WO2006109536A1

WO2006109536A1 - 燃料電池の液注入装置、燃料電池及び燃料カートリッジ

Info

Publication number: WO2006109536A1
Application number: PCT/JP2006/306013
Authority: WO
Inventors: Kenichi Takahashi; Koichi Kawamura; Hideaki Yasui; Hiroyuki Hasebe
Original assignee: Kabushiki Kaisha Toshiba
Priority date: 2005-03-31
Filing date: 2006-03-24
Publication date: 2006-10-19
Also published as: KR20070104943A; TWI323525B; CN101151757B; US20080171258A1; EP1873856A4; JP2006286364A; EP1873856A1; CN101151757A; TW200703757A

Abstract

　カートリッジノズル側のバルブは、弁体8と、弁座4aと、弁体を弁座のほうに付勢する第１の圧縮スプリング10と、第１の圧縮スプリングにより付勢される弁体と弁座との間に設けられたシールリング11と、ノズルの液吐出口に連通する流路内に配置されたバルブステム8bと、第１の圧縮スプリングを支持する中栓7とを具備し、燃料電池注入口部側のバルブは、弁体26と、弁座22aと、弁体を弁座のほうに付勢する第２の圧縮スプリング27と、第２の圧縮スプリングにより付勢される弁体と弁座との間に設けられたシールリング28と、液受入口に連通する流路内に配置されたバルブステム26bと、第２の圧縮スプリングを支持する下部材23とを有する。

Description

明細書

燃料電池の液注入装置、燃料電池及び燃料カートリッジ

技術分野

[0001] 本発明は、携帯電話、ノートパソコン、携帯ゲーム機などのモパイル機器の内蔵電源として用いられる小型の燃料電池に燃料カートリッジから高濃度メタノール等の液体燃料を安全に注入するための燃料電池の液注入装置、燃料電池及び燃料カートリッジに係り、特に液注入装置のカプラーバルブに用いられる弁体のスプリング構造に関する。

背景技術

[0002] 携帯電話等の電源として固体電解質型燃料電池が注目されており、その実用化に向けて開発が急ピッチで進められている。開発のコンセプトとして小型かつ平面形状であり、かつ少量の燃料消費で高出力を取り出すことがあげられている。高出力を取り出すために発電効率の高い燃料を使用する必要があり、その最も有力なものとして高濃度メタノール液が着目されている。例えば特許第 3413111号公報には高濃度メタノールを燃料とする燃料電池が提案されて、る。

[0003] 高濃度メタノール液を燃料として使用する場合は、系を開放とせずに閉鎖型とし、燃料ポンプ、送気ポンプ、燃料濃度センサー等の各種補助機構を内蔵させ、燃料が電池内部だけで消費されるようにする必要がある。高濃度メタノールは、低沸点であることから容易に揮発蒸散し、その蒸気を人間が吸い込むおそれがあり、安全衛生上の観点力も外気に曝すことができないからである。

[0004] しかし、使用中に燃料電池内のタンクが空になり、カートリッジ力液体燃料を燃料電池タンクに補給する場合は、カートリッジの液吐出口をあけたり電池本体の注入口部を開けたりするので、一時的であるにしても系が開放され、高濃度メタノールが外部に漏れ出すおそれがある。上述のように高濃度メタノールは安全衛生上の観点から燃料補給時にぉ、ても絶対に外部に漏れ出してはヽけなヽ。燃料を補給する操作はユーザーが行うため、誰が操作しても液漏れを生じることなく安全確実に燃料を補給できることが要請されて、る。 [0005] ところで、液注入用カップラーにはバルブを開閉駆動するために圧縮コイルスプリングが利用されるが、燃料電池に使用するカップラーのバルブ機構の場合、高濃度メタノール液に金属スプリングが接触すると、金属スプリング力鉄、クロム、ニッケルなどの金属元素の陽イオンが溶け出し、この金属陽イオンが電池反応を生じる部分に混入して電池特性の劣化を招くことが危惧される。金属陽イオンの混入は例えその量が微量であっても電池特性に大きく悪影響を及ぼすため、接液部力ゝらの金属陽ィオンの溶け出しはあってはならないものである。

発明の開示

[0006] 本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、簡単な操作によって液漏れを生じることなく高濃度メタノール液などの液体を燃料電池に安全に注入することができ、かつ金属陽イオンの混入による電池特性の劣化を生じな、燃料電池の液注入装置、燃料電池及び燃料カートリッジを提供することを目的とする。

[0007] 本発明に係る燃料電池の液注入装置は、燃料電池の注入口部 (20)に燃料カートリッジのノズル (6)を挿入し、該ノズルを押し込んで該ノズルのバルブ (8)および注入口部のバルブ (26)を共に開け、燃料カートリッジの容器 (2)から該ノズル及び注入口部を介して燃料電池内に液体を注入する燃料電池の液注入装置にお!ヽて、

前記燃料カートリッジノズル側のバルブ (8)は、前記燃料カートリッジの容器に連通する液流入口 (6c)と、前記ノズルの先端に開口する液吐出口 (6a)と、前記液流入口の近傍に配置された弁体 (8Dと、前記液流入口の周壁に形成された弁座 (4a)と、前記弁体を前記弁座のほうに付勢する第 1の圧縮スプリング (10)と、前記第 1の圧縮スプリングにより付勢される前記弁体と前記弁座との間に設けられたシールリング (11)と、前記弁体から前記ノズルのほうに延び出し、前記液吐出口に連通する流路内に配置されたバルブステム (8b)と、前記第 1の圧縮スプリングを支持するとともに、前記弁体を取り囲むバルブ室スペース (9)を規定する中栓 (7)と、を具備し、

前記燃料電池注入口部側のバルブ (26)は、前記燃料カートリッジノズル (6)力ゝら液を受け入れる液受入口 (20a)と、前記液受入口の近傍に配置された弁体 (26Dと、前記注入口部の流路の周壁に形成された弁座 (22a)と、前記弁体を前記弁座のほうに付勢する第 2の圧縮スプリング (27)と、前記第 2の圧縮スプリングにより付勢される前記弁体と前記弁座との間に設けられたシールリング (28)と、前記弁体から前記注入口部の液受入口のほうに延び出し、前記液受入口に連通する流路内に配置されたバルブステム (26b)と、前記第 2の圧縮スプリングを支持するとともに、前記弁体を取り囲むバルブ室スペース (29)を規定する下部材 (23)と、を具備することを特徴とする。

[0008] 本発明に係る燃料電池は、燃料カートリッジのノズルが挿入される注入口部を有する燃料電池であって、前記注入口部は、前記燃料カートリッジノズル力ゝら液を受け入れる液受入口と、前記液受入口の近傍に配置された弁体と、前記注入口部の流路の周壁に形成された弁座と、前記弁体を前記弁座のほうに付勢する第 2の圧縮スプリングと、前記第 2の圧縮スプリングにより付勢される前記弁体と前記弁座との間に設けられたシールリングと、前記弁体から前記注入口部の液受入口のほうに延び出し、前記液受入口に連通する流路内に配置されたバルブステムと、前記第 2の圧縮スプリングを支持するとともに、前記弁体を取り囲むバルブ室スペースを規定する下部材と、を具備することを特徴とする。

[0009] 本発明に係る燃料カートリッジは、燃料電池の注入口部に挿入されるべきノズルを備えた燃料カートリッジであって、前記ノズルは、前記燃料カートリッジの容器に連通する液流入口と、前記液流入口に連通し、前記ノズルの先端に開口する液吐出口と、前記液流入口の近傍に配置された弁体と、前記液流入口の周壁に形成された弁座と、前記弁体を前記弁座のほうに付勢する第 1の圧縮スプリングと、前記第 1の圧縮スプリングにより付勢される前記弁体と前記弁座との間に設けられたシールリングと、前記弁体から前記ノズルのほうに延び出し、前記液吐出口に連通する流路内に配置されたバルブステムと、前記第 1の圧縮スプリングを支持するとともに、前記弁体を取り囲むバルブ室スペースを規定する中栓と、を具備することを特徴とする。

[0010] 第 1及び第 2の圧縮スプリングは、 JIS G 4314に定めるばね用ステンレス鋼線（例えば SUS304— WPB)、JIS G 4313に定めるばね用ステンレス鋼帯（例えば S US631J1— WPC)、JIS G 3130に定めるば、ね用ベリリウム銅列えば、 C1720W) 、リン青銅 (例えば C5191W)、及びチタン線材などの耐食性に優れた材料でつくることができる。これらの耐食金属材料の他に、ばね用硬鋼線、ピアノ線、黄銅、ベリリゥム銅合金、チタン銅合金、 17 · 7ΡΗステンレス鋼などの耐食金属材料を用いることちでさる。

[0011] 第 1及び第 2の圧縮スプリングは、表面処理された金属材料でつくることができる。

表面処理層としては、金 (Au)めっき、白金（Pt)めっき、ロジウム (Rh)めっきなどの貴金属めつきを用いるか、または表面に薄い酸ィ匕皮膜を形成するチタンめつきを用いるか、あるいは非金属コーティング層として炭素（例えばダイヤモンド'ライク'カーボン.コーティング (DLCC) )、フッ素などの榭脂コーティングを用いることができる。高濃度メタノール液が接触する部分に鉄、クロム、ニッケル、銅などの卑金属材料を用いると、メタノール液中に溶け出した陽イオンの混入により電池特性の劣化を招くことが危惧されるので、接液部分には卑金属材料が露出しないようにする必要があるからである。

[0012] また、第 1及び第 2の圧縮スプリングは非金属材料でつくることができる。カーボン、ポリエチレンテレフタレート（PET)、ポリプロピレン（PP)、ポリカーボネート（PC)などの耐メタノール性 (耐薬品性）に優れた榭脂などの非金属材料を用いて圧縮コイルスプリングを作製することが可能である。

[0013] 第 1の圧縮スプリングのばね係数 ε 1を前記第 2の圧縮スプリングのばね係数 ε 2よりも大きくするか又は同等とし、前記燃料電池注入口部側のバルブのほうが前記カートリッジノズル側のバルブよりも先行して開くか又は同時に開くようにすることができる。一方、第 2の圧縮スプリングのばね係数 ε 2を前記第 1の圧縮スプリングのばね係数 ε 1よりも大きくし、前記カートリッジノズル側のバルブのほうが前記燃料電池注入口部側のバルブよりも先行して開くようにしてもょ、。バルブの開閉順序は、ずれの場合であっても液漏れ防止効果を奏することはできるが、より安全な液漏れ防止効果を達成するためには、弁体付勢圧縮スプリングのばね係数を前者の関係（ ε 1 > ε 2 )か又は同等の関係（ ε 1 = ε 2)とし、電池本体側バルブ 26のほうが先に開くか又は同時に開くようにすることが望ましい。液体燃料がカートリッジノズル 6から吐出される際に電池本体側バルブ 26が開、て、れば、液体燃料が円滑かつ迅速に電池本体内のタンクに入っていくことができる力もである。

[0014] 第 1及び第 2の圧縮スプリングは、円筒コイルパネ（図 1〜図 5)、台形コイルパネ（図 7)または板パネ（図 8)のいずれの形状としてもよい。円筒コイルパネは、形状が単純であるので製造しやすぐばね係数を容易に調整できるというメリットがある。一方、台形コイルパネは、圧縮されたときにコイル同士が重なり合わないようにして最小厚み（軸方向サイズ)をスプリング線材の径まで小さくできるというメリットがある。携帯電話のようなモパイル機器では燃料電池を小型化する要求が強くある。台形コイルパネを用いると、バルブ室内における圧縮時のスプリングの占有容積を最小にすることができ、弁体の変位ストロークを力せぐことができるとともに、バルブ室を可能な限り小さくすることができるという利点がある。板パネも同様の利点がある。

図面の簡単な説明

[0015] [図 1]図 1は本発明の燃料電池の液注入装置を示す内部透視断面図。

[図 2]図 2はカートリッジノズルを燃料電池の注入口部に挿入した第 1段階の液注入装置を示す内部透視断面図。

[図 3]図 3はカートリッジノズルを燃料電池の注入口部に押し込んだときの第 2段階の液注入装置を示す内部透視断面図。

[図 4]図 4はカートリッジノズルを燃料電池の注入口部にさらに押し込んだときの第 3 段階の液注入装置を示す内部透視断面図。

[図 5]図 5はカートリッジノズルを燃料電池の注入口部にさらに押し込んだときの第 4 段階の液注入装置を示す内部透視断面図。

[図 6A]図 6Aはカートリッジ側バルブ用圧縮スプリングの断面図。

[図 6B]図 6Bは電池本体側バルブ用圧縮スプリングの断面図。

[図 7]図 7は他の実施形態のバルブ用圧縮スプリング (台形コイルパネ）を示す図。

[図 8A]図 8Aは更に他の実施形態のバルブ用圧縮スプリング (板パネ）を示す平面図

[図 8B]図 8Bは図 8Aの圧縮スプリング (板パネ）の側面図。

発明を実施するための最良の形態

[0016] 以下、添付の図面を参照して本発明を実施するための最良の形態を説明する。

[0017] 本発明の燃料電池の液注入装置は、図 1に示すようにカートリッジ 1と燃料電池本体側の注入口部 20とを組み合わせて構成されるものであり、図 2〜図 5に示すようにカートリッジ側カップラーとしてのカートリッジノズル 6を本体側カップラーとしての注入口部の液受入口 20aに挿入して液体燃料としての高濃度メタノール液を燃料電池本体内のタンク（図示せず）に供給するようになって!/、る。

[0018] カートリッジ 1は、液体燃料としての高濃度メタノールが収容された貯液スペース 3を規定する容器 2と、容器 2の一端側に形成された開口部 2aを取り囲むように取り付けられたカートリッジベース 4と、容器開口部 2aに設けられたカートリッジノズル 6とを具備している。容器 2は、円筒状、紡錘状、偏平筒状あるいは角筒状など種々の形状とすることができる。カートリッジベース 4とカートリッジノズル 6は一体成形された成形品であり、カートリッジノズル 6はカートリッジベース 4から外方へ延び出している。このべース 4Zノズル 6の一体成形品と容器開口部 2aと中栓 7との間は断面コ字状のゴムパッキン 5でシールされて!/、る。

[0019] カートリッジノズル 6は、ノズル本体 6b、バルブ 8、中栓 7、圧縮スプリング 10及びシールリング 11を備えて!/、る。ノズル本体 6bの外周にはバイオネットカップラー要素としての溝 6gが刻み込まれている。ノズル本体 6bの内部流路にはバルブ 8の-一ドル (バルブステム） 8bが挿入されている。中栓 7はバルブ 8の弁体 8fを取り囲み、バルブ室スペース 9を規定している。圧縮スプリング 10は弁体 8fをバルブシート 4aのほうに付勢している。シールリング 11は、弁体 8fの保持溝 8hに保持され、圧縮スプリング 1 0の付勢力によりバルブシート 4aに押圧されて!/、る。シールリング 11をバルブシート 4 aから強制的に引き離すと、液流入口 6cが開いて液が液吐出口 6aに向かって流れるようになっている。

[0020] 中栓 7は、その形状がハット状またはカップ状をなし、フランジ 7bがゴムパッキン 5を介してカートリッジベース 4に着脱可能に保持されている。中栓 7は薄肉の榭脂 (例えば PEEK)からなり、ある程度の可撓性を有するものである。これを組み立てる場合は、バルブ 8を中栓 7のなかに組み込み、カートリッジベース 4に接着されたゴムパツキン 5に中栓 7のフランジ 7bを嵌め込み、カートリッジベース 4を容器開口 2aに接着する力及び又はカシメルカ、、及び又は螺合する。

[0021] バルブ 8は、弁体 8f、ニードル（バルブステム） 8b及びガイドピン 8aを備えて!/、る。

弁体 8fの前端部（図中にて下側）には保持溝 8hが形成され、この保持溝 8hによりシールリング 11が保持されている。ニードル 8bは、弁体 8fの前端側（図中にて下側）から針状又は棒状に延び出している。ニードル 8bは、バルブステムとして機能するものであり、ノズル 6の流路内に昇降可能に挿入されている。ニードル 8bの長さはノズル 6 の流路の全長にほぼ匹敵する程度である。但し、カートリッジ 1を電池本体に接続しない未使用状態では、ニードルの先端 8cがノズルの液吐出口 6aから少し引っ込む程度の長さとすることが好ましい。ニードル先端 8cの損傷を回避するとともに、液吐出口 6aからノズル流路内にゴミ等の異物が侵入するのを防ぐことができ、また、誤ってバルブが開くことを防止する効果があるからである。

[0022] ガイドピン 8aは、弁体 8fの後端部（図中にて上側）から容器 2のほうへ延び出し、中栓 7の上部中央の孔 7cを通って貯液スペース 3内に突出している。中栓の上板 7aには複数の連通孔 7cが開口し、連通孔 7cを通って貯液スペース 3からバルブ室スぺース 9内に液体燃料が流入できるようになって!/、る。

[0023] ストツバ 8dが弁体 8fの後端部に取り付けられ、弁体 8fが軸方向（Z方向）に移動しうる上昇ストローク量が規定されている。すなわち、圧縮スプリング 10の付勢力を上回る力が弁体 8fに負荷されたときに、（シールリング 11がバルブシート 4aから引き離され、液流入口 6cが開放され、バルブ室スペース 9がノズルの液吐出口 6aに連通する力）弁体 8fは無制限に上昇されるのではなぐストッパ 8dが中栓の上板 7aに当接するところで弁体 8fの上昇が停止するようになって、る。

[0024] 圧縮スプリング 10は、高濃度メタノール液に対して耐食性を有する金属又は合金カツキまたはコーティングされた金属材料力もなる円筒形状のコイルパネであり、そのばね係数 ε 1が所定の大きさに調整されている。圧縮スプリング 10の一端は中栓の上板 7aの内面に固着され、他端は弁体 8fの小フランジに固着されている。

[0025] シールリング 11は、高濃度メタノール液に対して耐食性を有する金属又は合金がメツキまたはコーティングされた金属材料力もなり、断面が円形のオーリングである。シールリング 11は弁体 8fの保持溝 8hに嵌め込まれて、る。

[0026] 次に、燃料電池本体側の注入口部 20につ、て説明する。

[0027] 注入口部 20は、上部材 21、中間部材 22、下部材 23、ゴムホルダ 25、ノレブ 26、圧縮スプリング 27、シールリング 28、およびバイオネットカップラー要素としての複数の突起 30を具備している。上部材 21、中間部材 22、下部材 23は、ほぼ同径であり、同軸に接合されている。上部材 21は中間部材 22の一端側に螺合され、下部材 23は中間部材 22の他端側に螺合されている。上部材 21、中間部材 22、下部材 23を一体ィ匕したアッセンプリは、図示しない燃料電池本体にねじ込まれ、その大部分が燃料電池本体のなかに埋め込まれている。図示しない燃料電池本体の内部には燃料タンクが設けられ、下部材 23と中間部材 22とで規定されるバルブ室スペース 29が孔 2 3aを介して燃料タンクに連通して、る。

[0028] 注入口部の液受入口 20aは上部材 21の上端部にて開口している。上部材 21の内周面には対向する 2つの突起 30が取り付けられ、それぞれが液受入口 20aに突出している。これら 2つの突起 30は、ノィォネットカップラー要素として機能し、カートリツジ側のノズル外周の 2つの溝 6gにそれぞれ嵌合しうるような位置と形状に形成されている。リング 24はノズル 6と注入口部 20との間にできる間隙を塞ぐシール部材として機能する。

[0029] ゴムホルダ 25は、環状をなし、その基端部が中間部材 22の凹所に嵌め込まれ、その先端部 25aが液受入口 20aのほうに向かって延び出している。ゴムホルダ先端部 2 5aの径はカートリッジノズル 6の径とほぼ同じである。ゴムホルダ 25は、硬度が所望値の範囲に規定された合成ゴムでつくられてヽる。ノズル 6がゴムホルダ先端部 25a〖こ当接すると、先端部 25aが弾性変形 (圧縮)してノズル 6を変位させることができるようになっている。

[0030] ノレブ 26は、弁体 26f、ガイドピン 26a、ニードル（バルブステム） 26b、ストッノ 26d 、圧縮スプリング 27、シールリング 28、バルブシート 22aを備えている。圧縮スプリング 27は、高濃度メタノール液に対して耐食性を有する金属又は合金カ^ッキまたはコ一ティングされた金属材料力もなる円筒形状のコイルパネであり、そのばね係数 ε 2 が所定の大きさに調整されて、る。圧縮スプリング 27で付勢された弁体 26fのシールリング 28がバルブシート 22aに押圧された状態では、バルブ室スペース 29は液受入口 20aから遮断されている。ノズル側からの押し込み力が圧縮スプリング 27の付勢力を上回ると、シールリング 28がバルブシート 22aから引き離され、バルブ室スペース 2 9は液受入口 20aに連通される。

[0031] ここで、カートリッジ側バルブ 8と電池本体側バルブ 26のいずれが先に開くか、すなわちバルブの開閉順序は、各々の弁体 8f, 26fを付勢している圧縮スプリング 10, 2 7のばね係数の大小に依存している。カートリッジ側スプリング 10のばね係数 ε 1のほうが電池本体側スプリング 27のばね係数 ε 2より大きい（ ε 1 > ε 2)場合は、電池本体側のバルブ 26のほうが先に開き、カートリッジ側のバルブ 8が後に開く。一方、電池本体側スプリング 27のばね係数 ε 2のほうがカートリッジ側スプリング 10のばね係数 ε 1より大きい（ ε 1 < ε 2)場合は、カートリッジ側のバルブ 8のほうが先に開き、電池本体側のバルブ 26が後に開く。なお、スプリング 10のばね係数 ε 1をスプリング 27のばね係数 ε 2と同等（ ε 1 = ε 2)にすると、両バルブ 10, 26が同時に開く。

[0032] ノレブ 8, 26の開閉順序はいずれの場合であっても液漏れ防止効果を奏することはできる。しかし、より安全な液漏れ防止効果を達成するためには、圧縮スプリング 1 0, 27のばね係数 ε 1 , ε 2を前者の関係（ ε 1 > ε 2)か又は同等の関係（ ε 1 = ε 2)とし、電池本体側バルブ 26のほうが先に開くか又は両バルブ 8, 26が同時に開くようにすることが望ましい。液体燃料がカートリッジノズル 6から吐出されるときにバルブ 26が開、て、れば、液体燃料が円滑かつ迅速に電池本体内のタンクに入って!/ヽくことができるカゝらである。

[0033] これに対して、圧縮スプリング 10, 27のばね係数 ε 1 , ε 2を後者の関係（ ε 1 < ε 2)とする場合は、電池本体側バルブ 26の開タイミングが過度に遅れすぎると、液漏れを生じるおそれがある。カートリッジ容器 2の内圧が若干の陽圧 (例えば + 0. 2〜0 . 5kgfZcm²)にされていることから、ノレブ 26が開く前に液体燃料が外部にあふれ出すことがあるからである。このため、後者の関係（ ε 1 < ε 2)とする場合は、電池本体側スプリング 27のばね係数 ε 2をカートリッジ側スプリング 10のばね係数 ε 1より大きくし過ぎな、ように留意する必要がある。

[0034] ニードル 26bは、バルブステムとして機能するものであり、弁体 26fの前端部（図中の上側）から液受入口 20aのほうに向カゝつて延び出し、結果として注入口部の流路内に挿入された状態となっている。ニードル 26bの主要部はゴムホルダ 25によって周囲を取り囲まれている。ニードルの先端部 26cは、凹状に形成され、カートリッジノズル側バルブの凸状の-一ドル先端部 8cに嵌合しうるようになつている。ニードル 8b, 26 b同士を突き当てたときに、突き当て面積が小さ、とオフセットした状態で押しこまれて流路が確保できない場合がある。ニードル 8b, 26bのオフセットを防止するため、カートリッジノズル側の-一ドル先端部 8cを凸状に形成するとともに、注入口部側のニードル先端部 26cを凹状に形成し、両者を確実に係合させるようにして!/、る。

[0035] ガイドピン 26aは、下部材 23の孔 23cを通って燃料タンク（図示せず)のほうに突出している。ストッパ 26dが弁体 26fの後端部（図中の下側）に設けられ、弁体 26fが軸方向に移動しうる上昇ストローク量が規定されている。すなわち、圧縮スプリング 27の付勢力を上回る力が弁体 26fに印加されたときに、シールリング 28がバルブシート 2 2aから引き離され、バルブ室スペース 29が液受入口 20aに連通 ·開放される力弁体 26fは無制限に上昇されるのではなぐストッパ 26dが下部材 23の底部に当接するところで弁体 26fの上昇が停止するようになって、る。

[0036] なお、ニードル 8b, 26b及びガイドピン 8a, 26aの外周には溝状凹所（図示せず）が長手軸に沿って形成され、ノズル 6の内周壁などとの間に液体燃料が通流しうる流路がそれぞれ形成されている。携帯機器向けカップラーの場合、全体を小さく作る必要があることから流路を確保することが難しい。そのため連通孔 7d, 23aの他にこれらのバルブ要素 8a, 8b, 26a, 26bに流路形成用の溝又は凹みをそれぞれ形成し、流路の不足を補うようにして、る。

[0037] 容器 2、カートリッジベース 4、カートリッジノズル 6、中栓 7、弁体 8f, 26f、中間部材 22、下部材 23の材質は PEEKである。上部材 21およびリング 24の材質はステンレス鋼（SUS304)である。ノッキン 5、シールリング 11, 28、ゴムホルダ 25の材質は、それぞれ硬度が調整された合成ゴム (EPDM 30° 50° )である。

[0038] カートリッジ側バルブの弁体 8fを付勢する圧縮スプリング 10は、図 6Aに示すように、母材 10bの全表面が被覆層 10cにより被覆されている。また、電池本体側バルブの弁体 26fを付勢する圧縮スプリング 27も同様に、図 6Bに示すように、母材 27bの全表面が被覆層 27cにより被覆されている。母材 10b, 27bは同じ金属材料カゝらなり、また被覆層 10c, 27cは実質的に同じ方法で作製された同じ材料力もなるものである。

[0039] 本実施例では、母材 10b, 27bとして直径 4mmの JIS G 4314に定めるばね用ステンレス鋼線 SUS304—WPB線材を用いて圧縮コイルスプリングの形状に成形カロェした後に、電解メツキすることにより純金（純度 99. 99%)からなる厚さ 3 mの被覆層 10c, 27cを形成した。

[0040] 本実施例ではスプリングの母材 10b, 27bにオーステナイト系ステンレス鋼（SUS3 04— WPB)を用いた力 JIS G 4314に定めるばね用ステンレス鋼線（例えば SU S316— WPA)、JIS G 4313に定めるばね用ステンレス鋼帯（例えば SUS631J1 — WPC)、JIS G 3130に定めるばね用ベリリウム銅（例えば C1720W)、リン青銅（例えば C5191W)、及びチタン線材などの耐食性に優れた材料でつくることができる。これらの耐食金属材料の他に、ばね用硬鋼線、ピアノ線、黄銅、ベリリウム銅合金、チタン銅合金、 17· 7ΡΗステンレス鋼などの金属材料を用いることも可能である。

[0041] また、スプリングの母材 10b, 27bとして、弾性を有する非金属材料を用いることも可能である。例えば、カーボン、ポリエチレンテレフタレート（PET)、ポリプロピレン（PP )、ポリカーボネート (PC)などの耐メタノール性 (耐薬品性）に優れた榭脂などの非金属材料を用いて圧縮コイルスプリングを作製することが可能である。

[0042] 被覆層 10c, 27cには、表面処理層として形成される金 (Au)めっき、白金（Pt)めつき、ロジウム (Rh)めっきなどの貴金属めつきを用いる力、または硬い酸化皮膜を形成するチタンめつきを用いる力、あるいは非金属コーティング層として炭素（例えばダイャモンド'ライク 'カーボン'コーティング (DLCC) )、フッ素などの榭脂コーティングを用いることができる。高濃度メタノール液が接触する部分に鉄、クロム、ニッケル、銅などの卑金属材料を用いると、メタノール液中に溶け出した陽イオンの混入により電池特性の劣化を招くことが危惧されるので、接液部分には卑金属材料が露出しないようにする必要がある。そのためノレブに使用するスプリングには表面処理を行う必要がある。なお、スプリングを除けばその他のメタノールに接液する部材は榭脂と、ゴムにより構成されているため金属性の陽イオンの混入を避けることができる。

[0043] 次に、図 2〜図 5を参照してカートリッジ力も電池本体側に液体燃料を注入する際の動作について説明する。

[0044] カートリッジノズル 6を注入口部の液受入口 20aに差し込み、注入口部側の突起 30 をカートリッジノズル側の溝 6gに嵌合させ、ノズル 6を軸方向に直線的に移動させた後に、周方向への移動を開始する。この位置では、図 2に示すように、ノズル 6の先端がゴムホルダ先端部 25aに当接した状態となる（ノズルを 2.7mm挿入したときにゴムホルダ先端部 25aに接触)。

[0045] 次いで、ノズル 6を軸方向と周方向に少し押し込むと、図 3に示すように、ゴムホルダ先端部 25aが弾性変形 (圧縮)し、カートリッジ側バルブの-一ドル先端 8cが注入口部側バルブの-一ドル先端 26cに当接する（ゴムホルダを 0.5mm圧縮したときにバルブの-一ドル先端 8c, 26c同士が接触)。

[0046] さらにノズル 6を軸方向と周方向に押し込むと、ゴムホルダ 25がさらに圧縮されるとともに、圧縮スプリング 27の付勢力に抗して弁体 26fの全体が押し下げられ、シールリング 28がバルブシート 22aから引き離される。ストッパ 26dが注入口部下部材 23の底板に当接する下死点まで押し込むと、図 4に示すように、電池本体側のバルブ 26 が完全に開く（ゴムホルダを 1.0mm圧縮したときに電池本体側バルブ 26が全開）。

[0047] さらにノズル 6を軸方向と周方向に押し込むと、圧縮スプリング 10の付勢力に抗して弁体 8fの全体が押し上げられ、シールリング 11がバルブシート 4aから引き離される。ストッパ 8dが中栓の上板 7aに当接する上死点まで押し込むと、図 5に示すように、力ートリッジ側のバルブ 8が完全に開く（ゴムホルダを 1.5mm圧縮したときにカートリッジ側バルブ 8が全開）。

[0048] このようにしてカートリッジノズル 6の押し込みにより電池本体側のゴムホルダ 25が弾性変形して、両バルブ 8, 26がともに開き、液漏れすることなくカートリッジ側力ゝら電池本体側へ液体燃料を注入することができる。なお、バルブ 8と 26のいずれが先に開くか、すなわちバルブの開閉順序に関しては、各々の弁体 8f, 26fを付勢している圧縮スプリング 10, 27のばね係数に依存する。本実施形態のようにカートリッジ側の圧縮スプリング 10のばね係数 ε 1のほうを電池本体側の圧縮スプリング 27のばね係数 ε 2より大きく（ ε 1 > ε 2)した場合は、電池本体側のバルブ 26が先に開き、カートリッジ側のバルブ 8が後に開く。これに対して、電池本体側の圧縮スプリング 27のばね係数 ε 2のほうをカートリッジ側の圧縮スプリング 10のばね係数 ε 1より大きく（ ε 1 < ε 2)すると、カートリッジ側のバルブ 8が先に開き、電池本体側のバルブ 26が後に開く。

[0049] 本実施形態の装置では、接液部分に卑金属材料が露出しないように、バルブ開閉駆動用のスプリングに表面処理 (貴金属めつき)を施す力または非金属被覆層（榭脂コーティング)で表面を覆うようにしているので、陽イオンの混入による電池性能の劣化を防ぐことができる。

[0050] 次に、図 7、図 8A、図 8Bを参照して他のバルブ用圧縮スプリングの例について説明する。

[0051] 上記実施形態ではバルブ用圧縮スプリングに円筒形状のコイルパネを用いるようにしたが、本発明に用いる圧縮スプリングはこれのみに限定されるものではなぐ円筒コィル形状以外の他の各種形状のスプリングを用いることができる。例えば図 7に示す台形コイルパネ 27Aを電池本体側バルブ 26に用いることができる。台形コイルパネ 2 7Aは、一端側に小径部 27e、他端側に大径部 27fをそれぞれ有し、 1コイルピッチごとにその直径が線材の径以上に増減するようにテーパースパイラル状にコイル形成されたものである。このような台形コイルパネ 27Aは、圧縮されたときにコイル線材同士が重なり合わな、ようにして線材の径に近、最小厚み (軸方向サイズ)力 S得られるようにして、る。携帯電話のようなモパイル機器では燃料電池を小型化する要求が強くあるため、台形コイルパネ 27Aを用いると、バルブ室内における圧縮時のスプリングの占有容積を最小にすることができ、弁体の変位ストロークをかせぐことができるとともに、バルブ室を可能な限り小さくすることができると!/、う利点がある。

[0052] また、図 8A及び図 8Bに示す板パネ 27Bを電池本体側のバルブ 26に用いることもできる。板パネ 27Bは、リング状の基材 27gの一部にコ字状の切り込みを入れて立上げ部 27hを 6つ形成してなるものである。 6つの立上げ部 27hは、図 8Aに示すように、中心軸振り分け等ピッチ間隔に配置され、上方力押さえつけると弾性的に変位して基材 27g内に沈み込み、基材 27gとほぼ面一になり、板パネ 27B全体の厚みが基材 27gの厚みとほぼ等しくなる。除荷すると、立上げ部 27hは弹性的に変位して元の形状に戻る。このような板パネ 27Bを用いても上記の台形コイルパネ 27Aと同様の効果が得られる。

[0053] 以上、台形コイルパネまたは板パネを電池本体側のバルブ 26に用いる例につ!ヽて説明した力カートリッジ側のバルブ 8にも台形コイルパネまたは板パネを用いること力できることは勿論である。また、これらの台形コイルパネ 27Aまたは板パネ 27Bを、図 6Bに示すように、耐食性に優れた被覆層 27cで覆うことも勿論できる。 [0054] なお、上記の実施形態ではカートリッジから燃料電池のタンクにメタノール等の液体燃料を注入するための液注入システムの場合について説明した力本発明はこれのみに限定されるものではなぐカートリッジから燃料電池の固体電解質膜に水を補給するための水注入システムにも本発明を適用することができる。水注入システムを用いて適量の水を注入することにより、発電動作停止後に燃料電池を長時間放置した場合であっても、燃料電池内の固体電解質膜を加湿することができるので、燃料電池を容易に再起動させることができる。なお、発電動作稼働後は、発電反応により生成水が形成され、高濃度燃料により発電動作は継続するため、カートリッジ内に準備する水量は、液体燃料の量に比べて少量で足りる。

[0055] また、上記の実施形態では液体燃料のみを供給する液注入システムの場合について説明したが、本発明はこれのみに限定されるものではなぐ液体燃料および水の両者の注入に兼用することができる液注入システムにも本発明を適用することができる。すなわち、カートリッジ容器の内部を 2室に仕切り、その 1室に液体燃料を収容し、他の 1室に水を収容して、カートリッジ本体に別々に設けたノズル力も液体燃料と水を別々に燃料電池本体に供給するようにしてもよい。但し、この場合は燃料電池本体側の注入口部も液体燃料用と水用とに別々に設ける必要がある。

[0056] また、上記の実施形態では液体燃料としてメタノール燃料について説明した力これに限られるものではなぐ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、グリコール水溶液ゃ純グリコール等のダリコール燃料、ジメチルエーテル、ギ酸、もしくはその他の液体燃料であってもよぐいずれにしても燃料電池に応じた液体燃料が使用することができる。その場合は、各液体燃料に対応し材料を適宜選択することで本発明の課題を達成することができる。

[0057] 本発明は、携帯電話、携帯オーディオ、ノートパソコン、携帯ゲーム機などのモバイル機器の内蔵電源として用いられる小型の燃料電池に高濃度メタノール等の液体を安全に注入するのに利用することができる。

[0058] 本発明によれば、金属陽イオンの混入による電池特性の劣化を生じることなぐ簡単な操作によって液漏れを生じることなく高濃度メタノール液を燃料電池に安全に注人することができる。

Claims

請求の範囲

燃料電池の注入口部に燃料カートリッジのノズルを挿入し、該ノズルを押し込んで該ノズルのバルブおよび注入口部のバルブを共に開け、燃料カートリッジの容器力ゝら該ノズル及び注入口部を介して燃料電池内に液体を注入する燃料電池の液注入装置において、

前記燃料カートリッジノズル側のバルブは、

前記燃料カートリッジの容器に連通する液流入口と、

前記ノズルの先端に開口する液吐出口と、

前記液流入口の近傍に配置された弁体と、

前記液流入口の周壁に形成された弁座と、

前記弁体を前記弁座のほうに付勢する第 1の圧縮スプリングと、

前記第 1の圧縮スプリングにより付勢される前記弁体と前記弁座との間に設けられたシールリングと、

前記弁体から前記ノズルのほうに延び出し、前記液吐出口に連通する流路内に配置されたバルブステムと、

前記第 1の圧縮スプリングを支持するとともに、前記弁体を取り囲むバルブ室スぺースを規定する中栓と、

を具備し、

前記燃料電池注入口部側のバルブは、

前記燃料カートリッジノズル力ゝら液を受け入れる液受入口と、

前記液受入口の近傍に配置された弁体と、

前記注入口部の流路の周壁に形成された弁座と、

前記弁体を前記弁座のほうに付勢する第 2の圧縮スプリングと、

前記第 2の圧縮スプリングにより付勢される前記弁体と前記弁座との間に設けられたシールリングと、

前記弁体から前記注入口部の液受入口のほうに延び出し、前記液受入口に連通する流路内に配置されたバルブステムと、

前記第 2の圧縮スプリングを支持するとともに、前記弁体を取り囲むバルブ室スぺースを規定する下部材と、

を具備することを特徴とする燃料電池の液注入装置。

[2] 請求項 1の液注入装置において、

前記第 1及び第 2の圧縮スプリングは、耐食性に優れた金属材料力もなる。

[3] 請求項 1の液注入装置において、

前記第 1及び第 2の圧縮スプリングは、表面処理された金属材料力もなる。

[4] 請求項 3の液注入装置において、

前記表面処理は、貴金属めつき又は榭脂コーティングである。

[5] 請求項 1の液注入装置において、

前記第 1及び第 2の圧縮スプリングは、非金属材料からなる。

[6] 請求項 1の液注入装置において、

前記第 1の圧縮スプリングのばね係数 ε 1を前記第 2の圧縮スプリングのばね係数 ε 2よりも大きくするか又は同等とし、前記燃料電池注入口部側のノレブのほうが前記カートリッジノズル側のバルブよりも先行して開くか又は同時に開く。

[7] 請求項 1の液注入装置において、

前記第 2の圧縮スプリングのばね係数 ε 2を前記第 1の圧縮スプリングのばね係数 ε 1よりも大きくし、前記カートリッジノズル側のバルブのほうが前記燃料電池注入口部側のバルブよりも先行して開く。

[8] 請求項 1の液注入装置において、

前記第 1及び第 2の圧縮スプリングは、円筒コイルパネ、台形コイルパネ、板パネのうちのいずれかである。

[9] 液体燃料の補給のために、燃料カートリッジのノズルが挿入される注入口部を有する燃料電池であって、

前記注入口部は、

前記液受入口の近傍に配置された弁体と、

前記注入口部の流路の周壁に形成された弁座と、

前記弁体を前記弁座のほうに付勢する第 2の圧縮スプリングと、前記第 2の圧縮スプリングにより付勢される前記弁体と前記弁座との間に設けられたシールリングと、

を具備することを特徴とする燃料電池。

液体燃料の補給のために、燃料電池の注入口部に挿入されるべきノズルを備えた燃料カートリッジであって、

前記ノズルは、

前記燃料カートリッジの容器に連通する液流入口と、

前記液流入口に連通し、前記ノズルの先端に開口する液吐出口と、

前記液流入口の近傍に配置された弁体と、

前記液流入口の周壁に形成された弁座と、

を具備することを特徴とする。