JP4250636B2 - 燃料カートリッジ及び燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、燃料カートリッジ、燃料電池に関する。特に、燃料電池本体に装着することで回路を通電させる燃料カートリッジに関する。

燃料電池を電子機器に接続した状態で燃料の供給を停止した場合、徐々に電力が低下して発電が停止する。このように電力が低下していくと、ある時点以降は、電力が電子機器を駆動するのに必要な電力を下回るので、発電しても無駄となってしまう。

このような問題点に関連して、特許文献１には、燃料ガスの供給を停止させるとともに外部回路を遮断する燃料電池発電システムの運転方法が記載されている。

また、特許文献２には、メモリを備えた燃料カートリッジを燃料電池装置に装着した際の装着認識結果に基づいて燃料電池装置を作動させるか否かの制御を行う燃料電池装置が記載されている。
特開２００５−１５８２９８号公報 特開２００４−７１２６２号公報

しかしながら、特許文献１では、燃料ガスの供給と外部回路の遮断を同時に行うための運転制御手段が必須となる。また、特許文献２では、燃料カートリッジの燃料電池装置への装着認識結果に基づいて制御を行うための制御部が必須となる。

このように、特許文献１および２を実用化する場合には、複雑な電気信号を検知して、その検知結果に基づいて燃料の供給および外部回路の遮断を制御する制御回路を必要とする。したがって、燃料電池の小型化および低コスト化が困難である。

本発明は、簡易な構成の電気回路によって、燃料カートリッジの着脱と発電された電流の供給状態または遮断状態への遷移とを同期化することができる燃料電池および燃料カートリッジを提供することを目的とする。

本発明は、燃料収容部と燃料供給口とを有する燃料カートリッジであって、
前記燃料カートリッジが燃料電池本体に装着され、前記燃料カートリッジから燃料が前記燃料電池本体に供給される状態となった際に、前記燃料電池本体の出力端子と発電部とを電気的に短絡する配線の配線パーツが設けられていることを特徴とする燃料カートリッジである。

また、別の本発明は、前記燃料カートリッジと、燃料電池本体と、を有することを特徴とする燃料電池である。また、別の本発明は、燃料収容部と燃料供給口とを有する燃料カートリッジと、出力端子と発電部とを有する燃料電池本体と、を有する燃料電池であって、前記燃料カートリッジが前記燃料電池本体に装着され、前記燃料カートリッジから燃料が前記燃料電池本体に供給される状態となった際に、前記燃料電池本体の出力端子と発電部とを電気的に短絡する配線の一部となる配線パーツを前記燃料電池本体が有することを特徴とする燃料電池である。

本発明により提供される燃料カートリッジと燃料電池によれば、簡易な構成の電気回路によって、燃料カートリッジの着脱と発電電力を取り出す回路の開閉を同時に行うことができる。すなわち、燃料カートリッジの着脱と発電された電流の供給状態または遮断状態への遷移とを同期化した安価で簡単な構成の燃料電池および燃料カートリッジを提供することができる。

以下、図を参照して本発明の実施の形態について、固体高分子型燃料電池を例に挙げて説明するが、本発明の燃料電池はこれに限定されるものではない。

（実施形態１）
図１、図２は、本実施形態による燃料カートリッジ１と固体高分子型燃料電池本体２からなる燃料電池の構成を示す模式図である。

燃料カートリッジ１は、燃料を内部に収容可能な所定の容積をもつ燃料収容部１０１、第１の配線パーツ１０２、燃料供給口１０３を少なくとも有している。一方、燃料電池本体２は、膜電極接合体（ＭＥＡ）を有する発電部２０１と、燃料カートリッジから燃料を受け入れ、発電部に当該燃料を供給する燃料受入口２０２とを有している。そして、接触端子２０３、発電した電力を外部機器に供給するための出力端子２０４、接続線２０５からなる第２の配線パーツを少なくとも有している。

なお、本実施形態において、燃料電池本体２とは、燃料電池の燃料カートリッジ１以外の部分のことである。燃料電池本体２に燃料カートリッジ１を装着することで燃料電池として機能する。発電部２０１は、膜電極接合体やセパレータなどを含む構造体である。ここで、膜電極接合体とは電解質膜と電極とを接合した一体物である。したがって、膜電極接合体は、電解質膜と電極を加熱、加圧などの方法により溶着させた場合のみならず、電解質膜と電極を接触させてねじなどの固定部材で固定化させた膜電極一体物も含むものである。また、本実施形態の燃料カートリッジは燃料電池本体に容易に着脱可能で交換可能な燃料収容容器である。

この燃料電池は発電部２０１を有する燃料電池本体２に燃料カートリッジ１を装着することで、第１の配線パーツ１０２が第２の配線パーツの一部である接触端子２０３と接触する。それにより、発電部２０１と一方の接触端子２０３とを繋ぐ配線２０５と、出力端子２０４と他方の接触端子２０３とを繋ぐ別の配線２０５と、を電気的に短絡する。

こうして、燃料カートリッジ１が燃料電池本体２に装着され、燃料カートリッジ１から燃料が燃料電池本体２に供給される状態となった際に、燃料電池本体２の出力端子２０４と発電部２０１とが電気的に短絡し、燃料電池から電池が取り出せる状態になる。（図２参照）ここで、「燃料カートリッジ１から燃料電池本体２に燃料が供給される状態」とは、燃料カートリッジ１から燃料電池本体２に燃料が供給されうる状態であって実際に供給されている状態とは限らない。

そして、燃料カートリッジ１を燃料電池本体２から脱離させることで短絡した状態が断たれる。ここで、「燃料カートリッジ１を燃料電池本体２から脱離させる」とは、燃料電池本体２から燃料カートリッジ１を空間的に完全に分離する場合だけでなく、図１のように空間的に完全に分離していない場合も含むこととする。すなわち、供給口１０３と燃料受入口２０２は空間的に完全に分離しているものの、燃料カートリッジ１と燃料電池本体２は空間的に完全に分離していない場合である。この際、燃料カートリッジ１と燃料電池本体２は、供給口１０３と燃料受入口２０２以外の部分であれば接続していても良いこととする。

本発明に用いられる燃料カートリッジ１は燃料収容部１０１の内部に燃料電池用の燃料を含有している。

本発明に用いられる燃料は特に限定されないが、気体燃料や液体燃料などを用いることができる。このうち、気体燃料としては水素ガスを主成分とすることが好ましい。水素ガスを主成分とした気体燃料を収容する場合、燃料収容部１０１は必要に応じて内部に水素吸蔵合金を含むことが好ましい。

また、液体燃料としてはアルコールを主成分とする液体、特にアルコール水溶液が好ましい。アルコール水溶液の例としてはメタノール水溶液、エタノール水溶液などが挙げられるが、メタノール水溶液であることがより好ましい。

本発明に用いられる燃料カートリッジ１の燃料収容部の壁材は、金属や合金のような導電体或いは樹脂のような絶縁体などで構成しうる。或いは、導電体を成型し、その内壁面あるいは外壁面の少なくとも一方を絶縁体で被覆したものであってもよい。また、液体燃料を用いる場合、燃料収容部の壁材は液体燃料に耐性のある材質からなることが好ましい。例えば、メタノール水溶液に適した燃料収容部の材質としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタラート、ポリアクリロニトリル、ポリエチレンナフタレートなどが挙げられる。また、エタノール水溶液を収容する場合は、前記の材質に加えてポリアミド、ポリアセタール、アクリロニトリルブタジエンスチレンなども好ましい。

また、燃料が気体である場合、燃料収容部１０１の内圧は大気圧よりも高いことが好ましい。燃料収容部１０１の内圧が大気圧よりも高いことで、燃料収容部を有する燃料カートリッジ１から固体高分子型燃料電池２への燃料の注入がスムースになるからである。

また、燃料収容部１０１には廃燃料を貯蔵する箇所を設けても良い。

燃料収容部１０１に貯えられた燃料は燃料カートリッジの表面に存在する燃料供給口１０３を経由して燃料電池本体に供給される。

好ましくは、燃料供給口１０３は、燃料カートリッジ１が燃料電池本体２に装着された時に開いた状態となり、燃料カートリッジ１が燃料電池本体２に装着されていない時には閉じた状態となる構造の弁を備えていると良い。

そのような弁の構造の例を図７および図８に示す。燃料供給口１０３が有する弁１０３１は、図８に示すように、燃料カートリッジ１を燃料電池本体２へ装着すると、燃料電池本体の受入口２０２が有する管２０２１が燃料供給口１０３の内部に押し込まれて、弁１０３１が開く構造となっている。ここで、燃料受入口が有する管２０２１は、弁を開き且つ燃料の供給を阻害しない構造であれば良く、管状に限定されるものではない。また、燃料供給口１０３が燃料電池本体の受入口２０５に装着されていない状態では、バネ機構などによって図７に示すように弁１０３１が閉じた状態となるため、燃料が流出しない。

本発明に用いられる発電部としては、発電部に直接水素ガスを供給し、そこで外気から取り込んだ酸素を反応させる方式の発電部や、水素に替えて、メタノールを直接酸化アノードに供給するいわゆるメタノール直接型の発電部であってもよい。

また、発電部は、電解質にイオン交換性高分子膜を用いた固体高分子型であることが好ましい。

本発明に用いられる第１の配線パーツの形状は、円形状、ドット形状、ライン形状、リング形状やこれらの組み合わせなど、いかなる形状でも良い。第１の配線パーツは、その少なくとも一部が燃料カートリッジの表面に露出する。第１の配線パーツが設けられる場所は、図１、２に示した本実施形態に限定されることはなく、一対の接触端子２０３を短絡しうる構成であればよい。また、第１の配線パーツは図１，２に示すように、全面が表面に露出している必要はない。また、「表面に露出する」とは、常に第１の配線パーツの少なくとも一部が最表面に露出している場合のみならず、必要な場合、より具体的には燃料カートリッジが燃料電池本体に装着された場合にのみ、表面に露出する構成であってもよい。例えば、可動式の覆い（蓋）などの保護部材が取り付けられている場合など、カートリッジの装着動作に応じて、第１の配線パーツが最表面に出現可能である場合も「表面に露出する」という表現に包含される。このような可動式の覆いを第１の配線パーツ１０２付近に設けることで、第１の配線パーツ１０２が損傷することを防止する効果もある。

図１の第１の配線パーツ１０２は、燃料カートリッジ１を燃料電池本体２に正しく装着した時にのみ、発電電流を通電する配線の一部を形成する。ここで、第１の配線パーツ１０２の電気抵抗値は小さいことが好ましい。好ましくは、シート抵抗が１０^３Ω／□以下であることが好ましい。第１の配線パーツ１０２を形成するための材料としては、金あるいは金メッキ、アルミニウム、銅、鉄、ニッケル、白金などの金属、あるいはステンレスなどの合金、導電カーボン、導電セラミックス、導電ポリマーなどの導電性を有する材料が挙げられる。このような第１の配線パーツ１０２の形成方法は特に制限されず、例えば、ペーストの塗布などの液相法、蒸着やスパッタなどの気相堆積法、導電テープの貼付など、いかなる手法で形成しても良い。また、燃料カートリッジの表面側を金属などの導電体で形成し、配線パーツ以外の部分を絶縁体で覆うことで、第１の配線パーツを形成しても良い。

また、燃料カートリッジ１の表面のうち、第１の配線パーツ１０２が露出している部分以外の部分は電気的に絶縁性であることが好ましい。このような絶縁性表面のシート抵抗は１０^８Ω／□以上であることが好ましく、より好ましくは１０^１３Ω／□以上である。第１の配線パーツ１０２以外の部分を電気的に絶縁性にしておくことで、燃料カートリッジ１を燃料電池本体２に対して誤った方法で装着した時の通電を防止することもできる。したがって、第１の配線パーツ１０２あるいは第１の配線パーツのうち燃料カートリッジの表面に露出している部分以外の部分は必要最小限の大きさにとどめることが好ましい。

本発明における燃料カートリッジ１から固体高分子型燃料電池本体２への燃料移動は能動的に行われるようにすることが好ましい。燃料が能動的に移動するためには、第１の配線パーツを介して供給された電力により駆動するポンプのような燃料供給機構を備えていることが好ましい。なお、燃料カートリッジが加圧状態でもなく、燃料供給機構が存在しない場合でも、多少なりとも燃料の供給は行われるため、「燃料が供給される状態」であるが、燃料供給機構により燃料の供給を促進することができる。燃料カートリッジが有する燃料供給機構の例を図６に示す。図６の燃料供給機構はポンプ１０４１と可動隔壁１０４２より構成されている。ポンプ１０４１は第１の配線パーツ１０２と電気的に接続しており、接続部分から電力が供給されると送気ポンプのための吸気口（図示せず）から外気をカートリッジ内部に送り込む動作を行う。可動隔壁１０４２はポンプ１０４１に送り込まれた外気を収容する空洞部と燃料収容部１０１とを区切る役割を果たしており、かつカートリッジ内を移動可能な構造となっている。そのため、ポンプ１０４１が外気を取り込むと可動隔壁１０４２の移動によって燃料が供給されることになる。

また、燃料が気体である場合は、窒素のような不活性ガスによって加圧状態とすることで、燃料供給機構がない場合も能動的に燃料移動を行うことが可能となる。

カートリッジ装着から発電までの動作メカニズムは以下のとおりである。

燃料供給口１０３と燃料受入口２０２の接続により、燃料が燃料収容部１０１から発電部２０１のＭＥＡのアノードに供給され、ＭＥＡにおいて発電が開始する。また同時に、接触端子２０３と第１の配線パーツ１０２が接触する、すなわち第１の配線パーツと第２の配線パーツが接触することにより、発電部２０１と出力端子２０４とをつなぐ配線が形成され、第１の配線パーツ１０２はその配線の一部として機能する。逆に言うと、燃料カートリッジ１を固体高分子型燃料電池本体２から脱離させると、接触端子２０３と第１の配線パーツ１０２が非接触となることで配線が遮断されるので、出力端子２０４から電力を供給することができなくなる。

また、前述した構成では、燃料電池本体２のカソードへの酸素燃料の供給は外部空気を利用しているが、酸素燃料も図１、図２と同様にカートリッジ化して供給しても良い。

つまり、図１、２のように燃料が発電部に供給され、発電している状態をノーマル状態とするとノーマリーオンとなるスイッチを第１の配線パーツと一対の接続端子２０３とで構成する。こうして、燃料カートリッジの着脱と、発電された電流のオン／オフとを同期化することができる安価で簡単な構成の燃料電池および燃料カートリッジを提供することができる。

（実施形態２）
図３、図４は本発明の別の実施形態による燃料電池を示している。

前述した実施形態と異なる点は、第１の配線パーツ２０６が、燃料カートリッジ４と一体化されておらず、燃料電池本体２側に設けられており、燃料カートリッジ４の装着と脱離に伴って移動する点である。第１の配線パーツ１０２は、図１１に示すようにドーナツ状に切り出した白金箔を燃料カートリッジ１０１の表層に貼り付けられている。

燃料カートリッジ４を燃料電池本体２に装着すると、図４に示すように、燃料供給口４０２と燃料受入口２０２が接続するとともに、第１の配線パーツ２０６が燃料カートリッジ４に図中下方に押されて移動し接触端子２０３と接触する。すなわち、第１の配線パーツ２０６と第２の配線パーツ（接触端子２０３、発電部２０１、接続線２０５を含めた部分）が接触する。これにより、燃料電池内の配線が形成され、出力端子２０４から電力を供給できる状態となる。

また、燃料カートリッジ４を燃料電池本体２から脱離させた場合は、第１の配線パーツ２０６がばね機構などにより上方に移動して元の位置に復帰する。すなわち、第１の配線パーツ２０６と接触端子２０３が非接触となることで配線が遮断されるため、出力端子２０４から電力を供給することができなくなる。

つまり、図３、４のように燃料が発電部に供給され、発電している状態をノーマル状態とするとノーマリーオンとなるスイッチを第１の配線パーツ２０６と一対の接続端子２０３とで構成する。こうして、燃料カートリッジの着脱と、発電された電流のオン／オフとを同期化することができる安価で簡単な構成の燃料電池および燃料カートリッジを提供することができる。

（実施形態３）
図５および図６に本実施形態による燃料カートリッジの構成を示す。燃料収容部１０１は電気絶縁体であるポリプロピレンにより形成されたものを使用し、燃料収容部１０１の内部には例えば、１０重量％メタノール水溶液を収容する。第１の配線パーツ１０２は、ドーナツ状に切り出した白金箔とし、燃料カートリッジ１０１の表層に貼り付けられている。燃料供給口１０３は市販の樹脂製チューブ継ぎ手を用いて作製し、その一方の端は燃料収容部１０１と内部で連結させる。そして、他方の端には、実施形態１と同様、図６に示す弁ように対応する形状のコネクタと接続しなければ開かない弁１０３１を燃料供給口内部に保持させる。

また、送気ポンプ、可動障壁および吸気口に関しても、図６に示すように、実施形態１と同様の構造となっている。

（実施形態４）
図９は本実施形態による固体高分子型燃料電池本体の構成を説明するための模式図である。図９中、一番左は本体を燃料受入口からみた平面図、中央は断面図、右はカソード拡散層側からみた平面図である。

ＭＥＡを有する発電部２０１は、アノード拡散層２０１１と固体高分子電解質膜２０１２とカソード拡散層２０１３により形成される。アノード拡散層２０１１とカソード拡散層２０１３はそれぞれ導電性カーボンからなり、それぞれ電極の機能を兼ねている。カソード拡散層２０１３には外部より空気を取り入れるためのスリットが設けられている。また、図示していないが、アノード拡散層２０１１と固体高分子電解質膜２０１２とカソード拡散層２０１３の各界面には燃料の分解を促進する触媒層が設けられている。

燃料受入口２０２は、市販の樹脂チューブを切り出して作製し、一方の端はアノード拡散層２０１１の拡散構造部と連結させ、他方の端は管２０２１を内部に有する二重構造となっている。上記実施形態の燃料カートリッジにおける燃料供給口１０３と燃料受入口２０２が接続すると、管２０２１が燃料供給口１０３の内部に挿入され、弁１０３１を開く構造となっている。

接触端子２０３は燃料カートリッジ１が装着された際に第１の配線パーツ１０２と接触する位置に２箇所設け、一方を接続線である銅配線２０５を介してアノード拡散層２０１１と接続させ、他方を銅配線２０５を介して出力端子２０４と接続させる。また、もう一つの出力端子２０４は銅配線を介してカソード拡散層２０１３と接続されている。

また、燃料カートリッジとしては、図５もしくは図６に示したものと同様の構成のカートリッジを採用し得る。

図１０に示すように、実施形態３の燃料カートリッジを図９に示した固体高分子型燃料電池本体に装着し、固体高分子型燃料電池とした状態を示している。

符号３は電気テスターのような外部機器３を示している。燃料供給口１０３と燃料受入口２０２が正しく接続されると、弁が開き、メタノール燃料が発電部２０１中のＭＥＡに供給される。それと同時に、第１の配線パーツ１０２と２箇所の接触端子２０３が接触することで発電が開始され、燃料カートリッジが有する送気ポンプも駆動を始める。電気テスターにより、平均０．５Ｖ、０．２Ａ、すなわち０．１Ｗの出力が確認できる。３０分間の安定運転の後、燃料カートリッジを外すと直ちに回路は遮断されて電気テスターで検出される出力電力は０Ｗとなる。

（実施形態５）
図１１は、本実施形態による固体高分子型燃料電池本体の構成を説明するための模式図、図１２は本実施形態による燃料電池の構成を示す図である。

前述した実施形態４と異なる点は、図示していない外装材に板バネを介して備えられたドーナツ状の銅板よりなる可動式の第１の配線パーツ２０６をカートリッジ４側ではなく、本体２側に設置した点である。

図１２に示すように、燃料カートリッジ４を固体高分子型燃料電池本体２に装着し、固体高分子型燃料電池として動作させる。燃料カートリッジの装着により、第１の配線パーツ２０６はＭＥＡを有する発電部２０１側へ押し込まれて接触端子２０３と接触する。燃料供給口４０２と燃料受入口２０２が正しく接続されると、前述した実施形態と同様に弁が開き、メタノール燃料がＭＥＡを有する発電部２０１に供給されて発電が始まる。電気テスター３により、出力端子２０４から出力される電力を測定すると、平均０．５Ｖ、０．１６Ａ、すなわち０．０８Ｗの出力が確認できる。３０分間の安定運転の後、燃料カートリッジを外すと直ちに回路は遮断されて出力は０Ｗとなる。

本発明の実施形態１による燃料カートリッジと燃料電池本体の非装着状態を示す模式図である。 本発明の実施形態１による燃料カートリッジと燃料電池本体の装着状態を示す模式図である。 本発明の実施形態２による燃料カートリッジと燃料電池本体の非装着状態を示す模式図である。 本発明の実施形態２による燃料カートリッジと燃料電池本体の装着状態を示す模式図である。 本発明に用いられる燃料カートリッジの一例を模式的に示す斜視図である。 本発明に用いられる燃料カートリッジの一例を模式的に示す断面図である。 本発明に用いられる燃料カートリッジと燃料電池本体が非装着の状態での燃料カートリッジが有する燃料供給口の一例を模式的に示す断面図である。 本発明に用いられる燃料カートリッジと燃料電池本体が装着した状態での燃料カートリッジが有する燃料供給口と燃料電池本体が有する受入口の管の一例を模式的に示す断面図である。 本発明の実施形態４による固体高分子型燃料電池本体の一例を示す模式図である。 本発明の実施形態４による燃料カートリッジと燃料電池本体の装着状態を示す模式図である。 本発明の実施形態５による固体高分子型燃料電池本体の一例を示す模式図である。 本発明の実施形態５による燃料カートリッジと燃料電池本体の装着状態を示す模式図である。

符号の説明

１ 燃料カートリッジ
１０１ 燃料収容部
１０２ 第１の配線パーツ
１０３ 燃料供給口
１０３１ 弁
１０４１ ポンプ
１０４２ 可動隔壁
２ 固体高分子型燃料電池本体
２０１ 発電部
２０１１ アノード拡散層
２０１２ 固体高分子電解質膜
２０１３ カソード拡散層
２０２ 燃料受入口
２０２１ 燃料受入口が有する管
２０３ 接触端子
２０４ 出力端子
２０５ 接続線
２０６ 第１の配線パーツ
３ 外部機器
４ 燃料カートリッジ
４０１ 燃料収容部
４０２ 燃料供給口

Claims (7)

1. 燃料収容部と燃料供給口とを有する燃料カートリッジであって、
   前記燃料カートリッジが配線パーツを有しており、該配線パーツは、前記燃料カートリッジが燃料電池本体に装着され前記燃料カートリッジから燃料が前記燃料電池本体に供給される状態となった際に、前記燃料電池本体の出力端子と発電部とを電気的に短絡する配線の一部となることを特徴とする燃料カートリッジ。
2. 前記配線パーツは前記燃料カートリッジの表面に少なくとも一部が露出し、前記露出した部分以外の前記燃料カートリッジの表面は電気絶縁性であることを特徴とする請求項１に記載の燃料カートリッジ。
3. 前記配線パーツを介して供給される電力により駆動する燃料供給機構を有することを特徴とする請求項１もしくは２に記載の燃料カートリッジ。
4. 前記燃料カートリッジが前記燃料電池本体に装着された時に開き、前記燃料カートリッジが前記燃料電池本体から取り外された時に閉じる構造の弁を前記燃料カートリッジが有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の燃料カートリッジ。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の燃料カートリッジと、出力端子と発電部とを有する燃料電池本体と、を有することを特徴とする燃料電池。
6. 燃料収容部と燃料供給口とを有する燃料カートリッジと、出力端子と発電部とを有する燃料電池本体と、を有する燃料電池であって、
   前記燃料カートリッジが前記燃料電池本体に装着され、前記燃料カートリッジから燃料が前記燃料電池本体に供給される状態となった際に、前記燃料電池本体の出力端子と発電部とを電気的に短絡する配線の一部となる配線パーツを前記燃料電池本体が有することを特徴とする燃料電池。
7. 前記燃料電池は、固体高分子型燃料電池であることを特徴とする請求項５または６に記載の燃料電池。

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