JP2008270150A - 固体状メタノールを用いた直接メタノール形燃料電池システム及びこれを用いた携帯用電子機器、並びに直接メタノール形燃料電池システム用の燃料カートリッジ - Google Patents

Abstract

【課題】十分な気密性を有し、単位体積あたりの発電効率が良好であり、簡単な構造で小型化の可能なメタノール形燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料カートリッジ１は、一対の平坦面１Ａに複数の孔３が形成されていて、この燃料カートリッジ１においては、孔３にネットが張設されていて、内部に固体状メタノールが充填されている。燃料電池セルユニット２は、扁平箱型でそれぞれ一対の平坦壁部２Ａと長手側壁部２Ｂと短手側壁部２Ｃとからなり、平坦壁部２Ａにはそれぞれ２枚、合計４枚の燃料電池セルたるＭＥＡ４が、燃料極（図示せず）が内側となるように配置されている。また、長手側壁部２Ｂの一側は、周縁に密封部材たる弾性パッキン５Ａを備えた開口部５を有しており、この開口部５には開閉蓋６が回動部材たる枢軸６Ａにより回動自在に設けられている。
【選択図】図１

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システムに関する。また、本発明は、この燃料電池システムを用いた携帯用電子機器に関する。さらに、本発明は、固体状メタノールを燃料とする直接メタノール形燃料電池システム用の燃料カートリッジに関する。

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（ＤＭＦＣ）」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電源として有用であり、近年、携帯用コンピューターや携帯電話等の次世代電源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。さらに、液体燃料を使用することによる短所として、液体燃料中に溶解した不純物が燃料電池セルに供給されることによる燃料電池の性能劣化、液体燃料成分であるメタノールが燃料電池セルの電解質膜を浸透して空気極に達してしまうクロスオーバー現象等が挙げられる。特にクロスオーバーが発生すると燃料の単位容積あたりの発電効率が低下するばかりでなく、空気極での酸化過程で発生するホルムアルデヒドやギ酸、ギ酸メチル等の有害物質の生成が生じるため、これを解決することがＤＭＦＣの実用化の大きな課題となっている。

近年開発が進められているＤＭＦＣシステムとしては、燃料の体積密度を向上させるために、より高濃度のメタノールを適用する方法が主流であるが、燃料濃度が高くなるほどクロスオーバーの問題はより深刻になる。そこで、セルに使用される電解質膜等の素材の改良を進めることでクロスオーバーの低減を図ることが検討されているが、いまだ十分なレベルに達しておらず、このことがＤＭＦＣの商品化への大きな障壁となっている。

そこで、このようなメタノールの安全性等の課題に対し、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。こう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取出手段のうち気化方式は、水供給方式のように水タンク、ポンプ等の水供給機構が必要でないため、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。

そこで、この気化方式をさらに発展させたＤＭＦＣとして本出願人は、固体状メタノールを充填した燃料カートリッジの開口面に近接して、燃料電池セルを、燃料極側を向けて平面的に配置することで、固体状メタノールから気化したメタノールにより直接発電を行うＤＭＦＣシステムを種々提案した（特願２００６−２７８１６２号、特願２００６−２７８１６３号、特願２００６−２７８１６４号、特願２００６−２７８１６５号等）。

この燃料電池システムでは、燃料カートリッジの開口面に近接して１枚の燃料電池セルを平面的に配置しているため、燃料カートリッジの開口面の数に応じた数の燃料電池セルしか配置できないので、燃料カートリッジの単位体積あたりの燃料電池セルの面積を充分に大きくすることができなかった。この対策として燃料カートリッジの開口面を大きくすることが考えられるが、開口面で気密性を確保するのが困難となるため、気化したメタノールのシール性が低下するおそれがある。このように効率の点でいまだ改善の余地のあるものであった。

また、このような燃料電池システムにおいて用いる燃料カートリッジは、燃料の放出を防ぐために使用直前まで密封性を有する袋等に保管しておく必要があったが、燃料電池システムにセットした後には燃料の放出の制御が困難であるという問題点があった。

さらに、よりシンプルで小型化された構造の燃料電池システムを提供できれば、ＤＭＦＣの普及に大きく貢献できて望ましい。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、十分な気密性を有し、単位体積あたりの発電効率が良好であり、簡単な構造で小型化の可能なメタノール形燃料電池システムを提供することを目的とする。また、本発明は、上記メタノール形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。さらに、本発明は、固体状メタノールを燃料とする直接メタノール形燃料電池システム用の燃料カートリッジ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、中空平板状で内部に固体状メタノールが収納された燃料カートリッジと、前記燃料カートリッジの平坦面側に設置された燃料電池セルとを備えることを特徴とする直接メタノール形燃料電池システムを提供する（請求項１）。

上記発明（請求項１）によれば、中空平板状の燃料カートリッジに対して燃料電池セルを配置しているので、１個の燃料カートリッジに対して、複数の燃料電池セルを設けることが可能となり、燃料カートリッジの体積に対して効率的に発電を行うことができる。

上記発明（請求項１）においては、前記燃料電池セルが、前記燃料カートリッジを収容可能な扁平箱型の燃料電池セルユニットの一対の平坦壁部を構成するように燃料極を内側として配置されているのが好ましい（請求項２）。

上記発明（請求項２）によれば、燃料電池セルユニットに燃料カートリッジを収容するだけで発電を行うことができ、しかも外部に対して十分な気密性を確保することができる。また、前記燃料電池セルユニット内から燃料カートリッジを取り出すだけで燃料カートリッジの取り替えが可能となる。

上記発明（請求項２）においては、前記燃料電池セルが、前記燃料電池セルユニットの平坦壁部に複数配置されているのが好ましい（請求項３）。

上記発明（請求項３）によれば、１個の燃料カートリッジに対して、少なくとも４個の燃料電池セルを設けることができるため、燃料カートリッジの体積に対して一層効率的に発電を行うことができる。

上記発明（請求項２，３）においては、前記扁平箱型の燃料電池セルユニットの側面に開口部を有しており、前記燃料カートリッジが、前記開口部に挿脱可能な構造とすることができる（請求項４）。

上記発明（請求項４）によれば、燃料電池セルユニットの側面から燃料カートリッジを収容するだけで発電を行うことができ、しかも十分な気密性を確保することができる。また、前記燃料電池セルユニットの側面から燃料カートリッジを取り出すだけで燃料カートリッジの取り替えが可能となる。

また、上記発明（請求項２，３）においては、前記扁平箱型の燃料電池セルユニットの一方の平坦壁部が、前記燃料電池セルユニットの側壁部に対して開閉可能に取付けられており、前記燃料カートリッジが、前記一方の平坦壁部側から挿脱可能な構造とすることができる（請求項５）。

上記発明（請求項５）によれば、燃料電池セルユニットの一方の平坦壁部を開成して燃料カートリッジを収容し、当該一方の平坦壁部を閉鎖するだけで発電を行うことができ、しかも十分な気密性を確保することができる。また、燃料電池セルユニットの一側平坦壁部を開成して燃料カートリッジを取り出すだけで燃料カートリッジの取り替えが可能となる。

上記発明（請求項２〜５）においては、前記燃料カートリッジが、カートリッジ本体と開閉バルブとからなり、前記カートリッジ本体は、一対の平板部と周側部とからなり、前記平板部の少なくとも一方に臨んで前記開閉バルブが設けられている構造とすることができる（請求項６）。特に、前記燃料電池セルユニットの平坦壁部に、前記開閉バルブに対応して開閉部材が設けられているのが好ましい（請求項７）。

上記発明（請求項６，７）によれば、燃料カートリッジを燃料電池セルユニットに収容する前は、開閉バルブが燃料カートリッジを閉鎖した状態で保持することにより、燃料カートリッジからの燃料の漏洩を防止することができる。また、燃料カートリッジを燃料電池セルユニットに収容すると、開閉バルブの開成により燃料カートリッジから燃料が放出され発電を行うことができる。そして、燃料電池セルユニット内から燃料カートリッジを取り出すと、再度開閉バルブが燃料カートリッジを閉鎖した状態で保持することにより、発電が停止し、燃料の浪費を防止することができる。

また、第二に本発明は、請求項１〜７のいずれかに記載の直接メタノール形燃料電池システム用の燃料カートリッジであって、前記燃料カートリッジが、カートリッジ本体と開閉バルブとからなり、前記カートリッジ本体は、一対の平板部と周側部とからなり、前記平板部の少なくとも一方に臨んで前記開閉バルブが設けられていることを特徴とする燃料カートリッジを提供する（請求項８）。

上記発明（請求項８）によれば、燃料カートリッジを燃料電池セルユニットに収容する前は、開閉バルブが燃料カートリッジを閉鎖した状態で保持することにより、燃料カートリッジからの燃料の漏洩を防止することができる。また、燃料カートリッジを燃料電池セルユニットに収容すると、開閉バルブの開成により燃料カートリッジから燃料が放出され発電を行うことができる。そして、燃料電池セルユニット内から燃料カートリッジを取り出すと、再度開閉バルブが燃料カートリッジを閉鎖した状態で保持することにより、発電が停止し、燃料の浪費を防止することができる。

さらに、第三に本発明は、請求項１〜７のいずれかに記載の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９）。

上記発明（請求項９）によれば、十分な気密性を有し、単位体積あたりの発電効率の良好なメタノール形燃料電池システムを電源とする携帯用電子機器とすることができる。

本発明の燃料電池システムは、中空平板状の燃料カートリッジに対して複数の燃料電池セルを設けることができるため、固体状メタノールから気化したメタノールを効率的に利用することができ、単位体積あたりの発電効率が良好なものとなっている。しかも燃料電池セルを、燃料カートリッジを収容可能な扁平箱型の燃料電池セルユニットの一対の平坦壁部を構成するように配置し、この燃料電池セルユニットに燃料カートリッジを収容することで燃料としての気化メタノールを供給することができるので、十分な気密性を確保することも可能となっている。さらに、燃料カートリッジに開閉バルブを設けることにより、保管時及び使用待機時における燃料の浪費を防止することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の第一の実施形態による燃料電池システムを示す斜視図である。

図１において、１は燃料カートリッジであり、２は燃料電池セルユニットである。燃料カートリッジ１は、一対の平坦面１Ａに複数の孔３が形成されており、この平坦面１Ａは２重板構造となっていて、内側の板（図示せず）は摺動可能なシャッターとなっている。このシャッターは弾性部材等により通常時は孔３が閉鎖される一方、後述する開閉蓋６を閉鎖すると、孔３が開成する構造となっている。そして、この燃料カートリッジ１内には、内部に固体状メタノールが充填されているが、孔３にネットが張設されることによりこぼれ落ちないようになっている。これらネット及び固体状メタノールについては便宜上図示を省略する。

また、燃料電池セルユニット２は、扁平箱型でそれぞれ一対の平坦壁部２Ａと長手側壁部２Ｂと短手側壁部２Ｃとからなり、平坦壁部２Ａにはそれぞれ２枚、合計４枚の燃料電池セルたるＭＥＡ４が、燃料極（図示せず）が内側となるように配置されている。また、長手側壁部２Ｂの一側は、周縁に密封部材たる弾性パッキン５Ａを備えた開口部５を有しており、この開口部５には開閉蓋６が回動部材たる枢軸６Ａにより回動自在に設けられている。なお、７は開閉蓋６のストッパであり、８は平坦壁部２Ａに形成されたストッパ受け部である。なお、ＭＥＡ４は、燃料極、空気極及びこれらの間に設けられた電解質層を一体的に構成したものであり、燃料極及び空気極をそれぞれ図示しない回路に接続することにより、電力の供給が可能となる。

次に上述したような構成を有する本実施形態のメタノール形燃料電池システムについて、その作用を説明する。

まず、燃料カートリッジ１は通常時はシャッターにより孔３が閉鎖している。そして、燃料電池セルユニット２の開閉蓋６が開成した状態で、開口部５から燃料カートリッジ１を燃料電池セルユニット２に収納し、開閉蓋６を閉じてストッパ７をストッパ受け部８に係止させる。そうすると、開口部５の周縁に設けられた弾性パッキン５Ａにより燃料電池セルユニット２内が密封される一方、シャッターが摺動して孔３が開成する。

これにより、燃料カートリッジ１の固体状メタノールから直接的に発生する気体状のメタノールが、ＭＥＡ４の燃料極に供給され発電が行われるので、これを回路に供給すればよい。

このとき、本実施形態においては、ＭＥＡ４が、燃料電池セルユニット２の一対の平坦壁部にそれぞれ２枚、合計４枚配置されているので、１個の燃料カートリッジ１に対して、４個のＭＥＡ４が設けられることになるため、燃料カートリッジ１中に充填された固体状メタノールの体積（体積）に対して効率的に発電を行うことができる一方、燃料カートリッジ１から気化したメタノ−ルの外部環境に対する気密性を確保することができる。

また、発電を停止するときには、例えば、ストッパ受け部８からストッパ７を外して開閉蓋６を開成することでシャッターを摺動させて孔３を閉鎖すればよい。さらに、燃料電池セルユニット２の側面の開口部５から燃料カートリッジ１を取り出すだけで燃料カートリッジ１の取り替えが可能となっている。

上記本実施形態の燃料電池システムは、十分な気密性を有し、単位体積あたりの発電効
率の良好であるので、携帯用電子機器に好適である。

上述したような実施形態において、固体状メタノールとしては、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又はゲル化したもの、及び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させ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させ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、メタノール溶液の濃度のコントロール性に優れていて好ましい。

前記分子化合物とは、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おいては、その表面にコーティングを施すことで、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、シート状等の形態を挙げることができる。

次に、本発明の第二の実施形態に係る燃料電池システムについて図２を参照して説明する。図２は、本発明の第二の実施形態に係る燃料電池システムを示す斜視図である。

図２において、１１は燃料カートリッジであり、１２は燃料電池セルユニットである。燃料カートリッジ１１は、一対の平坦面１１Ａに複数の孔１３が形成されており、この平坦面１１Ａは２重板構造となっていて、内側の板（図示せず）は摺動可能なシャッターとなっていて、このシャッターは弾性部材等により常時は孔１３が閉鎖される一方、後述する平坦壁部１２Ａを閉鎖すると、孔１３が開成する構造となっている。そして、この燃料カートリッジ１１内には、内部に固体状メタノールが充填されているが、孔１３にネットが張設されることによりこぼれ落ちないようになっている。これらネット及び固体状メタノールについては便宜上図示を省略する。

また、燃料電池セルユニット１２は、扁平箱型でそれぞれ一対の平坦壁部１２Ａと長手側壁部１２Ｂと短手側壁部１２Ｃとからなり、平坦壁部２Ａにはそれぞれ２枚、合計４枚の燃料電池セルたるＭＥＡ１４が、燃料極（図示せず）が内側となるように配置されている。そして、この燃料電池セルユニット１２において、一方の平坦壁部１２Ａは、別部材となっていて、周縁に密封部材たる弾性パッキン１５Ａを備えた開口部１５を開閉するように一方の長手側壁部１２Ｂに対して、回動部材たる枢軸１６により回動自在に設けられている。なお、１７は平坦壁部１２Ａのストッパであり、１８は他方の長手側壁部１２Ｂに形成されたストッパ受け部である。

次に上述したような構成を有する本実施形態のメタノール形燃料電池システムについて、その作用を説明する。

まず、燃料カートリッジ１１は通常時はシャッターにより孔１３が閉鎖している。そして、燃料電池セルユニット１２の一方の平坦壁部１２Ａが開成した状態で、開口部１５から燃料カートリッジ１１を燃料電池セルユニット１２に収納し、一方の平坦壁部１２Ａを枢軸１６により回動させて、開口部１５を閉鎖し、続いてストッパ１７をストッパ受け部１８に係止させる。そうすると、開口部１５の周縁に設けられた弾性パッキン１５Ａにより燃料電池セルユニット１２内が密封される一方、シャッターが摺動して孔１３が開成する。

これにより、燃料カートリッジ１１の固体状メタノールから直接的に発生する気体状のメタノールが、ＭＥＡ１４の燃料極に供給され発電が行われるので、これを回路に供給すればよい。

このとき、本実施形態においては、ＭＥＡ１４が、燃料電池セルユニット１２の一対の平坦壁部にそれぞれ２枚、合計４枚配置されているので、１個の燃料カートリッジ１１に対して、４個のＭＥＡ１４が設けられることになるので、燃料カートリッジ１１中に充填された固体状メタノールの体積（体積）に対して効率的に発電を行うことができる一方、燃料カートリッジ１１から気化したメタノ−ルの外部環境に対する気密性を確保することができる。

上述したような実施形態において、固体状メタノールとしては、前述した第一の実施形態と同じものを用いることができる。

次に本発明の第三の実施形態による燃料電池システムについて図３〜図６を参照して説明する。
図３〜図６において、２１は燃料カートリッジであり、２２は燃料電池セルユニットである。燃料カートリッジ２１は、平板部たる一対の平坦面２１Ａと周側部たる側壁面２１Ｂとからなる略矩形の扁平な箱形であり、一対の平坦面２１Ａには、放出部としての複数の孔２３，２３・・・が形成されている。この孔２３，２３・・・に臨んで開閉バルブ２４，２４・・・が設けられており、この開閉バルブ２４，２４は、一方の平坦面２１Ａの内側面に立設された位置決めロッド２５，２５・・・により孔２３，２３・・・に対応した位置に位置決めされている。

なお、この孔２３，２３・・・は略円形が望ましく、また、一対の平坦面２１Ａの両面に形成されていてもよいし、片面にのみ形成されていてもよいが、本実施形態においては両面に形成されている。両面に孔２３，２３を形成することにより片面のみに形成した場合に比して１．５〜２．０倍、特に約１．８倍の燃料放出量となる。また、孔２３，２３の個数は多い方が燃料放出量を多くすることができる一方、この孔２３，２３には、開閉バルブ２４が設けられるため、同一カートリッジでは固体状メタノールの有効内容量が少なくなる。したがって、固体状メタノールの内容量約１０ｃｃに対して２個程度の開閉バルブ２４となるように設計するのが好ましい。上述したような孔２３，２３・・・の径は、安全性及びメタノールの放出効率を考慮すると５〜８．６ｍｍφであるのが好ましく、特に約８ｍｍφであるのが好ましい。

この開閉バルブ２４，２４・・・は、孔２３より径大な閉鎖部２７と凸部２８とを有する第１のバルブ本体２６Ａと、孔２３より径大な閉鎖部２９と凹部３０とを有する第２のバルブ本体２６Ｂとを、凸部２８と凹部３０とを対向させて両者間に弾性部材たる弾性コイルバネＳを介在させることにより常時閉鎖部２７及び閉鎖部２９が孔２３を押圧状態で閉鎖するように構成されている。そして、この燃料カートリッジ２１内には、内部に固体状メタノールが充填されているが、孔２３，２３・・・に開閉バルブ２４，２４・・・が設けられていることにより当該固体状メタノールがこぼれ落ちないようなっている。なお、２７Ａ及び２９Ａは、閉鎖部２７、２９に取り付けられた孔２３を密封するためのパッキンである。

また、燃料電池セルユニット２２は、扁平箱型でそれぞれ一対の平坦壁部２２Ａと長手側壁部２２Ｂと短手側壁部２２Ｃとからなり、平坦壁部２２Ａには、それぞれ２枚、合計４枚の燃料電池セルたるＭＥＡ３１，３１が、燃料極（図示せず）が内側となるように配置されている。そして、この燃料電池セルユニット２２において、一方の平坦壁部２２Ａは、別部材となっていて、周縁に密封部材たる弾性パッキン３２Ａを備えた開口部３２を開閉するように一方の長手側壁部２２Ｂに対して、回動部材たる枢軸３３により回動自在に設けられている。そして、燃料電池セルユニット２２の一対の平坦壁部２２Ａの内側面には、孔２３，２３・・・に対応して、開閉部材たる開成ロッド３４，３４・・・が立設されている。なお、３５は平坦壁部２２Ａのストッパであり、３６は他方の長手側壁部２２Ｂに形成されたストッパ受け部である。

次に上述したような構成を有する本実施形態のメタノール形燃料電池システムについて、その作用を説明する。
まず、燃料カートリッジ２１は保管時には、図５に示すように弾性コイルバネＳの弾発力により、第１のバルブ本体２６Ａの閉鎖部２７のパッキン２７Ａと、第２のバルブ本体２６Ｂの閉鎖部２９のパッキン２９Ａとが、孔２３，２３・・・を閉鎖することにより固体状メタノールからの燃料の漏洩が防止されている。

そして、燃料電池セルユニット２２の一方の平坦壁部２２Ａが開成した状態で、開口部３２から燃料カートリッジ２１を燃料電池セルユニット２２に収納し、一方の平坦壁部２２Ａを枢軸３３により回動させて、開口部３２を閉鎖し、続いてストッパ３３をストッパ受け部３６に係止させる。そうすると、開口部３２の周縁に設けられた弾性パッキン３２Ａにより燃料電池セルユニット２２内が密封される。

このとき、図６に示すように開成ロッド３４，３４・・・が孔２３，２３・・・を貫通して、弾性コイルバネＳの弾発力に抗して第１のバルブ本体２６Ａと、第２のバルブ本体２６Ｂとを押圧し、第１のバルブ本体２６Ａの凸部２８が第２のバルブ本体２６Ｂの凹部３０に貫入した状態で停止し、孔２３，２３・・・が開成する。これにより、燃料カートリッジ２１内の固体状メタノールから直接的に発生する気体状のメタノールが、ＭＥＡ３１，３１の燃料極に供給され発電が行われるので、これを回路に供給すればよい。

なお、発電の停止時には、燃料電池セルユニット２２の一方の平坦壁部２２Ａを再度開成することにより、開成ロッド３４，３４・・・を引き出して、図５の状態に復元させればよい。すなわち、弾性コイルバネＳの弾発力により、第１のバルブ本体２６Ａの閉鎖部２７のパッキン２７Ａと、第２のバルブ本体２６Ｂの閉鎖部２９のパッキン２９Ａとにより孔２３，２３・・・を閉鎖すればよい。なお、上述したような実施形態において、固体状メタノールとしては、前述した第一の実施形態と同じものを用いることができる。

以上、本発明について前記実施形態に基づき説明してきたが、本発明は前記実施形態に限定されることなく、種々の変形実施が可能である。例えば、第一の実施形態においては、図７に示すように、燃料電池セルユニット２の短手側壁部２Ｃに弾性パッキン５Ａを備えた開口部５を形成した縦型構造としてもよいし（第四の実施形態）、図８に示すように、燃料カートリッジ１と開閉蓋６Ａとを一体的に構成して、燃料カートリッジ１の装着と開口部５の密封閉鎖とを一の動作で行えるようにしてもよい（第五の実施形態）。さらに、第二の実施形態においては、図９に示すように一方の平坦壁部１２Ａを一方の短手側壁部１２Ｃに対して、回動部材たる枢軸１６により回動自在に設けた縦型構造としてもよい（第六の実施形態）。さらに、また、第三の実施形態においては、図１０に示すように一方の平坦面２１Ａにのみ孔２３，２３・・・を形成してもよい（第七の実施形態）。この場合、位置決めロッド２５を設けずに、バルブ本体２６Ｂの代わりに凹状部３０Ａを他方の平坦面１２Ａに突設すればよい。

以下に比較例及び実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。
〔実施例１〕

＜燃料カートリッジの製造例１＞
図３に示す形状の燃料カートリッジ２１を変成ＰＰＥ樹脂により成形した。この燃料カートリッジ２１の諸元は以下のとおりである。
・寸法：８５．６×５４×１５（ｍｍ）
・開閉バルブ２４の径：６ｍｍφ
・孔２３の数：両面にそれぞれ６個
・固体状メタノールの充填量：３０ｃｃ

＜燃料カートリッジの製造例２＞
図３に示す形状の燃料カートリッジ２１を変成ＰＰＥ樹脂により成形した。この燃料カートリッジ２１の諸元は以下のとおりである。
・寸法：８５．６×５４×１５（ｍｍ）
・開閉バルブ２４の大きさ：３２ｍｍ×６ｍｍ（長方形）
・孔２３の数：両面にそれぞれ４個
・固体状メタノールの充填量：３０ｃｃ

＜気密性試験＞
製造例１，２で得られた燃料カートリッジを７０℃のチャンバに１時間保管し、保管前後の重量を計測し、重量減少速度及び充填物減少率を算出した。
結果を表１に示す。

表１から明らかなように、円形バルブを採用した製造例１の燃料カートリッジの方が、燃料減少速度が遅く、ＩＥＣ規格案である０．０８ｇ／ｈｒ以下であった。

〔実施例２〕
＜燃料カートリッジの製造例３〜７＞
図３に示す形状の燃料カートリッジ２１を変成ＰＰＥ樹脂により成形した。この燃料カートリッジ２１の諸元は以下のとおりである。
・寸法：４１×５５×１０（ｍｍ）
・開閉バルブ２４の径：４、６、７、８、１０ｍｍφ
・孔２３の数：片面のみに４個
・固体状メタノールの充填量：１５ｃｃ

＜放出特性試験＞
製造例３〜７の燃料カートリッジを開閉バルブ２４が開成した状態にて室温（２５℃）で２時間保持し、この前後の重量を計測し、重量減少速度及び充填物減少率を算出した。
結果を表２に示す。

表２から明らかなとおり、孔の径の大きさと、孔の数と、燃料放出特性とはほぼ比例関係にあることがわかる。したがって、燃料の放出の点からはできるだけ大きな径とするのが望ましいが、あやまって指で押してしまったときの安全性も考慮すると８ｍｍφ以下が適当であると判断できる。

〔実施例３〕
＜燃料カートリッジの製造例８＞
図３に示す形状の燃料カートリッジ２１を変成ＰＰＥ樹脂により成形した。この燃料カートリッジ２１の諸元は以下のとおりである。
・寸法：８５．６×５４×１５（ｍｍ）
・開閉バルブ２４の径：６ｍｍφ
・孔２３の数：片面のみに６個
・固体状メタノールの充填量：３０ｃｃ

＜放出特性試験＞
製造例１及び製造例８の燃料カートリッジを開閉バルブ２４が開成した状態にて室温（２５℃）で２時間保持し、この前後の重量を計測し、重量減少速度及び充填物減少率を算出した。
結果を表３に示す。

表３から明らかなとおり、両面に孔２３を形成した燃料カートリッジ（製造例１）と、片面にのみ孔２３を形成した燃料カートリッジ（製造例８）とでは、燃料の放出特性が約１．８倍相違することがわかる。これにより、放出速度の調整が可能であることが確認された。

〔実施例４〕
＜燃料カートリッジの製造例９＞
図３に示す形状の燃料カートリッジ２１を変成ＰＰＥ樹脂により成形した。この燃料カートリッジ２１の諸元は以下のとおりである。
・寸法：８５．６×５４×１５（ｍｍ）
・開閉バルブ２４の径：６ｍｍφ
・孔２３の数：両面にそれぞれ８個
・固体状メタノールの充填量：３０ｃｃ

＜放出特性試験＞
製造例１及び製造例９の燃料カートリッジを開閉バルブ２４が開成した状態にて室温（２５℃）で２時間保持し、この前後の重量を計測し、重量減少速度及び充填物減少率を算出した。
結果を表４に示す。

表４から明らかなとおり、孔の数と、燃料放出特性とはほぼ比例関係にあり、孔の数を増加するほど燃料の放出はよくなる。しかしながら、同じ外径のカートリッジの場合、容器の乾燥重量が増加するとともに、固体状メタノールの内容量が減少し、エネルギー密度が減少するため、長時間使用の用途には不向きであると判断することができる。

本発明の第一の実施形態に係るメタノール形燃料電池システムを示す斜視図である。 本発明の第二の実施形態に係るメタノール形燃料電池システムを示す斜視図である。 本発明の第三の実施形態に係るメタノール形燃料電池システムを示す斜視図である。 前記第三の実施形態に係るメタノール形燃料電池システムの燃料カートリッジを示す分解斜視図である。 前記第三の実施形態に係るメタノール形燃料電池システムの燃料カートリッジの閉鎖状態を示す断面図である。 前記第三の実施形態に係るメタノール形燃料電池システムの燃料カートリッジの開成状態を示す断面図である。 本発明の第四の実施形態に係るメタノール形燃料電池システムを示す斜視図である。 本発明の第五の実施形態に係るメタノール形燃料電池システムを示す斜視図である。 本発明の第六の実施形態に係るメタノール形燃料電池システムを示す斜視図である。 本発明の第七の実施形態に係るメタノール形燃料電池システムの燃料カートリッジを示す分解斜視図である。

符号の説明

１，１１，２１…燃料カートリッジ
１Ａ，１１Ａ，２１Ａ…平坦面
２，１２，２２…燃料電池セルユニット
２Ａ，１２Ａ，２２Ａ…平坦壁部
１２Ｂ，２２Ｂ…長手側壁部（側壁部）
４，１４，３１…ＭＥＡ（燃料電池セル）
５，１５，３２…開口部
２３…孔
２４…開閉バルブ
３４…開成ロッド（開閉部材）

Claims (9)

1. 中空平板状で内部に固体状メタノールが収納された燃料カートリッジと、
   前記燃料カートリッジの平坦面側に設置された燃料電池セルと
   を備えることを特徴とする直接メタノール形燃料電池システム。
2. 前記燃料電池セルが、前記燃料カートリッジを収容可能な扁平箱型の燃料電池セルユニットの一対の平坦壁部を構成するように燃料極を内側として配置されていることを特徴とする請求項１に記載の直接メタノール形燃料電池システム。
3. 前記燃料電池セルが、前記燃料電池セルユニットの平坦壁部に複数配置されていることを特徴とする請求項２に記載の直接メタノール形燃料電池システム。
4. 前記扁平箱型の燃料電池セルユニットの側面に開口部を有しており、前記燃料カートリッジが前記開口部に挿脱可能となっていることを特徴とする請求項２又は３に記載の直接メタノール形燃料電池システム。
5. 前記扁平箱型の燃料電池セルユニットの一方の平坦壁部が、前記燃料電池セルユニットの側壁部に対して開閉可能に取付けられており、
   前記燃料カートリッジが、前記一方の平坦壁部側から挿脱可能となっていることを特徴とする請求項２又は３に記載の直接メタノール形燃料電池システム。
6. 前記燃料カートリッジが、カートリッジ本体と開閉バルブとからなり、
   前記カートリッジ本体は、一対の平板部と周側部とからなり、前記平板部の少なくとも一方に臨んで前記開閉バルブが設けられていることを特徴とする請求項２〜５のいずれかに記載の直接メタノール形燃料電池システム。
7. 前記燃料電池セルユニットの平坦壁部に、前記開閉バルブに対応して開閉部材が設けられていることを特徴とする請求項６に記載の直接メタノール形燃料電池システム。
8. 請求項１〜７のいずれかに記載の直接メタノール形燃料電池システム用の燃料カートリッジであって、
   前記燃料カートリッジが、カートリッジ本体と開閉バルブとからなり、
   前記カートリッジ本体は、一対の平板部と周側部とからなり、前記平板部の少なくとも一方に臨んで前記開閉バルブが設けられていることを特徴とする燃料カートリッジ。
9. 請求項１〜７のいずれかに記載の直接メタノール形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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