KR20100085175A - 연료 전지용 커플러 및 연료 전지 - Google Patents

Abstract

연료 전지용 커플러(1)는 연료 전지(2)에 설치되고, 밸브(40)와 이들을 폐쇄 방향으로 압박하는 압박 수단(53)을 구비하는 소켓(1s)과, 연료 전지용의 액체 연료를 수용하는 연료 카트리지(3)에 설치되고, 밸브(14)와 이것을 폐쇄 방향으로 압박하는 압박 수단(18)을 구비하는 노즐(1n)을 구비하고 있다. 연료 전지용 커플러(1)는 상기 소켓(1s)과 상기 노즐(1n)을 접속함으로써 상기 양 밸브(14, 40)를 접촉시켜 개방하고, 상기 연료 카트리지(3) 내에 수용된 상기 액체 연료를 상기 연료 전지(2)로 공급하기 위해 사용된다. 연료 전지용 커플러(1)는 상기 소켓(1s)측 및 상기 노즐(1n)측으로부터 선택되는 적어도 한쪽의 밸브(40(14))가 헤드부(40a(14a))와 그 축 방향의 양단부에 설치된 로드부(40b, 40c(14b, 14c))를 갖고, 또한 상기 접촉측의 로드부(40b(14))가 주로 금속 부재로 이루어지는 것으로 되어 있다.

Description

연료 전지용 커플러 및 연료 전지{COUPLER FOR FUEL CELL AND FUEL CELL}

본 발명은 연료 전지용 커플러와 그것을 사용한 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 공급하기만 해도 발전할 수 있고, 연료를 보급하면 연속하여 장시간 발전할 수 있다. 이로 인해, 연료 전지의 소형화가 가능하면, 휴대용 전자 기기의 전원으로서 매우 유리한 시스템이라고 할 수 있다.

특히, 에너지 밀도가 높은 메탄올 연료를 사용한 직접 메탄올형 연료 전지(DMFC : direct methanol fuel cell)는 소형화가 가능하고, 또한 연료의 취급도 용이하기 때문에, 휴대 기기용의 전원으로서 유망시되고 있다. DMFC에 있어서의 액체 연료의 공급 방식으로서는, 기체 공급형이나 액체 공급형 등의 액티브 방식, 또한 연료 탱크 내의 액체 연료를 전지 내부에서 기화시켜 연료극에 공급하는 내부 기화형 등의 패시브 방식이 알려져 있다. 이들 중, 패시브 방식은 DMFC의 소형화에 대하여 유리하다.

내부 기화형 등의 패시브형 DMFC에 있어서는, 연료 수용부 내의 액체 연료를 예를 들어 연료 함침층이나 연료 기화층 등을 통하여 기화시켜 연료극에 공급한다 (예를 들어 특허 문헌 1 내지 2 참조). 또한, 연료 수용부에의 액체 연료의 공급은 예를 들어 연료 카트리지를 사용하여 행해진다. 새틀라이트 타입(외부 주입식)의 연료 카트리지를 사용하는 경우, 밸브 기구를 내장하는 한 쌍의 소켓과 노즐로 구성되는 커플러를 이용하여, DMFC의 연료 수용부 등에 소켓을 장착함과 함께 연료 카트리지에 노즐을 장착하고, DMFC의 연료 수용부 등에 장착된 소켓에 연료 카트리지에 장착된 노즐을 접속하고, 그들의 밸브 기구 내에 배치된 밸브를 접촉시켜 개방 상태로 함으로써 액체 연료의 공급을 행한다(예를 들어 특허 문헌 3 참조).

내부 기화형 등의 패시브형 DMFC는, 예를 들어 휴대용 전자 기기에 탑재하기 위하여 소형화가 진행되고 있어, 그 결과로서 DMFC의 연료 수용부 등에 장착되는 소켓이나, 연료 카트리지에 장착되는 노즐도 소형화되고 있다. 또한, 이러한 소켓이나 노즐의 소형화에 수반하여, 그들의 내부에 설치되는 밸브에 대해서도 소형, 소직경화되고 있다. 이러한 밸브로서는, 예를 들어 로드부의 직경이 1mm 정도인 것이 사용되고 있으며, 한층 더한 소형, 소직경화로 인해 직경이 0.8mm 정도인 것도 검토되고 있다.

그러나, 종래의 밸브는 수지 재료로 형성되어 있어, 반드시 강도가 높지는 않고, 또한 상기한 바와 같은 소형, 소직경화에 수반하여 한층 더 강도가 저하되는 경향이 있다. 이러한 강도가 낮은 밸브에 대해서는, 소켓과 노즐의 접속이나 분리 시, 과도한 하중이 가해짐으로써 변형 또는 파손될 우려가 있다. 밸브는 소켓이나 노즐에 있어서의 밸브 기구를 주로 구성하는 것이기 때문에, 변형 또는 파손에 의해 밸브 기구를 적절하게 작동시키는 것이 곤란하게 되어, 예를 들어 접속 시에 있어서는 연료 카트리지로부터 DMFC에의 액체 연료의 공급이 곤란해지고, 또한 비접속 시에 있어서는 DMFC나 연료 카트리지로부터의 액체 연료의 누출의 우려가 있다.

일본 특허 제3413111호 명세서 일본 특허 공개 제2004-171844 공보 일본 특허 공개 제2004-127824 공보

본 발명은, 예를 들어 소켓과 노즐의 접속이나 분리 시에 있어서의 밸브의 변형이나 파손이 억제되어, 신뢰성이 우수한 연료 전지용 커플러와 그것을 사용한 연료 전지를 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.

본 발명의 연료 전지용 커플러는, 연료 전지에 설치되고, 밸브와 이것을 폐쇄 방향으로 압박하는 압박 수단을 구비하는 소켓과, 연료 전지용의 액체 연료를 수용하는 연료 카트리지에 설치되고, 밸브와 이것을 폐쇄 방향으로 압박하는 압박 수단을 구비하는 노즐을 구비하고, 상기 소켓과 상기 노즐을 접속함으로써 상기 양 밸브를 접촉시켜 개방하고, 상기 연료 카트리지 내에 수용된 상기 액체 연료를 상기 연료 전지로 공급하기 위하여 사용되는 것으로서, 상기 소켓측 및 상기 노즐측으로부터 선택되는 적어도 한쪽의 밸브가, 헤드부와 그 축 방향 양단부에 설치된 로드부를 갖고, 또한 상기 접촉측의 로드부가 주로 금속 부재로 이루어지는 것을 특징으로 하고 있다.

본 발명의 연료 전지는, 상기한 연료 전지용 커플러에 있어서의 접촉측의 로드부가 주로 금속 부재로 이루어지는 밸브를 구비하는 소켓과, 상기 소켓을 통하여 공급된 액체 연료를 수용하는 연료 수용부와, 상기 액체 연료를 사용하여 발전 동작을 행하는 기전부를 구비하는 것을 특징으로 하고 있다.

도 1은 본 발명의 연료 전지용 커플러와 그것을 사용한 연료 전지를 도시하는 개략도.
도 2는 본 발명의 연료 전지용 커플러의 일례를 도시하는 단면도(비접속 상태).
도 3은 도 2에 도시된 소켓을 확대하여 도시하는 단면도.
도 4는 도 2에 도시된 연료 전지용 커플러의 접속 상태를 도시하는 단면도.
도 5는 본 발명에 사용되는 밸브의 일례를 도시하는 외관도.
도 6의 (a) 내지 (e)는 도 5에 도시된 밸브의 상면도, 평면도, 하면도, A-A선 단면도 및 B-B선 단면도.
도 7은 도 5에 도시된 밸브의 변형예를 도시하는 단면도.
도 8은 접촉측 로드부의 축 방향에서 보아 단면 형상이 삼방형(三方型)인 밸브를 도시하는 외관도.
도 9는 접촉측 로드부의 축 방향에서 보아 단면 형상이 별형인 밸브를 도시하는 외관도.
도 10은 접촉측 로드부의 축 방향에서 보아 단면 형상이 톱니형인 밸브를 도시하는 외관도.
도 11은 접촉측 로드부가 원통 형상인 밸브를 도시하는 외관도.
도 12는 접촉측 로드부가 원통 형상인 밸브의 다른 예를 도시하는 외관도.
도 13의 (a) 및 (b)는 금속 부재의 제조 방법의 일례를 도시하는 도면.
도 14의 (a) 및 (b)는 금속 부재의 다른 제조 방법을 도시하는 도면.
도 15는 본 발명의 연료 전지의 일례를 도시하는 단면도.

이하, 본 발명을 실시하기 위한 형태에 대해, 도면을 참조하여 설명한다.

도 1은 본 발명의 연료 전지용 커플러(1)(이하, 단순히 커플러라고 칭한다)와, 그것을 사용한 연료 전지(2) 및 연료 카트리지(3)(이하, 단순히 카트리지라고 칭한다)를 도시한 것이다. 커플러(1)는 카트리지(3)로부터 연료 전지(2)로 액체 연료의 공급을 행할 때에 사용되는 접속 기구로서, 연료 전지(2)측의 접속 기구인 소켓(1s)과 카트리지측의 접속 기구인 노즐(1n)로 구성되어 있다.

또한, 연료 전지(2)는 기전부가 되는 연료 전지 셀(4)과, 이 연료 전지 셀(4)에 공급하는 액체 연료를 수용하는 연료 수용부(5)와, 이 연료 수용부(5)에 액체 연료를 공급하기 위한 연료 수용부(6)로 구성되어 있고, 커플러(1)의 한쪽을 구성하는 소켓(1s)은 이 연료 수용부(6)에 설치되어 있다. 또한, 소켓(1s)은 후술하는 바와 같이 밸브 기구를 내장하고 있으며, 액체 연료가 공급될 때 이외는 폐쇄 상태로 되어 있다. 또한, 연료 전지(2)는 연료 수용부(5)를 거치지 않고 연료 수용부(6)로부터 직접 연료 전지 셀(4)에 액체 연료를 공급하는 구조이어도 된다.

한편, 카트리지(3)는 액체 연료를 수용하는 용기인 카트리지 본체(7)를 갖고, 그 선단에 카트리지 본체(7)에 수용된 액체 연료를 토출하는 것으로서 커플러(1)의 다른 쪽을 구성하는 노즐(1n)이 설치되어 있다. 노즐(1n)에 대해서도 후술하는 바와 같이 밸브 기구를 내장하고 있으며, 액체 연료를 토출할 때 이외는 폐쇄 상태로 되어 있다. 이러한 카트리지(3)는 연료 전지(2)에 액체 연료를 주입할 때만 접속되는 것으로서, 소위 새틀라이트 타입(외부 주입식)의 카트리지이다.

카트리지 본체(7)에는 연료 전지(2)에 따른 액체 연료, 예를 들어 직접 메탄올형 연료 전지(DMFC)이면 각종 농도의 메탄올 수용액이나 순 메탄올 등의 메탄올 연료가 수용된다. 또한, 카트리지 본체(7)에 수용되는 액체 연료는 반드시 메탄올 연료에 한정되는 것이 아니고, 예를 들어 에탄올 수용액이나 순 에탄올 등의 에탄올 연료, 프로판올 수용액이나 순 프로판올 등의 프로판올 연료, 글리콜 수용액이나 순 글리콜 등의 글리콜 연료, 디메틸에테르, 포름산, 그 밖의 액체 연료이어도 된다. 무엇으로 하든, 연료 전지(2)에 따른 액체 연료가 수용된다.

이어서, 커플러(1)의 구체적인 구성에 대해, 도 2 및 도 3을 참조하여 설명한다. 도 2는 커플러(1)를 구성하는 소켓(1s)과 노즐(1n)을 도시하는 일부 단면도이며, 접속 전의 상태를 나타낸 것이다. 또한, 도 3은, 도 2에 도시된 소켓(1s)을 확대하여 나타낸 것이다. 또한, 이하의 설명에 있어서 선단측이란, 소켓(1s)에 대해서는 노즐(1n)이 삽입되는 단부측(도면 중, 상측)을 가리키고, 노즐(1n)에 대해서는 소켓(1s)에 삽입되는 단부측(도면 중, 하측)을 가리킨다.

노즐(1n)은, 수형 커플러 또는 플러그라고도 불리는 것으로서, 카트리지 본체(7)의 선단측의 개구부를 덮도록 하여 설치되어 있다. 노즐 헤드(11)는 카트리지 본체(7)의 선단측이 끼워 넣어지는 통 형상의 베이스부(11a)와, 그 선단측에 설치된 가는 직경의 축부(11b)로 주로 구성되어 있고, 축부(11b)에는 축 구멍이 형성되어 있고, 그 선단측에 이 축 구멍과 연결되는 노즐구(11c)가 형성되어 있다.

축부(11b)의 선단부 표면인 정상면에는 오목부(11d)가 형성되어 있다. 오목부(11d)는 축부(11b)의 정상면을 패이도록 하여 형성되어 있고, 이 오목부(11d)의 저면에 노즐구(11c)가 개구되어 있다. 오목부(11d)는 노즐(1n)의 선단측에 잔류(부착)된 액체 연료의 수용부로서 기능하는 것으로서, 조작자가 액체 연료에 접촉되지 않도록 하는 것이다. 또한, 노즐 헤드(11)의 축부(11b)의 외주에는, 후술하는 소켓(1s)의 노즐 유지 기구(36)와 끼워 맞추어지는 오목부인 주위 홈(11e)이 형성되어 있다. 또한, 노즐 헤드(11)의 주로 축부(11b)의 외주에는, 후술하는 키 링(20)을 개재하여 연료 식별 수단으로서 기능하는 키부(13)가 설치되어 있다. 후술하는 바와 같이, 연료 식별 수단은 키부(13)와 소켓(1s)측의 키 홈(54)으로 구성된다.

베이스부(11a)의 내측에는 밸브(14)를 내부에 유지하는 컵 형상의 밸브 홀더(15)가 배치되어 있다. 밸브 홀더(15)는 밸브실을 규정하는 것으로서, 그 선단측 외연부가 카트리지 본체(7)와 베이스부(11a) 사이에 끼워 넣어져 고정되고, 또한 후단부에 액체 연료의 유로가 되는 연통 구멍(15a)이 형성되어 있다. 밸브(14)는 헤드부(14a)와, 그 축 방향의 양단부에 설치된 로드부(14b, 14c)를 갖는 것이다. 여기서, 선단측의 로드부(14b)가 후술하는 소켓(1s)측의 로드부(40b)와 접촉되는 로드부(접촉측의 로드부)이다. 헤드부(14a)는 밸브 홀더(15)에 의해 규정된 밸브실 내에 배치되고, 로드부(14b)는 축부(11b)의 축 구멍 내에 수용되어, 이들에 의해 밸브(14)는 축 방향으로 진퇴 가능하게 유지되어 있다.

헤드부(14a)와 베이스부(11a)의 내측에 설치된 밸브 시트(16) 사이에는 O링(17)이 배치되어 있다. 밸브(14)에는 압축 스프링 등의 탄성체(18)에 의해 헤드부(14a)를 밸브 시트(16)에 가압하는 힘이 가해지고 있으며, 이들에 의해 O링(17)은 가압되고 있다.

비접속 상태에 있어서는, 헤드부(14a)에 의해 O링(17)이 밸브 시트(16)에 가압됨으로써, 노즐(1n) 내의 연료 유로가 폐쇄 상태로 되어 있다. 한편, 노즐(1n)을 소켓(1s)에 접속하면, 밸브(14)가 후퇴하여 헤드부(14a) 및 O링(17)이 밸브 시트(16)로부터 이격되어, 노즐(1n) 내의 연료 유로가 개방 상태로 된다. 밸브 홀더(15)의 내부에는 카트리지 본체(7)로부터 연통 구멍(15a)을 통하여 액체 연료가 유입하고 있기 때문에, 노즐(1n) 내의 연료 유로가 개방 상태로 됨으로써 소켓(1s)에의 액체 연료의 공급이 가능해진다.

노즐 헤드(11)의 외측에는 캠 기구를 구비한 링 형상 부재인 키 링(20)이나 컨테이너 노즐(21) 등이 배치되어 있다. 키 링(20)은, 통상의 사용 시에는 압입에 의해 노즐 헤드(11)에 걸려 있다. 카트리지(3)를 연료 전지(2)에 접속했을 때에 굽힘이나 비틀기 등의 힘이 가해지면 키 링(20)이 캠 기구를 이용하여 회전 부상함으로써 접속 상태가 해제되어, 소켓(1s)으로부터 노즐(1n)이 이탈하게 되어 있다. 또한, 컨테이너 노즐(21)은 카트리지 본체(7)에 예를 들어 나사 결합되어 있으며, 이에 의해 노즐 헤드(11)나 밸브(14) 등을 갖는 노즐(1n)이 카트리지 본체(7)의 선단부에 고착되어 있다.

한편, 소켓(1s)은 암형 커플러라고도 불리는 것이다. 도 3에 확대하여 도시한 바와 같이 소켓(1s)은 원통 형상의 외통부(31)를 갖고, 그 선단측의 단면이 대략 오목 형상인 노즐 삽입구(32)로 되어 있다. 외통부(31)는, 예를 들어 대략 원통 형상의 선단측 외통부(31a)와, 대략 원통 형상의 후단부측 외통부(31b)로 구성되어 있고, 선단측 외통부(31a)는 후단부측 외통부(31b)의 상방 외측에 고착되어 있다.

외통부(31)의 내측에는 밸브실을 규정하는 내통부(33)가 설치되어 있고, 이 내통부(33)는 예를 들어 중간 내통부(33a)와 후단부측 내통부(33b)로 구성되어 있다. 이들 중간 내통부(33a)와 후단부측 내통부(33b) 사이에는 O링(34)이 설치되어 있어, 밸브실의 밀폐성을 높이고 있다.

선단측 외통부(31a)는, 노즐(1n)을 삽입하여 접속했을 때에 노즐 헤드(11)의 외주면을 가이드하는 기능을 갖고 있다. 또한, 노즐 헤드(11)의 선단부는 선단측 외통부(31a)로 완전히 가이드되어 있지는 않고, 그들 사이에는 간극이 생겨 있다. 그로 인해, 소켓(1s) 내에는 노즐(1n)(노즐 헤드(11))의 선단부를 가이드하도록 링 형상의 가이드 부재(35)가 배치되어 있다.

가이드 부재(35)는 선단측 외통부(31a)의 내측으로서, 후단부측 외통부(31b)의 선단측에 배치되어 있다. 가이드 부재(35)는 선단측에 복수의 절결부(35a)를 갖고 있으며, 후술하는 노즐 유지 기구(36)의 내경측으로 돌출되는 훅부(36a)는 이 절결부(35a)를 통과하도록 설치됨과 함께, 가이드 부재(35)는 이 노즐 유지 기구에 의해 후단부측 외통부(31b)에 밀착되어, 소켓(1s)으로부터의 탈락이 방지되고 있다.

가이드 부재(35)는 노즐 헤드(11)의 선단부의 형상에 대응한 내측 형상을 갖고 있으며, 이에 의해 소켓(1s)에 접속된 노즐(1n)의 선단부를 가이드하여, 노즐(1n)의 접속 상태에 있어서의 기울기를 제한한다. 즉, 노즐(1n)을 소켓(1s)에 접속한 상태에 있어서, 노즐 헤드(11)의 선단부에 위치하는 부분에 가이드 부재(35)를 배치함으로써 접속 시에 있어서의 노즐(1n)의 가이드 효과 및 그것에 기초하는 센터링 효과를 얻을 수 있다. 이에 의해, 노즐(1n)의 접속 상태에 있어서의 기울기를 제한할 수 있다.

중간 내통부(33a) 위에는 고무 홀더 등의 탄성체 홀더(37)가 설치되어 있다. 탄성체 홀더(37)는 주름 상자 형상과 재료 특성(고무 탄성)에 기초하여 축 방향으로 탄성이 부여된 원통 형상의 홀더 본체(37a)와, 그 후단부측에 설치된 플랜지부(37b)를 갖고 있다. 탄성체 홀더(37)는 플랜지부(37b)가 후단부측 외통부(31b)에 설치된 링 형상 볼록부(31c)와 중간 내통부(33a) 사이에 끼워 넣어져 고정되어 있다.

탄성체 홀더(37)는 그 선단측을 노즐 헤드(11)의 오목부(11d)에 끼워 맞추게 함으로써, 노즐 헤드(11)와의 사이에 접촉 시일면을 형성하는 시일 부재로서, 그 내측이 액체 연료 유로로 되어 있다. 즉, 탄성체 홀더(37)는 소켓(1s)의 밸브 기구를 해방했을 때에 외부와의 사이를 시일하는 시일 부재이다. 또한, 노즐 헤드(11)의 축부(11b)에 형성된 오목부(11d)에 대해서도, 탄성체 홀더(37)의 선단과 끼워 맞추어져 접촉 시일면을 형성하여 시일을 행하는 기능을 겸비하는 것이다.

소켓(1s) 내에는 밸브(40)가 배치되어 있다. 밸브(40)는 헤드부(40a)와, 그 축 방향의 양단부에 설치된 로드부(40b, 40c)를 갖고 있다. 여기서, 선단측의 로드부(40b)가 노즐(1n)측인 밸브(14)의 로드부(14b)와 접촉되는 로드부(접촉측의 로드부)이다. 헤드부(40a)는 중간 내통부(33a)와 후단부측 내통부(33b)에 의해 규정된 밸브실 내에 배치되고, 로드부(40b)는 탄성체 홀더(37) 내에 수납되며, 이들에 의해 밸브(40)는 축 방향으로 진퇴 가능하게 되어 있다.

헤드부(40a)와 중간 내통부(33a)의 선단측 내면에 형성된 밸브 시트(51)의 사이에는 O링(52)이 배치되어 있다. 밸브(40)에는 압축 스프링 등의 탄성체(53)에 의해 헤드부(40a)를 선단측으로 압박하는 힘이 항상 가해지고 있으며, 이에 의해 O링(52)이 가압되어, 소켓(1s) 내의 연료 통로가 폐쇄 상태로 되어 있다. 한편, 노즐(1n)을 소켓(1s)에 접속하면 밸브(40)가 후퇴하여 헤드부(40a) 및 O링(52)이 밸브 시트(51)로부터 이격됨으로써 소켓(1s) 내의 연료 유로가 개방 상태로 된다.

후단부측 내통부(33b)에는 연료 수용부(6)를 개재하여 연료 수용부(5)에 접속되는 연통 구멍(33c)이 형성되어 있다. 따라서, 소켓(1s)에 노즐(1n)을 접속하고, 그들의 밸브(14, 40)를 개방 상태로 함으로써 노즐(1n)로부터 소켓(1s)에 연결되는 연속한 연료 유로가 형성되어, 카트리지(3)에 수용된 액체 연료를 연료 전지(2)의 연료 수용부(5) 내로 공급할 수 있다.

선단측 외통부(31a)에는 소켓(1s)에 노즐(1n)이 접속되었을 때에 그 접속 상태를 유지하는 노즐 유지 기구(36)가 설치되어 있다. 노즐 유지 기구(36)는 선단측 외통부(31a)의 내경측으로 돌출된 훅부(36a)와, 노즐(1n)을 유지하도록 훅부(36a)에 가압력을 부여하는 탄성체(36b)를 갖고 있다.

훅부(36a)는 선단측 외통부(31a)의 외측에 배치된 탄성체(36b)의 탄성력에 의해 그 내경측을 향하여 가압력이 부여됨과 함께 외경측으로 후퇴 가능하게 되어 있다. 노즐 유지 기구(36)는 노즐(1n)을 소켓(1s)에 접속했을 때에 훅부(36a)를 노즐 헤드(11)의 주위 홈(11e)에 결합시켜, 노즐(1n)과 소켓(1s)의 접속 상태를 유지하는 것이다. 접속 상태에 있어서는, 훅부(36a)에 의해 노즐(1n)을 탄성적으로 끼움 지지하여, 노즐(1n)에 과도한 굽힘이나 비틀기 등의 힘이 가해진 경우, 훅부(36a)가 후퇴하여 노즐(1n)과 소켓(1s)의 접속 상태가 해제된다.

선단측 외통부(31a)의 내경측에는 연료 식별 수단으로서 기능하는 축 방향을 따라 연장되는 홈인 키 홈(54)이 형성되어 있다. 키 홈(54)은 상술한 노즐(1n)의 키부(13)와 결합하는 형상을 갖고 있다. 키부(13)와 키 홈(54)은 한 쌍의 형상을 이루기 때문에, 예를 들어 액체 연료에 따라 형상을 규정함으로써 액체 연료의 오주입 등을 방지할 수 있다. 즉, 키부(13)의 형상을 액체 연료의 종별(종류나 농도 등)에 따른 형상으로 하고, 또한 키 홈(54)을 키부(13)에 대응한 형상으로 함으로써 연료 전지(2)에 대응한 액체 연료를 수용하는 카트리지(3)만을 접속 가능하게 할 수 있다. 이에 의해, 액체 연료의 오주입에 의한 동작 불량이나 특성 저하 등을 방지하는 것이 가능해진다.

이러한 커플러(1)에 있어서의 접속 및 분리는 이하와 같이 하여 행해진다. 우선, 접속 시에는 소켓(1s)에 형성되어 있는 키 홈(54)과 노즐(1n)에 설치되어 있는 키부(13)가 일치하도록 하여 소켓(1s)에 노즐(1n)을 삽입한다. 소켓(1s)에 노즐(1n)을 삽입해 가면, 우선 소켓(1s)의 고무 홀더(37)의 선단에 노즐 헤드(11)의 오목부(11d)가 끼워 맞추어짐으로써 그들 사이에 접촉 시일면이 형성되어, 밸브(14, 40)가 개방 상태로 되기 전에 액체 연료의 유로 주변의 시일이 확립된다.

또한, 소켓(1s)에 노즐(1n)을 삽입해 가면, 소켓(1s)의 로드부(40b)와 노즐(1n)의 로드부(14b)가 선단부에 있어서 접촉된다. 또한, 소켓(1s)에 노즐(1n)을 삽입해 가면, 소켓(1s)의 밸브(40)가 후퇴하여 개방된 후, 노즐(1n)의 밸브(14)가 후퇴하여 개방되어, 양자간의 액체 연료 유로가 확립되어, 카트리지(3)에 수용된 액체 연료가 연료 전지(2)의 연료 수용부(5)에 공급된다. 도 4에 소켓(1s)과 노즐(1n)을 접속한 상태를 도시한다. 이러한 접속 상태에 있어서는, 소켓(1s)의 노즐 유지 기구(36)가 노즐 헤드(11)의 주위 홈(11e)과 결합하여 노즐(1n)과 소켓(1s)의 접속 상태가 유지된다.

한편, 소켓(1s)으로부터 노즐(1n)을 분리하는 경우, 상기 접속 동작과 반대 동작이 행해진다. 즉, 소켓(1s)으로부터 노즐(1n)을 빼내면, 우선 노즐 유지 기구(36)와 노즐 헤드(11)의 주위 홈(11e)의 결합이 분리된다. 그리고, 노즐(1n)을 빼내면 노즐(1n)의 밸브(14)가 선단측으로 이동하여, 노즐(1n) 내의 액체 연료 유로가 폐쇄된다. 또한, 노즐(1n)을 빼내면 소켓(1s)의 밸브(40)도 선단측으로 이동하여 소켓(1s) 내의 액체 연료 유로가 폐쇄된다. 그리고, 최종적으로 노즐(1n)의 로드부(14b)와 소켓(1s)의 로드부(40b)가 이격되고, 또한 고무 홀더(37)로부터 노즐 헤드(11)의 오목부(11d)가 이격되어 시일이 해제되어, 도 2에 도시된 바와 같은 비접속 상태로 되돌아간다.

본 발명의 커플러(1)에 있어서는, 상기한 노즐(1n)측의 밸브(14) 및 소켓(1s)측의 밸브(40)로부터 선택되는 적어도 한쪽의 밸브에 있어서의 접촉측의 로드부, 즉 로드부(14b) 및 로드부(40b)로부터 선택되는 적어도 한쪽이 주로 금속 부재로 이루어지는 것을 특징으로 하고 있다. 또한, 접촉측의 로드부가 주로 금속 부재로 이루어지는 것으로 된 밸브에 대해서는, 헤드부 및 접촉측은 반대측의 로드부(후단부측의 로드부)의 적어도 표면부가 비금속 재료로 이루어지는 것으로 되어 있는 것이 바람직하고, 구체적으로는 수지 재료로 이루어지는 것으로 되어 있는 것이 바람직하다. 이하에서는, 소켓(1s)측의 밸브(40)에 있어서의 로드부(40b)를 주로 금속 부재로 이루어지는 것으로 한 경우에 대하여 설명한다.

도 5, 도 6의 (a) 내지 (e)는 로드부(40b)를 주로 금속 부재로 이루어지는 것으로 한 밸브(40)의 일례를 도시한 것이다. 여기서, 도 5는 밸브(40)의 외관도이며, 도 6의 (a) 내지 (c)는 각각 밸브(40)의 상면도, 평면도, 하면도이며, 도 6의 (d), (e)는 각각 도 6의 (a)에 있어서의 A-A선 단면도, B-B선 단면도이다.

도 5 및 도 6의 (a) 내지 (c)에 도시된 바와 같이, 밸브(40)는 축 방향의 대략 중간 위치에 설치되는 헤드부(40a)와, 그 축 방향의 양단부에 설치되는 로드부(40b, 40c)를 갖고 있다. 헤드부(40a)는, 예를 들어 3단 구조로 되어 있으며, 접촉측(도면 중, 상측)에 직경이 큰 대직경부를 갖고, 반대측(도면 중, 하측)을 향하여 대직경부보다 소직경인 중간 직경부, 또한 중간 직경부보다 소직경인 소직경부를 갖고 있다.

로드부(40b, 40c)는, 예를 들어 축심으로부터 외경측을 향하여 4개의 볼록부(40d)가 돌출되도록 설치되어 있으며, 축 방향에서 보아 단면 형상이 십자형인 것이다. 그리고, 인접하는 볼록부(40d)의 간극이 액체 연료의 유로인 연료 유로(40e)로 되고, 이 연료 유로(40e)는 축 방향을 따라 연장되어 있다.

도 6의 (d), (e)에 도시된 바와 같이, 밸브(40)는 예를 들어 금속 부재(41)와 수지 재료부(42)로 구성되어 있다. 금속 부재(41)는 적어도 접촉측의 로드부(40b)를 형성하는 로드 형성부(41a)를 갖는 것으로서, 그 후단부측에는 예를 들어 헤드부(40a)에의 고정에 사용되는 매설부(41b)가 설치되어 있다.

로드 형성부(41a)는, 거의 그 상태 그대로 로드부(40b)를 형성하는 것으로서, 예를 들어 상기한 바와 같은 축 방향에서 보아 단면 형상이 십자형인 것이다. 또한, 로드부(40b)의 바닥 연결 부분에 대해서는 수지 재료부(42)에 의해 덮여 있어도 좋고, 이러한 로드부(40b)의 바닥 연결 부분에 대해서는 반드시 로드 형성부(41a)로만 형성되어 있지 않아도 좋다. 또한, 매설부(41b)는, 예를 들어 판 형상이며, 주로 헤드부(40a) 내에 배치되어 있다.

한편, 수지 재료부(42)는 금속 부재(41)의 매설부(41b)를 덮도록 형성되어 있고, 헤드부(40a)와 후단부측의 로드부(40c)를 형성하고 있다. 또한, 수지 재료부(42)는 상기한 바와 같이 로드부(40b)의 바닥 연결 부분에 있어서 로드 형성부(41a)의 주위를 덮도록 형성되어 있어도 된다.

이와 같이 밸브(40)에 있어서의 로드부(40b)를 주로 금속 부재(41)로 이루어지는 것으로 함으로써, 종래의 수지 재료만으로 이루어지는 밸브에 비하여 강도를 향상시켜, 소켓(1s)과 노즐(1n)의 접속이나 분리 시에 있어서의 변형 또는 파손을 억제할 수 있다. 또한, 로드부(40b)는 소켓(1s)과 노즐(1n)을 접속했을 때만, 즉 연료 카트리지(3)로부터 연료 전지(2)로 액체 연료를 공급할 때만 액체 연료에 접촉되고, 그 이외일 때는 액체 연료에 접촉되지 않기 때문에 금속 부재(41)로 이루어지는 것으로 하는 것에 의한 부식의 문제도 발생하기 어렵다.

한편, 헤드부(40a)로부터 후단부측의 부분, 즉 헤드부(40a) 및 로드부(40c)에 대해서는 연료 수용부(5)나 연료 수용부(6)와 연결되는 소켓(1s) 내에 배치되어, 항상 액체 연료가 접촉되기 때문에 부식되기 쉬운 부분이지만, 적어도 표면부가 수지 재료부(42)로 되어 있음으로써, 이러한 부식의 문제도 일어나기 어렵게 할 수 있다.

이러한 금속 부재(41)로서는 내메탄올성 등의 연료 내성이 우수한 것이 바람직하고, 예를 들어 18%의 크롬과 8%의 니켈을 함유하는 스테인리스강인 SUS304나, 18%의 크롬과 12%의 니켈을 함유함과 함께 몰리브덴(Mo)을 함유하여 한층 더 내식성이 우수한 스테인리스강인 SUS316 또는 티타늄 혹은 티타늄 합금으로 이루어지는 것을 적합한 것으로서 들 수 있지만, 반드시 이들의 것에 한정되는 것은 아니다.

또한, 금속 부재(41), 특히 로드 형성부(41a)의 표면에는 내메탄올성 등의 연료 내성을 향상시키기 위한 표면 처리가 행해지고 있는 것이 바람직하다. 이러한 표면 처리로서는, 예를 들어 부동태화 처리, 금 코팅, 불소 수지 코팅 등을 바람직한 것으로서 들 수 있다.

수지 재료부(42)에 대해서도 내메탄올성 등의 연료 내성이 우수한 수지 재료로 이루어지는 것이 바람직하고, 예를 들어 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT), 폴리아세탈(POM) 등의 범용 엔지니어 플라스틱, 폴리페닐렌술파이드(PPS), 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 액정 중합체(LCP) 등의 수퍼 엔지니어 플라스틱으로 이루어지는 것이 바람직하다.

또한, 금속 부재(41)의 매설부(41b)에는 수지 재료부(42)로부터의 빠짐을 억제하기 위해, 예를 들어 폭이 넓은 앵커부(41c)가 설치되어 있는 것이 바람직하다. 앵커부(41c)로서는, 반드시 폭이 넓은 것에 한정되지 않고, 예를 들어 도 7의 (a), (b)에 도시된 바와 같은 원형 형상의 관통 구멍이어도 좋고, 수지 재료부(42)로부터의 금속 부재(41)의 빠짐을 유효하게 억제할 수 있는 것이면 그 형상은 특별히 한정되는 것은 아니다.

도 8 내지 도 12는 밸브(40)의 변형예를 도시한 외관도이다. 본 발명에 있어서의 밸브(40)는, 도 8 내지 10에 도시된 바와 같이 로드부(40b)의 축 방향에서 보아 단면 형상, 즉 볼록부(40d)의 배치가 삼방형, 별형, 톱니형 등이어도 된다. 또한, 본 발명에 있어서의 밸브(40)는, 도 11, 도 12에 도시된 바와 같이 로드부(40b)가 원통 형상이며, 그 접촉측의 단부에 절결부(40f)를 가짐과 함께, 그 후단부측의 측면에 구멍부(40g)를 갖는 것이어도 된다.

도 11, 도 12에 도시된 밸브(40)의 경우, 원통 형상의 로드부(40b)의 내부가 연료 유로(40e)로 되어, 액체 연료는 절결부(40f)로부터 로드부(40b) 내의 연료 유로(40e)에 유입되고, 최종적으로 구멍부(40g)로부터 외형측으로 유출된다. 후단부측의 측면에 형성되는 구멍부(40g)는, 도 11에 도시된 바와 같은 원형 형상의 것이어도 되고, 도 12에 도시된 바와 같은 사각 형상의 것이어도 된다. 예를 들어, 구멍부(40g)를 도 12에 도시된 바와 같은 사각 형상의 것으로 함으로써, 로드부(40b)에 구멍부(40g)를 형성할 때 로드부(40b)의 한쪽의 측면부(예를 들어, 도면 중 우측)로부터 다른 쪽의 측면부(예를 들어, 도면 중 좌측)로 절삭 가공 등이 가능한 가공용 툴을 수평하게 이동시키고, 그들 사이의 측면부(예를 들어, 도면 중 전방측의 측면부)를 깎아냄으로써 용이하게 구멍부(40g)를 형성할 수 있어, 제조성이 우수한 것으로 할 수 있다.

도 8 내지 12에 도시된 밸브(40)에 대해서도, 도 5, 도 6의 (a) 내지 (e)에 도시된 것과 대략 마찬가지로 로드부(40b)를 주로 금속 부재(41)로 이루어지는 것으로 함으로써, 강도를 향상시켜 소켓(1s)과 노즐(1n)의 접속이나 분리 시에 있어서의 변형 또는 파손을 억제할 수 있다.

이러한 밸브(40)는, 예를 들어 로드 형성부(41a)와 매설부(41b)를 갖는 금속 부재(41)를 형성한 후, 그 매설부(41b)의 외주에 수지 재료부(42)를 형성함으로써 제조할 수 있다. 금속 부재(41)는, 금속 재료의 용탕을 금형 내에 주입하여 일체로 형성하는 방법 외에, 각 부를 분할하여 제조한 후, 그들을 끼워 맞추게 하거나 또는 용접 등에 의해 접합하거나 함으로써 제조할 수 있다.

도 13의 (a) 및 (b)는 끼워 맞춤에 의해 금속 부재(41)를 제조하는 방법의 일례를 도시한 것이다. 도 13의 (a)에 도시된 바와 같이, 금속 부재(41)는, 예를 들어 제1 금속판(41m)과 제2 금속판(41n)으로 구성된다. 제1 금속판(41m)은, 예를 들어 로드 형성부(41a)가 되는 부분과 매설부(41b)가 되는 부분을 갖는 것으로서, 그 접촉측이 되는 부분에는 축심을 따라 절결부(41p)가 형성되어 있다. 또한, 제2 금속판(41n)은, 예를 들어 로드 형성부(41a)가 되는 부분만을 갖는 것으로서, 그 후단부측의 부분에는 축심을 따라 절결부(41q)가 형성되어 있다.

제1 금속판(41m)에 있어서의 절결부(41p)의 폭(축심에 수직인 방향의 길이)은, 예를 들어 제2 금속판(41n)의 판 두께와 마찬가지로 또는 그보다 약간 작게 형성되어 있고, 제2 금속판(41n)에 있어서의 절결부(41q)의 폭에 대해서도, 예를 들어 제1 금속판(41m)의 판 두께와 마찬가지로 또는 그보다 약간 작게 형성되어 있다. 그리고, 제1 금속판(41m)의 절결부(41p)와 제2 금속판(41n)의 절결부(41q)를 맞추어 압입함으로써 제1 금속판(41m)과 제2 금속판(41n)이 서로의 절결부(41p, 41q)에 의해 고정되어, 도 13의 (b)에 도시된 바와 같은 축 방향에서 보아 단면 형상이 십자형인 금속 부재(41)를 얻을 수 있다.

또한, 도 14의 (a) 및 (b)는 금속 부재(41)를 용접에 의해 제조하는 방법의 일례를 도시한 것이다. 도 14의 (a)에 도시된 바와 같이 이 금속 부재(41)는, 예를 들어 제1 금속재(41r)와 제2 금속재(41s)로 구성된다. 제1 금속재(41r) 및 제2 금속재(41s)는, 예를 들어 도 5, 도 6의 (a) 내지 (e)에 도시된 바와 같은 축 방향에서 보아 단면 형상이 십자형인 금속 부재(41)를 축심을 통과하는 평면을 따라 2개로 분할한 형상으로 되어 있다. 그리고, 이러한 제1 금속재(41r)와 제2 금속재(41s)를 용접에 의해 접합함으로써, 도 14의 (b)에 도시된 바와 같은 금속 부재(41)로 할 수 있다. 또한, 도 14의 (a) 및 (b)에서는 매설부(41b)를 도시하고 있지 않으나, 통상은 로드 형성부(41a)의 후단부측에 적당한 매설부(41b)가 설치된다.

이와 같이 하여 얻어진 금속 부재(41)에는, 예를 들어 그 매설부(41b)의 외주에 헤드부(40a)나 로드부(40c)가 되는 수지 재료부(42)를 형성함으로써 밸브(40)로 할 수 있다. 매설부(41b)에 수지 재료부(42)를 설치하는 수단으로서는, 예를 들어 인서트 성형법 등을 적용할 수 있고, 구체적으로는 금형 내에 인서트 부재인 금속 부재(41)를 장전한 후, 용융시킨 수지 재료를 주입하고, 금속 부재(41)의 매설부(41b)를 용융시킨 수지 재료에 의해 감싸고, 고화시킴으로써 금속 부재(41)와 수지 재료부(42)가 일체화된 복합 부재인 밸브(40)를 얻을 수 있다.

이상, 밸브(40)의 로드부(40b)를 주로 금속 부재(41)로 이루어지는 것으로 하는 예에 대하여 설명했지만, 이미 설명한 바와 같이 로드부(40b)는 반드시 모두 금속 부재(41)(로드 형성부(41a))로 구성되어 있을 필요는 없고, 예를 들어 도 6의 (d), (e)에 도시된 바와 같이 그 바닥 연결 부분의 표면부에 대해서는 수지 재료부(42)로 이루어지는 것이어도 좋다. 또한, 이러한 바닥 연결 부분의 수지 재료부(42)에 의해 금속 부재(41)(로드 형성부(41a))가 유효하게 고정되는 경우에는 반드시 금속 부재(41)에는 매설부(41b)가 설치되어 있지 않아도 좋다. 또한, 금속 부재(41)에 매설부(41b)를 설치하는 경우에 대해서도, 그 형상은 반드시 도 6의 (d), (e)에 도시된 바와 같은 판 형상의 것에 한정되지는 않으며, 예를 들어 로드 형성부(41a)와 마찬가지의 형상이어도 좋고, 또한 그 크기 등에 대해서도 적절히 변경할 수 있다.

또한, 본 발명의 커플러(1)에서는 소켓(1s)측의 밸브(40)에 있어서의 로드부(40b)를 주로 금속 부재(41)로 이루어지는 것으로 하는 대신, 노즐(1n)측의 밸브(14)에 있어서의 로드부(14b)를 주로 금속 부재로 이루어지는 것으로 해도 좋다. 밸브(14)에 있어서의 로드부(14b)를 주로 금속 부재로 이루어지는 것으로 하는 경우에 대해서도, 밸브(40)에 있어서의 로드부(40b)를 주로 금속 부재(41)로 이루어지는 것으로 하는 경우와 대략 마찬가지의 구성으로 할 수 있다. 본 발명의 커플러(1)에서는, 그 신뢰성을 향상시키는 관점에서 밸브(14)에 있어서의 로드부(14b)를 주로 금속 부재로 이루어지는 것으로 함과 함께 밸브(40)에 있어서의 로드부(40b)를 주로 금속 부재(41)로 이루어지는 것으로 하면 더 바람직하다.

이어서, 본 발명의 연료 전지(2)에 대하여 설명한다. 본 발명의 연료 전지(2)는 상기한 커플러(1)에 있어서의 접촉측의 로드부(40b)가 주로 금속 부재(41)에 의해 구성된 밸브(40)를 구비하는 소켓(1s)과, 이 소켓(1s)을 통하여 공급된 액체 연료를 수용하는 연료 수용부(5)와, 이 액체 연료를 사용하여 발전 동작을 행하는 기전부인 연료 전지 셀(4)을 구비하는 것이다. 본 발명의 연료 전지(2)에 있어서의 연료 전지 셀(4)로서는, 특별히 한정되는 것은 아니고, 예를 들어 새틀라이트 타입의 카트리지(3)가 필요 시에 접속되는 패시브형이나 액티브형의 DMFC를 들 수 있다.

이하, 본 발명의 연료 전지(2)에 대해, 내부 기화형의 DMFC를 예로 들어 설명한다. 도 15는 본 발명의 연료 전지(2)의 일례를 도시하는 단면도이다. 연료 전지(2)는 기전부를 구성하는 연료 전지 셀(4)과, 연료 수용부(5)와, 도시를 생략한 소켓(1s)을 갖는 연료 수용부(6)로 주로 구성되어 있다. 또한, 도시가 생략된 소켓(1s)을 갖는 연료 수용부(6)는, 예를 들어 도 1에 도시된 바와 같이 연료 수용부(5)의 하면측에 설치되어 있다.

연료 전지 셀(4)은 애노드 촉매층(62) 및 애노드 가스 확산층(63)으로 이루어지는 애노드(연료극)와, 캐소드 촉매층(64) 및 캐소드 가스 확산층(65)으로 이루어지는 캐소드(산화제극/공기극)와, 애노드 촉매층(62)과 캐소드 촉매층(64)에 의해 끼움 지지된 프로톤(수소 이온) 전도성의 전해질막(66)으로 구성되는 막전극 접합체(MEA : Membrane Electrode Assembly)를 갖고 있다. 애노드 촉매층(62) 및 캐소드 촉매층(64)에 함유되는 촉매로서는, 예를 들어 Pt, Ru, Rh, Ir, Os, Pd 등의 백금족 원소의 단체, 백금족 원소를 함유하는 합금 등을 들 수 있다.

구체적으로는, 애노드 촉매층(62)에 메탄올이나 일산화탄소에 대하여 강한 내성을 갖는 Pt-Ru나 Pt-Mo 등을, 캐소드 촉매층(64)에 백금이나 Pt-Ni 등을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 탄소 재료와 같은 도전성 담지체를 사용하는 담지 촉매, 혹은 무담지 촉매를 사용해도 좋다. 전해질막(66)을 구성하는 프로톤 전도성 재료로서는, 예를 들어 술폰산기를 갖는 퍼플루오로술폰산 중합체와 같은 불소계 수지(나피온(상품명, 듀퐁사제)나 프레미온(상품명, 아사히 글래스사제) 등), 술폰산기를 갖는 탄화수소계 수지, 텅스텐산이나 인텅스텐산 등의 무기물 등을 들 수 있다. 단, 이들에 한정되는 것은 아니다.

애노드 촉매층(62)에 적층되는 애노드 가스 확산층(63)은, 애노드 촉매층(62)에 연료를 균일하게 공급하는 역할을 다하는 동시에, 애노드 촉매층(62)의 집전체도 겸하고 있다. 한편, 캐소드 촉매층(64)에 적층되는 캐소드 가스 확산층(65)은 캐소드 촉매층(64)에 산화제를 균일하게 공급하는 역할을 다하는 동시에, 캐소드 촉매층(64)의 집전체도 겸하고 있다. 애노드 가스 확산층(63)에는 애노드 도전층(67)이 적층되고, 캐소드 가스 확산층(65)에는 캐소드 도전층(68)이 적층되어 있다.

애노드 도전층(67) 및 캐소드 도전층(68)은, 예를 들어 금과 같은 도전성 금속 재료로 이루어지는 메쉬나 다공질막, 혹은 박막 등으로 구성되어 있다. 또한, 전해질막(66)과 애노드 도전층(67) 사이, 및 전해질막(66)과 캐소드 도전층(68) 사이에는 고무제의 O링(69, 70)이 개재되어 있으며, 이들에 의해 연료 전지 셀(4)로부터의 연료 누설이나 산화제 누설을 방지하고 있다.

연료 수용부(5)의 내부에는 액체 연료(F)로서 예를 들어 메탄올 연료가 충전되어 있다. 또한, 연료 수용부(5)는 연료 전지 셀(4)측이 개구되어 있으며, 이 연료 수용부(5)의 개구부와 연료 전지 셀(4) 사이에 기체 선택 투과막(61)이 설치되어 있다. 기체 선택 투과막(61)은, 액체 연료(F)의 기화 성분만을 투과하고, 액체 성분은 투과시키지 않는 기액 분리막이다. 이러한 기체 선택 투과막(61)의 구성 재료로서는, 예를 들어 폴리테트라플루오로에틸렌과 같은 불소 수지를 들 수 있다. 여기서, 액체 연료(F)의 기화 성분이란, 액체 연료(F)로서 메탄올 수용액을 사용한 경우에는 메탄올의 기화 성분과 물의 기화 성분으로 이루어지는 혼합기, 순 메탄올을 사용한 경우에는 메탄올의 기화 성분을 의미한다.

캐소드 도전층(68) 위에는 보습층(71)이 적층되어 있으며, 그 위에는 표면층(72)이 더 적층되어 있다. 표면층(72)은 산화제인 공기의 도입량을 조정하는 기능을 갖고, 그 조정은 표면층(72)에 형성된 공기 도입구(72a)의 개수나 크기 등을 변경함으로써 행한다. 보습층(71)은 캐소드 촉매층(64)에서 생성된 물의 일부가 함침되어, 물의 증산을 억제하는 역할을 다함과 함께, 캐소드 가스 확산층(65)에 산화제를 균일하게 도입함으로써 캐소드 촉매층(64)에의 산화제의 균일 확산을 촉진하는 기능도 갖고 있다. 보습층(71)은 예를 들어 다공질 구조의 부재로 구성되며, 구체적인 구성 재료로서는 폴리에틸렌이나 폴리프로필렌의 다공질체 등을 들 수 있다.

그리고, 연료 수용부(5) 위에 기체 선택 투과막(61), 연료 전지 셀(4), 보습층(71), 표면층(72)을 순서대로 적층하고, 또한 그 위에 예를 들어 스테인리스제의 커버(73)를 씌워 전체를 보유 지지함으로써, 이 연료 전지(2)가 구성되어 있다. 커버(73)에는 표면층(72)에 형성된 공기 도입구(72a)와 대응하는 부분에 개구(73a)가 형성되어 있다. 또한, 연료 수용부(5)에는 커버(73)의 갈고리(73b)를 받는 테라스(5a)가 설치되어 있고, 이 테라스(5a)에 갈고리(73b)를 코킹함으로써 연료 전지(2) 전체를 커버(73)에 의해 일체로 보유 지지하고 있다.

상술한 바와 같은 구성을 갖는 연료 전지(2)에 있어서는, 연료 수용부(5) 내의 액체 연료(F)(예를 들어 메탄올 수용액)가 기화되고, 이 기화 성분이 기체 선택 투과막(61)을 투과하여 연료 전지 셀(4)에 공급된다. 연료 전지 셀(4) 내에 있어서, 액체 연료(F)의 기화 성분은 애노드 가스 확산층(63)에 의해 확산되어 애노드 촉매층(62)에 공급된다. 애노드 촉매층(62)에 공급된 기화 성분은, 하기의 화학식 1로 표시되는 메탄올의 내부 개질 반응을 발생시킨다.

또한, 액체 연료(F)로서 순 메탄올을 사용한 경우에는 연료 수용부(5)로부터 수증기가 공급되지 않기 때문에 캐소드 촉매층(64)에서 생성된 물이나 전해질막(66) 내의 물을 메탄올과 반응시켜 상기 화학식 1의 내부 개질 반응을 일으키거나, 혹은 상기 화학식 1의 내부 개질 반응에 의하지 않고, 물을 필요로 하지 않는 다른 반응 기구에 의해 내부 개질 반응을 발생시킨다.

내부 개질 반응으로 생성된 프로톤(H⁺)은 전해질막(66)을 전도하여 캐소드 촉매층(64)에 도달한다. 표면층(72)의 공기 도입구(72a)로부터 받아들여진 공기(산화제)는 보습층(71), 캐소드 도전층(68), 캐소드 가스 확산층(65)을 확산하여, 캐소드 촉매층(64)에 공급된다. 캐소드 촉매층(64)에 공급된 공기는, 다음 화학식 2로 표시되는 반응을 발생시킨다. 이 반응에 의해, 물의 생성을 수반하는 발전 반응이 발생한다.

상술한 반응에 기초하는 발전 반응이 진행함에 따라, 연료 수용부(5) 내의 액체 연료(F)(예를 들어 메탄올 수용액이나 순 메탄올)는 소비된다. 연료 수용부(5) 내의 액체 연료(F)가 비게 되면 발전 반응이 정지하기 때문에, 그 시점에서 혹은 그 이전의 시점에서 연료 수용부(5) 내에 카트리지(3)로부터 액체 연료를 공급한다. 카트리지(3)로부터의 액체 연료의 공급은, 상술한 바와 같이 카트리지(3)측의 노즐(1n)을 연료 전지(2)측의 도시하지 않은 소켓(1s)에 삽입하여 접속함으로써 실시된다.

이상, 본 발명의 연료 전지용 커플러 및 연료 전지에 대하여 설명했지만, 본 발명의 연료 전지용 커플러 및 연료 전지는 상기 실시 형태 그 자체에 한정되는 것이 아니고, 실시 단계에서는 그 요지를 일탈하지 않는 범위에서 구성 요소를 변형하여 구체화할 수 있다. 또한, 상기 실시 형태에 개시되어 있는 복수의 구성 요소의 적당한 조합에 의해 다양한 발명을 형성할 수 있다. 예를 들어, 실시 형태에 기재된 전체 구성 요소로부터 몇개의 구성 요소를 삭제해도 좋다. 또한, 예를 들어 연료 전지로서는 소형화가 진행되고 있는 패시브형 DMFC가 적합하지만, 적어도 본 발명의 연료 전지용 커플러에 있어서의 특정한 밸브를 갖는 소켓을 구비하고, 액체 연료가 상기 소켓을 통하여 공급되는 것이면, 그 방식이나 기구 등에 대해서는 하등 한정되는 것이 아니다.

본 발명의 연료 전지용 커플러는, 소켓측 및 노즐측으로부터 선택되는 적어도 한쪽의 소켓의 밸브를 헤드부와 그 축 방향의 양단부에 설치된 로드부를 갖는 것으로 하고, 또한 이들의 로드부 중 다른 쪽의 밸브와 접촉되는 로드부를 주로 금속 부재로 이루어지는 것으로 하고 있다. 따라서, 소켓과 노즐의 접속이나 분리 시, 상기 밸브의 변형이나 파손을 억제하여 신뢰성이 우수한 것으로 할 수 있다. 이러한 연료 전지용 커플러는 휴대형 전자 기기를 비롯한 각종 전자 기기의 전원으로서의 연료 전지에 유용하게 사용된다.

또한, 상기 밸브의 헤드부 및 접촉측과는 반대측 로드부의 적어도 표면부를 수지 재료로 이루어지는 것으로 함으로써, 소켓과 노즐의 접속이나 분리 시에 있어서의 상기 밸브의 변형이나 파손을 억제하면서, 액체 연료의 접촉에 의한 상기 밸브의 부식도 최저한도로 억제할 수 있어, 한층 더 신뢰성이 우수한 것으로 할 수 있다. 이로 인해, 휴대형 전자 기기를 비롯한 각종 전자 기기의 전원으로서의 연료 전지에 더욱 유용하게 사용된다.

본 발명의 연료 전지는, 연료 전지용 커플러 중 소켓을 구비하는 것으로서, 그 밸브의 헤드부와 그 축 방향의 양단부에 설치된 로드부 중 노즐측의 밸브와 접촉되는 측의 로드부를 주로 금속 부재로 이루어지는 것으로 하고 있다. 따라서, 연료 카트리지의 접속이나 분리 시에 있어서의 상기 밸브의 변형이나 파손을 억제하여, 신뢰성이 우수한 것으로 할 수 있다. 이러한 연료 전지는, 휴대형 전자 기기를 비롯한 각종 전자 기기의 전원으로서 유용하게 사용된다.

1 : 연료 전지용 커플러
1n : 노즐
1s : 소켓
2 : 연료 전지
3 : 연료 카트리지
4 : 연료 전지 셀
5, 6 : 연료 수용부
7 : 연료 카트리지 본체
11 : 노즐 헤드
13 : 키부
14, 40 : 밸브
14a, 40a : 헤드부
14b, 40b : 로드부(접촉측)
14c, 40c : 로드부(후단부측)
15 : 밸브 홀더
16 : 밸브 시트
17, 34, 52, 69, 70 : O링
18, 53 : 탄성체
20 : 키 링
21 : 컨테이너 노즐
31 : 외통부
32 : 내통부
35 : 가이드 부재
36 : 노즐 유지 기구
37 : 고무 홀더
40d : 볼록부
40e : 연료 유로
40f, 41p, 41q : 절결부
40g : 구멍부
41 : 금속 부재
41a : 로드 형성부
4lb : 매설부
41c : 앵커부
41m : 제1 금속판
41n : 제2 금속판
41r : 제1 금속재
41s : 제2 금속재
42 : 수지 재료부
51 : 밸브 시트
54 : 키 홈
61 : 기체 선택 투과막
62 : 애노드 촉매층
63 : 애노드 가스 확산층
64 : 캐소드 촉매층
65 : 캐소드 가스 확산층
66 : 전해질막
67 : 애노드 도전층
68 : 캐소드 도전층
71 : 보습층
72 : 표면층
73 : 커버

Claims (13)

1. 연료 전지에 설치되고, 밸브와 상기 밸브를 폐쇄 방향으로 압박하는 압박 수단을 구비하는 소켓과, 연료 전지용의 액체 연료를 수용하는 연료 카트리지에 설치되고, 밸브와 상기 밸브를 폐쇄 방향으로 압박하는 압박 수단을 구비하는 노즐을 구비하고, 상기 소켓과 상기 노즐을 접속함으로써 상기 양쪽 밸브를 접촉시켜 개방하고, 상기 연료 카트리지 내에 수용된 상기 액체 연료를 상기 연료 전지에 공급하기 위하여 사용되는 연료 전지용 커플러로서,
   상기 소켓측 및 상기 노즐측으로부터 선택되는 적어도 한쪽의 밸브가, 헤드부와 그 축 방향의 양단부에 설치된 로드부를 갖고, 또한 상기 접촉측의 로드부가 주로 금속 부재로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 커플러.
2. 제1항에 있어서,
   상기 헤드부 및 상기 접촉측과는 반대측에 설치된 로드부의 적어도 표면부가 수지 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 커플러.
3. 제2항에 있어서,
   상기 수지 재료가 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리아세탈, 폴리페닐렌술파이드, 폴리에테르에테르케톤, 액정 중합체로부터 선택되는 적어도 1종인 것을 특징으로 하는 연료 전지용 커플러.
4. 제1항에 있어서,
   상기 금속 부재가 SUS304, SUS316 또는 티타늄 혹은 티타늄 합금으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 커플러.
5. 제1항에 있어서,
   상기 접촉측의 로드부는, 상기 액체 연료에 대한 연료 내성을 향상시키기 위한 표면 처리가 행해져 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 커플러.
6. 제1항에 있어서,
   상기 접촉측의 로드부는 표면부에 축 방향을 따라 연장되는 연료 유로를 갖는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 커플러.
7. 제6항에 있어서,
   상기 접촉측의 로드부는, 축심으로부터 외경측을 향하여 돌출되는 2개 이상의 볼록부를 갖고, 상기 볼록부끼리의 간극이 상기 연료 유로로 되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 커플러.
8. 제7항에 있어서,
   상기 접촉측의 로드부는, 축 방향에서 보아 단면 형상이 십자형, 삼방형(三方型), 별형 또는 톱니형으로 되도록 상기 볼록부가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 커플러.
9. 제1항에 있어서,
   상기 접촉측의 로드부는, 원통 형상이며, 또한 그 측면부에 구멍부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 커플러.
10. 제1항에 있어서,
    상기 금속 부재는 상기 로드부를 형성하는 로드 형성부와 상기 헤드부에 매설되는 매설부를 갖고, 또한 상기 매설부에는 상기 헤드부에서의 상기 금속 부재의 탈락을 억제하는 앵커부를 갖는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 커플러.
11. 제1항에 있어서,
    상기 금속 부재는 2매 이상의 금속판이 끼워 맞추어짐으로써 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 커플러.
12. 제1항에 있어서,
    상기 금속 부재는 2 이상의 금속재가 용접됨으로써 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 커플러.
13. 연료 전지로서,
    제1항에 기재된 연료 전지용 커플러에 있어서의 접촉측의 로드부가 주로 금속 부재로 이루어지는 밸브를 구비하는 소켓과,
    상기 소켓을 통하여 공급되는 액체 연료를 수용하는 연료 수용부와,
    상기 액체 연료를 사용하여 발전 동작을 행하는 기전부를 구비하는 것을 특징으로 하는 연료 전지.

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