JP2006523937A - 直接酸化燃料電池に燃料を補給するための装置 - Google Patents

Abstract

直接酸化燃料電池用の燃料補給装置。燃料補給カートリッジは、燃料電池に結合した燃料級ポートと幾何学的にキー合わせされた継ぎ手を備える。継ぎ手を燃料供給ポートに適切に接続することによって、燃料流路が開状態となり、カートリッジから燃料電池へと燃料が通過し得る。継ぎ手を燃料供給ポートから外すと、燃料流路は閉状態となる。燃料補給は、迅速に、問題が起こらず、安全な方法で達成される。

Description

本発明は、概して、直接酸化燃料電池の分野に関し、より詳細には、直接酸化燃料電池に燃料を補給するための装置に関する。

燃料電池は、電気化学反応を利用して電気を生成する装置である。電池の構成要素として選択した材料に応じて、燃料に用いるのに種々の物質が適し得る。メタノールや天然ガスなどの有機物質は、それらの高い比エネルギーの理由から、魅力のある選択肢である。

燃料電池システムは、「改質器ベース」のシステム（即ち、燃料電池システムに導入する前に、燃料から水を取り出すようないくつかの方法で燃料を処理するもの）、又は別個の中間処理や外部処理を要することなく電池に直に燃料が供給される「直接酸化」システムに分類することができる。最近利用し得る燃料電池は、改質器ベースの燃料電池システムである。しかしながら、燃料の処理は費用がかかり、相当の大きさを要するため、改質器ベースのシステムは、現在、比較的高出力の用途に限られている。

直接酸化燃料電池システムは、比較的大型の用途だけではなく、比較的小型の可搬式機器（例えば、ワイヤレスホン、手持ち式及びラップトップコンピュータ）における多数の用途により適する。典型的に、直接酸化燃料電池では、水溶液状態の炭素含有液体燃料が、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）の燃料極側に適用される。ＭＥＡは、プロトン伝導性であるが電子伝導性ではない膜（ＰＣＭ）を含む。典型的に、燃料極において燃料の直接酸化を可能にする触媒が、当該ＰＣＭの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存在する）。プロトン（燃料極反応に関与する燃料及び水分子中に存在する水素からの）は、電子と分離する。プロトンは、電子に対し非透過性のＰＣＭを通って移動する。よって、電子は、空気極反応に関与する前記プロトン及び酸素分子と再結合するために、異なる経路を探し出し、付加を通って移動し、それによって電力がもたらされる。

直接酸化燃料電池の一種である直接メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）は、携帯型の電子機器に電力を供給することに関して、特に注目されている。しかしながら、広範な大量生産機器にＤＭＦＣを首尾良く組み込むためには、当該電池の燃料補給法の問題に取り組む必要がある。一般に、燃料の補給は、ＤＭＦＣにより電力を供給されている機器の休止時間を最小限とするために迅速に、且つ最小限の説明しか受けていないユーザにより実行される際に安全且つ信頼性の高い方法にて、行われる必要がある。

簡単にまとめると、本発明では、それが電力を供給している装置内に埋め込まれた燃料電池をはじめとする直接酸化燃料に迅速に、容易に且つ安全に燃料を補給することのできる装置が提供される。当該装置は、燃料電池に結合された燃料供給ポートと、前記燃料供給ポートと接続されるように形状及び大きさが決められている継ぎ手を有する燃料補給カートリッジとを備える。継ぎ手は燃料流路を備えており、当該燃料流路が開状態の際にカートリッジから燃料供給ポートに燃料が通過し得る。

好ましい実施形態では、燃料供給ポートと燃料カートリッジ継ぎ手とは、互いに、幾何学的なキーを付されており、それによって、ユーザが、こぼれや漏れにつながり得る不適切な方法でポートと継ぎ手とを接続することが防止される。そのようなキーは、燃料電池を損傷若しくは破損させ得る、不適切な種類の燃料が燃料供給ポートに導入されることを防止する機能も有する。また、燃料供給ポートと継ぎ手とは、ポートと継ぎ手とが適切に接続された際にのみ燃料流路が開状態となり、それによって燃料を流すことができるように、互いに協働することが好ましい。逆に言えば、継ぎ手がポートから外れた際には、燃料流路が閉状態となり、それによってカートリッジからの燃料漏れが防止される。当該装置によって、燃料電池によって電力を供給されている装置を止める必要なく、最小限の事前説明しか受けていないユーザでも、簡便な、問題の起こらない燃料補給を行うことが可能となる。前記燃料補給カートリッジは、好ましくは、他のパーソナルアイテムと同様に、典型的にポケット若しくは財布に入れて、それがユーザによって便利よく運ばれ得るように大きさを決められている。

図１は、内部にある直接酸化燃料電池（図示せず）によって電力供給されているワイヤレスホン２を示しており、それは燃料補給工程にある。ワイヤレスホン２の右側に燃料供給ポート４がある。継ぎ手８によって、燃料補給カートリッジ６が燃料供給ポート４に接続されている。以下に詳しく説明するように、ユーザは、カートリッジ６を用いることで、非常に短時間で内部の燃料電池に安全且つ容易に燃料を補給することができる。燃料供給ポートの側面図である図２Ａや、当該ポートの断面図である図２Ｂに示すように、逆Ｔ字形状の凹部１０が管１２を取り囲んでいる。管１２の外側端部の近くの管表面には開口１４が配置されている。管１２は、それを取り囲んでいる固体物質によって決まった一に保持されている。管１２の内側端部に隣接して、ボールバルブ１８を収容しているチャンバ１６がある。燃料出口２０は、典型的にワイヤレスホン２の内部に配置され且つ内部の直接酸化燃料電池に燃料を供給するところの燃料リザーバ（図示せず）に、チャンバ１６を接続している。凹部１０の上下に、１対の外側表面止め具３２ａ、３２ｂがそれぞれ配置されている。凹部の上面及び下面に、１対の戻り止め具３４ａ、３４ｂがそれぞれ配置されている。

継ぎ手８の側面図である図２Ｃや、燃料補給カートリッジ６及び継ぎ手８の断面図である図２Ｄに示すように、カートリッジ６は、４つの主要な構成要素：継ぎ手８、ボールバルブ２６、燃料リザーバ２８及びユーザ操作のプランジャ３０を備える。継ぎ手８は、燃料供給ポート４に、幾何学的にキー合わせされている。即ち、継ぎ手８は、燃料供給ポート４に適切に接続するよう寸法決めされた、受容管１２用の中央チャンバ２２を有する逆Ｔ字形状の固体部分２４を備える。継ぎ手８はまた、継ぎ手８が燃料供給ポート４に完全に接続された際に戻り止め具３４ａ、３４ｂをそれぞれ受容する１対の窪み３６ａ、３６ｂを備える。燃料リザーバ２８の外表面３８は、どれだけの燃料がリザーバ２８内に残っているかをリザーバに関するプランジャ位置に基づいて示す可視指標が付されている。燃料リザーバ２８は液体燃料を直に保持することができ、又はリザーバ内にブラダ（図示せず）を配置することができる。あるいはまた、燃料リザーバ２８は、供給前に蒸気となる液体燃料や、高粘性若しくはゼリー状の混合物を保持する（又は保持するよう構成される）ことができる。

継ぎ手８は、好ましくは、剛性プラスチック上に、構造的に降伏するシール材料を成形して成る。適切なシール材料としては、フッ素系エラストマー、ＥＰＤＭゴム、ＮＢＲ、Ｎｅｏｐｒｅｎｅ及びＴｙｇｏｎが挙げられる。適切なプラスチックとしては、高密度ポリエチレン、高密度ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタラートあるいはその再生材料及びＤｅｌｒｉｎが挙げられる。リザーバ２８及びプランジャ３０もまた、好ましくは、剛性プラスチックから構成される。管１２は、好ましくは、３１６Ｌのような高品質ステンレス鋼から構成されている。望まれる場合には、管１２の全体若しくは一部を、燃料補給手順の後に残り得る残留燃料を酸化するよう機能する触媒若しくは酵素でコーティングすることができる。触媒若しくは酵素は、チャンバ２２の内側にも同様に用いることができる。

ユーザは単に、燃料補給カートリッジ６を手でつかみ、燃料供給ポート４に継ぎ手８を挿入することで、燃料補給手順を実施することができる。継ぎ手８と凹部１０のキー形状によって、ユーザがこれらの要素を誤った方向で接続しようとすることが防止される。こうすると、管１２はチャンバ２２内に受容される。十分な力をかけることで、管１２はボールバルブ２６に接触し且つ開状態とさせるであろう。それと同時に、戻り止め具３４ａ、３４ｂは、窪み３６ａ、３６ｂと咬み合い、これによって、継ぎ手８が燃料供給ポート４に完全に接続されたという、聞き取れるか又は触知できるフィードバックがユーザにもたらされる。また、継ぎ手８の外側端部にある構造的に降伏するシール材料は、管１２の周囲に、液体不浸透性のシールを形成するであろう。

この時点で、ユーザがプランジャ３０に力をかけると、燃料はリザーバ２８から排出され、ボールバルブ２６、チャンバ２２、次いで管１２へと通過する。十分な圧力を加えると（即ち、圧力が、ボールバルブ１６の閾圧より高い場合）、管１２内の燃料はバルブ１６を開状態とし、そして燃料は出口２０を通って燃料電池のリザーバに供給される。圧力が低下すると、ボールバルブ１６は閉状態となり、それによって管１２への燃料の逆流が防止される。ユーザは、今度は、燃料補給カートリッジ６と燃料供給ポート４とを互いに引き離すことでプランジャに引っ張り力がかかり管１２内の燃料に負圧を加えることで、燃料補給カートリッジ６を燃料供給ポート４から外し、留め具３２ａ、３２ｂを外す。また、その動作によって、ボールバルブ２６はその閉状態の位置へと戻り、リザーバ２８からのさらなる燃料の流れは阻止される。

本発明の代替の実施形態を図３Ａ〜３Ｄに示す。当該実施形態では、燃料供給ポート４は、その中心付近に管４２の配置されている、非対称の「鍵穴」形状の凹部５０を備えている。凹部５０の上部７６は、好ましくは、凹部の下部７８とは異なる形状若しくは大きさ（又はその両方）である。また、内側表面４４、４６は、継ぎ手８の挿入及び回転によって継ぎ手８が燃料供給ポート４へと移動するように、粗いねじ山、好ましくは一回転にも満たないもの、を形成する。継ぎ手８の上部５２と下部５４は、凹部５０の対応部に整合するように形状及び寸法が決められており、上述のようにキー合わせされた装置を形成し、ユーザが燃料供給ポート４と継ぎ手８とを誤った方向にて接続することが防止される。燃料供給ポート４はまた、上述の管１２に構造が類似する管４２を有している。管４２の近くにボールバルブ４３が配置されている。

燃料補給カートリッジ６は、管４２を受容するよう設計されているチャンバ５６を備える。継ぎ手８の外側端部５８は、好ましくは、上述のものと同様のシール材料から構成される。チャンバ５６と燃料リザーバ６２との間には、ボールバルブ６０が配置されている。燃料は、ドライブシャフト６４、スリップクラッチプランジャ６６、止め具７０、スプリング８０、ラチェットギア７２及び容器７４を含んで成るアセンブリを用いてリザーバ６２から排出される。リザーバ６２内の燃料残量の可視指標は、表示スロット６８を通してもたらされる。

ユーザは単に、燃料補給カートリッジ６を手でつかみ、継ぎ手８を燃料供給ポート４に接触して止まるまで挿入し、次いでカートリッジ８を時計回りに回転させることで、図３Ａ〜３Ｄに記載される実施形態の発明を用いて燃料補給手順を実施することができる。この動作によって、継ぎ手８の部分５２及び５４は内部空間４４、４６においてそれぞれ回転し、継ぎ手は効果的に接続位置へと誘導され且つ固定される。同時に、外側端部５８のシール材料は管４２の周囲に液体不透過性のシールを形成し、また、管はボールバルブ６０に接触し開状態位置へと移動させる。

この時点で、ユーザは、容器７４に、例えば時計回りにトルクをかけることができる。この動作によって、プランジャ６６が前進し、燃料は、ボールバルブ６０を通って、チャンバ５６及び管４２へと移動する。ユーザは、背圧を感じるであろうし、スリップクラッチプランジャ６６は、燃料の最大圧を制限するために、ユーザが過剰のトルクをかけることを防止すべく機能する際に、聞き取れる「カチッ」という音などのフィードバックをユーザにもたらすであろう。十分な圧力がかかると（即ち、圧力がボールバルブ４３の閾圧より高い場合）、管４２内の燃料はバルブ４３を開状態とし、燃料は燃料電池のリザーバへと通過するであろう。燃料電池のリザーバが満たされると、スリップクラッチプランジャ６６に停止力が加わるのに十分なまで背圧が高くなり、聞き取れるカチッという音が放出される。ユーザは、今度は、カートリッジを反時計方向に回転させることで、燃料補給カートリッジ６を燃料供給ポート４から外すことができる。これによって、スリップクラッチプランジャ６６及び管４２内の燃料の圧力が緩和される。圧力が低下すると、ボールバルブ４３は閉状態となり、それによって、管４２への燃料の逆流が防止され、継ぎ手をさらに回転させた際の漏れが防止される。また、カートリッジを反時計方向に回転させることによって、ラチェットギア７２が咬み合い、それによって今度は、継ぎ手４の内側表面４４、４６内部で継ぎ手８の構造５２、５４が回転し、管４２がボールバルブ６０から離れ、燃料が遮断される。継ぎ手８の表面５２、５４と継ぎ手４の内側表面４４、４６とが互いに接触するため、さらなる反時計方向への回転は防止される。次いで、ユーザは、それら要素を互いに引き離すことができる。

次いで図４Ａ〜４Ｂに移ると、本発明の第３の実施形態が示されている。当該実施形態では、燃料供給ポート４は、チャンバ８４の近くに配置されたボールバルブ８２を備える。ポート４の外側端部には、前述のものと同様のシール材料８６が設けられている。燃料補給カートリッジ６は、その外側端部に開口９０を、その内側端部に開口９６を有する管８８を備える。管８８の中央部の周囲に止め具／スプリングアセンブリ９２が配置され、アセンブリ９２とボールバルブ９８との間にはシール９４が配置されている。

図４Ｂに示すように、燃料供給ポート４を燃料補給カートリッジ６に接続する際、管８８は横方向に移動し、それによって止め具／スプリングアセンブリ９２が圧縮され、ボールバルブ９８が開状態となり、開口９６は入口１００を介してリザーバ（図示せず）からの燃料を受容することが可能となる。十分な圧力がかけられると、燃料は、ボールバルブ８２を移動させ、右側から左側へと流れるであろう。逆に言えば、燃料供給ポート４とカートリッジ６とが外される際には、管８８はその元の位置に押し戻され、各構成要素内の燃料流路は閉状態となる。

本発明の燃料補給装置が、直接酸化燃料電池により電力を供給される任意の広範な携帯型電子機器や他の電気機器への利用に適合され得ることは、当業者には理解されよう。

燃料補給工程にある、内部の直接酸化燃料電池により電力供給されているワイヤレスホンの透視図 図２Ａ〜２Ｄは、本発明の第１の実施形態により構成された、燃料供給ポート及び燃料補給カートリッジを示している。 図３Ａ〜３Ｄは、本発明の第２の実施形態により構成された、燃料供給ポート及び燃料補給カートリッジを示している。 図４Ａ〜４Ｂは、本発明の第３の実施形態により構成された、燃料供給ポート及び燃料補給カートリッジを示している。

Claims (36)

1. 直接酸化燃料電池に燃料を補給するための装置であって、
   燃料補給カートリッジ；及び
   直接酸化燃料電池システムに結合された燃料供給ポートに前記カートリッジを接続するための、燃料流路を備えた継ぎ手、
   を含んで成り、前記継ぎ手と前記燃料供給ポートとが、前記継ぎ手と前記燃料供給ポートの適切な接続に関してのみ前記燃料流路を開状態とし且つ前記燃料供給ポートから前記継ぎ手が外れる前若しくはその結果として前記燃料流路を閉状態とするように協働する、装置。
2. さらに、前記燃料供給ポート上にある相補的な幾何学的キーと適切に接続するための幾何学的キーを前記継ぎ手上に含む、請求項１に記載の装置。
3. さらに前記幾何学的キー上に粗いねじ山を含み、前記継ぎ手の挿入及び回転によって前記燃料供給ポートとの適切な接続が確立される、請求項２に記載の装置。
4. 前記幾何学的なキーが、以下：（ｉ）こぼれを防止する手段；（ｉｉ）不適切な燃料の燃料補給を防止する手段；（ｉｉｉ）誤使用又は不適切な使用を防止する手段；（ｉｖ）前記燃料流路を適切に開閉させる手段；及び（ｖ）前記燃料流路を実質的にシールしたり、シールを解除したりする手段、のうちの少なくとも１つを含む、請求項２に記載の装置。
5. 前記燃料流路を開状態及び閉状態とするための少なくとも１つのボールバルブをさらに含んで成る、請求項１に記載の装置。
6. 前記継ぎ手の前記燃料供給ポートへの適切な接続を保証するための、前記継ぎ手又は前記燃料供給ポート上に配置された１つ又は複数の止め具、戻り止め具、及び窪みをさらに含んで成る、請求項１に記載の装置。
7. 前記燃料供給ポートに配置された管；及び
   前記継ぎ手に配置された逆Ｔ字形状の固体部材、
   をさらに含んで成り、前記逆Ｔ字形状の固体部材が、前記管を受容するための中央チャンバを有する、請求項１に記載の装置。
8. 前記管と前記逆Ｔ字形状の固体部材との接続に反応して、前記燃料流路を開状態及び閉状態とするための少なくとも１つのボールバルブをさらに含んで成る、請求項７に記載の装置。
9. 前記燃料カートリッジ内の燃料リザーバであって、液体燃料、供給前に蒸気に変換される液体燃料、及び高粘性若しくはゼリー状の混合物から成る群から選択される燃料を収容する、前記燃料リザーバ；及び
   燃料を前記燃料流路へと放出するために前記燃料リザーバ内に圧力を生成させるためのプランジャ、
   をさらに含んで成る、請求項１に記載の装置。
10. 前記プランジャが、スリップクラッチプランジャである、請求項９に記載の装置。
11. 前記スリップクラッチプランジャが、燃料補給の完了時にユーザフィードバックをもたらすよう構成されている、請求項１０に記載の装置。
12. 前記ユーザフィードバックが、聞き取れるフィードバックである、請求項１１に記載の装置。
13. 前記燃料リザーバ内の燃料レベルの可視指標をさらに含んで成る、請求項９に記載の装置。
14. 前記可視指標が、表示窓である、請求項１３に記載の装置。
15. 前記継ぎ手と前記燃料供給ポートとの間に実質的に完全なシールを生成するための、前記継ぎ手条に配置された構造的に降伏するシール材料をさらに含んで成る、請求項１に記載の装置。
16. 前記シール材料が、フッ素系エラストマー、ＥＰＤＭゴム、ＮＢＲ、Ｎｅｏｐｅｎ及びＴｙｇｏｎから成る群から選択される、請求項１５に記載の装置。
17. 前記継ぎ手が、剛性プラスチックから構成される、請求項１に記載の装置。
18. 前記剛性プラスチックが、高密度ポリエチレン、高密度ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタラート又はその再生材料、及びＤｅｌｒｉｎから成る群から選択される、請求項１７に記載の装置。
19. 前記燃料供給ポートが、前記直接酸化燃料電池システムにより電力供給されている応用装置内部に配置されている、請求項１に記載の装置。
20. 直接酸化燃料電池に燃料を補給する方法であって：
    直接酸化燃料電池に結合された燃料供給ポートに接続するための継ぎ手を有する燃料補給カートリッジを設けるステップ；
    前記継ぎ手と前記燃料供給ポートとの適切な接続が確立された際に、前記継ぎ手と前記燃料供給ポートとを協働させて燃料流路を開状態とさせるステップ；及び
    前記継ぎ手が前記燃料供給ポートから外れる前若しくはその結果として、前記燃料流路を閉状態とするステップ、
    を包含する、方法。
21. 前記継ぎ手と前記燃料供給ポートとの間の適切な接続を画定し、それによって前記燃料流路を開状態とするために、前記燃料供給ポート及び前記継ぎ手に相補的な幾何学的キーを設けるステップをさらに包含する、請求項２０に記載の方法。
22. 前記幾何学的キー上に配置された粗いねじ山を協働させることによって前記燃料供給ポートと前記継ぎ手とを接続するステップをさらに包含し、前記接続するステップが、前記継ぎ手を挿入及び回転させて前記燃料供給ポートとの適切な接続を確立させることを包含する、請求項２１に記載の方法。
23. 前記幾何学的キーの適切な接続によって、こぼれを防止するステップをさらに包含する、請求項２１に記載の方法。
24. 前記幾何学的キーの適切な接続によって、望ましくない燃料や他の物質を補給することを防止するステップをさらに包含する、請求項２１に記載の方法。
25. 前記幾何学的キーの適切な接続によって、誤使用又は不適切な使用を防止するステップをさらに包含する、請求項２１に記載の方法。
26. 前記幾何学的キーの適切な接続によって、前記燃料流路の不適切な開閉を防止するステップをさらに包含する、請求項２１に記載の装置。
27. 少なくとも１つのボールバルブを開閉させることで、燃料の流れを制御するステップをさらに包含する、請求項２０に記載の方法。
28. 前記燃料ポートに配置された管と、前記継ぎ手上に配置された逆Ｔ字形状の固体部材との接続に反応して、少なくとも１つのボールバルブを開閉するステップをさらに包含する、請求項２７に記載の方法。
29. 前記継ぎ手と前記燃料供給ポートとの適切な接続を保証するために、前記継ぎ手又は前記燃料供給ポート上に、１つ又は複数の止め具、戻り止め具及び窪みを有するシステムを設けるステップをさらに包含する、請求項２０に記載の方法。
30. 液体燃料、供給前に蒸気に変換される液体燃料、及び高粘性若しくはゼリー状の混合物から成る群から選択される燃料を収容するよう構成された燃料リザーバを設けること；及び
    燃料を前記燃料流路に放出するために、プランジャによって前記燃料リザーバ内に圧力を生成させること、
    をさらに包含する、請求項２０に記載の方法。
31. 燃料補給の完了時に、スリップクラッチプランジャによって聞き取れるフィードバックを生成するステップをさらに包含する、請求項３０に記載の方法。
32. 前記燃料リザーバに関連したラチェットアセンブリを設けるステップをさらに包含する、請求項３１に記載の方法。
33. 前記燃料リザーバ内の燃料レベルの可視指標を生成するステップをさらに包含する、請求項３０に記載の方法。
34. 前記可視指標のための表示窓を設けるステップをさらに包含する、請求項３３に記載の方法。
35. 構造的に降伏するシール材料を用いて、前記継ぎ手と前記燃料供給ポートとをシールするステップをさらに包含する、請求項２０に記載の方法。
36. 直接酸化燃料電池に燃料を補給するための装置であって、
    直接酸化燃料電池に結合された燃料供給ポートに接続するための継ぎ手を有する燃料補給カートリッジを設ける手段；
    前記継ぎ手と前記燃料供給ポートとの適切な接続が確立される際に、前記継ぎ手と前記燃料供給ポートとを協働させて燃料流路を開状態とする手段；及び
    前記継ぎ手を前記燃料供給ポートから外す前に若しくはその結果として前記燃料流を閉状態とする手段、
    を含んで成る、装置。

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