JP5103771B2 - 燃料カートリッジ及びそれを備えた燃料電池カートリッジ - Google Patents

Description

本発明は、燃料カートリッジ及び燃料カートリッジを備えた燃料電池カートリッジに関する。

近年、携帯電話機に代表される携帯機器では、高機能化に伴い、消費電力が増大しており、現行のリチウムイオン電池に代わる次世代の電源として高密度・高容量の燃料電池が注目されている。燃料電池は水素やメタノールなどの燃料と酸素を化学反応させて得られる化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換するため、高い発電効率を得ることができる。また、機械的な駆動部が少ないため騒音が非常に小さく、小型化も可能であることが特徴である。

小型の燃料電池としては、固体高分子型の燃料電池が挙げられ、ノートパソコンや携帯電話等、携帯用機器の電源として使用するものが考案されている。これは、アルカリ電池等の一次電池や、ニッケルイオン電池等の二次電池の代わりに使うもので、電気機器に搭載して使用することができる。

図５は、一般的なパッシブ型燃料電池の断面構造を示す。
燃料収納部２０と、燃料極側セパレータ２１と、空気極側セパレータ２２と、燃料極２３と、空気極２４と、電解質膜２５と、燃料層２６からなる。一般的には、燃料収納部２０のみがカートリッジ化され、交換できるようになっている。燃料収納部２０より燃料が送り込まれる燃料層２６、その両側に燃料極２３、外側が空気極２４になるよう発電部が配置されている。外周から空気を吸収できる最も効率が良い構成になっており、一般化されている。

しかし、燃料電池の問題として空気極は酸素を吸収する以外にも水を精製する働きを有するところにある。従来の構造では、水はそのまま空気中へ水蒸気として排出する方法が取られていた。しかし、携帯機器では衣類のポケットや鞄の中に入れ、使用するケースがほとんどであり、この排水が周囲に与える影響は大きい。そこで、携帯機器用として試作されている燃料電池では、空気極側に、吸湿材を敷き排水を吸収する方法が取られている。

また、上記の問題点を解決する発明として、特許文献１には、発電反応の結果発生した水分と熱を燃料電池が用いられる電気機器に悪影響を与えないように処理する燃料電池カートリッジが提案されている（特許文献１参照）。

また、安定した燃料供給とユーザの負担を軽減し、吸着剤の交換が確実に行える燃料カートリッジ、燃料電池装置及びその燃料交換方法並びに携帯用電子機器が提案されている（特許文献２参照）。
特開２００５−１６６５５１号公報 特開２００５−２３５５７５号公報

しかしながら、従来の燃料電池では、発電反応で発生する詩文を除去するために、吸着剤が充填されており、携帯用電子機器に用いる場合には燃料と吸着剤の補給のため、カートリッジを頻繁に交換しなくてはならず、吸着剤の交換を怠ると燃料電池を備える電子機器に悪影響を与えてしまう。

本発明は、係る問題に鑑みてなされたものであり、燃料及び吸湿剤の交換を一度のカートリッジ交換によって実現される燃料カートリッジ及びそれを備えた燃料電池カートリッジを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１記載の燃料カートリッジは、凹字断面形状の燃料タンクと、燃料タンクの対向する側壁の中央付近に設けられた吸湿材を収納した吸湿部材とから構成されることを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の燃料カートリッジであって、燃料タンクの対向する側壁の内側には、電極を装着した時に電極の燃料極へ燃料を供給するためのフィルタが設けられていることを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項２記載の燃料カートリッジであって、フィルタの表面には、剥離可能なフィルムが貼着されていることを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料カートリッジであって、燃料タンクは、燃料を密閉し漏れを防止する密閉部材と、燃料の消耗によって燃料タンク内部で可動する残量表示部材と、残量表示部材の可動を所定位置で保持する保持部材と、を有することを特徴とする。

請求項５記載の発明は、請求項４記載の燃料カートリッジであって、残量表示部材は、燃料の消費に伴って吸湿部材付近から燃料タンク外側に向かって可動し、燃料を一定量消費すると、保持部材によって所定の位置で保持されることを特徴とする。

請求項６記載の発明は、請求項１から５のいずれか１項に記載の燃料カートリッジであって、吸湿部材の下部には、空気を供給するための通気口が設けられ、通気口は、燃料タンクの側壁と吸湿部材とで挟まれた空間に連結していることを特徴とする。

請求項７記載の燃料電池カートリッジは、筐体内に収納され、燃料極と酸化剤極と電解質から構成される発電部を有する燃料電池本体に装着された燃料カートリッジとを有する燃料電池カートリッジにおいて、請求項１から６のいずれか１項に記載の燃料カートリッジを有することを特徴とする。

本発明によれば、発電反応で発生した水分を排水する排水システムの省スペース化と燃料カートリッジの着脱の簡易化を実現することができる。

次に、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本実施形態に係る燃料カートリッジの構造を示した図であり、図２は、燃料カートリッジを立体化した図である。
燃料カートリッジは、燃料収納部１と、密閉用ゴム２、吸湿材外装箱３、フィルタ４、フィルム５、燃料ゲージ７、燃料封止膜８、吸入口９で構成されている。

密閉用ゴム２は、カートリッジ装着中に燃料がフィルタ４から漏れ出て吸湿材へ流れ込まないよう漏液防止のためのゴムである。吸湿材外装箱３は外部に露出する部分になるため、吸湿材を隠す目的と、発電に必要な酸素（空気）を送り込むための通気口をカートリッジ下部に設けた形状となっている。

フィルタ４は、発電部燃料極側に接する部分となり、材質は布及び綿状のもの、もしくはそれに準ずるものとし、毛細管現象を利用して燃料（メタノール）を送り込む役割を果たす。フィルム５は、カートリッジ未開封時にフィルタ４からの燃料の蒸発、漏れを防ぐためのフィルムである燃料ゲージ７は燃料の残量確認用で、可動式の燃料封止膜８が残量を示すカーソルになる。

次に、図３を参照して、燃料カートリッジ内部の構成について説明する。
図３は、図２で示した燃料カートリッジ内部の断面図である。
図１に示す同構成と吸湿材外装箱３とその内部の吸湿材１０と、燃料封止膜ストッパ６からなる。吸湿材１０は、シリカゲル及びそれに準じる水分吸着性のある素材で構成され、燃料は燃料封止膜８により真空封止されている。

発電により燃料が減少すると燃料封止膜８は、それに伴って燃料側へ移動する。燃料封止膜ストッパは燃料がほぼ空の状態になったとき燃料封止膜８の可動を停止すると共に燃料ゲージの「Ｅ」（Empty）の位置を示す。

図４は、燃料カートリッジを本体（発電部）に装着した場合の断面図である。
発電部は、燃料極側セパレータ１１と、空気極側セパレータ１２と、燃料極（アノード）１３と、空気極（カソード）１０と、電解質膜１５からなる。燃料極側セパレータ１１及び空気極側セパレータ１２は極板を保護し、また燃料と空気の入口の役目を果たす。燃料極１３では燃料（メタノール）と化学反応を起こし電子を負荷へ供給する。電解質膜１５は、燃料極で分解された水素イオンのみ空気極へ通す。空気極１４では負荷を通ってきた電子を受け取り、電解質膜を通ってきた水素イオンと空気中の酸素と結合し、水を生成する。フィルタ４は、この燃料極側セパレータ１１に十分に接するように装着され、密閉用ゴム２も発電部に密着する。吸湿剤１０は空気極側セパレータ１２との間に一定の隙間を設け、発電に必要な空気の通気スペースを確保する。

以上の説明から、本実施形態では、図５に示す従来の燃料カートリッジの構成と発電部が逆の配置をなしていることから、中央に空気極１４を向けることで排水を吸湿材１０の一箇所に集中させ、排水処理部の省スペース化を実現することができる。また、吸湿材１０と燃料収納部１を一体化したカートリッジにすることにより、交換を簡易化、着脱化の容易性の効果が得られる。

また、燃料収納部１の両側からはフィルタ４を通し、燃料極９へ直接、燃料供給される構造としている。未使用時（未開封時）は、燃料の蒸発と漏れを防ぐためにフィルタ４をフィルム５で覆っており、使用時にはフィルム５を剥がすだけでよく、使用時に煩わしい手間のかからないように工夫している。さらに、燃料収納部１は真空状態にしており、燃料の減り量によって燃料封止膜８が可動する仕組みを取っている。燃料封止膜８の位置が燃料の残量を示し、カートリッジ表面にゲージを設けることで、一目で残量確認ができる。また、発電に必要な空気の吸気口はカートリッジ下部に設け、本体デザインへの影響ないように配慮している。

燃料カートリッジの外観図である。 図１に示した燃料カートリッジを立体化した図である。 図２に示した燃料カートリッジの断面図である。 燃料カートリッジを本体（発電部）に装着した場合の断面図である。 従来の燃料カートリッジの構成を示した断面図である。

符号の説明

１ 燃料収納部
２ 密閉用ゴム
３ 吸湿材外装箱
４ フィルタ
５ フィルム
６ 燃料封止膜ストッパ
７ 燃料ゲージ
８ 燃料封止膜
９ 吸入口
１０ 吸湿材
１１ 燃料極側セパレータ
１２ 空気極側セパレータ
１３ 燃料極
１４ 空気極
１５ 電解質膜

Claims (7)

1. 燃料極と空気極を備えた発電部に用いる燃料を貯蔵する凹字断面形状の燃料タンクと、
   前記燃料タンクの対向する側壁の中央付近に設けられた吸湿材を収納した吸湿部材とから構成され、
   前記吸湿部材は、前記発電部を装着する際に前記空気極と対向するように配置され、前記空気極で発生した水分を吸着することを特徴とする燃料カートリッジ。
2. 前記燃料タンクの対向する側壁の内側には、電極を装着した時に前記電極の燃料極へ燃料を供給するためのフィルタが設けられていることを特徴とする請求項１記載の燃料カートリッジ。
3. 前記フィルタの表面には、剥離可能なフィルムが貼着されていることを特徴とする請求項２記載の燃料カートリッジ。
4. 前記燃料タンクは、
   燃料を密閉し漏れを防止する密閉部材と、
   燃料の消耗によって前記燃料タンク内部で可動する残量表示部材と、
   前記残量表示部材の可動を所定位置で保持する保持部材と、
   を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料カートリッジ。
5. 前記残量表示部材は、前記燃料の消費に伴って前記吸湿部材付近から燃料タンク外側に向かって可動し、前記燃料を一定量消費すると、前記保持部材によって所定の位置で保持されることを特徴とする請求項４記載の燃料カートリッジ。
6. 前記吸湿部材の下部には、空気を供給するための通気口が設けられ、前記通気口は、前記燃料タンクの側壁と前記吸湿部材とで挟まれた空間に連結していることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の燃料カートリッジ。
7. 筐体内に収納され、燃料極と酸化剤極と電解質から構成される発電部を有する燃料電池本体に装着された燃料カートリッジとを有する燃料電池カートリッジにおいて、
   請求項１から６のいずれか１項に記載の燃料カートリッジを有することを特徴とする燃料電池カートリッジ。

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