WO2008050474A1

WO2008050474A1 - Cartouche de combustible pour une pile à combustible et fixation de tuyère pour une cartouche de combustible

Info

Publication number: WO2008050474A1
Application number: PCT/JP2007/001127
Authority: WO
Inventors: Kenichi Takahashi; Koichi Kawamura; Kenji Yoshihiro; You Yamamori
Original assignee: Toshiba Corp; Toyo Seikan Kaisha Ltd
Current assignee: Toshiba Corp; Toyo Seikan Group Holdings Ltd
Priority date: 2006-10-25
Filing date: 2007-10-17
Publication date: 2008-05-02
Anticipated expiration: 2009-04-25
Also published as: KR101044868B1; US20100190092A1; KR20090069198A; JP2008108554A; CN101529637A; TW200836397A; EP2079123A4; EP2079123A1

Description

明細書

燃料電池用燃料力一卜リッジと燃料力一卜リッジ用ノズルァタツチメン卜

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に用いられる燃料カートリッジ用ノズルァタツチメン卜に関する。

背景技術

[0002] ノートパソコンや携帯電話等の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、携帯用電子機器の電源や充電器に燃料電池を用いることが試みられている。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や充電器として極めて有利なシステムといえる。

[0003] 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

(D i r e c t Me t h a n o l F u e l C e I I ： DM F C) は/ J、型化が可能であり、燃料の取り扱いも容易であるため、携帯機器用の電源等として有望視されている。 DM FC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、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。パッシブ方式は DM FCの小型化に対して有利である。

[0004] 内部気化型等のパッシブ型 DM FCにおいては、燃料収容部内の液体燃料を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（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（特許文献 3参照）。 [0005] 内部気化型等のパッシブ型 D M F C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 D M F C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。

特許文献 1 ：特許第 3 4 1 3 1 1 1号公報

特許文献 2：国際公開第 2 0 0 5 / 1 1 2 1 7 2号パンフレツト

特許文献 3：特開 2 0 0 4 _ 1 2 7 8 2 4公報

発明の開示

[0006] 本発明の目的は、燃料力一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ツジ用ノズルァタツチメントを提供することにある

[0007] 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揷入部を有するノズルァタツチメントとを具備することを特徴としている。

[0008] 本発明の態様に係る燃料カートリッジ用ノズルァタツチメントは、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へッドと、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揷入部と、前記ノズルへッド内に配置されたァタツチメント側バルブステムとを具備し、前記燃料力一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図面の簡単な説明 [0009] [図 1 ]本発明の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 2]図 1に示す燃料力一トリッジにおけるノズル部およびノズルァタツチメン卜の構成を示す組立図である。

[図 3]図 1に示す燃料力一トリッジにおけるノズル部およびノズルァタツチメン卜の構成を示す断面図である。

[図 4]図 3に示すノズル部とノズルァタツチメン卜の変形例を示す断面図である。

[図 5]図 3に示す燃料力一トリッジのノズル部からノズルァタツチメントが分離された状態を示す断面図である。

[図 6]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 7]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 8]図 1に示す燃料電池の一例としての内部気化型 D M F Cの構成を示す断面図である。

符号の説明

[0010] 1…燃料電池、 2…起電部、 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…ノズルァタツチメント、 1 1…バルブホルダ、 1 2…ノズルホルダ、 1 3…バルブ本体、 1 4…バルブへッド、 1 5…本体側バルブステム、 1 9…ノズルへッド、 2 0…ベース部、 2 1…ノズル揷入部、 2 2…リング状パッキン、 2 5…ァタツチメント側バルブステム、 2 6…キ一部、 2 7…キ一溝、 2 8…引出し用突起部、 2 9…メカニカルキー。

発明を実施するための形態

[001 1 ] 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。

[0012] 図 1は本発明の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 2と燃料収容部 3とを具備する。燃料収容部 3の下面側には、燃料受容部となるソケット部 4を有する燃料供給部 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。燃料電池 1は燃料収容部 3を経ずに燃料受容部 5から直接起電部 2に液体燃料を供給する構造を有していてもよい。

[0013] 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およびノズルァタツチメント 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。

[0014] 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）の燃料力一トリッジである。燃料力一トリッジ 6のカートリツジ本体 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（D M F C ) であれば各種濃度のメタノール水溶液ゃ純メタノール等のメタノール燃料が収容されている。

[0015] 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、例えばェタノ一ル水溶液ゃ純ェタノ一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、グリコ一ル水溶液ゃ純グリコ一ル等のグリコ一ル燃料、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。

[0016] 燃料力一トリッジ 6のカートリツジ本体 7に設けられたノズル部 8およびノズルァタツチメント 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のカートリツジ本体 7に設けられたノズル部 8およびノズルァタツチメント 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。

[001 7] 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。ノズルァタツチメント 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 1 0に固着されたカップ状のバルブホルダ 1 1を有している。バルブホルダ 1 1の底部には液体燃料の流路となる連通孔 1 1 aカ《設けられており、この連通孔 1 1 aを介して力 —トリッジ本体 7と通液されている。

[0018] バルブホルダ 1 1上には図 2および図 3に示すように、略円筒状のノズルホルダ 1 2が設置されている。バルブホルダ 1 1の開口面はノズルホルダ 1 2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。バルブ室内にはバルブ本体 1 3が配置されている。バルブ本体 1 3はバルブへッド 1 4 と本体側バルブステム 1 5とを備えている。バルブへッド 1 4はバルブホルダ 1 1 とノズルホルダ 1 2とで規定されたバルブ室内に配置されている。本体側バルブステム 1 5はノズルホルダ 1 2内に収容されている。

[001 9] ここで、本体側バルブステム 1 5はその先端がノズルホルダ 1 2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 1 5をノズルホルダ 1 2内に配置した際に、ノズルホルダ 1 2の先端部が凹状となるように、本体側バルブステム 1 5の先端部がノズルホルダ 1 2の先端面から内側に後退している。これはノズル部 8からノズルァタツチメント 9が分離された際に、本体側バルブステム 1 5の先端がノズルホルダ 1 2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。

[0020] バルブ本体 1 3は軸方向に進退可能とされている。バルブへッド 1 4とノズルホルダ 1 2の内側に形成されたバルブシ一ト 1 6との間には Oリング 1 7が配置されている。バルブ本体 1 3には圧縮スプリング 1 8等の弾性体でバルブへッド 1 4をバルブシート 1 6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 1 7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 1 4を介して Oリング 1 7をバルブシート 1 6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。

[0021 ] ノズル部 8のノズルホルダ 1 2の外側には、ノズルァタツチメント 9が分離可能に装着されている。ノズルァタツチメント 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 1 2の外側に分離可能に装着されたノズルへッド 1 9を具備している。ノズルへッド 1 9は、ノズルホルダ 1 2に装着されるべ一ス部 2 0と、燃料電池 1側のソケット部 4に挿入■接続されるノズル揷入部 2 1 とを有している。円筒状のノズル揷入部 2 1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 2 0から突き出すように形成されている。

[0022] ノズルホルダ 1 2とノズルへッド 1 9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 2 2が介在されている。さらに、ノズルヘッド 1 9のノズル揷入部 2 1の頂面には凹部 2 3が設けられている。凹部 2 3はノズル揷入部 2 1の頂面を凹ませるように形成されており、この凹部 2 3の底面にノズル口 2 4が開口している。凹部 2 3はノズルァタツチメント 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。これによつて、ノズルァタツチメント 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、燃料力一トリッジ 6の安全性をより一層高めることができる。

[0023] ノズルへッド 1 9内にはアタッチメント側バルブステム 2 5が配置されている。ァタツチメント側バルブステム 2 5は大径部 2 5 aと小径部 2 5 bとを有し、大径部 2 5 aが本体側バルブステム 1 4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 2 5の小径部 2 5 bはノズルへッド 1 9のノズル揷入部 2 1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 1 3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 2 5は大径部 2 5 aの径がノズル揷入部 2 1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 1 9からの脱落が防止されている

[0024] ァタツチメント側バルブステム 2 5の脱落防止機構は、図 4に示すように、バルブステム 2 5のリング状パッキン 2 2と接触する部分よりノズル口 2 4側の位置に、ノズル揷入部 2 1の内径より大径の突起 2 5 cを設けた構造を有していてもよい。バルブステム 2 5の脱落防止機構は、ノズルアタッチメント 9およびァタツチメント側バルブステム 2 5の少なくとも一方に設けることができる。

[0025] 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 1 9とアタッチメント側バルブステム 2 5とを具備している。このようなノズルァタツチメント 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 1 4 上にァタツチメント側バルブステム 2 5を配置すると共に、リング状パツキン 2 2をノズルホルダ 1 2上に配置した後、ノズルヘッド 1 9をその上から装着する。ノズルホルダ 1 2とノズルへッド 1 9とは、例えばノズルホルダ 1 2の外周面およびノズルへッド 1 9の内周面の一方に設けられたキー部と他方に設けられたキー溝とを用いて接続固定される。

[0026] 例えば、ノズルへッド 1 9のベース部 2 0の内周面にはキー部 2 6が突出形成されている。一方、ノズルホルダ 1 2の外周面にはキー溝 2 7が設けられている。ノズルヘッド 1 9をノズルホルダ 1 2に装着するにあたって、ノズルへッド 1 9のキー部 2 6をノズルホルダ 1 2のキー溝 2 7に係合させる。キー溝 2 7は例えば L字形状を有するため、キー部 2 6をキー溝 2 7に沿つて係合させることによって、ノズルヘッド 1 9がノズルホルダ 1 2に接続固定される。キー部 2 6とキー溝 2 7とは一対の形状を有するため、ノズルホルダ 1 2とノズルへッド 1 9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。 [0027] ノズルホルダ 1 2とノズルへッド 1 9との接続には、図 4に示すようなァンダ一カット嵌合を適用してもよい。すなわち、ノズルホルダ 1 2の外周面にはカツト部 1 2 aが設けられている。ノズルへッド 1 9の内周面にはカツト部 1 2 aに対応する突起部 1 9 aが設けられている。カット部 1 2 aに突起部 1 9 aを嵌合させることによって、ノズルホルダ 1 2とノズルヘッド 1 9とが接続固定される。カツト部 1 2 aと突起部 1 9 aとはアンダーカツト嵌合による接続部を構成している。

[0028] アンダーカツト嵌合による接続部は、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とされている。従って、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、アンダーカツト嵌合（カツト部 1 2 aと突起部 1 9 aの少なくとも一方）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から分離させることができる。

[0029] 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。このようなノズルァタツチメント 9を燃料電池 1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 に接続された燃料力一トリッジ 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 1 3等で構成されたバルブ機構は、カートリツジ本体 7側のノズル部 8に内蔵されているため、ノズルァタツチメント 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。

[0030] 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、ノズルァタツチメント 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、ァタツチメント側バルブステム 2 5を介してバルブ本体 1 3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 1 3のバルブヘッド 1 4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。

[0031 ] ノズル部 8から分離されたノズルァタツチメント 9は、燃料電池 1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側の保持力に杭してノズルァタツチメント 9をソケット部 4から取り除くことができる。

[0032] 燃料力一トリッジ 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 1 2のキ一溝 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 1 2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 1 9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。これによつて、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 1 2のキー溝 27が塑性変形しゃすくなるため、ノズルへッド 1 9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。

[0033] ノズルホルダ 1 2を構成する軟質樹脂としては、低密度ポリエチレン（L DP E) 、高密度ポリエチレン（HDP E) 、直鎖状低密度ポリエチレン（ L LDP E) 、架橋高密度ポリエチレン（X L P E) 、高分子量ポリエチレン（HMWP E) 、超高分子量ポリエチレン（UHMWP E) 、ポリプロピレン（P P) 、プロピレン共重合体（P PCO) 等が挙げられる。一方、ノズルへッド 1 9を構成する金属材料としては、一般的な S U S材等を用いることができる。硬質樹脂としてはポリエ一テルエ一テルケトン（P EEK) 、ポリフエ二レンサルフアイド（P PS) 、液晶ポリマ一（LCP) 、ポリブチレンテレフタレ一ト（PBT) 、ポリエチレンテレフタレ一ト（P ET ) 、ポリアセタール（POM) 等のスーパ一エンジニアリングプラスチック材料が挙げられる。

[0034] ノズルへッド 1 9はメタノール燃料等の液体燃料と接することから、金属材料やスーパ一エンジニアリングプラスチック材料等で形成されたノズルへッド 1 9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 1 9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つき、フッ素樹脂コーティング、グラフアイトコ一ティング、シリコーンコーティング等が挙げられる。ノズルホルダ 1 2を構成する軟質樹脂には、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。

[0035] 次に、上述した燃料カートリッジ 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は燃料力一トリッジ 6のノズル部 8およびノズルァタツチメント 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。燃料カートリツジ 6のノズル部 8およびノズルァタツチメント 9の構造等については前述した通りである。

[0036] —方、燃料電池 1側の接続機構としてのソケット部 4は、ノズルの揷入口 3 1を有するソケット本体 3 2を具備している。ソケット本体 3 2は、概略円筒状の本体上部 3 3とカップ状の本体下部 3 4とを有している。ソケット本体 3 2の本体上部 3 3内には弾性体ホルダとしてゴムホルダ 3 5が配置されている。ゴムホルダ 3 5はノズルへッド 1 9のノズル揷入部 2 1 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 3 5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。

[0037] ソケット本体 3 2内にはバルブ 3 6が配置されている。バルブ 3 6はバルブへッド 3 7とバルブステム 3 8とを備えている。バルブへッド 3 7は本体上部 3 3と本体下部 3 4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 3 8は本体上部 3 3内の中空部およびゴムホルダ 3 5内に収納されている。このようなバルブ 3 6は軸方向に進退可能とされている。バルブへッド 3 7と本体上部 3 3の下面側に形成されたバルブシ一ト 3 9との間には Oリング 4 0が配置されている。

[0038] バルブ 3 6には圧縮スプリング 4 1等の弾性体でバルブへッド 3 7をバルブシート 3 9に押し付ける力が常時加えられており、これによつて Oリング 4 0は押圧されている。燃料電池 1から燃料力一トリッジ 6が切り離された状態においては、バルブへッド 3 7を介して Oリング 4 0がバルブシ一ト 3 9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 3 8が後退してバルブへッド 3 7力《バルブシート 3 9から離れることによって、ソケット部 4内の燃料流路が開状態とされる。

[0039] ソケット本体 3 2の本体下部 3 4には、燃料供給部 5内を介して燃料収容部 3に接続された連通孔 4 2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 3 2内の燃料流路が本体下部 3 4に設けられた連通孔 4 2を介して燃料収容部 3に接続されている。そして、バルブ 1 3、 3 6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つて、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。

[0040] 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に供給するにあたつては、燃料力一トリッジ 6のノズルァタツチメント 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、まずノズル揷入部 2 1の先端とゴムホルダ 3 5の先端とが接触し、バルブ 1 3、 3 6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。

[0041 ] ノズルアタッチメント 9のノズル揷入部 2 1には、図 4に示すようにメカ二カルキ一 2 9を設けておくことが好ましい。メカニカルキー 2 9をソケット部 4に設けたキー溝（図示せず）と係合させることで、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）の防止を図ることができる。これは燃料識別手段として利用される。メカニカルキー 2 9はノズルヘッド 1 9 のノズル揷入部 2 1に加えて、ノズルホルダ 1 2にも設けておいてもよい。これによつて、外径が異なるノズルへッド 1 9とノズルホルダ 1 2をそれぞれソケット部 4への揷入部として利用することができる。内径が異なるソケット部 4に対しては、ノズルアタッチメント 9を外してノズルホルダ 1 2が揷入部として使用される。

[0042] ノズル揷入部 2 1の先端とゴムホルダ 3 5とが接触した状態からノズルァタツチメント 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のァタツチメント側バルブステム 2 5とソケット部 4のバルブステム 3 8の先端同士が突き当たる。この状態からさらにノズルァタツチメント 9を差し込むと、バルブ 3 6が後退してソケット部 4内の流路が開放される。この後、ァタツチメント側バルブステム 2 5と接触配置されたノズル部 8のバルブ本体 1 3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 (ノズルァタツチメント 9を含む）とソケット部 4との接続部の燃料流路が確立する。

[0043] このように、ノズル部 8 (ノズルアタッチメントを含む）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力一トリッジ 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。

[0044] このような点に対して、この実施形態の燃料力一トリッジ 6は前述したようにノズルァタツチメント 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力《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。

[0045] なお、ノズルァタツチメント 9とソケット本体 32には、例えばキ一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ァタツチメント 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の弾性部材とそれと係合する溝との組合せによるノズル保持機構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を高めることができる。

[0046] 次に、上述した実施形態の燃料電池 1における起電部 2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、例えばサテラィトタイプの燃料力一トリッジ 6が必要時に接続されるパッシブ型やァクテイブ型の DM FC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 DM FC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 DM FC 1は、起電部 2と燃料収容部 3に加えて、これらの間に介在された気液分離膜 5 1を具備している。

[0047] 起電部 2は、アノード触媒層 52とアノードガス拡散層 53とを有するァノード（燃料極）と、力ソード触媒層 54と力ソードガス拡散層 55とを有する力ソード（酸化剤極/空気極）と、アノード触媒層 52と力ソード触媒層 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 (M em b r a n e E l e c t r o d e A s s em b I y ： M E A) を備えている。

[0048] 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 P t、 R u、 R h、 I r、 O s、 P d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。ァノード触媒層 52にはメタノールや一酸化炭素に対して強い耐性を有する P t _ R uや P t _ M o等を用いることが好ましい。カソ一ド触媒層 5 4には P tや P t _ N i等を用いることが好ましい。触媒には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が使用される。

[0049] 電解質膜 5 6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ォロスルホン酸重合体のようなフッ素系樹脂、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂、タングステン酸ゃリンタングステン酸等の無機物等が挙げられる。スルホン酸基を有するフッ素系樹脂としては、ナフィオン（商品名、デュポン社製）ゃフレミオン（商品名、旭硝子社製）等が例示される。ただし、これらに限られるものではない。

[0050] 了ノ一ド触媒層 5 2に積層されるァノ一ドガス拡散層 5 3は、了ノ一ド触媒層 5 2に燃料を均一に供給する役割を果たすと同時に、ァノード触媒層 5 2の集電機能も有している。カソ一ド触媒層 5 4に積層されるカソ一ドガス拡散層 5 5は、力ソ一ド触媒層 5 4に酸化剤を均一に供給する役割を果たすと同時に、力ソード触媒層 5 4の集電機能も有している。アノードガス拡散層 5 3には集電体としてアノード導電層 5 7が積層されている。カソ一ドガス拡散層 5 5には集電体としてカソ一ド導電層 5 8が積層されている。

[0051 ] アノード導電層 5 7やカソード導電層 5 8は、例えば A uのような導電性金属材料からなるメッシュ、多孔質膜、薄膜等で構成されている。さらに、電解質膜 5 6とァノード導電層 5 7との間、および電解質膜 5 6と力ソード導電層 5 8との間には、それぞれゴム製の Oリング 5 9、 6 0が介在されており、これらによつて起電部 2からの燃料漏れや酸化剤漏れが防止されている。

[0052] 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。燃料収容部 3は起電部 2側が開口されており、この燃料収容部 3の開口部と起電部 2との間に気液分離膜 5 1が設置されている。気液分離膜 5 1 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膜である。気液分離膜 5 1の構成材料としては、ポリテトラフルォロエチレンのようなフッ素樹脂が例示される。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。

[0053] 力ソード導電層 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する。空気の取入れ量は表面層 62に形成された空気導入口 63の個数やサイズで調整される。保湿層 61は力ソード触媒層 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、力ソードガス拡散層 55に酸化剤を均一に導入して、力ソード触媒層 54 への酸化剤の均一拡散を促進する機能を有している。保湿層 61はポリェチレンやポリプロピレンの多孔質体のような多孔質構造部材で構成される。

[0054] そして、燃料収容部 3上に気液分離膜 51、起電部 2、保湿層 61、表面層 62を順に積層し、その上からステンレス製のカバ一 64を被せて全体を保持することによって、パッシブ型 DM FC 1が構成される。カバ一 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。燃料収容部 3にはカバ一 64の爪 64 aを受けるテラス 65が設けられており、テラス 65に爪 64 aをかしめることで DM F C 1全体をカバ _64で一体的に保持している。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。

[0055] 上述した構成を有するパッシブ型 DMFC (燃料電池） 1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、この気化成分が気液分離膜 51を透過して起電部 2に供給される。起電部 2内において、液体燃料 Fの気化成分はァノードガス拡散層 53で拡散されてァノード触媒層 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、式 (1 ) に示すメタノールの内部改質反応を生じさせる。

CH₃OH + H₂0 → C0₂+6 H + +6 e_ -" ( 1 ) [0056] 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 5 4で生成した水や電解質膜 5 6中の水をメタノールと反応させて式（1 ) の内部改質反応を生起させる。あるいは、式（1 ) 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。

[0057] 内部改質反応で生成されたプロトン（H +) は電解質膜 5 6を伝導し、カソ -ド触媒層 5 4に到達する。表面層 6 2の空気導入口 6 3から取り入れられた空気（酸化剤）は、保湿層 6 1、力ソード導電層 5 8、力ソードガス拡散層 5 5を拡散して、力ソード触媒層 5 4に供給される。力ソード触媒層 5 4 に供給された空気は、式（2 ) 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 ) 0 ₂ + 6 H + + 6 e - → 3 H ₂ 0 … ( 2 )

[0058] 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力一トリッジ 6側のノズル部 8 (ノズルァタツチメント 9を含む ) を燃料電池 1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。

[0059] なお、本発明の燃料カートリッジは、燃料電池に適用されるものであればその機構等に限定されるものではない。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。燃料電池の具体的な構成も本発明の技術的思想を逸脱しない範囲で具体化することができる。さらに、上記実施形態に示される複数の構成要素を適宜に組合せたり、また実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除する等、種々の変形が可能である。本発明の実施形態は本発明の技術的思想の範囲内で拡張もしくは変更することができ、この拡張、変更した実施形態も本発明の技術的範囲に含まれるものである。

産業上の利用可能性

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力一トリッジに曲げや捻り等の力が加わった際にノズルァタツチメン卜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。このような燃料カートリッジは信頼性や安全性に優れるため、各種装置の電源や充電器等として用いられる燃料電池に有効に利用することができる。

Claims

請求の範囲

[1 ] 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揷入部を有するノズルァタツチメントと

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。

[2] 請求項 1記載の燃料電池用燃料カートリッジにおいて、

前記ノズルァタツチメントは、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。

[3] 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、バルブへッドと本体側バルブステムとを有するバルブ本体と、前記バルブへッドを前記ノズルホルダ内に設けられたバルブシー卜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。

[4] 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。

[5] 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。

[6] 請求項 3記載の燃料電池用燃料カートリッジにおいて、

前記ノズルァタツチメントは、前記ノズルホルダの外側に分離可能に装着され、前記ノズル揷入部を有するノズルへッドと、前記ノズルへッド内に配置され、前記本体側バルブステム上に配置されるァタツ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。

[7] 請求項 6記載の燃料電池用燃料カートリッジにおいて、前記ノズルへッドは前記ノズルホルダとアンダーカツト嵌合により接続される接続部を有し、前記接続部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と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シ。

[8] 請求項 7記載の燃料電池用燃料カートリッジにおいて、

前記ノズルァタツチメントは曲げ方向の力が加わつた際に前記接続部が変形することにより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力一トリッジ。

[9] 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へッドの内周面の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へッドの内周面の他方に設けられ、前記ノズルホルダと前記ノズルへ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力一トリッジ。

[10] 請求項 9記載の燃料電池用燃料カートリッジにおいて、

前記ノズルァタツチメントは、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シ。

[1 1 ] 請求項 1 0記載の燃料電池用燃料カートリッジにおいて、

前記ノズル部のバルブ機構は前記キー溝の変形と同時に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。

[12] 請求項 1 0記載の燃料電池用燃料カートリッジにおいて、

前記ノズルへッドは金属材料またはスーパ一エンジニアリング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。

[13] 請求項 1 2記載の燃料電池用燃料カートリッジにおいて、

前記ノズルへ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。

[14] 請求項 6記載の燃料電池用燃料カートリッジにおいて、

前記ノズルァタツチメントおよび前記ァタツ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。

[15] 請求項 1 4記載の燃料電池用燃料カートリッジにおいて、

前記脱落防止機構は、前記アタッチメント側バルブステムに設けられ、前記ノズル揷入部の内径より大きい大径部を有することを特徴とする燃料電池用燃料力一トリッジ。

[1 6] 請求項 1項記載の燃料電池用燃料カートリッジにおいて、

前記ノズルァタツ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。

[1 7] 請求項 1記載の燃料電池用燃料カートリッジにおいて、

前記ノズルへッドおよび前記ノズルホルダの外表面にはメカニカルキーが設けられており、かつ前記ノズルへッドおよび前記ノズルホルダは異なる外径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。

[18] 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へッドと、前記ノズルへ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、

前記ノズルへッド内に配置されたァタツ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力一トリツジ用ノズルァタツチメント。