JP2007194055A - 燃料電池用燃料カートリッジ、燃料電池およびカップラ - Google Patents
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Abstract
【課題】ノズル部が破損することによる不具合の発生を抑制した燃料電池用燃料カートリッジ、およびそのような燃料カートリッジを適用した燃料電池を提供する。
【解決手段】燃料カートリッジに設けられたノズル部９を、燃料電池本体に設けられたソケット部６に挿入し、これらノズル部９とソケット部６とを接続する。ノズル部９はカートリッジ本体８に設けられたノズルヘッド１２と、このノズルヘッド１２内に配置されたバルブ機構とを備える。ノズルヘッド１２の先端には、燃料電池本体に接続された燃料カートリッジ５に曲げ荷重が加わった際に、ソケット部６から干渉されずに離脱するように球状部１５が設けられている。
【選択図】図２
【解決手段】燃料カートリッジに設けられたノズル部９を、燃料電池本体に設けられたソケット部６に挿入し、これらノズル部９とソケット部６とを接続する。ノズル部９はカートリッジ本体８に設けられたノズルヘッド１２と、このノズルヘッド１２内に配置されたバルブ機構とを備える。ノズルヘッド１２の先端には、燃料電池本体に接続された燃料カートリッジ５に曲げ荷重が加わった際に、ソケット部６から干渉されずに離脱するように球状部１５が設けられている。
【選択図】図２
Description
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、およびこれら燃料カートリッジと燃料電池との接続機構等に用いられるカップラに関する。
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、燃料のみ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とソケット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）や燃料カートリッジ側の燃料吐出口（ノズル）も小径化される傾向にある。このようなノズルとソケットとを接続し、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危険性がある。ノズルが破損する危険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、着脱可能な種々のカップラが用いられている。例えば特許文献４には、主流路と副流路とを備えたプラグと、主流路と副流路とを備えプラグと嵌合可能であると共に、嵌合した状態でプラグの主流路と副流路とを連通可能なソケットとから構成された連結装置が開示されている。
このような連結装置において、ソケットは保持体に固定された弁押体の外周に形成された主流路と、さらに主流路の外側に形成された副流路と、これらの流路を閉じるバルブを有し、各バルブはスプリングの付勢力によって弁座に向けて押圧され、主流路および副流路を閉じることができる構成となっている。一方、プラグは弁保持体に摺動自在に保持された弁本体の外周に形成された主流路と、さらに主流路の外側に形成された副流路と、それらの流路を閉じるバルブを有し、各バルブはスプリングの付勢力によって弁座に向けて押圧され、主流路および副流路を閉じることができる構成となっている。
上記したソケットとプラグの接続がなされると、まずソケットの副バルブとプラグの副バルブとが当接し、両者がそれぞれの付勢力に抗して互いに離れる方向に移動し、副流路が連通する。さらに、ソケットとプラグの接続がなされると、ソケットの主バルブがプラグの内筒体の端面によって押され、スプリングに抗して後退して弁体が弁押体の弁座から離れ、弁押体との主流路を開くと共に、ソケット側の弁押体の先端部平面とプラグ側の弁本体に設けた弁部材の平面とが当接し、プラグ側の弁本体をスプリングの付勢力に抗して押圧し、弁本体を後退させてプラグ側の主バルブを開き主流路と連通する。
このようにして、副流路が連通すると気体供給源から容器内に気体が供給され、その気体圧によって内袋を収縮させ、内袋内の液体がプラグ側の主流路からソケット側の主流路を介して液体を容器外に送出する。このような連結装置を例えば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、燃料カートリッジのノズル部が破損することによる不具合の発生を抑制した燃料電池用燃料カートリッジ、およびそのような燃料カートリッジを適用した燃料電池、さらに過剰な力が加わった場合にそれ自体や機器本体の破損を抑制することを可能にしたカップラを提供することを目的としている。
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収容された前記液体燃料を燃料電池本体に供給するノズル部とを具備する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けられ、前記燃料電池本体のソケット部に挿入される挿入部先端に球状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たバルブ機構とを備え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、上記した本発明の態様に係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タンクと、前記燃料タンク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することを特徴としている。
本発明の一態様に係るカップラは、弁体とこれを閉方向に付勢する付勢手段とを備えるソケットと、弁体とこれを閉方向に付勢する付勢手段とを備えると共に、前記ソケットと着脱可能に嵌合連結され嵌合連結状態で両弁体を開放して連通可能なプラグとから構成されるカップラであって、前記プラグの突出連結部を前記ソケットのプラグ連結孔に連結した状態で当該プラグの前記突出連結部の連結面の最外周上の点を中心とし、この中心と対角位置上で前記ソケットのプラグ連結孔の下端円周との交点とを半径とする仮想円をプラグ中心に回転させた空間を干渉防止空間とし、この干渉防止空間内に前記プラグの突出連結部を位置させて互いを傾けて抜き出し可能に構成したことを特徴としている。
本発明の他の態様に係るカップラは、弁体とこれを閉方向に付勢する付勢手段とを備えるソケットと、弁体とこれを閉方向に付勢する付勢手段とを備えると共に、前記ソケットと着脱可能に嵌合連結され嵌合連結状態で両弁体を開放して連通可能なプラグとから構成されるカップラであって、前記プラグの突出連結部を前記ソケットのプラグ連結孔に連結した状態でこれらプラグとソケットとが当該プラグの前記突出連結部の連結面の最外周上の点を中心として互いが傾いた場合に、前記ソケットのプラグ連結孔の前記連結面よりプラグ側へ突出するプラグ連結孔の内筒下端との干渉を防止するくびれ部を当該プラグに形成し傾けて抜き出し可能に構成した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によれば、燃料電池本体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ソケット部から容易に離脱させることができる。このような燃料カートリッジを適用した燃料電池によれば、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。
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注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。
上述した燃料電池本体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。なお、図２および図３は主としてノズル部９とソケット部６の構成を一部断面で示した図である。
燃料電池本体４と燃料カートリッジ５とを接続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の先端開口部に固着されるベース部１３と、ソケット部６に挿入される挿入部１４とを有している。円筒状の挿入部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から突出して形成されている。
ノズルヘッド１２の挿入部１４の先端には、図４ないし図８に示すように球状部１５が設けられている。球状部１５の先端にはノズル口１１が開口している。ここで言う球状部１５とは、球面を有する部分を指すものであり、完全な球体である必要はない。さらに、球状部１５は部分的に球面を有していてもよく、例えばある曲率を有する部分的な球面を組合せた形状等であってもよい。この実施形態における球状部１５は略半球形状を有しており、このような略半球状の球状部１５が挿入部１４の先端に設けられている。
球状部１５は後に詳述するように、燃料カートリッジ５に過剰な曲げ荷重等が加わった際に、ノズル部９をソケット部６から抜けやすくするものである。すなわち、ノズル部９を傾けながらノズル部９から抜く際に、ソケット部６の干渉を抑制するものである。さらに、ノズルヘッド１２の挿入部１４の根元側にはくびれ部１６が設けられている。くびれ部１６はノズル部９を傾けてソケット部６から抜く際に、ノズル部９がソケット部６に干渉される距離を短くするものであり、これによって球状部１５を構成する球面の曲率半径が干渉距離より大きい場合にもノズル部９を抜けやすくすることができる。球状部１５やくびれ部１６の具体的な形状については後に詳述する。
また、ノズルヘッド１２の挿入部１４の外周には、燃料カートリッジ５に過剰な回転力が加わった際に、ノズル部９とソケット部６との接続状態を解除する手段としてカム部１７が設けられている。カム部１７は球状部１５の根元側に形成されており、球状部１５の先端より一段下がった位置に設けられている。このようなカム部１７は球状部１５の円周方向に沿って傾斜するカム面１７ａを有している。すなわち、カム部１７は挿入部１４（球状部１５）の円周方向に対して上方に突き出す傾斜面を円周方向両側に備えるカム面１７ａにより構成されている。カム部１７は挿入部１４の円周方向に対して複数個所（図４ないし図８では2箇所）に設けられている。
上述したように、カム部１７は球状部１５の根元部に対して径方向外側に張り出すように設けられている。言い換えると、球状部１５はカム部１７より突出している。従って、ノズルヘッド１２の挿入部１４全体を見た場合、カム部１７を有する挿入部１４の基部側から球状部１５が突出した状態とされている。これによって、挿入部１４の先端に設けられた球状部１５がソケット部６への実質的な挿入部分として機能する。さらに、カム部１７の側面（挿入部１４の外周面に相当）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のバネリテンション（後述）が係合する溝１８が形成されている。
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１９が配置されている。バルブホルダ１９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１９内には、バルブ２０が配置されている。バルブ２０はバルブヘッド２０ａとバルブステム２０ｂとを備えている。バルブヘッド２０ａはバルブホルダ１９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２０ｂは挿入部１４内に収容されている。
上述したようなバルブヘッド２０ａとバルブステム２０ｂとを有するバルブ２０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２０ａとベース部１３の内側に形成されたバルブシート２１との間には、Ｏリング２２が配置されている。バルブ２０には圧縮スプリング２３等の弾性部材でバルブヘッド２０ａをバルブシート２１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２２は押圧されている。
圧縮スプリング２３等の弾性部材は、ノズル部９内を通過する液体燃料に晒されるため、耐食性等に優れる材料で構成することが好ましく、例えば不動態化処理や金コーティング等を施した金属スプリング（バネ鋼からなるスプリング等）を使用することが望ましい。また、これら弾性部材やＯリング２２等には嵌合時や使用時の密封性等を確保することを目的として、後述する圧縮永久歪が1〜80の範囲、硬度（Type A）が40〜70の範囲であり、かつ燃料電池の性能試験における作動限界時間が10000時間以上のエラストマーにより構成された弾性部材も有効である。
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、Ｏリング２２を介してバルブヘッド２０ａをバルブシート２１に押し付けることによって、ノズル部９内の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２０ｂが後退してバルブヘッド２０ａがバルブシート２１から離れることによって、ノズル部９内の流路が開状態とされる。バルブホルダ１９の底部には連通孔１９ａが設けられており、この液体燃料の通路となる連通孔１９ａ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２０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、円筒状のソケット本体３１を有している。ソケット本体３１は本体上部３１ａ、本体中部３１ｂ、本体下部３１ｃを有しており、これらは一体化されて燃料電池本体４の燃料供給部７（図２および図３では図示せず）内に埋め込まれている。ソケット本体３１の本体中部３１ｂ上には、弾性体ホルダとしてゴムホルダ３２が設置されている。ゴムホルダ３２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３２はノズルヘッド１２の挿入部１４（具体的には球状部１５）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通路とされている。
すなわち、ゴムホルダ３２は図９に示すように、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、その内側が液体燃料の通路とされている。さらに、ゴムホルダ３２の先端部側には、ノズルヘッド１２の挿入部１４の先端に設けられた球状部１５と接触する曲面状凹部３２ａが設けられている。曲面状凹部３２ａは球状部１５の受け部を構成するものであり、図１０に示すように球状部１５を曲面状凹部３２ａに嵌め合わせることによって、ゴムホルダ３２と挿入部１４（球状部１５）との間にシールが形成される。実際のシールは、球状部１５を構成する球面と曲面状凹部３２ａとによる面シール、もしくはこれらの曲率半径を変えた場合のラインシールのいずれであってもよい。
上述したゴムホルダ（弾性部材）３２は、ソケット部６内を通過する液体燃料に晒されるため、耐メタノール性等に優れる材料で構成することが好ましい。具体的には、圧縮永久歪が1〜80の範囲、硬度（Type A）が40〜70の範囲であり、かつ燃料電池の性能試験における作動限界時間が10000時間以上のエラストマーにより構成することが好ましい。エラストマーの具体例としては、過酸化物架橋エチレン・プロピレン・ジエン共重合体、動的架橋オレフィン系熱可塑性エラストマー、結晶擬似架橋型オレフィン系熱可塑性エラストマー等が挙げられる。このような弾性部材は上述したようにバルブ機構のスプリング等に代えて使用することも可能である。
ここで、エラストマーの圧縮永久歪を1〜80の範囲とし、特定の回復力を付与することで、燃料電池用カートリッジ、燃料電池、あるいはカップラの使用時における十分な密閉性を確保することができる。また、エラストマーの硬度（Type A）を40〜70の範囲とすることで、燃料電池用カートリッジ、燃料電池、あるいはカップラの製造時の嵌合時等における変形を防止することができ、十分な密閉性を確保することが可能となる。
なお、圧縮永久歪はJIS K6262の「加硫ゴム及び熱可塑性ゴムの永久ひずみ試験方法」に準拠し、エラストマーを25％歪、70℃で24時間処理後、歪み量を測定した際の値である。また、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際の値である。
燃料電池の性能試験は、「発電セル出力密度：37.5mW/cm2、Anode：（標準液）5vol％MeOH 0.1cc/min/cm2、Cathode：Air 32cc/min/cm2、温度：30℃」とし、セルはエイジングを行い、電流密度が100mA/cm2にて0.375Vの起電圧が確保できることを確認した後に、試験に使用する。MeOHは和光純薬製メタノール（特級）とMilli-Q（Ultrapure Organic Cartridge）を用いて、電気抵抗値が18MΩ・cmを超える値を示す精製した純水を使用して調製する。試験手順は以下の通りである。
内容量50ccのカートリッジ中で、細かく刻んだエラストマー0.03gをメタノール（特級）25ccに浸漬して、テトラフルオロエチレン製パッキンを内包するキャップにより密閉して60℃で1週間保存後、Milli-Qを用いて5vol％となるように調製したメタノール水溶液を試験液とする。燃料として標準液を用いて0.375V以上の起電圧が確保できることを確認し、発生した起電圧を初期起電圧（Ｖ0）とする。続いて燃料を試験液に切り替えて試験を行うと、時間の経過と共に起電圧（Ｖ1）が低下していくが、起電圧低下度〔（Ｖ1−Ｖ0）／Ｖ0×100〕が3％となる試験時間を作動限界時間（Ｔ）とする。
ソケット本体３１の本体上部３１ａの上面には、ノズルヘッド１２の挿入部１４の外周に設けたカム部１７に対応するカムフォロア部３３が形成されている。カムフォロア部３３はカム部１７の突起形状に対応した溝として形成されている。カムフォロア部３３はソケット部６とノズル部９とが接続するまではカム部１７と接触することがないように構成されている。カム部１７とカムフォロア部３３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、カム部１７とカムフォロア部３３の形状を、それぞれ特定の液体燃料に応じた形状とする。言い換えると、カム部１７とカムフォロア部３３の形状を液体燃料の種別や濃度等に応じて変えることによって、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のノズル部９を、燃料タンク３のソケット部６に接続した場合のみに、カム部１７とカムフォロア部３３とが噛み合うよう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。
さらに、ソケット本体３１の本体上部３１ａには図１１および図１２に示すように、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バネリテンション３４が装着されている。バネリテンション３４は、ソケット部６の軸方向内側に向けてバネ力（復元力）を有しており、このバネ力で挿入部１４の外周面に設けられた溝１８と係合する。これによって、ノズル部９とソケット部６との接続状態が保持される。バネリテンション３４は複数個所で溝１８と係合するように構成されている。なお、カム部１７とカムフォロア部３３とによる接続解除やバネリテンション３４による接続保持については後述する。
ソケット本体３１内にはバルブ３５が配置されている。バルブ３５はバルブヘッド３５ａとバルブステム３５ｂとを備えている。バルブヘッド３５ａは本体中部３１ｂと本体下部３１ｃ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３５ｂはゴムホルダ３２内に収納されている。このようなバルブ３５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３５ａと本体中部３１ｂの下面側に形成されたバルブシート３６との間には、Ｏリング３７が配置されている。
バルブ３５には圧縮スプリング３８等の弾性部材でバルブヘッド３５ａをバルブシート３６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３７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、Ｏリング３７を介してバルブヘッド３５ａがバルブシート３６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３５ｂが後退してバルブヘッド３５ａがバルブシート３６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３１の本体下部３１ｃ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３９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３１内に設けられた流路が本体下部３１ｃに設けられた連通孔３９を介して燃料タンク３に接続されている。そして、バルブ２０、３５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をソケット部６に挿入すると、まずノズルヘッド１２の挿入部１４先端に設けられた球状部１５とゴムホルダ３２の先端側に設けられた曲面状凹部３２ａとが接触し、バルブ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する。球状部１５とゴムホルダ３２とのシールについては前述した通りである。
ノズルヘッド１２の球状部１５とゴムホルダ３２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２０ｂとソケット部６のバルブステム３５ｂ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３５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２０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のバネリテンション３４がノズルヘッド１２の挿入部１４の外周面に設けられた溝１８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およびそれを用いた燃料電池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回転力等が加わった際に、ノズル部９がソケット部６から離脱しやすくする必要である。
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から突出した挿入部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２０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は、前述したように挿入部１４における実質的な挿入部分として機能する先端部に球状部１５を設けている。すなわち、球状部１５は図１３および図１４に示すように、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（具体的には挿入部１４）のソケット部６に接触する部分を中心とし、この中心からノズル部９（挿入部１４）の離脱に干渉するソケット部５の最も近い位置（図１３ではソケット本体３１の本体上部３１ａの先端内側の角部）までを半径とする仮想円以下の曲率を有する球面を備えている。これによって、燃料カートリッジ５に過剰な曲げ荷重が加わった際に、ノズル部９を傾けて抜く際に、ソケット部６が干渉することがなくなる。
ソケット部６のソケット本体３１以外が挿入部１４の離脱に干渉しない場合には、上述したように前記中心からソケット部５の最も近い位置までの距離（それを半径とする仮想円）のみを考慮すればよいが、実際には図１５に示すようにソケット部６を埋め込む燃料タンク３の燃料供給部７等が干渉する場合がある。具体的には、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（具体的には挿入部１４）の燃料供給部７に接触する部分を中心とした曲率半径を有する球面を有する球状部１５に対して、ソケット部５が干渉しないようにする必要がある。このような条件を満たすためには、球状部１５の球面の曲率半径をさらに小さくする必要が生じ、挿入形態の維持等が困難になる。
このような点に対しては図１５に示すように、ノズル部９の挿入部１４の根元に設けたくびれ部１６が有効に機能する。すなわち、図１５に示すように、挿入部１４の燃料供給部７に接触する部分はくびれ部１６に基づいて挿入部１４の内側に移動するため、この接触部を中心とした球状部１５の球面までの距離が実質的に小さくなる。これは球状部１５の球面の曲率半径を小さくしたことに等しい。従って、球状部１５の実際の球面形状はノズル部９を抜く際にソケット部６が干渉する形状であったとしても、くびれ部１６に基づいて接触部から球状部１５の球面までの距離を小さくすることで、球状部１５の離脱に対するソケット部６の干渉を防ぐことができる。
上述したように、挿入部１４における実質的な挿入部分として機能する先端部に球状部１５を設けると共に、球状部１５の球面形状を制御することによって、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をソケット部６から容易に離脱させることが可能となる。さらに、ノズル部９の挿入部１４の根元にくびれ部１６を設けることによって、ノズル部９の挿入部１４がソケット部６やそれを配置する機器本体部分（例えば燃料供給部７）と接触する部分を中心とし、この中心から球状部１５までの距離に基づく球面の曲率半径を実質的に小さくすることができるため、球状部１５を傾けて抜く際にソケット部６が干渉することをより一層有効に防ぐことが可能となる。
ただし、ノズル部９の挿入部１４の形状（例えば挿入長さ）や傾け方等によっては、ノズル部９の抜けに対してソケット部６が干渉するおそれがないとは言えない。このような点に対しては、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（具体的には挿入部１４）を変形させることが好ましい。すなわち、ノズルヘッド１２の挿入部１４（ベース部１３が挿入部１４と一体成形されている場合にはベース部１３も含む）を、燃料カートリッジ５に曲げ荷重が加わった際にソケット部６から離脱するように弾性変形する樹脂で構成する。このように、ノズルヘッド１２に変形しやすい軟質樹脂で形成された部品を適用することによって、ノズル部９の破損を抑制することができる。
ノズルヘッド１２の変形は弾性変形に限らず、その一部を塑性変形させてもよい。また、ソケット部６の一部を弾性変形もしくは塑性変形させることで、ノズル部９のソケット部６からの離脱を促すようにしてもよい。このように、燃料カートリッジ５に対する曲げ荷重に対してノズル部９やソケット部６の一部を弾性変形または塑性変形させることによって、燃料電池本体４に接続された燃料カートリッジ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。これによって、特に燃料カートリッジ５のノズル部９が破損することによる不具合（液漏れ等）の発生を抑制することが可能となる。
ノズル部９やソケット部６の弾性変形や塑性変形を実現する上で、それらの構成材料にはJIS K7171に基づく曲げ弾性率が1800MPa以下の樹脂を適用することが好ましい。このような樹脂はノズル部９やソケット部６の一部に適用することができる。曲げ弾性率が1800MPa以下の樹脂を使用することによって、ノズル部９の弾性変形や塑性変形をより確実に実現することができる。言い換えると、燃料電池本体４に接続された燃料カートリッジ５に曲げ荷重が加わった際に、ノズル部９やその内部のバルブ機構を破損させることなく、より再現性よくソケット部６から離脱させることが可能となる。
上述したような条件を満足する樹脂としては、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。さらに、ノズル部９の構成材料はメタノール燃料等と接触することから、耐メタノール性を有していることが好ましい。
ノズル部９（具体的にはノズルヘッド１２）の構成材料である樹脂の耐メタノール性に関しては、JIS K7114の「プラスチックの耐薬品性試験方法」に準拠する純メタノールの浸漬試験において、質量変化率が0.3％以下、長さ変化率が0.5％以下、厚さ変化率が0.5％以下を満足することが好ましい。各変化率の値が上記した値未満であると、燃料カートリッジ５にメタノール燃料等を収容して実用に供した際に、ノズル部９に溶解やストレスクラッキング等が生じるおそれがある。従って、燃料カートリッジ５の実用的な耐久性や信頼性が低下する。
なお、樹脂の純メタノールの浸漬試験における質量変化率、長さ変化率および厚さ変化率は、以下のようにして測定するものとする。まず、試験片として30mm×30mm×厚さ2mmの板を用意する。このような試験片の試験前の質量（Ｍ1）、長さ（Ｌ1）、厚さ（Ｔ1）を測定する。次に、試験片を23±2℃の試験液（濃度99.8％の純メタノール）中に完全に浸漬し、上記温度を保持して7日間静置する。この後、試験片を試験液から取り出して水洗し、試験片の表面に付着した水分を拭い取った後に、試験後の質量（Ｍ2）、長さ（Ｌ2）、厚さ（Ｔ2）を測定する。長さ（Ｌ1，Ｌ2）は試験片の縦方向および横方向の長さの平均値とする。厚さ（Ｔ1，Ｔ2）は、試験片の中央部と各角部（エッジから5mm内側）の5箇所の厚さを測定し、それらの平均値とする。
上記した試験片の試験前の質量（Ｍ1）、長さ（Ｌ1）、厚さ（Ｔ1）、および試験後の質量（Ｍ2）、長さ（Ｌ2）、厚さ（Ｔ2）から、質量変化率Ｍ、長さ変化率Ｌおよび厚さ変化率Ｔを下記の(1)式、(2)式、(3)式に基づいて算出する。
Ｍ＝｛（Ｍ2−Ｍ1）／Ｍ1｝×100（％） …(1)
Ｌ＝｛（Ｌ2−Ｌ1）／Ｌ1｝×100（％） …(2)
Ｔ＝｛（Ｔ2−Ｔ1）／Ｔ1｝×100（％） …(3)
Ｍ＝｛（Ｍ2−Ｍ1）／Ｍ1｝×100（％） …(1)
Ｌ＝｛（Ｌ2−Ｌ1）／Ｌ1｝×100（％） …(2)
Ｔ＝｛（Ｔ2−Ｔ1）／Ｔ1｝×100（％） …(3)
表１に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）、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）の曲げ弾性率と耐メタノール性（純メタノールの浸漬試験における質量変化率、長さ変化率および厚さ変化率）を示す。
ノズル部９のノズルヘッド１２以外の構成部品やソケット部６の構成部品については、前述したスーパーエンジニアプラスチック（ＰＥＥＫ、ＰＰＳ、ＬＣＰ等）や汎用エンジニアプラスチック（ＰＥＴ、ＰＢＴ、ＰＯＭ）等で形成することができる。また、カップラとしての強度や接続強度等を維持することができれば、ノズルヘッド１２以外の部品についても軟質の樹脂を適用することができる。
また、燃料カートリッジ５に過剰な回転力が加わった場合については、前述したようにカム部１７とカムフォロア部３３とに基づいて接続状態が解除される。すなわち、図１６に示すように、カム部１７のカム面１７ａとカムフォロア部（カムフォロア溝）３３とが接触しながら回転することによって、中心軸方向の力がノズル部９とソケット部６とを引き離すように作用するため、これらの接続状態が解除される。
次に、燃料電池本体４の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１７を参照して説明する。図１７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１７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)
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)
（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。
次に、上述したノズル部（プラグ）とソケット部（ソケット）とで構成されたカップラについて詳述する。図１８ないし図２２は本発明のカップラの弁体およびその付勢手段を省略した実施形態を示すものであり、図１８はプラグの平面図、正面図、側面図、Ａ−Ｏ−Ｂ断面図、図１９は図１８（ｄ）に相当する拡大断面図、図２０はそれぞれ他の実施形態の図１８（ｄ）に相当する拡大断面図、図２１は他の実施形態のプラグの平面図、正面図、側面図、Ａ−Ｏ−Ｂ断面図である。
この実施形態のカップラ７０は、ソケットＳ７０と、このソケットＳ７０と嵌合連結されるプラグＰ７０とで構成され、例えばメタノール燃料電池の本体側にソケットＳ７０が設けられ、メタノール容器としてのカートリッジ側にプラグＰ７０が設けられ、互いを連通させて本体側に燃料を補充したり、カートリッジごと交換するのに用いられる。
このソケットＳ７０の主要部は、非金属材料、例えばポリプロピレン（ＰＰ）、高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）、ポリスチレン（ＰＳ）等が用いられるほか、耐メタノール性を有する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や、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が好適に用いられる。
以下の説明では図面上での上下を基準に説明するが、実際の容器本体への装着方向を何等制限するものでなく、どのような方向で実施してもよい。カップラ７０のソケットＳ７０は、図１８（ｄ）、図１９および図２０に概略構成を示すように、燃料電池の本体に形成された凹状の装着孔に取り付けられる略円筒状のソケット部材７１の中心部に略円筒状のソケット本体７２が取り付けられて構成される。
このソケット本体７２の円筒内の中心部に流路が形成され、この流路の先端部がプラグＰ７０との連結用のプラグ連結孔７２ａとされると共に、この流路に図示しない弁体およびこれを閉方向に付勢する弾性体等が設けてあり、シール状態で連結できるように構成してある。プラグ連結孔７２ａは、図示省略したがプラグＰ７０の連結部の形状に対応した形状に形成してある。そして、このソケットＳ７０では、図示しない弁体と一体の操作部をプラグＰ７０との連結に伴って操作することで、自動的にシール状態とされた後、弁体が開閉されるようになっている。
次に、このようなソケットＳ７０に嵌合連結されるカップラ７０のプラグＰ７０は、例えばソケットＳ７０と同様に主要部は、非金属材料、例えばポリプロピレン（ＰＰ）、高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）、ポリスチレン（ＰＳ）等が用いられるほか、耐メタノール性を有する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や、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が好適に用いられる。
プラグＰ７０は図１８〜図２０に示すように、図示しない燃料電池の燃料であるメタノールが入れられる容器のノズルの先端部外周に装着される略円筒状のプラグ本体７６を備えており、プラグ本体７６の基端部（図中下端部）の円筒状の大径円筒部７６ａに図示しない容器先端が装着されて下端内周の係止リング部７６ｂに容器のノズルが係止されて容器に取り付けられる。このプラグ本体７６には、先端部に突き出してソケットＳ７０のプラグ連結孔７２ａに装着される突出連結部７６ｃが形成してあり、この突出連結部７６ｃを含むプラグ本体７６の中心部に流路７６ｄが貫通して形成してある。
このプラグ本体７６内には、ソケットＳ７０と同様に、図示しない弁体およびこれを閉方向に付勢する弾性体等が設けてあり、突出連結部７６ｃには図示しないＯリングが装着してある。このようなプラグＰ７０においては、このプラグＰ７０の突出連結部７６ｃをソケットＳ７０のプラグ連結孔７２ａに挿入すると、Ｏリングの外周面によるシールが開始された後、さらにプラグ連結孔７２ａの先端部等にＯリングが当たることで、先端面でもシールできる。このシール状態で弁体と一体の操作部がソケットＳ７０との連結に伴って操作されて自動的に弁体が開かれ、連結状態ではプラグＰ７０の流路７６ｄとソケットＳ７０の流路とが連通されるようになる。
このようなカップラ７０では、ソケットＳ７０とプラグＰ７０との連結状態を保持するため連結保持手段８０が設けられ、例えば連結保持手段８０の一方側を係合凹部８１とし、相手側を係合凸部８２として構成し、互いを直線方向に乗越えるように挿脱し、押込む一動作で係合させて連結保持でき、引き出すようにする一動作で解除できるようにしてある。そして、このカップラ７０のソケットＳ７０では、燃料電池の本体の装着孔に取り付けたソケット本体７２のプラグ連結孔７２ａの内周下端部に連結保持手段８０の一方側となる係合凹部８１が下端から僅かに突き出す部分とその上方に窪みとして形成してあり、円周の上下のソケットＳ７０の中心軸を挟んだ対角位置の2ヶ所に形成してある。
一方、このカップラ７０のプラグＰ７０では、図１９および図２０に示すように、プラグ本体７６の突出連結部７６ｃの基端部外周に、係合凸部７２が外側に突き出して形成してあり、この係合凸部８２は図１８（ａ）に示すように、円周の上下のプラグＰ７０の中心軸を挟んだ対角位置の2ヶ所に形成してある。これにより、係合凸部８２を備えるプラグＰ７０を相手側となるソケットＳ７０側の係合凹部８１に挿入すると、互いを乗り越えるように押し込まれて挿入完了後、係合凸部８２の下端面と係合凹部８１の上端面が係合されて連結状態が保持される。また、連結を解除する場合には、係合凸部８２を備えるプラグＰ７０を相手側となるソケットＳ７０側の係合凹部８１から引き抜くようにすると、互いが乗り越えるようにして外れ、連結状態が開放された分離状態となる。
このようなカップラ７０では、ソケットＳ７０とプラグＰ７０とを連結した状態で、いずれか一方を曲げようとする力が加わると、プラグＰ７０の突出連結部７６ｃがソケットＳ７０のプラグ連結孔７２ａと干渉し、破損してしまうおそれがある。そこで、連結状態のカップラ７０に曲げ力が加わる場合の挙動を考察すると、プラグＰ７０のプラグ本体７６の突出連結部７６ｃの基端部の連結面７６ｅの最外周上の点Ｘが支点となって、プラグＰ７０とソケットＳ７０とが相対的に曲がるようになる。
連結面７６ｅの最外周上の点Ｘを支点として相対的にプラグＰ７０が回動する場合に、突出連結部７６ｃとソケットＳ７０のプラグ連結孔７２ａとの間で干渉が生じないようにすれば、損傷や破損を防止してカップラ７０を分離できることになる。この干渉を防止するためには、連結面７６ｅの最外周上の点Ｘから、プラグ連結孔７２ａの下端円周と点Ｘの対角位置との交点Ｙまでの距離を半径ｒとする仮想円を想定し、この仮想円をプラグＰ７０の中心軸上で回転させた仮想空間を干渉防止空間Ｚとし、その内側にプラグＰ７０の突出連結部７６ｃが位置するようにすればよいことになる。
このような仮想の干渉防止空間Ｚの内側に位置するプラグＰ７０の突出連結部７６ｃの形状としては、例えば図１８〜図２０に示すように、先端部側面を球面の一部７６ｆで構成し、先端面をシール部とする平面７６ｇで構成するようにする。なお、このような点Ｘから点Ｙまでの距離を半径ｒとする仮想円を回転させた仮想の干渉防止空間Ｚは、図２０に示すように、半径ｒがｒ1、ｒ2、ｒ3のように変化すると形状は異なるが、いずれの場合でも、その内側に突出連結部７６ｃが位置するようにすればよい。
上述したようなカップラ７０によれば、連結状態のカップラ７０に曲げ力が加わる場合に、プラグＰ７０のプラグ本体７６の突出連結部７６ｃの基端部の連結面７６ｅの最外周上の点Ｘが支点となってプラグＰ７０とソケットＳ７０とが相対的に曲がるようになるが、プラグＰ７０の突出連結部７６ｃとソケットＳ７０のプラグ連結孔７２ａとの間で干渉が生じない干渉防止空間Ｚの内側に突出連結部７６ｃが位置するようにしてあるので、干渉することなくカップラ７０を分離でき、損傷や破損を防止することができる。
また、突出連結部７６ｃの先端部側面を球面の一部としてあるので、万一プラグ連結孔７２ａと干渉が生じることがあってもスムーズに分離することができる。さらに、突出連結部７６ｃの先端部側面を球面の一部とすることで、この球面の一部とプラグ連結孔７２ａとの間でシール材を設けてシールするようにすれば、プラグＰ７０とソケットＳ７０とが相対的に曲がるようになってもシール状態を維持することができる。仮想の干渉防止空間Ｚの内側に位置するプラグＰ７０の突出連結部７６ｃの形状としては、例えば図２１に示すように、先端部側面を傾斜面７６ｈで構成するようにしてもよい。
さらに、プラグＰ７０の突出連結部７６ｃの形状としては、既に説明した仮想の干渉防止空間Ｚの内側に位置する形状とすれば、ソケットＳ７０との干渉を生じることなく分離できることになるが、通常カップラ７０を構成するプラグＰ７０やソケットＳ７０は、合成樹脂等で作られることから、これらの弾性変形の範囲内であれば接触しつつも損傷や破損を生じることなく分離できる。従って、プラグＰ７０の突出連結部７６ｃの形状を、図２２に示すように、仮想円の半径ｒを1.2倍とした半径1.2ｒの仮想の第２の干渉防止空間内に位置するプラグＰ７０の突出連結部７６ｃの形状であってもよい。
このような第２の干渉防止空間の内側に位置するプラグＰ７０の突出連結部７６ｃの形状によれば、プラグＰ７０やソケットＳ７０自体の弾性変形とプラグの中心部に形成される流路７６ｄによる中空部分の形状的効果も加わり、連結状態のカップラ７０に曲げ力が加わる場合に、プラグＰ７０のプラグ本体７６の突出連結部７６ｃの基端部の連結面７６ｅの最外周上の点Ｘが支点となって、プラグＰ７０とソケットＳ７０とが相対的に曲がるようになるが、プラグＰ７０の突出連結部７６ｃとソケットＳ７０のプラグ連結孔７２ａとの間で干渉しながらもカップラ７０を分離でき、損傷や破損を防止することができる。
また、このカップラ７０では図２０のように、ソケットＳ７０のソケット本体７１がプラグＰ７０の連結面７６ｅまでで下方に突き出す部分がなければ、カップラ７０に曲げ力が加わる場合、プラグＰ７０が支点Ｘを中心に回動することになるが、図１９に示すように、ソケット本体７１が下方にｄだけ突き出す突き出し部７１ａを設けるようにし、この突き出し部７１ａによる凹部を利用してカップラ７０を使用しない場合の蓋やカバーを突き出さないように取り付ける場合等がある。
このようなソケット本体７１に下方への突き出し部７１ａがある場合に、プラグＰ７０の基端部が連結面と同一径の円筒状であると、カップラ７０に曲げ力が加わるとプラグＰ７０が支点Ｘを中心として回動しはじめた後、突き出し部７１ａの下端円周上の点Ｘ´を支点として回動することになり、ソケットＳ７０との間で干渉が生じ、円滑に分離することができない。そこで、プラグＰ７０の連結面７６ｅの基端部にソケット本体７１の突き出し部７１ａの下端円周上の点Ｘ′との干渉を防止するくびれ部７７が形成してある。
くびれ部７７は例えば図１９に示すように、プラグＰ７０の仮想の干渉防止空間Ｚ（仮想円の半径ｒ）に最も接近している点Ｋ、すなわち最もソケットＳ７０と干渉の可能性のある点が曲げ力によって支点Ｘを中心として回動してソケットＳ７０から抜け出すまでの間、点Ｘ′と干渉しないようなくびれ部７７であればよく、抜け出すまでの角度をＡとすれば、支点Ｘを中心に点Ｘ′が同一角度Ａだけ回動しても干渉しないようにする。
このようなくびれ部７７をプラグＰ７０の基端部に形成することで、カップラ７０に曲げ力が加わっても、プラグＰ７０が支点Ｘを中心として回動しはじめた後、突き出し部７１ａの下端円周上の点Ｘ′を支点として回動することがなく、回動の支点をＸのままに維持して、ソケットＳ７０との干渉を防止して円滑にカップラ７０を分離することができる。なお、このカップラ７０にくびれ部７７を設ける構成とプラグＰ７０の突出連結部７６ｃを仮想の干渉防止空間Ｚの内側に位置させる構成と組合せて設ける場合で説明したが、それぞれの構成を独立して設けるようにしてもよく、くびれ部だけを設ける場合でもカップラの分離が円滑にできるようになる。
次に、カップラ７０において、ソケットＳ７０やプラグＰ７０の中心軸を中心とする回転方向に通常の使用範囲を超えた過剰な力（無理に回転する力）が加わる場合のカップラ７０や本体側の機器が破損することを防止するための開放手段９０について説明する。既に説明したカップラ７０の仮想の干渉防止空間Ｚの内側にプラグＰ７０の突出連結部７６ｃを位置させる構成や連結面７６ｅの基端部にくびれ部７７を設ける構成は、カップラ７０にいずれも曲げ力が加わる場合の損傷や破損を防止するための構成であるが、これに加えて無理に回転する力に対する保護をはかるのが開放手段９０である。
この開放手段９０は、ソケットＳ７０とプラグＰ７０とのいずれか一方にカム部９１を設け、いずれか他方にカムフォロア部９２を設けて構成し、過剰な回転力を挿脱方向の引き離し力に変換することで、自動的に連結を解除できるようにする。開放手段９０の一方のカム部９１が、図１８（ａ）、（ｂ）に示すように、プラグＰ７０の突出連結部７６ｃと同心の円周状の対角位置に略円周に沿う方向である弦方向に上方に突き出す傾斜面を円周方向両側に備えるカム面９１ａとして構成してあり、この上方に突き出すカム面９１ａで構成されたカム部９１に対応してソケットＳ７０ソケット部材７１のソケット本体７２の対角位置に、カム形状に対応する溝としてのカムフォロア部がカムフォロア溝９２ａで構成されてプラグ連結孔７２ａの両側に形成してある。
カム面９１ａとカムフォロア溝９２ａとは、プラグＰ７０とソケットＳ７０とを嵌合連結状態までは少なくとも接触することがないようにしてある。そして、これらカム面９１ａおよびカムフォロア溝９２ａがプラグＰ７０の直径と略同一の上下幅に形成してあり、カップラ７０と同一設置スペース内に設置できるようにしてある。従って、プラグＰ７０とソケットＳ７０との間にその中心軸を中心とする回転方向の力が相対的に加わると、略円周方向に沿うカム部９１のカム面９１ａとカムフォロア部９２のカムフォロア溝９２ａとが接触しながら回転することで中心軸方向の力がプラグＰ７０とソケットＳ７０との間に作用し、互いを引き離すようにして連結状態が自動的に開放される。
上述したように、開放手段９０によって通常の使用範囲を超える過剰な回転方向の力が加わる場合に自動的に連結状態を開放することができる。これにより、カップラ７０を破損したり、本体機器等を破損することなく通常の使用範囲を超えた過剰な回転力がかかっても安全かつ自動的にプラグＰ７０をソケットＳ７０から取り外すことができる。また、開放手段９０を利用することで、ソケットＳ７０からプラグＰ７０を取り外す場合にも回転力を加えるようにすることで、簡単に引き離す力を発生させて取り外すことができる。
このような開放機構９０としてのカム部９１とカムフォロア部９２とを設ける場合でも、曲げ力が加わる場合のカップラ７０の分離ができるように、図１９に示すように、プラグＰ７０が支点Ｘを中心に回動するときのカム部９１の支点Ｘから最も離れた干渉ポイントがカムフォロア部９２と干渉せずに抜き出すことができるようにしてある。
さらに、このカップラ７０では、例えばメタノール燃料電池で使用すべき燃料であるメタノールの濃度の異なる容器のプラグＰ７０を連結できないようにするための識別手段の一つとして、開放手段９０の対角位置の2つのカム部７１とこれら2つのカム部が嵌り込む溝である2つのカムフォロア部９２の嵌合連結方向と交差する平面である直交平面（連結面７６ｅ）上でのこれらの縦横方向の寸法、すなわちカム部９１およびカムフォロア部９２の略円周方向の大きさ（幅）および略半径方向の大きさ（厚さ）を変えることで、識別機能を付加するようにしている。
この識別手段では、対角位置の2つのカム面９１ａと、これら2つのカム面９１ａが嵌り込むカムフォロア溝９２ａの幅Ｂおよび厚さＤを変え、幅Ｂを大きくすることと厚さＤを小さくすることを組み合わせることで、他のものを識別するようにしてある。すなわち、幅Ｂおよび厚さＤの大きいもの同士の組み合わせようとすると、大きいカムフォロア溝９２ａに小さいもの同士の組み合わせのカム面９１ａを識別できずに嵌合連結が防止される。例えば4組のプラグＰ７０とソケットＳ７０を識別する場合には、(1)幅Ｂ1で厚さＤ1、(2)幅Ｂ2で厚さＤ2、(3)幅Ｂ3で厚さＤ3、(4)幅Ｂ4で厚さＤ4、ただしＢ1＞Ｂ2＞Ｂ3＞Ｂ4、Ｄ1＜Ｄ2＜Ｄ3＜Ｄ4とすればよいことになる。
このようにして開放機構９０を利用して識別するが、通常の使用範囲を超えた過剰な力（無理やり回転させる力）がかかった場合に、カム部９１とカムフォロア部９２との間の回転方向にはクリアランスが必要であり、このクリアランス以上の幅Ｂおよび厚さＤの寸法差を与えることで識別できるようにし、クリアランスを例えば0.1mm程度とし、寸法差を例えば0.3〜0.5mm程度とする。さらに、このカップラ７０では、曲げ力に対する損傷等の防止のため、プラグＰ７０が支点Ｘを中心に回動する場合にもカム部７１とカムフォロア部７２との干渉が生じないように寸法を設定してある。
なお、上記した実施形態のカップラ７０のカム部９１をプラグＰ７０の突出連結部の基端部に一体に設け、カムフォロア部９２をソケットＳ７０のプラグ連結孔と一体に設けるようにしたが、カム部とカムフォロア部とを入れ替えて設けるようにしてもよい。さらに、上記各実施形態では、識別手段としてカム部とカムフォロア部との縦横の寸法を変えることで識別性を付与するようにしたが、図２０に示したように、プラグの突出連結部の先端の径とこれが嵌合されるプラグ連結孔の開口径を変えることを組合せて識別性を付与するようにしてもよく、この場合には例えば先端径の大きいプラグと幅または厚さが小さいカム部とを交差するように組合せ、小さいもの同士が大きいもの同士に嵌合させることがないように設定すればよい。
また、カム部およびカムフォロア部の個数を対角位置の2個とする場合に限らず、個数を変えることを組み合わせて識別パターンを増大するようにしてもよい。さらに、これらのカップラの用途としてメタノール燃料電池のメタノールの容器と本体との連結の場合を例に説明したが、これに限らず他の用途でもよく、特に多種類を識別する必要がある場合に好適である。また、上記実施形態ではソケットやプラグに設けられる弁体やこれを閉方向に付勢する弾性体についての説明を省略したが、プラグに設ける弁体を突出連結部の先端面より中側に位置させておくことで、誤って指等が触れても直接開弁操作されることを防止することができる。
１…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）、１１…ノズル口、１２…ノズルヘッド、１４…挿入部、１５…球状部、１６…くびれ部、１７…カム部、１８…溝、１９…バルブホルダ、２０，３５…バルブ、２０ａ，３５ａ…バルブヘッド、２０ｂ，３５ｂ…バルブステム、２１，３６…バルブシート、２２，３７…Ｏリング、２３，３８…圧縮スプリング、３１…ソケット本体、３２…ゴムホルダ、３３…カムフォロア部、３４…バネリテンション、７０…カップラ７０、Ｐ７０…プラグ、Ｓ７０…ソケット、７２…ソケット本体、７６…プラグ本体、７６ｃ…突出連結部、７６ｅ…連結面、７７…くびれ部、８０…連結保持手段、９０…開放手段、９１…カム部、９２…カムフォロア部。
Claims (21)
- 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収容された前記液体燃料を燃料電池本体に供給するノズル部とを具備する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けられ、前記燃料電池本体のソケット部に挿入される挿入部先端に球状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たバルブ機構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１記載の燃料電池用燃料カートリッジにおいて、
前記球状部は、前記燃料電池本体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前記ソケット部に接触する部分を中心とし、前記中心から前記ノズル部の離脱に干渉する前記ソケット部の最も近い位置までを半径とする仮想円以下の曲率を有する球面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、
前記ノズルヘッドは前記挿入部の根元にくびれ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３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、
前記ノズル部は、前記燃料電池本体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、前記ソケット部から離脱するように変形する樹脂部品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、
前記ノズル部は、その一部が前記曲げ荷重に対して弾性変形または塑性変形することで、前記ソケット部から離脱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５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、
前記バルブ機構は、バルブヘッドとバルブステムとを有するバルブと、前記バルブヘッドを前記ノズルヘッド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、前記弾性部材は表面が不動態化処理された金属製スプリング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５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、
前記バルブ機構は、バルブヘッドとバルブステムとを有するバルブと、前記バルブヘッドを前記ノズルヘッド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、前記弾性部材は表面に金コーティングが施された金属製スプリング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５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、
前記ノズル部は、圧縮永久歪が1〜80の範囲で、硬度（Type A）が40〜70の範囲であり、かつ燃料電池の性能試験における作動限界時間が10000時間以上のエラストマーにより構成された弾性部材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ないし請求項８のいずれか１項記載の燃料電池用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タンクと、前記燃料タンク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
を具備することを特徴とする燃料電池。 - 請求項９記載の燃料電池において、
前記ソケット部は、前記ノズル部の前記ノズルヘッドの挿入部先端に設けられた前記球状部と接触する曲面状凹部を有するゴムホルダを備えることを特徴とする燃料電池。 - 請求項９または請求項１０記載の燃料電池において、
前記ノズル部と前記ソケット部との接続状態は、前記ノズル部にその円周方向に沿って傾斜するように設けられたカム部と、前記ソケット部に前記接続状態までは前記カム部と接触しないように設けられたカムフォロア部とによって、過剰な回転力で解除されることを特徴とする燃料電池。 - 請求項１１記載の燃料電池において、
前記カム部およびカムフォロア部は前記液体燃料に応じた形状を有し、前記燃料電池本体に対応した前記液体燃料を収容した前記燃料カートリッジのノズル部を前記ソケット部に接続した場合のみに、前記カム部と前記カムフォロア部とが噛み合うように構成されていることを特徴とする燃料電池。 - 請求項１１または請求項１２記載の燃料電池において、
前記カム部は前記ノズルヘッドの挿入部の外周面に沿って設けられていることを特徴とする燃料電池。 - 請求項９ないし請求項１３のいずれか１項記載の燃料電池において、
前記ソケット部は、圧縮永久歪が1〜80の範囲で、硬度（Type A）が40〜70の範囲であり、かつ燃料電池の性能試験における作動限界時間が10000時間以上のエラストマーにより構成された弾性部材を具備することを特徴とする燃料電池。 - 弁体とこれを閉方向に付勢する付勢手段とを備えるソケットと、弁体とこれを閉方向に付勢する付勢手段とを備えると共に、前記ソケットと着脱可能に嵌合連結され嵌合連結状態で両弁体を開放して連通可能なプラグとから構成されるカップラであって、
前記プラグの突出連結部を前記ソケットのプラグ連結孔に連結した状態で当該プラグの前記突出連結部の連結面の最外周上の点を中心とし、この中心と対角位置上で前記ソケットのプラグ連結孔の下端円周との交点とを半径とする仮想円をプラグ中心に回転させた空間を干渉防止空間とし、この干渉防止空間内に前記プラグの突出連結部を位置させて少なくともいずれか一方を傾けて抜き出し可能に構成したことを特徴とするカップラ。 - 弁体とこれを閉方向に付勢する付勢手段とを備えるソケットと、弁体とこれを閉方向に付勢する付勢手段とを備えると共に、前記ソケットと着脱可能に嵌合連結され嵌合連結状態で両弁体を開放して連通可能なプラグとから構成されるカップラであって、
前記プラグの突出連結部を前記ソケットのプラグ連結孔に連結した状態でこれらプラグとソケットとが当該プラグの前記突出連結部の連結面の最外周上の点を中心として少なくともいずれか一方が傾いた場合に、前記ソケットのプラグ連結孔の前記連結面よりプラグ側へ突出するプラグ連結孔の内筒下端との干渉を防止するくびれ部を当該プラグに形成し傾けて抜き出し可能に構成したことを特徴とするカップラ。 - 請求項１６記載のカップラにおいて、
前記プラグの突出連結部を前記干渉防止空間内に位置させて少なくともいずれか一方を傾けて抜き出し可能に構成したことを特徴とするカップラ。 - 請求項１５ないし請求項１７のいずれか１項記載のカップラにおいて、
前記プラグの突出連結部の先端部外周形状を前記干渉防止空間の内側に位置する球面の一部で構成したことを特徴とするカップラ。 - 請求項１５ないし請求項１８のいずれか１項記載のカップラにおいて、
前記ソケットのプラグ連結孔に嵌合連結可能な前記プラグの突出連結部の一部を前記干渉防止空間の半径を1.2倍とした第２干渉防止空間に突出させて形成し、弾性変形により傾けて抜き出し可能に構成したことを特徴とするカップラ。 - 請求項１５ないし請求項１９のいずれか１項記載のカップラにおいて、
前記ソケットと前記プラグとのいずれか一方に嵌合連結方向を中心とする円周方向に略沿って傾斜するカム部を設け、いずれか他方に前記嵌合連結状態までは前記カム部と接触しないカムフォロア部を設けて、過剰な回転力で連結を開放可能とすると共に、これらカム部とカムフォロア部とが少なくともいずれか一方を傾けて抜き出し可能に構成してなることを特徴とするカップラ。 - 請求項１５ないし請求項２０のいずれか１項記載のカップラにおいて、
前記ソケットと前記プラグとに、一組の前記プラグと前記ソケットのみを嵌合連結させる識別手段を設けたことを特徴とするカップラ。
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