JP4149728B2 - 燃料電池の燃料供給用カートリッジおよびそのカートリッジを備えてなる燃料電池 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池の燃料供給用カートリッジおよびそのカートリッジを備えてなる燃料電池に関するものであり、さらに詳しくは、負極（アノード）と正極（カソード）との間に電解質を介在させて基本構成とし、負極に燃料として水素やメタノールなどを、正極に酸化剤として酸素などを供給することによって、両極の間から電気エネルギーを取り出せるようにした燃料電池に燃料を供給するためのカートリッジ、およびそのカートリッジを備えてなる燃料電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
このような燃料電池としては、特にその電解質を固体でかつ高分子とする高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ、固体高分子型燃料電池とも称される）や、燃料をメタノールとし、このメタノールを直接負極に供給できるメタノール直接型燃料電池を対象とするものが知られており、これらの燃料電池は、例えば、携帯用電子機器の電源として好適に用いられるものである。
【０００３】
燃料電池における電解質の種類は多いが、高出力型ではプロトン伝導性高分子を電解質とするＰＥＦＣにおいて、燃料として炭価水素を外部で改質して生成した高純度水素か、あるいは直接工場生産された高純度水素を供給するシステムの燃料電池が商業化に近い状況にある。
【０００４】
このようなＰＥＦＣは、低い温度で作動することが可能であるが、燃料の水素をガス状で供給しなければならず、水素貯蔵ボンベやレギュレータなどの重量が大きいため、現状では可搬用小型電源としては適していない。
【０００５】
これに対して、液体燃料を用いる燃料電池としては、メタノールを直接供給する燃料電池（ＤＭＦＣ）が、燃料の取り扱いや貯蔵が容易であることから、携帯用電子機器向けの電源として有力視されている。
【０００６】
このようなＤＭＦＣは、メタノール水溶液を負極に直接供給するものである。すなわち、図６に示すように、特開２，０００−２６８８３６号公報に記載された「発電デバイス」は、負極１１、正極１２、電解質膜１３、液体燃料含浸部１６、液体燃料を貯蔵する液体燃料貯蔵部３２および通気構造体３４からなる。そして、同公報に説明されたように、メタノールを樹脂あるいは繊維の集合体からなる燃料含浸部１６に蓄えておき、その樹脂あるいは繊維の毛管力を利用して負極１１に燃料を供給する。
【０００７】
このＤＭＦＣにあっては、燃料強制供給機構を用いないため、燃料電池を携帯用電子機器向け電源とすることが可能になり、さらに、燃料含浸部１６により燃料の供給量が制御され、クロスオーバー（正極１２へのメタノール透過）を防ぐことも可能になる。
【０００８】
また、液体燃料を用いる他の燃料電池としては、富山県工業技術センター研究報告Ｎｏ．１０，１９９６の「高分子アクチュエータの開発」に記載された高分子アクチュエータを利用する手段も考えられている。図７に示すように、この高分子アクチュエータである小型ポンプは、ノズル４７を備えた液体タンク４６、ゴム弾性膜４５、給水性樹脂４４、ステンレス鋼製スクリーン部３、水溜タンク４２、および空気穴４１からなる。
【０００９】
そして、水溜タンク４２内に充填された水を給水性樹脂４４が吸収し、この給水性樹脂４４が膨潤することでゴム弾性膜４５が押されて、液体タンク４６内の液体がノズル４７を通して吐出される。このような高分子アクチュエータによれば、必要な燃料を必要な量だけ安価に燃料電池へ供給することが可能になる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記発電デバイスにあっては、排気孔や逆止弁やその他の制御部を装備していないため、発電の要／不要に対する制御について考えられていない。このため、過不足のない燃料供給および発電が困難であり、余剰燃料のクロスオーバーや、気化による利用効率の低下を引き起こすおそれがある。
【００１１】
一方、前記高分子アクチュエータにあっては、バイオ技術や医療技術への利用を目的として開発されていることからも、燃料の供給を迅速に開始したり停止したりする機構を持たず、燃料電池向けの格別な設計が必要になる。
【００１２】
本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、過不足のない燃料供給および発電が可能であり、余剰燃料のクロスオーバーや気化による利用効率の低下を引き起こすおそれがなく、しかも、燃料の供給を迅速に開始したり停止したりすることのできる燃料電池燃料供給用カートリッジおよびそのカートリッジを備えてなる燃料電池を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の１つの観点によれば、燃料を発生させるための固体物質を収納することができる空間と燃料電池の負極に燃料を供給するための燃料供給口とを有する燃料室と、この燃料室に付設され、前記固体物質と反応すると燃料を発生する反応物質を燃料室内に供給する反応物質供給手段とを備えてなり、燃料が水素であり、固体物質 / 反応物質が、水素化金属 / 水もしくは水蒸気、または、亜鉛を含む金属の粉体 / 希硫酸もしくは希塩酸を含む酸溶液であり、反応物質供給手段が、燃料室に面し、反応物質を収納する反応物質タンク室と、この反応物質タンク室に面する弾性壁部と、この弾性壁部を介して反応物質タンク室に隣接して設けられた第１区画室と、この第１区画室内に収納され、吸水により体積膨張する吸水性樹脂体と、この吸水性樹脂体に水を供給するための水供給手段とからなることを特徴とする燃料電池の燃料供給用カートリッジが提供される。
【００１４】
カートリッジは、燃料室と、この燃料室に付設された反応物質供給手段とを備えている。燃料室は、燃料を発生させるための固体物質を収納しておくための部分であり、これには、燃料電池の負極に燃料を供給するための燃料供給口が備わっている。反応物質供給手段は、前記固体物質と反応すると燃料を発生する反応物質を燃料室内に供給するための手段である。
【００１５】
本発明の１つの観点に係るカートリッジは、以上のように構成されているので、過不足のない燃料供給および発電が可能であり、余剰燃料のクロスオーバーや気化による利用効率の低下を引き起こすおそれがなく、しかも、燃料の供給を迅速に開始したり停止したりすることができる。
【００１６】
本発明の１つの観点に係るカートリッジは、反応物質供給手段が、燃料室に面し、反応物質を収納する反応物質タンク室と、この反応物質タンク室に面する弾性壁部と、この弾性壁部を介して反応物質タンク室に隣接して設けられた第１区画室と、この第１区画室内に収納され、吸水により体積膨張する吸水性樹脂体と、この吸水性樹脂体に水を供給するための水供給手段とからなっている。
【００１７】
このように構成されたカートリッジにあっては、燃料室内の燃料が、第１区画室内に収納された吸水性樹脂体の体積膨脹により弾性壁部を介して前記燃料供給口から電池本体内へ供給されるので、簡単な構成で、過不足のない燃料供給を迅速に行なうことが可能になる。
【００１８】
弾性壁部を構成する材料としては、ポリウレタン樹脂、ＳＢＲ樹脂、ＰＶＣ樹脂、シリコーン樹脂などのうち、樹脂組成物ゴム領域での動的弾性率（ｌｏｇ１０Ｅ’）が９．０ｄｙｎｅ／ｃｍ2以下であるものが好ましく用いられる。第１区画室内に収納される吸水性樹脂体としては、例えば粉末状、粒状、繊維状などのデンプン系吸水性樹脂、セルロース系吸水性樹脂あるいは合成ポリマー系吸水性樹脂から構成することができる。吸水性樹脂体を構成する吸水性樹脂の一例としては、合成ポリマー系吸水性樹脂の１種であるポリアクリル酸塩系吸水性樹脂としての三菱化学株式会社製のアクアパール（登録商標）を好ましく用いることができる。
【００１９】
水供給手段は、必要に応じて吸水性樹脂体に水を供給するための手段である。
【００２４】
本発明の１つの観点に係るカートリッジに用いられる固体物質/反応物質は、水素化金属/水もしくは水蒸気、または、亜鉛を含む金属の粉体/希硫酸もしくは希塩酸を含む酸溶液である。
【００２５】
すなわち、燃焼室には、燃料を発生させるための水素化金属、亜鉛を含む金属の粉体が収納されている。反応物質供給手段としては、燃料室に面し、反応物質を収納する反応物質タンク室と、この反応物質タンク室に面する弾性壁部と、この弾性壁部を介して反応物質タンク室に隣接して設けられた第１区画室と、この第１区画室内に収納され、吸水により体積膨張する吸水性樹脂体と、この吸水性樹脂体に水を供給するための水供給手段とからなるものが好ましく用いられる。
【００２６】
反応物質供給手段がこのように構成されているので、その反応物質タンク室に水もしくは水蒸気、希硫酸もしくは希塩酸を含む酸溶液などの反応物質を収納しておくことで、第１区画室内に収納された吸水性樹脂体が水供給手段からの水の供給を受けて吸水により体積膨張し、その結果、その反応物質が、固体物質と反応して、燃料を発生させることができる。
【００２７】
本発明の別の観点によれば、負極、正極、およびこれら両極の間に設けられた電解質を有する電池本体と、本発明の１つの観点に係るカートリッジを着脱可能に収納するカートリッジ収納部とを備えてなり、カートリッジ収納部が、前記カートリッジの燃料供給口に解除可能に係合し、供給される燃料を電池本体の負極に導く燃料導入口を有しており、電解質が固体高分子電解質であり、燃料が水素であることを特徴とする高分子電解質型燃料電池が提供される。
【００２８】
電池本体は、この燃料電池の燃料を酸化してプロトンと電子を取り出すための負極と、負極での酸化により生じた酸素を還元するための正極と、これら両極の間に設けられて酸素と負極との反応を促進するための電解質膜とを有してなる。電池本体およびカートリッジ収納部の大きさや形状は特に限定されるものではない。電池本体およびカートリッジ収納部の材質についても、特に限定されないが、ガラス転移点が常温以上である高分子材料、具体的には、ポリスチレン、ポリカーボネート、硬質ポリ塩化ビニル（可塑剤０．５重量パーセント添加）、ポリフェニレンオキサイドなどの硬質樹脂が好ましく用いられる。
【００２９】
このような燃料電池にあっては、本発明の１つの観点に係るカートリッジを着脱可能に収納するカートリッジ収納部を備えてなるので、過不足のない燃料供給および発電が可能であり、余剰燃料のクロスオーバーや気化による利用効率の低下を引き起こすおそれがなく、しかも、燃料の供給を迅速に開始したり停止したりすることができる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明における実施の形態に代わる２つの参考の形態を図面に基づいて説明する。なお、これらによって本発明が限定されるものではない。
【００３２】
参考の形態１
図１は、本発明における参考の形態１に係る燃料電池の概略構成を示す斜視図である。図２は、図１のＩ−Ｉ'線に沿ったこの燃料電池の垂直断面図である。
【００３３】
図１および図２において、この燃料電池１０は、縦３０ｍｍ×横５０ｍｍ×高さ８ｍｍのポリスチレン樹脂製の電池本体（筐体）１０ａと、縦３０ｍｍ×横１０ｍｍ×高さ８ｍｍの同樹脂製のカートリッジ収納部１０ｄとを備えてなる。
【００３４】
電池本体１０ａは、燃料を酸化するための負極１１、酸素を還元するための正極１２および、これら両極１１・１２の間に設けられた電解質膜１３を有してなる。また、電池本体１０ａの筐体には、正極１２内に生成する水を外気の導入で蒸発させるための複数の空気孔１６と、アルミニウム合金からなり、電気を取り出すための正極端子８および負極端子９も設けられている。電池本体１０ａには、未反応の気体燃料または液体燃料の気化ガスを排出するための余剰燃料排出口７も設けられている。
【００３５】
負極１１と正極１２とは、電解質膜１３を介して対向状に設けられている。負極１１は、燃料を酸化して、燃料からプロトンと電子を取り出すためのものである。負極１１および正極１２の触媒材料として、ＤｕＰｏｎｔ社製ナフィオン膜からなる膜厚５０μｍ電解質膜１３の両面に、１０重量パーセント白金担持のカーボン５ｇからなる多孔性電極触媒層１１ｂ・１２ｂをホットプレスにより固着した触媒一体型電解質膜を用いた。
【００３６】
電解質膜１３としては、樹脂膜を、具体的にはトリフルオロエチレン誘導体の共重合膜、リン酸含浸ポリベンゾイミダゾール膜などを用いることができるが、好ましくは、パーフルオロスルホン酸系のＤｕＰｏｎｔ社製ナフィオン膜を用いる。ナフィオン膜の他には、旭硝子社製フレミオン膜や旭化成社製アシプレックス膜などがある。
【００３７】
負極１１および正極１２に用いる触媒層１１ｂ・１２ｂには、白金、鉄、ニッケル、コバルト、ルテニウムなどの遷移金属と白金との合金、あるいはそれらの酸化物の微粒子を触媒として含む炭素材料を用いることができる。燃料が純水素の場合には白金が、炭化水素を含む場合には白金−ルテニウム合金が好ましい。
【００３８】
ガス拡散層１１ａ・１２ａには、カーボンペーパーやカーボンファイバなどの多孔質炭素材料が用いられる。負極１１のガス拡散層１１ａにおける電解質膜１３の反対側には、厚さ０．５ｍｍのアクリル樹脂製薄板で囲まれた燃料空間１４が設けられている。
【００３９】
収納部蓋１０ｃには、電磁コイルで構成された作動部としての電磁コイル２１が設けられている。収納部蓋１０ｃには、外気と通じるように、かつ、開閉可能に密封閉鎖される通気孔１９も設けられている。通気孔１９の開閉には、開閉機構としての永久磁石２０が利用されている。
【００４０】
カートリッジ収納部１０ｄには、燃料供給用カートリッジ１７が収納されている。図２に示されたように、電池本体１０ａとカートリッジ収納部１０ｄとは燃料供給部としてのステンレス鋼製細管１８により接続されている。この細管１８は、カートリッジ１７から電池本体１０ａの燃料供給孔１０ｅへかけて設けられ、内径１．５ｍｍ、外径２．０ｍｍのものである。
【００４１】
正極１２のガス拡散層１２ａにおける電解質膜１３の反対側には、電池本体１０ａの筐体を利用して酸化剤空間１５が設けられている。電池本体１０ａの筐体における前記空気孔１６は、正極１２に酸素を充分に供給するためと、正極１２で生成した水を充分に除去するために、ここでは、５ｍｍ×１５ｍｍの長方形のものが５つ設けられている。ただし、この数は特に限定されるものではない。
【００４２】
未反応の余剰燃料を排出するための前記排出口７は、大きさが１ｍｍ×１ｍｍの正方形であり、燃料空間１４に面して設けられている。この排出口７は、外気の侵入を防ぐための逆止弁の機能も有している。また、余剰燃料を無害で安全な物質に分解するために、排出口７を介した燃料空間とは反対側に白金触媒を設けた。この触媒は、余剰燃料を常温で無害かつ安全な物質に分解することのできるものである必要があり、燃料によって適宜選択されるが、一般的な燃料電池に用いられる燃料の場合は、白金、パラジウム、ルテニウムが好ましい。
【００４３】
図３は、本発明における参考の形態１に係る燃料電池と、この燃料電池が発電する電力を電源とする電子機器のスイッチと、この電子機器に別途備えられた２次電池３６と、図２に示す開閉機構（永久磁石）２０と、作動部（電磁コイル）２１とを接続した回路図である。
【００４４】
この電子機器のスイッチをオンにしたとき、２次電池３６にあらかじめ蓄えられた電力により電磁コイル２１に電流が流れて磁場が生じる。そして、それに反発するように備えられた永久磁石２０が電磁コイル２１とは反対側へスライドする。
【００４５】
なお、図３に示す制御回路により、電子機器の使用中の余剰電力は蓄電部としての２次電池３６に蓄えられる。２次電池３６としては、リチウムイオン２次電池、ニッケル水素２次電池、などの中途充放電可能な２次電池の他に、キャパシタやコンデンサなどを用いることができる。
【００４６】
図４（ａ）は、図１のＩＩ−ＩＩ' 線に沿ったこの燃料電池におけるカートリッジの垂直断面図である。
【００４７】
図４（ａ）において、カートリッジ１７は、燃料を収納しておくための燃料室としての燃料収納タンク部２２と、カートリッジ１７内の燃料を電池本体１０内の負極１１へ供給するための燃料加圧手段の一部としての水供給手段２３と、水を収納しておくための第２区画室としての水タンク部２４と、外気を導入するために水タンク部２４に設けられた通気孔１９とを備えてなる。
【００４８】
通気孔１９の外側は、スライド可能に取り付けられた永久磁石２０により開放可能に閉鎖されている。通気孔１９の内側は、通気孔１９から水が漏れ出すのを防止する目的で、撥水性および通気性のある防湿型液体透過膜２５で閉鎖されている。この液体透過膜２５は、ジャパンゴアテックス社製のゴアテックス膜で構成されている。
【００４９】
燃料収納タンク部２２における水供給手段２３の反対側には、燃料収納タンク部２２に混入するおそれのある異物を除去するためのフィルタ２９と、図２に示した燃料供給孔１０ｅに面する細管１８とが設けられている。
【００５０】
水供給手段２３は、水タンク部２４（第２区画室）と、この水タンク部２４に隣接して燃料収納タンク部２２の側に配設され、吸水性樹脂体２８が収納された第１区画室と、この樹脂体２８へ水タンク部２４の水を供給するとともに樹脂体２８が水タンク部２４へ漏れ出すのを防止するためのスクリーン部２６と、樹脂体２８における燃料収納タンク部２２側に設けられた弾性壁部２７とを備えてなる。
【００５１】
樹脂体２８は、吸水性樹脂の１種である三菱化学株式会社製のアクアパール（登録商標）０．２ｇから構成したものである。スクリーン部２６は、φ＝０．２ｍｍの孔を１００個／ｃｍ3有する０．５ｍｍ厚さの多孔質アクリル板からなっている。弾性壁部２７は、ゴム弾性膜を有するポリウレタン樹脂からなるゴム壁で構成されている。
【００５２】
図４（ｂ）は、図４（ａ）の燃料電池に燃料を供給する際の垂直断面図である。
【００５３】
図４（ａ）において、燃料収納タンク部２２に液体燃料である７０％メタノール１０ｃｃを、水タンク部２４に純水１０ｃｃを充填しておき、この燃料電池が発電した電力を電源とする電子機器の電源スイッチをオンの状態にした。
【００５４】
すると、図３に示すように、この電子機器に別途取り付けられた２次電池３６に所定電位が生じ、作動部である電磁コイル２１に電流が流れて磁力が生じた。そして、電磁コイル２１と反発するように取り付けられた永久磁石２０がスライドして、通気孔１９を開放状態にした。
【００５５】
通気孔１９が開放されると、水タンク部２４に収納された純水がスクリーン部２６を透過して、第１区画室に収納された吸水性樹脂体２８へ供給される。純水が供給された樹脂体２８は体積が膨張して、図４（ｂ）に示すようにゴム壁２７が燃料収納タンク部２２の方へ弾性変形した。
【００５６】
すると、燃料収納タンク部２２に収納されていた７０％メタノールが、細管１８を通じて電池本体１０の燃料空間１４へ供給された。
【００５７】
燃料空間１４に供給されたメタノールは、負極１１側の触媒層１１ｂによって触媒酸化されてプロトンが生成される。負極１１において生成したプロトンは、電解質膜１３を介して正極１２に達する。
【００５８】
正極１２には、電池本体１０の筐体に設けられた空気孔１６を通じた自然拡散により、貯蔵された酸素が酸化剤空間１５へ供給され、そこで酸素が還元されて発生した電子が、負極１１から移動してきたプロトンと反応して水を生成する。これにより、正極１２と負極１１との間に所定の電位差が発生し発電が行なわれる。生成した水は自然蒸発により、空気孔１６から除去される。発生した電荷は、集電体（図示略）を通じて集電され、発電が行なわれる。
【００５９】
この電子機器の電源がオフの状況では、通気孔１９が永久磁石２０の吸引力により閉じられて純水の供給が停止されるので、燃料の供給が停止される。
【００６０】
参考の形態２
図５（ａ）に示すカートリッジは、参考の形態２に係る燃料電池におけるカートリッジの燃料収納タンク部に対応する部分が、逆止弁３１を備えた隔膜３０で、燃料室としての固体物質収納部２２ａと、反応物質タンク室としての液体収納部２２ｂとの２つに分割されている。この固体物質収納部２２ａに５ｇの固体物質としての水素化ホウ素ナトリウムを充填しておき、液体収納部２２ｂに反応物質としての純水１０ｃｃを充填した。
【００６１】
そして、図５（ｂ）に示すように、通気孔１９が開放されて純水が吸水性樹脂体２８に供給され、ゴム壁２７が膨らみ、液体収納部２２ｂに圧力がかかると、純水が逆止弁３１を開放して固体物質収納部２２ａに供給される。
【００６２】
固体物質収納部２２ａに供給された純水は、その中の水素化ホウ素ナトリウムと反応して水素を発生させる。発生した水素は細管１８を通じて電池本体１０へ供給される。
【００６３】
この電子機器の電源がオフの状況では、通気孔１９が永久磁石２０の吸引力により閉じられて純水の供給が停止されるので、燃料の供給が停止される。
【００６４】
水素生成の反応は、前記以外にも、亜鉛を含む金属の粉体と、希硫酸もしくは希塩酸を含む酸溶液との組み合わせ、あるいは水素化金属と水もしくは水蒸気との組み合わせが可能である。ただし、酸溶液を用いる場合は、筐体には耐酸性硬質ポリ塩化ビニルを用いるとともに、細管をフロロエチレンビニルエーテル樹脂とブロックイソシアネートを含む耐酸性樹脂にするなどの対策が必要になる。
【００６５】
また、反応物にｆｏｒｍａｔｅ−ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｌｙａｓｅなどの水素生成酵素を用いることもできる。この場合には、液体に当該酵素が餌とするものを用いれば、同様の効果が期待できる。
【００６６】
前記の参考の形態１を用いて定電流１Ａを流して通気孔１９を開閉した場合の発電試験結果を図８に示す。また、同様に、前記の参考の形態２を用いて定電流２Ａを流して通気孔１９を開閉した場合の発電試験結果を図９に示す。図８および図９から、本発明に係る燃料電池の燃料供給用カートリッジによれば、燃料電池本体へ燃料供給を任意に開始しあるいは停止することが可能になることがわかる。
【００６７】
本発明の１つの観点に係る燃料電池の燃料供給用カートリッジは、燃料を発生させるための固体物質を収納することができる空間と燃料電池の負極に燃料を供給するための燃料供給口とを有する燃料室と、この燃料室に付設され、前記固体物質と反応すると燃料を発生する反応物質を燃料室内に供給する反応物質供給手段とを備えてなり、燃料が水素であり、固体物質 / 反応物質が、水素化金属 / 水もしくは水蒸気、または、亜鉛を含む金属の粉体 / 希硫酸もしくは希塩酸を含む酸溶液であり、反応物質供給手段が、燃料室に面し、反応物質を収納する反応物質タンク室と、この反応物質タンク室に面する弾性壁部と、この弾性壁部を介して反応物質タンク室に隣接して設けられた第１区画室と、この第１区画室内に収納され、吸水により体積膨張する吸水性樹脂体と、この吸水性樹脂体に水を供給するための水供給手段とからなることを特徴とする。
【００６８】
従って、このような燃料電池の燃料供給用カートリッジによれば、過不足のない燃料供給および発電が可能であり、燃料の供給を迅速に開始したり停止したりすることができる。また、反応物質供給手段が上記のように構成されているので、その反応物質タンク室に水もしくは水蒸気、希硫酸もしくは希塩酸を含む酸溶液などの反応物質を収納しておくことで、第１区画室内に収納された吸水性樹脂体が水供給手段からの水の供給を受けて吸水により体積膨張し、その結果、その反応物質が、固体物質と反応して、燃料を発生させることができる。
【００６９】
本発明の別の観点に係る高分子電解質型燃料電池は、負極、正極、およびこれら両極の間に設けられた電解質を有する電池本体と、本発明の１つの観点に係るカートリッジを着脱可能に収納するカートリッジ収納部とを備えてなり、カートリッジ収納部が、前記カートリッジの燃料供給口に解除可能に係合し、供給される燃料を電池本体の負極に導く燃料導入口を有しており、電解質が固体高分子電解質であり、燃料が水素であることを特徴とする。
【００７０】
従って、このような高分子電解質型燃料電池によれば、過不足のない燃料供給および発電が可能であり、燃料の供給を迅速に開始したり停止したりすることができる。また、このような燃料電池の燃料供給用カートリッジにおける反応物質供給手段が上記のように構成されているので、その反応物質タンク室に水もしくは水蒸気、希硫酸もしくは希塩酸を含む酸溶液などの反応物質を収納しておくことで、第１区画室内に収納された吸水性樹脂体が水供給手段からの水の供給を受けて吸水により体積膨張し、その結果、その反応物質が、固体物質と反応して、燃料を発生させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、本発明における参考の形態１に係る燃料電池の概略を示す斜視図である。
【図２】図２は、図１のＩ−Ｉ' 線に沿ったこの燃料電池の垂直断面図である。
【図３】図３は、図１の燃料電池と、この燃料電池が発電する電力を電源とする電子機器のスイッチと、この電子機器に別途備えられた２次電池と、永久磁石と駆動源（電磁コイル）とを接続した回路図である。
【図４】図４（ａ）は、図１のＩＩ−ＩＩ' 線に沿ったこの燃料電池におけるカートリッジの垂直断面図である。図４（ｂ）は、図４（ａ）の燃料電池に燃料を供給する際の垂直断面図である。
【図５】 図５（ａ）は、本発明における参考の形態２に係る燃料電池におけるカートリッジの垂直断面図である。
図５（ｂ）は、図５（ａ）の燃料電池に燃料を供給する際のカートリッジの垂直断面図である。
【図６】図６は、従来の発電デバイスの構成を示す垂直断面図である。
【図７】図７は、従来の高分子アクチュエータの構成を示す垂直断面図である。
【図８】 図８は、本発明における参考の形態１に係る燃料電池を用いて定電流１Ａを流して通気孔を開閉した場合の発電試験結果を示すグラフである。
【図９】 図９は、本発明における参考の形態２に係る燃料電池を用いて定電流２Ａを流して通気孔を開閉した場合の発電試験結果を示すグラフである。
【符号の説明】
８ 正極端子
９ 負極端子
１０ 燃料電池
１０ａ 電池本体（筐体）
１０ｃ 収納部蓋
１０ｄ カートリッジ収納部
１０ｅ 燃料導入孔
１１ 負極
１２ 正極
１２ａ ガス拡散層
１２ｂ 触媒層
１３ 電解質膜
１４ 燃料空間
１５ 酸化剤空間
１６ 空気孔
１７ カートリッジ
１８ 細管（燃料供給孔）
１９ 通気孔
２０ 永久磁石（開閉機構）
２１ 電磁コイル（作動部）
２２ 燃料収納タンク部（燃料室）
２２ａ 固体物質収納部（燃料室）
２２ｂ 液体収納部（反応物質タンク室）
２３ 水供給手段（燃料加圧手段）
２４ 水タンク部
２６ スクリーン部
２７ ゴム壁（弾性壁部）（燃料加圧手段）
２８ 樹脂体
２９ フィルタ
３０ 隔膜
３１ 逆止弁
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池の燃料供給用カートリッジおよびそのカートリッジを備えてなる燃料電池に関するものであり、さらに詳しくは、負極（アノード）と正極（カソード）との間に電解質を介在させて基本構成とし、負極に燃料として水素やメタノールなどを、正極に酸化剤として酸素などを供給することによって、両極の間から電気エネルギーを取り出せるようにした燃料電池に燃料を供給するためのカートリッジ、およびそのカートリッジを備えてなる燃料電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
このような燃料電池としては、特にその電解質を固体でかつ高分子とする高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ、固体高分子型燃料電池とも称される）や、燃料をメタノールとし、このメタノールを直接負極に供給できるメタノール直接型燃料電池を対象とするものが知られており、これらの燃料電池は、例えば、携帯用電子機器の電源として好適に用いられるものである。
【０００３】
燃料電池における電解質の種類は多いが、高出力型ではプロトン伝導性高分子を電解質とするＰＥＦＣにおいて、燃料として炭価水素を外部で改質して生成した高純度水素か、あるいは直接工場生産された高純度水素を供給するシステムの燃料電池が商業化に近い状況にある。
【０００４】
このようなＰＥＦＣは、低い温度で作動することが可能であるが、燃料の水素をガス状で供給しなければならず、水素貯蔵ボンベやレギュレータなどの重量が大きいため、現状では可搬用小型電源としては適していない。
【０００５】
これに対して、液体燃料を用いる燃料電池としては、メタノールを直接供給する燃料電池（ＤＭＦＣ）が、燃料の取り扱いや貯蔵が容易であることから、携帯用電子機器向けの電源として有力視されている。
【０００６】
このようなＤＭＦＣは、メタノール水溶液を負極に直接供給するものである。すなわち、図６に示すように、特開２，０００−２６８８３６号公報に記載された「発電デバイス」は、負極１１、正極１２、電解質膜１３、液体燃料含浸部１６、液体燃料を貯蔵する液体燃料貯蔵部３２および通気構造体３４からなる。そして、同公報に説明されたように、メタノールを樹脂あるいは繊維の集合体からなる燃料含浸部１６に蓄えておき、その樹脂あるいは繊維の毛管力を利用して負極１１に燃料を供給する。
【０００７】
このＤＭＦＣにあっては、燃料強制供給機構を用いないため、燃料電池を携帯用電子機器向け電源とすることが可能になり、さらに、燃料含浸部１６により燃料の供給量が制御され、クロスオーバー（正極１２へのメタノール透過）を防ぐことも可能になる。
【０００８】
また、液体燃料を用いる他の燃料電池としては、富山県工業技術センター研究報告Ｎｏ．１０，１９９６の「高分子アクチュエータの開発」に記載された高分子アクチュエータを利用する手段も考えられている。図７に示すように、この高分子アクチュエータである小型ポンプは、ノズル４７を備えた液体タンク４６、ゴム弾性膜４５、給水性樹脂４４、ステンレス鋼製スクリーン部３、水溜タンク４２、および空気穴４１からなる。
【０００９】
そして、水溜タンク４２内に充填された水を給水性樹脂４４が吸収し、この給水性樹脂４４が膨潤することでゴム弾性膜４５が押されて、液体タンク４６内の液体がノズル４７を通して吐出される。このような高分子アクチュエータによれば、必要な燃料を必要な量だけ安価に燃料電池へ供給することが可能になる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記発電デバイスにあっては、排気孔や逆止弁やその他の制御部を装備していないため、発電の要／不要に対する制御について考えられていない。このため、過不足のない燃料供給および発電が困難であり、余剰燃料のクロスオーバーや、気化による利用効率の低下を引き起こすおそれがある。
【００１１】
一方、前記高分子アクチュエータにあっては、バイオ技術や医療技術への利用を目的として開発されていることからも、燃料の供給を迅速に開始したり停止したりする機構を持たず、燃料電池向けの格別な設計が必要になる。
【００１２】
本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、過不足のない燃料供給および発電が可能であり、余剰燃料のクロスオーバーや気化による利用効率の低下を引き起こすおそれがなく、しかも、燃料の供給を迅速に開始したり停止したりすることのできる燃料電池燃料供給用カートリッジおよびそのカートリッジを備えてなる燃料電池を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の１つの観点によれば、燃料を発生させるための固体物質を収納することができる空間と燃料電池の負極に燃料を供給するための燃料供給口とを有する燃料室と、この燃料室に付設され、前記固体物質と反応すると燃料を発生する反応物質を燃料室内に供給する反応物質供給手段とを備えてなり、燃料が水素であり、固体物質 / 反応物質が、水素化金属 / 水もしくは水蒸気、または、亜鉛を含む金属の粉体 / 希硫酸もしくは希塩酸を含む酸溶液であり、反応物質供給手段が、燃料室に面し、反応物質を収納する反応物質タンク室と、この反応物質タンク室に面する弾性壁部と、この弾性壁部を介して反応物質タンク室に隣接して設けられた第１区画室と、この第１区画室内に収納され、吸水により体積膨張する吸水性樹脂体と、この吸水性樹脂体に水を供給するための水供給手段とからなることを特徴とする燃料電池の燃料供給用カートリッジが提供される。
【００１４】
カートリッジは、燃料室と、この燃料室に付設された反応物質供給手段とを備えている。燃料室は、燃料を発生させるための固体物質を収納しておくための部分であり、これには、燃料電池の負極に燃料を供給するための燃料供給口が備わっている。反応物質供給手段は、前記固体物質と反応すると燃料を発生する反応物質を燃料室内に供給するための手段である。
【００１５】
本発明の１つの観点に係るカートリッジは、以上のように構成されているので、過不足のない燃料供給および発電が可能であり、余剰燃料のクロスオーバーや気化による利用効率の低下を引き起こすおそれがなく、しかも、燃料の供給を迅速に開始したり停止したりすることができる。
【００１６】
本発明の１つの観点に係るカートリッジは、反応物質供給手段が、燃料室に面し、反応物質を収納する反応物質タンク室と、この反応物質タンク室に面する弾性壁部と、この弾性壁部を介して反応物質タンク室に隣接して設けられた第１区画室と、この第１区画室内に収納され、吸水により体積膨張する吸水性樹脂体と、この吸水性樹脂体に水を供給するための水供給手段とからなっている。
【００１７】
このように構成されたカートリッジにあっては、燃料室内の燃料が、第１区画室内に収納された吸水性樹脂体の体積膨脹により弾性壁部を介して前記燃料供給口から電池本体内へ供給されるので、簡単な構成で、過不足のない燃料供給を迅速に行なうことが可能になる。
【００１８】
弾性壁部を構成する材料としては、ポリウレタン樹脂、ＳＢＲ樹脂、ＰＶＣ樹脂、シリコーン樹脂などのうち、樹脂組成物ゴム領域での動的弾性率（ｌｏｇ１０Ｅ’）が９．０ｄｙｎｅ／ｃｍ2以下であるものが好ましく用いられる。第１区画室内に収納される吸水性樹脂体としては、例えば粉末状、粒状、繊維状などのデンプン系吸水性樹脂、セルロース系吸水性樹脂あるいは合成ポリマー系吸水性樹脂から構成することができる。吸水性樹脂体を構成する吸水性樹脂の一例としては、合成ポリマー系吸水性樹脂の１種であるポリアクリル酸塩系吸水性樹脂としての三菱化学株式会社製のアクアパール（登録商標）を好ましく用いることができる。
【００１９】
水供給手段は、必要に応じて吸水性樹脂体に水を供給するための手段である。
【００２４】
本発明の１つの観点に係るカートリッジに用いられる固体物質/反応物質は、水素化金属/水もしくは水蒸気、または、亜鉛を含む金属の粉体/希硫酸もしくは希塩酸を含む酸溶液である。
【００２５】
すなわち、燃焼室には、燃料を発生させるための水素化金属、亜鉛を含む金属の粉体が収納されている。反応物質供給手段としては、燃料室に面し、反応物質を収納する反応物質タンク室と、この反応物質タンク室に面する弾性壁部と、この弾性壁部を介して反応物質タンク室に隣接して設けられた第１区画室と、この第１区画室内に収納され、吸水により体積膨張する吸水性樹脂体と、この吸水性樹脂体に水を供給するための水供給手段とからなるものが好ましく用いられる。
【００２６】
反応物質供給手段がこのように構成されているので、その反応物質タンク室に水もしくは水蒸気、希硫酸もしくは希塩酸を含む酸溶液などの反応物質を収納しておくことで、第１区画室内に収納された吸水性樹脂体が水供給手段からの水の供給を受けて吸水により体積膨張し、その結果、その反応物質が、固体物質と反応して、燃料を発生させることができる。
【００２７】
本発明の別の観点によれば、負極、正極、およびこれら両極の間に設けられた電解質を有する電池本体と、本発明の１つの観点に係るカートリッジを着脱可能に収納するカートリッジ収納部とを備えてなり、カートリッジ収納部が、前記カートリッジの燃料供給口に解除可能に係合し、供給される燃料を電池本体の負極に導く燃料導入口を有しており、電解質が固体高分子電解質であり、燃料が水素であることを特徴とする高分子電解質型燃料電池が提供される。
【００２８】
電池本体は、この燃料電池の燃料を酸化してプロトンと電子を取り出すための負極と、負極での酸化により生じた酸素を還元するための正極と、これら両極の間に設けられて酸素と負極との反応を促進するための電解質膜とを有してなる。電池本体およびカートリッジ収納部の大きさや形状は特に限定されるものではない。電池本体およびカートリッジ収納部の材質についても、特に限定されないが、ガラス転移点が常温以上である高分子材料、具体的には、ポリスチレン、ポリカーボネート、硬質ポリ塩化ビニル（可塑剤０．５重量パーセント添加）、ポリフェニレンオキサイドなどの硬質樹脂が好ましく用いられる。
【００２９】
このような燃料電池にあっては、本発明の１つの観点に係るカートリッジを着脱可能に収納するカートリッジ収納部を備えてなるので、過不足のない燃料供給および発電が可能であり、余剰燃料のクロスオーバーや気化による利用効率の低下を引き起こすおそれがなく、しかも、燃料の供給を迅速に開始したり停止したりすることができる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明における実施の形態に代わる２つの参考の形態を図面に基づいて説明する。なお、これらによって本発明が限定されるものではない。
【００３２】
参考の形態１
図１は、本発明における参考の形態１に係る燃料電池の概略構成を示す斜視図である。図２は、図１のＩ−Ｉ'線に沿ったこの燃料電池の垂直断面図である。
【００３３】
図１および図２において、この燃料電池１０は、縦３０ｍｍ×横５０ｍｍ×高さ８ｍｍのポリスチレン樹脂製の電池本体（筐体）１０ａと、縦３０ｍｍ×横１０ｍｍ×高さ８ｍｍの同樹脂製のカートリッジ収納部１０ｄとを備えてなる。
【００３４】
電池本体１０ａは、燃料を酸化するための負極１１、酸素を還元するための正極１２および、これら両極１１・１２の間に設けられた電解質膜１３を有してなる。また、電池本体１０ａの筐体には、正極１２内に生成する水を外気の導入で蒸発させるための複数の空気孔１６と、アルミニウム合金からなり、電気を取り出すための正極端子８および負極端子９も設けられている。電池本体１０ａには、未反応の気体燃料または液体燃料の気化ガスを排出するための余剰燃料排出口７も設けられている。
【００３５】
負極１１と正極１２とは、電解質膜１３を介して対向状に設けられている。負極１１は、燃料を酸化して、燃料からプロトンと電子を取り出すためのものである。負極１１および正極１２の触媒材料として、ＤｕＰｏｎｔ社製ナフィオン膜からなる膜厚５０μｍ電解質膜１３の両面に、１０重量パーセント白金担持のカーボン５ｇからなる多孔性電極触媒層１１ｂ・１２ｂをホットプレスにより固着した触媒一体型電解質膜を用いた。
【００３６】
電解質膜１３としては、樹脂膜を、具体的にはトリフルオロエチレン誘導体の共重合膜、リン酸含浸ポリベンゾイミダゾール膜などを用いることができるが、好ましくは、パーフルオロスルホン酸系のＤｕＰｏｎｔ社製ナフィオン膜を用いる。ナフィオン膜の他には、旭硝子社製フレミオン膜や旭化成社製アシプレックス膜などがある。
【００３７】
負極１１および正極１２に用いる触媒層１１ｂ・１２ｂには、白金、鉄、ニッケル、コバルト、ルテニウムなどの遷移金属と白金との合金、あるいはそれらの酸化物の微粒子を触媒として含む炭素材料を用いることができる。燃料が純水素の場合には白金が、炭化水素を含む場合には白金−ルテニウム合金が好ましい。
【００３８】
ガス拡散層１１ａ・１２ａには、カーボンペーパーやカーボンファイバなどの多孔質炭素材料が用いられる。負極１１のガス拡散層１１ａにおける電解質膜１３の反対側には、厚さ０．５ｍｍのアクリル樹脂製薄板で囲まれた燃料空間１４が設けられている。
【００３９】
収納部蓋１０ｃには、電磁コイルで構成された作動部としての電磁コイル２１が設けられている。収納部蓋１０ｃには、外気と通じるように、かつ、開閉可能に密封閉鎖される通気孔１９も設けられている。通気孔１９の開閉には、開閉機構としての永久磁石２０が利用されている。
【００４０】
カートリッジ収納部１０ｄには、燃料供給用カートリッジ１７が収納されている。図２に示されたように、電池本体１０ａとカートリッジ収納部１０ｄとは燃料供給部としてのステンレス鋼製細管１８により接続されている。この細管１８は、カートリッジ１７から電池本体１０ａの燃料供給孔１０ｅへかけて設けられ、内径１．５ｍｍ、外径２．０ｍｍのものである。
【００４１】
正極１２のガス拡散層１２ａにおける電解質膜１３の反対側には、電池本体１０ａの筐体を利用して酸化剤空間１５が設けられている。電池本体１０ａの筐体における前記空気孔１６は、正極１２に酸素を充分に供給するためと、正極１２で生成した水を充分に除去するために、ここでは、５ｍｍ×１５ｍｍの長方形のものが５つ設けられている。ただし、この数は特に限定されるものではない。
【００４２】
未反応の余剰燃料を排出するための前記排出口７は、大きさが１ｍｍ×１ｍｍの正方形であり、燃料空間１４に面して設けられている。この排出口７は、外気の侵入を防ぐための逆止弁の機能も有している。また、余剰燃料を無害で安全な物質に分解するために、排出口７を介した燃料空間とは反対側に白金触媒を設けた。この触媒は、余剰燃料を常温で無害かつ安全な物質に分解することのできるものである必要があり、燃料によって適宜選択されるが、一般的な燃料電池に用いられる燃料の場合は、白金、パラジウム、ルテニウムが好ましい。
【００４３】
図３は、本発明における参考の形態１に係る燃料電池と、この燃料電池が発電する電力を電源とする電子機器のスイッチと、この電子機器に別途備えられた２次電池３６と、図２に示す開閉機構（永久磁石）２０と、作動部（電磁コイル）２１とを接続した回路図である。
【００４４】
この電子機器のスイッチをオンにしたとき、２次電池３６にあらかじめ蓄えられた電力により電磁コイル２１に電流が流れて磁場が生じる。そして、それに反発するように備えられた永久磁石２０が電磁コイル２１とは反対側へスライドする。
【００４５】
なお、図３に示す制御回路により、電子機器の使用中の余剰電力は蓄電部としての２次電池３６に蓄えられる。２次電池３６としては、リチウムイオン２次電池、ニッケル水素２次電池、などの中途充放電可能な２次電池の他に、キャパシタやコンデンサなどを用いることができる。
【００４６】
図４（ａ）は、図１のＩＩ−ＩＩ' 線に沿ったこの燃料電池におけるカートリッジの垂直断面図である。
【００４７】
図４（ａ）において、カートリッジ１７は、燃料を収納しておくための燃料室としての燃料収納タンク部２２と、カートリッジ１７内の燃料を電池本体１０内の負極１１へ供給するための燃料加圧手段の一部としての水供給手段２３と、水を収納しておくための第２区画室としての水タンク部２４と、外気を導入するために水タンク部２４に設けられた通気孔１９とを備えてなる。
【００４８】
通気孔１９の外側は、スライド可能に取り付けられた永久磁石２０により開放可能に閉鎖されている。通気孔１９の内側は、通気孔１９から水が漏れ出すのを防止する目的で、撥水性および通気性のある防湿型液体透過膜２５で閉鎖されている。この液体透過膜２５は、ジャパンゴアテックス社製のゴアテックス膜で構成されている。
【００４９】
燃料収納タンク部２２における水供給手段２３の反対側には、燃料収納タンク部２２に混入するおそれのある異物を除去するためのフィルタ２９と、図２に示した燃料供給孔１０ｅに面する細管１８とが設けられている。
【００５０】
水供給手段２３は、水タンク部２４（第２区画室）と、この水タンク部２４に隣接して燃料収納タンク部２２の側に配設され、吸水性樹脂体２８が収納された第１区画室と、この樹脂体２８へ水タンク部２４の水を供給するとともに樹脂体２８が水タンク部２４へ漏れ出すのを防止するためのスクリーン部２６と、樹脂体２８における燃料収納タンク部２２側に設けられた弾性壁部２７とを備えてなる。
【００５１】
樹脂体２８は、吸水性樹脂の１種である三菱化学株式会社製のアクアパール（登録商標）０．２ｇから構成したものである。スクリーン部２６は、φ＝０．２ｍｍの孔を１００個／ｃｍ3有する０．５ｍｍ厚さの多孔質アクリル板からなっている。弾性壁部２７は、ゴム弾性膜を有するポリウレタン樹脂からなるゴム壁で構成されている。
【００５２】
図４（ｂ）は、図４（ａ）の燃料電池に燃料を供給する際の垂直断面図である。
【００５３】
図４（ａ）において、燃料収納タンク部２２に液体燃料である７０％メタノール１０ｃｃを、水タンク部２４に純水１０ｃｃを充填しておき、この燃料電池が発電した電力を電源とする電子機器の電源スイッチをオンの状態にした。
【００５４】
すると、図３に示すように、この電子機器に別途取り付けられた２次電池３６に所定電位が生じ、作動部である電磁コイル２１に電流が流れて磁力が生じた。そして、電磁コイル２１と反発するように取り付けられた永久磁石２０がスライドして、通気孔１９を開放状態にした。
【００５５】
通気孔１９が開放されると、水タンク部２４に収納された純水がスクリーン部２６を透過して、第１区画室に収納された吸水性樹脂体２８へ供給される。純水が供給された樹脂体２８は体積が膨張して、図４（ｂ）に示すようにゴム壁２７が燃料収納タンク部２２の方へ弾性変形した。
【００５６】
すると、燃料収納タンク部２２に収納されていた７０％メタノールが、細管１８を通じて電池本体１０の燃料空間１４へ供給された。
【００５７】
燃料空間１４に供給されたメタノールは、負極１１側の触媒層１１ｂによって触媒酸化されてプロトンが生成される。負極１１において生成したプロトンは、電解質膜１３を介して正極１２に達する。
【００５８】
正極１２には、電池本体１０の筐体に設けられた空気孔１６を通じた自然拡散により、貯蔵された酸素が酸化剤空間１５へ供給され、そこで酸素が還元されて発生した電子が、負極１１から移動してきたプロトンと反応して水を生成する。これにより、正極１２と負極１１との間に所定の電位差が発生し発電が行なわれる。生成した水は自然蒸発により、空気孔１６から除去される。発生した電荷は、集電体（図示略）を通じて集電され、発電が行なわれる。
【００５９】
この電子機器の電源がオフの状況では、通気孔１９が永久磁石２０の吸引力により閉じられて純水の供給が停止されるので、燃料の供給が停止される。
【００６０】
参考の形態２
図５（ａ）に示すカートリッジは、参考の形態２に係る燃料電池におけるカートリッジの燃料収納タンク部に対応する部分が、逆止弁３１を備えた隔膜３０で、燃料室としての固体物質収納部２２ａと、反応物質タンク室としての液体収納部２２ｂとの２つに分割されている。この固体物質収納部２２ａに５ｇの固体物質としての水素化ホウ素ナトリウムを充填しておき、液体収納部２２ｂに反応物質としての純水１０ｃｃを充填した。
【００６１】
そして、図５（ｂ）に示すように、通気孔１９が開放されて純水が吸水性樹脂体２８に供給され、ゴム壁２７が膨らみ、液体収納部２２ｂに圧力がかかると、純水が逆止弁３１を開放して固体物質収納部２２ａに供給される。
【００６２】
固体物質収納部２２ａに供給された純水は、その中の水素化ホウ素ナトリウムと反応して水素を発生させる。発生した水素は細管１８を通じて電池本体１０へ供給される。
【００６３】
この電子機器の電源がオフの状況では、通気孔１９が永久磁石２０の吸引力により閉じられて純水の供給が停止されるので、燃料の供給が停止される。
【００６４】
水素生成の反応は、前記以外にも、亜鉛を含む金属の粉体と、希硫酸もしくは希塩酸を含む酸溶液との組み合わせ、あるいは水素化金属と水もしくは水蒸気との組み合わせが可能である。ただし、酸溶液を用いる場合は、筐体には耐酸性硬質ポリ塩化ビニルを用いるとともに、細管をフロロエチレンビニルエーテル樹脂とブロックイソシアネートを含む耐酸性樹脂にするなどの対策が必要になる。
【００６５】
また、反応物にｆｏｒｍａｔｅ−ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｌｙａｓｅなどの水素生成酵素を用いることもできる。この場合には、液体に当該酵素が餌とするものを用いれば、同様の効果が期待できる。
【００６６】
前記の参考の形態１を用いて定電流１Ａを流して通気孔１９を開閉した場合の発電試験結果を図８に示す。また、同様に、前記の参考の形態２を用いて定電流２Ａを流して通気孔１９を開閉した場合の発電試験結果を図９に示す。図８および図９から、本発明に係る燃料電池の燃料供給用カートリッジによれば、燃料電池本体へ燃料供給を任意に開始しあるいは停止することが可能になることがわかる。
【００６７】
本発明の１つの観点に係る燃料電池の燃料供給用カートリッジは、燃料を発生させるための固体物質を収納することができる空間と燃料電池の負極に燃料を供給するための燃料供給口とを有する燃料室と、この燃料室に付設され、前記固体物質と反応すると燃料を発生する反応物質を燃料室内に供給する反応物質供給手段とを備えてなり、燃料が水素であり、固体物質 / 反応物質が、水素化金属 / 水もしくは水蒸気、または、亜鉛を含む金属の粉体 / 希硫酸もしくは希塩酸を含む酸溶液であり、反応物質供給手段が、燃料室に面し、反応物質を収納する反応物質タンク室と、この反応物質タンク室に面する弾性壁部と、この弾性壁部を介して反応物質タンク室に隣接して設けられた第１区画室と、この第１区画室内に収納され、吸水により体積膨張する吸水性樹脂体と、この吸水性樹脂体に水を供給するための水供給手段とからなることを特徴とする。
【００６８】
従って、このような燃料電池の燃料供給用カートリッジによれば、過不足のない燃料供給および発電が可能であり、燃料の供給を迅速に開始したり停止したりすることができる。また、反応物質供給手段が上記のように構成されているので、その反応物質タンク室に水もしくは水蒸気、希硫酸もしくは希塩酸を含む酸溶液などの反応物質を収納しておくことで、第１区画室内に収納された吸水性樹脂体が水供給手段からの水の供給を受けて吸水により体積膨張し、その結果、その反応物質が、固体物質と反応して、燃料を発生させることができる。
【００６９】
本発明の別の観点に係る高分子電解質型燃料電池は、負極、正極、およびこれら両極の間に設けられた電解質を有する電池本体と、本発明の１つの観点に係るカートリッジを着脱可能に収納するカートリッジ収納部とを備えてなり、カートリッジ収納部が、前記カートリッジの燃料供給口に解除可能に係合し、供給される燃料を電池本体の負極に導く燃料導入口を有しており、電解質が固体高分子電解質であり、燃料が水素であることを特徴とする。
【００７０】
従って、このような高分子電解質型燃料電池によれば、過不足のない燃料供給および発電が可能であり、燃料の供給を迅速に開始したり停止したりすることができる。また、このような燃料電池の燃料供給用カートリッジにおける反応物質供給手段が上記のように構成されているので、その反応物質タンク室に水もしくは水蒸気、希硫酸もしくは希塩酸を含む酸溶液などの反応物質を収納しておくことで、第１区画室内に収納された吸水性樹脂体が水供給手段からの水の供給を受けて吸水により体積膨張し、その結果、その反応物質が、固体物質と反応して、燃料を発生させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、本発明における参考の形態１に係る燃料電池の概略を示す斜視図である。
【図２】図２は、図１のＩ−Ｉ' 線に沿ったこの燃料電池の垂直断面図である。
【図３】図３は、図１の燃料電池と、この燃料電池が発電する電力を電源とする電子機器のスイッチと、この電子機器に別途備えられた２次電池と、永久磁石と駆動源（電磁コイル）とを接続した回路図である。
【図４】図４（ａ）は、図１のＩＩ−ＩＩ' 線に沿ったこの燃料電池におけるカートリッジの垂直断面図である。図４（ｂ）は、図４（ａ）の燃料電池に燃料を供給する際の垂直断面図である。
【図５】 図５（ａ）は、本発明における参考の形態２に係る燃料電池におけるカートリッジの垂直断面図である。
図５（ｂ）は、図５（ａ）の燃料電池に燃料を供給する際のカートリッジの垂直断面図である。
【図６】図６は、従来の発電デバイスの構成を示す垂直断面図である。
【図７】図７は、従来の高分子アクチュエータの構成を示す垂直断面図である。
【図８】 図８は、本発明における参考の形態１に係る燃料電池を用いて定電流１Ａを流して通気孔を開閉した場合の発電試験結果を示すグラフである。
【図９】 図９は、本発明における参考の形態２に係る燃料電池を用いて定電流２Ａを流して通気孔を開閉した場合の発電試験結果を示すグラフである。
【符号の説明】
８ 正極端子
９ 負極端子
１０ 燃料電池
１０ａ 電池本体（筐体）
１０ｃ 収納部蓋
１０ｄ カートリッジ収納部
１０ｅ 燃料導入孔
１１ 負極
１２ 正極
１２ａ ガス拡散層
１２ｂ 触媒層
１３ 電解質膜
１４ 燃料空間
１５ 酸化剤空間
１６ 空気孔
１７ カートリッジ
１８ 細管（燃料供給孔）
１９ 通気孔
２０ 永久磁石（開閉機構）
２１ 電磁コイル（作動部）
２２ 燃料収納タンク部（燃料室）
２２ａ 固体物質収納部（燃料室）
２２ｂ 液体収納部（反応物質タンク室）
２３ 水供給手段（燃料加圧手段）
２４ 水タンク部
２６ スクリーン部
２７ ゴム壁（弾性壁部）（燃料加圧手段）
２８ 樹脂体
２９ フィルタ
３０ 隔膜
３１ 逆止弁
Claims (5)
- 燃料を発生させるための固体物質を収納することができる空間と燃料電池の負極に燃料を供給するための燃料供給口とを有する燃料室と、
この燃料室に付設され、前記固体物質と反応すると燃料を発生する反応物質を燃料室内に供給する反応物質供給手段と
を備えてなり、
燃料が水素であり、
固体物質 / 反応物質が、水素化金属 / 水もしくは水蒸気、または、亜鉛を含む金属の粉体 / 希硫酸もしくは希塩酸を含む酸溶液であり、
反応物質供給手段が、燃料室に面し、反応物質を収納する反応物質タンク室と、この反応物質タンク室に面する弾性壁部と、この弾性壁部を介して反応物質タンク室に隣接して設けられた第１区画室と、この第１区画室内に収納され、吸水により体積膨張する吸水性樹脂体と、この吸水性樹脂体に水を供給するための水供給手段とからなる
ことを特徴とする燃料電池の燃料供給用カートリッジ。 - 吸水性樹脂体が、粉末状、粒状あるいは繊維状のデンプン系吸水性樹脂体、セルロース系吸水性樹脂体あるいは合成ポリマー系吸水性樹脂体からなることを特徴とする請求項１に記載のカートリッジ。
- 合成ポリマー系吸水性樹脂体が、ポリアクリル酸系樹脂体からなることを特徴とする請求項２に記載のカートリッジ。
- 水素化金属が、水素化ホウ素ナトリウムであることを特徴とする請求項１記載のカートリッジ。
- 負極、正極、およびこれら両極の間に設けられた電解質を有する電池本体と、請求項１〜４のいずれか１つに記載のカートリッジを着脱可能に収納するカートリッジ収納部とを備えてなり、カートリッジ収納部が、前記カートリッジの燃料供給口に解除可能に係合し、供給される燃料を電池本体の負極に導く燃料導入口を有しており、
電解質が固体高分子電解質であり、燃料が水素であることを特徴とする高分子電解質型燃料電池。
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