JP4949616B2

JP4949616B2 - メタノール形燃料電池装置

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Publication number: JP4949616B2
Application number: JP2004295815A
Authority: JP
Inventors: 慎輔安藤; 高橋　　研; 修久保田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2004-10-08
Filing date: 2004-10-08
Publication date: 2012-06-13
Anticipated expiration: 2024-10-08
Also published as: CN100397680C; CN1758462A; US7833679B2; US20060078769A1; JP2006108014A

Description

本発明は、メタノール水溶液などのメタノール混合溶液燃料を収容した燃料カートリッジと、そのカートリッジが装着されるメタノール形燃料電池とからなる燃料電池装置に係り、また、燃料カートリッジおよび燃料電池に関する。

近年の電子技術の進歩によって、電話機、ノート型パーソナルコンピュータ、オーディオ・ビジュアル機器、あるいは、モバイル端末機器などが小型化され、携帯用電子機器として急速に普及が進んでいる。携帯用電子機器用電源として、燃料電池電源が考えられている。燃料電池は燃料の持つ化学エネルギーを電気化学的に直接電気エネルギーに変換するので、通常のエンジン発電機などの内燃機関を用いた発電機のような動力部を必要とせず、小型発電デバイスとしての実現性は高い。また、燃料電池は、燃料を補給する限り発電を継続するので、通常の二次電池を使用する場合のように、充電のために一時的に負荷などの機器の動作を停止することが不要になる。

燃料電池については、都市ガスを改質するなどして生成した水素を燃料として用いるタイプが一般的に知られている。これらが主に８０℃以上を動作温度とするのに対し、室温でも動作する燃料電池には、液体燃料を燃料電池の燃料極において直接酸化するタイプのものがあり、代表的なものにメタノールを直接酸化するタイプの直接メタノール形燃料電池（ＤＭＦＣ：Direct Methanol Fuel Cell）がある。

燃料電池への燃料供給方法としては、燃料カートリッジに発電用燃料を封入し、該燃料カートリッジを燃料電池に装着することにより、接続口を経由して燃料カートリッジから燃料電池に発電用燃料を供給する例があげられる(例えば、特許文献１参照)。

特開２００３−４５４６８号公報（要約）

直接メタノール形燃料電池の燃料としては、メタノールと純水の混合溶液が検討されている。燃料電池の特性によって、混合溶液のメタノール濃度には適正な範囲があり、適正範囲を大きくはずれる濃度の燃料を供給した場合には、燃料電池の出力特性を十分発揮させることができず、また、燃料電池を構成する部材に悪影響を及ぼす可能性もある。このため、燃料カートリッジと燃料電池との接続において、燃料カートリッジに収容されている燃料が燃料電池に対して適正なものであるのかどうかを識別することが必要になるという課題がある。

本発明の目的は、燃料カートリッジに収容されている燃料が燃料電池に対して適正なものであるかどうかを識別して、適正であるときに燃料カートリッジ内の燃料が燃料電池に供給されるようにしたメタノール形燃料電池装置、ならびに燃料カートリッジと燃料電池を提供することにある。

本発明に係るメタノール形燃料電池装置は、メタノール混合溶液燃料が収容される容器の一部に燃料噴出ノズルを有し、そのノズルの周りに容器内に収容されている燃料のメタノール濃度によって大きさが決められている突出部を有する燃料カートリッジと、前記燃料カートリッジが装着される部分にメタノール濃度が適正であるときに前記突出部が嵌合されるようにした凹部を有するメタノール形燃料電池とを具備したことを特徴とする。また、前記燃料カートリッジと前記燃料電池の双方に電子接点を設け、両者の電子接点が接触したときに燃料カートリッジから燃料電池に燃料が供給されるようにしたことを特徴とする。

本発明によれば、燃料カートリッジに収容されているメタノール混合溶液燃料のメタノール濃度が燃料電池にとって適正であるときに、その燃料が燃料電池に供給され、燃料カートリッジに収容された燃料が燃料電池にとって適正でない場合には燃料電池に燃料が供給されないようにすることができる。

以下、本発明の実施形態について説明するが、これらに限定されるものではない。

まず、図１〜図３を参照して燃料カートリッジと、燃料カートリッジ装着タイプの燃料電池の説明をする。なお、図１〜図３では、燃料カートリッジに突出部は設けられておらず、燃料電池には前記突出部を嵌合するための凹部は設けられていない。

図１は燃料カートリッジ１を、ノート型パーソナルコンピュータやその他の機器などに搭載される燃料電池２に装着した様子を示す。燃料カートリッジ１は燃料電池２のカートリッジ受け２１に挿入されており、挿入した後に燃料電池２に取り付けたカートリッジ押さえ２２によって抜けないように固定されている。燃料電池２は、機器に電気的に接続して電力を供給するための直流端子２３及び２４を有する。

燃料カートリッジ１は、図２に示すように燃料電池に供給する液体燃料を収容するための密閉容器である。燃料カートリッジ１は、燃料電池２のカートリッジ受け２１に挿入されたときに燃料電池２と接続して燃料供給口となる接続口１１を備え、接続口１１の内部にバルブ１２を備える。

燃料カートリッジ１が燃料電池２に接続される様子を図３の断面図によって説明する。

図３（ａ）に示すように、接続口１１の内部のバルブ１２は液体燃料の流通を開放または遮断する開閉機器であり、圧縮コイルばね１３によって接続口１１の出口側に押さえつけられている。この状態ではバルブ１２の中央空洞部から側面につながる連通孔１２１は塞がっており、燃料カートリッジ１の内部に収容された液体燃料は容器外に漏れることはない。一方、燃料電池２のカートリッジ受け２１の内部には接続部３が設置され、接続部３の中心に貫通孔を持つ突起部３０２が設けられている。この貫通孔は、カートリッジ受け２１の中の経路を通じて液体燃料を燃料電池２に供給する受け口となる。

燃料カートリッジ１が燃料電池２のカートリッジ受け２１に奥まで挿入されて図３（ｂ）の状態になると、燃料カートリッジ１の接続口１１は燃料電池２の接続部３の中に挿入され、突起部３０２によってバルブ１２が燃料カートリッジ１の内側方向に押される。この状態になると連通孔１２１が接続口１１の空洞部に開放され、燃料カートリッジ１内の液体燃料は接続口１１の空洞部、連通孔１２１、バルブ１２の中央空洞部、燃料電池２の接続部３の貫通孔、カートリッジ受け２１の経路を経由して、燃料電池に供給されるようになる。

燃料カートリッジ１を燃料電池２のカートリッジ受け２１から抜くと、圧縮コイルばね１３の作用で接続口１１は元の位置に押し戻され、図３（ａ）の状態になって連通孔１２１は塞がれる。

なお上記において、燃料カートリッジ１から、また燃料カートリッジ１と燃料電池２を接続した時に隙間から燃料が漏れるのを防ぐために、ガスケット（図示せず）が必要部分に設けられている。

燃料カートリッジ１としては、収容した液体燃料に内部より圧力をかけて接続口１１から燃料電池２に注入する機構を設けることもできる。

図１〜図３に示す構造の場合、燃料電池２で使用される液体燃料がメタノールと純水の混合液であり、一例としてメタノール濃度が３０％のときが燃料電池にとって適正であり、最も高い電池出力が得られるとしても、この濃度以外の液体燃料が収容されている燃料カートリッジも装着できることになる。

図４〜図８を参照して、本発明の第１実施形態に係る燃料カートリッジ及び燃料電池のカートリッジ受けを説明する。図１〜図３で説明したものと同一のものは、同じ符号を付記してその説明を省略する。

燃料カートリッジの例を図４と図５に示す。図４は燃料カートリッジの外観構造を示した斜視図である。燃料カートリッジ１の下部には燃料噴出ノズル１０が設けられており、また、カートリッジに収容されている燃料のメタノール濃度によって大きさが決まっている突出部５がノズルの取り付け部分に設けられている。メタノール濃度が異なる燃料カートリッジのいくつかの例を図５（ａ）〜（ｃ）に示す。図５（ａ）〜（ｃ）には、燃料噴出ノズルを取り付けた部分の平面図と側面図を示した。図５（ａ）はメタノール濃度が高い場合であり、図５（ｃ）はメタノール濃度が低い場合、図５（ｂ）はメタノール濃度が図５（ａ）と図５（ｃ）の中間にある場合である。図５（ａ）〜（ｃ）を比較すると、メタノール濃度が最も高い図５（ａ）の場合が突出部５の幅が最も大きく、長さが最も短くなっている。メタノール濃度が最も低い図５（ｃ）の場合は、突出部の幅が最も小さく、長さが最も大きくなっている。メタノール濃度が両者の中間に位置する図５（ｂ）の場合は、突出部５の幅及び長さが、いずれも両者の中間である。

図６は、燃料電池のカートリッジ受け２１の部分を模式的に示した斜視図である。カートリッジ受けの例を図７（ａ）〜(ｃ)に示す。これらの図には、それぞれ平面図と側面図が示されている。図７（ａ）はメタノール濃度が低濃度のものから高濃度のものまで、いずれも装着できるようにしたものであり、図５（ａ）〜（ｃ）に示す燃料カートリッジの突出部５がいずれも嵌合できるように凹部３１，３２，３３が階段状に形成されている。図７（ｂ）はメタノール濃度が低濃度のものから中濃度のものまでが装着できるようにしたものであり、図５（ｂ）と図５（ｃ）に示す燃料カートリッジの突出部５のみが嵌合できるように、凹部３１と凹部３２が階段状に設けられている。また、図７（ｃ）はメタノール濃度が低濃度の燃料カートリッジだけが装着できるようにしたものであり、図５（ｃ）に示す燃料カートリッジの突出部５のみが嵌合できるように凹部３１が設けられている。なお、カートリッジ受け２１の凹部の中央には、燃料カートリッジの燃料噴出ノズル１０が挿入されるように貫通孔３０が設けられている。燃料カートリッジに収容された燃料は、この貫通孔３０を通って燃料電池に供給される。

図７（ａ）に示すように凹部が階段状に形成されたカートリッジ受けに図５（ａ）〜（ｃ）に示す燃料カートリッジを装着する場合について、図８（ａ）〜（ｃ）を参照して説明する。図７（ａ）に示すカートリッジ受け２１にはメタノール濃度が低濃度のものから高濃度のものまで対応できるように、凹部が階段状に形成されている。図５（ｃ）の構造の燃料カートリッジは、図８（ａ）に示すようにカートリッジ受けの中央に位置する凹部３１に嵌合され、したがって、装着可能である。図５（ｂ）の構造の燃料カートリッジも図８（ｂ）に示すようにカートリッジ受けの凹部３２に嵌合され、装着可能である。図５（ａ）の構造の燃料カートリッジも図８（ｃ）に示すように凹部３３に嵌合され、装着可能である。

図７（ｂ）に示す構造のカートリッジ受けに図５（ａ）〜（ｃ）に示す燃料カートリッジを装着する場合を、図９（ａ）〜（ｃ）を用いて説明する。図７（ｂ）に示すカートリッジ受け２１はメタノール濃度が低濃度と中濃度のものに対応できるように構成されている。図５（ｃ）の構造の低濃度用燃料カートリッジは、図９（ａ）に示すようにカートリッジ受けの中央に位置する凹部３１に嵌合され、装着可能である。図５（ｂ）に示す構造の燃料カートリッジも図９（ｂ）に示すようにカートリッジ受けの凹部３２に嵌合でき、装着可能である。図５（ａ）に示す構造の燃料カートリッジは図９（ｃ）に示すように凹部に嵌合することができず、装着不可能である。

図７（ｃ）に示す構造のカートリッジ受けに図５（ａ）〜（ｃ）に示す燃料カートリッジを装着する場合を、図１０（ａ）〜（ｃ）を用いて説明する。図７（ｃ）に示すカートリッジ受け２１はメタノール濃度が低濃度のときにのみ燃料カートリッジが装着できるように構成されている。図５（ｃ）に示す構造の低濃度用燃料カートリッジは、図１０（ａ）に示すようにカートリッジ受けの凹部３１に嵌合でき、装着可能である。図５（ｂ）および図５（ｃ）に示す構造の燃料カートリッジは図９（ｂ）および（ｃ）に示すように凹部に嵌合することができず、装着不可能である。

一般にメタノール形燃料電池のメタノール濃度には許容範囲があり、高濃度の燃料が供給されたときに高出力が得られるものは、中濃度及び低濃度の燃料でも供給できることが多い。一方、中濃度或いは低濃度の燃料が供給されたときに高出力が得られる燃料電池では、それよりも高い濃度の燃料が供給されると所望の出力が得られなくなり、場合によっては機器の損傷を生ずる場合もある。このようなことから、図５に示すように、収容する燃料のメタノール濃度が低いときは突出部の幅を小さくし、濃度が高くなるにつれて突出部の幅を大きくしていくことは、きわめて有効な方法である。なお、以上の説明において、高濃度とは、一例としてメタノール濃度が８０％以上であるような場合を意味し、中濃度とはメタノール濃度が４０〜６０％、低濃度とはメタノール濃度が３０％以下であるような場合を意味するが、もちろん、これに限定されるものではない。

図１１〜図１４を用いて本発明の第２実施形態に係る燃料カートリッジ及び燃料電池のカートリッジ受けを説明する。図１〜図１０で説明したものと同一のものは、同じ符号を付記してその説明を省略する。

図１１（ａ）〜（ｃ）は、燃料カートリッジ１の側面図であり、本実施形態においては、第１実施形態に対して更に電子接点５０を設けている。図１１（ａ）は低濃度用の燃料カートリッジであり、突出部５の長さを短くしている。図１１（ｂ）は中濃度用の燃料カートリッジであり、突出部５の長さを図１１（ａ）の場合よりも少し長くしている。図１１（ｃ）は高濃度用の燃料カートリッジであり、図１１（ｂ）の場合よりも更に突出部５の長さを長くしている。突出部の幅は、図１１（ａ）〜（ｃ）のいずれも同じである。また、燃料カートリッジの端面から燃料噴出ノズルの先端までの長さ、すなわち突出部と燃料噴出ノズルを合わせた長さは図１１（ａ）〜（ｃ）のいずれの場合も同じである。

図１１に示す燃料カートリッジが装着される燃料電池のカートリッジ受け２１の構造を図１２（ａ）〜（ｃ）に示す。カートリッジ受け２１には、燃料カートリッジ側の電子接点５０と対向する位置に電子接点５１が設けられている。また、燃料カートリッジの突出部５が嵌合される部分に凹部４１，４２，４３が設けられている。図１２（ａ）のカートリッジ受けには、図１１（ａ）に示す燃料カートリッジの突出部の長さと同じ深さ、突出部５の幅と同じ幅を有する凹部４１が設けられている。図１２（ｂ）のカートリッジ受けには、図１１（ｂ）に示す燃料カートリッジの突出部の長さと同じ深さで、同じ幅を有する凹部４２が設けられている。図１２（ｃ）のカートリッジ受けには、図１１（ｃ）に示す燃料カートリッジの突出部の長さと同じ深さで、同じ幅を有する凹部４３が設けられている。

図１２（ａ）に示す構造のカートリッジ受けに図１１（ａ）〜（ｃ）に示す構造の燃料カートリッジを装着する場合を、図１３（ａ）〜（ｃ）を用いて説明する。図１２（ａ）に示すカートリッジ受け２１の凹部４１の深さと幅は、図１１（ａ）に示す燃料カートリッジの突出部５の長さおよび幅と同じである。したがって、図１３（ａ）に示すように、図１１（ａ）の構造の燃料カートリッジは突出部５が凹部４１に嵌合される。また、このとき、電子接点５０と電子接点５１とが接触し導通状態になるため、燃料カートリッジに収容された燃料は燃料電池側へ流れる。図１１（ｂ）に示す構造の燃料カートリッジは、突出部の長さが凹部４１の深さよりも大きいので、凹部４１には一部分の突出部しか嵌合されず、電子接点同士は接触しない。このため、燃料カートリッジ内の燃料は燃料電池側へ供給されない。図１１（ｃ）に示す構造の燃料カートリッジの場合も同様であり、図１３（ｃ）に示すように、電子接点同士の接触は得られず、燃料は燃料電池側へ供給されない。つまり、図１２(ａ)に示す構造のカートリッジ受けには、図１１（ａ）に示す低濃度燃料用の燃料カートリッジのみが装着できる。

図１２（ｂ）に示す構造のカートリッジ受けに図１１（ａ）〜（ｃ）に示す燃料カートリッジを装着する場合を、図１４（ａ）〜（ｃ）を用いて説明する。図１２（ｂ）のカートリッジ受け２１の凹部４２の深さは、図１１（ｂ）に示す燃料カートリッジの突出部５の長さと同じであり、図１１（ａ）に示す燃料カートリッジの突出部５の長さよりも大きい。したがって、図１４（ａ），（ｂ）に示すように、図１１（ａ）に示す構造の燃料カートリッジと図１１(ｂ)に示す構造の燃料カートリッジは、突出部５が凹部４２に嵌合され、電子接点５０と電子接点５１も接触して導通状態になり、燃料カートリッジ内の燃料が燃料電池へ流れる。図１１（ｃ）に示す構造の燃料カートリッジは図１４（ｃ）に示すように、突出部5が凹部４２に嵌合できないので、燃料カートリッジ内の燃料を燃料電池へ供給できない。つまり、図１２(ｂ)に示す構造のカートリッジ受けには、図１１（ａ），（ｂ）に示す低濃度と中濃度燃料用の燃料カートリッジが装着可能である。

図１２（ｃ）に示す構造のカートリッジ受けに図１１（ａ）〜（ｃ）に示す燃料カートリッジを装着する場合を、図１５（ａ）〜（ｃ）を用いて説明する。図１２（ｃ）に示す構造のカートリッジ受け２１の凹部４３の深さは、図１１（ｃ）に示す燃料カートリッジの突出部５の長さと同じであり、図１１（ａ）及び（ｂ）に示す燃料カートリッジの突出部５の長さよりも大きい。したがって、図１５（ａ）、図１５（ｂ）及び図１５（ｃ）に示すように、図１１（ａ）〜（ｃ）のいずれの燃料カートリッジでも装着可能であり、電子接点同士も接触する。

本発明により、適正なメタノール濃度の燃料が収容されている燃料カートリッジのみが燃料電池に装着できるようにした燃料電池装置が実現できた。これによる産業上の利用可能性はきわめて高い。

燃料カートリッジが燃料電池に装着された状態を示す燃料電池装置の斜視図。燃料カートリッジの一般的な構造を示す斜視図。燃料電池と燃料カートリッジの接続を示す図。本発明の第１実施形態に係る燃料カートリッジの斜視図。本発明の第１実施形態に係る燃料カートリッジの上面と側面を示した図。本発明の第１実施形態に係る燃料電池側のカートリッジ受けを模式的に示した斜視図。本発明の第１実施形態に係るカートリッジ受けの平面および側面を示した図。図７（ａ）に示すカートリッジ受けに燃料カートリッジを装着した状態を示す側面図。図７（ｂ）に示すカートリッジ受けに燃料カートリッジを装着した状態を示す側面図。図７（ｃ）に示すカートリッジ受けに燃料カートリッジを装着した状態を示す側面図。本発明の第２実施形態に係る燃料カートリッジの側面図。本発明の第２実施形態に係るカートリッジ受けの側面図。図１２（ａ）に示すカートリッジ受けに燃料カートリッジを装着した状態を示す側面図。図１２（ｂ）に示すカートリッジ受けに燃料カートリッジを装着した状態を示す側面図。図１２（ｃ）に示すカートリッジ受けに燃料カートリッジを装着した状態を示す側面図。

符号の説明

１…燃料カートリッジ、２…燃料電池、５…突出部、２１…カートリッジ受け、２２…カートリッジ押さえ、３０…貫通孔、３１…凹部、３２…凹部、３３…凹部、５０…電子接点、５１…電子接点。

Claims

メタノール混合溶液燃料が収容されている燃料カートリッジと、該燃料カートリッジが装着されるカートリッジ受けを有するメタノール形燃料電池とを具備し、
前記燃料カートリッジは、前記メタノール混合溶液燃料が収容される容器の一部に燃料噴出ノズルを有し、かつ前記容器内に収容されている燃料のメタノール濃度によって大きさが決められている突出部を前記燃料噴出ノズルの周りに有し、
前記メタノール形燃料電池は、前記燃料カートリッジが装着される前記カートリッジ受けにメタノール濃度が適正範囲であるときに前記燃料カートリッジの前記突出部が嵌合されるようにした凹部を具備し、
前記燃料カートリッジの前記突出部の径が大で高さが小さいほどメタノール濃度が高いものとし、
前記燃料カートリッジ受けの凹部は複数の階段状の形状を有し、前記ノズルを受ける中心部から半径方向に遠ざかるにつれて、前記凹部径は大となりかつ浅くなり、
供給されるべきメタノール濃度が適正な範囲であるときに、前記燃料カートリッジの突出部と前記燃料カートリッジの凹部が選択的に嵌合し、これにより複数濃度のメタノール燃料が前記燃料電池に供給されるように構成したことを特徴とするメタノール形燃料電池装置。