JP2004087159A

JP2004087159A - 燃料電池およびカメラ

Info

Publication number: JP2004087159A
Application number: JP2002242986A
Authority: JP
Inventors: Naoyuki Nishino; 西納　直行
Original assignee: Fuji Photo Film Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Holdings Corp
Priority date: 2002-08-23
Filing date: 2002-08-23
Publication date: 2004-03-18

Abstract

【目的】燃料電池で生成される水を回収する回収部をなくして機器を小型化する。
【構成】燃料電池１０の燃料貯留槽６０内のメタノール水溶液は化学反応セル５２で化学反応され、発電を起す。このとき、カソード５８では水が生成され、生成液貯留槽６２に貯留される。この水は燃料電池１０を暖めるヒーターによって加熱され気化されて水蒸気となる。そして、生成液貯留槽６２には液体は遮断し、気体は透過させるフィルタ７０が備えられているので、水は水蒸気としてフィルタ７０を透過し、デジタルカメラＣに設けられた空気孔２２から放出される。これによって、デジタルカメラＣに水を回収するタンクを設ける必要がなくなるので、その分だけデジタルカメラＣを小型化できる。
【選択図】　図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池に係り、特に燃料電池で生成される排出液を気化させ、気体として排出する燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、太陽電池を利用したカメラが考案されている（例えば、特許文献１参照）。しかしながら、夜間等は充電することができず、その夜間等に充電が切れると長時間使用できなくなるという問題があった。
【０００３】
そこで、定常的に発電を続けることができる燃料電池が考案されている。特に、デジタルカメラ等の携帯機器の高容量電源として注目されているのが、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）である。このＰＥＦＣの中でも、メタノール水溶液を電池に直接供給するメタノール直接型燃料電池（ＤＭＦＣ）は、メタノールから水素を作る改質器や二酸化炭素濃度制御用の反応器等の周辺補助機器が不要な事から小型化に向いている。
【０００４】
図５に示すように、ＤＭＦＣでは、メタノール水溶液（ＣＨ_３ＣＯＯＨ＋Ｈ_２Ｏ）と酸素（Ｏ_２）の化学反応により電気が作られる。最小構成単位である単セル１００は、プロトン導電膜１０２と呼ばれる薄膜をアノード（燃料極）１０４とカソード（空気極）１０６の２つの電極で挟んだ構造になっている。燃料となるメタノール水溶液はアノード１０４の触媒作用で水素イオン（Ｈ^＋）と電子（ｅ―）と二酸化炭素（ＣＯ_２）に分解される。
【０００５】
このとき、発生する電子により発電する。また、二酸化炭素はアノード１０４から放出される。そして、水素イオンはプロトン導電膜１０２中を移動し、カソード１０６に供給された酸素と結びついて水（Ｈ_２Ｏ）になり、カソード１０６から排出される。
【０００６】
このため、ＤＭＦＣを電源として使用するためには、電力源としてメタノール水溶液を供給するのみではなく、カソード１０６で生成された水を回収する必要がある。特にカメラの様な精密電気機器は水分に弱いので、生成された水を何れかの場所に回収し、器外へ放出しなければならない。
【０００７】
しかしながら、カメラ等の携帯機器は小型化のニーズがあり、水を回収するタンクを機器側に具備していては小型化が妨げられるという問題があった。
【０００８】
【特許文献１】
特開平６−１６３９６５号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記事実を考慮してなされたものであり、燃料電池で生成された水を回収するスペースを機器側からなくすことを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る燃料電池は、燃料極の燃料と空気極の気体が化学反応して発電を起こし、前記燃料極では気体が発生し、前記空気極では液体が生成される燃料電池であって、前記燃料極と前記空気極が外気に触れる箇所を液体は遮断し、気体は透過させる気液分離膜でシールしたことを特徴とする。
【００１１】
請求項１に係る燃料電池の作用を以下に説明する。
【００１２】
燃料極の燃料と空気極の気体が化学反応して発電する。そして、燃料極では気体が発生し、空気極では液体が生成される。ここで、燃料極と空気極が外気に触れる箇所は、液体は遮断し、気体は透過させる気液分離膜でシールされている。
【００１３】
このため、燃料極から液体である燃料は漏れ出すことはなく、燃料極で発生した気体は気液分離膜から放出される。従って、燃料極の中に気体が貯まって、内圧が異常に上昇するということはない。
【００１４】
また、空気極で生成される液体は、液状では空気極から漏れ出すことはないが、化学反応による発熱等で加熱し気化させることによって、気液分離膜を透過させることができる。これによって、空気極で生成された液体を気体として、燃料電池及び燃料電池を備える機器の外へ放出することができるので、機器側に液体を回収するためのタンクを設ける必要がなくなる。従って、その分だけ機器を小型化できる。
【００１５】
請求項２に係る燃料電池は、請求項１に記載の燃料電池であって、前記液体を加熱し気化させる加熱手段を有することを特徴とする。
【００１６】
請求項２に係る燃料電池の作用を以下に説明する。
【００１７】
加熱手段で空気極で生成される液体を加熱することによって、液体は気化されて気液分離膜を透過する。これによって、空気極で生成される液体を気体として積極的に機器の外へ放出できるので、機器側に液体を回収するためのタンクを設ける必要はなくなる。
【００１８】
請求項３に係る燃料電池は、請求項１又は２に記載の燃料電池であって、前記燃料極に燃料を補給する燃料パックと燃料電池ハウジングとの間に断熱層を設けたことを特徴とする。
【００１９】
請求項３に係る燃料電池の作用を以下に説明する。
【００２０】
断熱層は、燃料電池ハウジングと燃料パックの間の熱伝導を遮断するので、熱が燃料パック内の燃料に伝わって燃料が気化してしまうということを防止できる。なお、断熱層は液体を透過するので、燃料パックの給液口に取り付けても燃料の供給を妨げることはない。
【００２１】
請求項４に係る燃料電池は、請求項１乃至３の何れかに記載の燃料電池であって、前記気液分離膜は、フッ素系樹脂、ポリウレタン系樹脂及び連続多孔質ポリテトラフロロエチレンの何れかで作られていることを特徴とする。
【００２２】
請求項４に係る燃料電池の作用を以下に説明する。
【００２３】
フッ素系樹脂、ポリウレタン系樹脂及び連続多孔質ポリテトラフロロエチレンは、防水性と透湿性に優れているので、気液分離膜をこれらの何れかで作ることによって、請求項１及び２の効果が得られる。また、フッ素系樹脂は静電気の帯電を防止できるので、静電気によるノイズの発生等を防止できる。そして、ポリウレタン系樹脂及び連続多孔質ポリテトラフロロエチレンは耐久性に優れているので、長期間の使用が可能である。
【００２４】
請求項５に係るカメラは、請求項１乃至３の何れかに記載の燃料電池を備えることを特徴とする。
【００２５】
請求項５に係るカメラの作用を以下に説明する。
【００２６】
カメラが請求項１乃至４の何れかに記載の燃料電池を備えることによって、請求項１乃至４のような効果を有するカメラが得られる。
【００２７】
請求項６に係るカメラは、請求項５に記載のカメラであって、前記空気極をシールした前記気液分離膜が、フラッシュから最も離れた位置に配置されていることを特徴とする。
【００２８】
請求項６に係るカメラの作用を以下に説明する。
【００２９】
フラッシュは高電圧になるが、空気極をシールした気液分離膜が、フラッシュから最も離れた位置に配置されているので、気液分離膜から放出される水蒸気を防水するための特別な防水処理をフラッシュに施す必要がなくなる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。
【００３１】
図１に示すように、メタノール水溶液（ＣＨ_３ＣＯＯＨ＋Ｈ_２Ｏ）が充填された燃料パック１２をデジタルカメラＣに設けられた収納部１４へ上方から装填する。収納部１４の底部には、メタノール水溶液と酸素（Ｏ_２）の化学反応によって発電を起し、副産物として水（Ｈ_２Ｏ）を生成するメタノール直接型燃料電池（以下、燃料電池）１０が備えられている。
【００３２】
この燃料電池１０と燃料パック１２は燃料パック１２の燃料供給口１６を燃料電池１０の燃料給液口１８へ嵌合させることで、水密状態で接続され、燃料は燃料パック１２から燃料供給口１６、燃料給液口１８を通って燃料電池１０へ送られる。
【００３３】
また、燃料電池１０の側面には、ヒーター２０が取付けられている。ここで、燃料電池１０で発電を起すためには、燃料電池を常温以上の温度帯に維持しなければならない。このため、寒冷地等で使用した場合は、発電を起すことができないこともあるので、ヒーター２０で燃料電池１０を暖めることによってどのような環境でも発電を起すことができるようにしている。
【００３４】
また、ヒーター２０の熱を利用して燃料電池１０で生成される水を後述する方法で気化させ、デジタルカメラＣの側面に設けられた空気穴２２から水蒸気として放出する。
【００３５】
図２には、本実施形態のデジタルカメラＣの回路図が示されている。
【００３６】
レリーズスイッチ２４が押されると、シャッタ２６が開き、レンズ２８から入った光はＣＣＤ３０で結像し、光学データは電気的な画像データに変換される。この画像データは画像処理部３２へ送られ画像処理される。画像処理部３２で処理された画像データは記録メディア３４に保存される。
【００３７】
そして、デジタルカメラＣを構成する各部は、コントロール部３６によって制御されている。このコントロール部３６には、２次電池３８が接続されており、デジタルカメラＣを構成する各部は、２次電池３８にバッファされた電気エネルギーで作動される。
【００３８】
この２次電池３８にバッファされた電気エネルギーが不足していると、コントロール部３２は、コンバータ４０を作動させて燃料電池１０の発電を行う。そして、燃料電池１０から電気エネルギーが供給されて２次電池３８の充電が完了すると、コンバータ４０の作動を停止させて燃料電池１０の発電を停止させる。
【００３９】
そして、２次電池３８には、スイッチ４２を介してヒーター２０が接続されている。また、コントロール部３６には、燃料電池１０の温度を計る温度計４４が接続されており、温度計４４で計測された温度が、燃料電池１０が発電を起すことができる温度帯よりも低い場合（例えば、デジタルカメラＣを寒冷地で使用する場合）、コントロール部３６は、スイッチ４２をオンにしてヒーター２０を作動させる。これによって、燃料電池１０の温度は、発電を起すことができる温度帯まで上昇する。
【００４０】
ここで、燃料電池１０の構造について説明する。図３に示すように、燃料電池１０を構成する箱状のケーシング５０の中には、板状の化学反応セル５２が配設されている。この化学反応セル５２は、プロトン導電膜５４を、燃料極となるアノード５６と空気極となるカソード５８で挟むように構成されている。
【００４１】
そして、燃料電池１０は化学反応セル５２によって仕切られ２槽構造になっている。一方は、アノード５６が一部を構成し、メタノール水溶液を貯留する燃料貯留槽６０、他方はカソード５８が一部を構成し、カソード５８で生成される水を貯留する生成液貯留槽６２となっている。
【００４２】
また、ケーシング５０の上部には燃料パック１２が載置される受け台６４が設けられている。この受け台６４の上面には断熱材６５が貼られており、燃料電池１０の熱が燃料パック１２へ伝わらないようになっている。また、受け台６４には、燃料給液口１８が設けられている。この燃料給液口１８には、燃料供給口１６と嵌合する部分を除いて、液体を透過できる断熱フィルタ６６が詰められている。
【００４３】
この断熱フィルタ６６にメタノール水溶液を浸透させて燃料電池１０へメタノール水溶液を供給する。また、断熱フィルタ６６によって、燃料電池１０側の熱が燃料パック１２側へ伝わらないので、燃料電池１０の発熱やヒーター２０の熱によって燃料パック１２内のメタノール水溶液が加熱されて気化してしまうということはない。
【００４４】
また、燃料貯留槽６０及び排出液貯留槽６２の上部は開口され、この開口部６７は気液分離膜６８、７０でシールされている。この気液分離膜６８、７０については後述する。さらに、燃料槽４４の下部には、圧力弁７２が設けられている。この圧力弁７２はコンバータ４０によって操作され、燃料貯留槽６０内の内圧を変化させる。
【００４５】
次に、燃料パック１２の構造について説明する。図３に示すように、燃料パック１２は、ケーシング７４を備える。このケーシング７４は、矩形柱形状で、長手方向の一方の頂面は開放されている。そして、ケーシング７４の開放部には、キャップ７６が取付けられ、このキャップ７６によって開放部は密閉される。
【００４６】
また、燃料電池１０の燃料給液口１８と接続される燃料供給口１６は、キャップ７６に備えられている。ここで、燃料供給口１６は、ケーシング７４又は燃料電池１０の燃料槽６０の内圧に変化を与えなければ、ケーシング７４内のメタノール水溶液が出入しないような形状をしている。このため、燃料パック１０を装填するとき、ケーシング７４内のメタノール水溶液等が燃料供給口１６から漏れ出ることはない。
【００４７】
ここで、図３及び図４を参照して、燃料電池１０及び燃料パック１２の動作について説明する。
【００４８】
まず、燃料パック１２のキャップ７６を外してケーシング７４内へメタノール水溶液を充填する。そして、メタノール水溶液が充填された燃料パック１２をデジタルカメラＣに装填し、燃料電池１０と接続する。
【００４９】
燃料パック１２の装填が検出されると、コントロール部３６はコンバータ４０を制御し、燃料電池１０の燃料貯留槽６０の圧力弁７２を操作して燃料貯留槽６０内の圧力を低下させる。これによって、メタノール水溶液は燃料パック１２から燃料供給口１６及び燃料給液口１８を通って燃料貯留槽６０に供給される。
【００５０】
そして、燃料貯留槽６０にメタノール水溶液が供給されると、コントロール部３６はコンバータ４０を制御してアノード５６及びカソード５８に電圧を印加する。これにより、メタノール水溶液は、アノード５６の触媒作用で電子（ｅ―）と二酸化炭素（ＣＯ_２）及び水素イオン（Ｈ^＋）に分解される。このとき、発生した電子によって発電が起こり、この電子が２次電池３８へ移動してバッファされることによって、２次電池３８は充電される。
【００５１】
ここで、気液分離膜６８、７０について説明する。気液分離膜６８、７０は、気体は透過し、液体は遮断する素材で作られている。このような素材として、フッ素系樹脂、ポリウレタン系樹脂又は連続多孔質ポリテトラフロロエチレン等があるが、本実施形態では、連続多孔質ポリテトラフロロエチレンを採用する。
【００５２】
このため、アノード５６で発生した二酸化炭素は気液分離膜６８を通って燃料貯留槽６０から放出されるので、燃料貯留槽６０の内圧が異常に上昇するということはない。また、燃料貯留槽６０内のメタノール水溶液は気液分離膜６８を透過して燃料貯留槽６０内から漏れ出すことはない。
【００５３】
そして、水素イオンはプロトン導電膜５４の中を通ってカソード５８へ移動する。カソード５８には気液分離膜７０を透過した酸素が供給されており、この酸素と水素イオンが結びついて水（Ｈ_２Ｏ）が発生し、生成液貯留槽６２に貯まる。
【００５４】
ここで、生成液貯留部６２の気液分離膜７０は液体を透過しないので、生成液貯留槽６２内の水（液体）が気液分離膜７０から漏れ出すことはない。しかし、生成液貯留槽６２内に貯留された水は、何らかの手段で生成液貯留槽６２内から放出しなければ生成液貯留槽６２が貯留できる容量を超えてしまう。
【００５５】
そこで、ヒーター２０の熱を利用して生成液貯留槽６２に貯留された水（液体）を加熱して気化させる。そして、水蒸気として気液分離膜７０を透過させ、デジタルカメラＣの側面に設けられた空気穴２２から機外へ放出させる。
【００５６】
これによって、燃料電池１０で生成される水を回収するタンクをデジタルカメラＣに設ける必要がなくなるので、その分だけデジタルカメラＣを小型化できる。
【００５７】
なお、フラッシュ２３は高電圧になるが、図１に示すように、気液分離膜７０はフラッシュ２３から最も離れた位置に配置されているので、気液分離膜７０から放出される水蒸気を防水するための特別な防水処理をフラッシュ２３に施す必要はない。
【００５８】
また、ヒーター２０の熱を利用する例を説明したが、寒冷地等での使用を前提とせずにヒーターを備えていないデジタルカメラの場合は、化学反応時の発熱を利用して水を加熱し、気化させてもよい。
【００５９】
また、本実施形態のように、気液分離膜でシールする部分は、燃料電池１０のケーシング５０の上部に限定されず、ケーシング５０の側壁全体を気液分離膜で構成してもよい。
【００６０】
また、本実施形態では、燃料電池１０と燃料パック１２が接触する構造としたが、燃料電池１０と燃料電池１２を非接触とし、ホースで両者をつなぐ構造とすることによって、燃料電池１０の熱を燃料パック１２に伝えないようにしてもよい。
【００６１】
さらに、本実施形態では、デジタルカメラを例にとって説明したが、ノートパソコンや携帯電話等の他の携帯機器にも適用可能であり、メタノール直接型燃料電池以外の他の燃料電池にも適用可能である。
【００６２】
【発明の効果】
本発明は上記構成としたので、携帯機器に生成液を回収するタンクを設ける必要がなくなり、その分だけ携帯機器を小型化できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態に係る燃料電池を示す斜視図である。
【図２】本実施形態に係るデジタルカメラの回路図である。
【図３】本実施形態に係る燃料電池を示す断面図である。
【図４】本実施形態のメタノール直接型燃料電池の発電原理を示す斜視図である。
【図５】従来のメタノール直接型燃料電池の発電原理を示す図である。
【符号の説明】
１０　　燃料電池
１２　　燃料パック
２０　　ヒーター（加熱手段）
２３　　フラッシュ
５６　　アノード（燃料極）
５８　　カソード（空気極）
６６　　断熱フィルタ（断熱層）
６７　　断熱材（断熱層）
６８　　気液分離膜
７０　　気液分離膜
Ｃ　　　デジタルカメラ（カメラ）

Claims

燃料極の燃料と空気極の気体が化学反応して発電し、前記燃料極では気体が発生し、前記空気極では液体が生成される燃料電池であって、
前記燃料極と前記空気極が外気に触れる箇所を、液体は遮断し気体は透過させる気液分離膜でシールしたことを特徴とする燃料電池。
前記液体を加熱し気化させる加熱手段を有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
前記燃料極に燃料を補給する燃料パックと燃料電池のハウジングとの間に断熱層を設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池。
前記気液分離膜は、フッ素系樹脂、ポリウレタン系樹脂又は連続多孔質ポリテトラフロロエチレンで作られていることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の燃料電池。
請求項１乃至４の何れかに記載の燃料電池を備えることを特徴とするカメラ。
前記空気極をシールした前記気液分離膜が、フラッシュから最も離れた位置に配置されていることを特徴とする請求項５に記載のカメラ。