(57)【要約】【課題】燃料収容部と、燃料ポンプやバルブ類とが容易、かつ確実に連結できる燃料電池を提供すること。【解決手段】本発明に係る燃料電池は、燃料電池セルを備えた発電部と、液体燃料を収容した燃料収容部と、前記液体燃料を前記燃料収容部から前記発電部に送るポンプ部を搭載し、かつ第一の組付機構を有する補器ユニットとを、備え、更に前記燃料収容部は、前記補器ユニットに接続される通路以外は気密構造を有し、かつ前記第一の組付機構に対応した第二の組付機構を有し、前記第一の組付機構と前記第二の組付機構により、該燃料収容部と前記補器ユニットと互いに連結させることを特徴とする。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池セルを備えた発電部と、
液体燃料を収容した燃料収容部と、
前記液体燃料を前記燃料収容部から前記発電部に送るポンプ部を搭載し、かつ第一の組付機構を有する補器ユニットとを、備え、
更に前記燃料収容部は、前記補器ユニットに接続される通路以外は気密構造を有し、かつ前記第一の組付機構に対応した第二の組付機構を有し、前記第一の組付機構と前記第二の組付機構により、該燃料収容部と前記補器ユニットと互いに連結させることを特徴とした燃料電池。
【請求項２】
前記補器ユニットには、前記燃料収容部に前記燃料収容部に接続されるバルブ類を搭載していることを特徴とする請求項１の燃料電池。
【請求項３】
前記バルブ類には、前記燃料収容部の内圧が所定値に達すると開放状態となるリリーフバルブと、前記燃料収容部の内圧が所定値以下に達すると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の少なくともいずれか１種を含むことを特徴とする請求項２記載の燃料電池。
【請求項４】
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からなることを特徴とする請求項１乃至請求項３いずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記燃料収容部は、該燃料収容部に収容された液体燃料を前記燃料ポンプに誘導する誘導部材を内部に備えて燃料収容部ユニットを構成し、
前記補器ユニットの前記燃料収容部ユニットに対向した面、及び前記燃料収容部ユニットの前記補器ユニットに対向した面に、各々前記燃料ポンプに通じる開口部を設け、該各開口部の対応したどうしを、それぞれ封止部材を介して気密に連通させたことを特徴とする請求項１乃至請求項４いずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記第一の組付機構と前記第二の組付機構は、くさび状の組付機構であり、前記補器ユニットの前記燃料収容部に対向した面、及び前記燃料収容部の前記補器ユニットに対向した面の周縁にそれぞれ形成したことを特徴とする請求項１乃至請求項５いずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記第一の組付機構は、少なくとも２つの部材から構成され、該各部材を前記第二の組付機構に組み付けて、前記第一の組付機構と第二の組付機構とを連結させることを特徴とした請求項１乃至請求項６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】
燃料電池においては、液体燃料を収容する燃料収容部に、液体燃料を発電部に送り出すための燃料ポンプや各種バルブ類を容易に、かつ液体燃料が漏洩することなく確実に連結させる必要が生じる。
【０００８】
本発明は上記課題を解決し、燃料収容部に、燃料ポンプや各種バルブ類が容易、かつ確実に連結される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、燃料電池セルを備えた発電部と、液体燃料を収容した燃料収容部と、前記液体燃料を前記燃料収容部から前記発電部に送るポンプ部を搭載し、かつ第一の組付機構を有する補器ユニットとを、備え、更に前記燃料収容部は、前記補器ユニットに接続される通路以外は気密構造を有し、かつ前記第一の組付機構に対応した第二の組付機構を有し、前記第一の組付機構と前記第二の組付機構により、該燃料収容部と前記補器ユニットと互いに連結させることを特徴とする。
【００１０】
すなわち、燃料収容部に接続される燃料ポンプ、さらには各種バルブ類を補器ユニットに一体に搭載し、補器ユニットを組付機構により燃料収容部に組み付けることにより、燃料ポンプ及び各種バルブ類を燃料収容部に連結させることとした。
【００１１】
補器ユニットに搭載するバルブ類には、少なくとも内圧上昇を防止するリリースバルブと、燃料収容部の内圧低下を防止す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管等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。
【発明の効果】
【００１２】
第一の組付機構と第二の組付機構を組み付けることにより補器ユニットと燃料収容部が連結されるので、両者が容易に、かつ確実に連結される。殊に、それら組付機構をくさび状とした場合には、補器ユニットと燃料収容部を強固に連結させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
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３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、バルブ類等を有する補器ユニット１６と、制御基板及び二次電池を有する制御部１８などから構成されている。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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、例えばメ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に示すように開口部としての連通孔２０、２１、２２、２３が形成してある。各連通孔２０、２１、２２、２３の周囲には、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、第一の組付機構としての第一係合部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。
【００１９】
また燃料収容部１４には、図３に示すように誘導部材４１が設けられている。誘導部材４１は、液体燃料に毛管現象を生じさせるフィルタ状の部材からなり、燃料ポンプ２８から延びる吸引パイプ２４に接触し、液体燃料を後述する燃料ポンプ２８の吸引口に誘導させる。誘導部材４１を内部に備えた燃料収容部１４を燃料収容部ユニットともいう。
【００２０】
補器ユニット１６は、図１に示すように基台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、液体燃料に対して十分な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４２、４４、４６が上面に設けられている。
【００２１】
上記リリースバルブ３２等は、組付孔４２等にそれぞれパッキン２６を用いて気密に組み付けられ、組み付けた後、例えばピン（図示せず。）を側方から挿入することなどにより基台１７に確実に固定される。そして組付孔４２等の底部には、連通孔（図示せず。）が形成してあり、上記各バルブを組み付けた補器ユニット１６を燃料収容部１４に組み付けると、各連通孔は、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し、各バルブを燃料収容部１４に連通させる。
【００２２】
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る。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の吸引口には吸引パイプ２８が接続してあり、凹部３１に形成された吸引用孔３３（図３に図示。）を通って、燃料収容部１４内の誘導部材４１に延びている。また燃料ポンプ２８の吐出口には、遮断バルブ３０を介して送液パイプ３７が接続してあり、送液パイプ３７の端部は、凹部３１に形成された送出用通路（図示せず。）に接続され、基台１７の下面に、導入口１１に対応した位置に開口している。
【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する。
【００２６】
リリースバルブ３２は、通常閉鎖した状態にあり、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する。またリリースバルブ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】
更に補器ユニット１６には、図３に示すように第一係合部１３に対応した第二の組付機構としての第二係合部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。取付板１９は、ねじ４０により基台１７に取り付け可能となっており、第一係合部１３を基台１７の第二係合部１５と前後から挟むようになっている。尚、第一係合部１３と第二係合部１５のいずれも、短辺側、つまり左右側方側はくさび状でなく、垂直に立ち上げられている。
【００３０】
図３に、補器ユニット１６を燃料収容部１４に組み付ける一例を示す。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。基台１７は、吸引パイプ２８を吸引用孔３３に差し入れながら、第二係合部１５と第一係合部１３と嵌合させ、燃料収容部１４の上面に取り付ける。そして、後方側から取付板１９を取り付け、ねじ４０で取付板１９を基台１７に固定する。これにより、補器ユニット１６と燃料収容部１４は一体に固着される。
【００３１】
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確実に連結される。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とを確実に連結し、液体燃料を発電部１２に送り出すことができる。また第一係合部１３と第二係合部１５をくさび状としたので、強固に結合させることができる。
【００３２】
また燃料電池１０は、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。
【００３３】
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。
【００３４】
また補器ユニット１６に設けられた注入バルブ３６に、補充用容器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。
【００３５】
尚、上記例では第一係合部１３及び第二係合部１５をくさび状としたが、本発明においては、第一係合部１３と第二係合部１５はかかる構造に限るものではない。また、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】本発明にかかる補器ユニットと燃料収容部の一実施形態を示す分解斜視図。
【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
１３…第一係合部
１４…燃料収容部
１５…第二係合部
１６…補器ユニット
１９…取付板
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】
2008218056.tif 000003
【図２】
2008218056.tif 000004
【図３】
2008218056.tif 000005