JP2007507857A - 液体供給燃料電池システム用の燃料容器及び供給装置 - Google Patents

Abstract

燃料電池からの排出物の除去も実現する燃料容器及び供給装置が提供される。燃料容器及び供給アセンブリは、液体供給燃料電池用の燃料を収容する可撓性の内部ブラダを備える。燃料容器及び供給アセンブリには、容器内のコンジットを介して直接酸化燃料電池に燃料を送るように燃料収容可撓性ブラダに絶え間なく圧力を与える加圧要素が取り付けられている。燃料は、連続的に若しくはオンデマンド式に燃料電池に供給される。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。本発明の一実施形態によれば、当該アセンブリは、燃料極側からの二酸化炭素、未反応の燃料及び水から成るか、又は空気極側からの水から成るか、又はその両方の組み合わせから成る燃料電池からの排出物を受容するように設けられた第２のブラダを備える。
【選択図】図１３

Description

本発明は、概して、直接酸化燃料電池をはじめとする液体供給燃料電池の分野に関し、より詳細には、そのような燃料電池を備えたシステムのための燃料容器及び供給装置に関する。

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。液体供給燃料電池では、メタノールなどの液体物資が燃料として採用される。

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、燃料電池に導入する前に、燃料から水素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、燃料の処理は技術的に複雑、困難であり、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。

電池で用いられる燃料は、炭素質液体又は気体の何れかとし得る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、「液体供給式改質器ベース燃料電池」又は「液体供給式直接酸化燃料電池」に分類される。幾つかの場合、液体の操作や貯蔵は容易であること、また、広範な周囲条件において液体は比較的安定であることに起因して、気体燃料よりも液体燃料を貯蔵し利用することが望ましい。本書の説明は主に液体供給燃料電池システムに関しており、よって当該システムを単に直接酸化システム又は改質器ベースシステムに分類していることも理解されたい。

手持ち式携帯型電子機器のように比較的低電力の運転に関しては、直接酸化燃料電池システムを利用することが望ましい。より詳細には、直接酸化燃料電池システムは、比較的小型の装置における多数の用途（例えば、携帯電話、手持ち式コンピュータ並びにラップトップコンピュータ）並びに幾らか大型の用途に最も適している。

簡単に言えば、直接酸化燃料電池では、炭素質液体燃料（典型的に、メタノール水溶液のような水溶液状態の）は、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）の燃料極側に導入される。ＭＥＡは、プロトン伝導性ではあるが電子非伝導性の膜（ＰＣＭ）を含む。典型的に、燃料極における燃料の直接酸化を可能にする白金若しくは白金／ルテニウム合金などの触媒が、ＰＣＭ表面に配されている（さもなければ、燃料電池の燃料極チャンバ内に存在する）。プロトン（燃料中に存在する水素や、燃料極側反応で見出される水分子に由来）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。そして、電子は、異なる経路を通って、空気極反応に関与するプロトン及び酸素分子と再結合する。従って、電子が負荷を通ると電力がもたらされる。

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（「ＤＭＦＣ」システム）である。ＤＭＦＣシステムでは、水溶液状態のメタノールが液体燃料（「燃料混合物」）として用いられ、酸素、好ましくは周囲空気からの酸素が酸化剤として用いられる。ＤＭＦＣでは以下の２つの基本的な反応が起こり、それによってＤＭＦＣシステムは電力消費装置に電力をもたらすことが可能となる：メタノールと水の燃料混合物がＣＯ_２、プロトン及び電子となる燃料極解離；及びプロトン、電子、酸素が水となる空気極結合。

これらの反応を絶え間なく進行させるために、液体供給燃料電池をはじめとする燃料電池には、発電を確保するのに十分な燃料が供給されなければならない。さらに、そのような液体供給燃料電池が携帯型の手持ち式装置と共に用いられる場合には、それは種々の向きにおいて効果的に作動することが理想的である。従って、携帯型電子装置において使用される場合には、ＤＭＦＣは、ＤＭＦＣシステムの向きに関係なく、液体燃料を連続的に若しくはオンデマンド式に供給することができる燃料供給システムを備えるべきである。

メタノールの性質並びに人や装置等へのそのリスクに起因して、当該物質を用いる場合には、典型的に、安全予防措置が講じられる。即ち、容器からの燃料漏れを実質的に防止するような方法でメタノールを貯蔵したり供給したりすることが望ましい。さらに、燃料物質は、それが容器から漏れた場合にその検知性を高めるところの１つ又は複数の添加剤と混合することができる。これらの安全性向上添加剤は、廃棄や不慮の破壊により燃料電池から多量のメタノールが放出された場合にそれと接触し得る人による燃料物質の検知容易性を高めるような臭い及び／又は色をもたらすことによって、当該物質のより安全な取り扱いを可能とする。

最良の成果をもたらすために、当該安全性向上添加剤は、関連装置に電力を供給するために燃料が使用されている間、燃料とは別個に貯蔵、保持されるべきである。安全性向上添加剤に加えて、燃料電池内で生成された、有用であるか又は有用でない排出物物質もある。例えば、燃料電池の燃料極側では、二酸化炭素が反応生成物であり、過剰の若しくは未反応の燃料、水及び他の反応生成物や物質もまた存在する。空気極側では、水が生成し、それは除去することができ、また、除去することが望ましい他の物質や汚染物質もまた存在する。これらの物質の幾らかは、都合の良い方法で除去することが好ましい。

当該装置はまた、小さい形状因子に適合すべきであり、これらの利点は、大量生産技術が実現可能なレベルにおいてもたらされるべきである。

従って、本発明の１つの目的は、（燃料電池によって電力を供給されている）装置が種々の向きで作動している際にも予期せず停止することがなく、液体燃料を連続的若しくは断続的な様式で燃料電池に供給し且つ燃料電池から不要な排出物を除去するような貯蔵容器及び供給システムを提供することである。

これらの利点並びに他の利点は、燃料容器及び供給アセンブリが、液体供給燃料電池用の燃料を収容する可撓性の内部ブラダを備えて成る本発明によってもたらされる。燃料容器及び供給アセンブリには、可撓性の燃料収容ブラダに絶え間なく圧力を与える加圧要素が取り付けられており、それによって、燃料は、容器内のコンジットを通って直接酸化燃料電池へと送られる。燃料は、連続的若しくはオンデマンド様式にて燃料電池に供給される。燃料容器は、取り替え可能なカートリッジとし得る。本発明の燃料容器及び供給システムは、それが如何なる向きで用いられていようと、液体供給燃料電池に容易且つ安価に燃料を供給する。

本発明の一実施形態では、加圧要素は、バネが載せられたプレート、又は可撓性ブラダを圧縮させて液体燃料に圧力をかけ、それを燃料電池に絶え間なく供給するような他の装置を含む。本発明の他の態様によると、膨張可能な泡のような膨張可能な材料をプレートに適用して、可撓性ブラダに圧力を与える。

圧力アセンブリは、安全性向上添加剤が収容される区画を画定する外部容器内に配置される。燃料供給アセンブリが傷ついたり捨てられたりする際には、安全性向上添加剤が燃料と混合し、それを検知可能とする。

本発明のさらに他の実施形態では、さもなければ除去することが困難であろうような燃料電池からの不要な排出物を除去するための便利な手段として、追加の可撓性内部ブラダが設けられる。

本発明は、燃料貯蔵容器及び供給アセンブリに関する。燃料には、限定はしないが、メタノール、エタノール、プロパン及びブタンをはじめとする任意の炭素質液体燃料、又はそれらの水溶液を用いることができる。例示目的で、ここでは、燃料物質がメタノール若しくはメタノール水溶液であるところの直接メタノール燃料電池（「ＤＭＦＣ」）システムと共に用いられるものとして、本発明の例示的な一実施形態を説明する。しかしながら、当該燃料容器及び供給システムが、直接酸化燃料電池用として貯蔵され供給されるような他の燃料についても容易に用いられることは、本発明の範囲内であることを理解されたい。従って、ここで用いるとき、語句「燃料」には、メタノール、エタノール、プロパン、ブタン、又はそれらの組み合わせ、それらの水溶液、並びに直接酸化燃料電池システムにおいて利用可能な他の炭素質液体燃料が包含される。

本発明のより良い理解のために、本発明を採用し得る直接メタノール燃料電池システムについて、簡単に説明することとする。図１は、本発明の燃料容器及び供給システムを用いることのできる直接メタノール燃料電池システムを示している。ＤＭＦＣ３を備える当該システム２は、本発明による燃料容器及び供給アセンブリ４から燃料を供給する燃料供給システムを有する。ＤＭＦＣ３は、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）６を包囲するハウジング５を備える。ＭＥＡ６は、プロトン伝導性で電子非伝導性の膜（ＰＣＭ）７を含む。ＰＣＭ７は、燃料極面８及び空気極面１０を有し、それらの各々は、限定はしないが、白金若しくは白金／ルテニウム合金をはじめとする触媒で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の部分は、ここでは、燃料極チャンバ１８と称される。ハウジング５とＰＣＭの空気極面によって画定されるＤＭＦＣ３の部分は、空気極チャンバ２０と称される。反応物及び副生物を管理する配流板や拡散層（図１には図示せず）などの直接メタノール燃料電池システムの他の要素は、燃料極チャンバ１８及び空気極チャンバ２０内に含まれる。

メタノール、又はメタノールと水との溶液は、ＤＭＦＣ３の燃料極チャンバ１８内に、又はそこから燃料溶液が燃料極チャンバ１８へと供給されることになる内部燃料リザーバ（図示せず）内に、導入される。より詳細には、当業者であれば理解されるように、触媒の存在下、燃料物質がＰＣＭの燃料極面８に導入され且つ酸素、典型的には周囲空気、がＰＣＭの空気極面１０に導入される際に、発電反応が起こる。

本発明の燃料容器及び供給アセンブリ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に供給される。燃料混合物は、配流板及び／又は拡散層（図示せず）に関連付けられたチャネルを通り、最終的にＰＣＭに至る。膜表面上にある（又は、膜表面上に存在する）触媒によって、ＰＣＭの触媒作用のある燃料極面８上で炭素質燃料が酸化され、燃料混合物の燃料や水分子からプロトンと電子が分離される。回路を閉じると、プロトンは、電子に対し非透過性のＰＣＭ７中を通る。そして電子は、他の経路を通り、外部回路の負荷２１を通ってプロトンと再結合し、これによって負荷に電力がもたらされる。反応が続く限り、電流は、外部回路中で維持される。直接酸化燃料電池は、水（Ｈ_２Ｏ）と、ガスセパレータ３０により取り除かれる二酸化炭素（ＣＯ_２）とを生成し、また、未反応のメタノールと水は、ポンプ２４へと再循環される。具体的用途において望まれる場合には、空気極排出物をガスセパレータ３２へと送り、ポンプ２４に水を再循環させる。当業者であれば、本発明の燃料容器及び供給アセンブリを種々の構造のシステムにおいて用い得ることも理解されよう。

図２は、本発明の燃料容器及び供給アセンブリの例示的な一実施形態を示している。図示した例示的実施形態では、燃料容器及び供給アセンブリ２００は、実質的に剛性のカートリッジ２０２であるところの外部ハウジングを有する。カートリッジ２０２は、可撓性ブラダとし得る折り畳み式の燃料容器２０４を収容しており、それは、それが関連付けられるＤＭＦＣ若しくは他の燃料電池のための液体燃料を保持するために用いられる。可撓性のブラダ２０４に接触して又は近接して、プレート２０６（金属若しくは不活性な固いプラスチック材料から製造することができる）が配置されている。プレート２０６は、バネ２１０の力の作用下に配置されている。バネ２１０には、図２に示すようにコイルバネを用いたり、本発明の範囲内に留まる限り、「弓」状バネを用いたりすることができる。バネの種類の選択はまた、システムの形状因子及び燃料供給要件に依存する。

例示的な実施形態では、プレート２０６は、カートリッジ２０２の内壁の内部輪郭と実質的に等しい外辺部を有する形状を有する。これによって、当該プレート２０６に対し適切な角度にてバネが最大の力を作用させることが可能となるように当該プレートがカートリッジ内でぐらつかないように安定化されるため、可撓性ブラダ２０４に均一な最大の圧力が適用される可能性が高まる。当該ブラダは、当初、空気や他のガスを実質的に含まず完全に満たされていることが好ましい。液体燃料がＤＭＦＣによって消費されると、ブラダは萎み、圧縮バネは伸長してブラダ２０６に圧力をかけ続け、それによって、実質的に一定の流れにて燃料がＤＭＦＣに供給される。

代替実施形態を、図３に示している。カートリッジ３０２は、それに隣接して配置されたプレート３０６を有する可撓性のブラダ３０４を備える。バネの代わりにプレート３０６に圧力をもたらしブラダ３０４に力を加えるために、膨張可能な材料３１０、エラストマー若しくは膨張可能なフォームとし得る、がプレート３０６に接触して容器内に配置されている。図２又は図３の実施形態では、加圧要素、即ち、バネ若しくは膨張可能材料、がブラダに十分な力を加えそれを圧縮し、それによって、ブラダを破壊することなく、ブラダから流体を流出させるようにブラダ内の圧力を高めることができる。具体的な圧力は、例えば、本発明が採用される用途や用いられる材料に依存する。

コンジット２２４（図２）及びコンジット３２４（図３）は、ＤＭＦＣへの燃料の流れをもたらす。例示的な一例によれば、カートリッジ２０２のコンジット２２４は、シール又は栓２２４を用いてシールされている。針２２３を用いることで、シール２２４及び可撓性ブラダ２０４に穴をあけることができ、それによって、ブラダからＤＭＦＣへと燃料を導くことができる。針２２３は、容器が処分される際にブラダに裂け目をもたらす破壊要素２２３１を備えることができる。これによって、前述のような添加剤を混合することができる。本開示のこの態様の詳細については、ＭＵＬＴＩＰＬＥ−ＷＡＬＬＥＤ ＦＵＥＬ ＣＯＮＴＡＩＮＥＲ ＡＮＤ ＤＥＬＩＶＥＲＹ ＳＹＳＴＥＭと題された、同一出願人による２００１年２月２０付けの米国特許出願第０９／７８８，７６８号に記載されており、参照することによりその全てをここに取り入れることとする。

当業者には理解されようが、容器又はＤＭＦＣシステム内にバルブを配することは、燃料の流れを制御するために望ましい。さらに、ＤＭＦＣ内に燃料を注ぐために、図５Ａ及び図５Ｂに示すように、外部タンクが傾斜のある側部７６を有するように形状決めすることが好ましい。

バルブは、図４に図示するように、計量バルブとし得る。図４は、本発明の燃料容器及び供給アセンブリ４０４から燃料の供給されるＤＭＦＣ４０３を備えた直接メタノール燃料電池システム４０２を図示している。本発明の本実施形態では、ＤＭＦＣシステム４０２は、計量バルブ４０６を備える。計量バルブ４０６は、関連するマイクロプロセッサや他の制御ロジックにより実行し得る命令群に従って運転される制御システムにより駆動される。

燃料は、計量バルブ４０６を介して、燃料容器及び供給アセンブリ４０４から放出され、そして、ポンプ４２４、内部リザーバ若しくは混合チャンバ（図示せず）、ＤＭＦＣ４０３の燃料極チャンバへと放出される。燃料として用いられるメタノール溶液の濃度は、燃料極循環ループ４１０、４２０を介して受容される未反応メタノールから決定された情報、又は燃料電池システム内部の他の運転パラメータに基づく情報から、変化させることができる。メタノール溶液の濃度を調節することによって、典型的にＤＭＦＣに関連するメタノールクロスオーバーや水キャリーオーバーに関する問題を抑制することができ、ＤＭＦＣシステムは、より広範な電力需要プロファイルにわたって、電力をもたらすことができる。

本発明の燃料容器及び供給アセンブリに関するさらに他の２つの実施形態を、図５Ａ及び図５Ｂにそれぞれ示す。図５Ａでは、燃料容器及び供給アセンブリ５００ａは、燃料カートリッジ５０２ａを備える。燃料カートリッジ５０２ａは、燃料を収容する幾分剛性のブラダ、即ち、エンベロープ５０４ａを有する。図示する実施形態では、ブラダは、互いに結合されることによって燃料を収容するエンベロープを作り出すところの、２枚のブラダ材料から構成することができる。当該エンベロープは、燃料が消費されると萎む傾向がある。当該ブラダは、プレート５０６ａ及びバネ５１０ａによる圧力の作用下に配置される。図５Ａ記載の実施形態に加えて、ブラダが漏斗形状を有するようにブラダを製造することが好ましい。こうすることで、メタノールは、燃料容器５００ａと燃料電池の燃料極面に導くシステム要素との間の界面において、コンジット５２４ａ近傍のより狭い端部に向かって注ぎ込まれる。

図５Ｂでは、燃料容器及び供給アセンブリ５００ｂは、ベローズ構造を有するブラダ５０４ｂを収容したカートリッジ５０２ｂを有する。ベローズ型ブラダは、関連装置の運転時に燃料が消費される際に、部分的に萎んだバッグ部分がメタノールの流れを遮断しないように選択的に萎むことが可能である。記載する他の実施形態におけるように、プレート５０６ｂは、バネ５１０ｂの作用を受けてベローズ形状ブラダ５０４ｂを圧縮する。

本発明はまた、燃料容器及び供給アセンブリ内に備え付けられることになる、簡便で精確な燃料ゲージを提供する。図６に示すように、燃料容器及び供給アセンブリ６００は、外部容器６０２を有し、それは、アセンブリ６００内の燃料量の視覚的表示をもたらす透明窓であり得る燃料ゲージ６０４を備える。カートリッジ６０２は、燃料が消費されそれが萎むと、コンジット６２４の方に（且つゲージ窓６０４を通して視認できるように）アセンブリの一端に向かってカラープレートが動くことを可能とするブラダ（図６では図示せず）を備える。

ゲージは、容易に校正することができる。バネが伸びると、燃料が消費され、プレートは、アセンブリのコンジット端に向かって動く。カートリッジ６０２の一部を切除して、生じた開口に透明な材料を配することによって、プレート（着色やマーキングによってより視認できるようにすることができる）はゲージとして働くことができる。図６の窓６１０は、本実施形態を図示しており、この図では、燃料カートリッジは、満充填の１／２と３／４との間にあることが示されている。

本発明の他の態様によれば、加圧要素は、図７のアセンブリ７００におけるように、要素７１０ａ及び７１０ｂのような軸方向要素の組み合わせとし得る。この実施形態では、カートリッジ７０２は、ブラダ７０４を備える。要素７１０ａ及び７１０ｂは、それぞれ、プレート７１２ａ及び７１２ｂに作用する弓状バネである。プレート７１２ａ及び７１２ｂは、ブラダ７０４を圧縮する。本発明の範囲内に留まる限り、要素７１０ａ及び７１０ｂとして、他のタイプのバネ、又は他の要素を選択し得る。本発明の本実施形態は、比較的小さい装置に含まれるような特定の形状因子を満たすために、又は異なる圧力が望まれる状況において、特定の用途において望ましい。

図８Ａ及び図８Ｂは、ブラダ８０４を備えるカートリッジ８０２を有する燃料容器及び供給アセンブリ８００を示している。ブラダ８０４は、一方の端部８０８に、移動サブアセンブリ８１０が取り付けられている。移動サブアセンブリ８１０は、軸８２２の周りに巻かれている定荷重バネ８２０を備える。軸８２２は、ガイドに沿って動き、ブラダ８０４に向かって圧縮要素８２６に力を加え、コンジット８２４から液体燃料を外部に出させる。燃料がブラダから放出されるとき、移動アセンブリは、もはや燃料を含んでいないブラダ部分８０８が圧縮要素８２６内の開口を通って（又はそれに隣接して）移動することを可能とする。こうして、燃料を収容しているブラダ部分は、圧力の作用下に維持される。

本発明の本実施形態の第２の態様は、バネ８２０として圧縮バネを備える（図８Ｂ）。軸とブラダは機械的に一体化又は接続されており、それによってバネは軸を回転させ、ブラダ容積を最小限にすることができる。燃料がコンジット８２４を通って放出されるとき、軸は回転し続け、ブラダ８０４に圧力がかかり、それによって関連するバルブが開状態であると燃料の放出が引き起こされる。

図９に図示するように、移動サブアセンブリ内にロック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、定荷重バネ８２０の作用下、軸８２２は、ラチェット歯９０４を備えた鋸歯状の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内にはまり込み、そしてガイド９０２に沿って前方に動くことができるが、反対側の後方には動かない。このロックシステムは、移動アセンブリが後方に滑ることを防止し、それによって、燃料電池への燃料の圧力及び流れの損失を防ぐことができる。

あるいはまた、ロックシステムを備えるカートリッジを用いることで、燃料の望ましくない流れを防止することができる。図１０Ａ及び１０Ｂに示すこの代替システムでは、固い壁１００１を有するカートリッジ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一体化されている、燃料ブラダ１００８を収容している。ローラは軸１０１２に固定されており、それにはまた、２つの移動制限要素１０１４ａ、１０１４ｂも固定されている（図１０Ｂ）。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。燃料がシステムに供給されるとき、コイルバネ１００３のねじれ運動（図１０Ｃ）によって、アセンブリが前方に引っ張られ、ブラダが圧縮されその容積が減少する。コイルバネのねじれ運動の結果与えられる圧力は、コイルバネのバネ定数を校正することによって調節することができ、それによって、確実に燃料電池システムに燃料が供給されるのに十分な圧力をかけつつ、バルブの遮断圧力を超えないようにすることができる。移動制限要素の一方の側にはらせん状のバネ１０１５が取り付けられており、それは、固い壁の内面に固定されている。ローラ、軸、らせん状バネ及び移動制限要素は全てまとめてローラアセンブリ１０１６と称する。当該ローラアセンブリは、カートリッジ内に配置されており、軸はカートリッジ中に延伸するか又は外壁を介してアクセス可能な溝内に配される。

図１０Ａに図示するように、カートリッジ内面に、２セットのトラックが一体化若しくは機械的に取り付けられており、その各々は、平滑なトラック１００４ａ、ｂ及び鋸歯状のトラック１００２ａ、ｂから構成される。カートリッジがＤＭＦＣシステムの外部にある際には、らせん状バネが伸長し、ローラアセンブリを鋸歯状のトラックへと押しつける。軸の長軸方向に力が加えられると、ローラアセンブリは、コイルバネによって前方に移動することのできる平滑なトラック上へと移動し、それによって、バネが伸長すると燃料ブラダに圧力をかけることができ、燃料ブラダの容積を減少させ、関連するバルブが開状態であると流れを引き起こすことができる。力が緩和されると、ローラは、適所にロックされることになる鋸歯状のトラックへと押し戻される（図１０Ｄ）。

軸に圧力を加える装置内に一体化されている特別に設計された開口内にカートリッジを押し込むことにより圧力が軸に加えられる挿入プロセスを介して、力を加えることができ、それによって、移動制限要素が平滑なトラック上へと押される。カートリッジが装置から取り外されると、軸に与えられる圧力がなくなり、それによって、らせん状バネはローラアセンブリを鋸歯状のトラックへと押し付け、それが前方に動くことを防止することができる。当業者であれば、移動させるよう要求されている燃料の容積や形状因子に応じて、バネの機能を単一要素にまとめ得ることや、追加のバネを用いることが必要となることは、理解されよう。

本発明の他の態様を図１１に示す。図１１は、燃料容器及び供給アセンブリ１１０２によって燃料が供給される燃料電池１１０１を有する燃料電池システム１１００の一部を示している。燃料容器及び供給アセンブリは、内部カートリッジ１１０４を収容するところの固い外部シェルを１１０３を有する。内部カートリッジ１１０４は、燃料水溶液を収容した、萎むことが可能なバッグ、即ち、可撓性ブラダ１１０５を収容している。燃料が消費されるに従って燃料容積が減少すると、縮むことが可能なバッグ１１０５は容積変化に順応する。本発明の本実施形態では、内部カートリッジ１１０４は、取り外し可能である。取り外し可能なカートリッジ１１０４は、燃料出口コンジット（ここでは燃料出口ポートとも称される）１１０６を有し、燃料はそれを介して任意選択のポンプ１１０８、燃料電池１１０１へと誘導される。加えて、取り外し可能な燃料カートリッジ１１０４は、未使用燃料を燃料容器１１０２内に再循環させることを可能とする燃料戻りポート１１１０を有する。当該構成によって、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未満に下がり、使用可能な燃料が消費され尽くした際は、カートリッジを除去し処分することができる。

本発明の代替的な態様によれば、図１１記載の実施形態は、バネ１１１２（又は、膨張可能なフォームのような他の加圧要素）を備えることで燃料を圧力下におき、それによってポンプ１１０８を必要とすることなく燃料の初期供給分を燃料電池に供給できる。加えて、この初期供給分をポンプを起動させるために用いることで、初期のポンプ運転に必要とされる電気エネルギーを貯蔵する必要がなくなる。当該システムが燃料で満たされると、ポンプを起動するのに必要となる電気エネルギーは燃料電池によって生成することができる。

図１２は、燃料電池システム１２００が、燃料容器及び供給アセンブリ１２０２から燃料を供給される燃料電池１２０１（又は複数の燃料電池）を有する、代替の実施形態を示している。本実施形態では、燃料容器及び供給アセンブリは、２つの燃料ブラダ（即ち、バッグ）１２０５ａ及び１２０５ｂを収容した、使い捨ての容器１２０４を備える。これによって、種々の濃度の燃料を燃料電池１２０１に供給することが可能となる。より詳細には、メタノール濃度の高い燃料は、任意選択のポンプ１２０８ａを用いて、容器１２０５ａから、燃料出口１２０６ａを介して供給することができる。メタノール濃度がより低い燃料は、任意選択のポンプ１２０８ｂを用いて、容器１２０５ｂから、燃料出口１２０６ｂを介して供給することができる。燃料濃度は、高濃度及びより低濃度の燃料を切り替えることによって制御することができる。二酸化炭素ガスは、燃料極において排出することができる。電池温度、メタノール濃度などの所定のパラメータに応じて、フィードバック機構を用いてバルブ操作を制御することができる。

望ましい場合には、代替実施形態では、萎むことが可能なバッグ１２０５ａ及び１２０５ｂに、バネ１２１２のようなバネ、又は気体、又はフォームのようなコンプライアンス特性を有する膨張可能な材料によって僅かに圧力を加えることができる。図１１の実施形態と同様に、当該圧力は、燃料の初期供給分をもたらすために用いることができ、電池の始動を実現することができる。

各実施形態に関して説明した概念は、本発明の範囲内に留まる限り、交換したり、変更することができることを理解されたい。さらに、特定の実施形態では、具体的用途に応じて、燃料が消費される際に圧力が高くなったり、又は低くなるように、加圧要素を製造することが好ましい。これは、種々のタイプの材料を選択することによって実現し得る。パラメータはまた、選択するバネの形状に応じて変更することができる。また、図示した実施形態では、バネの中心から離れる方向に力を与えるところの圧縮バネを採用しているが、バネの中心方向に引っ張り力を与える引張バネを採用でき、本発明はそのような選択を組み込むように容易に適合させ得る。

燃料若しくは他の流体に色、臭い並びに味を付与する安全性向上添加剤を、カートリッジ２０２とブラダ２０４との間に画定される区画２１２（図２）内に添加することが可能である。このようなこれらの物質貯蔵の詳細は、ＭＵＬＴＩＰＬＥ−ＷＡＬＬＥＤ ＦＵＥＬ ＣＯＮＴＡＩＮＥＲ ＡＮＤ ＤＥＬＩＶＥＲＹ ＳＹＳＴＥＭと題された、同一出願人による２００１年２月２０日付けの米国特許出願番号第０９／７８８，７６８号に説明があり、参照することでここ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、ブラダと関連付けられた破壊要素を備え、破壊要素は、可撓性ブラダの破壊時に燃料が添加剤と混合されるように、ブラダに裂け目を生じさせることができる。

図１３は、燃料電池システム１３００が、燃料容器及び供給アセンブリ１３０２から燃料が供給される燃料電池１３０１（又は、複数の燃料電池）を有する、代替の実施形態を示している。上記のように、燃料容器及び供給アセンブリ１３０２は、燃料電池内に装填されるカートリッジとし得、それが空の際には、それは、取り外され、満充填のカートリッジと取り替えられる。あるいはまた、燃料容器及び供給アセンブリ１３０２には、内部燃料リザーバを補充するために適所にて燃料電池システムに取り付けることのできる一種のキャニスター、燃料補充装置を用いることができる。

何れの場合においても、本発明のさらに他の実施形態によれば、図１３記載の燃料容器及び供給アセンブリは、任意選択のポンプ１３０８ｂを用いて、排出物入口１３０６ｂを介して燃料電池１３０１の空気極及び／又は燃料極面から排出物を受容するように設けられた第２のブラダ１３０５ｂを備える。排出物は、燃料極面からの二酸化炭素、未反応の燃料、及び水を含み、又は、空気極面からの水を含み、又はその両方の組み合わせであり得る。内部容器１３０４はまた、燃料ブラダ１３０５ａ及び第２のブラダ１３０５ｂの各々を収容することができる。燃料は、先に記載したようにして、任意選択のポンプ１３０８ａを用いて、燃料出口１３０６ａを介して、ブラダ１３０５ａから供給することができる。

望まれる場合には、代替実施形態では、絶え間なく燃料を供給するために、萎むことが可能なブラダ１３０５ａは、バネ１３１２、若しくはコンプライアンス特性を有するフォームのような膨張可能な材料などの任意選択の加力要素による作用下におくことができる。しかし、排出物はブラダから放出されるよりもブラダ内に入るのが望ましいため、排出物ブラダ１３０５ｂに力はかけない。さらに他の実施形態（図示せず）では、加力要素１３１２を本発明の燃料容器から省き、そして燃料電池から第２のブラダ１３０５ｂ内へと受容された排出物によって第２のブラダ１３０５ｂを膨張させ、燃料ブラダ１３０５ａからの燃料を１つ又は複数の燃料電池へと供給するなどして移動させることができる。そして、燃料容器及び供給アセンブリ１３０２は、前記排出物を処分するために、燃料電池システムから取り外すことができる。

本発明は、図示した実施形態に限定されず、単一のブラダ、又は２つ以上のブラダ、又は燃料容器と別個の排出物容器を用いた用途へと容易に適合させ得る。例えば、代替実施形態では、２つのブラダ１３０５ａ及び１３０５ｂは、両方とも、燃料ブラダ１３０５ａからの燃料が１つ又は複数の燃料電池１３０１に供給されると、燃料電池の異なる部分からの排出物を受容することができる。そのような場合には、バルブ及びポンプ１３０８ａは、燃料電池システムからの流体の除去を促進するために、逆にすることができる。その場合には、燃料を供給し且つ排出物若しくは他の物質を燃料電池システムから受容したら、燃料供給カートリッジ又はキャニスターは、燃料電池システムから取り外すことができる。

本発明によって、燃料電池の排出物、又はさもなければ除去することが困難であろう他の物質を安全に処分するための、便利で有用な解法がもたらされることを理解されたい。

上述のように、本発明は、メタノールやメタノール／水混合物以外の燃料を容易に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る。他の変更形態及び改良を成して、当該効果の幾つか又は全てを有するような所望の実施形態と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の目的は、本発明の趣旨及び範囲内にあるようなそのような変更形態及び改良を網羅することである。

本発明を採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供給アセンブリの一実施形態の概略断面図 加圧要素が膨張可能な材料であるところの、本発明の燃料容器及び供給アセンブリの一実施形態の概略断面図 ＤＭＦＣへの燃料の流れを制御するための計量バルブをさらに備えた、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 漏斗形状を有する、本発明の燃料容器及び供給アセンブリの一実施形態の概略断面図 燃料容器及び供給アセンブリがベローズタイプの可撓性ブラダを備える、図５Ａ記載の実施形態の概略断面図 燃料ゲージを備える、本発明の燃料容器及び供給アセンブリの一実施形態の概略図 軸をなすように配置された加圧要素を備える燃料容器及び供給アセンブリの一実施形態の概略断面図 定加重バネ及び移動サブアセンブリを備える燃料容器及び供給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 ロックシステムを備える、本発明による加圧要素の一実施形態の平面図 燃料が消費されるにつれて燃料ブラダ及び関連するローラがそれに沿って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概略平面図 図１０Ａ記載のトラックに沿って移動する燃料ブラダ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、本発明の燃料容器及び供給アセンブリの一実施形態の側面図 図１０Ｂ記載のアセンブリにおいて用いられる、鋸歯状のトラックの概略側面図 燃料再循環構造を有する使い捨て可能な燃料カートリッジを備える、本発明の燃料容器及び供給アセンブリの一実施形態の概略断面図 ２つのブラダサブアセンブリが高濃度及び低濃度の燃料を供給する、燃料容器及び供給アセンブリの一実施形態の概略断面図 ２つのブラダサブアセンブリが反応生成物及び他の物質のための出口を提供する、燃料容器及び供給アセンブリの一実施形態の概略断面図

Claims (14)

1. （Ａ）膜電極アセンブリを備える直接酸化燃料電池；
   （Ｂ）液体燃料源；及び
   （Ｃ）前記燃料電池に接続されている燃料容器であって、
   （ｉ）液体燃料で満たされている際に実質的に完全に膨張し、且つ前記直接酸化燃料電池に液体燃料を供給するための燃料出口コンジットを有する第１の内部ブラダ；及び
   （ｉｉ）前記燃料電池から前記燃料容器へと導く排出物入口を介して前記燃料電池からの排出物を受容するための第２の内部ブラダ、を備える燃料容器
   を含む、液体供給燃料電池システム。
2. 前記第２の内部ブラダが、前記燃料電池の燃料極側に接続されている、請求項１に記載の液体供給燃料電池システム。
3. 前記第２の内部ブラダが、前記燃料電池の空気極側に接続されている、請求項１に記載の液体供給燃料電池システム。
4. 前記第１の内部ブラダ中に収容されている燃料が前記燃料出口コンジットを通って前記燃料電池へと送られるように前記第１の内部ブラダに作用する少なくとも１つの加力装置をさらに含む、請求項１に記載の液体供給燃料電池システム。
5. 前記燃料電池への燃料の供給を制御するために、前記燃料出口コンジットに関連付けられたポンプ及びバルブ手段のうち少なくとも１つをさらに含む、請求項１に記載の液体供給燃料電池システム。
6. 前記燃料電池からの排出物の除去を制御するために、前記排出物入口コンジットに関連付けられたポンプ及びバルブ手段のうち少なくとも１つをさらに含む、請求項１に記載の液体供給燃料電池システム。
7. 燃料電池と共に使用するための排出物容器であって、
   （Ａ）排出物を生成するような反応を起こして電気を生成する燃料電池；
   （Ｂ）外部容器；及び
   （Ｃ）前記燃料電池から前記容器へと導く排出物入口を介して前記燃料電池からの排出物を受容するための内部ブラダ
   を含む、排出物容器。
8. 前記外部容器が、取り外し可能なカートリッジである、請求項７に記載の排出物容器。
9. （Ａ）可撓性の内部ブラダを備える排出物容器を設けるステップ；及び
   （Ｂ）前記可撓性の内部ブラダを燃料電池に接続して、それが前記燃料電池からの排出物を受容するようにするステップ
   を包含する、燃料電池から排出物を除去する方法。
10. 前記燃料電池から前記内部ブラダへと排出物をポンプにより送るステップをさらに包含する、請求項９に記載の燃料電池から排出物を除去する方法。
11. （Ａ）膜電極アセンブリを備える直接酸化燃料電池を設けるステップ；
    （Ｂ）前記燃料電池に容器を接続するステップであって、
    （ｉ）液体燃料で満たされている際に実質的に完全に膨張し、且つ前記直接酸化燃料電池に液体燃料を供給するための燃料出口コンジットを有する第１の内部ブラダを前記容器内に設けること；及び
    （ｉｉ）前記燃料電池内で反応が起こる際に前記燃料電池から前記容器へと導く排出物入口を介して前記燃料電池からの排出物を受容するための第２の内部ブラダを前記容器内に設けることであって、それによって、排出物が前記第２の内部ブラダに入ると、前記第２の内部ブラダが膨張し前記第１の内部ブラダに接触し、前記第１の内部ブラダから前記燃料電池へと燃料が移動するようになる、第２のブラダを前記容器内に設けること、を含む前記燃料電池に容器を接続するステップ、
    を包含する、燃料電池システム内の燃料電池に燃料を供給し且つ排出物を除去する方法。
12. 固い外部シェル内に前記第１及び第２のブラダを配置するステップをさらに含む、請求項１１に記載の燃料電池システム内の燃料電池に燃料を供給し且つ排出物を除去する方法。
13. 取り外し可能な要素として前記第２の内部ブラダを設け、且つ前記排出物を処理するために前記第２の内部ブラダを取り外し除去するステップをさらに含む、請求項１１に記載の燃料電池システム内の燃料電池に燃料を供給し且つ排出物を除去する方法。
14. 前記燃料電池からの排出物に加えて又は前記燃料電池からの排出物に代えて、前記第２の内部ブラダ内に他の物質を受容するステップをさらに含む、請求項１１に記載の燃料電池システム内の燃料電池に燃料を供給し且つ排出物を除去する方法。

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