(57)【要約】【課題】燃料循環構造を持つ燃料電池システム及びその駆動方法と、燃料電池システムを備える電子機器を提供する。【解決手段】燃料カートリッジと燃料供給モジュールとを備える燃料電池システムにおいて、燃料カートリッジは２つ以上のポートを備え、その２つ以上のポートのうち、第１ポートは燃料流入ポートであり、第２ポートは燃料排出ポートである。燃料カートリッジは、燃料ポーチを備えるか、または燃料ポーチそれ自体である。燃料供給モジュールは、スタックに燃料が供給される前に燃料を循環させる燃料循環構造を備える。電源として燃料電池システムが電子機器に備えられる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムに備えられる燃料カートリッジにおいて、
少なくとも２つのポートを備え、
前記少なくとも２つのポートのうち、第１ポートは燃料流入ポートであり、第２ポートは燃料排出ポートであることを特徴とする、燃料カートリッジ。
【請求項２】
外部から燃料を注入するための第３ポートをさらに備えることを特徴とする、請求項１に記載の燃料カートリッジ。
【請求項３】
燃料ポーチを備えることを特徴とする、請求項１に記載の燃料カートリッジ。
【請求項４】
燃料ポーチ収容空間と、
前記燃料ポーチの燃料の一部を保存するための保存空間と、
を備えることを特徴とする、請求項３に記載の燃料カートリッジ。
【請求項５】
前記第１及び第２ポートは、
前記保存空間に連結されたことを特徴とする、請求項４に記載の燃料カートリッジ。
【請求項６】
前記燃料ポーチは、
一回のみの使用、または燃料を再充填しての使用が可能なリフィル用であることを特徴とする、請求項３に記載の燃料カートリッジ。
【請求項７】
前記収容空間に収容される燃料ポーチは、
一回のみの使用、または燃料を再充填しての使用が可能なリフィル用であることを特徴とする、請求項４に記載の燃料カートリッジ。
【請求項８】
前記収容空間と前記保存空間との間に隔壁が存在し、
前記隔壁に、前記収容空間に収容される燃料ポーチの締結のための締結部が存在することを特徴とする、請求項４に記載の燃料カートリッジ。
【請求項９】
前記第１及び第２ポートは、
同一方向に備えられることを特徴とする、請求項１に記載の燃料カートリッジ。
【請求項１０】
前記第１ポートは、
前記燃料電池システムの内部から流入される燃料の流入口であり、かつ、前記燃料電池システムの外部から注入される燃料の流入口であることを特徴とする、請求項１に記載の燃料カートリッジ。
【請求項１１】
外部から燃料を注入するための第３ポートをさらに備え、
前記第３ポートは、
前記燃料ポーチと連結されていることを特徴とする、請求項３に記載の燃料カートリッジ。
【請求項１２】
燃料ポーチそれ自体であることを特徴とする、請求項１または２に記載の燃料カートリッジ。
【請求項１３】
前記第１及び第２ポートは、
前記燃料電池システムと螺合方式、雌雄結合方式、圧着結合方式または別途の締結手段を利用した締結方式で締結される締結構造を持つことを特徴とする、請求項１に記載の燃料カートリッジ。
【請求項１４】
燃料カートリッジに保存された燃料を、前記燃料カートリッジが含まれた外部循環経路に沿って循環させる燃料循環システムと、
前記燃料循環システムから前記燃料循環システムの外に燃料を伝達する燃料伝達ユニットと、
を備えることを特徴とする、燃料電池システムの燃料供給モジュール。
【請求項１５】
前記燃料循環システムは、
前記燃料カートリッジに保存された燃料が前記外部循環経路上で循環されるように、ポンピング動力を提供する循環ポンプと、
前記循環ポンプから供給される燃料を保存し、内部圧力を設定された圧力に維持しながら、前記燃料伝達ユニットに燃料を供給する圧力調節チャンバーと、
前記圧力調節チャンバーの内部圧力が前記設定された圧力になった場合に、前記圧力調節チャンバーから前記燃料カートリッジへの燃料の伝達を許容する圧力調節器と、
を備えることを特徴とする、請求項１４に記載の燃料供給モジュール。
【請求項１６】
前記燃料伝達ユニットは、
弁であることを特徴とする、請求項１４に記載の燃料供給モジュール。
【請求項１７】
前記循環ポンプは、
前記圧力調節器によって異なる燃料供給方式を持つことを特徴とする、請求項１５に記載の燃料供給モジュール。
【請求項１８】
前記圧力調節チャンバーの内部圧力は、
前記燃料伝達ユニットの外部圧力より大きいことを特徴とする、請求項１５に記載の燃料供給モジュール。
【請求項１９】
前記圧力調節チャンバーの内部圧力が前記設定圧力に維持される状態で、前記圧力調節チャンバーの内部圧力変化を減衰する、バッファリングユニットがさらに備えられたことを特徴とする、請求項１５に記載の燃料供給モジュール。
【請求項２０】
前記燃料循環システムと前記燃料伝達ユニットとが固定されるマニホールドを備え、
前記マニホールドは前記圧力調節チャンバーを備え、
前記燃料循環システムの構成要素間の流路と、
前記燃料循環システムと前記燃料伝達ユニットとの間の流路と、
を備える構造を持つことを特徴とする、請求項１５に記載の燃料供給モジュール。
【請求項２１】
前記圧力調節器は、
燃料の流れに対して一定の抵抗を発生させるノズルを備えることを特徴とする、請求項１５に記載の燃料供給モジュール。
【請求項２２】
前記圧力調節器は、
一定圧力以上で開かれる弁を備えることを特徴とする、請求項１５に記載の燃料供給モジュール。
【請求項２３】
前記マニホールドの一面に、前記圧力調節チャンバーの内部圧力変化による変形を収容するための空間を限定するカバーが備えられ、
前記カバーと前記マニホールドの一面との間に、前記内部圧力変化を減衰させるためのバッファリング膜が備えられたことを特徴とする、請求項２０に記載の燃料供給モジュール。
【請求項２４】
前記循環ポンプは、
前記圧力調節チャンバーに一定量の燃料を供給するように動作が設定されたポンプであることを特徴とする、請求項２１に記載の燃料供給モジュール。
【請求項２５】
前記循環ポンプは、
前記圧力調節チャンバーに供給する燃料量が所定の範囲で変わりうるように、動作が設定されたポンプであることを特徴とする、請求項２２に記載の燃料供給モジュール。
【請求項２６】
前記燃料供給モジュールの内部圧力を測定するための圧力センサーがさらに備えられたことを特徴とする、請求項２０に記載の燃料供給モジュール。
【請求項２７】
燃料カートリッジ、燃料供給モジュール、混合器、フィードポンプ及びスタックを備える燃料電池システムにおいて、
前記燃料供給モジュールは、請求項１４〜２６のいずれか１項に記載のものであることを特徴とする、燃料電池システム。
【請求項２８】
前記燃料カートリッジは、請求項１〜１１または１３のいずれか１項に記載のものであることを特徴とする、請求項２７に記載の燃料電池システム。
【請求項２９】
前記燃料カートリッジは、請求項１２に記載のものであることを特徴とする、請求項２７に記載の燃料電池システム。
【請求項３０】
燃料電池システムを備える電子機器において、
前記燃料電池システムは、請求項２７に記載のものであることを特徴とする、電子機器。
【請求項３１】
燃料電池システムを備える電子機器において、
前記燃料電池システムは、請求項３０に記載のものであることを特徴とする、電子機器。
【請求項３２】
燃料電池システムを備える電子機器において、
前記燃料電池システムは、請求項２９に記載のものであることを特徴とする、電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料循環構造を持つ燃料電池システム及びその駆動方法と燃料電池システムを備える電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＤＭＦＣ（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｍｅｔｈａｎｏｌ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）などの小型燃料電池システム（以下、燃料電池システム）は、家庭用や携帯用電子製品のエネルギー供給源として使われうる。
【０００３】
図１は、燃料電池システムの一般的構成を示す。
【０００４】
図１を参照すれば、燃料電池システムは、発電が起きるスタック１０、スタック１０に適正濃度の燃料を供給するフィードポンプ１２、フィードポンプ１２に供給される燃料の濃度を感知する燃料濃度センサー１４、燃料カートリッジ２６から供給される高濃度燃料を希釈する混合器１６、混合器１６に供給される燃料の量を感知する燃料流量センサー１８、燃料カートリッジ２６に保存された燃料を混合器１６に供給する燃料ポンプ２０、燃料ポンプ２０の動作を制御する制御回路２２、燃料が保存された燃料カートリッジ２６を備える。
【０００５】
これらの燃料電池システムにおいて、時間あたりでスタック１０に供給される燃料は少量である。したがって、混合器１６に供給される燃料は非常に精密に調整される。このために高い精密度を持つポンプが燃料ポンプ２０として使われるが、これらの高精密ポンプは高価である。
【０００６】
また、図１の燃料電池システムの場合、燃料電池システムの移動及び／または燃料カートリッジ２６内の燃料残量によって、燃料カートリッジ２６内の圧力が変わりうる。これにより、燃料カートリッジ２６から燃料ポンプ２０に供給される燃料量が変わりうる。この結果、スタック１０に供給される燃料の濃度を一定に制御し難い恐れがある。
【０００７】
したがって、図１の燃料電池システムの場合、燃料流量センサー１８と燃料濃度センサー１４とを備えざるを得ず、燃料供給フィードバック過程を経ることが不可避である。これにより、燃料流量センサー１４と燃料濃度センサー１８との駆動と制御のためのプログラムと、燃料供給フィードバック過程を制御するためのプログラムとが必要になる。高精密燃料ポンプ２０と燃料流量センサー１８と燃料濃度センサー１４とを備えることによって、燃料電池システムの値段は高くなりうる。
【０００８】
また、動作開始と関連して、燃料が燃料カートリッジ２６から燃料ポンプ２０まで移動する時間の間に、セルフプライミングが遅延する。燃料カートリッジ２６と燃料ポンプ２０との間の経路にガスが存在する時、セルフプライミングされるまでにかかる時間は、さらに長くなる。特に、燃料ポンプ２０内にガスが存在する場合、燃料ポンピングが困難でセルフプライミングが起きない可能性もある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００７−２２０４２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、燃料循環構造を持つ、新規かつ改良された燃料電池システムを提供することにある。
【００１１】
また、本発明の他の目的とするところは、これらの燃料電池システムの駆動方法を提供することにある。
【００１２】
また、本発明の他の目的とするところは、上記燃料電池システムを備える電子機器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、燃料電池システムに備えられる燃料カートリッジにおいて、少なくとも２つのポートを備え、上記少なくとも２つのポートのうち、第１ポートは燃料流入ポートであり、第２ポートは燃料排出ポートであることを特徴とする、燃料カートリッジが提供される。
【００１４】
上記燃料カートリッジは、外部から燃料を注入するための第３ポートをさらに備えてもよい。
【００１５】
上記燃料カートリッジは、燃料ポーチを備えてもよい。
【００１６】
上記燃料カートリッジは、燃料ポーチ収容空間と、上記燃料ポーチの燃料の一部を保存するための保存空間と、を備えてもよい。
【００１７】
上記燃料カートリッジにおいて、上記第１及び第２ポートは、上記保存空間に連結されていてもよい。
【００１８】
上記燃料カートリッジにおいて、上記燃料ポーチは、一回のみの使用、または燃料を再充填しての使用が可能なリフィル用であってもよい。
【００１９】
上記燃料カートリッジにおいて、上記収容空間に収容される燃料ポーチは、一回のみの使用、または燃料を再充填しての使用が可能なリフィル用であってもよい。
【００２０】
上記燃料カートリッジにおいて、上記収容空間と上記保存空間との間に隔壁が存在し、上記隔壁に、上記収容空間に収容される燃料ポーチの締結のための締結部が存在してもよい。
【００２１】
上記燃料カートリッジにおいて、上記第１及び第２ポートは、同一方向に備えられてもよい。
【００２２】
上記燃料カートリッジにおいて、上記第１ポートは、上記燃料電池システムの内部から流入される燃料の流入口であり、かつ、上記燃料電池システムの外部から注入される燃料の流入口であってもよい。
【００２３】
上記燃料カートリッジは、外部から燃料を注入するための第３ポートをさらに備え、上記第３ポートは、上記燃料ポーチと連結されていてもよい。
【００２４】
上記燃料カートリッジは、燃料ポーチそれ自体であってもよい。
【００２５】
上記燃料カートリッジにおいて、上記第１及び第２ポートは、上記燃料電池システムと、螺合方式、雌雄結合方式、圧着結合方式などの締結方式で締結される締結構造を持ってもよい。
【００２６】
また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、燃料カートリッジに保存された燃料を、上記燃料カートリッジが含まれた外部循環経路に沿って循環させる燃料循環システムと、上記燃料循環システムから上記燃料循環システムの外に燃料を伝達する燃料伝達ユニットと、を備えることを特徴とする、燃料電池システムの燃料供給モジュールが提供される。
【００２７】
上記燃料循環システムは、上記燃料カートリッジに保存された燃料が上記外部循環経路上で循環されるように、ポンピング動力を提供する循環ポンプと、上記循環ポンプから供給される燃料を保存し、内部圧力を設定された圧力に維持しながら、上記燃料伝達ユニットに燃料を供給する圧力調節チャンバーと、上記圧力調節チャンバーの内部圧力が上記設定された圧力になった場合に、上記圧力調節チャンバーから上記燃料カートリッジへの燃料の伝達を許容する圧力調節器と、を備えてもよい。
【００２８】
上記燃料伝達ユニットは、弁であってもよい。
【００２９】
上記循環ポンプは、上記圧力調節器によって異なる燃料供給方式を持ってもよい。
【００３０】
上記圧力調節チャンバーの内部圧力は、上記燃料伝達ユニットの外部圧力より大きくてもよい。
【００３１】
上記燃料供給モジュールは、上記圧力調節チャンバーの内部圧力が上記設定圧力に維持される状態で、上記圧力調節チャンバーの内部圧力変化を減衰する、バッファリングユニットをさらに備えてもよい。
【００３２】
上記燃料供給モジュールは、上記燃料循環システムと上記燃料伝達ユニットとが固定されるマニホールドを備え、上記マニホールドは上記圧力調節チャンバーを備え、上記燃料循環システムの構成要素間の流路と、上記燃料循環システムと上記燃料伝達ユニットとの間の流路と、を備える構造を持ってもよい。
【００３３】
上記圧力調節器は、燃料の流れに対して一定の抵抗を発生させるノズルを備えてもよい。
【００３４】
上記圧力調節器は、一定圧力以上で開かれる弁を備えてもよい。
【００３５】
上記燃料供給モジュールは、上記マニホールドの一面に、上記圧力調節チャンバーの内部圧力変化による変形を収容するための空間を限定するカバーが備えられ、上記カバーと上記マニホールドの一面との間に、上記内部圧力変化を減衰させるためのバッファリング膜を備えてもよい。
【００３６】
上記循環ポンプは、上記圧力調節チャンバーに一定量の燃料を供給するように動作が設定されたポンプであってもよい。
【００３７】
上記循環ポンプは、上記圧力調節チャンバーに供給する燃料量が所定の範囲で変わりうるように、動作が設定されたポンプであってもよい。
【００３８】
上記燃料供給モジュールは、上記燃料供給モジュールの内部圧力を測定するための圧力センサーをさらに備えてもよい。
【００３９】
また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、上記燃料カートリッジ、上記燃料供給モジュール、混合器、フィードポンプ及びスタックを備える燃料電池システムが提供される。
【００４０】
また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、上記燃料電池システムを備える電子機器が提供される。
【発明の効果】
【００４１】
本発明の実施形態によれば、既存の燃料ポンプに比べて相対的に容量の大きい循環ポンプを利用するので、弁まで迅速に燃料を供給できる。したがって、セルフプライミング時間を短縮でき、セルフプライミングされない可能性も回避できる。
【００４２】
また、燃料供給ラインの圧力変動に対して、流量変化を許容範囲以内に低減させることができる。すなわち、高圧の燃料を、弁を通じて高速で吐出するため、燃料供給ラインの圧力変動に起因した燃料供給量の変化を許容範囲以内に低減させることができる。
【００４３】
また、カートリッジの抵抗及び燃料残量による流量変化を低減させることができる。すなわち、高容量の循環ポンプを使用して圧力調節チャンバー内部の圧力を一定に維持できるため、カートリッジの方向変化やカートリッジ内の燃料量変化などに起因してカートリッジに圧力差が発生しても、弁から混合器に供給される燃料量は変化がない。燃料量の変化があるとしても、その程度は燃料電池システムの動作に影響を与えない微小なものであって、無視できる。
【００４４】
また、燃料流量センサーと燃料濃度制御のためのセンサーと制御プログラムとが不要である。すなわち、燃料電池システムの流路内部の圧力変動に対して、許容範囲内で一定の燃料供給速度を維持できるため、燃料流量センサーと濃度制御センサーなどの別途の燃料供給速度制御機構及び制御プログラムが不要である。
【００４５】
また、弁作動設定値を通じて制御なしに所望の流量を供給できる。すなわち、スタックの出力による弁のオンオフ周期を設定することによって、別途の弁制御なしに所望の量の燃料を供給できる。
【００４６】
また、燃料電池システムのコストを下げることができる。すなわち、少量の燃料供給のための高コストの精密ポンプが不要であり、燃料流量センサーと濃度制御のためのセンサーも不要である。上記精密ポンプとセンサーの代りに、低コストのポンプと弁を使用して燃料供給ができるので、燃料電池システムのコストを下げることができる。
【００４７】
また、燃料電池システムの拡張が容易である。すなわち、１つの燃料電池システムの内部に複数のスタックが備えられた場合、上記複数のスタックの数だけ弁を備えてそれぞれのスタックに所望の燃料量を供給できる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】燃料電池システムの一般的構成を示す構成図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。
【図３】図２のシステムで、圧力調節チャンバーの内部圧力が外部圧より高く維持される時、燃料が一定に供給されることを説明する構成図である。
【図４】図２のシステムで、燃料供給モジュール（システム）を具体化した例を示した斜視図である。
【図５】図４を上から見た分解斜視図である。
【図６】図４を下から見た分解斜視図である。
【図７】図２のシステムで、燃料カートリッジの変形例を示した平面図である。
【図８】図２のシステムで、燃料カートリッジの変形例を示した平面図である。
【図９】図２のシステムで、燃料カートリッジの変形例を示した平面図である。
【図１０】実験例１の結果を示すグラフである。
【図１１】実験例１の結果を示すグラフである。
【図１２】実験例１の結果を示すグラフである。
【図１３】実験例２の結果を示すグラフである。
【図１４】本発明の一実施形態による電子機器の構成を概略的に示した平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４９】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００５０】
まず、燃料循環構造を持つ燃料電池システムについて説明する。
【００５１】
図２を参照すれば、本発明の一実施形態による燃料電池システム１００（以下、システム）は、少なくとも１つのＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）を備えて発電を起こすスタック４０と、スタック４０に供給される燃料を保存する燃料カートリッジ５２とを備える。
【００５２】
スタック４０は、複数のスタックを備えることができる。この時、スタック４０への燃料の供給にかかる部材の一部または全部は、スタックの数だけ備えられうる。例えば、後述する燃料伝達ユニットは、スタックの数だけ備えられうる。燃料カートリッジ５２は、高濃度の燃料、例えば、濃度１００％のメタノールを保存することができる。もちろん、燃料の濃度は１００％より低くてもよい。
【００５３】
燃料カートリッジ５２は、少なくとも２つのポート５２ａ、５２ｂを備えることができる。第１ポート５２ａは、循環される燃料が入力される流入口あるいはノズルでありうる。第２ポート５２ｂは、燃料カートリッジ５２から燃料が排出される排出口またはノズルでありうる。第１ポート５２ａは、外部から燃料カートリッジ５２に燃料を注入するために使用する燃料注入口として使われてもよい。外部から燃料カートリッジ５２に燃料を注入するために、燃料カートリッジ５２は、第１及び第２ポート５２ａ、５２ｂ以外に、別途の燃料注入口を供えることができる。
【００５４】
第１ポート５２ａは、圧力調節器５０と螺合方式、雌雄結合方式、圧着結合方式で、または別途の締結手段を利用して締結できる。第１ポート５２ａは、このような締結に適した締結構造を持つことができる。第２ポート５２ｂと循環ポンプ５４も上記の締結方式で締結でき、第２ポート５２ｂはそれに適した締結構造を持つことができる。
【００５５】
第１及び第２ポート５２ａ、５２ｂが備えられた位置は、図面と異なることもある。例えば、燃料カートリッジ５２は、図面を基準に左右側に第１及び第２ポート５２ａ、５２ｂを備えてもよく、第１及び第２ポート５２ａ、５２ｂをいずれも１面に備えてもよい。そして上記別途の燃料注入口は、他の面に備えることができる。
【００５６】
また、第１及び第２ポート５２ａ、５２ｂは、図２に示したように突出した形態ではなく、燃料カートリッジ５２に凹状に備えられてもよい。上記別途の燃料注入口も燃料カートリッジ５２に凹状に備えられてもよい。燃料カートリッジ５２は、その内部に燃料ポーチを備える構造でありうる。また、燃料カートリッジ５２自体が燃料ポーチでありうる。これについては後述する。燃料カートリッジ５２の外形は、円筒形、方形、平板形など多様な形態でありうる。
【００５７】
システム１００はまた、スタック４０と燃料カートリッジ５２との間に、混合器４４と、圧力調節チャンバー４８とを備える。
【００５８】
混合器４４は、燃料カートリッジ５２から供給される高濃度燃料を、スタック４０に供給するのに適した低濃度に希釈する。このために、混合器４４に供給された高濃度の燃料は、スタック４０の動作中に発生する副産物と共に混合器４４で希釈される。上記副産物は、スタック４０の動作中に発生する水と未反応メタノールとが混合された低濃度メタノールである。上記水と未反応メタノールとは、再生器（図示せず）を経て混合器４４に流入される。
【００５９】
圧力調節チャンバー４８の内部圧力は、一定の圧力に維持される。圧力調節チャンバー４８は、燃料カートリッジ５２から循環ポンプ５４を通じて供給される燃料を所定の圧力に維持する。圧力調節チャンバー４８は、循環ポンプ５４から供給される燃料を保存するために、その内部に燃料保存空間を備えることができる。循環ポンプ５４は、燃料カートリッジ５２の出力端である第２ポート５２ｂと、圧力調節チャンバー４８の燃料流入端４８ａとの間に備えられて、それぞれと連結されている。循環ポンプ５４は、燃料カートリッジ５２の燃料を吸入して圧力調節チャンバー４８に燃料を供給する。このようにして、燃料カートリッジ５２に保存された燃料の循環が行われる。
【００６０】
圧力調節チャンバー４８の内部圧力は、弁４６の出力端４６ｂに加えられる圧力（以下、外部圧）よりはるかに大きい。例えば、上記外部圧をＰ２とする時、Ｐ２は、−５ｋＰａ＜Ｐ２＜５ｋＰａであり、圧力調節チャンバー４８の内部圧力は１５０ｋＰａ以上であり、３００ｋＰａより小さい。圧力調節チャンバー４８の内部圧力は、±５％以内で一定に維持されうる。
【００６１】
このように、圧力調節チャンバー４８の内部の圧力が相対的に高いため、燃料カートリッジ５２の抵抗や燃料残量の変化により燃料カートリッジ５２の圧力が変わっても、圧力調節チャンバー４８の内部圧力は一定に維持されうる。
【００６２】
圧力調節チャンバー４８は、外的要素から圧力調節チャンバー４８の内部圧力を許容範囲以内に一定に維持するための手段を備えることができる。例えば、圧力調節チャンバー４８の外部に、圧力調節チャンバー４８の内部圧力の変化を緩和できるバッファリング膜５３を備えることができる。
【００６３】
例えば、循環ポンプ５４の動作中に脈動が発生し、このような脈動が圧力調節チャンバー４８に伝達されることで、圧力調節チャンバー４８の内部圧力は変化しうる。この時、バッファリング膜５３の一部は上記脈動の運動によって変位する。すなわち、上記脈動の強度によってバッファリング膜５３の中心部分は凸状にもなったり、凹状にもなったりする。上記脈動が消えれば、バッファリング膜５３は元の形態を維持する。これによって、圧力調節チャンバー４８の内部圧力は一定に維持されうる。
【００６４】
圧力調節チャンバー４８は、燃料流入端４８ａと燃料流出端４８ｂとを備える。燃料流出端４８ｂは、圧力調節チャンバー４８内部の燃料保存空間に連結されている。燃料流入端４８ａを通じて、循環ポンプ５４から燃料が圧力調節チャンバー４８に流入し、燃料流出端４８ｂを通じて弁４６の流入端４６ａに燃料が供給される。弁４６の流入端４６ａと圧力調節チャンバー４８の燃料流出端４８ｂとは、螺合方式や雌雄結合方式や圧着結合方式や、別途の締結部材を利用した結合方式で締結できる。
【００６５】
弁４６から混合器４４に供給される高濃度燃料の供給量は、弁４６の調節を通じて調節できる。弁４６の調節方式は、スタック４０の出力によって設定できる。例えば、スタック４０の出力により弁４６のオン／オフ時間をいくつか設定することによって、別途のセンサーなしでも、スタック４０の出力に合わせて、スタック４０で必要とする燃料を一定に供給できる。弁４６は、混合器４４と圧力調節チャンバー４８との間に備えられたものであって、例えばソレノイド弁でありうる。
【００６６】
システム１００は、混合器４４とスタック４０との間にフィードポンプ４２を備える。フィードポンプ４２は、スタック４０の動作によって混合器４４から供給される、希釈された燃料をスタック４０に供給する。
【００６７】
システム１００はまた、圧力調節チャンバー４８と燃料カートリッジ５２との間に圧力調節器５０を備える。圧力調節器５０の一側は圧力調節チャンバー４８に連結され、他側は、燃料カートリッジ５２の入力端である第１ポート５２ａに連結されている。圧力調節器５０の上記一側は、圧力調節チャンバー４８の内部に備えられた上記燃料保存空間の排出口に連結されうる。循環ポンプ５４から圧力調節チャンバー４８に移動した燃料は、圧力調節器５０を経て燃料カートリッジ５２に移動する。
【００６８】
燃料の移動経路を見ると、循環ポンプ５４、圧力調節チャンバー４８、圧力調節器５０及び燃料カートリッジ５２により燃料循環経路が形成されている。そして循環ポンプ５４、圧力調節チャンバー４８及び圧力調節器５０は、燃料カートリッジ５２に保存された燃料を上記循環経路に沿って循環させる燃料循環システム、あるいは燃料循環モジュールを構成することができる。上記燃料循環システムの観点から見れば、弁４６は、上記燃料循環システムから供給される燃料を上記燃料循環システムの外に伝達する、すなわち、スタック４０側に伝達する燃料伝達ユニットとみなしてもよい。
【００６９】
圧力調節器５０により、圧力調節チャンバー４８の内部圧力を上記外部圧より高く維持することができる。圧力調節器５０は、圧力調節チャンバー４８の内部圧力を所定の圧力に高める手段でありうる。圧力調節器５０は、所定の圧力以上で燃料のフローを許容する第１の手段、または、燃料のフローを許容するが一定抵抗を生成して圧力調節チャンバー４８の内部圧力を高める第２の手段をとりうる。
【００７０】
圧力調節器５０が上記第１の手段をとる場合、システム１００の動作が始まった後、循環ポンプ５４の動作は続く。循環ポンプ５４は、既存の燃料ポンプより大きい容量を持つものであるため、圧力調節器５０をオープンさせうる圧力以上の圧力で、圧力調節チャンバー４８に燃料を供給できる。したがって、圧力調節チャンバー４８の内部圧力は、圧力調節器５０をオープンさせうる圧力まで高くなりうる。
【００７１】
循環ポンプ５４の続く動作で、圧力調節チャンバー４８の内部圧力が圧力調節器５０をオープンさせうる圧力になった時、圧力調節器５０はオープンされ、燃料は圧力調節チャンバー４８から燃料カートリッジ５２に移動できるようになる。したがって、システム１００の製造ステップで、圧力調節チャンバー４８の内部圧力を所定の値に設定したならば、圧力調節器５０が圧力調節チャンバー４８の設定された圧力で開かれるように、圧力調節器５０を設定できる。このようにして、圧力調節チャンバー４８の内部圧力を、設定された圧力に維持することができる。
【００７２】
圧力調節器５０が上記第２の手段をとる場合、循環ポンプ５４から圧力調節チャンバー４８に一定に供給される燃料は、圧力調節器５０を経て燃料カートリッジ５２に移動することができる。しかし、圧力調節器５０は、圧力調節器５０を通じて流れる燃料に対して一定の抵抗を与えるため、圧力調節器５０を通じて燃料カートリッジ５２に移動する燃料量より、循環ポンプ５４から圧力調節チャンバー４８に供給される燃料量が多くなる。これにより、圧力調節チャンバー４８の内部圧力は、設定された圧力以上に高くなりうる。
【００７３】
圧力調節チャンバー４８の内部圧力が設定された圧力になったときに、圧力調節器５０を通じて流出され燃料量と圧力調節チャンバー４８に流入される燃料量とが等しくなるように、圧力調節器５０が持つ一定の抵抗値を設定することによって、圧力調節チャンバー４８の内部圧力を設定された圧力に維持することができる。
【００７４】
上記第１の手段は、所定の圧力以上のみで開かれる弁、例えば、チェック弁でありうる。上記第２の手段は、燃料のフローに対して一定抵抗を持つように設けられたノズルでありうる。
【００７５】
圧力調節器５０が上記第１の手段をとる時、循環ポンプ５４は、所定の範囲で圧力調節チャンバー４８に燃料を供給するように設定できる。圧力調節器５０が上記第２の手段をとる時は、圧力調節チャンバー４８に対する燃料供給量が一定になるように循環ポンプ５４の燃料供給量を設定できる。圧力調節器５０が上記第２の手段である時、循環ポンプ５４の設定された燃料供給量は、圧力調節チャンバー４８の内部圧力が設定圧力になった時、圧力調節器５０を通じて排出される燃料量と同一でありうる。このようにして、圧力調節チャンバー４８の内部圧力が設定された圧力に到達した以後にも、圧力調節チャンバー４８の内部圧力が高くなり続けることを回避できる。
【００７６】
システム１００において、燃料カートリッジ５２の燃料は、循環ポンプ５４により強制的に循環され、圧力調節チャンバー４８は、上記外部圧より高い圧力に一定に維持される。したがって、燃料カートリッジ５２の向きや燃料カートリッジ５２内の燃料残量と関係なく、燃料供給速度を一定に維持できる。
【００７７】
また、圧力調節チャンバー４８が高い圧力を維持した状態で、燃料が弁４６を通じて高速で吐出されるため、燃料供給ラインの圧力偏差に起因した吐出量変化を低減させることができる。
【００７８】
また、循環ポンプ５４を利用して燃料カートリッジ５２から燃料を強制吸入するため、循環ポンプ５４と燃料カートリッジ５２との間の燃料供給管にガスが存在するとしても、上記ガスを迅速に除去することができる。循環ポンプ５４は既存の燃料ポンプより大きい容量を持つため、弁４６まで燃料を迅速に供給できる。これによりセルフプライミング時間を短縮することができ、セルフプライミング障害も防止できる。
【００７９】
次いで、システム１００で、圧力調節チャンバー４８の内部圧力が上記外部圧より高く維持される時、弁４６から混合器４４に供給される燃料量は一定になるが、図３を参照してその理由を説明する。
【００８０】
図３を参照して、圧力調節チャンバー４８の内部圧力をＰ１とし、一定であると仮定する。そして、弁４６の出力端４６ｂの面積、すなわち、吐出口の面積をＡ２とし、単位時間当り吐出される燃料の質量をＭ２とする。また、出力端４６ｂの圧力、すなわち、外部圧は上記のようにＰ２とする。
【００８１】
この時、Ｐ１、Ｐ２、Ｍ２及びＡ２は、次の数式１で定義される。
【００８２】
【数１】
2010157508.tif 000003
【００８３】
数式１で、ρは燃料の密度、例えば、メタノールの密度を表す。
【００８４】
上記数式１で、Ｐ２の変化がある時、Ｍ２の変化量（数式１の左辺）を許容範囲（例えば、０．５ｇ／分）以内にするためには、Ｐ１またはＡ２を変化させねばならない。Ａ２と燃料の密度（ρ）とは一定なので、結果としてＰ２に比べてＰ１を大きくすれば、Ｐ２の変化による燃料吐出量Ｍ２の変化は許容範囲以内で一定に維持できることになる。
【００８５】
図２のシステム１００において、循環ポンプ５４と圧力調節器５０とにより、圧力調節チャンバー４８の内部圧力Ｐ１は、弁４６の出力端４６ｂの外部圧Ｐ２よりはるかに大きくなる。このため、外部圧Ｐ２が変化しても、弁４６から混合器４４に供給される燃料量、すなわち、燃料吐出量Ｍ２を許容範囲内で一定に維持できる。
【００８６】
図２のシステム１００において、弁４６、圧力調節チャンバー４８、圧力調節器５０及び循環ポンプ５４を備える燃料供給系統はモジュール化できるが、図４は、その一例を示す。図５は、図４に示した燃料供給モジュールの分解斜視図である。
【００８７】
図４において、符号８０は、圧力調節チャンバーを備えるマニホールドを表す。図４に示した燃料供給モジュールに備えられた構成要素は、マニホールド８０に固定される。マニホールド８０は、上記燃料供給モジュールに備えられた構成要素間の燃料供給路を含む。
【００８８】
符号８２は、圧力調節チャンバーのカバーを表す。カバー８２は、圧力調節チャンバーの圧力が設定圧力より高くなるか、または低くなる時、その変化を収容できる空間を提供する。符号８４は圧力調節器であって、図２の圧力調節器５０に対応する。符号８６は循環ポンプであって、図２の循環ポンプ５４に対応する。循環ポンプ８６は、第１固定部材８７によりマニホールド８０に固定される。符号８８は弁であって、図２の弁４６に対応する。符号９０は、燃料供給モジュール内部の圧力を測定するための圧力センサーを表す。圧力センサー９０は、第２固定部材９１によりマニホールド８０に固定される。
【００８９】
図５を参照すると、カバー８２とマニホールド８０との間にラバーフィルム９２が備えられている。ラバーフィルム９２は、図２のバッファリング膜５３に対応する。循環ポンプ８６で発生した脈動により、圧力調節チャンバーの圧力が設定圧力と異なる時、例えば、設定圧力より大きくなる時、ラバーフィルム９２はカバー８２内に凸状に変形しうる。一方、上記脈動により、圧力調節チャンバーの圧力が設定圧力より小さくなる時、ラバーフィルム９２はマニホールド８０側に凸状に変形しうる。
【００９０】
圧力調節器８４は、マニホールド側締結部８０ａ、リリーフ弁８４ａ、Ｏリング８４ｂ及びリリーフ弁固定部８４ｃを備える。リリーフ弁８４ａにより、圧力調節チャンバーの圧力が所定圧力に維持され、リリーフ弁８４ａが開かれることによって、圧力調節チャンバーから燃料カートリッジに燃料が移動できるようになる。
【００９１】
符号９４は、インジェクションノズルを表す。インジェクションノズル９４を通じて弁８８から高圧の燃料が混合器４４に供給される。インジェクションノズル９４は、混合器４４に締結される。したがって、インジェクションノズル９４は図２の弁４６の出力端４６ｂに対応する。インジェクションノズル９４は、オリフィス弁でありうる。
【００９２】
図６は、図４を下から見た時の分解斜視図である。図６で弁８８は、便宜のために図示していない。
【００９３】
次いで、燃料カートリッジ５２の変形例について説明する。
【００９４】
図７を参照すると、燃料カートリッジ５２は、その内部に、互いに離隔した保存空間５２ｃと収容空間５２ｄとを備える。保存空間５２ｃに燃料ポーチ５７の燃料の一部が保存される。収容空間５２ｄは、燃料ポーチ５７を収容するための空間である。ここで、燃料ポーチは、１回のみの使用、または燃料を再充填しての使用が可能なリフィル用のものであってもよい。
【００９５】
保存空間５２ｃと収容空間５２ｄとの間の隔壁５９に、締結部５２ｅが備えられている。締結部５２ｅには燃料ポーチ５７の燃料排出部５７ａが締結されている。締結部５２ｅと燃料排出部５７ａとは、螺合方式、雌雄結合方式、圧着結合方式または別途の締結手段を利用した締結方式で締結できる。これらの締結方式は、システム１００の他の要素間の締結にも適用できる。
【００９６】
燃料カートリッジ５２において、第１及び第２ポート５２ａ、５２ｂは、保存空間５２ｃに連結されている。第１及び第２ポート５２ａ、５２ｂは離隔しており、同じ方向に備えられている。第１及び第２ポート５２ａ、５２ｂは、図８に示したように、相異なる方向に備えられてもよい。
【００９７】
燃料カートリッジ５２は、燃料ポーチ５７に燃料を注入するためのポートとして、燃料ポーチ５７と連結された第３ポート５２ｆを備えることができる。第３ポート５２ｆは、燃料排出部５７ａと異なる方向、例えば、燃料排出部５７ａを燃料ポーチ５７の上方とする時、燃料排出部５７ａの下方に備えられ、第３ポート５２ｆの外面は外部に露出される。
【００９８】
一方、燃料カートリッジ５２は、それ自体が燃料ポーチになりうるが、図９は、その一例を示す。
【００９９】
図９を参照すると、燃料ポーチ５７に、第１及び第２ポート５２ａ、５２ｂが直接連結される。第１及び第２ポート５２ａ、５２ｂは、図面のように同じ方向に備えられうるが、いずれかのポートは他の方向に備えられてもよい。第１ポート５２ａは、燃料ポーチ５７に燃料を充填するための外部燃料注入口として使われてもよい。燃料ポーチ５７は別途に第３ポート５２ｆを備えて、第３ポート５２ｆを通じて外部から燃料を充填されてもよい。
【０１００】
次いで、システム１００を対象に実施した実験例について説明する。
【０１０１】
＜実験例１＞
実験例１として、外部圧Ｐ２の変化による、弁４６から供給される燃料量Ｍ２の変化を測定した。この実験は、図２の弁４６、圧力調節チャンバー４８、圧力調節器５０、燃料カートリッジ５２及び循環ポンプ５４を備える燃料供給システムを対象とした。この実験でスタックやスタックに連結された要素、例えば、フィードポンプ、水と未反応メタノールの再生器は、上記燃料供給システムに連結していない。
【０１０２】
この実験は、圧力調節チャンバー４８の内部圧力が２００ｋＰａである時（以下、ケース１）と２５０ｋＰａである時（以下、ケース２）とに区分して実施した。そして、各ケースに対して外部圧Ｐ２を２〜１３ｋＰａに変化させた。また、上記燃料供給システムがスタックに連結される時、目標燃料供給量は半分に減少するため、この実験では、目標燃料供給量を０．１５ｃｃ／ｍｉｎに設定した。
【０１０３】
また、上記燃料供給システムの動作条件は、次の表１のように設定した。
【０１０４】
【表１】
2010157508.tif 000004
【０１０５】
表１で“モーター電圧”は、循環ポンプ５４のモーター駆動のために印加する電圧を表す。“弁電圧”は、弁４６の駆動のための電圧を表す。また、“ノズルサイズ１”は、混合器４４に連結される弁４６の出力端４６ｂの出口サイズを表す。図５では、インジェクションノズル９４のサイズが“ノズルサイズ１”に該当する。また、“ノズルサイズ２”は、圧力調節器５０に含まれたノズルのサイズを表す。また、“周期（ｐｅｒｉｏｄ）”は、弁４６のオン／オフ周期を表す。また、“オンタイム（ＯＮ  ｔｉｍｅ）”は、弁４６がオープンされた状態に維持される時間、すなわち、弁４６が開いている時間を表す。
【０１０６】
図１０及び図１１は、実験例１の結果を示す。
【０１０７】
図１０は、上記燃料供給システムの動作における、外部圧による燃料カートリッジ５２の燃料残量変化を示す。燃料カートリッジ５２の燃料残量は、外部圧の変化にかかわらず一定に減少することが分かる。
【０１０８】
図１０の結果から、弁４６の出力端４６ｂの外部圧に関係なく、燃料カートリッジ５２での燃料の消耗量は一定であることが分かる。このような結果は、弁４６から吐出される燃料量が外部圧に関係なく一定であることを意味する。これらの事実は、図１１からも分かる。
【０１０９】
図１１は、上記燃料供給システムの動作で、外部圧の変化によって弁４６の出力端４６ｂを通じて吐出される燃料量Ｍ２の変化を示す。
【０１１０】
図１１を参照すれば、外部圧の変化に対して弁４６の出力端４６ｂから吐出される燃料量は、０．１５ｃｃ／ｍｉｎほどであって、一定であることが分かる。図１１の結果は、外部圧に関係なく弁４６の出力端４６ｂから吐出される燃料量の単位時間当り変化率は一定であるということを意味する。言い換えれば、外部圧に関係なく、弁４６を通る燃料供給の速度は一定であるということを意味する。
【０１１１】
図１０及び図１１の結果から、上記燃料供給システムを利用する場合、外部圧に関係なく、一定の燃料供給が可能であるということが分かる。
【０１１２】
図１２は、上記燃料供給システムに対して、経時的な累積燃料消耗量または累積燃料吐出量の変化を測定した結果を示す。図１２の結果は、１４時間測定したものである。図１２を参照すれば、経時的な累積燃料消耗量（累積燃料吐出量）は一定に増加する。このような結果から上記燃料供給システムの場合、長時間使用しても図１０及び図１１の特性が維持されるということが分かる。すなわち、長時間使用しても燃料カートリッジ５２の燃料は一定の割合で減少し、弁４６を通じる燃料吐出量も一定に維持される。
【０１１３】
＜実験例２＞
実験例２は、実験例１に使用した燃料供給システムを備えて正常に動作する燃料電池システム（図２の１００）を対象に実施した実験である。本実験は、１５時間以上の長時間にわたって実施した。これらの実験のために、実験例１に使用した燃料供給システムをスタックに連結し、またスタックに連結された部材、例えば、エアポンプ、フィードポンプ、再生器などの燃料電池システムの残りの要素も連結した。実験例２に使用した燃料電池システムの場合、フィードバック制御は使用せず、初期流量値は設定後に変更していない。
【０１１４】
図１３は、実験例２の結果を示す。図１３で第１グラフＧ１は、スタック４０の出力を表す。第２グラフＧ２は、燃料カートリッジ５２の燃料減少を表す。第３グラフＧ３は、弁４６の燃料吐出量Ｍ２、すなわち、弁４６を通じて混合器４４に供給される燃料量を表す。第４グラフＧ４は、スタック４０に供給される燃料の濃度変化を表す。そして、縦軸はスタックパワーを表し、第１〜第３縦軸ＬＡ１〜ＬＡ３は、それぞれ燃料カートリッジ５２の重量（ｇ）、メタノール濃度（Ｍ）及び燃料供給率（ｃｃ／ｍｉｎ）を表す。
【０１１５】
図１３を参照すれば、長時間、燃料供給率と燃料濃度いずれも許容範囲内で一定に維持されるということが分かる。また、燃料カートリッジ５２の燃料減少率も経時的に一定であるということが分かる。
【０１１６】
次いで、システム１００の駆動過程について説明する。
【０１１７】
図２を参照すると、循環ポンプ５４の動作で圧力調節チャンバー４８の圧力が設定された圧力に到達しつつ、燃料カートリッジ５２の高濃度燃料は、燃料カートリッジ５２から循環ポンプ５４、圧力調節チャンバー４８、圧力調節器５０及び燃料カートリッジ５２の順に循環する。
【０１１８】
このような燃料循環過程で、圧力調節器５０の構成によって循環ポンプ５４のポンピング形態は変わりうる。例えば、燃料フローに対して抵抗を持つように、所定のサイズを持つノズルが圧力調節器５０の燃料排出口側に備えられた場合、循環ポンプ５４は、一定の流量で圧力調節チャンバー４８に燃料を供給できる。他の場合として、一定圧力を生成する弁、すなわち、一定の圧力で開かれる弁が圧力調節器５０の燃料排出口に備えられた場合、循環ポンプ５４は、圧力調節チャンバー４８に供給される燃料量を所定の範囲で調節できる。
【０１１９】
上記のように、燃料が循環されつつ、圧力調節チャンバー４８の燃料流出端４８ｂを通じて弁４６に燃料が供給される。弁４６は、スタック４０の出力状態によって既に設定されたオン／オフ時間によって、高濃度の燃料を混合器４４に供給する。混合器４４は、弁４６から供給された高濃度燃料と、スタック４０の発電中に発生する副産物とを混合して、スタック４０に供給するのに適した濃度の燃料を生産する。混合器４４で生産された燃料は、フィードポンプ４２に供給される。フィードポンプ４２は、混合器４４から供給を受けた燃料をスタック４０に供給する。
【０１２０】
図１４は、本発明の一実施形態による電子機器の構成を示す。
【０１２１】
図１４を参照すれば、電子機器２００は、本体２００ａと、本体２００ａに電力を供給する電源２００ｂとを備える。これらの電子機器は、家庭用電子製品や携帯用電子製品でありうる。例えば、デジタル家電機器や携帯用電子機器及び通信機器または携帯用ディスプレイなどでありうる。
【０１２２】
本体２００ａは、バッテリーをさらに備えることができる。この時、バッテリーは、電源２００ｂと発電原理や動作が異なる。例えば、上記バッテリーは、電気で充電されるバッテリーでありうる。電源２００ｂは、燃料電池システムであるが、例えば、図２のシステム１００であってもよい。電源２００ｂは外装型で備えられてもよい。
【０１２３】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【０１２４】
例えば、圧力調節チャンバー４８の圧力変化を緩和するために備えられたバッファリング膜５３やラバーフィルム９２の代わりに、圧力調節チャンバー４８に締結された別途の圧力緩和装置を備えてもよい。
【０１２５】
また、例えば、燃料供給モジュールを２つのモジュールに分けて構成してもよく、燃料供給モジュールを、低濃度燃料カートリッジを使用する場合にも適用してもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１２６】
本発明は、家庭用や携帯用電子製品に好適に用いられる。
【符号の説明】
【０１２７】
４０    スタック
４２    フィードポンプ
４４    混合器
４６    弁
４６ａ    流入端
４６ｂ    出力端
４８    圧力調節チャンバー
４８ａ    燃料流入端
４８ｂ    燃料流出端
５０    圧力調節器
５２    燃料カートリッジ
５２ａ、５２ｂ    ポート
５３    バッファリング膜
５４    循環ポンプ
１００    燃料電池システム
【図１】
2010157508.tif 000005
【図２】
2010157508.tif 000006
【図３】
2010157508.tif 000007
【図４】
2010157508.tif 000008
【図５】
2010157508.tif 000009
【図６】
2010157508.tif 000010
【図７】
2010157508.tif 000011
【図８】
2010157508.tif 000012
【図９】
2010157508.tif 000013
【図１０】
2010157508.tif 000014
【図１１】
2010157508.tif 000015
【図１２】
2010157508.tif 000016
【図１３】
2010157508.tif 000017
【図１４】
2010157508.tif 000018