JP2003132924A - 直接メタノール形燃料電池システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 体積エネルギー効率の向上に寄与することが
でき、安全性を高めることができる直接メタノール形燃
料電池システムの構成を得る。 【解決手段】 単電池セル１、燃料タンク２および高濃
度メタノールタンク３を備え、単電池セル１は、プロト
ン導電性固体高分子膜からなる電解質１１を介して負極
１２と正極１３とを対設し、前記負極１２に液体燃料
を、前記正極１３に酸化剤ガスを供給する構成を設けた
ものであり、燃料タンク２には、単電池セル１に供給す
る液体燃料としてのメタノール水溶液が貯蔵され、高濃
度メタノールタンク３には、前記燃料タンク２に供給す
る、前記メタノール水溶液の濃度より高濃度のメタノー
ルが貯蔵されるようにし、前記燃料タンク２内のメタノ
ール水溶液の濃度が所定値になるように、高濃度メタノ
ールタンク３からのメタノールの供給を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は直接メタノール形燃
料電池システムに関するもので、さらに詳しく言えば、
液体燃料としてのメタノール水溶液と酸化剤ガスとを直
接供給して発電を行うことができる直接メタノール形燃
料電池の安全性を高めることができる、携帯形小型電子
機器用電源、コンピュータ用電源に最適なシステムの構
成に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、環境問題や資源問題への対策が重
要視され、その対策の一つとして燃料電池の開発が活発
に行われている。特に、燃料のメタノールを改質または
ガス化せずに直接発電に利用する直接メタノール形燃料
電池は、構造がシンプルで小型化、軽量化が容易である
という点で、携帯形小型電子機器用電源、コンピュータ
用電源として注目されている。

【０００３】直接メタノール形燃料電池は、電解質の両
側を負極と正極とで挟んで接合し、前記負極に燃料とし
てのメタノール水溶液を供給する構成を有し、前記正極
に空気などの酸化剤ガスを供給する構成を有する単電池
セルが複数個積層されたセルスタック、各単電池セルに
メタノール水溶液を供給する構成、各単電池セルに酸化
剤ガスを供給する構成および各単電池セルの電気化学反
応によって生成した反応生成物を排出する構成を備えて
なり、各単電池セルにメタノール水溶液を供給する構
成、各単電池セルに酸化剤ガスを供給する構成および反
応生成物を排出する構成としては、流路溝とマニホール
ドを有するセパレータが知られている。

【０００４】すなわち、前記セパレータの流路溝やマニ
ホールドは、負極にメタノール水溶液を供給し、正極に
酸化剤ガスを供給する役割を果たすだけでなく、負極か
らは生成した二酸化炭素と反応に使用されなかった一部
のメタノール水溶液を、正極からは生成した水と反応に
寄与しなかった空気を、反応生成物とともに排出する役
割も果たしている。

【０００５】このような直接メタノール形燃料電池は、
負極にメタノール水溶液を供給し、正極に酸化剤ガスを
供給すると、負極ではメタノールと水が反応する電気化
学反応によって二酸化炭素が生成するとともに水素イオ
ンと電子を放出し、正極では電解質を通過してきた前記
水素イオンと空気中の酸素とが電子を取り込む電気化学
反応によって水を生成し、外部回路に電気エネルギーを
得ることができる。

【０００６】ところが、上記した直接メタノール形燃料
電池に使用される電解質はプロトン導電性固体高分子膜
であり、電解質としての役割は果たしているが、燃料の
メタノールが透過しやすいという欠点があるため、反応
に使用されなかったメタノールが電解質を通って正極に
到達し、これが正極で酸素と反応して二酸化炭素と水を
生成し、燃料の利用率低下の原因になったり、正極の触
媒上にメタノールが存在することによる正極電位の低下
の原因になる。

【０００７】また、直接メタノール形燃料電池は、その
出力特性の点からは、燃料の濃度を高くした方が好まし
いが、燃料の濃度を高くすると、メタノールの透過（ク
ロスオーバー）が多くなるため、メタノールの透過量の
増加による効率の低下を考慮したうえで出力特性を定め
る必要があり、言い換えれば、出力特性や効率が運転温
度、燃料や酸化剤ガスの供給量などの運転条件に大きく
依存するという特徴があった。

【０００８】従来、このような制約を少なくするものと
して、最適条件のメタノール水溶液を燃料極側に供給す
る構造のものが知られていた。たとえば、特表平１１−
５１０３１１号（国際公開番号ＷＯ９７／２１２５６）
公報には、アノードからカソードに透過してきた未使用
の燃料とアノードで生成した炭酸ガスを分離し、分離さ
れた未使用の燃料とカソードで生成された水を混合した
後、その濃度が最適値となるように濃度センサで検知し
ながら、純メタノールタンクまたは水タンクから液送ポ
ンプによりメタノールまたは水を加える構造が提案され
ている。また、特開２０００−２１４２６号公報には、
電気化学反応で生成した水と二酸化炭素を混合器に供給
し、あらかじめ混合器内に貯留されている水と反応させ
て炭酸を生成させ、この炭酸と燃料としてのメタノール
を混合することにより、反応生成物を有効利用するとと
もに、燃料の利用効率の低下を抑制する構成が記載され
ている。また、特開平９−１６１８６０号公報には、電
気化学反応で生成した水と炭酸ガスおよび未使用のメタ
ノールから炭酸ガスを除去したものを、最適濃度に制御
しながらポンプで循環させる構成が開示されている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】このような直接メタノ
ール形燃料電池は、メタノールを、クロスオーバーの発
生による出力特性の低下が小さくできる濃度にしたうえ
でセルスタックに供給するものであり、これにメタノー
ルを貯蔵する構成を備え、前記構成に上述した濃度のメ
タノールを貯蔵しようとすると、濃度が１００％のメタ
ノールの持つエネルギー密度が４３００ｋｃａｌ／ｋｇ
であるのに対し、上述した濃度が３％であれば、それが
１２９ｋｃａｌ／ｋｇになるため、メタノールを貯蔵す
る構成が大規模になって、燃料電池システムとしての体
積エネルギー効率が大きく低下するという問題があっ
た。

【００１０】また、上記した構成に、濃度が１００％の
メタノールを貯蔵しようにすると、引火の危険性が高ま
り、システムの安全性という点で好ましくないといった
問題があった。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は上記した課題を
解決するためになされたもので、メタノールの持つエネ
ルギー密度に着目しつつ、その引火性についての検討を
行い、システムの安全性と体積エネルギー効率の両方が
改善できる直接メタノール形燃料電池システムを得るこ
とを目的とし、その請求項１記載の発明は、プロトン導
電性固体高分子膜からなる電解質を介して負極と正極と
を対設し、前記負極に液体燃料を、前記正極に酸化剤ガ
スを供給する構成を設けた単電池セルまたはこの単電池
セルが複数個積層されたセルスタックと、前記単電池セ
ルに供給する液体燃料としてのメタノール水溶液を貯蔵
する燃料タンクと、前記メタノール水溶液の濃度より高
濃度のメタノール水溶液を貯蔵する高濃度メタノールタ
ンクとを備えた直接メタノール形燃料電池システムであ
って、前記単電池セルまたはセルスタックにはメタノー
ル水溶液と酸化剤ガスを供給する構成および単電池セル
の電気化学反応によって生成した反応生成物を排出する
構成が備えられるとともに、前記単電池セルに供給され
るメタノール水溶液の濃度が所定値になるように、高濃
度メタノールタンクからのメタノール水溶液の供給を制
御する構成が備えられていることを特徴とし、その請求
項２記載の発明は、請求項１記載の直接メタノール形燃
料電池システムにおいて、燃料タンクに貯蔵されるメタ
ノール水溶液の濃度は１〜２０％に維持され、高濃度メ
タノールタンクに貯蔵されるメタノール水溶液の濃度は
２０〜６０％であることを特徴とし、その請求項３記載
の発明は、請求項１または２記載の直接メタノール形燃
料電池システムにおいて、高濃度メタノールタンクは燃
料タンクより容積が大であることを特徴とする。

【００１２】すなわち、請求項１，２記載の発明によれ
ば、燃料タンクにはセルスタックの電気化学反応に適し
た濃度のメタノール水溶液を貯蔵し、高濃度メタノール
タンクには引火の危険性がない濃度のメタノール水溶液
を貯蔵し、燃料タンクに貯蔵するメタノール水溶液の濃
度が所定値になるように制御しているから、システムの
安全性を維持しつつ、その体積エネルギー効率の改善を
図ることができる。また、請求項３記載の発明によれ
ば、高濃度メタノールタンクは燃料タンクより容積を大
にしているから、その体積エネルギー効率をさらに向上
することができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明を、その実施の形態
に基づいて説明する。

【００１４】図１は、本発明の実施の形態に係る直接メ
タノール形燃料電池システムの構成を示し、その特徴
は、単電池セル１、燃料タンク２および高濃度メタノー
ルタンク３を備え、前記単電池セル１は、プロトン導電
性固体高分子膜からなる電解質１１を介して負極１２と
正極１３とを対設し、前記負極１２に液体燃料としての
メタノール水溶液を、前記正極に酸化剤ガスとしての空
気を供給する構成を設けたもので、前記燃料タンク２に
は、単電池セル１に供給するメタノール水溶液が貯蔵さ
れ、前記高濃度メタノールタンク３には、前記燃料タン
ク２に貯蔵されるメタノール水溶液の濃度より高濃度の
メタノールが貯蔵されるようにし、前記単電池セル１に
は、さらにメタノール水溶液と空気を供給する構成およ
び単電池セル１の電気化学反応によって生成した反応生
成物を排出する構成が備えられ、燃料タンク２内のメタ
ノール水溶液の濃度が所定値になるように、高濃度メタ
ノールタンク３からのメタノール水溶液の供給を制御す
る構成を備えたことである。

【００１５】図１に示した直接メタノール形燃料電池シ
ステムでは、単電池セル１を備えているが、この単電池
セル１に代えて、単電池セル１を複数個積層したセルス
タックにしてもよい。

【００１６】図２は、前記単電池セル１の斜視図であ
る。すなわち、図２に示したように、電解質１１の両面
に負極１２と正極１３が設けられ、電解質１１に接触し
ない負極１２の外側面に設けられた負極側セパレータ１
４と、電解質１１に接触しない正極１３の外側面に設け
られた正極側セパレータ１５によって挟持され、これら
のセパレータ１４，１５の外側面には負極端子板１６と
正極端子板１７が配され、燃料としてのメタノール水溶
液と図示していない酸化剤ガスを供給する構成および反
応生成物としての二酸化炭素と空気と水を排出する構成
を設けたエンドプレート１８と締め付け用ボルト１９で
締め付けられた構造のものである。このような構成は単
電池セル１０が複数個積層されてなるセルスタック１で
あっても同様である。なお、前記セパレータ１４，１５
は、材質がカーボン、金属などの導電性の材料がよい。

【００１７】前記単電池セル１から排出された、反応生
成物としての二酸化炭素と空気と水は、気液分離槽４に
供給され、未反応のメタノールと水とは燃料タンク２に
戻され、二酸化炭素と空気とは外部に排出される。これ
により、燃料タンク２中のメタノール水溶液の濃度は徐
々に低下するので、高濃度メタノールタンク３から高濃
度のメタノール水溶液を供給し、単電池セル１に供給さ
れるメタノール水溶液の濃度が所定値になるように制御
される。なお、高濃度メタノールタンク３から燃料タン
ク２にメタノール水溶液を供給する際、直接燃料タンク
２にメタノール水溶液を供給する場合は、燃料タンク２
内のメタノール水溶液を攪拌したり、燃料タンク２の寸
法を小さくして燃料タンク２内のメタノール水溶液の濃
度を均一にするようにした方がよく、気液分離器４から
燃料タンク２に至る経路から供給する場合は、別途濃度
を均一にするようにしなくてもよい。また、単電池セル
１に供給されるメタノール水溶液の濃度が所定値になる
ように制御できれば、燃料タンク２から単電池セル１に
至る経路に供給してもよい。

【００１８】このメタノール水溶液の供給を制御する構
成としては、燃料タンク２に設けた濃度センサー５と、
燃料タンク２へのメタノール水溶液の供給路に設けたバ
ルブ６と、前記濃度センサー５によって検出されたメタ
ノール水溶液の濃度に基づいて前記バルブ６を制御する
コントローラー７とからなるものがよい。

【００１９】前記高濃度メタノールタンク３に貯蔵する
メタノールの濃度を定めるために、濃度が１００％のメ
タノールと、濃度が８０％、７０％、６５％、６０％、
５５％、５０％のメタノール水溶液を、それぞれ綿製の
糸に染み込ませ、ライターの火炎中に５秒間入れて引火
するかどうかを調査したところ、濃度が６５％以上のも
のは引火したのに対し、濃度が６０％以下のものは引火
しないことがわかったので、高濃度メタノールタンク３
に貯蔵する濃度の上限を６０％とした。また、このよう
な直接メタノール形燃料電池の、他の電池に対する優位
性を保つために、リチウムイオン二次電池の持つエネル
ギー密度より高い８６０ｋｃａｌ／ｋｇになる濃度（２
０％）を下限とした。

【００２０】また、燃料タンク２に貯蔵されるメタノー
ル水溶液の濃度は、メタノールの透過量の増加による効
率の低下を考慮したうえで良好な出力特性が得られる範
囲である１〜２０％に維持されるようにしている。そし
て、燃料タンク２内のメタノール水溶液の濃度が放電に
よって所定値より低下すると、これを濃度センサー５で
検知し、コントローラー７によってバルブ６を開き、燃
料タンク２内に上限濃度が６０％のメタノール水溶液を
供給し、燃料タンク２内のメタノール水溶液の濃度が所
定値になる制御を行い、それが所定値に達するとコント
ローラー７によってバルブ６を閉じてその供給を停止す
るようにする。

【００２１】上記した実施の形態の説明では、高濃度メ
タノールタンク３に貯蔵されるメタノール水溶液は燃料
タンク２に貯蔵されるメタノール水溶液の濃度より高濃
度であることを要件としており、この要件を満たすもの
であれば、電池の電気化学反応に悪影響を与えることが
ない、有機物質や無機物質が第３物質として含有された
ものであってもよい。

【００２２】また、高濃度メタノールタンクは容積を燃
料タンクの容積より大にすることにより、その体積エネ
ルギー効率をさらに向上させることができる。

【００２３】さらに、上記した実施の形態の説明では、
直接メタノール形燃料電池システムを、携帯形小型電子
機器用電源、コンピューター用電源等の用途に用いるこ
とを前提に説明したが、高濃度メタノールタンクを燃料
タンクや単電池セルまたは単電池セルを複数個積層した
セルスタックを別置した大規模なシステムとして構成す
ることもできる。

【００２４】

【発明の効果】以上のように、本発明は、直接メタノー
ル形燃料電池システムを構成するに際し、体積エネルギ
ー効率の向上に寄与することができるとともに、安全性
を確保する上で極めて有効であり、携帯形小型電子機器
用電源、コンピューター用電源等に、その用途の拡大を
図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係る直接メタノール形燃
料電池システムの構成を示す図である。

【図２】本発明の実施の形態に係る直接メタノール形燃
料電池システムに使用する単電池セルの斜視図である。

【符号の説明】

１ 単電池セル ２ 燃料タンク ３ 高濃度メタノールタンク

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 プロトン導電性固体高分子膜からなる電
   解質を介して負極と正極とを対設し、前記負極に液体燃
   料を、前記正極に酸化剤ガスを供給する構成を設けた単
   電池セルまたはこの単電池セルが複数個積層されたセル
   スタックと、前記単電池セルに供給する液体燃料として
   のメタノール水溶液を貯蔵する燃料タンクと、前記メタ
   ノール水溶液の濃度より高濃度のメタノール水溶液を貯
   蔵する高濃度メタノールタンクとを備えた直接メタノー
   ル形燃料電池システムであって、前記単電池セルまたは
   セルスタックにはメタノール水溶液と酸化剤ガスを供給
   する構成および単電池セルの電気化学反応によって生成
   した反応生成物を排出する構成が備えられるとともに、
   前記単電池セルに供給されるメタノール水溶液の濃度が
   所定値になるように、高濃度メタノールタンクからのメ
   タノール水溶液の供給を制御する構成が備えられている
   ことを特徴とする直接メタノール形燃料電池システム。
2. 【請求項２】 請求項１記載の直接メタノール形燃料電
   池システムにおいて、燃料タンクに貯蔵されるメタノー
   ル水溶液の濃度は１〜２０％に維持され、高濃度メタノ
   ールタンクに貯蔵されるメタノール水溶液の濃度は２０
   〜６０％であ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。
3. 【請求項３】 請求項１または２記載の直接メタノール
   形燃料電池システムにおいて、高濃度メタノールタンク
   は燃料タンクより容積が大であ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。