(57)【要約】【課題】  直接形メタノール燃料電池に燃料カートリッジから、メタノール水溶液を補給する際に、カートリッジ内のメタノール水溶液あるいは直接形メタノール燃料電池内のメタノール水溶液が漏れ出すことを防止できる直接形メタノール燃料電池及び燃料カートリッジを提供する。また、携帯用電子機器の電源として燃料カートリッジ方式で燃料を補給する直接形メタノール燃料電池の小型化を実現する。【解決手段】  本発明は、直接形メタノール燃料電池の燃料補給口と燃料カートリッジの燃料供給口とを流路開閉式の接続器具で接続し、流路の開状態を維持するために、直接形メタノール燃料電池及び燃料カートリッジの接続がネジ機構あるいは特定の固定器具を有す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】
プロトン導電性を有する電解質膜の第一の面に燃料を酸化するアノード極を、第二の面に酸素を還元するカソード極を形成する膜・電極接合体と、前記膜電極接合体を支持する支持体と、前記支持体に形成され、前記燃料を導通する燃料供給口を有し、前記アノード極に前記燃料、前記カソード極に酸素を供給することによって発電する燃料電池であって、前記燃料供給口は前記燃料を供給する燃料カートリッジとの接続手段を備え、前記接続手段は接続時の押圧によって前記燃料を前記燃料カートリッジから前記燃料供給口を通して前記支持体に流入させる機能を有し、前記支持体は、前記押圧を維持するための手段を有することを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池であって、前記押圧を維持するための手段がネジ機構であることを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項１記載の燃料電池であって、前記押圧を維持するための手段が少なくともスプリング及び該スプリングの弾性により移動を制御するピンから成る固定器具と、燃料カートリッジの外周に設けた溝とのかみ合わせであることを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
プロトン導電性を有する電解質膜の第一の面に燃料を酸化するアノード極を、第二の面に酸素を還元するカソード極を形成する膜・電極接合体を有し、前記アノード極に前記燃料、前記カソード極に前記酸素を供給することによって発電する燃料電池に前記燃料を供給する燃料カートリッジであって、前記燃料カートリッジは前記燃料電池に燃料を供給するための燃料供給口を有し、前記燃料補給口は前記燃料電池との接続手段を備え、前記接続手段は接続時の押圧によって燃料を前記燃料供給口を通して燃料電池に流入させる機能を有し、前記押圧を維持するための手段を有することを特徴とする燃料カートリッジ。
【請求項５】
請求項２記載の燃料カートリッジにおいて、前記押圧を維持するための手段がネジ機構であることを特徴とする燃料電池カートリッジ。
【請求項６】
請求項２記載の燃料カートリッジにおいて、前記押圧を維持するための手段が該燃料カートリッジの外周に設けた溝と、燃料電池に取り付けた少なくともスプリング及び該スプリングの弾性により移動を制御するピンから成る固定器具との該ピンとが、かみ合う構造であることを特徴とする燃料電池カートリッジ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料を直接供給して発電する燃料電池および燃料を貯蔵する燃料カートリッジに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電話器，パーソナルコンピュータ，オーディオビジュアル機器，情報端末機器等の携帯用電子機器は小型化と共に高性能化が益々進み、それに伴い電源である二次電池にも小型・軽量化及び高エネルギー密度化等が要求されている。二次電池では一定量の電力消費後に、充電することが必要であり、充電時間や充電設備等に対する課題も多い。また、燃料電池の分野で既に家庭用電源等で実用化を目指している固体高分子型燃料電池は、燃料である水素ガスを作り出すための改質器を必要とし（ただし、水素ガスを充填したボンベ等から供給する場合は不要）、さらに動作温度が常温より高い等の性質を有することから、携帯用電子機器類の電源としての適用が困難な状況にある。一方、直接形メタノール燃料電池はメタノール水溶液を改質あるいはガス化せずに直接燃料として供給し、発電することを基本とする。したがって、改質器が不要であるために小型化及び軽量化が容易である、動作温度が低温である等の特徴を有し、携帯用電子機器の電源として期待されている。
【０００３】
直接形メタノール燃料電池では、燃料であるメタノール水溶液が電池の駆動と共に消費されるため、消費量に応じてメタノール水溶液を補給する必要があり、補給を繰り返し行うことで携帯用電子機器を長時間駆動させることが可能になる。直接形メタノール燃料電池における燃料供給方式は、特開２００１−３１３０４６号に開示される様に、直接形メタノール燃料電池本体に直結されている燃料タンクから供給する場合と、特開２００３−１７１０２号の比較例に開示される様に、電池本体に燃料タンクを有せず、燃料カートリッジを直接燃料電池本体に組み込んで使用する場合とに大別できる。前者の燃料タンクを有する場合も、燃料タンクへの燃料補給はカートリッジ方式とすることで、繰り返し燃料の補給が可能になる。カートリッジ方式で燃料を供給する時のカートリッジの接続方法として特開２００３−１２３８１７号がある。この特開２００３−１２３８１７号にはロック機構部を有するプラグ部とソケット部とを接続する方法が記載されているが、ロック機構部の具体的記載はなされていない。この様に、直接形メタノール燃料電池では、燃料の補給をカートリッジ方式にすることで燃料補給の簡便化が図られ、携帯用電子機器の電源として普及が一段と加速できると期待されているが、実用化に向けた具体的な接続機構の実現まで至っていないのが実情である。
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−１２３８１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、燃料として使用するメタノールは毒物及び劇物取締法に定められる劇物であり、さらに消防法・危険物区分の第４類アルコール類に指定されている。したがって、燃料カートリッジの取り扱い時には、メタノール水溶液の人体への付着や周囲への汚染等を防止する必要がある。しかし、前述の何れの特許文献においても、直接形メタノール燃料電池に燃料であるメタノール水溶液を燃料カートリッジから補給する際に、燃料カートリッジを結合する具体的構造は示されていない。
【０００６】
本発明の目的は、直接形メタノール燃料電池において、燃料であるメタノール水溶液を燃料カートリッジから補給する際に、メタノール水溶液の漏洩を防止することができる直接形メタノール燃料電池及び燃料カートリッジを提供することにある。さらにもう一つの目的は、携帯用電子機器の電源として、燃料カートリッジ方式で燃料を補給する直接形メタノール燃料電池の小型化を実現することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、プロトン導電性を有する電解質膜の第一の面に燃料を酸化するアノード極を、第二の面に酸素を還元するカソード極を形成する膜・電極接合体と、前記膜電極接合体を支持する支持体と、前記支持体に形成され、前記燃料を導通する燃料供給口を有し、前記アノード極に前記燃料、前記カソード極に酸素を供給することによって発電する燃料電池であって、前記燃料供給口は前記燃料を供給する燃料カートリッジとの接続手段を備え、前記接続手段は接続時の押圧によって前記燃料を前記燃料カートリッジから前記燃料供給口を通して前記支持体に流入させる機能を有し、前記支持体は、前記押圧を維持するための手段を有することを特徴とする燃料電池にある。該燃料電池において、押圧を維持するための手段がネジ機構を特徴とするものであり、押圧を維持するためのもう一つの手段が、少なくともスプリング及び該スプリングの弾性により移動を制御するピンからなる固定器具と、燃料カートリッジの外周に設けた溝とのかみ合わせであることを特徴とする。
【０００８】
又、本発明は、プロトン導電性を有する電解質膜の第一の面に燃料を酸化するアノード極を、第二の面に酸素を還元するカソード極を形成する膜・電極接合体を有し、前記アノード極に前記燃料、前記カソード極に前記酸素を供給することによって発電する燃料電池に前記燃料を供給する燃料カートリッジであって、前記燃料カートリッジは前記燃料電池に燃料を供給するための燃料供給口を有し、前記燃料補給口は前記燃料電池との接続手段を備え、前記接続手段は接続時の押圧によって燃料を前記燃料供給口を通して燃料電池に流入させる機能を有し、前記押圧を維持するための手段を有することを特徴とする燃料カートリッジにある。該燃料カートリッジにおいて、前記押圧を維持するための手段がネジ機構を特徴とするものであり、押圧を維持するもう一つの手段が、該燃料カートリッジの外周に設けた溝と、燃料電池に取り付けた少なくともスプリング及び該スプリングの弾性により移動を制御するピンから成る固定器具との該ピンとが、かみ合う構造であることを特徴とする。
【０００９】
前記燃料カートリッジは、該燃料カートリッジ内の圧力を外気圧と平衡に調整するための内圧開放孔、内圧開放孔を塞ぐことが制御できる閉塞盤を有することが好ましい。
【００１０】
本発明者等によれば、直接形メタノール燃料電池へ燃料カートリッジから燃料であるメタノール水溶液を補給する時にメタノール水溶液が漏れる主たる原因は、燃料カートリッジの供給口と直接形メタノール燃料電池の補給口との接続が不十分であるにも関わらず、該燃料カートリッジからメタノール水溶液が供給されることによって、流出することを見出した。本発明は、燃料カートリッジの供給口と直接形メタノール燃料電池の補給口とが確実に接続していなければ燃料であるメタノール水溶液が供給されない接続器具（プラグ部とソケット部の２個の部品から構成され、両者を接続することで流路が開かれる）を供給口と補給口に取り付けることによって、メタノール水溶液の漏れを防止するものである。前記接続器具は燃料のメタノール水溶液を漏らさないために供給口と補給口とが接続されていない場合や接続が不十分な場合に流路が閉じており、供給口と補給口とが正しく接続された時のみ流路が開かれるものである。このような機能は燃料カートリッジの燃料供給口と直接形メタノール燃料電池の燃料補給口との接続時の押圧によって、供給口と補給口との流路の開閉を制御するものである。さらに、接続時の流路を開状態にするための押圧を維持する方法として、直接形メタノール燃料電池の燃料補給部（例えば該直接形メタノール燃料電池の筐体部分）をネジ穴とし、これにかみ合うネジ構造を該燃料カートリッジに設けてはめ込むことにより、押圧を維持することができる。この方法は燃料カートリッジの取り付け位置がネジ構造のかみ合わせで決定されるために、燃料供給口が燃料補給口に正確に導かれ、両者を確実に接続できる。さらに、燃料補給部と燃料カートリッジの接続方法をお互いにかみ合うネジ構造とすることで、接続機構による容積を増加することが無いために、燃料カートリッジ方式で燃料を補給する直接形メタノール燃料電池の小型化が可能になる利点も有する。
【００１１】
また、直接形メタノール燃料電池の補給口と燃料カートリッジの供給口との押圧を維持するもう一つの方法は、少なくともスプリング及び該スプリングの弾性によるピンから成る固定器具を該直接形メタノール燃料電池の燃料補給部（例えば該直接形メタノール燃料電池の筐体部分）に設置し、該固定器具のピンとかみ合うことができる凹部を燃料カートリッジに設けて固定することにより、押圧を維持することができる。この方法もまた、燃料カートリッジの取り付け位置がピンと燃料カートリッジの溝とのかみ合わせで決定されるために、燃料供給口が燃料補給口に正確に導かれ、両者を確実に接続できと共に、ピンから成る固定器具は小型なために接続機構による容積の増加が少なく、燃料カートリッジ方式で燃料を補給する直接形メタノール燃料電池の小型化が可能になる。同時に、固定器具のピンと燃料カートリッジの凹部との噛み合わせは、ピンを押し動かす力を燃料カートリッジに付与するだけでよく、前記ネジ機構のような燃料カートリッジを回転させる動作を必要としないため、燃料カートリッジの脱着操作が瞬時に行える利点もある。この場合、固定器具は少なくとも２個以上配置することで、燃料カートリッジをより安定して固定することができる。
【００１２】
前述したように、直接形メタノール燃料電池では、適用する電子機器の形状や大きさ等の制限から、これら筐体に燃料タンクを内蔵するか否か適宜選択されるが、本発明に示す直接形メタノール燃料電池及び燃料カートリッジは燃料タンク内蔵の有無に関わらず、何れの場合にも適用することができる。すなわち、燃料タンクを内蔵している場合では、燃料タンクを直接形燃料電池の一部とみなし、該燃料タンクの燃料補給口と燃料カートリッジの燃料供給口とを接続すればよい。また、燃料タンクを内蔵していない場合では、燃料カートリッジを直接形メタノール燃料電池あるいは筐体に取り付けることで、燃料の供給を持続することができる。
【００１３】
本発明に示す燃料カートリッジの燃料供給口、及び直接形メタノール燃料電池の燃料補給口の接続器具は、プラグ部及びソケット部の各々の流路が押圧によって制御されるものであり、市販品を容易に入手することが出来る。これら接続器具の材質は既知の金属類やプラスチック類の中から、コストやリサイクル性等を考慮して適宜選択される。上記メタノール溶液供給用カートリッジの供給口や直接形メタノール燃料や燃料タンクの燃料補給口の口径は、該メタノール溶液供給用カートリッジの容量、直接形メタノール燃料電池内の燃料タンクの容量及び供給速度等を考慮して決定される。
【００１４】
一方、本発明に示す燃料カートリッジの固定器具は、スプリングによってピンの稼動が制御されるものであり、該ピンが燃料カートリッジの凹部にかみ合うことで該燃料カートリッジを固定する。該ピンは燃料カートリッジが挿入される前に一定長さの突起（凸部）の状態であるが、燃料カートリッジの挿入時には、燃料カートリッジの平坦部によって凸部が押し戻されるため挿入を妨げないが、凹部では該ピンが凸部の状態になって両者がかみ合い、固定されるものである。この固定器具に関しても市販品を容易に入手できる。
【００１５】
なお、燃料であるメタノール水溶液の供給を容易にするため、直接形メタノール燃料電池あるいは内蔵する燃料タンクには、圧力を調整するための圧力調整弁や循環ポンプ等の補助機構を有していても良い。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、直接形メタノール燃料電池において、燃料であるメタノール水溶液を燃料カートリッジから補給する際に、メタノール水溶液の漏洩を防止し、燃料カートリッジが簡単に脱着することができる。また、燃料カートリッジ方式で燃料を供給する直接形メタノール燃料電池の小型化が可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、実施例を用いて本発明を詳細に説明するが、これによって本発明が限定されるものではない。
【実施例１】
【００１８】
図１は、本発明の燃料カートリッジの燃料供給口と直接形メタノール燃料電池の燃料補給口とが接続器具で接続し、燃料カートリッジを直接形メタノール燃料電池の筐体にネジ機構で固定した状態を示す概略図である。（ａ）が燃料カートリッジの断面図、（ｂ）が直接形メタノール燃料電池及び該直接形メタノール燃料電池を内蔵する筐体の断面図、
（ｃ）が直接形メタノール燃料電池を内蔵する筐体に燃料カートリッジを接続した時の断面図である。（ａ）に示すように、燃料カートリッジ１は燃料供給口２，接続器具のプラグ部３及び、直接形メタノール燃料電池との接合部分にネジ部４を有している。又、(ｂ)に示すように、直接形メタノール燃料電池５を内蔵する筐体６には、直接形メタノール燃料電池の燃料補給口７，接続器具のソケット部８（プラグ部３と結合する）及び、燃料カートリッジのネジ部４とかみ合うネジ穴部９を有している。（ｃ）に示すように、燃料カートリッジのネジ部４を筐体のネジ穴部９にねじ込むことにより、燃料供給口２に取り付けたプラグ部３と燃料補給口７に取り付けたソケット部８は密着して結合する。押圧はネジ機構（ネジ部４とネジ穴部９とのかみ合わせ）によって維持され、この時の押圧によってプラグ部３とソケット部８の流路が開かれて、メタノール水溶液が燃料カートリッジから直接形メタノール燃料電池へと供給される。
【００１９】
燃料カートリッジ１から直接形メタノール燃料電池５にメタノール水溶液を供給する方法として、接続器具のプラグ部３とソケット部８とを接続させるため、右手に燃料カートリッジ１を持ち、燃料カートリッジのネジ部４を直接形メタノール燃料電池のネジ穴部９にあてがい、燃料カートリッジ１を回転させながらねじ込むことで接続を完了した。接続したことにより、燃料カートリッジ１から直接形メタノール燃料電池５にメタノール水溶液が供給されたが、この時、メタノール水溶液漏れは発生しなかった。
【００２０】
また、燃料カートリッジ１を取り外すため、右手で燃料カートリッジを回転させながら、プラグ部３とソケット部８との接続を外すと共に、筐体６から燃料カートリッジ１を取り外した。この時、接続が外れた瞬間にプラグ部３とソケット部８との流路は閉ざされたため、メタノール水溶液漏れは発生しなかった。
【００２１】
図２は、本発明に係る接続器具の概略断面図であり、（ａ）がソケット部８、（ｂ）がプラグ部３を表す。ソケット部８，プラグ部３を接続することでソケット部の流路弁１０及びプラグ部３の流路弁１２は押し下げられて、流路が開いた状態になり、メタノール水溶液の供給が可能になる。逆に接続が切り離されると同時に、ソケット部８のソケット部の押圧バネ１１で流路弁１０が押し戻されて流路が閉ざされる。同様にプラグ部３においても、プラグ部の押圧バネ１３で流路弁１２も押し戻されて両者の流路が閉ざされた状態になり、メタノール水溶液を漏らすことなく、燃料カートリッジから直接形メタノール燃料電池に補給することができる。
【００２２】
本実施例によれば、燃料カートリッジ１を回転させるという簡単な操作によって、燃料カートリッジ１の燃料供給口２に取り付けたプラグ部３と直接形メタノール燃料電池５の燃料補給口７に取り付けたソケット部８との接続、及びこれら接続器具の流路を開くための押圧を維持する等の二つの作用を同時に果たすことができ、プラグ部３とソケット部８とが確実に接続してから流路が開かれて補給され、また、接続を外した際は直ちに流路が閉ざされるので、メタノール水溶液を漏らすことなく、燃料カートリッジが脱着できる効果を有する。また、接続機構がネジ機構であるために、接続機構による容積の増加はなく、燃料カートリッジ方式で燃料を供給する直接形メタノール燃料電池の小型化が可能になる。さらに、ねじ山のピッチ間隔を調整することにより任意の回転数で接続器具の流路を開くために十分な押圧を得ることができる。ピッチ間隔が大きくとれば一回転乃至半回転以下で十分な押圧を得ることができる。
【実施例２】
【００２３】
図３は、本発明の燃料カートリッジの燃料供給口と直接形メタノール燃料電池の燃料補給口とが接続器具で接続し、燃料カートリッジと直接形メタノール燃料電池の筐体とが固定器具で固定した状態を示す概略図である。（ａ）が燃料カートリッジの断面図、（ｂ）が直接形メタノール燃料電池及び該メタノール燃料電池を内蔵する筐体の断面図、（ｃ）が直接形メタノール燃料電池を内蔵する筐体に燃料カートリッジを接続した時の断面図である。（ａ）に示すように、燃料カートリッジ１は燃料供給口２，接続器具のプラグ部３及び、直接形メタノール燃料電池との接合部に固定器具のピンとかみ合う凹部１４を有している。又、（ｂ）に示すように、直接形メタノール燃料電池５を内蔵する筐体６には、直接形メタノール燃料電池５の燃料補給口７，接続器具のソケット部８（プラグ部３と結合する）及び、燃料カートリッジの凹部１４とかみ合うピン１７を有する固定器具１５が向かい合う位置に２個取り付けられている。（ｃ）に示すように、燃料カートリッジ１を筐体６に差し込むことにより、燃料供給口２に取り付けたプラグ部３と燃料補給口７に取り付けたソケット部８は密着して結合する。この時、燃料カートリッジ１の外形で押し戻されていたピン１７は、燃料カートリッジの凹部４に飛び出し、両者がかみ合うことで燃料カートリッジ１が筐体６に固定され、これによって押圧が維持され、プラグ部３とソケット部８の流路が開かれて、メタノール水溶液が燃料カートリッジから直接形メタノール燃料電池へと供給される。
【００２４】
燃料カートリッジ１から直接形メタノール燃料電池５にメタノール水溶液を供給する方法として、接続器具のプラグ部３とソケット部８とを接続させるため、右手に燃料カートリッジ１を持ち、筐体６に差し込むことで燃料カートリッジ１の凹部１４と固定器具１５のピン１７がかみ合って燃料カートリッジ１は固定され、接続は完了した。接続したことにより、燃料カートリッジ１から直接形メタノール燃料電池５にメタノール水溶液が供給されたが、この時、メタノール水溶液漏れは発生しなかった。
【００２５】
また、燃料カートリッジ１を取り外すため、右手で燃料カートリッジを引き抜き、プラグ部３とソケット部８との接続を外すと共に、筐体６から燃料カートリッジ１を取り外した。この時、接続が外れた瞬間にプラグ部３とソケット部８との流路は閉ざされたため、メタノール水溶液漏れは発生しなかった。
【００２６】
図４は本発明に係る固定器具１５の概略断面図であり、ピン１７は押圧バネ１６の押圧が掛けられている。燃料カートリッジが取り付けられていない場合では、押圧バネ１６の作用によりピン１７が凸状態にある。しかし、燃料カートリッジ１を差し込むことによりピン１７は燃料カートリッジ１の外形に沿って一旦押し戻し、燃料カートリッジ１の凹部で再び凸状態になり、燃料カートリッジ１がピン１７を介して、直接形メタノール燃料電池の筐体に固定される。また、固定された燃料カートリッジ１に引き抜く力を与えることで、ピン１７は燃料カートリッジの外形に沿って押し戻され、燃料カートリッジ１の凹部との噛み合せが外れることで、簡単に燃料カートリッジ１を抜き取ることができる。
【００２７】
本実施例によれば、燃料カートリッジ１を差し込むあるいは引き抜くという簡単な操作によって、燃料カートリッジ１の燃料供給口２に取り付けたプラグ部３と直接形メタノール燃料電池５の燃料補給口７に取り付けたソケット部８との接続、及びこれら接続器具の流路を開くための押圧を維持する等の二つの作用を同時に果たすことができ、プラグ部３とソケット部８とが確実に接続してから流路が開かれて補給され、また、接続を外した際は直ちに流路が閉ざされるので、メタノール水溶液を漏らすことなく、燃料カートリッジが脱着できる効果を有する。
【００２８】
また、ピンから成る固定器具は小型なために、接続機構による容積の増加はなく、燃料カートリッジ方式で燃料を供給する直接形メタノール燃料電池の小型化が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の燃料カートリッジの供給口と燃料電池の燃料補給口とをネジ機構を介して接続器具で接続した状態を示す概略図である。
【図２】本発明の接続器具を示す断面図である。
【図３】本発明の燃料カートリッジの供給口と燃料電池の燃料補給口とを固定器具を介して接続器具で接続した状態を示す概略図である。
【図４】本発明の固定器具を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３０】
１…燃料カートリッジ、２…燃料供給口、３…接続器具のプラグ部、４…燃料カートリッジのネジ部、５…直接形メタノール燃料電池、６…直接形メタノール燃料電池の筐体、７…直接形メタノール燃料電池の燃料補給口、８…接続器具のソケット部、９…筐体のネジ穴部、１０…ソケット部の流路弁、１１…ソケット部の押圧バネ、１２…プラグ部の流路弁、１３…プラグ部の押圧バネ、１４…燃料カートリッジの凹部、１５…固定器具、
１６…固定器具の押圧バネ、１７…固定器具のピン。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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