JP2005259364A - 燃料電池用の液体燃料カートリッジ - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池を確実に起動でき、かつ燃料電池が搭載される機器の小型化をも促進できる燃料電池用の液体燃料カートリッジを提供すること。
【解決手段】燃料電池システム１で使用される液体燃料カートリッジでは、燃料貯留室１２内に貯留されている液体燃料を、燃料供給室２５と圧力作用室２６との圧力差によって開かれる燃料流路１９を通して送出させ、この燃料流路１９から燃料電池システム１側の燃料流路２に送出させて燃料電池あるいは改質器に送る。従って、システム１の起動時において、従来のようなポンプを用いずに液体燃料を送出して燃料電池を自起動させることができ、燃料電池システム１を小型の機器に搭載した場合でも、確実に起動させることができる。また、液体燃料を貯留するのには、大掛かりな燃料タンクを用いる必要がなく、機器の小型化をも促進できる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池用の液体燃料カートリッジに関する。

燃料電池は、外部から燃料と酸素とを連続的に供給し、電気化学的に反応させて電気エネルギを取り出すものであり、他の発電方式に比べて高効率で二酸化炭素の排出量が少ないため、環境問題が顕著になっている近年注目されている。
例えば高分子電解質型燃料電池(Polymer Electrolyte Fuel Cell, PEFC)は、低い温度で動作が可能で起動時間が短く、小型化も可能である。この高分子電解質型燃料電池は、高分子固体電解質膜を空気側電極と燃料側電極とで挟んだ構造のＭＥＡ(Membrane Electrode Assembly)を備え、空気側電極に空気（酸素）を供給し、燃料側電極にメタノール水溶液や改質した水素などの燃料を供給することにより、電気化学的反応が起こり電力が発生する（例えば特許文献１）。

ところで、燃料電池で用いられる液体燃料は、当該液体燃料を改質して得られる水素を燃料側電極に供給する燃料電池の場合でも、また、液体燃料としてのメタノール水溶液を燃料側電極に供給する直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）の場合でも、燃料貯留室からポンプ等によって送られる（例えば特許文献２）。
このようなポンプは、燃料電池が動作していない起動時には、２次電池等に充電された電気エネルギによって駆動が開始され、駆動に伴って燃料電池が起動すると、この燃料電池からの電気エネルギで駆動されるようになる。また、燃料電池のシステム内の圧力を検出することにより、検出結果に基づいてポンプのオンオフ等が制御され、系内の圧力に応じた適切な量の液体燃料が供給されるようになっている。

特開平８−１６２１３２号公報 特開２００３−３４６８３６号公報

しかし、従来用いられていたポンプは、充電された電気エネルギで駆動が開始されるため、電気エネルギの充電量によっては駆動できないという問題がある。特に、燃料電池を小型電子機器や携帯機器等に搭載する場合、機器が小型であることから、充電できる電気エネルギの容量にも限界があり、思うようにポンプを駆動できず、この結果、燃料電池を確実に起動できない可能性がある。従って、そのような電気エネルギに頼らずに、燃料電池を確実に起動させることが望まれている。

さらには、従来の燃料貯留室は大掛かりなものであり、機器内に固定的に設けられている場合が多いが、機器の小型化を促進させるためには、着脱自在なカートリッジタイプとすることが望まれる。

本発明の目的は、燃料電池を確実に起動でき、かつ燃料電池が搭載される機器の小型化をも促進できる燃料電池用の液体燃料カートリッジを提供することにある。

本発明の燃料電池用の液体燃料カートリッジは、液体燃料が貯留される燃料貯留室と、この燃料貯留室に対して燃料連通孔を介して仕切られた燃料供給室と、この燃料供給室に対して薄膜弁によって仕切られた圧力作用室とを備えているとともに、前記燃料供給室から外部の燃料電池側または液体燃料の改質器側に当該液体燃料を送出する燃料流路と、前記圧力作用室に前記燃料電池または前記改質器側から圧力を導入する圧力導入部とが設けられ、かつ前記薄膜弁は、前記燃料供給室と前記圧力作用室との圧力差により前記燃料流路を開閉可能に設けられていることを特徴とする。

このような本発明によれば、液体燃料カートリッジの燃料貯留室内に貯留されている液体燃料は、燃料供給室と圧力作用室との圧力差によって開かれる燃料流路を介して送出され、ここから燃料電池あるいは改質器に送られる。このため、燃料電池の起動時に液体燃料を送出するのには、従来のようなポンプ等が不要であり、燃料電池が確実に起動する。 また、液体燃料を液体燃料カートリッジに貯留することで、必要に応じてカートリッジを交換して液体燃料を補充すればよく、大型の燃料貯留室等が不要になり、機器の小型化が促進される。

本発明の燃料電池用の液体燃料カートリッジでは、前記燃料流路と前記圧力導入部とが独立して別々に設けられていることが望ましい。
このような本発明によれば、燃料流路と圧力導入部とが別々であるから、燃料流路側にポンプ等の任意な送液手段を設けることにより、より高い圧力で液体燃料が供給されるようになり、改質器での改質や燃料電池での発電が良好に行われるようになる。
なお、液体燃料の供給や停止は、前述したように差圧を利用して行われるので、このような送液手段としては、圧力に応じてオンオフするような高価なポンプ等である必要はなく、単により高圧で送液できる簡素なものでよい。

本発明の燃料電池用の液体燃料カートリッジでは、前記薄膜弁は、前記圧力作用室の圧力が前記燃料供給室の圧力よりも所定値以上下回った場合に、前記燃料流路を開放することを特徴とする。
液体燃料が消費されると、燃料電池側や改質器側の圧力が低下するため、この圧力低下によって燃料流路を開放することで、燃料が確実に送られるようになる。

本発明の燃料電池用の液体燃料カートリッジでは、前記燃料貯留室を形成する部分の一部には大気連通孔が設けられ、この大気連通孔に対応した位置には可撓性を有する封止膜が設けられ、この封止膜は、通常時には前記大気連通孔から離間して前記燃料貯留室を大気開放し、液体燃料の当接時には前記大気連通孔を封止することが考えられる。
このような本発明によれば、液体燃料カートリッジの天地が逆さになっても、大気連通孔が封止膜によって封止されるので、燃料貯留室から液体燃料が漏れ出す心配がなく、姿勢が一定でない携帯機器等の燃料電池システムに液体燃料カートリッジが好適に用いられるようになる。

この際、前記燃料連通孔には、前記燃料供給室への空気の進入を防止する空気進入防止手段が設けられていることが望ましい。
このような本発明によれば、空気進入防止手段が設けられているので、大気連通孔から燃料貯留室に入り込んだ空気が燃料供給室に進入することがなく、燃料供給室へ燃料貯留室からの圧力が確実に作用するようになり、圧力作用室の圧力との差分が確実に得られるようになる。

本発明の燃料電池用の液体燃料カートリッジでは、前記燃料貯留室内の液体燃料を加圧し、かつ当該燃料貯留室からの液体燃料の送出量に応じて当該燃料貯留室の容積を縮小させる容積可変手段が設けられていることが望ましい。
このような場合には、液体燃料が容積可変手段による加圧力で、より確実に送出されるようになる。

本発明の燃料電池用の液体燃料カートリッジでは、燃料電池システムへの取付け操作により前記燃料流路を外部に開放し、燃料電池システムからの取外し操作により前記燃料流路と外部とを遮断する閉塞手段が設けられていることが望ましい。
このような本発明によれば、閉塞手段が設けられているため、燃料電池システムから液体燃料カートリッジを取り外した際に、液体燃料の残留分が外部に流出するおそれがなく、取扱性が良好である。

本発明の燃料電池システムは、燃料電池用の液体燃料カートリッジが着脱自在に設けられた燃料電池システムであって、前記液体燃料カートリッジからの液体燃料が流入する燃料供給室と、この燃料供給室に対して薄膜弁によって仕切られた圧力作用室とを備えているとともに、液体燃料を前記燃料供給室から前記燃料電池に送出するかまたは当該液体燃料の改質器に送出する燃料流路と、前記圧力作用室に外部から圧力を導入する圧力導入部とが設けられ、かつ前記薄膜弁は、前記燃料供給室と前記圧力作用室との圧力差により前記燃料流路を開閉可能に設けられていることを特徴とする。
このような本発明によれば、前述と略同様な構成により、ポンプ等を用いずに液体燃料が液体燃料カートリッジから燃料電池または改質器に送られるようになるから、システム全体の小型化が促進される。
さらに、液体燃料カートリッジとしては、燃料電池システム側の燃料供給室に燃料が送られる構造であればよく、液体燃料カートリッジの構造が簡素化される。

本発明の燃料電池システムでは、少なくとも前記燃料流路を外部から開閉する開閉手段が設けられていることが望ましい。
燃料電池システムにおいて、液体燃料が燃料電池で消費されるのに伴って順次供給されたのでは、この燃料電池システムが搭載された機器が稼働していると、していないとに関わらず、液体燃料が燃料電池で常時消費される可能性があり、液体燃料が無駄になるという心配がある。
これに対して本発明では、電力が不要な時に開閉手段で燃料流路を閉じることにより、液体燃料の供給が確実に停止され、液体燃料が無駄に消費される心配がない。

本発明の燃料電池用の液体燃料カートリッジ、および燃料電池システムによれば、システムを確実に小型化できるという効果がある。

以下、本発明の各実施形態を図面に基づいて説明する。なお、後述する第２実施形態において、以下に説明する第１実施形態と同じ構成部材または同じ機能の構成部材には同一符号を付し、それらの説明を省略または簡略化する。

〔第１実施形態〕
図１は、本実施形態に係る燃料電池システム１に着脱自在に取り付けられる液体燃料カートリッジ１０の要部を示す断面図である。図２は、液体燃料カートリッジ１０の別の要部を示す断面図である。
図１において、燃料電池システム１は、ＰＤＡや携帯電話などの携帯機器、あるいはパーソナルコンピュータ等、小型端末機器などに採用されるシステムであって、高分子電解質型燃料電池を備えている。また、高分子電解質型燃料電池が直接メタノール型燃料電池の場合には、改質器が不要であるが、液体燃料を改質するタイプでは、改質器が用いられる。

液体燃料としては、直接メタノール型燃料電池では、メタノール水溶液であるが、改質器を用いる場合では、例えば水素化ホウ素ナトリウム水溶液、水素化ホウ素カリウム水溶液、水素化ホウ素リチウム水溶液等のボロハイドライド燃料や、デカリン、シクロヘキサン、メチルシクロヘキサン等の有機ハイドライド燃料、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール等のアルコール系燃料が採用できる。なお、燃料として水素化ホウ素ナトリウム水溶液を用いる場合では、水酸化ナトリウム３ｇ、純水２７ｇ、水素化ホウ素ナトリウム５．５ｇの燃料組成のものが採用できる。

このような燃料電池システム１では、液体燃料カートリッジ１０から送出された液体燃料を燃料電池や改質器に送るためのシステム側燃料流路２と、液体燃料が燃料電池や改質器で消費されることで生じる圧力変動を液体燃料カートリッジ１０に導く圧力導入路３とが独立して設けられている。そして、これらのうち、燃料流路２の途中には、電気信号によって切り換わる切換弁（開閉手段）４が設けられており、機器が停止している場合など、電力が必要とされない場合には、切換弁４によって燃料流路２が閉じられ、液体燃料が燃料電池や改質器に送出されないようになっている。また、そのような電気信号は、図示しない制御部から出力されるのであるが、出力される条件としては、例えば機器の電源が落とされた時などが考えられる。さらに、燃料流路２は燃料電池側で分岐され、一方には簡易なポンプ５が、他方には逆止弁６が設けられている。このポンプ５の駆動は、燃料電池で発電された電力で駆動される。

一方、液体燃料カートリッジ１０は、ケース１１を備え、ケース１１の内部には液体燃料が貯留される燃料貯留室１２が設けられている。この燃料貯留室１２は、図２に示すように、ケース１１の端部とは移動自在な気密隔壁１３によって仕切られている。また、気密隔壁１３とケース１１の端面との間にはコイルばね１４が配置され、その端面から離間する方向に気密隔壁１３を付勢し、燃料貯留室１２内の燃料を加圧している。また、コイルばね１４で気密隔壁１３を押圧することで、液体燃料が送出されるに従って燃料貯留室１２の容積を縮小させることが可能である。つまり、移動可能な気密隔壁１３およびこれを押圧するコイルばね１４により、本発明に係る容積可変手段１５が構成されている。この際、ケース１１には大気連通孔１１Ａが設けられ、気密隔壁１３の移動が妨げられないようになっている。

また、図１において、ケース１１内には、燃料貯留室１２を仕切るようにして弁組立体１６が設けられている。弁組立体１６は、燃料連通孔１７Ａを有する弁座本体１７を備えている。弁座本体１７の燃料貯留室１２とは反対側（図１中の下方側）の面には、弁座１８が突設されており、この弁座１８部分には弁座本体１７内を通るようにカートリッジ側燃料流路１９が設けられ、この燃料流路１９が燃料電池システム１側の燃料流路２と連通している。

この燃料流路１９の下流端側には、当該燃料流路１９を閉塞する閉塞手段２０が設けられている。この閉塞手段２０は、液体燃料カートリッジ１０の燃料電池システム１への取付け操作により、燃料流路１９を外部に開放して燃料流路２と互いに連通させ、燃料電池システム１からの取外し操作により、前記燃料流路１９を遮断するものである。具体的には、閉塞手段２０は、燃料電池システム１側の突出部２Ａが当接されて押し戻される閉塞板２１と、この閉塞板２１を付勢するコイルばね２２とで構成され、取付け操作時には突出部２Ａが閉塞板２１を押し戻し、この状態が維持される。この状態で燃料流路１９は、閉塞板２１の切欠部２１Ａと、突出部２Ａの丸孔２Ｂを介して燃料流路２と連通する。また、取外操作により突出部２Ａが閉塞板２１から離れると、閉塞板２１がコイルばね２２で押圧されてケース１１の当接面１１Ｂに当接し、切欠部２１Ａが塞がれる。これによって燃料流路１９が遮断される。

さらに、弁座本体１７の弁座１８が設けられた側（同じく図１中の下方側）には、弾性を有する薄膜弁２３が設けられている。薄膜弁２３の材質としては、合成ゴム、天然ゴム、高分子エラストマ等が採用できる。この薄膜弁２３は、ケース１１の他方の端面との間に配置されたコイルばね２４によって弁座１８側に付勢されており、燃料電池で反応が行われていない状態では、弁座１８に密着している。そして、弁座本体１７と薄膜弁２３との間には空間が形成されており、この空間が燃料供給室２５となっている。この燃料供給室２５には、前記燃料連通孔１７Ａを介して燃料貯留室１２から液体燃料が流入する。

ここで、コイルばね２４としては、次説する圧力作用室２６に作用する圧力が低下し、燃料供給室２５内の圧力よりも所定値以下になると、その圧力差によって縮むようなばね力を有しており、この圧力差によって薄膜弁２３を弁座１８から離間させ、燃料供給室２５内の液体燃料を燃料流路１９に送出する。この際、燃料供給室２５内の燃料の圧送は、燃料電池や改質器側が低圧になることと、燃料供給室２５と連通した燃料貯留室１２内の圧力、つまり容積可変手段１５の加圧力とにより行われる。
また、圧力作用室２６内の圧力が低下するとは、ダイレクトメタノール型燃料電池の場合または改質器において反応が進み、それまで供給されていた液体燃料が消費された場合であり、この場合に液体燃料が送出される。そして、液体燃料が送出されて圧力が回復すると、前述の差圧が小さくなるため、コイルばね２４のばね力により再び、薄膜弁２３が弁座１８と密着し、液体燃料の送出を止める。改質型燃料電池の場合は、それまで改質器内に存在した水素が消費された場合であり、この場合に液体燃料が送出される。この後、液体燃料が送出されて改質槽内の圧力が回復すると、前述の差圧が小さくなるため、液体燃料の送出を止める。燃料電池システム１の稼働中は、この動作が繰り返される。

燃料供給室２５のさらに図１中下方には、薄膜弁２３で仕切られるようにして圧力作用室２６が設けられている。つまり、コイルばね２４は、この圧力作用室２６内に配置されているのである。また、圧力作用室２６は、ケース１１に設けられた開口状の圧力導入部２７によって外部に連通するのであるが、液体燃料カートリッジ１０が燃料電池システム１に取り付けられた状態では、この圧力導入部２７に差込部３Ａが差し込まれ、圧力作用室２６と圧力導入路３とが連通するようになっている。この構成により、前述したように、燃料電池または改質器側の圧力（図１に「Ｐ」と表示）は、燃料流路１９とは別に設けられた圧力導入部２７を通して圧力導入部２７に導入されるようになっている。

以上に説明した液体燃料カートリッジ１０を燃料電池システム１に組み込むと先ず、発電や改質が行われていない燃料電池および改質器側の圧力Ｐは、略１気圧であるから、コイルばね２４のばね力を圧力換算にてＰｖとし、Ｐ（１気圧）＋Ｐｖよりも大きくなるように燃料貯留室１２内の圧力Ｐｃを設定しておけば（実際には、コイルばね１４のばね力を設定する）、組み込んだ時点でコイルばね２４が押し戻され、すなわちＰｃとＰ＋Ｐｖとの差圧によって押し戻され、液体燃料がＰｃの圧力で逆止弁６側を通って自動的に送出される。このことにより、燃料電池が自起動し、発電が行われる。発電が行われると、その電力の一部はポンプ５に供給され、ポンプ５を駆動してより高い圧力で液体燃料を送ることになる。この際、逆止弁６の作用により、既に送られた液体燃料や発生した水素が逆止弁６側を戻ってポンプ５に入り込むことはない。

本実施形態によれば、以下の効果がある。
（１）燃料電池システム１で使用される液体燃料カートリッジ１０では、燃料貯留室１２内に貯留されている液体燃料は、燃料供給室２５と圧力作用室２６との圧力差によって開かれる燃料流路１９を通して送出され、この燃料流路１９から燃料電池システム１側の燃料流路２に送出されて燃料電池あるいは改質器に送られるため、システム１の起動時において、従来のようなポンプを用いずに液体燃料を送出して燃料電池を自起動させることができ、燃料電池システム１を小型の機器に搭載した場合でも、確実に起動させることができる。
また、液体燃料を貯留するのには、大掛かりな燃料タンクを用いる必要がなく、機器の小型化をも促進できる。

（２）また、液体燃料カートリッジ１０では、燃料流路１９と圧力導入部２７とが独立して別々に設けられているので、燃料流路２側にポンプ５を設けることにより、より高い圧力で液体燃料を供給でき、改質器での改質や燃料電池での発電をより良好にできる。
しかも、液体燃料の供給や停止は、前述したように差圧を利用して行われるので、このようなポンプ５としては、圧力に応じてオンオフするような高価なポンプである必要はなく、単により高圧で送液できる簡素なものでよい。従って、ポンプ５のサイズも小さくなるから、小型化をより促進できるうえ、消費エネルギも小さいという効果がある。

（３）薄膜弁２３は、圧力作用室２６の圧力が燃料供給室２５の圧力よりも所定値以上下回った場合に、燃料流路１９を開放するように設けられているので、液体燃料が消費されると、燃料電池側や改質器側の圧力が低下するが、この圧力低下によって燃料流路１９を確実に開放でき、燃料を良好に送出できる。

（４）液体燃料カートリッジ１０では、燃料流路１９の下流端側に閉塞手段２０が設けられているため、燃料電池システム１から液体燃料カートリッジ１０を取り外した際に、液体燃料の残留分が外部に流出するのを防止でき、取扱性を良好にできる。

（５）燃料貯留室１２内の燃料は、容積可変手段１５により加圧されているので、その加圧力で液体燃料をより確実に送出できる。また、燃料貯留室１２内には殆ど液体燃料が残留しないから、液体燃料を有効に消費できる。
また、この容積可変手段１５により、液体燃料カートリッジ１０の天地を逆さにしたり、様々な姿勢で用いたとしても、液体燃料を燃料貯留室１２から燃料供給室２５に確実に送出できる。さらに、燃料貯留室１２内には空気が入り込む心配がなく、姿勢が一定しない携帯機器に液体燃料カートリッジ１０を好適に用いることができる。

（６）燃料電池システム１では、燃料流路２の途中に切換弁４が設けられているため、機器の電源が落とされている場合など、電力が不要な時には切換弁４で燃料流路２を閉じることができ、液体燃料の供給を確実に停止して液体燃料が無駄に消費されるのを防止できる。

（７）液体燃料としてメタノール水溶液を用い、これを直接メタノール型燃料電池に供給する場合では、消費されるのは純水とメタノールとが等モルであるから（メタノール濃度としては６４％程度）、液体燃料カートリッジ１０内に等モルのメタノール水溶液を入れておけばよく、メタノールと純水とを個別に貯留しておき、これらを混合機等で混ぜ合わせて濃度調整を行う必要がなく、濃度管理を簡便にできる。

〔第２実施形態〕
図３には、本発明の第２実施形態に係る液体燃料カートリッジ１０として、コイルばね２４が燃料供給室２５内に配置され、薄膜弁２３を弁座１８から離間する方向に常時付勢している構成が示されている。
本実施形態でのコイルばね２４は、液体燃料の消費が少なく、圧力作用室２６内の圧力が燃料供給室２５内の圧力よりも所定値以上下回った場合に、その圧力作用室２６内の圧力に抗して薄膜弁２３を弁座１８から離間させ、液体燃料を送出させる。他の構成は、第１実施形態と同様である。

このような構成は、改質器が用いられるような燃料電池システムに有効である。つまり、改質器を用いた場合、改質器に供給された燃料が改質されると、大量の水素が生成されるため、圧力が大幅に上昇する。この圧力の最低値は、通常のシステム稼働時においては、燃料貯留室１２内の圧力よりもはるかに大きいため、本実施形態のような構成としても何ら問題が生じない。逆に、改質器を用いない直接メタノール型燃料電池では、圧力作用室２６内に作用する最大圧力は、燃料貯留室１２内の圧力よりもはるかに小さいため、本実施形態のような、薄膜弁２３を弁座１８に付勢する構成は採用しにくいのである。

また、本実施形態では、コイルばね２４が燃料供給室２５内に配置されているので、液体燃料カートリッジ１０の組込時には、Ｐ（１気圧）＜Ｐｃ＋Ｐｖの条件で燃料流路１９が開放され、液体燃料が送出されるが、改質が開始されて圧力Ｐが上昇すると、Ｐｃ＜Ｐ＜Ｐｃ＋Ｐｖの条件では、燃料流路２，１９を水素が逆流しようとする。このため、燃料流路２中の逆止弁６は、そのような逆流をも防止するように機能する。

本実施形態でも、第１実施形態と同様な構成により、前述した（１）〜（７）の効果を同様に得ることができる。

〔第３実施形態〕
図４には、本発明の第３実施形態として、容積可変手段１５の他の実施形態が示されている。
この容積可変手段１５は、第１実施形態と同様な気密隔壁１３と、この気密隔壁１３で仕切られたケース１１の内部空間部分に封入された圧縮気体２８とで構成されている。このような構成では、第１実施形態で説明したケース１１の大気連通孔１１Ａ（図２）は不要である。
このような本実施形態でも、第１実施形態での（５）の効果を同様に得ることができる。

〔第４実施形態〕
図５には、本発明の第４実施形態に係る容積可変手段１５が示されている。
容積可変手段１５は、第３実施形態での気密隔壁１３の代わりに、蛇腹状に膨らんだフィルム２９をケース１１の内面に取り付け、この内部に液体燃料を貯留した構成である。 このフィルム２９では、図中状側の平坦面部２９Ａが所定の剛性を有し、ケース１１の内面に沿って移動する。ケース１１内の他の部分に封入されているのは、第３実施形態と同様、圧縮気体２８である。ただし、圧縮気体２８の代わりに、第１実施形態のようなコイルばね１４（図２）を配置し、ケース１１に大気連通孔１１Ａ（図２）を設けてもよい。

ここで、フィルム２９は、ＥＶＯＨ（エチレン−ビニルアルコール共重合）樹脂や、高分子グルコマンナンをアセチル化した樹脂からなり、液密性およびフレキシブル性を有している。なお、このようなフィルム２９の表面にアルミ蒸着等による金属コーティングを施し、液密性および耐久性をより向上させてもよい。
このような本実施形態でも、第１実施形態での（５）の効果を同様に得ることができる。

〔第５実施形態〕
図６に示す第５実施形態の容積可変手段１５は、ケース１１の厚さ方向に移動可能な可動板３０を板ばね３１で付勢した構造に加え、全体が風船状に膨らんだ（弾性変形しているわけではない）フィルム２９にて液密性を確保し、このフィルム２９を可動板３０に当接させて板ばね３１のばね力に対抗させてある。なお、板ばね３１の数は、複数（本実施形態では２つ）であるが、中央に１つだけ配置されていてもよい。また、板ばね３１の代わりに、コイルばね１４を用いても、勿論よい。さらに、板ばね３１の代わりに圧縮気体２８（図５）を使用し、可動板３０を省いてもよい。
本実施形態でも、構成は異なるが、（５）の効果を同様に得ることができきる。

〔第６実施形態〕
図７に示す第６実施形態の容積可変手段１５は、複数（本実施形態では４つ）の小さな燃料貯留室１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄを備えた構造である。各燃料貯留室１２Ａ〜１２Ｄで用いられるコイルばね１４Ａ〜１４Ｄは、ばね定数がそれぞれ異なっており、図示しない弁組立体（図中の下方側）に近い側から遠い側（上方側）に向かって、ばね定数がより大きく、ばね力の強いコイルばね１４が用いられている。また、各燃料貯留室１２Ａ〜１２Ｄの構造は、第５実施形態の燃料貯留室１２において、板ばね３１をコイルばね１４に替えた構造と略同じである。

本実施形態では、弁組立体への液体燃料の流出に伴って先ず、弁組立体から遠い側のフィルム２９が収縮して燃料貯留室１２Ｄの容積が減少し、順次弁組立体側へ向けて燃料貯留室１２Ｃ，１２Ｂ，１２Ａの容積が減少する。

本実施形態によれば、その特有の構成により、以下の効果がある。
（８）すなわち、各燃料貯留室１２Ａ〜１２Ｄでは、コイルばね１４Ａ〜１４Ｄのばね定数が異なっているため、燃料貯留室１２Ａ〜１２Ｄの容積の減少の順序をばね定数に応じて設定できる。従って、弁組立体から遠ざかるにつれてばね定数の大きなコイルばね１４を用いることにより、燃料貯留室１２Ｄ，１２Ｃ，１２Ｂ，１２Ａの順序でフィルム２９を収縮させることができ、内部の液体燃料を奥側から絞り出すように確実に流出させることができる。

〔第７実施形態〕
図８に示す第７実施形態の容積可変手段１５では、各燃料貯留室１２Ａ〜１２Ｄに対応させて検出手段３２を設けた点が前記第６実施形態とは異なる。
各検出手段３２は、リミットスイッチや各種のセンサ類で構成され、燃料貯留室１２Ａ〜１２Ｄの増減に伴って可動する可動板３０の位置を検出し、内部の液体燃料が略無くなっているか否かを検出する。この検出手段３２のオン−オフ結果に基づいて、おおよその液体燃料の残量を検出することが可能である。

従って、本実施形態では以下の効果がある。
（９）可動板３０の位置を検出する検出手段３２が設けられているので、燃料貯留室１２内にある液体燃料の残量を知ることができる。また、燃料供給が正常に行われているか等を随時確認でき、燃料電池システム１の使い勝手を向上させることができる。特に容積可変手段１５の状態変化に基づいて検出手段３２が稼働するから、液体燃料が明らかに存在しないのに検出されなければ、可動板３０が何らかの理由で動かなくなるなど、容積可変手段１５が正常に機能していないといえ、容積可変手段１５の機能確認にも有効である。

〔第８実施形態〕
図９に示す第８実施形態の容積可変手段１５は、前記第５実施形態の変形例（図６）である。
つまり、可動板３０は一対のコイルばね１４（１４Ｅ，１４Ｆ)よって付勢されている点、および検出手段３２が設けられている点が第５実施形態とは異なる。この際、コイルばね１４Ｅ，１４Ｆは、図示しない弁組立体（図中下方側）に近い方と離れた方とで互いに離間して設けられているとともに、ばね定数が異なっている。弁組立体よりも遠い方のコイルばね１４Ｆのばね定数がより大きく、ばね力が大きい。

このような本実施形態では、液体燃料の流出に伴って弁組立体に遠い側でフィルム２９が収縮し、次第に手前側が収縮するので、可動板３０としても、遠い側が初めに移動し、次に近い側が移動し、結果として斜めの状態で液体燃料が絞り出されるように移動するのである。検出手段３２により、最小限にフィルム２９が収縮した位置で可動板３０が検出されるのは、第８実施形態と同様である。

本実施形態によれば、構成は異なるが、前記第６、第７実施形態と同様な効果を得ることができる。

〔第９実施形態〕
図１０に示す第９実施形態の容積可変手段１５は、可動板３０の奥側（弁組立体から遠い側）をケース１１の側面（大気連通孔１１Ａとは反対側）に回動自在に支持し、遠い側のコイルばね１４Ｆ（図９）を省いた点が第８実施形態とは異なる。
本実施形態では、フィルム２９の膨らみが可動板３０によって規制されるため、液体燃料が貯留されている当初の状態では、側断面扇形に膨らむようになり、液体燃料の低減に伴って燃料貯留室１２の遠い側の容積から小さくなり、やはり遠い側から絞り出されるように液体燃料が流出する。
従って、本実施形態でも、構成は異なるが、前記第６、第７実施形態と同様な効果を得ることができる。

〔第１０実施形態〕
図１１、図１２には、第１０実施形態として、液体燃料カートリッジ１０の変形例が示されている。
この液体燃料カートリッジ１０の弁組立体１６には、第１、第２実施形態（図１、図３）で説明したような燃料流路１９は設けられていない。つまり、本実施形態では、圧力導入部２７が燃料流路１９を兼用している。このため、燃料供給室２５内の液体燃料は、薄膜弁２３が圧力差によって弁座１８から離れると、当該薄膜弁２３に設けられた供給孔２３Ａから圧力作用室２６に流出し、ここから燃料貯留室１２の圧力（水頭圧）Ｐｃのみで圧力導入部２７および燃料電池システム１側の圧力導入路３を通って改質器に送出される。すなわち、燃料電池システム１の改質器側でも、圧力導入路３が燃料流路２を兼用している。そして、この圧力導入路３に切換弁４が設けられている。

なお、このような構造では、薄膜弁２３の供給孔２３Ａが弁座１８に確実に当接することが重要であるため、これらを確実に位置決めするための任意な位置決め手段を設けることが望ましい。また、弁座本体１７の下面と薄膜弁２３の上面との間に、液体燃料が透過可能な多孔質膜当からなる液面安定化膜を一層設けてもよく、こうすることにより、液体燃料の残量が少なくい状態で携帯された機器が揺さぶられても、弁座１８近傍で生じる圧力変動を液面安定化膜で吸収でき、液体燃料の残量に関係なく液体燃料を供給孔１３Ａから良好に流出させることができる。

また、本実施形態において、図１２に示すように、ケース１１には、内部の燃料貯留室１２と外部とを連通させる大気連通孔１１Ａが設けられている。また、ケース１１の内面において、大気連通孔１１Ａの周囲には環状溝１１Ｃと、この環状溝１１Ｃと連通したキャピラリ１１Ｄと、キャピラリ１１Ｄと連通した連通口１１Ｅとが設けられ、大気連通孔１１Ａ、環状溝１１Ｃ、およびキャピラリ１１Ｄを覆うように、可撓性を有する封止膜３３が設けられている。この封止膜３３は、液体燃料が重力によって弁組立体１６側にある場合には（つまり、液体燃料カートリッジ１０には天地の違いがある）、大気連通孔１１Ａから離間して燃料貯留室１２を大気開放し、天地が逆さになる等して液体燃料が封止膜３３に当接すると、大気連通孔１１Ａを封止する。

一方、図１１に戻って、弁組立体１６の燃料連通孔１７Ａには、逆止弁（空気進入防止手段）３４が設けられており、大気開放されることで燃料貯留室１２内に入り込んだ空気が燃料供給室２５に進入するのを防いでいる。具体的には、燃料連通孔１７Ａの下部側は先細りのテーパ面１７Ｂとされているとともに、燃料連通孔１７Ａの内部には液体燃料よりも比重の小さい球状のフロート３５が配置され、コイルばね３６で下向きに付勢されている。従って、液体燃料が燃料連通孔１７Ａを満たしている状態では、フロート３５がコイルばね３６に打ち勝って上方に移動しており、液体燃料の流出を妨げない。これに対して、燃料貯留室１２内が略空になる等し、燃料連通孔１７Ａ内を液体燃料が流れないような場合には、フロート３５が下がってテーパ面１７Ｂに当接され、燃料連通孔１７Ａを塞ぐ。これにより、空気が燃料供給室２５に入り込む心配がない。

このような本実施形態によれば、その特有な構成により、以下の効果がある。
（10）弁組立体１６には、弁座本体１７を通る燃料流路１９が存在しないので、その構造を簡略化できる。

（11）また、ケース１１には燃料貯留室１２と外部とを連通させる大気連通孔１１Ａが設けられているが、この大気連通孔１１Ａが封止膜３３によって封止されるので、液体燃料カートリッジ１０の天地が逆さになっても、燃料貯留室１２から液体燃料が漏れ出す心配がなく、姿勢が一定でない携帯機器等の燃料電池システム１にも、液体燃料カートリッジ１０を好適に用いることができる。

（12）さらに、燃料連通孔１７Ａには逆止弁３４が設けられているので、大気連通孔１１Ａから燃料貯留室１２に入り込んだ空気が燃料供給室２５に進入することがなく、燃料供給室２５へ燃料貯留室１２からの圧力を確実に作用させることができ、圧力作用室２６の圧力との差分を確実に得ることができる。
このような本実施形態でも、第２実施形態と同様な効果を得ることができる。

なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
すなわち、本発明を実施するための最良の構成、方法などは、以上の記載で開示されているが、本発明は、これに限定されるものではない。すなわち、本発明は、主に特定の実施形態に関して特に図示され、かつ、説明されているが、本発明の技術的思想および目的の範囲から逸脱することなく、以上述べた実施形態に対し、形状、材質、数量、その他の詳細な構成において、当業者が様々な変形を加えることができるものである。
したがって、上記に開示した形状、材質などを限定した記載は、本発明の理解を容易にするために例示的に記載したものであり、本発明を限定するものではないから、それらの形状、材質などの限定の一部もしくは全部の限定を外した部材の名称での記載は、本発明に含まれるものである。

本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムに着脱自在に取り付けられる液体燃料カートリッジの要部を示す断面図。 第１実施形態の液体燃料カートリッジの別の要部を示す断面図。 本発明の第２実施形態に係る液体燃料カートリッジの要部を示す断面図 本発明の第３実施形態に係る容積可変手段を示す断面図。 本発明の第４実施形態に係る容積可変手段を示す断面図。 本発明の第５実施形態に係る容積可変手段を示す断面図。 本発明の第６実施形態に係る容積可変手段を示す断面図。 本発明の第７実施形態に係る容積可変手段を示す断面図。 本発明の第８実施形態に係る容積可変手段を示す断面図。 本発明の第９実施形態に係る容積可変手段を示す断面図。 本発明の第１０実施形態に係る液体燃料カートリッジの要部を示す断面図。 第１０実施形態の液体燃料カートリッジの別の要部を示す断面図。

符号の説明

１…燃料電池システム、４…開閉手段である切換弁、１０…液体燃料カートリッジ、１１Ａ…大気連通孔、１２…燃料貯留室、１５…容積可変手段、１６…圧力作用室、１７Ａ…燃料連通孔、１９…燃料流路、２０…閉塞手段、２３…薄膜弁、２５…燃料供給室、２７…圧力導入部、３３…封止膜、３４…空気進入防止手段である逆止弁。

Claims (7)

1. 液体燃料が貯留される燃料貯留室と、この燃料貯留室に対して燃料連通孔を介して仕切られた燃料供給室と、この燃料供給室に対して薄膜弁によって仕切られた圧力作用室とを備えているとともに、前記燃料供給室から外部の燃料電池側または液体燃料の改質器側に当該液体燃料を送出する燃料流路と、前記圧力作用室に前記燃料電池または前記改質器側から圧力を導入する圧力導入部とが設けられ、かつ前記薄膜弁は、前記燃料供給室と前記圧力作用室との圧力差により前記燃料流路を開閉可能に設けられていることを特徴とする燃料電池用の液体燃料カートリッジ。
2. 請求項１に記載の燃料電池用の液体燃料カートリッジにおいて、前記燃料流路と前記圧力導入部とが独立して別々に設けられていることを特徴とする燃料電池用の液体燃料カートリッジ。
3. 請求項１または請求項２に記載の燃料電池用の液体燃料カートリッジにおいて、前記薄膜弁は、前記圧力作用室の圧力が前記燃料供給室の圧力よりも所定値以上下回った場合に、前記燃料流路を開放することを特徴とする燃料電池用の液体燃料カートリッジ。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の燃料電池用の液体燃料カートリッジにおいて、前記燃料貯留室を形成する部分の一部には大気連通孔が設けられ、この大気連通孔に対応した位置には可撓性を有する封止膜が設けられ、この封止膜は、通常時には前記大気連通孔から離間して前記燃料貯留室を大気開放し、液体燃料の当接時には前記大気連通孔を封止することを特徴とする燃料電池用の液体燃料カートリッジ。
5. 請求項４に記載の燃料電池用の液体燃料カートリッジにおいて、前記燃料供給室への空気の進入を防止する空気進入防止手段が設けられていることを特徴とする燃料電池用の液体燃料カートリッジ。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の燃料電池用の液体燃料カートリッジにおいて、前記燃料貯留室内の液体燃料を加圧し、かつ当該燃料貯留室からの液体燃料の送出量に応じて当該燃料貯留室の容積を縮小させる容積可変手段が設けられていることを特徴とする燃料電池用の液体燃料カートリッジ。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の燃料電池用の液体燃料カートリッジにおいて、燃料電池システムへの取付け操作により前記燃料流路を外部に開放し、燃料電池システムからの取外し操作により前記燃料流路と外部とを遮断する閉塞手段が設けられていることを特徴とする燃料電池用の液体燃料カートリッジ。
   

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