JP2003297401A - 直接型液体燃料燃料電池発電装置およびその制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、長時間発電における出力の低下を
抑制し、有毒な物質の排出を抑制することを可能とす
る。 【解決手段】 本発明の直接燃料電池発電装置は、アノ
ード極と、カソード極と、前アノード極とカソード極で
挟持された電解質膜と、燃料を流通させるアノード流通
路と、酸化剤を流通させるカソード流通路と、前記アノ
ード流通路の供給口に接続された燃料収容容器と、前記
カソード流通路の排出口に接続され、起電部に供給され
た燃料、未反応酸化剤、電池反応生成物を回収するカソ
ード回収容器を備えた直接型メタノール燃料電池発電装
置において、前記カソード排出口から排出される物質
を、前記カソード回収容器内に存在している水と接触さ
せて、気液接触を行なうための機構と、前記カソード回
収容器内に回収された水溶液を、前記燃料収容容器に送
液を行なうための機構とを少なくとも備えたことを特徴
とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、直接型液体燃料燃
料電池発電装置、特にメタノール水溶液を用いた直接型
液体燃料燃料電池発電装置およびその制御方法に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】情報化社会を支える携帯用電子機器の電
源として、また大気汚染や地球温暖化に対処するための
電気自動車及び電力貯蔵システムのキーエレメントとし
て、高性能２次電池及び燃料電池の期待が高まりつつあ
る。特に電気自動車への応用としては、水素、酸素を燃
料として用いるＰＥＭ（ＰＥＦＣ、固体電解質燃料電
池）が有力視されてきた。水素、酸素というクリーンな
エネルギーを用いることにより高出力が得られる点と燃
料を補充することにより出力が回復するという２点で、
電気自動車に適していると考えられている。しかし、燃
料電池は大きな負荷電流変化に対して出力が低下すると
いう欠点があるので、急加速時の発電が困難である。一
方、リチウムイオン２次電池のみで走行する電気自動車
もすでに実現されているが、安全性の問題及び電解質溶
液を補充しても出力が回復できない等の観点からリチウ
ムイオン２次電池単独での電気自動車への応用も難しい
と考えられている。そこで、リチウムイオン二次電池と
燃料電池の両方の特徴を生かしたハイブリッド電池（組
電池）が、電気自動車への応用上重要になってきてい
る。さらに、ＰＥＭに用いる燃料容積を小さくするとい
う課題を解決するため、圧縮水素（２５０ａｔｍ）、液
体水素、水素吸蔵合金などを燃料として用いる方法も検
討されている。その様な状況の中、直接メタノールから
プロトンを取り出すことにより発電を行う直接型メタノ
ール燃料電池（ＤＭＦＣ）は、ＰＥＭと比較して出力が
小さくなるという欠点はあるが、この観点から注目され
ている。さらに、その燃料容積が少なくて済むという特
徴により、直接型メタノール燃料電池は携帯電子機器へ
の応用も考えられ、多方面への応用の期待が高まりつつ
ある。

【０００３】図１４に従来の標準的な直接型メタノール
燃料電池発電装置の概略図を示す（Journal of Power S
ources, 83, 204(1999)）。直接型メタノール燃料電池
の起電部はアノード集電体３及びアノード触媒層２を含
むアノード極と、カソード集電体５及びカソード触媒層
４を含むカソード極と、前記アノード極及び前記カソー
ド極の間に配置される電解質膜１とを含む。図１５に示
す様に、アノード流路板１５０には、メタノール供給口
１５２とメタノール排出口１５３とを有するメタノール
チャンネルであるアノード流路１５１が形成されてい
る。また、図１４で、メタノール水溶液が収容されてい
るメタノール水溶液容器１６は、ポンプ１９を介してメ
タノール供給口１２に接続されている。カソード流路板
８には、酸化剤供給口１４及び酸化剤排出口１５を有す
るガスチャンネルであるカソード流路１１が形成されて
いる。空気のような酸化剤を供給する酸化剤供給手段
は、酸化剤供給口１４に接続されている。

【０００４】電解質膜には、例えば、高プロトン伝導性
をもつナフィオン膜が用いられる。一方、アノード触媒
層に用いられる触媒には、例えば、被毒の少ないＰｔＲ
ｕが用いられ、また、カソード触媒層に用いられる触媒
としては、例えば、Ｐｔが用いられている。この様な直
接型メタノール燃料電池発電装置においては、アノード
触媒層にメタノール水溶液を供給し、触媒反応によって
プロトンを発生させ、発生したプロトンが電解質膜を通
り抜け、カソード触媒層に供給された酸素と触媒上で反
応するという原理で発電が行なわれる。

【０００５】ところで、直接型メタノール燃料電池の出
力を向上させるためには、高負荷電流まで高起電力を維
持させる必要がある。まず、高負荷電流を得るために
は、アノード触媒層に供給する単位時間当たりのメタノ
ール量を増やす必要がある。しかしながら、ナフィオン
膜はメタノール水溶液も透過するため、アノード触媒層
中で反応に使われなかったメタノール水溶液がカソード
触媒層に到達し、カソード触媒層中でアノード触媒層と
同様の反応を起こすことにより逆起電力を生じてしま
う。これがクロスオーバー過電圧であり、直接型メタノ
ール燃料電池の起電力を減少させるという問題を引き起
こす。このクロスオーバー過電圧はメタノール濃度が高
い程、深刻であり、５Ｍ以上のメタノール水溶液をアノ
ード触媒層に供給すると、出力は著しく低下する。さら
に、ナフィオン膜のような電解質膜の劣化を抑制すると
いう観点からも、メタノール水溶液の濃度を５Ｍ以下に
することが好ましい。よって、直接型メタノール燃料電
池を動作させるためには、燃料であるメタノール水溶液
の濃度を５Ｍ以下にすることが好ましい。

【０００６】また、クロスオーバー過電圧を下げる別の
方法としては、アノード触媒層に供給するメタノールを
すべてアノード触媒層中で消費し、カソード触媒層へ透
過させない方法が考えられる。即ち、アノード触媒層中
での触媒活性を向上させる、もしくは触媒担持量を増や
すなどの方法が考えられるが、現状の触媒では実現不可
能である。また、アノード触媒層中で使われなかったメ
タノール水溶液をカソード触媒層に透過させない様な電
解質膜の開発も行われているが、実際にはプロトン導伝
性が悪くなる電解質膜が多く、かえって出力を低下させ
る場合が多い。よって、クロスオーバー過電圧を下げる
には、燃料として用いるメタノール水溶液のメタノール
濃度を下げることである。しかしながら、低濃度の燃料
を用いると、燃料容器を大きくする必要があるため、直
接型メタノール燃料電池の特徴を十分に生かせなくなる
という問題を生じる。上記の様に、５Ｍ以下の濃度のメ
タノール水溶液を燃料として用いることが望ましいが、
例えば１Ｍ程度の薄いメタノール水溶液を燃料として用
いると、メタノール水溶液容器の容積が大きくなるだけ
でなく、電池内部での反応に対してメタノール不足を生
じやすいので、メタノール水溶液容器からメタノール水
溶液を早く送液する必要が出てくる。

【０００７】この様な運転を行えば、クロスオーバー過
電圧を下げられるため、電池としての出力は高くなるも
のの、メタノール水溶液を供給するためのポンプ出力も
大きくなるために、発電装置全体での出力は逆に低下し
てしまうという問題が生じる。

【０００８】以上説明した様に、燃料供給という観点か
らは、濃いメタノール水溶液を小さい流速で送ることが
望ましいが、出力の観点からは、薄いメタノール水溶液
を大きい流速で送る方が望ましいという相反する状況が
生じる。即ち、燃料容積を小さくし、かつ高出力を得る
ためには、最適な濃度のメタノール水溶液を最適な流速
で送液する必要がある。

【０００９】前述した図１４及び図１５に示す様に、通
常の直接型メタノール燃料電池は、ポンプによってアノ
ード流路板７にメタノール水溶液を供給する構造になっ
ている。ポンプ１９から供給されたメタノール水溶液は
流路板の供給口（ｉｎｌｅｔ）１５２を通して流路板の
溝１５１の部分を流れる。流路板の凸部分はアノードカ
ーボンペーパーの様なアノード集電体３と接しており、
アノード流路１０を流れるメタノール水溶液がアノード
集電体３に浸み込むことにより、アノード触媒層２にメ
タノールが供給される。しかしながら、アノード流路１
０を流れるすべてのメタノール水溶液がアノード集電体
３に浸み込むことはなく、一部は流路板７のメタノール
排出口１５３から排出される。このため、容器中のメタ
ノール水溶液の利用効率は、一般には低い。

【００１０】この効率を高めるために、流路板の構造を
改良する試みもなされているが、利用効率を著しく高め
るまでには至っていないのが現状である。また、図１６
に示す様に、アノード流路板７の排出口１３から排出さ
れたメタノール水溶液を容器に戻す仕組みを作製するこ
とも考えられるが、アノード触媒層中でメタノールと水
は１対１で消費されるため、アノード流路板から排出さ
れたメタノール水溶液を容器１６に戻すと、容器内のメ
タノール水溶液の濃度が徐々に薄くなって行く。そのた
め、前記起電部内部でメタノール不足を生じ、起電力が
急激に減少するという問題を生じる。よって、図１６の
送液方法を用いるためには、５Ｍ近くの濃いメタノール
水溶液を燃料として用いる必要がある。そうすることに
より、電池内部での急激なメタノール不足が生じること
を抑制することが可能になるだけでなく、長時間の発電
も可能となり、有効な送液手段となる。

【００１１】一方、アノード極における反応において
は、二酸化炭素が生成される。図１６の様に、アノード
流路の排出口１３とメタノール水溶液容器１６とを接続
し、余剰分のメタノール水溶液をメタノール水溶液容器
に戻す機構を用いると、アノード極で生成された二酸化
炭素がメタノール水溶液容器に蓄積され、メタノール水
溶液容器の内圧が上昇することになる。また、図１４の
様に、余剰分のメタノール水溶液をメタノール水溶液容
器に戻すことなく、別の容器に回収する方法を用いたと
しても、有限の体積をもつ容器であれば、容器内部の内
圧は徐々に高まっていくことになる。そのため、いずれ
にしても、送液ポンプの吐出圧力も徐々に高めていく必
要があり、その結果、直接型メタノール燃料電池発電装
置全体の出力低下をもたらすことになる。また、アノー
ド極側に、二酸化炭素が蓄積されると、アノード触媒２
の実効的な触媒表面積が低下するため、出力の低下をも
たらす可能性もある。そこで、このことを回避するため
には、アノード極で生成された二酸化炭素を外部に排出
することである。しかし、燃料として用いるメタノール
は、沸点が約６２℃と低いため、気体として二酸化炭素
に混合してしまう。また、このメタノールは、人体に対
して有毒であるため２６０ｐｐｍ以上を大気中に放出す
ることができない。よって、メタノールガスと二酸化炭
素とを分離して放出する必要が出てくる。しかし、現在
の技術では、メタノールガスと二酸化炭素を分離するこ
とは容易ではない。一方、蒸発するメタノールガスの量
を減らすために、燃料電池発電装置を低い温度で動作す
る方法も考えられるが、直接型メタノール電池の最大出
力が得られる動作温度の７０〜８０度と比較して、３０
度では出力が３分の１以下に低下してしまう。よって、
低温度で直接型メタノール燃料電池の発電を行うことは
不可能である。

【００１２】さらに、アノード触媒層２に拡散したメタ
ノールは、理想的にはすべて反応として消費されるべき
であるが、現実の発電では、副生成物を生じてしまう。
副生成物としては、ホルムアルデヒドもしくは蟻酸が考
えられ、いずれも、環境もしくは人体に対して有毒であ
り、大気中に放出される量が規制されている。特に、ホ
ルムアルデヒドは有毒であり、大気中に放出される量が
０．５ｐｐｍ以下に規制されている。これらの物質が、
二酸化炭素に混合してアノード極側から排出される可能
性もあるが、メタノールと同様水に対する溶解度が高い
ため、カソード極で生成する水に混じり、カソード極か
ら排出される可能性の方が大きいと考えられる。よっ
て、カソード極で生成される水には、メタノール、ホル
ムアルデヒド、蟻酸が混じるために、カソード極で生成
した水をそのまま外部へ廃棄することはできない。ま
た、ホルムアルデヒドは、室温において気体として存在
するので、カソード極から気体として排出される可能性
もある。よって、カソード極から排出される余剰分の酸
化剤を回収した時に、ホルムアルデヒドが含まれる可能
性があるので、カソード極から酸化剤排出口１４を経由
して回収された気体を、そのまま外部へ排出することは
できない。

【００１３】また、二酸化炭素とメタノールガスとを分
離するための方法としては、塩化カルシウム、塩化マグ
ネシウムなどの無機物や活性炭、ポリアクリルアミド系
ゲルの様なアルコールを吸収する有機物を吸着剤として
用いた吸収管中に、二酸化炭素とメタノールガスの混合
気体を送気する方法が挙げられる。この吸収管は、これ
らの吸着剤が極性の強いメタノールを吸着するが、極性
のない二酸化炭素は吸着しないという原理に基づいてい
る。また、直接型メタノール燃料電池発電装置のアノー
ド極から排出される気体を分離するために、この吸収管
を用いることも可能であるが、吸着剤を定期的に交換す
る必要が出てくる。さらに、直接型メタノール燃料電池
発電装置の動作温度である７０〜８０℃は、メタノール
の沸点を超えているため、アノード極からは、大量のメ
タノールガスが排出される。よって、これらのメタノー
ルガスを吸収管内部に吸収すると、燃料利用効率が著し
く減少するといる問題を生じる。さらに、ニトロフェニ
ルヒドラジンの様な有機物を吸着剤に用いた吸収管は、
カソード極から発生する酸化剤とホルムアルデヒドを分
離するために利用できるが、カソード極からは水が発生
するので、吸収管に水が詰まるという問題を生じる。よ
って、カソード極から排出される物質の中から液体成分
を最初に分離してから、吸収管を用いる必要が出てくる
ため、直接型メタノール燃料電池発電装置内部の配管が
複雑になるという問題も生じてくる。

【００１４】

【発明が解決しようとしている課題】発明は、上記従来
の問題点を解決するためになされたもので、長時間発電
における出力の低下を抑制すると共に、環境及び人体に
対して有毒な物質の排出を抑制することが可能となる直
接型メタノール燃料電池発電装置及び組電池を提供する
ことを目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】第１の本発明は、アノー
ド触媒層とアノード集電体で形成されたアノード極と、
カソード触媒層とカソード集電体で形成されたカソード
極と、前記アノード触媒層及び前記カソード触媒層に接
して挟持されている電解質膜とから形成される起電部単
位と、前記アノード集電体に接して配置されている燃料
流通路を形成するアノード流路板と、前記カソード集電
体に接して配置されている酸化剤流通路を形成するカソ
ード流路板と、前記燃料流通路の１端部に燃料を供給す
るためのアノード供給口と、前記燃料流通路の他の端部
に設けられたアノード排出口と前記酸化剤流通路の１端
部に酸化剤を供給するためのカソード供給口と、前記酸
化剤流通路の他の端部に設けられたカソード排出口と、
前記アノード供給口に接続された燃料収容容器と、前記
カソード排出口に接続され、前記起電部単位に供給され
た燃料、及び酸化剤の未反応物及び前記起電部単位にお
ける電池反応の生成物を回収するカソード回収容器を備
えた直接型燃料電池発電装置において、前記カソード排
出口と前記カソード回収容器とを配管により接続して、
カソード排出口から排出される物質を、前記カソード回
収容器内に存在している水と接触させて、気液接触を行
なうための機構と、前記カソード回収容器内に回収され
た水溶液を、前記燃料収容容器に送液を行なうための機
構とを少なくとも備えたことを特徴とする直接型液体燃
料燃料電池発電装置である。

【００１６】前記第１の本発明において、前記燃料収容
容器に送液手段を介して接続された高濃度の燃料を収容
する燃料収容容器をさらに備えること望ましい。また、
前記燃料収容容器とアノード供給口との間に燃料流量制
御手段を備えることが、望ましい。これらの手段によっ
て、本発明の直接型液体燃料燃料電池発電装置の長時間
稼働を実現することができる。

【００１７】また、前記第１の本発明において、前記燃
料収容容器もしくはカソード回収容器の少なくとも一方
が、容器本体と、前記容器本体内に配置され、気液分離
のための仕切り板とからなり、前記仕切り板の一部もし
くは全部が気液分離膜から構成されていることが望まし
い。この手段は、本発明の直接型液体燃料燃料電池発電
装置をモバイル機器の電源に応用する際に必要となる。

【００１８】第２の本発明は、アノード触媒層とアノー
ド集電体で形成されたアノード極と、カソード触媒層と
カソード集電体で形成されたカソード極と、前記アノー
ド触媒層及び前記カソード触媒層に接して挟持されてい
る電解質膜とから形成されている起電部単位と、前記ア
ノード集電体に接して配置されている燃料流通路を形成
するアノード流路板と、前記カソード集電体に接して配
置されている酸化剤流通路を形成するカソード流路板
と、前記燃料流通路の１端部に燃料を供給するためのア
ノード供給口と、前記燃料流通路の他の端部に設けられ
たアノード排出口と前記酸化剤流通路の１端部に酸化剤
を供給するためのカソード供給口と、前記酸化剤流通路
の他の端部に設けられたカソード排出口と、前記アノー
ド供給口に接続された燃料収容容器と、前記カソード排
出口に接続され、前記起電部単位に供給された燃料、及
び酸化剤の未反応物及び前記起電部単位における電池反
応の生成物を回収する回収容器とを備えた直接型燃料電
池発電装置を制御する方法において、前記燃料電池発電
装置の出力電力量を計測し、前記電力量の累積値を基
に、前記燃料の使用量を推定し、所定の使用量を超えた
場合に、前記燃料収容容器から前記アノード供給口への
前記燃料の供給量を増加させることを特徴とする直接型
液体燃料燃料電池発電装置の制御方法である。この方法
によって、直接型液体燃料燃料電池発電装置の長時間安
定稼働を実現することができる。

【００１９】上記本発明において、液体燃料としては、
メタノールの水溶液が好ましいが、これに限らず、エタ
ノールのような揮発性の低級アルコールであれば使用可
能である。また、アルコールの単一物質に限らず複数の
アルコールの混合物水溶液であっても良いし、さらに、
触媒によって分解可能な他の揮発性有機物質を含有して
いても差し支えない。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態の説明
においては、液体燃料としてメタノール水溶液を挙げて
説明するが、本発明は、液体燃料として、メタノール水
溶液に限定されるものではない。 ［第１の実施の形態］本発明に係る第１の直接型メタノ
ール燃料電池発電装置を図１〜図５を参照して説明す
る。図１は、本発明に係る第１の直接型メタノール燃料
電池発電装置の一実施形態の構成を概略的に示した図
で、図２は、図１記載の逆止弁の一例を示す図である。
図３は、図１に示された第１の直接型メタノール燃料電
池発電装置を制御するための回路図である。図４は、直
接型メタノール燃料電池の起電部を直列に積層した状態
を示す模式図である。さらに、図５は、本発明に係る第
１の直接型メタノール燃料電池発電装置を運転するため
の手順の一例を示す流れ図である。

【００２１】燃料電池起電部単位６は、図１に示すよう
に、アノード流路板７、アノード集電体３、アノード触
媒層２、電解質膜１、カソード触媒層４、カノード集電
体５及びカソード流路板８を備える。これらの、アノー
ド流路板７、アノード集電体３、アノード触媒層２、電
解質膜１、カソード触媒層４、カノード集電体５及びカ
ソード流路板８はそれぞれ公知のものを用いることがで
きる。メタノール水溶液が収容されているメタノール水
溶液容器１６は、送液ポンプ１９（以下、第１の送液ポ
ンプと称す）を介してアノード流路板７のメタノール供
給口１２に接続されている。また、アノード流路板７の
メタノール排出口１３は、メタノール水溶液容器１６に
接続されている。空気のような酸化剤を供給するための
酸化剤供給手段としては、ポンプ（もしくは送風ファ
ン）２０がカソード流路板８の酸化剤供給口１４に接続
されている。カソード流路板８の排出口１５は、逆止弁
２４を介してカソード回収容器１８に接続されており、
カソード極から排出される水及び余剰分の酸化剤が容器
１８中に回収される仕組みになっている。さらに、カソ
ード回収容器１８中には、発電開始前から水が収容され
ており、その液面以下に管２６が接続されているので、
カソード極から排出される気体を水中で気液接触するこ
とが可能な構造になっている。

【００２２】カソード極から排出されるメタノール、ホ
ルムアルデヒド及び蟻酸は、空気や二酸化炭素などと比
較して、水に対する溶解度が二桁以上高いので、水中で
気液接触を行なえば、これらの物質は液中に溶け込み、
容器１８の気体中には空気や二酸化炭素のみが排出され
る。特に、容器１８の内圧が高い程効果的であり、逆止
弁２４に用いる弾性体を調整することにより実現可能で
ある。さらに、逆止弁２４は、カソード回収容器１８内
部の液体が逆流することを抑える働きもしている。例え
ば、逆止弁２４は、図２の様に、管の内部に固定された
弁である弾性体２７によって作製することが可能であ
る。即ち、図２からも分かる様に、右から流れてくる空
気及び水に対しては、破線の様に弾性体２７が縮むこと
により通過することが可能となるが、逆に左からの流れ
に対しては抵抗体となり、流れを妨げる。

【００２３】さらに、図１に見られるように、負荷電流
の経時変化から評価されるメタノール水溶液容器内のメ
タノール水溶液の濃度に応じて、メタノール水溶液容器
１６にメタノール水溶液を補充するメタノール補充手段
として、第２のメタノール水溶液容器１７と送液ポンプ
２１（以下第２の送液ポンプと称す）とを備える。さら
に、メタノール水溶液容器１６の上面は、カソード回収
容器１８の液面以下の部分に、逆止弁２３を介して接続
されており、メタノール水溶液容器１６から排出される
気体をカソード回収容器１８内部の水で気液接触を行な
う様に構成されている。このことにより、メタノール水
溶液容器１６から排出される気体のうち、メタノールガ
スとホルムアルデヒドは、カソード回収容器１８中の水
に溶け込み、カソード回収容器１８の気体中には二酸化
炭素のみが排出されることになる。さらに、カソード回
収容器１８中の液体を第１のメタノール水溶液容器１６
に送液するために、送液ポンプ２２（以下、第３の送液
ポンプと称す）を介して、カソード回収容器１８と第１
のメタノール水溶液容器１６は接続されている。これに
より、カソード回収容器１８中の液中に溶け込んでいる
メタノール、ホルムアルデヒド及び蟻酸を、アノード極
の反応を行なうための燃料として再利用できるだけでな
く、環境及び人体に対して有害なこれらの物質を完全に
分解することが可能となる。また、カソード回収容器１
８に蓄積された気体を外部に排出するため、カソード回
収容器１８から逆止弁２５を通して外部へ管２８が出て
いる。さらに、その管の先には、蓋２９がついており、
第１の直接型メタノール燃料電池が発電していない時
に、カソード回収容器中の水が蒸発してなくなることを
妨げている。

【００２４】カソード回収容器中の水が完全に蒸発する
と、発電再開時に、カソード回収容器１８中での気液接
触を行なえなくなるだけでなく、カソード触媒層４及び
電解質膜１が乾燥による劣化を起こし、出力が低下する
原因ともなる。また、この蓋２９の部分に活性炭やホル
ムアルデヒド吸着剤（例えば、ニトロフェニルヒドラジ
ン）を装着することも可能であり、有毒物質の外部への
排出を極力抑制することも可能となる。

【００２５】次に、この第１の直接型メタノール燃料電
池を制御するための装置に関して図３を用いて説明す
る。この制御装置は、負荷電流を運転時間に対応させて
経時変化として記録したものから評価されるメタノール
水溶液容器１６内のメタノール水溶液の濃度に応じて、
アノード流路１０を流れるメタノール水溶液の流量Ｊｍ
（ｍＬ／ｍｉｎ）を制御する流量制御手段は、メタノー
ル流量制御装置と、電流経時変化記録評価装置とを備え
る。第１のメタノール水溶液容器１６から起電部（ＤＭ
ＦＣ）に送液する手段として、第１の送液ポンプ１９
を、メタノール補充手段として、第２のメタノール水溶
液容器１７と第２の送液ポンプ２１を、さらに、カソー
ド回収容器１８から第１のメタノール水溶液容器１６に
水を送液する手段として、第３の送液ポンプ２２を備え
る。また、第１、第２、及び第３の送液ポンプは、メタ
ノール流量制御装置３１及び電流経時変化記録評価装置
３２によって制御されている。また、外部回路３３は燃
料電池起電部（ＤＭＦＣ）に接続されている。電流経時
変化記録評価装置３２は、メタノール流量制御装置３１
及び外部回路３３に接続されている。さらに、燃料電池
起電部（ＤＭＦＣ）を加熱するためのヒータ（図示しな
い）は、アノード流路板及びカソード流路板の双方に装
着されている。その他、このシステムに組み込まれてい
る送液ポンプ、送風ファン及びヒータを含む補器類３４
は、直接型メタノール燃料電池の出力で駆動させるた
め、補器類３４の電源は、直接型メタノール燃料電池起
電部（ＤＭＦＣ）に直結されている。

【００２６】例えば、この流量制御手段３１は、直接型
メタノール燃料電池から外部回路３３に出力される電流
の経時変化を電流経時変化記録評価装置３２で記録し、
そのデータから評価されるメタノール水溶液容器１６中
のメタノール水溶液濃度に応じて送液ポンプ１９の送液
量を、メタノール流量制御装置３１で制御することによ
って実行される。

【００２７】さらに、メタノール補充手段は、メタノー
ル流量制御装置３１で評価されたメタノール濃度に応じ
て第２の送液ポンプ２１に命令を送り、第２のメタノー
ル水溶液容器１７から第１のメタノール水溶液容器１６
に送液を行うことによって実行される。

【００２８】実験的には、メタノール水溶液容器内部の
メタノール水溶液の濃度が０．５Ｍ以下になると、起電
部内部でメタノール不足を生じ、出力は急激に減少す
る。よって、第１のメタノール水溶液容器１６中のメタ
ノール水溶液の濃度が０．５Ｍ以下になった場合、メタ
ノール水溶液を残した状態でメタノール水溶液容器１６
を交換する必要が出てくる。そこで、図１、図３にある
様に、第２のメタノール水溶液容器１７から濃いメタノ
ール水溶液を第１のメタノール水溶液容器１６に送液す
ることにより、第１のメタノール水溶液容器１６中のメ
タノール濃度を０．５Ｍ以上にすれば、第１のメタノー
ル水溶液容器１６中のメタノール水溶液を再利用するこ
とが可能となり、容器１６中のすべてのメタノール水溶
液を使いきることができる。また、第２のメタノール水
溶液容器１７は、補充専用であるため、第２のメタノー
ル水溶液容器１７中のメタノール水溶液をすべて使いき
った時点で、第２のメタノール水溶液容器１７を交換す
ることが可能となる。同時に、カソード回収容器１８か
らも水を第１のメタノール水溶液容器１６に送液し、ア
ノード極中の水不足を解消することが可能となる。さら
に、第１のメタノール水溶液容器１６中のメタノール濃
度を初期の濃度に戻すことにより出力を回復させること
も可能となる。

【００２９】従って、第１の直接型メタノール燃料電池
発電装置によると、メタノール水溶液容器を交換する時
期の判断が容易になるだけでなく、工業的には使用済み
メタノール水溶液容器を回収する上でも便利となる。ま
た、以上の説明からも明かな様に、第２のメタノール水
溶液容器１７には濃いメタノール水溶液容器を入れるた
めに、第１のメタノール水溶液容器１６の容積と比較し
て容積を小さくすることが可能である。よって、直接型
メタノール燃料電池の燃料容器の容積を最小限度に抑え
ることができる。また、大気中に放出することが規制さ
れている有毒物質を燃料として再利用するだけでなく、
完全に分解することも可能となる。

【００３０】（第１の実施の形態の変形例）さらに、こ
の図１に示す発電装置においては、燃料電池起電部単位
６を複数備えることが可能である。図４に、複数の燃料
電池起電部６を直列に積層した例を示す。この場合、図
４の矢印のメタノール流路を示すように、メタノール水
溶液は、個々の燃料電池起電部６に供給され、また、個
々の燃料電池発電起電部６から排出されたメタノール水
溶液は、一つの経路にまとめられてメタノール水溶液容
器１６に回収される（以下、並列送液法と称す）。一
方、図１５に示したアノード流路板１５０のメタノール
排出口１５３と隣に積層された起電部のアノード流路板
のメタノール供給口１５２を接続することにより、積層
された起電部に、分岐しない一本のメタノール流路でメ
タノールを送液することも可能である（以下、直列送液
法と称す）。また、複数送液ポンプを備え、それぞれの
ポンプは、幾つかの起電部に直列に送液を行い、それら
の経路を並列に束ねる方法も可能である。

【００３１】本発明に係る第１の直接型メタノール燃料
電池発電装置は、アノード極及びカソード極で発生した
人体及び環境に対して有毒な物質を、完全に分解するこ
とが可能となるだけでなく、燃料として再利用すること
により長時間駆動における出力低下を抑制することも可
能となる。よって、工業的には大変有用なものである。

【００３２】（メタノール水溶液算出手段）次いで、直
接型メタノール燃料電池から流れ出る電流の経時変化か
らメタノール水溶液容器のメタノール水溶液濃度を算出
する手段について説明する。簡単には、外部回路に時刻
ｔにおいて流れ出る電流をＩ（ｔ）とすると、メタノー
ル水溶液容器のメタノール水溶液濃度Ｃｍ（ｔ）は、下
記数１の式で与えられる。

【００３３】

【数１】 数１の式は、アノード触媒層中での反応がメタノール分
子と水分子を一対一で消費することに基づいている。但
し、Ｃ_ｍ ^０はメタノール水溶液容器に最初に入っている
メタノール水溶液濃度（Ｍ）、Ｖｍ、Ｖｗはメタノール
及び水のモル体積、Ｖはメタノール水溶液容器の体積を
表す。

【００３４】より正確なメタノール濃度を知りたい時に
は、外部回路に流れ出る電気量とメタノール水溶液容器
のメタノール濃度を測定し、その関係を実験的に導くこ
とも可能であり、それを装置に記憶させておけば、装置
内部から流れ出る電流の経時変化を記録評価することに
より送液するメタノール水溶液の流速を正確に変化させ
ることが可能となる。さらに、外部回路に流れ出る電気
量とメタノール水溶液容器のメタノール濃度の関係を装
置内部に記憶させておけば、どの時点でメタノール水溶
液容器のメタノール水溶液を交換する必要があるかも分
かり、市販されている二次電池と同様バッテリー切れの
サインを出すことも可能となり、工業上有利である。さ
らに、第２のメタノール水溶液容器を透明な容器で作製
すれば、視覚的にもバッテリー切れを判断することも可
能となり、第一の直接型メタノール燃料電池発電装置
は、より工業的に有利なものとなる。

【００３５】さらに、図５に、第１の直接型メタノール
燃料電池発電装置を運転するための流れ図の一例を示
す。開始の時点（Ｓ０）では、流れ図中のパラメターＱ
とＮは０に設定されている。ループは時間Δｔの間隔で
実行され、直接型メタノール燃料電池から流れ出る電流
Ｉ（ｔ）を経時変化として測定する。さらに、ステップ
Ｓ２のＱ＝Ｑ＋Ｉ（ｔ）Δｔの計算は、電気量Ｑを求め
るために電流を時間について積分することを表してい
る。これにより計算されたＱに対して、メタノール水溶
液容器中のメタノール濃度Ｃを推測する。この推測は、
例えば、数式１を用いることにより可能となる。さら
に、流れ図中のステップＳ４のＣ_Ａは、出力に対するメ
タノール水溶液の流量依存性が大きくなるメタノール濃
度に設定されており、例えば、２Ｍを選ぶとする。第１
のメタノール水溶液容器中のメタノール濃度がＣ_Ａを超
えている間は、すなわちＳ４の比較が、Ｙｅｓで制御が
Ｓ１に移った場合は、ポンプ出力を変化させることはな
い。逆に、Ｃ_Ａより第１のメタノール水溶液容器中のメ
タノール濃度が下がった場合は、ポンプ出力を増加させ
る必要がありステップＳ６でポンプ出力を増加させる命
令を実行し、制御をＳ１に戻す。これによって、必要な
範囲内で連続的にもしくは断続的にポンプ出力を増大さ
せる。しかし、第１のメタノール水溶液容器中のメタノ
ール濃度が所定の濃度であるＣ_Ｂより下がった揚合に
は、メタノール水溶液容器にメタノール水溶液を補充す
る命令を与える（ステップＳ７）。このＣ_Ｂは０．５Ｍ
以上に設定されるべきであり、これ以下にメタノール濃
度が下がると、どれだけポンプ出力を増大させても出力
を回復することができないため、第２のメタノール水溶
液容器から第１のメタノール水溶液容器にメタノール水
溶液を、カソード回収容器から第１のメタノール水溶液
容器に水を送液する。送液を行うメタノール水溶液と水
の量は常に同じ量であり、第一のメタノール水溶液容器
中のメタノール濃度を初期の状態に回後させるのに必要
な量の送液を行う。送液後は初期の状態に戻るので、パ
ラメターＱを０にリセットする必要がある（ステップＳ
７）。この過程を繰り返し、第２のメタノール水溶液容
器中のメタノール水溶液を使い切る送液回数Ｎｃを超え
た時点で（ステップＳ９の評価の結果）、第２のメタノ
ール水溶液容器を交換する様に命令を与える（ステップ
Ｓ１０）。また、直接型メタノール燃料電池発電装置に
よる発電が中断された湯合には、パラメターＱ、Ｎの値
を記憶させておく必要があり、発電が再開された場合に
は、この値から流れ図を開始させる様に設計する必要が
ある。

【００３６】（気液分離容器）本発明に係る気液分離容
器の一例を図６から図９を参照して説明する。図６は、
本発明に係る気液分離容器の一例を示す模式図である。
図７は、気液分離容器の仕切り板に装着する気液分離膜
の配置の一例を示す模式図である。図８は、気液分離容
器を第１のメタノール水溶液容器に用いた場合における
気体及び液体の流れを示す模式図である。図９は、気液
分離容器をカソード回収容器に用いた場合における気体
及び液体の流れを示す模式図である。

【００３７】図６に示す様に、気液分離容器の内部に
は、気体部分６０ａ（以下、気相と称す）と液体部分６
０ｂ（以下、液相と称す）を分離する仕切り板６１が装
着されており、内壁と仕切り板の間にはばねのような弾
性体６２が接続されている。よって、液面以下に管６３
を接続し、外部から液体を注入すると、ばね６２が収縮
し、仕切り板６１は上昇する。そのため、気体部分が圧
縮されるため、容器６４内部の内圧が上昇する。そし
て、容器６４の気相に、逆止弁６５を介して管６６を接
続すれば、ある程度内圧が高くなった時点で、外部へ気
体が排出される様にすることが可能である。図６に示し
た様な気液分離容器を用いれば、容器の上下が入れ替わ
ったとしても、容器内部の気体と液体が再び混じること
がない。よって、容器の置かれた方向に拘わらず、外部
へ気体を排出することが可能となる。この様な原理を可
能にするために、仕切り板の一部もしくは全体には、気
液分離膜６７が装着されている。一般に、液体の透過を
妨げ、気体のみが透過する様な材料としては、コルクの
様な多孔質体やゴアテックスに代表される有機膜が挙げ
られる。しかし、本発明に係る気液分離容器は、液相に
注入された気体を、液体中で気液接触を行い、液体に対
する溶解度の低い気体のみを仕切り板上部へ透過させる
ことを目的としている。よって、液相に注入された気体
の中で、溶解度の高い気体が液体中に溶解する間もな
く、気相へ透過してしまう程、透過度が高い分離膜を用
いることは有効ではない。よって、一般には、気体に対
する透過度が高い多孔質体よりも有機膜を用いる方が望
ましい。

【００３８】さらに、液体の透過を抑えると同時に気体
の透過を向上するためには、分離膜の孔径を調整する必
要があり、加工の点からも有機膜の方が有利である。こ
れらの観点から、本発明においては、気液分離膜とし
て、有機膜を採用することにした。但し、有機膜は多孔
質体よりも強度が弱いため、膜の端の部分と内壁の間の
部分に隙間ができると、その部分から液体が仕切り板上
部に侵入する可能性がある。よって、内壁と仕切り板が
接している方が好ましい。この様な観点から、仕切り板
上の分離膜の配置の仕方を検討した。図７（ａ）〜図７
（ｅ）の斜線の部分７１ａが気液分離膜が装着されてい
る部分である。図７（ａ）〜図７（ｄ）の様に、気液分
離膜が内壁と接している様な配置よりも、図７（ｅ）の
様に、気液分離膜が内壁に接していない配置の方が望ま
しい。

【００３９】次に、気体分離容器を、第１の直接型メタ
ノール燃料電池における第１のメタノール水溶液容器に
用いた場合について説明する。図８に示す様に、メタノ
ール水溶液が第１の送液ポンプによって排出され、反応
で生じた二酸化炭素と余剰分のメタノール水溶液が液相
に注入される。液体はメタノール水溶液であり、蒸発す
るメタノールガスと二酸化炭素が、気液分離膜を通して
気相中に透過することになる。さらに、気相からは、二
酸化炭素と容器内部で蒸発したメタノールガスが排出さ
れる。この様な気液分離を行なうためには、分離膜とし
て、ポリエーテルスルホン系膜を用いることが最も望ま
しい。その理由は、二酸化炭素の膜に対する溶解度が大
きいからである。

【００４０】さらに、気体分離容器を、第１の直接型メ
タノール燃料電池におけるカソード回収容器に用いた場
合について説明する。図９に示す様に、カソード極の反
応で発生した水及び余剰分の酸化剤及び副生成物（ホル
ムアルデヒド、蟻酸）及び未反応物であるメタノールが
液相に注入され、液相中で気液接触を行なう。さらに、
アノード極中で発生した二酸化炭素とメタノールガスも
又、液相中に注入され、液相中で気液接触を行なう。液
体は水であり、水に対する溶解度の高いホルムアルデヒ
ド、蟻酸及びメタノールは、水に溶解し、二酸化炭素と
酸化剤（空気または酸素）は、気液分離膜を通して気相
中に透過することになる。よって、ホルムアルデヒド及
び蟻酸を含んだメタノール水溶液が、液相から排出され
ることになる。さらに、気相からは、二酸化炭素と酸化
剤が外部へ排出される。この様な気液分離を行なうため
には、分離膜として、セルロース系膜、キトサン系膜、
ＰＶＡ系膜及びそれらを主成分とする複合膜を用いるこ
とが最も望ましい。何故なら、アルコール成分を通しに
くい一方で、酸化剤や二酸化炭素を通しやすい性質を持
っているからである。

【００４１】［第２の実施の形態］次に、本発明に係る
第２の直接型メタノール燃料電池発電装置の一例を図１
０を参照して説明する。図１０は、本発明に係る第２の
直接型メタノール燃料電池発電装置の一例を示す概要図
である。この第２の直接型メタノール燃料電池発電装置
は、第１の直接型メタノール燃料電池発電装置における
第１のメタノール水溶液及びカソード回収容器に、気液
分離機能を有する容器を用いることを特徴としている。
送液及び送気の方法に関しては、第１の直接型メタノー
ル燃料電池発電装置と全く同様である。しかし、気液分
離容器を用いれば、発電装置の上下が入れ替わったとし
ても、容器内部の気体及び液体が再び混合することがな
いので、図１０記載の送液及び送気を円滑に行なうこと
が可能である。よって、第２の直接型メタノール燃料電
池発電装置は、モバイル用途の電子機器の電源として利
用が可能となる。

【００４２】なお、以上の説明では、本発明の燃料とし
てメタノール水溶液を用いて説明したが、メタノールに
代えて、エタノールのような他の揮発性低級アルコール
を採用しても差し支えない。また、このアルコールに
は、他のアルコールもしくは、揮発性有機物が含有され
ていても差し支えない。

【００４３】

【実施例】以下、図面を参照して実施例を詳細に説明す
る。 （実施例１）内容積７ｃｍ×５ｃｍ（断面積）×１０ｃ
ｍ（高さ）のプラスチック製の容器を用意した。容器の
それぞれの面の厚さは１ｍｍである。また、この容器は
透き通っているため内部を観察することが可能である。
図１１に示す様に、側面の最も下の部分に、断面積１ｃ
ｍ×１ｃｍの穴を空け、長さ３ｃｍのプラスチック製の
管（管Ａ）を接続した。管と容器の隙間からメタノール
水溶液が滴れない様に、接合部分のシーリングを行なっ
た。側面の反対側には、上面から０．５ｃｍの部分に断
面積１ｃｍ×ｌｃｍの穴をあけ、長さ３ｃｍのプラスチ
ック製の管（管Ｂ）を接続した。また、容器の内圧が上
がった時に管が抜けたりしない様に、接着剤を用いて固
定した。さらに、管Ｂには、市販の逆止弁を取り付け
た。逆止弁として、ＡとＢを用意し、それぞれ、容器の
内圧が１．０１気圧、もしくは、１．０２気圧以上にな
った時に、容器中の気体が外部へ排出される様設定され
ている。容器には、高さ６ｃｍの所まで水を入れ、直接
型メタノール燃料電池の動作温度に匹敵する７０℃まで
加熱した混合比１：１０（メタノールガス：二酸化炭素
のモル比）の混合気体を、ポンプを用いて１０ｍｌ／ｍ
ｉｎの流速で、管Ａから送気し、気液接触を行なった。
但し、容器自体は加熱を行なわず、室温のまま実験をお
こなった。最初に、逆止弁Ａを取り付けて実験を行なっ
た。約９秒後逆止弁が開き、管Ｂから気体が排出される
ことが確認された。排出された気体のサンプリングを行
い、ガスクロマトグラフィのＴＣＤ法により気体のモル
比を調べたところ、メタノールガス：二酸化炭素＝１：
９５０であることが分かった。水中での気液接触は、メ
タノールガスと二酸化炭素の混合気体からメタノールガ
スを取り除くことに対して有効であることが確認され
た。

【００４４】さらに、逆止弁Ａを逆止弁Ｂと交換し、同
様の実験を行なった。約２０秒後に逆止弁が開き、管Ｂ
から気体が排出されていることが確認された。ガスクロ
マトグラフィのＴＣＤ法により、混合気体のモル地は、
メタノールガス：二酸化炭素＝１：１００５であること
が分かった。容器の内圧が上がる程気液接触の効果が有
効となることが確認された。

【００４５】（実施例２） ＜気液分離容器の作製＞７ｃｍ×５ｃｍの断面積を持
ち、高さ１０ｃｍのプラスチック製の容器を用意した。
容器の各面の厚さは１ｍｍである。また、この容器の上
面は空いており、別個に厚さ２ｍ、７．１ｃｍ×５．１
ｃｍの断面積をもつプラスチック製の蓋を用意した。こ
の容器は透き通っているので内部を観察することが可能
である。さらに、図１９にある様に、側面の最も下の部
分に、断面積１ｃｍ×１ｃｍの穴を空け、長さ３ｃｍの
プラスチック製の管（管Ａ）を接続した。管と容器の隙
間からメタノール水溶液が滴れない様に、接合部分のシ
ーリングを行なった。側面の反対側には、上面から０．
５ｃｍの部分に断面積１ｃｍ×ｌｃｍの穴をあけ、長さ
３ｃｍのプラスチック製の管（管Ｂ）を接続した。ま
た、容器の内圧が上がった時に管が抜けたりしない様
に、接着剤を用いて固定した。管Ｂには、実施例１で用
いた逆止弁Ｂを取り付けた。

【００４６】次に、容器の蓋の中心に市販のばねを取り
付け、ばねのもう一方の端に、厚さ１ｍｍ、断面積５ｃ
ｍ×７ｃｍのプラスチック製の仕切り板を固定した。こ
の仕切り板の断面図を図２０に示す。図２０に示す様
に、仕切り板には、４箇所の穴（斜線の部分）が空いて
おり、その部分に気液分離膜を装着する。気液分離膜と
しては、厚さ１００μｍ、断面積２．２ｃｍ×ｌ．２ｃ
ｍのポリスルホンの膜（膜Ａ）と、厚さ１００μｍ、断
面積２．２ｃｍ×ｌ．２ｃｍの酢酸セルロースの膜（膜
Ｂ）を、それぞれ４枚用意した。膜Ｂはセルロース系膜
である。まず、膜Ａを仕切り板の穴にシール固定した。
次に、仕切り板の縁の部分にグリースを塗り、仕切り板
が容器内壁を滑らかにすべるか確認した。最後に、容器
の６ｃｍの高さまで水を入れた後、蓋を閉じ、蓋と外壁
の接触部分から気体が漏れない様に、接触部分をシーリ
ングした。仕切り板が液面に接して止まったのを確認し
てから、以下の実験を行なった。実験は、実施例１と同
様、直接型メタノール燃料電池の動作温度に匹敵する７
０℃まで加熱した混合比１：１０（メタノールガス：二
酸化炭素のモル比）の混合気体を、ポンプを用いて１０
ｍｌ／ｍｉｎの流速で、管Ａから送気し、気液接触を行
なった。但し、容器自体は加熱を行なわず、室温のまま
実験をおこなった。最初、気体は、仕切り板と液面の下
の部分に溜まり、仕切り板が徐々に上昇するのが観察さ
れた。約１分後に５ｍｍ程度上昇した時点で、仕切り板
の上昇が止まった。その後、約２５秒後に逆止弁が開
き、管Ｂから気体が排出されることが確認された。排出
された気体のサンプリングを行い、ガスクロマトグラフ
ィのＴＣＤ法により気体のモル仕を調べたところ、メタ
ノールガス：二酸化炭素＝１：２１１０であることが分
かった。気液分離膜を用いると、液相中に注入された気
体が、すぐに気相へ抜けないため、実施例１の場合より
もメタノールが液中に溶解したと考えられる。そのた
め、気液分離容器を用いれば、気液接触がより効果的に
なることが確認された。また、容器を外から観察する
と、気液分離膜を通して、液体は気相へほとんど浸入し
ていないことが分かった。

【００４７】次に、蓋を外し、仕切り板の気液分離膜を
膜Ｂに交換した。その後、容器中の液体を捨て、再び、
水を６ｃｍまで入れた。その後、蓋を閉め、接触部分の
シーリングを行なった。前と同様、仕切り板が液面に接
して止まった後、実験を行なった。実験は、実施例１と
同様、直接型メタノール燃料電池の動作温度に匹敵する
７０℃まで加熱した混合地１：１０（メタノールガス：
二酸化炭素のモル比）の混合気体を、ポンプを用いて１
０ｍｌ／ｍｉｎの流速で、管Ａから送気し、気液接触を
行なった。但し、容器自体は加熱を行なわず、室温のま
ま実験を行なった。膜Ａを用いた時と同様、最初、気体
は、仕切り板と液面の下の部分に溜まり、仕切り板が徐
々に上昇するのが観察された。約１分３０秒後に１ｃｍ
程度上昇した時点で、仕切り板の上昇が止まった。その
後、約３３秒後に逆止弁が開き、管Ｂから気体が排出さ
れることが確認された。排出された気体のサンプリング
を行い、ガスクマトグラフィのＴＣＤ法により気体のモ
ル比を調べたところ、メタノールガス：二酸化炭素＝
１：４２３５であることが分かった。膜Ｂは膜Ａよりメ
タノールガスを透過しにくいため、膜Ａを用いた場合よ
りも膜Ｂを用いた方が、メタノールが液中に溶解したと
考えられる。即ち、水で気液接触を行う場合は、気体分
離膜としては、膜Ｂの方が優れていることが確認され
た。

【００４８】（実施例３） ＜直接型メタノール燃料電池の起電部の作製＞公知のプ
ロセス（Ｒ．Ｒａｍａｋｕｍａｒ ｅｔ ａｌ．Ｊ．Ｐ
ｏｗｅｒ Ｓｏｕｒｃｅｓ ６９（１９９７）７５）に
より、アノード用触媒（Ｐｔ：Ｐｕ＝１：１）担持カー
ボンブラックとカソード用触媒（Ｐｔ）担持カーボンブ
ラックを作製した。触媒担持量は，カーボン１００に対
して重量比でアノードは３０、カソードは１５とした。
アノード触媒層は、前記プロセスにおいて作製したアノ
ード用触媒担持カーボンブラックにパーフルオロカーボ
ンスルホン酸溶液（Ｄｕｐｏｎｔ社ナフィオン溶液ＳＥ
−２００９２）とイオン交換水を加え，前記触媒担持カ
ーボンブラックを分散させてペーストを作製した。この
ペーストを、撥水処理済カーボンペーパーＴＧＰＨ−１
２０（Ｅ−ＴＥＫ社製）の上に５５０μｍ塗布して乾燥
させた。カソード触媒層は、前記プロセスにおいて作製
したカソード用触媒担持カーボンブラックにパーフルオ
ロカーボンスルホン酸溶液（Ｄｕｐｏｎｔ社ナフィオン
溶液ＳＥ−２００９２）とイオン交換水を加え，前記触
媒担持カーボンブラックを分散させてペーストを作製し
た。このペーストを，撥水処理済カーボンペーパーＴＧ
ＰＨ−０９０（Ｅ−ＴＥＫ社製）の上に２５５μｍ塗布
して乾燥させた。市販のパーフルオロカーボンスルホン
酸膜（Ｄｕｐｏｎｔ社ナフィオン１１７）の両面に、前
記プロセスで作製したアノード触媒層とカソード触媒層
をホットプレス（１２５℃、５分間、１００ｋｇ／ｃｍ
^２）によりプレスを行い、接合を作製した。但し、断面
積は１０ｃｍ^２になる様に作製した。さらに、作製した
接合を切断し、電子顕微鏡で観察したところ、アノード
触媒層厚は１０５μｍ、カソード触媒層は５０μｍであ
ることが分かり、良好な接合が作製できていることが確
認された。

【００４９】＜直接型メタノール燃料電池の作製＞次
に、作製した起電部をカーボン製のセパレータに装着
し、ネジで締め付けることにより密閉した。セパレータ
にはシリコンラバーヒーターが装着されており、市販の
温度コントローラーを用いて、ホルダー内部が常時７０
℃になる様に温度制御した。また、セパレーターには、
アノード側、カノード側共に、図２の形状の流路板の溝
が切られており、ｉｎｌｅｔの部分にチューブを接続
し、ポンプによってメタノール水溶液もしくは空気を供
給することが可能である。また、アノード流路板の排出
口の部分にチューブを接続して、アノードカーボンペー
ペーに浸み込まなかったメタノール水溶液をメタノール
水溶液容器に戻る様に、メタノール水溶液容器にチュー
ブの一方を接続した。さらに、カソード極側流路板排出
口に管を接続し、カソード極から排出される水をカソー
ド回収容器に回収した。カソード回収容器としては、上
面が空いた通常のビーカーを用いた。そして、メタノー
ル水溶液容器（容積１０ｍｌ）にメタノール水溶液を入
れ、市販の送液ポンプを用いて送液した。カソード側に
は，市販のエアーポンプを用いて空気を送気した。空気
の流量は，市販のマスフローコントローラーを用いて調
整した。送液は０．０６ｍｌ／ｍｉｎから６ｍｌ／ｍｉ
ｎまでの範囲で調整可能であり、送気は２０ｍｌ／ｍｉ
ｎから５ｌ／ｍｉｎの範囲で調整可能であることを確認
した。負荷には市販の電子負荷機を用いた。電圧検出手
段には，市販のデジタルマルチメーターを用いた。

【００５０】＜電流電圧特性の測定＞２Ｍのメタノール
水溶液を流量を０．１ｍｌ／ｍｉｎでアノード触媒層に
送り、５００ｍｌ／ｍｉｎの流量で空気をカソード触媒
層に送り、１．５Ａの負荷電流を流しながら電圧の変化
を測定した。測定結果を図２１に示す。電圧は、５０分
電流を流した時点までは、ほぼ３．７Ｖで一定であった
が、その直後電圧が急激に減少した。数１より見積もれ
るメタノール水溶液の濃度は１．２Ｍであり、起電部内
部で、メタノール燃料不足を起こしていると考えた。そ
こで、メタノール送液流量を０．４ｍｌ／ｍｉｎとする
と、再び１．５Ａの負荷電流を取ることが可能になり、
約０．４５Ｖまで電圧が回復し、さらに３０分負荷電流
を流しつづけることができた。メタノール流量を４倍に
することにより出力が回復されることを確認することが
できた。測定後、メタノール水溶液容器中のメタノール
水溶液のメタノール濃度をガスクロマトグラフィーで測
定したところ０．６Ｍになっており、約９ｍｌのメタノ
ール水溶液が容器中に残った。一方、カソード回収容器
には、約０．５ｍｌの水が回収されていた。その水をガ
スクロマトグラフィのＴＣＤ法で測定したところ、ホル
ムアルデヒドを含む約濃度０．０１Ｍのメタノール水溶
液であることが確認された。

【００５１】（実施例４）次に、第２のメタノール水溶
液容器に、２０Ｍのメタノール水溶液を１２５ｍｌ入
れ、その中の０．７５ｍｌを第１のメタノール水溶液容
器に注いだ。さらに、カソード回収容器中の溶液を０．
２５ｍｌ、第１のメタノール水溶液容器に注いだ。この
ことにより、第１のメタノール水溶液容器中には、ほぼ
２Ｍのメタノール水溶液が１０ｍｌ入っていることにな
る。さらに、実施例５と同様の実験を行ったところ、図
２１とほぼ同様の実験結果が得られた。そこで、１．５
Ａの負荷電流を１時間２０分流した時点で、第２のメタ
ノール水溶液容器から０．７５ｍｌのメタノール水溶液
とカソード回収容器から０．２５ｍｌの溶液を第１のメ
タノール水溶液容器に加え、再び１．５Ａの負荷電流を
流した。この作業を５回繰り返すことにより、６時間４
０分連続駆動を行うことができた。その後、第１のメタ
ノール水溶液中のメタノール濃度をガスクロマトグラフ
ィーで測定した所、約０．６５Ｍになっており、９ｍｌ
残っていることが確認できた。また、第２のメタノール
水溶液中には、ほとんどメタノール水溶液は残っていな
かった。さらに、カソード回収容器には、２．２ｍｌの
溶液が残っていることが確認された。この溶液をガスク
ロマトグラフィのＴＣＤ法により調べた結果、ホルムア
ルデヒドを含む約０．０１５Ｍのメタノール水溶液であ
ることが確認された。

【００５２】

【発明の効果】長時間発電における出力の低下を抑制す
ると共に、環境及び人体に対して有毒な物質の排出を抑
制することが可能となる直接型液体燃料電池発電装置を
提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の直接型液体燃料燃料電池発電装置の
一実施形態を示す概略図。

【図２】 本発明において用いる逆止弁の一例を示す概
略図。

【図３】 本発明の直接型液体燃料燃料電池発電装置の
制御系統を示す概念図。

【図４】 本発明の一実施形態の変形例である直接型メ
タノール燃料電池の起電部を積層して直列に接続した際
のメタノール水溶液送液方法の一例を示す概略図。

【図５】 本発明の直接型メタノール燃料電池発電装置
の運転のフローを示した流れ図。

【図６】 本発明において用いることのできる気液分離
機能付き容器の概略図。

【図７】 本発明において用いられる気液分離機能付き
容器で採用されるしきり板の概略図。

【図８】 気液分離機能付き容器を第１のメタノール水
溶液容器に適用した例を示す概略図。

【図９】 気液分離機能付き容器を第１のメタノール水
溶液容器に適用した他の例を示す概略図。

【図１０】 本発明の直接型メタノール燃料電池発電装
置の第２の実施の形態を示す概略図。

【図１１】 実施例１における実験装置を示す模式図。

【図１２】 実施例２における実験装置を示す模式図。

【図１３】 実施例３における測定結果を示す特性図。

【図１４】 従来の標準的な直接型メタノール燃料電池
発電装置の概略図。

【図１５】 従来の標準的な直接型メタノール燃料電池
発電装置の流路板の１例をを示す模式図。

【図１６】 従来の他の直接型メタノール燃料電池発電
装置の概略図。

【符号の説明】

１…電解質膜 ２…アノード触媒層 ３…アノード集電体 ４…カソード触媒層 ５…カソード集電体 ６…起電部単位 ７…アノード流路板 ８…カソード流路板 ９…セパレータ １０…メタノールチャンネル（アノード流路） １１…ガスチャンネル（カソード流路） １２…燃料供給口（アノード供給口） １３…燃料排出口（アノード排出口） １４…酸化剤供給口（カソード供給口） １５…酸化剤排出口（カソード排出口） １６…第１のメタノール水溶液容器 １７…第２のメタノール水溶液容器 １８…カソード回収容器 １９，２０，２１，２２…ポンプ ２３，２４，２５…逆止弁

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高下 雅弘 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者 五戸 康広 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝研究開発センター内 Ｆターム(参考） 5H026 AA08 CC03 CX04 CX05 CX10 5H027 AA08 BA13 KK52 MM09

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】アノード触媒層とアノード集電体で形成さ
   れたアノード極と、カソード触媒層とカソード集電体で
   形成されたカソード極と、前記アノード触媒層及び前記
   カソード触媒層に接して挟持されている電解質膜とから
   形成される起電部単位と、 前記アノード集電体に接して配置されている燃料流通路
   を形成するアノード流路板と、 前記カソード集電体に接して配置されている酸化剤流通
   路を形成するカソード流路板と、 前記燃料流通路の１端部に燃料を供給するためのアノー
   ド供給口と、前記燃料流通路の他の端部に設けられたア
   ノード排出口と前記酸化剤流通路の１端部に酸化剤を供
   給するためのカソード供給口と、前記酸化剤流通路の他
   の端部に設けられたカソード排出口と、前記アノード供
   給口に接続された燃料収容容器と、 前記カソード排出口に接続され、前記起電部単位に供給
   された燃料、及び酸化剤の未反応物及び前記起電部単位
   における電池反応の生成物を回収するカソード回収容器
   を備えた直接型燃料電池発電装置において、 前記カソード排出口と前記カソード回収容器とを配管に
   より接続して、カソード排出口から排出される物質を、
   前記カソード回収容器内に存在している水と接触させ
   て、気液接触を行なうための機構と、 前記カソード回収容器内に回収された水溶液を、前記燃
   料収容容器に送液を行なうための機構とを少なくとも備
   えたことを特徴とする直接型液体燃料燃料電池発電装
   置。
2. 【請求項２】前記燃料収容容器に送液手段を介して接続
   された高濃度の燃料を収容する燃料収容容器をさらに備
   えたことを特徴とする請求項１記載の直接型液体燃料燃
   料電池発電装置。
3. 【請求項３】前記燃料収容容器とアノード供給口との間
   に燃料流量制御手段を備えたことを特徴とする請求項１
   または請求項２記載の直接型液体燃料燃料電池発電装
   置。
4. 【請求項４】前記燃料収容容器もしくはカソード回収容
   器の少なくとも一方が、 容器本体と、前記容器本体内に配置され、気液分離のた
   めの仕切り板とからなり、 前記仕切り板の一部もしくは全部が気液分離膜から構成
   されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３の
   いずれか記載の直接型液体燃料燃料電池発電装置。
5. 【請求項５】アノード触媒層とアノード集電体で形成さ
   れたアノード極と、カソード触媒層とカソード集電体で
   形成されたカソード極と、前記アノード触媒層及び前記
   カソード触媒層に接して挟持されている電解質膜とから
   形成されている起電部単位と、 前記アノード集電体に接して配置されている燃料流通路
   を形成するアノード流路板と、 前記カソード集電体に接して配置されている酸化剤流通
   路を形成するカソード流路板と、 前記燃料流通路の１端部に燃料を供給するためのアノー
   ド供給口と、前記燃料流通路の他の端部に設けられたア
   ノード排出口と前記酸化剤流通路の１端部に酸化剤を供
   給するためのカソード供給口と、前記酸化剤流通路の他
   の端部に設けられたカソード排出口と、前記アノード供
   給口に接続された燃料収容容器と、 前記カソード排出口に接続され、前記起電部単位に供給
   された燃料、及び酸化剤の未反応物及び前記起電部単位
   における電池反応の生成物を回収する回収容器とを備え
   た直接型燃料電池発電装置を制御する方法において、 前記燃料電池発電装置の出力電力量を計測し、前記電力
   量の累積値を基に、前記燃料の使用量を推定し、所定の
   使用量を超えた場合に、前記燃料収容容器から前記アノ
   ード供給口への前記燃料の供給量を増加させることを特
   徴とする直接型液体燃料燃料電池発電装置の制御方法。