[发明专利]燃料电池单元电池、燃料电池单元电池阵列、燃料电池模件和燃料电池系统

说明书

技术领域

本发明涉及具有pin结构或pn结构的燃料电池单元电池、燃料电池模件和燃料电池系统，更详细地说，涉及能够有效地发挥包括铂、钌的金属系催化剂或氧化物系催化剂的催化作用，适用于小型燃料电池的燃料电池单元电池、燃料电池单元电池阵列、燃料电池模件和燃料电池系统。

背景技术

燃料电池主要使用燃料气体作为燃料，通过使用氢气、甲烷气等含氢气体或甲醇等液体，使燃料气体或液体燃料与空气中的氧气等反应，从而产生电能。此时的排出物主要是水，二氧化碳、一氧化碳气体等有害排出物极少，因此作为对环境友好的能源产生机构，近年来特别受到关注。此外，燃料电池还具有与发动机、涡轮机等不同，产生噪音少且效率高的优点，因此作为将来有希望的能源产生机构之一，向实用化方向的活跃的研究开发在不断进行。再有，有时还替代燃料气体而使用甲醇等液体燃料，替代空气等氧化性气体而使用含过氧化氢等的液体氧化剂。

燃料电池的用途广，燃料电池汽车等已达到实用化范围。此外，正在考虑应用于空调、热水供给等需要大量热源和电力的设施的能源系统，应用于一般家庭用的能源系统，作为移动电话、笔记本电脑等便携终端用的电源的利用等。

图14为对利用燃料电池的发电的原理进行说明的图，该图示意地表示出单元电池的基本构成和电化学反应。再有，图14表示使用甲醇作为燃料的例子。如图14所示，燃料电池中，将燃料极(阳极)101和氧极(阴极)103相对配置，在燃料极101和氧极103之间存在电解质层102。

在燃料极101，如下述(1)式所示，供给的甲醇(CH₃OH)和水(H₂O)反应，解离为氢离子(H⁺)和电子(e^-)，同时产生二氧化碳(CO₂)。

CH₃OH+H₂O→6H⁺+6e^-+CO₂       (1)

在电解质层102，氢离子可以移动，但电子不能移动。因此，氢离子在电解质层102中扩散并向氧极103移动，电子通过在外部将燃料极101和氧极103连接的电路104而向氧极103移动。

在氧极103，供给的氧气(O₂)和从电解质层移动而来的氢离子和从燃料极流来的电子如下述(2)式所示反应，生成水(H₂O)。

6H⁺+6e^-+3/2O₂→H₂O             (2)

如果继续补给甲醇和氧气，上述(1)式和(2)式的反应继续发生，电子在电路104中继续流动。即，通过持续供给燃料流体(CH₃OH、H₂等)和氧化性流体(O₂等)，利用图14所示的单元电池，能够得到从氧极103向燃料极101流动的电流，即电力。

燃料电池有几种类型，根据电解质的种类，有熔融碳酸盐型、固体高分子型、磷酸型、固体氧化物型、碱水溶液型等。这些燃料电池中，熔融碳酸盐型和固体氧化物型的工作温度高，分别为600～700℃、800～1000℃左右。其他类型的工作温度一般约为200℃以下。

工作温度高的燃料电池的情况下，在燃料极(1)式的反应利用温度的能量而进行。另一方面，工作温度低的燃料电池的情况下，如何高效地使燃料极和氧极中的上述反应发生，换言之，如何提高各个电极中的反应速度是重要的课题。为了促进(1)式和(2)式的反应，在燃料极101和氧极103中利用催化剂，通常使用铂作为催化剂。这样，对于在低温下工作的燃料电池而言，铂发挥了极其重要的作用。

作为催化剂，除了铂以外，可以使用铱、钯、铑、钌和含有这些中至少2种的合金、铂和它们的合金、钛氧化物等。但是，作为燃料电池用的催化剂，由于铂最优异，因此实际情况是主要使用铂。

此外，在燃料电池的情况下，在燃料极101和氧极103中，为了使燃料流体或氧性流体通过，同时促进这些电极中(1)式或(2)式的反应，通常使用多孔的碳电极。进而，在低温下工作的燃料电池的情况下，形成了在多孔的电极的空孔内面负载铂等催化剂微粒的结构。这样，在促进上述(1)式和(2)式的反应方面，催化剂，特别是其作用优异的铂是不可缺少的材料。