(57)【要約】【課題】直接メタノール形燃料電池システムにより発電された電力の多くを直接メタノール形燃料電池システムが接続される電子機器等の駆動電力として使用することができ、かつ直接メタノール形燃料電池における発電に最適な燃料濃度を維持することができる直接メタノール形燃料電池システムを提供する。【解決手段】直接メタノール形燃料電池システム１は、固体状又はゲル状メタノールを収容する燃料カートリッジ３と、固体状又はゲル状メタノールからメタノールを溶出させるための水を燃料カートリッジ３に供給する水供給装置５と、燃料カートリッジ３から取り出されたメタノール水溶液が供給される燃料極２１を有する直接メタノール形燃料電池装置２とを備え、水供給装置５は、燃料カートリッジ３に間欠的に水を供給する。【選択図】図１
2008034152.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体状又はゲル状メタノールを収容する燃料カートリッジと、
固体状又はゲル状メタノールからメタノールを溶出させるための水を前記燃料カートリッジに供給する水供給装置と、
前記燃料カートリッジから取り出されたメタノール水溶液が供給される燃料極を有する直接メタノール形燃料電池装置と
を備え、
前記水供給装置は、前記燃料カートリッジに間欠的に水を供給することを特徴とする直接メタノール形燃料電池システム。
【請求項２】
前記直接メタノール形燃料電池装置の発電特性を検出する発電特性検出部と、
前記発電特性検出部により検出された発電特性値に基づいて、前記水供給装置を制御する制御部と
をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の直接メタノール形燃料電池システム。
【請求項３】
前記制御部は、前記水供給装置から燃料カートリッジへの水の供給を開始した後に、前記発電特性検出部により検出された発電特性値が第１の値を超えることなく第２の値を下回った場合に、警報信号を出力することを特徴とする請求項２に記載の直接メタノール形燃料電池システム。
【請求項４】
前記制御部は、前記警報信号の出力後の所定時間経過後に、前記発電特性値が依然として前記第２の値を下回っている場合、前記水供給装置から前記燃料カートリッジへの水の供給を停止するように、前記水供給装置を制御することを特徴とする請求項３に記載の直接メタノール形燃料電池システム。
【請求項５】
前記発電特性が、前記直接メタノール形燃料電池装置から出力される電圧であることを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の直接メタノール形燃料電池システム。
【請求項６】
前記直接メタノール形燃料電池装置の燃料極内のメタノール濃度を検出する濃度検出部と、
前記濃度検出部により検出されたメタノール濃度に基づいて、前記水供給装置を制御する制御部と
をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の直接メタノール形燃料電池システム。
【請求項７】
前記制御部は、前記水供給装置から燃料カートリッジへの水の供給を開始した後に、前記濃度検出部により検出されたメタノール濃度が第１の値を超えることなく第２の値を下回った場合に、警報信号を出力することを特徴とする請求項６に記載の直接メタノール形燃料電池システム。
【請求項８】
前記制御部は、前記警報信号の出力後の所定時間経過後に、前記メタノール濃度が依然として前記第２の値を下回っている場合、前記水供給装置から前記燃料カートリッジへの水の供給を停止するように、前記水供給装置を制御することを特徴とする請求項７に記載の直接メタノール形燃料電池システム。
【請求項９】
前記制御部は、水の供給を開始した時から所定時間内に前記水供給装置から前記燃料カートリッジに供給される水の流量が、前記所定時間経過後に供給される水の流量よりも大きくなるように、前記水供給装置を制御することを特徴とする請求項２〜８のいずれかに記載の直接メタノール形燃料電池システム。
【請求項１０】
固体状又はゲル状メタノールからメタノールを溶出させるための水を、固体状又はゲル状メタノールを収容する燃料カートリッジに間欠的に供給することを特徴とする直接メタノール形燃料電池システムにおける水供給方法。
【請求項１１】
前記直接メタノール形燃料電池の発電特性値に基づいて、水の供給を制御することを特徴とする請求項１０に記載の直接メタノール形燃料電池システムにおける水供給方法。
【請求項１２】
前記燃料カートリッジへの水の供給を開始した後に、前記直接メタノール形燃料電池の発電特性値が第１の値を超えることなく第２の値を下回った場合に、警報することを特徴とする請求項１１に記載の直接メタノール形燃料電池システムにおける水供給方法。
【請求項１３】
前記警報をした後、所定時間経過後に、前記発電特性値が依然として前記第２の値を下回っている場合、前記燃料カートリッジへの水の供給を停止することを特徴とする請求項１２に記載の直接メタノール形燃料電池システムにおける水供給方法。
【請求項１４】
前記直接メタノール形燃料電池装置の燃料極内のメタノール濃度に基づいて、水の供給を制御することを特徴とする請求項１０に記載の直接メタノール形燃料電池システムにおける水供給方法。
【請求項１５】
前記燃料カートリッジへの水の供給を開始した後に、前記直接メタノール形燃料電池からのメタノール濃度が第１の値を超えることなく第２の値を下回った場合に、警報することを特徴とする請求項１４に記載の直接メタノール形燃料電池システムにおける水供給方法。
【請求項１６】
前記警報をした後、所定時間経過後に、前記メタノール濃度が依然として前記第２の値を下回っている場合、前記燃料カートリッジへの水の供給を停止することを特徴とする請求項１５に記載の直接メタノール形燃料電池システムにおける水供給方法。
【請求項１７】
水の供給を開始したときから所定時間内に前記燃料カートリッジに供給される水の流量を、前記所定時間経過後に供給される水の流量よりも大きくすることを特徴とする請求項１０〜１６のいずれかに記載の直接メタノール形燃料電池システムにおける水供給方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、メタノールを燃料極に直接供給することで発電することのできる直接メタノール形燃料電池システム及び当該直接メタノール形燃料電池システムにおける水供給方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子電解質型燃料電池は、パーフルオロスルホン酸膜等の固体電解質膜を電解質とし、この膜の両面に燃料極及び酸化剤極を接合して構成され、アノードに水素やメタノール、カソードに酸素を供給して電気化学反応により発電する装置である。このうち、メタノールを燃料とする固体高分子電解質型燃料電池は、「直接メタノール形燃料電池（Direct Methanol Fuel Cell, DMFC）」と呼ばれ、各電極で生じる電気化学反応は、アノードでは、メタノールを用いた場合、
ＣＨ３ＯＨ ＋ Ｈ２Ｏ → ６Ｈ＋ ＋ ＣＯ２ ＋ ６ｅ− …［１］
であり、また、カソードでは、
３／２Ｏ２ ＋ ６Ｈ＋ ＋ ６ｅ− → ３Ｈ２Ｏ …［２］
である。この反応を起こすために、両電極は、触媒物質が担持された炭素微粒子と固体高分子電解質との混合体により構成されている。
【０００３】
このような直接メタノール形燃料電池において、アノードに供給されたメタノールは、電極中の細孔を通過して触媒に達し、触媒によりメタノールが分解されて、上記反応式［１］の反応で電子と水素イオンを生成する。水素イオンはアノード中の電解質及び両電極間の固体電解質膜を通ってカソードに達し、カソードに供給された酸素及び外部回路より流れ込む電子と反応して、上記反応式［２］のように水を生じる。一方、メタノールより放出された電子はアノード中の触媒担体を通って外部回路へ導き出され、外部回路よりカソードに流れ込む。この結果、外部回路ではアノードからカソードへ向かって電子が流れ電力が取り出される。
【０００４】
このメタノールを燃料とする直接メタノール形燃料電池は、携帯用小型燃料電池として適用できる可能性が高く、近年、携帯用コンピューターや携帯電話等の次世代二次電池として開発が活発化してきている。その中で、燃料に使用するメタノールは液体であるため漏れやすく、メタノール自体の可燃性及び毒性が懸念されており、安全に使用するための対策が課題となっている。
【０００５】
このようなメタノールの安全性の課題に対し、分子状化合物を形成することによりメタノールを固形化し、漏れにくくするとともに可燃性を大きく低減した「固体状メタノール燃料」について本出願人は種々提案している（特許文献１〜３参照）。この固体状メタノールは、水と接触することで固体中のメタノールを水側に放出することができ、このようにして生成したメタノール水溶液を、直接メタノール形燃料電池の燃料として使用することができる。
【特許文献１】特開２００６−０４０６２９号公報
【特許文献２】特開２００５−３２５２５４号公報
【特許文献３】国際公開第２００５／０６２４１０号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このような固体状メタノールから燃料となるメタノールを取り出すには、固体状メタノールに水を供給する必要がある。水を供給する方法としては、ポンプを使用して水をカートリッジに供給するアクティブ方式と、水の自然な拡散現象を利用するパッシブタイプとがあるが、能動的に液体の供給を行うことのできるアクティブ方式の方が高出力の電力を発生させるためには適している。
【０００７】
従来のアクティブ方式の燃料電池システムにおいては、固体状メタノールにポンプを使用して水を連続的に供給しているが、ポンプの駆動のために燃料電池システムにおいて発電された電力を利用すると、ポンプを連続的に駆動させるためには、多くの電力を必要とするため、燃料電池システムにおいて発電された電力を無駄に消費してしまうという問題がある。ポンプ駆動用に別電源を設けることも考えられるが、燃料電池システム自体の大きさが大きくなりすぎるため、携帯用電子機器等の電源として不適当である。
【０００８】
また、固体状メタノールに連続的に水を供給すると、生成されるメタノール水溶液の濃度が経時的に変化してしまうため、直接メタノール形燃料電池における発電に最適な燃料濃度を維持することが困難であるという問題がある。
【０００９】
本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、直接メタノール形燃料電池システムにより発電された電力の多くを直接メタノール形燃料電池システムが接続される電子機器等の駆動電力として使用することができ、かつ直接メタノール形燃料電池における発電に最適な燃料濃度を維持することができる直接メタノール形燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明は、固体状又はゲル状メタノールを収容する燃料カートリッジと、前記固体状又はゲル状メタノールからメタノールを溶出させるための水を前記燃料カートリッジに供給する水供給装置と、前記燃料カートリッジから取り出されたメタノール水溶液が供給される燃料極を有する直接メタノール形燃料電池装置とを備え、前記水供給装置は、前記燃料カートリッジに間欠的に水を供給することを特徴とする直接メタノール形燃料電池システムを提供する（請求項１）。
【００１１】
上記発明（請求項１）によれば、燃料カートリッジに水を間欠的に供給するように構成されているため、直接メタノール形燃料電池システムにより発電された電力の多くを直接メタノール形燃料電池システムが接続される電子機器等の駆動電力として使用することができるとともに、燃料カートリッジに水が間欠的に供給されることで、直接メタノール形燃料電池システムにおける発電に最適な燃料濃度を維持することができる。
【００１２】
上記発明（請求項１）においては、前記直接メタノール形燃料電池装置の発電特性を検出する発電特性検出部と、前記発電特性検出部により検出された発電特性値に基づいて、前記水供給装置を制御する制御部とをさらに備えることが好ましい（請求項２）。
【００１３】
燃料カートリッジに水を連続的に供給し続けると、直接メタノール形燃料電池装置に供給されるメタノール水溶液の濃度が経時的に変化し、直接メタノール形燃料電池装置から出力される電力が安定しないおそれがあるが、上記発明（請求項２）によれば、制御部が直接メタノール形燃料電池装置の発電特性値に基づいて、水供給装置から燃料カートリッジへの水の供給を制御することができるため、直接メタノール形燃料電池装置から常に安定的に電力を出力することができる。ここで、制御部は、水供給装置から燃料カートリッジへの水の供給量を制御するようにしてもよいし、水の供給間隔を制御するようにしてもよいし、水の供給量と供給間隔とを制御するようにしてもよい。
【００１４】
本発明において「発電特性」とは、直接メタノール形燃料電池装置の発電状態を示す指標を意味し、具体的には、直接メタノール形燃料電池装置から出力される電流、電圧、電力等が挙げられる。制御部は、これらの指標のうち、直接メタノール形燃料電池システムを利用する電子機器を安定的に動作させるために重要なものを管理指標として、水供給装置を制御することになる。例えば、直接メタノール形燃料電池装置の発電により電子機器に搭載される二次電池への充電を行う場合には、その充電状況に応じて電流及び／又は電圧を指標とする発電管理を行うことになる。
【００１５】
上記発明（請求項２）においては、前記制御部は、前記水供給装置から燃料カートリッジへの水の供給を開始した後に、前記発電特性検出部により検出された発電特性値が第１の値を超えることなく第２の値を下回った場合に、警報信号を出力することが好ましい（請求項３）。
【００１６】
燃料カートリッジ内のメタノール残量が少なくなると、直接メタノール形燃料電池装置に供給されるメタノール水溶液の濃度が低下することで、直接メタノール形燃料電池装置の発電特性値が低下するため、燃料カートリッジを交換する必要があるが、上記発明（請求項３）によれば、燃料カートリッジへの水の供給開始後に直接メタノール形燃料電池装置の発電特性値が第１の値を超えることなく第２の値を下回ると警報信号が出力されるため、直接メタノール形燃料電池システムの使用者が、燃料カートリッジの交換時期を容易に判断することができる。ここで、第１の値とは、例えば、直接メタノール形燃料電池システムにおける最適な発電特性値の上限値を意味し、第２の値とは、例えば、直接メタノール形燃料電池システムにおける最適な発電特性値の下限値を意味する。なお、この場合、当該警報信号に基づいて、直接メタノール形燃料電池システムを利用する電子機器等のディスプレイ等にアラート表示をするようにしてもよいし、アラート音を発するようにしてもよい。
【００１７】
上記発明（請求項３）においては、前記制御部は、前記警報信号の出力後の所定時間経過後に、前記発電特性値が依然として前記第２の値を下回っている場合、前記水供給装置から前記燃料カートリッジへの水の供給を停止するように、前記水供給装置を制御することが好ましい（請求項４）。
【００１８】
燃料カートリッジ内のメタノール残量が少ない場合にそのまま直接メタノール形燃料電池システムの運転を続けると、低濃度メタノール（又は水）が燃料極に供給されてしまい、当該燃料電池システムの発電効率が低下するおそれがあるが、上記発明（請求項４）によれば、警報信号を出力した後の所定時間経過後に、発電特性値が依然として第２の値を下回っている場合には、燃料カートリッジ内にメタノールが残存していないと判断し、水の供給を停止し、直接メタノール形燃料電池システムの運転を停止させることができる。また、このように水の供給を停止することで、水の供給に必要な電力を無駄に消費することがなくなるという利点も有する。
【００１９】
上記発明（請求項２〜４）においては、前記発電特性が、前記直接メタノール形燃料電池装置から出力される電圧であることが好ましい（請求項５）。
【００２０】
上記発明（請求項１）においては、前記直接メタノール形燃料電池装置の燃料極内のメタノール濃度を検出する濃度検出部と、前記濃度検出部により検出されたメタノール濃度に基づいて、前記水供給装置を制御する制御部とをさらに備えることが好ましい（請求項６）。
【００２１】
燃料カートリッジに水を連続的に供給し続けると、直接メタノール形燃料電池装置に供給されるメタノール水溶液の濃度が経時的に変化し、直接メタノール形燃料電池装置から出力される電力が安定しないおそれがあるが、上記発明（請求項６）によれば、制御部が直接メタノール形燃料電池装置の燃料極内のメタノール濃度に基づいて、水供給装置から燃料カートリッジへの水の供給を制御することができるため、直接メタノール形燃料電池装置から常に安定的に電力を出力することができる。
【００２２】
上記発明（請求項６）においては、前記制御部は、前記水供給装置から燃料カートリッジへの水の供給を開始した後に、前記濃度検出部により検出されたメタノール濃度が第１の値を超えることなく第２の値を下回った場合に、警報信号を出力することが好ましい（請求項７）。
【００２３】
燃料カートリッジ内のメタノール残量が少なくなると、直接メタノール形燃料電池装置に供給されるメタノール水溶液の濃度が低下することで、直接メタノール形燃料電池装置の出力電力値が低下するため、燃料カートリッジを交換する必要があるが、上記発明（請求項７）によれば、燃料カートリッジへの水の供給開始後に燃料極内のメタノール濃度が第１の値を超えることなく第２の値を下回ると警報信号が出力されるため、直接メタノール形燃料電池システムの使用者が、燃料カートリッジの交換時期を容易に判断することができる。ここで、第１の値とは、例えば、燃料極内の最適なメタノール濃度の上限値を意味し、第２の値とは、例えば、燃料極内の最適なメタノール濃度の下限値を意味する。なお、この場合、当該警報信号に基づいて、直接メタノール形燃料電池システムを利用する電子機器等のディスプレイ等にアラート表示をするようにしてもよいし、アラート音を発するようにしてもよい。
【００２４】
上記発明（請求項７）においては、前記制御部は、前記警報信号の出力後の所定時間経過後に、前記メタノール濃度が依然として前記第２の値を下回っている場合、前記水供給装置から前記燃料カートリッジへの水の供給を停止するように、前記水供給装置を制御することが好ましい（請求項８）。
【００２５】
燃料カートリッジ内のメタノール残量が少ない場合にそのまま直接メタノール形燃料電池システムの運転を続けると、低濃度メタノール（又は水）が燃料極に供給されてしまい、当該燃料電池システムの発電効率が低下するおそれがあるが、上記発明（請求項８）によれば、警報信号を出力した後の所定時間経過後に、メタノール濃度が依然として第２の値を下回っている場合には、燃料カートリッジ内にメタノールが残存していないと判断し、水の供給を停止し、直接メタノール形燃料電池システムの運転を停止させることができる。
【００２６】
上記発明（請求項２〜８）においては、前記制御部は、水の供給を開始した時から所定時間内に前記水供給装置から前記燃料カートリッジに供給される水の流量が、前記所定時間経過後に供給される水の流量よりも大きくなるように、前記水供給装置を制御することが好ましい（請求項９）。
【００２７】
水供給装置から燃料カートリッジへの水の供給を停止すると、直接メタノール形燃料電池装置の燃料極内でメタノールの電気化学反応により発生した二酸化炭素が燃料極内に気泡として残存し、燃料電池装置の発電効率が低下するおそれがあるが、上記発明（請求項９）によれば、水供給装置から燃料カートリッジへの水の供給開始時から所定時間内に供給される水の流量を、供給開始時から所定時間後に供給される水の流量よりも大きくすること、すなわち、水の供給初期に勢いよく水を流すことで、燃料極内に残存する二酸化炭素の気泡を確実に除去することができる。
【００２８】
また、本発明は、固体状又はゲル状メタノールからメタノールを溶出させるための水を、固体状又はゲル状メタノールを収容する燃料カートリッジに間欠的に供給することを特徴とする直接メタノール形燃料電池システムにおける水供給方法を提供する（請求項１０）。
【００２９】
上記発明（請求項１０）においては、前記直接メタノール形燃料電池の発電特性値に基づいて、水の供給を制御することが好ましく（請求項１１）、かかる発明（請求項１１）においては、前記燃料カートリッジへの水の供給を開始した後に、前記直接メタノール形燃料電池の発電特性値が第１の値を超えることなく第２の値を下回った場合に、警報することが好ましい（請求項１２）。
【００３０】
上記発明（請求項１２）においては、前記警報をした後、所定時間経過後に、前記発電特性値が依然として前記第２の値を下回っている場合、前記燃料カートリッジへの水の供給を停止することが好ましい（請求項１３）。
【００３１】
また、上記発明（請求項１０）においては、前記直接メタノール形燃料電池装置の燃料極内のメタノール濃度に基づいて、水の供給を制御することが好ましく（請求項１４）、かかる発明（請求項１４）においては、前記燃料カートリッジへの水の供給を開始した後に、前記直接メタノール形燃料電池からのメタノール濃度が第１の値を超えることなく第２の値を下回った場合に、警報することが好ましい（請求項１５）。
【００３２】
上記発明（請求項１５）においては、前記警報をした後、所定時間経過後に、前記メタノール濃度が依然として前記第２の値を下回っている場合、前記燃料カートリッジへの水の供給を停止することが好ましい（請求項１６）。
【００３３】
上記発明（請求項１０〜１６）においては、水の供給を開始したときから所定時間内に前記燃料カートリッジに供給される水の流量が、前記所定時間経過後に供給される水の流量よりも大きくすることが好ましい（請求項１７）。
【発明の効果】
【００３４】
本発明によれば、直接メタノール形燃料電池システムにより発電された電力の多くを直接メタノール形燃料電池システムが接続される電子機器等の駆動電力として使用することができるとともに、直接メタノール形燃料電池システムに供給されるメタノール水溶液の濃度を、当該燃料電池システムによる発電に最適な濃度に維持することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る直接メタノール形燃料電池システムを示す概略構成図であり、図２及び図３は、本発明の一実施形態に係る直接メタノール形燃料電池システムの動作を示すフロー図であり、図４は、本発明の一実施形態に係る直接メタノール形燃料電池システムの運転例を示すグラフである。
【００３６】
図１に示すように、本実施形態に係る直接メタノール形燃料電池システム１は、燃料極２１、電解質膜２２及び空気極２３を有する燃料電池セル２と、燃料電池セル２の燃料極２１に接続された燃料カートリッジ３と、燃料カートリッジ３にポンプ４を介して供給する水を貯蔵するリザーバータンク５と、燃料電池セル２の燃料極２１内に設けられ、燃料極２１内のメタノール濃度を検出するセンサ６と、ポンプ４及びセンサ６に電気的に接続される制御部７とを備える。
【００３７】
燃料極２１と空気極２３との間には、ナフィオン（登録商標）等の水素イオン伝導性を有する固体高分子電解質膜２２を配した膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly，ＭＥＡ）が設けられている。燃料極２１には、燃料カートリッジ３からポンプ４を介してメタノール水溶液が供給され、空気極２３には、ファン８を介して空気が供給される。
【００３８】
リザーバータンク５は、燃料極２１の排出口に接続されており、燃料極２１から排出された水及び未反応のメタノールが導入され、貯蔵される。リザーバータンク５には、気液分離膜５１が接続されている。燃料極２１から排出された水及び未反応のメタノールには、燃料極２１内で生じた二酸化炭素が含まれているが、気液分離膜５１を設けることで、リザーバータンク５内の二酸化炭素を除去することができる。
【００３９】
制御部７は、センサ６から出力される信号に基づいてポンプ４の駆動を制御し、リザーバータンク５から燃料カートリッジ３への水の供給量及び／又は水の供給間隔を制御することができる。また、制御部７は、直接メタノール形燃料電池システム１が利用される電子機器９及び／又は二次電池１０に電気的に接続されており、燃料電池セル２に接続されている電子機器９又は二次電池１０からの信号に基づいて、ポンプ４の駆動を制御し、リザーバータンク５から燃料カートリッジ３への水の供給量及び／又は水の供給間隔を制御することもできる。例えば、制御部７は、電子機器９の稼働状況に基づいて、燃料電池セル２の発電特性を判断したり、二次電池１０への充電状況に基づいて、燃料電池セル２の発電特性を判断したりし、それによりポンプ４の駆動を制御し、リザーバータンク５から燃料カートリッジ３への水の供給量及び／又は水の供給間隔を制御する。
【００４０】
また、制御部７は、センサ６から出力される信号、又は燃料電池セル２に接続されている電子機器９若しくは二次電池１０からの信号に基づいて、警報信号を出力することができる。制御部７が電子機器９に警報信号を出力することで、電子機器９のディスプレイにアラート表示がなされたり、電子機器９からアラート音が発せられたりする。さらに、制御部７は、ファン８に電気的に接続されており、センサ６から出力される信号に基づいて、ポンプ４の駆動と連動するようにしてファン８の駆動を制御し、空気極２３への空気の供給を制御する。
【００４１】
燃料カートリッジ３には、分子化合物を形成することでメタノールを固体化又はゲル化した燃料電池用燃料組成物（固体状又はゲル状メタノール）が充填されている。
【００４２】
分子化合物とは、単独で安定に存在することのできる化合物の２種類以上の化合物が、水素結合やファンデルワールス力等に代表される共有結合以外の比較的弱い相互作用によって結合した化合物であり、水化物、溶媒化物、付加化合物、包接化合物等が含まれる。このような分子化合物は、分子化合物を形成する化合物とメタノールとから調製することができる。分子化合物を形成することで、メタノールを固体状態の物質中に安定して保持することができ、比較的軽量で安全にメタノールを貯蔵することができる。
【００４３】
分子化合物としては、ホスト化合物とメタノールとの接触反応によりメタノールを包接した包接化合物が挙げられる。分子化合物のうち、メタノールを包接した包接化合物を形成するホスト化合物としては、有機化合物、無機化合物及び有機・無機複合化合物よりなるものが知られており、また、有機化合物において単分子系、多分子系、高分子系ホスト等が知られている。
【００４４】
単分子系ホストとしては、シクロデキストリン類、クラウンエーテル類、クリプタンド類、シクロファン類、アザシクロファン類、カリックスアレン類、シクロトリベラトリレン類、スフェランド類、環状オリゴペプチド類等が挙げられる。
【００４５】
多分子系ホストとしては、尿素類、チオ尿素類、デオキシコール酸類、コール酸類、ペルヒドロトリフェニレン類、トリ−ｏ−チモチド類、ビアンスリル類、スピロビフルオレン類、シクロフォスファゼン類、モノアルコール類、ジオール類、ヒドロキシベンゾフェノン類、アセチレンアルコール類、フェノール類、ビスフェノール類、トリスフェノール類、テトラキスフェノール類、ポリフェノール類、ナフトール類、ビスナフトール類、ジフェニルメタノール類、カルボン酸アミド類、チオアミド類、ビキサンテン類、カルボン酸類、イミダゾール類、ヒドロキノン類等が挙げられる。
【００４６】
高分子系ホストとしては、セルロース類、デンプン類、キチン類、キトサン類、ポリビニルアルコール類、１，１，２，２，−テトラキスフェニルエタンをコアとするポリエチレングリコールアーム型ポリマー類、α，α，α’，α’−テトラキスフェニルキシレンをコアとするポリエチレングリコールアーム型ポリマー類等が挙げられる。その他に有機りん化合物、有機ケイ素化合物等も挙げられる。
【００４７】
無機系ホスト化合物としては、酸化チタン、グラファイト、アルミナ、遷移金属ジカルゴゲナイト、フッ化ランタン、粘土鉱物（モンモリロナイト等）、銀塩、ケイ酸塩、リン酸塩、ゼオライト、シリカ、多孔質ガラス等が挙げられる。
【００４８】
さらに、有機金属化合物にもホスト化合物としての性質を示すものがあり、例えば、有機アルミニウム化合物、有機チタン化合物、有機ホウ素化合物、有機亜鉛化合物、有機インジウム化合物、有機ガリウム化合物、有機テルル化合物、有機スズ化合物、有機ジルコニウム化合物、有機マグネシウム化合物等が挙げられる。また、有機カルボン酸の金属塩や有機金属錯体等をホスト化合物として用いることもできるが、有機金属化合物であれば、特にこれらに限定されるものではない。
【００４９】
これらのホスト化合物のうち、包接能力がゲスト化合物の分子の大きさに左右されにくい多分子系ホストがより有効である。
【００５０】
多分子系ホスト化合物としては、具体的には、尿素、１，１，６，６−テトラフェニルヘキサ−２，４−ジイン−１，６−ジオール、１，１−ビス（２，４−ジメチルフェニル）−２−プロピン−１−オール、１，１，４，４−テトラフェニル−２−ブチン−１，４−ジオール、１，１，６，６−テトラキス（２，４−ジメチルフェニル）−２，４−ヘキサジイン−１，６−ジオール、９，１０−ジフェニル−９，１０−ジヒドロアントラセン−９，１０−ジオール、９，１０−ビス（４−メチルフェニル）−９，１０−ジヒドロアントラセン−９，１０−ジオール、１，１，２，２−テトラフェニルエタン−１，２−ジオール、４−メトキシフェノール、２，４−ジヒドロキシベンゾフェノン、４，４’−ジヒドロキシベンゾフェノン、２，２’，４，４’−テトラヒドロキシベンゾフェノン、１，１−ビス（４−ヒドロキシフェニル）シクロヘキサン、４，４’−スルホニルビスフェノール、２，２’−メチレンビス（４−メチル−６−ｔ−ブチルフェノール）、４，４’−エチリデンビスフェノール、４，４’−チオビス（３−メチル−６−ｔ−ブチルフェノール）、１，１，３−トリス（２−メチル−４−ヒドロキシ−５−ｔ−ブチルフェニル）ブタン、１，１，２，２−テトラキス（４−ヒドロキシフェニル）エタン、１，１，２，２−テトラキス（４−ヒドロキシフェニル）エチレン、１，１，２，２−テトラキス（３−メチル−４−ヒドロキシフェニル）エタン、１，１，２，２−テトラキス（３−フルオロ−４−ヒドロキシフェニル）エタン、α，α，α’，α’−テトラキス（４−ヒドロキシフェニル）−ｐ−キシレン、３，６，３’，６’−テトラメトキシ−９，９’−ビ−９Ｈ−キサンテン、３，６，３’６’−テトラアセトキシ−９，９’−ビ−９Ｈ−キサンテン、没食子酸、没食子酸メチル、カテキン、ビス−β−ナフトール、α，α，α’，α’−テトラフェニル−１，１’−ビフェニル−２，２’−ジメタノール、ジフェン酸ビス（ジシクロヘキシルアミド）、フマル酸ビス（ジシクロヘキシルアミド）、コール酸、デオキシコール酸、１，１，２，２−テトラキス（４−カルボキシフェニル）エタン、１，１，２，２−テトラキス（３−カルボキシフェニル）エタン、アセチレンジカルボン酸、２，４，５−トリフェニルイミダゾール、１，２，４，５−テトラフェニルイミダゾール、２−フェニルフェナントロ［９，１０−ｄ］イミダゾール、２−（ｏ−シアノフェニル）フェナントロ［９，１０−ｄ］イミダゾール、２−（ｍ−シアノフェニル）フェナントロ［９，１０−ｄ］イミダゾール、２−（ｐ−シアノフェニル）フェナントロ［９，１０−ｄ］イミダゾール、ヒドロキノン、２−ｔ−ブチルヒドロキノン、２，５−ジ−ｔ−ブチルヒドロキノン、２，５−ビス（２，４−ジメチルフェニル）ヒドロキノン、等が挙げられるが、１，１−ビス（４−ヒドロキシフェニル）シクロヘキサンのようなフェノール系ホスト化合物が工業的に使用しやすい点で有利である。
【００５１】
これらのホスト化合物は、１種を単独で用いてもよいし、２種以上を併用してもよい。これらのホスト化合物は、メタノールと固体状の包接化合物を形成するものであれば、どのような形状の化合物でもかまわない。
【００５２】
また、上述の有機ホスト化合物は、無機系多孔質物質に担持させた有機・無機複合素材として使用することもできる。この場合、有機ホスト化合物を担持する多孔質物質としては、シリカ類、ゼオライト類、活性炭類の他に、粘土鉱物類、モンモリロナイト類等の層間化合物等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
【００５３】
このような有機・無機複合素材の製造方法としては、上述の有機ホスト化合物を溶解することのできる溶媒に溶解させ、その溶液を無機多孔質物質中に含浸させ、溶媒を乾燥、減圧乾燥等することにより製造することができる。無機多孔質物質に対する有機ホスト化合物の担持量としては特に制限はないが、通常の場合、無機多孔質物質に対して０．１〜８０質量％程度である。
【００５４】
上記１，１−ビス（４−ヒドロキシフェニル）シクロヘキサン等のホスト化合物を用いて燃料電池用燃料の包接化合物を合成する方法としては、メタノールとホスト化合物とを直接接触、混合することで容易に合成することができ、またホスト化合物をメタノールに加熱等行い溶解させ再結晶する方法でも得ることができる。また、メタノールを加圧状態でホスト化合物と接触することでも得ることができる。
【００５５】
メタノールとホスト化合物とを接触させる温度は、特に制限はないが、常温〜１００℃程度が好ましい。また、メタノールとホスト化合物とを接触させる時間についても特に制限はないが、作業効率等の面から０．０１〜２４時間程度とするのが好ましい。
【００５６】
なお、ホスト化合物と接触させるメタノールは、高純度の燃料が好ましいが、メタノールの選択的包接能を有したホスト化合物を用いる場合には、メタノールと他の成分との混合液体であってもよい。
【００５７】
このようにして得られる包接化合物は、使用したホスト化合物の種類、メタノールとの接触条件等によっても異なるが、通常ホスト化合物１モルに対してメタノール分子０．１〜１０モルを包接した包接化合物である。
【００５８】
このようにして得られた包接化合物は、常温・常圧環境において、長期に亘りメタノールを安定に貯蔵することができる。しかも、この包接化合物は、軽量で取扱性にも優れ、しかも固体状であるため、ガラス、金属、プラスチック等の容器に入れて容易に貯蔵することができ、液漏れの問題も解消される。また、通常液体状のメタノールが包接化により固体状になることで劇物や危険物としての性質を回避できるようにもなる。さらには、メタノールが有する化学的反応性を低減できるようになり、例えば、金属に対する腐食性等も緩和できるようになる。
【００５９】
このような直接メタノール形燃料電池システム１において、ポンプ４が起動されると（ステップＳ１）、リザーバータンク５内の水が燃料カートリッジ３に供給される（ステップＳ２）。これにより、燃料カートリッジ３内に供給された水と固体状又はゲル状メタノールとが接触し、メタノール水溶液が生成される。
【００６０】
固体状又はゲル状メタノールと水とが接触してから固体状又はゲル状メタノールがメタノールを放出するまでには所定の時間がかかるため、燃料カートリッジ３内が水で満杯になったら、一旦ポンプ４の駆動を停止して水の供給を停止し（ステップＳ３）、所定時間経過後、ポンプ４を再起動させる（ステップＳ４）。これにより、燃料カートリッジ３内にて生成されたメタノール水溶液が燃料電池セル２の燃料極２１に供給される（ステップＳ５）。
【００６１】
燃料極２１にメタノール水溶液が供給されると、燃料極２１内においてメタノールが、燃料極２１の触媒成分により水素イオン（Ｈ＋）と、二酸化炭素（ＣＯ２）と、電子（ｅ−）とに転換される。電子（ｅ−）は、電気的接続により外部回路（図示せず）から、水素イオン（Ｈ＋）は電解質膜２２を通過することで、それぞれ空気極２３に導入される。空気極２３には、空気又は酸素（Ｏ２）が供給され、この酸素（Ｏ２）が燃料極２１で発生した水素イオン（Ｈ＋）及び電子（ｅ−）と反応して水が生じる。このような反応において、燃料極２１から空気極２３に向かって電子が流れ電力が取り出され、電子機器９又は二次電池１０に電力が供給される。
【００６２】
制御部７は、電子機器９の稼働状況に関する信号を受信し、又は二次電池１０における充電状況に関する信号を受信し、それらの稼働状況又は充電状況に基づいて、発電特性値（例えば、電圧、電流、電力等）が所定値（発電特性値上限値）を超えているか否かを判断する（ステップＳ６）。
【００６３】
発電特性値が所定値（発電特性値上限値）を超えていると判断した場合（ステップＳ６，Ｙｅｓ）、制御部７は、ポンプ４の駆動を停止する（ステップＳ７，図４参照）。これにより、燃料電池セル２の燃料極２１へのメタノール水溶液の供給を停止することができる。
【００６４】
ポンプ４の駆動が停止され、燃料極２１へのメタノール水溶液の供給が停止されると、燃料極２１内のメタノール濃度は徐々に低下していき、それに伴い発電特性値も低下していく。そして、発電特性値が所定値（発電特性値下限値）未満であると判断した場合（ステップＳ８，Ｎｏ）、制御部７は、ポンプ４を再起動させる（ステップＳ９）。これにより、再度メタノール水溶液が燃料極２１に供給されて、燃料極２１内のメタノール濃度が上昇していき、それに伴い発電特性値も上昇していく（図４参照）。制御部７は、ポンプ４を再起動してから所定時間経過後、リザーバータンク５から燃料カートリッジ３への水の供給流量が、それまでの水の供給流量よりも少なくなるようにポンプ４を制御する。これにより、燃料極２１内に残存する二酸化炭素の気泡を除去することができる。
【００６５】
制御部７がポンプ４を再起動させた後、発電特性値が所定値（発電特性値上限値）を超えることなく（ステップＳ１０，Ｎｏ）所定値（発電特性値下限値未満）になったと判断した場合（ステップＳ１１，Ｙｅｓ）、制御部７は、燃料カートリッジ３内にメタノールが残存していないと判断し、警報信号を出力し、アラートを発生させる（ステップＳ１２，図４参照）。これにより、燃料カートリッジ３の交換時期を直接メタノール形燃料電池システム１の使用者に報知することができる。
【００６６】
制御部７は、警報信号を出力してから所定時間経過後にポンプ４の駆動を停止し、直接メタノール形燃料電池システム１の運転を停止する（ステップＳ１３，図４参照）。
【００６７】
また、このような直接メタノール形燃料電池システム１においては、燃料極２１内のメタノール濃度に基づいて、燃料カートリッジ３への水の供給を制御することもできる。
【００６８】
図３に示すように、ポンプ４が起動されると（ステップＳ２１）、リザーバータンク５内の水が燃料カートリッジ３に供給される（ステップＳ２２）。
【００６９】
燃料カートリッジ３内が水で満杯になったら、制御部７は、一旦ポンプ４の駆動を停止して水の供給を停止し（ステップＳ２３）、所定時間経過後、ポンプ４を再起動させる（ステップＳ２４）。これにより、燃料カートリッジ３内にて生成されたメタノール水溶液が燃料電池セル２の燃料極２１に供給される（ステップＳ２５）。
【００７０】
センサ６は、燃料極２１内のメタノール濃度を検出し、メタノール濃度に関する信号を制御部７に送出する。制御部７は、センサ６から送出されたメタノール濃度に関する信号に基づいて、燃料極２１内のメタノール濃度が所定値（メタノール濃度上限値）を超えているか否かを判断する（ステップＳ２６）。
【００７１】
センサ６により検出されたメタノール濃度がメタノール濃度上限値を超えている場合（ステップＳ２６，Ｙｅｓ）、制御部７は、ポンプ４の駆動を停止する（ステップＳ２７，図４参照）。これにより、燃料電池セル２の燃料極２１へのメタノール水溶液の供給を停止することができる。
【００７２】
ポンプ４の駆動が停止され、燃料極２１へのメタノール水溶液の供給が停止されると、燃料極２１内のメタノール濃度は徐々に低下していく。そして、燃料極２１内のメタノール濃度が所定値（メタノール濃度下限値）未満である場合（ステップＳ２８，Ｎｏ）、制御部７は、ポンプ４を再起動させる（ステップＳ２９）。これにより、再度メタノール水溶液が燃料極２１に供給されて、燃料極２１内のメタノール濃度が上昇していく（図４参照）。制御部７は、ポンプ４を再起動してから所定時間経過後、リザーバータンク５から燃料カートリッジ３への水の供給流量が、それまでの水の供給流量よりも少なくなるようにポンプ４を制御する。これにより、燃料極２１内に残存する二酸化炭素の気泡を除去することができる。
【００７３】
制御部７がポンプ４を再起動させた後、燃料極２１内のメタノール濃度がメタノール濃度上限値を超えることなく（ステップＳ３０，Ｎｏ）メタノール濃度下限値未満となった場合（ステップＳ３１，Ｙｅｓ）、制御部７は、燃料カートリッジ３内にメタノールが残存していないと判断し、警報信号を出力し、アラートを発生させる（ステップＳ３２，図４参照）。これにより、燃料カートリッジ３の交換時期を直接メタノール形燃料電池システム１の使用者に報知することができる。
【００７４】
制御部７は、警報信号を出力してから所定時間経過後にポンプ４の駆動を停止し、直接メタノール形燃料電池システム１の運転を停止する（ステップＳ３３，図４参照）。
【００７５】
以上説明したように、本実施形態に係る直接メタノール形燃料電池システム１は、直接メタノール形燃料電池システムにより発電された電力の多くを直接メタノール形燃料電池システムが接続される電子機器等の駆動電力として使用することができるとともに、燃料カートリッジに水が間欠的に供給されることで、直接メタノール形燃料電池システムにおける発電に最適なメタノール濃度を維持することができる。
【００７６】
以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】本発明の一実施形態に係る直接メタノール形燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る直接メタノール形燃料電池システムの動作を示すフロー図（その１）である。
【図３】本発明の一実施形態に係る直接メタノール形燃料電池システムの動作を示すフロー図（その２）である。
【図４】本発明の一実施形態に係る直接メタノール形燃料電池システムの運転例を示すグラフである。
【符号の説明】
【００７８】
１…直接メタノール形燃料電池システム
２…燃料電池セル
２１…燃料極
３…燃料カートリッジ
４…ポンプ
５…リザーバータンク
６…センサ
７…制御部
【図１】
2008034152.tif 000003
【図２】
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【図３】
2008034152.tif 000005
【図４】
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