JP2009218036A - 燃料電池用ソケット、燃料電池用カップラー、および燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】プラグの挿入が容易で損傷を抑制でき、またプラグの連結状態の維持が容易な燃料電池用ソケットを提供すること。
【解決手段】燃料電池に液体燃料を供給するために前記液体燃料を吐出する燃料電池用プラグが着脱可能に挿入されて用いられる筒状のソケット本体とバルブ機構とを有する燃料電池用ソケットであって、前記燃料電池用プラグの挿入に伴う軸線方向のスライドにより、前記燃料電池用プラグを保持すると共に、自身がソケット本体内に保持されるプラグ保持部材を有するもの。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池用ソケットと、それを用いた燃料電池用カップラーおよび燃料電池に関する。

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。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。

内部気化型のパッシブ型ＤＭＦＣにおいては、燃料収容部内のメタノール燃料を燃料含浸層や燃料気化層等を介して気化させ燃料極に供給している（例えば特許文献１〜２参照）。そして、このような燃料収容部へのメタノール燃料の供給には、例えばサテライトタイプ（外部注入式）の燃料カートリッジが用いられている。

燃料カートリッジによってメタノール燃料等の液体燃料を供給する場合、一般にソケットとプラグとによって構成されるカップラーが用いられている。ソケットおよびプラグはそれぞれバルブ機構を有しており、ソケットにプラグを挿入することによって両者のバルブ機構が開状態となる。これにより、例えば燃料電池側にソケットを装着すると共に、燃料カートリッジ側にプラグを装着し、ソケットにプラグを挿入することで燃料カートリッジに収容されている液体燃料を燃料電池（燃料収容部）へと供給することができる。また、ソケットからプラグを引き抜くことで、両者のバルブ機構が閉状態となり、液体燃料の不必要な流出が抑制される。

このようなカップラーには、ソケットとプラグとの連結状態を保持する連結保持手段が設けられている。すなわち、連結保持手段の一方側を係合部としてプラグ側に設け、相手側を弾性係合部材としてソケット側に設け、ソケット側の弾性係合部材を撓ませてプラグを挿入することで、プラグ側の係合部にソケット側の弾性係合部材を嵌め合わせて連結状態を保持することができ、またソケット側の弾性係合部材を撓ませてプラグを引き出すことで、連結状態を解除することができるようになっている。

プラグ側の係合部は、例えばプラグの側面部に環状の係合溝として形成され、ソケット側の弾性係合部材は、例えばばね材を略Ｕ字状としたものであって両端の対向部が内側に狭まったスナップリングとして構成され、この開口する対向部を押し広げるように弾性変形させることでプラグの挿入および引き出しが可能になると共に、ソケットへのプラグの連結状態を保持することができるようになっている（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２００７−２１８３８７号公報

しかしながら、上記連結保持手段については、単にプラグ側の係合溝にソケット側のスナップリングを嵌め合わせるものであり、必ずしも連結状態を十分に保持することができない。また、ソケットへのプラグの挿入に際しては、ソケットに対してまっすぐにプラグを挿入したつもりであっても、実際にはソケットに対してプラグを斜めに挿入している場合があり、このような斜め挿入によりソケットへのプラグの挿入が困難となったり、ソケットあるいはプラグが損傷したりすることがある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、プラグの連結状態を十分に維持することができ、またプラグの挿入が容易で損傷も抑制される燃料電池用ソケット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ソケットを有する信頼性に優れる燃料電池用カップラーおよび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ソケットは、燃料電池に液体燃料を供給するために前記液体燃料を吐出する燃料電池用プラグが着脱可能に挿入されて用いられる筒状のソケット本体とバルブ機構とを有する燃料電池用ソケットであって、前記燃料電池用プラグの挿入に伴う軸線方向のスライドにより、前記燃料電池用プラグを保持すると共に、自身がソケット本体内に保持されるプラグ保持部材を有することを特徴としている。

前記ソケット本体は、前記燃料電池用プラグの挿入方向に向かって内径が小さくなるテーパー部を有し、前記プラグ保持部材による保持は、前記テーパー部を利用して行われることが好ましい。

前記プラグ保持部材は、中心部に孔部を有する略円板状の底部と、前記底部の縁部から前記底部に対して略垂直方向となるように形成されたアーム部とを有し、前記アーム部は前記底部側に対して先端側が外径側に広がっていることが好ましい。

前記アーム部は、前記燃料電池用プラグを保持するために前記燃料電池用プラグに嵌め合わされるプラグ嵌合部を内径側に有することが好ましく、また前記ソケット本体により保持されるために前記ソケット本体に嵌め合わされるソケット嵌合部を外径側に有することが好ましい。

前記プラグ保持部材は、前記底部の前記燃料電池用プラグが当接する側の主面における前記孔部の周囲に、前記燃料電池用プラグの燃料吐出口の周囲をシールする環状部を有するプラグシール部材を有することが好ましい。また、前記プラグシール部材は、前記環状部と一体に形成され、前記底部に設けられた孔部を通して前記環状部が配置された主面と反対側に延びる筒部を有することが好ましく、このような筒部は蛇腹状であればより好ましい。

本発明の燃料電池用カップラーは、上記したような本発明の燃料電池用ソケットと、前記燃料電池用ソケットに着脱可能に挿入され、液体燃料を吐出する燃料電池用プラグとを有することを特徴とする。

本発明の燃料電池は、上述したような本発明の燃料電池用ソケットと、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有することを特徴とする。

本発明の燃料電池用ソケットによれば、燃料電池用プラグの挿入に伴う軸線方向のスライドにより、この燃料電池用プラグを保持すると共に、自身がソケット本体内に保持されるプラグ保持部材を有することで、燃料電池用プラグの連結状態を十分に維持することができると共に、燃料電池用プラグの挿入を容易にすることにより、その損傷も抑制することができる。また、燃料電池用カップラーまたは燃料電池にこのような燃料電池用ソケットを用いることで、燃料電池用プラグの連結状態が十分に維持されると共に、燃料電池用プラグの挿入が容易でその損傷が抑制されるものとすることができる。

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１と、それに接続される燃料カートリッジ２とを示したものである。燃料電池１は、例えば起電部となる燃料電池セル３と、この燃料電池セル３に供給する液体燃料を収容する燃料収容部４と、この燃料収容部４に液体燃料を供給するための燃料受容部５とを有し、本発明の燃料電池用ソケット６（以下、単にソケットと呼ぶ）は例えば燃料受容部５に装着されて用いられる。なお、燃料電池１は、燃料収容部４を経ずに燃料受容部５から直接的に燃料電池セル３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２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、その先端部分に液体燃料を吐出するための燃料電池用プラグ８（以下、単にプラグと呼ぶ）が装着されている。このようなカートリッジ２は、燃料電池１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）と呼ばれるものである。

カートリッジ本体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（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１に応じた液体燃料が収容される。

また、このようなソケット６とプラグ８とから、本発明の燃料電池カップラー９（以下、単にカップラーと呼ぶ）が構成されている。ソケット６、プラグ８はそれぞれバルブ機構を有するものであり、図示するような分離状態においては、それらのバルブ機構が閉状態となることで液体燃料の流出が抑制されており、ソケット６にプラグ８が挿入されることによって連結状態となった場合、それらのバルブ機構が開状態となることによって液体燃料の供給が可能となる。

図２は、分離状態におけるソケット６およびプラグ８を示した縦断面図である。また、図３は、図２に示したソケット６を拡大して示した縦断面図である。なお、以下では、ソケット６およびプラグ８のそれぞれの対向する側を先端側とし、それらの反対側を後端側として説明する。すなわち、ソケット６については図中上側が先端側となり、プラグ８については図中下側が先端側となる。

ソケット６は、メス型カップラーとも呼ばれるものであり、略円筒状のソケット本体６１を有し、その内部に後端側から順に、例えば後端側内筒部６２、先端側内筒部６３、キーリング６４が配置されている。また、後端側内筒部６２および先端側内筒部６３の内部には軸線方向に沿ってバルブ機構を構成するバルブ本体６５が配置され、先端側内筒部６３にはさらにプラグ保持部材６６が配置されている。

図３に詳細に示したように、ソケット本体６１は、先端部にプラグ８が挿入される開口部６１ａを有し、後端部の軸心部分にバルブ本体６５が挿入される孔部６１ｂを有している。ソケット本体６１の内径は、例えば先端部が最も大きくなっており、この先端部からプラグ８の挿入方向である後端方向に一定部分までが同径とされ、その後の一定部分が徐々に径小となるように構成されている。なお、この徐々に径小となる部分がテーパー部６１ｔである。テーパー部６１ｔの後端側には、プラグ保持部材６６を保持するためにそのソケット嵌合部６６ｓが嵌め合わされる凹状の保持部材嵌合部６１ｓが形成されており、その後端側は内径が一定とされている。

後端側内筒部６２は、バルブ室を構成するものであり、ソケット本体６１の後端部からその軸線方向の略中間部に達するように設けられている。後端側内筒部６２の先端部は開口部とされており、後端部には、ソケット本体６１の孔部６１ｂと重なるように、バルブ本体６５が挿入される孔部６２ｂが設けられている。また、この後端部は、他の部分に比べて外径が若干径小とされており、周囲にソケット本体６１と後端側内筒部６２との間をシールするＯリング等の環状シール部材６７が配置されている。

先端側内筒部６３は、外側筒部６３ａと内側筒部６３ｂとの２つの筒部から構成されている。外側筒部６３ａは、後端側内筒部６２からキーリング６４に達するように設けられており、プラグ保持部材６６の少なくとも一部が配置され、その軸線方向のスライドをガイドするスリット部６３ｓが形成されている。

スリット部６３ｓは、外側筒部６３ａの先端部から軸線方向に沿って後端側に延ばされ、少なくともソケット本体６１に形成された保持部材嵌合部６１ｓに達するように形成されている。スリット部６３ｓの本数は必ずしも限られるものではないものの、例えば外側筒部６３ａに均等な間隔を空けて３本形成されている（図３では、２本のみ表示）。

内側筒部６３ｂは、バルブ本体６５を移動可能にガイドすると共に、液体燃料の流路となるものである。内側筒部６３ｂの後端部は、外側筒部６３ａの後端部と同位置まで延ばされており、外側筒部６３ａの後端部との間で閉じられた状態となっている。

内側筒部６３ｂの先端部には、プラグ保持部材６６が後端側にスライドした際、その底部６６ａに設けられた孔部６６ｃの周囲に当接し、内部が液体燃料の流路となる筒状シール部材６８が設けられている。筒状シール部材６８は、例えば内側筒部６３ｂと同程度の内径および外径とされており、スリット部６３ｓの後端部よりも先端側に延びるように設けられている。

このように筒状シール部材６８がスリット部６３ｓの後端部よりも先端側に延びていることで、プラグ保持部材６６がスライドしてスリット部６３ｓの後端部に当接する前に、筒状シール部材６８がプラグ保持部材６６に当接して液体燃料の流路を確立することができる。なお、筒状シール部材６８は、プラグ保持部材６６のスライドに合わせて伸縮するように構成されており、プラグ保持部材６６のスライド中、液体燃料の流路を有効に維持することができる。また、このような筒状シール部材６８を設ける必要から、内側筒部６３ｂの先端部はスリット部６３ｓの後端部を超えない程度に先端側に延ばされていることが好ましい。

バルブ本体６５は、バルブ機構を構成するものであり、後端側内筒部６２および先端側内筒部６３に渡って移動可能に配置されており、後端側内筒部６２の孔部６２ｂに挿入される棒状の後端側挿入部６５ａと、先端側内筒部６３の内側筒部６３ｂに挿入される棒状の先端側挿入部６５ｂと、後端側内筒部６２の内部に配置され、後端側挿入部６５ａや先端側挿入部６５ｂよりも径大とされた径大部６５ｃとを有している。

また、後端側挿入部６５ａと径大部６５ｃとの間は、後端側内筒部６２の孔部６２ｂよりも径大な中間径部６５ｄとされており、この中間径部６５ｄと後端側挿入部６５ａとの間には、バルブ本体６５の後端側への移動を制限するために孔部６２ｂに嵌め合わされる段部６５ｅが形成されている。

後端側内筒部６２における径大部６５ｃの先端側には、先端側挿入部６５ｂの周囲を囲むようにＯリング等の環状シール部材７１が配置され、また後端側にはバルブ本体６５を先端側へと押圧するように圧縮スプリング等の弾性体７２が配置されている。このような弾性体７２によって径大部６５ｃを介して環状シール部材７１が押圧されることでバルブ機構が閉状態とされており、後端側内筒部６２から先端側内筒部６３への液体燃料の流出が抑制されている。

プラグ保持部材６６は、プラグ８の挿入時に、プラグ８を保持すると共に、自身がソケット本体６１に保持されることにより、結果としてソケット６にプラグ８を保持させ、その連結状態を維持するものであり、先端側内筒部６３の内部に軸線方向にスライドできるように配置されている。

図４は、プラグ保持部材６６を示す一部切り欠き断面図である。プラグ保持部材６６は、例えば円板状の底部６６ａと、この底部６６ａの縁部に設けられたアーム部６６ｂと有している。底部６６ａには、バルブ本体６５に関係なく自身をスライドさせると共に、液体燃料の流路となる孔部６６ｃが設けられている。また、アーム部６６ｂは、底部６６ａに対して略垂直方向に延びるように形成されており、先端側が底部６６ａ側よりも外径側に広がるように構成されている。

アーム部６６ｂは、外径側からの応力により弾性変形するように構成されており、外径側から応力が加えられることにより先端側が内径側に移動し、応力が取り除かれた際に再び外径側に移動する。このようなアーム部６６ｂの本数、配置は、先端側内筒部６３に設けられたスリット部６３ｓの本数、配置に応じて決定されるものであり、例えば均等な間隔を空けて３本形成されている（図４では、２本のみ表示）。

アーム部６６ｂの内側には、プラグ８が挿入された際、その側面部に設けられた凹状の保持部材嵌合部８１ｐに嵌め合わせ、それを保持するために用いられるプラグ嵌合部６６ｐが形成されている。プラグ嵌合部６６ｐは、例えばアーム部６６ｂの先端側の一部を内径側に折り曲げるようにして凸状とすることで形成されている。

また、アーム部６６ｂの外側には、ソケット本体６１の内面に形成された凹状の保持部材嵌合部６１ｓに嵌め合わせ、自身を保持させるために用いられるソケット嵌合部６６ｓが形成されている。ソケット嵌合部６６ｓは、例えばアーム部６６ｂの底部６６ａ側の一部を外径側に突出させて凸状とすることで形成されている。

プラグ保持部材６６は、プラグ嵌合部６６ｐによってプラグ８を保持すると共に、自身がソケット嵌合部６６ｓによってソケット本体６１に保持されることで、結果としてソケット６（ソケット本体６１）にプラグ８を保持させ、その連結状態を維持することができる。

このようなプラグ保持部材６６は、例えば図３に示されるように、各アーム部６６ｂが先端側内筒部６３に設けられた各スリット部６３ｓに配置され、軸線方向に沿ってスライドするようになっている。この際、アーム部６６ｂは、スリット部６３ｓから外側へと突出ように広がっており、ソケット本体６１のテーパー部６１ｔに沿うような状態となっている。

そして、プラグ８の挿入によりプラグ保持部材６６は後端側にスライドし、その際にソケット本体６１の内径側に設けられたテーパー部６１ｔやその後端側部分によってアーム部６６ｂが内径側に閉じるように弾性変形してプラグ８を保持し、その後、さらに後端側にスライドすることでプラグ８を保持した状態でソケット本体６１に保持される。このようにアーム部６６ｂが開いた状態のプラグ保持部材６６にプラグ８を挿入して保持させた後、自身をソケット本体６１に保持させるものとすることで、プラグ８の挿入が容易となり、その損傷が抑制されると共に、連結状態の維持も容易となる。

プラグ保持部材６６の後端側には、プラグ保持部材６６を先端側へと押圧する圧縮スプリング等の弾性体７３が設けられている。このような弾性体７３が設けられることにより、プラグ８が取り外された際にプラグ保持部材６６を先端側へとスライドさせ、そのアーム部６６ｂを再び自身の変形力によって開かせることで、再びプラグ８を挿入することができるようになっている。

また、底部６６ａの先端側における孔部６６ｃの周囲には、プラグ８が挿入された際に、その燃料吐出口８１ｅの周囲をシールするためのＯリング等の環状部を有するプラグシール部材７４が配置されていることが好ましい。このようなプラグシール部材７４を設けることで、外部への液体燃料の流出を抑制し、安全性に優れたものとすることができる。

キーリング６４は、プラグ８のキー部８４と嵌め合わされて燃料識別手段として機能するものであり、先端側内筒部６３やプラグ保持部材６６を押さえ込むように開口部６１ａに嵌め込まれている。キーリング６４は、例えば図５に示すように、内径側にプラグ８のキー部８４と嵌め合わされる凹状のキー溝６４ａが形成されている。キー溝６４ａの形状、配置は、プラグ８のキー部８４の形状、配置に応じて決定されるものであり、プラグ８のキー部８４の形状、配置と合わせて適宜選択することができる。

このようなキーリング６４を用いれば、特定のキー部８４を有するプラグ８のみを挿入、連結することができ、液体燃料に応じてキーリング６４やキー部８４を使い分けることで、誤った液体燃料の注入を防止し、安全性に優れたものとすることができる

このようなソケット６の構成材料としては、各種のシール部材６７、６８、７１、７４、圧縮スプリング等の弾性体７２、７３を除き、一般には非金属材料、例えばポリプロピレン（ＰＰ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、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。

また、各種のシール部材６７、６８、７１、７４としては、耐メタノール性に優れた弾性材料が好適に用いられ、熱可塑性エラストマーとして、例えばスチレン系エラストマー（ＴＰＳ）、オレフィン系エラストマー（ＴＰＯ）、ポリエステル系エラストマー（ＴＰＥＥ）、ポリアミド系エラストマー（ＰＥＢＡＸ）、シリコーン系エラストマー、フッ素系エラストマー等が用いられ、ゴム材料として、例えばエチレン−プロピレン−ジエンゴム（ＥＰＤＭ）、アクリロニトリル−ブタジエンゴム（ＮＢＲ）、水素化ニトリルゴム（ＨＮＢＲ）、フッ素ゴム（ＦＫＭ）、シリコーンゴム（ＶＭＱ）、フロロシリコーンゴム（ＦＶＭＱ）等が用いられる。これらの中でも、特に耐メタノール性等を考慮して、エチレン−プロピレン−ジエンゴム（ＥＰＤＭ）、フッ素ゴム（ＦＫＭ）、シリコーンゴム（ＶＭＱ）等が好適に用いられる。

一方、プラグ８は、オス側カップラーとも呼ばれるものであり、例えば図２に示されるように、カートリッジ本体７が嵌め込まれるプラグヘッド８１と、このプラグヘッド８１の内部に配置されるバルブ本体８２と、プラグヘッド８１を外側から覆うようにしてカートリッジ本体７に固定する押えキャップ８３等を有している。

プラグヘッド８１は、カートリッジ本体７が嵌め込まれる筒状のベース部８１ａと、その先端側に設けられ、より細径とされた細径部８１ｂとを有している。細径部８１ｂの側面部には、ソケット６に設けられたキーリング６４のキー溝６４ａに嵌め合わされて燃料識別手段として機能する軸線方向に沿って延びる凸状のキー部８４が形成されている。さらに、細径部８１ｂの側面部には、キー部８４よりも先端側において側面部を１周するように形成された凹状の保持部材嵌合部８１ｐが設けられている。この保持部材嵌合部８１ｐは、上記したようにソケット６の内部に配置されたプラグ保持部材６６に形成されたプラグ嵌合部６６ｐが嵌め合わされ、プラグ保持部材６６によるプラグ８の保持に用いられる。

細径部８１ｂの軸心部分には、カートリッジ本体７に収容された液体燃料の流路となると共に、バルブ本体８２（先端側バルブステム８２ａ）が移動可能に挿入される軸孔８１ｃが形成されている。細径部８１ｂの先端側には、先端面をへこませるようにしてシール凹部８１ｄが形成され、このシール凹部８１ｄの底面における軸心部分に軸孔８１ｃと繋がる燃料吐出口８１ｅが形成されている。

燃料吐出口８１ｅは、カートリッジ本体７に収容された液体燃料を吐出する部分であり、シール凹部８１ｄは、この燃料吐出口８１ｅから吐出された液体燃料の残留物（付着物）の一時的な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。連結状態においては、このシール凹部８１ｄにプラグ保持部材６６に設けられたプラグシール部材７４が嵌め合わされるようにして当接することで、燃料吐出口８１ｅの周囲がシールされ、外部への液体燃料の流出が抑制される。

ベース部８１ａの内側には、バルブ本体８２を保持するバルブホルダ８５が配置されている。バルブホルダ８５はバルブ室を規定するものであり、その先端側外縁部に形成されたフランジ部８５ａがＯリング等の環状のシール部材８６を介して後端側からカートリッジ本体７によって押圧されることでベース部８１ａに固定されている。また、バルブホルダ８５の略中間部にはバルブ本体８２が移動可能に挿入される軸孔８５ｂが設けられ、後端部には、カートリッジ本体７からの液体燃料の流路となる連通孔８５ｃが設けられている。

バルブ本体８２は、バルブ機構を構成するものであり、バルブホルダ８５の軸孔８５ｂに移動可能に挿入される略棒状の後端側挿入部８２ａと、プラグヘッド８１の軸孔８１ｃに移動可能に挿入される略棒状の先端側挿入部８２ｂと、バルブホルダ８５のバルブ室に配置され、後端側挿入部８２ａや先端側挿入部８２ｂよりも径大とされた径大部８２ｃとを有している。

径大部８２ｃの先端側には、先端側挿入部８２ｂの周囲を囲むようにＯリング等の環状シール部材８７が配置され、また後端側にはバルブ本体８２を先端側へと押圧するように圧縮スプリング等の弾性体８８が配置されている。このような弾性体８８によって径大部８２ｃを介して環状のシール部材８７が押圧されることでバルブ機構が閉状態とされており、バルブ室から軸孔８１ｃへの液体燃料の流出が抑制されている。

このようなプラグ８の構成材料についても、ソケット６と同様、環状シール部材８６、８７、弾性体８８を除き、一般には非金属材料、例えばポリプロピレン（ＰＰ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、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。

また、環状シール部材８６、８７としては、耐メタノール性に優れた弾性材料が好適に用いられ、熱可塑性エラストマーとして、例えばスチレン系エラストマー（ＴＰＳ）、オレフィン系エラストマー（ＴＰＯ）、ポリエステル系エラストマー（ＴＰＥＥ）、ポリアミド系エラストマー（ＰＥＢＡＸ）、シリコーン系エラストマー、フッ素系エラストマー等が用いられ、ゴム材料として、例えばエチレン−プロピレン−ジエンゴム（ＥＰＤＭ）、アクリロニトリル−ブタジエンゴム（ＮＢＲ）、水素化ニトリルゴム（ＨＮＢＲ）、フッ素ゴム（ＦＫＭ）、シリコーンゴム（ＶＭＱ）、フロロシリコーンゴム（ＦＶＭＱ）等が用いられる。これらの中でも、特に耐メタノール性等を考慮して、エチレン−プロピレン−ジエンゴム（ＥＰＤＭ）、フッ素ゴム（ＦＫＭ）、シリコーンゴム（ＶＭＱ）等が好適に用いられる。

このようなカップラー９は、以下のようにして連結することができる。まず、ソケット６にプラグ８を挿入すると、図６に示すように、ソケット本体６１の内部に配置されたプラグ保持部材６６にプラグ８の先端部が挿入され、そのシール凹部８１ｄにプラグ保持部材６６のプラグシール部材７４が嵌め合わされるように当接し、燃料吐出口８１ｅの周囲がシール状態となる。

さらにソケット６にプラグ８を挿入していくと、図７に示すようにプラグ保持部材６６が後端側へと押し下げられるようにスライドし、これと共にソケット本体６１の後端側に向かって径小となるテーパー部６１ｔやその後端側部分によって外径側から応力が加えられ、アーム部６６ｂが内径側へと弾性変形する。これにより、アーム部６６ｂに形成されているプラグ嵌合部６６ｐがプラグ８に形成されている保持部材嵌合部８１ｐに嵌め合わされ、プラグ保持部材６６によってプラグ８が径方向の外側から保持される。

また、プラグ保持部材６６の後端側へのスライドに伴い、その底部６６ａに筒状シール部材６８が当接し、プラグ保持部材６６の孔部６６ｃと先端側内筒部６３の内側筒部６３ｂとの間の液体燃料の流路が確立される。これにより、ソケット６のバルブ機構が開状態となったときの液体燃料の外部への流出が抑制されると共に、プラグ８のバルブ機構が開状態となったときの液体燃料の後端側内筒部６２への供給が可能となる。

さらに、ソケット６のバルブ本体６５とプラグ８のバルブ本体８２とが当接し、ソケット６のバルブ本体６５が後端側へと押し下げられることにより、ソケット６のバルブ機構が開状態となる。この際、プラグ８におけるバルブ本体８２は後端側へ移動せず、プラグ８のバルブ機構は閉状態のままとなっている。

ソケット６とプラグ８とのバルブ機構の開放順序は、それぞれのバルブ機構においてバルブ本体を押圧する弾性体の反発力を調整することにより行われ、この場合はプラグ８のバルブ本体８２を押圧する弾性体８８の反発力がソケット６のバルブ本体６５を押圧する弾性体７１の反発力よりも大きくなるように構成されていることによりソケット６のバルブ機構がプラグ８のバルブ機構よりも先に開放するように構成されている。液体燃料が供給されるソケット６のバルブ機構を先に開放することで安全性を確保しやすくなるが、バルブ機構の開放順序は必ずしもこのようなものに限られるものではない。

そして、ソケット６のバルブ本体６５が後端側に押し下げられ、その段部６５ｅが後端側内筒部６２の孔部６２ｂに引っ掛かることにより移動できなくなったとき、反対にプラグ８のバルブ本体８２がソケット６のバルブ本体６５に押し返されるようにして後端側へと移動し、プラグ８のバルブ機構が開状態となる。

この際、予めプラグ保持部材６６の底部６６ａに筒状シール部材６８が当接することにより液体燃料の流路が確立されているため、プラグ８から吐出される液体燃料はこの筒状シール部材６８によって確立された流路を通して供給される。

さらにソケット６にプラグ８を挿入していくと、図８に示すようにプラグ保持部材６６が先端側内筒部６３におけるスリット部６３ｓの後端部、すなわちスリット部６３ｓが形成されていない部分に達することによりスライドが停止され、同時にプラグ８の挿入もできなくなり、挿入が完了する。

この際、プラグ保持部材６６のソケット嵌合部６６ｓがソケット本体６１の保持部材嵌合部６１ｓに嵌め合わされることにより、ソケット本体６１にプラグ保持部材６６が保持される。また、上記したようにプラグ保持部材６６はプラグ８を保持しているため、結果としてソケット６にプラグ８が保持されることとなり、連結状態が維持される。

また、ソケット本体６１の開口部６１ａには燃料識別手段として機能するキーリング６４が配置されているため、このキーリング６４に適合しないキー部８４を有するプラグ８は挿入、連結することができず、異なる液体燃料が誤って注入されることが防止される。

このようなソケット６によれば、始めはプラグ保持部材６６のアーム部６６ｂが開いており、その後にプラグ８の挿入に合わせてアーム部６６ｂが閉じることから、プラグ８が斜めに挿入されたような場合であっても容易に挿入することができる。また、このようなソケット６によれば、連結時のプラグ８の外れが抑制されることから、外部への液体燃料の流出が抑制され、安全性が向上する。

一方、ソケット６からプラグ８を取り外す場合、上記工程と逆の工程が行われる。まず、ソケット６からプラグ８を引き抜こうとすると、プラグ８に加えられた引き抜き力がその保持部材嵌合部８１ｐに嵌め合わされているプラグ嵌合部６６ｐを介してプラグ保持部材６６に伝えられ、これによりソケット６の保持部材嵌合部６１ｓからプラグ保持部材６６のソケット嵌合部６６ｓが外れ、プラグ保持部材６６の引き抜きが可能となる。

そして、ソケット６からプラグ８を引き抜いていくと、ソケット６におけるバルブ本体６５やプラグ８におけるバルブ本体８２の位置はそのままで、プラグ８のプラグヘッド８１のみが引き抜かれ、プラグ８のバルブ機構が閉状態となる。そして、プラグ８のバルブ機構が閉状態となった後は、プラグ８のプラグヘッド８１とバルブ本体８２とが同様に引き抜かれるため、ソケット６におけるバルブ本体６５が先端側へと移動し、ソケット６のバルブ機構が閉状態となる。

この際、プラグ保持部材６６は、後端側から弾性体７３によって押圧されているため、プラグ８の引き抜きに合わせて先端側へとスライドする。また、このプラグ保持部材６６の先端側へのスライドに合わせて、筒状シール部材６８も元に戻るように伸びるように変形するため、液体燃料の流路も確保される。

さらに、ソケット本体６１のテーパー部６１ｔが先端側へと向かって径大となっていることから、このプラグ保持部材６６の先端側へのスライドに伴ってアーム部６６ｂに加えられていた外径側からの応力が取り除かれ、アーム部６６ｂが外径側へと開くことによりプラグ８の保持部材嵌合部８１ｐからプラグ嵌合部６６ｐが外れ、プラグ８の保持が解除される（図６）。

このようなソケット６については、図３に示されるようにプラグ保持部材６６の底部６６ａの先端側にプラグシール部材７１を設けると共に、後端側に筒状シール部材６８を設ける代わりに、例えば図９に示すようにこれらが一体に形成されたシール部材７６を設けてもよい。

シール部材７６は、例えばプラグ保持部材６６の底部６６ａの先端側であって、その孔部６６ｃの周囲に配置される環状部７６ａと、この環状部７６ａからプラグ保持部材６６の孔部６６ｃを通して先端側内筒部６３の内側筒部６３ｂの外側に嵌め込むように設けられる蛇腹状の筒部７６ｂとを有し、内部が液体燃料の流路となるものである。

このようなプラグシール部材７６によれば、プラグ保持部材６６の孔部６６ｃから先端側内筒部６３の内側筒部６３ｂに至る液体燃料の流路が一体的に確立されているため、例えば図３に示されるものにおけるプラグ保持部材６６とプラグシール部材７１との間や、プラグ保持部材６６と筒状シール部材６８との間からの外部への液体燃料の流出といったことが抑制され、信頼性に優れたものとなる。また、筒部７６ｂが蛇腹形状とされており、プラグ保持部材６６のスライドに合わせて容易に伸縮することができるため、プラグ保持部材６６のスライドを阻害することもなく、プラグ８の挿入も容易に行うことができる。

次に、本発明の燃料電池１について、内部気化型のＤＭＦＣを例に挙げて説明する。図１０は、本発明の燃料電池１の一例を示す断面図である。燃料電池１は、起電部を構成する燃料電池セル３と、燃料収容部４と、図示を省略したソケット６を有する燃料受容部５とから主として構成されている。なお、図示が省略された燃料受容部５は、例えば図１に示されるように燃料収容部４の下面側に設けられている。

燃料電池セル３は、アノード触媒層３１およびアノードガス拡散層３２からなるアノード（燃料極）と、カソード触媒層３３およびカソードガス拡散層３４からなるカソード（酸化剤極／空気極）と、アノード触媒層３１とカソード触媒層３３とで挟持されたプロトン（水素イオン）伝導性の電解質膜３５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３１およびカソード触媒層３３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３１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３３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３５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３１に積層されるアノードガス拡散層３２は、アノード触媒層３１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３１の集電体も兼ねている。一方、カソード触媒層３３に積層されるカソードガス拡散層３４は、カソード触媒層３３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３３の集電体も兼ねている。アノードガス拡散層３２にはアノード導電層３６が積層され、カソードガス拡散層３４にはカソード導電層３７が積層されている。

アノード導電層３６およびカソード導電層３７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３５とアノード導電層３６との間、および電解質膜３５とカソード導電層３７との間には、ゴム製のＯリング等の環状シール部材３８、３９が介在されており、これらによって燃料電池セル３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４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４は燃料電池セル３側が開口されており、この燃料収容部４の開口部と燃料電池セル３との間に気体選択透過膜１１が設置されている。気体選択透過膜１１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１１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３７上には保湿層１２が積層されており、さらにその上には表面層１３が積層されている。表面層１３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１３に形成された空気導入口１３ａの個数やサイズ等を変更することで行う。保湿層１２はカソード触媒層３３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３４に酸化剤を均一に導入することで、カソード触媒層３３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１２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。

燃料収容部４上に積層された気体選択透過膜１１、燃料電池セル３、保湿層１２、および表面層１３は、例えばステンレス製のカバー１４が被されることによって保持されている。カバー１４には表面層１３に形成された空気導入口１３ａと対応する部分に開口１４ａが設けられている。また、燃料収容部４にはカバー１４の爪１４ｂを受けるテラス４ａが設けられており、このテラス４ａに爪１４ｂをかしめることで全体がカバー１４によって一体的に保持されている。

上述したような構成を有する燃料電池１においては、燃料収容部４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１１を透過して燃料電池セル３に供給される。燃料電池セル３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３２で拡散されてアノード触媒層３１に供給される。アノード触媒層３１に供給された気化成分は、例えば下記の（１）に示すメタノールの内部改質反応を生じさせる。
ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ → 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４から水蒸気が供給されないため、カソード触媒層３３で生成した水や電解質膜３５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３５を伝導し、カソード触媒層３３に到達する。表面層１３の空気導入口１３ａから取り入れられた空気（酸化剤）は、保湿層１２、カソード導電層３７、カソードガス拡散層３４を拡散して、カソード触媒層３３に供給される。カソード触媒層３３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）Ｏ_２＋６Ｈ^＋＋６ｅ⁻ → ３Ｈ_２Ｏ …（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４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４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４内にカートリッジ２から液体燃料を供給する。

カートリッジ２からの液体燃料の供給は、前述したようにカートリッジ２側のプラグ８を燃料電池１側のソケット６に挿入することにより実施することができる。この際、ソケット６が前述したようなプラグ保持部材６６を有するものとされていることで、プラグ８の挿入が容易となり、また連結時の外れも抑制されるため、損傷が抑制され、外部への液体燃料の流出も抑制され、安全性に優れたものとなる。

以上、本発明の燃料電池用ソケットと、それを用いた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ソケット、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。

本発明の燃料電池と燃料カートリッジとを示す概観図。 本発明の燃料電池用カップラーの分離状態の一例を示す縦断面図。 図２に示される燃料電池用ソケットを拡大して示す縦断面図。 プラグ保持部材の一部切り欠き断面図。 キーリングの一例を示す平面図。 図２に示す燃料電池用カップラーの連結初期の状態を示す縦断面図。 図２に示す燃料電池用カップラーの連結途中の状態を示す縦断面図。 図２に示す燃料電池用カップラーの連結完了時の状態を示す縦断面図。 本発明の燃料電池用ソケットの変形例を示す縦断面図。 本発明の燃料電池の一例を示す断面図。

符号の説明

１…燃料電池、２…カートリッジ、３…燃料電池セル、４…燃料収容部、５…燃料受容部、６…燃料電池用ソケット、７…カートリッジ本体、８…燃料電池用プラグ、９…燃料電池用カップラー、１１…気体選択透過膜、１２…保湿層、１３…表面層、１４…カバー、３１…アノード触媒層、３２…アノードガス拡散層、３３…カソード触媒層、３４…カソードガス拡散層、３５…電解質膜、３６…アノード導電層、３７…カソード導電層、３８、３９…環状シール部材、６１…ソケット本体、６１ａ…開口部、６１ｂ…孔部、６１ｓ…保持部材嵌合部、６１ｔ…テーパー部、６２…後端側内筒部、６２ｂ…孔部、６３…先端側内筒部、６３ａ…外側筒部、６３ｂ…内側筒部、６３ｓ…スリット部、６４…キーリング、６４ａ…キー溝、６５…バルブ本体、６６…プラグ保持部材、６６ａ…底部、６６ｂ…アーム部、６５ｐ…プラグ嵌合部、６６ｓ…ソケット嵌合部、６７…環状シール部材、６８…筒状シール部材、７１…環状シール部材、７２、７３…弾性体、７４…環状シール部材、８１…プラグヘッド、８１ａ…ベース部、８１ｂ…細径部、８１ｃ…軸孔、８１ｄ…シール凹部、８１ｅ…燃料吐出口、８１ｐ…保持部材嵌合部、８２…バルブ本体、８３…押えキャップ、８４…キー部、８５…バルブホルダ、８６、８７…環状シール部材、８８…弾性体

Claims (10)

1. 燃料電池に液体燃料を供給するために前記液体燃料を吐出する燃料電池用プラグが着脱可能に挿入されて用いられる筒状のソケット本体とバルブ機構とを有する燃料電池用ソケットであって、
   前記燃料電池用プラグの挿入に伴う軸線方向のスライドにより、前記燃料電池用プラグを保持すると共に、自身がソケット本体内に保持されるプラグ保持部材を有することを特徴とする燃料電池用ソケット。
2. 前記ソケット本体は、前記燃料電池用プラグの挿入方向に向かって内径が小さくなるテーパー部を有し、前記プラグ保持部材による保持は、前記テーパー部を利用して行われることを特徴とする請求項１記載の燃料電池用ソケット。
3. 前記プラグ保持部材は、中心部に孔部を有する略円板状の底部と、前記底部の縁部から前記底部に対して略垂直方向となるように形成されたアーム部とを有し、前記アーム部は前記底部側に対して先端側が外径側に広がっていることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池用ソケット。
4. 前記アーム部は、前記燃料電池用プラグを保持するために前記燃料電池用プラグに嵌め合わされるプラグ嵌合部を内径側に有することを特徴とする請求項３記載の燃料電池用ソケット。
5. 前記アーム部は、前記ソケット本体により保持されるために前記ソケット本体に嵌め合わされるソケット嵌合部を外径側に有することを特徴とする請求項３または４記載の燃料電池用ソケット。
6. 前記プラグ保持部材は、前記底部の前記燃料電池用プラグが当接する側の主面における前記孔部の周囲に、前記燃料電池用プラグの燃料吐出口の周囲をシールする環状部を有するプラグシール部材を有することを特徴とする請求項３乃至４のいずれか１項記載の燃料電池用ソケット。
7. 前記プラグシール部材は、前記環状部と一体に形成され、前記底部に設けられた孔部を通して前記環状部が配置された主面と反対側に延びる筒部を有することを特徴とする請求項６記載の燃料電池用ソケット。
8. 前記筒部は蛇腹状であることを特徴とする請求項７記載の燃料電池用ソケット。
9. 請求項１乃至８のいずれか１項記載の燃料電池用ソケットと、前記燃料電池用ソケットに着脱可能に挿入され、液体燃料を吐出する燃料電池用プラグとを有することを特徴とする燃料電池用カップラー。
10. 請求項１乃至８のいずれか１項記載の燃料電池用ソケットと、前記燃料電池用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有することを特徴とする燃料電池。

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