JPH09507605A - 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
- Publication number
- JPH09507605A JPH09507605A JP7517355A JP51735595A JPH09507605A JP H09507605 A JPH09507605 A JP H09507605A JP 7517355 A JP7517355 A JP 7517355A JP 51735595 A JP51735595 A JP 51735595A JP H09507605 A JPH09507605 A JP H09507605A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- reactor
- acid
- vanadium
- salt solution
- fuel
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/20—Indirect fuel cells, e.g. fuel cells with redox couple being irreversible
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B60—VEHICLES IN GENERAL
- B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
- B60L50/00—Electric propulsion with power supplied within the vehicle
- B60L50/50—Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by batteries or fuel cells
- B60L50/70—Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by batteries or fuel cells using power supplied by fuel cells
- B60L50/72—Constructional details of fuel cells specially adapted for electric vehicles
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
- Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Transportation (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
- Catalysts (AREA)
- Inert Electrodes (AREA)
Abstract
(57)【要約】
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、その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、その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、両金属は、好ましくは、それぞれバナジウム(IV)/(III)及びバナジウム(V)/(IV)なる酸化/還元対を形成するバナジウムであり、第一反応器(1)には炭水化物が燃料として供給され、そして第一反応器(1)での反応は第一触媒(2)としての白金又はルテニウムの存在下で遂行される。
Description
【発明の詳細な説明】
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
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。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H3
PO4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(Gibbs)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。
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。
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4,786,5
67号、188明細書;B.サン(B.Sun)及びM.スカイラス−カザコスのE
lectrochem.Acta、36(1991)、513;及びM.カザコ
ス(M.Kazacos)、M.チェン(M.Cheng)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.Electrochem.、
15(1985)、619;及びJ.T.クマー及びD.G.オエイのJ.Ap
pl.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Bioelect
rochem.Bioenerg.、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.Hertl)及びH.H.ウィートール(H.H.Weetall)のBioelec
trochem.Bioenerg.、14(1985)、357;並びにW.
ハートル及びR.G.シェッフラー(R.G.Schaeffler)の、1986年3月2
5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(1985)、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4,578,3
23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Ti/Fe[DOE/N
ASDA/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/NASA1022/77/10:NASA TM−X−7366
9;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 Iron/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.Soc.、12
6(1979)、357;128(1981)、1755;129(1982)
、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.Elect
rochem.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。
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。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。
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。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 pot
ential)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、熱機関に比較して、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。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(1985)、6
19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2
4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、糖蜜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0.001〜0.1M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は微粉状で、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V
OSO4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+I
II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.Appl.Ele
ctrochem,、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+4VO2+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1
6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1
9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。
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。
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90〜1
05℃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。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“電力プランド”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、所望とされる電力を
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(VOS
O4・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(10,000
W/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(14,285/78)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。
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18.5dm2(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×1
11A)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。13
0個の直列配置のセルの最小長さは、このとき、17dm(130×0.13d
m)となる。1つの単位の容積は、このとき、313リットル(17dm×19
dm2)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、56%
(0.7/1.25)となる。
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(81)指定国 EP(AT,BE,CH,DE,
DK,ES,FR,GB,GR,IE,IT,LU,M
C,NL,PT,SE),OA(BF,BJ,CF,CG
,CI,CM,GA,GN,ML,MR,NE,SN,
TD,TG),AP(KE,MW,SD,SZ),AM,
AT,AU,BB,BG,BR,BY,CA,CH,C
N,CZ,DE,DK,EE,ES,FI,GB,GE
,HU,JP,KE,KG,KP,KR,KZ,LK,
LR,LT,LU,LV,MD,MG,MN,MW,N
L,NO,NZ,PL,PT,RO,RU,SD,SE
,SI,SK,TJ,TT,UA,US,UZ,VN
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 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(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(1 4)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。 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、又はセルロース、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。 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。 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 。 5.最高150℃、好ましくは90〜105℃の燃料電池中永久温度(perman ent 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。 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。 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(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。 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。 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。
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SE9304203A SE501120C2 (sv) | 1993-12-20 | 1993-12-20 | Förfarande för produktion av elektrisk energi i en biobränsledriven bränslecell |
SE9304203-4 | 1993-12-20 | ||
PCT/SE1994/001218 WO1995017773A1 (en) | 1993-12-20 | 1994-12-19 | Method for producing electric energy in a biofuel-powered fuel cell |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH09507605A true JPH09507605A (ja) | 1997-07-29 |
JP3514462B2 JP3514462B2 (ja) | 2004-03-31 |
Family
ID=20392139
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP51735595A Expired - Fee Related JP3514462B2 (ja) | 1993-12-20 | 1994-12-19 | 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 |
Country Status (9)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US5660940A (ja) |
EP (1) | EP0799503B1 (ja) |
JP (1) | JP3514462B2 (ja) |
AT (1) | ATE180359T1 (ja) |
AU (1) | AU678672B2 (ja) |
CA (1) | CA2179504C (ja) |
DE (1) | DE69418627T2 (ja) |
SE (1) | SE501120C2 (ja) |
WO (1) | WO1995017773A1 (ja) |
Families Citing this family (39)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE19648691C2 (de) * | 1995-11-17 | 2002-06-20 | Reinhart Radebold | Verfahren zur Umsetzung der in wasserstoffhaltigen Stoffen und Sauerstoff gespeicherten freien Reaktionsenthalpie in Energie eines elektrodynamischen Feldes |
EP1192238A1 (en) * | 1999-03-31 | 2002-04-03 | Syntroleum Corporation | Fuel-cell fuels, methods, and systems |
US6365108B1 (en) * | 1999-10-12 | 2002-04-02 | Caterpillar Inc. | Siloxane filter for O2 sensor for bio-gas engine |
US6596431B1 (en) * | 2000-01-20 | 2003-07-22 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Battery and method for generating an electric power |
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 |
EP1502320A2 (de) * | 2002-04-26 | 2005-02-02 | Reinhart Radebold | Chemoelektrischer wandler, chemoelektrisches wandlersystem, verfahren zur erzeugung elektrischer energie und verfahren zum betrieb eines chemoelektrischen wandlersystems |
CA2998199A1 (en) | 2004-06-01 | 2005-12-15 | Kwalata Trading Limited | Methods for use with stem cells involving culturing on a surface with antibodies |
EP2532356A1 (en) | 2004-07-14 | 2012-12-12 | Glusense Ltd. | Implantable power sources and sensors |
GB0505087D0 (en) * | 2005-03-12 | 2005-04-20 | Acal Energy Ltd | Fuel cells |
TW200734462A (en) | 2006-03-08 | 2007-09-16 | In Motion Invest Ltd | Regulating stem cells |
IN266777B (ja) * | 2006-03-24 | 2015-06-01 | Acal Energy Ltd | |
GB0608079D0 (en) * | 2006-04-25 | 2006-05-31 | Acal Energy Ltd | Fuel cells |
GB0614337D0 (en) * | 2006-07-19 | 2006-08-30 | Acal Energy Ltd | Fuel Cells |
GB0614338D0 (en) * | 2006-07-19 | 2006-08-30 | Acal Energy Ltd | Fuel cells |
WO2008143877A1 (en) | 2007-05-14 | 2008-11-27 | Brigham Young University | Fuel cell and method for generating electric power |
US20080318314A1 (en) * | 2007-06-20 | 2008-12-25 | Valentin Fulga | Production from blood of cells of neural lineage |
CN102308206A (zh) * | 2007-09-17 | 2012-01-04 | 红象牙有限责任公司 | 自作用信号产生检测设备和方法 |
GB0718349D0 (en) * | 2007-09-20 | 2007-10-31 | Acal Energy Ltd | Fuel cells |
GB0718577D0 (en) * | 2007-09-24 | 2007-10-31 | Acal Energy Ltd | Fuel cells |
GB0801195D0 (en) * | 2008-01-23 | 2008-02-27 | Acal Energy Ltd | Fuel cells |
GB0801198D0 (en) * | 2008-01-23 | 2008-02-27 | Acal Energy Ltd | Fuel cells |
GB0801199D0 (en) * | 2008-01-23 | 2008-02-27 | Acal Energy Ltd | Fuel cells |
US20090280367A1 (en) * | 2008-05-12 | 2009-11-12 | Clearedge Power, Inc. | Extraction of Energy From Used Cooking Oil |
US20100160749A1 (en) * | 2008-12-24 | 2010-06-24 | Glusense Ltd. | Implantable optical glucose sensing |
GB0907795D0 (en) | 2009-05-07 | 2009-06-17 | Acal Energy Ltd | Fuel cells |
US8105474B2 (en) * | 2009-08-18 | 2012-01-31 | Gas Technology Institute | Photo-electro-refining of bio-oil to biofuel and hydrogen |
US20110135966A1 (en) * | 2009-12-05 | 2011-06-09 | Vishnu Jayaprakash | Novel cow-dung based microbial fuel cell |
US9037205B2 (en) | 2011-06-30 | 2015-05-19 | Glusense, Ltd | Implantable optical glucose sensing |
EP2794902B1 (en) * | 2011-12-22 | 2018-08-22 | Xyleco, Inc. | Processing biomass for use in fuel cells |
US9543609B2 (en) | 2012-03-05 | 2017-01-10 | Eos Holding Sa | Redox flow battery for hydrogen generation |
US10575765B2 (en) | 2014-10-13 | 2020-03-03 | Glusense Ltd. | Analyte-sensing device |
WO2017183030A1 (en) | 2016-04-20 | 2017-10-26 | Glusense Ltd. | Fret-based glucose-detection molecules |
CN106025319B (zh) * | 2016-06-30 | 2019-07-12 | 华东交通大学 | 一种扩散驱动下的直接纤维素产电装置及方法 |
US10727518B2 (en) | 2017-06-12 | 2020-07-28 | Wisconsin Alumni Research Foundation | Flow-based anode for the electrocatalytic oxidation of a fuel or other reductant |
RU2716148C1 (ru) * | 2019-05-07 | 2020-03-06 | Открытое акционерное общество "Элеконд" | Способ приготовления электролита для ванадиевых редокс батарей |
WO2024108186A2 (en) * | 2022-11-17 | 2024-05-23 | Watt Power Inc. | Production of hydrogen from carbohydrates using viologen catalysts |
Family Cites Families (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
FI49655C (fi) * | 1969-02-10 | 1975-08-11 | Electrocell Ltd | Menetelmä sähkövirran kemialliseksi generoimiseksi redox-polttoaineken nossa. |
US4159366A (en) * | 1978-06-09 | 1979-06-26 | The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration | Electrochemical cell for rebalancing redox flow system |
US4661422A (en) * | 1985-03-04 | 1987-04-28 | Institute Of Gas Technology | Electrochemical production of partially oxidized organic compounds |
US4576878A (en) * | 1985-06-25 | 1986-03-18 | The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration | Method and apparatus for rebalancing a redox flow cell system |
-
1993
- 1993-12-20 SE SE9304203A patent/SE501120C2/sv not_active IP Right Cessation
-
1994
- 1994-12-19 CA CA002179504A patent/CA2179504C/en not_active Expired - Fee Related
- 1994-12-19 EP EP95904724A patent/EP0799503B1/en not_active Expired - Lifetime
- 1994-12-19 AU AU13294/95A patent/AU678672B2/en not_active Ceased
- 1994-12-19 DE DE69418627T patent/DE69418627T2/de not_active Expired - Fee Related
- 1994-12-19 WO PCT/SE1994/001218 patent/WO1995017773A1/en active IP Right Grant
- 1994-12-19 AT AT95904724T patent/ATE180359T1/de not_active IP Right Cessation
- 1994-12-19 US US08/652,475 patent/US5660940A/en not_active Expired - Lifetime
- 1994-12-19 JP JP51735595A patent/JP3514462B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
SE9304203L (sv) | 1994-11-21 |
EP0799503A1 (en) | 1997-10-08 |
AU1329495A (en) | 1995-07-10 |
AU678672B2 (en) | 1997-06-05 |
WO1995017773A1 (en) | 1995-06-29 |
US5660940A (en) | 1997-08-26 |
DE69418627D1 (de) | 1999-06-24 |
SE501120C2 (sv) | 1994-11-21 |
CA2179504C (en) | 2007-03-13 |
EP0799503B1 (en) | 1999-05-19 |
CA2179504A1 (en) | 1995-06-29 |
ATE180359T1 (de) | 1999-06-15 |
DE69418627T2 (de) | 1999-12-09 |
JP3514462B2 (ja) | 2004-03-31 |
SE9304203D0 (sv) | 1993-12-20 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JPH09507605A (ja) | 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 | |
US7871739B2 (en) | Fuel cell and electronic device | |
US20070184309A1 (en) | Methods for use of a photobiofuel cell in production of hydrogen and other materials | |
US6245707B1 (en) | Methanol tolerant catalyst material | |
JPS6380480A (ja) | 燃料電池及び燃料電池で発電する方法 | |
JP2007012281A (ja) | 燃料電池、電子機器、移動体、発電システムおよび酵素反応利用装置 | |
US11050076B1 (en) | Flow cell systems, flow cell batteries, and hydrogen production processes | |
US7344799B2 (en) | Direct hydrogen peroxide fuel cell | |
CN101485982A (zh) | 直接硼氢化物燃料电池用阳极电催化剂及其制备方法 | |
JP2005501387A (ja) | 燃料電池 | |
CN102117918A (zh) | 氮掺杂碳纳米管在制备微生物燃料电池阴极中的应用及其制备方法 | |
CN101162780B (zh) | 一种直接甲醇燃料电池阳极催化剂及其制备方法 | |
CN100386910C (zh) | 一种高效直接甲醇燃料电池阴极催化剂及其制备方法 | |
CN105958094A (zh) | 一种低质煤燃料电池 | |
CN106848339A (zh) | 一种钴氧化物与氮掺杂炭复合氧析出/氧还原反应双功能催化剂 | |
CN101176844A (zh) | 直接甲醇燃料电池阳极催化剂及其制备方法和应用 | |
CN114032570B (zh) | 碳辅助固体氧化物电解池 | |
Yamin et al. | Conventional fuel cells vs biofuel cells | |
CN113036195A (zh) | 一种生物质液流燃料电池的电解液及其制备方法和生物质液流燃料电池 | |
CN117117274B (zh) | 一种甲酸燃料电池及其制备方法 | |
Sobieszuk et al. | Harvesting energy and hydrogen from microbes | |
EP1846979B1 (en) | Hydrogen-air secondary cell | |
CN101306363B (zh) | 一种硼氢化物直接氧化的燃料电池电催化剂 | |
JPS6286668A (ja) | メタノ−ル改質型燃料電池 | |
Vestergaard et al. | Carbon-Based Nanomaterials in Biomass-Based Fuel-Fed Fuel Cells. |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20040113 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |