JP2010251225A - 燃料電池用燃料タンクおよび燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】信頼性の高い内部圧力制御が可能で、かつ、生産性の向上および燃料電池の一層の小型化を図ることができる燃料電池用燃料タンク、およびそのような燃料タンクを用いた燃料電池を提供する。
【解決手段】燃料電池用燃料タンク５は、液体燃料を収容するタンク本体５１と、このタンク本体５１に設けられた内圧排出路／外気導入路と、通常は内圧排出路／外気導入路を閉塞し、タンク本体の内圧が上昇したときに選択的に内圧排出路／外気導入路を開放する弁体５０２／５０７とを具備し、弁体５０２／５０７は、タンク本体５１の外表面より内側で内圧排出路／外気導入路を閉塞するものである。燃料電池１は、燃料電池用燃料タンク５１を具備する。
【選択図】図７

Description

本発明は、液体燃料を収容する燃料電池用燃料タンク、およびこれを用いた燃料電池に関する。

近年、ノートパソコンや携帯電話等の各種携帯用電子機器を長時間充電なしで使用可能とするために、これら携帯用電子機器の電源に燃料電池を用いる試みがなされている。燃料電池は燃料と空気とを供給するだけで発電することができ、燃料を補給すれば連続して長時間発電することができる。このため、燃料電池を小型化できれば、携帯用電子機器の電源として極めて有利なシステムといえる。

特に、エネルギー密度の高いメタノール燃料を用いた直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ：ｄｉｒｅｃｔ ｍｅｔｈａｎｏｌ ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ）は小型化が可能であり、さらに燃料の取り扱いも容易であるため、携帯機器用の電源として有望視されている。ＤＭＦＣにおける燃料の供給方式としては、気体供給型や液体供給型等のアクティブ方式、また燃料タンク内の液体燃料を燃料電池内で気化させて燃料極に供給する内部気化型のパッシブ方式が知られている。

これらのうち、パッシブ方式はＤＭＦＣの小型化に対して有利である。パッシブ方式のＤＭＦＣでは、例えば燃料タンク内のメタノール燃料を燃料含浸層や燃料気化層等を介して気化させて燃料極に供給している（例えば、特許文献１、２参照。）。

ところで、上記燃料タンクにおいては、発電に伴うメタノール燃料の減少により、内部の圧力が低下する。燃料タンク内の圧力が低下すると、燃料電池セル側がほぼ大気圧となっているため、燃料電池セルへの燃料供給量が減少し、十分な出力が得られないおそれがある。また、逆に、使用時の温度上昇等により、メタノール燃料が蒸発して、内部の圧力が過度に上昇することがある。燃料タンク内の圧力が過度に上昇すると、破損や燃料漏れ等が発生しやすくなり、燃料電池の信頼性が低下する。

この問題に対処して、例えば、燃料タンク内の圧力が低下したときに外気を導入する機構および／または燃料タンク内の圧力が上昇したときにその圧力を逃がす機構を設けた燃料電池が提案されている（例えば、特許文献３、４参照。）。しかし、これらの外気を導入したり、圧力を逃がしたりする機構は、構成が複雑で、かつ燃料タンクと別体に形成されており、信頼性や生産性の観点から、さらには、燃料電池の小型化の観点からも、必ずしも満足できるものではなかった。

特許第３４１３１１１号公報 国際公開第２００５／１１２１７２号パンフレット 特開２００８−２１８０１２号公報 特開２００８−２４３７９７号公報

本発明の目的は、信頼性の高い内部圧力制御が可能で、かつ、生産性の向上および燃料電池の一層の小型化を図ることができる燃料電池用燃料タンク、およびそのような燃料タンクを用いた燃料電池を提供することにある。

本発明の一態様に係る燃料電池用燃料タンクは、液体燃料を収容するタンク本体と、このタンク本体に設けられた内圧排出路と、通常は前記内圧排出路を閉塞し、前記タンク本体の内圧が上昇したときに選択的に前記内圧排出路を開放する弁体とを具備し、前記弁体は、前記タンク本体の外表面より内側で前記内圧排出路を閉塞するものであることを特徴としている。

本発明の一態様に係る燃料電池用燃料タンクは、液体燃料を収容するタンク本体と、このタンク本体に設けられた外気導入路と、通常は前記外気導入路を閉塞し、前記タンク本体の内圧が低下したときに選択的に前記外気導入路を開放する弁体とを具備し、前記弁体は、前記タンク本体の外表面より内側で前記外気導入路を閉塞するものであることを特徴としている。

本発明の一態様に係る燃料電池用燃料タンクは、液体燃料を収容するタンク本体と、このタンク本体に設けられた内圧排出路および外気導入路と、通常は前記内圧排出路を閉塞し、前記タンク本体の内圧が上昇したときに選択的に前記内圧排出路を開放する弁体（Ｉ）と、通常は前記外気導入路を閉塞し、前記タンク本体の内圧が低下したときに選択的に前記外気導入路を開放する弁体（II）とを具備し、前記弁体（Ｉ）および（II）は、前記タンク本体の外表面より内側で前記内圧排出路および前記外気導入路をそれぞれ閉塞するものであることを特徴としている。

また、本発明の一態様に係る燃料電池は、上記の燃料電池用燃料タンクと、前記燃料電池用燃料タンクから供給される燃料によって発電動作する起電部とを具備することを特徴としている。

本発明の一態様に係る燃料電池用燃料タンクによれば、従来に比べ、必要な部品点数を少なくすることができ、また、燃料漏れのおそれを低減することができる。これにより、信頼性の高い内部圧力制御が可能となり、また、生産性を高め、かつ生産コストを低減することができる。さらに、燃料電池のさらなる小型化を図ることができる。

また、本発明の一態様に係る燃料電池によれば、上記のような特性を備えた燃料電池用燃料タンクを備えるので、起電部への燃料の供給が安定化し、出力特性を向上させることができる。

本発明の一実施形態による燃料電池の構成を示す断面図である。 燃料分配機構の一例を示す斜視図である。 図１の燃料電池に使用されている燃料タンクを示す側面図である。 図３に示す燃料タンクを他の側面から示した図である。 図３に示す燃料タンクを下面側から示した図である。 図３に示す燃料タンクの一部を分解して示す斜視図である。 図３のVII−VII線に沿う断面図である。 図７の要部を拡大して示す断面図である。 図８に示す燃料タンクの第１の内圧調整機構を拡大して示す断面図である。 図９に示す第１の内圧調整機構の使用状態を説明する断面図である。 第１の内圧調整機構の一変形例を示す断面図である 図１１に示す第１の内圧調整機構の使用状態を説明する断面図である。 第１の内圧調整機構の他の変形例を示す断面図である 図１３に示す第１の内圧調整機構の使用状態を説明する断面図である。 第１の内圧調整機構のさらに他の変形例を示す断面図である 図１５に示す第１の内圧調整機構の使用状態を説明する断面図である。 図３に示す燃料タンクの第２の内圧調整機構を拡大して示す断面図である。 図１７に示す第２の内圧調整機構の使用状態を説明する断面図である。

以下、本発明を実施するための形態について説明する。なお、説明は図面に基づいて行うが、それらの図面は単に図解のために提供されるものであって、本発明はそれらの図面により何ら限定されるものではない。また、以下の図面の記載において、共通する部分もしくは略同様の機能を有する部分には、同一符号を付している。

図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池の構成を示す断面図である。図１に示す燃料電池１は、起電部を構成する燃料電池セル２と、この燃料電池セル２に燃料を供給する燃料供給機構３とを有している。燃料供給機構３は、例えば図２に示すような燃料分配機構４と、液体燃料を収容する燃料タンク５と、これらの燃料分配機構４と燃料タンク５とを接続する流路６と、この流路６に配置されるポンプ７とを有している。

まず、燃料供給機構３を構成する燃料タンク５について説明する。
この燃料タンク５には、液体燃料としてメタノール燃料が収容される。メタノール燃料としては、各種濃度のメタノール水溶液や純メタノールが用いられる。メタノール燃料は、燃料電池セル２の構成や特性等に応じて適宜選択されるものである。液体燃料は必ずしもメタノール燃料に限られるものではなく、例えばエタノール水溶液や純エタノール等のエタノール燃料、プロパノール水溶液や純プロパノール等のプロパノール燃料、グリコール水溶液や純グリコール等のグリコール燃料、ジメチルエーテル、ギ酸、その他の液体燃料であってもよい。いずれにしても、燃料タンク５には、燃料電池セル２に応じた液体燃料が収容される。

燃料タンク５は、図３〜図９に示すように、液体燃料を収容する箱状容器からなるタンク本体５１と、このタンク本体５１の一側面側に略並列するように設けられた３つの機構、すなわち、第１および第２の内圧調整機構５２、５３と、接続機構（燃料カートリッジ接続機構）５４とを有している。なお、図３は、燃料タンク５を３つの機構５２、５３、５４が設けられた側面側から示した図であり、図４は、燃料タンク５を図３の側面に直交する側面から示した図であり、図５は、燃料タンク５を下面側から示した図である。また、図６は、燃料タンク５の一部を分解して示す斜視図であり、図７は、図３のVII−VII線に沿う断面図である。さらに、図８は、図７の要部を拡大して示す断面図であり、図９は、図７の要部をさらに拡大して示す断面図である。

タンク本体５１は、全体が耐メタノール性を有する透明樹脂により形成されている。耐メタノール性を有する透明樹脂でタンク本体５１を形成することにより、メタノール燃料に対する耐久性や信頼性を良好に保つことができる。また、タンク本体５１全体が耐メタノール性を有する透明樹脂で形成された燃料タンク５によれば、その内部のメタノール燃料の残量を外部から確実に目視することが可能となる。

タンク本体５１を構成する透明樹脂の耐メタノール性に関しては、ＪＩＳ Ｋ ７１１４の「プラスチックの耐薬品性試験方法」に準拠する純メタノールの浸漬試験において、質量変化率が０．３％以下、長さ変化率が０．５％以下、厚さ変化率が０．５％以下を満足することが好ましい。各変化率の値が上記した値を超えると、タンク本体５１にメタノール燃料を収容して実用に供した際に、タンク本体５１に溶解やストレスクラッキング等が生じるおそれがある。タンク本体５１に溶解やストレスクラッキング等が生ずると、タンク本体５１の実用的な耐久性や信頼性を維持することができない。

また、タンク本体５１を構成する透明樹脂の透明性に関しては、ＪＩＳ Ｋ ７１０５−１９８１の「プラスチックの光学的特性試験方法」に準拠する光線透過率測定試験において、光線透過率が８５％以上であることが好ましい。光線透過率が８５％未満の場合にはタンク本体５１内の燃料残量の視認性が低下し、タンク本体５１内のメタノール燃料の残量を外部から目視で確認することができるという特性が損なわれることになる。

タンク本体５１を構成する透明樹脂は、さらに耐衝撃性および耐熱性に優れるものであることが好ましい。耐衝撃性および耐熱性に優れる透明樹脂でタンク本体５１を構成することによって、実用時のタンク本体５１の内圧変化や温度変化に対する信頼性を高めることができる。

透明樹脂の耐衝撃性に関しては、ＡＳＴＭ Ｄ ６３８に準拠して測定される引張り強さが４５ＭＰａ以上であることが好ましい。引張り強さが４５ＭＰａ未満の場合には、実用時、タンク本体５１の内圧が変化した際に、第１および第２の内圧調整機構５２、５３や接続機構５４が設けられた部分が破損するおそれがある。なお、前記のように耐衝撃性を表す指標として引張り強さを使用しているが、これは特性として一般に引張り強さが大きいと靭性が高いため、結果として耐衝撃性に優れているためである。

また、透明樹脂の耐熱性に関しては、ＡＳＴＭ Ｄ ３４１８に準拠して測定されるガラス転移温度が１００℃以上であることが好ましい。ガラス転移温度が１００℃未満の場合には、実用時、タンク本体５１の温度が上昇した際に、タンク本体５１が変形するおそれがある。タンク本体５１が変形すると、タンク本体５１の実用的な信頼性が損なわれる。

タンク本体５１の形成に使用される耐メタノール性を有する透明樹脂材料としては、例えばポリエーテルサルホン（ＰＥＳ）、ポリフェニルサルホン（ＰＰＳＵ）、ポリサルホン（ＰＳＦ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、環状オレフィンコポリマー（ＣＯＣ）、シクロオレフィンポリマー（ＣＯＰ）、ポリメチルペンテン（ＴＰＸ）等が挙げられる。これらは１種を単独で使用してもよく、２種以上を混合して使用してもよい。これらのなかでも、耐衝撃性および耐熱性にも優れる、ポリエーテルサルホン（ＰＥＳ）、ポリフェニルサルホン（ＰＰＳＵ）、ポリサルホン（ＰＳＦ）が好ましく、ポリエーテルサルホン（ＰＥＳ）、ポリフェニルサルホン（ＰＰＳＵ）がより好ましく、ポリエーテルサルホン（ＰＥＳ）が特に好ましい。

ここで、ポリエーテルサルホン（ＰＥＳ）、ポリフェニルサルホン（ＰＰＳＵ）およびポリサルホン（ＰＳＦ）について測定した引張り強さ（ＡＳＴＭ Ｄ ６３８）およびガラス転移温度（ＡＳＴＭ Ｄ ３４１８）の一例を表１に示す。

このようなタンク本体５１に形成された第１および第２の内圧調整機構５２、５３のうち、一方の第１の内圧調整機構５２は、タンク本体５１の内圧が上昇した際にその内圧を逃すものである。この第１の内圧調整機構５２はタンク本体５１の内圧が０．３ＭＰａとなったときに作動することが好ましい。タンク本体５１の内圧が０．３ＭＰａとなったときに第１の内圧調整機構５２が作動するものとすることで、タンク本体５１の破損や液体燃料の漏れを抑制し、燃料電池１を信頼性に優れたものとすることができる。以下、この第１の内圧調整機構５２が作動するときのタンク本体５１の内圧を内圧上限値という。なお、内圧上限値は必ずしも０．３ＭＰａに限られるものではなく、通常、０．１ＭＰａを超え、１ＭＰａ以下の範囲で設定される。

第１の内圧調整機構５２は、タンク本体５１の一側面に円柱状の孔５０１を設け、この円柱状の孔５０１内に円柱状ないし紡錘状の弁体５０２を配置するとともに、その外側に蓋体５０３を嵌合させることにより円柱状ないし紡錘状の弁体５０２を円柱状の孔５０１内に押圧固定した構造を有する。孔５０１および弁体５０２の形状は、円柱状ないし紡錘状に限られるものではなく、例えば角柱状等であってもよい。

蓋体５０３は、前述したタンク本体５１と同様の樹脂材料により形成され、タンク本体５１に、例えば超音波溶着によって固定されている。なお、蓋体５０３を嵌合等でタンク本体５１に固定する場合は、例えばポリプロピレン（ＰＰ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ：ＶＩＣＴＲＥＸ社の商標）、液晶ポリマー（ＬＣＰ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリアセタール（ＰＯＭ）等で形成されていてもよい。

円柱状の孔５０１の底面および側面には、タンク本体５１の内圧を外部に逃がすための内圧排出路の一部を構成する内側連通孔５０４および外側連通孔５０５がそれぞれ設けられている。外側連通孔５０５は、タンク本体５１の下面に開口している。外側連通孔５０５は、タンク本体５１の上面や側面に開口されていてもよい。

弁体５０２は、弾性材料、具体的にはゴムやエラストマー等の弾性変形可能な材料からなり、図９に示すように、円柱状の孔５０１内に内側連通孔５０４を塞ぐように配置されている。このように円柱状ないし紡錘状の弁体５０２によって内側連通孔５０４が塞がれているため、通常はタンク本体５１内の液体燃料の外部への流出が抑制されている。

また、この弁体５０２は、タンク本体５１の内圧が上昇して内圧上限値に達すると、蓋体５０３側へと押しつぶされるように弾性変形することにより、内側連通孔５０４を開放するものである。言い換えれば、この弁体５０２が弾性変形する変形量を調整することによって内圧上限値が調整されている。このような変形量の調整は、例えば弾性材料の種類や硬度、弁体５０２の大きさや形状、蓋体５０３の厚み（実質的には、円柱状ないし紡錘状の孔５０１に挿入される部分の厚み）、円柱状の孔５０１に弁体５０２を配置する際の弁体５０２の軸方向の圧縮率等を適宜選択することにより行うことができる。

このような第１の内圧調整機構５２においては、タンク本体５１の内圧が上昇して内圧上限値に達すると、図１０に示すようにタンク本体５１の内圧により弁体５０２が蓋体５０３側へと押しつぶされるように弾性変形し、弁体５０２と内側連通孔５０４との間に隙間が形成される。この結果、タンク本体５１には、内側連通孔５０４、円柱状ないし紡錘状の孔５０１および外側連通孔５０５からなる内圧排出路が形成されることになり、この内圧排出路を通じてタンク本体５１の内圧が外部に排出される。

そして、タンク本体５１の内圧が外部に排出されることにより、その内圧が内圧上限値よりも低くなると、円柱状ないし紡錘状の弁体５０２が燃料側へと膨らむように弾性変形し、図８に示すように、内側連通孔５０４が再び塞がれる。このように内側連通孔５０４が塞がれることによって、タンク本体５１内の液体燃料の外部への流出が再び抑制される。

このように第１の内圧調整機構５２は、タンク本体５１に円柱状の孔５０１と、これに連通する内側連通孔５０４および外側連通孔５０５とを設けるとともに、円柱状の孔５０１に円柱状ないし紡錘状の弁体５０２と、これを押圧固定する蓋体５０３を装着しただけの簡単な構造であるため、容易かつ低コストで製造することができるうえ、燃料が外部に漏れ出るおそれも極めて少ない。すなわち、従来のように、内圧調整機構がタンク本体５１と別体に設けられ、また、そのために部品点数が多い場合には、部品の接合部分等から燃料が漏れ出すおそれがあるが、第１の内圧調整機構５２は、構造が簡単で、使用する部品数も少ないため、燃料が漏れ出るおそれはほとんどない。したがって、信頼性の高い内部圧力制御が可能となり、安全性も向上する。さらに、タンク本体５１が第１の内圧調整機構５２の一部を構成することになるため、燃料タンクの小型化、ひいては燃料電池の小型化を図ることができる。

なお、第１の内圧調整機構５２は、図９、１０で説明したものに限らず、例えば図１１〜１６に示すような構造のものであってもよい。

図１１、１２に示す第１の内圧調整機構５２は、図９、１０に示す第１の内圧調整機構５２において、弁体５０２として球状のものを用いたものである。図１１はタンク本体５１の内圧が内圧上限値よりも低く内圧調整機能が作動していないときの状態を示したものであり、図１２はタンク本体５１の内圧が内圧上限値に達し、内圧調整機能が作動したときの状態を示したものである。

このような第１の内圧調整機構５２においても、球状の弁体５０２は、図１１に示すように、タンク本体５１の一側面に設けられた円柱状の孔５０１に、内側連通孔５０４を塞ぐように配置されているため、通常はタンク本体５１内の液体燃料の外部への流出が抑制されている。

そして、タンク本体５１の内圧が上昇して内圧上限値に達すると、図１２に示すように、球状の弁体５０２は蓋体５０３側へと押しつぶされるように弾性変形し、球状の弁体５０２と内側連通孔５０４との間に隙間が形成される。この結果、タンク本体５１に、内側連通孔５０４、円柱状の孔５０１および外側連通孔５０５からなる内圧排出路が形成され、この内圧排出路を通してタンク本体５１の内圧が外部に排出される。

さらに、このようにタンク本体５１の内圧が外部に排出されて、その内圧が内圧上限値よりも低くなると、球状の弁体５０２が燃料側へと膨らむように弾性変形し、図１２に示すように、内側連通孔５０４が再び塞がれる。このように内側連通孔５０４が塞がれることによって、タンク本体５１内の液体燃料の外部への流出が再び抑制される。

図１３、１４に示す第１の内圧調整機構５２は、図９、１０に示す第１の内圧調整機構５２において、弁体５０２として、円柱状ないし紡錘状の本体部５０２ａと、円柱状ないし紡錘状の本体部５０２ａの一端に同軸的に設けられた円柱状ないし紡錘状の本体部５０２ａより大径で、円柱状の孔５０１の内径と略同径のフランジ部５０２ｂからなるものを用いたものである。弁体５０２は、フランジ部５０２ｂが蓋体５０３側に位置するように円柱状の孔５０１内に配置されている。図１３はタンク本体５１の内圧が内圧上限値よりも低く内圧調整機能が作動していないときの状態を示したものであり、図１４はタンク本体５１の内圧が内圧上限値に達し、内圧調整機能が作動したときの状態を示したものである。

このような第１の内圧調整機構５２においても、弁体５０２は、図１３に示すように、タンク本体５１の一側面に設けられた円柱状の孔５０１に、内側連通孔５０４を塞ぐように配置されているため、通常はタンク本体５１内の液体燃料の外部への流出が抑制されている。

そして、タンク本体５１の内圧が上昇して内圧上限値に達すると、図１４に示すように、弁体５０２は蓋体５０３側へと押しつぶされるように弾性変形し、弁体５０２と内側連通孔５０４との間に隙間が形成される。この結果、タンク本体５１に、内側連通孔５０４、円柱状の孔５０１および外側連通孔５０５からなる内圧排出路が形成され、この内圧排出路を通してタンク本体５１の内圧が外部に排出される。

さらに、このようにタンク本体５１の内圧が外部に排出されて、その内圧が内圧上限値よりも低くなると、弁体５０２が燃料側へと膨らむように弾性変形し、図１３に示すように、内側連通孔５０４が塞がれる。このように内側連通孔５０４が塞がれることによって、タンク本体５１内の液体燃料の外部への流出が再び抑制される。

このような第１の内圧調整機構５２においては、また、フランジ部５０２ｂを円柱状の孔５０１内に嵌合させることで、円柱状ないし紡錘状本体部５０２ａの軸心を円柱状の孔５０１の軸心、ひいては内側連通孔５０４の軸心と重なるように容易に配置することが可能となる。このため、フランジ部５０２ｂを有さない弁体に比べ、内側連通孔５０４をより確実に閉塞することができ、内圧調整機能が作動していない場合における内側連通孔５０４からの液体燃料の流出をより確実に抑制することができ、また設定通りの内圧上限値で第１の内圧調整機構５２を安定的に作動させることができる。

図１５、１６に示す第１の内圧調整機構５２は、図１１、１２に示す第１の内圧調整機構５２において、外側連通孔５０５を蓋体５０３に設けたものである。図１５はタンク本体５１の内圧が内圧上限値よりも低く内圧調整機能が作動していないときの状態を示したものであり、図１６はタンク本体５１の内圧が内圧上限値に達し、内圧調整機能が作動したときの状態を示したものである。

このような第１の内圧調整機構５２においても、弁体５０２は、図１５に示すように、タンク本体５１の一側面に設けられた円柱状の孔５０１に、内側連通孔５０４を塞ぐように配置されているため、通常はタンク本体５１内の液体燃料の外部への流出が抑制されている。

そして、タンク本体５１の内圧が上昇して内圧上限値に達すると、図１６に示すように、弁体５０２は蓋体５０３側へと押しつぶされるように弾性変形し、弁体５０２と内側連通孔５０４との間に隙間が形成される。この結果、タンク本体５１に、内側連通孔５０４、円柱状の孔５０１および蓋体５０３に設けられた外側連通孔５０５からなる内圧排出路が形成され、この内圧排出路を通してタンク本体５１の内圧が外部に排出される。

さらに、このようにタンク本体５１の内圧が外部に排出されて、その内圧が内圧上限値よりも低くなると、弁体５０２が燃料側へと膨らむように弾性変形し、図１５に示すように、内側連通孔５０４が塞がれる。このように内側連通孔５０４が塞がれることによって、タンク本体５１内の液体燃料の外部への流出が再び抑制される。

図１１〜１６に示した第１の内圧調整機構５２も、タンク本体５１に、円柱状の孔５０１および内側連通孔５０４、または円柱状の孔５０１、内側連通孔５０４および外側連通孔５０５を設けるとともに、円柱状の孔５０１に弁体５０２と、これを押圧固定する蓋体５０３を装着しただけの簡単な構造であるため、容易かつ低コストで製造することができるうえ、燃料が外部に漏れ出るおそれも極めて少ない。すなわち、従来のように、内圧調整機構がタンク本体５１と別体に設けられ、また、そのために部品点数が多い場合には、部品の接合部分等から燃料が漏れ出すおそれがあるが、第１の内圧調整機構５２は、構造が簡単で、使用する部品数も少ないため、燃料が漏れ出るおそれはほとんどない。したがって、信頼性の高い内部圧力制御が可能となり、安全性も向上する。さらに、タンク本体５１が第１の内圧調整機構５２の一部を構成することになるため、燃料タンクの小型化、ひいては燃料電池の小型化を図ることができる。

上記のように、弁体５０２の形状は必ずしも限定されるものではないが、一般に球状のものに比べて柱状ないし紡錘状のものが好ましい。すなわち、金型成形によって何らかの形状の弁体５０２を作製した場合、その弁体５０２には金型の合わせ目に相当する部分にパーティングラインが形成される。弁体５０２が球状である場合、特に方向性がないことから、パーティングラインが内側連通孔５０４上に位置することがあり、このパーティングラインによって弁体５０２と内側連通孔５０４との間に隙間が形成され、弁体５０２によって内側連通孔５０４を適切に塞ぐことができないおそれがある。このため球状の弁体５０２を用いる場合には、予めパーティングラインをバレル研磨等によって除去する必要がある。

一方、弁体５０２が柱状ないし紡錘状である場合、例えば金型成形の際にパーティングラインが弁体５０２の側面部のみに形成されるようにし、軸方向の両端部表面にはパーティングラインが形成されないようにすることで、これら両端部表面のいずれかによって内側連通孔５０４を適切に塞ぐことができる。また、弁体５０２の側面部に形成されたパーティングラインは内圧調整機能の動作に特に影響を与えないため、バレル研磨等により除去する必要もなく、製造性に優れたものとすることができる。

なお、弁体５０２を構成する弾性材料としては、例えば、スチレン系エラストマー（ＴＰＳ）、オレフィン系エラストマー（ＴＰＯ）、ポリエステル系エラストマー（ＴＰＥＥ）、ポリアミド系エラストマー（ＰＥＢＡＸ）、シリコーン系エラストマー、フッ素系エラストマー等の熱可塑性エラストマー、エチレン−プロピレン−ジエンゴム（ＥＰＤＭ）、アクリロニトリル−ブタジエンゴム（ＮＢＲ）、水素化ニトリルゴム（ＨＮＢＲ）、フッ素ゴム（ＦＫＭ）、シリコーンゴム（ＶＭＱ）、フロロシリコーンゴム（ＦＶＭＱ）等のゴム材料が挙げられる。これらのなかでも、耐メタノール性等を考慮して、エチレン−プロピレン−ジエンゴム（ＥＰＤＭ）、フッ素ゴム（ＦＫＭ）、シリコーンゴム（ＶＭＱ）等を用いることが好ましい。

第２の内圧調整機構５３は、タンク本体５１の内圧が低下したときに、外気を導入することによってその内圧を大気圧程度までに上昇させるものである。タンク本体５１の内圧の低下は、主として液体燃料の消費、つまり燃料の燃料電池セル２への供給に伴って生ずるものである。この第２の内圧調整機構５３はタンク本体５１の内圧が大気圧より低くなったとき、例えば大気圧より０．００５ＭＰａ低くなったときに作動することが好ましい。タンク本体５１の内圧が大気圧より低くなったときに第２の内圧調整機構５３が作動するものとすることで、燃料電池セルへの供給量の低下を抑制し、燃料電池の出力を安定化させることができる。以下、この第２の内圧調整機構５３が作動するときのタンク本体５１の内圧を内圧下限値という。なお、内圧下限値は、通常、大気圧よりも０．００１ＭＰａ以上、０．１ＭＰａ以下低くなる範囲で設定される。

第２の内圧調整機構５３は、図１７、１８に拡大して示すように、タンク本体５１の一側面に小径部５０６ａおよび大径部５０６ｂからなる段付き円筒状の貫通孔５０６を設け、この貫通孔５０６内に弁体としてダックビル弁５０７を配置するとともに、その外側にダックビル弁５０７を固定する固定部材５０８を嵌合させ、さらにその外側にフィルター５０９を配置した構造を有する。図１７はタンク本体５１の内圧が内圧下限値よりも高く内圧調整機能が作動していないときの状態を示したものであり、図１８はタンク本体５１の内圧が内圧下限値に達し、内圧調整機能が作動したときの状態を示したものである。なお、本発明においてはダックビル弁５０７に代えてアンブレラ弁（図示せず）を使用することも可能である。

固定部材５０８の中心には空気を導入するための孔５０８ａが設けられており、フィルター５０９はこの空気導入孔５０８ａを外側から覆うように配置されている。フィルター５０９は、タンク本体５１内部への異物の混入を抑制するとともに、異物がダックビル弁５０７の後述するスリット状開閉部５０７ａに挟まって完全に閉じなくなることを抑制するために設けられている。

固定部材５０８は、前述したタンク本体５１と同様の樹脂材料により形成され、タンク本体５１に、例えば超音波溶着によって固定されている。固定部材５０８は、例えばポリプロピレン（ＰＰ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、液晶ポリマー（ＬＣＰ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリアセタール（ＰＯＭ）等で形成されていてもよい。

フィルター５０９は、例えば気体のみを透過させ、液体は透過させない気液分離体等により形成され、具体的には、低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）、高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）等のオレフィン系樹脂、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）等のポリエステル系樹脂、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等のフッ素系樹脂、ポリウレタン等のウレタン系樹脂からなる多孔体、膜、あるいは発泡体等により形成される。

ダックビル弁５０７は、その一端に小径部５０６ａより大径のフランジ部５０７ｂが設けられており、このフランジ部５０７ｂを貫通孔５０６の段部と固定部材５０８との間に挟み込むようにして配置されている。ダックビル弁５０７の中心には、空気導入孔５０８ａに連通する孔５０７ｃが設けられている。この連通孔５０７ｃはその中ほどより燃料側端部に向けて徐々に縮径し、やがて閉塞している。そして、その閉塞した端部には、軸方向から見た形状が−（マイナス）字状のスリット状開閉部５０７ａが形成されている。

ダックビル弁５０７は、弾性材料、具体的にはゴムやエラストマー等の弾性変形可能な材料からなるものであり、タンク本体５１の内圧が内圧下限値に達していない場合、図１７に示すように、スリット状開閉部５０７ａは閉じており、タンク本体５１の内部から外部への液体燃料の漏れが抑制されている。

また、ダックビル弁５０７は、タンク本体５１の内圧が低下して内圧下限値に達すると、スリット状開閉部５０７ａが開き、外部の空気をタンク本体５１内に導入するものである。ダックビル弁５０７のスリット状開閉部５０７ａが開く内圧下限値の調整は、例えば弾性材料の種類、ダックビル弁５０７の大きさや形状等を適宜選択することにより行うことができる。

なお、ダックビル弁５０７を構成する弾性材料としては、例えば、スチレン系エラストマー（ＴＰＳ）、オレフィン系エラストマー（ＴＰＯ）、ポリエステル系エラストマー（ＴＰＥＥ）、ポリアミド系エラストマー（ＰＥＢＡＸ）、シリコーン系エラストマー、フッ素系エラストマー等の熱可塑性エラストマー、エチレン−プロピレン−ジエンゴム（ＥＰＤＭ）、アクリロニトリル−ブタジエンゴム（ＮＢＲ）、水素化ニトリルゴム（ＨＮＢＲ）、フッ素ゴム（ＦＫＭ）、シリコーンゴム（ＶＭＱ）、フロロシリコーンゴム（ＦＶＭＱ）等のゴム材料が挙げられる。これらのなかでも、耐メタノール性等を考慮して、エチレン−プロピレン−ジエンゴム（ＥＰＤＭ）、フッ素ゴム（ＦＫＭ）、シリコーンゴム（ＶＭＱ）等を用いることが好ましい。

このような第２の内圧調整機構５３においては、タンク本体５１の内圧が内圧下限値に達していない場合、図１７に示すように、ダックビル弁５０７のスリット状開閉部５０７ａが閉じることにより、タンク本体５１の内部から外部への液体燃料の流出が抑制されている。そして、タンク本体５１の内圧が内圧下限値に達したときには、図１８に示すようにスリット状開閉部５０７ｂが開くことにより、外部からタンク本体５１の内部へと空気が導入される。

さらに、タンク本体５１の内部に空気が導入されることにより、その内圧が内圧下限値よりも高くなると、ダックビル弁５０７のスリット状開閉部５０７ａが閉じることによって、タンク本体５１内の液体燃料の外部への流出が再び抑制される。

このように第２の内圧調整機構５３は、タンク本体５１に貫通孔５０６を設けるとともに、貫通孔５０６にダックビル弁５０７と、これを押圧固定する固定部材５０８、さらに、外部からの異物の混入を抑制するフィルター５０９とを装着しただけの簡単な構造であるため、容易かつ低コストで製造することができるうえ、燃料が外部に漏れ出るおそれも極めて少ない。すなわち、従来のように、内圧調整機構がタンク本体５１と別体に設けられ、また、そのために部品点数が多い場合には、部品の接合部分等から燃料が漏れ出すおそれがあるが、第１の内圧調整機構５２は、構造が簡単で、使用する部品数も少ないため、燃料が漏れ出るおそれはほとんどない。したがって、信頼性の高い内部圧力制御が可能となり、安全性も向上する。さらに、タンク本体５１が第２の内圧調整機構５３の一部を構成することになるため、燃料タンクの小型化、ひいては燃料電池の小型化を図ることができる。

接続機構５４は、タンク本体５１の一側面に第１の内圧調整機構５２および第２の内圧調整機構５３と共に設けられている。接続機構５４は、図示しない燃料カートリッジを接続するためのものである。この接続機構５４は、タンク本体５１の一側面に円柱状の孔５１０を設け、この円柱状の孔５１０内に燃料カートリッジのプラグと接続するためのソケット５１１を装着した構造を有する。ソケット５１１は弁機構を有しており、燃料カートリッジのプラグが接続されていない状態では、弁機構が閉じることで液体燃料の外部への流出が抑制されている。そして、燃料カートリッジのプラグを接続した場合には、弁機構が開き、燃料カートリッジからの液体燃料の供給が可能となる。

次に、燃料電池１のその他の部分について具体的に説明する。

図１に示すように、燃料電池セル２は、アノード触媒層２１とアノードガス拡散層２２とを有するアノード２３（燃料極）と、カソード触媒層２４とカソードガス拡散層２５とを有するカソード２６（空気極／酸化剤極）と、アノード触媒層２１とカソード触媒層２４とで挟持されたプロトン（水素イオン）伝導性の電解質膜２７とから構成される膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly：ＭＥＡ）を有している。

アノード触媒層２１やカソード触媒層２４に含有される触媒としては、例えばＰｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｏｓ、Ｐｄ等の白金族元素の単体、白金族元素を含有する合金等が挙げられる。アノード触媒層２１にはメタノールや一酸化炭素等に対して強い耐性を有するＰｔ−ＲｕやＰｔ−Ｍｏ等を用いることが好ましい。カソード触媒層２４にはＰｔやＰｔ−Ｎｉ等を用いることが好ましい。ただし、触媒はこれらに限定されるものではなく、触媒活性を有する各種の物質を使用することができる。触媒は炭素材料のような導電性担持体を使用した担持触媒、あるいは無担持触媒のいずれであってもよい。

電解質膜２７を構成するプロトン伝導性材料としては、例えばスルホン酸基を有するパーフルオロスルホン酸重合体のようなフッ素系樹脂（ナフィオン（商品名、デュポン社製）やフレミオン（商品名、旭硝子社製）等）、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂等の有機系材料、あるいはタングステン酸やリンタングステン酸等の無機系材料が挙げられる。ただし、プロトン伝導性の電解質膜２７はこれらに限られるものではない。

アノード触媒層２１に積層されるアノードガス拡散層２２は、アノード触媒層２１に燃料を均一に供給する役割を果たすと同時に、アノード触媒層２１の集電体も兼ねている。カソード触媒層２４に積層されるカソードガス拡散層２５は、カソード触媒層２４に酸化剤を均一に供給する役割を果たすと同時に、カソード触媒層２４の集電体も兼ねている。アノードガス拡散層２２およびカソードガス拡散層２５は多孔質基材で構成されている。

アノードガス拡散層２２やカソードガス拡散層２５には、必要に応じて導電層が積層される。これら導電層としては、例えばＡｕ、Ｎｉ等の導電性金属材料からなる多孔質層（例えばメッシュ）、薄膜または箔体、あるいはステンレス鋼（ＳＵＳ）等の導電性金属材料にＡｕ等の良導電性金属を被覆した複合材等が用いられる。電解質膜２７と燃料分配機構４およびカバープレート２８との間には、それぞれゴム製のＯリング２９が介在されており、これらによって燃料電池セル（ＭＥＡ）２からの燃料漏れや酸化剤漏れを防止している。

図示を省略したが、カバープレート２８は酸化剤である空気を取入れるための開口を有している。カバープレート２８とカソード２６との間には、必要に応じて保湿層や表面層が配置される。保湿層はカソード触媒層２４で生成された水の一部が含浸されて、水の蒸散を抑制すると共に、カソード触媒層２４への空気の均一拡散を促進するものである。表面層は空気の取入れ量を調整するものであり、空気の取入れ量に応じて個数や大きさ等が調整された複数の空気導入口を有している。

燃料電池セル２のアノード２３側には、燃料分配機構４が配置されている。燃料分配機構４は途中にポンプ７が設けられた配管のような液体燃料の流路６を介して燃料タンク５と接続されている。燃料分配機構５にはこのような流路６を通して液体燃料が燃料タンク５から導入される。流路６は燃料分配機構４や燃料タンク５と独立した配管に限られるものではない。例えば、燃料分配機構４と燃料タンク５とを積層して一体化する場合、これらを繋ぐ液体燃料の流路であってもよい。燃料分配機構４は流路６を介して燃料タンク５と接続されていればよい。

燃料分配機構４は、例えば図２に示すように液体燃料が流路６を介して流入する少なくとも１個の燃料注入口４１と、液体燃料やその気化成分を排出する複数個の燃料排出口４２とを有する燃料分配板４３からなる。燃料分配板４３の内部には図１に示すように燃料注入口４１から導かれた液体燃料の通路となる空隙部４４が設けられている。複数の燃料排出口４２は燃料通路として機能する空隙部４４にそれぞれ直接接続されている。

燃料注入口４１から燃料分配板４３に導入された液体燃料は空隙部４４に入り、この燃料通路として機能する空隙部４４を介して複数の燃料排出口４２にそれぞれ導かれる。複数の燃料排出口４２には、例えば液体燃料の気化成分のみを透過し、液体成分は透過させない気液分離体（図示せず）を配置してもよい。これによって、燃料電池セル２のアノード（燃料極）２３には液体燃料の気化成分が供給される。なお、気液分離体は燃料分配機構４とアノード２３との間に気液分離膜等として設置してもよい。液体燃料の気化成分は複数の燃料排出口４２からアノード２３の複数個所に向けて排出される。

燃料排出口４２は燃料電池セル２の全体に燃料を供給することが可能なように、燃料分配板４３のアノード２３と接する面に複数設けられている。燃料排出口４２の個数は１個以上であればよいが、燃料電池セル２の面内における燃料供給量を均一化する上で、０．１〜１０個／ｃｍ^２の燃料排出口４２が存在するように形成することが好ましい。燃料排出口４２の個数が０．１個／ｃｍ^２未満であると、燃料電池セル２に対する燃料供給量を十分に均一化することができない。燃料排出口４２の個数を１０個／ｃｍ^２を超えて形成しても、それ以上の効果が得られない。

燃料分配機構４から放出された燃料は、上述したように燃料電池セル２のアノード２３に供給される。燃料電池セル２内において、燃料はアノードガス拡散層２２を拡散してアノード触媒層２１に供給される。液体燃料としてメタノール燃料を用いた場合、アノード触媒層２１で下記の（１）式に示すメタノールの内部改質反応が生じる。なお、メタノール燃料として純メタノールを使用した場合には、カソード触媒層２４で生成した水や電解質膜２７中の水をメタノールと反応させて（１）式の内部改質反応を生起させる。あるいは、水を必要としない他の反応機構により内部改質反応を生じさせる。
ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ → ＣＯ_２＋６Ｈ^＋＋６ｅ⁻ …（１）

この反応で生成した電子（ｅ⁻）は集電体を経由して外部に導かれ、いわゆる電気として携帯用電子機器等を動作させた後、カソード２６に導かれる。また、（１）式の内部改質反応で生成したプロトン（Ｈ^＋）は電解質膜２７を経てカソード２６に導かれる。カソード２６には酸化剤として空気が供給される。カソード２６に到達した電子（ｅ⁻）とプロトン（Ｈ^＋）は、カソード触媒層２４で空気中の酸素と下記の（２）式にしたがって反応し、この反応に伴って水が生成する。
６ｅ⁻＋６Ｈ^＋＋（３／２）Ｏ_２ → ３Ｈ_２Ｏ …（２）

ポンプ７は燃料を循環させる循環ポンプではなく、あくまでも燃料タンク５から燃料分配機構４に液体燃料を送液する燃料供給ポンプである。このようなポンプ７で必要時に液体燃料を送液することによって、燃料供給量の制御性を高めることができる。燃料分配機構４から燃料電池セル２に供給された燃料は発電反応に使用され、その後に循環して燃料タンク５に戻されることはない。図１に示す燃料電池１は燃料を循環させないことから、従来のアクティブ方式とは異なるものであり、装置の小型化等を損なうものではない。また、液体燃料の供給にポンプ７を使用しており、従来の内部気化型のような純パッシブ方式とも異なるため、例えばセミパッシブ方式と呼称されるものである。

ポンプ７の種類は特に限定されるものではないが、少量の液体燃料を制御性よく送液することができ、さらに小型軽量化が可能という観点から、ロータリーベーンポンプ、電気浸透流ポンプ、ダイアフラムポンプ、しごきポンプ等を使用することが好ましい。ロータリーベーンポンプはモータで羽を回転させて送液するものである。電気浸透流ポンプは電気浸透流現象を起こすシリカ等の焼結多孔体を用いたものである。ダイアフラムポンプは電磁石や圧電セラミックスによりダイアフラムを駆動して送液するものである。しごきポンプは柔軟性を有する燃料流路の一部を圧迫し、燃料をしごき送るものである。これらのうち、駆動電力や大きさ等の観点から、電気浸透流ポンプや圧電セラミックスを有するダイアフラムポンプを使用することがより好ましい。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

例えば、本発明の燃料電池としては、燃料電池セルへ供給される液体燃料が全て液体燃料の蒸気であってもよいし、一部が液体状態で供給されるものであってもよい。また、燃料タンクから燃料電池セルへの燃料供給が行われる構成であれば、ポンプに代えて燃料遮断バルブを配置する構成とすることも可能である。この場合には、燃料遮断バルブは、流路による液体燃料の供給を制御するために設けられるものである。さらに、燃料供給機構にこのような燃料遮断バルブやポンプを持たない内部気化型のパッシブ型燃料電池であってもよい。パッシブ型燃料電池は気化した液体燃料を膜電極接合体のアノード極に自然供給する一方、カソード極に外部の空気を自然供給するものである。

１…燃料電池、２…燃料電池セル、５…燃料タンク、５１…タンク本体、５２…第１の内圧調整機構、５３…第２の内圧調整機構、５０２…弁体、５０３…蓋体、５０４…内側連通孔、５０５…外側連通孔、５０７…ダックベル弁、５０７ａ…スリット状開閉部、５０７ｃ…連通孔、５０８…固定部材、５０８ａ…空気導入孔、５０９…フィルター。

Claims (10)

1. 液体燃料を収容するタンク本体と、このタンク本体に設けられた内圧排出路と、通常は前記内圧排出路を閉塞し、前記タンク本体の内圧が上昇したときに選択的に前記内圧排出路を開放する弁体とを具備し、
   前記弁体は、前記タンク本体の外表面より内側で前記内圧排出路を閉塞するものであることを特徴とする燃料電池用燃料タンク。
2. 前記弁体は弾性材料からなるものであって、前記タンク本体の内圧が上昇したときに弾性変形することによって前記内圧排出路を開放するものであることを特徴とする請求項１記載の燃料電池用燃料タンク。
3. 液体燃料を収容するタンク本体と、このタンク本体に設けられた外気導入路と、通常は前記外気導入路を閉塞し、前記タンク本体の内圧が低下したときに選択的に前記外気導入路を開放する弁体とを具備し、
   前記弁体は、前記タンク本体の外表面より内側で前記外気導入路を閉塞するものであることを特徴とする燃料電池用燃料タンク。
4. 前記弁体は、スリット状開閉部を有するダックビル弁またはアンブレラ弁であることを特徴とする請求項３記載の燃料電池用燃料タンク。
5. 液体燃料を収容するタンク本体と、このタンク本体に設けられた内圧排出路および外気導入路と、通常は前記内圧排出路を閉塞し、前記タンク本体の内圧が上昇したときに選択的に前記内圧排出路を開放する弁体（Ｉ）と、通常は前記外気導入路を閉塞し、前記タンク本体の内圧が低下したときに選択的に前記外気導入路を開放する弁体（II）とを具備し、
   前記弁体（Ｉ）および（II）は、前記タンク本体の外表面より内側で前記内圧排出路および前記外気導入路をそれぞれ閉塞するものであることを特徴とする燃料電池用燃料タンク。
6. 前記タンク本体は、透明樹脂からなることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の燃料電池用燃料タンク。
7. 前記透明樹脂は、ポリエーテルサルホン、ポリフェニルサルホン、ポリサルホン、ポリエチレンナフタレート、環状オレフィンコポリマー、シクロオレフィンポリマーおよびポリメチルペンテンから選ばれる少なくとも１種であることを特徴とする請求項６記載の燃料電池用燃料タンク。
8. 前記透明樹脂は、ポリエーテルサルホン、ポリフェニルサルホンおよびポリサルホンから選ばれる少なくとも１種であることを特徴とする請求項６記載の燃料電池用燃料タンク。
9. 前記透明樹脂は、ポリエーテルサルホンであることを特徴とする請求項６記載の燃料電池用燃料タンク。
10. 請求項１乃至９のいずれか１項記載の燃料電池用燃料タンクと、
    前記燃料電池用燃料タンクから供給される燃料によって発電動作する起電部と
    を具備することを特徴とする燃料電池。

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