(57)【要約】  本発明は、燃料電池装置への供給のための燃料カートリッジに関する。当該カートリッジは出口装置を備え、当該出口装置は、燃料カートリッジに適合したカートリッジ容器装置が有する開封装置によって開けられるように形成されている。本発明はさらに、この種の燃料カートリッジのためのカートリッジ容器装置に関する。当該容器装置は、燃料カートリッジをガイドおよび保持するガイドおよび保持装置、燃料カートリッジを開けるための開封装置、そして、燃料を燃料カートリッジから取り出す燃料抽出装置を有する。加えて、本発明は、この種のカートリッジ容器装置を備えた燃料電池装置に関する。
2005510018.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池装置への供給のための燃料カートリッジ（１）であり、出口装置（１ａ）を備え、当該出口装置は、当該燃料カートリッジ（１）に適合したカートリッジ容器装置（２）が有する開封装置（２ｂ）によって開けることができるように形成されている、
という前記燃料カートリッジ。
【請求項２】
燃料カートリッジ（１）の燃料チャンバ（１ｃ）内にある燃料に圧力を加えるための装置（３１３，３１４；４１３，４１４，４１５；５１５；７１４；８１４，８１５，８２４）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３】
圧力を加える装置は気体（３１３）を有していること、
を特徴とする請求項２に記載の燃料カートリッジ。
【請求項４】
圧力を加える装置は圧縮バネ（４１５；５１５；８１５）を有すること、
を特徴とする請求項２に記載の燃料カートリッジ。
【請求項５】
圧力を加える装置は、外からの力を加えることで燃料カートリッジ（１）内の燃料に圧力を加える装置（７１４；８１４，８１５，８２４）を有すること、
を特徴とする請求項２乃至４のいずれかに記載の燃料カートリッジ。
【請求項６】
カートリッジ（１）の出口装置（１ａ）を密封する密封装置（３１１，４１１，５１１，６１１）を備え、前記密封装置は、可逆的な形での燃料カートリッジの開閉を可能とすること、
を特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の燃料カートリッジ。
【請求項７】
カートリッジ（１）内の燃料のレベルを示す充填レベルインジケータを備えること、
を特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の燃料カートリッジ。
【請求項８】
カートリッジ（１）からの燃料流を制御するドーズ計量装置（６１７，６１８）を備えること、
を特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の燃料カートリッジ。
【請求項９】
ドーズ計量装置がポンプ装置（６１７）で成ること、
を特徴とする請求項８に記載の燃料カートリッジ。
【請求項１０】
ポンプ装置（６１７）はマイクロポンプで成ること、
を特徴とする請求項９に記載の燃料カートリッジ。
【請求項１１】
ドーズ計量装置は、少なくとも１つの駆動可能な弁を有すること、
を特徴とする請求項８乃至１０のいずれかに記載の燃料カートリッジ。
【請求項１２】
前記少なくとも１つの弁は、磁気的に、または、圧電的に駆動可能であること、
を特徴とする請求項１１に記載の燃料カートリッジ。
【請求項１３】
前記少なくとも１つの弁は、ニードル弁、および／または、円板弁、および／または、スライド弁で成ること、
を特徴とする請求項１１に記載の燃料カートリッジ。
【請求項１４】
燃料電池装置の燃料タンクを充填するための再充填カートリッジとして用いられること、
を特徴とする請求項１乃至１３のいずれかに記載の燃料カートリッジ。
【請求項１５】
タンクカートリッジとして用いられること、
を特徴とする請求項１乃至１４のいずれかに記載の燃料カートリッジ。
【請求項１６】
安全装置を備え、当該安全装置は、カートリッジ容器装置（２）への挿入プロセス、および／または、カートリッジ容器装置（２）からの取り外しプロセスの間に損傷を受けること、
を特徴とする請求項１乃至１５のいずれかに記載の燃料カートリッジ。
【請求項１７】
請求項１乃至１６のいずれかに記載の燃料カートリッジ（１）のためのカートリッジ容器装置（２）であって、
燃料カートリッジ（１）をガイドおよび保持するためのガイドおよび保持装置（２ｃ）と；
燃料カートリッジ（１）を開けるための開封装置（２ｂ）と；そして、
燃料を燃料カートリッジ（１）から取り出すための燃料抽出装置（２ａ）と、
を有する前記カートリッジ容器装置。
【請求項１８】
燃料カートリッジ（１）の燃料チャンバ（１ｃ）内にある燃料に圧力を加えるための装置（７３１，７３２；８２１，８２２，８２３）を備えること、
を特徴とする請求項１７に記載のカートリッジ容器装置。
【請求項１９】
圧力を加える装置は気体（３１３）を有していること、
を特徴とする請求項１８に記載のカートリッジ容器装置。
【請求項２０】
圧力を加える装置は圧縮バネ（７３１）を有すること、
を特徴とする請求項１８又は１９に記載のカートリッジ容器装置。
【請求項２１】
燃料抽出装置（２ａ）はドーズ計量装置（３）を有すること、
を特徴とする請求項１７乃至２０のいずれかに記載のカートリッジ容器装置。
【請求項２２】
ドーズ計量装置（３）がポンプ装置で成ること、
を特徴とする請求項２１に記載のカートリッジ容器装置。
【請求項２３】
ポンプ装置はマイクロポンプで成ること、
を特徴とする請求項２２に記載のカートリッジ容器装置。
【請求項２４】
ドーズ計量装置（３）は、少なくとも１つの駆動可能な弁（３ａ）を有すること、
を特徴とする請求項２１乃至２３のいずれかに記載のカートリッジ容器装置。
【請求項２５】
前記少なくとも１つの弁（３ａ）は、磁気的に、または、圧電的に駆動可能であること、
を特徴とする請求項２４に記載のカートリッジ容器装置。
【請求項２６】
前記少なくとも１つの弁は、ニードル弁、および／または、円板弁、および／または、スライド弁で成ること、
を特徴とする請求項２５に記載のカートリッジ容器装置。
【請求項２７】
前記ガイドおよび保持装置（２ｃ）は、少なくとも１つのラッチ要素、及び／又は、少なくとも１つの圧縮バネ、及び／又は、少なくとも１つのガイドレール、及び／又は、少なくとも１つの中心決め要素を有すること、
を特徴とする請求項１７乃至２６のいずれかに記載のカートリッジ容器装置。
【請求項２８】
特許項１７乃至２７のいずれかに記載のカートリッジ容器装置（２）を少なくとも１つ備えた燃料電池装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムへの燃料供給のための装置に関する。更に具体的に言えば、本発明は、燃料電池システム用の燃料カートリッジ、そして、燃料カートリッジから燃料電池システムへの安全かつ制御可能な形での燃料供給を確実に行う装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の方が非充電型バッテリーや充電型バッテリーに比べて明らかな優位を有する用途においてさえ、しばしば、燃料電池よりも、回路（network）から独立した古くからの電力供給方法の方が好まれる。その理由は、これに関連するテクノロジーがより効果的である、あるいは、より進んでいるから、というのではなく、むしろ以下のようなものであることが多い。すなわち、非充電型バッテリーは使用後に未使用のものと容易に交換できること、充電型バッテリーは放電後に容易に再充電できること、そしてさらに、多くの用途において、充電型および／または非充電型のバッテリーを二者択一的に使用できること、である。
【０００３】
燃料電池に対して動力を（途切れない形で）供給するには、燃料電池に対して燃料を（途切れない形で）供給する必要がある。その点に関しては、個々の観点を考慮しながら、こうした燃料供給を実現するのが普通である。それら観点とはすなわち、先ず１つに、比較的高価で効率が低いこと。そして、もう１つ、結果として、溶液へのアプローチが異なると、これらアプローチ同士は別用途に関して互いに相容れないことが多い、ということである。また、いわゆる消費者電子機器の燃料電池装置として使用されるものは普通、数時間に及ぶ動作にも充分なだけの燃料供給能力を備えた組み込み型燃料タンクを有している。この供給が尽きると、その時は、燃料タンクを再充填しなければならないが、その作業は比較的複雑なものである。その作業においては普通、燃料電池の動作は中断させなければならないし、安全上の厳しい条件を守らなければならない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
そこで本発明は、燃料電池への動力供給に伴って発生するこれら不都合を解消すること、更に言えば、燃料電池への燃料供給を改善すること、を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この目的を達成するために、本発明は、燃料カートリッジと当該燃料カートリッジ用のカートリッジ容器装置とを提供する。また、本発明は、カートリッジ容器装置に挿入された形で、当該燃料カートリッジから定量の燃料流を取り出す、という装置を提供する。
【発明の効果】
【０００６】
本発明の第１の側面として、燃料カートリッジが燃料電池装置への供給のために設けられている。これには出口装置が見られるが、これは、燃料カートリッジに適合したカートリッジ容器装置が有する開封装置によって開けられる、という形で形成されている。
本発明の第２の側面として、この種類の燃料カートリッジ用のカートリッジ容器装置が提供されている。当該容器装置は、燃料カートリッジをガイドおよび保持するガイダンスおよび保持装置、燃料カートリッジを開けるための開封装置、そして、燃料を燃料カートリッジから取り出すための燃料抽出装置を備える。本発明による燃料カートリッジは、燃料電池装置の燃料タンクの再充填に使用できると共に、直接的に、燃料電池装置を動作させるためのタンクカートリッジとして使用することもできる。空の燃料カートリッジを満タンの燃料カートリッジに交換するのに要する時間は短いものであり、これは、バッテリーの交換に非常によく似た形で行うことができる。燃料カートリッジの出口装置は、適正に使用した場合、対応するカートリッジ容器装置の中でのみ開けることができる、という形に形成されている。カートリッジとカートリッジ容器装置と間にあるインタフェース出口装置／開封装置は、流体に対して密封された様態で形成されており、そのため、意図しない形で外に出た燃料によって生じる危険を大きく軽減することができる。
【０００７】
好ましい発展形の構成では、燃料カートリッジ及び／又はカートリッジ容器装置は、圧力を利用して燃料カートリッジ内の燃料チャンバへ燃料を運ぶ装置を有する。
この場合、開けられた出口開口部を通して燃料が流れるが、燃料電池までの燃料経路に燃料を積極的に吸い出すポンプを取り付ける必要はない。従って、システム全体の寸法をより小さい設計することが可能となる。
【０００８】
また、燃料カートリッジ及び／又はカートリッジ容器装置の効果的な発展形においては、前記圧力を生じさせる装置は気体を有している。これであれば、カートリッジ内で提供される加圧気体によって、燃料カートリッジの中の燃料に対して圧力を加えることができる。この場合、すでに充填済みの燃料カートリッジが圧力を受けた状態となる。別の形として、加圧されていない燃料カートリッジを提供することもできるが、その場合、燃料はカートリッジ容器装置に装着された後に初めて圧力を受ける。適用分野によっては、安全面での理由から、こうした非加圧燃料カートリッジの方が加圧カートリッジよりも好ましいかもしれない。いずれの場合においても、燃料に圧力を加える操作は、気体生成セルによって実現することができる。また、ＣＯ２を基礎とした気体圧カートリッジも使用可能である。
【０００９】
特に好ましい発展形としては、圧力を加える装置は圧縮バネを備える。
圧縮バネは、圧力を加える手段としては単純かつ経済的なものであり、外部の影響（具体的には、温度および気圧の変化の影響）をより受けにくい。バネ手段は、燃料貯蔵器の有する少なくとも１つの移動可能または伸長可能な壁に対し、または、燃料チャンバ内に延びるピストンに対して作用する。バネ手段は、カートリッジ内に設けることもできるが、カートリッジ容器装置の構成部品としてもよい。
【００１０】
特に非加圧燃料カートリッジを用いる場合、圧力を加える装置については、外からの力を加えることで、燃料カートリッジ内で燃料を圧力の下に置くことができる、という装置で成ることにするのが好ましい。
燃料の取り出しは、燃料カートリッジの出口装置を介して行われる。出口装置については、たとえば、カートリッジ用ハウジングに設けられた穴または他の形のリセスとすればよい。最も単純な形では、出口装置はカートリッジ用ハウジングの特定部分に形成され、カートリッジが開いたタイミングで貫通させられる。開口手順を簡単にするために、この特定部分については、たとえば開封装置をガイドするための刻み目をつけるなどの形で、予め適切な形に形成しておいてもよい。
【００１１】
大部分の発展形において、出口装置はそれ自身、一度開けられたカートリッジを改めて閉じ直すという使用法にはそれほど適しておらず、そのため、効果的な発展形における装置は、カートリッジの出口装置を閉じるための密封装置を備え、前記密封装置は燃料カートリッジを繰り返し開閉することを可能にする。好ましい構成として、この密封装置は逆止弁を有する。
【００１２】
この種の密封装置であれば、開けられた状態の燃料カートリッジを安全な形で扱うことが簡単にでき、たとえば、満タンのカートリッジとの交換のために、使い切っていないカートリッジをカートリッジ容器装置から取り外す場合も、危険のない形で行うことができる。
後者の側面に関して特に効果的な点として（しかも、他の発展形においても効果を有する点として）、本発明による燃料カートリッジには、カートリッジ内の燃料レベルを示す充填インジケータを設けることもできる。
【００１３】
これによって、消費を容易にチェックでき、したがって設定すべき動作条件を素早く認識すること（さらに言えば、理想的な動作条件からの逸脱の程度を認識すること）が可能となり、そして、直ちに再充填の準備をすることができる。
本発明の特に好ましい発展形では、燃料カートリッジ及び／又はカートリッジ容器装置は、カートリッジからの燃料の流量を制御するためのドーズ計量装置を有する。
【００１４】
その結果、燃料の流量については、たとえば動作条件の変化などを理由に、満たすべき条件が変更されても、容易に変更後の条件に合わせることができる。具体的には、それぞれに大まかなドーズ計量、細かいドーズ計量を行うように作られた複数のドーズ計量装置を使用すること可能である。
効果的な発展形では、ドーズ計量装置はポンプ装置を有するが、これは、ポンプ装置の送出速度を介して、ドーズの量を直接的かつ能動的に制御することができるからである。
【００１５】
特に、燃料電池をコンパクトかつ小型化された形で用いる場合には、ポンプ装置の実施の形態は、マイクロポンプとするのが好ましい。これらは先ず制御が容易である。そして、正確であるとともに、価格も経済的であり、さらに、必要とされるスペースが非常に小さいため、ほとんどあらゆる場所に設置することができる。
効果的な発展形では、ドーズ計量装置は、駆動可能な弁を少なくとも１つ有する。
【００１６】
特に、燃料が過圧によって運搬される、という型のカートリッジ容器装置とカートリッジとの組合せに対しては、この種の弁は燃料流量を制御する簡単かつ正確な方法となる。
この少なくとも１つの弁については、磁気的または圧電的に駆動されるものとするのが好ましい。なぜなら、この種のものは、素早い駆動が可能でありながら、非常に正確であり、機械的にもそれほど複雑でないからである。
【００１７】
必要な流量の大きさ、粘性などの燃料特性、さらにその他の流体力学的観点または制御特有の観点に応じて、前記少なくとも１つの弁は、ニードル弁、円板弁、あるいは滑り弁とすることができる。
ここまでに説明したカートリッジは、流体の安全な輸送および安全な保管に非常によく適しているとともに、適切に形成されたカートリッジ容器装置による燃料の取り出しを安全に行うのにも非常に適している。それゆえ、本発明による燃料カートリッジは、補充用カートリッジおよび／または燃料電池装置内のタンクカートリッジ（燃料電池装置がカートリッジ容器装置を備えている場合）として直接使用しても効果的である。
【００１８】
第１の場合においては、当該カートリッジによって燃料電池装置の燃料タンクを簡単かつ安全な形で充填することが可能となる。第２の場合（これが特に好ましいのだが）、すなわち、タンクカートリッジとして使用される場合においては、動作の間中、燃料カートリッジが燃料を連続的に燃料電池装置に供給する、というコンパクトな燃料電池装置の実施形を設計することが可能となる。
【００１９】
燃料電池に使用される燃料に関わる潜在的な危険への対応としては、本発明による燃料カートリッジの発展形を用いるのが好ましい。それらは、燃料カートリッジの多重使用を完全になくすか、あるいは、それをより難しくする。さらに、使用に当たって、資格を持った人物による安全チェックを受けさせるようにする。この点において、本カートリッジには、カートリッジ容器装置への挿入プロセスの間、および／または、カートリッジ容器装置からの取り外しの間に損傷を受ける、という安全装置が見られる。ここでいう損傷は、可逆的なものもあれば、不可逆的なものもある。損傷を受けた部品については、修理または交換するしかない。それも、資格のある専門家であればともかく、特に資格のない者が行うとなれば、比較にならないほど大きな手間がかかることになる。
【００２０】
さらに、安全装置については、損傷すればカートリッジの再充填が全く不可能になってしまうような様態で形成することも可能である。また、気体カートリッジの据え付けに関しても、同様の形とすることができる。そのための手段としては、たとえば、挿入段階の間に出口部分においてカートリッジに穴を開けることとし、それによって、カートリッジ単独でなく、挿入されたカーリッジを含むカートリッジ容器装置の組合せで外部に対し密閉される、という形にする。
【００２１】
それとは別に、当該安全装置は、カートリッジからの出し入れの間に、折れたり損傷したりする（たとえば、曲がる）要素を備えている。そうすることで、カートリッジ容器装置内へのカートリッジの交換挿入、及び／又は、カートリッジの再充填は、損傷を受けた要素を損傷のない要素に交換する操作に依存する形となる。そのようにするために、これら要素は非常に複雑な設計となっている。そのため、一般人がこれらを元に戻したり修理したりするとなると、不相応に大きな手間がかかることとなる。さらに、交換プロセスが、その目的のために特に設けられた装置を必要とするという点においても、安全性が確保される。
【００２２】
特に効果的な発展形において、本発明によるカートリッジ容器装置は、保持装置（例えば、ラッチ要素、圧縮ばね、その他）及び／又はガイド装置（例えば、ガイドレール、中心決め要素、その他）を備えるが、これらは全て、カートリッジの出口弁装置とカートリッジ容器装置の開封装置との間のインタフェースが、信頼できる形で、しかも繰返し可能な様態で密封されるように形成される、という結果の実現に貢献し、そしてそれを保証する。
【００２３】
本発明の更なる側面として、上で述べたようなカートリッジ容器装置を少なくとも１台備えた燃料電池装置を提供する。
この種の燃料電池装置は、本発明によるカートリッジを直接用いて動作させることも可能であり、そのために設計を変更する必要はない。つまり、２つ（またはそれより多く）のカートリッジ容器装置を備えた形で、２つ（またはそれより多く）の燃料電池カートリッジを並列に用いることが可能である。そして、その場合、これらカートリッジは、好ましい構成として、１つ１つ順番に空になるまで使用される。それによって、一方の燃料電池カートリッジが交換されている間も、燃料電池装置の動作は維持されることになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
図１および図２は、実質的に概略化された図であるが、本発明の基本的な原理のいくつかを図示している。
図１（ｉ）には、出口セクション１ａを備えた燃料カートリッジ１を示す。カートリッジ１からの燃料の取り出しは当該セクションを介して行われる。
図１（ii）は、図１（ｉ）に図示した燃料カートリッジ１のためのカートリッジ容器装置２を示す。
【００２５】
容器装置２には、容器装置２に挿入された燃料カートリッジ１の安全かつ安定した位置決めを実現する保持装置２ｃが見られる。こうした保持装置２ｃとして、単純ではあるが、にもかかわらず信頼できるというのは、たとえば、バネ式保持フックや渦巻ばねを有する型のものである。
さらに、容器装置２には接続装置２ｂが見られる。これは、流体（具体的には、ここで使用される燃料）が周囲に漏れないような密閉された形で、カートリッジ１の出口１ａと、容器装置２から離れる方向に進む燃料抽出装置２ａ（たとえばパイプ）との間の接続を実現する。接続装置２ｂは、例えば、カートリッジの出口セクションに合わせた形のフランジ（シール手段を含むもの）を備えた連結装置で作ることができる。特に好適な実施の形態では、この接続装置２ｂはさらに、燃料カートリッジを開ける目的にも使用される。これの簡単な実例は、カートリッジ１の出口セクション１ａを貫通する中空のニードルであり、その貫通のタイミングは、押し込まれた際、あるいは、容器装置２の中にカートリッジ１がラッチされ、それによって、カートリッジ１内の燃料貯蔵器と容器装置２から離れる方向に進む燃料ライン２ａとの間に流体接続が実現された際である。
【００２６】
好ましい構成として、カートリッジ容器装置２と燃料カートリッジ１とは共に、相互に一致するガイダンス装置と中心決め装置（図示せず）とを備えるが、これらは、容器装置２内への燃料カートリッジ１の挿入、および、その中でのカートリッジ１の正確な位置決めのために使用される。カートリッジが安全装置を備えている場合、それは、カートリッジ容器装置への挿入段階の間、および／またはカートリッジ容器装置からの取り外し段階の間に、損傷を受けるようにすべきである。そこで、安全装置の形態に応じ、この目的のためにカートリッジ容器装置２内に、この損傷が実現する特別な装置を設けることも可能である。また、それとは別に、この損傷については、上で述べたガイダンス装置および中心決め装置によって、あるいは、開封装置２ｂのような標準的装置によって実現することもできる。
【００２７】
図１（iii）は、図１（ii）のカートリッジ容器装置２を、図１（ｉ）の燃料カートリッジ１がそこに挿入された状態で示している。図１（iii）に図示した状態では、燃料を、燃料カートリッジ１から燃料経路２ａを介して取り出すことができる。
燃料電池システムを制御しながら動作させるためには、供給する燃料流を正確にドーズ計量することが必要となる。
【００２８】
この種のドーズ計量は、図１（iii）の状態から始まって、図２（iii）に図示するような形で実現することができる。
図２（iii）によれば、燃料経路２ａを介して燃料カートリッジから取り出される燃料は、燃料電池システムに供給される燃料流量を制御するドーズ計量装置３を通過する。
ドーズ計量装置３の別の配置方式を、図２（ｉ）と図２（ii）に示す。
【００２９】
図２（ｉ）は、ドーズ計量装置３が統合された型の燃料カートリッジ１を示す。この種のものはさらに、以下のような分けて考えられる。
（ａ）ドーズ計量装置３全体が燃料カートリッジ１のハウジング内部に入っている、すなわち実際の出口１ａの手前に設けられているもの（左側の図）；
（ｂ）ドーズ計量装置３は、燃料カートリッジ１の出口装置１ａに組み込まれているか、あるいは、直接、燃料カートリッジ１の出口装置１ａ上に配置されているもの（右側の図）。
当然、容器装置の側も、これらの各種の形に適合させておく必要がある。
【００３０】
以下の複数の図面において、いくつかの特徴構成部には同一又は等価な対応物が存在しているが、それらを指す参照番号は、同じ値、あるいは、それぞれ１００ずつ増やした値となっている。こうした種類の、構造面及び／又は機能面で対比関係にある特徴部の機能的特性の詳細な説明については、これが先の図面と関連してすでに包括的に説明した事実の繰り返しにしかならない場合は、省略する。
【００３１】
図３は、本発明による燃料カートリッジ１の第１の実施の形態を示す。
カートリッジ１には寸法的に安定した外側ハウジング１ｂが見られる。当該ハウジングの一方の端には密封装置３１１が見られ、前記密封装置が出口１ａを閉じている。ハウジング１ｂ内部には、ハウジングの長手方向軸と平行に走る内部スリーブ３１２が設けられており、当該スリーブは、流体に対して密閉された様態で（すなわち、気体および／または液体に対して密閉された様態で）、出口端部における端部の内側面と、そして、出口端部と反対側のハウジング端部の内側面と接合されている。この場合、内部スリーブ３１２は、たとえばエラストマーから作られた、ベローズとして形成されている。カートリッジ１の内部は、燃料チャンバ１ｃと第２のチャンバ３１３とにさらに分割されており、本実施の形態において、この第２のチャンバは圧力を加えられた気体で満たされている。燃料チャンバ１ｃは仕切り壁３１４によって気体チャンバ３１３から隔絶されており、当該仕切り壁は、カートリッジの長手方向軸に対して垂直に延びており、ベローズ３１２に接合されている。ここで、ベローズ３１２は同様に、加圧気体と燃料との混合を防いでいる。
【００３２】
仕切り壁３１４はエラストマーだけで保持されており、ハウジング１ｂの長手方向に沿って自由に移動することができるので、結果として、燃料チャンバ１ｃの中の燃料は、基本的に気体と同じ圧力を受けることとなる。そのため、密封装置３１１が出口開口部１ａに向けて開けられると、燃料はそこを通過してカートリッジ１から押し出されることになる。
【００３３】
図示した実施の形態では、気体チャンバ３１３内の気体は、特定の値の初期圧力を示し、この圧力は、カートリッジの中身が少なくなるにつれて下がっていく。別の形として、ハウジング１ｂのうち気体チャンバを囲んでいる側の端部に、気体接続と逆止弁とを設けて、カートリッジ１の中身が減るのに平行して気体を供給することもできる。そのようにすれば、気体チャンバ内の気体の圧力を一定値または可変値に維持することができる。
【００３４】
カートリッジ１に使用される素材の種類は、実質的に燃料の化学特性に依存するだけでなく、燃料電池の適用分野にも依存している。外側ハウジング１ｂを金属製にすれば、プラスチック製ハウジングに比べて機械的にも熱的にも安定したものとなる。材料強度が高いので、内部内圧をより高いものにすることができる。外部寸法が同じ場合、得られる内部容積はより大きくなる。これに対して、プラスチックは重量の点で利点を有し、外からの力が穏やかな場合に関しては、寸法的な安定性もより高くなる。
【００３５】
とりわけ、メタノールを燃料とする場合には留意すべき点がある。すなわち、ほとんどのプラスチックは、金属とは対照的に、メタノールに対する透過性を示すが、それは無視できないレベルであり、時に極めて高いレベルになる。
したがって、メタノールを燃料に使用する場合、説明した燃料カートリッジ１の外側ハウジング１ｂの製造については、金属材料を使用する方が好ましい。完全に金属で作られたハウジングのほかに、金属素材や金属コーティングされた素材を含む合成材料を使用することも考えられる。
【００３６】
図４は、本発明による燃料カートリッジに関する別の実施の形態を示す。図３と共通する部分については、図３に示した実施の形態と違いの生じた所でだけ説明する。
カートリッジ１のうち出口側には燃料チャンバ１ｃが見られ、同チャンバ１ｃは、ベローズ４１２と仕切り壁４１４とによってハウジング内部の他の部分から隔てられている。なお、後者は、ベローズ４１２の自由端に永続的な形で結合されている。ベローズ４１２の出口側の端部は、図３で示した実施の形態と同様、ハウジング１ｂの内壁に永続的な形で結合されている。図３とは対照的に、ここでのベローズ４１２は、ハウジング４５１の長手方向全体にわたって延びてはいない。そして、出口側の端部でのみハウジング１ｂの内側に固定されている。
【００３７】
図３における実施の形態では、圧力を受けた気体が、燃料の移動に必要なエネルギーを供給していたのに対し、図４の実施の形態では、この点に関し、渦巻バネ４１５が使用されている。このバネは、ハウジングの一方の端部と仕切り壁４１４との間に、プレテンション（pre-tensioned）状態で設けられている。
出口開口部１ａは、逆止弁４１１によって閉じられているが、これは、出口開口部に沿って挿入することが可能な外部装置によって開けることができる。可能な限り高い中身を使い切るために、仕切り壁４１４の中央には、ピストン形状のふくらみが設けられている。このふくらみの先は渦巻ばね４１５につながっている。また、このふくらみがあることで、仕切り壁４１４と逆止弁４１１とが接触することはない。
【００３８】
図５は、本発明による燃料カートリッジについて、別の実施の形態を示す。
図５の燃料カートリッジ１には、図３で示したものに類似の２重ジャケットが見られる。外側のジャケットは外側ハウジング１ｂによって形成されており、カートリッジに機械的な安定性を与える。一方、内側のジャケット５１２は、実際の燃料チャンバ１ｃを規定している。
【００３９】
次いで、内側ジャケット５１２は、出口のある側ではハウジング１ｂの内側に永続的な形で連結されているが、ハウジングの反対側端部における端は、ハウジングの軸に沿って自由に移動できるようになっている。密封装置５１１を開ければ、出口１ａの方向に燃料チャンバ１ｃの中身を出すことができる。内側ジャケット５１２は弾力を有して、縮めたり折り畳んだりしやすい形に形成されている。内側ジャケットのこうした特性は、以下のような形成法で実現される。すなわち、１つは全体を弾性素材から形成するという方法、もう１つは、弾力を提供する要素と多少とも弾力のある封筒状素材とを組み合わせて作られたベローズという形で形成する方法、である。この実施の形態では、テンションを受けた状態にある渦巻バネが、ベローズ内に挿入されている。それによって、燃料チャンバ１ｃ内の燃料は圧力が加えられた状態になっているため、カートリッジ１が開けられた瞬間、燃料は移動して出口開口部１ａを通過する。
【００４０】
カートリッジ１から中身が出ると、燃料チャンバ１ｃの容積は小さくなるが、ここで内側ジャケットと外側のジャケットとの間に真空ができると、カートリッジの中身を出し切る上で障害となる。そのため、こうした真空ができないようにしなければならない。これとの関係で、外側の包み１ｂの壁に開口部５１６が設けられている。前記開口部は外の環境との間で、気圧の均一化を可能にする。内側ジャケット５１２に損傷が生じて燃料が開口部５１６から外に出る、という事態を確実に防止するためには、逆止弁（図示せず）をこの開口部５１６に取り付けるのがよい。これが何より必要になるのは、燃料が健康に有害な特性を有している場合、あるいは、化学的に活発で、燃料チャンバ５１５のチャンバ壁を通過して拡散する可能性がある場合である。
【００４１】
図３乃至５に示すカートリッジは、中身を出すのに必要な動作がカートリッジ１自体の装置によって提供される、という能動的な種類によるものである。そうして、ここに図示した実施の形態では、この動作は圧力を加えることによって実現される。
図６は、「受動的な」燃料カートリッジ１を示す。「受動的」カートリッジとは、密封装置６１１を開けても、それをきっかけにカートリッジ１が自ら自動的に放出を行う結果にはならない、というものである。さらに言えば、この燃料カートリッジ１は、図２（ｉ）の左側部分に図示した種類の実施の形態を示しており、そこでは、ドーズ計量装置３の主な構成部分は燃料カートリッジ１内に組み入れられている。
【００４２】
カートリッジ１には、実際の燃料チャンバ１ｃと出口１ａとの間に配置された形で、蠕動ポンプインペラ６１７が組み入れられている。ポンプインペラ６１７を回転させれば、中身を出すことができる。そして、これは、液体燃料に作用する引力によって支えられている。したがって、図６に示すカートリッジ１の効果的な動作位置は、出口１ａが底面に向いた状態で縦になっている、というものである。好ましい構成として、ポンプインペラ６１７を動かすモータは、カートリッジ１の構成部品ではなく、カートリッジ１用のカートリッジ容器装置２に内蔵されている。
【００４３】
燃料自体は袋６１２の中に置かれており、この袋の先はカートリッジ１の出口１ｃになっている。ポンプインペラ６１７の周縁部分では、袋６１２は狭まれてチューブ状になっている。そうして、このチューブの径は、可動スライダ６１８によって変更することができる。
反時計回りの方向にポンプインペラ６６０を回転させることで、特定の量の液体が連続的に、燃料チャンバ１ｃから押し出されてチューブ部分に入り、そこから、密閉リップ６１１を備えた出口開口部１ａの所で外に放出される。
【００４４】
燃料流のドーズ計量、すなわち、出口開口部１経由で送り出される体積流の制御は、たとえば、ポンプインペラ６１７の回転数の制御という手段で直接的に行うこともできる。この場合、チューブの径は予め決められた値に定めることが可能であろうし、可動スライド６１８は省略することができるであろう。また、別の形として、ポンプインペラ６１７を一定の回転速度で駆動させることとし、それによって、スライダ６１８をスライドさせてチューブの径を変化させるやり方で体積流を根本的に制御できる、とするのが理想的である。しかしながら、スライダ６１８のスライド移動によって、ポンプインペラ上に無視できない大きさの接触圧が加わり、その結果、ポンプインペラ６１７の回転速度が低下する、という事態も起こりうる。このことは、送り出される体積流のドーズ計量の制御において考慮しなければならない。
【００４５】
カートリッジ１に関する上述の実施の形態は、図３乃至５に示したものよりも複雑であるが、以下のような効果も有している。すなわち、体積流のドーズ計量を簡単にすることができる。別個のドーズ軽量ユニット３が必要ない。また、更なる効果として（図が縮尺図でないためすぐには分からないが）、内部体積の大部分を燃料の保管のために利用することができる。
【００４６】
受動的な燃料カートリッジに関する別の実施の形態を図７に示す。ここに示すのは、また、図２（ii）に図示したのと同じ種類の実施の形態であり、ドーズ計量装置３の基本的な構成部品はカートリッジ容器装置２内に組み入れられている。
図７における燃料カートリッジ１は、カートリッジ容器装置２に挿入されている。図４におけるカートリッジと同様、ここでのカートリッジにはピストン面７１４が見られる。当該ピストン面は、カートリッジの長手方向軸に沿って自由に移動することができ、カートリッジハウジングの出口の側で内側端部に設置されたロール膜７１２と共に燃料チャンバ１ｃを規定している。完全に満たされた状態では、ピストン面７１４は基本的に、出口とは反対の側のハウジング端部に位置している。ピストン面７１４に対して出口方向に沿った力を加えることで、燃料抽出に必要な圧力が、燃料チャンバ１ｃ内に存在する液体燃料に加わることになる。
【００４７】
図示した実施の形態では、ピストンの外側端部に加わる力は、基本的に、カップばね組立て部品７３１によって与えられる。２重スピンドル７３２は、図示していないステッパモータによって駆動されるものであるが、これは、カップばね組立て部品７３１とピストン面７１４との間に設けられて、ピストン移動を制御し、それによって、燃料電池１からの燃料流のドーズ計量を制御する。
【００４８】
図８は、燃料カートリッジとそれに対応するカートリッジ容器装置とに関する別の実施の形態についての関連部分を示す。カートリッジ容器装置の特徴部のうち、カートリッジの操作圧力を提供するものだけを図示してある。
カートリッジ１には、永続的な形でピストンに連結された渦巻バネ８１５によって間隔をあけられた、２つの可動ピストン８１４、８２４が見られる。渦巻バネの軸は、基本的にハウジングの軸に一致する。
【００４９】
自由カートリッジを備えて、図に示す状態では、渦巻バネ８１５は解放されているか、わずかに事前負荷を与えられているだけであり、そのため、燃料チャンバ１ｃの中の燃料は、ほんのわずかに圧力を受けた状態である。
カートリッジ１用の容器装置には、ハンドル８２２によって回転点８２３を中心に回転させることのできるカム８２１が見られる。カートリッジ１が挿入された状態で、ハンドル８２２が操作されてカム８２１が回転すると、ピストン面８２４は、ピストン面８１４の方向に移動する。それによって圧縮された渦巻バネは、次いで、燃料チャンバ１ｃ内にある燃料に圧力を加える。
【００５０】
ここからの図９乃至１２においては、燃料カートリッジ１と燃料抽出装置（図１参照）との間の、燃料を引き出すためのインタフェースの実現に関し、様々な好ましい実施の形態を説明する。
本発明の範囲にあるカートリッジを他と区別する基本的な特徴は、カートリッジから中身を出すためのインタフェースの種類である。
【００５１】
この点に関して、カートリッジの端部におけるインタフェースは、挿入プロセスの間に不可逆的な損傷を受ける、という形で実装することができる。損傷とは、たとえば、キャンプ用品の分野で使われるガスカートリッジのように、カートリッジに穴を開ける、というものである。
また、それとは別に、図９Ａ、図９Ｂに図示するようなインタフェースも可能である。ここに示すのは、挿入の間にニードルの先端２ｂによって穴を開けられる、という隔壁９１１である。この隔壁は弾性特性を有するため、ニードルが引っ込められるとカートリッジは再び閉じる。つまり、この隔壁はほぼ可逆的な密封装置となっている。
【００５２】
これと対照的に、ここから図１０乃至１２に関連付けて説明するインタフェースは、中身を出すプロセスの間に損傷を受けることはなく、したがって、再使用型カートリッジに用いるのが好ましい。こうした種類のカートリッジの場合、まだ使い切っていない状態で中身を出すプロセスを中断して、カートリッジをカートリッジ容器装置から取り外す、という操作をより容易に行うことができる。
【００５３】
図９Ａ、図９Ｂは、インタフェースの第１の好適な実施の形態を示す。
図９Ａは、カートリッジ容器装置２内部にカートリッジ１を挿入するプロセスの開始状態を示す。
カートリッジ１の出口側部分１ａには、ハウジング１ｂに永続的な形で結合されたホルダの中に保持された隔壁９１１が見られる。隔壁９１１のうち中央には、隔壁を貫通する中空ニードル２ｂをより確実にガイドするためのリセスが設けられている。
【００５４】
図９Ｂに示す状況では、挿入プロセスは完了している。この段階では、中空ニードル２ｂは隔壁９１１に穴をあけて、カートリッジ１内に深く進入している。中空ニードルのニードル開口部は燃料タンク１ｃにまで達して、当該ニードル経由で燃料を取り出すことが可能な状態となっている。
ニードル２ｂを介して取り出された燃料は、カートリッジから遠い方のニードル２ｂ端部から流れ出て、燃料抽出装置２ａ（たとえば、フィルタ装置９２５および中間貯蔵器９２６を有するもの）に入る。そして、流体はそこから、介在するドーズ計量ユニット３（図２参照）によって燃料電池装置に供給される。
【００５５】
図９に示すカートリッジ１が他と区別される点は隔壁９１１である。隔壁９１１は、初期状態ではカートリッジによって閉じられているが、ニードル２ｂによって穴を開けられる、すなわち、不可逆的な形で損傷を受ける。しかし、当該隔壁は弾性特性を備えるため、ニードル２ｂが引っ込められると、カートリッジ１は再び閉じることになる。そのため、この種のカートリッジは、いったん装着すれば必ず使い切らなければならない、というものではない。さらに、隔壁がこうした実質的に可逆的な特性を有することにより、中身が一部残った状態で取り外しても、安全性に対する懸念はない。
【００５６】
これに対し、図１０および図１１に示すカートリッジ１の実施の形態は、完全に可逆的な開口部メカニズムを備えており、そのため、図９に示すカートリッジよりも柔軟ではあるが、同時に、その構造は多少複雑になっている。
図１０の燃料カートリッジ１には、当該カートリッジのヘッドの位置に、カートリッジ内部にまで延びる長手方向の穴を備えた出口装置１ａが見られる。この長手方向の穴に対して垂直な方向に、燃料チャンバに通じる側面燃料チャネル１０１９が設けられている。このチャネル１０１９の位置には、長手方向の穴の中にあってバネの作用を受けるスリーブ１０１１が設けられており、当該スリーブは側面チャネル１０１９をふさぐ形となっている。スリーブ１０１１は、バネの力に逆らう形でハウジングにおける反対側端部の方向に移動させることができる。その移動によって側面チャネル１０１９は開かれ、燃料は、燃料チャンバ１ｃから流れ出て、長手方向チャネルに入ることができる。
【００５７】
図１０Ｂは、燃料カートリッジの中身を出す用途の装置を示す。この目的のために、ピストン２ｂが設けられているが、その形状およびサイズは、燃料カートリッジ１の出口セクション１ａに合わされている。図９と関連付けて説明したニードルと同様、このピストン２ｂも内部が中空であり、ピストンに形成された中空のニードルが燃料取り出しに使用される。燃料カートリッジ１の出口セクション１ａにピストン２ｂを押し込むと、ピストンの端部分はスリーブ１０１１に接触し、そこから更に挿入すると、スリーブ１０１１はバネの力に逆らう形で押されることになる。
【００５８】
図に示した状態では、スリーブ１０１１は最終的に、ピストンの中空ニードルが燃料チャンバ１ｃと流体的に接続された状態になる深さまで挿入され、それによって、燃料の取り出しが行えるようになる。
図１１Ａ、図１１Ｂは、燃料カートリッジ１の出口部分１ａの断面と、燃料抽出装置のうちこれに対応する部分の断面とを示している。
【００５９】
図１０に示すカートリッジと同じように、燃料カートリッジ１には側面出口チャネル１１１９が設けられているが、こちらは、対照的に、移動可能な部品（図１０ではスリーブ１０１１）によってではなく、回転ブロック用部品１１１１によって閉じられている。このブロック用部分１１１１には穴が見られるが、この穴は、ブロック用部分１１１１が回転させられることで、側面出口チャネル１１１９につながった状態となる。
【００６０】
ブロック用部分１１１１を回転させるために、Ｔ字形キーの形をした連結装置２ｂが設けられており、これは、出口１ａの長手方向の穴に外部から入れることができ、ブロック用部分にかみ合わせることができる。キー２ｂのうち「Ｔ字」のクロスバーに相当する要素には、貫通チャネル１１２７が見られる。「Ｔ」字のうち縦方向のバーは、キー２ｂを回すためのハンドル１１２２となっている。
【００６１】
ハンドル１１２２を操作してキー２ｂを回すことで、ブロック用部分１１１１が回転し、さらに、回転したブロック用部分１１１１と出口チャネルとが一致すると、カートリッジの口が開くことになる。
燃料経路２ａに面するＴ形部品の端部には、安全性のため、そして戻り流抑制部材として、更にもう１つのブロック用部品１１２８を設けることもできる。その場合、前記ブロック用部品１１２８は、キー２ｂが回転すると、ブロック用部分１１１１と同じタイミングで口が開く。
【００６２】
図１２および図１３は、ドーズ計量装置３の２つの好適な実施の形態を示しているが、これらは、接続装置２ｂがカートリッジを開口させる、という図２（ii）（iii）の原理に従うものである。これらのドーズ計量装置３には、磁気コイル１２３３（図１２）または圧電要素１３３３（図１３）によって操作することのできる弁３ａが見られる。これらの例では、弁３ａは円板弁として形成されている。
【００６３】
円板弁の代わりに、ニードル弁、ダイヤフラム弁、スライド弁などを用いることもできる。さらに、ドーズ計量装置には、ポンプ装置（具体的にはマイクロポンプ）を持たせることもできる。
図１４Ａ、１４Ｂ、そして図１５は、ハウジングＧの区分け（効果的に調整したもの）を示しており、これは、本発明の装置（燃料電池に燃料を供給する働きをするもの）を燃料電池それ自体と一緒に収容できるように設計されている。
【００６４】
ここで、図１４Ａおよび図１４Ｂは、空のハウジングＧ（好適な実施の形態として、３つに区分けされているもの）を、背面図そして正面図として示している。このハウジングには、燃料電池装置を動かすのに必要な全ての装置（燃料電池装置そのものを含む）を収容するコンパートメントを収めることができる。参照記号ＧＢは、燃料電池装置を収容するためのコンパートメントを指し、記号ＧＤはドーズ計量装置を収容するためのコンパートメント、番号２は燃料カートリッジを収容するためのコンパートメント、をそれぞれ指す。簡略化するために、燃料経路その他の設備についてはいっさい図示していない。
【００６５】
図１４Ａには、燃料カートリッジ用コンパートメント２の背面壁を貫通する穴を備えた、円筒形リセス２Ａが見られ、この穴は、本発明の燃料カートリッジが挿入された状態では、その出口と一致する、という形に作られている。このリセスは、たとえば、燃料カートリッジとドーズ計量ユニットとの間で中間貯蔵器として機能することもできる。理解されると思うが、こうした３元的な区分けは１例に過ぎない。図示したものの代わりに他の形の区分けを適用するとしても、そこに発明的活動は不要である。
【００６６】
図１４ＢのハウジングＧの正面図が示すように、カートリッジ用コンパートメント２には、燃料カートリッジの挿入、正確なガイドおよび保持を実現するための各種の要素が見られる：
・ガイド用リブＲ
カートリッジ外壁上の対応するインデントに一致し、カートリッジの正確なガイドを確実にし、側面での逸脱（カートリッジの長手方向軸に対して垂直な方向の遊び）を最小にする；
・渦巻きバネ
図２および後続の図１５に示すもので、バネガイドＦＦによって保持され、ラッチ用フックＨとの組み合わせで、挿入されたカートリッジがカートリッジ長手方向軸の向きに遊びが生じない形で保持されることを保証する。
【００６７】
最後に、図１５は、図１４に示すハウジングを燃料カートリッジ１が挿入された状態で示す透視図である。
実用性に基づいて、２つのバネ２ｃを設けることができる。その位置は、燃料カートリッジ１の出口側端部の外表面上でよいが、図１４Ｂに示したバネガイドＦＦの上とするのが好ましい。
【００６８】
これまでに述べた実施の形態では、燃料タンクが別個に設けられるという構成はなかった。そのようにした場合、燃料カートリッジはタンクカートリッジとして直接的に働き、燃料電池の動作に従って徐々に中身が出て行くことになる。
別の形として、燃料カートリッジは補充カートリッジとして働かせることもでき、これは基本的には、瞬時に中身を出して別の燃料タンクを満たす、というものである。この場合、カートリッジの中身を出すにあたって燃料流を細かくドーズ計量する必要はないので、この種の用途に用いる燃料カートリッジは通常、上述したタンクカートリッジに比べて、より簡単に構成することができる。この種の実施の形態には更に、燃料電池装置を中断なく動作させることができる、という効果があるが、これは、燃料カートリッジの交換が燃料供給の中断につながらないからである。
【００６９】
タンクカートリッジとして用いる場合でも、タンクカートリッジの交換に必要な時間の間だけ燃料電池装置を動作させ続けるのに充分な量の燃料を保存しておける中間貯蔵器が設けられていれば、中断なしに燃料電池装置を動作させ続けることが可能である。この中間貯蔵器については、燃料カートリッジ用容器装置に組み込まれた形とするのが好ましい。また、別の形として、燃料電池装置が、少なくとも２つの燃料カートリッジを並列状態で接続しておくことができる、という形で形成されていれば、この種の中間貯蔵器を備えていない燃料電池装置でも、中断なしに動作させることは可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
更なる説明のために、本発明に関する好適な実施の形態について、添付の図面を参照しながら、以下に述べる。
【図１】本発明による燃料カートリッジ、本発明によるカートリッジ容器装置、そして両者を組み合わせて使用する際の様態を示す概略図である。
【図２】図１に示した本発明による装置と共にドーズ計量装置を使用する際の様態を示す図である。
【図３】本発明による燃料カートリッジの第１の実施の形態を示す図である。
【図４】本発明による燃料カートリッジの第２の実施の形態を示す図である。
【図５】本発明による燃料カートリッジの第３の実施の形態を示す図である。
【図６】本発明による燃料カートリッジの第４の実施の形態を示す図である。
【図７】本発明による燃料カートリッジの第５の実施の形態を示す図である。
【図８】本発明による燃料カートリッジの第６の実施の形態を示す図である。
【図９】本発明によるカートリッジと本発明によるカートリッジ容器装置との間のインタフェース形成に関する第１の実施例を示す図である。
【図１０】この種のインタフェース形成に関する第２の実施例を示す図である。
【図１１】この種のインタフェース形成に関する第３の実施例を示す図である。
【図１２】ドーズ計量装置に関する第１の好適な実施の形態を示す図である。
【図１３】ドーズ計量装置に関する第２の好適な実施の形態を示す図である。
【図１４】燃料電池システムを動作させる装置のためのコンパートメントを備えたハウジングを、カートリッジ用コンパートメントを含んだ形で示す図である。
【図１５】図１４に示すハウジングに挿入された燃料カートリッジを示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【国際調査報告】
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2005510018.tif 000019
2005510018.tif 000020
2005510018.tif 000021
2005510018.tif 000022
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