JP2008181764A - メタノール形燃料電池用燃料カートリッジ及びこれを用いた携帯用電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】十分な気密性又は水密性を有する固体状メタノールを燃料とするメタノール形燃料電池カートリッジを提供する。
【解決手段】メタノール形燃料電池用燃料カートリッジ１は、矩形箱型で一方の側に開口部３が形成された燃料収容部本体たるケーシング２と、この開口部３を覆う封鎖部材４と、ケーシング２の他方の側に設けられた燃料吐出機構５と、このケーシング２内に収容された略球形の固体状メタノール６とからなる。封鎖部材４の挿入部４Ｂの先端には、鋭角的な凸状の溶着部４１が形成されていて、ここを超音波溶着することで溶着部４１が溶融して挿入部４Ｂと溶着面３Ｂとの間隙を埋めるように広がって密封性をもって接合することができ、これにより、開口部３が封鎖部材４により封鎖される。
【選択図】図３

Description

本発明は、固体状メタノールを燃料とするメタノール形燃料電池用燃料カートリッジに関する。また、本発明は、このメタノール形燃料電池用燃料カートリッジにより発電する燃料電池システムを備えた携帯用電子機器に関する。

固体高分子電解質型燃料電池は、パーフルオロスルホン酸膜等の固体電解質膜を電解質とし、この膜の両面に燃料極及び酸化剤極を接合して構成され、アノードに水素やメタノール、カソードに酸素を供給して電気化学反応により発電する装置である。このうち、メタノールを燃料とする固体高分子電解質型燃料電池は、「直接（ダイレクト）メタノール形燃料電池」と呼ばれ、下記の反応式により発電が行われる。

アノード：ＣＨ_３ＯＨ ＋ Ｈ_２Ｏ → ６Ｈ^＋ ＋ ＣＯ_２ ＋ ６ｅ⁻ …［１］
カソード：３／２Ｏ_２ ＋ ６Ｈ^＋ ＋ ６ｅ⁻ → ３Ｈ_２Ｏ …［２］
この反応を起こすために、両電極は触媒物質が担持された炭素微粒子と固体高分子電解質との混合体より構成されている。

このような直接メタノール形燃料電池において、アノードに供給されたメタノールは、電極中の細孔を通過して触媒に達し、この触媒によりメタノールが分解されて、上記反応式［１］の反応で電子と水素イオンとを生成する。水素イオンは、アノード中の電解質及び両電極間の固体電解質膜を通ってカソードに達し、カソードに供給された酸素及び外部回路より流れ込む電子と反応して、上記反応式［２］のように水を生じる。一方、メタノールより放出された電子は、アノード中の触媒担体を通って外部回路へ導き出され、外部回路よりカソードに流れ込む。この結果、外部回路ではアノードからカソードへ向かって電子が流れ電力が取り出される。

このメタノールを燃料とする直接メタノール形燃料電池は、作動温度が低く、大掛りな補機が必要ないこと等から、携帯用電子機器用の小型燃料電池として有用であり、近年、携帯用コンピュータや携帯電話等の次世代二次電池として開発が活発化してきている。その一方で、燃料に使用するメタノールは、液体であるために漏れやすく、またメタノール自体の可燃性及び毒性が懸念されており、安全に使用するための対策が課題となっている。

このようなメタノールの安全性の課題に対し、分子状化合物を形成することによりメタノールを固形化し、漏れにくくするとともに可燃性を大きく低減した「固体状メタノール燃料」について本出願人は種々提案した（特許文献１〜３参照）。この固体状メタノールは、水と接触することで固体中のメタノールを水側に放出する。このようにして生成したメタノール水溶液を直接メタノール形燃料電池の燃料として使用することができるものである。
特開２００６−０４０６２９号公報 特開２００５−３２５２５４号公報 国際公開第２００５／０６２４１０号パンフレット

このような固体状メタノールから燃料となるメタノールを取り出すには、固体状メタノールに水を供給してメタノール水溶液を燃料として放出する（水供給方式）か、固体状メタノールからメタノールを揮発させる（気化方式）かすることが考えられる。

これらのメタノールを取り出す手段のうちの水供給方式は、燃料電池用固体状メタノールが入っている容器内に通水する水を液体として存在させる必要があるため、その水が漏れるおそれがある。また、気化方式は、水供給方式のように水タンク等の水供給機構を必要としないため、シンプルな装置構造とすることができ、また、メタノールの排出量の制御が容易であるという利点を有するが、気化したメタノールは僅かな隙間からでも漏洩するため、特に気密性が要求される。

そこで、固体状メタノールを収容した燃料カートリッジにバルブ等を備えた燃料供給機構をパッキン等で密封した状態で取り付けることが考えられるが、この場合、パッキンを押さえつけるためのネジや突起等の固定部材が必要になるだけでなく、落下衝撃時にバルブやパッキンがずれたり、破損したりして、燃料漏れが生じるおそれがある。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、十分な気密性又は水密性を有する固体状メタノールを燃料とするメタノール形燃料電池カートリッジを提供することを目的とする。また、本発明は、このメタノール形燃料電池用燃料カートリッジにより発電する燃料電池システムを備えた携帯用電子機器を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、第一に本発明は、少なくとも一箇所に開口部が形成された燃料収容部本体と前記燃料収容部本体の開口部を塞ぐ封鎖部材とからなる燃料カートリッジ本体に、固体状メタノールを収容してなるメタノール形燃料電池用燃料カートリッジであって、前記封鎖部材が、前記燃料収容部本体に超音波溶着により接合されていることを特徴とするメタノール形燃料電池用燃料カートリッジを提供する（請求項１）。

上記発明（請求項１）によれば、封鎖部材を溶着することによって気密性が保持されるので、燃料カートリッジ内の固体状メタノールからの燃料の漏洩が防止され、さらに、燃料カートリッジの装着後これを取り外した場合であっても、燃料カートリッジからの燃料の漏洩が防止される。さらに、封鎖部材により燃料カートリッジ内の固体状メタノールを保持することもできるという効果も奏する。

上記発明（請求項１）においては、前記封鎖部材に凸状の溶着部が形成されているのが好ましい（請求項２）。かかる発明（請求項２）によれば、凸状の溶着部が溶融して燃料収容部本体との境界面に広がって、溶着することで燃料カートリッジ内の気密性をさらに良好に保持することができる。

また、上記発明（請求項１，２）においては、前記燃料カートリッジ本体が、矩形箱型であり、前記燃料収容部本体の一側に形成された開口部が、前記封鎖部材により塞がれている一方、他側には燃料吐出機構が備えられていることが好ましい（請求項３）。

上記発明（請求項３）によれば、封鎖部材の反対側に燃料吐出機構を設けることにより、固体状メタノールからの燃料の漏洩を防止しつつ燃料を供給することが可能となっている。

上記発明（請求項３）においては、前記燃料吐出機構が、前記燃料収容部本体と一体的に形成された燃料吐出口と、この燃料吐出口に挿脱自在に設けられた開閉バルブと、この開閉バルブを閉鎖方向に付勢する弾性部材と、前記開閉バルブ及び前記弾性部材を保持する保持部材とからなり、前記保持部材が、前記燃料吐出口を外側から被覆するように固着されていることが好ましい（請求項４）。

上記発明（請求項４）によれば、保持部材により開閉バルブ及び弾性部材を保持することができるため、これらの部材を強固に固定でき、これにより燃料吐出機構の機械的強度を向上させ、この部分の破損による燃料の漏洩を抑制することが可能となっている。

上記発明（請求項４）においては、前記開閉バルブが合成樹脂製であることが好ましい（請求項５）。かかる発明（請求項５）によれば、開閉バルブを軽量化することができるため、落下衝撃時等における開閉バルブの自重に起因する開閉バルブのずれや周囲の破損等を防止することができ、密封性を保持することが可能となっている。

さらに、第二に本発明は、上記発明（請求項１〜５）に係るメタノール形燃料電池用燃料カートリッジを用いる燃料電池システムを備えることを特徴とする携帯用電子機器を提供する（請求項６）。

上記発明（請求項６）によれば、メタノール燃料の漏洩のおそれがないメタノール形燃料電池を電源とする携帯用電子機器とすることができる。

本発明のメタノール形燃料電池用燃料カートリッジは、燃料カートリッジの封鎖部材と開閉バルブ及び弾性部材の保持部材とを溶着により固定しているので、燃料の漏洩のおそれがなく、落下衝撃強度等の機械的強度に優れており、携帯用電子機器の電源として好適なものとなっている。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態に係るメタノール形燃料電池用燃料カートリッジについて説明する。
図１及び図２は、本実施形態に係るメタノール形燃料電池用燃料カートリッジを示す斜視図及び断面図であり、図３及び図４は、本実施形態に係るメタノール形燃料電池用燃料カートリッジを一側から見た部分破断拡大斜視図及び拡大分解斜視図であり、図５及び図６は、本実施形態に係るメタノール形燃料電池用燃料カートリッジを他側から見た部分破断拡大斜視図及び拡大分解斜視図である。

図１〜図６に示すように、本実施形態に係るメタノール形燃料電池用燃料カートリッジ１は、矩形箱型で一方の側に開口部３が形成された燃料収容部本体たるケーシング２と、開口部３を覆う封鎖部材４と、ケーシング２の他方の側に設けられた燃料吐出機構５と、ケーシング２内に収容された略球形の固体状メタノール６と、ケーシング２内に設けられた仕切り板７とからなる。

図３及び図４に示すように、開口部３には、縁部３Ａと、縁部３Ａから連続して形成された溶着面３Ｂとが形成されている。また、封鎖部材４は、基板部４Ａと、縁部３Ａの外周にぴったりと嵌合可能な挿入部４Ｂと、保持凸部４Ｃとからなる。挿入部４Ｂの先端は、鋭角的な凸状の溶着部４１となっていて、溶着部４１を超音波溶着により溶融することで溶着面３Ｂにおいて開口部３と封鎖部材４とが接合されている。

図５及び図６に示すように、燃料吐出機構５は、ケーシング２と一体的に形成された燃料吐出口たる吐出管１１Ａ及び流入管１１Ｂからなる燃料供給部１１と、吐出管１１Ａ及び流入管１１Ｂのそれぞれに挿脱自在に設けられた開閉バルブ１２Ａ，１２Ｂと、開閉バルブ１２Ａ，１２Ｂのそれぞれを閉鎖方向に付勢する弾性部材たる圧縮コイルバネ１３Ａ，１３Ｂと、開閉バルブ１２Ａ，１２Ｂのフランジ部１２Ｃ，１２Ｃに設置されるリング状のパッキン１４と、開閉バルブ１２Ａ，１２Ｂ、圧縮コイルバネ１３Ａ，１３Ｂ、及びパッキン１４を保持するための保持部材１５とからなる。ここで、開閉バルブ１２Ａ，１２Ｂは、燃料吐出機構５の強度、特に落下衝撃強度の点で、軽量な合成樹脂製であるのが好ましい。

また、保持部材１５には、フランジ部１２Ｃ，１２Ｃ及びパッキン１４の受け凹部１６，１７と、図示しない燃料電池システムの管路の接続部１８，１９とが、それぞれ吐出管１１Ａ及び流入管１１Ｂに対応して形成されている。そして、燃料供給部１１の周辺部に沿って鋭角的な凸状の溶着部２０が形成されているととともに、保持部材１５の対向面側には吐出管１１Ａ及び流入管１１Ｂに対応して環状の溶着部２１が形成されていて、燃料供給部１１と保持部材１５とが、この溶着部２０，２１を超音波溶着により溶融することで接合されている。本実施形態のように溶着により接合することで、強固かつ密封性よく、燃料供給部１１と保持部材１５とを固定することができる。

上述したようなメタノール形燃料電池用燃料カートリッジ１において、ケーシング２、封鎖部材４及び燃料吐出機構５は、射出成形が可能であること、弾性率等の機械的強度に優れていること、超音波溶着が可能であること、並びに耐メタノール性、低溶出性及びガスバリア性を有することが必要とされるため、変性ＰＰＥ（例えば、旭化成社製，商品名：ザイロン（登録商標））、変性ＰＰＯ、ＰＢＴ、ＰＥＴ等から形成されているのが好ましい。特に、変性ＰＰＥの中でもＰＰ／ＰＰＥアロイから形成されているものが、ガスバリア性に優れていて好ましい。

次に、このような各部からなるメタノール形燃料電池用燃料カートリッジ１の製造工程の一例について説明する。
まず、一側（開口部３側）については、開口部３からケーシング２に固体状メタノール６を充填する。

そして、封鎖部材４の挿入部４Ｂを縁部３Ａに沿って挿入すると、挿入部４Ｂの先端の溶着部４１が溶着面３Ｂに当接するので、ここを超音波溶着することで溶着部４１が溶融して挿入部４Ｂと溶着面３Ｂとの間隙を埋めるように広がって密封性をもって接合することで、開口部３を封鎖部材４により封鎖することができる。

このとき封鎖部材４の保持凸部４Ｃは、固体状メタノール６を押圧した状態で維持されるので、充填された固体状メタノール６がケーシング２に内で固定される。

次に、他側（燃料吐出機構５）については、燃料供給部１１の吐出管１１Ａ及び流入管１１Ｂにそれぞれ圧縮コイルバネ１３Ａ，１３Ｂと、開閉バルブ１２Ａ，１２Ｂとを順次挿入し、開閉バルブ１２Ａ，１２Ｂのフランジ部１２Ｃ，１２Ｃにリング状のパッキン１４をそれぞれ設置する。

そして、保持部材１５を燃料供給部１１に被せると、吐出管１１Ａ及び流入管１１Ｂの先端と、受け凹部１６，１７とが当接し、これにより形成される筒状空間内に受け凹部１６，１７内に開閉バルブ１２Ａ，１２Ｂ、圧縮コイルバネ１３Ａ，１３Ｂ及びリング状のパッキン１４が収納される。

そして、超音波溶着により溶着部２０，２１を溶融して燃料供給部１１と保持部材１５との間隙を埋めるように広がって密封性をもって接合することができる。

このとき、開閉バルブ１２Ａ，１２Ｂのフランジ部１２Ｃ，１２Ｃ（リング状のパッキン１４）が、圧縮コイルバネ１３Ａ，１３Ｂにより、接続部１８，１９に圧接することで、保管・運搬時にはケーシング２内は密封状態に維持され、ケーシング２内で気化したメタノールが漏洩しないようになっている。

一方、接続部１８，１９を図示しない燃料電池システムの燃料供給機構のエア環流管及び燃料供給管に接続すると、圧縮コイルバネ１３Ａ，１３Ｂの弾性力に抗して開閉バルブ１２Ａ，１２Ｂのフランジ部１２Ｃ，１２Ｃ（リング状のパッキン１４）が押し戻されて、吐出管１１Ａ及び流入管１１Ｂが開成するので、流入管１１Ｂから空気を供給すると、仕切り板７によりケーシング２内を迂回するように空気が流通して固体状メタノール６から気化したメタノールを含んだメタノール含有ガス（燃料）を吐出管１１Ａから供給することが可能となる。
なお、上記実施形態において、開口部３側と燃料吐出機構５との溶着は逆であってもよい。

上記実施形態において、固体状メタノール６としては、メタノールの分子化合物、メタノールをポリマーとともに固体化もしくはゲル化したもの、又はメタケイ酸アルミン酸マグネシウム等の無機材に吸着等によりメタノールを保持することで固体状としたもの等を用いることができる。特に、メタケイ酸アルミン酸マグネシウム等の無機材に吸着等によりメタノールを保持することで固体状としたものは、メタノールのガス化量の温度依存性が大きく、経時的な変動が少ないので、加熱手段の温度を制御することで、ガス化メタノールの発生量をある程度調整できるため、メタノール形燃料電池に供給するメタノール濃度のコントロール性に優れていて好ましい。

ここで、分子化合物とは、単独で安定に存在することのできる化合物の２種類以上の化合物が水素結合やファンデルワールス力等に代表される、共有結合以外の比較的弱い相互作用によって結合した化合物であり、水化物、溶媒化物、付加化合物、包接化合物等が含まれる。このような分子化合物は、分子化合物を形成する化合物と燃料電池用燃料との接触反応により形成することができ、燃料電池用燃料を固体状の化合物に変化させることができ、比較的軽量で安定に燃料電池用燃料を貯蔵することができる。

分子化合物としては、ホスト化合物とメタノールとの接触反応によりメタノールを包接した包接化合物が挙げられる。また、ポリマーとともに固体化したもの、又はジベンジリデン−Ｄ−ソルビトール等によりゲル化したものについては、その表面にコーティングを施すことによりメタノールの気化温度を調節したものも用いることができる。

このような固体状メタノール６は、種々の形態で用いることができ、好ましい形態としては微粉状、粒子状、球状、シート状等の形態を挙げることができる。

上述したようなメタノール形燃料電池用燃料カートリッジは、図７に示すように燃料カートリッジ５１と、燃料吐出機構５２と、燃料電池セル５３と、燃料カートリッジ５１に付設された燃料取出機構５４とからなる燃料電池システム５５に適用することができる。

このような燃料電池システム５５は、メタノール燃料の漏洩のおそれがなく、各種携帯用電子機器の電源として好適に使用することができる。

以下の具体的実施例に基づき本発明をさらに詳細に説明する。
〔実施例１，参考例１，参考例２〕
変性ＰＰＥ（旭化成社製，商品名：ザイロン）を用いて、ケーシング２、封鎖部材４及び保持部材１５を製造した。また、圧縮コイルバネ１３Ａ，１３Ｂとしては、バネ圧２８０ｇのもの（アキュレイト社製，商品名：ＵｌｔｒａＳｐｒｉｎｇ ＤＣ１３９）を用いた。さらに、開閉バルブ１２Ａ，１２Ｂはポリアセタール（ＰＯＭ）により製造し、その質量は０．０３ｇであった。なお、パッキン１４は、ＥＰ（エチレン・プロピレンゴム）製とした。

このケーシング２内に固体状メタノール６（平均粒径：約５ｍｍ）を１０ｇ（メタノール含有量：５．５ｇ）を充填し、封鎖部材４、保持部材１５、圧縮コイルバネ１３Ａ，１３Ｂ、開閉バルブ１２Ａ，１２Ｂ、パッキン１４を組み立てて、溶着部４１、溶着部２０，２１を超音波溶着することにより、８０ｍｍ×５０ｍｍ×１５ｍｍの図１〜６に示すような燃料カートリッジ（実施例１）を製造した。

また、参考のために、開閉バルブ１２Ａ，１２Ｂを真鍮製（０．１８ｇ）とした以外は同様にして製造したもの（参考例１）、圧縮コイルバネ１３Ａ，１３Ｂとしてバネ圧１２０ｇのもの（アキュレイト社製，商品名：ＵｌｔｒａＳｐｒｉｎｇ ＤＣ０９６）を用いた以外は同様にして製造したもの（参考例２）をそれぞれ用意した。

これら実施例１、参考例１及び参考例２の燃料カートリッジを５０℃で２８日間保持して質量の減少（メタノールの気化漏洩分）を測定したところ、いずれも１０質量％以下の減少率であり、実施例１、参考例１及び参考例２の燃料カートリッジは、優れたガスバリア性を有することが確認された。

また、これらの燃料カートリッジの状況を目視にて観察したところ、白化やクラックの発生もなく、気化させたメタノールの純度にも変化は見られなかったことから、十分な耐メタノール性及び低溶出性を有することが確認できた。

次に、これらの燃料カートリッジにおいて、固体状メタノール６の代わりに純水を充填し、１．８ｍの高さから燃料カートリッジの６面をそれぞれ下面として、落下試験を行ったところ、実施例１の燃料カートリッジでは水漏れは認められなかったのに対し、参考例１及び参考例２の燃料カートリッジでは僅かではあるが水漏れが認められた。

参考例１の燃料カートリッジは、開閉バルブ１２Ａ，１２Ｂが真鍮製であるので、その自重による慣性モーメントにより開閉バルブ１２Ａ，１２Ｂが開いて水漏れが生じたものと考えられる。また、参考例２の燃料カートリッジは、開閉バルブ１２Ａ，１２Ｂを押圧している圧縮コイルバネ１３Ａ，１３Ｂの圧力が弱いために開閉バルブ１２Ａ，１２Ｂが開いて水漏れが生じたものと考えられる。

本発明の一実施形態に係るメタノール形燃料電池用燃料カートリッジを示す斜視図である。 同実施形態に係るメタノール形燃料電池用燃料カートリッジを概略的に示す断面図である。 同実施形態に係るメタノール形燃料電池用燃料カートリッジの一側（封鎖部材側）を示す部分破断斜視図である。 同実施形態に係るメタノール形燃料電池用燃料カートリッジの一側（封鎖部材側）を示す分解斜視図である。 同実施形態に係るメタノール形燃料電池用燃料カートリッジの他側（燃料供給部側）を示す部分破断斜視図である。 同実施形態に係るメタノール形燃料電池用燃料カートリッジの他側（燃料供給部側）を示す解斜視図である。 同実施形態に係るメタノール形燃料電池用燃料カートリッジを用いた燃料電池システムを概略的に示すフロー図である。

符号の説明

１…メタノール形燃料電池用燃料カートリッジ
２…ケーシング（燃料収容部本体）
３…開口部
４…封鎖部材
４１…溶着部
５…燃料吐出機構
６…固体状メタノール
１１Ａ…吐出管（燃料吐出口）
１２Ａ，１２Ｂ…開閉バルブ
１３Ａ，１３Ｂ…圧縮コイルバネ
１５…保持部材

Claims (6)

1. 少なくとも一箇所に開口部が形成された燃料収容部本体と前記燃料収容部本体の開口部を塞ぐ封鎖部材とからなる燃料カートリッジ本体に、固体状メタノールを収容してなるメタノール形燃料電池用燃料カートリッジであって、
   前記封鎖部材が、前記燃料収容部本体に超音波溶着により接合されていることを特徴とするメタノール形燃料電池用燃料カートリッジ。
2. 前記封鎖部材には、凸状の溶着部が形成されていることを特徴とする請求項１に記載のメタノール形燃料電池用燃料カートリッジ。
3. 前記燃料カートリッジ本体が、矩形箱型であり、
   前記燃料収容部本体の一側に形成された開口部が、前記封鎖部材により塞がれている一方、他側には燃料吐出機構が備えられていることを特徴とする請求項１又は２に記載のメタノール形燃料電池用燃料カートリッジ。
4. 前記燃料吐出機構が、前記燃料収容部本体と一体的に形成された燃料吐出口と、この燃料吐出口に挿脱自在に設けられた開閉バルブと、この開閉バルブを閉鎖方向に付勢する弾性部材と、前記開閉バルブ及び前記弾性部材を保持する保持部材とからなり、
   前記保持部材が、前記燃料吐出口を外側から被覆するように固着されていることを特徴とする請求項３に記載のメタノール形燃料電池用燃料カートリッジ。
5. 前記開閉バルブが、合成樹脂製であることを特徴とする請求項４に記載のメタノール形燃料電池用燃料カートリッジ。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載のメタノール形燃料電池用燃料カートリッジを用いる燃料電池システムを備えることを特徴とする携帯用電子機器。

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