(57)【要約】【課題】燃料収容部に、ポンプやバルブ類が容易に組み付けられ、加工や組み立て作業が簡易な燃料電池を提供すること。【解決手段】燃料収容部に設けられるバルブ類を補器ユニットに一体に設け、補器ユニットを燃料収容部に組み付け、燃料収容部に各バルブを接続させることとした。補器ユニットに設けるバルブには、少なくとも内圧上昇を防止するリリースバルブと、燃料収容部の内圧が所定以下のときに開放されるバランスバルブと、液体燃料を燃料収容部に補充するための補充口が連結される注入バルブのいずれかが含まれることとした。これにより、燃料ポンプや各種バルブなどの補器類を、補器ユニットを介して燃料収容部に簡易に連結させることができる。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体燃料を収容した燃料収容部を、燃料電池セルを備えた発電部に一体に組み付け、前記燃料収容部から液体燃料を前記発電部に供給して発電を行う燃料電池において、
前記燃料収容部から前記発電部に液体燃料を送るポンプ部及び前記燃料収容部に接続されるバルブ類を補器ユニットに搭載し、該補器ユニットを前記燃料収容部に組み付け該補器ユニットを介して前記燃料収容部と前記発電部とを一体に組み付けたことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記バルブ類には、前記燃料収容部の内圧が所定値以上に上昇すると開放状態となるリリースバルブが少なくとも含まれ、かつ該リリースバルブの作動圧を前記燃料収容部の耐圧以下に設定したことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記ポンプ部は、前記液体燃料を送液する燃料ポンプと、前記液体燃料の送液を遮断する遮断バルブとからなることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記遮断バルブは、開放遮断のいずれの状態においても、外部からの動力を要することなく、設定された状態を保持する自己保持型バルブであることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記遮断バルブは、前記燃料収容部の内圧が所定値を越えたときは、前記送液ポンプが作動中であっても前記送液管を遮断する自動遮断機能を有していることを特徴とした請求項３乃至請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記バルブ類には、前記リリースバルブと、前記燃料収容部の内圧が所定以下のときに開放状態となるバランスバルブと、前記液体燃料を前記燃料収容部に補充するための補充口が連結される注入バルブが含まれ、
前記燃料収容部の耐圧値Ｐ１と、前記遮断バルブの耐圧値Ｐ２と、前記リリースバルブの作動圧Ｐ３と、前記遮断バルブが有する自動遮断機能の作動圧Ｐ４と、バランスバルブの作動圧Ｐ５を、
Ｐ１＞Ｐ２＞Ｐ３＞Ｐ４＞Ｐ５の関係に設定したことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
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、燃料を補給すれば連続して長時間発電することが可能であ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。
【０００３】
直接メタノール型燃料電池（Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＤＭＦＣ）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、携帯用電子機器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。
【０００４】
これらのうち、内部気化型等のパッシブ方式はＤＭＦＣの小型化に対して特に有利である。パッシブ型ＤＭＦＣにおいては、例えば燃料極、電解質膜および空気極を有する膜電極接合体（燃料電池セル）を、樹脂製の箱状容器からなる燃料収容部上に配置した構造が提案されている（例えば特許文献１参照）。燃料収容部から気化した燃料を直接燃料電池セルに供給する場合、燃料電池の出力の制御性を高めることが重要となるが、現状のパッシブ型ＤＭＦＣでは必ずしも十分な出力制御性は得られていない。
【０００５】
一方、ＤＭＦＣの燃料電池セルと燃料収容部とを流路を介して接続することが検討されている（特許文献２〜４参照）。燃料収容部から供給された液体燃料を燃料電池セルに流路を介して供給することによって、流路の形状や径等に基づいて液体燃料の供給量を調整することができる。ただし、流路からの液体燃料の供給構造によっては、燃料電池セルに対する燃料の供給状態が不均一になり、燃料電池の出力が低下するおそれがある。例えば、溝状の流路に沿って液体燃料を流す場合、流路を液体燃料が流れるにつれて順次燃料が消費されていくため、流路出口側では燃料濃度が減少する。このため、燃料電池セルの流路出口に近い部分では発電反応が低下し、その結果として出力の低下を招いてしまう。
【０００６】
また、特許文献３では燃料収容部から流路にポンプで液体燃料を供給している。特許文献３にはポンプに代えて、流路に電気浸透流を形成する電界形成手段を用いることも記載されている。特許文献４には電気浸透流ポンプを用いて液体燃料等を供給することが記載されている。燃料の循環構造を適用した燃料電池ではポンプが有効であるものの、パッシブ型ＤＭＦＣのように燃料を循環させない場合には単にポンプを適用しても燃料消費量が増大するだけで、燃料電池セル全体での均一な発電反応を生起することは難しい。
【特許文献１】国際公開第２００５／１１２１７２号パンフレット
【特許文献２】特表２００５−５１８６４６号公報
【特許文献３】特開２００６−０８５９５２号公報
【特許文献４】米国特許公開第２００６／００２９８５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
液体燃料を収容する燃料収容部には、液体燃料を燃料電池セルに送出する燃料ポンプに加え、燃料ポンプから燃料電池セルに連結される供給用配管を、燃料ポンプの非動作時に閉塞させる遮断バルブ、燃料収容部内の負圧を解消するバランスバルブ、燃料収容部内に液体燃料を注入するための注入用バルブ、液体燃料内の過大な圧力を開放させるためのリリースバルブなどが設けられ、これら、燃料ポンプやバルブ類を個々に燃料収容部に設けた場合には、加工や組み付け作業に手間がかかるという問題があった。
【０００８】
本発明は上記課題を解決し、燃料収容部に、ポンプやバルブ類が容易に組み付けられ、加工や組み立て作業が簡易な燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る燃料電池は、液体燃料を収容した燃料収容部を、燃料電池セルを備えた発電部に一体に組み付け、前記燃料収容部から液体燃料を前記発電部に供給して発電を行う燃料電池において、前記燃料収容部から前記発電部に液体燃料を送るポンプ部及び前記燃料収容部に接続されるバルブ類を補器ユニットに搭載し、該補器ユニットを前記燃料収容部に組み付け該補器ユニットを介して前記燃料収容部と前記発電部とを一体に組み付けたことを特徴とする。
【００１０】
さらに、前記燃料電池において、前記バルブ類には、前記燃料収容部の内圧が所定値以上に上昇すると開放状態となるリリースバルブを少なくとも含み、かつ該リリースバルブの作動圧を前記燃料収容部の耐圧以下に設定したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
燃料ポンプや各種バルブが設けられた補器ユニットを燃料収容部に組み付けることにより、各バルブ等が燃料収容部に接続されるので、組み付け作業が容易となる。燃料収容部に直接バルブを取り付ける必要がなく、燃料収容部の加工、製造が簡易となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明にかかる燃料電池の一実施形態について、図を参照して説明する。  
燃料電池１０の一部を、図３に示す。燃料電池１０は、図１に示すように、発電部１２と、液体燃料を収容する燃料収容部１４と、バルブ等を有する補器ユニット１６と、発電部１２における発電を制御し、また主に制御のための電力を蓄電する二次電池を有する制御部１８などから構成されている。
【００１３】
発電部１２は、燃料電池セル（図示せず。）を内部に備え、上部に燃料電池セルに通じる導入口１１が開口されている。燃料電池セルは、例えば、アノード（燃料極）と、カソード（空気極／酸化剤極）と、それらで挟持されるプロトン（水素イオン）伝導性の電解質膜などから構成される膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly：ＭＥＡ）を有している。
【００１４】
アノードやカソード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。アノードにはメタノールや一酸化炭素等に対して強い耐性を有するＰｔ−ＲｕやＰｔ−Ｍｏ等を用いることが好ましい。ただし、触媒はこれらに限定されるものではなく、触媒活性を有する各種の物質を使用することができる。触媒は炭素材料のような導電性担持体を使用した担持触媒、あるいは無担持触媒のいずれであってもよい。
【００１５】
電解質膜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）である。ただし、電解質膜はこれに限られるものではない。
【００１６】
制御部１８は、発電量を制御する制御基板と、発電開始や制御のための電力を蓄電する二次電池（いずれも図示せず。）を有し、例えば液体燃料の発電部１２への供給量を制御して発電部１２における発電量を制御する。すなわち、後述する燃料ポンプ２８を作動させて燃料電池セルに液体燃料を送り発電を行わせるとともに、温度センサ（図示せず。）からの計測値に基づいて燃料ポンプ２８の作動を制御して燃料電池セルにおける発電量を適正に保つ。
【００１７】
燃料収容部１４は、適度な収納容積を有し、発電部１２に使用される液体燃料、例えばエタノールやその溶液などに対して十分な耐性を有する樹脂材などから形成されている。燃料収容部１４の上面には、図１に示すように連通孔２０、２１、２２、２３が形成してある。各連通孔２０、２１、２２、２３の開口面には、座繰りが形成してあり、その内部にパッキン２５がそれぞれ組み付けられる。また燃料収容部１４の上部周縁には、第一係合部１３が形成してある。第一係合部１３は、燃料収容部１４の上面の、少なくとも燃料収容部１４の長手方向の側面に沿って、上方に行くに従い側方に広がる、いわゆるくさび状の段差から形成されている。
【００１８】
補器ユニット１６は、基台１７と、基台１７に取り付けられる取付板１９と、基台１７に搭載される燃料ポンプ２８（図３に図示。）と、遮断バルブ３０と、リリースバルブ３２と、バランスバルブ３４と、注入バルブ３６などから構成されている。基台１７は、液体燃料に対して耐性を有する樹脂材から形成されており、燃料ポンプ２８及び遮断バルブ３０を収納する凹部３１と、リリースバルブ３２、バランスバルブ３４、注入バルブ３６の各バルブ類を収納する組付孔（図示せず。）が設けられている。
【００１９】
また補器ユニット１６には、図３に示すように第一係合部１３に対応した第二係合部１５が形成してある。第二係合部１５は、第一係合部１３と逆に、下方側が突出した形状であり、基台１７と取付板１９の双方に形成してある。尚、第一係合部１３及び第二係合部１５はかかる構造に限るものではない。
【００２０】
上記各バルブは、図２に示すように基台１７に組み付けた後、例えばピンを挿入することなどにより基台１７に確実に固定される。そして各バルブを組み付けた組付孔の底部には、連通孔（図示せず。）が形成してあり、補器ユニット１６を燃料収容部１４に組み付けると燃料収容部１４の上面に設けられた連通孔２０、２１、２２、２３に、パッキン２５を介してそれぞれ気密に連通する。
【００２１】
凹部３１は、燃料ポンプ２８と遮断バルブ３０を収納するに十分な形状に形成してあり、また凹部３１には、燃料収容部１４に通じる吸引用孔３３（いずれも図３に図示。）と、導入口１１に対応して発電部１２の内部に連通する送出用通路（図示せず。）が形成してある。
【００２２】
燃料ポンプ２８は、燃料収容部１４から液体燃料を吸い上げ送出するポンプである。ポンプの形式は特に限定しない。燃料ポンプ２８の吸引口には吸引用の導通材３５が接続してあり、吸引用孔３３を介して燃料収容部１４内に延びている。また燃料ポンプ２８の吐出口には、送液パイプ３７が接続してあり、送液パイプ３７の端部は、送出用通路に接続され、基台１７の下部に、導入口１１に対応して開口されている。また送液パイプ３７の中間部分には、遮断バルブ３０が設けられている。
【００２３】
遮断バルブ３０は、制御部１８からの指示に従い作動され、送液パイプ３７の内部を開放したり、閉鎖するバルブである。遮断バルブ３０は、通常遮断状態、つまり送液パイプ３７を閉鎖する状態に設定されており、燃料ポンプ２８を作動させるタイミングに合わせて開放され、燃料ポンプ２８の作動が終了すると、再び遮断状態に戻される。これにより、燃料が常時発電部１２に送られることを防止し、発電量を正確に制御できる。
【００２４】
遮断バルブ３０は、制御部１８から作動の指示が入力されると開放と遮断のいずれかの状態から他方の状態に移行し、かつ移行した状態を保持するように、いわゆる自己保持型に形成されている。例えば、プラス電位の信号を受けると開放し、マイナス電位の信号を受けると遮断する。これにより、制御に要する作動電力量を低減させることができる。尚作動パルスを入力すると、パルスを受ける毎に開放と遮断の状態を順次切り替えるようにしてもよい。
【００２５】
更に遮断バルブ３０は、バルブ自体の耐圧Ｐ２が、燃料収容部１４自体の耐圧Ｐ１より低く、かつ後述するリリースバルブ３２の作動圧Ｐ３よりは高い値に設計されている。更に遮断バルブ３０は、吸引口側の圧力、すなわち燃料収容部１４の内圧が所定圧Ｐ４以上となると、たとえ燃料ポンプ２８が作動しているときであっても遮断状態となるように制御されている。作動圧Ｐ４の値は、Ｐ３より低く、後述するバランスバルブ３４の作動圧Ｐ５より高い値である。これにより、所定以上の圧力で燃料が発電部１２に送出されることを防止できる。
【００２６】
リリースバルブ３２は、通常閉鎖状態にあるバルブであり、リリースバルブ３２の内側の圧力、すなわち燃料収容部１４の内圧が所定圧Ｐ３に達すると自動的、すなわちバルブとばね機構等の作用により開放状態となり、燃料収容部１４内の気体を放出する。これにより、燃料収容部１４の内圧がＰ３以上に上昇することを防止できる。リリースバルブ３２は、燃料収容部１４の内圧がＰ３以下に戻ると、自動的に遮断される。
【００２７】
バランスバルブ３４は、リリースバルブ３２と同様通常閉鎖した状態にあり、バランスバルブ３４の内側の圧力、すなわち燃料収容部１４の内圧が所定圧Ｐ５以下になると自動的に開放状態となり、燃料収容部１４の内部に外気を引き入れる。また、バランスバルブ３４は、燃料収容部１４の内圧がＰ５以上となると自動的に遮断される。これにより、燃料収容部１４の内圧の過剰な低下を防止し、燃料を円滑に発電部１２に送出し、また燃料収容部１４の変形等を防止できる。
【００２８】
注入バルブ３６は、通常閉鎖した状態にあり、補充用容器の注入口（図示せず。）を差し入れると開放状態となって補充用容器内部と連結し、補充用容器内に収容されている液体燃料が注入バルブ３６を介して燃料収容部１４内に注入される。
【００２９】
図３に、補器ユニット１６を燃料収容部１４に組み付ける場合の組み付け例を示す。燃料収容部１４の上面には、上述したように第一係合部１３が形成してあり、補器ユニット１６には、第一係合部１３に対応した第二係合部１５が形成してある。これにより、基台１７を燃料収容部１４に組み付けた後ねじ４０で取付板１９を基台１７に取り付けると、補器ユニット１６と燃料収容部１４は一体に固定される。尚、補器ユニット１６と燃料収容部１４の固定方法は、上記方法に限るものではない。
【００３０】
したがって、燃料電池１は、補器ユニット１６を燃料収容部１４に組み付けることにより、燃料収容部１４に、燃料ポンプ２８と遮断バルブ３０、更にその他の各種バルブ類が接続される。そして補器ユニット１６に発電部１２を固定することにより、補器ユニット１６を介して燃料収容部１４と発電部１２とを確実に連結させることができる。
【００３１】
また、リリースバルブ３２が設けられていることにより、燃料収容部１４内の温度が上昇するなどにより燃料収容部１４の内圧が上昇した場合であっても、内圧がリリースバルブ３２の作動圧Ｐ３に達すると、リリースバルブ３２が開放され、燃料収容部１４の内圧を低下させる。かかる作動圧Ｐ３は、燃料収容部１４の耐圧値Ｐ１及び遮断バルブ３０の耐圧値Ｐ２より低い値となっているため、燃料収容部１４及び遮断バルブ３０に破損などを生じさせることはない。
【００３２】
またバランスバルブ３４が設けられていることにより、燃料収容部１４から液体燃料が吐出されたり、温度が低下して燃料収容部１４の内圧がバランスバルブ３４の作動圧Ｐ５以下に低下すると、バランスバルブ３４が開放状態となり、バランスバルブ３４を通して燃料収容部１４内に外気が導入される。これにより、燃料収容部１４の内圧低下が過剰とならず、液体燃料を発電部１２に円滑に供給でき、かつ燃料収容部１４の変形を防止することができる。
【００３３】
また補器ユニット１６に設けられた注入バルブ３６に、補充用収容部の注入口を挿入することにより、容易に液体燃料を燃料収容部１４に補充することができる。
【００３４】
更に、燃料収容部１４の耐圧Ｐ１と、遮断バルブ３０の耐圧Ｐ２と、リリースバルブ３２の作動圧Ｐ３と、遮断バルブ３０が有する自動遮断機能の作動圧Ｐ４と、バランスバルブ３４の作動圧Ｐ５を、Ｐ１＞Ｐ２＞Ｐ３＞Ｐ４＞Ｐ５の関係に設定したことから、燃料収容部１４の内圧がＰ３に至るとリリースバルブ３２が作動して内圧が低下されるので、圧力により燃料収容部１４および遮断バルブ３０が破損することはなく、かつリリースバルブ３２により燃料を放散させる圧力以下のＰ４の圧力で遮断バルブ３０が有する自動遮断機能が作動し、発電部１２への燃料の供給を停止させるので、発電量が低下し、温度上昇を防止できる。
【００３５】
尚、液体燃料としては、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挙げられるが、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い。液体燃料は、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、プロパノール水溶液や純プロパノール等のプロパノール燃料、グリコール水溶液や純グリコール等のグリコール燃料、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、燃料収容部１４には燃料電池セルに応じた液体燃料が収容される。
【００３６】
また、補器ユニット１６に搭載されるバルブ類は上記例に限るものではなく、他のバルブ、あるいは、取付口等であってもよい。
【００３７】
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明にかかる燃料電池の一実施形態を示す図。
【図２】燃料電池の平面図。
【図３】燃料電池の側面図。
【符号の説明】
【００３９】
１０…燃料電池
１２…発電部
１４…燃料収容部
１６…補器ユニット
２８…燃料ポンプ
３０…遮断バルブ
３２…リリースバルブ
３４…バランスバルブ
３６…注入バルブ
【図１】
2008218057.tif 000003
【図２】
2008218057.tif 000004
【図３】
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