JP2008108554A

JP2008108554A - 燃料電池用燃料カートリッジと燃料カートリッジ用ノズルアタッチメント

Info

Publication number: JP2008108554A
Application number: JP2006289885A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Takahashi; 賢一高橋; Koichi Kawamura; 公一川村; Kenji Yoshihiro; 憲司吉弘; Akira Yamamori; 陽山盛
Original assignee: Toshiba Corp; Toyo Seikan Kaisha Ltd; Toshiba Electronic Engineering Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Development and Engineering Corp; Toyo Seikan Group Holdings Ltd
Priority date: 2006-10-25
Filing date: 2006-10-25
Publication date: 2008-05-08
Also published as: KR101044868B1; WO2008050474A1; US20100190092A1; KR20090069198A; CN101529637A; TW200836397A; EP2079123A4; EP2079123A1

Abstract

【課題】燃料カートリッジのノズル部が破損することによる不具合の発生を抑制する。
【解決手段】燃料電池用燃料カートリッジ６は、燃料電池用の液体燃料を収容するカートリッジ本体７を具備する。カートリッジ本体７にはバルブ本体１３等で構成されたバルブ機構を内蔵するノズル部８が設けられている。ノズル部８の外周側には、燃料電池に接続されるノズル挿入部２１を有するノズルアタッチメント９が分離可能に装着されている。
【選択図】図３

Description

本発明は燃料電池用燃料カートリッジとそれに用いられる燃料カートリッジ用ノズルアタッチメントに関する。

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、また燃料収容部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、燃料収容部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）。燃料収容部に対しては、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を具備するカップラを用いて、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、その結果として燃料カートリッジ側のノズル部（燃料吐出部）も小径化される傾向にある。このようなノズル部を用いて燃料カートリッジからＤＭＦＣ等の燃料収容部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や捻り等の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。
特許第3413111号公報国際公開第2005/112172号パンフレット特開2004-127824号公報

本発明の目的は、燃料カートリッジのノズル部が破損することによる不具合の発生を抑制することを可能にした燃料電池用燃料カートリッジとそれに用いられる燃料カートリッジ用ノズルアタッチメントを提供することにある。

本発明の一態様に係る燃料電池用燃料カートリッジは、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、バルブ機構を内蔵するノズル部と、前記ノズル部に分離可能に装着され、燃料電池に接続されるノズル挿入部を有するノズルアタッチメントとを具備することを特徴としている。

本発明の他の態様に係る燃料カートリッジ用ノズルアタッチメントは、燃料電池用燃料カートリッジのノズル部に装着されるノズルヘッドと、前記ノズルヘッドの先端側に設けられ、燃料電池に接続されるノズル挿入部と、前記ノズルヘッド内に配置されたアタッチメント側バルブステムとを具備し、前記燃料カートリッジのノズル部に分離可能に装着され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燃料カートリッジは、燃料電池に接続された燃料カートリッジに曲げや捻り等の力が加わった際にノズルアタッチメントがノズル部から分離するため、ノズル部に内蔵されたバルブ機構の機能は維持される。従って、バルブ機構の損傷による液体燃料の漏れ出し等の不具合の発生を抑制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は本発明の一実施形態による燃料電池用燃料カートリッジとそれを適用した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と燃料収容部３とから主として構成されている。燃料収容部３の下面側には、液体燃料の供給部となるソケット部４を有する燃料受容部５が設けられている。ソケット部４は後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１は燃料収容部３を経ずに燃料受容部５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。

燃料カートリッジ６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）７を有している。カートリッジ本体７の先端側には、その内部に収容された液体燃料を燃料電池１の燃料収容部３に供給する際の燃料吐出部となるノズル部８およびノズルアタッチメント９が設けられている。ノズルアタッチメント９は燃料電池１との接続部を構成するものであり、ノズル部８に装着されている。ノズル部８は後に詳述するようにバルブ機構を内蔵しており、液体燃料を燃料電池１に供給するとき以外は閉状態とされている。

燃料カートリッジ６は燃料収容部３に液体燃料を注入するときのみ燃料電池１に接続されるものであり、いわゆるサテライトタイプ（外部注入式）の燃料カートリッジである。燃料カートリッジ６のカートリッジ本体７には、燃料電池１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７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、プロパノール水溶液や純プロパノール等のプロパノール燃料、グリコール水溶液や純グリコール等のグリコール燃料、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、カートリッジ本体７には燃料電池１に対応した液体燃料が収容される。

燃料カートリッジ６のカートリッジ本体７に設けられたノズル部８およびノズルアタッチメント９は、燃料電池１の燃料収容部３に設けられたソケット部４に対応した構造を有し、これらは一対の接続機構（カップラ）を構成している。燃料カートリッジ６のカートリッジ本体７に設けられたノズル部８およびノズルアタッチメント９の具体的な構成について、図２ないし図５を参照して説明する。

上述したように、カートリッジ本体７の先端にはノズル部８が設けられており、その外側にノズルアタッチメント９が装着されている。ノズルアタッチメント９は後述するように、ノズル部８に対して分離可能に装着されている。ノズル部８はカートリッジ本体７の燃料吐出口１０に固着されたカップ状のバルブホルダ１１を有している。バルブホルダ１１の底部には液体燃料の流路となる連通孔１１ａが設けられており、この連通孔１１ａを介してカートリッジ本体７と通液されている。

バルブホルダ１１上には略円筒状のノズルホルダ１２が設置されている。バルブホルダ１１の開口面はノズルホルダ１２で覆われており、これらによってバルブ室が規定されている。このようなバルブ室内にはバルブ本体１３が配置されている。バルブ本体１３はバルブヘッド１４と本体側バルブステム１５とを備えている。バルブヘッド１４はバルブホルダ１１とノズルホルダ１２とで規定されたバルブ室内に配置されており、また本体側バルブステム１５はノズルホルダ１２内に収容されている。

ここで、本体側バルブステム１５はその先端がノズルホルダ１２内に位置するように配置されている。すなわち、本体側バルブステム１５をノズルホルダ１２内に配置した際に、ノズルホルダ１２の先端部が凹状となるように、本体側バルブステム１５の先端部がノズルホルダ１２の先端面から内側に後退している。これはノズル部８からノズルアタッチメント９が分離された際に、本体側バルブステム１５の先端がノズルホルダ１２から突出して誤動作等の原因となることを防ぐものである。

バルブ本体１３は軸方向に進退可能とされている。バルブヘッド１４とノズルホルダ１２の内側に形成されたバルブシート１６との間にはＯリング１７が配置されている。バルブ本体１３には圧縮スプリング１８等の弾性体でバルブヘッド１４をバルブシート１６に押し付ける力が加えられており、これによってＯリング１７は押圧されている。燃料カートリッジ６が燃料電池１から切り離された状態においては、バルブヘッド１４を介してＯリング１７をバルブシート１６に押し付けることによって、ノズル部８内の燃料流路を閉状態としている。後に詳述するように、ノズル部８内の燃料流路は燃料カートリッジ６を燃料電池１に接続した際に開状態とされる。

ノズル部８のノズルホルダ１２の外側には、ノズルアタッチメント９が分離可能に装着されている。ノズルアタッチメント９は燃料電池１側のソケット部４に対する接続部として機能するものであり、ノズルホルダ１２の外側に分離可能に装着されたノズルヘッド１９を具備している。ノズルヘッド１９は、ノズルホルダ１２に装着されるベース部２０と、燃料電池１側のソケット部４に挿入・接続されるノズル挿入部２１とを有している。円筒状のノズル挿入部２１は、その軸方向がノズルアタッチメント９の挿入方向と平行となるように、ベース部２０から突き出すように形成されている。

ノズルホルダ１２とノズルヘッド１９との間には、燃料流路とその周辺をシールするリング状パッキン２２が介在されている。さらに、ノズルヘッド１９のノズル挿入部２１の頂面には凹部２３が設けられている。凹部２３はノズル挿入部２１の頂面を凹ませるように形成されており、この凹部２３の底面にノズル口２４が開口している。凹部２３はノズルアタッチメント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。これによって、ノズルアタッチメント９の先端側に残留した液体燃料に操作者が直接触れるおそれがなくなり、燃料カートリッジ６の安全性をより一層高めることができる。

ノズルヘッド１９内にはアタッチメント側バルブステム２５が配置されている。アタッチメント側バルブステム２５は大径部２５ａと小径部２５ｂとを有し、大径部２５ａが本体側バルブステム１４上に接触配置されている。アタッチメント側バルブステム２５の小径部２５ｂはノズルヘッド１９のノズル挿入部２１内に配置されており、燃料電池１側のソケット部４に挿入・接続された際にバルブ本体１３の可動系として機能する。アタッチメント側バルブステム２５は大径部２５ａの径がノズル挿入部２１の内径より大きく設定されており、これによりノズルヘッド１９からの脱落が防止されている。

アタッチメント側バルブステム２５の脱落防止機構は、図４に示すように、バルブステム２５のリング状パッキン２２と接触する部分よりノズル口２４側の位置に、ノズル挿入部２１の内径より大径の突起２５ｃを設けた構造を有していてもよい。バルブステム脱落防止機構は、ノズルアタッチメント９およびアタッチメント側バルブステム２５の少なくとも一方に設けることができる。

ノズルアタッチメント９は、上記したようにノズルヘッド１９とアタッチメント側バルブステム２５とを具備している。このようなノズルアタッチメント９をノズル部８に装着するにあたっては、まず本体側バルブステム１４上にアタッチメント側バルブステム２５を配置すると共に、リング状パッキン２２をノズルホルダ１２上に配置した後、ノズルヘッド１９をその上から装着する。ノズルホルダ１２とノズルヘッド１９とは、例えばノズルホルダ１２の外周面およびノズルヘッド１９の内周面のいずれか一方に設けられたキー部といずれか他方に設けられたキー溝とを用いて接続固定される。

例えば、ノズルヘッド１９のベース部２０の内周面にはキー部２６が突出形成されている。一方、ノズルホルダ１２の外周面にはキー溝２７が設けられている。ノズルヘッド１９をノズルホルダ１２に装着するにあたって、ノズルヘッド１９のキー部２６をノズルホルダ１２のキー溝２７に係合させる。キー溝２７は例えばＬ字形状を有するため、キー部２６をキー溝２７に沿って係合させることによって、ノズルヘッド１９がノズルホルダ１２に接続固定される。キー部２６とキー溝２７とは一対の形状をなすため、ノズルホルダ１２とノズルヘッド１９との組合せを識別する識別手段として利用することができる。

ノズルホルダ１２とノズルヘッド１９との接続には、図４に示すようなアンダーカット嵌合を適用してもよい。すなわち、ノズルホルダ１２の外周面にアンダーカット部１２ａを設けると共に、ノズルヘッド１９の内周面にアンダーカット部１２ａに対応する嵌合部１９ａを設け、これらを嵌合させてノズルホルダ１２とノズルヘッド１９とを接続固定する。アンダーカット嵌合は燃料カートリッジ６に捻り方向の力が加わった際に回動可能に設けることによって、ノズルアタッチメント９の分離機構として機能させることができる。さらに、ノズルアタッチメント９に曲げ方向の力が加わった際にアンダーカット嵌合を変形させることで分離させることができる。

ノズルアタッチメント９はノズル部８に分離可能に装着されている。このようなノズルアタッチメント９を燃料電池１側のソケット部４に挿入・接続することによって、燃料カートリッジ６を燃料電池１に接続する。燃料電池１に接続された燃料カートリッジ６に曲げ方向または捻り方向の力が加わった場合、図５に示すように、ノズルアタッチメント９のみがノズル部８から分離する。この際、バルブ本体１３等で構成されたバルブ機構は、カートリッジ本体７側のノズル部８に内蔵されているため、ノズルアタッチメント９がノズル部８から分離してもバルブ機構の機能はそのまま維持される。

このように、燃料電池１に接続された燃料カートリッジ６に曲げや捻り等の力が加わった際に、ノズルアタッチメント９をノズル部８から分離させることによって、ノズル部８に内蔵されたバルブ機構の機能を維持することができる。さらに、ノズルアタッチメント９がノズル部８から分離すると、アタッチメント側バルブステム２５を介してバルブ本体１３に加えられていた力（バルブを開放させる力）が取り除かれるため、バルブ本体１３のバルブヘッド１４は即座に閉状態に戻る。これらによって、燃料カートリッジ６に曲げや捻り等の力が加わった際の液体燃料の漏れ出し等を抑制することが可能となる。

ノズル部８から分離されたノズルアタッチメント９は、燃料電池１側のソケット部４に接続された状態で残置されることが考えられる。ソケット部４にノズルアタッチメント９が残置されたままの状態では、燃料電池１に対して液体燃料を再注入することができない。そこで、ノズルアタッチメント９の外周面には引出し用突起部２８が設けられている。この引出し用突起部２８をつまんで引出すことによって、ソケット部４側の保持力に抗してノズルアタッチメント９をソケット部４から取り除くことができる。

燃料カートリッジ６に曲げや捻り等の力が加わった際において、例えばノズルホルダ１２のキー溝２７を変形させることによって、ノズルアタッチメント９をノズル部８から容易に分離させることができる。キー溝２７を例えば塑性変形させるにあたって、ノズルホルダ１２を軟質樹脂等の柔らかい材料で構成すると共に、ノズルヘッド１９を金属材料や硬質樹脂等の硬い材料で構成することが好ましい。これによって、燃料カートリッジ６に曲げや捻り等の力が加わった際にノズルホルダ１２のキー溝２７が塑性変形しやすくなるため、ノズルヘッド１９のキー部２６をキー溝２７から容易に離脱させることができる。

ノズルホルダ１２を構成する軟質樹脂としては、低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）、高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）、直鎖状低密度ポリエチレン（ＬＬＤＰＥ）、架橋高密度ポリエチレン（ＸＬＰＥ）、高分子量ポリエチレン（ＨＭＷＰＥ）、超高分子量ポリエチレン（ＵＨＭＷＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、プロピレン共重合体（ＰＰＣＯ）等が挙げられる。一方、ノズルヘッド１９を構成する金属材料としては、一般的なＳＵＳ材等を用いることができる。また、硬質樹脂としてはポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、液晶ポリマー（ＬＣＰ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリアセタール（ＰＯＭ）等のスーパーエンジニアプラスチック材料が挙げられる。

ノズルヘッド１９はメタノール燃料等の液体燃料と接することから、金属材料やスーパーエンジニアプラスチック材料等で形成されたノズルヘッド１９には耐食性の向上や低溶出化を図るための表面処理を施すことが好ましい。ノズルヘッド１９に適用する表面処理としては、不動態化処理、金や白金等の貴金属めっき、フッ素樹脂コーティング、グラファイトコーティング、シリコーンコーティング等が挙げられる。ノズルホルダ１２を構成する軟質樹脂については、耐メタノール性等の燃料耐性を有する樹脂材料を使用することが好ましい。上述した軟質樹脂はいずれも耐メタノール性に優れるものである。

次に、上述した燃料カートリッジ６側のノズル部８およびノズルアタッチメント９と燃料電池１側のソケット部４との接続構造および接続機構について、図６および図７を参照して説明する。図６は燃料カートリッジ６のノズル部８およびノズルアタッチメント９と燃料電池１のソケット部４とを接続する前の状態、図７はこれらを接続した後の状態を示している。燃料カートリッジ６側のノズル部８およびノズルアタッチメント９については、前述した実施形態に示した通りである。

一方、燃料電池１側の接続機構としてのソケット部４は、ノズルの挿入口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、概略円筒状の本体上部３３とカップ状の本体下部３４とを有している。ソケット本体３２の本体上部３３内には弾性体ホルダとしてゴムホルダ３５が配置されている。ゴムホルダ３５はノズルヘッド１９のノズル挿入部２１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の流路とされている。すなわち、ゴムホルダ３５はソケット部４のバルブ機構を開放した際に外部と液体燃料流路との間をシールするシール部材である。

ソケット本体３２内にはバルブ３６が配置されている。バルブ３６はバルブヘッド３７とバルブステム３８とを備えている。バルブヘッド３７は本体上部３３と本体下部３４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３８は本体上部３３内の中空部およびゴムホルダ３５内に収納されている。このようなバルブ３６は軸方向に進退可能とされている。バルブヘッド３７と本体上部３３の下面側に形成されたバルブシート３９との間にはＯリング４０が配置されている。

バルブ３６には圧縮スプリング４１等の弾性体でバルブヘッド３７をバルブシート３９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４０は押圧されている。燃料電池１から燃料カートリッジ６が切り離された状態においては、バルブヘッド３７を介してＯリング４０がバルブシート３９に押し付けられており、これによりソケット部４内の液体燃料の流路が閉状態とされている。燃料電池１に燃料カートリッジ６を接続すると、バルブステム３８が後退してバルブヘッド３７がバルブシート３９から離れることで、ソケット部４内の燃料流路が開状態とされる。

ソケット本体３２の本体下部３４には、燃料受容部５内を介して燃料収容部３に接続された連通孔４２が設けられている。このように、ソケット部４はソケット本体３２内の液体燃料流路が本体下部３４に設けられた連通孔４２を介して燃料収容部３に接続されている。そして、バルブ１３、３６を開状態としてノズル部８およびソケット部４内の燃料流路をそれぞれ開くことによって、燃料カートリッジ６に収容された液体燃料をノズル部８およびソケット部４を介して燃料収容部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６に収容された液体燃料を燃料電池１の燃料収容部３に供給するにあたっては、燃料カートリッジ６のノズルアタッチメント９をソケット部４に挿入して接続する。図７に示すように、ノズルアタッチメント９をソケット部４に挿入すると、まずノズル挿入部２１の先端とゴムホルダ３５の先端とが接触し、バルブ１３、３６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。

なお、ノズルアタッチメント９のノズル挿入部２１には、図４に示したようにメカニカルキー２９を設けておくことが好ましい。このメカニカルキー２９をソケット部４側に設けたキー溝（図示せず）と係合させることによって、例えば燃料カートリッジ６の誤接続（液体燃料の誤注入等）の防止等を図る（燃料識別手段として利用する）ことができる。メカニカルキー２９はノズルヘッド１９のノズル挿入部２１に加えて、ノズルホルダ１２にも設けておくことができる。これによって、外径が異なるノズルヘッド１９とノズルホルダ１２をそれぞれソケット部４への挿入部として利用することができる。すなわち、内径が異なるソケット部４に対して、ノズルアタッチメント９を外してノズルホルダ１２を挿入部として使用することができる。

ノズル挿入部２１の先端とゴムホルダ３５とが接触した状態からノズルアタッチメント９をソケット部４に差し込むと、ノズルアタッチメント９のアタッチメント側バルブステム２５とソケット部４のバルブステム３８の先端同士が突き当たる。この状態からさらにノズルアタッチメント９を差し込むと、バルブ３６が後退してソケット部４内の流路が開放される。この後、アタッチメント側バルブステム２５と接触配置されたノズル部８のバルブ本体１３が後退してノズル部８内の流路が開放される。このようにして、ノズル部８およびノズルアタッチメント９とソケット部４との接続部の燃料流路が確立する。

このように、ノズル部８およびノズルアタッチメント９とソケット部４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６に収容された液体燃料が燃料電池１の燃料収容部３に供給される。燃料電池１に燃料カートリッジ６が接続された状態における信頼性等を高める上で、燃料カートリッジ６に加えられた曲げや捻り等の力に対して燃料カートリッジ６側のバルブ機構を破損させることなく、燃料カートリッジ６を離脱させることが重要である。

このような点に対して、この実施形態の燃料カートリッジ６は前述したようにノズルアタッチメント９をノズル部８から分離させることで、ノズル部８に内蔵されたバルブ機構の機能が維持される。さらに、ノズルアタッチメント９がノズル部８から分離すると、ノズル部８に内蔵されたバルブ機構は即座に閉状態に戻る。これらによって、燃料カートリッジ６に曲げや捻り等の力が加わった際においても、バルブ機構の機能が維持されると共に、それによるノズル部８内の燃料流路の閉状態が確立されるため、燃料カートリッジ６からの液体燃料の漏れ出し等を抑制することが可能となる。

なお、ノズルアタッチメント９とソケット本体３２には、例えばキー部とキー溝との組合せによる燃料識別手段を適用することが好ましい。液体燃料に応じた一対の形状を有するキー部とキー溝をノズルアタッチメント９とソケット本体３２に形成しておくことによって、液体燃料の誤注入等を防止することができる。さらに、ノズルアタッチメント９とソケット本体３２には、弾性突起や弾性ピン等とそれらと係合する溝との組合せによるノズル保持機構等を適用することができる。これらによって、燃料カートリッジ６の燃料電池１に対する接続信頼性等を高めることができる。

次に、上述した実施形態の燃料電池１における燃料電池セル２等の具体的な構造について説明する。燃料電池１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６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１に内部気化型のＤＭＦＣを適用した実施形態について、図８を参照して説明する。図８に示す内部気化型（パッシブ型）のＤＭＦＣ１は、起電部を構成する燃料電池セル２と燃料収容部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。

燃料収容部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、燃料収容部３は燃料電池セル２側が開口されており、この燃料収容部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、燃料収容部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、燃料収容部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８では図示を省略したが、図１に示したように燃料収容部３の下面側にはソケット部４を有する燃料供給部５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、燃料収容部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、燃料収容部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、燃料収容部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。燃料収容部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収容部３内に燃料カートリッジ６から液体燃料を供給する。燃料カートリッジ６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６側のノズル部８を燃料電池１側のソケット部４に挿入して接続することにより実施される。

なお、本発明の燃料カートリッジを適用する燃料電池は、液体燃料を燃料カートリッジにより供給するもの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。

本発明の一実施形態による燃料電池用燃料カートリッジとそれを適用した燃料電池の構成を示す図である。図１に示す燃料カートリッジにおけるノズル部およびノズルアタッチメントの構成を示す組立図である。図１に示す燃料カートリッジにおけるノズル部およびノズルアタッチメントの構成を示す断面図である。図３に示すノズル部とノズルアタッチメントの変形例を示す断面図である。図３に示す燃料カートリッジのノズル部からノズルアタッチメントが分離された状態を示す断面図である。図１に示す燃料カートリッジと燃料電池とを接続する前の状態を示す断面図である。図１に示す燃料カートリッジと燃料電池とを接続した後の状態を示す断面図である。図１に示す燃料電池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…燃料電池、２…燃料電池セル、３…燃料収容部、４…ソケット部、６…燃料カートリッジ、７…カートリッジ本体、８…ノズル部、９…ノズルアタッチメント、１１…バルブホルダ、１２…ノズルホルダ、１３…バルブ本体、１４…バルブヘッド、１５…本体側バルブステム、１９…ノズルヘッド、２０…ベース部、２１…ノズル挿入部、２２…リング状パッキン、２５…アタッチメント側バルブステム、２６…キー部、２７…キー溝、２８…引出し用突起部、２９…メカニカルキー。

Claims

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、バルブ機構を内蔵するノズル部と、
前記ノズル部に分離可能に装着され、燃料電池に接続されるノズル挿入部を有するノズルアタッチメントと
を具備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１記載の燃料電池用燃料カートリッジにおいて、
前記ノズルアタッチメントは、燃料電池に接続された前記燃料カートリッジに曲げ方向または捻り方向の力が加わった際に、前記ノズル部から分離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１または請求項２記載の燃料電池用燃料カートリッジにおいて、
前記ノズル部は、前記カートリッジ本体に設置されたノズルホルダと、前記ノズルホルダ内に配置され、バルブヘッドと本体側バルブステムとを有するバルブ本体と、前記バルブヘッドを前記ノズルホルダ内に設けられたバルブシートに押し付けて前記ノズル部内の前記液体燃料の流路を閉状態に保つ弾性部材とを備え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３記載の燃料電池用燃料カートリッジにおいて、
前記本体側バルブステムはその先端が前記ノズルホルダの内部に位置するように配置されてい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４記載の燃料電池用燃料カートリッジにおいて、
前記ノズルホルダにはメカニカルキーが設けられてい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３記載の燃料電池用燃料カートリッジにおいて、
前記ノズルアタッチメントは、前記ノズルホルダの外側に分離可能に装着され、前記ノズル挿入部を有するノズルヘッドと、前記ノズルヘッド内に配置され、前記本体側バルブステム上に配置されるアタッチメント側バルブステムとを備え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６記載の燃料電池用燃料カートリッジにおいて、
前記ノズルホルダと前記ノズルヘッドとはアンダーカット嵌合により係合し、この嵌合は前記燃料カートリッジに捻り方向の力が加わった場合に回動可能に設けられてい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７記載の燃料電池用燃料カートリッジにおいて、
前記ノズルアタッチメントは曲げ方向の力が加わった際に前記アンダーカット嵌合が変形することにより分離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６記載の燃料電池用燃料カートリッジにおいて、
前記ノズルホルダの外周面および前記ノズルヘッドの内周面のいずれか一方に設けられたキー部と、前記ノズルホルダの外周面および前記ノズルヘッドの内周面のいずれか他方に設けられ、前記ノズルホルダと前記ノズルヘッドとを接続するように前記キー部と係合するキー溝とを具備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９記載の燃料電池用燃料カートリッジにおいて、
前記ノズルアタッチメントは、燃料電池に接続された前記燃料カートリッジに曲げ方向または捻り方向の力が加わった際に前記キー溝が変形することで、前記ノズル部から分離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１０記載の燃料電池用燃料カートリッジにおいて、
前記キー溝の変形と同時に前記ノズル部のバルブ機構が閉状態とな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１０または請求項１１記載の燃料電池用燃料カートリッジにおいて、
前記ノズルヘッドは金属材料またはスーパーエンジニアプラスチック材料で形成されてい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１２記載の燃料電池用燃料カートリッジにおいて、
前記ノズルヘッドの内部には表面処理が施されてい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６ないし請求項１３のいずれか１項記載の燃料電池用燃料カートリッジにおいて、
前記ノズルアタッチメントおよび前記アタッチメント側バルブステムの少なくとも一方に、前記アタッチメント側バルブステムの脱落を防止する脱落防止機構が設けられてい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１ないし請求項１４のいずれか１項記載の燃料電池用燃料カートリッジにおいて、
前記ノズルアタッチメントはその外周面に設けられた引出し用突起部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１ないし請求項１５のいずれか１項記載の燃料電池用燃料カートリッジにおいて、
前記ノズルヘッドおよび前記ノズルホルダの外表面にメカニカルキーを設け、かつ前記ノズルヘッドおよび前記ノズルホルダの外径をそれぞれ異ならせたことを特徴とする燃料電池用燃料カートリッジ。
燃料電池用燃料カートリッジのノズル部に装着されるノズルヘッドと、
前記ノズルヘッドの先端側に設けられ、燃料電池に接続されるノズル挿入部と、
前記ノズルヘッド内に配置されたアタッチメント側バルブステムとを具備し、
前記燃料カートリッジのノズル部に分離可能に装着されることを特徴とする燃料カートリッジ用ノズルアタッチメント。