JP2009301759A - ダイレクトアルコール型燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】ダイレクトアルコール型燃料電池の発電部へ供給するアルコール濃度を一定範囲に保つこと。
【解決手段】発電部１２に連通されている予備タンク５に、燃料タンク１に貯留されているメタノール水溶液を供給している場合には、他の予備タンク６に発電部１２から排出された未反応燃料を流入させるように構成され、また切替機構を操作することによって、燃料供給経路を切り替えて、燃料供給側予備タンク５と排出側予備タンク６との役割を切り替えることができ、発電部１２に供給するメタノール水溶液濃度を一定範囲に留めることができるダイレクトアルコール型燃料電池を提供する。
【選択図】図１

Description

この発明は、ノートパソコン、携帯電話、小型ビデオカメラ用などの小型から自動車および家庭における発電用の燃料電池に関するものである。

ダイレクトアルコール型の燃料電池は、比較的低い温度での発電が可能なこと、液体燃料を貯留して用いるために、燃料のエネルギ密度が高いこと、またその結果として燃料容器が小型化できること、さらには、貯蔵の難しい水素ガスを燃料に用いないなどのことから、燃料電池全体の構成を小型化することができるなどの特徴を有する。したがって今後、ノートパソコン、携帯電話、小型ビデオカメラなどの小型携帯型の機器用電源として有望視される燃料電池である。

一方、従来のダイレクトアルコール型の燃料電池は、水素ガスを燃料とした燃料電池と比較して、発電される電力が小さいなどの問題があり、発電力の向上が課題になっている。

液体燃料としてメタノール水溶液を用いたダイレクトメタノール型燃料電池は、電池本体の燃料極側にメタノール水溶液を供給した場合に、供給されたメタノール水溶液はメッシュ状の金属で構成された電極を透過し、さらに多孔質で構成されたガス拡散層を透過して触媒層に到達する。白金／ルテニウムの混合物によって構成された触媒層にメタノールとそれと同量以上の水分が到達あるいは触媒層に存在すると、メタノールは二酸化炭素、プロトン、電子に分解される。
ＣＨ_３ＯＨ + Ｈ_２Ｏ → ＣＯ_２+ ６Ｈ⁺ + ６ｅ⁻ …（１）
この時発生した二酸化炭素は、燃料が透過してきたガス拡散層、電極を通って外部へ放出される。また発生したプロトンは電解質膜中を透過し、空気供給側に移動する。さらにまた発生した電子は、導電体である多孔質のガス拡散層を透過して電極で捕捉され、反対側（空気供給側）の電極との間に形成した回路中を移動して電気を発生する。

電極の構造は、液体と気体とを透過させやすく、さらに電気を捕捉しやすいようにメッシュ状が望ましい。また電極の材料には、電気的腐食を受けないように、白金あるいは金などの貴金属によってメッキ処理が施された鉄あるいは銅などの金属が望ましい。

またガス拡散層は、電極と同様に液体と気体とを透過させやすく、さらに電気の良導体であるカーボン繊維やカーボン紙などが望ましい。さらに望ましくは、ガス拡散層を構成する素材は、液体を透過させやすいよう水和処理を施しておくとよい。水和処理は酸化錫などをカーボン繊維などを含浸させることが一般的である。

空気供給側では、標準気圧によって吸入した空気中に含まれる酸素が、空気供給側の電極およびガス拡散層を経て触媒層に到達し、燃料供給側から移動してきたプロトンと電解質膜において、電子とともに反応して水が生成する。
３／２Ｏ_２ ＋６Ｈ^＋ ＋ ６ｅ⁻ → ３Ｈ_２Ｏ …（２）

しかしながら、上述した一般的なメタノール燃料電池において、必要とする電力を安定的に取り出そうとする場合に、液体状態のメタノール水溶液を標準気圧下で外部からの動力を用いずに供給することは、必要とする電力を安定的に取り出すためには不十分である。そのため従来では、小型ポンプを用いて、メタノール水溶液の流量を制御しながら強制的に燃料電極へ供給している。

ところで、携帯電話のような携帯型の小型電子機器に同様の燃料電池を用いようとした場合には、前述したような燃料供給用ポンプはその大きさの観点から採用することはできない。また一般的に、ポンプを制御するためには電力が必要であり、燃料電池で発電した電力の一部をポンプの駆動に用いた場合には、燃料電池全体としての出力電力の低下を招く。

ポンプを用いずに燃料であるメタノール水溶液を供給する燃料電池の一例が特許文献１に記載されている。特許文献１には、燃料極側における未反応燃料を燃料タンク近傍の混合部に流入させて、燃料タンクからの燃料と混合して、発電部へ供給できる構成としている。また、発電部において発生した水と未反応燃料とは、水タンクに流入させ、混合部を経て発電部へ供給できる構成としている。

米国特許第６６８６０８１号明細書

しかしながら、ダイレクトアルコール型燃料電池において、一般に燃料であるメタノールは水溶液として供給しており、その濃度は１０ｖｏｌ％前後である。その反応式は前述の化学反応式（１）に示す通りである。したがって、１０ｖｏｌ％程度のメタノール水溶液中のメタノールが全て反応した場合には、特許文献１に記載された構成では、混合部に戻される反応残渣は水のみになり、また、反応効率が１００％を下回った場合には、メタノール濃度の低い、すなわち水分濃度の上昇した未反応燃料が混合部に戻されることになる。その結果、混合部における水分量が次第に上昇し、発電部に供給されるメタノール水溶液の濃度が次第に低下せざるを得なくなる。

この発明は上記の技術的課題に着目してなされたものであり、反応残渣である水を循環しても発電部に供給する燃料濃度を一定範囲に保てるように構成したダイレクトアルコール型燃料電池を提供することを目的とするものである。

上記の目的を達成するために、請求項１の発明は、メタノール水溶液を燃料とし、かつ水分濃度が上昇した未反応燃料を生じるダイレクトメタノール型燃料電池において、燃料極側に連通されている複数の予備タンクと、これらの予備タンクに供給する前記燃料を貯留する燃料タンクと、いずれかの予備タンクから前記燃料極側に前記燃料を供給している場合には、他のいずれかの予備タンクに前記未反応燃料を流入させるように切替操作をする切替機構とを備えていることを特徴とするものである。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記予備タンクに供給する前記燃料を加圧する加圧機構をさらに備え、前記切替機構は加圧された前記燃料をいずれか一つの予備タンクに導く流路と、他のいずれかの予備タンクに導く流路とを選択的に切り替えるバルブを含むことを特徴とするダイレクトアルコール型燃料電池である。

請求項３の発明は、請求項２の発明において、前記切替機構は、加圧された前記燃料が供給される予備タンク以外の予備タンクを大気に連通させる排出用バルブを含むことを特徴とするダイレクトアルコール型燃料電池である。

請求項４の発明は、請求項２または３の発明において、前記加圧機構は、化学反応によって非凝縮性ガスを発生させる反応部を備えていることを特徴とするダイレクトアルコール型燃料電池である。

したがって請求項１の発明によれば、燃料タンクから発電部の燃料極側に連通されている複数の予備タンクが設けてある。燃料タンクから供給された燃料は、一時的にいずれかの予備タンクに貯留されて、発電部の燃料極側に供給される。また、発電部において、化学反応に用いられて、水分濃度が上昇した前記燃料の反応残渣（未反応燃料を含む）は、切替機構によって前記予備タンクとは異なる他の予備タンクに一時的に貯留される。その結果、反応残渣が直接外部に排出されず、予備タンクに貯留される。また、複数の予備タンクは燃料タンクと発電部の燃料極側とに連通されており、複数の予備タンクに流入される燃料と反応残渣とは、切替機構によって、流入する予備タンクを切り替えることができる。すなわち燃料タンクからの燃料を一時的に貯留していた予備タンクと、反応残渣を一時的に貯留していた他の予備タンクとの役割を切り替えることができる。その結果、発電部に供給される燃料濃度を一定の範囲内に納めることができる。

請求項２の発明によれば、燃料タンクから予備タンクを経由して発電部へ供給される燃料は、加圧機構によって加圧されるので、滞ることなく速やかに発電部へ供給される。また加圧された燃料は、例えば切替機構としてのバルブによって、選択的に予備タンクに供給される。その結果、例えばある時点において、反応残渣を流入させていた他の予備タンクに対して、バルブを操作することによって燃料タンクから供給され、かつ加圧された燃料を流入させることができる。すなわち複数の予備タンクに流入される燃料と反応残渣とは、切替機構によって、流入する予備タンクを切り替えることができる。したがって燃料タンクからの燃料を一時的に貯留していた予備タンクと、反応残渣を一時的に貯留していた他の予備タンクとの役割を切り替えることができ、発電部に加圧されて供給される燃料濃度を一定の範囲内に納めることができる。

請求項３の発明によれば、燃料タンクから供給され、かつ加圧された燃料が流入される予備タンクとは異なる他の予備タンクは、切替機構としての排出用バルブによってダイレクトアルコール型燃料電池の外部に連通されている。その結果、発電部において生じた二酸化炭素をダイレクトアルコール型燃料電池の外部へ排出させることができる。また燃料タンクから供給され、かつ加圧された燃料が流入される予備タンクに対しては、切替機構である排出用バルブが閉じているので、加圧された燃料が排出されることはない。

請求項４の発明によれば、加圧機構は化学反応によって非凝縮性ガスを発生させる反応部を備えているので、液体または固体の非凝縮性ガス発生源を用いることができる。その結果、気体を貯留する場合と比較して、非凝縮性ガス密度を高くして非凝縮性ガス発生源を貯留できるので、省スペース化が図れる。また化学反応によって非凝縮性ガスを発生させて、液体燃料を加圧して発電部へ燃料を供給するので、例えばポンプなどの動力を必要とせず、加圧機構を簡素化させることができる。さらにまた、非凝縮性ガスの気体圧力によって燃料を輸送するので、連通する非凝縮性ガスの反応部から発電部に至る流路と予備タンクとを加圧できる。その結果、燃料タンクから供給された燃料は、滞ることなく速やかに発電部に供給される。

つぎにこの発明に係るダイレクトアルコール型燃料電池を実施例に基づいて説明する。この発明に係るダイレクトアルコール型燃料電池の主要な構成を図１に示してある。また、この発明に係るダイレクトアルコール型燃料電池の実験機を簡略化して図２に示してある。この発明に係るダイレクトアルコール型燃料電池は、アルコール水溶液を貯留する燃料タンク１を備えている。この燃料タンク１から供給される燃料は、この発明における切替機構２である燃料流路切替バルブ３によって燃料供給管路４を選択的に切替られ、連通する予備タンク５または６に供給されている。なお、予備タンク５または６には、図示しないドレーンが設けられている。

また、この発明における予備タンク５に供給する燃料を非凝縮性ガスによって加圧する加圧機構７は、非凝縮性ガスの発生源を貯留する非凝縮性ガスタンク８と非凝縮性ガスを化学反応によって発生させる反応部９とを備えている。反応部９において発生させられた非凝縮性ガスは、非凝縮性ガス供給管路１０を介して燃料供給管路４に連通されている。

また非凝縮性ガス供給管路１０内には、貯留された液状の非凝縮性ガス発生源を反応部９へ輸送するために毛細管力を利用したウィックあるいはウィック形状の部材（図示せず）が設けられている。非凝縮性ガス供給管路１０と燃料供給管路４とは、非凝縮性ガス混合部１１において連通されている。非凝縮性ガス混合部１１は燃料タンク１から燃料流路切替バルブ３に至る燃料供給管路４に設けられている。

非凝縮性ガスの発生源として、例えば過酸化水素を用いることができる。例えば過酸化水素を貯留して、反応部９に二酸化マンガンあるいは白金を触媒として、過酸化水素から非凝縮性ガスである酸素を発生させる構成とすることもできる。なお、白金を触媒として用いた場合には、白金は過酸化水素だけでなく、燃料にメタノール水溶液を用いた場合には、メタノールをも分解する。したがって白金とメタノールとの接触を避ける構成とする必要がある。またあるいは白金とメタノールとが接触し、メタノールが分解されて発生した二酸化炭素などの分解生成物が、燃料タンク１あるいは非凝縮性ガスタンク８に逆流するのを防止する弁などの逆流防止機構を設ける必要がある。したがって、燃料にメタノール水溶液を用い、過酸化水素を非凝縮性ガスである酸素の発生源とした構成では、過酸化水素を分解する触媒には二酸化マンガンを用いることが望ましい。

燃料流路切替バルブ３は予備タンク５および予備タンク６に供給管路によって連通されて設けられている。予備タンク５および予備タンク６の内部には水によって希釈された所定量のメタノール水溶液が貯留されている。予備タンク５および予備タンク６に接続された燃料流路切替バルブ３と連通する供給管路の口の位置は、予備タンク５内部に貯留された燃料液面の上下のどちらに配置してもよい。

予備タンク５および予備タンク６は発電部の燃料極側に供給管路４によって連通されている。予備タンク５および予備タンク６の内部に配置された発電部と連通する供給管路の口（入り口）の位置は、それぞれの予備タンクに貯留された燃料液面下になるように配置されている。

また、予備タンク５が発電部１２に燃料を供給している場合に、発電部１２からの未反応燃料あるいは反応生成物は、排出流路切替バルブ１３によって連通された予備タンク６に流入させられる。また予備タンク６は排出管路１４によって外部排出口１５に連通されている。排出流路切替バルブ１３は、予備タンク５あるいは予備タンク６を選択的に連通できるように構成されている。ここで、予備タンク５および予備タンク６の内部に配置された排出流路切替バルブ１３に連通する排出管路１４の口（入り口）の位置は、それぞれの予備タンクに貯留された燃料液面よりも上になるように配置されている。

また、燃料タンク１と非凝縮性ガス混合部１１との間には、燃料タンク１から供給されるアルコール水溶液の流量を遮断を含めて制御（調整）する流量制御バルブ１６が設けられている。この流量制御バルブ１６としては、流量調整バルブが最も一般的であるが、これに限らずオリフィスなどの適宜の構成のものを作用することができる。

次ぎにこの発明に係るダイレクトアルコール型燃料電池の動作例を説明する。図１において、燃料電池の運転開始時に、例えば燃料流路切替バルブ３はＣＡ間の供給管路４を開き、ＣＢ間の供給管路４を遮断しておく。この場合に排出流路切替バルブ１３はＤＦ間の排出管路１４を開き、ＥＦ間の排出管路１４を遮断しておく。また燃料タンク１に貯留されるメタノール水溶液濃度は、二つの予備タンク５、１２に貯留されるメタノール水溶液濃度よりも高い濃度とする。例えば、燃料タンク１に５０ｖｏｌ％のメタノール水溶液を貯留した場合には、予備タンク５には５ｖｏｌ％のメタノール水溶液を貯留し、予備タンク６には１０ｖｏｌ％のメタノール水溶液を貯留する。

先ず、流量制御バルブ１６を開いて燃料タンク１から開放されたメタノール水溶液と、非凝縮性ガス混合部１１において過酸化水素から分解されて発生した酸素とを混合させる。この場合に、燃料タンク１から流出（開放）されるメタノール水溶液の量は流量制御バルブ１６によってその流量が制御される。

反応部９において、液体である過酸化水素が二酸化マンガンの触媒作用によって分解されて、気体である酸素が発生する。この場合に、液体から気体への体積膨張（体積変化）によって燃料供給管路４に圧力が生じる。燃料タンク１から供給されたメタノール水溶液は非凝縮性ガス混合部１１において、酸素と混合されて、予備タンク５へ輸送される。メタノール水溶液と酸素との気液混合体が予備タンク５に到達すると、液体であるメタノール水溶液は予備タンク５内部にあらかじめ貯留されたメタノール水溶液と混合される。この場合において、燃料タンク１から酸素と共に輸送されたメタノール水溶液は、予備タンク５内部にあらかじめ貯留されたメタノール水溶液よりも濃度が高いため、予備タンク５内部のメタノール水溶液の濃度は経時的に上昇する。

また気体である酸素は、予備タンク５内部の気相に貯留され、予備タンク５内部の圧力を上昇させる。ここで燃料流路切替バルブ３および供給管路４は気体である酸素を流通させ、かつ圧力によって酸素が逆流しないように構成されている。予備タンク５から排出流路切替バルブ１３および排出管路１４も同様に構成されている。また排出流路切替バルブ１３が遮断されている場合は、排出流路切替バルブ１３側に酸素は漏出しない。したがって、気液混合体が予備タンク５内部に到達すると、気体である酸素によって予備タンク５内の圧力が高まり、予備タンク５内部に貯留されたメタノール水溶液が内圧によって押し出されて発電部１２に供給される。付言すると、燃料であるメタノール水溶液は液体のまま発電部１２へ供給される。

発電部１２では前述した（１）式に示すように、メタノール一分子と水一分子とが反応し、二酸化炭素一分子が生成する。この場合において、燃料タンク１から発電部１２に供給されるメタノール水溶液は、予備タンク５を介すことによって、水に希釈される。その結果、発電部１２ではメタノール分子数よりも水分子数が多く存在し、（発電）反応に寄与しなかった水分子はそのまま排出される。さらに、供給したメタノール水溶液の反応効率（使用効率）が１００％になることは殆どなく、一定の出力（発電）を維持するためには、燃料を連続的に供給することになり、その結果、不可避的に未反応のメタノールが排出されてしまう可能性がある。このような反応生成物および未反応物は、予備タンク５において生じた圧力によって、連続的に予備タンク６に輸送（排出）される。

予備タンク６は、排出流路切替バルブ１３を介して外部排出口１５に連通されており、予備タンク６内部の圧力は外気圧と同じになるように構成されている。そのため、発電部１２から排出された二酸化炭素、水および未反応メタノールの混合体は、予備タンク６の内圧によって圧し戻されずに、予備タンク６に導入される。この場合において、発電部１２から排出され予備タンク６に流入した二酸化炭素は、水およびメタノール水溶液に対して難溶であるため、予備タンク６の気相に溜まる。そして予備タンク６に導入された二酸化炭素は、外部排出口１５に対して開いている排出流路切替バルブ１３を介して、最終的に外部へ排出される。

また、前述したように予備タンク６には、１０ｖｏｌ％のメタノール水溶液が貯留されているが、発電部１２から排出される未反応メタノールは極微量であるため、予備タンク６に貯留されるメタノール水溶液の濃度は経時的に低下する。

前述したこの発明に係るダイレクトアルコール型燃料電池の構成では、燃料電池の発電に伴って、予備タンク５に貯留されるメタノール水溶液濃度は経時的に上昇し、予備タンク６に貯留されたメタノール水溶液濃度は経時的に低下する。

しかしながら、燃料流路切替バルブ３のＣＡ間の供給管路４を遮断し、ＣＢ間の供給管路４を開く。また同時に排出流路切替バルブ１３のＤＦ間の排出管路１４を遮断し、ＥＦ間の排出管路１４を開くことによって予備タンク６を発電部１２に対する燃料供給側タンクとして、予備タンク５を排出側タンクとすることができる。すなわち燃料流路切替バルブ３，１３の流路をそれぞれ切り替えることによって、前述した予備タンク５と予備タンク６との使用方法を逆にすることができる。なおタンクの切り替えは、自動で行うのが望ましい。その手法は、予備タンク内にメタノール濃度計を入れておくか、濃度が低下した際の発電量の低下を利用して、その電力をモニターして、所定の電力以下になった場合に自動で切り替わるという方式が望ましい。コストの観点から前者より後者の方がより望ましい。その結果、これまで経時的にメタノール水溶液濃度が上昇する状態であった予備タンク５は、排出側タンクとなることによって経時的にメタノール水溶液濃度が低下する。そして、これまで経時的にメタノール水溶液濃度が低下する状態であった予備タンク６は、燃料供給側タンクとなることによって経時的にメタノール水溶液濃度が上昇する。また、予備タンク５および６には、図示しないドレーンが設けられているので、適宜貯留された燃料を抜くことができ、貯留される燃料の濃度あるいは量を調整することができる。

予備タンク５あるいは予備タンク６からの燃料を発電部１２の燃料極に供給する燃料供給路１７の構成を図３に示してある。予備タンク５あるいは予備タンク６に貯留されたメタノール水溶液は、過酸化水素から発生させられた酸素によって燃料供給口１８あるいは１９から導入され、蛇行して設けられた微細な溝からなる燃料供給路１７内を輸送される。燃料供給口１８は予備タンク５に連通しており、燃料供給口１９は予備タンク６に連通している。発電部１２は燃料供給路１７側に積層して構成されており、燃料供給路１７を輸送されるメタノール水溶液は、その燃料供給路１７を流通している間に逐次発電部１２に供給される。発電部１２に供給されたメタノール水溶液は、触媒反応によって（１）式に示したように分解されて、二酸化炭素を発生させる。反応生成物である二酸化炭素は、メタノール水溶液を輸送してきた燃料供給路１７に導入され、未反応のメタノールおよび水と共に二酸化炭素排出口２０に輸送される。二酸化炭素排出口２０から排出された反応生成物は、予備タンクを経由して、最終的に外部排出口１５から排出される。

前述した構成にすることによって、発電部１２に供給されるメタノール水溶液濃度は、一定範囲に保つことができる。本構成では予備タンク５に貯留されるメタノール水溶液濃度を５ｖｏｌ％、予備タンク６に貯留されるメタノール水溶液濃度を１０ｖｏｌ％としたが、別の濃度範囲を適宜設定してもよい。その他、燃料タンク１に貯留されるメタノール水溶液濃度、燃料タンク１から流出（開放）させるメタノール水溶液の量、反応部９における酸素の発生量、予備タンク５，９の容積などを適宜調節して、発電部１２に供給するメタノール水溶液の濃度範囲を設定することができる。

なお、より効果的にアルコール水溶液燃料を輸送するために、アルコール水溶液燃料を蒸気化させて発電部１２に供給してもよい。アルコール水溶液燃料を蒸気化させる場合には、本構成の燃料タンク１と燃料流路切替バルブ３との間にアルコール水溶液燃料を加熱して蒸気化させる蒸気化部（図示せず）を設ける構成とする。これによってアルコール水溶液燃料を蒸気化させて予備タンク５あるいは予備タンク６に輸送することができる。アルコール水溶液燃料を蒸気化させる熱源としては、電気ヒータなどの発熱部材（図示せず）を燃料供給管路４に巻き付ける構成としてもよい。また、発電部１２において生じる反応熱を伝熱して、アルコール水溶液燃料を蒸気化させてもよい。

また、蒸気化された気体状態のアルコール燃料を供給する場合には、条件によっては蒸気化されたアルコールが再凝縮する虞があるため、非凝縮性ガスと混合することが望ましい。

さらにまた、蒸気化された高温状態のアルコール燃料を使用するので、発電部１２に用いられる高分子電解質膜にポリベンゾイミダゾール（図示せず）を用いてもよい。ポリベンゾイミダゾールは、従来使用されているパーフルオロスルホン酸系高分子膜と比較して融点が高く、高温領域において安定したプロトンの移動を示す。また高温領域において、パーフルオロスルホン酸系高分子膜と比較してメタノールのクロスオーバ現象を抑えることができる。

なお、クロスオーバー現象とは、アルコール燃料が発電部１２の電解質膜（図示せず）において、発電に寄与する化学反応（発電反応）を行うことなく、燃料極側から空気極側に透過する現象のことを言う。

この発明に係るダイレクトアルコール型燃料電池の実験機（図２）では、燃料にメタノールを水を用いて希釈した５０ｖｏｌ％のメタノール水溶液を使用した。なお非凝縮性ガスの発生源として用いた過酸化水素は、その濃度が３ｖｏｌ％となるように水を用いて希釈した。過酸化水素を分解する触媒には二酸化マンガンを用いた。

過酸化水素を分解する触媒である二酸化マンガンは、酸素供給管路６内部に設けたウィックあるいはウィック状の部材に、焼結によって固定化して設けた。具体的には、１０ｖｏｌの濃度となるようにエタノールを用いて希釈された硝酸マンガン（六水和物）に、あらかじめ洗浄されたウィックあるいはウィック状の部材を浸漬して酸素雰囲気下、４００℃にて１時間加熱して担持させた。
Ｍｎ（ＮＯ_３）_２ → ＭｎＯ_２ ＋ ＮＯ_２

なお過酸化水素を分解する触媒には、二酸化マンガン以外では白金を用いてもよい。ただし、使用する燃料にアルコール類、特にメタノールを用いる場合は、メタノールは白金の触媒作用によって分解されるために、メタノールと白金とが接触しない構造をとる必要がある。

また非凝縮性ガスの発生源である過酸化水素は、あらかじめ燃料であるメタノール水溶液と混合してもよい。この場合において、反応部９は燃料タンク１と燃料流路切替バルブ３との間に設ける構成とする。また過酸化水素から酸素を発生させる触媒には、燃料であるメタノールを分解しない二酸化マンガンが望ましい。

また図示しないが、３ｖｏｌ％の過酸化水素水１ｍＬは、二酸化マンガンを触媒として分解されると、室温下では６６０ｍＬの酸素を発生させることを実験によって確認した。この酸素発生量は、必要とする電力を得るためのアルコール水溶液燃料を輸送するのに十分な量であった。また、過酸化水素水を反応部９に供給する場合に、１ｍＬ程度の過酸化水素水であれば毛細管力を利用したウィックによって滞りなく輸送できるので、その輸送にポンプなどを用いなくともよい。なお、非凝縮性ガスは例えば窒素ガス、酸素ガスなどの気体そのものを小型ボンベに貯留し、流量を制御して混合してもよい。

またこの発明における非凝縮性ガスの発生源として過酸化水素から酸素を発生させる例を記載したが、以下に示すような化学物質の組み合わせによって、燃料輸送用非凝縮性ガスを発生させてもよい。非凝縮性ガスを充填させて用いる場合には、液体状のガス発生剤を用いて非凝縮性ガスを発生させてもよい。

過酸化水素の場合には、ヒドラジンと接触させることにより、窒素ガスを発生させることができる。
２Ｈ_２Ｏ_２ + Ｎ_２Ｈ_４ → Ｎ_２ + ４Ｈ_２Ｏ

その他、酸化剤と燃料成分、必要に応じて添加剤に構成される成分を互いに接触させることによっても非凝縮性ガスを得ることができる。

酸化剤には、硝酸類、亜硝酸類、塩基性硝酸類、オキソハロゲン酸塩などが挙げられる。

硝酸類としては、硝酸、硝酸アンモニウム、硝酸ナトリウム、硝酸カリウム、硝酸バリウム、硝酸ストロンチウムなどが挙げられる。

亜硝酸類としては、亜硝酸ナトリウム、亜硝酸カリウム、亜硝酸バリウム、亜硝酸ストロンチウムなどが挙げられる。

塩基性亜硝酸類としては、塩基性硝酸銅、塩基性硝酸マンガン、塩基性硝酸鉄、塩基性硝酸モリブデン、塩基性硝酸ビスマス、塩基性硝酸セリウムなどが挙げられる。

オキソハロゲン酸塩としては、ハロゲン酸塩、過ハロゲン酸塩などが挙げられる。

ハロゲン酸塩としては、塩素酸カリウム、塩素酸ナトリウムなどのハロゲン酸アルカリ金属塩、塩素酸バリウム、塩素酸カルシウムなどのハロゲン酸アルカリ土類金属塩、塩素酸アンモニウムなどのハロゲン酸アンモニウム塩などが挙げられる。過ハロゲン酸塩としては、過塩素酸カリウム、過塩素酸ナトリウムなどの過ハロゲン酸アルカリ金属塩、過塩素酸バリウム、過塩素酸カルシウムなどの過塩素酸アルカリ土類金属塩、過塩素酸アンモニウムなどの過ハロゲン酸アンモニウム塩などが挙げられる。

燃料成分としては含窒素化合物、有機酸、有機酸の塩、粉末状微結晶炭素などが挙げられる。

含窒素化合物としては、ニトラミン化合物、グアニジン誘導体、テトラゾール誘導体、トリアゾール誘導体、ヒドラジン誘導体、アゾジカルボンアミド誘導体などが挙げられる。

ニトラミン化合物としては、トリメチレントリニトロアミン（ＲＤＸ）、テトラメチレンテトラニトロアミン（ＨＭＸ）などが挙げられる。

グアニジン誘導体としては、ニトログアニジン、トリアミノグアニジンネイトレート（ＴＡＧＮ）などが挙げられる。

テトラゾール誘導体としては、アミノテトラゾール、テトラゾール、アゾテトラゾール、ビテトラゾールなどが挙げられる。

トリアゾール誘導体としては、トリアゾール、ウラゾールなどが挙げられる。

ヒドラジン誘導体としては、硝酸ヒドラジン（ＨＮ）などが挙げられる。

アゾジカルモンアミド誘導体としては、アゾジカルモンアミド、ヒドラゾジカルボンアミドなどが挙げられる。

粉末状微結晶炭素としては、活性炭、木炭、コークス、獣炭、骨炭、瀝青炭およびカーボンブラックなどが挙げられる。

その他の添加剤としては、経時安定性を向上させるために経時安定剤を配合させることができる。そのような経時安定剤としては、経時安定性を向上させることができるものであれば全て使用できる。

例えば経時安定剤として、ジフェニルウレア誘導体、ジフェニルアミン誘導体、フェニルウレタン誘導体、ジフェニルウレタン誘導体などが挙げられる。

ジフェニルウレア誘導体としては、ジフェニルウレア、メチルジフェニルウレア、エチルジフェニルウレア、ジエチルジフェニルウレア、ジメチルジフェニルウレア、メチルエチルジフェニルウレアなどが挙げられる。

ジフェニルアミン誘導体としては、ジフェニルアミン、２−ニトロジフェニルアミンなどが挙げられる。

フェニルウレタン誘導体としては、エチルフェニルウレタン、メチルフェニルウレタンなどが挙げられる。

ジフェニルウレタン誘導体としては、ジフェニルウレタンなどが挙げられる。

このほかレゾルシノールなどが挙げられる。

酸化剤などの分解により生成するアルカリ金属またはアルカリ土類金属の酸化物をミストとして外部へ放出することを抑制するために、その他の添加剤としてスラグ形成剤を配合させることができる。

例えばスラグ形成剤として、シリカ、アルミナ、酸性白土、タルク、マイカ、二硫化モリブデンなどの少なくとも一種から選ばれたスラグ形成剤が挙げられる。これらの中ではシリカやアルミナあるいは酸性白土がスラグ形成剤として好ましい。

そのほか、アルカリ金属、アルカリ土類金属、金属アルミニウムなどの両性金属に水を接触させた場合は、非凝縮性ガスである水素が発生する。

なお、これらの化学反応は爆発的に進むことがあるので、その安全性の観点から、酸化剤あるいは燃料成分のいずれか一方を、例えば錠剤のような形状に成形して、その化学反応表面積を減少させる、あるいは精密に流量制御を行う、さらにまた低濃度の材料を用いるなどの手法をとることが望ましい。

さらに他の方法として、アゾ類を加熱することにより、非凝縮性ガスである窒素を発せさせることができる。その化学反応式を下記に記した。
２ＮａＮ_３ → ２Ｎａ + ３Ｎ２

この発明に係るダイレクトアルコール型燃料電池の主要構成を示すブロック図である。 この発明に係るダイレクトアルコール型燃料電池の模式的な概略図である。 発電部へ燃料を供給する燃料供給路１７の概略図である。

符号の説明

１…燃料タンク、 ３…燃料流路切替バルブ、 ５、６…予備タンク、 ８…非凝縮性ガスタンク、 ９…反応部、 １２…発電部、 １３…排出流路切替バルブ、 １７…燃料供給路、 １８、１９…燃料供給口、 ２０…二酸化炭素排出口。

Claims (4)

1. メタノール水溶液を燃料とし、かつ水分濃度が上昇した未反応燃料を生じるダイレクトメタノール型燃料電池において、
   燃料極側に連通されている複数の予備タンクと、
   これらの予備タンクに供給する前記燃料を貯留する燃料タンクと、
   いずれかの予備タンクから前記燃料極側に前記燃料を供給している場合には、他のいずれかの予備タンクに前記未反応燃料を流入させるように切替操作をする切替機構とを備えている
   ことを特徴とするダイレクトアルコール型燃料電池。
2. 前記予備タンクに供給する前記燃料を加圧する加圧機構を更に備え、
   前記切替機構は加圧された前記燃料をいずれか一つの予備タンクに導く流路と、
   他のいずれかの予備タンクに導く流路とを選択的に切り替えるバルブを含む
   ことを特徴とする請求項１に記載のダイレクトアルコール型燃料電池。
3. 前記切替機構は、加圧された前記燃料が供給される予備タンク以外の予備タンクを大気に連通させる排出用バルブを含むこと
   を特徴とする請求項２に記載のダイレクトアルコール型燃料電池。
4. 前記加圧機構は、化学反応によって非凝縮性ガスを発生させる反応部を備えている
   ことを特徴とする請求項２または３に記載のダイレクトアルコール型燃料電池。

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