(57)【要約】【課題】  反応効率を高めることができる燃料電池および燃料電池システムを提供すること。【解決手段】  燃料室３１の外側に気液分離膜９を配置する。供給制御手段１０５が、メタノール濃度検出手段１０６からのメタノール濃度の検出信号を監視し、メタノール濃度が所定値Ｍ以下となった場合に、メタノールタンク１０１から燃料室３１にメタノールを供給する。燃料室３１内でメタノールと水との反応により発生した二酸化炭素を気液分離膜９で排出できるので、メタノール水溶液とアノード電極３との接触面積を良好に確保でき、反応効率を高めることができる。また、燃料室３１内のメタノール水溶液を循環させることなく発生電流値を確保できるので、必要なメタノールおよび純水の量を最小限に抑制でき燃料電池システム１００の小型化を促進でき、反対に少量のメタノールおよび純水で長時間駆動が可能となる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プロトン伝導性を有する高分子固体電解質膜と、
この高分子固体電解質膜の両側にそれぞれ設けられるアノード電極およびカソード電極と、
前記アノード電極および前記カソード電極に隣接してそれぞれ設けられるアノード側反応室およびカソード側反応室と、
前記アノード側反応室に直接メタノールを供給することによって電気エネルギを得る燃料電池であって、
前記アノード側反応室外側には、前記メタノールと水との反応後に生成される二酸化炭素を分離する気液分離膜が設けられている
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池と、
前記アノード側反応室にメタノールを供給するメタノール供給手段と、
前記アノード側反応室に水を供給する水供給手段と、
前記アノード側反応室内のメタノール濃度が所定範囲内となるように前記メタノール供給手段および前記水供給手段を制御する供給制御手段とを備えた
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記アノード側反応室内のメタノール量を検出するメタノール量検出手段を備え、
前記供給制御手段は、前記メタノール量検出手段からのメタノール量の検出信号に基づいて前記メタノール供給手段および前記水供給手段を制御する
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項２または請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、
前記メタノール量検出手段は、前記アノード側反応室内のメタノール水溶液の濃度を検出するメタノール濃度検出手段、および前記燃料電池で発生する電流値を検出する電流値検出手段のいずれか一つまたは両方である
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項３または請求項４に記載の燃料電池システムにおいて、
前記供給制御手段は、前記メタノール量検出手段からのメタノール量の検出信号が所定値以下であるとき、前記メタノール供給手段および前記水供給手段を制御して前記アノード側反応室にメタノールまたはメタノール水溶液を供給する制御を行う
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
請求項２から請求項５のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
前記供給制御手段は、所定時間毎にメタノールまたは所定濃度のメタノール水溶液を所定量供給するメタノール供給指令を出力する
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】
請求項２から請求項６のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
前記供給制御手段は、所定時間毎に前記水供給手段からの水を前記アノード側反応室に供給して前記アノード側反応室内部の液体を水と入れ替える液体交換指令を出力する
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項８】
請求項１に記載の燃料電池または請求項２から請求項７のいずれかに記載の燃料電池システムを備えたことを特徴とする装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、メタノールを直接供給することにより電気エネルギを得る燃料電池、燃料電池システムおよび装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、外部から燃料と酸素とを連続的に供給し、電気化学的に反応させて電気エネルギを取り出すものである。燃料電池は、他の発電方式に比べて高効率で二酸化炭素の排出量が少ないため、環境問題が顕著になっている近年注目されている。
例えば高分子電解質形燃料電池(Polymer Electrolyte Fuel Cell, PEFC)は、低い温度で動作が可能で起動時間が短く、小型化も可能である。この高分子電解質形燃料電池は、高分子固体電解質膜を空気側電極と燃料側電極とで挟んだ構造のＭＥＡ(Membrane Electrode Assembly)を備え、空気側電極に空気（酸素）を供給し、燃料側電極にメタノールや改質した水素などの燃料を供給することにより、電気化学的反応が起こり電力が発生する（例えば特許文献１）。
この高分子電解質形燃料電池のうち、特に直接メタノール形燃料電池（Direct Methanol Fuel Cell, DMFC）は、燃料電池に直接メタノールを燃料として供給し電気エネルギを得るため、ＰＥＦＣとは異なり水素を収納する容器や、燃料を改質して水素を取り出す改質器などが不要となる。このため、直接メタノール形燃料電池は、長時間連続的に使用する必要がある携帯電話やノートパソコン等の携帯機器用の携帯電源として従来型の一次電池や二次電池に取って代わるものとして注目されている。
【０００３】
【特許文献１】特開平８−１６２１３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
直接メタノール形燃料電池では、燃料としてメタノール水溶液をアノード電極側の反応室に供給すると、アノード電極側では水とメタノールが反応して二酸化炭素、プロトン、および電子を生じる。この場合、発生した二酸化炭素が反応室に蓄積されると、アノード電極に接触するメタノールの量が減少してしまい、反応効率が低下するという問題がある。そこで、従来では、メタノール水溶液を循環させて反応室内の液体を常に交換することにより、メタノール水溶液と一緒に二酸化炭素を排出する構造のものや、反応室内壁に溝を設けて、二酸化炭素の排出を促す構造のものなどが提案されている。
しかしながら、これらのような構造を採用しても、反応室内の二酸化炭素を十分かつ確実に排出することは困難であり、したがって、メタノールの反応を十分に効率よく行うことが難しく、さらなる反応効率の向上が望まれている。
【０００５】
本発明の目的は、反応効率を高めることができる燃料電池および燃料電池システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の燃料電池は、プロトン伝導性を有する高分子固体電解質膜と、この高分子固体電解質膜の両側にそれぞれ設けられるアノード電極およびカソード電極と、アノード電極およびカソード電極に隣接してそれぞれ設けられるアノード側反応室およびカソード側反応室と、アノード側反応室に直接メタノールを供給することによって電気エネルギを得る燃料電池であって、アノード側反応室外側には、メタノールと水との反応後に生成される二酸化炭素を分離する気液分離膜が設けられていることを特徴とする。
この発明によれば、アノード側反応室外側に気液分離膜が設けられているので、メタノール水溶液は気液分離膜を通過せず、アノード側反応室に残る一方、アノード側反応室で発生した二酸化炭素は気液分離膜を通過して外部に排出される。よって、メタノール水溶液中の二酸化炭素が確実に排出され、アノード電極へのメタノール水溶液の接触面積が良好に確保され、反応効率が良好となる。
また、気液分離膜によって二酸化炭素を排出するので、従来のような溝の形成やメタノール水溶液をある程度の流速で循環させるなどの対策が不要となり、燃料電池の構造が簡単になる。
【０００７】
本発明の燃料電池システムは、前述の燃料電池と、アノード側反応室にメタノールを供給するメタノール供給手段と、アノード側反応室に水を供給する水供給手段と、アノード側反応室内のメタノール濃度が所定範囲内となるようにメタノール供給手段および水供給手段を制御する供給制御手段とを備えたことを特徴とする。
【０００８】
この発明によれば、燃料電池システムが前述の燃料電池を備えているので、気液分離膜によって二酸化炭素を排出可能である。このため、アノード側反応室内の二酸化炭素を排出するためにメタノール水溶液をある程度の流速で循環させる必要がない。
ここで、アノード側反応室では、メタノールと水との反応が進むとメタノール水溶液中のメタノール濃度が低下し、これを放置すると反応効率が低下する。本発明では、供給制御手段は、減少したメタノール量を補充するように、メタノール供給手段および水供給手段を制御して最適の濃度のメタノールまたはメタノール水溶液を供給する制御を行う。この制御により、アノード側反応室内のメタノール濃度が所定範囲内に保持されるので、反応効率の低下が防止され、反応効率が良好となる。
なお、燃料の供給制御手段がメタノール水溶液のメタノール濃度を調整する際には、アノード側反応室にメタノールおよび水を予め混合したメタノール水溶液を供給する場合はもちろん、メタノールおよび水をそれぞれ別々にアノード側反応室に供給する場合や、水供給手段からの水の供給を行わず、メタノールのみを供給する場合も含まれる。
【０００９】
また、供給制御手段がアノード側反応室内のメタノール濃度が所定範囲内となるようにメタノール供給手段および水供給手段を制御するので、アノード側反応室でのメタノールおよび水の反応効率が良好に維持される。そして、燃料電池システムがメタノール供給手段および水供給手段を別々に備えているので、これらの供給量の割合を変更することでアノード側反応室にメタノールのみ、水のみ、または任意の濃度のメタノール水溶液を供給可能となる。よって、アノード側反応室内のメタノール濃度の制御が柔軟になり、燃料電池システムの様々な構成や使用条件などに対応可能となる。
【００１０】
本発明では、アノード側反応室内のメタノール量を検出するメタノール量検出手段を備え、供給制御手段は、メタノール量検出手段からのメタノール量の検出信号に基づいてメタノール供給手段および水供給手段を制御することが望ましい。
この発明によれば、メタノール量検出手段がアノード側反応室内のメタノール量を検出するので、供給制御手段はこの検出信号に応じたメタノール量を供給すればよく、アノード側反応室内のメタノールの量を所定範囲内に制御することが容易となる。
【００１１】
本発明では、メタノール量検出手段は、アノード側反応室内のメタノール水溶液の濃度を検出するメタノール濃度検出手段、および燃料電池で発生する電流値を検出する電流値検出手段のいずれか一つまたは両方であることが望ましい。
この発明によれば、供給制御手段は、メタノール濃度検出手段および電流値検出手段のいずれか一方または両方で検出されたメタノール水溶液の濃度および／または電流値を監視し、これらの検出信号に基づいてメタノール供給手段および水供給手段を制御する。メタノール濃度検出手段を用いた場合では、アノード側反応室内のメタノール濃度を直接検出するので、より正確な検出信号に基づいた制御が可能となり、アノード側反応室での良好な反応効率の維持が確実となる。また、電流値検出手段を用いた場合では、燃料電池に接続される外部負荷で得られる電流値を検知すればよいので、もともと存在する構成を流用することが可能となり、燃料電池システムの構成が簡単となる。そして、これらを組み合わせた場合には、アノード側反応室内のメタノール量を複合的に検知可能となり、より正確な検出信号が得られる。
【００１２】
本発明では、供給制御手段は、メタノール量検出手段からのメタノール量の検出信号が所定値以下であるとき、メタノール供給手段および水供給手段を制御してアノード側反応室にメタノールまたはメタノール水溶液を供給する制御を行うことが望ましい。
この発明によれば、供給制御手段がメタノール量の検出信号が所定値以下である時にメタノールまたはメタノール水溶液の供給を行うので、アノード側反応室内のメタノール量が所定値以下に低下せず、良好な反応効率が維持される。
なお、アノード側反応室にメタノールのみを供給する場合には、アノード側反応室に水を供給しないように水供給手段を制御すればよい。
【００１３】
本発明では、供給制御手段は、所定時間毎に所定濃度のメタノール水溶液を所定量供給するメタノール水溶液供給指令を出力することが望ましい。
この発明によれば、供給制御手段が所定時間毎にメタノール水溶液供給指令を出力するので、アノード側反応室内のメタノール量を監視する必要がなく、供給制御手段の構成が簡単になる。これは特に、アノード側反応室内でのメタノールの消費速度が予め予測できる場合などに有用である。
【００１４】
本発明では、供給制御手段は、所定時間毎に水供給手段からの水をアノード側反応室に供給してアノード側反応室内部の液体を水と入れ替える液体交換指令を出力することが望ましい。
この発明によれば、アノード側反応室に必要量のメタノールまたはメタノール水溶液を供給してアノード側反応室のメタノール濃度を保持すると、メタノール水溶液の循環はない、またはあってもわずかとなるため、長期間の使用に伴ってアノード側反応室に蟻酸、ホルムアルデヒド、一酸化炭素などの副生成物が蓄積される場合がある。このような場合でも、供給制御手段が所定時間毎に液体交換指令を出力するので、アノード側反応室内の副生成物が所定時間毎に排出され、メタノールと水の反応効率の低下が確実に防止される。
【００１５】
本発明の装置は、前述の燃料電池または前述の燃料電池システムを備えたことを特徴とする。
この発明によれば、装置が前述の燃料電池または前述の燃料電池システムを備えているので、前述の効果と同様の効果を奏することができ、気液分離膜によって二酸化炭素の排出が良好となり、メタノールと水との反応効率が向上する。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の燃料電池、燃料電池システムおよび装置によれば、気液分離膜がアノード側反応室内で生成される二酸化炭素を良好に排出するので、メタノールと水との反応効率が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の各実施形態を図面に基づいて説明する。なお、後述する第二実施形態以降で、以下に説明する第一実施形態での構成部品と同じ部品および同様な機能を有する部品には同一符号を付し、説明を簡単にあるいは省略する。
【００１８】
［第一実施形態］
図１には本発明の第一実施形態にかかる燃料電池１の側断面図が示されている。この図１において、燃料電池１は、直接メタノール形燃料電池（ＤＭＦＣ）であり、燃料電池セル１０がケース１１に収納されて構成されている。なお、本実施形態では、説明を簡略化するため、図１に示すように単一の燃料電池セル１０で構成した燃料電池１を図示するが、もちろん燃料電池１を、この燃料電池セル１０を複数枚積層したスタック構造としてもよい。
【００１９】
燃料電池セル１０は、高分子固体電解質膜２と、この高分子固体電解質膜２の両面に一体的に形成されるアノード電極３およびカソード電極４と、アノード電極３側に配置される燃料拡散層５と、カソード電極４側に配置される空気拡散層６と、これら燃料拡散層５および空気拡散層６の外側にそれぞれ設けられるとともに、アノード電極３およびカソード電極４の間に発生した電気エネルギを取り出す集電体７，８と、アノード電極３側に配置される気液分離膜９とを備えている。この燃料電池セル１０は、ケース１１に収納され、ガスケット１２によって高分子固体電解質膜２の両側から挟持されている。これにより、ケース１１内部は、高分子固体電解質膜２を挟んでアノード電極３側とカソード電極４側とに封止されて分離されている。
【００２０】
ケース１１のアノード電極３側には、燃料をケース１１内部に供給するための燃料供給口１１１と、アノード電極３での反応が終了した燃料を外部に排出するための燃料排出口１１２とが形成されている。また、ケース１１のカソード電極４側には、空気をケース１１内部に供給するための空気孔１１３が複数形成されている。ここで、ケース１１内壁とアノード電極３との間の領域は、液密に構成され、燃料が供給されるアノード側反応室としての燃料室３１となっている。また、ケース１１内壁とカソード電極４との間の領域は、空気が供給されるカソード側反応室としての空気室４１となっている。また、空気室４１への空気の供給は自然吸気となっており、空気室４１が空気孔１１３を介して大気に開放されることで空気室４１への空気の供給が行われている。なお、燃料としては、メタノール(CH3OH)水溶液が供給される。
【００２１】
高分子固体電解質膜２の両面には、外縁から所定幅寸法を隔てた所定範囲内に略矩形状のアノード電極３およびカソード電極４が一体的に形成されている。高分子固体電解質膜２は、プロトン伝導性高分子で構成される高分子固体電解質樹脂が、延伸多孔質ポリテトラフルオロエチレン(Poly Tetra Fluoro Ethylene, PTFE)フィルムの多孔空隙部に含浸されることにより構成されている。高分子固体電解質樹脂としては、例えばナフィオン膜（デュポン社商標）等のパーフルオロスルホン酸系ポリマー、フッ素系ポリマー、炭化水素系ポリマーなどが採用できる。また場合によってはこの高分子固体電解質樹脂に、電子導電性の生じない範囲で白金などの触媒やカーボン粉末、各種セラミックス粉末などを加えてもよい。
【００２２】
なお、延伸多孔質ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）フィルムは、ＰＴＦＥの塊を延伸多孔化して得られる、多数の微小結節とそれらの微小結節から延出して微小結節相互を三次元的に連結する微細繊維とからなる構造を有する多孔質ＰＴＦＥフィルムであり、このフィルムには、厚み方向に貫通する多数の孔が形成される。本実施形態においてこの延伸多孔質ＰＴＦＥフィルムの膜厚は、１〜１００μｍ、好ましくは３〜３０μｍで、孔径は０．０５〜５μｍ、好ましくは０．５〜２μｍで、空隙率は６０％〜９８％、好ましくは８０〜９２％である。膜厚が薄すぎると短絡やガス漏れ（クロスリーク）が発生しやすくなり、厚すぎると電気抵抗が高くなる。また孔径が小さすぎると高分子固体電解質樹脂の含浸が困難となり、大きすぎると高分子固体電解質樹脂の保持力が弱くなり、また補強効果も弱くなる。そして、空隙率が小さすぎると高分子固体電解質膜としての抵抗が大きくなり、大きすぎると一般にＰＴＦＥ自体の強度が弱くなり補強効果が得られない。
【００２３】
アノード電極３およびカソード電極４は、メタノールの分解のための触媒を担持したカーボン触媒電極膜から構成される。ここで、触媒としては、例えば白金等が採用できる。なお、アノード電極３側では、メタノールと触媒との反応により発生する中間生成物である一酸化炭素ＣＯの被毒を防止するため、少なくともアノード電極３側の触媒には、白金およびルテニウムの合金等を採用することがより好ましい。
ここで、高分子固体電解質膜２、アノード電極３、およびカソード電極４は、一体的に形成されて膜電極接合体２０が構成されている。
燃料拡散層５および空気拡散層６は、メッシュの金属フォーム（例えばスチールウール等）からなる多孔性膜であり、供給される燃料および酸素をそれぞれ拡散してアノード電極３およびカソード電極４に導く。なお、これら燃料拡散層５および空気拡散層６は、それぞれ、アルミニウム、ステンレス鋼等であってもよく、またスポンジチタン等の多孔性金属材料、カーボンペーパ紙にカーボンを担持したものやカーボンクロス等であってもよい。
また、集電体７，８には、それぞれ図示しないリード線が接続されており、外部の負荷に接続されている。
【００２４】
燃料室３１の外側、つまり集電体７において、燃料拡散層５が設けられた側とは反対側の面には、当該面全面にわたって気液分離膜９が配置されている。気液分離膜９は、例えばセラミックス等、その厚み方向に貫通する孔（パス）を複数（多数）有する多孔質材料で構成され、気体を通過させるが液体を通過させない性質を有する。また、ケース１１において気液分離膜９に対向する位置には、燃料室３１から気液分離膜９を介して排出された二酸化炭素を外部に排出するための排出孔１１４が複数（多数）形成されている。
【００２５】
このような燃料電池１を稼働するにあたっては、メタノール水溶液の供給手段を含んだ燃料電池システムを構築する必要がある。
図２には、燃料電池１を組み込んだ燃料電池システム１００の概略構成図が示されている。この図２において、燃料電池システム１００は、前述の燃料電池１と、燃料室３１に供給されるメタノールを収納するメタノールタンク１０１と、メタノールを所定の濃度に希釈し、燃料室３１での反応に供するための水としての純水を収納する純水タンク１０２と、メタノールおよび純水を混合するミキサ１０３と、ミキサ１０３で混合されたメタノール水溶液を燃料室３１に送液するポンプ１０４と、メタノールおよび純水の供給動作を制御する供給制御手段１０５と、燃料室３１内のメタノール濃度を検出するメタノール量検出手段としてのメタノール濃度検出手段１０６と、燃料室３１から排出される廃液を収納する廃液タンク１０７とを備えている。
【００２６】
メタノールタンク１０１および純水タンク１０２は、燃料室３１への流路が開閉可能なバルブ１０１Ａ，１０２Ａを備えている。これらのバルブ１０１Ａ，１０２Ａは、供給制御手段１０５に電気的に接続されており、供給制御手段１０５からの指令によりそれぞれ個別に開閉可能となっており、その開度も調整可能となっている。
ミキサ１０３はメタノールタンク１０１からのメタノールと、純水タンク１０２からの純水を混合し、メタノールが均一に分散されたメタノール水溶液を作成する混合手段となっている。なお、メタノールのみ、または純水のみを燃料室３１に供給する場合には、ミキサ１０３は一種類の液体を混合するのみで、実質的にはその機能を発揮することなく液体が通過するのみとなる。
ポンプ１０４は、燃料供給口１１１に接続されており、ミキサ１０３を単に通過したメタノール、純水、またはミキサ１０３で混合されたメタノール水溶液を燃料室３１に送液する。このポンプ１０４は、供給制御手段１０５に電気的に接続されており、供給制御手段１０５からの送液指令信号によりポンプ１０４のＯＮ，ＯＦＦが制御される。
【００２７】
ここで、本実施形態ではメタノールタンク１０１、バルブ１０１Ａ、およびポンプ１０４を備えて本発明のメタノール供給手段が構成されており、また純水タンク１０２、バルブ１０２Ａ、およびポンプ１０４を備えて本発明の水供給手段が構成されている。
なお、メタノールタンク１０１および純水タンク１０２は、一体のケースの内部が仕切られて形成されている構成であることが好ましく、例えばいわゆるカートリッジ方式で、メタノールタンク１０１および純水タンク１０２が同時に簡単に交換可能な構造であることが望ましい。
【００２８】
供給制御手段１０５は、メタノール濃度検出手段からのメタノール濃度の検出信号に基づいて、燃料室３１内のメタノール水溶液の濃度を予め設定された所定値Ｍ以上に維持するように、メタノール供給手段および水供給手段を制御する。
ここで、所定値Ｍは、燃料室３１内でのメタノールと触媒との反応効率が良好となり、かつ高分子固体電解質膜２のクロスオーバーが良好に防止される範囲で設定されることが好ましく、燃料電池１の容量、高分子固体電解質膜２の材質、性能などを勘案して適宜設定され、例えば３％〜５％または１mol/l〜８mol/lの範囲内で設定される。
また、供給制御手段１０５は、所定時間ｔ１毎に燃料室３１内の液体を純水と交換するために、液体交換用タイマ（図示せず）を内蔵している。所定時間ｔ１は、燃料室３１内でメタノールと水との反応により生成される、例えば蟻酸、ホルムアルデヒド、一酸化炭素等の副生成物が蓄積することにより反応効率が所定値以上低下しないように設定されることが好ましく、燃料電池１や燃料室３１の容量、負荷、使用時間、廃液タンク１０７の容量等を勘案して適宜設定され、例えば１０分〜１時間の間などに設定される。
【００２９】
メタノール濃度検出手段１０６は、燃料室３１内に充填されているメタノール水溶液のメタノール濃度を検出するものであり、例えば赤外線透過吸収式の光式メタノール濃度センサ等、任意の方式のものが採用できる。
廃液タンク１０７は、燃料排出口１１２に接続されており、燃料室３１から排出された廃液を収納する。この廃液タンク１０７は、メタノールタンク１０１および純水タンク１０２とは別に設けられて個別に交換可能に設けられていてもよい。また、メタノールタンク１０１および純水タンク１０２に一体的に形成されていてもよい。この場合には、予めメタノールタンク１０１および純水タンク１０２を使い切って交換する際に、廃液タンク１０７も同時に交換可能となるので、交換操作が簡便となり取扱性が向上する。
【００３０】
次に、このような燃料電池システム１００の動作について説明する。
図３は、燃料電池システム１００の動作を示すフローチャートである。この図３に示されるように、まず、燃料電池システム１００の起動時には、ステップＳ１１において、供給制御手段１０５から出力される初期メタノール水溶液供給指令により、燃料室３１にメタノール水溶液を充満させる。この指令信号により、バルブ１０１Ａ，１０２Ａが開き、メタノールおよび純水がそれぞれ送液される。このとき、バルブ１０１Ａ，１０２Ａの開度は、メタノール水溶液の濃度が所定値Ｍ以上となるように、あらかじめ設定されている。メタノールおよび純水は、ミキサ１０３によって均一に混合され、ポンプ１０４で燃料室３１に供給される。
【００３１】
燃料室３１では、メタノール水溶液がアノード電極３の触媒によって下記の式(１)の酸化反応を生じ、この反応により二酸化炭素ＣＯ２とプロトンＨ＋と電子ｅ−とを生成する。
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−  …(１)
プロトンＨ＋は、高分子固体電解質膜２を透過してカソード電極４側に移動することにより、集電体７，８の両端に電圧が生じる。プロトンＨ＋がカソード電極４側に到達すると、外部負荷を通って仕事をした後にカソード電極４に到達した電子ｅ−とがカソード電極４の触媒によって空気室４１内の空気中の酸素Ｏ２と反応して式(２)の還元反応が生じる。
Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏ  …(２)
アノード電極３側で生成された二酸化炭素ＣＯ２は、生成された直後に気液分離膜９で分離され、排出孔１１４を通って外部に排出される。また、カソード電極４側で生成された水は、水蒸気として空気孔１１３から排出される。
【００３２】
図３のステップＳ１２において、供給制御手段１０５は、内蔵される液体交換用タイマで所定時間ｔ１を経過したか否かを判断する。所定時間ｔ１を経過していない場合には、ステップＳ１３に進み、メタノール濃度検出手段１０６を測定する。メタノール濃度検出手段１０６は、燃料室３１内のメタノール水溶液の濃度を測定し、その検出信号を供給制御手段１０５に出力する。
供給制御手段１０５は、図３のステップＳ１４において、メタノール濃度検出手段１０６からのメタノール濃度の検出信号が所定値Ｍ以上あるか否かを判断する。メタノール濃度の検出信号が所定値Ｍ以上である場合には、ステップＳ１２に戻る。
【００３３】
一方、ステップＳ１４において、メタノール濃度の検出信号が所定値Ｍより小さい場合には、ステップＳ１５に進み、供給制御手段１０５は、バルブ１０１Ａおよびポンプ１０４にメタノール供給指令を出力する。このメタノール供給指令により、バルブ１０１Ａが開き、ポンプ１０４が駆動し、メタノールタンク１０１からメタノールがミキサ１０３およびポンプ１０４を介して燃料室３１に供給される。供給制御手段１０５は、ステップＳ１６およびステップＳ１７で燃料室３１内のメタノール濃度を監視し、メタノール濃度の検出信号が所定値Ｍ以上となったときに、ステップＳ１８に進みメタノール供給停止指令を出力することで、バルブ１０１Ａを閉じ、ポンプ１０４を停止してステップＳ１２に戻る。この動作により、燃料室３１へのメタノールの供給が停止し、燃料室３１内のメタノール水溶液のメタノール濃度は、所定値Ｍ前後の所定範囲内に維持される。
【００３４】
図４には、時間ｔに対する燃料室３１内のメタノール水溶液の濃度を示した概念図である。この図４に示されるように、燃料室３１では反応によってメタノールが消費されるため、時間ｔに伴って燃料室３１内のメタノール濃度が減少して、水リッチな条件となってくる。ところが、メタノール濃度が所定値Ｍ以下となると、供給制御手段１０５がメタノール供給手段を制御してメタノールを燃料室３１に供給するので、メタノール濃度は上昇し、これを繰り返すことにより、燃料室３１内のメタノール水溶液のメタノール濃度が適切に維持される。
【００３５】
ここで、本実施形態では、燃料室３１内のメタノール水溶液を循環させていないため、メタノールと水とを長時間反応させると、蟻酸、ホルムアルデヒド、一酸化炭素などの中間生成物が蓄積する。これらの中間生成物は、水溶液中に溶解している場合が多く、気液分離膜９では分離されない。
そこでステップＳ１２において、所定時間ｔ１が経過したと判断された場合には、ステップＳ１９に進み、供給制御手段１０５は液体交換指令信号をバルブ１０２Ａおよびポンプ１０４に出力する。この液体交換指令信号により、純水タンク１０２から純水がミキサ１０３およびポンプ１０４を介して燃料室３１に供給される。燃料室３１に充填されているメタノール水溶液および微量の中間生成物は、純水に押し出されて排出され、廃液として廃液タンク１０７に収納される。
所定量の純水の供給が終了すると、供給制御手段１０５はステップＳ２０において、内蔵された液体交換用タイマをリセットし、ステップＳ１３に進む。
【００３６】
以上のサイクルを繰り返すことにより、燃料室３１に必要なメタノールおよび／または純水を供給し、燃料室３１内のメタノール濃度を所定範囲内に維持する。また、メタノールタンク１０１内のメタノールおよび純水タンク１０２内の純水がなくなった場合には、メタノールタンク１０１および純水タンク１０２にそれぞれメタノールおよび純水を追加するか、またはメタノールタンク１０１および純水タンク１０２ごと交換すればよい。同様に、廃液タンク１０７に所定量以上の廃液が収納された場合には、廃液タンク１０７内の廃液を廃棄するか、または廃液タンク１０７ごと交換すればよい。
【００３７】
このような第一実施形態によれば、次のような効果が得られる。
(１) 集電体７外側に気液分離膜９が対向して配置されることにより、気液分離膜９が燃料室３１外側に配置される。このため、燃料室３１で反応により発生した直後の二酸化炭素を気液分離膜９によって排出できる。したがって、燃料室３１内においてメタノール水溶液のアノード電極３への接触面積を十分に確保でき、燃料電池１の反応効率を向上させることができる。これにより、長期間にわたって良好な発電量を確保できる。
また、気液分離膜９で二酸化炭素を排出するので、従来とは異なり、メタノール水溶液を循環させる必要がない。従って、供給したメタノールのほぼ全量を反応に使用することができ、燃料電池システム１００の使用可能時間を長くできる。反対に、所定時間発電するために必要なメタノールの量が少なくてすむため、燃料電池システム１００の小型化、軽量化を図ることができる。
【００３８】
(２) 供給制御手段１０５が、メタノール濃度が所定値Ｍ以下となったときにメタノールタンク１０１からメタノールを供給するように制御するので、燃料室３１内のメタノール濃度が常に適切な濃度に維持できる。これにより、長時間にわたって燃料電池システム１００を使用した場合でも、良好な反応効率を維持できる。
(３) 供給制御手段１０５が燃料室３１内のメタノール濃度を調整するために、メタノール水溶液ではなくメタノールのみを供給するので、純水の使用量を最小限に抑制できる。したがって、純水タンク１０２の小型化を促進でき、燃料電池システム１００の小型化、軽量化を促進できる。
【００３９】
(４) 所定時間ｔ１毎に燃料室３１内のメタノール水溶液を純水と交換するので、メタノールと水との反応の途中で生成された副生成物を排除でき、反応効率を長時間にわたって良好に保持できる。また、このような純水の供給制御を行うことにより、純水が必要となるのは、最初にメタノール水溶液を充満させるときと、この水交換の時のみとなるので、メタノール水溶液を循環させる場合に比べてはるかに純水の必要量を少なくできる。よって純水タンク１０２および廃液タンク１０７を小型化することができ、燃料電池システム１００の小型化、軽量化をより一層促進できる。反対に、同じ純水の量でより長時間燃料電池システム１００を使用できる。
【００４０】
(５) メタノール濃度検出手段１０６が設けられ、供給制御手段１０５は燃料室３１のメタノール濃度を直接監視してメタノール供給手段および水供給手段を制御するので、燃料室３１内のメタノール濃度を直接検出して得たより正確な検出信号に基づいて制御を行え、より正確かつ確実な制御が行える。
【００４１】
［第二実施形態］
次に、本発明の第二実施形態について説明する。第二実施形態は、所定時間ｔ２毎に所定量のメタノールを供給するものである。
図５には、第二実施形態にかかる燃料電池システム１００の概略構成図が示されている。この図５において、供給制御手段１０５は、第一実施形態と同様の水交換用タイマを内蔵しているほか、メタノールを所定時間ｔ２毎に供給するための、メタノール供給用タイマ（図示せず）も内蔵している。
ここで、所定時間ｔ２は、燃料電池１の使用により、燃料室３１内のメタノール濃度が稼働開始時の値から所定値Ｍ以下となるまでの時間に設定されることが好ましく、燃料電池１の外部負荷や、燃料電池１の容量、燃料室３１内の稼働開始時のメタノール濃度の設定、メタノールの消費速度などを勘案して適宜設定され、例えば５分〜１０分の間などに設定される。
また、第二実施形態の燃料電池システム１００は、第一実施形態と異なりメタノール濃度検出手段を備えていない。
【００４２】
このような燃料電池システムは、次のように動作する。
図６は、第二実施形態にかかる燃料電池システム１００の動作を示すフローチャートである。この図６において、供給制御手段１０５は、ステップＳ２１で第一実施形態と同様に燃料室３１にメタノール水溶液を供給して燃料室３１内に充満させる制御を行う。
次に、ステップＳ２２で所定時間ｔ１を経過していない場合には、ステップＳ２３において、供給制御手段１０５は、内蔵されたメタノール供給用タイマによって所定時間ｔ２を経過したか否かを判断する。所定時間ｔ２を経過していない場合には、ステップＳ２２に戻る。ステップＳ２３で所定時間ｔ２を経過した場合には、ステップＳ２４において、供給制御手段１０５はバルブ１０１Ａおよびポンプ１０４にメタノール供給指令信号を出力する。この信号により、バルブ１０１Ａが開き、ポンプ１０４が駆動することにより、燃料室３１にメタノールが供給される。供給制御手段１０５は、所定時間バルブ１０１Ａを開いて所定量のメタノールを供給した後、バルブ１０１Ａを閉じ、ポンプ１０４を停止させて、メタノールの供給を停止する。
そして、ステップＳ２５において、メタノール供給用タイマをリセットし、ステップＳ２２に戻る。この制御により、燃料室３１内には、所定時間ｔ２毎に所定量のメタノールが供給される。
ステップＳ２２，Ｓ２６，Ｓ２７では、第一実施形態と同様に、燃料電池１の使用時間が所定時間ｔ１を経過した場合には、燃料室３１内のメタノール溶液を純水と交換する。
【００４３】
このような第二実施形態によれば、第一実施形態の(１)、(３)および(４)の効果と同様の効果が得られる他、次のような効果が得られる。
(６) 供給制御手段１０５が、所定時間ｔ２毎にメタノールを所定量供給する制御を行うので、第一実施形態とは異なり、メタノール濃度検出手段１０６のような検出手段が不要となる。したがって供給制御手段１０５の構成を簡略化でき、部品点数も減少するので、燃料電池システム１００の製造コストを低減できる。
また、測定値に応じてメタノール供給量を調整する必要もないので、応答性を向上させることができる。このような制御は特に、燃料電池システム１００を外部負荷が一定の条件下で使用する場合など、メタノールの消費速度があらかじめわかっている場合などに有効である。
【００４４】
なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
水供給手段は、純水タンクに収納された純水のみを使用するものに限らない。つまり、例えば燃料電池のカソード側では反応により純水が生成されるので、これを再利用してもよい。この場合には、図７に示されるように、カソード側の空気室４１と純水タンク１０２とを接続して、空気室４１で水蒸気の状態で生成される純水を回収して純水タンク１０２に戻し、燃料室３１に供給する純水として再利用すればよい。このような構成によれば、より純水タンクに収納する純水をより少なくすることができ、また反対に、所定量の純水でより長時間稼働でき、燃料電池システム１００の寿命が長くなる。
【００４５】
アノード側で反応が終わった液体は、殆どが水であるので、図７に示されるように、この液体を廃液タンクに収納せず純水タンクに戻してもよい。この場合には、反応が終わった液体には若干の副生成物や未反応のメタノールなどが含まれているが、ごく微量であるので、これらの副生成物等による燃料室３１での反応効率に悪影響がない範囲であれば純水のリサイクルを可能にできる。これにより、純水タンク１０２の全体の容量をさらに小さくすることができ、燃料電池システム１００の寿命をより長くできる。
【００４６】
供給制御手段は、アノード側反応室にメタノールの原液を供給する制御を行うものに限らず、例えばアノード側反応室に所定濃度のメタノール水溶液を供給してアノード側反応室内のメタノール水溶液の濃度を所定範囲内に保持する制御を行うように構成してもよい。この場合には、メタノールが予め水にある程度分散されているため、燃料室内でメタノールがより均一に分散し易く、アノード電極での反応が良好となる。
【００４７】
また、アノード側反応室に供給するメタノール原液またはメタノール水溶液は、一定濃度のものに限らず、例えば燃料電池システムを、メタノール水溶液の濃度を調節可能に構成して、アノード側反応室内のメタノール濃度に応じた濃度のメタノール水溶液を供給してもよい。この場合には、メタノールタンクのバルブおよび純水タンクのバルブを開度調整可能にし、供給制御手段によってこれらのバルブの開度をそれぞれ調整すればよい。
【００４８】
さらに、供給制御手段は、アノード側反応室内のメタノール濃度が所定値以下となった場合にメタノールまたはメタノール水溶液を供給する制御を行うほか、例えばメタノール濃度が所定値以上となった場合には、水のみを供給して希釈する制御を行ってもよい。
供給制御手段は、アノード側反応室のメタノール濃度が所定値以下となった場合のみにメタノールまたはメタノール水溶液を供給するものに限らず、例えばメタノール水溶液を常に一定量ずつ供給し、アノード側反応室内にメタノール水溶液を常に交換させる、いわゆる循環制御を行ってもよい。この場合には、メタノール水溶液の循環量が十分に多ければ、循環するメタノール水溶液と一緒に副生成物も排出されるため、所定時間毎に燃料室内の液体を水と交換する水交換作業が不要となる場合がある。
【００４９】
供給制御手段は、メタノール濃度が予め設定された所定値以下である場合にメタノールを供給する、下限値としての設定値のみを有するものに限らず、例えばメタノール濃度の設定値を上限値および下限値を有する所定範囲とし、アノード側反応室内のメタノール濃度がこの所定範囲内となるようにメタノール原液またはメタノール水溶液の供給量を制御してもよい。この場合には、例えばメタノール濃度が所定範囲の下限値以下となったときにメタノールの供給を開始し、所定範囲の上限値以上となったときにメタノールの供給を停止すればよい。このような制御によれば、メタノール濃度の設定に幅があるので、メタノール供給の頻度が少なくなり、制御が安定する。
【００５０】
さらに、供給制御手段は、メタノールを供給している間メタノール濃度を監視し、メタノール濃度が所定値以上となったときに供給を停止する、いわゆるフィードバック制御を行うものに限らず、例えばメタノール濃度が所定値以下となった場合には、予め設定された所定量のメタノールまたはメタノール水溶液を供給するフィードフォワード制御を行ってもよい。この場合には、メタノールの供給中にメタノール濃度を監視する必要がないので、供給制御手段による制御がより簡単になる。
【００５１】
メタノール濃度検出手段によるメタノール濃度の検出は、常時行うものに限らず、例えば所定時間毎に検出してもよい。この場合には、常にメタノール濃度の検出を行う場合に比べて検出のために消費される電力を削減でき、燃料電池システムの省電力化を促進できる。
【００５２】
メタノール量検出手段は、アノード側反応室内のメタノール濃度を直接測定するものに限らず、例えば燃料電池で発生する電流値を検出する電流値検出手段であってもよい。この場合には、アノード側反応室内のメタノール濃度が低下すると反応効率も低下するため、発生する電流値も低下する。したがって、供給制御手段では、電流値検出手段で検出される電流値を監視し、この電流値が所定値または所定範囲以下となった場合に、メタノール原液またはメタノール水溶液の供給を行えばよい。このような構成によれば、外部負荷を流れる電流値を測定すればよいので、もともと存在する構成を流用でき、メタノール量検出手段の構成が簡単になり、燃料電池システムを安価に製造できる。
また、メタノール量検出手段は、例えばメタノール濃度検出手段および電流値検出手段など、複数の検出手段を組み合わせて構成してもよい。この場合には、複数の検出信号から複合的にメタノールの量を検知できるので、より正確なメタノール量の制御を行える。
なお、メタノール量検出手段は、メタノール濃度を検出するメタノール濃度検出手段や、燃料電池で発生する電流値を検出する電流値検出手段に限らず、その他任意の方式を採用できる。
【００５３】
本発明の燃料電池または燃料電池システムは、小型化を促進できるので、例えば携帯電話やノートパソコンなどの携帯機器、車、その他任意の装置に適用できる。
【００５４】
本発明を実施するための最良の構成、方法などは、以上の記載で開示されているが、本発明は、これに限定されるものではない。すなわち、本発明は、主に特定の実施形態に関して特に図示され、かつ、説明されているが、本発明の技術的思想および目的の範囲から逸脱することなく、以上述べた実施形態に対し、形状、材質、数量、その他の詳細な構成において、当業者が様々な変形を加えることができるものである。
したがって、上記に開示した形状、材質などを限定した記載は、本発明の理解を容易にするために例示的に記載したものであり、本発明を限定するものではないから、それらの形状、材質などの限定の一部もしくは全部の限定を外した部材の名称での記載は、本発明に含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の第一実施形態にかかる燃料電池を示す側断面図。
【図２】第一実施形態にかかる燃料電池システムを示す概略構成図。
【図３】第一実施形態にかかる燃料電池システムの動作を示すフローチャート。
【図４】第一実施形態にかかる燃料室内のメタノール水溶液の濃度を示す図。
【図５】第二実施形態にかかる燃料電池システムを示す概略構成図。
【図６】第二実施形態にかかる燃料電池システムの動作を示すフローチャート。
【図７】本発明の燃料電池システムの変形例を示す図。
【符号の説明】
【００５６】
１…燃料電池、２…高分子固体電解質膜、３…アノード電極、４…カソード電極、５…燃料拡散層、６…空気拡散層、７，８…集電体、９…気液分離膜、３１…燃料室（アノード側反応室）、４１…空気室、１００…燃料電池システム、１０１…メタノールタンク（メタノール供給手段）、１０１Ａ，１０２Ａ…バルブ、１０２…純水タンク（水供給手段）、１０３…ミキサ、１０４…ポンプ、１０５…供給制御手段、１０６…メタノール濃度検出手段（メタノール量検出手段）。
【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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