JP2003297411A

JP2003297411A - 燃料電池用燃料カートリッジおよびそれを用いた携帯電子機器

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Publication number: JP2003297411A
Application number: JP2002095082A
Authority: JP
Inventors: Tomohisa Yoshie; 智寿吉江; Norimasa Yamamoto; 紀征山本; Yasuharu Morinishi; 康晴森西; Mutsuko Komoda; 睦子菰田
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2002-03-29
Filing date: 2002-03-29
Publication date: 2003-10-17
Anticipated expiration: 2022-03-29
Also published as: JP4288040B2

Abstract

(57)【要約】【課題】携帯電子機器の消費電力変化に応じた水素供
給量が自発的に制御可能な燃料電池用燃料カートリッジ
を提供する。【解決手段】隔壁１１によって液体２を含む燃料室１
２とその液体と反応して気体を発生する物質４を含む反
応室１３に区切られた密閉容器１０からなる燃料電池用
燃料カートリッジ１において、反応室１３に気体供給口
１５を設け、燃料室１２から反応室１３に液体供給を行
うための液体輸送媒体６の一端部６１側が挿入される液
体供給口１４を隔壁１１に設け、液体輸送媒体６の他端
部６２側が燃料室１２に設けた圧力により体積変化を起
こす手段８に接合されており、燃料電池における水素消
費速度に応じたカートリッジの内圧変化により，液体物
質２の供給量を自発的に調節する機能を特徴とする燃料
電池用燃料カートリッジ。

Description

【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１０〜２０ｍ
ｌ／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／ｍ
ｉｎ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、上記課題を解決するために、本
発明は、隔壁によって液体を含む部屋（燃料室）とその
液体と反応して気体（水素ガス）を発生する物質を含む
部屋（反応室）に区切られた密閉容器からなる燃料電池
用燃料カートリッジにおいて、気体を発生する物質を含
む部屋（反応室）に気体供給口を設け、液体を含む部屋
（燃料室）から気体を発生する物質を含む部屋（反応
室）に液体供給を行うための液体輸送媒体の一端部側が
挿入される液体供給口を隔壁に設け、液体輸送媒体の他
端部側が液体を含む部屋に設けた圧力により体積変化を
起こす手段に接合することにより、水素供給速度の自発
的調節機能を備えた。

【０００９】さらに、本発明は、上記燃料電池用燃料カ
ートリッジにおいて、液体を含む部屋に保水材を添加し
たことを特徴とする。さらに、本発明は上記燃料電池用
燃料カートリッジにおいて、圧力により体積変化を起こ
す手段が、弾性体または、シリンダとピストンとバネを
組み合わせた構造体、気体を閉じ込めた空間構造を有し
ている。

【００１０】また、本発明は、上記燃料電池用燃料カー
トリッジにおいて、隔壁に液体を含む部屋（燃料室）と
その液体と反応して気体を発生する物質を含む部屋（反
応室）との間の通気口を設けた。さらに、隔壁に設けら
れた液体供給口を液体を含む部屋（燃料室）とその液体
と反応して気体を発生する物質を含む部屋（反応室）と
の間の通気口として兼用した。

【００１１】さらに、本発明は、上記燃料電池用燃料カ
ートリッジにおいて、液体供給口に液体を含む部屋（燃
料室）に延びる液体輸送媒体を案内する案内手段を設け
た。

【００１２】また、本発明は、上記燃料電池用燃料カー
トリッジを燃料電池に接続し、燃料電池により携帯電子
機器を駆動した。

【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】

【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】密閉容器１０内での水素発生速度が増加
し、燃料室１２の内圧が上昇してくると、液体供給口１
４および液体輸送媒体６を通じて反応室１３の内圧も増
加し、図２に示すように弾性体８の体積収縮がおきる。
これにより、弾性体８に他端６２が接着された液体輸送
媒体６が反応室１３から燃料室１２側へ引き抜かれ、反
応物質４と接触が切れることで液体物質２の供給が停止
し、水素発生速度を低下させる。

【００２５】この状態で、気体供給口１５から水素が燃
料電池に供給され消費されると、図1のように密閉容器
１０内の圧力が下降して弾性体８の体積が元に戻る。こ
れにより、圧力により体積変化を起こす手段（弾性体）
８に接着された液体輸送媒体６が、今度は燃料室１２か
ら反応室１３側へ押し込まれ、再び反応物質４と接触す
ることで液体物質２の供給が再開され、水素発生速度が
増加する。

【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１
３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／ｍｉ
ｎ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８２Ｏ−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

フロントページの続き (72)発明者森西康晴大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号シャープ株式会社内 (72)発明者菰田睦子大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号シャープ株式会社内Ｆターム(参考） 5H026 AA06 5H027 AA06 BA13 BA14

Claims

【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その液体
と反応して気体を発生する物質を含む部屋に区切られた
密閉容器からなる燃料電池用燃料カートリッジにおい
て、気体を発生する物質を含む部屋に気体供給口を設
け、液体を含む部屋から気体を発生する物質を含む部屋
に液体供給を行うための液体輸送媒体の一端部側が挿入
される液体供給口を隔壁に設け、液体輸送媒体の他端部
側が液体を含む部屋に設けた圧力により体積変化を起こ
す手段に接合されてい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】液体を含む部屋に保水材を有したことを
特徴とする請求項１に記載の燃料電池用燃料カートリッ
ジ。
【請求項３】圧力により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４】圧力により体積変化を起こす手段が、シ
リンダとバネの組み合わせである請求項１に記載の燃料
電池用燃料カートリッジ。
【請求項５】圧力により体積変化を起こす手段が、気
体を閉じ込めた構造を有している請求項１に記載の燃料
電池用燃料カートリッジ。
【請求項６】隔壁に液体を含む部屋とその液体と反応
して気体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７】隔壁に設けられた液体供給口が、液体を
含む部屋とその液体と反応して気体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８】液体供給口に液体を含む部屋に延びる案
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９】請求項１に記載の燃料電池用燃料カート
リッジが燃料電池に接続され、前記燃料電池により駆動
されることを特徴とする携帯電子機器。