JP4944444B2 - 燃料電池用燃料容器 - Google Patents

Description

本発明は、直接メタノール型燃料電池（以下、ＤＭＦＣ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）という）などの燃料電池を内蔵する機器に装着され、メタノール水溶液などの液体燃料を燃料電池又は燃料電池の燃料容器に液体燃料を供給する燃料電池用燃料容器に関する。

従来、液体を収容する容器としては、例えば、エアゾール容器、化粧品容器等が知られており、その容器は、ガラス、金属、プラスチック等の材料から形成されている。これら容器の内部には、前記液体の他に圧縮ガス（いわゆるプロペラントガス）が封入されている。そして、容器のノズルを開作動したときに、前記液体と圧縮ガスが混合し、噴霧状となって噴出する。

これに対して、液体のみを噴出させたい場合には、ピストン等を備えた二重構造の容器が提案されている（例えば、特許文献１参照）。ところで、近年、ノートパソコン、ＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｄａｔａ Ａｓｓｉｓｔａｎｔ）等の小型の携帯端末の小型電源として燃料電池が検討されつつある。そして、この燃料電池に燃料を供給する手段として、燃料容器（燃料カートリッジ）が提案されている。この燃料容器に充填される燃料としては、例えば燃料電池がＤＭＦＣである場合、メタノールと純水またはエタノールと純水の混合された液体燃料が検討されている。

また、ノートパソコン等の小型機器は、その大きさの制約から、燃料供給用ポンプ、調圧機構、燃料残量検知機構などを搭載しないことが望まれており、これに加え、利用者側の利便性向上のため、安価、小型軽量な燃料容器の開発が期待されている。

さらに、液体燃料が充填された燃料容器によって、液体燃料を噴出供給するには、ピストン状の隔壁部材が、確実に作動する必要がある。特に、携帯端末が燃料供給用ポンプ及び調圧機構を備えず、吐出圧力を最大０．３ＭＰａＧ（ゲージ圧）以下のように低く設定する場合、低い吐出圧力であっても、隔壁部材が確実に移動するようにしなければならない。

そこで、一般には、ピストン状の隔壁部材が確実に移動するように、隔壁部材の周面にシリコーンオイル等の潤滑油を塗布し、隔壁部材の摺動性を高めている。

特公平５−２０１４８号公報（第２頁右欄第１行目〜第３頁左欄第３９行目、図１、図２）

しかしながら、前記シリコーンオイル等の潤滑油を使用すると、この潤滑油が液体燃料に溶出してしまうという問題があった。そして、このように不純物である潤滑油が液体燃料に混入してしまうと、燃料電池の発電機能が低下してしまうという問題があった。

そこで、本発明は、液体燃料に不純物を混入させずに、隔壁部材の確実な摺動性を確保し、液体燃料を供給可能とする燃料電池用燃料容器を提供することを課題とする。

本発明によれば、液体燃料を収容する液体燃料室及び該液体燃料を吐出する手段を収容する吐出手段収容室を備えた容器本体と、前記容器本体に設けられ、前記液体燃料を吐出させ又は遮断するバルブと、該容器本体の内部で摺動自在に設けられた隔壁部材とを備え、上記隔壁部材は、上記容器本体の内部を前記液体燃料室と前記吐出手段収容室とに隔て、前記液体燃料室と吐出手段収容室は、上記隔壁部材を介して連通しており、前記容器本体と前記隔壁部材との摺動面の少なくとも一方は、低摩擦係数材を含むことを特徴とする燃料電池用燃料容器が提供される。

上記容器本体は、上記バルブを燃料電池に接続するための接続部を有することが好ましい。また、上記容器本体は、上記バルブを燃料電池の液体燃料容器に接続するための接続部を有することが好ましい。更に、上記燃料電池を内蔵する機器に装着されるように構成されていることが好ましい。

また、前記低摩擦係数材は、前記液体燃料に対し非溶出性の材料であることが好ましい。前記非溶出性の材料が上記摺動面にコーティングされていることができる。前記非溶出性の材料は、ポリテトラフルオロエチレン又はダイヤモンド状カーボンが好ましい。

前記吐出手段収容室に収容された圧縮ガスによって、前記隔壁部材に背圧を与えることができる。また、前記液体燃料室と前記圧縮ガス室は、隣接して配置されていることが好ましい。

本発明によれば、液体燃料に不純物を混入させずに、隔壁部材の確実な摺動性を確保し、液体燃料を供給可能とする燃料電池用燃料容器を提供することができる。

本実施形態に係る燃料電池用燃料容器の取り付け状況を説明する図である。 （ａ）は、本実施形態に係る燃料電池用燃料容器の平面図であり、（ｂ）は同中央断面正面図である。 図２に示す燃料電池用燃料容器のＸ−Ｘ断面図である。 （ａ）、（ｂ）共に、図２に示すバルブを拡大して示す図であり、（ａ）はバルブが閉鎖した状態を示し、（ｂ）はバルブが開放した状態を示す。 本実施形態に係る燃料電池用燃料容器の変形例の断面図である。 本実施形態に係る燃料電池用燃料容器の変形例の中央断面正面図である。

符号の説明

１Ａ、１Ｂ、１Ｃ 燃料容器、１０ 容器本体、１１ 容器本体部材、 １１ａ 内部壁、 １１ｂ 接続口、 ２０、２０Ａ 隔壁部材、２１ シール部材
３０ バルブ、ＦＲ１、ＦＲ２、ＦＲ３ 液体燃料室、ＧＲ１、ＧＲ２、ＧＲ３ 圧縮ガス室（押出手段収容室）、 Ｐ 携帯端末（機器）

本発明の燃料容器は燃料電池を内蔵する機器に装着しても良いし、燃料電池に内蔵された燃料容器に液体燃料を供給する燃料容器として用いられる。液体燃料及び当該液体燃料を押し出す又は吐出手段を収容し、前記燃料電池に接続するための接続部を有する容器本体を有する。また、該容器本体の内部で摺動自在であると共に、該内部を前記液体燃料が収容される液体燃料室と前記押出手段が収容される押出手段収容室とに隔てる隔壁部材を備える。また、前記接続部に設けられ、前記液体燃料の流通を開放または遮断するバルブを備える。前記容器本体と前記隔壁部材との摺動面の少なくとも一方は、前記隔壁部材の摺動により当該隔壁部材と前記容器本体との間で生じる摩擦力を低下させる、低摩擦係数材を含有しあるいは低摩擦係数材が摺動面の表面に塗布される。

燃料電池を内蔵する機器に装着され、液体燃料及びこの液体燃料を押し出す圧縮ガス（押出手段）を収容し、燃料電池に接続するための接続部１１ｂを有する容器本体１０と、容器本体１０の内部を摺動自在であると共に、この内部を液体燃料が収容される液体燃料室ＦＲ１と圧縮ガスが収容される圧縮ガス室ＧＲ１（押出手段収容室）とに隔てる隔壁部材２０と、接続口１１ｂに設けられ、液体燃料の流通を開放または遮断するバルブ３０を備え、液体燃料を燃料電池に供給する燃料電池用燃料容器１Ａであって、容器本体１０と隔壁部材２０とが摺接する面の少なくとも一方は、隔壁部材２０の摺動により隔壁部材２０と容器本体１０との間で生じる摩擦力を低下させる、低摩擦面である。

このような燃料電池用燃料容器によれば、容器本体と隔壁部材とが摺接する面の少なくとも一方が、低摩擦面であることによって、隔壁部材の摺動により、この隔壁部材と容器本体との間で生じる摩擦力は低下する。すなわち、潤滑油を使用せずに、隔壁部材の確実な摺動性を確保することができる。また、潤滑油を使用しないため、液体燃料に燃料電池の発電機能を低下させる不純物である潤滑油が混入することもない。

以下、本発明の一実施形態について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。

参照する図面において、図１は、本実施形態に係る燃料電池用燃料容器の取り付け状況を説明する図である。図２（ａ）は、本実施形態に係る燃料電池用燃料容器の平面図であり、図２（ｂ）は同中央断面正面図である。図３は、図２に示す燃料電池用燃料容器のＸ−Ｘ断面図である。図４（ａ）及び図４（ｂ）は、図２（ｂ）に示すバルブを拡大して示す図であり、図４（ａ）はバルブが閉鎖した状態を示し、図４（ｂ）はバルブが開放した状態を示す。

図１に示すように、本実施形態に係る燃料電池用燃料容器１Ａ（以下、燃料容器と略称する）は、液体燃料を液体燃料室ＦＲ１（図２（ｂ）参照）に収容し、ノートパソコン、携帯電話、音楽・データの記録再生装置、電子手帳、電子辞書、時計等の携帯端末Ｐ（機器）に装着されることで、携帯端末Ｐに内蔵されたＤＭＦＣに液体燃料を供給する燃料容器である。

また、本実施形態に係る燃料容器１Ａは、断面が略楕円状を呈する柱体である。ここで、説明の都合上、図１に示すように、燃料容器１Ａについて、幅方向、厚さ方向、高さ方向を設定する。

図２（ｂ）に示すように、燃料容器１Ａは、容器本体１０と、隔壁部材２０と、バルブ３０とを備えて構成されている。
（容器本体）
容器本体１０は、外形が略楕円状（図１、図２（ａ）参照）を呈する柱体であり、容器本体部材１１と底蓋部材１２とから構成されている。容器本体１０は、その内部に液体燃料、圧縮ガスが充填される空洞を有している。また、容器本体部材１１は、その内部に内部壁１１ａを有している。

内部壁１１ａは、前記空洞を、液体燃料が充填（収容）される液体燃料室ＦＲ１と、隔壁部材２０を介し液体燃料を押し出す押出手段である圧縮ガスが封入（収容）される圧縮ガス室ＧＲ１（押出手段収容室）とに、完全に遮断することなく不完全に仕切っている。液体燃料室ＦＲ１と圧縮ガス室ＧＲ１とは、燃料容器１Ａの幅方向に並んで配置していると共に、液体燃料室ＦＲ１と圧縮ガス室ＧＲ１とは、底側（一端部側）の連通路Ｃを介し連通している。言い換えれば、液体燃料室ＦＲ１と圧縮ガス室ＧＲ１とは、幅方向中心から互いに逆方向にオフセットして（ずれて）配置している。

このように液体燃料室ＦＲ１と圧縮ガス室ＧＲ１とは、略分離した状態で配置しているため、落下等の衝撃に対し、液体燃料は漏れにくくなっている。また、液体燃料室ＦＲ１と圧縮ガス室ＧＲ１とを幅方向に並べて配置したため、燃料容器１Ａは高さ方向（図１参照）に短くなり、ノートパソコン、ＰＤＡ等の携帯端末Ｐに要求される高いスペース効率に対応可能である。

また、液体燃料室ＦＲ１は、図３に示すように、断面円形であり、後記隔壁部材２０の断面も円形である。したがって、隔壁部材２０により、液体燃料室ＦＲ１に充填された液体燃料を、安定して吐出しやすくなっている。

なお、詳細には隔壁部材２０の位置によって、液体燃料室ＦＲ１と圧縮ガス室ＧＲ１との比率は変動し、液体燃料が消費されて隔壁部材２０が上昇すると、圧縮ガス室ＧＲ１の一部が液体燃料室ＦＲ１の下方に配置することになる。

液体燃料室ＦＲ１に充填される液体燃料は、本実施形態では、燃料容器１ＡはＤＭＦＣを内蔵する携帯端末Ｐに装着されるため、所定濃度のメタノールと純水、またはエタノールと純水の混合液である。ただし、液体燃料の種類はこれに限定されず、燃料電池の種類に応じて適宜変更自由である。

圧縮ガス室ＧＲ１に封入されるガスとしては、窒素、炭酸ガス、脱酸素空気などの酸素を含まないガスを用いることが好ましい。このように酸素を含まないガスを使用すれば、燃料電池での反応に悪影響を及ぼす酸素が液体燃料へ混入すること、及び液体燃料が酸化することを防止できる。

また、圧縮ガスの圧力は、液体燃料室ＦＲ１に充填された液体燃料が少なくなっても押し出し又は吐出しきれれば特に制限はない。さらに、例えば携帯端末Ｐが、燃料供給用ポンプ、調圧機構等を備えていない場合には、ガスの最大圧力が０．３ＭＰａＧ以下となるよう設定することが好ましい。このように０．３ＭＰａＧ以下に設定する場合は、液体燃料の充填量が最大の状態（液体燃料室ＦＲ１の容積が最大であって、圧縮ガス室ＧＲ１の容積が最小の場合）において、圧縮ガスの圧力が０．３ＭＰａＧとなるように設定する。

さらにまた、圧縮ガスの圧力変動を極力低減するために、圧縮ガス室ＧＲ１の容積は、可及的に大きくすることが好ましい。

また、容器本体部材１１には、外部から液体燃料室ＦＲ１に連通し、燃料電池に接続するための接続口１１ｂが形成されている。

さらに、容器本体部材１１は、透明材料からなる窓部１１ｃを部分的に有しており（図１参照）、燃料容器１Ａが携帯端末Ｐに装着されたままであっても、隔壁部材２０の位置を視認し、液体燃料の残量を把握可能となっている。さらにまた、窓部１１ｃには、事前試験等により求められた目盛１１ｄが付されており、液体燃料の残量をより正確に視認可能となっている。
（隔壁部材）
隔壁部材２０は、容器本体１０内の高さ方向（図１参照）に摺動自在に収容されると共に、容器本体１０の内部の空洞を、液体燃料室ＦＲ１と圧縮ガス室ＧＲ１とに隔てている。

隔壁部材２０は、シール部材２１と、芯部材２２とから構成されている。シール部材２１は、芯部材２２を覆うようにして、芯部材２２と一体化している。これにより隔壁部材２０は、所定の姿勢を保持しながら、容器本体１１の液体燃料室ＦＲ１内部を摺動可能となっている。

シール部材２１は、その上部周面と下部周面において、容器本体１０の内面と気密に接触しながら、摺動自在となっている。

シール部材２１は、ゴム等の弾性を有する材料から形成されたシール部材本体と、この外表面側に薄膜状で形成された低摩擦コーティング層（図示しない）とから構成されている。すなわち、隔壁部材２０は、その外表面（容器本体と隔壁部材とが摺接する面（容器本体側の摺接面及び隔壁部材側の摺接面）の少なくとも一方）に、低摩擦面を有している。

この低摩擦コーティング層によって、隔壁部材２０と容器本体１０との間で生じる摩擦力は低下するため、隔壁部材２０が、摩擦による移動抵抗をほとんど受けることなく、容器本体１０内部を摺動可能となっている。すなわち、圧縮ガス室ＧＲ１に封入されたガスの圧力が低くても、隔壁部材２０が容器本体１０内部を作動（摺動）し、液体燃料を吐出することが可能となっている。

また、低摩擦コーティング層は、液体燃料に対して非溶出性の材料で形成されているため、低摩擦コーティング剤が溶出し、液体燃料に不純物が混入することもない。

このような低摩擦コーティング層としては、例えば、ＰＴＦＥ（Ｐｏｌｙ−Ｔｅｔｒａ Ｆｌｕｏｒｏ Ｅｔｈｙｌｅｎｅ）よって形成されたＰＴＦＥコーティング層、または、ＤＬＣ（Ｄｉａｍｏｎｄ Ｌｉｋｅ Ｃａｒｂｏｎ）コーティング層などが挙げられる。

このうちＰＴＦＥコーティング層を形成した場合は、シール部材２１と容器本体１０との間で生ずる摩擦係数及び摩擦力が特に低くなるため、隔壁部材２０の移動抵抗が低減する。

また、ＤＬＣコーティング層は、例えば、高周波プラズマＣＶＤによりメタンガスを原料にして、前記シール部材本体の表面に成膜されることによって形成され、この成膜工程はＤＬＣコーティングと言われる。ＤＬＣコーティングは、厚みを高精度で制御可能であると共に、均一な処理が可能であるため、シール部材２１による気密性を保持しつつ、摩擦係数を低減させることができる。
（バルブ）
バルブ３０は、前記接続口１１ｂに取り付けられており、液体燃料の流通を開放または遮断する機器である。バルブ３０は、図４（ａ）、図４（ｂ）に示すように、円筒状のス
ペーサ３１と、圧縮コイルバネ３２と、リング状のガスケット３３と、中空部３４ａ及び連通孔３４ｂを有する略有底円筒状のバルブステム３４と、止着部材３５とから構成されている。

また、バルブ３０を構成するこれら各部材は、後記するようにバルブ３０が開放状態となったとき、液体燃料と直接接触するため、ＰＴＥＦ等の非金属材料で形成されるか、または、ＰＴＦＥ等でコーティングされることが好ましい。

圧縮コイルバネ３２は、接続口１１ｂの底周壁部に配置するスペーサ３１でガイドされ、接続口１１ｂの底部に配置している。ガスケット３３は、スペーサ３１の上に配置している。バルブステム３４は、ガスケット３３に挿通されると共に、圧縮コイルバネ３２の上に配置している。そして、止着部材３５は周面に刻まれたネジ部（図示しない）により
、容器本体部材１１に刻まれたネジ部（図示しない）と螺着していると共に、バルブステム３４を、圧縮コイルバネ３２に抗して、接続口１１ｂの底側に押し付けている。

ここで、燃料容器１Ａが、携帯端末Ｐに装着されていない場合は、図４（ａ）に示すように、バルブステム３４の連通孔３４ｂは、ガスケット３３によって遮断されており、バルブ３０は閉鎖状態となる。

一方、燃料容器１Ａが、携帯端末Ｐに装着された場合は、図４（ｂ）に示すように、バルブステム３４が押し下げられることによってガスケット３３が変形し、連通孔３４ｂが開放する（開放状態）。そして、圧縮ガス室ＧＲ１に封入されたガスの圧力に起因して、
液体燃料室ＦＲ１に充填された液体燃料は、連通孔３４ｂ及び中空部３４ａを経由して、燃料容器１Ａの外部に噴出し、携帯端末Ｐに内蔵された燃料電池（図示しない）に供給可能となっている。

したがって、このような燃料容器１Ａによれば、隔壁部材２０は、低摩擦面によって容器本体１０と摺接しているため、圧縮ガス室ＧＲ１に封入される圧縮ガスの圧力が低くても摺動し、液体燃料を押し出すことができる。

また、燃料容器１Ａは、シリコーンオイル等の潤滑油を使用していないため、液体燃料に不純物である潤滑油が混入するおそれは全くなく、これにより燃料電池の発電機能が低下することも全くない。

さらに、燃料容器１Ａは、携帯端末Ｐに装着され、携帯端末Ｐに内蔵される燃料電池に液体燃料を供給するものであるが、圧縮ガスの圧力を高め、液体燃料を再注入可能な燃料容器としても使用可能である。

以上、本発明の好適な一実施形態について説明したが、本発明は前記一実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、例えば以下のように変更することができる。

前記した実施形態では、燃料容器１Ａは断面が円形の液体燃料室ＦＲ１を有するとしたが（図３参照）、その他に例えば図５に示すように、断面が長円形（略楕円形）である液体燃料室ＦＲ２を有する燃料容器１Ｂとしてもよい。このような燃料容器１Ｂによれば、燃料容器１Ａと比較して、厚さ方向にさらに薄くすることができ、薄型のノートパソコン等の携帯端末Ｐ（図１参照）に容易に装着可能となる。

なお、このような液体燃料室ＦＲ２とした場合は、圧縮ガス室ＧＲ１は対応して薄型の圧縮ガス室ＧＲ２とし、隔壁部材２０も対応して変更させる。また、このような液体燃料室ＦＲ２とした場合には、隔壁部材が周方向に回転しないので、圧縮ガスによって、液体燃料をさらに安定して押し出すことができる。

前記した実施形態に係る燃料容器１Ａは、液体燃料室ＦＲ１と圧縮ガス室ＧＲ１とを、幅方向に並列的に並んで配置したが、液体燃料室と圧縮ガス室の配置はこれに限定されず、例えば図６に示すように、液体燃料室ＦＲ３と圧縮ガス室ＧＲ３とが、高さ方向に直列的（直線的）に配置した細長の燃料容器１Ｃであってもよい。

前記した実施形態では、シール部材２１の表面に低摩擦コーティング層が形成されたとしたが、本発明ではこれに限定されず、低摩擦コーティング層は、容器本体部材１１に形成されていてもよいし、シール部材２１と容器本体部材１１の両方に形成されていてもよい。

前記した実施形態では、シール部材２１の表面に低摩擦コーティング層が形成されたことによって、隔壁部材２０は低摩擦面を有するとしたが、この他に例えば図６に示すように、ＰＴＦＥで形成された隔壁部材２０Ａを備えたことにより、隔壁部材２０Ａが低摩擦面を有するとしてもよい。

前記した実施形態では、液体燃料を押し出す押出手段は圧縮ガスであるとしたが、押出手段はこれに限定されず、その他に例えば、圧縮コイルバネ等であってもよい。

Claims (2)

1. 燃料電池に接続するための接続部を有し、液体燃料を収容する液体燃料室及び該液体燃料を吐出するための圧縮ガス室を並設した容器本体と、
   前記容器本体に設けられ、前記液体燃料を吐出させ又は遮断するバルブと、
   上記容器本体の内部は前記液体燃料室と前記圧縮ガス室とが並設するように隔てられ、
   前記容器本体の前記液体燃料室内部に摺動自在に設けられ、前記圧縮ガスによって背圧が与えられる隔壁部材を備え、
   前記圧縮ガスの圧力は前記隔壁部材がガス圧によって前記燃料容器を移動することにより前記液体燃料室の液体燃料を吐出し切るように設定され、
   前記液体燃料室と前記圧縮ガス室は、上記隔壁部材を介して連通しており、
   前記容器本体の前記液体燃料室と前記隔壁部材との摺動面の少なくとも一方は、前記液体燃料に対し非溶出性の低摩擦係数の材料を含み、
   前記非溶出性の材料は、ポリテトラフルオロエチレンコーティングであることを特徴とする燃料電池用燃料容器。
2. 燃料電池に接続するための接続部を有し、液体燃料を収容する液体燃料室及び該液体燃料を吐出するための圧縮ガス室を並設した容器本体と、
   前記容器本体に設けられ、前記液体燃料を吐出させ又は遮断するバルブと、
   上記容器本体の内部は前記液体燃料室と前記圧縮ガス室とが並設するように隔てられ、
   前記容器本体の前記液体燃料室内部に摺動自在に設けられ、前記圧縮ガスによって背圧が与えられる隔壁部材を備え、
   前記圧縮ガスの圧力は前記隔壁部材がガス圧によって前記燃料容器を移動することにより前記液体燃料室の液体燃料を吐出し切るように設定され、
   前記液体燃料室と前記圧縮ガス室は、上記隔壁部材を介して連通しており、
   前記容器本体の前記液体燃料室と前記隔壁部材との摺動面の少なくとも一方は、前記液体燃料に対し非溶出性の低摩擦係数の材料を含み、
   前記非溶出性の材料は、ダイヤモンド状カーボンコーティングであることを特徴とする燃料電池用燃料容器。

Images