JP2007122961A - 燃料電池用燃料カートリッジとそれを用いた燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池用燃料カートリッジの接続構造において、燃料カートリッジのノズル部が破損することによる不具合の発生を抑制する。
【解決手段】燃料カートリッジに設けられたノズル部９を、燃料電池本体に設けられたソケット部６に挿入し、これらノズル部９とソケット部６とを接続する。ノズル部９に内蔵されたバルブ機構は分割構造を有する。バルブ機構は、例えばバルブヘッド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、軸方向に分割されたバルブステム１８とを有する。燃料カートリッジに曲げ荷重が加わってノズル部９の先端側が破損した際に、バルブ機構は分割構造に基づいて分割される。
【選択図】図２

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。

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試みがなされている。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、燃料のみ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いえる。

特に、直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ：direct methanol fuel cell）は、エネルギー密度の高いメタノールを燃料に用い、メタノールから電極触媒上で直接電流を取り出すことができるため、改質器が不要で小型化が可能であり、さらに燃料の取り扱いも水素ガス等に比べて容易であることから、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、液体燃料を気化させてブロア等で燃料電池セル内に送り込む気体供給型や液体燃料をそのままポンプ等で燃料電池セル内に送り込む液体供給型等のアクティブ方式、また燃料タンク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。

これらの燃料供給方式のうち、アクティブ方式はＤＭＦＣの高出力化（大電力化）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。一方、パッシブ方式は燃料ポンプ等の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内部気化型のＤＭＦＣが記載されている。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。

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から直接もしくは燃料タンク（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、燃料タンクと液体燃料を気化させる機構とを具備しており、この燃料タンク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とソケット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いる（例えば特許文献３参照）。
特許第3413111号公報 特開2004-171844号公報 特開2004-127824号公報

ところで、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いるため、ＤＭＦＣ側の燃料供給口（ソケット）も必然的に小型化されることになる。また、その結果として燃料カートリッジ側のノズルも小径化される傾向にある。このようなノズルとソケットとを接続し、燃料カートリッジからＤＭＦＣの燃料タンクに液体燃料を注入する場合、小径化されたノズル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。

燃料カートリッジはノズルに内蔵されたバルブ機構で液体燃料を遮断しているため、ノズル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。また、ノズル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。ノズルが破損する危険性はその径が小径化するほど高まることになる。

特に、ＤＭＦＣ用燃料カートリッジのノズルには、耐メタノール性を有するポリエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリフェニレンサルファイド（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が、これらは硬く、靭性に劣ることから、曲げ加重に対して折れやすいという難点を有している。

本発明はこのような課題に対処するためになされたもので、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、および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を目的としている。

本発明の一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、バルブ機構を内蔵するノズル部とを具備する燃料電池用燃料カートリッジにおいて、前記バルブ機構は分割構造を有することを特徴としている。

本発明の一態様に係る燃料電池は、上記した本発明の態様に係る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タンクと、前記燃料タンク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いる。

本発明の一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いるため、ノズル部に曲げ荷重等が加わって破損した場合においても、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。

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。なお、以下では本発明の実施形態を図面に基づいて説明するが、それらの図面は図解のために提供されるものであり、本発明はそれらの図面に限定されるものではない。

図１は本発明の一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と燃料タンク３とから主として構成される燃料電池本体４と、燃料タンク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。燃料タンク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が設けられている。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。

一方、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８を有している。カートリッジ本体８の先端には、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注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、燃料タンク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。

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いる。なお、カートリッジ本体８に収容する液体燃料は必ずしも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、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。

上述した燃料電池本体４の燃料タンク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ついて、図２を参照して説明する。なお、図２は本発明の一実施形態による燃料電池用燃料カートリッジの要部構成を示すものである。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いる。

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（オス側カップラ）９は、カートリッジ本体８の先端開口部に固着されたノズルベース部１１を有している。ノズルベース部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１１ａから突出するように円筒状のノズル挿入部１２が設けられている。ノズル挿入部１２はその先端側にノズル口１３を有している。また、ノズルベース部１１の内側にはバルブシート１４が設けられている。ノズルベース部１１とノズル挿入部１２とは一体成形されている。

カートリッジ本体８の先端側内部には、カップ状の中栓１５が配置されている。中栓１５はノズルベース部１１の内側に位置しており、ノズルベース部１１と共にバルブ室を規定するものである。中栓１５はその先端側外縁部がカートリッジ本体８とノズルベース部１１とで挟み込まれて固定されている。ノズルベース部１１と中栓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。

バルブヘッド１７ａを有するバルブ本体１７は、ノズルベース部１１と中栓１５とで規定されたバルブ室内に配置されている。バルブステム１８は円筒状のノズル挿入部１２内に収納されている。これらバルブ本体１７やバルブステム１８を有するバルブ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１７ａ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加えられており、これによってＯリング２０は押圧されている。

従って、通常状態（燃料カートリッジ５が燃料電池本体４から切り離された状態）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から離れることによって、ノズル部９内の流路が開状態とされる。中栓１５の底部には液体燃料の通路となる連通孔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内に挿通されている。

ここで、バルブ１５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。

ステム先端部２３はノズル挿入部１２から抜け落ちないように、ステム基部２２側に大径部２３ａが設けられている。すなわち、ステム先端部２３は大径部２３ａと小径部２３ｂとを有しており、大径部２３ａをノズル挿入部１２内の段付穴で押さえることによって、ノズル挿入部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２３ａと同一径を有している。そして、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、この状態でノズルベース部１１内に配置されている。

バルブステム１８とノズル挿入部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く、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、例えば図４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。

このようなガイドキー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を図示したが、ガイドキー２４の個数は限定されるものではなく、例えば1個もしくは4個であってもよい。なお、ノズル挿入部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。バルブステム１８側のガイドキー２４をノズル挿入部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。

バルブステム１８のステム先端部２３の構成材料やステム基部２２が一体化されたバルブ本体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エンジニアプラスチック等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、ポリフェニレンサルファイド（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。

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等で構成することが好ましい。上述した各材料はい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。

前述したように、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化される傾向にある。小径化されたノズル部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）が加わった際に破損するおそれがある。具体的には、図５に示すように、ノズルベース部１１から突出したノズル挿入部１２が折れる可能性が高い。ノズル部９が破損する危険性は小径化するほど高まり、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エンジニ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際に破損しやすくなる。

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５に示したようにノズル挿入部１２が折れたとしても、ステム先端部２３のみがノズル挿入部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がバルブヘッド１７と一体化されている場合、ノズル挿入部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もバルブステム１８をステム基部２２とステム先端部２３とに分割することで、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。

さらに、例えばバルブステム１８とバルブヘッド１７とが一体化されている場合には、ノズル挿入部１２が破損した際に、たとえバルブステム１８が折れなかったとしても、破損後にはバルブステム１８がノズルベース部１１の平坦面１１ａから突出することになる。このような状態になると、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危険性がある。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がノズル挿入部１２と共に外れるため、破損後にバルブステム１８がノズルベース部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。

上述したように、ノズル挿入部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の一部がノズルベース部１１の平坦面１１ａから突出しないように外れることが好ましい。従って、ステム基部２２とステム先端部２３との分割面は、ノズルベース部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。これによって、ノズル挿入部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。

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。例えば、図６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６に示すバルブ１６は、バルブヘッド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、他の構造については図２と同様とされている。

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７に示すように、破損したノズル挿入部１２と共にバルブステム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。また、ノズル挿入部１２の破損後にノズルベース部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。バルブ本体１７とバルブステム１８とを分割した構造では、特にバルブ本体１７の表面（分割面）がノズル部９の内部に存在することになるため、バ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。

一方、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、円筒状のハウジング３１を有している。ハウジング３１は上部部材３１ａ、中間部材３１ｂ、下部部材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。ハウジング３１の中間部材３１ｂは、その径方向内側に突出したリング状凸部３２を有している。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が設置されており、このゴムホルダ３３は上部部材３１ａ内に配置されている。ゴムホルダ３３は中間の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の内側は液体燃料の通路とされている。

ハウジング３１内にはバルブ３４が配置されている。バルブ３４は、バルブヘッド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とを備えている。バルブヘッド３５ａを有するバルブ本体３５は、中間部材３１ｂと下部部材３１ｃ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。これらバルブ本体３５やバルブステム３６を有するバルブ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。

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、圧縮スプリング４０でバルブヘッド３５ａをバルブシート３８に押し付ける力が常時加えられており、これによってＯリング３９は押圧されている。従って、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を介してバルブヘッド３５ａがバルブシート３８に押し付けられて、ソケット部６内の流路が閉状態とされている。燃料電池本体４に燃料カートリッジ５を接続すると、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内の流路が開状態とされる。

ハウジング３１の下部部材３１ｃには、燃料供給部７内を介して燃料タンク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３４の後方側に設けられたガイドピン３７は連通孔４１内に挿通されている。このように、ソケット部６はハウジング３１内に設けられた流路が下部部材３１ｃに設けられた連通孔４１を介して燃料タンク３に接続されている。そして、バルブ３４を開状態としてソケット部６内の流路を開くことによって、燃料カートリッジ５に収容された液体燃料をソケット部６を介して燃料タンク３内に注入することが可能とされている。

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の燃料タンク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のノズル挿入部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のハウジング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が設けられている。キー部４２は案内溝２５の数にしたがってハウジング３１の径方向内側に突出するように形成されている。

案内溝２５の形状は、例えばノズル挿入部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、途中から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く、このような形状を有する案内溝２５をノズル挿入部１２の外周面に形成してもよい。一方、案内溝２５と係合するキー部４２には、ハウジング３１の内周面にボスを一体的に形成したものや、ハウジング３１とは別部材のキーをハウジング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。

上述した案内溝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、まずノズル挿入部１２の先端部がゴムホルダ３３に接触し、バルブが開状態となる前に液体燃料の流路周辺のシールが確立する。この状態からノズル部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のバルブステム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が後退して流路を完全に開放した後、ノズル部９のバルブ１６が後退して液体燃料流路が確立する。このように、ノズル部９とソケット部６の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燃料電池本体４の燃料タンク３に供給することができる。

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に接続した場合において、燃料カートリッジ５に曲げ荷重が加わってノズル部９（例えばノズル挿入部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）がノズル挿入部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。また、破損後にノズルベース部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。

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８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、バルブステムの分割面（図２に示したステム先端部２３と分割されたステム基部２２の表面）やバルブ本体の分割面（図６に示したバルブステム１８と分割されたバルブ本体１７の分割面）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、破損したノズルベース部１１の外形に装着される。

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が破損した燃料カートリッジ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って、液体燃料の漏液等を招くことなく、燃料カートリッジ５を再使用することができる。なお図８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。

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く、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９を参照して説明する。図９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と燃料タンク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。

燃料電池セル２は、アノード触媒層５２およびアノードガス拡散層５３からなるアノード（燃料極）と、カソード触媒層５４およびカソードガス拡散層５５からなるカソード（酸化剤極／空気極）と、アノード触媒層５２とカソード触媒層５４とで挟持されたプロトン（水素イオン）伝導性の電解質膜５６とから構成される膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）を有している。アノード触媒層５２およびカソード触媒層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。

具体的には、アノード触媒層５２にメタノールや一酸化炭素に対して強い耐性を有するＰｔ−ＲｕやＰｔ−Ｍｏ等を、カソード触媒層５４に白金やＰｔ−Ｎｉ等を用いることが好ましい。また、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を使用してもよい。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オロスルホン酸重合体のようなフッ素系樹脂（ナフィオン（商品名、デュポン社製）やフレミオン（商品名、旭硝子社製）等）、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂、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、これらに限られるものではない。

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。一方、カソード触媒層５４に積層されるカソードガス拡散層５５は、カソード触媒層５４に酸化剤を均一に供給する役割を果たすと同時に、カソード触媒層５４の集電体も兼ねている。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、カソードガス拡散層５５にはカソード導電層５８が積層されている。

アノード導電層５７およびカソード導電層５８は、例えば金のような導電性金属材料からなるメッシュや多孔質膜、あるいは薄膜等で構成されている。なお、電解質膜５６とアノード導電層５７との間、および電解質膜５６とカソード導電層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（膜電極接合体）２からの燃料漏れや酸化剤漏れを防止している。

燃料タンク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。また、燃料タンク３は燃料電池セル２側が開口されており、この燃料タンク３の開口部と燃料電池セル２との間に気体選択透過膜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い気液分離膜である。このような気体選択透過膜５１の構成材料としては、例えばポリテトラフルオロエチレンのようなフッ素樹脂が挙げられる。ここで、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からなる混合気、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。

カソード導電層５８上には保湿層６１が積層されており、さらにその上には表面層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の個数やサイズ等を変更することで行う。保湿層６１はカソード触媒層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、カソードガス拡散層５５に酸化剤を均一に導入することで、カソード触媒層５４への酸化剤の均一拡散を促進する機能も有している。保湿層６１は例えば多孔質構造の部材で構成され、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。

そして、燃料タンク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、さらにその上から例えばステンレス製のカバー６４を被せて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。また、燃料タンク３にはカバー６４の爪６４ａを受けるテラス６５が設けられており、このテラス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。なお、図９では図示を省略したが、図１に示したように燃料タンク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。

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においては、燃料タンク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６１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。
ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ → ＣＯ₂＋6Ｈ⁺＋6ｅ^- …(1)

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、燃料タンク３から水蒸気が供給されないため、カソード触媒層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)の内部改質反応を生起するか、あるいは上記した(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。

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、カソード触媒層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、カソード導電層５７、カソードガス拡散層５５を拡散して、カソード触媒層５４に供給される。カソード触媒層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）Ｏ₂＋6Ｈ⁺＋6ｅ^- → 3Ｈ₂Ｏ …(2)

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、燃料タンク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。燃料タンク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タンク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。

この実施形態の燃料電池（パッシブ型ＤＭＦＣ）においては、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、バルブ１６の一部がノズル挿入部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。また、破損後にノズルベース部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。従って、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。なお、本発明は液体燃料を燃料カートリッジにより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が、特に小型化が進められているパッシブ型ＤＭＦＣに好適である。

本発明の一実施形態による燃料電池の構成を示す図である。 図１に示す燃料電池における燃料カートリッジ側のノズル部と燃料電池本体側のソケット部の構成（未接続状態）を示す断面図である。 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３に示すバルブの変形例を示す断面図である。 図２に示すノズル部のノズル挿入部が破損した状態を示す断面図である。 図２に示すノズル部の変形例を示す断面図である。 図６に示すノズル部のノズル挿入部が破損した状態を示す断面図である。 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１に示す燃料電池における燃料電池本体の一例として内部気化型ＤＭＦＣの構成例を示す断面図である。

符号の説明

１…燃料電池、２…燃料電池セル、３…燃料タンク、４…燃料電池本体、５…燃料カートリッジ、６…ソケット部（メス側カップラ）、８…カートリッジ本体、９…ノズル部（オス側カップラ）、１２…ノズル挿入部、１４…バルブシート、１６…バルブ、１７…バルブ本体、１７ａ…バルブヘッド、１８…バルブステム、２２…ステム基部、２３…ステム先端部。

Claims (11)

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、バルブ機構を内蔵するノズル部とを具備する燃料電池用燃料カートリッジにおいて、
   前記バルブ機構は分割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。
2. 請求項１記載の燃料電池用燃料カートリッジにおいて、
   前記バルブ機構は、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バルブステムと、前記バルブヘッドを前記ノズル部内に設けられたバルブシートに押し付けることにより前記ノズル部内の前記液体燃料の流路を閉状態に保つ弾性部材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。
3. 請求項２記載の燃料電池用燃料カートリッジにおいて、
   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、前記カートリッジ本体の先端開口部に固着されたノズルベース部の平坦面と同一面上、もしくは前記平坦面より前記バルブ本体側に位置してい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３記載の燃料電池用燃料カートリッジにおいて、
   前記ステム先端部は、前記ノズルベース部の平坦面から突出するように設けられ、前記バルブステムを収納するノズル挿入部からの抜け落ち防止用の大径部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。
5. 請求項１記載の燃料電池用燃料カートリッジにおいて、
   前記バルブ機構は、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バルブステムと、前記バルブヘッドを前記ノズル部内に設けられたバルブシートに押し付けることにより前記ノズル部内の前記液体燃料の流路を閉状態に保つ弾性部材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いて、
   前記バルブステムは、前記カートリッジ本体の先端開口部に固着されたノズルベース部の平坦面から突出するように設けられ、前記バルブステムを収納するノズル挿入部からの抜け落ち防止用の大径部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２ないし請求項６のいずれか１項記載の燃料電池用燃料カートリッジにおいて、
   前記バル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。
8. 請求項２ないし請求項７のいずれか１項記載の燃料電池用燃料カートリッジにおいて、
   前記バルブステムの分割面または前記バルブ本体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。
9. 請求項１ないし請求項８のいずれか１項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タンクと、前記燃料タンク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。
10. 請求項９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。
11. 請求項１０記載の燃料電池において、
    さらに、前記燃料タンク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。

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