(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
メタノールを含有する燃料を燃料電池の発電部に供給するための燃料電池小型ポンプに用いられる燃料電池小型ポンプ用ゴム部材であって、
圧縮永久歪みが１０％以下であり且つ酢酸エチルによる６時間ソックスレー抽出率が４ｗｔ％以下であるエラストマーからなることを特徴とする燃料電池小型ポンプ用ゴム部材。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池小型ポンプ用ゴム部材において、前記エラストマーがシリコーンゴムであることを特徴とする燃料電池小型ポンプ用ゴム部材。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の燃料電池小型ポンプ用ゴム部材において、圧縮永久歪みが４％以下であることを特徴とする燃料電池小型ポンプ用ゴム部材。
【請求項４】
請求項１〜３の何れかに記載の燃料電池小型ポンプ用ゴム部材において、メタノール、水及び蟻酸の混合液体に対する膨潤率が２％以下であることを特徴とする燃料電池小型ポンプ用ゴム部材。
【請求項５】
請求項１〜４の何れかに記載の燃料電池小型ポンプ用ゴム部材において、ダイヤフラム、逆止弁、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であることを特徴とする燃料電池小型ポンプ用ゴム部材。
【請求項６】
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が、圧縮永久歪みが１０％以下であり且つ酢酸エチルによる６時間ソックスレー抽出率が４ｗｔ％以下であるエラストマーからなることを特徴とする燃料電池小型ポンプ。
【請求項７】
請求項６記載の燃料電池小型ポンプにおいて、前記エラストマーがシリコーンゴムであることを特徴とする燃料電池小型ポンプ。
【請求項８】
請求項６又は７に記載の燃料電池小型ポンプにおいて、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が前記エラストマーからなることを特徴とする燃料電池小型ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、メタノールを含む燃料を用いた燃料電池に用いられる小型ポンプに用いられる燃料電池小型ポンプ用ゴム部材及びそれを用いた燃料電池小型ポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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、メタノールを含む燃料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含む燃料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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
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小型ポンプ用ゴム部材及びそれを用いた燃料電池小型ポンプを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決する本発明の第１の態様は、メタノールを含有する燃料を燃料電池の発電部に供給するための燃料電池小型ポンプに用いられる燃料電池小型ポンプ用ゴム部材であって、圧縮永久歪みが１０％以下であり且つ酢酸エチルによる６時間ソックスレー抽出率が４ｗｔ％以下であるエラストマーからなることを特徴とする燃料電池小型ポンプ用ゴム部材にある。
【００１１】
本発明の第２の態様は、第１の態様に記載の燃料電池小型ポンプ用ゴム部材において、前記エラストマーがシリコーンゴムであることを特徴とする燃料電池小型ポンプ用ゴム部材にある。
【００１２】
本発明の第３の態様は、第１又は２の態様に記載の燃料電池小型ポンプ用ゴム部材において、圧縮永久歪みが４％以下であることを特徴とする燃料電池小型ポンプ用ゴム部材にある。
【００１３】
本発明の第４の態様は、第１〜３の何れかの態様に記載の燃料電池小型ポンプ用ゴム部材において、メタノール、水及び蟻酸の混合液体に対する膨潤率が２％以下であることを特徴とする燃料電池小型ポンプ用ゴム部材にある。
【００１４】
本発明の第５の態様は、第１〜４の何れかの態様に記載の燃料電池小型ポンプ用ゴム部材において、ダイヤフラム、逆止弁、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であることを特徴とする燃料電池小型ポンプ用ゴム部材にある。
【００１５】
本発明の第６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が、圧縮永久歪みが１０％以下であり且つ酢酸エチルによる６時間ソックスレー抽出率が４ｗｔ％以下であるシリコーンゴムからなることを特徴とする燃料電池小型ポンプにある。
【００１６】
本発明の第７の態様は、第６の態様に記載の燃料電池小型ポンプにおいて、前記エラストマーがシリコーンゴムであることを特徴とする燃料電池小型ポンプにある。
【００１７】
本発明の第８の態様は、第６又は７の態様に記載の燃料電池小型ポンプにおいて、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が前記エラストマーからなることを特徴とする燃料電池小型ポンプにある。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、圧縮永久歪みが１０％以下であり且つ酢酸エチルによる６時間ソックスレー抽出率が４ｗｔ％以下であるシリコーンゴムを用いることにより、耐メタノール膨潤性だけでなく、メタノールが酸化されることによる蟻酸の影響を受けることなく、長期に亘って信頼性を確保できるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
まず、本発明の燃料電池小型ポンプ用ゴム部材について詳細に説明する。
【００２０】
本発明は、メタノールを含む燃料に対する抽出性や膨潤性を検討する際に、メタノールが酸化して発生する蟻酸がゴム部材の抽出性や膨潤性に大きく影響を与え、メタノールに対する抽出性や膨潤性を考慮しても信頼性を確保できないという課題に基づき検討した結果、圧縮永久歪みと酢酸エチル抽出率が所定の範囲のシリコーンゴムが、メタノールを含む燃料中に蟻酸が発生しても、抽出性や膨潤性が増大しないことを知見し、完成されたものである。
【００２１】
すなわち、本発明の燃料電池小型ポンプ用ゴム部材は、圧縮永久歪みが１０％以下、好ましくは４％以下であり且つ酢酸エチルによる６時間ソックスレー抽出率が４ｗｔ％以下、好ましくは３ｗｔ％以下のシリコーンゴムからなる。
【００２２】
このようなシリコーンゴムは、メタノール水溶液に対する耐抽出性や耐膨潤性に優れると共に蟻酸が発生したメタノール水溶液に対する耐抽出性や耐膨潤性に優れるものである。
【００２３】
したがって、本発明の燃料電池小型ポンプ用ゴム部材は、メタノール、水及び蟻酸の混合液体に対する膨潤率が２％以下、好ましくは１％以下となる。
【００２４】
なお、ここで、膨潤率は、１０％メタノール水溶液に蟻酸を添加してｐＨ２とした混合液体に対して１００時間、好ましくは３００時間、さらに好ましくは４５０時間浸漬したときの膨潤率であり、寸法変化として測定した値をいう。
【００２５】
以下に本発明の燃料電池小型ポンプ用ゴム部材を用いた燃料電池小型ポンプの実施形態に基づいてさらに詳細に説明する。
【００２６】
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内にメタノールを含む燃料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、燃料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含む燃料を供給する供給孔１５とが設けられている。
【００２７】
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。
【００２８】
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を含む燃料が流れるように設けられている。
【００２９】
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に燃料を充填すると共に、圧力室１２の内容積を減少させて圧力室１２に充填された燃料を機関部に供給するようになっている。
【００３０】
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を含む燃料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、本発明の燃料電池小型ポンプ用ゴム部材であり、圧縮永久歪みが１０％以下であり且つ酢酸エチルによる６時間ソックスレー抽出率が４ｗｔ％以下であるシリコーンゴムで形成されている。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°（ＪＩＳ  Ａ）が好ましく、特に逆止弁１７の硬度Ｈｓは２０〜４０°（ＪＩＳ  Ａ）が好適である。
【００３１】
このようにメタノールを含む燃料に接触するゴム部材に、本発明の燃料電池小型ポンプ用ゴム部材を採用することで、ゴム部材から燃料へ抽出するのを防止して、燃料電池の燃料が汚染されるのを防止し、汚染された燃料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、本発明の燃料電池小型ポンプ用ゴム部材を用いることで、燃料、すなわち、メタノール水溶液、さらには、メタノールが酸化して蟻酸が含有されるようになった燃料によってもゴム部材が膨潤するのが防止され、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。
【００３２】
さらに、本発明の燃料電池小型ポンプ用ゴム部材はシリコーンゴムからなり、温度依存性が少ないため、燃料電池用小型ポンプ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向上されるため、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。
【００３３】
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、例えば、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。
【００３４】
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に本発明の燃料電池小型ポンプ用ゴム部材を採用するようにしたが、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リング等にも、本発明の燃料電池小型ポンプ用ゴム部材を採用するようにしてもよい。
【００３５】
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、メタノールを含む燃料を供給する小型ポンプであれば、本発明の燃料電池小型ポンプ用ゴム部材を採用することで、上述した実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００３６】
（試験例）
下記表１に示す各種シリコーンゴムからなる試験片を製造してサンプル１〜７とした。なお、シリコーンゴムはポリマー分（ポリマーの割合）及び比重とにより区別し、それを表１に示す。
【００３７】
サンプル１〜７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。この結果を表１に示す。なお、試験方法は、ＪＩＳ規格（Ｋ６２５３、Ｋ６２５１、Ｋ６２５２、Ｋ６２５５、Ｋ６２５１，Ｋ６２５４）によるものである。
【００３８】
また、各サンプル１〜７の試験片について酢酸エチルを用いた６時間ソックスレー抽出率を測定した。なお、ソックスレー抽出は酢酸エチルの沸点付近７７℃で行った。この結果も併せて表１に示す。
【００３９】
さらに、メタノール水溶液に蟻酸を添加してｐＨ２とした混合液体に４５０時間浸漬したときの膨潤率を測定した。詳細な手順は以下の通りである。
【００４０】
まず、各サンプルの試験片の浸漬前寸法を測定する。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。そして、これらの試験片を上記混合液体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つまでとした。
【００４１】
このような状態で、常温で４５０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。
【００４２】
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、膨潤率とした。この結果も表１に示す。
【００４３】
【数１】
0004682067.tif 000002
【００４４】
【表１】
0004682067.tif 000003
【００４５】
（試験結果）
各サンプルについての膨潤率及び圧縮永久歪みをまとめたグラフを図２に示す。また、膨潤率及び酢酸エチル抽出率（以下、単に抽出率という）をまとめたグラフを図３に示す。
【００４６】
これらの結果より、圧縮永久歪み及び抽出率の両方が優れたサンプル１〜６は膨張率が２％以下と低く、燃料電池小型ポンプ用ゴム部材として適していることがわかった。なお、サンプル７は圧縮永久歪みが小さいが、抽出率が４ｗｔ％を超えるので、膨潤率が９％以上と大きかった。なお、サンプル１は、通常求められる１０％以下の圧縮永久歪みではあるが、６％より大きいものであり、抽出率も小さいが、膨潤率が１％を超えるものであり、他のサンプル２〜６と比較して劣るものであった。よって、圧縮永久歪みを４％以下とすることにより、膨張率が１％以下のゴム部材が得られることがわかった。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】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。
【図２】本発明の試験結果を示すグラフである。
【図３】本発明の試験結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４８】
１０  燃料電池用小型ポンプ
１１  小型ポンプ本体
１２  圧力室
１３  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
【図１】
0004682067.tif 000004
【図２】
0004682067.tif 000005
【図３】
0004682067.tif 000006