(57)【要約】【課題】  燃料カートリッジの燃料自動充填システムに関し、一般ユーザが各種燃料電池に簡便且つ短時間で燃料充填を可能にして利便性を高める。【解決手段】  燃料電池システムに燃料を供給するための燃料カートリッジ１に対し所定量の燃料を充填する燃料充填手段２、燃料充填手段２へ燃料カートリッジ１を搬送するカートリッジ搬送手段３、及び、燃料カートリッジ１に対し所定量の燃料の充填を指示する充填指示手段４とを備える。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムに燃料を供給するための燃料カートリッジに対し所定量の燃料を充填する燃料充填手段、前記燃料充填手段へ前記燃料カートリッジを搬送するカートリッジ搬送手段、及び、前記燃料カートリッジに対し所定量の燃料の充填を指示する充填指示手段とを備えたことを特徴とする燃料カートリッジの燃料自動充填システム。
【請求項２】
上記燃料充填手段を複数備えているとともに、上記燃料カートリッジの種類を判別する分別手段を有し、前記分別手段によって種類を特定した燃料カートリッジを当該燃料カートリッジに対応する燃料充填手段まで上記カートリッジ搬送手段によって搬送することを特徴とする付記１記載の燃料カートリッジの燃料自動充填システム。
【請求項３】
上記燃料カートリッジが、内部に燃料保持材料を包含した平板状カートリッジであり、上記液体燃料を加圧して前記平板状カートリッジ中の燃料保持材料に接触させて液体燃料を充填する際に、前記液体燃料を前記燃料保持材料のガラス転移温度以上の温度にて前記燃料保持材料に接触させ充填することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料カートリッジの燃料自動充填システム。
【請求項４】
上記燃料充填機構が、前記気化した液体燃料の圧力を１００ｋＰａ乃至１００ＭＰａに加圧する機構を備えていることを特徴とする付記３記載の燃料カートリッジの燃料自動充填システム。
【請求項５】
上記充填指示手段が、料金課金手段に連動しており、前記料金課金手段における料金課金許諾確認ののち、前記充填指示手段による燃料の充填の指示がなされることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃料カートリッジの燃料自動充填システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料カートリッジの燃料自動充填システムに関するものであり、特に、携帯機器用の燃料電池システムに燃料を供給するための燃料カートリッジに自動的に燃料を充填して再利用可能にするための構成に特徴のある燃料カートリッジの燃料自動充填システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年の携帯情報機器は、半導体技術や通信技術の進歩に伴い、小型化、軽量化、高速化、高機能化などが一段と進んでおり、このような情報機器の発展に伴ってその電源となる電池も小型化・軽量化・高容量化などが着実に進んできている。
【０００３】
現在の携帯電話装置やノート型のパーソナルコンピュータやＰＤＡ等の携帯型コンピュータシステムなどの携帯情報機器における最も一般的な駆動電源はリチウムイオン電池である。
【０００４】
このリチウムイオン電池は実用化当初から高い駆動電圧と電池容量を持ち、携帯電話装置の進歩に呼応して性能改善が図られてきた。
しかし、リチウムイオン電池の性能改善にも限界があり、今後も高機能化が進む携帯情報機器の駆動電源としての要求をリチウムイオン電池は満足できなくなりつつある。
【０００５】
このような状況の下、リチウムイオン電池に変わる新たなエネルギーデバイスの開発が期待されており、そのひとつとして燃料電池を挙げることができる。
この燃料電池は、負極に燃料を供給することで電子とプロトンを生成し、そのプロトンを、正極に供給された酸素と反応させることで発電する発電デバイスである。
【０００６】
この発電デバイスの最大の特徴は燃料及び酸素を補給することで長時間連続発電が可能であり、二次電池における充電の代わりに燃料を補給することで二次電池と同様に所望の機器の電源に応用できる。
また、理論エネルギー密度は、活物質換算でメタノール燃料はリチウムイオン電池の約１０倍高く、小型軽量化に甚だしく寄与可能である。
【０００７】
このことから、燃料電池は分散電源や電気自動車用の大型の発電機としてだけでなく、携帯型の情報機器や携帯電話に適用するための超小型の発電ユニットとして盛んに研究開発が行われている。
特に、小型燃料電池の分野においては、燃料としてメタノールを用いた所謂ダイレクトメタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）が盛んに研究開発されている。
【０００８】
この場合、例えば、燃料電池の１構造単位、即ち、単位セルは、燃料極、高分子固体電解質、空気極、およびこれらを挟むように設置された集電体などから構成される発電部と、これに燃料を供給する燃料カートリッジから構成される（例えば、特許文献１参照）。
【０００９】
燃料極および空気極は、主に白金系の超微粒子を炭素系担持体表面に固定して成る電極触媒から構成される。
また、高分子固体電解質は、常温で固体でありながら、電解質溶液のごとくプロトンを透過・輸送することが可能な材料であり、パーフルオロスルホン酸ポリマーであるＮａｆｉｏｎ（デュポン社製商品名）等が主に用いられている。
【００１０】
このような構成からなる単位セルは、これらの材料を層状に積層して成り、薄いシート状の態様を成しており、燃料極側には燃料の貯液部を有し、一定量の燃料が接するように構成されている。
【００１１】
また、携帯機器用の燃料電池の場合には、燃料電池に燃料を供給するための燃料カートリッジを着脱自在に装着する構造が採用されている（例えば、特許文献２乃至特許文献４参照）。
【特許文献１】特開２００４−０７１４４９号公報
【特許文献２】特開２００５−１４３０３３号公報
【特許文献３】特開２００５−２３５５７５号公報
【特許文献４】特開２００６−２３５５７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
一般に、燃料電池における燃料カートリッジは、燃料の供給を容易かつ迅速に行うための一種の容器であり、燃料の漏れを無くし安全性と信頼性を高めるため、一般使用者は容易に充填ができない構造となっている。
例えば、上記の特許文献４においては、燃料カートリッジに純正燃料と異なった燃料が誤って再充填されることを防止するために、再充填防止機構を装備している。
【００１３】
近年、この燃料電池に、燃料を気体で供給する方式を採用することで、高濃度燃料をダイレクトに適用可能な方式が開発されている（必要ならば、特願２００４−２３３７２６号或いは特願２００６−９９９７１６号参照）。
【００１４】
特に、この系にあっては、薄型の平板型カートリッジを採用し、その中に燃料を吸収可能な材料を包含し、この材料から燃料を徐々に気体として放出することで、スペースファクタが極めて高く、燃料電池セルを著しい薄型化を可能にしている。
【００１５】
しかし、このような燃料を気体で供給する方式においては、液体燃料を８０℃程度に加圧して充填することになるので、一般使用者による充填は困難になっている。
【００１６】
さらに、昨今の地球環境保全の流れの中で、使用済みの空となった燃料カートリッジの再生利用は重要な課題であり、如何にエネルギー負荷を上げずに燃料カートリッジを再利用するかの技術的解決策が求められている。
【００１７】
また、燃料カートリッジの安全な再生利用が可能になったとしても、燃料の充填に伴う課金は、多くの場合は現金で行い得るが、現金（紙幣、硬貨）の判別や保管等、装置の小型化に際して克服すべき問題点も多く、最近の電子マネーによる決済など、多用な決済システムへの対応も求められることになる。
【００１８】
したがって、本発明は、一般ユーザが各種燃料電池に簡便且つ短時間で燃料充填を可能にして利便性を高めることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
図１は本発明の原理的構成図であり、ここで図１を参照して、本発明における課題を解決するための手段を説明する。
図１参照
上記課題を解決するために、本発明は、燃料カートリッジの燃料自動充填システムであって、燃料電池システムに燃料を供給するための燃料カートリッジ１に対し所定量の燃料を充填する燃料充填手段２、燃料充填手段２へ燃料カートリッジ１を搬送するカートリッジ搬送手段３、及び、燃料カートリッジ１に対し所定量の燃料の充填を指示する充填指示手段４とを備えたことを特徴とする。
【００２０】
上述の構成を採用することにより、燃料カートリッジ１に対して自動的に燃料の充填が可能となり、使用者はいつでもどこでも燃料の充填ができるようになり、移動中や電源の無い環境における電池切れの心配から解放され、使用者の利便性を極めて大きく向上させることができる。
なお、充填指示手段４とは、燃料充填を制御する制御手段に設けても良いし、燃料自動充填システムの筐体の表面側にタッチパネル式に設けても良いし、或いは、外部インターフェースを介してリンクさせた端末機器であっても良い。
【００２１】
この場合、燃料充填手段２を複数設け、燃料カートリッジ１の種類を判別する分別手段を有し、分別手段によって種類を特定した燃料カートリッジ１を当該燃料カートリッジ１に対応する燃料充填手段２までカートリッジ搬送手段３によって搬送するようにしても良い。
【００２２】
このように、例えば、バーコード、ＱＲコード、ＲＦＩＤ等を利用した分別手段を備えることによって、燃料カートリッジ１が所定の規格や条件を満たすものであることを確認することができ、それによって、各種の燃料カートリッジ１に対応することが可能になるとともに、異なった燃料が充填されることを防止することができる。
なお、当該燃料カートリッジ１が何回目の繰返し充填数であるかを確認するための計数工程および計数手段を分別手段に付与しても良い。
【００２３】
この場合の燃料カートリッジ１は、円筒状、紡錘状乃至は多面体状であり、その内部に液体燃料を収納する空間を有するものでも、或いは、内部に燃料保持材料を包含した平板状カートリッジ１であっても良い。
【００２４】
特に、平板状カートリッジの場合には、液体燃料を充填する際に、液体燃料を燃料保持材料のガラス転移温度以上の温度にて燃料保持材料に接触させ充填することが望ましく、それによって、充填速度を向上することが可能になる。
【００２５】
また、平板状カートリッジの場合に、燃料充填機構が、気化した液体燃料の圧力を１００ｋＰａ乃至１００ＭＰａに加圧する機構を備えていることが望ましく、それによって、充填速度をさらに向上することが可能になる。
【００２６】
また、充填指示手段４を料金課金手段５に連動させ、料金課金手段５における料金課金許諾確認ののち、充填指示手段４による燃料の充填の指示がなされるようにすることが望ましく、それによって、正常に充填が終了した場合の充填の対価の決済をスムーズに行うことが可能になる。
【００２７】
この場合の対価の決済は紙幣・硬貨を用いた現金決済でも良いが、料金課金手段５に携帯端末機との通信機能を持たせて燃料の充填に伴う支払いをキャッシュレスで行うことを可能にするとともに、ネットワーク経由で自動的に端末使用者に課金が行われるようにすることが望ましく、それによって、携帯端末から自動的にネットワークを経由して課金情報を管理センターに送り後日清算することで、よりスマートな支払いが可能となる。
【００２８】
或いは、料金課金手段５に携帯端末機との通信機能を持たせて燃料の充填に伴う支払いをキャッシュレスで行うことを可能にするとともに、自動的に端末に記憶されたプリペイド式電子マネーから燃料の充填に伴う課金金額を減額する機能を有するようにしても良い。
【００２９】
例えば、携帯電話機本体に内蔵されたＲＦＩＤチップにより、プリペイド式に清算が行われる所謂電子マネーを用いても良く、この場合、ネットワークを介さずに処理が行われるため、ネットワーク認証などの工程が省略され、極めてスピ−ディーな決済が可能となり、使用者の利便性はさらに高まる。
【００３０】
上述の構成における液体燃料としては、液体燃料がメタノール、エタノール、ジメチルエーテル、ギ酸、ジメトキシメタン、ペンタン、ヘプタン、オクタン、ヒドラジン、或いは、アンモニアのうちのいずれかを用いれば良い。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によれば、各種燃料電池を簡便かつ短時間に充填するシステムの構築が可能になるとともに、現金以外での使用料決済が可能となるため、メーカーの集金のコストを省略しつつ、使用者においても著しく利便性が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
本発明は、燃料自動充填システムを、筐体、筐体の表面に設けられたカートリッジ入出口及びコンソール、カートリッジ入出口に挿入された燃料カートリッジを燃料充填機構まで搬送するカートリッジ搬送機構、燃料タンクに収容された液体燃料を燃料充填機構に供給する燃料供給手段、燃料充填機構の内部に設けられた加熱手段を制御する加熱制御手段、燃料充填機構の内部に供給されて気化した液体燃料の圧力を制御する加圧手段、加熱制御手段及び加圧手段を制御する制御手段、及び、燃料充填後の燃料カートリッジを室温近傍まで冷却するための冷却手段によって構成するものである。
【００３３】
また、必要に応じて料金課金機構を設け、筐体内に設けた外部インターフェースを介して自動的にネットワークを経由して課金情報を管理センターに送り、後日清算するようにしても良いし、或いは、携帯電話機本体に内蔵されたＲＦＩＤチップにより、プリペイド式に清算を行っても良いものである。
【００３４】
さらには、燃料充填装置に導入するにあたり、燃料カートリッジが所定の規格や条件を満たすものであることを確認するための機構・手段、例えば、バーコード、ＱＲコード、ＲＦＩＤ等の識別手段を設けるものである。
【実施例１】
【００３５】
ここで、図２乃至図６を参照して、本発明の実施例１の燃料カートリッジの燃料自動充填システムを説明する。
図２参照  
図２は、本発明の実施例１の燃料カートリッジの燃料自動充填システムの基本構成を示す概念図であり、燃料自動充填システム１００は、筐体１０１、筐体１０１の表面に設けられたカートリッジ入出口１０２及びコンソール１０３、カートリッジ入出口１０２に挿入された燃料カートリッジ２００を燃料充填機構１０５まで搬送するカートリッジ搬送機構１０４、エアロック１０６を備えた燃料充填機構１０５、燃料タンク１０７に収容された液体燃料１０８を燃料充填機構１０５に供給する燃料供給手段１０９、燃料充填機構１０５に当接させた加熱手段１１０を制御する加熱制御手段１１１、燃料充填機構１０５の内部に供給されて気化した液体燃料の圧力を制御する加圧手段１１２、加熱制御手段１１１及び加圧手段１１２を制御する制御手段１１３、燃料充填後の燃料カートリッジ２００を室温近傍まで冷却するための冷却手段１１４、及び、外部インターフェース１１５から構成されている。
【００３６】
この場合の外部インターフェース１１５は、機器全般の情報を外部とやり取りする際に必要な機能を有しており、例えば、動作状態の診断や異常記録、駆動プログラムの修正・更新等の機能を持たせる。
【００３７】
この場合の燃料供給手段１０９としては例えば、ダイアフラムポンプ、ギアポンプ、チューブポンプ、シリンジポンプ等のポンプを用いる。
【００３８】
また、加圧手段１１２としてはロータリー式、ダイヤフラム式、ピストン式、ギア式等のポンプを使用するものであり、加圧対象としては燃料充填機構１０５内の液体燃料１０８を加圧しても良いし、或いは、燃料充填機構１０５内で気化した気相の燃料を加圧しても良い。
【００３９】
なお、液相の燃料を加圧する場合には、ピストン式或いはギア式のポンプを用い、燃料充填機構１０５に液体燃料１０８を送り、燃料が満タンに充填された後もさらに液送圧力を加えることで静水圧が発生し、究めて高い圧力の印加が可能になる。
【００４０】
一方、気相の燃料を加圧する場合には、ロータリー式、ダイヤフラム式、ピストン式、ギア式のポンプを用いることが好適であり、燃料の温度で決まる蒸気圧以上に燃料から発生する気体をポンプで圧縮することで、数１００ｋＰａ〜数ＭＰａまでの圧力を達成することが可能である。
或いは、燃料充填機構１０５に気相を含む量の燃料を送り、燃料充填機構１０５を密閉した後に加熱することで、自己の蒸気圧で同様に加圧することも可能である。
【００４１】
また、冷却手段１１４としては、ＡｌやＣｕなどの熱伝導率に優れた金属に多数の放熱フィンを形成した所謂空冷式放熱器や、水等の冷媒を循環させる液冷式放熱器を用いるものである。
なお、空冷式放熱器には、熱を自然対流や輻射のみによって放熱するパッシブ型と、ファンやブロアなどで空気の流れを作り放熱フィンの表面に空気の流れを当てるアクティブ型とがあり、燃料カートリッジのサイズや、燃料充填時の加熱温度等に応じて適宜選択する。
【００４２】
また、加熱手段１１０としては、面状ヒータ、管状ヒータ、リボン状ヒータ等を用い、これらに直流または交流電流を流して発熱させる。
或いは、高周波誘導加熱やマイクロ波加熱等を用いることもできる。
なお、これらの手段は、電源装置が大きくなる傾向にあるが、燃料充填機構１０５を数秒〜十数秒と極めて短い時間内に所定温度まで加圧することができる。
【００４３】
なお、加熱時の温度については、６４℃で＋１気圧（〜２００ｋＰａ）、８４℃で＋２気圧（〜３００ｋＰａ）、９６℃で＋３気圧（〜４００ｋＰａ）となり、温度の上昇に伴いより速やかに燃料カートリッジ２００内に燃料が充填される。
【００４４】
燃料カートリッジ２００は、使用者によって燃料電池充填システム１００のカートリッジ入出口１０２にセットされると、カートリッジ搬送機構１０４により燃料充填機構１０５内に収納され、燃料カートリッジ２００が収容された時点で燃料充填機構１０５の入出口のエアロック１０６を閉鎖して加圧が可能な密閉構造とする。
【００４５】
燃料カートリッジ２００が燃料充填機構１０５の中に確実に収納されたことを確認したた後、制御手段１１３は加熱手段１１１あるいは加圧手段１１２に電気的あるいは機械的に指示を出し、所定の温度圧力の下で液体燃料１０８の充填工程を開始する。
本発明の燃料自動充填システム１００においては、充填時の燃料充填機構１０５内の条件として、温度４０℃〜２００℃、圧力１００ｋＰａ〜１００ＭＰａの任意の値の条件を選択する。
【００４６】
また、燃料供給量は、液体燃料１０８の充填の度合いをモニターすることで、最適な充填量を制御するようにし、燃料充填が終了した燃料カートリッジ２００は、カートリッジ搬送機構１０４を介してカートリッジ入出口１０２から取り出されて使用者の手元に戻される。
【００４７】
この取り外し工程においては、パルスモーター、サーボモータ、電磁ソレノイド、形状記憶合金、バイメタル等の駆動用アクチュエータにより自動的に使用者に燃料カートリッジ２００が戻されるのが望ましいが、この工程は手動で行われても良い。
【００４８】
この際、高温に加熱された燃料カートリッジ２００はカートリッジ搬送機構１０４において、冷却手段１１４によって室温近傍の所定の設定温度、例えば、４０℃以下まで冷却されたのち取り出すようにする。
なお、温度は温度センサでモニターして、所定の設定温度以下になった状態でカートリッジ搬送機構１０４の駆動を再開して燃料カートリッジ２００をカートリッジ入出口１０２まで搬送する。
【００４９】
図３参照  
図３は、燃料カートリッジの構成説明図であり、ここでは、一例として平板型燃料カートリッジ２１０を説明する。
この平板型燃料カートリッジ２１０は、開口部２１２を有するカートリッジ筐体２１１、カートリッジ筐体２１１の内部に収容される燃料吸収体２１３、及び、開口部２１２を覆うように貼付された多孔膜２１４から構成される。
この場合の多孔膜２１４は、例えば、微細孔を有するポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ四フッ素エチレンなどの樹脂材料や繊維材料からなる。
【００５０】
図４参照  
図４は、多孔膜の概念的平面図であり、多孔膜２１４にはφ０．００５〜０．５ｍｍの微細孔２１５が０．１〜５ｍｍのピッチで設けられている。
なお、微細孔２１５の形状は円、楕円、長円、三角形や四角形の多角形、卵形、或いは、星型等の形状を用い、円以外の場合のφとは長径を表す。
【００５１】
また、燃料吸収体２１３は、主に高分子材料を用いることができ、好適なのはスルホン化フッ素系ポリマー、例えばＮａｆｉｏｎ（ＤｕＰｏｎｔ社の商品名）や、ポリアクリル酸メチル、ポリメタクリル酸メチル、ポリアクリルアミドなどを架橋して成るゲル材料である。
また有機の低分子であれば、シクロデキストリンやオリゴ糖などを用いることができ、さらには、ゼオライトなどの無機多孔状物質でも良い。
【００５２】
次に、平板型燃料カートリッジ２１０に対する燃料充填工程を説明する。
ここでは、液体燃料１０８として、メタノール、エタノールなどアルコール類や、ブタン、ペンタンなどの炭化水素類を用い、平板型燃料カートリッジ２１０に対し、温度や圧力を印加することで短時間に液体燃料１０８を燃料吸収体２１３に吸収させる。
【００５３】
例えば、メタノールの場合、その沸点は約６８℃であり、常圧ではこの温度以上で沸騰してしまう。
一方、燃料吸収体２１３となるポリメチルメタクリレート等の一般的な熱可塑性樹脂の場合、その多くのガラス転移温度（Ｔg ）は７０℃以上であり、ガラス転移温度以上では、熱可塑性樹脂を構成する高分子主鎖のセグメントにおけるミクロブラウン運動が活性化し、より多くの自由体積が生じるものと考えられている。
【００５４】
このため、燃料を吸収させ、平板型燃料カートリッジ２１０への充填を行う際には、Ｔg 以上の温度下によって、より高速に且つより大量の燃料を吸収させることが好ましい。  しかしながら、前述したようにメタノールの場合にあっては、その沸点が７０℃以下であり、Ｔg 以上の温度で燃料を充填することが困難である。
【００５５】
そこで、系全体を密閉し、ここに十分な熱を加えることで高温・高圧状態を保ち、速やかにかつ大量に燃料を充填する。
例えば、メタノールの場合、温度を８０℃、かかる圧力を２．５気圧（〜２５０ｋＰａ）とすることで、スルホン酸変性フッ素系ポリマーへの充填速度を常温に比べ２０倍、６０℃に比べても３倍に高速化することができるようになる。
【００５６】
また、その時の燃料吸収体２１３中への含浸量も、常温時の１．８倍、６０℃の１．２倍を達成することができる。
例えば、メタノールを使用し、燃料吸収体２１３としてスルホン化フッ素系ポリマーＮａｆｉｏｎ（ＤｕＰｏｎｔ社の商品名）を用いた場合、与え得る条件として８０℃、２５０ｋＰａ（〜２．５気圧）が最適な値となる。
【００５７】
図５参照  
図５は、本発明の実施例１の燃料カートリッジを実装した発電セルの概念的構成図であり、発電セル３００は、後述する原理で発電し、発電した電力は、出力端子３０１，３０２を介して携帯電話機等の携帯情報機器４００に供給される。
【００５８】
図に示すように、発電セル３００は、例えば、電解質層３１０を燃料極３２０および空気極３３０にて挟んだ構成となっている。
この燃料極３２０は燃料を酸化してプロトンと電子を取り出すものであり、電解質層３１０の側から燃料極触媒層３２１、燃料極集電体層３２２の順に積層して配置されている。
【００５９】
この燃料極触媒層３２１は白金または白金とルテニウムなどの遷移金属からなる合金の微粒子と炭素粉末と、電解質層３１０を形成する高分子をカーボンペーパーなどの多孔質導電膜に塗布・充填したものである。
【００６０】
また、燃料極集電体層３２２はステンレス鋼（ＳＵＳ）、ニッケル（Ｎｉ）などの金属メッシュから成り、燃料極触媒層３２１で生成された電子を効率的に取り出すものである。
この燃料極集電体層３２２は出力端子３０１を介して電力を消費する外部の負荷、例えば、携帯電話機等の携帯情報機器４００に接続される。
【００６１】
一方、空気極３３０は酸素を還元して発生したイオンと、燃料極３２０で生成された電子及びプロトンから水を生成するものであり、電解質層３１０の側から空気極触媒層３３１、空気極集電体層３３２の順に積層して配置されている。
【００６２】
この空気極触媒層３３１は、燃料極触媒層３２１と同様に、白金（Ｐｔ）または白金とルテニウム（Ｒｕ）などの遷移金属からなる合金の微粒子と炭素粉末と、電解質層３１０を形成する高分子をカーボンペーパーなどの多孔質導電膜に塗布・充填したものである。
【００６３】
また、空気極集電体層３３２はステンレス鋼（ＳＵＳ）、ニッケル（Ｎｉ）などの金属メッシュからなり、空気極触媒層３３１に電子を効率的に供給するものである。
この空気極集電体層３３２は出力端子３０２を介して、電力を消費する外部の負荷に接続される。
【００６４】
なお、複数の発電セル３００を直列に接続する場合には、燃料極集電体層３２２は、隣接する発電セル３００の空気極集電体層３３２に接続され、発電セル３００の配列端の燃料極集電体層３２２が出力端子３０１に接続されるとともに、配列端の空気極集電体層３３２が出力端子３０２に接続される。
【００６５】
この場合の電解質層３１０は燃料極３２０において生成したプロトンを空気極３３０に輸送するための経路であり、電子伝導性を持たないイオン導電体で形成されている。
例えば、ポリパーフルオロスルホン酸系の樹脂膜、具体的にはＮａｆｉｏｎ（ＤｕＰｏｎｔ社の商品名）膜などである。
【００６６】
また、電解質層３１０と対向しない空気極３３０の主面は外気を自然拡散により導入できるよう図示しない空隙を備えた形状にて開放されている。
一方、電解質層３１０と対向しない燃料極３２０の主面には燃料拡散室２５０が形成されており、燃料拡散室２５０に平板型燃料カートリッジ２１０が当接される。
【００６７】
図６参照  
図６は、燃料拡散室近傍の概念的斜視図であり、燃料拡散質２５０としては、燃料の流動を妨げないように高い気孔率、例えば５０％以上の気孔率と連続気孔であることが必要である。
このため、燃料拡散室２５０の主要部はポリエステル不織布、ポリオレフィン不織布、カーボンペーパー、カーボンクロス等で構成する。
【００６８】
また、燃料拡散室２５０の少なくとも発電セル３００と相対していない箇所は、燃料極３２０において電気化学反応で発生したＣＯ2 の排出のために一部または全部を大気に開放する必要があり、ここでは、手前側の側面を開放面２５１とした例を示している。
【００６９】
平板型燃料カートリッジ２１０から放出された燃料は、燃料拡散室２５０から、流動、拡散などの自然現象による移動により図示しない燃料導入路を通して燃料極３２０へ供給されるようになっている。
【００７０】
このように、本発明の実施例１においては、上述の構成を採用することによって、使用者の充填指令によって平板型燃料カートリッジ２１０内に自動的に燃料を充填することができ、空になった平板型燃料カートリッジ２１０の再利用が可能になる。
なお、充填指令はコンソール１０３を介して行う。
【００７１】
この本発明の実施例１の燃料カートリッジの燃料自動充填システムは、一般ユーザに販売しても良いし、或いは、コンビニエンスストアー等の小売店において集客用に無料で充填サービスするために設置しても良いものである。
【実施例２】
【００７２】
次に、図７を参照して、燃料充填に伴う料金課金機構を備えた本発明の実施例２の燃料カートリッジの燃料自動充填システムを説明する。
図７参照  
図７は、本発明の実施例２の燃料カートリッジの燃料自動充填システムの概念的構成図であり、上記の実施例１の燃料自動充填システムに課金情報をネットワーク経由でシステムの運用者に伝え決済することができるようにするためのインターフェース１１６を設けたものである。
【００７３】
この場合、使用者の携帯電話端末固有の発信番号を利用し、充填が正常に完了した場合、制御手段１１３からの情報、即ち、充填燃料の種類およびその量を自動的に取得し、ネットワークに対してインターフェース１１６を介して自動的に回線を接続した上で、端末装置４０１に対し課金情報を伝達するものである。
正常に課金情報の通信が終了すると、制御手段１１３は、搬送手段１０４に対し、燃料カートリッジ２００を返却すべく取り出しの指令を発し、使用者は容易に燃料カートリッジ２００を授受できるようになる。
【００７４】
このように、本発明の実施例２においては燃料自動充填システムに組み込んだインターフェースを利用して課金情報をネットワーク経由でシステムの運用者に伝え決済するように構成しているので、紙幣・硬貨を用いた現金決済が不要となり、したがって、紙幣・硬貨の識別機構や保管機構が不要になる。
【実施例３】
【００７５】
次に、図８を参照して、燃料充填に伴う料金課金機構を備えた本発明の実施例３の燃料カートリッジの燃料自動充填システムを説明する。
図８参照  
図８は、本発明の実施例３の燃料カートリッジの燃料自動充填システムの概念的構成図であり、上記の実施例１の燃料自動充填システムにローカルに課金情報を決済する手段を構成するためのＲＦＩＤ読み取り／書き込み用のインターフェース１１７を設けたものである。
【００７６】
ＩＤ素子の情報から、ローカルに課金情報を決済する手段を与え得る。この場合は、ＲＦＩＤ読み取り／書き込み用のインターフェース１１７を備え、
この場合も端末装置４０１に対し、制御手段１１３からの情報、すなわち、充填燃料の種類およびその量を自動的に取得し、ＲＦＩＤ素子に決済すべき課金情報を伝達するものである。
正常に前記課金情報の通信が終了すると、制御手段１１３は、カートリッジ搬送手段１０４に対し、燃料カートリッジ２００を返却すべく取り出しの指令を発し、使用者は容易に燃料カートリッジ２００を授受できるようになる。
【００７７】
このように、本発明の実施例３においては、携帯電話機本体に内蔵されたＲＦＩＤチップにより、プリペイド式に清算が行われ、ネットワークを介さずに処理が行われるため、ネットワーク認証などの工程が省略され、極めてスピ−ディーな決済が可能となり、使用者の利便性はさらに高まる。
【実施例４】
【００７８】
次に、図９を参照して、燃料カートリッジの種類を識別する識別機構を備えた本発明の実施例４の燃料カートリッジの燃料自動充填システムを説明する。
図９参照  
図９は、本発明の実施例４の燃料カートリッジの燃料自動充填システムの概念的構成図であり、上記の実施例１の燃料自動充填システムにおける燃料充填機構を複数組設けるとともに、使用する燃料種類に応じて複数の燃料タンクを設け、また、筐体のカートリッジ入出口１０２に燃料カートリッジが所定の規格や条件を満たすものであることを確認するために識別機構を設けたものである。
なお、ここでは、説明を簡単にするために２つの燃料充填機構１０５，１２５と二つの燃料タンク１０７，１２７を設けた例を示が、３つ以上の機構を設けても良い。
【００７９】
この場合の識別機構１１８としては、バーコード、ＱＲコード、ＲＦＩＤを用いるものである。
また、この場合、燃料カートリッジ２００が何回目の繰返し充填数であるかを確認するための計数工程および計数手段を付与しても良く、所定の寿命回数を超えた燃料カートリッジ２００であると判断された場合には、当該燃料カートリッジ２００を使用できないものとして排出するようにしても良い。
【００８０】
また、識別機構１１８による識別結果に基づいて、燃料カートリッジ２００を対応する燃料充填機構１０５，１２５に搬送するため、カートリッジ搬送機構１０４には分岐搬送路１４１，１４２を設ける。
【００８１】
また、燃料タンク１０７には液体燃料１０８として例えば、メタノール（ＣＨ3 ＯＨ）を収容し、また、燃料タンク１２７には液体燃料として例えば、蟻酸（ＨＣＯＯＨ）を用いる。
【００８２】
メタノールを使用した場合の出力は６０〜８０ｍＷ／ｃｍ2 程度であるが、蟻酸を使用した場合には、蟻酸はメタノールがホルムアルデヒドを介して分解する最終反応物であるため、反応がシンプルになるので反応に時間を要さず、さらなる大出力化が可能になる。
【００８３】
この様に、本発明の実施例４においては、識別機構を設けているので各種の仕様の燃料カートリッジに対して燃料を自動充填することが可能になるとともに、燃料カートリッジに本来充填すべき燃料と異なった燃料が充填されることがなくなる。
なお、燃料カートリッジに仕様に対応する種類の燃料が備わっていない場合には、燃料充填を行わずに、カートリッジ入出口からそのまま返却される。
【実施例５】
【００８４】
次に、図１０を参照して、本発明の実施例５の燃料自動充填システムに使用する燃料カートリッジを説明する。
図１０参照  
図１０は、本発明の実施例５の燃料カートリッジの概念的構成図であり、この場合の燃料カートリッジは、主にカートリッジ筐体２２１と結合部２２２から構成される円筒型燃料カートリッジ２２０である。
【００８５】
カートリッジ筐体２２１は、その中に液体燃料を数ｃｃから１０００ｃｃ程度収納可能な空洞を有しており、主にポリオレフィン系樹脂で成型する。
また、結合部２２２は、燃料電池本体あるいは本充填装置と結合した場合にのみ、液体燃料の送受を可能とし、耐有機燃料性の樹脂あるいは耐蝕性の金属材料などで構成される。
【００８６】
なお、この円筒型燃料カートリッジ２２０に対する燃料充填機構を図示を省略するが、上記の実施例１の場合の平板型燃料カートリッジ２１０に対する燃料充填機構とは異なり、加熱手段や加圧手段は必要とせずに、したがって、冷却機構も必要せずに、単に、燃料タンク１０７から液体燃料１０８を燃料供給手段１０９によって供給して充填すれば良いものである。
【００８７】
このように、本発明の実施例５においては、円筒型カートリッジの場合にも燃料を自動充填することが可能になり、また、この燃料自動充填システムにも、上記の図７或いは図８に示した料金課金機構を設けることによって、使用料金を自動的に決済することが可能になる。
【００８８】
以上、本発明の各実施例を説明してきたが、本発明は各実施例に記載された構成・条件等に限られるものではなく各種の変更が可能であり、例えば、上記の実施例１においては平板型燃料カートリッジにおいて燃料の放散供給を行う微細孔を多孔膜を利用して形成しているが、微細孔は、カートリッジ筐体自体に、エッチングやレーザー加工、機械的プレスなどの手法を用いて直接形成しても良いしものである。
【００８９】
また、上記の各実施例においては、燃料を充填する際に、一般的な液体圧送手段を使用しているが、高低差を利用した重力式を用いても良く、或いは、カートリッジの内部を減圧し、この空間を液体燃料で置換するようにしても良いものである。
【００９０】
また、上記の各実施例においては、液体燃料としてメタノール及び蟻酸を例示しているが、メタノール及び蟻酸に限られるものではなく、エタノール、ジメチルエーテル、ジメトキシメタン、ペンタン、ヘプタン、オクタン、ヒドラジン、或いは、アンモニア等を用いても良いものである。
【００９１】
また、上記の実施例５の円筒型燃料カートリッジを用いる場合にも、上記の実施例４と同様に識別機構を設け、各種に仕様の円筒型燃料カートリッジに対応するように構成しても良いものである。
【００９２】
また、上記の実施例５においては、円筒型燃料カートリッジとしているが、円筒型に限られものではなく、例えば、四角柱等の多角柱状でも良く、さらには、紡錘形状でも良いものである。
【００９３】
さらには、燃料自動充填システムを円筒型燃料カートリッジや平板型燃料カートリッジ等のタイプが全く異なる複数の燃料カートリッジに対応するように構成しても良いものである。
【００９４】
また、料金課金機構に関しては、図７に示したネットワーク型決済或いは図８に示したプリペイド決済に限られるものではなく、自販機と同様に硬貨や紙幣による決済機構を用いても良いものである。
なお、この場合には、硬貨や紙幣の識別機構や保管機構が必要になる。
【００９５】
ここで、再び図１を参照して、本発明の詳細な特徴を改めて説明する。
再び、図１参照
（付記１）  燃料電池システムに燃料を供給するための燃料カートリッジ１に対し所定量の燃料を充填する燃料充填手段２、前記燃料充填手段２へ前記燃料カートリッジ１を搬送するカートリッジ搬送手段３、及び、前記燃料カートリッジ１に対し所定量の燃料の充填を指示する充填指示手段４とを備えたことを特徴とする燃料カートリッジの燃料自動充填システム。
（付記２）  上記燃料充填手段２を複数備えているとともに、上記燃料カートリッジ１の種類を判別する分別手段を有し、前記分別手段によって種類を特定した燃料カートリッジ１を当該燃料カートリッジ１に対応する燃料充填手段２まで上記カートリッジ搬送手段３によって搬送することを特徴とする付記１記載の燃料カートリッジの燃料自動充填システム。
（付記３）  上記燃料カートリッジ１が、円筒型、紡錘状乃至は多面体状であり、その内部に液体燃料を収納する空間を有していることを特徴とする付記１または２に記載の燃料カートリッジの燃料自動充填システム。
（付記４）  上記燃料カートリッジ１が、内部に燃料保持材料を包含した平板状カートリッジであり、上記液体燃料を加圧して前記平板状カートリッジ中の燃料保持材料に接触させて液体燃料を充填することを特徴とする付記１または２に記載の燃料カートリッジの燃料自動充填システム。
（付記５）  上記液体燃料を充填する際に、前記液体燃料を上記燃料保持材料のガラス転移温度以上の温度にて前記燃料保持材料に接触させ充填することを特徴とする付記４記載の燃料カートリッジの燃料自動充填システム。
（付記６）  上記燃料充填機構が、前記気化した液体燃料の圧力を１００ｋＰａ乃至１００ＭＰａに加圧する機構を備えていることを特徴とする付記５記載の燃料カートリッジの燃料自動充填システム。
（付記７）  上記充填指示手段４が、料金課金手段５に連動しており、前記料金課金手段５における料金課金許諾確認ののち、前記充填指示手段４による燃料の充填の指示がなされることを特徴とする付記１乃至６のいずれか１に記載の燃料カートリッジの燃料自動充填システム。
（付記８）  上記料金課金手段５が携帯端末機との通信機能を有し、燃料の充填に伴う支払いをキャッシュレスで行うことを可能にするとともに、ネットワーク経由で自動的に端末使用者に課金が行われることを特徴とする付記７記載の燃料カートリッジの燃料自動充填システム。
（付記９）  上記料金課金手段５が携帯端末機との通信機能を有し、燃料の充填に伴う支払いをキャッシュレスで行うことを可能にするとともに、自動的に端末に記憶されたプリペイド式電子マネーから前記燃料の充填に伴う課金金額を減額する機能を有することを特徴とする付記８記載の燃料カートリッジの燃料自動充填システム。
（付記１０）  上記液体燃料が、液体燃料がメタノール、エタノール、ジメチルエーテル、ギ酸、ジメトキシメタン、ペンタン、ヘプタン、オクタン、ヒドラジン、或いは、アンモニアのうちのいずれかであることを特徴とする付記３乃至９のいずれか１に記載の燃料カートリッジの燃料自動充填システム。
【産業上の利用可能性】
【００９６】
本発明の活用例としては、携帯電話等の小型の携帯情報端末用の燃料電池の燃料カートリッジに対する燃料自動充填システムが典型的なものであるが、携帯情報端末用に限られるものではなく、ノート型ＰＣ等の燃料電池の燃料カートリッジに対する燃料自動充填システムにも適用されるものであり、さらには、規模を大きくすれば、燃料電池を使用する自動車等の大型機器用の燃料カートリッジにも適用されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００９７】
【図１】本発明の原理的構成の説明図である。
【図２】本発明の実施例１の燃料カートリッジの燃料自動充填システムの基本構成を示す概念図である。
【図３】燃料カートリッジの構成説明図である。
【図４】多孔膜の概念的平面図である。
【図５】本発明の実施例１の燃料カートリッジを実装した発電セルの概念的構成図である。
【図６】燃料拡散室近傍の概念的斜視図である。
【図７】本発明の実施例２の燃料カートリッジの燃料自動充填システムの概念的構成図である。
【図８】本発明の実施例３の燃料カートリッジの燃料自動充填システムの概念的構成図である。
【図９】本発明の実施例４の燃料カートリッジの燃料自動充填システムの概念的構成図である。
【図１０】本発明の実施例５の燃料カートリッジの概念的構成図である。
【符号の説明】
【００９８】
１  燃料カートリッジ
２  燃料充填手段
３  カートリッジ搬送手段
４  充填指示手段
５  料金課金手段
１００  燃料自動充填システム
１０１  筐体
１０２  カートリッジ入出口
１０３  コンソール
１０４  カートリッジ搬送機構
１０５  燃料充填機構
１０６  エアロック
１０７  燃料タンク
１０８  液体燃料
１０９  燃料供給手段
１１０  加熱手段
１１１  加熱制御手段
１１２  加圧手段
１１３  制御手段
１１４  冷却手段
１１５  外部インターフェース
１１６  インターフェース
１１７  インターフェース
１１８  識別機構
１２５  燃料充填機構
１２６  エアロック
１２７  燃料タンク
１２９  燃料供給手段
１３０  加熱手段
１３１  加熱制御手段
１３２  加圧手段
１３４  冷却手段
１４１  分岐搬送路
１４２  分岐搬送路
２００  燃料カートリッジ
２１０  平板型燃料カートリッジ
２１１  カートリッジ筐体
２１２  開口部
２１３  燃料吸収体
２１４  多孔膜
２１５  微細孔
２２０  円筒型燃料カートリッジ
２２１  カートリッジ筐体
２２２  結合部
２５０  燃料拡散室
２５１  開放面
３００  発電セル
３０１  出力端子
３０２  出力端子
３１０  電解質層
３２０  燃料極
３２１  燃料極触媒層
３２２  燃料極集電体層
３３０  空気極
３３１  空気極触媒層
３３２  空気極集電体層
４００  携帯情報機器
４０１  端末装置
【図１】
2008027746.tif 000003
【図２】
2008027746.tif 000004
【図３】
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【図４】
2008027746.tif 000006
【図５】
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【図６】
2008027746.tif 000008
【図７】
2008027746.tif 000009
【図８】
2008027746.tif 000010
【図９】
2008027746.tif 000011
【図１０】
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