WO2007049649A1

WO2007049649A1 - 燃料電池用燃料カートリッジとそれを用いた燃料電池

Info

Publication number: WO2007049649A1
Application number: PCT/JP2006/321286
Authority: WO
Inventors: Kenichi Takahashi; Hiroyuki Hasebe; Koichi Kawamura
Original assignee: Kabushiki Kaisha Toshiba
Priority date: 2005-10-26
Filing date: 2006-10-25
Publication date: 2007-05-03
Also published as: TW200746526A; JP2007122961A; TWI326931B

Abstract

　燃料電池用燃料カートリッジ５は、カートリッジ本体８と、カートリッジ本体８に設けられ、分割構造を有するバルブ機構を内蔵するノズル部９とを具備する。バルブ機構は、バルブヘッド１７ａとバルブステム１８とを有するバルブ１６と、バルブヘッド１７ａをバルブシート１４に押し付けてノズル部９内の燃料流路を閉状態に保つ弾性部材２１とを備える。バルブ１６は軸方向に分割された構造を有する。

Description

燃料電池用燃料カートリッジと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] 近年、ノートパソコンや携帯電話等の各種携帯用電子機器を長時間充電なしで使用可能とするために、これら携帯用電子機器の電源に燃料電池を用いることが試みられている。燃料電池は燃料と空気を供給するだけで発電することができ、燃料を補給すれば連続して長時間発電することができるという特徴を有している。このため、燃料電池を小型化できれば、携帯用電子機器の電源として極めて有利なシステムとヽえる。

[0003] エネルギー密度の高ヽメタノール燃料を用いた直接メタノール型燃料電池（Direct

Methanol Fuel Cell: DMFC)は小型化が可能であり、さらに燃料の取り扱いも容易であるため、携帯機器用の電源として有望視されている。 DMFCにおける液体燃料の供給方式としては、気体供給型や液体供給型等のアクティブ方式、燃料収容部内の液体燃料を電池内部で気化させて燃料極に供給する内部気化型等のパッシブ方式が知られている。これらのうち、アクティブ方式は DMFCの高出カイ匕（大電力ィ匕）が可能であるため、ノートパソコン等の電源として期待されている。

[0004] 内部気化型等のパッシブ方式は、燃料ポンプのような能動的な燃料移送手段を必要としないことから、特に DMFCの小型化に対して有利である。例えば、特許文献 1 や特許文献 2には、液体燃料を保持する燃料浸透層と、燃料浸透層中に保持された液体燃料の気化成分を拡散させて燃料極に供給する燃料気化層とを具備するパッシブ型 DMFCが記載されて!、る。このようなパッシブ型 DMFCは携帯用オーディオプレーヤや携帯電話等の小型携帯機器の電源として期待されている。

[0005] アクティブ型 DMFCでは、液体燃料を収容した燃料カートリッジを燃料電池本体に接続し、この燃料カートリッジ力直接もしくは燃料収容部 (希釈調整槽等)を介して液体燃料を循環させることによって、燃料電池セルに液体燃料を供給している。一方、内部気化型等のパッシブ型 DMFCは、燃料収容部と液体燃料を気化させる機構とを具備しており、燃料収容部に対してアクティブ型と同様に燃料カートリッジを用いて液体燃料を供給する。サテライトタイプ (外部注入式)の燃料カートリッジでは、それぞれバルブ機構を内蔵するノズル部とソケット部とで構成されたカップラを用いて、液体燃料の遮断並びに注入を行うことが試みられてヽる（例えば特許文献 3参照)。

[0006] 内部気化型等のパッシブ型 DMFCは、例えば携帯用電子機器に搭載するために小型化が進められており、その結果として DMFC側のソケット部や燃料カートリッジ側のノズル部も小型化される傾向にある。このようなノズル部とソケット部とを接続し、燃料カートリッジカゝら DMFCの燃料収容部に液体燃料を注入する場合、小径ィ匕されたノズル部は燃料カートリッジに対して曲げ荷重のような力が加わった際に破損するおそれがある。

[0007] 燃料カートリッジはノズル部に内蔵されたノレブ機構で液体燃料を遮断して、るため、ノズル部が破損すると燃料カートリッジに収容された液体燃料が漏れ出すおそれがある。ノズル部が破損した際にバルブ機構自体は破損しないまでも、バルブ機構の構成部品が突出することで、誤ってバルブ機構を作動させて液体燃料が漏れ出す危険性がある。ノズル部が破損する可能性はその径が小径ィ匕するほど高まることになる。

[0008] DMFC用燃料カートリッジのノズル部には、耐メタノール性を有するポリエーテルエーテルケトン（PEEK)、ポリフエ-レンサルファイド（PPS)、液晶ポリマー（LCP)等のスーパーエンジニアプラスチックや、ポリエチレンテレフタレート（PET)、ポリブチレンテレフタレート（PBT)、ポリアセタール（POM)等の汎用エンジニアプラスチックを使用することが検討されている。し力しながら、これらは硬くて靭性に劣ることから、曲げ加重に対して折れやす、と、う難点を有して、る。

特許文献 1：特許第 3413111号公報

特許文献 2：特開 2004— 171844公報

特許文献 3：特開 2004— 127824公報

発明の開示

[0009] 本発明の目的は、ノズル部が破損した場合の不具合の発生を抑制することを可能にした燃料電池用燃料カートリッジと、そのような燃料カートリッジを適用した燃料電池を提供することにある。

[0010] 本発明の態様に係る燃料電池用燃料カートリッジは、燃料電池用の液体燃料を収容するカートリッジ本体と、前記カートリッジ本体に設けられ、分割構造を有するバルブ機構を内蔵するノズル部とを具備することを特徴としている。

[0011] 本発明の態様に係る燃料電池は、本発明の態様に係る燃料電池用燃料カートリツジと、前記燃料カートリッジのノズル部と着脱可能に接続されるソケット部を有する燃料収容部と、前記燃料収容部から前記液体燃料が供給されて発電動作する起電部とを備える燃料電池本体とを具備することを特徴として、る。

図面の簡単な説明

[0012] [図 1]本発明の実施形態による燃料電池の構成を示す図である。

[図 2]図 1に示す燃料電池のノズル部とソケット部の構成を示す断面図である。

[図 3]図 2に示すノズル部に適用したバルブを示す断面図である。

[図 4]図 3に示すバルブステムの変形例を示す正面図である。

[図 5]図 4に示すバルブステムの平面図である。

[図 6]図 2に示すノズル部の挿入部が破損した状態を示す断面図である。

[図 7]図 2に示すノズル部の変形例を示す断面図である。

[図 8]図 7に示すノズル部の挿入部が破損した状態を示す断面図である。

[図 9]破損後のノズル部に予備ノズルを装着した状態を示す断面図である。

[図 10]本発明の実施形態による燃料電池本体の構成例を示す断面図である。符号の説明

[0013] 1…燃料電池、 2…燃料電池セル、 3…燃料収容部、 4…燃料電池本体、 5…燃料カー卜リッジ、 6…ソケット部、 8· ··カー卜リッジ本体、 9· ··ノズル部、 11· ··ベース部、 12 …挿入部、 14…バルブシート、 15…バルブホルダ、 16· ··ノレブ、 17…バルブ本体、 17&· ··ノノレブヘッド、 18· ··ノノレブステム、 20· ··Οリング、 21 スプリング、 22 …ステム基部、 23· ··ステム先端部、 23a…大径部、 23b…小径部。

発明を実施するための形態

[0014] 以下、本発明を実施するための形態について説明する。図 1は本発明の実施形態による燃料電池の構成を示す図である。図 1に示す燃料電池 1は、起電部となる燃料電池セル 2と燃料収容部 3とから主として構成される燃料電池本体 4と、燃料収容部 3 に液体燃料を供給するサテライトタイプ (外部注入式)の燃料カートリッジ 5とを具備している。燃料収容部 3の下面側には、液体燃料の供給口となるソケット部 6を有する燃料供給部 7が設けられて、る。ソケット部 6は後に詳述するようにバルブ機構を内蔵しており、液体燃料が供給されるとき以外は閉状態とされている。

[0015] 燃料カートリッジ 5は、燃料電池用の液体燃料を収容するカートリッジ本体 (容器) 8 を有している。カートリッジ本体 8の先端開口部には、その内部に収容された液体燃料を燃料電池本体 4に供給する際の燃料吐出口となるノズル部 9が設けられている。ノズル部 9は後に詳述するようにバルブ機構を内蔵しており、液体燃料を供給するとき以外は閉状態とされている。このような燃料カートリッジ 5は、燃料収容部 3に液体燃料を注入するときのみ燃料電池本体 4に接続されるものである。

[0016] 燃料カートリッジ 5のカートリッジ本体 8には、燃料電池本体 4に応じた液体燃料、例えば直接メタノール型燃料電池 (DMFC)であれば各種濃度のメタノール水溶液や純メタノール等のメタノール燃料が収容されて、る。カートリッジ本体 8に収容する液体燃料はメタノール燃料に限られるものではなく、例えばエタノール水溶液や純エタノール等のエタノール燃料、プロパノール水溶液や純プロパノール等のプロパノール燃料、グリコール水溶液ゃ純グリコール等のダリコール燃料、ジメチルエーテル、ギ酸、その他の液体燃料であってもよい。いずれにしても、燃料電池本体 4に応じた液体燃料が収容される。

[0017] 燃料電池本体 4の燃料収容部 3に設けられたソケット部 6と燃料カートリッジ 5のカートリッジ本体 8に設けられたノズル部 9とは、一対の接続機構 (カップラ)を構成するものである。ソケット部 6とノズル部 9とで構成されたカップラの具体的な構成にっ、て、図 2を参照して説明する。図 2は本発明の実施形態による燃料電池用燃料カートリツジ 5の構成を示してヽる。図 2は燃料カートリッジ 5のノズル部 9と燃料電池本体 4のソケット部 6とを接続する前の状態を示して、る。

[0018] 燃料電池本体 4と燃料カートリッジ 5とを接続するカップラにおいて、カートリッジ側接続機構としてのノズル部 (ォス側カップラ） 9は、ベース部 11と挿入部 12とで構成されたノズルヘッドを有している。ベース部 11はカートリッジ本体 8の先端開口部に装着されている。ベース部 11はソケット部 6と対向する平坦面 11aを有しており、この平坦面 11 aから突出するように円筒状の挿入部 12が設けられて、る。挿入部 12はその先端側にノズル口 13を有している。ベース部 11の内側にはバルブシート 14が設けられてヽる。ベース部 11と揷入部 12とは一体成形されて、る。

[0019] ノズルヘッドの内部にはカップ状のバルブホルダ 15が配置されて!、る。バルブホルダ 15はベース部 11の内側に位置しており、ベース部 11と共にバルブ室を規定するものである。バルブホルダ 15はその先端側外縁部がカートリッジ本体 8とベース部 11 とで挟み込まれて固定されて、る。ベース部 11とバルブホルダ 15とで規定されたバルブ室内には、バルブ 16が配置されている。バルブ 16は、バルブヘッド 17aを有するバルブ本体 17と、バルブ本体 17の先端側に設けられた円柱状のバルブステム 18 と、バルブ本体 17の後方側に設けられたガイドピン 19とを備えている。

[0020] ノレブ 16は後に詳述するように軸方向に分割された構造を有する。バルブヘッド 1 7aを有するバルブ本体 17は、ベース部 11とバルブホルダ 15とで規定されたバルブ室内に配置されて、る。ノレブステム 18は円筒状の挿入部 12内に収納されて、る。バルブ 16は軸方向（ノズル部 9の挿入方向）に進退可能とされている。バルブヘッド 1 7aとバルブシート 14との間には、 Oリング 20が配置されている。バルブ本体 17には、例えば圧縮スプリング 21のような弾性部材で、バルブヘッド 17aをバルブシート 14に押し付ける力が常時カ卩えられており、これによつて Oリング 20は押圧されている。

[0021] 通常状態 (燃料カートリッジ 5が燃料電池本体 4力切り離された状態）においては、 Oリング 20を介してバルブヘッド 17aをバルブシート 14に押し付けることによって、ノズル部 9内の燃料流路を閉状態としている。一方、後述するように燃料カートリッジ 5 を燃料電池本体 4に接続すると、バルブステム 18が後退してバルブヘッド 17aがバルブシート 14から離れることで、ノズル部 9内の燃料流路が開状態とされる。バルブホルダ 15の底部には液体燃料の流路となる連通孔 15aが設けられている。バルブ本体 17の後方側に設けられたガイドピン 19は連通孔 15a内に揷通されている。

[0022] バルブ 16のバルブステム 18は分割構造を有している。具体的には、バルブステム 18は図 3に示すように、バルブ本体 17と一体化されたステム基部 22と、このステム基部 22とは分割されたステム先端部 23とを有している。すなわち、バルブステム 18はステム基部 22とステム先端部 23の 2部品で構成されており、これらはそれぞれ独立した部品として分割されている。これらステム基部 22とステム先端部 23との接触面が、バルブステム 18の分割面となる。

[0023] ステム先端部 23はノズルヘッドの挿入部 12から抜け落ちないように、ステム基部 22 側に設けられた大径部 23aを有している。ステム先端部 23は、挿入部 12内に配置される小径部 23bと、挿入部 12の内径より大きい外径を有する大径部 23aとを備えている。大径部 23aを挿入部 12内の段付穴で押さえることで、ステム先端部 23の挿入部 12からの抜け落ちを防止している。ステム基部 22はステム先端部 23の大径部 23 aと同一径を有して、る。これらステム基部 22とステム先端部 23の大径部 23aとを接触させてバルブ 16を組み立て、この状態でノズルヘッド内に配置されて、る。

[0024] ノレブステム 18と挿入部 12の内壁面との間に液体燃料の流路を設ける場合には、ステム基部 22とステム先端部 23とは周方向の位置関係を考慮することなぐ単に接触させて組み立てることができる。一方、バルブステム 18の外周面に軸方向に溝を形成して液体燃料の流路を設ける場合がある。このような場合には、図 4および図 5 に示すように、ステム先端部 23の大径部 23aとステム基部 22 (図 4および図 5では図示せず）に周方向の位置を示すガイドキー 24を設けることが好ましい。

[0025] ガイドキー 24を適用することによって、ステム基部 22とステム先端部 23との周方向の位置を合せてバルブ 16を組み立てることができる。ここでは 2個のガイドキー 24を有するステム先端部 23を示した力ガイドキー 24の個数はこれに限定されるものではなぐ例えば 1個もしくは 4個であってもよい。なお、挿入部 12の内壁面には、バルブステム 18側に設けたガイドキー 24に対応させてキー溝が設けられる。ノレブステム 18側のガイドキー 24を挿入部 12側のキー溝と係合させることによって、ステム基部 22とステム先端部 23の周方向の位置を合せる。

[0026] ノレブステム 18のステム先端部 23の構成材料ゃステム基部 22がー体ィ匕されたバルブ本体 17の構成材料としては、例えばスーパーエンジニアプラスチックや汎用ェンジ-ァプラスチックを用いることができる。さらに、バルブ 16の構成材料はメタノール燃料等と接触することから、耐メタノール性を有していることが好ましい。このような材料としては、例えばポリエチレンテレフタレート（PET)、ポリブチレンテレフタレート (PBT)、ポリアセタール（POM)等の汎用エンジニアプラスチック、ポリフエ-レンサルファイド（PPS)、ポリエーテルエーテルケトン（PEEK)、液晶ポリマー（LCP)等のスーパーエンジニアプラスチックが挙げられる。

[0027] バルブ 16の以外のノズル部 9についても、同様なスーパーエンジニアプラスチックや汎用エンジニアプラスチックで構成することが好まし、。上述した各材料は、ずれも良好な耐メタノール性を有している。具体的には、 JIS K7114の「プラスチックの耐薬品性試験方法」に準拠する純メタノールの浸漬試験において、質量変化率が 0 . 3%以下、長さ変化率が 0. 5%以下、厚さ変化率が 0. 5%以下の条件を満足している。各変化率の値が上記した値未満であると、燃料カートリッジ 5にメタノール燃料等を収容して実用に供した際に、ノズル部 9に溶解やストレスクラッキング等が生じるおそれがある。従って、燃料カートリッジ 5の実用的な耐久性や信頼性が低下する。

[0028] 燃料カートリッジ 5側のノズル部 9は、燃料電池本体 4の小型化等に伴って小径ィ匕される傾向にある。小径ィ匕されたノズル部 9は、燃料カートリッジ 5に対して曲げ荷重（燃料カートリッジ 5の挿入方向に対して角度をもった方向からの力による荷重）が加わつた際に破損するおそれがある。具体的には、図 6に示すように、ベース部 11から突出した挿入部 12が折れる可能性がある。ノズル部 9が破損する危険性は小径ィ匕するほど高まり、特にノズル部 9を上述したスーパーエンジニアプラスチックや汎用ェンジユアプラスチック等の曲げ加重に対する靭性に劣る材料で構成した場合に破損しやすくなる。

[0029] この実施形態ではバルブステム 18をステム基部 22とステム先端部 23とに分割した構造を適用している。このため、図 6に示したようにバルブヘッドの揷入部 12が折れたとしても、ステム先端部 23のみが挿入部 12と共に外れることによって、液体燃料を遮断するバルブ機構 (バルブヘッド 17aによる液体燃料の遮断機構)の損傷を防ぐことができる。すなわち、バルブステム 18がバルブ本体 17と一体化されている場合、揷入部 12と共にバルブステム 18が折れると、バルブ機構も損傷するおそれがある。このような点に対して、バルブステム 18をステム基部 22とステム先端部 23とに分割することによって、バルブステム 18の破損に伴うバルブ機構の損傷を防ぐことができる。 [0030] さらに、バルブステム 18とバルブ本体 17とが一体化されていると、挿入部 12が破損した際にバルブステム 18が折れなかったとしても、破損後にバルブステム 18がべース部 11の平坦面 11aから突出する。このような状態では、誤ってバルブステム 18を押した場合に液体燃料が漏れ出すおそれがある。この実施形態ではノズル部 9が破損した場合においても、ステム先端部 23が挿入部 12と共に外れるため、破損後にバルブステム 18がベース部 11の平坦面 11aから突出することがない。従って、ノズル部 9が破損した際の不具合の発生 (液体燃料の漏液等)を抑制することが可能となる。

[0031] 上述したように挿入部 12が破損した場合において、ステム先端部 23はバルブステム 18の一部がベース部 11の平坦面 1 laから突出しな、ように外れることが好まし、。従って、ステム基部 22とステム先端部 23との分割面は、ベース部 11の平坦面 11aと同一面上、もしくは平坦面 11aよりバルブ本体 17側 (カートリッジ本体 8側）に位置していることが好ましい。これによつて、挿入部 12が破損した際のバルブステム 18の突出をより確実に防ぐことができる。

[0032] バルブ 16に適用する分割構造は、バルブステム 18をステム基部 22とステム先端部 23とに分割した構造に限られるものではない。図 7に示すように、バルブ本体 17とバルブステム 18とを分割するようにしてもよい。すなわち、図 7に示すバルブ 16は、ノルブヘッド 17aを有するバルブ本体 17と、このバルブ本体 17の先端側に配置され、かつバルブ本体 17とは分割されたバルブステム 18とを有している。なお、他の構造につ！/ヽては図 2と同様とされて、る。

[0033] バルブ 16は、バルブヘッド 17aを有するバルブ本体 17とバルブステム 18の 2部品で構成されており、これらはそれぞれ独立した部品として分割されている。これらバルブ本体 17とバルブステム 18との接触面がバルブ 16の分割面となる。バルブステム 1 8は、挿入部 12内に配置される小径部と、挿入部 12の内径より大きい外径を有する大径部とを備えている。大径部を挿入部 12内の段付穴で押さえることで、バルブステム 18の揷入部 12からの抜け落ちを防止して!/、る。これらバルブ本体 17とバルブステム 18とを接触させてバルブ 16を組み立て、この状態でノズルヘッド内に配置されている。

[0034] このように、バルブ 16をバルブ本体 17とバルブステム 18とに分割した場合には、図 8に示すように、破損した挿入部 12と共にノレブステム 18が外れるため、バルブ機構 (バルブヘッド 17aによる液体燃料の遮断機構)の損傷を防ぐことができる。さらに、挿入部 12の破損後にベース部 11の平坦面 11aからバルブ 16の一部が突出するようなこともな、。バルブ 16をバルブ本体 17とバルブステム 18とに分割した構造にお!ヽては、特にバルブ本体 17の表面（バルブ本体 17とバルブステム 18との分割面）が、ベース部 11の平坦面 1 laよりノズルヘッド（ベース部 11)の内側に位置するため、ノルブ機構の誤作動による漏液をより確実に防ぐことができる。

[0035] 燃料電池側接続機構としてのソケット部 (メス側カップラ） 6は、図 2に示したように、円筒状のソケット本体 (ノ、ウジング） 31を有している。ソケット本体 31は本体上部 3 la 、本体中部 31b、本体下部 31cを有しており、これらは一体化されて燃料電池本体 4 の燃料供給部 7内に埋め込まれている。略円筒状の本体上部 31aは、ノズル部 9の挿入部 12が挿入されるソケット口を有している。

[0036] ソケット本体 31の本体中部 31bは、その径方向内側に突出したリング状凸部 32を有してヽる。リング状凸部 32上には弾性体ホルダとしてゴムホルダ 33が設置されている。ゴムホルダ 33は本体上部 3 la内に配置されている。ゴムホルダ 33は形状（ジャバラ形状)と材料特性 (ゴム弾性）に基づいて軸方向に弾性が付与されている。ゴムホルダ 33はノズル部 9の揷入部 12との間にシールを形成するシール部材であり、その内側は燃料流路とされて、る。

[0037] ソケット本体 31内にはバルブ 34が配置されている。バルブ 34は、ノレブヘッド 35a を有するバルブ本体 35と、バルブ本体 35の先端側に設けられたバルブステム 36と、バルブ本体 35の後方側に設けられたガイドピン 37とを備えて、る。ノレブヘッド 35a を有するバルブ本体 35は、本体中部 3 lbと本体下部 31 cとで形成されたバルブ室内に配置されている。バルブステム 36はゴムホルダ 33内に収納されている。バルブ 34 は軸方向（ノズル部 9の挿入方向）に進退可能とされている。

[0038] バルブヘッド 35aとリング状凸部 32の下面側に形成されたバルブシート 38との間には、 Oリング 39が配置されている。バルブ本体 35には、例えば圧縮スプリング 40のような弾性部材によって、バルブヘッド 35aをバルブシート 38に押し付ける力が常時カロえられており、これによつて Oリング 39は押圧されている。通常状態 (燃料電池本体 4 から燃料カートリッジ 5が切り離された状態）においては、 Oリング 39を介してノレブヘッド 35aがバルブシート 38に押し付けられており、これによつてソケット部 6内の燃料流路は閉状態とされている。

[0039] 燃料電池本体 4に燃料カートリッジ 5が接続されると、バルブステム 36が後退してバルブヘッド 35aがバルブシート 38から離れることで、ソケット部 6内の燃料流路が開状態とされる。ソケット本体 31の本体下部 31cには、燃料供給部 7内を介して燃料収容部 3に接続された連通孔 41が設けられている。なお、バルブ本体 35の後方側に設けられたガイドピン 37は連通孔 41内に揷通されて、る。

[0040] このように、ソケット部 6はソケット本体 31内に設けられた燃料流路が本体下部 31c に設けられた連通孔 41を介して燃料収容部 3に接続されている。そして、ノレブ 16 、 34を開状態としてノズル部 9およびソケット部 6内の燃料流路をそれぞれ開くことによって、燃料カートリッジ 5に収容された液体燃料をノズル部 9およびソケット部 6を介して燃料収容部 3内に注入することが可能とされている。

[0041] 燃料カートリッジ 5に収容された液体燃料を燃料電池本体 4の燃料収容部 3に供給するにあたっては、燃料カートリッジ 5のノズル部 9をソケット部 6に挿入して接続する。ここで、ノズル部 9の揷入部 12の外周面には、燃料カートリッジ 5の挿入方向（ノズル部 9の軸方向）に沿って、例えば 2条の案内溝 25が形成されている。一方、ソケット部 6のソケット本体 31の内周面には、案内溝 25と係合して燃料カートリッジ 5の挿入を案内するキー部 42が設けられて、る。キー部 42は案内溝 25の数にしたがってソケット本体 31の径方向内側に突出するように形成されている。

[0042] 案内溝 25の形状は、例えば挿入部 12の軸方向に沿った直線状のものが挙げられる。さらに、案内溝 25はキー部 42を軸方向に沿って案内すると共に、ノズル部 9がソケット部 6にロックされるように、途中力周方向に変位するものであってもよい。すなわち、案内溝 25は直線形状に限らず J形状を有するものであってもよい。案内溝 25と係合するキー部 42には、ソケット本体 31の内周面にボスを一体的に形成したものや、ソケット本体 31とは別部材のキーをソケット本体 31に差し込んだもの等が適用される。キー部 42は金属材料等で形成してもよい。

[0043] 案内溝 25にキー部 42を係合させながらノズル部 9をソケット部 6に挿入すると、まず挿入部 12の先端とゴムホルダ 33の先端とが接触し、バルブ 16、 34が開状態となる前に燃料流路の周辺のシールが確立される。挿入部 12の先端とゴムホルダ 33の先端とが接触した状態力ノズル部 9をソケット部 6に差し込むと、ノズル部 9のバルブステム 18とソケット部 6のノレブステム 36の先端同士が突き当たる。この状態からさらにノズル部 9をソケット部 6に差し込むと、ソケット部 6のバルブ 34が後退して流路を開放した後、ノズル部 9のバルブ 16が後退して燃料流路が確立される。このようにして、燃料カートリッジ 5に収容された液体燃料を燃料電池本体 4の燃料収容部 3に供給する

[0044] この実施形態においては、前述したようにノズル部 9のバルブ 16に分割構造を適用している。従って、燃料カートリッジ 5のノズル部 9を燃料電池本体 4のソケット部 6に接続した際に、燃料カートリッジ 5に曲げ荷重が加わってノズル部 9 (例えば挿入部 12) が破損したとしても、バルブ 16の一部（バルブステム 18のステム先端部 23やバルブステム 18自体）が挿入部 12と共に外れるため、バルブ機構の損傷を防ぐことができる。さらに、破損後にベース部 11の平坦面 11aからバルブ 16の一部が突出するようなこともない。これらによって、燃料カートリッジ 5のノズル部 9が破損した際の不具合 (液体燃料の漏液等)を抑制することが可能となる。

[0045] ところで、ノズル部 9が破損した燃料カートリッジ 5は、そのままでは再使用することができない。この実施形態の燃料カートリッジ 5は、図 9に示すように、破損したノズル部 9の外側に取り付けられる予備ノズル 45を有している。予備ノズル 45は、ノレブ 1 6の分割面（図 3に示したステム基部 22の表面や図 7に示したバルブ本体 17の表面）上に配置される予備のバルブステム 46を有している。予備ノズル 45は、予備のバルブステム 46を配置した上で、破損したベース部 11の外側に装着される。

[0046] このように、予備ノズル 45を用意しておくことによって、ノズル部 9が破損した燃料力ートリッジ 5を再使用することが可能となる。この実施形態においては、ノズル部 9が破損した場合においても、バルブ機構の損傷を防ぐことができる。従って、破損したノズル部 9の外側に、予備のバルブステム 46を有する予備ノズル 45を取り付けることによつて、液体燃料の漏液等を招くことなぐ燃料カートリッジ 5を再使用することができる。なお図 9において、符号 47は液体燃料をシールする Oリングである。 [0047] 次に、燃料電池本体 4の構造について説明する。燃料電池本体 4は特に限定されるものではなぐ例えばサテライトタイプの燃料カートリッジ 5が必要時に接続されるパッシブ型やアクティブ型の DMFCを適用することができる。ここでは、燃料電池本体 4 に内部気化型の DMFCを適用した実施形態について、図 10を参照して説明する。図 10に示す内部気化型 (パッシブ型）の DMFC4は、起電部を構成する燃料電池セル 2と燃料収容部 3に加えて、これらの間に介在された気体選択透過膜 51を具備している。

[0048] 燃料電池セル 2は、アノード触媒層 52とアノードガス拡散層 53とを有するアノード（燃料極)と、力ソード触媒層 54と力ソードガス拡散層 55とを有する力ソード (酸化剤極 Z空気極)と、アノード触媒層 52と力ソード触媒層 54とで挟持されたプロトン (水素ィオン)伝導性の電解質膜 56とから構成される膜電極接合体 (Membrane Electrod e Assembly： MEA)を有して!/、る。

[0049] アノード触媒層 52および力ソード触媒層 54に含有される触媒としては、例えば Pt、 Ru、 Rh、 Ir、 Os、 Pd等の白金族元素の単体、白金族元素を含有する合金等が挙げられる。アノード触媒層 52にメタノールや一酸ィ匕炭素に対して強い耐性を有する Pt - Ruや Pt - Mo等を用、ることが好まし!/、。力ソード触媒層 54には Ptや Pt - Ni等を用いることが好まヽ。触媒は炭素材料のような導電性担持体を使用する担持触媒、あるいは無担持触媒の、ずれであってもよ、。

[0050] 電解質膜 56を構成するプロトン伝導性材料としては、例えばスルホン酸基を有するパーフルォロスルホン酸重合体のようなフッ素系榭脂（ナフイオン (商品名、デュポン社製)ゃフレミオン (商品名、旭硝子社製)等)、スルホン酸基を有する炭化水素系榭脂、タングステン酸やリンタングステン酸等の無機物等が挙げられる。ただし、プロトン伝導性の電解質膜 56は、これらに限られるものではない。

[0051] アノード触媒層 52に積層されるアノードガス拡散層 53は、アノード触媒層 52に燃料を均一に供給する役割を果たすと同時に、アノード触媒層 52の集電体も兼ねている。力ソード触媒層 54に積層される力ソードガス拡散層 55は、力ソード触媒層 54に酸化剤を均一に供給する役割を果たすと同時に、力ソード触媒層 54の集電体も兼ねている。 [0052] アノードガス拡散層 53にはアノード導電層 57が積層され、力ソードガス拡散層 55 には力ソード導電層 58が積層されている。これら導電層 57、 58は、例えば金のような導電性金属材料力もなるメッシュ、多孔質膜、薄膜等で構成されている。電解質膜 5 6とアノード導電層 57との間、および電解質膜 56と力ソード導電層 58との間には、ゴム製の Oリング 59、 60が介在されており、これらによって燃料電池セル（MEA) 2からの燃料漏れや酸化剤漏れを防止してヽる。

[0053] 燃料タンク等の燃料収容部 3の内部には、液体燃料 Fとしてメタノール燃料が充填されている。燃料収容部 3は液体燃料 Fを収容する箱状容器を有し、この箱状容器のアノード (燃料極)と対向する面が開口されている。燃料収容部 3の開口部と燃料電池セル 2との間には、気体選択透過膜 51が設置されている。気体選択透過膜 51は液体燃料 Fの気化成分のみを透過し、液体成分は透過させな!/ヽ気液分離膜である。

[0054] 気体選択透過膜 51の構成材料としては、例えばポリテトラフルォロエチレンのようなフッ素榭脂が挙げられる。燃料電池セル 2には液体燃料 Fの気化成分のみが気体選択透過膜 51を介して供給される。液体燃料 Fの気化成分とは、液体燃料 Fとしてメタノール水溶液を使用した場合にはメタノールの気化成分と水の気化成分力なる混合気、純メタノールを使用した場合にはメタノールの気化成分を意味する。

[0055] 力ソード導電層 58上には保湿層 61が積層されており、その上には表面層 62が積層されている。表面層 62は酸化剤である空気の取入れ量を調整する機能を有し、その調整は表面層 62に形成された空気導入口 63の個数やサイズ等により行う。保湿層 61は力ソード触媒層 54で生成された水の一部が含浸されて水の蒸散を抑制する役割を果たすと共に、力ソードガス拡散層 55に酸化剤を均一に導入し、力ソード触媒層 54への酸化剤の均一拡散を促進する機能を有している。保湿層 61は多孔質構造の部材で構成される。具体的な構成材料としてはポリエチレンやポリプロピレンの多孔質体等が挙げられる。

[0056] 燃料収容部 3上に気体選択透過膜 51、燃料電池セル 2、保湿層 61、表面層 62を順に積層し、その上力も例えばステンレス製のカバー 64が取り付けられている。カバ一 64で構成要素全体を保持することによって、この実施形態のパッシブ型 DMFC ( 燃料電池本体) 4が構成されている。カバー 64には表面層 62に形成された空気導入口 63と対応する部分に開口が設けられている。燃料収容部 3にはカバー 64の爪 6 4aを受けるテラス 65が設けられて、る。テラス 65に爪 64aをかしめることで燃料電池本体 4全体をカバー 64で一体的に保持している。図 10では図示を省略した力図 1 に示したように燃料収容部 3の下面側にはソケット部 6を有する燃料供給部 7が設けられている。

[0057] 上述したような構成を有するパッシブ型 DMFC (燃料電池本体) 4にお、ては、燃料収容部 3内の液体燃料 F (例えばメタノール水溶液）が気化し、この気化成分が気体選択透過膜 51を透過して燃料電池セル 2に供給される。燃料電池セル 2内において、液体燃料 Fの気化成分はアノードガス拡散層 53で拡散されてアノード触媒層 52 に供給される。アノード触媒層 52に供給された気化成分は、下記の（1)式に示すメタノールの内部改質反応を生じさせる。

CH OH + H O → CO +6H⁺ + 6e" …ひ）

3 2 2

[0058] なお、液体燃料 Fとして純メタノールを使用した場合には、燃料収容部 3から水蒸気が供給されないため、力ソード触媒層 54で生成した水や電解質膜 56中の水をメタノールと反応させて（1)式の内部改質反応を生起させる。あるいは、（1)式の内部改質反応によらず、水を必要としない他の反応機構により内部改質反応を生じさせる。

[0059] 内部改質反応で生成されたプロトン (H+)は電解質膜 56を伝導し、力ソード触媒層 54に到達する。表面層 62の空気導入口 63から取り入れられた空気 (酸化剤）は、保湿層 61、力ソード導電層 58、力ソードガス拡散層 55を拡散して、力ソード触媒層 54 に供給される。力ソード触媒層 54に供給された空気は、次の（2)式に示す反応を生じさせる。この反応によって、水の生成を伴う発電反応が生じる。

(3/2) 0 +6H⁺ + 6e" → 3H O - -- (2)

2 2

[0060] 上述した反応に基づく発電反応が進行するにしたがって、燃料収容部 3内の液体燃料 F (例えばメタノール水溶液や純メタノール）は消費される。燃料収容部 3内の液体燃料 Fが空になると発電反応が停止するため、その時点でもしくはそれ以前の時点で燃料収容部 3内に燃料カートリッジ 5から液体燃料を供給する。燃料カートリッジ 5からの液体燃料の供給は、前述したように燃料カートリッジ 5側のノズル部 9を燃料電池本体 4側のソケット部 6に挿入して接続することにより実施される。 [0061] この実施形態の燃料電池 (パッシブ型 DMFC)は、燃料カートリッジ 5の接続時にノズル部 9が破損したとしても、ノレブ 16の一部が挿入部 12と共に外れるため、バルブ機構の損傷を防ぐことができる。さらに、破損後にベース部 11の平坦面 11aからバルブ 16の一部が突出するようなこともない。これらによって、燃料カートリッジ 5のノズル部 9が破損した際の不具合 (液体燃料の漏液等)を抑制することが可能となる。従つて、信頼性や実用性に優れた燃料電池システム 1を提供することが可能となる。

[0062] 本発明は小型化が進められている内部気化型等のパッシブ型 DMFCに好適である。ただし、本発明は液体燃料を燃料カートリッジで供給する燃料電池であればその方式や機構等に何等限定されるものではない。そのような燃料電池やそれに用いられる燃料カートリッジも本発明に含まれるものである。また、本発明の実施形態は本発明の技術的思想の範囲内で拡張もしくは変更することができ、この拡張、変更した実施形態も本発明の技術的範囲に含まれるものである。

産業上の利用可能性

[0063] 本発明の態様に係る燃料電池用燃料カートリッジは、ノズル部に内蔵するバルブ機構に分割構造を適用してヽるため、ノズル部に曲げ荷重等が加わって破損した場合にお、ても、バルブ機構の損傷やバルブ機構の誤作動による液体燃料の漏れ出し等の不具合の発生を抑制することができる。従って、このような燃料カートリッジを使用することによって、信頼性や実用性を高めた燃料電池を提供することが可能となる

Claims

請求の範囲

[1] 燃料電池用の液体燃料を収容するカートリッジ本体と、

前記カートリッジ本体に設けられ、分割構造を有するバルブ機構を内蔵するノズル部と

を具備することを特徴とする燃料電池用燃料カートリッジ。

[2] 請求項 1記載の燃料電池用燃料カートリッジにお、て、

前記ノズル部は、前記カートリッジ本体に装着されたノズルヘッドと、前記ノズルへッド内に配置され、バルブヘッドとバルブステムとを有するバルブを備える前記バルブ機構とを具備し、前記バルブは軸方向に分割された構造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。

[3] 請求項 2記載の燃料電池用燃料カートリッジにお、て、

前記ノズルヘッドは、前記カートリッジ本体に装着されるベース部と、前記ベース部から突出するように形成され、燃料電池本体に設けられたソケット部に挿入される挿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。

[4] 請求項 2記載の燃料電池用燃料カートリッジにお、て、

前記バルブ機構は、前記バルブヘッドを前記ノズルヘッド内に設けられたバルブシートに押し付けて前記ノズル部内の燃料流路を閉状態に保つ弾性部材を備えることを特徴とする燃料電池用燃料カートリッジ。

[5] 請求項 2記載の燃料電池用燃料カートリッジにお、て、

前記バルブは、前記バルブヘッドを有するバルブ本体と、前記バルブ本体の先端側に設けられ、軸方向に分割された前記バルブステムとを備えることを特徴とする燃料電池用燃料カートリッジ。

[6] 請求項 5記載の燃料電池用燃料カートリッジにお、て、

前記バルブステムは、前記バルブ本体と一体化されたステム基部と、前記ステム基部と分割されたステム先端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

[7] 請求項 5記載の燃料電池用燃料カートリッジにお、て、

前記ノズルヘッドは、前記カートリッジ本体に装着されるベース部と、前記ベース部の先端側平坦面から突出するように形成され、燃料電池本体に設けられたソケット部に挿入される挿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。

[8] 請求項 7記載の燃料電池用燃料カートリッジにお、て、

前記バルブステムは、前記バルブ本体と一体化されたステム基部と、前記ステム基部と分割されたステム先端部とを有し、かつ前記ステム基部と前記ステム先端部との分割面は前記ベース部の前記平坦面と同一面上、もしくは前記平坦面より前記バルブ本体側に位置してヽることを特徴とする燃料電池用燃料カートリッジ。

[9] 請求項 8記載の燃料電池用燃料カートリッジにお、て、

前記ステム先端部は、前記挿入部内に配置される小径部と、前記挿入部の内径より大きい外径を有する大径部とを備えることを特徴とする燃料電池用燃料カートリッジ

[10] 請求項 2記載の燃料電池用燃料カートリッジにお、て、

前記バルブは、前記バルブヘッドを有するバルブ本体と、前記バルブ本体の先端側に配置され、前記バルブ本体とは分割された前記バルブステムとを備えることを特徴とする燃料電池用燃料カートリッジ。

[11] 請求項 10記載の燃料電池用燃料カートリッジにおいて、

[12] 請求項 11記載の燃料電池用燃料カートリッジにお、て、

前記バルブ本体と前記バルブステムとの分割面は、前記ベース部の前記平坦面より内側に位置して、ることを特徴とする燃料電池用燃料カートリッジ。

[13] 請求項 11記載の燃料電池用燃料カートリッジにお、て、

前記バルブステムは、前記挿入部内に配置される小径部と、前記挿入部の内径より大きい外径を有する大径部とを備えることを特徴とする燃料電池用燃料カートリッジ

[14] 請求項 2記載の燃料電池用燃料カートリッジにお、て、

前記ノレブステムは周方向の位置を示すガイドキー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。

[15] 請求項 2記載の燃料電池用燃料カートリッジにお、て、

前記ノレブの分割面上に配置される予備のバルブステムを有し、前記ノズル部の先端部側が破断した際に前記ノズル部の外側に取り付けられる予備ノズルを具備することを特徴とする燃料電池用燃料カートリッジ。

[16] 請求項 1記載の燃料電池用燃料カートリッジと、

前記燃料カートリッジの前記ノズル部と着脱可能に接続されるソケット部を有する燃料収容部と、前記燃料収容部から前記液体燃料が供給されて発電動作する起電部とを備える燃料電池本体と

を具備することを特徴とする燃料電池。

[17] 請求項 16記載の燃料電池において、

前記起電部は、燃料極と、酸化剤極と、前記燃料極と前記酸化剤極とに挟持された電解質膜とを備えることを特徴とする燃料電池。

[18] 請求項 17記載の燃料電池において、

さらに、前記燃料収容部と前記起電部との間に介在され、前記液体燃料の気化成分を前記燃料極に供給する気体選択透過膜を具備することを特徴とする燃料電池。