(57)【要約】【課題】燃料の輸送を伴うダイレクト固体高分子電解質型燃料電池（ＤＦＣ）システムにおいて、燃料輸送手段によるシステムの複雑化や大型化を抑え、ポンプ等の補機の電力消費によるシステムの効率低下を防止する【解決手段】燃料を直接供給するＤＦＣを有するＤＦＣシステムにおいて、外部から補給される燃料を貯蔵するための燃料貯蔵手段と、燃料を該燃料貯蔵手段からＤＦＣのアノード流路に導く燃料供給流路とを有し、燃料供給流路に、細孔物質膜と、燃料供給流路を開閉可能な流路開閉手段とを備えるＤＦＣシステム。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料を直接供給するダイレクト固体高分子電解質型燃料電池を有するダイレクト固体高分子電解質型燃料電池システムにおいて、
外部から補給される燃料を貯蔵するための燃料貯蔵手段と、燃料を該燃料貯蔵手段から該燃料電池のアノード流路に導く燃料供給流路とを有し、
該燃料供給流路に、細孔物質膜と、燃料供給流路を開閉可能な流路開閉手段とを備えるダイレクト固体高分子電解質型燃料電池システム。
【請求項２】
前記細孔物質膜の平均細孔径が０．４５μｍ以下である請求項１記載のダイレクト固体高分子電解質型燃料電池システム。
【請求項３】
前記細孔物質膜が、平均細孔径が相異なる二層構造を有する請求項１または２記載のダイレクト固体高分子電解質型燃料電池システム。
【請求項４】
前記細孔物質膜が、ポリエーテルスルホンおよびポリテトラフルオロエチレンからなる群から選ばれる少なくとも一種からなる多孔質有機高分子膜である請求項３記載のダイレクト固体高分子電解質型燃料電池システム。
【請求項５】
前記細孔物質膜が、アルミナ、シリカならびにアルミナおよびシリカの複合酸化物からなる群から選ばれる多孔質無機酸化物膜である請求項３記載のダイレクト固体高分子電解質型燃料電池システム。
【請求項６】
前記燃料供給流路の細孔物質膜の下流かつ流路開閉手段の下流に備えられた、前記アノード流路に供給する燃料を収容する容器；および
該アノード流路から排出される流体を該容器に循環する循環流路をさらに有する
請求項１〜５の何れか一項記載のダイレクト固体高分子電解質型燃料電池システム。
【請求項７】
燃料供給流路の前記細孔物質膜の下流かつ前記流路開閉手段の下流に備えられた、前記アノード流路に供給する燃料を収容する容器をさらに有し、
該容器がアノード流路と一体化された
請求項１〜５の何れか一項記載のダイレクト固体高分子電解質型燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はメタノール等の燃料を、改質せずにそのまま電気化学反応させるダイレクト型固体高分子型燃料電池を用いて発電を行うダイレクト型固体高分子型燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
水素源となる燃料にメタノール等を用い、燃料を改質することなく直接アノード触媒電極で燃料から水素イオンを取り出し、電解質に固体高分子電解質を用いる燃料電池であるダイレクト固体高分子電解質型燃料電池（以下ＤＦＣと称す）は、水溶液の形態とされた燃料を用いることにより燃料の容積を小さくでき、従って燃料電池システムの高エネルギー密度化が可能なこと、改質器が不要なため燃料電池システムの小型化が容易なこと、固体高分子電解質が室温近辺でも動作可能なことなどの長所を有し、小型携帯用燃料電池などを目標に研究・実用化が進められている。燃料にはメタノール以外にエタノール、プロピルアルコール、ジメチルエーテルなども検討さている。以下、代表的な燃料であるメタノールを例に説明する。
【０００３】
ＤＦＣではメタノール水溶液が直接アノード触媒電極で式（Ｉ）のアノード反応を起こし、この反応で発生した水素イオンは固体高分子電解質中を移動してカソード触媒電極で式（ＩＩ）のカソード反応を起こし、両反応をあわせて燃料電池反応になる。
【０００４】
【化１】
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【０００５】
固体高分子電解質膜中の水素イオンのイオン伝導性は、水素イオンと親和性の高い水和水の移動が伴う時、高イオン伝導度となる。よって水和水供給の為に電解質膜中に水分を含有させ、水分を充分含んだ固体高分子電解質は水素イオン伝導度が高くなる。その結果燃料電池特性は向上する。
【０００６】
ところで、燃料電池システムの高エネルギー密度化のためにはメタノール水溶液中のメタノール濃度が高い方が望ましいが、高濃度メタノール水溶液をＤＦＣに供給する場合には特にクロスオーバーと呼ばれる問題があった。すなわち、メタノールがアノード触媒電極で反応せずにそのまま固体高分子電解質膜中を親和性の高い水分子と共に透過し、カソード触媒電極でアノード反応と同じ反応をする事によって、化学的ショートを起こし、電圧および出力が低下し、燃料が有効利用されないという現象が起きることがあった。このため、従来メタノール水溶液のメタノール濃度はおおよそ１０質量％程度以下とされるのが一般的であった。
【０００７】
クロスオーバーの対策として、電解質膜中のメタノール透過性を抑制するために多くの検討がなされている。非特許文献１（「固体高分子形燃料電池のすべて」）および２（「携帯機器用燃料電池の実用化」）では、固体高分子電解質膜の内部を放射線照射による架橋構造にしたり、イオン伝導経路であるイオンクラスター内にメタノール阻害物質を導入したり、フッ素系樹脂や無機酸化物材料による補強充填を行ったりしてメタノール分子の透過を阻害・抑制するという方法が紹介されている。また、無機もしくは有機多孔質物質内にイオン伝導性物質を加えることでメタノール分子の透過を抑制するという方法が紹介されている。
【０００８】
しかし、メタノールの固体高分子電解質中の移動はメタノールとの親和性の高い水分子の移動も伴う。メタノール透過性を抑制すると水分子の移動性をも抑制してしまう。そして水分子の移動を抑制すると水素イオンのイオン伝導性をも抑制してしまい固体高分子電解質膜の抵抗が高くなって燃料電池特性を低下させてしまう。
【０００９】
つまり、クロスオーバー対策として電解質膜のメタノール透過を抑制するとイオン伝導性が低下しやすくなるという問題があり、特にＤＦＣシステムの高エネルギー密度化のためメタノール濃度の高いメタノール水溶液を用いる場合、電解質膜の高イオン伝導性と低メタノール透過性を両立するのは困難であった。
【００１０】
またメタノールの反応消費量は燃料電池への負荷電流に比例するが、画一的にメタノール透過性を抑制すると負荷電流が大きい時に追随できないため、負荷電流値を限定することになる、また負荷電流が変動する場合は追随が遅くなる。
【００１１】
特許文献１（特開２００３−３４６８３６号公報）には、アノードで使用されたメタノール水溶液を再び燃料として使用することが記載され、アノードに供給するメタノール水溶液を貯めるタンクと、アノード流路を通ったメタノール水溶液を再びタンクに導く燃料流路（循環流路）と、タンクにメタノールを補給する燃料カートリッジとを有する直接型メタノール燃料電池システムが示され、タンク内のメタノール水溶液が薄くなった場合に、燃料カートリッジからタンクにメタノールを補給することが示される。
【特許文献１】特開２００３−３４６８３６号公報
【非特許文献１】「固体高分子形燃料電池のすべて」、田村英雄監修、株式会社エヌ・ティー・エス、２００３年１０月１日発行
【非特許文献２】「携帯機器用燃料電池の実用化」、技術情報協会、２００２年１０月３０日発行
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明者等の検討によれば、特許文献１に記載されるような構成、すなわち、燃料電池に供給されるメタノール水溶液のメタノール濃度が薄くなった場合に適宜メタノールを補給する構成のＤＦＣシステムを用いると、高濃度メタノール水溶液を用い高イオン伝導度の固体高分子電解質膜を用いつつもクロスオーバーを抑制することが可能となる。
【００１３】
しかし、この場合、燃料カートリッジからタンクへ送液するポンプなどが必要となり、また、補給を行うか否かを判定してポンプにより補給を行うためにセンサーや制御システムが必要となり、燃料電池システムが複雑化、大型化してしまい、またポンプ等のために電力が消費されてしまい、燃料電池システムの効率が低下してしまう。
【００１４】
上記の例に限らず、燃料を輸送するための従来のポンプ等の燃料輸送手段は、その制御手段を含めてＤＦＣシステムの複雑化、大型化の要因となり、また電力消費による効率低下の要因となる。
【００１５】
本発明の目的は、燃料の輸送を伴うＤＦＣ燃料電池システムにおいて、燃料輸送手段による燃料電池システムの複雑化や大型化を抑え、ポンプ等の補機の電力消費による燃料電池システムの効率低下を防止することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明により、燃料を直接供給するダイレクト固体高分子電解質型燃料電池を有するダイレクト固体高分子電解質型燃料電池システムにおいて、
外部から補給される燃料を貯蔵するための燃料貯蔵手段と、燃料を該燃料貯蔵手段から該燃料電池のアノード流路に導く燃料供給流路とを有し、
該燃料供給流路に、細孔物質膜と、燃料供給流路を開閉可能な流路開閉手段とを備えるダイレクト固体高分子電解質型燃料電池システムが提供される。
【００１７】
前記細孔物質膜の平均細孔径が０．４５μｍ以下であることが好ましい。
【００１８】
前記細孔物質膜が、平均細孔径が相異なる二層構造を有することが好ましい。
【００１９】
前記細孔物質膜が、ポリエーテルスルホンおよびポリテトラフルオロエチレンからなる群から選ばれる少なくとも一種からなる多孔質有機高分子膜であることが好ましい。
【００２０】
前記細孔物質膜が、アルミナ、シリカならびにアルミナおよびシリカの複合酸化物からなる群から選ばれる多孔質無機酸化物膜であることが好ましい。
【００２１】
上記ダイレクト固体高分子電解質型燃料電池システムが、前記燃料供給流路の細孔物質膜の下流かつ流路開閉手段の下流に備えられた、前記アノード流路に供給する燃料を収容する容器；および
該アノード流路から排出される流体を該容器に循環する循環流路をさらに有することが好ましい。
【００２２】
上記ダイレクト固体高分子電解質型燃料電池システムが、燃料供給流路の前記細孔物質膜の下流かつ前記流路開閉手段の下流に備えられた、前記アノード流路に供給する燃料を収容する容器をさらに有し、
該容器がアノード流路と一体化されたことが好ましい。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、燃料の輸送を伴うＤＦＣ燃料電池システムにおいて、燃料輸送手段による燃料電池システムの複雑化や大型化を抑え、電力消費による燃料電池システムの効率低下を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明について図面を用いて説明するが、本発明はこれによって限定されるものではない。
【００２５】
燃料としてメタノールを例に説明するが、エタノール、プロピルアルコール、ジメチルエーテルなど、ＤＦＣの燃料として用いることのできる燃料であれば適宜燃料に用いることができる。
【００２６】
ＤＦＣのセル数は限定されるものではない。ＤＦＣは単セルでもよく、また平面スタックや積層型スタックなどのスタックでもよい。
【００２７】
図１は本発明のＤＦＣシステムの一形態を説明するための模式図である。
【００２８】
この形態は、外部から補給される燃料を貯蔵するための燃料貯蔵手段である燃料カートリッジ１１２と、燃料カートリッジからアノード流路１０５に燃料を導く燃料供給流路を有する。アノード流路に供給する燃料を収容する容器である燃料タンク１１３が燃料供給流路に設けられ、燃料供給流路のタンクより上流側（上流側燃料供給流路１１５）に細孔物質膜１０１と、この流路を開閉可能な流路開閉手段である開閉コック１０２が配される。ここでは細孔物質膜が開閉コックより上流に配されているが、開閉コックを細孔物質膜より上流に配してもよい。また、燃料供給流路のタンクより下流側（下流側燃料供給流路１０３）には、送液ポンプ１１４が配される。アノード流路から排出される流体を燃料タンク１１３に循環させるための循環流路１０４が設けられる。
【００２９】
燃料カートリッジ１１２には、高濃度のメタノール水溶液を貯蔵することができる。ここでは燃料貯蔵手段として、燃料供給流路に着脱可能なカートリッジを用いているが、この限りではない。例えば、燃料貯蔵手段として、ＤＦＣシステムに固定されたタンクを用いてもよい。
【００３０】
容器としては、メタノール水溶液を貯めることができる構造を適宜採用することができる。
【００３１】
燃料電池でメタノールが消費されることにより、上流側燃料供給流路１１５に設けられた細孔物質膜１０１の上流側と下流側でメタノールの濃度差が生じる。このように濃度差があると、細孔物質膜の微細孔性による毛細管現象と、細孔物質膜の上流側液体と下流側液体との浸透圧差によって、燃料が細孔物質膜の上流側から下流側へと輸送される。つまり、ポンプ等の機器を用いずに、燃料を能動的に輸送することができる。
【００３２】
カソード流路にはファン１１６で空気を送り込み、膜電極複合体（以下、ＭＥＡと称す）のカソード面に空気が供給されるようにする。図３に示すように、ファンの設置位置はカソード出口側でもよい。またファン等の補機なしで、カソード流路を設けずに開放型として自然大気循環によって空気を供給・排出しても良い。
【００３３】
燃料タンク１１３または燃料流路１０５もしくは両者には気液分離膜１１１を備えて、燃料のメタノール水溶液は保持したまま、燃料電池反応で発生した二酸化炭素のみを外気に逃がし、燃料タンクおよび燃料流路内の内圧上昇を防止することができる。
【００３４】
細孔物質膜１０１について説明する。細孔物質膜の材料としては、耐アルコール性、耐酸性および耐腐食性の観点から、無機材料ではアルミナ、シリカ、およびその複合酸化物等の多孔質体が好ましく、有機高分子材料では多孔質なポリテトラフルオロエチレン、ポリエーテルスルホン、ポリプロピレン、ポリイミドなどが好ましい。なかでも、化学的に安定な多孔質膜を容易に得ることができる観点から、ポリエーテルスルホンとポリテトラフルオロエチレンが好ましい。
【００３５】
細孔物質膜の平均細孔径は、水の透過を抑えて下流側から上流側への水の逆流を抑える観点から０．４５μｍ以下が好ましく、また、メタノール通過性の観点から、０．００２μｍ以上が好ましい。
【００３６】
細孔物質膜は一様な膜であってもよいが、平均細孔径が相異なる二つの層が積層された二層構造を有する膜であることが好ましい。二層構造を有する細孔物質膜を用いる場合について図４を用いて説明すると、メタノール濃度が高い上流側（燃料カートリッジ側）の層１３１の平均細孔径が、下流側（燃料タンク側）の層１３２の平均細孔径より小さいことが好ましい。細孔物質膜における毛細管現象によって細孔径の小さい層に接するメタノールが優先的に下流側（燃料タンク側）に拡散供給されるからである。また、細孔物質膜の上流側（高メタノール濃度の入ったカートリッジ側）のメタノール水溶液と下流側（メタノール水溶液の入った燃料タンク側）のメタノール水溶液では、細孔物質膜１０１を挟んだ状態で浸透圧が異なる。メタノールは浸透圧が高いため優先的に上流側から下流側へと拡散供給される。
【００３７】
また細孔物質膜１０１が撥水性であることが好ましい。細孔物質膜が撥水性であると、水の通過を阻害するが、メタノールの通過は阻害しなくなるからである。
【００３８】
以上のように、細孔物質膜１０１は、好ましくは高メタノール濃度側の細孔径が小さく全体が撥水性であることにより、メタノールを優先的に拡散透過して供給する事ができる。よってポンプ等の補機によらずにメタノールを供給する事ができるため、低消費電力化・小型化が可能になる。
【００３９】
細孔物質膜の下流側の内圧が上昇し、上流側の内圧より高い圧力になると、下流側から上流側にメタノール水溶液が逆浸透することも考えられる。このような現象を抑制し、燃料の逆流を防止する観点から、燃料カートリッジ１１２は図５（Ａ）もしくは（Ｂ）に示すような構造を有することが好ましい。
【００４０】
図５（Ａ）に示す燃料カートリッジにおいては、燃料の入る内袋１４２がラミネート構造を有し、内袋は外装ケース１４１内に収容され、外装ケースには開放部１４４が設けられて内袋が常に大気圧によって加圧保持され、内袋には内袋内部と燃料供給流路とを接続するための接続部１４３が設けられる。
【００４１】
図５（Ｂ）に示す燃料カートリッジにおいては、シリンダー形状でバネ１４５の応力などによって内袋１４２の内部を加圧保持することが可能である。
【００４２】
燃料カートリッジ等の燃料貯蔵手段１１２内のメタノール水溶液中のメタノール濃度は、電解質膜を通ってカソードからアノードへ移動する水の移動速度などにもよるが、例えば５０質量％以上とすることができる。外部からの水供給を考慮しなくてよい場合は、純メタノールを用いることもできる。
【００４３】
アノードに供給されるメタノール水溶液（図１に示す形態の場合は、燃料タンク１１３内のメタノール水溶液）中のメタノール濃度は、電池性能の観点から３質量％以上が好ましい。このメタノール濃度の上限値については、電解質膜のクロスオーバー特性に依存し、従来から用いられている電解質膜については、およそ１０質量％以下とされる。
【００４４】
さて、燃料供給流路を開閉可能な流路開閉手段について説明する。燃料カートリッジ１１２と燃料タンク１１３とを結ぶ上流側燃料供給流路１１５に流路開閉手段（開閉コック１０２）が存在しないと、ＤＦＣが停止し燃料消費がない場合でも細孔物質膜の上流から下流へとメタノールの拡散供給がなされてしまう。このようにして燃料タンク内のメタノール濃度が高くなった後に燃料電池を起動すると、燃料電池流路１０５内に高濃度のメタノールが供給されてしまいクロスオーバーが起きるため電池出力は低下する。これを阻止するためＤＦＣが停止している状態では流路開閉手段によって燃料カートリッジと燃料タンクとの間の流路を閉じておき、ＤＦＣを作動させる際に流路を開ける。このための制御は極めて簡単で、センサー等を必要としない。
【００４５】
流路開閉手段としては、コックに限らず、流路を開閉することのできる公知の構造を適宜採用することができる。
【００４６】
さらに、流路開閉手段に単なる開閉機能だけでなく流量調節機能を持たせ、燃料電池の発電電流量に応じて適宜流量開閉手段の開度を調節してメタノールの拡散を制御することもできる。この場合の開閉コック１０２の動作例について述べる。ＤＦＣ停止時は開閉コック１０２を閉状態として、燃料カートリッジ１１２から燃料タンク１１３への高濃度メタノールの拡散供給を停止する。発電時の電流負荷が大きい場合に開閉コック１０２は全開放状態とし、メタノールを拡散供給して燃料を補充する。電流負荷が低い場合はそれに応じて開閉コック１０２を部分的に開ける事で開放度を調整し燃料拡散供給を調整する。
【００４７】
ここで、燃料消費量および電流負荷の大小は電力供給をする負荷源に依存した負荷電流とＭＥＡの面積および触媒の利用効率に依存する。
【００４８】
ＤＦＣシステムの起動は次の手順で行うことができる。送液ポンプによって、燃料タンクからアノード流路１０５へ燃料を供給しアノード流路出口流体を燃料タンクへ循環する。閉まっていた開閉コック１０２を開けて燃料タンクに燃料カートリッジからメタノールを拡散供給する。またファン１１６により空気をカソードに供給する。この後、ＤＦＣを負荷に接続して発電を行う。
【００４９】
図１を用いた説明においては、燃料および空気の供給にポンプやファンなどの補機を用いる能動型ＤＦＣの例を示したが、本発明は、燃料供給のための補機を用いずに、燃料供給を自然な拡散供給に依存する受動型ＤＦＣに適用することもできる。空気供給のための補機を用いない形態でも良い。
【００５０】
例えば図６に示すように、アノード流路と燃料タンクを一体化した構造１３０を採用し、この部分と燃料カートリッジとを結ぶ流路（図１における上流側燃料供給流路に相当）１１５に細孔物質膜１０１および開閉コック１０２を設けることができる。
【００５１】
上記構造１３０は、例えばアノード流路を大型化して燃料タンクの機能を兼ねさせることにより得ることができる。このような形態は、特にＤＦＣが単セルあるいは平面スタックである場合に好適である。
【００５２】
以上説明したように、本発明によれば、燃料の輸送のために細孔物質膜を用いることにより、ＤＦＣシステムの複雑化や大型化を抑え、電力消費によるシステムの効率低下を防止することが可能となる。
【００５３】
さらに、図１もしくは３を用いて説明したような、燃料タンク等の容器と循環流路を備えるＤＦＣシステム、また図６を用いて説明したような、容器とアノード流路とが一体化されたＤＦＣシステムにおいては、高イオン伝導度の固体高分子電解質膜を用いつつもクロスオーバーを抑制することと燃料電池システムを高エネルギー密度化することを両立させながらも、燃料電池システムの複雑化や大型化を防止し、また電力の消費を抑えて燃料電池システムの効率低下を防止することができる。
【００５４】
なお、本発明においてＤＦＣとしては、メタノール等の燃料を、改質せずにそのまま電気化学反応させることのできる公知のＤＦＣを適宜採用することができる。固体高分子電解質膜としてもＤＦＣに用いることのできる公知の固体高分子電解質膜から適宜選んで用いることができるが、イオン伝導性の観点から、パーフルオロスルホン酸系高分子膜などのフッ素系高分子膜、もしくはそれ以外のいわゆる炭化水素系高分子膜を用いることが好ましい。
【実施例】
【００５５】
〔実施例１〕
まず、図１および２を用いて、ＭＥＡとＤＦＣ単セルの作成について説明する。ここでは単セルを用いているが、単セルを適宜組合せれば、平面スタック、バイポーラー積層型スタックなどのスタックを得ることができる。セル数やスタック構造は、ＤＦＣに要求される出力特性、電圧や形状に応じて適宜決めることができる。
【００５６】
粒径１〜３ｎｍ、Ｐｔ：Ｒｕのモル組成比を１：１．５にしたＰｔ−Ｒｕ合金微粒子をカーボン粒子表面上に分散担持させた触媒粒子と、パーフルオロスルホン酸（ここではＤｕｐｏｎ社製の商品名：ナフィオンを用いた）の分散溶液を混合し、アノード触媒原料溶液とした。このアノード触媒原料溶液をカーボンペーパー１２１上にスプレー塗布により吹き付けてアノード触媒層１２０をつくりアノード触媒電極１０８を形成した。
【００５７】
１〜３ｎｍ程度のＰｔ合金微粒子をカーボン粒子表面上に分散担持させた触媒粒子とパーフルオロスルホン酸（ここではＤｕｐｏｎ社製の商品名：ナフィオンを用いた）の分散溶液を混合し、カソード触媒原料溶液とする。このカソード触媒原料溶液をカーボンペーパー１２３上にスプレー塗布により吹き付けてカソード触媒層１２２をつくりカソード触媒電極１０９を形成した。
【００５８】
固体高分子電解質膜１１０にはパーフルオロスルホン酸系高分子膜（商品名：ナフィオン１１５。Ｄｕｐｏｎ社製。厚さ５０μｍ）の両面にアノード触媒電極およびカソード触媒電極を張り合わせ１３０℃、１０分間ホットプレスを行い、図２のような膜電極複合体（以降ＭＥＡと称す）を作成した。
【００５９】
アノード流路１０５を設けたアノード側基材１０６とカソード流路を設けたカソード側基材１０７でＭＥＡ挟み込みネジで加圧固定し、ＤＦＣを得た。
【００６０】
上記ＤＦＣを用い、図１に示す構成のＤＦＣシステムを作成した。
【００６１】
燃料カートリッジ、燃料タンクの容量はそれぞれ５ｍｌ、２０ｍｌとした。
【００６２】
細孔物質膜１０１として、疎水性で親水処理を施していないポリエーテルスルホン（ＰＥＳと略す）製の二層構造膜を用いた。上流側（燃料カートリッジ側）の層の平均細孔径は０．０３μｍ、下流側（燃料タンク側）の層の平均細孔径は０．４５μｍであった。
【００６３】
細孔物質膜の評価試験として、上記細孔物質膜を１００質量％メタノールおよび１００質量％水の間に設置し、ガスクロマトグラフィーによって、時間変化による濃度変化を調べた。結果を表１に示す。表中、「メタノール→水」の欄にはメタノール側から水側への透過速度を、「水→メタノール」の欄には水側からメタノール側への透過速度を示す。
【００６４】
燃料カートリッジに９９．８質量％メタノール水溶液を５ｍｌ入れ、かつ、燃料タンクに７質量％のメタノール水溶液を２０ｍｌ入れ、ＤＦＣシステムの発電試験を行った。具体的には、１Ａ定電流発電を行い、セル電圧が３００ｍＶ以下になるまでの時間を調べた。結果を表２に示す。
【００６５】
〔実施例２〕
細孔物質膜１０１の上流側の層の平均細孔径を０．２５μｍとした以外は実施例１と同様の試験を行った。結果を表１および２に示す。
【００６６】
〔実施例３〕
細孔物質膜１０１の上流側の層の平均細孔径を０．４５μｍとした以外は実施例１と同様の試験を行った。結果を表１および２に示す。
【００６７】
〔実施例４〕
細孔物質膜１０１の上流側の層の平均細孔径を０．２５μｍ、下流側の層の平均細孔径を１．０μｍとした以外は実施例１と同様の試験を行った。結果を表１および２に示す。
【００６８】
〔実施例５〕
細孔物質膜１０１として疎水性で親水処理を施していないポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥと略す）製の二層構造膜を用い、上流側の層の平均細孔径を０．２５μｍ、下流側の層の平均細孔径を１．０μｍとした以外は実施例１と同様の試験を行った。結果を表１および２に示す。
【００６９】
〔実施例６〕
細孔物質膜１０１として疎水性で親水処理を施していない酸化アルミナＡｌ2Ｏ3製の二層構造膜を用い、上流側の層の平均細孔径を０．１５μｍ、下流側の層の平均細孔径を０．４５μｍとした以外は実施例１と同様の試験を行った。結果を表１および２に示す。
【００７０】
〔実施例７〕
細孔物質膜１０１の上流側の層の平均細孔径を０．３μｍとし、固体高分子電解質１１０１に炭化水素系高分子膜であるポリイミドスルホン酸膜を用いた以外は実施例１と同様の試験を行った。結果を表１および２に示す。
【００７１】
〔比較例１〕
実施例１で用いたＤＦＣシステムから、燃料カートリッジ１１２、上流側燃料供給流路１１５、細孔物質膜１０１および開閉コック１０２を取り去り、燃料タンクの上流側燃料供給流路に接続している部分を塞いだ構成の受動型ＤＦＣシステム（図７に示す）を用いた以外は実施例１と同様の発電試験を行った。燃料タンクには７質量％のメタノール水溶液２０ｍｌを入れた。結果を表２に示す。
【００７２】
〔比較例２〕
実施例１で用いたＤＦＣシステムにおいて細孔物質膜１０１および開閉コック１０２に替えて送液ポンプ１１７を設け、ファン１１６をカソード入口側ではなく出口側に設けた構成のＤＦＣシステム（図８に示す）を用いた以外は実施例１と同様の発電試験を行った。結果を表２に示す。
【００７３】
【表１】
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【００７４】
表１からわかるように、上流側の細孔径がより小さいとメタノールの透過が優先的になり、これを利用して貯蔵手段（燃料カートリッジ）から容器（燃料タンク）へとメタノールをより優先して供給できる。
【００７５】
【表２】
2006236663.tif 000005
【００７６】
表２から分かるように、燃料タンクのみを使用する比較例１は駆動時間が短い。ただし受動型のため燃料を供給する送液ポンプ（図８の送液ポンプ１１７に相当）やファン（図１および８のファン１１６に相当）などが不要なので、補機の消費電力は不要である。
【００７７】
比較例２の駆動時間は実施例と同等レベルであるが、カートリッジからの燃料供給に更にポンプが必要になり、補機の消費電力が増えることとなる。
【００７８】
本発明によって長時間駆動が可能になり、また比較例２より補機が少ないため低消費電力化が可能になる。
【産業上の利用可能性】
【００７９】
本発明のＤＦＣシステムは、小型携帯用電子機器などの電源として好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】本発明のＤＦＣシステムの一形態を示す模式図である。
【図２】ＭＥＡの構成を説明するための模式図である。
【図３】本発明のＤＦＣシステムの別の形態を示す模式図である。
【図４】本発明で用いることのできる細孔物質膜の例を示す模式図である。
【図５】燃料カートリッジの例を示す模式図であり、（Ａ）はラミネート製内袋を有する燃料カートリッジ、（Ｂ）はシリンジ構造の燃料カートリッジを示す。
【図６】本発明のＤＦＣシステムのさらに別の形態を示す模式図である。
【図７】比較例１で用いた受動型ＤＦＣシステムを示す模式図である。
【図８】比較例２で用いた能動型ＤＦＣシステムを示す模式図である。
【符号の説明】
【００８１】
１０１  細孔物質膜
１０２  開閉コック
１０３  下流側燃料供給流路
１０４  循環流路
１０５  アノード流路
１０６  アノード側基材
１０７  カソード側基材
１０８  アノード触媒電極
１０９  カソード触媒電極
１１０  固体高分子電解質膜
１１１  気液分離膜
１１２  燃料カートリッジ
１１３  容器（燃料タンク）
１１４  送液ポンプ
１１５  上流側燃料供給流路
１１６  ファン
１２０  アノード触媒層
１２１  アノード側カーボンペーパー
１２２  カソード触媒層
１２３  カソード側カーボンペーパー
１３０  アノード流路と燃料タンクを一体化した構造
１４１  外装ケース
１４２  ラミネート構造の内袋
１４３  接続部
１４４  開放部
１４５  加圧用バネ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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