碱性燃料电池和碱性燃料电池系统技术方案

本发明专利技术提供碱性燃料电池和碱性燃料电池系统。本发明专利技术提供一种碱性燃料电池，其具备：膜电极复合体，包含阴离子传导性电解质膜、层叠在阴离子传导性电解质膜的第一表面上的阳极和层叠在与阴离子传导性电解质膜的第一表面相对的第二表面上的阴极；第一隔板，至少具备用于接受燃料的燃料接受部且层叠在阳极上；第二隔板，至少具备用于接受氧化剂的氧化剂接受部且层叠在阴极上；碱性水溶液供给部，用于使碱性水溶液仅与膜电极复合体中阴离子传导性电解质膜接触。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及使用阴离子传导性电解质膜(阴离子交换膜)作为电解质膜的碱性燃料电池和使用热介质进行碱性燃料电池的温度调节的碱性燃料电池系统。
技术介绍
燃料电池具有能够实现小型轻量化、高输出密度的可能性，因此，正在大力推进在便携用电子设备用的新型电源、家庭用废热发电系统等中的用途开发。燃料电池具备由阳极和阴极夹持电解质膜而成的构成的膜电极复合体(MEA)作为发电主要部，根据电解质膜的种类分为固体聚合物型燃料电池(包括直接型燃料电池)、磷酸型燃料电池、熔融碳酸盐型燃料电池、固体氧化物型燃料电池、碱性燃料电池等。碱性燃料电池是使用阴离子传导性电解质膜(阴离子交换膜)作为电解质膜且电 荷载体为氢氧化物离子(0H_)的燃料电池。对于碱性燃料电池而言，将阳极与阴极进行电连接时，通过如下的电化学反应，在阳极与阴极之间产生电流，从而可以得到电能。即，向阴极供给氧化剂(例如，氧气或空气等)和水时，通过下式(I)表示的催化反应生成0H_。阴极1/202 + H2O + 2e_ — 20H_(1)该0H_在与水分子水合的状态下通过电解质膜传递至阳极侧。另一方面，阳极中，供给的燃料(还原剂)例如H2气体与从阴极传递来的0!1_发生下式(2)表示的催化反应而生成水和电子。阳极H2十 2OH — 2H20 十 2e (2)对于碱性燃料电池而言，使用阴离子传导性电解质作为电解质膜和催化剂层的电解质，因此，工作停止时，电解质膜和催化剂层吸收环境中的二氧化碳(CO2)，电解质膜和催化剂层中的OH-通过下式(3)和(4)所示的反应置换成CO32-和/或HCO3-(以下，有时称为"CO2来源的阴离子”)。CO2 + 20F — CO 广 + H2O (3)CO2 + OH-— HCCV (4)这样的CO2来源的阴离子的浓度上升(0!1_离子浓度的下降)会使电解质的阴离子传导率下降，从而使电池电阻显著增大。已知上述电池电阻增大的问题可以通过由燃料电池的工作产生的称为自净化的现象改善。自净化是指通过燃料电池的工作使作为阴离子传导率下降的主要原因的、电解质膜和催化剂层中含有的CO2来源的阴离子移动到阳极并被燃料还原而以CO2气体的形式从阳极排出的现象，具体而言，可以由下式(5)和(6)表示。 H2 十 CO32 — CO2 十 H2O 十 2e (5)H2 + 2HCCV — 2C02 + 2H20 + 2e_(6)但是，如Yu Matsui, Morihiro Saito, Akimasa Tasaka, and Minoru Inaba, ECS Transactoins, 25 (13)，105-110 (2010)所示，通过自净化，大量的CO2来源的阴离子再置换成0H—，因此，能够抑制电池电阻的增大，但是，以某一定量残留的CO2来源的阴离子通过自净化而局部存在于阳极并累积，结果，存在阳极的反应过电压增高、发电效率降低的问题。日本特开平3-295175号公报中记载了通过使供给到阳极的燃料与碱性水溶液接触来除去燃料中的二氧化碳的方法。另外，山崎阳太郎，“阴离子交换膜型燃料电池的开发”，文部科学省科学研究经费补助金“DMFC tc J 3環境低負荷型高効率二木^冬一変換O新展開”(特定区域研究B)研究成果报告书，第71-74页，2006年6月中记载了 通过预先向供给到阳极的燃料中添加碱，能够改善输出特性。如上述式(I)所示，对于碱性燃料电池而言，为了进行催化反应而需要向阴极供给水。另外，为了防止电解质膜的干燥和伴随电解质膜干燥而来的阴离子传导电阻的增大，还需要向电解质膜供给水。以往，这样的水供给一般通过使用加湿后的燃料和/或氧化剂作为供给到阳极的燃料和/或供给到阴极的氧化剂来进行。但是，该方法需要加湿器等辅助设备，从而导致燃料电池的大型化。国际公开第2009/149195号中，作为水供给的其他方法，记载了直 接向电解质膜的阴极侧表面供给液态水(液态的水)的方法(例如，第28页第18行 第31页第18行、图11和图12)。更具体而言，该方法中，在密封圈的阴极侧电极部的外缘部上设置与电解质膜的阴极侧的表面直接连接的狭槽，从该狭槽直接向电解质膜的阴极侧表面供给液态水(第31页第4行 第31页第18行、图11)。另一方面，对于包括碱性燃料电池在内的燃料电池而言，通常会考虑到提高上述催化反应(电化学反应)的效率并防止电解质膜等燃料电池构成构件的热劣化而在发电时调节至适当的温度范围。温度调节方法的现有例之一是在燃料电池中设置加热器。但是，利用加热器进行温度调节时，无法进行冷却，因此，在从燃料电池中提取大电流等情况、特别是燃料电池的发热量变大的情况下，存在无法避免燃料电池的高温化的问题。西川尚男著，“燃料电池的技术固体聚合物型的课题和对策”，东京电机大学出版社，2010，第45-46页中，作为对燃料电池进行冷却的方法，记载了使冷却水在设置于隔板内部的流路中流通的方法(第46页的图3. 22)。需要说明的是，在此所称的“设置于隔板内部”是指流路不对膜电极复合体开放、而是在与膜电极复合体分离的状态下在隔板内设置有流路的情况。如上述专利文献I、非专利文献2中所记载的那样，通过向阳极供给碱性水溶液来用碱中和CO2来源的阴离子的方法，具有能够抑制CO2来源的阴离子在阳极上累积的可能性。但是，该方法中，通过中和生成的盐(碳酸盐等)在阳极的细孔内沉积而堵塞该细孔，结果，导致如下的新问题阻碍燃料向阳极的供给和在阳极的扩散，从而使发电效率降低。另外，在使用氢气等气体燃料的情况下，碱性水溶液本身会导致细孔堵塞，从而阻碍气体燃料的供给。另一方面，上述专利文献2中记载的水供给方法中，供给到电解质膜的阴极侧表面的液态水渗透到包覆电解质膜的周围部的密封圈的下部，沿电解质膜与阴极催化剂层的界面横向移动，从该界面渗透到阴极催化剂层内。结果，产生膜状液态水堵塞阴极催化剂层的细孔的溢流，从而存在发电效率降低或者输出稳定性降低的问题。另外，在上述非专利文献3所记载的、通过在燃料电池所具有的隔板的内部设置热介质流路并使热介质在上述流路中流动来进行温度调节的方法中，常常通过隔板引起热传导，因此存在热交换效率低(因此，燃料电池达到期望的温度所需要的时间长)、而且温度调节的精度差的问题。另外，在隔板的内部形成热介质流路时，还存在结构变得复杂、从而导致制造成本增大和制造工序变繁琐的问题。
技术实现思路
本专利技术鉴于上述课题而完成，其第一目的在于提供能够在不产生电极的细孔堵塞的情况下有效地抑制CO2来源的阴离子在阳极上累积、从而显示出良好的发电效率的碱性燃料电池。本专利技术的第二目的在于提供能够防止直接向电极(阴极和阳极)液态水并且能够向电解质膜供给液态水、从而显示出良好的发电特性的碱性燃料电池。 本专利技术的第三目的在于提供作为使用热介质进行碱性燃料电池的温度调节的碱性燃料电池系统的、能够在维持良好的发电特性的同时以高热交换效率和高精度进行温度调节的碱性燃料电池系统。为了达到上述第一目的，本专利技术提供一种碱性燃料电池(X)，其具备膜电极复合体，包含阴离子传导性电解质膜、层叠在该阴离子传导性电解质膜的第一表面上的阳极和层叠在与该阴离子传导性电解质膜的第一表面相对的第二表面上的阴极；第一隔板，至少具备用于接受燃本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种碱性燃料电池，其具备：膜电极复合体，包含阴离子传导性电解质膜、层叠在所述阴离子传导性电解质膜的第一表面上的阳极和层叠在与所述阴离子传导性电解质膜的所述第一表面相对的第二表面上的阴极；第一隔板，至少具备用于接受燃料的燃料接受部且层叠在所述阳极上；第二隔板，至少具备用于接受氧化剂的氧化剂接受部且层叠在所述阴极上；以及碱性水溶液供给部，用于使碱性水溶液仅与所述膜电极复合体中所述阴离子传导性电解质膜接触。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：水畑宏隆，吉田章人，竹中忍，佐多俊辅，
申请(专利权)人：夏普株式会社，
类型：发明
国别省市：