(57)【要約】【課題】携帯用電子機器に使用される燃料電池に好適な、軽量で水素吸放出性に優れた小型水素貯蔵タンクを得る。【解決手段】熱可塑性プラスチックからなり、内容積部５の容積５（Ｖｃｍ３）と外表面部６の面積（Ａｃｍ２）の比（Ｖ／Ａ）が１以下で、内容積部５に水素吸蔵合金８が収容される小型燃料電池用水素貯蔵タンク。熱可塑性プラスチックからなり、複数に分割されたタンク用部材をレーザ溶接または超音波溶接により一体化してタンクを製造する。【効果】水素貯蔵タンクが軽量化され、安全性が高く長時間使用可能な携帯用電子機器の軽量化が可能になる。熱可塑性プラスチックの使用により、複数に分割された複雑形状の部品をレーザー溶接、超音波溶接等の方法で容易に溶接でき、射出成形法による部品の製造との併用により、製造工程の簡略化、低コスト化の効果がある。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
材質がプラスチックからなり、かつ内容積（Ｖｃｍ３）と外表面積（Ａｃｍ２）の比（Ｖ／Ａ）が１以下であって、その内容積部に水素吸蔵合金が収容されることを特徴とする小型燃料電池用水素貯蔵タンク。
【請求項２】
前記材質が熱可塑性プラスチックであることを特徴とする請求項１記載の小型水素貯蔵タンク。
【請求項３】
前記熱可塑性プラスチックの一部または全部がレーザ光透過性を有することを特徴とする請求項１または２に記載の小型水素貯蔵タンク。
【請求項４】
タンク内表面および外表面の少なくとも一方に、水素ガス透過抑制皮膜が形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の小型水素貯蔵タンク。
【請求項５】
針状または粉粒状の充填材をプラスチック中に含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の小型水素貯蔵タンク。
【請求項６】
材質が熱可塑性プラスチックからなり、複数に分割されたタンク用部材をレーザ溶接または超音波溶接により一体化して内容積（Ｖｃｍ３）と外表面積（Ａｃｍ２）の比（Ｖ／Ａ）が１以下であるタンクとすることを特徴とする小型水素貯蔵タンクの製造方法。
【請求項７】
水素吸蔵合金粉末を収容した状態で前記一体化を完了させるとともにタンクを封止することを特徴とする請求項６記載の小型水素貯蔵タンクの製造方法。
【請求項８】
前記タンク用部材の一部または全部がレーザ光透過性を有しており、該透過性を有する部位を通してレーザ光を内部に透過させて前記タンク用部材をレーザ溶接することを特徴とする請求項６または７に記載の小型水素貯蔵タンクの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、携帯電話、デジタルカメラ、携帯用音楽再生装置、ＰＤＡのような携帯情報端末など、携帯式の電子機器の電源として燃料電池を使用するにあたり、その燃料水素を高密度でコンパクトに貯蔵可能な小型水素貯蔵タンクに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
携帯用電子機器の電源としては、充電が可能なニッケル−水素電池やリチウム電池が用いられているが、これらの二次電池ではそのエネルギー密度の向上や軽量化には限界があり、これ以上の高性能化は望めない状況にある。そのため、このような小型携帯用電子機器の電源に燃料電池を使用する方法が種々検討されている。
【０００３】
現在、燃料電池の応用分野として燃料電池自動車や家庭用燃料電池の開発が進められており、その燃料電池に固体高分子膜を使用したＰＥＦＣが多く用いられている。家庭用燃料電池は都市ガスや天然ガスを改質してオンサイトで水素を生成し、燃料電池の燃料源として供給するシステムが開発の主流になっている。一方、燃料電池自動車では、ガソリンやメタノールを搭載して車上にて改質器を用いて水素を製造する方法や、水素を高圧圧縮ガス、液体水素、水素吸蔵合金の形で搭載する方法が検討されているが、技術的に未解決の課題や、貯蔵水素量＝一回の充填での走行距離の関係から、最適な方法が定まっておらず、各方式が混在した状態となっている。より水素貯蔵量の大きい材料として、カーボンナノチューブやＮａＡｌＨ４などの化学材料を用いる方法も検討されているが、軽量・コンパクトで取扱いが容易な水素貯蔵タンクは確立されていない。
【０００４】
一方、パソコンなどのポータブル機器への燃料電池の応用も研究開発が進められている。その一形態として燃料にメタノールを使用するダイレクトメタノール型の燃料電池が知られている。例えば特表２００１−５０８９１９号では、携帯エレクトロニクス用小型電力供給体においてメタノールを充填した燃料タンクボトルを使用するシステムが提案されている。ダイレクトメタノール型の燃料電池は改質器を必要とせず、電極上で直接メタノールを電気化学的に酸化させて、電気エネルギーを取り出すことが可能である。このため、改質器が不要であり、システムの簡略化ができる上、燃料のメタノールを室温、大気中で取り扱うことが可能であるため、燃料電池システムそのものや燃料のハンドリングが非常に簡便なシステムといえる。該システムでは、メタノールの燃焼に伴い、主生成物としてＣＯ２が生成され、副生生物としてＣＯ、ホルムアルデヒド、ギ酸などが生成される。
【０００５】
また、その他の形態として、特開平１０−０６４５６７号では、水素吸蔵合金を使用した燃料電池への水素供給システムが提案されている。該システムでは、直方体形状の金属製容器、弁機構、水素流量制御機構、水素圧力制御機構などを備えており、前記金属製容器内に水素吸蔵合金を収納している。水素吸蔵合金を用いた水素貯蔵タンクを備えたシステムは、３５℃で１．１ＭＰａ以下の低圧で水素を貯蔵できるため、圧縮水素に比べて安全性が高く、メタノールのような引火性を持たない。水素吸蔵合金の容器としては銅系金属、鉄系合金、アルミニウム系金属、ステンレス鋼などが用いられ、プレス加工後のＴＩＧ溶接によって水素貯蔵タンクが形成される。また、このような燃料として純水素を用いるシステムでは、燃焼生成物が水のみであるため、環境に対する負荷が非常に低い。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、メタノールを燃料として用いるダイレクトメタノール型の燃料電池は、前記のように生成物の発生が避けられないばかりか、メタノールが高分子電解質膜を透過して電気を発生させずに酸素と反応してしまう、クロスオーバーと呼ばれる現象により、出力が低下する問題や、反応過程で一酸化炭素が発生して触媒が劣化する問題がある。なお、クロスオーバーを防ぐためにメタノールと水との混合液体を循環させる方法もとられるが、これにより燃料の貯蔵密度が低下し、また循環用のポンプなどの補器が必要となるため、携帯電子機器用の小型システムには不向きである。
【０００７】
これに対して水素吸蔵合金を用いた前記システムでは、合金の可逆的な水素貯蔵能力が容器質量比で１．５質量％程度であり、また容器材質に金属材料を使用しているため、直方体形状の容器としたのみでは水素貯蔵密度の向上、コンパクト化、軽量化が充分に図れなかった。特に携帯電話、デジタルカメラなどの携帯用電子機器では電源部、ひいては機器全体をいかに軽量化するかが重要であり、従来の方法では充分な軽量化が達成できなかった。
【０００８】
本発明は、上記のような従来のものの課題を解決するためになされたものであり、タンク材質としてプラスチック材料を用いることにより、貯蔵タンクを軽量化し、なおかつタンクの製造工程を簡略化することで、携帯用電子機器に好適な、軽量で安価な小型水素貯蔵タンクを提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため本発明の小型水素貯蔵タンクのうち、請求項１記載の発明は、材質がプラスチックからなり、かつ内容積（Ｖｃｍ３）と外表面積（Ａｃｍ２）の比（Ｖ／Ａ）が１以下であって、その内容積部に水素吸蔵合金が収容されることを特徴とする。
【００１０】
請求項２記載の小型水素貯蔵タンクは、請求項１記載の発明において、前記材質が熱可塑性プラスチックであることを特徴とする。
【００１１】
請求項３記載の小型水素貯蔵タンクは、請求項１または２に記載の発明において、前記熱可塑性プラスチックの一部または全部がレーザ光透過性を有することを特徴とする
【００１２】
請求項４記載の小型水素貯蔵タンクは、請求項１〜３のいずれかに記載の発明において、タンク内表面および外表面の少なくとも一方に、水素ガス透過阻害性皮膜が形成されていることを特徴とする。
【００１３】
請求項５記載の小型水素貯蔵タンクは、請求項１〜４のいずれかに記載の発明において、針状または粉粒状の充填材をプラスチック中に含むことを特徴とする。
【００１４】
請求項６記載の小型水素貯蔵タンクは、材質が熱可塑性プラスチックからなり、複数に分割されたタンク用部材をレーザ溶接または超音波溶接により一体化して内容積（Ｖｃｍ３）と外表面積（Ａｃｍ２）の比（Ｖ／Ａ）が１以下であるタンクとすることを特徴とする。
【００１５】
請求項７記載の小型水素貯蔵タンクは、請求項６記載の発明において、水素吸蔵合金粉末を収容した状態で前記一体化を完了させるとともにタンクを封止することを特徴とする。
【００１６】
請求項８記載の小型水素貯蔵タンクは、請求項６または７に記載の発明において、前記タンク用部材の一部または全部がレーザ光透過性を有しており、該透過性を有する部位を通してレーザ光を内部に透過させて前記タンク用部材をレーザ溶接することを特徴とする。
【００１７】
すなわち本発明のタンクによれば、内容積に対し大きな外表面積を有するので、タンク壁を通して良好な伝熱性が得られ、プラスチックによっても十分な熱伝導がなされる。水素吸蔵合金は、水素の吸放出に際し吸放熱を生じるため、該合金の加熱冷却によって水素の吸放出を制御できる。本発明では、上記のようにタンクの良好な伝熱性により水素吸蔵合金の加熱、冷却が円滑になされ、その結果該合金における水素の吸放出が円滑になされることになる。また上記プラスチックの採用により、水素吸放出性能を低下させることなくタンクの軽量化を果たすことができる。したがって本発明は、携帯電話、デジタルカメラ、携帯用音楽再生装置、ＰＤＡのような携帯情報端末など、要求出力が数Ｗ以下の携帯式の電子機器の電源として燃料電池を使用するにあたり、その燃料水素を高密度でコンパクトに貯蔵可能な水素貯蔵タンクを提供することができ、携帯式電子機器の作動時間を大幅に改善する。
【００１８】
なお要求出力が数Ｗ以下の小型携帯用電子機器は、その水素消費量も最大で数リットル／ｈｒと少量で済むため、水素吸蔵合金から水素を放出させる際に必要な熱の供給量も少なくて済む。このため、容器内容積（Ｖｃｍ３）に対して容器表面積（Ａｃｍ２）割合が大きい小型タンク（Ｖ／Ａ＜１）の容器材質をプラスチックとすることにより、水素放出時の必要な熱供給を損なうことなく容器そのものの軽量化が図れる。特にこのような小型タンクでは内容積に対する表面積の割合が大きいために、タンク材質を金属材料で製作した場合に比べてプラスチック化によるタンク重量の低減効果が顕著である。
【００１９】
例えば、室温近傍で数気圧の水素平衡解離圧を持つ水素吸蔵合金は、水素ガスを放出する際に、水素１モルあたり約７ｋｃａｌの熱を必要とする。水素吸蔵合金の比重を７．０ｇ／ｃｍ３、水素貯蔵量を２ｗｔ％、小型タンクへの合金充填密度を体積比で５０％とすると、タンク内容積１ｃｍ３あたりの合金量は３．５ｇ、その貯蔵水素量は０．０７ｇであり、水素放出に必要な熱量は、２４５ｃａｌと計算される。一般的な樹脂の熱伝導率は３〜６×１０−４ｃａｌ・ｓ−１・ｃｍ−２／Ｋ・ｃｍ−１であるため、タンク内部と外気との温度差を１０℃、タンク壁の肉圧を２ｍｍ、タンク内容積１ｃｃあたりのタンク外表面積を１ｃｍ２とすると、必要熱量は２〜５時間で供給可能である。したがって、数Ｗ以下の小型携帯用電子機器の電源としての燃料電池に燃料水素を供給する場合に、数時間以上の動作時間を仮定する水素消費速度であれば、タンク材質としてプラスチックを使用してもその水素放出能力を充分に発揮できる。
【００２０】
なお、プラスチックは金属材料と比較して強度が劣るため、同一強度を得るためには通常は容器壁の内厚を厚くする必要があるが、プラスチックの比重は１．５ｇ／ｃｍ３前後と金属材料に比べて数分の一であるため、引張強度の大きなエンジニアリングプラスチックなどを用いることにより、相対的にタンク質量を大きく減少させることが可能である。例えばエンジニアリングプラスチックでは１００ＭＰａ以上の引張強度を示すものがあり、またグラファイトファイバー、カーボンファイバーなどの針状や粉粒状の充填材をプラスチック中に混合することにより、２００ＭＰａ以上の引張強度を持たせることもできる。一方、一般的な構造用圧延鋼板の引張強さは４００〜６００ＭＰａ程度であり、プラスチックを使用することにより、タンク壁の厚さは２〜３倍程度に増大するが、これよりも重量的なメリットの方が大きい。
なお、上記充填材の添加は、プラスチックの補強効果に加えてプラスチックの熱伝導性を向上させるため、水素放出に必要な熱の供給をスムーズに行なわせる効果も有している。なお、充填材は、プラスチックの補強のみを目的に用いるものであってもよく、また、熱伝導性の向上のみを目的に用いるものであってもよい。
【００２１】
また、タンク材質に熱可塑性プラスチックを用いることにより、タンク部材の成形方法として射出成形法を適用することができ、成形工程の簡略化、低コスト化が達成される。タンクに形成する接続口や補強用のステーを形成する場合など、機械加工では時間と手間が必要となるが、プラスチックを射出成形する方法により、複雑形状の部品も容易に成形が可能である。さらに熱可塑性プラスチックでタンクの各部品を製造することにより、これらをタンクに組み上げる際の工程も簡略化できる。
また、熱可塑性樹脂はレーザー溶接、超音波溶接により低温で短時間に溶着することが可能であり、タンクの製造にかかわる組立工程の簡略化、低コスト化が達成され、量産も容易になる。接着剤を使用したプラスチックの溶着方法は、接着部の乾燥に時間を必要とするが、レーザー溶接、超音波溶接など、局部的に加熱して溶着する方法は短時間に溶着が可能である。またこれらの溶接方法は局部的に加熱する方法であり、比較的低温で接合が可能なため、タンク内に水素吸蔵合金を充填した状態で溶接することも可能となる。
さらにプラスチックとして熱可塑性材料を用いることにより、特にレーザー溶接は材料のレーザー光の透過性によって、複雑形状や内部構造の溶接も容易に行なうことが可能である。
【００２２】
特にレーザー溶接法は、レーザー光を透過する材料の場合には、接合する界面にカーボン粉末などの熱を吸収する材料を塗布して溶着する方法が取られる。例えばレーザー光を透過する材料でタンク本体部および蓋部を成形し、溶接面に熱吸収材料を塗布して蓋部の上方からレーザー光を照射することにより、外周部はもちろんであるが、補強用のステーを上蓋に強固に溶着することが容易である。
【００２３】
なお、本発明のタンクにおいて、長期間の水素貯蔵の場合には、プラスチック材料を水素が透過することによる貯蔵水素量の減少が懸念される。
プラスチック材料の水素透過速度については詳細な資料が少ないが、ポリビニルアルコールはガス遮断性に優れた材料であり、その水素の透過速度は１６４ｃｍ３・μｍ／ｍ２・ｄａｙ・ａｔｍと推定される。この材料を用いて外形：５×５×２ｃｍ、厚さ２ｍｍのタンクを作成し、内部に１０気圧の水素ガスを封入した場合に、３０日間の水素透過量は、０．２２ｃｍ３であり、プラスチックの水素透過による水素損失は、１ヶ月間に初期封入水素量の０．０６％にすぎない。このようなガス遮断性に優れた材料をタンク材質に用いた場合には、水素の透過を考慮に入れる必要性は小さいが、プラスチックの材質によっては、水素透過速度が３，０００程度と推定されるものもある。このような材料をタンク材質として使用しても１ヶ月間の水素損失は１％程度であり短期間の貯蔵では問題は小さい。
【００２４】
しかし長期間の貯蔵を行なう場合や水素損失を厳格に防止したい場合には、タンクの内表面、または外表面に金属やセラミックスの薄膜を蒸着などにより形成したり、あるいはポリビニルアルコールなどのガスバリアー性に優れた樹脂をコーティングして水素ガス透過阻害性皮膜を形成することが望ましい。該皮膜は、水素透過によるタンクからの水素の散逸を低く抑えることができ、該皮膜により樹脂の特性を維持したままで長期間の水素貯蔵が行なえる軽量水素貯蔵タンクを得ることができる。組立前の各部品の内表面、あるいは組立後のタンク外表面に１μｍ以下の厚さの金属やセラミックスの薄膜を蒸着することにより、水素ガスのプラスチック透過速度を１００ｃｍ３・μｍ／ｍ２・ｄａｙ・ａｔｍ以下に抑えることができる。また、部品の射出成形時、あるいはタンク組立後にポリビニルアルコールを表面にコーティングした複合プラスチック材料とすることによっても、水素ガス透過性を低くすることができる。
またタンク自体の材質をガスバリアー性に優れたプラスチックで作成してもよい。上記水素ガス透過阻害性皮膜は、タンク自体の水素ガス透過性よりも透過性の低いものであればよく、その材質が特定のものに限定されるものではないが、但し、金属薄膜によれば水素ガスの透過を抑制できるとともに重量の増大を招くことなく伝熱性を向上させることができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の一実施形態を図１〜３に基づいて説明する。
図１に代表的な直方体形状の水素貯蔵タンク１の平面視断面構造を示す。
該貯蔵タンク１は、内容積部５の内容積数値Ｖが外表面部６の外表面積数値Ａ以下（Ｖ／Ａ≦１）になっている。一例として、外形が５×５×２ｃｍの直方体形状で肉厚が２ｍｍであるタンクを考える。このタンクの外表面積Ａｃｍ２は９０ｃｍ２であり、内容積Ｖは３３．８５６ｃｍ３となっており、Ｖ／Ａは約０．３８で１以下になっている。
【００２６】
該タンク１は、材質がプラスチックからなり、軽量化が図られている。例えば、プラスチックの密度が１．５ｇ／ｃｍ３の場合、上記寸法では、タンク重量は約２４ｇになる。これに対して同じ外形のタンクを０．８ｍｍ厚さの鉄系材料で製作した場合のタンク重量は約５４ｇにも達するため、容器材質をプラスチックとすることにより、タンクの大幅な重量減少が図られる。
【００２７】
上記貯蔵タンク１では、上記水素ガスの供給、放出を行なうためのバルブ機構２を備えた接続口３が付属している。この実施形態では、接続口３を内部に押し込むことによりバルブ機構２のシール部２ａが解放されてタンク１におけるガスの供給・放出が行なえる構造となっている。ただし、本発明では、接続口としてこのような構造に限らず、様々な構造の接続口が適用可能である。また、接続口は一つである必要はなく、水素供給用と水素放出用の接続口を別々に設けることも可能であるし、その際の水素放出用の接続口にガス流量制御機構を付与することもできる。該水素貯蔵タンク１は内容積部５内に水素吸蔵合金粉末８を収容し、該粉末８をタンク１の外表面を通して熱媒により加熱、冷却することにより水素の吸放出を行うことができる。水素は、接続口３を通して内容積部５と外部との間で移動することができる。なお、内容積部５では通気性を良好にするために適宜の通気材を配置することもできる。
【００２８】
次に、上記水素貯蔵タンク１の製造工程について図２、３を用いて説明する。適宜の熱可塑性プラスチックを原料にして、射出成形により薄型で直方体形状のタンク本体１０を用意する。該タンク本体１０は、一面が開口し底面および側面に適宜厚さのタンク壁１１を有している。該タンク壁１１の一部には、接続口を装着するための取付け孔１２が内外に貫通して形成されている。また、タンク本体１０の中央部に立設されるステー材１３が適宜の熱可塑性プラスチックを原料にして別途用意される。該ステー材１３は、タンク本体１０の内容積部１８の高さと同じ高さを有している。
【００２９】
さらに、上記タンク壁１１の開口部を覆う長方形状の蓋材１４が同じく適宜の熱可塑性プラスチックを原料にして用意される。上記各部材のうち、少なくとも蓋材１４は、レーザ光の透過が可能になっている。
また、上記タンク本体１０の内面（底面および側面）には、水素ガス透過抑制皮膜として１μｍ厚以下の金属薄膜１５が形成されており、同じく蓋材１４の裏面にも水素ガス透過抑制皮膜として１μｍ厚以下の金属薄膜１６が形成されている。該金属薄膜１５、１６は、蒸着等により形成することができる。
【００３０】
上記金属薄膜１５、１６を形成した後、ステー材１３をタンク本体１０の内容積部１０ａ内に設置する。さらに残余の内容積部１０ａには、水素吸蔵合金粉末８を充填する。さらに、タンク本体１０のタンク壁１１の上面（図２平面図において）およびステー材１３の上面に、カーボン粉末などの熱吸収材１７を塗布し、蓋材１４をタンク本体１０の開口を覆うように設置する。なお、蓋材１４の金属薄膜１６は、レーザ光の透過を可能にするように、タンク本体１０に被せた際にタンク壁１１の上面およびステー材１３の上面に位置しないように形成されている。これにより、レーザ光を透過させたい部位では確実に透過がなされる。
【００３１】
上記組立体に対し、タンク壁１１の上面およびステー材１３の上面にレーザ光が到達するように、蓋材１４の上方から内部に向けてレーザ光を照射する。レーザ光は、蓋材１４を透過し、タンク壁１１の上面およびステー材１３の上面に塗布された熱吸収材１７に照射され、該熱吸収材１７で発生する熱によってタンク壁１１の上面部およびステー材１３の上面部と、これに接する蓋材１４の裏面部とが溶けて接合される（融着される）。この際には、熱は局部的に発生するため、タンク本体１０内に収容されている水素吸蔵合金粉末８に対する影響は無視できる。
上記融着により組立体は接合され、小型水素貯蔵タンクが得られる。該小型水素貯蔵タンクでは、表面部１０ｂを通して熱伝達が良好になされるので、外部から熱の授受を行うとタンク内の水素吸蔵合金８が効果的に加熱または冷却され、水素の吸放出が良好になされる。
【００３２】
【発明の効果】
以上のように、本発明によると、携帯用電子機器に使用される燃料電池用に水素を供給する水素吸蔵合金タンクの材質を所定形状のプラスチックで構成したため、水素貯蔵タンクの軽量化が達成でき、安全性が高く長時間使用可能な携帯用電子機器の軽量化が可能になった。
【００３３】
また、タンク材質に熱可塑性プラスチックを使用することにより、複数に分割された各部品から容器を製造する際に、レーザー溶接、超音波溶接といった簡便な方法が使用可能であり、複雑形状の部品の溶接を容易に行なうことができ、射出成形法による部品の製造と併用することにより、容器製造に伴う工程の簡略化、低コスト化の効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の小型水素貯蔵タンクを示す断面平面図である。
【図２】同じく、タンクを組み立てる際のタンク本体を示す平面図および正面図である。
【図３】同じく、タンクを組み立てる際の蓋材を示す平面図および正面図である。
【符号の説明】
１　　小型水素貯蔵タンク
３　　接続口
５　　内容積部
６　　外表面部
８　　水素吸蔵合金粉末
１０　　タンク本体
１１　　タンク壁
１３　　ステー材
１４　　蓋材
１５　　金属薄膜
１６　　金属薄膜
１７　　熱吸収材
１８　　内容積部
【図１】
2004019773.tif 000003
【図２】
2004019773.tif 000004
【図３】
2004019773.tif 000005