WO2007135775A1

WO2007135775A1 - 燃料電池用カップラとそれを用いた燃料電池

Info

Publication number: WO2007135775A1
Application number: PCT/JP2007/000536
Authority: WO
Inventors: Kenichi Takahashi; Koichi Kawamura; Kenji Yoshihiro; You Yamamori
Original assignee: Kabushiki Kaisha Toshiba; Toyo Seikan Kaisha, Ltd.
Priority date: 2006-05-22
Filing date: 2007-05-21
Publication date: 2007-11-29
Also published as: KR20090014213A; US20100068586A1; CN101449414A; JP2007311292A; EP2023429A1; TW200803025A

Abstract

　燃料電池用カップラは、燃料電池に設置されるソケット本体３２と、その内部に配置されたバルブ機構とを有し、燃料カートリッジに装着されるノズル部８が着脱可能に接続されるソケット部４を具備する。ソケット部４は、ソケット本体３２の内側に向けて突出されていると共に、ソケット本体３２の外側に向けて後退可能なフック部４４と、ノズル部８を保持するようにフック部４に押圧力を付与すると共に、フック部４４の後退を許容する弾性部材４５とを有するノズル保持機構４３を備えている。

Description

明細書

燃料電池用力ッブラとそれを用いた燃料電池

技術分野

[0001] 本発明は燃料電池用カップラとそれを用いた燃料電池に関する。

背景技術

[0002] ノ一卜パソコンや携帯電話等の各種携帯用電子機器を長時間充電なしで使用可能とするために、携帯用電子機器の電源に燃料電池を用いることが試みられている。燃料電池は燃料と空気を供給するだけで発電することができ、燃料を補給すれば連続して長時間発電することができるという特徴を有している。このため、燃料電池を小型化できれば、携帯用電子機器の電源として極めて有利なシステムといえる。

[0003] エネルギー密度の高いメタノール燃料を用いた直接メタノール型燃料電池

(D i r e c t Me t h a n o l F u e l C e I I ： DM F C) は/ J、型化が可能であり、燃料の取リ极いも容易であるため、携帯機器用の電源として有望視されている。 DM FCにおける液体燃料の供給方式としては、気体供給型や液体供給型等のァクティブ方式、燃料収容部内の液体燃料を電池内部で気化させて燃料極に供給する内部気化型等のパッシブ方式が知られている。パッシブ方式は DM FCの小型化に対して有利である。

[0004] 内部気化型等のパッシブ型 DM F Cにおいては、燃料収容部内の液体燃料を例えば燃料含浸層や燃料気化層等を介して気化させ、この液体燃料の気化成分を燃料極に供給している（特許文献 1〜2参照）。燃料収容部に対しては、燃料カートリッジを用いて液体燃料を供給する。サテライ卜タイプ（外部注入式）の燃料カートリッジにおいては、それぞれバルブ機構を内蔵するノズル部とソケッ卜部とを具備するカップラを用いて、液体燃料の遮断並びに注入を行うことが試みられている（特許文献 3参照）。

[0005] 燃料電池用カップラにおけるノズル部とソケッ卜部との接続状態は、例えば金属の線材ゃ板材からなるパネを用いたリテンション機構で保持することが検討されている。このようなリテンション機構を適用した場合、燃料電池に接続された燃料カー卜リッジに曲げや捻り等の力が作用した際に、パネが塑性域まで変形するおそれがある。これはリテンション機構、さらにはソケット部の損傷を意味する。さらに、リテンション機構のパネの変形時にノズル部まで損傷するおそれがある。

特許文献 1 ：特許第 3 4 1 3 1 1 1号公報

特許文献 2：特開 2 0 0 4 _ 1 7 1 8 4 4公報

特許文献 3：特開 2 0 0 4 _ 1 2 7 8 2 4公報

発明の開示

[0006] 本発明の目的は、ソケット部に損傷を与えることなく、接続状態を解除することを可能にした燃料電池用力ッブラと、そのようなカツブラを適用することによって、耐久性、信頼性、安全性等を高めた燃料電池を提供することにある。

[0007] 本発明の態様に係る燃料電池用カップラは、燃料電池に設置されるソケッ卜本体と、前記ソケット本体内に配置されたバルブ機構とを備え、燃料カー卜リッジに装着されるノズル部が着脱可能に接続されるソケット部を具備する燃料電池用カップラであって、前記ソケッ卜部は、前記ソケッ卜本体の内側に向けて突出されていると共に、前記ソケッ卜本体の外側に向けて後退可能なフック部と、前記ノズル部を保持するように前記フック部に押圧力を付与すると共に、前記フック部の後退を許容する弾性体とを有するノズル保持機構を備えることを特徴としている。

[0008] 本発明の態様に係る燃料電池は、燃料カートリッジのノズル部と着脱可能に接続されるソケッ卜部であって、ソケッ卜本体と、前記ソケッ卜本体内に配置されたバルブ機構と、前記ソケッ卜本体の内側に向けて突出されていると共に、前記ソケット本体の外側に向けて後退可能なフック部、および前記ノズル部を保持するように前記フック部に押圧力を付与すると共に、前記フック部の後退を許容する弾性体を有するノズル保持機構とを備えるソケッ卜部と、前記ソケッ卜部に接続された燃料カートリッジから供給される液体燃料を収容する燃料収容部と、前記燃料収容部から燃料が供給されて発電動作する起電部とを具備することを特徴としている。

図面の簡単な説明

[0009] [図 1 ]本発明の実施形態による燃料電池の概略構成を示す図である。

[図 2]図 1に示す燃料電池のソケッ卜部と燃料カー卜リッジのノズル部との構成（未接続状態）を示す断面図である。

[図 3]図 2に示すソケッ卜部とノズル部との接続状態を示す断面図である。

[図 4]図 2に示すソケッ卜部のゴムホルダを示す断面図である。

[図 5]図 2に示すソケッ卜部の構成を示す斜視図である。

[図 6]図 5に示すソケッ卜部のノズル保持機構におけるフック部の構成を示す斜視図である。

[図 7]図 1に示す燃料電池の一例としての内部気化型 D M F Cの構成を示す断面図である。

符号の説明

[0010] 1…燃料電池、 2…起電部、 3…燃料収容部、 4…ソケット部、 5…燃料供給部、 6…燃料カートリッジ、 7…カートリッジ本体、 8…ノズル部、

1 2…ノズルへッド、 1 3…ベース部、 1 4…先端部、 1 6…周溝、 1フ… キー部、 1 8…バルブホルダ、 1 9， 3 8…バルブ、 1 9 a， 3 8 a…バルブヘッド、 1 9 b， 3 8 b…バルブステム、 2 0， 3 9…バルブシート、 2

1， 4 0— Oリング、 2 2， 4 1…圧縮スプリング、 3 1…ノズル揷入部、 3 2…ソケット本体、 3 3…本体外周部、 3 4…本体中部、 3 5…本体下部、 3 7…ゴムホルダ、 4 3…ノズル保持機構、 4 4…フック部、 4 4 a…突出部、 4 4 b…フランジ、 4 5…ゴム状弾性部材、 4 6…キー溝。

発明を実施するための形態

[0011 ] 以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。

なお、以下では本発明の実施形態を図面に基づいて説明するが、それらの図面は図解のために提供されるものであり、本発明はそれらの図面に限定されるものではない。 [0012] 図 1は本発明の実施形態による燃料電池の概略構成と、燃料電池を燃料力一卜リッジと組合せた構成を示している。図 1に示す燃料電池 1は、起電部 2と燃料収容部 3とから主として構成されている。燃料収容部 3の下面側には、液体燃料の供給口となるソケッ卜部 4を有する燃料供給部 5が設けられている。ソケット部 4はバルブ機構を内蔵しており、液体燃料が供給されるとき以外は閉状態とされている。燃料電池 1は燃料収容部 3を経ずに燃料供給部 5から直接起電部 2に液体燃料を供給する構造を有していてもよい。

[0013] 燃料カー卜リッジ 6は燃料電池用の液体燃料を収容するカー卜リッジ本体

(容器） 7を有している。カートリッジ本体 7の先端には、その内部に収容された液体燃料を燃料電池 1に供給する際の燃料吐出口となるノズル部 8が設けられている。ノズル部 8はバルブ機構を内蔵しており、液体燃料を供給するとき以外は閉状態とされている。燃料カートリッジ 6は燃料収容部 3に液体燃料を注入するときのみ燃料電池 1に接続されるものであり、いわゆるサテライトタイプ（外部注入式）の燃料カートリッジである。

[0014] 燃料カー卜リッジ 6のカー卜リッジ本体 7には、燃料電池 1に応じた液体燃料が収容されている。燃料電池 1が直接メタノール型燃料電池（D M F C ) である場合、液体燃料としては各種濃度のメタノール水溶液や純メタノール等のメタノール燃料が用いられる。カートリッジ本体 7に収容される液体燃料は必ずしもメタノール燃料に限られるものではなく、例えばェタノール水溶液ゃ純ェ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、その他の液体燃料であってもよい。いずれにしても、カートリッジ本体 7には燃料電池 1に対応した液体燃料が収容される。

[0015] この実施形態の燃料電池用カップラは、燃料電池 1の燃料収容部 3に設けられたソケット部 4を具備する。燃料電池用カップラは、さらに燃料カートリッジ 6のカートリツジ本体 7に設けられたノズル部 8を具備し、燃料電池 1と燃料カートリッジ 6との接続機構を構成する。燃料電池用カツブラの具体的な構成について、図 2および図 3を参照して説明する。図 2は燃料カー卜リッジ 6のノズル部 8と燃料電池 1のソケット部 4とを接続する前の状態、図 3はノズル部 8とソケッ卜部 4とを接続した後の状態を示している。

[0016] 燃料電池 1と燃料カートリッジ 6とを接続するカップラにおいて、燃料力一卜リッジ 6側の接続機構としてのノズル部（ォス側カップラ Zプラグ） 8 は、先端側にノズル口 1 1が開口されたノズルヘッド 1 2を有している。ノズルヘッド 1 2は、カートリッジ本体 7の開口部に装着されるベース部 1 3 と、ソケット部 4に挿入される先端部 1 4とを有している。円筒状の先端部 1 4は、その軸方向がノズル部 8の揷入方向と平行となるように、ベース部 1 3から突き出すように形成されている。

[0017] ノズルへッド 1 2の先端部 1 4の頂面には凹部 1 5が設けられている。凹部 1 5は先端部 1 4の頂面をへこませるように設けられており、この凹部 1 5の底面にノズル口 1 1が開口している。凹部 1 5はノズル部 8の先端側に残留（付着）した液体燃料の収容部として機能するため、操作者が液体燃料に触れるおそれがなくなる。ノズルへッド 1 2の先端部 1 4の外周側には、後述するソケット部 4のノズル保持機構と係合する周溝 1 6、さらに燃料識別手段として機能するキー部 1 7が設けられている。後述するように、燃料識別手段はキー部 1 7とソケッ卜部 4側のキー溝とで構成される。

[0018] ノズルへッド 1 2のベース部 1 3の内側には、力ップ状のバルブホルダ 1 8が配置されている。バルブホルダ 1 8はバルブ室を規定するものであり、その先端外縁部がカー卜リッジ本体 7とベース部 1 3とで挟み込まれて固定されている。バルブホルダ 1 8内にはバルブ 1 9が配置されている。バルブ 1 9は / /レブヘッド 1 9 aとバルブステム 1 9 bとを備えている。バルブへッド 1 9 aはバルブホルダ 1 8で規定されたバルブ室内に配置されている。バルブステム 1 9 bは先端部 1 4内に収容されている。

[0019] バルブヘッド 1 9 aとバルブステム 1 9 bとを有するバルブ 1 9は、軸方向（ノズル部 8の揷入方向）に進退可能とされている。バルブヘッド 1 9 a とベース部 1 3の内側に形成されたバルブシート 2 0との間には、 Oリング 2 1が配置されている。バルブ 1 9には圧縮スプリング 2 2等の弾性体でバルブヘッド 1 9 aをバルブシート 2 0に押し付ける力が加えられており、これらによって Oリング 2 1は押圧されている。

[0020] 通常状態（燃料カートリッジ 6が燃料電池 1から切り離された状態）においては、バルブへッド 1 9 aを介して Oリング 2 1をバルブシート 2 0に押し付けることによって、ノズル部 8内の燃料流路を閉状態としている。燃料カートリッジ 6を燃料電池 1に接続すると、バルブステム 1 9 bが後退してバルブヘッド 1 9 aがバルブシート 2 0から離れることによって、ノズル部 8内の燃料流路が開状態とされる。バルブホルダ 1 8の底部には液体燃料の通路となる連通孔 2 3が設けられており、この連通孔 2 3を介してカートリッジ本体 7内の液体燃料はノズル部 8内に流入する。

[0021 ] さらに、ノズルへッド 1 2の外側には、カム機構を備えたキーリング（リング状部材） 2 4やコンテナノズル 2 5が配置されている。キーリング 2 4 は、通常使用時にはノズルヘッド 1 2に圧入されている。燃料カートリッジ 6を燃料電池 1に接続した状態において、曲げや捻り等の力が加わるとキーリング 2 4が力ム機構で回転浮上することによって、ソケット部 4とノズル部 8との接続状態が解除される。コンテナノズル 2 5はカートリッジ本体 7 に例えば螺着されており、これによりノズルへッド 1 2やバルブ 1 9等を有するノズル部 8がカートリッジ本体 7の先端部に固着されている。

[0022] 燃料電池 1側の接続機構としてのソケッ卜部（メス側カップラ Zソケッ卜 ) 4は、凹状のノズル揷入部 3 1を有するソケット本体 3 2を具備している。略円筒状のソケット本体 3 2は、概略円筒形状を有する本体外周部（メタルソケット等） 3 3と、その内部に配置された本体中部 3 4および本体下部 3 5とで主として構成されている。本体外周部 3 3はリング状凸部 3 3 aと貫通孔 3 3 bとを有している。本体中部 3 4と本体下部 3 5との間にはガスケッ卜 3 6が介在されており、これらで規定されるバルブ室の密閉性を高めている。これらは一体化されて燃料電池 1の燃料供給部 5内に埋め込まれている。 [0023] ソケッ卜本体 3 2の本体中部 3 4上には、弾性体ホルダとしてゴムホルダ 3 7が設置されている。ゴムホルダ 3 7は図 4に示すように、ジャバラ形状と材料特性（ゴム弾性）に基づいて軸方向に弾性が付与されたホルダ本体 3

7 aと、その下方に設けられたフランジ部 3 7 bとを有している。ゴムホルダ 3 7はフランジ部 3 7 bが本体外周部 3 3のリング状凸部 3 3 aと本体中部 3 4とで挟み込まれて固定されている。フランジ部 3 7 bの外周側はリツプ形状とされており、これによつてシール性を高めている。

[0024] ゴムホルダ 3 7はその先端側をノズルへッド 1 2の先端部 1 4に設けられた凹部 1 5に嵌め合わすことによって、ノズルへッド 1 2との間にシールを形成するシール部材である。ゴムホルダ 3 7の内側は燃料流路とされている。すなわち、ゴムホルダ 3 7はソケット部 4のバルブ機構を開放した際に外部と燃料流路との間をシールするシール部材である。ノズルヘッド 1 2の先端部 1 4に設けられた凹部 1 5は、ゴムホルダ 3 7の先端と嵌め合わされてシールを形成する機能を併せ持つものである。ゴムホルダ 3 7の先端部はリップ形状とされており、これによつてシール性を高めている。

[0025] ソケット本体 3 2内にはバルブ 3 8が配置されている。バルブ 3 8はバルブへッド 3 8 aとバルブステム 3 8 bとを備えている。バルブへッド 3 8 a は本体中部 3 4と本体下部 3 5とで規定されたバルブ室内に配置されている。バルブステム 3 8 bはゴムホルダ 3 7内に収納されている。バルブ 3 8は軸方向（ノズル部 8の挿入方向）に進退可能とされている。バルブヘッド 3

8 aと本体中部 3 4の下面側に形成されたバルブシート 3 9との間には、 O リング 4 0が配置されている。

[0026] バルブ 3 8には圧縮スプリング 4 1等の弾性体でバルブへッド 3 8 aをバルブシート 3 9に押し付ける力が常時加えられており、これによつて Oリング 4 0は押圧されている。通常状態（燃料電池 1から燃料カートリッジ 6が切り離された状態）においては、バルブヘッド 3 8 aを介して Oリング 4 0 がバルブシート 3 9に押し付けられている。これによつて、ソケット部 4内の燃料流路が閉状態とされている。燃料電池 1に燃料カートリッジ 6を接続すると、バルブステム 3 8 bが後退してバルブへッド 3 8 aがバルブシー卜 3 9から離れることで、ソケッ卜部 4内の燃料流路が開状態とされる。

[0027] ソケッ卜本体 3 2の本体下部 3 5には、燃料供給部 5内を介して燃料収容部 3に接続された連通孔 4 2が設けられている。ソケッ卜部 4はソケッ卜本体 3 2内の燃料流路が本体下部 3 5に設けられた連通孔 4 2を介して燃料収容部 3に接続されている。そして、バルブ 1 9、 3 8を開状態としてノズル部 8およびソケッ卜部 4内の燃料流路をそれぞれ開くことによって、燃料力一卜リッジ 6に収容された液体燃料をノズル部 8およびソケット部 4を介して燃料収容部 3内に注入することが可能とされている。

[0028] ソケット本体 3 2の本体外周部 3 3には、図 2、図 3および図 5に示すように、ソケッ卜部 4内に挿入されたノズル部 8を保持するノズル保持機構 4 3が設けられている。ノズル保持機構 4 3はソケット部 4とノズル部 8との接続状態を保持するものである。ノズル保持機構 4 3は、本体外周部 3 3の内側に向けて径方向に突出されたフック部 4 4と、ノズル部 8を保持するようにフック部 4 4に押圧力を付与する弾性体 4 5とを有している。

[0029] ノズル保持機構 4 3のフック部 4 4は、図 6に示すように、本体外周部 3 3の内側に向けて突出される突出部 4 4 aと、この突出部 4 4 aの姿勢を保持するように設けられたフランジ部 4 4 bとを有している。突出部 4 4 aは先端側に向けて傾斜されたテーパ形状を有している。フック部 4 4の突出部 4 4 aは、本体外周部 3 3の外側から貫通孔 3 3 bに揷入されており、この状態で本体外周部 3 3の内側に向けて径方向に突出している。フック部 4 4 のフランジ部 4 4 bは本体外周部 3 3の外側に配置され、本体外周部 3 3の内側に向けて突出された突出部 4 4 aの姿勢を保持している。

[0030] フック部 4 4の外側には弾性体 4 5が配置されておリ、これによリ押圧力が付与されている。弾性体 4 5としては本体外周部 3 3の径方向に対して弾性力を付与するばね材ゃゴム状弾性部材が挙げられる。これらのうち、設置スペースの減少や固定の容易さ等の点から、ゴム状弾性部材を用いることが好ましい。この実施形態ではスリーブ形状を有するゴム状弾性部材（ラバースリーブ） 4 5を用いている。スリーブ形状を有するゴム状弾性部材 4 5は、フック部 4 4のフランジ部 4 4 bを覆うように、本体外周部 3 3の外壁面の周方向に沿って装着されている。本体外周部 3 3の外側にはリブ 3 3 cが設けられており、これによリスリーブ形状を有するゴム状弾性部材 4 5の配置位置が規定されている。

[0031 ] ゴム状弾性部材 4 5の構成材料にはエラストマ一（弾性高分子）が用いられ、具体的には熱可塑性エラストマ一やゴム（A S T Mのゴム分類に基づくもの）等が挙げられる。熱可塑性エラストマ一としては、スチレン■ブタジェン■スチレンブロックコポリマー、エポキシ化スチレン系エラストマ一、スチレン 'イソプレン 'スチレンブロックコポリマー、水添スチレンブロックコポリマー、水添 S B Cコンパウンド、単純ブレンド型ォレフイン系エラストマー、架橋型エラストマ一、塩ビ系エラストマ一、塩素化工チレンコポリマー架橋体ァロイ、塩素化ポリエチレン系エラストマ一、シンジオタクチック 1 , 2-ポリブタジエン、ウレタン系エラストマ一、ポリエステル系エラストマ一、ポリアミド系エラストマ一、フッ素系エラストマ一、シリコーン系エラストマ一等が用いられる。

[0032] ゴムとしては、ポリメチレンタイプの飽和主鎖を持つゴム、ェピクロロヒドリンゴムのような主鎖に酸素を持つゴム、ビニルメチルシリコーンゴムのような主鎖に珪素と酸素を持つゴム、天然ゴムやジェン系ゴムのように主鎖に不飽和炭素結合を持つゴム、ポリエーテルゥレタンのような主鎖に炭素、酸素および窒素を持つゴム、主鎖に酸素もしくはリンを持たないで窒素を持つゴム、ポリスルフィドゴムのような主鎖に硫黄を持つゴム、フォスファゼンゴムのような主鎖にリンおよび窒素を持つゴム等が用いられる。

[0033] 飽和主鎖を持つゴムとしては、エチレン一プロピレン一ジェン三元系共重合体、エチレン一プロピレン共重合体、完全水素化アクリル二トリル一ブタジェンゴム、フッ素ゴム、完全水素化スチレン一ブタジエンゴム、完全水素化スチレン一イソプレンゴム等が挙げられる。主鎖に不飽和炭素結合を持つゴムとしては、ブタジエンゴム、クロロプレンゴム、水素化アクリル二トリル一ブタジエンゴム、イソブテン一イソプレンゴム、天然ゴム、水素化スチレン一ブタジエンゴム、スチレン一ブタジエンゴム、水素化スチレン一イソプレンゴム、スチレン一イソプレンゴム等が挙げられる。

[0034] フック部 4 4には本体外周部 3 3の外側に配置されたゴム状弾性部材 4 5 の弾性力によって、内側に向けて押圧力が付与されていると共に、外側に後退可能とされている。すなわち、フック部 4 4は本体外周部 3 3内で径方向に可動する。ゴム状弾性部材 4 5はその弾性力に基づいてフック部 4 4に押圧力を付与し、かつフック部 4 4の径方向への後退を許容するものである。フック部 4 4の後退範囲はノズル部 8の離脱性を高める上で、その先端が本体外周部 3 3の内壁面まで後退するように設定することが好ましい。ゴム状弾性部材 4 5はゴム硬度や厚さに基づいてフック部 4 4に付与する弾性力を調整することができる。これによつて、本体外周部 3 3の内壁面まで容易に後退させることができる。

[0035] ノズル保持機構 4 3はノズル部 8をソケッ卜部 4に接続した際に、フック部 4 4をノズルへッド 1 2の先端部 1 4の外周に設けられた周溝 1 6と係合させることによって、ノズル部 8とソケッ卜部 4との接続状態を保持するものである。通常状態においてはフック部 4 4に付与された押圧力（弾性力）によって、ノズル部 8を弾性的に挟持している。燃料電池 1に接続された燃料カー卜リッジ 6に過度な曲げや捻り等の力が加わった場合、フック部 4 4 はゴム状弾性部材 4 5の弾性力に基づいて本体外周部 3 3の内壁面まで後退する。このため、ノズル保持機構 4 3、ソケット部 4、ノズル部 8等を損傷させることなく、ノズル部 8とソケッ卜部 4との接続状態が解除される。

[0036] ソケッ卜本体 3 2の本体外周部 3 3には、さらに燃料識別手段として機能するキー溝 4 6が設けられている。キー溝 4 6はノズル部 8のキー部 1 7と係合する形状を有する。キー部 1 7とキー溝 4 6とは一対の形状をなすため、液体燃料に応じて形状を規定することで、液体燃料の誤注入を防止することができる。キー部 1 7の形状を液体燃料の種別（種類や濃度等）に応じた形状とし、キー溝 4 6をキー部 1 7に対応した形状とすることによって、燃料電池 1に対応した液体燃料を収容する燃料カー卜リッジ 6のみを接続可能にすることができる。従って、燃料電池 1に対応した液体燃料のみが供給されるようになるため、液体燃料の誤注入による動作不良や特性低下等を防止することが可能となる。

[0037] 燃料カー卜リッジ 6に収容された液体燃料を燃料電池 1の燃料収容部 3に供給するにあたっては、燃料カートリッジ 6のノズル部 8をソケット部 4に挿入して接続する。ノズル部 8のノズルへッド 1 2に設けられた先端部 1 4 は、キー部 1 7とキー溝 4 6との形状が対応した場合にのみソケット部 4に揷入される。このようにしてノズル部 8の先端部 1 4をソケット部 4のノズル揷入部 3 1に挿入すると、まず先端部 1 4に設けられた凹部 1 5にゴムホルダ 3 7の先端が嵌め合わされることによって、バルブ 1 9、 4 0が開状態となる前に液体燃料の流路周辺のシールが確立される。

[0038] ノズルへッド 1 2の先端部 1 4とゴムホルダ 3 7とが接触した状態からノズル部 8をソケット部 4に差し込むと、ノズル部 8のバルブステム 1 9 bとソケッ卜部 4のバルブステム 3 8 bの先端同士が突き当たる。この状態からさらにノズル部 8をソケッ卜部 4に差し込むと、ソケッ卜部 4のバルブ 3 8 が後退して流路を完全に開放した後、ノズル部 8のバルブ 1 9が後退して燃料流路が確立する。この燃料流路の確立と同時に、ソケット部 4のノズル保持機構 4 3のフック部 4 4がノズルへッド 1 2の周溝 1 6と係合することによって、ノズル部 8とソケッ卜部 4との接続状態が保持される。

[0039] ノズル部 8とソケッ卜部 4とを接続すると共に、それらに内蔵されたバルブ機構をそれぞれ開状態として燃料流路を開くことによって、燃料カー卜リッジ 6に収容された液体燃料を燃料電池 1の燃料収容部 3に供給する。前述したように、ノズル部 8とソケット部 4との接続状態は、フック部 4 4が周溝 1 6と係合してノズル部 8を弾性的に挟持することで保持される。燃料力一トリッジ 6に過度な曲げや捻り等の力が加わった場合においても、フック部 4 4が本体外周部 3 3の内壁面まで後退するため、フック部 4 4自体ゃソケッ卜部 4、さらにはノズル部 8の損傷を抑制することができる。 [0040] 上述したように、燃料カートリッジ 6に曲げや捻り等が加わった際に、フック部 4 4によるノズル部 8の接続状態がノズル保持機構 4 3に過剰な力や負荷を与えることなく解除されるため、燃料カー卜リッジ 6の離脱に伴うソケット部 4やノズル部 8の損傷を抑制することができる。すなわち、曲げや捻リ等が加わつた燃料カー卜リッジ 6を、各部に損傷を与えることなく燃料電池 1から離脱させることができる。これによつて、燃料電池 1のソケット部 4自体の破損、また燃料カートリッジ 6のノズル部 8の破損、さらにはそれらによる不具合（液漏れ等）の発生等を抑制することが可能となる。従つて、燃料電池 1の耐久性、信頼性、安全性等を高めることができる。

[0041 ] さらに、ソケット部 4のソケット本体 3 2を円周方向に複数（例えば 2つ ) に分割することにより、燃料カートリッジ 6に曲げや捻り等が加わった際に、分割されたソケッ卜本体 3 2で過剰な力や負荷を吸収することができる。例えば、ノズル部 8の動きに対応してソケッ卜本体 3 2の開口部が拡がることによって、燃料カートリッジ 6の離脱に伴うソケット部 4ゃノズル部 8 の損傷が抑制される。すなわち、曲げや捻り等が加わった燃料カートリッジ 6を、各部に損傷を与えることなく燃料電池 1から離脱させることができる。これによつて、ソケット部 4やノズル部 8の破損、さらにはそれらによる不具合（液漏れ等）の発生等を抑制することが可能となる。

[0042] 次に、上述した実施形態の燃料電池 1における起電部等の具体的な構造について説明する。燃料電池 1の種類は特に限定されるものではない。燃料電池 1にはサテライ卜タイプの燃料カー卜リッジ 6が必要時に接続されるパッシブ型やアクティブ型の D M F Cを適用することができる。ここでは、燃料電池 1に内部気化型の D M F Cを適用した実施形態について、図 7を参照して説明する。

[0043] 図 7に示す内部気化型（パッシブ型）の D M F C 1は、起電部と燃料収容部 3に加えて、これらの間に介在された気液分離膜 5 1を具備している。起電部 2は、ァノード触媒層 5 2およびァノードガス拡散層 5 3を有するァノード（燃料極）と、力ソード触媒層 5 4および力ソードガス拡散層 5 5を有する力ソード（酸化剤極 Z空気極）と、アノード触媒層 52と力ソード触媒層 54とで挟持されたプロトン（水素イオン）伝導性の電解質膜 56とから構成される膜電極接合体 (Memb r a n e E l e c t r o d e As s em b I y ： ME A) を具備している。

[0044] アノード触媒層 52やカソード触媒層 54に含有される触媒としては、例えば P t、 Ru、 Rh、 I r、 Os、 P d等の白金族元素の単体、白金族元素を含有する合金等が挙げられる。ァノ一ド触媒層 52にはメタノ一ルゃー酸化炭素に対して強い耐性を有する P t _Ruや P t _Mo等を用いることが好ましい。カソード触媒層 54には P tや P t _N i等を用いることが好ましい。触媒は炭素材料のような導電性担持体を使用した担持触媒、あるいは無担持触媒のいずれであってもよい。

[0045] 電解質膜 56を構成するプロトン伝導性材料としては、例えばスルホン酸基を有するパーフルォロスルホン酸重合体のようなフッ素系樹脂、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂、タングステン酸ゃリンタングステン酸等の無機物等が挙げられる。スルホン酸基を有するフッ素系樹脂の具体例としては、ナフイオン（商品名、デュポン社製）ゃフレミオン（商品名、旭硝子社製 ) 等が挙げられる。ただし、これらに限られるものではない。

[0046] アノード触媒層 52に積層されるアノードガス拡散層 53は、アノード触媒層 52に燃料を均一に供給する役割を果たすと同時に、ァノード触媒層 5 2の集電体を兼ねている。力ソード触媒層 54に積層されるカソードガス拡散層 55は、カソード触媒層 54に酸化剤を均一に供給する役割を果たすと同時に、力ソード触媒層 54の集電体を兼ねている。アノードガス拡散層 5 3にはァノ一ド導電層 57が積層されている。力ソードガス拡散層 55にはカソード導電層 58が積層されている。

[0047] ァノード導電層 57や力ソード導電層 58は、例えば A uのような導電性金属材料からなるメッシュ、多孔質膜、薄膜等で構成されている。さらに、電解質膜 56とァノード導電層 57との間、および電解質膜 56と力ソード導電層 58との間には、それぞれゴム製の Oリング 59、 60が介在されている。これらによって、起電部 2からの燃料漏れや酸化剤漏れが防止されている。

[0048] 燃料収容部 3の内部には、液体燃料 Fとしてメタノール燃料が充填されている。燃料収容部 3は起電部 2側が開口されており、この燃料収容部 3の開口部と起電部 2との間に気液分離膜 5 1が設置されている。気液分離膜 5 1 は、液体燃料 Fの気化成分のみを透過し、液体成分は透過させない膜である。気液分離膜 5 1の構成材料としては、ポリテトラフルォロエチレンのようなフッ素樹脂が例示される。液体燃料 Fの気化成分とは、液体燃料「としてメタノール水溶液を使用した場合にはメタノールの気化成分と水の気化成分からなる混合気、純メタノールを使用した場合にはメタノールの気化成分を意味する。

[0049] 力ソード導電層 5 8上には保湿層 6 1が積層されており、さらにその上には表面層 6 2が積層されている。表面層 6 2は酸化剤である空気の取入れ量を調整する機能を有し、その調整は表面層 6 2に形成された空気導入口 6 3 の個数やサイズ等を変更することで行う。保湿層 6 1は力ソード触媒層 5 4 で生成された水の一部が含浸されて、水の蒸散を抑制する役割を果たすと共に、力ソードガス拡散層 5 5に酸化剤を均一に導入することで、力ソード触媒層 5 4への酸化剤の均一拡散を促進する機能も有している。保湿層 6 1は例えば多孔質構造の部材で構成される。保湿層 6 1の具体的な構成材料としては、ポリエチレンやポリプロピレンの多孔質体等が挙げられる。

[0050] そして、燃料収容部 3上に気液分離膜 5 1、起電部 2、保湿層 6 1、表面層 6 2を順に積層し、その上からステンレス製のカバー 6 4を被せて全体を保持することによって、パッシブ型 D M F C 1が構成される。カバー 6 4には表面層 6 2に形成された空気導入口 6 3と対応する部分に開口が設けられている。燃料収容部 3にはカバー 6 4の爪 6 4 aを受けるテラス 6 5が設けられており、テラス 6 5に爪 6 4 aをかしめることで燃料電池 1全体をカバ一 6 4で一体的に保持している。図 7では図示を省略したが、図 1に示したように燃料収容部 3の下面側にはソケッ卜部 4を有する燃料供給部 5が設けられている。

[0051] 上述した構成を有するパッシブ型 DMFC (燃料電池） 1においては、燃料収容部 3内の液体燃料 F (例えばメタノール水溶液）が気化し、この気化成分が気液分離膜 51を透過して起電部 2に供給される。起電部 2内において、液体燃料 Fの気化成分はァノ一ドガス拡散層 53で拡散されてァノ一ド触媒層 52に供給される。アノード触媒層 52に供給された気化成分は、下記の式（1 ) に示すメタノールの内部改質反応を生じさせる。

CH₃OH + H₂0 → C0₂+6H++6 e_ -" ( 1 )

[0052] なお、液体燃料 Fとして純メタノールを使用した場合には、燃料収容部 3 から水蒸気が供給されないため、カソード触媒層 54で生成した水や電解質膜 56中の水をメタノールと反応させて式（1 ) の内部改質反応を生起するか、あるいは上記した式（1 ) の内部改質反応によらず、水を必要としない他の反応機構によリ内部改質反応を生じさせる。

[0053] 内部改質反応で生成されたプロトン（H+) は電解質膜 56を伝導し、カソ一ド触媒層 54に到達する。表面層 62の空気導入口 63から取り入れられた空気（酸化剤）は、保湿層 61、力ソード導電層 58、力ソードガス拡散層 55を拡散して、力ソード触媒層 54に供給される。力ソード触媒層 54 に供給された空気は、次の式（2) に示す反応を生じさせる。この反応によつて、水の生成を伴う発電反応が生じる。

(3/2) 0₂ + 6H++6 e_ → 3 H₂0 … (2)

[0054] 上述した反応に基づく発電反応が進行するにしたがって、燃料収容部 3内の液体燃料 F (例えばメタノール水溶液や純メタノール）は消費される。燃料収容部 3内の液体燃料 Fが空になると発電反応が停止するため、その時点でもしくはそれ以前の時点で燃料収容部 3内に燃料カー卜リッジ 6から液体燃料を供給する。燃料カートリッジ 6からの液体燃料の供給は、前述したように燃料カー卜リッジ 6側のノズル部 8を燃料電池 1側のソケット部 4に揷入して接続することにより実施される。

[0055] なお、本発明は液体燃料を燃料カー卜リッジによリ供給する燃料電池であれば、その方式や機構等に何等限定されるものではないが、特に小型化が進められているパッシブ型 D M F Cに好適である。燃料電池の具体的な構成も特に限定されるものではなく、実施段階では本発明の技術的思想を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化することができる。さらに、上記実施形態に示される複数の構成要素を適宜に組合せたり、また実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除する等、種々の変形が可能である。本発明の実施形態は本発明の技術的思想の範囲内で拡張もしくは変更することができ、この拡張、変更した実施形態も本発明の技術的範囲に含まれるものである。

産業上の利用可能性

本発明の態様に係る燃料電池用カップラにおいては、ソケッ卜部に設けられるノズル保持機構のフック部をソケッ卜本体の外側に向けて後退可能としている。このため、ソケット部にノズル部を接続した燃料カートリッジに曲げや捻り等の力が作用した際に、ソケット部ゃノズル部を損傷させることなく、それらの接続状態を解除することができる。このような燃料電池用カツブラを適用した燃料電池は、耐久性、信頼性、安全性等に優れるため、各種装置や機器の電源として有効に利用することができる。

Claims

請求の範囲

[1 ] 燃料電池に設置されるソケッ卜本体と、前記ソケッ卜本体内に配置されたバルブ機構とを備え、燃料カー卜リッジに装着されるノズル部が着脱可能に接続されるソケット部を具備する燃料電池用カップラであって、

前記ソケッ卜部は、前記ソケッ卜本体の内側に向けて突出されていると共に、前記ソケット本体の外側に向けて後退可能なフック部と、前記ノズル部を保持するように前記フック部に押圧力を付与すると共に、前記フック部の後退を許容する弾性体とを有するノズル保持機構を備えることを特徴とする燃料電池用カップラ。

[2] 請求項 1記載の燃料電池用カップラにおいて、

前記ソケッ卜本体は略円筒形状を有し、前記フック部は前記ソケッ卜本体の径方向に後退可能とされていることを特徴とする燃料電池用力ッブラ。

[3] 請求項 1記載の燃料電池用カップラにおいて、

前記フック部はその先端が前記ソケッ卜本体の内壁面まで後退可能とされていることを特徴とする燃料電池用カップラ。

[4] 請求項 1記載の燃料電池用カップラにおいて、

前記フック部は、前記ソケッ卜本体の内側に向けて突出された突出部と、前記突出部の姿勢を保持するように設けられ、前記ソケッ卜本体の外側に配置されたフランジ部とを有することを特徴とする燃料電池用力ッブラ。

[5] 請求項 1記載の燃料電池用カップラにおいて、

前記弾性体は前記ソケット本体の外側に配置されたゴム状弾性部材を具備することを特徴とする燃料電池用カップラ。

[6] 請求項 2記載の燃料電池用カップラにおいて、

前記弾性体は、前記ソケット本体の外壁面の周方向に沿って配置され、スリーブ形状を有するゴム状弾性部材を具備することを特徴とする燃料電池用力ップラ。

[7] 請求項 6記載の燃料電池用カップラにおいて、

前記ソケッ卜本体は前記ゴム状弾性部材の配置位置を規定するリブを有することを特徴とする燃料電池用カップラ。

[8] 請求項 1記載の燃料電池用カップラにおいて、

前記フック部は前記ノズル部に設けられた凹部と係合することを特徴とする燃料電池用カップラ。

[9] 請求項 1記載の燃料電池用カップラにおいて、

前記ソケッ卜部は、前記バルブ機構を開放した際に外部と燃料流路との間をシールする弾性体ホルダを備えることを特徴とする燃料電池用カップラ。

[10] 請求項 1記載の燃料電池用カップラにおいて、

前記バルブ機構は、バルブヘッドとバルブステムとを有するバルブと、前記バルブへッドを前記ソケッ卜本体内に設けられたバルブシートに押し付けて前記ソケッ卜部内の燃料流路を閉状態に保つ弾性部材とを備えることを特徴とする燃料電池用カップラ。

[11 ] 請求項 1記載の燃料電池用力ッブラにおいて、

さらに、前記液体燃料の種別を識別する燃料識別手段を具備することを特徴とする燃料電池用カップラ。

[12] 燃料カートリッジのノズル部と着脱可能に接続されるソケッ卜部であって、ソケッ卜本体と、前記ソケッ卜本体内に配置されたバルブ機構と、前記ソケッ卜本体の内側に向けて突出されていると共に、前記ソケッ卜本体の外側に向けて後退可能なフック部、および前記ノズル部を保持するように前記フック部に押圧力を付与すると共に、前記フック部の後退を許容する弾性体を有するノズル保持機構とを備えるソケッ卜部と、

前記ソケッ卜部に接続された前記燃料カー卜リッジから供給される液体燃料を収容する燃料収容部と、

前記燃料収容部から燃料が供給されて発電動作する起電部と

を具備することを特徴とする燃料電池。

[13] 請求項 1 2記載の燃料電池において、

前記起電部は、燃料極と、酸化剤極と、前記燃料極と前記酸化剤極とに挟持された電解質膜とを備えることを特徴とする燃料電池。

[14] 請求項 1 2記載の燃料電池において、

さらに、前記燃料収容部と前記起電部との間に介在され、前記液体燃料の気化成分を前記燃料極に供給する気液分離膜を具備することを特徴とする燃料電池。

[15] 請求項 1 2記載の燃料電池において、

前記フック部はその先端が前記ソケッ卜本体の内壁面まで後退可能とされていることを特徴とする燃料電池。

[16] 請求項 1 2記載の燃料電池において、

前記フック部は、前記ソケッ卜本体の内側に向けて突出された突出部と、前記突出部の姿勢を保持するように設けられ、前記ソケッ卜本体の外側に配置されたフランジ部とを有することを特徴とする燃料電池。

[17] 請求項 1 2記載の燃料電池において、

前記弾性体は前記ソケット本体の外側に配置されたゴム状弾性部材を具備することを特徴とする燃料電池。

[18] 請求項 1 2記載の燃料電池において、

前記フック部は前記ノズル部に設けられた凹部と係合することを特徴とする燃料電池。