(57)【要約】  燃料電池に燃料を供給するための燃料電池用カートリッジであって、少なくとも一方の面３２ａに複数の孔３４が形成されたカートリッジケース３２と、カートリッジケース内部の孔が形成された面に形成された燃料気化安定化層３８と、カートリッジケース内に封入された燃料含浸材３６とを有している。孔と燃料含浸材との間に燃料気化安定化層が形成されているため、燃料含浸材により孔がふさがれてしまうのを防止しつつ、安定して燃料を放出しうる燃料電池用カートリッジを提供することができる。
2007110903.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池に燃料を供給するための燃料電池用カートリッジであって、
少なくとも一方の面に複数の孔が形成されたカートリッジケースと、
前記カートリッジケース内部の前記孔が形成された面に形成された燃料気化安定化層と、
前記カートリッジケース内に封入された燃料含浸材と
を有することを特徴とする燃料電池用カートリッジ。
【請求項２】
請求の範囲第１項記載の燃料電池用カートリッジにおいて、
前記燃料含浸材は、燃料を含浸させた際の体積が燃料を含浸させていない際の体積に対して５０％以上増加する
ことを特徴とする燃料電池用カートリッジ。
【請求項３】
請求の範囲第１項又は第２項記載の燃料電池用カートリッジにおいて、
前記燃料含浸材は、カルボキシル基又はスルホン基を有するパーフルオロ系高分子材料より成る
ことを特徴とする燃料電池用カートリッジ。
【請求項４】
請求の範囲第１項乃至第３項のいずれか１項に記載の燃料電池用カートリッジにおいて、
前記燃料は、メタノールの濃度が８０体積パーセント以上のメタノール水溶液である
ことを特徴とする燃料電池用カートリッジ。
【請求項５】
請求の範囲第１項乃至第４項のいずれか１項に記載の燃料電池用カートリッジにおいて、
前記燃料含浸材に前記燃料を導入するための開口部が前記カートリッジケースに形成されている
ことを特徴とする燃料電池用カートリッジ。
【請求項６】
燃料極と固体電解質層と空気極とを有する発電部を有し、前記発電部の前記燃料極側に設けられたスロット内に、気化した燃料を放出する燃料電池用カートリッジを装着可能な燃料電池であって、
前記燃料電池用カートリッジは、一方の面に複数の孔が形成されたカートリッジケースと、前記カートリッジケース内部の前記孔が形成された面に形成された燃料気化安定化層と、前記カートリッジケース内に封入された燃料含浸材とを有している
ことを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用カートリッジ及び燃料電池に係り、特に安定して燃料を放出し得る燃料電池用カートリッジ及びその燃料電池用カートリッジを用いた燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の携帯情報機器は、半導体技術や通信技術の進歩に伴い、小型化、軽量化、高速化、高性能化等が一段と進んできている。また、これに伴い、携帯情報機器の電源となる電池についても、小型化、軽量化、大容量化が進められている。【０００３】
携帯情報機器における現在最も一般的な駆動電源は、リチウムイオン電池である。リチウムイオン電池は、実用化の当初から高い駆動電圧と電池容量とを実現し、携帯情報機器の進歩に伴って性能が改善されてきた。【０００４】
しかし、リチウムイオン電池の性能の改善にも限界があり、携帯情報機器の駆動電源としての更なる要求を必ずしも十分に満足できなくなりつつある。【０００５】
このような状況の下、リチウムイオン電池に代わる新たなエネルギーデバイスとして、燃料電池が注目されている。燃料電池では、負極に燃料を供給することにより、電子とプロトンとが生成され、生成されたプロトンを正極に供給された酸素と反応させることにより、発電が行われる。【０００６】
燃料電池の燃料、具体的にはメタノールは、発電部と別個に設けられた燃料電池用カートリッジ内に貯留される。燃料電池に継続的に発電を行わせるためには、燃料電池用カートリッジ内に貯留された燃料を、継続的に発電部に供給することが必要となる。【０００７】
燃料電池用カートリッジ内に貯留された燃料を発電部に供給する技術として、燃料電池用カートリッジにおいて気化された燃料を発電部に供給する技術が提案されている。【０００８】
なお、本発明の背景技術としては、以下のようなものがある。
【特許文献１】特開２００４−１２７６５９号公報
【特許文献２】特許３４１３１１１号公報
【特許文献３】特開２００４−２３３７２６号公報
【特許文献４】特開２００５−２０３３３５号公報
【特許文献５】特開２０００−２６８８３６号公報
【特許文献６】特開２００４−２８８５７４号公報
【特許文献７】特開２００３−３０８８７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、提案されている技術では、燃料電池用カートリッジにおける燃料の消費に伴って放出される燃料が徐々に少なくなってしまっていた。このため、提案された技術では、安定した電力を維持することが困難であった。【００１０】
本発明の目的は、気化した燃料を安定して供給しうる燃料電池用カートリッジ及びその燃料電池用カートリッジを用いた燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の一観点によれば、燃料電池に燃料を供給するための燃料電池用カートリッジであって、少なくとも一方の面に複数の孔が形成されたカートリッジケースと、前記カートリッジケース内部の前記孔が形成された面に形成された燃料気化安定化層と、前記カートリッジケース内に封入された燃料含浸材とを有することを特徴とする燃料電池用カートリッジが提供される。【００１２】
また、本発明の他の観点によれば、燃料極と固体電解質層と空気極とを有する発電部を有し、前記発電部の前記燃料極側に設けられたスロット内に、気化した燃料を放出する燃料電池用カートリッジを装着可能な燃料電池であって、前記燃料電池用カートリッジは、一方の面に複数の孔が形成されたカートリッジケースと、前記カートリッジケース内部の前記孔が形成された面に形成された燃料気化安定化層と、前記カートリッジケース内に封入された燃料含浸材とを有していることを特徴とする燃料電池が提供される。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、カートリッジケースの少なくとも一方の面に形成された複数の孔と燃料含浸材との間に多孔質材料より成る燃料気化安定化層が設けられているため、複数の孔が燃料含浸材によりふさがれてしまうのを燃料気化安定化層により防止することができる。このため、本発明によれば、燃料を安定して放出しうる燃料電池用カートリッジを提供することが可能となる。【００１４】
また、本発明によれば、燃料気化安定化層が形成されているため、強固な骨格の高分子材料より成る燃料含浸材を用いた場合であっても、カートリッジケースの厚さ方向に均一に燃料が消費される。このため、本発明によれば、強固な骨格の高分子材料より成る燃料含浸材を用いた場合であっても、燃料含浸材中における燃料放出の経路が極端に長くなってしまうのを防止することができ、ひいては、安定して燃料を提供することが可能となる。【００１５】
また、本発明によれば、燃料含浸材として、燃料を多く含浸させた際の体積が燃料を含浸させていない際の体積に対して十分に増加する燃料含浸材を用いるため、燃料の含浸量が減少するに伴って燃料含浸材の体積が十分に減少する。このため、本発明によれば、燃料含浸材に含浸されている燃料が消費されていっても、燃料含浸材に含浸されている燃料が高濃度に維持される。従って、本発明によれば、気化した燃料を安定して供給しうる燃料電池用カートリッジを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、本発明の一実施形態による燃料電池用カートリッジ（その１）を示す断面図である。
【図２】図２は、本発明の一実施形態による燃料電池用カートリッジ（その２）を示す断面図である。
【図３】図３は、提案されている燃料電池用カートリッジを示す断面図である。
【図４】図４は、本発明の一実施形態による燃料電池システムの基本構成を示す断面図である。
【図５】図５は、本発明の一実施形態による燃料電池用カートリッジを示す断面図及び平面図（その１）である。
【図６】図６は、本発明の一実施形態による燃料電池用カートリッジを示す断面図及び平面図（その２）である。
【図７】図７は、燃料電池用カートリッジの燃料含浸材に燃料を含浸させる方法を示す図（その１）である。
【図８】図８は、本発明の一実施形態による燃料電池用カートリッジを、携帯電話の背面に装着した燃料電池部に装着する過程を示す図（その１）である。
【図９】図９は、本発明の一実施形態による燃料電池用カートリッジを、携帯電話の背面に装着した燃料電池部に装着する過程を示す図（その２）である。
【図１０】図１０は、本発明の一実施形態による燃料電池用カートリッジを、携帯電話の背面に装着した燃料電池部に装着する過程を示す図（その３）である。
【図１１】図１１は、本発明の一実施形態による燃料電池用カートリッジの評価結果を示すグラフである。
【図１２】図１２は、燃料電池用カートリッジの燃料含浸材に燃料を含浸させる方法を示す図（その２）である。
【符号の説明】
【００１７】
２…燃料電池システム
１０…空気極側ハウジング、カソードハウジング
１２…空気極集電体層、カソード集電体層
１４…空気極ガス拡散層
１６…空気極触媒層
１８…固体電解質層
２０…燃料極触媒層
２２…燃料極ガス拡散層
２４…燃料極集電体層、アノード集電体層
２６…気化燃料拡散層
２８…燃料極側ハウジング、アノードハウジング
２９…スロット
３０…燃料電池用カートリッジ
３２…カートリッジケース
３２ａ、３２ｂ…面
３４…孔
３６…燃料含浸材
３８…燃料気化安定化層
４０…燃料
４２…貯留槽
４４…タブ
４８…燃料電池部
５０…開口部
５１…シート
５２…燃料供給器
５４…先端部
５６…携帯電話
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
［本発明の原理］
図３は、提案されている燃料電池用カートリッジを示す断面図である。【００１９】
図３（ａ）は、カートリッジケース３２内に封入された燃料含浸材１３６に燃料、即ち、メタノール水溶液が十分に含浸されている状態を示している。カートリッジケース３２の一方の面には複数の孔３４が形成されており、カートリッジケース３２の他方の面には孔３４は形成されていない。燃料含浸材１３６としては、骨格が強固な高分子材料が用いられている。このため、燃料含浸材１３６は、燃料を含浸している場合も、燃料を含浸していない場合も、体積は殆ど変化しない。図３（ａ）乃至図３（ｃ）における矢印は、燃料含浸材１３６から燃料が放出されていく状態を示している。【００２０】
図３（ａ）に示す状態では、燃料含浸材１３６に、均一な濃度で燃料４０が含浸されている。このため、図３（ａ）に示す状態では、燃料含浸材１３６の全体１３８に燃料が十分に含浸されているため、高い濃度の燃料を燃料電池用カートリッジから放出することが可能である。【００２１】
図３（ｂ）は、燃料含浸材１３６からの燃料の気化がある程度進行した状態を示している。燃料含浸材１３６のうち、孔３４の近傍に位置している部分１４０は、燃料の濃度、即ち、メタノールの濃度が極めて低くなっている。かかる部分１４０においてメタノールの濃度が極めて低くなるのは、メタノールの気化は比較的速い一方、水の気化は比較的遅いためである。かかる部分１４０においては、気化の比較的遅い水が大量に残存しているため、メタノールの濃度が極めて低くなっている。なお、燃料含浸材１３６のうち、孔３４が形成されていない面３２ｂ側に位置している部分１３８は、メタノールの気化が殆ど進行していないため、メタノールの濃度は比較的高くなっている。メタノールの濃度が比較的高い部分１３８からメタノールの濃度が比較的低い部分１４０へ、メタノールはある程度供給されるが、孔３４が形成されている面３２ａ側に位置している部分１４０には大量の水が残存しているため、孔３４が形成されている面３２ａ側に位置している部分１４０におけるメタノールの濃度は十分に高くなり得ない。メタノールの濃度が低い部分３２ａは孔３４を中心として球状に広がっていき、燃料含浸材１３６中における燃料放出のための経路は長くなる。このため、図３（ｂ）に示す状態の燃料電池用カートリッジから放出される燃料は、図３（ａ）に示す状態の燃料電池用カートリッジから放出される燃料より少なくなる。【００２２】
図３（ｃ）は、燃料含浸材１３６からの燃料の気化が更に進行した場合を示している。図３（ｃ）では、燃料含浸材１３６のうちのメタノールの濃度が極めて低い部分１４０が更に広くなっている。一方、燃料含浸材１３６のうちのメタノールの濃度が比較的高い部分１３８は、非常に狭くなっている。メタノールの濃度が比較的高い部分１３８からメタノールの濃度が比較的低い部分１４０へ、メタノールはある程度供給されるが、孔３４が形成されている面３２ａ側に位置している部分１４０には大量の水が残存しているため、孔３４が形成されている面３２ａ側に位置している部分１４０におけるメタノールの濃度は高くなり得ない。また、メタノールの濃度が低い部分３２ａの広がりに伴って、燃料含浸材１３６中における燃料放出のための経路は長くなる。このため、図３（ｃ）に示す状態の燃料電池用カートリッジから放出される燃料は、図３（ｂ）に示す状態の燃料電池用カートリッジから放出される燃料より少なくなる。【００２３】
このように、単なる燃料含浸材１３６、具合的には、骨格が強固な高分子材料より成る燃料含浸材１３６に燃料を含浸した場合には、孔３４の近傍に位置している部分１４０において燃料の濃度が著しく低くなってしまい、気化した燃料を安定して放出することは困難であった。【００２４】
本願発明者らは鋭意検討した結果、カートリッジケース内部において、孔が形成された面と燃料含浸材との間に多孔質材料より成る燃料気化安定化層を形成することにより、気化した燃料を安定して放出し得ることに想到した。また、燃料を多く含浸させた際の体積が燃料を含浸させていない際の体積に対して十分に増加する燃料含浸材を用いることにより、気化した燃料をより安定的に放出し得ることに想到した。【００２５】
図１は、カートリッジケース内部において、孔が形成された面と燃料含浸材との間に多孔質材料より成る燃料気化安定化層を設けた場合を示す断面図である。図１（ａ）乃至図１（ｃ）における矢印は、燃料含浸材３６から燃料が放出されていく状態を示している。【００２６】
図１に示すように、カートリッジケース３２内に封入された燃料含浸材３６には、燃料、即ち、メタノール水溶液が十分に含浸されている。カートリッジケース３２の一方の面には複数の孔３４が形成されており、カートリッジケース３２の他方の面には孔３４は形成されていない。燃料含浸材３６としては、強固な骨格の高分子材料が用いられている。カートリッジケース３２に形成された複数の孔３４と燃料含浸材３６との間には、燃料気化安定化層となる多孔質材料３８が設けられている。孔３４が形成されている面３２ａ側に燃料含浸材３６が位置した場合には、孔３４が燃料含浸材３６によりふさがってしまい、燃料を外部に放出することが困難となる。これに対し、孔３４と燃料含浸材３６との間に多孔質材料３８等により空間を形成すれば、孔３４が形成されている面３２ａ側に空間を生じさせることができ、孔３４が燃料含浸材３６によりふさがってしまうのを防止することができ、燃料を確実に外部に放出することが可能となる。【００２７】
なお、図１では、カートリッジケース３２の一方の面にのみ孔３４を形成した場合を例に説明したが、複数の発電部に対して１つの燃料電池用カートリッジにより燃料を供給する場合、特に、燃料電池用カートリッジの両面に発電部がそれぞれ設けられた燃料電池の場合には、カートリッジケース３２の両面に孔３４を形成する場合がある。このような場合には、カートリッジケース３２内部の孔３４が形成されている面の双方に多孔質材料より成る燃料気化安定化層３８を設け、これら２つの燃料気化安定化層３８の間に燃料含浸材３６が設けられる。【００２８】
図１（ａ）は、燃料含浸材３６に十分に燃料が含浸されている状態を示している。燃料含浸材３６には、燃料含浸材３６の全体３５に比較的高濃度の燃料が含浸されているため、燃料を安定して放出することが可能である。【００２９】
図１（ｂ）は、燃料含浸材３６に含浸されている燃料が若干減少した状態を示している。燃料含浸材３６として、強固な骨格の高分子材料が用いられているため、燃料の含浸量が減少しても燃料含浸材３６の体積は変化しない。孔３４と燃料含浸材３６との間に燃料気化安定化層３８が設けられているため、燃料はカートリッジケース３２の厚さ方向に均一に消費される。図１（ｂ）に示すように、燃料含浸材３６のうちの孔３４が形成されている面３２ａ側の部分３７は、カートリッジケース３２の厚さ方向に均一に燃料の濃度が低くなっている。燃料が十分に含浸されている部分３５の厚さは、図１（ａ）の場合と比較して薄くなっている。カートリッジケース３２の厚さ方向に均一に燃料の濃度が低くなるため、燃料含浸材３６中における燃料放出のための経路は、図３（ｂ）に示すように極端に長くなってしまうことはない。このため、図１（ｂ）に示す状態においても、図３（ｂ）に示す場合と比較して、燃料を安定して放出することが可能である。【００３０】
図１（ｃ）は、燃料含浸材３６に含浸されている燃料が更に減少した状態を示している。上述したように、燃料含浸材３６として、強固な骨格の高分子材料が用いられているため、燃料の含浸量が減少しても燃料含浸材３６の体積は変化しない。孔３４と燃料含浸材３６との間に燃料気化安定化層３８が設けられているため、燃料はカートリッジケース３２の厚さ方向に均一に更に消費される。燃料の濃度が低くなっている部分３７の厚さは、図１（ｂ）の場合と比較してより厚くなっている。燃料が十分に含浸されている部分３５の厚さは、図１（ｂ）の場合と比較して薄くなっている。カートリッジケース３２の厚さ方向に均一に燃料が放出されるため、燃料含浸材３６中における燃料放出のための経路は、図３（ｃ）に示すように極端に長くなってしまうことはない。このため、図１（ｃ）に示す状態においても、図３（ｃ）に示す場合と比較して、燃料を安定して放出することが可能である。【００３１】
図２は、カートリッジケース内部において、孔が形成された面と燃料含浸材との間に多孔質体より成る燃料気化安定化層を設け、且つ、燃料含浸材として、燃料を多く含浸させた際の体積が燃料を含浸させていない際の体積に対して十分に増加する燃料含浸材を用いた場合を示す断面図である。図２（ａ）乃至図２（ｃ）における矢印は、燃料含浸材３６から燃料が放出されていく状態を示している。【００３２】
図２（ａ）に示すように、カートリッジケース３２内に封入された燃料含浸材３６には、燃料、即ち、メタノール水溶液が十分に含浸されている。カートリッジケース３２の一方の面には複数の孔３４が形成されており、カートリッジケース３２の他方の面には孔３４は形成されていない。燃料含浸材３６としては、柔軟な骨格の高分子材料が用いられている。カートリッジケース３２の複数の孔３４と燃料含浸材３６との間には、多孔質剤量より成る燃料気化安定化層３８が設けられている。孔３４が形成されている面３２ａに燃料含浸材３６が位置した場合には、孔３４が燃料含浸材３６によりふさがってしまい、燃料を外部に放出することが困難となる。これに対し、孔３４と燃料含浸材３６との間に多孔質材料より成る燃料気化安定化層３８を設ければ、孔３４が形成されている面３２ａ側に空間を生じさせることができ、孔３４が燃料含浸材３６によりふさがってしまうのを防止することができ、ひいては、燃料を確実に外部に放出することが可能となる。【００３３】
図２（ａ）は、燃料含浸材３６に十分に燃料が含浸されている状態を示している。燃料含浸材３６には、比較的高濃度の燃料が含浸されているため、燃料を安定して放出することが可能である。【００３４】
図２（ｂ）は、燃料含浸材３６に含浸されている燃料が若干減少した状態を示している。燃料含浸材３６として、柔軟な骨格の高分子材料が用いられているため、燃料の含浸量が減少するに伴って燃料含浸材３６の体積も減少し、燃料含浸材３６に含浸されている燃料の濃度は比較的高濃度に維持される。このため、図２（ｂ）に示す状態においては、図１（ｂ）に示す状態及び図３（ｂ）に示す状態と比べて、燃料を安定して放出することが可能である。また、燃料含浸材３６の体積の変動により燃料含浸材３６の位置が移動したとしても、燃料含浸材３６と孔３４との間には多孔質材料より成る燃料気化安定化層３８が存在しているため、カートリッジケース３４の孔３４が燃料含浸材３６によりふさがれてしまうことはない。【００３５】
図２（ｃ）は、燃料含浸材３６に含浸されている燃料が更に減少した状態を示している。上述したように、燃料含浸材３６として、柔軟な骨格の高分子材料が用いられているため、燃料の含浸量が減少するに伴って燃料含浸材３６の体積も減少し、燃料含浸材３６に含浸されている燃料の濃度は比較的高濃度に維持される。このため、図２（ｃ）に示す状態においても、燃料を安定して放出することが可能である。【００３６】
このように、本発明によれば、カートリッジケース３２の少なくとも一方の面に形成された複数の孔３４と燃料含浸材３６との間に多孔質材料より成る燃料気化安定化層３８が設けられているため、複数の孔３４が燃料含浸材３６によりふさがれてしまうのを燃料気化安定化層３８により防止することができる。このため、本発明によれば、燃料を安定して放出しうる燃料電池用カートリッジを提供することが可能となる。【００３７】
また、本発明によれば、燃料気化安定化層３８が形成されているため、強固な骨格の高分子材料より成る燃料含浸材３６を用いた場合であっても、カートリッジケース３２の厚さ方向に均一に燃料が消費される。このため、本発明によれば、強固な骨格の高分子材料より成る燃料含浸材３６を用いた場合であっても、燃料含浸材３６中における燃料放出の経路が極端に長くなってしまうのを防止することができ、安定して燃料を提供することが可能となる。【００３８】
また、本発明によれば、燃料含浸材３６として、燃料を多く含浸させた際の体積が燃料を含浸させていない際の体積に対して十分に増加する燃料含浸材３６を用いるため、燃料の含浸量が減少するに伴って燃料含浸材３６の体積が十分に減少する。このため、本発明によれば、燃料含浸材３６に含浸されている燃料が消費されていっても、燃料含浸材３６に含浸されている燃料が高濃度に維持される。従って、本発明によれば、気化した燃料を安定して供給しうる燃料電池用カートリッジを提供することができる。【００３９】
［一実施形態］
本発明の一実施形態による燃料電池用カートリッジ及び燃料電池を図４乃至図１１を用いて説明する。図４は、燃料電池システムの基本構成を示す概念図である。図５は、本実施形態による燃料電池用カートリッジを示す断面図及び平面図（その１）である。図６は、本実施形態による燃料電池用カートリッジを示す断面図及び平面図（その２）である。【００４０】
図４に示すように、本実施形態による燃料電池システム２は、空気極側ハウジング（カソードハウジング）１０と、空気極側ハウジング１０に隣接して設けられた空気極集電体層（カソード集電体層）１２と、空気極集電体層１２に隣接して設けられた空気極ガス拡散層１４と、空気極ガス拡散層１４に隣接して設けられ、酸素を活物質として還元反応を生じさせ、イオンを生成する空気極触媒層（正極）１６と、空気極触媒層１６に隣接して設けられた固体電解質層１８と、固体電解質層１８に隣接して設けられ、燃料を酸化してプロトンと電子とを取り出すための燃料極触媒層（負極）２０と、燃料極触媒層２０に隣接して設けられた燃料極ガス拡散層２２と、燃料極ガス拡散層２２に隣接して設けられた燃料極集電体層（アノード集電体層）２４と、燃料極集電体層２４に隣接して設けられた気化燃料拡散層２６と、気化燃料拡散層２６に隣接して設けられた燃料極側ハウジング（アノードハウジング）２８とを有している。【００４１】
燃料極側ハウジング２８には、燃料電池用カートリッジ３０を装着するためのスロット２９が形成されている。スロット２９内には、燃料電池用カートリッジ３０が装着されている。燃料電池用カートリッジ３０は、スロット２８内に着脱可能に構成されている。【００４２】
空気極集電体層１２は、導電性を有し、耐食性が高いことが必要である。このため、空気極集電体層１２の材料としては、例えば、Ａｕめっきが施されたステンレス（ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６等）等が用いられている。また、空気極集電体層１２は、空気中の酸素を空気極触媒層１６に導入させ得ることが必要である。このため、空気極集電体層１２の構造としては、メッシュ、エキスパンドメタル、発泡体等が採用されている。【００４３】
空気極ガス拡散層１４は、空気中の酸素を空気極触媒層１６に導入させ得ることが必要である。また、空気極ガス拡散層１４は、空気極触媒層１６と空気極集電体層１２との電気的な導通を確保する必要がある。このため、気極ガス拡散層１４の材料として、例えばカーボンペーパー等の多孔質導電膜が用いられている。かかるカーボンペーパーとしては、例えば東レ株式会社製のカーボンペーパーを用いることができる。【００４４】
空気極触媒層１６は、プロトン（Ｈ＋）と酸素（Ｏ２）とから水を生成する電気化学反応を生じさせることを可能とする材料が用いられている。具体的には、空気極触媒層１６は、触媒又は触媒担持体とプロトン伝導性高分子固体電解質とを混合し、こうして形成された混合物を空気極ガス拡散層１４又は固体電解質層１８に塗布することにより形成されている。空気極触媒層１６としては、例えば、田中貴金属工業株式会社製の白金担持触媒であるＴＥＣ１０Ｅ５０Ｅを用いることができる。【００４５】
固体電解質層１８は、燃料極側において生成されたプロトンを空気極側に輸送するための経路であり、電子伝導性を有しないイオン導電体により構成されている。固体電解質層１８の材料としては、例えば、パーフルオロスルホン酸系ポリマ等を用いることができる。かかるパーフルオロスルホン酸系ポリマとしては、例えば、デュポン社製のナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ：登録商標）を用いることができる。より具合的には、固体電解質層１８として、Ｎａｆｉｏｎ  Ｎ１１２を用いることができる。【００４６】
燃料極触媒層２０は、例えば、白金等より成る微粒子と、炭素粉末と、電解質層を形成する高分子とを、燃料極ガス拡散層又は固体電解質に塗布することにより構成されている。なお、多孔質導電膜上に塗布等する微粒子としては、白金等に限定されるものではなく、例えば、白金とルテニウム等の遷移金属とからなる合金の微粒子を用いてもよい。燃料極触媒層２０としては、例えば、田中貴金属工業株式会社製の白金−ルテニウム合金担持触媒であるＴＥＣ６１Ｅ５４を用いることができる。【００４７】
燃料極ガス拡散層２２は、気化された燃料を燃料極触媒層２０に導入させ得ることが必要である。また、燃料極触媒層２０と燃料極集電体層２４との電気的な導通を確保する必要がある。このため、燃料極ガス拡散層２２の材料として、例えばカーボンペーパー等の多孔質導電膜が用いられている。かかるカーボンペーパーとしては、例えば東レ株式会社製のカーボンペーパーを用いることができる。【００４８】
燃料極集電体層２４は、導電性を有し、耐食性が高いことが必要である。このため、燃料極集電体層２４の材料としては、例えば、Ａｕめっきが施されたステンレス（ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６等）等が用いられている。また、燃料極集電体層２４は、気化された燃料を燃料極触媒層２０に導入させ得ることが必要である。このため、燃料極集電体層２４の構造としては、メッシュ、エキスパンドメタル、発泡体等が採用されている。【００４９】
気化燃料拡散層２６は、燃料電池用カートリッジ３０から放出される気化された燃料を拡散するためのものである。気化燃料拡散層２６の上端部は、燃料電池システム２のハウジング１０，２８から外部に露出している。ハウジング１０，２８から露出している気化燃料拡散層２６の上端部は、炭酸ガスを排出する炭酸ガス排出口として機能する。【００５０】
図５は、本実施形態による燃料電池用カートリッジを示す平面図及び断面図（その１）である。図５（ｂ）は、図５（ａ）の一部を拡大して示した断面図である。なお、図５（ｂ）は、燃料電池用カートリッジのカートリッジケース内に設けられた燃料含浸材に燃料を含浸させていない状態を示している。【００５１】
図５に示すように、カートリッジケース３２には、燃料含浸材３６が封入されている。カートリッジケース３２の一方の面３２ａには、複数の孔３４が均等に形成されている。カートリッジケース３２の他方の面３２ｂには、孔３４は形成されていない。カートリッジケース３２の孔３４と燃料含浸材３６との間には、多孔質材料より成る燃料気化安定化層３８が形成されている。燃料気化安定化層３８は多孔質材料より成るため、気化された燃料を均一化させることができ、燃料を安定的に放出させることができる。孔３４の形状は、例えば円形とする。孔３４の直径は、例えばφ０．１ｍｍ程度とする。孔３４の面積の総和は、燃料電池の燃料極の面積に対して例えば０．０７％程度とする。【００５２】
燃料気化安定化層３８を構成する多孔質材料としては、燃料となる高濃度のメタノール水溶液に対して安定な材料を用いる。このような材料としては、例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ：Poly Tetra Fluoro Ethylene）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ：PolyVinylidene DiFluorie）等のフッ素樹脂多孔質材料を用いることができる、また、燃料気化安定化層３８の材料として、フッ素樹脂繊維を用いてもよい。また、燃料気化安定化層３８の材料として、カーボン繊維から成る不織布等を用いてもよい。【００５３】
燃料を含浸させていない状態における燃料含浸材３６のサイズは、例えばカートリッジケース３２の収納容積の２０体積％程度に設定されている。このようなサイズの燃料含浸材３６は、サイズの大きな燃料含浸材３６を所望のサイズに切断することにより形成することが可能である。燃料含浸材３６としては、燃料を多く含浸させるのに伴って体積が増加する高分子材料を用いる。燃料の含浸に伴って体積が増加する高分子材料としては、柔軟な骨格を有する高分子材料が用いられている。【００５４】
かかる燃料含浸材３６としては、燃料を含浸させた際の体積が燃料を含浸させていない際の体積に対して５０％以上増加する燃料含浸材３６を用いる。本明細書及び特許請求の範囲において、燃料含浸材３６に燃料を含浸させた際の体積とは、燃料含浸材３６を単に燃料に浸漬した際における燃料含浸材３６の体積を意味するのではなく、燃料含浸材３６中に燃料が十分にしみ込んだ際における燃料含浸材３６の体積を意味する。より具合的には、燃料含浸材３６に燃料を含浸させた際の体積とは、燃料含浸材３６中に燃料をほぼ最大限にしみ込ませた状態における燃料含浸材３６の体積を意味する。【００５５】
燃料含浸材３６としては、例えば、カルボキシル基又はスルホン基を含む高分子材料を用いることが可能である。燃料含浸材３６は、高濃度のメタノール水溶液に対して溶解しないことが必要である。かかる観点から、燃料含浸材３６としては、カルボキシル基又はスルホン基を含むパーフルオロ系の高分子材料が特に望ましい。このような材料としては、具体的には、例えば、デュポン社製のナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ：登録商標）膜を用いることができる。かかるナフィオン膜としては、例えば製品名Ｎａｆｉｏｎ  Ｎ１１７を用いることができる。また、燃料含浸材３６は、デュポン社製のナフィオン膜に限定されるものではない。例えば、旭硝子株式会社製のフレミオン（ｆｌｅｍｉｏｎ：登録商標）膜を燃料含浸材３６として用いてもよい。また、旭化成株式会社製のアシプレックス（Ａｃｉｐｌｅｘ：登録商標）膜を燃料含浸材３６として用いてもよい。【００５６】
図６（ｂ）は、燃料含浸材３６に燃料を含浸させた状態を示している。【００５７】
燃料含浸材３６に含浸させる燃料としては、例えばメタノールの濃度が８０体積パーセント以上のメタノール水溶液を用いる。このようにメタノールの濃度が比較的高い燃料を用いるのは、高い濃度で燃料を放出することを可能とするためである。【００５８】
図７は、燃料電池用カートリッジの燃料含浸材に燃料を含浸させる方法を示す図（その１）である。【００５９】
図７に示すように、燃料４０、具体的には、メタノールが貯留されている貯留槽４２内に、本実施形態による燃料電池用カートリッジ３０を浸漬する。【００６０】
そうすると、燃料電池用カートリッジ３０のカートリッジケース３２の一方の面３２ａに形成された孔３４を介して、カートリッジケース３２の内部の空間に燃料４０が浸入していく。カートリッジケース３２の内部の空間に浸入した燃料４０は、燃料含浸材３６に含浸される。燃料含浸材３６は、燃料４０の含浸に伴って体積が大きくなり、図６（ｂ）に示すような状態となる。【００６１】
次に、本実施形態による燃料電池を携帯電話に適用する場合を例に説明する。【００６２】
図８乃至図１０は、本実施形態による燃料電池用カートリッジを、携帯電話の背面に装着した燃料電池部に装着する過程を示す図である。【００６３】
図８は、燃料電池用カートリッジを燃料電池部に装着する前の段階を示している。図９は、燃料電池用カートリッジを燃料電池部に装着している途中の段階を示している。図１０は、燃料電池用カートリッジを燃料電池部に装着した状態を示している。【００６４】
燃料電池部４８は、図３に示す燃料電池システム２に対応するものである。なお、図８（ｂ）、図９（ｂ）及び図１０（ｂ）に示された燃料電池部４８において、紙面左側は空気極側であり、紙面右側は燃料極側である。【００６５】
図８及び図１０に示すように、燃料電池部４８にはスロット２９がされている。スロット２９には、燃料電池用カートリッジ３０を着脱することが可能である。燃料電池用カートリッジ３０のカートリッジケース３２の上端部にはタブ４４が取り付けられており、タブ４４を指で持ちながら燃料電池用カートリッジ３０の着脱が行われるとともに、燃料電池部４８本体とカートリッジの固定を可能としている。【００６６】
燃料電池部４８は、携帯電話用のクレードルのように携帯電話本体に着脱可能としてもよいし、携帯電話本体の背面に固定するようにしてもよい。【００６７】
燃料電池部４８において発電が行われると、携帯電話５６内に設けられたリチウム電池等の充電池に対して充電が行われることとなる。【００６８】
（評価結果）
次に、本実施形態による燃料電池用カートリッジの評価結果を図１１を用いて説明する。図１１は、図２を用いて上述した本実施形態による燃料電池用カートリッジの評価結果を示すグラフである。より具体的には、図１１は、０．３７Ｖの定電圧での連続放電を行った際の出力電力を示すグラフである。図１１において、横軸は時間を示しており、縦軸は出力電力を示している。【００６９】
図１１から分かるように、本実施形態によれば、１２時間という非常に長い時間に亘って、０．２Ｗ以上の出力が得られている。このことから、本実施形態によれば、長時間に亘って安定した電源を供給しうることが分かる。【００７０】
このように本実施形態によれば、燃料を多く含浸させた際の体積が燃料を含浸させていない際の体積に対して十分に増加する燃料含浸材３６が用いられているため、燃料の含浸量が減少するに伴って燃料含浸材３６の体積が十分に減少する。このため、燃料含浸材３６に含浸されている燃料の濃度が比較的高濃度に維持される。このため、本発明によれば、気化した燃料を安定して供給しうる燃料電池用カートリッジを提供することが可能となる。【００７１】
（変形例）
次に、本実施形態による燃料電池用カートリッジの変形例を図１２を用いて説明する。図１２は、燃料電池用カートリッジの燃料含浸材に燃料を含浸させる方法を示す図である。【００７２】
本変形例による燃料電池用カートリッジ３０ａは、カートリッジケース３２の内部に燃料４０を注入するための開口部５０が形成されていることに主な特徴がある。【００７３】
図１２に示すように、カートリッジケース３２の内部に達する開口部５０が形成されている。【００７４】
本変形例による燃料電池用カートリッジ３０ａでは、燃料供給器５２の先端部５４をカートリッジケース３２の開口部５０に挿入した状態で、燃料４０をカートリッジケース３２内に導入する。【００７５】
なお、燃料４０をカートリッジケース３２内に導入している際に、カートリッジケース３２の一方の面３２ａに形成された孔３４から気化した燃料が放出されないように、カートリッジケース３２の一方の面３２ａ側に密封シート５１を貼り付けておくことが好ましい。【００７６】
このように、カートリッジケース３２の内部に達する開口部５０を形成し、かかる開口部５０を介して燃料を注入するようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
本発明による燃料電池用カートリッジ及び燃料電池は、燃料電池用カートリッジから燃料を安定的に放出するのに有用である。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【手続補正書】
【提出日】平成20年7月28日(2008.7.28)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池に燃料を供給するための燃料電池用カートリッジであって、
少なくとも一方の面に複数の孔が形成されたカートリッジケースと、
前記カートリッジケース内部の前記孔が形成された面に形成された燃料気化安定化層と、
前記カートリッジケース内に封入された燃料含浸材と
を有することを特徴とする燃料電池用カートリッジ。
【請求項２】
請求の範囲第１項記載の燃料電池用カートリッジにおいて、
前記燃料含浸材は、燃料を含浸させた際の体積が燃料を含浸させていない際の体積に対して５０％以上増加する
ことを特徴とする燃料電池用カートリッジ。
【請求項３】
請求の範囲第１項又は第２項記載の燃料電池用カートリッジにおいて、
前記燃料含浸材は、カルボキシル基又はスルホン基を有するパーフルオロ系高分子材料より成る
ことを特徴とする燃料電池用カートリッジ。
【請求項４】
請求の範囲第１項乃至第３項のいずれか１項に記載の燃料電池用カートリッジにおいて、
前記燃料は、メタノールの濃度が８０体積パーセント以上のメタノール水溶液である
ことを特徴とする燃料電池用カートリッジ。
【請求項５】
燃料極と固体電解質層と空気極とを有する発電部を有し、前記発電部の前記燃料極側に設けられたスロット内に、気化した燃料を放出する燃料電池用カートリッジを装着可能な燃料電池であって、
前記燃料電池用カートリッジは、一方の面に複数の孔が形成されたカートリッジケースと、前記カートリッジケース内部の前記孔が形成された面に形成された燃料気化安定化層と、前記カートリッジケース内に封入された燃料含浸材とを有している
ことを特徴とする燃料電池。
【国際調査報告】
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