(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
パーソナルコンピュータ等の可搬用機器に搭載して用いられる燃料電池装置であって、固体高分子型燃料電池からなる燃料電池本体と、この燃料電池本体に必要な水素をその内蔵する水素吸蔵合金に吸蔵する水素吸蔵ボンベと、この水素吸蔵ボンベからの水素の流動を制御し、上記燃料電池本体における燃料電池の作動を制御する制御部と、少なくともその一部が実質的に水素を透過せずに水を透過する透水部材と接触するように形成され、上記水素吸蔵ボンベから水素を上記燃料電池本体に供給する水素供給流路と、上記燃料電池本体に燃料電池の発電に必要な酸素を供給するための空気を供給する送気手段と、上記燃料電池本体で生成される水を回収して保水する保水手段と、上記保水手段に保水された水が上記透水部材を透過して上記水素供給流路を流動する水素を加湿するよう構成された加湿構造と、上記燃料電池本体または上記可搬用機器で発生した熱を上記水素吸蔵ボンベに伝達する熱伝達構造と、これらを収納するとともに、可搬用機器に機械的、かつ電気的に着脱可能に結合する電池装置ケースとを有し、上記電池装置ケースは、上記送気手段の吸気口ならびに排気口と上記水素吸蔵ボンベを出し入れできる手段を有し、かつ上記水素吸蔵ボンベを着脱可能な構成としたことを特徴とする機器搭載用燃料電池装置。
【請求項２】
上記燃料電池本体での発生熱を上記水素吸蔵ボンベに導いて同水素吸蔵ボンベを加熱することを特徴とする請求項１記載の機器搭載用燃料電池装置。
【請求項３】
発生熱の伝達を上記保水手段を介して行うことを特徴とする請求項２記載の機器搭載用燃料電池装置。
【請求項４】
発生熱の伝達を送気手段による空気流によって行うことを特徴とする請求項２記載の機器搭載用燃料電池装置。
【請求項５】
上記加湿構造は、上記水素供給流路の路壁の少なくとも一部を水素非透過水透過性膜で構成し、この膜を介して上記保水手段の水と上記水素供給流路を通過する水素とを接触させる構成としたことを特徴とする請求項１記載の機器搭載用燃料電池装置。
【請求項６】
上記水素供給流路の一部を水素非透過水透過性の管で構成し、かつ上記保水手段を上記燃料電池本体で生成される水を吸収して保水する保水部材で構成し、上記管をこの保水部材により包囲するよう構成し、この保水部材に保持された水により管内を流動する水素を加湿することを特徴とする請求項５記載の機器搭載用燃料電池装置。
【請求項７】
上記保水手段は、水を吸収し、膨潤して保水する材料からなる保水部材で構成され、この水をこの保水部材の表面を介して蒸発させることにより上記保持した水を減量することを特徴とする請求項１記載の機器搭載用燃料電池装置。
【請求項８】
保水部材を燃料電池本体に接触させ、同燃料電池本体の発熱により上記保水部材に保水された水を蒸発させることを特徴とする請求項７記載の機器搭載用燃料電池装置。
【請求項９】
内部を冷却する送気手段を備えたパーソナルコンピュータ等の可搬用機器に搭載して用いられる燃料電池装置であって、固体高分子型燃料電池からなる燃料電池本体と、この燃料電池本体に必要な水素をその内蔵する水素吸蔵合金に吸蔵する水素吸蔵ボンベと、この水素吸蔵ボンベからの水素の流動を制御し、上記燃料電池本体における燃料電池の作動を制御する制御部と、少なくともその一部が実質的に水素を透過せずに水を透過する透水部材と接触するように形成され、上記水素吸蔵ボンベから水素を上記燃料電池本体に供給する水素供給流路と、上記燃料電池本体で生成される水を回収して保水する保水手段と、上記保水手段に保水された水が上記透水部材を透過して上記水素供給流路を流動する水素を加湿するよう構成された加湿構造と、上記燃料電池本体または上記可搬用機器で発生した熱を上記水素吸蔵ボンベに伝達する熱伝達構造と、これらを収納するとともに、可搬用機器に機械的、かつ電気的に着脱可能に結合する電池装置ケースとを有し、上記電池装置ケースは、上記送気手段の吸気口ならびに排気口と上記水素吸蔵ボンベを出し入れできる手段を有し、上記可搬用機器に設けられた送気手段により形成される空気流を燃料電池本体に導き、この空気流により燃料電池の発電に必要な酸素を供給するよう構成したことを特徴とする機器搭載用燃料電池装置。
【請求項１０】
上記送気手段を駆動し、燃料電池本体の初作動を確保するための補助電池を内蔵させたことを特徴とする請求項１または９記載の機器搭載用燃料電池装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ノート型パソコン等のポータブル機器に搭載するための電源システムであって、燃料として水素を用い、空気を酸化剤とする超小型の固体高分子型燃料電池を用いた電源システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ポータブル電源として燃料電池を用いた例は、例えば特開平４−３０８６６２号公報や特開平６−６０８９４号公報に記載されている一連の先行技術があるが、これはリン酸型燃料電池を水素吸蔵合金より供給される水素と空気で駆動する構成を開示している。また特開昭５４−２２５３７号公報や特開平２−２６０３７１号公報には、固体高分子型燃料電池を水素吸蔵合金より供給される水素と空気で駆動する構成が開示されている。さらにポータブルではないが、搬送可能な小型電源として、米国特許５２００２７８号には、生成水を回収し、冷却水と加湿水に用いる固体高分子型燃料電池のシステムが開示されている。
【０００３】
固体高分子型燃料電池は、電解質に固体高分子電解質であるイオン交換膜を用いており、その一般的な構成を図１８に示す。このイオン交換膜５１を用いた構成では、上記膜５１の両面に正極５２ならびに負極５３を層状に形成し、これらを併せて単位電池５４が構成される。水素を燃料とした場合、負極では触媒と高分子電解質の接触界面において、以下のような反応が起こる。
【０００４】
Ｈ2 →  ２Ｈ+  ＋  ２ｅ-
酸素を酸化剤とした場合、正極では同様に
１／２Ｏ2  ＋  ２Ｈ+  ＋  ２ｅ-  ＝  Ｈ2Ｏ
の反応が起こり、水が生成される。触媒は反応の活性点となり、電極層は上記反応の電子の伝導体であり、高分子電解質は水素イオンの伝導体となる。ただし、高分子電解質は含水して初めて実用的なイオン透過性を持つ。したがって、固体高分子型燃料電池を用いた電源システムとして特徴的に、この高分子電解質を加湿する方法が広く検討されている。上記単位電池５４は、図１９に示すようなセパレータ板５５とガスケット５６を用いて直列に接続され、図２０に示すような積層体５７を形成してエンドプレート５８で締め付けて一つの発電ユニットとなる。米国特許５２５２４１０号では、燃料および酸化剤の加湿部は上記積層体５７の発電部とエンドプレート５８で一体に構成されている。この加湿部は、イオン交換膜５１の一方の面に燃料または酸化剤を供給し、他方に水を供給して、膜が水分だけを透過する性質を利用して上記燃料または酸化剤をそれぞれ加湿している。加湿方法は、他にも色々提案されており、特開平５−５４９００号公報に記載の加湿方法は、燃料または酸化剤ガスの供給通路内に加圧水の噴霧ノズルを有する動力噴霧器、あるいは極微小化した霧の生成水面を有する超音波加湿器を持つ構成である。特開平６−３３８３３８号公報に記載の加湿方法は、セパレータ板と単位電池との間に多孔性の燃料配流板あるいは酸化剤配流板を設置し、配流板内部に水を供給して、同配流板の微細孔を介して加湿する構成である。また特開平７−２４５１１６号公報には、積層電池のスタック内に中空糸膜を用いた加湿装置を設置して燃料電池をコンパクト化する内容が開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のポータブル燃料電池や固体高分子型燃料電池システムの構成では、ポータブル機器に搭載するための構成や、コンパクト化するための構成が考慮されていなかった。例えば特開平４−３０８６６２号公報や６−６０８９４号公報に記載されている一連の技術では、水素吸蔵合金からの水素を用いて燃料電池を駆動させるための様々な構成が開示されているが、リン酸型燃料電池を用いているために加湿機構などの固体高分子型燃料電池を作動させるための特有な構成を考慮したシステムにはなっていない。また特開昭５４−２２５３７号公報や特開平２−２６０３７１号公報に記載の構成では、固体高分子型燃料電池を水素吸蔵合金より供給される水素で駆動する構成を開示しているが、水素吸蔵合金に燃料電池の熱を伝えるための構成と、生成水回収のための灯心部材や水透過性部材などの構成が示されているのみで、超小型のための構成は示されていない。また米国特許５２００２７８号には、固体高分子型燃料電池の構造およびシステムに関する種々の開示が見られるが、機器に搭載することを主眼においた構成やそのための小型化の取り組みに関する構成について示唆されるものはない。
【０００６】
また前記先行技術に示されている種々の加湿方法は、水の配管経路が複雑であったり、システムそのものが補助動力を必要としたり、生成水の回収構造も含めた小型化の取り組みがなされていない点で問題があった。
【０００７】
本発明は上記従来の問題点を解決し、一つのパッケージ内に一体化した超小型化した機器搭載用の固体高分子型燃料電池システムを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決するため、本発明は水素と空気を用いて発電する燃料電池本体と、この燃料電池本体に供給する水素を貯蔵するための水素吸蔵ボンベと、この水素吸蔵ボンベを着脱可能な手段と、空気を供給するための手段と、発電により生成した水を回収する構成と、上記燃料電池本体に供給する水素を加湿する手段と、発電動作を制御する制御部と、これらを収納し、空気の吸排気口ならびに機器と電気的に結合する端子部を備えたケースとを有し、これら一体の電池システムをポータブル機器に着脱自在に構成することにより、機器に搭載できる超小型の全く新しい電源システムを提供でき、従来の電池にはない長時間の作動を可能とするとともに、繰り返し利用が可能な電池システムが実現できる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下本発明の一実施例を図１〜１１を用いて詳細に説明する。
【００１０】
パーソナルコンピュータ等の電池電源を必要とする機器１の電池装置収納部１ａに着脱自在に燃料電池装置２が収納されている。この結合は、従来のニッケル水素等からなる電池装置における結合と同様のものでよく、電気的、かつ機械的に着脱できるように構成されている。電池装置２の外郭を構成する電池装置ケース３の中には、固体高分子型燃料電池からなる燃料電池本体４と、この燃料電池本体４で使用される水素をその内蔵する水素吸蔵合金に貯蔵する水素吸蔵ボンベ５と、この水素吸蔵ボンベ５と燃料電池本体４とを連結し、水素を水素吸蔵ボンベ５から燃料電池本体４に導く水素供給手段６と、燃料電池の発電に必要な酸素を供給するための空気を燃料電池本体４に供給するファン等からなる送気手段７と、燃料電池本体４で生成された水を回収して保水する保水手段８と、上記燃料電池本体４の発電動作を制御する制御部９とが収納され、図に示すように配置されている。この電池装置ケース３には、制御部９と機器１との間を接続する機器接続端子部１０、送気手段７の吸気口１１と排気口１２、水素吸蔵ボンベ５を電池装置ケース３から出し入れするボンベ着脱蓋１３が設けられている。水素供給手段６は、端部に水素吸蔵ボンベ５と着脱自在に結合し、水素吸蔵ボンベ５の水素を漏洩させることなく、受け入れるボンベ側連結部６aと、このボンベ側連結部６aに連結し、水素吸蔵ボンベ５からの水素を燃料電池本体４に導く複数の水素供給管６bと、この複数の水素供給管６bをまとめ、燃料電池本体４の水素供給口に連結する電池側連結部６cとから構成されている。そしてこの電池装置ケース３の底部には、燃料電池本体４の水生成側に密接させた保水手段８がシート状に敷設され、これが水素吸蔵ボンベ５の下面にも接するように延設されている。そしてこの保水手段８には、上記水素供給管６bが包み込まれるように保持されている。上記保水手段８の材料は、例えば雑誌「表面，Vol.33,No.4,52-59,(1995)」に記述されているような紙おむつや生理用品などの衛生用品、土壌保水材などの農業園芸用品等に使用される各種の高吸水性高分子が応用できる。特に、本実施例ではポリアクリル酸塩架橋物とデンプン−アクリル酸塩グラフト共重合体架橋物を使用した。このような材料の使用により、機器１の内部や、外部に精製水が漏洩することのないように構成されている。そして水素供給管６bは、水を透過し、気体を透過しない材質、例えばパーフルオロスルフォン酸高分子等の固体高分子電解質から成っており、かつこの水素供給管６bが上記のように保水手段８に包囲された構成となっていることから、保水手段８の水分が上記水素供給管６bの管壁を通して内部に浸透し、内部を通過する水素ガスを加湿する。また上記保水手段８は、燃料電池本体４に接していることから、燃料電池本体４の発電時発せられる熱を吸収し、保水されている水分の蒸発に寄与するとともに、保水手段８が水素吸蔵ボンベ５にも接するように延設されていることから、上記燃料電池本体４の発電時の熱を水素吸蔵ボンベ５側に伝達し、水素吸蔵合金を暖めることによる水素排出反応の効率を向上させることが出来る。また併せて、この水素吸蔵合金の水素排出時におこる吸熱により、水素吸蔵ボンベ５の表面が結露することがあるが、この結露した水は、上記保水手段８により吸水され、保水される。
【００１１】
なお、本実施例においては、燃料電池本体４で生成される水により水素吸蔵ボンベ５からの水素ガスを加湿するのに、この水素ガスを搬送する通水性の水素供給管６bを用いたが、図１３、１４に示すように水素ガス流と生成水とが管でなく、板状の膜で接するように構成してもよい。そしてその位置は、燃料電池本体４のスタックの一部に組み込まれてもよく（図１３）、また燃料電池本体４の下部に位置させてもよい（図１４）。
【００１２】
燃料電池本体４において、発電時に発生する生成水の量を検知するには、保水手段８材料の膨張量を検出する方法、保水手段８の誘電率や抵抗値の変化で感知する方法等が採用できる。保水手段については、本実施例のように保水材を用いて膨潤させる以外に、保水タンクを用いて、これに回収するようにすることもできる。この場合回収した水の量は、フロートスイッチ等の検知手段を設けることが考えられる。保水手段に回収した水が蒸発等により減量できず、保水手段の水量検知手段により排出を報知されたものは、保水材の交換や、タンクの取り外し等の手段により、外部に放出するようにすることが可能である。
【００１３】
保水手段に回収した水を蒸発により減量させる方法としては、前記のように燃料電池本体４から発生する熱を利用する方法以外に、例えば保水手段の膨張率を感知して空気供給ファンを駆動し、空気流により蒸発を促進する方法もある。この場合、ファン駆動電力は、燃料電池本体からでもよく、機器が外部電源と接続されている時には、その電源から供給されるようにしてもよい。水素吸蔵ボンベ５の水素が全て消費された場合は、水素吸蔵ボンベ５を交換することになるが、電池装置ケース３のボンベ着脱蓋１３を開けて、ここから出し入れすればよい。
【００１４】
燃料電池の作動時間を検知する方法としては、水素吸蔵ボンベ５の水素残量を検知するための圧力センサを用いる方法や、水素の積算流量を検知する方法、発電した電気量を積算し、水素の反応量を求めて水素の残量を計算する方法、生成水量を上述した方法で検知し、水素消費量を計算する方法等が用いられる。この燃料電池電源を搭載する機器が、例えば本実施例のようなノートパソコンである場合等では、作動経過時間や残りの作動時間の予測値を機器接続端子部１０を通して出力し、機器１に表示するなどの使用例が考えられる。もちろん機器で燃料電池電源の電圧や電流、水素の圧力、温度、抵抗値、ファンの作動状況、生成水の量など種々のデータを管理する構成とすることも可能である。
【００１５】
図１５は、本発明の他の実施例を示すものである。この構成は、電池装置ケース１０３に補助電池１４を内蔵するものである。この補助電池１４によって、起動時のファン１０７の駆動を補助し、起動初期より空気を多量に供給して出力の立ち上がり特性を改善できる。また燃料電池休止時に水素吸蔵ボンベ１０５の圧力管理や上述した各種のデータをメモリーするためのバックアップ、ガス漏れ等の緊急時の対応などに利用できる。本実施例において、この補助電池１４は、一次電池を用い、電池着脱用蓋を設けて取り替えられるよう構成することも、二次電池を用いて燃料電池の電力で充電するよう構成することも考えられる。また補助電池を機器側に搭載された電池を用いて同様の機能を持たせることも可能である。
【００１６】
図１６は、さらに他の実施例を示すもので、この構成は、電池装置ケース２０３内部にファンを持たない構成としたものである。ノート型パソコンに搭載する場合において、この機器は、本体自身を冷却するためのファンを備えているものが多い。本実施例は、本体機器のファンの気流を取り込んで燃料電池を発電するものであり、電池装置ケース２０３には、機器からの冷却用空気を取り込むための吸気口１６設けられている。この場合、燃料電池装置の内部にファンを持たないために、燃料電池本体２０４のサイズを拡大して出力を増加できることや、水素吸蔵ボンベのサイズを拡大して作動時間を増加できるなどの利点がある。また搭載する機器本体を冷却した後の空気を用いれば、あらかじめ暖められた空気を用いることが出来、燃料電池本体２０４の電気化学反応をより効率的に促進する利点も生まれる。
【００１７】
なお本実施例では、水素吸蔵ボンベ２０５に燃料電池本体２０４から排出された空気で加熱する例を示したが、同様の効果を得るために本燃料電池電源を搭載する機器の発生する熱を銅やアルミなどの高熱伝導性金属やカーボン材料などを用いてボンベに伝える構成とすることもできる。また水素吸蔵合金に低温で水素を発生する合金を選択することによって、ボンベを加熱する構成そのものを削除することもできる。さらに燃料電池のイオン交換膜を湿潤させるための水素ガスの加湿方法について例を示したが、イオン交換膜に水を逆拡散しやすい膜、例えば膜厚が５０μｍ以下ものを選択することによって、生成水を用いて十分な膜の加湿が可能となり、膜を加湿するための種々の構成を省くこともでき、これらにより、構成をシンプル化して、さらに燃料電池本体のサイズを拡大し、出力を増加させることができ、また水素吸蔵ボンベのサイズを拡大して作動時間を増加できるなどの利点が生まれる。
【００１８】
また本発明の燃料電池電源を搭載する機器の例として、ノート型パソコンを示したが、他の使用例としてポータブルなプリンターやファクス、電話、テレビ、通信機器、オーディオビデオ機器、扇風機、保温保冷庫、アイロン、ポット、掃除機、炊飯器、電磁調理器、照明器具、ゲーム機やラジコンカーなどの玩具、電動工具など様々な用途に使用でき、特に１０Ｗ以上の出力で３時間以上の作動時間を必要とする機器にきわめて有効である。
【００１９】
【発明の効果】
以上のように本発明の構成によれば、発電に要するシステム全てを一つのパッケージに納めることが可能となり、従来にない超小型の燃料電池による電源システムが実現できる。そしてこの電源システムをポータブル機器に搭載することにより、従来の一次電池や二次電池を用いた場合よりも長時間の作動が可能となるとともに、発電終了後は、水素吸蔵ボンベに水素を充填することにより、または水素を充填済みのボンベに交換することにより、瞬時に発電を再開することができる。さらに本電源システムは、繰り返し何度も使用できることから、省資源の観点からも優れたシステムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例における燃料電池装置とこれを搭載する機器の斜視図
【図２】同燃料電池装置の斜視図
【図３】同燃料電池装置の平面図
【図４】同燃料電池装置の右側面図
【図５】同燃料電池装置の左側面図
【図６】図３におけるＣ−Ｃ断面図
【図７】図３におけるＤ−Ｄ断面図
【図８】図３におけるＡ−Ａ断面図
【図９】図３におけるＢ−Ｂ断面図
【図１０】加湿手段の構成を示す図
【図１１】水素供給手段と保水手段の関係を示す説明図
【図１２】水素供給管の構成を示す説明図
【図１３】燃料電池本体への保水材による保水構造を示す他の実施例の説明図
【図１４】さらに他の実施例の説明図
【図１５】本発明の他の実施例における燃料電池装置の上部切欠平面図
【図１６】本発明のさらに他の実施例における燃料電池装置の上部切欠平面図
【図１７】同燃料電池装置の側面図
【図１８】燃料電池の原理を示すための説明図
【図１９】燃料電池における単位電池の分解断面図
【図２０】単体電池を複数個連結して構成した燃料電池の斜視説明図
【符号の説明】
１    機器
２    電池装置
３    電池装置ケース
４    燃料電池本体
５    水素吸蔵ボンベ
６    水素供給手段
６ａ  ボンベ側連結部
６ｂ  水素供給管
６ｃ  電池側連結部
７    送気手段
８    保水手段
９    制御部
１０  機器接続端子部
１１  吸気口
１２  排気口
１３  ボンベ着脱蓋
【図１】
0004028603.tif 000002
【図２】
0004028603.tif 000003
【図３】
0004028603.tif 000004
【図４】
0004028603.tif 000005
【図５】
0004028603.tif 000006
【図６】
0004028603.tif 000007
【図７】
0004028603.tif 000008
【図８】
0004028603.tif 000009
【図９】
0004028603.tif 000010
【図１０】
0004028603.tif 000011
【図１１】
0004028603.tif 000012
【図１２】
0004028603.tif 000013
【図１３】
0004028603.tif 000014
【図１４】
0004028603.tif 000015
【図１５】
0004028603.tif 000016
【図１６】
0004028603.tif 000017
【図１７】
0004028603.tif 000018
【図１８】
0004028603.tif 000019
【図１９】
0004028603.tif 000020
【図２０】
0004028603.tif 000021