JP4525015B2

JP4525015B2 - 電子機器

Info

Publication number: JP4525015B2
Application number: JP2003271561A
Authority: JP
Inventors: 秀和田中; 康博渡辺; 和彦大塚
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2003-07-07
Filing date: 2003-07-07
Publication date: 2010-08-18
Anticipated expiration: 2023-07-07
Also published as: JP2005032597A

Description

本発明は、ノート型パーソナルコンピュータのような電子機器に関するものであり、特に、燃料電池を駆動電源とする電子機器の改良に関する。

燃料電池は、例えば水素ガスやメタノール等の燃料流体と、酸化用流体（空気に含まれる酸素）とを電気化学的に反応させることにより発電を行う発電装置である。例えば、固体高分子型の燃料電池の場合、各発電体部分は、固体高分子からなる電解質膜を酸素側電極と燃料側電極とで挟み込んだ構造を有しており、酸素側電極には酸素を供給するために空気が供給され、燃料側電極には燃料流体が供給され、上記電気化学的な反応により発電が行われる。

発電に際しては、固体高分子型の燃料電池では、イオン交換膜でありプロトン伝導体膜として機能する電解質膜中をイオン（プロトン）が移動し、酸素側電極の酸素と反応して電流が発生し、同時に酸素側電極では水が生成される。燃料電池の発電体部分は、電解質膜・電極複合体又はＭＥＡ（Membrane and Electrode Assembly）と呼ばれており、この電解質膜・電極複合体を燃料流体流路や空気流路が形成されたセパレータで挟み込んで発電セルとし、複数の発電セルを積層することで積層構造（スタック構造）の燃料電池が構成されている。

上述の燃料電池は、発電により生成される生成物が水であり、環境を汚染することがないクリーンな電源として近年注目されており、例えば、電気自動車や住宅用電源システム等、大型のシステムにおいて実用化が期待されている一方、固体高分子型の燃料電池が小型、軽量であるという特徴を生かして、例えばノート型パーソナルコンピュータ等の可搬型電子機器の電源としての応用も検討されている（例えば、特許文献１等を参照）。このような用途に用いられる燃料電池においては、所要の電力を安定して出力することができ、且つ携帯可能なサイズとされることが重要となり、各種技術開発が盛んに行われている。例えば、特許文献１記載の発明には、一つのパッケージ内に一体化した超小型の機器搭載用の固体高分子型燃料電池が開示されている。
特開平９−２１３３５９号公報

ところで、ノート型パーソナルコンピュータ等の可搬型の電子機器においては、例えば機能を最大限使用したり、大きな電力を必要とする周辺機器を接続したり、大きな電力を必要とするソフトウエアを起動した場合等、通常の使用時に比べて大電力が要求される場合がある。また、あまり使われることのない大きな電力に備えて、余裕ある電力を確保しておくのは無駄が大きい。

このような大電力が要求された場合、単独の燃料電池では、取り出し得る電力に限りがある。また、燃料電池を高負荷運転することにより、ある程度大電流を取り出すことが可能であるが、高負荷運転を行うとエネルギー効率の低下や燃料電池の特性劣化の原因となり、燃料電池の寿命が短くなるという問題もある。したがって、使用状況に応じて供給する電力を増大することができるような燃料電池システムが望まれるが、従来、そのような燃料電池システムに関する検討は皆無であり、可搬型の電子機器の用途拡大の妨げになっている。

本発明は、前述のような従来の実情に鑑みて提案されたものであり、使用状況等に応じて大電力を取り出すことが可能で、しかも燃料電池を劣化させることのない新規な電子機器を提供することを目的とする。

本発明の電子機器は、ノート型パーソナルコンピュータとして構成された電子機器において、本体に内蔵された燃料電池と、容器内に燃料電池を収容する増設用燃料電池ユニットが着脱自在に装着される増設スロットと、内蔵された燃料電池および増設用燃料電池ユニット内の燃料電池に対してそれぞれ供給するための燃料を貯蔵する燃料カートリッジとを備えたものである。上記増設スロットは、増設用燃料電池ユニットを収容するための収容空間と、収容した増設用燃料電池ユニットを機械的に固定保持する保持機構と、収容空間に臨むように配設されると共に、増設用燃料電池ユニットの装着時にこの増設用燃料電池ユニットと電気的に接続するための接続端子と、収容空間に臨むように配設されると共に、増設用燃料電池ユニットの装着時にこの増設用燃料電池ユニット内の燃料電池に対して燃料カートリッジ内の燃料を供給するための燃料供給口とを有している。増設用燃料電池ユニットの装着時には、この増設用燃料電池ユニット内の燃料電池と内蔵された燃料電池との両者において発電が行われる。また、増設スロットにおける燃料供給口は、増設用燃料電池ユニットの非装着時には密閉される構造となっている。

本発明の電子機器では、増設用燃料電池ユニットの増設スロットへの装着により、いわゆる増設メモリと同様に、発電部が増設される。増設用燃料電池ユニットが増設スロットに装着されると、増設用燃料電池ユニットの燃料電池と、内蔵される燃料電池の両者において発電が行われ、内蔵される燃料電池単独の場合に比べて、大電力（大出力）が取り出し可能になる。例えば、内蔵される燃料電池の出力が１０Ｗ、増設用燃料電池ユニットの出力が１０Ｗとすれば、１個の増設用燃料電池ユニットを装着すれば、トータルの出力は１０Ｗ＋１０Ｗ＝２０Ｗ、２個の増設用燃料電池ユニットを装着すれば、トータルの出力は１０Ｗ＋１０Ｗ×２＝３０Ｗとなる。

本発明の電子機器によれば、本体に内蔵された燃料電池と、容器内に燃料電池を収容する増設用燃料電池ユニットが着脱自在に装着される増設スロットと、内蔵された燃料電池および増設用燃料電池ユニット内の燃料電池に対してそれぞれ供給するための燃料を貯蔵する燃料カートリッジとを設けると共に、増設用燃料電池ユニットの装着時には、この増設用燃料電池ユニット内の燃料電池と内蔵された燃料電池との両者において発電が行われるようにしたので、供給する電力を拡大することが可能である。
また、増設スロットにおける燃料供給口が、増設用燃料電池ユニットの非装着時には密閉される構造となっているようにしたので、増設用燃料電池ユニットの非装着時に不用意な燃料漏れが生じないようにすることが可能となる。

以下、本発明を適用した電子機器について、可搬型の電子機器であるノート型パーソナルコンピュータを例にして、図面を参照しながら詳細に説明する。

ノート型パーソナルコンピュータは、図１に示すように、上面に入力キーや入力パッドが設けられたコンピュータ本体部１と、画面表示のための液晶パネルが組み込まれ、コンピュータ本体部１に対して開閉自在とされるディスプレイ部２とから構成される。

コンピュータ本体部１には、ＣＰＵでの演算処理や液晶パネルでの画面表示等を行うための電力を供給する駆動電源システムが内蔵され、本例では、燃料電池を発電部とする駆動電源システムが組み込まれている。燃料電池を発電部とする駆動電源システムは、例えば図１に示す通り、発電部である燃料電池３、燃料電池３に供給する燃料を貯蔵する燃料カートリッジ４、燃料カートリッジ４から供給される燃料の圧力調整を行うレギュレータ等の補機類５、さらには補機類５等を制御し燃料電池３の運転状態を制御する制御回路基板６等から構成される。

ここで、燃料電池３は、通常はスタック構造を有し、例えば、固体高分子電解質膜と、この電解質膜を挟持するように電解質膜の両面に配設される二つの電極（燃料側電極と酸素側電極）と、セル間の隔壁となるセパレータとを積層することにより構成される。電解質膜には、高エネルギー密度化、低コスト化、軽量化等の要求を考慮して、例えば固体高分子電解質膜が用いられる。固体高分子電解質膜としては、例えばスルホン酸系の固体高分子電解質膜等が用いられる。電極には、例えば発電反応を促進するための触媒が担持された電極が用いられる。

電解質膜は、電極により挟み込まれ、これら電解質膜と電極とからなる接合体を２枚のセパレータで挟み込むことにより発電セル（単位素子）が構成される。これら電極のうち燃料側電極には、燃料である水素やメタノールが供給され、供給された水素（メタノール）が水素イオンと電子とに解離され、水素イオンは電解質を通り、電子は外部回路を通って電力を発生させ、酸素側電極にそれぞれ移動する。酸素側電極には、酸化剤である酸素（空気）が供給され、供給された空気中の酸素と上記水素イオン及び電子が反応して水が生成する。

この燃料電池３は、寿命等により特性が劣化した際に交換可能なようにコンピュータ本体部１に対して着脱可能としてもよいが、通常使用時には、コンピュータ本体部１に固定し、内蔵電源として用いる。

上記燃料カートリッジ４は、前述の通り、燃料電池３に供給する燃料を貯蔵するものである。例えば、燃料として水素を用いる場合には、高圧水素ボンベや水素貯蔵合金を収納したカートリッジ等が用いられる。燃料としてメタノールを用いる場合には、メタノールを収容し得る容器を用いればよい。この燃料カートリッジ４は、コンピュータ本体部１に固定されていてもよいし、取り外して燃料充填が行えるように着脱式としてもよい。

上記補機類５は、燃料カートリッジ４から供給される燃料の圧力調整を行うレギュレータや、燃料電池３に空気を送り込むための空気供給手段、さらには後述の増設用燃料電池ユニットへの燃料供給を制御する制御弁等、各種アクチュエータを備えて構成され、これらアクチュエータが制御回路基板６からの信号によって制御される。制御回路基板６は、必要な制御回路が形成された回路基板であり、駆動電源システム全体の運転制御を行う。

本実施形態のノート型パーソナルコンピュータは、上述の駆動電源システムを内蔵する他、増設用燃料電池ユニット７を装着し得る増設スロットを有することが大きな特徴である。本例の場合、２つの増設スロットを有し、増設用燃料電池ユニット７を、必要に応じて１つ、あるいは２つ装着することが可能である。以下、この増設用燃料電池ユニット７及び増設スロットについて説明する。

増設用燃料電池ユニット７は、燃料電池３と同様、スタック構造を有する燃料電池を備えるものであり、着脱時の取り扱いを容易にするために、この燃料電池を容器内に収納してなるものである。増設用燃料電池ユニット７の燃料電池の仕様（定格）は、内蔵される駆動電源システムの燃料電池３と同じであってもよいし、異なってもよい。増設用燃料電池ユニット７には、装置側（コンピュータ本体部１側）の駆動電源システムとの電気的接続をとるための接続端子が設けられており、増設スロットに装着した際には、この端子を介して燃料電池が駆動電源としてコンピュータ本体部１に接続される。

増設用燃料電池ユニット７には、増設スロットに装着した際に、コンピュータ本体部１側の燃料カートリッジ４の燃料を増設用燃料電池ユニット７内の燃料電池に供給するための燃料供給口が設けられており、増設スロット装着時には、この燃料供給口がコンピュータ本体部１側の燃料供給口と連結されて、燃料供給が行われる。なお、増設用燃料電池ユニット７にそれぞれ燃料カートリッジを内蔵させることも考えられるが、その場合、各増設用燃料電池ユニット７が大型化することから、ここではコンピュータ本体部１側の燃料を使用する構成とした。

また、増設用燃料電池ユニット７には、燃料電池に空気を送り込む送風機構が必要である。この送風機構も、コンピュータ本体部１側のものを利用するようにしてもよいが、この場合、コンピュータ本体部１側の送風機構が複雑化する。また、送風機構は、小型化が容易であり、増設用燃料電池ユニット７に組み込んでもさほど大型化することがないので、ここでは各増設用燃料電池ユニット７が個別に送風機構を有する構造とした。

このような送風機構は、例えば増設用燃料電池ユニット７の燃料電池のセパレータ等に組み込むことができる。図２は、送風機構として揺動ファンを組み込んだセパレータの一例を示すものである。このセパレータ１０は、図２（ａ）〜図２（ｃ）に示すように、酸化用流体としての酸素を含む空気を流動させるための流路１２がセパレータ本体１１に複数形成されるとともに、各流路１２にそれぞれ揺動ファン１３が配設されてなるものであり、各揺動ファン１３は独立して各流路１２に空気を供給する。

流路１２は、セパレータ本体１１の端部から他方の端部を繋ぐように略直線状に伸びる溝部であり、セパレータ本体１１の幅方向に沿って複数形成されている。流路１２は、セパレータ本体１１の一方の端部と他方の端部にそれぞれ開口する開口部１４，１５を有し、開口部１４を介して供給される空気が流路１２で流動されて開口部１５から外部に排出される。

揺動ファン１３は流路１２に空気を供給する酸化用流体供給手段であり、例えば、圧電体の振動を駆動力とする圧電ファン、形状記憶合金により形成された部材を張り合わせたバイモルフ構造を有してこれら部材が変形する際の力を駆動力とするファン、熱膨張係数の異なる材料を組み合わせてこれら材料により形成されるバイモルフ構造を有する部材の寸法が変化する際の力を駆動力とするファン等を用いることができる。また、ダイアフラムポンプの如きポンプを用いて流路１２に空気を供給することもできる。さらに、上述した酸化用流体供給手段に限定されず、流路１２に配設可能なサイズとされて所要の空気量を流路１２に供給できるものであれば如何なるものでも良い。また、マイクロマシン、或いはＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）と呼ばれる小型のデバイスの如き電子機器としての機能がそろった単一の超微小チップを開口部に配置することによりさらなる小型化・高機能化を実現することもできる。

送風機構としては、上記揺動ファンに限られるものではなく、例えば回転式ファン等を採用することもできる。送風機構として回転式ファンを備えるセパレータ２０は、図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すように、セパレータ本体２１の内部の略全体に広がる流路２２を有する。さらに、セパレータ本体２１にはセパレータ本体２１の一部が流路２２及びセパレータ本体２１の下面に開口する開口部２８が形成されており、セパレータ本体２１が発電体と共に発電セルを形成する際には流路２２に供給された空気を開口部２８を介して発電体に供給することができる。

開口部２４は、セパレータ本体２１の内部に形成されている流路２２の一部がセパレータ本体２１の上面に開口するように形成されている。開口部２４は、セパレータ本体２１の上面の端付近に形成された略矩形状の開口部であり、セパレータ本体２１の幅方向に沿った長手方向を有してセパレータ本体２１の上面に開口する。開口部２４には流路２２に空気を供給するための回転式ファン２３の如き酸化用流体供給手段が配設され、開口部２４から空気を取り込んで流路２２に空気を供給する。セパレータ本体２１の開口部２４が形成された端部の反対側の端部には供給された空気を排出するための開口部２９が形成されている。回転式ファン２３は開口部２４の長手方向に沿った軸部２５を回転軸として回転し、フィン２６により空気を流路２２に供給する。フィン２６は回転式ファン２３の長手方向に沿って延設され、流路２２全体に略均一に空気を供給する。回転式ファンの長さは開口部２４の長手方向の寸法と略等しい長さとされ、回転式ファン２３は開口部２４の全体から流路２２全体に略均一に空気を供給することができる。

一方、上記増設用燃料電池ユニット７が装着される増設スロットは、増設用燃料電池ユニット７の形状、大きさに対応した収容空間を有するとともに、収容した増設燃料電池ユニット７を機械的に固定保持する保持機構を有し、当該収容空間に臨んで、接続端子及び燃料供給口が設けられている。したがって、増設用燃料電池ユニット７が装着された際には、前記接続端子と増設用燃料電池ユニット７の接続端子とが電気的に接続され、前記燃料供給口と増設用燃料電池ユニット７の燃料供給口とが連結される。なお、前記収容空間に臨む燃料供給口は、増設用燃料電池ユニット７の非装着時には密閉されるような構造となっており、増設用燃料電池ユニット７の非装着時に不用意な燃料漏れが生じないような構造とされている。

以上の構成を有するノート型パーソナルコンピュータでは、例えば大きな電力を必要とする周辺機器を接続したり、大きな電力を必要とするソフトウエアを起動した場合等には、必要に応じて増設用燃料電池ユニット７を１つ、あるいは２つ増設スロットに装着する。増設用燃料電池ユニット７が増設スロットに装着されると、増設用燃料電池ユニット７の燃料電池も駆動電源として発電を行い、内蔵される燃料電池３単独の場合に比べて、大電力（出力）が取り出し可能になる。例えば、内蔵される燃料電池３の出力が１０Ｗ、増設用燃料電池ユニット７の燃料電池の出力が１０Ｗとすれば、１個の増設用燃料電池ユニット７を装着した場合に、１０Ｗ＋１０Ｗ＝２０Ｗの出力が取り出し可能になり、２個の増設用燃料電池ユニット７を装着した場合には、１０Ｗ＋１０Ｗ×２＝３０Ｗの出力が取り出し可能になる。

また、増設用燃料電池ユニット７を装着した場合、内蔵される燃料電池３や増設用燃料電池ユニット７の出力電流値を下げることができる。内蔵される燃料電池３から大電流を取り出そうとすると、出力特性において、理論電圧に比べ電圧を下げる必要があり、その分、損失が増大する傾向にある。各燃料電池の出力電流を下げることができれば、このような損失を最小限に抑えることができ、エネルギー効率を向上することができる。

図４は、本発明の他の実施形態を示すもので、機能拡張ユニットとしてのいわゆるドッキングステーションを備えたノート型パーソナルコンピュータに適用した例を示すものである。

ノート型パーソナルコンピュータのコンピュータ本体部１やディスプレイ部２の構成は、先の図１に示すものと同様であり、コンピュータ本体部１に燃料電池３や燃料カートリッジ４、補機類５、制御回路基板６等から構成される駆動電源システムが組み込まれていることも同様である。本実施形態のノート型パーソナルコンピュータは、各種外部端子や拡張ドライブ等、コンピュータ本体部１の機能を拡張するためのドッキングステーション８を備えている。ドッキングステーション８は、例えばコンピュータ本体部１の底面に重ね合わせるように結合され、互いの内部回路が接続されてコンピュータ本体部１の機能を拡張する。

本実施形態では、上記ドッキングステーション８に増設用燃料電池ユニット７が装着され、ドッキングステーション８をコンピュータ本体部１に結合することで、ノート型パーソナルコンピュータに増設用燃料電池ユニット７が増設されることになる。ここで、増設用燃料電池ユニット７の構成は先の実施形態のものと同様でよく、これをドッキングステーション８の増設スロットに装着するようにすればよい。あるいは、増設スロットを用いず、増設用燃料電池ユニット７をドッキングステーション８に固定して設置するようにしてもよい。

以上、本発明の具体的な実施形態について説明したが、本発明がこれら実施形態に限られるものではないことは言うまでもなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。例えば、各実施形態は、電子機器としてノート型パーソナルコンピュータに適用した例であるが、様々な電子機器に適用可能である。また、増設用燃料電池ユニットや増設スロットの形状、構造等も任意である。

本発明を適用したノート型パーソナルコンピュータの一例を示す概略斜視図である。送風機構として揺動ファンを備えたセパレータの一例を示すものであり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線における断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ線における断面図である。送風機構として回転式ファンを備えたセパレータの一例を示すものであり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線における断面図である。ドッキングステーションを備えたノート型パーソナルコンピュータへの適用例を示す概略斜視図である。

符号の説明

１コンピュータ本体部
２ディスプレイ部
３燃料電池
４燃料カートリッジ
５補機類
６制御回路基板
７増設用燃料電池ユニット
８ドッキングステーション

Claims

ノート型パーソナルコンピュータとして構成された電子機器において、
本体に内蔵された燃料電池と、
容器内に燃料電池を収容する増設用燃料電池ユニットが、着脱自在に装着される増設スロットと、
前記内蔵された燃料電池および前記増設用燃料電池ユニット内の燃料電池に対してそれぞれ供給するための燃料を貯蔵する燃料カートリッジと
を備え、
前記増設スロットは、
前記増設用燃料電池ユニットを収容するための収容空間と、
収容した増設用燃料電池ユニットを機械的に固定保持する保持機構と、
前記収容空間に臨むように配設されると共に、前記増設用燃料電池ユニットの装着時にこの増設用燃料電池ユニットと電気的に接続するための接続端子と、
前記収容空間に臨むように配設されると共に、前記増設用燃料電池ユニットの装着時に、この増設用燃料電池ユニット内の燃料電池に対して前記燃料カートリッジ内の燃料を供給するための燃料供給口と
を有し、
前記増設用燃料電池ユニットの装着時には、この増設用燃料電池ユニット内の燃料電池と前記内蔵された燃料電池との両者において発電が行われ、
前記増設スロットにおける前記燃料供給口は、前記増設用燃料電池ユニットの非装着時には密閉される構造となっている
電子機器。
前記ノート型パーソナルコンピュータの本体に、前記増設スロットが設けられている
請求項１記載の電子機器。
前記ノート型パーソナルコンピュータの本体と結合される機能拡張ユニットを備え、
前記機能拡張ユニットに前記増設スロットが設けられている
請求項１記載の電子機器。
前記増設用燃料電池ユニットは、自身内の燃料電池の空気極に空気を送り込む送風機構を備える
請求項１記載の電子機器。
前記増設スロットを複数備え、
使用状況に応じて任意の数の増設用燃料電池ユニットが装着される
請求項１記載の電子機器。