JPH06325782A

JPH06325782A - 燃料電池

Info

Publication number: JPH06325782A
Application number: JP5108601A
Authority: JP
Inventors: Yoshio Oka; 良雄岡
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1993-05-10
Filing date: 1993-05-10
Publication date: 1994-11-25
Anticipated expiration: 2017-12-24
Also published as: JP3360349B2

Abstract

(57)【要約】【目的】簡単な装置によって、メタノールおよび水を
含む燃料から一酸化炭素をほとんど発生させずに水素ガ
スを生成し、生成された水素ガスを用いて、発電を行な
う燃料電池を提供する。【構成】燃料を電気化学的に分解して、還元剤を生成
するための還元剤生成手段２００と、還元剤生成手段に
より生成された還元剤を用いて発電を行なう発電手段３
００とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、燃料電池に関し、特に
燃料を改質して発電を行なう燃料電池であって、大気汚
染の少ない燃料電池に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来技術として、還元剤として水素を用
い、酸化剤として酸素を用い、外部へ電流を取出す燃料
電池が知られている。

【０００３】図６は、従来の燃料電池（単セル）を概略
的に示す構成図である。図６を参照して、この燃料電池
６００は、負極６０８と、電解質層６０１と、正極６０
９を含む。負極６０８と正極６０９とは、電解質層６０
１を中央に介して、互いに相対向するように設けられ
る。負極６０８は、電解質層６０１にその表面が接する
ように設けられ、また、正極６０９は、電解質層６０１
にその表面が接するように設けられる。負極６０８と正
極６０９とは、それぞれ、炭素等の多孔性の部材で形成
される。また、負極６０８と正極６０９とは、それぞ
れ、白金等の触媒を含む。また、電解質層６０１として
は、たとえば、陽イオン交換膜が用いられる。

【０００４】負極６０８には、負極活物質が外部より連
続的に供給され、正極６０９には、正極活物質が外部よ
り連続的に供給されるようになっている。

【０００５】負極活物質としては、燃料（還元剤）が用
いられ、正極活物質としては、酸化剤が用いられる。ま
た、燃料電池６００内で生成された反応生成物は、遅滞
なくセル外に除去されるように構成されている。

【０００６】燃料（還元剤）としては、たとえば水素が
用いられ、酸化剤としては、たとえば酸素が用いられ
る。

【０００７】次に、燃料電池６００の動作（発電原理）
について、電解質層６０１として、陽イオン交換膜を用
いた、水素−酸素系燃料電池を例にとり、以下に説明す
る。

【０００８】まず、負極６０８と正極６０９との間に外
部負荷６０５を有する、外部負荷回路６０４を接続す
る。すると、負極６０８では、下記に示す反応が生じ、
水素イオン（Ｈ⁺）が生成され、また、電子が外部負荷
回路６０４へ放出される。

【０００９】

【化１】Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^- 一方、正極６０９では、酸素が外部負荷回路６０４を通
ってきた電子、および、陽イオン交換膜を通ってきたＨ
⁺と反応して、下記に示す反応により水が生成される。

【００１０】

【化２】２Ｈ⁺＋２ｅ^-＋１／２Ｏ₂→Ｈ₂Ｏこのときに、負極６０８と正極６０９との間に、約１Ｖ
の起電力が得られる。

【００１１】ところで、実用レベルの燃料電池では、そ
の発生電圧を高めるため、上記した燃料電池（単セル）
を直列に数十ないし数百積層している。

【００１２】また、燃料となる水素は、上記した電極反
応を円滑に進めるうえでは、純水素であることが好まし
い。

【００１３】しかしながら、水素は一般的に価格が高
く、また、水素を貯蔵するには、高圧タンクや水素吸蔵
合金を用いる必要がある。このため、外部に水素を貯蔵
して、貯蔵された水素を燃料（還元剤）として用いる燃
料電池は、燃料電池の製造コストやランニングコストが
高くなるという問題があった。

【００１４】かかる問題を解決する技術としては、特開
平４−１２９１７３号公報に記載されたような発明が存
在する。特開平４−１２９１７３号公報に記載される燃
料電池は、天然ガス等と水から水素を取出すための改質
器と、改質器により取出された水素を用いて発電を行な
う発電部とを備える。

【００１５】図７は、特開平４−１２９１７３号公報に
記載される燃料改質器の要部を概略的に示す断面図であ
る。図７を参照して、この改質器７００は、改質反応管
７０１と、改質反応管７０１の内部に配設された水素分
離管７０２を含む。改質反応管７０１と水素分離管７０
２により形成される空隙部７０３の一部には、Ｎｉ等の
改質触媒７０４が詰められる。また、水素分離管７０２
は、多孔質性の金属管にパラジウム薄膜が形成されてな
る。空隙部７０３には、たとえば、メタン（ＣＨ₄）と
水（Ｈ₂Ｏ）が供給される。改質反応管７０１内では、
下記に示す反応が生じる。

【００１６】

【化３】ＣＨ₄＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ＋ＣＯ₂＋Ｈ₂Ｏ＋Ｈ₂ 生成された水素（Ｈ₂）は、水素分離管７０２内に取出
され、水分（Ｈ₂Ｏ）、ＣＯ、ＣＯ₂等は、大気へ放出
されるようになっている。

【００１７】図６および図７を参照して、水素分離管７
０２内に取出された水素は、負極６０８に送られ、発電
に供せられる。

【００１８】特開平４−１２９１７３号公報に記載され
る燃料電池は、燃料電池の発電部に、ＣＨ₄、Ｃ
₂Ｈ₆、Ｃ₃Ｈ₈、ＣＨ₃ＯＨ等の燃料から燃料改質を
行なって得られた純水素（Ｈ₂）を持ち、効率的な発電
を行なうことができるという長所がある。

【００１９】このように、従来より、燃料電池の製造コ
ストやランニングコストを低減することを目的として、
天然ガスやアルコール等から水素を発生させるための装
置として、改質器を設け、改質器により天然ガスやアル
コール等を改質して水素を生成し、生成された水素を用
いて発電を行なう燃料電池が種々提案されてきた。

【００２０】従来の改質器において行なわれる水素発生
方法には、原料ガスに水蒸気を加えて、原料炭化水素を
水素、一酸化炭素および二酸化炭素に変換させる水蒸気
改質法と、原料炭化水素の一部を燃焼させて、水素、一
酸化炭素および二酸化炭素を得る部分酸化（部分燃焼）
法とがある。

【００２１】炭化水素を一般にＣ_nＨ_mで表わせば、水
蒸気改質法において起こる反応は、下記に示す反応とし
て示すことができる。

【００２２】

【化４】Ｃ_nＨ_m＋ｎＨ₂Ｏ→ｎＣＯ＋（ｎ＋ｍ／２）Ｈ₂ また、同様に、炭化水素を一般にＣ_nＨ_mで表わせば、
部分酸化法において起こる反応は、下記に示す反応とし
て示すことができる。

【００２３】

【化５】Ｃ_nＨ_m＋ｎ／２Ｏ₂→ｎＣＯ＋ｍ／２Ｈ₂ これらの反応において、一酸化炭素の一部は、次に示す
反応を起こし、これらの反応は、平衡を保って進行す
る。

【００２４】

【化６】ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋Ｈ₂

【００２５】

【化７】ＣＯ＋３Ｈ₂→ＣＨ₄＋Ｈ₂Ｏ化４に示される反応は吸熱反応で、他の反応は発熱反応
である。したがって、化４に示される反応では、外部か
ら加熱する必要があり、通常、ニッケル系の触媒を充填
した耐熱金属製の反応管で、温度８００℃〜９００℃に
おいて反応が行なわれる。一方、このような温度では、
化６および化７の反応はあまり右側に進行せず、たとえ
ば、８５０℃での反応の場合、二酸化炭素の濃度は、１
３％〜１４％であり、メタンの濃度は、３％〜４％であ
る。

【００２６】また、炭化水素の代わりにアルコールの一
種であるメタノールを用いた場合は、水と次式のような
反応で改質は進行する。

【００２７】

【化８】ＣＨ₃ＯＨ＋ｎＨ₂Ｏ→（１−ｎ）ＣＯ＋ｎＨ
₂Ｏ＋ｎＣＯ₂＋（２＋ｎ）Ｈ ₂ ただし、Ｏ＜ｎ＜１化８に示される反応は、０ｋｇ／ｃｍ²〜２０ｋｇ／ｃ
ｍ²の圧力、２００℃〜６００℃の温度に設定すること
が好ましいとされている。

【００２８】

【発明が解決しようとする課題】上述した反応を行なっ
た後、改質器を出るガス中には、かなりの濃度の一酸化
炭素が含まれている。

【００２９】このため、改質器を出るガス中に含まれる
一酸化炭素が、燃料電池の触媒等を被毒し、正常な電池
反応を妨げる場合がある。

【００３０】そこで、一酸化炭素の残存量を低くするた
め、化６に示す反応を右に押し進めるべく、一酸化炭素
転換器という装置が用いられる。一酸化炭素転換器で
は、発熱反応である化６に示す反応を押し進めるため
に、まず、３５０℃〜３７０℃程度に反応温度設定し、
反応速度を高めるため鉄−クロム系などの触媒を用い
て、いわゆる高温転化（ＨｏｔＳｈｉｆｔ）を行な
い、さらに、銅−亜鉛系の触媒を用いて、２００℃〜２
３０℃程度で低温転化（ＣｏｌｄＳｈｉｆｔ）を行な
わせる。これにより、一酸化炭素濃度を低減させること
ができる。

【００３１】一方、燃料がアルコールの場合は、この改
質反応の後、改質ガスのＣＯをさらに低減するため、Ｃ
Ｏシフト触媒が用いられる。ＣＯシフト触媒としては、
鉄−クロム系の触媒、銅−亜鉛系の触媒等が用いられ
る。ＣＯシフト処理では、ＣＯが、Ｈ₂Ｏとの反応によ
り、ＣＯの濃度が、１％程度の濃度にまで低減される。
また、さらに、ＣＯ濃度を引き下げるためには、第２の
ＣＯ低減装置によって、改質ガスをさらに空気と反応さ
せることにより、１００ｐｐｍまでＣＯ濃度を低減させ
ることが可能である。しかし、このような方法では、装
置自体が複雑になり、高温を要するなどという問題があ
る。特に、このような燃料電池を電気自動車等に用いる
場合は、システムが大きくなるという問題がある。

【００３２】本発明は、以上のような問題を解決するた
めになされたものであって、上記のような複雑なフロー
システムを用いることなく、燃料から、一酸化炭素（Ｃ
Ｏ）をほとんど発生することなく水素ガスを発生し、生
成された水素ガスを用いて発電を行なうことができる、
コンパクトな燃料電池を提供することを目的とする。

【００３３】

【課題を解決するための手段】第１の発明に従う燃料電
池は、燃料を電気化学的に分解して、還元剤を生成する
ための還元剤生成手段と、還元剤生成手段により生成さ
れた還元剤を用いて発電を行なう発電手段とを備える。

【００３４】第２の発明に従う燃料電池は、触媒を含む
材料からなる第１の電極と、第１の電極の表面に接する
ように設けられ、陽イオン交換能を有する第１の電解質
層と、第１の電解質層の表面に接するように設けられ、
触媒を含む材料からなる第２の電極と、第１の電極に燃
料を供給するための燃料供給手段と、第１の電極を正極
とし、第２の電極を負極として、電流を通電するための
電流通電手段と、触媒を含む材料からなる第３の電極
と、第３の電極の表面に接するように設けられ、陽イオ
ン交換能を有する第２の電解質層と、第２の電解質層の
表面に接するように設けられ、触媒を含む材料からなる
第４の電極と、第２の電極において生成された還元剤を
第３の電極へ供給する手段と、第４の電極へ酸化剤を供
給するための酸化剤供給手段とを備え、第３および第４
の電極から電流を取出す。

【００３５】第３の発明に従う燃料電池は、触媒を含む
材料からなる第５の電極と、第５の電極の表面に接する
ように設けられ、陽イオン交換能を有する第３の電解質
層と、第３の電解質層の表面に接するように設けられ、
触媒を含む材料からなる第６の電極と、第５の電極に燃
料を供給するための燃料供給手段と、触媒を含む材料か
らなる第７の電極と、第７の電極の表面に接するように
設けられ、陽イオン交換能を有する第４の電解質層と、
第４の電解質層の表面に接するように設けられ、触媒を
含む材料からなる第８の電極と、第６の電極において生
成された還元剤を第７の電極へ供給する手段と、第６の
電極と第７の電極との間に設けられる、電流を通電する
手段と、第８の電極へ酸化剤を供給するための酸化剤供
給手段とを備え、第５および第８の電極から電流を取出
す。

【００３６】第３の発明に従う燃料電池は、好ましく
は、第６の電極において生成された還元剤を第７の電極
へ供給する手段、および、第６の電極と第７の電極との
間に設けられる、電流を通電する手段が、同一の導電性
の多孔質部材で形成される。

【００３７】尚、多孔質部材は、一方側の表面と他方
側の表面を連通する連通気孔を含む。

【００３８】また、本発明に従う燃料電池は、好ましく
は、燃料は、少なくともメタノールおよび水を含み、か
つ還元剤は水素を含む。

【００３９】尚、本明細書で用いる用語「電極」は、燃
料用電極、対向電極、燃料用電極とセパレータとの組合
せにより構成される電極、対向電極とセパレータとの組
合せにより構成される電極を含む。

【００４０】

【作用】本発明の作用機構を図を用いて以下に説明す
る。

【００４１】図２は、本発明に従う燃料電池において用
いられる、燃料を電気化学的に分解して、還元剤を生成
するための還元剤生成手段の一例を模式的に示す構成図
である。図２を参照して、この還元剤生成装置２００
は、第１の電極２０８と、陽イオン交換能を有する電解
質層２０１と、第２の電極２０９を含む。

【００４２】陽イオン交換能を有する電解質層２０１と
しては、たとえば、固体高分子電解質からなる陽イオン
交換膜等が用いられる。

【００４３】第１の電極２０８は、たとえば、白金触媒
を担持させた多孔質性の燃料用電極２０２と、導電性の
セパレータ２０６を含む。

【００４４】また、第２の電極２０８は、たとえば、白
金触媒を担持させた多孔質性の対向電極２０３と、導電
性のセパレータ２０７を含む。

【００４５】燃料用電極２０２の一方側の表面２０２ａ
は、電解質層２０１の一方側の表面２０１ａに接するよ
うに設けられる。

【００４６】対向電極２０３の一方側の表面２０３ａ
は、電解質層２０１の他方側の表面２０１ｂに接するよ
うに設けられる。

【００４７】電解質層２０１を中央に介して、燃料用電
極２０２と対向電極２０３とが相対するように組合わさ
れた接合体は、セパレータ２０６と、セパレータ２０７
とにより挾持される。

【００４８】セパレータ２０６の燃料用電極２０２に接
する側の面２０６ａには、燃料を供給し、反応生成物を
排出するための手段として、複数の燃料供給用兼ＣＯ₂
排出用溝２０６ｈが形成される。

【００４９】セパレータ２０７の対向電極２０３に接す
る側の面２０７ａには、複数の水素（Ｈ₂）排出用溝２
０７ｈが形成される。

【００５０】燃料用電極２０２には、燃料が外部より供
給されるようになっている。燃料用電極２０２と、対向
電極２０３には、それぞれ、セパレータ２０６およびセ
パレータ２０７を介して、外部回路２０４が電気的に接
続される。

【００５１】外部回路２０４には、第１の電極２０８を
正極とし、第２の電極２０９を負極とするように、電圧
を印加するための手段として直流電源２０５が設けられ
ている。燃料用電極２０２は正極とされ、対向電極２０
３は負極とされる。

【００５２】上述した還元剤生成装置２００において、
燃料用電極２０２に燃料であるメタノールとともに水ま
たは水蒸気を供給し、外部回路２０４を通じて、燃料用
電極２０２から電子を引き抜くように電圧を印加する。
その結果、燃料用電極２０２では、次の反応が進行す
る。

【００５３】

【化９】ＣＨ₃ＯＨ＋２Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋６ｅ^-＋６Ｈ⁺ 燃料用電極２０２で発生した水素イオンは、陽イオン交
換膜を通過し、対向電極２０３で次のように変換され
る。

【００５４】

【化１０】６Ｈ⁺＋６ｅ^-→３Ｈ₂ このようなプロセスにより、対向電極２０３側で、水素
を選択的に生成させることができる。また、化９に示す
反応式から明らかなように、この反応では、ＣＯが殆ど
生成されないため、一酸化炭素濃度を極めて低い水準に
保つことができる。

【００５５】次に、還元剤生成手段により生成された還
元剤を用いて発電を行なう発電手段の作用機構を図を用
いて以下に説明する。

【００５６】図３は、本発明に従う燃料電池において用
いられる、還元剤生成手段により生成された還元剤を用
いて発電を行なう発電手段の一例を模式的に示す構成図
である。図３を参照して、この発電装置３００は、第３
の電極３０８と、陽イオン交換能を有する電解質層３０
１と、第４の電極３０９を含む。

【００５７】陽イオン交換能を有する電解質層３０１と
しては、たとえば、固体高分子電解質からなる陽イオン
交換膜等が用いられる。

【００５８】第３の電極３０８は、たとえば、白金触媒
を担持させた多孔質生成の燃料用電極３０２と、導電性
のセパレータ３０６を含む。

【００５９】また、第４の電極３０９は、たとえば、白
金触媒を担持させた多孔質性の対向電極３０３と、導電
性のセパレータ３０７を含む。

【００６０】燃料用電極３０２の一方側の表面３０２ａ
は、電解質層３０１の一方側の表面３０１ａに接するよ
うに設けられる。

【００６１】対向電極３０３の一方側の表面３０３ａ
は、電解質層３０１の他方側の表面３０１ｂに接するよ
うに設けられる。

【００６２】電解質層３０１を中央に介して、燃料用電
極３０２と対向電極３０３が相対するように組合わされ
た接合体は、セパレータ３０６とセパレータ３０７とに
より挾持される。

【００６３】セパレータ３０６の燃料用電極３０２に接
する側の面３０６ａには、燃料（Ｈ ₂）を供給するため
の手段として、複数の３０６ｈが形成される。

【００６４】セパレータ３０７の対向電極３０３に接す
る側の面３０７ａには、水素供給用溝酸化剤を供給し、
反応生成物を排出するための手段として、複数の酸素供
給用兼Ｈ₂Ｏ排出用溝３０７ｈが形成される。

【００６５】燃料用電極３０２には、上述した還元剤生
成装置２００により発生した水素が供給されるようにな
っている。また、対向電極３０３には、酸素（Ｏ₂）が
外部より供給されるようになっている。

【００６６】燃料用電極３０２と、対向電極３０３に、
それぞれ、セパレータ３０６およびセパレータ３０７を
介して、外部負荷３０５を有する外部負荷回路３０４を
接続する。すると、燃料用電極３０２では、燃料用電極
３０２から電子を引き抜くように電流が流れ、燃料用電
流３０２では、次の反応が進行する。

【００６７】

【化１１】Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^- 一方、対向電極３０３では、次の反応が進行する。

【００６８】

【化１２】２Ｈ⁺＋２ｅ^-＋１／２Ｈ₂Ｏ→Ｈ₂Ｏこのときに、燃料電極３０２が負極、対向電極３０３が
正極となり、外部に電流を取出すことができる。

【００６９】

【実施例】以下、実施例を用いて、本発明について説明
するが、本発明は、以下の実施例によっては何ら限定さ
れることはない。

【００７０】実施例１図１は、本発明に従う燃料電池の一実施例を模式的に示
す構成図である。

【００７１】図１を参照して、この燃料電池１００は、
還元剤生成装置２００と、発電装置３００を含む。

【００７２】還元剤生成装置２００は、図２に示す還元
剤生成装置２００と同様であるので、その説明を省略す
る。

【００７３】また、発電装置３００は、図３に示す発電
装置３００と同様であるので、その説明を省略する。

【００７４】図１、図２および図３を参照して、対向電
極２０３で生成された還元剤は、還元剤供給用管路２５
０により、燃料用電極３０２に供給される。

【００７５】本実施例においては、還元剤生成装置２０
０を構成する燃料用電極２０２と、対向電極２０３は、
次のようにして形成した。

【００７６】まず、電解質層２０１として、固体高分子
電解質膜からなる陽イオン交換膜（商品名ＮＡＦＩＯＮ
１１７^R（デュポン社製））を準備した。

【００７７】次に、金属塩として、３％塩化白金酸液、
還元剤として１％ＮａＢＨ₄溶液を用い、陽イオン交換
膜に還元剤を浸透させた後、陽イオン交換膜の表面を塩
化白金酸溶液に接触させて、白金層を析出させた。この
方法により、陽イオン交換膜の表面に、多孔質性の白金
触媒層を形成し、１対の電極とした。

【００７８】また、本実施例においては、発電装置３０
０を構成する燃料用電極３０２と、対向電極３０３は、
次のようにして形成した。

【００７９】燃料用電極３０２および対向電極３０３の
基材として、導電性カーボン：ＰＴＦＥ（ポリテトラフ
ルオロエチレン）＝３：７からなる多孔質性の基材を準
備した。次に、この基材に触媒として、白金を５ｍｇ／
ｃｍ²の質量で担持した。電解質層３０１として、固体
高分子電解質膜からなる陽イオン交換膜（商品名ＮＡＦ
ＩＯＮ１１７^R（デュポン社製））を用いた。

【００８０】次に、この燃料電池１００の還元剤生成装
置２００を構成する燃料用電極２０２側に、モル比がメ
タノール：水＝１：２のメタノール−水混合液を供給
し、還元剤生成装置２００を構成するセルの温度を３０
℃に設定した。そして、燃料用電極２０２側をプラスと
し、燃料用電極２０２と対向電極２０３との間に、０．
２Ｖの電圧を加えたところ、１．０ｍＡ／ｃｍ²の電流
が流れ、燃料用電極２０２からＣＯ₂が、対向電極２０
３から水素ガスが発生した。発生した水素中には、一酸
化炭素は検出されなかった。

【００８１】次に、還元剤生成装置２００から生成され
た水素を還元剤供給用管路２５０を用いて、発電装置３
００を構成する燃料用電極３０２に供給した。

【００８２】還元剤生成装置２００により生成された水
素を燃料用電極３０２に供給し、対向電極３０３に酸素
を供給したところ、発電装置２００では、１．０ｍＡ／
ｃｍ ²、０．９Ｖの出力電圧を得た。

【００８３】この結果、１ｍＡ／ｃｍ²の電流値にて、
還元剤生成装置２００で必要とした電圧０．２Ｖを発電
装置３００において出力された出力電圧０．９Ｖから差
し引くと、燃料電池１００全体では、１ｍＡ／ｃｍ²、
０．７Ｖの出力電圧を得ることができた。

【００８４】尚、本実施例では、還元剤生成装置２００
に、外部電源２０５を設けた例を示したが、このような
外部電源２０５として、発電装置３００を用いても良
い。

【００８５】実施例２図４は、本発明に従う燃料電池の一実施例を模式的に示
す構成図である。

【００８６】図４を参照して、この燃料電池４００は、
セパレータ４２１、多孔性の集電層４０６、燃料用電極
（メタノール極）４０２、陽イオン交換膜層４０１、対
向電極（水素発生極）４０３、多孔性の集電層４２０、
燃料用電極（水素極）４１２、陽イオン交換膜層４１
１、対向電極（酸素極）４１３、多孔性の集電層４１７
およびセパレータ４２２が、この順に、互いに接するよ
うに順次積層されてなる。

【００８７】セパレータ４２１およびセパレータ４２２
には、外部負荷回路に接続するための端子４２３、４２
４がそれぞれ設けられる。

【００８８】多孔性の集電層４０６の燃料用電極４０２
に接する側の面４０６ａには、燃料を供給し、反応生成
物を排出するための手段として、複数の燃料供給用兼Ｃ
Ｏ₂排出用溝４０６ｈが形成される。

【００８９】多孔性の集電層４２０の対向電極４０３に
接する側の面４２０ａには、複数の水素排出用溝４２０
ｈａが形成される。

【００９０】多孔性の集電層４２０の燃料用電極４１２
に接する側の面４２０ｂには、複数の水素供給用溝４２
０ｈｂが形成される。

【００９１】多孔性の集電層４１７の対向電極４１３に
接する側の面４１７ａには、酸化剤を供給し、反応生成
物を排出するための手段として、複数の酸素供給用兼Ｈ
₂Ｏ排出用溝４１７ｈが形成される。

【００９２】また、燃料用電極４０２には、燃料を供給
するための燃料供給手段（図示せず）が設けられる。

【００９３】また、対向電極４１３には、酸化剤を供給
するための酸化剤供給手段（図示せず）が設けられる。

【００９４】多孔性の集電層４２０は、多孔性集電層４
２０の一方側の面４２０ａと、他方側の面４２０ｂを連
通する連通気孔を有する多孔質性の部材で構成されてい
る。

【００９５】また、対向電極４１３には、対向電極４１
３で生成された反応生成物（Ｈ₂Ｏ）および対向電極４
１３へ供給された余剰の酸化剤を燃料電池４００から排
出するための手段（図示せず）が設けられる。

【００９６】次に、燃料として、メタノールと水を用い
た場合を例にとり、燃料電池４００の動作について以下
に説明する。

【００９７】まず、燃料用電極４０２に、メタノールと
水を導入し、燃料用電極４０２を正極とし、対向電極４
０３を負極とするように、電圧を印加する。

【００９８】すると、燃料用電極４０２では、次式の反
応が進行する。

【００９９】

【化１３】ＣＨ₃ＯＨ＋２Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋６Ｈ⁺＋６ｅ^- この反応で生じたＨ⁺は、陽イオン交換膜４０１を通っ
て、対向電極４０３にて、次式のようにＨ₂を発生す
る。

【０１００】

【化１４】６Ｈ⁺＋６ｅ^-→３Ｈ₂ 発生した水素は、集電層４２０の連通気孔を通って、燃
料用電極（水素極）４１２に到達する。

【０１０１】次に、対向電極（酸素極）４１３へ酸素を
供給する。また、燃料用電極４０２と対向電極４０３に
印加していた電源を取除く。次に、端子４２３と端子４
２４に外部負荷回路（図示せず）を接続する。

【０１０２】すると、燃料用電極（水素極）４１２で
は、電子を引き抜かれて次式のような反応を起こす。

【０１０３】

【化１５】３Ｈ₂→６Ｈ⁺＋６ｅ^- この反応で生じたＨ⁺は、陽イオン交換膜４１１を通っ
て、対向電極（酸素極）４１３にて次式のような反応を
起こす。

【０１０４】

【化１６】６Ｈ⁺＋６ｅ^-＋２／３Ｏ₂→３Ｈ₂Ｏ以下、連続的に燃料用電極４０２にメタノールと水を供
給し、対向電極（酸素極）４１７に連続的に酸素を供給
することにより、外部に連続的に電流を取出すことがで
きる。

【０１０５】以下、具体的なデータに基づいて、さらに
詳しく説明する。集電層４０６、集電層４２０、集電層
４１７として、多孔質カーボン板を用いた。

【０１０６】本実施例においては、燃料用電極４０２と
対向電極（水素発生極）４０３は、次のようにして形成
した。

【０１０７】まず、陽イオン交換膜層４０１として、固
体高分子電解質膜からなる陽イオン交換膜（商品名ＮＡ
ＦＩＯＮ１１７^R（デュポン社製））を準備した。次
に、金属塩として、３％塩化白金酸液、還元剤として１
％ＮａＢＨ₄溶液を用いて、陽イオン交換膜に還元剤を
浸透させた後、陽イオン交換膜の表面を塩化白金酸溶液
に接触させて、白金層を析出させた。この方法により、
陽イオン交換膜の両面に、多孔質の白金触媒層を形成
し、１対の電極とした。

【０１０８】また、本実施例においては、燃料用電極
（水素極）４１２と、対向電極（酸素極）４１３は次の
ようにして形成した。

【０１０９】燃料用電極４１２および対向電極４１３の
基材として、導電性カーボン：ＰＴＦＥ（ポリテトラフ
ルオロエチレン）＝３：７からなる多孔質性の基材を準
備した。次に、この基材に触媒として、白金を５ｍｇ／
ｃｍ²の質量で担持した。

【０１１０】陽イオン交換膜層４１１として、固体高分
子電解質膜からなる陽イオン交換膜（商品名ＮＡＦＩＯ
Ｎ１１７^R（デュポン社製））を用いた。

【０１１１】次に、燃料用電極４０２側に、モル比がメ
タノール：水＝１：１のメタノール−水混合液を供給
し、セルの温度を３０℃に設定した。そして、燃料用電
極４０２側をプラスとし、燃料用電極４０２と対向電極
４０３との間に０．２Ｖの電圧を加えたところ、１．０
ｍＡ／ｃｍ²の電流が流れ、燃料用電極４０２からＣＯ
₂が、対向電極４０３から水素ガスが発生した。発生し
た水素中には一酸化炭素は検出されなかった。この操作
を一定時間続けた後、対向電極（酸素極）４１３に酸素
を供給した。次に、燃料用電極４０２と対向電極４０３
との間に印加していた電圧を取除いた。

【０１１２】次に、端子４２３と端子４２４を外部負荷
回路（図示せず）に接続した。以下、連続的に燃料用電
極４０２にメタノールと水を供給し、対向電極（酸素
極）４１３に酸素を連続的に供給することにより、燃料
電池４００全体で、１．０ｍＡ／ｃｍ²の電流密度、
０．７Ｖの出力電圧を連続的に取出すことができた。

【０１１３】なお、本実施例では、集電層４０６および
集電層４１７として、多孔質性の基材を用いたが、集電
層４０６および集電層４１７は、緻密な材料で形成され
ていてもよい。

【０１１４】また、集電層４０６と集電層４１７に緻密
な材料を用いた場合は、セパレータ４２１と、セパレー
タ４２２は、特に必要な部材ではないことを付記してお
く。

【０１１５】また、集電層４２０に設けられた、水素排
出用溝４２０ｈａ，水素供給用溝４２０ｈｂは、各々、
必要により形成されておればよく、本発明の必須の構成
要素ではないことを付記しておく。

【０１１６】尚、本実施例では、燃料用電極４０２に、
メタノールと水を導入し、燃料用電極４０２を正極と
し、対向電極４０３を負極とするように電圧を印加し、
しかる後に、対向電極４０３において生成され、燃料用
電極４１２に到達した水素と、対向電極４１３へ供給さ
れた酸素とを用いて燃料電池４００を起動させた例を示
したが、燃料電池４００の起動方法は、上記した起動方
法に限定されることはない。燃料用電極４１２に外部よ
り水素を供給し、対向電極４１３へ酸素を供給し、しか
る後に、燃料用電極４０２に、メタノールと水を導入す
ることによっても燃料電池４００を起動させても良い。

【０１１７】実施例３実施例２に示す燃料電池４００を単セルユニットとし、
この単セルユニットを直列に４セル積層させ、実施例２
と同様の操作を行なった。

【０１１８】以上の操作により、実施例３に示す４セル
直列型燃料電池では、電流密度１．０ｍＡ／ｃｍ²、出
力電圧２．８Ｖを、連続的に取出すことができた。

【０１１９】なお、以上の実施例に関する開示は、本発
明の単なる具体例にすぎず、本発明の技術的範囲を何ら
制限するものではない。

【０１２０】本発明において用いる、陽イオン交換能を
有する電解質層としては、陽イオンを選択的に透過させ
るものであれば特に限定されることはない。そのような
陽イオン交換能を有する電解質層は、固体であっても、
また、電解液等の液体であってもよい。陽イオン交換能
を有する電解質層として、陽イオン交換膜を用いる場合
は、たとえば、固体高分子電解質膜、リン酸を含むマト
リックスからなる膜、硫酸を含むマトリックスからなる
膜、固体電解質よりなる膜などを挙げることができる。
また、陽イオン交換基として、スルホン酸、ホスホン
酸、硫酸エステル、リン酸エステルなどを有するイオン
交換膜を用いることができる。

【０１２１】また、本発明において用いる触媒は、特に
以下の場合に限定されるものではないが、白金（Ｐ
ｔ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、ルテニ
ウム（Ｒｕ）、金（Ａｕ），イリジウム（Ｉｒ）また
は、これらの金属と、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃ
ｏ）等の合金等を挙げることができる。また、電極は、
白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ），パラジウム（Ｐ
ｄ）、ルテニウム（Ｒｕ）、金（Ａｕ），イリジウム
（Ｉｒ）およびこれらの元素の少なくともいずれかを含
む合金等の触媒材料自体から形成してもよいし、導電性
のカーボン電極等に触媒材料を担持させたもの等から形
成してもよい。

【０１２２】本発明に従う電極は、たとえば、陽イオン
交換膜の膜の表面の多孔構造内に、電極材料を析出させ
ることによって形成することができる。その他、本発明
に従う電極は、予め燃結等で作製した多孔質体に触媒を
担持すること等により形成することができる。

【０１２３】本発明において、燃料供給手段は、たとえ
ば、電極の一方に燃料を接触させるため、燃料を収容す
る容器もしくは槽、該容器もしくは槽に燃料を所定の圧
力で送り込むためのポンプ等を備えることができるが、
これらに限定されず、電極に燃料を供給する機構であれ
ば、いかなるものも用いることができる。

【０１２４】本発明に従う燃料電池において用いる燃料
としては、少なくともメタノールおよび水を含むものを
挙げることができる。

【０１２５】また、実施例２に示すユニットを直列に多
数積層することにより、高電圧化も可能となる。図５
は、そのような燃料電池４００が、多数直列に積層され
た燃料電池を模式的に示す構成図である。

【０１２６】図５を参照して、燃料電池の発電部は、燃
料電池４００が多数直列に積層されて構成されている。

【０１２７】そして、多数直列に積層されてなる燃料電
池４００の両端の電池セルユニットの燃料が供給される
側の集電層と、酸化剤が供給される側の集電層には、そ
れぞれ端子が設けられ、外部負荷５０５を有する外部端
子５０４が接続される。

【０１２８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
従来のような複雑な反応系およびフローシステムは必要
でなく、非常にシンプルな装置によって、純度の高い水
素を生成することができる。本発明によれば、ＣＯ等の
不純物の生成は抑制される。

【０１２９】このため、本発明に従う燃料電池は、生成
されるＣＯが著しく低減されているため、触媒の被毒に
よる化学反応性の低下も防止される。

【０１３０】また、本発明に従う燃料電池（単セル）を
複数直列に積層することにより、高電圧化も可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に従う燃料電池の一具体例を模式的に示
す構成図である。

【図２】本発明に従う燃料電池の還元剤生成装置の一具
体例を模式的に示す構成図である。

【図３】本発明に従う燃料電池の発電装置の一実施例を
模式的に示す構成図である。

【図４】本発明に従う燃料電池の一具体例を模式的に示
す構成図である。

【図５】本発明に従う燃料電池（単セル）が直列に複数
積層された燃料電池の一具体例を模式的に示す構成図で
ある。

【図６】従来の燃料電池を模式的に示す構成図である。

【図７】従来の燃料改質器を模式的に示す構成図であ
る。

【符号の説明】

１００、４００、５００燃料電池２００還元剤生成装置２０１、３０１、４０１、４１１陽イオン交換能を有
する電解質層２０２、３０２、４０２、４１２燃料用電極２０３、３０３、４０３、４１３対向電極２０４、３０４、５０４外部回路２０５電源２０６、２０７、３０６、３０７、４２１、４２２セ
パレータ２０６ｈ、４０６ｈ燃料供給用兼ＣＯ₂排出用溝２０７ｈ、４２０ｈａ水素排出用溝２０８、２０９、３０８、３０９電極３００発電装置３０５、５０５外部負荷３０６ｈ、４２０ｈｂ水素供給用溝３０７ｈ、４１７ｈ酸素供給用兼Ｈ₂Ｏ排出用溝４０６、４２０、４１７集電層４２３、４２４端子

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】燃料を電気化学的に分解して、還元剤を
生成するための還元剤生成手段と、前記還元剤生成手段により生成された還元剤を用いて発
電を行なう発電手段とを備える、燃料電池。
【請求項２】触媒を含む材料からなる第１の電極と、前記第１の電極の表面に接するように設けられ、陽イオ
ン交換能を有する第１の電解質層と、前記第１の電解質層の表面に接するように設けられ、触
媒を含む材料からなる第２の電極と、前記第１の電極に燃料を供給するための燃料供給手段
と、前記第１の電極を正極とし、前記第２の電極を負極とし
て、電流を通電するための電流通電手段と、触媒を含む材料からなる第３の電極と、前記第３の電極の表面に接するように設けられ、陽イオ
ン交換能を有する第２の電解質層と、前記第２の電解質層の表面に接するように設けられ、触
媒を含む材料からなる第４の電極と、前記第２の電極において生成された還元剤を前記第３の
電極へ供給する手段と、前記第４の電極へ酸化剤を供給するための酸化剤供給手
段とを備え、前記第３および第４の電極から電流を取出す、燃料電
池。
【請求項３】触媒を含む材料からなる第５の電極と、前記第５の電極の表面に接するように設けられ、陽イオ
ン交換能を有する第３の電解質層と、前記第３の電解質層の表面に接するように設けられ、触
媒を含む材料からなる第６の電極と、前記第５の電極に燃料を供給するための燃料供給手段
と、触媒を含む材料からなる第７の電極と、前記第７の電極の表面に接するように設けられ、陽イオ
ン交換能を有する第４の電解質層と、前記第４の電解質層の表面に接するように設けられ、触
媒を含む材料からなる第８の電極と、前記第６の電極において生成された還元剤を前記第７の
電極へ供給する手段と、前記第６の電極と前記第７の電極との間に設けられる、
電流を通電する手段と、前記第８の電極へ酸化剤を供給するための酸化剤供給手
段とを備え、前記第５および第８の電極から電流を取出す、燃料電
池。
【請求項４】前記第６の電極において生成された還元
剤を前記第７の電極へ供給する手段、および、前記第６
の電極と前記第７の電極との間に設けられる、電流を通
電する手段が、同一の導電性の多孔質部材で形成され
る、請求項３に記載の燃料電池。
【請求項５】前記燃料は、少なくともメタノールおよ
び水を含み、かつ前記還元剤は水素を含む、請求項１、
２、３または４に記載の燃料電池。