ構成要素を示す
。

第１図に略図で示しである燃料電池は、セパレーター２
で二つの区画室、それぞれアノード区画室３及びカソー
ド区画室４に分けられている容器１から成っている。セ
パレーター２はイオン透過性膜であり、これはスルホン
官能基を含有する過フッ素化１合体、例えば「すフイオ
ン（ＮＡＦ工ＯＮ月膜（シュポン）で作るカチオン膜が
有利である。

アノード区画室３にはアノード５を入れてあり、またカ
ソード区画室４にはカソード６を入れである。アノード
５及びカソード６は、例えば、貸料ＦＲ−ム−２１４５
４８５（ソｈベイ　７ンＦ　　シー）に記載しである、
一般式がＲｈ１３ｂ０４　、ＲｕＯ２である物質ででき
ているコーティングを施しであるチタン製のＩＩまたは
板である。

アノード区画室３には水酸化ナトリウム水溶液を入れて
あり、カソード区画室４には硫酸水溶液を入れである。

本発明によって、電極５及び６を連結している抵抗器７
に電流を生じさせるために、過酸化水素水浴液８及び９
を連続的に、しかも同時にアノード区画室３及びカソー
ド区画室４に導入し、かつ宣３及び４の中で、電解液の
水位を実賞的に一定（維持するために、アノードで生成
する酸素１０、及びアノード液並びにカッーｒ液の一部
１１及び１２を取り去る。

第２図に示す装置は、上記の燃料・１池１及び１３並び
に２２と呼称する追加の燃料電池二個から成っている。

電池１３はイオン透過性膜１４で隔離して二区画室、ア
ノード区画室１５及びカソード区画室１６にしてあり、
それぞれにアノード１１及びカソード１８を入れである
。

電池２２は酸素／水素タイプの燃料電池であって、酸性
電解液（例えば、リン酸の濃厚水溶液）を入れである単
一の容器から成り、電解液の中にアノード２３及びカソ
ード２４を漬けである。

電池１３及び２２の電極１Ｆ、１８．２３及び２４は、
当業界では周知の多孔性電極であって、電極の電気的活
性側面は、電池１の電極について先に記載したのと同じ
タイプの物質にすることができる。一方では電極５及び
１８、もう一方では電極１Ｔ及び２４を、電池三個を電
気的に直列に接続するような方法で、相互に接続させる
。

本発明による方法に従って、ｓ２図のプラントの操作中
に、電解液を、一方では回路１１及び２Ｔを経て、電池
１のアノード区画室３と電池１３のカソード区画室１６
との間を、もう一方では回路１２及び２８を経℃、電池
１のカソード区画室４と電池１３のアノード区画室１５
との間を絶えず循環させる。過酸化水素水溶液８及び９
を電池１のアノード区画室３及びカソード区画室４に導
入し、電池１のアノ−Ｐ５で発生する酸素１０気流の一
部を取り出し、かつ酸化剤として電池１３のカソード１
８に導入し、同時に水素１９を燃料として電池１３のア
ノードに導入する。同時に、燃料１池２２の多孔性電極
２３及び２４には、水素２５及び酸ｘｉｏ気流の残ｓ２
６を送り込む。図では電極６及び２３を接続する抵抗器
７で示しである受電装置にシスエネルギｐＨを収集する
。

第２図に示すプラントでは、電池１３の電極１７及び１
８で起こる電気化学的反応は下記の通りである、 アノ−Ｐで、Ｈ２→２Ｈ”　＋　２．−カソードで、％
０２　＋　Ｂ２０　＋　２ｅ−−＋　２０Ｈ−これらの
作用は電池１０′ｉｔ解液を再生することである。

ブランドには電池１３に分流接続しである加減抵抗器２
１を都合よく入れることができる。抵抗器２１、並びに
回路１１及び２７．１２及び２８を経て二個の電池１及
び１３０間を流れる電解液流を適切な方法で調節するこ
とによって、′電池１０区画室３及び４の中を適切な−
にする。

第２図のプラントを操作する場合には、電池１と１３と
の短絡を防止するために、電解液の回路１１．２７．１
２及び２８に、図では略しであるが、流電断続器を設け
る会費がある。過敏化水素用の分解触媒は、図では略し
であるが、この試薬が電池１３のアノード区画室１５の
中に導入されるのを防止するために、やはり回路１２で
混合する。

第２図のプラントの、図では略しである、一部を変更し
た実施態様では、回路１１には過酸化水素の分解触媒を
入れないし、ま九電池１３のカソード１８は酸素２０の
取り入れ口と接触していない。このプラントでは、電池
１３で使用する酸化剤は、電池１のアノード区画室３で
生じ、かつ回路１１を経て電池１３に導入される電解液
中に人っている過酸化水素である。

下記の実施例で、本発明による方法、及び燃料電池の将
来性を説明する。

実施例１ 容器中に、 二酸化チタンと酸化ルテニウムとの等モル量混合物から
成る活性コーティング７施しである、チタンの細線の金
網で作っである、全活性表面積が４０　ｃｍ２０カソー
ド、 直径が６０鴎、厚さが５ノ戊の炭素円盤で作ってあって
、直径４ｎの孔を６２個あけである、全表面積が７４−
９ｃｍ２のアノード、アノードとカッ−Ｙとの間の位置
にあって、スルホン基を含有する、ナフィオン１００ｘ
（シュボン）なる商品名の過フッ素化重合体シートから
成る、カチオンタイプの選択透過性の膜、 を入れである電池を使用した。

アノードとカソードとの間の間隔は１儂にした。

電池には下記を入れた、 カソード区画室に、硝酸水溶液（８モル／ＩＩ）ｊ１ アノード区画室に、ポリエチレングリコールを含有する
水酸化カリウム水溶液（６モル／ＩＩ＞アノード区画室
に、燃料として過酸水素２０ｇ、 電電池内の温度を約２０℃に維持した。

下記を、゛電池で生じる！ｔｆＴＬの強さの関数として
測定した、 電池の端子での電位差（Ｕ）、 電池Ｑ可能発電電力。

電流の強さがぜ口（開回路）では、測定値は、σ＝１．
１６Ｖ でめった。

アノード１を光密度１０．０　ｍム／１２では、測定値
は、 υ＝　０．６５　ｖ 司“ロ巨シ色電１　力　＝　　０．５　１　　Ｗであっ
た。

実ＭＡ列２ 本実施列では、燃料及び酸化剤として、両方共通酸化水
素を便用した。このために、下記、一般式が２ｆｌｕ０
２・Ｒｈ８ｂＯ，であるルテニウム、ロゾ９ム及びアン
チモンの酸化物のコーティングを施しであるチタンの細
線金網から成り、全表面積が４０１２のカッ−ぜ、 一般式がａｈｓｂｏ、であるロジウム及びアンチモンの
酸化物のコーティングを施しであるチタンの細線金網か
ら成り、全活性表面積が４０ｃｍ”のアノ−ｒ１ 実施１３１Ｊ１ｃＯｔ池のものと全く同一の隔膜、を入
れである電池を使用した。

アノードとカソードとの間の間隔を１ｃＷＬにした。

電池の中に、下記、 カンーＰ液として：硫酸６モル、及び第二鉄イオン５９
を含有する水溶液１１゜ アノーＶ液として：水酸化カリウム６モル、及びポリエ
チレングリコールを含有する水溶液１１゜ を入れた。

温度を約２０℃に保っておいて、アノード区画室及びカ
ソード区画室に、区画室当九り２０，９の量の過酸化水
素を同時に入れて、下記の測定値を得た、 電流の強さゼロに対して、 電位差＝０．９１Ｖ。

アノ−げ電流密度５２−　Ｑ　ｆ！ｌＡ　／　ｃｔＬ２
に対して、電位差＝　０．５０　Ｖ　％ 可能発電電力＝　０．６５　Ｗ、 アノード’を光密度１０−ＯｍＡ　／　ｃｍ”に対して
、電位差−〇、８０　Ｖ　。

可能発電電力−〇、り２Ｗ。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による方法を使用する燃料電池の略図で
あり、 第２図は本発明の独特の実施態様に使用する、燃料電池
三個を装備するプラントの略図であり、記号は、１，１
３．２２が燃料電池、２．１４が七パレータ−１３，１
５がアノード区画室、４゜１６がカソード区画室、５．
１７．２３がアノード、６．１８．２４がカソード、７
．２１か抵抗器、８，９が過酸化水素及び搬送装置、１
０゜２０．２６が醜素、１１，１２．２７，２８が電解
液、１９．２５が水素、 である。

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. （１）燃料及び酸化剤を燃料電池の中に、それぞれ電池
   のアノード及びアルカリ性アノード液の界面、並びにカ
   ソード及びイオン透過性セパレーターによってアルカリ
   性アノード液から隔離されている酸性カソード液の界面
   で導入することによって電気を発生させる、過酸化水素
   を燃料として使用することを特徴とする方法。
2. （２）過酸化水素を酸化剤として使用することを特徴と
   する、特許請求の範囲第（１）項に記載の方法。
3. （３）アルカリ性アノード液のｐＨと酸性カソード液の
   ｐＨとの間で、少なくとも７の差を維持することを特徴
   とする、特許請求の範囲第（１）項又は第（２）項に記
   載の方法。
4. （４）アルカリ性アノード液のｐＨを、少なくとも１１
   ．６３に等しい値に維持することを特徴とする特許請求
   の範囲第（３）項に記載の方法。
5. （５）アルカリ性アノード液のｐＨを少なくとも１３に
   等しい値に維持し、かつ酸性カソード液のｐＨを最大２
   に等しい値に維持することを特徴とする、特許請求の範
   囲第４項に記載の方法。
6. （６）アルカリ性電解液及び酸性電解液は、それぞれ水
   酸化ナトリウム水溶液、及び硫酸水溶液であり、かつセ
   パレーターはスルホン酸から誘導される官能基を含有す
   る過フッ素化重合体から成るカチオン性隔膜であること
   を特徴とする、特許請求の範囲第（２）項〜第（４）項
   のいずれか１項に記載の方法。
7. （７）多価アルコールから選定する過酸化水素に対する
   安定剤をアルカリ性アノード液に添加し、かつイオン、
   Ｆｅ＾３＾＋、Ｃｕ＾２＾＋及びＵＯ＿２＾＋から選定
   する、電気的活性のイオンを酸性カソード液中に導入す
   ることを特徴とする、特許請求の範囲第（２）項〜第（
   ４）項のいずれかに記載の方法。
8. （８）アルカリ性電解液及び酸性電解液を、それぞれ第
   二燃料電池のカソード区画室及びアノード区画室の中で
   循環させることによって再生し、第二燃料電池の中では
   水素を燃料として使用し、かつ酸素及び（または）過酸
   化水素を酸化剤として使用することを特徴とする、特許
   請求の範囲第（２）項〜第７項のいずれか１項に記載の
   方法。
9. （９）第二燃料電池で使用する酸素を、第一燃料電池で
   発生する酸素気流から取り去り、酸素気流の残部を第三
   燃料電池で酸化剤として使用することを特徴とする、特
   許請求の範囲第（８）項の方法。
10. （１０）イオン透過性セパレーター（２）によって、ア
    ルカリ性アノード液を含有するアノード区画室（３）、
    及び酸性カソード液を含有するカソード区画室（４）に
    分割してある容器（１）、及び燃料をアノード区画室（
    ３）に、また酸化剤をカソード区画室（４）に入れる装
    置（８）、（９）を包含し、燃料が過酸化水素であるこ
    とを特徴とする燃料電池。
11. （１１）酸化剤が過酸化水素であることを特徴とする、
    特許請求の範囲第（１０）項に記載の燃料電池。
12. （１２）アノード液及びカソード液を再生する装置に接
    続させてあり、この装置は、水素（１９）を燃料として
    、また酸素（２０）及び（または）過酸化水素を酸化剤
    として送り込む第二燃料電池（１３）から成り、かつ二
    個の電池のうちの一個（１）のアノード区画室（３）及
    びカソード区画室（４）は、それぞれ、もう一個の電池
    （１３）のカソード区画室（１６）及びアノード区画室
    （１５）に通じていることを特徴とする、特許請求の範
    囲第１項に記載の燃料電池。