JPWO2005071782A1 - 燃料電池用燃料カートリッジおよびそれを用いた燃料電池 - Google Patents

Abstract

燃料カートリッジ１３６１の壁部１３７２に、燃料電池本体１００に液体燃料１２４を導出する燃料導出孔１３６３と、燃料導入用の開口部とが設けられ、この燃料導入用の開口部に着脱可能な燃料注入部１３６５が取り付けられている。使用後の燃料カートリッジ１３６１の燃料注入部１３６を壁部１３７２から取り外して、開口部から液体燃料１２４を補充し、再利用に供することができる。

Description

本発明は、燃料電池用燃料カートリッジと、それを用いた燃料電池に関する。

固体電解質型燃料電池は、燃料極および酸化剤極と、これらの間に設けられた固体電解質膜から構成されており、燃料極に燃料が供給され酸化剤極に酸化剤が供給されると電気化学反応により発電する。燃料極および酸化剤極は、基材と、基材表面に備えられた触媒層とを含む。燃料としては、一般的には水素が用いられている。しかし、近年では、安価で取り扱いの容易なメタノールを原料として、メタノールを改質して水素を生成してそれを燃料として用いるメタノール改質型の燃料電池や、メタノールを燃料として直接用いる直接型の燃料電池の開発も盛んに行われている。

燃料としてメタノールを直接用いる場合、燃料極での反応は以下の式（１）のようになる。
ＣＨ_３ＯＨ ＋ Ｈ_２Ｏ → ６Ｈ^＋ ＋ ＣＯ_２ ＋ ６ｅ⁻ （１）
また、酸化剤極での反応は以下の式（２）のようになる。
３／２Ｏ_２ ＋ ６Ｈ^＋ ＋ ６ｅ⁻ → ３Ｈ_２Ｏ （２）
このように、直接型の燃料電池では、メタノール水溶液から水素イオンを得ることができるので、改質器などの装置が不要になり、小型化及び軽量化を図ることができる。また、これは、液体のメタノール水溶液を燃料とするため、エネルギー密度が非常に高いという特徴がある。

このような液体燃料を用いる燃料電池は、液体燃料が供給されながら繰り返し使用される。そこで、液体燃料を収容する燃料容器の構成に関する検討がなされてきた（例えば、特開２００１−９３５５１号公報や特開２００３−９２１２８号公報参照）。

特開２００１−９３５５１号公報には、圧力調整機構を有する液体燃料収容容器が記載されている。この液体燃料収容容器は、燃料吸収部材を有しており、毛細管現象を利用して燃料を燃料極に供給する構成である。

特開２００３−９２１２８号公報には、燃料を収容する室および燃料電池からの排出物を収納する室を有する燃料カートリッジが記載されている。

燃料容器は、環境負荷の観点から再利用可能であることが好ましい。ところが、従来の燃料容器は、一度使用された後の再利用を可能にするという設計思想に基づくものではなかった。上記した特開２００１−９３５５１号公報および特開２００３−９２１２８号公報に記載の燃料容器も、容器内に収容された燃料を使用した後、その容器を回収して新たな燃料を補充して再利用可能な状態とし、利用者に再度提供することが可能な構成となってはいなかった。
特開２００１−９３５５１号公報 特開２００３−９２１２８号公報

本発明は上記事情を踏まえてなされたものであり、その目的は、燃料容器を繰り返し利用可能にする技術を提供することにある。

本発明によれば、燃料電池の燃料極に直接供給する液体燃料を収容し、燃料電池に着脱可能である燃料電池用燃料カートリッジであって、燃料電池に液体燃料を供給する燃料供給部と、当該燃料電池用燃料カートリッジ内へ液体燃料を補充するための開閉可能な燃料導入部とを有することを特徴とする燃料電池用燃料カートリッジが提供される。この燃料電池用燃料カートリッジを燃料電池に装着し、燃料導入部を閉じた状態で使用した後、燃料電池から取り外し、燃料導入部を開放して残存燃料の排出および新たな燃料の補充を行うことができる。よって、簡素な構成で燃料カートリッジの繰り返し利用が可能となる。

本発明の燃料電池用燃料カートリッジにおいて、液体燃料を収容する収容室の壁部に開口部が設けられており、燃料導入部は、開口部と、開口部を閉じる閉止部材とを含み、閉止部材が壁部から脱着可能である構成とすることができる。こうすることにより、燃料カートリッジの使用時は、燃料導入部を確実に閉じておくことができる。また、使用後は、閉止部材を壁部から取り外すことができる。このため、燃料導入部を開放して残存燃料の排出および新たな燃料の補充を行うことができる。そして、燃料の補充後、閉止部材を再度装着することができる。このため、燃料カートリッジの繰り返し使用をより一層容易に行うことができる。

本発明の燃料電池用燃料カートリッジにおいて、閉止部材が、開口部に嵌合された栓体であってもよい。こうすることにより、簡易な構成で開口部を確実に開閉することができる。

本発明の燃料電池用燃料カートリッジにおいて、燃料導入部に燃料供給部が設けられてもよい。燃料導入部に燃料供給部を設けることにより、燃料電池用燃料カートリッジの全体の構成を簡素化することができる。

本発明の燃料電池用燃料カートリッジにおいて、燃料供給部がセルフシール部材により封止された構成とすることができる。ここで、セルフシール部材とは、針等の尖体で突き刺された際に、その貫通部分において尖体と被貫通部材との間が密閉される性質を有する部材のことである。被覆部材をゴム等の弾性部材で構成すれば、針等の尖体で突き刺された際、弾性部材が弾性変形を起こし、尖体と被貫通部材との間が好適に密閉される。セルフシール部材として、たとえば、シリコーンゴム等からなるセプタムや、エチレンプロピレンゴム等からなるリシール等が挙げられる。その他、尖体が貫通する部分を加硫ゴムとしてもよい。この場合、ゴム中にスリットを設け、スリット側壁にシリコンオイル等の潤滑剤を塗布してもよい。このように、燃料供給部がセルフシール部材により封止された構成とすることにより、燃料電池用燃料カートリッジ内に収容された液体燃料がカートリッジ外に漏出することの抑制が図られる。このため、燃料電池用燃料カートリッジをさらに安全に使用することができる。

本発明の燃料電池用燃料カートリッジは、液体燃料を保持する第１の室と、燃料極を通過した廃液が導入される第２の室と、第１の室と第２の室とを区画する隔壁とを有し、第１の室は燃料供給部および燃料導入部を有し、第２の室は、燃料極から回収された廃液が導入される廃液回収孔を有していてもよい。

ここで、廃液は、燃料極を通過して排出された余剰の液体燃料と、酸化剤極において電池反応により生成した水を含む。本発明の燃料電池用燃料カートリッジにおいて、廃液回収孔を有する構成とすることにより、燃料極を通過した未使用の液体燃料を含む廃液をカートリッジ内に効率よく回収することができる。また、廃液が回収される第２の室と、液体燃料が収容される第１の室との間に隔壁が設けられているため、これらの混合を防止し、第１の室内に収容された燃料極に好適な濃度の液体燃料を安定的に供給することができる。

本発明の燃料電池用燃料カートリッジにおいて、第２の室は、廃液を排出するための開閉可能な廃液排出部を有する構成とすることができる。こうすることにより、燃料電池用燃料カートリッジを使用した後に、燃料電池から取り外し、回収された廃液を廃液排出部から除去することができる。このため、繰り返し使用が容易になる。

本発明の燃料電池用燃料カートリッジにおいて、廃液排出部に廃液回収孔が設けられてもよい。廃液排出部に廃液回収孔を設けることにより、燃料電池用燃料カートリッジの全体の構成を簡素化することができる。

本発明の燃料電池用燃料カートリッジにおいて、廃液回収孔がセルフシール部材により封止された構成とすることができる。こうすることにより、廃液がカートリッジ外に漏出しないようにすることができる。このため、燃料電池用燃料カートリッジの安全性を向上させることができる。

本発明の燃料電池用燃料カートリッジにおいて、燃料導入部の一部が液体燃料を吸収する燃料吸収部材によって構成され、燃料吸収部材が当該燃料カートリッジの内部に配設されてもよい。こうすることにより、燃料電池用燃料カートリッジに収容された液体燃料を、燃料吸収部材に吸収させた状態で燃料電池に装着し、使用することができる。このため、カートリッジ内の残存燃料の量が少ない場合においても、燃料吸収部材を通じて燃料供給部から燃料電池に確実に液体燃料を供給することができる。よって、燃料電池を安定的に運転することができる。

本発明の燃料電池用燃料カートリッジにおいて、燃料吸収部材は、燃料導入部から着脱可能であってもよい。こうすることにより、燃料導入部を燃料電池用燃料カートリッジから取り外して燃料を補充する際などに、燃料吸収部材の交換を容易に行うことができる。このため、カートリッジをさらに長期間使用することができる。

本発明の燃料電池用燃料カートリッジにおいて、電気機器に収容される構成とすることができる。このようにすれば、燃料電池用燃料カートリッジが電気機器に収容された状態で電気機器を使用することが可能となる。このため、電気機器をさらに安定的に運転することができる。また、この場合にも、燃料電池用燃料カートリッジは燃料導入部を有するため、使用時の液体燃料の漏出を抑制することができる。また、使用後は容易に再利用することができる。なお、本発明の燃料電池用燃料カートリッジにおいて、表面の一部が露出した状態で電気機器に収容されてもよい。また、その一部が電気機器から突出した状態で電気機器に収容されてもよい。また、本発明の燃料電池用燃料カートリッジにおいて、電気機器の内部に収容された構成とすることができる。こうすることにより、電気機器をより一層安定的に運転することができる。

本発明によれば、燃料極を有する燃料電池本体と、燃料極に直接供給される液体燃料が収容される、前記したいずれかの構成の燃料電池用燃料カートリッジとを含む燃料電池が提供される。本発明に係る燃料電池は、開閉可能な燃料導入部を有する燃料カートリッジを有するため、カートリッジ内の燃料の補充を容易に行うことができる。

本発明の燃料電池は、たとえば携帯電話、ノート型等の携帯型パーソナルコンピュータ、ＰＤＡ（Personal Digital Assistant）、各種カメラ、ナビゲーションシステム、ポータブル音楽再生プレーヤ等の小型電気機器に適用可能である。

なお、これらの各構成の任意の組み合わせや、本発明の燃料電池用燃料カートリッジおよび燃料電池を応用した種々の装置や、これらを製造したり使用したりする方法も、本発明の態様として有効である。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の構成を示す図である。 図１のＡ−Ａ’線断面図である。 図２に示す燃料カートリッジの燃料導入部を拡大して示す図である。 図３の矢印Ｂ，Ｂ’方向に見た図である。 図１のＣ−Ｃ’線断面図である。 図１に示す燃料カートリッジと燃料電池本体との接続部分を拡大して示す図である。 本発明に係る燃料電池を搭載した電気機器の一例を示す模式図である。 本発明に係る燃料電池を搭載した電気機器の他の例を示す模式図である。 本発明に係る燃料電池を搭載した電気機器のさらに他の例を示す模式図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料カートリッジの構成を示す断面図である。 図９に示す燃料カートリッジの燃料導入部を拡大して示す図である。 図９に示す燃料カートリッジの燃料導入部の他の例を拡大して示す図である。 図９に示す燃料カートリッジの燃料導入部のさらに他の例を拡大して示す図である。 図１２に示す燃料カートリッジに対応する燃料電池本体の構成を示す図である。 図１２のＡ−Ａ’線断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る燃料カートリッジの構成を示す断面図である。 図１５に示す燃料カートリッジの廃液排出部を拡大して示す図である。 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池の構成を示す図である。 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池の他の例の構成を示す図である。 本発明の第４の実施形態に係る燃料カートリッジの構成を示す断面図である。 図１９に示す燃料カートリッジの燃料導入部を拡大して示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、すべての図面において、共通の構成要素には同一の符号を付し、適宣説明を省略する。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態は、使用後に燃料電池から取り外して液体燃料を補充し、再利用できる燃料カートリッジに関する。ここでは、本実施形態の燃料カートリッジの壁部に設けられた燃料補充口およびこれを塞ぐ栓体からなる燃料導入部の態様について主に説明する。

図１は、本実施形態に係る燃料電池を示す図である。図１に示す燃料電池１３８１は、燃料電池本体１００および燃料カートリッジ１３６１を有する。燃料カートリッジ１３６１は、燃料電池本体１００に着脱可能であり、燃料電池本体１００に直接供給する液体燃料を保持する容器である。

図２は、図１のＡ−Ａ’線断面図である。燃料カートリッジ１３６１において、発電燃料室１３６７内に液体燃料が収容されている。燃料カートリッジ１３６１の壁部１３７２には、燃料電池本体１００に液体燃料を導出する燃料導出孔１３６３が設けられている。燃料導出孔１３６３は壁部１３７２を貫通する孔であり、その内部に設けられたシール部材１３７５によって封止されている。

シール部材１３７５は、セルフシール性を有する弾性部材である。シール部材１３７５として、たとえばセプタムやリシールを用いることができる。シール部材１３７５は、液体燃料に対する耐性を有し、密閉可能な材料から構成することが好ましい。このような材料として、たとえば、エチレンプロピレンゴムやシリコーンゴム等のエラストマーを用いることができる。シール部材１３７５をエチレンプロピレンゴムから構成する場合、エチレンとプロピレンの共重合体（ＥＰＭ）、またはエチレンとプロピレンと第３成分の共重合体（ＥＰＤＭ）を用いることができる。また、シール部材１３７５を加硫ゴムから構成することもできる。

燃料カートリッジ１３６１の壁部１３７２に設けられた開口部に、燃料注入部１３６５が取り付けられている。燃料注入部１３６５は壁部１３７２にネジ止めされ、比較的強固に固定されているが、後述するように、燃料カートリッジ１３６１を再生する際には壁部１３７２から取り外すことが可能である。燃料注入部１３６５を取り外すと、その部分において壁部１３７２の開口部が露出するため、その開口部から液体燃料の補充が可能となる。

ここで、燃料注入部１３６５は、燃料電池１３８１の使用者が誤って開放することのないように、たとえば特殊な形状のネジ頭を有するネジにするなどの配慮を施すことができる。ネジは、たとえば以下の構成とすることができる。

図３は、燃料注入部１３６５近傍における壁部１３７２を拡大して示す図である。図３に示したように、壁部１３７２は開口部を有し、開口部の内壁面にネジ部１３７３が形成されている。燃料注入部１３６５は、ネジ部１３７６が壁部１３７２のネジ部１３７３にネジ込まれることによって固定され、開口部を閉じている。ここでは、燃料注入部１３６５のネジ部１３７６が雄ネジで、壁部１３７２のネジ部１３７３が雌ネジである。

燃料注入部１３６５が燃料カートリッジ１３６１の壁部１３７２にネジ止めされているため、使用後、燃料注入部１３６５を取り外し、燃料カートリッジ１３６１の内部に液体燃料を再充填することができる。そして、液体燃料を再充填した後に、燃料注入部１３６５を壁部１３７２に再び取り付けて開口部を塞ぐことができる。また、燃料注入部１３６５は、液体燃料を補充する際に、燃料カートリッジ１３６１の内部に未使用のまま残った残存燃料の排出口としても使用することができる。

燃料カートリッジ１３６１の外表面において、壁部１３７２と燃料注入部１３６５との間にはＯリング１３６９が設けられている。ネジ部１３７３の根元付近にＯリング１３６９を設けることにより、燃料注入部１３６５の近傍から液体燃料が燃料カートリッジ１３６１外部に漏出することの抑制が図られる。

図４は、図３を矢印Ｂ，Ｂ’方向に見た図である。図４に示したように、燃料注入部１３６５の表面にＹ字溝１３７７が設けられている。このため、Ｙ字溝１３７７の形状に対応するＹ字ドライバーを用いて燃料注入部１３６５を壁部１３７２に対して着脱することができる。

燃料カートリッジ１３６１を構成する壁部１３７２、燃料注入部１３６５、シール部材１３７５、Ｏリング１３６９は、液体燃料中の燃料成分に対する耐性を有する材料により形成することが好ましい。たとえば、ポリプロピレンやポリエチレンなどのポリオレフィン、ポリカーボネート、ポリ塩化ビニル、ポリエーテルエーテルケトン、ポリスルフォン、シリコーン、またはこれらの共重合体や混合物等の樹脂により形成することができる。

なお、燃料注入部１３６５、および／または燃料注入部１３６５がネジ止めされる壁部１３７２の開口部近傍を、機械的強度の高い材料によって構成してもよい。こうすれば、燃料注入部１３６５、および／または壁部１３７２の燃料注入部１３６５近傍部分の強度が向上する。このため、燃料注入部１３６５の着脱の際のネジ部１３７６やネジ部１３７３の摩耗等を抑制し、燃料カートリッジ１３６１を、繰り返し利用にさらに適したカートリッジとすることができる。また、ダイフロン（登録商標）等のフッ素樹脂製のテープによりネジ部１３７６の表面を被覆してもよい。こうすれば、収容された液体燃料のカートリッジ外部への漏出をさらに確実に抑制することができる。

再び図１を参照して、燃料電池本体１００の構成について説明する。燃料電池本体１００は、複数の単セル構造１０１、燃料容器８１１、仕切板８５３、燃料流出管１１１１、燃料回収管１１１３、リザーバタンク１３８６、ポンプ１１１７、およびコネクタ１１２３を含む。燃料カートリッジ１３６１は、コネクタ１１２３により燃料電池本体１００と着脱可能に構成されている。また、図１には示していないが、燃料電池本体１００は、単セル構造１０１の酸化剤極における電池反応で生成する水をリザーバタンク１３８６に回収する酸化剤極側廃液回収管を有する。

この構成では、燃料カートリッジ１３６１に収容された液体燃料１２４が単セル構造１０１に供給される。すなわち、燃料流出管１１１１には、ポンプ１１１７が設けられており、燃料流出管１１１１はリザーバタンク１３８６を挟んで燃料容器８１１に連通している。従って、燃料容器８１１には燃料流出管１１１１を経由して燃料１２４が供給される。燃料容器８１１に流入した燃料１２４は、燃料容器８１１内に設けられた複数の仕切り板８５３に沿って流れ、複数の単セル構造１０１に順次供給される。単セル構造１０１に供給された燃料１２４のうち、電池反応に用いられなったものは、燃料回収管１１１３からリザーバタンク１３８６に回収される。回収された残存燃料は、リザーバタンク１３８６において、酸化剤極側廃液回収管（不図示）から回収された水、および燃料カートリッジ１３６１から供給される燃料１２４と混合された後、再び燃料流出管１１１１から燃料容器８１１に供給される。

ポンプ１１１７として、たとえば消費電力が非常に小さい小型の圧電モーター等の圧電素子を用いることができる。また、図１には示していないが、本実施形態の燃料電池１３８１は、ポンプ１１１７の動作を制御する制御部を有することができる。

なお、本実施形態および以下の各実施形態の説明においては、燃料回収管１１１３および酸化剤極側廃液回収管からリザーバタンク１３８６に回収される液体を廃液と呼ぶ。廃液は、燃料極で電池反応に使用されなかった液体燃料と、酸化剤極で生成する水を含む。

図５は、図１のＣ−Ｃ’線断面図である。単セル構造１０１は、燃料極１０２、酸化剤極１０８、および固体電解質膜１１４を含む。１枚の固体電解質膜１１４の一方の面に複数の燃料極１０２が設けられており、他方の面に複数の酸化剤極１０８が設けられている。また、燃料容器８１１は燃料極１０２と接している。

固体電解質膜１１４は、燃料極１０２と酸化剤極１０８を隔てるとともに、両者の間で水素イオンを移動させる役割を有する。このため、固体電解質膜１１４は、水素イオンの伝導性が高い膜であることが好ましい。また、化学的に安定であって機械的強度が高いことが好ましい。固体電解質膜１１４を構成する材料としては、スルホン基やリン酸基等の強酸基や、カルボキシル基等の弱酸基等の極性基を有する有機高分子が好ましく用いられる。こうした有機高分子として、スルホン化ポリ（４−フェノキシベンゾイル−１，４−フェニレン）、アルキルスルホン化ポリベンゾイミダゾール等の芳香族縮合系高分子；スルホン基含有パーフルオロカーボン（例えばデュポン社製ナフィオン（登録商標）や旭化成株式会社製アシプレックス（商標））；カルボキシル基含有パーフルオロカーボン（例えば旭硝子株式会社製フレミオンＳ膜（登録商標））；等が例示される。

燃料極１０２および酸化剤極１０８は、それぞれ、触媒を担持した炭素粒子と固体電解質の微粒子とを含む燃料極側触媒層および酸化剤極側触媒層をそれぞれ基体上に形成した構成とすることができる。

燃料極側触媒層の触媒としては、白金、金、銀、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、コバルト、ニッケル、レニウム、リチウム、ランタン、ストロンチウム、イットリウム、またはこれらの合金等が例示される。酸化剤極１０８に用いる酸化剤極側触媒層の触媒としては、燃料極側触媒層と同様のものを用いることができ、上に例示した物質を使用することができる。なお、燃料極側触媒層および酸化剤極側触媒層の触媒は同じものを用いても異なるものを用いてもどちらでもよい。

燃料極１０２、酸化剤極１０８ともに、基体としては、カーボンペーパー、カーボンの成形体、カーボンの焼結体、焼結金属、発泡金属等の多孔性基体を用いることができる。

このように構成された燃料電池本体１００において、各単セル構造１０１の燃料極１０２には、燃料１２４が供給される。また、各単セル構造１０１の酸化剤極１０８には、酸化剤が供給される。燃料１２４としては、メタノール、エタノール、ジメチルエーテル、または他のアルコール類、シクロパラフィン等の液体炭化水素等、ホルマリン、ギ酸、あるいはヒドラジン等の液体燃料を用いることができ、さらに、これらの水溶液を用いることもできる。また、燃料１２４にアルカリを加えて、水素イオンのイオン伝導性を高めることができる。酸化剤としては、通常、空気を用いることができるが、酸素ガスを供給してもよい。

再び図１を参照して、次に、燃料カートリッジ１３６１の使用方法を説明する。使用前の燃料カートリッジ１３６１には液体燃料１２４が充填されており、燃料導出孔１３６３は密閉され、燃料注入部１３６５は閉じられている。

燃料カートリッジ１３６１の使用時には、燃料カートリッジ１３６１を燃料電池本体１００のコネクタ１１２３に装着する。図６は、図１の燃料カートリッジ１３６１と燃料流出管１１１１との接続部分を拡大して示した図である。図６に示したように、燃料電池本体１００の燃料流出管１１１１の先端に、中空針１３７９が設けられている。燃料カートリッジ１３６１を燃料電池本体１００に装着すると、中空針１３７９がシール部材１３７５を貫通するため、燃料カートリッジ１３６１内の液体燃料が燃料流出管１１１１へと導入される。この燃料流出管１１１１は前述したように単セル構造１０１の燃料極１０２に連通しており、燃料極１０２に燃料１２４が供給される。

なお、シール部材１３７５はセルフシール性を有するため、中空針１３７９を突き刺した際に中空針１３７９の外周にシール部材１３７５が密着し、気密性が確保される。このため、液体燃料の漏れが好適に抑制される。また、中空針１３７９を除去すれば孔は塞がり、気密性が確保される。

燃料カートリッジ１３６１を使用した後、これを燃料電池本体１００から取り外すことができる。取り外された燃料カートリッジ１３６１は再利用することができる。再利用する際には、Ｙ字ドライバーを用いて燃料注入部１３６５を壁部１３７２から取り外す。燃料注入部１３６５を取り外すことにより壁部１３７２の開口部が露出するため、この開口部から、発電燃料室１３６７内に残存する液体を排出する。その後、発電燃料室１３６７内に液体燃料を再充填してから、燃料注入部１３６５を壁部１３７２に再び装着する。

本実施形態の燃料カートリッジ１３６１は、燃料カートリッジ１３６１内に収容された液体燃料１２４を使用した後、これを再充填することが可能である。また、液体燃料１２４を補充する前に、燃料カートリッジ１３６１内の残存燃料を除去することもできる。たとえば、最初に燃料１２４を収容して燃料注入部１３６５を閉じた後、燃料注入部１３６５を壁部１３７２から着脱できない場合には、たとえばシール部材１３７５に燃料注入用の中空針を突き刺さなければ燃料１２４の補充や排出が行えず、これらは比較的困難である。これに対し、本実施形態の構成にすれば、簡素な構成でありつつ、繰り返し利用するのに適した燃料カートリッジ１３６１を安定的に得ることができる。

また、液体燃料１２４を補充する際に取り外される燃料注入部１３６５は、壁部１３７２に比較的強固にネジ止めされている。燃料注入部１３６５は比較的強固に固定されて通常は閉じられており、Ｙ字ドライバーを用いて着脱される。このように、燃料電池１３８１の使用時に使用者が誤って取り外せないような構成であるため、使用時の安全性が確保されている。

なお、燃料カートリッジ１３６１において、発電燃料室１３６７内の気圧を調整する圧力調整機構を設けることができる。こうすれば、発電燃料室１３６７内の液体燃料１２４をさらに効率よく燃料電池本体１００に供給することができる。また、燃料カートリッジ１３６１を使用する際の安全性を向上させることができる。

また、図１に示す燃料回収管１１１３に気液分離膜を設けてもよい。こうすれば、燃料極１０２で生じた二酸化炭素等の気体を燃料回収管１１１３の外部に選択的に排出し、液体を確実にリザーバタンク１３８６に回収することができる。さらに、図１の構成においては燃料回収管１１１３がリザーバタンク１３８６に連通しているが、単セル構造１０１を通過した余剰の燃料が、燃料回収管１１１３から燃料カートリッジ１３６１に回収される構成とすることもできる。

図７は、以上説明した燃料電池を搭載した電気機器の一例を示す模式図であり、携帯型パーソナルコンピュータを例示している。

携帯型パーソナルコンピュータ２１０は、底面部に燃料電池本体１００が設けられており、背面部に燃料カートリッジ１３６１が装着されて収容された構成である。燃料カートリッジ１３６１は、表面の一部が露出した状態で携帯型パーソナルコンピュータ２１０に収容されている。このような構成であるため、携帯型パーソナルコンピュータ２１０のサイズを小型に保ちつつ、燃料カートリッジ１３６１を搭載することができる。また、燃料カートリッジ１３６１は、着脱可能な燃料注入部１３６５（図７には不図示）を有しているため、使用後、燃料カートリッジ１３６１を携帯型パーソナルコンピュータ２１０から容易に取り外し、上述した方法で再利用することができる。

なお、燃料電池本体１００および燃料カートリッジ１３６１の実装方法は図７の態様に限らず他の態様としてもよい。たとえば、燃料カートリッジ１３６１が携帯型パーソナルコンピュータ２１０の内部に格納されていてもよい。図８ａおよび図８ｂは、内部に燃料カートリッジ１３６１が収容された携帯型パーソナルコンピュータ２１０の構成を示す断面図である。図８ａに示す構成では、携帯型パーソナルコンピュータ２１０の底面部に燃料カートリッジ１３６１が完全に収容されている。また、図８ｂに示す構成では、携帯型パーソナルコンピュータ２１０のヒンジ部に燃料カートリッジ１３６１が格納されている。

このようにすれば、燃料電池本体１００および燃料カートリッジ１３６１をより一層安定的に使用することができる。このとき、燃料カートリッジ１３６１を小型化することにより、携帯型パーソナルコンピュータ２１０を小型化かつ軽量化することができる。

従来、携帯型パーソナルコンピュータ２１０に収容される燃料容器は、再利用を行うという観点で設計されてはいなかったため、使い捨てにされる構成を有していた。これに対し、本実施形態においては、携帯型パーソナルコンピュータ２１０に収容される小型の燃料カートリッジ１３６１が、着脱可能な燃料注入部１３６５を有しているため、使用後の再利用が可能である。

（第２の実施形態）
図９は、本発明の第２の実施形態に係る燃料カートリッジの構成を示す断面図であり、図２と同じ方向から見た図である。本実施形態の燃料カートリッジは、燃料注入部１３６５が燃料導出孔１３６３を有する構成である。すなわち、図９の燃料カートリッジ１３８０において、壁部１３７２に燃料注入部１３６５が設けられ、燃料注入部１３６５を貫通する燃料導出孔１３６３が形成されている。

また、燃料カートリッジ１３８０は圧力調整部１３８２を有している。圧力調整部１３８２として、具体的には、たとえば、液体燃料を透過しない選択透過膜を用いることができる。選択透過膜として、液体燃料の気化物が透過しにくい材料を用いてもよく、具体的には、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等が挙げられる。このような圧力調整部１３８２を設けることにより、発電燃料室１３６７内が負圧になることを抑制し、発電燃料室１３６７内の液体燃料が確実に燃料電池本体１００に供給される構成とすることができる。

図１０は、燃料注入部１３６５の構成を示す図である。燃料注入部１３６５の基本構成は、図３に示す第１の実施形態に係る燃料カートリッジ１３６１の燃料注入部１３６５と同様であるが、燃料カートリッジ１３８０の内外を導通させる燃料導出孔１３６３が設けられている点が異なる。燃料カートリッジ１３８０内に収容された液体燃料は、燃料導出孔１３６３を通じて燃料電池本体１００に供給される。なお、図１１に示したように、図１０の燃料注入部１３６５においても、図２に示した構成と同様に燃料導出孔１３６３がシール部材１３７５によって密閉されていてもよい。

図１２は、燃料注入部１３６５の別の構成を示す図である。図１２に示す燃料注入部１３６５の基本構成は、図１０に示す燃料注入部１３６５と同様であるが、燃料カートリッジ１３８０の外側に突出する突出部１３８３を有し、シール部材１３７５が突出部１３８３に設けられた点が異なる。

図１３は、図１２に示した燃料注入部１３６５に対応して好適に用いられる燃料電池本体１００の構成を示す図であり、図６と同じ方向から見た図である。図１３に示したように、燃料電池本体１００は壁面に凹部１３８４を有し、中空針１３７９が凹部１３８４内に形成されている。中空針１３７９の先端の高さは、凹部１３８４の開口端の高さよりも低くなっている。凹部１３８４に突出部１３８３を嵌合させた際に、中空針１３７９がシール部材１３７５を貫通し、燃料流出管１１１１に燃料カートリッジ１３８０内の液体燃料が供給される構成となっている。

図１２および図１３に示した構成を採用すれば、中空針１３７９の先端の高さを燃料電池本体１００の凹部１３８４の開口端の高さよりも低くすることができる。このため、燃料電池の使用者が燃料カートリッジ１３８０を燃料電池本体１００に装着する際の安全性を向上させることができる。

図１４は、図１２に示した燃料注入部１３６５のＡ−Ａ’線断面図である。図１２に示した燃料注入部１３６５にも、表面にＹ字溝１３７７が設けられている。このため、使用後、Ｙ字溝１３７７の形状に対応する凸部および突出部１３８３の形状に対応する凹部が形成された工具を用いて壁部１３７２から取り外し、液体燃料の補充を行うことができる。このような工具を用いて着脱する構成とすることにより、使用中に誤って燃料注入部１３６５を取り外すことの抑制が図られる。よって、燃料カートリッジ１３８０の安全性をさらに向上させることができる。

本実施形態に係る燃料カートリッジ１３８０においては、燃料注入部１３６５に燃料導出孔１３６３が形成されている。そして、燃料カートリッジ１３８０を繰り返し使用した後、シール部材１３７５の交換の必要が生じた際に、燃料注入部１３６５のみを交換すればよい。このため、燃料カートリッジ１３８０本体の構成を簡素化し、繰り返し使用に好適な燃料カートリッジ１３８０を安定的に得ることができる。

（第３の実施形態）
図１５は、本発明の第３の実施形態に係る燃料カートリッジの構成を示す断面図である。図１５に示した燃料カートリッジ１３８５は、隔壁１３６２によって２室に隔てられている。一方の室が発電燃料室１３６７であり、他方の室が発電廃液室１３６８である。

隔壁１３６２の材料は、たとえば第１の実施形態の燃料カートリッジ１３６１の構成材料として例示したものと同じ材料にすることができる。また、隔壁１３６２は、可撓性を有する材料としてもよい。こうすることにより、燃料カートリッジ１３８５の使用に伴って発電燃料室１３６７内の液体燃料が減少し、発電廃液室１３６８内の廃液が増加するのに対応して隔壁１３６２の形状が変化する構成とすることができる。このため、液体燃料を効率よく燃料電池本体１００に供給するとともに、廃液を発電廃液室１３６８内に確実に回収することができる。可撓性を有する材料として、具体的には、たとえば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニリデン等の高分子材料を用いることができる。

発電燃料室１３６７には液体燃料１２４が収納されている。発電燃料室１３６７を外部から区画する壁部には燃料注入部１３６５が取り付けられ、この燃料注入部１３６５に燃料導出孔１３６３が設けられており、液体燃料１２４が燃料導出孔１３６３を通じて燃料電池本体１００へ供給される。

また、発電廃液室１３６８を外部から区画する壁部には燃料排出部１３６６が取り付けられ、この燃料排出部１３６６に廃液回収孔１３６４が設けられている。燃料電池本体１００において発生した発電廃液は、廃液回収孔１３６４を通じて発電廃液室１３６８に回収される。燃料カートリッジ１３８５は、発電燃料室１３６７に加え、さらに発電廃液室１３６８を有するため、燃料電池本体１００での電池反応で生じた廃液の一部を効率よくカートリッジ内に回収することができる。

燃料排出部１３６６は、燃料カートリッジ１３８５の、発電廃液室１３６８を外部から区画する壁部にネジ止めされている。燃料カートリッジ１３８５を使用した後、これを燃料電池本体１００から取り外し、必要に応じて燃料排出部１３６６を開いて燃料カートリッジ１３８５内に回収された発電廃液を排出することができる。また、発電廃液を排出した後は、燃料排出部１３６６を再び閉じて、再度の使用に供することができる。

図１６は廃液排出部１３６６の構成を示す断面図である。図１６に示す廃液排出部１３６６は、燃料注入部１３６５と同様に、燃料カートリッジ１３８５にネジ止めにより固定されるネジ山を有している。また、廃液排出部１３６６の中央に、これを貫通する廃液回収孔１３６４が設けられている。また、ネジ山の根元にＯリング１３６９が設けられた状態で、燃料カートリッジ１３８５に嵌合される。こうすることにより、廃液が燃料カートリッジ１３８５外に漏出しないようにすることができる。

なお、図１６には示していないが、廃液回収孔１３６４を封止するシール部材１３７５を設けてもよい。また、燃料排出部１３６６が、図１２に示した燃料注入部１３６５と同様に突出部を有していてもよい。

図１７は、図１５の燃料カートリッジ１３８５を燃料電池本体１００に装着した状態を示す図である。本実施形態において、燃料電池本体１００の基本構成は図１の構成と同様であるが、燃料極１０２を通過した液体を回収する廃液回収管１１１４を有する点が異なる。廃液回収管１１１４の一端は、リザーバタンク１３８６に連通するように構成されている。また、廃液回収管１１１４の他端は、燃料カートリッジ１３８５を装着した際に、廃液回収孔１３６４に連通するように構成されている。

また、図１７には示していないが、燃料電池本体１００は、単セル構造１０１の酸化剤極における電池反応で生成する水をリザーバタンク１３８６に回収する酸化剤極側廃液回収管を有する。酸化剤極側廃液回収管（不図示）にもポンプ１１１７を設けることができる。

ここで、たとえば、燃料成分がメタノールである場合には、前記した式（１）および式（２）から明らかなように、燃料極１０２で使用されるメタノールのモル数よりも酸化剤極１０８で生成される水のモル数の方が大きい。このため、廃液のすべてをリザーバタンク１３８６に回収し続けると、リザーバタンク１３８６の液量が増加し続けることになる。図１７の燃料電池では、リザーバタンク１３８６内の液体を燃料カートリッジ１３８５の発電廃液室１３６８に回収することができるため、燃料電池を長期間安定的に運転することができる。

また、発電廃液室１３６８を外部から区画する壁部に廃液排出部１３６６が形成されているため、燃料カートリッジ１３８５を使用した後、廃液排出部１３６６を取り外し、廃液を排出することができる。このため、簡素な構成で繰り返し利用に適した燃料カートリッジ１３８５を安定的に得ることができる。

図１８は、図１５の燃料カートリッジ１３８５が装着された燃料電池の他の構成を示す図である。図１８において、燃料電池本体１００の基本構成は図１７の構成と同様であるが、燃料極１０２を通過した液体および酸化剤極１０８で生成した廃液を燃料回収管１１１３から燃料カートリッジ１３８５に回収する廃液回収管１１１４が分岐している点が異なる。

燃料回収管１１１３と廃液回収管１１１４の分岐部には、流量調整バルブ１３３１が設けられている。また、燃料回収管１１１３にポンプ１１１７が設けられている。また、廃液回収管１１１４は、下流側で燃料カートリッジ１３８５の廃液回収孔１３６４に連通するように構成されている。また、図１８には図示していないが、廃液回収管１１１４は、酸化剤極側廃液回収管（不図示）にも連通しており、酸化剤極１０８で生じた廃液も廃液回収管１１１４に導入される。酸化剤極側廃液回収管（不図示）にもポンプ１１１７を設けることができる。

図１８の燃料電池では、燃料回収管１１１３から回収される液体の一部を廃液回収管１１１４から燃料カートリッジ１３８５の発電廃液室１３６８に回収することができる。このため、リザーバタンク１３８６内の液体の燃料成分濃度の低下を抑制することができる。また、発電廃液室１３６８に回収された廃液は、上述のように、燃料排出部１３６６を取り外して排出することができるため、発電廃液室１３６８を容易にリサイクルすることができる。

図１７または図１８に示した燃料電池は、リザーバタンク１３８６内の燃料成分の濃度を検知する濃度センサを有していてもよい。さらに、濃度センサで検知された濃度に基づき、廃液回収管１１１４から発電廃液室１３６８へと排出する廃液の量を制御する制御部を有していてもよい。また、図１８の燃料電池において、燃料回収管１１１３および酸化剤極側廃液回収管（不図示）に液量センサを設けてもよい。このとき、液量センサを流量調整バルブ１３３１よりも上流側、すなわち単セル構造１０１側に設けることができる。そして、回収燃料と、酸化剤極で生成する水の量を液量センサで検知し、検知された液量に基づいて、廃液回収管１１１４に排出する廃液の量を制御する制御部を有する構成とすることもできる。

なお、本実施形態において、図１５に示す構成では燃料注入部１３６５に燃料導出孔１３６３が設けられているが、第１の実施形態のように、両者をそれぞれ異なる位置に設けることもできる。また、廃液排出部１３６６と廃液回収孔１３６４も、それぞれ異なる位置に設けることもできる。

（第４の実施形態）
本発明の燃料カートリッジにおいて、燃料注入部１３６５または廃液排出部１３６６に、液体燃料１２４を吸収する燃料吸収部材が設けられていてもよい。例えば、図１９に示す本発明の第４の実施形態に係る本実施形態の燃料カートリッジでは、燃料注入部１３６５に、液体燃料を吸収する燃料吸収部材であるウィッキング材１３７０が設けられている。その他の構成は、図２に示す第１の実施形態の燃料カートリッジ１３６１と同様である。

壁部１３７２に燃料注入部１３６５が装着された際には、ウィッキング材１３７０が発電燃料室１３６７内に位置し、発電燃料室１３６７内の液体燃料をウィッキング材１３７０が吸収する。発電燃料室１３６７内の液体燃料は、ウィッキング材１３７０に吸収された後、燃料導出孔１３６３を通過することで、燃料流出管１１１１（図１参照）から燃料電池本体１００の単セル構造１０１に供給される。

図２０は、図１９の燃料カートリッジで用いられている燃料注入部１３６５の構成を示す図である。図２０において、燃料注入部１３６５には、ウィッキング材１３７０が接続されており、燃料注入部１３６５と一体で取り外すことができるようになっている。ウィッキング材１３７０は、燃料注入部１３６５に設けられたブラケット１３７１の中にはめ込まれている。カートリッジを再生する際には、ウィッキング材１３７０の状態を点検することが可能であり、必要に応じてウィッキング材１３７０をブラケット１３７１から取り外して新しいものに交換することができる。

ウィッキング材１３７０は、液体燃料を吸収し、かつ液体燃料に対する耐食性を有する材料とすることができ、発泡体などの多孔質材料で構成することができる。ウィッキング材１３７０の材料として、具体的には、たとえば、ポリウレタン、メラミン、ナイロンなどのポリアミド、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレートなどのポリエステル、セルロース、またはポリアクリロニトリルなどの樹脂を用いることができる。

本実施形態の燃料カートリッジは、ウィッキング材１３７０を有しているため、燃料カートリッジ内の燃料の量が減少した際にも、ウィッキング材１３７０に吸収された液体燃料１２４を燃料電池本体１００に確実に供給することができる。このため、燃料電池をより一層安定的に運転することができる。また、燃料カートリッジ内の液体燃料１２４の液面の位置が変動した際にも、燃料電池を安定的に作動させることができる。また、ウィッキング材１３７０が液体燃料１２４を吸収するため、カートリッジを再利用する際にも、カートリッジ内の残存燃料の除去が容易となる。

以上、本発明を実施の形態に基づいて説明した。これらの実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

たとえば、以上説明した各実施形態においては、燃料注入部１３６５が、壁部１３７２に設けられた開口部（燃料注入口）を塞ぐ栓体からなる態様としたが、燃料注入部１３６５の構成はこれに限定されず、たとえば、壁部１３７２に設けられた燃料注入口を覆う平板が移動することにより燃料注入口が開閉する構成とすることもできる。また、燃料注入部１３６５が、壁部１３７２に設けられた燃料注入口を覆うキャップからなる構成としてもよい。

また、以上説明した各実施形態においては、燃料注入部１３６５にＹ字溝１３７７が形成された構成としたが、溝の形状はＹ字溝１３７７には限定されず、その他の形状とすることもできる。

また、Ｏ−リング１３６９に代えて、テフロン（登録商標）製のパッキン等を用いて燃料注入部１３６５と壁部１３７２との間を密閉してもよい。

また、燃料電池本体１００の構成は上述したものに限られず、種々の態様とすることができる。たとえば、リザーバタンク１３８６を有しない構成とする等、構成を簡素化してもよい。

Claims (12)

1. 燃料電池の燃料極に直接供給する液体燃料を収容し、前記燃料電池に着脱可能である燃料電池用燃料カートリッジであって、
   前記燃料電池に前記液体燃料を供給する燃料供給部と、
   当該燃料電池用燃料カートリッジ内へ前記液体燃料を補充するための開閉可能な燃料導入部と、
   を有することを特徴とする燃料電池用燃料カートリッジ。
2. 前記液体燃料を収容する収容室の壁部に開口部が設けられており、
   前記燃料導入部は、前記開口部と、前記開口部を閉じる閉止部材とを含み、
   前記閉止部材が前記壁部から脱着可能であることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池用燃料カートリッジ。
3. 前記燃料導入部に前記燃料供給部が設けられていることを特徴とする、請求項１または２に記載の燃料電池用燃料カートリッジ。
4. 前記燃料供給部がセルフシール部材により封止されていることを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料電池用燃料カートリッジ。
5. 前記液体燃料を保持する第１の室と、前記燃料極を通過した廃液が導入される第２の室と、前記第１の室と前記第２の室とを区画する隔壁とを有し、
   前記第１の室は、前記燃料供給部および前記燃料導入部を有し、
   前記第２の室は、前記燃料極から回収された前記廃液が導入される廃液回収孔を有することを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載の燃料電池用燃料カートリッジ。
6. 前記第２の室は、前記廃液を排出するための開閉可能な廃液排出部を有することを特徴とする、請求項５に記載の燃料電池用燃料カートリッジ。
7. 前記廃液排出部に前記廃液回収孔が設けられていることを特徴とする、請求項６に記載の燃料電池用燃料カートリッジ。
8. 前記廃液回収孔がセルフシール部材により封止されていることを特徴とする、請求項５から７のいずれか１項に記載の燃料電池用燃料カートリッジ。
9. 前記燃料導入部の一部が前記液体燃料を吸収する燃料吸収部材によって構成され、前記燃料吸収部材が当該燃料カートリッジの内部に配設されていることを特徴とする、請求項３から８のいずれか１項に記載の燃料電池用燃料カートリッジ。
10. 前記燃料吸収部材は前記燃料導入部から着脱可能であることを特徴とする、請求項９に記載の燃料電池用燃料カートリッジ。
11. 電気機器に収容可能であることを特徴とする、請求項１から１０のいずれか１項に記載の燃料電池用燃料カートリッジ。
12. 燃料極を有する燃料電池本体と、前記燃料極に直接供給される液体燃料が収容される、請求項１から１１のいずれか１項に記載の燃料電池用燃料カートリッジとを含むことを特徴とする燃料電池。
    

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