JP2012119279A - 燃料供給装置、燃料カートリッジ、及びジョイント - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池を有する機器に、簡易に燃料を供給し得る、燃料供給装置、それを構成する燃料カートリッジ、並びに機器と燃料カートリッジとを接続するジョイントを提供する。
【解決手段】燃料供給装置１は、燃料電池を有する機器に液体燃料Ｆを供給する装置であり、液体燃料Ｆがあらかじめ充填されるとともに、機器に着脱可能である燃料タンク２と、燃料タンク２と機器とを接続するジョイント６と、を備えている。ジョイント６は、重力により燃料タンク２内の液体燃料Ｆを機器に流入させる外管と、燃料タンク２に、液体燃料Ｆと代替させる流体を自発的に流入させる内管とを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池を含む機器に液体燃料を供給する燃料供給装置、それの構成要素である燃料カートリッジ、及び燃料カートリッジと機器とを接続するジョイントに関する。

近年、電子機器のポータブル化、及びコードレス化が急速に進んでいる。このため、これらの電子機器の駆動用電源として、小型かつ軽量で、高エネルギ密度を有する二次電池の開発が望まれている。しかしながら、二次電池をそれらの機器の電源として使用する場合には、充電が必要であり、１回の充電で機器を使用できる時間も容量により制約される。そこで、燃料を供給することにより長時間安定して機器に電力を供給することができる燃料電池が、その電源として注目されている。

燃料電池の中でも直接酸化型燃料電池（ＤＯＦＣ）は、常温で液体の燃料を改質することなく直接的に酸化して発電するために、改質装置が不要であり、小型化が容易である。さらに、燃料としてメタノールを使用する直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）は、エネルギ効率及び発電出力が他の直接酸化型燃料電池よりも優れており、ＤＯＦＣの中で最も有望視されている。

ところが、メタノールは人体に有害である。このため、燃料電池を含む機器に燃料であるメタノールを供給する際には、燃料がこぼれたり、空気中に多量に蒸散したりすることを防止するための配慮が必要となる。そこで、例えば、燃料をあらかじめ充填した燃料カートリッジを機器に装着し、燃料カートリッジから機器内蔵の燃料タンク等に燃料を注入するような態様で燃料を供給することが望ましい。

さらに、燃料カートリッジと、機器とを接続するジョイントは、できるだけ燃料が外部に漏れないような構造とするのが望ましい。特許文献１及び特許文献２に、そのようなジョイントの一例が、それぞれ提案されている。

特開２００６−０１７２６９号公報 特開２００７−０７３４６４号公報

しかしながら、携帯型の電子機器では特に、上記ジョイントの径を十分に大きくすることは困難である。このため、特許文献１及び特許文献２のジョイントは、燃料を自発的に機器側のタンクに流入させる構造とはなっておらず、例えば燃料カートリッジの容器を手や指で押圧することで、燃料を機器側のタンクに注入する構造となっている。

ところが、可燃性の高いメタノール等の燃料を収容する容器は、耐圧性及び耐衝撃性を高くする必要性があるために、柔らかい樹脂ではなく、固くて頑丈な樹脂を材料として使用するのが一般的である。その結果、子供や高齢者が、そのような容器を指で押圧するのは困難な場合がある。また、頑丈な樹脂製の容器を指で押圧して供給できる一回あたりの燃料量は僅かである。このため、電力の消費量が比較的に大きく、燃料消費量が多い機器では、燃料供給操作が非常に煩雑となる。

そこで、本発明は、燃料電池を有する機器に、簡易に液体燃料を供給し得る、燃料供給装置、それを構成する燃料カートリッジ、並びに機器と燃料カートリッジとを接続するジョイントを提供することを目的としている。

本発明の一局面は、液体燃料を使用する燃料電池を有する機器に前記液体燃料を供給する燃料供給装置であって、
前記液体燃料があらかじめ充填されるとともに、前記機器に着脱可能に構成された燃料タンクと、
前記燃料タンクと前記機器とを接続するジョイントと、を備え、
前記ジョイントが、
外管及び内管を含む二重構造の管路を有し、
前記外管及び前記内管の一方が、重力により前記燃料タンク内の前記液体燃料を前記機器に流入させる流路を形成し、他方が、前記燃料タンクに、前記液体燃料と代替させる流体を自発的に流入させる流路を形成する、燃料供給装置に関する。

本発明の他の局面は、液体燃料を使用する燃料電池を有する機器に着脱可能に構成された燃料カートリッジであって、
前記液体燃料を収容するタンクと、
前記タンクを前記機器と接続する第１コネクタ及び第２コネクタを含むジョイント用の第１コネクタとを具備し、
前記ジョイントが、
外管及び内管を含む二重構造の管路を有し、
前記外管及び前記内管の一方が、重力により前記燃料カートリッジ内の前記液体燃料を前記機器に流入させる流路を形成し、他方が、前記燃料カートリッジに、前記液体燃料と代替させる流体を自発的に流入させる流路を形成する、燃料カートリッジに関する。

本発明のさらに他の局面は、液体燃料を使用する燃料電池を有する機器と、前記液体燃料があらかじめ充填される燃料カートリッジとを接続するジョイントであって、
外管及び内管を含む二重構造の管路を有し、
前記外管及び前記内管の一方が、重力により前記燃料カートリッジ内の前記液体燃料を前記機器に流入させる流路を形成し、他方が、前記燃料カートリッジに、前記液体燃料と代替させる流体を自発的に流入させる流路を形成する、ジョイントに関する。

本発明によれば、燃料電池を使用した発電装置に、簡易に液体燃料を供給することができる。

本発明の新規な特徴を添付の請求の範囲に記述するが、本発明は、構成及び内容の両方に関し、本発明の他の目的及び特徴と併せ、図面を照合した以下の詳細な説明によりさらによく理解されるであろう。

本発明の一実施形態に係る燃料供給装置の概略断面図である。 燃料供給装置に含まれるジョイントの一方のコネクタの概略断面図である。 ジョイントの他方のコネクタの概略断面図である。 一対のコネクタを結合した状態の概略断面図である。 燃料電池の一例の単セルの構造を概念的に示す断面図である。

本発明は、液体燃料を使用する燃料電池を有する機器に、液体燃料を供給する燃料供給装置に関する。この燃料供給装置は、液体燃料があらかじめ充填されるとともに、上記機器に着脱可能な燃料タンクと、燃料タンクと機器とを接続するジョイントとを備える。ジョイントは、外管及び内管を含む二重構造の管路を有する。

外管及び内管の一方は、重力により燃料タンク内の液体燃料を機器に流入させる流路を形成する。他方は、燃料タンクに、液体燃料と代替させる流体を自発的に流入させる流路を形成する。

特に小型機器では、燃料タンク（例えば燃料カートリッジ）と機器側の内蔵タンク等とを接続するジョイントは、燃料タンクからの燃料の漏出を抑えるためにも、径が小さくなる傾向がある。ジョイントの径が小さくなると、燃料の流路の径も小さくなるために、その流路が燃料だけで占有される。その結果、燃料タンク内の燃料と機器の内蔵タンク内の空気とを入れ替えながら、燃料を、燃料タンクから内蔵タンクに注入することは困難である。このため、従来、この種の燃料タンクは、その容器を指で挟んで押圧するような態様で、機器側の内蔵タンクに燃料を注入している。

本装置では、上記ジョイントに、外管及び内管を含む二重構造の管路を設けることで、燃料の流路とは独立した代替流体の流路をジョイントに設けている。これにより、例えジョイントのサイズが小さい場合にも、燃料タンク内の液体燃料と空気等とを入れ替えながら、燃料をスムーズに供給することが可能となる。よって、燃料タンクを、燃料電池を含む機器に上記ジョイントで接続するだけで、燃料を重力により連続的に上記機器に供給することが可能となる。

その結果、燃料供給操作を簡易にすることができ、ユーザーにとっての利便性が向上する。特に、電力消費量が比較的に大きく、その結果、燃料消費量が多くなる機器ではユーザーにとっての利便性は顕著に向上する。さらに、燃料を自発的に機器側に流入させるためにジョイントのサイズを大きくする必要性がないので、ジョイント、燃料タンク（例えば燃料カートリッジ）、及び燃料供給装置の小型化が容易となる。よって、それを有する機器の小型化が容易となる。

なお、中型または大型の機器であっても、ジョイントに、燃料流路とは独立した代替流体流路を設けることで、燃料の供給をスムーズにすることができる。よって、本発明は、中型機器及び大型機器の燃料供給装置にも好適に適用することができる。中型機器及び大型機器の例としては、ホームユースの発電装置、またはそれ以上の能力を有する発電装置、工事用発電機、電動スクーター及び電動シニアカーを挙げることができる。一方、小型機器の例としては、ノートパソコン、及びワイヤレススピーカーを挙げることができる。

ここで、液体燃料の流路は外管と内管との間の空間とし、代替流体の流路は内管内の空間とするのが好ましい。これにより、空気等の代替流体よりも粘性が高い液体燃料の流路の流路面積を容易に大きくすることができる。よって、燃料の供給をスムーズにすることができる。

このとき、外管の最小の内径は５〜１５ｍｍとするのが好ましい。外管の最小の内径を１５ｍｍ以下とすることで、ジョイントが大型化するのを防止することができる。よって、燃料供給装置を小型化することが容易となり、それを含む機器を小型化することも容易となる。一方、外管の最小の内径を５ｍｍ以上とすることで、燃料のスムーズな供給が確保される。また、内管の最小の内径は２〜４ｍｍであるのが好ましい。

外管の最小の内径のより好ましい範囲は、５〜１０ｍｍである。外管の最小の内径がこのような範囲であれば、ジョイントに二重構造の管路を特に設けない限り、重力だけで燃料をスムーズに機器に供給することは困難である。よって、外管の内径が上記範囲であるときに本発明の効果はより顕著となる。

さらに、本装置は、上記ジョイントが、燃料タンク側の第１コネクタと、機器側の第２コネクタとを有している。そして、第１コネクタと第２コネクタとを結合することで、燃料タンクと機器とが接続される。

さらに、燃料管路及び代替流体管路は、第１コネクタと第２コネクタとの間で分割可能である。換言すれば、第１コネクタ及び第２コネクタは、それぞれが、燃料管路及び代替流体管路を有している。そして、第１コネクタ側の燃料管路及び代替流体管路と、第２コネクタ側の燃料管路及び代替流体管路とをそれぞれ繋ぎ合わせることで、燃料管路及び代替流体管路が完成される。

ここで、代替流体管路の外径と燃料管路の内径との最小の差異は、１〜５ｍｍであるのが好ましい。上記最小の差異を５ｍｍ以下とすることで、ジョイントを小型化することが容易となり、燃料供給装置及び機器の小型化も容易となる。一方、上記差異を１ｍｍ以上とすることで、燃料のスムーズな供給を確保することができる。

ここで、燃料タンク側の第１コネクタと、機器側の第２コネクタとを結合していないときに、燃料タンク内の燃料が第１コネクタから漏れることを防止する機構等が必要となる。そのような機構として、第１コネクタの内管の管壁を、外管の管壁に対して軸方向に移動可能に設けるとともに、その管壁の移動により第１コネクタの外管を開閉する第１弁機構を備えさせるのが好ましい。

そのような第１弁機構は、より具体的には、外管の一方の先端部に弁孔を設け、内管の管壁に弁孔を塞ぐ弁体を設け、弁体を上記弁孔の開口に向けて付勢する付勢手段（弾性体）を設けることで実現することができる。第１コネクタと第２コネクタとが結合されていない状態では、付勢手段の付勢力により弁体が弁孔の開口に押し付けられて弁孔が閉塞される。これにより、外管が閉塞される。一方、第１コネクタと第２コネクタとが結合された状態では、内管の管壁が第２コネクタ側の所定部材（例えば第２コネクタ側の内管の管壁）と当接することにより、付勢手段の付勢力に抗して、弁体が弁孔の開口から離れるように内管の管壁を移動させる。これにより、外管が開通される。

以上のことに対応して、第２コネクタの内管の管壁を、外管の管壁に対して軸方向に移動可能に設けるとともに、その管壁の移動により第２コネクタの外管を開閉する第２弁機構を備えさせるのも好ましい。

さらに、本装置では、液体燃料の流路が外管と内管との間の空間であり、代替流体の流路が内管内の空間であり、第１コネクタと第２コネクタとを結合したときに、第２コネクタで、内管の入口部が外管の出口部から突出しているのが好ましい。機器側のコネクタである第２コネクタの内管の入口部の位置は、燃料タンクへの押圧力によらずに燃料が注入される、機器側の内蔵タンク等の燃料の最高液位と等しくなる。よって、第２コネクタの内管の入口部の位置を第２コネクタの外管の出口部から突出させることにより、内蔵タンクに空気孔を設けたような場合に、その空気孔から燃料が漏れないように液位を設定することが容易となる。

さらに、本発明は、液体燃料を使用する燃料電池を有する機器に着脱可能に構成された燃料カートリッジに関する。本燃料カートリッジは、液体燃料を収容するタンクと、そのタンクを上記機器と接続する第１コネクタ及び第２コネクタを含むジョイント用の第１コネクタとを具備する。ジョイントは、外管及び内管を含む二重構造の流路を有する。外管及び内管の一方は、重力により燃料カートリッジ内の液体燃料を機器に流入させる流路を形成する。他方は、燃料カートリッジに、液体燃料と代替させる流体を自発的に流入させる流路を形成する。

さらに、本発明は、液体燃料を使用する燃料電池を有する機器と、前記液体燃料があらかじめ充填される燃料カートリッジとを接続するジョイントに関する。本ジョイントは、外管及び内管を含む二重構造の流路を有する。外管及び内管の一方は、重力により燃料カートリッジ内の液体燃料を機器に流入させる流路を形成する。他方は、燃料カートリッジに、液体燃料と代替させる流体を自発的に流入させる流路を形成する。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る燃料供給装置の概略断面図である。図２は、その燃料供給装置に含まれる、一対のコネクタを有するジョイントの一方のコネクタの概略断面図である。図３は、他方のコネクタの概略断面図である。図４は、一対のコネクタを結合した状態のジョイントの概略断面図である。図５は、燃料電池を構成する単セルの構造を抽象化した断面図である。

図１に示すように、燃料供給装置１は、液体燃料があらかじめ充填される燃料カートリッジ２と、機器側の内蔵タンク４とを接続するためのジョイント６とを具備する。ジョイント６は、燃料カートリッジ２側のコネクタ８と、機器側のコネクタ１０とを含む。内蔵タンク４の下部には、図示しない燃料ポンプと接続された、燃料電池に燃料を供給するための燃料供給管４ａが開口している。

図２に示すように、燃料カートリッジ２側のコネクタ８は、燃料カートリッジ２内の液体燃料を重力により内蔵タンク４に流入させる外管１２と、代替流体としての空気を内蔵タンク４から燃料カートリッジ２に自発的に流入させる内管１４とを有する。外管１２及び内管１４は、円筒状であり、互いに同軸に配置されている。そして、内管１４は、外管１２の軸方向に移動可能な状態で、下端部を含めた一部分が外管１２の内部に挿入されている。

外管１２及び内管１４の管壁には樹脂成形品を使用するのが軽量化のために好ましい。特に、液体燃料に対する耐薬品性が優れた樹脂材料が望ましい。燃料がメタノールであれば、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、及びポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）等が好ましい。

外管１２は、弁収納部１２ａ、バネ止め部１２ｂ、及び弁孔部１２ｃを含む。弁収納部１２ａは、外管１２を開閉するための弁機構１６を収納する大径部である。バネ止め部１２ｂは、弁収納部１２ａと隣接して、その燃料カートリッジ２側（図の上側）に配置された小径部である。弁孔部１２ｃは、弁収納部１２ａと隣接して、バネ止め部１２ｂとは反対側（コネクタ８の先端側）に配置された小径部である。例えば弁孔部１２ｃの内径が、外管１２の最小の内径である。弁収納部１２ａと、バネ止め部１２ｂ及び弁孔部１２ｃとの境界には、それぞれ、管壁の内周面に段差があり、それらの境界には、外管１２の軸方向に垂直な、環状の端面１２ｄ及び１２ｅが形成されている。

さらに、外管１２の管壁の外周には、断面が角形で環状の突部１２ｆが形成されている。コネクタ８は、その先端部を機器側のコネクタ１０に差し込むことによりコネクタ１０と結合される。突部１２ｆは、コネクタ８のコネクタ１０への差し込み深さを規定するものであり、外管１２の先端から所定距離の位置に設けられている。

弁機構１６は、内管１４の外周に環状に形成された、断面が角形の突部１４ａと、Ｏリング（オーリング）等からなるパッキン１８と、弦巻バネ等からなる弾性体２０とを含む。パッキン１８は、突部１４ａの弁孔部１２ｃ側の面と接触するように、内管１４の外周に嵌められている。

弾性体２０は、内管１４を、コネクタ８の先端側に向かって付勢するように、弁収納部１２ａの内部に配設されている。より具体的には、弾性体２０の伸縮方向の一端部は、突部１４ａのパッキン１８が接触する面とは反対側の面と当接し、弾性体２０の他端部は、バネ止め部１２ｂと弁収納部１２ａとの境界の端面１２ｄと当接している。

内管１４が弾性体２０によりコネクタ８の先端部に向かって付勢されることで、パッキン１８が、弁孔部１２ｃと弁収納部１２ａとの境界の端面１２ｅと当接する。これにより外管１２の先端が閉じられる。一方、内管１４の先端部（弁孔部１４ｄ）は、コネクタ８がコネクタ１０と結合されたときに、後掲のコネクタ１０の内管３２の先端部と当接する。これにより、内管１４は、弾性体２０の付勢力に抗して、パッキン１８が端面１２ｅから離れるように移動する。その結果、外管１２が開通する。

次に、図２を参照して、内管１４を説明する。内管１４もまた、弁収納部１４ｂ、バネ止め部１４ｃ、及び弁孔部１４ｄを含む。弁収納部１４ｂは、内管１４を開閉するための弁機構２２を収納する大径部である。バネ止め部１４ｃは、弁収納部１４ｂと隣接して、その燃料カートリッジ２側に配置された小径部である。弁孔部１４ｄは、弁収納部１４ｂと隣接して、コネクタ８の先端側に配置された小径部である。

例えば弁孔部１４ｄの内径が、内管１４の最小の内径である。弁孔部１２ｃの内径と弁孔部１４ｄの外径との差異が外管の内径と内管の外径との最小の差異である。弁収納部１４ｂと、バネ止め部１４ｃ及び弁孔部１４ｄとの境界には、それぞれ、管壁の内周面に段差があり、それらの境界には、コネクタ８の軸方向に垂直な、環状の端面１４ｅ及び１４ｆが形成されている。

さらに、バネ止め部１４ｃからは、代替流体を燃料カートリッジ２内の燃料液位よりも上の部分に導く導管１４ｇが延設されている（図１参照）。導管１４ｇの開口端部は気液分離膜１４ｉで覆うことができる。気液分離膜１４ｉには撥水性材料が好ましく用いられる。

このような膜には、気体を通過させ、かつ液体を通過させない性質があるために、液体燃料Ｆが導管１４ｇの内部に侵入してしまい、導管１４ｇが液体燃料Ｆにより閉塞されるのを防止することができる。これにより、内蔵タンク４内の代替流体（例えば空気）を燃料カートリッジ２の内部にスムーズに導入することができる。気液分離膜１４ｉには、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）の粒子を溶着によりシート状に形成した材料を使用することができる。

さらに、内蔵タンク４の上部に代替流体導入孔（空気孔）５を設けるとともに、その孔５を気液分離膜７で覆うことで、空気孔５から燃料Ｆが漏れるのを防止しつつ、内蔵タンク４の内圧を常に大気圧に保持することができる。よって、重力による液体燃料Ｆの供給をスムーズに行わせることができる。なお、気液分離膜７には、気液分離膜１４ｉと同様の材料を使用することができる。

弁機構２２は、外管１２と軸方向が一致するように外管１２の内部に配置された弁棒２４と、例えばＯリングであるパッキン２６と、例えば弦巻バネである弾性体２８とを含む。弁棒２４は、バネ止め部１４ｃに挿入される小径部２４ａ、弁孔部１４ｄに挿入される小径部２４ｂ、及び小径部２４ａと小径部２４ｂとの間の大径部２４ｃを含む。大径部２４ｃの小径部２４ｂ側の端部の外周には、断面が角形で環状の突部２４ｄが形成されている。パッキン２６は、突部２４ｄと接触するように、小径部２４ｂの外周に嵌められている。

弾性体２８は、弁棒２４をコネクタ８の先端側に向かって付勢するように、弁収納部１４ｂの内部に配置されている。より具体的には、弾性体２８の伸縮方向の一端部は、突部２４ｄのパッキン２６と接触する面とは反対側の面と当接し、他端部は、弁収納部１４ｂとバネ止め部１４ｃとの境界の端面１４ｅと当接している。

弁棒２４が弾性体２８により弁孔部１４ｄに向かって付勢されることで、パッキン２６が、弁孔部１４ｄと弁収納部１４ｂとの境界の端面１４ｆと当接し、弁孔部１４ｄを閉塞する。これにより内管１４が閉じられる。一方、弁棒２４の小径部２４ｂは、コネクタ８がコネクタ１０と結合されたときに、コネクタ１０の弁棒４６の先端部（小径部４６ａ）と当接する。これにより、弁棒２４は、弾性体２８の付勢力に抗して、パッキン２６が端面１４ｆから離れるように移動する。その結果、内管１４が開通する。

次に、図３を参照して、機器側のコネクタ１０を説明する。コネクタ１０も、コネクタ８と同様に、燃料カートリッジ２内の液体燃料を内蔵タンク４に流入させる外管３０と、代替流体としての空気を内蔵タンク４から燃料カートリッジ２に流入させる内管３２とを有する。外管３０及び内管３２は、円筒状であり、互いに同軸に配置されている。そして、内管３２は、外管３０の軸方向に移動可能な状態で外管３０の内部に挿入されている。

さらに、コネクタ１０は、コネクタ８の先端部と嵌合する嵌合部３を有する。嵌合部３は外管３０と連続的に形成された、内径の大きい筒状部である。嵌合部３の先端部３ａが、コネクタ８の突部１２ｆと当接することにより、コネクタ８の嵌合部３への差し込み深さが規定される。

外管３０は、弁収納部３０ａ、バネ止め部３０ｂ、弁孔部３０ｃ、及びガスケット収納部３０ｄを含む。弁収納部３０ａは、外管３０を開閉するための弁機構３４を収納する大径部である。バネ止め部３０ｂは、弁収納部３０ａと隣接して、機器側（図の下側）に配置された小径部である。弁孔部３０ｃは、弁収納部３０ａと隣接して、バネ止め部３０ｂとは反対側（図の上側、コネクタ１０の先端側）に配置された小径部である。ガスケット収納部３０ｄは、弁孔部３０ｃと隣接してコネクタ１０の先端側に配置された大径部である。

弁収納部３０ａと、バネ止め部３０ｂ及び弁孔部３０ｃとの境界には、それぞれ、管壁の内周面に段差があり、それらの境界には、コネクタ１０の軸方向に垂直な、環状の端面３０ｅ及び３０ｆが形成されている。さらに、弁孔部３０ｃとガスケット収納部３０ｄとの境界には管壁の内周面に段差があり、その境界には、コネクタ１０の軸方向に垂直な、環状の端面３０ｇが形成されている。

ガスケット収納部３０ｄには、蛇腹状（アコーディオン状）に伸縮する円筒状のガスケット３６が配置されている。ガスケット３６は、その軸方向が外管３０の軸方向と略平行となるように配置される。そして、その一端部は、弁孔部３０ｃとガスケット収納部３０ｄとの境界の端面３０ｇと当接している。ガスケット３６の内部には、内管３２の一部分が挿入されている。

弁機構３４は、内管３２の外周に環状に形成された、断面が角形の突部３２ａと、パッキン３８と、弾性体４０とを含む。パッキン３８は、突部３２ａの弁孔部３０ｃ側の面と接触するように、内管３２の外周に嵌められている。

弾性体４０は、内管３２を、コネクタ１０の先端側に向かって付勢するように、弁収納部３０ａの内部に配設されている。より具体的には、弾性体４０の伸縮方向の一端部は、突部３２ａのパッキン３８が接触する面とは反対側の面と当接し、弾性体４０の他端部は、バネ止め部３０ｂと弁収納部３０ａとの境界の端面３０ｆと当接している。

内管３２が弾性体４０により弁孔部３０ｃに向かって付勢されることで、パッキン３８が、弁孔部３０ｃと弁収納部３０ａとの境界の端面３０ｅと当接し、弁孔部３０ｃを閉塞する。これにより外管３０が閉じられる。一方、内管３２が、弾性体４０の付勢力に抗して、パッキン３８が端面３０ｅと離れるように移動することで、外管３０が開通する。

さらに、弁収納部３０ａとバネ止め部３０ｂとの境界の端面３０ｆは、内管３２が弾性体４０の付勢力に抗して移動したときに内管３２の管壁と当接して、内管３２のそれ以上の移動を阻止するストッパーとしての機能も有している。内管３２が端面３０ｆと当接した状態では外管３０が閉塞される（図４参照）。このため、バネ止め部３０ｂの管壁には、その管壁を外管３０の軸方向と平行に貫通する複数の貫通孔３０ｈが穿設されている。液体燃料Ｆは、これらの貫通孔３０ｈを通して流れる。

なお、弁収納部３０ａの管壁の内周部の適宜位置に、パッキン３８が端面３０ｅから離れる方向に内管３２が移動したときに突部３２ａと当接する図示しない当接部を突設することで、内管３２の管壁が端面３０ｆと当接しないように構成することも可能である。この場合には、外管３０に貫通孔３０ｈを形成することなく、バネ止め部３０ｂを通して液体燃料Ｆを流通させることができる。

次に、内管３２を説明する。内管３２は、弁収納部３２ｂ、バネ止め部３２ｃ、弁孔部３２ｄ、及びガスケット収納部３２ｅを含む。弁収納部３２ｂは、内管３２を開閉するための弁機構４２を収納する大径部である。バネ止め部３２ｃは、弁収納部３２ｂと隣接して、機器側（図の下側）に配置された小径部である。弁孔部３２ｄは、弁収納部３２ｂと隣接して、バネ止め部３２ｃとは反対側（図の上側、コネクタ１０の先端側）に配置された小径部である。ガスケット収納部３２ｅは、弁孔部３２ｄと隣接してコネクタ１０の先端側に配置された大径部である。

弁収納部３２ｂと、バネ止め部３２ｃ及び弁孔部３２ｄとの境界には、それぞれ、管壁の内周面に段差があり、それらの境界には、コネクタ１０の軸方向に垂直な、環状の端面３２ｆ及び３２ｇが形成されている。さらに、弁孔部３２ｄとガスケット収納部３２ｅとの境界には管壁の内周面に段差があり、その境界には、コネクタ１０の軸方向に垂直な、環状の端面３２ｉが形成されている。

ガスケット収納部３２ｅには、蛇腹状（アコーディオン状）に伸縮する円筒状のガスケット４４が配置されている。ガスケット４４は、その軸方向が内管３２の軸方向と略平行であり、その一端部は、弁孔部３２ｄとガスケット収納部３２ｅとの境界の端面３２ｉと当接している。

弁機構４２は、内管３２と軸方向が一致するように内管３２の内部に配置された弁棒４６と、パッキン４８と、弾性体５０とを含む。弁棒４６は、バネ止め部３２ｃに挿入される小径部４６ａ、弁孔部３２ｄに挿入される小径部４６ｂ、並びに小径部４６ａと小径部４６ｂとの間の大径部４６ｃを含む。大径部４６ｃの小径部４６ｂ側の端部の外周には、断面が角形で環状の突部４６ｄが形成されている。パッキン４８は、突部４６ｄと接触するように、小径部４６ｂの外周に嵌められている。

弾性体５０は、弁棒４６をコネクタ１０の先端側に向かって付勢するように、弁収納部３２ｂの内部に配設されている。より具体的には、弾性体５０の伸縮方向の一端部は、突部４６ｄのパッキン４８と接触する面とは反対側の面と当接し、他端部は、弁収納部３２ｂとバネ止め部３２ｃとの境界の端面３２ｆと当接している。

弁棒４６が弾性体５０により弁孔部３２ｄに向かって付勢されることで、パッキン５０が、弁孔部３２ｄと弁収納部３２ｂとの境界の端面３２ｇと当接し、弁孔部３２ｄを閉塞する。これにより内管３２が閉じられる。一方、弁棒４６の小径部４６ｂは、コネクタ１０がコネクタ８と結合されたときに、コネクタ８の弁棒２４の先端部（小径部２４ｂ）と当接する。これにより、弁棒４６は、弾性体５０の付勢力に抗して、パッキン４８が端面３２ｇから離れるように移動する。その結果、内管３２が開通する。

以上の弾性体２０、２８、４０及び５０の弾性力は、弾性体２０が弾性体４０よりも大きく、弾性体２８が弾性体５０よりも大きくするのが好ましい。このように、各弾性体の弾性力を設定することにより、コネクタを結合したときに最初に機器側の弁機構（３４及び４２）が開となり、続いて、燃料カートリッジ２側の弁機構（１６及び２２）が開となる。これにより、燃料カートリッジ２を機器に装着するときに、燃料が外部に漏出するのを防止することができる。一方、燃料カートリッジ２を機器から取り外すときにも最初に燃料カートリッジ２側の弁機構（１６及び２２）が閉じられるので、これにより燃料の漏出が防止される。

なお、パッキン及びガスケットには、各種ゴムやエラストマー等の弾性材料を好適に使用することができる。弁棒及び弾性体（弦巻バネ）には金属材料を好適に使用することができる。しかしながら、いずれの材料も燃料（メタノール）に対する耐薬品性が良好で、残渣や金属カチオンなどが燃料との接触により溶出しない材料を選定するのが望ましい。

図４に、各コネクタを互いに結合した状態を示す。この状態では、コネクタ８の先端部が、コネクタ１０の嵌合部３と嵌合している。このとき、内管１４及び３２が互いに当接し、これにより、内管１４及び３２が、それぞれ、弾性体２０及び４０の付勢力に抗して軸方向に移動している。その結果、外管１２と外管３０とが連通した状態となっている。

一方、弁棒２４及び４６が互いに当接し、それぞれ、弾性体２８及び５０の付勢力に抗して軸方向に移動している。その結果、内管１４と内管３２とが連通した状態となっている。

このとき、ガスケット３６の端部が外管１２の先端部と当接し、燃料が外部に漏れるのを防止している。また、ガスケット４４の端部が内管１４の先端部と当接し、代替流体が外部に漏れるのを防止している。

燃料カートリッジ２から内蔵タンク４への液体燃料Ｆの供給が進み、内蔵タンク４内の燃料液位ＦＬ（図１参照）が内管３２のバネ止め部３２ｃ（図３参照）の端部に達すると、内管３２が塞がれ、代替流体の内蔵タンク４から燃料カートリッジ２への流入が止まる。その結果、重力による液体燃料Ｆの供給が自動的にストップする。

内蔵タンク４内の液体燃料Ｆは、燃料供給管４ａと接続された、図示しない燃料ポンプにより内蔵タンク４から吸引され、燃料電池の発電のために消費される。燃料の消費により燃料液位ＦＬが下がると、内管３２が再び開通し、代替流体の燃料カートリッジ２の内部への流入が再開されて、重力による液体燃料の供給が自動的に再開される。

次に、図５を参照して、燃料電池の一例を説明する。直接メタノール型燃料電池等の直接酸化型燃料電池は、通常、板状ないしはシート状の単セルを積層した構造を有している。単セルを積層したものをセルスタックという。なお、単セルは、それ自体が１つの燃料電池である。そして、燃料電池を１つの単セルだけから構成することも可能である。

単セル５２は、起電部である膜−電極接合体（ＭＥＡ）５４を含む。ＭＥＡ５４は、電解質膜５６の一方の面にシート状のアノード５８を接合し、電解質膜５６の他方の面にシート状のカソード６０を接合した層状構造を有している。

アノード５８は、アノード拡散層６２、アノード微多孔層（ＭＰＬ）６４、及びアノード触媒層６６を含む。アノード触媒層６６が、電解質膜５６と接触しており、アノードＭＰＬ６４は、アノード触媒層６６の上に積層されている。アノード拡散層６２は、アノードＭＰＬ６４の上に積層されている。

同様に、カソード６０は、カソード拡散層６８、カソード微多孔層（ＭＰＬ）７０、及びカソード触媒層７２を含む。カソード触媒層７２が、電解質膜５６と接触しており、カソードＭＰＬ７０は、カソード触媒層７２の上に積層されている。カソード拡散層６８は、カソードＭＰＬ７０の上に積層されている。

燃料電池が複数の単セル５２を積層したセルスタックである場合には、各単セル５２のＭＥＡ５４は、導体からなる板状のセパレータ７４を間に挟んで積み重ねられる。セパレータ７４のアノード拡散層６２と接触する面には、アノード５８に燃料を供給するための燃料供給路７６が形成されている。一方、セパレータ７４のカソード拡散層６８と接触する面には、カソード６０に酸化剤を供給するための酸化剤供給路７８が形成されている。各供給路７６及び７８は、例えば、セパレータ７４のそれぞれの面に溝を設けて形成することができる。

さらに、セルスタックにおける単セル５２の積層方向の両端部のうち、アノード５８が積層方向の外側に位置している端部には、燃料供給路７６だけが１つの面に形成されたセパレータ７４を、その面をアノード５８と接触させるように配置することができる。燃料電池の負極端子は、そのセパレータ７４と電気的に接続される。

一方、カソード６０が積層方向の外側に位置している端部には、酸化剤供給路７８だけが１つの面に形成されたセパレータ７４を、その面をカソード６０と接触させるように配置することができる。燃料電池の正極端子は、そのセパレータ７４と電気的に接続される。セルスタックにおける単セル５２の積層方向の両端部の各セパレータ７４のさらに外側には、図示しないエンドプレートを配置することができる。

さらに、燃料電池が１つの単セル５２だけを含む場合には、燃料供給路７６だけが１つの面に形成されたセパレータ７４を、その面をアノード５８と接触させるように配置することができる。同様に、酸化剤供給路７８だけが１つの面に形成されたセパレータ７４を、その面をカソード６０と接触させるように配置することができる。それらのセパレータ７４のさらに外側には、図示しないエンドプレートを配置することができる。

アノード５８には、燃料供給路７６により燃料であるメタノールを含む水溶液が供給され、カソード６０には、酸化剤供給路７８により酸化剤である酸素を含む空気が供給される。アノード５８に供給されたメタノール水溶液に由来するメタノール及び水蒸気はアノード拡散層６２で、その面方向に拡散され、アノードＭＰＬ６４を通してアノード触媒層６６に供給される。同様に、カソード６０に供給された、酸素を含む空気は、カソード拡散層６８で、その面方向に拡散され、カソードＭＰＬ７０を通してカソード触媒層７２に供給される。

以上、説明したとおり、本実施形態の燃料供給装置によれば、燃料カートリッジを機器側の内蔵タンクに接続するだけで、重力により連続的に燃料供給がなされる。そして、機器側の内蔵タンクの燃料液位が所定の位置まで上昇すれば自動的に燃料供給がストップされる。そして、燃料消費に伴い燃料液位が下がれば自動的に燃料供給が再開される。このため、燃料カートリッジを手で押圧することなく、連続的な燃料供給ができる。よって、ユーザーにとっての利便性が飛躍的に向上する。

本発明にかかる、燃料供給装置は燃料カートリッジへの手での押圧が不要で、重力による連続的な燃料供給ができるのでユーザーにとっての利便性が良好である。よって、燃料電池の燃料消費量が比較的多くなる機器であっても、長時間連続して運転することが可能となる。

本発明を現時点での好ましい実施態様に関して説明したが、そのような開示を限定的に解釈してはならない。種々の変形及び改変は、上記開示を読むことによって本発明に属する技術分野における当業者には間違いなく明らかになるであろう。したがって、添付の請求の範囲は、本発明の真の精神及び範囲から逸脱することなく、すべての変形及び改変を包含する、と解釈されるべきものである。

１…燃料供給装置、
２…燃料カートリッジ、
４…内蔵タンク、
６…ジョイント、
８、１０…コネクタ、
１２、３０…外管、
１４、３２…内管、
１６、２２、３４、４２…弁機構、

Claims (10)

1. 液体燃料を使用する燃料電池を有する機器に前記液体燃料を供給する燃料供給装置であって、
   前記液体燃料があらかじめ充填されるとともに、前記機器に着脱可能に構成された燃料タンクと、
   前記燃料タンクと前記機器とを接続するジョイントと、を備え、
   前記ジョイントが、
   外管及び内管を含む二重構造の管路を有し、
   前記外管及び前記内管の一方が、重力により前記燃料タンク内の前記液体燃料を前記機器に流入させる流路を形成し、他方が、前記燃料タンクに、前記液体燃料と代替させる流体を自発的に流入させる流路を形成する、燃料供給装置。
2. 前記外管が前記液体燃料の流路を形成し、前記内管が、前記代替流体の流路を形成する、請求項１記載の燃料供給装置。
3. 前記外管の最小の内径が５〜１５ｍｍであり、
   前記内管の最小の内径が２〜４ｍｍである、請求項１または２記載の燃料供給装置。
4. 前記ジョイントが、前記燃料タンク側の第１コネクタと、前記機器側の第２コネクタとを有し、
   前記外管及び前記内管が、それぞれ、前記第１コネクタと前記第２コネクタとの間で分割可能である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料供給装置。
5. 前記外管の内径と前記内管の外径との最小の差異が、１〜５ｍｍである、請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料供給装置。
6. 前記内管の管壁が、前記第１コネクタで、前記外管の管壁に対して軸方向に移動可能に設けられるとともに、
   前記第１コネクタでの前記内管の管壁の移動により前記第１コネクタで前記外管の流路を開閉する第１弁機構を備える、請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料供給装置。
7. 前記内管の管壁が、前記第２コネクタで、前記外管の管壁に対して軸方向に移動可能に設けられるとともに、
   前記第２コネクタでの前記内管の管壁の移動により前記第２コネクタで前記外管の流路を開閉する第２弁機構を備える、請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料供給装置。
8. 前記第１コネクタと第２コネクタとを結合したときに、前記第２コネクタで、前記内管の入口部が前記外管の出口部から突出している、請求項２〜７のいずれか１項に記載の燃料供給装置。
9. 液体燃料を使用する燃料電池を有する機器に着脱可能に構成された燃料カートリッジであって、
   前記液体燃料を収容するタンクと、
   前記タンクを前記機器と接続する第１コネクタ及び第２コネクタを含むジョイント用の第１コネクタとを具備し、
   前記ジョイントが、
   外管及び内管を含む二重構造の管路を有し、
   前記外管及び前記内管の一方が、重力により前記燃料カートリッジ内の前記液体燃料を前記機器に流入させる流路を形成し、他方が、前記燃料カートリッジに、前記液体燃料と代替させる流体を自発的に流入させる流路を形成する、燃料カートリッジ。
10. 液体燃料を使用する燃料電池を有する機器と、前記液体燃料があらかじめ充填される燃料カートリッジとを接続するジョイントであって、
    外管及び内管を含む二重構造の管路を有し、
    前記外管及び前記内管の一方が、重力により前記燃料カートリッジ内の前記液体燃料を前記機器に流入させる流路を形成し、他方が、前記燃料カートリッジに、前記液体燃料と代替させる流体を自発的に流入させる流路を形成する、ジョイント。