JP2009512142A - 燃料電池用燃料カートリッジ - Google Patents

Abstract

要約
燃料電池に結合可能で変形可能な内側燃料コンテナ（１４）を具備する燃料カートリッジ（１０）が開示される。内側燃料コンテナ内の圧力が制御される。
【代表図】 図１

Description

この発明は全般的には燃料電池用の燃料サプライに関し、より具体的には燃料サプライ内のライナーの内部の圧力を最小化する燃料サプライに関する。

燃料電池は、反応物、すなわち燃料および酸素の化学エネルギを直流（ＤＣ）の電気に直接的に変換する装置である。多くの用途において、燃料電池は、化石燃料の燃焼のような従来の発電やリチウムイオン電池のような携帯用蓄電池より効率が良い。

一般に、燃料電池技術は、アルカリ燃料電池、高分子電解質燃料電池、リン酸燃料電池、溶融炭酸燃料電池、固体酸化物燃料電池、および酵素燃料電池のような様々な異なった燃料電池を含む。今日、より重要な燃料電池は、いくつかのカテゴリ、すなわち、（ｉ）燃料として圧縮水素（Ｈ_２）を利用している燃料電池、（ｉｉ）アルコール、例えばメタノール（ＣＨ_３ＯＨ）、金属水化物、例えば水素化ホウ素ナトリウム（ＮａＢＨ_４）、炭化水素、または水素燃料に改質される他の燃料を用いるプロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池、（ｉｉｉ）非水素燃料を直接に消費できるＰＥＭ燃料電池、すなわち直接酸化燃料電池、および、（ｉｖ）高温で炭化水素燃料を直接電気に変換する固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）を含む。

圧縮水素は、一般的に高圧下に維持され、そのため取扱いが難しい。その上、大きい貯蔵タンクが一般的に必要となり、そのため家庭用電子機器のために十分に小さくすることはできない。従来の改質燃料電池は、燃料を水素に変換させて燃料中の酸化剤を反応させるために、改質材や他の気化および補助システムを必要とする。最近の進歩により、家庭用電子機器用に改質材または改質燃料電池が有望になっている。最も一般的な直接酸化燃料電池は直接メタノール燃料電池またはＤＭＦＣである。他の直接酸化燃料電池は、直接エタノール燃料電池と直接テトラメチルオルトカーボネート燃料電池を含む。ＤＭＦＣでは、燃料電池中で、メタノールが直接に酸素と反応し、ＤＭＦＣは、最も簡素で、潜在的に最も小さな燃料電池であり、家庭用電子機器用として電力供給上有望でもある。ＳＯＦＣは、ブタンのような炭化水素燃料を高熱で電気に変換する。ＳＯＦＣは、燃料電池反応を起こさせるために、１０００度の範囲の比較的高温を必要とする。

電気を発生させる化学反応は燃料電池のそれぞれのタイプごとに異なる。ＤＭＦＣでは、各電極での化学電気反応と直接メタノール燃料電池に関する総合的な反応は以下のとおり記述される：
アノードでの半反応：
ＣＨ_３ＯＨ ＋ Ｈ_２Ｏ → ＣＯ_２ ＋ ６Ｈ^＋ ＋ ６ｅ⁻
カソードでの半反応：
１．５Ｏ_２ ＋ ６Ｈ^＋ ＋ ６ｅ⁻ → ３Ｈ_２Ｏ
全体の燃料電池反応：
ＣＨ_３ＯＨ ＋ １．５Ｏ_２ → ＣＯ_２ ＋ ２Ｈ_２Ｏ

ＰＥＭを通る水素イオン（Ｈ^＋）がアノードからカソードを通り抜けてマイグレーションするために、また、自由電子（ｅ⁻）がＰＥＭを通り抜けられないため、電子は外部回路を通って流れなければならず、外部回路を通して電流を生じさせる。この外部回路は、モバイルすなわちセル電話、計算機、パーソナルデジタツアシスタンツ、ラップトップコンピュータ、電力ツールなどの有益な消費者向けの電子製品であってよい。

ＤＭＦＣは、特許文献１および特許文献２に開示されており、詳細は参照してここに組み入れる。一般に、ＰＥＭはＮａｆｉｏｎ（商標）などのポリマーから作られており、これはＤｕＰｏｎｔから入手可能であり、厚さが約０．０５ｍｍ〜約０．５０ｍｍの範囲のペルフルオポリマー、その他の膜である。アノードは、典型的には、白金ルテニウムなどの触媒の薄層によってサポートされたテフロン（Ｔｅｆｌｏｎｉｚｅｄ）のカーボン紙から製造される。カソードは、典型的には、白金粒子が膜の一面に接着されるガス拡散電極である。

他の直接酸化燃料電池では、ホウ化水素燃料電池（ＤＢＦＣ）はつぎのように反応する。
アノードでの半反応：
ＢＨ_４ ⁻ ＋ ８ＯＨ⁻ → ＢＯ_２ ⁻ ＋ ６Ｈ_２Ｏ ＋ ８ｅ⁻
カソードでの半反応：
２Ｏ_２ ＋ ４Ｈ_２Ｏ ＋ ８ｅ⁻ → ８ＯＨ⁻

化学金属水素化物燃料電池では、水素化ホウ素ナトリウムがつぎのように改質され、反応する。
ＮａＢＨ_４＋２Ｈ_２Ｏ→（加熱または触媒）→４（Ｈ_２）＋（ＮａＢＯ_２）
アノードでの半反応：
Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻
カソードでの半反応：
２（２Ｈ^＋＋２ｅ⁻）＋Ｏ_２→２Ｈ_２Ｏ

この反応に適切な触媒は、白金およびルテニウム、その他の金属である。水素化ホウ素ナトリウムを改質して生成された水素燃料は燃料電池中で、酸化剤例えばＯ_２と反応させられ、電気（すなわち電子の流れ）および水の副産物を生成する。ホウ酸ナトリウム（ＮａＢＯ_２）の副産物もこの改質プロセスで生成される。水素化ホウ素ナトリウム燃料電池は特許文献３に検討されており、参照してここに組み入れる。

燃料電池の利用上で重要な特徴の１つは、燃料貯蔵である。液体燃料例えばメタノールを燃料サプライの内部、または燃料サプライ内の燃料ライナーに蓄える場合、好ましくない圧力が燃料サプライまたは燃料ライナー内に形成されることがある。
米国特許第５，９９２，００８号 米国特許第５，９４５，２３１号 米国特許第４，２６１，９５６号

この発明は、外側ケーシングおよび燃料電池用の燃料を内包する内側燃料コンテナを有する燃料電池に結合可能な燃料サプライに向けられている。燃料コンテナおよび外側ケーシングの間のスペースはガスで充填可能である。ガスは不活性ガス、空気、窒素、または二酸化炭素であってよく、またガスは加圧されても良い。

燃料サプライはさらに外側ケーシングに配された逆止バルブを有して、外側ケーシングおよび燃料ライナーの間のスペースの圧力を調整し、または、当該スペースに蓄えられるガスの料を調整しても良い。シールを逆止バルブに被覆して貯蔵の間にガスが外側ケーシングおよび燃料ライナーの間の空間に出入りするのを制限して良い。全体の燃料サプライを気密な外側パッケージ内に配しても良い。逆止バルブ、または気体透過性、液体非透過性の膜を内側燃料ライナー上に配置して内側ライナーの内部圧力を調整しても良い。

この発明は、燃料カートリッジの内部の圧力を制御する方法、および、燃料を脱気して燃料カートリッジ内の圧力を制御する方法にも向けられている。

添付の図面に示され以下に詳細に検討するように、この発明は燃料サプライに向けられており、この燃料サプライは燃料電池燃料、例えば、メタノールおよび水、メタノール／水の混合物、メタノール／水の種々の濃度の混合物、純粋なメタノールを貯蔵する。メタノールは多くの種類の燃料電池、例えば、ＤＭＦＣ、酵素燃料電池、および改質燃料電池、その他において使用可能である。燃料サプライは他の種類の燃料電池燃料、例えば、エタノールまたはアルコール、金属水素化物、例えば、水素化ホウ素ナトリウム、水素へと改質可能な他の化学物質、または燃料電池の改質または効率を改善する他の化学物質を含んでよい。燃料は、また、水酸化カリウム（ＫＯＨ）電解質を含み、これは金属燃料電池またはアルカリ燃料電池とともに使用でき、燃料サプライに貯蔵可能である。金属燃料電池に対しては、燃料は、ＫＯＨ電解質反応溶液中に浸漬された流体担持亜鉛粒子の形態であり、電池キャビティ内のアノードは亜鉛粒子から生成された粒子アノードである。ＫＯＨ電解質溶液は、２００３年４月２４日に発行された「１またはそれ以上の負荷に電力を供給するよう構成された燃料電池システムの使用方法」と題された米国特許出願公開第２００３／００７４９３号に開示されており、その内容は参照してここに組み入れる。燃料は、また、メタノール、過酸化水素、および硫酸の混合物を含み、これはシリコンチップ状に形成された触媒を通過して流れ燃料電池反応を生成する。燃料は、また、メタノール、水素化ホウ素ナトリウム、電解質、および他の化合物、例えば、米国特許第６，５５４，８７７号、同第６，５６２，４９７号、および同第６，７５８，８７１号に説明されているもののブレンドまたは混合物を含み、これらは参照してその内容をここに組みこむ。燃料は、また、米国特許第６，７７３，４７０号に説明されている、溶媒中に部分的に溶解し、部分的に懸濁するもの、ならびに、米国特許出願公開第２００２／０７６６０２号に説明されている、液体燃料および固体燃料の双方を含むものを含む。これらは参照してその内容をここに組みこむ。燃料は水素も含む。

燃料は、また、上述のように、水素化ホウ素ナトリウム（ＮａＢＨ_４）のような金属水素化物および水を含み、低圧力および低温度がそのような反応により生成される。燃料は、さらに、炭化水素燃料を含み、炭化水素燃料は、これに限定されないが、ブタン、灯油、アルコール、および天然ガスを含み、これは、「液体ヘテロインタフェース燃料電池デバイス」という題名で、２００３年５月２２日に公開された米国特許出願公開第２００３／００９６１５０号に開示されており、参照してここに組みこむ。燃料は、また、燃料と反応する液体酸化剤を含む。したがって、この発明は、サプライ中に含有され、また、その他、燃料電池システムにより使用される、任意のタイプの燃料、電解質溶液、酸化物溶液または液体または固体に制約されない。ここで使用される用語「燃料」は、燃料電池または燃料サプライ中で反応することができるすべての燃料を含み、また、上述の適切な燃料、電解質溶液、酸化剤溶液、液体、固体および／または化学物質ならびにこれらの混合物のすべてを含むが、これに限定されない。

ここで使用される用語「燃料サプライ」は、これに限定されないが、使い捨てカートリッジ、再充填可能／再使用可能カートリッジ、電子製品内に配置されるカートリッジ、電子製品の外部に配置されるカートリッジ、燃料タンク、燃料再充填タンク、燃料を貯蔵する他のコンテナ、および、燃料タンクおよびコンテナに結合された管材を含む。１のカートリッジがこの発明の例示的な実施例との関連で以下に説明されるが、これら実施例は他の燃料サプライにも適用可能であり、この発明は燃料サプライのいかなる特定のタイプにも限定されないことに留意されたい。

この発明の燃料サプライは、燃料電池で使用されない燃料を貯蔵するのに使用しても良い。これらの用途は、これに限定されないが、シリコンチップ上に構築されたマイクロガスタービン用の炭化水素および水素燃料を貯蔵することであり、”Ｈｅｒｅ Ｃｏｍｅ ｔｈｅ Ｍｉｃｒｏｅｎｇｉｎｅｓ”、Ｔｈｅ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｐｈｙｓｉｃｉｓｔ（２００１年１２月／２００２年１月）、ｐｐ．２０−２５に検討されている。この出願の目的に関し、「燃料電池」はこれらマイクロエンジンも含む。他の用途は、内燃機関エンジン用の伝統的な燃料や、ポケットおよび実用ライター用の炭化水素例えばブタンおよび液体プロパンを貯蔵することである。

液体燃料、例えばメタノールを燃料コンテナ中に貯蔵するとき、圧力が時間とともにコンテナ内で増加されていく。燃料カートリッジ内で圧力が増加すると燃料がコンテナから出て行く際の速度が増大することになる。圧力の増加は多数の要素に影響を受け、これには気体状態の燃料の蒸気分圧が含まれる。

図１を参照すると、燃料カートリッジ１０は外側ケーシング１２、および燃料を内包する内側燃料コンテナ１４を有する。内側燃料コンテナ１４は外側ケーシング１２内に含まれ、スペース２０が外側ケーシング１２および内側燃料コンテナ１４の間に形成される。燃料カートリッジ１０はされに遮断バルブ１８を有し、これが内側燃料コンテナ１４と流体連通される。燃料カートリッジ１０はケーシング１２上に逃がしバルブ２４を有し、これは逆止バルブ、ボールバルブ、またはポペット型バルブであってよい。オプションの取り外し可能なシール２６が逆止バルブ２４を被覆する。内側燃料コンテナ１４は燃料２８、例えばメタノール、または上述した適切な燃料のいずれかを内包し、燃料の上方にヘッドスペース２７を含んでよい。

外側ケーシング１２は好ましくは堅固であるけれども、燃料がカートリッジから搬送される際に、内側燃料コンテナ１４にそって圧縮されるのに十分な程度に柔らかであっても良い。外側ケーシング１２は好ましくは金属、例えばステンレス鋼、またはポリアセタール樹脂から製造され、これは射出成型または押し出し可能である。オプションとして、外側ケーシング１２は、不純物、例えば、亜鉛、硫黄、タルク、およびオイルを含まない材料から製造でき、フッ素処理されて浸透を最小化してよい。外側ケーシング１２はオープンメッシュの材料から製造されても良く、これが内側燃料コンテナ１４の膨張に抵抗し、また燃料が内側燃料ライナー１４から引き出されるときに形状を崩してよい。

内側燃料コンテナ１４は好ましくは柔らかく変形可能であり、例えば、燃料ライナーであり、燃料が燃料電池へと搬送されるときに燃料ライナー１４内の体積が減少するようになっている。最も好ましくは、燃料ライナー１４は薄く、また耐久性があり柔らかな材料から製造され、燃料が引き出されるときに、それが効率的に形を崩し、また、その体積を減じるようになっている。燃料ライナー１４用の材料の例は、天然ゴム、ポリエチレン（低密度から高密度のＰＥを含む）、エチレンプロピレン（ＥＰ）、ＥＰＤＭ、および他の薄いポリマーフィルムを含む。ポリエチレンを蒸気バリア層、例えばアルミニウムフォイル、またはフッ素処理されたプラスチックで積層してメタノール浸透を減少させてよい。好ましくは、燃料ライナー１４は低密度ポリエチレンから製造され、またブロー成型されて薄壁のブラダーを形成する。そのようなライナーおよび外側ケーシング、ならびにそれらに適した材料は、本出願人の２００３年７月２９日付け出願に係る、「柔らかなライナーを具備する燃料カートリッジ」というタイトルの米国特許出願第１０／６２９，００４号、２００３年１２月１日付け出願に係る、「燃料と相性がよい材料を具備する燃料電池サプライ」というタイトルの同第１０／７２５，２４４号、および２００４年８月６日出願に係る、「燃料電池用燃料サプライ」というタイトルの同第１０／９１３，７１５号で十分に検討されている。これら「００４」、「２４４」および「７１５」出願は参照してここに組み入れる。形を崩すことができ、かつ変形可能な燃料ライナー１４を具備する利点は、燃料が燃料電池へと搬送される際に燃料ライナー１４が形を崩すので燃料カートリッジ１０がどのような方位でも使用できるということである。

遮断バルブ１８は、燃料電池（図示しない）または再充填用燃料コンテナ／カートリッジすなわち再充填アダプタに結合可能なように設計されている。遮断バルブは本出願人の２００３年７月２９日付けの出願に係る、「連結バルブを具備する燃料カートリッジ」というタイトルの米国特許出願第１０／６２９，００６号（「００６」出願）において十分に検討されており、その内容は参照してここに組み入れる。遮断バルブ１８は、燃料を毛細管現象またはウィッキング現象により搬送することが可能な多孔性または繊維材料で、または、ピンまたは針により開け、または破ける弾性材料、例えば隔膜で、置き換えても良い。適切な毛細管または芯材材料は、本出願人の２００３年１月３１日付けの出願に係る、「燃料電池用燃料カートリッジ」というタイトルの米国特許出願第１０／３５６，７９３号において十分に検討されており、その開示内容は参照してここに組み入れる。逆止バルブ２４も「００４」特許出願に十分に説明されている。

この発明の１実施例において、外側ケーシングが実質的に堅固なとき、燃料カートリッジ１０のスペース２０は有効な量のガスで満たされて雰囲気空気、水蒸気、および他のガスがカートリッジの予定寿命の間にスペース２０を通じて浸透するのを減少させる。有効な量のガスはスペース２０において１００％までの不活性ガスを含むけれども、これは１００％より低くても良く、５０％程度の低さでもよい。適切なガスは、これに限定されないが、不活性ガス（ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン、ラドン）、窒素、および二酸化炭素を含む。好ましいガスはヘリウム、アルゴン、クリプトン、窒素、および二酸化炭素である。より好ましい不活性ガスはアルゴンおよびクリプトンである。この発明に従う適切なガスは、燃料電池用の燃料として使用できるガスは含まない。外側ケーシングは柔らかくてもよい。

理想気体の法則が、ライナー１４内のヘッドスペース２７の内部で形成された圧力を支配する。ボイルの法則は、一定温度下では、ガスの体積は圧力に反比例すると規定する。シャルルの法則は、一定圧力下では、ガスの体積は絶対温度に比例し、また一定体積下では、ガスの圧力は絶対温度に比例することを規定する。ドルトンの法則は、混合ガスの総合圧力は各タイプのガスによる分圧の合計と等しいことを規定する。どのような理論にも制約を受けることなく、ドルトンの法則を用いてこの発明を記述する。

図１に示すヘッドスペース２７の内部では、総合圧力（Ｐ_total-27）は、そこに存在する、燃料例えばメタノールの分圧（Ｐ_methanol-27）および任意の空気または他のガスの分圧（Ｐ_air-27）の合計と等しい。
Ｐ_total-27 ＝ Ｐ_methanol-27 ＋ Ｐ_air-27

スペース２０の総合圧力（Ｐ_total-20）は、そこに存在する、不活性ガスの分圧（Ｐ_{inert gas-20}）および任意の空気の分圧（Ｐ_air-20）の合計と等しい。
Ｐ_total-20 ＝ Ｐ_inertgas-20 ＋ Ｐ_air-20

任意の所定の時刻において、ヘッドスペース２７の総合圧力はスペース２０の総合圧力により平衡にされ、好ましくはスペース２７およびスペース２０内の各圧力は実質的に類似となり燃料ライナー１４に作用する力全体を最小化する。すなわち以下のとおりである。
Ｐ_total-27 〜 Ｐ_total-20

この発明によれば、選択された不活性ガスは、圧力が上昇するステージを含む種々のステージでスペース２０用に分圧を形成する。ヘッドスペース２７の相互圧力が増加するとき、これはスペース２０の総合圧力により平衡にされる。
Ｐ_methanol-27 ＋ Ｐ_air-27 〜 Ｐ_{inert gas-20} ＋ Ｐ_air-20

好ましくは、燃料ライナー１４が実質的に一杯のとき、不活性ガスは圧縮されてスペース２０内のその密度を増大させる。この状態では、ライナー１４は燃料により支持され、不活性ガスからの圧力に耐えることができる。燃料ライナー１４が部分的にまたは実質的に空になると、高密度の不活性ガスが膨張して、引き出された燃料の空間を満たし、燃料ライナーが一杯のときに加えられるよりも小さいけれども、燃料ライナー１４に圧力を加え続け、これにより、スペース２７の内部のバスが膨張する傾向を最小化する。これにより、燃料ライナー１４に作用する全体の圧力を最小化する。

燃料ライナー１４が実質的に一杯の時に不活性ガスに加わる圧力のレベルは、つぎの要素から決定できる。すなわち、気体の法則、および、燃料ライナーが実質的に一杯の時のスペース２０の体積、および、燃料ライナーが実質的に空のときのスペース２０の体積である。好ましくは、燃料ライナーが実質的に空のときに、不活性ガスにより燃料ライナー１４に加わる圧力は環境圧力より少なくとも４ｐｓｉ大きく、好ましくは少なくとも６ｐｓｉ、最も好ましくは少なくとも８ｐｓｉ大きい。

スペース２０に不活性ガスが存在することにより、環境空気、水蒸気、および他のガスが燃料ライナー１４の壁部を通じて入り込む透過性を減少させる実効的な絶縁バリアを実現できる。スペース２０に不活性ガスが存在するので、環境からスペース２０、スペース２７までの濃度の勾配を分断して、環境空気の透過速度を減少させる。

この発明では、燃料カートリッジの温度が高温から低温に変化するときに圧力を安定化することができる。温度は、ヘッドスペース２７中のガスの分圧とスペース２０中のガスの分圧を同時に上昇させる。したがって、ヘッドスペース２７中の圧力の増大がスペース２０中の圧力の増大により平衡化される。

シール２６を逆止バルブ２４上に配置して貯蔵や運搬時に空気、窒素、および他の種類の雰囲気ガスがスペース２０および燃料ライナー１４にさらに入るのを最小化してよい。シール２６は使用の前にユーザによって、またはカートリッジをそのパッケージから取り出すときに自動的に除去されてよい。シール２６用に適した材料は、これに限定されないが、サランラップ、アルミフォイル、または加圧膨張黒鉛フォイルを含み、これは「００４」出願に説明されている。代替的には、シール２６は以下のものから採用してよい。
（１）「燃料電池用の空気取り入れ用フィルタアッセンブリおよびシステム」というタイトルのＳｔｅｎｅｒｓｅｎ等への米国特許第６，７９７，０２７号において検討された燃料電池用の空気取り入れ用フィルタアッセンブリおよびシステムのためのシーリングシステム。この特許文献は参照してここに組み入れる。
（２）「インクジェットプリンタ用のインク源レギュレータ」というタイトルのＡｎｄｅｒｓｏｎ，Ｊｒ．等への米国特許第６，７９６，６４４号に置いて検討されたインク入口用のシール。この特許文献は参照してここに組み入れる。
（３）「迅速な連結を伴う流体遮断バルブカートリッジ」というタイトルのＫｅｌｌｙ等への米国特許第６，８０２，４９１号において検討されたシール手段。この特許文献は参照してここに組み入れる。

図２を参照すると、オプションの外側パッケージング３０は、燃料カートリッジ１０を包囲してシールする。シール用の壁部３２により確実にパッケージング３０が実質的に気密とされる。シーリング３２および燃料カートリッジ１０の間の空間として定義されるスペース３４は、不活性ガスで充填されても、真空に保持されてもよい。外側パッケージング３０は、「剥離可能なフィルムから製造された食物類用のポーチまたはパッケージおよびその製造プロセス」というタイトルのＭａｕｃｌａｉｒへの米国特許第６，６８８，０７８号に検討されるような、食物の包装に適した剥離可能はフィルムにより被覆できる。この特許文献の内容は参照してここに組み入れる。剥離可能なフィルムは第１の配向されたポリアミド層を有し、これが第２の共押出しされる剥離可能なポリエチレン層と結合される。この剥離可能なフィルムはドイツ、オクセンハウゼンのＳｕｄｐａｃｋ ＧｍｂＨにより製造される。第１の配向されたポリアミド層の厚さは約１５ミクロンであり、第２の共押出しされる剥離可能なポリエチレン層の厚さは約６０ミクロンである。パッケージを形成するための剥離可能なフィルムの２つの部分の間のシーリングは内側のポリエチレンサイドの間で起こる。外側パッケージングに適した他の材料はシール２６に適した材料を含む。代替的には、そのようなフィルムはカートリッジ１０を直接に被覆でき、またそのようなフィルムはカートリッジの周りを真空パックできカートリッジおよびフィルムの間の空気ポケットを除去できる。

図３を参照すると、この発明の他の実施例において、燃料カートリッジ４０は外側ケーシング４２と、燃料を包含して外側ケーシング４２の内部に配される燃料ライナー４４とを有する。外側ケーシング４２は好ましくは堅固である。燃料ライナー４２は、好ましくは、柔らかいか、形を崩すことができる。スペース４６は外側ケーシング４２および燃料ライナー４４の間の空間として定義される。燃料カートリッジ４０はさらに遮断バルブ５０を有し、これが燃料ライナー４４と流体連通される。燃料ライナー４４は燃料５２、例えばメタノールを内包する。燃料ライナー４４内の燃料５２の量はライナーの全容量より予め定められた量、例えば、約１０％少ない。スペース５４はおよその全容量および容量の間の差を表す。

これは、（１）燃料ライナーをおよそ全容量まで燃料を充填して、この後、当該燃料の予め定められた量、例えば約１０％または他の予め定められた量だけ引き抜いて、または（２）空の燃料ライナーを予め定められた量、例えば約９０％または他の予め定められた量だけ全容量より少ない量まで圧縮してその残留体積を燃料で満たすことにより、実現できる。いずれの手法でも、燃料ライナーはその容量より少なく量だけ充填される。燃料ライナー中で圧力が増大し始めるときに、燃料ライナーに圧力を加えることなしに、拡張する余地がある。一例として１０％が採用されるけれども、燃料の任意にパーセンテージが引き抜かれ、または燃料カートリッジから保持されてもよい。引き抜かれた燃料の量は燃料の熱的膨張に部分的に基づく。

いくつかの他の手法を用いて、内側ライナー１４を充填するときにガス、例えば、空気が内側ライナー１４に入るのを最小化することができる。そのような手法の１つは、内側ライナー１４を燃料２８で充填して、そののち、内側ライナー１４を不活性ガスまたは非反応性ガスで過充填することであり、このガスはこれに限定されないけれどもアルゴンおよび窒素を含む。これらガスは、内側ライナー１４内の空隙の空間を満たすように意図され、空気が内側ライナー１４内に浸透するのを抑制する。

さらに、内側ライナー１４内に若干尾大きな背圧、または小さなレベルの真空を形成することが、いくつかの場合に有利である。この背圧は種々の異なる態様で形成して良い。内側ライナー１４が完全に充填された後、少量の燃料を真空により引き出して内側ライナー１４を変形させる。小さな背圧を形成する他の手法は、燃料をタンクから内側ライナー１４に充填するのに先立って燃料を加熱することである。内側ライナー１４はこの後に完全に充填されてシールされる。内側ライナー１４内の燃料が冷えるときに、これが収縮し、これにより、内側ライナー１４が若干圧縮されるようになる。

この発明の他の側面によれば、燃料中に溶解されたガスを除去して使用中の分圧の増加を最小化する。図４Ａを参照すると、燃料中に溶解しているガスを除去する方法が説明されている。ステップ６０において、不活性ガスが燃料に接触し、これはパーコレーションによるのが好ましい。ステップ６２において、抜気した燃料を使用して燃料ライナーを充填する。適切な不活性ガスはこれに限定されないがアルゴンおよびヘリウムを含む。燃料の抜気のこのプロセスは、高性能液体クロマトグラフィ（ＨＰＬＣ）に関連して広く使用される不活性ガス拡散（ｓｐａｒｇｉｎｇ）システムを用いて実行できる。

燃料中の溶解ガスを除去する他の手法は、図４Ｂに説明される。ステップ６４において、不活性ガスが燃料に染み込む（ｐｅｒｃｏｌａｔｅ）。ステップ６６において、不活性ガスが除去され、これは好ましくは燃料を真空引きすることによる。オプションとして、ステップ６４および６６を任意の回数、例えば２から１０回繰り返してよい。ステップ６８において、抜気した燃料を用いて燃料ライナーを充填する。抜気したガスは燃料カートリッジに搬送される前に真空引きできる。

燃料中の溶解ガスを除去する他の手法は、図４Ｃに説明される。ステップ７２において、燃料がインラインの濾過装置により濾過される。ステップ７４において、濾過された燃料を用いて燃料ライナーを充填する。近年の分離技術は、現状において、単純かつ手頃な態様で実質的にすべての溶解ガスを溶液から抽出できる。適切なインライン濾過装置はノースカロライナ、ヘンダーソンビルのＩｎｓｉｇｈｔ Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｓｏｌｕｔｉｏｎから入手できる。

内側ライナー１４内に燃料を配置した後に当該燃料を抜気するために、システムは燃料を周期的に気体・液体分離器に通される。図５に示すように、カートリッジ１０は、２つのバルブを具備する内側ライナーを含み、これらバルブは、図１に示されるバルブ１８と類似の第１のバルブ１８と、第２の取入バルブ７６である。カートリッジ１０は第１のポンプ７８に接続され、これは燃料を燃料ライナー１４から抜き出す。第１のポンプ７８は抜き取った燃料を燃料電池に送っても良いし、あるいは、抜き取った燃料をガス分離機８０へ純化のためにポンピングしてもよい。

ガス分離器は当業界で知られている任意の気体・液体分離器であってよい。ガス分離器の一例はガス透過性、液体非透過性の膜である。燃料は、そのような膜を内包するオリフィスを通過させられ、分離されたガスは排出され、例えば、環境に排出され、同時に、燃料は燃料電池へとポンピングされ、または内側ライナー１４に戻される。あるいは、燃料は、燃料電池用の燃料として直接に使用されて良い。好ましくは、この膜は、空気または他のガスがカートリッジから出るのを可能にするだけであり、液体がカートリッジから出ないようにする。そのような気体透過性、液体非透過性の膜は、先に参照して組みこんだ「７９３」出願、「気体透過性排出ストッパを具備する電気電池」というタイトルで１９７０年４月２１日に発行された米国特許第３，５０８，７０８号、および「液体燃料電池」というタイトルで１９８５年１２月３１日に発行された米国特許第４，５６２，１２３号に開示されている。これらの参考文献は参照してここに組み入れる。そのような膜は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ナイロン、ポリアミド、ポリビニリデン、ポリプロピレン、ポリエチレン、または他のポリマー膜から製造できる。商業的に入手可能な撥水性ＰＴＦＥ微孔膜はＷ．Ｌ ＧｏｒｅＡｓｓｏｃｉａｔｅｓ社から入手できる。Ｇｏｒｅ−Ｔｅｘ（商標）は適切な膜である。Ｇｏｒｅ−Ｔｅｘ（商標）は、液体を透過させるには小さすぎるけれども、気体を透過させるのに十分な大きさの孔を含む微孔膜である。

より複雑な気体・液体分離器も当業界で知られている。例を挙げることだけが目的であるけれども、他のガス分離器８０は、既知の二酸化炭素分離器と類似なものとして説明される。当業者は、他の分離器もこの発明において採用できることを理解できるであろう。

ガス分離器８０は入口バルブ８２を含み、これを介して不純物を含む燃料が空洞の室部８１に入る。燃料の流れは、空洞の室部６１に入るときに、渦発生器８４に当たり、これにより燃料が空洞の室部８１内でスピンする。液体の流れがスピンするときに、その中の液体は空洞の室部８１の打つ側壁部に方向づけられる。流体の流れの中の任意のガスは上昇して空洞の室部８１の頂部へと至り、出口８６を通じて環境中に排出される。代替的には、ガス分離器８０を出口８６を通じて出るガス蒸気は、この後、燃料電池の混合室部、燃料電池のアノードループ、または触媒性バーナに搬送されて良い。蒸気を消費するために、燃料蒸気を濃縮して内側ライナー１４に再導入して良い。流体の流れ中の液体は空洞室部８１の底部で収集されて液体出口８８を通る。抜気された液体燃料はつぎに第２のポンプ９０を介してポンピングされて取入バルブ７６を通じて内側ライナーに戻される。

燃料をカートリッジ１０から燃料電池および／またはガス分離器８０へ移動させるために用いられるポンプは、所望のレートで流体を移動させることができる任意のポンプでよい。適切なポンプは、これに限定されないが、マイクロ−エレクトロ−メカニカル−システムポンプ（ＭＥＭＳ）、例えば先に参照してここに組み入れた「７９３」特許出願において検討され権利主張されたものを含む。ＭＥＭＳポンプはフィールド誘導ポンプまたは膜変位ポンプのいずれでもよい。フィールド誘導ポンプは、ＡＣまたはＤＣ電解または磁界を燃料／液体に印可させ、燃料／液体をポンピングする。適切なフィールド誘導ポンプは、これに限定されないけれど、電気流体力学ポンプ、および電気浸透ポンプを含む。電気流体力学ポンプと電気浸透ポンプは一緒に使用できる。膜変位ポンプは膜を含み、力を膜に印可して膜を変位または振動させて燃料をポンプで送る。適切な膜変位ポンプは、静電気ポンプおよび熱空気ポンプを含むが、これらに限定されない。ＭＥＭＳポンプは燃料の流れの速度を制御し、流れを逆にし、また、流れを止める。

他の実施例において、ライナー１４は、図１に示される逃がしバルブ２４と類似の逃がしバルブ９２を有し、これが、内側ライナー１４の内部圧力が予め定められたレベルに至ったときに圧力を開放するように配される。逃がしバルブ９２は内側ライナー１４内に形成された蒸気を排出するために使用されて良い。好ましくは、逃がしバルブ９２は、ガス状の物質は透過させるが液体上の物質は透過させない膜を含む。適切な膜は先に検討され、商業的に入手可能な材料、例えばＧｏｒｅ−Ｔｅｘ（商標）を含む。内側ライナー１４から排出された蒸気は内側ライナー１４の外側の点、例えば内側ライナー１４とケーシング１２の間のスペース２０または環境中へと排出される。逃がしバルブ９２は、ライナー１４の内部圧力がスペース２０の圧力より予め定められた圧力分、例えば、約２ｐｓｉを越えて大きいときに、開となるように選択して良い。代替的には、逃がしバルブ９２を気体透過性、液体非透過性の膜で置き換えて、ガスまたは蒸気が膜に接触し、かつその圧力がスペース２０中の圧力より大きいときにはいつでも当該ガスがライナー１４から出て行けるようにする。液体非透過性、気体透過性の膜はライナー１４上の任意の場所の１または複数の箇所に配置でき、ライナーの５０％またはそれ以上の占めて良い。適切な膜は、先に参照してここに組み入れた「７９３」出願に開示されている。

ここに開示されたこの発明の事例的な実施例はこの発明の目的を達成するけれども、多くの変更および他の実施例を当業者が工夫することができることは明らかである。さらに、任意の実施例の特徴および／または要素を単独で、または他の実施例の特徴および／または要素と組み合わせて採用してよい。したがって、添付の特許請求の範囲はすべてのそのような変更例および実施例をカバーするように意図されており、これらはこの発明の精神および範囲に含まれる。これに限定されないが、特許、特許出願、論文、および書籍を含む、ここで検討されたすべての刊行物は参照してここに組み入れられる。

この発明に従う燃料カートリッジの断面図である。 外側パッケージングの内部で封止された燃料カートリッジの断面図である。 全容量より少ない予め定められた量まで燃料を充填させた燃料カートリッジの断面図である。 燃料中の溶解ガスを不活性ガスを用いて除去する方法を示すフローチャートである。 不活性ガスおよび真空引きを繰り返し用いて燃料中の溶解ガスを除去する方法を示すフローチャートである。 インライン濾過器を用いて燃料中の溶解ガスを除去する方法を示すフローチャートである。 燃料カートリッジを抜気システムとともに示す模式図である。

符号の説明

１０ 燃料電池カートリッジ
１２ 外側ケーシング
１４ 内側燃料コンテナ
１８ 遮断バルブ
２０ スペース
２４ 逃がしバルブ
２７ スペース
２８ 燃料

Claims (34)

1. 燃料電池に結合可能な燃料サプライであって、
   外側ケーシングと、
   上記燃料電池用の燃料を内包する内側燃料コンテナとを有し、
   上記外側ケーシングおよび上記内側燃料コンテナの間のスペースがガスで充填されて上記内側燃料コンテナの圧力を制御し、かつ、上記ガスはヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン、ラドン、窒素、および二酸化炭素からなるグループから選択された要素であり、しかも、上記ガスが環境から上記内側燃料コンテナまでの空気の勾配を分断する燃料サプライ。
2. 上記ガスは加圧されている請求項１記載の燃料サプライ。
3. さらに、上記外側ケーシングおよび上記内側燃料コンテナの間の上記スペースの中のガスの量を調整する逆止バルブを上記外側ケーシングの表面に有する請求項１記載の燃料サプライ。
4. 上記逆止バルブを覆う除去可能なシールをさらに有する請求項３記載の燃料サプライ。
5. 上記燃料サプライは外側パッケージングでシールされる請求項１記載の燃料サプライ。
6. 上記外側パッケージングおよび上記燃料サプライの間のスペースがガスで充填され、上記ガスはヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン、ラドン、窒素、および二酸化炭素からなるグループから選択された要素である請求項５記載の燃料サプライ。
7. 上記外側パッケージングおよび上記燃料サプライの間の上記スペースが真空引きされる請求項５記載の燃料サプライ。
8. 上記外側ケーシングは堅固である請求項１記載の燃料サプライ。
9. 上記内側燃料コンテナは変形可能である請求項１記載の燃料サプライ。
10. （ｉ）上記燃料サプライ用の燃料を供給するステップと、
    （ｉｉ）上記燃料を抜気して溶解ガスを除去するステップとを有する燃料サプライを充填する方法。
11. （ｉｉｉ）上記燃料サプライを上記抜気した燃料で充填するステップをさらに有する請求項１０記載の方法。
12. （ｉｉｉ）上記抜気した燃料を上記燃料サプライに返すステップをさらに有する請求項１０記載の方法。
13. 上記ステップ（ｉｉ）は上記燃料を不活性ガスに接触させるステップを有する請求項１０記載の方法。
14. 上記ステップ（ｉｉ）の後に上記燃料から不活性ガスを除去するステップ（ｉｖ）を有する請求項１３記載の方法。
15. 上記ステップ（ｉｉ）は不活性ガスを上記燃料を通じて浸透させるステップを有する請求項１０記載の方法。
16. 上記ステップ（ｉｖ）は上記燃料から上記ガスを真空引きするステップを有する請求項１４記載の方法。
17. 上記ステップ（ｉｉ）は、上記燃料が渦発生器を通過するようにするステップ請求項１４記載の方法。
18. 上記ステップ（ｉｉ）は上記燃料を濾過するステップを有する請求項１０記載の方法。
19. 燃料電池に結合可能な燃料カートリッジであって、
    外側ケーシングと、
    上記外側ケーシングの内部に配された内側燃料コンテナであって、上記燃料電池用の燃料を内包するものと、
    燃料を上記燃料電池に搬送する燃料出口と、
    上記内側燃料コンテナの表面に配されて、上記内側燃料コンテナの内部から上記内側燃料コンテナの外部の点に更けて蒸気を排出するガス排出部材とを有する燃料カートリッジ。
20. 上記ガス排出部材は逆止バルブを有する請求項１９記載の燃料カートリッジ。
21. 膜が上記逆止バルブの開口を被覆する請求項２０記載の燃料カートリッジ。
22. 上記膜は気体透過性、液体非透過性である請求項２１記載の燃料カートリッジ。
23. 上記ガス排出部材は気体透過性、液体非透過性の膜を有する請求項２０記載の燃料カートリッジ。
24. 上記蒸気は蒸気環境中へ排出される請求項１９記載の燃料カートリッジ。
25. 蒸気内側燃料コンテナは変形可能である請求項１９記載の燃料カートリッジ。
26. 燃料電池に結合可能な燃料カートリッジであって、
    外側ケーシングと、
    上記外側ケーシングの内部に配された内側燃料コンテナであって、上記燃料電池用の液体燃料を内包するものと、
    燃料を上記燃料電池に搬送する燃料出口と、
    蒸気燃料出口と燃料電池ポンプとの間に配されて、蒸気を上記液体燃料から分離する分離器とを有する燃料カートリッジ。
27. 上記分離器は上記燃料バルブと上記燃料電池ポンプとを結合するコネクタ内に配された膜を有する請求項２６記載の燃料カートリッジ。
28. 上記分離器は、
    主ベッセルであって、頂部、底部、および内部空洞を有するものと、
    上記主ベッセルに流体的に結合された取入パイプと、
    上記内部空洞に配された渦発生器と、
    上記頂部の近くで上記主ベッセルと流体的に結合された蒸気出口パイプと、
    上記底部の近くで上記主ベッセルと流体的に結合された液体燃料ドレンとを有する請求項２６記載の燃料カートリッジ。
29. 上記蒸気は上記雰囲気中へ排出される請求項２６記載の燃料カートリッジ。
30. 上記蒸気は上記燃料電池の混合室に搬送される請求項２６記載の燃料カートリッジ。
31. 上記蒸気は上記燃料電池のアノードループに搬送される請求項２６記載の燃料カートリッジ。
32. 上記蒸気は触媒性バーナに搬送される請求項２６記載の燃料カートリッジ。
33. 上記蒸気は上記濃縮器に搬送され、上記濃縮器が上記蒸気を液体燃料へと再液体化する請求項２６記載の燃料カートリッジ。
34. 蒸気分離器は渦発生器を有する請求項２６記載の燃料カートリッジ。

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