(57)【要約】【課題】出力安定性が改善されたダイレクトメタノール型燃料電池システムを提供する。【解決手段】電解質膜、アノード及びカソードからなる電解質膜電極接合体を有し、アノードにメタノール水溶液が供給され、カソードに酸化剤が供給されることにより発電する発電部と、アノードの電極反応時の発生ガスを排出するための排出ポンプと、アノードと排出ポンプの間に設けられた圧力調整部材とを有するダイレクトメタノール型燃料電池システム。【選択図】図１
2006172880.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜、この電解質膜の一方の面に設けられたアノード及びこの電解質膜の他方の面に設けられたカソードで構成される電解質膜電極接合体を有し、前記アノードにメタノール含有液体燃料が供給され、前記カソードに酸化剤が供給されることにより発電する発電部と、
前記アノードの電極反応時の発生ガスを排出するための排出ポンプと、
前記アノードと前記排出ポンプの間に設けられた圧力調整部材とを有するダイレクトメタノール型燃料電池システム。
【請求項２】
さらに燃料タンクと、この燃料タンク内の液体燃料をアノードへ供給するための供給ポンプ及び供給流路と、電極反応時の未使用燃料をこの燃料タンクに返送するための返送流路を有し、
前記排出ポンプが、前記未使用燃料を当該燃料タンクに返送できるように設けられている請求項１に記載のダイレクトメタノール型燃料電池システム。
【請求項３】
前記排出ポンプと前記燃料タンクの間、あるいは前記燃料タンクに気液分離手段が設けられている請求項２に記載のダイレクトメタノール型燃料電池システム。
【請求項４】
前記供給ポンプの吐出能力が、前記電解質膜電極接合体の１ｃｍ2あたり０．２ｍｌ／分以上、前記排出ポンプの吐出能力が、前記電解質膜電極接合体の１ｃｍ2あたり１ｍｌ／分以上である請求項２又は３に記載のダイレクトメタノール型燃料電池システム。
【請求項５】
前記電解質膜電極接合体を複数有し、各電解質膜電極接合体に設けられた燃料供給流路が直列に接続され、燃料が１ラインで供給される請求項２〜４のいずれかに記載のダイレクトメタノール型燃料電池システム。
【請求項６】
前記電解質膜電極接合体を複数有し、各電解質膜電極接合体に設けられた燃料供給流路が並列に接続され、燃料が分岐した複数ラインで供給される請求項２〜４のいずれかに記載のダイレクトメタノール型燃料電池システム。
【請求項７】
前記排出ポンプの前段に気液分離手段を有し、発生ガスのみを排出する請求項１に記載のダイレクトメタノール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、ダイレクトメタノール型燃料電池システムに関し、さらに詳しくは、出力安定性が改善されたダイレクトメタノール型燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ノート型パソコンや携帯電話、ＰＤＡなどの携帯機器の進化・普及に伴い、多様化・多機能化・高性能化が進められ、数多くの応用機器が提案されている。
【０００３】
現在の携帯機器の電源部分の多くには、リチウムイオン電池やニッケル水素電池などの二次電池が使用されている。しかし、携帯機器の発展とともに、消費電力も増加する傾向にあり、これらの電池では容量や出力が不足すると考えられている。また、充電には、そのための電源が必要となり、充電できる場所が限られるという欠点がある。
【０００４】
そのため、これら既存の二次電池の更なる性能向上とともに提案されているのが、水素と酸素の反応により電気を取り出すことのできる燃料電池である。燃料電池には様々な方式があるが、そのなかでも、携帯機器に適用しやすいものとして、ダイレクトメタノール方式があり、数多く研究・開発が行われている。ダイレクトメタノール方式の燃料電池は、燃料となるメタノールを持ち歩くことで、いつでも・どこでも必要なときに携帯機器を使用することができる。
【０００５】
従来技術によるダイレクトメタノール型燃料電池においては、メタノール−水混合燃料が、燃料タンクから供給ポンプにより単数あるいは複数の電解質膜電極接合体（ＭＥＡ）から成る発電部（燃料電池）に送られることにより行われる。また、アノードでの未使用燃料は、燃料タンクに戻され、燃料を循環して発電を行っている。
【０００６】
ダイレクトメタノール型燃料電池システムの検討例としては、特開２００３−３４６８３６号公報（特許文献１）、特表２００４−５０７０５０号公報（特許文献２）、特開２００４−１４６３７０号公報（特許文献３）等に開示されている。
【０００７】
特許文献１には、燃料を供給ポンプにより機械的圧力で供給する燃料循環構造を有する燃料電池システムが記載されている。未使用のメタノール−水混合燃料は、アノードで発生した二酸化炭素とともに燃料タンクへもどされ、二酸化炭素は、燃料タンクに設置された気液分離部材でメタノール−水混合燃料と分離され、排出される。気液分離膜等の分離部材は内圧が上昇した時点で気体を分離するため、その圧力は発電部のＭＥＡ部分へもかかっている。
【０００８】
また、燃料の循環構造において、未使用のメタノール−水混合燃料を返送するためのポンプを用いる構造例が、特許文献２及び３に記載されている。
【０００９】
特許文献２に記載の構造において、返送用ポンプは、発電部で加熱された燃料を冷却する冷却器とアノードで発生した二酸化炭素を分離するための分離器を経た燃料を返送できるように設置されている。そのため、この構造では、この分離器を経る段階で発生する圧力が発電部へかかり、ＭＥＡにも同様にアノードからカソード方向への圧力が常にかかっている。
【００１０】
特許文献３に記載の構造においては、アノードとカソードの両排出物をポンプで回収し、燃料タンクへ送り燃料を循環している。しかし、アノードとカソードの排出物をひとつのポンプで同時回収するため、両電極側の圧力をバランスよく制御することができない。カソード側の引力が強すぎると、アノード側の圧力が増加しＭＥＡのアノードからカソード方向へ圧力がかかる。逆に、アノード側の引力が強い場合、供給ポンプとのバランスが崩れアノードでの燃料不足を引きおこす問題があった。
【００１１】
また、複数のＭＥＡを配列したスタック構造においては、アノードで発生した二酸化炭素を排出しやすくするために、スタックの設置条件が制約される場合がある。
【特許文献１】特開２００３−３４６８３６号公報
【特許文献２】特表２００４−５０７０５０号公報
【特許文献３】特開２００４−１４６３７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
従来のダイレクトメタノール型燃料電池では、燃料供給ポンプによる機械的圧力によって、未使用の燃料が、アノードで発生した二酸化炭素とともに押し出されていた。また、アノードで発生した二酸化炭素は、気液分離部で燃料と分離され、排出されていた。この気液分離部は内圧が上昇した時点で気体を分離するものである。
【００１３】
このような構造を有する従来の燃料電池は、発電中、供給ポンプによる圧力と気液分離部に必要な圧力により、ＭＥＡに対してアノードからカソードの方向に一定の圧力が加わっている。そのため、特に複数のＭＥＡを平面配列または積層配列したスタック構造において、長期の使用によりＭＥＡの接合面の剥離が起こり、プロトン伝導性や電子伝導性の低下によりＭＥＡの直列抵抗が増加し、出力が低下する問題があった。
【００１４】
また、発電部のＭＥＡが設定条件以上に傾いた場合、二酸化炭素の排出がスムーズに行われなくなり内圧が上昇し、これにより、ＭＥＡの接合面の剥離が生じ、プロトン伝導性や電子伝導性が低下したり、燃料の逆流、滞留による燃料不足が発生し、出力が低下する問題があった。
【００１５】
また、一つの燃料供給ポンプを用いて、複数のＭＥＡに燃料を供給する場合、流路構造やスタックの傾き、残存二酸化炭素などによる流路の遮蔽によって、内圧が上昇し、これにより、ＭＥＡの接合面の剥離が生じ、プロトン伝導性や電子伝導性が低下したり、燃料の供給バランスの偏りや燃料の逆流による燃料不足が発生し、出力が低下する問題があった。
【００１６】
本発明の目的は、出力安定性が改善されたダイレクトメタノール型燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明は、電解質膜、この電解質膜の一方の面に設けられたアノード及びこの電解質膜の他方の面に設けられたカソードで構成される電解質膜電極接合体を有し、前記アノードにメタノール含有液体燃料が供給され、前記カソードに酸化剤が供給されることにより発電する発電部と、
前記アノードの電極反応時の発生ガスを排出するための排出ポンプと、
前記アノードと前記排出ポンプの間に設けられた圧力調整部材とを有するダイレクトメタノール型燃料電池システムに関する。
【００１８】
また本発明は、さらに燃料タンクと、この燃料タンク内の液体燃料をアノードへ供給するための供給ポンプ及び供給流路と、電極反応時の未使用燃料をこの燃料タンクに返送するための返送流路を有し、
前記排出ポンプが、前記未使用燃料を当該燃料タンクに返送できるように設けられている上記のダイレクトメタノール型燃料電池システムに関する。
【００１９】
また本発明は、前記排出ポンプと前記燃料タンクの間、あるいは前記燃料タンクに気液分離手段が設けられている上記のダイレクトメタノール型燃料電池システムに関する。
【００２０】
また本発明は、前記供給ポンプの吐出能力が、前記電解質膜電極接合体の１ｃｍ2あたり０．２ｍｌ／分以上、前記排出ポンプの吐出能力が、前記電解質膜電極接合体の１ｃｍ2あたり１ｍｌ／分以上である上記のダイレクトメタノール型燃料電池システムに関する。
【００２１】
また本発明は、前記電解質膜電極接合体を複数有し、各電解質膜電極接合体に設けられた燃料供給流路が直列に接続され、燃料が１ラインで供給される上記のダイレクトメタノール型燃料電池システムに関する。
【００２２】
また本発明は、前記電解質膜電極接合体を複数有し、各電解質膜電極接合体に設けられた燃料供給流路が並列に接続され、燃料が分岐した複数ラインで供給される上記のダイレクトメタノール型燃料電池システムに関する。
【００２３】
また本発明は、前記排出ポンプの前段に気液分離手段を有し、発生ガスのみを排出する上記のダイレクトメタノール型燃料電池システムに関する。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、アノードで発生したガスを強制排出する排出ポンプを有し、発電部のアノードと排出ポンプの間に圧力調整部材を設けることにより、ＭＥＡにかかる過度の圧力を軽減することができ、長期の使用においても、圧力負荷に起因するＭＥＡの劣化が抑えられ、出力を維持することができる。
【００２５】
また、本発明によれば、発電部のアノードに液体燃料を供給する供給ポンプと、アノードで使用されなかった未使用燃料と発生したガスを強制排出する排出ポンプを有し、さらに未使用燃料と発生ガスを分離するための気液分離手段が、排出ポンプの後段に設けられた循環構造を有する燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムでは、気液分離手段にかかる圧力がＭＥＡに影響することはなく、また、供給ポンプによる圧力も低減できるため、ＭＥＡにかかる圧力を軽減することができる。したがって、長期の使用においても、ＭＥＡの接合界面の剥離が起こりにくく、出力を維持することができる。
【００２６】
また、本発明によれば、アノードで使用されなかった未使用燃料と発生したガスを強制排出する排出ポンプを有するため、発電部の設置条件の制限が少ない燃料電池システムを提供することができる。すなわち、発電部のＭＥＡが水平方向に対して±６０度の傾斜角で設置されている場合でも、未使用燃料と発生ガスが強制排出されるため、流路の滞留が起こりにくく、内圧の上昇、燃料の逆流、燃料不足が起こりにくいため、良好に発電でき、出力を維持することができる。
【００２７】
また、本発明によれば、一つの供給ポンプを用いて複数のＭＥＡに液体燃料を供給する場合においても、排出ポンプにより、未使用の液体燃料と発生ガスが強制排出されるため、流路における滞留や、内圧の上昇、燃料の逆流、燃料不足が起こりにくいため、供給のバランスが保たれ、良好に発電でき、出力を維持することができる。
【００２８】
さらに、本発明によれば、ＭＥＡにアノードからカソード方向へ過度の圧力がかからないため、液体燃料のクロスオーバーが抑制され、利用効率を向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
本発明の燃料電池システムの一実施形態を図１に示す。
【００３０】
本実施形態の燃料電池システムは、１つ又は２つ以上のＭＥＡを有する発電部１１１と、燃料１０２を貯留する燃料タンク１０１と、燃料を発電部１１１へ供給するための供給ポンプ１０４及び供給管１０３と、未使用の燃料を燃料タンクへ返送できるように設けられた排出ポンプ１０６、排出管１０７及び返送管１０８を有し、燃料の循環系構造を形成している（以下「循環型燃料電池システム」という）。燃料１０２は、アノード１１３側に設けられた燃料供給流路１１２へ供給され、未使用の燃料が排出管１０７から排出され、排出ポンプ１０６及び返送管１０８を経由して燃料タンク１０１へ返送される。一方、空気等の酸化剤は、カソード１１５側に設けられた酸化剤供給流路１１６へ供給され、未使用の酸化剤および生成水がファン１１０により排出される。
【００３１】
この循環型燃料電池システムは、アノードで発生した二酸化炭素を燃料と分離し、二酸化炭素を系外へ排出するための気液分離手段１０９を有する。気液分離手段としては、公知のものを用いることができ、例えば、図１に示すように、気液分離膜１０９を燃料タンク１０１に設けることができる。あるいは、気液分離装置を、排出ポンプ１０６と燃料タンク１０１との間に返送管を介して設けることもできる。このような構成においては、気液分離手段と発電部の間に排出ポンプが設けられているため、気液分離手段にかかる圧力の影響をＭＥＡが受けることがなくなり、排出ポンプの作動と相俟ってＭＥＡに過度の圧力がかかることを防止できる。
【００３２】
また、この燃料電池システムは、アノード側に設けた燃料供給流路１１２に圧力調整部材１０５を有する。この圧力調整部材は、ＭＥＡと排出ポンプ１０６の間であれば設置位置は特に制限されない。この圧力調整用部材を設けることにより、排出ポンプにより燃料供給流路内が陰圧になるのを防止することができ、ＭＥＡのアノードへ燃料を安定して供給できるとともに、ＭＥＡの劣化を抑制することができる。この圧力調整部材は、気液分離膜など、水やメタノールなどの液体を透過せず、気体を透過でき、圧力を調整できるものであれば限定されず、システムの構造に応じて適宜選択することができる。
【００３３】
本発明において使用する供給ポンプ及び排出ポンプは、メタノール−水混合燃料に対する耐薬品性および 耐酸性を有していれば特に制限されない。供給ポンプの動作は、ＭＥＡ１ｃｍ2あたり吐出量０．２ｍｌ／分以上が好ましく、０．４〜２ｍｌ／分がより好ましく、排出ポンプの動作は、ＭＥＡ１ｃｍ2あたり吐出量１ｍｌ／分以上が好ましく、２〜３．５ｍｌ／分がより好ましい。なお、発電量０．２Ａ／ｃｍ2で発生する二酸化炭素の量は６０℃において最大０．６ｍｌ／分であり、発電部からの二酸化炭素の排出量は、発電量と発電部に設置するＭＥＡ数に依存する。
【００３４】
本発明における発電部が複数のＭＥＡを有する場合、燃料の供給流路は、直列型燃料供給方式と並列型燃料供給方式のいずれかを用いることができる。図４及び図５は、複数のＭＥＡが平面方向に配列された場合の燃料の供給方式を示す。
【００３５】
直列型燃料供給方式は、図４に示すように、各ＭＥＡ２０１〜２０４に設けられた燃料供給流路２０５が直列に接続され、燃料が一ラインで供給される。並列型燃料供給方式は、図５に示すように、各ＭＥＡ２０１〜２０４に設けられた燃料供給流路２０５が並列に接続され、燃料が分岐した複数ラインで供給される。
【００３６】
図２に、本発明による燃料電池システムの他の実施形態を示す。
【００３７】
本実施形態は、燃料を循環しない非循環型燃料電池であり、１つ又は２つ以上のＭＥＡを有する発電部１１１と、アノード１１３から発生した二酸化炭素を排出するための気液分離手段、排出ポンプ１０６及び排出管１０７とを有する。発生した二酸化炭素は、気液分離手段により分離され、排出ポンプ及び排出管を経由して系外へ排出される。本実施形態においては、さらに、前記実施形態と同様に、アノード側に設けられた燃料タンク１１２に圧力調整部材１０５を有する。
【００３８】
上述の図１及び図２に示す実施形態の構成によれば、排出ポンプを設けたことにより、発電部の燃料供給部における過度の内圧上昇が防止でき、ＭＥＡの劣化を抑制することできる。結果、長期間の作動においても出力を維持することができる。また、ＭＥＡに対するアノード側からカソード側方向への圧力が軽減されるため、クロスオーバー量を低減することができる。さらに、本発明によれば、複数のＭＥＡに対して直列あるいは並列に燃料を供給したり、発電部のＭＥＡを水平方向に対して±６０度以内の傾斜角で設置したりしても、未使用燃料および発生ガスが強制排出されるため、流路内での滞留が起こりにくく、内圧の上昇、燃料の逆流、燃料不足が起こりにくいため、良好な発電を行うことができる。結果、発電部の設置条件や燃料供給方式の制限が少ないため、携帯機器に適した発電システムを容易に提供することができる。
【００３９】
本発明における燃料は、３〜６７ｖｏｌ％のメタノール水溶液が好ましく、７〜３５ｖｏｌ％がより好ましい。メタノールの濃度が高すぎると、クロスオーバーにより利用効率が低下し、低すぎると十分な出力を得ることができない。
【００４０】
本発明におけるＭＥＡ（電解質膜電極接合体）は、電解質膜１１４の両側にアノード１１３及びカソード１１５が対向配置された構成を有し、電解質膜、アノード及びカソードは従来燃料電池に使用されているものを用いることができる。電解質膜としては、例えば、スルホン酸基等のプロトン交換基を有する高分子電解質膜を用いることができる。アノード及びカソードとしては、例えば、白金系触媒、プロトン伝導性材料、必要により導電補助剤を含有する触媒層を有するものを用いることができる。触媒としては、触媒粒子がカーボン材料等の導電性材料に担持されたものを用いることができる。プロトン伝導性材料としては、スルホン酸基等のプロトン交換基を有する高分子電解質を用いることができる。
【００４１】
ＭＥＡに燃料や酸化剤を供給するための燃料供給流路１１２及び酸化剤供給流路１１６は平面型スタック構造の場合、酸やアルコールに対して耐食性を有し燃料や酸化剤ガスを透過しない絶縁性材料で形成されたものを用いることができ、積層型スタック構造の場合は、金属やグラファイトなどの、酸やアルコールに対して耐食性を有し燃料や酸化剤ガスを透過しない導電性材料で形成されたものを用いることができる。これら供給流路１１２の１１６のＭＥＡ側には、燃料や酸化剤がＭＥＡの電極に効率的に供給できるように流路を設けることができ、燃料供給流路１１２の外側面には圧力調整部材１０５が設けられる。
【実施例】
【００４２】
〔長期出力試験〕
下記の循環型燃料電池システムについて、燃料温度および試験環境温度４０℃、試験環境湿度３０％ＲＨ、定電力０．０５Ｗ／ｃｍ2の条件下で、定期的に燃料タンク１０１の燃料を交換し長期間システムを作動させた。電圧の経時変化を図６に示す。また、試験前と４００時間後のＭＥＡの開回路における等価直列抵抗（ＥＳＲ）の測定結果を図７に示す。
【００４３】
下記の非循環型燃料電池システムについては、上記と同条件で、３時間連続して動作させ（１回目の出力）、燃料を入れ替えて再度３時間連続して動作させ（２回目の出力）、これを５０回行った。最低出力電圧の変化を図８に示す。また、上記と同様にして測定した試験後の等価直列抵抗（ＥＳＲ）を図７に示す。
【００４４】
〔実施例１〕
図１に示した循環型燃料電池システムを作製した。発電部１１１は、電気的に直列に接続されたＭＥＡ（面積：１６ｃｍ2）を４つ有し、水平に設置され、燃料の供給流路は、図４に示すように直列型供給方式とした。燃料に１５ｖｏｌ％のメタノール水溶液を用い、供給ポンプ１０４の吐出量０．４ｍｌ／分（ＭＥＡ１ｃｍ2あたり）、排出ポンプ１０６の吐出量２ｍｌ／分（ＭＥＡ１ｃｍ2あたり）として動作させ、カットオフ電圧は１．２Ｖとした。
【００４５】
ＭＥＡは次にようにして作製した。Ｐｔ３０％とＲｕ２０％を担持したカーボンをＮａｆｉｏｎ溶液（商品名：ＤＥ５２０、デュポン社製）で分散しスラリーを調製し、このスラリーを集電体となるステンレス製の多孔性マットに塗布、乾燥し、これをアノード１１３とした。一方、Ｐｔ４０％を担持したカーボンをＮａｆｉｏｎ溶液（商品名：ＤＥ５２０、デュポン社製）で分散しスラリーを調製し、このスラリーを集電体となるステンレス製のマットに塗布、乾燥し、これをカソード１１５とした。塗布量は、アノードはＰｔが２〜２．５ｍｇ／ｃｍ2、カソードはＰｔが２．５〜４ｍｇ／ｃｍ2となるように調整した。これらアノードとカソードで、１８０μｍのプロトン伝導膜（商品名：Ｎａｆｉｏｎ１１７、デュポン社製）を挟んで、１０ＭＰａ、１３０℃、１分間プレスし、ＭＥＡを形成した。このＭＥＡを用いた発電部１１１の出力は４８ｍＷ／ｃｍ2であった。
【００４６】
燃料供給流路１１２の圧力調整部材１０５として、ＭＥＡ１ｃｍ2に対し、０．０４ｃｍ2の気液分離膜を配置した。これにより、過度の陰圧を防止でき、燃料不足やＭＥＡの劣化が防止された。図１に示す構成において、アノード１１３で発生した二酸化炭素と、圧力調整部材１０５で吸気された気体は、燃料タンク１０１へ導入され、燃料タンク１０１に設置された気液分離膜１０９を介して排気される。
【００４７】
本実施例の長期出力試験の結果を図６及び図７に示す。本実施例では、４００時間後の発電部の電圧は初期の８２％であり、ＭＥＡのＥＳＲ上昇率は６〜５３％であった。
【００４８】
〔実施例２〕
発電部１１１を傾斜設置した以外は実施例１と同様の燃料電池システムを作製した。傾斜方向は、排出ポンプ１０６側を下側に供給ポンプ１０４側を上側に、水平面に対して４０度の傾斜角をつけた。
【００４９】
本実施例の長期出力試験の結果を図６及び図７に示す。本実施例では、３２０時間後にカットオフ電圧まで電圧降下し、ＭＥＡのＥＳＲ上昇率は２５〜５０％であった。
【００５０】
〔実施例３〕
燃料の供給流路を図５に示すように並列型供給方式とした以外は、本実施例１と同様な燃料電池システムを作製した。
【００５１】
本実施例の長期出力試験の結果を図６及び図７に示す。本実施例では、４００時間後の電圧は初期の８９％であり、ＭＥＡのＥＳＲ上昇率は３〜２２％であった。
【００５２】
〔実施例４〕
発電部１１１を傾斜設置し、燃料の供給流路を図５に示すように並列型供給方式とした以外は実施例１と同様の燃料電池システムを作製した。傾斜方向は、排出ポンプ１０６側を下側に供給ポンプ１０４側を上側に、水平面に対して４０度の傾斜角をつけた。
【００５３】
本実施例の長期出力試験の結果を図６及び図７に示す。本実施例では、４００時間後の電圧は初期の８４％であり、ＭＥＡのＥＳＲ上昇率は２１〜３８％であった。
【００５４】
〔実施例５〕
図２に示した非循環型燃料電池システムを作製した。発電部１１１は、実施例１と同様に、電気的に直列に接続されたＭＥＡを４つ有し、圧力調整部材１０５を設けた燃料供給流路に代わる燃料タンク１１２と、酸化剤供給流路１１６を有するものを用い、水平に設置した。本実施例では、排出ポンプ１０６に燃料が吸入されないように排出管１０７と燃料タンク１１２の間に気液分離装置を配置した。実施例１と同様に、燃料に１５ｖｏｌ％のメタノール水溶液を用い、供給ポンプ１０４の吐出量０．４ｍｌ／分（ＭＥＡ１ｃｍ2あたり）、排出ポンプ１０６の吐出量２ｍｌ／分（ＭＥＡ１ｃｍ2あたり）として動作させた。
【００５５】
本実施例の長期出力試験の結果を図７及び図８に示す。本実施例では、５０回出力後の電圧は初期の８９％であり、ＭＥＡのＥＳＲ上昇率は１１〜１６％であった。また、一回目の出力時のメタノール利用効率は室温で２３．８％であった。
【００５６】
〔比較例１〕
図３に示した燃料電池システムを作製した。排出ポンプを設けていない以外は実施例１と同様な構成である。実施例１と同様に、燃料に１５ｖｏｌ％のメタノール水溶液を用い、供給ポンプ１０４の吐出量０．４ｍｌ／分（ＭＥＡ１ｃｍ2あたり）として動作させ、カットオフ電圧は１．２Ｖとした。
【００５７】
本比較例の長期出力試験の結果を図６及び図７に示す。本比較例では、２６０時間後にカットオフ電圧まで電圧降下し、ＭＥＡのＥＳＲ上昇率は５９〜１１５％であった。
【００５８】
〔比較例２〕
発電部１１１を傾斜設置した以外は比較例１と同様の燃料電池システムを作製した。傾斜方向は、排出管１０７側を下側に供給ポンプ１０４側を上側に、水平面に対して４０度の傾斜角をつけた。
【００５９】
本比較例の長期出力試験の結果を図６及び図７に示す。本比較例では、８０時間後にカットオフ電圧まで電圧降下し、ＭＥＡのＥＳＲ上昇率は１４７〜２０６％であった。
【００６０】
〔比較例３〕
発電部１１１を傾斜設置し、燃料の供給流路を図５に示すように並列型供給方式とした以外は比較例１と同様の燃料電池システムを作製した。傾斜方向は、排出管１０７側を下側に供給ポンプ１０４側を上側に、水平面に対して４０度の傾斜角をつけた。
【００６１】
本比較例の長期出力試験の結果を図６及び図７に示す。本比較例では、１８０時間後にカットオフ電圧まで電圧降下し、ＭＥＡのＥＳＲ上昇率は１１２〜１４７％であった。
【００６２】
〔比較例４〕
排出ポンプ１０６と排出管１０７を設置しない以外は実施例５と同様の燃料電池システムを作製した。
【００６３】
本比較例の長期出力試験の結果を図７及び図８に示す。本比較例では、５０回出力後の電圧は初期の８１％であり、ＭＥＡのＥＳＲ上昇率は２５〜５９％であった。また、一回目の出力時のメタノール利用効率は室温で２１．３％であった。
【００６４】
上記のとおり、実施例１は、比較例１に対して大幅に改善されたことがわかる。これは、燃料供給流路内の二酸化炭素の滞留が抑えられ、圧力が軽減されたことによると考えられる。
【００６５】
比較例２では二酸化炭素の滞留によりスタックの一部が燃料不足となり出力停止になったのに対し、実施例２では、発電部が傾いているにもかかわらず、良好な結果が得られた。これは、二酸化炭素や未使用の燃料の滞留が抑えられ、圧力が軽減されたことによると考えられる。
【００６６】
実施例３及び４では、燃料の供給流路を並列型供給方式にしたことで、直列型供給方式の実施例１及び２に対してそれぞれ良好な結果が得られている。並列型供給方式は、直列型供給方式よりＭＥＡ間で燃料濃度に差が生じにくく、各ＭＥＡに電圧差が生じにくいため、長期試験において出力低下が起こりにくいと考えられる。比較例３に対しては大幅に改善されており、これは、強制排出による二酸化炭素や未使用の燃料の滞留が抑えられ、圧力が軽減したことによると考えられる。
【００６７】
実施例５の非循環型の燃料電池システムにおいても、比較例４に対し出力が維持されているのは、排出ポンプを設置したことによる内圧上昇が抑制され、ＭＥＡの劣化が抑制されたためと考えられる。
【００６８】
また、実施例５は比較例４に比較して燃料の利用効率が改善されている。これは、ＭＥＡのアノードからカソード方向への圧力が軽減されたため、メタノールクロスオーバー量が減少したためと考えられる。
【００６９】
以上説明したように、本発明によれば、アノードからの未使用燃料と発生ガスを強制排出することで、発電部への燃料の供給と発生ガスの排出を円滑に行い、ＭＥＡにかかるアノード側からカソード方向への圧力を軽減させることで、ＭＥＡの接合界面の剥離が防止でき、結果、出力の低下を抑制できる。また、このような圧力軽減効果によってクロスオーバー量が低減できる。さらに、複数のＭＥＡへの燃料供給を均一にすることが可能となり、ＭＥＡの部分的な劣化を防止することができ、結果、出力の低下を抑制できる。よって、本発明によれば、長期にわたり信頼性の高いダイレクトメタノール型燃料電池システムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本発明による循環型燃料電池システムの一実施形態の概略構成図
【図２】本発明による非循環型燃料電池システムの一実施形態の概略構成図
【図３】比較例の燃料電池システムの概略構成図
【図４】直列型燃料供給方式の説明図
【図５】並列型燃料供給方式の説明図
【図６】循環型燃料電池システムの長期作動による電圧経時変化を示す図
【図７】循環型または非循環型燃料電池システムの長期作動による電解質膜電極接合体（ＭＥＡ）の等価直列抵抗（ＥＳＲ）の増加率を示す図
【図８】非循環型燃料電池システムの作動回数に伴う出力変化を示す図
【符号の説明】
【００７１】
１０１  燃料タンク
１０２  燃料
１０３  供給管
１０４  供給ポンプ
１０５  圧力調整部材
１０６  排出ポンプ
１０７  排出管
１０８  返送管
１０９  気液分離手段
１１０  ファン
１１１  発電部
１１２  燃料供給流路または燃料タンク
１１３  アノード
１１４  電解質膜
１１５  カソード
１１６  酸化剤供給流路
２０１  ＭＥＡ番号１
２０２  ＭＥＡ番号２
２０３  ＭＥＡ番号３
２０４  ＭＥＡ番号４
２０５  燃料供給流路
点線矢印：気体の流れ方向
実線矢印：燃料の流れ方向
【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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