(57)【要約】【課題】  従来のリチウム電池製のボタン電池よりも発電能力が大きく、身体に装着することができる身体装着式燃料電池システムを提供することである。【解決手段】  身体から発せられる水蒸気を水素発生材に導入して水分子を分解することにより、燃料電池本体に水素ガスを供給するように構成されていることを特徴とする身体装着式燃料電池システム（１０）が提供される。好ましくは、身体装着式燃料電池システムは、水素発生材を収容する容器（１６）と、容器の一方の側に配置され、水素ガスにより発電が行われる燃料電池本体（１２）と、容器の他方の側に配置され、身体から水素発生材に水蒸気を導入する水蒸気透過膜（２０）とを備えている。【選択図】  図１
2009289744.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
身体から発せられる水蒸気を水素発生材に導入して水分子を分解することにより、燃料電池本体に水素ガスを供給するように構成されていることを特徴とする身体装着式燃料電池システム。
【請求項２】
前記水素発生材が、活性アルミニウム微粒子、ペレット状にした活性アルミニウム微粒子又は他の金属水素化物であることを特徴とする請求項１に記載の身体装着式燃料電池システム。
【請求項３】
前記水素発生材が、粒径が０．１μｍ〜２μｍであることを特徴とする請求項２に記載の身体装着式燃料電池システム。
【請求項４】
前記水素発生材を収容する容器と、前記容器の一方の側に配置され、水素ガスにより発電が行われる燃料電池本体と、前記容器の他方の側に配置され、身体から前記水素発生材に水蒸気を導入する水蒸気透過膜とを備えていることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の身体装着式燃料電池システム。
【請求項５】
前記水蒸気透過膜が、身体の側に水蒸気透過性の第１膜を配置し、水素発生材の側に、水蒸気透過率が前記第１膜よりも小さい水蒸気透過性の第２膜を配置し、第１膜と第２膜の対向面を貼り合わせることによって形成されていることを特徴とする請求項４に記載の身体装着式燃料電池システム。
【請求項６】
前記水蒸気透過膜の第１膜がポリビニルアルコール、第２膜がエチレンビニルアルコールであることを特徴とする請求項５に記載の身体装着式燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、身体に装着して用いられる小型の固体高分子型燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池用の水素ガスの製造は、有機分子の分解による方法が主流であったが、近年、本発明者の開発した、水分子の分解による方法が一般化しつつある。水分子を分解する方法として、アルミニウム水素化物（ＡｌＨ3 ）を内包する活性アルミニウム微粒子を用いる方法、金属マグネシウム、マグネシウム水素化物（ＭｇＨ2 ）およびボロンハイドライド（ＮａＢＣＨ3 ）を使用する方法などがある。
【０００３】
本発明者は、活性アルミニウム微粒子を使用した水素ガスの製造方法などに関する新規な発明を提案している（特許文献１〜３）。また、本発明者は、空気中の水蒸気を利用して水素ガスを製造し、固体高分子型燃料電池を動作させる新規な技術も提案している（特許文献４）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−１２３５１７号公報
【特許文献２】特開２００６−０４５００４号公報
【特許文献３】特開２００６−０６３４０５号公報
【特許文献４】特願２００８−０８９０６４号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
人の居場所や安全状態、健康状態を監視するＩＣカードの開発が進められている。このようなＩＣカードは、近距離の情報通信に使用されるため、通常、リチウム製のボタン電池が内蔵されているが、必要な情報を検知し、収集し、それらを高周波電磁波を使用して発信・受信するには、電力が不足していることが問題となっている。
【０００６】
本発明は、このような現状に鑑みて開発されたものであって、ＩＣカード等の性能を向上させ、特に人の安全性の確認等に使用されるユビキタス情報通信デバイスの実現を可能にすべく、従来のリチウム電池製のボタン電池よりも発電能力が大きく、身体に装着することができる身体装着式燃料電池システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の身体装着式燃料電池システムでは、本発明者が開発した活性アルミニウム微粒子（特許文献１〜３参照）により製造される水素を利用して燃料電池を発電させるが、活性アルミニウム微粒子に供給する水分を身体から発せられる水蒸気から取得することとした。なお、水素発生材として、活性アルミニウム微粒子以外の金属水素化物を使用してもよい。本発明における水素発生材は、水分子を分解することによって水素を発生させるものである。
【０００８】
本願請求項１に記載された身体装着式燃料電池システムは、身体から発せられる水蒸気を水素発生材に導入して水分子を分解することにより、燃料電池本体に水素ガスを供給するように構成されていることを特徴とするものである。
【０００９】
本願請求項２に記載された身体装着式燃料電池システムは、前記請求項１のシステムにおいて、前記水素発生材が、活性アルミニウム微粒子、ペレット状にした活性アルミニウム微粒子又は他の金属水素化物であることを特徴とするものである。
【００１０】
本願請求項３に記載された身体装着式燃料電池システムは、前記請求項２のシステムにおいて、前記水素発生材が、粒径が０．１μｍ〜２μｍであることを特徴とするものである。
【００１１】
本願請求項４に記載された身体装着式燃料電池システムは、前記請求項１から請求項３までのいずれか１項のシステムにおいて、前記水素発生材を収容する容器と、前記容器の一方の側に配置され、水素ガスにより発電が行われる燃料電池本体と、前記容器の他方の側に配置され、身体から前記水素発生材に水蒸気を導入する水蒸気透過膜とを備えていることを特徴とするものである。
【００１２】
本願請求項５に記載された身体装着式燃料電池システムは、前記請求項４のシステムにおいて、前記水蒸気透過膜が、身体の側に水蒸気透過性の第１膜を配置し、水素発生材の側に、水蒸気透過率が前記第１膜よりも小さい水蒸気透過性の第２膜を配置し、第１膜と第２膜の対向面を貼り合わせることによって形成されていることを特徴とするものである。
【００１３】
本願請求項６に記載された身体装着式燃料電池システムは、前記請求項５のシステムにおいて、前記水蒸気透過膜の第１膜がポリビニルアルコール、第２膜がエチレンビニルアルコールであることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の身体装着式燃料電池システムにより、従来のリチウム電池製のボタン電池よりも大きな発電能力が得られ、身体に装着することも可能になる。本発明の身体装着式燃料電池システムを人や動物の身体に装着することにより、それらの情報を収集するＩＣカードの性能を向上させることができる。本発明の身体装着式燃料電池システムは、体温によって電力供給をオン／オフすることが可能になり、燃料電池の有効期間を長くすることができる。本発明の身体装着式燃料電池システムを使用することにより、心臓ペースメーカーのようなマイクロデバイスへの電力を円滑に供給することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
次に図面を参照して、本発明の好ましい実施の形態に係る身体装着式燃料電池システムについて説明する。図１は、本発明の好ましい実施の形態に係る身体装着式燃料電池システムを模式的に示した断面図である。図１において全体として参照符号１０で示される本発明の好ましい実施の形態に係る身体装着式燃料電池システムは、燃料電池本体１２を備えている。燃料電池本体１２としては、例えば、上述の特許文献４に記載されているような構造のものが使用され、１．５Ｖ〜３．０Ｖ、３ｍＡ〜５０ｍＡ程度の発電能力を有するものであるのが好ましい。
【００１６】
身体装着式燃料電池システム１０は又、図１に示されるように、水分子を分解することによって燃料電池本体１２に水素を供給する水素発生材１４を備えている。水素発生材１４としては、活性アルミニウム微粒子のペレット（例えば、５グラム程度の小型のもの）が使用される。水素発生材１４は、水蒸気の吸着・吸収を促進すべく、０．１μｍ〜２μｍの粒径の活性アルミニウム微粒子をペレット状にしたものを使用するのが好ましい。
【００１７】
水素発生材１４としてペレット状にした活性アルミニウム微粒子を用いると、水素発生材１４の体積を減少させることができるため、身体装着式燃料電池システム１０としては非常に好ましい。しかし、活性アルミニウム微粒子をペレット状にすると、水蒸気と接触する面積が小さくなる（従って、所望の水素ガス製造能力が得られなくなる）おそれがある。そこで、ペレット内に繊維等の親水性材料を配置する等して、水蒸気の通過経路を作るのが好ましい。
【００１８】
身体装着式燃料電池システム１０は又、水素発生材１４を収容するアルミラミネートパック１６と、燃料電池本体１２とアルミラミネートパック１６を連結するガスケット１８とを備えている。ガスケット１８には、水素発生材１４から発生した水素ガスを燃料電池本体１２に供給するための水素ガス透過膜又は水素ガス透過用ピンホール１８ａが設けられている。ガスケット１８は、水素ガスが漏洩しないように、シール構造のものにするのが好ましい。
【００１９】
身体装着式燃料電池システム１０では、数ｍｌ／時の水素ガスを製造することにより、燃料電池の電力が製造される。このような僅かな発電では、発電効率が低下する現象が生じ得る。その原因として、燃料電池の水素電極の面積全体に水素ガスが供給されず、一部の水素電極面のみが発電に寄与している状態が考えられる。これを防止するために、水素発生材１４から発生した水素ガスをアルミラミネートパック１６内に一旦貯蔵し、一定の水素ガス圧に達すると水素ガスを放出するように構成された弁（図示せず）を配置するのが好ましい。
【００２０】
身体装着式燃料電池システム１０は更に、アルミラミネートパック１６の燃料電池本体１２が位置する側と反対の側に配置された水蒸気透過膜２０を備えている。
【００２１】
図２は、水蒸気透過膜２０の拡大部分断面図である。水蒸気透過膜２０は、身体の側に水蒸気透過性の第１膜２０ａを配置し、水素発生材１４の側に、水蒸気透過率が第１膜２０ａよりも小さい水蒸気透過性の第２膜２０ｂを配置し、第１膜２０ａと第２膜２０ｂの対向面を貼り合わせることによって形成されている。
【００２２】
このように水蒸気透過膜２０を形成することにより、身体側から第１膜２０ａに透過した水蒸気が、水蒸気透過率が第１膜２０ａよりも小さい第２膜２０ｂに遮られ、これにより第１膜２０ａと第２膜２０ｂの境界面に隣接した箇所に、水蒸気（水）が滞留する水蒸気滞留層２０ａ１、２０ｂ１が形作られることとなる。換言すると、水蒸気滞留層２０ａ１、２０ｂ１は、第１膜２０ａと第２膜２０ｂの水蒸気透過率の相違により境界面に隣接した箇所に水蒸気（水）が浸潤した層である。水蒸気透過膜２０に水蒸気滞留層２０ａ１、２０ｂ１が形作られることにより、水蒸気滞留層２０ａ１、２０ｂ１に遮られて、水素発生材１４の側から水素ガスが外部に漏出しにくくなる（水蒸気滞留層が存在することにより、水素ガスの透過速度は、水蒸気滞留層がない場合と比較して、通常圧力下では数百分の一に減少する）。
【００２３】
本発明者の試作した水蒸気透過膜の水蒸気透過性・水素ガス透過性を測定したところ、35°Ｃにおける水蒸気透過性が３２０g/m2・24h （４１４ｌ/m3 ・24h)、35°Ｃにおける水素ガス透過性が６．９ｌ/m2 ・24h ・atm であった。この程度の水素ガス透過性（水素ガスブロック性）であれば、人体側への水素ガスの漏出は問題にならないものと考えられる。
【００２４】
第１膜２０ａと第２膜２０ｂの貼り合わせは、両膜間に隙間が生じないように、対向面の実質的に全面において行うのが好ましい。また、貼り合わせは、熱圧着法、超音波接着法等の公知の適当な方法によって行われる。
【００２５】
水蒸気透過膜２０の第１膜２０ａとしては、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、第２膜２０ｂとしてはエチレンビニルアルコール（ＥＶＯＨ）を用いるのが好ましい。
【００２６】
図３は、身体装着式燃料電池システム１０が組み込まれた電子通信デバイスを手首に装着した状態を示した図である。図３に示した電子通信デバイスは、身体から発せられる水蒸気を容器１６内の水素発生材（図示せず）に導入して水分子を分解することにより、燃料電池本体１２に水素ガスを供給して発電し、その結果得られる電力により動作するように構成されている。
【００２７】
より詳細に説明すると、図３の電子デバイスを手首に装着すると、身体から発せられた汗（水蒸気）が水蒸気透過膜２０の第１膜２０ａを透過する。第１膜２０ａを透過した水蒸気は第２膜２０ｂに遮られ、最初に第１膜２０ａを透過した水蒸気より少ない量の水蒸気が第２膜２０ｂを透過し、水素発生材１４に到達して化学反応を起こし、水素ガスを発生させる。このようにして発生した水素ガスが、燃料電池本体１２に供給されて発電され、得られた電力によって電子デバイスが動作するようになっている。一方、水蒸気透過膜２０の第１膜２０ａと第２膜２０ｂとの間に水蒸気滞留層２０ａ１、２０ｂ１が形成されるため、水素ガスが水蒸気透過膜２０を通して漏出する可能性は小さいので、電子デバイスの効率的な動作を確保することができる。
【００２８】
なお、電子デバイスを使用しないときには、電子デバイスを手首から取り外し、水素発生材に水蒸気が到達しないように、適当な乾燥ケース（図示せず）に保管しておくようにするのが好ましい。
【００２９】
図４は、水素発生材として用いられる活性アルミニウム微粒子の水素生成状態を検証した実験結果を示した図である。図４において、縦軸は水素生成量（ｍｌ／ｇ）、横軸は反応時間（ｈｒ）を示している。本実験では、温度２０°Ｃ、相対湿度８０％の空気中に、活性アルミニウム微粒子のみを置いた場合、および活性アルミニウム微粒子に吸湿剤を入れて置いた場合の水素生成状態を調べた。その結果、水蒸気により、活性アルミニウム微粒子から十分な水素ガスが生成されることが確認された。
【００３０】
図５は、活性アルミニウム微粒子からの水素生成の際、温度が水素生成量にどのように影響を及ぼすかを検証した実験結果を示した図である。図５において、縦軸は水素生成量（ｌ）、横軸は反応時間（ｈｒ）を示している。本実験では、４ｇの活性アルミニウム微粒子を５°Ｃ、１２°Ｃ、２０°Ｃ、４５°Ｃの状態にそれぞれ置いた場合の水素生成状態を調べた。その結果、水素生成量が温度依存性を有していることが確認された。すなわち、高温であるほど水素生成量が多くなり、水素生成量の温度依存性はほぼ指数関数的である。
【００３１】
これにより、身体装着式燃料電池システム１０を身体に装着すると、装着者の体温の影響を受けて水素生成量が多くなり、燃料電池システム１０を身体から外すと、体温の影響を受けなくなるため水素生成量が少なくなることが分かる。したがって、このような性質を利用することにより、身体への装着の有無によって水素ガス発生（すなわち、電力供給）のオン／オフを行うことが可能になり、燃料電池システム１０の長寿命化を図ることができる。
【００３２】
本発明は、以上の発明の実施の形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で、種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。
【００３３】
たとえば、前記実施の形態では、水素発生材１４を収容するのにアルミラミネートパックが使用されているが、水素ガスを透過しない材料であれば、アルミラミネートパック以外の材料で容器を形成してもよい。
【００３４】
また、前記実施の形態では、水素発生材として、活性アルミニウム微粒子が用いられているが、活性アルミニウム微粒子以外の金属水素化物、例えばマグネシウム水素化物を使用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の好ましい実施の形態に係る身体装着式燃料電池システムを模式的に示した断面図である。
【図２】図１の身体装着式燃料電池システムの水蒸気透過膜の拡大部分断面図である。
【図３】本発明の身体装着式燃料電池システムが組み込まれたデバイスを手首に装着した状態を示した図である。
【図４】活性アルミニウム微粒子の水素生成状態を検証した実験結果を示した図である。
【図５】活性アルミニウム微粒子からの水素生成の際、温度が水素生成量にどのように影響を及ぼすかを検証した実験結果を示した図である。
【符号の説明】
【００３６】
１０  身体装着式燃料電池システム
１２  燃料電池本体
１４  水素発生材
１６  容器（アルミラミネートパック）
１８  ガスケット
１８ａ  水素ガス透過膜又は水素ガス透過用ピンホール
２０  水蒸気透過膜
２０ａ  第１膜
２０ｂ  第２膜
２０ａ１、２０ｂ１  水蒸気滞留層
【図１】
2009289744.tif 000003
【図２】
2009289744.tif 000004
【図３】
2009289744.tif 000005
【図４】
2009289744.tif 000006
【図５】
2009289744.tif 000007