JP5008252B2 - 燃料電池用液体燃料収納容器及び燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、液体燃料直接供給形燃料電池に供給する液体燃料を収納した燃料電池用液体燃料収納容器、及び該液体燃料収納容器を備えた燃料電池システムに関する。

従来、携帯電話や携帯形のコンピューター等の携帯機器の電源には、ニッケル−カドミウム電池、ニッケル−水素電池、リチウムイオン電池等の二次電池が用いられてきた。これらの機器は、常に電源を入れた状態で使用することが多く、上記二次電池を用いて上記携帯機器の連続使用時間を延ばすことには限界があった。
これに対して、燃料電池を上記携帯機器の電源に用いる試みが開始されており、電解質膜の水分管理等が複雑である、水素を燃料とした固体高分子型燃料電池に代わって、メタノールなどの液体燃料と酸素とを直接発電部に供給することで発電可能な液体燃料直接供給形燃料電池が注目されている。即ち、上記液体燃料直接供給形燃料電池では、上記固体高分子型燃料電池で必要であった電解質膜の水分管理等が不要であり、構造もシンプルという特徴があるからである。

ところが、このような液体燃料直接供給形燃料電池は、液体の燃料を容器内に収納しており、かつ携帯機器に使用されるため燃料収納容器の姿勢が一定ではない。よって、容器内の液体燃料の残量が少なくなると、燃料吸引口部分に液体燃料が存在しない場合も生じ、発電部への安定した燃料供給が困難になり、機器の動作が不安定になるという問題があった。又、上述のように燃料収納容器の姿勢が一定ではないため、多孔質材料を充填した容器に液体燃料を収納し、かつ該容器の内部と発電部とを毛細管体からなる燃料供給路にて接続する構造が検討されている。この構造によれば、燃料電池自体の姿勢に関係なく、又、液体燃料の残量が少なくなっても、安定した燃料供給が可能である液体燃料直接供給形燃料電池を得ることができる。

上記構成の概要を図１４に示す。プロトン導電性の高分子電解質又は水酸化物イオン導電性の高分子電解質よりなる電解質を介して負極と正極とを配し、上記負極に液体燃料が供給され、上記正極に酸化剤ガスが供給されるように構成されたセルスタックを発電部１０として備えた燃料電池において、上記負極に供給するための液体燃料１が多孔質材料７を充填したステンレス製の容器２に収納され、かつ容器２の内部と発電部１０とが毛細管体からなる燃料供給路８によって接続されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−７７５０５号公報

しかしながら、上述の文献による液体燃料直接供給形燃料電池では、容器２内に多孔質材料７を充填するため、容器２に収納できる液体燃料１の量が少なく、機器の長時間駆動が困難という問題がある。又、多孔質材料７の使用により液体燃料１にごみ等の不純物が混入し、燃料電池の電解質の性能が低下するという問題もある。該問題は、特に繊維質の多孔質材料を用いる場合に顕著に生じる。
本発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、長時間、安定して液体燃料を供給可能な、液体燃料直接供給形燃料電池に供給する液体燃料を収納した燃料電池用液体燃料収納容器、及び該液体燃料収納容器を備えた燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記問題点を解決するために本発明は以下のように構成する。
即ち、発電を行う燃料電池本体に供給される液体燃料を収納するタンク部材と、このタンク部材内に収納された液体燃料を吸引する吸引口を有するとともに上記吸引口を常に液体燃料に浸漬させる重り部材を上記吸引口近傍に有しかつ柔軟性を有しかつ上記タンク部材内の液体燃料を燃料電池本体に供給するための燃料供給管とを備え、さらに上記タンク部材は取付姿勢が定まらず液体燃料が重力方向に移動自由に収納される燃料電池用液体燃料収納容器において、上記タンク部材内に上記燃料供給管を支持し上記タンク部材内における上記燃料供給管の絡みを防止する支持部材を設け、上記燃料供給管は、１本であり、上記支持部材に支持された状態で上記吸引口が上記タンク部材の軸方向の両端部に達する長さを有することを特徴とする。

又、本発明の第２態様の燃料電池システムは、上記燃料電池用液体燃料収納容器と、上記燃料電池用液体燃料収納容器から液体燃料が直接に供給されて発電を行う燃料電池本体とを備えたことを特徴とする。

例えばメタノール水溶液のような液体燃料を直接、燃料電池のアノード極に供給して発電を行う燃料電池を携帯用の電子機器に設けた場合、上記液体燃料を収納しておくタンク部材内で液体燃料は、重力方向に自由に移動可能である。よって、上記タンク部材内に延在し液体燃料の供給を行う燃料供給管に柔軟性を持たせ、かつ燃料供給管における液体燃料の吸引口の近傍に重り部材を設けることで、上記吸引口は常に重力方向へ移動する。このような構成によれば、上記吸引口は、常に液体燃料に浸され、燃料電池を携帯用の電子機器に設けた場合であっても安定した燃料供給が可能となる。又、タンク部材内の大部分を液体燃料の収納領域とすることができ、機器の長時間駆動に十分な量の液体燃料を収納することができる。又、多孔質部材部分が少ないことから、不純物混入の問題を低減することができる。

上述のように燃料供給管は、タンク部材内を自由に移動可能であるので絡まる可能性がある。そこで、支持部材を設け、該支持部材からの燃料供給管の長さを規定して燃料供給管の絡まりを防止することができる。
又、上記絡まりを防止する観点から、燃料供給管をコイルばね構造としたり、入子構造とすることもできる。

上記重り部材は、例えば球状等の形状で、上記吸引口を囲むようにして燃料供給管に取り付けることができ、さらに多孔質部材を用いることで吸引口が直接液体燃料に接していなくても重り部材が液体燃料に浸されていれば、液体燃料の吸引が可能である。さらに、重り部材の形状は、タンク部材の胴体の横断面に略同形状にてなる筒状体とすることもできる。該形状によれば、タンク部材の内面を軸方向に沿って摺動することができることから、球状等の重り部材を用いる場合に比べて、重り部材とタンク部材との当接音を低減することができる。さらに、上記筒状体において、吸引口部分を、他の部分よりも重くした重量部とすることで、該重量部は重力方向に移動するので、タンク部材の軸周り方向に筒状体は回転可能となる。よって、上記当接音の低減を図るとともに、吸引口をより確実に液体燃料部分へ配置させることができる。

本発明の燃料電池用液体燃料収納容器、及び燃料電池システムによれば、タンク部材内に延在し液体燃料の供給を行う燃料供給管に柔軟性を持たせ、かつ燃料供給管における液体燃料の吸引口の近傍に重り部材を設けたことにより、上記吸引口は常に重力方向、つまり液体燃料部分へ移動可能である。よって、上記吸引口は、常に液体燃料に浸され、燃料電池を携帯用の電子機器に設けた場合であっても安定した燃料供給が可能となる。

本発明の実施形態である、燃料電池用液体燃料収納容器及び燃料電池システムについて、図を参照しながら以下に説明する。尚、上記燃料電池システムは、上記燃料電池用液体燃料収納容器を備えたシステムである。又、各図において同じ構成部分については同じ符号を付している。

まず、図１１を参照して、実施形態の燃料電池用液体燃料収納容器１０１を備えた燃料電池システム１９０について説明する。
燃料電池システム１９０は、詳細後述する燃料収納容器１０１と、該燃料収納容器１０１より燃料供給を受け発電を行う燃料電池本体１８０とを備え、本実施形態では、燃料収納容器１０１は、燃料電池本体１８０へ直接に供給可能な液体燃料として約１０％の濃度にてなるメタノール水溶液を収納する。又、燃料収納容器１０１から燃料電池本体１８０へ燃料を供給するため、燃料収納容器１０１と燃料電池本体１８０との間に、燃料供給用ポンプ１８４を設けることもできる。又、燃料収納容器１０１には、高濃度又は原液のメタノールを収納することもできる。この場合、図１２に示すように、燃料収納容器１０１に接続され、燃料収納容器１０１から供給される高濃度又は原液のメタノールを希釈し約１０％のメタノール水溶液としこれを収納する中間タンク１９１を設ける必要がある。

燃料電池本体１８０は、電解質膜１８１、カソード電極１８２、アノード電極１８３、触媒膜（図示せず）等から構成され、アノード電極１８３に供給される上記液体燃料と、カソード電極１８２に供給される空気中の酸素とを化学反応させて電気エネルギーを生成する発電モジュールである。尚、図示では、電解質膜１８１、カソード電極１８２、及びアノード電極１８３からなる１セルのみを示しているが、実際には、複数セルが直列接続されて構成される。

以上のように構成された燃料電池システム１９０は、図１３に示すように、例えばノート型のパーソナルコンピュータ等の携帯用の電子機器２０１に取り付けられる。よって、上記燃料電池用液体燃料収納容器１０１の取付姿勢は定まらず、燃料電池用液体燃料収納容器１０１内に収納されている液体燃料は、重力方向側に自由に移動する。

次に、上記実施形態の燃料電池用液体燃料収納容器１０１について説明する。
図１は、上記実施形態の燃料電池用液体燃料収納容器１０１の基本構造を示している。該燃料電池用液体燃料収納容器１０１は、タンク部材１１０と、燃料供給管１２０とを備える。タンク部材１１０は、燃料電池本体１８０のアノード電極１８３へ直接に供給される液体燃料を収納するタンク形状であり、本実施形態ではステンレス製である。本実施形態では、タンク部材１１０は、液体燃料１８５として約１０％のメタノール濃度にてなるメタノール水溶液を収納している。尚、燃料電池本体１８０における発電に伴い、タンク部材１１０内の液体燃料１８５は減少していくが、タンク部材１１０は、側壁部分に吸気部１１１を有しており、液体燃料１８５が消費されても、消費分に相当する空気がタンク部材１１０の外部より吸気部１１１を通して供給されるため、タンク部材１１０内が大気圧以下になることはなく、安定して液体燃料１８５の供給が可能である。ここで吸気部１１１は、空気は通過するが、液体は通過させないような選択的透過膜から形成されている。
さらに燃料電池システム１９０において、タンク部材１１０は、着脱自在な構造が好ましい。よって、燃料電池用液体燃料収納容器１０１は、着脱自在なコネクタ１３０を有する。コネクタ１３０は、タンク部材１１０側で燃料供給管１２０が接続されタンク部材１１０と伴に取り外されるタンク側コネクタ１３１と、燃料電池本体１８０側に設けられた本体側コネクタ１３２とを有し、タンク側コネクタ１３１と本体側コネクタ１３２とが連結可能である。

燃料供給管１２０は、タンク部材１１０内に設けられ液体燃料１８５を燃料電池本体１８０へ供給する管であり、柔軟性を有し、かつ液体燃料１８５を吸引する吸引口１２１を有し、かつ液体燃料１８５に吸引口１２１を常に浸漬させる重り部材１２２を吸引口１２１の近傍に有する。又、燃料供給管１２０は、毛細管現象を発生する程度の内径を有する細管状とするのが好ましい。もしくは、内径が太くても、内部に多数の気孔を有する繊維状部材を充填した構造とする。一例として、燃料供給管１２０の外径は約１ｍｍ、内径は約０．５ｍｍである。
吸引口１２１は、図１に示すように、吸液方向１２３において重り部材１２２の直後に開口していてもよいし、図３に示すように重り部材１２２の直前に開口していてもよい。尚、図３に示すように吸引口１２１が重り部材１２２の直前に開口している場合、タンク部材１１０内における重り部材１２２の位置と、液体燃料１８５の量との関係で吸引口１２１が液体燃料１８５中に位置しない状態も考えられる。よって、図３に示す構成の場合、図４に示すように、重り部材１２２及び吸引口１２１を囲んで設けた多孔質材料にてなる吸引用部材１２４を設けるのが好ましい。

上述の構成を有する燃料電池用液体燃料収納容器１０１によれば、タンク部材１１０が傾く場合や、液体燃料１８５が少量となった場合でも、吸引口１２１は常に重力方向つまり液体燃料１８５が存在する方向へ移動する。よって吸引口１２１は、常に液体燃料１８５に浸され、タンク部材１１０の姿勢にかかわらず、安定した燃料供給が可能となる。又、タンク部材１１０内の大部分を液体燃料１８５の収納領域とすることができ、機器の長時間駆動に十分な量の液体燃料１８５を収納することができる。又、多孔質部材部分が少ないことから、不純物混入の問題を低減することができる。

上述した図１に示す構成では、タンク部材１１０内にて燃料供給管１２０が絡まる可能性もある。そこで、図２に示すように、燃料電池用液体燃料収納容器１０２は、タンク部材１１０内に設けられ燃料供給管１２０を支持し燃料供給管１２０の絡みを防止する支持部材１４０を設け、燃料供給管１２０は、支持部材１４０に支持された状態で上記吸引口１２１がタンク部材１１０の両端部１１０ａ、１１０ｂの位置に達する長さを有するように構成した。尚、その他の構成は、燃料電池用液体燃料収納容器１０１に同じである。支持部材１４０は、タンク部材１１０の軸方向１１２におけるほぼ中央位置でタンク部材１１０の内面１１０ｃに取り付けるのが好ましい。このような位置に支持部材１４０を設置することで、タンク部材１１０内において移動可能となる燃料供給管１２０の長さが限定され、上記絡まりを防止することができる。

又、タンク部材１１０内における燃料供給管１２０の絡まり防止の観点から、図５及び図６に示すように、燃料供給管１２０をらせん状にしてもよい。特に図６に示すように、円錐状に燃料供給管１２０を旋回させることで、折り畳んだ状態において、重り部材１２２を中心として同心円状に燃料供給管１２０が旋回する形態となるのでより好ましい。尚、これらの構造に関し、燃料供給管１２０に沿って弾性率の高い金属線を配置することも燃料供給管１２０の絡み回避に有効である。
又、図７に示すように、燃料供給管１２０を入子構造として、燃料供給管１２０の軸方向へ伸縮自在とし、折り畳み可能とすることもできる。

又、重り部材１２２の変形例として、図８Ａ、図９Ａに示すような、重り部材１２５，１２６を採用した、燃料電池用液体燃料収納容器１０３、燃料電池用液体燃料収納容器１０４を形成することもできる。
重り部材１２５，１２６は、ともに、タンク部材１１０の胴体部１１０ｄの横断面に略同形状にてなる筒状体であり、タンク部材１１０の軸方向１１２に沿ってタンク部材１１０内を摺動可能な部材である。
重り部材１２５は、図８Ｂに示すように、タンク部材１１０の胴体部１１０ｄの横断面が方形状である場合に対応したもので、方形状の筒状の形状にてなり、その内面１２５ａに燃料供給管１２０の先端部分１２０ａを取り付けている。尚、該先端部分１２０ａには上記吸引口１２１が存在する。
重り部材１２６は、図９Ｂに示すように、タンク部材１１０の胴体部１１０ｄの横断面が円形状である場合に対応したもので、円環形状にてなり、その内面１１０ｃに上記先端部分１２０ａを取り付けている。さらに重り部材１２６では、上記先端部分１２０ａの取り付け部分に対応して、重量部１２７を設けている。重量部１２７は、重り部材１２６の比重よりもさらに重い比重にてなる材料又は部材にてなり、図９Ｂに示すように重り部材１２６と一体的に形成してもよいし、重り部材１２６とは別体で重り部材１２６に取り付ける形態としてもよい。

重り部材１２５，１２６は、タンク部材１１０の姿勢に応じて、タンク部材１１０の軸方向１１２に沿ってタンク部材１１０内を重力方向へ移動することより、上述の重り部材１２２と同様に、液体燃料１８５の存在する部分へ燃料供給管１２０の吸引口１２１を配置させることができる。又、重り部材１２２を設けた場合、タンク部材１１０の姿勢変化に応じて、重り部材１２２がタンク部材１１０の内面１１０ｃに当たり、例えばカタカタと当接音を発する場合も考えられる。一方、重り部材１２５，１２６の場合、タンク部材１１０の内面１１０ｃを軸方向１１２へ摺動することから、上記当接音の発生の低減を図ることができる。

さらに重り部材１２６の場合、重量部１２７が重力方向へ移動することから、円環状の重り部材１２６は、タンク部材１１０の内周面に沿って軸周り方向１１３へ回転可能である。よって、上述の当接音の低減を図るとともに、吸引口１２１をより確実に液体燃料部分へ配置させることができ、より少ない残燃料でも発電可能である。

以下には、他の実施形態としての燃料電池用液体燃料収納容器について、図１０を参照して説明する。
図１０に示す燃料電池用液体燃料収納容器１０５は、上記吸気部１１１を有する上記タンク部材１１０内に、仕切り部材１５０と、燃料供給管１２０とを備える。上記仕切り部材１５０は、タンク部材１１０内を、上記液体燃料１８５を収納した燃料区画１１４と、液体燃料１８５を吸収する多孔質部材１６０を収納した多孔質部材区画１１５とに分割し、かつ液体燃料１８５が通過可能な、一つ若しくは複数の貫通穴１５１を有する部材である。燃料区画１１４と多孔質部材区画１１５との容積比率は、特に規定するものではないが、ほぼ半分ずつ、又は図示するように、若干、燃料区画１１４の方が大きいのが好ましい。又、燃料供給管１２０は、多孔質部材区画１１５内に位置し、上記吸引口１２１を多孔質部材１６０内に位置するように配置されている。又、燃料電池用液体燃料収納容器１０１の場合と同様に、燃料電池用液体燃料収納容器１０５もコネクタ１３０を有する。

このような構成を有する燃料電池用液体燃料収納容器１０５では、燃料区画１１４内の液体燃料１８５は、燃料電池用液体燃料収納容器１０５の姿勢にかかわらず、仕切り部材１５０の貫通穴１５１を通して多孔質部材区画１１５の多孔質部材１６０へ進入することができる。よって、燃料電池用液体燃料収納容器１０５の姿勢にかかわらず、多孔質部材６０内に位置する燃料供給管１２０の吸引口１２１を通して液体燃料１８５を燃料電池本体１８０へ供給することができる。
又、燃料電池用液体燃料収納容器１０５では、タンク部材１１０内の全体に多孔質部材１６０を充填しないため、液体燃料１８５の収容量が低下してしまうことはない。よって、機器の長時間使用も可能となる。又、多孔質部材１６０の容積が従来構成に比べて小さいことから、多孔質部材１６０に起因するゴミ等の問題の発生を低減することができる。

本発明は、液体燃料直接供給形燃料電池に供給する液体燃料を収納した燃料収納容器、及び該燃料収納容器を備えた燃料電池システムに適用可能である。

本発明の実施形態である燃料電池用液体燃料収納容器の断面図である。 図１に示す燃料電池用液体燃料収納容器の変形例を示す図である。 図１及び図２に示す重り部材の変形例を示す図である。 図１及び図２に示す重り部材の他の変形例を示す図である。 図１に示す燃料供給管の変形例を示す図である。 図１に示す燃料供給管の他の変形例を示す図である。 図１に示す燃料供給管の別の変形例を示す図である。 図１及び図２に示す重り部材の別の変形例を有する燃料電池用液体燃料収納容器を示す図である。 図８ＡのＩ−Ｉ部における断面図である。 図１及び図２に示す重り部材のさらに他の変形例を有する燃料電池用液体燃料収納容器を示す図である。 図９ＡのＩ−Ｉ部における断面図である。 本発明の別の実施形態である燃料電池用液体燃料収納容器の断面図である。 本発明の実施形態である燃料電池システムの構成を示す図である。 図１１に示す燃料電池システムの他の構成例を示す図である。 図１１及び図１２に示す燃料電池システムを電子機器に設けた状態を示す斜視図である。 従来の燃料収納容器の断面図である。

符号の説明

１０１〜１０４…燃料電池用液体燃料収納容器、
１１０…タンク部材、１１０ａ、１１０ｂ…両端部、１１０ｃ…内面、
１１０ｄ…胴体部、１１２…軸方向、１２０…燃料供給管、１２１…吸引口、
１２２、１２５、１２６…重り部材、１２７…重量部、１４０…支持部材、
１８０…燃料電池本体、１８５…液体燃料。

Claims (2)

1. 発電を行う燃料電池本体に供給される液体燃料を収納するタンク部材と、このタンク部材内に収納された液体燃料を吸引する吸引口を有するとともに上記吸引口を常に液体燃料に浸漬させる重り部材を上記吸引口近傍に有しかつ柔軟性を有しかつ上記タンク部材内の液体燃料を燃料電池本体に供給するための燃料供給管とを備え、さらに上記タンク部材は取付姿勢が定まらず液体燃料が重力方向に移動自由に収納される燃料電池用液体燃料収納容器において、上記タンク部材内に上記燃料供給管を支持し上記タンク部材内における上記燃料供給管の絡みを防止する支持部材を設け、上記燃料供給管は、１本であり、上記支持部材に支持された状態で上記吸引口が上記タンク部材の軸方向の両端部に達する長さを有することを特徴とする燃料電池用液体燃料収納容器。
2. 請求項１に記載の燃料電池用液体燃料収納容器と、上記燃料電池用液体燃料収納容器から液体燃料が直接に供給されて発電を行う燃料電池本体とを備えたことを特徴とする燃料電池システム。

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