(57)【要約】【課題】十分な気密性又は水密性を有する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用燃料供給装置を提供する。【解決手段】直接メタノール形燃料電池用燃料供給装置１は、燃料カートリッジ収容部と、この燃料カートリッジ収容部に収容可能な矩形箱型の燃料カートリッジ３と、燃料カートリッジ収容部に接続された燃料吐出部たる燃料吐出機構４とからなる。燃料カートリッジ３は、正面側に連結部２１を有する。この連結部２１は、吐出口２０Ａに連通した流路管２２と、第１の漏洩防止機構２３とからなる。燃料吐出機構４は、燃料カートリッジ収容部の一部を構成する受板と、燃料カートリッジ３の収容時に開閉バルブ２５に当接する第２の漏洩防止機構３３を備えた接続部３２とを備える。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料カートリッジ収容部と、この燃料カートリッジ収容部に着脱自在に設けられ、メタノール燃料を固体化した固体状メタノールを収容した燃料カートリッジと、前記燃料カートリッジ収容部に隣接した燃料吐出部とからなる直接メタノール形燃料電池用燃料供給装置であって、
前記燃料カートリッジは、当該燃料カートリッジの収容時に前記燃料吐出部に当接する第１の開閉部材を有する第１の漏洩防止機構を備え、
前記燃料吐出部は、第２の漏洩防止機構を有する接続部を備えることを特徴とする直接メタノール形燃料電池用燃料供給装置。
【請求項２】
前記第１の漏洩防止機構が、第１の流路管と、先端に第１の押圧部が形成され、当該第１の流路管に挿脱自在に設けられた第１の開閉部材と、当該第１の開閉部材を閉鎖方向に付勢する第１の弾性部材とを有し、
前記第２の漏洩防止機構が、第２の流路管と、先端に第２の押圧部が形成され、当該第２の流路管に設けられた第２の開閉部材と、当該第２の開閉部材を閉鎖方向に付勢する第２の弾性部材とを有しており、
前記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、前記第１の押圧部と第２の押圧部とが押圧当接して、第１の弾性部材及び第２の弾性部材の付勢に抗して第１の開閉部材及び第２の開閉部材のそれぞれが開成し、前記燃料カートリッジから燃料の供給が可能とな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燃料供給装置。
【請求項３】
前記第１の開閉部材の先端側に凹状位置決部が設けられているとともに、前記第２の漏洩防止機構の接続部が凸状位置決部に収容されていることを特徴とする請求項２に記載の直接メタノール形燃料電池用燃料供給装置。
【請求項４】
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燃料供給装置と、この直接メタノール形燃料電池用燃料供給装置に連通した燃料電池セルとからなることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項４に記載の燃料電池システムを備えることを特徴とする携帯用電子機器。
【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用燃料供給装置及び燃料電池システムに関する。また、本発明は、この燃料電池システムを用いた携帯用電子機器に関する。
【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（アノード）及び酸化剤極（カソード）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。
【０００３】
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。
【０００４】
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を生成する。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。
【０００５】
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、大掛りな補機が必要ないこと等から、携帯用電子機器用の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電源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、液体であるために漏れやすく、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。
【０００６】
このようなメタノールの安全性の課題に対し、分子状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】
【０００７】
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水溶液を燃料として放出する（水供給方式）か、加熱によりメタノールを揮発させる（加熱方式）かする必要がある。
【０００８】
これらのメタノール取り出し手段のうちの水供給方式は、燃料電池用固体状メタノールが収容されている容器内に通水する水が液体として存在しており、その水が漏れるおそれがある。また、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不要であるため、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が、気化したメタノールは僅かな隙間からでも漏洩するので、特に気密性が要求される。
【０００９】
このように、固体状メタノールからメタノールを取り出す場合、加熱方式であっても、水供給方式であっても、直接メタノール形燃料電池用燃料供給装置には気密性又は水密性が要求されるが、このような機能を十分に備えた燃料供給機構は従来なかった。
【００１０】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、十分な気密性又は水密性を有し、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用燃料供給装置を提供することを目的とする。また、本発明は、この直接メタノール形燃料電池用燃料供給装置を備えた燃料電池システムを提供することを目的とする。さらに、本発明は、この燃料電池システムを用いた携帯用電子機器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】
【００１１】
上記課題を解決するために、第一に本発明は、燃料カートリッジ収容部と、この燃料カートリッジ収容部に着脱自在に設けられ、メタノール燃料を固体化した固体状メタノールを収容した燃料カートリッジと、前記燃料カートリッジ収容部に隣接した燃料吐出部とからなる直接メタノール形燃料電池用燃料供給装置であって、前記燃料カートリッジは、当該燃料カートリッジの収容時に前記燃料吐出部に当接する第１の開閉部材を有する第１の漏洩防止機構を備え、前記燃料吐出部は、第２の漏洩防止機構を有する接続部を備えることを特徴とする直接メタノール形燃料電池用燃料供給装置を提供する（請求項１）。
【００１２】
上記発明（請求項１）によれば、燃料カートリッジに漏洩防止機構が備えられているため、燃料カートリッジの装着前において当該燃料カートリッジからの燃料の漏洩を防止することができ、さらに、燃料カートリッジの装着後これを取り外した場合であっても、燃料カートリッジからの燃料の漏洩を防止することができる。しかも、燃料吐出部側にも漏洩防止機構が備えられているため、燃料カートリッジを取り外した場合における燃料吐出部側からの燃料の漏洩も防止することができる。
【００１３】
上記発明（請求項１）においては、前記第１の漏洩防止機構が、第１の流路管と、先端に第１の押圧部が形成され、当該第１の流路管に挿脱自在に設けられた第１の開閉部材と、当該第１の開閉部材を閉鎖方向に付勢する第１の弾性部材とを有し、前記第２の漏洩防止機構が、第２の流路管と、先端に第２の押圧部が形成され、当該第２の流路管に設けられた第２の開閉部材と、当該第２の開閉部材を閉鎖方向に付勢する第２の弾性部材とを有しており、前記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、前記第１の押圧部と第２の押圧部とが押圧当接して、第１の弾性部材及び第２の弾性部材の付勢に抗して第１の開閉部材及び第２の開閉部材のそれぞれが開成し、前記燃料カートリッジから燃料の供給が可能となることが好ましい（請求項２）。
【００１４】
上記発明（請求項２）によれば、燃料カートリッジを燃料カートリッジ収容部に収容すると、第１の押圧部と第２の押圧部とのそれぞれが押圧当接して、第１の弾性部材及び第２の弾性部材の付勢力に抗して第１の開閉部材及び第２の開閉部材が開成し、燃料カートリッジから燃料の供給が可能となる一方、燃料カートリッジを燃料カートリッジ収容部から取り外すと、第１の弾性部材及び第２の弾性部材の付勢力により第１の開閉部材及び第２の開閉部材のそれぞれが閉鎖することにより、燃料カートリッジに及び燃料吐出部側からの燃料の漏洩を防止することができる。
【００１５】
上記発明（請求項２）においては、前記第１の開閉部材の先端側に凹状位置決部が設けられているとともに、前記第２の漏洩防止機構の接続部が凸状位置決部に収容されていることが好ましい（請求項３）。
【００１６】
上記発明（請求項３）によれば、燃料カートリッジを燃料カートリッジ収容部に収容する際に、凹状位置決部を凸状位置決部に挿入することで正確に位置決めして、第１の押圧部と第２の押圧部とを正確に当接することができる。
【００１７】
また、第二に本発明は、上記発明（請求項１〜３）の直接メタノール形燃料電池用燃料供給装置と、この直接メタノール形燃料電池用燃料供給装置に連通した燃料電池セルとからな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４）。
【００１８】
上記発明（請求項４）によれば、燃料カートリッジの装着後これを取り外した場合であっても燃料カートリッジ及び燃料吐出部側からの燃料の漏洩を防止した燃料電池システムとすることができる。
【００１９】
さらに、第三に本発明は、上記発明（請求項４）の燃料電池システムを備えることを特徴とする携帯用電子機器を提供する（請求項５）。かかる発明（請求項５）によれば、メタノール燃料の漏洩のおそれのない直接メタノール形燃料電池を電源とする携帯用電子機器とすることができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の直接メタノール形燃料電池用燃料供給装置は、燃料カートリッジ側及び燃料吐出部側の両方に燃料カートリッジの取り外した後の燃料漏洩防止機構を有するので、燃料の漏洩のおそれがなく、携帯用電子機器の電源として好適なものとすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１及び図２は、本発明の一実施形態に係る直接メタノール形燃料電池用燃料供給装置の上部板及び側部板を取り外した状態を示す斜視図であり、図３は、本発明の一実施形態に係る直接メタノール形燃料電池用燃料供給装置を示す正面図であり、図４は同要部拡大図であり、図５及び図６は同縦断面図である。
【００２２】
図１〜図６に示すように、直接メタノール形燃料電池用燃料供給装置１は、矩形箱型のケーシング１Ａに覆われており、ケーシング１Ａの内側は、燃料カートリッジ収容部２と、燃料カートリッジ収容部２に収容可能な矩形箱型の燃料カートリッジ３と、燃料カートリッジ収容部２に接続された燃料吐出部たる燃料吐出機構４とからなる。なお、図３において、５は跳ね上げ式の燃料カートリッジ収容部２のカバーであり、燃料カートリッジ３と略同一の大きさとなっている。
【００２３】
燃料カートリッジ収容部２は、基板１１上に一対の枠体１２及び１３を垂設するとともに、一側に燃料吐出機構４を配置することで形成されている。この枠体１２，１３の対向する内面側には、スライド突条１４，１５がそれぞれ形成されているとともに、スライド突条１５にはストッパ１６が形成されている。
【００２４】
また、燃料カートリッジ３は、側面に前述したスライド突条１４，１５のそれぞれに応じた太さのガイド溝１７，１８がそれぞれ形成されており、このガイド溝１８の先端側には、ストッパ受部１８Ａが形成されている。
【００２５】
燃料カートリッジ３の内部には、メタノール燃料を固体化した固体状メタノールＦの収容空間２０と吐出口２０Ａとが設けられており、正面側には、連結部２１が設けられている。
【００２６】
連結部２１は、吐出口２０Ａに連通した流路管２２と、第１の漏洩防止機構２３とからなる。第１の漏洩防止機構２３は、流路管２２内に設けられ、スリット（図示せず）が形成された開閉バルブ受け部材２４と、開閉部材としての開閉バルブ２５と、開閉バルブ２５を閉鎖方向に付勢する弾性部材たる圧縮コイルバネ２６とを有し、開閉バルブ２５の先端には円柱状の押圧部２５Ａが形成されているとともにと、押圧部２５Ａの基端側にパッキン２５Ｂが設けられている。
【００２７】
さらに、流路管２２の先端は、押圧部２５Ａが臨んだ凹状位置決部２７となっており、この凹状位置決部２７内には、弾性変形可能な吸収部材たるＰＶＡ製のスポンジ２９が設けられている。
【００２８】
燃料吐出機構４は、燃料カートリッジ収容部２の一部を構成する受板３１と、燃料カートリッジ３の収容時に開閉バルブ２５に当接する第２の漏洩防止機構３３を備えた接続部３２を備える。
【００２９】
第２の漏洩防止機構３３は、燃料電池セル（図示せず）等に連通した流路管３４と、スリット（図示せず）が形成され、流路管３４の基端部に設けられた開閉バルブ受け部材３５と、開閉部材としての開閉バルブ３６と、開閉バルブ３６を閉鎖方向に付勢する弾性部材たる圧縮コイルバネ３７とを有し、開閉バルブ３６の先端には円柱状の押圧部３６Ａが形成されているとともに押圧部３６Ａの基端側にパッキン３６Ｂを有する。
【００３０】
さらに、接続部３２の先端側には、凹状位置決部２７より僅かに小径な凸状位置決部材３８が設けられている。凸状位置決部材３８内には、押圧部３６Ａが突出するように収容されていて、凸状位置決部材３８の先端にはＯリング３９が取り付けられている。
【００３１】
次に、このような構成を有する直接メタノール形燃料電池用燃料供給装置１の動作について説明する。
まず、燃料カートリッジ３をカバー５から燃料カートリッジ収容部２に挿入すると、ガイド溝１７，１８が枠体１２，１３のスライド突条１４，１５に合致することで、燃料カートリッジ３の凹状位置決部２７が、燃料吐出機構４の凸状位置決部材３８に正確に位置決めされた状態で進入する。
【００３２】
このとき、図５に示すように、燃料カートリッジ３の開閉バルブ２５は、圧縮コイルバネ２６により流路管２２の端縁部に押圧接触しており、パッキン２５Ｂにより密封状態となっている。
【００３３】
一方、燃料吐出機構４の開閉バルブ３６は、圧縮コイルバネ３７により流路管３４の端縁部に押圧接触しており、パッキン３６Ｂにより密封状態となっている。
【００３４】
さらに、凸状位置決部材３８の先端にＯリング３９が取付けられているので、燃料カートリッジ３と燃料吐出機構４との接続箇所となる凹状位置決部２７と凸状位置決部材３８との間の密封性も確保されている。
【００３５】
そして、燃料カートリッジ３が燃料カートリッジ収容部２に深く進入すると、やがて開閉バルブ２５の先端の押圧部２５Ａと、燃料吐出機構４の第２の漏洩防止機構３３の開閉バルブ３６の先端の押圧部３６Ａとが当接し、燃料カートリッジ３をさらに押し込むと、図６に示すように、燃料カートリッジ３の開閉バルブ２５は、圧縮コイルバネ２６の弾発力に抗して押し戻されて流路管２２が開成して流路Ｒ１が形成される。
【００３６】
一方、燃料吐出機構４の開閉バルブ３６も圧縮コイルバネ３７の弾発力に抗して押し戻されて流路管３４が開成して流路Ｒ２が形成される。このとき、ガイド溝１８のストッパ受部１８Ａが枠体１３のストッパ１６に到達して、両者が係合することで燃料カートリッジ３が停止・維持される。
【００３７】
この燃料カートリッジ３内の固体状メタノールＦから発生する気体状又は液体状のメタノールを流路Ｒ１，Ｒ２から取り出すことで、燃料電池セルにメタノールを供給することができる。
【００３８】
また、燃料カートリッジ３の取替え・取り外し時には、ストッパ１６を押圧することで、ガイド溝１８のストッパ受部１８Ａと、枠体１３のストッパ１６との係合が解除される。
【００３９】
そして、圧縮コイルバネ２６及び圧縮コイルバネ３７の弾発力により、燃料カートリッジ３が押し戻されて図５に示す状態に戻り、流路Ｒ１及び流路Ｒ２が閉鎖される。これにより、燃料カートリッジ３からの気体状又は液体状のメタノールの漏洩を防止することができる。さらに、すでに供給されている燃料も燃料吐出機構４の流路管３４からの逆流漏洩も防止することができる。しかも、本実施形態においては、凹状位置決部２７内にＰＶＡ製のスポンジ２９が設けられているので、わずかにメタノールが漏洩したとしても、迅速にこれを吸収することができるようになっている。
【００４０】
上述したような本実施形態に係る直接メタノール形燃料電池用燃料供給装置１において、固体状メタノールＦとしては、メタノールの分子化合物、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、及びメタケイ酸アルミン酸マグネシウム等の無機材に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。特に、メタケイ酸アルミン酸マグネシウムなどの無機材に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は、メタノールのガス化量の温度依存性が大きく、経時的な変動が少ないので、加熱手段の温度を制御することで、ガス化メタノールの発生量をある程度調整できるため、メタノール溶液の濃度のコントロール性に優れていて好ましい。
【００４１】
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。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。
【００４２】
分子化合物としては、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、ポリマーとともに固体化したもの、又はジベンジリデン−Ｄ−ソルビトール等のゲル化剤によりゲル化したものにおいては、その表面にコーティングを施すことで、メタノールの気化温度を調節したものも用いることができる。
【００４３】
このような固体状メタノールＦ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。
【００４４】
上述したような直接メタノール形燃料電池用燃料供給装置１は、例えば、図７に示すように、燃料カートリッジ３と、燃料吐出機構４と、燃料電池セル５３と、燃料カートリッジ３に付設された燃料取出機構５４とからなる燃料電池システム５５に適用することができる。
【００４５】
この場合、燃料取出機構５４としては、特に制限はなく、固体状メタノールＦに水を供給してメタノール水溶液として取り出す装置、固体状メタノールＦから加熱、超音波振動、光触媒等の作用によりメタノールを気化して取り出す装置、エアの循環により固体状メタノールＦからの自然気化によりメタノールを気化して取り出す装置等を適用することができる。
【００４６】
このような燃料電池システムは、例えば、携帯電話、ノートパソコン、デジタルカメラ等の携帯用電子機器に当該燃料電池システムを電気的に接続することで、これらの携帯用電子機器の電源として好適に利用することができる。
【００４７】
以上、本発明について前記実施形態に基づき説明してきたが、本発明は前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、前記実施形態においては、枠体１２，１３のスライド突状１４、１５と、燃料カートリッジ３のガイド溝１７，１８とを合致させているが、両者の凹凸関係は逆転していてもよく、さらに、ガイドは燃料カートリッジ３の側面でなく、下面側に形成してもよい。この場合、燃料カートリッジ３の上下面に形成することで燃料カートリッジ３上下の方向性がなくなり、燃料カートリッジ３の装着を容易なものとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【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用燃料供給装置のケーシングの上側を取り外した状態を示す斜視図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る直接メタノール形燃料電池用燃料供給装置のケーシングの上側を取り外した他の状態を示す斜視図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る直接メタノール形燃料電池用燃料供給装置を示す正面図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る直接メタノール形燃料電池用燃料供給装置のケーシングの上側を取り外した状態を示す要部拡大図である。
【図５】図１の状態の縦断面図である。
【図６】図２の状態の縦断面図である。
【図７】本発明の一実施形態に係る直接メタノール形燃料電池用燃料供給装置を備える燃料電池システムを概略的に示すフロー図である。
【符号の説明】
【００４９】
１…直接メタノール形燃料電池用燃料供給装置
２…燃料カートリッジ収容部
３…燃料カートリッジ
４…燃料吐出機構（燃料吐出部）
１２…枠体（燃料カートリッジ収容部）
１３…枠体（燃料カートリッジ収容部）
２２…流路管
２３…第１の漏洩防止機構
２４…開閉バルブ受け部材
２５…開閉バルブ（開閉部材）
２５Ａ…押圧部
２６…圧縮コイルバネ（弾性部材）
２７…凹状位置決部
３１…受板（燃料カートリッジ収容部）
３２…接続部
３３…第２の漏洩防止機構
３４…流路管
３５…開閉バルブ受け部材
３６…開閉バルブ（開閉部材）
３６Ａ…押圧部
３７…圧縮コイルバネ（弾性部材）
３８…凸状位置決部材
５３…燃料電池セル
５４…燃料取出機構
５５…燃料電池システム
Ｆ…固体状メタノール
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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