JP2005525676A - 燃料電池システム用の携帯型使い捨て燃料−バッテリーユニット - Google Patents

Abstract

本発明は、携帯型使い捨て燃料−バッテリーユニット（５００）、少なくとも１つの燃料電池を有する燃料電池システム（２００）用の携帯型使い捨て燃料−バッテリーユニット（２２０）、燃料電池スタック（２０２）、及び携帯型使い捨て燃料−バッテリーユニット（２２０）を備えた燃料電池システム（２００）を含む手持ち式装置（２４０）を製造する方法（３００、４００）を提供する。一実施形態において、携帯型使い捨て燃料−バッテリーユニット（２２０）は、少なくとも１つの燃料電池に燃料を供給するための燃料区画（２０８）と、該燃料区画（２０８）に取り付けられており、少なくとも１つの燃料電池に始動エネルギーを供給するための使い捨て電源バッテリー（２０４）を備え付けている。

Description

本発明は、携帯型燃料電池に関し、より詳細には、携帯型燃料電池の始動に関する。

燃料電池は、典型的に、水素に触媒作用を及ぼして電子を分離させ、当該電子を燃料極から外部回路へと伝導させ、且つ酸素に触媒作用を及ぼして形成した酸素イオンと水素イオンとを反応させることによって、電気化学エネルギーを電気に変換する。

伝統的に、燃料電池は、固定電源、自動車電源、又は宇宙計画用途に使用されてきた。一般に、単一の燃料電池は比較的少量のエネルギーを生成するため、燃料電池システムでは、一般的に、電池スタックとバランスオブプラント（ＢＯＰ：Ｂａｌａｎｃｅ ｏｆ Ｐｌａｎｔ）と呼ばれる支援システムを備えている。ＢＯＰシステムは、ヒータや、圧力を供給するブロワなどの電力消費要素を含んでいる。当該システムでは、携帯型燃料電池システムを始動するために、燃料電池がＢＯＰシステムの要求を満たすのに十分な電力を生成するまでの間は、電力供給を受ける必要がある。始動時は、燃料電池に取り付けられているバッテリーによって電力を供給することができる。このように、エンジン始動エネルギーを供給するために自動車バッテリーを用い、エンジン作動時には充電される自動車システムと同様に、燃料電池は、始動するのに補助電源を要する。

モータに接続された二次電池を備える電源バッテリーと、エネルギーバッテリー制御スイッチを介して電源バッテリーに並列に接続されている燃料電池によって形成されるエネルギーバッテリーとを利用する電気自動車が開発されたが、当該ハイブリッドシステムは、電気自動車を操作するために、ユーザが電源バッテリーを取得し保守することを必要とする。

携帯型燃料電池は、普通の人が容易に持ち運びできるほど十分に小型で軽量でなければならない。従って、オペレータが、電源バッテリーを個別に取得したり、電源バッテリーを保守したりする必要のない携帯型燃料電池システムが有用である。

本発明は、携帯型使い捨て燃料−バッテリーユニット、少なくとも１つの燃料電池を含む燃料電池スタック用の携帯型使い捨て燃料−バッテリーユニット、燃料電池スタック、及び携帯型使い捨て燃料−バッテリーユニットを備えた燃料電池スタックを含む手持ち式装置を製造する方法を提供する。一実施形態では、携帯型使い捨て燃料−バッテリーユニットは、少なくとも１つの燃料電池に燃料を供給するための燃料区画と、燃料区画に取り付けられており、少なくとも１つの燃料電池に始動エネルギーを供給するための使い捨て電源バッテリーとを備え付けている。

本発明の実施形態では、使い捨て燃料容器の一区画内に軽量の補助電源バッテリーが配置された燃料電池システムを提供する。必要であれば、燃料電池スタックが作動し且つバッテリーとして機能するのに十分な電力を確保させるのに十分なエネルギーを燃料電池内で生成し且つ細流充電に使用できる余分な電力を有するようになった後には、燃料電池スタックによって前記補助電源バッテリーを細流充電することができる。燃料供給が尽きた際は、携帯型燃料−バッテリーユニットを破棄し、燃料を再充填するたびに新しい燃料−バッテリーユニットを提供することができる。従って、始動バッテリーは、限られた回数の放電−充電サイクルのみをあたえればよく、使い捨て燃料容器と分離したバッテリーを使用する場合よりも低コストにて実施し得る。

一般に、水素やメタノールなどの燃料を使用することができる。

従来技術の一実施形態では、図１に示すように、燃料電池１００は、空気もしくは酸素入力１１４と、燃料極１０４に燃料を投入するための燃料入力１１６とを有する。例えば、燃料電池の燃料としてメタノールや水素が利用される。一実施形態では、燃料を水素に変換し、それを燃料極１０４に送るために、燃料極１０４に改質器１０２を接続させることができる。水素を使用する場合には、改質器１０２は、燃料電池１００から省くことができる。

図１に示す実施形態では、プロトン交換媒体（ＰＥＭ）１０８によって、燃料極１０４と空気極１１２とが分離されており、空気極１１２とＰＥＭ１０８との間に第１の触媒層１１０が、燃料極１０４とＰＥＭ１０８との間に第２の触媒層１０６がある。ＰＥＭ１０８は、電子を遮断し、従って、燃料極１０４において水素から分離した電子は、燃料極１０４を通って外部電気負荷１１８に流れる。燃料極で形成された水素イオンは、ＰＥＭ１０８及び第１の触媒１１０を通過し、そこで水素イオンは、酸素イオン、及び第１の触媒１１０を介して負荷１１８から空気極１１２に流れてきた電子と結合し、水又は蒸気となり、空気極１１２の制御された出口１２０から放出される。

一般に、１つの燃料電池内の反応によって低電圧の出力が生成される。さらに高い電圧をもたらすには、一般に、複数の燃料電池を直列に接続して、燃料電池スタックを形成する。さらに多くの電流をもたらすには、一般に、複数の燃料電池を並列に接続して、燃料電池スタックを形成する。特定の電力要件をもたらすために、複数の燃料電池を直列及び並列に組み合せて、燃料電池スタックを形成する。図２に示すように、本発明は、使い捨て燃料−バッテリーユニット２２０に接続された、燃料電池スタックを構成している複数の燃料電池２０２を含んで成る燃料電池システム２００を提供し、使い捨ての軽量補助電源バッテリー２０４が、燃料−バッテリーユニット２２０の区画内に配置されている。例えば、図１に示す燃料電池１００に類似する複数の燃料電池を積み重ねて、燃料電池スタックを構成する。使い捨て燃料容器２２０は、例えば水素などの燃料のための区画２０８と、補助電源バッテリー２０４のための他の区画を有している。

複数の燃料電池２０２のスタックは、一般に、必要に応じて直列及び／又は並列に接続される。一般に、燃料電池システム２００は、例えばスナップ式留金具（図示せず）を備えた蓋などの、蓋２１６を有するシェル２１８内に配置される。蓋２１６は、燃料電池２０２のスタックに近接した、シェル２１８内のチャンバ２２０へのアクセスを可能にする。蓋２１６は、携帯型使い捨て燃料−バッテリーユニット２２０を挿入することができる、燃料電池システム２００のチャンバ２２０へのアクセスを可能にする。補助電源バッテリー２０４の機能は、１）簡略化のため図示していないバランスオブプラント（Ｂａｌａｎｃｅ ｏｆ Ｐｌａｎｔ）要素に始動電力を供給すること、２）燃料電池システム２００が十分迅速に応答できないような過渡的需要に対してバックアップ電力を供給すること、３）燃料電池の始動時、当面の電力を供給することである。

燃料電池システム２００は、手持ち式装置２４０に電力を供給することができる。従って、図２は、燃料区画２０８を含む使い捨て燃料容器の区画内に補助電源バッテリー２０４を有する燃料電池システム２００と、本発明による燃料電池システムを利用する手持ち式装置２４０の一実施形態のブロック図である。

図３は、本発明による方法ステップの一実施形態のフローチャートである。本法においては、始動エネルギーユニットが、携帯型燃料電池バッテリー用の燃料供給源と合体される。一実施形態において、本法は、携帯型燃料電池バッテリー用の複数区画容器を製造するステップ３０２、容器の第１区画に燃料を貯蔵するステップ３０４、及び容器の第２区画に軽量の補助電源バッテリーを配置するステップ３０６を包含する。例えば、燃料は、水素やメタノールである。必要に応じて、携帯型燃料電池バッテリーが作動し十分なエネルギーを生成している際は、携帯型燃料電池スタックは、使い捨てバッテリーを細流充電するためのエネルギー源として使用することができる。

図４は、本発明による方法ステップの他の実施形態のフローチャートである。本法においては、携帯型使い捨て燃料−バッテリーユニットが燃料電池バッテリーに始動エネルギーと燃料を同時に供給するように、燃料電池バッテリー用の携帯型使い捨て燃料−バッテリーユニットを製造することができる。図４の実施形態では、本法は、携帯型使い捨て燃料−バッテリーユニット用の使い捨て複数区画容器を製造するステップ４０２、複数区画容器の第１区画に燃料を供給し、第２区画に軽量の補助電源バッテリーを与えるステップ４０４を包含する。代表的な燃料は、例えば水素又はメタノールである。前述のように、必要に応じて、燃料電池スタックは、十分なエネルギーを供給するよう作動している際は、使い捨てバッテリーに細流充電するためのエネルギー源として使用することができる４０６。一実施形態において、燃料電池バッテリーは、複数のスタック型燃料電池を含む。

図５は、本発明による携帯型使い捨て燃料−バッテリーユニットの一実施形態のブロック図である。バッテリー機能付使い捨て燃料容器は、燃料電池バッテリーに始動エネルギーを供給するために使用される。一般に、携帯型使い捨て燃料−バッテリーユニット５００は、燃料電池スタック（図示せず）用の燃料容器５０２を備えており、当該燃料容器には補助バッテリー５０４が取り付けられている。この場合も、燃料は、例えば水素やメタノールである。必要に応じて、前述のように、燃料電池バッテリーは、バッテリー機能付使い捨て燃料容器５００の補助バッテリー５０４を細流充電することができる。図２に示すように、バッテリー機能付使い捨て燃料容器は、燃料電池スタックから細流充電を受ける回路を備え得る。さらに、バッテリー機能付使い捨て燃料容器は、燃料電池スタック内のスタック型燃料電池２０２への燃料接続システムを備え得る。

図６Ａは、本発明による携帯型使い捨て燃料−バッテリーユニットを備えた燃料電池の他の実施形態のブロック図である。図６Ｂは、燃料電池の一実施形態の側面図であり、図６Ｃは、携帯型使い捨て燃料−バッテリーユニットの一実施形態の側面図である。例示的な燃料電池は、当技術分野で知られているようなバランスオブプラント（ＢＯＰ）６０４に接続されている燃料電池スタック６０２を備える。携帯型使い捨て燃料−バッテリーユニットは、メタノール燃料用区画６０６及び補助バッテリー（ＢＡＴ．）用区画を備える。携帯型使い捨て燃料−バッテリーユニット（図６Ｃ）は、当該区画をメタノール燃料６０６と接続するための燃料接続システム６１０と携帯型使い捨て燃料−バッテリーユニットをＢＯＰ６０４（図示せず）の電気系統に接続するための一連の電気接点６１２とを備えた、燃料電池（図６Ｂ）とスナップ式に接続される。燃料電池スタックは、当業者に既知であり、本明細書ではさらに詳しくは考察しない。図６に示す実施形態では、直接メタノール燃料電池が使用されている。しかしながら、他の種類の燃料電池を使用することもできる。例えば、水素燃料電池を使用することができる。当業者に既知のように、バランスオブプラント６０４は、水及び二酸化炭素を排出するのに加え、燃料を混合しスタックに送る手段をも含んでいる。携帯型使い捨て燃料−バッテリーユニットは、メタノール燃料区画６０６、及び単に交換する度に新しい燃料充填により再生される二次電池６０８を含む。携帯型使い捨て燃料−バッテリーユニットのメタノール燃料収容区画６０６は、燃料及び電気的な接続を容易にするように、燃料電池とスナップ式に接続される。そのような接続の一実施形態のみを示したが、他の多くの適切な接続が、利用可能であり、本発明の一部であると理解されよう。必要に応じて、燃料電池が作動している際は、二次電池（ＢＡＴ．）６０８は細流充電されることができ、それによって、二次電池の寿命が長くなる。

以上、本発明による、携帯型使い捨て燃料−バッテリーユニット、少なくとも１つの燃料電池を有する燃料電池バッテリー用の携帯型使い捨て燃料−バッテリーユニット、燃料電池スタック、及び携帯型使い捨て燃料−バッテリーユニットを備えた燃料電池スタックを含む手持ち式装置を製造する方法を説明してきた。本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく、本明細書に示し例示し図示した方法及び構造に対して多くの修正及び変更を行うことができる。従って、本明細書で説明した、携帯型使い捨て燃料−バッテリーユニット、少なくとも１つの燃料電池を有する燃料電池スタック用の携帯型使い捨て燃料−バッテリーユニット、燃料電池スタック、及び携帯型使い捨て燃料−バッテリーユニットを備えた燃料電池スタックを含む手持ち式装置を製造する方法は例示にすぎず、本発明の範囲を限定するものではないことを理解されたい。

当技術分野で知られているような燃料電池の一実施形態のブロック図 使い捨て燃料容器の一区画内に軽量の補助電源バッテリーを備えた燃料電池スタック、及び本発明による燃料電池バッテリーを利用する手持ち式装置の一実施形態のブロック図 本発明による、方法ステップの一実施形態のフローチャート 本発明による、方法ステップの他の実施形態のフローチャート 本発明による、携帯型使い捨て燃料−バッテリーユニットの一実施形態のブロック図 本発明による、携帯型使い捨て燃料−バッテリーユニットを備えた燃料電池システムの他の実施形態のブロック図 燃料電池システムの一実施形態の側面図 携帯型使い捨て燃料−バッテリーユニットの一実施形態の側面図

Claims (10)

1. 燃料電池スタックに燃料を供給するための燃料区画（５０２）と、
   前記燃料区画に取り付けられており、燃料電池システムに始動エネルギーを供給するための、使い捨て電源バッテリー（５０４）と、
   からなる、少なくとも１つの燃料電池を含む燃料電池システム用の携帯型使い捨て燃料−バッテリーユニット（５００）。
2. 前記燃料電池スタックが、十分なエネルギーを供給するように作動している際には、前記使い捨てバッテリーを細流充電するエネルギー源となる、請求項１に記載の携帯型使い捨て燃料−バッテリーユニット（５００）。
3. 携帯型使い捨て燃料−バッテリーユニット（２２０）を備えた燃料電池システム（２００）であって、
   前記携帯型使い捨て燃料−バッテリーユニット（２２０）に接続された、電気エネルギーを供給するための複数の燃料電池（２０２）を備えており、前記携帯型使い捨て燃料−バッテリーユニット（２２０）が、
   少なくとも１つの燃料電池に燃料を供給するための燃料区画（２０８）と、
   前記燃料区画（２０８）に取り付けられており、前記複数の燃料電池（２０２）に始動エネルギーを供給するための使い捨て電源バッテリー（２０４）と、
   からなる、燃料電池システム（２００）。
4. 前記複数の燃料電池（２０２）が、作動時には、前記使い捨て電源バッテリー（２０４）を細流充電するエネルギー源となる、請求項３に記載の燃料電池システム（２００）。
5. 携帯型燃料電池システム用の複数区画容器を製造するステップ（３０２）と、
   前記容器の第１区画に燃料を貯蔵するステップ（３０４）と、
   前記容器の第２区画に補助電源バッテリーを配置するステップ（３０６）と、
   からなる、始動エネルギーユニットを携帯型燃料電池システム用の燃料供給源と合体させる方法（３００）。
6. 前記携帯型燃料電池システムが、十分なエネルギーを供給するよう作動している際は、前記使い捨てバッテリーを細流充電するエネルギー源となる、請求項５に記載の方法（３００）。
7. 燃料電池システム用の燃料容器（５０２）を備えており、前記燃料容器（５０２）がそれに取り付けられた補助バッテリー（５０４）を有する、燃料電池システム用のバッテリー機能付使い捨て燃料容器（５００）。
8. 前記燃料電池システムから細流充電を受けるための回路（２２２）をさらに備える、請求項７に記載のバッテリー機能付使い捨て燃料容器（５００）。
9. 前記燃料電池システム内の複数のスタック型燃料電池への燃料接続システム（２２４）をさらに備える、請求項７に記載のバッテリー機能付使い捨て燃料容器（５００）。
10. 前記燃料電池バッテリー（６１４）が、前記バッテリー機能付使い捨て燃料容器（６１６）にスナップ式に接続可能であり、それによって燃料（６１０）及び電気（６１２）的接続が確立される、請求項７に記載のバッテリー機能付使い捨て燃料容器（５００）。

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