WO2005071782A1

WO2005071782A1 - 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

Info

Publication number: WO2005071782A1
Application number: PCT/JP2005/000676
Authority: WO
Inventors: Yoshinori Watanabe; Yoshimi Kubo; Tsutomu Yoshitake; Takashi Manako; Hiroshi Kajitani; Hidekazu Kimura; Satoshi Nagao; Eiji Akiyama; Yasutaka Kouno
Original assignee: Nec Corporation
Priority date: 2004-01-22
Filing date: 2005-01-20
Publication date: 2005-08-04
Also published as: CN1910782A; JPWO2005071782A1; US20070154768A1

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

明細書

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

技術分野

[0001] 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。

背景技術

[0002] 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レ、る直接型の燃料電池の開発も盛んに行われてレ、る。

[0003] 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 OH + H O → 6H+ + CO + 6e— (1)

3 2 2

また、酸化剤極での反応は以下の式（2)のようになる。

3/20 + 6H+ + 6e— → 3H O (2)

2 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。

[0004] 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号公報ゃ特開 2003— 92128号公報参照）。

[0005] 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。 [0006] 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。

[0007] 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。ところ力従来の燃料容器は、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号公幸艮および特開 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。

特許文献 1 :特開 2001-93551号公報

特許文献 2：特開 2003-92128号公報

発明の開示

[0008] 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。

[0009] 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ツジが提供される。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、簡素な構成で燃料力ートリッジの繰り返し利用が可能となる。

[0010] 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。

[0011] 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さる。

[0012] 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レ、。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。

[0013] 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。

[0014] 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レ、てもよレ、。

[0015] 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。

[0016] 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。

[0017] 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。

[0018] 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。

[0019] 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。

[0020] 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力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。

[0021] 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力できる。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力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。

[0022] 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、前記したレ、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。

[0023] 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ビュータ、 PDA (Personal Digital Assistant)、各種カメラ、ナビゲーシヨンシステム、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。

[0024] 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ツ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。

図面の簡単な説明

[0025] [図 1]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 2]図 1の A— A '線断面図である。

[図 3]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 4]図 3の矢印 B, B '方向に見た図である。

[図 5]図 1の C—C '線断面図である。

[図 6]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。

[図 7]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。

[図 8a]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。

[図 8b]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。

[図 9]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 10]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 11]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 12]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 13]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 14]図 12の A— A'線断面図である。

[図 15]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 16]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。

[図 17]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。

[図 18]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。

[図 19]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 20]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。

発明を実施するための最良の形態

[0026] 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。

[0027] (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。

[0028] 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。

[0029] 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 1 375によって封止されている。

[0030] シーノレ部材 1375は、セルフシール性を有する弾性部材である。シーノレ部材 1375 として、たとえばセプタムゃ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、密閉可能な材料力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一を用レ、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、ェ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ちできる。

[0031] 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 137 2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

[0032] 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。

[0033] 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が形成されてレヽる。燃料注入咅 1365ίま、ネジ咅 1376力 S壁咅^ 372のネジ咅 ^373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。

[0034] 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力 Sできる。

[0035] 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カ設けられてレヽる。ネジ咅 B1373の根元付近に〇リング 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。

[0036] 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 13 65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字ドライバーを用レ、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。

[0037] 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 137 5、〇リング 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イン、ポリカーボネート、ポリ塩化ビュル、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。

[0038] なお、燃料注入部 1365、および Z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 137 3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ツ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レ、。こうすれば、収容された液体燃料のカートリツジ外部への漏出をさらに確実に抑制することができる。

[0039] 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 10 1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。

[0040] 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 10 1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に連通してレ、る。従つて、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 136 1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。

[0041] 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。

[0042] 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。

[0043] 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。

[0044] 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、スルホンィ匕ポリ（4一フエノキシベンゾィルー 1， 4—フエ二レン）、アルキルスルホン化ポリべ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ォロカーボン (例えばデュポン社製ナフイオン (登録商標）や旭化成株式会社製ァシプレックス（商標） )；カルボキシノレ基含有パーフルォロカーボン (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。

[0045] 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。

[0046] 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、コノくノレト、ニッケノレ、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。

[0047] 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。

[0048] 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 10 2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、メタノーノレ、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、ホノレマリン、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にアルカリをカ卩えて、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力 S、酸素ガスを供給してちょい。

[0049] 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。

[0050] 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 111 1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。

[0051] 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。

[0052] 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。

[0053] 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。

[0054] 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 13 81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。

[0055] 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 1 361を使用する際の安全性を向上させることができる。

[0056] 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の構成におレヽては燃料回収管 1113がリザーバタンク 1386に連通してレ、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ちでさる。

[0057] 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。

[0058] 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。

[0059] 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レ、。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

[0060] 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を小型化かつ軽量ィ匕することができる。

[0061] 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。

[0062] (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 13 80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。

[0063] 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ぐ具体的には、ポリテトラフルォロエチレン (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。 [0064] 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。

[0065] 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 1 365の基本構成は、図 10に示す燃料注入部 1365と同様である力燃料カートリッジ 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。

[0066] 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。

[0067] 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。

[0068] 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 1 365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。

[0069] 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。

[0070] (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。

[0071] 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レ、。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力 Sできる。可撓性を有する材料として、具体的には、たとえば、ポリェチレン、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。

[0072] 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。

[0073] 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 1 00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 13 68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力ートリッジ内に回収することができる。 [0074] 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 1 385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。

[0075] 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 13 66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、ネジ山の根元に〇リング 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 13 85外に漏出しないようにすることができる。

[0076] 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。

[0077] 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レ、る。

[0078] 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。

[0079] ここで、たとえば、燃料成分カ^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 1 08で生成される水のモル数の方が大きレ、。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 1 7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。

[0080] 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ツジ 1385を安定的に得ることができる。

[0081] 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が分岐してレ、る点が異なる。

[0082] 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を設けることがでさる。

[0083] 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。

[0084] 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レ、。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。

[0085] 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が設けられている力第 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。

[0086] (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ゥイツキング材 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。

[0087] 壁部 1372に燃料注入部 1365が装着された際には、ゥイツキング材 1370が発電燃料室 1367内に位置し、発電燃料室 1367内の液体燃料をゥイツキング材 1370が吸収する。発電燃料室 1367内の液体燃料は、ゥイツキング材 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。

[0088] 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、ゥイツキング材 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つている。ウイツキング材 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、ゥイツキング材 1370の状態を点検することが可能であり、必要に応じてゥイツキング材 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。

[0089] ゥイツキング材 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。ウイツキング材 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ェステル、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。

[0090] 本実施形態の燃料カートリッジは、ゥイツキング材 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、ゥイツキング材 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、ウイッキング材 1370が液体燃料 124を吸収するため、力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。

[0091] 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。

[0092] 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）を塞ぐ栓体力なる態様としたが、燃料注入部 13 65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。

[0093] 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あでさる。

[0094] また、〇_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

請求の範囲

[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のいずれ力 4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のレ、ずれか 1項に記載の燃料電池用燃料力ートリッジ。

[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のいずれ力 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のいずれ力 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のいずれ力 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。