JP2004247242A - 携帯機器用電源および携帯機器 - Google Patents
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Abstract
【課題】固体高分子型の燃料電池を有する小形で大容量な携帯機器用電源を提供する。
【解決手段】水素吸蔵合金15を収納する水素貯蔵容器2と、イオン伝導性固体高分子膜12a,12bの両側に一対の触媒電極10aと11aおよび10bと11bが配置された膜電極体13a,13bを有する単セルを備え、膜電極体で水素貯蔵容器の壁の少なくとも一部を構成するように膜電極体が水素貯蔵容器に配置された燃料電池とを具備し、一対の触媒電極のうちの一方の触媒電極11a,11bのイオン伝導性固体高分子膜と反対側の面が水素貯蔵容器内部の雰囲気に曝され、他方の触媒電極10a,10bのイオン伝導性固体高分子膜と反対側の面が水素貯蔵容器外部の雰囲気に曝されるように構成した。
【選択図】 図2
【解決手段】水素吸蔵合金15を収納する水素貯蔵容器2と、イオン伝導性固体高分子膜12a,12bの両側に一対の触媒電極10aと11aおよび10bと11bが配置された膜電極体13a,13bを有する単セルを備え、膜電極体で水素貯蔵容器の壁の少なくとも一部を構成するように膜電極体が水素貯蔵容器に配置された燃料電池とを具備し、一対の触媒電極のうちの一方の触媒電極11a,11bのイオン伝導性固体高分子膜と反対側の面が水素貯蔵容器内部の雰囲気に曝され、他方の触媒電極10a,10bのイオン伝導性固体高分子膜と反対側の面が水素貯蔵容器外部の雰囲気に曝されるように構成した。
【選択図】 図2
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、携帯電話やノート型PC(パーソナルコンピュータ)などの携帯機器に用いられる、固体高分子型燃料電池を有する電源に関し、特にその小型化に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
携帯電話やノート型PCなどの携帯機器の電源としては、良く知られているように、ニッケル水素二次電池やリチウムイオン二次電池などの二次電池と充電アダプターとから成る電源システムが広く用いられている。
近年、携帯機器の高機能化に伴う消費電力の増大、携帯電話のインターネット接続、無線LANや地上波ディジタルテレビ放送などの普及による携帯機器の常時使用、駆動時間の長時間化から、従来の二次電池では容量が不足し、携帯機器の機能を充分に発揮できない恐れが出てきている。このような状況に対して、水素と空気を用いて発電する超小型の燃料電池を用いた電源が提案されている。
【0003】
従来の燃料電池を用いた携帯機器用電源の例として、燃料電池用水素供給システムでは、固体高分子型の燃料電池と、その燃料電池に供給する水素を吸蔵させるための水素吸蔵合金を収納する直方体形状の密閉可能容器と、前記密閉可能容器及び前記燃料電池間の水素流通経路に設けられ、前記密閉可能容器と前記燃料電池とを脱着可能に接続する接続部と、前記水素流通経路に設けられ、水素ガスの開閉を行う弁機構と、前記水素流通経路に設けられ、水素ガスの流量を制御する水素流量制御機構、及び/又は水素ガスの圧力を制御する水素圧力制御機構とを備えている(例えば、特許文献1参照)。
【0004】
水素と空気を用いて発電する燃料電池を用いたこのような携帯機器用電源は、現状の二次電池に比べてエネルギー密度が高く、携帯機器の高機能化や長時間駆動を可能にする。
【0005】
【特許文献1】
特開平10−064567号公報(第2−8頁、第1,15図)
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来例では、水素吸蔵合金を収納する密閉可能容器から燃料電池へ水素を送るために配管を用いており、配管のスペースを確保しなければならないため、携帯機器用電源を小形化できないという問題があった。
【0007】
本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、固体高分子型の燃料電池を有する小形で大容量な携帯機器用電源を提供することを第1の目的とする。
【0008】
また、高機能で長時間駆動が可能な携帯機器を提供することを第2の目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る携帯機器用電源は、水素吸蔵合金を収納する水素貯蔵容器と、イオン伝導性固体高分子膜の両側に一対の触媒電極が配置された膜電極体を有する単セルを備え、前記膜電極体で前記水素貯蔵容器の壁の少なくとも一部を構成するように前記膜電極体が前記水素貯蔵容器に配置された燃料電池とを具備し、前記一対の触媒電極のうちの一方の触媒電極の前記イオン伝導性固体高分子膜と反対側の面が前記水素貯蔵容器内部の雰囲気に曝され、前記一対の触媒電極のうちの他方の触媒電極の前記イオン伝導性固体高分子膜と反対側の面が前記水素貯蔵容器外部の雰囲気に曝されるように構成したものである。
【0010】
また、この発明に係る携帯機器は、上記のような携帯機器用電源を駆動源とするものである。
【0011】
【発明の実施の形態】
実施の形態1.
図1および図2は、この発明を実施するための実施の形態1による携帯機器用電源を説明するための図であり、より具体的には図1(a)は平面図、図1(b)は正面図、図2は図1(a)のA−A’線での断面図である。
【0012】
本実施の形態による携帯機器用電源は、水素を燃料として発電する固体高分子型の燃料電池と水素吸蔵合金15を収納する水素貯蔵容器2とを備えている。燃料電池は、イオン伝導性固体高分子膜12a,12bの両側に一対の触媒電極10aと11aおよび10bと11bが配置された膜電極体13a,13bを有する単セル5a,5bを備え、膜電極体13a,13bで水素貯蔵容器2の壁の一部を構成するように、膜電極体13a,13bが水素貯蔵容器2に配置されている。イオン伝導性固体高分子膜12a,12bの両側に配置された一対の触媒電極10aと11aおよび10bと11bのうちの一方の触媒電極11a,11bのイオン伝導性固体高分子膜12a,12bと反対側の面が水素貯蔵容器2内部の雰囲気に曝され、他方の触媒電極10a,10bのイオン伝導性固体高分子膜12a,12bと反対側の面が水素貯蔵容器2外部の雰囲気に曝されるように構成されている。
【0013】
本実施の形態では、水素貯蔵容器2は直方体形状の気密容器である。本実施の形態では、燃料電池は2個の単セル5aと5bが電気的に直列に接続されて燃料電池セル1を構成しており、燃料電池はこの燃料電池セル1で構成されている。
単セル5a,5bは、それぞれの触媒電極10aと11aおよび10bと11bに電気的に接続された出力端子7aと6および6と7bを有しており、出力端子(接続導体)6は触媒電極11aと10bとを接続している。
また、水素貯蔵容器2には常には閉じており水素充填時に開となる水素充填孔8が設けられている。
【0014】
さらに詳細に説明すると、燃料電池(燃料電池セル1)は、図2に示すように、基板9の上に構成された2個の単セル5a,5bからなる。本実施の形態では、膜電極体13a,13bは、イオン伝導性固体高分子膜12a,12bの両側に触媒電極10aと11aおよび10bと11bが接合された状態で形成されており、膜電極接合体となっている。
膜電極接合体13a、13bの触媒電極11a、11bのイオン伝導性固体高分子膜12a,12bと反対側の面と当接する部分、すなわち、膜電極接合体13a,13bの触媒電極11a,11bに対応する基板9の部分、にはそれぞれ孔(細孔)14a,14bが設けられており、触媒電極11a,11bのイオン伝導性固体高分子膜12a,12bと反対側の面が水素貯蔵容器2内部の雰囲気に曝されている、すなわち、触媒電極11a,11bは実質的に水素貯蔵容器2内部の雰囲気に曝されている。また、触媒電極10a,10bのイオン伝導性固体高分子膜12a,12bと反対側の面が水素貯蔵容器2外部の雰囲気に曝されている、すなわち、触媒電極10a,10bは実質的に水素貯蔵容器2外部の雰囲気に曝されている。
【0015】
膜電極接合体13aの実質的に水素貯蔵容器2外部の雰囲気に曝されている触媒電極10aと出力端子7aとは電気的に接続されており、また膜電極接合体13bの実質的に水素貯蔵容器2内部の雰囲気に曝されている触媒電極11bと出力端子7bは電気的に接続されている。膜電極接合体13aの実質的に水素貯蔵容器2の内部に曝されている触媒電極11aと膜電極接合体13bの実質的に水素貯蔵容器2の外部に曝されている触媒電極10bは接続導体6で電気的に接続されている。
【0016】
基板9は水素貯蔵容器2に固定(例えば固着)されており、膜電極接合体13a、13bは基板9に固着されている。出力端子7a,7bはそれぞれ触媒電極10a,11bに電気的および機械的に接続されると共に、基板9にも固着されている。また、接続導体6は触媒電極10bと11aに電気的および機械的に接続されている。接続導体6をさらに基板9にも固着してもよい。
【0017】
なお、基板9の材料としては、プラスチック、セラミックス、金属等を用いることができるが、導電性材料を用いる場合には、単セル5aと5bとが基板9を通じて短絡するのを防止するため、導電性材料の上に電気絶縁層を設け、電気絶縁層上に膜電極接合体13a、13bおよび出力端子7a、7b等を固定するとよい。
【0018】
次に動作について説明する。水素貯蔵容器2の水素充填孔8より水素を充填すると水素貯蔵容器2内の水素吸蔵合金15は水素を吸蔵し、水素吸蔵合金の種類に応じた平衡圧力で水素を放出する。放出された水素は、基板9の細孔14a,14bを通って触媒電極11a,11bに達する。一方、水素貯蔵容器2の外部に実質的に曝されている触媒電極10a,10bには空気中の酸素が接している。この結果、膜電極接合体13aでは触媒電極11aを基準として触媒電極10aにプラスの電圧が現れる。また膜電極接合体13bでは触媒電極11bを基準として触媒電極10bにプラスの電圧が現れる。膜電極接合体13aの触媒電極11aと膜電極接合体13bの触媒電極10bは接続導体6で電気的に接続されているため、すなわち単セル5aと5bが直列に接続されているため、出力端子7bを基準に出力端子7aにプラスの電圧が現れる。
【0019】
出力端子7a,7bに負荷が接続されていない時(携帯機器の電源が切られているとき)は燃料電池(燃料電池セル1)で水素は消費されないが、出力端子7a,7bに負荷が接続されると(携帯機器の電源が入れられると)、電流が流れて負荷に電力が供給される。発電に従って触媒電極11a,11bでは水素が消費されるが、水素吸蔵合金15が水素圧力を平衡圧力に維持するように水素を放出するため、水素吸蔵合金15に吸蔵されている水素が無くなるまで、触媒電極11a,11bには水素が供給され続け、発電が継続されて携帯機器を駆動し続けることができる。
【0020】
このように、本実施の形態によれば、水素貯蔵容器2から燃料電池(燃料電池セル1)へ水素を送る配管が無くとも燃料電池(燃料電池セル1)に水素を供給することができ、小形で大容量な携帯機用電源が得られる。
【0021】
なお、上記実施の形態では、単セルが2つの例を示したが、単セルが1つでも3つ以上の場合でも同様に構成でき、直列に接続する単セルの数で出力電圧を調整して、必要に応じて高い電圧の携帯機器用電源が得られる。これは、以下の各実施の形態においても同様である。
【0022】
また、上記実施の形態では、直方体形状の水素貯蔵容器2を示したが、角が曲線状となっているなど略直方体形状であればよい。さらに、円筒形状や楕円筒形状であってもよく、同様の効果が得られる。これは、以下の各実施の形態においても、特に断らない限り同様である。
【0023】
実施の形態2.
図3は、この発明を実施するための実施の形態2による携帯機器用電源を説明するための断面図である。
上記実施の形態1では、基板9上に膜電極接合体13a,13bが自立的に固着されている構造を示したが、図3に示すように膜電極接合体13a,13b上に押さえ板16を設置し、支持部材17を用いて膜電極接合体13a,13bを基板9と押さえ板16で押さえ込むことにより膜電極接合体13a,13bを基板9に固定してもよい。
押さえ板16の膜電極接合体13a,13bに対応する部分、すなわち、押さえ板16の触媒電極10a,10bのイオン伝導性固体高分子膜12a,12bと反対側の面に当接する部分、には孔(細孔)19a,19bが設けられており、触媒電極10a,10bが水素貯蔵容器2の外部雰囲気に実質的に曝されている、すなわち、触媒電極10a,10bのイオン伝導性固体高分子膜12a,12bと反対側の面が水素貯蔵容器2外部の雰囲気に曝されている、ように構成されている。
【0024】
なお、支持部材17は、基板9と押さえ板16間とを、所定の間隔に保った状態で固定できるものであればよく、例えばボルトとナット、両端が基板9と押さえ板16とに接合された柱状部材等が挙げられる。
【0025】
本実施の形態のように構成すると、膜電極接合体13a,13bに水素貯蔵容器2内部からかかる圧力に対して、膜電極接合体13a,13bを基板9に固定した状態で保持することが容易になる。
【0026】
また、膜電極接合体13a,13bを基板9と押さえ板16とで押さえ込むので、実施の形態1のように、イオン伝導性固体高分子膜12a,12bと触媒電極10a,11aおよび10b,11bとが必ずしもそれぞれ接合されていなくてもよい。
【0027】
実施の形態3.
図4は、この発明を実施するための実施の形態3による携帯機器用電源を説明するための断面図である。
本実施の形態では、水素貯蔵容器2は直方体形状であり、水素貯蔵容器2の対向する2つの主壁(最も面積の大きな壁)の少なくとも一部を構成するようにそれぞれ膜電極体13a,13bおよび13c,13dが水素貯蔵容器2に配置されている。
【0028】
燃料電池セル1aは、実施の形態1で示した燃料電池セル1と同様の構成を有しており、膜電極体13a,13bで直方体形状の水素貯蔵容器2の対向する一方の壁の一部を構成するように、膜電極体13a,13bが水素貯蔵容器2に配置されている。
燃料電池セル1bは、イオン伝導性固体高分子膜12c,12dの両側に一対の触媒電極10cと11cおよび10dと11dが配置された膜電極体13c,13dを有する単セル5c,5dを備え、膜電極体13c,13dで水素貯蔵容器2の対向する他方の壁の一部を構成するように、膜電極体13c,13dが水素貯蔵容器2に配置されている。イオン伝導性固体高分子膜12c,12dの両側に配置された一対の触媒電極10cと11cおよび10dと11dのうちの、一方の触媒電極11c,11dのイオン伝導性固体高分子膜12c,12dと反対側の面が水素貯蔵容器2内部の雰囲気に曝され、他方の触媒電極10c,10dのイオン伝導性固体高分子膜12c,12dと反対側の面が水素貯蔵容器2外部の雰囲気に曝されるように構成されている。
【0029】
孔14a,14bが設けられた基板9a上に形成された2個の単セル5aと5bが接続導体6aによって直列に接続されて燃料電池セル1aを構成し、孔14c,14dが設けられた基板9b上に形成された2個の単セル5cと5dが接続導体6bによって直列に接続されて燃料電池セル1bを構成しており、燃料電池は2個の燃料電池セル1aと1bで構成されている。各燃料電池セル1a,1bの出力端子7a,7bと7c,7dは、要求される出力電圧に応じて、2個の燃料電池セル1a,1bが直列あるいは並列に接続されるようにそれぞれ接続される。
【0030】
本実施の形態のように構成すると、燃料電池(燃料電池セル1aと1b)の発電面積を広く取ることが可能になり、携帯機器用電源の高出力化または更なる小型化が図れる。
【0031】
なお、図4では、各燃料電池セル1a,1bとして実施の形態1で示したのと同様に構成されたものを示したが、実施の形態2で示したのと同様に構成されたものであってもよいのは言うまでもない。
【0032】
実施の形態4.
図5は、この発明を実施するための実施の形態4による携帯機器用電源を説明するための断面図である。
本実施の形態では、触媒電極11a,11bの水素貯蔵容器2内部の雰囲気に曝される面、すなわち、触媒電極11a,11bのイオン伝導性固体高分子膜12a,12bと反対側の面、と水素貯蔵容器2内に充填されている水素吸蔵合金15との間に水素透過フィルター18を設けた。
水素透過フィルター18としては、多孔質金属やメッシュ金属、多孔質セラミックス、多孔質プラスチック、繊維状フィルターなどを用いることができる。
【0033】
このような構成にすると、水素吸蔵合金15が水素の吸放出により微粉化しても触媒電極11a,11bに接触することが無く、触媒電極11a,11bの被毒や逆に水素吸蔵合金15の被毒などが阻止され、発電特性や水素吸蔵特性の劣化を防止することができる。その結果、信頼性の高い携帯機器用電源が得られる。
【0034】
さらに、水素透過フィルター18として、より好ましいのは、水素のみを透過するパラジウム系薄膜などであり、このようなパラジウム系薄膜などを用いれば、上記の効果に加えて、水素貯蔵容器2の外部から膜電極接合体13a,13bを逆浸透して水素貯蔵容器2の内部に侵入する水素以外のガス状異物も水素透過フィルター18で遮蔽されるため、ガス状異物による水素吸蔵合金15の被毒が防止できる。
【0035】
なお、図5では、実施の形態1で説明した携帯機器用電源に水素透過フィルター18を設けた場合について示したが、実施の形態2や3で説明した携帯機器用電源に水素透過フィルター18を設けてもよく、同様の効果が得られるのは言うまでもない。
【0036】
実施の形態5.
図6は、この発明を実施するための実施の形態5による携帯機器用電源を説明するための断面図である。
上記実施の形態1では、膜電極接合体(膜電極体)13a,13bで水素貯蔵容器2の壁の少なくとも一部を構成するように膜電極体13a,13bを水素貯蔵容器2に配置するのに、基板9に対して水素貯蔵容器2の外側に膜電極接合体13a,13bが位置するように配置しているが、本実施の形態では、図6に示すように、基板9に対して水素貯蔵容器2の内側に膜電極接合体13a,13bが位置するように配置している。
【0037】
イオン伝導性固体高分子膜12a,12bの両側に配置された一対の触媒電極10aと11aおよび10bと11bのうちの、一方の触媒電極11a,11bのイオン伝導性固体高分子膜12a,12bと反対側の面が水素貯蔵容器2内部の雰囲気に曝され、他方の触媒電極10a,10bのイオン伝導性固体高分子膜12a,12bと反対側の面が基板9の孔14a,14bを通して水素貯蔵容器2外部の雰囲気に曝されるように構成されている。
【0038】
このように構成すると、膜電極接合体13a,13bにかかる水素貯蔵容器2内の圧力が基板9で支えられるため、膜電極接合体13a,13bを保持することが容易になる。
【0039】
なお、この構成においては、水素貯蔵容器2内に配置されている、すなわち、水素貯蔵容器2内部の雰囲気に曝されている、燃料電池セル1の各構成物の表面は電気的に絶縁しておくことが好ましく、触媒電極11a,11bのイオン伝導性固体高分子膜12a,12bと反対側の面には、水素が通過できるように通気性を有する電気絶縁体、すなわち、上記実施の形態4で説明した水素透過フィルター18のうちの電気絶縁性のものを配置してもよい。
【0040】
なお、図6では、燃料電池セル1として実施の形態1で示したのと同様に構成されたものを示したが、実施の形態2で示したのと同様に構成されたものであってもよく、また、実施の形態3で説明したように、水素貯蔵容器2の対向する2つの壁に配置してもよい。
【0041】
なお、本発明は、固体高分子型の燃料電池と二次電池またはキャパシタとを組み合せたハイブリッドタイプの携帯機器用電源にも適用することができ、同様の効果が得られる。
【0042】
なお、上記各実施の形態に示したような、本発明による携帯機器用電源は、ノート型PC、携帯電話、携帯情報端末、携帯通信機器、携帯オーディオ機器、ディジタルカメラ、ビデオカメラなど、さらには、ポータブルなプリンターやファクス、扇風機、保温保冷庫、アイロン、ポット、掃除機、炊飯器、電磁調理器、照明器具、ゲーム機やラジコンカーなどの玩具、電動工具など様々な携帯機器に使用でき、上記各実施の形態で説明したような小形で大容量の携帯機器用電源を搭載することにより、高機能で長時間駆動が可能な携帯機器が得られる。
【0043】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、水素吸蔵合金を収納する水素貯蔵容器と、イオン伝導性固体高分子膜の両側に一対の触媒電極が配置された膜電極体を有する単セルを備え、前記膜電極体で前記水素貯蔵容器の壁の少なくとも一部を構成するように前記膜電極体が前記水素貯蔵容器に配置された燃料電池とを具備し、前記一対の触媒電極のうちの一方の触媒電極の前記イオン伝導性固体高分子膜と反対側の面が前記水素貯蔵容器内部の雰囲気に曝され、前記一対の触媒電極のうちの他方の触媒電極の前記イオン伝導性固体高分子膜と反対側の面が前記水素貯蔵容器外部の雰囲気に曝されるように構成したので、小形で大容量な携帯機器用電源が得られる効果がある。
【0044】
また、上記のような携帯機器用電源を駆動源とすることにより、高機能で長時間駆動が可能な携帯機器が得られる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施の形態1による携帯機器用電源を説明するための図であり、(a)は平面図、(b)は正面図である。
【図2】実施の形態1による携帯機器用電源を説明するための図であり、図1(a)のA−A’線での断面図である。
【図3】実施の形態2による携帯機器用電源を説明するための断面図である。
【図4】実施の形態3による携帯機器用電源を説明するための断面図である。
【図5】実施の形態4による携帯機器用電源を説明するための断面図である。
【図6】実施の形態5による携帯機器用電源を説明するための断面図である。
【符号の説明】
1,1a,1b 燃料電池セル、2 水素貯蔵容器、5a〜5d 単セル、6,6a,6b 接続導体、7a〜7d 出力端子、 8 水素充填孔、9,9a,9b 基板、10a〜10d、11a〜11d 触媒電極、12a〜12d イオン伝導性固体高分子膜、13a〜13d 膜電極接合体、14a〜14d,19a,19b 孔、15 水素吸蔵合金、 18 水素透過フィルター。
【発明の属する技術分野】
この発明は、携帯電話やノート型PC(パーソナルコンピュータ)などの携帯機器に用いられる、固体高分子型燃料電池を有する電源に関し、特にその小型化に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
携帯電話やノート型PCなどの携帯機器の電源としては、良く知られているように、ニッケル水素二次電池やリチウムイオン二次電池などの二次電池と充電アダプターとから成る電源システムが広く用いられている。
近年、携帯機器の高機能化に伴う消費電力の増大、携帯電話のインターネット接続、無線LANや地上波ディジタルテレビ放送などの普及による携帯機器の常時使用、駆動時間の長時間化から、従来の二次電池では容量が不足し、携帯機器の機能を充分に発揮できない恐れが出てきている。このような状況に対して、水素と空気を用いて発電する超小型の燃料電池を用いた電源が提案されている。
【0003】
従来の燃料電池を用いた携帯機器用電源の例として、燃料電池用水素供給システムでは、固体高分子型の燃料電池と、その燃料電池に供給する水素を吸蔵させるための水素吸蔵合金を収納する直方体形状の密閉可能容器と、前記密閉可能容器及び前記燃料電池間の水素流通経路に設けられ、前記密閉可能容器と前記燃料電池とを脱着可能に接続する接続部と、前記水素流通経路に設けられ、水素ガスの開閉を行う弁機構と、前記水素流通経路に設けられ、水素ガスの流量を制御する水素流量制御機構、及び/又は水素ガスの圧力を制御する水素圧力制御機構とを備えている(例えば、特許文献1参照)。
【0004】
水素と空気を用いて発電する燃料電池を用いたこのような携帯機器用電源は、現状の二次電池に比べてエネルギー密度が高く、携帯機器の高機能化や長時間駆動を可能にする。
【0005】
【特許文献1】
特開平10−064567号公報(第2−8頁、第1,15図)
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来例では、水素吸蔵合金を収納する密閉可能容器から燃料電池へ水素を送るために配管を用いており、配管のスペースを確保しなければならないため、携帯機器用電源を小形化できないという問題があった。
【0007】
本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、固体高分子型の燃料電池を有する小形で大容量な携帯機器用電源を提供することを第1の目的とする。
【0008】
また、高機能で長時間駆動が可能な携帯機器を提供することを第2の目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る携帯機器用電源は、水素吸蔵合金を収納する水素貯蔵容器と、イオン伝導性固体高分子膜の両側に一対の触媒電極が配置された膜電極体を有する単セルを備え、前記膜電極体で前記水素貯蔵容器の壁の少なくとも一部を構成するように前記膜電極体が前記水素貯蔵容器に配置された燃料電池とを具備し、前記一対の触媒電極のうちの一方の触媒電極の前記イオン伝導性固体高分子膜と反対側の面が前記水素貯蔵容器内部の雰囲気に曝され、前記一対の触媒電極のうちの他方の触媒電極の前記イオン伝導性固体高分子膜と反対側の面が前記水素貯蔵容器外部の雰囲気に曝されるように構成したものである。
【0010】
また、この発明に係る携帯機器は、上記のような携帯機器用電源を駆動源とするものである。
【0011】
【発明の実施の形態】
実施の形態1.
図1および図2は、この発明を実施するための実施の形態1による携帯機器用電源を説明するための図であり、より具体的には図1(a)は平面図、図1(b)は正面図、図2は図1(a)のA−A’線での断面図である。
【0012】
本実施の形態による携帯機器用電源は、水素を燃料として発電する固体高分子型の燃料電池と水素吸蔵合金15を収納する水素貯蔵容器2とを備えている。燃料電池は、イオン伝導性固体高分子膜12a,12bの両側に一対の触媒電極10aと11aおよび10bと11bが配置された膜電極体13a,13bを有する単セル5a,5bを備え、膜電極体13a,13bで水素貯蔵容器2の壁の一部を構成するように、膜電極体13a,13bが水素貯蔵容器2に配置されている。イオン伝導性固体高分子膜12a,12bの両側に配置された一対の触媒電極10aと11aおよび10bと11bのうちの一方の触媒電極11a,11bのイオン伝導性固体高分子膜12a,12bと反対側の面が水素貯蔵容器2内部の雰囲気に曝され、他方の触媒電極10a,10bのイオン伝導性固体高分子膜12a,12bと反対側の面が水素貯蔵容器2外部の雰囲気に曝されるように構成されている。
【0013】
本実施の形態では、水素貯蔵容器2は直方体形状の気密容器である。本実施の形態では、燃料電池は2個の単セル5aと5bが電気的に直列に接続されて燃料電池セル1を構成しており、燃料電池はこの燃料電池セル1で構成されている。
単セル5a,5bは、それぞれの触媒電極10aと11aおよび10bと11bに電気的に接続された出力端子7aと6および6と7bを有しており、出力端子(接続導体)6は触媒電極11aと10bとを接続している。
また、水素貯蔵容器2には常には閉じており水素充填時に開となる水素充填孔8が設けられている。
【0014】
さらに詳細に説明すると、燃料電池(燃料電池セル1)は、図2に示すように、基板9の上に構成された2個の単セル5a,5bからなる。本実施の形態では、膜電極体13a,13bは、イオン伝導性固体高分子膜12a,12bの両側に触媒電極10aと11aおよび10bと11bが接合された状態で形成されており、膜電極接合体となっている。
膜電極接合体13a、13bの触媒電極11a、11bのイオン伝導性固体高分子膜12a,12bと反対側の面と当接する部分、すなわち、膜電極接合体13a,13bの触媒電極11a,11bに対応する基板9の部分、にはそれぞれ孔(細孔)14a,14bが設けられており、触媒電極11a,11bのイオン伝導性固体高分子膜12a,12bと反対側の面が水素貯蔵容器2内部の雰囲気に曝されている、すなわち、触媒電極11a,11bは実質的に水素貯蔵容器2内部の雰囲気に曝されている。また、触媒電極10a,10bのイオン伝導性固体高分子膜12a,12bと反対側の面が水素貯蔵容器2外部の雰囲気に曝されている、すなわち、触媒電極10a,10bは実質的に水素貯蔵容器2外部の雰囲気に曝されている。
【0015】
膜電極接合体13aの実質的に水素貯蔵容器2外部の雰囲気に曝されている触媒電極10aと出力端子7aとは電気的に接続されており、また膜電極接合体13bの実質的に水素貯蔵容器2内部の雰囲気に曝されている触媒電極11bと出力端子7bは電気的に接続されている。膜電極接合体13aの実質的に水素貯蔵容器2の内部に曝されている触媒電極11aと膜電極接合体13bの実質的に水素貯蔵容器2の外部に曝されている触媒電極10bは接続導体6で電気的に接続されている。
【0016】
基板9は水素貯蔵容器2に固定(例えば固着)されており、膜電極接合体13a、13bは基板9に固着されている。出力端子7a,7bはそれぞれ触媒電極10a,11bに電気的および機械的に接続されると共に、基板9にも固着されている。また、接続導体6は触媒電極10bと11aに電気的および機械的に接続されている。接続導体6をさらに基板9にも固着してもよい。
【0017】
なお、基板9の材料としては、プラスチック、セラミックス、金属等を用いることができるが、導電性材料を用いる場合には、単セル5aと5bとが基板9を通じて短絡するのを防止するため、導電性材料の上に電気絶縁層を設け、電気絶縁層上に膜電極接合体13a、13bおよび出力端子7a、7b等を固定するとよい。
【0018】
次に動作について説明する。水素貯蔵容器2の水素充填孔8より水素を充填すると水素貯蔵容器2内の水素吸蔵合金15は水素を吸蔵し、水素吸蔵合金の種類に応じた平衡圧力で水素を放出する。放出された水素は、基板9の細孔14a,14bを通って触媒電極11a,11bに達する。一方、水素貯蔵容器2の外部に実質的に曝されている触媒電極10a,10bには空気中の酸素が接している。この結果、膜電極接合体13aでは触媒電極11aを基準として触媒電極10aにプラスの電圧が現れる。また膜電極接合体13bでは触媒電極11bを基準として触媒電極10bにプラスの電圧が現れる。膜電極接合体13aの触媒電極11aと膜電極接合体13bの触媒電極10bは接続導体6で電気的に接続されているため、すなわち単セル5aと5bが直列に接続されているため、出力端子7bを基準に出力端子7aにプラスの電圧が現れる。
【0019】
出力端子7a,7bに負荷が接続されていない時(携帯機器の電源が切られているとき)は燃料電池(燃料電池セル1)で水素は消費されないが、出力端子7a,7bに負荷が接続されると(携帯機器の電源が入れられると)、電流が流れて負荷に電力が供給される。発電に従って触媒電極11a,11bでは水素が消費されるが、水素吸蔵合金15が水素圧力を平衡圧力に維持するように水素を放出するため、水素吸蔵合金15に吸蔵されている水素が無くなるまで、触媒電極11a,11bには水素が供給され続け、発電が継続されて携帯機器を駆動し続けることができる。
【0020】
このように、本実施の形態によれば、水素貯蔵容器2から燃料電池(燃料電池セル1)へ水素を送る配管が無くとも燃料電池(燃料電池セル1)に水素を供給することができ、小形で大容量な携帯機用電源が得られる。
【0021】
なお、上記実施の形態では、単セルが2つの例を示したが、単セルが1つでも3つ以上の場合でも同様に構成でき、直列に接続する単セルの数で出力電圧を調整して、必要に応じて高い電圧の携帯機器用電源が得られる。これは、以下の各実施の形態においても同様である。
【0022】
また、上記実施の形態では、直方体形状の水素貯蔵容器2を示したが、角が曲線状となっているなど略直方体形状であればよい。さらに、円筒形状や楕円筒形状であってもよく、同様の効果が得られる。これは、以下の各実施の形態においても、特に断らない限り同様である。
【0023】
実施の形態2.
図3は、この発明を実施するための実施の形態2による携帯機器用電源を説明するための断面図である。
上記実施の形態1では、基板9上に膜電極接合体13a,13bが自立的に固着されている構造を示したが、図3に示すように膜電極接合体13a,13b上に押さえ板16を設置し、支持部材17を用いて膜電極接合体13a,13bを基板9と押さえ板16で押さえ込むことにより膜電極接合体13a,13bを基板9に固定してもよい。
押さえ板16の膜電極接合体13a,13bに対応する部分、すなわち、押さえ板16の触媒電極10a,10bのイオン伝導性固体高分子膜12a,12bと反対側の面に当接する部分、には孔(細孔)19a,19bが設けられており、触媒電極10a,10bが水素貯蔵容器2の外部雰囲気に実質的に曝されている、すなわち、触媒電極10a,10bのイオン伝導性固体高分子膜12a,12bと反対側の面が水素貯蔵容器2外部の雰囲気に曝されている、ように構成されている。
【0024】
なお、支持部材17は、基板9と押さえ板16間とを、所定の間隔に保った状態で固定できるものであればよく、例えばボルトとナット、両端が基板9と押さえ板16とに接合された柱状部材等が挙げられる。
【0025】
本実施の形態のように構成すると、膜電極接合体13a,13bに水素貯蔵容器2内部からかかる圧力に対して、膜電極接合体13a,13bを基板9に固定した状態で保持することが容易になる。
【0026】
また、膜電極接合体13a,13bを基板9と押さえ板16とで押さえ込むので、実施の形態1のように、イオン伝導性固体高分子膜12a,12bと触媒電極10a,11aおよび10b,11bとが必ずしもそれぞれ接合されていなくてもよい。
【0027】
実施の形態3.
図4は、この発明を実施するための実施の形態3による携帯機器用電源を説明するための断面図である。
本実施の形態では、水素貯蔵容器2は直方体形状であり、水素貯蔵容器2の対向する2つの主壁(最も面積の大きな壁)の少なくとも一部を構成するようにそれぞれ膜電極体13a,13bおよび13c,13dが水素貯蔵容器2に配置されている。
【0028】
燃料電池セル1aは、実施の形態1で示した燃料電池セル1と同様の構成を有しており、膜電極体13a,13bで直方体形状の水素貯蔵容器2の対向する一方の壁の一部を構成するように、膜電極体13a,13bが水素貯蔵容器2に配置されている。
燃料電池セル1bは、イオン伝導性固体高分子膜12c,12dの両側に一対の触媒電極10cと11cおよび10dと11dが配置された膜電極体13c,13dを有する単セル5c,5dを備え、膜電極体13c,13dで水素貯蔵容器2の対向する他方の壁の一部を構成するように、膜電極体13c,13dが水素貯蔵容器2に配置されている。イオン伝導性固体高分子膜12c,12dの両側に配置された一対の触媒電極10cと11cおよび10dと11dのうちの、一方の触媒電極11c,11dのイオン伝導性固体高分子膜12c,12dと反対側の面が水素貯蔵容器2内部の雰囲気に曝され、他方の触媒電極10c,10dのイオン伝導性固体高分子膜12c,12dと反対側の面が水素貯蔵容器2外部の雰囲気に曝されるように構成されている。
【0029】
孔14a,14bが設けられた基板9a上に形成された2個の単セル5aと5bが接続導体6aによって直列に接続されて燃料電池セル1aを構成し、孔14c,14dが設けられた基板9b上に形成された2個の単セル5cと5dが接続導体6bによって直列に接続されて燃料電池セル1bを構成しており、燃料電池は2個の燃料電池セル1aと1bで構成されている。各燃料電池セル1a,1bの出力端子7a,7bと7c,7dは、要求される出力電圧に応じて、2個の燃料電池セル1a,1bが直列あるいは並列に接続されるようにそれぞれ接続される。
【0030】
本実施の形態のように構成すると、燃料電池(燃料電池セル1aと1b)の発電面積を広く取ることが可能になり、携帯機器用電源の高出力化または更なる小型化が図れる。
【0031】
なお、図4では、各燃料電池セル1a,1bとして実施の形態1で示したのと同様に構成されたものを示したが、実施の形態2で示したのと同様に構成されたものであってもよいのは言うまでもない。
【0032】
実施の形態4.
図5は、この発明を実施するための実施の形態4による携帯機器用電源を説明するための断面図である。
本実施の形態では、触媒電極11a,11bの水素貯蔵容器2内部の雰囲気に曝される面、すなわち、触媒電極11a,11bのイオン伝導性固体高分子膜12a,12bと反対側の面、と水素貯蔵容器2内に充填されている水素吸蔵合金15との間に水素透過フィルター18を設けた。
水素透過フィルター18としては、多孔質金属やメッシュ金属、多孔質セラミックス、多孔質プラスチック、繊維状フィルターなどを用いることができる。
【0033】
このような構成にすると、水素吸蔵合金15が水素の吸放出により微粉化しても触媒電極11a,11bに接触することが無く、触媒電極11a,11bの被毒や逆に水素吸蔵合金15の被毒などが阻止され、発電特性や水素吸蔵特性の劣化を防止することができる。その結果、信頼性の高い携帯機器用電源が得られる。
【0034】
さらに、水素透過フィルター18として、より好ましいのは、水素のみを透過するパラジウム系薄膜などであり、このようなパラジウム系薄膜などを用いれば、上記の効果に加えて、水素貯蔵容器2の外部から膜電極接合体13a,13bを逆浸透して水素貯蔵容器2の内部に侵入する水素以外のガス状異物も水素透過フィルター18で遮蔽されるため、ガス状異物による水素吸蔵合金15の被毒が防止できる。
【0035】
なお、図5では、実施の形態1で説明した携帯機器用電源に水素透過フィルター18を設けた場合について示したが、実施の形態2や3で説明した携帯機器用電源に水素透過フィルター18を設けてもよく、同様の効果が得られるのは言うまでもない。
【0036】
実施の形態5.
図6は、この発明を実施するための実施の形態5による携帯機器用電源を説明するための断面図である。
上記実施の形態1では、膜電極接合体(膜電極体)13a,13bで水素貯蔵容器2の壁の少なくとも一部を構成するように膜電極体13a,13bを水素貯蔵容器2に配置するのに、基板9に対して水素貯蔵容器2の外側に膜電極接合体13a,13bが位置するように配置しているが、本実施の形態では、図6に示すように、基板9に対して水素貯蔵容器2の内側に膜電極接合体13a,13bが位置するように配置している。
【0037】
イオン伝導性固体高分子膜12a,12bの両側に配置された一対の触媒電極10aと11aおよび10bと11bのうちの、一方の触媒電極11a,11bのイオン伝導性固体高分子膜12a,12bと反対側の面が水素貯蔵容器2内部の雰囲気に曝され、他方の触媒電極10a,10bのイオン伝導性固体高分子膜12a,12bと反対側の面が基板9の孔14a,14bを通して水素貯蔵容器2外部の雰囲気に曝されるように構成されている。
【0038】
このように構成すると、膜電極接合体13a,13bにかかる水素貯蔵容器2内の圧力が基板9で支えられるため、膜電極接合体13a,13bを保持することが容易になる。
【0039】
なお、この構成においては、水素貯蔵容器2内に配置されている、すなわち、水素貯蔵容器2内部の雰囲気に曝されている、燃料電池セル1の各構成物の表面は電気的に絶縁しておくことが好ましく、触媒電極11a,11bのイオン伝導性固体高分子膜12a,12bと反対側の面には、水素が通過できるように通気性を有する電気絶縁体、すなわち、上記実施の形態4で説明した水素透過フィルター18のうちの電気絶縁性のものを配置してもよい。
【0040】
なお、図6では、燃料電池セル1として実施の形態1で示したのと同様に構成されたものを示したが、実施の形態2で示したのと同様に構成されたものであってもよく、また、実施の形態3で説明したように、水素貯蔵容器2の対向する2つの壁に配置してもよい。
【0041】
なお、本発明は、固体高分子型の燃料電池と二次電池またはキャパシタとを組み合せたハイブリッドタイプの携帯機器用電源にも適用することができ、同様の効果が得られる。
【0042】
なお、上記各実施の形態に示したような、本発明による携帯機器用電源は、ノート型PC、携帯電話、携帯情報端末、携帯通信機器、携帯オーディオ機器、ディジタルカメラ、ビデオカメラなど、さらには、ポータブルなプリンターやファクス、扇風機、保温保冷庫、アイロン、ポット、掃除機、炊飯器、電磁調理器、照明器具、ゲーム機やラジコンカーなどの玩具、電動工具など様々な携帯機器に使用でき、上記各実施の形態で説明したような小形で大容量の携帯機器用電源を搭載することにより、高機能で長時間駆動が可能な携帯機器が得られる。
【0043】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、水素吸蔵合金を収納する水素貯蔵容器と、イオン伝導性固体高分子膜の両側に一対の触媒電極が配置された膜電極体を有する単セルを備え、前記膜電極体で前記水素貯蔵容器の壁の少なくとも一部を構成するように前記膜電極体が前記水素貯蔵容器に配置された燃料電池とを具備し、前記一対の触媒電極のうちの一方の触媒電極の前記イオン伝導性固体高分子膜と反対側の面が前記水素貯蔵容器内部の雰囲気に曝され、前記一対の触媒電極のうちの他方の触媒電極の前記イオン伝導性固体高分子膜と反対側の面が前記水素貯蔵容器外部の雰囲気に曝されるように構成したので、小形で大容量な携帯機器用電源が得られる効果がある。
【0044】
また、上記のような携帯機器用電源を駆動源とすることにより、高機能で長時間駆動が可能な携帯機器が得られる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施の形態1による携帯機器用電源を説明するための図であり、(a)は平面図、(b)は正面図である。
【図2】実施の形態1による携帯機器用電源を説明するための図であり、図1(a)のA−A’線での断面図である。
【図3】実施の形態2による携帯機器用電源を説明するための断面図である。
【図4】実施の形態3による携帯機器用電源を説明するための断面図である。
【図5】実施の形態4による携帯機器用電源を説明するための断面図である。
【図6】実施の形態5による携帯機器用電源を説明するための断面図である。
【符号の説明】
1,1a,1b 燃料電池セル、2 水素貯蔵容器、5a〜5d 単セル、6,6a,6b 接続導体、7a〜7d 出力端子、 8 水素充填孔、9,9a,9b 基板、10a〜10d、11a〜11d 触媒電極、12a〜12d イオン伝導性固体高分子膜、13a〜13d 膜電極接合体、14a〜14d,19a,19b 孔、15 水素吸蔵合金、 18 水素透過フィルター。
Claims (5)
- 水素吸蔵合金を収納する水素貯蔵容器と、イオン伝導性固体高分子膜の両側に一対の触媒電極が配置された膜電極体を有する単セルを備え、前記膜電極体で前記水素貯蔵容器の壁の少なくとも一部を構成するように前記膜電極体が前記水素貯蔵容器に配置された燃料電池とを具備し、前記一対の触媒電極のうちの一方の触媒電極の前記イオン伝導性固体高分子膜と反対側の面が前記水素貯蔵容器内部の雰囲気に曝され、前記一対の触媒電極のうちの他方の触媒電極の前記イオン伝導性固体高分子膜と反対側の面が前記水素貯蔵容器外部の雰囲気に曝されるように構成したことを特徴とする携帯機器用電源。
- 燃料電池は前記単セルを複数個備え、前記各単セルは電気的に直列に接続されていることを特徴とする請求項1記載の携帯機器用電源。
- 前記水素貯蔵容器は直方体形状であり、前記水素貯蔵容器の対向する2つの壁の少なくとも一部を構成するようにそれぞれ前記膜電極体が前記水素貯蔵容器に配置されていることを特徴とする請求項1または2記載の携帯機器用電源。
- 前記触媒電極の水素貯蔵容器内部の雰囲気に曝される面と前記水素吸蔵合金との間に水素透過フィルターを設けたことを特徴とする請求項1ないし3の何れかに記載の携帯機器用電源。
- 請求項1ないし4の何れかに記載の携帯機器用電源を駆動源としたことを特徴とする携帯機器。
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JP2012059413A (ja) * | 2010-09-06 | 2012-03-22 | Konica Minolta Holdings Inc | 燃料電池 |
-
2003
- 2003-02-17 JP JP2003038112A patent/JP2004247242A/ja active Pending
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