(57)【要約】  燃料カートリッジ１５０１が、筐体１５０２と、液体燃料１２４を収容する内部容器１５０３の二重構造からなり、筐体が１５０２、耐衝撃性を有する樹脂により構成され、内部容器１５０３が、液体燃料に対する耐性を有する樹脂により構成されている。【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の燃料極に供給される液体燃料を収容し、前記燃料電池に着脱可能である燃料電池用燃料カートリッジであって、
内面が、前記液体燃料に対する耐性を有する樹脂により構成された燃料収容室と、
該燃料収容室を内包し、耐衝撃性樹脂からなる筐体と、
前記燃料収容室に連通し、前記燃料電池に前記液体燃料を供給する燃料供給部と、
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２】
前記燃料収容室の前記内面が耐アルコール性樹脂により構成されていることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池用燃料カートリッジ。
【請求項３】
前記燃料収容室が可撓性樹脂材料からなる袋状部材により構成されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の燃料電池用燃料カートリッジ。
【請求項４】
前記燃料収容室と前記筐体とが接合されて一体化されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の燃料電池用燃料カートリッジ。
【請求項５】
前記燃料収容室と前記筐体との間に緩衝材が配設されていることを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料電池用燃料カートリッジ。
【請求項６】
前記緩衝材は、天然ゴム、イソプレンゴム、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、アクリロニトリルブタジエンゴム、シリコーンゴム、ブチルゴム、ウレタンゴム、エチレンプロピレンゴム、エチレン−ビニルアセテート共重合体、発泡ポリウレタン、シリコーンゲル、およびスチレンゲルのうちの１つまたは２つ以上の材料を含むことを特徴とする、請求項５に記載の燃料電池用燃料カートリッジ。
【請求項７】
前記燃料収容室の内圧を調節する圧力調節部材を有することを特徴とする、請求項１から６のいずれか１項に記載の燃料電池用燃料カートリッジ。
【請求項８】
前記圧力調節部材が気液分離膜を含むことを特徴とする、請求項７に記載の燃料電池用燃料カートリッジ。
【請求項９】
前記筐体を貫通する通気孔を有することを特徴とする、請求項１から８のいずれか１項に記載の燃料電池用燃料カートリッジ。
【請求項１０】
燃料極を有する燃料電池本体と、前記燃料極に直接供給される液体燃料が収容される、請求項１から９のいずれか１項に記載の燃料電池用燃料カートリッジとを含む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】
固体電解質型燃料電池は、燃料極および酸化剤極と、これらの間に設けられた固体電解質膜から構成されており、燃料極に燃料が供給され酸化剤極に酸化剤が供給されると電気化学反応により発電する。燃料極および酸化剤極は、基材と、基材表面に備えられた触媒層とを含む。燃料としては、一般的には水素が用いられている。しかし、近年では、安価で取り扱いの容易なメタノールを原料として、メタノールを改質して水素を生成してそれを燃料として用いるメタノール改質型の燃料電池や、メタノールを燃料として直接用いる直接型の燃料電池の開発も盛んに行われている。【０００３】
燃料としてメタノールを直接用いる場合、燃料極での反応は以下の式（１）のようになる。
ＣＨ３ＯＨ  ＋  Ｈ２Ｏ  →  ６Ｈ＋  ＋  ＣＯ２  ＋  ６ｅ−      （１）
また、酸化剤極での反応は以下の式（２）のようになる。
３／２Ｏ２  ＋  ６Ｈ＋  ＋  ６ｅ−  →  ３Ｈ２Ｏ      （２）
このように、直接型の燃料電池では、メタノール水溶液から水素イオンを得ることができるので、改質器などの装置が不要になり、小型化及び軽量化を図ることができる。また、これは、液体のメタノール水溶液を燃料とするため、エネルギー密度が非常に高いという特徴がある。【０００４】
特開２００３−９２１２８号公報には、携帯型電子機器の電源として用いられる燃料電池に燃料を供給するための燃料カートリッジが開示されている。このように、燃料電池に着脱可能な構成の燃料カートリッジが提案されるようになってきた。ところが、特開２００３−９２１２８号公報に記載の燃料カートリッジは、外壁がポリエチレンやポリプロピレン等で構成されているため、耐衝撃性の点で改善の余地があった。燃料カートリッジは燃料電池の使用者によって携帯されるため、使用者が燃料カートリッジを落下させたりする可能性がある。このため、燃料カートリッジの耐衝撃性の向上は、燃料電池の普及のために重要である。また、メタノール等の有機液体燃料を収容する燃料カートリッジには、有機液体燃料に対する耐性が求められる。
【特許文献１】特開２００３−９２１２８号公報
【発明の開示】
【０００５】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料カートリッジの耐衝撃性および有機液体燃料に対する耐性を向上させる技術を提供することにある。
【０００６】
本発明によれば、燃料電池の燃料極に供給する液体燃料を収容し、燃料電池に着脱可能である燃料電池用燃料カートリッジであって、内面が液体燃料に対する耐性を有する樹脂により構成された燃料収容室と、燃料収容室を内包し、耐衝撃性樹脂からなる筐体と、燃料収容室に連通し、燃料電池に液体燃料を供給する燃料供給部と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が提供される。この燃料カートリッジは燃料電池に着脱可能に構成されており、使用者が携帯することができる樹脂性の小型の燃料容器である。
【０００７】
本発明において、液体燃料に対する耐性を有する樹脂は、液体燃料に接触させた際の溶解や劣化に対する耐性が、少なくとも、筐体を構成する樹脂よりも高い樹脂を指す。また、耐衝撃性樹脂は、外部からの衝撃に対する耐性が、少なくとも、燃料収容室の内面を構成する樹脂よりも大きい樹脂を指す。
【０００８】
燃料収容室の内面は、耐アルコール性を有する樹脂により構成されていてもよい。その場合、液体燃料はアルコール成分を含む。
【０００９】
本発明の燃料カートリッジは、耐衝撃性樹脂からなる筐体を有するため、外部からの衝撃に対する耐性にすぐれている。また、筐体に内包され、内面が液体燃料に対する耐性を有する樹脂（例えば耐アルコール性樹脂）により構成された燃料収容室を有するため、燃料収容室の内面がアルコール等の液体燃料と接触することによる溶解や劣化が確実に抑制される。このため、燃料カートリッジの耐衝撃性および液体燃料に対する耐性を向上させることができる。よって、燃料カートリッジを長期間安全に使用することができる。
【００１０】
本発明の燃料電池用燃料カートリッジにおいて、燃料収容室と筐体とが、接合されて一体に形成されている構成とすることができる。こうすることにより、簡素な構成で耐衝撃性および液体燃料に対する耐性にすぐれた燃料カートリッジを簡便に製造することができる。よって、安全で製造安定性にすぐれた燃料カートリッジを安定的に供給することができる。
【００１１】
本発明の燃料電池用燃料カートリッジにおいて、燃料収容室が、可撓性樹脂材料からなる袋状部材により構成されてもよい。このようにすれば、燃料収容室に収容された燃料の体積に応じて燃料収容室の体積を容易に変化させることができる。このため、燃料電池に効率よく液体燃料を供給することができる。また、燃料カートリッジの機械強度をより一層向上させることができる。
【００１２】
本発明の燃料電池用燃料カートリッジにおいて、燃料収容室と筐体との間に緩衝材が配設された構成とすることができる。それにより、外部からの衝撃を緩衝材に吸収させることができ、かつ、外部からの衝撃による負荷を分散させることができる。このため、燃料カートリッジの耐衝撃性をより一層向上させることができる。この燃料電池用燃料カートリッジにおいて、緩衝材は、天然ゴム、イソプレンゴム、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、アクリロニトリルブタジエンゴム、シリコーンゴム、ブチルゴム、ウレタンゴム、エチレンプロピレンゴム、エチレン−ビニルアセテート共重合体、発泡ポリウレタン、シリコーンゲル、およびスチレンゲルのうちの１つまたは２つ以上の材料を含む構成とすることができる。こうすることにより、燃料カートリッジの耐衝撃性をさらに確実に向上させることができる。
【００１３】
本発明の燃料電池用燃料カートリッジは、燃料収容室の内圧を調節する圧力調節部材を有していてもよい。こうすることにより、燃料収容室に収容された液体燃料を燃料供給部から燃料電池に安定的に供給することができる。この燃料電池用燃料カートリッジにおいて、圧力調節部材が気液分離膜を含んでいてもよい。こうすれば、燃料供給室の内圧を確実に調整しつつ、燃料カートリッジの外部への液体燃料の漏出を抑制することができる。このため、燃料カートリッジの使用時の安全性をより一層向上させることができる。
【００１４】
本発明の燃料電池用燃料カートリッジにおいて、筐体を貫通する通気孔を有する構成にすることができる。こうすることにより、燃料収容室に収容された液体燃料が消費された際に、筐体の内部に外気を確実に導入することができる。このため、燃料供給室の内圧をさらに確実に調整することができる。
【００１５】
また、本発明によれば、燃料極を有する燃料電池本体と、燃料極に直接供給される液体燃料が収容される、前記したいずれかの構成の燃料電池用燃料カートリッジとを含むことを特徴とする燃料電池が提供される。
【００１６】
本発明に係る燃料電池は、耐衝撃性および液体燃料に対する耐性（例えば耐メタノール性）にすぐれた燃料カートリッジを有する。このため、使用時の安全性を向上させることができる。
【００１７】
なお、これらの各構成の任意の組み合わせや、本発明の燃料電池用燃料カートリッジまたは燃料電池を応用した種々の装置や、これらを製造したり使用したりする方法も、本発明の態様として有効である。
【００１８】
たとえば、本発明に基づいて、燃料電池の燃料極に供給する液体燃料を収容し、燃料電池に着脱可能である燃料電池用燃料カートリッジであって、内面が第１の樹脂材料により構成された燃料収容室と、燃料収容室を内包する、第２の樹脂材料からなる筐体と、燃料収容室に連通し、燃料電池に液体燃料を供給する燃料供給部とを有し、第１の樹脂材料は第２の樹脂材料よりも液体燃料に対する耐性が高く、第２の樹脂材料は第１の樹脂材料よりも耐衝撃性が高いことを特徴とする燃料電池用燃料カートリッジを提供することができる。この構成によれば、筐体の耐衝撃性と、燃料収容室の液体燃料に対する耐性がともに確保されるため、燃料カートリッジを長期間安全に使用することができる。
【００１９】
また、本発明の燃料電池用燃料カートリッジにおいて、燃料収容室と筐体との間に液体燃料を吸収する吸収部材が配設された構成とすることができる。それにより、内部容器から液体燃料が漏出した際に、それを確実に吸収部材に吸収させることができる。このため、燃料カートリッジの安全性をより一層向上させることができる。
【００２０】
さらに、本発明の燃料電池用燃料カートリッジは、圧力調節部材を被覆する被覆部材を有し、被覆部材は除去可能なシート状に構成されていてもよい。また、本発明の燃料電池用燃料カートリッジは、通気孔を被覆する被覆部材を有し、被覆部材は除去可能なシート状に構成されていてもよい。こうすることにより、燃料カートリッジの使用前の液体燃料の漏出を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料カートリッジの構成を模式的に示す断面図である。
【図２】図１の矢印Ａ，Ａ’方向に見た図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の構成を模式的に示す平面図である。
【図４】図３のＢ−Ｂ’線断面図である。
【図５】本発明の第１の実施形態に係る燃料カートリッジと燃料電池本体との接続部分を拡大して示す図である。
【図６】本発明の第１の実施形態に係る燃料カートリッジと燃料電池本体との接続部分を拡大して示す図である。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る燃料カートリッジの構成を模式的に示す断面図である。
【図８】本発明の第３の実施形態に係る燃料カートリッジの構成を模式的に示す断面図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、すべての図面において、共通の構成要素には同一の符号を付し、適宣説明を省略する。【００２３】
以下に示す実施形態は、燃料電池本体に着脱可能な燃料カートリッジに関する。燃料カートリッジは交換および携帯が可能である。以下の実施形態に係る燃料電池は、携帯電話、ノート型等の携帯型パーソナルコンピュータ、ＰＤＡ（Personal  Digital  Assistant）、各種カメラ、ナビゲーションシステム、ポータブル音楽再生プレーヤ等の小型電気機器に適用可能である。【００２４】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料カートリッジの構成を示す断面図である。図１に示した燃料カートリッジ１５０１は、筐体１５０２と内部容器１５０３の二重構造を有する。筐体１５０２と内部容器１５０３は接合されて、一体の部材となっている。内部容器１５０３の内側に形成された燃料室１５０８に燃料１２４が収容される。【００２５】
燃料カートリッジ１５０１は、筐体１５０２の壁面の一部が燃料カートリッジ１５０１の外側に突出した構成の注入部１５０５を有する。注入部１５０５の先端において、筐体１５０２および内部容器１５０３は開口しており、シール部材１５０６がこの開口部を封止している。また、筐体１５０２および内部容器１５０３を貫通する圧力調整孔１５０９が所定の位置に形成され、圧力調整孔１５０９を被覆する気液分離膜１５０７が筐体１５０２の表面に設けられている。【００２６】
筐体１５０２は、耐衝撃性を有する材料により構成されている。このような材料として、たとえば、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリアクリロニトリル−ブタジエン−スチレン（ＡＢＳ）、ポリアリレート（ＰＡＲ）、アクリル変性ポリ塩化ビニル（ＫＤ）、超高分子量ポリエチレン（ＵＨＭＷＰＥ）、ガラス繊維強化ポリエステル等の繊維強化樹脂（ＦＲＰ）などの樹脂、またはこれらの中から選択される２つ以上の材料の共重合体、またはこれらの中から選択される２つ以上の材料のポリマーアロイが挙げられる。筐体１５０２を耐衝撃性材料により構成することにより、燃料カートリッジ１５０１の衝撃に対する耐性を充分に確保し、燃料カートリッジ１５０１の強度を向上させることができる。【００２７】
筐体１５０２の厚さは、材料に応じて適宜に選択されるが、たとえば０．２ｍｍ以上、好ましくは０．８ｍｍ以上にすることにより、燃料カートリッジ１５０１の耐衝撃性を充分に確保することができる。一方、筐体１５０２の厚さが薄いほど、燃料カートリッジ１５０１を軽量化することができる。たとえば、筐体１５０２の厚さを１．２ｍｍ以下、好ましくは１ｍｍ以下とすることができる。こうして、たとえば筐体１５０２の材料としてポリカーボネートを用いる場合に、筐体１５０２を安定的に形成することができる。【００２８】
また、内部容器１５０３は、耐溶剤性を有する材料により構成されている。耐溶剤性とは、燃料電池に供給される有機液体燃料に対する耐性のことである。耐性とは、たとえば、燃料１２４に含まれる燃料成分に接触した際の溶解や劣化等に対する耐久性のことである。たとえば、燃料１２４としてメタノール等のアルコールの水溶液を用いる場合、内部容器１５０３はアルコールに接触した際の溶解や劣化に対する耐性を有する材料により構成することができる。以下、燃料１２４がアルコールまたはアルコール水溶液である場合を例に説明する。【００２９】
内部容器１５０３の材料として、具体的には、たとえば、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、エチレン−４フッ化エチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、ポリメチルテンペン（ＴＰＸ）、エチレン−酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）、ポリウレタン（ＰＵ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）等のポリエステル、ナイロン６等のポリアミド（ＰＡ）、またはポリアセタール（ＰＯＭ）などの樹脂、またはこれらの中から選択される２つ以上の材料の共重合体、またはこれらの中から選択される２つ以上の材料のポリマーアロイが挙げられる。【００３０】
内部容器１５０３の厚さを、たとえば０．２ｍｍ以上、好ましくは０．４ｍｍ以上とすることにより、燃料カートリッジ１５０１の内壁の燃料１２４に対する耐性を充分に確保することができる。一方、内部容器１５０３についても、その厚さが薄いほど燃料カートリッジ１５０１の軽量化が可能となる。たとえば、内部容器１５０３の厚さを１ｍｍ以下、好ましくは０．６ｍｍ以下とすることができる。具体的には、内部容器１５０３の厚さをたとえば０．５ｍｍとすることができる。こうして、たとえばポリエチレンシートを用いる場合に、このような厚さの内部容器１５０３を安定的に形成することができる。【００３１】
燃料カートリッジ１５０１において、筐体１５０２と内部容器１５０３の材料の組み合わせを、たとえば、ＰＣとＰＥ、ＰＣとＰＰ、またはＰＣとＰＴＦＥ等の組み合わせとすることができる。こうすることにより、筐体１５０２に充分な耐衝撃性を付与するとともに、内部容器１５０３に充分な耐溶剤性を付与することができる。【００３２】
本実施形態に係る燃料カートリッジ１５０１は、筐体１５０２の内壁に内部容器１５０３が接合された二重構造となっている。このため、外部からの衝撃を受けやすい筐体１５０２の耐衝撃性を内部容器１５０３よりも高めることができる。また、燃料１２４に接触する内部容器１５０３の耐溶剤性を筐体１５０２よりも高めることができる。こうすることにより、燃料１２４と接触する内壁の耐溶剤性を充分に確保しつつ、燃料カートリッジ１５０１の耐衝撃性を向上させることができる。このため、安全性にすぐれた燃料カートリッジ１５０１を安定的に得ることができる。【００３３】
なお、本実施形態において、樹脂の耐溶剤性の評価は、たとえば、材料を燃料１２４中に所定時間だけ浸漬し、取り出した後の外観を目視観察することにより行うことができる。また、取り出した後に機械的強度を測定することもできる。【００３４】
注入部１５０５は、燃料カートリッジ１５０１の外部に向かって突出している。このため、後述するように、燃料電池の燃料供給管に確実に嵌合されて、接続される。【００３５】
また、注入部１５０５の先端には、シール部材１５０６が設けられている。シール部材１５０６は、セルフシール性を有する弾性部材である。ここで、セルフシール性とは、針等の尖体で突き刺された際に、その貫通部分において、尖体と被貫通部材との間が密閉される性質のことである。被覆部材をゴム等の弾性部材で構成すれば、針等の尖体で突き刺された際に、弾性部材が弾性変形を起こし、尖体と被貫通部材と間が好適に密閉される。セルフシール部材として、たとえば、シリコーンゴム等からなるセプタムや、エチレンプロピレンゴム等からなるリシールなどが挙げられる。その他、尖体が貫通する部分を加硫ゴムとしてもよい。この場合、ゴム中にスリットを設け、スリット側壁にシリコンオイル等の潤滑剤を塗布してもよい。【００３６】
また、シール部材１５０６は、燃料１２４に対する耐性を有することが好ましい。このような材料として、たとえば、エチレンプロピレンゴムやシリコーンゴム等のエラストマーを用いることができる。シール部材１５０６をエチレンプロピレンゴムから構成する場合、エチレンとプロピレンの共重合体（ＥＰＭ）、またはエチレンとプロピレンと第３成分の共重合体（ＥＰＤＭ）を用いることができる。【００３７】
気液分離膜１５０７は、筐体１５０２の外壁に接着されて圧力調整孔１５０９を被覆している。圧力調整孔１５０９を気液分離膜１５０７で覆うことにより、圧力調整孔１５０９において気体の選択的な導通を図ることができる。このため、燃料室１５０８に収容された燃料１２４を燃料電池にスムーズに供給するとともに、燃料１２４の燃料カートリッジ１５０１外部への漏出を抑制することができる。【００３８】
気液分離膜１５０７は、液体である燃料１２４に対する表面張力と空気等の気体に対する表面張力とが異なる材料で構成することができる。または、多孔質体の表面がこのような材料で覆われた構成の部材を用いることもできる。気液分離膜１５０７は、たとえば撥液性の材料を用いて構成することができる。たとえば、燃料１２４がメタノールまたはその水溶液である場合、気液分離膜１５０７はメタノールの透過を抑制する膜とする。【００３９】
気液分離膜１５０７の材料として、具体的には、たとえば、ポリテトラフロオロエチレン（以下「ＰＴＦＥ」とも呼ぶ。）やテトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）等のパーフルオロポリマー、ポリメタクリル酸１Ｈ，１Ｈ−パーフルオロオクチルやポリアクリル酸１Ｈ，１Ｈ，２Ｈ，２Ｈ−パーフルオロデシル等のポリフルオロアルキルアクリレート、ポリフッ化ビニルやポリフッ化エチレンプロピレン等のフルオロオレフィンが挙げられる。また、ポリ塩化ビニリデン、ポリアセタール、ブタジエンとアクリルニトリルとの共重合体樹脂等を用いることもできる。【００４０】
このうち、ＰＴＦＥ等のパーフルオロポリマーは、気体の選択透過性および成膜特性のバランスに優れているため好ましく用いられる。気液分離膜１５０７は、空気等の気体を効率よく透過させる必要があるため、膜厚を薄くすることが望まれる。膜の物性にもよるが、通常、５μｍ以下の薄膜に形成することが望まれる。ＰＴＦＥ等のパーフルオロポリマーを用いた場合、このような薄膜を安定的に形成することができる。【００４１】
また、ポリメタクリル酸１Ｈ，１Ｈ−パーフルオロオクチルやポリアクリル酸１Ｈ，１Ｈ，２Ｈ，２Ｈ−パーフルオロデシル等のフルオロアルキルアクリレートポリマーは、成膜特性が良好で、薄膜を容易に形成でき、また、二酸化炭素の選択透過性を有するため、好ましく用いられる。フルオロアルキルアクリレ−トポリマーは、ポリカルボン酸の一部または全部を、フルオロアルコールでエステル化することにより得られる。【００４２】
気液分離膜１５０７を構成するポリマーの分子量は、好ましくは１０００〜１，０００，０００、さらに好ましくは３０００〜１００，０００とする。分子量が大きすぎると溶液の調整が困難になり、制限透過層の薄層化が困難となることがある。分子量が小さすぎると充分な制限透過性が得られない場合がある。なお、ここでいう分子量とは数平均分子量であり、ＧＰＣ（Gel  Permeation  Chromatography）により測定することができる。【００４３】
また、ガス透過性の非多孔質膜を多孔質膜上に積層し、気液分離膜１５０７としてもよい。このとき、非多孔質膜として上述した膜を用いることができる。多孔質膜は、たとえば、ポリエーテルスルホンやアクリル共重合体などからなる膜である。具体的には、ジャパンゴアテックス株式会社製のゴアテックス（登録商標）、日本ポール株式会社製のバーサポア（登録商標）、日本ポール株式会社製のスーポア（登録商標）などに代表される多孔質膜の膜厚は、たとえば５０μｍ以上５００μｍ以下とする。こうすることにより、気液分離膜１５０７の機械的強度を向上させることができる。よって、機械的強度にすぐれた燃料カートリッジ１５０１を安定的に得ることができる。【００４４】
このような積層膜は、たとえば、多孔質膜の表面に非多孔質膜の材料となる上述したポリマーの溶液をスピンコート法により塗布し、乾燥することにより形成される。【００４５】
なお、気液分離膜１５０７の配設方法は、接着以外の方法であってもよい。たとえば、筐体１５０２と枠体とで気液分離膜１５０７を挟持させ、リベット等で圧力調整孔１５０９の外側に固定する方法を採用することもできる。【００４６】
図２は、図１の矢印Ａ−Ａ’方向に見た図である。図２に示したように、燃料カートリッジ１５０１において、気液分離膜１５０７を覆う剥離シート１５１０が、筐体１５０２の外壁表面に剥離可能に接着された構成としてもよい。【００４７】
剥離シート１５１０は、燃料カートリッジ１５０１を使用する際に燃料カートリッジ１５０１から剥離可能に形成されていればよい。たとえば各種プラスチック材料の薄膜の表面に、酢酸ビニルなどのエマルジョン系粘着剤、またはエポキシ系やシリコーン系の接着剤が塗布された構成とすることができる。また、図２に示す構成では、円形の剥離シート１５１０の一部が外側に突出して剥離部を構成している。剥離部を筐体１５０２に接着させないでおくことにより、燃料カートリッジ１５０１の使用時に、剥離部を起点として剥離シート１５１０を容易に引きはがすことができる。【００４８】
燃料カートリッジ１５０１は、たとえば、押出多層ブロー成形や射出多層ブロー成形等の多層ブロー成形など、多層容器の成形に用いられる方法により作製することができる。燃料カートリッジ１５０１では、筐体１５０２と内部容器１５０３とが接合されているため、こうした方法により筐体１５０２と内部容器１５０３を同時に作製可能である。このため、製造効率や製造安定性にすぐれた燃料カートリッジを安定的に得ることができる。筐体１５０２および内部容器１５０３の成形後に、気液分離膜１５０７およびシール部材１５０６を筐体１５０２の表面の所定の位置に接着して、燃料カートリッジ１５０１が得られる。【００４９】
図３は、図１に示した燃料カートリッジ１５０１が装着された燃料電池１５１１の構成を示す図である。図３の燃料電池１５１１は、燃料電池本体１００および燃料カートリッジ１５０１を有する。【００５０】
燃料電池本体１００は、複数の単セル構造１０１、燃料容器８１１、仕切板８５３、燃料流出管１１１１、燃料回収管１１１３、リザーバタンク１３８６、ポンプ１１１７、およびコネクタ１１２３を含む。燃料カートリッジ１５０１は、コネクタ１１２３により燃料電池本体１００と着脱可能に構成されている。また、図示されていないが、燃料電池本体１００は、単セル構造１０１の酸化剤極における電池反応で生成する水をリザーバタンク１３８６に回収する酸化剤極側廃液回収管を有する。【００５１】
この構成では、燃料カートリッジ１５０１に収容された液体燃料１２４が単セル構造１０１に供給される。すなわち、燃料流出管１１１１にはポンプ１１１７が設けられており、燃料流出管１１１１はリザーバタンク１３８６を挟んで燃料容器８１１に連通している。従って、燃料容器８１１には燃料流出管１１１１を経由して燃料１２４が供給される。燃料容器８１１に流入した燃料１２４は、燃料容器８１１内に設けられた複数の仕切板８５３に沿って流れ、複数の単セル構造１０１に順次供給される。単セル構造１０１に供給された燃料１２４のうち、電池反応に用いられなったものは、燃料回収管１１１３からリザーバタンク１３８６に回収される。それは、リザーバタンク１３８６にて酸化剤極側廃液回収管（不図示）から回収された水と混合されて、再び燃料流出管１１１１から燃料容器８１１に供給される。【００５２】
ポンプ１１１７として、たとえば消費電力が非常に小さい小型の圧電モーター等の圧電素子を用いることができる。また、図３には図示していないが、燃料電池１５１１は、ポンプ１１１７の動作を調節して単セル構造１０１への燃料１２４の供給を制御する制御部を有することができる。【００５３】
図４は、図３のＢ−Ｂ’線断面図である。単セル構造１０１は、燃料極１０２、酸化剤極１０８、および固体電解質膜１１４を含む。図４の燃料電池においては、１枚の固体電解質膜１１４の一方の面に複数の燃料極１０２が設けられ、他方の面に複数の酸化剤極１０８が設けられており、複数の単セル構造１０１が固体電解質膜１１４を共有し、同一の平面内に配置された構成となっている。また、燃料容器８１１が燃料極１０２の外側を覆い囲うように設けられており、燃料容器８１１内に収容または供給された液体燃料が燃料極１０２に直接供給される。【００５４】
固体電解質膜１１４は、燃料極１０２と酸化剤極１０８を隔てるとともに、両者の間で水素イオンを移動させる役割を有する。このため、固体電解質膜１１４は、水素イオンの伝導性が高い膜であることが好ましい。また、化学的に安定であって機械的強度が高いことが好ましい。固体電解質膜１１４を構成する材料としては、スルホン基やリン酸基等の強酸基や、カルボキシル基等の弱酸基等の極性基を有する有機高分子が好ましく用いられる。このような有機高分子として、スルホン化ポリ（４−フェノキシベンゾイル−１，４−フェニレン）やアルキルスルホン化ポリベンゾイミダゾール等の芳香族縮合系高分子；スルホン基含有パーフルオロカーボン（例えばデュポン社製ナフィオン（登録商標）や旭化成株式会社製アシプレックス（商標））；カルボキシル基含有パーフルオロカーボン（例えば旭硝子株式会社製フレミオンＳ膜（登録商標））；スルホン化ポリエーテルエーテルケトン；スルホン化ポリエーテルスルホン；等が例示される。【００５５】
燃料極１０２および酸化剤極１０８は、それぞれ、触媒を担持した炭素粒子と固体電解質の微粒子とを含む燃料極側触媒層および酸化剤極側触媒層をそれぞれ基体上に形成した構成とすることができる。【００５６】
燃料極側触媒層の触媒としては、白金、金、銀、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、コバルト、ニッケル、レニウム、リチウム、ランタン、ストロンチウム、イットリウム、またはこれらの合金等が例示される。酸化剤極１０８に用いる酸化剤極側触媒層の触媒としては、燃料極側触媒層と同様のものを用いることができ、上に例示した物質を使用することができる。なお、燃料極側触媒層および酸化剤極側触媒層の触媒は同じものを用いても異なるものを用いてもどちらでもよい。【００５７】
燃料極１０２、酸化剤極１０８ともに、基体としては、カーボンペーパー、カーボンの成形体、カーボンの焼結体、焼結金属、発泡金属等の多孔性基体を用いることができる。【００５８】
このように構成された燃料電池本体１００において、各単セル構造１０１の燃料極１０２には、燃料カートリッジ１５０１から燃料１２４が供給される。また、各単セル構造１０１の酸化剤極１０８には、酸化剤が供給される。燃料カートリッジ１５０１に収容される燃料１２４として、メタノール、エタノール、ジメチルエーテル、または他のアルコール類を用いることができる。液体燃料の場合には、これらの水溶液とすることができる。酸化剤としては、通常、空気を用いることができるが、酸素ガスを供給してもよい。【００５９】
次に、燃料カートリッジ１５０１の使用方法を説明する。使用前の燃料カートリッジ１５０１には燃料１２４が充填されており、注入部１５０５はシール部材１５０６により密閉されている。また、気液分離膜１５０７は剥離シート１５１０により被覆されている。【００６０】
燃料カートリッジ１５０１の使用時は、燃料カートリッジ１５０１を燃料電池本体１００のコネクタ１１２３に装着する。この時、燃料流出管１１１１内に燃料カートリッジ１５０１の注入部１５０５が挿入されて嵌め合わされる。【００６１】
図５および図６は、図３における燃料カートリッジ１５０１と燃料流出管１１１１との接続部分を拡大して示した図である。図５は、燃料電池本体１００と燃料カートリッジ１５０１とが分離した状態を示している。また、図６は、これらが接続された状態を示している。図５および図６に示したように、燃料電池本体１００の燃料流出管１１１１の先端に、中空針１３７９が設けられている。燃料カートリッジ１５０１を燃料電池本体１００に装着すると、中空針１３７９がシール部材１５０６を貫通するため、燃料カートリッジ１５０１内の液体燃料が燃料流出管１１１１へと導入される。この燃料流出管１１１１は前述したように単セル構造１０１の燃料極１０２に連通しており、燃料極１０２に燃料１２４が供給される。【００６２】
なお、シール部材１５０６はセルフシール性を有するため、中空針１３７９が突き刺された際に中空針１３７９の外周にシール部材１５０６が密着し、気密性が確保される。このため、液体燃料の漏れが好適に抑制される。また、中空針１３７９が除去されれば孔は塞がり、気密性が確保される。【００６３】
また、中空針１３７９は燃料電池本体１００の燃料流出管１１１１内に収容されている。このため、燃料カートリッジ１５０１が外された状態でも中空針１３７９は燃料電池本体１００の壁面から突出しておらず、使用者が安全に燃料カートリッジ１５０１の着脱を行うことができる。【００６４】
なお、燃料電池１５１１において、燃料カートリッジ１５０１と燃料流出管１１１１の接続は、シール部材１５０６および中空針１３７９以外の構成によって行われてもよい。たとえば、燃料流出管１１１１の先端または燃料カートリッジ１５０１の注入部１５０５にナットカプラ等のカプラを設けて、それを用いて燃料カートリッジ１５０１と燃料流出管１１１１を接続する構成とすることもできる。【００６５】
また、燃料電池１５１１において、酸化剤極側廃液回収管（不図示）に代えて排気用ファンを設け、燃料電池本体１００の湿気および反応生成気体を電池外部に排気口から排出する構成としてもよい。【００６６】
（第２の実施形態）
図７は、本発明の第２の実施形態に係る燃料カートリッジの構成を模式的に示す断面図である。図７に示した燃料カートリッジ１５１２の基本構成は、図１に示した燃料カートリッジ１５０１と同様であるが、筐体１５０２内の、内部容器１５０３と同様な材料からなる内部容器１５１３の構成が異なる。筐体１５０２と内部容器１５１３は、注入部１５０５において接合されている。また、筐体１５０２には第１の実施形態と同様に圧力調整孔１５０９が設けられているが、図示したように、気液分離膜１５０７は設けなくてもよい。【００６７】
本実施形態の内部容器１５１３は、たとえば可撓性または強い伸縮性を有する樹脂により形成されている。図３の燃料電池１５１１のように、燃料カートリッジ内に収容された燃料１２４を単セル構造１０１に供給するポンプ１１１７を有する構成の場合、内部容器１５１３は可撓性樹脂であればよく、弾性体でなくてよい。内部容器１５１３を構成する樹脂材料として、具体的には、例えば第１の実施形態の内部容器１５０３の材料として例示したものが挙げられる。たとえば、内部容器１５１３を、袋状に成形したポリエチレンやポリプロピレン等とすることができる。【００６８】
内部容器１５１３の厚さはその構成材料に応じて適宜選択されるが、たとえば５０μｍ以上、好ましくは１００μｍ以上とすることにより、内部容器１５１３の機械的強度が充分に確保される。また、内部容器１５１３の厚さが薄いほど燃料カートリッジ１５１２の軽量化が可能となり、かつ形状変化の柔軟性を向上させることができる。たとえば、内部容器１５１３の厚さを３００μｍ以下、好ましくは２００μｍ以下とすることができる。たとえばポリエチレンやポリプロピレンを材料として用いる場合、このような内部容器１５１３を安定的に形成することができる。【００６９】
燃料カートリッジ１５１２は、たとえば以下のようにして作製される。まず、筐体１５０２を作製する。筐体１５０２を樹脂から構成する場合には、射出成形やブロー成形等、樹脂容器の製造に通常用いられる方法を適宜選択することができる。得られた筐体１５０２内に、ブロー成形等により別途作製した内部容器１５１３を挿入し、注入部１５０５においてこれらを接合させる。【００７０】
また、筐体１５０２をたとえば二つの部品に分割して形成しておく方法を用いてもよい。この場合、内部容器１５１３を筐体１５０２となる二つの部品の内部に収容し、二つの部品の端面同士を接合する。接合方法は、たとえば、超音波により接合する方法、加熱により接合する方法、接着剤を用いる方法等の中から適宜選択することができる。また、二つの部品のうちの一方の接合面に凹部を設け、他方の部品に凸部を設け、これらを嵌合させてもよい。こうして、筐体１５０２内に内部容器１５１３が収容される。【００７１】
内部容器１５１３と筐体１５０２の二重構造体が得られたら、注入部１５０５の端面にシール部材１５０６を接着する。こうして、燃料カートリッジ１５１２が得られる。なお、筐体１５０２の圧力調整孔１５０９を覆う気液分離膜１５０７を設ける場合には、これを接着してもよい。【００７２】
燃料カートリッジ１５１２は、筐体１５０２が耐衝撃性に優れた材料から構成されるため、耐衝撃性に優れた構成を安定的に実現することができる。また、筐体の内部に内部容器１５１３を有し、内部容器１５１３の内部が燃料室１５０８となる。内部容器１５１３は耐溶剤性に優れた材料で構成されるため、燃料室１５０８内に収容された燃料１２４による内部容器１５１３の溶解や劣化が好適に抑制される。このため、燃料カートリッジ１５１２は、耐溶剤性にもすぐれた構成を有する。このように、筐体１５０２と内部容器１５１３との二重構造により、燃料カートリッジ１５１２においても耐衝撃性と耐溶剤性が向上される。また、内部容器１５１３は可撓性を有するため、内部に収容される燃料１２４の量に応じてその内容積を変化させることができる。【００７３】
燃料カートリッジ１５１２を使用すると、燃料１２４の消費に伴って可撓性の内部容器１５１３がしぼみ、その体積が減少する。このとき、気液分離膜１５０７から筐体１５０２の内部に空気が透過し、内部容器１５１３を圧縮する。このため、筐体１５０２の内側が負圧になることの抑制が図られる。このため、燃料カートリッジ１５１２の構成においても、注入部１５０５を燃料電池本体１００に接続して、燃料１２４を単セル構造１０１に安定的に供給することができる。【００７４】
なお、燃料カートリッジ１５１２において、圧力調整孔１５０９を覆う剥離シートが筐体１５０２の外壁表面に剥離可能に接着された構成としてもよい。このようにすれば、燃料カートリッジ１５１２を使用するまでの間、圧力調整孔１５０９を確実に封止しておくことができる。このため、内部容器１５０３からの燃料１２４の漏出を抑制することができる。よって、燃料カートリッジの安全性をより一層向上させることができる。剥離シートの材料としては、たとえば第１の実施形態において気液分離膜１５０７を覆う剥離シート１５１０（図２参照）と同じ材料を用いることができる。【００７５】
（第３の実施形態）
図８は、本発明の第３の実施形態に係る燃料カートリッジの構成を模式的に示す断面図である。図８に示した燃料カートリッジ１５１４の基本構成は図１に示した燃料カートリッジ１５０１と同様であるが、筐体１５０２と内部容器１５０４との間に緩衝材１５１５が配設されている点が異なる。また、筐体１５０２および内部容器１５０４にそれぞれ形成された各圧力調整孔１５０９が、気液分離膜１５０７によってそれぞれ被覆されている。【００７６】
筐体１５０２および内部容器１５０４の材料としては、たとえば、第１の実施形態と同様な材料をそれぞれ用いることができる。また、内部容器１５０４は可撓性または強い伸縮性を有しない材料で構成してもよいし、これらの性質を有する材料で構成してもよい。内部容器１５０４を可撓性または強い伸縮性を有する材料から構成する場合、たとえば第２の実施形態にて例示した材料から構成することができる。【００７７】
また、緩衝材１５１５は、内部容器１５０４と筐体１５０２との間の間隙に配置され、これらを支持する部材である。緩衝材１５１５は、発泡樹脂材料、ゴム、もしくはゲル状樹脂材料等の弾性材料により構成することができる。緩衝材１５１５は、燃料１２４に対する耐性にすぐれた材料で構成することが好ましい。【００７８】
緩衝材１５１５の材料として、具体的には、たとえば、天然ゴム（ＮＲ）、イソプレンゴム（ＩＲ）、ブタジエンゴム（ＢＲ）、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）、クロロプレンゴム（ＣＲ）、アクリロニトリルブタジエンゴム（ＮＢＲ）、などのジエン系ゴム；
ビニルメチルシリコーンゴム（ＶＭＱ）やフッ素化シリコーンゴム（ＦＶＭＱ）等のシリコーンゴム（Ｑ）、低硬度イソブテンイソプレン等のイソブテン−イソプレン共重合体（ブチルゴム：ＩＩＲ）、ウレタンゴム（Ｕ）、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＭ、ＥＰＤＭ）、などの非ジエン系ゴム；
エチレン−ビニルアセテート共重合体（ＥＶＡ）；
上記した弾性材料の発泡体等の発泡樹脂材料；
シリコーンゲル、スチレンエチレンプロピレンスチレンブロック共重合体（ＳＥＰＳ）やスチレンエチレンブチレンスチレンブロック共重合体（ＳＥＢＳ）等の水添スチレンブロック共重合体とパラフィン等の軟化剤とを含むスチレンゲル、などのゲル状樹脂材料；
等を用いることができる。【００７９】
緩衝材１５１５をシリコーン系のゲルとする場合、たとえば、株式会社ジェルテック製αゲル（登録商標）等を用いることができる。また、緩衝材１５１５をスチレン系のゲルとする場合、たとえば、北川工業株式会社製ＫＧ−ゲル（商標）等を用いることができる。【００８０】
また、緩衝材１５１５は、たとえばシート状の部材とすることができる。こうすることにより、燃料カートリッジ１５１４を小型化しつつ、その耐衝撃性を充分に向上させることができる。【００８１】
燃料カートリッジ１５１４は、たとえば以下のようにして作製される。まず、内部容器１５０４を作製する。内部容器１５０４は、その材料や形状等に応じて、一般に樹脂容器の形成に用いられる方法から適宜選択して作製することができる。内部容器１５０４に圧力調整孔１５０９を設け、これを被覆する気液分離膜１５０７を接着する。また、内部容器１５０４の外面にシート状の緩衝材１５１５を接着する。【００８２】
一方、筐体１５０２を別途成形する。このとき、たとえば第２の実施形態で説明したように、筐体１５０２をたとえば２つの部品に分割して形成しておく。緩衝材１５１５を接着した内部容器１５０４を、筐体１５０２となる２つの部品の内部に収容してから、２つの部品の端面同士を接合する。こうして、筐体１５０２内に、緩衝材１５１５と内部容器１５０４が順番に収容される。【００８３】
その後、第１または第２の実施形態と同様にして、気液分離膜１５０７およびシール部材１５０６を設けることにより、燃料カートリッジ１５１４が得られる。【００８４】
なお、ここでは緩衝材１５１５を内部容器１５０４に接着する方法を用いたが、緩衝材１５１５を筐体１５０２に接着してもよい。また、緩衝材１５１５は、筐体１５０２または内部容器１５０４のいずれか一方に接合されていればよい。特に、内部容器１５０４の材料が可撓性または強い伸縮性を有する樹脂である場合には、緩衝材１５１５を筐体１５０２または内部容器１５０４の一方にのみ接着することにより、内部容器１５０４を確実に形態変化させることができる。【００８５】
燃料カートリッジ１５１４においても、筐体１５０２と内部容器１５０４の二層構造により、耐衝撃性および耐溶剤性が向上される。さらに、燃料カートリッジ１５１４では、筐体１５０２と内部容器１５０４との間に緩衝材１５１５が設けられているため、外部からの衝撃を緩衝材１５１５に吸収させることができる。また、たとえば、燃料カートリッジを燃料電池本体１００に接続して使用している際に落下等の衝撃が燃料カートリッジに加わった場合、緩衝材１５１５を有しない構成では注入部１５０５に荷重が集中するが、本実施形態では、筐体１５０２と内部容器１５０４の間に緩衝材１５１５が設けられているため、燃料カートリッジ１５１４の全体に荷重を分散させることができる。【００８６】
このように、緩衝材１５１５を設けることにより、燃料カートリッジ１５１４の衝撃耐性をより一層向上させ、機械的強度を高めることができる。このため、燃料カートリッジ１５１４の劣化や破損等を確実に抑制することができる。【００８７】
また、筐体１５０２と内部容器１５０４とが表面全面で直接接合された構成と比較して、緩衝材１５１５を設ける構成では、これらの材料間の熱収縮率の違いによる劣化を好適に抑制することができる。【００８８】
なお、図８に示す構成では、筐体１５０２と内部容器１５０４との間隙の一部に緩衝材１５１５が充填されているが、間隙全体に緩衝材１５１５が充填されていてもよい。【００８９】
また、間隙の一部に緩衝材１５１５が配設された構成において、間隙に燃料１２４を吸収する燃料吸収部材も充填されていてもよい。燃料吸収部材を充填することにより、内部容器１５０３から燃料１２４が漏出した際にもこれを確実に吸収することができる。このため、燃料カートリッジ１５１４の安全性をさらに向上させることができる。燃料吸収部材の材料としては、たとえば吸水性ポリマーを用いることができる。たとえば、ポリアクリル酸ナトリウム塩等のポリアクリル酸ソーダ系、ポリアクリルアミド等のアクリルアミド系、ポリＮ−ビニルアセトアミド、ポリＮ−ビニルホルムアミド、ポリビニルアルコール、ポリエチレンオキサイド、ポリエチレングリコール、ポリＮ−ビニルピロリドン、架橋型アクリル共重合体、ポリエステル、寒天、ゼラチン、デンプン、スチレン−ジビニルベンゼン系、ポリグルタミン酸、ポリアクリル酸、酢酸ビニルアクリル等や、これらの共重合体または混合物が例示される。吸水性ポリマーは、燃料１２４に対する耐性を有する材料から選択することができる。【００９０】
以上、本発明を実施の形態に基づいて説明した。これらの実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。【００９１】
たとえば、以上説明した各実施形態では、筐体１５０２が燃料カートリッジの最外層である場合を例に説明したが、筐体１５０２の外側に、筐体１５０２を内包する包装部材等の部材が設けられていてもよい。【００９２】
また、以上の実施形態では、燃料カートリッジにアルコール水溶液が収容される場合を例として説明したが、燃料カートリッジには、シクロパラフィン等の液体炭化水素、ホルマリン、ギ酸、あるいはヒドラジン等の液体燃料を収容して用いることができる。また、液体燃料にはアルカリを加えることもできる。これにより、水素イオンのイオン伝導性を高めることができる。
【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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【国際調査報告】
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2005071783.tif 000011
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