KR20070107176A - 연료 전지의 액체 주입 장치, 연료 전지와 연료 카트리지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료 전지의 액체 주입 장치, 연료 전지와 연료 카트리지에 관한 것으로서, 주입구부(20, 20A, 20B) 또는 카트리지 노즐(6, 6A, 6B) 중 어느 한쪽에 설치된 돌기(30, 62, 63)와, 돌기를 끼워맞출 수 있도록 주입구부 또는 카트리지 중 어느 한쪽에 형성되고, 카트리지 노즐을 주입구부에 삽입할 때 돌기가 끼워맞춰지고, 또 카트리지 노즐을 축방향으로 압입할 때 돌기를 안내하는 홈(6g, 32, 33)을 구비하는 것을 특징으로 한다.

Description

연료 전지의 액체 주입 장치, 연료 전지와 연료 카트리지{LIQUID FILLING DEVICE FOR FUEL CELL, FUEL CELL, AND FUEL CARTRIDGE}

본 발명은 휴대전화, 휴대오디오, 노트북, 휴대 게임기 등의 모바일 기기의 내장 전원으로서 이용되는 소형 연료 전지에 카트리지로부터 고농도 메탄올 등의 액체 연료를 안전하게 주입하기 위한 연료 전지의 액체 주입 장치, 연료 전지와 연료 카트리지에 관한 것이다.

휴대전화 등의 전원으로서 고체 전해질형 연료 전지가 주목받고 있고, 그 실용화를 향해 개발이 급피치로 진행되고 있다. 개발 컨셉으로서 소형이며 평면 형상이고, 소량의 연료 소비로 고출력을 취출할 수 있으며, 사용자가 어디까지나 용이하게 입수할 수 있는 카트리지를 이용하여 특정 제조업체에 한정되지 않고 각 회사 제품의 전지 본체에 액체 연료를 간단한 조작으로 보급할 수 있는, 이른바 호환성을 갖는 것이 예로 들어져 있다. 고출력을 취출하기 위해 발전 효율이 높은 연료를 사용할 필요가 있고, 가장 유력한 것으로서 고농도 메탄올액이 착안되어 있다. 예를 들면 일본 특허공보 제3413111호에는 고농도 메탄올을 연료로 하는 연료 전지가 제안되어 있다.

고농도 메탄올액을 연료로서 사용할 경우는 계(系)를 개방하지 않고 폐쇄형 으로 하고, 연료 펌프, 송기 펌프, 연료 농도 센서 등의 각종 보조 기구를 내장시켜 연료가 전지 내부에서만 소비되도록 할 필요가 있다. 고농도 메탄올은 저비점이므로 용이하게 휘발 증산하고, 이 증기를 인간이 흡입할 우려가 있어 안전 위생상의 관점에서 외기로 노출할 수 없기 때문이다.

특히 1개의 카트리지로 복수의 기기에 사용될 가능성이 높은 사테라이트형 카트리지에 있어서 호환성의 유지와 오사용의 방지가 중요한 과제로 되어 있다.

그러나, 사용 중에 연료 전지 내의 탱크가 비게 되고, 카트리지로부터 액체 연료를 연료 전지 탱크에 보급하는 경우는 카트리지의 액체 토출구를 개방하거나 전지 본체의 주입구부를 개방하므로 일시적이라고 해도 계가 개방되어 고농도 메탄올이 외부로 새어나갈 우려가 있다. 상기와 같이 고농도 메탄올은 안전 위생상의 관점에서 연료 보급 시에도 절대로 외부로 누출해서는 안된다. 연료를 보급하는 조작은 사용자가 실시하므로 누가 조작해도 액체 누출을 발생시키지 않고 안전 확실하게 연료를 보급할 수 있는 것이 요청되고 있다.

본 발명은 상기 과제를 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 호환성이 있고, 간단한 조작에 의해 액체 누출을 발생시키지 않아 고농도 메탄올액 등의 액체를 연료 전지에 안전하게 주입할 수 있는 연료 전지의 액체 주입 장치, 연료 전지와 연료 카트리지를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 따른 연료 전지의 액체 주입 장치는 연료 전지 본체의 주입구부에 카트리지 노즐을 삽입하고, 상기 노즐을 압입(壓入)하여 상기 노즐의 밸브 및 주입구부의 밸브를 모두 개방하고, 카트리지로부터 상기 노즐 및 주입구부를 통해 연료 전지 내에 액체를 주입하는 연료 전지의 액체 주입 장치에 있어서, 상기 주입구부 또는 상기 카트리지 노즐 중 어느 한쪽에 설치된 돌기와, 상기 돌기를 끼워맞출 수 있도록 상기 주입구부 또는 상기 카트리지 노즐 중 어느 한쪽에 형성되고, 상기 카트리지 노즐을 상기 주입구부에 삽입할 때 상기 돌기가 끼워맞춰지고, 또한 상기 카트리지 노즐을 축 방향으로 압입할 때 상기 돌기를 안내하는 홈을 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 연료 전지는 액체 연료의 보급을 위해 연료 카트리지의 노즐이 삽입되는 주입구부를 갖는 연료 전지에 있어서, 상기 주입구부를 규정하는 내주벽에 설치되고, 상기 연료 카트리지의 노즐을 상기 주입구부에 삽입할 때 상기 노즐의 외주와 끼워 맞춘 상태가 되고, 또한 상기 노즐을 축 방향으로 압입하면 상기 노즐을 안내하는 바이오네트 커플러 요소를 갖는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 연료 카트리지는 액체 연료의 보급을 위해 연료 전지의 주입구부에 삽입되는 노즐을 구비한 연료 카트리지에 있어서, 상기 노즐의 외주벽에 설치되고, 상기 노즐을 상기 연료 전지의 주입구부측에 삽입할 때 상기 주입구부의 내주와 끼워 맞춘 상태가 되고, 또한 상기 노즐을 축방향으로 압입하면 상기 주입구부로 안내되는 바이오네트 커플러 요소를 갖는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서는 카트리지 노즐의 돌기 또는 홈의 수, 형상, 위치 중 한개 이상을 다르게 함으로써 내부에 수용된 액체가 각각 특정되고, 상기 카트리지를 상호 식별 가능하게 하고 있다. 예를 들면 돌기 또는 홈의 수, 형상, 위치에 기초하여 카트리지 내에 수용된 액체의 종류 및 농도를 식별할 수 있다. 구체적으로는 돌기 또는 홈의 형상을 다르게 하는 수단으로서 단수 또는 복수의 돌기 또는 홈의 둘레 방향의 폭을 바꿀 수 있다(도 19A~도 26D 참조). 또한, 돌기 또는 홈의 위치를 다르게 하는 수단으로서 복수의 돌기 또는 홈을 카트리지 노즐의 중심축에 대해 대칭 배치(도 21A~도 21C, 도 22A~도 22C, 도 25A~도 25D, 도 26A~도 26D 참조) 또는 비대칭 배치(도 23A~도 23D, 도 24A~도 24D 참조)로 할 수 있다.

카트리지 노즐을 수컷형으로 하고, 전지 본체의 주입구부를 암컷형으로 하는 조합으로 해도 좋고(도 1~도 5 참조), 이와는 반대로 카트리지 노즐을 암컷형으로 하고, 전지 본체의 주입구를 수컷형으로 해도 좋다(도 17, 도 18 참조). 수컷형 카트리지 노즐은 그 외관에서 돌기 또는 홈을 용이하게 식별할 수 있지만, 외주에 노출되어 있으므로 구조적으로 약한 면이 있다. 특히 돌기를 수컷형 카트리지 노즐에 설치할 경우는 다른 부재에 충돌하여 접히지 않도록 하기 위해 금속제로 하는 등 강도 보상을 할 필요가 있다. 암컷형 카트리지 노즐은 돌기 또는 홈을 내주에 설치하므로 전체로서 견고해지고, 수지로 만들어도 강도상의 문제는 발생하지 않지만, 그 외관으로부터 돌기 또는 홈을 식별하기 어려워진다. 특히 홈을 암컷형 카트리지 노즐에 설치할 경우는 그 식별이 곤란해진다. 따라서, 수컷형 카트리지 노즐에는 홈을 설치하고, 암컷형 카트리지 노즐에는 돌기를 설시하는 것이 바람직하다.

본 발명에서는 홈과 돌기는 전지 본체측과 카트리지측의 어느 측에도 설치할 수 있지만, 돌기를 전지 본체측의 주입구부의 내주에 설치하고, 홈을 카트리지측의 노즐 외주에 형성하는 것이 가장 바람직하다(도 7A~도 10B 참조). 주입구부 내주의 돌기는 바깥쪽으로 돌출되어 있지 않으므로 카트리지 노즐 외주의 돌기에 비해 접히거나 흠이 날 우려가 적고, 손상을 받기 어렵기 때문이다.

홈은 돌기를 축 방향으로 안내하고, 또한 카트리지 노즐이 주입구부에 로크되도록 돌기를 둘레 방향으로 변위시켜 안내하는 로크 기능을 구비하는 것이 바람직하다. 액체를 주입할 때 노즐이 주입구부로부터 벗겨질 우려가 없어져 안전하고 확실하게 액체를 연료 전지에 주입할 수 있기 때문이다.

또한, 본 발명에서는 홈의 종단 근방에서 홈의 내주벽으로부터 돌출되고, 홈을 따라서 안내되는 돌기가 타고 넘어갈 수 있는 소돌기(포치부)를 추가로 구비하는 것이 바람직하다(도 7A, 도 9 참조). 이와 같이 하여 끼워맞춤이 용이하게 벗겨지지 않게 되고, 또한 조작자는 캡과 병의 끼워맞춤과 같이 소돌기를 거는 클릭감(로크감)을 손끝에 느낄 수 있어 접속 조작이 완료된 것을 실감할 수 있는 이점이 있다.

또한, 주입구부 및 카트리지 노즐이 액체에 접촉하는 접액부를 수지로 만들고, 주입구 및 카트리지 노즐이 액체에 접촉하지 않는 비접액부를 수지 보다도 단단한 재료로 만들도록 하는 것이 바람직하다. 접액부는 고농도 메탄올에 접촉하여 팽윤이나 크랙 등을 발생시키지 않는 경질의 수지 또는 플라스틱, 예를 들면 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리페닐렌설파이드(PPS), 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 액정 폴리머(LCP), 폴리아세탈(POM) 중 어느 하나로 형성하는 것이 바람직하다.

고농도 메탄올액이 접촉하는 부분에 금속 재료를 이용하면 메탄올액 중에 용해된 양이온이 전지 성능에 악영향을 주는 것으로, 접액 부분에는 비금속인 수지 재료를 이용한다. 한편, 비접액부는 고농도 메탄올에 대해 내식성을 가진 금속 또는 합금, 예를 들면 오스테나이트계 스테인레스강(SUS304 등), 티탄 또는 티탄 합금, 니켈 합금, 니켈 크롬 합금, 니켈 크롬 몰리브덴 합금, 알루미늄 합금 등을 이용하여 제조할 수 있다. 또는 철, 구리 등의 가공성이 우수한 재료로 가공 후, 수지는 내식성이 높은 금속으로 코팅하는 것도 가능하다. 특히, 돌기를 비접액부에 설치함으로써 돌기를 금속 재료로 제조하는 것이 가능해진다. 이 때문에 돌기의 강도를 향상시키는 것이 가능해지고, 카트리지(노즐)의 반복 착탈에 대해서도 우수한 내구성을 갖는 것이 가능하다.

홈은 주입구부 또는 카트리지 노즐에서 축심 배분 배치된 복수의 홈으로 이루어지고, 주입구부의 내주 또는 카트리지 노즐의 외주를 따라서 종단이 시단에 대해 둘레 방향으로 45°∼90° 회전 변위하는 것이 바람직하다. 홈의 수는 2개 또는 3개로 하는 것이 바람직하지만, 1개라도 좋고 또 4개로 할 수도 있다. 또한, 홈은 측방으로부터의 2차원 투영면의 형상이 L자, 역L자, J자, 역J자, 사행 직선(스파이럴리니어) 중 어느 하나가 바람직하다(도 12A, 도 12B, 도 14A, 도 14B 참조). 이와 같이 하면 연료 주입 중에 카트리지가 주입구부로부터 용이하게 빠지기 어려워져 안전성이 증대되고, 또한 홈/돌기간의 시일성이 손상되기 어려워져 액체 누출 방지 효과가 향상된다.

또한, 주입구부는 돌기 또는 홈 보다도 후방에 설치되고, 카트리지 노즐을 주입구부의 삽입할 때 노즐의 선단부가 접촉하고, 또한 노즐을 축 방향으로 압입할 때 시일성을 유지하면서 탄성 변형하는 탄성체 홀더를 갖는 것이 바람직하다(도 1~도 5, 도 17, 도 18 참조). 탄성체 홀더는 각종 경도의 열가소성 합성 고무나 엘라스토머로 제조할 수 있다. 노즐의 압입에 의해 탄성체 홀더가 탄성 변형되어 노즐 선단부와의 시일이 도모된 후에 카트리지 노즐측의 밸브 및 전지 본체측 주입구부의 밸브가 모두 개방되고, 카트리지측으로부터 전지 본체측으로 액체 연료를 통류(通流)할 수 있게 된다. 이 탄성체 홀더는 그 형상을 노즐의 압입에 의해 압축될 때, 유로를 확보하기 위해 자바라 형상으로 하고, 액체가 통류 가능한 형상을 유지하면서 탄성 변형되도록 구성하는 것이 바람직하다(도 6A, 도 6B 참조).

또한, 카트리지 노즐측의 밸브와 전지 본체측 주입구부의 밸브 중 어느 하나가 먼저 개방되거나, 즉 밸브의 개폐 순서에 관해서는 각각의 밸브 본체를 힘을 가하고 있는 압축 스프링의 스프링 계수의 대소에 의존하고 있다. 카트리지 노즐측의 압축 스프링의 스프링 계수가 전지 본체측의 스프링 계수보다 큰 경우는 전지 본체측의 밸브가 먼저 개방되고, 카트리지측의 밸브가 나중에 개방된다. 한편, 전지 본체측의 압축 스프링의 스프링 계수가 카트리지 노즐측 스프링의 스프링 계수 보다 큰 경우는 카트리지 노즐측의 밸브가 먼저 개방되고, 전지 본체측의 밸브가 나중에 개방된다.

또한, 본 발명에서는 추가로 카트리지 노즐의 밸브의 밸브 본체에 형성된 테이퍼 형상의 유지 홈과, 상기 유지 홈에 의해 유지된 이형 단면의 시일링을 구비한 것이 바람직하다(도 16~도 18 참조). 이와 같은 형상으로 함으로써 시일링이 밸브 본체로부터 용이하게 탈락되지 않게 된다.

카트리지 노즐의 밸브의 밸브 본체의 일부로서 카트리지 노즐의 유로 내에 배치되고, 볼록 형상 또는 오목 형상의 선단부를 가진 제 1 니들과, 주입구부의 밸브의 밸브 본체의 일부로서 주입구부의 유로 내에 배치되고, 제 1 니들의 선단부에 끼워 맞춰지는 오목 형상 또는 볼록 형상의 선단부를 가진 제 2 니들을 구비하는 것이 바람직하다(도 1, 도 2, 도 17, 도 18 참조). 본 발명의 액체 주입 장치에서는 액체 및 증기 누출 방지를 위해 카트리지 노즐의 유로 및 전지 본체 주입구부의 유로를 모두 가능한 한 좁게 하고, 이들 좁은 유로 내에 가늘고 긴 바늘 형상의 니들을 각각 삽입한 구조를 채용하고 있다. 이 때문에 니들 선단부 끼리의 접촉 면적이 작고, 노즐 압입 시에 양 니들이 오프셋되기 쉽다. 오프셋한 상태로 압입을 계속해도 유로를 확보할 수 없는 경우가 있다. 따라서, 한쪽측의 니들의 선단부를 볼록 형상으로 하고, 다른쪽측의 니들의 선단부를 오목 형상으로 하여 전자가 후자에 끼워 맞춰지는 구조로 함으로써 양 니들의 오프셋을 방지하여 바르게 동축(同軸)으로 동작하도록 하고 있다.

제 1 및 제 2 니들은 긴축을 따라서 연장되는 홈 형상의 오목부를 각각 구비하고, 제 1 니들의 오목부와 카트리지 노즐의 내주벽 사이에 액체의 통류를 가능하게 하는 제 1 유로를 형성하고, 제 2 니들의 오목부와 주입구부의 내주벽 사이에 액체의 통류를 가능하게 하는 제 2 유로를 형성하는 것이 바람직하다(도 15 참조). 또한, 오목부 대신에 니들에 홈을 파도록 해도 좋다. 또한, 니들의 반대측 밸브 본체로부터 연장되는 가이드핀(도 1, 도 15 참조)에도 동일한 오목부 또는 홈을 형성하는 것이 바람직하다.

도 1은 본 발명의 연료 전지의 액체 주입 장치를 도시한 내부 투시 단면도,

도 2는 카트리지 노즐(홈을 외주에 갖는 수컷형)을 연료 전지의 주입구부(돌기를 내주에 갖는 암컷형)에 삽입한 제 1 단계의 액체 주입 장치를 도시한 내부 투시 단면도,

도 3은 카트리지 노즐을 연료 전지의 주입구부에 압입할 때의 제 2 단계의 액체 주입 장치를 도시한 내부 투시 단면도,

도 4는 카트리지 노즐을 연료 전지의 주입구부에 더 압입할 때의 제 3 단계의 액체 주입 장치를 도시한 내부 투시 단면도,

도 5는 카트리지 노즐을 연료 전지의 주입구부에 더 압입할 때의 제 4 단계의 액체 주입 장치를 도시한 내부 투시 단면도,

도 6A는 탄성체 홀더의 외관도,

도 6B는 탄성체 홀더의 단면도,

도 7A는 카트리지 노즐의 평면도,

도 7B는 도 7A의 카트리지 노즐의 측면도,

도 8은 카트리지 노즐의 횡단면도,

도 9는 카트리지 노즐의 외주면에 형성된 홈의 확대 단면도,

도 10A는 연료 전지 탱크측의 주입구부의 평면 단면도,

도 10B는 도 10A의 주입구부의 종단면도,

도 11A는 다른 실시형태의 카트리지 노즐(돌기를 외주에 갖는 수컷형)의 평면도,

도 11B는 도 11A의 카트리지 노즐의 측면도,

도 12A는 다른 실시형태의 연료 전지측의 주입구부(홈을 내주에 갖는 암컷형)의 평면도,

도 12B는 도 12A의 주입구부의 종단면도,

도 13A는 다른 실시형태의 카트리지 노즐(돌기를 외주에 갖는 수컷형)의 평면도,

도 13B는 도 13A의 카트리지 노즐의 측면도,

도 14A는 다른 실시형태의 연료 전지측의 주입구부(홈을 내주에 갖는 암컷형)의 평면도,

도 14B는 도 14A의 주입구부의 종단면도,

도 15는 커플러 밸브의 니들부의 단면도,

도 16은 다른 실시형태의 카트리지의 밸브 부분을 확대하여 도시한 주요부 확대 단면도,

도 17은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 연료 전지의 액체 주입 장치를 도시한 내부 투시 단면도,

도 18은 카트리지 노즐을 연료 전지의 주입구부에 접속하여 액체의 주입이 가능한 상태가 되었을 때의 다른 실시형태의 액체 주입 장치를 도시한 내부 투시 단면도,

도 19A는 돌기를 내주에 갖는 전지 본체측 커플러(암컷형 주입구부)를 도시한 평면 단면도,

도 19B는 돌기를 내주에 갖는 전지 본체측 커플러(암컷형 주입구부)를 도시한 평면 단면도,

도 19C는 돌기를 외주에 갖는 카트리지측 커플러(수컷형 카트리지 노즐)를 도시한 평면 단면도,

도 19D는 돌기를 외주에 갖는 카트리지측 커플러(수컷형 카트리지 노즐)를 도시한 평면 단면도,

도 20A는 홈을 외주에 갖는 전지 본체측 커플러(수컷형 주입구부)를 도시한 평면 단면도,

도 20B는 홈을 외주에 갖는 전지 본체측 커플러(수컷형 주입구부)를 도시한 평면 단면도,

도 20C는 돌기를 내주에 갖는 카트리지측 커플러(암컷형 카트리지 노즐)를 도시한 평면 단면도,

도 20D는 돌기를 내주에 갖는 카트리지측 커플러(암컷형 카트리지 노즐)를 도시한 평면 단면도,

도 21A는 좌우 대칭 배치한 한쌍의 돌기를 내주에 갖는 전지 본체측 커플러를 도시한 평면 단면도,

도 21B는 좌우 대칭 배치한 한쌍의 돌기를 내주에 갖는 전지 본체측 커플러를 도시한 평면 단면도,

도 21C는 좌우 대칭 배치한 한쌍의 돌기를 내주에 갖는 전지 본체측 커플러를 도시한 평면 단면도,

도 22A는 좌우 대칭 배치한 한쌍의 홈을 외주에 갖는 카트리지측 커플러를 도시한 평면 단면도,

도 22B는 좌우 대칭 배치한 한쌍의 홈을 외주에 갖는 카트리지측 커플러를 도시한 평면 단면도,

도 22C는 좌우 대칭 배치한 한쌍의 홈을 외주에 갖는 카트리지측 커플러를 도시한 평면 단면도,

도 23A는 비대칭 배치한 한쌍의 돌기를 내주에 갖는 전지 본체측 커플러를 도시한 평면 단면도,

도 23B는 비대칭 배치한 한쌍의 돌기를 내주에 갖는 전지 본체측 커플러를 도시한 평면 단면도,

도 23C는 비대칭 배치한 한쌍의 돌기를 내주에 갖는 전지 본체측 커플러를 도시한 평면 단면도,

도 23D는 비대칭 배치한 한쌍의 돌기를 내주에 갖는 전지 본체측 커플러를 도시한 평면 단면도,

도 24A는 비대칭 배치한 한쌍의 홈을 외주에 갖는 카트리지측 커플러를 도시한 평면 단면도,

도 24B는 비대칭 배치한 한쌍의 홈을 외주에 갖는 카트리지측 커플러를 도시한 평면 단면도,

도 24C는 비대칭 배치한 한쌍의 홈을 외주에 갖는 카트리지측 커플러를 도시한 평면 단면도,

도 24D는 비대칭 배치한 한쌍의 홈을 외주에 갖는 카트리지측 커플러를 도시한 평면 단면도,

도 25A는 대칭 배치한 3개의 돌기를 내주에 갖는 전지 본체측 커플러를 도시한 평면 단면도,

도 25B는 대칭 배치한 3개의 돌기를 내주에 갖는 전지 본체측 커플러를 도시한 평면 단면도,

도 25C는 대칭 배치한 3개의 돌기를 내주에 갖는 전지 본체측 커플러를 도시한 평면 단면도,

도 25D는 대칭 배치한 3개의 돌기를 내주에 갖는 전지 본체측 커플러를 도시한 평면 단면도,

도 26A는 대칭 배치한 3개의 홈을 외주에 갖는 카트리지측 커플러를 도시한 평면 단면도,

도 26B는 대칭 배치한 3개의 홈을 외주에 갖는 카트리지측 커플러를 도시한 평면 단면도,

도 26C는 대칭 배치한 3개의 홈을 외주에 갖는 카트리지측 커플러를 도시한 평면 단면도, 및

도 26D는 대칭 배치한 3개의 돌기를 외주에 갖는 카트리지측 커플러를 도시한 평면 단면도이다.

(발명을 실시하기 위한 가장 좋은 형태)

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 실시하기 위한 가장 좋은 형태를 설명한다.

본 발명의 연료 전지의 액체 주입 장치는 도 1에 도시한 바와 같이 카트리지(1)와 연료 전지 본체(100)측의 주입구부(20)를 조합하여 구성된 것이며, 도 2~도 5에 도시한 바와 같이 카트리지측 커플러로서의 카트리지 노즐(6)을 본체측 커플러로서의 주입구부의 액체 받이구(20a)에 삽입하여 액체 연료로서의 고농도 메탄올액을 연료 전지 본체 내의 탱크(도시하지 않음)에 공급하도록 되어 있다.

카트리지(1)는 액체 연료로서의 고농도 메탄올이 수용된 액체 저장 공간(3)을 규정하는 용기(2), 용기(2)의 일단측에 형성된 개구부(2a)를 둘러싸도록 장착된 카트리지 베이스(4) 및 용기 개구부(2a)에 설치된 카트리지 노즐(6)을 구비하고 있다. 용기(2)는 원통 형상, 방추 형상, 편평한 통 형상 또는 각통 형상 등 여러 가지 형상으로 할 수 있다. 카트리지 베이스(4)와 카트리지 노즐(6)은 일체 성형된 성형품이고, 카트리지 노즐(6)은 카트리지 베이스(4)로부터 바깥쪽으로 연장되어 있다. 이 베이스(4)/노즐(6)의 일체 성형품과 용기 개구부(2a)와 중간 마개(7)의 사이는 단면이 コ자 형상인 고무 패킹(5)으로 시일되어 있다.

카트리지 노즐(6)은 노즐 본체(6b), 밸브(8), 중간 마개(7), 압축 스프링(10) 및 시일링(11)을 구비하고 있다. 노즐 본체(6b)의 외주에는 바이오네트 커플러 요소로서의 홈(60)이 파져 있다. 노즐 본체(6b)의 내부 유로에는 밸브(8)의 니들(밸브 스템)(8b)이 삽입되어 있다. 중간 마개(7)는 밸브(8)의 밸브 본체(8f)를 둘러싸고, 밸브실 공간(9)을 규정하고 있다. 압축 스프링(10)은 밸브 본체(8f)를 밸브 시트(4a)쪽으로 힘을 가하고 있다. 시일링(11)은 밸브 본체(8f)의 유지 홈(8h)에 유지되고, 압축 스프링(10)의 부세력에 의해 밸브 시트(4a)에 압압되어 있다. 시일링(11)을 밸브 시트(4a)로부터 강제적으로 분리하면 액체 유입구(6c)가 개방되어 액체가 액체 토출구(6a)를 향해 흐르도록 되어 있다.

중간 마개(7)는 그 형상이 모자 형상 또는 컵 형상을 이루고, 플랜지(7b)가 고무 패킹(5)을 통해 카트리지 베이스(4)에 착탈 가능하게 유지되어 있다. 중간 마개(7)는 얇은 수지(예를 들면 PEEK)로 이루어지고, 어느 정도의 가요성을 가진 다. 이를 조립할 경우는 밸브(8)를 중간 마개(7) 내에 조립하고, 카트리지 베이스(4)에 접착된 고무 패킹(5)에 중간 마개(7)의 플랜지(7b)를 끼워 넣고, 카트리지 베이스(4)를 용기 개구(2a)에 접착하거나 및/또는 코킹(caulking)하거나 및/또는 나사로 결합한다.

밸브(8)는 밸브 본체(8f), 니들(밸브 스템)(8b) 및 가이드핀(8a)을 구비하고 있다. 밸브 본체(8f)의 전단부(도면중에서 하측)에는 유지 홈(8h)이 형성되고, 이 유지 홈(8h)에 의해 시일링(11)이 유지되어 있다. 니들(8b)은 밸브 본체(8f)의 전단측(도면중에서 하측)으로부터 바늘 형상 또는 막대 형상으로 연장되어 있다. 니들(8b)은 밸브 스템으로서 기능하고, 노즐(6)의 유로 내에 승강 가능하게 삽입되어 있다. 니들(8b)의 길이는 노즐(6)의 유로의 전체 길이에 거의 필적하는 정도이다. 단, 카트리지(1)를 전지 본체(100)에 접속하지 않는 미사용 상태에서는 니들의 선 단(8c)이 노즐의 액체 토출구(6a)로부터 조금 들어갈 정도의 길이로 하는 것이 바람직하다. 니들 선단(8c)의 손상을 회피하고, 또한 액체 토출구(6a)로부터 노즐 유로 내에 티끌 등의 이물질이 침입하는 것을 방지, 또는 잘못해서 밸브가 개방되는 것을 방지하는 효과가 있기 때문이다.

가이드핀(8a)은 밸브 본체(8f)의 후단부(도면중에서 상측)에서 용기(2)로 연장되고, 중간 마개(7)의 상부 중앙의 구멍(7c)을 통해 용기측의 액체 저장 공간(3) 내로 돌출되어 있다. 중간 마개의 상판(7a)에는 복수의 연통 구멍(7d)이 개구되고, 연통 구멍(7c, 7d)을 통해 액체 저장 공간(3)으로부터 밸브실 공간(9) 내에 액체 연료를 유입할 수 있도록 되어 있다.

스토퍼(8d)가 밸브 본체(8f)의 후단부에 장착되고, 밸브 본체(8f)가 축방향(Z방향)으로 이동할 수 있는 상승 스트로크량이 규정되어 있다. 즉, 압축 스프링(10)의 부세력을 상회하는 힘이 밸브 본체(8f)에 부하될 때, (시일링(11)이 밸브 시트(4a)로부터 분리되어 액체 유입구(6c)가 개방되고, 밸브실 공간(9)이 노즐의 액체 토출구(6a)에 연통되지만), 밸브 본체(8f)는 무제한으로 상승되지 않고, 스토퍼(8d)가 중간 마개의 상판(7a)에 접촉한 곳에서 밸브 본체(8f)의 상승이 정지하도록 되어 있다.

압축 스프링(10)은 직경 4mm의 JIS G 4314에 정하는 스프링용 스테인레스 강선SUS 304-WPB 선재에 고농도 메탄올액에 대해 내식성을 가진 순금(순도 99.9%)을 전해 도금한 금속 재료로 이루어지고, 그 스프링 계수가 소정의 크기로 조정되어 있다. 압축 스프링(10)은 상기 외에 모재로서 스프링용 스테인레스 강선(SUS 316- WPA), 스프링용 스텐레스 강띠(SUS631J1-WPC), 스프링용 베릴륨 구리(JISG3130 C1720W), 인청동(JISG3130 C5191W), 티탄선재 등의 각종 내식 금속 재료를 이용할 수 있고, 도금 재료로서 금(Au) 외에 백금(Pt), 로듐(Rh), 단단한 산화 피막을 형성하는 티탄 도금을 이용할 수 있지만, 또한 각종 비금속 재료로 구성하는 것도 가능하다. 예를 들면, 카본, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리프로필렌(PP), 폴리카보네이트(PC) 등의 내메탄올성이 우수한 수지를 압축 스프링 선재에 이용할 수 있다. 또한, 비금속 코팅층으로서 탄소(예를 들면 다이아몬드·라이크·코팅(DLCC)), 불소 등의 수지 코팅을 이용할 수 있다. 이와 같이 하면 고농도 메탄올액에 접액하는 부분으로부터 금속성 양이온이 용해되지 않아 양이온의 혼입에 의한 전지 특성의 열화가 방지된다. 또한, 압축 스프링(10)의 일단은 중간 마개의 상판(7a)의 내면에 고착되고, 타단은 밸브 본체(8f)의 소(小) 플랜지에 고착되어 있다.

시일링(11)은 고농도 메탄올액에 대해 팽윤이나 용출(溶出)이 없는 열가소성 합성 고무나 엘라스토머로 이루어지고, 단면이 원형인 오링이다. 시일링(11)은 밸브 본체(8f)의 유지 홈(8h)에 끼워 넣어져 있다.

계속해서, 연료 전지 본체측의 주입구부(2)에 대해 설명한다,.

주입구부(20)는 상부 부재(21), 중간 부재(22), 하부 부재(23), 고무 홀더(25), 밸브(26), 압축 스프링(27), 시일링(28) 및 바이오네트 커플러 요소로서의 복수의 돌기(30)를 구비하고 있다. 상부 부재(21), 중간 부재(22), 하부 부재(23)는 거의 동일 직경이고, 동축으로 접합되어 있다. 상부 부재(21)는 중간 부재(22) 의 일단측에 나사로 결합되고, 하부 부재(23)는 중간 부재(22)의 타단측에 나사로 결합되어 있다. 상부 부재(21), 중간 부재(22) 및 하부 부재(23)를 일체화한 어셈블리는 도시하지 않은 연료 전지 본체에 비틀어 넣어지고, 그 전부가 연료 전지 본체 속에 매립되어 있다. 도시하지 않은 연료 전지 본체의 내부에는 연료 탱크가 설치되고, 하부 부재(23)와 중간 부재(23)로 규정되는 밸브실 공간(29)이 구멍(23a)을 통해 연료 탱크에 연통되어 있다.

주입구부의 액체 받이구(20a)는 전지 본체(100)의 외면과 면이 일치된 곳에서 상부 부재(21)의 상단부로 개구되어 있다. 상부 부재(21)의 내주면에는 대향하는 2개의 돌기(30)가 장착되고, 각각이 액체 받이구(20a)에 돌출되어 있다. 이들 2개의 돌기(30)는 바이오네트 커플러 요소로서 기능하고, 카트리지측의 노즐 외주의 2개의 홈(60)에 각각 끼워맞출 수 있는 위치와 형상으로 형성되어 있다.

도 6A와 도 6B에 도시한 바와 같이, 탄성체 홀더로서의 고무 홀더(25)는 상부(25a)와 하부(25b) 중간에 자바라부(25c)를 구비하고 있다. 이 자바라부(25c)는 압축 변형 후에도 액체가 통류할 수 있는 유로가 확보되도록 링형상 또는 나선형상의 요철로 되어 있다. 이와 같이 하면 메탄올액이 자바라부(25c)를 통해 신속하고 원활히 통류하고, 액체가 누출되지 않고 단시간에 액체를 주입할 수 있다. 고무 홀더(25)는 고리 형상을 이루고, 그 기단부가 중간 부재(22)의 오목부에 끼워 넣어지고, 그 선단부(25a)가 액체 받이구(20a)를 향해 연장되어 있다. 고무 홀더 선단부(25a)의 직경은 카트리지 노즐(6)의 직경과 거의 동일하다. 고무 홀더(25)는 경도가 소망값의 범위로 규정된 열가소성 합성고무로 만들어져 있다. 노즐(6)이 고 무 홀더 선단부(25a)에 접촉하면 선단부(25a)가 탄성 변형(압축)되어 노즐(6)을 변위시킬 수 있도록 되어 있다.

밸브(26)는 밸브 본체(26f), 가이드핀(26a), 니들(26b), 스토퍼(26d), 압축 스프링(27), 시일링(28) 및 밸브 시트(22a)를 구비하고 있다. 압축 스프링(27)으로 힘이 가해진 밸브 본체(26f)의 시일링(28)이 밸브 시트(22a)에 눌려진 상태에서는 밸브실 공간(29)은 액체 받이구(20a)로부터 차단되어 있다. 노즐측으로부터의 압입력이 압축 스프링(27)의 부세력을 상회하면 시일링(28)이 밸브 시트(22a)로부터 분리되어 밸브실 공간(29)은 액체 받이구(20a)에 연통된다.

니들(26b)은 밸브 본체(26f)의 전단부(도면중 상측)로부터 액체 받이구(20a)를 향해 연장되어 있다. 니들(26b)의 주요부는 고무 홀더(25)에 의해 주위가 둘러싸여 있다. 니들의 선단부(26c)는 오목 형상으로 형성되고, 카트리지 노즐측 밸브의 볼록 형상 니들 선단부(8c)에 끼워 맞출 수 있도록 되어 있다. 니들(8b, 26b)끼리 접촉할 때, 접촉 면적이 작으면 오프셋된 상태에서 압입되어 유로를 확보할 수 없는 경우가 있다. 니들(8b, 26b)의 오프셋을 방지하기 위해 카트리지 노즐측의 니들 선단부(8c)를 볼록 형상으로 형성하고, 또한 주입구부측의 니들 선단부(26c)를 오목 형상으로 형성하여 양자를 확실히 걸어맞추도록 하고 있다.

가이드핀(26a)은 하부 부재(23)의 구멍(23c)을 통해 연료 탱크(도시하지 않음)로 돌출되어 있다. 스토퍼(26d)가 밸브 본체(26f)의 후단부(도면중 하측)에 설치되고, 밸브 본체(26f)가 축방향으로 이동할 수 있는 상승 스트로크량이 규정되어 있다. 즉, 압축 스프링(27)의 부세력을 상회하는 힘이 밸브 본체(26f)에 인가될 때, 시일링(28)이 밸브 시트(22a)로부터 분리되어 밸브실 공간(29)이 액체 받이구(20a)에 연통·개방되지만, 밸브 본체(26f)는 무제한으로 상승되지 않고, 스토퍼(26d)가 하부 부재(23)의 저부에 접촉하는 곳에서 밸브 본체(26f)의 상승이 정지하도록 되어 있다.

니들(8b, 26b) 및 가이드핀(8a, 26a)의 외주에는 도 15에 도시한 바와 같이 홈 형상 오목부(38)가 긴축을 따라서 형성되고, 노즐(6)의 내주벽 등과의 사이에 액체 연료가 통류할 수 있는 유로가 각각 형성되어 있다. 휴대기기용 커플러의 경우, 전체를 작게 만들 필요가 있으므로 유로를 확보하는 것이 어렵다. 이 때문에 연통 구멍(7d, 23a) 외에 이들 밸브 요소(8a, 8b, 26a, 26b)에 유로 형성형 홈 또는 오목부를 각각 형성하고, 유로의 부족을 보충하고 있다. 도 15에는 4개의 홈형상 오목부(38)를 밸브 요소(8a, 8b, 26a, 26b)에 형성한 예를 나타냈지만, 1~3개, 또는 5개 이상이라도 좋다.

용기(2), 카트리지 베이스(4), 카트리지 노즐(6), 중간 마개(7), 밸브 본체(8f, 26f), 중간 부재(22), 하부 부재(23)의 재질은 PEEK이다. 상부 부재(21) 및 링(24)의 재질은 스테인레스강(SUS304)이다. 패킹(5), 시일링(11, 28), 고무 홀더(25)의 재질은 각각 경도가 조정된 열가소성 합성 고무(EPDM 30° 50°)이다.

(제 1 실시형태)

계속해서, 도 7A~도 10B를 참조하여 제 1 실시형태의 카트리지/전지 본체·바이오네트 커플러 구조에 대해 설명한다.

제 1 실시형태에서는 홈(6g)을 수컷형 카트리지 노즐(6)의 외주에 설치하고, 돌기(30)를 전지 본체측의 암컷형 주입구부(20)의 내주에 설치하고 있다. 바이오네트 커플러 요소로서의 카트리지 노즐(6)은 도 7A, 도 7B 및 도 8에 도시한 바와 같이, 외주에 2개의 역L자 홈(60)을 구비하고 있다. 홈(60)은 도 7A에 도시한 바와 같이 돌기 삽입구가 180° 축심 배분 배치되고, 도 7B에 도시한 바와 같이 돌기 삽입구로부터 축방향으로 연장된 후에 시계 방향의 둘레 방향으로 약 90°회전 변위하는 역L자 형상(측방으로부터의 이차원 투영면의 형상)을 갖고 있다.

또한, 소돌기로 이루어진 포치부(6p)가 도 9에 도시한 바와 같이 홈의 종단(6e)의 근방 측벽에 설치되어 있다. 홈(60)을 따라서 안내되는 돌기(30)가 포치부(6p)를 타고 넘어감으로써, 조작자는 캡과 병의 끼워맞춤과 같이 소돌기를 거는 클릭감(로크감)을 손끝에 느낄 수 있고, 접속 조작이 완료된 것을 실감할 수 있다. 도면에서는 포치부(6p)를 상측의 측벽에 설치하고 있지만, 하측의 측벽에 설치해도 좋고, 또 상하 양측 벽에 설치해도 좋다.

바이오네트 커플러 요소로서의 주입구부(20)는 도 10A와 도 10B에 도시한 바와 같이 내주에 2개의 돌기(30)를 구비하고 있다. 돌기(30)는 도 10A에 도시한 바와 같이 180° 축심 배분 배치되고, 도 10B에 도시한 바와 같이 홈(60)의 돌기 삽입구(도 8 참조)에 대응하는 형상과 크기로 형성되어 있다.

홈(60)의 돌기 삽입구에 돌기(30)를 각각 끼워 맞추고, 카트리지 노즐(6)을 축방향으로 슬라이드시킨 후에 시계 방향으로 90°회전시키면 카트리지 노즐(6)과 주입구부(20)가 접속된다.

계속해서, 도 2~도 5를 참조하여 수컷형 카트리지로부터 전지 본체의 암컷형 주입구부에 액체 연료를 주입할 때의 동작에 대해 설명한다.

카트리지노즐(6)을 주입구부의 액체 받이구(20a)에 삽입하고, 주입구부측의 돌기(30)를 카트리지 노즐측의 홈(6)에 끼워 맞추고, 노즐(6)을 축방향으로 직선적으로 이동시킨 후에 둘레 방향으로의 이동을 실시한다. 이 위치에서는 도 2에 도시한 바와 같이 노즐(6)의 선단이 고무 홀더 선단부(25a)에 접촉한 상태가 된다(노즐을 2.7mm 삽입했을 때 고무 홀더 선단부(25a)에 접촉).

계속해서 노즐(6)을 축방향(및 둘레 방향)으로 조금 압입하면, 도 3에 도시한 바와 같이 고무 홀더 선단부(25a)가 탄성 변형(압축)되고, 카트리지측 밸브의 니들 선단(8c)이 주입구부측 밸브의 니들 선단(26c)에 접촉한다(고무 홀더를 0.5mm 압축했을 때 밸브의 니들 선단(8c, 26c)끼리 접촉).

또한 노즐(6)을 축방향(및 둘레 방향)으로 압입하면, 고무 홀더(25) 전체가 압축되고, 또한 압축 스프링(27)의 부세력에 저항하여 전지 본체측 밸브(26)의 밸브 본체의 전체가 압하(壓下)되고, 시일링(28)이 밸브 시트(22a)를 이탈한다. 스토퍼(26d)가 주입구부 하부 부재(23)의 저판에 접촉하는 하사점까지 압입하면, 도 4에 도시한 바와 같이 전지 본체측 밸브(26)가 완전히 개방된다(고무 홀더를 1.0mm 압축했을 때 전지 본체측 밸브(26)가 완전 개방).

또한, 노즐(6)을 축방향으로 압입하면 압축 스프링(10)의 부세력에 저항하여 카트리지측 밸브(8)의 밸브 본체 전체가 압상(押上)되고, 시일링(11)이 밸브 시트(4a)를 이탈한다. 스토퍼(8d)가 중간 마개의 상판(7a)에 접촉하는 상사점까지 압입하면 도 5에 도시한 바와 같이 카트리지측 밸브(8)가 완전히 개방된다(고무 홀 더를 1.5mm 압축했을 때 카트리지측 밸브(8)가 완전 개방).

이와 같이 하여 카트리지 노즐(7)의 압입에 의해 전지 본체측 고무 홀더(25)가 탄성 변형하여 카트리지 노즐측 밸브(8) 및 전지 본체측 밸브(26)가 모두 개방되어 카트리지측으로부터 전지 본체측으로의 액체 연료가 통류할 수 있게 된다. 또한, 카트리지측 밸브(8)와 전지 본체측 밸브(26) 중 어느 하나가 먼저 개방되거나, 즉 밸브의 개폐 순서에 관해서는 각각의 밸브 본체를 힘을 가하고 있는 압축 스프링(10, 27)의 스프링 계수의 대소에 의존하고 있다. 본 실시형태와 같이 카트리지측 압축 스프링(10)의 스프링 계수가 전지 본체측 압축 스프링(27)의 스프링 계수보다 큰 경우는 전지 본체측 밸브(26)가 먼저 개방되고, 카트리지측 밸브(8)가 나중에 개방된다. 이에 대해, 전지 본체측 압축 스프링(27)의 스프링 계수를 카트리지측 압축 스프링(10)의 스프링 계수 보다 크게 하면 카트리지측 밸브(8)가 먼저 개방되고, 전지 본체측 밸브(26)가 나중에 개방된다.

본 실시형태의 장치에 의하면 상기한 바와 같이 카트리지측 및 전지 본체측 모두 정확히 시일되어 있으므로 액체 누출이나 증기 누출을 발생시키지 않고 누구라도 간단히 연료 전지의 주입구부에 카트리지를 안전하고 확실히 접속하고, 액체 연료를 연료 전지 탱크에 주입할 수 있다. 또한, 돌기를 전지 본체측 주입구부의 내주에 설치하고 있으므로 다른 부재와 접촉 충돌하여 돌기가 접히거나 흠이 날 우려가 없고, 장기간에 걸쳐 손상되지 않고 안심하여 사용할 수 있다.

(제 2 실시형태)

계속해서, 도 11A, 도 11B, 도 12A 및 도 12B를 참조하여 제 2 실시형태의 카트리지/전지 본체 커플러 구조에 대해 설명한다.

제 2 실시형태에서는 돌기(62)를 카트리지 노즐(6A)에 설치하고, 홈(32)을 전지 본체측 주입구부(20A)에 설치하고 있다. 바이오네트 커플러 요소로서의 카트리지 노즐(6A)은 도 11A에 도시한 바와 같이 외주에 2개의 돌기(62)를 구비하고 있다. 돌기(62)는 도 11A에 도시한 바와 같이 노즐 본체(16)에 180° 축심 배분 배치되고, 도 11B에 도시한 바와 같이 노즐 본체(61)의 선단 근방의 외주면에 장착되어 있다.

바이오네트 커플러 요소로서의 전지 본체측 주입구부(20A)는 도 12A에 도시한 바와 같이 내주에 2개의 홈(32)을 구비하고 있다. 홈(32)은 도 12A에 도시한 바와 같이 돌기 삽입구가 180°축심 배분 배치되고, 도 12B에 도시한 바와 같이 돌기 삽입구로부터 축방향으로 연장된 후에 시계 방향의 둘레 방향으로 약 90°회전 변위하는 L자 형상(측방으로부터의 이차원 투영면의 형상)을 갖고 있다.

이와 같은 바이오네트 커플러 구조는 연료 주입 중에 카트리지 노즐이 주입구부로터 용이하게 빠지지 않아 안전성이 증대되고, 또한 홈/돌기간의 시일성이 손상되기 어려워지고, 액체 누출 방지 효과가 향상된다.

(제 3 실시형태)

계속해서, 도 13A, 도 13B, 도 14A 및 도 14B를 참조하여 제 3 실시형태의 카트리지/전지 본체 커플러 구조에 대해 설명한다.

제 3 실시형태에서는 돌기(63)를 카트리지 노즐(6B)에 설치하고, 홈(33)을 전지 본체측 주입구부(20B)에 설치하고 있다. 바이오네트 커플러 요소로서의 카트 리지 노즐(6B)은 도 13A에 도시한 바와 같이 외주에 3개의 돌기(63)를 갖고 있다. 돌기(63)는 도 13A에 도시한 바와 같이 노즐 본체(61)에 120°축심 배분 배치되고, 도 13B에 도시한 바와 같이 노즐 본체(61)의 선단 근방의 외주면에 장착되어 있다.

바이오네트 커플러 요소로서의 전지 본체측 주입구부(20B)는 도 14A에 도시한 바와 같이 내주에 3개의 홈(33)를 구비하고 있다. 홈(33)은 도 14A에 도시한 바와 같이 돌기 삽입구가 120° 축심 배분 배치되고, 도 14B에 도시한 바와 같이 돌기 삽입구로부터 축방향으로 연장된 후에 시계 방향의 둘레 방향으로 약 45° 회전 변위하는 사행 직선 형상 또는 스파이럴 리니어 형상(측방으로부터의 이차원 투영면의 형상)을 갖고 있다.

이와 같은 바이오네트 커플러 구조에 의해서도 연료 주입중에 카트리지 노즐이 주입구부로부터 용이하게 빠져나가지 않아 안전성이 증대되고, 또 홈/돌기간의 시일성이 손상되기 어려워져 액체 누출 방지 효과가 향상된다.

계속해서 도 16을 참조하여 다른 실시형태의 장치(1A)의 밸브에 대해 설명한다.

본 실시형태의 액체 주입 장치(1A)에서는 카트리지측 밸브(8A)를 개선하고 있다. 즉, 시일링 유지 홈(81)의 기단부를 선단부 보다도 직경을 작게 하고, 또한 이에 이형 단면의 시일링(11A)을 장착하고 있다. 시일링(11A)의 횡단면 형상은 예를 들면 대략 삼각형이고, 시일링(11A)이 밸브 본체(8f)로부터 용이하게 벗겨지지 않도록 하고 있다. 이와 같이 시일링 유지 홈(81)을 테이퍼 형상으로 형성하고, 이 테이퍼면에 대응하는 테이퍼면을 가진 이형 단면 형상의 시일링(11A)으로 하면 밸브 본체(8f)로부터 링(11A)이 빠지기 어려워진다.

또한, 도시하지 않지만 전지 본체측 밸브(26)의 시일링 유지 홈을 기단부의 직경이 선단부의 직경 보다도 작은 테이퍼 형상으로 하고, 이에 장착되는 오링(28)도 이형 단면의 시일링(도 17, 도 18의 시일링(28A) 참조)으로 함으로써 상기와 동일한 효과를 가질 수 있다.

(제 4 실시형태)

계속해서 도 17 및 도 18을 참조하여 제 4 실시형태의 카트리지/전지 본체 커플러 구조를 가진 액체 주입 장치에 대해 설명한다.

본 실시형태의 액체 주입 장치에서는 복수의 돌기(130)를 암컷형 카트리지(101)의 노즐(106)의 내주에 설치하고, 복수의 홈(160)을 수컷형 주입구(120)의 액체 받이부(121)의 외주에 설치하고 있다. 홈(160)은 상기 L자 홈, 역L자 홈, J자 홈, 리니어스파이럴 홈 중 어느 형상으로 해도 좋다.

카트리지(101)는 액체 연료로서의 고농도 메탄올이 수용된 액체 저장 공간(103)을 규정하는 용기(102), 용기(102)의 일단측에 형성된 개구부(102a)에 삽입된 밸브 케이스(107), 밸브 케이스(107)의 일단측에 연결된 고무 홀더 케이스(111)및 고무 홀더 케이스(111)에 연결된 노즐(106)을 가진 카트리지 베이스(112)를 구비하고 있다. 용기(102)는 원통 형상, 방추 형상, 편평한 통 형상 또는 각통 형상 등 여러 가지 형상으로 할 수 있다. 카트리지 베이스(112)와 카트리지 노즐(106)은 일체 성형된 성형품이고, 카트리지 노즐(106)은 카트리지 베이스(114)로부터 바깥쪽으로 연장되어 있다. 이 베이스(112)/노즐(106)의 일체 성형품과 용기 개구 부(102a)의 단부의 사이는 고무 패킹(105)으로 시일되어 있다.

카트리지 노즐(106)은 노즐 본체(106b), 밸브(108), 중간 마개(107), 압축 스프링(110) 및 시일링(11A)을 구비하고 있다. 노즐 본체(106b)의 내주에는 바이오네트 커플러 요소로서의 2개의 돌기(130)가 설치되어 있다. 노즐 본체(106b)의 내부 유로에는 밸브(108)의 니들(밸브 스템)(108b)이 삽입되어 있다. 중간 마개(107)는 밸브(108)의 밸브 본체(108f)를 둘러싸고, 밸브실 공간(109)을 규정하고 있다. 압축 스프링(110)은 밸브 본체(108f)를 밸브 시트(104a)로 힘을 가하고 있다. 시일링(11A)은 밸브 본체(108f)의 유지 홈(108h)에 유지되고, 압축 스프링(110)의 부세력에 의해 밸브 시트(104a)에 압압되어 있다. 시일링(11A)은 이형 단면(대략 삼각형 단면)이다. 시일링(11A)을 밸브 시트(104a)로부터 강제적으로 분리하면, 액체 유입구(106c)가 개방되어 액체가 액체 토출구(106a)를 향해 흐르도록 되어 있다.

고무 홀더 케이스(111)는 카트리지 베이스(112)의 노즐부의 내측에 착탈 가능하게 나사로 결합되어 있다. 밸브 케이스(107)는 거의 동일 직경의 고무 홀더 케이스(111)의 상단에 착탈 가능하게 나사로 결합되어 있다. 밸브 케이스(107) 및 고무 홀더 케이스(111)는 얇은 두께의 수지(예를 들면, PEEK)로 이루어지고, 어느 정도의 가요성을 가진다. 한편, 노즐(106) 및 카트리지 베이스(112)는 어느 정도의 강성을 가질 필요가 있으므로 케이스(107, 111)와 비교하여 두꺼운 두께로 한다.

도 6A와 도 6B에 도시한 바와 같이, 탄성체 홀더로서의 고무 홀더(125)는 상 부(125a)와 하부(125b)의 중간에 자바라부(125c)를 구비하고 있다. 이 자바라부(125c)는 압축 변형후에도 액체가 통류할 수 있는 유로가 확보되도록 링형상 또는 나선형상으로 요철로 되어 있다. 이와 같이 하면 메탄올액이 자바라부(125c)를 통해 신속하고 원활하게 통류되고, 액체가 누출되지 않게 단시간에 액체를 주입할 수 있다. 고무 홀더(125)는 경도가 원하는 값의 범위로 규정된 무가소성 합성고무로 만들어져 있다. 전지 본체측 액체 받이부(121)가 고무 홀더 선단부(125a)에 접촉하면, 선단부(125a)가 탄성 변형(압축)되어 노즐(106)을 변위시킬 수 있도록 되어 있다.

이를 조립할 경우는 밸브 본체(108f)를 스프링(110)으로 힘을 가한 상태로 케이스(107)내에 조립함과 동시에 고무 홀더(125)의 플랜지부를 케이스(111)의 오목부에 끼워 넣고, 밸브 케이스(107)를 고무 홀더 케이스(111)에 비틀어 넣고, 카트리지 베이스(112)에 접착된 고무 패킹(105)에 케이스(111)의 플랜지를 조립함과 동시에 케이스(111)를 베이스(112)에 비틀어 넣고, 최종적으로는 베이스(112)를 용기 개구(102a)에 접착하거나 및 또는 코킹하거나 및 또는 나사로 결합한다.

밸브(108)는 밸브 본체(108f)의 전단부(도면중에서 하측)로부터 연장되는 니들(108b) 및 밸브 본체(108f)의 후단부(도면중에서 상측)로부터 연장되는 가이드핀(108a)을 구비하고 있다. 니들(108b)은 노즐(106)의 유로 내에 승강 가능하게 삽입되어 있다. 니들(108b)의 길이는 노즐(106)의 유로의 전체 길이에 거의 필적하는 정도이다. 단, 카트리지(101)를 전지 본체(100)로 접속하지 않는 미사용 상태에서는 니들의 선단(108c)이 노즐의 액체 토출구(106a)로부터 조금 들어갈 정도 의 길이로 하는 것이 바람직하다. 니들 선단(108c)의 손상을 해소함과 동시에 액체 토출구(106a)로부터 노즐 유로 내에 티끌 등의 이물질이 침입하는 것을 방지하고, 또한 잘못해서 밸브가 개방되는 것을 방지하는 효과가 있기 때문이다.

가이드핀(108a)은 밸브 본체(108f)의 후단부로부터 용기(2)로 연장되고, 케이스(107)의 상부 중앙의 구멍(107c)을 통해 액체 저장 공간(103) 내로 돌출되어 있다. 밸브 케이스의 상판(107a)에는 복수의 연통 구멍(107d)이 개구되고, 이들 연통 구멍(107c, 107d)을 통해 액체 저장 공간(103)으로부터 밸브실 공간(109) 내에 액체 연료를 유입할 수 있도록 되어 있다.

스토퍼(108d)가 밸브 본체(108f)의 후단부에 설치되고, 밸브 본체(108f)가 축방향(Z방향)으로 이동할 수 있는 상승 스트로크량이 규정되어 있다. 즉, 압축 스프링(110)의 부세력을 상회하는 힘이 밸브 본체(108f)에 부하될 때, 시일링(11A)이 밸브 시트(111a)로부터 분리되고, 액체 유입구가 개방되어 밸브실 공간(109)이 노즐의 액체 토출구(106a)에 연통되지만, 밸브 본체(108f)는 무제한으로 상승되지 않고 스토퍼(108d)가 밸브 케이스의 상판(107a)에 접촉하는 곳에서 밸브 본체(108f)의 상승이 정지하도록 되어 있다.

압축 스프링(110)은 상기 제 1 실시형태와 실질적으로 동일한 것을 이용했다. 압축 스프링(110)의 일단은 밸브 케이스의 상판(107a)의 내면에 고착되고, 타단은 밸브 본체(108f)의 소플랜지에 고착되어 있다.

시일링(11A)은 고농도 메탄올액에 대해 팽윤이나 용출이 없는 무가소성 합성고무나 엘라스토머로 이루어지고, 단면이 대략 삼각형인 이형 단면 오링이다. 이 이형 단면 시일링(11A)은 밸브 본체(108f)의 소플랜지 하부에 형성된 유지홈에 끼워넣어져 있다.

계속해서 연료 전지 본체측의 주입구부(120)에 대해 설명한다.

주입구부(120)는 액체 받이구(120a)의 중앙에 돌출되는 액체 받이부(121), 액체 받이부(121)와 일체로 만들어진 밸브 케이스(122), 연료 탱크(도시하지 않음)에 연통하는 복수의 구멍(123a)을 가진 하부 부재(123), 밸브(126), 밸브(126)에 힘을 가하는 압축 스프링(127), 밸브(126)의 유지 홈에 유지된 시일링(28A) 및 바이오네트커플러 요소로서의 복수의 홈(160)을 구비하고 있다. 밸브 케이스(122)는 연료 전지 본체(100)의 오목부에 비틀어 넣어지고, 그 전부(全部)가 연료 전지 본체내에 매립되어 있다. 연료 전지 본체(100)의 내부에는 도시하지 않은 연료 탱크가 설치되고, 하부 부재(123)와 밸브 케이스(122)로 규정되는 밸브실 공간(129)이 구멍(123a)을 통해 연료 탱크에 연통되어 있다.

주입구부의 액체 받이부(121)의 외주면에는 180°축심 배분된 2개의 홈(160)이 형성되어 있다. 이들 2개의 홈(160)은 바이오네트 커플러 요소로서 기능하고, 암컷형 카트리지 노즐(106)의 2개의 돌기(130)에 각각 끼워맞출 수 있는 위치와 형상으로 형성되어 있다.

밸브(126)는 가이드핀(126a), 니들(126b), 스토퍼(126d)), 압축 스프링(127), 시일링(28A) 및 밸브 시트(122a)를 구비하고 있다. 시일링(28A)이 밸브 시트(122a)로 눌려진 상태에서는 밸브실 공간(129)은 액체 받이부(121)로부터 차단되어 있다. 노즐측으로부터의 압입력이 압축 스프링(127)의 부세력을 상회하면 시 일링(28A)이 밸브 시트(122a)로부터 분리되고, 밸브실 공간(129)은 액체 받이부(121)에 연통된다.

니들(126b)은 밸브(126)의 상부로부터 액체 받이부(121)를 향해 연장되어 있다. 니들(126b)의 주요부는 액체 받이부(121)에 의해 주위가 둘러싸여 있다. 니들의 선단부(126c)는 오목 형상으로 형성되고, 카트리지 노즐측 밸브의 볼록 형상의 니들 선단부(108c)에 끼워맞출 수 있도록 되어 있다. 니들(108b, 126b)끼리 접촉할 때 접촉 면적이 작으면 오프셋된 상태로 압입되어 유로를 확보할 수 없는 경우가 있다. 니들(108b, 126b)의 오프셋을 방지하기 위해 카트리지 노즐측의 니들 선단부(180c)를 오목 형상으로 형성하고, 또 주입구부측의 니들 선단부(126c)를 볼록 형상으로 형성하여 양자를 확실히 걸어맞추도록 하고 있다.

가이드핀(126a)은 하부 부재(123)의 연통 구멍(123c)을 통해 연료 탱크(도시하지 않음)로 돌출되어 있다. 스토퍼(126d)가 밸브 본체(126f)의 후단부에 설치되고, 밸브(126)가 축 방향으로 이동할 수 있는 상승 스트로크량이 규정되어 있다. 즉, 압축 스프링(127)의 부세력을 상회하는 힘이 밸브 본체(126f)에 인가될 때, 시일링(28A)이 밸브 시트(122a)로부터 분리되어 밸브실 공간(129)이 액체 받이부(121)에 연통되지만, 밸브 본체(126f)는 무제한으로 상승되지 않고, 스토퍼(126d)가 하부 부재(123)의 저부에 접촉하는 곳에서 밸브 본체(126f)의 상승이 정지하도록 되어 있다.

니들(108b, 126b) 및 가이드핀(108a, 126a)의 외주에는 도 15에 도시한 바와 같이 홈 형상 오목부(38)가 긴축을 따라서 형성되고, 노즐(106)의 내주벽 등과의 사이에 액체 연료가 통류할 수 있는 유로가 각각 형성되어 있다. 휴대기기용 커플러의 경우, 전체를 작게 만들 필요가 있으므로 유로를 확보하는 것이 어렵다. 이 때문에 연통 구멍(107d, 123a) 외에 이들 밸브 요소(108a, 108b, 126a, 126b)에 유로 형성용 홈 또는 오목부를 각각 형성하고, 유로의 부족을 보충하도록 되어 있다.

계속해서, 도 17 및 도 18을 참조하여 암컷형 카트리지로부터 전지 본체의 수컷형 주입구부에 액체 연료를 주입할 때의 동작에 대해 설명한다.

카트리지 노즐(106)을 주입구부의 액체 받이구(120a)에 삽입하고, 노즐측의 돌기(130)를 주입구부측의 홈(160)에 끼워 맞춰 노즐(106)을 축 방향으로 직선적으로 이동시킨 후에 둘레 방향으로의 이동을 실시한다. 이 위치에서는 노즐(106)의 선단이 고무 홀더 선단부(125a)에 접촉한 상태가 된다(노즐을 2.7mm 삽입했을 때 고무 홀더가 액체 받이부에 접촉).

계속해서 노즐(106)을 축방향(및 둘레 방향)으로 조금 압입하면 고무 홀더 선단부(125a)가 탄성 변형(압축)되고, 카트리지측 밸브의 니들 선단(108c)이 주입구부측 밸브의 니들 선단(126c)에 접촉한다(고무 홀더를 0.5mm 압축했을 때 밸브의 니들끼리 접촉).

또한 노즐(106)을 축방향(및 둘레 방향)으로 압입하면, 고무 홀더(125) 전체가 압축되고, 또한 압축 스프링(127)의 부세력에 저항하여 밸브 본체(126f)의 전체가 압하되어 시일링(28A)이 밸브 시트(122a)를 이탈한다. 스토퍼(126d)가 주입구부 하부 부재(123)의 저판에 접촉하는 하사점까지 압입하면 전지 본체측 밸브(126)가 완전히 개방된다(고무 홀더를 1.0mm 압축했을 때 전지 본체측 밸브가 완전 개 방).

또한, 노즐(106)을 축방향으로 압입하면 압축 스프링(110)의 부세력에 저항하여 밸브 본체(108f)의 전체가 압상되어 시일링(11A)이 밸브 시트(111a)를 이탈한다. 스토퍼(108d)가 밸브 케이스의 상판(107a)에 접촉하는 상사점까지 압입하면, 도 18에 도시한 바와 같이 카트리지측 밸브(108)가 완전히 개방된다(고무 홀더를 1.5mm 압축했을 때 카트리지측 밸브가 완전 개방).

이와 같이 하여 카트리지 노즐(106)의 압입에 의해 고무 홀더(125)가 탄성 변형되고, 양 밸브(108, 126)가 모두 개방되어 카트리지측으로부터 전지 본체측으로 액체 연료가 통류할 수 있게 된다. 또한, 카트리지측의 밸브(108)와 전지 본체측 밸브(126)중 어느 하나가 먼저 개방되거나, 즉 밸브의 개폐 순서에 관해서는 각각의 밸브 본체를 힘을 가하고 있는 압축 스프링(110, 127)의 스프링 계수의 대소에 의존하고 있다. 본 실시형태와 같이 카트리지측의 압축 스프링(110)의 스프링 계수가 전지 본체측의 압축 스프링(127)의 스프링 계수 보다 큰 경우는 전지 본체측의 밸브(126)가 먼저 개방되고, 카트리지측 밸브(108)가 나중에 개방된다. 이에 대해 전지 본체측의 압축 스프링(127)의 스프링 계수를 카트리지측 압축 스프링(110)의 스프링 계수 보다 크게 하면 카트리지측 밸브(108)가 먼저 개방되고, 전지 본체측 밸브(126)가 나중에 개방된다.

계속해서 도 19A~도 26D를 참조하면서 카트리지와 연료 전지의 호환성에 대한 여러 가지 형태를 설명한다.

(제 5 실시형태)

본 실시형태에서는 2개의 연료 전지와 2개의 카트리지 사이의 호환성을 예로 들어 설명한다. 도 19A 및 도 19B에 도시한 바와 같이 전지 본체측의 주입구부(20C1, 20C2)를 암컷형으로 하고, 소돌기(30S) 또는 대돌기(30L)를 암컷형 주입구부(20C1, 20C2)의 내주에 각각 설치하고 있다. 또한, 도 19C 및 도 19D에 도시한 바와 같이 카트리지측의 노즐(6C1, 6C2)을 수컷형으로 하고, 폭이 좁은 홈(60S) 또는 폭이 넓은 홈(60L)을 각 수컷형 카트리지 노즐(6C1, 6C2)의 외주에 각각 설치하고 있다.

도 19D의 카트리지 노즐(6C2)은 도 19A의 주입구부(20C1) 및 도 19B의 주입구부(20C2) 어디에나 접속할 수 있다(호환성 있음). 이에 대해 도 19C의 카트리지 노즐(6C1)은 도 19A의 주입구부(20C1)에는 접속할 수 있지만, 도 19B의 주입구부(20C2)에는 접속할 수 없다(호환성 없음).

이와 같이 저농도 메탄올액으로만 구동되는 연료 전지에 대해 고농도 메탄올액이 잘못 주입되지 않도록 할 수 있다. 즉, 저농도 메탄올(5% 또는 30%의 농도)로 구동되는 전지 본체에 도 19B의 주입구부(20C2)를 채용하고, 고농도 메탄올(100% 또는 64%의 농도)의 저장 용기에 도 19C의 카트리지 노즐(6C1)을 채용하면 양자간에 호환성이 없으므로 연료 보급 미스에 기인하는 전지 본체의 고장 사고를 미연에 방지할 수 있다.

(제 6 실시형태)

본 실시형태에서도 상기와 마찬가지로 2개의 연료 전지와 2개의 카트리지 사이의 호환성을 예로 들어 설명한다. 도 20A 및 도 20B에 도시한 바와 같이 전지 본체측의 주입구부(20D1, 20D2)를 수컷형으로 하고, 폭이 좁은 홈(160S) 또는 폭이 넓은 홈(160L)을 주입구부(20D1, 20D2)의 외주에 각각 설치하고 있다. 또한, 도 20C 및 도 20D에 도시한 바와 같이 카트리지측의 노즐(6D1, 6D2)을 암컷형으로 하고, 소돌기(30S) 또는 대돌기(30L)를 카트리지 노즐(6D1, 6D2)의 내주에 각각 설치하고 있다.

도 20C의 카트리지 노즐(6D1)은 도 20A의 주입구부(20D1) 및 도 20B의 주입구부(20D2)의 어디에도 접속할 수 있다(호환성 있음). 이에 대해 도 20D의 카트리지 노즐(6D2)은 도 20B의 주입구부(20D2)에는 접속할 수 있지만, 도 20A의 주입구부(20D1)에는 접속할 수 없다(호환성 없음).

이와 같이 저농도 메탄올액으로만 구동되는 연료 전지에 대해 고농도 메탄올액이 잘못 주입되지 않도록 할 수 있다. 즉, 저농도 메탄올(5% 또는 30%의 농도)로 구동되는 전지 본체에 도 20B의 주입구부(20D2)를 채용하고, 고농도 메탄올(100% 또는 64%의 농도)의 저장 용기에 도 20D의 카트리지 노즐(6D2)을 채용하면 양자간에 호환성이 없으므로 연료 보급 미스에 기인하는 전지 본체의 고장 사고를 미연에 방지할 수 있다.

(제 7 실시형태)

본 실시형태에서는 3개의 연료 전지와 3개의 카트리지 사이의 호환성을 예로 들어 설명한다. 도 21A, 도 21B, 도 21C에 도시한 바와 같이 전지 본체측 주입구부(20E1, 20E2, 20E3)를 암컷형으로 하고, 소돌기(30S) 또는 대돌기(30L)를 주입구부(20E1, 20E2, 20E3)의 내주에 각각 2개씩 선택하여 설치하고 있다. 또한, 도 22A, 도 22B, 도 22C에 도시한 바와 같이 카트리지측의 노즐(6E1, 6E2, 6E3)을 수컷형으로 하고, 폭이 좁은 홈(60S) 또는 폭이 넓은 홈(60L)을 카트리지 노즐(6E1, 6E2, 6E3)의 외주에 각각 2개씩 선택하여 설치하고 있다. 2개의 돌기는 전지 본체 주입구부에 축 대칭으로 180° 배분 배치되고, 2개의 홈은 카트리지 노즐에 축 대칭으로 180° 배분 배치되어 있다.

도 22C의 카트리지 노즐(6E3)은 도 21A, 도 21B 및 도 21C의 주입구부(20E1, 20E2, 20E3)의 어디에도 접속할 수 있다(호환성 있음). 이에 대해 도 22B의 카트리지 노즐(6E2)은 도 22A의 주입구부(6E1)와 도 22B의 주입구부(6E2)에 접속할 수 있지만(호환성 있음), 도 22C의 주입구부(6E3)에는 접속할 수 없다(호환성 없음). 또한, 도 22A의 카트리지 노즐(6E1)은 도 22A의 주입구부(6E1)에만 접속할 수 있고, 도 22B의 주입구부(6E2)와 도 22C의 주입구부(6E3)에는 접속할 수 없다(호환성 없음).

(제 8 실시형태)

본 실시형태에서는 4개의 연료 전지와 4개의 카트리지 사이의 호환성을 예로 들어 설명한다. 도 23A, 도 23B, 도 23C 및 도 23D에 도시한 바와 같이, 전지 본체측의 주입구부(20F1, 20F2, 20F3, 20F4)를 암컷형으로 하고, 소돌기(30S) 또는 대돌기(30L)를 주입구부(20F1, 20F2, 20F3, 20F4)의 내주에 각각 2개씩 선택하여 설치하고 있다. 또한, 도 24A, 도 24B, 도 24C 및 도 24D에 도시한 바와 같이 카트리지측 노즐(6E1, 6E2, 6E3, 6E4)을 수컷형으로 하고, 폭이 좁은 홈(60S) 또는 폭이 넓은 홈(60L)을 카트리지 노즐(6E1, 6E2, 6E3, 6E4)의 외주에 각각 2개씩 선 택하여 설치하고 있다. 이 예에서는 2개의 돌기 및 2개의 홈을 중심축에 대해 각각 비대칭으로 배치하고 있다.

도 24D의 카트리지 노줄(6F4)은 도 23A~도 23D의 주입구부(20F1, 20F2, 20F3, 20F4)의 어디에도 접속할 수 있다(호환성 있음). 이에 대해 도 24C의 카트리지 노즐(6F3)은 도 23A의 주입구부(20F1)와 도 23C의 주입구부(20F3)에는 접속할 수 있지만(호환성 있음), 도 23B의 주입구부(20F2)와 도 23D의 주입구부(20F4)에는 접속할 수 없다(호환성 없음). 또한, 도 24B의 카트리지 노즐(6F2)은 도 23A의 주입구부(20F1)와 도 23B의 주입구부(20F2)에는 접속할 수 있지만(호환성 있음), 도 23C의 주입구부(20F3)와 도 23D의 주입구부(20F4)에는 접속할 수 없다(호환성 없음). 또한, 도 24A의 카트리지 노즐(6F1)은 도 23A의 주입구부(20F1)에만 접속할 수 있고, 도 23B~도 23D의 주입구부(6F2, 6F3, 6F4)에는 접속할 수 없다(호환성 없음).

본 실시형태의 비대칭 배치의 홈/돌기의 조합은 상기 제 7 실시형태의 대칭 배치의 홈/돌기의 조합 보다도 변화가 많고, 메탄올 농도의 식별에 이용할 뿐만 아니라 메탄올 이외의 다른 액체 연료와의 사이의 식별과도 조합할 수 있거나 또는 제조업체의 식별과 조합에도 이용할 수 있다.

(제 9 실시형태)

본 실시형태에서는 4개의 연료 전지와 4개의 카트리지 사이의 호환성을 예로 들어 설명한다. 도 25A, 도 25B, 도 25C, 도 25D에 도시한 바와 같이 전지 본체측 주입구부(20G1, 20G2, 20G3, 20G4)를 암컷형으로 하고, 소돌기(30S) 또는 대돌 기(30L)를 주입구부(20G1, 20G2, 20G3, 20G4)의 내주에 각각 3개씩 선택하여 설치하고 있다. 또한, 도 26A, 도 26B, 도 26C, 도 26D에 도시한 바와 같이 카트리지측 노즐(6G1, 6G2, 6G3, 6G4)을 수컷형으로 하고, 폭이 좁은 홈(60S) 또는 폭이 넓은 홈(60L)을 카트리지 노즐(6G1, 6G2, 6G3, 6G4)의 외주에 각각 3개씩 선택하여 설치하고 있다. 이 예에서는 3개의 돌기는 전지 본체 주입구부에 축대칭으로 120° 배분 배치되고, 3개의 홈은 카트리지 노즐에 축대칭으로 120°배분 배치되어 있다.

도 26D의 카트리지 노즐(6G4)은 도 25A~도 25D의 주입구부(20G1, 20G2, 20G3, 20G4)의 어디에나 접속할 수 있다(호환성 있음). 이에 대해 도 26C의 카트리지 노즐(6G3)은 도 25A~도 25C의 주입구부(20G1, 20G2, 20G3)에는 접속할 수 있지만(호환성 있음), 도 25D의 주입구부(20G4)에는 접속할 수 없다(호환성 없음). 또한, 도 26B의 카트리지 노즐(6G2)은 도 25A의 주입구부(20G1)와 도 25B의 주입구부(20G2)에는 접속할 수 있지만(호환성 있음), 도 25C의 주입구부(20G3)와 도 25D의 주입구부(20G4)에는 접속할 수 없다(호환성 없음). 또한, 도 26A의 카트리지 노즐(6G1)은 도 25A의 주입구부(20G1)에만 접속할 수 있고, 도 25B~도 25D의 주입구부(20G2, 20G3, 20G4)의 어디에도 접속할 수 없다(호환성 없음).

이와 같이 본 발명에 의하면 사용자가 연료 전지측에서 사용 가능한 액체 연료의 성분이나, 농도를 알지 못하는 경우나, 또는 카트리지 내에 수납되어 있는 액체가 불명확한 경우에도 사용자는 카트리지의 노즐을 연료 전지 본체의 주입구부에 실제로 삽입해보거나, 또는 카트리지 노즐 및 전지 본체 주입구부에 형성된 홈과 돌기를 비교해보는 것만으로 사용 가능한 액체 연료인지 여부를 용이하게 식별할 수 있다.

상기 실시형태에서는 카트리지로부터 연료 전지의 탱크에 메탄올 등의 액체 연료를 주입하기 위한 액체 주입 시스템의 경우에 대해 설명했지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 카트리지로부터 연료 전지의 고체 전해질막에 물을 보급하기 위한 물 주입 시스템에도 본 발명을 적용할 수 있다. 물 주입 시스템을 이용하여 적량의 물을 주입함으로써 발전 동작 정지후에 연료 전지를 장시간 방치한 경우에도 연료 전지 내의 고체 전해질막을 가습할 수 있으므로 연료 전지를 용이하게 재기동시킬 수 있다. 또한, 발전 동작 가동 후는 발전 반응에 의해 생성수가 형성되고, 고농도 연료에 의해 발전 동작이 계속되므로 카트리지 내에 준비하는 물의 양은 액체 연료의 양에 비해 소량으로 족하다.

또한, 상기 실시형태에서는 액체 연료만을 공급하는 액체 주입 시스템의 경우에 대해 설명했지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 액체 연료 및 물의 양자의 주입을 겸용할 수 있는 액체 주입 시스템에도 본 발명을 적용할 수 있다. 즉, 카트리지의 내부를 2실로 간막이하고, 1실에 액체 연료를 수용하고, 다른 1실에 물을 수용하고, 카트리지 본체에 별도로 설치한 노즐로부터 액체 연료와 물을 별도로 연료 전지 본체에 공급하도록 해도 좋다. 단, 이 경우는 연료 전지 본체측 주입구부도 액체 연료용과 물용으로 별도로 설치할 필요가 있다.

본 발명은 휴대전화, 휴대오디오, 노트북, 휴대게임기 등의 모바일 기기의 내장 전원으로서 이용되는 소형 연료 전지에 고농도 메탄올 등의 액체를 안전하게 주입하는 데에 이용할 수 있다. 특히 1개의 카트리지로 복수의 기기에 이용될 가능성이 있는 사테라이트형 카트리지를 이용하는 경우에 그 효과는 크다.

또한, 본 발명에 사용하는 액체 연료는 반드시 메탄올 연료에 한정되지 않고, 예를 들면 에탄올 수용액이나 순수 메탄올 등의 에탄올 연료, 프로판올 수용액이나 순수 프로판올 등의 프로판올 연료, 글리콜 수용액이나 순수 글리콜 등의 글리콜 연료, 디메틸에테르, 개미산 또는 그외의 액체 연료라도 좋다. 모두 연료 전지에 따른 액체 연료가 수용된다.

본 발명에 의하면 액체 누출을 발생시키지 않고 누구라도 간단히 연료 전지의 주입구부에 카트리지를 안전하고 확실히 접속하고, 액체 연료 등을 연료 전지 탱크에 주입할 수 있다. 또한, 본 발명에 의하면 사용자가 연료 전지측에서 사용 가능한 액체 연료의 성분이나 농도를 알지 못하는 경우나, 또는 카트리지내에 수납되어 있는 액체가 불명확한 경우에도 사용자는 카트리지의 노즐을 연료 전지 본체의 주입구부에 실제로 삽입해보거나, 또는 카트리지 노즐 및 전지 본체 주입구부에 형성된 홈과 돌기를 비교해보는 것만으로 사용 가능한 액체 연료인지 여부를 용이하게 식별할 수 있다.

특히 1개의 카트리지로 복수의 기기에 사용될 가능성이 높은 사테라이트형 카트리지에서는 호환성과 오사용 방지의 관점에서 매우 유효한 수단을 제공하게 된다.

Claims (24)

1. 연료 전지 본체의 주입구부에 카트리지 노즐을 삽입하고, 상기 노즐을 압입하여 상기 노즐의 밸브 및 주입구부의 밸브를 모두 개방하고, 카트리지로부터 상기 노즐 및 주입구부를 통해 연료 전지 내에 액체를 주입하는 연료 전지의 액체 주입 장치에 있어서,

   상기 주입구부 또는 상기 카트리지 노즐 중 어느 한쪽에 설치된 돌기 및

   상기 돌기가 끼워맞출 수 있도록 상기 주입구부 또는 상기 카트리지 노즐 중 어느 한쪽에 형성되고, 상기 카트리지 노즐을 상기 주입구부에 삽입할 때 상기 돌기가 끼워맞춰지고, 또한 상기 카트리지 노즐을 축방향으로 압입할 때 상기 돌기를 안내하는 홈을 구비하는 것을 특징으로 하는 연료 전지의 액체 주입 장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 카트리지 노즐의 돌기 또는 홈의 수, 형상, 위치 중 1개 이상을 달리 함으로써 내부에 수용된 액체가 각각 특정되고, 상기 카트리지를 상호 식별 가능하게 한 것을 특징으로 하는 액체 주입 장치.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 돌기 또는 홈의 수, 형상, 위치에 기초하여 상기 카트리지내에 수용된 액체의 종류및 농도를 식별할 수 있는 것을 특징으로 하는 액체 주입 장치.
4. 제 2 항에 있어서,

   상기 돌기 또는 홈의 형상과 달리하는 수단으로서 단수 또는 복수의 돌기 또는 홈의 둘레 방향의 폭을 바꾸는 것을 특징으로 하는 액체 주입 장치.
5. 제 2 항에 있어서,

   상기 돌기 또는 홈의 위치를 달리 하는 수단으로서 복수의 돌기 또는 홈을 상기 카트리지 노즐의 중심축에 대해 대칭 또는 비대칭으로 배치하는 것을 특징으로 하는 액체 주입 장치.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 카트리지 노즐은 수컷형이고, 상기 주입구부는 암컷형인 것을 특징으로 하는 액체 주입 장치.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 카트리지 노즐은 암컷형이고, 상기 주입구부는 수컷형인 것을 특징으로 하는 액체 주입 장치.
8. 제 1 항에 있어서,

   상기 돌기는 상기 주입구부의 내주에 설치되고, 또 상기 홈은 상기 카트리지 노즐의 외주에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 액체 주입 장치.
9. 제 1 항에 있어서,

   상기 돌기는 상기 카트리지 노즐의 외주에 설치되고, 또 상기 홈은 상기 주입구부의 내주에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 액체 주입 장치.
10. 제 1 항에 있어서,

    상기 홈은 상기 돌기를 축방향으로 안내하고, 또한 상기 카트리지 노즐이 상기 주입구부에 로크되도록 상기 돌기를 둘레 방향으로 변위시켜 안내하는 것을 특징으로 하는 액체 주입 장치.
11. 제 1 항에 있어서,

    상기 홈의 종단 근방에서 상기 홈의 측둘레벽으로부터 돌출되고, 상기 홈을 따라서 안내되는 상기 돌기가 타고 넘어갈 수 있는 소돌기를 추가로 구비하는 것을 특징으로하는 액체 주입 장치.
12. 제 1 항에 있어서,

    상기 주입구부 및 상기 카트리지 노즐이 액체에 접촉하는 접액부는 수지로 만들어지고, 상기 주입구부 및 상기 카트리지 노즐이 액체에 접촉하지 않는 비접액부는 상기 수지 보다도 단단한 재료로 만들어져 있는 것을 특징으로 하는 액체 주 입 장치.
13. 제 12 항에 있어서,

    상기 비접액부는 상기 액체에 대해 내식성을 갖는 금속 또는 합금을 이용하여 만들어져 있는 것을 특징으로 하는 액체 주입 장치.
14. 제 1 항에 있어서,

    상기 홈은 상기 주입구부 또는 상기 카트리지 노즐에서 축심 배분 배치된 복수의 홈으로 이루어지고, 상기 주입구부의 내주 또는 상기 카트리지 노즐의 외주를 따라서 종단이 시단에 대해 둘레 방향으로 45°~ 90° 회전 변위되어 있는 것을 특징으로 하는 액체 주입 장치.
15. 제 1 항에 있어서,

    상기 홈은 측쪽으로부터의 이차원 투영면의 형상이 L자, 역L자, J자, 역J자, 사행 직선중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 액체 주입 장치.
16. 제 1 항에 있어서,

    상기 주입구부는 상기 돌기 또는 상기 홈보다도 후방에 설치되고, 상기 카트리지 노즐을 상기 주입구부에 삽입할 때 상기 노즐의 선단부가 접촉하고, 또한 상기 노즐을 축방향으로 압입할 때 시일성을 유지하면서 탄성 변형하는 탄성체 홀더 를 구비하는 것을 특징으로 하는 액체 주입 장치.
17. 제 16 항에 있어서,

    상기 탄성체 홀더는 신축 가능한 자바라 형상으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 액체 주입 장치.
18. 제 1 항에 있어서,

    상기 카트리지 노즐의 밸브의 밸브 본체에 형성된 테이퍼 형상의 유지 홈과, 상기 유지 홈에 의해 유지된 이형 단면의 시일링을 구비하는 것을 특징으로 하는 액체 주입 장치.
19. 제 1 항에 있어서,

    상기 카트리지 노즐의 유로 내에 배치되고, 볼록 형상 또는 오목 형상의 선단부를 구비한 제 1 니들과, 상기 주입구부의 유로 내에 배치되어 상기 제 1 니들의 선단부에 끼워 맞춰지는 오목 형상 또는 볼록 형상의 선단부를 구비한 제 2 니들을 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 액체 주입 장치.
20. 제 19 항에 있어서,

    상기 제 1 및 제 2 니들은 긴축을 따라서 연장되는 홈 형상의 오목부를 각각 구비하고, 상기 제 1 니들의 오목부와 상기 카트리지 노즐의 내주벽 사이에 액체의 통류를 가능하게 하는 제 1 유로를 형성하고, 상기 제 2 니들의 오목부와 상기 주입구부의 내주벽 사이에 액체의 통류를 가능하게 하는 제 2 유로를 형성하는 것을 특징으로 하는 액체 주입 장치.
21. 액체 연료의 보급을 위해 연료 카트리지의 노즐이 삽입되는 주입구부를 구비한 연료 전지에 있어서,

    상기 주입구부를 규정하는 내주벽에 설치되고, 상기 연료 카트리지의 노즐을 상기 주입구부에 삽입할 때 상기 노즐의 외주와 끼워 맞춘 상태가 되고, 또한 상기 노즐을 축방향으로 압입하면 상기 노즐을 안내하는 바이오네트 커플러 요소를 갖는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
22. 제 21 항에 있어서,

    상기 바이오네트 커플러 요소는 상기 노즐을 축방향 및 둘레 방향으로 안내하는 1개 이상의 홈 또는 돌기인 것을 특징으로 하는 연료 전지.
23. 액체 연료의 보급을 위해 연료 전지의 주입구부에 삽입되는 노즐을 구비한 연료 카트리지에 있어서,

    상기 노즐의 외주벽에 설치되고, 상기 노즐을 상기 연료 전지의 주입구부에 삽입할 때 상기 주입구부의 내주와 끼워 맞춘 상태가 되고, 또한 상기 노즐을 축방향으로 압입하면 상기 주입구부로 안내되는 바이오네트 커플러 요소를 갖는 것을 특징으로 하는 연료 카트리지.
24. 제 23 항에 있어서,

    상기 바이오네트 커플러 요소는 상기 주입구부에 축방향 및 둘레 방향으로 안내되는 1개 이상의 홈 또는 돌기인 것을 특징으로 하는 연료 카트리지.

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