(57)【要約】【課題】安全で人体に無害であって、燃料を容易に供給することができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】メタノールを燃料とし、メタノールと酸素との電気化学反応により発電する燃料電池本体１と、燃料電池本体１にメタノールを供給する燃料供給手段２とを備えた燃料電池システムであって、燃料供給手段２は、メトキシル基を有する多糖類化合物の脱メタノール反応によってメタノールを供給する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
メタノールを燃料とし、当該メタノールと酸素との電気化学反応により発電する燃料電池本体と、当該燃料電池本体にメタノールを供給する燃料供給手段とを備えた燃料電池システムであって、
前記燃料供給手段は、メトキシル基を有する多糖類化合物の脱メタノール反応によってメタノールを供給する燃料電池システム。
【請求項２】
前記多糖類化合物は、ペクチンである請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料供給手段は、前記燃料電池本体の発電状態に対応して、前記脱メタノール反応を制御する反応制御手段を備える請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、メタノールを燃料とし、メタノールと酸素との電気化学反応により発電する燃料電池本体と、当該燃料電池本体にメタノールを供給する燃料供給手段とを備えた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、様々なタイプの燃料電池が検討されており、その一つとして、メタノールをアノード電極において直接反応させることにより発電する所謂直接メタノール型燃料電池（Direct Methanol Fuel Cell、以下、ＤＭＦＣと称する）が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
ＤＭＦＣでは燃料としてメタノールを直接供給することができるため、従来の水素ガスを燃料とする燃料電池のように、有機燃料物質を水素ガスに変換する燃料改質器が不要となる。また、燃料であるメタノールは常温で安定に存在する物質であるため、容易に貯蔵することができる。
【０００４】
このように、ＤＭＦＣは常温、常圧で作動でき、また小型化も可能であることから、携帯電話機、ＰＤＡ（Personal Data Assistance）、ノートパソコン等の携帯用電子機器や、医療機器、軍事用装備等の電源として、注目されており、開発が進められている。
【０００５】
【特許文献１】特開平５−２５８７６０号公報（第２−４頁）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、メタノール自体は、毒性を有しており、また腐食性が高いものであるため取り扱い難く、特にＤＭＦＣを広範に普及させるためには、安全性の向上が課題であった。
【０００７】
また、ＤＭＦＣでは、アノード電極においてメタノールと水とが反応するため、燃料としてのメタノールは、メタノール水溶液もしくはメタノール蒸気として供給する。このため、メタノールの濃度を一定に保ちながら供給する必要があり、濃度管理が難しいという問題があった。
【０００８】
メタノール水溶液やメタノール蒸気としてそのまま貯蔵して供給する場合には、原液を貯蔵する場合に比べて大きな貯蔵スペースが必要となる。一方、原液を貯蔵しつつその都度、メタノール水溶液またはメタノール蒸気を調製して供給する場合には希釈または蒸発スペースが必要なる。このため、燃料改質器を使用しないにも関わらず、装置が大掛りになり、用途が限定されるという問題があった。
【０００９】
本発明は上記問題に鑑み案出されたものであり、安全で人体に無害であって、燃料を容易に供給することができる燃料電池システムを提供することを解決すべき課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る燃料電池システムの第１特徴構成は、メタノールを燃料とし、当該メタノールと酸素との電気化学反応により発電する燃料電池本体と、当該燃料電池本体にメタノールを供給する燃料供給手段とを備えた燃料電池システムであって、前記燃料供給手段は、メトキシル基を有する多糖類化合物の脱メタノール反応によってメタノールを供給する点にある。
【００１１】
つまり、この構成によれば、燃料電池システムを使用する場合に、使用者が直接メタノールに触れることがなくなる。そして、多糖類化合物は人体に無害のものであるため、安全な燃料電池システムとすることができる。なお、脱メタノール反応は、メトキシル基を有する多糖類化合物からメタノールが生成する反応であり、酵素による加水分解反応やけん化反応等を含むものである。
【００１２】
また、多糖類化合物は固体であるため、安全かつ容易に貯蔵することができる。しかも液体を保存する場合に比べて貯蔵スペースを小さくすることができる。さらには、溶液として使用する場合にも、固体であることにより濃度調整が容易となる。
【００１３】
さらに、多糖類化合物が有するカルボキシル基に、事前にメチルエステル化反応させておくことにより、多糖類化合物が有するメトキシル基の量を任意に増やすことができる。また、脱メタノール反応後の多糖類化合物のカルボキシル基に対して、メチルエステル化反応させることによって、多糖類化合物を再利用することもできる。
【００１４】
本発明に係る燃料電池システムの第２特徴構成は、前記多糖類化合物は、ペクチンである点にある。
【００１５】
つまり、この構成によれば、ペクチンは、天然に存在する多糖類化合物の中でも多くのメトキシル基を有しているため、効率よくメタノールを供給することができる。また、ペクチンは、メトキシル基を分解する酵素であるペクチンメチルエステラーゼを含有しているため、反応開始剤となる試薬を新たに添加することなく、メタノールを容易に生成することができる。
【００１６】
本発明に係る燃料電池システムの第３特徴構成は、前記燃料供給手段は、前記燃料電池本体の発電状態に対応して、前記脱メタノール反応を制御する反応制御手段を備える点にある。
【００１７】
つまり、この構成によれば、メタノールの生成を制御することができるため、ＤＭＦＣへのメタノールの供給量を容易に調整することができる。また、脱メタノール反応の開始、停止を任意に制御することができるため、容易に貯蔵することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明に係る燃料電池システムは、メタノールを燃料とし、メタノールと酸素との電気化学反応により発電する燃料電池本体と、当該燃料電池本体にメタノールを供給する燃料供給手段とを備えた燃料電池システムであって、前記燃料供給手段は、メトキシル基を有する多糖類化合物の脱メタノール反応によってメタノールを供給するものである。そして、これにより安全で人体に無害であって、燃料を容易に供給することができる燃料電池システムを提供することができる。
【００１９】
以下、本発明に係る燃料電池システムについて、その一例を図１に示して説明する。
本実施形態に係る燃料電池システムは、直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）本体１と燃料供給手段２ａとを備えて構成される。ＤＭＦＣ１本体と燃料供給手段２ａとは、パイプ（図示しない）によって接続されており、燃料供給手段２ａにおいて発生するメタノールは、ＤＭＦＣ本体１のアノード極（燃料極）に供給されるようになっている。
【００２０】
ＤＭＦＣ本体１は、従来公知のメタノールを燃料として発電する燃料電池が適用することができ、一般的にアノード電極とカソード電極との間に電解質膜が挟まれた構造を有している。
【００２１】
アノード電極及びカソード電極は、燃料の供給及び拡散のための燃料拡散層と、電極反応である酸化還元反応が起こる触媒層、電極支持体を備えている。
アノード電極では、供給されたメタノールと水とが反応して二酸化炭素、水素イオン、電子を生成し、生成された水素イオンは水素イオン交換膜を経てカソード電極に伝達される。カソード電極では、還元反応により水素イオンと、外部回路を介して伝達された電子及び酸素が反応して水を生成する。そして、燃料電池としては、メタノールと酸素とが反応して水と二酸化炭素を生成する反応となっている。
前記触媒層における触媒は、低温でも優れた酸化還元反応特性を有する白金等の貴金属が使用でき、また、反応副生成物の一酸化炭素による触媒被毒現象を防止するためには、ルテニウム、ロジウム、オスニウム、ニッケル等の転移金属の合金が好ましく適用することができる。
また、電極支持体は、炭素紙または炭素織物等が用いられ、燃料の供給及び反応生成物の排出を容易にするために止水処理がされている。
【００２２】
電解質は、厚みが５０乃至２００μｍである高分子膜が適用でき、特に、水分を含有することによりイオン伝導性を有する水素イオン交換膜が好ましく適用できる。
【００２３】
燃料供給手段２ａは、内部にメトキシル基を有する多糖類化合物を溶液として有し、脱メタノール反応によってメタノールを発生させる。燃料供給手段２ａは、溶液の周りの温度を一定に保ち、溶液を加温する恒温循環ポンプ３を備え、溶液の温度を制御することができる。また、恒温循環ポンプ３に加え、または代えて、ヒータ（図示しない）を設けることもできる。
また、燃料供給手段２ａには、溶液のｐＨを調整するためのｐＨ調整用口（図示しない）や、脱メタノール反応を開始させるための酵素や触媒を投入する反応開始剤投入口（図示しない）を設けることもでき、脱メタノール反応の反応条件を制御したり、任意に反応を開始させたりすることができる。すなわち、温度及びｐＨの制御、反応開始剤の有無により、反応を制御することができ、恒温循環ポンプ３、ヒータ、ｐＨ調整用口、反応開始剤投入口等は、いずれも反応制御手段の一例である。
【００２４】
また、燃料供給手段２ａには、空気ポンプ４が設けられており、溶液を曝気することにより、溶液中に生成したメタノールをメタノールガスとしてＤＭＦＣ本体１に供給することができる。
【００２５】
メトキシル基を有する多糖類化合物としては、任意のものが適用することができるが、中でもペクチンは、ポリ−Ｄ−ガラクツロン酸メチルエステルを主成分とするものであり、多くの植物の細胞壁および細胞間物質を形成する酸性多糖類化合物で、安全で人体に無害であるため、好ましく適用することができる。もちろん、ペクチンは、全てがメチルエステル化されている必要は無く、ガラクツロン酸メチルエステルとガラクツロン酸とが混在して分子を構成していてもよい。さらにペクチンの分子内には、ラムノース、アラビノース、ガラクトース、２−メチルフコース、２−メチルキシロース、アピオース、アラビナン、ガラクタン，アラビノガラクタン等を含んでいてもよい。
【００２６】
また、ペクチンは、細胞壁ペクチン分解酵素であるペクチンメチルエステラーゼを有しており、このペクチンメチルエステラーゼはペクチン性多糖類の主成分であるポリ−Ｄ−ガラクツロン酸メチルエステルのメトキシル基を特異的に加水分解して、メタノールとガラクツロン酸とを生成することができる。このため、別途反応開始剤を投入することなく、脱メタノール反応を進行させることができる。
【００２７】
このように、ペクチンは自然界に広く存在し、食品にも使用される安全無害な化合物である。そして、ペクチンを用いることにより、内在するペクチンメチルエステラーゼによってペクチンからメタノールを容易に生成することができる。
【実施例】
【００２８】
以下、多糖類化合物としてペクチンを用いた場合を例にとって、燃料電池システムの燃料供給手段における脱メタノール反応の条件を検討した結果を示す。
（実施例１）
【００２９】
ペクチンとｐＨ７．５の０．２Ｍリン酸カリウム緩衝液とを混合し、それぞれペクチンを０．５％、１％、５％、１０％含むペクチン溶液を調製した。ぞれぞれのペクチン溶液６００μｌを１２ｃｍ×８ｃｍのガーゼにしみ込ませ、１０ｍｌのガラスバイアルに入れて密閉し、５５℃で３０分間保持した。その後、ガラスバイアルから２００μｌの気体をとり、ガスクロマトグラフィで気体中のメタノール濃度を分析した。なお、ガスクロマトグラフィは、ＤＢ−ＷＡＸキャピラリーカラム（Ｊ＆Ｗ  Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ）（６０ｍ×０．５３ｍｍ）によるガスクロマトグラフィシステム（ＳＨＩＭＡＤＺＵ  ＧＣ−１４Ｂ（株）島津製作所）を使用した。
その結果、図２に示す通り、脱メタノール反応は進行しており、ペクチン溶液におけるペクチン濃度が５％の時が、最もメタノール濃度が高くなることが分かった。
【００３０】
（実施例２）
実施例１におけるペクチン濃度０．５％のペクチン溶液を用いて、実施例１と同様にガーゼにしみ込ませて、ガラスバイアルに入れて密閉し、温度をそれぞれ３０℃、５５℃、８０℃、１００℃に変えて３０分間保持し、その後のガラスバイアル中のメタノール濃度を分析した。
その結果、図３に示す通り、温度が高くなるほど、メタノールの生成量が増加することが分かった。
【００３１】
（実施例３）
実施例１におけるペクチン濃度０．５％のペクチン溶液を用いて、実施例１と同様にガーゼにしみ込ませて、ガラスバイアルに入れて密閉し、５５℃で時間を変えて、その後のガラスバイアル中のメタノール濃度を分析した。
その結果、図４に示す通り、約３３時間連続して、メタノールが生成できることが分かった。
【００３２】
（実施例４）
ペクチンとそれぞれｐＨ４．４、ｐＨ７．５、ｐＨ８．９の０．２Ｍリン酸カリウム緩衝液とを混合し、ペクチン濃度０．５％のペクチン溶液を調製した。ぞれぞれのペクチン溶液６００μｌを１２ｃｍ×８ｃｍのガーゼにしみ込ませ、１０ｍｌのガラスバイアルに入れて密閉し、５５℃で３０分間保持した。その後のガラスバイアル中のメタノール濃度を分析した。
その結果、図５に示す通り、ｐＨの値が高くなる(アルカリ性)ほど、メタノールの生成量が増加することが分かった。
【００３３】
上記実施例１〜４の結果により、中性またはアルカリ性条件下、温度５０〜１００℃で脱メタノール反応を行うことにより、良好にメタノールを生成でき、また、酸性条件下または温度を室温以下に保持することにより、脱メタノール反応を停止することができることが分かった。
【００３４】
（実施例５）
図１に示した燃料電池システムを用いてＤＭＦＣ本体１の電池出力を測定した。すなわち、ペクチンとｐＨ７．５の０．２Ｍリン酸カリウム緩衝液とを混合したペクチン濃度５％のペクチン溶液５００ｍｌを燃料供給手段２ａの中に入れた。恒温循環ポンプ３を駆動させて、ペクチン溶液が８０℃になるように溶液周りを加温、保持し、空気ポンプ４によりペクチン溶液を１００ｍｌ／分の流速で曝気した。これにより生成したメタノールをＤＭＦＣ本体１に供給し、電池出力を調べた。
その結果、図６に示す通り、メタノールは約３３時間連続して安定的に生成され、６０ｍＡ〜７０ｍＡの電流（３０ｍＷ〜３５ｍＷ）が継続的に得られた。
したがって、ペクチンの加水分解反応で発生するメタノールによって、ＤＭＦＣ本体１は、良好に発電することができることが分かった。
【００３５】
〔別実施形態〕
本発明に係る燃料電池システムの別実施形態について、図７に示して説明する。本別実施形態の燃料電池システムは、前記実施形態とは、燃料供給手段２ｂの構造が異なっている。すなわち、本別実施形態では、燃料供給手段２ｂは、ＤＭＦＣ本体１と接触しており、その内部においてメトキシル基を有する多糖類化合物から発生したメタノールガスを、直接アノード電極（図示せず）に供給できるようになっている。また、上記構造の他、使用時にメタノールガスの電池側への供給が始まる構造としてもよい。
【００３６】
燃料供給手段２ｂには、反応制御手段の一例として、脱メタノール反応を制御するためのｐＨ調整剤や、酵素や触媒のような反応開始剤を投入する投入口５や、加熱、保温設備（図示しない）等が設けられており、脱メタノール反応を制御することができる。
【００３７】
そして、このような燃料供給手段２ｂは、ＤＭＦＣ本体１に対して取り外し可能とすることにより、例えば、多糖類化合物としてペクチンを適用した場合に、燃料供給手段２ｂの内部を酸性条件や温度を室温以下にすることにより貯蔵しておくことができる。そして、使用時にはＤＭＦＣ本体１に取り付けて、中性またはアルカリ性条件にしたり加熱することにより、脱メタノール反応を開始させることができる。したがって、燃料供給手段２ｂは、カートリッジとして使用することも可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明に係る燃料電池システムは、さまざまな用途に適用でき、例えば、携帯電話機、ＰＤＡ（Personal Data Assistance）、ノートパソコン等の携帯用電子機器や、医療機器、軍事用装備等の電源として適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本実施形態の燃料電池システム
【図２】ペクチン濃度とメタノール濃度との関係を示す図
【図３】反応温度とメタノール濃度とのの関係を示す図
【図４】反応時間とメタノール濃度との関係を示す図
【図５】ｐＨとメタノール濃度との関係を示す図
【図６】燃料電池の電池出力を示す図
【図７】別実施形態の燃料電池システム
【符号の説明】
【００４０】
１  直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）本体
２  燃料供給手段
３  恒温循環ポンプ
４  空気ポンプ
【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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