JP2007257858A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料の残量の把握が容易である燃料電池を提供する。
【解決手段】燃料電池において、燃料タンク３の側面に表示窓７を設け、底面に入射窓８を設ける。また、入射窓８の下方にＬＥＤからなる光源５を設ける。メタノール５０の液面５１における表示窓７に接する領域５２は、メタノール５０の表面張力により、表示窓７に向かってせり上がる。この状態で、光源５を点灯すると、光源５から出射された光Ｌは、入射窓８を透過してメタノール５０内に入射し、液面５１を下方から照明し、領域５２において側方に反射され、表示窓７を通過して燃料タンク３の外部に出射する。この光Ｌを視認することにより、液面５１の識別が容易になる。
【選択図】図４

Description

本発明は、燃料電池に関し、より詳細には、燃料を外部から視認できる燃料電池に関する。

ノート型パーソナルコンピュータ、小型オーディオプレーヤ及びワイヤレスヘッドセットなどの小型電子機器の電源として、メタノールなどを燃料とした燃料電池が実用化されつつある。このメタノール燃料電池（ＤＭＦＣ:Direct Methanol Fuel Cell）は、自発呼吸型の燃料電池である。即ち、この燃料電池には、燃料を保持する燃料タンク及び発電を行う発電部が設けられており、メタノールが燃料タンクから発電部まで毛細管現象又は拡散現象等によって自発的に移動するようになっている。一方、発電部には大気中から酸素が取り込まれるようになっている。そして、発電部は、メタノール及び酸素から水及び二酸化炭素を生成する過程で電力を生成する。また、上述のような燃料電池において、燃料の残量を視認しやすいように、燃料を着色する技術も開示されている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００４−１３４３５５号公報

本発明は、燃料の残量の把握が容易である燃料電池を提供することを目的とする。

本発明の一態様によれば、
燃料を保持する燃料タンクと、
前記燃料タンクから供給された前記燃料を酸素と反応させて電力を生成する本体部と、
を備え、
前記燃料タンクは、
タンク本体と、
前記タンク本体に設けられ外部から視認可能な表示窓と、
を有し、
前記燃料の液面における前記表示窓に接する領域は、前記燃料の液面に対して前記燃料のある側から照明されることを特徴とする燃料電池が提供される。

本発明によれば、燃料の残量の把握が容易である燃料電池を実現することができる。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
先ず、本発明の第１の実施形態について説明する。
図１は、本実施形態に係る燃料電池を示す断面図であり、
図２は、図１に示すＡ−Ａ’線による断面図である。なお、図２においては、便宜上、メタノールは図示を省略している。
また、図３は、本実施形態に係る燃料電池を示す正面図である。
図４は、本実施形態の作用を示す断面図である。
本実施形態に係る燃料電池は、例えば燃料としてメタノールを使用する直接型燃料電池である。

本実施形態に係る燃料電池１においては、燃料電池１の外殻をなす筐体２が設けられており、筐体２の内部には、燃料タンク３、本体部４及び光源５が設けられている。そして、筐体２の側面には開口部２ａが形成されている。燃料タンク３は、例えばメタノール５０等の液体燃料を保持するものである。燃料タンク３は、筐体２に対して固定的に設置されており、外部からメタノールが適時補充されるようになっている。また、本体部４は、燃料タンク３から供給されたメタノールを酸素と反応させて電力を生成する発電部分である。本体部４において発電された電力は、筐体２の外面に設けられた端子（図示せず）を介して、外部に供給されるようになっている。

燃料タンク３においては、例えば直方体の容器形状を持つタンク本体６が設けられており、このタンク本体６の側面の一部に表示窓７がはめ込まれている。表示窓７は透明材料により形成された板材であり、例えば、ＰＭＭＡ（Poly Methyl Methacrylate：ポリメチルメタクリレート（アクリル樹脂））により形成され、その両面が平坦な板材である。表示窓７は、筐体２の開口部２ａに面しており、燃料電池１の外部から、開口部２ａを介して視認できるようになっている。また、タンク本体６の底面の一部には、入射窓８がはめ込まれている。入射窓８も透明材料により形成された板材であり、例えば、ＰＭＭＡにより形成されている。

また、光源５は、例えば、ＬＥＤ（Light Emitting Diode：発光ダイオード）により構成されており、燃料タンク３の入射窓８の直下に配置されている。光源５は、入射窓８を介して燃料タンク３内に保持されたメタノール５０（図４を参照）を下方から照明し、メタノール５０の液面５１（図４を参照）における表示窓７に接する領域を照明するものである。

更に、筐体２における開口部２ａの側方に位置する部分であって、燃料電池１の外部から表示窓７と同時に視認可能な部分には、表示部９が設けられている。表示部９は、液面５１の位置を認識する際の基準、例えば、目盛り及び数字が印刷された表示板である。使用者は、液面５１の位置を表示部９の表示内容と対応させることにより、燃料タンク３内のメタノール５０の残量を正確に把握することができる。

次に、本実施形態の作用について図４を用いて説明する。。なお、図４においては、図を簡略化するために、燃料タンク３、光源５及びメタノール５０のみを図示している。
燃料タンク３にメタノール５０を注入すると、メタノール５０の表面張力により、メタノール５０の液面５１における燃料タンク３の内壁に接する領域は、その表面張力によって、燃料タンク３の内壁に向かってせり上がる。このとき、液面５１における表示窓７に接する領域５２も、表示窓７に向かってせり上がる。

この状態で、光源５を点灯すると、光源５から出射された光Ｌは、入射窓８を透過してメタノール５０内に入射し、メタノール５０内を透過して液面５１を下方から照明する。このとき、液面５１における燃料タンク３の内壁に接する領域以外の領域においては、液面が水平であるため、光は液面５１に対してほぼ垂直な方向から入射することになる。従って、この光は液面５１において反射されずに、そのまま上方に抜けていく。この光は、燃料タンク３の内壁で乱反射して表示窓７を通過する僅かな光を除けば、燃料タンク３の外部に漏洩することはない。

これに対して、液面５１における燃料タンク３の内壁に接する領域においては、液面５１が燃料タンク３の内壁に向かってせり上がっているため、光は液面５１の垂直方向に対して傾斜した方向から入射することになる。このため、この光は液面５１にて反射されて、燃料タンク３の内壁に向かう。そして、表示窓７に接する領域５２においては、光Ｌは表示窓７に向かい、表示窓７を通過して燃料タンク３の外部に出射し、更に筐体２の開口部２ａ内を通過して燃料電池１の外部に向かう。なお、メタノール５０内を通過して表示窓７に直接到達した光は、表示窓７により全反射されるため、燃料タンク３の外部に漏洩することはない。

この結果、図４に示すように、使用者がその眼６１を表示窓７が視認可能となる位置に位置させて表示窓７を見ると、表示窓７のうち、メタノール５０の液面５１に相当する領域２２は発光して見え、その下方の領域２１及び上方の領域２３は、領域２２よりも暗く見える。この結果、使用者は液面５１の位置を容易に識別することができ、この液面５１の位置を表示部９の表示内容と見比べることにより、燃料（メタノール５０）の残量を正確に把握することができる（領域２１〜２３については図３を参照）。
なお、仮に液面５１が下方から照明されることがないと、領域２１〜２３の明るさはほぼ等しく、またメタノール５０は透明であるため、使用者が表示窓７を介して液面５１を視認することは極めて困難である。

次に、本実施形態の効果について説明する。
本実施形態によれば、燃料タンク３に入射窓８及び表示窓７が設けられており、入射窓８から燃料タンク３内に入射した光がメタノール５０の液面５１の領域５２に到達し、この光が領域５２において反射されて表示窓７を介して燃料タンク３の外部に出射することにより、使用者は液面５１を容易に視認することができる。

また、本実施形態によれば、入射窓８の下方に光源５が設けられているため、領域５２を一定の光量で安定して照明することができる。これにより、使用者は確実に液面５１を視認することができる。なお、光源５が出射する光の色は特に限定されず、識別が容易な色であればよい。例えば、燃料電池の意匠性の観点から決定してもよく、例えば、適当な周期で色が変化するようにしてもよい。

更に、本実施形態によれば、表示窓７の近傍に表示部９が設けられているため、使用者は液面５１の位置を表示部９の表示内容と比較することにより、液面５１の位置を正確に認識することができ、この結果、メタノール５０の残量を定量的に把握することができる。

次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
図５は、本実施形態に係る燃料電池を示す断面図である。図５は、燃料電池を上方から見た断面図であり、第１の実施形態における図２に相当する図である。
本実施形態に係る燃料電池１１においては、表示窓１７の内面、即ち、燃料タンク１３の内部に面した表面に、複数本の溝１２が形成されている。そして、水平断面、即ち、溝１２が延びる方向に対して直交する断面における溝１２の形状は三角形状であり、例えば二等辺三角形状である。すなわち、溝１２の幅は、表示窓１７の外面に近づくほど狭くなっている。また、溝１２同士は相互に接している。このため、溝１２間は、その稜線が垂直方向に延びる三角形状（プリズム形状）の凸部となっている。

更に、表示窓１７を形成する材料の屈折率をｎとし、溝１２の側面１２ａ及び１２ｂが表示窓１７の外面１７ａに対してなす角度をθとするとき、下記数式（１）が成立する。なお、外面１７ａとは、表示窓１７における燃料タンク１３の外部に面した表面をいう。
θ≧ｓｉｎ^−１（１／ｎ） （１）

例えば、表示窓１７を形成する材料がＰＭＭＡである場合、その屈折率は１．４９であるため、θ≧４２．２度となる。角度θは例えば４５度であり、従って、溝１２及び凸部の断面形状は直角二等辺三角形である。
本実施形態における上記以外の構成は、前述の第１の実施形態と同様である。

次に、本実施形態の動作について説明する。
図６は、本実施形態における表示窓と液面とが接する領域を示す斜視図であり、
図７は、本実施形態における表示窓と液面とが接する領域を示す部分断面図であり、
図８（ａ）及び（ｂ）は、外部から表示窓に入射した光の挙動を示す光学モデル図であり、（ａ）は表示窓の内面に空気が接している場合を示し、（ｂ）は表示窓の内面にメタノールが接している場合を示す。

図６に示すように、本実施形態に係る燃料電池１１において、燃料タンク１３内にメタノール５０を注入すると、メタノール５０の液面５１における表示窓１７に接する領域５２は、メタノール５０の表面張力によって表示窓１７に向かってせり上がると共に、溝１２による毛細管現象によってもせり上がる。即ち、溝１２内においては、表面張力の作用と毛細管現象の作用とが重畳し、液面５１が大きくせり上がる。このため、図７に示すように、溝１２の最奥部１２ｃにおける液面５１の高さは、溝１２間の凸部の稜線１２ｄに接する液面５１の高さよりも高くなる。このように、表示窓１７の内面に溝１２を形成すると、溝１２を形成しない場合と比較して、液面５１のせり上がり高さｈが増加する。この結果、発光する領域２２（図３参照）の幅が増大し、視認性がより向上する。

また、上述の如く、溝１２の側面１２ａ及び１２ｂが表示窓１７の外面１７ａに対してなす角度θは上記数式（１）を満たしているため、スネルの法則により、燃料タンク１３の外部から表示窓１７に入射する光であって、外面１７ａに対して垂直な方向から入射する光（以下、「外光」という）の挙動は、表示窓１７の内面が空気に接しているかメタノールに接しているかにより、異なった挙動を示す。

即ち、図８（ａ）に示すように、表示窓１７の内面が空気に接している場合は、外光の一部は表示窓１７の内面における溝１２の側面１２ｂにおいて全反射し、この全反射した光が表示窓１７内を通過して隣の溝１２の側面１２ａにおいて全反射し、表示窓１７の外面１７ａに向かって進行し、外面１７ａから燃料タンク１３の外部に向けて出射する。また、外光の残部は、溝１２の側面１２ａにより全反射し、この光が隣の溝１２の側面１２ｂによって全反射して、外部に向けて出射する。このように、外光は相互に隣接する２つの溝１２によって２回全反射し、外部に向けて出射する。

一方、図８（ｂ）に示すように、表示窓１７の内面がメタノールに接している場合は、メタノールの屈折率（１．３３）は表示窓１７の屈折率（１．４９）に近いため、外光は側面１２ａ及び１２ｂにおいて反射することなく、燃料タンク１３内に入射する。
このため、使用者が表示窓１７を見たときに、領域２１と領域２３（図３参照）とは、明るさ等の見え加減が異なる。これにより、使用者は、領域２１及び２３を明確に識別することにより、それらの境界部に位置する領域２２をより明確に識別することができる。

このように、本実施形態によれば、領域２２の識別がより容易になり、燃料の残量をより容易に把握することができる。但し、領域２２の幅を細くして、燃料の残量を精度よく目測できるようにするためには、前述の第１の実施形態の方が好ましい。本実施形態における上記以外の動作及び効果は、前述の第１の実施形態と同様である。

次に、本第２の実施形態の変形例について説明する。
図９（ａ）〜（ｃ）は、本変形例における表示窓を示す断面図である。図９は、表示窓を上方から見た図であり、図示の上側が燃料タンクの内側に相当し、図示の下側が燃料タンクの外側に相当する。

本変形例においては、表示窓として、図９（ａ）に示す表示窓３１が設けられている。表示窓３１の内面には複数本の溝３２が相互に平行に形成されており、溝間の凸部３３の外縁は、溝３２の長手方向から見て、半円形状となっている。
または、表示窓として、図９（ｂ）に示す表示窓３４が設けられていてもよい。表示窓３４の内面には複数本の三角形状の溝３５が相互に平行に形成されており、溝３５間の凸部３６の形状は、溝３５の長手方向から見て、余弦曲線形状となっている。
または、表示窓として、図９（ｃ）に示す表示窓３７が設けられていてもよい。表示窓３７の内面には複数本の三角形状の溝３８が相互に平行に形成されている。溝３８同士は相互に離隔しており、溝３８間は平坦部３９となっている。これにより、溝３８間の凸部の形状は、溝３８の長手方向から見て、台形状となっている。

本変形例においては、内面に溝が形成された表示窓が設けられているため、この表示窓の近傍において、毛細管現象を利用してメタノールの液面をせり上げることができる。これにより、液面の識別を容易にすることができる。本変形例における上記以外の構成、動作及び効果は、前述の第２の実施形態と同様である。

次に、本発明の第３の実施形態について説明する。
図１０は、本実施形態における燃料タンクを示す斜視図である。
本実施形態に係る燃料電池においては、燃料タンクとして、カートリッジ式の燃料タンク４３が設けられている。燃料タンク４３はその全体が透明材料、例えばＰＭＭＡにより形成されている。また、燃料タンク４３の形状は円筒形であり、その内面の全面には、燃料タンク４３の軸方向に延びる溝４４が複数本形成されている。溝４４が延びる方向に直交する断面において、溝４４の形状は三角形状である。また、溝４４同士は相互に接しており、溝４４間はその断面が三角形状の凸部となっている。

燃料タンク４３は燃料電池の筐体２（図１参照）に対して着脱自在となっており、筐体２内に装着されているときは、その中心軸が延びる方向が垂直方向になるように配置され、筐体２の開口部２ａを介してその側面が視認できるようになっている。また、燃料タンク４３内に貯蔵された燃料の液面は、燃料タンク４３の底面を介して、光源５（図１参照）によって照明される。
本実施形態によれば、燃料タンク４３をどの方向から見ても、燃料の液面を視認でき、燃料の残量が容易に把握できる。本実施形態における上記以外の構成、動作及び効果は、前述の第２の実施形態と同様である。

なお、上述の各実施形態においては、表示窓及び入射窓を形成する材料をＰＭＭＡとする例を示したが、本発明はこれに限定されず、使用する燃料に対して化学的な耐性を有する透明材料であれば、表示窓及び入射窓の材料として使用することができる。但し、前述の第２及び第３の実施形態のように、表示窓の内面に溝を形成し、空気と燃料との屈折率の違いを利用して液面の視認性をより一層向上させる場合には、表示窓を形成する材料の屈折率は、燃料の屈折率に近いことが好ましい。これにより、表示窓と燃料との界面では光が反射されにくくなるため、外光が反射されやすい表示窓と空気との界面との間で、見え加減を異ならせることができる。

表１に、燃料としてメタノールを使用する場合を想定して、表示窓の材料として好適な材料をその屈折率と共に示した。また、表１には、数式「θ_０＝ｓｉｎ^−１（１／ｎ）」を満たす角度θ_０の値も示した。上述の角度θがこの角度θ_０以上であれば、表示窓の内面において外光を反射することができる。更に、表１には、参考としてその屈折率がメタノールと等しい材料（「メタノール相当材料」という）を使用した場合の角度θ_０の値も示した。なお、表１に示す「サイトップ（登録商標）」とは、旭硝子株式会社製の非晶質フッ素ポリマー材料である。

また、前述の第２の実施形態及びその変形例並びに第３の実施形態においては、表示窓の内面に形成される溝の断面形状を三角形状とする例を示した。しかし、表示窓の内面に形成される溝は三角形状の溝に限定されず、水平面に対して傾斜した方向に延び、その幅がある程度細い溝であれば、毛細管現象によって液面を上昇させることができる。

更に、燃料電池に光源５の点灯／消灯を切り替えるスイッチを設け、必要なときだけ光源５を点灯するようにしてもよい。これにより、光源５を点灯させるための電力を節約することができる。また、このスイッチは、燃料電池が搭載される電子機器によって切り替えられるようになっていてもよい。

更にまた、燃料電池に光源を設けず、この燃料電池が搭載される電子機器に設けられた光源によって、液面を照明してもよい。又は、外部から導入した光によって、液面を照明してもよい。外光を利用する場合には、例えば、筐体２の開口部２ａを下方に拡げ、又は新たな開口部を形成し、この開口部から外光を取り込んで入射窓８に導入し、液面を下方から照明してもよい。このとき、入射窓８の下方に鏡、プリズム又はレンズ等を配置し、外光を効率よく取り込むようにしてもよい。これにより、燃料電池のコストを低減すると共に、光源を点灯させるための電力を節約することができる。

更にまた、燃料もメタノールに限定されず、液体燃料を使用するタイプの燃料電池であれば、本発明を好適に適用できる。また、筐体２の開口部２ａに、透明板を設けてもよい。本発明の燃料電池を構成する各要素の材質、サイズ、形状、配置関係などについては、当業者が適宜変更を加えたものであっても、本発明の要旨を包含する限りにおいて本発明の範囲に包含される。

（試験例１）
本試験例１においては、前述の第１の実施形態の効果、即ち、表面張力によってせり上がった燃料の液面を下方から照明することにより、液面の識別が容易になるという効果を検証した。
図１１は、試験例１の試験方法及び試験結果を示す写真である。
メスシリンダー７１にエタノール７２を注入し、このエタノール７２を光源（図示せず）により下方から照明した。この結果、エタノール７２の液面７３において、発光領域７４が認められた。このため、液面７３の識別が容易であった。

（試験例２）
本試験例２においては、前述の第２の実施形態の効果、即ち、表面張力及び毛細管現象によってせり上がった燃料の液面を下方から照明することにより、液面の識別がより一層容易になるという効果を検証した。
図１２は、本試験例２の試験方法を示す上面図であり、
図１３は、液面のせり上がりを示す写真であり、
図１４は、試験例２の試験結果を示す写真である。

図１２に示すように、シャーレ８１内にエタノール８２を注入すると共に、シャーレ８１内にＷ字形に折り曲げた透明樹脂板８３を載置した。このとき、透明樹脂板８３を、上方から見てＷ字形状に見え、その下部がエタノール８２内に浸漬され、上部が空気中に露出するように配置した。
この結果、図１３に示すように、透明樹脂板８３を折り曲げることにより形成された三角形状の凹部の最奥部８４においては、エタノール８２の液面が数ミリメータ程度せり上がり、位置８５に到達した。
次に、このシャーレ８１の下方に光源（図示せず）を配置し、この光源から出射する赤色の光により、エタノール８２の液面を下方から照明した。この結果、図１４に示すように、エタノール８２の液面における透明樹脂板８３の凹部に接する領域において、発光領域８６が認められた。発光領域８６の高さ方向の幅は、図１１に示す発光領域７４の高さ方向の幅よりも大きく、従って、視認性がより良好であった。

なお、上述の試験例１及び２においては、燃料としてエタノールを使用したが、エタノールの特性はメタノールの特性と類似しており、燃料としてメタノールを使用した場合においても、試験例１及び２と同様な結果が得られるものと予想される。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池を示す断面図である。 図１に示すＡ−Ａ’線による断面図である。 本実施形態に係る燃料電池を示す正面図である。 本実施形態の作用を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池を示す断面図である。 本実施形態における表示窓と液面とが接する領域を示す斜視図である。 本実施形態における表示窓と液面とが接する領域を示す部分断面図である。 （ａ）及び（ｂ）は、外部から表示窓に入射した光の挙動を示す光学モデル図であり、（ａ）は表示窓の内面に空気が接している場合を示し、（ｂ）は表示窓の内面にメタノールが接している場合を示す。 （ａ）〜（ｃ）は、第２の実施形態の変形例における表示窓を示す断面図である。 本発明の第３の実施形態における燃料タンクを示す斜視図である。 試験例１の試験方法及び試験結果を示す写真である。 試験例２の試験方法を示す上面図である。 液面のせり上がりを示す写真である。 試験例２の試験結果を示す写真である。

符号の説明

１、１１ 燃料電池、２ 筐体、２ａ 開口部、３、１３、４３ 燃料タンク、４ 本体部、５ 光源、６ タンク本体、７、１７、３１、３４、３７ 表示窓、８ 入射窓、９ 表示部、１２、３２、３５、３８、４４ 溝、１２ａ、１２ｂ 側面、１２ｃ 最奥部、１２ｄ 稜線、１７ａ 外面、２１、２２、２３ 領域、３３、３６ 凸部、３７ 平坦部、５０ メタノール、５１ 液面、５２ 領域、６１ 眼、７１ メスシリンダー、７２ エタノール、７３ 液面、７４ 発光領域、８１ シャーレ、８２ エタノール、８３ 透明樹脂板、８４ 最奥部、８５ 位置、８６ 発光領域、
ｈ 液面のせり上がり高さ、Ｌ 光

Claims (9)

1. 燃料を保持する燃料タンクと、
   前記燃料タンクから供給された前記燃料を酸素と反応させて電力を生成する本体部と、
   を備え、
   前記燃料タンクは、
   タンク本体と、
   前記タンク本体に設けられ外部から視認可能な表示窓と、
   を有し、
   前記燃料の液面における前記表示窓に接する領域は、前記燃料の液面に対して前記燃料のある側から照明されることを特徴とする燃料電池。
2. 前記表示窓に接する領域を照明する光源をさらに備えたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
3. 前記光源は、前記本体部において生成された電力により光を放出することを特徴とする請求項２記載の燃料電池。
4. 前記燃料タンクは、前記タンク本体に設けられた入射窓を有し、前記表示窓に接する領域は、前記入射窓から入射された光によって照明されることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
5. 前記表示窓の内面に、溝が形成されてなることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
6. 前記溝の幅は、前記表示窓の外面に近づくほど狭くなっていることを特徴とする請求項５記載の燃料電池。
7. 前記溝の長手方向に直交する断面形状は、三角形状であることを特徴とする請求項６記載の燃料電池。
8. 前記表示窓を形成する材料の屈折率をｎとし、前記溝の側面が前記表示窓の外面に対してなす角度をθとするとき、
   
   θ≧ｓｉｎ^−１（１／ｎ）
   
   なる条件が成立することを特徴とする請求項５記載の燃料電池。
9. 前記燃料の液面の位置を認識する際の基準が表示された表示部をさらに備えたことを特徴とする請求項８記載の燃料電池。