(57)【要約】本発明は、燃料電池（１）を運転する方法に関する。該燃料電池には、アノード（２）とカソード（３）を有する。アノード（２）には、Ｔｅを含む触媒を有する。この方法には、アノード（２）の側にメタノールを供給するステップと、酸素又は酸素の担体（５）をカソード側（３）に、電流を発生させる反応が起きるように、供給するステップとを含む。また、本発明はＴｅを含む触媒を有する燃料電池にも関する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード（２）及びカソード（３）を有し、前記アノード（２）にはＴｅを含む触媒を有して、好適にはＴｅを５〜３０重量％とする燃料電池（１）を運転する方法であって、前記方法には：
ａ）  前記アノード（２）側にメタノールを供給するステップ、及び
ｂ）電流を発生させる反応を起こすように、酸素又は酸素の担体を、前記カソード側（３）に供給するステップを含むこと、を特徴とする方法。
【請求項２】
酸素の担体を、前記カソード側に供給すること、を特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記酸素の担体を、過酸化水素とし、好適には液状とすること、を特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記酸素の担体を空気とすること、を特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項５】
前記メタノールを水に溶解し、該メタノールの濃度を、５〜９５重量％、好適には２０〜８０重量％、及び更に好適には４０〜７０重量％とすること、を特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記過酸化水素を水に溶解し、該過酸化水素の濃度を、３〜１０重量％とすること、を特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項７】
前記反応により、二酸化炭素を発生させ、該二酸化炭素を貯蔵すること、を特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記方法には、前記プロセスを逆にすること、二酸化炭素を前記アノード（２）の側に供給すること、水を前記カソード（３）の側に供給すること、電流を印加すること、それにより、最終段階でメタノールを生成する反応を引き起こすこと、を更に含むことを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項９】
前記方法には、電力需要を示す変数をモニタすること、及び前記モニタした変数が所定値を超えると、前記プロセスを実行して発電すること、及び前記モニタした変数が所定値を超えなければ、前記プロセスを逆にすること、を更に含むことを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項１０】
前記プロセスで発生させた電気エネルギーを使用して、液体メタノールを温めて後、該メタノールを前記アノード側（２）に供給すること、を特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記プロセスを、長時間運転して、最大可能パワー出力の２０％未満のパワー出力を発生させ、それにより前記燃料電池（１）の温度を、所定レベル超で維持するようにすること、を特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
メタノールを燃料として使用するよう設計したＤＭＦＣ型燃料電池（１）であり、該燃料電池（１）には、アノード（２）及び該アノード反応用触媒を有するアノード側と、カソード（３）及び該カソード反応用触媒を有するカソード側と、前記アノード（２）を前記カソード（３）から分離する膜とを含む燃料電池（１）であって、前記アノード側に、前記燃料電池（１）には、５〜３０重量％のＴｅと４０重量％以上のＡｇを含む触媒を有すること、を特徴とする燃料電池（１）。
【請求項１３】
前記アノード（２）の側の前記触媒には、５〜２０重量％のＴｅを含むこと、を特徴とする請求項１２に記載の燃料電池（１）。
【請求項１４】
前記カソード（３）の側の前記触媒には、アントラキノン又はキノンを含むこと、を特徴とする請求項１２又は１３に記載の燃料電池（１）。
【請求項１５】
前記カソード（３）の側の前記触媒を、フェノール樹脂に組み込むこと、を特徴とする請求項１４に記載の燃料電池（１）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池を運転する方法、及びメタノールを燃料として使用するよう設計した燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来技術から、燃料電池がメタノールを燃料として使用できることが知られており、例えば、アレクサンドル・アッカル（Ａｌｅｘａｎｄｒｅ  Ｈａｃｑｕａｒｄ）氏が、ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｗｐｉ．ｅｄｕ／Ｐｕｂｓ／ＥＴＤ／Ａｖａｉｌａｂｌｅ／ｅｔｄ−０５０５０５−１５１５０１／ｕｎｒｅｓｔｒｉｃｔｅｄ／Ｈａｃｑｕｒａｒｄ．ｐｄｆ．で公表した、「インプルービング・アンド・アンダスタンディング・ダイレクトメタノール・フューエルセル（ＤＭＦＣ）・パフォーマンス（Ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ  ａｎｄ  Ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｉｎｇ  Ｄｉｒｅｃｃｔ  Ｍｅｔｈａｎｏｌ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  （ＤＭＦＣ）  Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）」、（ウースター工科大学に提出した修士論文）を参照されたい。メタノールを使用する燃料電池の効果として、燃料が液体であり、迅速に燃料補給が可能である点、メタノールは低コストで生産できる点、及び燃料電池を、多くのモバイル及び／又は携帯用機器用に設計できる点があると言える。その上、ＤＭＦＣ燃料電池は環境に良く、水と二酸化炭素だけを放出し、硫黄酸化物又は窒素酸化物も生成しない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明の目的は、改良したＤＭＦＣ燃料電池、及び費用対効果に優れ、コンパクト設計が可能なかかる燃料電池を運転する方法を、提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、アノードとカソードを有する燃料電池、特にＤＭＦＣ燃料電池を運転する方法に関する。本発明によれば、メタノール（メチルアルコール、ＣＨ３ＯＨ）を、アノード側に供給し、酸素又は酸素の担体を、電流を発生させる反応を起こすように、カソード側に供給する。本発明の重要な一態様によれば、アノードにはＴｅを含む触媒を有し、このアノード側の触媒には、好適には、５〜３０重量％のＴｅ、より好適には５〜２０重量％のＴｅを含む。
【０００５】
使用する燃料電池を、アノード側に、５〜３０％のＴｅ、好適には５〜２０％のＴｅ、及び４０％以上のＡｇを含む触媒を存在させる燃料電池とする。また、燃料電池のカソード側にも、触媒を存在させる。カソード側の触媒には、アントラキノン又はキノンを含んでもよい。本発明の実施例では、カソード側の触媒を、主に燃料電池を逆にする場合には、フェノール樹脂に組み込む。
【０００６】
膜により、カソード側からアノード側を分離する。
【０００７】
酸素をカソード側に純粋な形で供給してもよいが、酸素の担体を燃料電池に供給することによって酸素をプロセスに供給することも可能である。この担体を、通常の空気としてもよいが、好適には液状の過酸化水素を使用することが好ましいと考えられる。適当には、このプロセスでは、水に溶解した、濃度が３〜３０重量％の過酸化水素を使用してもよい。例えば、このプロセスでは、水に溶解した、濃度が５重量％の過酸化水素を使用してもよい。
【０００８】
メタノールを水に溶解してもよい。水に溶解したメタノールを使用する場合、メタノールの濃度を、５〜９５重量％、好適には２０〜８０重量％、更に好適には４０〜７０重量％とする。
【０００９】
このプロセスで発生させた電気エネルギーを使用して、液体メタノールを温めた後、該メタノールをアノード側に供給できる。そうするとメタノールを使用して、燃料電池を冷却することになる。メタノールを冷却液として使用すると、メタノールの温度は上昇する。このプロセスで使用したメタノールが、燃料電池に昇温して到達すると、それにより該プロセスが一層効率的になる。メタノールを冷却液として使用することで、結果的に、二重の利点があることになる。
【００１０】
このプロセスをスムーズ且つ効率的に運転するには、この温度を低くし過ぎるべきではない。これは、プロセスを低温から開始してしまうと、問題となる恐れがあるからである。こうした起こり得る問題に対処するために、このプロセスを、出力を抑えて運転して、単に燃料電池を最低温度に維持するようにしてもよい（このプロセスでは熱が発生することを、忘れてはならない）。例えば、このプロセスを長時間運転して、最大可能パワー出力の２０％未満のパワー出力を発生させ、それにより燃料電池の温度を、所定レベル超に維持するようにしてもよい。或いは、このプロセスを運転して、最大可能出力の１０％以下、又は恐らく５％以下のパワー出力を発生させることもできる。
【００１１】
燃料電池で起こる反応中に、二酸化炭素が発生する。基本的に、燃料電池で起こる反応について、メタノールが二酸化炭素、水、電流になるプロセス、又はＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋６Ｈ＋  ＋６ｅ−の観点から、説明できる。本発明の１実施例によれば、このようにして獲得した二酸化炭素を、後で、二酸化炭素を使用して、燃料電池のメタノールを生成する逆プロセス（ＣＯ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−→ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ）で、使用することができる。従って、かかる逆プロセスには、二酸化炭素をアノード側に供給すること、カソード側に水を供給すること、電流を印加すること、及びそれにより最終段階でメタノールを発生させる反応を引き起こすこと、を含んでもよい。かかる逆プロセスを、エネルギーの供給が一定でないような発電機と関連させて、使用できる。これを、例えば、通常、風がいつ、どの程度吹くかを予測不可能な風力発電機に対する場合としてもよい。風が吹いていて、その時点で必要以上の電力を発電したときに、この逆プロセスを使用してメタノールを製造して、例えばタンクに貯蔵することができる。貯蔵したメタノールを後に使用して、風からのエネルギーを利用できない場合に、燃料電池で発電してもよい。
【００１２】
更に本方法には、電力需要を示す変数をモニタすること、及びモニタした変数が所定値を超えると、このプロセスを実行して発電すること、及びモニタした変数が所定値を下回った場合に、このプロセスを逆にすること、を含む。それを上回るとこのプロセスを実行して発電させる所定値を、該プロセスを逆にするか否かを決定するのに使用するのと同じ値にしてもよい。そのような場合、このプロセスを使用して、モニタした変数が所定値を超えると、発電させ、モニタした値が所定値を超えなければ、このプロセスを逆にする。別の方法として、第１所定値を使用して、プロセスを実行して発電するかを決定でき、第２所定値を使用して、プロセスを逆転させて、メタノールを生成するかを決定できる。モニタした値が、第１所定値と第２所定値との間にあれば、電気もメタノールも生成しない。時間と共に、電力需要は変化する。例えば、電力需要は、夜間は低く、日中は高いことが多い。寒冷気候の国々では、電力需要は、大抵、冬に高く、夏に若干低い。温暖な気候の国々では、エアコンを作動させるために、夏には多くの電力が必要となる一方で、冬には、電力需要は低くなるかもしれない。本発明のプロセスを、２つの異なる方向に実行できる。一方向では、本プロセスを使用して、発電できる。逆方向では、電気を使用して、メタノールを生産する。電力需要が低く、電力、例えば、風力発電機からの電力が利用可能な時期には、有利には、プロセスを逆に実行して、メタノールを生産してもよい。このように、電気エネルギーを、メタノールの形で貯蔵できる。電力需要を決定するために、様々な方法を使用してもよい。例えば、本発明を限定領域で適用した場合、電力需要を、人間オペレータの判断又は計量装置で決定することも可能である。大規模には、電力需要を決定する簡単な方法として、電力価格をモニタしてもよい。電力価格が高いと、電力需要が高いことを示している。逆に、電力価格が低くければ、電力需要が低いことを示している。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】燃料電池を運転して発電する本発明による燃料電池の略図である。
【図２】図１の燃料電池と同様な燃料電池の略図であるが、該燃料電池では、プロセスを逆方向に実行して、メタノールを生産している。
【図３】如何にして燃料電池を、発電機、例えば風力発電機に接続してもよいかについての略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１を参照すると、本発明の方法では、該図で図式的に示した燃料電池１を利用する。燃料電池１には、アノード２及びカソード３を有する。アノード２をカソード３から、電解質として機能し、高分子材料製としてもよい膜４で、分離する。アノード２には、Ｔｅ（テルル）を含む触媒を有する。好適には、アノードに存在させる単独又は複数の触媒物質中、Ｔｅを、該触媒物資の５〜３０重量％、又は５〜２０重量％とする。また、他の触媒物質、例えばＡｇ（銀）も、存在させてもよい。銀で、４０重量％以上を構成してもよい。図では、４つの開口部９、１０、１１、１２を図式的に示す。これらの開口部から、流体を燃料電池１に流入又は流出させてもよい。アノード側の他の触媒物質としては、スズ（Ｓｎ）、金（Ａｕ）、チタニウム（Ｔｉ）、二酸化チタン、バナジウム（Ｖ）、及びタングステン（Ｗ）を挙げることができる。
【００１５】
タンク６により、導管５及び開口部９を通して燃料電池のアノード側に供給する流体を、保持してもよい。また、タンク６により、燃料電池１から開口部９を介して出た流体を、受容してもよい。
【００１６】
タンク８で、開口部１０からの流体を保持（又は受容）してもよい。
【００１７】
また、触媒（或いは、場合によっては複数の異なる触媒物質）をカソード３にも存在させる。カソード３側の触媒には、アントラキノン又はキノンを含んでもよく、該触媒をフェノール樹脂に組み込んでもよい。
【００１８】
当然ながら、上記触媒を、膜４の表面に配置してもよい。
【００１９】
燃料電池１を使用して発電する際に、メタノール（メチルアルコール）を、開口部９からアノード２側に供給する。同時に、酸素又は酸素の担体を、開口部１１からカソード側３に供給する。その結果、回路１３を介して電流を発生させる反応が起こる。酸素の担体を、好適には過酸化水素とし、好適には液状とする。場合によっては、空気も、酸素の担体として用いることができるが、過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）が好ましい。アノード側における副産物として、二酸化炭素（ＣＯ２）が発生するが、該二酸化炭素は開口部１０から出て、二酸化炭素用貯蔵タンク８に（任意に）貯蔵してもよい。カソード側における副産物として、水（Ｈ２Ｏ）が発生するが、該水は開口部１２を介して燃料電池１から出る。
【００２０】
アノード側に供給するメタノールを、水に溶解してもよい。メタノールの濃度を、５〜９５重量％、好適には２０〜８０重量％、更に好適には４０〜７０重量％としてもよい。例えば、メタノールの濃度を、６４重量％としてもよい。過酸化水素をカソード側に使用した場合、過酸化水素を水に溶解してもよい。適当には、過酸化水素を水に溶解して、その濃度を３〜１０重量％にしてもよい。
【００２１】
図１に示すように、メタノールをアノード２に、燃料電池１の少なくとも一部分を周回する導管５を通して供給してもよい。流体（例えば、メタノール）が導管５を通り流れると、この導管５の流体により、従って、燃料電池１を、燃料電池で行われるプロセスで発生した熱エネルギーを吸収することによって、冷却できる。これは、アノードに達して反応を行うメタノールを温め、それによりプロセスを一層効率化するという、更なる利点を齎す。
【００２２】
図１で示したプロセスを長時間運転して、最大可能パワー出力の２０％未満のパワー出力を発生させ、それにより燃料電池１の温度を、所定レベル超に維持するようにしてもよい。
【００２３】
図２を参照すると、本方法には、プロセスを逆にすること、二酸化炭素をアノード２側に供給すること、カソード３側に水を供給すること、電流を印加すること、及びそれにより最終段階でメタノールを発生させる反応を引き起こすこと、を更に含んでもよい。図２で図式的に示したように、二酸化炭素を燃料電池１に（場合によってはタンク８から）開口部１０を介して供給し、電流を回路１３を介してこのプロセスに印加する。このプロセスの生成物として、メタノールが生成される。図２では、如何にしてメタノールが、開口部９を介して燃料電池１から出るかについて図式的に示している。かかる逆プロセスで生成したメタノールを、タンク６に貯蔵して、後に再度発電するために使用してもよい。注目すべきは、図２によるプロセスでは、電気エネルギーを消費し、発生しないことである。
【００２４】
図２のプロセスに必要な電気を、任意の外部電源から受電してもよい。図３を参照すると、如何にして電気を風力発電機７から受電できるかを示している。
【００２５】
電力需要が高い期間には、燃料電池１を使用して、発電してもよい。電力需要が低いときには、燃料電池を使用して、メタノールを生産してもよく、このメタノールを後に使用して、電力需要が高いときに、発電できる。例えば、電力需要を、電力価格の変動をモニタすることにより、モニタしてもよい。これを、例えば、コンピュータ１４（或いは、制御又はモニタ装置）で行い、該コンピュータにより燃料電池１を制御して、燃料電池１を運転して発電するのか、或いはメタノールを生産するのかを、決定してもよい。
【００２６】
従来技術のメタノール用燃料電池では、（メタノールを供給する）アノード側で使用する触媒には、一般的にはプラチナ（Ｐｔ）を含む。プラチナは、燃料電池の一般的な適当な触媒である。メタノールに関連する反応では、Ｐｔを触媒として、Ａｇと共に使用できる。メタノールを生産するプロセスでは、メタノールが消費するプロセスでのＰｔ量より多量のＰｔを使用するのが、望ましいかもしれない。その理由は、ＣＯ２を還元するのに、多量のＰｔが必要である可能性があるためである。残念ながら、プラチナは高価であり、低価格で燃料電池を製造するのを困難にしている。今では、ＴｅがＰｔと同様に（或いはＰｔと略同様に）燃料電池において機能することが、分かっている。現在、Ｔｅの価格は、Ｔｅを使用して、Ｐｔを使用する燃料電池より安価な燃料電池を製造できる程度である。従って、燃料電池でテルルを使用する結果、燃料電池をより安くでき、電力もより安くできる。その上、メタノールを燃料として使用する燃料電池プロセスでは、一酸化炭素が、そのプロセスの副産物の１つとなることが分かった。一酸化炭素は、プラチナ触媒を破壊する傾向がある。また、プラチナと共に、一酸化炭素は、プラチナに有害な混合物を形成する可能性もある。テルルは、一酸化炭素への抵抗性が高いことが分かっている。従って、Ｔｅを使用する結果、燃料電池１の耐用年数を長くできる。
【００２７】
注目すべきは、触媒にＴｅを使用するが、若干量のプラチナを依然として触媒に使用してもよい可能性を、排除するものではない。
【００２８】
考えられる１実施例では、触媒には、６０重量％のＡｇ、１５重量％のＴｅ、１０重量％のＡｕ、１０重量％のＳｂ、及び５重量％のＰｔを含んでもよい。触媒には、例えば、カーボンブラックの担体を有してもよい。燃料電池をメタノールを製造するために使用した場合、Ｐｔの量を多くしてもよいが、Ｐｔの量は、触媒の２０重量％を超えるべきではない。燃料電池を、メタノールを生産するよう運転した場合、Ｐｔの量を、例えば触媒の６〜２０重量％、８〜２０重量％、１０〜２０重量％としてもよい。例えば、Ｐｔの量を、触媒の約１５重量％としてもよい。
【００２９】
液状の燃料を使用した場合、それにより一層容易に、過熱に関する問題を回避できる。このため、液体燃料の使用が好ましい。また、液体燃料であれば、燃料用導管を縮径できるが、これは同じ質量でも、ガス状の等価質量より占領する空間が小さいためである。
【００３０】
過酸化水素を使用することで、多量の酸素をコンパクトに供給できるという利点を齎す。つまり、より少ない容量で済む。
【符号の説明】
【００３１】
１            燃料電池
２            アノード
３            カソード
４            膜
５            導管
６            タンク
７            風力発電機
８            タンク
９、            開口部
１０            開口部
１１            開口部
１２            開口部
１３            回路
１４            コンピュータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
2010506359.tif 000006
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2010506359.tif 000008
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