(57)【要約】【課題】固体状メタノールからメタノールを安全に効率良く取り出すことが可能であり、濃度コントロール機能を有する固体状メタノール燃料カートリッジを提供する。【解決手段】燃料カートリッジ１３は、矩形箱型のケーシング２１内が、固体状メタノール燃料収容部２３と、燃料溶液流通部２４とに隔壁２２により区画されている。固体状メタノール燃料収容部２３の上側には、加熱手段としてのヒータ２５が付設されている。ヒータ２５は、温度制御機構により４０〜８０℃の範囲内で温度制御可能となっている。燃料溶液流通部２４には、水Ｗの導入口２６及び燃料Ｆの排出口２７がそれぞれ形成されている。隔壁２２の流路Ｒの排出口２７近傍には開口部２９が形成されていて、この開口部２９に気体分離体たる気液分離膜２９Ａが取付けられており、固体状メタノール燃料収容部２３と燃料溶液流通部２４との間は、液体は遮断され、気体は透過可能となっている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
メタノールを固体化した固体状メタノールを収容する燃料収容部と、
水導入口及び燃料排出口を有する燃料溶液流通部と
を有し、
前記燃料収容部と燃料溶液流通部とが、気液分離体により気体のみが流通可能に接続されているとともに、前記燃料収容部に加熱手段が付設されていることを特徴とする直接メタノール形燃料電池用固体状メタノール燃料カートリッジ。
【請求項２】
前記燃料収容部に冷却手段が付設されてい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用固体状メタノール燃料カートリッジ。
【請求項３】
前記燃料収容部の少なくとも一部が高熱伝導性材料からなることを特徴とする請求項１又は２に記載の直接メタノール形燃料電池用固体状メタノール燃料カートリッジ。
【請求項４】
直接メタノール形燃料電池装置と、該直接メタノール形燃料電池装置に対して着脱可能な固体状メタノール燃料カートリッジとからなり、
前記固体状メタノール燃料カートリッジは、メタノールを固体化した固体状メタノールを収容する燃料収容部、並びに水導入口及び燃料排出口を有する燃料溶液流通部を有し、前記燃料収容部と燃料溶液流通部とが、気液分離体により気体のみが流通可能に接続されているとともに、前記燃料収容部に加熱手段が付設されており、
前記直接メタノール形燃料電池装置は、燃料電池セルと、燃料カートリッジ収容部と、水供給機構とを備え、前記燃料カートリッジ収容部に前記固体状メタノール燃料カートリッジの水導入口との第１の接続部と燃料排出口との第２の接続部とを有していて、
前記第１の接続部は前記水供給機構に連通しているとともに、前記第２の接続部は前記燃料電池セルの燃料極に連通していることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料電池セルの熱が前記燃料収容部に加熱手段に供給されることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
請求項４又は５に記載の燃料電池システムで発電された電気を利用して駆動することを特徴とする携帯型電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体状メタノールを燃料とする直接メタノール形燃料電池システムに関し、特に直接メタノール形燃料電池を効率的に使用でき、かつ安全性が向上した直接メタノール形燃料電池システムに関する。また、本発明は、上記直接メタノール形燃料電池システムに適用可能な直接メタノール形燃料電池用固体状メタノール燃料カートリッジに関する。
【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（ダイレクト）メタノール形燃料電池」と呼ばれ、下記の反応式により発電が行われる。
アノード：ＣＨ３ＯＨ ＋ Ｈ２Ｏ →６Ｈ＋ ＋ ＣＯ２ ＋ ６ｅ− …［１］
カソード：３／２Ｏ２ ＋ ６Ｈ＋ ＋ ６ｅ− → ３Ｈ２Ｏ …［２］
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、この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、作動温度が低く、大掛りな補器を必要としないことなどから携帯機器用小型燃料電池として有用であり、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。その一方で燃料に使用するメタノールは液体であるが故に漏れやすく、また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た（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。こう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ものである。
【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方法としては、固体状メタノールに水を供給して、メタノール溶液として取り出す方法がある。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えるアクティブ方式の方が高出力を発生させるためには適している。
【０００７】
このようにメタノール水溶液を燃料とした場合には、メタノール濃度が高くなるほどメタノールがアノード側からカソード側にクロスオーバーし、発電効率の低下を招きやすくなる。このためメタノール濃度は電解質膜の種類に応じて３〜１０質量％の範囲で適正な濃度にコントロールする必要がある。
【０００８】
しかしながら、固体状メタノールに水を供給した場合、通常、初期においてはメタノールの溶出量が多く、その後次第に溶出量が低下していく傾向を示しやすいため、メタノールの濃度の制御が困難となる、という問題点がある。そこで、固体状メタノールを用いずに、メタノールの原液を所定量ずつ注入することが考えられるが、安全性に劣る上に、メタノール濃度をセンシングしてこれに基づきポンプ等を制御する必要が生じ、現実的でない。
【０００９】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、固体状メタノールからメタノールを安全に効率良く取り出すことが可能であり、濃度コントロール機能を有す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。また、本発明は、固体状メタノールからメタノールを安全に効率良く取り出すことが可能であり、濃度コントロール機能を有する直接メタノール形燃料電池用固体状メタノール燃料カートリッジ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】
第１に本発明は、メタノールを固体化した固体状メタノールを収容する燃料収容部と、水導入口及び燃料排出口を有する燃料溶液流通部とを有し、前記燃料収容部と燃料溶液流通部とが、気液分離体により気体のみが流通可能に接続されているとともに、前記燃料収容部に加熱手段が付設されている直接メタノール形燃料電池用固体状メタノール燃料カートリッジを提供する（請求項１）。
【００１１】
上記発明（請求項１）によれば、燃料溶液流通部の水導入口から燃料溶液流通部内に水を供給するとともに、加熱手段により燃料収容部を加熱すると、燃料収容部内部の固体状メタノールも加熱されて、ガス化したメタノールが発生し、このガス化したメタノールは、気液分離体を通過して燃料溶液流通部に進入し、ここに供給された水に溶解し、メタノール水溶液が生成され、このメタノール水溶液を燃料排出口から取り出して、燃料電池セルの燃料極に供給することで発電が可能となる。しかも、固体状メタノールからのメタノールのガス化量は、温度への依存性が大きく経時的な変動が少ないので、加熱手段を制御することで、ガス化メタノールの発生量をある程度調整できるため、メタノール溶液の濃度をコントロールすることができる。
【００１２】
上記発明（請求項１）においては、前記燃料収容部に冷却手段が付設されていることが好ましい（請求項２）。かかる発明（請求項２）によれば、冷却手段により燃料収容部を冷却することで、メタノールの気化を停止することができ、これにより短時間で発電を停止することができる。
【００１３】
上記発明（請求項１，２）においては、前記燃料収容部の少なくとも一部が高熱伝導性材料からなることが好ましい（請求項３）。かかる発明（請求項３）によれば、燃料収容部、さらには固体状メタノールを効率よく加熱することができる。
【００１４】
また、第２に本発明は、直接メタノール形燃料電池装置と、該直接メタノール形燃料電池装置に対して着脱可能な固体状メタノール燃料カートリッジとからなり、前記固体状メタノール燃料カートリッジは、メタノールを固体化した固体状メタノールを収容する燃料収容部、水導入口及び燃料排出口を有する燃料溶液流通部を有し、前記燃料収容部と燃料溶液流通部とが、気液分離体により気体のみが流通可能に接続されているとともに、前記燃料収容部に加熱手段が付設されており、前記直接メタノール形燃料電池装置は、燃料電池セルと、燃料カートリッジ収容部と、水供給機構とを備え、前記燃料カートリッジ収容部に前記固体状メタノール燃料カートリッジの水導入口との第１の接続部と燃料排出口との第２の接続部とを有していて、前記第１の接続部は前記水供給機構に連通しているとともに、前記第２の接続部は前記燃料電池セルの燃料極に連通してい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４）。
【００１５】
上記発明（請求項４）によれば、直接メタノール形燃料電池装置の水供給機構により、燃料カートリッジの燃料溶液流通部の水導入口から燃料溶液流通部内に水を供給するとともに、加熱手段により燃料収容部を加熱すると、燃料収容部内部の固体状メタノールも加熱されて、ガス化したメタノールが発生し、このガス化したメタノールは、気液分離体を通過して、燃料溶液流通部に進入し、ここに供給された水に溶解してメタノール水溶液が生成し、このメタノール水溶液を燃料排出口から取り出して、燃料電池セルの燃料極に供給することで発電が可能となる。しかも、固体状メタノールからのメタノールのガス化量は、温度への依存性が大きく経時的な変動が少ないので、加熱手段を制御することで、ガス化メタノールの発生量をある程度調整できるため、メタノール溶液の濃度をコントロールすることができる。
【００１６】
上記発明（請求項４）においては、前記燃料電池セルの熱が前記燃料収容部に加熱手段に供給されることが好ましい（請求項５）。かかる発明（請求項５）によれば、燃料電池セルは発電に伴い発熱するので、この熱を加熱手段に伝熱して高熱伝導部に供給することで、エネルギーの有効活用を図ることができる。
【００１７】
また、本発明は、上記発明（請求項４，５）の燃料電池システムで発電された電気を利用して駆動することを特徴とする携帯型電子機器を提供する（請求項６）。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、直接メタノール形燃料電池装置の水供給機構から水を供給するだけで、燃料である高濃度メタノール水溶液を効率良く取り出すことができる。しかも、加熱手段を制御することにより、燃料であるメタノール水溶液の濃度をコントロールすることができる、という効果も奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、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について添付図面を参照して詳細に説明する。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る。
【００２０】
図１において、燃料電池装置は、燃料電池セル１を備え、この燃料電池セル１は、燃料極２と電解質膜３と空気極４とを備えるＭＥＡを有している。５は燃料カートリッジ収容部であり、この収容部５には第１の接続部たる水供給口６と第２の接続部たる燃料取出口７とが形成されている。
【００２１】
８は水Ｗのリザーバタンクであり、このリザーバタンク８は、ポンプ９及び水供給路１０を介して、水供給口６に連通していて、これらリザーバタンク８、ポンプ９及び水供給路１０により水供給機構が構成される。
【００２２】
燃料取出口７は、燃料供給路１１を介して燃料極２に連通している。図１において、１２は燃料環流路であり、１０Ａ，１１Ａはそれぞれ水供給路１０及び燃料供給路１１の開閉弁である。このような構成を有する直接メタノール形燃料電池装置において、燃料カートリッジ収容部５に、燃料カートリッジ１３が装着される。
【００２３】
この燃料カートリッジ１３は、図２〜図４に示すように、容器本体たる矩形箱型のケーシング２１内を、隔壁２２を受け部２２Ａで固定することにより上下２段に区画して、それぞれ固体状メタノール燃料収容部２３と、燃料溶液流通部２４とを形成してなる。
【００２４】
固体状メタノール燃料収容部２３内には、固体状メタノールＳが収容されるとともに、ケーシング２１の天面、すなわち固体状メタノール燃料収容部２３の上側面には、加熱手段としてのヒータ２５が付設されている。
【００２５】
本実施形態において、ヒータ２５は、燃料カートリッジ１３を燃料カートリッジ収容部５に装着すると、図示しない金属板等の伝熱部材により燃料電池セル１に連通するようになっていて、燃料電池セル１で発生した熱が伝熱されるとともに、温度制御機構（図示せず）により４０〜８０℃の範囲内で温度制御可能となっている。
【００２６】
また、燃料溶液流通部２４には、一方の側の両端部に前述した燃料電池装置の水供給口６及び燃料取出口７に対応して、水Ｗの導入口２６及び燃料Ｆの排出口２７がそれぞれ形成されている。
【００２７】
さらに、燃料溶液流通部２４内には、交互に３固の流路板２８Ａ，２８Ｂ，２８Ｃが立設されていて、これらの流路板２８Ａ，２８Ｂ，２８Ｃにより導入口２６から排出口２７にかけて蛇行状の流路Ｒが形成されている。
【００２８】
そして、隔壁２２の流路Ｒの排出口２７近傍には開口部２９が形成されていて、この開口部２９に気体分離体たる気液分離膜２９Ａが取付けられており、この気液分離膜２９Ａにより、固体状メタノール燃料収容部２３と燃料溶液流通部２４との間は、液体は遮断される一方で気体は透過可能となっている。なお、図２においては、便宜上、固体状メタノールＳについては省略してある。
【００２９】
上述したような燃料カートリッジ１３において、固体状メタノール燃料収容部２３の上側は、熱伝導性の高い材料からなるのが好ましく、銅、アルミニウム、ステンレス等の金属材料、又はスミコンＦＭ（登録商標：住友ベークライト（株）製）等の高熱伝導性のエンジニアリングプラスチックを用いることができる。これらの中では、耐メタノール性の点で、ステンレス、スミコンＦＭが好ましい。
【００３０】
上述したような構成の直接メタノール形燃料電池システムの作用について説明する。初期状態においては、図１に示すように燃料カートリッジ１３は、燃料電池装置に装着されておらず、水供給路１０の開閉弁１０Ａ及び燃料供給路１１の開閉弁１１Ａは閉鎖している。
【００３１】
そして、図５に示すように、燃料カートリッジ収容部５に燃料カートリッジ１３をセットしたら、ヒータ２５を起動して発熱させるとともに、開閉弁１０Ａ，１１Ａを開成し、続いて、ポンプ９を起動してリザーバタンク８の水Ｗを水供給口６及び導入口２６から燃料カートリッジ１３の燃料溶液流通部２４に供給すると蛇行状に形成された流路Ｒに沿って水が高速で流通する。
【００３２】
このとき、固体状メタノール燃料収容部２３の上側は、熱伝導性の高い材料からなるので、固体状メタノール燃料収容部２３内の固体状メタノールＳが加熱されて、メタノールが気化してメタノールガスＧが発生する。これにより、固体状メタノール燃料収容部２３の内圧が高まるので、メタノールガスＧが気液分離膜２９Ａを透過して、燃料溶液流通部２４に流入し、ここを通過する水に溶解してメタノール水溶液が生成する。
【００３３】
この燃料Ｆとしてのメタノール水溶液を排出口２７及び燃料取出口７から排出し、燃料供給路１１を経由して燃料電池セル１の燃料極２に供給することで、燃料電池セル１で発電が開始される。
【００３４】
そして、燃料極２における余剰のメタノール水溶液燃料は、燃料環流路１２からリザーバタンクに環流される。そして、ヒータ２５による加熱を停止すると、固体状メタノールＳからのメタノールの気化が停止して発電も停止する。
【００３５】
このような燃料電池システムにおいては、固体状メタノールＳからのメタノールのガス化は、温度によりほぼ定量であるので、温度制御機構（図示せず）により４０〜８０℃の範囲内で温度制御することにより、燃料Ｆとしてのメタノール溶液の濃度を３〜１０質量％の範囲で適正にコントロールすることができる。したがって、クロスオーバーによる発電効率の低下を抑制することが可能となっている。
【００３６】
また、固体状メタノールＳに含まれているメタノールの消費率も高くすることができる。しかも、ヒータ２５は、図示しない金属板等の伝熱部材により燃料電池セル１に連通しているので、発電に伴う燃料電池セル１の熱を回収利用できるので、ヒータ２５の発熱のためのエネルギーを必要としない。
【００３７】
そして、燃料電池セル１での発電に伴い、固体状メタノールＳに含まれているメタノールが消費されるので、電圧の低下又は所定時間の発電等を目安として、開閉弁１０Ａ，１１Ａを閉鎖して燃料カートリッジ１３を取り替えることにより、燃料電池システムを繰り返し使用することが可能となっている。
【００３８】
上述したような実施形態において、固体状メタノールＳとしては、メタノールの分子化合物やメタノールをポリマーとともに固体化又はゲル化したもの、メタケイ酸アルミン酸マグネシウム等の無機材に吸着等によりメタノールを保持することで固体状としたもの等を用いることができる。
【００３９】
特に、メタケイ酸アルミン酸マグネシウム等の無機材に吸着等によりメタノールを保持することで固体状としたものは、メタノールのガス化量の温度依存性が大きく、経時的な変動が少ないので、加熱手段の温度を制御することで、ガス化メタノールの発生量をある程度調整でき、メタノール溶液の濃度のコントロール性に優れていて好ましい。
【００４０】
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。
【００４１】
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燃料電池用燃料との接触反応により形成することができ、燃料電池用燃料を固体状の化合物に変化させることができ、比較的軽量で安定に燃料電池用燃料を貯蔵することができる。
【００４２】
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。また、ポリマーとして固体化あるいはジベンジリデン−Ｄ−ソルビトール等によりゲル化したものの表面にコーティングを施したものも用いることができる。
【００４３】
このような固体状メタノールＳは、種々の形態で用いることができ、好ましい形態としては微粉状、粒子状、シート状等の形態を挙げることができる。
【００４４】
以上説明した本実施形態に係る直接メタノール形燃料電池システムは、例えば、携帯電話、ノートパソコン、デジタルカメラ、ＰＤＡ等の携帯型電子機器に電気的に接続することで、これらの携帯型電子機器の駆動用電源として好適に利用することができる。
【００４５】
以上、本発明について前記実施形態に基づき説明してきたが、本発明は前記実施形態に限定されることなく、種々の変形実施が可能である。
【００４６】
例えば、前記実施形態においては、矩形箱型のケーシング２１の天面、すなわち固体状メタノール燃料収容部２３の上面側に加熱手段としてのヒータ２５を設けたが、冷却手段を併設することにより、固体状メタノールＳを迅速に冷却し、発電を迅速に停止することができる。
【００４７】
また、加熱手段と冷却手段とを兼用するものとしてペルチェ素子を設けてもよい。さらに、燃料カートリッジ１３を燃料電池セル１に近接して設けることで、燃料電池のセル１での発電に伴う発熱により、固体状メタノール燃料収容部２３を直接加熱するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【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を示す概略図である。
【図２】同実施形態に係る直接メタノール形燃料電池システムに適用可能な燃料カートリッジを示す分解斜視図である。
【図３】同実施形態に係る直接メタノール形燃料電池システムに適用可能な燃料カートリッジの燃料溶液流通部を示す平面図である。
【図４】同実施形態に係る直接メタノール形燃料電池システムに適用可能な燃料カートリッジのガス化メタノールの発生状態を示す縦断面図である。
【図５】同実施形態に係る燃料電池システムに燃料カートリッジを装着した状態を示す概略図である。
【符号の説明】
【００４９】
１…燃料電池セル
２…燃料極
５…燃料カートリッジ収容部
６…水供給口（第１の接続部）
７…燃料取出口（第２の接続部）
８…リザーバタンク（水供給機構）
９…ポンプ（水供給機構）
１０…水供給路（水供給機構）
１１…燃料供給路
１３…燃料カートリッジ
２１…ケーシング（容器本体）
２３…固体状メタノール燃料収容部
２４…燃料溶液流通部
２５…ヒータ（加熱手段）
２６…導入口
２７…排出口
２９Ａ…気液分離膜（気体分離体）
Ｗ…水
Ｓ…固体状メタノール
Ｆ…燃料
Ｒ…流路
【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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