JP2007214029A - 燃料カートリッジ - Google Patents

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Abstract

【課題】燃料電池用燃料カートリッジにおいて、燃料電池に燃料を一定流量で供給し、さらに燃料電池が搭載される機器の小型化を実現可能にする。
【解決手段】燃料電池を搭載した機器200に使用される燃料電池用燃料カートリッジ100において、機器200が外面に燃料受給口60を有するものであって、燃料電池用燃料カートリッジ100が、内部に燃料電池に供給する燃料と、燃料を押し出すための押出手段とを収容してなる加圧式容器10と、内部に調圧機構が配置されてなる圧力調整器20とを備える。加圧式容器10と圧力調整器20とが、互いを着脱自在に固定するための第一の接続機構S1を備え、圧力調整器20と機器200とが、互いを着脱自在に接続するための第二の接続機構S2を備える。
【選択図】図2

Description

本発明は燃料電池用燃料カートリッジに関し、特に圧力調整器を備えた燃料カートリッジに関するものである。
燃料電池は、例えば水素、メタノール等の燃料と酸素とを隔てる電解質膜が水素イオンを通すことによって、水素と酸素を化学反応させ、電気を発生させるエネルギー変換装置であり、作動温度が低く、装置の小型化が期待できることから、現在さまざまな用途に使用され、例えばノート型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。
そして、該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、燃料を供給する燃料容器(例えば燃料カートリッジ)が提案されている。
通常、燃料電池は前記モバイル機器等の機器内部に搭載されていて、該搭載された燃料電池には、燃料が一定圧力で供給されるように、圧力調整器(いわゆるガバナ)が装着されている。
しかしながら、上記のようなモバイル機器は、年々小型化が進んでおり、将来さらなる小型化が望まれているため、モバイル機器内部にガバナを搭載する空間がなくなりつつある。
そこで、ガバナが装着されていない燃料電池に燃料を供給するために、可撓性を有する容器に燃料を収容し、例えば人の手によって容器を一定の力で押圧することで流量を任意に調整しながら、燃料電池に燃料を供給する燃料容器(特許文献1)や、燃料容器の供給口に毛細管を配設し、毛細管現象を用いて、燃料電池に一定の流量で燃料を供給する燃料容器(特許文献2)が提案されている。
特許第3550396号公報 特開2005−216817号公報
しかしながら、前者の可撓性を有する燃料容器では、人の手の押圧力によって流量が決まるので、例えば押圧する力が強すぎた場合には、燃料容器内の燃料が勢いよく排出され、燃料の供給先である燃料電池の電解質膜が、注入された燃料の圧力によって破れてしまう虞がある。
また後者の毛細管現象を利用した燃料容器では、燃料容器内の燃料を一定の流量でゆっくりと供給するので、燃料電池が多量の燃料を必要とするときに、燃料を供給するのに時間がかかってしまう。
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、燃料電池に燃料を一定流量で供給し、さらに燃料電池が搭載される機器の小型化を実現可能な燃料電池用燃料カートリッジの提供を目的とするものである。
本発明の燃料電池用燃料カートリッジは、燃料電池を搭載した機器に使用される燃料電池用燃料カートリッジにおいて、
前記機器が外面に臨み燃料を受給するための燃料受給口を有するものであって、
前記燃料電池用燃料カートリッジが、外面に臨み燃料を供給するための燃料供給口を有し、内部に前記燃料電池に供給する燃料と、該燃料を押し出すための押出手段とを収容してなる加圧式容器と、
前記燃料供給口から供給された一次圧力の燃料が流入する流入口及び前記燃料受給口に減圧された二次圧力の燃料を排出する排出口を有すると共に、内部に前記流入口から前記排出口に至る流路が形成され、該流路内に前記一次圧力を前記二次圧力に減圧する調圧機構が配置されてなる圧力調整器とを備えてなり、
前記加圧式容器と前記圧力調整器とが、前記燃料供給口と前記流入口とを連通させた状態で互いを着脱自在に固定するための第一の接続機構を備え、
前記圧力調整器と前記機器とが、前記排出口と前記燃料受給口とを連通させた状態で互いを着脱自在に接続するための第二の接続機構を備えたことを特徴とするものである。
本発明の燃料電池用燃料カートリッジは、前記加圧式容器と前記圧力調整器が、第一の接続用係合キーにより接続可能にされていることが好ましい。
本発明の燃料電池用燃料カートリッジは、前記圧力調整器と前記機器が、第二の接続用係合キーにより接続可能にされていることが好ましい。
本発明の燃料電池用燃料カートリッジは、前記第二の接続機構を覆い外力から該第二の接続機構を保護する保護部材を有することが好ましい。
また前記保護部材が、一端に前記機器と係合する係合部を有し、他端に前記圧力調整器と係合する係合部を有する部材であることがさらに好ましい。
本発明の燃料電池用燃料カートリッジは、外面に臨み燃料を供給するための燃料供給口を有し、内部に燃料電池に供給する燃料と、燃料を押し出すための押出手段とを収容してなる加圧式容器と、燃料供給口から供給された一次圧力の燃料が流入する流入口及び燃料受給口に減圧された二次圧力の燃料を排出する排出口を有すると共に、内部に流入口から排出口に至る流路が形成され、流路内に一次圧力を二次圧力に減圧する調圧機構が配置されてなる圧力調整器とを備えているので、燃料電池を搭載した機器に圧力調整器を搭載することなく、燃料を一定流量で供給できるため、急激に燃料が供給されて燃料電池の電解質膜が破けるのを防止することができ、また前記機器は圧力調整器を搭載するスペース分小型化することができる。
また、加圧式容器と圧力調整器とが、燃料供給口と流入口とを連通させた状態で互いを着脱自在に固定するための第一の接続機構を備えているので、加圧式容器に収容された燃料が全て排出又は少なくなった場合に、加圧式容器のみを燃料が再充填された加圧式容器又は燃料が充填された新しい加圧式容器に取り替えればよいので、圧力調整器を取り替える必要がなく、コストを低減することができる。
また加圧式容器と圧力調整器が、第一の接続用係合キーにより接続可能にされている場合には、例えば燃料の種類等に応じて第一の接続用係合キーの形状を変更しておけば、圧力調整器側の第一の接続用係合キーに対応する第一の接続用係合キーを備えた加圧式容器のみが圧力調整器に装着できるので、圧力調整器内部に残存した燃料と異なる燃料が収容された加圧式容器が圧力調整器に装着されるのを防止することができる。
圧力調整器と機器が、第二の接続用係合キーにより接続可能にされている場合には、例えば燃料の種類等に応じて第二の接続用係合キーの形状を変更しておけば、機器側の第二の接続用係合キーに対応する第二の接続用係合キーを備えた圧力調整器のみが機器に装着できるので、機器に搭載された燃料電池に対応しない燃料が収容されている燃料電池用燃料カートリッジを機器に接続不可能にすることができて、誤装着を防止することができる。
また第二の接続機構を覆い外力から第二の接続機構を保護する保護部材を有する場合には、保護部材が第二の接続機構を保護しているので、燃料電池用燃料カートリッジに外部から何らかの力が加わった際に、第二の接続機構による圧力調整器と機器との接続が外れ難くなる。また第二の接続機構の破損を低減できるので、破損による燃料漏れの発生を防止することができる。
次に図面を参照し、本発明にかかる一実施形態の燃料電池用燃料カートリッジ100について詳細に説明する。図1は本実施形態における燃料電池用燃料カートリッジ100と機器としての携帯電話200を接続した状態の斜視図、図2は図1の燃料電池用燃料カートリッジ100と機器としての携帯電話200との接続を外した状態の斜視図、図3は図1の燃料電池用燃料カートリッジ100の分解斜視図である。
本実施形態の燃料電池用燃料カートリッジ100は、図1に示す如く、機器としての携帯電話200に接続することで、該携帯電話200に搭載された図示しない直接メタノール形燃料電池(DMFC)に略一定圧力で燃料Fを供給するものである。なお本実施形態では、携帯電話200に搭載された燃料電池をDMFCとするが、本発明はこれに限られるものではなく、例えば固体高分子形燃料電池(PEFC)等、適宜様々な種類の燃料電池を使用することができる。また、本実施形態の燃料電池用燃料カートリッジ100は、携帯電話200に接続するものとしたが、本発明の燃料電池用燃料カートリッジはこれに限られるものではなく、燃料電池が搭載された機器であれば、例えばノート型パソコン、PDA(Personal Data Assistant)、デジタルカメラ、デジタルビデオ等の小型の携帯端末に接続することができる。
燃料電池用燃料カートリッジ100と携帯電話200とは、図1、図2に示す如く、互いを着脱自在に接続するための接続機構S2(第二の接続機構S2)を備えている。この第二の接続機構S2については後で詳細に説明することとし、先ず燃料電池用燃料カートリッジ100について詳細に説明する。
燃料電池用燃料カートリッジ100は、図2、図3に示す如く、加圧式容器10と圧力調整器20とから構成され、加圧式容器10と圧力調整器20とは、互いを着脱自在に固定するための第一の接続機構S1を備えている。ここで図4に図3の加圧式容器10のIV-IV線断面図、図5に加圧式容器10の上端拡大図、図6に図3の圧力調整器20のVI-VI線断面図に図4の加圧式容器10が接続されたロック状態を示す断面図を示す。なお便宜上、加圧式容器10は圧力調整器20と接続する側(図4中、上側)を上方とし、圧力調整器20は加圧式容器10と接続する側(図6中、下側)を下方として説明する。
加圧式容器10は、図4に示す如く、略円筒状の容器本体12を有し、該容器本体12は、燃料Fを収容する、ピストン13によって仕切られた燃料貯蔵室111を備えた内容器124と、燃料Fをピストン13により押し出すための圧縮ガスGを収容する、上端部が開放された外容器121とからなる二重構造を有するものであって、内容器124の外面と外容器121の内面との間に主として圧縮ガス室112が形成されている。燃料貯蔵室111と圧縮ガス室112は、ピストン13の位置によって容積比率が変動するものであり、燃料Fが減少してピストン13が上昇すると、圧縮ガス室112の一部が内容器124の内部に位置することになる。本実施形態では圧縮ガスGとピストン13を押出手段Pとする。
なお本実施形態において燃料FはDMFCに供給するものであるため、メタノールと純水の混合液である。ただし、本発明においてはこれに限られるものではなく、例えばエタノールと純水等の所定濃度のアルコールと純水の混合液やアルコール単体等、燃料電池の種類に応じて適宜変更可能である。
また、本実施形態において圧縮ガスGは、燃料電池での反応に悪影響を及ぼす酸素が燃料Fへ混入することを防ぐという観点から、さらには燃料Fが酸化することを防ぐという観点から、窒素、炭酸ガス、脱酸素空気等の酸素を含まないガスを用いることが好ましい。なお本実施形態では圧縮ガスGとしたが、本発明はこれに限られるものではなく例えばDME(ジメチルエーテル)等が気化した液化ガスであってもよい。
外容器121は、上端に圧力調整器20が接続される加圧式容器10側の第一の接続機構S1を有する接続具123を備え、該接続具123は、上端に接続口123aを有し上方に向かって突出する接続筒体123cと、下端の中央に形成され、内容器124に収容された燃料Fの流路を開放または遮断する後述するバルブ14が挿通される挿通口123bとを備えている。接続筒体123cは、図5に示す如く、先端部外周に外方に向かって等間隔に突出した固定用の係合突起123c1を備え、下端部外周に環状に突出する押圧段部123c3及び該押圧段部123c3より係合突起123c1に向かって突出するスプライン軸状の凸部123c2を備えている。これら係合突起123c1、凸部123c2及び押圧段部123c3が、加圧式容器10側の第一の接続機構S1を構成している。
内容器124は、下端が開放され、該下端部が外容器121の底面121aと接しておらず、下端側周面には縦方向に延びる複数の切欠き124aが形成されていて、ピストン13がコイルスプリング125を圧縮しながら下降移動した際に、内容器124の内部と外容器121の内部が連通するようになっている。また内容器124の上端部には、略中央にバルブ14と連通する透孔124bが開口し、該透孔124bを囲んで上方に向かって円筒部124cが突設されていて、該円筒部124cの内部に後述するバルブ14の下端部が装着される。
バルブ14は、ハウジング141と、図4の上下方向へ移動可能なステム142と、ステム142を閉方向(上方)に付勢するスプリング143と、燃料Fの流路を開放または遮断する弁体144(Oリング)と、シール部材145とから概略構成されている。なおバルブ14の上端が燃料Fの供給を行なう燃料供給口14aとなっている。
ハウジング141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141aと、この環状段部141aの下面から下方に向かって延長された装着筒部141bと、中間部で内方に突出する環状突起141cを備えている。ハウジング141は、上述した接続具123の挿通口123bに挿通されて、環状段部141aの下面が挿通口123bの上端縁と接するよう配置され、装着筒部141bの内部と内容器124の透孔124bとが連通している。またハウジング141の上端外周にはシール部材145が嵌装されている。
ステム142は棒状に形成され、外側に広がる上端の大径部142aと、大径部142aの下方に延びる軸部142bとを備えている。そしてステム142はハウジング141内に軸方向に移動可能に挿入され、大径部142aの下面と環状突起141cの上面との間に縮装されたスプリング143によって上方に付勢されている。ステム142の軸部142bの先端は、環状突起141cの内孔を挿通して下方へ突出し、軸部142bの先端外周部に装着されたOリングからなる弁体144が環状突起141cの下面に圧接されることにより、その内孔を閉塞して燃料Fの流路を遮断している。また、ステム142が下方へ押圧されると、スプリング143が縮んでステム142が下方に移動し、弁体144が環状突起141c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111内の燃料Fの流路が開放される。
ピストン13は、略円柱状で外周面に溝131bを有する本体部材131と、溝131bに嵌合するゴム等の弾性材から形成されたシール部材132(Oリング)とによって構成され、弾性シール部材132は、外周が内容器124の内面に液密に接触し、内容器124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13は、上面と接する空間を燃料貯蔵室111、底面と接する空間を圧縮ガス室112とにそれぞれ区画する移動隔壁として機能し、底面に作用する圧縮ガスGの圧力によって上面の燃料Fを加圧し、ステム142が開作動した際に、燃料Fを押し出すように作用する。
次に圧縮ガス室112への圧縮ガスGの封入及び燃料貯蔵室111への燃料Fの注入について説明する。なお、圧縮ガスGの封入は燃料貯蔵室112に燃料Fを注入する前に行なうものとする。
まず図示しないガス加圧充填装置のガス注入口を接続口123aに結合し、押し込み作動によりステム142を開作動させ、バルブ14を通して、圧縮ガスGを燃料貯蔵室111に注入する。これに応じてピストン13が下降し、図4に示ようにコイルスプリング125が自然長である位置から、さらに圧縮ガスGを注入することによって、ピストン13は、コイルスプリング125を圧縮させて外容器121の底面121aに向かってさらに移動する。ピストン13が最下降した状態において、切欠き124aの上端部がピストン13の弾性シール部材132より上方となり、切欠き124aを通して燃料貯蔵室111から圧縮ガス室112へ圧縮ガスGが注入される。そして、圧縮ガス室112内が所定圧力となったら、圧縮ガスGの注入を停止する。
次に、ステム142を再び開作動させて燃料貯蔵室111内の余剰圧縮ガスを排出する。これに応じてピストン13はコイルスプリング125の反発力によって上昇し、図4に示すように燃料貯蔵室111を密封する状態に戻る。そして、さらなる前記余剰圧縮ガスの排出でピストン13は下面に圧縮ガス室112の圧縮ガスGの圧力が作用した状態で内容器124の上端にまで上昇移動し、燃料貯蔵室111内の余剰圧縮ガスを排出することにより、圧縮ガスGが燃料貯蔵室111および圧縮ガス室112内に封入される。その後、図示しない燃料注入手段を接続具123に接続し、バルブ14を介して燃料貯蔵室111へ燃料Fを注入することによってピストン13を下降させ、燃料貯蔵室111に所定量の燃料Fを収容することで加圧式容器10が構成される。
なお本実施形態において加圧式容器10を二重容器構造としたが、本発明の加圧式容器はこれに限られるものではなく、適宜設計変更可能であり、例えば一重容器構造で形成された容器本体内部に、燃料FとともにLPG(液化石油ガス)、DME(ジメチルエーテル)及びCFC(クロロフルオロカーボン)等を気化した液化ガス又は炭酸ガスや窒素ガス等の圧縮ガスを噴射剤として収容し、前記液化ガス又は前記圧縮ガスの圧力によって、燃料Fを容器本体の外に自力で霧状や泡状などにして放出させる構造の一重容器構造としてもよい。この場合、押出手段Pは前記液化ガス又は前記圧縮ガスとなる。ただし好ましくは、燃料Fの再充填が可能なリサイクル可能容器がよい。
圧力調整器20は、図1に示す如く、一端を上述した加圧式容器10、他端を携帯電話200にそれぞれ接続することによって、加圧式容器10から供給された燃料Fを、所定圧力に調整してDMFCに供給する装置であり、加圧式容器10から供給された燃料Fの圧力(1次圧力)をDMFCに供給する燃料Fの圧力(2次圧力)に調整する調圧機構33(ガバナ機構)を備えている。
圧力調整器20は、図6に示す如く、上述した加圧式容器10のバルブ14と接続し、内部に前記調圧機構33を有する本体部30と、該本体部30に係合され、上述した加圧式容器10の接続具123を固定状態に接続するための、圧力調整器10側の第一の接続機構S1としての固縛機構S1(ラチェット機構S1)を備えたコネクタ部40と、本体部30とコネクタ部40を被覆し、携帯電話200と接続するケース部50とから概略形成されている。ここで図7に本体部30の断面図、図8にコネクタ部40の分解斜視図を示す。
本体部30は、図7に示す如く、加圧式容器10の燃料供給口14aから供給された一次圧力の燃料が流入する流入口31aと、減圧された二次圧力の燃料が排出される排出口31bとを有し、流入口31aから排出口31bに至る流路が内部に形成されたハウジング32と、前記流路の途中に配置されて、1次圧力を2次圧力に減圧する調圧機構33とから概略構成されている。
ハウジング32は、内部に空間(流路)を形成するように配置された本体ケース34及びカバーケース35と、本体ケース34の下方に取り付けられた円筒形の接続導入筒36とから概略構成され、本体ケース34とカバーケース35は後述するダイヤフラム38の外周部をダイヤフラム38の第1の面(下面)38aと、その反対側の第2の面(上面)38bの両側から挟持して、例えばネジ等によって係合されている。また、カバーケース35とダイヤフラム38及び本体ケース34とダイヤフラム38の間にはそれぞれ空間が形成され、カバーケース35側の空間は大気と連通する大気室350、本体ケース34側の空間は流路を含む調圧室340となっている。
カバーケース35の上壁内面には、略中央に、下方に向かって突出する凸部351が形成され、凸部351の先端すなわち下面は、平坦形状となっている。凸部351の中央には外部(大気)と、大気室350とを連通する小孔351aが形成され、これにより大気室350内は大気圧に維持される。
ダイヤフラム38は、本体ケース34の上面全周に亘って形成された段部34aに配置され、本体ケース34とカバーケース35によって、調圧室340に面する第1の面(下面)38aとその反対側の大気室350に面する第2の面(上面)38bの両側を押圧固定されている。このようにダイヤフラム38は、下面38aに調圧室340に収容された燃料Fの圧力、上面38bに大気室350に収容された気体の大気圧をそれぞれ受けるものであり、前記圧力と大気圧との圧力差に応じて上下に弾性偏位可能となっていて、該圧力差によって生じる付勢力と後述する調圧ばね311によって生じる付勢力とが平衡した位置に保たれている。
ダイヤフラム38は、例えば、ゴム等から構成され、弾力性を有する概ね平板状の部材であり、略中央に穿設された円形の開口381を有し、略中央から所定距離離れた位置に、円形状に形成された湾曲撓み部382を有する。また、ダイヤフラム38は上側(大気室350側)に後述するサポータ39、下側(調圧室340側)に後述するシャフト310がそれぞれ固着され、ダイヤフラム38の弾性偏位に応じて一体に上下方向(軸方向)に移動可能となっている。なお、これら一体となったダイヤフラム38、サポータ39およびシャフト310を総括して移動体37という。
サポータ39は、ダイヤフラム38の湾曲撓み部382から内側の上面に固着される略円形状の平板部391と、該平板部391の略中央から上方に突出する略円柱状の突出部392を有する。突出部392はカバーケース35の凸部351に対応する位置に設けられていて、該上面は凸部351と同様、平坦に形成され、略中央には上端から下端まで略垂直に、雌ねじ393が形成されている。
また、サポータ39の突出部392およびカバーケース35の凸部351の外周には圧縮コイルばね311(以下調圧ばね311という)が配置され、調圧ばね311は、サポータ39を介してダイヤフラム38を所定の圧力で常時下方に押圧している。
シャフト310は、上面がダイヤフラム38の下面(第1の面)と固着された略円柱状の大径部310aと、大径部310a略中央から上下方向に向かってそれぞれ延びる軸部310b,310cとを有する。軸部310bは、後述する本体ケース34の貫通孔34bを通過して下方に延びていて、先端外周に環状溝が形成され、該溝に貫通孔34bを開閉する調圧弁312が設けられている。
軸部310cは、ダイヤフラム38の開口381を通過して上方に突出し、上述した突出部392の上面の手前まで延びている。また軸部310cには雄ねじ310c’が形成されており、前述のサポータ39の雌ねじ393と螺合して、ダイヤフラム38を両面から締め付けるように構成されている。ダイヤフラム8は、これにより、サポータ39およびシャフト310との間に挟持されて一体に構成される。
本体ケース34は、下面略中央に上述した軸部310bが貫通する貫通孔34bを有し、該貫通孔34bを囲んで下方に向かって環状壁341が突設されている。また、本体ケース34の調圧室340側の面には流体通過溝34cが、該貫通孔34bから延長するように、外方に向かって形成されている。本体ケース34には、調圧室340と連通する排出口31bを有するノズル34dが、その中心軸が環状壁341の中心軸と略直交するように側方に向けて突設されている。
環状壁341の基端外周には環状に溝341aが形成され、該溝341aに後述する接続導入筒36の導入用Oリング342が装着されている。環状壁341の外周には、例えば、図示しないねじが形成されて、接続導入筒36と螺合するように構成することができる。さらに環状壁341の内面には環状に中間段部341bが形成されている。
接続導入筒36は、上述したバルブ4が接続される部材であり、その長手方向の中間に仕切壁36aを有している。仕切壁36aには、略中央に流入口31aが形成され、後述するプラグ364の下部軸364cを受容している。また、仕切壁36aと環状壁341との間には、上方からフィルター361、ジョイント362、圧縮コイルばね363(以下、単にばね363という)およびプラグ364が配置されている。
ジョイント362は、上壁62aを有する略筒状であって、ジョイントの上壁362aの中央には孔362bが形成され、上壁362aと下端との間には、外方に延出する環状のフランジ362cが形成されている。
フィルター361は、円形板状で、その外周に環状壁が垂下されていて、ジョイント362の上壁362aに被冠される。ジョイント362は、組立状態では、フランジ362cが、環状壁341の下端に当接し、フィルター361を環状壁341の中間段部341bとジョイント362の上壁362aとの間に挟持する。ジョイント362の内面には、上下方向に連続する溝(図示しない)が複数本形成され、これらの溝は、供給される1次圧力の燃料が通過する通路となる。
プラグ364は、略ピン状であり、その上部近傍に円板状のフランジ364aを有する。フランジ364aより上方に突出する上部軸364bは、ばね363の内側に挿入可能な直径を有する。フランジ364aより下方に突出する下部軸364cは、プラグ364の下端に向けて収束している。すなわち、テーパが形成されて先細形状となっている。下部軸364cの、フランジ364a近傍にはOリング365が被冠されている。
接続導入筒36が環状壁341に組付けられると、ばね363とプラグ364は、ジョイント362の上壁362aと接続導入筒36の仕切壁36aとの間に保持される。このとき、プラグ364のフランジ364aは、ばね363により下方に付勢され、Oリング365が、フランジ364aと仕切壁36aとの間に押圧される。このOリング365は、バルブ14が接続導入筒36に接続されていない状態では、ばね363の付勢力により、仕切壁36aとフランジ364aに密着した状態にある。これにより、加圧式容器10内の燃料Fが、プラグ364の下部軸364cと仕切壁36aの流入口31aの間から外部に漏出することが防止される。このように本体部30は構成されている。そして本体部30の本体ケース34下端には、接続導入筒36を囲んでコネクタ部40が装着されている。
コネクタ部40は、図6に示す如く、略筒状であり、上端側が本体部30に固着され、下端側が上述した加圧式容器10の接続筒体123cに着脱自在に装着されるものである。プラグ364がステム弁142を押し込んだ状態を保持した位置において、上述した接続筒体123cの外周面に設けられた係合突起123c1、凸部123c2及び押圧段部123c3(加圧式容器10側の第一の接続機構S1)と後述するラチェット機構S1(圧力調整器20側の第一の接続機構S1)によって接続筒体123cすなわち加圧式容器10とコネクタ部40すなわち圧力調整器20とが接続固定され、加圧式容器10と圧力調整器20とはラチェット機構S1によって容易に分離可能となっている。
次にラチェット機構S1の構造を、図6および図8に沿って説明する。図8中の下方に示すラチェットホルダー42は筒状に形成されてなり、筒部420の上端部が同図上端に示すホルダー本体41に固定される。このラチェットホルダー42の筒部420の内面に、一端より略中間位置にまで軸方向に延びる周方向で4つの第1ガイド溝421と、この第1ガイド溝421の上下方向略中央に形成された係合口422と、下端部側の内周に等間隔で複数(12個)配置されたラチェット凸部423と、この軸方向に延びるラチェット凸部423の間に内周面による等間隔で複数(12本)の第2ガイド溝424とを備え、ラチェット凸部423の上端部には傾斜面と係止段部を有し、係止段部の上端より第2ガイド溝424に向けても同様に傾斜面となっている。
第1リング43(スライドリング)は、リング状基部431の外周に等間隔に複数12個のガイド突起432を、内周にはガイド突起432と同位置に内周突起433をそれぞれ備え、上下端面は平坦に形成されている。外周のガイド突起432は、ラチェットホルダー42の第2ガイド溝424に常時挿入され、この第1リング43は回転不能で、上下移動のみ可能である。内周突起433の下面には、接続具123の接続筒体123cの押圧段部123c3の上端が上昇時に当接可能で、その押圧により第1リング43が軸方向に上動する。なお、内周突起433の間の縦溝には、接続筒体123cの係合突起123c1が挿通可能である。
第2リング44(ロックリング)は、リング状基部441の外周に等間隔に突出した複数12個のガイド突起442を、上面に等間隔で複数12個の傾斜面を有するスライド爪部443を、内周に等間隔で突出する複数12個のロック用突起444をそれぞれ備え、回転方向dに回転作動される。外周のガイド突起442と内周のロック用突起444は周方向の同位置で、両者はリング状基部441の下部で連結され、回転方向dの前方で高く後方で低い傾斜面に設けられている。また、上面に突出するスライド爪部443の上面は、同様に回転方向dの前方で高く後方で低い傾斜面に設けられている。
外周のガイド突起442はラチェットホルダー42の第2ガイド溝424に挿入され、第2リング44を軸方向に摺動案内し、このガイド突起442は第2リング44の上動量が大きいときに第2ガイド溝424より抜け出し、第2リング44が回転可能となる。その回転により、ガイド突起442の下端傾斜面が、ラチェット凸部423の傾斜面または係止段部の上端傾斜面に当接可能な状態で下降すると、その傾斜面同士の接触によりさらに回転するもので、ガイド突起442の先端が係止段部に係止したロック状態またはガイド突起442が第2ガイド溝424に挿入された分離状態で、その回転が停止する。また、内周のロック用突起444は、接続動作に伴う回動で接続具123の接続筒体123cのロック用の係合突起123c1の内側に移動して、係合ロック可能である。
第3リング45(ガイドリング)は、リング状基部451の外周に等間隔4個のガイド突起452を、下端面にラチェット爪状の斜面を有する爪歯453を、それぞれ備える。ガイド突起452は、ラチェットホルダー42の第1ガイド溝421に挿入され、この第3リング45は軸方向に上下移動可能(回転不能)であり、その下端位置は第1ガイド溝421の下端部にガイド突起452が係止して規制され、第2リング44と分離される。下端面の爪歯453は、第2リング44の上面のスライド爪部443と当接し、斜面同士の接触により第2リング44を回動させる。
スプリングホルダー46は、円筒状の上部筒部461とこれより外径が小さい下部筒部462よりなり、内部に解放スプリング47が縮装され、上部筒部461の下端外周段部463が、第2リング44のロック用突起444に上方より当接して付勢する。これにより、第3リング45と離れた第2リング44の分離時の遊動防止を行う。
また、スプリングホルダー46の下部筒部462は、第1〜第3リング43〜45の内方に挿入され、下方にラチェットホルダー42の内部に延び、解放スプリング47を受ける底面の中央には開口を有し、開口内にはバルブ14が挿入される。さらに、下部筒部462の下端部が接続具123の内底面に当接可能で、接続具123の接続動作によってスプリングホルダー46は解放スプリング47に抗して軸方向に上方移動可能である。
解放スプリング47は、スプリングホルダー46の内周段部464(図6)と本体ケース34の下面との間に縮装されるコイルスプリングであり、スプリングホルダー46を介して第3リング45を押し下げると共に、接続具123を離脱方向・分離方向に付勢する。
ホルダー本体41は、本体ケース34に固着されるものであって、略筒状の本体部411と、本体部411の上端に4つ等間隔で配設され、外方向に突出するフランジ部414と、該フランジ部414の上端略中央に形成された固定用のネジ孔415と、本体部411の外周面の、フランジ部414の間の位置に4つ等間隔で外方に向かって突設された係止爪416とを有している。該係止爪416は、ラチェットホルダー42の係止口422と係合可能で、組み立てが行われる。
上述した第一の接続機構S1による加圧式容器10と圧力調整器20との接続動作を説明する。図9に加圧式容器10と分離状態のコネクタ部40の断面図、図10に加圧式容器10との接続動作における最大押し込み状態を示す断面図、図11にロック状態の接続具123と第二リング44との関係を示す断面斜視図、図12にロック開放状態の接続具123と第二リング44との関係を示す断面斜視図を示す。
接続具123とコネクタ部40とが接続前の分離状態では、図9に示す如く、スプリングホルダー46の段部463が、第2リング44のロック用突起444に当接して押圧し、第1リング43および第2リング44のガイド突起432,442が、ラチェットホルダー42の第2ガイド溝424内に位置することで第2リング44を回動不能とし、第3リング45が、下降位置が規制された位置に配設されている。
接続具123とコネクタ部40とを接続させるには、先ず、図6に示す如く、シール部材145が接続導入筒36の内面に接触してシール性を確保した後、プラグ364の下部軸364cの先端でステム弁142を押し込み、ステム弁142を開作動させて燃料Fの流路を開放する。このとき、燃料供給口14aと流入口31aとは連通した状態となる。そしてこの押し込み動作に応じて、接続筒体123cのロック用の係合突起123c1が、第1および第2リング43,44の内面の縦溝を通って上方に移動し、スプリングホルダー46の下端部が接続具123の内底面に当接して押し上げられるのに続いて、押圧段部123c3が第1リング43の下面に当接してこれを押し上げる。これに伴い、第2リング44も上昇し、第1ガイド溝421の下端で停止している第3リング45の下面と当接し、この第3リング45も押し上げる。その途中で、第2リング44のガイド突起442はラチェットホルダー42の第2ガイド溝424の上端より出て回動可能となり、第3リング45の下面の爪歯453の傾斜面との当接によって第2リング44は回転方向d(図8)への力を受ける。
そしてさらにプラグ364の下部軸364cの先端でステム弁142を押し込むと、図10に示す如く、最大押し込み状態となる。この状態では第3リング45の上動は規制され第2リング44は第3リング45との斜面接触により、第1リング43上を回転方向dへ回転させ、この第2リング44の回動で、図12に示す如く、そのロック用突起444が接続具123の接続筒体123cのロック用の係合突起123c1の下方に移動して係合し、抜け移動不能にロックする。
次に、最大押し込み状態より、押し込み動作を解放すると、解放スプリング47の付勢力によって接続具123は後退付勢されるが、接続具123の接続筒体123cのロック用の係合突起123c1が第2リング44のロック用突起444に係合して下方移動し、第3リング45および第1リング43も一体に下方移動する。そして、第3リング45が第1ガイド溝421の下端で下降停止になると、これより離れて第2リング44がさらに下降することで、両者の傾斜接触が離れ、第2リング44は上記回転により下端のガイド突起442先端が第2ガイド溝424の位置よりラチェット凸部423の傾斜面上に移動し、この傾斜面上に接触し、第2リング44のさらなる下降で、その傾斜に沿ってさらに回動する。
そして、第2リング44のガイド突起442が係止段部に当接して回動停止するとともに、それ以上の下降が停止されて、この第2リング44のロック用突起444に係合している接続具123はロックされ、図6の如く、分離不能に接続されたロック状態となる。
次に、上記ロック状態からの解放動作は、再度接続具123を押し込み動作すると、第1リング43および第2リング44が上動し、第2リング44の下端部が係止段部より離れて回動可能となり、第3リング45の爪歯453の斜面によって第2リング44が回動し、その後の接続具123の後退移動に伴って、第2リング44のガイド突起442の斜面がラチェット凸部423の係止段部より第2ガイド溝424に至る斜面に接触し、この斜面接触により第2リング44はさらに回転方向dに回転し、ガイド突起442が第2ガイド溝424内に挿入される位置に回転する。この第2リング44の回転位置では、図11に示すように、係合突起123c1はロック用突起444とは外れて縦溝と位置が合い、ロック係合が解放されて、接続具123の接続筒体123cが分離移動可能となって、解放スプリング47の付勢力によってスプリングホルダー46を介して分離作動され、突き出される。このようにして本体部30と接続具123即ち圧力調整器20と加圧式容器10とは互いを着脱自在に固定している。
上記のように加圧式容器10と圧力調整器20とが燃料供給口14aと流入口31aとを連通させた状態で互いを着脱自在に固定するための第一の接続機構S1を備えているので、加圧式容器10に収容された燃料Fが全て排出若しくは少なくなった場合に、加圧式容器10のみを燃料Fが再充填された加圧式容器10若しくは燃料が充填された新しい加圧式容器10に取り替えればよく、圧力調整器20を取り替える必要がないので、コストを低減することができる。また燃料電池用燃料カートリッジ100が加圧式容器10と圧力調整器20とを備えているので、携帯電話200に圧力調整器20を搭載することなく、燃料Fを一定流量で供給できるため、急激な燃料供給によって燃料電池の電解質膜が破けるのを防止することができる。また携帯電話200は圧力調整器を搭載するスペース分小型化することができる。
また加圧式容器10は、内部に収容された燃料Fの種類等に応じて、接続筒体123cの口径や、接続筒体123cに設けられた係合突起123c1及び凸部123c2の幅や配設位置の間隔を変更することによって、加圧式容器10側の第一の接続用係合キーK1(図示せず)を構成している。そして該加圧式容器10側の第一の接続用係合キーK1と対応するようにコネクタ部40の口径や、第1リング43の内周突起433及び第2リング44のロック用突起444の幅や配設間隔を変更することによって、圧力調整器20側の第一の接続用係合キーK1(図示せず)を構成している。
このように加圧式容器10と圧力調整器20とが、加圧式容器10の内部に収容された燃料Fの種類に応じた第一の接続用係合キーK1を備えていれば、圧力調整器20側の第一の接続用係合キーK1に対応する第一の接続用係合キーK1を備えた加圧式容器10のみが圧力調整器20に装着できるので、圧力調整器20内部に残存した燃料と異なる燃料が収容された加圧式容器10が圧力調整器20に装着されるのを防止することができる。
なお、本実施形態ではラチェット機構S1によって加圧式容器10と圧力調整器20とを接続固定するものとしたが、本発明においては、これに限られるものではなく、加圧式容器10が前記押し込み状態を保持することができて、且つ本体部30と容易に分離可能な構造であればいずれを使用してもよく、加圧式容器10を本体部30に向けて、単にばね付勢するように配置された、圧縮コイルばねや、板ばねの如きばね部材(図示せず)であってもよい。
そしてさらに上述のように構成された本体部30とコネクタ部40とは、携帯電話200と接続するための第二の接続機構S2を備えるカバー部50によって覆われている。
カバー部50は、図6に示す如く、下端が開放した略円筒状のカバー本体51と、該カバー本体51の側面上方に備えられた、第二の接続機構S2としての接続部52とから概略構成されている。
カバー本体51は、上壁の内面にカバーケース35の上端が当接し、内周面にはコネクタ部40のラチェットホルダー42の外周面が固着されている。ここで図13に接続部52の拡大断面図、図14に携帯電話200との接続側から見た接続部52の斜視図を示す。
接続部52は、図13に示す如く、上述した本体部30の排出口31bと連通し、ノズル34dが挿通される挿通孔521aが形成された底壁を有する筒状の第二のジョイント521と、該第二のジョイント521の一端に固着され、燃料Fを携帯電話200に供給する供給口31cを有する、略筒状の接続筒部522と、第二のジョイント521及び/又は接続筒部522の内部に収容され、一端に携帯電話200との接続に応じて供給口31cを開閉する弁523aが装着された軸部523bを有する開閉プラグ523と、一端が開閉プラグの523の他端に当接し、他端が第二のジョイント521の前記上壁に当接するばね部材524と、接続筒部522を被覆して前記カバー本体51と固着し、携帯電話200と接続する、略筒状の接続本体525とから概略構成されている。接続筒部522は先端の溝にシール用Oリング526が装着されている。
また、接続本体525は、内周面に接続用係合キーK2(圧力調整器20側の第二の接続用係合キーK2)が形成されている。該接続用係合キーK2は、図14に示す如く、内周面の一箇所に、筒の内方に向かって突設され、筒の先端面から筒の装着方向に延びる絶対位置の基準となる基準突起525aと、この基準突起525aに対して、燃料電池用燃料カートリッジ100の種類に応じて予め設定された本数(本実施形態では2本)で、且つ予め設定された位置に、筒の先端面から筒の装着方向に延設された選択突起525b、525cとで構成されている。このとき基準突起525aは、選択突起525b、525cよりも幅が広く形成されている。なお選択突起525bと選択突起525cとは燃料電池用燃料カートリッジ100の種類に応じて幅及び装着方向の長さが異なるものであってもよい。
一方、携帯電話200には、図2に示す如く、外面に臨み燃料をDMFCに受給するための燃料受給口61を備えた、携帯電話200側の第二の接続機構S2としての燃料受給部60が設けられている。ここで図15に燃料受給部60の拡大図を示す。燃料受給部60の略中央の燃料受給口61には、該燃料受給口61を囲んで筒体62が形成され、該筒体62には、所定規格の接続用係合キーK2(携帯電話200側の第二の接続用係合キーK2)が形成されている。また燃料受給口61には上述した圧力調整器20の接続部52の開閉プラグ523を押圧して開く棒部63が備えられている。
携帯電話200側の第二の接続用係合キーK2は、図15に示す如く、上述した圧力調整器20の基準突起525aに対応する機器側基準溝62aと、選択突起525b、525cに対応する機器側選択溝62b、62cとが形成されている。このとき圧力調整器20と同様に機器側基準溝62aは、機器側選択溝62b、62cよりも幅が広く形成されている。そして圧力調整器20と携帯電話200とは、上述した第二の接続機構S2により、着脱自在に接続される。先ず、基準突起525aと機器側基準溝62a、選択突起525bと機器側選択溝62b及び選択突起525cと機器側選択溝62cとがそれぞれ係合するように、接続本体525の内面に筒体62を挿入する。すると棒部63が開閉プラグ523を押圧して弁523aを開方向に移動させ、供給口31cを開状態にする。これにより供給口31cを介して、本体部30の燃料受給口61と排出口31bとが連通した状態で接続本体525すなわち圧力調整器20と筒体62すなわち携帯電話200とが接続される。このとき携帯電話200には該携帯電話200側の第二の接続用係合キーK2に対応する第二の接続用係合キーK2を有する圧力調整器20のみが接続可能である。
このように携帯電話200と圧力調整器20とが、互いに対応する第二の接続用係合キーK2を有しているので、ユーザが無意識に接続しようとしても、第二の接続用係合キーを有するもの以外は嵌合しないようにしてあるため、第二の接続用係合キーを有さない、すなわち携帯電話200に搭載された燃料電池に対応しない燃料電池用燃料カートリッジ100は接続することができない。従って燃料電池用燃料カートリッジの誤装着を防止することができる。なお、本実施形態においては第二の接続用係合キーK2を上記のような構成としたが、本発明はこれに限られるものではなく、例えば基準突起525aを複数設けてもよいし、基準突起525a及び選択突起525b、525cを外周面に設けてもよいし、内周面と外周面に設けてもよいし、多数の組合せパターンが考えられ、適宜設計変更可能である。また、突起や溝に限られず、例えば筒の口径を変更してもよい。
次に図16に第二の実施形態の燃料電池用燃料カートリッジの斜視図を示す。第二の実施形態の燃料電池用燃料カートリッジ100'は、上述した実施形態の燃料電池用燃料カートリッジ100に、第二の接続機構S2を覆い外力から該第二の接続機構S2を保護するための保護部材70を備えたものである。図17に保護部材70の斜視図を示す。
保護部材70は、図17に示す如く、一端に圧力調整器20と係合する係合部71を有し、他端に携帯電話200と係合する係合部72を有している。圧力調整器20と係合する係合部71は略正方形板状の保護部材本体の略中央に形成された孔71で構成され、該孔71に上述した圧力調整器20の接続本体525が挿入されるようになっている。このとき孔71の内面と接続本体525の外面とが接触して係合する。
携帯電話200と係合する係合部72は、前記孔71を挟んで互いに対向して突設された突設部72で構成され、該突設部72の内側が、上述した携帯電話200の燃料受給部60を有する面の厚さ方向を把持するようになっている。
圧力調整器20と携帯電話200とは、上記のように構成された保護部材70を介して接続される。このように保護部材70が第二の接続機構S2を保護しているので、燃料電池用燃料カートリッジ100に外部から何らかの力が加わった際に、第二の接続機構S2による圧力調整器20と携帯電話200との接続が外れ難くなる。また第二の接続機構S2の破損を低減できるので、破損による燃料漏れの発生を防止することができる。
また図18に第三の実施形態の燃料電池用燃料カートリッジ100''の斜視図、図19に第四の実施形態の燃料電池用燃料カートリッジ100'''の斜視図を示す。
第三の実施形態の燃料電池用燃料カートリッジ100''は第一の実施形態の燃料電池用燃料カートリッジ100と構成は略同様であるが、カバー本体51の形状が異なるものであるため、本実施形態のカバー本体51''についてのみ説明する。第三の実施形態のカバー本体51''は、加圧式容器10を完全に被覆するように加圧式容器10の挿入方向が長く形成された略筒状を有している。また、外周面には、前記挿入方向に延びる開口51aが形成され、加圧式容器10を圧力調整器20''から取り外すときに例えばユーザの指を開口51aに挿入して加圧式容器10を取り外す方向に押し出すことを可能とし、取り外しが容易な構造となっている。このような構成のカバー本体51''は、燃料電池用燃料カートリッジ100''の外観のデザイン性を向上させることができる。
第四の実施形態の燃料電池用燃料カートリッジ100'''は第一の実施形態の燃料電池用燃料カートリッジ100と構成は略同様であるが、圧力調整器20の接続部52の取り付け位置が異なるものである。第四の実施形態の圧力調整器20'''は、接続部52すなわち第二の接続機構S2と第一の接続機構S1とが加圧式容器10の筒軸方向に直列に配置されている。
燃料電池用燃料カートリッジと携帯電話を接続した状態の斜視図。 燃料電池用燃料カートリッジと携帯電話との接続を外した状態の斜視図。 燃料電池用燃料カートリッジの分解斜視図。 図3の加圧式容器のIV-IV線断面図 加圧式容器の上端拡大図。 図3の圧力調整器のVI-VI線断面図に図4の加圧式容器が接続されたロック状態を示す断面図。 圧力調整器の本体部の断面図。 圧力調整器のコネクタ部の分解斜視図。 加圧式容器と分離状態の圧力調整器の断面図。 加圧式容器との接続動作における最大押し込み状態を示す断面図。 ロック状態の接続具と第2リングとの関係を示す断面斜視図。 ロック開放状態の接続具と第2リングとの関係を示す断面斜視図。 接続部の拡大断面図。 携帯電話との接続側から見た接続部の斜視図。 燃料受給部の拡大図。 第二の実施形態の燃料電池用燃料カートリッジの斜視図。 保護部材の斜視図。 第三の実施形態の燃料電池用燃料カートリッジの斜視図。 第四の実施形態の燃料電池用燃料カートリッジの斜視図。
符号の説明
100 燃料電池用燃料カートリッジ
10 加圧式容器
14a 燃料供給口
20 圧力調整器
30 本体部
31a 流入口
31b 排出口
33 調圧機構
40 コネクタ部
50 カバー部
60 燃料受給部
61 燃料受給口
70 保護部材
71 圧力調整器と係合する係合部(孔)
72 携帯電話200と係合する係合部(突設部)
200 携帯電話
F 燃料
G 圧縮ガス
K1 第一の接続用係合キー
K2 第二の接続用係合キー
P 押出手段
S1 第一の接続機構
S2 第二の接続機構

Claims (5)

  1. 燃料電池を搭載した機器に使用される燃料電池用燃料カートリッジにおいて、
    前記機器が外面に臨み燃料を受給するための燃料受給口を有するものであって、
    前記燃料電池用燃料カートリッジが、外面に臨み燃料を供給するための燃料供給口を有し、内部に前記燃料電池に供給する燃料と、該燃料を押し出すための押出手段とを収容してなる加圧式容器と、
    前記燃料供給口から供給された一次圧力の燃料が流入する流入口及び前記燃料受給口に減圧された二次圧力の燃料を排出する排出口を有すると共に、内部に前記流入口から前記排出口に至る流路が形成され、該流路内に前記一次圧力を前記二次圧力に減圧する調圧機構が配置されてなる圧力調整器とを備えてなり、
    前記加圧式容器と前記圧力調整器とが、前記燃料供給口と前記流入口とを連通させた状態で互いを着脱自在に固定するための第一の接続機構を備え、
    前記圧力調整器と前記機器とが、前記排出口と前記燃料受給口とを連通させた状態で互いを着脱自在に接続するための第二の接続機構を備えたことを特徴とする燃料電池用燃料カートリッジ。
  2. 前記加圧式容器と前記圧力調整器が、第一の接続用係合キーにより接続可能にされていることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池用燃料カートリッジ。
  3. 前記圧力調整器と前記機器が、第二の接続用係合キーにより接続可能にされていることを特徴とする請求項1または2に記載の燃料電池用燃料カートリッジ。
  4. 前記第二の接続機構を覆い外力から該第二の接続機構を保護する保護部材を有することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の燃料電池用燃料カートリッジ。
  5. 前記保護部材が、一端に前記機器と係合する係合部を有し、他端に前記圧力調整器と係合する係合部を有する部材であることを特徴とする請求項4に記載の燃料電池用燃料カートリッジ。
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