(57)【要約】【課題】固体状メタノールから加熱によりメタノールを安全に効率良く取り出すことの可能な直接メタノール形燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料カートリッジ１は、矩形箱型のケーシング２内にメタノール包接化合物等の固体状メタノールＳを収納してなり、ケーシング２は、箱体の一面を構成する高熱伝導材料からなる高熱伝導部３と、これを被覆する収納部４とからなり、高熱伝導部３側には、高熱伝導部３に連続して蛇行したフィン状の熱伝達部材５が延設されている。ケーシング２の収納部４の一方の面には、一対の排出口６，６が突出形成されている。燃料カートリッジ収容部１５に燃料カートリッジ１をセットしたらヒータ１６を起動して発熱させる。これにより高熱伝導部３が加熱され、熱伝達部材５にも熱が伝わる。この結果、燃料カートリッジ１内の固体状メタノールＳが加熱されて、メタノールが気化して燃料としてのメタノールガスＧが発生する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
メタノールを固体化した固体状メタノールを収容した容器本体と、
固体状メタノールから気化したメタノールを排出するための排出口と
を有し、
前記容器本体の少なくとも一部が高熱伝導部であることを特徴とする直接メタノール形燃料電池用固体状メタノール燃料カートリッジ。
【請求項２】
前記容器本体が矩形箱型であり、当該容器本体の少なくとも一面が高熱伝導部であることを特徴とする請求項１に記載の直接メタノール形燃料電池用固体状メタノール燃料カートリッジ。
【請求項３】
前記高熱伝導部が、金属又は高熱伝導性プラスチックからなることを特徴とする請求項１又は２に記載の直接メタノール形燃料電池用固体状メタノール燃料カートリッジ。
【請求項４】
前記容器本体内に、前記高熱伝導部に連続して熱伝達部材が延設されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の直接メタノール形燃料電池用固体状メタノール燃料カートリッジ。
【請求項５】
直接メタノール形燃料電池装置と、当該直接メタノール形燃料電池装置に対して着脱可能な固体状メタノール燃料カートリッジとからなり、
前記固体状メタノール燃料カートリッジは、メタノールを固体化した固体状メタノールを収容した容器本体と、固体状メタノールから気化したメタノールを排出するための排出口とを有し、前記容器本体の少なくとも一部が高熱伝導部となっており、
前記直接メタノール形燃料電池装置は、燃料電池セルと、燃料カートリッジ収容部と、燃料供給機構と、加熱手段とを備え、
前記燃料カートリッジ収容部は前記固体状メタノール燃料カートリッジの排出口との接続部を有していて、当該接続部は前記燃料供給機構に連通しているとともに、前記固体状メタノール燃料カートリッジを前記燃料カートリッジ収容部に収容すると、前記容器本体の高熱伝導部が前記加熱手段と接触する
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
前記燃料電池セルの熱が、前記加熱手段に供給されることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
請求項５又は６に記載の燃料電池システムを搭載し、
前記燃料電池システムの前記直接メタノール形燃料電池装置が発電した電力により作動することを特徴とする電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体状メタノールを燃料とする直接メタノール形燃料電池システムに関し、特に直接メタノール形燃料電池を効率的に使用でき、かつ安全性が向上した直接メタノール形燃料電池システムに関する。また、本発明は、上記直接メタノール形燃料電池システムに適用可能な直接メタノール形燃料電池用の固体状メタノール燃料カートリッジに関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子電解質型燃料電池は、パーフルオロスルホン酸膜等の固体電解質膜を電解質とし、この膜の両面に燃料極及び酸化剤極を接合して構成され、アノードに水素やメタノール、カソードに酸素を供給して電気化学反応により発電する装置である。このうち、メタノールを燃料とする固体高分子電解質型燃料電池は、「直接（ダイレクト）メタノール形燃料電池」と呼ばれ、下記の反応式により発電が行われる。
アノード：ＣＨ３ＯＨ ＋ Ｈ２Ｏ → ６Ｈ＋ ＋ ＣＯ２ ＋ ６ｅ−  …［１］
カソード：３／２Ｏ２ ＋ ６Ｈ＋ ＋ ６ｅ− → ３Ｈ２Ｏ  …［２］
この反応を起こすために、両電極は触媒物質が担持された炭素微粒子と固体高分子電解質との混合体より構成されている。
【０００３】
このような直接メタノール形燃料電池において、アノードに供給されたメタノールは、電極中の細孔を通過して触媒に達し、この触媒によりメタノールが分解されて、上記反応式［１］の反応で電子と水素イオンとが生成される。水素イオンは、アノード中の電解質及び両電極間の固体電解質膜を通ってカソードに達し、カソードに供給された酸素及び外部回路より流れ込む電子と反応して、上記反応式［２］のように水を生じる。一方、メタノールより放出された電子はアノード中の触媒担体を通って外部回路へ導き出され、外部回路よりカソードに流れ込む。この結果、外部回路ではアノードからカソードへ向かって電子が流れ電力が取り出される。
【０００４】
このメタノールを燃料とする直接メタノール形燃料電池は、作動温度が低く、大掛りな補器を必要としないことなどから携帯機器用小型燃料電池として有用であり、近年、携帯用コンピューターや携帯電話等の次世代二次電池として開発が活発化してきている。その一方で燃料に使用するメタノールは液体であるが故に漏れやすく、またメタノール自体の可燃性及び毒性が懸念されており、安全に使用するための対策が課題となっている。
【０００５】
このようなメタノールの安全性の課題に対し、分子化合物を形成することによりメタノールを固形化し、漏れにくくするとともに可燃性を大きく低減した「固体状メタノール燃料」について本出願人は種々提案した（特許文献１〜３参照）。この固体状メタノールは、水と接触することで固体中のメタノールを水側に放出する。こうして生成したメタノール水溶液を直接メタノール形燃料電池の燃料として使用することができるものである。
【特許文献１】特開２００６−０４０６２９号公報
【特許文献２】特開２００５−３２５２５４号公報
【特許文献３】国際公開第２００５／０６２４１０号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このような固体状メタノールから燃料となるメタノールを取り出すには、固体状メタノールに水を供給してメタノール溶液を燃料として放出させたり（水供給方式）、加熱によりメタノールを揮発させたり（加熱方式）する必要がある。
【０００７】
これらのメタノール取出手段のうち、加熱方式は、水供給方式のように水タンク、ポンプ等の水供給機構が必要でないため、シンプルな装置構造とすることができ、また、メタノールの排出量の制御が容易であるという利点を有する。しかしながら、このような加熱方式では、固体状メタノールに効率的に熱を伝えて、安全に効率よくメタノールを取り出すことが困難であったが、このような固体状メタノール燃料カートリッジ及びこれを用いた直接メタノール形燃料電池システムはいまだ開発されていない。
【０００８】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、固体状メタノールから加熱によりメタノールを安全に効率良く取り出すことのできる直接メタノール形燃料電池システムを提供することを目的とする。また、本発明は、固体状メタノールから加熱によりメタノールを安全に効率良く取り出すことのできる直接メタノール形燃料電池用固体状メタノール燃料カートリッジ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】
第１に本発明は、メタノールを固体化した固体状メタノールを収容した容器本体と、前記固体状メタノールから気化したメタノールを排出するための排出口とを有し、前記容器本体の少なくとも一部が高熱伝導部であることを特徴とする直接メタノール形燃料電池用固体状メタノール燃料カートリッジを提供する（請求項１）。
【００１０】
上記発明（請求項１）によれば、容器本体を外部から加熱すると、該容器本体内に収容された固体状メタノールが高熱伝導部を介して加熱され、メタノールが揮発してメタノールガスが生成する。そして、このメタノールガスを排出口から取り出して、燃料電池セルの燃料極に供給することで発電が可能となる。
【００１１】
上記発明（請求項１）においては、前記容器本体が、矩形箱型であり、当該矩形箱型の容器本体の少なくとも一面が高熱伝導部であることが好ましく（請求項２）、上記発明（請求項１，２）においては、前記高熱伝導部が、金属又は高熱伝導性プラスチックからなるのが好ましい（請求項３）。
【００１２】
さらに、上記発明（請求項１〜３）においては、前記容器本体内に、前記高熱伝導部に連続して熱伝達部材が延設されていることが好ましい（請求項４）。かかる発明（請求項４）によれば、フィン状等の熱伝達部材を容器本体内に設けることで高熱伝導部からの熱を効率良く容器本体内に収容された固体状メタノールに伝えることができる。
【００１３】
また、第２に本発明は、直接メタノール形燃料電池装置と、当該直接メタノール形燃料電池装置に対して着脱可能な固体状メタノール燃料カートリッジとからなり、前記固体状メタノール燃料カートリッジは、メタノールを固体化した固体状メタノールを収容した容器本体と、固体状メタノールから気化したメタノールを排出するための排出口とを有し、前記容器本体の少なくとも一部が高熱伝導部となっており、前記直接メタノール形燃料電池装置は、燃料電池セルと、燃料カートリッジ収容部と、燃料供給機構と、加熱手段とを備え、前記燃料カートリッジ収容部は前記固体状メタノール燃料カートリッジの排出口との接続部を有していて、当該接続部は前記燃料供給機構に連通しているとともに、前記固体状メタノール燃料カートリッジを前記燃料カートリッジ収容部に収納すると、前記容器本体の高熱伝導部が前記加熱手段と接触することを特徴とする燃料電池システムを提供する（請求項５）。
【００１４】
上記発明（請求項５）によれば、直接メタノール形燃料電池装置の加熱手段により固体状メタノール燃料カートリッジの容器本体の高熱伝導部を加熱すると、容器本体内に収容された固体状メタノールが高熱伝導部を介して加熱され、メタノールが揮発してメタノールガスが生成する。そして、このメタノールガスを排出口から取り出して、燃料電池セルの燃料極に供給することで発電が可能となる。
【００１５】
上記発明（請求項５）においては、前記燃料電池セルの熱が、前記加熱手段に供給されることが好ましい（請求項６）。かかる発明（請求項６）によれば、燃料電池セルは発電に伴い発熱するので、この熱を加熱手段に伝熱して高熱伝導部に供給することで、エネルギーの有効活用を図ることができる。
【００１６】
さらに、第３に本発明は、上記発明（請求項５，６）に係る燃料電池システムを搭載し、当該燃料電池システムの直接メタノール形燃料電池が発電した電力により作動することを特徴とする電子機器を提供する（請求項７）。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、直接メタノール形燃料電池装置の加熱手段により、固体状メタノール燃料カートリッジの容器本体の高熱伝導部を加熱するだけで、燃料であるメタノールを気化した状態で効率良く取り出すことができる。しかも、燃料であるメタノールの漏洩のおそれも少なく、安全性が向上しており、さらに固体状メタノールの利用率の向上も期待できる、という効果も奏する。さらにまた、加熱手段の温度を制御することで、メタノールの放出速度（気化速度）を調整することができる。このような構成を有する燃料電池システムは、各種電子機器に搭載して使用するのに好適である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の一実施形態に係る直接メタノール形燃料電池システムについて添付図面を参照して詳細に説明する。図１は、本実施形態に係る直接メタノール形燃料電池システムにおける燃料カートリッジを示す分解斜視図であり、図２は、当該燃料カートリッジを示す平面図である。
【００１９】
図１及び図２に示すように、燃料カートリッジ１は、容器本体たる矩形箱型のケーシング２内にメタノール包接化合物等の固体状メタノールＳを収納してなる。
【００２０】
ケーシング２は、箱体の一面を構成する高熱伝導材料からなる高熱伝導部３と、これを被覆する他の面を構成する収納部４とを接合してなり、高熱伝導部３側には、該高熱伝導部３に連続して蛇行したフィン状の熱伝達部材５が立設されている。
【００２１】
そして、このケーシング２の収納部４の一方の面には、気化したメタノールを排出するための一対の排出口６，６が突出形成されている。なお、説明の便宜上、図１においては、固体状メタノールＳは省略してある。
【００２２】
上述したような燃料カートリッジ１において、高熱伝導部３は、熱伝導性の高い材料からなるのが好ましく、銅、アルミニウム、ステンレス等の金属材料、又はスミコンＦＭ（登録商標，住友ベークライト社製）等の高熱伝導性のエンジニアリングプラスチックを用いることができる。これらの中では、耐メタノール性の点で、ステンレス、スミコンＦＭが好ましい。
【００２３】
また、熱伝達部材５としては、高熱伝導部３と同様の材料を用いることができる。さらに、収納部４は、高熱伝導部３と、接合可能な材料であれば特に制限はなく、高熱伝導部３と同じ材料であっても異なる材料であってもよいが、保温性に優れた材料からなるのが好ましい。
【００２４】
次に、上述した燃料カートリッジ１を用いた直接メタノール形燃料電池システムについて、図３を参照して説明する。
図３において、１１は燃料電池セルであり、この燃料電池セル１１は、燃料極１２と電解質膜（ＭＥＡ）１３と空気極１４とから構成されている。１５は燃料カートリッジ収容部であり、この収容部１５には加熱手段たる薄板状のヒータ１６が付設されている。
【００２５】
ヒータ１６は、図示しない金属板等の伝熱部材により燃料電池セル１１に連通されていて、燃料電池セル１１で発生した熱が伝熱されるとともに、温度制御機構（図示せず）により４０〜８０℃の範囲内で温度制御可能となっている。
【００２６】
また、１７は接続部たる燃料取出口であり、この燃料取出口１７は、燃料供給路１８を経由して燃料極１２に連通している。そして、燃料極１２には水分を含んだスポンジ等の発泡体（図示せず）が付設されている。なお、１８Ａは、燃料供給路１８の開閉弁である。このような構成において、燃料カートリッジ収容部１５に、前述した燃料カートリッジ１が装着される。
【００２７】
前記構成の直接メタノール形燃料電池システムの作用について説明する。
初期状態においては、図３に示すように燃料カートリッジ１は装着されておらず、燃料供給路１８の開閉弁１８Ａは閉鎖している。そして、図４に示すように、燃料カートリッジ収容部１５に燃料カートリッジ１を高熱伝導部３の面がヒータ１６側となるようにセットしたら、ヒータ１６を起動して発熱させる。これにより高熱伝導部３が加熱され、これに伴い熱伝達部材５にも熱が伝わる。この結果、燃料カートリッジ１内の固体状メタノールＳが加熱されて、メタノールが気化して燃料としてのメタノールガスＧが発生する。
【００２８】
そうしたら、燃料供給路１８の開閉弁１８Ａを開成すると、このメタノールガスＧが一対の排出口６，６及び燃料取出口１７から排出され、燃料供給路１８を経由して燃料電池セル１１の燃料極１２に供給される。
【００２９】
燃料極１２には、水分を含んだスポンジ等の発泡体（図示せず）が付設されているので、ここでメタノールガスＧが凝縮してメタノール水溶液になり、燃料電池セル１１で発電が開始される。そして、ヒータ１６を停止すると、固体状メタノールＳからのメタノールの気化が停止して発電も停止する。
【００３０】
このような燃料電池システムにおいては、燃料電池セル１１での発電に伴い、固体状メタノールＳ中のメタノールが消費されるので、電圧の低下又は所定時間の発電等を目安として、燃料カートリッジ１を取り替えることにより、燃料カートリッジ１を繰り返し使用することが可能となっている。
【００３１】
特に本実施態様においては、矩形箱型の燃料カートリッジ１のケーシング２の一方の側にメタノールガスＧの排出口６，６を形成しているので、簡単な構造で燃料の排出が可能となっている。
【００３２】
また、この際のメタノールガスＧの気化量は、ヒータ１６の温度を制御するだけで調整可能となっており、これにより燃料電池セル１１の起電力の調整も可能となっている。
【００３３】
さらに、本実施形態においては、ケーシング２の高熱伝導部３側に、該高熱伝導部３に連続して蛇行したフィン状の熱伝達部材５が延設されているので、このケーシング２内の固体状メタノールＳが効率良く加熱されるようになっている。
【００３４】
さらにまた、燃料電池セル１１は発電に伴い発熱するので、この熱をヒータ１６に伝達することで、加熱のためのエネルギーを節約することが可能となっている。
【００３５】
上述したような実施形態において、固体状メタノールＳとしては、メタノールの分子化合物やメタノールをポリマーとともに固体化又はゲル化したもの、メタケイ酸アルミン酸マグネシウム等の無機材への吸着等によりメタノールを保持することで固体状としたもの等を用いることができる。
【００３６】
ここで、分子化合物とは、単独で安定に存在することのできる化合物の２種類以上の化合物が水素結合やファンデルワールス力等に代表される、共有結合以外の比較的弱い相互作用によって結合した化合物であり、水化物、溶媒化物、付加化合物、包接化合物等が含まれる。
【００３７】
このような分子化合物は、分子化合物を形成する化合物と燃料電池用燃料との接触反応により形成することができ、燃料電池用燃料を固体状の化合物に変化させることができ、比較的軽量で安定に燃料電池用燃料を貯蔵することができる。
【００３８】
分子化合物としては、例えば、ホスト化合物とメタノールとの接触反応によりメタノールを包接した包接化合物が挙げられる。また、ポリマーとして固体化又はジベンジリデン−Ｄ−ソルビトール等によりゲル化したものの表面にコーティングを施したものも用いることができる。
【００３９】
このような固体状メタノールＳは、種々の形態で用いることができ、好ましい形態としては微粉状、粒子状、シート状などの形態を挙げることができる。
【００４０】
このような構成を有する直接メタノール形燃料電池システムは、各種電子機器に搭載することができる。かかる電子機器は、上記直接メタノール形燃料電池システムの直接メタノール形燃料電池が発電した電力によって作動する。このような直接メタノール形燃料電池システムを搭載し得る電子機器としては、例えば、パーソナルコンピュータ、携帯電話、ＰＤＡ（携帯情報端末，Personal Digital Assistant）等が挙げられる。
【００４１】
以上、本発明について上記実施形態に基づき説明してきたが、本発明は上記実施形態に限定されることなく、種々の変形実施が可能である。
例えば、上記実施形態においては、燃料カートリッジ１のケーシング２の一面を高熱伝導材料からなる高熱伝導部３と、これを被覆する収納部４と構成したが、ケーシング２の全面を高熱伝導材料から構成してもよい。
【００４２】
また、燃料カートリッジ１を燃料電池セル１１に近接して設けることで、燃料電池のセル１１での発電に伴う発熱により、高熱伝導部３を直接加熱するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の一実施形態に係る直接メタノール形燃料電池システムにおける固体状メタノール燃料カートリッジを示す分解斜視図である。
【図２】同実施形態に係る直接メタノールたが燃料電池システムにおける固体状メタノール燃料カートリッジを示す平面図である。
【図３】同実施形態に係る直接メタノール形燃料電池システムを示す概略構成図である。
【図４】同実施形態に係る直接メタノール形燃料電池システムに燃料カートリッジを装着した状態を示す概略構成図である。
【符号の説明】
【００４４】
１…燃料カートリッジ
２…ケーシング（容器本体）
３…高熱伝導部
５…熱伝達部材
６…排出口
１１…燃料電池セル
１２…燃料極
１６…薄板状のヒータ
１７…燃料取出口（接続部）
１８…燃料供給路
Ｓ…固体状メタノール
Ｇ…メタノールガス（ガス化メタノール）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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