KR100967287B1 - 연료 전지용 커플러와 이를 이용한 연료 전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료 전이용 커플러와 이를 이용한 연료 전지에 관한 것으로, 연료 전지용 커플러는 연료 카트리지에 설치된 노즐부(9)와, 연료 전지 본체에 설치된 소켓부(6)를 구비하고 이들은 착탈 가능하게 접속되고, 노즐부(9)는 연료 전지 본체에 접속된 연료 카트리지에 굽힘 하중이 가해졌을 때 소켓부(6)로부터 이탈하도록 변형되는 수지 부품을 구비하고, 노즐부(9)의 소켓부(6)로의 삽입을 안내하는 안내홈(18)은 연료 전지 본체에 접속된 연료 카트리지에 굽힘 하중이 가해졌을 때 키부(29)가 분리되어 노즐부(9)가 소켓부(6)로부터 이탈하도록 변형되는 것을 특징으로 한다.

Description

연료 전지용 커플러와 이를 이용한 연료 전지{COUPLER FOR FUEL CELL AND FUEL CELL USING SAME}

본 발명은 연료 전지와 연료 카트리지의 접속 기구로서 사용되는 커플러와 이를 이용한 연료 전지에 관한 것이다.

최근 노트북이나 휴대 전화 등의 각종 휴대용 전자 기기를 장시간 충전 없이 사용 가능하게 하기 위해, 이들 휴대용 전자 기기의 전원에 연료 전지를 사용하는 시도가 이루어지고 있다. 연료 전지는 연료와 공기를 공급하는 것만으로 발전할 수 있고, 연료만 보급하면 연속하여 장시간 발전할 수 있다는 특징을 갖고 있다. 이 때문에, 연료 전지를 소형화할 수 있으면, 휴대용 전자 기기의 전원으로서 매우 유리한 시스템이라고 할 수 있다.

에너지 밀도가 높은 메탄올 연료를 사용한 직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC)는 소형화가 가능하고, 또한 연료의 취급도 용이하므로, 휴대 기기용 전원으로서 유망시되고 있다. DMFC에서의 액체 연료의 공급 방식으로서는 기체 공급형이나 액체 공급형 등의 액티브 방식, 연료 수용부 내의 액체 연료를 전지 내부에서 기화시켜 연료극에 공급하는 내부 기화형 등의 패시브 방식이 알려져 있다. 이들 중, 액티브 방식은 DMFC의 고출력화(대전력화)가 가능하므로, 노 트북 등의 전원으로서 기대되고 있다.

내부 기화형 등의 패시브 방식은 연료 펌프와 같은 능동적인 연료 이송 수단을 필요로 하지 않으므로, 특히 DMFC의 소형화에 대해서 유리하다. 예를 들어, 일본 특허공보 제3413111호나 일본 공개특허공보 2004-171844호에는 액체 연료를 유지하는 연료 침투층과, 연료 침투층 중에 유지된 액체 연료의 기화 성분을 확산시켜 연료극에 공급하는 연료 기화층을 구비하는 패시브형 DMFC가 기재되어 있다. 이와 같은 패시브형 DMFC는 휴대용 오디오 플레이어나 휴대 전화 등의 소형 휴대 기기의 전원으로서 기대되고 있다.

액티브형 DMFC에서는 액체 연료를 수용한 연료 카트리지를 연료 전지 본체에 접속하고, 상기 연료 카트리지로부터 직접 또는 연료 수용부(희석 조정조 등)을 통하여 액체 연료를 순환사킴으로써, 연료 전지셀에 액체 연료를 공급하고 있다. 한편, 내부 기화형 등의 패시브형 DMFC는 연료 수용부와 액체 연료를 기화시키는 기구를 구비하고 있고, 연료 수용부에 대해서 액티브형과 동일하게 연료 카트리지를 사용하여 액체 연료를 공급한다. 새틀라이트(satellite) 타입(외부 주입식) 연료 카트리지에서는 각각 밸브 기구를 내장하는 노즐부와 소켓부로 구성된 커플러를 사용하고, 액체 연료의 차단 및 주입을 실시하는 것이 시도되고 있다(예를 들어, 일본 공개특허공보 2004-127824호 참조).

내부 기화형 등의 패시브형 DMFC는 예를 들어 휴대용 전자 기기에 탑재하기 위해 소형화가 진행되고 있고, 그 결과 DMFC측의 소켓부나 연료 카트리지측의 노즐부도 소직경화되는 경향에 있다. 이와 같은 노즐부와 소켓부를 접속하고, 연료 카 트리지로부터 DMFC의 연료 수용부에 액체 연료를 주입하는 경우, 소직경화된 노즐부는 연료 카트리지에 대해서 굽힘 하중과 같은 힘이 가해졌을 때 파손될 우려가 있다.

연료 카트리지는 노즐부에 내장된 밸브 기구로 액체 연료를 차단하고 있으므로, 노즐부가 파손되면 연료 카트리지에 수용된 액체 연료가 누출될 우려가 있다. 노즐부가 파손되었을 때에 밸브 기구 자체는 파손까지 되지는 않더라도, 밸브 기구의 구성 부품이 돌출됨으로써, 잘못하여 밸브 기구를 작동시켜 액체 연료가 누출될 우려가 있다. 노즐부가 파손될 가능성은 그 직경이 소직경화 될수록 높아지게 된다.

특히, DMFC용 연료 카트리지의 노즐부에는 내메탈성을 갖는 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리페닐렌설파이드(PPS), 액정 폴리머(LCP) 등의 수퍼 엔지니어 플라스틱이나 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리부티렌테레프탈레이트(PBT), 폴리아세탈(POM) 등의 범용 엔지니어 플라스틱을 사용하는 것이 검토되고 있지만, 이들은 단단하여 인성(靭性)이 떨어지므로 굽힘 하중에 대해서 꺾이기 쉽다는 문제점을 갖고 있다.

본 발명의 목적은 연료 카트리지의 노즐부가 파손됨에 의한 문제점 발생을 억제하는 것이 가능한 연료 전지용 커플러와, 그와 같은 커플러를 적용한 연료 전지를 제공하는 데에 있다.

본 발명의 한 형태에 관한 연료 전지용 커플러는 연료 카트리지에 설치되고, 밸브 기구를 내장하는 노즐부와, 연료 전지 본체에 설치되고 밸브 기구를 내장하고 또한 상기 노즐부와 착탈 가능하게 접속되는 소켓부를 구비하고, 상기 노즐부는 상기 연료 전지 본체에 접속된 상기 연료 카트리지에 굽힘 하중이 가해졌을 때, 상기 소켓부로부터 이탈되도록 변형하는 수지 부품을 갖는 것을 특징으로 하고 있다.

본 발명의 다른 형태에 관한 연료 전지용 커플러는 연료 카트리지에 설치되고, 밸브 기구를 내장하는 노블부와, 연료 전지 본체에 설치되고, 밸브 기구를 내장하고 또한 상기 노즐부와 착탈 가능하게 접속되는 소켓부와, 상기 노즐부 또는 소켓부 중 어느 한쪽에 형성된 안내홈과, 상기 노즐부 또는 소켓부 중 다른 쪽에 형성되고, 상기 안내홈과 걸어 맞추어 상기 노즐부의 상기 소켓부로의 접속을 안내하는 키부를 구비하고, 상기 안내홈은 수지 부품으로 형성되어 있고 또한 상기 연료 전지 본체에 접속된 상기 연료 카트리지에 굽힘 하중이 가해졌을 때, 상기 노즐부를 상기 소켓부로부터 이탈시키도록 변형하는 것을 특징으로 하고 있다.

본 발명의 형태에 관한 연료 전지는 연료 전지용 액체 연료를 수용하는 카트리지 본체와, 상기 카트리지 본체에 설치된 노즐부를 구비하는 연료 카트리지와, 상기 노즐부와 착탈 가능하게 접속되는 소켓부를 구비하는 연료 수용부와, 상기 연료 수용부로부터 상기 액체 연료가 공급되어 발전 동작하는 기전부(起電部)를 구비하는 연료 전지 본체를 구비하는 연료 전지에 있어서, 상기 노즐부 및 상기 소켓부는 본 발명의 태양에 관한 연료 전지용 커플러로 구성되어 있는 것을 특징으로 하고 있다.

도 1은 본 발명의 실시 형태에 의한 연료 전지의 구성을 도시한 도면,

도 2는 본 발명의 제 1 실시형태에 의한 연료 전지의 노즐부와 소켓부의 구성(미접속 상태)를 도시한 단면도,

도 3은 도 2에 도시한 노즐부와 소켓부의 접속 상태를 도시한 단면도,

도 4는 본 발명의 제 2 실시형태에 의한 연료 전지의 노즐부와 소켓부의 구성(미접속 상태)를 도시한 단면도,

도 5는 도 4에 도시한 노즐부에 적용한 밸브를 도시한 단면도,

도 6은 도 5에 도시한 밸브의 변형예를 도시한 단면도,

도 7은 도 4에 도시한 노즐부의 삽입부가 손상된 상태를 도시한 단면도,

도 8은 도 4에 도시한 노즐부의 변형예를 도시한 단면도,

도 9는 도 8에 도시한 노즐부의 삽입부가 손상된 상태를 도시한 단면도, 및

도 10은 본 발명의 실시 형태에 의한 연료 전지 본체의 구성예를 도시한 단면도이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1, 31: 연료 전지 2: 연료 전지셀

3: 연료 수용부 4: 연료 전지 본체

5: 연료 카트리지 6: 소켓부(암측 커플러)

8: 카트리지 본체 9: 노즐부(수측 커플러)

11: 베이스부 12: 삽입부

14, 24: 밸브 14a, 24a: 밸브 헤드

14a, 24b: 밸브 본체 14c, 24c: 밸브 스템

15, 25: 밸브 시트 16, 26: O링

17, 27: 압축 스프링 18: 안내홈

21: 소켓 본체 23: 고무 홀더

29: 키부 32: 스템 기부

33: 스템 선단부 51: 기체 선택 투과막

이하, 본 발명을 실시하기 위한 형태에 대해서 설명한다. 도 1은 본 발명의 실시 형태에 의한 연료 전지의 구성을 도시한 도면이다. 도 1에 도시한 연료 전지(1)는 기전부가 되는 연료 전지셀(2)과 연료 수용부(3)로부터 주로 구성되는 연료 전지 본체(4)와, 연료 수용부(3)에 액체 연료를 공급하는 새틀라이트 타입(외부 주입식)의 연료 카트리지(5)를 구비하고 있다. 연료 수용부(3)의 하면측에는 액체 연료의 공급구가 되는 소켓부(6)를 갖는 연료 공급부(7)가 설치되어 있다. 소켓부(6)는 후에 상술한 바와 같이 밸브 기구를 내장하고 있고, 액체 연료가 공급될 때 이외에는 폐쇄 상태가 되어 있다.

한편, 연료 카트리지(5)는 연료 전지용의 액체 연료를 수용하는 카트리지 본체(용기)(8)를 구비하고 있다. 카트리지 본체(8)의 선단에는 그 내부에 수용된 액체 연료를 연료 전지 본체(4)에 공급할 때의 연료 토출구가 되는 노즐부(9)가 설치되어 있다. 노즐부(9)는 후에 상술한 바와 같이 밸브 기구를 내장하고 있고, 액체 연료를 공급할 때 이외에는 폐쇄 상태로 되어 있다. 이와 같은 연료 카트리지(5) 는 예를 들어 연료 수용부(3)에 액체 연료를 주입할 때만 연료 전지 본체(4)에 접속되는 것이다.

연료 카트리지(5)의 카트리지 본체(8)에는 연료 전지 본체(4)에 따른 액체 연료, 예를 들어 직접 메탄올형 연료 전지(DMFC)이면 각종 농도의 메탄올 수용액이나 순메탄올 등의 메탄올 연료가 수용되어 있다. 카트리지 본체(8)에 수용되는 액체 연료는 메탄올 연료에 한정되는 것은 아니고, 예를 들어 에탄올 수용액이나 순에탄올 등의 에탄올 연료, 프로판올 수용액이나 순프로판올 등의 프로판올 연료, 글리콜 수용액이나 순글리콜 등의 글리콜 연료, 디메틸에테르, 포름산, 기타 액체 연료이어도 좋다. 어떻게 해도 연료 전지 본체(4)에 대응한 액체 연료가 수용된다.

연료 전지 본체(4)의 연료 수용부(3)에 설치된 소켓부(6)와 연료 카트리지(5)의 카트리지 본체(8)에 설치된 노즐부(9)는 한쌍의 접속 기구(커플러)를 구성하는 것이다. 소켓부(6)와 노즐부(9)로 구성된 연료 전지용 커플러의 구체적인 구성에 대해서, 도 2 및 도 3을 참조하여 설명한다. 도 2 및 도 3은 본 발명의 연료 전지용 커플러의 제 1 실시 형태를 도시한 것이다. 도 2는 연료 카트리지(5)의 노즐부(9)와 연료 전지 본체(4)의 소켓부(6)를 접속하기 전의 상태, 도 3은 노즐부(9)와 소켓부(6)를 접속한 후의 상태를 도시하고 있다.

연료 전지 본체(4)와 연료 카트리지(5)를 접속하는 커플러에 있어서, 카트리지측 접속 기구로서의 노즐부(수측 커플러)(9)는 베이스부(11)와 삽입부(12)로 구성된 노즐 헤드를 구비하고 있다. 베이스부(11)는 카트리지 본체(8)의 선단 개구 부에 장착되어 있다. 원통 형상의 삽입부(12)는 베이스부(11)로부터 돌출되도록 형성되어 있고, 선단에 노즐구가 설치되어 있다. 여기에서는 베이스부(11)와 삽입부(12)가 일체 형성된 노즐 헤드를 도시했지만, 다른 재료로 성형한 부품을 조합시킨 것이어도 좋다.

노즐 헤드의 내부에는 컵 형상의 밸브 홀더(13)가 배치되어 있다. 밸브 홀더(13)는 밸브실을 규정하는 것이고, 그 선단측 외연부가 카트리지 본체(8)와 베이스부(11)로 끼워져 고정되어 있다. 밸브 홀더(13)에서 규정된 밸브 실내에는 밸브(14)가 배치되어 있다. 밸브(14)는 밸브 헤드(14a)를 갖는 밸브 본체(14b)와, 밸브 본체(14b)의 선단측에 설치된 밸브 스템(14c)과, 밸브 본체(14b)의 후방측에 설치된 가이드핀(14d)을 구비하고 있다.

밸브 본체(14b)는 밸브 홀더(13)에서 규정된 밸브 실내에 배치되어 있다. 밸브 스템(14c)은 원통 형상의 삽입부(12) 내에 수용되어 있다. 이들 밸브 본체(14b)나 밸브 스템(14c)을 갖는 밸브(14)는 축방향(노즐부(9)의 삽입 방향)으로 진퇴 가능하게 되어 있다. 밸브 헤드(14a)와 베이스부(11)의 내측에 형성된 밸브 시트(15) 사이에는 O링(16)이 배치되어 있다. 밸브 본체(14b)에는 예를 들어 압축 스프링(17)과 같은 탄성 부재에 의해, 밸브 헤드(14a)를 밸브 시트(15)에 억압력이 상시(常時) 가해지고 있고, 이들에 의해 O링(16)은 억압되어 있다.

통상 상태(연료 카트리지(5)가 연료 전지 본체(4)로부터 분리된 상태)에서는 O링(16)을 통하여 밸브 헤드(14a)를 밸브 시트(15)에 억압함으로써, 노즐부(9) 내의 연료 유로를 폐쇄 상태로 하고 있다. 한편, 후술한 바와 같이 연료 카트리 지(5)를 연료 전지 본체(4)에 접속하면, 밸브 스템(14c)이 후퇴하여 밸브 헤드(14a)가 밸브 시트(15)로부터 멀어짐으로써, 노즐부(9) 내의 연료 유로가 개방 상태가 된다. 밸브 홀더(13)의 저부에는 액체 연료의 유로가 되는 연통 구멍(13a)이 설치되어 있다. 밸브 본체(14b)의 후방측에 설치된 가이드핀(14d)은 연통구멍(13a) 내에 삽입 통과되어 있다.

한편, 연료 전지측 접속 기구로서의 소켓부(암측 커플러)(6)는 원통 형상의 소켓 본체(21)를 구비하고 있다. 소켓 본체(21)는 본체 상부(21a), 본체 중간부(21b) 및 본체 하부(21c)를 구비하고 있다. 이들은 일체화되어 연료 전지 본체(4)의 연료 공급부(7) 내에 매설되어 있다. 거의 원통 형상의 본체 상부(21a)는 노즐부(9)의 삽입부(12)가 삽입되는 소켓구를 구비하고 있다.

소켓 본체(21)의 본체 중간부(21b)는 그 직경 방향 내측에 돌출된 링 형상 볼록부(22)를 구비하고 있다. 링 형상 볼록부(22) 상에는 탄성체 홀더로서 고무 홀더(23)가 설치되어 있다. 고무 홀더(23)는 본체 상부(21a) 내에 배치되어 있다. 고무 홀더(23)는 형상(자바라 형상)과 재료 특성(고무 탄성)에 기초하여 축방향으로 탄성이 부여되어 있다. 고무 홀더(23)는 노즐부(9)의 삽입부(12) 사이에 시일을 형성하는 시일 부재이고, 그 내측은 연료 유로로 되어 있다.

소켓 본체(21) 내에는 밸브(24)가 배치되어 있다. 밸브(24)는 밸브 헤드(24a)를 갖는 밸브 본체(24b)와, 밸브 본체(24b)의 선단측에 설치된 밸브 스템(24c)과, 밸브 본체(24b)의 후방측에 설치된 가이드핀(24d)을 구비하고 있다. 밸브 본체(24b)는 본체 중간부(21b)와 본체 하부(21c)로 규정된 밸브 실내에 배치 되어 있다. 밸브 스템(24c)은 고무 홀더(23) 내에 수납되어 있다. 밸브(24)는 축방향(노즐부(9)의 삽입 방향)으로 진퇴 가능하게 되어 있다.

밸브 헤드(24a)와 링 형상 볼록부(22)의 하면측에 형성된 밸브 시트(25) 사이에는 O링(26)이 배치되어 있다. 밸브 본체(24b)에는 예를 들어 압축 스프링(27)과 같은 탄성 부재에 의해, 밸브 헤드(24a)를 밸브 시트(25)에 억압력이 상시 가해지고 있고, 이들에 의해 O링(26)은 억압되어 있다. 통상 상태(연료 전지 본체(4)로부터 연료 카트리지(5)가 분리된 상태)에서는 O링(26)을 통하여 밸브 헤드(24a)가 밸브 시트(25)에 억압되어 있고, 이에 의해 소켓부(6) 내의 연료 유로는 폐쇄 상태로 되어 있다.

한편, 후술한 바와 같이 연료 전지 본체(4)에 연료 카트리지(5)가 접속되면, 밸브 스템(24c)이 후퇴하여 밸브 헤드(24a)가 밸브 시트(25)로부터 멀어짐으로써, 소켓부(6) 내의 연료 유로는 개방 상태가 된다. 소켓 본체(21)의 본체 하부(21c)에는 연료 공급부(7) 내를 통하여 연료 수용부(3)에 접속된 연통 구멍(28)이 설치되어 있다. 또한, 밸브 본체(24b)의 후방측에 설치된 가이드핀(24d)은 연통 구멍(28) 내에 삽입 통과되어 있다.

이와 같이, 소켓부(6)는 소켓 본체(21) 내에 설치된 연료 유로가 본체 하부(21c)에 설치된 연통 구멍(28)을 통하여 연료 수용부(3)에 접속되어 있다. 그리고, 밸브(14, 24)를 개방 상태로 하여 노즐부(9) 및 소켓부(6) 내의 유로를 각각 개방함으로써 연료 카트리지(5)에 수용된 액체 연료를 노즐부(9) 및 소켓부(6)를 통하여 연료 수용부(3) 내에 주입하는 것이 가능해져 있다.

연료 카트리지(5)에 수용된 액체 연료를 연료 전지 본체(4)의 연료 수용부(3)에 공급하는 데에 있어서는 도 3에 도시한 바와 같이 노즐부(9)를 소켓부(6)에 삽입하여 접속한다. 노즐부(9)의 삽입부(12)의 외주면에는 연료 카트리지(5)의 삽입 방향(노즐부(9)의 축방향)을 따라서, 예를 들어 2조의 안내홈(18)이 형성되어 있다. 한편, 소켓부(6)의 소켓 본체(21)의 내주면에는 안내홈(18)과 걸어 맞추어져 노즐부(9)의 소켓부(6)로의 접속(삽입)을 안내하는 키부(29)가 설치되어 있다. 키부(29)는 안내홈(18)의 수에 따라서 소켓 본체(21)의 직경 방향 내측에 돌출되도록 형성되어 있다.

안내홈(18)의 형상은 예를 들어 삽입부(12)의 축방향을 따른 직선 형상의 것을 들 수 있다. 안내홈(18)은 키부(29)를 축방향을 따라서 안내하고 또한 노즐부(9)가 소켓부(6)에 로크되도록, 도중부터 둘레 방향으로 변위되는 것이어도 좋다. 안내홈(18)은 직선 형상에 한정되지 않고 J형상을 갖는 것이어도 좋다. 안내홈(18)과 걸어 맞추어지는 키부(29)에는 소켓 본체(21)의 내주면에 보스를 일체적으로 형성한 것이나, 소켓 본체(21)와는 별도의 부재(예를 들어 금속 부재)의 키를 소켓 본체(21)에 끼워 넣은 것 등이 적용된다.

여기에서는 노즐부(9)에 안내홈(18)을 형성하고, 소켓부(6)에 키부(29)를 설치한 예에 대해서 설명했지만, 안내홈(18)과 키부(29)의 형성 부위는 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 노즐부(9)의 삽입부(12)의 외주면에 돌출시켜 키부를 설치하고 또한 상기 키부와 걸어 맞추어지는 안내홈을 소켓부(6)의 소켓 본체(21)의 내주면에 설치해도 좋다. 이와 같은 부위에 형성된 키부와 안내홈의 조합에 의해서도 노즐부(9)의 소켓부(6)에 대한 접속(삽입)을 안내할 수 있다.

안내홈(18)에 키부(29)를 걸어 맞추면서 노즐부(9)를 소켓부(6)에 삽입하면 우선 삽입부(12)의 선단과 고무 홀더(23)의 선단이 접촉되고, 밸브(14, 24)가 개방 상태가 되기 전에 연료 유로의 주변의 시일이 확립된다. 삽입부(12)의 선단과 고무 홀더(23)가 접촉된 상태에서 노즐부(9)를 소켓부(6)에 끼워 넣으면, 노즐부(9)의 밸브 스템(14c)과 소켓부(6)의 밸브 스템(24c)의 선단 끼리 충돌한다. 이 상태에서 또한 노즐부(9)를 끼워 넣으면, 소켓부(6)의 밸브(24)가 후퇴하여 유로를 개방한 후, 노즐부(9)의 밸브(14)가 후퇴하여 연료 유로가 확립된다. 그리고, 연료 카트리지(5)에 수용된 액체 연료가 연료 전지 본체(4)의 연료 수용부(3)에 공급된다.

전술한 바와 같이, 연료 카트리지(5)측의 노즐부(9)는 연료 전지 본체(4)의 소형화 등에 따라 소형화되는 경향에 있다. 소직경화된 노즐부(9)는 연료 카트리지(5)에 대해서 굽힘 하중(연료 카트리지(5)의 삽입 방향에 대해서 각도를 갖는 방향으로부터의 힘에 의한 하중)이 가해졌을 때 파손될 우려가 있다. 노즐부(9)가 파손될 위험성은 그 직경이 소직경화될수록 높아진다. 특히, 내부 기화형 DMFC와 같은 소형의 연료 전지 본체(4)에 액체 연료를 공급하는 연료 카트리지(5)는 굽힘 하중으로 노즐부(9)가 파손될 우려가 있다.

여기에서, 상기 실시형태에서는 연료 전지 본체(4)에 접속된 연료 카트리지(5)를 굽힘 하중이 가해졌을 때, 노즐부(9)(구체적으로는 삽입부(12))를 변형시켜 소켓부(6)로부터 이탈시키도록 하고 있다. 즉, 노즐부(9)의 삽입부(12)는 연료 전지 본체(4)에 접속된 연료 카트리지(5)에 굽힘 하중이 가해졌을 때, 소켓부(6)로부터 이탈하도록 탄성 변형되는 수지로 구성되어 있다. 베이스부(11)와 삽입부(12)를 일체 성형한 노즐 헤드의 경우에는 노즐 헤드 전체를 탄성 변형하는 수지로 구성한다.

다시 말하면, 노즐부(9)는 굽힘 하중이 가해졌을 때 탄성 변형되는 수지 부품으로서 삽입부(12)를 구비하고 있다. 또는 베이스부(11)와 삽입부(12)를 일체 성형한 노즐 헤드는 굽힘 하중이 가해졌을 때 탄성 변형되는 수지 부품으로 구성되어 있다. 이와 같이, 노즐 헤드 중 적어도 삽입부(12)의 구성 재료에 변형되기 쉬운 연질 수지를 적용함으로써, 노즐부(9)의 파손을 억제하는 것이 가능해진다.

또한, 연료 카트리지(5)에 가해지는 굽힘 하중의 방향에 따라서는, 안내홈(18)과 키부(29)의 걸어 맞춤 상태나 안내홈(18)의 형상(예를 들어 J형상)이 노즐부(9)의 소켓부(6)로부터의 이탈을 저해할 우려가 있다. 이와 같은 점에 대해서는 노즐부(9)를 소켓부(6)로부터 이탈시키도록, 안내홈(18)을 변형시키는 것이 유효하다. 즉, 안내홈(18)이 형성된 노즐 헤드의 삽입부(12)는 연료 전지 본체(4)에 접속된 연료 카트리지(5)에 굽힘 하중이 가해졌을 때 노즐부(9)를 소켓부(6)로부터 이탈시키도록 안내홈(18)을 소성 변형시키는 것이 가능한 연질 수지로 구성하는 것이 바람직하다.

안내홈(18)의 소성 변형은 특히 키부(29)가 금속 재료나 경질 수지로 형성되어 있는 경우에 유효하다. 즉, 경질의 키부(29)가 안내홈(18)에 걸어 맞추어져 있으면, 노즐부(9)의 탄성 변형만으로는 키부(29)가 장해가 되어, 노즐부(9)를 소켓 부(6)로부터 용이하게 이탈시킬 수 없을 우려가 있다. 또한, 예를 들어 J형상의 안내홈(18)을 적용한 경우에도 키부(29)가 분리되기 어려워질 가능성이 있다. 이와 같은 경우에는 안내홈(18)을 소성 변형시키는 것이 유효하다.

이와 같이, 연료 카트리지(5)에 대한 굽힘 하중에 대해서 노즐부(9)의 일부(구체적으로는 삽입부(12))를 탄성 변형시키고, 또한 키부(29)가 안내홈(18)으로부터 분리되도록 안내홈(18)을 소성 변형시킴으로써, 노즐부(9)를 파손시키지 않고 소켓부(6)로부터 이탈시킬 수 있다. 이에 의해, 연료 카트리지(5)의 노즐부(9)가 파손됨에 의한 문제의 발생을 억제하는 것이 가능해진다.

노즐 헤드의 적어도 삽입부(12)를 연질 수지 부품으로 구성한 노즐부(9)는 연료 카트리지(5)에 굽힘 하중 등이 가해졌을 때 소켓부(6)로부터 이탈하므로, 노즐부(9)가 꺾인 부분이 소켓부(6)측에 남겨지는 문제의 발생을 피할 수 있다. 이에 의해 연료 카트리지(5)가 손상을 받았다고 해도, 연료 전지 본체(4)는 안전하게 계속 사용할 수 있다. 또한, 노즐부(9)의 탄성 변형과 안내홈(18)의 소성 변형은 연료 카트리지(5)에 가해지는 힘의 크기나 방향, 또한 안내홈(18)과 키부(29)의 걸어 맞춤 상태나 안내홈(81)의 형상 등에 기초하여 단독으로 또는 복합적으로 발생하는 것이다.

노즐부(9)의 탄성 변형이나 안내홈(18)의 소성 변형을 실현하는 상에서, 노즐부(9)의 일부를 구성하는 수지 부품은 JIS K7171에 기초하는 굽힘 탄성률이 1800 MPa 이하의 수지로 형성하는 것이 바람직하다. 수지 부품에 의한 구성 부위는 노즐 헤드의 삽입부(12)이다. 노즐 헤드 전체를 수지 부품으로 구성해도 좋다. 굽 힘 탄성률이 1800 MPa 이하의 수지를 사용함으로써, 노즐부(9)의 탄성 변형이나 안내홈(18)의 소성 변형을 확실하게 실현할 수 있다. 다시 말하면, 연료 전지 본체(4)에 접속된 연료 카트리지(5)에 굽힘 하중이 가해졌을 때, 노즐부(9)나 그 내부의 밸브 기구를 파손시키지 않고 노즐부(9)를 보다 재현성 좋게 소켓부(6)로부터 이탈시키는 것이 가능해진다.

상술한 조건을 만족하는 수지(수지 부품의 구성 재료)로서는 저밀도 폴리에틸렌(LDPE), 고밀도 폴리에틸렌(HDPE), 직쇄상 저밀도 폴리에틸렌(LLDPE), 가교고밀도 폴리에틸렌(XLPE), 고분자량 폴리에틸렌(HMWPE), 초고분자량 폴리에틸렌(UHMWPE), 폴리프로필렌(PP), 프로필렌 공중합체(PPCO) 등을 들 수 있다. 또한, 노즐부(9)가 메탄올 연료와 접촉하는 경우에는 수지 부품은 내메탄올성을 갖고 있는 것이 바람직하다.

노즐부(9)의 일부를 구성하는 수지 부품의 내메탄올성에 관해서는 JIS K7114의 「플라스틱의 내약품성 시험 방법」에 준거하는 순메탄올의 침지 시험에서 질량 변화율이 0.3% 이하, 길이 변화율이 0.5% 이하, 두께 변화율이 0.5 % 이하를 만족하는 것이 바람직하다. 각 변화율의 값이 상기한 값 미만이면, 연료 카트리지(5)에 메탄올 연료를 수용하여 실용에 제공했을 때, 노즐부(9)에 용해나 스트레스 크래킹 등이 발생할 우려가 있고, 연료 카트리지(5)의 실용적인 내구성이나 신뢰성이 저하된다.

또한, 수지의 순메탄올의 침지 시험에서의 질량 변화율, 길이 변화율 및 두께 변화율은 이하와 같이 하여 측정하는 것으로 한다. 우선, 시험편으로서 30㎜× 30㎜×두께 2㎜의 판을 준비한다. 이와 같은 시험편의 시험전의 질량(M1), 길이(L1), 두께(T1)를 측정한다. 다음에 시험편을 23±2℃의 시험액(농도 99.8%의 순메탄올) 중에 완전하게 침지하고, 상기 온도를 유지하여 7일간 정치한다. 이 후, 시험편을 시험액으로부터 취출하여 수세하고, 시험편의 표면에 부착된 수분을 닦아낸 후에, 시험후의 질량(M2), 길이(L2), 길이(T2)를 측정한다.

길이(L1, L2)는 시험편의 세로 방향 및 가로 방향의 길이의 평균값으로 한다. 두께(T1, T2)는 시험편의 중앙부와 각 각부(角部)(엣지로부터 5㎜ 내측)의 5부분의 두께의 평균값으로 한다. 시험편의 시험전의 질량(M1), 길이(L1), 두께(T1) 및 시험후의 질량(M2), 길이(L2), 두께(T2)로부터 질량 변화율(M), 길이 변화율(L) 및 두께 변화율(T)을 하기 수학식 1, 수학식 2, 수학식 3에 기초하여 산출한다.

표 1에 저밀도 폴리에틸렌(LDPE), 고밀도 폴리에틸렌(HDPE), 직쇄상 저밀도 폴리에틸렌(LLDPE), 고분자량 폴리에틸렌(HMWPE), 초고분자량 폴리에틸렌(UHMWPE), 폴리프로필렌(PP)의 굽힘 탄성률과 내메탄올성(순메탄올의 침지 시험에서의 질량 변화율, 길이 변화율 및 두께 변화율)을 나타낸다.

노즐부(9)의 삽입부(12)(노즐 헤드) 이외의 구성 부품이나 소켓부(6)의 구성 부품에 대해서는 전술한 수퍼 엔지니어 플라스틱(PEEK, PPS, LCP 등)이나 범용 엔지니어 플라스틱(PET, PBT, POM) 등으로 형성할 수 있다. 또한, 커플러로서의 강도나 접속 강도 등을 유지할 수 있으면, 삽입부(12)(노즐 헤드) 이외의 부품에 연질의 수지를 적용해도 좋다. 또한, 안내홈(18)을 소켓부(6)의 소켓 본체(21)에 형성하는 경우에는 키부가 분리되도록 안내홈(18)이 소성 변형되는 연질의 수지로 소켓 본체(21)를 형성한다.

다음에, 노즐 헤드의 삽입부(12)를 저밀도 폴리에틸렌(LDPE), 고분자량 폴리에틸렌(HMWPE), 초고분자량 폴리에틸렌(UHMWPE)로 형성한 경우에 대해서, 노즐부(9)의 강도를 측정, 평가한 결과에 대해서 설명한다. 노즐부(9)의 강도는 이하와 같이 하여 측정했다. 또한, 비교예로서 삽입부(12)를 종래의 수지 재료인 폴리페닐렌설파이드(PPS), 폴리부티렌테레프탈레이트(PBT), 폴리아세탈(POM)로 형성한 노즐부(9)에 대해서도 실시예와 동일하게 하여 강도를 측정했다.

우선, 용량 100㎖의 빈 연료 카트리지(5)를 준비하고, 이에 각 수지로 형성한 삽입부(12)(노즐헤드)를 갖는 노즐부(9)를 장착한다. 노즐부(9)의 평탄면으로부터 100㎜의 부분에 2군데 구멍을 설치하고 여기에 와이어를 통과시킨다. 이와 같은 연료 카트리지(5)를, 지그로 고정한 소켓부(6)에 접속한다. 와이어에 후크가 부착된 로드셀을 장착하고, 연료 카트리지(5)에 대해서 수직으로 50㎜/s의 속도로 인장한다. 그 때의 피트 하중을 측정한다. 인장 방향은 키부(29)의 돌출 방향과 그에 대하여 수직 방향의 2 방향으로 했다. 이들의 측정 결과를 표 2에 나타낸다. 또한, 비교예에 대해서는 노즐 선단이 파손될 때까지 하중을 가했을 때의 피크 하중을 나타낸다.

표 2에 도시한 노즐 이탈력으로부터 밝혀진 바와 같이, 실시예의 각 수지는 모두 노즐부(9)가 파손되지 않고, 소켓부(6)로부터 이탈했다. 또한, 노즐부(9)의 이탈시의 하중도 비교적 작은 점에서, 연료 카트리지(5)에 굽힘 하중이 가해졌을 때에 노즐부(9)를 용이하게 소켓부(6)로부터 이탈시키는 것이 가능한 것을 알 수 있다. 또한, 밸브 기구가 파손되지도 않고, 시일 상태는 양호하게 유지되고 있었다. 이에 대해서, 비교예의 수지에서는 노즐부(9)에 파손이 발생했다. 이와 같이, 실시예의 연료 카트리지에 의하면 노즐부(9)가 파손됨에 따른 문제의 발생을 억제하는 것이 가능해진다.

그런데, 상술한 바와 같이 노즐부(9)의 일부를 연질 수지 부품으로 구성함으로써, 연료 카트리지(5)에 굽힘 하중이 가해졌을 때 노즐부(9)를 소켓부(6)로부터 이탈시킬 수 있다. 단, 굽힘 하중의 부가량이나 부가 상태에 따라서는 노즐부(9)(예를 들어 삽입부(12))가 심하게 소성 변형될 가능성이 있다. 삽입부(12)가 심하게 소성 변형되는 굽힘 하중이 가해진 경우, 밸브(14)에 과잉의 힘이 작용하여 시일 상태가 손상될 우려가 있다. 또한, 심하게 소성 변형된 노즐부(9)로부터 밸브(14)의 일부가 돌출되고, 잘못하여 밸브 기구를 작동시켜 액체 연료가 누출될 우려가 있다. 이와 같은 점에 대해서는 밸브 기구를 분할 구조로 하는 것이 유효하다.

연료 카트리지(5)의 노즐부(9)에 분할 구조를 갖는 밸브 기구를 적용한 제 2 실시 형태에 대해서 도 4를 참조하여 설명한다. 도 4는 본 발명의 제 2 실시 형태에 의한 연료 전지(31)의 구성을 도시하고 있다. 도 4는 연료 전지 본체(4)에 설치된 소켓부(6)와 연료 카트리지(5)에 장착된 노즐부(9)에 의한 커플러를 도시한 단면도이다. 또한, 연료 전지(31)의 전체 구성은 제 1 실시 형태와 동일하고, 도 1에 도시한 바와 같다. 소켓부(6)와 노즐부(9)에 의한 기본적인 접속 기구는 제 1 실시 형태와 동일하므로 도 2 및 도 3과 동일한 부분에는 동일한 부호를 붙여, 그 설명을 일부 생략한다.

제 2 실시 형태의 연료 전지(31)에서 밸브(14)의 밸브 스템(14c)은 분할 구조를 갖고 있다. 밸브 스템(14c)은 도 5에 도시한 바와 같이, 밸브 본체(14b)와 일체화된 스템 기부(32)와, 상기 스템 기부(32)와는 분할된 스템 선단부(33)를 구비하고 있다. 밸브 스템(14c)은 스템 기부(32)와 스템 선단부(33)의 2부품으로 구성되어 있고, 이것은 각각 독립된 부품으로서 분할되어 있다. 스템 기부(32)와 스템 선단부(33)의 접촉면이 밸브 스템(14c)의 분할면이 된다.

스템 선단부(33)는 삽입부(12)로부터 탈락되지 않도록 스템 기부(32) 측에 설치된 대직경부(33a)를 구비하고 있다. 즉, 스템 선단부(33)는 대직경부(33a)와 소직경부(33b)를 구비하고 있고, 대직경부(33a)를 삽입부(12) 내의 단부 구멍(12a)으로 억압함으로써, 삽입부(12)로부터의 탈락을 방지하고 있다. 스템 기부(32)는 스템 선단부(33)의 대직경부(33a)와 동일한 직경을 갖고 있다. 스템 기부(32)와 스템 선단부(33)의 대직경부(33a)를 접촉시켜 밸브(14)를 조립하고, 이 상태에서 베이스부(11) 내에 배치되어 있다.

밸브 스템(14c)과 삽입부(12)의 내벽면 사이에 액체 연료의 유로를 설치하는 경우에는 스템 기부(32)와 스템 선단부(33)와는 둘레 방향의 위치 관계를 고려하지 않고, 단순히 접촉시켜 조립할 수 있다. 한편, 밸브 스템(14c)의 외주면에 축방향으로 홈을 형성하여 연료 유로를 설치하는 경우가 있다. 이와 같은 경우에는 예를 들어 도 6에 도시한 바와 같이 스템 선단부(33)의 대직경부(33a)와 스템 기부(32)(도 6에서는 도시하지 않음)에 둘레 방향의 위치를 도시한 가이드키(34)를 설치하는 것이 바람직하다.

이와 같은 가이드키(34)를 적용함으로써, 스템기부(32)와 스템 선단부(33)의 둘레 방향의 위치를 합쳐 밸브(14)를 조립할 수 있다. 여기에서는 2개의 가이드키(34)를 갖는 스템 선단부(33)를 도시했지만, 가이드키(34)의 갯수는 한정되는 것은 아니고, 예를 들어 1개 또는 4개이어도 좋다. 또한, 삽입부(12)의 내벽면에는 밸브 스템(14c)측에 설치한 가이드키(34)에 대응시켜 키홈이 설치된다. 밸브 스템(14c)측의 가이드키(34)를 삽입부(12)측의 키홈과 걸어 맞춤으로써, 스템 기부(32)와 스템 선단부(33)의 둘레 방향의 위치를 맞춘다.

밸브 스템(14c)의 스템 선단부(33)의 구성 재료나 스템 기부(32)가 일체화된 밸브 본체(14b)의 구성 재료는 내메탄올성을 갖고 있는 것이 바람직하다. 내메탄올성에 대해서는 전술한 바와 같다. 밸브(14)는 전술한 연질 수지로 구성해도 좋고, 또한 밸브(14)에 분할 구조를 적용한 경우에는 예를 들어 수퍼 엔지니어 플라스틱이나 범용 엔지니어 플라스틱 등을 사용해도 좋다. 이와 같은 재료로서는 예를 들어 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리부티렌테레프탈레이트(PBT), 폴리아세탈(POM) 등의 범용 엔지니어 플라스틱, 폴리페닐렌설파이드(PPS), 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 액정 폴리머(LCP) 등의 수퍼 엔지니어 플라스틱을 들 수 있다.

연료 카트리지(5)에 굽힘 하중이 가해졌을 때, 굽힘 하중의 부가량이나 부가 상태에 따라서는 도 7에 도시한 바와 같이, 노즐부(9)의 일부(구체적으로는 베이스부(11)로부터 돌출된 삽입부(12))가 심하게 소성 변형되는 경우가 있다. 이와 같은 경우에서는 제 2 실시 형태에서는 밸브 스템(14c)을 스템 기부(32)와 스템 선단부(33)로 분할한 구조를 적용하고 있으므로, 삽입부(12)의 변형시에 스템 선단부(33)만이 분리된다. 이에 의해, 액체 연료를 차단하는 밸브 기구의 손상을 방지할 수 있다. 다시 말하면, 밸브(14)에 의한 액체 연료의 시일 상태를 양호하게 유지하는 것이 가능해진다.

밸브 스템(14c)이 밸브 헤드(14a)와 일체화되어 있는 경우, 삽입부(12)의 소성 변형시에 밸브 스템(14c)에도 과잉의 힘이 가해지고, 시일 상태가 손상될 우려가 있다. 이와 같은 점에 대해서, 밸브 스템(14c)을 스템 기부(32)와 스템 선단부(33)로 분할함으로써, 밸브 기구나 시일 상태의 손상을 방지할 수 있다. 또한, 스템 선단부(33)가 노즐부(9)로부터 분리됨으로써, 밸브 스템(14c)이 베이스부(11)의 평탄면(11a)으로부터 돌출되지 않는다. 이에 의해, 베이스부(11)의 평탄면(11a)으로부터 돌출된 밸브 스템(14c)을 잘못하여 동작시킬 우려가 없어진다.

삽입부(12)가 심하게 소성 변형된 경우에서 스템 선단부(33)는 밸브 스템(14c)의 일부가 베이스부(11)의 평탄면(11a)으로부터 돌출되지 않도록 분리되는 것이 바람직하다. 따라서, 스템 기부(33)와 스템 선단부(33)의 분할면은 베이스부(11)의 평탄면(11a)과 동일면상, 또는 평탄면(11a)보다 밸브 본체(14b)측(카트리지 본체(8)측)에 위치하고 있는 것이 바람직하다. 이에 의해, 삽입부(12)가 손상되었을 때의 밸브 스템(14c)의 돌출을 보다 확실하게 방지할 수 있다.

밸브(14)에 적용하는 분할 구조는 밸브 스템(14c)을 스템 기부(32)와 스템 선단부(33)로 분할한 구조에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어 도 8에 도시한 바와 같이, 밸브 본체(14b)와 밸브 스템(14c)을 분할하도록 해도 좋다. 도 8에 도시한 밸브(14)는 밸브 헤드(14a)를 갖는 밸브 본체(14b)와, 상기 밸브 본체(14b)의 선단측에 배치되고, 또한 밸브 본체(14b)와는 분할된 밸브 스템(14c)을 구비하고 있다. 또한, 다른 구조에 대해서는 도 4와 동일하게 되어 있다.

밸브(14)를 밸브 본체(14b)와 밸브 스템(14c)으로 분할한 경우에는 도 9에 도시한 바와 같이, 삽입부(12)의 손상시에 밸브 스템(14c)이 분리되므로, 밸브 기구나 그에 의한 시일 상태를 양호하게 유지할 수 있다. 또한, 삽입부(12)의 손상후에 베이스부(11)의 평탄면(11a)으로부터 밸브(14)의 일부가 돌출되는 일도 없다. 밸브 본체(14b)와 밸브 스템(14c)을 분할한 구조에 의하면, 밸브 본체(14b)의 표면(분할면)이 노즐부(9)의 내부에 존재하게 되므로, 밸브 기구의 오작동에 의한 액체의 누출을 보다 확실하게 방지할 수 있다.

다음에, 상술한 각 실시 형태의 연료 전지(1, 31)에서의 연료 전지 본체(4)의 구체적인 구조에 대해서 설명한다. 연료 전지 본체(4)는 특별히 한정되는 것은 아니고, 예를 들어 새틀라이트 타입의 연료 카트리지(5)가 필요시에 접속되는 패시브형이나 액티브형의 DMFC를 적용할 수 있다. 여기에서는 연료 전지 본체(4)에 내부 기화형 DMFC를 적용한 실시 형태에 대해서, 도 10을 참조하여 설명한다. 도 10에 도시한 내부 기화형(패시브형)의 DMFC(4)는 기전부를 구성하는 연료 전지셀(2)과 연료 수용부(3)에 추가하여 이들 사이에 개재된 기체 선택 투과막(51)을 구비하고 있다.

연료 전지셀(2)은 애노드 촉매층(52)과 애노드 가스 확산층(53)을 갖는 애노드(연료극)와, 캐소드 촉매층(54)과 캐소드 가스 확산층(55)을 갖는 캐소드(산화제극/공기극)와, 애노드 촉매층(52)과 캐소드 촉매층(54)으로 끼워진 프로톤(수소 이온)전도성의 전해질막(56)으로 구성되는 막전극 복합체(Membrane Electrode Assembly: MEA)를 구비하고 있다.

애노드 촉매층(52) 및 캐소드 촉매층(54)에 함유되는 촉매로서는 예를 들어 Pt, Ru, Rh, Ir, Os, Pd 등의 백금족 원소의 단체, 백금족 원소를 함유하는 합금 등을 들 수 있다. 애노드 촉매층(52)에는 메탄올이나 일산화탄소에 대해서 강한 내성을 갖는 Pt-Ru나 Pt-Mo 등을 사용하는 것이 바람직하다. 캐소드 촉매층(54)에는 Pt나 Pt-Ni 등을 사용하는 것이 바람직하다. 촉매는 탄소 재료와 같은 도전성 담지체를 사용한 담지 촉매, 또는 무담지 촉매 중 어느 것어도 좋다.

전해질막(56)을 구성하는 프로톤 전도성 재료로서는 예를 들어 설폰산기를 갖는 퍼플루오로설폰산 중합체와 같은 불소계 수지[내피온(상품명, 듀폰사 제조)나 프레미온(상품명, 아사히 가라스샤 제조) 등], 설폰산기를 갖는 탄화수소계 수지, 텅스텐산이나 인텅스텐산 등의 무기물 등을 들 수 있다. 단, 프로톤 전도성의 전해질막(56)은 이들에 한정되는 것은 아니다.

애노드 촉매층(52)에 적층되는 애노드 가스 확산층(53)은 애노드 촉매층(52)에 연료를 균일하게 공급하는 역할을 수행함과 동시에, 애노드 촉매층(52)의 집전체도 겸하고 있다. 캐소드 촉매층(54)에 적층되는 캐소드 가스 확산층(55)은 캐소드 촉매층(54)에 산화제를 균일하게 공급하는 역할을 수행함과 동시에, 캐소드 촉매층(54)의 집전체도 겸하고 있다.

애노드 가스 확산층(53)에는 애노드 도전층(57)이 적층되고, 캐소드 가스 확산층(55)에는 캐소드 도전층(58)이 적층되어 있다. 이들 도전층(57, 58)은 예를 들어 금과 같은 도전성 금속재료로 이루어진 도금, 다공질막, 박막 등으로 구성되어 있다. 전해질막(56)과 애노드 도전층(57) 사이, 및 전해질막(56)과 캐소드 도전층(58) 사이에는 고무제의 O링(59, 60)이 개재되어 있고, 이들에 의해 연료 전지셀(MEA)(2)로부터의 연료 누출이나 산화제 누출을 방지하고 있다.

연료 탱크 등의 연료 수용부(3)의 내부에는 액체 연료(F)로서 메탄올 연료가 충전되어 있다. 연료 수용부(3)는 액체 연료(F)를 수용하는 상자 형상 용기를 구비하고, 상기 상자 형상 용기의 애노드(연료극)과 대향하는 면이 개구되어 있다. 연료 수용부(3)의 개구부와 연료 전지셀(22) 사이에는 기체 선택 투과막(51)이 설치되어 있다. 기체 선택 투과막(51)은 액체 연료(F)의 기화 성분만을 투과하고, 액체 성분은 투과시키지 않는 기액 분리막이다.

기체 선택 투과막(51)의 구성 재료로서는 예를 들어 폴리테트라플루오로에틸렌과 같은 불소 수지를 들 수 있다. 연료 전지셀(2)에는 액체 연료(F)의 기화 성분만이 기체 선택 투과막(51)를 통하여 공급된다. 액체 연료(F)의 기화 성분이라는 것은 액체 연료(F)로서 메탄올 수용액을 사용한 경우에는 메탄올의 기화 성분과 물의 기화 성분으로 이루어진 혼합기, 순메탄올을 사용한 경우에는 메탄올의 기화 성분을 의미한다.

캐소드 도전층(58) 상에는 보습층(61)이 적층되어 있고, 그 위에는 표면층(62)이 적층되어 있다. 표면층(62)은 산화제인 공기의 취입량을 조정하는 기능을 갖고, 그 조정은 표면층(62)에 형성된 공기 도입구(63)의 갯수나 크기 등에 의해 실시한다. 보습층(61)은 캐소드 촉매층(54)에서 생성되는 물의 일부가 함침되어 물의 증산을 억제하는 역할을 수행하고 또한, 캐소드 가스 확산층(55)에 산화제를 균일하게 도입하고, 캐소드 촉매층(54)으로의 산화제의 균일 확산을 촉진하는 기능을 구비하고 있다. 보습층(61)은 다공질 구조의 부재로 구성된다. 구체적인 구성 재료로서는 폴리에틸렌이나 폴리프로필렌의 다공질체 등을 들 수 있다.

연료 수용부(3) 상에는 기체 선택 투과막(51), 연료전지셀(2), 보습층(61), 표면층(62)이 차례로 적층되고, 또한 그 위로부터 예를 들어 스텐리스제의 커버(64)가 부착되어 있다. 커버(64)로 구성 요소 전체를 유지함으로써, 상기 실시 형태의 내부 기화형 DMFC(연료 전지 본체)(4)가 구성되어 있다. 커버(64)에는 표면층(62)에 형성된 공기 도입구(63)와 대응하는 부분에 개구가 설치되어 있다.

연료 수용부(3)에는 커버(64)의 조(爪)(64a)를 받는 테라스(65)가 설치되어 있다. 상기 테라스(65)에 조(64a)를 크림프(crimp)함으로써, 연료 전지 본체(4) 전체를 커버(64)로 일체적으로 유지하고 있다. 또한, 도 10에서는 도시를 생략했지만, 도 1에 도시한 바와 같이 연료 수용부(3)의 하면측에는 소켓부(6)를 갖는 연료 공급부(7)가 설치되어 있다.

상술한 바와 같은 구성을 갖는 내부 기화형 DMFC(연료 전지 본체)(4)에서는 연료 수용부(3) 내의 액체 연료(F)(예를 들어 메탄올 수용액)이 기화되고, 상기 기화 성분이 기체 선택 투과막(51)을 투과하여 연료 전지셀(2)에 공급된다. 연료 전지셀(2) 내에서 액체 연료(F)의 기화 성분은 애노드 가스 확산층(53)에서 확산되어 애노드 촉매층(52)에 공급된다. 애노드 촉매층(52)에 공급된 기화 성분은 하기 화학식 4에 나타낸 메탄올의 내부 개질 반응을 일으킨다.

또한, 액체 연료(F)로서 순메탄올을 사용한 경우에는 연료 수용부(3)로부터 수증기가 공급되지 않으므로, 캐소드 촉매층(54)에서 생성한 물이나 전해질막(56) 중의 물을 메탄올과 반응시켜 화학식 4의 내부 개질 반응을 일으킨다. 또는, 화학식 4의 내부 개질 반응에 따르지 않고, 물을 필요로 하지 않는 다른 반응 기구에 의해 내부 개질 반응을 일으키지 않는다.

내부 개질 반응에서 생성된 프로톤(H⁺)은 전해질막(56)을 전도하여, 캐소드 촉매층(54)에 도달한다. 표면층(62)의 공기 도입구(63)로부터 취입된 공기(산화제)는 보습층(61), 캐소드 도전층(58), 캐소드 가스 확산층(55)을 확산하여, 캐소드 촉매층(54)에 공급된다. 캐소드 촉매층(54)에 공급된 공기는 다음 화학식 5에 도시한 반응을 일으킨다. 상기 반응에 의해, 물의 생성을 수반하는 발전 반응이 일어난다.

상술한 반응에 기초하는 발전 반응이 진행됨에 따라서, 연료 수용부(3) 내의 액체 연료(F)(예를 들어 메탄올 수용액이나 순메탄올)는 소비된다. 연료 수용부(3) 내의 액체 연료(F)가 비게 되면 발전 반응일 정지되므로, 그 시점에서 또는 그 이전의 시점에서 연료 수용부(3) 내에 연료 카트리지(5)로부터 액체 연료를 공급한다. 연료 카트리지(5)로부터의 액체 연료의 공급은 전술한 바와 같이 연료 카트리지(5)측의 노즐부(9)를 연료 전지 본체(4) 측의 소켓부(6)에 삽입하여 접속함으로써 실시된다.

본 발명은 소형화가 진행되고 있는 내부 기화형 등의 패시브형 DMFC에 적합하다. 단, 본 발명의 커플러 및 연료 전지는 액체 연료를 연료 카트리지에 의해 공급하는 연료 전지이면 그 방식이나 기구 등에 전혀 한정되는 것은 아니다. 그와 같은 커플러 및 연료 전지도 본 발명에 포함되는 것이다. 또한, 본 발명의 실시 형태는 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 확장 또는 변경할 수 있고, 상기 확장, 변경된 실시 형태도 본 발명의 기술적 범위에 포함되는 것이다.

본 발명의 형태에 관한 연료 전지용 커플러에 의하면, 연료 전지 본체에 접속된 연료 카트리지에 굽힘 하중이 가해졌을 때, 노즐부를 변형시켜 소켓부로부터 이탈시킬 수 있다. 본 발명의 다른 형태에 관한 연료 전지용 커플러에 의하면, 연료 전지 본체에 접속된 연료 카트리지에 굽힘 하중이 가해졌을 때, 안내홈을 변형시킴으로써 노즐부를 소켓부로부터 이탈시킬 수 있다. 이와 같은 연료 전지용 커플러는 연료 전지와 연료 카트리지의 접속 기구로서 유효하게 이용되는 것이다.

Claims (20)

1. 연료 카트리지에 설치되고 밸브 기구를 내장하는 노즐부와,

   연료 전지 본체에 설치되고 밸브 기구를 내장하고 또한 상기 노즐부와 착탈 가능하게 접속되는 소켓부를 구비하는 연료 전지용 커플러에 있어서,

   상기 노즐부는 상기 연료 전지 본체에 접속된 상기 연료 카트리지에 굽힘 하중이 가해졌을 때, 상기 소켓부로부터 이탈하도록 변형되는 수지 부품을 갖는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 커플러.
2. 제 1 항에 있어서

   상기 노즐부는 상기 수지 부품이 상기 굽힘 하중에 대해서 탄성 변형함으로써 상기 소켓부로부터 이탈하는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 커플러.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 수지 부품은 JIS K7171에 기초하는 굽힘 탄성률이 1800 ㎫ 이하의 수지로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료 전지용 커플러.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 수지 부품은 JIS K7114에 준거하는 순메탄올의 침지 시험에서, 질량 변화율이 0.3% 이하, 길이 변화율이 0.5% 이하, 두께 변화율이 0.5% 이하의 수지로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료 전지용 커플러.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 수지 부품은 저밀도 폴리에틸렌, 고밀도 폴리에틸렌, 직쇄상 저밀도 폴리에틸렌, 가교 고밀도 폴리에틸렌, 고분자량 폴리에틸렌, 초고분자량 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 및 프로필렌 공중합체로부터 선택되는 1종 이상의 수지로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료 전지용 커플러.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 노즐부는 상기 연료 카트리지에 장착되는 노즐 헤드와, 상기 노즐 헤드 내에 배치된 상기 밸브 기구를 구비하고, 상기 노즐 헤드의 전부 또는 일부가 상기 수지 부품으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 커플러.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 노즐 헤드는 상기 연료 카트리지에 장착되는 베이스부와, 상기 베이스부로부터 돌출되도록 형성되고, 상기 소켓부에 삽입되는 삽입부를 구비하고, 상기 삽입부가 상기 수지 부품으로 구성되어 있거나 또는 상기 베이스부와 상기 삽입부가 일체화되어 상기 수지 부품으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 커플러.
8. 제 1 항에 있어서,

   상기 노즐부의 상기 밸브 기구는 분할 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 커플러.
9. 제 8 항에 있어서,

   상기 노즐부의 밸브 기구는 밸브 헤드를 갖는 밸브 본체와, 상기 밸브 본체의 선단측에 설치되고, 축방향으로 분할된 밸브 스템과, 상기 밸브 헤드를 상기 노즐부 내에 설치된 밸브 시트에 억압 부착하여 상기 노즐부 내의 연료 유로를 폐쇄 상태로 유지하는 탄성 부재를 구비하는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 커플러.
10. 제 8 항에 있어서,

    상기 노즐부의 밸브 기구는 밸브 헤드를 구비하는 밸브 본체와, 상기 밸브 본체의 선단측에 배치되고, 상기 밸브 본체와는 분할된 밸브 스템과, 상기 밸브 헤드를 상기 노즐부 내에 설치된 밸브 시트에 억압 부착되어 상기 노즐부 내의 연료 유로를 폐쇄 상태로 유지하는 탄성 부재를 구비하는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 커플러.
11. 연료 카트리지에 설치되고 밸브 기구를 내장하는 노즐부와.

    연료 전지 본체에 설치되고, 밸브 기구를 내장하고 또한 상기 노즐부와 착탈 가능하게 접속되는 소켓부와,

    상기 노즐부 또는 소켓부 중 어느 한쪽에 형성된 안내홈과,

    상기 노즐부 또는 소켓부 중 다른 쪽에 형성되고, 상기 안내홈과 걸어 맞추어져 상기 노즐부의 상기 소켓부에 대한 접속을 안내하는 키부를 구비하는 연료 전지용 커플러에 있어서,

    상기 안내홈은 수지 부품에 형성되고 또한 상기 연료 전지 본체에 접속된 상기 연료 카트리지에 굽힘 하중이 가해졌을 때, 상기 노즐부는 상기 소켓부로부터 이탈시키도록 변형되는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 커플러.
12. 제 9 항에 있어서,

    상기 노즐부는 상기 굽힘 하중에 대해서 상기 키부가 분리되도록 상기 안내홈이 소성 변형됨으로써, 상기 소켓부로부터 이탈하는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 커플러.
13. 제 11 항에 있어서,

    상기 안내홈은 JIS K7171에 기초하는 굽힘 탄성률이 1800㎫ 이하의 수지로 이루어진 상기 수지 부품으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 커플러.
14. 제 11 항에 있어서,

    상기 안내홈은 JIS K7114에 준거하는 순메탄올의 침지 시험에서, 질량 변화율이 0.3% 이하, 길이 변화율이 0.5% 이하, 두께 변화율이 0.5% 이하의 수지로 이 루어진 상기 수지 부품으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 커플러.
15. 제 11 항에 있어서,

    상기 안내홈은 저밀도 폴리에틸렌, 고밀도 폴리에틸렌, 직쇄상 저밀도 폴리에틸렌, 가교 고밀도 폴리에틸렌, 고분자량 폴리에틸렌, 고분자량 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 및 프로필렌 공중합체로부터 선택되는 1종 이상의 수지로 이루어진 상기 수지 부품으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 커플러.
16. 제 11 항에 있어서,

    상기 노즐부는 상기 연료 카트리지에 장착되는 베이스부와, 상기 베이스부로부터 돌출되도록 형성되고 상기 소켓부에 삽입되는 삽입부를 구비하고, 상기 삽입부가 상기 수지 부품으로 구성되어 있거나 또는 상기 베이스부와 상기 삽입부가 일체화되어 상기 수지 부품으로 구성된 노즐 헤드를 구비하고, 상기 안내홈은 상기 삽입부에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 커플러.
17. 연료 전지용 액체 연료를 수용하는 카트리지 본체와, 상기 카트리지 본체에 설치된 노즐부를 구비하는 연료 카트리지와,

    상기 노즐부와 착탈 가능하게 접속되는 소켓부를 구비하는 연료 수용부와, 상기 연료 수용부로부터 상기 액체 연료가 공급되어 발전 동작하는 기전부를 구비하는 연료 전지 본체를 구비하는 연료 전지에 있어서,

    상기 노즐부 및 상기 소켓부는 청구항 1에 기재된 연료 전지용 커플러로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
18. 제 17 항에 있어서,

    상기 기전부는 연료극과 산화제극과 상기 연료극과 상기 산화제극으로 협지된 전해질막을 구비하고, 또한 상기 연료 수용부와 상기 기전부 사이에 상기 액체 연료의 기화 성분을 상기 연료극에 공급하는 기체 선택 투과막이 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
19. 연료 전지용 액체 연료를 수용하는 카트리지 본체와, 상기 카트리지 본체에 설치된 노즐부를 구비하는 연료 카트리지와,

    상기 노즐부와 착탈 가능하게 접속되는 소켓부를 구비하는 연료 수용부와, 상기 연료 수용부로부터 상기 액체 연료가 공급되어 발전 동작하는 기전부를 구비하는 연료 전지 본체를 구비하는 연료 전지에 있어서,

    상기 노즐부 및 상기 소켓부는 청구항 11에 기재된 연료 전지용 커플러로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
20. 제 19 항에 있어서,

    상기 기전부는 연료극와 산화제극과 상기 연료극과 상기 산화제극으로 협지된 전해질막을 구비하고 또한 상기 연료 수용부와 상기 기전부 사이에 상기 액체 연료의 기화 성분을 상기 연료극에 공급하는 기체 선택 투과막이 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지.

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