JP2009218071A

JP2009218071A - 燃料カートリッジ、燃料電池との結合機構及び燃料電池への燃料供給方法

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Publication number: JP2009218071A
Application number: JP2008060034A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Miitsu; 健三井津; Kaoru Katayama; 薫片山; Katsuro Kawazoe; 克朗川添; Hideto Usui; 秀人臼井
Original assignee: Tokai Corp; Hitachi Ltd
Current assignee: Tokai Corp; Hitachi Ltd
Priority date: 2008-03-10
Filing date: 2008-03-10
Publication date: 2009-09-24
Anticipated expiration: 2028-03-10
Also published as: JP5180626B2

Abstract

【課題】
容器内部を加圧するための特殊な機構を不要とし、燃料カートリッジのコスト低減を図る。
【解決手段】
燃料電池に燃料を供給する燃料カートリッジ１は、燃料を収納する容器２と、燃料電池に接続される接続部３１と、接続部が燃料電池に接続されるとき、燃料を供給する流路を開状態にして燃料を供給可能にする第１のバルブ４と、接続部が燃料電池に接続されるとき、外部から容器内に空気を供給する流路を開状態にする第２のバルブ５とを有する。更に、第２のバルブが開状態の時に容器内へ供給される空気を調整する第３のバルブ６を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料カートリッジ、燃料電池との結合機構及び燃料電池への燃料供給方法に係り、特に燃料として使用されるメタノール等の液体燃料及び水を収納するカートリッジ、そのカートリッジを燃料電池本体に装着する結合機構、及び燃料カートリッジから燃料電池への燃料供給方法に関する。

携帯用電子機器や小型の電子装置に使用される携帯可能な燃料電池として、メタノール等の液体燃料が利用されている。また、燃料電池を小型化するために、液体燃料を水素に改質しないで燃料と水の混合液を直接アノード電極へ供給する、所謂ダイレクト・メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）が注目されている。

このＤＭＦＣ型の燃料電池は、例えば、特許文献１（特開２００７−３３５１４５号公報）に開示されているように、燃料タンクから供給される液体燃料と、別のタンクから供給される水を混合タンク内で混合して適当な濃度に希釈化し、ポンプやファンを用いて混合燃料や空気を発電部へ供給している。

また、この種の燃料電池に液体燃料を供給するために、液体燃料又は液体燃料と水の混合液を収納した容器（カートリッジ）を燃料電池に装着して使用することが知られている。例えば、特許文献２（特開２００７−２１４０２９号公報）には、燃料電池が搭載された携帯用電子機器に接続される接続機構を持った燃料カートリッジが開示されている。

特開２００７−３３５１４５号公報特開２００７−２１４０２９号公報

ところで、最近では、発電容量が１００ワット（Ｗ）以上で数時間にわたって電子機器を駆動することができる発電能力を持った燃料電池が要望されている。然るに、携帯用電子機器に使用される、従来の液体燃料電池や液体燃料カートリッジは発電能力が数ワット程度用のものであり、燃料消費量や速度の上昇に対して、従来の燃料カートリッジでは安定した燃料供給が困難である。

また、特許文献２に開示された、燃料カードリッジは、液体燃料を収納する容器内部を加圧し、その加圧によって燃料を電池本体側へ排出する、所謂加圧型カートリッジである。従って、容器内部を加圧するための特別な機構、即ち圧縮ガスや燃料を電池本体側へ押し出すための押し出し手段等が必要となり、燃料カートリッジの機構が複雑になる。また、カートリッジ容器内に圧縮ガスや液体燃料を封入して、加圧状態に維持するための特別な設備も必要となる。更に、燃料カードリッジは消耗品のため、複雑な機構を省略してカートリッジとしてのコストを可能な限り抑えたいという要求もある。

本発明の目的は、燃料カートリッジ容器内を加圧するための特殊な機構を不要とし、燃料カートリッジのコスト低減を図ることができる、液体燃料を収納する燃料カートリッジ、燃料電池本体との結合機構、及び燃料電池への燃料供給方法を提供することにある。
本発明の他の目的は、容器内へ空気を供給して容器内の圧力を調整することができる新規な構造の燃料カートリッジ、燃料電池本体との結合機構及び燃料電池への燃料供給方法を提供することにある。

本発明に係る燃料カートリッジは、好ましくは、燃料電池に接続されて、該燃料電池に燃料を供給する燃料カートリッジであって、内部に燃料を収納する容器と、該燃料電池に接続される接続部と、該接続部が該燃料電池に接続される動作に応じて燃料を供給する流路を制御する第１のバルブと、該接続部が該燃料電池に接続されるとき、外部から該容器内に空気を供給する流路を制御する第２のバルブと、を有することを特徴とする燃料カートリッジとして構成される。

また、本発明に係る燃料カートリッジは、好ましくは、燃料電池に接続されて、該燃料電池に燃料を供給する燃料カートリッジであって、内部に燃料を収納する容器と、該燃料電池に接続される接続部と、該接続部が該燃料電池に接続されるとき、燃料を供給する第１の流路を制御する第１のバルブと、該接続部が該燃料電池に接続されるとき、外部から該容器内に空気を供給する第２の流路を制御する第２のバルブと、該第２の流路に配置され、該第２のバルブが開状態の時に該容器内へ供給される空気を調整する第３のバルブと、を有し、該第１のバルブを通して該容器内の燃料が該燃料電池へ供給されるとき、該容器内の圧力の応じて、該第３のバルブを開閉して該容器内に供給される空気を調整することを特徴とする燃料カートリッジとして構成される。

好ましい例では、前記容器を密閉する部材であって前記接続部が設けられるキャップを有し、前記第１のバルブ及び前記第２のバルブは、該キャップに配設される。
また、好ましくは、前記第１及び第２のバルブは、該燃料カートリッジの該接続部が該燃料電池に接続される時に、燃料電池側に設けられた作動部材によって押圧されて開状態となる。

また、好ましくは、前記第１のバルブは、該第１の流路内で摺動する第１ステム弁と、該第１ステム弁を閉じる方向に付勢するスプリングと、を有し、該燃料カートリッジが燃料電池に装着される時、該燃料電池側に設けられた作動部材によって、該第１ステム弁が押されて開状態となり、該第１の流路内で該スプリング及び該第１ステム弁の周囲を通って該容器内の燃料が燃料電池へ供給される。

また、好ましくは、前記第２のバルブは、該第２の流路内で摺動する第２ステム弁と、該第２ステム弁を閉じる方向に付勢するスプリングと、を有し、該燃料カートリッジが燃料電池に装着される時、該燃料電池側に設けられた作動部材によって、該２ステム弁が押されて開状態となり、該第２の流路内で該スプリング及び該第２ステム弁の周囲を通って外部より空気が該容器内へ供給可能となる。
また、好ましくは、前記燃料カートリッジの前記接続部が下向きの状態で、該燃料電池の受容部に接続される。

また、好ましくは、前記第３のバルブは、該第２の流路内に移動可能に配置されたボールと、該ボールを該第２のバルブの方へ付勢するスプリングとを有して構成される。
また、好ましくは、前記第１のバルブを通して、該容器内の燃料が燃料電池へ供給される時、前記第２のバルブを通して外部より該第２の流路に空気が流入し、該容器内の圧力に応じて前記ボールは前記スプリング力に抗して該第２の流路内を移動して開閉制御する。

また、好ましくは、前記ボールは、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリオキシメチレン、ポリブチレン、ポリアクリル、テフロン（登録商標）、の何れか樹脂又は他の樹脂で形成される。
また、好ましくは、前記第３のバルブの一端には、空気の流路が形成されたチューブが接続され、該チューブの先端は該容器のほぼ底部まで延伸している。

また、好ましくは、前記第１のバルブを構成するハウジング内に形成された前記第１の流路の内壁面と、前記第１ステム弁の下部には嵌着されたＯリングとの間で密着状態を形成することができ、該Ｏリングよりも該容器側に比較的大きい空間部を有する前記第１の流路が形成される。
また、好ましくは、前記第１ハウジングはその内側に突出したフランジを有し、前記第１の作動部材が上方へ移動したときに、該第１の作動部材に嵌着されたＯリングが該フランジに密着する。

本発明に係る燃料電池との結合機構は、燃料を収納する燃料カートリッジと燃料電池の結合機構であって、前記燃料カートリッジは、内部に燃料を収納する容器と、該燃料電池に接続される接続部と、該接続部が該燃料電池に接続される動作に応じて燃料を供給する流路を制御する第１のバルブと、該接続部が該燃料電池に接続される動作に応じて、外部から該容器内に空気を供給する流路を制御する第２のバルブとを有し、
前記燃料電池は、前記接続部と接続される受容部と、該受容部にあって該第１のバルブに作用する第１の作動部材と、該受容部にあって該第２のバルブに作用する第２の作動部材と、を有し、
該燃料カートリッジの前記接続部が前記受容部に接続される時、前記第１及び第２の作動部材によって前記第１のバルブ及び第２のバルブを開状態にすることを特徴とする結合機構として構成される。

好ましい例では、前記第１のバルブは、該第１の流路内で摺動する第１ステム弁と、該第１ステム弁を閉じる方向に付勢するスプリングと、を有し、該燃料カートリッジの該接続部が該燃料電池の該受容部に装着される時、該燃料電池の前記第１の作動部材によって、該第１ステム弁が押されて開状態となり、該第１の流路内で該スプリング及び該第１ステム弁の周囲を通って該容器内の燃料が該燃料電池へ供給される。

また、好ましくは、前記第２のバルブは、該第２の流路内で摺動する第２ステム弁と、該第２ステム弁を閉じる方向に付勢するスプリングと、を有し、該燃料カートリッジの該接続部が該燃料電池の該受容部に装着される時、該燃料電池の前記第２の作動部材によって、該２ステム弁が押されて開状態となり、該第２の流路内で該スプリング及び該第２ステム弁の周囲を通って外部より空気が該容器内へ供給可能となる。
また、好ましくは、前記燃料電池の前記受容部は上向きに配置され、前記燃料カートリッジは下向きの状態で、前記接続部が前記受容部に接続される。

また、好ましくは、前記受容部は、前記第１の作動部材を収納する第１ハウジングと、該第１ハウジング内に保持され、前記第１の作動部材を支持する第２ハウジングとを有し、かつ該第２ハウジング内には燃料を流通する縦溝及び横溝が形成され、
該燃料カートリッジの該接続部が該燃料電池の該受容部に装着される時、該第１ハウジングの下部と該第２ハウジングの下部は前記第１バルブと接続される。
また、好ましくは、前記第１ハウジングは内側に突出した突起部を有し、前記第１の作動部材は該突起部の対向する位置にくびれ部を有し、該突起部と該くびれ部との間に流路が形成され、その上側には比較的多量の燃料を流通する比較的大きな空間部を持つ流路が形成される。

本発明に係る燃料電池への燃料供給方法は、好ましくは、内部に燃料を収納する容器と、該燃料電池に接続される接続部と、該接続部が該燃料電池に接続される動作に応じて燃料を供給する第１の流路を開閉制御する第１のバルブと、該接続部が該燃料電池に接続される動作に応じて、外部から該容器内に空気を供給する第２の流路を開閉制御する第２のバルブと、を有する燃料カートリッジを該燃料電池に接続して、該容器内の燃料を燃料電池へ供給する燃料供給方法であって、該燃料カートリッジの接続部が該燃料電池に接続される時に、前記第１のバルブを開にして容器内の燃料を前記第１の流路を通して流通可能にするステップと、該燃料カートリッジの接続部が該燃料電池に接続される時に、前記第２のバルブを開にして外部から空気を、前記第２の流路を通して前記容器内に供給可能にするステップと、該燃料電池側から該第１の流路を介して該容器内の燃料を吸引するステップと、該吸引によって該容器内の燃料を前記第１の流路を通して該燃料電池へ供給し、該燃料の供給期間に、該第２の流路を通して、外部から該容器内に空気を供給するステップと、を有することを特徴とする燃料電池への燃料供給方法として構成される。

また、本発明に係る燃料電池への燃料供給方法は、好ましくは、内部に燃料を収納する容器と、該燃料電池に接続される接続部と、該接続部が該燃料電池に接続される動作に応じて燃料を供給する第１の流路を開閉制御する第１のバルブと、該接続部が該燃料電池に接続される動作に応じて、外部から該容器内に空気を供給する第２の流路を開閉制御する第２のバルブと、該第２の流路に配置され、該第２のバルブが開状態の時に該容器内へ供給される空気を調整する第３のバルブと、を有する燃料カートリッジを燃料電池に接続して、該容器内の燃料を燃料電池へ供給する燃料供給方法であって、該燃料カートリッジの接続部が該燃料電池に接続される時に、前記第１のバルブを開にするステップと、該燃料カートリッジの接続部が該燃料電池に接続される時に、前記第２のバルブを開にするステップと、該第１のバルブを通して該容器内の燃料が該燃料電池へ供給される時、前記第２のバルブを開状態にして外部から空気を供給し、かつ該容器内の圧力に応じて該第３のバルブを開閉して該容器内へ供給される空気を調整するステップと、を有することを特徴とする燃料電池への燃料供給方法として構成される。

本発明によれば、従来のような、容器内部を加圧するための特殊な機構が不要となり、必要な燃料供給量を確保しつつ、燃料カートリッジのコスト低減することが可能となる。
また、燃料容器内へ空気を供給して容器内の圧力を調整することができる新規な構成の燃料カートリッジ及びその結合機構、燃料カートリッジから燃料電池への燃料の供給方法を実現することが可能となる。

本発明の実施例について図面を参照して詳細に説明する。
図１は燃料カートリッジの概観図、図２はその内部断面図を示す。
燃料カートリッジ１は、燃料を収納する容器２と、容器２を密閉するキャップ３により構成される。キャップ３は、その内壁に形成されたねじ部３２が容器２の上端のねじ部２２に係合することで、容器２に固定される。ここで、燃料カートリッジ１の容器２及びキャップ３は、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリオキシメチレン、ポリブチレン、ポリアクリル、テフロンの何れかの樹脂又は他の樹脂で成形されている。

燃料カートリッジ１は、メタノールを収納するメタノールカートリッジと、水を収納する水カートリッジの２種がある。図１２に示すように、それぞれの燃料カートリッジ１は、キャップ２を下側にした状態で（重力方向に対して下向き）、燃料電池本体１０の両側に設けられた受容部１１に装着される。各燃料カートリッジ１から供給されるメタノールと水は、燃料電池１０内の混合タンク内で混合して使用される。

図１に戻って、キャップ３の頭部には、燃料電池本体１０の受容部１１と係合する接続部３１、及び位置決めガイド９が設けられる。位置決めガイド９は、燃料カートリッジ１が燃料電池本体１０の受容部１１に装着される時の、カートリッジの位置合わせ用として機能する。
接続部３１には、容器２内の燃料の流通を制御するバルブ（第1バルブ）４、外部の空気を容器２内へ流通制御するバルブ（第２バルブ）５、これらのバルブ４，５を保護するためのガイド８０、内部ガイド８１が設けられる。

円環状のガイド８０の内壁には３つの突起８０１が設けられ、この突起８０１により、燃料カートリッジ１の接続部３１と燃料電池本体１０の受容部１１の位置決めをする。かつ、メタノールカートリッジと水カートリッジとでは、それら突起８０１の配置場所、又はその円周方向の長さを異ならせておき、メタノールカートリッジ又は水カートリッジが、燃料電池本体１０において間違った側の受容部１１に装着されることを防止する。なお、突起８０１の個数、その配置場所、長さは適宜変更することができる。

また、円環状の内部ガイド８１は、バルブ４を取り巻き、バルブ４の先端部を保護する。更に、内部ガイド８１の外周壁には、それぞれ対を成した複数の爪部８１１が設けられ、これによって接続部３１が燃料電池本体１０の受容部１１に装着した時に、これらの爪部８１１が受容部１１側の凹部に係合して、両者のロック状態を維持する。

図２に示すように、バルブ４は第１の流路７１の開閉制御を行い、容器２内の燃料を燃料電池１０へ流通させる。バルブ５は、第２の流路７２の開閉制御を行い、燃料カートリッジ１の外部から空気を容器２内へ流入させる。

本発明の特徴の１つとして、第２の流路７２にあってバルブ５の先に、更にバルブ（第３バルブ）６が配置される。バルブ６は、バルブ５が開状態の時に容器２内へ供給される空気を調整するように、弁機構を開閉制御する。その弁機構は、流路７２内に移動可能に配置されるボール６１と、そのボール６１を常時はバルブ５の方へ付勢するスプリング６２を有して構成される。バルブ４を通して容器２内の燃料が燃料電池本体１０へ供給される時、容器２内は徐々に減圧されるが、その時にバルブ５が開となって容器２内へ外部から空気が供給されて、容器２内の減圧状態は軽減され、遂には容器内圧力が均衡する状態となる。なお、バルブ４，５，６の開閉と容器２内の圧力制御については、図１３を参照して後述される。

ここで、ボール６１は、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリオキシメチレン、ポリブチレン、ポリアクリル、テフロン、の何れか樹脂又は他の樹脂で成形されている。また、スプリング６２も同様の材質のものがよい。

バルブ６の一端には、空気の流路が形成されたチューブ７３が接続され、そのチューブ７３の先端は容器２のほぼ底部まで延伸している。燃料カートリッジ１は、逆さ状態で燃料電池の受容部１１に装着され、容器２内の燃料は底部から減少するので、燃料がバルブ６を逆流するのを確実に防ぐためには、チューブ７３の先端は容器２の底部まで延伸しているのが好ましい。
なお、バルブ４及びバルブ５、バルブ６の特徴的な構成及び作用については、後で更に詳述する。

次に、図３及び図４を参照して、燃料カートリッジと燃料電池本体との結合機構について説明する。図３は燃料カートリッジと燃料電池本体の結合機構を示し、図４はその拡大断面図を示す。なお、燃料カートリッジと燃料電池本体との実際の結合状態は、図３，４は逆さ状態となる。

図３に示すように、燃料カートリッジ１の接続部３１は受容部１１に装着される。この時、受容部１１側に設けられた作動部材１４、１５が、バルブ４及び５の弁をそれぞれ突いて開く。そして、容器２内の燃料は、矢印Ｆ１方向へ、バルブ４を通って受容部１１のハウジング１７内の流路を流れ、管１１１をＦ２方向へ流れて、燃料電池本体１０へ供給される。また、外気が部位１１２より矢印Ｅ方向へ流入して、バルブ５を通って、バルブ６で容器２の内部圧と調整されながら、容器２内へ送られる。

図４を参照してより詳しく説明する。
まず、燃料の流れを制御するバルブ４及びその開閉機構について説明する。
バルブ４は、流路７１となる管内に摺動可能なステム弁４１と、そのステム弁４１を常時は閉じる方向（Ｆ１方向）に付勢するスプリング４２を装着して構成される。

一方、受容部１１側には作動部材１４が配置される。燃料カートリッジ１の接続部３１が受容部１１に正しく係合されると、作動部材１４の先端がステム弁４１に突き当り、スプリング４２の力に抗してステム弁４１を容器２の内部方向へ押す。これによってステム弁４１が開放状態となり、燃料カートリッジ１が受容部１１に装着している間はその開放状態が維持されて、燃料が矢印Ｆ１方向から、流路７１、流路１１７１（作動部材１４の周囲を通って）、ハウジング１７内の流路１１７１を流れてＦ２方向へ供給される。

本実施例において、容器２内は、従来のように格別な加圧手段を用いて加圧されない。そこで、容器２内の燃料を燃料電池１０へ流通させることを加速するために、好ましくは、燃料電池本体１０側にポンプを設けて、燃料をＦ２方向へ吸引するように作用させるのがよい。

次に、外部からの空気の流入を制御するバルブ５及びその開閉機構について説明する。
バルブ５は、流路７２となる管内に摺動可能なステム弁５１と、そのステム弁５１を常時は閉じる方向（空気の流入方向Ｅとは逆方向）に付勢するスプリング５２を装着して構成される。

一方、受容部１１の管１２側には作動部材１５が配置される。燃料カートリッジ１の接続部３１が受容部１１に正しく係合されると、作動部材１５の先端がステム弁５１に突き当り、スプリング５２の力に抗してステム弁５１を容器２の内部方向へ押す。これによってステム弁５１が開放状態となり、燃料カートリッジが受容部１１に装着している間はその開放状態が維持されて、外部から空気が矢印Ｅ方向へ流路７２´、流路７２（スプリング５２と流路７２の内壁の間を通って）、容器２内へ供給可能となる。この場合、容器２内の燃料の減少に伴い、バルブ６の開閉によって容器２内の圧力が調整される。

次に、図５〜図１１を参照して、バルブ４の構成及び作用について更に詳しく説明する。
図５はバルブ４の閉状態、図６はその開状態を示す。
図において、バルブハウジング４０には、燃料が流通する流路７１の空間が形成され、その流路７１内に、ステム弁４１が摺動可能にスプリング４２によって支持される。
ステム弁４１は常時、スプリング４１によって上方向（矢印Ｙと逆方向）へ付勢されているが、燃料カートリッジ１が燃料電池に装着される時には、作動部材１４によって頭部４１１が押されてステム弁４１は下方向（矢印Ｙ）へ摺動され、弁が開状態となる。この状態で、容器２内の燃料が流路７１内を流通可能となる。

ここで、バルブハウジング４０内の流路７１は、下部に空間部７１１及び７１２、その上側に多段の空間部７１３，７１４、更にその上部に比較的長めの長空間部７１５、が一体的に形成されて構成される。長空間部７１５にはスプリング４２が嵌着される。
下部の空間部７１１、７１２は、上下方向に形成された空間溝である。例えば、図８に示すように、空間部７１１は、比較的大きめの円筒構造であり、流路７１を拡張させている。また、空間部７１２は円周方向に９０度ずつ４ヶ所に形成される縦溝空間構造であり、流路７１を更に拡張する役目を果たしている。ステム弁４１が閉じている時には、この空間部７１１，７１２まで燃料が到達している状態である。ステム弁４１が開くと、空間部７１１，７１２に溜まった燃料が即、最狭の流路空間部７１３に流れ込む。このような構造により容器２から燃料電池へより短時間で燃料を供給することが可能となる。
なお、バルブハウジング４０の上部及び下部の外周部には、このハウジング４０をキャップ３の接続部３１に密着固定するためのＯリング４３及び４４が嵌め込まれている。

次に、図９を参照して、ステム弁４１の構造について詳細に説明する。
ステム弁４１は、頭部４１１と、円柱状の中部４１３及び下部４１５から成る。頭部４１１は、頭上に凹部４１１２、及び側部に３つの切欠き部４１１３が形成される。凹部４１１２は作動部材１４の先端がステム弁４１の中心に突き当たるときのガイドとなる。
燃料カートリッジ１が燃料電池に装着される時に、頭部４１１には燃料電池側に設けられた作動部材１４が当接して、ステム弁４１を矢印Ｙ方向へ押す。図７に示すように、切り欠部４１１３は、その円周に１２０度ずつ３ヶ所に形成される。燃料は頭部４１１の外周と流路７１の内壁面の間を流通するが、この切り欠部４１１３により流路が一層拡張される。そのため容器から燃料電池へ燃料を短時間で供給することができる。

中部４１３の周囲には、スプリング４２が装着される。下部４１５は、多段の円柱部４１５２，４１５３，４１５４から構成される。円柱部４１５２はくびれ構造であり、この円柱部の外周と空間部７１３の内壁面との間の流路を拡張することで、燃料の流量増加を図っている。
図５及び図６に示すように、円柱部４１５４にはＯリング４５が装着され、このＯリング４５によってバルブハウジング４０の内壁面７１２３との間を密着状態とする。

次に、図５及び図６〜図１０及び図１１を参照して、ステム弁４１の開閉動作、及びそれに伴う燃料の流通について説明する。図１０及び図１１は、燃料が流通する流路７１を斜線で示している。
通常、燃料カートリッジ１が燃料電池１０に装着していない時には、図５及び図１０のように、スプリング４２がステム弁４１を押して、Ｏリング４５と流路の内壁面７１２３の隙間は密接状態で、弁を閉状態にしている。

一方、燃料カートリッジ１が燃料電池に装着されると、図６及び図１１に示すように、燃料電池１０の受容部１１に設けられた作動部材１４によってステム弁４１の頭部４１１が、矢印Ｙ方向へ押されて、ステム弁４１は矢印Ｙ方向へ摺動される。この時、Ｏリング４５と流路の内壁面７１２３の密接状態は開放されて弁は開状態となる。

この状態で、容器２内の燃料は、矢印Ｆ方向へ流路７１内を流通可能となる。即ち、流路７１の下部の空間部７１１、７１２まで到達していた燃料は、円柱部４１５３と流路７１３の内壁面との間を通って、長空間部７１５とスプリング４２の間を通り、更に頭部４１１の切り欠部４１１３と長空間部７１５の内壁面との間を通って、燃料電池１０へ流れていく。

次に、図１５及び図１６を参照して、燃料カートリッジとの結合部における燃料電池側の機構について説明する。
燃料電池本体１０の受容部１１は、作動部材１４を支持するための、作動部材用第１ハウジング（単に第１ハウジングという）１４１と、その第１ハウジング１４１内に収納された作動部材用第２ハウジング（単に第２ハウジングという）１４２を有する。下側の第１ハウジング１４１と第２ハウジング１４２は、燃料カートリッジ１のバルブ４のバルブハウジング４０と係合して両者が結合する。
第１ハウジング１４１の中央部には、中央へ突出した円周状のフランジ１４１２が形成される。このフランジ１４１２は作動部材１４を案内する役目と、作動部材１４が上方へ移動したときＯリングが密接して、密着状態を形成する役目を果たす。

一方、作動部材１４には、上記フランジ１４１２に対向する位置に、くびれ部１４０１が形成される。中央下部には、Ｏリング１８１が嵌着されて、作動部材１４を第２ハウジング１４２２内に支持し、更にスプリング１８２が装着されて作動部材１４を常時下方向へ押している。第１ハウジング１４１の上部には、燃料の流量を増やすために、比較的大きな空間部から成る流路１１７１が形成される。

第２ハウジング１４２２の内壁には、流路１１７１内を流通する燃料の流量を増やすために、９０度ずつ４ヶ所（スプリング１８２の外周の４ヶ所）に縦溝１４２２、及びその縦溝１４２２を連絡するように、下部に横溝１４２１が形成されている。
燃料は、下方から流路となる横溝１４２１及び縦溝１４２２を上方へ流れて、更にフランジ１４１２とくびれ部１４０１の間を通って、大きな空間部１１７１に流れ込み更に先へ行く。
なお、他の変形例として、上記構造例に加えて、上記横溝１４２１及び縦溝１４２２をＯリング１８１に対向する、第２ハウジング１４２２の内壁に形成して、燃料の流量を増やすようにしてもよい。

次に、図１３及び図１４を参照して、燃料カートリッジ１から燃料電池１０へ燃料を供給時の、燃料カートリッジの各バルブの動作と容器内の圧力の関係について説明する。
メタノールカートリッジ及び水カートリッジ１が、それぞれ燃料電池本体１０受容部１１に装着されると（図１２）、バルブ４及び５が開となる。この時に、バルブ６は未だ閉状態である。

この状態で、燃料電池本体１０内に設けられたポンプが作動すると、容器２内の燃料２１を吸引し始める。燃料２１はバルブ４を通ってＦ方向へ流れ、燃料電池内に供給される。
ポンプによって燃料の吸引が続き、容器２内の圧力は初期圧Ｐ０からある圧力Ｐ１に下がると、その時にバルブ６が開となる。すると、外部（Ｅ方向）からバルブ５及び６を通って、空気が容器２内に供給され、容器２内の圧力はＰ２に上昇する。容器内の圧力が所定Ｐ２まで上昇すると、バルブ６を構成するボール６１はスプリング６２の力に抗して、空気の流路を閉じる。

このように、バルブ６の開閉動作を繰り返すことにより、容器内の圧力の均衡が保たれながら、容器２内の燃料は減り、その底部（逆さ状態の上部）から空気２２が徐々に溜まっていく。また、バルブ６の開閉制御により、容器内の燃料がバルブ６，５を通って外部に逆流することが防止される。
なお、燃料電池本体１０のポンプが停止した時にはバルブ６は閉状態であり、容器内への空気の供給は止まる。また、燃料電池１０本体からは燃料カートリッジ１を外した場合には、バルブ４及び５は閉となり、容器２内は外部と遮断状態となる。

一実施例による燃料カートリッジの概観図。燃料カートリッジの内部断面斜視図。燃料カートリッジと燃料電池本体の結合状態を示す断面図。燃料カートリッジと燃料電池本体との結合機構の拡大断面図。燃料カートリッジのバルブ４の拡大断面図（バルブ４の閉状態を示す図）。燃料カートリッジのバルブ４の拡大断面図（バルブ４の開状態を示す図）。図６のＡ−Ａ断面図（ステム弁の上部の横断面図）。図６のＢ−Ｂ断面図（ステム弁の下部の横断面図）。バルブ４のステム弁の構造を示す斜視図。バルブ４における燃料の流路（バルブ４が開）を示す断面図。バルブ４における燃料の流路（バルブ４が閉）を示す断面図。燃料電池本体とそれに結合される燃料カートリッジの関係を示す斜視図。燃料供給時における燃料カートリッジの各バルブの動作と容器内の圧力の関係を示す図。燃料供給時の動作説明に供する燃料カートリッジの模式図。燃料カートリッジとの結合部における燃料電池側の機構を示す断面図。図１５のＡ−Ａ断面図（作動部材１４下部の横断面図）。

符号の説明

１：燃料カートリッジ２：容器３：キャップ３１:接続部
４：バルブ５：バルブ６：バルブ６１：ボール６２：スプリンング
７１，７２：流路７３：チューブ８０：ガイド８０１：突起８１：内部ガイド８１１：爪部９：位置決めガイド
１０：燃料電池本体１１：受容部１４，１５：作動部材１７：ハウジング２１：燃料２２：空気４０：バルブハウジング４１：ステム弁４２：スプリング。

Claims

燃料電池に接続されて、該燃料電池に燃料を供給する燃料カートリッジであって、
内部に燃料を収納する容器と、該燃料電池に接続される接続部と、該接続部が該燃料電池に接続される動作に応じて燃料を供給する流路を制御する第１のバルブと、該接続部が該燃料電池に接続されるとき、外部から該容器内に空気を供給する流路を制御する第２のバルブと、を有することを特徴とする燃料カートリッジ。
燃料電池に接続されて、該燃料電池に燃料を供給する燃料カートリッジであって、
内部に燃料を収納する容器と、該燃料電池に接続される接続部と、該接続部が該燃料電池に接続されるとき、燃料を供給する第１の流路を制御する第１のバルブと、該接続部が該燃料電池に接続されるとき、外部から該容器内に空気を供給する第２の流路を制御する第２のバルブと、該第２の流路に配置され、該第２のバルブが開状態の時に該容器内へ供給される空気を調整する第３のバルブと、を有し、
該第１のバルブを通して該容器内の燃料が該燃料電池へ供給されるとき、該容器内の圧力の応じて、該第３のバルブを開閉して該容器内に供給される空気を調整することを特徴とする燃料カートリッジ。
前記容器を密閉する部材であって前記接続部が設けられるキャップを有し、前記第１のバルブ及び前記第２のバルブは、該キャップに配設されることを特徴とする請求項１乃至２のいずれかの項記載の燃料カートリッジ。
前記第１及び第２のバルブは、該燃料カートリッジの該接続部が該燃料電池に接続される時に、燃料電池側に設けられた作動部材によって押圧されて開状態となることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかの項記載の燃料カートリッジ。
前記第１のバルブは、該第１の流路内で摺動する第１ステム弁と、該第１ステム弁を閉じる方向に付勢するスプリングと、を有し、
該燃料カートリッジが燃料電池に装着される時、該燃料電池側に設けられた作動部材によって、該第１ステム弁が押されて開状態となり、該第１の流路内で該スプリング及び該第１ステム弁の周囲を通って該容器内の燃料が燃料電池へ供給されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかの項記載の燃料カートリッジ。
前記第２のバルブは、該第２の流路内で摺動する第２ステム弁と、該第２ステム弁を閉じる方向に付勢するスプリングと、を有し、
該燃料カートリッジが燃料電池に装着される時、該燃料電池側に設けられた作動部材によって、該２ステム弁が押されて開状態となり、該第２の流路内で該スプリング及び該第２ステム弁の周囲を通って外部より空気が該容器内へ供給可能となることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかの項記載の燃料カートリッジ。
前記燃料カートリッジの前記接続部が下向きの状態で、該燃料電池の受容部に接続されることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかの項記載の燃料カートリッジ。
前記第３のバルブは、該第２の流路内に移動可能に配置されたボールと、該ボールを該第２のバルブの方へ付勢するスプリングとを有して構成されることを特徴とする請求項２乃至７のいずれかの項記載の燃料カートリッジ。
前記第１のバルブを通して、該容器内の燃料が燃料電池へ供給される時、前記第２のバルブを通して外部より該第２の流路に空気が流入し、該容器内の圧力に応じて前記ボールは前記スプリング力に抗して該第２の流路内を移動して開閉制御することを特徴とする請求項８の燃料カートリッジ。
前記ボールは、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリオキシメチレン、ポリブチレン、ポリアクリル、テフロン、の何れか樹脂又は他の樹脂で形成されることを特徴とする請求項８又は９の項記載の燃料カートリッジ。
前記第３のバルブの一端には、空気の流路が形成されたチューブが接続され、該チューブの先端は該容器のほぼ底部まで延伸していることを特徴とする請求項２乃至１０のいずれかの項記載の燃料カートリッジ。
前記第１のバルブを構成するハウジング内に形成された前記第１の流路の内壁面と、前記第１ステム弁の下部には嵌着されたＯリングとの間で密着状態を形成することができ、該Ｏリングよりも該容器側に比較的大きい空間部を有する前記第１の流路が形成されることを特徴とする請求項５記載の燃料カートリッジ。
前記第１ステム弁は、前記作動部材が当接する頭部と、前記スプリングが嵌着された円柱状の中部と、前記Ｏリングが嵌着された下部から構成され、燃料の流量を増やすために、前記頭部の外周には複数の切り欠部が形成され、かつ前記スプリングが嵌着された前記中部の下側部はくびれ構造を成していることを特徴とする請求項５又は１２の燃料カートリッジ。
燃料を収納する燃料カートリッジと燃料電池の結合機構であって、
前記燃料カートリッジは、内部に燃料を収納する容器と、該燃料電池に接続される接続部と、該接続部が該燃料電池に接続される動作に応じて燃料を供給する流路を制御する第１のバルブと、該接続部が該燃料電池に接続される動作に応じて、外部から該容器内に空気を供給する流路を制御する第２のバルブとを有し、
前記燃料電池は、前記接続部と接続される受容部と、該受容部にあって該第１のバルブに作用する第１の作動部材と、該受容部にあって該第２のバルブに作用する第２の作動部材と、を有し、
該燃料カートリッジの前記接続部が前記受容部に接続される時、前記第１及び第２の作動部材によって前記第１のバルブ及び第２のバルブを開状態にすることを特徴とする結合機構。
前記第１のバルブは、該第１の流路内で摺動する第１ステム弁と、該第１ステム弁を閉じる方向に付勢するスプリングと、を有し、
該燃料カートリッジの該接続部が該燃料電池の該受容部に装着される時、該燃料電池の前記第１の作動部材によって、該第１ステム弁が押されて開状態となり、該第１の流路内で該スプリング及び該第１ステム弁の周囲を通って該容器内の燃料が該燃料電池へ供給されることを特徴とする請求項１４の結合機構。
前記第２のバルブは、該第２の流路内で摺動する第２ステム弁と、該第２ステム弁を閉じる方向に付勢するスプリングと、を有し、
該燃料カートリッジの該接続部が該燃料電池の該受容部に装着される時、該燃料電池の前記第２の作動部材によって、該２ステム弁が押されて開状態となり、該第２の流路内で該スプリング及び該第２ステム弁の周囲を通って外部より空気が該容器内へ供給可能となることを特徴とする請求項１４又は１５の結合機構。
前記燃料電池の前記受容部は上向きに配置され、前記燃料カートリッジは下向きの状態で、前記接続部が前記受容部に接続されることを特徴とする請求項１４乃至１６のいずれかの項記載の結合機構。
前記受容部は、前記第１の作動部材を収納する第１ハウジングと、該第１ハウジング内に保持され、前記第１の作動部材を支持する第２ハウジングとを有し、かつ該第２ハウジング内には燃料を流通する縦溝及び横溝が形成され、
該燃料カートリッジの該接続部が該燃料電池の該受容部に装着される時、該第１ハウジングの下部と該第２ハウジングの下部は前記第１バルブと接続されることを特徴とする請求項１４乃至１７のいずれかの項記載の結合機構。
前記第１ハウジングはその内側に突出したフランジを有し、前記第１の作動部材が上方へ移動したときに、該第１の作動部材に嵌着されたＯリングが該フランジに密着することを特徴とする請求項１４乃至１８のいずれかの項記載の結合機構。
内部に燃料を収納する容器と、該燃料電池に接続される接続部と、該接続部が該燃料電池に接続される動作に応じて燃料を供給する第１の流路を開閉制御する第１のバルブと、該接続部が該燃料電池に接続される動作に応じて、外部から該容器内に空気を供給する第２の流路を開閉制御する第２のバルブと、を有する燃料カートリッジを該燃料電池に接続して、該容器内の燃料を燃料電池へ供給する燃料供給方法であって、
該燃料カートリッジの接続部が該燃料電池に接続される時に、前記第１のバルブを開にして容器内の燃料を前記第１の流路を通して流通可能にするステップと、
該燃料カートリッジの接続部が該燃料電池に接続される時に、前記第２のバルブを開にして外部から空気を、前記第２の流路を通して前記容器内に供給可能にするステップと、
該燃料電池側から該第１の流路を介して該容器内の燃料を吸引するステップと、
該吸引によって該容器内の燃料を前記第１の流路を通して該燃料電池へ供給し、該燃料の供給期間に、該第２の流路を通して、外部から該容器内に空気を供給するステップと、
を有することを特徴とする燃料電池への燃料供給方法。
内部に燃料を収納する容器と、該燃料電池に接続される接続部と、該接続部が該燃料電池に接続される動作に応じて燃料を供給する第１の流路を開閉制御する第１のバルブと、該接続部が該燃料電池に接続される動作に応じて、外部から該容器内に空気を供給する第２の流路を開閉制御する第２のバルブと、該第２の流路に配置され、該第２のバルブが開状態の時に該容器内へ供給される空気を調整する第３のバルブと、を有する燃料カートリッジを燃料電池に接続して、該容器内の燃料を燃料電池へ供給する燃料供給方法であって、
該燃料カートリッジの接続部が該燃料電池に接続される時に、前記第１のバルブを開にするステップと、
該燃料カートリッジの接続部が該燃料電池に接続される時に、前記第２のバルブを開にするステップと、
該第１のバルブを通して該容器内の燃料が該燃料電池へ供給される時、前記第２のバルブを開状態にして外部から空気を供給し、かつ該容器内の圧力に応じて該第３のバルブを開閉して該容器内へ供給される空気を調整するステップと、
を有することを特徴とする燃料電池への燃料供給方法。