(57)【要約】【課題】    耐久性を損なうことなく確実に小型化できる燃料電池システムを提供すること。【解決手段】小型携帯機器に搭載された燃料電池システム１において、改質器１２および燃料電池１３間の水素流路の途中に水素ストレージ１５を設けた。このため、改質器１２で水素が生成されることにより水素流路内の水素量が増加すると、水素ストレージ１５の水素貯留部２１内に水素を流入させてその容積、つまり水素流路と連通した部分の容積を増加させることができ、系内の圧力が上昇するのを抑制できる。従って、水素の圧力が作用する部分は、従来に比して簡略化された構造でよく、水素流路としてより細い樹脂製のチューブを使用したり、より薄い高分子固体電解質膜１６を使用しても耐久性が損なわれる心配がなく、燃料電池システム１の小型化を確実に促進できる。【選択図】  図１    
2005251428.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体燃料を改質して水素を生成する改質器と、この改質器から供給された水素を酸素と反応させて電気エネルギを取り出す燃料電池とを備えた燃料電池システムであって、
前記改質器から前記燃料電池の反応部分までの水素流路には、前記改質器での水素の生成量に応じて前記水素流路の容積または当該水素流路と連通した部分の容積を変化させる圧力緩衝部が設けられていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記圧力緩衝部は、水素が貯留される水素ストレージからなり、この水素ストレージの容積が可変に設けられていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記水素ストレージには、水素の生成量に応じて可動する可動面が設けられ、この可動面の面積の値は、当該水素ストレージの最大容積の３分の２乗の値よりも大きいことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項３または請求項４に記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池の燃料供給空間は、前記水素ストレージを共有していることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
前記圧力緩衝部は、水素の生成量に応じて膨らむ風船状に形成されていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
前記圧力緩衝部の状態変化に基づいて前記水素流路内の水素量を検出する検出手段が設けられていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
前記水素流路と連通した圧力逃がし弁が設けられていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項８】
請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
前記水素流路の容積変化または当該水素流路と連通した部分の容積変化に対する対抗力を生じさせる対抗手段が設けられ、この対抗手段による対抗力が可変に設けられていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項９】
請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の燃料電池システムを搭載したことを特徴とする機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システム、およびこれを備えた機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、外部から燃料と酸素とを連続的に供給し、電気化学的に反応させて電気エネルギを取り出すものであり、他の発電方式に比べて高効率で二酸化炭素の排出量が少ないため、環境問題が顕著になっている近年注目されている。
例えば高分子電解質型燃料電池(Polymer Electrolyte Fuel Cell, PEFC)は、低い温度で動作が可能で起動時間が短く、小型化も可能である。この高分子電解質型燃料電池は、高分子固体電解質膜を空気側電極と燃料側電極とで挟んだ構造のＭＥＡ(Membrane Electrode Assembly)を備え、空気側電極に空気（酸素）を供給し、燃料側電極にメタノール水溶液や改質した水素などの燃料を供給することにより、電気化学的反応が起こり電力が発生する（例えば特許文献１）。
【０００３】
また、高分子電解質型燃料電池の中でも、液体燃料を改質して得られる水素を燃料側電極に供給する燃料電池は、液体燃料としてのメタノール水溶液を燃料側電極に供給する直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）と比較し、エネルギ変換効率が高いというメリットがあるため、液体燃料を改質するための改質器等を含め、システム全体の開発が盛んに行われている。
【０００４】
【特許文献１】特開平８−１６２１３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、改質器を用いた燃料電池システムにおいては、この改質器に供給される液体燃料が触媒反応によって改質され、水素を発生するのであるが、発生する水素の体積は、供給された燃料の約３００〜５００倍にもなるため、触媒反応に伴って改質器から燃料電池へ至る系内の圧力が大幅に上昇する。そして、従来の比較的大型の燃料電池システムでは、改質器から燃料電池までの水素流路としては、例えば金属管等が用いられていたり、前述の高分子固体電解質膜としても十分な厚みを有していたために、そのような圧力上昇にも何ら支障をきたすことはなかった。
【０００６】
しかしながら、燃料電池システムを携帯機器に搭載する等のために、システムの小型化を図ろうとすると、供給路としてはより細い樹脂製のチューブ等が用いられたり、高分子固体電解質膜としても極薄のものが用いられるようになるため、圧力上昇に良好に対抗することができず、耐久性の低下を招くという心配がある。
【０００７】
本発明の目的は、耐久性を損なうことなく確実に小型化できる燃料電池システム、およびこれを備えた機器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の燃料電池システムは、液体燃料を改質して水素を生成する改質器と、この改質器から供給された水素を酸素と反応させて電気エネルギを取り出す燃料電池とを備えた燃料電池システムであって、
前記改質器から前記燃料電池の反応部分までの水素流路には、前記改質器での水素の生成量に応じて前記水素流路の容積または当該水素流路と連通した部分の容積を変化させる圧力緩衝部が設けられていることを特徴とする。
ここで、燃料電池の反応部分とは、例えば燃料電池に設けられた燃料供給空間である。  このような本発明によれば、改質器で水素が生成されることにより水素流路内の水素量が増加すると、水素流路あるいはこれと連通した部分の容積が圧力緩衝部によって大きくなり、圧力上昇が抑制される。従って、水素の圧力が作用する部分は、従来に比して簡略化された構造でよく、水素流路としてより細いチューブを使用したり、より薄い高分子固体電解質膜を使用しても耐久性が損なわれる心配がなく、燃料電池システムの小型化が確実に促進される。
【０００９】
本発明の燃料電池システムでは、前記圧力緩衝部は、水素が貯留される水素ストレージからなり、この水素ストレージの容積が可変に設けられていることを特徴とする。
このような水素ストレージは、例えば水素流路から分岐して設けられることになるが、水素流路から分岐させることで多様な構造が可能であるため、設計の自由度が増し、本発明の燃料電池システムを搭載する機器に応じた設計が行えるようになる。
【００１０】
この際、水素ストレージには、水素の生成量に応じて可動する可動面が設けられ、この可動面の面積の値は、当該水素ストレージの最大容積の３分の２乗の値よりも大きいことが望ましい。
本発明によれば、上記の条件を満足させることで水素ストレージが扁平形状となるから、確実に薄型化が図れる。
【００１１】
また、前記燃料電池の燃料供給空間は、前記水素ストレージを共有していることが考えられる。
本発明によれば、燃料電池と水素ストレージとが一体化されるので、別個の独立した水素ストレージが不要となり、小型化が一層促進される。
【００１２】
本発明の燃料電池システムでは、前記圧力緩衝部は、水素の生成量に応じて膨らむ風船状に形成されていることを特徴とする。
本発明によれば、気密性を有する樹脂フィルム等を用いて風船状に膨らむ構造とすればよいから、簡単な構造で、しかも圧力の上昇が確実に抑制される。
【００１３】
本発明の燃料電池システムでは、前記圧力緩衝部の状態変化に基づいて前記水素流路内の水素量を検出する検出手段が設けられていることを特徴とする。
本発明によれば、水素量を検出する検出手段が設けられているので、水素流路内（あるいはこれと連通した部分）の水素量を知ることができるうえ、改質器での触媒反応が正常に行われているか等を随時確認でき、使い勝手が向上する。特に圧力緩衝部の状態変化に基づいて検出手段が稼働するから、水素の存在が明らかなのに検出されなければ、圧力緩衝部が正常に機能していないといえ、圧力緩衝部の機能確認にも有効である。
【００１４】
本発明の燃料電池システムでは、前記水素流路と連通した圧力逃がし弁が設けられていることが望ましい。
本発明によれば、水素発生に伴う圧力上昇は圧力緩衝部によって抑制されるのであるが、何らかの理由で圧力が異常に上昇することも考えられ、このような場合には、圧力逃がし弁が作動し、システムに障害が生じるのを防止できる。
【００１５】
本発明の燃料電池システムでは、前記水素流路の容積変化または当該水素流路と連通した部分の容積変化に対する対抗力を生じさせる対抗手段が設けられ、この対抗手段による対抗力が可変に設けられていることを特徴とする。
本発明によれば、対抗手段での対抗力を調整することにより、容積変化が生じにくくなったり、または生じ易くなるので、水素の発生量が同じでも、水素流路内の圧力を異ならせることができる。従って、本発明の燃料電池システムが搭載される機器の使用中において、消費される電力が大きい場合には、容積変化をしにくくして水素流路内の圧力を高めに調整し、水素の供給を迅速に行って発電量を上げる。反対に、消費される電力が少なくてよい場合には、容積変化をし易くて圧力を低めに調整し、水素が過剰に供給されるのを防止する。これにより、必要な時に必要な量の水素が供給されるようになるから、機器の機能が十分に発揮されるようになるうえ、燃料が無駄に消費される心配もなくて経済的である。
【００１６】
一方、本発明の機器は、以上に説明した燃料電池システムを搭載したことを特徴とするものであり、前述したように、耐久性を損なうことなく燃料電池システムひいては機器を確実に小型化でき、本発明の目的を達成できる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の燃料電池システムおよびこれを備えた機器によれば、耐久性を損なうことなく確実に小型化できるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の各実施形態を図面に基づいて説明する。なお、後述する第２実施形態において、以下に説明する第１実施形態と同じ構成部材または同じ機能の構成部材には同一符号を付し、それらの説明を省略または簡略化する。
【００１９】
〔第１実施形態〕
図１は、本実施形態に係る燃料電池システム１の概略全体を示す模式図である。
図１において、燃料電池システム１は、ＰＤＡや携帯電話などの携帯機器、あるいはパーソナルコンピュータ等、小型端末機器などに採用されるシステムであって、例えばカートリッジタイプまたは本実施形態のようなシリンジタイプといった任意な構造の燃料供給部１１と、ここから供給される液体燃料を触媒反応により改質して水素を生成する改質器１２と、生成された水素を空気中の酸素とを反応させて電気を発生させる燃料電池１３とを備え、改質器１２および燃料電池１３間を連通させる樹脂製チューブ等の水素流路の途中には、内部にアルカリ除去溶液が貯留されたトラップ１４と、水素流路から分岐した水素ストレージ（圧力緩衝部）１５とが設けられている。そして、この水素ストレージ１５を設けることが、本実施形態での最も特徴的な構成の一つである。
【００２０】
燃料供給部１１に貯留される液体燃料、すなわち本燃料電池システム１に用いられる液体燃料としては、例えば水素化ホウ素ナトリウム水溶液、水素化ホウ素カリウム水溶液、水素化ホウ素リチウム水溶液等のボロハイドライト燃料や、デカリン、シクロヘキサン、メチルシクロヘキサン等の有機ハイドライト燃料、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール等のアルコール系燃料が採用できる。なお、燃料として水素化ホウ素ナトリウム水溶液を用いる場合では、水酸化ナトリウム３ｇ、純水２７ｇ、水素化ホウ素ナトリウム５．５ｇの燃料組成のものが採用できる。
【００２１】
改質器１２で用いられる触媒としては、液体燃料がボロハライドの場合では、白金Ｐｔ、ルテニウムＲｕ、ロジウムＲｈなどの白金族や、コバルトＣｏ、ニッケルＮｉ、ラネーニッケル等のラネーアロイ、フッ化処理した水素吸蔵合金などが採用できる。また、燃料が有機ハイドライドの場合では、白金Ｐｔ、ルテニウムＲｕ、ロジウムＲｈなどの白金族などが採用できる。そして、燃料がメタノールの場合では、触媒の材料として白金族触媒や、これ以外にも、例えばＮｉや、銅系、Cu/ZnO/Al2O3系、Pd/ZnO触媒等が採用できる。  また、本実施形態での改質器１２には、所定のセット圧に設定された圧力逃がし弁１２Ａが設けられており、水素流路および燃料電池１３内の圧力が水素発生による場合を越えて異常に上昇した場合には、この圧力逃がし弁１２Ａが開放し、水素を系外に排出して圧力を低下させる。
【００２２】
燃料電池１３は、本実施形態での詳細な図示を省略するが、後述する第１４実施形態での図１４を参照して説明すると、高分子固体電解質膜１６と、この高分子固体電解質膜１６の両面に一体的に形成されたアノード電極１７およびカソード電極１８とを備え、各電極１７，１８から電気エネルギを取り出す構造である。アノード電極１７側の燃料供給空間１９へは、系内の圧力によって水素が供給され、カソード電極１８側にはブロア１３Ａによって空気が供給される。ただし、図示を省略するが、アノード電極１７の外側には燃料拡散層が配置され、カソード電極１８の外側には空気拡散層が配置され、これら燃料拡散層および空気拡散層の外側に、アノード電極１７およびカソード電極１８の間に発生した電気エネルギを取り出す集電体を備えた構造であってもよい。
【００２３】
ここで、燃料電池１３を構成する各部材の材料について説明しておく。高分子固体電解質膜１６は、プロトン伝導性高分子で構成される高分子固体電解質樹脂が、延伸多孔質ポリテトラフルオロエチレン(Expanded Poly Tetra Fluoro Ethylene, E-PTFE)フィルムの多孔空隙部に含浸されることにより構成されている。高分子固体電解質樹脂としては、例えばナフィオン膜（デュポン社商標）等のパーフルオロスルホン酸系ポリマー、フッ素系ポリマー、炭化水素系ポリマーなどが採用できる。また、場合によってはこの高分子固体電解質樹脂に、電子導電性の生じない範囲で白金などの触媒やカーボン粉末、各種セラミックス粉末などを加えてもよい。
【００２４】
アノード電極１７およびカソード電極１８は、水素をイオン化するための触媒を担持したカーボン触媒電極膜から構成される。ここで、触媒としては、例えば白金等が採用できる。
燃料拡散層および空気拡散層が用いられる場合、これらは導電性を有するメッシュの金属フォーム（例えばスチールウール等）からなる多孔性膜とされ、供給される水素および酸素をそれぞれ拡散してアノード電極１７およびカソード電極１８に導く。なお、これら燃料拡散層および空気拡散層は、それぞれ、アルミニウム、ステンレス鋼等であってもよく、またスポンジチタン等の多孔性金属材料、カーボンペーパ紙にカーボンを担持したものやカーボンクロス等であってもよい。集電体の材料も同様である。
【００２５】
そして、以上の燃料電池１３では、アノード電極１７側に水素が供給されると、水素はアノード電極１７の触媒によって下記の式(１)の酸化反応を生じ、この反応によりプロトンＨ＋と電子ｅ−とを生成する。
Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−  …(１)
プロトンＨ＋は、高分子固体電解質膜１６を透過してカソード電極１８側に移動することにより、各電極１７，１８の両端に電圧が生じる。プロトンＨ＋がカソード電極１８側に到達すると、外部の付加を通って仕事をした後にカソード電極１８に到達した電子ｅ−とがカソード電極１８の触媒によって空気中の酸素Ｏ２と反応して式(２)の還元反応が生じる。
1/2Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ  …(２)
カソード電極１８側で生成された水は、水蒸気として燃料電池１３外部に排出される。      
【００２６】
トラップ１４は、アルカリ除去溶液中に水素流路を開口させることにより、改質器１２で水素とともに発生したアルカリ等を除去するものである。このようなトラップ１４によれば、アルカリ除去溶液中を水素が通過することで加湿機能を有すると考えられ、燃料電池１３の高分子固体電解質膜１６での保湿効果により、その内部ではプロトンＨ＋の移動がスムーズに行われるようになる。また、トラップ１４には水素が蓄えられる空間があり、水素ストレージ１５ほどではないが、水素流路および燃料電池１３内の圧力上昇を僅かながら抑制する作用がある。
【００２７】
水素ストレージ１５は、水素発生による水素流路内および燃料電池１３内の圧力上昇を抑制するためのものであり、本実施形態では、水素が貯留される筒状の水素貯留部２１と、水素貯留部２１内に摺動自在に嵌合した摺動部２２とを含むシリンジ構造を有している。つまり、改質器１２で水素が生成されると、その生成量に応じて水素貯留部２１内の容積が増し、水素流路および燃料電池１３内の圧力が大幅に上昇するのを抑制し、圧力を略一定圧（本実施形態では、２〜４気圧程度）に維持させる。
【００２８】
この際、摺動部２２は、水素貯留部２１内の容積が増えることに対し、自重によって一定の対抗力（反力）を生じさせ、燃料電池１３での水素のイオン化が進むにつれ、水素貯留部２１内から水素を流出させて容積を減少させる。これにより、水素貯留部２１内に水素が長期にわたって滞留するのを防ぎ、水素の窒化を防止することも可能である。
【００２９】
また、摺動部２２には、必要に応じて所定の質量を有する重錘２２Ａを固定することが可能であり、摺動部２２に重錘２２Ａが加わることで重量を増やし、対抗力を増加させるようにしている。ただし、このような重錘２２Ａは基本的に固定式であり、システムの稼働中に異なる質量のものと交換されることはない。
【００３０】
以上の本実施形態によれば、次の効果がある。
（１）すなわち、燃料電池システム１では、改質器１２および燃料電池１３間の水素流路の途中に水素ストレージ１５が設けられているので、改質器１２で水素が生成されることにより水素流路内の水素量が増加すると、水素ストレージ１５の水素貯留部２１内に水素を流入させてその容積、つまり水素流路と連通した部分の容積を増加させることができ、系内の圧力が上昇するのを抑制できる。従って、水素の圧力が作用する部分は、従来に比して簡略化された構造でよく、水素流路としてより細い樹脂製のチューブを使用したり、より薄い高分子固体電解質膜１６を使用しても耐久性が損なわれる心配がなく、燃料電池システム１の小型化を確実に促進できる。
【００３１】
（２）また、水素ストレージ１５は、水素流路から分岐して個別に設けられているため、改質器１２や、燃料電池１３、あるいはトラップ１４等の他の構造に依存することなしに、筒状の水素貯留部２１および摺動自在な摺動部２２といったシリンジ構造を採用できる。つまり、燃料電池システム１を搭載する機器に応じて、水素ストレージ１５を自由に設計できる。
【００３２】
（３）さらに、改質器１２には圧力逃がし弁１２Ａが設けられているから、水素発生に伴う圧力上昇以外に、何らかの理由で圧力が異常に上昇した場合には、この圧力逃がし弁１２Ａから圧力を逃がすことができ、システム１に障害が生じるのを防止できる。
【００３３】
〔第２実施形態〕
図２には、本発明の第２実施形態として、トラップ１４とシリンジ構造の水素ストレージ１５とを一体に設けた構造が示されている。
このような構造では、トラップ１４の下側溶液収容部１４Ａが水素貯留部２１を兼用している。この構造において、下側溶液収容部１４Ａ内に水素が流入すると、下側溶液収容部１４Ａ内の溶液は上側溶液収容部１４Ｂ内に移動し、その分下側溶液収容部１４Ａすなわち水素流路と連通した水素貯留部２１が形成されるとともに、その容積が次第に増していく。そして、水素貯留部２１内の水素はブロア１４Ｃによって図示しない燃料電池側に供給される。
また、下側溶液収容部１４Ａには目盛り１４Ｄが付されており、水素流路内のおおよその水素量を知ることができるようになっている。
【００３４】
このような本実施形態でも、前述した（１）の効果を同様に得ることができる。また、以下の効果がある。
（４）すなわち、本実施形態では、トラップ１４と水素ストレージ１５とが一体に設けられているので、それぞれを個別に設ける必要がなく、燃料電池システムの小型化をより促進できる。
【００３５】
〔第３実施形態〕
図３には、第３実施形態として、水素ストレージ１５の別実施形態が示されている。
本実施形態での水素ストレージ１５は、水素流路から分岐して設けられた剛性を有するケース３１を備えている。ケース３１は扁平形状とされ、その内部には厚さ方向に移動可能な気密隔壁３２が設けられている。
【００３６】
この構造では、ケース３１の流入出部３１Ａから水素が流入するが、気密隔壁３２とケース３１の内面との間は気密が保持されており、この気密を維持しながら気密隔壁３２が移動することで、内部に水素貯留部２１が形成され、水素の生成量に応じて水素貯留部２１の容積が次第に増す。この時、ケース３１での気密隔壁３２と向かい合う部分には複数の連通孔３１Ｂが穿設されており、ケース３１内を外部開放することで気密隔壁３２の移動が妨げられるのを防止している。
【００３７】
一方、気密隔壁３２と前記連通孔３１Ｂが設けられた部分との間にはコイルばね３３が配置され、水素貯留部２１の容積増加に対抗する付勢力が気密隔壁３２に付与されている。従って、水素流路内の水素量が減少し、圧力が低下すると、コイルばね３３は気密隔壁３２を押し戻して水素貯留部２１内の水素を水素流路に流出させ、水素貯留部２１内での滞留を防止する。
【００３８】
また、気密隔壁３２が可動することにより、当該気密隔壁３２の受圧面は可動面３２Ａとされており、この可動面の面積の値は、水素貯留部２１が最大に増加した場合の容積の３分の２乗の値よりも大きく、これによって水素ストレージ１５（ケース３１）が扁平形状に確実に形成されるようになっている。
【００３９】
本実施形態によれば、気密隔壁３２の移動により水素貯留部２１の容積が変化することで、前述の（１）の効果を同様に得ることができる。また、第１実施形態と類似した構成により、（２）の効果も同様に得ることができる。加えて、以下の効果がある。
【００４０】
（５）気密隔壁３２の可動面３２Ａの面積の値は、水素貯留部２１の最大容積の３分の２乗の値よりも大きいので、水素ストレージ１５を扁平形状にでき、確実に薄型化できる。      
【００４１】
〔第４実施形態〕
図４には、本発明の第４実施形態に係る水素ストレージ１５が示されている。
図４において、ケース３１の内周面には、気密を保持するためのフィルム３４が貼設等されている。このフィルム３４は、ＥＶＯＨ（エチレン−ビニルアルコール共重合）樹脂や、高分子グルコマンナンをアセチル化した樹脂からなり、水素バリア性およびフレキシブル性を有している。なお、このようなフィルム３４の表面にアルミ蒸着等による金属コーティングを施し、気密性および耐久性をより向上させてもよい。
【００４２】
本実施形態では、流入出部３１Ａから水素が流入すると、くしゃくしゃにされていたフィルム３４が風船状に膨らみ、水素貯留部２１の容積が増して圧力上昇を抑制する。この際、フィルム３４はケース３１の内面形状に沿って膨らみ、フィルム３４に押されてケース３１内に配置された可動板３５が移動する。また、可動板３５はコイルばね３３で付勢されており、水素流路の水素量が減ると、膨らんだフィルム３４は可動板３５によって収縮し、水素貯留部２１内の水素が水素流路に流出する。
【００４３】
本実施形態によれば、（１）、（２）の効果が得られ、また、可動板３５の可動面３５Ａの面積の値を水素貯留部２１の最大容積の３分の２乗の値よりも大きく設定することで、前述した（５）の効果を得ることができる。また、本実施形態の特有の構成により、以下の効果がある。
【００４４】
（６）水素ストレージ１５の内部は、気密性を有するフィルム３４を備えていることで、水素の生成量に応じて膨らむ風船状に形成されるため、簡単な構造で、しかも圧力の上昇を確実に抑制できる。
さらに、第１，第２実施形態のような重錘２２Ａを用いないため、本燃料システム１が搭載された機器の天地が逆さまになるなど、どのような姿勢になっても、水素ストレージ１５を良好に機能させることができる。
【００４５】
〔第５実施形態〕
図５には、本発明の第５実施形態に係る水素ストレージ１５が示されている。
本実施形態では、フィルム３４は、図中上方の平坦面部３４Ａ表面が所定の剛性を有し、折曲部分が可撓性を有し、全体蛇腹状に形成されている。このようなフィルム３４は、複数段形成された折曲部３４Ｂがケース３１の厚さ方向に沿って伸縮する。
【００４６】
従ってやはり、水素量の増加により、水素貯留部２１が風船状に膨らんで圧力上昇を抑制し、水素量の低減により、コイルばね３３が平坦面部３４Ａを押圧して水素を流出させる。なお、平坦面部３４Ａが所定の剛性を有していることで、第４実施形態のような可動板３５は不要である。また、平坦面部３４Ａは可動面とされ、この面積の値が水素貯留部２１の最大容積の３分の２乗の値よりも大きく設定されていることで、水素ストレージ１５の扁平化が図られている。
【００４７】
このような本実施形態でも、（１）、（２）、（５）、（６）の効果を同様に得ることができる。
【００４８】
〔第６実施形態〕
図６に示す第６実施形態の水素ストレージ１５は、前記第４実施形態でのコイルばね３３（図４）を板ばね３６に変更した構造であり、他の構成は第４実施形態と略同じである。ただし、本実施形態での板ばね３６の数は任意であり、図６に示すように複数（本実施形態では２つ）であってもよく、中央に一つだけ配置されていてもよい。
このような本実施形態でも、第４実施形態と同様な効果を得ることができる。
【００４９】
〔第７実施形態〕
図７に示す第７実施形態の水素ストレージ１５は、複数（本実施形態では４つ）の小さな水素貯留部２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ，２１Ｄを備えた構造である。各水素貯留部２１Ａ〜２１Ｄで用いられるコイルばね３３Ａ〜３３Ｄは、ばね定数がそれぞれ異なっており、流入出部３１Ａから近い側から遠い側に向かって、ばね定数がより大きく、ばね力の強いコイルばね３３が用いられている。また、各水素貯留部２１Ａ〜２１Ｄの構造は、第４実施形態の水素貯留部２１と略同じである。
【００５０】
本実施形態では、流入出部３１Ａからの水素の流入に伴って先ず、流入出部３１Ａに近い側のフィルム３４が膨らんで水素貯留部２１Ａの容積が増え、順次奥側へ向けて水素貯留部２１Ｂ，２１Ｃ，２１Ｄの容積が増す。これによって水素流路内の圧力上昇が抑制される。反対に、水素流路内の水素量が減少した場合には、流入出部３１Ａから遠い側のフィルム３４から収縮して水素貯留部２１Ｄの容積が減り、順次手前側へ向けて水素貯留部２１Ｃ，２１Ｂ，２１Ａの容積が減る。これによって水素貯留部２１Ａ〜２１Ｄ内の水素が流出する。
【００５１】
本実施形態によれば、その特有の構成により、以下の効果がある。
（７）すなわち、各水素貯留部２１Ａ〜２１Ｄでは、コイルばね３３Ａ〜３３Ｄのばね定数が異なっているため、水素貯留部２１Ａ〜２１Ｄの容積の増え方の順序だけでなく、減少の順序をばね定数に応じて設定できる。従って、流入出部３１Ａから遠ざかるにつれてばね定数の大きなコイルばね３３を用いることにより、水素貯留部２１Ｄ，２１Ｃ，２１Ｂ，２１Ａの順序でフィルム３４を収縮させることができ、内部の水素を奥側から絞り出すように確実に流出させることができる。
【００５２】
〔第８実施形態〕
図８に示す第８実施形態の水素ストレージ１５は、各水素貯留部２１Ａ〜２１Ｄに対応させて検出手段３７を設けた点が前記第７実施形態とは異なる。
各検出手段３７は、リミットスイッチや各種のセンサ類で構成され、水素貯留部２１Ａ〜２１Ｄの増減に伴って可動する可動板３５の位置を検出し、内部に水素が最大限に流入しているか否かを検出する。この検出手段３７のオン−オフ結果に基づいて、おおよその水素量を検出することが可能である。
【００５３】
従って、本実施形態では以下の効果がある。
（８）水素量を検出する検出手段３７が設けられているので、水素流路内や水素ストレージ１５内にある水素量を知ることができる。また、改質器１２（図１）での触媒反応が正常に行われているか等を随時確認でき、燃料電池システム１の使い勝手を向上させることができる。特に水素ストレージ１５の状態変化に基づいて検出手段３７が稼働するから、水素の存在が明らかなのに検出されなければ、可動板３５が何らかの理由で動かなくなるなど、水素ストレージ１５が正常に機能していないといえ、水素ストレージ１５の機能確認にも有効である。
【００５４】
〔第９実施形態〕
図９に示す第９実施形態の水素ストレージ１５は、前記第４実施形態の変形例である。  つまり、可動板３５は一対のコイルばね３３（３３Ｅ，３３Ｆ)よって付勢されている点、および検出手段３７が設けられている点が第４実施形態とは異なる。この際、コイルばね３３Ｅ，３３Ｆは、流入出部３１Ａに近い方と離れた方とで互いに離間して設けられているとともに、ばね定数が異なっている。流入出部３１Ａよりも遠い方のコイルばね３３Ｆのばね定数がより大きく、ばね力が大きい。
【００５５】
このような本実施形態では、水素の流入に伴って流入出部３１Ａに近い側でフィルム３４が膨らみ、次第に奥側が膨らむので、可動板３５としても、流入出部３１Ａ側が初めに移動し、次に奥側が移動し、結果として斜めの状態で移動するのである。反対に、水素量の低減により、フィルム３４の奥側で収縮が開始し、水素が絞り出されるように徐々に流入出部３１Ａ側が収縮する。また、検出手段３７により、最大限にフィルム３４が膨らんだ位置で可動板３５が検出されるのは、第８実施形態と同様である。
【００５６】
本実施形態によれば、構成は異なるが、前記第７、第８実施形態と同様な効果を得ることができる。
【００５７】
〔第１０実施形態〕
図１０に示す第１０実施形態の水素ストレージ１５は、可動板３５の奥側（流入出部３１Ａから遠い側）をケース３１の底側（連通孔３１Ｂとは反対側）に回動自在に支持し、奥側のコイルばね３３Ｆ（図９）を省いた点が第９実施形態とは異なる。
本実施形態では、フィルム３４の膨らみが可動板３５によって規制されるため、側断面扇形に膨らむようになり、水素の低減に伴って水素貯留部２１の奥側の容積から小さくなり、やはり奥側から絞り出されるように水素が流出する。
従って、本実施形態でも、構成は異なるが、前記第７、第８実施形態と同様な効果を得ることができる。
【００５８】
〔第１１実施形態〕
図１１（Ａ）、（Ｂ）示す第１１実施形態の水素ストレージ１５では、ケース３１の連通孔３１Ｂが設けられた内面３１Ｃに当接するようにフィルム３４が膨らむ。この内面３１Ｃは、連通孔３１Ｂが多数設けられることで、弾性変形可能とされている。このため、（Ｂ）に示すように、フィルム３４が膨らむと、内面３１Ｃの部分も弾性変形して膨らみ、水素貯留部２１の容積を変化させて圧力上昇を抑制する。水素の量が減ると、その弾性力により内面３１Ｃ部分が復帰し、内部の水素を流出するように作用する。また、内面３１Ｃは、本発明に係る可動面である。
【００５９】
本実施形態では、その特有な構成により、以下の効果がある。
（９）すなわち、内面３１Ｃ部分の弾性によりフィルム３４が膨らむのに対抗させているため、前述来のコイルばね３３や板ばね３６（図３〜図１０）等を不要にでき、構造を簡略化して水素ストレージ１５を一層薄型化できる。
【００６０】
〔第１２実施形態〕
図１２（Ａ）、（Ｂ）に示す第１２実施形態の水素ストレージ１５では、第１１実施形態でのフィルム３４を用いる変わりに、弾性変形可能な気密隔壁３２を、同様に弾性変形可能な多孔板４１に略密着させて設けてある。この気密隔壁３２は、第３実施形態とは異なって移動はしないが、（Ｂ）に示すように、弾性変形することで水素貯留部２１の容積を可変にしている。
本実施形態では、構成は異なるが、前記第１１実施形態と略同様な効果を得ることができる。
【００６１】
〔第１３実施形態〕
図１３に示す第１３実施形態の水素ストレージ１５は、コイルばね（対抗手段）３３のばね定数を調整できる構成にし、ばね力を可変にした点が前記第４実施形態とは異なる。  具体的には、コイルばね３３の図中上部側は支持板３８で支持されており、この支持板３８には、ケース３１のねじ孔３１Ｄに螺合されたばね力調整ねじ３９の先端が当接されている。従って、ばね力調整ねじ３９をねじ込むことにより、コイルばね３３のばね定数を大きくでき、ばね力すなわち対抗力をより強くできる。勿論、このような構成を板ばね３６（図６）を用いた場合に適用してもよい。
【００６２】
本実施形態では、以下の効果がある。
（10）コイルばね３３でのばね力を調整することにより、水素貯留部２１の容積変化が生じにくくなったり、または生じ易くなるので、水素の発生量が同じでも、水素流路内の圧力を異ならせることができる。従って、燃料電池システム１（図１）が搭載される機器の使用中において、消費される電力が大きい場合には、容積変化をしにくくして水素流路内の圧力を高めに調整し、水素の供給を迅速に行って発電量を上げることができる。反対に、消費される電力が少なくてよい場合には、容積変化をし易くて圧力を低めに調整し、水素が過剰に供給されるのを防止できる。これにより、必要な時に必要な量の水素を供給できるから、機器の機能を十分に発揮できるうえ、燃料が無駄に消費される心配もなくて経済的である。
【００６３】
〔第１４実施形態〕
図１４に示す第１４実施形態の水素ストレージ１５は、第１１実施形態の構造を燃料電池１３に適用したものであり、ケース４２の一部を形成する弾性変形可能な気密隔壁３２および多孔板４１により、燃料供給空間１９が形成されている。つまり、本実施形態では、水素ストレージ１５を燃料供給空間１９が共有しているのである。このような構成でも、多量に生成された水素が燃料供給空間１９に流入すると、気密隔壁３２および多孔板４１が弾性変形し、燃料供給空間１９の容積が増えて圧力上昇を抑制する。なお、燃料電池１３の構成は、第１実施形態で説明したので、ここではその説明を省略する。
【００６４】
本実施形態によれば、以下の効果がある。
（11）すなわち、燃料供給空間１９が水素ストレージ１５を共有し、燃料電池１３と水素ストレージ１５とが一体化されているので、別個の独立した水素ストレージ１５を不要にでき、小型化を各段に促進できる。
【００６５】
なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、前記各実施形態では、水素貯留部２１の増加に対する抗力を重錘２２Ａ、コイルばね３３、板ばね３６、ケース３１の一部や多孔板４１の弾性力にとって生じさせていたが、いずれの手段で抗力を生じさせるかは任意であり、また、各手段を適宜組み合わせて抗力を生じさせてもよい。
また、検出手段３７は必要に応じて設けられていればよく、省略可能である。そして、検出手段３７が設けられていない実施形態についても説明したが、そのような実施形態に検出手段３７を設けた場合でも、本発明に含まれる。
【００６６】
その他、本発明を実施するための最良の構成、方法などは、以上の記載で開示されているが、本発明は、これに限定されるものではない。すなわち、本発明は、主に特定の実施形態に関して特に図示され、かつ、説明されているが、本発明の技術的思想および目的の範囲から逸脱することなく、以上述べた実施形態に対し、形状、材質、数量、その他の詳細な構成において、当業者が様々な変形を加えることができるものである。
したがって、上記に開示した形状、材質などを限定した記載は、本発明の理解を容易にするために例示的に記載したものであり、本発明を限定するものではないから、それらの形状、材質などの限定の一部もしくは全部の限定を外した部材の名称での記載は、本発明に含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムを示す模式図。
【図２】本発明の第２実施形態の水素ストレージを示す模式図。
【図３】本発明の第３実施形態の水素ストレージを示す模式図。
【図４】本発明の第４実施形態の水素ストレージを示す模式図。
【図５】本発明の第５実施形態の水素ストレージを示す模式図。
【図６】本発明の第６実施形態の水素ストレージを示す模式図。
【図７】本発明の第７実施形態の水素ストレージを示す模式図。
【図８】本発明の第８実施形態の水素ストレージを示す模式図。
【図９】本発明の第９実施形態の水素ストレージを示す模式図。
【図１０】本発明の第１０実施形態の水素ストレージを示す模式図。
【図１１】本発明の第１１実施形態の水素ストレージを示す模式図であり、（Ａ）は容積が変化する前の状態、（Ｂ）が変化後の状態である。
【図１２】本発明の第１２実施形態の水素ストレージを示す模式図であり、（Ａ）は容積が変化する前の状態、（Ｂ）が変化後の状態である。
【図１３】本発明の第１３実施形態の水素ストレージを示す模式図。
【図１４】本発明の第１４実施形態の水素ストレージを示す模式図。
【符号の説明】
【００６８】
１…燃料電池システム、１２…改質器、１２Ａ…圧力逃がし弁、１３…燃料電池、１５…圧力緩衝部である水素ストレージ、３２Ａ，３５Ａ…可動面、３３…対抗手段であるコイルばね、３４Ａ…可動面を形成している平坦面部、３７…検出手段、１９…燃料供給空間。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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