JP2005532659A

JP2005532659A - 液体供給燃料電池システムのための燃料容器及び送出装置

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Publication number: JP2005532659A
Application number: JP2003561028A
Authority: JP
Inventors: ベセラ，ジュアン，ジェイ; デフィリピス，マイケル，エス
Original assignee: エムティーアイ・マイクロフューエル・セルズ・インコーポレイテッド
Priority date: 2002-01-08
Filing date: 2002-12-20
Publication date: 2005-10-27
Anticipated expiration: 2022-12-20
Also published as: CN100483820C; US20030129464A1; BR0215486A; EP1464091A4; WO2003061047A1; EP1464091A1; US7074511B2; JP4459626B2; CN1650457A; AU2002361807A1

Abstract

独自の燃料容器及び送出アセンブリを有する液体供給燃料電池システムを提供する。当該容器及び送出アセンブリによって、好適な実施形態では純メタノール又は水性メタノールと水との混合液の状態である液体燃料を圧力下におくことができ、それによって連続的に電池に送出することができる。当該燃料物質は、外側容器に収容されている柔軟袋内に貯蔵されている。燃料を収容している柔軟袋には袋に対する圧力を維持する加圧要素が取り付けられており、それによって、燃料を収容している柔軟袋に連続的に圧力がかけられ、燃料は容器の導管を通って直接酸化燃料電池へ連続的に放出される。本発明の燃料容器及び送出システムは、容易且つ安価に燃料を液体供給燃料電池に送出すると共に、あらゆる向きにおいて使用される。本発明の一実施形態では、加圧要素は、柔軟袋を圧縮して液体燃料を加圧する、バネを装填したプレートからなる。本発明の別の態様によれば、拡張可能フォームなどの拡張可能材料をプレートに適用し、そして柔軟袋に圧力を加える。回転軸及び圧縮バネもまた、移動要素を袋に沿って動かして袋を圧縮するために使用し得る。一実施形態では、燃料容器は使い捨てカートリッジとすることができる。

Description

発明の分野
本発明は、概して、直接酸化燃料電池、より詳細には当該燃料電池を含むシステムのための燃料容器及び送出装置を備える液体供給燃料電池に関する。

燃料電池は、電気化学反応を用いて発電する装置である。電池要素に選定された材料に応じて、種々の材料を燃料として好ましく使用し得る。メタノールあるいは天然ガスのような有機物質は、高い比エネルギーを有するため、燃料として魅力的な候補である。液体供給燃料電池は、メタノールなどの液体物質を燃料として用いる。

背景として、燃料電池システムは、「改質器ベース」のシステム（即ち、燃料が燃料電池に導入される前に、何らかの方法で燃料から水素を抽出するために燃料を処理するもの）、又は別途の内部処理を必要とすることなく燃料が直接電池に送られる「直接酸化」システムに分類される。最近入手可能なたいていの燃料電池は、改質器ベースの燃料電池システムである。しかしながら、燃料処理は、技術的に複雑及び困難で、かなり大きな容積を必要とするため、改質器ベースのシステムは現在、比較的大規模発電用途に限られている。

電池に使用する燃料は、炭素質の液体あるいは気体のいずれでもよいことを理解されたい。液体燃料を利用する燃料電池は、「液体供給」燃料電池と言われる。液体供給燃料電池は、さらに「液体供給改質器ベース燃料電池」又は「液体供給直接酸化燃料電池」に分類することができる。ある例においては、液体の扱いやすさ及び保管のしやすさ、そして幅広い環境条件下における液体の比較的安定した性質のため、気体燃料ではなく液体燃料を保管及び利用することが望ましい場合がある。本説明は、主に液体供給燃料電池システムに関するものであることを理解されたく、そのようなものとして、単に直接酸化又は改質器ベースのシステムに分類する。

携帯用のポータブル電子機器のような低電力運転においては、直接酸化燃料電池システムを利用することが有利である。より詳細には、直接酸化燃料電池システムは、比較的小型のモバイル機器（例えば、携帯電話、携帯用及びラップトップ型パソコン）における多くの用途に最も適している。

簡単に言うと、直接酸化燃料電池においては、炭素質液体燃料（一般的にメタノール水溶液のように水溶液状態の）は、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）の燃料極表面に導入される。当該ＭＥＡは、プロトン伝導性であるが電子非伝導性である膜（ＰＣＭ）を含む。一般的に、燃料極上で燃料の直接酸化を可能にする白金又は白金ルテニウム合金などの触媒は、前記ＰＣＭ表面に配置されている（又はそうでなければ、燃料電池の燃料極チャンバ内にある）。プロトン（燃料中に存在する水素からの、及び反応の燃料極表面に見られる水分子からの）は、電子から分離する。該プロトンは、電子に対して非透過性であるＰＣＭを通って移動する。前記電子は異なる進路を探し、そして空気極反応に関わるプロトン及び酸素分子と再結合する。従って、電子は、負荷を通って移動し、電力を供給する。

液体供給燃料電池システムの一例は、直接酸化燃料電池システムであり、より詳細には、直接メタノール燃料電池システム（即ち、「ＤＭＦＣ」システム）である。ＤＭＦＣシステムでは、水溶液中のメタノールが液体燃料（「燃料混合物」）として使用され、酸素、好適には周囲空気からのものが酸化剤として使用される。ＤＭＦＣシステムが電力消費装置に電気を供給できるようにする、ＤＭＦＣ内で起こる基本的な反応は２つある。それらは、メタノール及び水燃料混合物のＣＯ_２、プロトン、電子への燃料極解離と、プロトン、電子及び酸素の水への空気極結合である。

これらの反応を連続的に進行させるために、液体供給燃料電池をはじめとする燃料電池は、発電を確実にするために十分な燃料が供給されなければならない。さらに、かかる液体供給燃料電池をポータブル携帯用装置に使用する場合は、それは様々な向きにおいて効果的に稼動することが理想的である。従って、ポータブル電子機器に使用する場合、ＤＭＦＣは、ＤＭＦＣシステムの向きに関わらず液体燃料を連続的に又は要求に応じて送出する燃料送出システムを備えるべきである。

メタノールの性質、並びにそれに関連する、人及び所有物に対する危険性のために、当該物質を使用する際には、通常、安全対策をとる。従って、容器からの燃料の漏れが実質的に阻止されるように、メタノールを保管及び送出するのが望ましい。さらに、当該燃料物質は、容器から漏れた場合の検出能を高める１つ又は複数の添加物と混合することができる。これらの安全性を向上させる添加物によって、当該物質の検出可能性を高める臭い及び色が与えられ、それによって、もしある量のメタノールが廃棄時又は不慮の破損により燃料電池から漏出した場合にも、それに接触する人によっって該燃料物質のより安全な取り扱いが可能となる。

最良の結果を得るために、燃料が関連機器に電力を供給するために使用されている間は、安全性を向上させる添加物を燃料とは分離して保管及び維持するべきである。前記機器はまた、ＳＦＦ（ｓｍａｌｌｆｏｒｍｆａｃｔｏｒ）に準拠し、これらの利点は、大量生産技術が実行可能であり得る費用レベルにて提供されるべきである。従って、液体燃料を燃料電池に連続的に又は周期的に送出するが、機器（燃料電池により電力の供給されている）が様々な向きで作動している際にも、不意の中断が起こらない保管容器及び送出システムを提供するのが本発明の目的である。

これらの利点及びその他の利点は、燃料容器及び送出アセンブリが、液体供給燃料電池用の燃料を収容している内部柔軟袋を備える、本発明によりもたらされる。当該燃料容器及び送出アセンブリには加圧要素が取り付けられており、それは燃料を収容している柔軟袋に連続的な圧力をかけ、それによって燃料は容器の導管を通って直接酸化燃料電池へ送られる。燃料は燃料電池へ連続的に又は要求に応じて供給される。当該燃料容器は交換可能なカートリッジとすることができる。本発明の燃料容器及び送出システムは、液体供給燃料電池がいかなる向きで使用されている場合にも、燃料を簡単に、そして安価に液体供給燃料電池へ送る。

本発明の一実施形態においては、加圧要素には、バネ装填プレート、又は燃料電池が液体燃料を連続的に利用できるように柔軟袋を圧迫し液体燃料に圧力を加える他の装置が含まれる。本発明の他の態様によると、拡張可能フォームのような拡張可能材料が、柔軟袋を圧迫するためのプレートに適用される。

圧力アセンブリは、安全性を向上させる添加物を収容するプレナムを画定している外側容器内部に収容されている。燃料送出アセンブリが破損した場合、又は廃棄される場合、前記安全性を向上させる添加物が燃料と混ざり合い、燃料を検出可能とする。

本発明は、燃料保管容器及び送出アセンブリである。燃料には、限定はしないが、メタノール、エタノール、プロパン、ブタン、又はそれらの水溶液をはじめとする、任意の液体炭素質燃料を用いることができる。説明目的で、本明細書では、燃料物質がメタノール又はメタノール水溶液である直接メタノール燃料電池システム（ＤＭＦＣ）に関連して本発明が使用される、例示的実施形態について説明する。しかしながら、保管すべき及び直接酸化燃料電池に送出すべき他の燃料に関して当該燃料容器及び送出システムを容易に使用し得ることが本発明の範囲内であることは理解されたい。従って、本明細書で使用されるとき、用語「燃料」とは、メタノール、エタノール、プロパン、ブタン又はこれらを組み合わせたもの、及びこれらの水溶液、並びに直接酸化燃料電池システムにおける使用に適する他の液体炭素質燃料を包含する。

本発明をよりよく理解するために、本発明を利用し得る直接メタノール燃料電池システムを簡単に説明する。図１は、本発明の燃料容器及び送出システムを利用し得る直接メタノール燃料システム２を表している。本発明によれば、ＤＭＦＣ３を含む当該システム２は、燃料を燃料容器から送出するための燃料送出システム及び送出アセンブリ４を有する。前記ＤＭＦＣ３は、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）６を収容するハウジング５を備える。ＭＥＡ６は、プロトン伝導性であるが電子非伝導性である膜（ＰＣＭ）７を組み入れている。ＰＣＭ７は燃料極面８及び空気極面１０を有しており、その各々は、限定はしないが、白金又は白金ルテニウム合金をはじめとする触媒によってコーティングされている。ハウジング５とＰＣＭの燃料極面によって画定されるＤＭＦＣ３部分を、本明細書では、燃料極チャンバ１８と呼ぶ。ハウジング５とＰＣＭの空気極面によって画定されるＤＭＦＣ３部分を、本明細書では、空気極チャンバ２０と呼ぶ。流れ場プレート（ｆｌｏｗｆｉｅｌｄｐｌａｔｅｓ）のような直接メタノール燃料電池システムの追加要素、及び反応物質と副生物を管理するための拡散層（図１には示さず）を、燃料極チャンバ１８及び空気極チャンバ２０内に備えることができる。

メタノールあるいはメタノール水溶液は、ＤＭＦＣ３の燃料極チャンバ１８に、又はそこから燃料溶液が燃料極チャンバ１８へ送出されることになる内部燃料リザーバ（図示せず）に、導入される。より詳細には、当業者には理解されるように、発電反応は、燃料物質がＰＣＭの燃料極面８に導入され、また酸素、通常は周囲空気の状態、がＰＣＭの空気極面１０に導入される場合に、触媒の存在下にて起こる。

本発明の燃料容器及び送出アセンブリ４からの炭素質燃料物質は、任意選択のポンプ２４によって、ＤＭＦＣ３の燃料極チャンバ１８へ送出される。当該燃料混合物は、関連する流れ場プレート及び／又は拡散層（図示せず）内の通路を通り、最終的にＰＣＭに送られる。膜表面の触媒（又は本来なら膜表面にある）は、触媒作用を有するＰＣＭの燃料極面８上で炭素質燃料を酸化し、燃料及び燃料混合物の水分子から水素プロトン及び電子を分離する。回路を閉じると、プロトンは、電子非透過性のＰＣＭ７中を通る。前記電子は、他の経路を探し、プロトンと再結合するための他の経路を探し、そして外部回路の負荷２１内を移動し、該負荷に電力を供給する。反応が続く限り、外部回路を通る電流は維持される。直接酸化燃料電池は、水（H₂O）及び二酸化炭素（CO₂）を生成し、それらはガスセパレータ３０によって分離して取り出される。未反応のメタノール及び水は、ポンプ２４へと再循環される。特定の用途において望まれる場合には、空気極廃液はガスセパレータ３２へ送られ、水はポンプ２４へと再循環される。当業者は、本発明の燃料容器及び送出アセンブリが、異なる構成のシステムにおいても使用できることが分かるであろう。

図２は、本発明の燃料容器及び送出アセンブリの例示的一実施形態を表している。燃料容器及び送出アセンブリ２００は、図示されている例示的実施形態においては、実質的に剛体のカートリッジ２０２である外部ハウジングを有する。カートリッジ２０２は、ＤＭＦＣ又はその他の関連する燃料電池用の液体燃料を収容するのに用いられる折り畳み式燃料容器２０４を収容しており、それは柔軟袋であってよい。プレート２０６（金属、又は不活性且つ剛体のプラスチック材料から形成し得る）は、柔軟袋２０４に接触して、又はそれに近接して配置される。プレート２０６は、バネ２１０の力を受けている。本発明の範囲内である限り、バネ２１０は、図２に示すようなコイルバネを用いることも、又は「弓」型バネを用いることもできる。バネの種類の選択は、形状因子及びシステムの燃料送出要件にも左右される。

例示的実施形態では、プレート２０６は、その輪郭が、カートリッジ２０２の内壁の内側輪郭とほぼ等しい形を有する。これによって、当該プレートはカートリッジ内で安定し、バネの最大限の力がプレート２０６に対して直角に作用するようになるため、最大均一圧力が柔軟袋２０４に適用される可能性が増す。当該袋は、最初は完全に満たされていることが好ましく、実質的に空気又はその他のガスを全く含まない。液体燃料がＤＭＦＣにより消費されるにつれて、当該袋は収縮し、圧縮バネは伸びて長くなり、袋２０６を加圧し続け、燃料をＤＭＦＣにほぼ一定の流量で供給する。

代替実施形態を図３に示す。カートリッジ３０２は、プレート３０６がその隣に配置されている柔軟袋３０４を備えている。エラストマー又は拡張可能フォームとし得る拡張可能材料３１０が、プレート３０６に接触してバネの代わりに容器内に配置されており、それはプレート３０６に圧力をかけ、次いでプレート３０６が袋３０４に力を加える。図２又は図３のいずれの実施形態においても、加圧要素、即ちバネ又は拡張可能材料は、袋に十分な力を加えそれを圧縮し、こうして袋内の圧力が増加し、袋を破裂させることなく液体を流出させる。具体的圧力は、本発明が使用される用途や、例えば使用される材料に左右される。

導管２２４（図２）及び導管３２４（図３）は、ＤＭＦＣへ燃料流をもたらす。例示的な一例によれば、カートリッジ２０２の導管２２０は、シール又はプラグ２２４で封止されている。燃料を袋から取り出してＤＭＦＣへと送るために、針２２３を用いて、シール２２４及び柔軟袋２０４に穴を開けることができる。針２２３には、容器を廃棄する際に袋に裂け目をつくることのできる破裂構成要素２２３１を含むことができる。これによって、先述のように、添加物を混合することができる。当該開示の本態様の詳細は、本願と出願人を同じくする2001年2月20日付けの、"MULTIPLE-WALLED FUEL CONTAINER AND DELIVERY SYSTEM"と題された米国特許出願第09/788,768号において説明されており、参照することによってその内容の全てを本明細書に取り入れることとする。

当業者には理解されるように、燃料の流れを制御するために、容器又はＤＭＦＣシステム内のいずれかにバルブを配置することが好適である。ＤＭＦＣへ燃料を送るために、図５Ａ及び５Ｂにおいて示すように、外部タンクを傾斜側面７６を有するように形成することはさらに好適であり得る。

当該バルブには、図４に示すように絞り弁を用いることができる。図４は、本発明４０４の燃料容器及び送出アセンブリから燃料が供給されているＤＭＦＣ４０３を含む直接メタノール燃料電池システム４０２を表す。本発明の本実施形態では、ＤＭＦＣシステム４０２は、絞り弁４０６を備える。絞り弁４０６は、接続されているマイクロプロセッサ又はその他の制御論理により実行され得る指示に従って機能する制御システムによって駆動される。

燃料は、燃料容器及び送出アセンブリ４０４から放出され、絞り弁４０６を通り、ポンプ４２４、内部タンク（図示せず）、そしてＤＭＦＣ４０３の燃料極チャンバへと送られる。燃料として使用されるメタノール溶液の濃度変更は、燃料極再循環ループ４１０、４２０を介して受け取られる未反応メタノールから決定される情報、又は燃料電池システム内におけるその他の調整パラメータに基づく情報に応じて、なし得る。メタノール溶液の濃度を調節することによって、どのＤＭＦＣにおいても例によって取り組まれているメタノールクロスオーバー及び水のキャリーオーバーに関する問題を抑えることができ、当該ＤＭＦＣシステムはより広範な電力需要プロファイルを用いて電力を供給することができる。

本発明の燃料容器及び送出アセンブリのさらなる２つの実施形態を、それぞれ図５Ａ及び図５Ｂに詳細に示す。図５Ａでは、燃料容器及び送出アセンブリ５００ａは、燃料カートリッジ５０２ａを備えている。燃料カートリッジ５０２ａは、燃料を収容している半剛体の袋、即ちエンベロープ５０４ａを有する。図示する実施形態では、当該袋は、互いに結合している２枚の袋材料から構成し、燃料を貯蔵するエンベロープを製造することができる。該エンベロープは燃料が消費されるにつれて収縮する傾向がある。当該袋は、プレート５０６ａ及びバネ５１０ａにより圧力を加えられる。加えて、図５Ａに図示する実施形態では、じょうご形になるような方法によって袋を製造するのが好適である。この方法では、メタノールは、燃料容器５００ａと燃料電池の燃料極側へとつながるシステム構成要素との間の境界に位置する導管５２４ａに近い、より狭い端の方に送られる。

図５Ｂでは、燃料容器及び送出アセンブリ５００ｂは、蛇腹構造をした袋５０４ｂを収容しているカートリッジ５０２ｂを有する。蛇腹型の袋は、関連装置の作動時に燃料が消費された時に、一部収縮した袋部分がメタノールの流れをさえぎらないように、選択的に折り畳まれる。説明した他方の実施形態の場合と同様に、バネ５１０ｂがプレート５０６ｂに作用して、それによって蛇腹形の袋５０４ｂが圧縮される。

本発明はまた、燃料容器及び送出アセンブリ内に備えられるべき、簡便且つ正確な燃料計を提供する。図６に示すように、燃料容器及び送出アセンブリ６００は、アセンブリ６００内の燃料の量を可視表示する、透明な窓であってよい、燃料計６０４を備える外側容器６０２を有する。カートリッジ６０２は、燃料が消費され収縮するにつれて、色付きプレートを導管６２４の方へ（及びメータ６０４の窓を介して視認されるように）当該アセンブリの一方の端の方へ移動させる袋（図６では示さず）を備える。

当該メータは、容易に較正することができる。バネが伸びるにつれて、燃料は消費され、そしてプレートはアセンブリの導管が位置する端の方へ移動する。プレート（着色やマーキングなどでより見え易くすることができる）がメータとして機能するように、カートリッジ６０２の一部が切除され、生じた開口部に透明な材料が配置される。図６の窓６１０は、本実施形態を図示しており、当該説明図では、燃料カートリッジが満杯の状態の１／２〜３／４であることが示されている。

本発明の他の実施形態によると、加圧要素は、図７のアセンブリ７００における要素７１０ａと７１０ｂのような軸要素の組み合わせとすることができる。本実施形態では、カートリッジ７０２は袋７０４を備える。要素７１０ａ及び７１０ｂは、プレート７１２ａ及び７１２ｂにそれぞれ作用する弓型バネである。プレート７１２ａ及び７１２ｂは、袋７０４を圧縮する。その他の種類のバネ又は他の要素も、本発明の範囲内にとどまる限り、要素７１０ａ及び７１０ｂの材料（上述の拡張可能材料など）として選択することができる。本発明の本実施形態は、より小幅の装置が関わる、又は異なる圧力が望ましい状況下で、特定の形状因子を満たすために特定の用途において好適であり得る。

図８Ａ及び８Ｂは、袋８０４を備えたカートリッジ８０２を有する燃料容器及び送出アセンブリ８００を図示している。袋８０４は、一端８０８において移動サブアセンブリ８１０で圧縮されている。移動サブアセンブリ８１０は、軸８２２の周りに巻かれた定荷重バネ８２０を含む。軸８２２は、ガイドに沿って移動し、加圧要素８２６を袋８０４へ押し付け、液体燃料を導管８２４から流出させる。燃料が袋から流出する時、移動アセンブリは、もう燃料を含まない袋の一部８０８が加圧要素８２６内の（又はそれに隣接した）開口部の中を通れるようにする。従って、袋の燃料を含んでいる部分は、圧力がかかったままである。

本発明の本実施形態の第２の態様は、バネ８２０（図８Ｂ）として圧縮バネを備える。軸及び袋は、機械的に一体化されているか又は結合されており、バネが軸を回転させ、袋の容積を最小化する。燃料が導管８２４を通って流出する際、軸は回転し続け、袋８０４を加圧し、関連するバルブが開いた時に燃料を流出させる。

図９に図示するように、移動サブアセンブリにロッキングシステムを備え付けることができる。本発明の本態様によれば、軸８２２は、定荷重バネ８２０の作用下で、ラチェット歯９０４を備えるのこぎり状トラックを有するガイド９０２に沿って移動する。軸８２２は、ラチェット歯９０４内に収まり、ガイド９０２に沿って前方に移動し得るが、反対方向である後方へは移動できない。当該ロッキングシステムは、移動アセンブリが後退するのを阻止し、圧力の損失及び燃料電池への燃料の流れを防止する。

あるいはまた、ロッキングシステムを装着したカートリッジは、好ましくない燃料の流れを防止するために使用することができる。図１０Ａ及び１０Ｂに図示したこの代替システムでは、剛体壁１００１を備えるカートリッジ１０００は、ローラ１０１０に固定されているか、さもなければ機械的に結合されている燃料袋１００８を収容している。前記ローラは、２つの移動制限要素１０１４ａ及び１０１４ｂに自身も固定されている軸１０１２（図１０Ｂ）に固定されている。当該軸にはコイルバネ１００３が取り付けられており、それはまた一方の移動制限要素（１０１４ａ）にも取り付けられている。コイルバネ１００３のねじり動作（図１０Ｃ）によって、アセンブリが前方に引っ張られ袋が圧縮され、燃料がシステムに送出されるにつれてその容積が減少する。コイルバネのねじり動作によって適用される圧力は、コイルバネのバネ定数を較正することで調整することができ、それによって、確実に燃料が燃料電池システムに送出されるのに十分な圧力であって且つバルブ遮断圧力を超えない圧力を適用することができる。一方の移動制限要素の表面にはつる巻きバネ１０１５が取り付けられており、それは剛体壁内面に固定化されている。ローラ、軸、つる巻きバネ、及び移動制限要素は、まとめて、ローラアセンブリ１０１６と呼ばれる。当該ローラアセンブリは、カートリッジ内に延在している又は外壁を介してアクセス可能な溝の中に収まっている軸と共に、カートリッジ内に配置されている。

図１０Ａに図示するように、２組のトラックがカートリッジの内面に一体化あるいは機械的に取り付けられており、その各々は平滑トラック１００４ａ、ｂと歯状トラック１００２ａ、ｂから構成されている。カートリッジが、ＤＭＦＣシステムの外側にある場合は、つる巻きバネが伸び、ローラアセンブリを歯状トラックへ押し付ける。軸の長軸に力が加えられると、ローラアセンブリは平滑トラック上へ移動し、そこでコイルバネによって前方へ移動することができる。バネが伸びて燃料袋の容積を減少させるにつれて燃料袋に圧力が加わり、関連するバルブが開かれた時に流れが生じる。力が緩和されると、ローラは歯状トラックに押し返され、定位置にロックされる（図１０Ｄ）。

力は挿入プロセスを介して適用することができ、そこでは、軸に圧力を適用し移動制限要素を平滑トラック上に押しやる装置と結合している特別設計された開口部の中へカートリッジを押し入れることによって軸に圧力が加わる。カートリッジを前記装置から取り外すと、軸への圧力は解除され、つる巻きバネがローラアセンブリを歯状トラック上に押しやり、前方に移動するのが阻止される。当業者は、バネの機能を単一の構成要素に統合させ得ることや、移動させるべき燃料容積及び形状因子に応じて追加のバネを使用することが必要になり得ることは理解されよう。

本発明の他の態様を図１１に図示する。図１１は、燃料容器及び送出アセンブリ１１０２によって供給を受ける燃料電池１１０１を含む燃料電池システム１１００の一部を表している。当該燃料容器及び送出アセンブリは、内部カートリッジ１１０４を収容する剛体シェル構造１１０３を有する。内部カートリッジ１１０４は、燃料水溶液を含む折り畳み式バッグ又は柔軟袋１１０５を収容している。燃料容積が燃料消費と共に減少するにつれて、折り畳み式バッグ１１０５は、容積変化に対応する。本発明の本実施形態では、内部カートリッジ１１０４を交換することができる。交換可能カートリッジ１１０４は、燃料がその中を通って任意選択のポンプ１１０８の方へ、即ち燃料電池１１０１の方へ送られる、燃料流出口導管（燃料出口ポートとも呼ばれる）１１０６を備える。それに加え、交換可能燃料カートリッジ１１０４は、未使用の燃料を燃料容器１１０２へ再循環させることを可能にする燃料返却ポート１１１０を備えている。この構成により、比較的低濃度のメタノールを利用することが可能となる。メタノール濃度が有用なレベルを下回り、使用可能燃料が消費された場合には、該カートリッジを取り外して廃棄することができる。

本発明の代替態様によれば、図１１に図示する実施形態は、バネ１１１２（又は拡張可能フォームなどの他の加圧要素）を備えており、最初に投入した燃料が燃料電池にポンプ１１０８を必要とすることなく送られるように燃料に圧力をかけることができる。加えて、この初回投入分は、ポンプに呼び水を差すために使用することができ、こうして初回のポンプ作動に必要な電気エネルギーを蓄える必要がなくなる。システムが燃料で満杯になると、ポンプを始動させるのに必要な電気エネルギーは燃料電池によって生成される。

図１２は、代替実施形態を図示しており、そこでは、燃料電池システム１２００は、燃料容器及び送出アセンブリ１２０２から燃料の供給を受ける１つの燃料電池１２０１（又は複数の燃料電池）を有する。本実施形態では、燃料容器及び送出アセンブリは、２つの燃料袋（又はバッグ）１２０５ａ及び１２０５ｂを収容している使い捨て容器１２０４を備える。これによって、異なる濃度の燃料を燃料電池１２０１に送ることが可能となる。より詳細には、高メタノール濃度の燃料は、容器１２０５ａから燃料出口１２０６ａを経由して任意選択のポンプ１２０８ａを介して送ることができる。より低いメタノール濃度の燃料は、容器１２０５ｂから燃料出口１２０６ａを経由して任意選択のポンプ１２０８ｂを介して送ることができる。燃料濃度は、高濃度及び低濃度の燃料を切り替えることによって、制御できる。二酸化炭素ガスは、燃料極において放出することができる。フィードバック機構を用いて、電池温度、メタノール濃度などの選択パラメータを用いて、バルブ動作を制御することができる。

必要ならば、代替実施形態では、折り畳み式バッグ１２０５ａ及び１２０５ｂを、バネ１２１２などのバネ、又はフォームなどの気体又は柔軟な拡張可能材料でわずかに加圧することができる。図１１の実施形態と同様に、圧力を用いて燃料の初回投入をもたらし、電池を始動させることもできる。

各実施形態に関して説明した構成概念は、本発明の範囲内において、様々な変更がなされ得ることを理解されたい。さらに、特定の状況においては、特定の用途に応じて、燃料が消費されるにつれ圧力が増加する又は減少するように加圧要素を製造することが有用であり得る。これは、種々の種類の材料を選択することで実現することができる。当該パラメータはまた、選択されるバネの形状に依存して変更することもできる。さらに、例示的実施形態では、バネの中心から外側へ力をかける圧縮バネを用いているが、バネの中心へ引っ張る力をかける引っ張りコイルバネを用いることもでき、本発明はかかる選択を組み込むのに容易に調整可能である。

カートリッジ２０２と袋２０４（図２）との間に画定されるプレナム２１２において望まれるように、色、臭い及び風味を燃料又はその他の液体に付与する安全性向上添加物を貯蔵することもできる。これらの物質を本法で貯蔵することに関する詳細は、2001年2月20日付けの、"MULTIPLE-WALLED FUEL CONTAINER AND DELIVERY SYSTEM"と題された米国特許出願第09/788,768号にて説明されており、先述のように参照することで本明細書に取り入れることとする。そこで説明されているように、容器はまた、柔軟袋の破裂時に燃料が添加物と混合されるように、袋に裂け目を作るような袋に関連する破裂構成要素を備えることができる。

上述のように、本発明はまた、メタノール又はメタノールと水との混合液以外の燃料も用い得ることを理解されたい。

前述の説明は、本発明の特定の実施形態に関するものであった。しかしながら、かかる発明の一部又は全ての利点を実現しながら、説明した実施形態に対して他の変更及び修正をなし得ることは明らかであろう。従って、添付の特許請求の範囲が目的とすることは、本発明の真の趣旨及び範囲から逸脱することなく、かかる全ての変更及び修正を対象を網羅することである。

本発明を利用し得る直接メタノール燃料電池システムのブロック図加圧要素がバネであるところの、本発明の燃料容器及び送出アセンブリの一実施形態の概略断面図加圧要素が拡張可能材料であるところの、本発明の燃料容器及び送出アセンブリの一実施形態の概略断面図燃料のＤＭＦＣへの流れを制御する絞り弁も備える、図１記載のものに類似の直接メタノール燃料電池システムのブロック図じょうごの形をした本発明の燃料容器及び送出アセンブリの一実施形態の概略断面図燃料容器及び送出アセンブリが蛇腹型柔軟袋を備えている、図５Ａ記載の実施形態の概略断面図燃料計を備える本発明の燃料容器及び送出アセンブリの一実施形態の概略図軸方向に配置された加圧要素を備える燃料容器及び送出アセンブリの一実施形態の概略断面図定荷重バネ及び移動サブアセンブリを備える燃料容器及び送出アセンブリの一実施形態の概略断面図図８Ａ記載の装置の平面図ロッキングシステムを備える、本発明による加圧要素の一実施形態の平面図燃料が消費される際に燃料袋及び関連ローラが移動し得るトラックを有する、本発明の一実施形態の燃料カートリッジの断面図図１０Ａ記載のトラックに沿って移動する袋及びローラアセンブリの概略平面図加圧要素がコイルバネであるところの、本発明の燃料容器及び送出アセンブリの一実施形態の側面図図１０Ｂ記載のアセンブリで使用される歯状トラックの概略側面図燃料再循環機能を有する使い捨て燃料カートリッジを内蔵した、本発明の燃料容器及び送出アセンブリの一実施形態の概略断面図２つの袋サブアセンブリが高濃度燃料及び低濃度燃料を供給するところの、燃料容器及び送出アセンブリの一実施形態の概略断面図

Claims

（Ａ）膜電極アセンブリを備える直接酸化燃料電池システムと、
（Ｂ）燃料源と、
（Ｃ）前記燃料源に接続されている燃料容器であって、
(ｉ)前記燃料源から燃料が注入された際に実質的に完全に拡張し、且つ前記膜電極アセンブリに燃料を供給するために前記膜電極アセンブリに接続されている導管を有する、内部柔軟袋と、
(ｉｉ)前記袋内に収容されている燃料が前記導管を通って前記膜電極アセンブリの方へ送られるように、前記柔軟袋に力を加えるために前記燃料容器内に配置されている加力アセンブリと、
を備える燃料容器と、
を含む液体供給燃料電池システム。
前記加力アセンブリが前記容器内部に配置されている圧縮バネであり、前記圧縮バネが、前記柔軟袋に力を加えて前記容器に対して前記柔軟袋を圧縮し、それによって前記袋から燃料を送る、請求項１に記載の液体供給燃料電池システム。
前記加力アセンブリが前記柔軟袋に実質的に隣接して前記容器内部に配置されている拡張可能材料であり、前記拡張可能材料が前記袋に力を加えて前記容器に対して前記袋を圧縮し、それによって前記袋から燃料が送られる、請求項１に記載の液体供給燃料電池システム。
前記容器が、一端における断面が前記導管に向かって徐々に狭くなる、じょうごの形をしており、それによって燃料流が前記導管に向かう、請求項１に記載の液体供給燃料電池システム。
前記袋が、蛇腹構造になっている、請求項１に記載の液体供給燃料電池システム。
前記燃料容器が、燃料計を備える、請求項１に記載の液体供給燃料電池システム。
前記燃料計が、前記容器内の透明窓、前記容器に一体化されている可視表示器、及び前記容器の外壁に配置されている目盛りスケールを備えており、それによって前記加力アセンブリによって前記柔軟袋が圧縮され前記袋から燃料が消費される際に、燃料量の可視表示がもたらされる、請求項６に記載の液体供給燃料電池システム。
前記加力アセンブリが、前記袋に対して実質的に軸方向に配置されている複数の弓型バネを備え、それによって前記弓型バネが前記袋を圧縮する、請求項１に記載の液体供給燃料電池システム。
前記加力アセンブリが、軸の周りに巻かれた圧縮バネを備える、請求項１に記載の液体供給燃料電池システム。
ガイドに沿って前方、即ち力を及ぼす方向へ前記軸を移動させるが、前記燃料容器及び送出システムが前記燃料電池システムから取り外された際には前方移動を阻むラチェット歯を備える前記ガイドをさらに含む、請求項１に記載の液体供給燃料電池システム。
前記燃料源に接続されている前記燃料容器が、
（Ａ）前記燃料源からの燃料で満たされている際に実質的に完全に拡張し、且つ前記膜電極アセンブリに燃料を供給するために前記膜電極アセンブリに接続されている導管を有する、内部柔軟袋と、
（Ｂ）前記柔軟袋に接続されている少なくとも１つの移動要素と、該移動要素に対して作用する少なくとも１つの加力アセンブリとを備え、それによって前記袋に収容されている燃料が前記導管を通って前記膜電極アセンブリへ送られるように前記移動要素が前記袋を圧縮する、移動アセンブリと、
を備える、請求項１に記載の液体供給燃料電池システム。
前記加力アセンブリが、軸の周りに巻かれた圧縮バネである、請求項１１に記載の液体供給燃料システム。
前記軸がガイドに沿って配置されており、且つ前記軸が前記ガイドに沿って移動する際に前記移動要素が前記袋を圧縮するように前記圧縮バネが働きかける、請求項１２に記載の液体供給燃料電池システム。
前記ガイドが、前記ガイドに沿って前方、即ち力を及ぼす方向に前記軸を移動させるが、前記燃料容器及び送出システムが前記燃料電池システムから取り外された際には前方移動を阻むラチェット歯を備えている、請求項１３に記載の液体供給燃料システム。
前記燃料容器が、前記内部柔軟袋を収容しており且つ前記外側容器の内壁と前記内部柔軟袋との間にプレナムを画定する前記容器をさらに含み、前記プレナムが１つ又は複数の添加物混合物で満たされており、前記アセンブリの破裂時に前記燃料が前記添加物と混合される、請求項１に記載の液体供給燃料電池システム。
前記柔軟袋の破裂時に前記燃料が前記添加物と混合されるように前記袋内に裂け目を生じさせる、前記袋に関連する破裂構成要素をさらに含む、請求項１５に記載の液体供給燃料電池システム。
前記燃料容器が、２つの相対するトラックを備え、第１のトラックは一連の滑らかなガイドであり、第２のトラックは一連の移動制限要素であり、且つ前記移動アセンブリが、前記移動制限要素の歯の中に収まる寸法の２つの相対するユニットを有する軸、並びに前記軸上に配置され、その両側に前記ユニットが位置する移動要素を備えており、それによって、燃料が消費されるにつれて前記移動要素が前記柔軟袋に沿って回転し前記袋を圧縮し、そしてローラであるところの前記移動要素が前記袋に沿って移動する際に、前記ユニットが前記移動制限要素の前記溝の中に配置されている場合に位置を固定することのできる、請求項１１に記載の液体供給燃料電池システム。
前記移動要素が、前記軸の周りに巻かれたねじれバネも備え、前記バネの圧力によって移動要素が移動し、前記袋を圧縮し、それによって、燃料電池によって燃料が消費される際に燃料が前記導管を通って前記膜電極アセンブリに送られる、請求項１７に記載の液体供給燃料電池システム。
前記柔軟袋を備えた前記燃料容器を収容する外部剛体シェルをさらに含んで成り、且つ前記燃料容器が前記外部剛体シェル内に収まる交換可能カートリッジであり、それによって、前記柔軟袋内の使用可能燃料が消費されると、前記燃料容器を前記剛体シェルから取り外して廃棄することができる、請求項１に記載の液体供給燃料電池システム。
前記剛体シェル内に配置されており、且つ前記袋に力を加える加力アセンブリをさらに備え、それによって、燃料が前記導管を通って前記膜電極アセンブリへと送られる、請求項１９に記載の液体供給燃料電池システム。
（Ａ）膜電極アセンブリを備える直接酸化燃料電池と、
（Ｂ）液体燃料源と、
（Ｃ）前記液体燃料源に接続されている燃料容器であって、前記液体燃料で満たされる際に実質的に完全に拡張する折り畳み式バッグである内部柔軟袋を備え、且つ前記液体燃料を前記直接酸化燃料電池に供給するための燃料出口導管及び前記燃料電池で消費されなかった燃料を前記燃料容器へ再循環されるための燃料入口経路を有する燃料容器と、
（Ｄ）前記燃料出口導管を通して燃料を送出するための、前記燃料容器内部に配置されている加力アセンブリと、
を含む液体供給燃料電池システム。
前記折り畳み式バッグに収容されている燃料が前記燃料出口導管を通って前記燃料電池へ送られるように前記折り畳み式バッグに対して作用する、前記燃料容器内部に配置されている加力要素をさらに備える、請求項２１に記載の液体供給燃料電池システム。
前記燃料容器と前記燃料電池との間で燃料を輸送するための、前記燃料出口導管と前記燃料電池との間に接続されているポンプをさらに含む、請求項２２に記載の液体供給燃料電池システム。
前記燃料容器が、様々な濃度の液体燃料を含んでいる複数の折り畳み式バッグを収容する外部剛体シェルを備える、請求項２３に記載の液体供給燃料電池システム。
前記外部剛体シェルが、高メタノール濃度の燃料物質を含む第１の折り畳み式バッグと、低メタノール濃度の燃料物質を含む第２の折り畳み式バッグとを収容している、請求項２４に記載の液体供給燃料電池システム。
前記外部剛体シェル内に配置された少なくとも１つの加力要素を含み、それによって前記折り畳み式バッグの少なくとも１つに力が及ぼされ、燃料が前記導管を通って前記燃料電池へ送られる、請求項２５に記載の液体供給燃料電池システム。
前記燃料電池への前記高濃度燃料物質の送出を制御するよう機能する高メタノール燃料物質に関連する燃料出口導管に接続している第１バルブと、前記燃料電池への前記低濃度燃料物質の送出を制御するよう機能する低濃度の燃料物質に関連する燃料出口導管に接続されている第２バルブとをさらに含む、請求項２６に定めた液体供給燃料システム。
前記折り畳み式バッグに作用する少なくとも１つの加力要素を備える加力アセンブリをさらに含み、それによって、前記加力要素が前記バッグを圧縮し、前記バッグに収容されている燃料が前記関連する導管を通って前記直接酸化燃料電池へと送られる、請求項２７に記載の液体供給燃料電池システム。
関連する液体供給直接酸化燃料電池と共に使用する燃料容器及び送出アセンブリであって、
（Ａ）関連する燃料源に接続されている外側容器と、
（Ｂ）前記外側容器内部に配置されている内部柔軟袋であって、前記燃料源からの液体燃料で満たされると実質的に完全に拡張し、且つ燃料を前記燃料電池の膜電極アセンブリに供給するために液体供給燃料電池に接続されている導管を有する、内部柔軟袋と、
（Ｃ）前記柔軟袋に接触して配置されている少なくとも１つの加力要素を備え、それによって前記袋が圧縮され、燃料が前記導管を通って前記燃料電池に送られる、加力アセンブリと、
を含む燃料容器及び送出アセンブリ。
前記燃料容器を収容する剛体シェルをさらに含み、前記燃料容器が、前記燃料供給の尽きた時に前記外部剛体シェルから除去及び廃棄することのできる使い捨てカートリッジである、請求項２９に記載の燃料容器及び送出アセンブリ。
前記加力アセンブリが、プレートと接触して前記容器内部に配置されている圧縮バネであり、前記バネの作用によって前記プレートが前記柔軟袋に対して圧縮され、それによって燃料が前記柔軟袋から送られる、請求項１に記載の液体供給燃料電池システム。
前記加力アセンブリが、前記柔軟袋に実質的に隣接して前記容器内に配置されているフォーム材料であり、前記フォーム材料が前記袋に力を加え、前記袋を前記容器に対して圧縮し、それによって燃料が前記袋から送られる、請求項１に記載の液体供給燃料電池システム。
前記加力アセンブリが、前記柔軟袋の制御された収縮をもたらす手段を含む、請求項１に記載の液体供給燃料電池システム。
前記燃料容器が、前記柔軟袋の収縮のされ方を制御する２本の溝を含む、請求項１１に記載の液体供給燃料電池システム。
前記燃料容器と前記膜電極アセンブリとの間に配置された調節可能なバルブアセンブリをさらに含む、請求項１に記載の液体供給燃料電池システム。
実質的に剛体である外側容器と、
前記外側容器内に配置され且つ燃料を収容している柔軟袋と、
前記柔軟袋に対して力を加え燃料を前記柔軟袋から送り出すように、少なくとも一部が前記外側容器内に配置されている加力アセンブリと、
を含む、直接酸化燃料電池と共に使用する燃料送出要素。
前記加力アセンブリが、実質的に前記外側容器内に配置されている、請求項３６に記載の燃料送出構成要素。
前記加力アセンブリの全体が、前記外側容器内に配置されている、請求項３７に記載の燃料送出容器。
前記加力アセンブリが、前記柔軟袋に接触して前記容器内に配置されている圧縮バネを含み、前記圧縮バネが前記柔軟袋に力を加えて前記燃料を送る傾向がある、請求項３６に記載の燃料送出構成要素。
前記加力アセンブリが、プレートに接触して前記容器内に配置されている圧縮バネであり、前記バネの作用によって前記プレートが前記柔軟袋に対して圧縮され、それによって燃料が前記柔軟袋から送られる、請求項３６に記載の燃料送出要素。
前記加力アセンブリが、前記袋に実質的に隣接して前記容器内に配置されている拡張可能材料であり、前記拡張可能材料が前記袋に力を加え、それによって燃料が送られる、請求項３６に記載の燃料送出構成要素。
前記加力アセンブリが、前記柔軟袋に実質的に隣接して前記容器内に配置されているフォーム材料であり、前記フォーム材料が前記袋に力を加え前記袋を前記容器に対して圧縮し、それによって燃料が前記袋から送られる、請求項３６に記載の燃料送出要素。
前記加力アセンブリが、前記柔軟袋の制御された収縮をもたらす手段を含む、請求項３６に記載の燃料送出要素。
前記容器が、燃料の流れが導かれる一端において徐々に狭くなる断面を有する、じょうごの形をしている、請求項３６に記載の燃料送出要素。
前記袋が、蛇腹構造である、請求項３６に記載の燃料送出要素。
前記燃料容器が、燃料計を備える、請求項３６に記載の燃料送出要素。
前記燃料計が、前記容器内の透明窓、前記容器に一体化されている可視表示器、前記容器の外壁に配置されている目盛りスケールを備えており、それによって、燃料が前記袋から消費される際に、燃料量の可視表示が前記窓を介してもたらされる、請求項４６に記載の燃料送出要素。
前記燃料計が、前記容器内の透明窓、及び前記容器内部に配置されている可視表示器を備える、請求項４７に記載の燃料送出要素。
前記燃料計の前記可視表示器が、前記加力アセンブリ上に配置されている、請求項４８に記載の燃料送出要素。
前記加力アセンブリが、前記袋に対して実質的に軸方向に隣接して配置されている弓型バネからなる複数の加力要素を備え、それによって前記弓型バネが前記袋を圧縮する、請求項３６に記載の燃料送出要素。
前記加力アセンブリが、軸の周りに巻かれた圧縮バネである、請求項３６に記載の燃料送出要素。
ガイドが、軸を前記ガイドに沿って前方、即ち、力を加える方向へ移動させるラチェット歯を備える、請求項５１に記載の燃料送出要素。
柔軟袋を備えた前記燃料容器を収容する外部剛体シェルをさらに含み、且つ前記燃料容器が前記外部剛体シェル内に収まる交換可能カートリッジであり、それによって、前記柔軟袋内の使用可能燃料が消費されると、前記燃料容器を前記剛体シェルから取り外し廃棄することができる、請求項５１に記載の燃料送出要素。
前記袋に力を加える、前記剛体シェル内部に配置された加力要素をさらに含み、それによって燃料が関連する燃料電池に送られる、請求項５３に記載の燃料送出要素。
前記燃料容器と前記膜電極アセンブリとの間に配置された調節可能バルブアセンブリをさらに含む、請求項３６に記載の燃料送出要素。
燃料で満たされると実質的に完全に拡張する柔軟袋を備えた燃料容器を収容している外部剛体シェルであって、前記燃料容器が前記外部剛体シェル内に収まる交換可能カートリッジであり、それによって前記柔軟袋内の使用可能燃料が消費されると、前記燃料容器を前記剛体シェルから取り外し廃棄することのできる、外部剛体シェルと、
前記柔軟袋と関連しており、前記柔軟袋を収容している前記燃料容器と直接酸化燃料電池の関連燃料極チャンバとの間に液体連通をもたらす、導管と、
を含む、直接酸化燃料電池と共に使用するための燃料送出システム。
前記柔軟袋に力を加える、前記剛体シェル内に配置された加力アセンブリをさらに含み、それによって燃料が前記導管を通って前記直接酸化燃料電池の前記燃料極チャンバに送られる、請求項５６に記載の燃料送出システム。
前記燃料容器と前記膜電極アセンブリとの間に配置された調節可能バルブアセンブリをさらに含む、請求項５６に記載の燃料送出システム。
前記燃料送出システムが、燃料計を備える、請求項５６に記載の燃料送出システム。
前記燃料計が、前記容器内の透明窓、前記容器と一体化されている可視表示器、及び前記容器の外壁に配置されている目盛りスケールを備えており、それによって、燃料が前記袋から消費される際に、燃料量の可視表示が前記窓を介してもたらされる、請求項５９に記載の燃料送出システム。
前記燃料計が、前記容器内部に配置されている可視表示器を備える、請求項６０に記載の燃料送出システム。
前記燃料計が、前記加力アセンブリ上に配置された可視表示器を備える、請求項６０に記載の燃料送出容器。
関連する直接酸化燃料電池において消費されることになる燃料物質で柔軟袋を満たすステップと、
前記柔軟袋を外側容器内に配置するステップと、
前記外側容器及び前記柔軟袋を前記関連する直接酸化燃料電池の燃料極チャンバと流体連通するように配置するステップと、
前記柔軟袋に力を加え燃料が前記直接酸化燃料電池に連続的に供給されるように、燃料を連続的に前記導管へ送るステップと、
を包含する、燃料を直接酸化燃料電池へ送出する方法。
前記直接酸化燃料電池に追加の燃料が必要な時に、追加の力を加えてより多量の燃料を要求に応じて送るステップをさらに包含する、請求項６３に記載の方法。
前記力が、バネを用いて加えられる、請求項６３に記載の方法。
前記力が、拡張可能材料を用いて加えられる、請求項６３に記載の方法。
前記力が、フォーム素材を用いて加えられる、請求項６３に記載の方法。
前記力が、加力方向にて前記袋の方に移動する移動アセンブリを用いて加えられ、それによって前記袋から前記導管へと燃料が送られる、請求項６３に記載の方法。
調節可能バルブアセンブリを用いて前記柔軟袋からの燃料の送出を制御するステップをさらに包含する、請求項６３に記載の方法。
前記柔軟袋の収縮を制御することによって、燃料の送出を制御するステップをさらに包含する、請求項６３に記載の方法。