(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
乾電池の公的規格で規定された外形仕様を満たす本体と、
前記本体に収容された、炭水化物内の糖質を含む水溶液を燃料とする燃料電池セルと、
を含むことを特徴とする乾電池型燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の乾電池型燃料電池において、
前記本体は、前記燃料電池セルに前記水溶液を供給するための供給口を備えることを特徴とする乾電池型燃料電池。
【請求項３】
請求項２に記載の乾電池型燃料電池において、
さらに、前記燃料電池セルから出力される電力によって充電される二次電池を含み、前記二次電池および前記燃料電池セルの少なくとも一方の出力が前記乾電池型燃料電池から出力されることを特徴とする乾電池型燃料電池。
【請求項４】
請求項３記載の乾電池型燃料電池において、
前記二次電池は、筒状二次電池からなり、
前記燃料電池セルは、前記筒状二次電池に挿抜され、両端に正極端子および負極端子を備えたカートリッジ型燃料電池セルからなり、
前記燃料電池セルを前記筒状二次電池内に装着した状態で前記筒状二次電池内と前記カートリッジ型燃料電池セルとを電気的に接続する正極接点および負極接点を備えたことを特徴とする乾電池型燃料電池。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の乾電池型燃料電池において、
前記燃料電池セルは、シート状の正極および負極の間にシート状のセパレータを挟んで巻回した構造を有することを特徴とする乾電池型燃料電池。
【請求項６】
乾電池の公的規格で規定された外形仕様を満たす本体に、炭水化物内の糖質を含む水溶液を燃料とする燃料電池セルを実装することを特徴とする乾電池型燃料電池の製造方法。
【請求項７】
請求項６記載の乾電池型燃料電池の製造方法において、
前記本体に、前記燃料電池セルに前記水溶液を供給するための供給口を形成することを特徴とする乾電池型燃料電池の製造方法。
【請求項８】
請求項７記載の乾電池型燃料電池の製造方法において、
前記本体に、前記燃料電池セルから出力される電力によって充電される二次電池を実装することを特徴とする乾電池型燃料電池の製造方法。
【請求項９】
請求項６から請求項８のいずれか１項に記載の乾電池型燃料電池の製造方法において、
シート状の正極および負極の間にシート状のセパレータを挟んで巻回することで前記燃料電池セルを構成することを特徴とする乾電池型燃料電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、乾電池型燃料電池およびその製造技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
世界的な地球環境問題への取り組みや、資源の有効利用への動きに呼応して、低公害で高効率な発電システムとして燃料電池が注目を集めている。
ところで、これまでの燃料電池の形態は、市場に広く流通する既存の汎用の乾電池等の形態とはかけ離れた商品スタイルとなっている。
【０００３】
その理由としては、たとえば、水素系の燃料電池では発熱対策や燃料供給など多様なシステム構成が必須であるために、既存の一次電池や二次電池に比べて小型化が極めて困難なことが考えられる。
【０００４】
一方、携帯機器等における利用を考慮した燃料電池も盛んに研究されており、たとえば、燃料としてメタノールを利用した燃料電池では、発電を効率的に行なうために７０°Ｃ前後の反応熱を有し、かつ反応後には生成物として出る水が高い反応熱のために水蒸気となって外部に放出されるため、既存の乾電池のような完全に閉じた機器内空間等に実装される電源としての利用が想定されていない。
【０００５】
すなわち、既存の乾電池のような利用態様では、燃料電池から発生する反応熱を放散することが困難であるとともに、動作に伴って発生する蒸気が電子機器に悪影響を与える懸念があるからである。
【０００６】
このため、たとえば、特許文献１では、燃料電池に燃料を供給する燃料電池用カートリッジの外周部に、燃料電池から発生する水分を吸収する水吸収手段を配置して、燃料電池から発生する水分が外部に漏れ出すことを防止しようとする技術が開示されている。
【０００７】
しかし、この特許文献１に開示された燃料電池の場合には、燃料電池に燃料を供給する燃料電池用カートリッジを乾電池に類似する形態とすることが開示されているのみであり、燃料電池の全体形状は、やはり原理的に生じる問題点を解決するための水分を吸収する水吸収手段を配置することに伴い、既存の乾電池と懸け離れた外形を呈しており、既存の乾電池と互換な利用は困難なことには変わりがない。
【特許文献１】特開２００６−４９１５３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、市場に広く流通する公的規格の乾電池との互換利用が可能な乾電池型燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の第１の観点は、乾電池の公的規格で規定された外形仕様を満たす本体と、前記本体に収容された、炭水化物内の糖質を含む水溶液を燃料とする燃料電池セルと、を含む乾電池型燃料電池を提供する。
【００１０】
本発明の第２の観点は、乾電池の公的規格で規定された外形仕様を満たす本体に、炭水化物内の糖質を含む水溶液を燃料とする燃料電池セルを実装する乾電池型燃料電池の製造方法を提供する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、市場に広く流通する公的規格の乾電池との互換利用が可能な乾電池型燃料電池を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
最初に、本実施の形態の態様について概括し、その後、図面を参照して詳細な説明を行う。
本実施の形態の第１態様は、二次電池に電力を供給充電する燃料電池において、電力を蓄える二次電池と、二次電池に電力を供給する燃料電池と、前記二次電池と燃料電池をその内部に有す本体部と、前記本体部が燃料電池へ燃料を供給する供給口と生成水を排出する排水口と燃料電池へ空気を誘導する空気取入口を有しながら、ＩＥＣやＪＩＳに規定された乾電池と互換サイズを有する乾電池型燃料電池を提供する。
【００１３】
また、第２態様では、上述の第１態様の燃料電池が、熱や蒸気を発することのないグルコースを燃料とした燃料電池である乾電池型燃料電池を提供する。
すなわち、本実施の形態では、一例として、発熱や水蒸気の発生の少ない燃料を利用する燃料電池を用いて乾電池型燃料電池を構成する。すなわち、本実施の形態では、反応温度が体温程度であり、かつ生成物も水溶液のままで蒸気を発しないグルコースを燃料とした燃料電池を利用して、既存の乾電池電型の商品スタイルを大きく変えることなく、燃料電池を乾電池と互換に利用できるようにする。
【００１４】
メタノールを燃料とする燃料電池では、燃料の機密性、反応温度の維持、蒸気の発生と生成水の排除を行なうことから、大きな電池システムとなっている。これに対して生体由来に基づくグルコースなどを燃料とした燃料電池であれば、燃料は大気圧、反応も体温程度、蒸気発生はなく、生成水の処理のみで済む。
【００１５】
燃料電池を小型化することで、既存の規格である乾電池と互換サイズの本体の中に二次電池と共に組み込むことができる。二次電池と燃料電池を既存の乾電池のサイズに組み入れるため、既存電池の規格に準じて利用することができる。しかも充電はグルコースを供給するのみで、充電待ち時間も掛からない。
【００１６】
発熱量や水蒸気の発生の少ないグルコース燃料電池を利用し、既存の乾電池規格での燃料電池を得ることで、機器への高い適応性と利便性の向上を図ることができる。また、どこでも乾電池本体のみで充電できる。
【００１７】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施の形態である乾電池型燃料電池の構成の一例を示す斜視図であり、図２は、その断面図である。
【００１８】
図３は、本実施の形態の乾電池型燃料電池を構成する燃料電池セルの構成例を示す分解斜視図、図４は、本実施の形態の乾電池型燃料電池を構成する燃料電池セルにおける電極の配置例を示す概念図である。
【００１９】
また、図５は、本実施の形態の乾電池型燃料電池を構成する燃料電池セルの動作原理を示す概念図である。
図１に例示されるように、本実施の形態の乾電池型燃料電池１０は、電池本体１１と、正極端子１２および負極端子１３を備えている。
【００２０】
なお、本実施の形態の乾電池型燃料電池１０の電池本体１１は、たとえば、本体外径Ｄ０、本体高さ寸法Ｈ０、さらには、正極外径Ｄ１、正極高さ寸法Ｈ１、等の各部の寸法が、ＩＥＣやＪＩＳ等の公的規格に合致する形態を有し市場に広く流通する一般の乾電池（たとえば、いわゆる単一乾電池、単二乾電池、単三乾電池、等）の外形寸法と完全に互換になるように設定されている。
【００２１】
図２に例示されるように、電池本体１１の内部には、燃料電池セル２０と二次電池３０が実装されている。
電池本体１１の側面には、燃料電池セル２０に酸素を含む空気４３を供給するための空気孔１４が設けられている。また、電池本体１１の側面には、燃料電池セル２０に食物系燃料４１を供給するための燃料供給口１５と、燃料電池セル２０からの排出物４２を外部に取り出すための排出口１６が設けられている。
【００２２】
この燃料供給口１５および排出口１６には、外部からの押圧動作等によって解除される図示しない逆止弁機構が設けられており、外部から当該逆止弁機構を解除しない限り、電池本体１１の内部から食物系燃料４１や排出物４２が外部に漏れださない構成になっている。
【００２３】
たとえば、燃料供給口１５から食物系燃料４１を供給する際には、図示しない供給ノズルの先端部にて燃料供給口１５内の逆止弁機構を軸方向に押圧して解除することにより、食物系燃料４１を電池本体１１の内部に注入するとともに、当該供給ノズルを燃料供給口１５から抜去することで、燃料供給口１５は閉塞される。
【００２４】
同様に、排出口１６から、たとえば、燃料にグルコース水溶液を利用した場合に水やグルコノラクトン等の排出物４２を排出させるには、外部から排出口１６内に図示しない排出ノズルを挿入して逆止弁機構を開いて排出物４２を排出させ、当該排出ノズルを排出口１６から抜去することで排出口１６は閉塞状態となる。
【００２５】
燃料電池セル２０と二次電池３０は、正極リード線１２ａおよび負極リード線１３ａを介して、正極および負極がそれぞれ接続され、さらに、正極リード線１２ａは正極端子１２に、負極リード線１３ａは負極端子１３に接続されている。
【００２６】
燃料電池セル２０は、後述のように、たとえば、グルコース等の糖類や炭水化物や、ビタミン等の食物系燃料４１をエネルギー源として電力を発生し、正極リード線１２ａおよび負極リード線１３ａを介して二次電池３０を充電する。
【００２７】
そして、二次電池３０および燃料電池セル２０の電力は、電池本体１１の正極端子１２および負極端子１３を介して図示しない外部負荷に供給される。
図３に例示されるように、本実施の形態の乾電池型燃料電池１０に実装される燃料電池セル２０は、筒状のセル本体２１の内部に、シート状の正極２７ａ、負極２７ｃおよびセパレータ２７ｂを、図４に例示されるように、当該セパレータ２７ｂによって正極２７ａと負極２７ｃが絶縁されるように交互に積層して巻回して実装した構成となっている。なお、セル本体２１は、角型形状でもよい。
【００２８】
正極２７ａや負極２７ｃを構成する極シートとしては、たとえば、可撓性のフィルムにカーボンナノ粒子、金属微粒子や酵素などを印刷やメッキ技術によって形成したものを用いることができる。
【００２９】
セル本体２１内に収容された正極２７ａは、正極リード２８ａを介して、セル本体２１の一端面に配置された正極端子２２に接続され、負極２７ｃは、負極リード２８ｃを介して、セル本体２１の他端面に配置された負極端子２３に接続されている。
【００３０】
セル本体２１の正極端子２２が配置された端面には、セル本体２１の内部の正極２７ａの収容空間に酸素を含む空気４３を供給するための通気孔２４が形成されている。
なお、燃料電池セル２０が収容されるセル本体２１の壁面自体を酸素透過性の材料で構成することにより、通気孔２４を省略してもよい。
【００３１】
このことは、上述した乾電池型燃料電池１０の電池本体１１に設けられた空気孔１４についても同様であり、電池本体１１自体を酸素透過性の材料で構成することにより、空気孔１４を省略してもよい。
【００３２】
ここで、セル本体２１または電池本体１１を構成するための酸素透過性の素材を例示すれば、以下の通りである。
（１）Ｇｏｒｅ−Ｔｅｘ（ゴアテックス：登録商標）
米国ＷＬゴア＆アソシエイツ社が販売する透湿性防水膜（Ｇｏｒｅ−Ｔｅｘ  ゴアテックス）である。ポリテトラフルオロエチレンを延伸加工したフィルムとポリウレタンポリマーを複合化して製造する。水蒸気が分子レベルで透過するので、酸素も充分透過させる。これに対して水は透過しないので、電池本体１１やセル本体２１として使用できる。
【００３３】
（２）酸素透過型の構造体
（ａ）酸素透過型ハードコンタクトレンズと類似の構造体
この構造体は、酸素分子より小さな穴があいた構造物の分子間隙を大きくして、酸素を透過させる素材である。具体的にはシロキサニルメタクリレート（ＭＭＡ）、フルオロメタクリレート（ＦＭＡ）を用いることができる。また、セラミクスで同様の構造体を構成してもよい。
【００３４】
（ｂ）酸素透過型ソフトコンタクトレンズと類似の構造体
この構造体は、酸素が溶け込みやすく、かつ拡散しやすい素材である。酸素との親和性が高い素材、ポリマー等からなる。また含水率の高い素材でも酸素の透過拡散性が高まる。
【００３５】
具体的には、ハイドロキシエチルメタクリレート（ＨＥＭＡ）、Ｎ−ビニルピロリドン（Ｎ−ＶＰ）、ジメチルアクリルアミド（ＤＭＡＡ）、グリセロールメタクリレート（ＧＭＡ）がある。
【００３６】
（３）その他、電池本体１１やセル本体２１として考えられる材料
生体との親和性もよく（＝含水性）構造体が作れるもの。具体的にはコラーゲンやアミノ酸共重合体が考えられる。
【００３７】
セル本体２１の側面には、上述のセパレータ２７ｂに挟まれた負極２７ｃの配置空間に連通する燃料供給口２５と、セパレータ２７ｂに挟まれた負極２７ｃの配置空間に連通する排出口２６が設けられている。
【００３８】
この燃料供給口２５は、乾電池型燃料電池１０の電池本体１１の燃料供給口２５に連通され、同様に、排出口２６は排出口１６に連通されている。
上述の乾電池型燃料電池１０の正極リード線１２ａは燃料電池セル２０の正極端子２２に接続され、負極リード線１３ａは負極端子２３に接続される。
【００３９】
なお、上述の図３の例では、簡単のため、乾電池型燃料電池１０の電池本体１１に実装される燃料電池セル２０を円筒型のセル本体２１として実現する例を示したが、電池本体１１の円筒型の内部空間を利用するためには、ともに実装される二次電池３０とともに、互いに補い合って円形を構成する略半円形の断面形状を有する筒形状に構成し、乾電池型燃料電池１０の電池本体１１の円形断面の内部空間を、燃料電池セル２０および二次電池３０の実装に、より有効に利用する構造としてもよい。
【００４０】
ここで、図５を参照して、上述のような構成の本実施の形態の燃料電池セル２０の動作原理について簡単に説明する。
図５に例示されるように、負極２７ｃの側では、たとえば、食物系燃料４１として供給されるグルコース（Ｃ６Ｈ１２Ｏ６）を酸化させて電子を奪う反応が行われる。正極２７ａの側では、外部負荷９０を介して負極２７ｃから到来する電子によって酸素を還元し、排出物４２としての水を生成する反応が行われる。
【００４１】
この場合、セパレータ２７ｂは、クロス反応を防止するために設けられているが、負極２７ｃがグルコースを酸化させる機能を選択的に有し、正極２７ａが酸素を還元する機能を選択的に有することができれば、省略可能である。この場合、セパレータ２７ｂの代わりに、正極２７ａと負極２７ｃを絶縁するスペーサを必要に応じて両者の間に配置する。
【００４２】
あるいは負極２７ｃでの酸化はできる限りネガティブで、正極２７ａでの還元はできる限りポジティブで行なえればよい。
ここでクロス反応とは、以下の理由で起きる反応である。
【００４３】
すなわち、クロス反応は、グルコースを酸化させる反応が、電池の高い出力を得る（高める）ために酸素を還元する電位よりも低い電位で生じる構造となるため、グルコースの酸化がより電位の高い酸素の還元電極（正極２７ａ）でも生じたり、酸素の還元がグルコースの酸化電極（負極２７ｃ）でも生じたりする可能性がある。このため電池として要求される現象とは逆の現象が起きるため電流が互いに打ち消しあい（クロス）、出力電流が得られなくなる。特に電池構造を小型化するために、両電極の距離が小さくなればなるほど発生しやすくなる。
【００４４】
このようなクロス反応を生じない電極構造や電極材料が開発されれば、セパレーターは不要となるが、具体的には微生物である酵素を利用した電極が考えられている。グルコースを酸化（分解）する酵素を電極に利用すれば、酵素はその反応を選択的に実施するため、クロス反応を防止することができる。
【００４５】
以上のような構成の本実施の形態の乾電池型燃料電池１０では、燃料供給口１５から食物系燃料４１を供給することで、燃料供給口１５を介して燃料電池セル２０に注入されて発電が行われ、発電された電力は正極リード線１２ａおよび負極リード線１３ａを介して二次電池３０に充電される。
【００４６】
この時、燃料電池セル２０は、グルコース等の食物系燃料４１を用いているため、動作温度が低く、ほとんど体温程度の低い温度で動作するとともに、水蒸気等を放散することもない。電池容器内で多少の蒸発が生じても、反応温度が低いために電池内部の圧力を高めるような蒸発を発生することがない。
【００４７】
そして、乾電池型燃料電池１０の正極端子１２および負極端子１３に外部負荷が接続された場合には、二次電池３０から安定的に電力が供給される。
また、必要に応じて、たとえば、食物系燃料４１の供給と同時に、排出口１６から排出物４２を排出することで、燃料電池セル２０における発電性能を維持する。
【００４８】
このように、本実施の形態では、燃料電池セル２０が実装された乾電池型燃料電池１０は、電池本体１１等の寸法が、既存の乾電池と互換となるように設定されているとともに、動作温度も体温に近く、さらに水蒸気等を放散しないので、既存の乾電池の代わりに、所望の電子機器にそのまま装着して使用することができる。
【００４９】
しかも、食物系燃料４１を用いるため、身近にある糖分を含むジュースやスポーツ飲料等も燃料として用いることができ、簡易に燃料電池セル２０の発電機能を維持でき、保守性や利便性は、既存の乾電池を上回るものとなる。
【００５０】
すなわち、発熱量や蒸気発生の少ないグルコース等の食物系燃料４１を用いる燃料電池セル２０を利用して乾電池と互換の乾電池型燃料電池１０を構成することで、所望の電子機器への高い適応性と利便性の向上を図ることができる。
【００５１】
また、どこでも乾電池型燃料電池１０の本体のみで二次電池３０の充電ができ、極めて高い保守性能や、再利用性を実現できる。
図６は、本実施の形態の乾電池型燃料電池の変形例の構成および作用を示す分解組み立て斜視図である。図７および図８は、その断面図である。
【００５２】
この変形例の乾電池型燃料電池１０Ａでは、電池本体１１の内部に、電池本体１１とほぼ同一の外径の筒状の二次電池３０Ａを実装し、この二次電池３０Ａの中央部に貫通して設けられた燃料電池セル収容孔１１ａに、カートリッジ型燃料電池セル２０Ａを挿抜可能に実装する構成となっている。
【００５３】
すなわち、カートリッジ型燃料電池セル２０Ａは、上述の図３に例示した構成の燃料電池セル２０に対して、セル本体２１の外周部に設けられた燃料供給口２５および排出口２６に、上述の逆止弁機構を設けるとともに、カートリッジ型燃料電池セル２０Ａの正極端子２２および負極端子２３が、そのまま、乾電池型燃料電池１０Ａの正負の電極端子として機能する構成となっている。
【００５４】
なお、電池本体１１に対するカートリッジ型燃料電池セル２０Ａの挿抜の障害にならないように、燃料供給口２５および排出口２６は、セル本体２１の表面から突出しないように設けられている。
【００５５】
また、カートリッジ型燃料電池セル２０Ａの正極端子２２および負極端子２３は、正極接点３１および負極接点３２を介して、二次電池３０Ａの正負の端子にそれぞれ接続されている。
【００５６】
この場合も、カートリッジ型燃料電池セル２０Ａを電池本体１１に組み込んだ状態の乾電池型燃料電池１０Ａの外形形状は、既存の乾電池と全く互換である。
この乾電池型燃料電池１０Ａの場合、図７のようにカートリッジ型燃料電池セル２０Ａが抜去された状態では、正極接点３１および負極接点３２が開放されているので、発電も充電も行われない。
【００５７】
そして、図８に例示されるように、カートリッジ型燃料電池セル２０Ａが電池本体１１に装填された状態で、カートリッジ型燃料電池セル２０Ａと二次電池３０Ａの互いの端子が接続され、閉回路となってカートリッジ型燃料電池セル２０Ａでの発電および二次電池３０Ａに対する充電が行われるとともに、乾電池型燃料電池１０Ａの正極端子２２および負極端子２３に接続される外部負荷９０に対する電力の供給が行われる。
【００５８】
この変形例の乾電池型燃料電池１０Ａの場合にも、上述の乾電池型燃料電池１０と同様の効果が得られるとともに、さらに、カートリッジ型燃料電池セル２０Ａを取り出して、交換や保守を容易行うことができる、という利点がある。
【００５９】
なお、本発明は、上述の実施の形態に例示した構成に限らず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の一実施の形態である乾電池型燃料電池の構成の一例を示す斜視図である。
【図２】その断面図である。
【図３】本発明の一実施の形態である乾電池型燃料電池を構成する燃料電池セルの構成例を示す分解斜視図である。
【図４】本発明の一実施の形態である乾電池型燃料電池を構成する燃料電池セルにおける電極の配置例を示す概念図である。
【図５】本発明の一実施の形態である乾電池型燃料電池を構成する燃料電池セルの動作原理を示す概念図である。
【図６】本発明の一実施の形態である乾電池型燃料電池の変形例の構成および作用を示す分解組み立て斜視図である。
【図７】そのカートリッジ型燃料電池セルを取り外した状態の断面図である。
【図８】そのカートリッジ型燃料電池セルを装着した状態の断面図である。
【符号の説明】
【００６１】
１０  乾電池型燃料電池
１０Ａ  乾電池型燃料電池
１１  電池本体
１１ａ  燃料電池セル収容孔
１２  正極端子
１２ａ  正極リード線
１３  負極端子
１３ａ  負極リード線
１４  空気孔
１５  燃料供給口
１６  排出口
２０  燃料電池セル
２０Ａ  カートリッジ型燃料電池セル
２１  セル本体
２２  正極端子
２３  負極端子
２４  通気孔
２５  燃料供給口
２６  排出口
２７ａ  正極
２７ｂ  セパレータ
２７ｃ  負極
２８ａ  正極リード
２８ｃ  負極リード
３０  二次電池
３０Ａ  二次電池
３１  正極接点
３２  負極接点
４１  食物系燃料
４２  排出物
４３  空気
９０  外部負荷
【図１】
0005275605.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
0005275605.tif 000005
【図５】
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【図６】
0005275605.tif 000007
【図７】
0005275605.tif 000008
【図８】
0005275605.tif 000009