JP3989327B2 - 小型電気機器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池で発生される電力を電源スイッチのＯＮ状態に基づいて消費する電力消費源を収容ケースに設けた小型電気機器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
携帯性に優れた小型電気機器に用いられる電源装置として、一般に乾電池等の一次電池及び蓄電池等の二次電池が用いられている。一次電池は小型且つ軽量であるため、携帯性に優れている。また、二次電池は小型且つ軽量で、且つ充電により繰り返し使用することが可能であるため、様々な小型電気機器に使用されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来大量の電力を必要としていなかった小型電気機器においても電気機器の技術進歩に伴い電力量の増加が求められており、従来の一次電池では必要とする電力を得ることが難しくなっていた。また、二次電池を用いることで、必要とする電力を得ることは可能となったが、繰り返し使用することによって電池の劣化が生じ、また、廃棄される一次電池や二次電池の処理が困難といった問題が生じていた。そこで、本出願人は、多量の電力を必要とする電気自動車等に用いられている燃料電池に注目した。燃料電池は、水素と酸素の化学反応により電力を得るものであり、従来の一次電池及び二次電池と異なり、劣化が起こり難いため一定の出力が期待されている。本発明は、上記した事情に鑑みなされたものであり、その目的とするところは、携帯性に優れ、電池の劣化が少ない燃料電池を用いた小型電気機器を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、請求項１に係る発明においては、燃料電池で発生される電力を電源スイッチのＯＮ状態に基づいて消費する電力消費源を収容ケースに設けた小型電気機器であって、前記収容ケースには、前記燃料電池と、該燃料電池の燃料を貯蔵し且つ燃料を供給及び停止する際に操作される制御バルブを備えた燃料貯蔵部と、該燃料貯蔵部に貯蔵された燃料を前記燃料電池に供給する燃料供給管と、前記燃料電池内部の不純物を除去するために前記制御バルブを開けた直後に操作されるパージバルブと、からなる燃料電池ユニットが内蔵されると共に、前記制御バルブ及び前記パージバルブが外部に臨むそれぞれの開口が形成され、さらに、他の小型電気機器からの配線が接続可能であって前記電力消費源の電源スイッチの状態に関わらず電力を出力することが可能な外部端子が設けられていることを特徴とする。このように構成することにより、燃料電池に燃料を供給する際に操作される制御バルブを収容ケースの外部に臨ませたため、収容ケースの外部から制御バルブを操作することができ、燃料電池で発生される電力を消費する電力消費源を収容ケースに設けた小型電気機器の操作を簡便にすることができる。
【０００５】
また、前記燃料電池は、燃料電池内部の不純物を除去するために制御バルブを開けた直後に操作されるパージバルブを備え、前記収容ケースには、前記パージバルブが外部に臨む開口も形成されていることにより、収容ケースを開けることなくパージバルブを操作することができ、燃料電池で発生される電力を消費する電力消費源を収容ケースに設けた小型電気機器の操作を簡便にすることができる。
【０００６】
更に、前記収容ケースには、他の小型電気機器からの配線が接続可能であって電力消費源の電源スイッチの状態に関わらず電力を出力することが可能な外部端子が設けられていることにより、燃料電池で発生する電力を用いて自らの電源装置とするだけでなく、外部端子により他の小型電気機器の電源装置として用いることができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を小型電気機器の一例としてハンドライト１について、図面を参照して説明する。まず、ハンドライト１の外観について図１乃至図３を参照して説明する。図１は、ハンドライト１全体の斜視図であり、図２は、ハンドライト１の平面図・側面図・正面図・背面図であり、図３は、ハンドライト１の分解斜視図である。
【０００８】
ハンドライト１は、図１に示すように後述する燃料電池ユニット２０を収容ケース２に内蔵することにより構成され、その収容ケース２は、収容部３と、その前面に設けられる照射部８と、収容部３の背面に設けられる開閉蓋１２と、から構成されている。
【０００９】
照射部８は後述する燃料電池２１で発生される電力を消費する電力消費源であるライト９と、ライト９から照射される光の反射を行う反射板１０とから構成され、ライト９により光を照射するものである。また、本実施形態においては、照射部８に他の小型電気機器からの配線が接続可能な外部端子１１を設けている。外部端子１１については、後に詳述する。
【００１０】
収容部３には、上部に取っ手部４が設けられ、その取っ手部４の上部表面にはライト９の電源スイッチ５が設けられている。更に、収容部３の側方には後述する通気穴６が設けられている。また、開閉蓋１２に面する収容部３の端部には後述するネジ穴７が設けられている。
【００１１】
収容部３の後方には開閉蓋１２が設けられ、その表面には後述するパージバルブ用開口１３と、燃料供給制御バルブ用開口１４と、ネジ穴１５と、が設けられている。更に、開閉蓋１２は、開閉蓋１２のネジ穴１５と収容部３のネジ穴７を合致させてネジ１６で開閉可能に止着固定している。
【００１２】
次に収容ケース２内部の構造を図４を参照して説明する。図４は、ハンドライト１の断面図である。収容部３内部には、図４に示すように燃料電池２１と、燃料電池の燃料を貯蔵し且つ燃料を供給及び停止する際に操作される制御バルブとしての燃料供給制御バルブ２４を備えた燃料貯蔵部としての燃料タンク２３、燃料タンク２３に貯蔵された燃料を燃料電池２１に供給する燃料供給管２５と、圧力調整弁２７と、からなる燃料電池ユニット２０が内蔵され、燃料電池２１には、燃料電池２１内の不純物（例えば、後述するタイ・ボルト３８周りの燃料供給路に溜まった空気）を除去するパージバルブ２２が備えられている。なお、圧力調整弁２７は、燃料電池２１への水素の供給圧力を一定にするために燃料電池２１の直前位置に設けられるものである。
【００１３】
まず、燃料電池ユニット２０について、図４乃至図６を参照して説明する。図５は、燃料電池ユニット２０の斜視図であり、図６は、ハンドライト１の配線図である。燃料電池ユニット２０は、図５に示すように前述した燃料電池２１と、燃料タンク２３と、燃料タンク２３と燃料電池２１とをつなぐ燃料供給管２５と、から構成される。また、燃料電池ユニット２０は、図４に示すように収容部３内部にホルダ２６ａ、２６ｂによって固定される。燃料電池２１は、一般に水素を主燃料とし、この水素が酸素と化学反応したときのエネルギーとして取り出すものである。以下の実施の形態では、主として燃料は水素であり、酸素は空気中の酸素であって、空気として送られるものである。
【００１４】
ここで、燃料電池ユニット２０による発電方法を簡単に説明する。まず燃料である水素を、燃料供給制御バルブ２４を調整することにより燃料タンク２３から燃料電池２１に供給しなければならないが、本実施形態で用いた燃料電池２１の燃料は純水素であるため、水素以外の不純物（例えば、空気）を燃料電池２１の内部から除去する必要がある。そこで、燃料供給制御バルブ２４を開いた直後、パージバルブ２２を押圧し、燃料電池２１内の空気を外部に放出する。その後、燃料供給制御バルブ２４が開いた状態にある場合は、燃料電池２１に水素が供給されて、酸素と反応することにより発電が起こる。そして、発電により水が発生し、また、発熱も起こる。前述したように、酸素は空気中の酸素を用いる。そして、発電により発生した水は、発生した熱で蒸気として放出される。そのため本実施形態においてはこのような燃料電池２１を内部に備えた小型電気機器に特有な構造が収容ケース２になされている。前述した収容ケース２の収容部３に通気穴６が設けられており、この通気穴６を通じて酸素の取り入れを行っていると共に、発電により発生した蒸気を収容ケース２外部に放出を行っている。
【００１５】
また、燃料電池ユニット２０の燃料タンク２３に設けられた燃料供給制御バルブ２４を開いた状態においては、燃料電池２１へ水素が供給され発電が起こり、ライト９は収容部３上部の取っ手部４に設けられた電源スイッチ５をＯＮにすることで光の照射を行う。しかし、燃料供給制御バルブ２４を閉じた状態においては、燃料電池２１への水素の供給が断たれ発電が止まり電源スイッチ５をＯＮにしてもライト９は光の照射を行わない。しかし、照射部８上部に設けられた外部端子１１は、図６に示すように電源スイッチ５と接続されていないため、燃料供給制御バルブ２４が開いた状態では、電源スイッチ５の状態に関わらず他の小型電気機器の充電を行うことができる。一方、燃料供給制御バルブ２４が閉じた状態では外部端子１１も電源スイッチ５の状態に関わらず他の小型電気機器の充電を行うことができない。
【００１６】
本実施形態は、上記のように構成される燃料電池ユニット２０を内部に設けたハンドライト１の収容ケース２に特徴を示すものである。収容ケース２には、図４に示すように燃料電池２１と、燃料電池２１の燃料を貯蔵し且つ燃料を供給する際に操作される制御バルブである燃料供給制御バルブ２４を備えた燃料貯蔵部である燃料タンク２３と、燃料タンク２３に貯蔵された燃料を燃料電池２１に供給する燃料供給管２５と、からなる燃料電池ユニット２０が内蔵され、収容ケース２の開閉蓋１２には、図２に示すように燃料供給制御バルブ２４が外部に臨む開口１４が形成されている。また、収容ケース２の開閉蓋１２には、燃料電池２１内部の不純物を除去する際に操作するパージバルブ２２が外部に臨む開口１３も形成されている。開閉蓋１２に設けられた燃料供給制御バルブ用開口１４及びパージバルブ用開口１３は燃料電池ユニット２０の燃料供給制御バルブ２４及びパージバルブ２２を収容ケース２の外部に突出させるものである。
【００１７】
また、本実施形態中では、燃料電池として固体高分子電解質型燃料電池を用いており、この固体高分子型燃料電池は運転温度が低く、また出力密度が高いという特性を有している。本実施形態で用いられる固体高分子電解質型燃料電池について、図７及び図８を参照して説明する。図７は、燃料電池２１の断面図であり、図８は、燃料電池２１のナット４１の正面及び断面図である。
【００１８】
固体高分子電解質型燃料電池は、図７に示すように他の構成部材より大きな直径を有する厚さ０．３ｍｍのステンレス製のセパレータ板３１の間に、厚さ０．０５ｍｍのパーフルオロカーボンスルフォン酸ポリマー材からなる固体高分子電解質膜３２、この固体高分子電解質膜３２の両側に配置されるシート状のカーボン素材からなり厚さ０．５ｍｍの酸素極３４、この酸素極３４の外側に配置される厚さ３．５ｍｍのカーボン素材板からなる酸素流路板３５、燃料極３３の外周部を密封するためのＥＰＤＭのような合成ゴムからなる幅２ｍｍの環状をしたアウターシール３６、および酸素極３４と酸素流路板３５との内周部を密封するＥＰＤＭのような幅５ｍｍの寸法を有するインナーシール３７を有する単セル３０を含むものである。また、固体高分子電解質膜３２を挟む燃料極３３、酸素極３４は、化学反応のための触媒を被着したものである。
【００１９】
上記した単セル３０を、必要とする出力に応じた数だけ重ね、この重ねた複数の単セル３０を一体にするために、各構成部材の中央部分が開口されていて、その開口にタイ・ボルト３８が貫通されている。そして最も外側の単セル３０のセパレータ板３１とエンドプレート３９の間にＥＰＤＭのような合成ゴム製のエンドガスケット４０が挟まれており、タイ・ボルト３８の両端部に切られたネジに対してステンレス製のナット４１、４７がエポキシ樹脂製のエンドプレート３９、３９のそれぞれに対向してねじ込まれることにより、複数個の単セル３０を一体に固定することができる。
【００２０】
このような単セル３０を一体にするための一方のナット４１は、図８に示すように、中心部に中空孔４２が形成され、その一端側からほぼ軸線方向中央部まで内ネジ４４が切られていて、タイ・ボルト３８をねじ込むことができると共に、内ネジ４４の外側には、燃料流路４３が少なくとも２箇所設けられ、中空孔４２と貫通されている。そしてエンドプレート３９と接する面には、Ｏリング４５が嵌め込まれる円形状溝４６が形成されている。
【００２１】
また、他方のナット４７は、図７に示すように、一方のナット４１と同様に、タイ・ボルト３８の端部ネジがねじ込まれるように一端側からほぼ軸線方向中央部分までは内ネジ４９が切られ、その半径方向外側には給排孔４８が形成されている。内ネジ４９の軸線方向反対側には、燃料電池内の不純物の除去を行うパージバルブ２２が取り付けられ、給排孔４８を介して不純物の除去を行う。そして、エンドプレート３９に接する面には円形状溝５０が形成され、Ｏリング４５が嵌め込まれている。
【００２２】
上記のような構成を有する携帯型燃料電池は、以下のように組み立てることができる。
【００２３】
まず、タイ・ボルト３８の一端に一方のナット４１を取りつけ、燃料電池の中心軸を構成する。この中心軸に対して、最も外側のエンドプレート３９、エンドガスケット４０が順次その中心孔に挿入されて準備され、単セル３０を構成するように、セパレータ板３１、燃料極３３、その半径方向外側に位置するアウターシール３６、固体高分子電解質膜３２、インナーシール３７、その半径方向外側に位置する酸素極３４と酸素流路板３５、およびセパレータ板３１がそれらの中心孔に挿入されて順次重ねられることによって組み立てられる。
【００２４】
この後、次の単セル３０のために、前の単セル３０の最後のセパレータ板３１に対して、前の単セル３０と同様に、燃料極３３、その半径方向外側に位置するアウターシール３６、固体高分子電解質膜３２、インナーシール３７、その半径方向外側に位置する酸素極３４と酸素流路板３５、およびセパレータ板３１が中心軸に挿入されて組みたてられる。この単セル３０は、携帯型燃料電池の規定の出力に応じた数だけ順次繰り返され、重ねられて組み立てられる。
【００２５】
最後に、最も外側の単セル３０のセパレータ板３１に対してエンドガスケット４０を挟んで、エンドプレート３９がその中心孔に中心軸が通されて積み重ねられる。この単セル３０の積層体にされたスタックは、所定の圧力、例えば、約１５ＭＰａで押さえられる。この状態で、中心軸のタイ・ボルト３８の端部のネジにパージバルブ２２を取り付けた他方のナット４７がねじ込まれて、スタックの全体を所定トルク、例えば６．８Ｎｍ、で締め付けて固定する。
【００２６】
また、このように構成される携帯型燃料電池の半径方向外側には収容ケース等は用いられず外気と直接接するようになっている。このため、燃料となる酸素（空気）の取り入れを容易に行うことができる。そして、発電により発生した水は燃料電池の半径方向外側に移動し、発電により発生した熱により蒸気として放出される。
【００２７】
以上のように組み立てられた燃料電池には、携帯型燃料電池として、一方のナット４１に水素発生装置等からの燃料が供給されるようにチューブ等が更に接続される。水素等の燃料は、一方のナット４１の燃料供給孔をなす中空孔４２、燃料流路４３を通り、タイ・ボルト３８に沿って各単セル３０の燃料極３３の内端部に送られる。燃料極３３は、シート状のカーボン素材からなるために、その多孔性の材料の空隙を通して、特別に燃料流路板を設けることなく半径方向に送ることができ、そして外周部をアウターシール３６によって密封しているので、固体高分子電解質膜３２へ供給するように送ることができる。この固体高分子電解質膜３２の反対側には、酸素極３４と酸素流路板３５が設けられているので、酸素流路板３５の多孔性材料の空隙によって外側から空気が送られ、空気中の酸素が酸素極３４に供給される。
【００２８】
このようにして、固体高分子電解質膜３２の両側に送られた燃料である水素と酸素は、そこで化学反応して燃料極が陽極となり、酸素極が陰極となって、発電作用を行う。また、その際に水の発生及び発熱を伴うが、発生した熱により水が蒸発して、大気中へ拡散される。また、セパレータ板３１は、他の構成部材より半径が大きな寸法を有しているので、他の構成部材より突出した部分を、発生した熱を放熱させる放熱フィンとして機能させることができる。
【００２９】
以上、実施形態に係るハンドライトの構造及び作用について説明してきたが、本実施形態によれば、燃料電池２１で発生される電力を消費する電力消費源（ライト９）を収容ケース２に設けた小型電気機器（ハンドライト１）であって、前記収容ケース２には、前記燃料電池２１と、該燃料電池２１の燃料を貯蔵し且つ燃料を供給する際に操作される制御バルブ２４を備えた燃料貯蔵部２３と、該燃料貯蔵部２３に貯蔵された燃料を前記燃料電池２１に供給する燃料供給管２５と、からなる燃料電池ユニット２０が内蔵されると共に、前記制御バルブ２４が外部に臨む開口１４が形成されていることにより、燃料電池２１に燃料を供給する際に操作される制御バルブ２４を収容ケース２の外部に臨ませたため、収容ケース２の外部から制御バルブ２４を操作することができ、燃料電池２１で発生される電力を消費する電力消費源９を収容ケース２に設けた小型電気機器１の操作を簡便にすることができる。
【００３０】
また、本実施形態においては、前記燃料電池２１は、電池内部の不純物を除去する際に操作するパージバルブ２２を備え、前記収容ケース２には、前記パージバルブ２２が外部に臨む開口１３も形成されていることを特徴とする。このように構成することにより、燃料電池２１内部の不純物を除去するパージバルブ２２を外部に臨ませる開口１３を形成したため、収容ケース２を開けることなくパージバルブ２２を操作することができ、燃料電池２１で発生される電力を消費する電力消費源９を収容ケース２に設けた小型電気機器１の操作を簡便にすることができる。
【００３１】
また、本実施形態においては、前記収容ケース２には、他の小型電気機器からの配線が接続可能な外部端子１１が設けられていることを特徴とする。このように構成することにより、燃料電池２１と他の小型電気機器を接続する外部端子１１を設けたため、燃料電池２１で発生する電力を用いて自らの電源装置とするだけでなく、外部端子１１により他の小型電気機器の電源装置として用いることができる。
【００３２】
なお、本実施形態の各構成部材における寸法は、それらに限定されるものではなく、一例に過ぎないことは言うまでもなく、用途に応じて、要求される出力に応じて、決定されるものである。
【００３３】
また、本実施形態におけるパージバルブ用開口１３及び燃料供給制御バルブ用開口１４は、ハンドライト１の照射部８と反対側の端部に設けられているがこれに限らず、例えば収容部３の上部表面であってもよい。
【００３４】
また、本実施形態における開閉蓋１２はネジ１６により止着されているが、これに限らず、例えば係止片及び係止孔を設けそれにより開閉蓋１２を開閉自在に系止してもよい。
【００３５】
また、本実施形態における外部端子１１は照射部８の上部表面に設けられているがこれに限らず収容ケース２に設けられていてもよい。例えば収容部３の上部表面に設けてもよく、また側部表面であっても良い。
【００３６】
また、本実施形態における小型電気機器としてハンドライト１を用いているがこれに限らず、燃料電池２１で発電する電力を消費する電力消費源を備えた小型電気機器であればよく、例えば燃料電池２１を内蔵した携帯型ラジオであってもよい。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したところから明らかなように、請求項１の発明においては、燃料電池に燃料を供給する際に操作される制御バルブを収容ケースの外部に臨ませたため、収容ケースの外部から制御バルブを操作することができ、燃料電池で発生される電力を消費する電力消費源を収容ケースに設けた小型電気機器の操作を簡便にすることができる。
【００３８】
また、燃料電池内部の不純物を除去するパージバルブを外部に臨ませる開口を形成したため、収容ケースを開けることなくパージバルブを操作することができ、燃料電池で発生される電力を消費する電力消費源を収容ケースに設けた小型電気機器の操作を簡便にすることができる。
【００３９】
更に、前記収容ケースには、他の小型電気機器からの配線が接続可能であって電力消費源の電源スイッチの状態に関わらず電力を出力することが可能な外部端子が設けられていることにより、燃料電池で発生する電力を用いて自らの電源装置とするだけでなく、外部端子により他の小型電気機器の電源装置として用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本実施形態におけるハンドライト全体の斜視図である。
【図２】 本実施形態におけるハンドライトを示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は側面図、（Ｃ）は正面図、（Ｄ）は背面図である。
【図３】 本実施形態におけるハンドライトの分解斜視図である。
【図４】 本実施形態におけるハンドライトの断面図である。
【図５】 本実施形態における燃料電池ユニットの斜視図である。
【図６】 本実施形態におけるハンドライトの配線図である。
【図７】 本実施形態における燃料電池の断面図である。
【図８】 本実施形態における燃料電池のナットの正面及び断面図である。
【符号の説明】
１ ハンドライト（小型電気機器）
２ 収容ケース
９ ライト（電力消費源）
１１ 外部端子
１３ パージバルブ用開口（開口）
１４ 燃料供給制御バルブ用開口（開口）
２０ 燃料電池ユニット
２１ 燃料電池
２２ パージバルブ
２３ 燃料タンク（燃料貯蔵部）
２４ 燃料供給制御バルブ（制御バルブ）

Claims (1)

1. 燃料電池で発生される電力を電源スイッチのＯＮ状態に基づいて消費する電力消費源を収容ケースに設けた小型電気機器であって、
   前記収容ケースには、前記燃料電池と、該燃料電池の燃料を貯蔵し且つ燃料を供給及び停止する際に操作される制御バルブを備えた燃料貯蔵部と、該燃料貯蔵部に貯蔵された燃料を前記燃料電池に供給する燃料供給管と、前記燃料電池内部の不純物を除去するために前記制御バルブを開けた直後に操作されるパージバルブと、からなる燃料電池ユニットが内蔵されると共に、
   前記制御バルブ及び前記パージバルブが外部に臨むそれぞれの開口が形成され、さらに、他の小型電気機器からの配線が接続可能であって前記電力消費源の電源スイッチの状態に関わらず電力を出力することが可能な外部端子が設けられていることを特徴とする小型電気機器。

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