JP2007087777A

JP2007087777A - 液体燃料充填ヘッド

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Publication number: JP2007087777A
Application number: JP2005275151A
Authority: JP
Inventors: 秀雄 ▲高▼田; Hideo Takada
Original assignee: Tokai Corp
Current assignee: Tokai Corp
Priority date: 2005-09-22
Filing date: 2005-09-22
Publication date: 2007-04-05

Abstract

【課題】メタノールと超純水の混合物からなる液体燃料を燃料電池用カートリッジに充填する際に、気泡等の混入を防止し得る液体燃料充填ヘッドを提供する。
【解決手段】液体燃料充填ヘッド５に、メタノールが供給される第１の液通路５１１と、超純水が供給される第２の液通路５１２と、第１および第２の液通路５１１，５１２を充填ノズル５６に連通させる第３の液通路５１３と、第３の液通路５１３を外部に連通させる第４の液通路５１４と、第３の液通路５１３に配設されて第３の液通路５１３を閉塞し、かつ充填ノズル５６がカートリッジに接続されることにより作動されて第３の液通路５１３を開放する充填ノズルバルブ５２とを設ける。
【選択図】図５

Description

本発明は、本発明は、直接メタノール型燃料電池（以下、ＤＭＦＣ（Direct Methanol Fuel Cell）という）などの燃料電池に供給する燃料電池用カートリッジに液体燃料を充填する装置のための液体燃料充填ヘッドに関するものである。

燃料電池は、水素と酸素とを反応させることにより電気を発生させるエネルギー変換装置であり、エネルギー変換効率が高く、かつ環境負荷が低いことから、現在種々の用途が検討され、例えばノートパソコンや携帯電話の連続動作時間を長時間化させることができるモバイル機器用電源などの分野で開発が進められている。

燃料電池の燃料には、天然ガス、都市ガス、石炭ガスなどのガスやメタノール、エタノールといったアルコールからなる液体があり、前者は専ら家庭に固定されている状態で常に燃料が供給される家庭用発電機などに、そして後者は大掛かりなボンベを使わず、個人でも燃料の補充が容易にできることから、上記したモバイル機器用電源などに使用されている。

後者のモバイル機器用電源などに使用される燃料電池に燃料を補充するには、液体燃料を供給する燃料容器（例えば燃料カートリッジ）が必要とされる。この燃料電池用カートリッジは小型軽量であって、燃料電池を利用する機器本体の補機類、特に吸引ポンプを省略させることが望ましいことから、燃料を収容する燃料容器自体が自力で燃料を吐出供給する機構の検討がされている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−１７６８９９号公報

ところで、燃料電池用カートリッジに液体燃料を充填する場合には、カートリッジ本体に燃料注入手段を接続し、カートリッジ本体のバルブを開けて液体燃料を注入するが、その際にバルブ近傍の僅かな空気がカートリッジ本体内に混入するという問題がある。

混入した空気は、カートリッジ本体の内壁面や、液体燃料と圧縮ガスとを区画する隔壁部材であるピストンに固着して、やがてこの空気は液体燃料に溶け込み、空気に含まれる酸素がメタノール等の液体燃料を酸化し、ホルムアルデヒドや蟻酸に変えて液体燃料を変質させたり、あるいは液体燃料に雑菌を繁殖させて液体燃料の長期保存を困難なものとするという問題がある。

従来は、真空充填方式を採用して空気の混入を抑制していたが、この際の真空度は厳密には０．５気圧程度の減圧であって完全に空気の混入を防ぐことができないため、液体燃料の変質や雑菌の繁殖を抑制するには不充分である。

カートリッジ本体の内壁面や隔壁部材であるピストンに気泡が固着するのは、これらの材質がポリプロピレン（ＰＰ）やポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、あるいはＰＴＦＥコーティングされたもの、さらにはポリパラキシリレン系樹脂、特にパリレンＮ（日本パリレン株式会社の登録商標）で形成された被覆層を施したものであって、水に対する表面エネルギーが大きいこと、すなわち濡れ性が悪いことに起因している。このような濡れ性の改善には一般的に化学薬品の塗布による表面処理が考えられるが、この方法では液体燃料に不純物が混入することになり、燃料電池のセルの劣化をもたらすため好ましくない。また、酸素プラズマ照射によってピストン状の隔壁部材や燃料容器の内壁面にラジカル形成を行って濡れ性を改善する方法も考えられるが、燃料容器の内壁面に酸素プラズマ照射を行うことは物理的に困難である。

本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、燃料電池用カートリッジに液体燃料を充填する際の空気の混入を防止し得る、液体燃料充填装置のための液体燃料充填ヘッドを提供することを目的とするものである。

本発明による液体燃料充填ヘッドは、アルコール（例えばメタノール）を含む液体燃料を収容する容器本体と、この容器本体から上記液体燃料を排出する手段とを備えた燃料電池用カートリッジに液体燃料を充填する装置のための液体燃料充填ヘッドであって、
上記カートリッジの接続口に接続される充填ノズルと、
アルコール供給手段からアルコールが供給されるアルコール供給用液通路と、
このアルコール供給用通路を上記充填ノズルに連通させる共通液通路と、
この共通液通路を外部に連通させるアルコール排出用液通路と、
上記共通液通路に配設されてこの共通液通路を閉塞し、かつ上記充填ノズルが上記カートリッジに接続されることにより作動されて上記共通液通路を開放するバルブとを備えていることを特徴とするものである。

上記カートリッジが備えている液体燃料排出手段は、例えば圧縮ガス、液化ガス、弾性体等の液体燃料押出し手段である。

上記液体燃料は、アルコールのみの場合と、アルコールと超純水との混合物からなる場合がある。

上記液体燃料がアルコールと超純水との混合物からなる場合には、上記共通通路に接続された、超純水供給手段から超純水が供給される超純水供給用液通路をさらに備えることになる。

その場合に、上記共通液通路が上記液体燃料充填ヘッド内を上下方向に延びており、この共通液通路の上端に、上記アルコール排出用液通路が上記共通液通路を上方に延長する態様で接続され、これら共通液通路とアルコール排出用液通路との接続点に、上記アルコール供給用液通路および上記超純水供給用液通路の斜め上方に向かうように傾斜して形成されたそれぞれの下流端部が接続されていることが好ましい。

本発明による液体燃料充填ヘッドを用いれば、燃料電池用カートリッジに液体燃料としてのアルコール（例えばメタノール）をアルコール供給用液通路から共通液通路を通じて燃料電池用カートリッジに充填するのに先立って、洗浄用としてのアルコールをアルコール供給用液通路から共通液通路を通じカートリッジの内容器に注入し、次いでこの内容器内のアルコールを共通液通路およびアルコール排出用液通路を通じて外部に排出することができるから、カートリッジの内容器内の洗浄ならびに気泡およびミストの排出が可能になり、その後に内容器内に充填されるアルコールまたは、アルコールおよび超純水に空気を混入させるおそれがなくなる。

すなわち、アルコールをカートリッジの内容器内に注入することによって、内容器の内壁面や隔壁部材としてのピストンにおける濡れ性が良くなるために、内容器の内壁面やピストンに気泡が固着することが抑制されるとともに、バルブ近傍の空気はアルコールによって置換されてアルコールとともに廃棄されるので、カートリッジの内容器内に空気を混入させることなく、液体燃料を充填することができる。

これによって、液体燃料の変質を抑制することができるとともに、雑菌を繁殖させることなく液体燃料の長期保存を可能なものとすることができる。

また、液体燃料としてのアルコールと超純水を、アルコール供給用液通路および超純水供給用液通路から共通液通路を通じて別個にカートリッジの内容器内に注入して、内容器内で混合することにより、液体燃料におけるアルコールと超純水との混合比を任意に変更することが可能になるから、アルコール濃度の異なる種々の燃料電池に対応させることができる。

特に、上記共通液通路が上記液体燃料充填ヘッド内を上下方向に延びており、この共通液通路の上端に、上記アルコール排出用液通路が上記共通液通路を上方に延長する態様で接続され、これら共通液通路とアルコール排出用液通路との接続点に、アルコール供給用液通路および超純水供給用液通路の斜め上方に向かうように傾斜して形成されたそれぞれの下流端部が接続されている場合には、上記アルコール供給用液通路および超純水供給用液通路をそれぞれ通じてカートリッジの内容器内に充填される燃料用アルコールおよび超純水内に気泡が混入している場合であっても、４本の液通路の接続点において気泡が上方のアルコール排出用液通路側に抜け易くなる利点がある。

以下、図面を参照して、本発明による液体燃料充填ヘッドの一実施形態について詳細に説明するが、その説明に先立って、本発明による液体燃料充填ヘッドを用いて液体燃料が充填される燃料電池用カートリッジについて、図１および図２を参照して説明する。

なお本実施形態において液体燃料ＦはＤＭＦＣに供給するものであるため、メタノールと超純水との混合液である。

また圧縮ガスＧとしては、燃料電池での反応に悪影響を及ぼす酸素が液体燃料Ｆへ混入することを防ぐという観点から、さらには液体燃料Ｆが酸化することを防ぐという観点から、窒素ガスを用いている。

図１は上記燃料電池用斜視図、図２は図１のカートリッジの縦断面図である。

図１および図２に示すように、燃料電池用カートリッジ１は、円筒状のカートリッジ本体２を有し、このカートリッジ本体２は、メタノールと超純水の混合物からなる液体燃料Ｆを収容する、ピストン３によって仕切られた燃料貯蔵室１１を備えた内容器２４と、液体燃料をピストン３により押し出すための窒素ガスＧを収容する上端が開放された外容器２１とからなる二重構造を有し、内容器２４の外面と外容器２１の内面との間に主として窒素ガス室１２が形成されている。なお燃料貯蔵室１１と窒素ガス室１２は、ピストン３の位置によって容積比率が変動するものであり、液体燃料Ｆが消費されてピストン３が上昇すると、窒素ガス室１２内の窒素ガスの一部が内容器２４の内部に流入することになる。

上端が開放された外容器２１は、その上端に、このカートリッジ１が接続される機器に対する接続具２３を装着し、この接続具２３は、上記機器に対する接続口２３ａと、上方に向かって突出させた接続頭部２３２と、下端の中央には、内容器２４に収容された液体燃料Ｆの流路を開放または遮断する後述するバルブ４が挿通される挿通口２３１とを備えている。

下端が開放された内容器２４は、その下端側周面に縦方向に延びる複数の切欠き２４１を備えており、ピストン３がコイルスプリング２５を圧縮しながら下降移動して、ピストン本体部材３１の下端面３１ａが外容器２１の内底面２１ａに接した際に、内容器２４の内部と外容器２１の内部が連通するようになっている。内容器２４の上端中央には開口部２４２が形成され、この開口部２４２の周囲から上方に向かって円筒部２４３が突設され、この円筒部２４３内にバルブ４の下部が上方から嵌着されている。そしてバルブ４の上端が液体燃料Ｆの供給を行なう接続口となっている。

上記バルブ４は、ハウジング４１と、図の上下方向へ移動可能なステム４２と、ステム４２を閉方向（上方）に付勢するスプリング４３と、液体燃料Ｆの流路を開放または遮断する弁体４４（Ｏリング）と、シール部材４５とから概略構成されている。

ハウジング４１は略筒状に形成され、中間部において外側に向けて突出した環状段部４１ａと、この環状段部４１ａの下面から下方に向かって延長された装着筒部４１ｂと、中間部で内方に突出する環状突起４１ｃを備えている。ハウジング４１は、上述した接続具２３の挿通口２３１に挿通されて、環状段部４１ａの下面が挿通口２３１の上端縁と接するよう配置され、装着筒部４１ｂの内部と内容器２４の開口部２４２とが連通している。またハウジング４１の上端外周にはシール部材４５が嵌装されている。

ステム４２は棒状に形成され、外側に広がる上端の大径部４２ａと、大径部４２ａの下方に延びる軸部４２ｂとを備えている。そしてステム４２はハウジング４１内に軸方向に移動可能に挿入され、大径部４２ａの下面と環状突起４１ｃの上面との間に縮装されたスプリング４３によって上方に付勢されている。ステム４２の軸部４２ｂの先端は、環状突起４１ｃの内孔を挿通して下方へ突出し、軸部４２ｂの先端外周部に装着されたＯリングからなる弁体４４が環状突起４１ｃの下面に圧接されることにより、その内孔を閉塞して液体燃料Ｆの流路を遮断している。また、ステム４２が下方へ押圧されると、スプリング４３が縮んでステム４２が下方に移動し、弁体４４が環状突起４１ｃの下面から離れることによって、内孔が開口し、燃料貯蔵室１１内の液体燃料Ｆの流路が開放される。

ピストン３は、略円柱状で外周面に溝３１ｂを有する本体部材３１と、溝３１ｂに嵌合するゴム等の弾性材から形成されたシール部材３２（Ｏリング）とによって構成され、弾性シール部材３２は、外周が内容器２４の内面に液密に接触し、内容器２４内部を上下に摺動可能となるように構成されている。ピストン３は、上面と接する空間を燃料貯蔵室１１、底面と接する空間を窒素ガス室１２とにそれぞれ区画する移動隔壁として機能し、底面に作用する窒素ガスＧの圧力によって上面の液体燃料Ｆを加圧し、ステム４２が開作動した際に、液体燃料Ｆを押し出すように作用する。

次に窒素ガス室１２への窒素ガスＧの封入及び液体燃料Ｆの注入について説明する。なお、窒素ガスＧの封入は燃料貯蔵室１２に液体燃料Ｆを注入する前に行なうものとする。

まず図示しない窒素ガス加圧充填装置のガス注入口を接続口２３ａに結合し、押し込み作動によりステム４２を開作動させ、バルブ４を通して、窒素ガスＧを燃料貯蔵室１１に注入する。これに応じてピストン３が下降し、図２に示ようにコイルスプリング２５が自然長である位置から、さらに窒素ガスＧを注入することによって、ピストン３は、コイルスプリング２５を圧縮させてカートリッジ本体２の底部に向かってさらに移動する。ピストン３が最下降した状態において、切欠き２４１の上端部がピストン３の弾性シール部材３２より上方となり、切欠き２４１を通して燃料貯蔵室１１から窒素ガス室１２へ窒素ガスＧが注入される。そして、窒素ガス室１２内が所定圧力となったら、窒素ガスＧの注入を停止する。

次に、ステム４２を再び開作動させて燃料貯蔵室１１内の余剰窒素ガスを排出する。これに応じてピストン３はコイルスプリング２５の反発力によって上昇し、図２に示すように燃料貯蔵室１１を密封する状態に戻る。そして、さらなる窒素ガスＧの排出でピストン３は下面に窒素ガス室１２の窒素ガスＧの圧力が作用した状態で内容器２４の上端にまで上昇移動し、燃料貯蔵室１１内の余剰窒素ガスを全て排出することにより、窒素ガスＧが燃料貯蔵室１１および窒素ガス室１２内に封入される。このとき、窒素ガスＧの圧力は、後述するようにして燃料貯蔵室１１に充填された液体燃料Ｆを、ピストン３により押し出しながら全て排出することができる圧力であれば、特に制限はないが、１００ｋＰａ以下の圧力であることが好ましい。

以上のような二重構造を有する燃料電池用カートリッジに対する液体燃料充填装置および、この装置に装填される液体燃料充填ヘッドについて説明する。

図４に示す液体燃料充填装置の液体燃料充填ヘッド５（図５）が備えている充填ノズル５６を接続具２３に接続し、バルブ４を介して燃料貯蔵室１１へ液体燃料Ｆを注入することによってピストン３を下降させ、燃料貯蔵室１１に所定量の液体燃料Ｆを収容することによって燃料電池用カートリッジ１が完成する。

本実施の形態においては、上記窒素ガスＧのカートリッジ１への充填、燃料貯蔵室１１からの窒素ガスＧの排出、および燃料貯蔵室１１への液体燃料Ｆの注入は、複数の、例えば６個の空のカートリッジ１をセットしたマガジンＭを、先ず６連の窒素ガス加圧充填装置にセットして、６個のカートリッジ１に同時に窒素ガスを充填した後、これら窒素ガス充填済みカートリッジを備えた上記マガジンを余剰窒素ガス抜き治具にセットして、６個のカートリッジ１のステム４２を一斉に開作動させて燃料貯蔵室１１内の窒素ガスをすべて排出する。そして全てのカートリッジ１のピストン３が最上部へ達したことを確認した後、上記マガジンを液体燃料充填装置にセットして、６個のカートリッジ１に対する燃料の注入を行なう。

図３は本発明による液体燃料充填ヘッドを装填した液体燃料充填装置のブロック図、図４は液体燃料充填装置の側面図である。

水道水は超純水精製装置を経て超純水に精製されて、図３の左端で図４の右端の超純水タンクＷＴに貯えられる。メタノールは図３の右端で図４の中央のメタノールタンクＭＴに貯えられている。

メタノールタンクＭＴに貯えられているメタノールは、シリンダＣ２によって作動されるシリンジＳ１によって、チューブｔ１およびチェックバルブＣＶ１を経て一定量が吸引され、かつシリンジＳ１からチェックバルブＣＶ２、チューブｔ２およびチェックバルブＣＶ３を経て６連の液体燃料充填ヘッド５に供給される。ＳＴ１はシリンダＣ２のピストンの移動範囲を規定するストッパである。

各液体燃料充填ヘッド５は、シリンダＣ３により作動されて開閉されるチューブバルブＴＶを途中に備えたチューブｔ３を通じてメタノール濾過槽ＭＦに連結されており、この濾過槽ＭＦで濾過されたメタノールは、チューブｔ４を通じてメタノールタンクＭＴに戻される。

一方、超純水タンクＷＴに貯えられている超純水は、シリンダＣ４によって作動されるシリンジＳ２によって、チェックバルブＣＶ４を備えたチューブｔ５を経て一定量が経て吸引され、かつシリンジＳ２からチェックバルブＣＶ５、チューブｔ６およびチェックバルブＣＶ６を経て各液体燃料充填ヘッド５に供給される。ＳＴ２はシリンダＣ４のピストンの移動範囲を規定するストッパである。

なお、メタノールが毒性を有するため、この液体燃料充填装置は、超純水タンクＷＴを除き、図４に仮想線で示すシールドケース８内に配設されている。

図５は本発明による液体燃料充填ヘッド５の断面図、図６は、液体燃料充填装置の要部を一部省略して示す正面図である。図６に示すように、６連の液体燃料充填ヘッド５の下方には、６個のカートリッジ１をセットしたマガジンＭが、シリンダＣ１によって昇降される昇降台６上に固定された態様で配設される。マガジンＭが昇降台６上に固定された状態で、各カートリッジ１は、昇降台６に設けられた６個の切欠きを備えた支持板９の上記切欠きに各カートリッジ１の首部が係入して、所定位置に保持されるように構成されている。

図５に示す液体燃料充填ヘッド５は、支持板Ｐ上に固定されたバルブヘッド５１と、このバルブヘッド５１の下部に設けられた充填ノズルバルブ５２と、充填ノズルバルブ５２のバルブケース５２１下端にスペーサ５３を介して螺着された充填ノズルホルダ５４と、コイルスプリング５５により下方へ付勢された態様で、充填ノズルホルダ５４の下端から突出する充填ノズル５６とから構成されている。

バルブヘッド５１の内部には、図５に示すように、バルブヘッド５１の中央の点Ｑで接続される４本の液通路５１１〜５１４が形成されており、右方から延びる第１の液通路５１１は、接続点Ｑに向かって斜め左上方へ延びて接続点Ｑに接続される下流端部を有し、左方から延びる第２の液通路５１２は、接続点Ｑに向かって斜め右上方へ延びて接続点Ｑに接続される下流端部を有している。また、第３の液通路５１３は、接続点Ｑから垂直に下方へ延びて、充填ノズル５６に連通している。接続点Ｑから上方へ延びる第４の液通路５１４は、第３の液通路５１３を上方に延長する態様で接続点Ｑに接続されている。上記第１および第２の液通路５１１，５１２をバルブヘッド５１に形成する際に開けられた斜めの加工用孔は、それぞれねじ５７によって閉塞されている。

右方の第１の液通路５１１は、メタノール供給用の液通路であり、バルブヘッド５１の右側に取り付けられた継ぎ手５８ＭおよびチェックバルブＣＶ３を介してチューブｔ２に連通している。左方の第２の液通路５１２は、超純水供給用の液通路であり、バルブヘッド５１の左側に取り付けられた継ぎ手５８ＷおよびチェックバルブＣＶ６を介してチューブｔ６に連通している。上方の第４の液通路５１４は、洗浄用アルコールの排出用液通路であり、バルブヘッド５１の上部に取り付けられた継ぎ手５８Ｒを介してチューブｔ３に連通している。

接続点Ｑから垂直に下方へ延びる第３の液通路５１３は、共通液通路であり、この液通路５１３の途中に、後述する充填ノズルバルブ５２が設けられている。

上記第４の液通路５１４は、カートリッジ１に対する一定量のメタノールおよび超純水の供給に先立って、第１および第３の液通路５１１，５１３を通じてカートリッジ１の内容器２４内に洗浄用として供給されたメタノールを上記内容器２４ら第３の液通路５１３を経て外部に排出させるための液通路である。

充填ノズルバルブ５２のバルブケース５２１の内部には、バルブヘッド５１の液通路５１１に連通する内孔５２３を同軸的に備えたボールホルダ５２２が固定され、このボールホルダ５２２の内孔５２３は、比較的大径の上方部と、これよりも小径の下方部とによって形成されている。そして、内孔５２３の上方部の内部には、コイルスプリング５２４により下方へ付勢された態様で上下方向に移動可能なポペットバルブ５２５が収容されている。また、内孔５２３の下方部には、充填ノズル５６のノズル孔５６１に連通して上方へ延びるパイプ５９が上下方向にスライド可能に挿通されている。

上記ポペットバルブ５２５の下部には、上記内孔５２３の上方部と下方部との境界部分に接するＯリング５２６が装着されており、ポペットバルブ５２５がコイルスプリング５２４により下方へ付勢されていることにより、Ｏリング５２６が上記内孔５２３の上方部と下方部との境界部分に圧着されて、充填ノズルバルブ５２の閉状態が保たれている。そして、コイルスプリング５５の付勢力に抗して充填ノズル５６が突き上げられると、パイプ５９の上端がポペットバルブ５２５に当接して、このポペットバルブ５２５をコイルスプリング５２４の付勢力に抗して上方へ突き上げるため、充填ノズルバルブ５２が開状態となり、ノズル孔５６１が液通路５１３に連通することになる。

図６の正面図および図７の平面図に示すように、６連の液体燃料充填ヘッド５の上方には、シリンダＣ３によって６本のチューブｔ３を一斉に開閉するチューブバルブＴＶが配設されている。

このチューブバルブＴＶは、支持板Ｐに立設された左右一対の側板７１，７２間に橋架された固定板７３と、この固定板７３と協働して、６本のチューブｔ３を開閉する可動板７４とから構成され、可動板７４は、側板７１，７２間に橋架された２本のレール７５，７５に係合されてレール７５，７５に沿って左右に移動する左右一対のスライダ７６，７７上に左右を固定されて、固定板７３に対し同一平面上に並設され、右方のスライダ７７には、側板７２に固定されたシリンダＣ３のピストンＣ３ａに連結されている。

図７から明らかなように、固定板７３の後縁には、６個の矩形状切欠き７３１が形成され、また、可動板７４の縁部には、上記固定板７３の各切欠き７３１内に突出する６個の矩形状の突片７４１が形成されている。そして、固定板７３の状切欠き７３１の右方へ面するエッジと、このエッジに対し略平行に対向する可動板７４の突片７４１の左方へ面するエッジとの間のスペースに各チューブｔ３が挿通され、シリンダＣ３が作動されると、可動板７４が左方へ移動して、各チューブｔ３が両エッジ間に挟まれて潰れ、バルブヘッド５からメタノール濾過器ＭＦに通じる液路が遮断されるように構成されている。

次の図８および図９は、カートリッジ１に対する液体燃料充填方法を説明するフローチャートであり、図８は、カートリッジ１への燃料注入に先立って実行される、窒素ガスＧのカートリッジ１への充填工程、および燃料貯蔵室１１からの余剰窒素ガスの排出工程を示すフローチャートである。また図９は、図８の工程に続いて、本発明による液体燃料充填ヘッド５を用いた洗浄工程および燃料充填行程を説明するフローチャートである。

なお、本発明の液体燃料充填ヘッド５を用いて液体燃料を充填される空のカートリッジは、新品以外に、一度使用したカートリッジを再度使用してもよい。その場合は、使用済みカートリッジ１の内容器２４内に残存する液体燃料を排出・破棄した後、下記に示すような検査を施して、使用可能な状態にあると判定されたものを用いればよい。

上記検査を施す工程は、図８に示す工程に先立って、カートリッジ１の内容器２４内に所定圧力の窒素ガスを注入し、この窒素ガスの注入により移動したピストン３の位置を測定し、この測定したピストン３の位置が、所定の良否判定基準範囲内にあるときに、このカートリッジ１が使用可能な状態にあると判定する。

図８に示す工程においては、先ず窒素ガスボンベの圧力の確認および設定圧力の確認を行なう。次に６個のカートリッジ１をマガジンＭに手投入し（工程１）、次に、図示しない窒素ガス加圧充填装置のマガジンセット部にマガジンＭをセットする（工程２）。マガジンＭが所定位置にセットされると、スイッチが入り、窒素ガス充填作業が開始される（工程３）。これにより、マガジンセット部と連動したエアシリンダがマガジンセット部を持上げ、充填ノズルがカートリッジ１のバルブ４（図２参照）に挿入される（工程４）。次いで窒素ガスをカートリッジ１の燃料貯蔵室１１および窒素ガス室１２に充填し（工程５）、設定時間内に設定圧力になるのを作業者が目視で検査する（工程６）。なお、設定時間内に設定圧力にならない場合には、再充填を行なうが、再度ＮＧの場合には、そのカートリッジを不良品として廃棄する。次に、窒素ガス充填済みの６個のカートリッジを搭載したマガジンＭを余剰窒素ガス抜き治具にセットする（工程７）。そして作業者により余剰窒素ガス抜き治具を作動させて、カートリッジ１のバルブ４を開いて余剰窒素ガスをピストン３が最上部へ達したことを確認し（工程８）、図９に示す工程に移る。

図９に示す工程開始に先立って、メタノールタンクＭＴの内部、超純水タンクＷＴの内部および超純水精製装置の確認を行なってから、６個の余剰窒素ガス抜き済みカートリッジを搭載したマガジンＭを液体燃料充填装置にセットし（工程９）、作業者によりスイッチをＯＮにする（工程１０）。これにより、シリンジＳ１と連動したエアシリンダＣ２が作動して、メタノールタンクＭＴよりメタノールを定量吸入し、カートリッジ１の燃料貯蔵室１１にメタノールを注入する（工程１１）。この状態では、チューブバルブＴＶが閉じている。次に、エアシリンダＣ３を作動させてチューブバルブＴＶを開き、カートリッジ１内の窒素ガスＧの圧力により、メタノールとともに気泡やミストをメタノール濾過槽ＭＦに排出する（工程１２）。そして、この洗浄工程１１，１２をさらに２回繰り返す（工程１３）。

次に、チューブバルブＴＶを閉じ、シリンジＳ１と連動したエアシリンダＣ２を作動させて、メタノールタンクＭＴよりメタノールを吸入し、カートリッジ１の燃料貯蔵室１１に設定時間メタノールを充填する（工程１４）。さらに、シリンジＳ２と連動したエアシリンダＣ４を作動させて、超純水タンクＷＴより、超純水を吸入し、カートリッジ１の燃料貯蔵室１１に設定時間超純水を充填し（工程１５）、自動的に１サイクルを終了し、チューブバルブＴＶを開く。そして、設定時間内に設定容量が充填されているか否かを作業者が目視検査を行なう（工程１６）。定量充填されていないカートリッジは不良品とする。

以上の説明で、本発明による液体燃料充填ヘッドの実施の形態の構成およびこの液体燃料充填ヘッドを装填した液体燃料充填装置の動作が明らかになったが、本実施の形態の液体燃料充填ヘッド５を用いれば、カートリッジ本体２に液体燃料としてのメタノールおよび超純水を順次充填するのに先立って、図９の工程１１において、メタノールのみを洗浄用としてカートリッジ本体２の内容器２４内に注入し、次いで工程１２において、この洗浄用メタノールを内容器２４内から排出することができるので、カートリッジ本体２の内容器２４内の洗浄ならびに、メタノールとともに気泡およびミストの排出が可能になり、その後に内容器２４内に充填されるメタノールおよび超純水に空気を混入させる恐れがなくなる。

また、液体燃料としてのメタノールと超純水を別個にカートリッジ本体２の内容器２４内に注入して、内容器２４内で混合することにより、液体燃料におけるメタノールと超純水との混合比を任意に変更することが可能になるから、メタノールル濃度の異なる種々の燃料電池に対応させることができる。

また、液体燃料充填ヘッド５が、シリンジＳ１およびチューブｔ２を通じてメタノールが供給される第１の液通路５１１と、シリンジＳ２およびチューブｔ６を通じて超純水が供給される第２の液通路５１２と、第１および第２の液通路５１１，５１２を充填ノズル５６に連通させる第３の液通路５１３と、一定量のメタノールおよび超純水の供給に先立って、シリンジＳ１およびチューブｔ２から第１および第３の液通路５１１，５１３を通じて内容器２４内に洗浄用として供給されたメタノールを内容器２４内から排出させるために第３の液通路５１３を外部に連通させる第４の液通路５１４と、第３の液通路５１３に配設されて第３の液通路５１３を閉塞し、かつ充填ノズル５６がカートリッジ１に接続されることにより作動されて第３の液通路５１３を開放する充填ノズルバルブ５２とを備えていることにより、カートリッジ本体２の内容器２４内に対する洗浄用および燃料用メタノールの供給と、超純水の供給と、カートリッジ１の内容器２４内からの洗浄用アルコールの排出とを、一つの液体燃料充填ヘッド５によって容易に行なうことができる。

特に、第３の液通路５１３がバルブヘッド５１内を上下方向に延びており、この第３の液通路５１３の上端に、第４の液通路５１４が第３の液通路５１３を上方に延長する態様で接続され、この第３および第４の液通路５１３，５１４の接続点Ｑに、第1および第２の液通路５１１，５１２のそれぞれ斜め上方に向かうように傾斜して形成された下流端部が接続されていることにより、第1および第２の液通路５１１，５１２をそれぞれ通じてカートリッジ本体２の内容器２４内に充填される燃料用メタノールおよび超純水内に気泡が混入している場合であっても、第１〜第４の液通路の接続点Ｑにおいて気泡が上方の第４の液通路５１４側に抜け易くなる利点がある。

なお、以上説明した本発明の実施の形態は、液体燃料がメタノールと超純水との混合物である場合であり、液体燃料がメタノールのみからなる場合には、超純水タンクＷＴおよびシリンジＳ２、チューブｔ５、ｔ６等を省略することができ、また液体燃料充填ヘッド５の第２の液通路５１２に、継ぎ手５８Ｗに代えて閉塞栓を取り付ければよい。あるいは第２の液通路５１２を省いた液体燃料充填ヘッドを用いてもよい。

また、上記の二重構造を有する燃料電池用カートリッジ１以外に、単層構造の燃料電池用カートリッジに対する液体燃料充填にも適用可能である。

燃料電池用カートリッジの斜視図である。図１のカートリッジの縦断面図である。本発明による液体燃料充填ヘッドを装填した液体燃料充填装置のブロック図である。本発明による液体燃料充填ヘッドを装填した液体燃料充填装置の側面図である。本発明による液体燃料充填ヘッドの一実施の形態を示す断面図である。図４の液体燃料充填装置の要部を一部省略して示す正面図である。図４の液体燃料充填装置が備えているチューブバルブの平面図である。カートリッジに対する液体燃料充填方法を説明するフローチャートの前半部分である。カートリッジに対する液体燃料充填方法の説明に供するフローチャートの後半部分である。

符号の説明

１燃料電池用カートリッジ
１１燃料貯蔵室
１２窒素ガス室
２カートリッジ本体
２１外容器
２４内容器
３ピストン
４バルブ
５燃料充填ヘッド
５１バルブヘッド
５１１〜５１４液通路
５２充填ノズルバルブ
５６充填ノズル
Ｍマガジン
ＭＴメタノールタンク
ＷＴ超純水タンク
ＭＦメタノール濾過槽
Ｓ１，Ｓ２シリンジ

Claims

アルコールを含む液体燃料を収容する容器本体と、この容器本体から液体燃料を排出する手段とを備えた燃料電池用カートリッジに液体燃料を充填する装置のための液体燃料充填ヘッドであって、
前記カートリッジの容器本体に接続される充填ノズルと、
アルコール供給手段からアルコールが供給されるアルコール供給用液通路と、
該アルコール供給用通路を前記充填ノズルに連通させる共通液通路と、
該共通液通路を外部に連通させるアルコール排出用液通路と、
前記共通液通路に配設されて該共通液通路を閉塞し、かつ前記充填ノズルが前記カートリッジに接続されることにより作動されて前記共通液通路を開放するバルブと、
を備えてなることを特徴とする液体燃料充填ヘッド。
前記液体燃料がアルコールと超純水との混合物からなり、
前記共通液通路に接続された、超純水供給手段から超純水が供給される超純水供給用液通路をさらに備えてなることを特徴とする請求項１記載の液体燃料充填ヘッド。
前記共通液通路が前記液体燃料充填ヘッド内を上下方向に延びており、前記共通液通路の上端に、前記アルコール排出用液通路が前記共通液通路を上方に延長する態様で接続され、前記共通液通路と前記アルコール排出用液通路との接続点に、前記アルコール供給用液通路および前記超純水供給用液通路の斜め上方に向かうように傾斜して形成されたそれぞれの下流端部が接続されてなることを特徴とする請求項２記載の液体燃料充填ヘッド。
前記アルコールがメタノールからなることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の液体燃料充填ヘッド。