JPH11144751A - 直接型ジメチルエーテル燃料電池、直接型積層ジメチルエーテル燃料電池システム、発電方法および前記燃料電池用電極触媒 - Google Patents
直接型ジメチルエーテル燃料電池、直接型積層ジメチルエーテル燃料電池システム、発電方法および前記燃料電池用電極触媒Info
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- JPH11144751A JPH11144751A JP9323807A JP32380797A JPH11144751A JP H11144751 A JPH11144751 A JP H11144751A JP 9323807 A JP9323807 A JP 9323807A JP 32380797 A JP32380797 A JP 32380797A JP H11144751 A JPH11144751 A JP H11144751A
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- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 HC改質型燃料電池の複雑性を解消し、直接型
燃料電池での燃料の貯蔵・積載方法の問題を解消し、燃
料として毒性もなく、発電効率も向上でき、且つ炭化水
素燃料から直接、常温付近で発電する燃料電池として、
従来の直接型メタノール燃料電池より高性能な直接型ジ
メチルエーテル燃料電池を得る。 【解決手段】 プロトン導電性電解質部と、それを挟持
する一対のガス拡散性のカソードおよびアノードとを有
し、前記各電極は電解質側に貴金属含有電極触媒層を備
え、ガス拡散電極の触媒層と反対側にはそれぞれカソー
ドガス側分配板およびアノード側ガス分配板を配し、ジ
メチルエーテルと水蒸気をアノードに、酸素又は空気を
カソードにそれぞれ供給して燃料電池を構成する。
燃料電池での燃料の貯蔵・積載方法の問題を解消し、燃
料として毒性もなく、発電効率も向上でき、且つ炭化水
素燃料から直接、常温付近で発電する燃料電池として、
従来の直接型メタノール燃料電池より高性能な直接型ジ
メチルエーテル燃料電池を得る。 【解決手段】 プロトン導電性電解質部と、それを挟持
する一対のガス拡散性のカソードおよびアノードとを有
し、前記各電極は電解質側に貴金属含有電極触媒層を備
え、ガス拡散電極の触媒層と反対側にはそれぞれカソー
ドガス側分配板およびアノード側ガス分配板を配し、ジ
メチルエーテルと水蒸気をアノードに、酸素又は空気を
カソードにそれぞれ供給して燃料電池を構成する。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明はジメチルエーテルを燃料
とする燃料電池に関し、より詳しくは、ジメチルエーテ
ルと水蒸気とを直接アノードに供給して発電させるプロ
トン電解質燃料電池、例えば、燃料電池自動車の推進力
として利用されるリン酸型燃料電池あるいはイオン交換
膜型燃料電池等の直接型ジメチルエーテル燃料電池に関
する。
とする燃料電池に関し、より詳しくは、ジメチルエーテ
ルと水蒸気とを直接アノードに供給して発電させるプロ
トン電解質燃料電池、例えば、燃料電池自動車の推進力
として利用されるリン酸型燃料電池あるいはイオン交換
膜型燃料電池等の直接型ジメチルエーテル燃料電池に関
する。
【０００２】
【従来の技術】都市環境保全および地球環境保全の観点
から、輸送用動力源として内撚機関に代わる燃料電池推
進力の開発が進められている。その燃料として何を利用
するかは輸送用燃料電池の実用化の鍵となっている。
から、輸送用動力源として内撚機関に代わる燃料電池推
進力の開発が進められている。その燃料として何を利用
するかは輸送用燃料電池の実用化の鍵となっている。
【０００３】最もクリーンな燃料は水素であるが、水素
はその貯蔵・積載方法に課題が多く、インフラの整備に
多大なコストが予想される。他方、ガソリンや軽油のよ
うな従来の内燃機関燃料と同様に手軽に充填できる燃料
としてはメタノールが知られている。実際、将来のバス
・トラック・乗用車や鉄道車両・船舶の推進力としてメ
タノール改質型燃料電池や直接型メタノール燃料電池の
開発が進められている。
はその貯蔵・積載方法に課題が多く、インフラの整備に
多大なコストが予想される。他方、ガソリンや軽油のよ
うな従来の内燃機関燃料と同様に手軽に充填できる燃料
としてはメタノールが知られている。実際、将来のバス
・トラック・乗用車や鉄道車両・船舶の推進力としてメ
タノール改質型燃料電池や直接型メタノール燃料電池の
開発が進められている。
【０００４】しかし、石油代替燃料として液化天然ガス
と並び注目されてきたメタノールの利用は期待されたよ
うには進んでいない。その利用が広範に進まない理由の
一つは、メタノールの毒性にある。他方、最近、低位炭
から合成ガスを経由して、安価にジメチルエーテルを合
成する技術の開発が進められている。ジメチルエーテル
は下記表１に見るようにメタノールに比べ遥かに毒性が
低く、室温近くで容易に液化する性質とあいまって、輸
送用燃料電池の燃料として利用される可能性が高い。
と並び注目されてきたメタノールの利用は期待されたよ
うには進んでいない。その利用が広範に進まない理由の
一つは、メタノールの毒性にある。他方、最近、低位炭
から合成ガスを経由して、安価にジメチルエーテルを合
成する技術の開発が進められている。ジメチルエーテル
は下記表１に見るようにメタノールに比べ遥かに毒性が
低く、室温近くで容易に液化する性質とあいまって、輸
送用燃料電池の燃料として利用される可能性が高い。
【０００５】
【表１】
【０００６】輸送用燃料電池としては、比較的低温で始
動可能なプロトン電解質燃料電池が適している。しか
し、プロトン電解質燃料電池に直接供給して発電できる
燃料として使用されているのは、前述のような問題が多
い水素とメタノールのみであり、また近年開発が進めら
れている固体高分子電解質膜を用いる直接型メタノール
燃料電池でも出力特性（出力密度）はまだ不十分であり
実用化に至っていない。更に、プロトン電解質燃料電池
に改質器を組み合わせたシステムも公知であるが、改質
器を組み合わせると、システムが複雑になり、熱効率の
低下を来たす。
動可能なプロトン電解質燃料電池が適している。しか
し、プロトン電解質燃料電池に直接供給して発電できる
燃料として使用されているのは、前述のような問題が多
い水素とメタノールのみであり、また近年開発が進めら
れている固体高分子電解質膜を用いる直接型メタノール
燃料電池でも出力特性（出力密度）はまだ不十分であり
実用化に至っていない。更に、プロトン電解質燃料電池
に改質器を組み合わせたシステムも公知であるが、改質
器を組み合わせると、システムが複雑になり、熱効率の
低下を来たす。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、燃料
としてジメチルエーテルを用いることにより、炭化水素
（HC）改質型燃料電池における装置としての複雑性を解
消すると共に、直接型燃料電池における燃料の貯蔵・積
載方法の問題を解消し、しかも燃料として毒性もなく、
且つ炭化水素燃料から直接、常温付近で発電する燃料電
池として、従来の直接型メタノール燃料電池より発電効
率を向上できる直接型ジメチルエーテル燃料電池、直接
型ジメチルエーテル積層燃料電池システムおよび発電方
法を提供することである。
としてジメチルエーテルを用いることにより、炭化水素
（HC）改質型燃料電池における装置としての複雑性を解
消すると共に、直接型燃料電池における燃料の貯蔵・積
載方法の問題を解消し、しかも燃料として毒性もなく、
且つ炭化水素燃料から直接、常温付近で発電する燃料電
池として、従来の直接型メタノール燃料電池より発電効
率を向上できる直接型ジメチルエーテル燃料電池、直接
型ジメチルエーテル積層燃料電池システムおよび発電方
法を提供することである。
【０００８】本発明者等は特に、改質器を必要としない
従来の直接型燃料電池における燃料の問題を解消するた
め、燃料としてジメチルエーテルに着目した。即ち、ジ
メチルエーテルがアノードで水蒸気と直接電気化学的に
反応し、酸化されて電解質にプロトンを供給し、同時に
アノード端子に接続された導線から外部回路に電子を供
給し、この電子がカソード端子からカソードに至り、そ
こで電解質から供給された前記プロトンの存在下で空気
中の酸素分子を電気化学的に還元できるならば、直接型
ジメチルエーテル燃料電池を構成することが期待でき
る。この場合、前記燃料電池のシステム効率を高めるに
は、カソードで発生した水（ガス）をアノードにリサイ
クルする機構を備えることが必要になることも考えられ
る。このような直接型ジメチルエーテル燃料電池のアノ
ードおよびカソードにおける反応は次の通りである。
従来の直接型燃料電池における燃料の問題を解消するた
め、燃料としてジメチルエーテルに着目した。即ち、ジ
メチルエーテルがアノードで水蒸気と直接電気化学的に
反応し、酸化されて電解質にプロトンを供給し、同時に
アノード端子に接続された導線から外部回路に電子を供
給し、この電子がカソード端子からカソードに至り、そ
こで電解質から供給された前記プロトンの存在下で空気
中の酸素分子を電気化学的に還元できるならば、直接型
ジメチルエーテル燃料電池を構成することが期待でき
る。この場合、前記燃料電池のシステム効率を高めるに
は、カソードで発生した水（ガス）をアノードにリサイ
クルする機構を備えることが必要になることも考えられ
る。このような直接型ジメチルエーテル燃料電池のアノ
ードおよびカソードにおける反応は次の通りである。
【０００９】(アノード反応) CH3OCH3(ガス) ＋ 3H2O(ガス) → 2CO2 ＋ 12H+ ＋ 12e
- (カソード反応) 3O2 ＋ 12H+ ＋ 12e- → 6H2O (総括反応) CH3OCH3(ガス) ＋ 3O2 → 2CO2 ＋ 3H2O 他方、前記固体高分子電解質膜を用いる直接型メタノー
ル燃料電池において出力密度を十分向上できない原因の
一つは、メタノールがイオン交換膜中をアノードからカ
ソードへと透過する、所謂クロスオーバー現象による効
率低下にあると考えられる。
- (カソード反応) 3O2 ＋ 12H+ ＋ 12e- → 6H2O (総括反応) CH3OCH3(ガス) ＋ 3O2 → 2CO2 ＋ 3H2O 他方、前記固体高分子電解質膜を用いる直接型メタノー
ル燃料電池において出力密度を十分向上できない原因の
一つは、メタノールがイオン交換膜中をアノードからカ
ソードへと透過する、所謂クロスオーバー現象による効
率低下にあると考えられる。
【００１０】本発明者等は、代表的なイオン交換膜であ
るNafionTM117(Dupont de Numor社製商品名)に対するメ
タノールとジメチルエーテルとの透過速度を比較し、ジ
メチルエーテルの透過速度が小さいことを見出した。こ
のことは直接型メタノール燃料電池よりも直接型ジメチ
ルエーテル燃料電池の方が高効率を発揮できる可能性を
示唆している。
るNafionTM117(Dupont de Numor社製商品名)に対するメ
タノールとジメチルエーテルとの透過速度を比較し、ジ
メチルエーテルの透過速度が小さいことを見出した。こ
のことは直接型メタノール燃料電池よりも直接型ジメチ
ルエーテル燃料電池の方が高効率を発揮できる可能性を
示唆している。
【００１１】そこで、本発明者等は、プロトン電解質を
用いる直接型ジメチルエーテル燃料電池の可能性を探索
し、従来のHC改質型燃料電池や直接型メタノール燃料電
池よりも高効率で環境適合性の高い直接型ジメチルエー
テル燃料電池、直接型ジメチルエーテル積層燃料電池お
よびそれらの発電方法を見出し、本発明を完成するに至
った。
用いる直接型ジメチルエーテル燃料電池の可能性を探索
し、従来のHC改質型燃料電池や直接型メタノール燃料電
池よりも高効率で環境適合性の高い直接型ジメチルエー
テル燃料電池、直接型ジメチルエーテル積層燃料電池お
よびそれらの発電方法を見出し、本発明を完成するに至
った。
【００１２】
【課題を解決するための手段】即ち本発明は、プロトン
導電性の電解質と、該電解質を挟んで設けられた一対の
アノードおよびカソードと、前記アノードに燃料ガス及
び水蒸気が直接供給される構造を有してなる直接型燃料
電池において、前記燃料ガスがジメチルエーテルである
ことを特徴とする直接型ジメチルエーテル燃料電池を提
供する。上記直接型ジメチルエーテル燃料電池において
は、アノードおよびカソードの各電極が前記電解質と接
する面に、貴金属を含有する電極触媒層を有することが
好ましい。
導電性の電解質と、該電解質を挟んで設けられた一対の
アノードおよびカソードと、前記アノードに燃料ガス及
び水蒸気が直接供給される構造を有してなる直接型燃料
電池において、前記燃料ガスがジメチルエーテルである
ことを特徴とする直接型ジメチルエーテル燃料電池を提
供する。上記直接型ジメチルエーテル燃料電池において
は、アノードおよびカソードの各電極が前記電解質と接
する面に、貴金属を含有する電極触媒層を有することが
好ましい。
【００１３】また本発明は、 ａ）上記の燃料電池が、前記アノードの外側に該アノー
ドに燃料ガスを供給するために設けられたアノード側ガ
ス分配板と、前記カソードの外側に該カソードに酸化剤
ガスを供給するために設けられたカソード側ガス分配板
とを有するものであり、かかる燃料電池がユニットセル
として２以上直列に連結されてなる積層燃料電池であっ
て、１つのユニットセルのアノード側ガス分配板又はカ
ソード側ガス分配板が、それぞれ、隣接するユニットセ
ルのカソード側ガス分配板又はアノード側ガス分配板と
接してなり、一端のユニットセルの端部電極またはその
端部ガス分配板と他端のユニットセルの端部電極または
その端部ガス分配板との間で導通を取り出せるようにな
っている積層燃料電池； ｂ）前記積層燃料電池の各アノードに気体状ジメチルエ
ーテルと水蒸気を供給するアノード側ガス供給系；およ
び ｃ）前記積層燃料電池の各カソードで発生する反応生成
物を排出するカソード側ガス排出系 を備えてなる直接型ジメチルエーテル積層燃料電池シス
テムを提供する。
ドに燃料ガスを供給するために設けられたアノード側ガ
ス分配板と、前記カソードの外側に該カソードに酸化剤
ガスを供給するために設けられたカソード側ガス分配板
とを有するものであり、かかる燃料電池がユニットセル
として２以上直列に連結されてなる積層燃料電池であっ
て、１つのユニットセルのアノード側ガス分配板又はカ
ソード側ガス分配板が、それぞれ、隣接するユニットセ
ルのカソード側ガス分配板又はアノード側ガス分配板と
接してなり、一端のユニットセルの端部電極またはその
端部ガス分配板と他端のユニットセルの端部電極または
その端部ガス分配板との間で導通を取り出せるようにな
っている積層燃料電池； ｂ）前記積層燃料電池の各アノードに気体状ジメチルエ
ーテルと水蒸気を供給するアノード側ガス供給系；およ
び ｃ）前記積層燃料電池の各カソードで発生する反応生成
物を排出するカソード側ガス排出系 を備えてなる直接型ジメチルエーテル積層燃料電池シス
テムを提供する。
【００１４】上記直接型ジメチルエーテル燃料電池およ
び直接型ジメチルエーテル積層燃料電池システムの各ユ
ニットセルに用いられるプロトン導電性電解質はイオン
交換膜よりなり、これにより固体高分子膜型燃料電池を
形成することが好ましい。上記直接型ジメチルエーテル
燃料電池および直接型ジメチルエーテル積層燃料電池シ
ステムの各ユニットセルの電極触媒層に使用される貴金
属は白金、ロジウム、パラジウム、イリジウム、オスミ
ウム、ルテニウム、レニウム、金および銀からなる群か
ら選ばれた少なくとも１種であることが好ましい。
び直接型ジメチルエーテル積層燃料電池システムの各ユ
ニットセルに用いられるプロトン導電性電解質はイオン
交換膜よりなり、これにより固体高分子膜型燃料電池を
形成することが好ましい。上記直接型ジメチルエーテル
燃料電池および直接型ジメチルエーテル積層燃料電池シ
ステムの各ユニットセルの電極触媒層に使用される貴金
属は白金、ロジウム、パラジウム、イリジウム、オスミ
ウム、ルテニウム、レニウム、金および銀からなる群か
ら選ばれた少なくとも１種であることが好ましい。
【００１５】また前記直接型ジメチルエーテル積層燃料
電池システムにおいては、前記カソード側ガス排出系で
得られた排気からの少なくとも一部の水蒸気を分離し、
これを前記アノード側ガス供給系にリサイクルする水蒸
気リサイクル手段を備えていることが好ましい。さらに
本発明は、別の観点から、気体状ジメチルエーテルと水
蒸気とを酸化剤ガスおよびプロトン導電性電解質の存在
下に反応させ、得られる自由エネルギーを電気エネルギ
ーに変換して発電させることを特徴とする発電方法を提
供する。
電池システムにおいては、前記カソード側ガス排出系で
得られた排気からの少なくとも一部の水蒸気を分離し、
これを前記アノード側ガス供給系にリサイクルする水蒸
気リサイクル手段を備えていることが好ましい。さらに
本発明は、別の観点から、気体状ジメチルエーテルと水
蒸気とを酸化剤ガスおよびプロトン導電性電解質の存在
下に反応させ、得られる自由エネルギーを電気エネルギ
ーに変換して発電させることを特徴とする発電方法を提
供する。
【００１６】この発電方法では前記反応で生成する水蒸
気を反応系にリサイクルしながら、反応を続けることが
好ましい。またこの反応で使用されるプロトン導電性電
解質は固体高分子電解質であることが好ましい。さらに
また本発明は、白金、ロジウム、パラジウム、イリジウ
ム、オスミウム、ルテニウム、レニウム、金および銀か
らなる群から選ばれた少なくとも１種の貴金属を含んで
なる前記した全ての直接型ジメチルエーテル燃料電池に
用いられるアノードおよび／またはカソード用の電極触
媒を提供する。
気を反応系にリサイクルしながら、反応を続けることが
好ましい。またこの反応で使用されるプロトン導電性電
解質は固体高分子電解質であることが好ましい。さらに
また本発明は、白金、ロジウム、パラジウム、イリジウ
ム、オスミウム、ルテニウム、レニウム、金および銀か
らなる群から選ばれた少なくとも１種の貴金属を含んで
なる前記した全ての直接型ジメチルエーテル燃料電池に
用いられるアノードおよび／またはカソード用の電極触
媒を提供する。
【００１７】
【発明の実施の態様】本発明の直接型ジメチルエーテル
燃料電池は、例えば、プロトン導電性の電解質部と、こ
れを挟んで設けられた一対のガス拡散性のアノードおよ
びカソードと、前記アノードおよびカソードは、電解質
部側にそれぞれ、貴金属含有アノード電極触媒層および
貴金属含有カソード電極触媒層を備え、前記アノードお
よびカソードの各電解質部と反対側にはそれぞれ、アノ
ードに燃料ガスを供給するアノード側ガス分配板および
カソードに酸化剤ガスを供給するカソード側ガス分配板
が配置され、前記アノードとカソードとの間で導通が取
り出されるようにした直接型燃料電池本体に、アノード
側ガス供給系、カソード側ガス供給系、アノード側ガス
排出系およびカソード側ガス排出系を付設して構成さ
れ、アノードに気体状ジメチルエーテルと水蒸気との混
合ガスを供給すると共に、カソードに酸素または空気を
供給するようにしたものである。アノードに気体状ジメ
チルエーテルと水蒸気との混合ガスを供給し、同時にカ
ソードに酸素または空気を供給するために、アノード側
ガス供給系にはジメチルエーテル供給装置および水蒸気
供給装置を連結することが好ましい。
燃料電池は、例えば、プロトン導電性の電解質部と、こ
れを挟んで設けられた一対のガス拡散性のアノードおよ
びカソードと、前記アノードおよびカソードは、電解質
部側にそれぞれ、貴金属含有アノード電極触媒層および
貴金属含有カソード電極触媒層を備え、前記アノードお
よびカソードの各電解質部と反対側にはそれぞれ、アノ
ードに燃料ガスを供給するアノード側ガス分配板および
カソードに酸化剤ガスを供給するカソード側ガス分配板
が配置され、前記アノードとカソードとの間で導通が取
り出されるようにした直接型燃料電池本体に、アノード
側ガス供給系、カソード側ガス供給系、アノード側ガス
排出系およびカソード側ガス排出系を付設して構成さ
れ、アノードに気体状ジメチルエーテルと水蒸気との混
合ガスを供給すると共に、カソードに酸素または空気を
供給するようにしたものである。アノードに気体状ジメ
チルエーテルと水蒸気との混合ガスを供給し、同時にカ
ソードに酸素または空気を供給するために、アノード側
ガス供給系にはジメチルエーテル供給装置および水蒸気
供給装置を連結することが好ましい。
【００１８】上記一例の直接型ジメチルエーテル燃料電
池を、図１で説明すると、この燃料電池はプロトン導電
性の電解質部１とそれを挟んで設けられた一対のガス拡
散性のアノード２およびカソード３とを有している。前
記アノード２およびカソード３の両電極は、電解質部１
の側にそれぞれ貴金属含有アノード電極触媒層４および
貴金属含有カソード電極触媒層５を備えている。アノー
ド２およびカソード３の両電極の電解質部と反対側には
それぞれ、アノード２に燃料ガスを供給するアノード側
ガス分配板６およびカソードに酸化剤ガスを供給するカ
ソード側ガス分配板７が配置され、両電極２、３間また
は両ガス分配板６、７間〔ガス分配板が後述するセパレ
ーター（集電体）を兼ねる場合〕で導通を取り出せるよ
うにした直接型燃料電池の本体Ａが形成されている。こ
の本体Ａにはアノード側ガス供給系８、カソード側ガス
供給系９、アノード側ガス排出系１０およびカソード側
ガス排出系１１が付設されている。前記アノード側ガス
供給系には気体状ジメチルエーテル供給源として、ジメ
チルエーテル供給装置（図示せず）が、また水蒸気供給
源として、水蒸気供給装置（図示せず）が連結されてい
る。
池を、図１で説明すると、この燃料電池はプロトン導電
性の電解質部１とそれを挟んで設けられた一対のガス拡
散性のアノード２およびカソード３とを有している。前
記アノード２およびカソード３の両電極は、電解質部１
の側にそれぞれ貴金属含有アノード電極触媒層４および
貴金属含有カソード電極触媒層５を備えている。アノー
ド２およびカソード３の両電極の電解質部と反対側には
それぞれ、アノード２に燃料ガスを供給するアノード側
ガス分配板６およびカソードに酸化剤ガスを供給するカ
ソード側ガス分配板７が配置され、両電極２、３間また
は両ガス分配板６、７間〔ガス分配板が後述するセパレ
ーター（集電体）を兼ねる場合〕で導通を取り出せるよ
うにした直接型燃料電池の本体Ａが形成されている。こ
の本体Ａにはアノード側ガス供給系８、カソード側ガス
供給系９、アノード側ガス排出系１０およびカソード側
ガス排出系１１が付設されている。前記アノード側ガス
供給系には気体状ジメチルエーテル供給源として、ジメ
チルエーテル供給装置（図示せず）が、また水蒸気供給
源として、水蒸気供給装置（図示せず）が連結されてい
る。
【００１９】また、本発明の直接型ジメチルエーテル積
層燃料電池システムの一例を、図２で説明すると、この
システムは、直接型燃料電池本体Ａ（図１参照、）即
ち、プロトン導電性の電解質部とそれを挟んで設けられ
た一対のガス拡散性のアノード電極およびカソード電極
と、前記アノードおよびカソードの両電極はそれぞれ電
解質部側に貴金属含有アノード電極触媒層および貴金属
含有カソード電極触媒層を有し、前記アノードおよびカ
ソードの両電極の電解質部とは反対側にそれぞれ配置さ
れた、アノードに燃料ガスを供給するアノード側ガス分
配板およびカソードに酸化剤ガスを供給するカソード側
ガス分配板とを備えた直接型燃料電池本体Ａをユニット
セルとし、これを、ガス不透過性で且つ電子導電性のセ
パレーター板１２、１２’を介し、または介さずに、一
つのユニットセルＡ１のアノード側ガス分配板（図示せ
ず）に隣接ユニットセルＡ２のカソード側ガス分配板
（図示せず）が重なるように複数個連結し、こうして形
成された積層体の一方の端部ユニットセルＡ１の端部電
極（図示せず）と他方の端部ユニットセルＡ３の端部電
極（図示せず）との間、または端部ユニットセルＡ１の
端部ガス分配板（図示せず）と他方の端部ユニットセル
Ａ３の端部ガス分配板（図示せず）との間（ガス分配板
が集電体を兼ねる場合）で導通を取り出せるようにした
直接型積層燃料電池本体Ｂを形成し、主アノード側ガス
供給系８’〔各ユニットセルのアノード側ガス供給系
（図１の８の先端部分）に連通する〕、主カソード側ガ
ス供給系９’〔各ユニットセルのカソード側ガス供給系
（図１の９の先端部分）に連通する〕、主アノード側ガ
ス排出系１０’〔各ユニットセルのアノード側ガス排出
系（図１の１０の後端部分）に連通する〕および主カソ
ード側ガス排出系１１’〔各ユニットセルのカソード側
ガス排出系（図１の１１の後端部分）に連通する〕を付
設し、前記アノードには気体状ジメチルエーテルと水蒸
気との混合ガスが供給できるようにし、主カソード側ガ
ス排出系１１’と主アノード側ガス供給系８’との間に
は、主カソード側ガス排出系１１’の排気中から反応生
成物として水蒸気の少なくとも一部を分離し、この分離
した水蒸気を前記主アノード側ガス供給系にリサイクル
する機構（水蒸気リサイクル手段）１３を連結したもの
で、このシステムによりアノードに燃料ガスとして気体
状ジメチルエーテルと水蒸気との混合ガスを供給し、カ
ソード側ガス供給系に酸化剤ガスとして酸素または空気
を供給し、主カソード側ガス排出系から分離した水蒸気
を主アノード側ガス供給系にリサイクルしながら発電す
ることができる。なお、アノードに気体状ジメチルエー
テルと水蒸気との混合ガスが供給するには、主アノード
側ガス供給系８’に例えばジメチルエーテル供給装置お
よび水蒸気供給装置を連結することが好ましい。
層燃料電池システムの一例を、図２で説明すると、この
システムは、直接型燃料電池本体Ａ（図１参照、）即
ち、プロトン導電性の電解質部とそれを挟んで設けられ
た一対のガス拡散性のアノード電極およびカソード電極
と、前記アノードおよびカソードの両電極はそれぞれ電
解質部側に貴金属含有アノード電極触媒層および貴金属
含有カソード電極触媒層を有し、前記アノードおよびカ
ソードの両電極の電解質部とは反対側にそれぞれ配置さ
れた、アノードに燃料ガスを供給するアノード側ガス分
配板およびカソードに酸化剤ガスを供給するカソード側
ガス分配板とを備えた直接型燃料電池本体Ａをユニット
セルとし、これを、ガス不透過性で且つ電子導電性のセ
パレーター板１２、１２’を介し、または介さずに、一
つのユニットセルＡ１のアノード側ガス分配板（図示せ
ず）に隣接ユニットセルＡ２のカソード側ガス分配板
（図示せず）が重なるように複数個連結し、こうして形
成された積層体の一方の端部ユニットセルＡ１の端部電
極（図示せず）と他方の端部ユニットセルＡ３の端部電
極（図示せず）との間、または端部ユニットセルＡ１の
端部ガス分配板（図示せず）と他方の端部ユニットセル
Ａ３の端部ガス分配板（図示せず）との間（ガス分配板
が集電体を兼ねる場合）で導通を取り出せるようにした
直接型積層燃料電池本体Ｂを形成し、主アノード側ガス
供給系８’〔各ユニットセルのアノード側ガス供給系
（図１の８の先端部分）に連通する〕、主カソード側ガ
ス供給系９’〔各ユニットセルのカソード側ガス供給系
（図１の９の先端部分）に連通する〕、主アノード側ガ
ス排出系１０’〔各ユニットセルのアノード側ガス排出
系（図１の１０の後端部分）に連通する〕および主カソ
ード側ガス排出系１１’〔各ユニットセルのカソード側
ガス排出系（図１の１１の後端部分）に連通する〕を付
設し、前記アノードには気体状ジメチルエーテルと水蒸
気との混合ガスが供給できるようにし、主カソード側ガ
ス排出系１１’と主アノード側ガス供給系８’との間に
は、主カソード側ガス排出系１１’の排気中から反応生
成物として水蒸気の少なくとも一部を分離し、この分離
した水蒸気を前記主アノード側ガス供給系にリサイクル
する機構（水蒸気リサイクル手段）１３を連結したもの
で、このシステムによりアノードに燃料ガスとして気体
状ジメチルエーテルと水蒸気との混合ガスを供給し、カ
ソード側ガス供給系に酸化剤ガスとして酸素または空気
を供給し、主カソード側ガス排出系から分離した水蒸気
を主アノード側ガス供給系にリサイクルしながら発電す
ることができる。なお、アノードに気体状ジメチルエー
テルと水蒸気との混合ガスが供給するには、主アノード
側ガス供給系８’に例えばジメチルエーテル供給装置お
よび水蒸気供給装置を連結することが好ましい。
【００２０】さらに本発明の発電方法を具体的に説明す
ると、図１に示すような直接型ジメチルエーテル燃料電
池、即ち、プロトン導電性の電解質部とそれを挟持する
一対のガス拡散性のアノード電極およびカソード電極と
を有し、アノードおよびカソードの両電極の各々の電解
質部側にそれぞれ貴金属含有アノード電極触媒層および
貴金属含有カソード電極触媒層を配置し、アノードおよ
びカソードの両電極の電解質部と反対側にはそれぞれ、
アノードに燃料ガスを供給するアノード側ガス分配板お
よびカソードに酸化剤ガスを供給するカソード側ガス分
配板を配置し、両電極間で導通を取り出せるようにした
燃料電池本体にアノード側ガス供給系、カソード側ガス
供給系、アノード側ガス排出系およびカソード側ガス排
出系を付設し、前記アノード側ガス供給系に燃料ガスと
して気体状ジメチルエーテルと水蒸気との混合ガスを供
給し、前記カソード側ガス供給系に酸化剤ガスとして酸
素または空気を供給することにより、アノード側及びカ
ソード側でそれぞれ前述した反応を起こさせ、発電させ
る。
ると、図１に示すような直接型ジメチルエーテル燃料電
池、即ち、プロトン導電性の電解質部とそれを挟持する
一対のガス拡散性のアノード電極およびカソード電極と
を有し、アノードおよびカソードの両電極の各々の電解
質部側にそれぞれ貴金属含有アノード電極触媒層および
貴金属含有カソード電極触媒層を配置し、アノードおよ
びカソードの両電極の電解質部と反対側にはそれぞれ、
アノードに燃料ガスを供給するアノード側ガス分配板お
よびカソードに酸化剤ガスを供給するカソード側ガス分
配板を配置し、両電極間で導通を取り出せるようにした
燃料電池本体にアノード側ガス供給系、カソード側ガス
供給系、アノード側ガス排出系およびカソード側ガス排
出系を付設し、前記アノード側ガス供給系に燃料ガスと
して気体状ジメチルエーテルと水蒸気との混合ガスを供
給し、前記カソード側ガス供給系に酸化剤ガスとして酸
素または空気を供給することにより、アノード側及びカ
ソード側でそれぞれ前述した反応を起こさせ、発電させ
る。
【００２１】本発明の発電方法の他の例としては、図２
に示すような直接型ジメチルエーテル積層燃料電池シス
テム、即ちプロトン導電性の電解質部とそれを挟んで設
けられた一対のガス拡散性のアノード電極およびカソー
ド電極と、前記アノードおよびカソードの両電極はそれ
ぞれ電解質部側に貴金属含有アノード電極触媒層および
貴金属含有カソード電極触媒層を有し、前記アノードお
よびカソードの両電極の電解質部とは反対側にそれぞれ
配置された、アノードに燃料ガスを供給するアノード側
ガス分配板およびカソードに酸化剤ガスを供給するカソ
ード側ガス分配板とを備えた直接型燃料電池本体Ａをユ
ニットセルとし、これを、ガス不透過性で且つ電子導電
性のセパレーター板を介し、または介さずに、一つのユ
ニットセルのアノード側ガス分配板に隣接ユニットセル
のカソード側ガス分配板が重なるように複数個連結し、
こうして形成された積層体の一方の端部ユニットセルの
端部電極と他方の端部ユニットセルの端部電極との間で
導通を取り出せるようにした直接型積層燃料電池本体Ｂ
を形成し、この本体Ｂに主アノード側ガス供給系、主カ
ソード側ガス供給系、主アノード側ガス排出系および主
カソード側ガス排出系を付設し、前記アノードには気体
状ジメチルエーテルと水蒸気との混合ガスを供給できる
ようにし、主カソード側ガス排出系と主アノード側ガス
供給系との間には、主カソード側ガス排出系の排気中か
ら反応生成物として水蒸気の少なくとも一部を分離し、
この分離した水蒸気を前記主アノード側ガス供給系にリ
サイクルする機構（水蒸気リサイクル手段）を連結した
直接型ジメチルエーテル積層燃料電池システムを用い、
主アノード側ガス供給系には燃料ガスとして気体状ジメ
チルエーテルと水蒸気との混合ガスを供給し、主カソー
ド側ガス供給系には酸化剤ガスとして酸素または空気を
供給し、主カソード側ガス排出系から分離した水蒸気を
主アノード側ガス供給系にリサイクルしながら、前述の
ようなアノード反応およびカソード反応に従って発電さ
せる。次に、本発明の直接型ジメチルエーテル燃料電池
および直接型ジメチルエーテル積層燃料電池システムに
使用される各部材について説明する。
に示すような直接型ジメチルエーテル積層燃料電池シス
テム、即ちプロトン導電性の電解質部とそれを挟んで設
けられた一対のガス拡散性のアノード電極およびカソー
ド電極と、前記アノードおよびカソードの両電極はそれ
ぞれ電解質部側に貴金属含有アノード電極触媒層および
貴金属含有カソード電極触媒層を有し、前記アノードお
よびカソードの両電極の電解質部とは反対側にそれぞれ
配置された、アノードに燃料ガスを供給するアノード側
ガス分配板およびカソードに酸化剤ガスを供給するカソ
ード側ガス分配板とを備えた直接型燃料電池本体Ａをユ
ニットセルとし、これを、ガス不透過性で且つ電子導電
性のセパレーター板を介し、または介さずに、一つのユ
ニットセルのアノード側ガス分配板に隣接ユニットセル
のカソード側ガス分配板が重なるように複数個連結し、
こうして形成された積層体の一方の端部ユニットセルの
端部電極と他方の端部ユニットセルの端部電極との間で
導通を取り出せるようにした直接型積層燃料電池本体Ｂ
を形成し、この本体Ｂに主アノード側ガス供給系、主カ
ソード側ガス供給系、主アノード側ガス排出系および主
カソード側ガス排出系を付設し、前記アノードには気体
状ジメチルエーテルと水蒸気との混合ガスを供給できる
ようにし、主カソード側ガス排出系と主アノード側ガス
供給系との間には、主カソード側ガス排出系の排気中か
ら反応生成物として水蒸気の少なくとも一部を分離し、
この分離した水蒸気を前記主アノード側ガス供給系にリ
サイクルする機構（水蒸気リサイクル手段）を連結した
直接型ジメチルエーテル積層燃料電池システムを用い、
主アノード側ガス供給系には燃料ガスとして気体状ジメ
チルエーテルと水蒸気との混合ガスを供給し、主カソー
ド側ガス供給系には酸化剤ガスとして酸素または空気を
供給し、主カソード側ガス排出系から分離した水蒸気を
主アノード側ガス供給系にリサイクルしながら、前述の
ようなアノード反応およびカソード反応に従って発電さ
せる。次に、本発明の直接型ジメチルエーテル燃料電池
および直接型ジメチルエーテル積層燃料電池システムに
使用される各部材について説明する。
【００２２】プロトン導電性の電解質部 本発明の直接型燃料電池を構成するプロトン導電性電解
質部としては、シリコンカーバイド等の耐酸性セラミッ
クス微粉末をテフロンで結着させたマトリックスに硫酸
やリン酸等の液体の酸を含浸させたものを用いることが
できる。またモリブドリン酸、タングストリン酸等のヘ
テロポリ酸の固体電解質を膜状に成形したものや固体高
分子電解質膜が使用される。特に、固体高分子電解質膜
が好適に使用される。固体高分子電解質膜としては、パ
ーフルオリネーテッドスルフォン酸の重合体膜、例えば
Dupont社から市販されているNafionTM117或は112、旭化
成のAciplexTMEW900等が使用される。
質部としては、シリコンカーバイド等の耐酸性セラミッ
クス微粉末をテフロンで結着させたマトリックスに硫酸
やリン酸等の液体の酸を含浸させたものを用いることが
できる。またモリブドリン酸、タングストリン酸等のヘ
テロポリ酸の固体電解質を膜状に成形したものや固体高
分子電解質膜が使用される。特に、固体高分子電解質膜
が好適に使用される。固体高分子電解質膜としては、パ
ーフルオリネーテッドスルフォン酸の重合体膜、例えば
Dupont社から市販されているNafionTM117或は112、旭化
成のAciplexTMEW900等が使用される。
【００２３】アノード電極、カソード電極 本発明の燃料電池を構成するアノードおよびカソードの
一対のガス拡散性電極は、上記のプロトン導電性電解質
部を挟んで、これに接して構成される。アノードおよび
カソードの電解質部側にはそれぞれ前述の式１および式
２の電極反応を促進する貴金属を含む電極触媒層が形成
されている。ここで使用される貴金属は、白金(Pt)、ロ
ジウム(Rh)、パラジウム(Pd)、イリジウム(Ir)、オスミ
ウム(Os)、ルテニウム(Ru)、レニウム(Re)、金(Au)およ
び銀(Ag)からなる群から選ばれた少なくとも１種の元素
が好ましい。本発明の燃料電池において、電解質部にリ
ン酸を用いたリン酸型燃料電池は、電極触媒層は、予め
テフロンで撥水処理したカーボンペーパーやカーボンク
ロスからなる電極基質の片方の面に電極触媒をテフロン
で結着して構成される。
一対のガス拡散性電極は、上記のプロトン導電性電解質
部を挟んで、これに接して構成される。アノードおよび
カソードの電解質部側にはそれぞれ前述の式１および式
２の電極反応を促進する貴金属を含む電極触媒層が形成
されている。ここで使用される貴金属は、白金(Pt)、ロ
ジウム(Rh)、パラジウム(Pd)、イリジウム(Ir)、オスミ
ウム(Os)、ルテニウム(Ru)、レニウム(Re)、金(Au)およ
び銀(Ag)からなる群から選ばれた少なくとも１種の元素
が好ましい。本発明の燃料電池において、電解質部にリ
ン酸を用いたリン酸型燃料電池は、電極触媒層は、予め
テフロンで撥水処理したカーボンペーパーやカーボンク
ロスからなる電極基質の片方の面に電極触媒をテフロン
で結着して構成される。
【００２４】リン酸型燃料電池用電極触媒のうち、カソ
ード用触媒としては、好ましくは、白金或は、白金と、
Ir，Rh，Pd，およびAuからなる群の少なくとも１種との
合金、あるいは白金と、Al，Ga，Ti，Cr，Mn，Fe，Co，
NiおよびCuからなる卑金属元素の少なくとも１種との合
金を、BET比表面積が２００m2／g〜５０m2／gの、カー
ボンブラック、アセチレンブラック等の導電性カーボン
からなり、少なくとも一部をグラファイト化して耐酸性
を持たせたカーボン担体に、分散担持させてなる担持触
媒が用いられる。アノード用触媒としては、好ましく
は、白金、あるいは白金と、Os，Ru，Ir，Rh，Pdおよび
Auからなる群の少なくとも１種との合金を、BET比表面
積が３００m2／g〜１００m2／gの比較的比表面積の高い
導電性カーボン担体に分散担持させてなる触媒が用いら
れる。リン酸型燃料電池の電極触媒の場合、白金、ある
いは白金と他の貴金属との合計の触媒全体の重量に対す
る担持率は通常５〜３０重量％である。
ード用触媒としては、好ましくは、白金或は、白金と、
Ir，Rh，Pd，およびAuからなる群の少なくとも１種との
合金、あるいは白金と、Al，Ga，Ti，Cr，Mn，Fe，Co，
NiおよびCuからなる卑金属元素の少なくとも１種との合
金を、BET比表面積が２００m2／g〜５０m2／gの、カー
ボンブラック、アセチレンブラック等の導電性カーボン
からなり、少なくとも一部をグラファイト化して耐酸性
を持たせたカーボン担体に、分散担持させてなる担持触
媒が用いられる。アノード用触媒としては、好ましく
は、白金、あるいは白金と、Os，Ru，Ir，Rh，Pdおよび
Auからなる群の少なくとも１種との合金を、BET比表面
積が３００m2／g〜１００m2／gの比較的比表面積の高い
導電性カーボン担体に分散担持させてなる触媒が用いら
れる。リン酸型燃料電池の電極触媒の場合、白金、ある
いは白金と他の貴金属との合計の触媒全体の重量に対す
る担持率は通常５〜３０重量％である。
【００２５】他方、本発明の固体高分子膜燃料電池（電
解質部に固体高分子膜を用いたもの）では、電極触媒層
は、リン酸型燃料電池の場合と同様予めテフロンで撥水
処理した電極基質の他方の面に電極触媒をテフロンで結
着して構成してもよいし、固体高分子膜の表裏にそれぞ
れアノードおよびカソード用の電極触媒をパーフルオリ
ネーテッドスルフォン酸のアイオノマーで直接結着させ
て形成してもよい。触媒層を電極基質の表面に被覆する
場合は、電解質膜とこれを挟持する一対の電極とを接合
する際に、アノードおよびカソードの各電極触媒層にパ
ーフルオリネーテッドスルフォン酸のアイオノマー溶液
を含浸させて、電極触媒と電解質との接触効率を高める
ことが好ましい。電解質膜の表裏に直接電極触媒層を形
成する場合は、触媒層形成後、テフロンで撥水処理した
一対の電極基質を表裏に接合してガス拡散層を形成す
る。
解質部に固体高分子膜を用いたもの）では、電極触媒層
は、リン酸型燃料電池の場合と同様予めテフロンで撥水
処理した電極基質の他方の面に電極触媒をテフロンで結
着して構成してもよいし、固体高分子膜の表裏にそれぞ
れアノードおよびカソード用の電極触媒をパーフルオリ
ネーテッドスルフォン酸のアイオノマーで直接結着させ
て形成してもよい。触媒層を電極基質の表面に被覆する
場合は、電解質膜とこれを挟持する一対の電極とを接合
する際に、アノードおよびカソードの各電極触媒層にパ
ーフルオリネーテッドスルフォン酸のアイオノマー溶液
を含浸させて、電極触媒と電解質との接触効率を高める
ことが好ましい。電解質膜の表裏に直接電極触媒層を形
成する場合は、触媒層形成後、テフロンで撥水処理した
一対の電極基質を表裏に接合してガス拡散層を形成す
る。
【００２６】本発明の固体高分子膜燃料電池では、カソ
ード用触媒としては好ましくは、白金、或は白金とIr，
Rh，Pd, AuおよびAgからなる群の少なくとも１種との合
金、或は白金とAl，Ga，Ti，Cr，Mn，Fe，Co，Niおよび
Cuからなる卑金属元素の少なくとも１種との合金を、BE
T比表面積が２０００m2／g〜２００m2／gの、カーボン
ブラック、アセチレンブラック等の導電性カーボン担体
に、対触媒担持率２０〜６０重量％で分散担持させてな
る担持触媒が用いられる。またアノード用触媒として
は、好ましくは、白金、あるいは白金とOs，Ru，Ir，R
h，Pd, AuおよびAgからなる貴金属元素の少なくとも１
種との合金を、金属ブラック、合金ブラック、或はPtO2
やPtRuOx等のアダムス触媒、或はBET比表面積が２００
〜２０００m2／gの導電性カーボンに対触媒担持率２０
〜６０重量％で分散担持した担持触媒が使用される。好
適には、白金とOs，Ru，Ir，Rh，PdおよびAuからなる貴
金属元素の少なくとも１種との合金を、BET比表面積が
２５０〜１５００m2／gの導電性カーボンに対触媒担持
率４０〜６０重量％で分散担持した担持触媒が用いられ
る。
ード用触媒としては好ましくは、白金、或は白金とIr，
Rh，Pd, AuおよびAgからなる群の少なくとも１種との合
金、或は白金とAl，Ga，Ti，Cr，Mn，Fe，Co，Niおよび
Cuからなる卑金属元素の少なくとも１種との合金を、BE
T比表面積が２０００m2／g〜２００m2／gの、カーボン
ブラック、アセチレンブラック等の導電性カーボン担体
に、対触媒担持率２０〜６０重量％で分散担持させてな
る担持触媒が用いられる。またアノード用触媒として
は、好ましくは、白金、あるいは白金とOs，Ru，Ir，R
h，Pd, AuおよびAgからなる貴金属元素の少なくとも１
種との合金を、金属ブラック、合金ブラック、或はPtO2
やPtRuOx等のアダムス触媒、或はBET比表面積が２００
〜２０００m2／gの導電性カーボンに対触媒担持率２０
〜６０重量％で分散担持した担持触媒が使用される。好
適には、白金とOs，Ru，Ir，Rh，PdおよびAuからなる貴
金属元素の少なくとも１種との合金を、BET比表面積が
２５０〜１５００m2／gの導電性カーボンに対触媒担持
率４０〜６０重量％で分散担持した担持触媒が用いられ
る。
【００２７】ガス分配板 本発明の燃料電池のガス分配板としては、一般には導電
性カーボン板あるいは金属板の表面に、ガスの流通のた
めに複数本の溝加工をガス供給口からガス排出口まで施
したものが使用され、前記溝以外のフラットな面はガス
拡散電極基質に密着させ、電子の集電体としての機能を
果たさせてもよい。リン酸型燃料電池ではガス分配板を
多孔質カーボン板で構成し、その細孔内にリン酸を貯蔵
してもよい。
性カーボン板あるいは金属板の表面に、ガスの流通のた
めに複数本の溝加工をガス供給口からガス排出口まで施
したものが使用され、前記溝以外のフラットな面はガス
拡散電極基質に密着させ、電子の集電体としての機能を
果たさせてもよい。リン酸型燃料電池ではガス分配板を
多孔質カーボン板で構成し、その細孔内にリン酸を貯蔵
してもよい。
【００２８】積層燃料電池ではガス分配板の外側にガス
不透過性で且つ導電性のセパレーターを配置し、任意の
ユニットセルのアノードとこれに隣接するユニットセル
のカソードとを導通させ、隣接ユニットセル同士を直接
接続する。
不透過性で且つ導電性のセパレーターを配置し、任意の
ユニットセルのアノードとこれに隣接するユニットセル
のカソードとを導通させ、隣接ユニットセル同士を直接
接続する。
【００２９】固体高分子膜燃料電池ではガス分配板はガ
ス不透過性で且つ緻密質のカーボン板または金属板で構
成して、図３に示すように、通常、積層燃料電池のセパ
レーターを兼ねさせ、特にセパレーターを設ける必要は
ない。即ち、端部電極側のガス分配板を除いて、アノー
ド側ガス分配板６の裏面には隣接するユニットセルのカ
ソード用ガス分配溝１４を設け、逆にカソード側ガス分
配板７の裏面にはアノード用ガス分配溝１５を設ける。
ス不透過性で且つ緻密質のカーボン板または金属板で構
成して、図３に示すように、通常、積層燃料電池のセパ
レーターを兼ねさせ、特にセパレーターを設ける必要は
ない。即ち、端部電極側のガス分配板を除いて、アノー
ド側ガス分配板６の裏面には隣接するユニットセルのカ
ソード用ガス分配溝１４を設け、逆にカソード側ガス分
配板７の裏面にはアノード用ガス分配溝１５を設ける。
【００３０】燃料ガス供給装置 次に、本発明の燃料電池の燃料ガス供給について説明す
る。直接型ジメチルエーテル燃料電池においては、通
常、気体状ジメチルエーテル源としてジメチルエーテル
供給装置と、水蒸気源として水蒸気供給装置が使用され
る。ジメチルエーテルは、石炭ガス化プラントからの合
成ガスあるいは天然ガス田の排気ガスからの改質合成ガ
ス等から、メタノールを経由してその脱水生成物として
得られる。合成されたジメチルエーテルは液化させて低
加圧器に充填して市販されている。ジメチルエーテルは
市販ボンベから常温で気化させることができ、そのガス
配管は燃料電池のアノード側ガスマニホールドに接続す
る。水蒸気の供給は、ジメチルエーテル供給配管の外に
独立した水蒸気供給装置を設けジメチルエーテル供給配
管の途中に水蒸気供給装置からの配管を接続して行って
もよいし、ジメチルエーテル供給配管の途中に水蒸気供
給装置を組み込んで行ってもよい。例えば、脱イオン水
を入れた容器をヒーターで加熱し、加熱された水中にジ
メチルエーテルを吹き込んでジメチルエーテルを加温、
加湿して気体状ジメチルエーテルと水蒸気との混合ガス
としてもよい。水蒸気供給装置から燃料電池本体までの
ガス配管は、水蒸気の凝縮を防止するために加熱または
保温する。要するに、ジメチルエーテルおよび水は、気
体状ジメチルエーテルと水蒸気との混合ガスとして燃料
電池のアノードに供給する必要がある。
る。直接型ジメチルエーテル燃料電池においては、通
常、気体状ジメチルエーテル源としてジメチルエーテル
供給装置と、水蒸気源として水蒸気供給装置が使用され
る。ジメチルエーテルは、石炭ガス化プラントからの合
成ガスあるいは天然ガス田の排気ガスからの改質合成ガ
ス等から、メタノールを経由してその脱水生成物として
得られる。合成されたジメチルエーテルは液化させて低
加圧器に充填して市販されている。ジメチルエーテルは
市販ボンベから常温で気化させることができ、そのガス
配管は燃料電池のアノード側ガスマニホールドに接続す
る。水蒸気の供給は、ジメチルエーテル供給配管の外に
独立した水蒸気供給装置を設けジメチルエーテル供給配
管の途中に水蒸気供給装置からの配管を接続して行って
もよいし、ジメチルエーテル供給配管の途中に水蒸気供
給装置を組み込んで行ってもよい。例えば、脱イオン水
を入れた容器をヒーターで加熱し、加熱された水中にジ
メチルエーテルを吹き込んでジメチルエーテルを加温、
加湿して気体状ジメチルエーテルと水蒸気との混合ガス
としてもよい。水蒸気供給装置から燃料電池本体までの
ガス配管は、水蒸気の凝縮を防止するために加熱または
保温する。要するに、ジメチルエーテルおよび水は、気
体状ジメチルエーテルと水蒸気との混合ガスとして燃料
電池のアノードに供給する必要がある。
【００３１】燃料電池の運転条件 本発明の燃料電池の運転圧力には特に制限はないが、常
圧(大気圧)〜１０気圧(1MPa)の範囲が好適である。運転
圧力が低いと、アノードに供給される水蒸気の分圧が低
くなるので、電池性能が高められないことがある。他
方、運転圧力が高いと、電池性能は高められるが、余り
高いとジメチルエーテルが液化し、また加圧のための設
備費が高価となり好ましくない。燃料電池の運転温度に
も特に制限はないが、リン酸型燃料電池の場合は、１２
０℃〜２４０℃、固体高分子膜燃料電池の場合は、−２
０℃〜１４０℃の範囲が好適である。この温度が高すぎ
ると電解質が安定化せず、蒸発あるいは劣化を加速し好
ましくない。また、低すぎると電解質の導電性が低下し
たり反応物が凝縮、液化して好ましくない。
圧(大気圧)〜１０気圧(1MPa)の範囲が好適である。運転
圧力が低いと、アノードに供給される水蒸気の分圧が低
くなるので、電池性能が高められないことがある。他
方、運転圧力が高いと、電池性能は高められるが、余り
高いとジメチルエーテルが液化し、また加圧のための設
備費が高価となり好ましくない。燃料電池の運転温度に
も特に制限はないが、リン酸型燃料電池の場合は、１２
０℃〜２４０℃、固体高分子膜燃料電池の場合は、−２
０℃〜１４０℃の範囲が好適である。この温度が高すぎ
ると電解質が安定化せず、蒸発あるいは劣化を加速し好
ましくない。また、低すぎると電解質の導電性が低下し
たり反応物が凝縮、液化して好ましくない。
【００３２】水蒸気リサイクル機構 次に、本発明の燃料電池システムにおける水蒸気リサイ
クル機構について説明する。本発明の燃料電池システム
では燃料ガス利用率が高まると、カソードでの反応で発
生する水のモル数がアノードで消費される水のモル数を
上回る。カソードからの排気中の水蒸気を未反応の酸素
と分離し、分離した水蒸気の少なくとも一部をアノード
側ガス供給系にリサイクルすることは、アノード側での
ガス供給において水の補給が必要なくなる点で、輸送用
燃料電池にとって好ましい。このようにすれば、燃料ガ
ス供給系に外部から補給する水は電池始動時にのみ消費
されることになる。このような水のリサイクル機構とし
ては、例えば、カソードからの排気ガスをコンデンサー
で冷却、トラップし、トラップされた凝縮水をポンプで
アノード側ガス供給系の水蒸気供給装置に送る方法が採
用される。
クル機構について説明する。本発明の燃料電池システム
では燃料ガス利用率が高まると、カソードでの反応で発
生する水のモル数がアノードで消費される水のモル数を
上回る。カソードからの排気中の水蒸気を未反応の酸素
と分離し、分離した水蒸気の少なくとも一部をアノード
側ガス供給系にリサイクルすることは、アノード側での
ガス供給において水の補給が必要なくなる点で、輸送用
燃料電池にとって好ましい。このようにすれば、燃料ガ
ス供給系に外部から補給する水は電池始動時にのみ消費
されることになる。このような水のリサイクル機構とし
ては、例えば、カソードからの排気ガスをコンデンサー
で冷却、トラップし、トラップされた凝縮水をポンプで
アノード側ガス供給系の水蒸気供給装置に送る方法が採
用される。
【００３３】本発明のプロトン導電性燃料電池のうち、
固体高分子膜燃料電池の場合、イオン交換膜のプロトン
導電性を確保するためには加湿が必要である。アノード
に供給される水蒸気は、電極反応に関与すると同時に電
解質膜の加湿にも寄与する。更に、カソード側ガス供給
系にも水蒸気供給装置を具備することが好ましい。カソ
ード電極反応自体に水は必要ないが、イオン交換膜のプ
ロトン導電性を確保するためには加湿することが好まし
い。発電が開始されれば、アノードで消費されるジメチ
ルエーテル１モル当たり６モルの水蒸気がカソードで発
生し、自己加湿が可能であるが、負荷変動や電極反応の
膜面内不均一性を考慮すると、外部加湿が好ましい。
固体高分子膜燃料電池の場合、イオン交換膜のプロトン
導電性を確保するためには加湿が必要である。アノード
に供給される水蒸気は、電極反応に関与すると同時に電
解質膜の加湿にも寄与する。更に、カソード側ガス供給
系にも水蒸気供給装置を具備することが好ましい。カソ
ード電極反応自体に水は必要ないが、イオン交換膜のプ
ロトン導電性を確保するためには加湿することが好まし
い。発電が開始されれば、アノードで消費されるジメチ
ルエーテル１モル当たり６モルの水蒸気がカソードで発
生し、自己加湿が可能であるが、負荷変動や電極反応の
膜面内不均一性を考慮すると、外部加湿が好ましい。
【００３４】水蒸気の供給は、酸素または空気供給配管
の外に独立した水蒸気供給装置を設け酸素または空気供
給配管の途中に水蒸気供給装置からの配管を接続して行
ってもよいし、酸素または空気供給配管の途中に水蒸気
供給装置を組み込んで行ってもよい。例えば、脱イオン
水を入れた容器をヒーターで加熱し、加熱された水中に
酸素または空気を吹き込んで加湿する方法が採用され
る。好適には、カソードからの排気から回収された水の
一部をカソード加湿用の水蒸気供給装置にリサイクルす
る。
の外に独立した水蒸気供給装置を設け酸素または空気供
給配管の途中に水蒸気供給装置からの配管を接続して行
ってもよいし、酸素または空気供給配管の途中に水蒸気
供給装置を組み込んで行ってもよい。例えば、脱イオン
水を入れた容器をヒーターで加熱し、加熱された水中に
酸素または空気を吹き込んで加湿する方法が採用され
る。好適には、カソードからの排気から回収された水の
一部をカソード加湿用の水蒸気供給装置にリサイクルす
る。
【００３５】
【実施例】実施例１ 電極触媒５０wt％Pt−担持カーボンの製造：導電性カー
ボンEC―DJ６００(三菱化学社製)５０gを脱イオン水１L
(リットル)に投入し、これに氷酢酸１００mlを加え、攪
拌しながら９５℃に加熱し、この温度で１時間攪拌し、
放冷後、得られたスラリーをヌッチェで濾過し、脱イオ
ン水で洗浄した。この酢酸洗浄済みカーボンを脱イオン
水２Lに再度スラリー化し、これに氷酢酸２１mlを加
え、攪拌しながら白金５０ｇを含む水酸化白金のアンミ
ン水溶液７６０mlを１時間に亘って徐々に滴下した。滴
下終了後、９５℃に昇温し、この温度で、９９％蟻酸1
4．３mlを脱イオン水５００mlに希釈 した水溶液を３
０分に亘って滴下し、３０分間攪拌した後、放冷した。
濾過洗浄後、得られたケーキを真空中９５℃で１６時間
乾燥した。乾燥固体を窒素雰囲気で微粉砕し、５０wt％
Pt−担持カーボン触媒粉末を得た。
ボンEC―DJ６００(三菱化学社製)５０gを脱イオン水１L
(リットル)に投入し、これに氷酢酸１００mlを加え、攪
拌しながら９５℃に加熱し、この温度で１時間攪拌し、
放冷後、得られたスラリーをヌッチェで濾過し、脱イオ
ン水で洗浄した。この酢酸洗浄済みカーボンを脱イオン
水２Lに再度スラリー化し、これに氷酢酸２１mlを加
え、攪拌しながら白金５０ｇを含む水酸化白金のアンミ
ン水溶液７６０mlを１時間に亘って徐々に滴下した。滴
下終了後、９５℃に昇温し、この温度で、９９％蟻酸1
4．３mlを脱イオン水５００mlに希釈 した水溶液を３
０分に亘って滴下し、３０分間攪拌した後、放冷した。
濾過洗浄後、得られたケーキを真空中９５℃で１６時間
乾燥した。乾燥固体を窒素雰囲気で微粉砕し、５０wt％
Pt−担持カーボン触媒粉末を得た。
【００３６】実施例２ 電極触媒６０wt％Pt−Ru合金(原子比１：１)担持カーボ
ンの製造：実施例１で得られた５０wt％Pt−担持カーボ
ン粉末６０ｇを脱イオン水２Lに加え、攪拌して均一な
スラリーとした。ルテニウム１６ｇを含む塩化ルテニウ
ムを３４０mlの脱イオン水に溶解し、この水溶液をPt−
担持カーボンスラリーに１５分間で滴下した。次いで、
２．５％苛性ソーダ水溶液を室温で一滴ずつ滴下し、約
１時間でPHを７．０に調整した後、５０℃に昇温し、こ
の温度で３０分間保持した後。放冷した。濾過洗浄後、
得られたケーキを真空下９５℃、１６時間乾燥した。乾
燥ケーキを窒素雰囲気で微粉砕し、１０％水素＋残部窒
素の混合気流下、９００℃で１時間処理して６０wt％Pt
−Ru合金(原子比１：１)担持カーボン触媒粉末７５gを
得た。
ンの製造：実施例１で得られた５０wt％Pt−担持カーボ
ン粉末６０ｇを脱イオン水２Lに加え、攪拌して均一な
スラリーとした。ルテニウム１６ｇを含む塩化ルテニウ
ムを３４０mlの脱イオン水に溶解し、この水溶液をPt−
担持カーボンスラリーに１５分間で滴下した。次いで、
２．５％苛性ソーダ水溶液を室温で一滴ずつ滴下し、約
１時間でPHを７．０に調整した後、５０℃に昇温し、こ
の温度で３０分間保持した後。放冷した。濾過洗浄後、
得られたケーキを真空下９５℃、１６時間乾燥した。乾
燥ケーキを窒素雰囲気で微粉砕し、１０％水素＋残部窒
素の混合気流下、９００℃で１時間処理して６０wt％Pt
−Ru合金(原子比１：１)担持カーボン触媒粉末７５gを
得た。
【００３７】実施例３ 固体高分子膜燃料電池ユニットセルの製造： １．触媒層被覆電極の製造：０．１８ｍｍ厚のカーボン
ペーパーTGP―H―０６０(東レ社製)を６ｃｍ×６ｃｍの
正方形に裁断した。テフロン３０―J(三井フルオロケミ
カル)３０ｇを取り、脱イオン水３６０mlに希釈し、５
％テフロン溶液を調製した。これにカーボンペーパーを
浸し濾過、吸引、乾燥後３５０℃にて３０分焼成し、テ
フロンドライゲイン５wt％の撥水処理カーボンペーパー
を得た。
ペーパーTGP―H―０６０(東レ社製)を６ｃｍ×６ｃｍの
正方形に裁断した。テフロン３０―J(三井フルオロケミ
カル)３０ｇを取り、脱イオン水３６０mlに希釈し、５
％テフロン溶液を調製した。これにカーボンペーパーを
浸し濾過、吸引、乾燥後３５０℃にて３０分焼成し、テ
フロンドライゲイン５wt％の撥水処理カーボンペーパー
を得た。
【００３８】実施例１で製造した５０％Pt−担持カーボ
ン触媒０．１４４ｇ(白金として０．０７２ｇ)１００ml
をビーカーに取り、脱イオン水３０mlと５％テフロン溶
液０．９２ｇを加え、超音波ブレンダーで混合し、均一
スラリーとした。ハンドスプレーガンにて窒素気流に触
媒ペーストを分散させたものを噴霧し、撥水処理済みカ
ーボンペーパーの片面の全面に均一に触媒とテフロンの
混合物を被覆した。空気中乾燥後、３３０℃で１５分間
焼成した。５％Nafion溶液(アルドリッチ社製、パーフ
ルオリネーテッドスルフォン酸の重合体のアルコール水
溶液)１．０mlに脱イオン水０．７mlを添加した混合溶
液を注射器で吸収し、電極の触媒層に少量づつ全面に互
って塗布した後、室温で１時間風乾し、次いで８０℃で
１時間乾燥し、 Nafion溶液含浸済みPt担持カーボン触
媒被覆カーボンペーパーを製造した。同じものを２枚製
造し、１枚をアノード用、他の１枚をカソード用とし
た。他方、実施例２で製造した６０wt％Pt−Ru合金担持
カーボン触媒０．１８０ｇ（ Pt−Ru合金として０．１
０８ｇ）を用いた他は、上記と同様にしてPt−Ru合金担
持カーボン触媒被覆アノードを得た。
ン触媒０．１４４ｇ(白金として０．０７２ｇ)１００ml
をビーカーに取り、脱イオン水３０mlと５％テフロン溶
液０．９２ｇを加え、超音波ブレンダーで混合し、均一
スラリーとした。ハンドスプレーガンにて窒素気流に触
媒ペーストを分散させたものを噴霧し、撥水処理済みカ
ーボンペーパーの片面の全面に均一に触媒とテフロンの
混合物を被覆した。空気中乾燥後、３３０℃で１５分間
焼成した。５％Nafion溶液(アルドリッチ社製、パーフ
ルオリネーテッドスルフォン酸の重合体のアルコール水
溶液)１．０mlに脱イオン水０．７mlを添加した混合溶
液を注射器で吸収し、電極の触媒層に少量づつ全面に互
って塗布した後、室温で１時間風乾し、次いで８０℃で
１時間乾燥し、 Nafion溶液含浸済みPt担持カーボン触
媒被覆カーボンペーパーを製造した。同じものを２枚製
造し、１枚をアノード用、他の１枚をカソード用とし
た。他方、実施例２で製造した６０wt％Pt−Ru合金担持
カーボン触媒０．１８０ｇ（ Pt−Ru合金として０．１
０８ｇ）を用いた他は、上記と同様にしてPt−Ru合金担
持カーボン触媒被覆アノードを得た。
【００３９】２．電極―電解質膜接合体の製造：前記
１．で得られたNafion溶液含浸済みアノード触媒層被覆
カーボンペーパーを、触媒層を上にして置き、その上に
イオン交換処理済みパーフルオリネーテッドスルフォン
酸重合体膜NafionTM１１２膜(Du Pont社製)を８cm×８c
mに裁断したものを重ね、その上に前記カソード触媒層
被覆カーボンペーパーを触媒層を下にして重ねた。全体
を均一に１００kg／cm2で加圧しホットプレスにて１３
０℃に加熱し、電極―電解質膜接合体を製造した。
１．で得られたNafion溶液含浸済みアノード触媒層被覆
カーボンペーパーを、触媒層を上にして置き、その上に
イオン交換処理済みパーフルオリネーテッドスルフォン
酸重合体膜NafionTM１１２膜(Du Pont社製)を８cm×８c
mに裁断したものを重ね、その上に前記カソード触媒層
被覆カーボンペーパーを触媒層を下にして重ねた。全体
を均一に１００kg／cm2で加圧しホットプレスにて１３
０℃に加熱し、電極―電解質膜接合体を製造した。
【００４０】３．固体高分子膜燃料電池ユニットセルの
組み立て：６cm×６cmの正方形部分に幅２mm×深さ２mm
の溝をピッチ２mmで並行に加工し、その周囲に深さ３mm
×幅３mmの略正方形の溝を掘って形成されたカソード側
ガス分配用緻密質カーボン板の前記略正方形の溝に、バ
イトン（Du Pont社製、フッ化ビニリデン／６−フッ化
プロピレン共重合体）のＯリングを嵌め込み、その上に
電解質膜―電極接合体のカソードカーボンペーパー部分
が丁度溝加工部分に当たるように載せ、同電解質膜―電
極接合体のカーボンペーパーが接合されていないNafion
膜部分がＯリングに当たるようにした。次いで同様の溝
加工した正方形部分を持つが、Ｏリング用溝を持たない
アノード側ガス分配用緻密質カーボン板を溝加工部分が
電解質膜―電極接合体のアノードカーボンペーパー部分
に丁度重なるように載せ、次いで上下のカーボン板を、
側面にガス配管用コネクターを付けたガス供給マニホー
ルド付きの上下一対のステンレス製天板（各天板の周囲
には８本のボルト用孔を有する）で挟んだ。次に上下の
天板を貫く８本のボルトを上下左右均一にナットで絞め
付けた。上下のカーボン板の側面には電流および電圧端
子を取り付け、外部回路への導線を配線した。上下のス
テンレス天板の外面にはパッド状のヒーターを張り付
け、固体高分子膜燃料電池ユニットセルを製造した。
組み立て：６cm×６cmの正方形部分に幅２mm×深さ２mm
の溝をピッチ２mmで並行に加工し、その周囲に深さ３mm
×幅３mmの略正方形の溝を掘って形成されたカソード側
ガス分配用緻密質カーボン板の前記略正方形の溝に、バ
イトン（Du Pont社製、フッ化ビニリデン／６−フッ化
プロピレン共重合体）のＯリングを嵌め込み、その上に
電解質膜―電極接合体のカソードカーボンペーパー部分
が丁度溝加工部分に当たるように載せ、同電解質膜―電
極接合体のカーボンペーパーが接合されていないNafion
膜部分がＯリングに当たるようにした。次いで同様の溝
加工した正方形部分を持つが、Ｏリング用溝を持たない
アノード側ガス分配用緻密質カーボン板を溝加工部分が
電解質膜―電極接合体のアノードカーボンペーパー部分
に丁度重なるように載せ、次いで上下のカーボン板を、
側面にガス配管用コネクターを付けたガス供給マニホー
ルド付きの上下一対のステンレス製天板（各天板の周囲
には８本のボルト用孔を有する）で挟んだ。次に上下の
天板を貫く８本のボルトを上下左右均一にナットで絞め
付けた。上下のカーボン板の側面には電流および電圧端
子を取り付け、外部回路への導線を配線した。上下のス
テンレス天板の外面にはパッド状のヒーターを張り付
け、固体高分子膜燃料電池ユニットセルを製造した。
【００４１】実施例４ 直接型ジメチルエーテル燃料電池ユニットセルの発電試
験：ジメチルエーテルの液化充填容器(高千穂化学工業)
からのガス配管をマスフローコントローラーを経て、水
蒸気供給装置に連結した。水蒸気供給装置は、金属製の
容器に入りと出のガス配管を取り付け、入り側のガス配
管は内部の脱イオン水に挿入し、出側配管は水位より上
部に端部を有し、周囲に帯状ヒーターを巻回して加熱で
きるように、また内部の水温を検知制御できるようにし
たバブリング型加湿器とした。水蒸気供給装置の出口か
らの配管は、燃料電池ユニットセルのアノードガス供給
口に接続し、この間の配管には帯状ヒーターを巻回し、
配管の温度を水蒸気供給装置の水温と同じ温度に保持し
た。酸素ボンベからの配管も同様に、マスフローコント
ローラーを経て水蒸気供給装置に接続し、次いでユニッ
トセルのカソード用ガス供給口に接続した。
験：ジメチルエーテルの液化充填容器(高千穂化学工業)
からのガス配管をマスフローコントローラーを経て、水
蒸気供給装置に連結した。水蒸気供給装置は、金属製の
容器に入りと出のガス配管を取り付け、入り側のガス配
管は内部の脱イオン水に挿入し、出側配管は水位より上
部に端部を有し、周囲に帯状ヒーターを巻回して加熱で
きるように、また内部の水温を検知制御できるようにし
たバブリング型加湿器とした。水蒸気供給装置の出口か
らの配管は、燃料電池ユニットセルのアノードガス供給
口に接続し、この間の配管には帯状ヒーターを巻回し、
配管の温度を水蒸気供給装置の水温と同じ温度に保持し
た。酸素ボンベからの配管も同様に、マスフローコント
ローラーを経て水蒸気供給装置に接続し、次いでユニッ
トセルのカソード用ガス供給口に接続した。
【００４２】ユニットセルの電極有効面積３６cm2に対
して、ジメチルエーテルを５０ml／分、酸素を１２０ml
／分の流量で供給し、セル運転温度を７０℃〜１００
℃、アノード側およびカソード側の水蒸気供給装置の加
湿温度を７０℃〜９５℃と変化させて発電させ、I―V特
性を評価した。電池の内部抵抗はカレントインターラプ
ター法で測定し、IR補正を行った。カソードおよびアノ
ードとして、各々実施例１で製造した５０wt％Pt−担持
カーボン触媒を２．０mgPt／cm2被覆した電極を用い、
アノード側およびカソード側の加湿温度を８０℃、９０
℃および９５℃、セル運転温度を７０℃として、ユニッ
トセルの運転を行った。この時のI―V特性を図４に示
す。
して、ジメチルエーテルを５０ml／分、酸素を１２０ml
／分の流量で供給し、セル運転温度を７０℃〜１００
℃、アノード側およびカソード側の水蒸気供給装置の加
湿温度を７０℃〜９５℃と変化させて発電させ、I―V特
性を評価した。電池の内部抵抗はカレントインターラプ
ター法で測定し、IR補正を行った。カソードおよびアノ
ードとして、各々実施例１で製造した５０wt％Pt−担持
カーボン触媒を２．０mgPt／cm2被覆した電極を用い、
アノード側およびカソード側の加湿温度を８０℃、９０
℃および９５℃、セル運転温度を７０℃として、ユニッ
トセルの運転を行った。この時のI―V特性を図４に示
す。
【００４３】比較例１ 直接型メタノール燃料電池ユニットセルの発電試験：実
施例４において、ジメチルエーテルを気化させて５０ml
／分の流量で供給する代わりに、メタノールを気化させ
て１００ml／分の流量で供給する以外は、実施例４と同
様にして、直接型メタノール燃料電池の発電試験を行な
った。カソードおよびアノードとして、それぞれ実施例
１で製造した５０wt％Pt−担持カーボン触媒を２．０mg
Pt／cm2被覆した電極を用い、アノード側およびカソー
ド側の加質温度を８０℃、９０℃および９５℃、セル運
転温度を７０℃としてこの燃料電池の運転を行った。こ
の時のI―V特性を図５に示す。図４と図５との比較か
ら、メタノールよりもジメチルエーテルの方が同一電流
密度で高い端子電圧を与えることが判った。
施例４において、ジメチルエーテルを気化させて５０ml
／分の流量で供給する代わりに、メタノールを気化させ
て１００ml／分の流量で供給する以外は、実施例４と同
様にして、直接型メタノール燃料電池の発電試験を行な
った。カソードおよびアノードとして、それぞれ実施例
１で製造した５０wt％Pt−担持カーボン触媒を２．０mg
Pt／cm2被覆した電極を用い、アノード側およびカソー
ド側の加質温度を８０℃、９０℃および９５℃、セル運
転温度を７０℃としてこの燃料電池の運転を行った。こ
の時のI―V特性を図５に示す。図４と図５との比較か
ら、メタノールよりもジメチルエーテルの方が同一電流
密度で高い端子電圧を与えることが判った。
【００４４】実施例５ 固体高分子膜積層燃料電池の組み立て：断面積１２cm×
１２cm、厚さ１６mm緻密質カーボンブロックの表裏に、
ガス分配用の溝を、溝の方向が表と裏で互いに直行する
ように加工し、各溝の端部にすべての溝に直行する連通
溝を設けた。カーボンブロックの側面から表面の溝の端
部の連通溝へ通じる貫通孔を表裏おのおの入り口出口２
方向ずつ穿った。このような双方向ガス分配板を４枚
と、断面積１２cm×１２cm、厚さ８mmサイズで、実施例
３で用いたような単方向ガス分配板を２枚用意した。ま
た、１２cm×１２cmの正方形のNafion膜を用い、これに
サイズ１０cm×１０cmの、実施例１で製造した５０wt％
Pt−担持カーボンを被覆したカソード(Pt２.０mg／cm2)
と実施例２で製造した６０wt％Pt−Ru合金担持カーボン
触媒を被覆したアノード(Pt＋Ru３．０mg／cm2)とを接
合したこと以外は、実施例３の２．と同様にして電極有
効面積１００cm2の電解質膜―電極接合体を５枚用意し
た。
１２cm、厚さ１６mm緻密質カーボンブロックの表裏に、
ガス分配用の溝を、溝の方向が表と裏で互いに直行する
ように加工し、各溝の端部にすべての溝に直行する連通
溝を設けた。カーボンブロックの側面から表面の溝の端
部の連通溝へ通じる貫通孔を表裏おのおの入り口出口２
方向ずつ穿った。このような双方向ガス分配板を４枚
と、断面積１２cm×１２cm、厚さ８mmサイズで、実施例
３で用いたような単方向ガス分配板を２枚用意した。ま
た、１２cm×１２cmの正方形のNafion膜を用い、これに
サイズ１０cm×１０cmの、実施例１で製造した５０wt％
Pt−担持カーボンを被覆したカソード(Pt２.０mg／cm2)
と実施例２で製造した６０wt％Pt−Ru合金担持カーボン
触媒を被覆したアノード(Pt＋Ru３．０mg／cm2)とを接
合したこと以外は、実施例３の２．と同様にして電極有
効面積１００cm2の電解質膜―電極接合体を５枚用意し
た。
【００４５】端部ユニットセル用単方向カソード側ガス
分配板の上に電解質膜―電極接合体１枚をカソード側を
下にして重ね、次いで、双方向ガス分配板をアノード側
を下にして重ね、上面のカソード側ガス分配板に次の電
解質膜―電極接合体を重ね、これを４回繰り返し、最後
に、端部ユニットセル用単方向アノード側ガス分配板を
溝の面を下にして重ね、全体を上下２枚のステンレス製
天板で挟み、実施例３の３．と同様ボルトを締め、ステ
ンレス天板の外面にパッド状のヒーターを取り付けた。
カーボンブロック積層体の側面にガス供給用および排気
用のマニホールドを取り付け、全体を断熱材で包んで保
温し、ユニットセルを５個積層した積層燃料電池を得
た。
分配板の上に電解質膜―電極接合体１枚をカソード側を
下にして重ね、次いで、双方向ガス分配板をアノード側
を下にして重ね、上面のカソード側ガス分配板に次の電
解質膜―電極接合体を重ね、これを４回繰り返し、最後
に、端部ユニットセル用単方向アノード側ガス分配板を
溝の面を下にして重ね、全体を上下２枚のステンレス製
天板で挟み、実施例３の３．と同様ボルトを締め、ステ
ンレス天板の外面にパッド状のヒーターを取り付けた。
カーボンブロック積層体の側面にガス供給用および排気
用のマニホールドを取り付け、全体を断熱材で包んで保
温し、ユニットセルを５個積層した積層燃料電池を得
た。
【００４６】実施例６ 直接型ジメチルエーテル燃料電池システムの発電試験：
実施例３の３．において固体高分子膜燃料電池ユニット
セルの代わりに、実施例５で製造した積層燃料電池を用
い、カソード側排気ガス配管をチーリングユニットで冷
却し、凝縮水をトラップに貯め、水を除いたカソード排
気は大気中に放出するようにした。水トラップからアノ
ード側およびカソード側水蒸気供給装置に連通する配管
を設け、配管の途中に送液ポンプを設けてトラップの水
位が上限レベルになった時に送液ポンプが作動しトラッ
プの水位が下限レベルになるまで送液し続け下限レベル
に達したら停止する機構とした。送液ポンプ吐出側には
逆止弁を設けた。
実施例３の３．において固体高分子膜燃料電池ユニット
セルの代わりに、実施例５で製造した積層燃料電池を用
い、カソード側排気ガス配管をチーリングユニットで冷
却し、凝縮水をトラップに貯め、水を除いたカソード排
気は大気中に放出するようにした。水トラップからアノ
ード側およびカソード側水蒸気供給装置に連通する配管
を設け、配管の途中に送液ポンプを設けてトラップの水
位が上限レベルになった時に送液ポンプが作動しトラッ
プの水位が下限レベルになるまで送液し続け下限レベル
に達したら停止する機構とした。送液ポンプ吐出側には
逆止弁を設けた。
【００４７】このような積層燃料電池システムのアノー
ドにジメチルエーテルを１.５L(リットル)／分の流量
で、カソードに酸素を３.６L／分の流量で、それぞれ供
給し、アノードおよびカソードの水蒸気供給装置の水温
をそれぞれ９０℃および７０℃とし、積層燃料電池の中
央部平均温度９０℃にて発電した。運転開始３０分で定
常状態に達し、15Aで2.5Vの端子電圧を示した。カソー
ド排気系の水トラップには、カソードの水蒸気供給装置
から供給される加湿用水蒸気より多い１分間に５ml程度
の凝縮水が貯まり、これを２０分に１回程度の頻度でア
ノード側およびカソード側水蒸気供給装置にリサイクル
しながら運転を継続した。アノード側およびカソード側
水蒸気供給装置の水位は電池運転中低下しなかった。
ドにジメチルエーテルを１.５L(リットル)／分の流量
で、カソードに酸素を３.６L／分の流量で、それぞれ供
給し、アノードおよびカソードの水蒸気供給装置の水温
をそれぞれ９０℃および７０℃とし、積層燃料電池の中
央部平均温度９０℃にて発電した。運転開始３０分で定
常状態に達し、15Aで2.5Vの端子電圧を示した。カソー
ド排気系の水トラップには、カソードの水蒸気供給装置
から供給される加湿用水蒸気より多い１分間に５ml程度
の凝縮水が貯まり、これを２０分に１回程度の頻度でア
ノード側およびカソード側水蒸気供給装置にリサイクル
しながら運転を継続した。アノード側およびカソード側
水蒸気供給装置の水位は電池運転中低下しなかった。
【００４８】
【発明の効果】本発明によれば、燃料としてジメチルエ
ーテルを用いることにより、炭化水素（HC）改質型燃料
電池における装置としての複雑性を解消すると共に、直
接型燃料電池における燃料の貯蔵・積載方法の問題を解
消し、しかも燃料として毒性もなく、且つ炭化水素燃料
から直接、常温付近で発電する燃料電池として、従来の
直接型メタノール燃料電池より発電効率を向上できる直
接型ジメチルエーテル燃料電池、直接型ジメチルエーテ
ル積層燃料電池システムおよび発電方法を提供すること
である。
ーテルを用いることにより、炭化水素（HC）改質型燃料
電池における装置としての複雑性を解消すると共に、直
接型燃料電池における燃料の貯蔵・積載方法の問題を解
消し、しかも燃料として毒性もなく、且つ炭化水素燃料
から直接、常温付近で発電する燃料電池として、従来の
直接型メタノール燃料電池より発電効率を向上できる直
接型ジメチルエーテル燃料電池、直接型ジメチルエーテ
ル積層燃料電池システムおよび発電方法を提供すること
である。
【００４９】
【図１】 本発明の一例の直接型ジメチルエーテル燃料
電池の概略側面図。
電池の概略側面図。
【図２】 本発明の一例の直接型ジメチルエーテル積層
燃料電池の概略側面図。
燃料電池の概略側面図。
【図３】 本発明の高分子膜積層燃料電池の連結した２
つのユニットセル間の一例の概略部分側面図。
つのユニットセル間の一例の概略部分側面図。
【図４】 実施例４で試験した直接型ジメチルエーテル
燃料電池ユニットセルのI―V特性を示す図。
燃料電池ユニットセルのI―V特性を示す図。
【図５】 比較例１で試験した直接型メタノール燃料電
池ユニットセルのI―V特性を示す図。
池ユニットセルのI―V特性を示す図。
１‥‥プロトン導電性電解質部 ２‥‥ガス拡散性アノード ３‥‥ガス拡散性カソード ４‥‥貴金属含有アノード電極触媒層 ５‥‥貴金属含有カソード電極触媒層 ６‥‥アノード側ガス分配板 ７‥‥カソード側ガス分配板 ８‥‥アノード側ガス供給系 ８’‥‥主アノード側ガス供給系 ９‥‥カソード側ガス供給系 ９’‥‥主カソード側ガス供給系 １０‥‥アノード側ガス排出系 １０’‥‥主アノード側ガス排出系 １１‥‥カソード側ガス排出系 １１’‥‥主カソード側ガス排出系 １２、１２’‥‥セパレーター（板） １３‥‥水蒸気リサイクル機構（水蒸気リサイクル手
段） １４‥‥カソード用ガス分配溝 １５‥‥アノード用ガス分配溝 Ａ、Ａ１、Ａ２、Ａ３‥‥直接型燃料電池本体（ユニッ
トセル本体） Ｂ‥‥直接型積層燃料電池本体
段） １４‥‥カソード用ガス分配溝 １５‥‥アノード用ガス分配溝 Ａ、Ａ１、Ａ２、Ａ３‥‥直接型燃料電池本体（ユニッ
トセル本体） Ｂ‥‥直接型積層燃料電池本体
Claims (11)
- 【請求項１】 プロトン導電性の電解質と、該電解質を
挟んで設けられた一対のアノードおよびカソードと、前
記アノードに燃料ガス及び水蒸気が直接供給される構造
を有してなる直接型燃料電池において、前記燃料ガスが
ジメチルエーテルであることを特徴とする直接型ジメチ
ルエーテル燃料電池。 - 【請求項２】 前記アノードおよびカソードの各電極が
前記電解質と接する面に、貴金属を含有する電極触媒層
を有する請求項１記載の燃料電池。 - 【請求項３】 前記貴金属が白金、ロジウム、パラジウ
ム、イリジウム、オスミウム、ルテニウム、レニウム、
金および銀からなる群から選ばれた少なくとも１種であ
る請求項２記載の燃料電池。 - 【請求項４】 前記電解質がイオン交換膜よりなり、こ
れにより固体高分子膜型燃料電池を形成する請求項１記
載の燃料電池。 - 【請求項５】 ａ）請求項１〜４のいずれか１項に記載
の燃料電池が、前記アノードの外側に該アノードに燃料
ガスを供給するために設けられたアノード側ガス分配板
と、前記カソードの外側に該カソードに酸化剤ガスを供
給するために設けられたカソード側ガス分配板とを有す
るものであり、かかる燃料電池がユニットセルとして２
以上直列に連結されてなる積層燃料電池であって、１つ
のユニットセルのアノード側ガス分配板又はカソード側
ガス分配板が、それぞれ、隣接するユニットセルのカソ
ード側ガス分配板又はアノード側ガス分配板と接してな
り、一端のユニットセルの端部電極またはその端部ガス
分配板と他端のユニットセルの端部電極またはその端部
ガス分配板との間で導通を取り出せるようになっている
積層燃料電池； ｂ）前記積層燃料電池の各アノードに気体状ジメチルエ
ーテルと水蒸気を供給するアノード側ガス供給系；およ
び ｃ）前記積層燃料電池の各カソードで発生する反応生成
物を排出するカソード側ガス排出系 を備えてなる直接型ジメチルエーテル積層燃料電池シス
テム。 - 【請求項６】 さらに、前記カソード側ガス排出系で得
られた排気からの少なくとも一部の水蒸気を分離し、こ
れを前記アノード側ガス供給系にリサイクルする水蒸気
リサイクル手段を備えてなる請求項５に記載のシステ
ム。 - 【請求項７】 各ユニットセルのプロトン導電性電解質
がイオン交換膜よりなり、これにより固体高分子膜型燃
料電池を形成する請求項５に記載のシステム。 - 【請求項８】 気体状ジメチルエーテルと水蒸気とを酸
化剤ガスおよびプロトン導電性電解質の存在下に反応さ
せ、得られる自由エネルギーを電気エネルギーに変換し
て発電させることを特徴とする発電方法。 - 【請求項９】 前記反応で生成する水蒸気を反応系にリ
サイクルしながら、反応を続ける請求項８記載の発電方
法。 - 【請求項１０】 前記プロトン導電性電解質が固体高分
子電解質である請求項８記載の発電方法。 - 【請求項１１】 白金、ロジウム、パラジウム、イリジ
ウム、オスミウム、ルテニウム、レニウム、金および銀
からなる群から選ばれた少なくとも１種の貴金属を含ん
でなる請求項１〜４項のいずれか１項に記載の直接型ジ
メチルエーテル燃料電池に用いられる電極触媒。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP32380797A JP4054095B2 (ja) | 1997-11-10 | 1997-11-10 | 直接型ジメチルエーテル燃料電池、直接型積層ジメチルエーテル燃料電池システム、発電方法および前記燃料電池用電極触媒 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP32380797A JP4054095B2 (ja) | 1997-11-10 | 1997-11-10 | 直接型ジメチルエーテル燃料電池、直接型積層ジメチルエーテル燃料電池システム、発電方法および前記燃料電池用電極触媒 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11144751A true JPH11144751A (ja) | 1999-05-28 |
| JP4054095B2 JP4054095B2 (ja) | 2008-02-27 |
Family
ID=18158834
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP32380797A Expired - Lifetime JP4054095B2 (ja) | 1997-11-10 | 1997-11-10 | 直接型ジメチルエーテル燃料電池、直接型積層ジメチルエーテル燃料電池システム、発電方法および前記燃料電池用電極触媒 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP4054095B2 (ja) |
Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1999044253A1 (en) * | 1998-02-25 | 1999-09-02 | Ballard Power Systems Inc. | Direct dimethyl ether fuel cells |
| JP2003508877A (ja) * | 1999-08-23 | 2003-03-04 | バラード パワー システムズ インコーポレイティド | 電圧反転に対する耐性を得るための燃料電池のアノード構造 |
| US6777116B1 (en) | 1998-02-25 | 2004-08-17 | Ballard Power Systems Inc. | Direct dimethyl ether fuel cells |
| JP2004253385A (ja) * | 2003-02-19 | 2004-09-09 | Samsung Sdi Co Ltd | 燃料電池のカソード用触媒 |
| JP2004311225A (ja) * | 2003-04-08 | 2004-11-04 | Sony Corp | 触媒粉体及び触媒電極、並びに電気化学デバイス |
| JP2004335252A (ja) * | 2003-05-07 | 2004-11-25 | Cataler Corp | 燃料電池用電極触媒およびその製造方法 |
| JP2005135752A (ja) * | 2003-10-30 | 2005-05-26 | Japan Science & Technology Agency | 燃料電池用酸素還元反応触媒 |
| JP2006092957A (ja) * | 2004-09-24 | 2006-04-06 | Shinshu Univ | 固体高分子形燃料電池用カソード触媒、該触媒を備えてなるカソード電極、該電極を有する固体高分子形燃料電池、ならびに該触媒の製造方法 |
| JP2006120441A (ja) * | 2004-10-21 | 2006-05-11 | Electric Power Dev Co Ltd | 燃料電池 |
| KR100982669B1 (ko) | 2002-05-28 | 2010-09-16 | 가부시키가이샤 지에스 유아사 코포레이션 | 액체연료형 연료전지시스템과 그 운전방법 |
-
1997
- 1997-11-10 JP JP32380797A patent/JP4054095B2/ja not_active Expired - Lifetime
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|---|---|---|---|---|
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| KR100982669B1 (ko) | 2002-05-28 | 2010-09-16 | 가부시키가이샤 지에스 유아사 코포레이션 | 액체연료형 연료전지시스템과 그 운전방법 |
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| US7566514B2 (en) | 2003-02-19 | 2009-07-28 | Samsung Sdi Co., Ltd. | Catalyst for cathode in fuel cell |
| US7462575B2 (en) | 2003-04-08 | 2008-12-09 | Sony Corporation | Catalyst powder, catalyst electrode, and electrochemical device |
| KR101019158B1 (ko) | 2003-04-08 | 2011-03-04 | 소니 가부시키가이샤 | 촉매 전극 및 전기화학 디바이스 |
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| JP2006092957A (ja) * | 2004-09-24 | 2006-04-06 | Shinshu Univ | 固体高分子形燃料電池用カソード触媒、該触媒を備えてなるカソード電極、該電極を有する固体高分子形燃料電池、ならびに該触媒の製造方法 |
| JP2006120441A (ja) * | 2004-10-21 | 2006-05-11 | Electric Power Dev Co Ltd | 燃料電池 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP4054095B2 (ja) | 2008-02-27 |
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