JP2004247136A - 燃料供給カートリッジ、燃料電池装置、および燃料供給方法 - Google Patents

Abstract

【課題】別電源を必要とせず、燃料供給カートリッジから燃料電池へ効率よく燃料を供給し、同時に燃料電池から排出される水を効率よく回収する。
【解決手段】電極６および導通手段２０ａを介して携帯電子機器２０に電力を供給するための燃料電池２の発電のために、気体１９がピストン１１を押して燃料供給カートリッジ１から燃料電池２へ燃料１８が供給され、発電によって生成された水２１が発電セル３から水排出部５に排出される。そして、燃料１８の減少と気体１９の膨張に伴ってピストン１１が前進すると、連結ロッド１３がそれに連動してピストン１２が後退し、水回収室１０内が負圧になる。それによって、水排出部５内の水２１が水回収室１０内に吸引回収される。
【選択図】 図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池用の燃料供給カートリッジと、それを有する燃料電池装置と、燃料電池への燃料供給方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、携帯電話機に代表される携帯型電子機器において、多機能化に伴う消費電力の増大が顕著であり、従来使用されてきた二次電池では性能の限界に近づきつつある。そこで、二次電池に代わる電力供給源として、より大容量化が可能な燃料電池に対する期待が高まっている。
【０００３】
燃料電池を動作させるためには燃料を供給する必要があるので、別電源を要するポンプによって燃料を圧送したり、別電源を使用しない場合には毛細管現象を利用して燃料を燃料電池に送り込んだりする方法が考案されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平０５−２１７５９０号公報
【特許文献２】
特開平０７−１７６３１１号公報
【特許文献３】
特表２００２−５１６４６６号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前記した燃料供給方式のうち、ポンプを用いる方法では、燃料電池の他にポンプ駆動用の電源が必要であり、二重の駆動源が必要で構成が複雑であり、発電セルを含めた燃料電池装置全体の規模が大きくなるという問題がある。一方、毛細管現象を利用する方法では、燃料供給の効率が十分でないために発電効率が落ちるという問題がある。このように、携帯電子機器に適した燃料電池の効率的な燃料供給方法は未だ確立されていない。
【０００６】
また、燃料電池の動作原理上、発電に伴う水分の発生は回避できない。特に、携帯電子機器の場合には、使用者が衣服や鞄に収納して携帯することが前提になっているため、衣服や鞄等を濡らすことなく水を機器外に容易に排出する構成にすることは困難である。従って、水を燃料電池から効率よく回収して保持する手段が求められている。
【０００７】
そこで本発明の目的は、別電源を必要とせず燃料電池へ効率よく燃料を供給することができるとともに、燃料電池から排出される水を効率よく回収することもできる燃料電池用の燃料供給カートリッジと、それを有する燃料電池装置と、燃料電池への燃料供給方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の燃料電池用の燃料供給カートリッジは、燃料電池に供給するための燃料と気体とを封入する容器を有し、気体の圧力を利用して燃料を圧送可能であることを特徴とする。
【０００９】
さらに、燃料と気体とを封入し、燃料の供給口を有する燃料室と、燃料電池から排出された水を収容可能であり、水の取入口を有する水回収室と、燃料室内の燃料の減少に応じて水回収室内を負圧にする圧力調整機構とを有することが好ましい。その一例としては、圧力調整機構は、燃料室内と水回収室内にそれぞれ設けられている１対のピストンと、両ピストンが連動するようにこれらを連結する連結ロッドとを有していてもよい。その場合、燃料室内のピストンは燃料室内の燃料と気体の境界に位置し、気体の圧力によって燃料室内のピストンが前進し、燃料室内の燃料を押し出すとともに、連結ロッドにより連結されているもう１つのピストンが連動して後退することによって、水回収室内の圧力が低下する構成であってもよい。さらに、容器の少なくとも一部が透明な材料からなり、両ピストンの少なくとも一方の位置を視認して燃料と水の少なくとも一方の量を検知可能であることが好ましい。
【００１０】
このような構成の燃料電池用の燃料供給カートリッジによると、燃料室と水回収室とが一体化された容器を有し、燃料室内の、燃料とはピストンを隔てた空間内に気体を高圧充填することによって、気体の圧力を利用した燃料の圧送が可能であるとともに、この燃料圧送を行うピストンが、水回収室に配置されたもう１つのピストンに連結ロッドを介して連結されているため、水回収室内を負圧にして、燃料電池の発電における化学反応に伴って生成された水を水回収室内に取り入れることが可能である。
【００１１】
本発明の燃料電池装置は、前記したいずれかの構成の燃料供給カートリッジと、燃料供給カートリッジが接続された燃料電池とを有することを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の燃料電池への燃料供給方法は、燃料電池用の燃料供給カートリッジ内の燃料を、燃料とともに容器内に封入されている気体の圧力を利用して圧送することを特徴とする。
【００１３】
さらに、燃料供給カートリッジの燃料室内の燃料を、燃料室内に封入されている気体の圧力を利用して圧送すると同時に、燃料供給カートリッジの水回収室内を負圧にして、燃料電池から排出された水を取り入れることが好ましい。その場合、気体の圧力によって燃料室内のピストンを前進させて燃料室内の燃料を圧送すると同時に、燃料室内のピストンと連動する水回収室内のピストンを後退させて水回収室内を負圧にして、燃料電池から排出された水を取り入れてもよい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して説明する。
【００１５】
図１は、本発明の第１の実施形態の燃料電池装置の概略図を示しており、図２は、その燃料供給カートリッジ１を示している。本実施形態の燃料電池装置は、燃料電池２に燃料供給カートリッジ１が装着されたものである。
【００１６】
燃料電池２は、発電を行う発電セル３を本体とし、発電セル３に燃料を供給するための燃料供給部４と、発電によって発電セル３において生成された水を排出するための水排出部５とを有している。発電セル３には、電極６と、発電に用いられる酸素を取り込むための大気吸入口７が設けられている。燃料供給部４には燃料吸入口４ａが、水排出部５には水排出口５ａがそれぞれ設けられている。なお、この燃料電池２は、従来より公知の構成を含めて、いかなる構成であってもよく、現時点では、燃料としては、水素、メタノール、ガソリン、天然ガス等が考えられている。
【００１７】
本実施形態の燃料供給カートリッジ１は、容器８内に燃料室９と水回収室１０が区画形成されている。燃料室９内にはピストン１１が、水回収室１０内にはピストン１２がそれぞれ配設され、それぞれシリンダ状に構成されている。ピストン１１とピストン１２は、連結ロッド１３によって連結され、互いに連動するようになっている。燃料室９内と水回収室１０内は、連結ロッド１３が貫通する貫通孔１４を除いて隔壁１５によって隔絶されており、貫通孔１４は連結ロッド１３によって実質的に塞がれているため、両室９，１０間の流体の出入りは不可能な状態である。連結ロッド１３は、可撓性を有しているが伸縮不可能であり、必要以上に撓むことはなく貫通孔１４を介して両室９，１０間を進退可能な程度の剛性を有している。すなわち、一方のピストン（例えばピストン１１）が移動すると、連結ロッド１３はその移動量と等しい量だけ移動して、他方のピストン（例えばピストン１２）も等量だけ移動する構成であり、連結ロッド１３は、一方のピストンの移動量を吸収することなく他方のピストンにそのまま伝達するように、必要以上の変形はしない。
【００１８】
燃料室９には燃料供給口９ａが設けられ、この燃料供給口９ａには、通常は閉じており外方へ向かう圧力が加わったときにのみ開く逆止弁１６が配設されている。水回収室１０には水取入口１０ａと大気開放口１０ｂが設けられ、水取入口１０ａには、通常は閉じており、逆止弁１６とは逆に内方へ向かう圧力が加わったときにのみ開く逆止弁１７が配設されている。通常は、燃料室９は密閉され、水回収室１０は大気開放口１０ｂを除いて密閉されている。この燃料供給カートリッジ１は、使用前の状態において、燃料室９のピストン１１よりも燃料供給口９ａ側に、燃料電池２に供給すべき所定の燃料１８が封入され、ピストン１１の反対側には圧縮状態の気体１９が封入されており、水回収室１０内には、大気開放口１０ｂを介して入ってくる大気以外に何も注入されておらず、ピストン１２は水取入口１０ａに密着した位置にある。なお、気体１９は、後述するようにピストン１１に圧力を加えるためのものであって、その種類等を問わず、いかなる気体であってもよい。もちろん空気であってもよい。
【００１９】
このような構成の燃料供給カートリッジ１が、図１に示すように燃料電池２に装着され、燃料供給口９ａが逆止弁１６を介して燃料吸入口４ａに接続され、水取入口１０ａが逆止弁１７を介して水排出口５ａに接続されている。
【００２０】
次に、この燃料電池装置を携帯電子機器等に装着した場合の燃料供給方法について説明する。
【００２１】
図３（ａ）に示すように、図１に示す燃料電池装置を携帯電話機等の携帯電子機器２０（要部のみを図示）に装着し、電極６を携帯電子機器２０の導通手段２０ａに接続する。この状態で、燃料電池２が作動して電極６および導通手段２０ａを介して携帯電子機器２０に電力を供給することによって、携帯電子機器２０が様々な機能を行うことができる。そして、燃料電池２による発電のために、気体１９がピストン１１を押して燃料供給カートリッジ１から燃料電池２への燃料供給が行われ、燃料室９内の燃料１８が減少してくる。一方、発電によって生成された水２１が、発電セル３から水排出部５に排出される。
【００２２】
そして、図３（ｂ）に示すように、気体１９の膨張に伴って、逆止弁１６を介して燃料１８を圧送しつつピストン１１が前進すると、連結ロッド１３が連動することによって、ピストン１２が後退して、水回収室１０内が負圧になる。そのため、燃料電池２の水排出部５内の水２１が、逆止弁１７を介して燃料供給カートリッジ１の水回収室１０内に吸引される。こうして、燃料１８の減少と水２１の吸引とによって、燃料室９と水回収室１０の圧力が均衡しピストン１１，１２および連結ロッド１３は安定するように作動する。すなわち、燃料室９と水回収室１０の圧力を均衡させるように、圧力調整機構であるピストン１１，１２および連結ロッド１３が移動することによって、燃料１８の減少に同期して、排出された水２１の回収が行われる。前記の通り、一時的には、燃料室９と水回収室１０の圧力が均衡してピストン１１，１２および連結ロッド１３は安定しようとするものの、燃料供給用カートリッジ１から燃料電池２への燃料１８の供給が続行すると、ピストン１１，１２および連結ロッド１３は移動し続け、燃料１８の減少と水２１の回収がさらに進行する。その状態が図３（ｃ）に示されている。
【００２３】
以上説明した通り、本実施形態によると、燃料１８とともに燃料室９内に圧縮状態で封入されている気体１９の膨張によって、別電源を必要とせずに燃料１８を燃料電池２に供給することができる。しかも、燃料１８が減少するのに合わせて気体１９の膨張およびピストン１１の前進が行われるので、必要に応じて良好な効率で十分な燃料供給が行える。さらに、この燃料供給動作を利用して、水２１の吸引回収が行えるので、従来から課題とされていた燃料１８の供給と水２１の回収とが同時に非常に効率よく行える。そのための機構は、実質的に燃料１８および水２１の容器８の大きさだけで済むため、燃料電池装置を大型化させることはなく、構成が非常に単純である。
【００２４】
また、燃料供給用カートリッジ１の容器８の少なくとも一部を透明な材料（合成樹脂等）によって形成し、ピストン１１の位置を使用者が視認可能な構成にすると、燃料１８の残量を精度よく検知することができる。また、ピストン１２の位置を使用者が視認可能な構成にすると、水２１の保持量を精度よく検知することができる。これらのいずれか一方、または両方の構成を採用すると、燃料供給用カートリッジ１を交換すべき適切なタイミングを知ることができる。
【００２５】
本実施形態では、逆止弁１６，１７を設けているため、ピストン１１，１２の動作が円滑でなかったり何らかの不具合が生じたとしても、燃料１８や水２１の漏れや逆流が防止できる。
【００２６】
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図４は、本実施形態の燃料電池装置の概略図を示しており、図５は、その燃料供給カートリッジ１を示している。この燃料供給カートリッジ１は、燃料室９と水回収室１０が直列に配列された構成である。本実施形態では、ピストン１１とピストン１２を連結する連結ロッド１３が、可撓性を持たないストレートな棒状の部材であってよいため、連結ロッド１３の構成が簡単になる。ただし、燃料供給口９ａと水取入口１０ａが離れて位置するため、燃料電池２の形状が複雑になる。なお、その他の構成や、この燃料供給カートリッジを用いる燃料供給方法や、作用効果については、前記した第１の実施形態と同様であるため、説明は省略する。
【００２７】
前記した２つの実施形態では、ピストン１１，１２とこれらを連結する連結ロッド１３によって、燃料室９と水回収室１０の圧力を均衡させる圧力調整機構を構成しているが、このような構成に限定されるものではない。すなわち、本発明では、燃料室９内の燃料１８の減少および気体１９の膨張に対応して、水回収室１０内を負圧にすることができる機構であれば、どのような圧力調整機構を用いてもよい。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明によると、別電源を使用することなく、気体の膨張圧によって燃料電池に燃料を供給することができ、燃料供給カートリッジ内の燃料の減少に対応して気体が膨張するため、必要に応じて十分な燃料を効率よく供給することができる。それによって、発電の効率が向上する。
【００２９】
また、燃料供給カートリッジ内の燃料の減少に伴って、圧力調整機構が水回収室内を負圧にする構成であると、燃料電池より排出される水を効率よく吸引回収できる。水を外部に漏らさず燃料供給カートリッジ内に保持するため、使用者が携帯電子機器とともに身につけていても、衣服や鞄等を濡らすおそれはない。燃料の供給と連動させて水を回収できるため、別に駆動源を必要とせず、非常に効率のよい構成にでき、ひいては燃料電池装置の小型化が図れる。
【００３０】
燃料供給カートリッジの容器の少なくとも一部を透明な材料により形成すると、燃料を圧送するピストンを使用者に視認可能にして燃料の消費量を正確に検知できるようにしたり、あるいは、水を吸引するピストンを使用者に視認可能にして水の回収量を正確に検知できるようにすることができる。いずれの場合にも、燃料供給カートリッジの交換時期が的確に判断できる。これは、ピストンと燃料供給口の間には燃料のみが存在し、ピストンと水取入口の間には水のみが存在し、気体などが混入していないため、ピストンの位置と燃料の減少量または水の回収量が線形的な関係にあるからである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態の燃料電池装置の概略断面図である。
【図２】図１に示す燃料電池装置の燃料供給カートリッジを示す概略断面図である。
【図３】図１に示す燃料電池装置による燃料供給方法を説明する概略断面図である。
【図４】本発明の第２の実施形態の燃料電池装置の概略断面図である。
【図５】図４に示す燃料電池装置の燃料供給カートリッジを示す概略断面図である。
【符号の説明】
１ 燃料供給用カートリッジ
２ 燃料電池
３ 発電セル
４ 燃料供給部
４ａ 燃料吸入口
５ 水排出部
５ａ 水排出口
６ 電極
７ 大気吸入口
８ 容器
９ 燃料室
９ａ 燃料供給口
１０ 水回収室
１０ａ 水取入口
１０ｂ 大気開放口
１１，１２ ピストン
１３ 連結ロッド
１４ 貫通孔
１５ 隔壁
１６，１７ 逆止弁
１８ 燃料
１９ 気体
２０ 携帯電子機器
２０ａ 導通手段
２１ 水

Claims (9)

1. 燃料電池に供給するための燃料と気体とを封入する容器を有し、前記気体の圧力を利用して前記燃料を圧送可能な、燃料電池用の燃料供給カートリッジ。
2. 前記燃料と前記気体とを封入し、前記燃料の供給口を有する燃料室と、
   燃料電池から排出された水を収容可能であり、水の取入口を有する水回収室と、
   前記燃料室内の前記燃料の減少に応じて前記水回収室内を負圧にする圧力調整機構とを有する、請求項１に記載の燃料供給カートリッジ。
3. 前記圧力調整機構は、前記燃料室内と前記水回収室内にそれぞれ設けられている１対のピストンと、前記両ピストンが連動するようにこれらを連結する連結ロッドとを有する、請求項２に記載の燃料供給カートリッジ。
4. 前記燃料室内の前記ピストンは前記燃料室内の前記燃料と前記気体の境界に位置し、
   前記気体の圧力によって前記燃料室内の前記ピストンが前進し、前記燃料室内の前記燃料を押し出すとともに、前記連結ロッドにより連結されているもう１つの前記ピストンが連動して後退することによって、前記水回収室内の圧力が低下する、請求項３に記載の燃料供給カートリッジ。
5. 前記容器の少なくとも一部が透明な材料からなり、前記両ピストンの少なくとも一方の位置を視認して前記燃料と前記水の少なくとも一方の量を検知可能である、請求項３または４に記載の燃料供給カートリッジ。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料供給カートリッジと、前記燃料供給カートリッジが接続された燃料電池とを有する燃料電池装置。
7. 燃料電池用の燃料供給カートリッジ内の燃料を、前記燃料とともに容器内に封入されている気体の圧力を利用して圧送する、燃料電池への燃料供給方法。
8. 前記燃料供給カートリッジの燃料室内の前記燃料を、前記燃料室内に封入されている気体の圧力を利用して燃料電池に圧送すると同時に、前記燃料供給カートリッジの水回収室内を負圧にして、燃料電池から排出された水を取り入れる、請求項７に記載の燃料電池への燃料供給方法。
9. 前記気体の圧力によって前記燃料室内のピストンを前進させて前記燃料室内の前記燃料を圧送すると同時に、前記燃料室内の前記ピストンと連動する前記水回収室内のピストンを後退させて前記水回収室内を負圧にして、燃料電池から排出された水を取り入れる、請求項８に記載の燃料電池への燃料供給方法。

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