(57)【要約】【課題】  使いたい時に確実に発電でき、また安定で連続的な発電を続けることが可能な燃料電池用カートリッジ及び燃料電池を提供することを目的とする。【解決手段】  燃料電池に液体燃料を供給する燃料電池用カートリッジであって、液体燃料が充填される第１の充填室と、液体燃料が充填される第２の充填室と、を備え、前記第１の充填室と前記第２の充填室と、のいずれかから選択的に前記燃料電池に液体燃料を供給可能としたことを特徴とする燃料電池用カートリッジを提供する。【選択図】  図１
2007026803.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池に液体燃料を供給する燃料電池用カートリッジであって、
液体燃料が充填される第１の充填室と、
液体燃料が充填される第２の充填室と、
を備え、
前記第１の充填室と前記第２の充填室と、のいずれかから選択的に前記燃料電池に液体燃料を供給可能としたことを特徴とする燃料電池用カートリッジ。
【請求項２】
前記第１の充填室の容積と、前記第２の充填室の容積と、が異なることを特徴とする請求項１記載の燃料電池用カートリッジ。
【請求項３】
前記第１の充填室に充填された液体燃料を前記燃料電池に供給するための第１の接続部と、
前記第２の充填室に充填された液体燃料を前記燃料電池に供給するための第２の接続部と、
をさらに備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池用カートリッジ。
【請求項４】
前記第１の充填室に充填された液体燃料を前記燃料電池に供給するための接続部と、
前記第１の充填室と前記第２の充填室とを区画する仕切と、
をさらに備え、
前記仕切に外力を加えることにより前記第１の充填室と前記第２の充填室とを連通させて前記第２の充填室に充填されている液体燃料を前記接続部を介して前記燃料電池に供給可能としたことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池用カートリッジ。
【請求項５】
前記第１の充填室と前記第２の充填室との間に設けられ、前記第１の充填室と前記第２の充填室のそれぞれに対して圧力を印加する加圧手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の燃料電池用カートリッジ。
【請求項６】
液体燃料を供給する燃料供給部と、
外部から酸素を導入する酸素導入部と、
前記燃料供給部から供給された前記液体燃料と、前記酸素導入部から供給された酸素と、により電力を発生する発電部と、
前記燃料供給部に燃料を供給する燃料タンクと、
を備え、
前記燃料タンクは、
液体燃料が充填される第１の充填室と、
液体燃料が充填される第２の充填室と、
を有し、
前記第１の充填室と前記第２の充填室と、のいずれかから選択的に前記燃料供給部に液体燃料を供給可能としたことを特徴とする燃料電池。
【請求項７】
前記第１の充填室の容積と、前記第２の充填室の容積と、が異なることを特徴とする請求項６記載の燃料電池。
【請求項８】
外部から液体燃料を供給する燃料供給経路と、
前記燃料供給経路と前記第１の充填室との間に設けられ、前記第１の充填室から前記燃料供給経路への液体燃料の逆流を防止する第１の逆止弁と、
前記燃料供給経路と前記第２の充填室との間に設けられ、前記第２の充填室から前記燃料供給経路への液体燃料の逆流を防止する第２の逆止弁と、
をさらに備え、
前記燃料供給経路から前記第１の逆止弁と前記第２の逆止弁とを介して前記第１の充填室と前記第２の充填室とに液体燃料を同時に供給可能としたことを特徴とする請求項６または７に記載の燃料電池。
【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関し、より詳細には、自発呼吸型の燃料電池に液体燃料を供給する燃料電池用カートリッジ及び自発呼吸型の燃料電池液に関する。
【背景技術】
【０００２】
ノートパソコン、小型オーディオプレーヤやワイヤレスヘッドセットなどの小型電子機器の電源として、メタノールなどを燃料とした燃料電池が実用化されつつある。このメタノール燃料電池（ＤＭＦＣ:Direct Methanol Fuel Cell）は、 自発呼吸型の燃料電池であり、燃料としてのメタノールが毛細管現象や拡散現象等により、燃料極まで自発的に輸送される。そして、燃料極で発生した活性化した水素イオン（以下、プロトン）及び電子と、電解質膜を介して空気側から取り込んだ酸素ガスとの間で電気化学反応が生じ、電力が発生する（例えば、特許文献１）。  
【０００３】
その燃料供給方法についてみると、燃料を含んだカートリッジを、本体に設けられた受け入れカートリッジに装着し、液体燃料を供給する燃料電池が開示されている（特許文献２）。
【０００４】
しかし、自発呼吸型の燃料電池の場合、発電しない状態においても、液体燃料であるメタノールが蒸発するため、自然的に燃料が減少し、ユーザが使用したい時に燃料切れが発生しているという問題が生じうる。  
また、燃料電池の場合、通常は、燃料として例えばメタノールと水との混合液体が用いられる。しかし、発電している状態において、メタノールのほうが優先的に蒸発し消費されるため、使用を続けるとメタノール濃度が低下するという問題もある。
【特許文献１】特開２０００−１０６２０１号公報
【特許文献２】特開２００４−３４９０８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、使いたい時に確実に発電でき、また安定で連続的な発電を続けることが可能な燃料電池用カートリッジ及び燃料電池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】
【０００６】
本発明の一態様によれば、
燃料電池に液体燃料を供給する燃料電池用カートリッジであって、
液体燃料が充填される第１の充填室と、
液体燃料が充填される第２の充填室と、
を備え、
前記第１の充填室と前記第２の充填室と、のいずれかから選択的に前記燃料電池に液体燃料を供給可能とした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。
【０００７】
また、本発明の他の一態様によれば、
液体燃料を供給する燃料供給部と、
外部から酸素を導入する酸素導入部と、
前記燃料供給部から供給された前記液体燃料と、前記酸素導入部から供給された酸素と、により電力を発生する発電部と、
前記燃料供給部に燃料を供給する燃料タンクと、
を備え、
前記燃料タンクは、
液体燃料が充填される第１の充填室と、
液体燃料が充填される第２の充填室と、
を有し、
前記第１の充填室と前記第２の充填室と、のいずれかから選択的に前記燃料供給部に液体燃料を供給可能としたことを特徴とする燃料電池が提供される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、使いたい時に確実に発電でき、また安定で連続的な発電を続けることが可能な燃料電池用カートリッジ及び燃料電池を提供することができ、産業上のメリットは多大である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。  
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池用カートリッジの基本構成を表す概念図である。  
すなわち、本実施形態の燃料電池用カートリッジ３００は、複数のゾーンに分割されている。図１に表した具体例の場合、仕切り板３０２により第１のゾーン３１０Ａと第２のゾーン３１０Ｂとに分割され、それぞれに液体燃料を独立に貯留可能とされている。これらゾーン３１０Ａ、３１０Ｂは、それぞれを空洞状として液体燃料を貯留可能な構造としてもよく、または繊維状や多孔質状の保持媒体を充填して、これら保持媒体に液体燃料を含ませるようにしてもよい。
【００１０】
また、それぞれのゾーンには、燃料電池の燃料供給口に接続可能な接続部３２０Ａ、３２０Ｂが設けられている。第１のゾーン３１０Ａに貯留された液体燃料は、接続部３２０Ａを介して燃料電池に供給され、第２のゾーン３１０Ｂに貯留された液体燃料は、接続部３２０Ｂを介して燃料電池に供給される。
【００１１】
図２は、本具体例の燃料電池用カートリッジの外観を例示する模式図である。  
本実施形態においては、カートリッジの内部が複数のゾーンに分割されているので、図２に例示したような透明あるいは半透明の覗き窓３４０を設け、それぞれのゾーンの液体燃料の有無を確認できるようにすると便利である。
【００１２】
図３は、本実施形態の燃料電池用カートリッジを装填可能な燃料電池の基本構成を表す模式断面図である。  
すなわち、本実施形態の燃料電池は、筐体１４０の中に、燃料供給部２と、発電部４と、酸素導入部６と、がこの順に積層された構造を有する。筐体１４０の上部には、カソード側筐体部１５０が閉止されて機械的な衝撃や外力などから保護する。そして、筐体１４０の中には、燃料電池用カートリッジ３００が着脱自在に収容されている。なお、燃料電池用カートリッジ３００は、筐体１４０の外側に装着してもよく、または燃料電池用カートリッジの一部が筐体１４０の外側に露出するように装着してもよい。
【００１３】
燃料供給部２は、燃料電池用カートリッジ３００から供給されたメタノールなどの燃料を発電部４に供給する。燃料電池用カートリッジ３００の接続部３２０Ａ（３２０Ｂ）は、燃料供給部２に設けられた燃料供給口１０に接続され、第１のゾーン３１０Ａまたは第２のゾーン３１０Ｂから液体燃料が燃料供給部２に供給される。  
なお、接続部３２０Ａ（３２０Ｂ）と燃料供給口１０との接続機構としては、例えば、「ねじ込み方式」や「押し込み方式」などを用いることができる。そして、燃料供給口１０に設けられている接続管の先端によって接続部３２０Ａ（３２０Ｂ）の一部を破壊し貫通させることにより液体燃料の流路を連通させたり、または、スプリングなどにより閉状態に付勢された開閉弁を接続部３２０Ａ（３２０Ｂ）に設けて、接続部３２０Ａ（３２０Ｂ）を燃料供給口１０に差し込むとこの開閉弁が開くような機構を採用することができる。
【００１４】
一方、酸素導入部６は、矢印Ａで表したように、外部から酸素を取り入れて発電部４に供給する部分である。酸素を酸素導入部６に導入するため、カソード側筐体部１５０には、図示しない開口を設けて、通気性を確保する必要がある。  
発電部４は、これら燃料と酸素との分解・電気化学反応により電力を発生する。なお、これら各要素の具体的な構造については、後に詳述する。
【００１５】
そして、本実施形態においては、燃料電池用カートリッジ３００を複数のゾーンに分割することにより、いざという時の「燃料切れ」に対処でき、また燃料濃度の低下による発電出力の低下にも対処できる。以下のこれらの点について、比較例を参照しつつ説明する。
【００１６】
図４は、比較例の燃料電池用カートリッジを搭載した燃料電池を例示する模式図である。
【００１７】
すなわち、本比較例においては、燃料電池用カートリッジは、単一のゾーン３１０のみを有し、ここに液体燃料が貯留される。貯留された液体燃料は、接続部３２０から燃料供給口１０を介して燃料供給部２に供給される。  
しかし、このような単一のゾーン３１０のみを有する燃料電池用カートリッジを用いた場合には、以下の問題が生ずることがある。  
まず第１に、自然呼吸型の燃料電池は、電力を使用しない状態においても燃料が消費されるという問題がある。具体的には、電力不使用時にも燃料供給部２から発電部４の固体高分子膜を通じ酸素導入部６まで燃料が拡散することにより燃料を消費してしまう。つまり、燃料電池を搭載する電子機器などを使わない状態においても、徐々に燃料がなくなっていく。このため、停止状態で放置されていた電子機器をユーザが使用したい時に、「燃料切れ」や「燃料不足」が生ずる場合がある。つまり、図４に例示したような燃料電池用カートリッジを用いた場合、満タンにしてあったはずの燃料電池用カートリッジが、使っていないのに、いざという時には空になっている、という事態が生じうる。
【００１８】
これに対して、本実施形態によれば、燃料電池用カートリッジを複数のゾーンに分割することにより、自然消耗による液体燃料の消失をいずれかのゾーンのみに制限できる。つまり、他のゾーンに貯留されている液体燃料については、自然消耗が生ずることことなく保存できる。その結果として、「使いたい時」、あるいは「いざという時」などに、いつでも確実に発電できる。
【００１９】
第２に、液体燃料濃度の低下の問題がある。すなわち、通常、自然呼吸型の燃料電池に用いられる燃料としては、例えばメタノール３０％と水７０％とを混合したメタノール水溶液が用いられる。しかし、燃料カートリッジや燃料タンクに貯留されたメタノール水溶液の濃度は、燃料の消費に伴って低下する。これは水の蒸気圧よりもメタノール蒸気圧のほうが高いためであり、結果としてメタノールのほうが優先的に蒸発し消費される。このため長く発電するほど、また燃料カートリッジや燃料タンクの容量が大きいほど、液体燃料のメタノール濃度の低下が顕著となり、ついには必要な電力を発電できないという事態が発生する場合がある。つまり、図４に表したような燃料電池用カートリッジを用いた場合、カートリッジにはまだ液体燃料が十分に残っているのに、発電電力が低下して電子機器がうまく動作しない、という事態が生じうる。
【００２０】
これに対して、本実施形態によれば、燃料電池用カートリッジを複数のゾーンに分割することにより、液体燃料の濃度の低下をいずれかのゾーンのみに制限できる。つまり、他のゾーンに貯留された液体燃料については、濃度を低下させることなく保存できる。
【００２１】
第３に、「燃料切れ」のタイミングの問題がある。すなわち、図４に表したように単一のゾーンのみを有する燃料電池用カートリッジを使って、「燃料切れ」が生じた場合、新しい燃料電池用カートリッジに交換する必要がある。しかし、ユーザが新しい燃料電池用カートリッジを常に手元に用意してあるとは限らない。このため、「燃料切れ」が発生した時に、新しい燃料電池用カートリッジを手配するまでの間、発電できないという事態も生じうる。
【００２２】
これに対しても、本実施形態によれば、燃料電池用カートリッジを複数のゾーンに分割することにより、使用中のゾーンで「燃料切れ」が生じたら、別のゾーンに切り替えてすぐに発電を再開できる。そして、ユーザは、最後のゾーンの液体燃料を使い切るまでの間に、新しい燃料電池用カートリッジを手元に準備すればよい。つまり、本実施形態によれば、予測できない「燃料切れ」が生じた場合にも、他のゾーンに切り替えるだけで発電を続けることができ、またさらにユーザに対して新しい燃料電池用カートリッジが必要であることの注意を喚起するとともに、新しい燃料電池用カートリッジの準備するための時間的な猶予を与えることができる。
【００２３】
以上説明したように、本実施形態によれば、燃料電池用カートリッジ３００を複数のゾーンに分割することにより、使用者が使いたい時に確実に発電でき、また、使用を続けて電力が低下してもすぐに使用を再開でき、燃料電池用カートリッジの交換も円滑に実施できる。
【００２４】
図５は、本実施形態の燃料電池用カートリッジの使用態様を例示する模式図である。    また、図６は、この使用態様に対応するフローチャートである。
【００２５】
すなわち、本実施形態によれば、まず、燃料電池用カートリッジ３００の第１の接続部３２０Ａを燃料供給口１０に接続して、第１のゾーン３１０Ａに貯留された液体燃料を使い始める（ステップＳ１１０）。  
発電を続けると、 図５（ａ）に表したように、第１のゾーン３１０Ａの液体燃料が消費され、やがて図５（ｂ）に表したように、第１のゾーン３１０Ａは、空になる（ステップＳ１２０）。この時、ユーザが電子機器などを使用していれば、「電池切れ」のインジケータが点灯したり、またはその動作が停止したり緩慢になるなどの現象により、燃料が切れたことが分かる。
【００２６】
また一方、上述したように、自然呼吸型の燃料電池では、発電しない状態でも燃料が消費される。従って、燃料電池を搭載した電子機器を使わないまま放置した場合も、やがては、図５（ｂ）に表したように、第１のゾーン３１０Ａは空になる（ステップＳ１２０）。この場合にも、その後にユーザがその電子機器を使用する時に、「電池切れ」のインジケータや、動作の停止などにより燃料切れを知ることができる。
【００２７】
図４に例示したような従来の燃料電池用カートリッジを用いた場合は、このように液体燃料が切れると、新しいカートリッジを交換しなければならなかった。しかし、燃料が空になるタイミングをユーザが正確に予測することは困難であり、またそうかと言って、常に予備の新しい燃料電池用カートリッジを手元に置くことも容易ではない。従って、従来の燃料電池用カートリッジを用いた場合、このように燃料が切れても、新しい燃料電池用カートリッジが常に手元にあるとは限らず、ユーザが電子機器の使用をすぐに開始または再開できない場合があった。
【００２８】
これに対して、本実施形態においては、第１のゾーン３１０Ａが空になったら、図５（ｃ）に表したように、燃料電池用カートリッジ３００をひっくり返して、第２の接続部３２０Ｂを燃料供給口１０に接続し、第２のゾーン３１０Ｂに貯留されている液体燃料を使い始めることができる（ステップＳ１３０）。つまり、予測できない「燃料切れ」が発生しても、燃料電池用カートリッジ３００をひっくり返して接続し直すだけで、直ちに電子機器の使用を開始または再開できる。
【００２９】
そして、ユーザは、第２のゾーンが空になる前に、新しい燃料電池用カートリッジ３００を用意すればよい（ステップＳ１４０）。そうすれば、第２のゾーンが空になった時に（ステップＳ１５０）、直ちに燃料電池用カートリッジ３００を交換して、新たに第１のゾーン３１０Ａの液体燃料を利用できる（ステップＳ１６０）。
【００３０】
以上説明したステップを繰り返すことにより、予測できない「燃料切れ」が生じても、燃料電池用カートリッジをひっくり返しまたは交換することにより電子機器の使用を直ちに開始または再開できる。
【００３１】
なお、上述した一連のステップは、燃料電池用カートリッジに貯留された液体燃料の濃度が低下した場合にも同様に適用できる。すなわち、上述したように、液体燃料を使用するに従って、その濃度が低下することがある。このような場合にも、ユーザが濃度の低下を正確に予測することは容易ではなく、不意に「燃料切れ」や動作の停止など現象が生ずることがある。このような場合にも、燃料電池用カートリッジをひっくり返して直ちに使用を開始または再開できる。そして、そのゾーンが空になる前に新しい燃料電池用カートリッジを用意すればよい。
【００３２】
図７は、本実施形態の実施例と比較例の燃料電池用カートリッジをそれぞれ用いた場合について経過時間に対する液体燃料の相対エタノール濃度および相対発電効率の変化を例示するグラフ図である。
【００３３】
ここで、本発明の実施例としては、図１に例示した２分割の燃料電池用カートリッジ３００を用い、また、比較例としては、図４に表したように分割しない燃料電池用カートリッジを用いた。
【００３４】
このグラフは、３０mol％のメタノール水溶液を１０ｃｃ用いて発電させたときの、発電経過時間（横軸）に対する液体燃料の相対エタノール濃度を表したものである。ここで、縦軸の相対メタノール濃度は、メタノール水溶液の当初濃度（３０mol％）を１００％とした相対的な濃度を表す。
【００３５】
比較例の燃料電池用カートリッジを用いた場合、発電を６時間続けると液体燃料の濃度は当初の６０％にまで低下する。これに対応して、発電効率も低下する。そしてさらに６時間の間、発電を続けると、液体燃料の濃度は当初の約３０％にまで低下してしまう。
【００３６】
これに対して、本実施形態によれば、例えば、第１のゾーン３１０Ａの液体燃料を用いて発電を開始させ、６時間程度が経過した後に、第２のゾーン３１０Ｂに切り替えることにより、液体燃料の相対メタノール濃度は初期レベルに復帰し、十分に高い発電効率を維持することができる。
【００３７】
以上説明したように、本実施形態によれば、燃料電池用カートリッジ３００に複数のゾーンを設けることにより、使用者が使いたい時に確実且つ連続的に使用でき、また、使用を続けて電力が低下してもすぐに使用を再開できる燃料電池を実現できる。
【００３８】
図８は、本実施形態の燃料電池用カートリッジの第２の具体例を表す概念図である。  
本具体例の燃料電池用カートリッジ３００は、大きな容積を有する第１のゾーン３１０Ａと小さな容積を有する第２のゾーン３１０Ｂと、に分割されている。この場合、小さな容積の第２のゾーン３１０Ｂは、「緊急用」あるいは「補助用」として用いることができる。第１のゾーン３１０Ａと第２のゾーン３１０Ｂの容積比は、例えば、９：１とすることができる。  
ユーザが第１のゾーン３１０Ａの液体燃料を使用して電子機器を動作させていて燃料が切れた時に、常に新しい燃料電池用カートリッジが手元にあるとは限らない。このような場合に、とりあえず燃料電池用カートリッジ３００をひっくり返して、第２のゾーン３１０Ｂを接続して電子機器の使用を続け、第２のゾーン３１０Ｂが空になる前に新しい燃料電池用カートリッジを用意すれば、とぎれることなく連続的に電子機器を使用できるようになる。
【００３９】
そして、第１のゾーン３１０Ａの容積を相対的に大きくすることにより、切り替えまでの時間を長くして電子機器を長時間に亘り連続的に使用することが可能となる。また、第２のゾーン３１０Ｂの使用可能時間は短くなるので、「第２のゾーン３１０Ｂに切り替えたらすぐに新しい燃料電池用カートリッジを用意しなければならない」とユーザに注意を喚起する効果も得られる。つまり、大容量の第１のゾーン３１０Ａを接続して電子機器を連続的に使用し、燃料が切れたら、小容量の第２のゾーン３１０Ｂを「緊急用」あるいは「補助用」として接続して使用を続けつつ、すぐに新しいカートリッジを用意する、という使い方ができ、電子機器を長時間に亘り連続的に使用する場合に便利である。
【００４０】
図９は、本実施形態の燃料電池用カートリッジの第３の具体例を表す概念図である。  
すなわち、本具体例の燃料電池用カートリッジ３００は、第１乃至第４のゾーン３１０Ａ〜３１０Ｄに４分割されている。これらゾーン３１０Ａ〜３１０Ｄには、それぞれ接続部３２０Ａ〜３２０Ｄが設けられている。  
この燃料電池を電子機器に装着する際に、その方向や上下の向きを区別することにより、４つのゾーン３１０Ａ〜３１０Ｄのいずれか１つを選択して接続することができる。
【００４１】
本具体例によれば、燃料電池用カートリッジ３００を４分割することにより、４回に分けて順次使用することができる。そして、電子機器を放置する時間が長い場合や、発電しない状態での自然消耗による消費量が大きい場合などでも、無駄になる液体燃料の量を減らすことができる。つまり、本具体例の場合、仮に長時間放置したとしても、自然消耗による液体燃料の損失をいずれかのゾーンのみ、すなわちカートリッジの全体容量の１／４までに抑えることができる。  
従って、本具体例の燃料電池用カートリッジ３００は、電子機器の不使用状態が長時間に亘る場合や、たまに少しだけ使うような使用態様において、特に便利である。  
なお、図９においては、カートリッジを４分割する具体例を表したが本発明はこれには限定されず、３あるいは５以上の複数のゾーンに分割してもよい。またさらに、これら複数のゾーンは必ずしも同一の容積を有する必要はなく、図８に関して前述したように、他とは異なる容積を有するゾーンを設けてもよい。
【００４２】
図１０は、本実施形態の燃料電池用カートリッジの第４の具体例を表す模式図である。  本具体例においては、燃料電池用カートリッジ３００は、第１のゾーン３１０Ａと第２のゾーン３１０Ｂとに分割されている。そして、第１のゾーン３１０のみに接続部３２０Ａが設けられている。また、第１のゾーン３１０Ａと第２のゾーン３１０Ｂとを区画している仕切３０４は、外力を加えることにより、変形または変位が可能とされている。つまり、第１のゾーン３１０Ａに貯留されている液体燃料から使い始め、第１のゾーン３１０Ａが空になったら、仕切３０４に外力を加えて変形させあるいは変位させて第１のゾーン３１０Ａと第２のゾーン３１０Ｂとを連通させることにより、第２のゾーン３１０Ｂに貯留されている液体燃料を接続部３２０Ａを介して取り出すことができる。
【００４３】
このようにすると、接続部３２０Ａがひとつで済むので、コストを下げることができる。燃料電池用カートリッジ３００を使い捨てタイプとし、使用済みカートリッジを回収するとしても、その製造コストはできるだけ下げることが望ましい。この要求に対して、接続部をひとつにできるとコストを効率的に低減できる。  
また、接続部をひとつにすれば、燃料電池用カートリッジ３００の小型化や軽量化の点でも有利であり、さらに、接続部を介した液体燃料のリークなどの可能性も下げることができる。
【００４４】
図１１及び図１２は、仕切３０４に外力を加えて変形または変位させる具体例を表す模式図である。  
すなわち、燃料電池用カートリッジ３００の筐体を樹脂などの柔軟性を有する材料により形成し、仕切３０４は、外力により脆性破壊しやすい材料により形成するとよい。あるいは、外力を加えると、カートリッジの内部で仕切３０４が外れたり斜めにズレて、第１のゾーン３１０Ａと第２のゾーン３２０とが連通するような構造にしてもよい。
【００４５】
例えば、図１１（ａ）に表したように、第１のゾーン３１０Ａが空になったら、同図（ｂ）に表したように、カートリッジの外側から仕切３０４の部分を矢印方向に押すことにより、仕切３０４を破壊し、あるいは、外したり斜めにずらすことが可能である。このようにして、図１１（ｃ）に表したように、第２のゾーン３１０Ｂに貯留した液体燃料を接続部３１０Ａから取り出すことができる。  
または、図１２（ｂ）に例示したように、カートリッジを屈曲させることにより、仕切３０４を変形させ、あるいは外したり斜めにずらして隙間を形成することも可能である。
【００４６】
図１３は、本実施形態の燃料電池用カートリッジの第５の具体例を表す模式図である。  本具体例においては、燃料電池用カートリッジ３００は第１のゾーン３１０Ａと第２のゾーン３１０Ｂとに分割され、さらにこれらゾーンの間に、仕切３０６、３０８により区画された第３のゾーン３１０Ｅが形成されている。第１のゾーン３１０Ａと第２のゾーン３１０Ｂにはそれぞれ液体燃料が貯留される。一方、第３のゾーン３１０Ｅには、圧縮された気体が充填されている。第３のゾーン３１０Ｅに充填する気体としては、例えば、空気、窒素、アルゴンなどを用いることができ、またその圧力は、例えば２０気圧程度とすることができる。  
そして、本具体例においては、仕切３０６、３０８が移動可能とされている。
【００４７】
図１４は、本具体例の燃料電池用カートリッジ３００の使用態様を説明するための模式図である。  
例えば、第１の接続部３２０Ａを介して第１のゾーン３１０Ａに貯留されている液体燃料を消費すると、図１４（ａ）に表したように、第３のゾーン３１０Ｅに充填された圧縮気体の圧力によって仕切３０８が第１の接続部３２０Ａに向けて移動する。つまり、第１のゾーン３１０Ａに貯留された液体燃料には、第３のゾーン３１０Ｅに充填された圧縮気体の圧力を受けた仕切３０８によって外部に押し出される力が作用する。このようにすれば、接続部３２０Ａが鉛直上方を向いている場合などでも、液体燃料を確実に取り出すことができる。つまり、燃料電池の向きに関わらず、液体燃料を安定的に取り出して最後まで使い切ることができる。
【００４８】
図１４（ｂ）に表したように、第１のゾーン３１０Ａが空になったら、燃料電池をひっくり返して第２の接続部３２０Ｂから第２のゾーン３２０Ｂの液体燃料を供給する。この時も、図１４（ｃ）に表したように、第２のゾーン３２０Ｂの液体燃料は、仕切３０６に押されているので、確実且つ安定的に取り出し、最後まで使い切ることができる。  
第２のゾーン３１０Ｂも空になると、図１４（ｄ）に表したように、仕切３０６、３０８がそれぞれ両端に移動し、貯留されていた液体燃料を完全に使い切った状態となる。
【００４９】
以上説明したように、本具体例においては、移動式の仕切３０６、３０８を圧縮気体により付勢することにより、燃料電池の向きによらずに第１及び第２のゾーン３１０Ａ、３１０Ｂに貯留されている液体燃料を確実に取り出し、最後まで使い切ることができる。  
なお、本具体例において第１及び第２のゾーンの液体燃料に圧力を付与する手段としては、圧縮気体には限定されず、例えば、図１５に例示したように、スプリングなどの弾性体３５０により仕切３０６、３０８に付勢力を与えるようにしてもよい。
【００５０】
次に、本実施形態の第２の実施の形態について説明する。  
図１６は、本実施形態の第２の実施の形態に係る燃料電池の模式断面図である。  
本実施形態においては、燃料電池には、第１のゾーン３３０Ａと第２のゾーン３３０Ｂとに分割された燃料タンク３３０が設けられている。第１のゾーン３３０Ａには第１の燃料供給口１０Ａが接続され、第２のゾーン３３０Ｂには第２の燃料供給口１０Ｂが接続されている。そして、燃料供給部２に対して、これら第１の燃料供給口１０Ａと第２の燃料供給口１０Ｂのいずれかから選択的に液体燃料を供給される。なお、これとは別に、必要に応じて、第１の燃料供給口１０Ａ及び第２の燃料供給口１０Ｂの両方から同時に燃料供給部２に対して液体燃料を供給できるようにしてもよい。
【００５１】
本具体例においても、燃料タンク３３０を複数のゾーンに分割することにより、自然消耗による液体燃料の消失を、いずれかのゾーンのみに制限できる。従って、燃料電池あるいはそれを搭載した電子機器を放置した後、使用したい時に燃料が完全に切れているという事態を回避できる。つまり、いざという時でも、確実に使用することができる。  
また、第１のゾーン３３０Ａと第２のゾーン３３０Ｂとを適宜使い分けることにより、予測できない「燃料切れ」にも迅速に対処でき、連続的に発電を続けることができる。
【００５２】
図１７は、本具体例の燃料電池の使用態様を例示する模式図である。  
また、図１８は、この使用態様に対応するフローチャートである。
【００５３】
すなわち、本具体例においては、まず、第１の燃料供給口１０Ａを介して第１のゾーン３３０Ａに貯留された液体燃料を使い始める（ステップＳ２１０）。  
発電を続けると、 図１７（ａ）に表したように、第１のゾーン３３０Ａの液体燃料が消費され、やがて図１７（ｂ）に表したように、第１のゾーン３１０Ａは、空になる（ステップＳ２２０）。また、第１実施形態に関して前述したように、発電しない状態で放置した場合も燃料は消費され、やがては、図１７（ｂ）に表したように、第１のゾーン３３０Ａは空になる（ステップＳ２２０）。
【００５４】
第１のゾーン３３０Ａが空になったら、図１７（ｂ）に表したように、第１の燃料供給口１０Ａを閉じ、第２の燃料供給口１０Ｂを開いて第２のゾーン３３０Ｂに貯留されている液体燃料を使い始める（ステップＳ２３０）。つまり、予測できない「燃料切れ」が発生しても、燃料供給口を切り替えるだけで、直ちに電子機器の使用を開始または再開できる。
【００５５】
そして、ユーザは、第２のゾーン３３０Ｂが空になる前に、図１７（ｃ）に表したように、第１のゾーン３３０Ａに液体燃料を充填すればよい（ステップＳ２４０）。このようにすれば、第２のゾーン３３０Ｂが空になった時に（ステップＳ２５０）、直ちに燃料供給口１０Ａに切り替えて、新たに第１のゾーン３３０Ａの液体燃料を利用できる（ステップＳ２６０）。  
第１のゾーン３３０Ａの液体燃料を使い始めたら、第２のゾーン３３０Ｂに液体燃料を充填すればよい（ステップＳ２７０）。
【００５６】
以上説明したステップを繰り返すことにより、予測できない「燃料切れ」が生じても、燃料供給口１０Ａ、１０Ｂを切り替えることにより電子機器の使用を直ちに開始でき、また連続的に使用できる。
【００５７】
なお、本具体例においても、上述した一連のステップは、燃料タンクに貯留された液体燃料の濃度が低下した場合にも同様に適用できる。すなわち、上述したように、液体燃料を使用するに従って、その濃度が低下したような場合にも、燃料供給口１０Ａ、１０Ｂを切り替えて直ちに使用を開始または再開できる。そして、そのゾーンが空になる前にメタノールなどを充填して液体燃料の濃度を所期のレベルに戻せばよい。  
また、本具体例においては、図１９に例示したように、第１のゾーン３３０Ａと第２のゾーン３３０Ｂがいずれも空になってから、それぞれに液体燃料を充填してもよい。この場合も、第１のゾーン３３０Ａが空になって第２のゾーン３３０Ｂに切り替える時に、ユーザは、液体燃料の準備を忘れずに行うことができる。
【００５８】
またさらに、本実施形態においても、燃料電池に設けられた燃料タンクを図８に関して前述したように異なる容積に分割してもよく、また、図９に関して前述したように３以上の複数のゾーンに分割してもよく、また、図１３乃至図１５に関して前述したように、液体燃料を加圧して確実に取り出すことができるようにしてもよい。
【００５９】
以上、本発明の第１及び第２の実施の形態について説明した。  
以下、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態についてさらに詳細に説明する。  
図２０は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池用カートリッジ３００を装填した燃料電池の具体的な構造を例示する模式断面図である。  
すなわち、本具体例の燃料電池は、保液シート２０と、液体を気化させるための多孔質膜３０と、燃料極側集電体４０と、燃料側ガス拡散層５０と、燃料極６０と、電解質板７０と、酸化剤極８０と、酸化剤側ガス拡散層９０と、酸化剤側集電体１００と、保湿シート１１０と、をこの順に積層させた構造を有する。これらの要素は、複数のセルＣを構成し、これらセルＣは、筐体１４０により保護されている。
【００６０】
そして、筐体１４０に設けられた着脱部１４０Ｌを介して燃料電池用カートリッジ３００が着脱可能に収容されている。つまり、着脱部１４０Ｌを開けて燃料電池用カートリッジ３００を挿入すると、接続部１０Ａ（または１０Ｂ）が燃料供給口１０と液密状態で接続され、第１のゾーン３１０Ａ（または第２のゾーン３１０Ｂ）の液体燃料が保湿シート２０に供給される。
【００６１】
次に、本具体例の燃料電池における発電メカニズムについて説明する。  
まず、燃料極６０側は、次式（１）により表されるメタノールと水の電気化学反応に基づく半反応により、プロトン（Ｈ＋）と電子（ｅ−）とを発生させる。
ＣＨ３ＯＨ(l)＋Ｈ２Ｏ(l)  →  ＣＯ２(g)↑＋６Ｈ＋＋６ｅ−  （１）
ここで、メタノールは毛細管現象をドライビングフォースとして保液シート２０の中を自発的に移動し、燃料極側集電体４０に設けられた開口（図示せず）を介して蒸発し、燃料側ガス拡散層５０を経由して燃料極６０に供給される。
【００６２】
これに対応して、酸化剤極８０側においては、保湿シート１１０から燃料電池系内に酸素を取り込み、次式（２）より表される半反応により、大気中の酸素（Ｏ２）ガスを燃料側からのＨ＋とｅ−と、電気化学反応を行うことで、発電が生じる。  
３／２Ｏ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−  →  ３Ｈ２Ｏ                  （２）
なお、この電気化学反応により生じた水（Ｈ２Ｏ）は、保液シート２０へ移動し、燃料を希釈する水の一部として、再利用することが可能である。また、（１）式に表した電気化学反応により発生した二酸化炭素ガス（ＣＯ２）は、多孔質膜３０を介して、ガス排出孔１３０から燃料電池の系外へ排出される。
【００６３】
次に、本実施形態の燃料電池を構成する主要部の材料の具体例について説明する。  
まず、燃料供給口１０は熱可塑性ポリエステル、保液シート２０はナイロン繊維、多孔質膜３０は厚さ２００ｍｍのシリコーンゴムシートによりそれぞれ形成することができる。  また、燃料極６０は、白金族元素の単体金属（例えば、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｏａ、Ｐｄ等）や白金属元素を有する合金などを用いて形成することができ、メタノールや一酸化炭素に対する耐性の強いＰｔ−Ｒｕ合金を用いることがましいが、これには限定されない。また、燃料極６０の材料として、炭素材料のような伝導性担持体を使用する担持触媒を用いることもできる。  
電解質板７０には、例えば、スルホン酸基を有するフッ素系樹脂、スルホン酸基を有するハイドロカーボン系樹脂、タングステン酸やリンタングステン酸などの無機物などを用いることができるが、こられには限定されない。一方、酸化剤極８０には、白金族元素の単体金属（例えば、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｏｓ、Ｐｄ等）、白金族元素を含有する合金など、炭素材料のような伝導性担持体を使用する担持触媒を使用することもできる。
【００６４】
また、保湿シート１１０としては、例えば、厚み５００μｍのポリエチレン製多孔質フィルムを用いることができる。この場合、フィルムの透気度は、例えば２秒／１００ｃｍ３程度で、透湿度は４０００ｇ／ｍ２・２４ｈ程度とすることができる。  
そして、本実施形態によれば、このような燃料電池において、複数のゾーンに分割された燃料電池用カートリッジ３００を用いることにより、放置した状態の自然消耗で、全ての液体燃料が消失することを防止し、また、予測できない「燃料切れ」にも迅速に対処でき、連続的に発電を続けることができる。また、液体燃料を使用するに従って、その濃度が低下したような場合にも、着脱部１４０Ｌを開けて燃料電池用カートリッジ３００を取り出し、ひっくり返して再度装填するだけで、直ちに使用を開始または再開できる。そして、そのゾーンが空になる前に新しい燃料電池用カートリッジを用意すれば、連続的に発電させることができる。  
またさらに、図８〜図１５に関して前述した各具体例の燃料電池用カートリッジ３００を装填することにより、それぞれの具体例に関して前述した作用効果が得られる。
【００６５】
図２１は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の具体的な構造を例示する模式断面図である。同図については、図１乃至図２０に関して前述したものと同様の要素に同一の符号を付して詳細な説明は省略する。    
本具体例においては、燃料電池に燃料タンク３３０が設けられ、この燃料タンクは第１のゾーン３３０Ａと第２のゾーン３３０Ｂとに分割されている。これら第１及び第２のゾーン３３０Ａ、３３０Ｂには、切替弁８が接続され、第１及び第２のゾーン３３０Ａ、３３０Ｂのいずれかから選択的に液体燃料を保湿シート２０に供給可能とされている。また、筐体４０の外部から燃料供給口１５が延設され、それぞれ逆止弁９を介して第１のゾーン３３０Ａと第２のゾーン３３０Ｂに連通している。
【００６６】
図１６乃至図１９に関して前述したように、燃料タンク３３０を複数のゾーンに分割し、切替弁８で選択的に保湿シート２０に液体燃料を供給することによって、自然消耗による液体燃料の消失をいずれかのゾーンのみに制限し、いざという時にも確実に発電することが可能となる。
【００６７】
また、第１のゾーン３３０Ａと第２のゾーン３３０Ｂのそれぞれを、逆止弁９を介して燃料供給口１５に連通させることにより、これらゾーンからの逆流を防止しつつ、単一の燃料供給経路からそれぞれのゾーンに液体燃料を供給することができる。つまり、燃料供給口１５から燃料を供給すると、第１及び第２のゾーン３３０Ａ、３３０Ｂのそれぞれに同時に燃料を充填することも可能となる。この時、第１及び第２のゾーン３３０Ａ、３３０Ｂのいずれか一方が満タン状態であれば、他方のゾーンのみに液体燃料を充填できる。
【００６８】
図２２は、第１のゾーン３３０Ａと第２のゾーン３３０Ｂの容積が異なる燃料電池を例示する模式図である。  
すなわち、本具体例の場合、第１のゾーン３３０Ａの容積が第２のゾーン３３０Ｂの容積よりも大きい。このようにすると、図８に関して前述した具体例と同様に、小さな容積の第２のゾーン３３０Ｂは、「緊急用」あるいは「補助用」として用いることができる。この場合も、第１のゾーン３３０Ａと第２のゾーン３３０Ｂの容積比は、例えば、９：１とすることができる。  
ユーザが第１のゾーン３３０Ａの液体燃料を使用して電子機器を動作させていて燃料が切れた時に、常に補充用の液体燃料が手元にあるとは限らない。このような場合に、とりあえず、第２のゾーン３３０Ｂに切り替えて電子機器の使用を続け、第２のゾーン３３０Ｂが空になる前に、補充用の液体燃料を用意すれば、とぎれることなく連続的に電子機器を使用できるようになる。
【００６９】
そして、第１のゾーン３３０Ａの容積を相対的に大きくすることにより、切り替えまでの時間を長くして電子機器を長時間に亘り連続的に使用することが可能となる。また、第２のゾーン３３０Ｂの使用可能時間は短くなるので、「第２のゾーン３３０Ｂに切り替えたらすぐに補充用の液体燃料を用意しなければならない」とユーザに注意を喚起する効果も得られる。つまり、大容量の第１のゾーン３３０Ａを接続して電子機器を連続的に使用し、燃料が切れたら、小容量の第２のゾーン３３０Ｂを「緊急用」あるいは「補助用」として接続して使用を続けつつ、すぐに補充余裕の液体燃料を用意する、という使い方ができ、電子機器を長時間に亘り連続的に使用する場合に便利である。
【００７０】
以上、具体例を限定しつつ、本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明の燃料電池は、これらの具体例には限定されない。  
例えば、燃料電池用カートリッジ、燃料タンク、切替弁、逆止弁等の各要素について、当業者が適宜変更したものであっても、本発明の要旨を有する限りにおいて、本発明の範囲に包含される。  
また、本発明の燃料電池を構成する各要素の材質、サイズ、形状、配置関係などについては、当業者が適宜変更を加えたものであっても、本発明の要旨を包含する限りにおいて本発明の範囲に包含される。
【００７１】
なお、本願明細書において、「燃料電池用カートリッジ」とは、燃料電池とは別体の要素として形成され、燃料電池に着脱自在であり、ユーザが燃料電池用カートリッジごと交換することにより燃料電池に燃料を供給可能としたものをいう。  
また、本願明細書において、「燃料電池タンク」とは、燃料電池と一体の要素として形成され、ユーザが液体燃料を充填可能としたものをいう。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池用カートリッジの基本構成を表す概念図である。
【図２】本発明の具体例の燃料電池用カートリッジの外観を例示する模式図である。
【図３】本発明の実施形態の燃料電池用カートリッジを装填可能な燃料電池の基本構成を表す模式断面図である。
【図４】比較例の燃料電池用カートリッジを搭載した燃料電池を例示する模式図である。
【図５】本発明の実施形態の燃料電池用カートリッジの使用態様を例示する模式図である。
【図６】図５に表した使用態様に対応するフローチャートである。
【図７】本発明の実施形態の実施例と比較例の燃料電池用カートリッジをそれぞれ用いた場合について経過時間に対する液体燃料の相対エタノール濃度および相対発電効率の変化を例示するグラフ図である。
【図８】本発明の実施形態の燃料電池用カートリッジの第２の具体例を表す概念図である。
【図９】本発明の実施形態の燃料電池用カートリッジの第３の具体例を表す概念図である。
【図１０】本発明の実施形態の燃料電池用カートリッジの第４の具体例を表す模式図である。
【図１１】仕切３０４に外力を加えて変形または変位させる具体例を表す模式図である。
【図１２】仕切３０４に外力を加えて変形または変位させる具体例を表す模式図である。
【図１３】本発明の実施形態の燃料電池用カートリッジの第５の具体例を表す模式図である。
【図１４】本発明の具体例の燃料電池用カートリッジ３００の使用態様を説明するための模式図である。
【図１５】スプリングなどの弾性体３５０により仕切３０６、３０８に付勢力を与える具体例を表す模式図である。
【図１６】本発明の実施形態の第２の実施の形態に係る燃料電池の模式断面図である。
【図１７】本発明の具体例の燃料電池の使用態様を例示する模式図である。
【図１８】図１７に表した使用態様に対応するフローチャートである。
【図１９】もうひとつの使用態様を表すフローチャートである。
【図２０】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池用カートリッジ３００を装填した燃料電池の具体的な構造を例示する模式断面図である。
【図２１】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の具体的な構造を例示する模式断面図である。
【図２２】第１のゾーン３３０Ａと第２のゾーン３３０Ｂの容積が異なる燃料電池を例示する模式図である。
【符号の説明】
【００７３】
２ 燃料供給部
４ 発電部
６ 酸素導入部
８ 切替弁
９ 逆止弁
１０、１５ 燃料供給口
２０ 保液シート
３０ 多孔質膜
４０ 燃料側集電体
５０ 燃料側ガス拡散層
６０ 燃料極
７０ 電解質板
８０ 酸化剤極
９０ カソード側ガス拡散層
１００ カソード側集電体
１１０ 保湿シート
１２０ メタノールガス流路
１３０ ガス排出孔
１４０ 筐体
１５０ カソード側筐体部
１６０ 保護シート
２００ 遮蔽物
３００ 燃料電池用カートリッジ
３１０Ａ〜３１０Ｄ  ゾーン
３０２、３０４、３０６、３０８  仕切り板
３２０Ａ〜３２０Ｄ 接続部
３３０ 燃料タンク
３３０Ａ、３３０Ｂ  ゾーン
【図１】
2007026803.tif 000003
【図２】
2007026803.tif 000004
【図３】
2007026803.tif 000005
【図４】
2007026803.tif 000006
【図５】
2007026803.tif 000007
【図６】
2007026803.tif 000008
【図７】
2007026803.tif 000009
【図８】
2007026803.tif 000010
【図９】
2007026803.tif 000011
【図１０】
2007026803.tif 000012
【図１１】
2007026803.tif 000013
【図１２】
2007026803.tif 000014
【図１３】
2007026803.tif 000015
【図１４】
2007026803.tif 000016
【図１５】
2007026803.tif 000017
【図１６】
2007026803.tif 000018
【図１７】
2007026803.tif 000019
【図１８】
2007026803.tif 000020
【図１９】
2007026803.tif 000021
【図２０】
2007026803.tif 000022
【図２１】
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【図２２】
2007026803.tif 000024