JP2006164957A - 燃料電池装置、燃料電池装置のガス置換方法および燃料電池装置用の機器 - Google Patents

Abstract

【課題】効率の良いガス置換を行うことができる燃料電池装置を提供する。
【解決手段】燃料電池と、燃料ガスを装置内部に供給するための燃料供給部８と、供給された燃料ガスが流通される燃料流路４ａと、前記燃料流路に設けられ、装置内部のガスを排出するためのパージバルブ５とを備えており、前記燃料供給部８が前記パージバルブ５よりも燃料電池装置の使用時における重力方向に対し上方の位置に設けられている燃料電池装置。前記燃料ガスの供給が前記燃料供給部から行われ、ガス排出が前記パージバルブで行われることにより、前記燃料流路のガス交換が行われる。
【選択図】図１

Description

本発明は、水素ガスを燃料とする燃料電池装置、燃料電池装置のガス置換方法および燃料電池装置用の機器に関するものであり、燃料電池装置内を燃料により満たすためにガス置換を行う方法に関するものである。特に、燃料の供給を燃料カートリッジから行う場合に好適なガス置換を行う方法に関する。

近年、環境破壊が問題となり有害な廃棄物の出ないクリーンなエネルギーが求められている。また、化石燃料の枯渇が問題となり新しいエネルギー源が求められている。一方エレクトロニクス分野では、情報量が増大しこれに伴って情報処理能力が飛躍的に拡大し電子機器の消費電力は増大する傾向にある。

そこで、地球上に無尽蔵にある水に含まれ、化学エネルギーが大きく有害な物質を排出しない水素がエネルギー源として注目されている。特に直接電気エネルギーを取り出す燃料電池は、水素の利用効率も良く大きな電力をとりだせ自動車用からノートパソコン、携帯電話、ビデオカメラなどの携帯電子機器への応用が進められている。

水素から電気エネルギーを取り出す、所謂燃料電池は、水素が供給される水素電極と、酸素が供給される酸化電極を有し、水素電極で触媒反応により水素を電子とプロトンに分離しプロトンは電解質膜を通過して酸化電極に到達し触媒反応により酸素と反応し水が生成し、この過程で電子の流れすなわち電力が生成される。

従来の電池と異なり燃料電池においては、充電の必要はなく燃料を使い切った後には燃料を補充するだけですぐに発電が可能であり長時間の機器使用に便利である（特許文献１参照）。
特開２００４−３１０９６号公報

このように、いつでもどこでも燃料を補給することにより電気エネルギーを取り出すことが出来るが、従来の二次電池と異なり気体の水素を扱うこととなる。燃料カートリッジを交換する際には、一旦燃料カートリッジを燃料電池装置から取り外す必要があり、その際大気が燃料電池装置内部に混入する。この場合、燃料電池の出力が著しく低下するか、多くの場合は、燃料電池の反応が停止する。したがって、燃料交換時に燃料電池装置内のガスを燃料ガスと置換することは必須である。

また、燃料カートリッジ交換時以外にも、空気中のガスが燃料供給側に混入したときには、同様にガス置換が必要となる。
本発明は、水素ガスを燃料とする燃料電池装置において、効率の良いガス置換を行うことができる燃料電池装置および燃料電池装置のガス置換方法を提供するものである。

すなわち、本発明は、燃料電池装置であって、燃料電池と、燃料ガスを装置内部に供給するための燃料供給部と、供給された燃料ガスが流通される燃料流路と、前記燃料流路に設けられ、装置内部のガスを排出するためのパージバルブとを備えており、前記燃料供給部が前記パージバルブよりも燃料電池装置の使用時における重力方向に対し上方の位置に設けられていることを特徴とする燃料電池装置に関するものである。

前記燃料ガスの供給が前記燃料供給部から行われ、ガス排出が前記パージバルブで行われることにより、前記燃料流路のガス交換が行われることが好ましい。
また、本発明は、燃料電池装置用の機器であって、機器本体と、前記機器本体に搭載された燃料電池装置とを有しており、前記燃料電池装置は、燃料電池と、燃料ガスを装置内部に供給するための燃料供給部と、供給された燃料ガスが流通される燃料流路と、前記燃料流路に設けられ、装置内部のガスを排出するためのパージバルブとを備えており、前記燃料供給部が前記パージバルブよりも機器の使用時における重力方向に対し上方の位置に設けられていることを特徴とする燃料電池装置用の機器に関するものである。

また、本発明は、燃料電池装置用の機器であって、機器本体と、燃料電池装置を収容するための電池室とを有しており、前記燃料電池装置は、燃料電池と、燃料ガスを装置内部に供給するための燃料供給部と、供給された燃料ガスが流通される燃料流路と、前記燃料流路に設けられ、装置内部のガスを排出するためのパージバルブとを備えており、前記電池室は、前記燃料電池装置を、前記燃料供給部が前記パージバルブよりも機器の使用時における重力方向に対し上方に位置するように収容するよう、収容方向性を有していることを特徴とする燃料電池装置用の機器に関するものである。

また、本発明は、燃料電池と、燃料ガスを装置内部に供給するための燃料供給部と、供給された燃料ガスが流通される燃料流路と、前記燃料流路に設けられ、装置内部のガスを排出するためのパージバルブとを備えている燃料電池装置のガス置換方法であって、前記燃料供給部がパージバルブよりも燃料電池の使用時における重力方向に対し上方の位置に設けられ、燃料ガスの供給を上方の燃料供給部から行い、ガス排出を下方のパージバルブで行って燃料流路のガス交換を行うことを特徴とする燃料電池装置のガス置換方法に関するものである。

前記燃料電池の出力電圧を検出し所定値未満の時、所定時間燃料流路の内部のガス交換を行うことが好ましい。
前記燃料電池の出力電圧を検出し所定値未満の時、所定の出力電圧が得られるまで燃料流路の内部のガス交換を行うことが好ましい。

前記燃料電池装置が装備される機器のメインスイッチがＯＮと成った時、所定時間燃料流路の内部のガス交換を行うことが好ましい。
前記燃料電池装置が装備される機器のメインスイッチがＯＮと成った時、所定の出力電圧が得られるまで燃料流路の内部のガス交換を行うことが好ましい。

本発明によれば、燃料ガスの置換を効率よく行うことができ、燃料ガスの無駄を抑制することができる。

本発明の燃料電池装置、燃料電池装置のガス置換方法および燃料電池装置用の機器によれば、燃料の供給は重力方向に対して比較的上方向から行い、ガス置換に伴うガスの排気は比較的重力方向に対して下から行うことができる。

本発明の望ましい実施形態を図を用いて説明する。
図１は燃料電池装置を表す概念図である。
図中、１は固体高分子電解質膜、２は燃料極、３は酸素極である。４は筐体であり、４ａは燃料流路、４ｂはガス排出部、８は燃料ガスの燃料供給部を形成している。

本明細書及び特許請求の範囲中において「燃料電池装置用の機器」とは燃料電池装置を用いる機器をいう。
５は、燃料電池装置内部のガスを排出することによってガス置換を行うパージバルブであり、円錐面５ａが燃料電池装置の筐体４に形成された円錐面４ｃと当接するようになっている。６は圧縮バネであり、パージバルブ５が図中下方向に付勢される様に形成されている。圧縮バネ６により円錐面５ａ、４ｃは常時接触し、燃料電池装置内のガスは外部に出ないようになっている。７は電磁石である。２本のリード線７ｂが通電されることにより、プランジャ７ａが圧縮バネ６の力に抗して図中上方向に変位し円錐面５ａ、４ｃの接触が解かれ燃料電池装置内のガスが外部に流出する様になっている。

燃料供給部８がパージバルブ５よりも燃料電池装置の使用時における重力方向に対し上方の位置に設けられている。燃料ガスの供給を上方の燃料供給部８から行い、ガス排出を下方のパージバルブ５で行って燃料流路４ａのガス交換を行う。図１において、紙面の上方が重力方向に対し上方の位置に該当し、紙面の下方が重力方向に対し下方の位置に該当する。

燃料電池装置の使用時とは、燃料電池装置が発電に使用されているときである。燃料電池装置の使用時における重力方向は、使用時において燃料電池装置に作用する重力の方向である。燃料電池装置が様々な姿勢で使用される場合には、概ね支配的な姿勢において作用する重力の方向を重力方向とすればよい。

燃料電池装置の一般的な作動を説明する。
よく知られている様に、下記の反応式に示す様に、水素が、水素極の白金触媒によりイオン化し水素イオンと電子になる。

水素イオンは、電解質膜を通って酸素極側に移動する。
酸素極では、下記の反応式に示す様に、空気中に起因する酸素と、電解質膜を透過した水素イオンが白金触媒で反応し水が生成する。

電子は、外部回路を移動し、電気エネルギーを得ることが出来る。
水素は、燃料流路の上部より供給され、燃料流路内の水素以外のガスを排出して、燃料流路を水素ガスで満たすためのパージバルブ５は下部に配置される。

水素は、他の全てのガスより軽量であるから、それ以外のガスは、燃料流路下部に溜まりパージバルブ５を開くことにより容易に外部に排出される。
図２は、燃料電池装置２１と燃料カートリッジ２２が接続された状態を示す外観図である。燃料電池装置２１は、携帯用電子機器例えば本実施例ではデジタルカメラに内蔵されている。燃料カートリッジ２２はデジタルカメラの外部から挿入可能となっている。燃料カートリッジ２２は、圧縮水素が充填されているか、あるいは水素吸蔵合金、例えばＦｅ−Ｔｉ合金，Ｔｉ−Ｍｎ合金などに水素を吸蔵させる構成となっていても良い。

２３は、下部に配置されたパージバルブである。
なお、図２において、紙面の上方が重力方向に対し上方の位置に該当し、紙面の下方が重力方向に対し下方の位置に該当する。

図３は、本発明に係わるブロック図である。
図中、７は図１に示した電磁石である。
３１は、燃料電池装置が配置される機器内、本実施例ではデジタルカメラにあるマイコンであり、３２はデジタルカメラのメインスイッチである。３３はデジタルカメラ内の電源であり、燃料電池の起動等に使用される。３４は、燃料電池出力電圧検出部である。

次に作用を説明する。
燃料カートリッジを装着する際は、水素の供給部から大気が混入する。この状態では、燃料電池の反応が進まない。マイコン３１は所定時間電磁石７に通電しパージバルブが開き燃料電池装置内のガスが外部に放出され内部の圧力が低下するので燃料カートリッジから燃料ガスが供給され、結果として燃料電池装置内部のガスが燃料ガスで置換される。この際、注意すべき点は、大気圧より燃料電池装置内部のガス圧が高くないとガスの置換が起こらないことであり、逆に大気が混入することとなる。したがって本発明に於いては、燃料電池装置内部のガス圧は、必ず周囲の大気圧より高く設定されていなければならない。

図４は、燃料電池の出力によりパージを制御する実施形態を説明するためのフローチャートである。
燃料電池出力電圧検出部３４により電圧が検出され（１０１）、所定値未満の場合は、ガス置換が不十分であると判断し、電磁石７が所定時間通電され（１０２）、パージバルブが開きガス置換が行われる。該電圧が所定値以上であることを検出すると（１０３）、一連の作動を終了しスタートに戻り、フローチャートの作動を継続する。

次に、更に別の実施形態を説明する。
本別の実施形態に係わるデジタルカメラは、デジタルカメラのメインスイッチ３２がＯＮになると必ず、電磁石７が所定時間通電されパージバルブ４が解放されガス交換が行われる。メインスイッチ３２がＯＮの時、燃料電池出力電圧検出部３４で電圧を検出しており該電圧が所定値以下になると、パージバルブを所定時間解放しガス置換を行う。あるいは、燃料電池出力電圧検出部３４で検出される電圧が所定値に成るまでパージバルブ５を解放する。

図５は、説明のためのフローチャートである。本フローチャートを基に説明する。
デジタルカメラ作動時、常にあるいは所定の時間間隔で燃料電池出力電圧検出部３４で電圧を検出し、所定値以下であるか判断する（２０３）。所定値以上の場合は該電圧検出を続ける。電圧が所定値未満の場合は、次のステップに進み電磁石７が所定時間通電され（２０２）、パージバルブが開かれガス置換が行われる。その後燃料電池出力電圧検出部３４で電圧が検出され所定値以上であるか判断される（２０３）。電圧が所定値に満たない場合は、ガス交換が不十分であるから、（２０２）に戻り電磁石７が所定時間通電され、ガス置換が行われる。その後該電圧が所定値以上であるか判断され（２０３）所定値以上の場合は、スタートの戻り、同じ手順が繰り返される。従って、ユーザーが別段操作することなく、燃料電池を安定させて作動させることが可能となる。

次に、更に別の実施形態を説明する。
本別の実施形態に依れば、ユーザーが意識することなく、燃料電池が正常に作動される。また本実施例に於いては、必ずしも燃料電池出力電圧の検出を行わず、電磁石７を所定時間通電することでも良い。

図６は、本燃料電池装置が使用されるデジタルカメラの通常使用状態を示す斜視図である。図６において、紙面の上方が重力方向に対し上方の位置に該当し、紙面の下方が重力方向に対し下方の位置に該当する。この状態に於いて、パージバルブは重力方向に対し燃料電池装置の比較的下方向に配置される。燃料供給部は、比較的上方向に配置される。

電子機器の中には、様々な姿勢で使用される電子機器がある。例えば、デジタルカメラである。カメラは、撮影画像の構図により、横位置や縦位置等の様々な姿勢にて使用される。このような場合には、カメラの通常使用状態における姿勢において作用する重力の方向を基準とすればよい。その重力方向に対し、燃料供給部がパージバルブよりも上方に位置するように、燃料供給部およびパージバルブを燃料電池装置に設け、あるいは、燃料電池装置をデジタルカメラに搭載すればよい。図６は、燃料電池装置が、様々な姿勢で使用される電子機器に搭載される場合の一例ともいえる。図７は、本燃料電池装置が使用されるノート型コンピューターの通常使用状態を示す斜視図である。図７において、紙面の上方が重力方向に対し上方の位置に該当し、紙面の下方が重力方向に対し下方の位置に該当する。この状態に於いて、パージバルブは燃料電池装置の比較的下方向に配置される。

図７に示されるようなタイプのノート型コンピューターは、一般的に、基部５２を机やテーブルに設置し、キーボード等の操作部の保護カバーと液晶画面等の画像表示部とを兼ねた蓋部５１を開けた姿勢にて使用される。このため、この姿勢において作用する重力の方向を基準とすればよい。その重力方向に対し、燃料供給部がパージバルブよりも上方に位置するように、燃料供給部およびパージバルブを燃料電池装置に設け、あるいは、燃料電池装置をこのノート型コンピューターに搭載すればよい。

図６および図７に例示されるように、燃料電池装置の使用時に、それが用いられている機器の通常使用状態に応じて、重力方向に対し燃料供給部がパージバルブよりも上方に位置するように燃料供給部およびパージバルブを燃料電池装置に設ければよい。あるいは、重力方向に対し燃料供給部がパージバルブよりも上方に位置するように燃料電池装置をその機器に搭載すればよい。

なお、図６および図７に示される形態は一例であり、本発明はこれらに限られるものではない。なお、燃料電池装置が使用される電子機器は、燃料電池装置を内蔵していてもよいし、燃料電池装置が脱着可能なように構成されていてもよい。

内蔵する場合には、燃料供給部をパージバルブよりも機器の使用時における重力方向に対し上方の位置に設ければよい。
脱着可能と構成する場合には、燃料電池装置を所定の姿勢でしか収容できないように、燃料電池装置を収容するための電池室を設計することにより、燃料供給部がパージバルブよりも機器の使用時における重力方向に対し上方に位置するようにすればよい。例えば、電池室を、燃料電池装置を所定の姿勢でしか収容できないような形状にして、電池室に収容方向性を備えさせること等が挙げられる。

本発明によれば、燃料ガスの置換を効率よく行うことができ、燃料ガスの無駄を抑制することができるので、デジタルスチルカメラ、ビデオカメラ、携帯電話、ノートパソコン等小型電子機器等に好適に利用することができる。

本発明の燃料電池装置を表す概念図である。 本発明の燃料電池装置と燃料カートリッジを示す外観図である。 燃料電池装置をデジタルカメラに組み込んだ場合のシステムダイアグラムである。 燃料電池装置のシステムの作動を説明するフローチャートである。 燃料電池装置のシステムの異なる作動を説明するフローチャートである。 本発明の望ましい実施形態に係わるデジタルカメラの通常使用時の状態を示す斜視図である。 本発明の望ましい実施形態に係わるノート型コンピューターの通常使用時の状態を示す斜視図である。

符号の説明

１ 固体高分子電解質膜
２ 燃料極
３ 酸素極
４ 筐体
４ａ 燃料流路
４ｂ ガス排出部
５ パージバルブ
６ 圧縮ばね
７ 電磁石
７ｂ リード線
８ 燃料供給部
２１ 燃料電池装置
２２ 燃料カートリッジ
２３ パージバルブ
３１ マイコン
３２ メインスイッチ
３３ 電源
３４ 燃料電池出力電圧検出部
５１ 蓋部
５２ 基部

Claims (9)

1. 燃料電池装置であって、燃料電池と、燃料ガスを装置内部に供給するための燃料供給部と、供給された燃料ガスが流通される燃料流路と、前記燃料流路に設けられ、装置内部のガスを排出するためのパージバルブとを備えており、前記燃料供給部が前記パージバルブよりも燃料電池装置の使用時における重力方向に対し上方の位置に設けられていることを特徴とする燃料電池装置。
2. 前記燃料ガスの供給が前記燃料供給部から行われ、ガス排出が前記パージバルブで行われることにより、前記燃料流路のガス交換が行われる請求項１に記載の燃料電池装置。
3. 燃料電池装置用の機器であって、機器本体と、前記機器本体に搭載された燃料電池装置とを有しており、前記燃料電池装置は、燃料電池と、燃料ガスを装置内部に供給するための燃料供給部と、供給された燃料ガスが流通される燃料流路と、前記燃料流路に設けられ、装置内部のガスを排出するためのパージバルブとを備えており、前記燃料供給部が前記パージバルブよりも機器の使用時における重力方向に対し上方の位置に設けられていることを特徴とする燃料電池装置用の機器。
4. 燃料電池装置用の機器であって、機器本体と、燃料電池装置を収容するための電池室とを有しており、前記燃料電池装置は、燃料電池と、燃料ガスを装置内部に供給するための燃料供給部と、供給された燃料ガスが流通される燃料流路と、前記燃料流路に設けられ、装置内部のガスを排出するためのパージバルブとを備えており、前記電池室は、前記燃料電池装置を、前記燃料供給部が前記パージバルブよりも機器の使用時における重力方向に対し上方に位置するように収容するよう、収容方向性を有していることを特徴とする燃料電池装置用の機器。
5. 燃料電池と、燃料ガスを装置内部に供給するための燃料供給部と、供給された燃料ガスが流通される燃料流路と、前記燃料流路に設けられ、装置内部のガスを排出するためのパージバルブとを備えている燃料電池装置のガス置換方法であって、前記燃料供給部がパージバルブよりも燃料電池の使用時における重力方向に対し上方の位置に設けられ、燃料ガスの供給を上方の燃料供給部から行い、ガス排出を下方のパージバルブで行って燃料流路のガス交換を行うことを特徴とする燃料電池装置のガス置換方法。
6. 前記燃料電池の出力電圧を検出し所定値未満の時、所定時間燃料流路の内部のガス交換を行う請求項５に記載の燃料電池装置のガス置換方法。
7. 前記燃料電池の出力電圧を検出し所定値未満の時、所定の出力電圧が得られるまで燃料流路の内部のガス交換を行う請求項５に記載の燃料電池装置のガス置換方法。
8. 前記燃料電池装置が装備される機器のメインスイッチがＯＮと成った時、所定時間燃料流路の内部のガス交換を行う請求項５に記載の燃料電池装置のガス置換方法。
9. 前記燃料電池装置が装備される機器のメインスイッチがＯＮと成った時、所定の出力電圧が得られるまで燃料流路の内部のガス交換を行う請求項５に記載の燃料電池装置のガス置換方法。

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