JP5587603B2 - 燃料電池用燃料カートリッジを再充填する装置 - Google Patents

Description

この発明は、一般には、燃料電池用燃料カートリッジに関する。具体的には、この発明は再充填可能な燃料サプライに関する。

燃料電池は、反応物質、すなわち燃料および酸素の化学エネルギを直流（ＤＣ）電気に直接変換する装置である。多くの漸増している用途において、燃料電池は、化石燃料の燃焼などの従来の発電よりも効率的であり、リチウムイオンバッテリーなどの携帯型蓄電池より効率的である。

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、りん酸燃料電池、溶融炭酸塩燃料電池、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。今日のより重要な燃料電池は、３つのカテゴリ、すなわち、（ｉ）圧縮水素（Ｈ_２）を燃料として利用する燃料電池、（ｉｉ）水素燃料に改質される、アルコール、例えば、メタノール（ＣＨ_３ＯＨ）、金属水素化物、例えば、水素化ホウ素ナトリウム（ＮａＢＨ_４）、炭化水素又は他の燃料を利用する陽子交換膜（ＰＥＭ）燃料電池、および、（ｉｉｉ）直接に非水素燃料を消費できるＰＥＭ燃料電池すなわち直接酸化燃料電池、（ｉｖ）炭化水素燃料を高温で直接に電気に変換する固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）に分けることができる。

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、そのため消費者向け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、消費者向け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においては、メタノールは燃料電池の内部において直接に酸素と反応させられ、このＤＭＦＣは最も小さく、潜在的にも最も小さい燃料電池であり、また消費者向け電子装置用の電力用途に有望である。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、特許文献２、特許文献３、および特許文献４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。

化学金属水素化物燃料電池においては、水素化ホウ素ナトリウムが以下のように改質されて反応する。
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５に検討されており、参照してここに組み入れる。

燃料カートリッジは多くの再利用部品、例えばバルブを含んで良い。このような部品のいくつかは、例えば、２つ以上のバルブ部品が相互に正しく結合されたときにのみ開く分離可能なバルブは、特殊な整合を必要とする。そのため、適切な整合を実現するのは消費者にとって困難であり、時間の浪費となることがある。燃料カートリッジを再充填することはこれら再利用可能な部品を維持する１手法である。ただし、燃料電池の燃料が液体であることもあるので、カートリッジの充填に関して消費者を支援する装置が依然として必要である。

米国特許第３，１４３，４４０号 米国特許第４，３９０，６０３号 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

この発明の一側面は、燃料電池用の再充填可能な燃料サプライに関する。再充填アセンブリは、燃料電池に燃料を供給するように適合化された再充填可能な燃料サプライ、再充填可能な燃料サプライに搬送される燃料を含有する再充填用燃料カートリッジ、および再充填用燃料カートリッジを再充填可能燃料サプライに結合して再充填用燃料カートリッジから再充填可能な燃料サプライへ燃料を搬送させる固定・解放装置を有する。固定・解放装置は、再充填用燃料カートリッジから実質的に燃料がなくなるまで、再充填用燃料カートリッジを再充填可能な燃料サプライに保持する。

この発明の係る特徴およびその他の特徴、ならびに利点は、以下の詳細な説明を添付図面を参照して読むことにより一層理解することができ、添付図面において類似の参照番号は類似の部分を示すために共通して用いられる。

この発明の１実施例に従う、再充填可能燃料カートリッジおよび再充填用アセンブリを含む再充填可能燃料カートリッジアセンブリの断面図である。 図１に示される再充填可能燃料カートリッジアセンブリ用の代替的な再充填用アセンブリの断面図である。 図２に示される再充填用アセンブリ用の代替的な駆動機構の部分断面図である。 図１に示される再充填可能燃料カートリッジアセンブリ用の他の代替的な再充填用アセンブリの断面図である。 燃料が再充填用カートリッジから実質的に強制排出された状態で示す、図１の再充填可能燃料カートリッジの断面図である。 図１の実施例のアイソメトリックズである。 この発明の他の実施例の部分断面図である。 図１〜６に示される実施例の変形例の断面図である。

添付図面に例示され、以下で詳細に説明されるように、この発明は、燃料電池用の燃料、例えば、メタノールおよび水、メタノール／水混合物、種々の濃度または純粋なメタノールのメタノール／水混合物を貯蔵する燃料サプライに向けられている。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、および改質燃料電離、その他に利用できる。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、水素化ホウ素ナトリウムのような金属水素化物、水素に改質できる他の化学物質、または、燃料電池の性能を改善する他の化学物質を含んでよい。燃料は、水酸化カリウム（ＫＯＨ）電解質含み、これが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、燃料サプライ中に貯蔵できる。金属燃料電池に対しては、燃料はＫＯＨ電解質反応溶液に浸漬された液体担持亜鉛粒子の形態をしており、電池空洞中の陽極は亜鉛粒子からなる粒状陽極である。ＫＯＨ電解質溶液は、「１または複数の負荷に電力供給するように構成された燃料電池システムの使用方法」という題名で２００３年４月２４日に公開された米国公開特許出願２００３／００７７４９３に開示されており、参照してここに組みこむ。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、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、酸化剤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。

図１に示すように、再充填可能燃料アセンブリ１０が示される。再充填可能燃料アセンブリ１０は燃料カートリッジ１２および再充填用カートリッジ１４を含む。燃料カートリッジ１２および再充填用カートリッジ１４は、再充填用カートリッジ１４が燃料カートリッジ１２中へ取り外し可能に挿入されて燃料がからになるまでそこの固く保持されるような、寸法および形状を伴う。換言すると、全体の再充填可能燃料アセンブリ１０が、装置または燃料電池とともに使用され、再充填用カートリッジ１４は、電子装置のバッテリを交換するのとほとんど同様に、必要なときに交換される。

燃料カートリッジ１２は当業界で知られている他の燃料カートリッジ、例えば、米国特許出願願号ＵＳ２００５／００２３２３６で検討されている燃料カートリッジと類似であり、当該文献の内容は参照してここに組み入れる。燃料カートリッジ１２は、燃料電池またはこの燃料電池から給電される装置（図示しない）の一部であっても良いし、あるいは、別体であってもよい。燃料カートリッジ１２はハウジング１８を含み、これは好ましくは堅固な材料、例えば、金属、プラスチック、その他から製造される。例えば、ハウジング１８は、燃料電池（図示しない）またはこの燃料電池から給電される装置（図示しない）のハウジングの材料と類似の材料から製造されて良い。ハウジング１８は燃料電池または装置に好ましくは取り外し可能に結合されるけれども、ハウジング１８は永久的に固着されても良い。ハウジング１８は、再充填用カートリッジ１４をハウジング１８内に挿入可能にする開口を具備するように構成されたカバー４８を含む。カバー４８をハウジング１８に対して取り外し可能またはスライド可能となして再充填用カートリッジ１４を挿入させるようにしても良い。

ハウジング１８は内側チャンバ１９を形成し、そのチャンバ１９内に内側ライナーすなわちブラダー１６が設けられ、これが固定・解放機構２１と関連して動作する。チャンバ１９はストップ１７をも具備し、これが、固定・解放機構２１がチャンバ１９内で移動する距離を制限する。ブラダー１６は燃料電池（図示しない）用の燃料を含有可能な、膨張可能で再充填可能なブラダーであり、燃料が燃料電池により使用されて抜き取られるときに例えば縮退して変形する。類似のブラダーがＵＳ２００５／００２３２３６において検討されている。ブラダー１６は、好ましくは、ブラダー１６が実質的にいっぱいのときに内側チャンバ１９を実質的に満たすような寸法を伴う。ブラダー１６は好ましくは薄い壁で構成され、耐久性があり柔らかな材料から製造されて、燃料が引き出されるときに、効率よく折り畳まれ、あるいはその容積を縮小するようになされている。ブラダー１６はＵＳ２００５／００２３２３６において検討されているようなリブを含んで、燃料の搬送を容易になすようにしてもよい。ブラダー１６は好ましくは、実質的に燃料に対して不活性な材料から製造される。ブラダー１６用に好ましい材料は天然ゴム、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性フィルムを含む。好ましくは、ポリエチレンはフッ素化され、実施的に金属イオンを含まない。ポリエチレンは、アルミニウムフォイル、圧縮剥離グラプルフォイル（例えばＵＳ特許第３，４０４，０６１号に説明されているもの）またはフッ素処理プラスチックのような蒸気バリア層とともに積層されて、メタノール浸透を減少させてよい。ハウジング１８、ブラダー１６、および再充填用カートリッジ１４用に適切な材料は米国特許第７，０５９，５８２号に開示されており、その詳細は参照してここに組み入れる。

ブラダー１６はマルチプライまたはマルチレイヤの材料から製造してよい。最も内側の層は燃料電池燃料と相性がよく、すなわち燃料に対して耐性があり、透過性が小さい。中間層は燃料電池燃料に対してバリアとなり、非浸透性がある。最も外側の層は他のバリア層であってよく、また燃料に対して耐性を有してよい。１実施例において、最も内側の層はフッ素処理されたポリエチレン（ＬＤＰＥまたはＨＤＰＥ）であってよく、中間層はナイロンまたはシリカンであってよく、外側層はアルミニウムフォイルであってよい。

マルチレイヤ材料は共押し出しされて、ひだ付けられ、ライナーを形成する。ライナーのエッジは電磁波、超音波、または熱源により発生させられた熱によりシールされてよい。ライナーはアルミニウムフォイルにおいてシュリンクラップされてもよい。最も内側の層が燃料の腐食作用に耐え、中央および外側の層がライナー内に燃料を維持するバリアを実現し、外側層が紫外線によるライナーの劣化を防止するので、これによってカートリッジの在庫寿命が延びる。

ブラダー１６の一端は燃料管５６と流体的に結合されて燃料をブラダー１６から燃料電池に搬送するようになっている。燃料管５６は燃料に対して実質的に不活性な材料から製造されたチューブまたは経路である。例えば、燃料管５６はブラダー１６と同一な材料、堅固な材料、または当業界で知られている任意の材料から製造されて良い。燃料管５６は、当業界で知られている任意の手法、例えば、溶接、超音波溶接、または、シール用の接着剤、例えばエポキシによって、スケールを加減してブラダー１６に結合される。代替的には、燃料管５６はブラダー１６と共成型、または一体成型されて燃料管５６およびブラダー１６が単一部品を形成するようになしてよい。オプションのバルブ５８が好ましくは燃料管５６の内部、または、これに隣接して含まれ、ブラダー１６から出る燃料の流れを制御する。バルブ５８は当業界で知られている任意のタイプのバルブでよく、例えば、チェックバルブ、ソレノイドバルブ、またはカモノハシバルブであってよい。

ブラダー１６の他端は針空洞チューブ３８において終端しており、これは、再充填用カートリッジ１４がハウジング１８に適切に案内されるときに、再充填用カートリッジ１４に挿入されるようになっている。針３８はぶらだ１６に流体的に、かつシール状態で結合される空洞の筒状の管であり、図１に示すようにブラダー１６から離れるように伸びている。針３８は、貫通ポイント３９を伴うように形成され、これがシールまたは壊れやすい膜６４を破ることができ、この点は以下に検討する。好ましくは、一方向バルブ４０例えば、チェックバルブ、カモノハシバルブ、または当業界で知られている任意の同様のバルブが針３８内に配置される。バルブ４０は、好ましくは、燃料が再充填用カートリッジ１４からブラダー１６へのみ流れ、ブラダー１６から再充填用カートリッジ１４へ逆流しないように方向づけられる。

針３８は代替的には再充填用カートリッジ１４側に配置されて良いことは当業者に容易に理解できるであろう。例えば、ブラダー１６は再充填用カートリッジ１４の挿入点の近くで終端し、ＵＳ特許出願公開第２００５／００２２８８３号および国際出願公開第ＷＯ２００６／０５０２６１号において検討されるバルブのような分離可能なバルブの一方のバルブ要素を具備する。これら文献の内容は参照してここに組み入れる。分離可能なバルブの他方の半体は、針３８側に配されるであろう。再充填用カートリッジ１４がハウジング１８内に挿入されるときに、分離可能なバルブの２つの半体が結合して流路を形成し、燃料が再充填用カートリッジ１４からブラダー１６へと搬送可能になる。

再充填用カートリッジ１４はアセンブリハウジング２４を含み、これが燃料チャンバ２６および駆動チャンバ４６を形成する。アセンブリハウジング２４は当業界で知られている任意の材料、例えば、ハウジング１８の材料から製造して良い。好ましくはアセンブリハウジング２４は、燃料チャンバ２６内に配される燃料６０に対して実質的に不活性な材料から製造され、あるいは、そのような実質的に不活性な材料でライナー処理またはコーティングされてよい。燃料は好ましくはアルコールのような液体燃料であるけれども他のタイプの燃料であっても良い。燃料６０はオプションとして加圧され再充填用カートリッジ１４からブラダー１６への搬送が容易になるようになされて良い。

アセンブリヘッド２３はアセンブリハウジング２４の一端に固着される。アセンブリヘッド２３はアセンブリハウジング２４の材料と同一または類似の堅固な材料から製造され、このアセンブリヘッド２３は、当業界で知られている任意の手段、例えばオーバーモールド、溶接、または接着剤による固着を用いてアセンブリハウジング２４に結合されて良い。他の実施例では、図２に示すように、アセンブリヘッド２３およびアセンブリハウジング２４が単一な部品を形成する。アセンブリヘッド２３は肩部２２がアセンブリハウジング２４から外側に伸びるように構成され、図示のとおり、アセンブリヘッド２３のテーパ形状を形成する。肩部２２は固定・解放機構２１の一部を形成し、これについては以下に詳細に検討する。壊れやすい膜６４、例えば金属、プラスチック、または複合フォイルがアセンブリヘッド２３に好ましくはシール状態で固定されており、これを図２に示す。壊れやすい膜６４は、燃料チャンバ２６内で燃料６０をシールするけれども、例えば、針３８により破られ、または再充填用アセンブリ１４をハウジング１８に挿入する前に剥がされるときに、燃料へのアクセスが可能なようになす。

駆動チャンバ４６は、圧縮された空気およびガスのブタン、または炭酸溶液のような推進剤６２を含有して、図２および図４に示すように燃料を再充填用カートリッジ１４から強制的に排出する。代替的には、駆動チャンバ４６は貯蔵エネルギを保持するバネ４５を含んで良く、これは例えば圧縮螺旋バネ、または当業界で知られている任意の他のタイプのバネであり、これを図３に示す。

駆動チャンバ４６はピストン４２によって燃料チャンバ２６からシール状態で分離される。好ましくは、ピストン４２はエラストマー性材料から製造されたボールであり、この材料は燃料６０および推進剤６２の双方に対して実質的に不活性である。ピストン４２は、燃料チャンバ２６をシールするけれども、推進剤６２によってスライドするように駆動されたときにはスライドするような寸法を具備するような構成されている。代替的には、ピストン４２は、燃料チャンバ２６をシールする粘着性のゲルの詰め物、あるいは、拡大して、搬送された燃料の体積を置き換える、拡張可能は静止蛇腹によって置換することができる。ただし、図４に示すように、ピストン４２は他の構造、例えば、正方形または矩形であってよく、シール部材６８が燃料６０および推進剤６２が混合されるのを阻止する。バネ４５または推進剤６２は、壊れやすい膜６４が破壊された後に、燃料６０が解放経路、例えば、針３８を獲得するまで、壊れやすい膜６４のシールによって平衡状態に維持され、これを図４に示す。燃料６０に解放経路が付与されると、バネ４５または推進剤６２は拡張し、これによって、貯蔵エネルギを解放してピストン４２を駆動チャンバ４６から離れるように押す。燃料６０は、ピストン４２によって、この態様で、再充填用カートリッジ１４から押し出されて燃料カートリッジ１２へと入る。駆動チャンバ４６および燃料チャンバ２６の体積が燃料の強制排出に伴って変化すること、燃料チャンバ２６の体積がピストン４２の再配置により減少する際に駆動チャンバ４６の体積が増加することは、当業者に容易に理解できるであろう。

推進剤６２を使用するのであれば、好ましくは、駆動チャンバ４６は可変体積機構４４を含む。可変体積機構４４によって、燃料６０を再充填用カートリッジ１４から排出するのにトリガーを行うこと無しに、推進剤が幅広い範囲の環境条件で使用可能になる。例えば、可変体積機構４４はチャネル７３内に活動自在に配された小さなピストン７２であってよい。推進剤６２が加熱されると、ピストン７２の移動によって、推進剤６２が拡張してチャネル７３に入り、これを図２に示す。このため、推進剤６２は、ピストン４２の移動によって燃料チャンバ２６中へと拡張することがなく、あるいは拡張しようとしない。他の実施例では、可変体積機構４４は拡張可能な弾性ブラダーまたは拡張可能なひだ付きの蛇腹を含んでよい。

図１を参照すると、固定・解放機構２１はブラダー１６および針３８に隣接して配置され、好ましくは、ブラダー１６が実質的に空になり、またはまったく空になるまで、再充填用カートリッジ１４をハウジング１８内にしっかりと保持するように構成されている。

クランプ２８は燃料カートリッジ１２のハウジング１８にピン３０によりヒンジ状態で取り付けられる。クランプ２８は、機械加工または成型により特殊な形状に構成できる、当業界で知られている任意のタイプの堅固な材料、例えばスチール、チタン、およびアルミニウムのような金属、プラスチック、樹脂、その他から製造されてよい。クランプ２８の各々は好ましくは２つのストップ、すなわち、ヒンジ状クランプ２８の対向する端部に位置するストップ３４およびフック５０を具備する。結束部５２はクランプ２８をその位置に保持して再充填用カートリッジ１４を燃料カートリッジ１２のハウジング１８内に維持する。好ましくは、結束部５２はゴムのような弾性材料で製造され、ヒンジ状態のクランプ２８をピン３０の周りでピボット運動させて空の再充填用カートリッジ１４を取り外せるようになし、その反面、自動的に復帰して次の再充填用カートリッジ１４を保持できる構成に復帰する。換言すると、結束部５２はヒンジ状態のクランプ２８を再充填用カートリッジを保持する位置にバイアスする。こうして、アセンブリヘッド２３は、テーパ付けられ、角度を持つ壁部を含んで、挿入時に、クランプ２８をピボット運動させて相互に離間するようになし、これによって、再充填用カートリッジ１４の肩部２２が燃料カートリッジ１２のハウジング１８内に完全に挿入され、そして、肩部２２がヒンジ状態のクランプ２８のフック５０によって保持される。

ストップ３４はキャリッジ２０の近くで、かつクランプ２８の端部３５の近くに配された、クランプ２８の拡張部である。キャリッジ２０はブラダー１６の一端に固定して取り付けられた堅固な案内部であり、その取り付けは、オーバーモールド、溶接、またはエポキシのような接着剤で行う。キャリッジ２０は内側チャンバ１９内に往復動可能であり、これにより、ブラダー１６が少なくとも部分的に満たされているときに、キャリッジ２０が再充填用カートリッジ１４側に移動し、ブラダー１６が実質的に空のときに、キャリッジ２０が、ブラダー１６の縮小によって、再充填用カートリッジ１４から遠ざかるように移動する。バネ５４は付加的な力を付与してブラダー１６およびキャリッジ２０を再充填用カートリッジ１４の方向に強制する。

キャリッジ２０は、当該キャリッジ２０が再充填用カートリッジ方向に移動させられるときに、ヒンジ状態のクランプ２８のストップ３４および端部３５とそれぞれ係合するように構成された係止表面３６および３７を含む。こうして、ブラダー１６が少なくとも部分的に満たされているときには、フランジ３５がキャリッジ２０の一部に当たり、これによって、解放ピン３２が矢印Ａ方向に押圧されて再充填用カートリッジ１４をハウジング１８から解放することが不可能になっている。

キャリッジ２０はその中央、または、その近くに配された穴を含み、これによって、針３８がキャリッジ２０を通り抜けて再充填用カートリッジ１４に届く。針３８は図１に示すようにキャリッジ２０およびブラダー１６に固定して取り付けられている。こうして、針３８は、ブラダー１６の移動を、それが空のときに、キャリッジ２０に伝える。

燃料がブラダー１６から燃料電池に搬送されるときに、ブラダー１６は図５に示すように縮んでその体積を減少させる。ブラダー１６が、その材料の弾力性、または、その体積の減少により、縮んで小さくなると、キャリッジ２０をヒンジ状態のクランプ２８から離すように引く。テーパ付けされたアセンブリヘッド２３は、図示のように、テーパ付けされたアセンブリヘッド２３の肩部２２がストップ３４と接触するまで、テーパ付けされたアセンブリヘッド２３およびキャリッジ２０の間の接触、および針３８および部材６４の間の接触に起因して、キャリッジ２０と一緒に移動することが可能である。テーパ付けされたヘッドアセンブリ２３は、その後、キャリッジ２０と切り離され、ヒンジ状態のクランプ２８の間に緩く保持される。このような構成において、ヒンジ状態のクランプ２８は、解放ピン３２が方向Ａに押されたときに自由にピボット運動する。この時点で、再充填用カートリッジ１４は好ましくは空であり、その燃料６０をすべてブラダー１６に搬送しきっており、搬送された燃料のいくらかも燃料電池に搬送されている。ヒンジ状態のクランプ２８がピボット運動した後に、フック５０は再充填用カートリッジ１４の肩部２２から係合解除され、空のカートリッジ１４が燃料カートリッジ１２から取り外し可能になる。

解放ピン３２が解放されると、結束部５２はヒンジ状態のクランプ２８を通常の位置に復帰させ、必要であれば、新しい再充填用カートリッジが挿入可能となる。新たな再充填用カートリッジを挿入するに、解放ピン３２を矢印Ａ方向に押圧可能であり、または、新たな再充填用カートリッジを解放ピン３２を押圧することなしに、テーパ付けられたアセンブリヘッド２３およびフックの形状に起因して、直接に装着してよい。新たな再充填用カートリッジ１４は、つぎに、フック５０および肩部２２によって固定して保持され、この際、壊れやすい部材５６は無傷のままである。空の、または部分的に空のブラダー１６は後退した状態にあり、ブラダー１６、キャリッジ２０、およびテーパ付けされたアセンブリヘッド２３の相対位置は実質的に図５のそれと類似している。燃料６０を再充填用カートリッジ１４からブラダー１６に供給するために、針３８が壊れやすい部材６４を通り抜けて燃料と接触するまで、キャリッジ２０を矢印Ｂに沿って移動させる。好ましくは、キャリッジ２０はレバー２１と連結され、これはハウジング１４上に形成された溝１５内にスライド可能に配置されており、これを図６に示す。レバー２１は図示のとおり、方向Ｂに沿って移動可能であり、キャリッジ２０を柔らかな部材６４に向けて移動させる。レバー２１の位置はブラダー１６の体積を示すので、レバー２１は可視的な燃料ゲージとしても機能する。

推進剤６２は拡張し、ピストン４２をアセンブリヘッド２３方向に押し、燃料６０がバルブ４０を通るようになす。すなわち、推進剤６２によって付与された付加的な力によって、バルブ４０の前後に十分な圧力差が形成され、バルブ４０が開にされる。燃料６０は、ブラダー１６が実質的に一杯になるまで、ブラダー１６に流れ続ける。ブラダー１６が実質的に一杯になるときに、再充填用カートリッジ１４の燃料チャンバ２６は空でないかもしれない。この場合、ブラダー１６内の圧力は実質的に燃料チャンバ２６内の圧力と同一であり、バルブ４０を横切る顕著な圧力がなくなるときに、バルブ４０が閉になるように選択されてよい。このため、ブラダー１６が十分に満たされ、かつ燃料チャンバ２６が空でないとき、バルブ４０は閉となって、燃料６０を再充填用カートリッジ内に維持する。燃料がブラダー１６から燃料電池へと搬送される際に、ブラダー１６内の圧力は降下し、この降下は、その圧力が燃料チャンバ２６内の圧力より小さくなってバルブ４０を開となし、再充填プロセスを継続させるようになるまで続く。１実施例では、バルブ４０は、開となすのに少なくとも１ｐｓｉの圧力、より好ましくは少なくとも２ｐｓｉの圧力が必要なチェックバルブである。好ましくは、針３８は、すべての燃料６０がブラダー１６に搬送されるまで燃料６０と接触を維持するのに十分な長さを有する。

図７を参照して、他の実施例が示される。この実施例では、固定・解放機構２１および出口燃料管５６が燃料カートリッジ１２の同一側に配置される。代わりに、燃料カートリッジ１２は、当該燃料カートリッジ１２のハウジング１８内にスライド可能に配置される可動壁部７０を設けられる。可動壁部７０もシール部材７２によってハウジング１８との間でシーリングを実現する。可動壁部７０は少なくとも１つのエネルギ貯蔵部材、例えばバネ４５、または圧縮ガス、または液化炭化水素によって再充填用カートリッジ１４の方向にバイアスされている。再充填の間、再充填用カートリッジ１４からの燃料は、カートリッジ１２へと、部材４４を固定・解放機構２１を通じて駆動することにより、押され、これは先に検討したとおりである。この後、燃料が必要なときに、エネルギ貯蔵部材４５が燃料を燃料カートリッジ１２から燃料電池へと押し出す。空の再充填用カートリッジ１４は先に検討したように取り替えることができる。

解放ピン３２はユーザが手作業により押しても、デバイスまたは燃料電池（図示しない）側の機構によって自動的に押されてもよいことは当業者は容易に理解できるであろう。デバイス側の機構は好ましくはセンサ、例えば米国特許出願公開第２００５／０１１５３１２号に説明されているような燃料ゲージに連結されたシステムによって制御され、この出願公開の内容は参照してここに組み入れる。ブラダー１６が空のとき、センサが信号を機構に送り、解放ピン３２を駆動する。

図８を参照して、図１〜６に示される実施例の変形例を示す。この実施例では、ヒンジ状態のクランプ２８のストップ３４が省略される。ブラダー１６が縮んで小さくなったとき、これはヒンジ状態のクランプ２８から再び遠ざかる。キャリッジ２０はぶらだ１６と一緒に移動して、テーパ付けられたアセンブリヘッド２３および再充填用カートリッジ１４を一緒に引く。ストップ３４がないので、再充填用カートリッジ１４はキャリッジ２０およびブラダー１６から離れず、ハウジング１８のチャンバ１９へと引かれる。空の再充填用カートリッジ１４を取り外すには、ユーザはまずカートリッジをキャリッジ２０から引き離し、この後、解放ピン３２を押圧してヒンジ状態のクランプ２８を移動させ、テーパ付けされたアセンブリヘッド２３をヒンジ状態のクランプから取り外す。新たな再充填用カートリッジ１４を挿入するには、ユーザはこれをヒンジ状態のクランプ２８を通して挿入して、さらにチャンバ１９へと挿入し続ける。ブラダー１６は少なくとも部分的に空なので、新たなカートリッジ１４の挿入に抗することはできない。キャリッジ２０がストップ１７と接触するようになると、キャリッジ２０およびブラダー１６の移動が停止され、新たなカートリッジ１４のテーパ付けられたアセンブリヘッド２３がキャリッジ２０と係合でき、これによって、針３８が膜６４を破り、新たな燃料６０がブラダー１６に搬送可能になる。ブラダー１６が満たされると、これが膨れてキャリッジ２０および新たなカートリッジ１４を外側に移動させて、図１の構成と類似な構成をなす。この実施例では、レバー２１および溝１５は必須でなく、省略可能である。

ここに開示したこの発明の説明的な実施例がこの発明の目的を実現することは明らかであるが、多くの変形例や他の実施例を当業者がなし得ることに理解されたい。さらに、いずれの実施例の特徴および／または要素が、単一でも、また、他の実施例の特徴および／または要素と組みあわせても採用できる。したがって、添付の特許請求の範囲は、これらすべての変形例や実施例をカバーすることを意図し、これらはこの発明のその趣旨および範囲内のものであることは、容易に理解できる。ここで検討したすべての特許文献は、特許、特許出願、論文を含み、またこれに限定されないが、その内容は参照してここに組み入れられる。

１０再充填可能燃料アセンブリ
１２ 燃料カートリッジ
１４ 再充填用カートリッジ
１５ 溝
１６ ブラダー
１７ ストップ
１８ ハウジング
１９ 内側チャンバ
２０ キャリッジ
２１ 固定・解放機構
２２ 肩部
２３ アセンブリヘッド
２４ アセンブリハウジング
２６ 燃料チャンバ
２８ クランプ
３２ 解放ピン
３４ ストップ
３５ 端部
３８ 針
４０ バルブ
４２ ピストン
４４ 可変体積機構
４６ 駆動チャンバ
４８ カバー
５０ フック
５２ 結束部
６２ 推進剤
６４ 膜

Claims (11)

1. 燃料電池用の再充填可能燃料サプライアセンブリであって、
   燃料を燃料電池に供給するように適合化された再充填可能燃料サプライと、
   上記再充填可能燃料サプライに搬送する燃料を含有する再充填用燃料カートリッジと、
   上記再充填用燃料カートリッジを上記再充填可能燃料サプライに連結して上記再充填用燃料カートリッジから上記再充填可能燃料サプライへ燃料を搬送させる固定・解放装置とを有し、
   上記再充填可能燃料サプライは上記再充填用燃料カートリッジから搬送された燃料を内包する燃料ブラダーを有し、
   上記固定・解放装置は、解放部材と、上記燃料ブラダーに連結される可動キャリッジと、上記再充填用燃料カートリッジの一部を上記再充填可能燃料サプライに連結する解放用クランプとを有し、
   上記再充填用燃料カートリッジが実質的量の残留燃料を含有するとき、上記解放部材が上記解放用クランプに作用して上記再充填用燃料カートリッジが上記再充填可能燃料サプライから遮断可能になるのを阻止する第１の位置に、上記可動キャリッジが配置され、
   上記再充填用燃料カートリッジが実質的量の燃料を有しないとき、上記解放部材が上記解放用クランプに作用して上記再充填用燃料カートリッジが上記再充填可能燃料サプライから遮断可能になるのを可能にする第２の位置に、上記可動キャリッジが配置される解放再充填可能燃料サプライアセンブリ。
2. 上記解放部材は、さらに、上記解放用クランプに動作可能に結合された解放ピンを有する請求項１記載の再充填可能燃料サプライアセンブリ。
3. 上記解放用クランプは上記再充填可能燃料サプライのハウジングにピボット状態で結合される請求項１記載の再充填可能燃料サプライアセンブリ。
4. 上記再充填用燃料カートリッジは燃料チャンバ内において圧縮されている燃料を有する請求項１記載の再充填可能燃料サプライアセンブリ。
5. 上記燃料チャンバ内の燃料はバネ、駆動チャンバ内の圧縮ガス、または液化炭化水素により加圧される請求項４記載の再充填可能燃料サプライアセンブリ。
6. 上記燃料ブラダーは弾性的である請求項１記載の再充填可能燃料サプライアセンブリ。
7. 上記再充填用燃料カートリッジおよび上記再充填可能燃料サプライの間に燃料流路が形成され、かつ、上記再充填可能燃料サプライおよび上記燃料流路は、上記再充填用燃料カートリッジ内の圧力が上記再充填可能燃料サプライの圧力より大きいときに開となる１のバルブを有する請求項１記載の再充填可能燃料サプライアセンブリ。
8. 上記バルブは、上記再充填用燃料カートリッジ内の圧力が上記再充填可能燃料サプライの圧力より予め定めた量だけ大きいときに開である請求項７記載の再充填可能燃料サプライアセンブリ。
9. 上記再充填可能燃料サプライは、上記燃料ブラダーが存在するチャンバであって、その燃料ブラダーが上記再充填用燃料カートリッジからの燃料を収容するように適合化された上記チャンバを有し、上記燃料ブラダーは第１の圧力に加圧される請求項１記載の再充填可能燃料サプライアセンブリ。
10. 上記再充填用燃料カートリッジは第２の圧力に加圧され、上記第２の圧力は上記第１の圧力より大きい請求項９記載の再充填可能燃料サプライアセンブリ。
11. 上記再充填用燃料カートリッジが加圧され、さらに上記再充填用燃料カートリッジの内部の圧力の少なくとも一部を吸収するための可変体積デバイスを有する請求項１記載の再充填可能燃料サプライアセンブリ。

Images