JP2008270116A - 燃料電池用カートリッジ、燃料電池用液体燃料貯蔵部および燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料の供給を安定して行える。
【解決手段】弾性体１４と、弾性体１４に支持され、断面が凹状で、開口端の縁部に突起部１５を備え、弾性体１４から圧力を受けると突起部１５により開口部が狭まってカートリッジ１０内を摺動し、突起部１５がカートリッジ１０内に設けられたトラップ溝１３に嵌合して静止するとともに、開口端が広がる弾性部材１６と、弾性部材１６内に突起部１５により抑止される弾性体１７と、弾性部材１６に支持され、開口端が広がって弾性体１７から圧力を受けて、液体燃料１１を流出口１２から押し出すピストン部１８と、で構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は燃料電池用カートリッジ、燃料電池用液体燃料貯蔵部および燃料電池システムに関し、特に燃料電池の液体燃料を貯留し、液体燃料の燃料電池本体への流出口を備えた燃料電池用カートリッジ、燃料電池用液体燃料貯蔵部および燃料電池システムに関する。

近年、携帯電話、ＰＤＡ（Personal Digital Assistant）、ノートパソコンなどの携帯電子機器の著しい進歩により、消費電力の増加、長時間使用化が進み、その駆動電源である電池には更なる性能向上が求められている。現在ほとんどの携帯電子機器に搭載されているリチウムイオン２次電池であるが、材料面、構造面から性能向上がほぼ限界に近づきつつあるため、新規の高容量駆動電源として、燃料の理論容量が大きくリチウムイオン２次電池と比較して数倍の高容量化が期待されるダイレクトメタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ：Direct Methanol Fuel Cell）に注目が集まっている。

図７は、ダイレクトメタノール型燃料電池の模式図である。
燃料電池１００は、燃料電池本体１００ａに、バルブ１０２を介して燃料電池本体１００ａの液体燃料が貯留されたカートリッジ１０１が接続されている。さらに、燃料電池本体１００ａは、液体燃料貯蔵部１０３、液体燃料気化膜１０４、アノードリード１０５ａが接続されたアノード電極層１０５、固体電解質体１０６およびカソードリード１０７ａが接続されたカソード電極層１０７によって構成されている。

カートリッジ１０１は、燃料電池本体１００ａの液体燃料が貯留されていて、燃料液体を燃料電池本体１００ａへ供給する。そして、液体燃料には、水（Ｈ₂Ｏ）とメタノール（ＣＨ₃ＯＨ）との混合溶液が利用されるが、カートリッジ１０１に貯留した液体燃料は１００％のメタノールとした。なお、従来から、貯留した液体燃料を燃料電池本部へ供給するために、カートリッジに加圧機構が設置されており（例えば、特許文献１参照。）、このカートリッジ１０１でも同様に加圧機構を設置している。以下に、加圧機構が設置されたカートリッジ１０１について図を用いて説明する。

図８は、従来のダイレクトメタノール型燃料電池用カートリッジの断面模式図である。
カートリッジ１０１は、燃料電池本体１００ａへ液体燃料１１１を供給する流出口１１２が形成され、カートリッジ１０１内部に、弾性体１１４が設置され、弾性体１１４によって加圧されるピストン部１１８を備えている。したがって、カートリッジ１０１は、弾性体１１４によって加圧されるピストン部１１８を利用して、液体燃料１１１を燃料電池本体１００ａへ供給することができる構造となっている。

図７の説明に戻ると、バルブ１０２は、カートリッジ１０１と燃料電池本体１００ａとの間に設置されており、カートリッジ１０１から燃料電池本体１００ａへの液体燃料の供給量を調節する。

液体燃料貯蔵部１０３は、カートリッジ１０１から供給された液体燃料を受入して、貯蔵する。そして、液体燃料貯蔵部１０３は、液体燃料を液体燃料気化膜１０４へ供給する。

液体燃料気化膜１０４には、多孔質体や高分子の気化膜などが利用される。多孔質体の気化膜の場合、液体燃料貯蔵部１０３の液体燃料１１１を液体燃料気化膜１０４に接触させると、液体燃料１１１と接しない反対側の多孔質面から液体燃料１１１を蒸発気化させ、一方、高分子の気化膜の場合、高分子の液体燃料気化膜１０４に液体燃料１１１を接触させ、膜中を液体燃料１１１が透過し、液体燃料１１１の接触面の反対側の面から気化させる、いわゆる浸透気化膜を用いて気化させることができる。このような気化燃料供給機構のうち、特に、高分子の気化膜を用いる場合、燃料気化速度を制御するために、最適な燃料透過率、気化速度または膜厚形状を選択することで最適化を行うことができる。なお、このような液体燃料気化膜１０４の高分子材料としては、パーフルオロスルホン酸系材料、シリコン系材料、ポリイミド系材料など、メタノール透過性を有する材料であればどのようなものでも使用可能である。

アノード電極層１０５は、アノードリード１０５ａが接続されており、液体燃料１１１が液体燃料気化膜１０４によって気化された燃料の電気化学反応を促進しプロトン（水素（Ｈ）イオン）と、二酸化炭素（ＣＯ₂）と、電子とを生成して、プロトンは固体電解質体１０６を通り抜ける。

固体電解質体１０６は、高分子固体電解質が用いられており、アノード電極層１０５で生成されたプロトンをカソード電極層１０７へ移動させる。
カソード電極層１０７は、カソードリード１０７ａが接続されており、電子が酸素（Ｏ₂）と反応し、固体電解質体１０６を通り抜けてきたプロトンと結合しＨ₂Ｏを生成する。

そして、アノードリード１０５ａ、カソードリード１０７ａにて外部回路に接続することで電力を取り出すことができる。
したがって、燃料電池本体１００ａでは、液体燃料気化膜１０４によって液体から気化された燃料を直接供給する気化供給式によって、アノード電極層１０５に対して高濃度化された燃料を供給することが可能となり、同一容積で比較すると低濃度の燃料を使用した場合に比べてエネルギー密度が向上する。したがって、小型化、高エネルギー密度化が要求される携帯型電子機器などでは、気化供給式のＤＭＦＣの利用が期待される。
特開２００４−８７２２２号公報

しかし、弾性体によって印加する圧力は気化部が機械的に破壊されないように一定値以下にしなければならない。また、カートリッジ中の液体燃料の消費にともなって弾性体の変位は小さくなるため、送液圧力は次第に減少していくことになる。このため、上記加圧機構において、単一のばねを用いたカートリッジを使用して連続発電を行うと、燃料の減少にともなって燃料電池の発電量が経時的に減少していくという問題があった。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、燃料の供給を安定して行える燃料電池用カートリッジ、燃料電池用液体燃料貯蔵部および燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明では上記課題を解決するために、図１に示すように、燃料電池の液体燃料１１を貯留し、液体燃料１１の燃料電池本体への流出口１２を備えたカートリッジ１０において、カートリッジ１０内に設置された弾性体１４と、弾性体１４に支持され、断面が凹状で、開口部の縁部に突起部１５を備え、弾性体１４から圧力を受けると突起部１５により開口部が狭まってカートリッジ１０内を摺動し、突起部１５がカートリッジ１０内に設けられたトラップ溝１３に嵌合して静止するとともに、開口部が広がる弾性部材１６と、弾性部材１６内に突起部１５により抑止される弾性体１７と、弾性部材１６に支持され、開口部が広がって弾性体１７から圧力を受けて、液体燃料１１を流出口１２から押し出すピストン部１８と、を有することを特徴とするカートリッジ１０が提供される。

このような燃料電池用カートリッジによれば、弾性体と、弾性体に支持され、断面が凹状で、開口部の縁部に突起部を備え、弾性体から圧力を受けると突起部により開口部が狭まってカートリッジ内を摺動し、突起部がカートリッジ内に設けられたトラップ溝に嵌合して静止するとともに、開口部が広がる弾性部材と、弾性部材内に突起部により抑止される弾性体と、弾性部材に支持され、開口部が広がって弾性体から圧力を受けて、液体燃料を流出口から押し出すピストン部と、で構成されるようになる。

また、本発明では上記課題を解決するために、燃料電池の液体燃料を貯留し、前記燃料の前記燃料電池の気化部への流出口を備えた燃料電池用液体燃料貯蔵部において、前記貯蔵部内に設置された第１の弾性体と、前記第１の弾性体に支持され、断面が凹状で、開口部の縁部に突起部を備え、前記第１の弾性体から圧力を受けると前記突起部により前記開口部が狭まって前記貯蔵部内を摺動し、前記突起部が前記貯蔵部内に設けられたトラップ溝に嵌合して静止するとともに、前記開口部が広がる弾性部材と、前記弾性部材内に前記突起部により抑止される第２の弾性体と、前記弾性部材に支持され、前記開口部が広がって前記第２の弾性体から圧力を受けて、前記燃料を前記流出口から押し出すピストン部と、を有することを特徴とする燃料電池用液体燃料貯蔵部が提供される。

このような燃料電池用液体燃料貯蔵部によれば、弾性体と、弾性体に支持され、断面が凹状で、開口部の縁部に突起部を備え、弾性体から圧力を受けると突起部により開口部が狭まって貯蔵部内を摺動し、突起部が貯蔵部内に設けられたトラップ溝に嵌合して静止するとともに、開口部が広がる弾性部材と、弾性部材内に突起部により抑止される弾性体と、弾性部材に支持され、開口部が広がって弾性体から圧力を受けて、液体燃料を流出口から押し出すピストン部と、で構成されるようになる。

また、本発明では上記課題を解決するために、液体燃料を貯留し、前記燃料の流出口を備え、第１の弾性体と、前記第１の弾性体に支持され、断面が凹状で、開口部の縁部に突起部を備え、前記第１の弾性体から圧力を受けると前記突起部により前記開口部が狭まって内部を摺動し、前記突起部が内部に設けられたトラップ溝に嵌合して静止するとともに、前記開口部が広がる弾性部材と、前記弾性部材内に前記突起部により抑止される第２の弾性体と、前記弾性部材に支持され、前記開口部が広がって前記第２の弾性体から圧力を受けて、前記液体燃料を前記流出口から押し出すピストン部と、を有する燃料電池用カートリッジと、前記流出口と接続し、前記燃料が供給される受入口を備えた液体燃料貯蔵部と、前記燃料を気化する液体燃料気化膜と、気化した前記燃料から発電する発電部と、を備えることを特徴とする燃料電池システムが提供される。

このような燃料電池システムによれば、液体燃料を貯留し、液体燃料の流出口を備え、弾性体と、弾性体に支持され、断面が凹状で、開口部の縁部に突起部を備え、弾性体から圧力を受けると突起部により開口部が狭まって内部を摺動し、突起部が内部に設けられたトラップ溝に嵌合して静止するとともに、開口部が広がる弾性部材と、弾性部材内に突起部により抑止される弾性体と、弾性部材に支持され、開口部が広がって弾性体から圧力を受けて、液体燃料を流出口から押し出すピストン部と、を有する燃料電池用カートリッジと、流出口と接続し、燃料が供給される受入口を備えた液体燃料貯蔵部と、燃料を気化する液体燃料気化膜と、気化した液体燃料から発電する発電部と、で構成されるようになる。

本発明では、弾性体と、弾性体に支持され、断面が凹状で、開口部の縁部に突起部を備え、弾性体から圧力を受けると突起部により開口部が狭まってカートリッジ内を摺動し、突起部がカートリッジ内に設けられたトラップ溝に嵌合して静止するとともに、開口部が広がる弾性部材と、弾性部材内に突起部により抑止される弾性体と、弾性部材に支持され、開口部が広がって弾性体から圧力を受けて、液体燃料を流出口から押し出すピストン部と、で構成するようにした。これにより、液体燃料への圧力の減少を防ぐとともに、液体燃料気化膜への送液圧力の減少を抑えることができ、燃料電池本体の発電部への発電に要する気化した液体燃料の供給量を維持することができ、燃料電池本体の発電量も維持することができる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。但し、本発明の技術的範囲はこれらの実施の形態に限定されない。
まず、比較のために従来技術についてさらに説明を行った後に、それに対する本発明の概要、そして本発明の実施の形態について説明する。なお、燃料電池本体については、特に断りがない限り、図７で用いた符号などを引き続き利用する。

既に説明したように、燃料電池本体１００ａは、液体燃料貯蔵部１０３と、液体燃料気化膜１０４と、アノードリード１０５ａが接続されたアノード電極層１０５、固体電解質体１０６およびカソードリード１０７ａが接続されたカソード電極層１０７によって構成される発電部とで構成されている。さらに、例えば、各構成要素を、液体燃料気化膜１０４は、ナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ Ｎ１１７）で構成されており、厚さ０．２ｍｍ、アノード電極層１０５は、白金ルテニウム合金担持触媒で構成されており、固体電解質体１０６は、ナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ Ｎ１１２）で構成されており、厚さ０．０５ｍｍ、そして、カソード電極層１０７は、白金担持触媒で構成されている。なお、この時の液体燃料を１００％のメタノールとして、カートリッジ１０１の充填可能な液体燃料の最大容量は１２ｃｃとする。

次に、カートリッジ１０１が接続された燃料電池本体１００ａの液体燃料気化膜１０４に対する液体燃料１１１の送液圧力のカートリッジ１０１内の液体燃料１１１の残量依存性について説明する。

図９は、従来のカートリッジを備えるダイレクトメタノール型燃料電池のカートリッジ内残燃料に対する送液圧力を示すグラフである。
図９では、ｘ軸は、カートリッジ１０１内の液体燃料１１１の残量（ｃｃ）、ｙ軸は、液体燃料気化膜１０４に対する液体燃料１１１のメタノールが送出される圧力（ｋＰａ）であり、カートリッジ１０１に充満させた１２ｃｃの液体燃料１１１を使い切るまでの送液圧力について測定した結果である。

このグラフによると、カートリッジ１０１の弾性体１１４による圧力によってピストン部１１８を介して、液体燃料１１１が燃料電池本体１００ａに供給され、カートリッジ１０１内の液体燃料１１１が減少していくにつれて、液体燃料気化膜１０４に対する送液圧力もほぼ比例して減少していくことがわかる。

引き続き、このカートリッジ１０１を接続した燃料電池本体１００ａから発生される電流値の時間依存性について説明する。
図１０は、従来のカートリッジを備えるダイレクトメタノール型燃料電池の時間変化に対する電流値を示すグラフである。

図１０では、ｘ軸は、燃料電池本体１００ａの時間変化（分）、ｙ軸は、燃料電池本体１００ａの発電時の電流（Ａ）であり、燃料電池本体１００ａの発電開始から発電終了までの電流値について測定した結果である。

このグラフによれば、発電開始後、２４０分過ぎまで、燃料電池本体１００ａから発生される電流値がなだらかに減少しており、その後、燃料電池本体１００ａから発生される電流値が顕著に減少していることがわかる。

さらに、燃料電池本体１００ａの液体燃料気化膜１０４におけるメタノール放出量について説明する。
図１１は、ダイレクトメタノール型燃料電池用液体燃料貯蔵部・気化膜の送液圧力に対する気化メタノールの放出量を示すグラフである。

図１１では、ｘ軸は、液体燃料気化膜１０４に対する液体燃料のメタノールが送出される圧力（ｋＰａ）、ｙ軸は、液体燃料気化膜１０４からのメタノールの単位時間当たりの放出量であり、圧力を８０ｋＰａから２０ｋＰａへ減少させた時のメタノールの放出量について測定した結果を示している。

これによれば、液体燃料気化膜１０４に対する送液圧力が約８０ｋＰａから約４０ｋＰａの圧力範囲においては、液体燃料貯蔵部１０３を機械的に破壊することはなく、そして、液体燃料気化膜１０４からの気化メタノールの放出量はほとんど変化していない。しかし、送液圧力が約４０ｋＰａから減少すると気化メタノールの放出量が急激に減少することがわかる。

したがって、これらの図９〜図１１に示されるように、連続発電時の電流値の経時的な減少は、カートリッジ１０１内の液体燃料１１１の減少にともなって、液体燃料気化膜１０４への送液圧力の減少が原因であると推察される。すなわち、燃料電池本体１００ａにて発電のために経時的にカートリッジ１０１内の液体燃料１１１が消費されるにつれ、弾性体１１４から液体燃料１１１への圧力が減少するとともに、液体燃料気化膜１０４への送液圧力も減少し、燃料電池本体１００ａの発電部への気化メタノールの供給量が減少することにより、燃料供給律速の状態になり、次第に、燃料電池本体１００ａの発電量が減少していく。液体燃料貯蔵部１０３内に残る空気などの残存ガスは、高温および印加圧力が低圧になるほど膨張する。このため膨張した残存ガスによって、液体燃料１１１の液体燃料気化膜１０４内への送液が阻害されるために、液体燃料気化膜１０４からの気化された燃料の放出量を減少させるということが、この現象の原因であると考えられる。

そこで、このような従来のカートリッジ１０１では、単一の弾性体１１４を利用して、液体燃料１１１を供給していたのに対して、本発明では、２つの弾性体を利用して液体燃料を供給するようにした。以下に、本発明の概要について説明する。

図１は、本発明におけるダイレクトメタノール型燃料電池用カートリッジの断面模式図である。
カートリッジ１０は、図１（Ａ）に示すように、燃料電池本体１００ａと接続して液体燃料１１が供給される流出口１２と、内部にトラップ溝１３とが形成されるとともに、弾性体１４、弾性部材１６、弾性体１７およびピストン部１８によって構成されている。なお、弾性部材１６は、断面が凹状であって、その開口端の縁部に突起部１５が形成されている。

このカートリッジ１０による燃料電池本体１００ａへの液体燃料１１の供給動作について以下に説明する。
初期状態として、液体燃料１１が充填されたカートリッジ１０は、弾性体１４が圧縮され、弾性体１７を保持する弾性部材１６が弾性体１４で支持され、ピストン部１８が弾性部材１６に支持されている。なお、弾性部材１６は、既述の通り、断面が凹状で、開口端の縁部に形成された突起部１５を有している。このため、初期状態において、弾性部材１６は、開口端が狭まって、凹部で弾性体１７を保持することができる（図１（Ａ））。

この初期状態から、弾性体１４によって、弾性部材１６を介してピストン部１８が加圧され、液体燃料１１が流出口１２から供給される。
そして、弾性部材１６の突起部１５がカートリッジ１０内に形成されたトラップ溝１３に嵌合すると同時に、弾性部材１６の開口端が開き、弾性体１４から弾性体１７による加圧に代わる（図１（Ｂ））。

結果的に、弾性体１７によって、ピストン部１８が加圧されて液体燃料１１の供給が最後まで行われる。
以上のように、２つの弾性体１４，１７を利用して、２段階で液体燃料１１を供給するようにすることによって、液体燃料１１への圧力の減少を防ぐとともに、液体燃料気化膜１０４への送液圧力の減少を抑えることができ、燃料電池本体１００ａの発電部への発電に要する気化メタノールの供給量を維持することができ、燃料電池本体の発電量も維持することが可能となる。

次に、第１の実施の形態について説明を行う。
第１の実施の形態では、本発明の概要における弾性体に、ばねを用いた場合を例に挙げて説明する。

図２は、第１の実施の形態におけるダイレクトメタノール型燃料電池用カートリッジの断面模式図である。
カートリッジ２０は、図２（Ａ）に示すように、燃料電池本体１００ａと接続して液体燃料２１が供給される流出口２２と、内部にトラップ溝２３とが形成されるとともに、ばね２４、弾性部材２６、ばね２７およびピストン部２８によって構成されている。また、カートリッジ２０内に、液体燃料２１として１２ｃｃのメタノールで充満されている。なお、弾性部材２６は、ステンレス鋼（ＳＵＳ）にて構成されるとともに、断面が箱状であって、その開口端の縁部に突起部２５が形成されている。

カートリッジ２０による燃料電池本体１００ａへの液体燃料２１の供給動作について、次の図３を参照しながら、以下に説明する。なお、第１の実施の形態では、メタノールの放出量を一定に保つために、図１１から、送液圧力を約３５ｋＰａ以上であるようにして、液体燃料気化膜１０４を機械的に破壊せずに、液体燃料気化膜１０４から多くの発電量が得られる気化メタノールを発生させるようにした。

図３は、第１の実施の形態のカートリッジを備えるダイレクトメタノール型燃料電池のカートリッジ内残燃料に対する送液圧力を示すグラフである。
図３では、ｘ軸は、カートリッジ２０内の液体燃料２１の残量（ｃｃ）、ｙ軸は、液体燃料気化膜１０４に対する液体燃料２１のメタノールが送出される圧力（ｋＰａ）であり、カートリッジ２０に充満させた１２ｃｃの液体燃料２１を使い切るまでの送液圧力について測定した結果である。なお、図３中には、説明の便宜上、グラフの右から順に点（ａ）から点（ｄ）までを付している。

まず、初期状態として、既述の通り、カートリッジ２０は、ばね２４が設置され、ばね２４によって、ばね２７を保持する弾性部材２６が支持され、弾性部材２６によってピストン部２８が支持されている。このカートリッジ２０に液体燃料２１を１２ｃｃ充満させる。なお、弾性部材２６については、既述の通りとする（図２（Ａ））。

この初期状態から液体燃料２１の供給が開始されるときが、最も送液圧力が大きい（点（ａ））。
点（ａ）から、徐々にばね２４の弾性力によって液体燃料２１を供給する。一方で、液体燃料２１の減少にともなって、ばね２４による送液圧力も徐々に減少して、送液圧力が約３５ｋＰａまで減少する（点（ｂ））。

液体燃料２１および送液圧力が点（ｂ）まで減少したときに、弾性部材２６の突起部２５がカートリッジ２０内のトラップ溝２３に嵌合するようにしておき、この時、弾性部材２６の開口端が広がり、ばね２４からばね２７による加圧に代わって、送液圧力が回復する（点（ｃ））。

点（ｃ）から、ばね２７によって液体燃料２１が無くなるまで供給される（点（ｄ））。
以下に、さらにカートリッジ２０から発電される電流値の時間変化について説明する。

図４は、第１の実施の形態におけるカートリッジを備えるダイレクトメタノール型燃料電池の時間変化に対する電流値を示すグラフである。
図４では、図１０と同様に、ｘ軸は、燃料電池本体１００ａの時間変化（分）、ｙ軸は、燃料電池本体１００ａの発電時の電流（Ａ）であり、燃料電池本体１００ａの発電開始から発電終了までの電流値について測定した結果である。また、図３と同様に、説明の便宜上、グラフに左から点（ａ’）から点（ｄ’）まで付している。

このグラフによれば、発電開始後、２４０分過ぎまで、燃料電池本体１００ａからの発生される電流値がなだらかに減少しており、その後、燃料電池本体１００ａから発生される電流値が少しの上昇後、再び、なだらかに減少した後に、顕著に減少していることがわかる。

これを、図３のグラフとともに説明すると、初期状態から液体燃料２１の供給が開始されるときが、最も送液圧力が大きいために（図３の点（ａ））、燃料電池本体１００ａから発生される電流値も大きくなる（図４の点（ａ’））。

点（ａ）から、徐々にばね２４の弾性力によって液体燃料２１を供給する。一方で、液体燃料２１の減少にしたがって、ばね２４による送液圧力も徐々に減少して、送液圧力が約３５ｋＰａまで減少すると（図３の点（ｂ））、燃料電池本体１００ａから発生される電流値も減少する（図４の点（ｂ’））。

液体燃料２１および送液圧力が点（ｂ）まで減少したときに、弾性部材２６の突起部２５がカートリッジ２０内のトラップ溝２３に嵌合するようにしておき、この時、弾性部材２６の開口端が広がり、ばね２４からばね２７による加圧に代わって、送液圧力が回復すると（図３の点（ｃ））、燃料電池本体１００ａから発生される電流値も回復する（図４の点（ｃ’））。

点（ｃ）から、送液圧力は約３５ｋＰａを保ちつつ、ばね２７によって液体燃料２１が無くなるまで供給されて（図３の点（ｄ））、燃料電池本体１００ａから発生される電流値もゼロとなる（図４の点（ｄ’））。

以上のように、２つの弾性体であるばね２４，２７を利用して、２段階で液体燃料１１を供給することにより、液体燃料２１への圧力の減少を防ぐとともに、液体燃料気化膜１０４への送液圧力の減少を抑えることができ、燃料電池本体１００ａの発電部への発電に要する気化メタノールの供給量を維持することができ、燃料電池本体の発電量も維持することが可能となる。

次に、第２の実施の形態について説明する。
第１の実施の形態では、カートリッジ２０から液体燃料２１を燃料電池本体１００ａへ供給するための加圧機構として、弾性体として２つのばね２４，２７を用いた場合を例にして説明した。第２の実施の形態では、カートリッジを設置せずに、燃料電池本体１００ａの液体燃料貯蔵部１０３に代わり、液体燃料の再充填可能で、加圧機構を備えた新たな貯蔵部を設置して、液体燃料を液体燃料気化膜１０４へ供給する場合を例にして説明する。

図５は、第２の実施の形態における燃料電池本体の断面模式図である。なお、燃料電池本体については、特に断りがない限り、図７で用いた符号などを引き続き利用する。
燃料電池本体１００ｂは、図５（Ａ）に示すように、本発明の加圧機構を備えた液体燃料貯蔵部３３、液体燃料気化膜１０４、アノードリード１０５ａが接続されたアノード電極層１０５、固体電解質体１０６およびカソードリード１０７ａが接続されたカソード電極層１０７によって構成されている。なお、液体燃料貯蔵部３３は、カートリッジによる液体燃料の供給に代わり、液体燃料を充填するための、充填口３３ａを備えている。さらに、液体燃料貯蔵部３３は、図５（Ｂ）に拡大して示すように、外部から充填される液体燃料３１が供給される充填口３３ａと、内部にトラップ溝３３ｂとが形成されるとともに、ばね３４、弾性部材３６、ばね３７およびピストン部３８によって構成されている。なお、既述の通り、弾性部材３６は、断面が箱状であって、その開口端の縁部に突起部３５が形成されている。

このような燃料電池本体１００ｂでも、第１の実施の形態と同様に、燃料電池本体１００ｂの発電部への発電に要する気化メタノールの供給量を維持することができ、燃料電池本体の発電量も維持することが可能となる。

次に、第３の実施の形態について説明する。
第１および第２の実施の形態では、ばねを保持する弾性部材をさらに設置する場合を例に挙げて説明した。第３の実施の形態では、２組の弾性部材を設置した場合を例にして説明する。なお、第３の実施の形態でも、燃料電池本体１００ａに取り付けることを想定したカートリッジとしている。

図６は、第３の実施の形態におけるダイレクトメタノール型燃料電池用カートリッジの断面模式図である。
カートリッジ４０は、燃料電池本体１００ａと接続して液体燃料４１が供給される流出口４２と、内部に２つのトラップ溝４３ａ，４３ｂとが形成されるとともに、ばね４４、弾性部材４６ａ，４６ｂ、ばね４７ａ，４７ｂおよびピストン部４８によって構成されている。なお、弾性部材４６ａ，４６ｂは、第１および第２の実施の形態の弾性部材と同様の構成であるとする。

カートリッジ４０のように、ばね４７ａ，４７ｂをそれぞれ保持する２組の弾性部材４６ａ，４６ｂとすることによって、送液圧力の範囲を狭めることができて、第１および第２の実施の形態と同様の効果を得ることができる。なお、第３の実施の形態では、弾性部材を２組設置するようにしたが、所望の送液圧力の範囲に応じて、３組以上を設置することができる。

このように、本実施の形態では、弾性体がばねの場合を例に挙げて説明したが、その他の構成可能な部材の組合せでも同様の効果が得られる。そして、カートリッジおよび液体燃料貯蔵部は、液体燃料を使い切った後、再び液体燃料を充填することで繰り返し使用することができる。

以上、複数の弾性体を利用して、液体燃料を気化膜へ供給することにより、液体燃料への圧力の減少を防ぎ、燃料電池本体の発電部への発電に要する気化メタノールの供給量を維持することができ、燃料電池本体からの発電量も維持することが可能となる。

（付記１） 燃料電池の液体燃料を貯留し、前記燃料の前記燃料電池本体への流出口を備えた燃料電池用カートリッジにおいて、
前記カートリッジ内に設置された第１の弾性体と、
前記第１の弾性体に支持され、断面が凹状で、開口部の縁部に突起部を備え、前記第１の弾性体から圧力を受けると前記突起部により前記開口部が狭まって前記カートリッジ内を摺動し、前記突起部が前記カートリッジ内に設けられたトラップ溝に嵌合して静止するとともに、前記開口部が広がる弾性部材と、
前記弾性部材内に前記突起部により抑止される第２の弾性体と、
前記弾性部材に支持され、前記開口部が広がって前記第２の弾性体から圧力を受けて、前記燃料を前記流出口から押し出すピストン部と、
を有することを特徴とする燃料電池用カートリッジ。

（付記２） 前記弾性部材によって支持される別の弾性部材を複数有するとともに、前記別の弾性部材の数に応じて前記トラップ溝が形成されることを特徴とする付記１記載の燃料電池用カートリッジ。

（付記３） 前記燃料の流出圧力は３５ｋＰａ以上であることを特徴とする付記１又は２に記載の燃料電池用カートリッジ。
（付記４） 前記燃料の流出後、前記流出口から前記燃料を再充填して繰り返し利用することができることを特徴とする付記１乃至３のいずれか１項に記載の燃料電池用カートリッジ。

（付記５） 燃料電池の液体燃料を貯留し、前記燃料の前記燃料電池の気化部への流出口を備えた燃料電池用液体燃料貯蔵部において、
前記貯蔵部内に設置された第１の弾性体と、
前記第１の弾性体に支持され、断面が凹状で、開口部の縁部に突起部を備え、前記第１の弾性体から圧力を受けると前記突起部により前記開口部が狭まって前記貯蔵部内を摺動し、前記突起部が前記貯蔵部内に設けられたトラップ溝に嵌合して静止するとともに、前記開口部が広がる弾性部材と、
前記弾性部材内に前記突起部により抑止される第２の弾性体と、
前記弾性部材に支持され、前記開口部が広がって前記第２の弾性体から圧力を受けて、前記燃料を前記流出口から押し出すピストン部と、
を有することを特徴とする燃料電池用液体燃料貯蔵部。

（付記６） 前記弾性部材によって支持される別の弾性部材を複数有するとともに、前記別の弾性部材の数に応じて前記トラップ溝が形成されることを特徴とする付記５記載の燃料電池用液体燃料貯蔵部。

（付記７） 前記燃料の流出圧力は３５ｋＰａ以上であることを特徴とする付記５又は６に記載の燃料電池用液体燃料貯蔵部。
（付記８） 前記燃料の流出後、前記流出口から前記燃料を再充填して繰り返し利用することができることを特徴とする付記５乃至７のいずれか１項に記載の燃料電池用液体燃料貯蔵部。

（付記９） 液体燃料を貯留し、前記燃料の流出口を備え、第１の弾性体と、前記第１の弾性体に支持され、断面が凹状で、開口部の縁部に突起部を備え、前記第１の弾性体から圧力を受けると前記突起部により前記開口部が狭まって内部を摺動し、前記突起部が内部に設けられたトラップ溝に嵌合して静止するとともに、前記開口部が広がる弾性部材と、前記弾性部材内に前記突起部により抑止される第２の弾性体と、前記弾性部材に支持され、前記開口部が広がって前記第２の弾性体から圧力を受けて、前記液体燃料を前記流出口から押し出すピストン部と、を有する燃料電池用カートリッジと、
前記流出口と接続し、前記燃料が供給される受入口を備えた液体燃料貯蔵部と、
前記燃料を気化する液体燃料気化膜と、
気化した前記燃料から発電する発電部と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。

（付記１０） 前記弾性部材によって支持される別の弾性部材を複数有するとともに、前記別の弾性部材の数に応じて前記トラップ溝が形成される前記燃料電池用カートリッジであることを特徴とする付記９記載の燃料電池システム。

（付記１１） 前記燃料の流出圧力は３５ｋＰａ以上の前記燃料電池用カートリッジであることを特徴とする付記９又は１０に記載の燃料電池システム。
（付記１２） 前記発電部は、白金ルテニウム合金担持触媒によるアノード電極層、白金担持触媒によるカソード電極層、ナフィオンによる電解質膜で構成され、前記液体燃料気化膜はナフィオンで構成されることを特徴とする付記９乃至１１のいずれか１項に記載の燃料電池システム。

本発明におけるダイレクトメタノール型燃料電池用カートリッジの断面模式図である。 第１の実施の形態におけるダイレクトメタノール型燃料電池用カートリッジの断面模式図である。 第１の実施の形態のカートリッジを備えるダイレクトメタノール型燃料電池のカートリッジ内残燃料に対する送液圧力を示すグラフである。 第１の実施の形態におけるカートリッジを備えるダイレクトメタノール型燃料電池の時間変化に対する電流値を示すグラフである。 第２の実施の形態における燃料電池本体の断面模式図である。 第３の実施の形態におけるダイレクトメタノール型燃料電池用カートリッジの断面模式図である。 ダイレクトメタノール型燃料電池の模式図である。 従来のダイレクトメタノール型燃料電池用カートリッジの断面模式図である。 従来のカートリッジを備えるダイレクトメタノール型燃料電池のカートリッジ内残燃料に対する送液圧力を示すグラフである。 従来のカートリッジを備えるダイレクトメタノール型燃料電池の時間変化に対する電流値を示すグラフである。 ダイレクトメタノール型燃料電池用液体燃料貯蔵部・気化膜の送液圧力に対する気化メタノールの放出量を示すグラフである。

符号の説明

１０ カートリッジ
１１ 液体燃料
１２ 流出口
１３ トラップ溝
１４，１７ 弾性体
１５ 突起部
１６ 弾性部材
１８ ピストン部

Claims (5)

1. 燃料電池の液体燃料を貯留し、前記燃料の前記燃料電池本体への流出口を備えた燃料電池用カートリッジにおいて、
   前記カートリッジ内に設置された第１の弾性体と、
   前記第１の弾性体に支持され、断面が凹状で、開口部の縁部に突起部を備え、前記第１の弾性体から圧力を受けると前記突起部により前記開口部が狭まって前記カートリッジ内を摺動し、前記突起部が前記カートリッジ内に設けられたトラップ溝に嵌合して静止するとともに、前記開口部が広がる弾性部材と、
   前記弾性部材内に前記突起部により抑止される第２の弾性体と、
   前記弾性部材に支持され、前記開口部が広がって前記第２の弾性体から圧力を受けて、前記燃料を前記流出口から押し出すピストン部と、
   を有することを特徴とする燃料電池用カートリッジ。
2. 前記弾性部材によって支持される別の弾性部材を複数有するとともに、前記別の弾性部材の数に応じて前記トラップ溝が形成されることを特徴とする請求項１記載の燃料電池用カートリッジ。
3. 燃料電池の液体燃料を貯留し、前記燃料の前記燃料電池の気化部への流出口を備えた燃料電池用液体燃料貯蔵部において、
   前記貯蔵部内に設置された第１の弾性体と、
   前記第１の弾性体に支持され、断面が凹状で、開口部の縁部に突起部を備え、前記第１の弾性体から圧力を受けると前記突起部により前記開口部が狭まって前記貯蔵部内を摺動し、前記突起部が前記貯蔵部内に設けられたトラップ溝に嵌合して静止するとともに、前記開口部が広がる弾性部材と、
   前記弾性部材内に前記突起部により抑止される第２の弾性体と、
   前記弾性部材に支持され、前記開口部が広がって前記第２の弾性体から圧力を受けて、前記燃料を前記流出口から押し出すピストン部と、
   を有することを特徴とする燃料電池用液体燃料貯蔵部。
4. 前記弾性部材によって支持される別の弾性部材を複数有するとともに、前記別の弾性部材の数に応じて前記トラップ溝が形成されることを特徴とする請求項３記載の燃料電池用液体燃料貯蔵部。
5. 液体燃料を貯留し、前記燃料の流出口を備え、第１の弾性体と、前記第１の弾性体に支持され、断面が凹状で、開口部の縁部に突起部を備え、前記第１の弾性体から圧力を受けると前記突起部により前記開口部が狭まって内部を摺動し、前記突起部が内部に設けられたトラップ溝に嵌合して静止するとともに、前記開口部が広がる弾性部材と、前記弾性部材内に前記突起部により抑止される第２の弾性体と、前記弾性部材に支持され、前記開口部が広がって前記第２の弾性体から圧力を受けて、前記液体燃料を前記流出口から押し出すピストン部と、を有する燃料電池用カートリッジと、
   前記流出口と接続し、前記燃料が供給される受入口を備えた液体燃料貯蔵部と、
   前記燃料を気化する液体燃料気化膜と、
   気化した前記燃料から発電する発電部と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。

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