(57)【要約】【課題】燃料電池に供給されるメタノールの濃度を、当該燃料電池の発電性能を最大限発揮し得る適正な濃度に容易に調整することのできる直接メタノール形燃料電池、及び当該直接メタノール形燃料電池におけるメタノール濃度調整方法を提供する。【解決手段】直接メタノール形燃料電池１は、燃料電池本体２と、メタノール水溶液の濃度を調整する濃度調整部３とを備え、メタノール水溶液を濃度調整部３に接触させることにより、メタノール水溶液の濃度を調整することができる。【選択図】図１
2008034138.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池本体と、
メタノール水溶液の濃度を調整する濃度調整部と
を備え、
メタノール水溶液を前記濃度調整部に接触させることにより、当該メタノール水溶液の濃度の調整が可能である
ことを特徴とする直接メタノール形燃料電池。
【請求項２】
前記濃度調整部が、メタノール分子を選択的に取り込むことのできる分子化合物を充填した濃度調整用物質収容部であり、
メタノール水溶液を前記濃度調整用物質収容部に供給し、メタノール水溶液を前記分子化合物に接触させ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。
【請求項３】
前記濃度調整用物質収容部に充填された分子化合物が、メタノール分子を取り込んでいる分子化合物若しくはメタノール分子を取り込んでいない分子化合物、又はメタノール分子を取り込んでいる分子化合物とメタノール分子を取り込んでいない分子化合物との混合物であ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。
【請求項４】
前記分子化合物が、メタノール分子をゲスト分子として包接し得る包接化合物であることを特徴とする請求項２又は３に記載の直接メタノール形燃料電池。
【請求項５】
前記濃度調整部が、メタノールの透過率と水の透過率とが異なる１又は２以上の透過膜であ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。
【請求項６】
前記透過膜のうちの少なくとも一つの透過膜が、固体高分子電解質膜であることを特徴とする請求項５に記載の直接メタノール形燃料電池。
【請求項７】
前記濃度調整部が、メタノール吸着能を有する吸着物質を充填した吸着物質収容部であり、
メタノール水溶液を前記吸着物質収容部に供給し、メタノール水溶液を吸着物質に接触させ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。
【請求項８】
前記吸着物質が、ゼオライト、シリカ類、モレキュラーシーブ、活性炭類、粘土鉱物類及び多孔質ガラス類から選ばれる１種又は２種以上であ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。
【請求項９】
燃料電池本体と、
メタノール分子を選択的に取り込むことのできる分子化合物を充填した濃度調整用物質収容部、メタノールの透過率と水の透過率とが異なる１又は２以上の透過膜、及びメタノール吸着能を有する吸着物質を充填した吸着物質収容部のうちの少なくとも２種類からなる濃度調整部と
を備え、
メタノール水溶液を前記濃度調整部に接触させることにより、メタノール水溶液の濃度の調整が可能である
ことを特徴とする直接メタノール形燃料電池。
【請求項１０】
前記濃度調整部が、交換可能に備えられていることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の直接メタノール形燃料電池。
【請求項１１】
直接メタノール形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を調整する方法であって、
メタノール水溶液を濃度調整部に接触させることにより、メタノール水溶液のメタノール濃度を調整することを特徴とするメタノール濃度調整方法。
【請求項１２】
メタノール水溶液を、メタノール分子を選択的に取り込むことのできる分子化合物に接触させることを特徴とする請求項１１に記載のメタノール濃度調整方法。
【請求項１３】
前記分子化合物が、メタノール分子を取り込んでいる分子化合物若しくはメタノール分子を取り込んでいない分子化合物、又はメタノール分子を取り込んでいる分子化合物とメタノール分子を取り込んでいない分子化合物との混合物であることを特徴とする請求項１２に記載のメタノール濃度調整方法。
【請求項１４】
前記分子化合物が、メタノール分子をゲスト分子として包接し得る包接化合物であることを特徴とする請求項１２又は１３に記載のメタノール濃度調整方法。
【請求項１５】
メタノール水溶液を、メタノールの透過率と水の透過率とが異なる１又は２以上の透過膜に接触させることを特徴とする請求項１１に記載のメタノール濃度調整方法。
【請求項１６】
前記透過膜のうちの少なくとも一つの透過膜が、固体高分子電解質膜であることを特徴とする請求項１５に記載のメタノール濃度調整方法。
【請求項１７】
メタノール水溶液を、メタノール吸着能を有する吸着物質に接触させることを特徴とする請求項１１に記載のメタノール濃度調整方法。
【請求項１８】
前記吸着物質が、ゼオライト、シリカ類、モレキュラーシーブ、活性炭類、粘土鉱物類及び多孔質ガラス類から選ばれる１種又は２種以上であることを特徴とする請求項１７に記載のメタノール濃度調整方法。
【請求項１９】
メタノール分子を選択的に取り込むことのできる分子化合物、メタノールの透過率と水の透過率とが異なる１又は２以上の透過膜、及びメタノール吸着能を有する吸着物質のうちの少なくとも２種類にメタノール水溶液を接触させることにより、メタノール水溶液の濃度を調整することを特徴とする直接メタノール形燃料電池におけるメタノール濃度調整方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料としてのメタノールを直接供給することで発電可能な直接メタノール形燃料電池に関する。
【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とを生成する。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。
【０００５】
直接メタノール形燃料電池では、燃料電池セルに供給するメタノール水溶液の濃度が、直接メタノール形燃料電池からの出力に影響することが知られている。例えば、メタノール濃度が高すぎると、燃料極から空気極にメタノールが透過する「クロスオーバー現象」が生じ、空気極にてメタノールの酸化反応が生じ、直接メタノール形燃料電池の出力電力が低下してしまうおそれがある。また、メタノール濃度が低すぎると、燃料極で発生するプロトン量が少なくなり、直接メタノール形燃料電池の出力電力が低下してしまうおそれがある。このように、直接メタノール形燃料電池においては、燃料電池の発電性能を低下させることのない適正濃度のメタノール水溶液を安定的に燃料極に供給することが必要となる。
【０００６】
一般に、携帯機器用燃料電池においては、燃料電池の小型化が要求されるため、燃料電池の体積を削減することを目的として、燃料電池における適正濃度よりも高濃度のメタノール水溶液を燃料として使用することが望まれている。そのため、燃料のメタノール濃度を調整する方法として、高濃度メタノール燃料と水とを混合する方法が提案されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記方法では、高濃度メタノール燃料と水とを混合する濃度調整槽と、濃度調整槽内のメタノール濃度を測定する濃度センサと、高濃度メタノール燃料と水との流量をそれぞれ調整できるポンプ２台と、これらのポンプの駆動を制御する制御装置とが必要であり、燃料電池装置のコストが高くなるとともに、燃料電池装置の大きさが大きくなってしまうという問題があった。また、メタノール水溶液の濃度を、燃料電池の発電性能を最大限発揮し得る適正な濃度に調整するために、制御装置による制御をシビアに行う必要があるという問題があった。
【０００８】
本発明は、このような実状に鑑みてなされたものであり、燃料電池に供給されるメタノールの濃度を、当該燃料電池の発電性能を最大限発揮し得る適正な濃度に容易に調整することのできる直接メタノール形燃料電池、及び当該直接メタノール形燃料電池におけるメタノール濃度調整方法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】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明は、燃料電池本体と、メタノール水溶液の濃度を調整する濃度調整部とを備え、メタノール水溶液を前記濃度調整部に導入することにより、当該メタノール水溶液の濃度の調整が可能であることを特徴とする直接メタノール形燃料電池を提供する（請求項１）。
【００１０】
上記発明（請求項１）によれば、メタノール水溶液を濃度調整部に導入し、接触させるだけで、メタノール水溶液のメタノール濃度を、燃料電池から適正な出力電力を得ることのできる濃度に容易に調整することができるとともに、メタノール濃度を調整するための制御装置等を備える必要がないため、直接メタノール形燃料電池の構成を簡単にすることができる。
【００１１】
上記発明（請求項１）においては、前記濃度調整部が、メタノール分子を選択的に取り込むことのできる分子化合物を充填した濃度調整用物質収容部であり、メタノール水溶液を前記濃度調整用物質収容部に導入し、メタノール水溶液を前記分子化合物に接触させることが好ましい（請求項２）。
【００１２】
上記発明（請求項２）によれば、メタノール水溶液と分子化合物とが接触すると、メタノール水溶液中のメタノール分子が分子化合物に選択的に取り込まれるため、容易にメタノール水溶液のメタノール濃度を調整することができる。
【００１３】
上記発明（請求項２）においては、前記濃度調整用物質収容部に充填された分子化合物が、メタノール分子を取り込んでいる分子化合物であってもよいし、メタノール分子を取り込んでいない分子化合物であってもよいし、メタノール分子を取り込んでいる分子化合物とメタノール分子を取り込んでいない分子化合物との混合物であってもよい（請求項３）。
【００１４】
燃料タンクに貯蔵されている燃料電池用メタノール燃料の濃度が適正濃度よりも高濃度である場合には、メタノール分子を取り込んでいない分子化合物を使用することで、分子化合物が過剰なメタノール分子を取り込み、メタノール水溶液の濃度を燃料電池から適正な出力を得ることのできる濃度に調整することができる。一方、燃料タンクに貯蔵されている燃料電池用メタノール燃料の濃度が適正濃度よりも低濃度である場合には、メタノール分子を取り込んでいる分子化合物を使用することで、不足するメタノールを分子化合物から供給し、メタノール水溶液の濃度を燃料電池から適正な出力を得ることのできる濃度に調整することができる。したがって、上記発明（請求項３）によれば、適正濃度のメタノール水溶液を安定的に燃料電池（燃料極）に供給することができる。なお、メタノールを取り込んでいる分子化合物とメタノール分子を取り込んでいない分子化合物との混合割合は、燃料タンク内のメタノール濃度に応じて適宜調整すればよい。
【００１５】
上記発明（請求項２，３）においては、前記分子化合物が、メタノール分子をゲスト分子として包接し得る包接化合物であることが好ましい（請求項４）。メタノール分子をゲスト分子として包接し得る包接化合物は、包接化合物とその周囲のメタノール水溶液との間の化学平衡によってメタノール分子を取り込み、また放出するため、かかる発明（請求項４）によれば、包接化合物にメタノール水溶液を接触させることで、メタノール水溶液の濃度を燃料電池から適正な出力電力を得ることのできる濃度により容易に調整することができる。
【００１６】
また、上記発明（請求項１）においては、前記濃度調整部を、メタノールの透過率と水の透過率とが異なる１又は２以上の透過膜とすることができる（請求項５）。
【００１７】
上記発明（請求項５）によれば、濃度調整部が、メタノールの透過率と水の透過率とが異なる透過膜であるため、透過膜に接触した高濃度メタノール水溶液のメタノール濃度を、燃料電池から適正な出力電力を得ることのできる濃度に調整することができる。また、透過膜におけるメタノールと水との透過率の差が小さい場合でも、複数の透過膜を重ねることで、又は複数の透過膜を直列に配置することで、メタノールと水との透過率の差を大きくすることができ、高濃度メタノール水溶液のメタノール濃度を、燃料電池から適正な出力電力を得ることのできる濃度に調整することができる。
【００１８】
上記発明（請求項５）においては、前記透過膜のうちの少なくとも一つの透過膜が固体高分子電解質膜であることが好ましい（請求項６）。固体高分子電解質膜は、一般に、直接メタノール形燃料電池の燃料極と空気極との間に設けられる電解質膜として使用されており、メタノール及び水の透過率が詳細に知られているため、かかる発明（請求項６）によれば、メタノール水溶液の濃度を燃料電池から適正な出力電力を得ることのできる濃度により容易に調整することができる。
【００１９】
さらに、上記発明（請求項１）においては、前記濃度調整部を、メタノール吸着能を有する吸着物質を充填した吸着物質収容部とし、メタノール水溶液を前記吸着物質収容部に導入し、メタノール水溶液を吸着物質に接触させるようにすることができる（請求項７）。
【００２０】
上記発明（請求項７）によれば、メタノール吸着能を有する吸着物質と高濃度メタノール水溶液とが接触し、当該吸着物質にメタノールが吸着されることで、メタノール水溶液の濃度を燃料電池から適正な出力電力を得ることのできる濃度に調整することができる。
【００２１】
上記発明（請求項７）においては、前記吸着物質が、ゼオライト、シリカ類、モレキュラーシーブ、活性炭類、粘土鉱物類及び多孔質ガラス類から選ばれる１種又は２種以上であることが好ましい（請求項８）。
【００２２】
上記発明（請求項８）によれば、ゼオライト、シリカ類、モレキュラーシーブ、活性炭類、粘土鉱物類、多孔質ガラス類等はメタノール吸着能が高いため、より容易にメタノール水溶液のメタノール濃度を燃料電池から適正な出力電力を得ることのできる濃度に調整することができる。
【００２３】
また、本発明は、燃料電池本体と、メタノール分子を選択的に取り込むことのできる分子化合物を充填した濃度調整用物質収容部、メタノールの透過率と水の透過率とが異なる１又は２以上の透過膜、及びメタノール吸着能を有する吸着物質を充填した吸着物質収容部のうちの少なくとも２種類からなる濃度調整部とを備え、前記濃度調整部にメタノール水溶液を導入することにより、メタノール水溶液の濃度の調整が可能であることを特徴とする直接メタノール形燃料電池を提供する（請求項９）。
【００２４】
上記発明（請求項９）によれば、濃度調整部として濃度調整用物質収容部、透過膜及び吸着物質収容部のうちの少なくとも２種類を組み合わせることで、メタノール水溶液のメタノール濃度を燃料電池から適正な出力電力を得ることのできる濃度により容易に調整することができる。特に、濃度調整用物質収容部と、透過膜及び／又は吸着物質収容部とを組み合わせることにより、分子化合物がメタノール分子を取り込みきれなかったときであっても、透過膜及び／又は吸着物質がメタノールを捕捉し、メタノール水溶液の濃度を燃料電池から適正な出力電力を得ることのできる濃度に調整することができるため好ましい。
【００２５】
上記発明（請求項１〜９）においては、前記濃度調整部が、交換可能に設けられていることが好ましい（請求項１０）。かかる発明（請求項１０）によれば、濃度調整部のメタノール濃度を調整する機能が低下した場合であっても、当該濃度調整部を交換するだけで、直接メタノール形燃料電池に安定的な濃度のメタノール水溶液を供給することができる。
【００２６】
また、本発明は、直接メタノール形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を調整する方法であって、メタノール水溶液を濃度調整部に接触させることにより、メタノール水溶液のメタノール濃度を調整することを特徴とするメタノール濃度調整方法を提供する（請求項１１）。
【００２７】
上記発明（請求項１１）によれば、メタノール水溶液を濃度調整部に接触させることだけで、メタノール水溶液の濃度を燃料電池から適正な出力電力を得ることのできる濃度に容易に調整することができる。
【００２８】
上記発明（請求項１１）においては、メタノール水溶液を、メタノール分子を選択的に取り込むことのできる分子化合物に接触させることが好ましい（請求項１２）。
【００２９】
上記発明（請求項１２）によれば、メタノール分子を選択的に取り込むことのできる分子化合物にメタノール水溶液を接触させることで、当該分子化合物にメタノール水溶液中のメタノール分子が選択的に取り込まれ、メタノール水溶液の濃度を直接メタノール形燃料電池から適正な出力電力を得ることのできる濃度に容易に調整することができる。
【００３０】
上記発明（請求項１２）においては、前記分子化合物が、メタノール分子を取り込んでいる分子化合物であってもよいし、メタノール分子を取り込んでいない分子化合物であってもよいし、メタノール分子を取り込んでいる分子化合物とメタノール分子を取り込んでいない分子化合物との混合物であってもよい（請求項１３）。
【００３１】
上記発明（請求項１３）によれば、メタノール分子を取り込んでいる分子化合物とメタノール分子を取り込んでいない分子化合物との混合物にメタノール水溶液を接触させることで、メタノール水溶液の濃度が、燃料電池から適正な出力電力を得ることのできる濃度よりも高い場合には、分子化合物の混合物のうちメタノール分子を取り込んでいない分子化合物にメタノール分子が取り込まれ、メタノール水溶液の濃度を燃料電池から適正な出力電力を得ることのできる濃度に調整することができる一方、メタノール水溶液の濃度が、燃料電池から適正な出力電力を得ることのできる濃度よりも低い場合、メタノール分子を取り込んでいる分子化合物からメタノールが放出され、メタノール水溶液の濃度を燃料電池から適正な出力電力を得ることのできる濃度に調整することができる。
【００３２】
上記発明（請求項１２，１３）においては、前記分子化合物が、メタノール分子をゲスト分子として包接し得る包接化合物であることが好ましい（請求項１４）。メタノール分子をゲスト分子として包接し得る包接化合物は、包接化合物とその周囲のメタノール水溶液との間の化学平衡によってメタノール分子を取り込み、また放出するため、かかる発明（請求項１４）によれば、包接化合物にメタノール水溶液を接触させることで、メタノール水溶液の濃度を燃料電池から適正な出力電力を得ることのできる濃度により容易に調整することができる。
【００３３】
上記発明（請求項１１）においては、メタノール水溶液を、メタノールの透過率と水の透過率とが異なる１又は２以上の透過膜に接触させるようにすることができる（請求項１５）。
【００３４】
上記発明（請求項１５）によれば、メタノール水溶液を透過膜に接触させるだけで、メタノール水溶液の濃度を、燃料電池から適正な出力電力を得ることのできる濃度に調整することができる。また、透過膜におけるメタノールと水との透過率の差が小さい場合でも、複数の透過膜を重ねることで、又は複数の透過膜を直列に配置することで、メタノールと水との透過率の差を大きくすることができ、高濃度メタノール水溶液のメタノール濃度を、燃料電池から適正な出力電力を得ることのできる濃度に調整することができる。
【００３５】
上記発明（請求項１５）においては、前記透過膜のうちの少なくとも一つの透過膜が、固体高分子電解質膜であることが好ましい（請求項１６）。固体高分子電解質膜は、一般に、直接メタノール形燃料電池の燃料極と空気極との間に設けられる電解質膜として使用されており、メタノール及び水の透過率が詳細に知られているため、かかる発明（請求項１６）によれば、メタノール水溶液の濃度を燃料電池から適正な出力電力を得ることのできる濃度により容易に調整することができる。
【００３６】
上記発明（請求項１１）においては、メタノール水溶液を、メタノール吸着能を有する吸着物質に接触させるようにすることができる（請求項１７）。かかる発明（請求項１７）によれば、メタノール吸着能を有する吸着物質と高濃度メタノール水溶液とを接触させることで、当該吸着物質にメタノールが吸着され、メタノール水溶液の濃度を燃料電池から適正な出力電力を得ることのできる濃度に調整することができる。
【００３７】
上記発明（請求項１７）においては、前記吸着物質が、ゼオライト、シリカ類、モレキュラーシーブ、活性炭類、粘土鉱物類及び多孔質ガラス類から選ばれる１種又は２種以上であることが好ましい（請求項１８）。
【００３８】
上記発明（請求項１８）によれば、ゼオライト、シリカ類、モレキュラーシーブ、活性炭類、粘土鉱物類、多孔質ガラス類等はメタノール吸着能が高いため、より容易にメタノール水溶液のメタノール濃度を燃料電池から適正な出力電力を得ることのできる濃度に調整することができる。
【００３９】
本発明は、メタノール分子を選択的に取り込むことのできる分子化合物、メタノールの透過率と水の透過率とが異なる１又は２以上の透過膜、及びメタノール吸着能を有する吸着物質のうちの少なくとも２種類にメタノール水溶液を接触させることにより、メタノール水溶液の濃度を調整することを特徴とする直接メタノール形燃料電池におけるメタノール濃度調整方法を提供する（請求項１９）。
【００４０】
上記発明（請求項１９）によれば、分子化合物、透過膜及び吸着物質のうちの少なくとも２種類にメタノール水溶液を接触させることで、メタノール水溶液のメタノール濃度を燃料電池から適正な出力電力を得ることのできる濃度により容易に調整することができる。特に、分子化合物と、透過膜及び／又は吸着物質とにメタノール水溶液を接触させることにより、分子化合物がメタノール分子を取り込みきれなかったときであっても、透過膜及び／又は吸着物質がメタノールを捕捉し、メタノール水溶液の濃度を燃料電池から適正な出力電力を得ることのできる濃度に調整することができるため好ましい。
【発明の効果】
【００４１】
本発明によれば、直接メタノール形燃料電池に供給されるメタノールの濃度を、当該燃料電池の性能を最大限発揮し得る適正な濃度に容易に調整することのできる直接メタノール形燃料電池を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４２】
〔第１の実施形態〕
以下、本発明の第１の実施形態について図面に基づいて説明する。
図１は、本実施形態に係る直接メタノール形燃料電池の概略構成図であり、図２は、本実施形態に係る直接メタノール形燃料電池におけるメタノール濃度の推移を示すグラフである。
【００４３】
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１は、燃料極２１、固体高分子電解質膜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に接続されている濃度調整物質収容部３と、濃度調整物質収容部３の上流に第１のポンプ４を介して接続されている供給燃料タンク５と、供給燃料タンク５に第２のポンプ６を介して接続されている高濃度燃料タンク７とを備える。
【００４４】
高濃度燃料タンク７には、直接メタノール形燃料電池１からの出力電力値を適当な値に維持し得る濃度（以下「適正濃度」という）よりも高い濃度のメタノール水溶液が貯留されている。この高濃度燃料タンク７に貯留されているメタノール水溶液のメタノール濃度は、４０〜１００質量％であることが好ましい。
【００４５】
供給燃料タンク５は、燃料極２１の排出口に接続されており、供給燃料タンク５には、高濃度燃料タンク７から供給されるメタノール水溶液が一時的に貯留されるとともに、燃料極２１における反応によりメタノールが消費された余剰燃料（未反応のメタノール水溶液）が導入される。
【００４６】
濃度調整物質収容部３には、メタノール分子を選択的に取り込むことのできる分子化合物が充填されている。濃度調整物質収容部３に充填されている分子化合物は、メタノール分子を取り込んでいない分子化合物のみであってもいいし、メタノール分子を取り込んでいる分子化合物のみであってもよいし、メタノール分子を取り込んでいない分子化合物とメタノール分子を取り込んでいる分子化合物との混合物であってもよい。メタノール分子を取り込んでいない分子化合物とメタノール分子を取り込んでいる分子化合物との混合比は、高濃度燃料タンク７に貯留されているメタノール水溶液の濃度に応じて、適宜調整することができる。
【００４７】
本実施形態において、分子化合物とは、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メタノールと結合し得る化合物であり、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の接触反応により形成することができ、気体又は液体のメタノールを固体状の化合物に変化させることができ、比較的軽量で安定的にメタノールを貯蔵することができる。
【００４８】
本実施形態における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得る包接化合物が好ましい。メタノール包接化合物は、包接化合物中のメタノール濃度と包接化合物の周囲に存在するメタノール水溶液中のメタノール濃度との間に化学平衡が存在するため、メタノール水溶液のメタノール濃度が平衡濃度よりも高い場合には、ホスト化合物中にメタノールが包接されてメタノール包接化合物を形成し、メタノール水溶液のメタノール濃度が低下する。一方、メタノール水溶液のメタノール濃度が平衡濃度よりも低い場合には、メタノール包接化合物からメタノールが放出されて、メタノール水溶液のメタノール濃度が上昇する。このようにして、燃料極２１に供給されるメタノール水溶液のメタノール濃度を、直接メタノール形燃料電池１から適正な出力電力を得ることのできるように安定的に維持することができる。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
このような直接メタノール形燃料電池１において、直接メタノール形燃料電池１の運転を開始すると、高濃度燃料タンク７内のメタノール水溶液が、第２のポンプ６により供給燃料タンク５に供給される。このとき、供給燃料タンク５内には、高濃度燃料タンク７内のメタノール水溶液のみが供給されるため、供給燃料タンク５内には、適正濃度よりも高いメタノール濃度のメタノール水溶液が貯留されている（図２のグラフのＡ点〜Ｂ点）。
【００６１】
供給燃料タンク５内のメタノール水溶液は、第１のポンプ４により濃度調整物質収容部３に供給される。濃度調整物質収容部３に供給されたメタノール水溶液は、濃度調整物質収容部３に充填されている包接化合物と接触し、メタノール水溶液中のメタノール分子が選択的に包接されて、メタノール水溶液のメタノール濃度が適正濃度に調整される（図２のグラフのＤ点〜Ｅ点）。
【００６２】
濃度調整物質収容部３にて濃度が調整されたメタノール水溶液は、燃料極２１に供給される。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＋）は固体高分子電解質膜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（ｅ−）が流れ電力が取り出される。このようにして、直接メタノール形燃料電池１においては、クロスオーバー現象が生じることなく、直接メタノール形燃料電池１から適正な電圧が出力される。
【００６３】
燃料極２１の排出口からは、余剰メタノール水溶液が排出され、供給燃料タンク５に導入される。供給燃料タンク５には、高濃度燃料タンク７からメタノール水溶液が供給されているため、供給燃料タンク５内で、燃料極２１から返送される余剰メタノール水溶液と高濃度燃料タンク７内のメタノール水溶液とが混合される。
【００６４】
直接メタノール形燃料電池１を運転し続け、高濃度燃料タンク７内のメタノール水溶液が空になると、供給燃料タンク５に高濃度燃料タンク７からメタノール水溶液が供給されなくなる。
【００６５】
一方、燃料極２１から返送される余剰メタノール水溶液は、供給燃料タンク５に引き続き供給され続けるため、供給燃料タンク５内のメタノール水溶液のメタノール濃度は徐々に低下していき（図２のグラフのＢ点〜Ｃ点）、供給燃料タンク５から濃度調整物質収容部３に供給されるメタノール水溶液のメタノール濃度が低下する。
【００６６】
そして、供給燃料タンク５から濃度調整物質収容部３に供給されるメタノール水溶液中のメタノール濃度が、平衡濃度よりも低くなると、メタノール包接化合物からメタノール水溶液中にメタノールが放出され、適正濃度のメタノール水溶液が燃料極２１に供給されるようになる（図２のグラフのＥ点〜Ｆ点）。
【００６７】
そのまま運転を続けると、燃料極２１内のメタノール濃度が徐々に低下し、直接メタノール形燃料電池１の使用限界濃度を超えるまで（図２のグラフのＧ点）、直接メタノール形燃料電池１を適正に運転することができる。
【００６８】
本実施形態においては、メタノール濃度を調整する手段として、メタノールと分子化合物を形成し得るホスト化合物を充填する濃度調整物質収容部３を例に挙げて説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、メタノールの透過率と水の透過率とが異なる膜を使用してもよい。この場合、メタノールの透過率に対して水の透過率が２倍以上である透過膜を用いるのが好ましく、このような透過膜としては、一般的に直接メタノール形燃料電池の燃料極と空気極との間に設けられている固体高分子電解質膜を用いるのが好ましい。このように、供給燃料タンク５と燃料極２１との間に上記透過膜を設けることで、メタノールよりも水が多く透過するため、供給燃料タンク５内のメタノール水溶液よりもメタノール濃度の低下したメタノール水溶液が燃料極２１に供給される。このような透過膜は、１つのみ設けられていてもよいし、複数設けられていてもよい。
【００６９】
また、濃度調整物質収容部３には、ホスト化合物に換えて、メタノール吸着能の高い吸着物質が充填されていてもよい。このような吸着物質が充填されていることで、濃度調整物質収容部３に供給されたメタノール水溶液中のメタノールが当該吸着物質に一時的に吸着されるため、燃料極２１に供給されるメタノール水溶液のメタノール濃度を適正濃度に調整することができる。
【００７０】
さらに、濃度調整手段としては、ホスト化合物を充填する濃度調整物質収容部３、上記透過膜、吸着物質を充填する濃度調整物質収容部３を任意に組み合わせて用いてもよい。これらを組み合わせることにより、メタノール水溶液のメタノール濃度をより容易に調整することができる。
【００７１】
なお、透過膜は、メタノールを選択的に捕捉することはできるが、メタノールを放出することはできないため、ホスト化合物を充填する濃度調整物質収容部３と併用することが好ましい。これにより、濃度調整物質収容部３に充填されているホスト化合物によりメタノールを包接しきれなかったような場合であっても、当該メタノールを透過膜により捕捉し、メタノール濃度を適正濃度に調整することができる。また、吸着物質は、ホスト化合物ほどのメタノール保持力がないため、吸脱着速度の速い吸着物質であれば、ホスト化合物を補助する手段として使用することができる。
【００７２】
このように、本実施形態に係る直接メタノール形燃料電池１は、ホスト化合物によりメタノール水溶液中のメタノール分子が包接されるため、燃料極２１に供給するメタノール水溶液の濃度を適正濃度に容易に調整することができ、メタノール水溶液の濃度が適正濃度よりも低くなると、メタノール分子を包接したホスト化合物からメタノールが放出されるため、燃料極２１に供給するメタノール水溶液の濃度を適正濃度に容易に調整することができる。これにより、従来の直接メタノール形燃料電池と比較して、長時間適正濃度のメタノール水溶液を供給し続けることができ、当該燃料電池を適正に運転し得る時間を延長することも可能である。
【００７３】
〔第２の実施形態〕
本発明の第２の実施形態について図面に基づいて説明する。
図３は、本実施形態に係る直接メタノール形燃料電池の概略構成図であり、図４は、本実施形態に係る直接メタノール形燃料電池及び従来の直接メタノール形燃料電池におけるメタノール濃度の推移を示すグラフである。
【００７４】
本実施形態に係る直接メタノール形燃料電池１０は、燃料極２０１、固体高分子電解質膜２０２及び空気極２０３を有する燃料電池セル２０と、燃料極２０１に接するようにして設けられる燃料層３０とを備える。なお、燃料極２０１、固体高分子電解質膜２０２及び空気極２０３を有する燃料電池セル２０は、上記第１の実施形態のものと同様のものであればよい。
【００７５】
燃料層３０には、高濃度メタノール水溶液が貯留される。燃料層３０に貯留されるメタノール水溶液のメタノール濃度は、例えば、４０〜１００質量％であればよい。また、燃料層３０には、メタノールが包接されていないホスト化合物５０があらかじめ充填されている。燃料層３０に充填されているホスト化合物としては、上記第１の実施形態におけるホスト化合物と同一のものでよい。
【００７６】
燃料層３０におけるホスト化合物の充填量は、燃料極２０１に供給されるメタノール水溶液のメタノール濃度を適正濃度に調整することができる量であればよく、燃料層３０に貯留されるメタノール水溶液のメタノール濃度や容量等に応じて適宜調整すればよい。
【００７７】
このような直接メタノール形燃料電池１０において、まず、燃料層３０内にメタノール水溶液を充填する。燃料層３０内にメタノール水溶液が充填されると、あらかじめ充填されているホスト化合物にメタノール水溶液中のメタノールが包接される。燃料層３０内に充填されるメタノール水溶液のメタノール濃度は、適正濃度よりも高い濃度であるため（図４のグラフのＡ点）、メタノールがホスト化合物に包接されることで、燃料層３０内のメタノール水溶液のメタノール濃度を適正濃度に調整することができる（図４のグラフのＢ点）。
【００７８】
直接メタノール形燃料電池１０を継続的に運転すると、燃料層３０中のメタノールは消費され、燃料層３０中のメタノール水溶液のメタノール濃度が低下する。そうすると、メタノール包接化合物に包接されているメタノールがメタノール水溶液中に放出され、適正濃度のメタノール水溶液が燃料極２０１に供給されるようになる（図４のグラフのＣ点〜Ｄ点）。これにより、直接メタノール形燃料電池１０を長期間安定的に運転することができる。
【００７９】
直接メタノール形燃料電池１０をさらに運転し続けると、燃料層３０中のメタノールがすべて消費され、燃料極２０１に供給されるメタノール水溶液のメタノール濃度が徐々に低下し（図４のグラフのＤ点〜Ｆ点）、使用限界濃度を超えるまで直接メタノール形燃料電池１を適正に使用することができる（図４のグラフのＥ点）。
【００８０】
一方、従来例の直接メタノール形燃料電池においては、燃料極に供給されるメタノール水溶液のメタノール濃度は、直接メタノール形燃料電池の運転に伴い低下していくため、直接メタノール形燃料電池の運転前半は、メタノール水溶液の濃度が適正濃度よりも高く（図４のグラフＡ点〜Ｇ点）、クロスオーバー現象が生じてしまい、運転後半は、メタノール濃度が適正濃度よりも低くなり（図４のグラフＨ点〜Ｂ点）、直接メタノール形燃料電池からの出力電力が不足することになる。
【００８１】
このように、本実施形態に係る直接メタノール形燃料電池１０は、初期起動時から運転前半までは、メタノール水溶液のメタノール濃度を低下させて適正濃度に調整したメタノール水溶液を燃料極２０１に供給することができ、運転後半からは、メタノール水溶液のメタノール濃度を上昇させて適性濃度に調整したメタノール水溶液を燃料極２１に供給することができるため、従来の直接メタノール形燃料電池に比して長時間適正な運転をすることができる。
【００８２】
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は、燃料電池に供給されるメタノールの濃度を、当該燃料電池の性能を最大限発揮し得る適正な濃度に容易に調整することができる。これにより、燃料であるメタノールを貯留するタンクの容量を大きくすることなく直接メタノール形燃料電池を適正に使用し得る期間を延長することができる。
【００８３】
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。
【００８４】
本実施形態において、包接化合物（分子化合物）中のメタノール濃度が所定の値より低くなると、包接化合物からのメタノールの放出量が低下し、それに伴い直接メタノール形燃料電池１，１０の性能も低下するため、例えば、燃料極２１に供給されるメタノール濃度や直接メタノール形燃料電池１，１０からの出力電力値を検出し、当該検出値に基づいてメタノール水溶液の高濃度燃料タンク７又は燃料層３０への補充等を、直接メタノール形燃料電池１，１０の使用者に対し知らせるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００８５】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る直接メタノール形燃料電池の概略構成図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る直接メタノール形燃料電池におけるメタノール濃度の推移を示すグラフである。
【図３】本発明の第２の実施形態に係る直接メタノール形燃料電池の概略構成図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る直接メタノール形燃料電池におけるメタノール濃度の推移を示すグラフである。
【符号の説明】
【００８６】
１，１０…直接メタノール形燃料電池
２，２０…燃料電池セル（燃料電池本体）
３…濃度調整物質収容部（濃度調整部）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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