JP4713328B2 - 燃料タンク及び燃料タンク用キャップ装置 - Google Patents

Description

本発明は，燃料タンク，特に，移動電源用燃料電池システムに適する燃料タンク及びそれに採用される燃料タンク用キャップ装置に関する。

燃料タンクは，所定量の燃料を貯蔵し，貯蔵された燃料を特定の装置またはシステムに供給する。

通常燃料タンクは，タンク本体と本体内に燃料を注入するための燃料注入口を塞ぐふたでなる。そして，燃料タンクには装置またはシステムに燃料を移送する外部移送管が接続される。

前述した燃料タンクは，液体燃料を使用する多様な装置に利用されることができる。例えば，燃料タンクは，車両のように燃料の化学的なエネルギーを動力源で使用する動力装置や，燃料電池のように燃料の化学的なエネルギーを利用して電気エネルギーを生産する装置に利用されることができる。

燃料電池は，水素と酸素の電気化学的な反応によって電気を発生させる装置である。燃料電池システムは，燃料タンクに貯蔵された液体燃料，例えば，メタノールを利用して電気エネルギーを生産する。

前述した燃料電池システムは，移動電源用燃料電池システム，輸送用燃料電池システム及び分散発電用燃料電池システムに区分することができる。

その中で，移動電源用燃料電池システムは，レジャー用移動電源や携帯型情報通信器機の充電電源などに使われる燃料電池システムを称する。移動電源用に適する燃料電池としては，高分子電解質膜を利用する高分子電解質型燃料電池(Ｐｒｏｔｏｎ Ｅｘｃｈａｎｇｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＰＥＭＦＣ)と直接メタノール燃料電池(Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＤＭＦＣ)がある。

なお，従来の燃料タンク及び燃料タンク用キャップ装置に関する技術を記載した文献としては，下記特許文献１がある。

特開平１３−００４４３２号公報

しかし，移動電源用燃料電池システムに使われる燃料タンクは，手で持って直接運搬するか，車両などを利用して運搬する場合，燃料電池システムの搭載または運搬状態によって燃料タンクがひどく搖れたり横になることがある。

前述した場合，燃料タンクがひどく搖れたり，横になり，燃料タンク内の燃料が燃料電池に円滑に供給されなければ，燃料電池の出力が減少され，このことで，燃料電池システムを電源として使用する装置が正常に動作することができなくなる。

さらに，燃料タンクが搖れたり，横に倒れて燃料がまともに供給されず，そのために燃料電池のアノード側で燃料不足になると，アノード側の触媒層が，カソード側から電解質膜（セパレーター）を越えて来る酸素がアノード側の触媒層と反応して触媒層が削られるような現象が発生される。

このような現象は，燃料電池の安全性に致命的な損傷を与え，燃料電池の寿命を大きく短縮させる場合がある。

そこで，本発明は，このような問題に鑑みてなされたもので，その目的とするところは，燃料タンクが搖れる場合や燃料タンクが傾く場合にも燃料を持続的で円滑に供給することができる燃料タンクを提供することにある。

本発明の他の目的は，燃料タンクが搭載されたシステムから燃料タンクを安全で容易に接続及び分離することができる燃料タンク及び燃料タンク用キャップ装置を提供することである。

上記課題を解決するために，本発明のある観点によれば， 燃料電池に接続されて燃料を貯蔵する燃料タンクにおいて，燃料注入口及び内部圧力を維持するためのピンホールを備えるタンク本体と，上記タンク本体に貯蔵される上記燃料の表面に位置するフロートと，上記ピンホール及び上記フロートの上部に各端部が接続される空気管と，上記燃料注入口を覆い，外部移送管が着脱可能に接続されるキャップ装置と，を備え，上記キャップ装置は，燃料の流入口及び，上記流入口と上記外部移送管を接続する内部移送路を備えたキャップ本体と，燃料の流出口及び，上記外部移送管を上記流出口に固定するコネクターを備えた固定プレートと，上記外部移送管が挿入されると上記内部移送路が開放されるように動作する弾性開閉部とを備え，上記外部移送管が上記コネクターのコネクター本体に挿入されると上記外部移送管が上記コネクター本体に固定されると共に上記内部移送路が開放され，上記外部移送管が上記コネクター本体から取り外されると上記内部移送路が閉じられること，を特徴とする燃料タンクが提供される。かかる構成によれば，燃料タンクに貯蔵された燃料が減っても燃料タンクの耐圧が増加されず，大気圧状態で維持される。また，燃料タンクが搖れたり，傾く場合にも燃料を安定的に放出することができる。

また，燃料タンクは，燃料注入口を覆い，外部移送管が接続されるキャップ装置をさらに備えることができる。

また，燃料タンクは，タンク本体内の燃料をキャップ装置に移送する燃料管をさらに備えることができる。

上記課題を解決するために，本発明の別の観点によれば，外部移送管が着脱可能に接続され，燃料の流入口及び，上記流入口と上記外部移送管を接続する内部移送路を備えたキャップ本体と，燃料の流出口及び，上記外部移送管を上記流出口に固定するコネクターを備えた固定プレートと，を備え，上記キャップ本体は，上記外部移送管が挿入されると上記内部移送路が開放されるように動作する弾性開閉部を備え，上記外部移送管が上記コネクターのコネクター本体に挿入されると上記外部移送管が上記コネクター本体に固定されると共に上記内部移送路が開放され，上記外部移送管が上記コネクター本体から取り外されると上記内部移送路が閉じられること，を特徴とする燃料タンク用キャップ装置が提供される。

また，コネクターは，流出口内に挿入した状態で設置され，中空パイプ構造で一端の開口部に流出口の直径より大きい直径のコネクターフランジが備えられたコネクター本体と，及び外部移送管内に部分的に挿入され，外部移送管の末端部から所定の長さほど突き出される中空挿入体とを備えることができる。

また，弾性開閉部は，スプリングと，スプリングが挿入設置されて，一側に開口部が備えられる開閉部本体と，開閉部本体の開口部に挿入され，スプリングによって弾性的に往復運動する頭部とを備えることができる。

また，キャップ本体は燃料タンクの燃料注入口の内周面に螺合することができる。

また，固定プレートは燃料注入口の外周面に螺合することができる。

また，キャップ本体は固定プレートと燃料注入口の末端部の間に挿入されるフランジ部を備えることができる。

また，キャップ本体は，燃料タンクの耐圧を維持するためのピンホールを備え，ピンホールは螺合された前記固定プレートと前記タンク本体の前記燃料注入口との接続部のすきまを通じて，外部と連結することができる。

本発明によれば，燃料タンクが搖れる場合や燃料タンクが傾く場合にも持続的に円滑に燃料を供給することができる燃料タンクを提供できるものである。

また，燃料タンクと外部移送管の接続及び分離が容易であり，燃料タンクのみを分離して使用することができ，携帯が容易であるという利点がある。

また，燃料タンクから外部移送管が分離する場合，自動的に燃料タンクの流出口が閉まって燃料漏出を防止することができる。

以下に添付図面を参照しながら，本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお，本明細書及び図面において，実質的に同一の機能構成を有する構成要素については，同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

（第１実施形態）
図１は，本発明による燃料タンクが採用された燃料電池システムを概略的に現わすブロック図である。

図１を参照すれば，燃料電池システムは，動作中にシステムが搖れたり横たわる場合にも燃料タンク内の燃料が持続的に燃料電池に供給されるようになる。

このために，燃料電池システムは燃料電池１００，燃料タンク２００，燃料ポンプ３００及び空気ポンプ４００を備える。

具体的には，燃料電池１００は電気エネルギーを発生させる独立的な電気発生部として少なくとも一つの単位電池を備える。

燃料電池１００は，単位電池を複数個積層した燃料電池スタックになる。例えば，図１に示したように，燃料電池１００は，高分子電解質膜１１０と高分子電解質膜の両面に接合されるアノード電極１２０及びカソード電極１２２からなる膜−電極アセンブリ(ｍｅｍｂｒａｎｅ−ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ)と，セパレーター（separater）１３０，１３２が積層された構造でなる。このセパレーター１３０，１３２は，膜−電極アセンブリの両面に密着され，膜−電極アセンブリのアノード電極１２０側に水素を備える燃料を伝達し，カソード電極１２２側に空気や酸素などの酸化剤を伝達することができる。また，セパレーター１３０，１３２は，燃料電池１００の構造によって省略することができる。

空気ポンプ４００は，燃料電池１００のカソード側に接続されて，空気を燃料電池１００内のカソード電極１３２に供給する。空気ポンプ４００は，圧着密封された構造の燃料電池１００内に必要な酸素量以上を備える十分な空気を供給する。

燃料ポンプ３００は，外部移送管１５０に接続される。燃料ポンプ３００は，外部移送管１５０に所定の圧力を発生させ，燃料タンク２００に貯蔵された燃料が燃料電池１００のアノード側に伝達されるように燃料の流れを誘導する。

燃料ポンプ３００は，燃料電池１００の持続的で安定的な運転のために燃料電池１００の動作状態で十分な量の燃料を持続的に供給する。

燃料タンク２００は，所定量の燃料を貯蔵する。燃料タンク２００は，外部移送管１５０が燃料タンク２００に正常に接続されている間のみに，貯蔵された燃料が流出されるようになる。

また，燃料タンク２００は，燃料電池システムの振動や燃料電池システムが傾けられる場合にも，燃料電池１００に正常に燃料を供給できるようになる。このような燃料タンク２００について，以下に詳しく説明する。

図２は，本発明の本実施形態による燃料タンクを示す断面図である。

図２を参照すれば，燃料タンク２００は，タンク本体２１０，燃料管２１４，空気管２１６，フロート２１８及びキャップ装置を備える。

キャップ装置は，キャップ本体２２０と固定プレート２３０からなる。

具体的には，タンク本体２１０は，所定量の燃料２０２を貯蔵する。ここで，燃料タンク２００が高分子電解質型燃料電池や直接メタノール型燃料電池に接続される場合，燃料タンク２００に貯蔵される燃料２０２はメタノールであることが望ましい。

また，タンク本体２１０は，プラスチックや金属材またはこれらの組み合わせによる容器で作られる。タンク本体２１０には，燃料２０２の注入のための燃料注入口２１２が備えられる。

燃料管２１４は，外部圧力によってタンク本体２１０に貯蔵された燃料２０２をキャップ本体２２０に移送する。燃料管２１４は，柔軟なゴム管，プラスチック管，金属管などからなる。燃料管２１４の一端は，キャップ本体２２０に接続され，他端は燃料２０２の中に浸される。

また，燃料管２１４は柔軟な管で形成されるため，燃料タンク２００が傾く時，自然に重力方向に移動する。燃料管２１４の他端，つまり，燃料２０２の中に浸けられ，固定されていない燃料管の末端部は，燃料タンク２００が傾く時，燃料２０２の中で自体重さによって重力方向に移動する。

したがって，燃料管２１４は，燃料タンク２００の傾きに関係なく外部圧力によって貯蔵された燃料２０２をキャップ本体２２０に移送する。

一方，燃料管２１４のキャップ本体に接続されている一端の末端部は錘をぶら下げるような適切な手段によってやや重く構成することができる。

空気管２１６は，燃料タンク２００の耐圧が適切に維持されるように燃料タンク200の外部から内部に空気が移動されるようにする。

また，空気管２１６は，柔軟なゴム管やプラスチック管でなる。空気管２１６の一端はキャップ本体２２０に接続され，他端はタンク本体２１０の内部で燃料２０２上部の空間に露出される。

また，空気管２１６の他端は燃料タンク２００が搖れたり傾く場合にも，常に，燃料２０２の上部空間に露出するようにフロート２１８に接続される。

フロート２１８は，略雪だるま形状または略だるま形状をしていて，下部２１９ｂが上部２１９ａより重く構成される。したがって，フロート２１８の下部２１９ｂは，燃料２０２に浸って，上部２１９ａは，燃料２０２上部の空間に露出される。

本実施形態では，空気管２１６の他端をフロート２１８の上部２１９ａに形成された貫通ホールの一端に接続させて空気通路を形成し，それによって燃料タンク２００の内部圧力が外部圧力より高くなる時，外部の空気が安定的に燃料タンク２００の内部に流入されるようにする。

前述した構成によれば，燃料タンク２００に貯蔵された燃料２０２が減っても燃料タンク２００の耐圧が増加されず，大気圧状態で維持される。また，燃料タンク２００が搖れたり傾く場合にも燃料を安定的に放出することができる。

一方，空気管２１６の一端はキャップ本体２２０に連結されず，タンク本体２１０の上部面などに形成される。また，他のピンホールに適切に接続されることができる。

キャップ装置は，キャップ本体２２０と固定プレート２３０でなる。キャップ装置はタンク本体２１０の燃料注入口２１２をしっかり塞ぎ，外部の外部移送管１５０と接続する。キャップ装置については，以下により詳しく説明する。

図３は，図２の燃料タンクに採用されたキャップ装置を示す断面図である。

図３を参照すれば，キャップ装置は，タンク本体２１０の燃料注入口２１２内周面に螺合されるキャップ本体２２０と注入口２１２の外周面に螺合される固定プレート２３０でなる。

キャップ本体２２０は，内部空間が備えられた円筒形状に形成される。キャップ本体２２０は，燃料管２１４の一端が接続され，燃料管２１４を介して燃料が流入される流入口２２１と，この燃料流入口２２１を介して，流入された燃料を外部移送管１５０側に移送する内部移送路２２２を備える。

また，キャップ本体２２０は，外周面に形成された螺子結合部２２３と，キャップ本体の上部面と下部面との間を貫くホール２２４を備える。ここで，ホール２２４は針穴のような小さな直径のピンホールを備える。

ホール２２４が形成されたキャップ本体２２０の下部面には，空気管２１６が接続される。キャップ本体２２０の下部面に接続される燃料管２１４及び空気管２１６は，結合部を圧迫支持する所定の固定手段２１５，２１７によってキャップ本体２２０に固定的に接続される。

キャップ本体２２０の内部空間には，弾性開閉部が挿入設置される。弾性開閉部はキャップ本体２２０の上部側開口部を通じて内部空間に挿入された状態で設置される。

この時，キャップ本体２２０の内部空間に形成された凹凸模様の内壁と弾性開閉部との間の空間は内部移送路２２２になる。

弾性開閉部は，スプリング２４１と，このスプリング２４１が挿入された状態で設置され，一側に開口部が備えられる開閉部本体２４２，及びこの開閉部本体２４２の開口部に挿入される頭部２４３を備える。

開閉部本体２４２は，キャップ本体２２０の内部空間に設置され，頭部２４３は，スプリング２４１によって，弾性的に燃料供給方向に内部移送管に沿って往復運動をする。この時，頭部２４３は，頭部２４３の外側面に形成されたホームと開閉部本体２４２の内側面に形成された突起によって限定された区間でガイドされる。

固定プレート２３０は，タンク本体２１０の燃料注入口２１２を塞ぐ蓋模様に形成される。固定プレート２３０は，流出口２３１を備える。流出口２３１には，コネクターが挿入される。

コネクターは，外部移送管１５０を流出口２３１内に固定するための手段である。コネクターはコネクター本体２３２と中空挿入体２３４を備える。

コネクター本体２３２は，流出口２３１に挿入され固定される。また，コネクター本体２３２は，流出口２３１の中に完全に挿入されることを防止するためのコネクターフランジ２３３を備える。

コネクター本体２３２をさらに安定的に固定するためにコネクター本体２３２と流出口２３１の間には，所定の接着剤が塗布されることができる。また，コネクター本体２３２は軟性プラスチックや弾性部材に形成される。このような構成はコネクター本体２３２とその内部に挿入される外部移送管１５０との密着力を高め，外部移送管１５０がコネクター本体２３２と繰り返し接続及び分離可能にする。

中空挿入体２３４は，外部移送管１５０内に挿入固定される。このために，中空挿入体２３４は，挿入される部分に所定の突起が具備される。また，中空挿入体２３４は，係止突起２３５を備え，係止突起２３５によって外部移送管１５０に挿入される部分が制限される。

また，中空挿入体２３４は外部移送管１５０の末端部１５１から所定の長さに突出された突出部２３６を備える。この場合の所定の長さとは，突出部２３６と弾性開閉部の頭部２４３が常に接触していない程度の長さである。つまり，キャップ本体２２０がコネクターに押圧されて，弾性圧縮されるときのみ，突出部２３６と弾性開閉部の頭部２４３が接触する長さである。係止突起２３５により，外部移送管１５０の末端部１５１が閉じられていた状態から，外部移送管１５０を挿入すると，突出部２３６が弾性開閉部の頭部２４３を押して圧迫し，この圧迫状態で内部移送路が開放されるように作用する。つまり，突出部２３６が，頭部２４３と接触し，頭部２４３が，弾性的に燃料供給方向に内部移送路２２２に沿って往復運動をさせることにより，係止突起２３５が下方に移動するため，末端部１５１が開放され，内部移送路２２２が開放されるように作用する。

また，中空挿入体２３４は中空部２３７ａと突出部２３６の側面に形成された開口部２３７ｂを備える。この開口部２３７ｂと中空部２３７ａを通じて燃料が外部移送管１５０に流出される。

また，固定プレート２３０は，内周面にねじ結合部２３８を備える。このねじ結合部２３８は，タンク本体２１０の燃料注入口２１２の外周面に形成されたねじ結合部と螺合される。この時，螺合された固定プレート２３０の内周面とタンク本体２１０の燃料注入口２１２の外周面の間には所定の隙間２３９が備えられる。これは製造工程で固定プレート２３０のねじ結合部２３８が所定の表面あらさを備えるように形成されることで容易に具現される。

この隙間２３９は，空気管２１６とホール２２４に連結され，このような構成によって燃料タンク内の燃料が外部移送管１５０を通じて流出される時，燃料タンクの耐圧を増加させずに大気圧に維持する。

一方，本実施形態では，燃料タンクが搭載される燃料電池システムを小型化に適する高分子電解質型燃料電池方式または直接メタノール型燃料電池方式を適用することができる。

以上，添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが，本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば，特許請求の範囲に記載された範疇内において，各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり，それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明は，燃料タンクに運用可能であり，特に移動電源用燃料電池システムに適用可能である。

本発明の第１実施形態による燃料タンクが採用される燃料電池システムを概略的に示すブロック図である。 本発明の第１実施形態による燃料タンクを示す断面図である。 図２の燃料タンクに採用されたキャップ装置を示す断面図である。

符号の説明

１００ 燃料電池
１１０ 電解質膜
１２０ アノード電極
１２２ カソード電極
１３０ セパレーター
１３２ セパレーター
１５０ 外部移送管
１５１ 末端部
２００ 燃料タンク
２０２ 燃料
２１０ タンク本体
２１２ 燃料抽入口
２１４ 燃料管
２１５ 固定手段
２１６ 空気管
２１７ 固定手段
２１８ フロート
２１９ａ 上部
２１９ｂ 下部
２２０ キャップ本体
２２１ 流入口
２２２ 内部移送路
２２３ ねじ結合部
２２４ ホール
２３０ 固定プレート
２３１ 流出口
２３２ コネクター本体
２３３ コネクタフランジ
２３４ 中空挿入体
２３５ 係止突起
２３６ 突出部
２３７ａ 中空部
２３７ｂ 開口部
２３８ 結合部
２３９ 隙間
２４１ スプリング
２４２ 開閉部本体
２４３ 頭部
３００ 燃料ポンプ
４００ 空気ポンプ

Claims (10)

1. 燃料電池に接続されて燃料を貯蔵する燃料タンクにおいて，
   燃料注入口及び内部圧力を維持するためのピンホールを備えるタンク本体と，
   前記タンク本体に貯蔵される前記燃料の表面に位置するフロートと，
   前記ピンホール及び前記フロートの上部に各端部が接続される空気管と，
   前記燃料注入口を覆い，外部移送管が着脱可能に接続されるキャップ装置と，を備え，
   前記キャップ装置は，
   燃料の流入口及び，前記流入口と前記外部移送管を接続する内部移送路を備えたキャップ本体と，
   燃料の流出口及び，前記外部移送管を前記流出口に固定するコネクターを備えた固定プレートと，
   前記外部移送管が挿入されると前記内部移送路が開放されるように動作する弾性開閉部とを備え，
   前記外部移送管が前記コネクターに挿入されると前記外部移送管が前記コネクターに固定されると共に前記内部移送路が開放され，前記外部移送管が前記コネクターから取り外されると前記内部移送路が閉じられ，
   前記コネクターは，
   前記流出口に取り付けられ，中空パイプ構造を有し，一端の開口部に前記流出口の外周から外側方向に迫り出すコネクターフランジを備えたコネクター本体と，
   前記外部移送管内に部分的に挿入されて前記外部移送管の末端部から所定の長さが突出され，前記外部移送管と共に前記コネクター本体に挿入されると前記内部移送路を開放させる中空挿入体と
   を備え，
   前記固定プレートは，前記燃料注入口の外周面に螺合されることを特徴とする燃料タンク。
2. 前記キャップ装置に接続されて，前記タンク本体内の前記燃料を前記キャップ装置に移送する燃料管をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料タンク。
3. 前記弾性開閉部は，
   一側に開口部を有し，その内部にスプリングを備えた開閉部本体と，
   前記開閉部本体の前記開口部に一端部が挿入されて前記スプリングの弾性力により往復運動する頭部とを備えることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料タンク。
4. 前記キャップ本体は，前記燃料注入口の内周面に螺合されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料タンク。
5. 前記ピンホールは，
   前記キャップ本体に設けられ，
   前記タンク本体の前記燃料注入口と，前記燃料注入口に螺合された前記固定プレートとの間のすきまを通じて外部と接続されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料タンク。
6. 外部移送管が着脱可能に接続され，
   燃料の流入口及び，前記流入口と前記外部移送管を接続する内部移送路を備えたキャップ本体と，
   燃料の流出口及び，前記外部移送管を前記流出口に固定するコネクターを備えた固定プレートと，を備え，
   前記キャップ本体は，前記外部移送管が挿入されると前記内部移送路が開放されるように動作する弾性開閉部を備え，
   前記外部移送管が前記コネクターに挿入されると前記外部移送管が前記コネクターに固定されると共に前記内部移送路が開放され，前記外部移送管が前記コネクターから取り外されると前記内部移送路が閉じられ，
   前記コネクターは，
   前記流出口に取り付けられ，中空パイプ構造を有し，一端の開口部に前記流出口の外周から外側方向に迫り出すコネクターフランジを備えた前記コネクター本体と，
   前記外部移送管内に部分的に挿入されて前記外部移送管の末端部から所定の長さが突出され，前記外部移送管と共に前記コネクター本体に挿入されると記内部移送路を開放させる中空挿入体と
   を備え，
   前記固定プレートは，燃料タンクの燃料注入口の外周面に螺合されることを特徴とする燃料タンク用キャップ装置。
7. 前記弾性開閉部は，
   一側に開口部を有し，その内部にスプリングを備えた開閉部本体と，
   前記開閉部本体の前記開口部に一端部が挿入されて前記スプリングの弾性力により前記開口部内で弾性的に往復運動する頭部とを備えることを特徴とする請求項６に記載の燃料タンク用キャップ装置。
8. 前記キャップ本体は，燃料タンクの燃料注入口の内周面に螺合されることを特徴とする請求項６または７に記載の燃料タンク用キャップ装置。
9. 前記キャップ本体は，前記固定プレートと燃料タンクの燃料注入口の開口部端部との間に位置するように設けられるフランジ部を備えることを特徴とする請求項６〜８のいずれか１項に記載の燃料タンク用キャップ装置。
10. 前記キャップ本体は，燃料タンクの内部圧力を維持するピンホールを備え，
    前記ピンホールは，燃料タンクの燃料注入口と，前記燃料注入口の外周面に螺合された前記固定プレートとの間のすきまを通じて外部と接続されることを特徴とする請求項６〜９のいずれか１項に記載の燃料タンク用キャップ装置。
    

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