(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
隔壁によって液体を含む部屋と前記液体と反応して水素を発生する物質を含む部屋に区切られた密閉容器からなり、接続した燃料電池に水素を供給する燃料電池用燃料カートリッジにおいて、
前記液体を含む部屋と前記水素を発生する物質を含む部屋とをつなぐ構造で、かつ、前記液体を含む部屋から前記水素を発生する物質を含む部屋に、毛細管現象により前記液体を運搬して供給するための液体輸送媒体を備えており、
前記水素を発生する物質を含む部屋に、前記燃料電池に水素を供給する水素供給口を設け、
前記液体を含む部屋に、前記液体を保持する保水材と、水素による圧力増加又は減少に応じて体積収縮又は膨張を起こす手段を設け、
前記隔壁に、前記液体輸送媒体の一端部側が挿入される液体供給口を設け、
前記液体輸送媒体の他端部側が前記体積収縮又は膨張を起こす手段に接合され、
前記体積変化を起こす手段の体積変化に応じて前記液体輸送媒体が動作して前記反応物質と接触し又は接触を切り、前記液体を供給し又は供給停止することを特徴とする燃料電池用燃料カートリッジ。
【請求項２】
前記体積変化を起こす手段が、弾性体である請求項１に記載の燃料電池用燃料カートリッジ。
【請求項３】
前記体積変化を起こす手段が、受圧板、シール部材及びバネの組み合わせであり、かつ、前記受圧板と前記シール部材は前記液体を含む部屋となるシリンダ内に挿入され、前記シール部材は前記密閉容器の内壁と前記受圧板の間に設けられ、前記バネは、前記密閉容器の底壁と前記受圧板の間に設けられた請求項１に記載の燃料電池用燃料カートリッジ。
【請求項４】
前記体積変化を起こす手段が、内部に気体を閉じ込めた空間構造の弾性体である請求項１に記載の燃料電池用燃料カートリッジ。
【請求項５】
前記隔壁に、前記液体を含む部屋と前記水素を発生する物質を含む部屋との間の通気口を設けた請求項１に記載の燃料電池用燃料カートリッジ。
【請求項６】
前記隔壁に設けられた液体供給口が、前記液体を含む部屋と前記水素を発生する物質を含む部屋との間の通気口として働く請求項１に記載の燃料電池用燃料カートリッジ。
【請求項７】
前記液体供給口に、前記液体を含む部屋に延びる構造で、前記液体輸送媒体が動作時に外れることを防止する案内手段が設けられている請求項１に記載の燃料電池用燃料カートリッジ。
【請求項８】
請求項１に記載の燃料電池用燃料カートリッジを接続して水素の供給を受けた燃料電池が発電した電力により駆動されることを特徴とする携帯電子機器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、携帯電子機器の電源として利用可能な高分子電解質型燃料電池に水素を供給するための、化学反応を利用する燃料電池用燃料カートリッジに関し、特に携帯電子機器の消費電力変化に応じて燃料電池への水素供給量を自発的に調整する機能を有した燃料電池用燃料カートリッジに関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在の各種携帯電子機器において、バッテリー不足は非常に重要な問題となっている。近年、携帯電子機器の多機能化に伴いその消費電力は増加の一途をたどり、これまで主流とされていたNi水素電池やLiイオン電池ではエネルギー密度が小さく、十分な使用時間を得ることが困難になってきている。このような二次電池においては、そのエネルギー密度をさらに増加させるため、Li金属を用いる検討もなされてはいるが、飛躍的なエネルギー密度の増加を図る手段は見つかっておらず、頭打ちを迎えつつあることは明らかである。
【０００３】
そこで、水素供給により高いエネルギー密度を得ることが可能な燃料電池を携帯電子機器に用いることが活発に検討されている。燃料電池は、水素と酸素を電気化学的に反応させて化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換することで高い発電効率を得ることができる。特にプロトン導電性を有する電解質膜を用いた、高分子電解質型燃料電池は、室温での動作が可能なことから自動車や住宅用電源だけでなく、携帯電子機器用の電源としても実用化が検討されている。
【０００４】
低消費電力の携帯電子機器における燃料電池の水素消費量は、消費電力１Ｗにおいて１０〜２０ｍｌ／ｍｉｎ程度と少ない。ましてや、金属水素化物などに水を供給する等の化学反応を用いて燃料ガスを発生する手段においては、水の供給速度は１０〜２０μｌ／ｍｉｎ程度ときわめて少ない。このため、水の供給速度を機械的に制御することは非常に難しく、また安価な燃料カートリッジ実現のためには、特開平１０−６４５７２号公報に記載されているような、毛細管現象を利用して水の供給速度を調節する方法が望まれる。
【０００５】
しかし、上記公報に記載の毛細管現象を使った燃料カートリッジにおいては、その構造上からいったん水の供給をスタートし化学反応を開始させてしまうと、水素供給を中断することはできない。そればかりか、携帯電子機器利用時に必要な消費電力の変化に伴う水素供給速度を制御することはできず、実際に実用化した際には、水素漏れや電池・筐体の破裂を招きかねないという問題を有している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このような問題に鑑み、本発明は、携帯電子機器等の負荷の消費電力の変化に応じて、水素の供給量を自発的に変化させることができる、エネルギーロスを少なくし安全な燃料電池用燃料カートリッジおよび燃料電池を用いた携帯電子機器を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、燃料電池に水素を供給するための密閉容器と、その密閉容器と燃料電池の間には高い気密性を有した流路を備えおり、密閉容器は液体を含む部屋と、液体と反応して水素を発生する物質を含む部屋を有し、その室間が液体輸送媒体によってつながれた構造を有する。さらに、その液体輸送媒体の片側が圧力により体積変化する手段に接続した構造を有することにより、燃料電池での水素消費速度の変化による密閉容器の内圧変化に伴い、圧力により体積変化を起こす手段に接続されている液体輸送媒体が動作し、液体の供給を調整することで、外部から特別な制御を行うことなく燃料カートリッジ自体が水素供給速度を調節することが可能となる。
【０００８】
すなわち、本発明は、隔壁によって液体を含む部屋と前記液体と反応して水素を発生する物質を含む部屋に区切られた密閉容器からなり、接続した燃料電池に水素を供給する燃料電池用燃料カートリッジにおいて、前記液体を含む部屋と前記水素を発生する物質を含む部屋とをつなぐ構造で、かつ、前記液体を含む部屋から前記水素を発生する物質を含む部屋に、毛細管現象により前記液体を運搬して供給するための液体輸送媒体を備えており、前記水素を発生する物質を含む部屋に、前記燃料電池に水素を供給する水素供給口を設け、前記液体を含む部屋に、前記液体を保持する保水材と、水素による圧力増加又は減少に応じて体積収縮又は膨張を起こす手段を設け、前記隔壁に、前記液体輸送媒体の一端部側が挿入される液体供給口を設け、前記液体輸送媒体の他端部側が前記体積収縮又は膨張を起こす手段に接合され、前記体積変化を起こす手段の体積変化に応じて前記液体輸送媒体が動作して前記反応物質と接触し又は接触を切り、前記液体を供給し又は供給停止する燃料電池用燃料カートリッジである。
【０００９】
さらに、本発明は、前記液体を含む部屋に保水材を有した燃料電池用燃料カートリッジである。また、本発明は、前記体積変化を起こす手段が、弾性体である燃料電池用燃料カートリッジである。さらに、本発明は、前記体積変化を起こす手段が、受圧板、シール部材及びバネの組み合わせであり、かつ、前記受圧板と前記シール部材は前記液体を含む部屋となるシリンダ内に挿入され、前記シール部材は前記密閉容器の内壁と前記受圧板の間に設けられ、前記バネは、前記密閉容器の底壁と前記受圧板の間に設けられた燃料電池用燃料カートリッジである。また、本発明は、前記体積変化を起こす手段が、内部に気体を閉じ込めた空間構造の弾性体である燃料電池用燃料カートリッジである。
【００１０】
また、本発明は、前記隔壁に、前記液体を含む部屋と前記水素を発生する物質を含む部屋との間の通気口を設けた燃料電池用燃料カートリッジである。更に、本発明は、前記隔壁に設けられた液体供給口が、前記液体を含む部屋と前記水素を発生する物質を含む部屋との間の通気口として働く燃料電池用燃料カートリッジである。
【００１１】
さらに、本発明は、前記液体供給口に、前記液体を含む部屋に延びる構造で、前記液体輸送媒体が動作時に外れることを防止する案内手段が設けられている燃料電池用燃料カートリッジである。
【００１２】
また、本発明は、上記燃料電池用燃料カートリッジを接続して水素の供給を受けた燃料電池が発電した電力により駆動される携帯電子機器である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明にかかる燃料電池用燃料カートリッジ１の構造について図面を参照して説明する。
【００１４】
（実施の形態１）
図１を用いて、第１の実施の形態にかかる水素供給速度の自発的調節機能を兼ね備えた燃料電池用燃料カートリッジの構成を説明する。図１に示すように、本発明にかかる燃料電池用燃料カートリッジ１は、隔壁１１によって区切られた燃料室１２および反応室１３と、隔壁１１に設けた液体供給口１４と、反応室１３に設けた気体供給口１５とを有する密閉容器１０から構成される。燃料電池用燃料カートリッジ１は、反応室１３に反応物質４が充填され、燃料室１２に液体物質２が充填される。さらに、燃料室３内には、液体輸送媒体６が配置され、その一端が、隔壁１１に設けた液体供給口１４内に挿入されるように構成されている。液体輸送媒体６の他端は、燃料室３の隔壁１１と反対側の壁面に一端が固定された圧力により体積変化を起こす手段である弾性体８に接合されている。さらに、燃料室１２内液体物質２には保水材５を加えることができる。
【００１５】
密閉容器１０を形成する材料として、プラスチック（ポリカーボネート、アクリル、ジェラコン等）、金属（ステンレス、アルミ、銅、鉄等）、ガラス等を用いることができる。これらの材料の中でも、プラスチックを用いた密閉容器１０は、軽量面かつ加工面で優れている。
【００１６】
密閉容器１０の内部は、触媒などと接触することにより例えば水素ガスを発生する液体物質２を貯蔵する燃料室１２と、液体物質２が接触することによって化学反応を起こし水素を発生させる触媒などの反応物質４を貯蔵する反応室１３の少なくとも２室に分けられている。また隔壁１１によって隔てられた両室間は、隔壁１１に設けた液体供給口１４でつながれており、液体供給口１４には液体供給を行うための液体輸送媒体６の一端が挿入される。
【００１７】
燃料室１２の液体物質２が液体輸送媒体６を介して反応室１３へ運搬され、反応物質４と接触することによって化学反応を起こして水素を発生する。
【００１８】
上記した液体物質2と反応物質4は、下記の表１に示すような組み合わせが考えられる。
【００１９】
【表１】
0004288040.tif 000002
【００２０】
燃料電池用燃料カートリッジにおいては、負荷の状態に応じて、燃料ガス（水素）が、応答よく発生したり応答よく停止しなければならないことを考慮すると、反応質１３へ供給される液体物質２が反応物質４に接触することで激しく化学反応が起こり、液体物質２の供給停止とともに速やかに化学反応が停止することが望まれる。上記表１に示した組み合わせの中でも、水と金属水素化物の組み合わせや、酸と金属の組み合わせはその形状や濃度を調節することにより、激しい化学反応をさせることが可能であり、燃料電池用燃料カートリッジに用いる化合物の組み合わせとして望ましい。
【００２１】
また、液体物質２が液体輸送媒体６の毛細管現象以外の力（例えば、重力）の影響を受けて反応室１３へ移行して反応物質4と過剰に反応することを抑制するため、液体物質２に保水材５を加えることにより、密閉容器１０の向きが変わっても液体物質２を固定しておくことが可能となり、常に同じ条件で液体輸送媒体６と接触させることが可能となる。保水材５としては、脱脂綿、吸収性ポリマー等を用いることができる。特に脱脂綿は非常に安価であり、コスト面で優れている。このような保水材を用いることにより、液体物質２は一定速度で反応室１３に運ばれ、反応物質４と反応を起こすことが可能である。
【００２２】
液体輸送媒体６としては、毛細管現象が生じる物質を用いることができ、具体的にはパイプ・ハニカムパイプ・繊維・フェルト・発泡樹脂・線束等を用いることが考えられる。ただし、液体供給口１４から液体輸送媒体６の一端６１が外れないようにするために、形状を維持する程度の硬さを有していることが望ましい。
【００２３】
液体輸送媒体６の燃料室１２側の先端６２は、圧力によって体積変化を起こす弾性体８に接着されている。密閉容器１０内の圧力が減少して弾性体８が膨張することによって、液体輸送媒体６の一端６１が反応室１３側へ押し出されて液体物質２を反応物質４に接触させたり、圧力が増加して弾性体８が収縮することによって、他端６２が弾性体８に接着された液体輸送媒体６の一端６１が燃料室１２側に引き込まれて液体物質２の反応物質４との接触を停止するように動作する機構になっている。
【００２４】
反応物質と液体輸送媒体６が接触し、燃料電池で消費される水素消費速度よりも、反応室１３の水素発生速度が上回ると該反応室１３の内圧が上昇する。また、ほぼ同時に液体供給口１４および液体輸送媒体６を通じて、前記反応室１３の水素が燃料室１２へ移動し、燃料室１２の内圧も上昇する。
前記燃料室１２の内圧が、弾性体８の弾性力以上になると、該弾性体８の体積収縮がおきる。このとき、液体輸送媒体６の他端６２は前記弾性体８に接着されているため、該弾性体８の体積収縮に伴い、該液体輸送媒体６は反応室１３から燃料室１２の方向へ移動し、前記反応物質４との接触が切れ、図２のような状態になり、液体物質２の供給が停止する。
【００２５】
前記弾性体８が体積収縮を起こしている状態、つまりは液体輸送媒体６による反応物質４への液体物質２の供給が停止した状態を維持すると、反応室１３で発生する水素発生速度よりも、燃料電池で消費される水素消費速度が上回り該反応室１３の内圧が下降する。また、ほぼ同時に液体供給口１４および液体輸送媒体６を通じて、前記燃料室１２の水素が反応室１３へ移動し、燃料室１２の内圧も下降する。
前記燃料室１２の内圧が、弾性体８の弾性力以下になると、該弾性体８の体積膨張がおきる。このとき、液体輸送媒体６の他端６２は前記弾性体８に接着されているため、該弾性体８の体積膨張に伴い、該液体輸送媒体６は燃料室１２から反応室１３の方向へ移動し、前記反応物質４との接触が起こり、図１のような状態になり、液体物質２の供給が再開される。
上記のように、水素による内圧変化にともなう、弾性体８の体積膨張収縮により密閉容器１０内は所定の内圧を維持するように、水素の発生がコントロールされる。
【００２６】
以上のようなサイクルを繰返すことにより、密閉容器１０内の圧力変化に応じて自発的に水素発生速度を調節する燃料電池用燃料カートリッジを作製することが可能となる。
【００２７】
この例で用いた、圧力により体積変化を起こす手段である弾性体８の条件としては、圧力によって体積変化を起こすとともに、液体や気体を通過させない物質であることが望ましい。具体的には、図３に示すように、弾性体８として、燃料室（シリンダ）１２内に、受圧板８１とシール部材としてのＯ−リング８２を組み合わせたものを挿入し、バネ８３を用いて付勢したシリンダ構造が考えられる。この場合、内圧による体積変化の度合いはバネの強さによって調整され、精度の高い制御が可能である。また、図４に示すように、周囲８５を燃料室１２の内壁に気密に固定したゴム膜８４を用いた構造をとることが考えられる。このときは圧力により気体の圧縮が起きることにより気体室８６の体積変化を生じさせることが可能である。また、図に示してはいないが気泡を閉じ込めた発泡体等も用いることができる。
【００２８】
図５に、圧力により体積変化を起こす手段として、弾性体、シリンダ構造、ゴム膜を用いた燃料カートリッジにおける水素発生速度の変化を示す。密閉容器１０の気体供給口１５に流量計を設けて、一定圧力損失により水素消費をさせたときの水素供給速度の経時変化を計測した。反応物質４としてCaH2を４．２g、液体物質２として水５．０gをそれぞれ反応室１３と燃料室１２に詰め、液体輸送媒体６として４mmφのフェルト芯を用いた。
【００２９】
はじめ、ゴム膜８４を体積減少させ、流量計に設置した後にゴム膜８４を開放することで、水を含んだフェルト芯６が反応物質（CaH2）４と接触し急激な水素発生量が認められた。図５に破線で示すように、水素発生速度がある一定値を超えると密閉容器１０内の圧力が上昇しゴム膜８４は徐々に凹み、フェルト芯６と反応物質（CaH2）４の接触が遮断され、これに伴い水素発生が停止した。しかし、密閉容器１０内は加圧状態であるので、水素の流出はとまらず、水素発生速度の減少が観察された。これにより、徐々に密閉容器１０内の圧力が低下しゴム膜８４が元の形状に戻り、再びフェルト芯６と反応物質（CaH2）４が接触し水素生成速度の増加が観察された。
【００３０】
以上より、液体輸送媒体６をゴム膜８４に接着させた機構を有することにより、一定範囲の水素発生速度を自発的に調節することが可能であることが示唆された。また、図１と図３で示したような、圧力により体積変化を起こす手段として弾性体８およびシリンダ構造８１〜８３を用いる構造においても、同様な実験を行ったところゴム膜８４と同様に、図５に実線および点線で示すように、内圧の変化により水素発生速度が制御された結果を得ることができた。
【００３１】
このときの、上記３つの圧力により体積変化を起こす手段の弾性力は、ゴム膜、シリンダ構造、弾性体の順に大きく、その弾性力の大小に伴い、水素発生速度も、ゴム膜、シリンダ構造、弾性体の順に大きくなっており、図５における水素発生速度は圧力により体積変化を起こす手段の弾性力に依存していることが確認される。つまりは、この弾性力（弾性定数）を変化させることにより、反応物質４への液体物質２の供給を停止する圧力を設定することが可能である。
【００３２】
（実施の形態２）
図１、図３および図４に示した構造では、反応室１３で生じる圧力変化が液体供給口１４および液体輸送媒体６を通して燃料室１２に伝わるので、毛細管現象により液体輸送媒体６に蓄えられた液体物質２が燃料室１２に押し戻されたり、それとは反対に燃料室１２から反応室１３に液体物質２が押し出されたりすることとなり、水素発生速度が十分に安定しないおそれがある。そこで、図６ａのように、反応室１３と燃料室１２をつなげている液体供給口１４の内径を液体輸送媒体６の外径よりも大きくし、気体が通る通気口１６を設けることで、反応室１３と燃料室１２の圧力調整はこの通気口１６を通して行われることとなり、上記の問題点は解決される。この通気口１６としては、図６ｂに示すように液体供給口１４とは別に設けてもかまわない。
【００３３】
図６ｂに示した通気口１６を有した燃料カートリッジ１における水素発生速度の変化を図７に実線で示す。また、比較として図４に示した燃料カートリッジ１の測定結果を図７に点線で示す。これより、図４に示した通気口１６を有していない燃料カートリッジ１においては１０ｍｌ／ｍｉｎ程度の幅を持って水素発生速度が変化しており、一定に安定しないことがわかる。しかし、図６ｂに示した通気口１６を有した燃料カートリッジ１においては、反応物質４への液体輸送媒体６の脱着が繰返されるとともに水素発生速度は２０ｍｌ／ｍｉｎの一定値におちついていくことがわかる。これにより、通気口１６を設けることで安定した液体物質２の供給が可能となり、水素発生速度も安定化させることが可能となった。
【００３４】
（実施の形態３）
また、内圧の変化による液体輸送媒体６の可動により、液体輸送媒体６が液体供給口１４から外れることを防止するため、図８に示すように液体輸送媒体６の周りに液体輸送媒体６を案内するガイド１７を設置した構造を有している。ガイド１７の長さとしては、内圧の変化により液体輸送媒体６が可動可能な距離よりも長く設けるとよい。
【００３５】
（実施の形態４）
図９の模式図を用いて、燃料カートリッジ１を実際に携帯電子機器に組み込んだ燃料電池に接続した状態を説明する。前述したカートリッジ１の気体供給口１５を密閉された燃料電池１９に差込み、燃料電池１９からの配線は携帯電子機器１８の電源部分に接続されている。カートリッジ１から水素供給を行い、燃料電池１９により発電を行うことにより携帯電子機器１８の通常使用が可能となる。携帯電話１８の電源を入れることにより、０．０１Ｗ程度の発電が燃料電池より行われ、燃料カートリッジ１から０．２ｍｌ／ｍｉｎの水素が供給された。この状態で、１Ｗ程度の消費電力を有する通信機能を試したところ、水素消費量の増加に伴って燃料カートリッジ１からの水素発生速度が増加し、水素供給量は２１ｍｌ／ｍｉｎまで増加した。これにより、２１ｍｌ／ｍｉｎの水素供給により通信が可能となった。
【００３６】
図１０にこのときの水素発生速度の変化を示す。通信時の水素発生速度（実線）の変化に多少の遅れはあるものの、携帯電話の消費電力（破線）の変化に応じて、燃料カートリッジ１から供給される水素量は敏感に変化し、問題なく携帯電話を使用することができた。これにより、同サイズで二次電池よりもエネルギー密度を増加させることができ、長時間の携帯電子機器の動作が可能となる。
【００３７】
【発明の効果】
上記の実施形態により、外部からの動力を得ることなく自発的に容器内の圧力を一定に保つように液体物質の供給が調節され、安定した水素供給をすることが可能となる。また、携帯電子機器に組み込まれた燃料電池の燃料供給源として本発明にかかる燃料カートリッジを用いることにより、携帯電子機器での消費電力の変化に応じて、水素供給量を自発的に調節することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】  圧力により体積変化を起こす手段として弾性体を用いた燃料カートリッジの水素発生時（ＯＮ時）の構造を模式的に説明する断面図。
【図２】  圧力により体積変化を起こす手段として弾性体を用いた燃料カートリッジの水素非発生時（ＯＦＦ時）の構造を模式的に説明する断面図。
【図３】  圧力により体積変化を起こす手段としてシリンダ構造を用いた燃料カートリッジの構造を模式的に説明する断面図。
【図４】  圧力により体積変化を起こす手段としてゴム膜を用いた燃料カートリッジの構造を模式的に説明する断面図。
【図５】  圧力により体積変化を起こす手段として、弾性体、シリンダ構造、ゴム膜を用いた燃料カートリッジにおける水素発生速度の挙動を説明する図。
【図６】  通気口を有した燃料カートリッジの構造を模式的に説明する断面図（ａ）。通気口を有した燃料カートリッジの構造を模式的に説明する断面模式図（ｂ）。
【図７】  燃料カートリッジの通気口の有無による水素発生速度の挙動を説明する図。
【図８】  ガイドを用いた燃料カートリッジの構造を模式的に説明する断面図。
【図９】  燃料カートリッジを携帯電子機器につないだ際の接続の模式図。
【図１０】  携帯電子機器の消費電力にともなう、燃料カートリッジから供給される水素発生速度の挙動を説明する図。
【符号の説明】
１  燃料電池用燃料カートリッジ
１０  密閉容器
１１  隔壁
１２  燃料室
１３  反応室
１４  液体供給口
１５  気体供給口
１６  通気口
１７  ガイド
２  液体物質
４  反応物質
５  保水材
６  液体輸送媒体
８  圧力により体積変化を起こす手段
８１  受圧板
８２  Ｏ−リング
８３  バネ
８４  ゴム膜
８６    気体室
１８  携帯電子機器
１９  燃料電池
【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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