(57)【要約】【課題】  加熱時や減圧環境下での液体燃料の吹き出しを防止できると共に、液体燃料カートリッジ体の向きによらず液体燃料を安定に供給でき、しかも、液体燃料の供給を一時中断し、カートリッジ体を取り外すときでも、液体燃料は暴露せず液体燃料の揮発を防止することができる燃料電池における液体燃料供給システムを提供する。【解決手段】  燃料タンク部１０に、液体燃料を貯留するために毛管力が付与された燃料吸蔵体１１を内包し、かつ、燃料タンク部１０の壁面に燃料電池本体Ｎに設置された液体燃料誘導芯３０を挿入することができる弁体１２及び燃料タンク部１０設置と同時に開放され空気置換できる空気置換孔１０αを有する液体燃料カートリッジ体Ａを、燃料電池本体Ｎに設置された液体燃料誘導芯３０に挿入することで液体燃料が供給可能となることを特徴とする燃料電池における液体燃料供給システムＳ。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料を貯留するために毛管力が付与された液体燃料吸蔵体を内包し、かつ、液体燃料誘導芯を挿入することができる弁体を壁面に有する燃料カートリッジに、燃料電池本体に設置された毛管力を有する液体燃料誘導芯を挿入し、かつ、前記液体燃料誘導芯から発電セルの燃料極まで断続的に毛管力が付与されることで、液体燃料が供給可能となる燃料電池における液体燃料供給システムにおいて、前記液体燃料誘導芯近傍かつ前記弁体内に、空気置換孔を設け、燃料供給開始と燃料貯留体内部への空気置換が同時に行われることを特徴とする燃料電池における液体燃料供給システム。
【請求項２】
前記空気置換孔が、少なくとも液体燃料誘導芯側面に設けた一以上の溝から構成される請求項１に記載の燃料電池における液体燃料供給システム。
【請求項３】
前記溝の幅及び深さが０．１ｍｍ以上、２ｍｍ以下である請求項２に記載の燃料電池における液体燃料供給システム。
【請求項４】
前記空気置換孔が、少なくとも液体燃料誘導芯側面に設けた一以上の突出部から構成される請求項１に記載の燃料電池における液体燃料供給システム。
【請求項５】
前記突出部の幅及び高さが０．１ｍｍ以上、２ｍｍ以下である請求項４に記載の燃料電池における液体燃料供給システム。
【請求項６】
前記燃料電池本体に設置された液体燃料誘導芯は、前記燃料吸蔵体よりも大きな毛管力を有する請求項１〜５の何れか一つに記載の燃料電池における液体燃料供給システム。
【請求項７】
弁体は、スリット弁から構成され、前記燃料誘導芯を挿入することで液体燃料カートリッジ体の燃料吸蔵体と液体燃料誘導芯とを連通させ、液体燃料カートリッジ体内部の液体燃料を外部へ供給させる連通部が形成されると共に、外周部に突出部が形成され、前記弁体が液体燃料カートリッジに収納された際に、前記突出部により弁体が径方向に圧縮されることで前記連通部に圧縮力が作用するようにした請求項１〜６の何れか一つに記載の燃料電池における液体燃料供給システム。
【請求項８】
空気置換孔は、前記液体燃料誘導芯を挿入することによって形成される、前記液体燃料を外部へ供給させる連通部とは、隔離された前記液体燃料カートリッジ体の何れかの部分に、前記燃料誘導芯の挿入と同時に、形成される請求項７に記載の燃料電池における液体燃料供給システム。
【請求項９】
前記空気置換孔は、前記液体燃料誘導芯を挿入した状態で、閉鎖可能である請求項８に記載の燃料電池における液体燃料供給システム。
【請求項１０】
前記空気置換孔は、前記液体燃料に対し毛管力を有しない請求項１〜９の何れか一つに記載の燃料電池における液体燃料供給システム。
【請求項１１】
液体燃料カートリッジ体の燃料タンク部は、酸素バリア性に優れる樹脂層を少なくとも一層以上有する請求項１〜１０の何れか一つに記載の燃料電池における液体燃料供給システム。
【請求項１２】
酸素バリア性に優れる樹脂が、エチレン・ビニルアルコール共重合樹脂、ポリアクリロニトリル、ナイロン、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリスチレン、ポリ塩化ビニリデン、ポリ塩化ビニルから選ばれる少なくとも１種である請求項１１に記載の燃料電池における液体燃料供給システム。
【請求項１３】
液体燃料がメタノール液、エタノール液、ジメチルエーテル（ＤＭＥ）、ギ酸、ヒドラジン、アンモニア液、エチレングリコール、水素化ホウ素ナトリウム水溶液及びショ糖水溶液から選ばれる少なくとも１種である請求項１〜１２の何れか一つに記載の燃料電池における液体燃料供給システム。
【請求項１４】
燃料電池本体は、燃料電極体の外表部に電解質層を構築し、該電解質層の外表部に空気電極層を構築することで形成される単位セルが複数連結されると共に、上記単位セルには液体燃料カートリッジ体に接続される中継芯が連結されて液体燃料が供給される構成となる請求項１〜１３の何れか一つに記載の燃料電池における液体燃料供給システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池における液体燃料供給システムに関し、更に詳しくは、携帯電話、ノート型パソコン及びＰＤＡなどの携帯用電子機器の電源として用いられる小型の燃料電池用に好適な燃料電池における液体燃料供給システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、燃料電池は、空気電極層、電解質層及び燃料電極層が積層された燃料電池セルと、燃料電極層に還元剤としての燃料を供給するための燃料供給部と、空気電極層に酸化剤としての空気を供給するための空気供給部とからなり、燃料と空気中の酸素とによって燃料電池内で電気化学反応を生じさせ、外部に電力を得るようにした電池であり種々の形式のものが開発されている。
【０００３】
近年、環境問題や省エネルギーに対する意識の高まりにより、クリーンなエネルギー源としての燃料電池を、各種用途に用いることが検討されており、特に、メタノールと水を含む液体燃料を直接供給するだけで発電できる燃料電池が注目されてきている（例えば、特許文献１及び２参照）。
これらの中でも、液体燃料の供給に毛管力を利用した各液体燃料電池等が知られている（例えば、特許文献３〜７）。
これらの各特許文献に記載される液体燃料電池は、燃料タンクから液体燃料を毛管力で燃料極に供給するため、液体燃料を圧送するためのポンプを必要としないなど小型化に際してメリットがある。
【０００４】
しかしながら、このような単に燃料貯蔵槽に設けられた、多孔体及び／又は繊維束体の毛管力だけを利用した液体燃料電池は、構成上は小型化に適するものの、燃料極に燃料が直接液体状態で供給されるため小型携帯機器に搭載し、電池部の前後左右や上下が絶えず変わる環境下では、長時間の使用期間中に燃料の追従が不完全となり、燃料供給遮断などの弊害が発生し、電解質層への燃料供給を一定にすることを阻害する原因となっている。
【０００５】
また、これらの欠点の解決策として、例えば、液体燃料を毛管力によりセル内に導入した後、液体燃料を燃料気化層にて気化して、使用する燃料電池システム（例えば、特許文献８参照）が知られているが、基本的な問題点である燃料の追従性不足は改善されていないという課題を有し、また、この構造の燃料電池は液体を気化させた後に燃料として用いるシステムのため、小型化が困難となるなどの課題がある。
【０００６】
このように従来の燃料電池用燃料貯留体では、燃料極に直接液体燃料を供給する際に、燃料の供給が不安定で動作中の出力値に変動が生じたり、安定な特性を維持したまま携帯機器への搭載が可能な程度の小型化は困難であるのが現状である。
【０００７】
そこで、本願出願人は、微小炭素多孔体よりなる燃料電極体の外表部に電解質層を構築し、該電化質層の外表部に空気電極層を構築することで形成される単位セルが複数連結される燃料電池であって、上記各単位セルには液体燃料を貯蔵するカートリッジ構造体からなる燃料貯留体に接続される浸透構造を有する燃料供給体が連結されて液体燃料が供給される直接メタノール型燃料電池を出願している（例えば、特許文献９及び１０参照）。
この燃料電池は、今までにない優れた機能を有するものであるが、燃料電池用の液体燃料を安定に貯留しておくためには、加熱時や減圧環境下での液体燃料の吹き出し防止に更に留意する必要があり、また、カートリッジの向きによらず液体燃料を供給できるものとすることが望ましく、更に、液体燃料の供給を一時中断し、カートリッジ体を取り外すとき、液体燃料が暴露しないようにして液体燃料の揮発を防止する必要があるなどの更なる機能の向上を必要とする課題がある。
【特許文献１】特開平５−２５８７６０号公報（特許請求の範囲、実施例等）
【特許文献２】特開平５−３０７９７０号公報（特許請求の範囲、実施例等）
【特許文献３】特開昭５９−６６０６６号公報（特許請求の範囲、実施例等）
【特許文献４】特開平６−１８８００８号公報（特許請求の範囲、実施例等）
【特許文献５】特開２００３−２２９１５８号公報（特許請求の範囲、実施例等）
【特許文献６】特開２００３−２９９９４６号公報（特許請求の範囲、実施例等）
【特許文献７】特開２００３−３４０２７３号公報（特許請求の範囲、実施例等）
【特許文献８】特開２００１−１０２０６９号公報（特許請求の範囲、実施例等）
【特許文献９】特開２００４−６３２００号公報（特許請求の範囲、実施例等）
【特許文献１０】特開２００５−２１６８１７号公報（特許請求の範囲、実施例等）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上記従来の燃料電池における液体燃料供給システムにおける課題及び現状に鑑み、これを解消するためになされたものであり、燃料電池における液体燃料供給システムにおいて、加熱時や減圧環境下での液体燃料の吹き出しを防止し、かつ、同時に液体燃料をカートリッジの向きによらず液体燃料を供給できるものとすると共に、液体燃料の供給を一時中断し、カートリッジ体を取り外すときでも、液体燃料が暴露しないようにして液体燃料の揮発を防止することができる燃料電池における液体燃料供給システム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】
本発明者は、上記従来の課題等について、鋭意検討した結果、燃料電池における液体燃料供給システムにおいて、液体燃料を貯留するために毛管力が付与された燃料吸蔵体を内包し、かつ、壁面に中継芯を挿入することができる特定構造となる液体燃料カートリッジ体を、燃料電池本体に設置された中継芯に挿入することで、空気置換孔が形成されると共に液体燃料が供給可能となることを見い出し、上記目的の燃料電池における液体燃料供給システムが得られることに成功し、本発明を完成するに至ったのである。
【００１０】
すなわち、本発明は、次の（１）〜（１３）に存する。
（１）燃料を貯留するために毛管力が付与された液体燃料吸蔵体を内包し、かつ、液体燃料誘導芯を挿入することができる弁体を壁面に有する燃料カートリッジに、燃料電池本体に設置された毛管力を有する液体燃料誘導芯を挿入し、かつ、前記液体燃料誘導芯から発電セルの燃料極まで断続的に毛管力が付与されることで、液体燃料が供給可能となる燃料供給システムにおいて、前記液体燃料誘導芯近傍かつ前記弁体内に、空気置換孔を設け、燃料供給開始と燃料貯留体内部への空気置換が同時に行なわれることを特徴とする燃料電池における液体燃料供給システム。
（２）前記空気置換孔が、少なくとも液体燃料誘導芯側面に設けた一以上の溝から構成される上記（１）に記載の燃料電池における液体燃料供給システム。
（３）前記溝の幅及び深さが０．１ｍｍ以上、２ｍｍ以下である上記（２）に記載の燃料電池における液体燃料供給システム。
（４）前記空気置換孔が、少なくとも液体燃料誘導芯側面に設けた一以上の突出部から構成される上記（１）に記載の燃料電池における液体燃料供給システム。
（５）前記突出部の幅及び高さが０．１ｍｍ以上、２ｍｍ以下である上記（４）に記載の燃料電池における液体燃料供給システム。
（６）前記燃料電池本体に設置された液体燃料誘導芯は、前記燃料吸蔵体よりも大きな毛管力を有する上記（１）〜（５）の何れか一つに記載の燃料電池における液体燃料供給システム。
（７）弁体は、スリット弁から構成され、前記液体燃料誘導芯を挿入することで液体燃料カートリッジ体の燃料吸蔵体と中継芯とを連通させ、液体燃料カートリッジ体内部の液体燃料を外部へ供給させる連通部が形成されると共に、外周部に突出部が形成され、前記弁体が液体燃料カートリッジに収納された際に、前記突出部により弁体が径方向に圧縮されることで前記連通部に圧縮力が作用するようにした上記（１）〜（６）の何れか一つに記載の燃料電池における液体供給システム。
（８）空気置換孔は、前記中継芯を挿入することによって形成される、前記液体燃料を外部へ供給させる連通部とは、隔離された前記液体燃料カートリッジ体の何れかの部分に、前記燃料誘導芯の挿入と同時に、形成される上記（７）に記載の燃料電池における液体燃料供給システム。
（９）前記空気置換孔は、前記中継芯を挿入した状態で、閉鎖可能である上記（８）に記載の燃料電池における液体燃料供給システム。
（１０）前記空気置換孔は、前記液体燃料に対し毛管力を有しない上記（１）〜（９）の何れか一つに記載の燃料電池における液体燃料供給システム。
（１１）液体燃料カートリッジ体の燃料タンク部は、酸素バリア性に優れる樹脂層を少なくとも一層以上有する上記（１）〜（１０）の何れか一つに記載の燃料電池における液体燃料供給システム。
（１２）酸素バリア性に優れる樹脂が、エチレン・ビニルアルコール共重合樹脂、ポリアクリロニトリル、ナイロン、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリスチレン、ポリ塩化ビニリデン、ポリ塩化ビニルから選ばれる少なくとも１種である（１１）に記載の燃料電池における液体燃料供給システム。
（１３）液体燃料がメタノール液、エタノール液、ジメチルエーテル（ＤＭＥ）、ギ酸、ヒドラジン、アンモニア液、エチレングリコール、水素化ホウ素ナトリウム水溶液及びショ糖水溶液から選ばれる少なくとも１種である上記（１）〜（１２）の何れか一つに記載の燃料電池における液体燃料供給システム。
（１４）燃料電池本体は、燃料電極体の外表部に電解質層を構築し、該電解質層の外表部に空気電極層を構築することで形成される単位セルが複数連結されると共に、上記単位セルには液体燃料カートリッジ体に接続される中継芯が連結されて液体燃料が供給される構成となる（１）〜（１３）の何れか一つに記載の燃料電池における液体燃料供給システム。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、液体燃料誘導芯近傍かつ前記弁体内に、空気置換孔が設けられるので、液体燃料カートリッジ体の弁体以外に別途空気置換孔を設けることなく、加熱時や減圧環境下での液体燃料の吹き出しを防止でき、液体燃料カートリッジ体の向きによらず液体燃料を安定に供給できると共に、液体燃料カートリッジ体の装着と同時に空気置換孔が開放されるため、未使用時や、液体燃料の供給を一時中断し、カートリッジ体を取り外したときでも、液体燃料は暴露せず液体燃料の揮発を防止することができる燃料電池における液体燃料供給システムが提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下に、本発明の実施形態を図面を参照しながら詳しく説明する。
図１〜図７は、本発明の燃料電池における液体燃料供給システムＳの基本形態（第１実施形態）を示すものである。
本第１実施形態の燃料電池における液体燃料供給システムＳは、図１に示すように、燃料カートリッジ１０に、燃料を貯留するために毛管力が付与された液体燃料吸蔵体１１を内包し、かつ、液体燃料誘導芯３０を挿入することができる弁体１２を壁面に有するものであり、この燃料カートリッジ１０に、燃料電池本体Ｎに設置された毛管力を有する液体燃料誘導芯３０を挿入し、かつ、前記液体燃料誘導芯３０から発電セル２０の燃料極まで断続的に毛管力が付与されることで、燃料が供給可能となるものであり、前記燃料誘導芯３０近傍かつ前記弁体１２内に、空気置換孔１０αを設け、燃料供給開始と燃料貯留体内部への空気置換が同時に行われることを特徴とするものである。
【００１３】
この液体燃料カートリッジ体Ａの燃料タンク部１０としては、液体燃料を吸蔵する燃料吸蔵体１１に対して保存安定性、耐久性、ガス不透過性（酸素ガス、窒素ガス等に対するガス不透過性）があるものから構成されることが好ましく、例えば、アルミニウム、ステンレスなどの金属、合成樹脂、ガラスなどが挙げられる。
特に好ましくは、燃料タンク部１０は、酸素バリア性に優れる樹脂層を少なくとも一層（単層又は２層以上の多層構造）以上有することが望ましい。酸素バリア性に優れる樹脂としては、例えば、エチレン・ビニルアルコール共重合樹脂、ポリアクリロニトリル、ナイロン、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリスチレン、ポリ塩化ビニリデン、ポリ塩化ビニルから選ばれる少なくとも１種が挙げられる。これらの樹脂は、ガス不透過性、特に酸素バリア性に優れ、しかも、製造や組立時のコスト低減及び製造の容易性の点で特に好ましい。
燃料タンク部１０が多層構造の場合は、少なくとも１層が、前記した性能（酸素バリア性等）を持つ樹脂で構成されていれば、残りの層は通常の樹脂でも実使用上問題はない。このような構造のタンク部１０は、押出し成形、射出成形、共押出し成形などにより製造することができる。
【００１４】
燃料吸蔵体１１は、液体燃料を貯留するために毛管力が付与されたものであり、中綿や多孔体、または繊維束体などから構成されている。この吸蔵体１１は液体燃料を貯留するために毛管力が付与されて液体燃料を吸蔵できるものであれば特に限定されず、具体的には、フェルト、スポンジ、または、樹脂粒子焼結体、樹脂繊維焼結体などの焼結体等から構成される毛管力を有する多孔体や、天然繊維、獣毛繊維、ポリアセタール系樹脂、アクリル系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリウレタン系樹脂、ポリオレフィン径樹脂、ポリビニル系樹脂、ポリカーボネート系樹脂、ポリエーテル系樹脂、ポリフェニレン系樹脂などの１種又は２種以上の組合せからなる繊維束体からなるものが挙げられ、これらの多孔体、繊維束体の気孔率等は各単位セル２０への供給量に応じて適宜設定されるものである。
【００１５】
燃料タンク部１０の下方側の壁面には、図２（ａ）に示すように、貫通孔１０ａが形成されている。この貫通孔１０ａには、燃料電池本体Ｎに設置された液体燃料誘導芯３０を挿入すると同時に、空気置換孔１０αを形成させることができる弁体１２が収容される。
貫通孔１０ａに収容（固着）される弁体１２は、燃料タンク部１０の内部と外部との連通を封止する弁体であり、図３（ａ）〜（ｃ）に示すように、気圧、温度変化等により燃料タンク１０内に浸入する空気などの異物を防ぐものである。
この弁体１２は、液体燃料誘導芯３０を挿入することで燃料タンク部１０と内部とを連通させ、燃料タンク部１０内部の液体燃料を外部へ供給させる直線状のスリットからなる連通部１３が形成されると共に、前記弁体１２が貫通孔１０ａ又は弁体アダプターに収納された際に、弁体外縁部１４により弁体１２が径方向に圧縮されることで、前記連通部１３に圧縮力が作用するようにしたものであり、本実施形態では図３（ｂ）に示すように短辺Ｘと長辺Ｙからなる楕円状であって、短径方向に連通部となるスリット１３を設け、長径方向に突出部１４を圧縮するようにとしたものであり、スリット１３が閉じる方向に圧縮力が作用する構成となっている。
【００１６】
なお、上記連通部１３を直線状のスリットで形成したが、液体燃料供給部材となる中継芯３０を挿入することで燃料タンク部１０と内部とを連通させ、燃料タンク部１０内部に吸蔵される液体燃料を外部へ供給できる構造となるものであれば、特に限定されず、十字状や放射状のスリット、スリットを複数形成し各スリットが同一箇所で交差するようにした構造、円孔状、矩形孔状であってもよい。好ましくは、上記直線状や十字状のスリットが望ましい。また、突出部１４の形状は、特に限定されず、上記形態のように楕円状の他、突起等を形成することができ、更に突出部１４は弁収納部となる貫通孔１０ａに設けることもできる。
【００１７】
この弁体１２の外面側には、液体燃料供給部材となる液体燃料誘導芯３０を挿入する際にスムーズに挿入できるように燃料タンク部１０の内部に向かって凹状のテーパー面１５を形成することが好ましい。
この弁体１２には、図３（ｄ）〜（ｇ）に示すように、アダプター１６が設けられ、該アダプター１６は筒状に形成され、その内周面にストッパー部１６ａ、１６ａが形成された本体部１６ｂと、筒状に形成された固定部材１６ｃとからなり、前記ストッパー部１６ａと固定部材１６ｃとの間で上記構成の弁体１２を挟持してなるものである。
この構造の弁体１２により、使用休止（未使用）時にも空気などの異物の浸入を防止する構造となっている。これは、空気などの浸入により燃料タンク部１０内の圧力増加などによる燃料漏れ、噴出しなどの事故を防止するためである。
【００１８】
これらの弁体１２としては、液体燃料の漏洩をより効果的に防止する点から、上記構造等で、液体燃料に対して気体透過性の低い材質からなり、かつ、ＪＩＳ  Ｋ  ６２６２−１９９７で規定される圧縮永久歪み率が２０％以下の材質から構成されるものが好ましい。
これらの弁体１２の材質としては、吸蔵される液体燃料に対して保存安定性、耐久性、ガス不透過性、中継芯に密着できる弾性を有し、上記特性を有するものであれば、特に限定されず、ポリビニルアルコール、エチレン・ビニルアルコール共重合樹脂、ポリアクリルニトリル、ナイロン、セロハン、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリスチレン、ポリ塩化ビニリデン、ポリ塩化ビニルなどの合成樹脂、天然ゴム、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、アクリロニトリルブタジエンゴム、１，２−ポリブタジエンゴム、スチレン−ブタジエンゴム、クロロプレンゴム、二トリルゴム、ブチルゴム、エチレン−プロピレンゴム、クロロスルホン化ポリエチレンゴム、アクリルゴム、エピクロルヒドリンゴム、多硫化ゴム、シリコーンゴム、フッ素ゴム、ウレタンゴムなどのゴム、熱可塑性エラストマーが挙げられ、通常の射出成形や加硫成形などによって製造することができる。
【００１９】
このように構成される弁体１２は、図４に示すように、燃料電池本体Ｎに設置された液体燃料供給部材となる液体燃料誘導芯３０を挿入することで、液体燃料カートリッジ体１０の燃料吸蔵体１１と液体燃料誘導芯３０とを連通させ、液体燃料カートリッジ体１０内部の液体燃料を外部へ供給されると共に、図５（ａ）に示すように液体燃料誘導芯３０側面の鉛直方向に形成された空気置換孔となる溝（凹部３０ａ）によって、例えば、図３（ｂ）に示すように、液体燃料誘導芯３０と弁体１２との隙間に、空気置換できる空気置換孔１０αが形成されるものであり、この記空気置換孔は、前記液体燃料に対し毛管力を有しないものである。
この空気置換孔となる溝（凹部）３０ａは、好ましくは、溝の幅及び深さが０．１ｍｍ以上、２ｍｍ以下であることが望ましく、更に好ましくは、幅及び高さが０．２ｍｍ以上、１ｍｍ以下であることが望ましい。
この溝の幅及び深さが０．１ｍｍ未満であると、溝自体に毛管力が発生するため、空気置換に必要な燃料タンク部内部の負圧（圧力損失）が大きくなり、空気置換することが難しくなり、一方、溝の幅及び深さが２ｍｍを超えると、液体燃料誘導芯の断面積が少なくなり、供給できる燃料の速度が低下することとなる。
【００２０】
また、空気置換孔１０αは、上述の如く、液体燃料誘導芯３０と弁体１２との隙間に形成されるものであり、液体燃料誘導芯３０に形成された溝（凹部）３０ａにより、連通部１３のスリットが液体燃料誘導芯３０に挿入される部分以外の、液体燃料誘導芯３０に隣接した部分に、外気との開孔連通部として効果を発揮するものである。該スリット弁は、上記の構成のとおりであるので、開孔連通がされることなく燃料カートリッジへの異物の浸入が防止できる。この凹部（溝）３０ａの形状は、特に限定されず、図５（ａ）の他、図６（ａ）に示す、三角形状の溝（凹部）であってもよいものである。
ところで、溝（凹部）３０ａが連通部１３のスリット方向に潰されてしまい、十分な大きさの空気置換孔１０αが形成されない場合もあるので、図６（ｂ）又は（ｃ）に示すように、対面する角度（１８０°）以外の角度（例えば、６０°、９０°１２０°など）に溝（凹部）３０ａを複数設けても良いものである。
【００２１】
また、図６（ｄ）に示すように、液体燃料誘導芯３０側面に鉛直方向に突出部となる空気置換孔となる突出部となる凸部３０ｂを設けることによって、通常、より広く開口された部分の隙間に空気置換できる空気置換孔（図示せず）によっても同様の効果が発揮される。更に、複数の突出部（凸部）を設けることにより、弁体１２のスリットの方向に関らず、一定の開孔連通部が確保できるという利点がある。
この空気置換孔となる突出部（凸部）３０ｂは、好ましくは、その幅及び高さが０．１ｍｍ以上、２ｍｍ以下であることが望ましく、更に好ましくは、幅及び高さが０．２ｍｍ以上、１ｍｍ以下であることが望ましい。
この溝の幅及び高さが０．１ｍｍ未満であると、十分な空気置換を発揮できず、空気置換に必要な燃料タンク部内部の負圧（圧力損失）が大きくなり、空気置換することが難しくなり、一方、溝の幅及び高さが２ｍｍを超えると、スリット弁に挿入しずらくなることとなる。
なお、上記空気置換孔となる溝（凹部）３０ａ又は突出部（凸部）３０ｂの長さは、少なくとも液体燃料誘導芯３０と弁体１２との隙間に、空気置換できる空気置換孔１０αが形成される長さであればよいものである。
【００２２】
本発明の液体燃料供給システムに用いる液体燃料としては、例えば、メタノールと水とからなるメタノール液が挙げられるが、後述する燃料電極体において燃料として供給された化合物から効率良く水素イオン（Ｈ＋）と電子（ｅ−）が得られるものであれば、液体燃料は特に限定されず、燃料供給体の構造などにもよるが、例えば、ジメチルエーテル（ＤＭＥ）、エタノール液、ギ酸、ヒドラジン、アンモニア液、エチレングリコール、水素化ホウ素ナトリウム水溶液、ショ糖水溶液などの液体燃料も用いることができる。
また、これらの液体燃料の濃度は、燃料電池の構造、特性等により種々の濃度の液体燃料を用いることができ、例えば、１〜１００％濃度の液体燃料を用いることができる。
【００２３】
このように構成される液体燃料カートリッジ体Ａは、図１、図２及び図４に示すように、燃料電池本体Ｎに設置された上部側の液体燃料誘導芯３０に挿入することで液体燃料が供給可能となり、使用に供されることとなる。
燃料電池本体Ｎは、図１及び図７に示すように、微小炭素多孔体よりなる燃料電極体２１の外表部に電解質層２３を構築し、該電解質層２３の外表部に空気電極層２４を構築することで形成される単位セル（燃料電池セル、発電セル部）２０、２０と、液体燃料カートリッジ体Ａに接続される浸透構造を有する燃料供給体となる液体燃料誘導芯３０と、該液体燃料誘導芯３０の終端に設けられる使用済み燃料貯蔵槽４０とを備え、上記各単位セル２０、２０は直列に連結されて液体燃料誘導芯３０により燃料が順次供給される構造となっており、前記液体燃料カートリッジ体Ａは、交換可能なカートリッジ構造体となっており、燃料電池本体Ｎの支持体Ｎ１の収容部に挿入される構造となっている。
【００２４】
発電セル部となる各燃料電池セル２０は、図７（ａ）及び（ｂ）に示すように、微小柱状の炭素多孔体よりなる燃料電極体２１を有すると共に、その中央部に燃料供給体３０を貫通する貫通部２２を有し、上記燃料電極体２１の外表部に電解質層２３が構築され、該電解質層２３の外表部に空気電極層２４が構築される構造からなっている。なお、各燃料電池セル２０の一つ当たり、理論上約１．２Ｖの起電力を生じる。
【００２５】
この燃料電極体２１を構成する微小柱状の炭素多孔体としては、微小な連通孔を有する多孔質構造体であれば良く、例えば、三次元網目構造若しくは点焼結構造よりなり、アモルファス炭素と炭素粉末とで構成される炭素複合成形体、等方性高密度炭素成形体、炭素繊維抄紙成形体、活性炭素成形体などが挙げられ、好ましくは、燃料電池の燃料極における反応制御が容易かつ反応効率の更なる向上の点で、アモルファス炭素と炭素粉末とからなる微細な連通孔を有する炭素複合成形体が望ましい。
【００２６】
この多孔質構造からなる炭素複合体の作成に用いる炭素粉末としては、更なる反応効率の向上の点から、高配向性熱分解黒鉛（ＨＯＰＧ）、キッシュ黒鉛、天然黒鉛、人造黒鉛、カーボンナノチューブ、フラーレンより選ばれる少なくとも一種（単独または２種以上の組合せ）が好ましい。
また、この燃料電極体２１の外表部には、白金−ルテニウム（Ｐｔ−Ｒｕ）触媒、イリジウム−ルテニウム（Ｉｒ−Ｒｕ）触媒、白金−スズ（Ｐｔ−Ｓｎ）触媒などが当該金属イオンや金属錯体などの金属微粒子前駆体を含んだ溶液を含浸や浸漬処理後還元処理する方法や金属微粒子の電析法などにより形成されている。
【００２７】
電解質層２３としては、プロトン伝導性又は水酸化物イオン伝導性を有するイオン交換膜、例えば、ナフィオン（Nafion、Du pont社製）を初めとするフッ素系イオン交換膜が挙げられる他、耐熱性、メタノールクロスオーバーの抑制が良好なもの、例えば、無機化合物をプロトン伝導材料とし、ポリマーを膜材料としたコンポジット（複合）膜、具体的には、無機化合物としてゼオライトを用い、ポリマーとしてスチレン−ブタジエン系ラバーからなる複合膜、炭化水素系グラフト膜などが挙げられる。
また、空気電極層２４としては、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）等を上述の金属微粒子前駆体を含んだ溶液等を用いた方法で担持させた多孔質構造からなる炭素多孔質体が挙げられる。
【００２８】
前記液体燃料誘導芯３０は、燃料吸蔵体１１に吸蔵させる液体燃料を各単位セル２０に供給できる浸透構造を有するものであり、この液体燃料誘導芯３０の毛管力は、多孔質体及び／又は繊維束体からなるもので付与され、例えば、フェルト、スポンジ、または、樹脂粒子焼結体、樹脂繊維焼結体などの焼結体等から構成される毛管力を有する多孔質体や、天然繊維、獣毛繊維、ポリアセタール樹脂、アクリル系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリウレタン系樹脂、ポリオレフィン系樹脂、ポリビニル系樹脂、ポリカーボネート系樹脂、ポリエーテル系樹脂、ポリフェニレン系樹脂などの１種又は２種以上の組み合わせから成る繊維束体から成るものが挙げられる。これらの多孔体、繊維束体の気孔率等は各単位セル２０への供給量に応じて適宜設定されるものである。
【００２９】
また、液体燃料誘導芯３０は、必要に応じて、強度を高めるための処理を施すことができる。例えば、図８（ａ）及び（ｂ）に示すように、上記焼結体及び／又は繊維束体から構成される液体燃料誘導芯３０を、金属、ガラス、プラスティック３０ｃ等で一部を被覆し、強度を向上させることができる。また、図９（ａ）及び（ｂ）に示すように、棒状に成形された金属、ガラス、プラスティック３０ｄ等の周りを焼結体及び／又は繊維束体にて覆うことにより強度の高い液体燃料誘導芯３０を得ることができる。更に、上記実施形態においては、液体燃料誘導芯３０の側面に空気置換孔となる溝（凹部）３０ａ〔又は突出部（凸部）〕を設ける構造となっている。
【００３０】
使用済み燃料電池槽４０は、燃料供給体となる液体燃料誘導芯３０の終端に配置されるものである。この時、使用済み燃料貯蔵槽４０を液体燃料誘導芯３０の終端に直接接触させて使用済み燃料を直接吸蔵体等により吸蔵させても問題ないが、液体燃料誘導芯３０と接触する接続部に中綿や多孔体、または繊維束体などを中継芯として設け、使用済み燃料排出路としてもよい。
また、液体燃料誘導芯３０により供給される液体燃料は、燃料電池セル２０で反応に供されるものであり、燃料供給量は、燃料消費量に連動しているため、未反応で電池の外に排出される液体燃料は殆どなく、従来の液体燃料電池のように、燃料出口側の処理系を必要としないが、運転状況により供給過剰に至った際には、反応に使用されない液体燃料が貯蔵槽４０に蓄えられ阻害反応を防ぐことができる構造となっている。
なお、５０は、液体燃料カートリッジ体Ａと使用済み燃料貯蔵槽４０を連結すると共に、燃料タンク部１０から各単位セル２０、２０の個々に中継芯３０を介して直接液体燃料を確実に供給するメッシュ構造などからなる部材である。
【００３１】
このように構成される本実施形態では、液体燃料を貯留するために毛管力が付与された燃料吸蔵体１１を内包し、かつ、壁面に液体燃料誘導芯３０を挿入することができると共に、液体燃料供給時に開放され空気置換できる弁体１２を有する液体燃料カートリッジ体Ａを、燃料電池本体Ｎに設置された液体燃料誘導芯３０を挿入することで、燃料の供給開始と同時に、液体燃料誘導芯３０と弁体１２との隙間に、空気置換できる空気置換孔１０αが形成されるものであり、液体燃料は燃料吸蔵体１１から弁体１２に挿入された液体燃料誘導芯３０に供給され、浸透構造により、液体燃料を燃料供給セル２０、２０内に円滑に供給されるものとなっている。
本実施形態では、燃料電池本体Ｎに設置された液体燃料誘導芯３０を介して、発電セル部２０の燃料極まで断続的に毛管力が付与され、液体燃料が供給されるものとなっているので、液体燃料の供給が更に円滑に行われるものとなっている。
また、空気置換孔は、前記液体燃料誘導芯を挿入することによって形成されるものであり、前記液体燃料を外部へ供給させる連通部とは、隔離された前記液体燃料カートリッジ体の弁体内で、前記燃料誘導芯の挿入と同時に形成されるものであるので、未使用時や、液体燃料の供給を一時中断し、カートリッジ体を取り外したときでも、液体燃料は暴露せず液体燃料の揮発を防止することができる構造となっている。
【００３２】
上記実施形態において、好ましくは、毛管力の大きさを燃料吸蔵体１１の毛管力＞発電セル部から燃料吸蔵体１１端面までの距離Ｌとすることにより、液体燃料の供給を更に円滑に行うことができるものとなる。
また、毛管力の大きさを、（発電セル部２０の毛管力）−（発電セル２０から燃料吸蔵体１１端面までの距離Ｌ）＞（燃料吸蔵体１１の毛管力）とすることにより、液体燃料カートリッジ体Ａが燃料電池本体Ｎに備える発電セル部２０よりも下に位置した状態でも、継続して燃料吸蔵体１１から弁体１２に挿入された液体燃料誘導芯３０に供給され、浸透構造により、液体燃料を燃料電池セル２０、２０内に導入されて円滑に液体燃料の供給が行われることとなる。
【００３３】
従来の燃料電池における液体燃料供給システムでは、燃料電池用の液体燃料を安定に貯留しておくためには、加熱時や減圧環境下での液体燃料の吹き出し防止に留意する必要（課題）があり、また、液体燃料をカートリッジの向きによらず燃料を供給できることが望ましく、更に、燃料供給を一時中断し、カートリッジを取り外すとき、液体燃料が暴露しないようにする必要があった。また、液体燃料カートリッジ体の弁体以外に別途空気置換孔を設ける必要があった。
これらの課題、要望等に対して、本発明では、液体燃料を貯留するために毛管力が付与された燃料吸蔵体１１を内包し、かつ燃料タンク部１０の壁面に上記燃料吸蔵体１１よりも大きな毛管力を有し、空気置換孔となる凹部３０ａが設けられた液体燃料誘導芯３０を挿入することができ、挿入と同時に空気置換孔１０αが形成され、本実施形態では、液体燃料カートリッジ体１０内部を開放し、液体燃料カートリッジ体１０内部に空気置換部が形成される燃料カートリッジＡと、上記液体燃料誘導芯３０が設置された燃料電池本体Ｎによる燃料供給システムにより、上記課題、要望等を解決することができるものとなる。
【００３４】
すなわち、空気置換孔１０αを有する吸蔵体１１（中綿）方式とすることで、燃料供給中に温度、圧力変化が起こっても、燃料の異常な吹き出しを防止できるものとなる。また、未使用時は、スリット弁からなる弁体１２によりカートリッジ体Ａ内部を密閉できるため、加熱により内圧上昇に耐えられるだけの、スリット弁となっている。これまでの実験結果から、上記構造のスリット弁１２で十分目的は達成できるものとなっている。
また、燃料タンク部１０がコレクター方式やバルブ方式では、上下逆向きの時、燃料を供給できないが、本発明の燃料吸蔵体（中綿）１１の方式となるものであれば、毛管力さえ十分であれば、どのような向きでも液体燃料を供給できる構造となっている。
更に、筆記具の様に、中綿と中継芯（ペン芯）を連結させた状態で保存する燃料カートリッジでは、燃料カートリッジ体を燃料電池本体から外すと、中継芯部分の燃料が暴露される。液体燃料の揮発を防止するためには、キャップ等を設ける必要があるが、本発明では、燃料吸蔵体１１を内蔵したカートリッジ体Ａに、燃料電池本体Ｎに設置された液体燃料誘導芯３０に挿入される構造とすることで、カートリッジ体Ａからの液体燃料の暴露及びカートリッジ体Ａからの液体燃料の揮発を防止できる構造となっている。
【００３５】
上記実施形態では、弁体１２は、液体燃料誘導芯３０を挿入することで燃料タンク部１０と内部とを連通させ、燃料タンク部１０内部の吸蔵体１１の液体燃料を外部へ供給させる連通部１３が形成されると共に、外周部に突出部１４が形成され、弁体１２が燃料タンク部１０の貫通孔１０ａに収納された際に、前記突出部１４により弁体１２が径方向に圧縮されることで、連通部１３に圧縮力が作用するようにしたので、連通部１３からの液体燃料の漏洩をより効果的に防止することができ、また、燃料タンク部１０には、アダプター１６を設け、弁体１２をアダプター１２のストッパー部１２ａと固定部材１６ｃとの間で挟持してなる構造としたので、組み立てが容易であり、弁体１２を燃料タンク部１０の壁面に収容されるので、安定的に固定することができる。
従って、本発明では、液体燃料誘導芯近傍かつ前記弁体内に、空気置換孔が設けられるので、液体燃料カートリッジ体の弁体以外に別途空気置換孔を設けることなく、加熱時や減圧環境下での液体燃料の吹き出しを防止でき、液体燃料カートリッジ体の向きによらず液体燃料を安定に供給できると共に、液体燃料カートリッジ体の装着と同時に空気置換孔が開放されるため、未使用時や、液体燃料の供給を一時中断し、カートリッジ体を取り外したときでも、液体燃料は暴露せず液体燃料の揮発を防止することができる燃料電池における液体燃料供給システムが得られるものとなる。
【００３６】
上記実施形態では、少なくとも、燃料電極体２１及び／又は燃料電極体２１に接する液体燃料誘導芯３０に毛管力が存在し、この毛管力により、燃料タンク部１０から各単位セル２０、２０の個々に直接液体燃料が逆流や途絶を起こすことなく、安定的かつ継続的に燃料を供給することができるものとなっている。より好ましくは、燃料電極体２１及び／又は燃料電極体２１に接する液体燃料誘導芯３０の毛管力＜使用済み燃料貯蔵槽４０の毛管力と設定することにより、燃料タンク部１０、各単位セル２０、２０から使用済み燃料貯蔵槽４０までの夫々に直接液体燃料が逆流や途絶を起こすことなく、安定的かつ継続的に燃料の流れを作ることができるものとなる。
更に、この燃料電池では、ポンプやブロワ、燃料気化器、凝縮器等の補器を特に用いることなく、液体燃料を気化せずそのまま円滑に供給することができる構造となるため、燃料電池の小型化を図ることが可能となる。
従って、この形態の燃料電池では、燃料電池全体のカートリッジ化が可能となり、携帯電話やノート型パソコンなどの携帯用電子機器の電源として用いられることができる小型の燃料電池が提供されることとなる。
なお、上記形態では、燃料電池セル２０を二つ使用した形態を示したが、燃料電池の使用用途により燃料電池セル２０の連結（直列又は並列）する数を増加させて所要の起電力等とすることができる。
【００３７】
本発明の燃料電池における液体燃料供給システムは、上記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術思想の範囲内で種々変更することができるものである。
例えば、燃料電池セル２０は円柱状のものを用いたが、角柱状、板状の他の形状のものであってもよく、また、燃料供給体３０との接続は直列接続のほか、並列接続であってもよい。
また、上記実施形態では、図３（ａ）〜（ｇ）に示す逆止弁（スリット弁）となる弁体１２を用いたが、気圧、温度変化等により燃料タンク部１０内に燃料貯蔵体１１に吸蔵される液体燃料に液体燃料誘導芯３０周辺より浸入する空気などの異物を防ぐものであり、液体燃料誘導芯３０が挿入されて液体燃料を液体燃料誘導芯３０に供給できると共に、空気置換孔が形成される構造となるものであれば、特に限定されるものではない。
更に、上記実施形態では、直接メタノール型の燃料電池として説明したが、本発明は上記直接メタノール型の燃料電池に限定されるものではなく、改質型を含む高分子改質膜型の燃料電池にも好適に適用することができるものである。
更にまた、燃料電池本体として、微小炭素多孔体よりなる燃料電極体の外表部に電解質層を構築し、該電解質層の外表部に空気電極層を構築することで燃料電池本体を構成したが、燃料電池本体の構造は特に限定されず、例えば、電気導電性を有する炭素質多孔体を基材とし、該基材の表面に電極／電解質／電極の各層を形成した単位セル又は該単位セルを２以上連結した連結体を備え、上記基材に燃料供給体を介して液体燃料を浸透させる構成とすると共に、基材の外表面に形成される電極面を空気に曝す構造からなる燃料電池本体としてもよいものである。
【実施例】
【００３８】
次に、本発明を実施例により、更に詳述するが、本発明は下記実施例に限定されるものではない。
【００３９】
〔実施例１及び２：溝形状が異なる液体燃料誘導芯を使用〕
下記に示す構成の液体燃料カートリッジ体を作製し、燃料貯蔵体に液体燃料（７０ｗｔ％メタノール液、比重０．８７）６ｇを吸蔵した。
（燃料タンク部の構成）
タンク：長さ９０ｍｍ、外径１８ｍｍ、内径１６ｍｍ、
ポリプロピレン製、貫通孔１０ａ：直径４ｍｍ
（燃料吸蔵体の構成）
燃料吸蔵体：ポリエステル繊維束製、気孔率９０％、長さ７０ｍｍ、外径１５ｍｍ
（液体燃料誘導芯の構成）
液体燃料誘導芯：実施例１及び２共に、ポリエステル繊維束製、気孔率５０％、長さ８０ｍｍ、外径１ｍｍ、
実施例１：溝（凹部）の形状：図５に準拠、溝の幅０．２ｍｍ、深さ０．２５ｍｍ及び長さ２０ｍｍ、液体燃料誘導芯の毛管力＞燃料吸蔵体の毛管力に設定
実施例２：溝（凹部）の形状：図６（ａ）に準拠、溝の幅０．２ｍｍ、深さ０．２５ｍｍ及び長さ２０ｍｍ、液体燃料誘導芯の毛管力＞燃料吸蔵体の毛管力に設定
【００４０】
液体燃料誘導芯挿入用スリット弁（図３に準拠）：
長さ２ｍｍ、外形３ｍｍ、内径１ｍｍ、ブチルゴム製、スリット長さ１ｍｍ、このブチルゴム製スリット弁は、７０ｗｔ％メタノール液の液体燃料に対して気体透過性０．１ｍｇ／ｄａｙ／ａｔｍ・５０℃  ３０％ＲＨからなり、ＪＩＳ  Ｋ  ６２６２−１９９７で規定される圧縮永久歪み率は１０％であった。
【００４１】
上記構成の弁体を備えた液体燃料カートリッジ体の弁体を介して、燃料供給部材となる液体燃料誘導芯を燃料吸蔵体に４０ｍｍ挿入した。
この液体燃料カートリッジ体の排出性を評価したところ、実施例１では、燃料吸蔵体１１に吸蔵した液体燃料５．４ｇを排出でき、実施例２では、燃料吸蔵体１１に吸蔵した液体燃料５．３ｇを排出できることが判った。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の第１実施形態の燃料電池における液体燃料供給システムを示すものであり、液体燃料カートリッジ体を燃料電池本体に接続して燃料電池として使用した状態の一例を示す概略図である。
【図２】（ａ）〜（ｃ）は、液体燃料カートリッジ体と燃料電池本体との連結部をより詳細に示した図面であり、（ａ）はその部分分解概略図、（ｂ）は液体燃料カートリッジ体の側面図、（ｃ）は液体燃料カートリッジ体の底面図である。
【図３】（ａ）〜（ｃ）はスリット弁からなる弁体構造の斜視図、平面図及び縦断面図、（ｄ）及び（ｅ）は弁アダプターの平面図と縦断面図、（ｆ）及び（ｇ）は弁アダプターを取り付けた弁体の平面図と縦断面図である。
【図４】図２（ａ）における液体燃料カートリッジ体と燃料電池本体とが連結した状態の概略図である。
【図５】（ａ）は図２（ａ）のＡ−Ａ線断面図、（ｂ）は液体燃料誘導芯を弁体に挿入した状態を示す横断面図である。
【図６】（ａ）〜（ｄ）は、夫々液体燃料誘導芯の他例を示す横断面図である。
【図７】（ａ）及び（ｂ）は燃料電池セルを説明する斜視図、縦断面図である。
【図８】（ａ）は、液体燃料カートリッジ体と燃料電池本体とが連結した状態の他例を示す概略図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ線断面図である。
【図９】（ａ）は、液体燃料カートリッジ体と燃料電池本体とが連結した状態の他例を示す概略図、（ｂ）は（ａ）のＹ−Ｙ線断面図である。
【符号の説明】
【００４３】
Ｓ    燃料電池における液体燃料供給システム
Ａ    液体燃料カートリッジ体
Ｎ    燃料電池本体
１０    燃料タンク部
１０α  空気置換孔
１１    燃料吸蔵体
１２    弁体（スリット弁）
３０    液体燃料誘導芯
３０ａ  溝（凹部）
【図１】
2007294182.tif 000003
【図２】
2007294182.tif 000004
【図３】
2007294182.tif 000005
【図４】
2007294182.tif 000006
【図５】
2007294182.tif 000007
【図６】
2007294182.tif 000008
【図７】
2007294182.tif 000009
【図８】
2007294182.tif 000010
【図９】
2007294182.tif 000011