(57)【要約】      （修正有）【課題】燃料カートリッジが所定温度以上になった場合には、燃料供給を停止し、その後の燃料供給機能を不能とするフェイルセーフ機構を備える燃料カートリッジを提供する。【解決手段】燃料カートリッジ２００においては、燃料として熱可逆性ゲル化燃料を用い、熱可逆性ゲル化燃料の気化により生じた気化燃料が燃料供給路を介して燃料電池発電部２０２へ供給され、所定温度以上になると熱可逆性ゲル化燃料の液化により生じた液化物が燃料供給路へ移動することによって気化燃料の供給が遮断されるように構成されている。所定温度未満では発電し、所定温度以上になると発電が停止する。発電が停止するとともに発熱も停止することにより、熱可逆性ゲル化燃料の温度が下降し、燃料供給路に移動した熱可逆性ゲル化燃料の液化により生じた液化物が再びゲル化するため燃料供給路が遮断された状態が維持される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱可逆性ゲル化燃料を収容する燃料カートリッジと、
前記燃料カートリッジからの気化燃料の供給により発電する起電部を有する燃料電池発電部と、
前記燃料カートリッジを離脱可能に装着する装着部と、
を備えた燃料電池の前記装着部に装着される燃料カートリッジであって、
前記燃料カートリッジは、
前記燃料電池発電部と前記熱可逆性ゲル化燃料とを接続する燃料供給路を有し、
前記熱可逆性ゲル化燃料の気化により生じた気化燃料が前記燃料供給路を介して前記燃料電池発電部へ供給され、所定温度以上になると前記熱可逆性ゲル化燃料の液化により生じた液化物が前記燃料供給路へ移動することによって前記気化燃料の供給が遮断されるように構成されたことを特徴とする燃料カートリッジ。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料カートリッジにおいて、
前記燃料供給路が多孔質膜であることを特徴とする燃料カートリッジ。
【請求項３】
請求項１に記載の燃料カートリッジにおいて、
前記燃料供給路が１以上の細孔を有する材料であることを特徴とする燃料カートリッジ。
【請求項４】
請求項２に記載の燃料カートリッジにおいて、
前記多孔質膜がポリテトラフルオロエチレンを含むことを特徴とする燃料カートリッジ。
【請求項５】
請求項１乃至４いずれかに記載の燃料カートリッジにおいて、
前記熱可逆性ゲル化燃料は、７０℃以上１００℃以下で液化することを特徴とする燃料カートリッジ。
【請求項６】
請求項１乃至５いずれかに記載の燃料カートリッジにおいて、
前記熱可逆性ゲル化燃料は、ゲル化剤として、アガロース、ペクチン、グアーガム、キサンタンガム、タマリンドガム、カラギーナン、またはカルボキシメチルセルロースナトリウムのうちの少なくとも一つを含むことを特徴とする燃料カートリッジ。
【請求項７】
請求項６に記載の燃料カートリッジにおいて、
前記ゲル化剤の含有量は、前記熱可逆性ゲル化燃料に対して１重量％以上２０重量％以下であることを特徴とする燃料カートリッジ。
【請求項８】
請求項１乃至７いずれかに記載の燃料カートリッジを用いた燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料カートリッジおよび燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池は、パーフルオロスルフォン酸膜等のイオン交換膜を電解質とし、このイオン交換膜の両面に燃料極および酸化剤極の各電極を接合して構成され、燃料極に水素、酸化剤極に酸素あるいは空気を供給して電気化学反応により発電する装置である。この反応を起こすために、通常、固体高分子型燃料電池は、イオン交換膜と、その両面に形成される触媒物質が担持された炭素微粒子と固体高分子電解質との混合体からなる触媒層と、燃料および酸化ガスの供給と拡散を目的とする多孔質性炭素材料からなるガス拡散層（供給層）と、炭素あるいは金属の導電性薄板からなる集電体とで構成されている。
【０００３】
また近年では、上記と同様の構成で、燃料としてメタノールなどの有機液体燃料を直接燃料極に供給する直接メタノール型固体高分子型燃料電池の研究開発も活発に行われている。
【０００４】
上記の構成において、燃料極に供給された燃料は、拡散層（供給層）中の細孔を通過して触媒に達し、触媒により燃料が分解されて、電子と水素イオンが生成される。電子は電極中の触媒担体とガス拡散層（供給層）とを通って外部回路へ導き出され、外部回路より酸化剤極に流れ込む。一方、水素イオンは電極中の電解質および両電極間の固体高分子電解質膜を通って酸化剤極に達し、酸化剤極に供給された酸素と外部回路より流れ込む電子と反応して水を生じる。この結果、外部回路では燃料極から酸化剤極へ向かって電子が流れ、電力が取り出される。
【０００５】
一方、燃料電池に用いられる燃料としてメタノールが用いられているが、メタノールは液体状で取り扱いが簡便である半面、人体に対する悪影響が大きいことが知られている。
たとえば、メタノールが大量に吸入されたり、眼に入ったりした場合は、視神経に障害を起こすことがあり、失明する可能性もある。また、メタノールは揮発性の可燃物質であり、想定外の高温環境で高濃度メタノールが飛散すると、発火するおそれもある。さらにメタノールは酸化反応中間体として蟻酸やホルムアルデヒドを生成することが知られており、これらも人体に悪影響を与える場合がある。
【０００６】
そこでこのような問題を解決する技術として特許文献１には、燃料をゲル化して貯蔵し、再液化剤の作用によりゲル化した燃料を流動化して取り出すことが記載されている。ゲル化等固体化した燃料は未使用時にメタノールを固体で保存しているため、流出等による事故の危険性を回避でき、また燃料電池使用時においても固体のまま燃料を気化供給することで、安全性を高めることもできる。
【０００７】
また、特許文献２には、燃料をゲル化し、燃料が気化するような温度条件下であっても、燃料がゲル化して安定しているため、燃料の気化を抑制することが記載されている。
【０００８】
なお、本発明に関連する先行技術文献としては、特許文献１および２の他に、特許文献３が挙げられる。
【０００９】
【特許文献１】特開２００６−２３６９６９号公報
【特許文献２】特開２００７−８０５４３号公報
【特許文献３】特開２００７−２４２３６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、特許文献１乃至３に記載の技術では、燃料電池が高温環境になった際の安全対策において改善の余地があった。
【００１１】
一般に、燃料を気化供給する燃料電池では、燃料の供給量が環境温度に大きく依存する。すなわち、低温時には気化供給量が減少し、高温時には気化供給量が増える。特に、高温時には過剰に供給された燃料が、クロスオーバーと呼ばれる現象により発電に寄与しないまま電解質膜を通り抜け、酸化剤極の触媒により燃焼し燃料電池全体の温度を上げるため、環境温度をより高温にしてしまう場合がある。
【００１２】
そのため、燃料電池が想定外の高温環境になった場合、燃料電池が発熱し、火傷の原因となるばかりでなく、筐体の破損や燃料の漏洩、さらには発火に至ることも考えられる。
また、燃料電池は、通常、使用時や未使用時におけるあらゆる温度環境を想定した上で、設計がなされているが、それでもなお、想定外の高温環境になった場合には、燃料電池の正常な機能が維持されず、その後の使用を継続するには不適切な場合もある。
【００１３】
そこでより安全性の高い燃料電池および燃料カートリッジを得るために、このように燃料電池が高温環境になった場合には、燃料供給を停止し、その後の燃料供給機能を不能とするフェイルセーフ機構を備えることが好ましい。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明による燃料カートリッジは、
熱可逆性ゲル化燃料を収容する燃料カートリッジと、
前記燃料カートリッジからの気化燃料の供給により発電する起電部を有する燃料電池発電部と、
前記燃料カートリッジを離脱可能に装着する装着部と、
を備えた燃料電池の前記装着部に装着される燃料カートリッジであって、
前記燃料カートリッジは、
前記燃料電池発電部と前記熱可逆性ゲル化燃料とを接続する燃料供給路を有し、
前記熱可逆性ゲル化燃料の気化により生じた気化燃料が前記燃料供給路を介して前記燃料電池発電部へ供給され、所定温度以上になると前記熱可逆性ゲル化燃料の液化により生じた液化物が前記燃料供給路へ移動することによって前記気化燃料の供給が遮断されるように構成されたことを特徴とする。
【００１５】
燃料カートリッジにおいては、燃料として熱可逆性ゲル化燃料を用い、前記熱可逆性ゲル化燃料の気化により生じた気化燃料が前記燃料供給路を介して前記燃料電池発電部へ供給され、所定温度以上になると前記熱可逆性ゲル化燃料の液化により生じた液化物が前記燃料供給路へ移動することによって前記気化燃料の供給が遮断されるように構成されている。かかる構成の燃料カートリッジによれば、所定温度未満では熱可逆性ゲル化燃料の気化により生じた気化燃料の供給によって発電し、所定温度以上になると熱可逆性ゲル化燃料の液化により生じた液化物が移動することによって燃料供給路が遮断されるため発電が停止する。発電が停止するとともに発熱も停止することにより、熱可逆性ゲル化燃料の温度が下降し、燃料供給路に移動した熱可逆性ゲル化燃料の液化により生じた液化物が再びゲル化するため燃料供給路が遮断された状態が維持される。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、熱可逆性ゲル化燃料が所定温度以上になった場合、燃料供給路を遮断して温度上昇を停止し、その後の燃料供給を不能とするフェイルセーフ機構を備えることにより、安全性の高い燃料カートリッジが実現される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、図面を参照しつつ、本発明による燃料カートリッジの好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては、同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、以下に記載される実施の形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をこれらの実施の形態にのみ限定するものではない。したがって、本発明は、その要旨を逸脱しない限り、さまざまな形態で実施することができる。
【００１８】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る燃料カートリッジを用いた燃料電池を示す概略図である。図２は、図１における燃料電池の燃料カートリッジを示す断面図である。
図１に示すように、燃料電池２０１は、熱可逆性ゲル化燃料を収容する燃料カートリッジ２００と、燃料カートリッジ２００からの燃料供給により発電する起電部を有する燃料電池発電部２０２と、燃料カートリッジ２００を離脱可能に装着する装着部２０３と、を有する。
【００１９】
図２に示すように、燃料カートリッジ２００は、燃料カートリッジ筐体２０４と上面の多孔質膜１０８とから構成され、内部にゲル状の熱可逆性ゲル化燃料１０４を収容する。熱可逆性ゲル化燃料１０４の上面には、多孔質膜１０８が隣接して設けられている。
【００２０】
多孔質膜１０８は、燃料電池発電部２０２と熱可逆性ゲル化燃料１０４とを接続する燃料供給路として機能する。これにより、熱可逆性ゲル化燃料１０４の気化により生じた気化燃料が多孔質膜１０８を介して燃料電池発電部２０２に供給されると同時に、熱可逆性ゲル化燃料１０４の液化により生じた液化物が多孔質膜１０８内に浸透できる。
【００２１】
多孔質膜１０８の材料としては、たとえばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）のようなフッ素系樹脂あるいはポリエチレンやポリプロピレンのようなオレフィン系樹脂が挙げられる。このうち、特にＰＴＦＥを含むものが好ましい。
【００２２】
また、多孔質膜１０８の孔径は０．１μｍ以上１０μｍ以下のものが好ましい。これにより、液化した熱可逆性ゲル化燃料１０４が浸透しやすくなる。
本実施形態においては、孔径が０．３μｍのポリテトラフルオロエチレンからなる多孔質膜１０８を用いた。
【００２３】
熱可逆性ゲル化燃料１０４は、燃料として、メタノール、エタノール、ジエチルエーテルなどの有機液体燃料に、水と、ゲル化剤を添加して得られる。
【００２４】
所定温度とは、熱可逆性ゲル化燃料１０４の液化温度であって、熱可逆性ゲル化燃料１０４の温度が上昇することによってゲル状から液状となり、その液化物が燃料供給路へ移動しうる温度である。これにより、気化燃料供給路が遮断され、燃料電池２０１の発電が停止する。熱可逆性ゲル化燃料１０４全体の温度分布はむらがあるため、熱可逆性ゲル化燃料１０４すべてが液化する必要はなく、少なくとも一部が液化すればよい。
熱可逆性ゲル化燃料１０４の液化温度は、ゲル化剤を適宜選択あるいは混合することにより、容易に設定あるいは設定を変更することができる。熱可逆性ゲル化燃料１０４の液化温度は特に限定されないが、７０℃以上１００℃以下が好ましい。これにより、燃料電池２０１が高温環境になるのを抑制できる。
【００２５】
また、熱可逆性ゲル化燃料１０４の含水量は、１０重量％以上９０重量％以下が好ましい。また、熱可逆性ゲル化燃料１０４に含有されるゲル化剤は、１重量％以上２０重量％以下が好ましい。
【００２６】
ゲル化剤は、熱可逆性のものが好ましい。ゲル化剤としては、アガロース、ペクチン、グアーガム、キサンタンガム、タマリンドガム、カラギーナン、カルボキシメチルセルロースナトリウム等が例示される。たとえば、メチルセルロース、ペプチドなどでは、燃料電池２０１が高温環境になった場合に熱可逆性ゲル化燃料１０４の液化により生じた液化物が燃料供給を抑制するといった効果が得られない。
一般に、熱可逆性ゲル化剤の多くは、有機液体燃料のみをゲル化するのは困難であるため、水を含有する液体燃料としてゲル化を容易にできる。
【００２７】
また、熱可逆性ゲル化燃料１０４の液化時の粘度は、流出防止のため、調整される必要があるが、ゲル化剤の種類や添加量、あるいは、閉塞する細孔の材質や形状等を適宜選択することにより、設定あるいは設定の変更が可能である。
【００２８】
本実施形態の燃料カートリッジ２００による燃料電池２０１の発電の仕組みについて説明する。
【００２９】
まず、装着部２０３に燃料カートリッジ２００を装着する。燃料カートリッジ２００に収容された熱可逆性ゲル化燃料１０４は、正常使用時には、熱可逆性ゲル化燃料１０４の気化により生じた気化燃料が燃料電池発電部２０２に供給される。
次に、燃料電池発電部２０２に供給された気化燃料は、燃料電池発電部２０２内での電気化学反応により発電する。
このようにして燃料電池２０１が発電する。
【００３０】
本実施形態の効果を説明する。
燃料カートリッジ２００においては、燃料として熱可逆性ゲル化燃料１０４を用い、熱可逆性ゲル化燃料１０４の気化により生じた気化燃料が多孔質膜１０８を介して燃料電池発電部２０２へ供給され、所定温度以上になると熱可逆性ゲル化燃料１０４の液化により生じた液化物が多孔質膜１０８へ移動することによって気化燃料の供給が遮断されるように構成されている。かかる構成の燃料カートリッジ２００によれば、所定温度未満では熱可逆性ゲル化燃料１０４の気化により生じた気化燃料の供給によって発電し、所定温度以上になると熱可逆性ゲル化燃料１０４の液化により生じた液化物が移動することによって多孔質膜１０８の細孔にこの液化物が浸透し、気化燃料供給が遮断されるため発電が停止する。発電が停止するとともに発熱も停止することにより、熱可逆性ゲル化燃料１０４の温度が下降し、多孔質膜１０８の細孔に移動した熱可逆性ゲル化燃料１０４の液化により生じた液化物が再びゲル化するため気化燃料供給が遮断された状態が維持される。このようなフェイルセーフ機構により、安全性の高い燃料カートリッジ２００が実現できる。
【００３１】
たとえば、燃料電池または燃料カートリッジが想定外の発熱により高温になる場合、特に、高温時に過剰に供給された燃料が、クロスオーバーと呼ばれる現象により発電に寄与しないまま固体電解質膜を通り抜け、酸化剤極の触媒により燃焼し燃料電池および燃料カートリッジ全体の温度を上げるため、環境温度をより高温にしてしまう場合において、燃料電池２０１によれば上述のようなフェイルセーフ機構により燃料電池および燃料カートリッジが高温環境となってしまうといった問題を解決できる。
【００３２】
（第２実施形態）
図３は、本発明による燃料カートリッジの第２実施形態を示す断面図である。第１実施形態が燃料カートリッジ２００は燃料供給路として多孔質膜１０８を介して燃料電池発電部２０２に燃料供給する例であったのに対し、本実施形態の燃料カートリッジ３００は独立した燃料供給路として燃料供給口２０５を介して、燃料を気化供給する例である。
【００３３】
図４および図５は、図３に示す燃料カートリッジ３００の燃料供給口２０５の縦断面を表す断面図である。図４ではひとつの細孔２０６を有する燃料供給口２０５が、図５では５つの細孔２０６を有する燃料供給口２０５がそれぞれ示されている。燃料カートリッジ３００は、ひとつもしくは複数の細孔２０６を通じて燃料を気化供給する構造を備えている。熱可逆性ゲル化燃料１０４の気化により生じた気化燃料は、燃料供給口２０５の細孔２０６を通って燃料電池発電部２０２に供給されるように構成されている。
【００３４】
燃料供給口２０５はひとつもしくは複数の細孔２０６を有している。細孔２０６は、燃料供給路として機能する。細孔２０６の孔径は０．５ｍｍ以上２ｍｍ以下のものが好ましい。これにより、液化した熱可逆性ゲル化燃料１０４が浸透しやすくなる。また、細孔２０６が複数の場合は、一つの当たりの孔径を０．１ｍｍ以上２ｍｍ以下とすることができる。なお、燃料供給口２０５の細孔２０６の数は２〜１０程度で好適に使用できる。
また、燃料供給口２０５の材質は、ステンレスなどの金属、ＰＴＦＥのようなフッ素系樹脂、またはポリエチレンやポリプロピレンのようなオレフィン系樹脂を好適に用いることが可能である。これにより、液化した熱可逆性ゲル化燃料１０４が浸透しやすくなる。
本実施形態においては、孔径が０．７ｍｍ、長さが１０ｍｍのステンレス（ＳＵＳ３１６Ｌ）製の細孔２０６を用いた。
【００３５】
本実施形態においても、燃料電池発電部２０２と熱可逆性ゲル化燃料１０４との間に、燃料供給口２０５を備えているため、安全性の高い構造の燃料カートリッジ３００および燃料電池が実現されている。
燃料カートリッジ３００においては、燃料として熱可逆性ゲル化燃料１０４を用い、熱可逆性ゲル化燃料１０４の気化により生じた気化燃料が燃料供給口２０５の細孔２０６を介して燃料電池発電部２０２へ供給され、所定温度以上になると熱可逆性ゲル化燃料１０４の液化により生じた液化物が燃料供給口２０５の細孔２０６へ移動することによって気化燃料の供給が遮断されるように構成されている。かかる構成の燃料カートリッジ３００によれば、所定温度未満では熱可逆性ゲル化燃料１０４の気化により生じた気化燃料の供給によって発電し、所定温度以上になると熱可逆性ゲル化燃料１０４の液化により生じた液化物が移動することによって燃料供給口２０５の細孔２０６にこの液化物が浸透し、気化燃料供給が遮断されるため発電が停止する。発電が停止するとともに発熱も停止することにより、熱可逆性ゲル化燃料１０４の温度が下降し、燃料供給口２０５の細孔２０６に移動した熱可逆性ゲル化燃料１０４の液化により生じた液化物が再びゲル化するため気化燃料供給が遮断された状態が維持される。このようなフェイルセーフ機構により、安全性の高い燃料カートリッジ３００が実現できる。
本実施形態のその他の効果は、上記実施形態と同様である。
【００３６】
本発明による燃料カートリッジおよび燃料電池は、上記実施形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】第１実施形態に係る燃料カートリッジを用いた燃料電池を示す概略図である。
【図２】本発明による燃料カートリッジの第１実施形態を示す断面図である。
【図３】本発明による燃料カートリッジの第２実施形態を示す断面図である。
【図４】第２実施形態に係る燃料カートリッジの燃料供給口を示す断面図である。
【図５】第２実施形態に係る燃料カートリッジの燃料供給口を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３８】
１０４    ゲル化燃料
１０８    多孔質膜
２００    燃料カートリッジ
２０１    燃料電池
２０２    燃料電池発電部
２０３    燃料カートリッジ装着部
２０４    燃料カートリッジ筐体
２０５    燃料供給口
２０６    細孔
３００    燃料カートリッジ
【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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