JP2007273219A - 燃料電池用燃料カートリッジの接続機構とそれを用いた燃料電池 - Google Patents
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Abstract
【課題】燃料電池用燃料カートリッジの接続機構において、燃料カートリッジと燃料電池本体との良好な結合状態を簡易な構造で実現する。
【解決手段】燃料カートリッジまたは燃料電池本体のいずれか一方に設けられたノズル部9を他方に設けられたソケット部6に挿入し、ノズル部9とソケット部6とを接続する燃料電池用燃料カートリッジの接続機構である。例えば、ノズル部9はスナップフィット部を具備する。ソケット部6は例えばスナップフィット部と係合してノズル部9と前記ソケット部6とを結合させるスナップフィット係合部を具備する。
【選択図】図2
【解決手段】燃料カートリッジまたは燃料電池本体のいずれか一方に設けられたノズル部9を他方に設けられたソケット部6に挿入し、ノズル部9とソケット部6とを接続する燃料電池用燃料カートリッジの接続機構である。例えば、ノズル部9はスナップフィット部を具備する。ソケット部6は例えばスナップフィット部と係合してノズル部9と前記ソケット部6とを結合させるスナップフィット係合部を具備する。
【選択図】図2
Description
本発明は燃料電池用燃料カートリッジの接続機構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、燃料カートリッジから燃料電池の燃料タンクに液体燃料を供給するにあたっては、燃料カートリッジの接続状態(燃料電池側との結合状態)を確実かつ良好に保つことが重要となる。燃料カートリッジの接続不良は液体燃料の液漏れの原因となる。ただし、燃料カートリッジの結合状態を良好に保つために複雑な接続機構を適用すると、燃料電池の大型化や操作性の低下等を招くことになる。特に、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のに対して、接続機構の複雑化はDMFCの小型化を阻害することになる。さらに、燃料電池用燃料カートリッジの使用形態を考えると、容易に脱着が可能であることが求められる。
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、燃料カートリッジを燃料電池本体に接続するにあたって、これらのより確実な結合状態を簡易な構造で実現することを可能にした燃料電池用燃料カートリッジの接続機構、およびそのような燃料カートリッジの接続機構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の接続機構は、燃料カートリッジまたは燃料電池本体のいずれか一方に設けられたノズル部を、前記燃料カートリッジまたは燃料電池本体のいずれか他方に設けられたソケット部に挿入し、前記ノズル部とソケット部とを接続する燃料電池用燃料カートリッジの接続機構において、前記ノズル部または前記ソケット部のいずれか一方はスナップフィット部を具備し、前記ノズル部または前記ソケット部のいずれか他方は前記スナップフィット部と係合して、前記ノズル部と前記ソケット部とを結合させるスナップフィット係合部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た接続機構部とを備える燃料カートリッジと、前記燃料カートリッジ側の接続機構部と着脱可能に接続される燃料電池側接続機構部を有する燃料供給部と、前記燃料供給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、前記燃料カートリッジ側接続機構部と前記燃料電池側接続機構部とは、本発明の一態様に係る燃料電池用燃料カートリッジの接続機構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の接続機構によれば、燃料カートリッジと燃料電池本体との確実な結合状態を簡易な構造で実現している。従って、このような燃料カートリッジの接続機構を適用することによって、液体燃料の供給時における信頼性や操作性を高めると共に、小型化を図っ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。なお、燃料電池本体4は燃料タンク3を経ずに燃料供給部7から直接燃料電池セル2に液体燃料を供給する構造を有していてもよい。
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、例えば燃料タンク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は本発明の燃料電池用燃料カートリッジの接続機構の一実施形態を示すものである。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、ノズルベース部11とノズル挿入部12とを一体化したノズルヘッド13を具備している。ノズルベース部11はカートリッジ本体8の先端部に固着されている。円筒状のノズル挿入部12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、ノズルベース部11から突出して形成されている。ノズル挿入部12の先端にはノズル口が設けられている。なお、ここではノズルベース部11とノズル挿入部12とを一体成形したノズルヘッド13を示しているが、これらは個別に成形したものを組合せて使用してもよい。
カートリッジ本体8の先端側内部には、カップ状のバルブホルダ14が配置されている。バルブホルダ14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とノズルベース部11とで挟み込まれて固定されている。バルブホルダ14で規定されたバルブ室内には、バルブ15が配置されている。バルブ15は、バルブヘッド15aを有するバルブ本体15bと、バルブ本体15bの先端側に設けられたバルブステム15cと、バルブ本体15bの後方側に設けられたガイドピン15dとを備えている。
バルブヘッド15aを有するバルブ本体15bはバルブホルダ14で規定されたバルブ室内に配置されており、バルブステム15cは円筒状のノズル挿入部12内に収容されている。これらバルブ本体15bやバルブステム15cを有するバルブ15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15aとノズルベース部11の内側に形成されたバルブシート16との間には、Oリング17が配置されている。バルブ本体15bには、圧縮スプリング18でバルブヘッド15aをバルブシート16に押し付ける力が常時加えられており、これらによってOリング17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17を介してバルブヘッド15aをバルブシート16に押し付けることで、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15cが後退してバルブヘッド15aがバルブシート16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。バルブホルダ14の底部には液体燃料の流路となる連通孔14aが設けられている。バルブ本体15bの後方側に設けられたガイドピン15dは連通孔14a内に挿通されている。
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、段付孔を有する略円筒状のハウジング21を具備している。ハウジング21はノズル挿入部12が挿入される凹状のノズル受け部22を有しており、このノズル受け部22の底面側には液体燃料の流路となる連通孔23が設けられている。ハウジング21の下方にはバルブ室を規定するように筒状支持部材24が嵌め込まれている。これらハウジング21と筒状支持部材24と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21および筒状支持部材24で形成されたバルブ室内には、バルブ25が配置されている。バルブ25は、バルブヘッド25aを有するバルブ本体25bと、バルブ本体25bの先端側に設けられたバルブステム25cと、バルブ本体25bの後方側に設けられたガイドピン25dとを備えている。バルブヘッド25aを有するバルブ本体25bは、筒状支持部材24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25cはノズル受け部22の底面側に設けられた連通孔23内に収容されており、さらにノズル受け部22内に突出している。これらバルブ本体25bやバルブステム25cを有するバルブ25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25aとハウジング21の下面側に形成されたバルブシート26との間には、Oリング27が配置されている。バルブ本体25bには、圧縮スプリング28でバルブヘッド25aをバルブシート26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27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27を介してバルブヘッド25aをバルブシート26に押し付けることによって、ソケット部6内の流路を閉状態としている。一方、後述するように燃料電池本体4に燃料カートリッジ5が接続されると、バルブステム25cが後退してバルブヘッド25aがバルブシート26から離れることによって、ソケット部6内の流路が開状態とされる。
筒状支持部材24には、燃料タンク3に接続された連通孔24aが設けられている。なお、バルブ本体25bの後方側に設けられたガイドピン25dは連通孔24a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21内に設けられた流路が筒状支持部材24に設けられた連通孔24aを介して燃料タンク3に接続されている。そして、バルブ25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燃料タンク3内に注入することが可能とされている。
なお、ここではバルブ機構を内蔵したノズル部9とソケット部6について説明したが、ノズル部9およびソケット部6における液体燃料の遮断・流通機構はこれに限定されるものではない。例えば、ソケット部6側にゴムやエラストマー等で形成した膜を配置すると共に、ノズル部9側に針を設けた構造によって、ノズル部9およびソケット部6における液体燃料の遮断・流通を制御することも可能である。
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、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はスナップフィット部を具備し、ソケット部6はスナップフィット係合部を具備している。ノズル部9に適用したスナップフィット部の具体的な構造について、図3(ノズルベース部11とノズル挿入部12とを一体化したノズルヘッド13の断面図)を参照して述べる。
図3に示すノズルヘッド13は、ノズル挿入部12を構成する円筒部31に切り欠き32を設けて分割し、円筒部31の各分割片31aに対して径方向の弾性力を付与している。言い換えると、ノズル挿入部12は円筒部31と、この円筒部31の径方向に弾性力を付与する切り欠き32とを有し、これらがスナップフィット部を構成している。円筒部31の分割片31aは径方向に対して弾性力を有しており、この分割片31aの弾性力でノズル受け部22に挿入可能とされており、さらに挿入後には径方向への弾性力で復元するように構成されている。
ノズル挿入部12は分割片31aに弾性力を付与する上で、ゴム、樹脂、エラストマー等で構成することが好ましい。さらに、燃料電池用の燃料カートリッジ5に適用する上で、ノズル挿入部12は例えば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、オレフィン系プラスチック、汎用エンジニアプラスチック、スーパーエンジニアプラスチック、熱可塑性エラストマー、ゴム材料等が挙げられる。オレフィン系プラスチックとしては、低密度ポリエチレン(LDPE)、高密度ポリエチレン(HDPE)、直鎖状低密度ポリエチレン(LLDPE)、架橋高密度ポリエチレン(XLPE)、ポリプロピレン(PP)、プロピレン共重合体(PPCO)等が例示される。
汎用エンジニアプラスチックとしては、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)、ガラス繊維強化ポリエチレンテレフタレート(GF−PET)、ポリメチルペンテン(TPX)が、スーパーエンジニアプラスチックとしては、例えばポリフェニレンサルファイド(PPS)、ポリエーテルイミド(PEI)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、フッ素系樹脂(PTFE、PFA、PVDF等)が挙げられる。
熱可塑性エラストマーとしては、スチレン系エラストマー(TPS)、オレフィン系エラストマー(TPO)、ポリエステル系エラストマー(TPEE)、ポリアミド系エラストマー(PEBAX)、シリコーン系エラストマー、フッ素系エラストマー等が例示される。ゴム材料としては、例えばエチレン−プロピレン−ジエンゴム(EPDM)、アクリロニトリル−ブタジエンゴム(NBR)、フッ素ゴム(FKM)、シリコーンゴム(VMQ)等を使用することができる。
ノズル挿入部12にはその形状に基づいて弾性力を付与することができるが、それ自体の特性として弾性を有していることが好ましい。このような点から、ノズル挿入部12は曲げ弾性率が低いオレフィン系プラスチック、エラストマー、ゴム材料等で形成することが好ましい。スナップフィット部を構成するノズル挿入部12以外の構成部品(ノズル部9とソケット部6の構成部品)については、例えば耐メタノール性を有する汎用エンジニアプラスチックやスーパーエンジニアプラスチック等を使用することができる。なお、スナップフィット係合部を構成するノズル受け部22は、スナップフィット部と同様に曲げ弾性率が低いオレフィン系プラスチックやゴム等で形成してもよいし、また一般的な汎用エンジニアプラスチックやスーパーエンジニアプラスチック等で形成してもよい。
上述したノズル挿入部12の円筒部31の先端外周側には、分割片31a毎に爪部33が設けられている。爪部33は各分割片31aの外周面に沿って形成されている。一方、ノズル部9とソケット部6とを接続するにあたって、ノズル挿入部12が挿入されるソケット部6側のノズル受け部22には、その内周面に爪部33と係合する凹部29が設けられている。このように、ノズル受け部22はスナップフィット係合部を構成している。ノズル挿入部12(スナップフィット部)は径方向への弾性力で変形してノズル受け部22に挿入可能とされており、挿入後には径方向への弾性力で復元して爪部33がノズル受け部22(スナップフィット係合部)の凹部29と係合する。
このように、スナップフィット部を構成するノズル挿入部12とスナップフィット係合部を構成するノズル受け部22とによって、ノズル部9とソケット部6とを結合させることが可能とされている。スナップフィット部(ノズル挿入部12)に設ける爪部33は、例えば図3に示したように、ノズル挿入部12の挿入方向および離脱方向のそれぞれに傾斜(曲面を含む)を設けた形状を有している。このような形状を有する爪部33は、挿入性および離脱性の双方に優れている。また、結合力を高めるためには、例えば図4に示すように、ノズル挿入部12の挿入方向のみに傾斜させた形状を有する爪部33を適用することができる。この場合はノズル挿入部12の離脱性が低下することから、後述するようにノズル部9とソケット部6との結合状態を解除する手段を設けることが好ましい。
ノズル挿入部12を構成する円筒部31に設ける切り欠き32の形状は、特に限定されるものではなく、円筒部31の分割片31aに対して径方向の弾性力を付与し得る各種形状の切り欠き32を適用することができる。図5(a)は円筒部31に一字形状の切り欠き32Aを形成し、円筒部31を2つに分割したノズル挿入部12を示している。2つの分割片31aにはそれぞれ爪部33が設けられている。一方、ノズル受け部22には図5(b)に示すように、爪部33に対応する位置に凹部29が形成されている。切り欠き32Aの幅(隙間)は、例えば円筒部31の直径が3.5〜5mm程度の場合、0.3〜1mmの範囲とすることが好ましい。他の形状の場合も同様である。
図6(a)は円筒部31に十字形状の切り欠き32Bを形成し、円筒部31を4つに分割したノズル挿入部12を示している。4つの分割片31aにはそれぞれ爪部33が設けられている。ノズル受け部22は図6(b)に示すように、図5(b)と同様な凹部29を有している。一字形状の切り欠き32Aは分割片31aの変形方向が限定されるため、磨耗しやすいものの結合力が強い。一方、十字形状の切り欠き32Bは分割片31aが変形しやすく、磨耗しにくく耐久性が向上する。さらに、ノズル挿入部12の挿入性も向上し、ノズル受け部22との接続性を高めることができる。
図3ないし図6では円筒部31の外周面に沿って形成された爪部33を有する分割片31aを示したが、爪部33は例えば図7や図8に示すように突起状であってもよい。図7(a)は一字形状の切り欠き32Aで円筒部31を2つに分割したノズル挿入部12を示しており、各分割片31aにはそれぞれ突起状の爪部33が設けられている。図8(a)は十字形状の切り欠き32Bで円筒部31を4つに分割したノズル挿入部12を示しており、各分割片31aにはそれぞれ突起状の爪部33が設けられている。ノズル受け部22は図7(b)や図8(b)に示すように、各爪部33に対応する凹部29を有している。凹部29は図5(b)と同様にハウジング21の内周面に連続して形成してもよい。
図9は、スナップフィット部を構成するノズル挿入部12に凹部34を設け(図9(a))、スナップフィット係合部を構成するノズル受け部22に爪部35を形成した(図9(b))構造を示している。このように、結合部分となる爪部と凹部の形成位置は限定されるものではなく、スナップフィット部またはスナップフィット係合部の一方に爪部を形成し、他方に凹部を形成することができる。図9(a)は切り欠き32で分割された4つの分割片31aにそれぞれ凹部34を形成したノズル挿入部12、図9(b)は凹部34に対応する位置に全周にわたって形成された爪部35を有するノズル受け部22を示している。この場合も各種形状の切り欠き32を適用するとこができる。
ここで、スナップフィット部はノズル挿入部12に設けなければならないものではなく、図10に示すようにノズル受け部22側に設けることも可能である。図10において、ノズル挿入部12は爪部33を有する円筒部31で構成されており、切り欠きは形成されていない。一方、ノズル受け部22はハウジング21とは別体の円筒部36を有し、この円筒部36に例えば十字形状の切り欠き37を設けて分割している。ノズル受け部22を構成する円筒部36の各分割片36aには、図11に示すように径方向の弾性力が付与されている。このように、ノズル受け部22でスナップフィット部を構成し、ノズル挿入部12でスナップフィット係合部を構成することも可能である。
次に、図12および図13を参照して、スナップフィット部を構成するノズル挿入部12とスナップフィット係合部を構成するノズル受け部22との接続状態について述べる。なお、図12(a)および図13(a)はノズル部9とソケット部6との接続状態を示しており、図12(b)および図13(b)はその際のノズル挿入部12の状態を示している。まず、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(通常状態)においては、図3に示したように、ノズル挿入部12の各分割片31aは切り欠き32の幅に基づいて分離しており、かつ径方向に対して弾性力を有している。
このようなノズル挿入部12をソケット部6に挿入すると、図12に示すように、ノズル挿入部12の各分割片31aはその弾性力に基づいて中心軸方向に変形する。言い換えると、ノズル挿入部12は各分割片31aがその弾性力に基づいて中心軸方向に変形することによって、ソケット部6に挿入することが可能とされている。この段階でノズル部9のバルブステム15cとソケット部6のバルブステム25cの先端同士が突き当たり、それぞれ後退してバルブを開状態とする方向に力が働く。
さらに、ノズル部9をソケット部6に差し込んで所定の位置に達すると、図13に示すように、ノズル挿入部12の各分割片31aは弾性力で元の状態に復元すると共に、各分割片31aの先端に設けられた爪部33とノズル受け部22の凹部29とが係合する。このように、各分割片31aの弾性力に基づく復元力で爪部33と凹部29とを係合させることによって、スナップフィット部を構成するノズル挿入部12とスナップフィット係合部を構成するノズル受け部22とが結合される。
ノズル挿入部12とノズル受け部22との結合と同時に、ノズル部9のバルブステム15cとソケット部6のバルブステム25cはさらに後退し、各バルブヘッド15a、25aがそれぞれバルブシート16、26から離れてノズル部9およびソケット部6のバルブ機構がそれぞれ開状態になる。このように、ノズル部9とソケット部6とを接続させると共に、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。
液体燃料の供給後は燃料カートリッジ5を引き抜いてノズル部9とソケット部6との接続状態を解除する。燃料カートリッジ5を燃料電池本体から引き抜くにあたって、図3に示したように、爪部33がノズル挿入部12の挿入方向および離脱方向のそれぞれに傾斜(曲面を含む)を設けた形状を有している場合には、比較的容易に燃料カートリッジ5を燃料電池本体から引き抜くことができる。一方、図4に示したように、爪部33がノズル挿入部12の挿入方向のみに傾斜させた形状を有する場合には、ノズル部9とソケット部6との結合力を高めることができ反面、ノズル挿入部12の離脱性が低下する。
このような場合には図14に示すように、ノズル部9とソケット部6との結合状態を解除するリリース手段を設けることが好ましい。図14はソケット部6のハウジング21の径方向に設けた挿入孔41に、結合状態のノズル挿入部12の分割片31aを中心軸方向に変形させるリリースボタン42を配置した接続機構を示している。このように、スナップフィット部を構成するノズル挿入部12の結合状態を解除するリリースボタン42を、スナップフィット係合部を構成するノズル受け部22に設けることによって、結合力が高いスナップフィット部を適用した場合においても、燃料カートリッジ5を燃料電池本体から容易に引き抜くことが可能となる。
なお、上述した各実施形態では燃料カートリッジ5側にノズル部9を設け、燃料電池本体4側にソケット部6を設けた接続機構を示したが、ノズル部9およびソケット部6の配置は逆であってもよい。すなわち、燃料カートリッジ5側にソケット部を設けると共に、燃料電池本体4側にノズル部を設けることによっても、燃料カートリッジ5と燃料電池本体4との接続機構を構成することができる。このような場合でも、前述した各実施形態のスナップフィット部およびスナップフィット係合部を同様に適用することが可能である。
上述したように、燃料カートリッジ5側のノズル部9と燃料電池本体4側のソケット部6との接続にスナップフィット結合を適用することによって、燃料カートリッジ5と燃料電池本体4との接続状態(結合状態)を確実かつ良好に保つことが可能となる。さらに、スナップフィット結合はノズル部9またはソケット部6を構成する円筒部に切り欠きを設けて弾性力を付与するだけで実現することができるため、接続機構の複雑化による燃料カートリッジ5や燃料電池本体4の大型化等を招くこともない。すなわち、燃料カートリッジ5と燃料電池本体4との確実な結合状態を簡易な構造で実現することが可能となる。さらに、燃料カートリッジ5を容易に脱着することができるため、燃料電池本体4に液体燃料を供給する際の操作性等を高めることが可能となる。
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15および図16を参照して説明する。図15および図16は第2の実施形態による燃料電池50の要部構成、すなわち燃料カートリッジ5に設けられたノズル部9と燃料電池本体4の燃料供給部7に設けられたソケット部6とを主として示す断面図であり、図15はノズル部9とソケット部6とを接続する前の状態、図16は接続後の状態を示している。燃料電池50の全体構成等は図1に示した第1の実施形態と同様とされている。なお、図1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。
燃料カートリッジ5側の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51が開口されたノズルヘッド52を有している。ノズルヘッド52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53と、ソケット部6に挿入されるノズル挿入部54とを有している。ノズル挿入部54は、前述した第1の実施形態と同様に、切り欠き55で分割された円筒部56を有している。円筒部56の各分割片には、径方向の弾性力が付与されていると共に、それぞれ爪部57が設けられており、これらによりスナップフィット部が構成されている。
スナップフィット部を構成する切り欠き55や爪部57には、第1の実施形態と同様に各種の形状を適用することができる。切り欠き55には例えば一字形状や十字形状等の形状を適用することができる。爪部57には図3や図4に示したような形状を適用することができ、また全体形状も図5や図7に示したような各種形状を適用することができる。さらに、切り欠き55は後述するソケット部6側のキー部と係合する形状を有しており、燃料識別手段としても機能するものである。
ノズル挿入部54の先端には凹部58が設けられており、ノズル口51は凹部58内に開口している。凹部58の底面はノズル挿入部54の先端に装着された弾性部材59で構成されている。すなわち、ノズル挿入部54の先端側内部には弾性部材59が配置されており、この弾性部材59の先端面とその周囲に配置されたノズル挿入部54とによって凹部58が形成されている。凹部58は例えばノズル部9の先端側に付着(残留)した液体燃料の収容部として機能すると共に、後述するソケット部6との間でシールを形成する(例えばソケット部6側のシール部材との係合部を構成する)ものである。弾性部材59には前述したエラストマーやゴム材料等を適用することができる。
図15ではノズル挿入部54に円筒状の弾性部材59を、その先端面が凹部58内の底面となるように配置した例を示したが、弾性部材59の形状はこれに限られるものではない。例えば、図17に示すように、先端に凹部59aを設けた弾性部材59を適用することも可能である。弾性部材59はノズル部9とソケット部6とを接続した際に、ソケット部6との間(例えばソケット部6側のシール部材との間)でシールを形成するものであり、これにより接続時のシール性を高めることができる。また、ノズル部9とソケット部6とを脱着する際に曲げ方向の荷重が加わった場合に、弾性体59が弾性的に変形することでバルブ機構を保護し、折損や漏洩等を防止することができる。このようなシール性の向上効果等を得ることが可能であれば、各種形状の弾性部材(例えばゴム部品)59を適用することができる。
ノズルヘッド52のベース部53の内側には、カップ状のバルブホルダ60が配置されている。バルブホルダ60内にはバルブヘッド61aとバルブステム61bとを備えるバルブ61が配置されている。バルブヘッド61aはバルブホルダ60で規定されたバルブ室内に配置されており、バルブステム61bは円筒状のノズル挿入部54内に収容されている。バルブ61は軸方向に進退可能とされている。バルブヘッド61aとベース部53の内側に形成されたバルブシート62との間には、Oリング63が配置されている。バルブ61には圧縮スプリング64でバルブヘッド61aをバルブシート62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63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63を介してバルブヘッド61aをバルブシート62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61bが後退してバルブヘッド61aがバルブシート62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。バルブホルダ60の底部には連通孔60aが設けられており、この液体燃料の流路となる連通孔60aを介してカートリッジ本体8内の液体燃料はノズル部9内に流入する。
さらに、ノズルヘッド52の外側にはコンテナノズル65が配置されており、このコンテナノズル65をカートリッジ本体8に例えば螺着することによって、ノズルヘッド52やバルブ61等を有するノズル部9がカートリッジ本体8の先端部(開口を有する先端部)に固着されている。なお、図15および図16は複層構造のカートリッジ本体8を示しており、8aはメタノール燃料等の液体燃料と直接的に接する内容器、8bは内容器8aを保護する外容器(ハードケース)である。
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、円筒状のソケット本体71を有している。ソケット本体71は金属製、樹脂製もしくはゴム製の本体上部71a、本体中部71b、本体内側部71cおよび本体下部71dと、それらの外側に嵌着されたメタルソケット72とで構成されている。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。リング状の本体上部71aの内側には、燃料識別手段を構成するキー部73が突出形成されている。キー部73は前述した切り欠き55と係合する形状を有しており、燃料識別手段として機能するものである。
キー部73とキー溝として機能する切り欠き55とは一対の形状をなすため、例えば液体燃料に応じて形状を規定することによって、液体燃料の誤注入等を防止することができる。すなわち、キー部73の形状を液体燃料の種別(種類や濃度等)に応じた形状とし、さらに切り欠き55をキー部73に対応した形状とすることで、燃料電池本体4に対応した液体燃料を収容する燃料カートリッジ5のみを接続可能にすることができる。これによって、燃料電池本体4に対応した液体燃料のみが供給されるようになるため、液体燃料の誤注入による動作不良や特性低下等を防止することが可能となる。
ソケット本体71の本体上部71aおよび本体中部71bはリング形状を有し、その内側はノズル受け部74とされている。さらに、本体中部71bの内壁面にはノズル挿入部54の爪部57と係合する凹部75が設けられている。このように、ソケット本体71の本体上部71aおよび本体中部71bはスナップフィット係合部を構成している。ノズル挿入部54(スナップフィット部)は径方向への弾性力で変形してノズル受け部74に挿入可能とされており、挿入後には径方向への弾性力で復元して爪部57がノズル受け部74(スナップフィット係合部)の凹部75と係合する。
ソケット本体71の本体内側部71c上には、弾性体ホルダとしてゴムホルダ76が設置されている。ゴムホルダ76は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76はノズルヘッド52のノズル挿入部54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。ゴムホルダ76の先端をノズル挿入部54内に配置された弾性部材59と当接させつつ、ノズル挿入部54の先端に設けられた凹部58と嵌め合わせることによって、ゴムホルダ76とノズル挿入部54との間にシールが形成される。
ソケット本体71内にはバルブ77が配置されている。バルブ77はバルブヘッド77aとバルブステム77bとを備えている。バルブヘッド77aは本体内側部71cと本体下部71d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77bはゴムホルダ76内に収納されている。このようなバルブ77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77aと本体内側部71cの下面側に形成されたバルブシート78との間にはOリング79が配置されている。
バルブ77には圧縮スプリング80でバルブヘッド77aをバルブシート78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79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、バルブヘッド77aを介してOリング79がバルブシート78に押し付けられており、これによりソケット部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77bが後退してバルブヘッド77aがバルブシート78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。
ソケット本体71の本体下部71dは、燃料供給部7内の燃料流路7aと連通しており、さらに燃料流路7aを介して燃料タンク3と接続されている。このように、ソケット部6内の燃料流路は燃料供給部7を介して燃料タンク3に接続されている。そして、バルブ61、77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。ノズル部9のノズルヘッド52に設けられた挿入部54は、キー溝としての切り欠き55とキー部73との形状が対応した場合にのみノズル受け部74に挿入される。このようにしてノズル挿入部54をノズル受け部74に挿入すると、まずノズル挿入部54先端の凹部58にゴムホルダ76の先端が嵌め合わされることによって、バルブ61、77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。この際、ゴムホルダ76はノズル挿入部54側の弾性部材59と当接するため、これらのシール性を高めることができる。
ノズル挿入部54とゴムホルダ76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61bとソケット部6のバルブステム77b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77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61が後退して液体燃料流路が確立する。この液体燃料流路の確立と同時に、ノズル挿入部54の先端に設けられた爪部57とノズル受け部74の凹部75とが係合する、すなわちノズル部9のスナップフィット部とソケット部6のスナップフィット係合部とが係合することによって、ノズル部9とソケット部6との接続状態が保持される。
上述したように、燃料カートリッジ5側のノズル部9と燃料電池本体4側のソケット部6との接続にスナップフィット結合を適用することによって、燃料カートリッジ5と燃料電池本体4との接続状態(結合状態)を確実かつ良好に保つことが可能となる。さらに、スナップフィット結合はノズル部9(またはソケット部6)を構成する円筒部56に切り欠き55を設けて弾性力を付与するだけで実現することができるため、接続機構の複雑化による燃料カートリッジ5や燃料電池本体4の大型化等を招くこともない。
すなわち、燃料カートリッジ5と燃料電池本体4との確実な結合状態を簡易な構造で実現することが可能となる。さらに、燃料カートリッジ5を容易に脱着することができるため、燃料電池本体4に液体燃料を供給する際の操作性等を高めることが可能となる。また、ノズルヘッド52はノズル挿入部54を構成する円筒部56に切り欠き55を設けて分割し、円筒部56の分割片に対して径方向の弾性力を付与しているため、ノズル部9とソケット部6とを脱着する際に曲げ方向の荷重が加わった場合においても、切り欠き55や分割片が径方向に変形することでバルブの破損を防止することができる。
次に、上述した各実施形態の燃料電池1、50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18を参照して説明する。図18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81を具備している。
燃料電池セル2は、アノード触媒層82およびアノードガス拡散層83からなるアノード(燃料極)と、カソード触媒層84およびカソードガス拡散層85からなるカソード(酸化剤極/空気極)と、アノード触媒層82とカソード触媒層84とで挟持されたプロトン(水素イオン)伝導性の電解質膜86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82およびカソード触媒層84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82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84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86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82に積層されるアノードガス拡散層83は、アノード触媒層82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82の集電体も兼ねている。一方、カソード触媒層84に積層されるカソードガス拡散層85は、カソード触媒層84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84の集電体も兼ねている。アノードガス拡散層83にはアノード導電層87が積層され、カソードガス拡散層85にはカソード導電層88が積層されている。
アノード導電層87およびカソード導電層88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86とアノード導電層87との間、および電解質膜86とカソード導電層88との間には、ゴム製のOリング89、90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81が設置されている。気体選択透過膜81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81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88上には保湿層91が積層されており、さらにその上には表面層92が積層されている。表面層92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92に形成された空気導入口93の個数やサイズ等を変更することで行う。保湿層91はカソード触媒層84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85に酸化剤を均一に導入することで、カソード触媒層84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91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81、燃料電池セル2、保湿層91、表面層92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94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94には表面層92に形成された空気導入口93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94の爪94aを受けるテラス95が設けられており、このテラス95に爪94aをかしめることで燃料電池本体4全体をカバー94で一体的に保持している。なお、図18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81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83で拡散されてアノード触媒層82に供給される。アノード触媒層82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)
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84で生成した水や電解質膜86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86を伝導し、カソード触媒層84に到達する。表面層92の空気導入口93から取り入れられた空気(酸化剤)は、保湿層91、カソード導電層87、カソードガス拡散層85を拡散して、カソード触媒層84に供給される。カソード触媒層84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)
(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を燃料電池本体4に容易にかつ確実に接続することができるため、燃料カートリッジ5から燃料電池本体4への液体燃料の供給を容易にかつ信頼性よく実施することが可能となる。さらに、燃料カートリッジ5と燃料電池本体4との接続機構に簡易なスナップフィット結合を適用しているため、小型化が進められているパッシブ型DMFCに好適である。ただし、本発明はこれに限られるものではなく、燃料カートリッジで液体燃料を供給する機構を有する各種の燃料電池に適用可能である。
1,50…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)、12,54…ノズル挿入部、15,25,61,77…バルブ、22,74…ノズル受け部、29,34,75…凹部、31,36,56…円筒部、31a,36a…分割片、32,37,55…切り欠き、33,35,57…爪部、42…リリースボタン、59…弾性部材。
Claims (11)
- 燃料カートリッジまたは燃料電池本体のいずれか一方に設けられたノズル部を、前記燃料カートリッジまたは燃料電池本体のいずれか他方に設けられたソケット部に挿入し、前記ノズル部とソケット部とを接続する燃料電池用燃料カートリッジの接続機構において、
前記ノズル部または前記ソケット部のいずれか一方はスナップフィット部を具備し、前記ノズル部または前記ソケット部のいずれか他方は前記スナップフィット部と係合して、前記ノズル部と前記ソケット部とを結合させるスナップフィット係合部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の接続機構。 - 請求項1記載の燃料電池用燃料カートリッジの接続機構において、
前記スナップフィット部と前記スナップフィット係合部とは、これらのいずれか一方に設けられた爪部を、他方に設けられた凹部に係合させることにより、前記ノズル部と前記ソケット部とを結合させることを特徴とする燃料電池用燃料カートリッジの接続機構。 - 請求項2記載の燃料電池用燃料カートリッジの接続機構において、
前記ノズル部は前記燃料カートリッジに設けられており、かつ前記爪部を有するスナップフィット部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の接続機構。 - 請求項1ないし請求項3のいずれか1項記載の燃料電池用燃料カートリッジの接続機構において、
前記スナップフィット部は、前記燃料カートリッジの挿入方向と軸方向が平行となるように配置された円筒部と、前記円筒部の径方向に弾性力を付与するように形成された切り欠き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の接続機構。 - 請求項4記載の燃料電池用燃料カートリッジの接続機構において、
前記切り欠きは一字形状または十字形状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の接続機構。 - 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の接続機構において、
前記スナップフィット係合部を有する前記ノズル部またはソケット部は、前記ノズル部と前記ソケット部との結合状態を解除する手段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の接続機構。 - 請求項1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の接続機構において、
前記ノズル部の先端側には前記ソケット部と接触する弾性部材が配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の接続機構。 - 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の接続機構において、
前記ノズル部および前記ソケット部はそれぞれバルブ機構を内蔵することを特徴とする燃料電池用燃料カートリッジの接続機構。 - 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た接続機構部とを備える燃料カートリッジと、
前記燃料カートリッジ側の接続機構部と着脱可能に接続される燃料電池側接続機構部を有する燃料供給部と、前記燃料供給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、
前記燃料カートリッジ側接続機構部と前記燃料電池側接続機構部とは、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の接続機構を具備することを特徴とする燃料電池。 - 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。 - 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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