JP2007311032A - Fuel cartridge for fuel cell and fuel cell using it - Google Patents
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Abstract
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に関する。 The present invention relates to a fuel cartridge for a fuel cell and a fuel cell using the same.
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。 In recent years, attempts have been made to use a fuel cell as a power source for portable electronic devices such as notebook computers and mobile phones so that they can be used for a long time without being charged. A fuel cell has a feature that it can generate electric power only by supplying fuel and air, and can generate electric power continuously for a long time by replenishing only fuel. For this reason, if the fuel cell can be reduced in size, it can be said that the system is extremely advantageous as a power source for portable electronic devices.
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。 In particular, a direct methanol fuel cell (DMFC) using methanol fuel with a high energy density can be downsized and the fuel can be easily handled, so it is promising as a power source for portable devices. Has been. As the liquid fuel supply method in the DMFC, there are known an active method such as a gas supply type and a liquid supply type, and a passive method such as an internal vaporization type in which the liquid fuel in the fuel container is vaporized inside the cell and supplied to the fuel electrode. It has been. Of these, the passive method is advantageous for downsizing the DMFC.
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)。また、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)。 In a passive type DMFC such as an internal vaporization type, the liquid fuel in the fuel storage section is vaporized through, for example, a fuel impregnation layer or a fuel vaporization layer, and the vaporized component of this liquid fuel is supplied to the fuel electrode (for example, patents). References 1-2). Further, liquid fuel is supplied to the fuel storage portion using a fuel cartridge. In satellite type (external injection type) fuel cartridges, attempts have been made to shut off and inject liquid fuel using a coupler composed of a nozzle part and a socket part each incorporating a valve mechanism (for example, (See Patent Document 3).
サテライトタイプ(外部注入式)の燃料カートリッジからDMFCの燃料収容部内に液体燃料を供給(注入)するにあたっては、安全性等の観点から液体燃料の漏洩を防止することが重要となる。燃料カートリッジとDMFCの燃料収容部は、上述したようなバルブ機構を内蔵するカップラ(ノズル部とソケット部)で液体燃料を遮断することが可能とされている。また、燃料カートリッジと燃料収容部との接続時に関しては、ノズル部とソケット部の接続部をシールする機構が適用されており、液体燃料の漏れを防止している。
上述したように、燃料カートリッジや燃料収容部の各部に対しては液体燃料の漏洩を防止する機構が適用されているものの、液体燃料を供給した後の燃料カートリッジを燃料収容部から抜いた際に、燃料カートリッジのノズル部先端にメタノール燃料等が液体の状態で付着する場合がある。このような僅かな液体燃料であっても、安全性等を高める上でノズル部先端に残留しないようにすることが求められている。 As described above, although a mechanism for preventing leakage of liquid fuel is applied to each part of the fuel cartridge and the fuel storage part, when the fuel cartridge after supplying the liquid fuel is removed from the fuel storage part In some cases, methanol fuel or the like adheres to the tip of the nozzle portion of the fuel cartridge in a liquid state. Even such a small amount of liquid fuel is required not to remain at the tip of the nozzle portion in order to improve safety and the like.
本発明はこのような課題に対処するためになされたもので、ノズル部先端における液体燃料の残留を抑制することによって、安全性や信頼性を高めた燃料電池用燃料カートリッジとそのような燃料カートリッジを用いた燃料電池を提供することを目的としている。 The present invention has been made to cope with such a problem. A fuel cartridge for a fuel cell, which is improved in safety and reliability by suppressing liquid fuel remaining at the tip of a nozzle portion, and such a fuel cartridge. It aims at providing the fuel cell using this.
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装着されたノズルヘッドおよび前記ノズルヘッド内に配置されたバルブ機構を有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、前記ノズル部内の前記液体燃料の流路は複数箇所でシールされることを特徴としている。 A fuel cartridge for a fuel cell according to an aspect of the present invention includes a cartridge main body that stores liquid fuel for a fuel cell, a nozzle head that is mounted on the cartridge main body, and a valve mechanism that is disposed in the nozzle head. In the fuel cartridge for a fuel cell, the liquid fuel flow path in the nozzle portion is sealed at a plurality of locations.
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収容部と、前記燃料収容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することを特徴としている。 A fuel cell according to another aspect of the present invention includes a fuel cartridge according to the above-described aspect of the present invention, a fuel storage portion having a socket portion detachably connected to a nozzle portion of the fuel cartridge, and the fuel storage portion. And a fuel cell main body including an electromotive unit that is supplied with the liquid fuel and performs a power generation operation.
本発明の態様に係る燃料電池用燃料カートリッジは、ノズル部内の液体燃料流路を複数箇所でシールしているため、燃料カートリッジの引抜き後におけるノズル部先端への液体燃料の残留を抑制することができる。このような燃料電池用燃料カートリッジおよびそれを用いた燃料電池によれば、安全性や信頼性を高めることが可能となる。 Since the fuel cartridge for a fuel cell according to the aspect of the present invention seals the liquid fuel flow path in the nozzle portion at a plurality of locations, the liquid fuel can be prevented from remaining at the tip of the nozzle portion after the fuel cartridge is pulled out. it can. According to such a fuel cell fuel cartridge and a fuel cell using the same, safety and reliability can be improved.
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。 Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, although embodiment of this invention is described based on drawing below, those drawings are provided for illustration and this invention is not limited to those drawings.
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と燃料収容部3とから主として構成される燃料電池本体4と、燃料収容部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。燃料収容部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。
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a fuel cell according to a first embodiment of the present invention. A
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、例えば燃料収容部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。
On the other hand, the fuel cartridge 5 has a cartridge body (container) 8 that stores liquid fuel for a fuel cell. At the tip of the cartridge body 8, there is provided a
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。
The cartridge main body 8 of the fuel cartridge 5 contains liquid fuel corresponding to the fuel cell
上述した燃料電池本体4の燃料収容部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。
The
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)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から突出するように形成されている。挿入部14の内壁面14aは後に詳述するように副シール部を構成するものであり、例えば挿入部14の先端に向けて縮径されたテーパ状とされている。
In the coupler for connecting the fuel cell
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15が配置されている。バルブホルダ15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とで挟み込まれている。バルブホルダ15内にはバルブ16が配置されている。バルブ16はバルブヘッド16aとバルブステム16bとガイドピン16cとを備えている。さらに、バルブホルダ15の底部には連通孔15a、15bが設けられており、連通孔15a内にはバルブ16の後方側に設けられたガイドピン16cが挿通されている。カートリッジ本体8内の液体燃料は、連通孔15a、15bを介してノズル部9内に流出する。
A cup-
バルブヘッド16aはバルブホルダ15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16bは円筒状の挿入部14内に収容されている。バルブステム16bの先端部には図4に示すように、挿入部14のテーパ状内壁面14aと組合されて副シール部を構成するリング状突起部(リブ)17が設けられている。すなわち、リング状突起部17はテーパ状内壁面14aと接触して副シール部を構成するように、バルブステム16bの外周面に周方向に沿って設けられている。リング状突起部17は1箇所に限らず、後述するようにバルブステム16bの外周面の複数箇所に設けてもよい。この場合、リング状突起部17はバルブステム16bの少なくとも先端部に設けられていることが好ましい。
The
上述したようなバルブヘッド16aとバルブステム16bとを有するバルブ16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16aとベース部13の内側に形成されたバルブシート18との間にはOリング19が配置されている。バルブ16には圧縮スプリング20等の弾性部材により先端方向に向けて押圧力が加えられており、これによってOリング19はバルブシート18に押し付けられている。これらバルブヘッド16a、バルブシート18、Oリング19等によって、ノズル部12内の液体燃料流路を遮断する主シール部が構成されている。
The
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16aに圧縮スプリング20のバネ力が先端方向への押圧力として加えられており、これによってOリング19はバルブシート18に押し付けられている。従って、バルブヘッド16aやバルブシート18等による主シール部は閉状態とされている。加えて、バルブステム16bにも圧縮スプリング20による先端方向への押圧力が加えられているため、バルブステム16bの先端に設けられたリング状突起部17は、挿入部14のテーパ状内壁面14aに押し付けられている。従って、挿入部14のテーパ状内壁面14aとリング状突起部17とで構成された副シール部も閉状態とされている。
In a normal state (a state in which the fuel cartridge 5 is separated from the fuel cell body 4), the spring force of the
通常状態においては主シール部と副シール部をそれぞれ閉状態とすることによって、ノズル部9内の液体燃料流路は複数箇所でシールされている。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16bが後退して副シール部が開状態とされると同時に、バルブステム16bの後退に伴ってバルブヘッド16aがバルブシート18から離れることで主シール部も開状態とされる。このように、燃料カートリッジ5を燃料電池本体4に接続した際には、主シール部と副シール部をそれぞれ開状態とすることで、ノズル部9内の液体燃料流路が確立される。
In the normal state, the liquid fuel flow path in the
副シール部を構成するリング状突起部17は、図4に示したようにバルブステム16bの先端1箇所に限らず、図5に示すようにバルブステム16bの外周面の複数箇所に設けてもよい。これによって、副シール部によるシール性を高めることができる。リング状突起部17はバルブステム16bの少なくとも先端部に設けられていることが好ましい。さらに、図6や図7に示すように、リング状突起部17と接触する挿入部14のテーパ状内壁面14aに沿って、ゴム部材のような弾性部材21を配置することも有効である。これによって、副シール部によるシール性をより一層高めることができる。
As shown in FIG. 4, the ring-shaped
挿入部14のテーパ状内壁面14aに接触して副シール部を構成する部分は、上述したリブのようなリング状突起部17に限らず、図8に示すようにOリングのようなリング状弾性部材22であってもよい。すなわち、図8に示すノズル部9はバルブステム16bの先端にOリング等のリング状弾性部材22が装着されており、このリング状弾性部材22とテーパ状内壁面14aとで副シール部が構成されている。リング状弾性部材22は複数箇所に設けてもよい。また、図9に示すように、挿入部14のテーパ状内壁面14aに沿って配置された弾性部材21と通常の略円柱状のバルブステム16bの先端部とで副シール部を構成することも可能である。
The portion constituting the secondary seal portion in contact with the tapered
図4ないし図9に示す副シール部は、基本的にはラインシールを構成するものである。副シール部はこれらに限られるものではなく、図10に示すように面シール状の副シール部を適用することも可能である。図10は挿入部14のテーパ状内壁面14aとバルブステム16bのテーパ状外周面16aAとで構成した副シール部を示している。すなわち、バルブステム16bの外周面16bAは先端に向けて縮径されたテーパ状とされており、このテーパ状外周面16bAを挿入部14のテーパ状内壁面14aと面接触させることで副シール部が構成されている。
The sub-seal portion shown in FIGS. 4 to 9 basically constitutes a line seal. The sub-seal portion is not limited to these, and a face seal-like sub-seal portion can be applied as shown in FIG. FIG. 10 shows a secondary seal portion constituted by the tapered
上述したように、副シール部はノズル部12のノズル口11から主シール部までの間の液体燃料流路をシールすることが可能であればよい。このような構成を満足するものであれば、各種構成並びに形状等を有する副シール部を適用することができる。さらに、副シール部は1箇所に限らず、複数箇所をシールするものであってもよい。いずれにしても、この実施形態のノズル部9は、バルブ16の本来の機能に基づく主シール部とバルブ16の副次的な機能に基づく副シール部とによって、その内部の液体燃料流路を複数箇所で遮断することが可能なように構成されている。
As described above, the sub seal portion only needs to be able to seal the liquid fuel flow path from the
ノズルヘッド12の挿入部14は、図11に示すように、その根元側に設けられたキー部23を有している。このキー部23は後述するソケット部6側のキー溝と係合した場合のみにノズル部9とソケット部6との接続を可能にするものであって、燃料カートリッジ5の識別手段として機能するものである。さらに、ノズルヘッド12の挿入部14には爪部24が四箇所設けられている。これら爪部24はソケット部6側の凹部と係合してノズル部9とソケット部6との接続状態を保持するものである。
As shown in FIG. 11, the
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)6は、図2に示すように、ソケット口31が開口された円筒状のソケット本体32を有している。ソケット本体32は本体上部32a、本体中部32bおよび本体下部32c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内に埋め込まれている。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33が設置されている。ゴムホルダ33は形状(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33はノズルヘッド12の挿入部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。
On the other hand, the socket part (female side coupler) 6 as the fuel cell side connection mechanism has a
ソケット本体32内にはバルブ34が配置されている。バルブ34はバルブヘッド34aとバルブステム34bとガイドピン34cとを備えている。バルブヘッド34a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34bはゴムホルダ33内に収納されている。このようなバルブ34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34aと本体中部32bの下面側に形成されたバルブシート35との間にはOリング36が配置されている。
A
バルブ34には圧縮スプリング37等の弾性部材でバルブヘッド34aをバルブシート25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36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34aを介してOリング36がバルブシート35に押し付けられており、これによりソケット部6内の液体燃料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34bが後退してバルブヘッド34aがバルブシート35から離れることで、ソケット部6内の燃料流路が開状態とされる。
A force for pressing the
ソケット本体32の本体下部32cには連通孔38a、38bが設けられており、これら連通孔38a、38bは燃料供給部7の連通孔7aを介して燃料収容部3に接続されている。なお、バルブ34の後方側に設けられたガイドピン34cは連通孔38a内に挿通されている。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38a、38bを介して燃料収容部3に接続されている。そして、バルブ16、34を開状態としてノズル部9およびソケット部6内の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ノズル部9およびソケット部6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。
Communication holes 38 a and 38 b are provided in the main body
さらに、ソケット本体32には図12に示すように、ノズル部9のキー部23と係合するキー溝39が設けられている。キー部23とキー溝39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23とキー溝39の形状をそれぞれ特定の液体燃料に応じた形状とし、これらが係合した場合のみにノズル部9をソケット部6に挿入することが可能にすることによって、燃料電池本体4に対応した液体燃料のみを供給することが可能となる。また、ソケット本体32はノズル部9の爪部24と係合する凹部40を有している。
Further, as shown in FIG. 12, the socket
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の燃料収容部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。その際、キー部23とキー溝39との形状が対応する場合のみに、ノズル部9をソケット部6に挿入することが可能とされている。このようにしてノズル部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先端とゴムホルダ33の先端とが接触し、バルブ16、34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。
In supplying the liquid fuel accommodated in the fuel cartridge 5 to the
ノズルヘッド12の挿入部14先端とゴムホルダ33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16bとソケット部6のバルブステム34b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34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16が後退して液体燃料流路が確立される。ノズル部9側の液体燃料流路は、前述したように主シール部と副シール部をそれぞれ開状態とすることで確立される。
When the
また、上述したノズル部9およびソケット部6内の液体燃料流路の確立と同時に、ノズル部9の爪部24がソケット部6の凹部40に係合する。これによって、ノズル部9とソケット部6との結合状態が確立される。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による液体燃料のシール部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が燃料電池本体4の燃料収容部3に供給される。
Further, simultaneously with the establishment of the liquid fuel flow path in the
液体燃料の供給終了後には燃料カートリッジ5を燃料収容部3から引抜くことで、ノズル部9とソケット部6との接続を解除する。この際、ノズル部9のバルブ16の本来の機能に基づく主シール部は、ソケット部6との接続状態が解除されることで閉状態に戻るため、燃料カートリッジ5から液体燃料が漏洩することはない。さらに、主シール部の遮断と同時に、例えばバルブステム16bと挿入部14の内壁面(例えばテーパ状内壁面)14aとで構成した副シール部も遮断される。副シール部は主シール部よりノズル部9の先端側に設けられているため、主シール部とノズル部9の先端との間の流路内に残留した液体燃料も副シール部で遮断することができる。
After the supply of the liquid fuel is completed, the fuel cartridge 5 is pulled out from the
ノズル部9のバルブ16の主機能に基づく液体燃料の遮断のみでは、バルブステム16bの表面等に付着した僅かな液体燃料がノズル部9の先端側(挿入部14の先端)に残留する場合がある。このような僅かな液体燃料であっても、安全性等を高める上で操作者に触れないようにすることが重要となる。バルブステム16bの表面等に付着して残留した液体燃料は副シール部を閉状態とすることで、外部への漏洩を防止することができる。特に、副シール部をバルブステム16bの先端部で構成することによって、ノズル部9の先端側に残留する液体燃料を大幅に削減することができる。従って、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大幅に高めることが可能となる。
If only the liquid fuel is shut off based on the main function of the
次に、上述した実施形態の燃料電池1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13を参照して説明する。図13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。
Next, a specific structure of the
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。
The
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Pt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。
Specifically, it is preferable to use Pt—Ru, Pt—Mo or the like having strong resistance to methanol or carbon monoxide for the
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。
The anode
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。
The anode
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。
The
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。
A moisturizing layer 61 is laminated on the
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、この実施形態の内部気化型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13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6を有する燃料供給部7が設けられている。
Then, the
上述したような構成を有する内部気化型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)
In the internal vaporization type DMFC (fuel cell main body) 4 having the above-described configuration, the liquid fuel F (for example, methanol aqueous solution) in the
CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 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。
In addition, when pure methanol is used as the liquid fuel F, water vapor is not supplied from the
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)
Protons (H + ) generated by the internal reforming reaction are conducted through the
(3/2) O 2 + 6H + + 6e − → 3H 2 O (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。
As the power generation reaction based on the above-described reaction proceeds, the liquid fuel F (for example, methanol aqueous solution or pure methanol) in the
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内部気化型等のパッシブ型DMFCに好適である。 Note that the present invention is not limited to the method and mechanism as long as it is a fuel cell that supplies liquid fuel by a fuel cartridge, but it is particularly a passive DMFC such as an internal vaporization type that is being miniaturized. It is suitable for.
1…燃料電池、2…燃料電池セル、3…燃料収容部、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)、8…カートリッジ本体、9…ノズル部(オス側カップラ)、11…ノズル口、12…ノズルヘッド、14…挿入部、15…バルブホルダ、16,34…バルブ、16a,34a…バルブヘッド、16b,34b…バルブステム、17…リング状突起部、18,35…バルブシート、19,36…Oリング、20,37…圧縮スプリング、21…弾性部材、22…リング状弾性部材、33…ゴムホルダ、51…気体選択透過膜。
DESCRIPTION OF
Claims (12)
前記ノズル部内の前記液体燃料の流路は複数箇所でシールされることを特徴とする燃料電池用燃料カートリッジ。 In a fuel cartridge for a fuel cell, comprising: a cartridge main body that contains a liquid fuel for a fuel cell; and a nozzle portion that has a nozzle head mounted on the cartridge main body and a valve mechanism disposed in the nozzle head.
The fuel cartridge for a fuel cell, wherein the flow path of the liquid fuel in the nozzle portion is sealed at a plurality of locations.
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る弾性部材とで構成された主シール部と、前記バルブステムと前記ノズルヘッドの内壁面とで構成された副シール部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。 The fuel cartridge for a fuel cell according to claim 1, wherein
The valve mechanism includes a main seal portion including a valve having a valve head and a valve stem, an elastic member that presses the valve head against a valve seat provided in the nozzle head, the valve stem, and the nozzle. A fuel cartridge for a fuel cell, comprising: a sub-seal portion configured with an inner wall surface of the head.
前記副シール部は、前記ノズルヘッドの先端に向けて縮径されたテーパ状の前記内壁面と、前記バルブステムの外周面に周方向に沿って設けられ、前記テーパ状内壁面と当接して前記液体燃料流路をシールするリング状突起部とで構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。 The fuel cartridge for a fuel cell according to claim 2,
The sub-seal portion is provided along the circumferential direction on the outer peripheral surface of the valve stem, the tapered inner wall surface having a diameter reduced toward the tip of the nozzle head, and in contact with the tapered inner wall surface. A fuel cartridge for a fuel cell, comprising a ring-shaped protrusion for sealing the liquid fuel flow path.
前記リング状突起部は前記バルブステムの少なくとも先端部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。 The fuel cartridge for a fuel cell according to claim 3,
The fuel cartridge for a fuel cell, wherein the ring-shaped protrusion is provided at least at a tip of the valve stem.
前記バルブステムは複数の前記リング状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。 The fuel cartridge for a fuel cell according to claim 3 or 4,
The fuel cartridge for a fuel cell, wherein the valve stem has a plurality of the ring-shaped protrusions.
前記副シール部は、前記ノズルヘッドの先端に向けて縮径されたテーパ状の前記内壁面と、前記バルブステムの外周面に周方向に沿って配置され、前記テーパ状内壁面と当接して前記液体燃料流路をシールするリング状弾性部材とで構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。 The fuel cartridge for a fuel cell according to claim 2,
The sub-seal portion is disposed along the circumferential direction on the outer peripheral surface of the valve stem, the tapered inner wall surface having a diameter reduced toward the tip of the nozzle head, and is in contact with the tapered inner wall surface. A fuel cartridge for a fuel cell comprising a ring-shaped elastic member for sealing the liquid fuel flow path.
前記ノズルヘッドの前記テーパ状内壁面に沿って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燃料カートリッジ。 The fuel cartridge for a fuel cell according to any one of claims 3 to 6,
A fuel cartridge for a fuel cell, wherein an elastic member is disposed along the tapered inner wall surface of the nozzle head.
前記副シール部は、前記ノズルヘッドの先端に向けて縮径されたテーパ状の前記内壁面と、前記テーパ状内壁面に沿って配置された弾性部材と、前記弾性部材と当接して前記液体燃料流路をシールする前記バルブステムの先端部とで構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。 The fuel cartridge for a fuel cell according to claim 2,
The sub-seal portion includes the tapered inner wall surface that is reduced in diameter toward the tip of the nozzle head, an elastic member that is disposed along the tapered inner wall surface, and the elastic member that contacts the elastic member. A fuel cartridge for a fuel cell, comprising: a tip portion of the valve stem that seals a fuel flow path.
前記副シール部は、前記ノズルヘッドの先端に向けて縮径されたテーパ状の前記内壁面と、前記バルブステムの先端に向けて縮径され、前記ノズルヘッドのテーパ状内壁面と当接して前記液体燃料流路をシールするテーパ状外周面とで構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。 The fuel cartridge for a fuel cell according to claim 2,
The sub seal portion is tapered toward the tip of the nozzle head and tapered toward the tip of the valve stem, and contacts the tapered inner wall of the nozzle head. A fuel cartridge for a fuel cell comprising a tapered outer peripheral surface for sealing the liquid fuel flow path.
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収容部と、前記燃料収容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
を具備することを特徴とする燃料電池。 A fuel cartridge for a fuel cell according to any one of claims 1 to 9,
A fuel cell body comprising: a fuel storage portion having a socket portion that is detachably connected to the nozzle portion of the fuel cartridge; and an electromotive portion that is supplied with the liquid fuel from the fuel storage portion and performs a power generation operation. A fuel cell characterized by the above.
前記起電部は、燃料極と、酸化剤極と、前記燃料極と前記酸化剤極とに挟持された電解質膜とを備えることを特徴とする燃料電池。 The fuel cell according to claim 10, wherein
The electromotive unit includes a fuel electrode, an oxidant electrode, and an electrolyte membrane sandwiched between the fuel electrode and the oxidant electrode.
さらに、前記燃料収容部と前記起電部との間に介在され、前記液体燃料の気化成分を前記燃料極に供給する気体選択透過膜を具備することを特徴とする燃料電池。 The fuel cell according to claim 11, wherein
The fuel cell further comprises a gas permselective membrane interposed between the fuel storage portion and the electromotive portion and supplying a vaporized component of the liquid fuel to the fuel electrode.
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