JP2007242572A - 燃料電池用燃料カートリッジの接続機構とそれを用いた燃料電池 - Google Patents
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Abstract
【課題】燃料カートリッジの接続機構にノズル部とソケット部とによる接続機構を適用するにあたって、キー部による案内溝やそれに設けられる突起等の削れを抑制する。
【解決手段】燃料カートリッジに設けられたノズル部９を燃料電池本体に設けられたソケット部６に挿入し、これらノズル部９とソケット部６とを接続する機構である。ノズル部９はその外周部に形成された案内溝１８と、案内溝１８の終端部近傍に形成された凸部１９または凹部を有する接続状態確認部とを備える。ソケット部６はその内周面から突出するように設けられ、案内溝１８と係合して燃料カートリッジの挿入を案内するキー部２９と、キー部２９を突出方向に伸縮させる伸縮機構３０とを備える。
【選択図】図２
【解決手段】燃料カートリッジに設けられたノズル部９を燃料電池本体に設けられたソケット部６に挿入し、これらノズル部９とソケット部６とを接続する機構である。ノズル部９はその外周部に形成された案内溝１８と、案内溝１８の終端部近傍に形成された凸部１９または凹部を有する接続状態確認部とを備える。ソケット部６はその内周面から突出するように設けられ、案内溝１８と係合して燃料カートリッジの挿入を案内するキー部２９と、キー部２９を突出方向に伸縮させる伸縮機構３０とを備える。
【選択図】図２
Description
本発明は燃料電池用燃料カートリッジの接続機構とそれを用いた燃料電池に関する。
近年、ノート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、これら携帯用電子機器の電源に燃料電池を用いる試みがなされている。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、燃料のみ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。
直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ：direct methanol fuel cell）は小型化が可能であり、さらに燃料の取り扱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。ＤＭＦＣ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アクティブ方式、また内部気化型等のパッシブ方式が知られている。これらのうち、パッシブ方式はＤＭＦＣの小型化に対して有利である。例えば、特許文献１や特許文献２には液体燃料を保持する燃料浸透層と、燃料浸透層中に保持された液体燃料の気化成分を拡散させて燃料極に供給する燃料気化層とを具備する内部気化型ＤＭＦＣが記載されている。
内部気化型等のパッシブ型ＤＭＦＣは、燃料タンクと液体燃料を気化させる機構とを具備しており、この燃料タンクに対してサテライトタイプ（外部注入式）の燃料カートリッジを用いて液体燃料を供給している。燃料カートリッジを用いて液体燃料を供給する場合、バルブ機構を内蔵するノズル部とソケット部とで構成されたカップラを用いて、液体燃料の遮断並びに注入を行うことが検討されている（例えば特許文献３参照）。ノズル部とソケット部には、燃料カートリッジの挿入を案内するために、例えばノズル部側に案内溝を設け、この案内溝と係合するキー部をソケット部側に設けることが試みられている。
特許第3413111号公報
特開2004-171844号公報
特開2004-127824号公報
上述したように、ＤＭＦＣ側の燃料タンクと燃料カートリッジとの接続には、ノズル部とソケット部とで構成されたカップラが用いられているが、単にノズル部をソケット部に挿入しただけでは接続状態を固定（ロック）することができない。そこで、ノズル部の外周面に設けられる案内溝を途中から周方向に変位させたり、あるいは案内溝の終端部近傍にキー部が乗り越えることが可能な突起（凸部）を設けることが検討されている。
しかしながら、ノズル部側の案内溝は樹脂で形成されているのに対して、ソケット部側のキー部は金属製であることから、燃料カートリッジの接続操作を繰り返し実施した際に、樹脂製の案内溝が金属製のキー部で削られてしまうおそれがある。特に、燃料カートリッジの接続操作時に、操作者に対してロック感（クリック感）を与えるために、案内溝の終端部近傍に突起を設けた場合、この突起自体が金属製のキー部で削り取られることで、持続的にロック感（クリック感）を付与することができないという問題が生じる。
本発明はこのような課題に対処するためになされたもので、燃料カートリッジの接続機構にノズル部とソケット部とによる接続機構を適用するにあたって、キー部による案内溝やそれに設けられる突起の削れを抑制することによって、ロック状態やロック感を持続的に維持することを可能にした燃料電池用燃料カートリッジの接続機構、およびそのような燃料カートリッジの接続機構を適用した燃料電池を提供することを目的としている。
本発明の一態様に係る燃料電池用燃料カートリッジの接続機構は、燃料カートリッジに設けられたノズル部であって、その外周部に形成された案内溝と、前記案内溝の終端部近傍に形成された凸部または凹部を有する接続状態確認部とを備えるノズル部と、燃料電池本体に設けられ、前記ノズル部が挿入されて接続されるソケット部であって、その内周面から突出するように設けられ、前記案内溝と係合して前記燃料カートリッジの挿入を案内すると共に、前記接続状態確認部と接触して前記ノズル部と前記ソケット部との接続状態を示すキー部と、前記キー部を突出方向に伸縮させる伸縮機構とを備えるソケット部とを具備することを特徴としている。
本発明の一態様に係る燃料電池は、燃料電池用の液体燃料を収容するカートリッジ本体と、前記カートリッジ本体に設けられたノズル部とを備える燃料カートリッジと、前記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ト部を有する燃料供給部と、前記燃料供給部から前記液体燃料が供給されて発電動作する起電部とを備える燃料電池本体とを具備し、前記燃料カートリッジのノズル部と前記燃料電池本体のソケット部とは、本発明の態様に係る燃料カートリッジの接続機構を具備することを特徴としている。
本発明の態様に係る燃料電池用燃料カートリッジの接続機構によれば、キー部を突出方向に伸縮させることによって、案内溝やそれに設けられる接続状態確認部（凸部または凹部）が削られることを抑制している。従って、燃料カートリッジのロック状態やロック感を持続的に維持することが可能となる。このような燃料カートリッジの接続機構を適用した燃料電池によれば、接続信頼性や操作性等を向上させることができる。
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。
図１は本発明の一実施形態による燃料電池の構成を示す図である。図１に示す燃料電池１は、起電部となる燃料電池セル２と燃料タンク３とから主として構成される燃料電池本体４と、燃料タンク３に液体燃料を供給するサテライトタイプ（外部注入式）の燃料カートリッジ５とを具備している。燃料タンク３の下面側には、液体燃料の供給口となるソケット部６を有する燃料供給部７が設けられている。ソケット部６は後に詳述するように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。なお、燃料電池本体４は燃料タンク３を経ずに燃料供給部７から直接燃料電池セル２に液体燃料を供給する構造を有していてもよい。
一方、燃料カートリッジ５は、燃料電池用の液体燃料を収容するカートリッジ本体８を有している。カートリッジ本体８の先端には、その内部に収容された液体燃料を燃料電池本体４に供給する際の燃料吐出口となるノズル部９が設けられている。ノズル部９は後に詳述するように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。このような燃料カートリッジ５は、燃料タンク３に液体燃料を注入するときのみ燃料電池本体４に接続されるものである。
燃料カートリッジ５のカートリッジ本体８には、燃料電池本体４に応じた液体燃料、例えば直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）であれば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収容されている。なお、カートリッジ本体８に収容す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、例えばエタノール水溶液や純エタノール等のエタノール燃料、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、燃料電池本体４に応じた液体燃料が収容される。
上述した燃料電池本体４の燃料タンク３に設けられたソケット部６と燃料カートリッジ５のカートリッジ本体８に設けられたノズル部９とは、一対の接続機構（カップラ）を構成するものである。ソケット部６とノズル部９とで構成されたカップラの具体的な構成について、図２を参照して説明する。図２は本発明の第１の実施形態による燃料電池用燃料カートリッジの接続機構を示している。図２は燃料カートリッジ５のノズル部９と燃料電池本体４のソケット部６とを接続する前の状態を示している。
燃料電池本体４と燃料カートリッジ５とを接続するカップラにおいて、カートリッジ側接続機構としてのノズル部（オス側カップラ）９は、ノズルベース部１１とノズル挿入部１２とを有している。先端にノズル口を有する円筒状のノズル挿入部１２は、カートリッジ本体８の先端開口部に装着されたノズルベース部１１から突出するように形成されている。ここではノズルベース部１１とノズル挿入部１２とを一体成形した部品を示しているが、これらは異なる材料で個別に成形したものを組合せて使用してもよい。
カートリッジ本体８の先端側内部には、カップ状のバルブホルダ１３が配置されている。バルブホルダ１３はバルブ室を規定するものであり、その先端側外縁部がカートリッジ本体８とノズルベース部１１とで挟み込まれて固定されている。バルブホルダ１３で規定されたバルブ室内には、バルブ１４が配置されている。バルブ１４は、バルブヘッド１４ａを有するバルブ本体１４ｂと、バルブ本体１４ｂの先端側に設けられたバルブステム１４ｃと、バルブ本体１４ｂの後方側に設けられたガイドピン１４ｄとを備えている。
バルブヘッド１４ａを有するバルブ本体１４ｂは、バルブホルダ１３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１４ｃは円筒状のノズル挿入部１２内に収容されている。バルブ本体１４ｂやバルブステム１４ｃを有するバルブ１４は、軸方向（ノズル部９の挿入方向）に進退可能とされている。バルブヘッド１４ａとノズルベース部１１の内側に形成されたバルブシート１５との間には、Ｏリング１６が配置されている。バルブ本体１４ｂには、圧縮スプリング１７でバルブヘッド１４ａをバルブシート１５に押し付ける力が常時加えられており、これらによってＯリング１６は押圧されている。
従って、通常状態（燃料カートリッジ５が燃料電池本体４から切り離された状態）においては、Ｏリング１６を介してバルブヘッド１４ａをバルブシート１５に押し付けることで、ノズル部９内の燃料流路を閉状態としている。一方、後述するように燃料カートリッジ５を燃料電池本体４に接続すると、バルブステム１４ｃが後退してバルブヘッド１４ａがバルブシート１５から離れるで、ノズル部９内の燃料流路が開状態とされる。バルブホルダ１３の底部には液体燃料の流路となる連通孔１３ａが設けられている。バルブ本体１４ｂの後方側に設けられたガイドピン１４ｄは連通孔１３ａ内に挿通されている。
上述したノズル挿入部１２の外周面には、燃料カートリッジ５の挿入方向（ノズル部９の軸方向）に沿って、例えば2条の案内溝１８が形成されている。案内溝１８の終端部近傍には接続状態確認部として凸部１９が形成されている。接続状態確認部としての凸部１９は、後述する図９ないし図１６に示すように、案内溝１８の底面もしくは側面に形成することができ、その数は1個もしくは2個以上とされる。また、案内溝１８の形状はノズル挿入部１２の軸方向に沿った直線形状に限らず、後述する図１５や図１６に示すように、途中から周方向に変位するものであってもよい。すなわち、案内溝１８の形状としては直線形状、あるいは直線部と曲線部とを有するＪ形状等が挙げられる。
一方、燃料電池側接続機構としてのソケット部（メス側カップラ）６は、円筒状のハウジング２１を有している。ハウジング２１は上部部材２１ａ、中間部材２１ｂ、下部部材２１ｃを有しており、これらは一体化されて燃料電池本体４の燃料供給部７内に埋め込まれている。ハウジング２１の中間部材２１ｂは、その径方向内側に突出したリング状凸部２２を有している。リング状凸部２２上には弾性体ホルダとしてゴムホルダ２３が設置されており、このゴムホルダ２３は上部部材２１ａ内に配置されている。ゴムホルダ２３は中間の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ている。ゴムホルダ２３の内側は液体燃料の流路とされている。
ハウジング２１内にはバルブ２４が配置されている。バルブ２４は、バルブヘッド２４ａを有するバルブ本体２４ｂと、バルブ本体２４ｂの先端側に設けられたバルブステム２４ｃと、バルブ本体２４ｂの後方側に設けられたガイドピン２４ｄとを備えている。バルブヘッド２４ａを有するバルブ本体２４ｂは、中間部材２１ｂと下部部材２１ｃとで形成されたバルブ室内に配置されている。バルブステム２４ｃはゴムホルダ２３内に収容されている。これらバルブ本体２４ｂやバルブステム２４ｃを有するバルブ２４は、軸方向（ノズル部９の挿入方向）に進退可能とされている。
バルブヘッド２４ａとリング状凸部２２の下面側に形成されたバルブシート２５との間には、Ｏリング２６が配置されている。バルブ本体２４ｂには、圧縮スプリング２７でバルブヘッド２４ａをバルブシート２５に押し付ける力が常時加えられており、これらによってＯリング２６は押圧されている。従って、通常状態（燃料電池本体４から燃料カートリッジ５が切り離された状態）においては、Ｏリング２６を介してバルブヘッド２４ａをバルブシート２５に押し付けることによって、ソケット部６内の流路を閉状態としている。一方、後述するように燃料電池本体４に燃料カートリッジ５が接続されると、バルブステム２４ｃが後退してバルブヘッド２４ａがバルブシート２５から離れることによって、ソケット部６内の流路が開状態とされる。
ハウジング２１の下部部材２１ｃには、燃料供給部７内を介して燃料タンク３に接続された連通孔２８が設けられている。なお、バルブ本体２４ｂの後方側に設けられたガイドピン２４ｄは連通孔２８内に挿通されている。このように、ソケット部６はハウジング２１内に設けられた燃料流路が、下部部材２１ｃに設けられた連通孔２８を介して燃料タンク３に接続されている。そして、バルブ２４を開状態としてソケット部６内の燃料流路を開くことによって、燃料カートリッジ５に収容された液体燃料を、ソケット部６を介して燃料タンク３内に注入することが可能とされている。
上述したソケット部６のハウジング２１の内周面には、ノズル部９側の案内溝１８と係合して燃料カートリッジ５の挿入を案内するキー部２９が設けられている。キー部２９は例えば金属材料で形成されており、ハウジング２１の内周面から径方向内側に向けて突出するように配置されている。キー部２９は案内溝１８の数にしたがった配置数や配置間隔で設けられている。このようなキー部２９をハウジング２１に設けたキー挿入穴２１ａに差し込むことによって、キー部２９をハウジング２１の径方向内側に突出させている。さらに、キー部２９はその突出方向に伸縮可能とされている。
すなわち、ソケット部６は案内溝１８と係合するキー部２９と、このキー部２９を突出方向に伸縮させる伸縮機構３０とを備えている。キー部２９の伸縮機構３０には、例えばばね材やゴム状弾性体等を使用することができる。図３は板ばねを用いた伸縮機構３０を示している。すなわち、図３に示す伸縮機構３０はキー部２９の後方に配置された板ばね３１を有している。板ばね３１はキー部２９の軸方向内側に向けてばね力（復元力）を加えている。キー部２９の先端に力が加わった際に板ばね３１が外側にたわむことによって、ハウジング２１の内周面から突出しているキー部２９は径方向外側に向けて後退（収縮）する。キー部２９先端に加えられていた力が取り除かれると、キー部２９は板ばね３１のばね力で元の状態（定常状態）に復元する。
図４はコイルばねを用いた伸縮機構３０を示している。すなわち、図４に示す伸縮機構３０はキー部２９の後方に配置されたコイルばね（圧縮ばね）３２を有している。キー部２９の先端に力が加わった際にコイルばね３２が軸方向に縮むことによって、ハウジング２１の内周面から突出しているキー部２９は径方向外側に向けて後退（収縮）する。キー部２９先端に加えられていた力が取り除かれると、キー部２９はコイルばね３２のばね力で元の状態（定常状態）に復元する。このように、伸縮機構３０はキー部２９をハウジング２１の内周面から突出した定常状態とそれより径方向外側に後退した状態（収縮状態）との間で、その突出方向（キー部２９の軸方向）に伸縮させるものである。
キー部２９の伸縮機構３０を構成するばね材は、上述した板ばね３１やコイルばね３２に限られるものではなく、キー部２９の軸方向内側に向けてばね力（復元力）を加えることが可能なものであれば種々のばね材を使用することができ、例えば台形ばねのようなばね材を適用することも可能である。さらに、ばね材に代えてゴム状弾性体で伸縮機構３０を構成してもよい。この場合、ゴム状弾性体による弾性力がキー部２９の軸方向内側に向けて加えられるように、キー部２９の後方にゴム状弾性体を配置する。
キー部２９の先端（案内溝１８と接する部分）は、例えば図３や図４に示したように曲面で構成されている。キー部２９の先端には曲面に限らず、図５や図６に示すように傾斜面を設けてもよい。ここで、キー部２９の先端形状は案内溝１８との係合性を高めることに加えて、後述するように燃料カートリッジ５に過剰なねじり力が加えられた際に、ノズル部９が回転するようにキー部２９を後退させるような形状を有していることが好ましい。このようなキー部２９の先端形状としては、例えば図３や図４に示した曲面形状や図５や図６に示した傾斜面形状（回転方向に傾斜面を設けた形状）が挙げられる。
上述したような燃料カートリッジ５に収容された液体燃料を燃料電池本体４の燃料タンク３に供給するにあたっては、図７および図８に示すように、燃料カートリッジ５のノズル部９を燃料タンク３に設けられたソケット部６に挿入して接続する。ここで、ソケット部６のキー部２９は、定常状態（ソケット部６にノズル部９が挿入されていない状態）では伸縮機構３０のばね力や弾性力等によって、ハウジング２１の内周面から径方向内側に突出している。このようなソケット部６のキー部２９をノズル部９の案内溝１８に係合させながら、ノズル部９をソケット部６に挿入する。
ノズル部９をソケット部６に挿入すると、まずノズル挿入部１２の先端部がゴムホルダ２３に接触し、バルブ機構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。この状態からノズル部９をソケット部６に差し込むと、ノズル部９のバルブステム１４ｃとソケット部６のバルブステム２４ｃの先端同士が突き当たると共に、キー部２９が案内溝１８を遡って接続状態確認部としての凸部１９に接触する。この状態からさらにノズル部９をソケット部６に差し込むと、キー部２９が凸部１９を乗り越えてノズル部９とソケット部６とが接続されると同時に、ソケット部６のバルブ２４とノズル部９のバルブ１４とが順に開放されて液体燃料の流路が確立する。
この際、キー部２９はその後方に配置された伸縮機構３０で伸縮可能とされている。従って、キー部２９は図７に示すように、定常状態（内側に突出した状態）から外側に向けて後退（収縮）しつつ、凸部１９を乗り越えることになる。キー部２９が凸部１９を乗り越えると、キー部２９は図７に示すように伸縮機構３０を構成するばね３１、３２のばね力（復元力）等の弾性力で元の状態（定常状態）に復元する。この状態でキー部２９が案内溝１８の終端部に突き当たることによって、ノズル部９とソケット部６との接続が確立される。さらに、キー部２９が凸部１９を乗り越えることによって、操作者にロック感（クリック感）を与えて、接続操作が完了したことを実感させることができる。
ここで、キー部２９は前述したように金属材料等で形成されているのに対して、ノズル部９のノズル挿入部１２（案内溝１８や凸部１９を含む）は、例えばスーパーエンジニアプラスチックや汎用エンジニアプラスチック等の樹脂材料で形成されている。金属製のキー部２９が単に樹脂製の凸部１９を乗り越えた場合、凸部１９がキー部２９で削られてしまうおそれがある。このような点に対して、この実施形態ではキー部２９が伸縮（後退）しながら凸部１９を乗り越えるため、金属製のキー部２９で樹脂製の凸部１９が削られることを抑制することが可能となる。さらに、案内溝１８自体もキー部２９で削られるおそれがあるが、これもキー部２９の伸縮で抑制することができる。
さらに、キー部２９と案内溝１８とが一対の形状をなすように、それらの具体的な形状、配置数、配置間隔等を液体燃料に応じて設定することによって、液体燃料の誤注入等を防止することができる。すなわち、キー部２９の形状、配置数、配置間隔等を液体燃料の種別（種類や濃度等）に応じて設定し、さらに案内溝１８をキー部２９に対応した形状、配置数、配置間隔とすることで、燃料電池本体４に対応した液体燃料を収容する燃料カートリッジ５のみを接続可能にすることができる。これによって、燃料電池本体４に対応した液体燃料のみを供給することが可能となる。このように、キー部２９と案内溝１８との組合せは燃料識別手段として利用することができる。
また、ノズル部２９は燃料カートリッジ５に過度なねじり力が加わった際に回転するように構成されている。すなわち、キー部２９と案内溝１８とが係合した状態で、燃料カートリッジ５に過度なねじり力が加わったとしても、キー部２９が伸縮機構３０により後退することで、ノズル部２９の回転を阻害することがない。従って、キー部２９と案内溝１８との係合部の破損やそれに基づくノズル部９やソケット部６の損傷を抑制することができる。燃料カートリッジ５にねじり力が加わった際にノズル部２９の回転させる上で、前述したようにキー部２９の先端側には曲面や傾斜面を設けておくことが好ましい。これによって、ねじり力に対してキー部２９がスムーズに後退する。
なお、ノズル部９やソケット部６の形成材料には、耐メタノール性を有するスーパーエンジニアプラスチックや汎用エンジニアプラスチックを適用することが好ましい。このような材料としては、例えばポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリアセタール（ＰＯＭ）等の汎用エンジニアプラスチック、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、液晶ポリマー（ＬＣＰ）等のスーパーエンジニアプラスチックが挙げられる。
ノズル部９の案内溝１８に形成する凸部１９の形状は、特に限定されるものではなく、例えば図９に示す断面台形状や図１０に示す断面半円状等が挙げられる。また、キー部２９の乗り越えをさらに容易にするめために、例えば図１１や図１２に示すようにキー部２９の挿入方向の傾斜を緩やかにした形状等を適用することも可能である。図９ないし図１２では凸部１９を案内溝１８の底面に設けた構造を示したが、例えば図１３や図１４に示すように、凸部１９は案内溝１８の側面に設けてもよい。この場合、凸部１９は図１３に示すように案内溝１８の一方の側面から突出するように設けてもよいし、また図１４に示すように案内溝１８の両側面から突出するように設けてもよい。
さらに、案内溝１８は図９ないし図１４に示した直線形状に限らず、例えば図１５や図１６に示すようなＪ形状を有するものであってもよい。すなわち、図１５および図１６に示す案内溝１８は、燃料カートリッジ５の挿入方向に沿って形成された直線部１８ａと、この直線部１８ａから連続して周方向に変位する曲線部１８ｂとを有しており、さらに曲線部１８ｂの終端部近傍の一方の側面（図１５）または両側面（図１６）に凸部１９が設けられている。このような周方向に変位する案内溝１８によれば、燃料カートリッジ５をより確実に固定することができる。なお、凸部１９を案内溝１８の側面に形成する場合も、案内溝１８の底面に形成する場合と同様に種々の形状を適用することが可能である。
上述したように、この実施形態による燃料カートリッジ５の接続機構（ソケット部６とノズル部９とによる接続機構（カップラ））によれば、ソケット部６側のキー部２９でノズル部９側の案内溝１８や接続状態確認部としての凸部１９等が削られることが抑制される。従って、燃料カートリッジ５のロック状態を継続的に維持することができると共に、ロック感（クリック感）を持続的に付与することが可能となる。そして、燃料カートリッジ５の接続と同時にノズル部９とソケット部６の燃料流路をそれぞれ開くことによって、燃料カートリッジ５に収容された液体燃料を燃料電池本体４の燃料タンク３に供給することができる。このような接続機構を適用した燃料電池１によれば、接続信頼性、操作性、液体燃料の供給信頼性等を向上させることが可能となる。
なお、ここではソケット部６側のキー部２９を伸縮させる構造について説明したが、例えばノズル部９側の凸部１９を伸縮可能とすることによっても同様な効果を得ることができる。さらに、ソケット部６とノズル部９の取り付け部位や案内溝１８とキー部２９の形成位置等も種々に変更が可能である。例えば、ノズル部９のノズル挿入部１２の外周面にキー部を設けると共に、このキー部と係合する案内溝をソケット部６のハウジング２１の内周面に設けてもよいし、また燃料タンク３側にノズル部を設けると共に、燃料カートリッジ５側にソケット部を設けるようにしてもよい。
次に、本発明の第２の実施形態による燃料電池用燃料カートリッジの接続機構について、図１７ないし図１９を参照して説明する。なお、燃料電池１の全体構造は前述した実施形態と同様である。さらに、ノズル部９側の案内溝１８に設ける接続状態確認部の形状やソケット部６側のキー部２９の突出状態等を除いて、ノズル部９とソケット部６の詳細構造は第１の実施形態と同様とされている。図１７ないし図１９において、第１の実施形態と同一部分については同一符号を付し、その説明を一部省略する。
燃料カートリッジ５側の接続機構としてのノズル部（オス側カップラ）９において、案内溝１８の終端部には接続状態確認部として凹部４１が形成されている。接続状態確認部としての凹部４１は、後述する図２０ないし図２３に示すように、案内溝１８の底面に形成することができる。また、案内溝１８の形状は前述した第１の実施形態と同様に、ノズル挿入部１２の軸方向に沿った直線形状に限らず、途中から周方向に変位するものであってもよい。すなわち、案内溝１８の形状としては直線形状、あるいは直線部と曲線部とを有するＪ形状等が挙げられる。
一方、燃料電池本体４側の接続機構としてのソケット部（メス側カップラ）６において、ハウジング２１の内周面にはノズル部９側の案内溝１８と係合して燃料カートリッジ５の挿入を案内するキー部２９が設けられている。キー部２９はハウジング２１の内周面から径方向内側に突出するように配置されており、さらに前述した第１の実施形態と同様に突出方向に対して伸縮可能とされている。すなわち、ソケット部６は案内溝１８と係合するキー部２９と、このキー部２９を突出方向に伸縮させる伸縮機構３０とを備えている。伸縮機構３０の具体的な構造は前述した通りである。
ここで、第２の実施形態におけるキー部２９の伸縮機構３０は、案内溝１８と係合するときにキー部２９を定常状態から収縮させると共に、キー部２９が凹部４１と嵌合するときに突出させて定常状態に復元させるものである。すなわち、キー部２９は凹部４１と嵌合した際に定常状態に復元するように、当初（定常状態）の突出位置が設定されている。キー部２９は案内溝１８と係合する際に、上記した定常状態から伸縮機構３０に基づいて後退（収縮）するように構成されている。伸縮機構３０は前述した第１の実施形態と同様に、各種のばね材やゴム状弾性体で構成することができる。
上述したような燃料カートリッジ５に収容された液体燃料を燃料電池本体４の燃料タンク３に供給するにあたっては、図１８および図１９に示すように、燃料カートリッジ５のノズル部９を燃料タンク３に設けられたソケット部６に挿入して接続する。ここで、ソケット部６のキー部２９は、定常状態（ソケット部６にノズル部９が挿入されていない状態）では伸縮機構３０のばね力や弾性力等によって、ハウジング２１の内周面から径方向内側に突出している。このようなソケット部６のキー部２９をノズル部９の案内溝１８に係合させながら、ノズル部９をソケット部６に挿入する。
ノズル部９をソケット部６に挿入すると、まずキー部２９が伸縮機構３０で後退（収縮）して案内溝１８に係合する。さらに、ノズル挿入部１２の先端部がゴムホルダ２３に接触し、バルブ機構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。この状態からノズル部９をソケット部６に差し込むと、図１８に示すようにキー部２９が後退した状態を維持しつつ案内溝１８を遡り、ノズル部９のバルブステム１４ｃとソケット部６のバルブステム２４ｃの先端同士が突き当たる。
この状態からさらにノズル部９をソケット部６に差し込むと、図１９に示すようにキー部２９が凹部４１に嵌合してノズル部９とソケット部６とが接続されると同時に、ソケット部６のバルブ２４とノズル部９のバルブ１４とが順に開放されて液体燃料流路が確立する。この際、キー部２９は伸縮機構３０のばね力（復元力）等で定常状態に復元し、これにより凹部４１と嵌合する。このようにして、ノズル部９とソケット部６との接続が確立される。さらに、キー部２９を凹部４１に嵌合させることによって、操作者にロック感（クリック感）を与えて、接続操作が完了したことを実感させることができる。
この実施形態の燃料カートリッジ５の接続機構においては、キー部２９を伸縮可能とすることによって、案内溝１８の終端部に設けた凹部４１にキー部２９を嵌合させる接続構造の適用を可能としている。さらに、キー部２９が伸縮機構３０により後退して案内溝１８に係合し、この状態を維持して案内溝１８を遡るため、金属製のキー部２９で樹脂製の案内溝１８が削られることを抑制することができる。さらに、キー部２９を接続状態確認部としての凹部４１に確実に結合させることができる。
ノズル部９の案内溝１８に形成する凹部４１の形状は、特に限定されるものではなく、例えば図２０に示す断面台形状や図２１に示す断面半円状等が挙げられる。また、キー部２９の嵌合や離脱を容易にするめために、例えば図２２や図２３に示すようにキー部２９の挿入方向の傾斜を緩やかにした形状等を適用することも可能である。さらに、案内溝１８は図２０ないし図２３に示した直線形状に限らず、Ｊ形状を有するものであってもよい。すなわち、案内溝１８は、燃料カートリッジ５の挿入方向に沿って形成された直線部と、この直線部から連続して周方向に変位する曲線部とを有し、さらに曲線部の終端部に凹部４１を設けたものであってもよい。
この実施形態による燃料カートリッジ５の接続機構（ソケット部６とノズル部９とによる接続機構）によれば、ソケット部６側のキー部２９でノズル部９側の案内溝１８等が削られることが抑制される。従って、燃料カートリッジ５のロック状態を継続的に維持することができると共に、ロック感（クリック感）を持続的に付与することが可能となる。そして、燃料カートリッジ５の接続と同時にノズル部９とソケット部６の流路をそれぞれ開くことによって、燃料カートリッジ５に収容された液体燃料を燃料電池本体４の燃料タンク３に供給することができる。このような接続機構を適用した燃料電池１によれば、接続信頼性、操作性、液体燃料の供給信頼性等を向上させることが可能となる。
次に、燃料電池本体４の構造について説明する。燃料電池本体４は特に限定されるものではなく、例えばパッシブ型やアクティブ型のＤＭＦＣを適用することができる。ここでは、燃料電池本体４に内部気化型のＤＭＦＣを適用した実施形態について、図２４を参照して説明する。ただし、これに限定されるものではない。図２４に示す内部気化型（パッシブ型）のＤＭＦＣ４は、起電部を構成する燃料電池セル２と燃料タンク３に加えて、これらの間に介在された気体選択透過膜５１を具備している。
燃料電池セル２は、アノード触媒層５２およびアノードガス拡散層５３からなるアノード（燃料極）と、カソード触媒層５４およびカソードガス拡散層５５からなるカソード（酸化剤極／空気極）と、アノード触媒層５２とカソード触媒層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（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）を有している。アノード触媒層５２およびカソード触媒層５４に含有される触媒としては、例えば、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｏｓ、Ｐｄ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。
具体的には、アノード触媒層５２にメタノールや一酸化炭素に対して強い耐性を有するＰｔ−ＲｕやＰｔ−Ｍｏ等を、カソード触媒層５４に白金やＰｔ−Ｎｉ等を用いることが好ましい。また、炭素材料のような導電性担持体を使用する担持触媒、あるいは無担持触媒を使用してもよい。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オロスルホン酸重合体のようなフッ素系樹脂（ナフィオン（商品名、デュポン社製）やフレミオン（商品名、旭硝子社製）等）、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂、タングステン酸やリンタングステン酸等の無機物等が挙げられる。ただし、これらに限られるものではない。
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、アノード触媒層５２の集電体も兼ねている。一方、カソード触媒層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、カソード触媒層５４の集電体も兼ねている。アノードガス拡散層５３にはアノード導電層５７が積層され、カソードガス拡散層５５にはカソード導電層５８が積層されている。
アノード導電層５７およびカソード導電層５８は、例えば金のような導電性金属材料からなるメッシュや多孔質膜、あるいは薄膜等で構成されている。なお、電解質膜５６とアノード導電層５７との間、および電解質膜５６とカソード導電層５８との間には、ゴム製のＯリング５９、６０が介在されており、これらによって燃料電池セル（膜電極接合体）２からの燃料漏れや酸化剤漏れを防止している。
燃料タンク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。また、燃料タンク３は燃料電池セル２側が開口されており、この燃料タンク３の開口部と燃料電池セル２との間に気体選択透過膜５１が設置されている。気体選択透過膜５１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気液分離膜である。このような気体選択透過膜５１の構成材料としては、例えばポリテトラフルオロエチレンのようなフッ素樹脂が挙げられる。ここで、液体燃料Ｆの気化成分とは、液体燃料Ｆ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。
カソード導電層５８上には保湿層６１が積層されており、さらにその上には表面層６２が積層されている。表面層６２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６２に形成された空気導入口６３の個数やサイズ等を変更することで行う。保湿層６１はカソード触媒層５４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、カソードガス拡散層５５に酸化剤を均一に導入することで、カソード触媒層５４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６１は例えば多孔質構造の部材で構成され、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。
そして、燃料タンク３上に気体選択透過膜５１、燃料電池セル２、保湿層６１、表面層６２を順に積層し、さらにその上から例えばステンレス製のカバー６４を被せて全体を保持することによって、この実施形態のパッシブ型ＤＭＦＣ（燃料電池本体）４が構成されている。カバー６４には表面層６２に形成された空気導入口６３と対応する部分に開口が設けられている。また、燃料タンク３にはカバー６４の爪６４ａを受けるテラス６５が設けられており、このテラス６５に爪６４ａをかしめることで燃料電池本体４全体をカバー６４で一体的に保持している。なお、図２４では図示を省略したが、図１に示したように燃料タンク３の下面側にはソケット部６を有する燃料供給部７が設けられている。
上述したような構成を有するパッシブ型ＤＭＦＣ（燃料電池本体）４においては、燃料タンク３内の液体燃料Ｆ（例えばメタノール水溶液）が気化し、この気化成分が気体選択透過膜５１を透過して燃料電池セル２に供給される。燃料電池セル２内において、液体燃料Ｆの気化成分はアノードガス拡散層５３で拡散されてアノード触媒層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(1)式に示すメタノールの内部改質反応を生じさせる。
ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ → ＣＯ2＋6Ｈ+＋6ｅ- …(1)
ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ → ＣＯ2＋6Ｈ+＋6ｅ- …(1)
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、燃料タンク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(1)の内部改質反応を生起するか、あるいは上記した(1)式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り内部改質反応を生じさせる。
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、カソード触媒層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、カソード導電層５７、カソードガス拡散層５５を拡散して、カソード触媒層５４に供給される。カソード触媒層５４に供給された空気は、次の(2)式に示す反応を生じさせる。この反応によって、水の生成を伴う発電反応が生じる。
（3/2）Ｏ2＋6Ｈ+＋6ｅ- → 3Ｈ2Ｏ …(2)
（3/2）Ｏ2＋6Ｈ+＋6ｅ- → 3Ｈ2Ｏ …(2)
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、燃料タンク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。燃料タンク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タンク３内に燃料カートリッジ５から液体燃料を供給する。燃料カートリッジ５からの液体燃料の供給は、前述したように燃料カートリッジ５側のノズル部９を燃料電池本体４側のソケット部６に挿入して接続することにより実施される。
この実施形態の燃料電池（パッシブ型ＤＭＦＣ）においては、燃料カートリッジ５を燃料電池本体４に容易にかつ確実に接続することができるため、燃料カートリッジ５から燃料電池本体４への液体燃料の供給を継続的に信頼性よく実施することが可能となる。特に、小型化が進められているパッシブ型ＤＭＦＣに好適である。ただし、本発明の接続機構はこれに限られるものではなく、燃料カートリッジで液体燃料を供給する機構を有する各種の燃料電池に適用可能である。
１…燃料電池、２…燃料電池セル、３…燃料タンク、４…燃料電池本体、５…燃料カートリッジ、６…ソケット部（メス側カップラ）、８…カートリッジ本体、９…ノズル部（オス側カップラ）、１２…ノズル挿入部、１４，２４…バルブ、１８…案内溝、１９…凸部、２１…ハウジング、２９…キー部、３０…伸縮機構、３１…板ばね、３２…コイルばね、４１…凹部。
Claims (14)
- 燃料カートリッジに設けられたノズル部であって、その外周部に形成された案内溝と、前記案内溝の終端部近傍に形成された凸部または凹部を有する接続状態確認部とを備えるノズル部と、
燃料電池本体に設けられ、前記ノズル部が挿入されて接続されるソケット部であって、その内周面から突出するように設けられ、前記案内溝と係合して前記燃料カートリッジの挿入を案内すると共に、前記接続状態確認部と接触して前記ノズル部と前記ソケット部との接続状態を示すキー部と、前記キー部を突出方向に伸縮させる伸縮機構とを備えるソケット部と
を具備することを特徴とする燃料電池用燃料カートリッジの接続機構。 - 請求項１記載の燃料電池用燃料カートリッジ接続機構において、
前記伸縮機構は、前記キー部が前記接続状態確認部を構成する前記凸部を乗り越えるときに、定常状態の前記キー部を収縮させることを特徴とする燃料電池用燃料カートリッジの接続機構。 - 請求項１記載の燃料電池用燃料カートリッジ接続機構において、
前記伸縮機構は、前記キー部が前記案内溝と係合するときに、定常状態の前記キー部を収縮させると共に、前記キー部が前記接続状態確認部を構成する前記凹部と嵌合するときに、前記収縮状態のキー部を突出させて定常状態に復元させることを特徴とする燃料電池用燃料カートリッジの接続機構。 - 請求項１ないし請求項３のいずれか１項記載の燃料電池用燃料カートリッジの接続機構において、
前記伸縮機構は前記キー部を伸縮させるばね材またはゴム状弾性体を有することを特徴とする燃料電池用燃料カートリッジの接続機構。 - 請求項１ないし請求項４のいずれか１項記載の燃料電池用燃料カートリッジの接続機構において、
前記キー部はその先端部側に設けられた曲面または傾斜面を有することを特徴とする燃料電池用燃料カートリッジの接続機構。 - 請求項５記載の燃料電池用燃料カートリッジの接続機構において、
前記キー部は前記ノズル部が前記ソケット部に接続された前記燃料カートリッジにねじり力が加えられた際に前記ノズル部が回転するように伸縮することを特徴とする燃料電池用燃料カートリッジの接続機構。 - 請求項１ないし請求項６のいずれか１項記載の燃料電池用燃料カートリッジの接続機構において、
前記キー部および前記案内溝は前記液体燃料に応じた形状、配置数および配置間隔から選ばれる少なくとも1つを有し、前記燃料電池本体に対応した前記液体燃料を収容した前記燃料カートリッジのノズル部を前記ソケット部に接続した場合のみに、前記キー部と前記案内溝とが係合するように構成されていることを特徴とする燃料電池用燃料カートリッジの接続機構。 - 請求項１ないし請求項７のいずれか１項記載の燃料電池用燃料カートリッジの接続機構において、
前記接続状態確認部は前記案内溝の底面または側面に形成された1個以上の前記凸部または凹部を有することを特徴とする燃料電池用燃料カートリッジの接続機構。 - 請求項１ないし請求項８のいずれか１項記載の燃料電池用燃料カートリッジの接続機構において、
前記案内溝は前記ノズル部の外周面に前記燃料カートリッジの挿入方向に沿って直線状に形成されていることを特徴とする燃料電池用燃料カートリッジの接続機構。 - 請求項１ないし請求項８のいずれか１項記載の燃料電池用燃料カートリッジの接続機構において、
前記案内溝は、前記ノズル部の外周面に前記燃料カートリッジの挿入方向に沿って形成された直線部と、前記直線部から連続して周方向に変位する曲線部とを有することを特徴とする燃料電池用燃料カートリッジの接続機構。 - 請求項１ないし請求項１０のいずれか１項記載の燃料電池用燃料カートリッジの接続機構において、
前記ノズル部および前記ソケット部は、それぞれバルブ機構を内蔵することを特徴とする燃料電池用燃料カートリッジの接続機構。 - 燃料電池用の液体燃料を収容するカートリッジ本体と、前記カートリッジ本体に設けられたノズル部とを備える燃料カートリッジと、
前記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ト部を有する燃料供給部と、前記燃料供給部から前記液体燃料が供給されて発電動作する起電部とを備える燃料電池本体とを具備し、
前記燃料カートリッジのノズル部と前記燃料電池本体のソケット部とは、請求項１ないし請求項１１のいずれか１項記載の燃料電池用燃料カートリッジの接続機構を具備することを特徴とする燃料電池。 - 請求項１２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。 - 請求項１３記載の燃料電池において、
さらに、前記燃料タンク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体選択透過膜を具備することを特徴とする燃料電池。
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