JP3514462B2 - 生物燃料を動力とする燃料電池で電気エネルギーを産生する方法 - Google Patents
生物燃料を動力とする燃料電池で電気エネルギーを産生する方法Info
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Description
【発明の詳細な説明】
本発明は生物燃料を動力とする燃料電池で電気エネル
ギーを産生する方法に関する。
ギーを産生する方法に関する。
従来の技術
今までのところ、燃料の化学的エネルギー（燃焼熱）
を電気エネルギーに変換する最も効率的な方法は、この
変換を燃料電池で遂行する場合であることが証明されて
いる。燃料電池には幾つかのタイプのものが知られてい
る。これらの異なる燃料電池を本質的に区別するもの
は、燃料電池において電流移動の原因となる電解質、更
には使用される燃料である。電解質は、例えば濃アルカ
リ又は濃H3PO4であることができる。従来の燃料電池で
は、燃料は電池の陰極で消費され、それによって酸化生
成物（燃焼生成物）が形成され、そして電子はカソード
に移動せしめられる。燃焼に必要な酸化剤−これはほと
んどの場合空気又は純酸素であるが−は、その酸素分子
が水、又は水素イオン若しくは水酸イオンのような水の
成分に還元されるように電池の陽極で転化され、電子は
アノードから酸化剤へと移動せしめられる。
を電気エネルギーに変換する最も効率的な方法は、この
変換を燃料電池で遂行する場合であることが証明されて
いる。燃料電池には幾つかのタイプのものが知られてい
る。これらの異なる燃料電池を本質的に区別するもの
は、燃料電池において電流移動の原因となる電解質、更
には使用される燃料である。電解質は、例えば濃アルカ
リ又は濃H3PO4であることができる。従来の燃料電池で
は、燃料は電池の陰極で消費され、それによって酸化生
成物（燃焼生成物）が形成され、そして電子はカソード
に移動せしめられる。燃焼に必要な酸化剤−これはほと
んどの場合空気又は純酸素であるが−は、その酸素分子
が水、又は水素イオン若しくは水酸イオンのような水の
成分に還元されるように電池の陽極で転化され、電子は
アノードから酸化剤へと移動せしめられる。
これら燃料電池の利点は、燃焼を低温で行うことがで
きることと、有効自由エネルギー変化［ギブス（Gibb
s）の自由エネルギー］が、理論的な場合は、直接電気
エネルギーに変換され、それによって、温度差が利用さ
れるプロセス、例えばカルノー（Carnot）の熱機関で生
ずる電力損失が防がれることである。
きることと、有効自由エネルギー変化［ギブス（Gibb
s）の自由エネルギー］が、理論的な場合は、直接電気
エネルギーに変換され、それによって、温度差が利用さ
れるプロセス、例えばカルノー（Carnot）の熱機関で生
ずる電力損失が防がれることである。
燃料電池の燃料に関し、これまで水素以外に使用され
た燃料は実際上全く無かった。一酸化炭素又はメタノー
ルのような燃料も多分使用できるだろうが、それらはま
だ満足できる様式で機能することは見いだされていな
い。メタノールは水素ガスを燃料として用いる場合と同
じ欠点を伴う。即ち、水素ガスを燃料として用いるとき
は、相当の量の二酸化炭素が形成される。水素ガスは、
今日、天然ガスからほとんど専ら製造されるが、この方
法で形成される二酸化炭素は所謂温室効果を促進する。
た燃料は実際上全く無かった。一酸化炭素又はメタノー
ルのような燃料も多分使用できるだろうが、それらはま
だ満足できる様式で機能することは見いだされていな
い。メタノールは水素ガスを燃料として用いる場合と同
じ欠点を伴う。即ち、水素ガスを燃料として用いるとき
は、相当の量の二酸化炭素が形成される。水素ガスは、
今日、天然ガスからほとんど専ら製造されるが、この方
法で形成される二酸化炭素は所謂温室効果を促進する。
生物燃料（biofuel）のエネルギー含量を利用する従
来の技術は、例えば、生物燃料を例えば木材の形で直接
燃焼させ、そしてその温度上昇、即ち放出熱を利用する
ことから成るものであった。更に、生物燃料をガス化
し、それによって水素ガスと一酸化炭素との混合物を得
るものもあった。この混合物は、次に、適当な装置で直
接燃焼させることもできるし、或いはメタノール、メタ
ン、パラフィンオイル又は他の炭素質燃料を形成するた
めに適当な触媒の作用下で化学的に化合させることもで
きる。更にまた、生物燃料又はその一部を、適当な反応
で、発酵可能な糖に転化することもできる。この糖は、
続いて、エタノールに発酵される。このエタノールは、
次いで、例えば内燃機関において、単独で又はペトロー
ルと混合して使用することができる。
来の技術は、例えば、生物燃料を例えば木材の形で直接
燃焼させ、そしてその温度上昇、即ち放出熱を利用する
ことから成るものであった。更に、生物燃料をガス化
し、それによって水素ガスと一酸化炭素との混合物を得
るものもあった。この混合物は、次に、適当な装置で直
接燃焼させることもできるし、或いはメタノール、メタ
ン、パラフィンオイル又は他の炭素質燃料を形成するた
めに適当な触媒の作用下で化学的に化合させることもで
きる。更にまた、生物燃料又はその一部を、適当な反応
で、発酵可能な糖に転化することもできる。この糖は、
続いて、エタノールに発酵される。このエタノールは、
次いで、例えば内燃機関において、単独で又はペトロー
ルと混合して使用することができる。
電気化学セルにおいて硫酸バナジウム又は他のバナジ
ウム化合物を使用することは従来から知られている［M.
スカイラス−カザコス（M.Skyllas−Kazacos）及びF.グ
ロススミス（F.Grossmith）のJ.Electrochem.Soc.、134
（1987）、2950;M.スカイラス−カザコス、M.ライチッ
ク（M.Rychick）及びR.ロビンズ（R.Robins）の米国特
許第4,786,567号、188明細書;B.サン（B.Sun）及びM.ス
カイラス−カザコスのElectrochem.Acta、36（1991）、
513;及びM.カザコス（M.Kazacos）、M.チェン（M.Chen
g）及びM.スカイラス−カザコスのJ.Appl.Electrochem.
12（1982）、87を参照されたい］。この場合、それには
充電可能な蓄電池が含まれるが、それはスカイラス−カ
ザコス等によって開発されたものである。バナジウム系
燃料電池を考慮に入れる場合、また使用燃料が水素ガス
である場合は、クマー（Kummer）及びオエイ（Oei）に
よって開発された化学的に充電可能な電池を参照するこ
とができる（J.T.クマー及びD.G.オエイのJ.Appl.Elect
rochem.、15（1985）、619;及びJ.T.クマー及びD.G.オ
エイのJ.Appl.Electrochem.、12（1982）、87を参照さ
れたい）。
ウム化合物を使用することは従来から知られている［M.
スカイラス−カザコス（M.Skyllas−Kazacos）及びF.グ
ロススミス（F.Grossmith）のJ.Electrochem.Soc.、134
（1987）、2950;M.スカイラス−カザコス、M.ライチッ
ク（M.Rychick）及びR.ロビンズ（R.Robins）の米国特
許第4,786,567号、188明細書;B.サン（B.Sun）及びM.ス
カイラス−カザコスのElectrochem.Acta、36（1991）、
513;及びM.カザコス（M.Kazacos）、M.チェン（M.Chen
g）及びM.スカイラス−カザコスのJ.Appl.Electrochem.
12（1982）、87を参照されたい］。この場合、それには
充電可能な蓄電池が含まれるが、それはスカイラス−カ
ザコス等によって開発されたものである。バナジウム系
燃料電池を考慮に入れる場合、また使用燃料が水素ガス
である場合は、クマー（Kummer）及びオエイ（Oei）に
よって開発された化学的に充電可能な電池を参照するこ
とができる（J.T.クマー及びD.G.オエイのJ.Appl.Elect
rochem.、15（1985）、619;及びJ.T.クマー及びD.G.オ
エイのJ.Appl.Electrochem.、12（1982）、87を参照さ
れたい）。
燃料電池において燃料としてグルコースを使用するこ
とも公知である［J.R.ラオ（J.R.Rao）、G.J.リフター
（G.J.Richter）、F.フォン・スターム（F.von Sturm）
及びE.ワイドリッヒ（E.Weidkich）のBioelectrochem.B
ioenerg.、３（1976）、139を参照されたい］。これら
の燃料電池はペースメーカーを駆動するために人体に埋
め込めるようになっている。しかし、グルコースはグル
コン酸にしか酸化されず、グルコースの還元能の内の極
くわずかが利用されるだけである。多価アルコール［W.
ハートル（W.Hartl）及びH.H.ウィートール（H.H.Weeta
ll）のBioelectrochem.Bioenerg.、14（1985）、357;並
びにW.ハートル及びR.G.シェッフラー（R.G.Schaeffle
r）の、1986年３月25日発行の米国特許第4,578,323号明
細書を参照されたい］、又は炭水化物（W.ハートル及び
H.H.ウィートールのBioelectrochem.Bioenerg.、14（19
85）、367;並びにW.ハートル及びR.G.シェッフラーの、
1986年３月25日発行の米国特許第4,578,323号明細書を
参照されたい）が、例えば触媒としてのアントラキノン
と共に使用されている燃料電池も公知であるが、これら
電池は電流を産生するために照明を必要とする。
とも公知である［J.R.ラオ（J.R.Rao）、G.J.リフター
（G.J.Richter）、F.フォン・スターム（F.von Sturm）
及びE.ワイドリッヒ（E.Weidkich）のBioelectrochem.B
ioenerg.、３（1976）、139を参照されたい］。これら
の燃料電池はペースメーカーを駆動するために人体に埋
め込めるようになっている。しかし、グルコースはグル
コン酸にしか酸化されず、グルコースの還元能の内の極
くわずかが利用されるだけである。多価アルコール［W.
ハートル（W.Hartl）及びH.H.ウィートール（H.H.Weeta
ll）のBioelectrochem.Bioenerg.、14（1985）、357;並
びにW.ハートル及びR.G.シェッフラー（R.G.Schaeffle
r）の、1986年３月25日発行の米国特許第4,578,323号明
細書を参照されたい］、又は炭水化物（W.ハートル及び
H.H.ウィートールのBioelectrochem.Bioenerg.、14（19
85）、367;並びにW.ハートル及びR.G.シェッフラーの、
1986年３月25日発行の米国特許第4,578,323号明細書を
参照されたい）が、例えば触媒としてのアントラキノン
と共に使用されている燃料電池も公知であるが、これら
電池は電流を産生するために照明を必要とする。
更に、酸化／還元（redox）バッテリーから、例えばT
i/Fe［DOE/NASDA/12 726−24;NASA TM−83677;N.H.ハ
ーゲドーン（N.H.Hagedorn）の“NASA酸化／還元貯蔵シ
ステム開発プロジェクト（NASA Redox Storage System
Developement Project）”、1984年10月号;ERDA/NASA10
22/77/10:NASA TM−Ｘ−73669;M.A.レイド（M.A.Reid）
及びR.F.ガーン（R.F.Gahn）の“ある種の鉄／チタン系
酸化／還元フロー電池の開路電圧、及びその電極の動力
学に影響を及ぼす因子（Factors Affecting the Open−
Circuit Voltage and Electrode Kinetics of Some Iro
n/Titanium Redox Flow Cells）”、1987年；並びにC.
C.リウ（C.C.Liu）、R.T.ガラスコ（R.T.Galasco）及び
R.F.サビネリ（R.F.Savinelli）のJ.Electrochem.So
c.、126（1979）、357;128（1981）、1755;129（198
2）、2502を参照されたい］、又はバナジウム（Ｖ）／
バナジウム（II）（M.スカイラス−カザコス及びF.グロ
ススミスのJ.Electrochem.Soc.、134（1987）、2950を
参照されたい）により電気を産生する従来法も存在する
が、これら全ての系で、再充電には電気が使用され、化
学反応は使用されない。
i/Fe［DOE/NASDA/12 726−24;NASA TM−83677;N.H.ハ
ーゲドーン（N.H.Hagedorn）の“NASA酸化／還元貯蔵シ
ステム開発プロジェクト（NASA Redox Storage System
Developement Project）”、1984年10月号;ERDA/NASA10
22/77/10:NASA TM−Ｘ−73669;M.A.レイド（M.A.Reid）
及びR.F.ガーン（R.F.Gahn）の“ある種の鉄／チタン系
酸化／還元フロー電池の開路電圧、及びその電極の動力
学に影響を及ぼす因子（Factors Affecting the Open−
Circuit Voltage and Electrode Kinetics of Some Iro
n/Titanium Redox Flow Cells）”、1987年；並びにC.
C.リウ（C.C.Liu）、R.T.ガラスコ（R.T.Galasco）及び
R.F.サビネリ（R.F.Savinelli）のJ.Electrochem.So
c.、126（1979）、357;128（1981）、1755;129（198
2）、2502を参照されたい］、又はバナジウム（Ｖ）／
バナジウム（II）（M.スカイラス−カザコス及びF.グロ
ススミスのJ.Electrochem.Soc.、134（1987）、2950を
参照されたい）により電気を産生する従来法も存在する
が、これら全ての系で、再充電には電気が使用され、化
学反応は使用されない。
発明の背景
しかして、燃料電池で電気エネルギーを産生するため
に、燃料としての炭水化物を電解質溶液中のバナジウム
と組み合わせて使用することは従来知られていない。上
記刊行物にこの組み合わせの使用を説明し、指摘してい
るものは１つもない。
に、燃料としての炭水化物を電解質溶液中のバナジウム
と組み合わせて使用することは従来知られていない。上
記刊行物にこの組み合わせの使用を説明し、指摘してい
るものは１つもない。
代替燃料、例えば車輛用エンジンのための代替燃料を
含めて、電気エネルギーを産生するための代替法を見い
だすことが全世界で熱望されていることである。手に入
る限りのウランも含めて、地球の化石燃料は、遅かれ早
かれ、枯渇するだろうが、このことは、生物燃料、即ち
発酵可能な生物材料に基づく燃料の使用が最も興味ある
ものになるだろうことを意味する。更に、とりわけ大気
に排出される大量の二酸化炭素のために起こる所謂温室
効果の軽減も目標とされている。
含めて、電気エネルギーを産生するための代替法を見い
だすことが全世界で熱望されていることである。手に入
る限りのウランも含めて、地球の化石燃料は、遅かれ早
かれ、枯渇するだろうが、このことは、生物燃料、即ち
発酵可能な生物材料に基づく燃料の使用が最も興味ある
ものになるだろうことを意味する。更に、とりわけ大気
に排出される大量の二酸化炭素のために起こる所謂温室
効果の軽減も目標とされている。
発明の目的
本発明の目的は、環境上許容でき、容易に入手でき、
しかも安全な燃料を用いることにより、燃料電池で高効
率の電気エネルギーを産生する方法を提供することであ
る。
しかも安全な燃料を用いることにより、燃料電池で高効
率の電気エネルギーを産生する方法を提供することであ
る。
この目的は、添付請求の範囲で発明の導入として言及
され、そして同請求の範囲の特徴部分に記載される特徴
を有するタイプの方法によって達成される。
され、そして同請求の範囲の特徴部分に記載される特徴
を有するタイプの方法によって達成される。
発明の概要
本発明によれば、生物燃料を動力とする燃料電池で電
気エネルギーを産生する方法にして、燃料を燃料電池の
陰極区画室（Compartment）の中の第一反応器１に供給
し、 その中で燃料を、その燃料を二酸化炭素に完全酸化
し、そして金属を還元するために、第一触媒２の作用下
で第一酸金属塩溶液と反応させ； 形成されたCO2を第一反応器１から排出し； 還元された金属の第一酸塩溶液を、その金属を酸化す
るために、電気化学セル14の中のアノード９に送り； 第一酸金属塩溶液を続いて反応器１に再循環させ； 酸化剤を燃料電池の陽極区画室の中の第二反応器17に
供給し、その中でその酸化剤を、第二酸金属塩溶液中の
金属を酸化するために、第二触媒18の作用下でその第二
酸金属塩溶液と反応させ； 形成された残留生成物を反応器17から排出し； 第二酸金属塩溶液を続いて、金属を還元するために、
電気化学セル14の中のカソード11に送り； 第二酸金属塩溶液を続いて第二反応器17に再循環さ
せ； ここで、電気化学セル14のアノード９とカソード11は
水素イオン透過性の膜13で分離されているだけであっ
て、カソード11からの水素イオンは、電気エネルギーを
産生するために、その膜13を通ってアノード９に移動せ
しめられる； 上記の電気エネルギーの産生方法において、 前記第一酸金属塩溶液中の金属は−0.1〜0.7Vの標準
電位（normal potential）を有する酸化／還元対を形成
し、また前記第二酸金属塩溶液中の金属は0.7〜1.3Vの
標準電位を有する酸化／還元対を形成し、ここで両金属
は、好ましくはバナジウム（IV）／（III）なる酸化／
還元対とバナジウム（Ｖ）／（IV）なる酸化／還元対を
それぞれ形成するバナジウムであり； 炭水化物が燃料として前記第一反応器１に供給され；
そして 前記第一反応器１における反応は第一触媒２としての
白金又はルテニウムの存在下で行われる； ことを特徴とする、上記の電気エネルギーの産生方法が
提供される。
気エネルギーを産生する方法にして、燃料を燃料電池の
陰極区画室（Compartment）の中の第一反応器１に供給
し、 その中で燃料を、その燃料を二酸化炭素に完全酸化
し、そして金属を還元するために、第一触媒２の作用下
で第一酸金属塩溶液と反応させ； 形成されたCO2を第一反応器１から排出し； 還元された金属の第一酸塩溶液を、その金属を酸化す
るために、電気化学セル14の中のアノード９に送り； 第一酸金属塩溶液を続いて反応器１に再循環させ； 酸化剤を燃料電池の陽極区画室の中の第二反応器17に
供給し、その中でその酸化剤を、第二酸金属塩溶液中の
金属を酸化するために、第二触媒18の作用下でその第二
酸金属塩溶液と反応させ； 形成された残留生成物を反応器17から排出し； 第二酸金属塩溶液を続いて、金属を還元するために、
電気化学セル14の中のカソード11に送り； 第二酸金属塩溶液を続いて第二反応器17に再循環さ
せ； ここで、電気化学セル14のアノード９とカソード11は
水素イオン透過性の膜13で分離されているだけであっ
て、カソード11からの水素イオンは、電気エネルギーを
産生するために、その膜13を通ってアノード９に移動せ
しめられる； 上記の電気エネルギーの産生方法において、 前記第一酸金属塩溶液中の金属は−0.1〜0.7Vの標準
電位（normal potential）を有する酸化／還元対を形成
し、また前記第二酸金属塩溶液中の金属は0.7〜1.3Vの
標準電位を有する酸化／還元対を形成し、ここで両金属
は、好ましくはバナジウム（IV）／（III）なる酸化／
還元対とバナジウム（Ｖ）／（IV）なる酸化／還元対を
それぞれ形成するバナジウムであり； 炭水化物が燃料として前記第一反応器１に供給され；
そして 前記第一反応器１における反応は第一触媒２としての
白金又はルテニウムの存在下で行われる； ことを特徴とする、上記の電気エネルギーの産生方法が
提供される。
本発明によれば、炭水化物、更に具体的には糖のエネ
ルギー含量は、グルコースが燃料として用いられる従来
の燃料電池で可能であったよりもはるかに高い程度まで
利用される。特に、この燃料電池の電解質溶液中ではバ
ナジウムが使用されているので、明確に一層高い効率が
達成される。エタノールを製造するための原料として糖
を使用し、次いでそのエタノールを内燃機関で使用する
方法と比較すると、本発明の方法は、より高度の効率が
達成されるから、好ましいに相違ない。これは、一方で
は、熱機関に比例して、燃料電池の理論効率がより高い
ことに、他方では、−電気自動車を推進するとき−モー
ターの効率がより高いことに依存する。炭水化物のよう
な生物燃料を使用することの利点は、その供給が一般に
豊富であること、及びそれら燃料は環境上比較的受け入
れやすく、かつ燃料として毒性が全くないことである。
その上、エタノールに発酵できない糖も使用できる。本
発明によれば、炭水化物の完全燃焼で二酸化炭素が生成
するけれども、その生成量は炭水化物を再生するのに本
来必要とされる量とほぼ同程度の多さである。スエーデ
ンの農業政策の観点から言うと、本発明は、発達した農
業を何世紀にも維持し、そして我々全てが認めるタイプ
の自然の景観を守ることに通じるものであるので、大き
な利点を提供する。
ルギー含量は、グルコースが燃料として用いられる従来
の燃料電池で可能であったよりもはるかに高い程度まで
利用される。特に、この燃料電池の電解質溶液中ではバ
ナジウムが使用されているので、明確に一層高い効率が
達成される。エタノールを製造するための原料として糖
を使用し、次いでそのエタノールを内燃機関で使用する
方法と比較すると、本発明の方法は、より高度の効率が
達成されるから、好ましいに相違ない。これは、一方で
は、熱機関に比例して、燃料電池の理論効率がより高い
ことに、他方では、−電気自動車を推進するとき−モー
ターの効率がより高いことに依存する。炭水化物のよう
な生物燃料を使用することの利点は、その供給が一般に
豊富であること、及びそれら燃料は環境上比較的受け入
れやすく、かつ燃料として毒性が全くないことである。
その上、エタノールに発酵できない糖も使用できる。本
発明によれば、炭水化物の完全燃焼で二酸化炭素が生成
するけれども、その生成量は炭水化物を再生するのに本
来必要とされる量とほぼ同程度の多さである。スエーデ
ンの農業政策の観点から言うと、本発明は、発達した農
業を何世紀にも維持し、そして我々全てが認めるタイプ
の自然の景観を守ることに通じるものであるので、大き
な利点を提供する。
本発明に使用されるバッテリーで発生する電圧はD.C.
電圧である。これは電気化学工業、例えば塩素／アルカ
リの製造についての適用範囲を切り開くものである。こ
のような関係から、変換と整流による電力損失が防止さ
れるのである。この燃料は電気化学工業に特定の場所で
供給することができ、そこで電力に変換される。
電圧である。これは電気化学工業、例えば塩素／アルカ
リの製造についての適用範囲を切り開くものである。こ
のような関係から、変換と整流による電力損失が防止さ
れるのである。この燃料は電気化学工業に特定の場所で
供給することができ、そこで電力に変換される。
図面の説明
本発明を、ここで、J.K.クマー及びD.G.オエイによっ
てJ.Appl.Electrochem.12（1982）、87及び15（198
5）、619でそれぞれ説明されている燃料電池に本質的に
相当する添付図面を参照して、更に詳しく説明する。
てJ.Appl.Electrochem.12（1982）、87及び15（198
5）、619でそれぞれ説明されている燃料電池に本質的に
相当する添付図面を参照して、更に詳しく説明する。
図面は電気エネルギーを産生するための燃料電池に係
る。単純にする目的から、この燃料電池は２つの区画室
に分けられていると見なすことができる。燃料電池の陰
極と同じ区画室の中に、即ち図面の右に触媒２が入って
いる第一反応器１がある。燃料を供給するための燃料用
導管３が反応器１まで延びている。所望とされない何ら
かの反応生成物を排出するための出口ダクト４が反応器
１から延び、また電解質溶液を運ぶためのダクト５が第
一容器６まで延びている。電解質溶液はこれを容器６か
らポンプ７により導管８を通って電気化学セル14の陰極
まで運ぶことができる。電気化学セル14は膜13により２
つの区画室に分けられている。第一セル区画室10はアノ
ード９を保持し、また第二セル区画室12はカソード11を
保持している。この２つのセル区画室10及び12、よって
またアノード９とカソード11とは、従って、膜13で分離
されている。第一セル区画室10から、電解質溶液を第一
反応器１に戻すための導管15が延びている。燃料電池の
陽極と同じ半分に配置されている第二セル区画室12か
ら、電解質溶液を第二触媒18が入っている第二反応器17
に戻すための導管16が延びている。第二反応器17から、
出口ダクト19と電解質溶液を容器21に運ぶためのダクト
20が延びている。第二反応器17には酸素を供給するため
の入口ダクト24が延びている。電解質溶液はポンプ22に
よってダクト23を経由して第二セル区画室12に戻すこと
ができる。燃料電池は、かくして、各半分に１つずつあ
る、２つの循環用電解質溶液が電気化学セル14において
膜13で単に分離されている２つの別個の循環系を含んで
いる。
る。単純にする目的から、この燃料電池は２つの区画室
に分けられていると見なすことができる。燃料電池の陰
極と同じ区画室の中に、即ち図面の右に触媒２が入って
いる第一反応器１がある。燃料を供給するための燃料用
導管３が反応器１まで延びている。所望とされない何ら
かの反応生成物を排出するための出口ダクト４が反応器
１から延び、また電解質溶液を運ぶためのダクト５が第
一容器６まで延びている。電解質溶液はこれを容器６か
らポンプ７により導管８を通って電気化学セル14の陰極
まで運ぶことができる。電気化学セル14は膜13により２
つの区画室に分けられている。第一セル区画室10はアノ
ード９を保持し、また第二セル区画室12はカソード11を
保持している。この２つのセル区画室10及び12、よって
またアノード９とカソード11とは、従って、膜13で分離
されている。第一セル区画室10から、電解質溶液を第一
反応器１に戻すための導管15が延びている。燃料電池の
陽極と同じ半分に配置されている第二セル区画室12か
ら、電解質溶液を第二触媒18が入っている第二反応器17
に戻すための導管16が延びている。第二反応器17から、
出口ダクト19と電解質溶液を容器21に運ぶためのダクト
20が延びている。第二反応器17には酸素を供給するため
の入口ダクト24が延びている。電解質溶液はポンプ22に
よってダクト23を経由して第二セル区画室12に戻すこと
ができる。燃料電池は、かくして、各半分に１つずつあ
る、２つの循環用電解質溶液が電気化学セル14において
膜13で単に分離されている２つの別個の循環系を含んで
いる。
実施態様の説明
生物燃料として使用される炭水化物はグルコース、フ
ラクトースのような単糖類、マルトース、サッカロース
（蔗糖、甜菜糖）のような二糖類並びにキシロース及び
アラビノースのようなペントース類から成ることができ
る。炭水化物は、また、単糖類、例えばセルロース、澱
粉及びアミロースに加水分解することができる多糖類か
ら成ることもできる。また、糖密類又はその加水分解生
成物も包含される。一般的な糖、即ち式C12H22O11を有
するサッカロース、式C6H12O6を有するグルコース及び
式C5H10O5を有するキシロースを使用するのが好まし
い。また、ここでは名前を挙げないが、他の単糖類、少
糖類、及び多糖類の加水分解生成物も炭水化物なる用語
の中に包含される。
ラクトースのような単糖類、マルトース、サッカロース
（蔗糖、甜菜糖）のような二糖類並びにキシロース及び
アラビノースのようなペントース類から成ることができ
る。炭水化物は、また、単糖類、例えばセルロース、澱
粉及びアミロースに加水分解することができる多糖類か
ら成ることもできる。また、糖密類又はその加水分解生
成物も包含される。一般的な糖、即ち式C12H22O11を有
するサッカロース、式C6H12O6を有するグルコース及び
式C5H10O5を有するキシロースを使用するのが好まし
い。また、ここでは名前を挙げないが、他の単糖類、少
糖類、及び多糖類の加水分解生成物も炭水化物なる用語
の中に包含される。
好ましくは、普通の糖が反応器１に供給される。この
糖は、少糖類及び多糖類も同様であるが、固体形で加え
ることができるが、前以て適当な溶液に溶解して置くこ
ともできる。糖の反応器１における濃度は約0.001〜0.1
Mの範囲、好ましくは約0.003Mであるべきである。第一
反応器１中の第一触媒２は貴金属、好ましくはルテニウ
ム又は白金、最も有利には白金からできている。その目
的は糖を次の反応式： C12H22O11＋13H2O→ 12CO2＋48H+＋48e- に従って完全に酸化することである。第一触媒２は微紛
状で、単独に又はキャリアーに分散されて存在する。こ
の触媒金属のキャリアー材料として、炭素、二酸化ケイ
素、二酸化チタン、二酸化ジルコニウム又は電解質の酸
溶液に比較的高温において溶解しないある種の他の物質
を使用するのが好ましい。更に、この触媒は電解質の循
環溶液と一緒に第一反応器１を出ないようにされてい
る。第一反応器１に供給された糖は酸金属塩溶液である
電解質溶液に溶解され、その電解質溶液と反応する。酸
金属塩溶液は強酸に溶解された金属の塩より成る。強酸
は、好ましくは硫酸又はリン酸、最も有利には硫酸であ
り、その濃度は約0.05〜約5.0Mである。酸金属塩溶液の
pHは−0.7〜1.0である。また、揮発性でなく、かつ酸化
しない他の酸も有用である。その溶液中の糖、金属塩及
び酸の濃度は相互に関係し、記載した範囲内で変わる。
糖は、少糖類及び多糖類も同様であるが、固体形で加え
ることができるが、前以て適当な溶液に溶解して置くこ
ともできる。糖の反応器１における濃度は約0.001〜0.1
Mの範囲、好ましくは約0.003Mであるべきである。第一
反応器１中の第一触媒２は貴金属、好ましくはルテニウ
ム又は白金、最も有利には白金からできている。その目
的は糖を次の反応式： C12H22O11＋13H2O→ 12CO2＋48H+＋48e- に従って完全に酸化することである。第一触媒２は微紛
状で、単独に又はキャリアーに分散されて存在する。こ
の触媒金属のキャリアー材料として、炭素、二酸化ケイ
素、二酸化チタン、二酸化ジルコニウム又は電解質の酸
溶液に比較的高温において溶解しないある種の他の物質
を使用するのが好ましい。更に、この触媒は電解質の循
環溶液と一緒に第一反応器１を出ないようにされてい
る。第一反応器１に供給された糖は酸金属塩溶液である
電解質溶液に溶解され、その電解質溶液と反応する。酸
金属塩溶液は強酸に溶解された金属の塩より成る。強酸
は、好ましくは硫酸又はリン酸、最も有利には硫酸であ
り、その濃度は約0.05〜約5.0Mである。酸金属塩溶液の
pHは−0.7〜1.0である。また、揮発性でなく、かつ酸化
しない他の酸も有用である。その溶液中の糖、金属塩及
び酸の濃度は相互に関係し、記載した範囲内で変わる。
酸金属塩溶液中の金属は、本発明による方法に都合の
よい性質を持つ酸化／還元対を形成するようなものであ
るべきである。燃料電池の陰極で使用される金属塩系に
対するこの要求は、関係する酸化／還元対の標準電位が
−0.1Vより大で、0.7V未満であると言うことである。本
発明により最も適したものであることが判明している金
属はバナジウムであるが、モリブデン及びある種の鉄の
錯体も使用できる。好ましく使用される金属塩は硫酸バ
ナジウム（IV）、即ちVOSO4である。それは容易に手に
入り、この目的に適していることが見いだされたからで
ある。また、V2O5も使用できるが、好結果と言うほどで
はない。
よい性質を持つ酸化／還元対を形成するようなものであ
るべきである。燃料電池の陰極で使用される金属塩系に
対するこの要求は、関係する酸化／還元対の標準電位が
−0.1Vより大で、0.7V未満であると言うことである。本
発明により最も適したものであることが判明している金
属はバナジウムであるが、モリブデン及びある種の鉄の
錯体も使用できる。好ましく使用される金属塩は硫酸バ
ナジウム（IV）、即ちVOSO4である。それは容易に手に
入り、この目的に適していることが見いだされたからで
ある。また、V2O5も使用できるが、好結果と言うほどで
はない。
溶解した糖は、第一触媒２の存在下で、バナジウムが
酸化数＋IVを有する硫酸バナジウムを含有する酸溶液と
反応し、それによってバナジウムは酸化数＋IIIを有す
るように還元される。外に、バナジウムは、ある程度酸
化状態＋IIまで還元されている可能性もあるが、＋III
の形態が支配的である。第一反応器１で起きている総反
応は次の通りである： C12H22O11＋48VO2＋48H+→ 12CO2＋48V3＋35H2O この反応で形成される二酸化炭素は出口ダクト４を通
って野外に放出される。第一反応器１における反応の
後、還元された金属塩溶液は第一容器６に送られ、その
容器からポンプ７により導管８を通って電気化学セル14
に給送される。還元された金属塩溶液は、具体的には、
電気化学セル14の陰極の所にある第一セル区画室10に送
り込まれる。電気化学セル14はポリプロピレンのセルケ
ーシングで取り囲まれている。還元された金属塩溶液は
第一セル区画室10の中でアノード９に到達する。アノー
ド９はグラファイトの加圧成型された多孔質フェルト
（porous pressed felt）であるのが好ましい。アノー
ド９には各端部に電気スイッチが接続されている。この
電気スイッチはカソード11にも付けられている。金属塩
溶液中の金属は、電極の作用下で、より高い酸化数に酸
化され、即ちバナジウムはもう一度酸化数＋IVを獲得す
る。酸化された金属塩溶液は続いて第一セル区画室10か
ら排出され、導管15を通って再循環されて第一反応器１
に戻され、それから燃料電池のこの区画室における手順
が繰り返される。
酸化数＋IVを有する硫酸バナジウムを含有する酸溶液と
反応し、それによってバナジウムは酸化数＋IIIを有す
るように還元される。外に、バナジウムは、ある程度酸
化状態＋IIまで還元されている可能性もあるが、＋III
の形態が支配的である。第一反応器１で起きている総反
応は次の通りである： C12H22O11＋48VO2＋48H+→ 12CO2＋48V3＋35H2O この反応で形成される二酸化炭素は出口ダクト４を通
って野外に放出される。第一反応器１における反応の
後、還元された金属塩溶液は第一容器６に送られ、その
容器からポンプ７により導管８を通って電気化学セル14
に給送される。還元された金属塩溶液は、具体的には、
電気化学セル14の陰極の所にある第一セル区画室10に送
り込まれる。電気化学セル14はポリプロピレンのセルケ
ーシングで取り囲まれている。還元された金属塩溶液は
第一セル区画室10の中でアノード９に到達する。アノー
ド９はグラファイトの加圧成型された多孔質フェルト
（porous pressed felt）であるのが好ましい。アノー
ド９には各端部に電気スイッチが接続されている。この
電気スイッチはカソード11にも付けられている。金属塩
溶液中の金属は、電極の作用下で、より高い酸化数に酸
化され、即ちバナジウムはもう一度酸化数＋IVを獲得す
る。酸化された金属塩溶液は続いて第一セル区画室10か
ら排出され、導管15を通って再循環されて第一反応器１
に戻され、それから燃料電池のこの区画室における手順
が繰り返される。
燃料電池の第二区画室、即ち電気化学セル14の陽極が
見いだされることになる半分において、空気又は純酸素
のような酸化剤がダクト24を通って第二反応器17に供給
される。ここで酸素が第二触媒18の存在下で電解質溶液
と反応する。この電解質溶液は第二の酸金属塩溶液であ
って、前記の他方の循環系における電気化学セル14中の
第一セル区画室10を出る酸金属塩溶液とは異なるもので
あってもよいし、同じであってもよい。これら酸金属塩
溶液は両セル区画室において同一の性質を有しているの
が好ましい。他方の循環系におけると同様に、その酸
は、好ましくは硫酸又はリン酸、最も有利には硫酸であ
って、同じpH範囲内で変わることができる。燃料電池の
この区画室、即ち陽極区画室における金属塩溶液中の金
属には、前記の他方の区画室と同じ条件が適用される。
第二触媒18は、酸に実際上溶けず、空気中の酸素の作用
下で金属塩のより高次の酸化状態への酸化反応に触媒作
用を及ぼす固体物質である。好ましくは、バナジウムは
酸化数＋IVから酸化数＋Ｖに酸化されるが、他の適当な
金属塩、例えばモリブデン及び鉄もより低次の酸化状態
からより高次の酸化状態へと酸化することができる。空
気の代わりに純酸素を注入することもできる。陽極で使
用される金属塩系に対するこの要求は、このとき関係す
る酸化／還元対の標準電位が1.3V未満で、かつ0.7Vより
大であると言うことである。燃料電池の陽極区画室にお
けるバナジウムの標準電位は1.0Vであり、また陰極区画
室におけるそれは0.34Vである。第二触媒18は常用型の
触媒であることができ、常用の燃料電池において陽極で
電極反応を行う技術で用いられるが、それは異なる化学
系、例えばHNO3/NO（J.T.クマー及びD.G.オエイのJ.App
l.Electrochem,、15（1985）、619を参照されたい）で
あってもよい。
見いだされることになる半分において、空気又は純酸素
のような酸化剤がダクト24を通って第二反応器17に供給
される。ここで酸素が第二触媒18の存在下で電解質溶液
と反応する。この電解質溶液は第二の酸金属塩溶液であ
って、前記の他方の循環系における電気化学セル14中の
第一セル区画室10を出る酸金属塩溶液とは異なるもので
あってもよいし、同じであってもよい。これら酸金属塩
溶液は両セル区画室において同一の性質を有しているの
が好ましい。他方の循環系におけると同様に、その酸
は、好ましくは硫酸又はリン酸、最も有利には硫酸であ
って、同じpH範囲内で変わることができる。燃料電池の
この区画室、即ち陽極区画室における金属塩溶液中の金
属には、前記の他方の区画室と同じ条件が適用される。
第二触媒18は、酸に実際上溶けず、空気中の酸素の作用
下で金属塩のより高次の酸化状態への酸化反応に触媒作
用を及ぼす固体物質である。好ましくは、バナジウムは
酸化数＋IVから酸化数＋Ｖに酸化されるが、他の適当な
金属塩、例えばモリブデン及び鉄もより低次の酸化状態
からより高次の酸化状態へと酸化することができる。空
気の代わりに純酸素を注入することもできる。陽極で使
用される金属塩系に対するこの要求は、このとき関係す
る酸化／還元対の標準電位が1.3V未満で、かつ0.7Vより
大であると言うことである。燃料電池の陽極区画室にお
けるバナジウムの標準電位は1.0Vであり、また陰極区画
室におけるそれは0.34Vである。第二触媒18は常用型の
触媒であることができ、常用の燃料電池において陽極で
電極反応を行う技術で用いられるが、それは異なる化学
系、例えばHNO3/NO（J.T.クマー及びD.G.オエイのJ.App
l.Electrochem,、15（1985）、619を参照されたい）で
あってもよい。
金属としてバナジウムを用いるとき、第二反応器17で
の反応は次の通りである： O2＋4V2O＋2H2O→4VO2 +＋4H+ かくして、バナジウムはより高い酸化数（＋Ｖ）に酸化
され、それから第二反応器17における反応で酸化された
酸金属塩溶液は第二反応器17からダクト20を通って第二
容器21に送られ、その第二容器21からポンプ22によりダ
クト23を通って電気化学セル14の第二セル区画室12に給
送される。この酸金属塩溶液中の金属はカソード11の作
用下でより低い酸化数（＋IV）に還元され、それからそ
の溶液は、燃料電池の陽極で前記の手順を繰り返すため
に、導管16を通って再循環され、第二反応器17に戻され
る。もし空気が酸化剤として使用されるならば、生成す
る窒素ガスは第二反応器17から野外の空気にダクト19を
通って排出される。
の反応は次の通りである： O2＋4V2O＋2H2O→4VO2 +＋4H+ かくして、バナジウムはより高い酸化数（＋Ｖ）に酸化
され、それから第二反応器17における反応で酸化された
酸金属塩溶液は第二反応器17からダクト20を通って第二
容器21に送られ、その第二容器21からポンプ22によりダ
クト23を通って電気化学セル14の第二セル区画室12に給
送される。この酸金属塩溶液中の金属はカソード11の作
用下でより低い酸化数（＋IV）に還元され、それからそ
の溶液は、燃料電池の陽極で前記の手順を繰り返すため
に、導管16を通って再循環され、第二反応器17に戻され
る。もし空気が酸化剤として使用されるならば、生成す
る窒素ガスは第二反応器17から野外の空気にダクト19を
通って排出される。
本発明によれば、燃料電池の２つの循環系における酸
金属塩溶液中の金属は、前記の通り、同じ物質であるの
が好ましく、バナジウムが特に好ましい。この場合、関
係する酸化／還元対はそれぞれＶ（Ｖ）/V（IV）及びＶ
（IV）/V（III）である。陰極に相当する燃料電池の区
画室においては、金属塩は、かくして、本質的により低
次の酸化状態で存在しており、また燃料電池の陽極に相
当するセル区画室では、金属塩は本質的により高い酸化
数で存在している。電気化学セル14中の２つの電極、即
ちアノード９とカソード11との間の電圧は、低酸化数と
高酸化数との間のこのバランスをどのようにすれば良く
保持できるかに依存する。本発明による燃料電池から得
られる電流は、低度に酸化された金属イオンと高度に酸
化された金属イオンの、循環されている金属塩溶液中に
おける濃度に依存する。この２種の金属塩は、一方のセ
ル区画室から他方のセル区画室への、即ちセル区画室10
と12との間で起こり得る可能性のある金属塩の拡散又は
流動によって、所望とされないいかなるタイプの反応も
許さないそのようなものであるべきである。２つの循環
系を分離している膜13はプロトンの輸送だけを可能にす
るように設計されている。上記の所望とされない反応と
は、活性な塩類の内の少なくとも１種を沈殿させ、その
膜上に被膜を作って膜の細孔を変化させてしまうか、又
はそれぞれの電極での電位若しくは電位調整速度に対し
て影響を及ぼすような反応であり得る。
金属塩溶液中の金属は、前記の通り、同じ物質であるの
が好ましく、バナジウムが特に好ましい。この場合、関
係する酸化／還元対はそれぞれＶ（Ｖ）/V（IV）及びＶ
（IV）/V（III）である。陰極に相当する燃料電池の区
画室においては、金属塩は、かくして、本質的により低
次の酸化状態で存在しており、また燃料電池の陽極に相
当するセル区画室では、金属塩は本質的により高い酸化
数で存在している。電気化学セル14中の２つの電極、即
ちアノード９とカソード11との間の電圧は、低酸化数と
高酸化数との間のこのバランスをどのようにすれば良く
保持できるかに依存する。本発明による燃料電池から得
られる電流は、低度に酸化された金属イオンと高度に酸
化された金属イオンの、循環されている金属塩溶液中に
おける濃度に依存する。この２種の金属塩は、一方のセ
ル区画室から他方のセル区画室への、即ちセル区画室10
と12との間で起こり得る可能性のある金属塩の拡散又は
流動によって、所望とされないいかなるタイプの反応も
許さないそのようなものであるべきである。２つの循環
系を分離している膜13はプロトンの輸送だけを可能にす
るように設計されている。上記の所望とされない反応と
は、活性な塩類の内の少なくとも１種を沈殿させ、その
膜上に被膜を作って膜の細孔を変化させてしまうか、又
はそれぞれの電極での電位若しくは電位調整速度に対し
て影響を及ぼすような反応であり得る。
電極、即ちアノード９及びカソード11は金属又はある
種の導電性物質から作ることができ、またそれらは、そ
れぞれ還元及び酸化された金属塩の高い転化が電極表面
で起こるように設計することができる。かくして、問題
にしている電極の外表面当たりの可能な最高交換電流が
目標とされる。本発明によれば、多孔質の電極表面が用
いられる。更に、交換電流を増加させるために電極材料
に対して添加剤も使用することができる。これらの添加
剤は貴金属か、又は標準電位が金属塩の酸化／還元系の
それに近い所謂酸化／還元系であることができる。使用
される膜13は、例えば細孔が、プロトンの輸送を可能に
し、同時に溶液がそれぞれのセル区画室間を自由に流動
するのを妨げる適当な材料で充填されているポリエチレ
ン又はポリプロピレンから作られる。充填用材料の例は
シリカゲル、又は酸に溶けないある種の他の無機両性材
料である。
種の導電性物質から作ることができ、またそれらは、そ
れぞれ還元及び酸化された金属塩の高い転化が電極表面
で起こるように設計することができる。かくして、問題
にしている電極の外表面当たりの可能な最高交換電流が
目標とされる。本発明によれば、多孔質の電極表面が用
いられる。更に、交換電流を増加させるために電極材料
に対して添加剤も使用することができる。これらの添加
剤は貴金属か、又は標準電位が金属塩の酸化／還元系の
それに近い所謂酸化／還元系であることができる。使用
される膜13は、例えば細孔が、プロトンの輸送を可能に
し、同時に溶液がそれぞれのセル区画室間を自由に流動
するのを妨げる適当な材料で充填されているポリエチレ
ン又はポリプロピレンから作られる。充填用材料の例は
シリカゲル、又は酸に溶けないある種の他の無機両性材
料である。
本発明による燃料電池を用いるとき、最高150℃、最
も有利には約90〜105℃の温度が燃料電池で連続使用さ
れる。
も有利には約90〜105℃の温度が燃料電池で連続使用さ
れる。
かくして、本発明は燃料電池における、燃料としての
炭水化物、酸溶液中のバナジウム及び第一触媒２として
の白金のこの独特の組み合わせに関するもので、それは
本発明に従って高度の効率で電気エネルギーの産生を可
能にする。
炭水化物、酸溶液中のバナジウム及び第一触媒２として
の白金のこの独特の組み合わせに関するもので、それは
本発明に従って高度の効率で電気エネルギーの産生を可
能にする。
実施例
本発明は電気エネルギーを大規模又は小規模で産生す
るために使用することができる。以下の例は10kWの電力
を産生すべき小規模“電力プラント”に関する。このよ
うな電力プラントは複数の構成要素、即ち電気エネルギ
ーを生み出す個々のセルより成るバッテリー、及び化学
反応が起こる複数の反応器から成る。更に、ポンプ及び
制御装置のような補助設備も含まれる。
るために使用することができる。以下の例は10kWの電力
を産生すべき小規模“電力プラント”に関する。このよ
うな電力プラントは複数の構成要素、即ち電気エネルギ
ーを生み出す個々のセルより成るバッテリー、及び化学
反応が起こる複数の反応器から成る。更に、ポンプ及び
制御装置のような補助設備も含まれる。
１つの好ましい例において、普通の蔗糖（サッカロー
ス）が第一反応器１に供給される。酸金属塩溶液はリン
酸に溶解した硫酸バナジウム（IV）である。リン酸の濃
度は5M（５モル／リットル＝リン酸490g/リットル）で
あり、また糖濃度は0.003M（糖1.03g/リットル）であ
る。第一触媒２として比表面積が100m2/gの白金を使用
することによって、所望される電力を産生するのに十分
に高い化学反応速度が0.3Mの硫酸バナジウム濃度（VOSO
4・49g/リットル）において得られる。
ス）が第一反応器１に供給される。酸金属塩溶液はリン
酸に溶解した硫酸バナジウム（IV）である。リン酸の濃
度は5M（５モル／リットル＝リン酸490g/リットル）で
あり、また糖濃度は0.003M（糖1.03g/リットル）であ
る。第一触媒２として比表面積が100m2/gの白金を使用
することによって、所望される電力を産生するのに十分
に高い化学反応速度が0.3Mの硫酸バナジウム濃度（VOSO
4・49g/リットル）において得られる。
第一反応器１の温度100℃において得られた化学反応
速度はバナジウム３モル／時である。これは489g（３×
163g）のVOSO4が１時間中に糖により還元されたことを
意味する。当業者に知られているファラディーの法則に
よれば、この化学反応速度は電流強度、即ち単位時間当
たりの電気の変換量に換算することができる。この例で
は、1.25gの白金触媒を使用したとき、電流強度は１リ
ットルの反応溶液当たり78Aである。10kWの電力を得る
には、電極の単位表面積当たりの負荷が15mA/cm2である
と言う非常に大量の電流を生み出すときに0.7Vのセル電
圧を生むように、燃料電池を添付図面に従って提供する
ことができる。この電圧においては、14,285A（10,000W
/0.7V）の電流量が産生されなければならない。糖が反
応する第一反応器１の容積は、従って、183リットル（1
4,285/78）でなければならず、かつ白金を229g（183×
1.25）の触媒量で含有していなければならない。
速度はバナジウム３モル／時である。これは489g（３×
163g）のVOSO4が１時間中に糖により還元されたことを
意味する。当業者に知られているファラディーの法則に
よれば、この化学反応速度は電流強度、即ち単位時間当
たりの電気の変換量に換算することができる。この例で
は、1.25gの白金触媒を使用したとき、電流強度は１リ
ットルの反応溶液当たり78Aである。10kWの電力を得る
には、電極の単位表面積当たりの負荷が15mA/cm2である
と言う非常に大量の電流を生み出すときに0.7Vのセル電
圧を生むように、燃料電池を添付図面に従って提供する
ことができる。この電圧においては、14,285A（10,000W
/0.7V）の電流量が産生されなければならない。糖が反
応する第一反応器１の容積は、従って、183リットル（1
4,285/78）でなければならず、かつ白金を229g（183×
1.25）の触媒量で含有していなければならない。
バナジウム（IV）をバナジウム（Ｖ）に酸化するため
の第二反応器17は第一反応器１とほぼ同じ大きさのもの
である。第二反応器17においては、0.8〜1.2の範囲の酸
化／還元電位を有する固体又は可溶性の触媒18、例えば
適当な金属、好ましくはコバルトのフタロシアニン配合
物又は二酸化窒素／硝酸も使用される。
の第二反応器17は第一反応器１とほぼ同じ大きさのもの
である。第二反応器17においては、0.8〜1.2の範囲の酸
化／還元電位を有する固体又は可溶性の触媒18、例えば
適当な金属、好ましくはコバルトのフタロシアニン配合
物又は二酸化窒素／硝酸も使用される。
本発明による電気化学セルは約0.7Vのセル電圧を有す
るのが好ましい。有用な電圧を得るには、非常に多数の
個々のセルを直列に接続しなければならない。例えば電
気的に駆動される車輛を用いる実験において使用される
適した電圧は90Vである。この例では、この電圧を使用
し、この場合直列に接続されたセルの数は130個であ
る。この例において、130個の直列接続セルの４単位が
並列に接続されている。各単位の電極の表面積は18.5dm
2（例えば、４×4.6dm）であって、バッテリー全体の総
電極表面積として74dm2を与える。15mA/cm2の上記電流
密度は111A（15×74×100mA）の電流強度をもたらす。
セル電圧と電流強度の積は、このとき、10kW（90V×111
A）となる。
るのが好ましい。有用な電圧を得るには、非常に多数の
個々のセルを直列に接続しなければならない。例えば電
気的に駆動される車輛を用いる実験において使用される
適した電圧は90Vである。この例では、この電圧を使用
し、この場合直列に接続されたセルの数は130個であ
る。この例において、130個の直列接続セルの４単位が
並列に接続されている。各単位の電極の表面積は18.5dm
2（例えば、４×4.6dm）であって、バッテリー全体の総
電極表面積として74dm2を与える。15mA/cm2の上記電流
密度は111A（15×74×100mA）の電流強度をもたらす。
セル電圧と電流強度の積は、このとき、10kW（90V×111
A）となる。
１つの好ましい例において、電気化学的セル14は厚さ
3mmのセルケーシングで囲まれている。セルケーシング
とカソード11又はアノード９との間の間隔は0.5mmであ
る。両電極の厚さは共に2mmであり、電極と膜との間の
流体層は厚さ0.5mmである。膜は厚さ1mmであり、また電
極の表面積は18.5dm2（４×4.6dm）である。同じ寸法が
電気化学セル14の両半分に適用される。これは電気化学
セルの総厚さが13mmであることを意味する。130個の直
列配置のセルの最小長さは、このとき、17dm（130×0.1
3dm）となる。１つの単位の容積は、このとき、313リッ
トル（17dm×19dm2）であり、その総容積は1250リット
ル（４×313リットル）である。これは10kW/1250リット
ル、即ち8W/リットルの電流密度を与える。糖燃料電池
の理論セル電圧は1.25Vである。電流効率は、従って、5
6％（0.7/1.25）となる。
3mmのセルケーシングで囲まれている。セルケーシング
とカソード11又はアノード９との間の間隔は0.5mmであ
る。両電極の厚さは共に2mmであり、電極と膜との間の
流体層は厚さ0.5mmである。膜は厚さ1mmであり、また電
極の表面積は18.5dm2（４×4.6dm）である。同じ寸法が
電気化学セル14の両半分に適用される。これは電気化学
セルの総厚さが13mmであることを意味する。130個の直
列配置のセルの最小長さは、このとき、17dm（130×0.1
3dm）となる。１つの単位の容積は、このとき、313リッ
トル（17dm×19dm2）であり、その総容積は1250リット
ル（４×313リットル）である。これは10kW/1250リット
ル、即ち8W/リットルの電流密度を与える。糖燃料電池
の理論セル電圧は1.25Vである。電流効率は、従って、5
6％（0.7/1.25）となる。
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
H01M 8/20
H01M 8/22
Claims (9)
- 【請求項１】生物燃料を動力とする燃料電池で電気エネ
ルギーを産生する方法にして、 燃料を燃料電池の陰極区画室の中の第一反応器（１）に
供給し、その中で該燃料を、その燃料を二酸化炭素に完
全に酸化し、そして第一酸金属塩溶液の金属を還元する
ために、第一触媒（２）の作用下で第一酸金属塩溶液と
反応させ； 形成されたCO2を該第一反応器（１）から排出し； 還元された金属の該第一酸塩溶液を、その金属を酸化す
るために、電気化学セル（14）の中のアノード（９）に
送り； 該第一酸金属塩溶液を続いて反応器（１）に再循環さ
せ； 酸化剤を該燃料電池の陽極区画室の中の第二反応器（1
7）に供給し、その中でその酸化剤を、第二酸金属塩溶
液中の金属を酸化するために、第二触媒（18）の作用下
でその第二酸金属塩溶液と反応させ； 形成された残留する生成物を反応器（17）から排出し； 該第二酸金属塩溶液を、その金属を還元するために、続
いて電気化学セル（14）の中のカソード（11）に送り； 該第二酸金属塩溶液を続いて第二反応器（17）に再循環
させ； ここで、電気化学セル（14）のアノード（９）とカソー
ド（11）は水素イオン透過性の膜（13）で分離されてい
るだけであって、カソード（11）からの水素イオンは、
電気エネルギーを産生するために、その膜（13）を通っ
てアノード（９）に移動せしめられる； 上記の電気エネルギーの産生方法において、 前記第一酸金属塩溶液中の金属は−0.1〜0.7Vの標準電
位を有する酸化／還元対を形成し、また前記第二酸金属
塩溶液中の金属は0.7〜1.3Vの標準電位を有する酸化／
還元対を形成し、ここで両金属は、好ましくはバナジウ
ム（IV）／（III）なる酸化／還元対とバナジウム
（Ｖ）／（IV）なる酸化／還元対をそれぞれ形成するバ
ナジウムであり； 炭水化物が生物燃料として前記第一反応器（１）に供給
され；そして 前記第一反応器（１）における反応は第一触媒（２）と
しての白金又はルテニウムの存在下で行われる； ことを特徴とする前記の電気エネルギーの産生方法。 - 【請求項２】サッカロース、グルコース、マルトース、
キシロース及び／又はアラビノース、またはセルロー
ス、澱粉若しくはアミロース、又はこれら炭水化物の加
水分解生成物、或いは糖蜜類若しくはそれらの加水分解
生成物の形の炭水化物を燃料として第一反応器（１）に
約0.1Mまで、好ましくは約0.003Mの含有量で供給するこ
とを特徴とする、請求の範囲第１項に記載の方法。 - 【請求項３】第一及び第二酸金属塩溶液中の酸が濃度約
0.05〜約5Mの硫酸又はリン酸であることを特徴とする、
請求の範囲第１項に記載の方法。 - 【請求項４】第二触媒（18）が可溶性又は不溶性であっ
て、かつ0.8〜1.2の範囲の酸化／還元電位を有すること
を特徴とする、請求の範囲第１項に記載の方法。 - 【請求項５】最高150℃、好ましくは90〜105℃の燃料電
池中永久温度（permanent temperature）において遂行
することを特徴とする、請求の範囲第１項に記載の方
法。 - 【請求項６】硫酸バナジウム（IV）の形のバナジウムを
第一反応器（１）及び／又は第二反応器（17）において
反応させることを特徴とする、請求の範囲第１項に記載
の方法。 - 【請求項７】酸溶液中のモリブデン塩、タングステン塩
又は鉄塩を第一反応器（１）及び／又は第二反応器（1
7）において反応させることを特徴とする、請求の範囲
第１項に記載の方法。 - 【請求項８】燃料電池の陰極区画室中のバナジウムも＋
IIの酸化状態に還元されることを特徴とする、請求の範
囲第１項に記載の方法。 - 【請求項９】第二触媒（18）が酸化窒素／硝酸であるこ
とを特徴とする、請求の範囲第１項に記載の方法。
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|---|---|
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| PE20010080A1 (es) * | 1999-03-31 | 2001-01-30 | Syntroleum Corp | Combustibles de celda de combustible, metodos y sistemas |
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| US7419580B2 (en) * | 2000-12-14 | 2008-09-02 | The University Of Hong Kong | Methods and apparatus for the oxidation of glucose molecules |
| US20020164520A1 (en) * | 2001-05-02 | 2002-11-07 | Atsushi Mizusawa | Fuel cells through molecular recognition processes |
| KR100454068B1 (ko) * | 2001-11-30 | 2004-10-26 | 한국바이오시스템(주) | 고분자전해질막-전극접합체를 이용한 생물연료전지 |
| DE10319890B4 (de) * | 2002-04-26 | 2015-10-08 | Reinhart Radebold | Chemoelektrischer Wandler und chemoelektrisches Wandlersystem |
| WO2003092086A2 (de) * | 2002-04-26 | 2003-11-06 | Reinhart Radebold | Chemoelektrischer wandler, chemoelektrisches wandlersystem, verfahren zur erzeugung elektrischer energie und verfahren zum betrieb eines chemoelektrischen wandlersystems |
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