JP2008192345A - 燃料カートリッジの接続構造 - Google Patents

Abstract

【課題】 液体燃料カートリッジ内の液体燃料を液漏れさせることなく効率よく燃料電池本体側に供給することができる燃料カートリッジの接続構造及び接続方法を提供する。
【解決手段】 液体燃料を収容する燃料カートリッジ１０と、接続装置２０とを有し、該燃料カートリッジ１０と接続装置２０の接続時に接続装置に備える棒状部材３７が燃料カートリッジ１０内のスリット弁１３を貫通して挿入されることで燃料カートリッジ内の液体燃料を接続装置を介して燃料電池本体側に供給する燃料カートリッジの接続構造であって、上記接続装置２０には、燃料カートリッジ１０の接続を解除した際に、棒状部材３７先端部分の液体燃料が接続装置２０内の引き込み空間部３５に引き込まれる液ダレ防止機構を備えたことを特徴とする燃料カートリッジの接続構造。
【選択図】図１

Description

本発明は、携帯電話、ノート型パソコン及びＰＤＡなどの携帯用電子機器の電源として用いられる燃料電池用の燃料カートリッジと、該燃料カートリッジ内の液体燃料を接続装置を介して燃料電池本体に供給する燃料カートリッジの接続構造に関する。

一般に、燃料電池は、空気電極層、電解質層及び燃料電極層が積層された燃料電池セルと、燃料電極層に還元剤としての燃料を供給するための燃料供給部と、空気電極層に酸化剤としての空気を供給するための空気供給部とからなり、燃料と空気中の酸素とによって燃料電池内で電気化学反応を生じさせ、外部に電力を得るようにした電池であり種々の形式のものが開発されている。

近年、環境問題や省エネルギーに対する意識の高まりにより、クリーンなエネルギー源としての燃料電池を、各種用途に用いることが検討されており、特に、メタノールと水を含む液体燃料を直接供給するだけで発電できる燃料電池が注目されてきている（例えば、特許文献１及び２参照）。

これらの燃料電池において、液体燃料を収容する燃料カートリッジから燃料電池本体側へ液体燃料を供給する接続手段としては、例えば、液体燃料を供給するための燃料供給口と、該燃料供給口を取り囲む接続用円筒体とを備えた容器本体と、燃料電池に供給すべく容器本体内部に形成された燃料貯蔵室とを有する燃料電池用燃料カートリッジにおいて、燃料貯蔵室に貯蔵された燃料の種類に応じて円筒体の形状を異なる形状としたことを特徴とする燃料電池用燃料カートリッジの接続構造（例えば、特許文献３参照）や、液体燃料等の液体を収容する液体リサーバと、前記液体リサーバから液体を受容する液体アクセプタを接続するジョイントにおいて、液体リサーバまたは液体アクセプタの何れか一方若しくは両方のジョイント部に、少なくとも逆液方向に対して予め貫通した切り込みを入れた弾性体を備えたことを特徴とする液体送受用ジョイント装置（例えば、特許文献４参照）が知られている。

しかしながら、上記特許文献３に記載の燃料電池用燃料カートリッジの接続構造は、燃料貯蔵室に貯蔵された燃料の種類に応じて円筒体の形状を異なる形状としたものであり、本発明とはその接続構造が異なるものである。また、上記特許文献４に記載の液体送受用ジョイント装置は、本発明の近接技術を記載するものであり、液体リサーバと液体アクセプタとを単に液漏れさせることなく、直接パイプ形状のジョイントチューブにより液体リサーバと液体アクセプタ間の液体燃料の供給をする接続構造であるが、この接続構造では、液体リサーバ（液体燃料カートリッジ）の詳細な構造は何等記載されていないので、燃料カートリッジの向きによって液面が変動した場合等において液体燃料を効率よく液体アクセプタに供給するための接続機構が更に必要となるため、構造上パイプ形状では、バルブ部分が先端より離れた場所になるので、接続解除時にパイプ先端に液が残る（液ダレが起こる）という課題があり、これらの課題を解決すると共に、接続構造を複雑化することなく、小型化、低コスト化を図ることができる燃料カートリッジの接続構造が切望されているのが現状である。
特開平５−２５８７６０号公報（特許請求の範囲、実施例等） 特開平５−３０７９７０号公報（特許請求の範囲、実施例等） 特開２００６−５４０５５号公報（特許請求の範囲、実施例等） 特開２００５−２０３１７５号公報（特許請求の範囲、実施例等）

本発明は、上記従来の燃料カートリッジの接続構造における課題に鑑み、これを解消するためになされたものであり、液体燃料カートリッジ装着後、非装着時の微量の燃料漏れ（液滴、揮発）を抑えることができる安全性に優れた燃料カートリッジの接続構造を提供することを目的とする。

本発明者は、上記従来の課題等について、鋭意検討した結果、液体燃料を収容する燃料カートリッジと、該燃料カートリッジ内の液体燃料を接続装置を介して燃料電池本体に供給する燃料カートリッジの接続構造において、前記燃料カートリッジ及び接続装置を特定構造とし、その接続を特定の接続構造とすることにより、上記目的の燃料カートリッジの接続構造が得られることに成功し、本発明を完成するに至ったのである。

すなわち、本発明は、次の（１）〜（７）に存する。
（１） 液体燃料を収容する燃料カートリッジと、接続装置とを有し、該燃料カートリッジと接続装置の接続時に接続装置に備える棒状部材が燃料カートリッジ内のスリット弁を貫通して挿入されることで燃料カートリッジ内の液体燃料を接続装置を介して燃料電池本体側に供給する燃料カートリッジの接続構造であって、上記接続装置には、燃料カートリッジの接続を解除した際に、棒状部材先端部分の液体燃料が接続装置内に引き込まれる液ダレ防止機構を備えたことを特徴とする燃料カートリッジの接続構造。
（２） 接続装置は、燃料電池本体内に設けられる上記（１）に記載の燃料カートリッジの接続構造。
（３） 接続装置は、外筒部と該外筒部内に固定される棒状部材が取り付けられた固定部材とを有する本体部と、該本体部の固定部材に取り付けられた弾性部材により本体部に摺動自在になると共に、先端に燃料カートリッジの燃料排出口に当接する筒状の当接部を有する摺動部を備えたバルブ体とから構成され、かつ、液ダレ防止機構は上記固定部材と摺動部間に液体燃料を引き込む引き込み空間部を備え、燃料カートリッジの接続を解除した際に、当接部内を摺動する棒状部材先端部分の液体燃料が上記引き込み空間部内に引き込まれて液ダレを防止することを特徴とする上記（１）又は（２）に記載の燃料カートリッジの接続構造。
（４） 棒状部材の先端には、燃料カートリッジの接続を解除した際に当接部からの液体燃料の揮発を防止するシール体を備えたことを特徴とする上記（１）〜（３）の何れか一つに記載の燃料カートリッジの接続構造。
（５） 燃料カートリッジは、酸素バリア性に優れる樹脂層を少なくとも一層以上有する樹脂層により構成されていることを特徴とする上記（１）〜（４）の何れか一つに記載の燃料カートリッジの接続構造。
（６） 酸素バリア性に優れる樹脂が、エチレン・ビニルアルコール共重合樹脂、ポリアクリロニトリル、ナイロン、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリスチレン、ポリ塩化ビニリデン、ポリ塩化ビニルから選ばれる少なくとも１種である上記（５）に記載の燃料カートリッジの接続構造。
（７） 液体燃料がメタノール液、エタノール液、ジメチルエーテル（ＤＭＥ）、ギ酸、ヒドラジン、アンモニア液、エチレングリコール、水素化ホウ素ナトリウム水溶液、ショ糖水溶液から選ばれる少なくとも１種である上記（１）〜（６）の何れか一つに記載の燃料カートリッジの接続構造。

本発明によれば、簡便な構造で液体燃料カートリッジを脱着する一連の動作で燃料電池本体側の液体燃料を接続装置の液ダレ防止機構内に収納することができるため、カートリッジ装着後、非装着時の微量の燃料漏れ（液滴、揮発）を抑えることができる安全性に優れた燃料カートリッジの接続構造が提供される。

以下に、本発明の実施形態を図面を参照しながら詳しく説明する。
図１及び図２は、本発明の燃料カートリッジの接続構造(以下、単に「接続構造」という)の実施形態の一例を示すものであり、図１は、燃料カートリッジと接続装置とを接続する前の状態を示す縦断面図、図２は、燃料カートリッジと接続装置とを接続した状態を示す縦断面図である。
本実施形態の接続構造Ａは、図１に示すように、液体燃料を収容する燃料カートリッジ１０と、該燃料カートリッジ１０内の液体燃料を燃料電池本体（図面Ｈ側方向）に供給するための接続装置２０とを備えている。なお、この接続装置２０は、燃料電池本体内に設けられていてもよく、また、燃料電池本体とは独立したものであっても良いものであり、本実施形態では、燃料電池本体内に設けられた形態を示すものである。

燃料カートリッジ１０は、液体燃料を直接収容する燃料貯蔵槽１１を有し、該燃料貯蔵槽１１の上部に燃料排出口１２が設けられると共に、排出口１２にはスリット弁１３が設けられる構成となっている。

上記燃料貯蔵槽１１としては、収容される液体燃料Ｆに対して保存安定性、耐久性、ガス不透過性（酸素ガス、窒素ガス等に対するガス不透過性）があるものから構成されることが好ましく、例えば、アルミニウム、ステンレスなどの金属、合成樹脂、ガラスなどが挙げられる。
特に好ましくは、燃料貯蔵槽１１は、光透過性を有し、酸素バリア性に優れる樹脂層を少なくとも一層（単層又は２層以上の多層構造）以上有することが望ましい。光透過性、酸素バリア性に優れる樹脂としては、例えば、エチレン・ビニルアルコール共重合樹脂、ポリアクリロニトリル、ナイロン、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリスチレン、ポリ塩化ビニリデン、ポリ塩化ビニルから選ばれる少なくとも１種が挙げられる。これらの樹脂は、光透過性、ガス不透過性、特に酸素バリア性に優れ、しかも、製造や組立時のコスト低減及び製造の容易性の点で特に好ましい。
燃料貯蔵槽１１が多層構造の場合は、少なくとも１層が、前記した性能（酸素バリア性等）を持つ樹脂で構成されていれば、残りの層は通常の光透過性を有する樹脂でも実使用上問題はない。このような構造の燃料貯蔵槽１２は、押出し成形、射出成形、共押出し成形などにより製造することができる。

前記燃料排出口１２の下部となる燃料貯蔵槽１１内の燃料排出口１２の周縁部には、燃料排出口１２を被覆する形態で中央部に直線状のスリット部１３ａが形成されたスリット弁１３が固着されている。
このスリット弁１３の形状としては、円形状又は楕円状などが挙げられ、本実施形態では、楕円状であって、短径方向に連通部となるスリット部１３ａを設け、長径方向に外縁部を圧縮するようにしたものであり、スリット１３ａが閉じる方向（径方向）に圧縮力が作用される構成となっている。この構成によりスリット弁１３の更なる気密性を発揮せしめることができる。

このスリット弁１３の材質としては、液体燃料Ｆに対して保存安定性、耐久性、ガス不透過性、弾性を有するものであれば、特に限定されず、例えば、ポリビニルアルコール、エチレン・ビニルアルコール共重合樹脂、ポリアクリルニトリル、ナイロン、セロハン、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリスチレン、ポリ塩化ビニリデン、ポリ塩化ビニルなどの合成樹脂、天然ゴム、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、アクリロニトリルブタジエンゴム、１，２−ポリブタジエンゴム、スチレン−ブタジエンゴム、クロロプレンゴム、二トリルゴム、ブチルゴム、エチレン−プロピレンゴム、クロロスルホン化ポリエチレンゴム、アクリルゴム、エピクロルヒドリンゴム、多硫化ゴム、シリコーンゴム、フッ素ゴム、ウレタンゴムなどのゴム、熱可塑性エラストマーが挙げられ、通常の射出成形や加硫成形などによって製造することができる。

上記燃料吸蔵槽１１に収容される液体燃料Ｆとしては、例えば、メタノールと水とからなるメタノール液が挙げられるが、図示しない燃料電池本体の燃料電極体において燃料として供給された化合物から効率良く水素イオン（Ｈ⁺）と電子（ｅ^-）が得られるものであれば、液体燃料は特に限定されず、例えば、ジメチルエーテル（ＤＭＥ）、エタノール液、ギ酸、ヒドラジン、アンモニア液、エチレングリコール、水素化ホウ素ナトリウム水溶液、ショ糖水溶液などの液体燃料も用いることができる。
また、これらの液体燃料の濃度は、燃料電池の構造、特性等により種々の濃度の液体燃料を用いることができ、例えば、１〜１００％濃度の液体燃料を用いることができる。

前記接続装置２０は、本体部２１と該本体部２１に摺動自在となるバルブ体を構成することとなる摺動体３０とを備えている。
本体部２１は、図１に示すように、燃料カートリッジ１０側に後述する摺動体３０の当接部が通過する通過口２２ａを有する外筒部２２と、該外筒部２２内に固定される固定部材２３とを有している。
固定部材２３は、先端側となる燃料カートリッジ１０方向に液体燃料が通過する固定通過孔２３ａを有すると共に、外周端部に後述する弾性部材を取り付ける環状凹部２３ｂとを有し、外筒部２２内に液体燃料が通過する支持通過体２３ｃにより離隔状態で保持されている。

摺動体３０は、先端に燃料カートリッジの燃料排出口１２に当節する内部が液体燃料が通過する流路３１を有する筒状の当接部３２と、上記固定部材２３の基部に形成された凹部２３ｂに取り付けられたコイルスプリング部材から構成される弾性部材３３により固定部材２３の外周に摺動自在となる摺動部３４とを有している。この摺動部３４には、先端側に液体燃料が通過する環状の摺動通過孔３４ａを有すると共に、上記固定部材２３と摺動部３４間には液体燃料を引き込む液ダレ防止機構を構成する引き込み空間部３５が設けられている。また、摺動部３４を固定部材２３外周に摺動自在とすることにより、該摺動部３４と上記外筒部２２との間は液体燃料を燃料本体側に通過せしめる通過空間部３６が設けられることとなる。
また、上記固定部材２３には、図１に示すように、当接部３２の流路３１内を摺動する先端に当接部３２内の流路３１のシール口３１ａをシールするボール状のシール体３７ａを有する棒状部材３７が取り付けられている。

このように構成される本発明の接続構造では、例えば、接続装置２０を図示しない燃料電池本体側に埋め込み等により取り付け、燃料カートリッジ１０を接続装置２０に接続した場合に作動する構成とした場合、燃料カートリッジ１０を燃料電池本体に備える接続装置２０に装着すると、図２に示すように、バルブ体を構成する摺動体３０が弾性部材３３の抗力に対して燃料電池本体側に移動し、固定部材２３に固着されるシール体３７ａを有する棒状部材３７がシール口３１ａから離れ、燃料カートリッジ１０内のスリット弁１３を貫通して挿入されることとなる。このとき、固定部材２３の固定通過孔２３ａと摺動部３４の摺動通過孔３４ａとは重なり合うこととなる。
これにより、燃料カートリッジ１０内の液体燃料が燃料本体側に備わるポンプ等の吸引手段により、接続部３２の流路３１、引き込み空間部３５、通過空間部３６、支持通過体２３ｃを介して燃料電池本体側に効率よく供給され燃料電池が稼動することとなる。

また、燃料カートリッジ１０の接続を解くと（不使用時には）、摺動体３０は弾性部材３３により元の位置に戻ることにより、流路３１内の液体燃料は液ダレ防止機構となる引き込み空間部３５に引き込まれると共に、流路３１内のシール口３１ａを棒状部材３７の３７ａが塞ぐこととなる。これにより、接続装置２０からの液体燃料の揮発や液ダレはなく、しかも、外部からのゴミ等の異物の侵入も防止することができることとなる。

本発明の接続構造は、上記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術思想の範囲内で種々変更することができるものである。

次に、本発明を実施例により、更に詳述するが、本発明は下記実施例に限定されるものではない。

〔実施例１：図１及び図２に準拠〕
下記に示す構成の燃料カートリッジ１０及び接続装置２０を作製した。
（燃料貯蔵槽１０の構成）
燃料貯蔵槽１０全体：ポリプロピレン製、大きさ：直径３０ｍｍ×全長７０ｍｍ
スリット弁：短径１０ｍｍ、長径１１ｍｍ、ブチルゴム製、スリット長さ５ｍｍ、
（接続装置２０の構成）
本体部２１：ＳＵＳ製、大きさ：直径２５ｍｍ×全長７０ｍｍ
摺動体３０：ＳＵＳ製、大きさ：直径１５ｍｍ×全長５０ｍｍ
当接部３１：流路最大内径 ７ｍｍ、最小内径 ４ｍｍ
弾性部材３３：ＳＵＳ製コイルスプリング、大きさ：直径１５ｍｍ×全長５０ｍｍ
棒状部材３７：ＳＵＳ製、直径３ｍｍ、シール体直径５ｍｍ
（液体燃料種及び充填量）
７０ｗｔ％メタノール液、２５ｍｌ充填

上記主構成の燃料カートリッジ１０及び接続装置２０を組み立てた。
燃料カートリッジ１０を接続装置２０に装着すると、摺動体３０が弾性部材３３の抗力に対して燃料電池本体側に移動し、固定部材２３に固着されるシール体３７ａを有する棒状部材３７がシール口３１ａから離れ、燃料カートリッジ１０内のスリット弁１３を貫通して挿入されることとなる。このとき、固定部材２３の固定通過孔２３ａと摺動部３４の摺動通過孔３４ａとは重なり合い、燃料カートリッジ１０内の液体燃料が燃料本体側に備わるポンプにより、接続部３２の流路３１、液ダレ防止機構となる引き込み空間部３５、通過空間部３６、支持通過体２３ｃを介して燃料電池本体側に効率よく供給できることが確認できた。この接続構造では、液体燃料の供給時の液漏れが防止できることが確認できると共に、燃料カートリッジ１０の接続を解くと、摺動体３０は弾性部材２３により元の位置に戻り、棒状部材３７の先端部分の液体燃料が接続装置内の引き込み空間部３５に引き込まれ液ダレを防止し、棒状部材３７のシール体３７ａがシール口３１ａを塞ぐことが確認でき、接続装置２０からの液体燃料の揮発や液ダレ等は防止されることが判った。

本発明の実施形態の一例を示すものであり、燃料カートリッジと接続装置とを接続する前の状態を示す縦断面図である。 図１の燃料カートリッジと接続装置とを接続した状態を示す縦断面図である。

符号の説明

Ａ 燃料カートリッジ
１０ 燃料貯蔵槽
２０ 接続装置
２１ 本体部
３０ 摺動体
３５ 引き込み空間部
３７ 棒状部材

Claims (7)

1. 液体燃料を収容する燃料カートリッジと、接続装置とを有し、該燃料カートリッジと接続装置の接続時に接続装置に備える棒状部材が燃料カートリッジ内のスリット弁を貫通して挿入されることで燃料カートリッジ内の液体燃料を接続装置を介して燃料電池本体側に供給する燃料カートリッジの接続構造であって、上記接続装置には、燃料カートリッジの接続を解除した際に、棒状部材先端部分の液体燃料が接続装置内に引き込まれる液ダレ防止機構を備えたことを特徴とする燃料カートリッジの接続構造。
2. 接続装置は、燃料電池本体内に設けられる請求項１に記載の燃料カートリッジの接続構造。
3. 接続装置は、外筒部と該外筒部内に固定される棒状部材が取り付けられた固定部材とを有する本体部と、該本体部の固定部材に取り付けられた弾性部材により本体部に摺動自在になると共に、先端に燃料カートリッジの燃料排出口に当接する筒状の当接部を有する摺動部を備えたバルブ体とから構成され、かつ、液ダレ防止機構は上記固定部材と摺動部間に液体燃料を引き込む引き込み空間部を備え、燃料カートリッジの接続を解除した際に、当接部内を摺動する棒状部材先端部分の液体燃料が上記引き込み空間部内に引き込まれて液ダレを防止することを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料カートリッジの接続構造。
4. 棒状部材の先端には、燃料カートリッジの接続を解除した際に当接部からの液体燃料の揮発を防止するシール体を備えたことを特徴とする請求項１〜３の何れか一つに記載の燃料カートリッジの接続構造。
5. 燃料カートリッジは、酸素バリア性に優れる樹脂層を少なくとも一層以上有する樹脂層により構成されていることを特徴とする請求項１〜４の何れか一つに記載の燃料カートリッジの接続構造。
6. 酸素バリア性に優れる樹脂が、エチレン・ビニルアルコール共重合樹脂、ポリアクリロニトリル、ナイロン、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリスチレン、ポリ塩化ビニリデン、ポリ塩化ビニルから選ばれる少なくとも１種である請求項５に記載の燃料カートリッジの接続構造。
7. 液体燃料がメタノール液、エタノール液、ジメチルエーテル（ＤＭＥ）、ギ酸、ヒドラジン、アンモニア液、エチレングリコール、水素化ホウ素ナトリウム水溶液、ショ糖水溶液から選ばれる少なくとも１種である請求項１〜６の何れか一つに記載の燃料カートリッジの接続構造。

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