JP2009110758A - 燃料電池用カップラーおよび燃料電池 - Google Patents
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Abstract
【課題】ソケットとノズルとの接続または取り外しの際、ノズルに過度な曲げ荷重が加わることによる破損が抑制され、信頼性や安全性等に優れた燃料電池用カップラーを提供すること。
【解決手段】燃料電池に設けられ、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、燃料電池用の液体燃料を収容する燃料カートリッジに設けられ、弁体とこれを閉方向に付勢する付勢手段とを備えるノズルとを具備し、前記ソケットに前記ノズルを接続することにより前記両弁体を開放して前記燃料カートリッジ内の前記液体燃料を前記燃料電池へと供給する燃料電池用カップラーであって、前記ソケットと前記ノズルとの接続または取り外しの際に前記ソケットと前記ノズルとが摺接する摺接面に、潤滑性を付与する潤滑性付与手段が設けられているもの。
【選択図】図2
【解決手段】燃料電池に設けられ、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、燃料電池用の液体燃料を収容する燃料カートリッジに設けられ、弁体とこれを閉方向に付勢する付勢手段とを備えるノズルとを具備し、前記ソケットに前記ノズルを接続することにより前記両弁体を開放して前記燃料カートリッジ内の前記液体燃料を前記燃料電池へと供給する燃料電池用カップラーであって、前記ソケットと前記ノズルとの接続または取り外しの際に前記ソケットと前記ノズルとが摺接する摺接面に、潤滑性を付与する潤滑性付与手段が設けられているもの。
【選択図】図2
Description
本発明は燃料電池用カップラーとそれを用いた燃料電池に関する。
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している。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ーを用いて、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)。
特許第3413111号公報
特開2004−171844号公報
特開2004−127824号公報
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燃料吐出口であるノズルや、DMFC側の燃料注入口であるソケットも小径化されている。
ところで、このようなソケットとノズルとの接続または取り外しにおいては、ソケットの軸心に対してノズルの軸心が傾くようにして接続または取り外しされることがある。このような場合、ソケットの筒状のノズル挿入口の縁部にノズルの側面部が接触すると同時に、ノズル挿入口の内面にノズルの先端部が接触するため、ノズルにはノズル挿入口の縁部を支点とした曲げ荷重が加えられることになる。
上記したように、ノズルは小径化されていることから、曲げ荷重のような力が加わった際に破損しやすくなっている。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するため、ノズルが破損すると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、ノズルが完全に破損しないまでも、バルブ機構の構成部品が突出し、誤ってバルブ機構を作動させて液体燃料が漏れ出すおそれがある。
本発明は上記したような課題を解決するためになされたものであって、ソケットとノズルとの接続または取り外しの際、ノズルに過度な曲げ荷重が加わることによるノズルの破損が抑制され、信頼性や安全性等に優れた燃料電池用カップラーを提供することを目的としている。また、本発明は、このような燃料電池用カップラーを用いた信頼性や安全性等に優れる燃料電池を提供することを目的としている。
本発明の燃料電池用カップラーは、燃料電池に設けられ、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、燃料電池用の液体燃料を収容する燃料カートリッジに設けられ、弁体とこれを閉方向に付勢する付勢手段とを備えるノズルとを具備し、前記ソケットに前記ノズルを接続することにより前記両弁体を開放して前記燃料カートリッジ内の前記液体燃料を前記燃料電池へと供給するものであって、前記ソケットと前記ノズルとの接続または取り外しの際に前記ソケットと前記ノズルとが摺接する摺接面に、潤滑性を付与する潤滑性付与手段が設けられていることを特徴としている。
前記潤滑性付与手段は、前記ソケットのうち前記ノズルが挿入される略筒状のノズル挿入口の先端側縁部表面および内面の少なくとも一方、または前記ノズルのうち前記ソケットに挿入される挿入部の外面に設けられていることが好ましい。
前記潤滑性付与手段は、樹脂コーティング、金属コーティングもしくは炭素を主成分とするコーティングまたは潤滑剤からなる塗膜であることが好ましい。前記樹脂コーティングとしては、例えばフッ素系樹脂、シリコーン系樹脂、オレフィン系樹脂およびウレタン系樹脂の中から選ばれる少なくとも1種の樹脂からなるものが好ましい。また、前記金属コーティングとしては、例えば金または金合金からなるものが好ましい。前記樹脂コーティング、金属コーティングおよび炭素を主成分とするコーティングの表面粗さRaは3.2μm以下であることが好ましい。一方、前記潤滑剤からなる塗膜は、例えばフッ素系潤滑剤、シリコーン系潤滑剤およびオレフィン系潤滑剤の中から選ばれる少なくとも1種の潤滑剤からなるものが好ましい。
前記潤滑性付与手段が設けられる摺接面は予め電解研磨処理が行われたものであることが好ましい。前記研磨処理は、例えばバレル研磨処理、電解研磨処理および磁気研磨処理の中から選ばれる少なくとも一つの研磨処理であることが好ましい。また、前記研磨処理を行った前記摺接面の表面粗さRaは3.2μm以下であることが好ましい。さらに、前記潤滑性付与手段が設けられる部材は、潤滑性を有する材料からなることが好ましい。
本発明の燃料電池は、上記した本発明の燃料電池用カップラーにおける潤滑性付与手段が設けられたソケットと、前記ソケットを通して供給された液体燃料を収容する燃料収容部と、前記液体燃料を用いて発電動作を行う起電部とを具備することを特徴としている。
本発明の燃料電池用カップラーによれば、ソケットとノズルとの接続または取り外しの際にこれらソケットとノズルとが摺接する摺接面に潤滑性を付与するための潤滑性付与手段を設けることで、ソケットとノズルとの接続または取り外しの際に、ソケットに対してノズルを容易に摺動させ、ノズルに過度な曲げ荷重が加わることを抑制できる。これにより、ノズルの破損を抑制し、信頼性や安全性等に優れたものとできる。また、本発明の燃料電池によれば、このような燃料電池用カップラーを用いることで、信頼性や安全性等に優れたものとできる。
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。
図1は本発明の燃料電池用カップラー1(以下、単にカップラーと呼ぶ)と、それを用いた燃料電池2および燃料カートリッジ3(以下、単にカートリッジと呼ぶ)を示したものである。カップラー1は、カートリッジ3から燃料電池2へと液体燃料の供給を行う際に用いられる接続機構であって、燃料電池側の接続機構であるソケット1sとカートリッジ側の接続機構であるノズル1nとから構成されている。
図1は本発明の燃料電池用カップラー1(以下、単にカップラーと呼ぶ)と、それを用いた燃料電池2および燃料カートリッジ3(以下、単にカートリッジと呼ぶ)を示したものである。カップラー1は、カートリッジ3から燃料電池2へと液体燃料の供給を行う際に用いられる接続機構であって、燃料電池側の接続機構であるソケット1sとカートリッジ側の接続機構であるノズル1nとから構成されている。
また、燃料電池2は、起電部となる燃料電池セル4と、この燃料電池セル4に供給される液体燃料を収容する燃料収容部5と、この燃料収容部5に液体燃料を供給するための燃料受容部6とから構成されており、カップラー1の一方を構成するソケット1sはこの燃料受容部6に設けられている。なお、ソケット1s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2は燃料収容部5を経ずに燃料受容部6から直接燃料電池セル4に液体燃料を供給する構造であってもよい。
一方、カートリッジ3は、液体燃料を収容する容器であるカートリッジ本体7を有し、その先端にカートリッジ本体7に収容された液体燃料を吐出するものであってカップラー1の他方を構成するノズル1nが設けられている。ノズル1nについても後述するようにバルブ機構を内蔵しており、液体燃料を吐出するとき以外は閉状態とされている。このようなカートリッジ3は、燃料電池2に液体燃料を注入するときのみ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)のカートリッジである。
カートリッジ本体7には、燃料電池2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る。なお、カートリッジ本体7に収容され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、燃料電池2に応じた液体燃料が収容される。
次に、カップラー1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、カップラー1を構成するソケット1sとノズル1nとを示したものであり、接続する前の状態を示したものである。また、図3は、図2に示されるソケット1sを拡大して示したものである。なお、以下の説明において先端側とは、ソケット1sについてはノズル1nが挿入される端部側(図中、上側)を指し、ノズル1nについてはソケット1sに挿入される端部側(図中、下側)を指す。
ノズル1nは、オス側カップラーまたはプラグとも呼ばれるものであり、カートリッジ本体7の先端側の開口部を覆うようにして設けられている。ノズルヘッド11は、カートリッジ本体7の先端側が嵌め込まれる筒状のベース部11aと、その先端側に設けられた細径な軸部11bとから主として構成されており、軸部11bには軸孔が設けられており、その先端側にはこの軸孔に繋がるノズル口11cが設けられている。
軸部11bの先端部表面である頂面には凹部11dが設けられている。凹部11dは軸部11bの頂面をへこませるようにして設けられており、この凹部11dの底面にノズル口11cが開口している。凹部11dはノズル1n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ものであり、操作者が液体燃料に触れないようにするものである。また、ノズルヘッド11の軸部11bの外周には、後述するソケット1sのノズル保持機構36と嵌め合わされる凹部である周溝12、さらには後述するキーリング20を介して燃料識別手段として機能するキー部13が設けられている。後述するように、燃料識別手段はキー部13とソケット1s側のキー溝44とで構成される。
ベース部11aの内側には、弁体であるバルブ14を内部に保持する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7とベース部11aとで挟み込まれて固定されている。バルブ14はバルブヘッド14aとバルブステム14bとを有している。バルブヘッド14a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おり、バルブステム14bは軸部11bの軸孔内に収容されており、これらによってバルブ14は軸方向に進退可能に保持されている。
バルブヘッド14aとベース部11aの内側に取り付けられたバルブシート16との間にはOリング17が配置されている。バルブ14には圧縮スプリング18等の弾性体でバルブヘッド14aをバルブシート16に押し付ける力が加えられており、これらによってOリング17は押圧されている。
通常状態(燃料電池2とカートリッジ3とが接続されていない状態)においては、バルブヘッド14aによってOリング17がバルブシート16に押し付けられることによって、ノズル1n内の燃料流路が閉状態とされている。一方、後述するようにカートリッジ3を燃料電池2に接続すると、バルブステム14bが後退してバルブヘッド14aがバルブシート16から離れることによって、ノズル1n内の燃料流路が開状態とされる。バルブホルダ15の後端部には液体燃料の流路となる連通孔19が設けられており、この連通孔19を介してカートリッジ本体7内の液体燃料はノズル1n内に流入する。
さらに、ノズルヘッド11の外側には、カム機構を備えたリング状部材であるキーリング20やコンテナノズル21等が配置されている。キーリング20は、通常の使用の際は圧入によりノズルヘッド11に係止されている。カートリッジ3を燃料電池2に接続した際に、曲げや捻り等の力が加わるとキーリング20がカム機構を利用して回転浮上することにより接続状態が解除され、ソケット1sからノズル1nが離脱するようになっている。また、コンテナノズル21はカートリッジ本体7に例えば螺着されており、これによりノズルヘッド11やバルブ14等を有するノズル1nがカートリッジ本体7の先端部に固着されている。
そして、このようなノズル1nにおいてソケット1s内に挿入される部分が挿入部22である。具体的には、キーリング20の略中間位置に形成され、ソケット1sに接続した際にソケット1sのノズル挿入口32の先端側縁部と係合する係合部20aよりも先端側の部分である。このような挿入部22には、ノズルヘッド11の軸部11bの先端側部分、キーリング20の細径部20bおよびキー部13が含まれる。このような挿入部22の外面はソケット1sとノズル1nとの接続または取り外しの際にソケット1sの先端側縁部や内面と摺接する摺接面となることから、このような摺接面となる挿入部22の外面に潤滑性付与手段30が設けられる。なお、潤滑性付与手段30の詳細については後述する。
一方、ソケット1sは、メス側カップラーとも呼ばれるものである。図3に拡大して示されるように、ソケット1sは、円筒状の外筒部31を有し、その先端側が断面略凹状のノズル挿入口32となっている。外筒部31は、例えば略円筒状の先端側外筒部31aと、略円筒状の後端側外筒部31bとから構成されており、先端側外筒部31aは後端側外筒部31bの上方外側に固着されている。
外筒部31の内側には内筒部33が設けられており、この内筒部33は例えば中間内筒部33aと後端側内筒部33bとから構成されている。これら中間内筒部33aと後端側内筒部33bとの間にはOリング34が介在されており、バルブ室の密閉性を高めている。
先端側外筒部31aは、ノズル1nを挿入して接続した際に、ノズルヘッド11の外周面をガイドする機能を有している。なお、ノズルヘッド11の先端部は完全には先端側外筒部31aでガイドされておらず、それらの間には隙間が生じている。そのため、ソケット1s内にはノズル1n(ノズルヘッド11)の先端部をガイドするようにリング状のガイド部材35が配置されている。
ガイド部材35は、先端側外筒部31aの内側であって、後端側外筒部31bの先端側に配置されている。ガイド部材35は、先端側に複数の切り欠き部35aを有しており、後述するノズル保持機構36の内径側に突出するフック部36aはこの切り欠き部35aを通過するように設けられると共に、ガイド部材35はこのノズル保持機構によって後端側外筒部31bに押さえつけられ、ソケット1sからの脱落が防止されている。
ガイド部材35はノズルヘッド11の先端部の形状に対応した内側形状を有しており、これによりソケット1sに接続されたノズル1nの先端部をガイドし、ノズル1nの接続状態における傾きを制限するものである。すなわち、ノズル1nをソケット1sに接続した状態において、ノズルヘッド11の先端部に位置する部分にガイド部材35を配置することによって、接続時におけるノズル1nのガイド効果ならびにそれに基づく芯出し効果を得ることができる。これによって、ノズル1nの接続状態における傾きを制限し、安定した接続状態を保つことができる。
上述した中間内筒部33a上には、弾性体ホルダとしてゴムホルダ37が設置されている。ゴムホルダ37は、蛇腹形状と材料特性(ゴム弾性)に基づいて軸方向に弾性が付与された円筒形状のホルダ本体37aと、その後端側に設けられたフランジ部37bとを有している。ゴムホルダ37はフランジ部37bが後端側外筒部31bに設けられたリング状凸部31cと中間内筒部33aとで挟み込まれて固定されている。
ゴムホルダ37は、その先端側をノズルヘッド11の軸部11bに設けられた凹部11dに嵌め合わせることによって、ノズルヘッド11との間で接触シール面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。すなわち、ゴムホルダ37はソケット1sのバルブ機構を解放した際に外部との間をシールするシール部材である。なお、ノズルヘッド11の軸部11bに設けられた凹部11dについても、ゴムホルダ37の先端と嵌め合わされて接触シール面を形成してシールを行う機能を併せ持つものである。
ソケット1s内にはバルブ40が配置されている。バルブ40はバルブヘッド40aとバルブステム40bとを備えている。バルブヘッド40aは中間内筒部33aと後端側内筒部33bとで規定されたバルブ室内に配置され、バルブステム40bはゴムホルダ37内に収納され、これらによってバルブ40は軸方向に進退可能とされている。
バルブヘッド40aと中間内筒部33aの下面側に形成されたバルブシート41との間にはOリング42が配置されている。バルブ40には圧縮スプリング43等の弾性体でバルブヘッド40aをバルブシート41に押しつける力が常時加えられており、これによってOリング42が押圧されている。通常状態(燃料電池2とカートリッジ3とが接続されていない状態)においては、バルブヘッド40aを介してOリング42がバルブシート41に押しつけられており、これによりソケット1s内の燃料通路が閉状態とされている。燃料電池2にカートリッジ3を接続すると、バルブステム40bが後退してバルブヘッド40aがバルブシート41から離れることで、ソケット1s内の燃料流路が開状態とされる。
後端側内筒部33bには、燃料受容部6を介して燃料収容部5に接続される連通孔33cが設けられている。このように、ソケット1sは後端側内筒部33bに設けられた連通孔33cを介してその燃料流路が燃料収容部5に接続されている。そして、バルブ18、40を開状態としてノズル1nおよびソケット1s内の燃料流路をそれぞれ開くことによって、カートリッジ3に収容された液体燃料をノズル1nおよびソケット1sを介して燃料収容部5内に注入することができる。
先端側外筒部31aには、ソケット1sにノズル1nが接続されたときにその接続状態を保持するノズル保持機構36が設けられている。ノズル保持機構36は、先端側外筒部31aの内径側に突出したフック部36aと、ノズル1nを保持するようにフック部36aに押圧力を付与する弾性体36bとを有している。
フック部36aは、先端側外筒部31aの外側に配置された弾性体36bの弾性力によってその内径側に向けて押圧力が付与されると共に、外径側に後退可能とされている。ノズル保持機構36は、ノズル1nをソケット1sに接続した際に、フック部36aをノズルヘッド11の軸部11bの外周に設けられた周溝12と係合させることによって、ノズル1nとソケット1sとの接続状態を保持するものである。接続状態においては、フック部36aでノズル1nを弾性的に狭持し、カートリッジ3に過度な曲げや捻り等の力が加わった場合、フック部36aが後退してノズル1nとソケット1sとの接続状態が解除される。
先端側外筒部31aの内径側には、燃料識別手段として機能する軸方向に沿った溝であるキー溝44が設けられている。キー溝44は前述したノズル1nのキー部13と係合する形状を有している。キー部13とキー溝44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13の形状を液体燃料の種別(種類や濃度等)に応じた形状とし、さらにキー溝44をキー部13に対応した形状とすることで、燃料電池2に対応した液体燃料を収容するカートリッジ3のみを接続可能とすることができる。これによって、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。
本発明における潤滑性付与手段30は、ソケット1sとノズル1nとの接続または取り外しの際にこれらが摺接する摺接面に設けられるものであり、例えばノズル1nの挿入部22の外面およびソケット1sのノズル挿入口32の先端側縁部表面および内面に設けられる。挿入部22の外面およびノズル挿入口32の先端側縁部表面および内面は、ソケット1sとノズル1nとの接続または取り外しの際にそれらが互いに擦れ合う部分であり摺接面となるものである。
このような摺接面に潤滑性付与手段30を設けることで、ソケット1sとノズル1nとの接続または取り外しの際、ソケット1sに対してノズル1nを引っかかりなく容易に摺動させ、ノズル1nに過度な曲げ荷重が加わる前に接続状態を解除することができる。これにより、ノズルの破損を抑制でき、液体燃料の漏出を抑制できるため、信頼性や安全性等に優れたものとできる。
ノズル1nにおける摺接面は上記したように挿入部22の外面であるが、具体的にはノズルヘッド11の軸部11bの先端側部分の外面、またこの軸部11の先端側部分の外面がキーリング20やキー部13によって覆われている場合にはキーリング20またはキー部13のうち最も外側に位置するものの外面である。
ここで、軸部11の外周に設けられた周溝12の表面(内面)は、摺接面としての挿入部22の外面に含まれるが、先端部に設けられた凹部11dの表面(内面)は、必ずしもソケット1sの内面と摺接するものではないことから摺接面としての挿入部22の外面には含めない。すなわち、凹部11dの表面のみに潤滑性付与手段30を設けたものは本発明の範囲には含まれない。なお、本発明においては、凹部11dの表面以外に潤滑性付与手段30を設けると共に、凹部11dの表面に潤滑性付与手段30を設けることまで禁止されるものではない。
潤滑性付与手段30は、必ずしも図2に示されるように挿入部22の全ての外面に設けられている必要はなく、例えば挿入部22とノズル挿入口32との接続または取り外しの際に特にノズル挿入口32に接触しやすい部分のみに設けられていてもよく、形成箇所は適宜選択することができる。またノズル挿入口32に潤滑性付与手段30が設けられる場合、挿入部22にも潤滑性付与手段30が設けられていることが好ましいが、このような場合には必ずしも挿入部22に潤滑性付与手段30が設けられている必要はない。
一方、ソケット1sにおける摺接面は上記したようにノズル挿入口32の先端側縁部表面および内面であるが、具体的には先端側外筒部31aの先端側縁部表面および内面、ガイド部材35の先端側縁部表面および内面、ならびに、ノズル保持機構36のフック部36aの表面である。
ここで、潤滑性付与手段30は、必ずしも図3に示されるように、ノズル挿入口32の先端側縁部表面および内面の全てに設けられる必要はなく、例えば挿入部22とノズル挿入口32との接続または取り外しの際に特に挿入部22が接触しやすい部分のみに設けられていてもよく、形成箇所は適宜選択することができる。また挿入部22に潤滑性付与手段30が設けられる場合、ノズル挿入口32にも潤滑性付与手段30が設けられていることが好ましいが、このような場合には必ずしもノズル挿入口32に潤滑性付与手段30が設けられている必要はない。
なお、ソケット1sにおける弾性体ホルダとしてのゴムホルダ37の表面については、必ずしもソケット1sとノズル1nとの接続または取り外しの際にノズル1nの引っかかりの原因とはならず、ノズル1nに過度な曲げ荷重を加えるものでもないため、本発明における摺接面には含めないものとする。但し、ノズル挿入口32の内面に潤滑性付与手段30を設けると共に、ゴムホルダ37の表面に潤滑性付与手段30を設けることまで禁止されるものではない。
これらの摺接面に設けられる潤滑性付与手段30は、摺接面に潤滑性を付与することができ、ソケット1sに対してノズル1nを滑らかに摺動させることができるものであれば特に制限されるものではないが、例えば常温で固体状の樹脂からなる樹脂コーティング、常温で液状もしくはグリース状の潤滑剤からなる塗膜、金属コーティング、炭素を主成分としたコーティングが好適なものとして挙げられる。これらの中でも、特にソケット1sとノズル1nとの繰り返しの接触による消耗が少なく、耐久性に優れることから、樹脂コーティング、金属コーティング、炭素を主成分としたコーティングが好ましいものとして挙げられる。
上記樹脂コーティングを構成する樹脂としては、例えばフッ素系樹脂、シリコーン系樹脂、オレフィン系樹脂およびウレタン系樹脂から選ばれる少なくとも1種の樹脂が好適なものとして挙げられる。
フッ素系樹脂としては、例えば四フッ化エチレン樹脂、四フッ化エチレン−パーフルオロアルコキシエチレン共重合樹脂、四フッ化エチレン−六フッ化プロピレン共重合樹脂、四フッ化エチレン−六フッ化プロピレン−パーフルオロアルコキシエチレン共重合樹脂、四フッ化エチレン−エチレン共重合樹脂、三フッ化塩化エチレン樹脂、三フッ化塩化エチレン−エチレン共重合樹脂、フッ化ビニリデン樹脂、フッ化ビニル樹脂等が挙げられる。
シリコーン系樹脂としては、シロキサン骨格を有するジメチルポリシロキサン、メチルフェニルポリシロキサン等の樹脂、またはそれらの変性物(例えば、アミノ変性、アルキル変性)が挙げられる。
オレフィン系樹脂としては、例えばポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、エチレン−プロピレン共重合樹脂、エチレン−ブテン共重合樹脂、エチレンオクテン共重合樹脂、ポリプロピレン−ブテン共重合樹脂、ポリブテン樹脂、エチレン−アクリル酸エステル共重合樹脂、エチレン−メタアクリル酸エステル共重合樹脂、エチレン−アクリル酸共重合樹脂、エチレン−酢酸ビニル共重合樹脂等、またはそれらの変性物が挙げられる。
さらに、ウレタン系樹脂としては、主としてイソシアネート基とアルコール基が縮合してできるでをさせたポリウレタン樹脂、またはそれらの変性物が挙げられる。
摺接面への樹脂コーティングの形成は、例えば上記樹脂材料の液状物を摺接面であるソケット1sの先端側縁部表面もしくは内面またはノズル1nの外面の所望の部分に塗布し、熱処理して硬化させることによって行うことができる。液状物の塗布方法は特に限定されるものではなく、ハケ塗り法、スプレーコート法等の公知の方法を採用することができる。また、熱処理は樹脂材料に見合った温度で行うことが好ましく、一般的には100℃以上450℃以下で行うことが好ましい。なお、液状物の塗布と熱処理とは、1回のみ行うこととしてもよいし、複数回繰り返して行うものとしてもよい。
樹脂コーティングの厚さは、必ずしも限定されるものではないが、好ましくは10nm以上500μm以下であり、より好ましくは50nm以上100μm以下である。樹脂コーティングの厚さが10nm未満の場合、十分な潤滑性を確保することができないおそれがあり、またソケット1sとノズル1nとの繰り返しの摺接により消耗しやすく、耐久性が不十分となるおそれがある。また、樹脂コーティングの厚さは500μm程度であれば十分な耐久性とすることができ、それを超えると樹脂コーティングの形成に時間がかかるために生産性が低下し、またソケット1sへのノズル1nの装着が困難となるおそれがある。
一方、上記塗膜を構成する潤滑剤としては、フッ素系潤滑剤、シリコーン系潤滑剤およびオレフィン系潤滑剤の中から選ばれる少なくとも1種の潤滑剤が好適なものとして挙げられる。フッ素系潤滑剤としては、公知のフッ素オイルが挙げられ、例えば下記化学式(1)に示されるパーフルオロポリエーテルまたは下記化学式(2)に示される三フッ化塩化エチレン低重合体等が好適なものとして挙げられる。
また、シリコーン系潤滑剤としては、公知のシリコーンオイルが挙げられ、例えばジメチルシリコーンオイル 、メチルフェニルシリコーンオイル 、メチルハイドロジエンシリコーンオイル、またはそれらの変性物(例えば、アミノ変性、アルキル変性)が挙げられる。
さらに、オレフィン系潤滑剤としては、公知のオレフィン系オイルが挙げられ、例えばポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン−プロピレン共重合体、エチレン−ブテン共重合体、エチレンオクテン共重合体、ポリプロピレン−ブテン共重合体、ポリブテン、エチレン−アクリル酸エステル共重合体、エチレン−メタアクリル酸エステル共重合体、エチレン−アクリル酸共重合体、エチレン−酢酸ビニル共重合体等、またはそれらの変性物からなる常温で液状もしくはグリース状のものである。
摺接面への潤滑剤からなる塗膜の形成は、例えば上記潤滑剤を摺接面であるソケット1sの先端側縁部表面もしくは内面またはノズル1nの外面の所望の部分に塗布することで行うことができる。潤滑剤の塗布方法は特に限定されるものではなく、ディッピング法、ハケ塗り法、スプレーコート法等の公知の方法を採用することができる。
潤滑剤の塗布量は、例えば0.001mg/cm2以上0.100mg/cm2以下とすることが好ましい。潤滑剤の塗布量が0.001mg/cm2未満の場合、十分な潤滑性を確保することができないおそれがあり、ソケット1sとノズル1nとの繰り返しの摺接により潤滑剤が消耗しやすく、耐久性が不十分なものとなるおそれがある。また、潤滑剤の塗布量は0.100mg/cm2程度であれば耐久性を確保でき、それを超えると不必要な箇所へ潤滑剤が付着し、ノズル1nからソケット1sへの液体燃料の注入に支障を与えるおそれがある。
また、金属コーティングとしては、潤滑性に優れることから、特に金(Au)またはその合金からなるものが好ましい。金属コーティングの厚さは、必ずしも限定されるものではないが、好ましくは10nm以上500μm以下であり、より好ましくは50nm以上100μm以下である。摺接面への金属コーティングの形成は、摺接面であるソケット1sの先端側縁部表面もしくは内面またはノズル1nの外面の所望の部分に対して、例えばスパッタリング法、蒸着法、または、電解もしくは無電解メッキ法等を用いて行うことができる。また、炭素を主成分とするコーティングとしては、例えばダイヤモンドライクカーボン(DLC)およびグラファイトなどの炭素を主成分とするものが好ましい。
樹脂コーティング、金属コーティングまたは炭素を主成分とするコーティングを設ける場合、その表面粗さRaは3.2μm以下であることが好ましい。表面粗さRaが3.2μmを超えると、ソケット1sとノズル1nと接続または取り外しの際、ソケット1sに対してノズル1nを適切に摺動させることができず、ノズル1nに過度な曲げ荷重が加わり破損するおそれがある。なお、表面粗さRaは算術平均粗さRaのことであり、算術平均粗さRaの値は、JIS:B0601(1994年)の3「定義された算術平均粗さの定義及び表示」によって表されたものである。
また、このような潤滑性付与手段30を設ける前提として、潤滑性付与手段30が設けられる摺接面、すなわちソケット1sの先端側縁部表面もしくは内面またはノズル1nには研磨処理が行われていることが好ましい。一般に、塑性加工が行われた部材の表面は粗くなっているため、単に潤滑性付与手段30を設けただけでは十分な潤滑特性を得られないおそれがあり、ソケット1sとノズル1nとの接続または取り外しの際、ソケット1sに対してノズル1nを適切に摺動させることができず、ノズル1nに過度な曲げ荷重が加わり破損するおそれがある。このため、予め摺接面に研磨処理を行って表面粗さを小さくしておき、その後に潤滑性付与手段30を設けることで、十分な潤滑機能を発揮させることができ、ノズル1nの破損を抑制しやすくなる。
この研磨処理は、例えばバレル研磨処理、電解研磨処理あるいは磁気研磨処理等各種の研磨処理を使用することができる。その研磨処理を行った摺接面の表面粗さRaは3.2μm以下であることが好ましい。表面粗さRaが3.2μmを超えると、ソケット1sとノズル1nと接続または取り外しの際、ソケット1sに対してノズル1nを適切に摺動させることができず、ノズル1nに過度な曲げ荷重が加わり破損するおそれがある。
さらに、潤滑性付与手段30を設けると共に、潤滑性付与手段30が設けられる部材自体を潤滑性を有するものとすることで、潤滑性付与手段30が消耗した場合であっても潤滑機能を維持することができ、ノズル1nの破損を長期にわたって抑制しやすくなる。このような部材としては、ノズル1n側については、挿入部22を構成する構成部材であるノズルヘッド11、キー部13およびキーリング20が挙げられ、ソケット1s側については、ノズル挿入口32を構成する構成部材である先端側外筒部31a、ガイド部材35もしくはノズル保持機構36が挙げられる。また、このような部材を構成するものとしては、例えばフッ素系樹脂、シリコーン系樹脂、オレフィン系樹脂、アセタール樹脂、およびウレタン樹脂から選ばれる少なくとも1種の樹脂が好適なものとして挙げられる。
次に、カップラー1の接続方法について説明する。接続に際しては、ノズル1nの挿入部22に設けられているキー部13とソケット1sに設けられているキー溝44の形状が一致したときに両者を接続することができる。そして、このようなキー部13とキー溝44の形状が一致している場合において、ノズル1nの挿入部22をソケット1sのノズル挿入口32に挿入していくと、まず挿入部22に設けられた凹部11dにゴムホルダ37の先端が嵌め合わされることによってそれらの間に接触シール面が形成され、バルブ14、40が開状態となるまえに液体燃料の流路周辺のシールが確立される。
そして、ノズル1nをソケット1sに差し込んでいくと、ノズル1nのバルブステム14bとソケット1sのバルブステム40bの先端同士が突き当たる。さらに、ノズル1nをソケット1sに差し込んでいくと、ソケット1sのバルブ40が後退して完全に開放した後、ノズル1nのバルブ14が後退して液体燃料流路が確立し、カートリッジ3に収容された液体燃料が燃料電池2の燃料収容部5に供給(注入)される。図4に、ソケット1sにノズル1nを接続した状態を示す。なお、図4では、潤滑性付与手段30の図示は省略した。このような接続状態においては、ソケット1sのノズル保持機構36がノズルヘッド11の周溝12と係合するため、ノズル1nとソケット1sとの接続状態が保持される。
また、カートリッジ3から燃料電池2への液体燃料の供給が終わり、ソケット1sからノズル1nを取り外す場合、上記接続動作と反対の動作が行われる。すなわち、ソケット1sからノズル1nを引き抜いていくと、まずノズル保持機構36とノズルヘッド11の周溝12との係合が外れる。そして、ノズル1nを引き抜いていくと、ノズル1nのバルブ14が先端側へと移動し、ノズル1n内の液体燃料流路が閉じられる。さらに、ノズル1nを引き抜いていくと、ソケット1sのバルブ40も先端側へと移動し、ソケット1s内の液体燃料流路が閉じられる。そして、最終的にノズル1nのバルブステム14bとソケット1sのバルブステム40bとが離れ、さらに挿入部22に設けられた凹部11dとゴムホルダ37とが離れシールが解除され、図2に示されるような非接続の状態となる。
このようなソケット1sとノズル1nとの接続または取り外しに際しては、ソケット1sの軸心とノズル1nの軸心とが一致するように接続または取り外されることが好ましいが、例えば図5、6に示されるようにソケット1sの軸心に対してノズル1nの軸心が傾いて接続または取り外しが行われることがある。
このように両者の軸心が傾いている場合、例えばノズル1nの挿入部22の側面部がソケット1sの先端側外筒部31aの縁部に接触し、挿入部22の先端部が先端側外筒部31aの内面に接触する。このため、ノズル1n、特に挿入部22には、ソケット1sの先端側外筒部31aの先端側縁部を支点とした曲げ荷重が加わりやすく、破損しやすい。
しかしながら、本発明によれば、例えば挿入部22の側面部と先端側外筒部31aの先端側縁部とが摺接する摺接面や、挿入部22の先端部と先端側外筒部31aの内面とが摺接する摺接面等に潤滑性付与手段30が設けられているため、これらの摺接面において挿入部22と先端側外筒部31aとが容易に摺動し、挿入部22に過度な曲げ荷重が加えられることが抑制され、挿入部22の破損が抑制される。
次に、本発明の燃料電池2について説明する。本発明の燃料電池2は、上記した燃料電池用カップラー1において潤滑性付与手段30が設けられたソケット1sと、このソケット1sを通して供給された液体燃料を収容する燃料収容部5と、この液体燃料を用いて発電動作を行う起電部である燃料電池セル4とを具備するものである。本発明の燃料電池2における燃料電池セル4としては、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カートリッジ3が必要時に接続されるパッシブ型やアクティブ型のDMFCが挙げられる。
以下、本発明の燃料電池2について、内部気化型のDMFCを適用したものについて説明する。図7は、本発明の燃料電池2の一例を示す断面図である。燃料電池2は、起電部を構成する燃料電池セル4と、燃料収容部5と、図示を省略したソケット1sを有する燃料受容部6とから主として構成されている。なお、図示が省略されたソケット1sを有する燃料受容部6は、例えば図1に示されるように燃料収容部5の下面側に設けられている。
燃料電池セル4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4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5の内部には、液体燃料Fとして例えばメタノール燃料が充填されている。また、燃料収容部5は燃料電池セル4側が開口されており、この燃料収容部5の開口部と燃料電池セル4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62a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5上に気体選択透過膜51、燃料電池セル4、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63を被せて全体を保持することによって、この燃料電池2が構成されている。カバー63には表面層62に形成された空気導入口62aと対応する部分に開口63aが設けられている。また、燃料収容部5にはカバー63の爪63bを受けるテラス5aが設けられており、このテラス5aに爪63bをかしめることで燃料電池2全体をカバー63で一体的に保持している。
上述したような構成を有する燃料電池2においては、燃料収容部5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4に供給される。燃料電池セル4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)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、燃料収容部5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上記(1)式の内部改質反応を生起するか、あるいは上記(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62a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、燃料収容部5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5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5内にカートリッジ3から液体燃料を供給する。カートリッジ3からの液体燃料の供給は、前述したようにカートリッジ3側のノズル1nを燃料電池2側の図示しないソケット1sに挿入して接続することにより実施される。
以上、本発明の燃料電池用カップラーおよび燃料電池について説明したが、本発明の燃料電池用カップラーおよび燃料電池は上記実施形態そのものに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、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してもよい。また、例えば燃料電池としては小型化が進められているパッシブ型DMFCが好適であるが、少なくとも本発明の燃料電池用カップラーにおける潤滑性付与手段が設けられたソケットを具備し、液体燃料が該ソケットを介して供給されるものであれば、その方式や機構等については何等限定されるものではない。
1…燃料電池用カップラー、1n…ノズル、1s…ソケット、2…燃料電池、3…燃料カートリッジ、4…燃料電池セル、5…燃料収容部、6…燃料受容部、7…燃料カートリッジ本体、11…ノズルヘッド、12…周溝、13…キー部、14…バルブ(弁体)、15…バルブホルダ、16…バルブシート、17…Oリング、18…圧縮スプリング、19…連通孔、20…キーリング、21…コンテナノズル、22…挿入部、30…潤滑性付与手段、31…外筒部、31a…先端側外筒部、31b…後端側外筒部、32…内筒部、32a…中間内筒部、32b…後端側内筒部、34…Oリング、35…ガイド部材、36…ノズル保持機構、37…ゴムホルダ、40…バルブ(弁体)、41…バルブシート、42…Oリング、43…圧縮スプリング、44…キー溝、51…気体選択透過膜、52…アノード触媒層、53…アノードガス拡散層、54…カソード触媒層、55…カソードガス拡散層、57…アノード導電層、58…カソード導電層、59、60…Oリング、61…保湿層、62…表面層、63…カバー
Claims (13)
- 燃料電池に設けられ、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、燃料電池用の液体燃料を収容する燃料カートリッジに設けられ、弁体とこれを閉方向に付勢する付勢手段とを備えるノズルとを具備し、前記ソケットに前記ノズルを接続することにより前記両弁体を開放して前記燃料カートリッジ内の前記液体燃料を前記燃料電池へと供給する燃料電池用カップラーであって、
前記ソケットと前記ノズルとの接続または取り外しの際に前記ソケットと前記ノズルとが摺接する摺接面に、潤滑性を付与する潤滑性付与手段が設けられていることを特徴とする燃料電池用カップラー。 - 前記潤滑性付与手段は、前記ソケットのうち前記ノズルが挿入される略筒状のノズル挿入口の先端側縁部表面および内面の少なくとも一方に設けられていることを特徴とする請求項1記載の燃料電池用カップラー。
- 前記潤滑性付与手段は、前記ノズルのうち前記ソケットに挿入される挿入部の外面に設けられていることを特徴とする請求項1記載の燃料電池用カップラー。
- 前記潤滑性付与手段は、フッ素系樹脂、シリコーン系樹脂、オレフィン系樹脂およびウレタン系樹脂の中から選ばれる少なくとも1種の樹脂からなる樹脂コーティングであることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項記載の燃料電池用カップラー。
- 前記潤滑性付与手段は、金または金合金からなる金属コーティングであることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項記載の燃料電池用カップラー。
- 前記潤滑性付与手段は、ダイヤモンドライクカーボン(DLC)およびグラファイトなどの炭素を主成分とするコーティングであることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項記載の燃料電池用カップラー。
- 前記樹脂コーティング、前記金属コーティングまたは前記炭素を主成分とするコーティングの表面粗さRaが3.2μm以下であることを特徴とする請求項4乃至6のいずれか1項記載の燃料電池用カップラー。
- 前記潤滑性付与手段は、フッ素系潤滑剤、シリコーン系潤滑剤およびオレフィン系潤滑剤の中から選ばれる少なくとも1種の潤滑剤からなる塗膜であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項記載の燃料電池用カップラー。
- 前記潤滑性付与手段が設けられる摺接面が予め研磨処理が行われたものであることを特徴とする請求項1乃至8のいずれか1項記載の燃料電池用カップラー。
- 前記研磨処理は、バレル研磨処理、電解研磨処理および磁気研磨処理の中から選ばれる少なくとも一つの研磨処理であることを特徴とする請求項9記載の燃料電池用カップラー。
- 前記研磨処理を行った前記摺接面の表面粗さRaが3.2μm以下であることを特徴とする請求項9または10記載の燃料電池用カップラー。
- 前記潤滑性付与手段が設けられる部材が潤滑性を有する材料からなることを特徴とする請求項1乃至11のいずれか1項記載の燃料電池用カップラー。
- 請求項1記載の燃料電池用カップラーにおける潤滑性付与手段が設けられたソケットと、
前記ソケットを通して供給される液体燃料を収容する燃料収容部と、
前記液体燃料を用いて発電動作を行う起電部と
を具備することを特徴とする燃料電池。
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