(57)【要約】【課題】燃料電池に液体燃料を供給する燃料カートリッジにおいて、ノズル部先端への液体燃料の残留を抑制して安全性や信頼性を高める。【解決手段】燃料電池用燃料カートリッジ５は、燃料電池用の液体燃料を収容するカートリッジ本体８と、液体燃料を燃料電池本体４に供給するノズル部９とを具備する。ノズル部９は、カートリッジ本体８に装着されたノズルヘッド１２と、このノズルヘッド１２内に配置されたバルブ１６等を備えている。ノズル部９内の液体燃料流路は、バルブ１６本来の機能に基づく主シール部とバルブステム１６ｂや挿入部１４の内壁面１４ａ等を組合せて構成した副シール部とに基づいて複数箇所でシールされる。【選択図】図２
2007311032.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池用の液体燃料を収容するカートリッジ本体と、前記カートリッジ本体に装着されたノズルヘッドおよび前記ノズルヘッド内に配置されたバルブ機構を有するノズル部とを具備する燃料電池用燃料カートリッジにおいて、
前記ノズル部内の前記液体燃料の流路は複数箇所でシールされることを特徴とする燃料電池用燃料カートリッジ。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池用燃料カートリッジにおいて、
前記バルブ機構は、バルブヘッドとバルブステムとを有するバルブと、前記バルブヘッドを前記ノズルヘッド内に設けられたバルブシートに押し付ける弾性部材とで構成された主シール部と、前記バルブステムと前記ノズルヘッドの内壁面とで構成された副シール部とを備えることを特徴とする燃料電池用燃料カートリッジ。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池用燃料カートリッジにおいて、
前記副シール部は、前記ノズルヘッドの先端に向けて縮径されたテーパ状の前記内壁面と、前記バルブステムの外周面に周方向に沿って設けられ、前記テーパ状内壁面と当接して前記液体燃料流路をシールするリング状突起部とで構成されていることを特徴とする燃料電池用燃料カートリッジ。
【請求項４】
請求項３記載の燃料電池用燃料カートリッジにおいて、
前記リング状突起部は前記バルブステムの少なくとも先端部に設けられていることを特徴とする燃料電池用燃料カートリッジ。
【請求項５】
請求項３または請求項４記載の燃料電池用燃料カートリッジにおいて、
前記バルブステムは複数の前記リング状突起部を有することを特徴とする燃料電池用燃料カートリッジ。
【請求項６】
請求項２記載の燃料電池用燃料カートリッジにおいて、
前記副シール部は、前記ノズルヘッドの先端に向けて縮径されたテーパ状の前記内壁面と、前記バルブステムの外周面に周方向に沿って配置され、前記テーパ状内壁面と当接して前記液体燃料流路をシールするリング状弾性部材とで構成されていることを特徴とする燃料電池用燃料カートリッジ。
【請求項７】
請求項３ないし請求項６のいずれか１項記載の燃料電池用燃料カートリッジにおいて、
前記ノズルヘッドの前記テーパ状内壁面に沿って弾性部材が配置されていることを特徴とする燃料電池用燃料カートリッジ。
【請求項８】
請求項２記載の燃料電池用燃料カートリッジにおいて、
前記副シール部は、前記ノズルヘッドの先端に向けて縮径されたテーパ状の前記内壁面と、前記テーパ状内壁面に沿って配置された弾性部材と、前記弾性部材と当接して前記液体燃料流路をシールする前記バルブステムの先端部とで構成されていることを特徴とする燃料電池用燃料カートリッジ。
【請求項９】
請求項２記載の燃料電池用燃料カートリッジにおいて、
前記副シール部は、前記ノズルヘッドの先端に向けて縮径されたテーパ状の前記内壁面と、前記バルブステムの先端に向けて縮径され、前記ノズルヘッドのテーパ状内壁面と当接して前記液体燃料流路をシールするテーパ状外周面とで構成されていることを特徴とする燃料電池用燃料カートリッジ。
【請求項１０】
請求項１ないし請求項９のいずれか１項記載の燃料電池用燃料カートリッジと、
前記燃料カートリッジのノズル部と着脱可能に接続されるソケット部を有する燃料収容部と、前記燃料収容部から前記液体燃料が供給されて発電動作する起電部とを備える燃料電池本体と
を具備することを特徴とする燃料電池。
【請求項１１】
請求項１０記載の燃料電池において、
前記起電部は、燃料極と、酸化剤極と、前記燃料極と前記酸化剤極とに挟持された電解質膜とを備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項１２】
請求項１１記載の燃料電池において、
さらに、前記燃料収容部と前記起電部との間に介在され、前記液体燃料の気化成分を前記燃料極に供給する気体選択透過膜を具備す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燃料カートリッジとそれを用いた燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ノートパソコンや携帯電話等の各種携帯用電子機器を長時間充電なしで使用可能とするために、これら携帯用電子機器の電源に燃料電池を用いる試みがなされている。燃料電池は燃料と空気を供給するだけで発電することができ、燃料のみを補給すれば連続して長時間発電することができるという特徴を有している。このため、燃料電池を小型化できれば、携帯用電子機器の電源として極めて有利なシステムといえる。
【０００３】
特に、エネルギー密度の高いメタノール燃料を用いた直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ：direct methanol fuel cell）は小型化が可能であり、さらに燃料の取り扱いも容易であるため、携帯機器用の電源として有望視されている。ＤＭＦＣにおける液体燃料の供給方式としては、気体供給型や液体供給型等のアクティブ方式、また燃料収容部内の液体燃料を電池内部で気化させて燃料極に供給する内部気化型等のパッシブ方式が知られている。これらのうち、パッシブ方式はＤＭＦＣの小型化に対して有利である。
【０００４】
内部気化型等のパッシブ型ＤＭＦＣにおいては、燃料収容部内の液体燃料を例えば燃料含浸層や燃料気化層等を介して気化させ、この液体燃料の気化成分を燃料極に供給している（例えば特許文献１〜２参照）。また、燃料収容部に対しては燃料カートリッジを用いて液体燃料を供給する。サテライトタイプ（外部注入式）の燃料カートリッジにおいては、それぞれバルブ機構を内蔵するノズル部とソケット部とで構成されたカップラを用いて、液体燃料の遮断並びに注入を行うことが試みられている（例えば特許文献３参照）。
【０００５】
サテライトタイプ（外部注入式）の燃料カートリッジからＤＭＦＣの燃料収容部内に液体燃料を供給（注入）するにあたっては、安全性等の観点から液体燃料の漏洩を防止することが重要となる。燃料カートリッジとＤＭＦＣの燃料収容部は、上述したようなバルブ機構を内蔵するカップラ（ノズル部とソケット部）で液体燃料を遮断することが可能とされている。また、燃料カートリッジと燃料収容部との接続時に関しては、ノズル部とソケット部の接続部をシールする機構が適用されており、液体燃料の漏れを防止している。
【特許文献１】特許第3413111号公報
【特許文献２】特開2004-171844号公報
【特許文献３】特開2004-127824号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述したように、燃料カートリッジや燃料収容部の各部に対しては液体燃料の漏洩を防止する機構が適用されているものの、液体燃料を供給した後の燃料カートリッジを燃料収容部から抜いた際に、燃料カートリッジのノズル部先端にメタノール燃料等が液体の状態で付着する場合がある。このような僅かな液体燃料であっても、安全性等を高める上でノズル部先端に残留しないようにすることが求められている。
【０００７】
本発明はこのような課題に対処するためになされたもので、ノズル部先端における液体燃料の残留を抑制することによって、安全性や信頼性を高めた燃料電池用燃料カートリッジとそのような燃料カートリッジを用いた燃料電池を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様に係る燃料電池用燃料カートリッジは、燃料電池用の液体燃料を収容するカートリッジ本体と、前記カートリッジ本体に装着されたノズルヘッドおよび前記ノズルヘッド内に配置されたバルブ機構を有するノズル部とを具備する燃料電池用燃料カートリッジにおいて、前記ノズル部内の前記液体燃料の流路は複数箇所でシールされることを特徴としている。
【０００９】
本発明の他の態様に係る燃料電池は、上記した本発明の態様に係る燃料カートリッジと、前記燃料カートリッジのノズル部と着脱可能に接続されるソケット部を有する燃料収容部と、前記燃料収容部から前記液体燃料が供給されて発電動作する起電部とを備える燃料電池本体とを具備することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の態様に係る燃料電池用燃料カートリッジは、ノズル部内の液体燃料流路を複数箇所でシールしているため、燃料カートリッジの引抜き後におけるノズル部先端への液体燃料の残留を抑制することができる。このような燃料電池用燃料カートリッジおよびそれを用いた燃料電池によれば、安全性や信頼性を高めることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。なお、以下では本発明の実施形態を図面に基づいて説明するが、それらの図面は図解のために提供されるものであり、本発明はそれらの図面に限定されるものではない。
【００１２】
図１は本発明の第１の実施形態による燃料電池の構成を示す図である。図１に示す燃料電池１は、起電部となる燃料電池セル２と燃料収容部３とから主として構成される燃料電池本体４と、燃料収容部３に液体燃料を供給するサテライトタイプ（外部注入式）の燃料カートリッジ５とを具備している。燃料収容部３の下面側には、液体燃料の供給口となるソケット部６を有する燃料供給部７が設けられている。ソケット部６は後に詳述するようにバルブ機構を内蔵しており、液体燃料が供給されるとき以外は閉状態とされている。
【００１３】
一方、燃料カートリッジ５は、燃料電池用の液体燃料を収容するカートリッジ本体（容器）８を有している。カートリッジ本体８の先端には、その内部に収容された液体燃料を燃料電池本体４に供給する際の燃料吐出口となるノズル部９が設けられている。ノズル部９は後に詳述するようにバルブ機構を内蔵しており、液体燃料を供給するとき以外は閉状態とされている。このような燃料カートリッジ５は、例えば燃料収容部３に液体燃料を注入するときのみ燃料電池本体４に接続されるものである。
【００１４】
燃料カートリッジ５のカートリッジ本体８には、燃料電池本体４に応じた液体燃料、例えば直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）であれば各種濃度のメタノール水溶液や純メタノール等のメタノール燃料が収容されている。なお、カートリッジ本体８に収容する液体燃料は必ずしもメタノール燃料に限られるものではなく、例えばエタノール水溶液や純エタノール等のエタノール燃料、ジメチルエーテル、ギ酸、その他の液体燃料であってもよい。いずれにしても、燃料電池本体４に応じた液体燃料が収容される。
【００１５】
上述した燃料電池本体４の燃料収容部３に設けられたソケット部６と燃料カートリッジ５のカートリッジ本体８に設けられたノズル部９とは、一対の接続機構（カップラ）を構成するものである。ソケット部６とノズル部９とで構成されたカップラの具体的な構成について、図２および図３を参照して説明する。図２は燃料カートリッジ５のノズル部９と燃料電池本体４のソケット部６とを接続する前の状態、図３はノズル部９とソケット部６とを接続した後の状態を示している。
【００１６】
燃料電池本体４と燃料カートリッジ５とを接続するカップラにおいて、カートリッジ側接続機構としてのノズル部（オス側カップラ）９は、先端側にノズル口１１が開口されたノズルヘッド１２を有している。ノズルヘッド１２は、カートリッジ本体８の先端開口部に装着されるベース部１３と、ソケット部６に挿入される挿入部１４とを有している。円筒状の挿入部１４は、その軸方向がノズル部９の挿入方向と平行となるように、ベース部１３から突出するように形成されている。挿入部１４の内壁面１４ａは後に詳述するように副シール部を構成するものであり、例えば挿入部１４の先端に向けて縮径されたテーパ状とされている。
【００１７】
ノズルヘッド１２のベース部１３の内側には、カップ状のバルブホルダ１５が配置されている。バルブホルダ１５はバルブ室を規定するものであり、その先端側外縁部がカートリッジ本体８とベース部１３とで挟み込まれている。バルブホルダ１５内にはバルブ１６が配置されている。バルブ１６はバルブヘッド１６ａとバルブステム１６ｂとガイドピン１６ｃとを備えている。さらに、バルブホルダ１５の底部には連通孔１５ａ、１５ｂが設けられており、連通孔１５ａ内にはバルブ１６の後方側に設けられたガイドピン１６ｃが挿通されている。カートリッジ本体８内の液体燃料は、連通孔１５ａ、１５ｂを介してノズル部９内に流出する。
【００１８】
バルブヘッド１６ａはバルブホルダ１５で規定されたバルブ室内に配置されている。バルブステム１６ｂは円筒状の挿入部１４内に収容されている。バルブステム１６ｂの先端部には図４に示すように、挿入部１４のテーパ状内壁面１４ａと組合されて副シール部を構成するリング状突起部（リブ）１７が設けられている。すなわち、リング状突起部１７はテーパ状内壁面１４ａと接触して副シール部を構成するように、バルブステム１６ｂの外周面に周方向に沿って設けられている。リング状突起部１７は1箇所に限らず、後述するようにバルブステム１６ｂの外周面の複数箇所に設けてもよい。この場合、リング状突起部１７はバルブステム１６ｂの少なくとも先端部に設けられていることが好ましい。
【００１９】
上述したようなバルブヘッド１６ａとバルブステム１６ｂとを有するバルブ１６は、軸方向（ノズル部９の挿入方向）に進退可能とされている。バルブヘッド１６ａとベース部１３の内側に形成されたバルブシート１８との間にはＯリング１９が配置されている。バルブ１６には圧縮スプリング２０等の弾性部材により先端方向に向けて押圧力が加えられており、これによってＯリング１９はバルブシート１８に押し付けられている。これらバルブヘッド１６ａ、バルブシート１８、Ｏリング１９等によって、ノズル部１２内の液体燃料流路を遮断する主シール部が構成されている。
【００２０】
通常状態（燃料カートリッジ５が燃料電池本体４から切り離された状態）においては、バルブヘッド１６ａに圧縮スプリング２０のバネ力が先端方向への押圧力として加えられており、これによってＯリング１９はバルブシート１８に押し付けられている。従って、バルブヘッド１６ａやバルブシート１８等による主シール部は閉状態とされている。加えて、バルブステム１６ｂにも圧縮スプリング２０による先端方向への押圧力が加えられているため、バルブステム１６ｂの先端に設けられたリング状突起部１７は、挿入部１４のテーパ状内壁面１４ａに押し付けられている。従って、挿入部１４のテーパ状内壁面１４ａとリング状突起部１７とで構成された副シール部も閉状態とされている。
【００２１】
通常状態においては主シール部と副シール部をそれぞれ閉状態とすることによって、ノズル部９内の液体燃料流路は複数箇所でシールされている。一方、後述するように燃料カートリッジ５を燃料電池本体４に接続すると、バルブステム１６ｂが後退して副シール部が開状態とされると同時に、バルブステム１６ｂの後退に伴ってバルブヘッド１６ａがバルブシート１８から離れることで主シール部も開状態とされる。このように、燃料カートリッジ５を燃料電池本体４に接続した際には、主シール部と副シール部をそれぞれ開状態とすることで、ノズル部９内の液体燃料流路が確立される。
【００２２】
副シール部を構成するリング状突起部１７は、図４に示したようにバルブステム１６ｂの先端1箇所に限らず、図５に示すようにバルブステム１６ｂの外周面の複数箇所に設けてもよい。これによって、副シール部によるシール性を高めることができる。リング状突起部１７はバルブステム１６ｂの少なくとも先端部に設けられていることが好ましい。さらに、図６や図７に示すように、リング状突起部１７と接触する挿入部１４のテーパ状内壁面１４ａに沿って、ゴム部材のような弾性部材２１を配置することも有効である。これによって、副シール部によるシール性をより一層高めることができる。
【００２３】
挿入部１４のテーパ状内壁面１４ａに接触して副シール部を構成する部分は、上述したリブのようなリング状突起部１７に限らず、図８に示すようにＯリングのようなリング状弾性部材２２であってもよい。すなわち、図８に示すノズル部９はバルブステム１６ｂの先端にＯリング等のリング状弾性部材２２が装着されており、このリング状弾性部材２２とテーパ状内壁面１４ａとで副シール部が構成されている。リング状弾性部材２２は複数箇所に設けてもよい。また、図９に示すように、挿入部１４のテーパ状内壁面１４ａに沿って配置された弾性部材２１と通常の略円柱状のバルブステム１６ｂの先端部とで副シール部を構成することも可能である。
【００２４】
図４ないし図９に示す副シール部は、基本的にはラインシールを構成するものである。副シール部はこれらに限られるものではなく、図１０に示すように面シール状の副シール部を適用することも可能である。図１０は挿入部１４のテーパ状内壁面１４ａとバルブステム１６ｂのテーパ状外周面１６ａＡとで構成した副シール部を示している。すなわち、バルブステム１６ｂの外周面１６ｂＡは先端に向けて縮径されたテーパ状とされており、このテーパ状外周面１６ｂＡを挿入部１４のテーパ状内壁面１４ａと面接触させることで副シール部が構成されている。
【００２５】
上述したように、副シール部はノズル部１２のノズル口１１から主シール部までの間の液体燃料流路をシールすることが可能であればよい。このような構成を満足するものであれば、各種構成並びに形状等を有する副シール部を適用することができる。さらに、副シール部は1箇所に限らず、複数箇所をシールするものであってもよい。いずれにしても、この実施形態のノズル部９は、バルブ１６の本来の機能に基づく主シール部とバルブ１６の副次的な機能に基づく副シール部とによって、その内部の液体燃料流路を複数箇所で遮断することが可能なように構成されている。
【００２６】
ノズルヘッド１２の挿入部１４は、図１１に示すように、その根元側に設けられたキー部２３を有している。このキー部２３は後述するソケット部６側のキー溝と係合した場合のみにノズル部９とソケット部６との接続を可能にするものであって、燃料カートリッジ５の識別手段として機能するものである。さらに、ノズルヘッド１２の挿入部１４には爪部２４が四箇所設けられている。これら爪部２４はソケット部６側の凹部と係合してノズル部９とソケット部６との接続状態を保持するものである。
【００２７】
一方、燃料電池側接続機構としてのソケット部（メス側カップラ）６は、図２に示すように、ソケット口３１が開口された円筒状のソケット本体３２を有している。ソケット本体３２は本体上部３２ａ、本体中部３２ｂおよび本体下部３２ｃを有しており、これらは一体化されて燃料電池本体４の燃料供給部７内に埋め込まれている。ソケット本体３２の本体中部３２ｂ上には、弾性体ホルダとしてゴムホルダ３３が設置されている。ゴムホルダ３３は形状（ジャバラ形状）と材料特性（ゴム弾性）に基づいて軸方向に弾性が付与されている。ゴムホルダ３３はノズルヘッド１２の挿入部１４との間にシールを形成するシール部材であり、その内側は液体燃料流路とされている。
【００２８】
ソケット本体３２内にはバルブ３４が配置されている。バルブ３４はバルブヘッド３４ａとバルブステム３４ｂとガイドピン３４ｃとを備えている。バルブヘッド３４ａは本体中部３２ｂと本体下部３２ｃとで規定されたバルブ室内に配置されている。バルブステム３４ｂはゴムホルダ３３内に収納されている。このようなバルブ３４は軸方向（ノズル部９の挿入方向）に進退可能とされている。バルブヘッド３４ａと本体中部３２ｂの下面側に形成されたバルブシート３５との間にはＯリング３６が配置されている。
【００２９】
バルブ３４には圧縮スプリング３７等の弾性部材でバルブヘッド３４ａをバルブシート２５に押し付ける力が常時加えられており、これによってＯリング３６は押圧されている。通常状態（燃料電池本体４から燃料カートリッジ５が切り離された状態）においては、バルブヘッド３４ａを介してＯリング３６がバルブシート３５に押し付けられており、これによりソケット部６内の液体燃料流路が閉状態とされている。燃料電池本体４に燃料カートリッジ５を接続すると、バルブステム３４ｂが後退してバルブヘッド３４ａがバルブシート３５から離れることで、ソケット部６内の燃料流路が開状態とされる。
【００３０】
ソケット本体３２の本体下部３２ｃには連通孔３８ａ、３８ｂが設けられており、これら連通孔３８ａ、３８ｂは燃料供給部７の連通孔７ａを介して燃料収容部３に接続されている。なお、バルブ３４の後方側に設けられたガイドピン３４ｃは連通孔３８ａ内に挿通されている。このように、ソケット部６はソケット本体３２内の液体燃料流路が本体下部３２ｃに設けられた連通孔３８ａ、３８ｂを介して燃料収容部３に接続されている。そして、バルブ１６、３４を開状態としてノズル部９およびソケット部６内の液体燃料流路を開くことによって、燃料カートリッジ５に収容された液体燃料をノズル部９およびソケット部６を介して燃料収容部３内に注入することが可能とされている。
【００３１】
さらに、ソケット本体３２には図１２に示すように、ノズル部９のキー部２３と係合するキー溝３９が設けられている。キー部２３とキー溝３９とは一対の形状をなすため、例えば液体燃料に応じて形状を規定することによって、液体燃料の誤注入等を防止することができる。すなわち、キー部２３とキー溝３９の形状をそれぞれ特定の液体燃料に応じた形状とし、これらが係合した場合のみにノズル部９をソケット部６に挿入することが可能にすることによって、燃料電池本体４に対応した液体燃料のみを供給することが可能となる。また、ソケット本体３２はノズル部９の爪部２４と係合する凹部４０を有している。
【００３２】
燃料カートリッジ５に収容された液体燃料を燃料電池本体４の燃料収容部３に供給するにあたっては、燃料カートリッジ５のノズル部９をソケット部６に挿入して接続する。その際、キー部２３とキー溝３９との形状が対応する場合のみに、ノズル部９をソケット部６に挿入することが可能とされている。このようにしてノズル部９をソケット部６に挿入すると、まずノズルヘッド１２の挿入部１４先端とゴムホルダ３３の先端とが接触し、バルブ１６、３４が開状態となる前に液体燃料の流路周辺のシールが確立される。
【００３３】
ノズルヘッド１２の挿入部１４先端とゴムホルダ３３とが接触した状態からノズル部９をソケット部６に差し込むと、ノズル部９のバルブステム１６ｂとソケット部６のバルブステム３４ｂの先端同士が突き当たる。この状態からさらにノズル部９をソケット部６に差し込むと、ソケット部６のバルブ３４が後退して流路を完全に開放した後、ノズル部９のバルブ１６が後退して液体燃料流路が確立される。ノズル部９側の液体燃料流路は、前述したように主シール部と副シール部をそれぞれ開状態とすることで確立される。
【００３４】
また、上述したノズル部９およびソケット部６内の液体燃料流路の確立と同時に、ノズル部９の爪部２４がソケット部６の凹部４０に係合する。これによって、ノズル部９とソケット部６との結合状態が確立される。このように、ノズル部９とソケット部６とを接続すると共に、それらに内蔵されたバルブ機構による液体燃料のシール部をそれぞれ開状態として液体燃料流路を開くことによって、燃料カートリッジ５に収容された液体燃料が燃料電池本体４の燃料収容部３に供給される。
【００３５】
液体燃料の供給終了後には燃料カートリッジ５を燃料収容部３から引抜くことで、ノズル部９とソケット部６との接続を解除する。この際、ノズル部９のバルブ１６の本来の機能に基づく主シール部は、ソケット部６との接続状態が解除されることで閉状態に戻るため、燃料カートリッジ５から液体燃料が漏洩することはない。さらに、主シール部の遮断と同時に、例えばバルブステム１６ｂと挿入部１４の内壁面（例えばテーパ状内壁面）１４ａとで構成した副シール部も遮断される。副シール部は主シール部よりノズル部９の先端側に設けられているため、主シール部とノズル部９の先端との間の流路内に残留した液体燃料も副シール部で遮断することができる。
【００３６】
ノズル部９のバルブ１６の主機能に基づく液体燃料の遮断のみでは、バルブステム１６ｂの表面等に付着した僅かな液体燃料がノズル部９の先端側（挿入部１４の先端）に残留する場合がある。このような僅かな液体燃料であっても、安全性等を高める上で操作者に触れないようにすることが重要となる。バルブステム１６ｂの表面等に付着して残留した液体燃料は副シール部を閉状態とすることで、外部への漏洩を防止することができる。特に、副シール部をバルブステム１６ｂの先端部で構成することによって、ノズル部９の先端側に残留する液体燃料を大幅に削減することができる。従って、燃料カートリッジ５およびそれを用いた燃料電池１の安全性や信頼性を大幅に高めることが可能となる。
【００３７】
次に、上述した実施形態の燃料電池１における燃料電池本体４の具体的な構造について説明する。燃料電池本体４は特に限定されるものではなく、例えばサテライトタイプの燃料カートリッジ５が必要時に接続されるパッシブ型やアクティブ型のＤＭＦＣを適用することができる。ここでは、燃料電池本体４に内部気化型のＤＭＦＣを適用した実施形態について、図１３を参照して説明する。図１３に示す内部気化型（パッシブ型）のＤＭＦＣ４は、起電部を構成する燃料電池セル２と燃料収容部３に加えて、これらの間に介在された気体選択透過膜５１を具備している。
【００３８】
燃料電池セル２は、アノード触媒層５２およびアノードガス拡散層５３からなるアノード（燃料極）と、カソード触媒層５４およびカソードガス拡散層５５からなるカソード（酸化剤極／空気極）と、アノード触媒層５２とカソード触媒層５４とで挟持されたプロトン（水素イオン）伝導性の電解質膜５６とから構成される膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）を有している。アノード触媒層５２およびカソード触媒層５４に含有される触媒としては、例えば、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｏｓ、Ｐｄ等の白金族元素の単体、白金族元素を含有する合金等が挙げられる。
【００３９】
具体的には、アノード触媒層５２にメタノールや一酸化炭素に対して強い耐性を有するＰｔ−ＲｕやＰｔ−Ｍｏ等を、カソード触媒層５４にＰｔやＰｔ−Ｎｉ等を用いることが好ましい。また、炭素材料のような導電性担持体を使用する担持触媒、あるいは無担持触媒を使用してもよい。電解質膜５６を構成するプロトン伝導性材料としては、例えばスルホン酸基を有するパーフルオロスルホン酸重合体のようなフッ素系樹脂（ナフィオン（商品名、デュポン社製）やフレミオン（商品名、旭硝子社製）等）、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂、タングステン酸やリンタングステン酸等の無機物等が挙げられる。ただし、これらに限られるものではない。
【００４０】
アノード触媒層５２に積層されるアノードガス拡散層５３は、アノード触媒層５２に燃料を均一に供給する役割を果たすと同時に、アノード触媒層５２の集電体も兼ねている。一方、カソード触媒層５４に積層されるカソードガス拡散層５５は、カソード触媒層５４に酸化剤を均一に供給する役割を果たすと同時に、カソード触媒層５４の集電体も兼ねている。アノードガス拡散層５３にはアノード導電層５７が積層され、カソードガス拡散層５５にはカソード導電層５８が積層されている。
【００４１】
アノード導電層５７およびカソード導電層５８は、例えば金のような導電性金属材料からなるメッシュや多孔質膜、あるいは薄膜等で構成されている。なお、電解質膜５６とアノード導電層５７との間、および電解質膜５６とカソード導電層５８との間には、ゴム製のＯリング５９、６０が介在されており、これらによって燃料電池セル（膜電極接合体）２からの燃料漏れや酸化剤漏れを防止している。
【００４２】
燃料収容部３の内部には、液体燃料Ｆとしてメタノール燃料が充填されている。また、燃料収容部３は燃料電池セル２側が開口されており、この燃料収容部３の開口部と燃料電池セル２との間に気体選択透過膜５１が設置されている。気体選択透過膜５１は、液体燃料Ｆの気化成分のみを透過し、液体成分は透過させない気液分離膜である。このような気体選択透過膜５１の構成材料としては、例えばポリテトラフルオロエチレンのようなフッ素樹脂が挙げられる。ここで、液体燃料Ｆの気化成分とは、液体燃料Ｆとしてメタノール水溶液を使用した場合にはメタノールの気化成分と水の気化成分からなる混合気、純メタノールを使用した場合にはメタノールの気化成分を意味する。
【００４３】
カソード導電層５８上には保湿層６１が積層されており、さらにその上には表面層６２が積層されている。表面層６２は酸化剤である空気の取入れ量を調整する機能を有し、その調整は表面層６２に形成された空気導入口６３の個数やサイズ等を変更することで行う。保湿層６１はカソード触媒層５４で生成された水の一部が含浸されて、水の蒸散を抑制する役割を果たすと共に、カソードガス拡散層５５に酸化剤を均一に導入することで、カソード触媒層５４への酸化剤の均一拡散を促進する機能も有している。保湿層６１は例えば多孔質構造の部材で構成され、具体的な構成材料としてはポリエチレンやポリプロピレンの多孔質体等が挙げられる。
【００４４】
そして、燃料収容部３上に気体選択透過膜５１、燃料電池セル２、保湿層６１、表面層６２を順に積層し、さらにその上から例えばステンレス製のカバー６４を被せて全体を保持することによって、この実施形態の内部気化型ＤＭＦＣ（燃料電池本体）４が構成されている。カバー６４には表面層６２に形成された空気導入口６３と対応する部分に開口が設けられている。また、燃料収容部３にはカバー６４の爪６４ａを受けるテラス６５が設けられており、このテラス６５に爪６４ａをかしめることで燃料電池本体４全体をカバー６４で一体的に保持している。なお、図１３では図示を省略したが、図１に示したように燃料収容部３の下面側にはソケット部６を有する燃料供給部７が設けられている。
【００４５】
上述したような構成を有する内部気化型ＤＭＦＣ（燃料電池本体）４においては、燃料収容部３内の液体燃料Ｆ（例えばメタノール水溶液）が気化し、この気化成分が気体選択透過膜５１を透過して燃料電池セル２に供給される。燃料電池セル２内において、液体燃料Ｆの気化成分はアノードガス拡散層５３で拡散されてアノード触媒層５２に供給される。アノード触媒層５２に供給された気化成分は、下記の(1)式に示すメタノールの内部改質反応を生じさせる。
ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ  →  ＣＯ2＋6Ｈ+＋6ｅ-  …(1)
【００４６】
なお、液体燃料Ｆとして純メタノールを使用した場合には、燃料収容部３から水蒸気が供給されないため、カソード触媒層５４で生成した水や電解質膜５６中の水をメタノールと反応させて(1)の内部改質反応を生起するか、あるいは上記した(1)式の内部改質反応によらず、水を必要としない他の反応機構により内部改質反応を生じさせる。
【００４７】
内部改質反応で生成されたプロトン（Ｈ+）は電解質膜５６を伝導し、カソード触媒層５４に到達する。表面層６２の空気導入口６３から取り入れられた空気（酸化剤）は、保湿層６１、カソード導電層５８、カソードガス拡散層５５を拡散して、カソード触媒層５４に供給される。カソード触媒層５４に供給された空気は、次の(2)式に示す反応を生じさせる。この反応によって、水の生成を伴う発電反応が生じる。
（3/2）Ｏ2＋6Ｈ+＋6ｅ-  →  3Ｈ2Ｏ  …(2)
【００４８】
上述した反応に基づく発電反応が進行するにしたがって、燃料収容部３内の液体燃料Ｆ（例えばメタノール水溶液や純メタノール）は消費される。燃料収容部３内の液体燃料Ｆが空になると発電反応が停止するため、その時点でもしくはそれ以前の時点で燃料収容部３内に燃料カートリッジ５から液体燃料を供給する。燃料カートリッジ５からの液体燃料の供給は、前述したように燃料カートリッジ５側のノズル部９を燃料電池本体４側のソケット部６に挿入して接続することにより実施される。
【００４９】
なお、本発明は液体燃料を燃料カートリッジにより供給する燃料電池であれば、その方式や機構等に何等限定されるものではないが、特に小型化が進められている内部気化型等のパッシブ型ＤＭＦＣに好適である。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の一実施形態による燃料電池の構成を示す図である。
【図２】図１に示す燃料電池における燃料カートリッジ側のノズル部と燃料電池本体側のソケット部の構成（未接続状態）を示す断面図である。
【図３】図２に示すノズル部とソケット部との接続状態を示す断面図である。
【図４】図２に示すノズル部の構成を示す断面図である。
【図５】図４に示すノズル部の変形例を示す断面図である。
【図６】図４に示すノズル部の他の変形例を示す断面図である。
【図７】図５に示すノズル部の変形例を示す断面図である。
【図８】図４に示すノズル部のさらに他の変形例を示す断面図である。
【図９】図４に示すノズル部のさらに他の変形例を示す断面図である。
【図１０】図４に示すノズル部のさらに他の変形例を示す断面図である。
【図１１】図２に示すノズル部における挿入部の構成を示す平面図である。
【図１２】図２に示すソケット部におけるソケット本体の構成を示す平面図である。
【図１３】本発明の実施形態の燃料電池における燃料電池本体の一例としての内部気化型ＤＭＦＣの構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００５１】
１…燃料電池、２…燃料電池セル、３…燃料収容部、４…燃料電池本体、５…燃料カートリッジ、６…ソケット部（メス側カップラ）、８…カートリッジ本体、９…ノズル部（オス側カップラ）、１１…ノズル口、１２…ノズルヘッド、１４…挿入部、１５…バルブホルダ、１６，３４…バルブ、１６ａ，３４ａ…バルブヘッド、１６ｂ，３４ｂ…バルブステム、１７…リング状突起部、１８，３５…バルブシート、１９，３６…Ｏリング、２０，３７…圧縮スプリング、２１…弾性部材、２２…リング状弾性部材、３３…ゴムホルダ、５１…気体選択透過膜。
【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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【図１３】
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