(57)【要約】燃料電池に結合可能な燃料サプライ（１０）が開示される。燃料サプライは外側ケーシング（１２）および燃料ライナー（１４）、ならびに、外側ケーシングおよび燃料ライナーの間のスペース（２０）内にあり燃料ライナーの内部の圧力を制御する有効な量の燃料（２６）を有する。一つの例では、燃料ライナーの内部の燃料はメタノールであり、外側ケーシングおよび燃料ライナーの間の燃料はメタノールまたはメタノールゲルである。【代表図】  図１Ａ
2009514148.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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、
上記燃料電池用の第１の燃料を内包する燃料コンテナとを有し、
上記第１の燃料が上記燃料コンテナから搬送されるときに正の蒸気圧を生成することができる材料が上記外側ケーシングおよび上記燃料コンテナの間のスペース内に内包される燃料サプライ。
【請求項２】
上記蒸気圧材料は第２の燃料を有する請求項１記載の燃料サプライ。
【請求項３】
上記第１の燃料は上記第２の燃料と異なる請求項２記載の燃料サプライ。
【請求項４】
上記第１の燃料はメタノールである請求項３記載の燃料サプライ。
【請求項５】
上記第１の燃料および上記第２の燃料は実質的に類似である請求項１記載の燃料サプライ。
【請求項６】
上記第１および第２の燃料はメタノールを有する請求項５記載の燃料サプライ。
【請求項７】
上記蒸気圧材料の少なくとも一部が吸収部材中に包含される請求項１記載の燃料サプライ。
【請求項８】
上記吸収部材は多孔質材料を有する請求項７記載の燃料サプライ。
【請求項９】
上記吸収部材はフィラー材料を有する請求項７記載の燃料サプライ。
【請求項１０】
上記吸収部材は発泡体を有する請求項７記載の燃料サプライ。
【請求項１１】
上記外側ケーシングは逆止バルブを有する請求項１記載の燃料サプライ。
【請求項１２】
上記外側ケーシングは上記逆止バルブと協働する液体非透過性膜をさらに有する請求項１１記載の燃料サプライ。
【請求項１３】
上記外側ケーシングは逆止バルブと協働する液体保持部をさらに有する請求項１１記載の燃料サプライ。
【請求項１４】
上記蒸気圧材料はゲルを有する請求項１記載の燃料サプライ。
【請求項１５】
上記ゲルはメタノールゲルである請求項１４記載の燃料サプライ。
【請求項１６】
上記蒸気圧材料は固体を有する請求項１記載の燃料サプライ。
【請求項１７】
上記固体は昇華性固体である請求項１６記載の燃料サプライ。
【請求項１８】
上記昇華性固体はヨードまたはナフタレンである請求項１７記載の燃料サプライ。
【請求項１９】
上記蒸気圧材料は液体を有する請求項１記載の燃料サプライ。
【請求項２０】
上記液体は水、炭化水素、またはメタンである請求項１９記載の燃料サプライ。
【請求項２１】
実質的にすべての上記第１の燃料が上記燃料コンテナから搬送されるまで、上記蒸気圧材料の少なくとも一部が液相に止まる請求項１９記載の燃料サプライ。
【請求項２２】
上記液体蒸気圧材料は炭化水素を有する請求項１９記載の燃料サプライ。
【請求項２３】
上記炭化水素はｎ−ブタン、イソ−ブタン、またはプロパンである請求項２２記載の燃料サプライ。
【請求項２４】
上記外側ケーシングは実質的に堅固である請求項１記載の燃料サプライ。
【請求項２５】
上記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。
【請求項２６】
上記燃料コンテナは弾性がある請求項１記載の燃料サプライ。
【請求項２７】
上記燃料コンテナは外側燃料コンテナに包み込まれる請求項１記載の燃料サプライ。
【請求項２８】
第２の蒸気圧材料が上記外側燃料コンテナおよび上記燃料コンテナの間のスペース中に内包される請求項２７記載の燃料サプライ。
【請求項２９】
上記第２の蒸気圧材料は第３の燃料を有し、当該第３の燃料は上記第１の燃料と異なる請求項２８記載の燃料サプライ。
【請求項３０】
上記第２の蒸気圧材料は上記第１の燃料と実質的に類似の第３の燃料を有する請求項２８記載の燃料サプライ。
【請求項３１】
上記第１の蒸気圧材料は上記第２の蒸気圧材料と異なる請求項２８記載の燃料サプライ。
【請求項３２】
上記第１の蒸気圧材料は上記第２の蒸気圧材料と実質的に類似である請求項２８記載の燃料サプライ。
【請求項３３】
上記外側燃料コンテナは柔らかである請求項２８記載の燃料サプライ。
【請求項３４】
上記燃料コンテナへの衝撃を和らげるように適合化されたクッションをさらに有する請求項１記載の燃料サプライ。
【請求項３５】
上記クッションは多孔質媒体である請求項３４記載の燃料サプライ。
【請求項３６】
上記蒸気圧媒体の少なくともいくつかが上記クッションに内包される請求項３５記載の燃料サプライ。
【請求項３７】
上記燃料コンテナ内の圧力が上記外側ケーシングおよび上記燃料コンテナの間のスペース内の圧力と実質的に同一である請求項１記載の燃料サプライ。
【請求項３８】
燃料電池と結合可能な燃料サプライであって、
外側ケーシングと、
上記燃料電池用の第１の燃料を内包する燃料コンテナとを有し、
燃料バリア層が、上記外側ケーシングおよび上記燃料コンテナの間のスペース内に配され、上記燃料バリア層が上記燃料コンテナから上記外側ケーシングの外部の環境への燃料の勾配を減少させる燃料サプライ。
【請求項３９】
上記燃料バリア層は第２の燃料を有する請求項３８記載の燃料サプライ。
【請求項４０】
上記第１の燃料は上記第２の燃料と実質的に類似である請求項３９記載の燃料サプライ。
【請求項４１】
上記第１の燃料は上記第２の燃料と異なる請求項３９記載の燃料サプライ。
【請求項４２】
上記第１の燃料はメタノールを有する請求項３８記載の燃料サプライ。
【請求項４３】
燃料電池と結合可能な燃料サプライであって、
平滑な内側表面を具備する外側ケーシングと、
上記燃料電池用の燃料を内包し、平滑な外側表面を有する内側燃料コンテナであって、当該内側燃料コンテナは、実質的に十分に膨らまされたときに、上記外側ケーシングと接触し、上記内側燃料コンテナへのガス透過率が減少し、かつ、上記外側ケーシングは頂部端をそこに固定して取り付けられるものと、
上記外側ケーシングの頂部端上に配されて上記頂部端が上記外側ケーシングから分離されるのを難しくする突出部材とを有する燃料サプライ。
【請求項４４】
上記外側ケーシングは円筒状の形状をとる請求項４３記載の燃料サプライ。
【請求項４５】
上記外側ケーシングは金属により製造される請求項４４記載の燃料サプライ。
【請求項４６】
上記突出部材は、起こされたリップ部、厚くされたリップ部、または立ち上がった突起を上記頂部端に有する請求項４３記載の燃料サプライ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は全般的には燃料電池用の燃料カートリッジに関し、より具体的には、この発明は、外側ケーシングおよび内側燃料コンテナを具備し、燃料が当該ケーシングおよび燃料コンテナの間に蓄えられる燃料サプライに関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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（Ｈ２）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（ＣＨ３ＯＨ）、金属水化物、例えば水素化ホウ素ナトリウム（ＮａＢＨ４）、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。
【０００４】
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。固体酸化物燃料電池（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。
【０００５】
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：
ＣＨ３ＯＨ  ＋  Ｈ２Ｏ  →  ＣＯ２  ＋  ６Ｈ＋  ＋  ６ｅ−
カソードでの半反応：
１．５Ｏ２  ＋  ６Ｈ＋  ＋  ６ｅ−  →  ３Ｈ２Ｏ
全体の燃料電池反応：
ＣＨ３ＯＨ  ＋  １．５Ｏ２  →  ＣＯ２  ＋  ２Ｈ２Ｏ
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
金属水素化物、例えば、水素化ホウ素ナトリウム、改質燃料電池のための他の燃料電池反応は、以下のとおりである。
ＮａＢＨ４＋２Ｈ２Ｏ→（加熱または触媒）→４（Ｈ２）＋（ＮａＢＯ２）
アノードでの半反応：
Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−
カソードでの半反応：
２（２Ｈ＋＋２ｅ−）＋Ｏ２→２Ｈ２Ｏ
【０００９】
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Ｏ２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（ＮａＢＯ２）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。
【００１０】
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。燃料サプライは、また、燃料電池または当該燃料電池が給電する電子相違に容易に挿入できなければならない。さらに、燃料サプライは容易に交換可能または再充填可能でなければならない。液体燃料例えばメタノールを燃料サプライまたは当該燃料サプライ内の燃料ライナー中にと加えるときに、内部に圧力が形成される。燃料ライナー上の圧力を平衡にして燃料ライナー上の応力を減少させた燃料サプライに対する要請が依然としてある。
【特許文献１】米国特許第５，９９２，００８号
【特許文献２】米国特許第５，９４５，２３１号
【特許文献３】米国特許第４，２６１，９５６号
【発明の開示】
【００１１】
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少なくとも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。所定量の燃料が、外側ケーシングおよび内側燃料コンテナの間に付加されて燃料サプライの内部の圧力を制御する。燃料サプライはさらに外側ケーシングの表面に配された逆止バルブを有して良く、この逆止バルブは外側ケーシングおよび内側燃料コンテナの間のスペース内の圧力を安定化させることができる。外側ケーシングおよび内側燃料コンテナの間の燃料はバリアまたは緩衝ゾーンとして働き、燃料が内側燃料コンテナから環境中へと透過するのを最小化する。この燃料は、内側燃料コンテナ内の燃料と実質的に同一の速度で気化し、そのため、内側燃料サプライ内の燃料蒸気圧は外側ケーシングおよび内側燃料コンテナの間のスペース中の燃料蒸気圧と実質的に同一である。
【００１２】
１つの好ましい実施例において、外側ケーシングは内側燃料コンテナより堅固であり、燃料サプライの構造を実現する。好ましくは、内側燃料コンテナは柔らかく、または変形可能である。外側ケーシングおよび内側燃料コンテナの間に内包される燃料は内側燃料コンテナの内部の燃料と化学的に類似であり、より好ましくは、実質的に同一である。１例において、燃料コンテナ内の燃料はメタノールであり、外側ケーシングおよび内側燃料コンテナの間の燃料はメタノールまたはメタノールに類似した燃料、例えば、エタノール、プロパノール、および他のアルコールであり、これらは液体、気体、またはゲルの形態である。
燃料サプライはされに内側燃料コンテナを包み込む外側燃料コンテナを有して良く、外側燃料コンテナおよび内側燃料コンテナの間のスペースは内側燃料コンテナに内包される燃料と類似の他の燃料で満たされてよい。外側燃料コンテナは比較的堅固でも、柔らかでもよい。
【００１３】
他の実施例において、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に向けられており、この方法は、（ａ）外側ケーシングおよび内側燃料コンテナを有する燃料カートリッジを供給するステップと、（ｂ）内側燃料コンテナを第１の燃料で充填するステップと、（ｃ）外側ケーシングおよび燃料コンテナの間のスペースを第２の燃料で充填するステップとを有する。この方法は、さらに、（ｄ）外側ケーシングの表面に逆止バルブを設けるステップ、および／または（ｅ）内側燃料コンテナを包み込む外側燃料コンテナを設け、外側および内側燃料コンテナの間のスペースを第３の燃料で充填するステップを有してよい。
【００１４】
燃料サプライから、あるいは燃料サプライへの透過レートを制御する他の方法も開示される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
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、または燃料電池の性能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。
【００１６】
燃料は、また、上述のように、水素化ホウ素ナトリウム（ＮａＢＨ４）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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。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。
【００２０】
図１Ａおよび１Ｂ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、当該燃料ケーシング１２内に配された燃料ライナー１４を有する。燃料カートリッジ１０は、遮断バルブ１８を収容するノズル１６を有し、これが燃料ライナー１４を燃料電池（図示しない）に流体的に連結する。スペース２０は、外側ケーシング１２および燃料ライナー１４の間のスペースとして定義される。燃料カートリッジ１０はさらに逆止バルブ２２を有し、この逆止バルブ２２は、スペース２０内の内部圧力が高い閾値または低い閾値に到達するときに開となるように構成されている。燃料ライナー１４は燃料、例えばメタノールと、燃料の上部のヘッドスペース２５とを有し、これは図１Ｂに最も明瞭に示される。ヘッドスペース２５は、燃料ライナー１４が燃料で充填された後に存在して良く、または、燃料が燃料ライナー１４から外に搬送された後に形成されて良い。ヘッドスペース２５は典型的には燃料の一部が気化するときに形成される。外側ケーシング１２および燃料ライナー１４の間に、所定の量の燃料２６が配置されてｓペース２０の圧力を制御する。燃料２６は、外側ケーシング１２を封止するプロセスの前、最中、またはその宛に導入してよい。燃料２６も気化し、スペース２０内の蒸気圧に貢献する。燃料２６はスペース２０内に直接に設けても良いし、燃料２６は部分的に吸収材料、例えば発泡体、フィラー材料または他の多孔質材料に少なくとも部分的に貯蔵されても良い。
【００２１】
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、内側ライナー１４に沿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。堅固な外側ケーシングは燃料ライナー１４を構造的に支持できる。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および冷延鋼板、またはポリマー、例えばポリアセタール樹脂またはポリフェニレンスルフィドから製造され、これは射出成型または押し出し可能である。
【００２２】
内側ライナー１４は好ましくは柔らかく変形可能であり、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、かつ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。好ましくは、ポリエチレンはフッ素ベースであり、金属イオンを実質的に含まず、確実に低透過率を実現する。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。そのような燃料ライナーおよび外側ケーシングは、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号で十分に検討されている。この「００４」出願は参照してここに組み入れる。
【００２３】
ノズル１６および遮断バルブ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減少により搬送することが可能な多孔性で置き換えても良い。
【００２４】
逆止バルブ２２は好ましくはポペットバルブまたはポペット型バルブとして知られている一方向性逃がしバルブである。適切な逆止バルブは「００４」出願に開示されている。燃料がカートリッジから引き抜かれる際に、逆止バルブにより、空気がスペース２０に間欠的に入り込み燃料カートリッジ１０の内部に部分的な真空が形成されないようになっている。代替的には、逆止バルブ２２は反対方向に構築されてスペース２０内の圧力が環境中に排出可能にする。さらに、逆止バルブ２２はメタノールをカートリッジに追加したりカートリッジから抜き出したりできるように構成されていても良い。
【００２５】
好ましくは、逆止バルブ２２はオプションの膜２３と関連して使用され、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、本出願人の２００３年１月３１日出願に係る「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、「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。
【００２６】
膜２３はフィラー材料例えば「７９３」出願に開示されたもので置き換えて良い。ここで使用するように、フィラー材料は発泡体および類似の吸収材料を含む。フィラー材料は液体を保持し気体を透過させる。適切なフィラー材料はおむつに使用される吸収材料である。好ましくはフィラー材料は液体を吸収するときに膨らみ、液体をより透過させにくくなる。膜またはフィラー２３はノズル１６またはバルブ１８の近傍に配置されて良く、また、ケーシング１２内で燃料を保持する他のオリフィスであってもよい。
【００２７】
カートリッジ１０は１または複数のクッション２７をも有してよく、これは多孔性であってよく、またその内部にメタノールまたは燃料保持機構を内包させてよく、図１Ｃに示すように外側ケーシング１２の内面を裏打ちする。クッション２７はバネを有して良い。クッション２７は燃料ライナー１４を衝撃から緩衝するようになっている。クッション２７は弾性を有してよく、変形可能である。１実施例では、クッション２７は多孔性であってよく、その内部に燃料２６を保持して良い。
【００２８】
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。
【００２９】
図１Ａに示すように燃料ライナー１４が比較的一杯のときには、ヘッドスペース２５の総合圧力（Ｐtotal-25-A）は、燃料２４からのメタノールガスの分圧（Ｐmethanol-25-A）および空気を含む他のガスの分圧（Ｐgas-25-A）の合計と等しい。
Ｐtotal-25-A  ＝  Ｐmethanol-25-A  ＋  Ｐgas-25-A
【００３０】
また、燃料ライナーが比較的一杯のときには、スペース２０の総合圧力（Ｐtotal-20-A）は、スペース２０中のわずかな量の燃料２６からのメタノールガスの分圧（Ｐmethanol-20-A）および空気を含む他のガスの分圧（Ｐair-20-A）の合計と等しい。
Ｐtotal-20-A  ＝  Ｐmethanol-20-A  ＋  Ｐair-20-A
【００３１】
図１Ｂに示すように燃料ライナー１４が部分的に空のときには、燃料ライナー１４は部分的に形が崩れた段階である。いくつかの環境下では、例えば、部分的に空の燃料ライナーが長時間使用されずに置かれたときには、ヘッドスペース２５内の蒸気圧が増加することになる。そのため、ヘッドスペース２５の総合圧力（Ｐtotal-25-B）は、燃料２４からのメタノールガスの分圧（Ｐmethanol-25-B）および他のガスの分圧（Ｐgas-25-B）の合計と等しい。
Ｐtotal-25-B  ＝  Ｐmethanol-25-B  ＋  Ｐgas-25-B
【００３２】
また、燃料ライナー１４が比較的空のときには、スペース２０の総合圧力（Ｐtotal-20-B）は、メタノールの分圧（Ｐmethanol-20-B）および空気または他のガスの分圧（Ｐair-20-B）の合計と等しい。
Ｐtotal-20-B  ＝  Ｐmethanol-20-B  ＋  Ｐair-20-B
【００３３】
任意の所定の時刻において、スペース２０の総合圧力はヘッドスペース２５の総合圧力と等しい。なぜならば、スペース２０およびヘッドスペース２５は実質的に同一の温度であるからである。スペース２０およびヘッドスペース２５はまた実質的に同一の圧力である。なぜならば、それらは柔らかいライナー１４のみで分離されているからである。したがって：
Ｐtotal-25-A  ＝  Ｐtotal-20-A  かつ
Ｐtotal-25-B  ＝  Ｐtotal-20-B 
Ｐmethanol-27  ＋  Ｐair-27  〜  Ｐinert gas-20  ＋  Ｐair-20
【００３４】
この発明の他の側面によれば、スペース２０内に配置されたメタノール２６の量は、メタノール２６の少なくとも一部が液相に止まるのに十分でなければならない。これにより、燃料ライナー１４内のメタノール２４の体積が減少するときに十分なガスが確実にメタノール２６から気化して逸失体積と置き換わる。このため、メタノールをスペース２０内に配置し、この燃料を気化させ、これにより、ヘッドスペース２５内の燃料ライナー１４の内部の蒸気圧と実質的に類似の圧力をスペース２０内に形成できる。このため、カートリッジ１０内の圧力は平衡状態であり、燃料ライナー１４で形成されたいずれの内部圧力もスペース２０内の実質的に同一な圧力により均衡させられる。メタノール２６の量がメタノールのいくらかを液相に維持するのに不十分であれば、燃料ライナー１４内の圧力はスペース２０内の圧力より大きくなってしまう。
【００３５】
この発明の他の側面によれば、スペース２０中のメタノール蒸気の存在は、燃料ライナー１４からメタノールが出て行くのを最小化するバッファ領域として働く。燃料ライナー１４内のメタノール２４が燃料ライナーから移動する理由の１つは、燃料ライナー１４内の比較的大きなメタノール蒸気濃度からカートリッジ１０の外部の、２８でラベル付けした環境中の比較的小さなメタノール蒸気濃度へとメタノール勾配があるということである。スペース２０にメタノール濃度を持たせると、メタノールの移動は、スペース２０から環境２８への移動とヘッドスペース２５からスペース２０への移動とを含む。さらに、外側ケーシング１２の壁部を低透過率材料、例えば、金属、具体的にはステンレス綱、冷延鋼板またはアルミニウム、またはポリアセタール、具体的にはＤｅｌｒｉｎ（商標）から製造してよい。これら壁部は厚めにしてもよいし、および／または、低透過率材料によりコーティング、包み込み、または裏打ちされてもよい。そのようなコーティングおよび包み込みは本出願人の２００４年８月６日出願に係る「燃料電池用燃料サプライ」というタイトルの米国特許出願第１０／９１３，７１５号に十分に開示されている。この出願は参照してここに組み入れる。要点をいえば、スペース２０内のメタノール蒸気が透過効率を減少させるバリアとして働く。
【００３６】
さらに、この発明では、燃料カートリッジ１０の温度が高温から低温に変化するときに圧力を安定化させることができる。温度が上昇してスペース２０内のガスの分圧を増大させる際に、温度の増加はヘッドスペース２５内の分圧も増加させて燃料カートリッジ１０内の圧力平衡を維持する。
【００３７】
図２を参照すると、燃料カートリッジ３０は、他の要素の他に、外側ケーシング１２および燃料ライナー１４の間のスペース２０で用いられるメタノールゲル３２を有する。その他、燃料カートリッジ３０の要素は図１Ａおよび１Ｂに説明されたものと類似である。
【００３８】
メタノールゲルは種々のソースから入手でき、例えば、広く入手可能な食物加熱製品から入手できる。メタノールゲルは変性メタノール、水およびゲルから調合できる。メタノールゲルは通常では小さなバーナ内のメタノール源として用いられレストランやバンケットホールにおいてコーヒー沸かしや食物コンテナを温かく維持する。メタノールゲルは速やかにかつ安全に燃えるので、レストラン産業における便利な燃料源である。有効な量のメタノールゲル３２を外側ケーシング１２の内部に配置してメタノールの有効な量の分圧を生成して燃料ライナー１４内で形成された圧力と均衡させてよい。
【００３９】
図３を参照すると、燃料カートリッジ４０は外側燃料ライナー６０と、燃料５４を内包する内側燃料ライナー４４とを有する。外側燃料ライナー６０は内側燃料ライナー４４を包み込む。外側燃料ライナー６０および内側燃料ライナー４４の間のスペース６３に、有効な量のメタノール６２があり、内側燃料ライナー４４内の圧力を制御し、これは図１Ａ〜１Ｃを参照して説明した実施例と同様の態様で働く。この実施例はその他の点では図１Ａ〜１Ｃを参照して上述した実施例と実質的に類似である。燃料カートリッジ４０はさらにオプションのノズル６４を有し、これがオプションの逆止バルブ６６を収容し、この逆止バルブ６６が、外側燃料ライナー６０および内側燃料ライナー４４の間のスペースと流体連通される。付加的な量のメタノールを外側ケーシング１２および外側燃料ライナー６０の間のスペース５０中にも配置させて付加的な緩衝を実現して良く、これは図１Ａ〜１Ｃを参照して上述したバッファと類似である。
【００４０】
メタノール（２４、２６、５４、６２）を用いて本発明を説明しているけれども、この発明はそのようなものに限定されないことに留意されたい。この発明は燃料サプライ内で部分蒸気圧を生成する任意の燃料、例えば、メタノール、エタノール、プロパノール、炭化水素（ブタン、プロパン、その他）とともに使用して好適である。さらに、燃料ライナー１４、４４内の燃料２４、５４は、燃料により生成される蒸気が２つの室部の間の分圧プロファイルを減少させる限り、スペース２０、５０、６３内の燃料２６、６２と異なって良い。例えば、燃料２４、５４がメタノールであれば、スペース２０、５０、６３の内部に配置される燃料はメタノール、エタノール、プロパノール、または他のアルコールであってよい。燃料２４、５４が炭化水素であれば、スペース２０、５０、６３の内部の燃料２６、６２は同一の炭化水素または他の炭化水素とすべきである。
【００４１】
この発明の他の側面によれば、スペース２０、５０、６３内の燃料２６、６２は、カートリッジ１０、３０、４０が作動する温度および圧力で正の蒸気圧を実現できる任意の物質で置き換えて良い。換言すれば、燃料２６、６２は、カートリッジ１０、３０、４０が製造された後にスペース２０、５０、６３を占める周囲空気により実現される圧力より大きな「正」の圧力をスペース２０、５０、６３に実現することができる任意の物質で置き換えて良い。この残留空気は使用中に燃料ライナー１４、４４から抜き出される燃料のスペースを占めるにたるほど十分に拡張できない。そのような物質は、気体、および、ガスに変化する（昇華）、または液体に変化した後気体になる固体を含む。事例的な昇華固体は、これに限定されないが、ドライアイス（ＣＯ２）、ヨウ素結晶、ナフタレン（モスボール）、その他である。適切な液体は、これに限定されないが、水、メタン、および炭化水素である。ゲル、例えば上述したメタノールゲルも使用できる。
【００４２】
この発明の他の側面によれば、他の燃料２６、６２がスペース２０、５０、６３に配置されてカートリッジ１０、３０、４０を加圧する。適切な燃料は、これに限定されないが、液相、または気相の炭化水素、例えばｎ−ブタン、シソ−ブタン、およびプロパンである。この発明の発明者は、燃料２６、６２のある部分が、非常に小さいけれども、液相に止まっている限り、スペース２０、５０、６３は室温で約３０ｐｓｉに安定化していることを発見した。これにより、燃料ライナー１４、４４表面の正の圧力を維持する簡便な手法が実現される。
【００４３】
この発明の他の利点は、燃料ライナー１４、４４が一旦実質的に空になると、そこに残っている燃料２４、５４は燃料ライナー１４、４４をスペース２０、５０、６３内の等価圧力へと再び膨らますことがないということである。
【００４４】
この発明の他の実施例においては、外側ケーシング１２が金属、例えば、ステンレス鋼、アルミニウム、錫、または、缶を製造できる任意の金属、あるいは任意の既知のポリマーから、図４Ａに示すように製造される。外側ケーシング１２の内面は好ましくは平滑であり、磨いたシート金属の平滑性と類似の平滑性を有する。ライナー１４の外側面も同様に平滑である。図４Ｂに示すように２つの平滑な表面がお互いに接触するとき、２つの接触した平滑な面がライナーの内外への透過レートを減少させることが観測された。好ましくは、十分に満たされたときのライナー１４の体積が外側ケーシング１２の体積より若干大きく、ライナーの平滑な外側表面およびケーシングの平滑な内側表面の間の接触を助長するようになす。ライナー１４内の燃料が一部消尽されたときでも、透過された空気および／または燃料蒸気が使用済み燃料の体積を占め燃料ライナー１４を膨らませて外側ケーシングの平滑な内側表面と接触するようになしてさらなる透過を停止または減少させる。
【００４５】
ケーシング１２の形状は好ましくは丸く、すなわち、鋭利な角がなく、例えば、楕円または円形のプリズム、または円筒である。図４Ａおよび４Ｂに示される１実施例では、ケーシング１２は、少なくとも頂部端に起こされた突出リップ７０を具備する円筒缶である。起こされた突出リップ７０の高さ「Ａ」は、通常の缶、例えば食物を内包する缶より大きく、通常の缶切りでケーシング１２を開けることができないようになっている。一つの例では、高さ「Ａ」は少なくとも約０．５ｃｍである。ケーシング１２は図示のようにリップ７０の外側の周りに突出したビーズ（縁）７２を具備して良い。突出したビーズ７２は通常の缶切りではリップ７０の周りを包囲することがさらに困難なようにする。突出したビーズ７２をリップ７０の内側に配置しても良く、通常の高さのリップとあわせて使用されても良い。さらに、ケーシング１２は立ち上がり突起７４をその頂部端に具備しても良い。突起７４は通常のものがケーシング１２のリップを把持するのを阻止し、通常の缶切りでケーシング１２を開けるのがさらに困難になるようにしている。立ち上がり突起７４は図４Ｂに示すような単一の独特な立ち上がり部材であってよく、また、複数の立ち上がり部材、またはリップ７０と同芯状に配置された連続した立ち上がり部材であってもよい。
【００４６】
代替的には、ケーシング１２の両端部に突出部材がなく、通常の缶切りで端部を除去するのがより困難なようにする。
【００４７】
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。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１Ａ】燃料ライナーの外側に燃料を保持する燃料カートリッジを、燃料ライナーが燃料で比較的一般になっている状態で示す、断面図である。
【図１Ｂ】図１Ａの燃料カートリッジを、燃料ライナーが燃料で比較的一般になっている状態で示す図である。
【図１Ｃ】燃料を保持するクッションを燃料ライナーの外側に具備する、図１Ａの他の実施例を示す図である。
【図２】燃料ライナーの外側に燃料を内包するゲルを具備する燃料カートリッジの長さ方向に沿う断面図である。
【図３】メタノールを内包する外側ライナー、および燃料ライナーとしての内側ライナーを具備する燃料カートリッジの長さ方向に沿う断面図である。
【図４Ａ】この発明の他の実施例の斜視図である。
【図４Ｂ】図４Ａの燃料カートリッジの断面図である。
【符号の説明】
【００４９】
１０    燃料カートリッジ
１２    外側ケーシング
１４    燃料ライナー
１８    遮断バルブ
２０    スペース
２４    燃料
２５    ヘッドスペース
２６    燃料
【図１Ａ】
2009514148.tif 000003
【図１Ｂ】
2009514148.tif 000004
【図１Ｃ】
2009514148.tif 000005
【図２】
2009514148.tif 000006
【図３】
2009514148.tif 000007
【図４Ａ】
2009514148.tif 000008
【図４Ｂ】
2009514148.tif 000009