JP2006144870A - 燃料カートリッジおよびこれを用いた燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料を内部に収納する燃料カートリッジを高温保存した際に、燃料が燃料カートリッジ外へ漏洩してしまうという課題があった。
【解決手段】燃料カートリッジ内部に、燃料を収納する燃料タンクと、燃料を触媒燃焼する触媒燃焼部と、燃料タンクから燃料カートリッジ外部へ燃料を供給する第１の燃料供給管と、第１の燃料供給管に配置された第１の弁と、燃料タンクから触媒燃焼部へ燃料を供給する第２の燃料供給管と、第２の燃料供給管に配置された第２の弁と、を有しており、第２の弁は、燃料タンクの圧力が一定値以上の値に上昇すると開放する弁であること、を特徴とする燃料カートリッジを提供する。これにより、高温保存しても燃料の漏洩の無い安全性の高い燃料カートリッジを提供することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料を内部に収納し、持ち運ぶことができる燃料カートリッジ、およびそれを用いた燃料電池システムに関するものである。

燃料電池システムは、燃料と発電部とからなる発電デバイスであり、その高いエネルギー密度、静粛性、環境に優しい、といった特徴から、有望なポータブル電源として期待されている。

燃料電池システムを用いたポータブル電源は、電力が必要な時に燃料を供給すればいつでも発電することができる、という特徴を有しており、二次電池のように充電をする手間を省くことができるという点で魅力的である。

燃料電池システムへの燃料の追加は、燃料を内部に収納する燃料収納容器を取り外して持ち歩くことが可能な燃料カートリッジとすることにより、簡易に行うことができる。燃料が無くなれば、空になった燃料カートリッジを取り外し、新しい燃料カートリッジを燃料電池システムに取り付けることにより、燃料の供給が可能となり、発電することができる。

これらの燃料カートリッジには、燃料の漏洩防止対策を十分に施しておく必要がある。なぜなら、燃料電池に用いられる燃料としては、メタノール、エタノール等のアルコール類、ジメチルエーテル、ジエチルエーテル等のエーテル類、ジメトキシメタン、トリメトキシメタン、トリオキサン等のメトキシ基含有化合物、鎖状あるいは環状アルカン等の炭化水素燃料、あるいは、水素吸蔵合金に代表される金属水素化物、シクロヘキサンやデカリンおよびカーボンナノチューブ等の水素吸蔵材料、水素化ホウ素ナトリウムや水素化リチウムアルミニウム等の金属水素錯化合物、水素ガス等の各種燃料が使用可能であるが、これらの多くは可燃性あるいは毒性を有しているからである。したがって、これら燃料がカートリッジ外へ漏洩することを防止する対策を十分に施すことは非常に重要性が高い。

従来の燃料漏洩防止対策を施した燃料カートリッジとしては、例えば燃料の流動性を抑制することによって漏洩を抑制するという目的で、燃料をゲル化させるようなゲル化剤、あるいは燃料を吸着させる燃料吸着剤を燃料カートリッジ内に設けるということが開示されている（例えば、特許文献１参照）。また、燃料が例えば水素化ホウ素ナトリウムおよび水素化リチウムアルミニウムのような金属水素錯化合物である場合には、金属水素錯化合物と化学反応を起こすことにより、これら燃料を消費する、例えばケトンなどの化学物質を燃料カートリッジ内に設けるということも開示されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−１５２７６５号公報

しかしながら、従来の燃料漏洩防止対策として、ゲル化剤あるいは吸着剤による燃料の流動性抑制による漏洩抑制が開示されているが、これらゲル化剤あるいは吸着剤により流動性を失った燃料は、高温に曝された場合には流動性を回復し、揮発してカートリッジ外へ漏洩する可能性がある。

また、燃料が金属水素錯化合物である場合には、ケトン等の化学物質との反応により燃料を消費することが開示されているが、この場合、燃料との反応により可燃物であるアルコールが生成する。従って、高温に曝された場合には生成したアルコールが揮発し、カートリッジ外へ漏洩する可能性がある。

使用条件を考慮すると、燃料カートリッジは高温下で放置されることを想定しておく必要が有るが、従来例による燃料漏洩防止対策では、燃料等の可燃性あるいは毒性可能性のある化学物質がカートリッジ外へ漏洩することを無くすことは困難である。

高温放置の際の燃料カートリッジからの燃料漏洩の可能性について、以下に具体例を挙げて説明する。

炎天下、車のダッシュボードの上に放置された場合などを想定すると、カートリッジ温度は８０℃程度まで上昇しうる。８０℃における各種燃料の蒸気圧を２５℃の蒸気圧と比較し、（表１）に示す。

（表１）に示すように、各種燃料は８０℃環境下で放置されると、蒸気圧がおよそ４倍から１０倍に増大することがわかる。このように、高温時には燃料の蒸気圧が増大するため、従来例のような燃料の流動性を低下させるだけでは、カートリッジ外への漏洩を完全に無くすことは非常に困難であることがわかる。実際に、活性炭等の吸着剤にアルコールを吸着させても、高温にすればアルコールが気化して出てくることがわかっている。また、吸水性の高分子にアルコールを吸収させた場合も同様である。

高温保存時の燃料蒸気圧の上昇により、燃料タンクから燃料が漏洩したり、もしくは燃料タンクが破裂したりする危険性もあると考えられることから、こうした危険性を回避するために、より一層の燃料漏洩防止対策を燃料カートリッジに施す必要がある。

前記従来の課題を解決するために、燃料を内部に収容し、持ち運ぶことが可能な本発明の燃料カートリッジは、燃料カートリッジ内部に燃料を収納する燃料タンクと、燃料を触媒燃焼する触媒燃焼部と、燃料タンクから燃料カートリッジ外部へ燃料を供給する第１の燃料供給管および第１の燃料供給管に配置された第１の弁と、燃料タンクから触媒燃焼部へ燃料を供給する第２の燃料供給管および第２の燃料供給管に配置された第２の弁とを有しており、第２の弁は燃料タンクの圧力が一定値以上の値に上昇すると開放する弁であるという構成の燃料カートリッジを提供するものである。

使用する燃料としては、アルコール類、エーテル類、メトキシ基含有化合物、炭化水素燃料、金属水素化物、水素吸蔵材料、金属水素錯化合物、および水素ガスからなる群より選択された少なくとも１種の化合物を含む燃料であることが好ましい。

また、前記第２の弁は、ゴムやバネなど弾性体の弾性力を利用した圧力開放弁であっても良い。特に、使用する燃料の蒸気圧が高い場合に、本構成の圧力開放弁が有効である。本構成の圧力開放弁は消費電力を必要とせず、弁の簡易化かつ小型化が可能となるからである。

また、前記第２の弁は、気液分離膜を利用した圧力開放弁であっても良い。特に、使用する燃料の蒸気圧が低い場合に、本構成の圧力開放弁が有効である。また、本構成の圧力開放弁は消費電力を必要とせず、弁の簡易化かつ小型化が可能となるからである。

また、燃料の温度上昇を抑制する温度上昇抑制部を備えていても良い。高温時の燃料漏洩の根本原因となる燃料の温度上昇を抑制することができるためである。温度上昇抑制部としては、断熱材や冷却材を用いることができる。また、冷却材としては、化学反応による吸熱を利用した冷却材が好適に用いられる。これらの温度上昇抑制部は消費電力を必要とせず、燃料カートリッジの簡易化かつ小型化を可能とすることができる。

また、燃料カートリッジ内の燃料を使用して発電する燃料電池システムから生じる排ガスを、燃料カートリッジ内の触媒燃焼部に導入する排ガス導入管と、排ガス導入管に配置された第３の弁とを備えており、第３の弁が燃料電池システムの運転時に開放することを特徴とする燃料カートリッジとすることも有効である。燃料電池発電部において生成する排ガスも触媒燃焼部において燃焼処理し、安全な状態で電池外へ排出することが出来るからである。

本発明の燃料カートリッジを接続して発電することのできる燃料電池システムは、燃料電池発電部および燃料カートリッジのそれぞれに別個の触媒燃焼部を設ける必要がなく、燃料カートリッジ内に一つ設けるだけでよいため、燃料電池システムの簡易化かつ小型化を可能とすることができるという点で有効である。

本発明の燃料カートリッジによれば、高温環境下に放置した場合にも、燃料漏洩の危険性を回避することのできる安全性の高い燃料カートリッジを提供することができる。また、本発明の燃料カートリッジを接続することにより発電することができる燃料電池システムは、発電により生成する排ガスを燃料カートリッジ内の触媒燃焼部で燃焼処理することができるので、燃料あるいは燃料酸化副生成物等が漏洩する危険性を回避することができると共に、燃料電池システムの簡易化かつ小型化を可能とすることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における燃料カートリッジの概略図である。図１において燃料カートリッジ１０は、接続部１１を有しており、接続部１１を介して燃料電池システム（図示せず）と接続することが出来るようになっている。また、燃料カートリッジ１０の内部には、燃料電池システムで使用する燃料を収納する燃料タンク１２および燃料を触媒燃焼する触媒燃焼部１６が配置されている。燃料タンク１２に接続された第１の燃料供給管１３は、接続部１１まで伸びている。第１の燃料供給管１３の途中に配置した第１の弁１５を開放することにより、燃料は図中実線矢印の向きに接続部１１まで、すなわち燃料電池システムへと供給される。第１の弁１５は、燃料電池システムからの開信号や、使用者の操作などによって開くことができる。具体的には、前記第１の弁１５は燃料カートリッジ１０が燃料電池システムと接続される時に開くことができるものである。

このような弁としては、特に方式に依らず、電気信号により開閉制御が可能な電磁弁や、あるいは機械的に開閉制御が可能な弁を用いることができる。

また、図１中の燃料タンク１２と触媒燃焼部１６とは、第１の燃料供給管１３から分岐した第２の燃料供給管１４で接続されており、第２の燃料供給管１４の途中に配置した第２の弁１７の開放により、燃料は図中点線矢印の向きに触媒燃焼部１６へと供給される。第２の弁１７は、燃料タンク１２および第２の燃料供給管１４内の圧力、すなわち、第２の弁１７の入口にかかる圧力が上昇し、第２の弁１７の入口と出口との圧力差が一定値に達した場合に開く機能を有しており、燃料タンク１２および第２の燃料供給管１４の内圧が上昇した場合に、燃料タンク１２および第２の燃料供給管１４内の燃料を触媒燃焼部１６に供給することで内部の圧力を低下させ、燃料漏洩の危険性を回避することができる。なお、第２の燃料供給管１４は、第１の燃料供給管１３から分岐させずに燃料タンク１２と触媒燃焼部１６とを直接接続しても、同様の効果を得ることができる。

第２の弁１７としては、燃料タンク１２および第２の燃料供給管１４の内圧が一定値に達した場合に開き、一定値を下回った場合に閉じる圧力開放弁を用いることができる。第２の弁１７を開放するための圧力閾値としては、燃料の室温での蒸気圧以上の値であって、かつ燃料タンク１２および第２の燃料供給管１４の耐圧以下の値で設定することができる。ここでいう燃料タンク１２および第２の燃料供給管１４の耐圧とは、これらの内部から外部へガスリークが起こり始める圧力のことを指す。また、好ましくは燃料の室温での蒸気圧以上の値であって、燃料の８０℃での蒸気圧以下の値で設定することが望ましい。

触媒燃焼部１６に供給された燃料は、そこで空気吸排気口１８から取り込んだ空気中の酸素と反応し、水や二酸化炭素になり、空気吸排気口１８から燃料カートリッジ１０外部へ、危険性、毒性の全く無い状態で安全に排出される。また、この空気吸排気口１８には異物の混入による閉塞等の危険性を回避するために、フィルターを設置しておくことが有効である。フィルターとしては、空気中の塵やごみを除去するダストフィルターとして、繊維からなる織物、綿、多孔質膜などを用いてもよい。さらには必要に応じ、触媒燃焼部１６中の触媒を空気中の被毒物質から保護する機能を有するフィルターを用いても良く、この場合は活性炭やその他の吸着剤をフィルターに保持させて用いると良い。

このようなカートリッジにすることにより、例えば高温保存などのような燃料蒸気圧が上昇し、燃料タンク内の内圧が上昇してしまう場合においても、燃料を完全に危険性、毒性の無い状態に転換し、外部へ排出することにより、燃料タンク内の内圧を低下させ、カートリッジ外部への燃料等の可燃性あるいは毒性がある化学物質の漏洩がない、非常に信頼性の高い燃料カートリッジを提供することができる。

触媒燃焼部１６および第２の弁１７の具体的な構造について、それぞれ以下に図面を用いて説明する。

図２は本実施の形態１における触媒燃焼部１６の構造の一例を示す概略図である。図２において触媒燃焼部１６は、触媒部２６を内包する外装体２４からなり、触媒部２６は外装体２４の内部に一体化された構造となっている。外装体２４の一端は第２の燃料供給管１４に接続され、他端は開放している。外装体２４の側面のうち、触媒部２６と接する部分には空気取り入れ用の孔２８が空いている。なお、第２の燃料供給管１４が外装体２６を兼ねても良い。

図２において、円筒多孔質形状の触媒部２６は、外装体２４とほぼ同径であり、触媒部２６を外装体２４の内部に入れ、一体化することができる。図２の実線矢印の向きに燃料が触媒部２６に到達し、外装体２４の側面の孔２８から取り込まれた空気中の酸素と触媒部２６内で反応し、水や二酸化炭素となり、図中点線矢印の向きに触媒燃焼部１６外へ排出される。

触媒部２６で用いることのできる触媒は、燃料が酸素と速やかに酸化反応を起こすことのできる触媒であれば何でもよく、白金や、パラジウム、イリジウム等に代表されるような貴金属や、これらの酸化物、あるいは、これらを含んだ合金を用いることができる。取り扱い上の利便性を考えると、アルミナやシリカのような酸化物粒子や多孔質体にこれら触媒を担持させたものが有効である。例えば図２に示すような円筒多孔質構造のセラミックスの表面に触媒金属を担持させた触媒部２６は、取り扱いが容易である。なお、図２では円筒形の触媒燃焼部１６を示したが、第２の燃料供給管１４から供給される燃料が触媒部２６に到達する形状であれば、どのような形状であっても構わない。

上述した触媒部２６による燃料の酸化燃焼は、吸着剤による燃料の吸着等と比較して、燃料の流動性を抑制するだけではなく、本質的に燃料を安全な状態に転換していることからより安全であると言えるのみならず、小型化の観点からも有効である。なぜなら吸着剤やゲル化剤の場合、燃料の量に比例した量の吸着剤やゲル化剤等の化学物質が必要であるが、本発明の触媒燃焼部は、燃料の量には依存せず、燃料が多量にある場合でも触媒燃焼部は小さくすることが出来ることから、小型化の点からも有効であるという特徴を有する。

次に、本実施の形態１における第２の弁１７の構造について説明する。図３−Ａは本実施の形態における第２の弁１７の構造の一例として、ゴムの圧縮力を利用した弁を示す概略図であり、図３−Ｂは弁のみを斜め上から見た概略図である。

図３−Ａおよび図３−Ｂにおいて、第２の燃料供給管１４の中にゴムの圧縮力を利用した第２の弁１７が設置されている。図３−Ａにおいて、上板３２側の第２の燃料供給管１４が触媒燃焼部１６に接続されており、下板３１側の第２の燃料供給管１４が第１の燃料供給管１３に接続されている。

第２の弁１７は、下板３１と上板３２と、それらの間にゴム３３を挟んだ構造になっている。弁の内側の圧力、すなわち下板３１側の圧力が一定値以上の値まで大きくなった場合に、ゴム３３が変形し、上板３２と下板３１との間が押し広げられ、これらの間、あるいはゴムとこれらの間に隙間が生じ、第２の弁１７が開放する。第２の弁１７が開放することで、弁の内側から弁の外側、すなわち上板３２側へ圧力が開放される。開放圧力の閾値は、ゴムの弾性率を変化させることにより、概ね０．３〜２．５ＭＰａ程度の圧力範囲で任意に設定することができる。なお、このような構造の圧力開放弁は、弁の内側の圧力が一定値に達した場合に開き、一定値を下回った場合に閉じ、かつ逆止弁としての作用も有し、有効である。

本実施の形態１における第２の弁１７の別の形態について説明する。図４−Ａは本実施の形態における第２の弁１７の構造の一例として、バネの圧縮力を利用した弁を示す概略図であり、図４−Ｂは弁のみの部品をそれぞれ分け、斜め上から見た概略図である。

図４−Ａおよび図４−Ｂにおいて、第２の燃料供給管１４の中にバネの圧縮力を利用した第２の弁１７が設置されている。図４−Ａにおいて、上板４２側の第２の燃料供給管１４が触媒燃焼部１６に接続されており、下板４１側の第２の燃料供給管１４が第１の燃料供給管１３に接続されている。

第２の弁１７は、円筒状の空洞を有する下板４１と、上板４２とが、その間にＯリング４３を挟み、バネ４５により押さえつけられている構造になっている。下板４１は、第２の燃料供給管１４の中に固定されている。弁の内側の圧力、すなわち下板４１側の圧力が一定値以上の値まで大きくなった場合に、バネ４５が図中実線矢印の向きに圧縮されることにより、下板４１と上板４２との間が押し広げられ、第２の弁１７が開く。第２の弁１７が開放されることにより、弁の内側から弁の外側すなわち上板４２側へ圧力が開放される。開放圧力の閾値は、バネの弾性率を変化させることにより、概ね０．３〜２．５ＭＰａ程度の圧力範囲で設定することができる。なお、このような構造の圧力開放弁は、内圧が一定値に達した場合に開き、一定値を下回った場合に閉じ、かつ逆止弁としての作用も有し、有効である。

これらの二つの例で説明した圧力開放弁は、弁の開閉のための閾値が、概ね０．３〜２．５ＭＰａ程度であることから、高温時、具体的には８０℃程度での燃料蒸気圧がこれらの範囲に入る燃料、したがって蒸気圧の高い燃料に用いた場合に好適である。具体的には、ギ酸メチル、ブタン、ジメチルエーテルのような有機燃料、あるいは水素ガス燃料の場合に好適に用いられる。水素ガスは、圧縮水素以外にも、水素吸蔵合金に代表される金属水素化物、シクロヘキサンやカーボンナノチューブ等の水素吸蔵材料、水素化ホウ素ナトリウム等の金属水素錯化合物等の水素発生燃料でも同様である。

これら２つの例で説明した圧力開放弁以外にも、内部と外部の圧力差が一定値に達した場合に、その圧力差を緩和するように開放する弁であればよく、これらの例以外にも、圧力センサを用いる圧力開放弁であってもよい。具体的には、弁の内側の圧力を圧力センサで検知し、該圧力センサの表示値が一定値に達した場合に弁が開放し、一定値を下回った場合に弁が閉じるように制御することができる。

本実施の形態１において示した燃料カートリッジにより、例えば高温環境下での保存などにより燃料蒸気圧が上昇し、燃料タンク内の内圧が上昇してしまう場合においても、燃料を完全に危険性、毒性の無い状態に転換し、外部へ排出することにより、燃料タンク内の内圧を低下させ、カートリッジ外部への燃料の漏洩がない非常に安全かつ信頼性の高い燃料カートリッジを提供することができる。

（実施の形態２）
本発明における実施の形態２の燃料カートリッジは、圧力開放弁である第２の弁１７以外は実施の形態１と同じ構成であるため、気液分離膜を利用した第２の弁１７についてのみ図面を用いて説明する。

図５−Ａは本実施の形態における第２の弁１７の構造の一例として、気液分離膜を利用した弁を示す概略図であり、図５−Ｂは弁のみを斜め上から見た概略図である。

図５−Ａおよび図５−Ｂにおいて、第２の燃料供給管１４の中に気液分離膜を利用した第２の弁１７が設置されている。図５−Ａにおいて、上板５２側の第２の燃料供給管１４が触媒燃焼部１６に接続されており、下板５１側の第２の燃料供給管１４が第１の燃料供給管１３に接続されている。

第２の弁１７は、下板５１と上板５２との間に気液分離膜５３を挟んだ構造になっており、圧力開放弁の内側、すなわち下板５１側と、圧力開放弁の外側、すなわち上板５２側とで圧力差が生じた場合に、その圧力差を打ち消すように、下板５１側から上板５２側へ気体が透過し、圧力を開放する。

気液分離膜５３としては、無機膜では、ゼオライトや、多孔質シリカ、多孔質アルミナのようなセラミックスフィルターを用いることができる。また、有機膜では、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）やＰＶｄＦ（ポリフッ化ビニリデン）等に代表されるフッ素樹脂、あるいはニトロセルロースやポリイミドなどの炭化水素樹脂からなる多孔質膜を用いることができる。

これらの気液分離膜５３を用いた弁は、実施の形態１で説明した一定の圧力閾値に達した場合に初めて開く弁とは機能が異なる。これらの気液分離膜５３は貫通孔が開いており、多孔質膜となっている。多孔質膜の内側と外側に圧力差が生じた場合に、その圧力差を打ち消すようにガスが多孔質膜を通過していき、圧力差がなくなるか、もしくは非常に小さくなった際にガスの通過が止まる。したがって、このような弁を用いることのできる燃料は、室温での蒸気圧が０．１ＭＰａ以下の燃料の場合であり、例えばメタノールやエタノールやプロパノールのような室温で液体である燃料の場合に好適に用いられる。

また、燃料が気化した燃料蒸気は通過して構わないが、燃料液体そのものの通過は望ましくない。これは、多孔質膜の孔を閉塞してしまう危険性があるためである。したがって、多孔質膜は、燃料の液体状態での透過が起こらないように、燃料液体に対する親和性の低い表面を有することが望ましい。具体的には、多孔質膜の表面はフッ素樹脂コートなどが施されていることが望ましい。

また、気液分離膜５３としては無機や有機の多孔質膜を例として挙げたが、これ以外にも特定のガスのみを選択的に透過させる選択透過膜も利用可能である。具体的には、Ｐｄ膜や、ＡｇＰｄ膜などの緻密質の水素選択透過膜が用いられうる。燃料タンク内部の水素圧力が増大した際に、水素は膜を透過し、触媒燃焼部１６に導入され、燃料タンク内部の圧力を低下させる。この際に用いられる燃料としては、圧縮水素ガス以外にも、水素吸蔵合金に代表される金属水素化物、シクロヘキサンやカーボンナノチューブ等の水素吸蔵材料、水素化ホウ素ナトリウム等の金属水素錯化合物等の水素発生燃料でも同様である。

（実施の形態３）
本発明における実施の形態３の燃料カートリッジ１０は、燃料タンク１２の周囲に温度上昇抑制部６８を配置した点以外は実施の形態１と同じ構成である。以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

図６は本実施の形態における燃料カートリッジの概略図である。図６において、燃料タンク１２の周囲に温度上昇抑制部６８が配置されている。その他の構成は図１と同じであるので説明は省略する。温度上昇抑制部６８を燃料タンク１２の周囲に配置する目的は、燃料の温度上昇の防止である。そもそも、燃料カートリッジからの燃料漏洩の危険性は、燃料の温度が上がってしまうことよる燃料の蒸気圧上昇に起因しているため、燃料の温度上昇を防止する温度上昇抑制部６８を設置することにより、燃料カートリッジの燃料漏洩防止能力は、より一層高まると考えられる。図６では、燃料タンク１２を覆うように燃料温度上昇防止部６８を設置しているが、これはもちろん燃料の存在しうる範囲、すなわち燃料タンク１２から第１の燃料供給管１３、あるいは第２の燃料供給管１４まで設置することが有効である。

本実施の形態に用いることのできる温度上昇抑制部６８としては、具体的には断熱材などによる周囲との断熱が一例として挙げられる。また、温度上昇抑制部６８としては、断熱材以外にも積極的に燃料を冷却する冷却材であってもよいし、あるいはこれらの両方を複合したものであってもよい。これらの両方を複合する場合、冷却材で燃料タンク１２や第１の燃料供給管１３、第２の燃料供給管１４などを覆った外側に断熱材を設けることが有効である。

また、本実施の形態に用いることのできる冷却材としては、化学反応による吸熱反応を利用した冷却材を用いることができる。具体的には、化学物質の固体から液体へ相変化する際の融解熱、液体から気体へ相変化する際の気化熱、あるいは、固体が液体へ溶解する際の溶解熱等の、化学反応による吸熱反応を利用した冷却材が有効である。融解熱あるいは気化熱を利用する場合、それらの相変化温度が、第２の弁１７が開き、触媒燃焼部１６に燃料が供給され始める温度付近であることが望ましい。

相変化の際の吸熱を利用する冷却材として、例えば融点が５９℃である酢酸ナトリウム三水和物は安全性が高く、さらに加熱すると水分を放出して無水塩となるため、前記冷却材として好適に用いることができる。また、融点が４０〜６５℃程度であるパラフィンなども好適に用いることができる。

固体が液体へ溶解する際の溶解熱を利用する冷却材として、水に溶解する塩化ナトリウムや硝酸アンモニウム等の塩を用いることができる。さらにその利用方法としては、例えば溶媒と塩を温度上昇により融解するパラフィン等で隔離しておくことが有効である。この場合、温度上昇時に隔離物であるパラフィンが溶融し、溶媒と塩とが混合し、吸熱反応が起こる。あるいは別の方法としては、圧力上昇により破れるゴムなどを用いて、溶媒と塩とを隔離しておくことが有効である。この場合、燃料蒸気圧の上昇により、隔離物であるゴムが破れ、溶媒と塩とが混合し、吸熱反応が起こる。なお、これらの吸熱反応に用いる化学物質である溶媒や塩が、燃料タンク内に保有する燃料や水であっても良い。

（実施の形態４）
本発明における実施の形態４の燃料カートリッジ１０は、触媒燃焼部１６に接続された新たな管および弁が存在する点以外は実施の形態１と同じ構成である。以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

図７は本実施の形態４における燃料カートリッジの概略図である。図７において、触媒燃焼部１６に燃料電池システム（図示せず）に接続された排ガス導入管７８と、排ガス導入管７８の途中に第３の弁７９が配置されている。その他の構成は図１と同じであるので説明は省略する。

排ガス導入管７８と第３の弁７９とは、燃料電池システムの発電により生成した排ガスを触媒燃焼処理するために触媒燃焼部１６へ導入する役割を有する。したがって、第３の弁７９は、燃料カートリッジ１０が単独で存在している場合には開くことが無く、少なくとも燃料電池システムに接続されており、かつシステムなどからの開信号を受けた場合等に開く弁である。

このような弁としては、特に方式に依らず、電気信号により開閉制御が可能な電磁弁や、あるいは機械的に開閉制御が可能な弁が用いることができる。

また、排ガス導入管７８には、燃料電池システムからの燃料排ガス、空気排ガス、あるいはそれらの両方を混合した排ガスが通る管を接続してもよい。

排ガス導入管７８および第３の弁７９の役割をより詳しく説明するため、燃料カートリッジ１０と接続する燃料電池システムの概略図を図８に示す。図８において、燃料は燃料ポンプ８２により、燃料導入管８３を通って空気極（図示せず）と燃料極（図示せず）と電解質膜（図示せず）とを含む発電部８１に供給され、発電により生成した燃料排ガスは燃料排出管８４を通って排出される。ここで、燃料導入管８３は燃料カートリッジ１０を燃料電池システムにセットした際に、燃料カートリッジ１０内の第１の燃料供給管１３と接続される。一方、空気は空気ポンプ８５により発電部８１に供給され、発電により生成した空気排ガスは空気排出管８６を通って排出される。

燃料排ガス中には未反応の燃料が含まれているため、排出する前に、燃焼処理する必要がある。そこで、燃料排出管８４を燃料カートリッジ１０内の排ガス導入管７８に接続すれば、燃料カートリッジ１０内の触媒燃焼部１６において処理することができ、燃料電池システム内に別途燃焼部あるいは処理部を設ける必要が無くなり、システムの小型化に寄与することができる。

また、空気排出管８６を通って排出される空気排ガスにも、燃料あるいは燃料酸化副生成物が混入する可能性がある。発電部８１内を燃料がリークして空気極に達する場合があるからである。したがって、空気排ガスも、排出する前に、燃焼処理をすることが有効である。そこで、空気排出管８６を燃料カートリッジ１０内の排ガス導入管７８に接続すれば、燃料カートリッジ１０内の触媒燃焼部１６において処理することができ、燃料電池システム内に別途燃焼部あるいは処理部を設ける必要が無くなり、システムの小型化に寄与することができる。また、空気排ガスには、未反応の酸素も多量に含まれており、これを燃料カートリッジ１０内の触媒燃焼部１６に導入することは、触媒燃焼部１６へ酸素を供給することになり、燃料の燃焼能力が増し、効率良く触媒燃焼することができる。

燃料電池システムからの燃料排ガスおよび空気排ガスの両方を燃料カートリッジ１０内の触媒燃焼部１６に導入する場合、これらの排出管を１本にまとめて、排ガス導入管７８に接続してもよいし、または、触媒燃焼部１６への排ガス導入管を２本にして、それぞれ別の管のままで、触媒燃焼部１６へ供給してもよい。

本実施の形態における燃料電池システムでは、燃料を発電部８１に供給した後、未利用燃料を含んだ排ガスを直接触媒燃焼部１６に導入する例を示したが、燃料排ガスから未利用燃料と排ガスとを分離し、未利用燃料を再度発電部８１へ戻し、排ガスのみを触媒燃焼部１６に戻すことが出来るような分離部を有していても構わない。また、本実施の形態４では、燃料供給にポンプを一例として用いたが、これは弁であってもよいし、あるいは液体燃料の場合にはウィックのような吸い上げ部材であってもよく、いずれでも構わない。空気極で用いたポンプも同様で、これはファンであっても良いし、もしくは、供給機構が何も無く、ただ空気が自然拡散できるように孔が空いているだけでも構わない。

以下、実施例を用いて本発明をさらに詳細に説明する。なお、本発明は以下に示す実施例に限定されない。

（実施例１）
本実施例１においては、実施の形態１で説明した構成の燃料カートリッジであって、図１記載の構成の燃料カートリッジを作製した。

燃料タンクには、ステンレスボトルを用い、燃料供給管には、内部に針金の入った樹脂ホースを用いた。第１の燃料供給管を２つに分岐させて第２の燃料供給管を配置し、第１の燃料供給管を第１の弁である二方コックで閉じ、第２の燃料供給管には第２の弁としての圧力開放弁を配置し、触媒燃焼部と接続した。圧力開放弁としては、図３−Ａに示す弾性体の圧縮力を利用した圧力開放弁を用いた。圧力開放弁に用いる弾性体としてエチレン―プロピレン共重合体（ＥＰＤＭ）を用いた弁を用い、弁の圧力開放閾値は０．８ＭＰａとした。

触媒燃焼部としては、目の大きさが約１ｍｍ角のアルミナ−シリカ系のハニカム状押し出し成形品を骨格構造体とした直径１５ｍｍ、厚さ１０ｍｍのものを用い、その表面にディップ法により白金／アルミナ系の触媒を担持させた触媒部を、内径１５ｍｍのステンレス製の筒からなる外装体に入れて用いた。外装体の側面には、直径１ｍｍの孔を多数あけ、触媒部へ空気が流入できるようにした。

また、燃料タンクの中には、燃料として液化ガスであるブタンを１０ｍｌ入れた。

触媒燃焼部、燃料タンク、第１の燃料供給管、第２の燃料供給管、そしてこれら２つの燃料供給管に接続される２つの弁を全て含むようにポリプロピレン製の外装ケースに入れ、燃料カートリッジを作製した。

このようにして作製した燃料カートリッジを、８０℃恒温層の中に３時間設置し、恒温層のダンパー付近に、接触燃焼方式の可燃性ガスセンサを設置して、可燃性ガスの漏洩の有無を調査した。また、燃料タンクの温度を測定するために、燃料タンクに接するように、燃料カートリッジ内部に熱電対を配置した。

その結果、燃料タンクの温度は８０℃になっていたものの、可燃性ガスの漏洩は全く確認されなかった。

（実施例２）
本実施例の燃料カートリッジは、第２の弁である圧力開放弁としては、図４−Ａに示す弾性体としてステンレス製のバネを用いた弁を用い、弁の圧力開放閾値は１．８ＭＰａとしたこと以外は、実施例１で説明した燃料カートリッジと同じ構成とした。また、燃料タンクの中には、燃料として液化ガスであるジメチルエーテルを１０ｍｌ入れた。

このようにして作製した燃料カートリッジを、８０℃恒温層の中に３時間設置し、恒温層のダンパー付近に、接触燃焼方式の可燃性ガスセンサを設置して、可燃性ガスの漏洩の有無を調査した。また、燃料タンクの温度を測定するために、燃料タンクに接するように、燃料カートリッジ内部に熱電対を配置した。

その結果、燃料タンクの温度は８０℃になっていたものの、可燃性ガスの漏洩は全く確認されなかった。

（実施例３）
本実施例の燃料カートリッジは、第２の弁である圧力開放弁としては、図５−Ａに示す気液分離膜を用いる弁としたこと以外は、実施例１で説明した燃料カートリッジと同じ構成とした。

気液分離膜としては、フッ素系ＦＥＰ樹脂膜（膜厚２５μｍ、平均孔径０．１μｍ）を用いた。また、燃料タンクの中には、燃料としてメタノールを１０ｍｌ入れた。

このようにして作製した燃料カートリッジを、８０℃恒温層の中に３時間設置し、恒温層のダンパー付近に、接触燃焼方式の可燃性ガスセンサを設置して、可燃性ガスの漏洩の有無を調査した。また、燃料タンクの温度を測定するために、燃料タンクに接するように、燃料カートリッジ内部に熱電対を配置した。

その結果、燃料タンクの温度は８０℃になっていたものの、可燃性ガスの漏洩は全く確認されなかった。

（実施例４）
本実施例の燃料カートリッジは、燃料タンクと第１および第２の燃料供給管とをガラスウール断熱材で包んだこと以外は、実施例１で説明した燃料カートリッジと同じ構成とした。また、燃料タンクの中には、燃料として液化ガスであるブタンを１０ｍｌ入れた。

このようにして作製した燃料カートリッジを、８０℃恒温層の中に３時間設置し、恒温層のダンパー付近に、接触燃焼方式の可燃性ガスセンサを設置して、可燃性ガスの漏洩の有無を調査した。また、燃料タンクの温度を測定するために、燃料タンクに接するように、燃料カートリッジ内部に熱電対を配置した。

その結果、燃料タンクの温度は８０℃になっていたものの、可燃性ガスの漏洩は全く確認されなかった。

（実施例５）
本実施例の燃料カートリッジは、燃料タンクと第１および第２の燃料供給管とをガラスウール断熱材で包み、断熱材と燃料タンクとの間に冷却材を配置したこと以外は、実施例１で説明した燃料カートリッジと同じ構成とした。冷却材としては、酢酸ナトリウム三水和物５ｍｌを用いた。また、燃料タンクの中には、燃料として液化ガスであるブタンを１０ｍｌ入れた。

このようにして作製した燃料カートリッジを、８０℃恒温層の中に３時間設置し、恒温層のダンパー付近に、接触燃焼方式の可燃性ガスセンサを設置して、可燃性ガスの漏洩の有無を調査した。また、燃料タンクの温度を測定するために、燃料タンクに接するように、燃料カートリッジ内部に熱電対を配置した。

その結果、可燃性ガスの漏洩は全く確認されなかった。また、燃料タンクの温度は３時間後には８０℃にはなったものの、恒温槽設置後１時間半までは６０℃で保持していた。

（比較例１）
本比較例の燃料カートリッジは、圧力開放弁および触媒燃焼部を設置せず、その代わりに燃料吸着部として、活性炭１０ｍｌの吸着剤を設置したこと以外は、実施例１で説明した燃料カートリッジと同じ構成とした。また、燃料タンクの中には、燃料としてジメチルエーテルを１０ｍｌ入れた。

このようにして作製した燃料カートリッジを、８０℃恒温層の中に３時間設置し、恒温層のダンパー付近に、接触燃焼方式の可燃性ガスセンサを設置して、可燃性ガスの漏洩の有無を調査した。また、燃料タンクの温度を測定するために、燃料タンクに接するように、燃料カートリッジ内部に熱電対を配置した。

その結果、燃料タンクの温度は８０℃であり、濃度３％の可燃性ガスが確認され、燃料が漏洩していることが確認された。

（実施例６）
本実施例においては、実施の形態４で説明した構成の燃料カートリッジおよび燃料電池システムを作製した。

本実施例の燃料カートリッジは、下記の点以外は、実施例１で説明した燃料カートリッジと同じ構成とした。

第２の弁である圧力開放弁として、気液分離膜であるフッ素系ＦＥＰ樹脂膜（膜厚２５μｍ、平均孔径０．１μｍ）を用いた。また、燃料タンクの中には、燃料として６４重量％のメタノール水溶液１０ｍｌを入れた。また、燃料電池システムからの排ガスを燃料カートリッジ内の触媒燃焼部へ導入する排ガス導入管および第３の弁を設置した。第３の弁は手動式の開閉弁とした。燃料電池システム内では、燃料極での排ガスを排出する燃料排出管、および空気極での排ガスを排出する空気排出管を接合して１本の管とし、燃料カートリッジ内の排ガス導入管に接続した。

燃料電池システム内の発電部には、電極面積２０ｃｍ^２の素電池を５セル積層し、出力が約３Ｗのものを用いた。燃料の供給にはポンプを用い、０．１ｍｌ／分で供給した。また、空気の供給にはブロアーを用い、５００ｍｌ／分で供給した。

燃料電池システムの発電開始と同時に、燃料電池システムからの排ガスを燃料カートリッジ内の触媒燃焼部へ導入する排ガス導入管に設置した第３の弁を開いた。

このようにして作製した燃料電池システムに対して、燃料カートリッジの空気吸排気口付近に、接触燃焼方式の可燃性ガスセンサを設置して、可燃性ガスの漏洩の有無を調査した。

その結果、可燃性ガスの漏洩は確認されず、また、燃料電池システムはほぼ３Ｗの出力で９５分間安定して発電することが出来た。

本発明にかかる燃料カートリッジは燃料電池用の燃料カートリッジとして、特に有用である。また、このような燃料カートリッジの用途はこの限りではなく、内部に液体あるいは気体を収納する必要のある、液体あるいは気体の収納容器において利用可能である。

具体的な用途としては、ガスコンロなどの調理器具用途、あるいはランプ等の照明器具用途、あるいは石油ストーブ等の暖房器具用途など、その他の産業分野において利用可能である。

本発明の実施の形態１における燃料カートリッジの概略図 本発明の実施の形態１における触媒燃焼部の概略図 本発明の実施の形態１における圧力開放弁の概略図 本発明の実施の形態１における圧力開放弁を斜め上方より見た概略図 本発明の実施の形態１における圧力開放弁の概略図 本発明の実施の形態１における圧力開放弁を斜め上方より見た概略図 本発明の実施の形態２における圧力開放弁の概略図 本発明の実施の形態２における圧力開放弁を斜め上方より見た概略図 本発明の実施の形態３における燃料カートリッジの概略図 本発明の実施の形態４における燃料カートリッジの概略図 本発明の実施の形態４における燃料電池システムの概略図

符号の説明

１０ 燃料カートリッジ
１１ 接続部
１２ 燃料タンク
１３ 第１の燃料供給管
１４ 第２の燃料供給管
１５ 第１の弁
１６ 触媒燃焼部
１７ 第２の弁
１８ 空気吸排気口
２４ 外装体
２６ 触媒部
２８ 孔
３１，４１，５１ 下板
３２，４２，５２ 上板
３３ ゴム
４３ Ｏリング
４５ バネ
５３ 気液分離膜
６８ 温度上昇抑制部
７８ 排ガス導入管
７９ 第３の弁
８１ 発電部
８２ 燃料ポンプ
８３ 燃料導入管
８４ 燃料排出管
８５ 空気ポンプ
８６ 空気排出管

Claims (11)

1. 燃料を内部に収容する燃料カートリッジであって、
   前記燃料カートリッジ内部に前記燃料を収納する燃料タンクと、前記燃料を触媒燃焼する触媒燃焼部と、前記燃料タンクから前記燃料カートリッジ外部へ前記燃料を供給する第１の燃料供給管と、前記第１の燃料供給管に配置された第１の弁と、前記燃料タンクから前記触媒燃焼部へ前記燃料を供給する第２の燃料供給管と、前記第２の燃料供給管に配置された第２の弁と、を有しており、
   前記第２の弁は、前記燃料タンクの圧力が一定値以上の値に上昇すると開放する弁であること、を特徴とする燃料カートリッジ。
2. 前記触媒燃焼部に空気を吸排気する空気吸排気口を備えたこと、を特徴とする請求項１に記載の燃料カートリッジ。
3. 前記空気吸排気口にフィルターを備えたこと、を特徴とする請求項２に記載の燃料カートリッジ。
4. 前記第２の弁が、弾性体の弾性力を利用した圧力開放弁であること、を特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の燃料カートリッジ。
5. 前記第２の弁が、気液分離膜を利用した圧力開放弁であること、を特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の燃料カートリッジ。
6. 前記燃料の温度上昇を抑制する温度上昇抑制部を備えたこと、を特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の燃料カートリッジ。
7. 前記温度上昇抑制部は断熱材からなること、を特徴とする請求項６に記載の燃料カートリッジ。
8. 前記温度上昇抑制部は冷却材からなること、を特徴とする請求項６に記載の燃料カートリッジ。
9. 前記燃料を使用して発電する燃料電池システムから生じる排ガスを、前記触媒燃焼部に導入する排ガス導入管と、前記排ガス導入管に配置された第３の弁とを備えており、
   前記第３の弁は、前記燃料電池システムの運転時に開放すること、を特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の燃料カートリッジ。
10. 前記燃料がアルコール類、エーテル類、メトキシ基含有化合物、炭化水素燃料、金属水素化物、水素吸蔵材料、金属水素錯化合物、および水素ガスからなる群より選択された少なくとも１種の化合物を含む燃料であること、を特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の燃料カートリッジ。
11. 請求項１から１０のいずれかに記載の燃料カートリッジを接続して発電する燃料電池システム。

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