JP2006147395A - 燃料電池システムおよび燃料電池用原料カートリッジ - Google Patents

Abstract

【課題】 非毒性の有機化合物を燃料の原料として用い、安全性の高い、優れた発電効率を有する燃料電池システムを提供する。
【解決手段】 燃料電池システムが、燃料電池と、燃料の原料となる有機化合物を貯蔵する貯蔵部と、前記燃料電池と前記貯蔵部との間に設けられた、前記有機化合物をメタノールに加水分解して前記燃料電池に供給する分解部とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池を用いた燃料電池システム、および燃料電池に燃料を供給するための原料を貯蔵するカートリッジに関する。さらに詳しくは、非毒性の有機化合物を反応性の高い燃料に変換したものを燃料電池に供給することにより、ユーザーの安全性を確保し、かつ、発電効率を高める技術に関する。

燃料電池システムは、水素などの燃料と、酸素などの酸化剤とを電気化学的に反応させる燃料電池を用いて電力を発生させる発電システムである。燃料としては水素以外にもアルコール類、エーテル類、オレフィン類などの有機化合物を用いることができる。これらの有機化合物の多くは常温で液体であり運搬が容易であるという利点を有することから、ポータブル電源への燃料としての利用が注目されている。
従来の有機化合物を燃料に用いた燃料電池システムとしては、メタノールを用いる燃料電池システム（例えば、特許文献１参照）、ジメトキシメタン、トリメトキシメタン、トリオキサンを用いる燃料電池システム（例えば、特許文献１および非特許文献１参照）、シュウ酸エステル、グリオキサル酸エステルを用いる燃料電池システム（例えば、特許文献２参照）などがある。

一方、メタノールは液体燃料の中では最も反応性が高く、得られる電池電圧が高い。このため、燃料電池システムにおいて同じ出力を得ようとする場合、システムを最も小型化することができる。
特表平１０−５０５５７２号公報 特表２００３−５２０４１３号公報 J. Electrochem. Soc., Vol. 144, No. 12, 4195-4201

しかしながら、メタノールは「毒物および劇物取扱法」によって劇物に指定されており、ユーザーが誤って経口摂取すると失明する恐れがあるとされており、従来の構成を有する燃料電池システムにおいてメタノールを燃料に用いた場合、ユーザー自らがメタノール等を供給しなければならず、安全性の観点から問題がある。
また、ジメトキシメタン、トリメトキシメタン、トリオキサン、シュウ酸エステル、およびグリオキサル酸エステルは、メタノールに比べると毒性が低いが反応性も低く、得られる電池電圧が低く、発電効率が低くなってしまうという問題がある。

そこで、本発明は、上記のような発電効率の高いメタノールを燃料として用いる燃料電池を含み、ユーザーが劇毒物に触れることのなく安全に使用することのできる燃料電池システムを提供することを目的とする。
さらに、本発明は、上記の本発明の燃料電池システムに使用することができ、前記燃料電池システムから容易に着脱可能で安全性に優れた原料カートリッジを提供することを目的とする。

本発明の燃料電池システムは、燃料電池と、燃料の原料である有機化合物を貯蔵する貯蔵部と、前記燃料電池および前記貯蔵部の間に設けられ、前記有機化合物をメタノールに加水分解して前記燃料電池に供給する分解部と、を有することを特徴とする。すなわち、非毒性の有機化合物を、燃料電池システム内にて、反応性の高いメタノールに変換して発電するシステムである。
本構成によって、ユーザーが劇毒物であるメタノールを直接触れることなく、燃料電池を発電させて燃料電池システムを使用することができる。

前記有機化合物が、分子内にＣＨ_３Ｏ−Ｃ−ＯＣＨ_３結合を有するのが好ましい。
前記有機化合物が、ジメトキシメタン、トリメトキシメタン、およびテトラメトキシメタンからなる群より選ばれた少なくとも１種であるのが好ましい。
前記有機化合物が、メチルエステルであるのが好ましい。
前記有機化合物が、ギ酸メチルおよび酢酸メチルからなる群より選ばれた少なくとも１種であるのが好ましい。

前記有機化合物が、分子内にＣＨ_３Ｏ−Ｓｉ結合を有するのが好ましい。
前記有機化合物が、テトラメトキシシラン、トリメトキシシラン、ジメトキシシラン、トリメトキシメチルシラン、およびジメトキシジメチルシランからなる群より選ばれた少なくとも１種であるのが好ましい。
前記貯蔵部が、前記有機化合物を貯蔵する第１の貯蔵部、水を貯蔵する第２の貯蔵部、および前記有機化合物と前記水とを混合する混合部を含むのが好ましい。
前記貯蔵部が、前記有機化合物を貯蔵する第１の貯蔵部および水を貯蔵する第２の貯蔵部を含み、前記分解部が前記有機化合物と前記水とを混合する混合部を含むのが好ましい。
前記貯蔵部が、前記有機化合物と水とを混合する混合部からなるのが好ましい。

前記分解部が、前記貯蔵部に含まれているのが好ましい。
前記分解部が、前記燃料電池に含まれているのが好ましい。
前記分解部が、固体酸を含むのが好ましい。
前記固体酸が、プロトン型ゼオライト、陽イオン交換樹脂、および硫酸修飾ジルコニアからなる群より選ばれた少なくとも一種であるのが好ましい。
前記燃料電池からの排水を、前記貯蔵部または前記分解部に移送する手段を有するのが好ましい。
前記貯蔵部が、前記燃料電池システムから着脱可能であるのが好ましい。

また、本発明は、上記の貯蔵部を有する部分を、上記燃料電池システムから着脱可能とした燃料電池用原料カートリッジに関する。このとき、貯蔵部が分解部から着脱可能であるのが好ましい。
さらに、本発明は、上記の貯蔵部および分解部を有する部分を、上記燃料電池システムから着脱可能とした燃料電池用原料カートリッジに関する。このとき、分解部が燃料電池から着脱可能であるのが好ましい。

本発明によれば、メタノールの原料で安全性の高い有機化合物を燃料電池システムに供給し、当該燃料電池システム内において有機化合物を分解して燃料であるメタノールを生成することができるため、従来であればユーザーが触れる可能性のあった劇毒物である燃料としてのメタノールに触れることなく、安全性の高い燃料電池システムを実現することができる。

また、本発明によれば、メタノールの原料で安全性の高い有機化合物を貯蔵する貯蔵部と、当該有機化合物を分解してメタノールを生成する分解部を有するカートリッジを燃料電池システムに接続することにより、従来であればユーザーが触れる可能性のあった劇毒物であるメタノールに触れることなく、安全性の高いカートリッジを実現することができる。

特に、上記のカートリッジを着脱可能とすることにより、燃料の原料の交換を容易に行うことができ、燃料電池システムの長時間にわたる運転が可能となる。さらにまた、分解部の触媒能力が失活した場合にも、分解部を新しいものに容易に交換することができる。

以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について説明する。なお、以下の説明では、同一または相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略することもある。

実施の形態１
本発明の実施の形態１における燃料電池システムの構成を図１に示す。貯蔵部１２には、燃料電池に供給される燃料の原料としての有機化合物が貯蔵されている。この貯蔵部１２は、分解部１３を介して燃料電池１１に接続されている。そして、有機化合物が分解部１３を通過する際に、分解部１３において有機化合物はメタノールに分解され、このメタノールが燃料電池１１に供給される。

有機化合物としては、例えば、ジメトキシメタン、トリメトキシメタン、テトラメトキシメタンなどの、分子内にＣＨ_３Ｏ−Ｃ−ＯＣＨ_３結合を有する化合物；ギ酸メチル、酢酸メチルなどのメチルエステル；テトラメトキシシラン、トリメトキシシラン、テトラメトキシメチルシラン、ジメトキシジメチルシランなどの、分子内にＣＨ_３Ｏ−Ｓｉ結合を有する化合物などが用いられる。

これら有機化合物は、常温常圧下にて酸触媒存在下で水と反応させるとメタノールが生成する。例えば、ジメトキシメタンの場合は、メタノールとホルムアルデヒドが生成する。またメチルエステルとしてギ酸メチルの場合は、メタノールとギ酸が生成する。分子内にＣＨ_３Ｏ−Ｓｉ結合を有する有機化合物として、例えばテトラメトキシシランの場合、メタノールとシロキサンが生成する。生成したホルムアルデヒド、ギ酸は、燃料電池に送られると、発電燃料として使用される。

これにより、本発明の燃料電池システムにおいてユーザーが触れる可能性のある貯蔵部には、毒性のある燃料であるメタノールの代わりに、その原料である有機化合物が貯蔵されるため、燃料電池システムの安全性が向上する。
また、本発明の燃料電池システムにおける燃料電池は、分解部１３において上記の有機化合物から変換された反応性の高いメタノールによって発電するため、発電効率も高い。

分解部１３では、上記の有機化合物に水が加えられ、有機化合物が加水分解することにより、メタノールが得られる。この分解反応を促進するために、分解部１３には、例えば、触媒として、プロトン型ゼオライト、陽イオン交換樹脂、スルホン酸修飾ゼオライトなどの固体酸が充填されているのが好ましい。
固体酸は粉体状、粒状、ペレット状、膜状、管状いずれの形状でもよく、これらの固体酸は、分解部１３を構成する筐体内に充填すればよく、当該筐体は上記の形状の固体酸を収容し得る形状であればよい。また、金属製のハニカム形状の保持材等に固体酸を保持させ、これを前記の筐体内に設置しても構わない。
なお、分解部１３は、燃料電池１１と、貯蔵部１２との間に位置していればよい。

実施の形態２
本発明の実施の形態２における燃料電池システムの構成を図２に示す。貯蔵部２２は、燃料の原料である有機化合物を貯蔵する第１の貯蔵部２４、水を貯蔵する第２の貯蔵部２５、ならびに貯蔵部２４および２５と接続された有機化合物と水とを混合する混合部２６から構成される。混合部２６は分解部２３を介して燃料電池２１と接続されている。混合部２６で水と混合された有機化合物は分解部２３に移送され、分解部２３においてメタノールに加水分解され、このメタノールが燃料電池２１に供給される。

第１の貯蔵部２４に貯蔵される有機化合物としては、実施の形態１の有機化合物を用いることができるが、本実施の形態２においては、上記の有機化合物のなかでも、トリメトキシメタン、テトラメトキシメタン、テトラメトキシシランなどの、分子内にＣＨ_３Ｏ−Ｓｉ結合を有する有機化合物が好ましい。これらの有機化合物は水と反応して加水分解し易いため、水溶液として貯蔵しておくと、貯蔵部内でメタノールが生成してしまう。そうすると、ユーザーがメタノールに触れる可能性が生じてしまう。水を貯蔵する第２の貯蔵部とは別に設けられた第１の貯蔵部内に有機化合物を貯蔵することにより、第１の貯蔵部内ではメタノールが生成することなく、長時間安定した状態で有機化合物を保存することができると共に、使用時には混合部で水と反応させることで、メタノールをより迅速に得ることができる。

実施の形態３
本発明実施の形態３における燃料電池システムの構成を図３に示す。貯蔵部３２は燃料の原料である有機化合物を貯蔵する第１の貯蔵部３４、水を貯蔵する第２の貯蔵部３５、ならびに貯蔵部３４および３５と接続された有機化合物と水とを混合する混合部３６から構成される。混合部３６は分解部３３を介して燃料電池３１と接続されている。貯蔵部３２に貯蔵される有機化合物としては、実施の形態１の有機化合物を用いることができる。

そして、発電によって生成した水を燃料電池３１から回収し、燃料として再利用するために混合部３６または第２の貯蔵部３５に移送する手段として、分離部３３や混合部３６とは別の経路で、燃料電池３１と混合部３６または第２の貯蔵部３５との間に水移送装置３７が接続されている。

上記水移送装置３７において、水を回収する手段としては、例えば、燃料電池３１の空気極から排出される水滴を物理的にトラップしたり、排出される空気中に含まれる水蒸気を簡便な凝縮器により復水して集めたりする手段が挙げられる。また、燃料極から水が排出される場合にも同様の手段を用いることができる。この際、未反応の燃料が残留していても使用上の問題はない。また、集めた水を分解部３３に移送してもよい。
上記の水移送装置３７において、水を移送する手段としては、例えばポンプと配管とで構成してもよく、毛管現象を利用してもよい。

以上のような構成によって、発電によって生成した水を燃料電池において再び利用することができる。このため、燃料として保有しなければならない水の保有量を減らすことができ、燃料電池システムを小型化することができる。

また、水移送装置３７は第２の貯蔵部３５または混合部３６と一体化することができ、一体化すれば燃料電池システムをさらに小型化することが可能となる。例えば、第２の貯蔵部３５を取り除き、水移送装置３７を混合部３６に接続して、燃料電池３１より回収された水を混合部３６に移送することも可能である。すなわち、水移送装置３７が第２の貯蔵部３５を兼ねる。

実施の形態４
本発明の実施の形態４における燃料電池システムの構成を図４に示す。貯蔵部４２は、有機化合物を貯蔵する第１の貯蔵部４４、水を貯蔵する第２の貯蔵部４５から構成される。第１の貯蔵部４４および第２の貯蔵部４５は、分解部４３を介して燃料電池４１と接続されている。そして、分解部４３において有機化合物と水とが混合される。このように分解部４３が上記の混合部を兼ねるため、燃料電池システムを小型化することができる。

第１の貯蔵部４４に貯蔵される有機化合物としては実施の形態１で示した有機化合物を用いることができるが、本実施の形態においては、上記の有機化合物のなかでも、トリメトキシメタン、テトラメトキシメタン、テトラメトキシシランなどの、分子内にＣＨ_３Ｏ−Ｓｉ結合を有する有機化合物が好ましい。これらの有機化合物は水と容易に反応し加水分解しメタノールを生成する。このため、分解部４３において上記実施の形態１で示した固体酸を用いなくても、有機化合物と水とを混合するだけで容易にメタノールを生成させることができるため、燃料電池システムの簡素化が可能である。

なお、上記実施の形態３で示したように、燃料電池４１より回収した水を分解部４３に移送する水移送装置（図示せず）を燃料電池４１と分解部４３との間に接続して、第２の貯蔵部４５を取り除いてもよい。

実施の形態５
本発明の実施の形態５における燃料電池システムの構成を図５に示す。貯蔵部５２は有機化合物を貯蔵する第１の貯蔵部５４、水を貯蔵する第２の貯蔵部５５から構成される。そして、貯蔵部５２における第１の貯蔵部５４および第２の貯蔵部５５は分解部５３を介して燃料電池５１に接続されている。分解部５３は燃料電池５１側に設置され、固定されている。第１の貯蔵部５４に貯蔵される有機化合物は実施の形態１で示した有機化合物を用いることができる。

そして、貯蔵部５２は分解部５３から着脱可能である。具体的には、例えば貯蔵部５２と分解部５３のコネクタ部分に市販のスウェージロック社製のコネクタを利用する構成や、貯蔵部と分解部の間にニードルとシリコーン製の膜を設けて接続するなどの構成によって、着脱可能とすることができる。

かかる構成を有する本実施の形態の燃料電池システムにおいては、第１の貯蔵部５４のみからなる貯蔵部５２を燃料電池用原料カートリッジとして交換することができる。このため、燃料電池用原料カートリッジの小型化が可能となり、ユーザーはこの燃料電池用原料カートリッジを容易に持ち歩くことができる。

なお、実施の形態３で示したように、水移送装置を設置した場合には、第２の貯蔵部５５はなくてもよく、貯蔵部５２は第１の貯蔵部５４だけからなるため、燃料電池用原料カートリッジのさらなる小型化が可能となる。この場合、燃料電離用原料カートリッジは水移送装置からも着脱可能な構成とする。

実施の形態６
本発明実施の形態６における燃料電池システムの構成を図６に示す。貯蔵部６２は有機化合物を貯蔵する第１の貯蔵部６４および水を貯蔵する第２の貯蔵部６５から構成される。そして、貯蔵部６２における第１の貯蔵部６４および第２の貯蔵部６５は分解部６３を介して燃料電池６１に接続されている。第１の貯蔵部６４に貯蔵される有機化合物としては、実施の形態１で示した有機化合物を用いることができる。

分解部６３は、貯蔵部６２側に設置され、固定されている。分解部６３および貯蔵部６２からなる部分は、燃料電池６１から着脱可能である。従って、貯蔵部６２と分解部６３からなる部分が燃料電池システムから着脱可能な燃料電池用原料カートリッジとなる。

かかる構成を有する本実施の形態によれば、ユーザーはこの燃料電池用原料カートリッジを交換すれば長時間の使用が可能となり、分解部６３の触媒能力が失活した場合にも容易に交換できるようになる。

なお、実施の形態３で示したように、水移送装置を設置した場合には、第２の貯蔵部６５はなくてもよい。すなわち、第１の貯蔵部６４のみからなる貯蔵部６２、および分解部６３から構成されてもよいので、燃料電池用原料カートリッジのさらなる小型化が可能となる。

実施の形態７
本発明実施の形態７における燃料電池システムの構成を図７に示す。本実施の形態は、燃料であるメタノールの原料となる有機化合物としてジメトキシメタンを用いる場合を想定したものである。貯蔵部７２はジメトキシメタンと水の混合物を貯蔵する混合部７４からなる。この混合部７４は分解部７３を介して燃料電池７１に接続されている。

分解部７３は貯蔵部７２に設置され、固定されている。分解部７３は燃料電池７１から着脱可能である。従って、貯蔵部７２および分解部７３からなる部分が燃料電池システムから着脱可能な燃料電池用原料カートリッジとなる。

ジメトキシメタンは水との共存下でも分解しないため、貯蔵部７２においてジメトキシメタンと水との混合物として保存することが可能である。このため、貯蔵部７２は混合部７４だけから構成することができ、燃料電池システムの簡素化が可能となる。

また、１分子のジメトキシメタンから２分子のメタノールが得られるため、ジメトキシメタンは同体積のメタノールと比べて２倍の容量（モル濃度）を有する。したがって、本実施の形態によれば、従来のようにメタノールを燃料として直接燃料電池に供給する場合に比べて、理論上２倍の駆動が可能となる。
なお、実施の形態３で示したように、燃料電池７１で生成した水を貯蔵部７２に移送する水移送手段を設置してもよい。

実施の形態８
本発明実施の形態８における燃料電池システムの構成を図８に示す。本実施の形態は、燃料であるメタノールの原料となる有機化合物としてジメトキシメタンを用いる場合を想定したものである。貯蔵部８２はジメトキシメタンと水の混合物を貯蔵する混合部８４からなる。この混合部８４は分解部８３を介して燃料電池８１に接続されている。

分解部８３は燃料電池８１に設置され、固定されている。貯蔵部８２は分解部８３から着脱可能である。従って、貯蔵部８２からなる部分が燃料電池システムから着脱可能な燃料カートリッジとなる。

ジメトキシメタンは水との共存下でも分解しないので、貯蔵部８２にはジメトキシメタンと水との混合物を保存することが可能である。このため貯蔵部８２は混合部８４だけから構成することができ、燃料電池システムの簡素化が可能となる。また、燃料電池用原料カートリッジは貯蔵部８２のみからなり、燃料電池システムのさらなる簡素化が可能となる。

また、本実施の形態においても、１分子のジメトキシメタンから２分子のメタノールが得られるため、ジメトキシメタンは同体積のメタノールと比べて２倍の容量を有する。したがって、本実施の形態によれば、従来のようにメタノールを燃料として直接燃料電池に供給する場合に比べて、理論上２倍の駆動が可能となる。
なお、実施の形態３で示したように、燃料電池８１で生成した水を貯蔵部８２に移送する水移送手段を設置してもよい。

以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではない。
なお、燃料電池としては、メタノールを燃料として発電する燃料電池であれば従来のものを広く使用することができる。例えば、燃料電池としては、高分子電解質膜および高分子電解質膜を挟むアノードおよびカソードを有する膜電極接合体と、膜電極接合体を挟持して配置されたアノード側セパレータ板およびカソード側セパレータ板とを含む単電池を有する積層体からなる高分子電解質型燃料電池を用いることができる。

以下に、実施例を用いて本発明をより詳細に説明するが、本発明は、これらのみに限定されるものではない。
《実施例１》
本実施例においては、図９に示す構造を有する単セルを作製した。図９は、本実施例において作製した単セルの構成を概略的に示す分解斜視図である。この単セルは、燃料極であるアノードと、空気極であるカソードと、アノードとカソードとの間に配置された電解質膜とからなる膜電極接合体（ＭＥＡ）９１の両面に、燃料や空気を供給する流路を有する、導電性材料である樹脂含浸黒鉛からなるセパレータ９２を配置して構成した。

セパレータ９２には、燃料供給用マニホルド孔９２ａ、冷却水供給用マニホルド孔９２ｂ、酸化剤供給用マニホルド孔９２ｃ、燃料排出用マニホルド孔９２ｄ、冷却水排出用マニホルド孔９２ｅおよび酸化剤排出用マニホルド孔９２ｆを設けた。
また、セパレータ９２のＭＥＡ９１に接する面には、燃料または酸化剤をＭＥＡ９１に供給するための流路９２ｈを設け、その背面には冷却水を流通させるための冷却水用流路９２ｇを設けた。ただし、上記マニホルド孔と流路９２ｈまたは冷却水用流路９２ｇを連絡する流路については省略した。

ＭＥＡ９１は以下のようにして作製した。
まず、３０ｎｍの平均一次粒子径を持つ導電性カーボン粒子（オランダ国、ＡＫＺＯ Ｃｈｅｍｉｅ社：ケッチェンブラックＥＣ）に、平均粒径約３０Åの白金粒子を５０重量％担持させた。これをカソード側の触媒粉末とした。また、上記と同じ導電性カーボン粒子に、平均粒径約３０Åの白金粒子とルテニウム粒子とを、それぞれ２５重量％担持させた。これをアノード側の触媒粉末とした。

これらの触媒粉末をそれぞれイソプロパノールに分散させ、得られた分散液に、パーフルオロカーボンスルホン酸粉末のエチルアルコール分散液を混合し、カソード触媒用ペーストおよびアノード触媒用ペーストを調製した。カソード触媒用ペーストを原料とし、スクリーン印刷法を用いて、厚み２５０μｍのカーボン不織布の一方の面に塗工してカソード触媒層を形成し、アノード触媒用ペーストを原料とし、スクリーン印刷法を用いて、厚み２５０μｍの別のカーボン不織布の一方の面に塗工してアノード触媒層を形成した。こうして形成した電極中に含まれる触媒金属量は０．５ｍｇ／ｃｍ²、パーフルオロカーボンスルホン酸の量は１．２ｍｇ／ｃｍ²であった。

次に、これらのアノード触媒層を有するカーボン不織布およびカソード触媒層を有するカーボン不織布を、これらの電極より一回り大きい面積を有する水素イオン伝導性の高分子電解質膜の中心部の両面に、各触媒層が高分子電解質膜と接するようにホットプレスによって接合した。高分子電解質膜としては、パーフルオロカーボンスルホン酸を薄膜化したもの（米国デュポン社製のナフィオン１１２（商品名））を用いた。さらに、電極の外周には、高分子電解質膜を挟んで、セパレータの外周部とほぼ同じ形状に打ち抜かれたガスケット（図示せず）をホットプレスによって接合し、ＭＥＡ９１を作製した。

このＭＥＡ９１にアノード側およびカソード側のセパレータ９２を組み合わせて単セル１０１を作製し、１０個の単セル１０１を図１０に示すように積層して直列に接続することにより、図１１に示すスタックからなる燃料電池１１１を得た。
有機化合物を分解して得た燃料であるメタノールは、燃料供給用マニホルド孔１０２ａに供給して燃料排出用マニホルド孔１０２ｄから排出させる。酸化剤は、酸化剤供給用マニホルド孔１０２ｃに供給して酸化剤排出用マニホルド孔１０２ｆから排出させる。さらに、冷却水は、冷却水供給用マニホルド孔１０２ｂから供給して冷却水排出用マニホルド孔１０２ｅから排出させる。なお、図１１においては、燃料供給用マニホルド孔１０２ａ以外のマニホルド孔は省略した。

そして、図１１に示すように、燃料電池１１１の燃料供給用マニホルド孔１０２ａの外部に、有機化合物をメタノールに分解する分解部１１３を配置した。
分解部１１３は、直径１／４インチのポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）からなる管の中に固体酸１１４を充填することにより構成された。固体酸１１４としては、陽イオン交換樹脂（ロームアンドハース社製のアンバーライトＩＲ１２０Ｂ Ｎａ・粒状）を用いた。この固体酸１１４はナトリウム型の陽イオン交換樹脂であるため、規定の方法に従い１規定の塩酸にて洗浄することによってプロトン型に交換したものを分解部１１３に充填した。

つぎに、分解部１１３の先端に貯蔵部（図示せず）を設け、本発明の燃料電池システムを作製した。貯蔵部は、シリコーン樹脂製の筐体で構成し、その出口部分にスウェージロック社製のコネクタ（クイックコネクツ）を配置した。そして、当該コネクタによって貯蔵部を分解部１１３に接合した。
上記の貯蔵部から分解部１１３に原料である有機化合物として２Ｍのジメトキシメタン水溶液を毎分０．５ｍＬ供給し、酸化剤供給用マニホルド孔（図示せず）に空気を毎分１Ｌ供給して、動作温度８０℃において発電実験を行った。

《比較例１》
分解部１１３および貯蔵部を設けなかった他は、実施例１と同様にして比較用燃料電池システム１を作製し、燃料供給用マニホルド孔１０２ａに燃料として直接２Ｍのメタノール水溶液を毎分０．５ｍＬ供給した以外は、実施例１と同様の条件で発電実験を行った。

《比較例２》
分解部１１３および貯蔵部を設けなかった他は、実施例１と同様にして比較用燃料電池システム２を作製し、燃料供給用マニホルド孔１０２ａに燃料として直接２Ｍのジメトキシメタン水溶液を毎分０．５ｍＬ供給した以外は、実施例１と同様の条件で発電実験を行った。

［評価試験］
実施例１、ならびに比較例１および２において作製した燃料電池システムについて、上記の条件で燃料を供給し、運転開始から２時間後の開回路電圧および発電時の電池電圧を調べた、その結果を表１に示した。
また、発電試験時に、燃料電池１１１の燃料供給用マニホルド孔１０２ａの入口部分において、燃料電池１１１に導入される燃料の一部を捕捉し、これをガスクロマトグラフ（島津製作所製ＧＣ−１４ＢＰＴ、ワイドボアカラム、ＤＢ−ＷＡＸ使用）により分析した。その分析結果も表１に示した。

実施例１ではジメトキシメタンは検出されず、メタノールが検出された。これは、分解部１１３でジメトキシメタンが加水分解され、メタノールとホルムアルデヒドが生成したためである。比較例２ではメタノールは検出されなかった。これは、ジメトキシメタンは水溶液のまま放置してもメタノールに分解されないことを示している。

ジメトキシメタンは、メタノールに比べて過電圧が大きいため、アノードにジメトキシメタンが供給された比較例２では比較例１よりも低い電池電圧が得られた。一方、本発明の実施例１では、分解部においてジメトキシメタンより変換されたメタノールがアノードに供給されたため、メタノールを直接アノードに供給した比較例１と同等の電池電圧が得られた。なお、ホルムアルデヒドはメタノールと同様に発電燃料として使用された。

このように、本発明では、反応性の低い燃料を反応性の高い燃料に変換することにより、発電効率の高いシステムが得られることがわかった。また、実施例１では、ジメトキシメタンを水溶液のまま燃料電池用原料カートリッジ内に保有している間は、毒物であるメタノールが生成することはないため、ユーザーが毒物に触れることのない安全な燃料電池用原料カートリッジを提供することができた。

本発明の燃料電池システムは、電気自動車、家庭用コジェネレーションシステム等に好適に用いられる。また、本発明の燃料カートリッジは、軽量かつコンパクトな燃料電池システムに好適に用いることができる。

本発明の実施の形態１における燃料電池システムの要部構成を示す概略斜視図である。 本発明の実施の形態２における燃料電池システムの要部構成を示す概略斜視図である。 本発明の実施の形態３における燃料電池システムの要部構成を示す概略斜視図である。 本発明の実施の形態４における燃料電池システムの要部構成を示す概略斜視図である。 本発明の実施の形態５における燃料電池システムの要部構成を示す概略斜視図である。 本発明の実施の形態６における燃料電池システムの要部構成を示す概略斜視図である。 本発明の実施の形態７における燃料電池システムの要部構成を示す概略斜視図である。 本発明の実施の形態８における燃料電池システムの要部構成を示す概略斜視図である。 本発明の実施例１における単セルの分解斜視図である。 本発明の実施例１における燃料電池の要部を示す分解斜視図である。 本発明の実施例１における分解部を設置した燃料電池の概略斜視図である。

符号の説明

１１、２１、３１、４１、５１、６１、７１、８１、１１１ 燃料電池
１２、２２、３２、４２、５２、６２、７２、８２ 貯蔵部
１３、２３、３３、４３、５３、６３、７３、８３、１１３ 分解部
２４、３４、４４、５４、６４ 第１の貯蔵部
２５、３５、４５、５５、６５ 第２の貯蔵部
２６、３６、７４、８４ 混合部
３７ 水移送装置
９１ 膜電極接合体
９２ セパレータ
９２ａ、１０２ａ 燃料供給用マニホルド孔
９２ｂ 冷却水供給用マニホルド孔
９２ｃ 酸化剤ガス供給用マニホルド孔
９２ｄ 燃料ガス排出用マニホルド孔
９２ｅ 冷却水排出用マニホルド孔
９２ｆ 酸化剤ガス排出用マニホルド孔
９２ｇ、９２ｈ 流路
１０１ 単セル
１１４ 固体酸

Claims (25)

1. 燃料電池と、燃料の原料である有機化合物を貯蔵する貯蔵部と、前記燃料電池および前記貯蔵部の間に設けられ、前記有機化合物をメタノールに加水分解して前記燃料電池に供給する分解部と、を有することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記有機化合物が、分子内にＣＨ_３Ｏ−Ｃ−ＯＣＨ_３結合を有する請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記有機化合物が、メチルエステルである請求項１記載の燃料電池システム。
4. 前記有機化合物が、分子内にＣＨ_３Ｏ−Ｓｉ結合を有する請求項１記載の燃料電池システム。
5. 前記貯蔵部が、前記有機化合物を貯蔵する第１の貯蔵部、水を貯蔵する第２の貯蔵部、および前記有機化合物と前記水とを混合する混合部を含む請求項１記載の燃料電池システム。
6. 前記貯蔵部が、前記有機化合物を貯蔵する第１の貯蔵部および水を貯蔵する第２の貯蔵部を含み、前記分解部が前記有機化合物と前記水とを混合する混合部を含む請求項１記載の燃料電池システム。
7. 前記貯蔵部が、前記有機化合物と水とを混合する混合部からなる請求項１記載の燃料電池システム。
8. 前記分解部が、前記貯蔵部に含まれている請求項５〜７のいずれかに記載の燃料電池システム。
9. 前記分解部が、前記燃料電池に含まれている請求項５〜７のいずれかに記載の燃料電池システム。
10. 前記分解部が、固体酸を含む請求項１〜９のいずれかに記載の燃料電池システム。
11. 前記固体酸が、プロトン型ゼオライト、陽イオン交換樹脂、および硫酸修飾ジルコニアからなる群より選ばれた少なくとも一種である請求項１０記載の燃料電池システム。
12. 前記燃料電池からの排水を、前記貯蔵部または前記分解部に移送する手段を有する請求項１〜１１のいずれかに記載の燃料電池システム。
13. 前記貯蔵部が、前記燃料電池システムから着脱可能である請求項１〜１１のいずれかに記載の燃料電池システム。
14. 燃料電池に供給される燃料の原料である有機化合物を貯蔵する貯蔵部と、前記有機化合物をメタノールに加水分解して前記燃料電池に供給する分解部とを有することを特徴とする燃料電池用原料カートリッジ。
15. 前記分解部が前記燃料電池に設置されており、前記燃料電池から着脱可能である請求項１４記載の燃料電池用原料カートリッジ。
16. 前記貯蔵部が前記分解部に設置されており、前記分解部から着脱不可能である請求項１５記載の燃料電池用原料カートリッジ。
17. 前記有機化合物が分子内にＣＨ_３Ｏ−Ｃ−ＯＣＨ_３結合を有する請求項１４〜１６のいずれかに記載の燃料電池用原料カートリッジ。
18. 前記有機化合物が、メチルエステルである請求項１４〜１６のいずれかに記載の燃料電池用原料カートリッジ。
19. 前記有機化合物が、ＣＨ_３Ｏ−Ｓｉ結合を有する請求項１４〜１６のいずれかに記載の燃料電池用原料カートリッジ。
20. 前記貯蔵部が、前記有機化合物を貯蔵する第１の貯蔵部、水を貯蔵する第２の貯蔵部、および前記有機化合物と前記水とを混合する混合部を含む請求項１４〜１９のいずれかに記載の燃料電池用原料カートリッジ。
21. 前記貯蔵部が前記有機化合物を貯蔵する第１の貯蔵部および水を貯蔵する第２の水貯蔵部を含み、前記分解部が前記有機化合物と前記水とを混合する混合部を含む請求項１４〜１９のいずれかに記載の燃料電池用原料カートリッジ。
22. 前記有機化合物がジメトキシメタンであり、前記貯蔵部がメトキシエタンと水との混合物を含む混合部からなる請求項１４〜１９のいずれかに記載の燃料電池用原料カートリッジ。
23. 前記分解部が固体酸を含む請求項１４〜１９のいずれかに記載の燃料電池用原料カートリッジ。
24. 前記固体酸がプロトン型ゼオライト、陽イオン交換樹脂、および硫酸修飾ジルコニアからなる群より選ばれた少なくとも１つを含む請求項２３記載の燃料電池用原料カートリッジ。
25. 前記燃料電池本体からの排水を、前記貯蔵部または前記分解部に移送する手段を有する請求項１４〜２４のいずれかに記載の燃料電池用原料カートリッジ。

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