(57)【要約】      （修正有）【課題】燃料カートリッジに装着されたノズルの接続時におけるガイド機能を高めることによって、燃料カートリッジの傾きやそれに伴うソケット部品の損傷等を抑制することを可能にした燃料電池用ソケットを提供する。【解決手段】燃料カートリッジに装着されたノズル８が着脱可能に接続される燃料電池用ソケット４は、ノズル８が挿入されるノズル挿入口３１を有するソケット本体３２と、ソケット本体３２に内蔵されたバルブ機構（４０）と、ソケット本体３２内に配置され、バルブ機構（４０）を開放した際に液体燃料流路をシールする弾性体ホルダ３９と、ノズル８が接続された際にノズル８の先端外周部をガイドするようにソケット本体３２内に配置され、ノズル３２の接続状態における傾きを制限するガイド部材３８とを具備する。【選択図】図２
2008047405.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料カートリッジに装着されたノズルが着脱可能に接続され、前記燃料カートリッジに収容された液体燃料を燃料電池に供給する際の燃料供給部となる燃料電池用ソケットであって、
前記ノズルが挿入されるノズル挿入口を有するソケット本体と、
前記ソケット本体に内蔵されたバルブ機構と、
前記ソケット本体内に配置され、前記バルブ機構を開放した際に液体燃料流路をシールする弾性体ホルダと、
前記ノズルが接続された際に前記ノズルの先端外周部をガイドするように前記ソケット本体内に配置され、前記ノズルの接続状態における傾きを制限するガイド部材と
を具備することを特徴とする燃料電池用ソケット。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池用ソケットにおいて、
前記ガイド部材はリング形状を有することを特徴とする燃料電池用ソケット。
【請求項３】
請求項１記載の燃料電池用ソケットにおいて、
前記ガイド部材は前記ソケット本体の少なくとも一部と一体的に形成されていることを特徴とする燃料電池用ソケット。
【請求項４】
請求項２記載の燃料電池用ソケットにおいて、
前記ソケット本体は、金属材料からなる円筒状の本体外周上部と、前記本体外周上部と固着された円筒状の本体外周下部とを有し、前記ガイド部材は前記本体外周下部上に前記本体外周上部の内壁面に沿って配置されていることを特徴とする燃料電池用ソケット。
【請求項５】
請求項２記載の燃料電池用ソケットにおいて、
前記ソケット本体は、金属材料からなる円筒状の本体外周上部と、前記本体外周上部と固着された円筒状の本体外周下部とを有し、前記ガイド部材は前記本体外周下部と一体的に設けられていると共に、前記本体外周上部の内壁面に沿って配置されていることを特徴とする燃料電池用ソケット。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれか１項記載の燃料電池用ソケットにおいて、
前記ガイド部材と前記ノズルとの間のクリアランスが0.4mm以下であることを特徴とする燃料電池用ソケット。
【請求項７】
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ソケットにおいて、
前記ガイド部材は、ポリアセタール、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、シンジオタクチックポリスチレン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリフェニレンサルファイド、液晶ポリマー、ポリエーテルイミド、超高密度ポリエチレン、高密度ポリエチレン、低密度ポリエチレン、ポリプロピレン、フッ素系樹脂およびポリアミド樹脂から選ばれる少なくとも1種からなることを特徴とする燃料電池用ソケット。
【請求項８】
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ソケットと、
前記ソケット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前記液体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。
【請求項９】
請求項８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１０】
請求項９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体選択透過膜を具備することを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池用ソケットとそれを用いた燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
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】
特に、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（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。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。
【０００４】
内部気化型等のパッシブ型ＤＭＦＣ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（例えば特許文献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。サテライトタイプ（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とソケット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（例えば特許文献３参照）。
【０００５】
燃料カートリッジに収容された液体燃料の供給は、燃料カートリッジに装着されたノズルを燃料電池の燃料収容部に設けられたソケットに接続し、これらノズルおよびソケットのバルブ機構を開放することにより行われる。燃料カートリッジ側のノズルを燃料電池側のソケットに挿入して接続した状態において、ソケットによるノズルのガイドが不十分であると、燃料カートリッジの傾きが大きくなりやすい。燃料カートリッジの傾きが大きくなると、ソケット側のシール部品を損傷する等の不具合が生じる。
【特許文献１】特許第3413111号公報
【特許文献２】国際公開第2005/112172号パンフレット
【特許文献３】特開2004-127824号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、燃料カートリッジに装着されたノズルの接続時におけるガイド機能を高めることによって、燃料カートリッジの傾きやそれに伴うソケット部品の損傷等を抑制することを可能にした燃料電池用ソケットと、そのようなソケットを適用することによって、信頼性や安全性等を高めた燃料電池を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様に係る燃料電池用ソケットは、燃料カートリッジに装着されたノズルが着脱可能に接続され、前記燃料カートリッジに収容された液体燃料を燃料電池に供給する際の燃料供給部となる燃料電池用ソケットであって、前記ノズルが挿入されるノズル挿入口を有するソケット本体と、前記ソケット本体に内蔵されたバルブ機構と、前記ソケット本体内に配置され、前記バルブ機構を開放した際に液体燃料流路をシールする弾性体ホルダと、前記ノズルが接続された際に前記ノズルの先端外周部をガイドするように前記ソケット本体内に配置され、前記ノズルの接続状態における傾きを制限するガイド部材とを具備することを特徴としている。
【０００８】
本発明の他の態様に係る燃料電池は、本発明の態様に係る燃料電池用ソケットと、前記ソケット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前記液体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。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の態様に係る燃料電池用ソケットは、燃料カートリッジ側のノズルが接続された際にノズルの先端外周部をガイドするガイド部材を具備しているため、ノズルの接続状態における傾きを抑制することができる。従って、このような燃料電池用ソケットを適用することによって、信頼性や安全性等を高めた燃料電池を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
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。
【００１１】
図１は本発明の一実施形態による燃料電池の概略構成、さらに燃料電池を燃料カートリッジと組合せた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、液体燃料の供給部となるソケット４を有する燃料受容部５が設けられている。ソケット４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１は燃料収容部３を経ずに燃料受容部５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。
【００１２】
一方、燃料カートリッジ６は燃料電池用の液体燃料を収容するカートリッジ本体（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の燃料収容部３に供給する際の燃料吐出部となるノズル８が設けられている。ノズル８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。
【００１３】
燃料カートリッジ６のカートリッジ本体７には、燃料電池１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７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、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、グリコール水溶液や純グリコール等のグリコール燃料、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。
【００１４】
上述した燃料電池１の燃料受容部５に設けられたソケット４と燃料カートリッジ６のカートリッジ本体７に設けられたノズル８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４とノズル８とで構成された燃料電池用カップラの具体的な構成や接続構造等について、図２および図３を参照して説明する。なお、図２は燃料カートリッジ６のノズル８と燃料電池１のソケット４とを接続する前の状態、図３はノズル８をソケット４に挿入して接続した状態を示している。
【００１５】
燃料電池１と燃料カートリッジ６とを接続（連結）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（オス側カップラ／プラグ）８は、先端側にノズル口１１が開口されたノズルヘッド１２を有している。ノズルヘッド１２は、カートリッジ本体７の先端開口部に装着されるベース部１３と、ソケット４に挿入される挿入部１４とを有している。円筒状の挿入部１４は、その軸方向がノズル８の挿入方向と平行となるように、ベース部１３から突き出すように形成されている。
【００１６】
ノズルヘッド１２の先端部１４の頂面には凹部１５が設けられている。凹部１５は挿入部１４の頂面をへこませるように設けられており、この凹部１５の底面にノズル口１１が開口している。凹部１５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。また、ノズルヘッド１２の挿入部１４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凹部としての周溝１６、さらに燃料識別手段として機能するキー部１７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１７とソケット４側のキー溝とで構成される。
【００１７】
ノズルヘッド１２のベース部１３の内側には、カップ状のバルブホルダ１８が配置されている。バルブホルダ１８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７とベース部１３とで挟み込まれて固定されている。バルブホルダ１８内にはバルブ１９が配置されている。バルブ１９はバルブヘッド１９ａとバルブステム１９ｂとを備えている。バルブヘッド１９ａはバルブホルダ１８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１９ｂは円筒状の挿入部１４内に収容されている。
【００１８】
上述したようなバルブヘッド１９ａとバルブステム１９ｂとを有するバルブ１９は、軸方向（ノズル８の挿入方向）に進退可能とされている。バルブヘッド１９ａとベース部１３の内側に形成されたバルブシート２０との間にはＯリング２１が配置されている。バルブ１９には圧縮スプリング２２等の弾性体でバルブヘッド１９ａをバルブシート２０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２１は押圧されている。
【００１９】
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、バルブヘッド１９ａを介してＯリング２１をバルブシート２０に押し付けることによって、ノズル８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６を燃料電池１に接続すると、バルブステム１９ｂが後退してバルブヘッド１９ａがバルブシート２０から離れることによって、ノズル８内の燃料流路が開状態とされる。バルブホルダ１８の底部には液体燃料の流路となる連通孔２３が設けられており、この連通孔２３を介してカートリッジ本体７内の液体燃料はノズル８内に流入する。
【００２０】
さらに、ノズルヘッド１２の外側には、カム機構を備えたキーリング（リング状部材）２４やコンテナノズル２５等が配置されている。キーリング２４については、通常の使用の際は圧入によりノズルヘッド１２に係止されている。燃料カートリッジ６を燃料電池１に接続した際に、曲げや捻り等の力が加わるとキーリング２４がカム機構で回転浮上することで接続状態が解除され、ソケット４からノズル８が離脱する。また、コンテナノズル２５はカートリッジ本体７に例えば螺着されており、これによりノズルヘッド１２やバルブ１９等を有するノズル８がカートリッジ本体７の先端部に固着されている。
【００２１】
一方、燃料電池側接続機構としてのソケット（メス側カップラ／ソケット）４は、凹状のノズル挿入口３１を有するソケット本体３２を具備している。ソケット本体３２は、円筒状の本体外周上部３３と本体外周下部３４とを有している。本体外周上部３３はステンレス材等の金属材料で構成されており、樹脂製の本体外周下部３４の上方外側に固着されている。本体外周上部３３と本体外周下部３４の内側には、本体中部３５と本体下部３６が配置されており、これらでソケット本体３２が構成されている。本体中部３５と本体下部３６との間にはＯリング３７が介在されており、バルブ室の密閉性を高めている。ソケット本体３２は一体化されて燃料電池１の燃料受容部５内に埋め込まれている。
【００２２】
ソケット本体３２の本体外周上部３３は、燃料カートリッジ６のノズル８をソケット４に挿入して接続した際に、ノズルヘッド１２の外周面をガイドする機能を有している。ただし、ノズルヘッド１２の先端外周部は本体外周上部３３でガイドされておらず、それらの間には隙間が生じている。そこで、ソケット本体３２内にはノズル８（ノズルヘッド１２）の先端外周部をガイドするようにガイド部材３８が配置されている。
【００２３】
すなわち、図４、図５および図６に示すように、本体外周上部３３の内側に配置された本体外周下部３４の上端部の上側にリング状のガイド部材３８が配置されている。リング状のガイド部材３８は後述するノズル保持機構の通過部となる切り欠き３８ａを有している。本体外周下部３４上に配置されたガイド部材３８はノズル保持機構に押さえられており、これによりソケット本体３２からの脱落に防止されている。なお、図５は図４のＡ−Ａ断面を示しており、図２のソケット４は図４のＢ−Ｂ断面を示している。
【００２４】
リング状のガイド部材３８はノズルヘッド１２の挿入部１４の先端外周形状に対応した内部形状を有しており、これによりソケット４に接続されたノズル８（具体的には挿入部１４）の先端外周部をガイドし、ノズル８の接続状態における傾きを制限するものである。すなわち、ノズル８をソケット４に接続した状態において、ノズルヘッド１２の挿入部１４の先端外側に位置する部分にリング状のガイド部材３８を配置することによって、接続時におけるノズル８のガイド効果並びにそれに基づく芯出し効果が得られる。これによって、ノズル８の接続状態における傾きを制限することが可能となる。
【００２５】
ガイド部材３８でノズル８のガイド効果並びに芯出し効果を得る上で、ガイド部材３８とノズルヘッド１２の挿入部１４との間のクリアランス（隙間）は0.4mm以下とすることが好ましい。ガイド部材３８と挿入部１４との間のクリアランスが大きすぎるとガイド機能が不十分となり、ソケット４に接続したノズル８の芯出し効果も低下する。これによって、ノズル８の接続状態における傾きを十分に制限することができないおそれがある。なお、図６ではリング状のガイド部材３８を示したが、ガイド部材３８の形状はこれに限られるものではなく、ノズル８（具体的には挿入部１４）の先端外周部をガイドすることが可能な各種形状のガイド部材３８を適用することができる。
【００２６】
ガイド部材３８は、例えばソケット本体３２の本体外周下部３４、本体中部３５、本体下部３６等と同様に樹脂材料で構成されている。ガイド部材３８を構成する樹脂材料としては、耐久性や剛性等を考慮して、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が用いられる。具体的には、ポリアセタール（ＰＯＭ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、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）、シンジオタクチックポリスチレン（ＳＰＳ）等の汎用エンジニアプラスチックや、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、液晶ポリマー（ＬＣＰ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）等のスーパーエンジニアプラスチックを、ガイド部材３８の構成材料として使用することができる。
【００２７】
ここで、ガイド部材３８はソケット４に接続されたノズル８のガイド機能に加えて、接続状態のノズル８や燃料カートリッジ６に過度な曲げや捻り等の力が加わった際に、ノズル８とソケット４との接続状態を解除する機能を有することが好ましい。接続状態の解除機能を得る上で、ガイド部材３８はすべり性の高い樹脂材料で構成することが好ましい。このような樹脂材料としては、ポリアセタール（ＰＯＭ）、超高密度ポリエチレン（ＵＨＭＷＰＥ）、高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）、低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、フッ素系樹脂、ポリアミド樹脂等が挙げられる。
【００２８】
ガイド部材３８は、耐久性や剛性とすべり性とを兼ね備えるポリアセタール（ＰＯＭ）で構成することが望ましい。さらに、ノズル８の接続解除機能を高める上で、ノズル８（具体的にはノズルヘッド１２）自体もすべり性に優れる樹脂材料で構成することが好ましい。特に、ガイド部材３８とノズルヘッド１２の双方をポリアセタール（ＰＯＭ）で構成することによって、それらの耐久性や剛性等を向上させた上で、ノズル８の接続解除機能を高めることが可能となる。具体的には、燃料カートリッジ６に過度な曲げや捻り等の力が加わった際に、ノズル８とソケット４との接続状態を良好に解除することができ、これによりノズル８やソケット４の損傷を抑制することが可能となる。
【００２９】
さらに、ガイド部材３８の外側には金属製の本体外周上部３３が配置されている。すなわち、ガイド部材３８は本体外周上部３３の内壁面に沿って配置されている。このように、樹脂製のガイド部材３８の外側に金属製の本体外周上部３３を配置して補強することによって、ソケット本体３２の強度や耐久性に加えて、接続状態におけるノズル８のガイド機能を高めることができる。なお、ガイド部材３８自体を金属材料で構成した場合、燃料カートリッジ６に過度な曲げや捻り等の力が加わった際にノズル８が損傷するおそれがある。このため、ガイド部材３８は樹脂材料で構成することが好ましい。
【００３０】
ここで、図２ないし図６では本体外周下部３４の上側にリング状のガイド部材３８を配置した状態を示したが、例えば図７に示すように、ガイド部材３８は本体外周下部３４と一体的に形成されたものであってもよい。すなわち、図７に示すガイド部材３８は、本体外周下部３４と一体的に設けられていると共に、本体外周上部３３の内壁面に沿って配置されている。ガイド部材３８の具体的な形状や機能等は、本体外周下部３４と別体とされたリング状部材と同様である。
【００３１】
このように、ガイド部材３８はソケット本体３２の一部と一体的に形成することができる。ガイド部材３８を一体的に形成するソケット本体３２は、上記した本体外周下部３４に限られるものではなく、本体外周上部３３や本体中部３５等と一体的に形成することも可能である。さらに、ガイド部材３８を含めてソケット本体３２全体を一体化してもよい。すなわち、ガイド部材３８はソケット本体３２の少なくとも一部と一体化することができる。ガイド部材３８を本体外周下部３４等のソケット本体３２の少なくとも一部と一体化することによって、部品点数や組立工数を削減することができる。
【００３２】
上述したソケット本体３２の本体中部３５上には、弾性体ホルダとしてゴムホルダ３９が設置されている。ゴムホルダ３９は、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円筒形状のホルダ本体３９ａと、その下方に設けられたフランジ部３９ｂとを有している。ゴムホルダ３９はフランジ部３９ｂが本体外周下部３４に設けられたリング状凸部３４ａと本体中部３５とで挟み込まれて固定されている。
【００３３】
ゴムホルダ３９はその先端側をノズルヘッド１２の挿入部１４に設けられた凹部１５に嵌め合わすことによって、ノズルヘッド１２との間にシールを形成するシール部材であり、その内側は液体燃料流路とされている。すなわち、ゴムホルダ３９はソケット４のバルブ機構を開放した際に外部と液体燃料流路との間をシールするシール部材である。なお、ノズルヘッド１２の挿入部１４に設けられた凹部１５は、ゴムホルダ３９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。
【００３４】
ソケット本体３２内にはバルブ４０が配置されている。バルブ４０はバルブヘッド４０ａとバルブステム４０ｂとを備えている。バルブヘッド４０ａは本体中部３５と本体下部３６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４０ｂはゴムホルダ３９内に収納されている。このようなバルブ４０は軸方向（ノズル８の挿入方向）に進退可能とされている。バルブヘッド４０ａと本体中部３５の下面側に形成されたバルブシート４１との間にはＯリング４２が配置されている。
【００３５】
バルブ４０には圧縮スプリング４３等の弾性体でバルブヘッド４０ａをバルブシート４１に押し付ける力が常時加えられており、これによってＯリング４２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４０ａを介してＯリング４２がバルブシート４１に押し付けられており、これによりソケット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４０ｂが後退してバルブヘッド４０ａがバルブシート４１から離れることで、ソケット４内の燃料流路が開状態とされる。
【００３６】
ソケット本体３２の本体下部３６には、燃料受容部５を介して燃料収容部３に接続された連通孔４４が設けられている。このように、ソケット４はソケット本体３２内の液体燃料流路が本体下部３６に設けられた連通孔４４を介して燃料収容部３に接続されている。そして、バルブ１８、４０を開状態としてノズル８およびソケット４内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６に収容された液体燃料をノズル８およびソケット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。
【００３７】
さらに、ソケット本体３２の本体外周上部３３には、ソケット４に接続されたノズル８を保持するノズル保持機構（接続状態を保持する機構）４５が設けられている。ノズル保持機構４５は、本体外周上部３３の内側に向けて径方向に突出したフック部４５ａと、ノズル８を保持するようにフック部４５ａに押圧力を付与する弾性体４５ｂとを有している。フック部４５ａは本体外周上部３３の外側から内側に向けて突出させた突出部とその姿勢を保持するフランジ部とを有している。弾性体４５ｂとしては、例えばスリーブ形状を有するゴム状弾性部材（ラバースリーブ等）が用いられる。
【００３８】
フック部４５ａには本体外周上部３３の外側に配置された弾性体４５ｂの弾性力によって、径方向内側に向けて押圧力が付与されていると共に、径方向外側に後退可能とされている。ノズル保持機構４５はノズル８をソケット４に接続した際に、フック部４５ａをノズルヘッド１２の挿入部１４の外周に設けられた周溝１６と係合させることによって、ノズル８とソケット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４５ａでノズル８を弾性的に挟持している。一方、燃料電池１に接続された燃料カートリッジ６に過度な曲げや捻り等の力が加わった場合、フック部４５ａが後退してノズル８とソケット４との接続状態が解除される。
【００３９】
ソケット本体３２の本体外周上部３３には、燃料識別手段として機能するキー溝４６が設けられている。キー溝４６は前述したノズル８のキー部１７と係合する形状を有している。キー部１７とキー溝４６とは一対の形状をなすため、例えば液体燃料に応じて形状を規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１７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、さらにキー溝４６をキー部１７に対応した形状とすることで、燃料電池１に対応した液体燃料を収容する燃料カートリッジ６のみを接続可能にすることができる。これによって、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。
【００４０】
燃料カートリッジ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、図３に示すように、燃料カートリッジ６のノズル８をソケット４に接続する。ノズル８のノズルヘッド１２に設けられた挿入部１４は、キー部１７とキー溝４６との形状が対応した場合にのみソケット４に挿入される。このようにしてノズル８の挿入部１４をソケット４のノズル挿入口３１に挿入すると、まず挿入部１４に設けられた凹部１５にゴムホルダ３９の先端が嵌め合わされることによって、バルブ１９、４０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。
【００４１】
ノズルヘッド１２の挿入部１４とゴムホルダ３９とが接触した状態からノズル８をソケット４に差し込むと、ノズル８のバルブステム１９ｂとソケット４のバルブステム４０ｂの先端同士が突き当たる。この状態からさらにノズル８をソケット４に差し込むと、ソケット４のバルブ４０が後退して流路を完全に開放した後、ノズル８のバルブ１９が後退して液体燃料流路が確立し、燃料カートリッジ６に収容された液体燃料が燃料電池１の燃料収容部３に供給される。この際、ソケット４のノズル保持機構４５がノズルヘッド１２の周溝１６と係合することによって、ノズル８とソケット４との接続状態が保持される。
【００４２】
上述したノズル８とソケット４とが接続された状態において、ノズル８（ノズルヘッド１２）の外周面がソケット本体３２の本体外周上部３３でガイドされていると共に、ノズル８の先端外周部がガイド部材３８でガイドされているため、ノズル８の接続状態における傾きが制限される。従って、ノズル８の傾きに基づくによるゴムホルダ３９のシール性の低下や損傷等を抑制することができる。さらに、燃料カートリッジ６に過度な曲げや捻り等の力が加わった場合には、ガイド部材３８のすべり性等に基づいてノズル８をソケット４から離脱させることができる。これらによって、ソケット４の損傷、ノズル８の破損、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。従って、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。
【００４３】
次に、上述した実施形態の燃料電池１における燃料電池セル２等の具体的な構造について説明する。燃料電池１は特に限定されるものではなく、例えばサテライトタイプの燃料カートリッジ６が必要時に接続されるパッシブ型やアクティブ型のＤＭＦＣ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ＤＭＦＣを適用した実施形態について、図８を参照して説明する。図８に示す内部気化型（パッシブ型）のＤＭＦＣ１は、起電部を構成する燃料電池セル２と燃料収容部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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【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、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。
【００４７】
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。
【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。また、燃料収容部３は燃料電池セル２側が開口されており、この燃料収容部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。
【００４９】
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。
【００５０】
そして、燃料収容部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、燃料収容部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８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ト４を有する燃料受容部５が設けられている。
【００５１】
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)
【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(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。
【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５８、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)
【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内に燃料カートリッジ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トリッジ６側のノズル８を燃料電池１側のソケット４に挿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トリッジにより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ＤＭＦＣに好適である。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の実施形態による燃料電池の構成およびそれと燃料カートリッジとを組合せた構成を示す図である。
【図２】図１に示す燃料電池のソケットと燃料カートリッジのノズルの構成（未接続状態）を示す断面図である。
【図３】図２に示すソケットとノズルとを接続した状態を示す断面図である。
【図４】図２に示すソケットの上面図である。
【図５】図２に示すソケットの断面図である。
【図６】図２に示すソケットに適用したガイド部材の構成例を示す斜視図である。
【図７】図２に示すソケットの変形例を示す断面図である。
【図８】本発明の実施形態による燃料電池の一例としての内部気化型ＤＭＦＣの構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００５７】
１…燃料電池、２…燃料電池セル、３…燃料収容部、４…ソケット、５…燃料受容部、６…燃料カートリッジ、７…カートリッジ本体、８…ノズル、１２…ノズルヘッド、１３…ベース部、１４…挿入部、１６…周溝、１７…キー部、１８…バルブホルダ、１９，４０…バルブ、１９ａ，４０ａ…バルブヘッド、１９ｂ，４０ｂ…バルブステム、２０，４１…バルブシート、２１，４２…Ｏリング、２２，４３…圧縮スプリング、３１…ノズル挿入口、３２…ソケット本体、３３…本体外周上部、３４…本体外周下部、３５…本体中部、３６…本体下部、３８…ガイド部材、３９…ゴムホルダ、４５…ノズル保持機構、４６…キー溝。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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