JP2008527614A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、運搬が容易で、安価で、そして低出力及び高出力の作動要件を満たす燃料電池を提供すること。
【解決手段】燃料電池であって、陽極、陰極、及び該陽極と該陰極との間に配置されるプロトン交換膜を有する小室ユニットと、前記小室ユニットと連結される陽極入口と、前記小室ユニットと連結される陽極出口と、前記小室ユニット及び酸化剤源と連結される陰極入口と、前記小室ユニットと連結される陰極出口と、水素用バルブを有するダクトにより前記陽極入口と連結される水素源と、有機燃料用バルブを有するダクトにより前記陽極入口と連結される有機燃料源と、前記陽極出口と連結される出口バルブとを備える、燃料電池である。

Description

本発明は、電池、特に燃料電池に関する。

［相互参照］
本出願は、中国特許出願第２００４１０１０４００７．４号（この出願は参照により本明細書中で援用される）を有する「燃料電池」と題する中国特許出願（２００４年１２月３０日出願）からの優先権を主張する。

燃料電池は、化学エネルギーを電気エネルギーに変換する装置である。図１に示すように、目下利用可能な燃料電池は一般的に、小室ユニット１、小室ユニット１に連結される陽極入口２、陽極出口３、陰極入口４及び陰極出口５を含む。陽極入口２は、ダクト２１により燃料源２２に連結される。バルブ２６は、ダクト２１上に取り付けられる。バルブ２０は、陽極出口３に取り付けられる。陰極入口４は、ダクト２３により酸化剤源２４と連結される。小室ユニット１は、陽極６、陰極７、及び陽極６と陰極７との間に配置されるプロトン交換膜８を含む。

陽極６はガス拡散電極であり、その支持物質は一般的に導電性炭素繊維又は炭素繊維織物製である。触媒は、陽極６とプロトン交換膜８との間に配置されて、陽極電気化学反応を触媒する。このような陽極触媒は一般に、白金粉末、白金を含有する合金粉末、担体上に担持された白金、或いは担体上に担持された白金を含有する合金粉末である。白金を含有する上記の合金は、ルテニウム、スズ、イリジウム、オスミウム及びレニウムから成る群のうちの１つ又は複数も含有する。上記の担体、例えば、活性炭は導電性であり、そして比較的高い比表面積を有する。陽極の外側には、黒鉛材料又は金属材料から製造され得る集電体が存在する。

陰極７もガス拡散電極であり、陽極のものと類似の構造を有する。違いは、陰極７とプロトン交換膜８との間の触媒が陰極電気化学的反応を触媒する点である。このような陰極触媒は、一般的に白金粉末又は担体上に担持された白金粉末である。陰極の外側には、黒鉛材料又は金属材料から製造され得る集電体が存在する。

プロトン交換膜８は、気密性であるがしかし防水性でない半透膜である。膜はプロトンを通し、そしてまた、爆発を起こすことがある触媒と燃料との混合を防止し得る。

以下の実施例において、燃料はメタノール又は水素であり、そして酸化剤は空気又は酸素である。燃料は、陽極入口２を通って取って小室ユニット１の陽極側に進入し、陽極６を通過して、電気化学的反応を引き起こす。

燃料がメタノールである場合、陽極６の電気化学的反応は以下のものである：

ＣＨ₃ＯＨ ＋ Ｈ₂Ｏ → ＣＯ₂ ＋ ６Ｈ⁺ ＋６ｅ （１）

燃料が水素ガスである場合、陽極６の電気化学的反応は以下のものである：

３Ｈ₂ → ６Ｈ⁺ ＋６ｅ （２）

該反応により発生する二酸化炭素及び未反応燃料は、陽極出口３を通って廃棄される。

同時に、以下の電気化学的反応が陰極７で起こる：

３／２Ｏ₂ ＋ ６Ｈ⁺ ＋６ｅ → ３Ｈ₂Ｏ （３）

電気化学反応１及び３、並びに個々の電極の反応２及び３はそれぞれ、以下の一般反応を引き起こす：

ＣＨ₃ＯＨ ＋ ３／２Ｏ₂ → ＣＯ₂ ＋ ２Ｈ₂Ｏ （４）

３Ｈ₂ ＋ ３／２Ｏ₂ → ３Ｈ₂Ｏ （５）

陽極６及び陰極７での上記の反応は、２つの電極間に電位差を生じる。陽極６により発生した電子は、陽極の外側に配置された集電体及び外部導体を通して移動後に陰極７により捕獲される。陽極６により発生したプロトンは、プロトン膜８を通って陰極７に直接移動して、電流を生じる。

燃料電池の燃料はメタノール及び水素ガスであり得るだけでなく、他の有機燃料、例えば、液体アルコール、液体エーテル及び液体有機酸から成る群のうちの1つ又は複数でもあり得る。或いは有機燃料は、液体アルコール溶液及び酸流体溶液から成る群から選択され得る。好ましい有機燃料は、メタノール、エタノール、蟻酸（メタノイック酸）及びエチルエーテルから成る群、或いはメタノール溶液、エタノール溶液及び蟻酸（メタノイック酸）溶液から成る群から選択される。

有機燃料を用いる上記の燃料電池は、汚染が最小であること、低騒音レベル、単純構造、運搬が容易であること、そして入手が容易である広範な種々の燃料源といったような利点を有する。さらにまた、有機燃料は液体であるため、燃料電池は高特異的エネルギーを有する。貯蔵の点から見て、例えば、運搬を容易にする加圧容器を用いる必要はない。一方で、爆発を起こし易い引火性水素ガスと比較して、有機燃料は確かに安全である。

有機燃料を用いる燃料電池は、上記の利点を有するが、しかしいくつかの欠点も有する。大きなものは、白金触媒が有機燃料に有効ではないということである。有機燃料の酸化を触媒するプロセス中に、一酸化炭素が副産物として発生する。一酸化炭素副産物は触媒中の白金と混合して、安定複合体を形成し、触媒毒となる。したがって、水素燃料を用いる電池と比較して、有機燃料を用いる上記の電池は、単位面積当たりの非常に低密度の電極出力を有する。報告されたデータに基づいて、一例としてメタノールを用いる上記の電池を考えてみると、水素を用いる電池の単位面積当たりの出力の密度は、メタノールを用いる上記電池の出力の密度の１０倍より大きい。同一出力を達成するために、有機燃料を用いる電池は、水素ガスを用いる電池のものの数倍の活性面積を有さなければならない。その結果として、触媒中の貴金属、例えば、白金の使用も数倍より多くなければならない。したがって、有機燃料が電池に用いられる場合、燃料電池の製造コストは大幅に増大する。

典型的な電子工学製品は電池からの類似の出力要件を有し、そして電池は一般的に周期的パルスで作動する。一例として携帯電話を考えると、待機モードで長期間、携帯電話は低電力で作動し、そして電池出力に関するその要件は低いままである。しかしながら、短時間の電話通信中、携帯電話は高出力で作動し、そして電池出力の要件は高い。２つの作動条件間には、出力要件において約１０倍の差が存在する。

燃料として水素ガスを用いると、燃料電池は単位面積当たり非常に高密度の出力を有し得る。理由は、白金を含有する触媒が水素ガス中で非常に有効であるということである。したがって、理論的には、水素ガスを用いる電池は、長期間の待機と、短時間の電話交信中の高出力との二重の要件を満たし得る。しかしながら、燃料として水素ガスを用いることの欠点は、水素ガスの高引火性にあり、これは爆発を起こし易い。今までのところ、水素ガスを貯蔵する理想的な方法はない。携帯電話の長期待機期間を達成するためには、大量の水素ガスが保有される必要があり、潜在的な安全危険性を生じ、そして電池使用者の運搬の選択肢を限定する。

有機燃料が用いられる場合、短時間中の高出力の要件を満たすために、燃料電池は非常に大きなサイズ並びに非常に大きな電池面積を有さなければならない。それは、燃料電池の製造コスト及びその嵩を増大する。

本発明の目的は、運搬が容易で、安価で、そして低出力及び高出力の作動要件を満たす燃料電池を提供することである。

本発明の目下好ましい実施形態は、小室ユニット１、小室ユニット１に連結される陽極入口２、陽極出口３、陰極入口４及び陰極出口５を含む燃料電池である。小室ユニット１は、陽極６、陰極７、及び陽極６と陰極７との間に配置されるプロトン交換膜８を含有する。陰極入口４は、ダクト２３により酸化剤源２４に連結される。陽極入口２は、ダクト９及びダクト１０によりそれぞれ水素源１１及び有機燃料源１２に連結される。ダクト９及びダクト１０は、それぞれバルブ１３及びバルブ１４を伴って取り付けられる。出口バルブ２０は、陽極出口に取り付けられる。

本発明の燃料電池の目下好ましい実施形態は、水素ガス燃料を用いる電池と有機燃料を用いる電池の利点を併有する。燃料電池が低出力で長時間作動する必要がある場合、燃料電池に供給するために有機燃料が用いられる。短期間の高出力が必要とされる場合、電池は有機燃料の供給を止めて、水素ガス燃料に切り替える。一時的な高出力が完了すると、電池は有機燃料供給に戻る。この技術は、有機燃料電池の低出力密度及び容易に無力化されるそれらの触媒傾向を含む問題を効果的に解決する。それは、低密度効率、触媒毒、並びに電池のより大きなサイズ及び電池面積を必要とするという欠点を回避する。それは、大量の水素ガスを保有しなければならないこと、火災及び爆発の危険性、そして運搬の不便性を含めた水素燃料電池の欠点も回避する。より小さいサイズ及び電池面積を用いて、そして大量の水素を保有せず、本発明で提供される電池は、高出力及び低出力で作動するという二重の要件を満たし得る。本発明による電池は、一般に利用可能な電池と比較して１つの付加的な燃料源を有するだけであるため、その製造コストは低い。さらに、それは単純構造を有し、そして実施が容易である。

本願の図２に示すように、本発明の目下好ましい実施形態は、小室ユニット１、小室ユニット１に連結される陽極入口２、陽極出口３、陰極入口４及び陰極出口５を含む電池を提供する。小室ユニット１は、陽極６、陰極７、及び陽極６と陰極７との間に配置されるプロトン交換膜８を含む。陰極入口４は、ダクト２３により酸化剤源２４に連結される。陽極入口２は、水素用のダクト９及び有機燃料用のダクト１０によりそれぞれ水素源１１及び有機燃料源１２に連結される。ダクト９及びダクト１０は、それぞれ、水素用のバルブ１３及び有機燃料用のバルブ１４を装備される。出口バルブ２０は、陽極出口に取り付けられる。

上記の水素源１１は、水素を供給する任意の装置、例えば、水素ガス貯蔵装置、又は水素ガスを発生する物質を含有する装置であり得る。このような装置は、現在利用可能な供給源、例えば、圧縮水素ガス又は水素ガスを発生する物質を貯蔵する燃料タンクから選択され得る。水素ガス発生物質としては、水素ガスを貯蔵する水素貯蔵金属、水素貯蔵化合物、並びに水素貯蔵化合物を含有する溶液が挙げられる。

上記の水素貯蔵金属のタイプは、一般的に当業者に既知である。例えば、水素貯蔵金属は、水素ガスを吸収し、貯蔵された水素ガスを脱着することによりプロセスを逆にし得る任意の種類の水素貯蔵金属から選択される。例えば、中国公告特許第１１５９７９３号は、二次電池中の陰極で用いられている1つ又は複数のタイプの水素貯蔵金属、具体的にはＴｉＦｅ合金、ＬａＮｉ₅合金及びＭｇ₂Ｎｉ合金から成る群のうちの1つ又は複数を記載している。

上記の水素貯蔵化合物、例えば、ＮａＢＨ₄及び／又はＫＢＨ₄は一般的に当業者に既知である。米国特許第５９４８５５８号明細書及び米国特許第６４６８６９４号明細書は、水素貯蔵化合物を詳細に記載している。

本発明の好ましい一実施形態に基づいて、上記の水素源１１は、圧縮水素ガスを貯蔵する燃料タンクである。或いは、好ましい燃料タンクは、以下のタイプの水素吸収化合物、例えば、ＴｉＦｅ合金、ＬａＮｉ₅合金、Ｍｇ₂Ｎｉ合金、ＮａＢＨ₄水溶液及び水ベースのＮａＫＨ₄溶液のうちの1つ又は複数を含有する。バルブ１３が開かれると、水素ガスを吸収した上記の化合物、例えば、ＴｉＦｅ合金、ＬａＮｉ₅合金、Ｍｇ₂Ｎｉ合金、ＮａＢＨ₄水溶液及びＮａＫＨ₄水溶液のうちの1つ又は複数は、水素ガスを脱着し、そして水素を放出し得る。水素ガス、又は、例えば、ＴｉＦｅ合金、ＬａＮｉ₅合金、Ｍｇ₂Ｎｉ合金、ＮａＢＨ₄水溶液及びＮａＫＨ₄水溶液を含む上記の水素貯蔵化合物を含有する燃料タンク用の材料は、一般的に当業者に既知である。このような材料は、例えば、ステンレススチール、ポリテトラフルオロエチレン又は磁器であり得る。

有機燃料源１２は、有機燃料を供給する任意の装置、例えば、有機燃料を貯蔵する燃料タンクであり得る。有機燃料を貯蔵する燃料タンク用の材料は、一般的に当業者に既知である。このような材料は、例えば、ステンレススチール、ポリテトラフルオロエチレン又は磁器であり得る。

有機燃料は、異なるタイプの有機燃料又は有機燃料溶液のうちの１つ又は複数から選択される。有機燃料は、例えば、液体アルコール、液体エーテル及び液体有機酸から成る群のうちの１つ又は複数から選択され得る。或いは燃料は、液体アルコール溶液及び酸流体溶液から成る群から選択され得る。好ましい選択は、メタノール、エタノール、蟻酸（メタノイック酸）及びエチルエーテルから成る群のうちの１つ又は複数である。或いは好ましい選択は、メタノール溶液、エタノール溶液及び蟻酸（メタノイック酸）溶液から成る群からの1つ又は複数であり得る。

上記の有機燃料を供給するための駆動力は、圧力差の手段により、或いはポンプ輸送により、用いられ得る。図３に示されるように、本発明の好ましい一実施形態に基づいて、ポンプ１５はバルブ１４の前面又は背後に取り付けられる。ポンプ１５は、燃料が電池に入るために圧力を提供する。ポンプは、手動で操作することができ、又は現在利用可能な自動装置により制御することができる。

バルブ１３は、水素ガスの流れを制御する任意のバルブであり得る。このようなバルブは、一般的に、当業者に既知である。例えば、バルブは、針型又はボール型であり得る。バルブ１４は、液体有機燃料の流れを制御する任意のバルブであり得る。このようなバルブの型式、例えば、針型又はボール型のバルブは、一般的に当業者に既知である。バルブ２０は、液体又は空気の流れを制御する任意のバルブであり得る。このようなバルブの型式、例えば、針型又はボール型のバルブは、一般的に当業者に既知である。バルブ１３、１４及び２０は、手動で操作することができ、又は現在利用可能な自動装置により制御することができる。例えば、バルブ１３、１４及び２０のいずれかは、電磁バルブであり得る。電磁バルブは、燃料電池の作動を制御する装置の指示に基づいて、開閉する。電池が高出力で作動する必要がある場合、電子デバイス中のスイッチは「オン」にされ、そしてバルブ１３は自動的に開かれるが、一方、バルブ１４及び２０は自動的に閉じられる。これに対して、電池が低出力で作動する必要がある場合、電子装置中のスイッチは「オフ」にされ、そしてバルブ１４及び２０は自動的に開かれるが、一方、バルブ１３は自動的に閉じられる。

本発明による電池に関しては、小室ユニット１は、任意の現在利用可能な小室ユニット（発電ユニットとも呼ばれる）であり得る。このような小室ユニットは、陽極６、陰極７、及び陽極６と陰極７との間に配置されるプロトン交換膜８を含む。

陽極６はガス拡散電極であり、その支持物質は導電性炭素繊維又は炭素繊維織物である。触媒は、陽極６とプロトン交換膜８との間に配置されて、陽極での反応を触媒する。このような陽極触媒は、一般的に白金粉末、白金を含有する合金粉末、担体に担持された白金、或いは担体に担持された白金を含有する合金粉末である。上記の合金は白金、及びルテニウム、スズ、イリジウム、オスミウム及びレニウムから成る群のうちの１つ又は複数を含有する。上記の担体、例えば、活性炭は導電性であり、そして比較的高い比表面積を有する。陽極の外側には、黒鉛材料又は金属材料から製造され得る集電体が存在する。金属材料は、以下のもの、例えば、鋼鉄、銅、チタン及び銀、又はそれらの合金のうちの１つ又は複数から選択され得る。

陰極７もガス拡散電極であり、陽極のものと類似の構造を有する。違いは、陰極７とプロトン交換膜８との間の触媒が陰極での電気化学的反応を触媒する点である。このような触媒は、一般的に白金粉末又は担体に担持された白金である。陰極の外側にも、黒鉛材料又は金属材料から製造され得る集電体が存在する。金属材料は、以下のもの、例えば、鋼鉄、銅、チタン及び銀、又はそれらの合金のうちの１つ又は複数から選択され得る。

プロトン交換膜８は、気密性であるがしかし防水性でない、そしてプロトンを通す半透膜である。このような膜は一般的に既知のナフィオン膜、又は米国特許第５７９５４９６号及び米国特許公開第２００３０１２９４６７号に開示されているプロトン交換膜であり得る。

本発明に基づいた電池に関しては、燃料電池が低出力で長時間にわたって作動する必要がある場合、バルブ１４及びバルブ２０が開かれる（ポンプ（１５）が含まれる場合、ポンプ１５は同時に開かれる）。バルブ１３が閉じられ、そして燃料電池はアルコール燃料が供給される。燃料電池が高出力で短時間作動する必要がある場合、バルブ１４及びバルブ２０は閉じられる（ポンプ１５が含まれる場合、ポンプ１５は同時に止められる）。バルブ１３は開かれ、そして燃料電池は水素燃料を供給される。一時的な高出力が終わると、バルブ１４及びバルブ２０は開かれる（ポンプ１５が含まれる場合、ポンプ１５は同時に開かれる）。バルブ１３は閉じられ、そして燃料電池は有機燃料を供給される。

本発明に基づいた電池に関しては、陰極入口に進入する酸化剤は、酸素又は空気であり得る。コストを考慮すると、空気が好ましい。電池に空気を供給するための駆動力は、例えば、空気圧縮機を用いて、空気圧差により用いられ得る。

図４に示すように、水供給源及び任意の未反応燃料をさらに使用するために、本発明の好ましい一実施形態は、出口ダクト１６を通して陽極出口３と連結される再循環装置１７を含む。再循環装置１７は、戻りダクト１８を通してダクト１０とも連結する。再循環装置出口１９は、再循環装置１７上に置かれる。したがって、陽極反応の産物は出口ダクト１６を通って再循環装置１７に進入し、そして二酸化炭素が再循環装置出口１９を通って廃棄される。水及び任意の未反応有機燃料はダクト１８を通ってダクト１０に再循環して、有機燃料源１２からの有機燃料と混合し、そして反応の別のサイクルで再び用いられるようになる。

小室ユニット１は、陽極６、陰極７、及び陽極６と陰極７との間に配置されるプロトン交換膜８をそれぞれ含む電極の一群を含み得る。その場合、このような電池は単電極電池と呼ばれる。小室ユニットの単電極は、組合せられた同一単電極群（又は電池群）の連続回路と置き換えられ得る。上記の単電極群の数は、電池出力の量に従って確定され得る。単電極群の数は、２〜５００、好ましくは２〜１００であり得る。図５は、４群の単電極を有する電池のイラストを提供する。電池群を群分け及び連結するための技法は、一般的に当業者に既知である。

本発明の電池は、低出力を長時間、そして高力出力を短時間、必要とする種々のタイプの電子工学製品、例えば、携帯電話、情報携帯端末及びラップトップ・コンピューターのための電力源であり得る。

以下の例示的な実施形態により本発明をさらに説明する。

実施例１
電池は、図２に示される。

図２では、酸化剤２４は空気圧縮装置により供給され、そしてダクト２３は３ｍｍの直径を有するシリコーンダクトである。

電池の活性面積は、６ｃｍ²である。陽極６の支持材料は、炭素繊維である。陽極６の触媒は、Ｊ−Ｍ社により供給される白金・ルテニウム／炭素触媒である。触媒中、白金は２０質量％を、そしてルテニウムは１０質量％を構成する。白金及びルテニウムの密度は、４ｍｇ／ｃｍ²である。陽極６の外側上の集電体は、黒鉛材料製である。

陰極７の外側上の集電体は黒鉛材料製であり、そして支持材料は炭素繊維である。陰極７の触媒は、Ｊ−Ｍ社の白金／炭素触媒製品である。触媒中、白金は４０質量％を構成する。白金の密度は、１ｍｇ／ｃｍ²である（活性面積は以下において同一である）。プロトン交換膜８は、デュポン社のナフィオン１１５膜である。

ダクト９及びダクト１０は、３ｍｍの直径を有するシリコーンダクトである。水素源１１は、ＮａＢＨ₄水溶液を含有する燃料タンクである。水素燃料タンクは、１５ｍｍ×１５ｍｍ×２０ｍｍの寸法を有するステンレススチール製の直方体である。有機燃料タンク１２は、２ｍｏｌ／Ｌの水ベースのメタノール溶液を含有する。有機燃料タンクは、内径１５ｍｍ及び長さ２０ｍｍの円筒形の形状を有し、シリコーンプラスチック製である。バルブ１３、１４及び２０は、針型である。水素が燃料として用いられる場合、バルブ１３は開けられ、そしてバルブ１４及び２０は閉じられる。燃料源が有機燃料に切り替えられると、バルブ１３は閉じられ、そしてバルブ１４及び２０が開けられる。

実施例２
電池は、図３に示されるように装備されている。

図３では、酸化剤２４は空気圧縮装置で供給され、そしてダクト２３は３ｍｍの直径を有するシリコーンダクトである。

図３において、電池の活性面積は２０ｃｍ²である。陽極６の外側上の集電体は、ステンレススチール製である。陽極の支持材料は、炭素繊維織物である。陽極の触媒は、Ｊ−Ｍ社の白金・ルテニウム／炭素触媒製品である。触媒中、白金は３０質量％を、そしてルテニウムは１５質量％を構成する。白金及びルテニウムの密度は、３ｍｇ／ｃｍ²である。プロトン交換膜８は、デュポン社のナフィオン１１７膜である。

陰極７の支持材料は、炭素繊維織物である。陰極７の触媒は、Ｊ−Ｍ社の白金／炭素触媒製品である。触媒中、白金は２０質量％を構成する。白金の密度は、１ｍｇ／ｃｍ²である。陰極の外側上の集電体は、ステンレススチール製である。

ダクト９及びダクト１０は、４ｍｍの直径を有するシリコーンダクトである。水素源１１は、圧縮水素ガスを含有する燃料タンクである。水素燃料タンクは、ステンレススチール製であり、内径２０ｍｍ及び長さ２０ｍｍの円筒形の形状を有する。有機燃料タンク１２は、３ｍｏｌ／Ｌの水ベースのエタノール溶液を含有する。有機燃料タンクは、内径１５ｍｍ、長さ２０ｍｍの円筒形の形状を有する。有機燃料タンクは、シリコーンプラスチック製である。バルブ１３、１４及び２０は、ボール型である。ポンプ１５は、市場で入手可能な小型蠕動ポンプである。ポンプは１００ｍＬ／分の最大流量を有する。

水素源が燃料として用いられる場合、バルブ１３は開けられ、そしてバルブ１４及び２０は閉じられて、ポンプ２０は閉められる。電池が有機燃料に切り替えられると、バルブ１３は閉じられ、そしてバルブ１４及び２０が開けられて、ポンプ１５が開けられる。

実施例３
電池は、図４に示されるように装備されている。

図４では、酸化剤源２４は空気圧縮装置により供給され、そしてダクト２３は３ｍｍの直径を有するシリコーンダクトである。

図４において、電池の活性面積は５０ｃｍ²である。陽極６の外側上の集電体は、チタン製である。陽極の支持材料は、炭素繊維織物である。陽極の触媒は、Ｊ−Ｍ社の白金・ルテニウム／炭素触媒製品である。触媒中、白金は３０質量％を、そしてルテニウムは３０質量％を構成する。白金及びルテニウムの密度は、４ｍｇ／ｃｍ²である。プロトン交換膜８は、Ｊ−Ｍ社のナフィオン１１７膜である。

陰極７の支持材料は、炭素繊維紙である。陰極７の触媒は、Ｊ−Ｍ社の白金／炭素触媒製品である。触媒中、白金は４０質量％を構成する。白金の密度は、１ｍｇ／ｃｍ²である。陰極の外側上の集電体は、チタン製である。

ダクト９及びダクト１０は、４ｍｍの直径を有するシリコーンダクトである。水素源１１は、水素を吸収したＴｉＦｅ合金を含有する燃料タンクである。水素燃料タンクはステンレススチール製であり、内径２０ｍｍ及び長さ２０ｍｍの円筒形の形状を有する。有機燃料タンク１２は、３ｍｏｌ／Ｌの水ベースの蟻酸溶液を含有する。有機燃料タンクは、内径１５ｍｍ、長さ２０ｍｍの円筒形の形状を有する。有機燃料タンクは、シリコーンプラスチック製である。バルブ１３、１４及び２０は、電磁タイプであり、電流の強さにより制御される。ポンプ１５は、市場で入手可能な小型蠕動ポンプである。ポンプは１００ｍＬ／分の最大流量を有する。ポンプは、電流の強さによって、オン及びオフに切り替えられる。再循環装置１７は、ポリテトラフルオロエチレン製の直方体である。ダクト１６及び１８は、直径３ｍｍのシリコーンダクトである。

水素源が燃料として用いられる場合、バルブ１３は開けられ、そしてバルブ１４及び２０は閉じられて、ポンプ１５は開けられる。電池が有機燃料に切り替えられると、バルブ１３は自動的に閉じられ、そしてバルブ１４及び２０が開けられて、ポンプ１５が開かれる。

実施形態４
電池は、図５に示されるように装備されている。

図５では、酸化剤源２４は空気圧縮装置により供給され、そしてダクト２３は５ｍｍの直径を有するシリコーンダクトである。

小室ユニット１は、組合せられた単電極の４つの群の連続回路を含み、各単電極は、陽極６、陰極７、及び陽極６と陰極７との間に配置されるプロトン交換膜８を含む。陽極、陰極及びプロトン交換膜は、実施例１におけるものと同一である。

ダクト９及びダクト１０は、５ｍｍの直径を有するシリコーンダクトである。水素源１１は、圧縮水素を含有する燃料タンクである。水素燃料タンクはステンレススチール製であり、内径２５ｍｍ及び長さ４０ｍｍの円筒形の形状を有する。有機燃料タンク１２は、２ｍｏｌ／Ｌの水ベースのメタノール溶液を含有する。有機燃料タンクは、内径２０ｍｍ、長さ２０ｍｍの円筒形の形状を有する。有機燃料タンクは、シリコーンプラスチック製である。バルブ１３、１４及び２０は、電磁タイプであり、電流の強さにより制御される。ポンプ１５は、市場で入手可能な小型蠕動ポンプである。ポンプは、電流の強さによって、オン及びオフに切り替えられる。ポンプは、１００ｍＬ／分の最大流量を有する。再循環装置１７は、１０ｍｍ×１０ｍｍ×２５ｍｍの寸法を有するポリテトラフルオロエチレン製の直方体である。ダクト１６及び１８は、直径５ｍｍのシリコーンダクトである。

水素源が燃料として用いられる場合、バルブ１３は開けられ、そしてバルブ１４及び２０は閉じられて、ポンプ１５はオフにされる。電池が有機燃料に切り替えられると、バルブ１３は閉じられ、そしてバルブ１４及び２０が開けられて、ポンプ１５が閉じられる。

実施例５
実施例１に従って製造される電池は、以下のように操作され得る：バルブ１３を開けると（一方、バルブ１４及び２０は閉じられたままである）、電池は水素燃料源を用いる。一方で、酸化剤源２４（空気圧縮機）を用いて、空気は電池の陰極に導かれる。空気圧縮機の最大空気流量は１０Ｌ／分であり、そして出口での相対圧は２×１０４Ｐａである。電気化学反応中の空気の化学量論値は、２．５である。燃料電池の電気を放電するために、電気負荷を印加する。燃料電池の出力は一定電流出力として設定され、そして（低出力及び高出力の）電流出力はそれぞれ、３０ｍＡ／ｃｍ²及び１５０ｍＡ／ｃｍ²で設定される。電流が３０ｍＡ／ｃｍ²である場合、電池は有機燃料源１２を用いる。電流が１５０ｍＡ／ｃｍ²である場合、電池は水素燃料源１１を用いる。

一方で、実際の電子工学製品の作業条件、即ち各サイクルでの低出力で長時間の待機及び短時間高出力を模擬実験するために、３０ｍＡ／ｃｍ²及び１５０ｍＡ／ｃｍ²に関する放電時間はそれぞれ６分及び３分に設定される。各サイクルの終了時に、新たなサイクルが再び開始する。バルブ１３、１４及び２０の開閉は、サイクルと同期される。電流出力が３０ｍＡ／ｃｍ²である場合、バルブ１３は閉じられ、そしてバルブ１４及び２０は開けられる。電流出力が１５０ｍＡ／ｃｍ²である場合、バルブ１３は開けられ、そしてバルブ１４及び２０は閉じられる。各サイクルの終了時に、新たなサイクルが再び開始する。燃料電池の作動中、電流及び電圧のデータは３０秒ごとに記録される。得られたデータを、図６及び図７に示す。

実施例６
実施例４に従って製造される電池は、以下のように操作し得る：酸化剤源２４（空気圧縮機）を用いて、空気は電池の陰極に導かれる。空気圧縮機の最大空気流量は２０Ｌ／分であり、そして出口での相対圧は２×１０４Ｐａである。電気化学反応中の空気の化学量論値は、２．５である。燃料電池の電気を放電するために、電気負荷を印加する。燃料電池の出力は一定電流出力として設定され、そして（低出力及び高出力の）電流出力はそれぞれ、２．４Ｗ及び２４Ｗで設定される。電流が２．４Ｗである場合、電池は有機燃料源を用いる。電流が２４Ｗである場合、電池は水素燃料源を用いる。

一方で、実際の電子工学製品の作業条件、即ち各サイクルでの低出力で長時間の待機及び短時間高出力を模擬実験するために、２．４Ｗ及び２４Ｗの放電時間はそれぞれ６分及び３分に設定される。各サイクルの終了時に、新たなサイクルが再び開始する。バルブ１３、１４及び２０の開閉並びにポンプ１５の開閉は、各サイクルと同期される。電流出力が２．４Ｗである場合、バルブ１３は閉じられ、そしてバルブ１４及び２０は開けられる。そしてポンプ１５はオンにされる。電流出力が２４Ｗである場合、バルブ１３は開けられ、そしてバルブ１４及び２０は閉じられる。そしてポンプ１５は閉められる。各サイクルの終了時に、新サイクルが再び開始する。燃料電池の作動中、電流及び電圧のデータは３０秒ごとに記録される。得られたデータを、図８及び図９に示す。

図６〜９に基づいて、水素ガスが燃料として用いられる場合、電池は比較的高出力で作動し得る。燃料電池が水素ガスから有機燃料に切り替わると、電池の出力は漸次低減する。３分後、出力は次第に安定化する。その場合、電池は比較的低出力で作動する。燃料源が切り替えられて有機燃料から水素ガスに戻されると、燃料電池の出力は漸次増大し、そして電池の出力は再び最大になる。

この種の現象は、有機燃料の酸化を触媒するプロセス中の触媒被毒のためである。水素ガスと有機燃料間との切り替えのため、陽極の触媒は絶えず、清浄にされ、被毒され、そして再び清浄にされるというサイクルで存在する。このようなプロセスは、電池の出力に関する要件を満たすだけでなく、燃料電池の出力も増大して、電池の寿命を改良する。

２４Ｗ電力出力を有する電池に関して、一例として実施例４に従って製造された電池を考えると、燃料としてメタノール溶液のみを用いる場合、燃料電池群は各々５０ｃｍ²の活性面積を有する４０セルの連続回路を用いる必要がある。それは本発明の電池の場合の１０倍であり、そして活性面積の増大は、触媒及び膜のようなより多くの高価な材料の使用を要する。実際、短時間のピーク出力に関しては、水素ガスの消費は非常に少ない。したがって、現在利用可能な燃料電池と比較して、類似の出力を達成しながら、本発明の電池はサイズが増大しない。実施例４及び６において、水素ガスの供給源は単に直径２０ｍｍ及び長さ２０ｍｍを有する円筒である。それは、５０ｃｍ²の活性面積を有する３６の付加的セルを有するものよりはるかに小さい。一方で、本発明の電池は、高価な金属及び膜を上回ってコストを節約するだけでなく、高出力も達成する。燃料として水素ガスのみを用いる電池と比較して、本発明の電池は大幅に少ない水素ガスを保有し、したがってそれは安全上の問題を最小限にして、電池を保有するに際して使用者に便宜性を提供する。

ある種の好ましい実施例を参照しながら本発明を説明してきたが、本発明はこのような特定の実施例に限定されないことは理解されるべきである。むしろ、以下の特許請求の範囲により反映されるようなその最も広い意味で本発明が理解され、解釈される、ということが本発明の論点である。したがって、これらの特許請求の範囲は、本明細書中に記載される好ましい実施形態だけでなく、当業者に明らかであるようなその他のそして更なる変更及び修正のすべてを包含すると理解されるべきである。

一般に利用可能な電池の構造を示す図である。 本発明による燃料電池の構造を示す図である。 本発明による燃料電池の構造を示す図である。 本発明による燃料電池の構造を示す図である。 本発明による燃料電池の構造を示す図である。 本発明の例示的な一実施例に基づいた電池の電圧と時間との間の関係を示すグラフである。 本発明の例示的な一実施例に基づいた電池の出力と時間との間の関係を示すグラフである。 本発明の例示的な一実施例に基づいた電池の電流と時間との間の関係を示すグラフである。 本発明の例示的な一実施例に基づいた電池の電圧と時間との間の関係を示すグラフである。

Claims (12)

1. 燃料電池であって、
   陽極、陰極、及び該陽極と該陰極との間に配置されるプロトン交換膜を有する小室ユニットと、
   前記小室ユニットと連結される陽極入口と、
   前記小室ユニットと連結される陽極出口と、
   前記小室ユニット及び酸化剤源と連結される陰極入口と、
   前記小室ユニットと連結される陰極出口と、
   水素用バルブを有するダクトにより前記陽極入口と連結される水素源と、
   有機燃料用バルブを有するダクトにより前記陽極入口と連結される有機燃料源と、
   前記陽極出口と連結される出口バルブと
   を備える、燃料電池。
2. 前記水素源が水素ガス又は水素ガス発生物質の貯蔵装置である、請求項１記載の燃料電池。
3. 前記水素ガス発生物質が水素貯蔵金属、水素貯蔵化合物又は水素貯蔵化合物を含有する溶液を含む、請求項２記載の燃料電池。
4. 前記水素貯蔵金属がＴｉＦｅ合金、ＬａＮｉ₅合金及びＭｇ₂Ｎｉ合金から成る群から選択される、請求項３記載の燃料電池。
5. 前記水素貯蔵化合物がＮａＢＨ₄及び／又はＫＢＨ₄を指す、請求項３記載の燃料電池。
6. 前記有機燃料源が有機燃料を含有する燃料タンクである、請求項１記載の燃料電池。
7. 前記有機燃料が液体アルコール、液体エーテル及び液体有機酸からなる群から選択されるか、又は液体アルコールの水溶液及び液体酸の水溶液から成る群から選択される、請求項１記載の燃料電池。
8. 前記有機燃料がメタノール、エタノール、蟻酸及びエチルエーテルから成る群から選択されるか、又はメタノール水溶液、エタノール水溶液及び蟻酸水溶液から成る群から選択される、請求項７記載の燃料電池。
9. 前記有機燃料用のバルブの前面又は後面に取り付けられるポンプをさらに備える、請求項１記載の燃料電池。
10. 出口ダクトにより前記陽極出口に連結され、戻りダクトにより前記有機燃料用ダクトに連結され、そして再循環装置出口を有する再循環装置をさらに含む、請求項１又は９記載の燃料電池。
11. 前記小室中に陽極、陰極、及び該陽極と該陰極との間のプロトン交換膜を含む前記単電極が、一続きに連結された電極の複数の群を含み、各群が陽極、陰極及び該陽極と該陰極との間のプロトン交換膜を含有する電極集合体にとって代わられる、請求項１記載の燃料電池。
12. 前記単電極群の数が２〜１００である、請求項１１記載の燃料電池。

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