JP2007220571A - 燃料電池用カップラとそれを用いた燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料カートリッジに過剰な力が加わった際に、燃料カートリッジ側のノズル部や燃料電池本体側の破損や損傷を抑制することによって、信頼性や安全性等を高めた燃料電池用カップラおよび燃料電池を提供する。
【解決手段】燃料電池用カップラは、燃料電池用カートリッジ５に設けられたノズル部９と、燃料電池本体側に設けられ、ノズル部９が着脱可能に接続されるソケット部６とを具備する。ソケット部６はノズル部９が挿入されるノズル挿入部３１を有するソケット本体３２を具備する。ソケット本体３２はノズル挿入部３１の少なくとも先端開口部内側に配置されたリング状の弾性部材３４を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は燃料電池用カップラとそれを用いた燃料電池に関する。

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。

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、また燃料タンク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。

内部気化型等のパッシブ型ＤＭＦＣにおいては、燃料タンク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）。燃料タンクに対しては、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）。

ところで、内部気化型等のパッシブ型ＤＭＦＣは、例えば携帯用電子機器に搭載するために小型化が進められており、その結果としてＤＭＦＣ側の燃料供給口（ソケット部）や燃料カートリッジ側の燃料吐出口（ノズル部）も小径化される傾向にある。このようなノズル部とソケット部とを接続し、燃料カートリッジからＤＭＦＣの燃料タンクに液体燃料を注入する場合、小径化されたノズル部は燃料カートリッジに対して曲げ荷重のような力が加わった際に破損するおそれがある。

燃料カートリッジはノズル部に内蔵されたバルブ機構で液体燃料を遮断しているため、ノズル部が破損すると燃料カートリッジに収容された液体燃料が漏れ出すおそれがある。また、ノズル部が破損した際にバルブ機構自体は破損しないまでも、バルブ機構の構成部品が突出することで、誤ってバルブ機構を作動させて液体燃料が漏れ出すおそれがある。ノズル部が破損する可能性はその径が小径化するほど高まることになる。

また、従来から容器同士の連結や容器の付け替えを簡単にするために、着脱可能な種々の連結装置（カップラ）が用いられている（例えば特許文献４参照）。このような連結装置を燃料電池の燃料供給用のカップラとして利用した場合、一旦連結状態にすると開放操作を行わない限り連結状態が保持されるため、連結状態で通常の範囲を超えた過剰な力が加わった場合に、カップラや機器本体が破損してしまうという問題がある。
特許第3413111号公報 特開2004-171844号公報 特開2004-127824号公報 特開2003-172487号公報

本発明の目的は、燃料カートリッジに曲げ荷重のような過度の力が加わった際に、燃料カートリッジ側のノズル部や燃料電池本体の破損を抑制することによって、信頼性や安全性等を高めた燃料電池用カップラと、そのようなカップラを適用した燃料電池を提供することを目的としている。

本発明の態様に係る燃料電池用カップラは、燃料電池用カートリッジに装着されるノズルヘッドと、前記ノズルヘッド内に配置されたバルブ機構とを備えるノズル部と、燃料電池の燃料タンクへの燃料供給部に配置されるソケット本体と、前記ソケット本体内に配置されたバルブ機構とを備え、前記ノズル部が着脱可能に接続されるソケット部とを具備し、前記ソケット本体は前記ノズル部が挿入されるノズル挿入部を有し、かつ前記ノズル挿入部の少なくとも先端側に弾性部材が配置されていることを特徴としている。

本発明の他の態様に係る燃料電池は、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設けられたノズル部とを備え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供給部と、前記燃料供給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し、前記燃料カートリッジのノズル部および前記燃料電池本体のソケット部は本発明の態様に係る燃料電池用カップラを具備することを特徴としている。

本発明のさらに他の態様に係る燃料電池は、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設けられたノズル部とを備え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供給部と、前記燃料供給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、前記燃料電池本体が収納され、前記ソケット部に対応して開口されたノズル挿入口を有する外装ケースとを具備し、前記外装ケースは前記ノズル挿入口に配置された弾性部材を有することを特徴としている。

本発明の態様に係る燃料電池用カップラは、ソケット部のノズル挿入部の少なくとも先端側に弾性部材を配置しているため、ノズル部がソケット部に接続された燃料カートリッジに曲げ荷重が加わった際に、ノズル部を破損させることなくソケット部から離脱させることができる。このような燃料電池用カップラを適用することによって、信頼性や安全性等を高めた燃料電池を提供することが可能となる。

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。

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と燃料タンク３とから主として構成される燃料電池本体４と、燃料タンク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。燃料タンク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。なお、燃料電池本体４は燃料タンク３を経ずに燃料供給部７から直接燃料電池セル２に液体燃料を供給する構造を有していてもよい。

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、例えば燃料タンク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。

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。

燃料電池本体４の燃料タンク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。

燃料電池本体４と燃料カートリッジ５とを接続（連結）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／プラグ）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に挿入される突出部１４とを有している。円筒状の突出部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から突き出すように形成されている。

ノズルヘッド１２の突出部１４の頂面には凹部１５が設けられている。ノズル口１１は凹部１５内に開口している。すなわち、凹部１５は突出部１４の頂面をへこませるように設けられており、この凹部１５の底面にノズル口１１が開口している。凹部１５はノズル部９の先端側に残留（付着）した液体燃料の収容部として機能するため、操作者が液体燃料に触れるおそれがなくなる。また、ノズルヘッド１２の突出部１４の外周には、燃料識別手段として機能するキー溝１６、さらに接続保持手段として機能する周溝１７が設けられている。後述するように、燃料識別手段はキー溝１６とソケット部６側のキー部とで構成され、接続保持手段は周溝１７とソケット部６側の弾性ピンとで構成される。

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１８が配置されている。バルブホルダ１８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とで挟み込まれて固定されている。バルブホルダ１８内にはバルブ１９が配置されている。バルブ１９はバルブヘッド１９ａとバルブステム１９ｂとを備えている。バルブヘッド１９ａはバルブホルダ１８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１９ｂは突出部１４内に収容されている。

上述したようなバルブヘッド１９ａとバルブステム１９ｂとを有するバルブ１９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１９ａとベース部１３の内側に形成されたバルブシート２０との間にはＯリング２１が配置されている。バルブ１９には圧縮スプリング２２等の弾性体でバルブヘッド１９ａをバルブシート２０に押し付ける力が加えられており、これらによってＯリング２１は押圧されている。

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１９ａを介してＯリング２１をバルブシート２０に押し付けることによって、ノズル部９内の燃料流路を閉状態としている。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１９ｂが後退してバルブヘッド１９ａがバルブシート２０から離れることによって、ノズル部９内の燃料流路が開状態とされる。バルブホルダ１８の底部には連通孔２３が設けられており、この液体燃料の流路となる連通孔２３を介してカートリッジ本体８内の液体燃料はノズル部９内に流出する。

さらに、ノズルヘッド１２の外側にはコンテナノズル２４が配置されており、このコンテナノズル２４をカートリッジ本体８に例えば螺着することによって、ノズルヘッド１２やバルブ１９等を有するノズル部９がカートリッジ本体８の先端部（開口を有する先端部）に固着されている。なお、図２および図３は複層構造のカートリッジ本体８を示しており、８ａはメタノール燃料等の液体燃料と直接的に接する内容器、８ｂは内容器８ａを保護する外容器（ハードケース）である。

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／ソケット）６は、凹部状のノズル挿入部３１を有するソケット本体３２を具備している。ソケット本体３２は金属製（ただし樹脂製であってもよい）の本体上部３２ａ、本体中部３２ｂおよび本体下部３２ｃと、それらの外側に嵌着されたメタルソケット３３とで構成されている。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。メタルソケット３３は図４に示すように円筒形状を有しており、先端側の一部を切り欠いて内側に折り曲げることで受け部３３ａが構成されている。この受け部３３ａ上にはリング状の弾性部材３４が配置されている。

すなわち、凹部状のノズル挿入部３１の先端開口部はメタルソケット３３で構成されており、メタルソケット３３の先端側に設けられた受け部３３ａ上にリング状の弾性部材３４が配置されている。言い換えると、ノズル挿入部３１の先端開口部内側にはリング状の弾性部材３４が配置されている。弾性部材３４は燃料カートリッジ５に過度な曲げ荷重が加わった際に、ノズル部９を破損させることなくソケット部６から離脱させるように弾性変形する。すなわち、弾性部材３４は曲げ荷重によりノズル部９が描く円弧を妨げないように弾性変形する。従って、燃料カートリッジ５に過度な曲げ荷重が加わった際のノズル部９の破損、さらにはソケット部６自体の破損や損傷等を抑制することが可能となる。

リング状の弾性部材３４はノズル部９の離脱性向上効果を得る上で、燃料カートリッジ５に曲げ荷重が加わった際にノズル部９の外周面が押し当てられる位置、すなわちノズル挿入部３１の先端開口部内側に配置されている。燃料カートリッジ５に過度な曲げ荷重が加わると、ノズル部９はソケット部６のノズル挿入部３１の先端開口部内側と接触し、その部分を接点として傾くことになる。従って、ノズル部９が接触する部分（曲げ荷重でノズル部９の外周面が押し当てられる部分）にリング状の弾性部材３４を配置し、これをノズル部９との接触時に弾性変形させることによって、ノズル部９を破損させることなくソケット部６から離脱させることが可能となる。

上述したように、弾性部材３４は少なくともノズル挿入部３１の先端開口部内側に配置されている必要がある。ソケット部６のノズル挿入部３１に対するノズルヘッド１２の突出部１４の挿入深さが浅い場合には、弾性部材３４をノズル挿入部３１の先端側に配置することで、ノズル部９の離脱性を高めることができる。ノズルヘッド１２の突出部１４の挿入深さが深くなると、ノズル部９の離脱に対して突出部１４の先端側も干渉するおそれがある。そこで、弾性部材３４はノズル挿入部３１の内壁面を全体的に覆うように配置してもよい。このような場合には円筒状の弾性部材を配置したり、またリング状の弾性部材を複数配置する等、配置位置に応じて各種形状の弾性部材３４を適用することができる。

リング状の弾性部材３４はその外周に設けられた凸部３４ａを、メタルソケット３３の先端側に形成された貫通孔３３ｂ内に圧入することで固定されている。また、リング状の弾性部材３４をメタルソケット３３と共にインサート成形することによって、弾性部材３４をメタルソケット３３の先端側に固定することも可能である。すなわち、予めメタルソケット３３を成形型内に配置し、その上から弾性部材３４の構成材料を例えばインジェクション成形することによって、メタルソケット３３の所望の位置にインサート成形した弾性部材３４を得ることができる。

弾性部材３４はエラストマー（弾性高分子）で構成することができる。すなわち、リング状の弾性部材３４としてはリング状エラストマーを用いることができる。弾性部材３４を構成するエラストマーの具体例としては、熱可塑性エラストマーやゴム（ＡＳＴＭのゴム分類に基づくもの）等が挙げられる。

熱可塑性エラストマーとしては、スチレン・ブタジエン・スチレンブロックコポリマー、エポキシ化スチレン系エラストマー、スチレン・イソプレン・スチレンブロックコポリマー、水添スチレンブロックコポリマー、水添ＳＢＣコンパウンド、単純ブレンド型オレフィン系エラストマー、架橋型エラストマー、塩ビ系エラストマー、塩素化エチレンコポリマー架橋体アロイ、塩素化ポリエチレン系エラストマー、シンジオタクチック1,2-ポリブタジエン、ウレタン系エラストマー、ポリエステル系エラストマー、ポリアミド系エラストマー、フッ素系エラストマー、シリコーン系エラストマー等が用いられる。

ゴムとしては、Ｍ：ポリメチレンタイプの飽和主鎖を持つゴム、例えばエチレン−プロピレン−ジエン三元系共重合体、エチレン−プロピレン共重合体、完全水素化アクリルニトリル−ブタジエンゴム、フッ素ゴム、完全水素化スチレン−ブタジエンゴム、完全水素化スチレン−イソプレンゴム、またエピクロロヒドリンゴムのような主鎖に酸素を持つゴム、ビニルメチルシリコーンゴムのような主鎖に珪素と酸素を持つゴム、さらに天然ゴムやジエン系ゴムのように主鎖に不飽和炭素結合を持つゴム、例えばブタジエンゴム、クロロプレンゴム、水素化アクリルニトリル−ブタジエンゴム、イソブテン−イソプレンゴム、天然ゴム、水素化スチレン−ブタジエンゴム、スチレン−ブタジエンゴム、水素化スチレン−イソプレンゴム、スチレン−イソプレンゴム、またポリエーテルウレタンのような主鎖に炭素、酸素および窒素を持つゴム、主鎖に酸素もしくはリンを持たないで窒素を持つゴム、ポリスルフィドゴムのような主鎖に硫黄を持つゴム、フォスファゼンゴムのような主鎖にリンおよび窒素を持つゴム等が用いられる。

上述した弾性部材３４の構成材料に用いられるエラストマーにおいて、その硬度が高すぎるとノズル部９の離脱性を十分に高めることができないおそれがある。このため、弾性部材３４は硬度（Type A）が95°以下のエラストマーで構成することが好ましい。一方、エラストマーの硬度が低すぎると、ノズル部９の不適切な方向（角度）からの挿入まで許容するおそれがある。すなわち、ノズル挿入部３１の先端側に配置される弾性部材３４には、ノズル部９のガイド機能が求められる。このようなことから、弾性部材３４は硬度（Type A）が20°以上のエラストマーで構成することが好ましい。

このように、弾性部材３４は硬度（Type A）が20〜95°の範囲のエラストマーで構成することが好ましい。なお、硬度（Type A）はJIS K6253「加硫ゴム及び熱可塑性ゴムの硬さ試験方法（デュロメータ タイプＡ）」に準拠する方法で測定した値である。さらに、弾性部材３４を構成するエラストマーには、耐メタノール性等の燃料耐性に優れる材料を適用することが好ましい。

弾性部材３４の下方には、燃料識別手段のキー部を構成するリング部材としてキーリング３５が配置されている。キーリング３５はソケット本体３２の本体上部３２ａとメタルソケット３３の受け部３３ａとで挟み込まれて固定されており、さらにその径方向内側に向けてキー部３５ａとして機能する凸部が突出形成されている。キー部３５ａは前述したキー溝１６と係合する形状を有しており、ノズル部９の挿入を案内する機能を備えている。さらに、キー部３５ａとキー溝１６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３５ａの形状を液体燃料の種別（種類や濃度等）に応じた形状とし、さらにキー溝１６をキー部３５ａに対応した形状とすることで、燃料電池本体４に対応した液体燃料を収容する燃料カートリッジ５のみを接続可能にすることができる。これによって、燃料電池本体４に対応した液体燃料のみが供給されるようになるため、液体燃料の誤注入による動作不良や特性低下等を防止することが可能となる。

上述したキーリング３５は、さらに燃料カートリッジ５に過度なねじり力が加わった際に回転するように構成されている。従って、キー部３５ａとキー溝１６とが係合した状態で、燃料カートリッジ５に過度なねじり力が加わったとしても、キー部３５ａとキー溝１６との係合部の破損やそれに基づくノズル部９やソケット部６の損傷を抑制することができる。キーリング３５の回転を許容する具体的な構造としては、例えば以下に示すキーリング３５の受け台構造およびキーリング３５と受け台との係合構造が挙げられる。

ソケット本体３２の本体上部３２ａの上面には、図５に示すようにキーリング３５の受け台３６が設けられており、その中央部には浅い凹部３６ａが形成されている。一方、キーリング３５の下面側には図６および図７に示すように、受け台３６の凹部３６ａと係合する凸部３５ｂが設けられている。キーリング３５は凸部３５ｂを凹部３６ａと係合させつつ受け台３６上に配置される。キーリング３５は本体上部３２ａとメタルソケット３３とで挟持されているため、ノズル部９を正常に抜き差しする場合にはキー部３５ａの機能が維持される。キーリング３５の回転方向の抑止は浅い凹部３６ａとそれに対応する凸部３５ｂとの係合力に基づくため、燃料カートリッジ５に過度なねじり力が加わるとキー溝１６に追従してキーリング３５が回転して損傷が抑制される。

なお、ここではキー部３５ａを有するキーリング３５をソケット部６に配置した構造について説明したが、ソケット部６側にキー溝を配置すると共に、ノズル部９側にキー部を配置してもよい。この場合、キー溝を有するキーリング３５をソケット部６に配置することによって、過度なねじり力でキーリング３５を回転させる構成、並びにそれに基づく効果を得ることが可能である。このように、ソケット部６にはキー部またはキー溝を有するキーリング（リング部材）３５を配置することができる。

キーリング３５のさらに下方には、ノズル部９とソケット部６との接続保持手段として機能する弾性ピン３７が配置されている。弾性ピン３７としては、例えば略Ｕ字状のピン、一つの角部を開放端とした略三角形状や略四角形状のピンのような略くの字形状のピンを対向配置したもの等、内側に向けて弾性復元力が付与されたピンを用いることができる。ノズル部９をソケット部６に接続する際に、弾性ピン３７をノズルヘッド１２の突出部１４の外周に設けられた周溝１７と係合させ、さらに弾性ピン３７で突出部１４を弾性的に挟持することによって、ノズル部９とソケット部６との接続状態が保持される。弾性ピン３７は図５に示す受け台３６で仕切られた本体上部３２ａの上面３８に配置される。

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３９が設置されている。ゴムホルダ３９は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３９はノズルヘッド１２の突出部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。ゴムホルダ３９は軸方向に収縮するジャバラを形成した円筒形状を有しており、その先端をノズルヘッド１２の突出部１４に設けられた凹部１５と嵌め合わせることによって、ゴムホルダ３９と突出部１４との間にシールが形成される。ノズルヘッド１２の突出部１４に設けられた凹部１５は、ゴムホルダ３４先端の受け部としての機能を併せ持つものである。

ソケット本体３１内にはバルブ４０が配置されている。バルブ４０はバルブヘッド４０ａとバルブステム４０ｂとを備えている。バルブヘッド４０ａ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４０ｂはゴムホルダ３９内に収納されている。このようなバルブ４０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４０ａと本体中部３２ｂの下面側に形成されたバルブシート４１との間にはＯリング４２が配置されている。

バルブ４０には圧縮スプリング４３等の弾性体でバルブヘッド４０ａをバルブシート４１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４２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４０ａを介してＯリング４２がバルブシート４１に押し付けられており、これによりソケット部６内の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４０ｂが後退してバルブヘッド４０ａがバルブシート４１から離れることで、ソケット部６内の流路が開状態とされる。

ソケット本体３２の本体下部３２ｃには、燃料供給部７内を介して燃料タンク３に接続された連通孔４４が設けられている。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４４を介して燃料タンク３に接続されている。そして、バルブ１９、４０を開状態としてノズル部９およびソケット部６内の流路をそれぞれ開くことによって、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を介して燃料タンク３内に注入することが可能とされている。

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の燃料タンク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。ノズル部９のノズルヘッド１２に設けられた突出部１４は、キー溝１６とキー部３５ａとの形状が対応した場合にのみソケット部６のノズル挿入部３１に挿入される。このようにしてノズル部９の突出部１４をソケット部６のノズル挿入部３１に挿入すると、まず突出部１４先端の凹部１５にゴムホルダ３９の先端が嵌め合わされることによって、バルブ１９、４０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。

ノズルヘッド１２の突出部１４とゴムホルダ３９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１９ｂとソケット部６のバルブステム４０ｂ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４０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１９が後退して液体燃料流路が確立する。この液体燃料流路の確立と同時に、ソケット部６の弾性ピン３７がノズルヘッド１２の突出部１４の外周面に設けられた周溝１７と係合することによって、ノズル部９とソケット部６との接続状態が保持される。

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を燃料電池本体４の燃料タンク３に供給する。ところで、燃料カートリッジ５や燃料電池１の安全性や信頼性を高めるためには、燃料タンク３に接続した燃料カートリッジ５に過剰な曲げ荷重やねじり力が加わった際に、ノズル部９をソケット部６から離脱しやすくしたり、また各係合部や接続部への負担を軽減することが重要である。

燃料カートリッジ５に過剰な曲げ荷重が加わった場合、特にノズル部９が破損しやすい。すなわち、燃料カートリッジ５のノズル部９は、燃料電池本体４の小型化等に伴って小径化される傾向にある。小径化されたノズル部９は、燃料カートリッジ５に対して曲げ荷重（燃料カートリッジ５の挿入方向に対して角度をもった方向からの力）が加わった際に破損するおそれがある。具体的には、ノズルヘッド１２のベース部１３から突出形成された突出部１４が折れる可能性が高い。ノズル部９が破損する危険性は小径化するほど高まり、さらにノズル部９をスーパーエンジニアプラスチックや汎用エンジニアプラスチック等の曲げ荷重に対する靭性に劣る材料で構成した際に破損しやすくなる。

例えば、ノズル部９のノズルヘッド１２やバルブ１９等はメタノール燃料等と直接接することから、その構成材料は耐メタノール性を有していることが好ましい。このような材料としては、例えばポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリアセタール（ＰＯＭ）等の汎用エンジニアプラスチック、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、液晶ポリマー（ＬＣＰ）等のスーパーエンジニアプラスチックが挙げられる。これらは靭性に劣ることから、曲げ荷重が加わった際に破損するおそれがある。

このような曲げ荷重に対して、この実施形態では前述したようにソケット部６のノズル挿入部３１の先端開口部内側に弾性部材３４を配置している。燃料カートリッジ５はノズル挿入部３１の先端開口部の角部にノズル部９の外周面を押し当てながら傾く。このようなノズル部９の外周面が押し当てられる部分に弾性部材３４を配置し、これをノズル部９との接触時に曲げ荷重によりノズル部９が描く円弧を妨げないように弾性変形させることによって、ノズル部９を破損させることなくソケット部６から離脱させることができる。

また、燃料カートリッジ５に過剰なねじり力が加わった場合については、キーリング３５を比較的弱い力で保持しているため、キー部３５ａを有するキーリング３５を回転させることで、燃料カートリッジ５の回転にキーリング３５が追従する。これによって、キー部３５ａとキー溝１６との係合部の破損や損傷、またそれに基づくバルブ機構の機能低下（例えばシール力の低下）等を抑制することができる。

上述したように、燃料カートリッジ５に過度な曲げ荷重が加わった際にノズル部９をソケット部６から容易に離脱させることで、燃料カートリッジ５のノズル部９やソケット部６自体の破損、それらによる不具合（液漏れ等）の発生を抑制することが可能となる。また、燃料カートリッジ５に過度なねじり力が加わった場合においても、ノズル部９とソケット部６との接続構造等の損傷を抑制することができる。これらによって、燃料電池用カップラおよびそれを用いた燃料電池１の信頼性や安全性を高めることが可能となる。

次に、本発明の第２の実施形態による燃料電池について、図８を参照して説明する。図８は第２の実施形態による燃料電池４５の要部構成、すなわち燃料電池本体４の燃料タンク３への燃料供給部７に設けられたソケット部６を主として示す断面図である。なお、ソケット部６の具体的な構成、燃料電池４５の全体構成、ノズル部９を備える燃料カートリッジ５の構成等は第１の実施形態と同様であり、図１や図２に示した通りである。また、ソケット部６とノズル部９とにより構成される接続機構（カップラ）についても、基本的な構造や機構は第１の実施形態と同様である。

この実施形態はソケット部６の先端が燃料電池本体４を収納する外装ケース４６の内側に存在する燃料電池４５を示している。外装ケース４６は燃料電池本体４自体の外装筐体、また燃料電池本体４が搭載された電子機器等の機器筐体のいずれであってもよい。外装ケース４６はソケット部６に対応して開口されたノズル挿入口４７を有しており、ソケット部６はその内側に配置されている。従って、このようなソケット部６に図２に示したような燃料カートリッジ５のノズル部９を接続した場合おいて、曲げ加重が加えられた燃料カートリッジ５は外装ケース４６のノズル挿入口４７の角部にノズル部９の外周面を押し当てながら傾くことになる。

そこで、この実施形態では外装ケース４６のノズル挿入口４７に弾性部材４８を配置している。弾性部材４８の具体的な構成、形状、材料等は第１の実施形態における弾性部材３４と同様であり、前述した通りである。このように、曲げ加重が加えられた際に燃料カートリッジ５のノズル部９の外周面が押し当てられる部分、すなわち外装ケース４６のノズル挿入口４７に弾性部材４８を配置し、これをノズル部９との接触時に弾性変形させることによって、ノズル部９を破損させることなくソケット部６から離脱させることができる。従って、燃料電池１の信頼性や安全性を高めることが可能となる。

次に、上述した各実施形態の燃料電池１、４５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９を参照して説明する。図９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と燃料タンク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。

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。

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に白金や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。

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。

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。

燃料タンク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、燃料タンク３は燃料電池セル２側が開口されており、この燃料タンク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。

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。

そして、燃料タンク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、この実施形態のパッシブ型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、燃料タンク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９では図示を省略したが、図１に示したように燃料タンク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。

上述したような構成を有するパッシブ型ＤＭＦＣ（燃料電池本体）４においては、燃料タンク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)

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、燃料タンク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。

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)

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、燃料タンク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。燃料タンク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タンク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。

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パッシブ型ＤＭＦＣに好適である。

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とによるカップラ構造（未接続状態）を示す断面図である。 図２に示すカップラの接続状態を示す断面図である。 図２に示すソケット本体のメタルソケットの構成を示す断面図である。 図２に示すソケット本体の本体上部の構成を示す斜視図である。 図５に示す本体上部にキーリングを配置した状態を示す斜視図である。 図６に示す本体上部とキーリングの断面図である。 本発明の第２の実施形態による燃料電池の要部構成を示す断面図である。 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

１，４５…燃料電池、２…燃料電池セル、３…燃料タンク、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／ソケット）、８…カートリッジ本体、９…ノズル部（オス側カップラ／プラグ）、１２…ノズルヘッド、１４…突出部、１６…キー溝、１７…周溝、１８…バルブホルダ、１９，４０…バルブ、１９ａ，４０ａ…バルブヘッド、１９ｂ，４０ｂ…バルブステム、２０，４１…バルブシート、２１，４２…Ｏリング、２２，４３…圧縮スプリング、３１…ノズル挿入部、３２…ソケット本体、３３…メタルソケット、３４，４８…弾性部材、３５…キーリング、３５ａ…キー部、３５ｂ…凸部、３６…受け台、３６ａ…凹部、３７…弾性ピン、３９…ゴムホルダ、４６…外装ケース、４７…ノズル挿入口。

Claims (11)

1. 燃料電池用カートリッジに装着されるノズルヘッドと、前記ノズルヘッド内に配置されたバルブ機構とを備えるノズル部と、
   燃料電池の燃料供給部に配置されるソケット本体と、前記ソケット本体内に配置されたバルブ機構とを備え、前記ノズル部が着脱可能に接続されるソケット部とを具備し、
   前記ソケット本体は前記ノズル部が挿入されるノズル挿入部を有し、かつ前記ノズル挿入部の少なくとも先端側に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カップラ。
2. 請求項１記載の燃料電池用カップラにおいて、
   前記弾性部材は、前記ノズル部が前記ソケット部に接続された前記燃料カートリッジに曲げ荷重が加わった際に、前記ノズル部の外周面が押し当てられる位置に配置されていることを特徴とする燃料電池用カップラ。
3. 請求項１または請求項２記載の燃料電池用カップラにおいて、
   前記弾性部材は、前記ノズル部が前記ソケット部に接続された前記燃料カートリッジに曲げ荷重が加わった際に、前記曲げ荷重により前記ノズル部が描く円弧を妨げないように弾性変形することを特徴とする燃料電池用カップラ。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項記載の燃料電池用カップラにおいて、
   前記弾性部材はリング状エラストマーを具備することを特徴とする燃料電池用カップラ。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項記載の燃料電池用カップラにおいて、
   前記弾性部材は前記ノズル挿入部に挿入される前記ノズル部のガイド機能を有することを特徴とする燃料電池用カップラ。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれか１項記載の燃料電池用カップラにおいて、
   前記弾性部材は硬度（Type A）が20〜95°の範囲のエラストマーからなることを特徴とする燃料電池用カップラ。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれか１項記載の燃料電池用カップラにおいて、
   前記ソケット部および前記ノズル部の一方に設けられ、前記液体燃料の種別に基づく形状を有するキー部と、前記ソケット部および前記ノズル部の他方に設けられ、前記キー部に対応する形状を有するキー溝とで構成された燃料識別手段を具備することを特徴とする燃料電池用カップラ。
8. 請求項７記載の燃料電池用カップラにおいて、
   前記キー部または前記キー溝を有するリング部材が前記ソケット部に配置され、前記リング部材は前記ノズル部が前記ソケット部に接続された前記燃料カートリッジにねじり力が加えられた際に回転するように構成されていることを特徴とする燃料電池用カップラ。
9. 請求項１ないし請求項８のいずれか１項記載の燃料電池用カップラにおいて、
   前記ソケット部は、前記ノズル部が前記ソケット部に接続された際に、前記ノズル部を弾性的に挟持する接続保持手段を具備することを特徴とする燃料電池用カップラ。
10. 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設けられたノズル部とを備え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供給部と、前記燃料供給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し、
    前記燃料カートリッジのノズル部および前記燃料電池本体のソケット部は、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カップラを具備することを特徴とする燃料電池。
11. 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設けられたノズル部とを備え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供給部と、前記燃料供給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、
    前記燃料電池本体が収納され、前記ソケット部に対応して開口されたノズル挿入口を有する外装ケースとを具備し、
    前記外装ケースは前記ノズル挿入口に配置された弾性部材を有することを特徴とする燃料電池。

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