JP2004520688A - 電子機器、特に携帯用機器に電力供給するための燃料電池 - Google Patents

Abstract

本発明は、アノード（１２）とカソード（１０）とを含む型であって、それらの間に電解質（１８）が配置されている、燃料電池（２）に関する。水素を貯蔵する、燃焼により分解し得る固体物体（２０）は、焦性技術手段（２４、２６）により水素を放出し、該水素がアノード（１２）と接触する。手段（３８）は周囲の空気を取り込み、その空気をカソード（１０）と接触させる。焦性技術手段（２４、２６）の点火は、機器（２）の中に組み込まれた指示手段（２８）により制御される。水素と酸素との交換により形成された余剰水は、前記物体（２０）の燃焼によって起こる温度上昇により消散する。前記固体物体（２０）は交換可能なカード（２２）により支持されている。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の背景】
本発明は、自律型の電力供給装置に関する。本発明の目的は、携帯電話等の携帯用電子機器や電子記憶装置を備えた装置等に用いられる消耗型装置を提供することである。
【０００２】
より詳しくは、本発明は、燃料電池を含んでなる、携帯用電子機器用に設計された消耗型電力供給装置であって、前記燃料電池が、アノードとカソードとの間に配置された電解質と、水素貯蔵手段と、貯蔵された前記水素を前記アノードに搬送する手段と、周囲の空気を取り入れ、その取り入れた空気を前記カソードに接触させる手段と、前記水素の放出を制御する手段と、前記電池で生成された余剰の水を消散させる手段とを含んでなる、消耗型電力供給装置に関する。
【０００３】
【従来技術】
携帯用電子機器を設計する者の目的の一つとして、特にこれら機器の移動や取り扱いが容易にできるよう、軽量かつ小型化することがある。本目的では、再充電可能なバッテリーにより構成される電源手段が有している、通常は比較的重くて大きいという問題を特に考慮しなければならない。実際、電子機器を長時間自律稼働させるには、これらの電源手段の大きさや重量が増加するのは明らかである。このため設計者らは、電子機器の自律稼働時間と、バッテリーの大きさや重量との間で妥協点を見出す必要に迫られている。使用者を束縛するバッテリーの再充電時間も考慮して妥協点を見出す必要があることにも注意すべきである。
【０００４】
そのため、従来、設計者らは、小型軽量でかつ自律稼働時間ができるだけ長いようなリチウムバッテリー等のバッテリーに努力を集中させる傾向があった。しかしながら、バッテリーの充電には長時間を要し、着脱可能な付属品ないしは充電器を使用する必要があるため、使用者は、充電するのにこの付属品を身近に置いておかなければならず、さらに制約が課されることになる。
【０００５】
上記の問題に対する解決方法として、非充電式バッテリー等の消耗型電源手段を有する携帯用電子機器が提案されている。しかしながら、この解決方法においては、電子機器の稼働コストが高くなりすぎるという欠点がある。さらに、毒性の材料を含有するこれらの手段を使い捨てにすることにより、あらぬ廃棄物処理コストも生じる。
【０００６】
さらに、電力を自律生産する燃料電池も知られている。該燃料電池は、電極（アノードおよびカソード）が、水素の形態である燃料と接触し、電解質により該燃料が酸素の形態にある燃焼剤と接触する。この燃料電池においては使用する水素を準備することが問題となる。第一の提案された方法においては、燃料電池を水の電気分解によって機能させることにより、作動に必要な水素と酸素とを得るものである。他の方法としては、ガスやメタノールのプラズマ分解により水素を形成するものである。携帯用電子機器では、水の貯蔵部を組み込むのが困難であるため、あるいは水素の発生手段ないし貯蔵手段を携帯用電子機器に組み込むことができないために、電源として使用するのが困難である。
【０００７】
欧州特許出願公開ＥＰ−Ａ−７８８，１７２号および英国特許出願公開ＧＢ−Ａ−２，１６４，６３７号明細書においては、水素貯蔵素子として金属水素化物の使用が開示されている。
【０００８】
【発明の目的】
本発明の一般的な目的は、携帯用電子機器の電力供給手段の大きさと重量とに関する上記の問題に対する解決策を提案することにある。
【０００９】
本目的は、請求項１に記載の装置により達成される。
【００１０】
この一般的な目的の他に、本発明の第一の態様から出発して、本発明はより具体的には下記の目的を有する。
ａ）電子機器への電力供給用自律型装置であって、電子機器への電力供給時間が実用的範囲内であるような自律型装置を提案すること、
ｂ）電子機器に電力を供給するための、軽量、小型で、かつ廃棄物として容易に処理できる消耗型手段を提案すること、
ｃ）電子機器への組み込みに適し、かつ電子機器への使用に適した構造を有する燃料電池を提案すること、
である。
【００１１】
本発明における解決方法として、一般的には、組み込んだ燃料電池から電力を発生させること、特に、携帯用電子機器に電力を供給することを提案するものである。本発明が提案する燃料電池は、燃焼により分解し得る固体材料から製造された少なくとも一個の物体中に水素が貯蔵され、酸素は周囲の空気から、この空気を取り入れる手段により採取するという特徴を含むものである。
【００１２】
固体材料を燃焼させて分解する焦性技術手段により、該水素を放出させることができる。これらの焦性技術手段は、それを実行するための制御手段と連動していることに留意すべきである。
【００１３】
本発明の別の態様においては、焦性技術手段に含まれる各点火手段に接続された、それぞれが独立した複数の固体物体を有することが好ましい。これらの固体物体は、装置中の全含有水素量が、異なった固体物体の個々の燃焼により進行的に放出されるように配置されている。本発明のこの態様においては、前記制御手段は、特に、活性化手段と連動した前記点火手段に、指示する手段を含んでなる。前記活性化手段は、電子機器の使用電力量を測定する手段により制御されるのが有利である。電子機器への電力供給は、最小有効電力閾値が検出された時、および／または電子機器により行われるべき操作が電力供給を必要とする時に行われる。
【００１４】
前記の複数の固体物体は、それぞれが同量のまたは個々の量の水素を含有しうることが好ましい。後者の場合、該指示手段（電子機器の使用電力量を測定する手段により制御されるのが有利である）が命令した個々の物体の燃焼により、要求通りの正確な量の水素を供給できるので有利である。
【００１５】
水素と酸素との間の電気化学的反応において形成される必要以上の残留水は、再吸収手段により処理される。該再吸収手段は、上記の焦性技術手段を含んでなるのが有利であり、温度上昇により、生成した水を蒸発させる。該再吸収手段は、必要であれば、多孔質ないし気泡状の物体のような、生成した水を吸収する手段を付属的に完備していてもよいことに留意すべきである。このように、本発明の装置により、燃焼セルの運転において残留水を自発的に使用し、残留水の余剰分を消散させることができる。この自発的な使用によって、特に電極と電解質とを湿潤環境下で保持することができ、過度の温度上昇から電子機器を保護することができる。これらの装置により、本発明の燃焼セルの効率が向上することにも注意すべきである。
【００１６】
周囲の空気を取り込む手段は、酸素室（その壁の一つは少なくとも部分的にカソードにより形成されている）を通して、例えば、吸引および／または排出することにより、装置の周囲に空気の流れを引き起こす手段であるのが好ましい。これらの機構により、カソードが、周囲の空気、より詳しくは空気中に含まれる酸素と接触する。
【００１７】
空気の取り込み手段が、周囲空気を流動させる手段である実施態様においては、装置から水を除去する手段、および／または補助的な上記吸収手段に、蒸発したまたは蒸発していない水を送るための流れを起こさせるには、周囲空気を流動させる手段が、さらに上記の水再吸収手段の少なくとも一部を構成することが有利である。また、周囲空気を流動させる前記手段により、好ましくない温度上昇を回避することができる。
【００１８】
水素を含有する固体物体は、少なくとも一個の室の内側に部分的に格納される。複数の固体物体を備える好ましい実施態様においては、該固体物体は、様々な変形に応じて、個々のないし全体的な室に格納されるが、各固体物体が含有する水素量に応じた各群において格納してもよい。この室は、放出水素用の膨脹室（その壁の一つは少なくとも部分的にアノードにより形成されている）の中へ開放されている。
【００１９】
アノードとカソードとの間のプロトン交換は、これらの２つの電極間に配置された電解質により行われる。これらの電極は、電力供給される電子機器の複数接続手段と接続するよう形成されている。電子機器は、種々の実施態様に応じて、供給された電力を直接使用するか、または燃料電池により供給された電力を貯蔵するためのバッファー手段を備えており、電子機器の電力使用を調整することができる。該バッファー手段は、特に燃料電池と、該燃料電池が給電する電子機器の電子手段との間に配置される。前記バッファー手段を備える場合は、当該手段のバッファー電力貯蔵容量は、それ自体、従来の携帯用電子機器が装備する類似の手段よりも低いということを理解しなければならない。
【００２０】
これらのバッファー電力貯蔵手段を、機器の使用電力量を測定する上記手段に連動させるのが有利であることに注意すべきである。
【００２１】
本発明の一般的な構造上の定義に戻り、本発明が提案する装置は、携帯用電子機器に電力を供給するための消耗型装置である。該装置は、主として、
ａ）少なくとも一個のアノードおよび少なくとも一個のカソード（アノードとカソードの間に、各対毎に割り当てられた電解質が配置されている）と、
ｂ）水素を貯蔵する、燃焼により分解し得る少なくとも一個の固体物体と、
ｃ）支持体まわりの周囲空気を取り込み、取り込んだ空気を前記カソードと接触させる手段と、
ｄ）前記物体を燃焼させて水素を放出させ、該水素を前記アノードと接触させる、焦性技術手段と、
ｅ）前記焦性技術手段の点火を、命令する手段と、
ｆ）前記水素と酸素との間のプロトン交換により形成された水を消散させる手段と、
ｇ）電極と電子機器の電源回路とを、相互に接続する手段と
を含んでなる燃料電池により構成される。
【００２２】
これにより、携帯用電子機器は、電子機器やその使用者にとって完璧に安全に、自律型でかつ消耗型の発電源から電力の供給を受ける。
【００２３】
本発明の重要な態様においては、複数の固体物体を備えることが好ましい。前記焦性技術手段は、それぞれの物体に割り当てられた対応する複数の点火手段を含んでなる。前記制御手段は、活性化手段と連動した複数の点火手段に指示する手段を含んでなる。これらの装置の手段においては、前記活性化手段を、電子機器の使用電力量を測定する手段により効果的に制御することを意図していることに留意すべきである。
【００２４】
しかしながら、使用者の要求に応じた手段、特に、対応する手動制御手段により、独立して、または組合せて、前記手段を制御できるのが有利であることに留意すべきである。
【００２５】
装置の使い易さに関し、本発明の別の態様においては、前記固体物体は、交換可能な支持体の層、特に、カードの形態のような平らな支持体中に格納される。しかしながら、該支持体の形状を利用して、本発明の燃料電池の効率および／または容量を改良することができる。このカードは、通常のクレジットカードの型（表面積約４６ｃｍ^２で厚さ約１ミリメートル）であるのが有利である。該カードは、貯蔵水素を使い切った時に交換することができる。固体物体の支持体を除いては、装置の様々な素子、手段、および室を、給電すべき電子機器中に組み込むのが有利であることが理解されうる。しかしながら、別の可能な実施態様においては、上記の本発明の一般的な原則から離れることなく、本発明の装置のすべての手段を一括交換可能な支持体の中に組み込むこともできるということに留意すべきである。かかる場合、電極と電子機器固有の配電回路と接続させる手段は、対応する電子機器の手段に、電極を接続する手段により形成される。その際、これらの接続手段、および前記焦性技術手段を制御手段に接続する手段（これらが必要な場合）は、支持体から突出する。
【００２６】
したがって、本発明は、別の態様において、カードの形態にあるのが有利である交換可能な支持体を含んでなる、燃焼セル用の水素貯蔵部にも関するものである。該支持体は、水素を貯蔵する少なくとも一個の固体物体を受け入れるための容器を形成し、該物体は、燃焼により分解することができ、放出水素を、給電すべき電子機器の内側に位置する膨脹室内で膨脹させるために、支持体から突出している。該支持体は、さらに、
ａ）物体に割り当てられた少なくとも一個の点火手段と、
ｂ）前記点火手段を活性化させるための活性化手段と、
ｃ）給電すべき電子機器に機械的に接続するための、容易に反転可能な手段、
とを含んでなる。
【００２７】
該支持体と電子機器との間は、密着して接続しており、電子機器または支持体は、例えば電子機器の中に配置された水素膨脹室の内側に支持体を閉じ込めるための密着手段を含んでなる。
【００２８】
上記の好ましい実施態様に関して、前記支持体は接続手段をさらに含んでなり、該接続手段は、給電すべき電子機器の複合接続手段と連結して作動し、前記活性化手段は、電子機器中に組み込まれた制御手段または指示手段と接続する。これらの接続手段と、支持体を電子機器に機械的に接続する上記の手段とは、同じ手段であるのが有利であるということに留意する。
【００２９】
電解質は、例えばＮａｆｉｏｎ（Ｄｕｐｏｎｔ ｄｅ Ｎｅｍｏｕｒｓの登録商標）のような重合体メンブランである。電極は、例えば炭素系材料から形成されたものである。
【００３０】
本発明の別の態様においては、本発明は燃料電池自体にも関する。事実、この分野で通常実施されていることと異なり、水素は、貯蔵された水の電気分解や、あるいは例えば加圧下にある貯蔵材料から供給されるのではなく、燃焼によって分解し得る固体物体から供給される。したがって、この燃料電池は、一般的に、水素が、燃焼によって分解し得る少なくとも一個の固体物体中に貯蔵されているものとして理解され、前記燃料電池は、該物体を燃焼させて水素をアノードと接触している膨脹室中に放出する焦性技術手段を含んでなる。酸素は、空気を取り込み、そしてその取り込んだ空気をカソードと接触させる手段により、周囲空気の一部として取り込まれる。
【００３１】
これらの配置のため、前記燃料電池は、水がほとんど存在しないことと、水素が安全に貯蔵されていることとの両方から、携帯用電子機器に電力を供給する用途に、完璧に安全に使用できる。
【００３２】
本発明は、添付図面を参照しながら以下の好ましい実施態様を説明することにより、より深く理解され、その詳細がより明確になる。
【００３３】
【好ましい実施態様の説明】
携帯用電子機器２に実装するように設計された燃料電池を図に示す。少なくとも一個のアノード１２、１２’が、水素膨脹室１４、１４’の内側空間と接触しており、少なくとも一個のカソード１０、１０’が、酸素を含有する空気流室１６、１６’の内側室と接触している。少なくとも一個の電解質１８，１８’が各アノードとカソード対１０、１２および１０’、１２’の間に配置されている。
【００３４】
一連の水素貯蔵固体物体、例えば２０、２０’は、室２２を形成する中間区域の中に配置される。指示手段２８により制御される活性化手段２６によって選択的に物体２０、２０’を燃焼させるための点火手段２４、２４’が、これら物体２０、２０’のそれぞれに割り当てられている。これら指示手段２８は、給電すべき機器２の電子手段の中に含まれ、それ自体、電子機器の使用電力を測定するための手段３０により制御される。
【００３５】
固体の水素貯蔵物体２０、２０’は、徐々に燃焼することにより気体状の水素を放出する。これらの物体は、活性化された時に燃焼して水素を放出する焦性技術材料により形成されてもよい。
【００３６】
焦性技術手段２４、２６、２８に関する接続手段３２は、給電すべき電子機器２の複合接続手段３４と連結して作動するように配置されていてもよいことに留意する。また、電子機器２は、作動中に電子機器に供給される電力を調整するために電子機器２と本発明の燃料電池との間に配置されたバッファー電力貯蔵部３６を補助的に含んでいてもよいことに留意する。
【００３７】
さらに、本発明の燃料電池は、周囲空気を取り込み、この空気を酸素室１６、１６’の中に送り込むための手段３８、３８’を含んでなる。これらの手段３８、３８’は、例えば、これらの室１６、１６’の内側に、ベンチュリ効果等により自然の空気流を引き起こす手段である。濾過格子４６が、好ましくない粒子が入り込むのを阻止する。
【００３８】
水素と酸素との間のプロトン交換により形成され、本装置により使用されなかった余剰の水は、蒸発により消散する。この蒸発は、物体２０、２０’の燃焼による温度上昇と電気化学的反応により発生する熱とにより引き起こされる。水蒸気は、周囲の空気流を取り込む手段３８、３８’により、燃料電池から排除される。水は、４０、４０’等の吸収手段により完全に吸収されることに留意すべきである。
【００３９】
図３に示す、別の実施態様では、燃料電池のすべての手段が、共通の着脱可能な支持体４により支持されている。図１および図２に示す好ましい実施態様では、水素貯蔵部だけが着脱可能な支持体２２により支持され、本発明の装置の残りの手段は電子機器２の中に組み込まれている。
【００４０】
図１および図２において、電子機器は、固体物体２０の支持体２２を気密的に格納する筐体を含んでなる。気密性は、例えばシール、特に、支持体２２と電子機器２との間で、電極１０、１０’および１２、１２’の末端に配置されたシール４２または４４、により達成される。室２２に対応する支持体は、該支持体から突出した固体物体２０を差し込むためのソケットを形成してなることが理解されうる。該支持体２２は、通常のクレジットカードの形状を有する平らな支持体の形態で与えられる。
【００４１】
図に示されている支持体２２の実施態様によれば、該支持体は、大きさが約３．５〜４ｃｍ^２である。そのような支持体は、包装材や仕切材が不活性であるため、約０．４グラムの量の固体の水素貯蔵材料を収容することができる。これによって、放出可能な水素量は約０．０５２グラムとなり、０．５３Ｗｈの電力を供給することができる。そのような給電は、例えば携帯電話では、公称操作条件下で約２時間の通話時間に相当する。
【００４２】
アノード１２、１２’には、固体の水素貯蔵物体２０、２０’を湿分から隔離して、Ｈ_２は通過させることができる材料から形成された選択性メンブラン５１が備わっている。
【００４３】
図３では、支持体４から接続手段６、６’が突出しており、類似の接続手段８、８’と連結して電子機器２に電力を供給する。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明のそれぞれの実施態様による装置を図式的に示す図である。
【図２】
本発明のそれぞれの実施態様による装置を図式的に示す図である。
【図３】
本発明のそれぞれの実施態様による装置を図式的に示す図である。

Claims (17)

1. 燃料電池を含んでなる、携帯用電子機器用に設計された消耗型電力供給装置であって、前記燃料電池が、アノード（１２）とカソード（１０）との間に配置された電解質（１８）と、水素貯蔵手段と、貯蔵された前記水素を前記アノード（１２）に搬送する手段と、周囲の空気を取り入れ、その取り入れた空気を前記カソード（１０）に接触させる手段（３８）と、前記水素の放出を制御する手段と、前記電池で生成された余剰の水を消散させる手段（３８、４０）とを含んでなり、前記水素貯蔵手段が、焦性技術手段（２４、２６）により点火した後に燃焼により気体状の水素を放出する材料から形成された、少なくとも一個の固体物体（２０）から形成されているものである、消耗型電力供給装置。
2. 前記固体物体（２０）を構成する材料が、焦性技術材料である、請求項１に記載の装置。
3. 複数の固体物体（２０）を含んでなり、前記焦性技術手段が、それぞれの前記物体（２０）に割り当てられた点火手段（２４）を含んでなり、前記制御手段（２８、３０）が、前記焦性技術手段の活性化手段（２６）と連動した前記点火手段（２４）に指示する手段を含んでなる、請求項１または２に記載の装置。
4. 前記活性化手段（２６）が、前記電子機器（２）の使用電力量を測定する手段（３０）の制御の下で実行されるものである、請求項３に記載の装置。
5. 前記燃料電池と前記電子機器（２）の電子手段との間に配置された、前記燃料電池により供給される電力を貯蔵するためのバッファー手段（３６）を含んでなる、請求項３または４に記載の装置。
6. 周囲空気を取り込む前記手段（３８）が、酸素室（１６）を通して空気流れを引き起こす手段であり、前記酸素室（１６）の壁の一つは、少なくとも部分的に前記カソード（１０）により形成されてなるものである、請求項１〜５のいずれか１項に記載の装置。
7. 前記固体物体（２０）が、室（２２）の中に格納されており、前記室（２２）が、放出水素用の膨脹室（１４）の中へ開放されており、前記膨脹室（１４）の壁の一つは、少なくとも部分的に前記アノードにより形成されてなるものである、請求項１〜６のいずれか１項に記載の装置。
8. 前記水素と酸素との間の交換により形成された余剰水を消散させる前記手段（３８、４０）が、再吸収手段である、請求項１〜７のいずれか１項に記載の装置。
9. 前記再吸収手段が、周囲空気を流動させる手段（３８）、および、生成した水を吸収する手段（４０）のいずれか一方を含んでなるものである、請求項６または８に記載の装置。
10. 前記固体物体（２０）が、交換可能な支持体（２２）層の中に格納されており、前記固体物体の支持体を除いて、装置の様々な素子、手段および室が、給電すべき電子機器（２）中に組み込まれているものである、請求項１〜９のいずれか１項に記載の装置。
11. 前記電解質（１８）が、重合体メンブランであり、前記電極（１０、１２）が、炭素系材料から形成されてなるものである、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の装置。
12. 電極（アノード１２およびカソード１０）を備え、水素の形態を有する燃料が電解質（１８）により酸素の形態にある燃焼剤と接触してなる、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の装置の燃料電池であって、
    前記水素が、燃焼により分解し得る少なくとも一個の固体物体（２０）中に貯蔵されており、前記燃料電池が、前記物体（２０）を燃焼させてアノード（１２）と接触している膨脹室（１４）中に水素を放出させる焦性技術手段（２４、２６）を含んでなり、
    空気を取り込み、その取り込んだ空気をカソード（１０）と接触させる手段（３８）により、前記酸素が周囲空気から取り込まれる、燃料電池。
13. 請求項１２に記載の燃料電池の、携帯用電子機器に電力を供給するための応用。
14. 請求項１２に記載の燃料電池に用いるための水素貯蔵部であって、交換可能な支持体を含んでなり、前記支持体が、水素を貯蔵する少なくとも一個の前記固体物体を受け入れるための容器（２２）を形成してなり、前記物体（２０）が、燃焼により分解することができ、放出水素を、給電すべき電子機器の内側に位置する膨脹室（１４）内で膨脹させるために、前記支持体（２２）から突出しており、さらに、前記支持体が、
    ａ） 前記物体（２０）に割り当てられた、少なくとも一個の点火手段（２４）と、
    ｂ） 前記点火手段を活性化させるための活性化手段（２６）と、
    ｃ） 給電すべき前記電子機器に機械的に接続するための、容易に反転可能な手段（３２）、
    とを含んでなる、燃料電池用の水素貯蔵部。
15. 前記支持体（２２）が、接続手段（３２）をさらに含んでなり、前記接続手段（３２）が、前記電子機器（２）の複合接続手段（３４）と連結して作動し、前記活性化手段（２６）が、前記電子機器（２）中に組み込まれた制御手段（３０）および指示手段（２６）と接続されてなる、請求項１４に記載の燃料電池用の水素貯蔵部。
16. 前記接続手段（３２）と、前記支持体（２２）を前記電子機器（２）に機械的に接続する手段とが、同じ手段である、請求項１４または１５に記載の燃料電池用の水素貯蔵部。
17. 前記アノード（１２、１２’）が選択性メンブラン（５１）を備えており、前記選択性メンブラン（５１）が、固体の水素貯蔵物体（２０、２０’）を湿分から隔離するが、水素は通過させることができる材料から形成されてなる、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の装置。