(57)【要約】【課題】クロスオーバによる異常な温度上昇を確実に回避することができる燃料電池用カートリッジ、および、そのような燃料電池用カートリッジを搭載した燃料電池を提供する。【解決手段】燃料電池１０を燃料電池本体１１とともに構成し、この燃料電池本体１１に燃料を供給する燃料電池用カートリッジ１２に、少なくとも一方の面に、燃料の供給路である多数の孔が形成されたカートリッジケース１２２と、このカートリッジケース１２２における多数の孔を覆うように上記の一方の面に配置され、熱可塑性樹脂を備えた多孔質膜１２３とを備えた。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池に燃料を供給する燃料電池用カートリッジであって、
前記燃料の供給路に、前記燃料の温度が予め定められた温度以上になった場合に前記供給路を遮断する遮断機構を配置させたことを特徴とする燃料電池用カートリッジ。
【請求項２】
燃料電池に燃料を供給する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、前記燃料の供給路である複数の開口部が形成されたカートリッジケースと、
前記開口部を覆うように前記一方の面に配置され、熱可塑性樹脂からなる多孔質の膜と
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３】
前記熱可塑性樹脂は、ステアリン酸アミド粉末を保持したカーボンペーパ、或いは、ポリエチレン多孔質体を保持したカーボンペーパである
ことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池用カートリッジ。
【請求項４】
前記カートリッジケースの面のうち、前記多孔質の膜が配置された箇所を除く部分に第２開口部を有し、
前記第２開口部が、前記カートリッジの内圧が予め定められた値よりも高くなった場合に破断する膜で塞がれている
ことを特徴とする請求項２または請求項３に記載の燃料電池用カートリッジ。
【請求項５】
前記カートリッジケース内に、燃料を含浸するための燃料含浸材が封入されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の燃料電池用カートリッジ。
【請求項６】
燃料の供給路が設けられているカートリッジケースと、前記燃料の供給路に配置され、前記燃料の温度が予め定められた温度以上になった場合に前記供給路を遮断する遮断機構とを有する燃料電池用カートリッジを搭載した
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、燃料電池に燃料を供給する燃料電池用カートリッジ、および、そのような燃料電池用カートリッジを搭載した燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯電話機、ＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ  Ｄａｔａ  Ａｓｓｉｓｔａｎｃｅ）、ノート型パーソナルコンピュータ（ノートＰＣ）等の携帯電子機器の著しい進歩により、消費電力の増加、長時間使用化が進み、その駆動電源である電池には更なる性能向上が求められている。しかし、現在ほとんどの携帯電子機器に搭載されている二次電池では、材料面、構造面から性能向上がほぼ限界に近づきつつある。これに対し、新規の高容量駆動電源として、燃料の理論容量が大きくリチウムイオン電池と比較して数倍の高容量化が期待されるダイレクトメタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）に注目が集まっている。これは、電解質に高分子固体電解質を用い、燃料として有機燃料から改質された水素を供給することなく、メタノールなどの有機燃料を電池上に直接に供給することでエネルギー密度を向上させた燃料電池であり、軽量小型化に適している。ダイレクトメタノール方式では、燃料極触媒にメタノールと水を液相あるいは気相で供給し、触媒上でプロトンと二酸化炭素が生成され、プロトンは高分子固体電解質膜中を透過して酸素と化合して水を生成する。この際、燃料極、空気極を外部回路に接続することで電力が取り出せる。
【０００３】
ＤＭＦＣにおける燃料供給方法は、燃料極表面に液体状態の燃料を直接供給する液体供給式と、液体燃料を気化させた後に発電部へ供給する気化供給式とに分類できる。
【０００４】
気化供給式では、供給する燃料を高濃度化することが可能となり、同一容積で比較すると低濃度の燃料を液相で使用する場合に比べてエネルギー密度が向上する。従って、小型化、高エネルギー密度化が要求されている携帯電子機器用途では、気化供給式が適した方式であると言える（例えば、特許文献１または２参照）。
【０００５】
また、一般的に燃料電池では燃料が供給に従って減少するので燃料の補充が必要となるが、このような燃料の補充を簡単に行う方法として、燃料を蓄積する部分をカートリッジ化しておき、燃料が減った場合には、この燃料電池用カートリッジを、燃料が十分に充填された新品の燃料電池用カートリッジと交換するという方法が提案されている。この燃料電池用カートリッジの交換によって燃料を補充するという方法は手軽であり、上記のＤＭＦＣに、このような方法を採用することで、軽量小型化に一層適した燃料電池を得ることができる。このようなタイプのＤＭＦＣでは、液体燃料は燃料電池用カートリッジ内で気化され、燃料電池用カートリッジから、発電部を有する燃料電池本体に、気化したメタノールが供給される。
【０００６】
ここで、一般的にＤＭＦＣにおいて発電に相当する量以上のメタノールを燃料電池の燃料極に供給したとき、過剰なメタノールが燃料極と高分子固体電解質膜を透過して空気極に達し空気極上で燃焼反応を起こす、いわゆるクロスオーバと呼ばれる副反応が起こることが知られている。特に、気化供給式で燃料電池用カートリッジから燃料を供給するＤＭＦＣでは、何らかの原因により環境温度が著しく上昇すると、その環境温度の上昇に伴ってメタノールの飽和蒸気圧が上昇して気化速度が上がり燃料電池用カートリッジからメタノールが過剰に供給されてしまい、メタノールのクロスオーバが促進されやすい。クロスオーバが発生すると、空気極の触媒でのメタノールの空気酸化により著しい発熱が生じる。すると、この発熱によってメタノールの気化速度が更に上がってクロスオーバが更に促進されるという悪循環が生じ、最終的には、異常な温度上昇により、燃料電池や、燃料電池を搭載している電子機器が破損してしまうことがある。
【０００７】
気化供給式での燃料供給におけるクロスオーバによる異常な温度上昇を抑える技術として、例えば、高温状態で過剰に気化したメタノールを逃がす機構を設けるという技術（例えば、特許文献３）や、高温状態でのメタノールの気化速度を抑えるという技術（例えば、特許文献４）が提案されている。これらの技術を、ＤＭＦＣにおいて気化供給式で燃料を供給する燃料電池用カートリッジに適用することで、燃料電池用カートリッジから燃料電池本体へのメタノールの過剰供給が抑えられる。これにより、燃料電池本体におけるクロスオーバの促進が抑えられるので、上記のような異常な温度上昇が抑えられることとなる。
【特許文献１】特許第３４１３１１１号公報
【特許文献２】特開２００６−５４０８２号公報
【特許文献３】特開２００１−９３５５１号公報
【特許文献３】特表２００７−５０８６７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記の特許文献３に開示の技術や特許文献４に開示の技術では、環境温度の上昇が、燃料電池用カートリッジにおけるメタノールを逃がす機構や気化速度を抑える能力を超えて生じた場合には燃料電池本体におけるクロスオーバの促進を抑えきれず、結局、上記のような異常な温度上昇が発生し、燃料電池や電子機器が破損してしまうおそれがある。
【０００９】
本発明は、上記事情に鑑み、クロスオーバによる異常な温度上昇を確実に回避することができる燃料電池用カートリッジ、および、そのような燃料電池用カートリッジを搭載した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】
【００１０】
上記目的を達成する燃料電池用カートリッジのうちの第１の燃料電池用カートリッジの基本形態は、
燃料電池に燃料を供給する燃料電池用カートリッジであって、
上記燃料の供給路に、上記燃料の温度が予め定められた温度以上になった場合に上記供給路を遮断する遮断機構を配置させたことを特徴とする。
【００１１】
この第１の燃料電池用カートリッジの基本形態によれば、上記遮断機構により、予め定められた温度以上で上記供給路が遮断されるので、その定められた温度以上に環境温度が上昇した場合には、燃料電池用カートリッジから燃料電池本体への燃料の供給が止められる。このため、たとえ燃料電池本体でクロスオーバが促進されて異常な発熱が起こったとしても、その発熱によって環境温度が上記の定められた温度に達すると、それ以降の燃料の供給が止められるので、上述したような悪循環による異常な温度上昇が確実に回避される。また、上記遮断機構が上記供給路を遮断する温度を、例えば、クロスオーバが発生する温度未満に定めておくといった運用を行えば、環境温度の上昇によるクロスオーバの促進自体を回避することもできる。
【００１２】
また、上記目的を達成する燃料電池用カートリッジのうちの第２の燃料電池用カートリッジの基本形態は、
燃料電池に燃料を供給する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、上記燃料の供給路である複数の開口部が形成されたカートリッジケースと、
上記開口部を覆うように上記一方の面に配置され、熱可塑性樹脂からなる多孔質の膜と
を有することを特徴とする。
【００１３】
この第２の燃料電池用カートリッジの基本形態によれば、環境温度が上記熱可塑性樹脂の融点に達すると、熱可塑性樹脂が融解して上記多孔質の膜が有する孔が潰れ、その結果、上記カートリッジケースにおける複数の開口部が塞がれて、燃料の供給路が遮断され、燃料電池用カートリッジから燃料電池本体への燃料の供給が止められる。このため、たとえ燃料電池本体でクロスオーバが促進されて異常な発熱が起こったとしても、その発熱によって環境温度が上記の融点に達すると、それ以降の燃料の供給が止められるので、上述したような悪循環による異常な温度上昇が確実に回避される。また、上記熱可塑性樹脂として、例えば、クロスオーバが異常に促進される温度未満の融点を有する熱可塑性樹脂を採用するといった運用を行えば、環境温度の上昇によるクロスオーバの促進自体を回避することもできる。
【００１４】
また、上記の第２の燃料電池用カートリッジの基本形態に対し、
「上記熱可塑性樹脂は、ステアリン酸アミド粉末を保持したカーボンペーパ、或いは、ポリエチレン多孔質体を保持したカーボンペーパである」という応用形態が考えられる。
【００１５】
この応用形態では、環境温度が、ステアリン酸アミド粉末或いはポリエチレン多孔質体の融点を越えると、カーボンペーパが有する複数の孔やポリエチレン多孔質体自体が有する複数の孔が潰れて、上記カートリッジケースにおける複数の開口部が塞がれることとなる。
【００１６】
また、上記の第２の燃料電池用カートリッジの基本形態や、この基本形態に対する上記の応用形態に対し、
「上記カートリッジケースの面のうち、上記多孔質の膜が配置された箇所を除く部分に第２開口部を有し、
上記第２開口部が、上記カートリッジの内圧が予め定められた値よりも高くなった場合に破断する膜で塞がれている」という応用形態は好適である。
【００１７】
上記燃料の供給路である複数の開口部が塞がれ燃料の供給が止められると燃料電池用カートリッジの内圧が上昇することとなるが、この好適な応用形態によれば、この内圧の許容以上の上昇を回避することができる。
【００１８】
また、上記の第１の燃料電池用カートリッジの基本形態、上記の第２の燃料電池用カートリッジの基本形態、および、この第２の燃料電池用カートリッジの基本形態に対する上記の各応用形態に対し、
「上記カートリッジケース内に、燃料を含浸するための燃料含浸材が封入されている」という応用形態は好適である。
【００１９】
この好適な応用形態によれば、燃料が液体として漏出しないといった利点を得ることができる。
【００２０】
また、上記目的を達成する燃料電池のうちの第１の燃料電池の基本形態は、
燃料の供給路が設けられているカートリッジケースと、上記燃料の供給路に配置され、上記燃料の温度が予め定められた温度以上になった場合に上記供給路を遮断する遮断機構とを有する燃料電池用カートリッジを搭載した
ことを特徴とする。
【００２１】
また、上記目的を達成する燃料電池のうちの第２の燃料電池の基本形態は、
少なくとも一方の面に、燃料の供給路である複数の開口部が形成されたカートリッジケースと、上記開口部を覆うように上記一方の面に配置され、熱可塑性樹脂からなる多孔質の膜とを有する燃料電池用カートリッジを搭載した
ことを特徴とする。
【００２２】
これらの基本形態によれば、この燃料電池におけるクロスオーバの促進による異常な温度上昇を確実に回避することができる。
【００２３】
尚、第１および第２の燃料電池については、ここでは各基本形態のみを示すに止めるが、これは単に重複を避けるためであり、第１および第２の燃料電池には、上記の基本形態のみではなく、前述した第１および第２の燃料電池用カートリッジの各応用形態に対応する各種の応用形態が含まれる。
【発明の効果】
【００２４】
以上、説明したように、第１および第２の燃料電池用カートリッジの上記基本形態や、第１および第２の燃料電池の上記基本形態によれば、クロスオーバの促進による異常な温度上昇を確実に回避することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
基本形態および応用形態について上記に説明した燃料電池用カートリッジおよび燃料電池に対する具体的な実施形態を、以下図面を参照して説明する。
【００２６】
まず、燃料電池用カートリッジおよび燃料電池の具体的な第１実施形態について説明する。以下に説明する第１実施形態は、上述した第２の燃料電池用カートリッジおよび第２の燃料電池の具体的な一実施形態に相当する。
【００２７】
図１は、燃料電池用カートリッジおよび燃料電池の具体的な第１実施形態の内部構造を示した模式断面図である。
【００２８】
この図１に示す燃料電池１０は、上述した第２の燃料電池の具体的な一実施形態に相当し、ポンプやファン等の補器を用いない、小型化に適したいわゆるパッシブ型の構造を持つ燃料電池である。
【００２９】
この燃料電池１０は、燃料電池本体１１と、その燃料電池本体１１の筐体１１１内に着脱自在に装着される燃料電池用カートリッジ１２とで構成される。
【００３０】
この燃料電池用カートリッジ１２は、上述した第２の燃料電池用カートリッジの具体的な一実施形態に相当し、高分子材料からなり、有機燃料としてのメタノール水溶液を内部に含浸させた燃料含浸材１２１と、この燃料含浸材１２１が収容されるカートリッジケース１２２とを備えている。また、カートリッジケース１２２には、その燃料含浸材１２１から気化したメタノールガスを放出させるための多数の孔１２２ａが形成されている。
【００３１】
さらに、この燃料電池用カートリッジ１２では、これら多数の孔１２２ａと燃料含浸材１２１との間に、熱可塑性を有するポリエチレン多孔質体の膜をカーボンペーパの表面に貼付させて構成された多孔質膜１２３が配置されている。この多孔質膜１２３では、この多孔質膜１２３周辺の環境温度がポリエチレン多孔質体の融点（およそ、１３０度から１４０度）に達すると、そのポリエチレン多孔質体が融解して、そのポリエチレン多孔質体が有する多数の孔が潰れるとともにカーボンペーパの多孔質構造における多数の孔が塞がれる。これにより、上記のメタノールガスを放出させるための多数の孔１２２ａが塞がれるので、この燃料電池用カートリッジ１２からのメタノールガスの供給路が遮断されることとなる。また、上記のカートリッジケース１２２には、燃料電池１０に装着された状態で外部に曝される側壁に１つの孔１２４が設けられている。そして、この１つの孔１２４は、燃料電池用カートリッジ１２の内圧が所定圧以上に高まると破損することでこの１つの孔１２４を開放する開放膜１２５で塞がれている。メタノールガスの供給路が遮断された後の気化によって燃料電池用カートリッジ１２の内圧は上昇するが、本実施形態では、その内圧が所定圧以上に高まると、開放膜１２５が破損して１つの孔１２４が開放されてメタノールガスが放出されることでその高まった内圧が下げられる。
【００３２】
ここで、上記のカートリッジケース１２２は、上述した基本形態におけるカートリッジケースの一例に相当し、多孔質膜１２３は、その基本形態における多孔質の膜の一例に相当する。また、上記の燃料含浸材１２１は、上述した応用形態における燃料含浸材の一例に相当する。また、上記の１つの孔１２４は、上述した応用形態における第２開口部の一例に相当し、開放膜１２５は、その応用形態における「内圧が予め定められた値よりも高くなった場合に破断する膜」の一例に相当する。
【００３３】
この燃料電池用カートリッジ１２から供給されたメタノールガスは、燃料電池本体１１の気化燃料拡散層１１２を通り、燃料極集電体１１３を通り、さらに燃料極ガス拡散層１１４を通って発電部１１５に達する。
【００３４】
一方、筐体１１１における、発電部１１５を燃料電池用カートリッジ１２とともに挟む側壁には、多数の孔１１６ａからなる空気供給口１１６が設けられている。この空気供給口１１６からは空気が取り込まれ、その空気は、空気極集電体１１７を通り、空気極ガス拡散層１１８を通って発電部１１５に達する。
【００３５】
発電部１１５は、燃料極触媒層１１５ａ、固体電解質層１１５ｂ、および空気極触媒層１１５ｃから構成されている。
【００３６】
発電部１１５は、アノードとしての燃料極触媒層１１５ａとカソードとしての空気極触媒層１１５ｃを固体電解質層１１５ｂを介して対向させた構造のものであり、アノード（燃料極触媒層１１５ａ）では水の存在下でメタノールが酸化されてプロトンと二酸化炭素と電子が取り出され、カソード（空気極触媒層１１５ｃ）では酸素と、アノードで生成された電子およびプロトンとから水が生成される。
【００３７】
また、筐体１１１における、気化燃料拡散層１１２に接する側壁にはガス排出口１１９が設けられており、上記の燃料極触媒層１１５ａでの酸化によって発生した二酸化炭素がこのガス排出口１１９から排出される。
【００３８】
燃料極触媒層１１５ａおよび空気極触媒層１１５ｃは、それぞれの電気化学反応を生ずることが可能な触媒または触媒担持体とプロトン導電性高分子電解質とを混合して、ガス拡散層または固体電解質に塗布したものである。
【００３９】
また、固体電解質層１１５ｂは、アノードにおいて生成したプロトンをカソードに輸送するための経路であり、電子伝導性を持たず、高いプロトン伝導性を有するものであり、代表的なものとしてはデュポン社製のＮａｆｉｏｎ（登録商標）膜がある。
【００４０】
燃料極集電体１１３および空気極集電体１１７は表面をＡｕメッキされたＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６など導電性を持ち耐食性の高い合金からなり、燃料および空気中の酸素を触媒層に導入できるようメッシュ、エキスパンドメタル、発泡金属などの形状を有するものである。
【００４１】
燃料極ガス拡散層１１４および空気極ガス拡散層１１８は燃料および空気中の酸素を触媒層に導入できるよう多孔質体の形状とし、触媒層と集電体の間に配置されたときには導電性を持つ必要があり、このような材料としてはカーボンペーパなどがある。
【００４２】
気化燃料拡散層１１２も燃料極ガス拡散層１１４と同様である。
【００４３】
カートリッジ２２内に保持するメタノールを固定するための高分子材料としては、メタノールが含浸するものであり、一般に高分子固体電解質やイオン交換膜として用いられているカルボキシル基またはスルホン基を含む高分子膜が好適であり、高濃度メタノール水溶液に対する不溶性の観点から、特にパーフルオロ系の樹脂膜が好適である。具体的には、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）（デュポン社製）、フレミオン（旭硝子社製商品名）、アシプレックス（旭化成社製商品名）を用いることができる。
【００４４】
以上に説明した燃料電池１０によれば、環境温度がポリエチレン多孔質体の融点（およそ、１３０度から１４０度）に達すると、燃料電池用カートリッジ１２からのメタノールガスの供給路が遮断され、この燃料電池用カートリッジ１２から燃料電池本体１１へのメタノールガスの供給が止められる。このため、たとえ燃料電池本体１１でクロスオーバが促進されて異常な発熱が起こったとしても、その発熱によって電池温度が上記の融点に達すると、それ以後のメタノールガスの供給が止められるので、クロスオーバによる発熱でクロスオーバがさらに促進されるという悪循環による異常な温度上昇が確実に回避される。
【００４５】
尚、本実施形態では、多孔質の膜の一例として、熱可塑性を有するポリエチレン多孔質体の膜をカーボンペーパの表面に貼付させて構成された多孔質膜１２３を例示したが、この多孔質の膜はこれに限るものではなく、例えば、ポリエチレン多孔質体の膜そのものであっても良く、あるいは、ポリエチレン多孔質体以外の、多孔質構造を有する熱可塑性樹脂の膜や、そのような膜をカーボンペーパの表面に貼付させて構成されたものであっても良い。また、この多孔質の膜は、例えば、多孔質構造を有するカーボンペーパの表面に熱可塑性を有するステアリン酸アミド粉末を分散固定させて構成された多孔質膜であっても良く、あるいは、ステアリン酸アミド粉末以外の熱可塑性樹脂の粉末をカーボンペーパの表面に分散固定させて構成されたもの等であっても良い。
【００４６】
次に、燃料電池用カートリッジおよび燃料電池の具体的な第２実施形態について説明する。以下に説明する第２実施形態は、上述した第１の燃料電池用カートリッジおよび第１の燃料電池の具体的な一実施形態に相当する。ここで、この第２実施形態では、上述した第１実施形態とは、燃料電池用カートリッジの構造が異なっている。以下では、この相違点である燃料電池用カートリッジの構造に注目して説明する。
【００４７】
図２は、燃料電池用カートリッジおよび燃料電池の具体的な第２実施形態を、燃料電池用カートリッジの内部構造に注目して示した模式図である。
【００４８】
尚、この図２では、図１に示す燃料電池本体１１とほぼ同等な構造を有する燃料電池本体１１’については、内部構造の図示が省略されており、以下では、この燃料電池本体１１’の詳細については重複説明を省略する。
【００４９】
この図２に示す燃料電池２０における燃料電池用カートリッジ２１は、図１に示す燃料電池用カートリッジ１１とは異なり、燃料電池本体１１’に対して外付けで着脱自在に装着される。
【００５０】
この図２に示す燃料電池用カートリッジ２１は、高分子材料からなり、有機燃料としてのメタノール水溶液を内部に含浸させた燃料含浸材２１１と、この燃料含浸材２１１が収容されるカートリッジケース２１２とを備えている。また、カートリッジケース２１２には、その燃料含浸材２１１から気化したメタノールガスを燃料電池本体１１’に案内するための供給路２１３が形成されている。
【００５１】
さらに、この燃料電池用カートリッジ２１では、この供給路２１３と燃料含浸材２１１との間に、熱膨張率が互いに異なる２枚の金属板を張り合わせたバイメタル２１４が配置されている。本実施形態では、このバイメタル２１４は、所定の動作温度未満のときには、図２中で実線で示すように燃料含浸材２１１側に反っており、この動作温度に達すると、図２中で点線で示すように反りが戻る。このバイメタル２１４の動きにより、この燃料電池用カートリッジ２１では、燃料電池用カートリッジ２１周辺の環境温度がバイメタル２１４の動作温度未満のときには、供給路２１３が開放されてメタノールガスが燃料電池本体１１’に供給され、環境温度がその動作温度に達するとバイメタル２１４によって供給路２１３が遮断されることとなる。供給路２１３は、上述した基本形態における供給路の一例に相当し、バイメタル２１４は、その基本形態における遮断機構の一例に相当する。
【００５２】
また、上記のカートリッジケース２１２には、図中右側の側壁に、図１に示す１つの孔１２４と同等な１つの孔２１５が設けられており、さらに、その１つの孔２１５が、図１に示す開放膜１２５と同等な開放膜２１６で塞がれている。これらの１つの孔２１５と開放膜２１６とによって、供給路２１３が遮断された後に燃料電池用カートリッジ２１の内圧が高まったときにその高まった内圧が下げられる。
【００５３】
以上に説明した燃料電池２０によれば、環境温度がバイメタル２１４の動作温度に達すると、燃料電池用カートリッジ２１からのメタノールガスの供給路２１３が遮断されてメタノールガスの供給が止められる。このため、たとえ燃料電池本体１１’でクロスオーバが促進されて異常な発熱が起こったとしても、その発熱によって電池温度がバイメタル２１４の動作温度に達すると、それ以後のメタノールガスの供給が止められるので、クロスオーバによる発熱でクロスオーバがさらに促進されるという悪循環による異常な温度上昇が確実に回避される。
【００５４】
次に、燃料電池用カートリッジおよび燃料電池の具体的な第３実施形態について説明する。以下に説明する第３実施形態は、上述した第１の燃料電池用カートリッジおよび第１の燃料電池の具体的な一実施形態に相当する。ここで、この第３実施形態は、上述した第２実施形態と、供給路を遮断する機構が異なっている点を除いて、この第２実施形態と同等な構造を有している。以下では、この相違点である供給路を遮断する機構に注目して説明する。
【００５５】
図３は、燃料電池用カートリッジおよび燃料電池の具体的な第３実施形態を、燃料電池用カートリッジの内部構造に注目して示した模式図である。
【００５６】
尚、この図３では、燃料電池本体は、図２に示す燃料電池本体１１’と同等であるので図２と同じ符号を付して示され、図２と同様に内部構造の図示が省略されている。以下では、この燃料電池本体１１’の詳細については重複説明を省略する。
【００５７】
この図３に示す燃料電池用カートリッジ３１は、高分子材料からなり、有機燃料としてのメタノール水溶液を内部に含浸させた燃料含浸材３１１と、この燃料含浸材３１１が収容されるカートリッジケース３１２とを備えている。また、カートリッジケース３１２には、その燃料含浸材３１１から気化したメタノールガスを燃料電池本体１１’に案内するための供給路３１３が形成されている。
【００５８】
さらに、この燃料電池用カートリッジ３１では、この供給路３１３と燃料含浸材３１１との間に、環境温度が所定の動作温度に達するとこの供給路３１３を遮断する遮断機構３１４が配置されている。この遮断機構３１４は、供給路３１３を横切る方向に移動自在な遮断版３１４ａと、一端がこの遮断版３１４ａに固定され他端がカートリッジケース３１２に固定された形状記憶合金製のバネ３１４ｂとで構成されている。バネ３１４ｂは、環境温度が上記の動作温度未満のときには縮んでおり、環境温度が動作温度に達すると元の長さに戻る。ここで、縮んでいるときのバネ３１４ｂは、図３に実線で示すように、遮断版３１４ａを、供給路３１３が開放される位置まで引き、元の長さに戻ったときのバネ３１４ｂは、図３に点線で示すように、遮断版３１４ａを、供給路３１３が遮断される位置まで押す。この遮断機構３１４の動きにより、この燃料電池用カートリッジ３１では、燃料電池用カートリッジ３１周辺の電池温度が遮断機構３１４の動作温度未満のときには、供給路３１３が開放されてメタノールガスが燃料電池本体１１’に供給され、電池温度がその動作温度に達すると遮断機構３１４の遮断版３１４ａによって供給路３１３が遮断されることとなる。供給路３１３は、上述した基本形態における供給路の一例に相当し、遮断機構３１４は、その基本形態における遮断機構の一例に相当する。
【００５９】
また、上記のカートリッジケース３１２には、図中右側の側壁に、図１に示す１つの孔１２４や図２に示す１つの孔２１５と同等な１つの孔３１６が設けられており、さらに、その１つの孔３１６が、図１に示す開放膜１２５や図２に示す開放膜２１６と同等な開放膜３１６で塞がれている。これらの１つの孔３１６と開放膜３１７とによって、供給路３１３が遮断された後に燃料電池用カートリッジ３１の内圧が高まったときにその高まった内圧が下げられる。
【００６０】
以上に説明した燃料電池３０によれば、環境温度が遮断機構３１４の動作温度に達すると、燃料電池用カートリッジ３１２からのメタノールガスの供給路３１３が遮断されてメタノールガスの供給が止められる。このため、たとえ燃料電池本体１１’でクロスオーバが促進されて異常な発熱が起こったとしても、その発熱によって電池温度が遮断機構３１４の動作温度に達すると、それ以後のメタノールガスの供給が止められるので、クロスオーバによる発熱でクロスオーバがさらに促進されるという悪循環による異常な温度上昇が確実に回避される。
【００６１】
尚、上記では、遮断機構を有する燃料電池用カートリッジの一例として、燃料電池本体に外付けされるタイプの燃料電池用カートリッジを例示し、多孔質の膜を有する燃料電池用カートリッジの一例として、燃料電池本体の筐体内に装着されるされるタイプの燃料電池用カートリッジを例示したが、燃料電池用カートリッジはこれらの形態に限るものではなく、例えば、燃料電池本体の筐体内に装着されるされるタイプの燃料電池用カートリッジが遮断機構を有するものであっても良く、燃料電池本体に外付けされるタイプの燃料電池用カートリッジが多孔質の膜を有するものであっても良い。
【００６２】
以上で、燃料電池用カートリッジおよび燃料電池に対する実施形態の説明を終了する。
【実施例】
【００６３】
以下、燃料電池用カートリッジおよび燃料電池に対する実施例について、比較例とともに説明する。尚、以下に示す各実施例および比較例は、いずれも、図１に一例を示す構成を採用した燃料電池である。
（実施例１）
実施例１では、燃料電池の構成において下記の材料を使用した。
【００６４】
・燃料極触媒：白金−ルテニウム合金担持触媒（ＴＥＣ６１Ｅ５４，田中貴金属社製）
・空気極触媒：白金担持触媒（ＴＥＣ１０Ｅ５０Ｅ，田中貴金属社製）
・触媒混合・担持固体電解質：Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）Ｎ２００４２（デュポン社製）
・電解質：Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）Ｎ１１２（デュポン社製）
・燃料：１００％メタノール
・カードカートリッジ中の燃料保持体：Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）Ｎ１１１０（デュポン社製）
・多孔質の膜：多孔質構造を有するカーボンペーパ（ＴＧＰ−Ｈ−０９０，東レ社製）の表面に熱可塑性を有するステアリン酸アミド粉末（融点１００度から１０９度，和光純薬工業製）を分散固定させて構成された多孔質膜
この実施例１の燃料電池について、環境温度が２５度、電流密度が６０ｍＡ／ｃｍ２で、１時間に亘って発電を行った。この１時間の発電によって、実施例１の燃料電池に対する正常動作確認および安定化を行った。その後、燃料極集電体および空気極集電体から電力を取り出すことなく恒温槽に放置し、放置後の燃料電池の温度の推移を記録した。このような一連の処理を、恒温槽が４０度の場合、６０度の場合、および８０度の場合の３つの場合について行った。この処理の結果については後述する。
（実施例２）
実施例２では、燃料電池の構成において、多孔質の膜については下記の材料を使用し、多孔質の膜以外については、上記の実施例１と同じ材料を使用した。
【００６５】
・多孔質の膜：熱可塑性を有するポリエチレン多孔質体（Ｃｅｌｇａｒｄ（登録商標）２４００，融点１３０度から１４０度，セルガード社製）の膜をカーボンペーパ（ＴＧＰ−Ｈ−０９０，東レ社製）の表面に貼付させて構成された多孔質膜
この実施例２の燃料電池について、上記の実施例１と同様に、１時間の発電、その後の恒温槽での放置、および、放置後の燃料電池の温度推移の記録という一連の処理を、恒温槽が４０度の場合、６０度の場合、および８０度の場合の３つの場合について行った。この処理の結果についても後述する。
（比較例）
比較例では、燃料電池の構成において、多孔質の膜については下記の材料を使用し、多孔質の膜以外については、上記の実施例１と同じ材料を使用した。
【００６６】
・多孔質の膜：カーボンペーパ（ＴＧＰ−Ｈ−０９０，東レ社製）
この比較例の燃料電池について、上記の実施例１および実施例２と同様に、１時間の発電、その後の恒温槽での放置、および、放置後の燃料電池の温度推移の記録という一連の処理を、恒温槽が４０度の場合、６０度の場合、および８０度の場合の３つの場合について行った。
【００６７】
以下、実施例１、実施例２、および比較例それぞれについて行った上記の一連の処理の結果について説明する。
【００６８】
図４は、実施例１、実施例２、および比較例それぞれの燃料電池の、恒温槽中での温度推移を示すグラフである。
【００６９】
この図４に示すグラフＧには、まず、恒温槽が４０度の場合における実施例１、実施例２、および比較例それぞれの燃料電池の温度推移が示されているが、この温度推移は、実施例１、実施例２、および比較例の間でほとんど差異が無く、この図４のグラフＧでは、この温度推移が、黒丸を実線で結ぶ１本の第１ラインＬ１で示されている。この１本の第１ラインＬ１によると、燃料電池において、放置後に若干の温度上昇が見られる。これは、２５度に置かれていた燃料電池が４０度の恒温槽に入れられたためと、メタノールガスと酸素の供給が続いて化学変化が生じているにも関わらず電力が取り出されないので、その取り出されない電力の分だけ発熱が起こっているためである。
【００７０】
次に、このグラフＧには、恒温槽が６０度の場合における実施例１の燃料電池の温度推移が、白抜きの菱形を結ぶ一点鎖線の第２ラインＬ２で示され、恒温槽が６０度の場合における実施例２の燃料電池の温度推移が、白抜きの四角を結ぶ一点鎖線の第３ラインＬ３で示され、恒温槽が６０度の場合における比較例の燃料電池の温度推移が、白抜きの三角を結ぶ一点鎖線の第４ラインＬ４で示されている。これら３つのラインそれぞれが示す温度推移を見ると、恒温槽が４０度のときの温度推移に比べると、メタノールガスの供給量が多く発熱が激しいために、恒温槽が４０度のときの温度推移に比べて急激に温度が上昇している。放置後１０分が経過するまでは、実施例１、実施例２、および比較例についてほぼ同様の急激な温度上昇が見られる。その後、実施例１および実施例２については、温度上昇が止まり、やがて温度が低下して、恒温槽の温度である６０度に収束しているのに対し、比較例については温度上昇が止まらず１５分が経過したときには１６０度を突破している。これは、実施例１および実施例２については、温度が、各実施例が有する多孔質膜における熱可塑性樹脂の融点に達した時点でメタノールガスの過剰供給が止まって発熱が停止したのに対し、比較例については、メタノールガスの過剰供給が止まらずに、クロスオーバ、発熱、その発熱によるクロスオーバの促進という悪循環が生じことによる。また、実施例１については、第２ラインＬ２が示す温度推移から、ステアリン酸アミド粉末の融点である融点１００度から１０９度においてメタノールガスの過剰供給が止まって発熱が停止していることが分かる。また、実施例２については、第３ラインＬ３が示す温度推移から、ポリエチレン多孔質体の融点である１３０度から１６０度においてメタノールガスの過剰供給が止まって発熱が停止していることが分かる。
【００７１】
さらに、このグラフＧには、恒温槽が８０度の場合における実施例１の燃料電池の温度推移が、黒の菱形を結ぶ破線の第５ラインＬ５で示され、恒温槽が８０度の場合における実施例２の燃料電池の温度推移が、黒の四角を結ぶ破線の第６ラインＬ６で示され、恒温槽が８０度の場合における比較例の燃料電池の温度推移が、黒の三角を結ぶ破線の第７ラインＬ７で示されている。これら３つのラインそれぞれが示す温度推移では、恒温槽が６０度のときの温度推移に比べて一層急激に温度が上昇している。しかし、恒温槽が６０度の場合と同様に、実施例１では、１００度から１０９度においてメタノールガスの過剰供給が止まって発熱が停止し、実施例２では、１３０度から１６０度においてメタノールガスの過剰供給が止まって発熱が停止している。その一方で、比較例については、温度上昇が止まらずに、１０分経過後には１６０度を突破している。
【００７２】
この図４のグラフＧに示す温度推移から、上記の２つの実施例それぞれが備える各多孔質膜が、比較例についての温度推移に見られるような異常な温度上昇の確実な回避に有効に働くことが分かる。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】燃料電池用カートリッジおよび燃料電池の具体的な第１実施形態の内部構造を示した模式断面図である。
【図２】燃料電池用カートリッジおよび燃料電池の具体的な第２実施形態を、燃料電池用カートリッジの内部構造に注目して示した模式図である。
【図３】燃料電池用カートリッジおよび燃料電池の具体的な第３実施形態を、燃料電池用カートリッジの内部構造に注目して示した模式図である。
【図４】実施例１、実施例２、および比較例それぞれの燃料電池の、恒温槽中での温度推移を示すグラフである。
【符号の説明】
【００７４】
１０，２０，３０    燃料電池
１１，１１’    燃料電池本体
１１１    筐体
１１２    気化燃料拡散層
１１３    燃料極集電体
１１４    燃料極ガス拡散層
１１５    発電部
１１５ａ    燃料極触媒層
１１５ｂ    固体電解質層
１１５ｃ    空気極触媒層
１１６    空気供給口
１１６ａ    多数の孔
１１７    空気極集電体
１１８    空気極ガス拡散層
１１９    ガス排出口
１２，２１，３１    燃料電池用カートリッジ
１２１，２１１，３１１    燃料含浸材
１２２，２１２，３１２    カートリッジケース
１２２ａ    多数の孔
１２３    多孔質膜
１２４，２１５，３１６    １つの孔
１２５，２１６，３１７    開放膜
２１３，３１３    供給路
２１４    バイメタル
３１４    遮断機構
３１４ａ    遮断版
３１４ｂ    バネ
【図１】
2009170145.tif 000003
【図２】
2009170145.tif 000004
【図３】
2009170145.tif 000005
【図４】
2009170145.tif 000006