(57)【要約】      （修正有）【課題】燃料カートリッジに曲げや捻り等の力が作用した際に、ソケット部等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用カップラおよび燃料電池を提供する。【解決手段】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（３８）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の径方向に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。【選択図】図２
2007311292.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池に設置されるソケット本体と、前記ソケット本体内に配置されたバルブ機構とを備え、燃料カート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、
前記ソケット部は、前記ソケット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径方向に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。
【請求項２】
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ト本体の径方向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。
【請求項３】
請求項１または請求項２記載の燃料電池用カップラにおいて、
前記フック部は、前記ソケット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、前記ソケット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カップラ。
【請求項４】
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。
【請求項５】
請求項４記載の燃料電池用カップラにおいて、
前記ゴム状弾性部材はスリーブ形状を有し、かつ前記ソケット本体の周方向に沿って配置されていることを特徴とする燃料電池用カップラ。
【請求項６】
請求項４または請求項５記載の燃料電池用カップラにおいて、
前記ソケット本体は前記弾性体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。
【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カップラにおいて、
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。
【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カップラにおいて、
前記ソケット部は、前記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。
【請求項９】
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カップラにおいて、
前記ソケット部に着脱可能に接続される前記ノズル部は、前記フック部と係合する凹部を有することを特徴とする燃料電池用カップラ。
【請求項１０】
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と、前記ソケット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し、
前記ソケット部は請求項１ないし請求項９のいずれか１項記載の燃料電池用カップラを具備することを特徴とする燃料電池。
【請求項１１】
請求項１０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１２】
請求項１１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カップラ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部とソケット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（例えば特許文献３参照）。
【０００５】
上述した燃料電池用カップラにおけるノズル部とソケット部との接続状態は、例えば金属の線材や板材等からなるバ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トリッジに曲げや捻り等の力が作用した際に、バ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。また、リテンション機構のバ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3413111号公報
【特許文献２】特開2004-171844号公報
【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、ソケット部等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カップラと、そのようなカップ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カップラは、燃料電池に設置されるソケット本体と、前記ソケット本体内に配置されたバルブ機構とを備え、燃料カート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、前記ソケット部は前記ソケット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径方向に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】
本発明の他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ト部と、前記ソケット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し、前記ソケット部は本発明の態様に係る燃料電池用カップラ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カップラは、ソケット部に設けられるノズル保持機構のフック部をソケット本体の径方向に後退可能としているため、ソケット部に接続され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、ソケット部等を損傷させることなく接続状態を解除することができる。従って、このような燃料電池用カップ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、液体燃料の供給口となるソケット部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を経ずに燃料供給部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口となるノズル部８が設けられている。ノズル部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の燃料収容部３に設けられたソケット部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部８とは、接続機構としての燃料電池用カップラを構成するものである。このような燃料電池用カップラの具体的な構成およびその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。図２は燃料カートリッジ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とソケット部４とを接続した後の状態を示している。
【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部（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、ソケット部４に挿入される先端部１４とを有している。円筒状の先端部１４は、その軸方向がノズル部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は先端部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の先端部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とソケット部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は先端部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（ノズル部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、ノズル部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、ノズル部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部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、ソケット部４からノズル部８を抜くことができる。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等を有するノズル部８がカートリッジ本体７の先端部（開口を有する先端部）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部（メス側カップラ／ソケット）４は、凹状のノズル挿入部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、円筒形状を有する概略円筒状の本体外周部（メタルソケット等）３３と、その内部に配置された本体中部３４および本体下部３５とで主として構成されている。本体外周部３３はリング状凸部３３ａと貫通孔３３ｂとを有している。本体中部３４と本体下部３５との間にはガスケット３６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等を高めている。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。
【００２２】
ソケット本体３２の本体中部３４上には、弾性体ホルダとしてゴムホルダ３７が設置されている。ゴムホルダ３７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円筒形状のホルダ本体３７ａと、その下方に設けられたフランジ部３７ｂとを有している。ゴムホルダ３７はフランジ部３７ｂが本体外周部３３のリング状凸部３３ａと本体中部３４とで挟み込まれて固定されている。フランジ部３７ｂの外周側はリップ形状とされており、これによってシール性等を高めている。
【００２３】
ゴムホルダ３７はその先端側をノズルヘッド１２の先端部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３７はソケット部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の先端部１４に設けられた凹部１５は、ゴムホルダ３７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。また、ゴムホルダ３７の先端部はリップ形状とされており、これによってシール性等を高めている。
【００２４】
ソケット本体３２内にはバルブ３８が配置されている。バルブ３８はバルブヘッド３８ａとバルブステム３８ｂとを備えている。バルブヘッド３８ａは本体中部３４と本体下部３５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３８ｂはゴムホルダ３７内に収納されている。このようなバルブ３８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３８ａと本体中部３４の下面側に形成されたバルブシート３９との間にはＯリング４０が配置されている。
【００２５】
バルブ３８には圧縮スプリング４１等の弾性体でバルブヘッド３８ａをバルブシート３９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４０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３８ａを介してＯリング４０がバルブシート３９に押し付けられており、これによりソケット部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３８ｂが後退してバルブヘッド３８ａがバルブシート３９から離れることで、ソケット部４内の燃料流路が開状態とされる。
【００２６】
ソケット本体３２の本体下部３５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４２が設けられている。このように、ソケット部４はソケット本体３２内の液体燃料流路が本体下部３５に設けられた連通孔４２を介して燃料収容部３に接続されている。そして、バルブ１９、３８を開状態としてノズル部８およびソケット部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。
【００２７】
ソケット本体３２の本体外周部３３には、図２、図３および図５に示すように、ソケット部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４３、言い換えるとソケット部４とノズル部８との接続状態を保持する機構が設けられている。ノズル保持機構４３は、本体外周部３３の内側に向けて径方向に突出されたフック部４４と、ノズル部８を保持するようにフック部４４に押圧力を付与する弾性体４５とを有している。
【００２８】
ノズル保持機構４３のフック部４４は、図６に示すように、本体外周部３３の内側に向けて突出される突出部４４ａと、この突出部４４ａの姿勢を保持するように設けられたフランジ部４４ｂとを有している。突出部４４ａ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４４の突出部４４ａは、本体外周部３３の外側から貫通孔３３ｂに挿入されており、この状態で本体外周部３３の内側に向けて径方向に突出している。フック部４４のフランジ部４４ｂは本体外周部３３の外側に配置され、本体外周部３３の内側に向けて突出された突出部４４ａの姿勢を保持している。
【００２９】
フック部４４の外側には弾性体４５が配置されており、これにより押圧力が付与されている。弾性体４５としては本体外周部３３の径方向に対して弾性力を付与するばね材やゴム状弾性部材等が挙げられるが、設置スペースの減少や固定の容易さ等を図る上で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（ラバースリーブ等）４５を用いている。スリーブ形状を有するゴム状弾性部材４５は、フック部４４のフランジ部４４ｂを覆うように、本体外周部３３の外側に周方向に沿って装着されている。本体外周部３３の外側にはリブ３３ｃが設けられており、これによりスリーブ形状を有するゴム状弾性部材４５の配置位置が規定されている。
【００３０】
ゴム状弾性部材４５の構成材料にはエラストマー（弾性高分子）が用いられ、具体的には熱可塑性エラストマーやゴム（ＡＳＴＭ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ーとしては、スチレン・ブタジエン・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ー、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ＳＢＣコンパウンド、単純ブレンド型オレフィン系エラストマー、架橋型エラストマー、塩ビ系エラストマー、塩素化エチレンコポリマー架橋体アロイ、塩素化ポリエチレン系エラストマー、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ー、ポリエステル系エラストマー、ポリアミド系エラストマー、フッ素系エラストマー、シリコーン系エラストマー等が用いられる。
【００３１】
ゴムとしては、Ｍ：ポリメチレンタイプの飽和主鎖を持つゴム、例えばエチレン−プロピレン−ジエン三元系共重合体、エチレン−プロピレン共重合体、完全水素化アクリルニトリル−ブタジエンゴム、フッ素ゴム、完全水素化スチレン−ブタジエンゴム、完全水素化スチレン−イソプレンゴム、またエ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、さらに天然ゴムやジエン系ゴムのように主鎖に不飽和炭素結合を持つゴム、例えばブタジエンゴム、クロロプレンゴム、水素化アクリルニトリル−ブタジエンゴム、イソブテン−イソプレンゴム、天然ゴム、水素化スチレン−ブタジエンゴム、スチレン−ブタジエンゴム、水素化スチレン−イソプレンゴム、スチレン−イソプレンゴム、またポリエーテルウ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。
【００３２】
フック部４４には本体外周部３３の外側に配置されたゴム状弾性部材４５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。すなわち、フック部４４は本体外周部３３内で径方向に可動する。ゴム状弾性部材４５はその弾性力に基づいてフック部４４に押圧力を付与し、かつフック部４４の後退を許容するものである。フック部４４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３３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４５はゴム硬度や厚さ等に基づいてフック部４４に付与する弾性力を調整することができ、これにより本体外周部３３の内壁面まで容易に後退させることができる。
【００３３】
ノズル保持機構４３はノズル部８をソケット部４に接続した際に、フック部４４をノズルヘッド１２の先端部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、ノズル部８とソケット部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４４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。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４４はゴム状弾性部材４５の弾性力に基づいて本体外周部３３の内壁面まで後退するため、ノズル保持機構４３やソケット部４、さらにはノズル部８等を損傷させることなく、ノズル部８とソケット部４との接続状態を解除することができる。
【００３４】
ソケット本体３２の本体外周部３３には、さらに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は前述したノズル部８のキー部１７と係合する形状を有している。このように、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、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。
【００３５】
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、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のノズルヘッド１２に設けられた先端部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部４に挿入される。このようにしてノズル部８の先端部１４をソケット部４のノズル挿入部３１に挿入すると、まず先端部１４に設けられた凹部１５にゴムホルダ３７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。
【００３６】
ノズルヘッド１２の先端部１４とゴムホルダ３７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１９ｂとソケット部４のバルブステム３８ｂ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をソケット部４に差し込むと、ソケット部４のバルブ３８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１９が後退して液体燃料流路が確立する。この液体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４３のフック部４４がノズルヘッド１２の周溝１６と係合することによって、ノズル部８とソケット部４との接続状態が保持される。
【００３７】
このように、ノズル部８とソケット部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液体燃料流路を開くことによって、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４４が周溝１６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おいても、フック部４４が本体外周部３３の内壁面まで後退するため、フック部４４自体やソケット部４、さらにはノズル部８等の損傷を抑制することができる。
【００３８】
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４４によるノズル部８の接続状態がノズル保持機構４３に過剰な力や負荷等を与えることなく解除されるため、燃料カートリッジ６の離脱に伴うソケット部４やノズル部８等の損傷を抑制することができる。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。これによって、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。
【００３９】
さらに、ソケット部４のソケット本体３２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、分割されたソケット本体３２が過剰な力や負荷等を吸収する（例えばノズル部８の動きに対応してソケット本体３２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やノズル部８等の損傷を抑制することができる。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。これによって、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。
【００４０】
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７を参照して説明する。図７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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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９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部４を有する燃料供給部５が設けられている。
【００４８】
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)
【００４９】
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。
【００５０】
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)
【００５１】
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側のノズル部８を燃料電池１側のソケット部４に挿入して接続することにより実施される。
【００５２】
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】
【００５３】
【図１】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２】図１に示す燃料電池に燃料カートリッジを接続するカップラ（未接続状態）の構成を示す断面図である。
【図３】図２に示すカップラの接続状態を示す断面図である。
【図４】図２に示す燃料電池におけるソケット部のゴムホルダを示す断面図である。
【図５】図２に示す燃料電池におけるソケット部を示す斜視図である。
【図６】図５に示すソケット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】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】
【００５４】
１…燃料電池、２…燃料電池セル、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、１２…ノズルヘッド、１３…ベース部、１４…先端部、１６…周溝、１７…キー部、１８…バルブホルダ、１９，３８…バルブ、１９ａ，３８ａ…バルブヘッド、１９ｂ，３８ｂ…バルブステム、２０，３９…バルブシート、２１，４０…Ｏリング、２２，４１…圧縮スプリング、３１…ノズル挿入部、３２…ソケット本体、３３…本体外周部、３４…本体中部、３５…本体下部、３７…ゴムホルダ、４３…ノズル保持機構、４４…フック部、４４ａ…突出部、４４ｂ…フランジ、４５…ゴム状弾性部材、４６…キー溝。
【図１】
2007311292.tif 000003
【図２】
2007311292.tif 000004
【図３】
2007311292.tif 000005
【図４】
2007311292.tif 000006
【図５】
2007311292.tif 000007
【図６】
2007311292.tif 000008
【図７】
2007311292.tif 000009