JP2007273092A - 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】燃料電池に液体燃料を供給する燃料カートリッジにおいて、ノズル部先端等への液体燃料の残留を抑制して安全性や信頼性を高める。
【解決手段】燃料電池用燃料カートリッジ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と、液体燃料を燃料電池本体４に供給するノズル部９とを具備する。ノズル部９は、カートリッジ本体８に装着されたノズルヘッド１２と、このノズルヘッド１２内に配置されたバルブ機構（１６、１８、１９等）とを備えている。ノズル部９のノズル口１１からバルブ機構によるシール部までの液体燃料流路内には、液体燃料を吸収する燃料吸収体１７が配置されている。
【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、エネルギー密度の高いメタノール燃料を用いた直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ：direct methanol fuel cell）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、また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、パッシブ方式はＤＭＦＣの小型化に対して有利である。

内部気化型等のパッシブ型ＤＭＦＣにおいては、燃料収容部内の液体燃料を例えば燃料含浸層や燃料気化層等を介して気化させ、この液体燃料の気化成分を燃料極に供給している（例えば特許文献１〜２参照）。また、燃料収容部に対しては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においては、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いる（例えば特許文献３参照）。

サテライトタイプ（外部注入式）の燃料カートリッジからＤＭＦＣの燃料収容部内に液体燃料を供給（注入）するにあたっては、安全性等の観点から液体燃料の漏洩を防止することが重要となる。燃料カートリッジとＤＭＦＣの燃料収容部は、上記したようなバルブ機構を内蔵するカップラ（ノズル部とソケット部）で液体燃料を遮断することが可能とされている。また、燃料カートリッジと燃料収容部との接続時に関しては、ノズル部とソケット部の接続部をシールする機構が適用されており、液体燃料の漏れを防止している。
特許第3413111号公報 特開2004-171844号公報 特開2004-127824号公報

上述したように、燃料カートリッジや燃料収容部の各部に対しては液体燃料の漏洩を防止する機構が適用されているものの、液体燃料を供給した後の燃料カートリッジを燃料収容部から抜いた際に、燃料カートリッジのノズル部先端にメタノール燃料等が液体の状態で付着する場合がある。このような僅かな液体燃料であっても、安全性等を高める上でノズル部先端に残留しないようにすることが求められている。また、燃料電池側のソケット部についても同様であり、燃料カートリッジを抜いた後のソケット部先端にメタノール燃料等が残留しないようにすることが求められている。

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、ノズル部先端における液体燃料の残留を抑制することによって、安全性や信頼性を高め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用いた燃料電池、さらに燃料収容部のソケット部先端における液体燃料の残留を抑制することによって、安全性や信頼性を高め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装着されたノズルヘッドおよび前記ノズルヘッド内に配置されたバルブ機構を有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、前記ノズル部はその先端のノズル口から前記バルブ機構によるシール部までの前記液体燃料の流路内に配置され、前記液体燃料を吸収する燃料吸収体を有することを特徴としている。

本発明の他の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カートリッジと、燃料収容部と、前記燃料収容部に設けられたソケット本体および前記ソケット本体内に配置されたバルブ機構を有し、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いる。

本発明のさらに他の態様に係る燃料電池は、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装着されたノズルヘッドおよび前記ノズルヘッド内に配置されたバルブ機構を有するノズル部とを備える燃料電池用燃料カートリッジと、燃料収容部と、前記燃料収容部に設けられたソケット本体および前記ソケット本体内に配置されたバルブ機構を有し、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し、前記ソケット部はその先端のソケット口から前記バルブ機構によるシール部までの前記液体燃料の流路内に配置され、前記液体燃料を吸収する燃料吸収体を有することを特徴としている。

本発明の態様に係る燃料電池用燃料カートリッジは、ノズル部のノズル口からバルブ機構によるシール部までの燃料流路内に燃料吸収体を配置しているため、燃料流路内に残った液体燃料は燃料吸収体に吸収される。また、本発明の態様に係る燃料電池は、ソケット部のソケット口からバルブ機構によるシール部までの燃料流路内に燃料吸収体を配置しているため、燃料流路内に残った液体燃料は燃料吸収体に吸収される。これらによって、燃料カートリッジの引抜き後にノズル部先端やソケット部先端への液体燃料の残留を抑制することができる。従って、安全性や信頼性を高めた燃料電池用燃料カートリッジおよび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は本発明の第１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（容器）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、例えば燃料収容部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。

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ついて、図２および図３を参照して説明する。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、図３はノズル部９とソケット部６とを接続した後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、先端側にノズル口１１が開口されたノズルヘッド１２を有している。ノズルヘッド１２は、カートリッジ本体８の先端開口部に装着されるベース部１３と、ソケット部６に挿入される挿入部１４とを有している。円筒状の挿入部１４は、その軸方向がノズル部９の挿入方向と平行となるように、ベース部１３から突出して形成されている。

ノズルヘッド１２のベース部１３の内側には、カップ状のバルブホルダ１５が配置されている。バルブホルダ１５はバルブ室を規定するものであり、その先端側外縁部がカートリッジ本体８とベース部１３とで挟み込まれている。バルブホルダ１５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１６ａとバルブステム１６ｂとガイドピン１６ｃとを備えている。バルブヘッド１６ａはバルブホルダ１５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１６ｂは円筒状の挿入部１４内に収容されている。

バルブステム１６ｂは円筒形状を有しており、その内部にはメタノール燃料等の液体燃料を吸収する燃料吸収体１７が挿入されている。燃料吸収体１７はその先端がバルブステム１６ｂの先端面に露出するように設置されている。燃料吸収体１７は後に詳述するように、燃料カートリッジ５を燃料収容部３から引抜いた後にノズル部９内の燃料流路内に残った液体燃料を吸収するものであり、これによってノズル部９先端に液体燃料が残留して操作者が液体状態の液体燃料に触れることを防止することができる。

燃料吸収体１７の設置位置はノズル口１１からバルブ１６によるシール部までの液体燃料流路内であればよく、バルブステム１６ｂの内部に限定されるものではない。図４は燃料吸収体１７をバルブステム１６ｂの外周面（側面）に沿って設置したノズル部９を示している。燃料吸収体１７はバルブステム１６ｂに限らず、例えば図５に示すように、ノズルヘッド１２の挿入部１４内の液体燃料流路に沿って設置してもよい。すなわち、図５に示す燃料吸収体１７は挿入部１４の内壁面に沿って設置されている。

燃料吸収体１７はメタノール燃料等の液体燃料を吸収することが可能な材料や形状等を有するものであればよく、その構成は特に限定されるものではない。燃料吸収体１７の構成材料としては、例えばオレフィン系多孔体、エチレン系多孔体、スチレン系多孔体、エステル系多孔体等が挙げられる。これら多孔体は耐メタノール性を有することから、特に燃料吸収体１７の構成材料として好適である。また、不織布のような液体吸収能を有する材料で燃料吸収体１７を構成することも可能である。この際、不織布の原料には耐メタノール性を有する合成繊維や無機繊維等を適用することが好ましい。

上述したようなバルブヘッド１６ａとバルブステム１６ｂとを有するバルブ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１６ａとベース部１３の内側に形成されたバルブシート１８との間には、Ｏリング１９が配置されている。バルブ１６には圧縮スプリング２０等の弾性部材でバルブヘッド１６ａをバルブシート１８に押し付ける力が加えられており、これらによってＯリング１９は押圧されている。

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１９を介してバルブヘッド１６ａをバルブシート１８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１６ｂが後退してバルブヘッド１６ａがバルブシート１８から離れることによって、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の底部には連通孔１５ａ、１５ｂが設けられており、連通孔１５ａ内にはバルブ１６の後方側に設けられたガイドピン１６ｃが挿通されている。カートリッジ本体８内の液体燃料は連通孔１５ａ、１５ｂを介してノズル部９内に流出する。

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、ソケット口２１が開口された円筒状のソケット本体２２を有している。ソケット本体２２は本体上部２２ａ、本体中部２２ｂおよび本体下部２２ｃ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。ソケット本体２２の本体中部２２ｂ上には、弾性体ホルダとしてゴムホルダ２３が設置されている。ゴムホルダ２３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２３はノズルヘッド１２の挿入部１４との間にシールを形成するシール部材であり、その内側は液体燃料の流路とされている。

ソケット本体２２内にはバルブ２４が配置されている。バルブ２４はバルブヘッド２４ａとバルブステム２４ｂとガイドピン２４ｃとを備えている。バルブヘッド２４ａは本体中部２２ｂと本体下部２２ｃ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２４ｂはゴムホルダ２３内に収納されている。このようなバルブ２４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２４ａと本体中部２２ｂの下面側に形成されたバルブシート２５との間には、Ｏリング２６が配置されている。

バルブ２４には圧縮スプリング２７等の弾性部材でバルブヘッド２４ａをバルブシート２５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２６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２６を介してバルブヘッド２４ａがバルブシート２５に押し付けられており、これによりソケット部６内の燃料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２４ｂが後退してバルブヘッド２４ａがバルブシート２５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２２の本体下部２２ｃには連通孔２８ａ、２８ｂが設けられており、これら連通孔２８ａ、２８ｂは燃料供給部７の連通孔７ａを介して燃料収容部３に接続されている。なお、バルブ２４の後方側に設けられたガイドピン２４ｃは連通孔２８ａ内に挿通されている。このように、ソケット部６はソケット本体２２内の燃料流路が本体下部２２ｃに設けられた連通孔２８ａ、２８ｂを介して燃料収容部３に接続されている。そして、バルブ１６、２４を開状態としてノズル部９およびソケット部６内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。

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。ノズル部９をソケット部６に挿入すると、まずノズルヘッド１２の挿入部１４先端とゴムホルダ２３の先端とが接触し、バルブ１６、２４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される。ノズルヘッド１２の挿入部１４先端とゴムホルダ２３とが接触した状態からノズル部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１６ｂとソケット部６のバルブステム２４ｂの先端同士が突き当たる。

ここで、燃料吸収体１７をバルブステム１６ｂの内部に配置した場合、その先端のみがバルブステム１６ｂから露出しているため、ノズル部９のバルブステム１６ｂとソケット部６のバルブステム２４ｂの先端同士が突き当たると、燃料吸収体１７の露出面はソケット部６のバルブステム２４ｂで覆われることになる。従って、バルブステム１６ｂ内に配置された燃料吸収体１７は、ノズル部９とソケット部６とを接続した状態、すなわちノズル部９およびソケット部６の液体燃料流路を開いた状態において、燃料流路を流れる液体燃料と接触することはない。言い換えると、バルブステム１６ｂ内に配置された燃料吸収体１７は、ノズル部９をソケット部６から引抜いて接続を解除したときのみに燃料流路内の液体燃料と接触するように構成されている。

ノズル部９のバルブステム１６ｂとソケット部６のバルブステム２４ｂの先端同士が突き当たった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２４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される。このように、ノズル部９とソケット部６とを接続すると共に、それらに内蔵されたバルブ機構をそれぞれ開状態として液体燃料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が燃料電池本体４の燃料収容部３に供給される。

液体燃料の供給終了後には燃料カートリッジ５を燃料収容部３から引抜くことで、ノズル部９とソケット部６との接続を解除する。この際、ノズル部９とソケット部６のバルブ機構は、それぞれ接続状態が解除されることで閉状態に戻るため、燃料カートリッジ５や燃料収容部３から液体燃料が漏洩することはない。ただし、バルブステム１６ｂの表面等に付着した僅かな液体燃料がノズル部９の先端側（挿入部１４の先端）に残留する場合がある。ノズル部９の先端側に残留（付着）した僅かな液体燃料であっても、安全性等を高める上で操作者に触れないようにすることが重要となる。

このような点に対して、第１の実施形態では例えば図２に示したようにバルブステム１６ｂ内に燃料吸収体１７を配置している。上述したようにノズル部９をソケット部６から引抜いて接続を解除すると、ノズル部９のバルブステム１６ｂがソケット部６のバルブステム２４ｂから離れることによって、それまでバルブステム２４ｂで覆われていた燃料吸収体１７の先端が露出する。すなわち、バルブステム１６ｂ内に配置された燃料吸収体１７は、ノズル部９の接続を解除することで液体燃料流路と接することになる。

ノズル部９のノズル口１１からバルブ１６によるシール部までの液体燃料流路内に残った液体燃料は、接続解除時に液体燃料流路内に露出される燃料吸収体１７に吸収される。ノズル部９の接続時には燃料吸収体１７はソケット部６のバルブステム２４ｂで覆われているため、バルブステム１６ｂ内に配置された燃料吸収体１７は十分な液体吸収能を保っている。従って、ノズル部９の液体燃料流路内に残った液体燃料は速やかに燃料吸収体１７に吸収される。このように、ノズル部９の先端側への液体燃料の残留を燃料吸収体１７で防止することによって、操作者が液体燃料に触れることがなくなるため、燃料カートリッジ５およびそれを用いた燃料電池１の安全性や信頼性を高めることが可能となる。

特に、バルブステム１６ｂ内に配置された燃料吸収体１７は、上述したように接続時にはバルブステム２４ｂで覆われて十分な液体吸収能を保っているため、接続解除時にノズル部９の液体燃料流路内に残った液体燃料の吸収効果を十分に発揮させることができる。ただし、図４に示したバルブステム１６ｂの外周面に設置した燃料吸収体１７や図５に示した挿入部１４の内壁面に設置した燃料吸収体１７であっても、接続解除時に液体燃料の吸収効果を得ることができる。

すなわち、バルブステム１６ｂの外周面や挿入部１４の内壁面に燃料吸収体１７を配置することで、燃料吸収体１７の液体燃料流路と接する面積を拡大することができる。メタノール燃料等の液体燃料は揮発性が高いことから、接続解除と同時に燃料吸収体１７内の液体燃料が揮散することによって、ノズル部９の液体燃料流路内に残った液体燃料は高面積の燃料吸収体１７に吸収されることになる。この場合にもノズル部９の先端側への液体燃料の残留を燃料吸収体１７で防止することが可能となる。なお、図２に示した燃料吸収体１７と図４や図５に示した燃料吸収体１７とを組合せて使用することも有効である。

次に、本発明の第２の実施形態による燃料電池について、図６を参照して説明する。図６は第２の実施形態による燃料電池３１の要部構成、すなわち燃料電池本体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とによる接続機構（カップラ）を示す断面図である。なお、燃料電池３１の全体構成は第１の実施形態と同様であり、図１に示した通りである。また、ソケット部６とノズル部９とによる接続構造についても、基本的な機構は第１の実施形態と同様であるため、図２および図３と同一部分には同一符号を付し、その説明を一部省略する。

この実施形態の燃料電池３１においては、ソケット部６のソケット口２１からバルブ２４によるシール部までの液体燃料流路内に燃料吸収体３２を設置している。具体的には、図６に示すソケット部６は、バルブ２４のバルブステム２４ｂ内に設置された燃料吸収体３２を有している。この燃料吸収体３２は第１の実施形態と同様に、その先端がバルブステム２４ｂの先端面に露出するように設置されている。燃料吸収体３２の具体的な構成は第１の実施形態に示した通りであり、第１の実施形態における燃料吸収体１７と同様な材料や形状等を適用することができる。

燃料吸収体３２の設置位置はソケット口２１からバルブ２４によるシール部までの液体燃料流路内であればよく、バルブステム２４ｂの内部に限定されるものではない。図７は燃料吸収体３２をバルブステム２４ｂの外周面（側面）に沿って設置したソケット部６を示している。燃料吸収体３２はバルブステム２４ｂに限らず、例えば図８や図９に示すように、ソケット本体２２側に設置してもよい。図８および図９に示す燃料吸収体３２は、ソケット本体２２内の液体燃料流路に沿って配置されている。

すなわち、図８はソケット本体２２の本体中部２２ｂとゴムホルダ２３との間（ゴムホルダ２３の下部）に配置するパッキンとして、燃料吸収体３２を設置した状態を示している。図９はソケット本体２２の本体中部２２ｂに設けられたリブを燃料吸収体３２で構成した状態を示している。これらはゴムホルダ２３内の燃料流路内に残留する液体燃料の吸収に効果を発揮する。図６や図７に示した燃料吸収体３２と図８や図９に示した燃料吸収体３２とを組合せて使用することも効果的である。

第２の実施形態の燃料電池３１においては、前述した第１の実施形態の燃料電池１と同様に、燃料カートリッジ５のノズル部９と燃料収容部３のソケット部６との接続、並びに燃料カートリッジ５に収容された液体燃料の燃料収容部３への供給、さらに液体燃料の供給終了後におけるノズル部９とソケット部６との接続解除が行われる。ノズル部９とソケット部６との接続を解除した際、ノズル部９とソケット部６のバルブ機構は前述したように閉状態に戻るため、燃料カートリッジ５や燃料収容部３から液体燃料が漏洩することはない。ただし、バルブステム２４ｂの表面やゴムホルダ２３の内側等に付着した僅かな液体燃料がソケット部６内に残留する場合がある。

ソケット部６内に残留（付着）した僅かな液体燃料であっても、安全性等を高める上で操作者に触れないようにすることが重要となる。このような点に対して、第２の実施形態では例えば図６に示したようにバルブステム２４ｂ内に燃料吸収体３２を配置している。ノズル部９とソケット部６とを接続した状態において、バルブステム２４ｂ内に配置された燃料吸収体３２の露出面（先端面）はノズル部９のバルブステム１６ｂで覆われている。従って、ノズル部９をソケット部６から引抜いて接続を解除した際に、それまでバルブステム１６ｂで覆われていた燃料吸収体１７の先端が露出する。

ソケット部６のソケット口１１からバルブ２４によるシール部までの液体燃料流路内に残った液体燃料は、接続解除時に液体燃料流路内に露出される燃料吸収体３２に吸収される。バルブステム２４ｂ内に配置された燃料吸収体３２は、十分な液体吸収能を保っているため、ソケット部６の液体燃料流路内に残った液体燃料は速やかに燃料吸収体３２に吸収される。このように、ソケット部６内への液体燃料の残留を燃料吸収体３２で防止することによって、操作者が液体燃料に触れることがなくなるため、燃料カートリッジ５およびそれを用いた燃料電池１の安全性や信頼性を高めることが可能となる。

バルブステム２４ｂ内に配置された燃料吸収体３２は、接続時には液体吸収能を保っているため、接続解除時にソケット部６の液体燃料流路内に残った液体燃料の吸収効果を十分に発揮させることができる。また、ソケット本体２２の本体中部２２ｂとゴムホルダ２３との間のパッキンとして配置した燃料吸収体３２（図８）やソケット本体２２の本体中部２２ｂのリブとして配置した燃料吸収体３２（図９）は、ゴムホルダ２３内に残留する液体燃料の吸収に効果を発揮する。いずれにしても、ソケット部６のソケット口２１からバルブ２４によるシール部までの液体燃料流路内に燃料吸収体３２を配置することで、ソケット部６内への液体燃料の残留を抑制することが可能となる。

次に、本発明の第３の実施形態による燃料電池について、図１０を参照して説明する。図１０は第３の実施形態による燃料電池４１の要部構成、すなわち燃料電池本体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とによる接続機構（カップラ）を示す断面図である。なお、燃料電池４１の全体構成は第１の実施形態と同様であり、図１に示した通りである。また、ソケット部６とノズル部９とによる接続構造についても、基本的な機構は第１の実施形態と同様であるため、図２および図３と同一部分には同一符号を付し、その説明を一部省略する。

第３の実施形態の燃料電池４１は、第１の実施形態による燃料吸収体１７を有するノズル部９と第２の実施形態による燃料吸収体３２を有するソケット部６とを組合せたものであり、ノズル部９およびソケット部６の双方に燃料吸収体１７、３２を設置している。なお、図１０は各バルブステム１６ｂ、２４ｂの内部に設置した燃料吸収体１７、３２を示しているが、燃料吸収体１７、３２の設置位置はこれに限定されるものではなく、第１および第２の実施形態と同様な設置位置（例えば図４および図５に示した燃料吸収体１７の設置位置や図７ないし図９に示した燃料吸収体３２の設置位置）が適用可能である。

第３の実施形態の燃料電池４１においては、ノズル部９に設置した燃料吸収体１７とソケット部６に設置した燃料吸収体３２とによって、ノズル部９の先端側への液体燃料の残留抑制効果とソケット部６内への液体燃料の残留抑制効果を共に得ることができる。これらによって、サテライトタイプの燃料カートリッジ５を使用した燃料電池４１の安全性や信頼性をより一層高めることが可能となる。なお、ノズル部９およびソケット部６において、燃料吸収体１７、３２の設置位置はそれぞれ組合せて使用することができ、またそれぞれ複数箇所に燃料吸収体１７、３２を設置するようにしてもよい。

次に、上述した各実施形態の燃料電池１、３１、４１における燃料電池本体４の具体的な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１１を参照して説明する。図１１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。

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Ｐｔ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。また、燃料収容部３は燃料電池セル２側が開口されており、この燃料収容部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、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、この実施形態の内部気化型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、燃料収容部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１１では図示を省略したが、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。

上述したような構成を有する内部気化型ＤＭＦＣ（燃料電池本体）４においては、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。
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、燃料収容部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５８、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。

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内部気化型等のパッシブ型ＤＭＦＣに好適である。

本発明の第１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に示すノズル部とソケット部との接続状態を示す断面図である。 図２に示すノズル部の一変形例を示す断面図である。 図２に示すノズル部の他の変形例を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態による燃料電池の要部構成を示す断面図である。 図６に示すソケット部の一変形例を示す断面図である。 図６に示すソケット部の他の変形例を示す断面図である。 図６に示すソケット部のさらに他の変形例を示す断面図である。 本発明の第３の実施形態による燃料電池の要部構成を示す断面図である。 本発明の実施形態の燃料電池における燃料電池本体の一例としての内部気化型ＤＭＦＣの構成を示す断面図である。

符号の説明

１，３１，４１…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）、１１…ノズル口、１２…ノズルヘッド、１４…挿入部、１５…バルブホルダ、１６，２４…バルブ、１６ａ，２４ａ…バルブヘッド、１６ｂ，２４ｂ…バルブステム、１７，３２…燃料吸収体、１８，２５…バルブシート、１９，２６…Ｏリング、２０，２７…圧縮スプリング、２１…ソケット口、２２…ソケット本体、２３…ゴムホルダ、５１…気体選択透過膜。

Claims (20)

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装着されたノズルヘッドおよび前記ノズルヘッド内に配置されたバルブ機構を有する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、
   前記ノズル部は、その先端のノズル口から前記バルブ機構によるシール部までの前記液体燃料の流路内に配置され、前記液体燃料を吸収する燃料吸収体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、バルブヘッドとバルブステムとを有するバルブと、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前記液体燃料流路を閉状態に保つ弾性部材とを備え、かつ前記燃料吸収体は前記バルブステムに設置されてい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、
   前記燃料吸収体は前記バルブステム内に設置され、かつ前記燃料吸収体の先端が前記バルブステムの先端面に露出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２記載の燃料電池用燃料カートリッジにおいて、
   前記燃料吸収体は前記バルブステムの外周面に沿って設置されてい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、
   前記燃料吸収体は前記ノズルヘッド内の前記液体燃料流路に沿って設置されてい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１ないし請求項５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、
   前記燃料吸収体は、オレフィン系多孔体、エチレン系多孔体、スチレン系多孔体、およびエステル系多孔体から選ばれる少なくとも1種からな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１ないし請求項５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、
   前記燃料吸収体は不織布からな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１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と、
   燃料収容部と、前記燃料収容部に設けられたソケット本体および前記ソケット本体内に配置されたバルブ機構を有し、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。
9. 請求項８記載の燃料電池において、
   前記ソケット部は、その先端のソケット口から前記バルブ機構によるシール部までの前記液体燃料の流路内に配置され、前記液体燃料を吸収する燃料吸収体を備えることを特徴とする燃料電池。
10. 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装着されたノズルヘッドおよび前記ノズルヘッド内に配置されたバルブ機構を有するノズル部とを備える燃料電池用燃料カートリッジと、
    燃料収容部と、前記燃料収容部に設けられたソケット本体および前記ソケット本体内に配置されたバルブ機構を有し、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し、
    前記ソケット部は、その先端のソケット口から前記バルブ機構によるシール部までの前記液体燃料の流路内に配置され、前記液体燃料を吸収する燃料吸収体を有す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、
    前記ソケット部のバルブ機構は、バルブヘッドとバルブステムとを有するバルブと、前記バルブヘッドを前記ソケット本体内に設けられたバルブシートに押し付けて前記ソケット部内の前記液体燃料流路を閉状態に保つ弾性部材とを備え、かつ前記燃料吸収体は前記バルブステムに設置されていることを特徴とする燃料電池。
12. 請求項１１記載の燃料電池において、
    前記燃料吸収体は前記バルブステム内に設置され、かつ前記燃料吸収体の先端が前記バルブステムの先端面に露出していることを特徴とする燃料電池。
13. 請求項１１記載の燃料電池おいて、
    前記燃料吸収体は前記バルブステムの外周面に沿って設置されていることを特徴とする燃料電池。
14. 請求項１０記載の燃料電池において、
    前記燃料吸収体は前記ソケット本体内に設置されていることを特徴とする燃料電池。
15. 請求項１４記載の燃料電池において、
    前記ソケット部は前記バルブ機構の周囲に配置された弾性体ホルダを有し、かつ前記燃料吸収体は前記弾性体ホルダの下部にパッキンとして設置されていることを特徴とする燃料電池。
16. 請求項１４記載の燃料電池において、
    前記燃料吸収体は前記ソケット本体内の前記液体燃料流路に配置されるリブとして設置されていることを特徴とする燃料電池。
17. 請求項８ないし請求項１６のいずれか１項記載の燃料電池において、
    前記燃料吸収体は、オレフィン系多孔体、エチレン系多孔体、スチレン系多孔体、およびエステル系多孔体から選ばれる少なくとも1種からなることを特徴とする燃料電池。
18. 請求項８ないし請求項１６のいずれか１項記載の燃料電池において、
    前記燃料吸収体は不織布からなることを特徴とする燃料電池。
19. 請求項８ないし請求項１８のいずれか１項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。
20. 請求項１９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。

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