JP2006079934A - 燃料電池用小型ポンプ及びゴム部材 - Google Patents

Abstract

【課題】 耐メタノール特性を向上して発電効率を低下させないようにすると共に、低硬度化が可能で且つ温度依存性を低下させて耐熱老化性を向上してポンプ性能を安定させて信頼性を向上することができる燃料電池用小型ポンプ及びゴム部材を提供する。
【解決手段】 メタノールからなる燃料が貯留された貯留タンクから燃料が供給される供給孔１４と燃料を電気に変換する機関部に導入する導入孔１５とに連通するように設けられた圧力室１２と、該圧力室１２の一方面に設けられたダイヤフラム１３と、前記供給孔１４及び前記導入孔１５にそれぞれ設けられた逆止弁１７とを具備する燃料電池用小型ポンプ１０であって、少なくとも前記ダイヤフラム１３及び前記逆止弁１７からなるゴム部材を、耐メタノール抽出率が１％以下で且つ耐メタノール膨潤率が１％以下のシリコーンゴムで形成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、メタノールを用いた燃料電池に用いられる燃料電池用小型ポンプに関し、特に燃料電池用小型ポンプに用いられるゴム部材に関する。

一般的に燃料電池としては、固形高分子型燃料電池、都市ガスやメタノールなどを用いたリン酸型燃料電池、メタノールを用いたダイレクトメタノール型燃料電池などが知られている。

このうち、ダイレクトメタノール型燃料電池は、水素容器、改質器及び一酸化炭素除去装置を用いずにメタノールを直接用いて発電するため、小型化が容易で且つ起動が早いことから、携帯電話、ノートパソコンなどのモバイル機器等の電源として用いられることが望まれている。

ここで一般的なダイレクトメタノール型燃料電池としては、メタノールが貯留されるタンク等の貯留部と、空気極と燃料極とで電解質を挟んだ構造を有するセルを複数積み重ねたセルスタックからなる機関部と、機関部にメタノールを送る小型ポンプとで構成されている。なお、小型ポンプには、ダイヤフラム、逆止弁及びパッキン等からなるゴム部材が用いられている。

しかしながら、小型ポンプのゴム部材として、メタノール抽出率の大きいゴム材料を使用すると、ゴム部材からメタノールへ抽出することによって燃料電池の燃料であるメタノールを汚染してしまい、汚染されたメタノールによって電極等が汚染され燃料電池の発電効率が低下してしまうという問題がある。

また、小型ポンプのゴム部材として、メタノール膨潤率の大きいゴム材料を使用すると、ゴム部材が膨潤し、寸法形状が変化してしまうため、ゴム製品性能に影響を及ぼしてポンプ性能が低下してしまうという問題がある。

また、小型ポンプのゴム部材にエチレン−プロピレンゴム（ＥＰＤＭ）を用いることで、メタノール抽出率及びメタノール膨潤率を向上することができるが、その抽出率及び膨潤率を満足しながら低硬度化することが困難である。なお、ポンプ部品の一つである逆止弁は、低硬度の方がポンプ性能が出る場合もあり、ＥＰＤＭの場合、その要求を満足させることができない。

さらに、燃料電池用小型ポンプは、稼働時に高温環境となることから、温度依存性が低いものが好ましいが、ＥＰＤＭ等のゴム部材を用いると温度依存により材料物性、例えば、ゴム硬度が低くなると、ゴム部材の静ばね定数も低くなり、ポンプ吐出力や密閉性等のポンプ性能に悪影響を与えてしまうという問題がある。また、燃料電池用小型ポンプは、長期に亘って使用する際に耐熱老化性が低いゴム部材を用いるのが好ましいが、ＥＰＤＭ等のゴム部材を用いると耐熱劣化によってポンプ性能が変化してしまい信頼性が低いという問題がある。

本発明はこのような課題に鑑み、耐メタノール特性を向上して発電効率を低下させないようにすると共に、低硬度化が可能で且つ温度依存性を低下させて耐熱老化性を向上してポンプ性能を安定させて信頼性を向上することができる燃料電池用小型ポンプ及びゴム部材を提供することを課題とする。

上記課題を解決する本発明の第１の態様は、メタノールからなる燃料が貯留された貯留タンクから燃料が供給される供給孔と燃料を電気に変換する機関部に導入する導入孔とに連通するように設けられた圧力室と、該圧力室の一方面に設けられたダイヤフラムと、前記供給孔及び前記導入孔にそれぞれ設けられた逆止弁とを具備する燃料電池用小型ポンプであって、少なくとも前記ダイヤフラム及び前記逆止弁からなるゴム部材が、耐メタノール抽出率が１％以下で且つ耐メタノール膨潤率が１％以下のシリコーンゴムからなることを特徴とする燃料電池用小型ポンプにある。

かかる第１の態様では、耐メタノール抽出率を低下させることでメタノールの汚染を防止して機関部の汚染を防止することができ、発電効率を低下させるのを防止することができると共に、耐メタノール膨潤率を低下させることでポンプ性能を安定させて信頼性を向上することができる。また、シリコーンゴムからなるゴム部材は低硬度で且つ温度依存性が低く、耐熱老化性に優れているため、燃料電池用小型ポンプのポンプ性能を安定させて信頼性を向上することができる。

本発明の第２の態様は、第１の態様において、前記シリコーンゴムの硬度Ｈｓが、２０〜７０°であることを特徴とする燃料電池用小型ポンプにある。

かかる第２の態様では、所定硬度のゴム部材を用いることで、燃料電池用小型ポンプのポンプ性能を向上することができる。

本発明の第３の態様は、第１又は２の態様において、前記ゴム部材が、メチルビニルシリコーンゴム又はシリコーン変性ＥＰＤＭであることを特徴とする燃料電池用小型ポンプにある。

かかる第３の態様では、メチルビニルシリコーンゴム又はシリコーン変性ＥＰＤＭからなるゴム部材によって、燃料電池用小型ポンプのポンプ性能を安定させて信頼性を向上することができる。

本発明の第４の態様は、第１〜３の何れかの態様において、前記ゴム部材が、パッキン、Ｏリング及びスペーサから選択される少なくとも一つを含むことを特徴とする燃料電池用小型ポンプにある。

かかる第４の態様では、パッキン、Ｏリング及びスペーサ等のゴム部材を耐メタノール特性に優れたシリコーンゴムを用いることで、燃料が漏れ出るのを防止して信頼性を向上することができる。

本発明の第５の態様は、メタノールを燃料とする燃料電池に用いられる燃料電池用小型ポンプにおける少なくとも燃料が流通する部分のゴム部材であって、耐メタノール抽出率が１％以下で且つ耐メタノール膨潤率が１％以下であるシリコーンゴムからなることを特徴とするゴム部材にある。

かかる第５の態様では、耐メタノール抽出率を低下させることでメタノールの汚染を防止して機関部の汚染を防止することができ、発電効率を低下させるのを防止することができると共に、耐メタノール膨潤率を低下させることでポンプ性能を安定させて信頼性を向上することができる。また、シリコーンゴムからなるゴム部材は低硬度化が可能で且つ温度依存性が低く、耐熱老化性に優れているため、燃料電池用小型ポンプのポンプ性能を安定させて信頼性を向上することができる。

本発明の第６の態様は、第５の態様において、前記シリコーンゴムの硬度Ｈｓが、２０〜７０°であることを特徴とするゴム部材にある。

かかる第６の態様では、所定硬度のゴム部材を用いることで、燃料電池用小型ポンプのポンプ性能を向上することができる。

本発明の第７の態様は、第５又は６の態様において、前記シリコーンゴムが、メチルビニルシリコーンゴム又はシリコーン変性ＥＰＤＭであることを特徴とするゴム部材にある。

かかる第７の態様では、メチルビニルシリコーンゴム又はシリコーン変性ＥＰＤＭからなるゴム部材によって、燃料電池用小型ポンプのポンプ性能を安定させて信頼性を向上することができる。

本発明によれば、燃料電池用小型ポンプに耐メタノール抽出率が１％以下で且つ耐メタノール膨潤率が１％以下のシリコーンゴムからなるゴム部材を用いることで、耐メタノール特性を向上して発電効率が低下するのを防止することができると共にポンプ性能を安定させて信頼性を向上することができる。また、シリコーンゴムからなるゴム部材は低硬度化が可能で且つ温度依存性が低く、耐熱老化性に優れているため、燃料電池用小型ポンプのポンプ性能を安定させて信頼性を向上することができる。

以下に本発明を実施形態に基づいて詳細に説明する。

図１は、燃料電池用小型ポンプの断面図である。図１に示すように、本実施形態の燃料電池用小型ポンプ１０は、ポンプ本体１１内にメタノールが充填される圧力室１２を有する。この圧力室１２は、一方面がゴム部材からなるダイヤフラム１３によって画成されており、その他方面には、メタノールが貯留された図示しない燃料タンク等の貯留部に連通する導入孔１４と、セルスタックからなる機関部に連通して機関部にメタノールを供給する供給孔１５とが設けられている。

また、ポンプ本体１１の導入孔１４と供給孔１５との間には、ゴム部材からなる板状のスペーサ１６が設けられている。このスペーサ１６は、その両端部が導入孔１４と供給孔１５とにそれぞれ突出するように設けられている。このスペーサ１６は、メタノールの漏出を防ぐパッキンとしての役割を有する。

さらに、導入孔１４と供給孔１５とには、それぞれゴム部材からなる板状の逆止弁１７が設けられている。この逆止弁１７は、一端がポンプ本体１１に固定され、他端が自由端となってスペーサ１６に当接するように設けられており、逆止弁１７がその弾性力によってスペーサ１６に当接することによって導入孔１４及び供給孔１５を塞ぐようになっている。このような逆止弁１７は、一方が導入孔１４に燃料タンクから圧力室１２に向かってメタノールが流れるように設けられ、他方が供給孔１５に圧力室１２から機関部に向かってメタノールが流れるように設けられている。

一方、ダイヤフラム１３は、圧力室１２の一方面を塞ぐように設けられた板状のゴム部材からなり、その中央には駆動軸１８の先端部が固定されている。この駆動軸１８は、基端部側が図示しない駆動手段に固定されており、駆動手段によって往復運動するように設けられている。なお、駆動手段は、その駆動により駆動軸１８が往復駆動するものであれば特に限定されず、例えば、電磁力、静電力、摩擦力を用いた各種モータや、圧電及び磁気歪み効果を利用した変換器、油圧式モータ及びシリンダーなどが挙げられる。そして、図示しない駆動手段の駆動により駆動軸１８が往復運動することによって、ダイヤフラム１３は撓み変形されるようになっている。このように駆動軸１８によってダイヤフラム１３が連続して撓み変形することによって、圧力室１２の内容積を増大させて燃料タンク等の貯留部から圧力室１２にメタノールを充填すると共に、圧力室１２の内容積を減少させて圧力室１２に充填されたメタノールを機関部に供給するようになっている。

ここで、本実施形態の燃料電池用小型ポンプ１０は、ダイヤフラム１３、逆止弁１７、スペーサ１６からなるゴム部材で構成されている。そして、本実施形態では、このゴム部材の全てがメタノールに接触するように設けられているため、ゴム部材であるダイヤフラム１３、逆止弁１７及びスペーサ１６は、耐メタノール抽出率が１％以下で、且つ耐メタノール膨潤率が１％以下のシリコーンゴムで形成されている。このようなシリコーンゴムとしては、例えば、メチルビニルシリコーンゴムやシリコーン変性ＥＰＤＭなどが挙げられる。また、このようなゴム部材は、小型ポンプの流量や吐出量などのポンプ性能を向上するために、硬度Ｈｓが２０〜７０°が好ましく、特に逆止弁１７の硬度Ｈｓは２０〜４０°が好適である。

このようにメタノールに接触するゴム部材に、耐メタノール抽出率が１％以下のシリコーンゴムを用いることで、ゴム部材からメタノールへ抽出するのを防止して、燃料電池の燃料であるメタノールが汚染されるのを防止し、汚染されたメタノールにより機関部の電極等が汚染されて燃料電池の発電効率が低下するのを防止することができる。また、メタノールに接触するゴム部材に耐メタノール膨潤率が１％以下のシリコーンゴムを用いることで、メタノールによってゴム部材が膨潤するのを防止して、流量や吐出量などのポンプ性能を安定させて信頼性を向上することができる。また、ゴム部材にシリコーンゴムを用いることで低硬度化が容易となり、ポンプ性能を向上することができる。

さらに、シリコーンゴムからなるゴム部材は、温度依存性が低いため、小型ポンプ１０が駆動時に高温環境となった場合にも、ゴム硬度が低下して静ばね定数が低下することがなく、ポンプ特性や密封性に悪影響を与えることがない。また、シリコーンゴムからなるゴム部材は耐熱老化性が優れているため、耐熱老化による物性変化がほとんどなく、ポンプ性能の変化が少なく信頼性を向上することができる。

なお、このような燃料電池用小型ポンプ１０は、本実施形態では、高さｈが３０〜５０ｍｍ、外径ｒが約５〜１５ｍｍと小型のものであり、携帯電話、ノートパソコンなどのモバイル機器の燃料電池用として利用することができるものである。

また、本実施形態では、メタノールに接触するゴム部材であるダイヤフラム１３、逆止弁１７及びスペーサ１６を耐メタノール特性の良好なシリコーンゴムで形成するようにしたが、特にこれに限定されず、小型ポンプに用いられる他のゴム部材、例えば、パッキン、Ｏリング等も、本実施形態のゴム部材と同じ材料で形成するようにしてもよい。

また、本実施形態の燃料電池用小型ポンプ１０は、ダイヤフラム１３、逆止弁１７及びスペーサ１６からなるゴム部材で構成されたものであるが、燃料電池用小型ポンプの形状等は特にこれに限定されず、メタノールを供給する小型ポンプであれば、ゴム部材に耐メタノール抽出率が１％以下で且つ耐メタノール膨潤率が１％以下のシリコーンゴムを用いることで上述した実施形態と同様の効果を得ることができる。

（実施例１及び２）
実施例１のゴム部材として、メチルビニルシリコーンゴムからなる試験片を用意した。また、実施例２のゴム部材として、シリコーン変性ＥＰＤＭからなる試験片を用意した。

（比較例１〜４）
比較例１のゴム部材としてエチレン−プロピレンゴム（ＥＰＤＭ）からなる試験片、比較例２のゴム部材としてフロロシリコーンゴムからなる試験片、比較例３のゴム部材としてスチレン−ブタジエンゴム（ＳＢＲ）からなる試験片、比較例４のゴム部材としてブタジエンゴム（ＢＲ）からなる試験片を用意した。

（試験例１）
実施例１、２及び比較例１〜４の試験片の硬度、破断強度、引裂強度、反発弾性、破断伸び及び圧縮永久歪みからなるゴム特性を測定した。この結果を図２及び３にグラフとして示す。なお、試験方法は、ＪＩＳ規格によるものである。

図２及び３に示すように、実施例１、２及び比較例１〜４の試験片の硬度Ｈｓは２０〜７０°であり、実施例１、２及び比較例１〜４の全てのゴム部材を小型ポンプのゴム部材として利用することができることが分かった。

また、上述のように小型ポンプの逆止弁には、硬度Ｈｓが２０〜４０°のゴム部材を用いるのが好ましいが、比較例１〜４のゴム部材は、硬度Ｈｓが４０°より大きいことから、比較例１〜４のゴム部材を小型ポンプの逆止弁に用いると、流量及び吐出量などのポンプ性能が低くなってしまう。これに対し、実施例１及び２のゴム部材は、硬度Ｈｓが２０〜４０°であるため、小型ポンプの逆止弁に用いることでポンプ性能の低下を防止することができる。

（試験例２）
実施例１、２及び比較例１〜４の試験片の寸法及び乾燥重量を測定する。試験片の寸法測定は、試験片を２枚のガラス板に挟んで測定する。このとき、ガラス板の試験片に加える荷重は、ガラス板の自重のみとし、その他の荷重を加えないようにした。

これら実施例１、２及び比較例１〜４の試験片を１００％メタノールが半分充填されたサンプル瓶（３０ｍｌ）に浸漬する。このとき一つのサンプル瓶に入れる試験片は最大３つまでとし、試験片の加硫系の異なるものは、別のサンプル瓶に入れるようにする。

このような状態で、常温で４８時間放置した後、試験片を取り出し、ガーゼで軽く試験片表面についた液を拭き取り、試験後の寸法を測定する。この試験後の寸法測定は、試験前と同じ条件、すなわち、２枚のガラス板で挟んだ状態で行う。また、各試験片の寸法測定後、試験片を自然乾燥（室温放置）させた後、乾燥重量を測定する。

この試験結果から下記式（１）に示す計算により変化率を求めた。この結果を図４に示す。

図４に示す試験結果から、実施例１、２及び比較例１の試験片では、耐メタノール抽出率及び耐メタノール膨潤率の両方が１％以下と低く抑えられており、これらの材料を使用することでメタノールへの抽出及びメタノールによる膨潤を抑えて燃料電池の発電効率の低下がなく、ポンプ性能の低下を防止することができる。

（実施例３）
実施例３として、硬度Ｈｓが７０°のメチルビニルシリコーンゴムでダイヤフラムを形成した。

（比較例５）
比較例５として、実施例３と同じ硬度、すなわち、硬度Ｈｓが７０°のＥＰＤＭでダイヤフラムを形成した。

（試験例３）
実施例３及び比較例５のダイヤフラムの温度依存性について試験した。試験方法は、図５に示すように、容器２００内に精製水２０１を充填し、この容器２００内にダイヤフラム２１３の両端を支持する支持アーム２０２を有する支持治具２０３を精製水２０１に浸漬した状態で設置する。そして、精製水２０１を所定の温度にした状態で、ダイヤフラム２１３の中央部を荷重−変位測定試験機（クリープ試験機）２０４の先端で押圧し、このときのクリープ試験機２０４による荷重と変位とを測定した。なお、精製水の温度は、２５℃（初期）と７０℃とで測定した。この結果を図６に示す。

図６（ａ）に示す結果から、実施例３のメチルビニルシリコーンゴムからなるダイヤフラムは、精製水が２５℃及び７０℃の温度であっても荷重と変位との関係は特に変化しないことが分かった。これに対し、図６（ｂ）に示す結果から、比較例５のダイヤフラムは、精製水の温度が２５℃と７０℃とで、荷重に対する変位量が大きく変わってしまうことが分かった。

このため、実施例３のメチルビニルシリコーンゴムで形成したダイヤフラムを用いた小型ポンプは、温度変化によって変位量が変わることなく、常に安定したポンプ性能を維持することができる。特に燃料電池用小型ポンプは、高温環境下で使用されるものであるため、実施例３のダイヤフラムは、燃料電池用小型ポンプに用いて良好なものである。

なお、実施例３としてシリコーンゴムからなるダイヤフラムを例示したが、温度依存性の低いシリコーンゴムを、燃料電池用小型ポンプの逆止弁等の他のゴム部材に用いることで、ポンプ性能を安定させることができる。

以上、試験例１〜３の結果から分かるように、実施例１及び２のシリコーンゴムからなる試験片は、低硬度にしても耐メタノール特性が高いため、実施例１及び２のゴム部材を燃料電池用小型ポンプに用いることで、発電効率を低下させることなく、ポンプ性能を安定させて信頼性を向上することができる。また、比較例１のＥＰＤＭからなるゴム部材も耐メタノール特性が高いが、上述のように試験例３の結果から実施例３のシリコーンゴムからなるダイヤフラムは、比較例５のＥＰＤＭからなるダイヤフラムに比べて温度依存性が低いため、実施例１及び２のシリコーンゴムからなるゴム部材も、比較例１のＥＰＤＭからなるゴム部材に比べて温度依存性が低いものである。このようなことから、実施例１〜３のゴム部材を燃料電池用小型ポンプに用いることで、温度変化によって流量等のポンプ性能が変化することがなく、ポンプ性能を安定させて信頼性を向上することができる。

また、実施例１〜３のシリコーンゴムは、比較例１〜５のＥＰＤＭ等に比べて耐熱老化性に優れているため、燃料電池用小型ポンプのポンプ性能が変化することがなく、ポンプ性能を安定させて信頼性を向上することができる。

本発明の一実施形態に係る燃料電池用小型ポンプの断面図である。 本発明の実施例及び比較例に係るゴム部材のゴム特性を示すグラフである。 本発明の実施例及び比較例に係るゴム部材のゴム特性を示すグラフである。 本発明の試験例１に係る試験結果を示すグラフである。 本発明の試験例２に係る試験方法の概略図である。 本発明の試験例２に係る試験結果を示すグラフである。

符号の説明

１０ 燃料電池用小型ポンプ
１１ 小型ポンプ本体
１２ 圧力室
１３、２１３ ダイヤフラム
１４ 導入孔
１５ 供給孔
１６ スペーサ
１７ 逆止弁
１８ 駆動軸
２００ 容器
２０１ 精製水
２０３ 支持治具
２０４ クリープ試験機

Claims (7)

1. メタノールからなる燃料が貯留された貯留タンクから燃料が供給される供給孔と燃料を電気に変換する機関部に導入する導入孔とに連通するように設けられた圧力室と、該圧力室の一方面に設けられたダイヤフラムと、前記供給孔及び前記導入孔にそれぞれ設けられた逆止弁とを具備する燃料電池用小型ポンプであって、
   少なくとも前記ダイヤフラム及び前記逆止弁からなるゴム部材が、耐メタノール抽出率が１％以下で且つ耐メタノール膨潤率が１％以下のシリコーンゴムからなることを特徴とする燃料電池用小型ポンプ。
2. 請求項１において、前記シリコーンゴムの硬度Ｈｓが、２０〜７０°であることを特徴とする燃料電池用小型ポンプ。
3. 請求項１又は２において、前記ゴム部材が、メチルビニルシリコーンゴム又はシリコーン変性ＥＰＤＭであることを特徴とする燃料電池用小型ポンプ。
4. 請求項１〜３の何れかにおいて、前記ゴム部材が、パッキン、Ｏリング及びスペーサから選択される少なくとも一つを含むことを特徴とする燃料電池用小型ポンプ。
5. メタノールを燃料とする燃料電池に用いられる燃料電池用小型ポンプにおける少なくとも燃料が流通する部分のゴム部材であって、
   耐メタノール抽出率が１％以下で且つ耐メタノール膨潤率が１％以下であるシリコーンゴムからなることを特徴とするゴム部材。
6. 請求項５において、前記シリコーンゴムの硬度Ｈｓが、２０〜７０°であることを特徴とするゴム部材。
7. 請求項５又は６において、前記シリコーンゴムが、メチルビニルシリコーンゴム又はシリコーン変性ＥＰＤＭであることを特徴とするゴム部材。
   

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