JP2010102902A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料収容部に内圧を低下させるための内圧調整機構が設けられる燃料電池において、内圧調整機構の作動を確認でき、安全性に優れるものを提供すること。
【解決手段】液体燃料を収容する燃料収容部２２と、前記燃料収容部２２に設けられ、前記燃料収容部２２の内圧が所定の上限値を超えて上昇したときに放出口から内部ガスを放出して前記内圧を低下させる内圧調整機構３０とを具備する燃料電池１であって、前記内圧調整機構３０の作動を検知する検知手段４０を具備するもの。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池に係り、特に燃料収容部に設けられた内圧を低下させるための内圧調整機構の作動を検知できる燃料電池に関する。

近年、ノートパソコンや携帯電話等の各種携帯用電子機器を長時間充電なしで使用可能とするために、これら携帯用電子機器の電源に燃料電池を用いることが検討されている。燃料電池は燃料と空気を供給するだけで発電することができ、燃料を補給することで連続して長時間発電することができる。このため、燃料電池を小型化することができれば、携帯用電子機器の電源として極めて有利なシステムとなる。

直接メタノール型燃料電池（Direct Methanol Fuel Cell：ＤＭＦＣ）は小型化が可能であり、さらに燃料の取り扱いも容易であることから、携帯用電子機器の電源として有望視されている。ＤＭＦＣにおける液体燃料の供給方式としては、気体供給型や液体供給型等のアクティブ方式、また燃料収容部内の液体燃料を電池内部で気化させて燃料極に供給する内部気化型のパッシブ方式が知られている。

これらのうち、内部気化型のパッシブ方式はＤＭＦＣの小型化に対して特に有利である。パッシブ方式のＤＭＦＣとしては、例えば燃料極、電解質膜および空気極を有する膜電極接合体（燃料電池セル）を、樹脂製の箱状容器からなる燃料収容部上に配置した構造が提案されている（例えば特許文献１参照）。一方、ＤＭＦＣの燃料電池セルと燃料収容部とを流路を介して接続することが検討されている（特許文献２〜４参照）。燃料収容部に収容された液体燃料を流路を介して燃料電池セルに供給することで、流路の形状や径等に基づいて液体燃料の供給量を調整することができる。
国際公開第２００５／１１２１７２号パンフレット 特表２００５−５１８６４６号公報 特開２００６−０８５９５２号公報 米国特許公開第２００６／００２９８５１号公報

ところで、上記したような燃料電池については、想定外の高温環境下での放置等により燃料収容部内の液体燃料の気化が進み、過度に内圧が上昇することがある。燃料収容部の内圧が過度に上昇した場合、燃料収容部が破損し、この破損部分から液体燃料が漏れるおそれがある。例えば液体燃料として用いられるメタノールは人体に対する影響が大きく、吸入すると中枢神経を冒し、めまい、下痢を起こすおそれがある。特に、大量に吸入したり、眼に入ったりした場合、視神経に障害を起こすおそれがある。また、液体燃料が漏れた場合、発火のおそれもある。

このため、燃料収容部の内圧が所定の上限値、例えば大気圧に比べて０．５ＭＰａ程度高い圧力となったとき、開弁して内圧を低下させるバルブ機構を備える内圧調整機構を設けることが検討されている。しかしながら、内圧調整機構が作動したものは想定外の高温環境下に晒された可能性があり、燃料収容部の強度が低下し、破損しやすくなっているおそれがある。また、内圧調整機構が作動後に元の状態に戻らない構造の場合、具体的には開弁後に閉弁しない構造の場合、液体燃料が漏れ続けるおそれがある。このため、その後の使用を中止させるために、内圧調整機構が作動したことを確認できることが求められる。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、燃料収容部に内圧を低下させるための内圧調整機構が設けられたものにおいて、内圧調整機構の作動を確認でき、安全性に優れる燃料電池を提供することを目的としている。

本発明の燃料電池は、液体燃料を収容する燃料収容部と、前記燃料収容部に設けられ、前記燃料収容部の内圧が所定の上限値を超えて上昇したときに放出口から内部ガスを放出して前記内圧を低下させる内圧調整機構とを具備する燃料電池であって、前記内圧調整機構の作動を検知する検知手段を具備することを特徴とする。

前記検知手段は、例えば前記内圧調整機構から放出される放出物の接触により変色もしくは発色するものであって、前記燃料電池の外部から目視可能な位置に配置されるものである。前記変色もしくは発色する検知手段は、例えば基材を前記放出物に溶解可能な着色剤で着色したもの、また例えば基材を前記放出物の接触により変色もしくは発色する着色剤で着色したもの、さらに例えば感熱紙である。

また、前記変色もしくは発色する検知手段は、例えば前記内圧調整機構から放出される前記液体燃料の放出物の接触により材料劣化するものであって、前記燃料電池の外部から目視可能な位置に配置されるものであってもよい。前記検知手段は、例えばアクリル樹脂、ＡＢＳ樹脂、塩化ビニル樹脂、ナイロン樹脂、ポリカーボネート（ＰＣ）樹脂、ＰＣ／ＡＢＳ樹脂から選ばれる少なくとも１種からなるものである。

前記変色もしくは発色、または材料劣化する検知手段を有する燃料電池は、前記燃料収容部を覆い、かつ前記検知手段に対向する位置に透明部材からなる窓部が設けられた筐体を有することが好ましい。前記窓部は、前記液体燃料に対する耐性を有する樹脂からなることが好ましく、例えばポリエチレンナフタレート、ポリエチレンテレフタレート、環状オレフィンコポリマー、シクロオレフィンポリマー、ポリメチルペンテン、ポリフェニルサルホン、およびポリエーテルサルホンの中から選ばれる少なくとも１種からなることが好ましい。

また、前記検知手段は、例えば前記内圧調整機構から放出される液体燃料を収容可能で、かつ前記燃料電池の外部から目視可能な位置に配置される透明部材からなる収容槽であってもよい。

さらに、前記検知手段は、前記内圧調整機構の放出口近傍の圧力を測定する圧力センサまたは燃料濃度を測定する濃度センサからなるものであってもよい。前記圧力センサまたは濃度センサからなる検知手段を用いる場合、前記検知手段の検知信号から前記内圧調整機構の作動の有無を判断し、通知する通知手段を設けることが好ましい。

本発明によれば、燃料収容部に内圧を低下させるための内圧調整機構が設けられる燃料電池において、この内圧調整機構の作動を検知する検知手段を設けることで、この検知手段を利用して使用者に内圧調整機構が作動したことを確認させ、その後の使用を中止させることができ、安全性に優れる燃料電池とすることができる。

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の燃料電池の一例を示す断面図である。燃料電池１は、例えば起電部を構成する膜電極接合体としての燃料電池セル１０と、この燃料電池セル１０に燃料を供給する燃料供給機構２０とから主として構成されている。燃料供給機構２０は、例えば燃料分配機構２１と、液体燃料を収容する燃料収容部２２と、これら燃料分配機構２１と燃料収容部２２とを接続する流路２３と、この流路２３中に配置されるポンプ２４とから構成されている。

そして、内圧調整機構３０は、燃料収容部２２に設けられている。また、内圧調整機構３０の作動を検知する検知手段４０は、内圧調整機構３０、例えば内部ガスを放出する放出口またはその周辺部に設けられている。検知手段４０としては、例えば内圧調整機構３０から放出される放出物の接触により変色もしくは発色、または材料劣化するものであって、燃料電池１の外部から目視可能な位置に配置されるもの、また例えば内圧調整機構３０から放出される液体燃料を収容可能なものであって、燃料電池１の外部から目視可能な位置に配置される透明部材からなる収容槽、さらに例えば圧力センサまたは濃度センサからなるものが挙げられる。

以下、上記した検知手段４０について順に説明する。まず、検知手段４０のうち内圧調整機構３０から放出される放出物の接触により変色もしくは発色、または材料劣化等の外観変化を生じるものについて説明する。

このような内圧調整機構３０から放出される放出物の接触により変色もしくは発色、または材料劣化等の外観変化を生じる検知手段４０については、燃料電池１の外部からこの検知結果としての外観変化を目視することにより内圧調整機構３０が作動したことを容易に確認できる。

図３〜５は、このような検知手段４０を設けた内圧調整機構３０の一例を示す断面図である。なお、図３〜５については、図中下側が燃料収容部２２の内側、また図中上側が燃料収容部２２の外側となるように図示している。

図３に示すように、内圧調整機構３０は、例えば燃料収容部２２の外壁を利用して設けられている。また、検知手段４０は、内圧調整機構３０の両端部のうち、例えば外側の端部に設けられている。

なお、このような内圧調整機構３０および検知手段４０を設ける場合、これらから放出される放出物の使用者への接触を防ぎ、より安全性に優れたものとするため、燃料収容部２２の周囲に筐体５０を設けることが好ましい。この際、内圧調整機構３０の吸排気が可能となるように、筐体５０と燃料収容部２２との間に外部と繋がる隙間を設けることが好ましい。また、筐体５０のうち検知手段４０に対向する位置には、この検知手段４０を目視するための透明部材からなる窓部５１を設けることが好ましい。

筐体５０は、例えば燃料収容部２２と同様な材料からなるものとすることができる。また、窓部５１を構成する透明部材は、放出物、特に液体燃料の燃料成分の接触により材料劣化しないものであることが好ましく、例えばポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、環状オレフィンコポリマー（ＣＯＣ）、シクロオレフィンポリマー（ＣＯＰ）、ポリメチルペンテン（ＴＰＸ）、ポリフェニルサルホン（ＰＰＳＵ）、ポリエーテルサルホン（ＰＥＳ）等が好ましいものとして挙げられる。

この内圧調整機構３０は、燃料収容部２２の内圧が所定の上限値、例えば大気圧に対して０．５ＭＰａ程度高い圧力に上昇したときに圧力を低下させる降圧機能と共に、燃料収容部２２の内圧が所定の下限値、例えば大気圧に対して０．０１ＭＰａ程度低い圧力に低下したときに圧力を上昇させる昇圧機能とを併せ持つものである。

なお、昇圧機能は、燃料収容部２２の内圧が大気圧よりも低くなったときに、ポンプ２４の実質的な送液能力が低下し、燃料電池１の発電特性が低下することから、燃料収容部２２の内圧を大気圧に近づけ、ポンプ２４の送液能力を回復させ、燃料電池１の発電特性を維持するために設けられている。

内圧調整機構３０は、例えば燃料収容部２２の外壁を利用して設けられる貫通孔３１と、この貫通孔３１に配置される弁体３２と、この弁体３２を貫通孔３１に保持する保持材３３と、これら弁体３２と保持材３３との間に配置され、これらの間をシール状態とするためのシール材３４と、このシール材３４に向かって弁体３２を押圧する弾性体３５とから構成されている。

貫通孔３１は、例えば燃料収容部２２の外側部分に形成され、弁体３２を収容する収容部３１ａと、この収容部３１ａと燃料収容部２２の内部とを接続する接続部３１ｂとを有している。保持材３３は、収容部３１ａに挿入される挿入部３３ａと、この挿入部３３ａの端部外周に突設され、収容部３１ａの周囲に係合する係合部３３ｂと、これらを貫通する弁孔３３ｃとを有している。保持材３３は、例えば収容部３１ａに挿入部３３ａを嵌め込むようにして固定されている。

弁体３２は、この弁体３２を主として構成する第１の弁体３６と、この第１の弁体３６の保持材３３側の端部に嵌め込まれる第２の弁体３７とから構成されている。

第１の弁体３６は、一方の端部が保持材３３の弁孔３３ｃに挿入され、他方の端部が接続部３１ｂに挿入される軸部３６ａと、軸部３６ａの外周に突設される弁部３６ｂと、軸部３６ａを貫通する軸孔３６ｃとを有しており、収容部３１ａ内を軸方向に移動可能となっている。

一方、第２の弁体３７は、第１の弁体３６の軸孔３６ｃに挿入される軸部３７ａと、この軸部３７ａの端部外周に突設して形成され、第１の弁体３６の軸孔３６ｃの端部に係合する係合部３７ｂとを有している。軸部３７ａは、側面部に軸方向に沿った複数の溝部３７ｃを有しており、例えば断面が略十字状とされている。また、係合部３７ｂは、第１の弁体３６の軸孔３６ｃよりも径大とされ、例えば円板状とされている。

このような第２の弁体３７は、第１の弁体３６の軸孔３６ｃに軸部３７ａを嵌め込むことで固定されており、このとき第１の弁体３６の軸孔３６ｃの端部に係合部３７ｂが係合することで、この軸孔３６ｃを閉塞している。

なお、第２の弁体３７は、完全には第１の弁体３６に固定されておらず、燃料収容部２２の内圧が所定の上限値となったときに、この内圧と大気圧との圧力差によって第１の弁体３６から抜け出るように移動できるものとされている。また、このとき第２の弁体３７に溝部３７ｃが形成されていることで、実質的に第１の弁体３６の軸孔３６ｃが開放される。

また、シール材３４は、例えば弾性材料からなるＯリング等であって、第１の弁体３６の弁部３６ｂに対して保持材３３側となる軸部３６ａの周囲に設けられている。また、弾性体３５は、例えば圧縮スプリング等からなるものであって、第１の弁体３６の弁部３６ｂに対してシール材３４の反対側となる軸部３６ａの周囲に設けられている。そして、第１の弁体３６の弁部３６ｂを弾性体３５で押圧することで、保持材３３と弁部３６ｂとの間がシール材３４によってシール状態とされている。

なお、弾性体３５は、燃料収容部２２の内圧が所定の下限値に低下したときに、この内圧と大気圧との圧力差によって弾性体３５の反発力に抗して第１の弁体３６が燃料収容部２２の内側へと移動できるように反発力が調整されている。

このような内圧調整機構３０における保持材３３、第１の弁体３６は、液体燃料に対する耐性、特に耐メタノール性を有する樹脂材料からなることが好ましく、例えばポリプロピレン（ＰＰ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ：ヴィクトレックス社商標）、液晶ポリマー（ＬＣＰ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリアセタール（ＰＯＭ）等、さらには耐メタノール性と透明性を有する樹脂材料として、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、環状オレフィンコポリマー（ＣＯＣ）、シクロオレフィンポリマー（ＣＯＰ）、ポリメチルペンテン（ＴＰＸ）、ポリフェニルサルホン（ＰＰＳＵ）、ポリエーテルサルホン（ＰＥＳ）等からなることが好ましい。特に、燃料収容部２２と同様の材料からなることで、燃料収容部２２への超音波接合等による固定が良好となるため好ましい。

また、シール材３４についても、液体燃料に対する耐性、特に耐メタノール性を有するエチレン−プロピレン−ジエンゴム（ＥＰＤＭ）からなることが好ましいが、例えばシリコーンゴム（ＶＭＱ）、フロロシリコーンゴム（ＦＶＭＱ）、フッ素ゴム（ＦＫＭ）、ニトリルゴム（ＮＢＲ）、水素化ニトリルゴム（ＨＮＢＲ）からなるものであっても構わない。さらに、弾性体３５についても、液体燃料に対する耐性、特に耐メタノール性に優れたものするために表面処理が施されたものであることが好ましく、具体的にはステンレス系の圧縮スプリングに対し不動態化処理が行われ、耐食性に優れるものが好ましい。表面処理に関しては不動態化処理に限らず、金等の貴金属めっきやフッ素系樹脂等の樹脂コーティングも好適に用いられる。また、素材としてカーボンを用いたバネを使用することもできる。

このような内圧調整機構３０によれば、燃料収容部２２の内圧が所定の上限値と下限値との範囲内にある場合、保持材３３の弁孔３３ｃが第１の弁体３６によって閉塞されると共に、この第１の弁体３６の軸孔３６ｃが第２の弁体３７によって閉塞されることで、燃料収容部２２からの液体燃料の漏れが抑制される。

そして、図４に示すように、燃料収容部２２の内圧が所定の下限値を超えて低下した場合、この内圧と大気圧との圧力差により弾性体３５の反発力に抗して弁体３２の全体が燃料収容部２２の内側へと移動することで、保持材３３の弁孔３３ｃが開放される。これにより、燃料収容部２２の外部から内部へと外気を導入し、内圧を上昇させることができる（昇圧機能）。また、燃料収容部２２の内圧が上昇した後は、弾性体３５の反発力により弁体３２の全体が元の位置へと押し戻され、再び保持材３３の弁孔３３ｃが閉塞される（図３）。

また、図５に示すように、燃料収容部２２の内圧が所定の上限値を超えて上昇した場合、この内圧と大気圧との圧力差により第１の弁体３６から第２の弁体３７が抜け出るように移動することで、第２の弁体３７の溝部３７ｃが第１の弁体３６の軸孔３６ｃから露出し、実質的に第１の弁体３６の軸孔３６ｃが開放される。これにより、燃料収容部２２の内部から外部へと内部ガスを放出し、燃料収容部２２の内圧を低下させることができる（降圧機能）。

検知手段４０は、例えば図３に示すように、内圧調整機構３０における放出口となる保持材３３の弁孔３３ｃに設けられる。この検知手段４０は、上記したように内圧調整機構３０から放出される放出物の接触により変色もしくは発色、またはクラックや白濁等の材料劣化するものである。

なお、放出物には、例えば燃料収容部２２に収容される液体燃料自体およびその気化物が含まれ、具体的には液体状、気体状の燃料成分および水分が含まれる。そして、上記した検知手段４０の変色、発色、または材料劣化は、これらの成分の少なくとも１種に基づくものであればよい。また、上記した検知手段４０の変色、発色、または材料劣化は、放出物の熱を利用するものであってもよい。

このような検知手段４０を設けることで、内圧調整機構３０が作動した際、すなわち降圧機能が作動した際、内圧調整機構３０からの放出物により検知手段４０が変色等の外観変化をするため、後にこの外観変化を目視することにより内圧調整機構３０の作動を確認できる。また、この際、燃料収容部２２の周囲に透明部材からなる窓部５１を有する筐体５０を設けることで、安全かつ確実に目視による確認ができる。

このような検知手段４０のうち、放出物の接触により変色もしくは発色するものとしては、例えばインクジェットプリンタによる印刷等により、シート状やメッシュ状の基材、あるいは不織布からなる基材を着色剤で着色したものが挙げられる。

着色剤としては、例えば放出物に溶解可能なものが挙げられる。このような着色剤を用いることで、内圧調整機構３０からの放出物により着色剤が流れ出して基材が脱色するように変色するため、目視により内圧調整機構３０の作動を確認できる。

また、着色剤としては、例えば放出物の接触により変色もしくは発色するものであってもよい。このような着色剤としては、例えば放出物の接触により無色の状態から発色するもの、有色の状態から異なる色に変色するもの、また有色の状態から無色の状態に変色するものが挙げられる。このような着色剤を用いることで、内圧調整機構３０からの放出物により着色剤が変色もしくは発色するため、目視により内圧調整機構３０の作動を確認できる。

さらに、放出物の接触により変色もしくは発色する検知手段４０としては、感熱紙からなるものであってもよい。検知手段４０として感熱紙を用いることで、内圧調整機構３０からの放出物の熱により変色もしくは発色するため、目視により内圧調整機構３０の作動を確認できる。

一方、放出物の接触によりクラック、白濁等の材料劣化する検知手段４０としては、液体燃料に対する耐性、特に耐メタノール性の低い樹脂からなるものが挙げられ、例えばアクリル樹脂、ＡＢＳ樹脂、塩化ビニル樹脂、ナイロン樹脂、ＰＣ／ＡＢＳ樹脂からなるもの挙げられる。検知手段４０をこのような樹脂からなるものとすることで、内圧調整機構３０からの放出物、特に液体燃料の燃料成分によりクラック、白濁等の材料劣化が生じるため、この材料劣化を目視することにより内圧調整機構３０の作動を確認できる。

以上、検知手段４０として内圧調整機構３０からの放出物の接触により外観変化を生じるものを用いた場合について説明したが、このような検知手段４０が設けられる内圧調整機構３０は必ずしも上記したものに限られるものではない。以下、このような検知手段４０が適用される内圧調整機構３０の他の例について説明する。

図６、７は、内圧調整機構３０の他の例を示す断面図である。なお、図６、７については、図中右下が燃料収容部２２の内側、また図中上側および左側が燃料収容部２２の外側となるように図示している。

図６に示すように、この内圧調整機構３０は、弁体６１と、この弁体６１を収容する収容部６２と、弁体６１を収容部６２に保持する保持材６３と、収容部６２と燃料収容部２２の内部を繋ぐ弁孔６４と、収容部６２と燃料収容部２２の外部を繋ぐ放出路６５とを有している。

収容部６２は、例えば燃料収容部２２の外側に向けて開口する凹部とされている。そして、収容部６２の底部に弁孔６４が接続され、側面部に放出路６５が接続されている。弁体６１は、例えば軸方向に伸縮可能な円柱状弾性体であり、保持材６３によって軸方向に押圧されることで、弁孔６４の周囲に接触して閉塞させている。なお、弁体６１は、燃料収容部２２の内圧が所定の上限値となったときに、この内圧と大気圧との圧力差によって軸方向に収縮することで、弁孔６４を開放するものとされている。

このような弁体６１は、耐燃料性、特に耐メタノール性を有するエチレン−プロピレン−ジエンゴム（ＥＰＤＭ）からなることが好ましいが、例えばシリコーンゴム（ＶＭＱ）、フロロシリコーンゴム（ＦＶＭＱ）、フッ素ゴム（ＦＫＭ）、ニトリルゴム（ＮＢＲ）、水素化ニトリルゴム（ＨＮＢＲ）からなるものであっても構わない。

このような内圧調整機構３０によれば、燃料収容部２２の内圧が所定の上限値以下の場合、弁孔６４が弁体６１によって閉塞されることで、燃料収容部２２からの液体燃料の漏れが抑制される。

そして、図７に示すように、燃料収容部２２の内圧が所定の上限値を超えて上昇した場合、この内圧と大気圧との圧力差により弁体６１が軸方向に収縮することで弁孔６４が開放され、これにより燃料収容部２２の内部から外部へと内部ガスを放出し、燃料収容部２２の内圧を低下させることができる。

このような内圧調整機構３０については、例えば図６に示すように、内圧調整機構３０の放出口となる放出路６５に検知手段４０が設けられる。また、筐体５０のうち、この放出路６５に設けられる検知手段４０に対向する位置に窓部５１が設けられる。

このように検知手段４０を設けることで、内圧調整機構３０が作動した際、内圧調整機構３０からの放出物により検知手段４０が変色等の外観変化をするため、後にこの外観変化を目視することにより内圧調整機構３０の作動を確認できる。

図８、９は、内圧調整機構３０のさらに他の例を示す断面図である。
図８に示すように、この内圧調整機構３０は、例えば弁体７１と、この弁体７１を収容する貫通孔７２と、弁体７１を貫通孔７２に保持する保持材７３とを有しており、この保持材７３として検知手段４０を用いている。また、筐体５０のうち、貫通孔７２に設けられる保持材７３としての検知手段４０に対向する位置に窓部５１が設けられている。

弁体７１は、例えば筒部７１ａと、この筒部７１ａの端部に一体的に設けられる破断可能な膜部７１ｂとを有する略筒状弾性体である。この弁体７１は、膜部７１ｂの両側の圧力差により該膜部７１ｂが破れることで、弁体として機能するものである。

このような弁体７１は、耐燃料性、特に耐メタノール性を有するエチレン−プロピレン−ジエンゴム（ＥＰＤＭ）からなることが好ましいが、例えばシリコーンゴム（ＶＭＱ）、フロロシリコーンゴム（ＦＶＭＱ）、フッ素ゴム（ＦＫＭ）、ニトリルゴム（ＮＢＲ）、水素化ニトリルゴム（ＨＮＢＲ）からなるものであっても構わない。

また、貫通孔７２は、弁体７１を収容する収容部７２ａと、この収容部７２ａと燃料収容部２２の内部を繋ぎ、収容部７２ａよりも径小な接続部７２ｂとを有している。そして、弁体７１は、膜部７１ｂが接続部７２ｂを閉塞させるように、保持材７３としての検知手段４０に押圧されて収容部７２ａ内に保持されている。

このような内圧調整機構３０によれば、燃料収容部２２の内圧が所定の上限値以下の場合、接続部７２ｂが弁体７１の膜部７１ｂにより閉塞されることで、燃料収容部２２からの液体燃料の漏れが抑制される。

そして、図９に示すように、燃料収容部２２の内圧が所定の上限値を超えて上昇した場合、この内圧と大気圧との圧力差により弁体７１の膜部７１ｂが破れて接続部７２ｂが開放され、これにより燃料収容部２２の内部から外部へと内部ガスを放出し、燃料収容部２２の内圧を低下させることができる。

このとき、内圧調整機構３０の放出口となる貫通孔７２に検知手段４０が設けられているため、貫通孔７２からの放出物により検知手段４０が変色等の外観変化し、後にこの外観変化を目視することにより内圧調整機構３０の作動を確認できる。

図１０、１１は、内圧調整機構３０の別の例を示す断面図である。
図１０に示すように、この内圧調整機構３０は、外側から順に、第１の孔部８１、この第１の孔部８１よりも径小な第２の孔部８２、およびこの第２の孔部８２の端部に設けられる薄肉部８３が形成されて構成されている。なお、薄肉部８３は、燃料収容部２２の内圧が所定の上限値を超えて上昇したときに、この内圧と大気圧との圧力差によって破断するものとされている。

そして、検知手段４０は、内圧調整機構３０の放出口となる第２の孔部８２に設けられている。また、窓部５１は、筐体５０のうち、第２の孔部８２に設けられる検知手段４０に対向する位置に設けられている。

このような内圧調整機構３０によれば、燃料収容部２２の内圧が所定の上限値以下の場合、第１の孔部８１が薄肉部８３により閉塞されているために、燃料収容部２２からの液体燃料の漏れが抑制されている。

そして、図１１に示すように、燃料収容部２２の内圧が所定の上限値を超えて上昇した場合、この内圧と大気圧との圧力差により薄肉部８３が破断して第１の孔部８１が開放され、これにより燃料収容部２２の内部から外部へと内部ガスを放出し、燃料収容部２２の内圧を低下させることができる。

このとき、第２の孔部８２に検知手段４０が設けられているため、第２の孔部８２からの放出物により検知手段４０が変色等の外観変化し、後にこの外観変化を目視することにより内圧調整機構３０の作動を確認できる。

次に、他の検知手段４０について説明する。
検知手段４０としては、上記したように例えば内圧調整機構３０から放出される液体燃料を収容可能なものであって、燃料電池１の外部から目視可能な位置に配置される透明部材からなる収容槽であってもよい。図１２は、収容槽からなる検知手段４０を示したものである。なお、内圧調整機構３０は、図１０に示すものと基本的に同様なものである。

このような検知手段４０は、例えば一部に内圧調整機構３０から放出される液体燃料を導入する導入口を有すると共に、導入した液体燃料を収容、保持可能な容器状のものであり、第１の孔部８１に導入口を一致させて密封状態とするようにして第２の孔部８２に配置される。検知手段４０は、放出される液体燃料の接触により材料劣化しないものであることが好ましく、例えばポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、環状オレフィンコポリマー（ＣＯＣ）、シクロオレフィンポリマー（ＣＯＰ）、ポリメチルペンテン（ＴＰＸ）、ポリフェニルサルホン（ＰＰＳＵ）、ポリエーテルサルホン（ＰＥＳ）等が好ましいものとして挙げられる。

このような検知手段４０によれば、内圧調整機構３０が作動した場合、内圧調整機構３０から放出される液体燃料を目視可能な状態で収容することができ、後にこの検知手段４０に収容された検知結果としての液体燃料の有無を目視することにより内圧調整機構３０の作動を確認することができる。また、放出された液体燃料により移動可能なボールバルブやフローター（浮き）を配置することで、より視認性を向上させることができる。

また、検知手段４０としては、上記したように例えば圧力センサまたは濃度センサからなるものであってもよい。図１３は、圧力センサからなる検知手段４０を示したものである。なお、内圧調整機構３０は、図１０に示すものと同様なものである。

検知手段４０は、例えば内圧調整機構３０の実質的な放出口となる第１の孔部８１の近傍に配置される。この検知手段４０は、例えばシリコンチップ上に歪抵抗が形成されたものであり、圧力が加えられたときの歪みにより歪抵抗の抵抗値が変化し、これを利用して圧力変化を電気信号に変換するものである。

内圧調整機構３０が作動した場合、内圧調整機構３０の実質的な放出口である第１の孔部８１の近傍の圧力が変化する。このため、この第１の孔部８１の近傍に検知手段４０を配置することで、第１の孔部８１の近傍の圧力変化としての電気信号（検知信号）を得ることができ、これにより内圧調整機構３０の作動の有無を判断できる。

また、このような判断結果を通知する通知手段４１を検知手段４０に接続することで、内圧調整機構３０の作動を確認できる。通知手段４１としては、使用者が確認できるものであれば特に限定されるものではないが、例えば目視により確認できるもの、具体的にはランプ類、液晶表示装置等が挙げられ、これらは筐体５０の外部に配置される。

また、検知手段４０としては、圧力センサの代わりに燃料濃度、特にメタノール濃度を測定する濃度センサからなるものであってもよい。濃度センサとしては、例えば光学的な屈折率を利用したもの、静電容量を利用したもの、超音波方式のもの、密度を測定する方式のもの、電気化学的にメタノールの酸化電流を検出する方式のものなど種々の方式のものを利用することができる。

検知手段４０として濃度センサを用いる場合についても、内圧調整機構３０が作動した場合、内圧調整機構３０の実質的な放出口である第１の孔部８１の近傍の燃料濃度が変化するため、この第１の孔部８１の近傍に濃度センサを配置することで、第１の孔部８１の近傍の濃度変化としての電気信号（検知信号）を得ることができ、これにより内圧調整機構３０の作動の有無を判断できる。また、このような判断結果を通知する通知手段４１を検知手段４０に接続することで、内圧調整機構３０の作動を確認できる。

以上、他の検知手段４０について説明したが、このような検知手段４０が適用される内圧調整機構３０は必ずしも図１０に示されるような内圧調整機構３０に限られるものではなく、若干の形態変更を行うことで、先に説明した図３〜９に示すような内圧調整機構３０に対しても適用することが可能である。

次に、燃料電池１のその他の部分について説明する。
図１に戻り、燃料電池セル１０は、アノード触媒層１１とアノードガス拡散層１２とを有するアノード（燃料極）１３と、カソード触媒層１４とカソードガス拡散層１５とを有するカソード（空気極／酸化剤極）１６と、アノード触媒層１１とカソード触媒層１４とで挟持されたプロトン（水素イオン）伝導性の電解質膜１７とから構成される膜電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）を有している。

アノード触媒層１１やカソード触媒層１４に含有される触媒としては、例えばＰｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｏｓ、Ｐｄ等の白金族元素の単体、白金族元素を含有する合金等が挙げられる。アノード触媒層１１にはメタノールや一酸化炭素等に対して強い耐性を有するＰｔ−ＲｕやＰｔ−Ｍｏ等を用いることが好ましい。カソード触媒層１４にはＰｔやＰｔ−Ｎｉ等を用いることが好ましい。但し、触媒はこれらに限定されるものではなく、触媒活性を有する各種の物質を使用することができる。触媒は炭素材料のような導電性担持体を使用した担持触媒、あるいは無担持触媒のいずれであってもよい。

電解質膜１７を構成するプロトン伝導性材料としては、例えばスルホン酸基を有するパーフルオロスルホン酸重合体のようなフッ素系樹脂（ナフィオン（商品名、デュポン社製）やフレミオン（商品名、旭硝子社製）等）、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂等の有機系材料、あるいはタングステン酸やリンタングステン酸等の無機系材料が挙げられる。但し、プロトン伝導性の電解質膜１７はこれらに限られるものではない。

アノード触媒層１１に積層されるアノードガス拡散層１２は、アノード触媒層１１に燃料を均一に供給する役割を果たすと同時に、アノード触媒層１１の集電体も兼ねている。カソード触媒層１４に積層されるカソードガス拡散層１５は、カソード触媒層１４に酸化剤を均一に供給する役割を果たすと同時に、カソード触媒層１４の集電体も兼ねている。アノードガス拡散層１２およびカソードガス拡散層１５は多孔質基材で構成されている。

アノードガス拡散層１２やカソードガス拡散層１５には、必要に応じて導電層が積層される。これら導電層としては、例えばＡｕ、Ｎｉ等の導電性金属材料からなる多孔質層（例えばメッシュ）、薄膜または箔体、あるいはステンレス鋼（ＳＵＳ）等の導電性金属材料にＡｕなどの良導電性金属を被覆した複合材等が用いられる。電解質膜１７と燃料分配機構２１およびカバープレート１８との間には、それぞれゴム製のＯリング１９が介在されており、これらによって燃料電池セル１０からの燃料漏れや酸化剤漏れを防止している。

図示を省略したが、カバープレート１８は酸化剤である空気を取入れるための開口を有している。カバープレート１８とカソード１６との間には、必要に応じて保湿層や表面層が配置される。保湿層はカソード触媒層１４で生成された水の一部が含浸されて、水の蒸散を抑制すると共に、カソード触媒層１４への空気の均一拡散を促進するものである。表面層は空気の取入れ量を調整するものであり、空気の取入れ量に応じて個数や大きさ等が調整された複数の空気導入口を有している。

燃料収容部２２には、燃料電池セル１０に対応した液体燃料が収容される。液体燃料としては、各種濃度のメタノール水溶液や純メタノール等のメタノール燃料が挙げられる。液体燃料は必ずしもメタノール燃料に限られるものではない。液体燃料は、例えばエタノール水溶液や純エタノール等のエタノール燃料、プロパノール水溶液や純プロパノール等のプロパノール燃料、グリコール水溶液や純グリコール等のグリコール燃料、ジメチルエーテル、ギ酸、その他の液体燃料であってもよい。いずれにしても、燃料収容部２２には燃料電池セル１０に応じた液体燃料が収容される。

この燃料収容部２２は、耐燃料性、特に耐メタノール性を有する樹脂材料、例えばポリプロピレン（ＰＰ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ：ヴィクトレックス社商標）、液晶ポリマー（ＬＣＰ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリアセタール（ＰＯＭ）等、さらには耐メタノール性と透明性を有する樹脂材料として、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、環状オレフィンコポリマー（ＣＯＣ）、シクロオレフィンポリマー（ＣＯＰ）、ポリメチルペンテン（ＴＰＸ）、ポリフェニルサルホン（ＰＰＳＵ）、ポリエーテルサルホン（ＰＥＳ）等により構成される。

燃料電池セル１０のアノード１３側には、燃料分配機構２１が配置されている。燃料分配機構２１は途中にポンプ２４が設けられた配管のような液体燃料の流路２３を介して燃料収容部２２と接続されている。燃料分配機構２１にはこのような流路２３を通して液体燃料が燃料収容部２２から導入される。流路２３は燃料分配機構２１や燃料収容部２２と独立した配管に限られるものではない。例えば、燃料分配機構２１と燃料収容部２２とを積層して一体化する場合、これらを繋ぐ液体燃料の流路であってもよい。燃料分配機構２１は流路２３を介して燃料収容部２２と接続されていればよい。

燃料分配機構２１は、例えば図２に示すように液体燃料が流路２３を介して流入する少なくとも１個の燃料注入口２１ａと、液体燃料やその気化成分を放出する複数個の燃料放出口２１ｂとを有する燃料分配板２１ｃである。燃料分配板２１ｃの内部には、図１に示すように燃料注入口２１ａから導かれた液体燃料の通路となる空隙部２１ｄが設けられている。複数の燃料放出口２１ｂは燃料通路として機能する空隙部２１ｄにそれぞれ直接接続されている。

燃料注入口２１ａから燃料分配板２１ｃに導入された液体燃料は空隙部２１ｄに入り、この燃料通路として機能する空隙部２１ｄを介して複数の燃料放出口２１ｂにそれぞれ導かれる。複数の燃料放出口２１ｂには、例えば液体燃料の気化成分のみを透過し、液体成分は透過させない気液分離体（図示せず）を配置してもよい。これによって、燃料電池セル１０のアノード１３には液体燃料の気化成分が供給される。なお、気液分離体は燃料分配機構２１とアノード１３との間に気液分離膜等として設置してもよい。液体燃料の気化成分は複数の燃料放出口２１ｂからアノード１３の複数個所に向けて放出される。

燃料放出口２１ｂは燃料電池セル１０の全体に燃料を供給することが可能なように、燃料分配板２１ｃのアノード１３と接する面に複数設けられている。燃料放出口２１ｂの個数は１個以上であればよいが、燃料電池セル１０の面内における燃料供給量を均一化する上で、０．１〜１０個／ｃｍ^２の燃料放出口２１ｂが存在するように形成することが好ましい。燃料放出口２１ｂの個数が０．１個／ｃｍ^２未満であると、燃料電池セル１０に対する燃料供給量を十分に均一化することができない。燃料放出口２１ｂの個数を１０個／ｃｍ^２を超えて形成しても、それ以上の効果が得られない。

燃料分配機構２１から放出された燃料は、上述したように燃料電池セル１０のアノード１３に供給される。燃料電池セル１０内において、燃料はアノードガス拡散層１２を拡散してアノード触媒層１１に供給される。液体燃料としてメタノール燃料を用いた場合、アノード触媒層１１で下記の（１）式に示すメタノールの内部改質反応が生じる。なお、メタノール燃料として純メタノールを使用した場合には、カソード触媒層１４で生成した水や電解質膜１７中の水をメタノールと反応させて（１）式の内部改質反応を生起させる。あるいは、水を必要としない他の反応機構により内部改質反応を生じさせる。
ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ → ＣＯ_２＋６Ｈ^＋＋６ｅ⁻ …（１）

この反応で生成した電子（ｅ⁻）は集電体を経由して外部に導かれ、いわゆる電気として携帯用電子機器等を動作させた後、カソード１６に導かれる。また、（１）式の内部改質反応で生成したプロトン（Ｈ^＋）は電解質膜１７を経てカソード１６に導かれる。カソード１６には酸化剤として空気が供給される。カソード１６に到達した電子（ｅ⁻）とプロトン（Ｈ^＋）は、カソード触媒層１４で空気中の酸素と下記の（２）式にしたがって反応し、この反応に伴って水が生成する。
６ｅ⁻＋６Ｈ^＋＋（３／２）Ｏ_２ → ３Ｈ_２Ｏ …（２）

ポンプ２４は燃料を循環させる循環ポンプではなく、あくまでも燃料収容部２２から燃料分配機構２１に液体燃料を送液する燃料供給ポンプである。このようなポンプ２４で必要時に液体燃料を送液することによって、燃料供給量の制御性を高めることができる。燃料分配機構２１から燃料電池セル１０に供給された燃料は発電反応に使用され、その後に循環して燃料収容部２２に戻されることはない。図１に示す燃料電池１は燃料を循環させないことから、従来のアクティブ方式とは異なるものであり、装置の小型化等を損なうものではない。また、液体燃料の供給にポンプ２４を使用しており、従来の内部気化型のような純パッシブ方式とも異なるため、例えばセミパッシブ方式と呼称されるものである。

ポンプ２４の種類は特に限定されるものではないが、少量の液体燃料を制御性よく送液することができ、さらに小型軽量化が可能という観点から、ロータリーベーンポンプ、電気浸透流ポンプ、ダイアフラムポンプ、しごきポンプ等を使用することが好ましい。ロータリーベーンポンプはモータで羽を回転させて送液するものである。電気浸透流ポンプは電気浸透流現象を起こすシリカ等の焼結多孔体を用いたものである。ダイアフラムポンプは電磁石や圧電セラミックスによりダイアフラムを駆動して送液するものである。しごきポンプは柔軟性を有する燃料流路の一部を圧迫し、燃料をしごき送るものである。これらのうち、駆動電力や大きさ等の観点から、電気浸透流ポンプや圧電セラミックスを有するダイアフラムポンプを使用することがより好ましい。

ポンプ２４の送液能力は燃料電池１の主たる対象物が小型電子機器であることから、１０μＬ／分〜１ｍＬ／分の範囲とすることが好ましい。送液能力が１ｍＬ／分を超えると一度に送液される液体燃料の量が多くなりすぎて、全運転期間に占めるポンプ２４の停止時間が長くなる。このため、燃料電池セル１０への燃料の供給量の変動が大きくなり、その結果として出力の変動が大きくなる。これを防止するためのリザーバをポンプ２４と燃料分配機構２１との間に設けてもよいが、そのような構成を適用しても燃料供給量の変動を十分に抑制することはできず、さらに装置サイズの大型化等を招いてしまう。

一方、ポンプ２４の送液能力が１０μＬ／分未満であると、装置立ち上げ時のように燃料の消費量が増える際に供給能力不足を招くおそれがある。これによって、燃料電池１の起動特性等が低下する。このような点から、１０μＬ／分〜１ｍＬ／分の範囲の送液能力を有するポンプ２４を使用することが好ましい。ポンプ２４の送液能力は１０〜２００μＬ／分の範囲とすることがより好ましい。このような送液量を安定して実現する上でも、ポンプ２４には電気浸透流ポンプやダイアフラムポンプを適用することが好ましい。

以上、本発明について説明したが、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。例えば、本発明の燃料電池としては、燃料電池セルへ供給される液体燃料が全て液体燃料の蒸気であってもよいし、一部が液体状態で供給されるものであってもよい。

本発明の燃料電池の一例を示す断面図。 燃料分配機構の一例を示す外観図。 内圧調整機構と検知手段の一例を示す断面図。 図３に示す内圧調整機構の昇圧機能が作動した状態を示す断面図。 図３に示す内圧調整機構の降圧機能が作動した状態を示す断面図。 内圧調整機構の他の例を示す断面図。 図６に示す内圧調整機構の作動状態を示す断面図。 内圧調整機構のさらに他の例を示す断面図。 図８に示す内圧調整機構の作動状態を示す断面図。 内圧調整機構の別の例を示す断面図。 図１０に示す内圧調整機構の作動状態を示す断面図。 透明収容槽からなる検知手段の一例を示す断面図。 圧力センサからなる検知手段の一例を示す断面図。

符号の説明

１…燃料電池、２２…燃料収容部、３０…内圧調整機構、４０…検知手段、５０…筐体、５１…窓部

Claims (14)

1. 液体燃料を収容する燃料収容部と、前記燃料収容部に設けられ、前記燃料収容部の内圧が所定の上限値を超えて上昇したときに放出口から内部ガスを放出して前記内圧を低下させる内圧調整機構とを具備する燃料電池であって、
   前記内圧調整機構の作動を検知する検知手段を具備することを特徴とする燃料電池。
2. 前記検知手段は、前記内圧調整機構から放出される放出物の接触により変色もしくは発色するものであって、前記燃料電池の外部から目視可能な位置に配置されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
3. 前記検知手段は、基材を前記放出物に溶解可能な着色剤で着色したものであることを特徴とする請求項２記載の燃料電池。
4. 前記検知手段は、基材を前記放出物の接触により変色もしくは発色する着色剤で着色したものであることを特徴とする請求項２記載の燃料電池。
5. 前記検知手段は、感熱紙であることを特徴とする請求項２記載の燃料電池。
6. 前記検知手段は、前記内圧調整機構から放出される放出物の接触により材料劣化するものであって、前記燃料電池の外部から目視可能な位置に配置されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
7. 前記検知手段は、アクリル樹脂、ＡＢＳ樹脂、塩化ビニル樹脂、ナイロン樹脂、ポリカーボネート（ＰＣ）樹脂、ＰＣ／ＡＢＳ樹脂から選ばれる少なくとも１種からなることを特徴とする請求項６記載の燃料電池。
8. 前記燃料収容部を覆い、かつ前記検知手段に対向する位置に透明部材からなる窓部が設けられた筐体を有することを特徴とする請求項２乃至７のいずれか１項記載の燃料電池。
9. 前記窓部は、前記液体燃料に対する耐性を有する樹脂からなることを特徴とする請求項８記載の燃料電池。
10. 前記窓部は、ポリエチレンナフタレート、ポリエチレンテレフタレート、環状オレフィンコポリマー、シクロオレフィンポリマー、ポリメチルペンテン、ポリフェニルサルホン、およびポリエーテルサルホンの中から選ばれる少なくとも１種からなることを特徴とする請求項９記載の燃料電池。
11. 前記検知手段は、前記内圧調整機構から放出される液体燃料を収容可能なものであって、前記燃料電池の外部から目視可能な位置に配置される透明部材からなる収容槽であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
12. 前記検知手段が前記内圧調整機構の放出口近傍の圧力を測定する圧力センサからなることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
13. 前記検知手段が前記内圧調整機構の放出口近傍の燃料濃度を測定する濃度センサからなることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
14. 前記検知手段の検知信号から前記内圧調整機構の作動の有無を判断し、通知する通知手段を有することを特徴とする請求項１２または１３記載の燃料電池。

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