JP4496731B2 - 燃料タンク及びこれを用いた燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、例えばダイレクトメタノール方式の燃料電池システムにおいて燃料であるメタノール（液体燃料）を貯蔵、供給する燃料タンクに関するものであり、さらには、かかる燃料タンクを備えた燃料電池システムに関するものである。

燃料電池は、例えば水素ガスやメタノール等の燃料流体と、酸化用流体（空気に含まれる酸素）とを電気化学的に反応させることにより発電を行う発電装置である。例えば、固体高分子型の燃料電池の場合、各発電体部分は、固体高分子からなる電解質膜を酸素側電極と燃料側電極とで挟み込んだ構造を有しており、酸素側電極には酸素を供給するために空気が供給され、燃料側電極には燃料流体が供給され、上記電気化学的な反応により発電が行われる。

発電に際しては、固体高分子型の燃料電池では、イオン交換膜でありプロトン伝導体膜として機能する電解質膜中をイオン（プロトン）が移動し、酸素側電極の酸素と反応して電流が発生し、同時に酸素側電極では水が生成される。燃料電池の発電体部分は、電解質膜・電極複合体又はＭＥＡ（Membrane and Electrode Assembly）と呼ばれており、この電解質膜・電極複合体を燃料流体流路や空気流路が形成されたセパレータで挟み込んで発電セルとし、複数の発電セルを積層することで積層構造（スタック構造）の燃料電池が構成されている。

上述の燃料電池は、発電により生成される生成物が水であり、環境を汚染することがないクリーンな電源として近年注目されており、例えば、電気自動車や住宅用電源システム等、大型のシステムにおいて実用化が期待されている一方、固体高分子型の燃料電池が小型、軽量であるという特徴を生かして、例えばノート型パーソナルコンピュータ等の携帯型電子機器の電源としての応用も検討されている。

ところで、このような携帯型電子機器等に用いられる燃料電池においては、水素ガスに比べて取り扱いが容易なメタノールを燃料とするダイレクトメタノール方式の燃料電池システムが有利と考えられている。このダイレクトメタノール方式の燃料電池システムでは、電子機器に装着された燃料タンクを取り外して燃料であるメタノールの補充を行い、メタノールで満たした燃料タンクを電子機器に装着し、燃料タンク内のメタノールを燃料電池に供給することで発電が行われる。したがって、一度の燃料充填でなるべく運転時間を長時間化するためには、燃料タンク内のメタノールを最後まで使い切ることが必要である。

そこで、内部のメタノールを機械的に押し出す構造の燃料タンクが提案されている（例えば、特許文献１等を参照）。この特許文献１記載の技術では、燃料タンクをシリンダー構造とし、バネを設置してプランジャ（中間壁）により押圧することで内部の燃料（メタノール）を押し出すようにしている。これにより、例えば、燃料電池システム側に燃料タンク内の液体燃料を吸引するためのポンプ等を設置しなくても、燃料供給が可能になる。
特開２０００−３１４３７６号公報

しかしながら、上記特許文献１記載の技術のように、プランジャ（中間壁）で仕切られた空間に直接メタノールを注入する構造の燃料タンクでは、メタノールの漏洩を防止するために、プランジャと燃料容器内壁間の気密性を高度に確保する必要がある。このため、プランジャの外周にシール材が不可欠であり、さらには燃料容器内径の加工精度を高め液漏れに配慮する必要がある。その結果、生産性の低下や製造コストの上昇を招く虞れがある。

また、気密性確保を目的として、例えばシール材を介してプランジャの外周面の燃料容器の内周面とが接するようにした場合、摺動抵抗が大きくなり、プランジャの移動に大きな力を要することになる。このため、バネによる押圧では、プランジャの円滑な移動が難しく、液体燃料を定量的に供給することが難しい。

本発明は、これらの問題を解決するために提案されたものであり、プランジャータイプの加圧型燃料タンクにおいて、高度なシールを要することなく燃料漏れを回避することができ、燃料であるメタノール（液体燃料）の円滑な供給が可能で、タンク内のメタノールを最後まで押し出して有効利用することが可能な燃料タンク及び燃料電池システムを提供することを目的とする。

上述の目的を達成するために、本発明の燃料タンクは、プランジャで仕切られた２つの空間を有し、プランジャで仕切られた２つの空間を有し、２つの空間のうち一方の空間には袋状の隔壁が設けられ、当該隔壁中に液体燃料が貯蔵されるとともに、プランジャと隔壁との間に、隔壁の形状変化に追随して変形し得る弾性体が設けられ、２つの空間の他方の空間には押圧バネが設けられ、押圧バネによりプランジャを押圧することで、隔壁内の液体燃料が押し出されるものである。
本発明の燃料電池システムは、本発明の燃料タンクを備えたものである。

本発明の燃料タンクおよび燃料電池システムでは、袋状の隔壁内に液体燃料が貯蔵されるため、プランジャと燃料容器内壁間の気密性を高度に確保する必要がなく、シール材も不要である。さらに、プランジャの摺動抵抗も小さく、円滑な移動が可能で、液体燃料が定量的に供給される。

本発明によれば、プランジャと燃料容器内周面の間に高度なシール性を要することなく燃料漏れを回避することができる。したがって、収容されるメタノール（液体燃料）の円滑な供給が可能で、タンク内のメタノールを最後まで押し出して有効利用することが可能である。また、前記の通り高度なシールが不要であるため、シール材等が不要であり、各部品に高い寸法精度が要求されることもないので、生産性を向上し、製造コストを削減することが可能である。

以下、本発明を適用した燃料タンク及び燃料電池システムの実施形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本発明を適用した燃料タンクの一例を示すものである。本実施形態の燃料タンク１は、プランジャータイプの加圧型燃料タンクであり、外装容器２の内部がプランジャ３により仕切られている。このプランジャ３で仕切られた各空間が、それぞれメタノールを収容する空間Ａ（本例では、図中、左側の空間）、及び加圧用バネを収容する空間Ｂ（図中、右側の空間）となる。

外装容器２は、剛性を有する材料、例えばポリエチレンやポリプロピレン等の樹脂により形成されている。なお、これに限らず、外装容器２は、任意の材料で形成することができるが、取り扱い性や機器への装着性等を考えると、ある程度剛性を有する材料により形成することが好ましい。なお、外装容器２の空間Ｂには、プランジャ３が移動した際の負圧を解消する目的で、空気孔２ａが設けられている。

燃料タンク１は、隔壁内のメタノールを燃料電池システム側に取り出すため、及び隔壁内にメタノールを供給するためのクイックコネクター４とホルダー９に挟み込まれており、このクイックコネクター４は燃料電池システム側のコネクタと連結され、燃料流路を構成する。したがって、隔壁内の液体燃料は、クイックコネクター４を通して燃料電池システム側の燃料電池に供給される。
ホルダー９はその外周面にＯリング６によって隔壁５が気密性を保って取り付けられている。隔壁５の大きさは、プランジャ３の移動によりメタノールを収容する空間Ａが最大になった際に、これを満たすに足る大きさとすればよい。隔壁５が小さすぎると、貯蔵し得る液体燃料の容量が小さくなる。隔壁５が大きすぎると、メタノールの貯蔵によって拡張された際にも隔壁５にシワがよった状態となり、やはり貯蔵し得る液体燃料の容量が小さくなる。

隔壁５の材質としては、メタノール等の液体燃料に侵されず、これらを漏洩することなく収容し得るものであれば如何なるものであってもよく、例えば、透過性の低い四フッ化エチレン・パーフロロアルコキシエチレン共重合樹脂（ＰＦＡ）等のフッ素樹脂を使用することが望ましい。

一方、プランジャ３で仕切られた他方の空間（加圧用バネを収容する空間Ｂ）には、プランジャ３を図中左方向に押圧する押圧バネ７が設置されている。ここで、プランジャ３と外装容器２の内周面の間には、メタノールが隔壁５に収容されており、漏洩することがないので、シール性は要求されることはない。したがって、プランジャ３の直径を外装容器２の内径よりも若干小さな径とすることができ、円滑な動作が可能である。

上記空間Ｂに設置される押圧バネ７は、図２（ａ）に示すような、いわゆる円錐バネであり、図２（ｂ）に示すように、圧縮された時にバネを構成する線材同士が重なることなく平坦化され、圧縮長がバネを構成する線材の径とほぼ一致するように、巻回されている。押圧バネ７の圧縮長を最小限に抑えることにより、プランジャ３の移動範囲を拡大することができ、メタノールを収容し得る容量を最大限に確保することができる。

また、プランジャ３の隔壁５と接する面には、弾性体８が取り付けられている。この弾性体８は、特に、隔壁５が収縮してシワがよった際にも良好な接触状態を確保し、隔壁５内のメタノールを円滑に押し出すために設けられるものである。したがって、隔壁５の形状変化に追随して変形し得るような弾性材料で形成する必要があり、例えば発泡ポリウレタン（いわゆるスポンジ）等が用いられる。隔壁５にシワが生ずると、プランジャ３のみで押圧しても中のメタノールを最後まで出し切ることができない。前記弾性体８を設けることで、隔壁５内のメタノールを確実に押し出すことができ、最後まで出し切ることができる。

以上の構成の燃料タンク１では、プランジャ３が押圧バネ７によって押圧され、弾性体８を介して隔壁５に圧力を加えることにより、隔壁５内のメタノールが押し出され、クイックコネクター４を通して燃料電池システム側に供給される。このとき、プランジャ３にはシール性が要求されないことから、円滑な動作が可能であり、定量的な燃料供給が実現可能である。

上述の構成を有する燃料タンクは、図３に示すような燃料電池システムに組み込むことができる。以下、この燃料電池システムについて説明する。

本例の燃料電池システムは、発電を行う燃料電池スタック１１と、燃料電池スタック１１に空気を供給する空気供給系、燃料を供給する燃料供給系、水処理機構、これらを制御する制御コントローラ１２、燃料電池スタック１１の発電電力により駆動されるＤＣ−ＤＣコンバータ１３及び負荷１４等から構成される。

空気供給系としては、空気供給ポンプ１５を備え、燃料供給系としては、メタノールタンク１６、燃料混合器１７、及び燃料水溶液循環ポンプ１８とを備えている。水処理機構は、気液分離器１９、水分貯蔵器２０、及び処理装置２１を備え、これらに付帯して電磁バルブ２２、二酸化炭素除去器２３等が設けられている。

上述の構成を有する燃料電池システムでは、メタノールタンク１６からメタノールが押し出され、燃料混合器１７に供給される。燃料水溶液循環ポンプ１８は、メタノールと水分とを混合して燃料水溶液を生成する燃料混合器１７から燃料電池スタック１１に燃料水溶液を供給する。燃料電池スタック１１で消費された燃料水溶液は、二酸化炭素除去器２３を備えた燃料混合器１７に循環され、再度燃料水溶液循環ポンプ１８によって燃料電池スタック１１に供給される。二酸化炭素除去器２３を備えた燃料混合器１７は、燃料電池スタック１１によって排出された排出液体から二酸化炭素を分離して処理装置２１に送り、処理装置２１は二酸化炭素を大気中に排出する。メタノールの如き液体燃料を用いた燃料電池システムにおいては、液体燃料そのものが燃料電池の冷却媒体であり、燃料電池システムは別途冷却流路を必要としない。また、液体燃料を用いた燃料電池システムは、液体燃料自身が非圧縮性を有することから水素ガスの如き気体の燃料を用いる場合に比べて背圧弁が不要となる利点を有する。

空気供給ポンプ１５は、酸化剤である空気を大気から取り込んで燃料電池スタック１１に供給する。燃料電池スタック１１で発電に用いられた空気は、気液分離器１９によって水分と分離され、処理装置２１を介して大気中に排出される。分離された水分は水分貯蔵器２０に貯蔵された後、燃料混合器１７に送られて燃料水溶液の生成に利用される。また、水分貯蔵器２０と燃料混合器１７との間に設けられる電磁バルブ２２は、水分貯蔵器２０から燃料混合器１７へ供給される水の供給量を調整する。

また、燃料電池スタック１１に接続されるＤＣ−ＤＣコンバータ１３と、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３に接続される負荷１４は、燃料電池スタック１１から電力を取り出すことにより、駆動される。制御コントローラ１２は、燃料電池システムを構成する各装置の駆動を制御する。

以上の構成を有する燃料電池システムにおいて、メタノールタンク１６として、先に説明した燃料タンクを用いる。隔壁５内に収容されたメタノールは、プランジャ３による押圧によって押し出され、燃料タンク１（メタノールタンク１６）から排出される。排出されたメタノールは、燃料電池スタック１１へと供給され、発電に使用される。このような燃料電池システムでは、メタノールタンク１６内のメタノールを吸い上げるためのメタノール供給ポンプが不要であり、装置構成を簡略化することができる。

以上、本発明の具体的な実施形態について説明したが、本発明がこれら実施形態に限られるものではないことは言うまでもなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。例えば、各実施形態は、燃料としてメタノールを使用する場合を例にして説明したが、炭化水素系燃料等、液体燃料を用いる燃料電池システムの燃料タンク全般に適用することが可能である。

本発明を適用した燃料タンクの一例を示す概略断面図である。 押圧バネの形状例を示す概略斜視図であり、（ａ）は伸張状態を示し、（ｂ）は圧縮状態を示す。 燃料電池システムの構成例を示すブロック図である。

符号の説明

１ 燃料タンク
２ 外装容器
３ プランジャ
４ クイックコネクター
５ 隔壁
７ 押圧バネ
８ 弾性体
９ ホルダー
１１ 燃料電池スタック
１６ メタノールタンク

Claims (7)

1. プランジャで仕切られた２つの空間を有し、
   前記２つの空間のうち一方の空間には袋状の隔壁が設けられ、当該隔壁中に液体燃料が貯蔵されるとともに、前記プランジャと前記隔壁との間に、前記隔壁の形状変化に追随して変形し得る弾性体が設けられ、
   前記２つの空間の他方の空間には押圧バネが設けられ、
   前記押圧バネにより前記プランジャを押圧することで、前記隔壁内の液体燃料が押し出される燃料タンク。
2. 前記隔壁は、フッ素系樹脂により形成されている請求項１記載の燃料タンク。
3. 前記押圧バネは、円錐バネからなる請求項１記載の燃料タンク。
4. 前記円錐バネは、圧縮長がバネの構成する線材の線径と略等しくなる形状を有する請求項３記載の燃料タンク。
5. 前記弾性体は、樹脂発泡体からなる請求項１記載の燃料タンク。
6. 前記液体燃料はメタノールである請求項１記載の燃料タンク。
7. 燃料電池と、当該燃料電池に燃料である液体燃料を供給する燃料タンクを備えた燃料電池システムにおいて、
   前記燃料タンクは、プランジャで仕切られた２つの空間を有する燃料タンクであって、 前記２つの空間のうち一方の空間には袋状の隔壁が設けられ、当該隔壁中に液体燃料が貯蔵されるとともに、前記プランジャと前記隔壁との間に、前記隔壁の形状変化に追随して変形し得る弾性体が設けられ、
   前記２つの空間の他方の空間には押圧バネが設けられ、
   前記押圧バネにより前記プランジャを押圧することで、前記隔壁内の液体燃料が押し出される燃料電池システム。

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