JP6196762B2 - 燃料電池用カートリッジ - Google Patents

Description

この発明は、燃料電池に内蔵された燃料タンクに対して、液体燃料を充填する機能を備えた燃料電池用カートリッジに関するものである。

近年、モバイル機器用の電源として、液体燃料であるメタノールやエタノールなどを直接、アノード極（燃料極）に供給して、電気化学反応を生じさせることができるダイレクトメタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）が注目されている。このようなダイレクトメタノール型燃料電池では、燃料電池システムを構成する燃料タンクに燃料を補給することにより、充電しなくても電源として使い続けることができ、そのような燃料電池に燃料を補給するための方法として、燃料電池本体に内蔵された燃料タンクに対し、使用者が液体燃料を充填できるようにしたサテライト式の燃料電池用カートリッジが提案されている。

特許文献１や特許文献２には、燃料電池に燃料を供給しているときに、燃料が漏洩してしまうことを抑制もしくは防止することができる燃料電池用カートリッジが記載されている。その燃料電池用カートリッジには、充填された燃料を燃料電池に供給する燃料出口が形成されており、その燃料出口と嵌合して燃料電池用カートリッジから燃料が供給される受入口が燃料電池に形成されている。さらに、燃料出口および受入口には、それぞれの開口部をバネにより押圧されて封止する弁体が設けられており、それら弁体同士が押圧されることにより、バネが圧縮されて開口部を開くように構成されている。なお、それらバネの弾性力が異なっており、その結果、開口部が順に開口するように、すなわち一方の開口部が開口した後に、他方の開口部が開口して燃料電池用カートリッジと燃料電池とが連通して、燃料電池用カートリッジから燃料電池に燃料が供給されるように構成されている。

特開２００７−６６６１７号公報 特開２００７−６６６１８号公報

特許文献１や特許文献２に記載された燃料電池用カートリッジは、燃料電池用カートリッジを燃料電池側に押圧することにより、燃料電池用カートリッジと燃料電池とを連通させるように構成されている。したがって、燃料電池用カートリッジと燃料電池とを連通させた後に、燃料電池用カートリッジの内部に何らかの圧力を付与することにより、燃料電池用カートリッジから燃料電池に燃料が流動する。しかしながら、メタノールなどの可燃性の燃料をパウチに充填している場合には、そのパウチの保護や安全性から缶などの剛体によってパウチを囲う必要がある。したがって、燃料をパウチに充填しているときには、燃料電池に燃料を供給する時点で、手で握るなどしてパウチを押圧することができない。そのため、パウチに充填された燃料を燃料電池に供給するための改善の余地があった。

この発明は上記の事情を背景としてなされたものであり、燃料を充填したパウチを押圧せずに燃料電池に燃料を供給することのできる燃料電池用カートリッジを提供することを目的とするものである。

上記の目的を達成するために、請求項１の発明は、燃料電池に供給するための液体燃料が充填された容器に設けられた注出口から前記液体燃料を注出する燃料電池用カートリッジにおいて、前記燃料電池に接続されるノズルを下方に有し、前記ノズルが前記燃料電池に突き当てられるピストンと、前記注出口が嵌合する筒部を有し、前記ピストンに向けて移動された下降位置と前記ピストンから離間された上昇位置との間で移動自在に設けられたキャップと、前記キャップと前記ピストンとの間に前記キャップの移動に応じて容積が変化するように設けられており、前記注出口から前記ノズルに向けて流動される前記液体燃料が貯留されるチャンバーと、前記キャップのうちの前記筒部と前記チャンバーとの間に前記液体燃料が流動されるように設けられた第１通路と、前記第１通路に配置されており、前記キャップが前記下降位置に移動して前記チャンバーの圧力が上昇することで、前記注出口から前記チャンバーに前記液体燃料が流動しないように前記第１通路を閉弁し、また、前記キャップが前記上昇位置に移動して前記チャンバーの圧力が低下することで、前記注出口から前記チャンバーに前記液体燃料が流動するように前記第１通路を開弁する第１開閉弁と、前記ピストンのうちの前記チャンバーと前記ノズルとの間に前記液体燃料が流動されるように設けられた第２通路と、前記第１通路の内部に上端部が出入り自在に挿入されるとともに前記第１通路に対して抜け止めされ、かつ下端部が前記チャンバー側に延びている棒状の第２開閉弁と、前記第２開閉弁の前記下端部に形成され、前記キャップが前記下降位置から前記上昇位置に移動する際に前記第１通路に対して抜け止めされた状態で前記第２開閉弁が前記ピストンに対して引き上げられることにより前記第２通路を閉じる第１当接部と、前記第２開閉弁の前記下端部に形成され、前記キャップが前記上昇位置から前記下降位置に向けて移動する途中で前記第２通路に設けられたストッパに当接する第２当接部と、を備え、前記キャップが前記容器と共に前記ピストンに対して引き上げられることにより、前記チャンバーに貯留された前記液体燃料が前記燃料電池に供給されないように前記第１当接部によって前記第２通路が閉じられ、また前記キャップが前記容器と共に前記ピストン側に押し下げられて前記第２当接部が前記ストッパに当接して前記第２開閉弁が前記第１通路内に相対的に押し上げられることにより、前記チャンバーに貯留された前記液体燃料が前記ノズルを介して前記燃料電池に供給されるように前記第２通路を開くことを特徴とするものである。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記第２開閉弁における前記上端部は、前記第１通路に摩擦接触しており、前記第２開閉弁は、前記キャップが前記下降位置から前記上昇位置に向けて移動を開始してから前記第１当接部が前記第２通路を閉じるまでは前記上端部が前記第１通路の内部に入り込んだ位置に前記摩擦接触による摩擦力で保持され、かつ前記キャップが前記上昇位置から前記下降位置に向けて移動を開始してから前記第２当接部が前記ストッパに当接するまでは前記上端部が前記第１通路に対して抜け止めさせた位置に前記摩擦接触による摩擦力で保持されることを特徴とする燃料電池用カートリッジである。

請求項３の発明は、請求項１または請求項２の発明において、前記チャンバーの内部の圧力が所定の圧力以上のときに、前記チャンバーと前記容器とを連通させる安全弁を更に備えていることを特徴とする燃料電池用カートリッジである。

請求項４の発明は、請求項３の発明において、前記安全弁は、前記チャンバーの圧力が所定の圧力以上のときに、弾性変形して前記チャンバーと前記内側容器とを連通させる弾性部材によって形成されていることを特徴とする燃料電池用カートリッジである。

請求項５の発明は、請求項１から請求項４のいずれか一項の発明において、前記容器は、内部の圧力が外部の圧力より低い場合に、該容器の内容積が減少するように構成され、前記容器を囲い、かつ前記キャップと連結されるとともに、内部の圧力が大気圧となるように通気孔が形成された外側容器を更に備えていることを特徴とする燃料電池用カートリッジである。

請求項６の発明は、請求項５の発明において、前記容器は、剛性の低い材料によって形成されたパウチを含むことを特徴とする燃料電池用カートリッジである。

請求項１の発明によれば、容器に充填された液体燃料を一時的にチャンバーに貯留しており、そのチャンバーの容積を増減させるように移動可能にピストンが設けられている。また、チャンバーの容積が減少中には、第２開閉弁が開弁することによりチャンバーに貯留された液体燃料が燃料電池に供給されるとともに、第１開閉弁が閉弁される。それとは反対に、チャンバーの容積が増大中には、第１開閉弁が開弁することにより容器からチャンバーに液体燃料が供給されるとともに、第２開閉弁が閉弁される。したがって、ピストンを往復動作させることによりポンプとして機能させることができ、容器を直接握るなどして押圧せずに、液体燃料を燃料電池に供給することができる。

請求項２の発明によれば、キャップが下降位置から上昇位置に向けて移動を開始してから第２開閉弁が上位置に到達するまで連係部を第１位置に保持するとともに、キャップが上昇位置から下降位置に向けて移動を開始してから第２開閉弁が下位置に到達するまで連係部を第２位置に保持するように構成されているから、キャップの往動または復動が完了するよりも早く第２開閉弁の開閉を行うことができる。

請求項３の発明によれば、チャンバーの内部の圧力が所定の圧力以上のときに、チャンバーと容器とを連通させる安全弁が設けられているので、チャンバーの容積を減少させるように加圧したときにノズルが目詰まりを起こすなどしてチャンバーの内部の圧力が過剰に増大した場合であっても、チャンバーに貯留された液体燃料を容器に流動させることができ、その結果、液体燃料が外部に漏洩してしまうことを抑制あるいは防止することができる。また、安全弁を設けたので、カートリッジから燃料タンクに過剰な圧力が加わることを抑制もしくは防止することができ、さらに、燃料タンクから繋がっている燃料電池本体に過剰な圧力が加わることを抑制もしくは防止することができる。

請求項４の発明によれば、安全弁が弾性部材によって形成されているので、安全弁の開閉動作を特に制御することなく、チャンバーの内部の圧力に追従して開閉動作させることができる。

請求項５の発明によれば、容器は、内部の圧力が外部の圧力より低い場合に、容器の内容積が減少するように構成され、容器を囲い、かつキャップと連結されるとともに、内部の圧力が大気圧となるように通気孔が形成された外側容器を更に備えている。そのため、容器に過剰な外力が作用するなどによる破損を抑制もしくは防止することができる。また、その外側容器はキャップと連結されているとともに、外側容器の内部の圧力が大気圧となるように通気孔が形成されている。したがって、容器に貯留された液体燃料がチャンバーに吸入されるときに、外側容器の内部の圧力、すなわち容器の外面側の圧力が負圧となって、液体燃料がチャンバーに吸入され難くなるなどの事態を抑制もしくは防止することができる。

請求項６の発明によれば、剛性の低い材料で形成されたパウチに燃料を充填することにより、パウチから燃料が排出されてパウチの内圧が低下した場合に、そのパウチが大気圧によって収縮する。そのため、パウチの容積を減少させることによりパウチの内圧が減少してしまうことを抑制もしくは防止することができる。その結果、チャンバーの内圧が低下して燃料をパウチからチャンバーに供給する際に、第１開閉弁が開弁しにくくなるなどの事態の発生を抑制もしくは防止することができる。

この発明に係る燃料電池用カートリッジの一例を示す断面図である。 その燃料電池用カートリッジを燃料タンクに連結した状態を示す断面図である。 その燃料電池用カートリッジを燃料タンク側に押圧した状態を示す断面図である。 その燃料電池用カートリッジを最大限、燃料タンク側に押圧した状態を示す断面図である。 図３におけるＶ−Ｖ線の断面図であり、パウチが潰れた状態を示す図である。 安全弁が開弁した状態を示す拡大図である。 燃料を充填する容器の他の構成例を説明するための断面図である。 燃料を充填する容器の更に他の構成例を説明するための断面図である。

つぎにこの発明に係る燃料電池用カートリッジの一例について説明する。図１には、その燃料電池用カートリッジ１の断面図を示しており、図１に示す燃料電池用カートリッジ１は、メタノールやエタノールなどの液体燃料（以下、燃料と記す。）を剛性の低い材料によって形成されたパウチ２の内部に貯留している。図１に示すパウチ２は、四角形に形成された２つのラミネートフィルムを重ね合わせ、それらラミネートフィルム同士の三方が液密状に溶着あるいは接着されている。また、溶着あるいは接着されていない一辺、すなわち開口した一辺には、樹脂材料によって円筒状に形成されたスパウト３が設けられており、そのスパウト３の一方の端部と各ラミネートフィルムとが溶着あるいは接着して一体化されている。具体的には、スパウト３の一方の端部には、他方の端部より外径が大きい肩部が形成されており、その肩部の外周面とラミネートフィルムとが溶着あるいは接着して一体化されている。なお、その一辺におけるスパウト３が配置されていない箇所は、ラミネートフィルム同士を溶着あるいは接着して液密状に形成されている。したがって、図１に示すパウチ２は、スパウト３と一体化されており、そのスパウト３が配置されている箇所以外が、ラミネートフィルム同士が液密状に溶着あるいは接着されている。言い換えると、パウチ２の内部に貯留された燃料がスパウト３の開口部のみから流出できるように形成されている。

また、パウチ２と一体化されたスパウト３には、パウチ２から突出した部分における内壁面の一部にフランジ状の突出部３ａが形成されている。具体的には、内壁面より小径に形成された環状の凸部３ｂと、その凸部３ｂにおける内周側から軸線方向におけるパウチ側に一体に形成された筒部３ｃとによって突出部３ａが形成されている。その突出部３ａは、後述する浮遊弁４の弁座として機能するものであり、浮遊弁４が突出部３ａに押圧されたときの剛性を向上させるために、突出部３ａはフランジ状に形成されている。なお、スパウト３における突出部３ａより開口部側の内壁面には、軸線方向に沿って溝３ｄが形成されており、その溝３ｄは、端部にまで形成されている。図１には、その溝３ｄを破線で示している。

そして、上記パウチ２とスパウト３とは、パウチ２に過剰な外力が作用しないように保護するためのボトル５によって囲われている。図１に示すボトル５は、金属材料などの剛体によって有底円筒状に形成されており、その開口部側の外周面には、後述するキャップ６と螺合する雄ねじ部５ａが形成されている。また、開口部と対向した底部には、外気と連通した貫通孔５ｂが形成されており、ボトル５の内部は、常時、大気解放された状態となっている。すなわち、貫通孔５ｂが通気孔として機能する。

一方、ボトル５の開口部側には、樹脂材料によって形成された外装体７が取り付けられており、その外装体７は、ボトル５と螺合して一体化されたキャップ６と、そのキャップ６に対して軸線方向に相対的に移動することができるピストン８と、そのピストン８と一体化されかつ燃料電池に燃料を供給する吐出口が形成されたノズル９とによって構成されている。

ここで、外装体７を構成する各部材６，８，９の形状について具体的に説明する。図１に示すキャップ６は、有底円筒状に形成された円筒部６ａを備え、上記ボトル５に形成された雄ねじ部５ａと螺合する雌ネジ部６ｂが円筒部６ａの内周面に形成されている。なお、円筒部６ａにおける底部には環状に形成されたパッキン１０が一体化されており、そのパッキン１０を介して円筒部６ａの底部とボトル５の開口部とが液密状に接触している。すなわち、キャップ６をボトル５に取り付けることにより、ボトル５の開口部が封止される。また、円筒部６ａの内側には、上記スパウト３の開口部側の端部と嵌合する筒部６ｃが、円筒部６ａの底部に当接して一体に形成されている。すなわち、スパウト３の外周面と筒部６ｃの内周面とが嵌合している。したがって、キャップ６をボトル５に取り付けるとともに、キャップ６とスパウト３とが嵌合させて一体化されるように構成されている。なお、スパウト３の開口部側の外周面と筒部６ｃの内壁面とを溶着や接着することによって一体化してもよい。

さらに、筒部６ｃの内側には、底部を貫通する貫通孔６ｄが、キャップ６の中心軸線上に形成されている。より具体的には、上記筒部６ｃは円筒部６ａにおける底部に当接して一体化されているため、筒部６ｃの端部を底部によって封止した有底円筒状となっており、その中央部に貫通孔６ｄが形成されている。また、筒部６ｃの内側における底部には、半径方向に向けて複数の溝６ｅが形成されており、それらの溝６ｅは、円周方向に沿ってそれぞれ所定の間隔を空けて形成されている。さらに、溝６ｅが形成されていない箇所には、後述する浮遊弁４の移動を制限するあるいは位置決めするボス部６ｆが複数形成されている。より具体的には、底部からスパウト３側に突出した複数のボス部６ｆが、円周方向に沿ってそれぞれ所定の間隔を空けて形成されている。したがって、浮遊弁４が、底部側に押圧されたときに、その浮遊弁４とボス部６ｆとが接触するため、底部と浮遊弁４との間には所定の隙間が空いているので、その隙間あるいは上記溝６ｅを通って燃料が流動することができるように構成されている。

そして、キャップ６の円周方向における溝６ｅが形成されていない箇所には、上記筒部６ｃと反対側に突出した係止部材６ｇが底部と一体に形成されている。この係止部材６ｇは、後述する棒状の弁（以下、棒弁１１と記す。）の移動を制限するためのものであり、係止部材６ｇの先端には、鏃（やじり）状の係止部６ｈが形成されている。すなわち、棒弁１１が移動する限度となる位置まで係止部材６ｇが形成され、その先端に係止部６ｈが形成されている。また、係止部材６ｇは、円周方向に沿って所定の間隔を空けて複数形成されており、したがって、係止部材６ｇ同士の間から燃料が流動することができるように構成されている。さらに、係止部材６ｇにおける内面には、軸線方向に亘ってリブ６ｉが形成されており、そのリブ６ｉによって棒弁１１と係止部材６ｇとの摩擦力を設定するように形成されている。

また、円筒部６ａの底部における背面、すなわちボトル５と対向した面とは反対側の面には、内周側円筒部６ｊが形成されている。この内周側円筒部６ｊは、係止部材６ｇの外面を囲うように、言い換えると、係止部材６ｇの外面と内周側円筒部６ｊの内周面とに所定の隙間が空くように形成されている。さらに、内周側円筒部６ｊの外径より内径が大きく形成された外周側円筒部６ｋが、内周側円筒部６ｊと同心円上に形成されている。そのため、内周側円筒部６ｊと外周側円筒部６ｋとには、環状の隙間が形成され、その隙間に後述するスプリング１２が収容される。

上述したように形成されたキャップ６に対して軸線方向に移動することができるようにピストン８が配置されている。図１に示すピストン８は、有底円筒状に形成された円筒部８ａを備えている。この円筒部８ａの内径は、キャップ６における外周側円筒部６ｋの外径とほぼ同一に形成されており、ピストン８が、キャップ６に対して相対的に軸線方向（上下方向）に摺動することができるように構成されている。また、その円筒部８ａの内周側には、円筒部８ａにおける底部に当接して一体化された内周側円筒部８ｂが形成されており、その内周側円筒部８ｂの外径は、キャップ６における内周側円筒部６ｊの内径とほぼ同一に形成されている。そして、それら円筒部８ａと内周側円筒部８ｂとによって形成された環状の隙間にスプリング１２が収容されている。すなわち、ピストン８における底部とキャップ６における底部との間にスプリング１２が設けられており、そのスプリング１２によってそれらピストン８とキャップ６とが離れる方向に荷重を受けるように構成されている。

また、ピストン８における底部の中央部には、貫通孔８ｃが形成されており、その貫通孔８ｃの外径と同一の内径に形成された円筒状の係止部材８ｄが、貫通孔８ｃの中心軸線を中心として底部の背面側、すなわち内周側円筒部８ｂが形成されている面とは反対側の面に当接して形成されている。この係止部材８ｄは、棒弁１１の弁座として機能するものであり、そのため、係止部材８ｄの先端面は、棒弁１１と接触して開口部を封止するようにテーパ面となっている。

そして、ピストン８における係止部材８ｄの外周面を覆うように円筒状に形成されたノズル９が、ピストン８と一体に形成されている。また、ノズル９の先端側の内周面には、棒弁１１の移動を制限するストッパー９ａが形成されている。具体的には、ノズル９は、先端に形成された吐出口９ｂに向けて径が減少するように形成されており、すなわち先端部がテーパ状に形成されており、そのテーパ状に形成された内周面に、円周方向に沿って所定の間隔を空けて複数の突出部９ａが形成されている。

上述したように形成された外装体７の内部には、この発明における第１開閉弁に相当する浮遊弁４が収容されている。図１に示す浮遊弁４は、スパウト３における突出部３ａと、キャップ６における筒部６ｃの内側の底部との間に収容されている。その浮遊弁４は、円盤状に形成されており、その外径がスパウト３の開口部の内径以下に形成されている。すなわち、スパウト３の開口部の内側で軸線方向に移動することができるように収容されている。また、浮遊弁４は、安全弁としても機能するように構成されている。図１に示す例では、浮遊弁４の円周方向に沿って所定の間隔を空けて貫通孔４ａが形成されている。また、浮遊弁４の中心部には、他の貫通孔が形成されており、その貫通孔に安全弁１３が設けられている。すなわち、安全弁１３の先端部は、貫通孔の外径より大きく形成されていて、いわゆる抜け止めされている。また、安全弁１３は、薄い金属あるいはゴムなどの弾性体によって形成されていて、スパウト３側の端面に開口した貫通孔を囲うようにドーム状に形成されている。言い換えると、安全弁１３は、ドーム状に形成された弁の中央部に、浮遊弁４と連結する抜け止めが形成されている。したがって、キャップ６側からの圧力が過剰となって、安全弁１３の弾性力より大きくなると、安全弁１３が弾性変形して貫通孔４ａを連通させるように構成されている。言い換えれば、キャップ６側の圧力の上限値に基づいて安全弁１３の弾性力が設定されている。

また、上記ピストン８の係止部材８ｄにおけるテーパ面に当接するとともに、キャップ６における係止部６ｈまで延出した棒弁１１が外装体７の内部に収容されている。なお、図１に示す棒弁１１が、この発明における第２開閉弁に相当する。この棒弁１１は、一方の端部１１ａが吐出口９ｂに向けて外径が大きくなるようにテーパ状に形成されており、その一方の端部１１ａと上記係止部材８ｄにおけるテーパ面とが当接することにより、ピストン８の内部から燃料が排出されないように形成されている。また、棒弁１１の上方の端部１１ｂは、係止部６ｈにおけるリブ６ｉと接触し、かつ係止部６ｈによって抜け止めされるように外径が定められている。したがって、ピストン８がキャップ６側に移動し始めたときは、棒弁１１の上方の端部１１ｂとリブ６ｉとの摩擦力によって棒弁１１が移動せず、棒弁１１における下方の端部１１ｃと、ノズル９に形成されたストッパー９ａとが当接し、更にピストン８がキャップ６側に移動すると、ノズル９によって棒弁１１が押圧されて、キャップ６に接近する方向に移動するように構成されている。同様に、ピストン８がキャップ６から離れる方向に移動し始めるときは、棒弁１１の上方の端部１１ｂとリブ６ｉとの摩擦力によって棒弁１１が移動せず、棒弁１１における一方の端部１１ａと、係止部材８ｄのテーパ面とが当接し、更にピストン８がキャップ６側に移動すると、係止部材８ｄによって棒弁１１が押圧されて、キャップ６から離れる方向に移動するように構成されている。なお、上方の端部１１ｂはこの発明の上端部に相当する。一方の端部１１ａはこの発明の下端部に相当する。係止部材８ｄにおけるテーパ面に当接する一方の端部１１ａの部分は、この発明の第１当接部に相当する。ストッパー９ａに当接する下方の端部１１ｃの部分は、この発明の第２当接部に相当する。

つぎに、上述した燃料電池用カートリッジ１の作用について説明する。図２は、燃料電池用カートリッジ１を燃料電池に付設された燃料タンク１４に連結した状態を示している。図２に示すように、燃料タンク１４には、燃料電池用カートリッジ１におけるノズル９と嵌合する供給口が形成されている。具体的には、ノズル９の先端部の内周側と外周側とのそれぞれに接触するように円筒部１４ａ，１４ｂを形成することにより、燃料が外部に漏洩することを抑制もしくは防止するように形成されている。したがって、燃料電池用カートリッジ１を燃料タンク１４に連結すると、ノズル９の内部と燃料タンク１４とが連通される。なお、燃料電池用カートリッジ１を燃料タンク１４に連結したときに、燃料タンク１４における内周側の円筒部１４ａの端部が、ノズル９に形成されたストッパー９ａとほぼ同位置となるように形成されている。なお、内周側の円筒部１４ａの先端部に切り欠きやスリットを形成していてもよい。

また、浮遊弁４には、圧力が特に作用していないため、図２に示すように重力によってキャップ６に形成されたボス部６ｆと浮遊弁４とが接触する。図２に示す状態では、パウチ２の内部に貯留された燃料が、浮遊弁４の側面を流動してキャップ６とピストン８とによって区画された空間（以下、チャンバー１５と記す。）に供給される。一方、棒弁１１とピストン８とが接触しているので、チャンバー１５に供給された燃料は、ノズル９側に流動せずに、一旦貯留される。

ついで、燃料電池用カートリッジ１を押圧し始めると、キャップ６とピストン８とが接近するため、チャンバー１５の容積が減少し、その結果、チャンバー１５内の圧力が上昇する。そのため、チャンバー１５内に貯留された燃料の圧力により浮遊弁４がスパウト３に形成された突出部３ａ側に押圧されて、浮遊弁４と突出部３ａとが面接触してパウチ２からチャンバー１５内に燃料が流入しないように閉弁される。また、上述したように棒弁１１は摩擦力により係止部材６ｇに保持されているので、ノズル９に形成されたストッパー９ａに棒弁１１の下方の端部１１ｃが接触する。そして、棒弁１１によって移動が制限された状態から更に燃料電池用カートリッジ１が押圧されて下降すると、棒弁１１の一方の端部１１ａと係止部材８ｄとが相対的に移動する。その状態を図３に示しており、図３に示すように棒弁１１の一方の端部１１ａが係止部材８ｄから離れることにより、チャンバー１５とノズル９とが連通されるので、チャンバー１５に貯留された燃料が燃料タンク１４に供給される。

燃料電池用カートリッジ１を更に押圧した状態を図４に示している。図４に示す状態は、燃料電池用カートリッジ１を最大限押圧した状態であって、キャップ６に形成された各円筒部６ｊ，６ｋと、ピストン８の底部とが接触して位置決めされている。

そして、図４の状態まで燃料電池用カートリッジ１を押圧した後に、燃料電池用カートリッジ１を押圧する力を緩めて、キャップ６とピストン８とが相対的に離れると、チャンバー１５の容積が増大して、その内部の圧力が低下する。また、棒弁１１の上方の端部１１ｂと係止部材６ｇとが摩擦接触しているので、棒弁１１がキャップ６と一体に移動して早期に弁座を封止する。すなわち、棒弁１１の一方の端部１１ａと係止部材８ｄのテーパ面とが接触して閉弁される。したがって、燃料タンク１４から燃料が逆流することがない。さらに、チャンバー１５の内部の圧力が低下することにより、浮遊弁４がキャップ６側に吸引されるので、パウチ２とチャンバー１５とが連通して燃料がチャンバー１５の内部に吸入される。なお、ボトル５の底部には貫通孔５ｂが形成されているので、パウチ２を覆う空間は大気圧となっており、その結果、図５に示すようにパウチ２が潰れながらチャンバー１５に燃料が流入する。すなわち、パウチ２に充填された燃料が減少しても、パウチ２が潰れて内容積が減少するので、結局、パウチ２の内圧が低減してしまうことを抑制もしくは防止することができる。そのようにパウチ２の内圧が低減してしまうことを抑制もしくは防止することで、チャンバー１５の内圧が低下して燃料をパウチ２からチャンバー１５に供給する際に、浮遊弁４が開弁しにくくなるなどの事態の発生を抑制もしくは防止することができる。図５は、図４におけるＶ−Ｖ線に沿う断面図を示している。

上述したように、燃料電池用カートリッジ１を燃料タンク１４側に押圧して移動させたときには、チャンバー１５の内部の圧力が上昇することによって、パウチ２とチャンバー１５とが浮遊弁４によって遮断され、それとは反対に棒弁１１の一方の端部１１ａが係止部材８ｄから離隔してチャンバー１５と燃料タンク１４とが連通されて、燃料タンク１４に燃料が供給される。それとは反対に、燃料電池用カートリッジ１を押圧する力を低下させて燃料電池用カートリッジ１を燃料タンク１４から離隔させたときには、棒弁１１の一方の端部１１ａと係止部材８ｄとが接触してチャンバー１５が封止されるとともに、チャンバー１５の内部の圧力が低下することにより、パウチ２とチャンバー１５とが連通して、チャンバー１５の内部に燃料が吸入される。したがって、上述した例に示す燃料電池用カートリッジ１は、燃料電池用カートリッジ１を往復動作させることにより、パウチ２から燃料を吸入するポンプとして機能することができる。そのため、ボトル５などの剛体によってパウチ２を保護した構成であっても、燃料タンク１４に燃料を供給することができる。言い換えると、パウチ２に燃料を貯留した燃料電池用カートリッジ１を用いることができ、そのパウチ２を直接握るなどして押圧せずに燃料タンク１４に燃料を供給することができる。

さらに、上述した例では、浮遊弁４に安全弁１３が設けられており、ノズル９の目詰まりなどによりチャンバー１５の内部の圧力が過剰に増大したときに、パウチ２とチャンバー１５とを連通させるように構成されている。その安全弁１３の作用について説明する。図６は、浮遊弁４を拡大して示したものであり、図６における下方側が、チャンバー１５側であり、上方側がパウチ２側である。チャンバー１５の内部の圧力が過剰に上昇すると、まず、浮遊弁４が突出部３ａに押圧されるとともに、浮遊弁４に形成された貫通孔４ａを介して安全弁１３に圧力が作用する。そのため、その圧力が過剰に上昇したときには、安全弁１３が弾性変形して図６に示すように浮遊弁４の端面から離隔する。その結果、チャンバー１５とパウチ２とが連通して、チャンバー１５の内部の燃料がパウチ２側に流動することにより、チャンバー１５の内部の圧力が低下する。したがって、チャンバー１５の内部の圧力が過剰に増大して燃料が外部に漏洩してしまうことを抑制もしくは防止することができる。また、燃料電池用カートリッジ１から燃料タンク１４あるいはその燃料タンク１４に連通した燃料電池本体に過剰な圧力が加わることを抑制もしくは防止することができる。すなわち、チャンバー１５内部の圧力の上限に基づいて安全弁１３の弾性力を定めておけばよい。

なお、この発明に係る燃料電池用カートリッジは、ポンプとして機能することができればよい。したがって、上述した浮遊弁４は、チャンバーの圧力に基づく荷重が作用することにより開閉動作するものであればよく、従来知られた逆止弁を使用してあってもよい。また、キャップ６とピストン８との間から燃料が漏洩しないように、それぞれの内周側円筒部６ｊ，８ｂの間にＯリングなどのシール材を設けていてもよい。さらに、棒弁１１がストッパー９ａに当接したときに、燃料が流動するための面積を増大させるために、棒弁１１の先端にスリットや切り欠きなどが形成されてあってもよい。

また、上述した構成では、剛性の低い材料で形成されたパウチ２に燃料を充填するように構成されているが、図７に示すように側壁面が蛇腹状に形成された容器１６や、図８に示すようにピストン１７が摺動して内容積を変化させることができる容器１８などであってもよい。ここで、図７に示す容器１６の構成について具体的に説明する。なお、図７に示す例は、図２におけるパウチ２を容器に変更したものであって、図２と同一の構成には同一の参照符号を付して説明を省略する。図７に示す容器１６は、側壁面１６ａが蛇腹状に形成された有底円筒状のものであり、充填された燃料が排出されて内圧が低下すると、側壁面１６ａが軸線方向に収縮して内容積が減少するように構成されている。そして、容器１６の開口部１６ｂが、スパウト３の内周面と筒部６ｃの外周面との間に連結されている。

図７に示すように内圧が低下すると軸線方向に収縮するように側壁面１６ａを蛇腹状に形成した容器１６に燃料を充填することによって、容器１６の内部の燃料が減少すると、容器１６の外側の圧力、より具体的には大気圧によって容器１６が軸線方向に収縮する。そのため、容器１６の内容積が減少することで、容器１６の内圧を一定に保つことができる。その結果、チャンバー１５の内圧が低下して燃料を容器１６からチャンバー１５に供給する際に、浮遊弁４が開弁しにくくなるなどの事態の発生を抑制もしくは防止することができる。

つぎに、図８に示す構成例について説明する。なお、図８に示す例は、図２におけるパウチ２を変更したものであって、図２と同一の構成には同一の参照符号を付して説明を省略する。図８に示す容器１８は、金属材料など比較的剛性の高い材料によって形成された円筒部材１９と、その円筒部材１９における一方の端部に嵌合して連結された蓋部２０と、円筒部材１９の他方の端部に嵌合して連結された底部２１と、円筒部材１９の内壁面に沿って軸線方向に摺動するピストン１７とによって構成されている。また、蓋部２０は、容器１８の内部に充填された燃料をチャンバー１５に供給するように中央部が開口しており、その開口部２０ａがスパウト３の内周面と筒部６ｃの外周面との間に連結されている。さらに、底部２１には、外気を取り込む貫通孔２１ａが形成されている。また、円筒部材１９の内部に燃料を液密状に保持するようにしたピストン１７が設けられている。すなわち、円筒部材１９の内部に充填された燃料が外部に漏洩せず、さらに、ピストン１７がスムーズに動けるように構成されている。

ここで、図８に示すピストン１７の構成について具体的に説明する。図８に示すピストン１７は、円筒部材１９の内部に充填された燃料と不活性な流体を保持する空間２２が、周縁部に形成されている。具体的には、円筒部材１９の内径より小さい円板部１７ａと、その円板部１７ａの周縁部から外側に向けて上方に傾斜した上部１７ｂと、円板部１７ａの周縁部から外側に向けて下方に傾斜した下部１７ｃとによって形成され、それら上部１７ｂと下部１７ｃとの周縁部が円筒部材１９の内壁面に接触している。そして、円板部１７ａの外周面と上部１７ｂおよび下部１７ｃならびに円筒部材１９の内壁面に覆われた空間２２に、円筒部材１９の内部に充填された燃料と不活性な流体が充填されている。

図８に示すように容器１８を構成することにより、空間２２に充填された流体がシールとして機能するので、ピストン１７の外周面と円筒部材１９の内周面とから燃料が漏洩してしまうことを抑制もしくは防止することができる。また、その燃料と不活性な流体が潤滑性を有する流体である場合には、ピストン１７が摺動する摩擦抵抗を抑制もしくは防止することができる。さらに、底部２１に貫通孔２１ａが形成されているので、円筒部材１９の内部に充填された燃料が減少して内圧が低下すると、ピストン１７が大気圧によって押圧されて円筒部材１９とピストン１７とに覆われた空間、すなわち燃料を充填する空間を減少させるように移動して、燃料が充填された空間の容積を減少させる。その結果、燃料が充填された空間の容積を減少させることにより、その空間の内圧を一定に保つことができ、チャンバー１５の内圧が低下して燃料を容器１８からチャンバー１５に供給する際に、浮遊弁４が開弁しにくくなるなどの事態の発生を抑制もしくは防止することができる。

なお、図８に示す構成において、ピストン１７の外周面と円筒部材１９の内周面とから燃料が老成してしまうことを抑制もしくは防止するために、ピストン１７の外周面にOリングなどのシール部材を設けてもよい。

１…燃料電池用カートリッジ、 ２…パウチ、 ４…浮遊弁、 ５…ボトル、 ６…キャップ、 ８…ピストン、 ９…ノズル、 １１…棒弁、 １３…安全弁、 １４…燃料タンク、 １５…チャンバー、 １６，１８…容器。

Claims (6)

1. 燃料電池に供給するための液体燃料が充填された容器に設けられた注出口から前記液体燃料を注出する燃料電池用カートリッジにおいて、
   前記燃料電池に接続されるノズルを下方に有し、前記ノズルが前記燃料電池に突き当てられるピストンと、
   前記注出口が嵌合する筒部を有し、前記ピストンに向けて移動された下降位置と前記ピストンから離間された上昇位置との間で移動自在に設けられたキャップと、
   前記キャップと前記ピストンとの間に前記キャップの移動に応じて容積が変化するように設けられており、前記注出口から前記ノズルに向けて流動される前記液体燃料が貯留されるチャンバーと、
   前記キャップのうちの前記筒部と前記チャンバーとの間に前記液体燃料が流動されるように設けられた第１通路と、
   前記第１通路に配置されており、前記キャップが前記下降位置に移動して前記チャンバーの圧力が上昇することで、前記注出口から前記チャンバーに前記液体燃料が流動しないように前記第１通路を閉弁し、また、前記キャップが前記上昇位置に移動して前記チャンバーの圧力が低下することで、前記注出口から前記チャンバーに前記液体燃料が流動するように前記第１通路を開弁する第１開閉弁と、
   前記ピストンのうちの前記チャンバーと前記ノズルとの間に前記液体燃料が流動されるように設けられた第２通路と、
   前記第１通路の内部に上端部が出入り自在に挿入されるとともに前記第１通路に対して抜け止めされ、かつ下端部が前記チャンバー側に延びている棒状の第２開閉弁と、
   前記第２開閉弁の前記下端部に形成され、前記キャップが前記下降位置から前記上昇位置に移動する際に前記第１通路に対して抜け止めされた状態で前記第２開閉弁が前記ピストンに対して引き上げられることにより前記第２通路を閉じる第１当接部と、
   前記第２開閉弁の前記下端部に形成され、前記キャップが前記上昇位置から前記下降位置に向けて移動する途中で前記第２通路に設けられたストッパに当接する第２当接部と、を備え、
   前記キャップが前記容器と共に前記ピストンに対して引き上げられることにより、前記チャンバーに貯留された前記液体燃料が前記燃料電池に供給されないように前記第１当接部によって前記第２通路が閉じられ、また前記キャップが前記容器と共に前記ピストン側に押し下げられて前記第２当接部が前記ストッパに当接して前記第２開閉弁が前記第１通路内に相対的に押し上げられることにより、前記チャンバーに貯留された前記液体燃料が前記ノズルを介して前記燃料電池に供給されるように前記第２通路を開くことを特徴とする燃料電池用カートリッジ。
2. 請求項１に記載の燃料電池用カートリッジにおいて、
   前記第２開閉弁における前記上端部は、前記第１通路に摩擦接触しており、
   前記第２開閉弁は、前記キャップが前記下降位置から前記上昇位置に向けて移動を開始してから前記第１当接部が前記第２通路を閉じるまでは前記上端部が前記第１通路の内部に入り込んだ位置に前記摩擦接触による摩擦力で保持され、かつ前記キャップが前記上昇位置から前記下降位置に向けて移動を開始してから前記第２当接部が前記ストッパに当接するまでは前記上端部が前記第１通路に対して抜け止めさせた位置に前記摩擦接触による摩擦力で保持されることを特徴とする燃料電池用カートリッジ。
3. 請求項１または請求項２に記載の燃料電池用カートリッジにおいて、
   前記チャンバーの内部の圧力が所定の圧力以上のときに、前記チャンバーと前記容器とを連通させる安全弁を更に備えていることを特徴とする燃料電池用カートリッジ。
4. 請求項３に記載の燃料電池用カートリッジにおいて、
   前記安全弁は、前記チャンバーの圧力が所定の圧力以上のときに、弾性変形して前記チャンバーと前記内側容器とを連通させる弾性部材によって形成されていることを特徴とする燃料電池用カートリッジ。
5. 請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の燃料電池用カートリッジにおいて、
   前記容器は、内部の圧力が外部の圧力より低い場合に、該容器の内容積が減少するように構成され、
   前記容器を囲い、かつ前記キャップと連結されるとともに、内部の圧力が大気圧となるように通気孔が形成された外側容器を更に備えていることを特徴とする燃料電池用カートリッジ。
6. 請求項５に記載の燃料電池用カートリッジにおいて、
   前記容器は、剛性の低い材料によって形成されたパウチを含むことを特徴とする燃料電池用カートリッジ。

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