JP4892777B2 - 燃料電池を備えた電気で駆動される装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池を備えた電気で駆動される装置に係り、特にスペース効率の向上や構造の簡略化を図った燃料電池を備えた電気で駆動される装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、燃料の持つ化学エネルギーを電気化学プロセスで酸化させることにより酸化反応に伴って放出されるエネルギーを直接電気エネルギーに変換する装置である。燃料電池はエネルギー効率が高く、クリーン・低騒音で環境問題が少なく、さらに負荷変動に対して応答性が良いことから、様々な機器への実用化が望まれている。
【０００３】
しかし、燃料電池による発電を行うためには、燃料電池本体に供給する水素を加湿する手段や、発電により生成した水を回収する手段等の様々な機器を必要とするものであり、このため、ポータブル機器等の小型機器に搭載するためには、燃料電池のシステム全体を大幅に小型化する必要があった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
燃料電池をコンパクトにして、ポータブル機器に搭載した例として、例えば特開平９−２１３３５９に記載のものが知られている。即ち、図１４に示すように、パーソナルコンピュータ等の電池電源を必要とする機器１００に、着脱自在に形成された燃料電池を収納可能とした構成が開示されている。
【０００５】
上記従来例では、水素加湿手段をシート状にし、これらをまとめてパッケージ化して、ノート型のパーソナルコンピュータへ組み込む構成としている。すなわち、燃料電池１０２をパーソナルコンピュータ１００とは独立した機構とし、パーソナルコンピュータ１００の筐体１０１に形成された空間１０１ａへ組み込む構成としている。
【０００６】
しかし、上記構成では、燃料電池や水素ガスを供給するボンベ、水素を加湿する手段、さらに生成水を吸収させるための吸収体等をケース１０２に収納し、このケース１０２をパーソナルコンピュータ１００の筐体１０１に組み込んで装着する構成とされているため、それぞれの部品を並べてケース１０２に収納するため、ケース１０２が大型化し、その結果パーソナルコンピュータ１００も大型化し、持ち運びが不便になるという問題の他に、加湿に利用した水と生成された水の処理のため吸収体等に十分な配慮が必要であった。
【０００７】
また、従来の燃料電池では、燃料として水素を供給するに際して、加湿が必要であり、このため燃料供給前の加湿処理が必要であった。
【０００８】
また燃料電池はセルを束ねたセルスタックが必要であり、このセルスタックはセルを束ねた後で板体により加圧狭持したものを使用している。このため、加圧狭持する板体が必要となり、コストが高くなるという不都合があった。
【０００９】
本発明の目的は、ポータブル機器にコンパクトに搭載可能であり、燃料電池を使用しながらも小型軽量化の実現が可能である燃料電池を備えた電気で駆動される装置を提供することにある。
【００１０】
本発明の他の目的は、セルスタックを狭持するときに、個別の板体を用いずに、電気で駆動される装置の筐体を利用できる燃料電池を備えた電気で駆動される装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の燃料電池を備えた電気で駆動される装置は、筐体と、筐体の内部にその一部として対向配置された一対の壁部と、一対の壁部間に設けられ、燃料電池を構成するセルスタックとを備え、セルスタックは、その積層方向において一対の壁部から圧力を受けて筐体に取り付けられているものである。
【００１２】
本発明の第２の燃料電池を備えた電気で駆動される装置は、筐体と、筐体の内部にその一部として対向配置された一対の壁部と、一対の壁部間に設けられた燃料電池とを備え、燃料電池を構成するセルは、その積層方向において一対の壁部から圧力を受けて筐体に取り付けられているものである。
【００１３】
このように、本発明では、筐体の一部を利用して、筐体の一部で燃料電池を構成するセルスタックや燃料電池を圧接しながら配設しているので、機器に特別な空間を設ける必要がなく、機器を大型化させることなく、燃料電池を配設することが可能となる。また、筐体で燃料電池を構成するセルスタックや燃料電池を保持するので、燃料電池のセル間に接触抵抗が発生するのを防止することが可能となる。
【００１４】
このとき、前記燃料電池を構成するセルは、前記筐体に形成された空気供給可能な壁部と、該空気供給可能な壁部に気密性を有して取り付けられ酸素と接触する面を備えた少なくとも一つの電極モジュールと、該電極モジュールの前記酸素と接触する面と反対側の面に設けられた燃料側と接触する面を密閉する密閉壁部と、該密閉壁部と前記電極モジュールの燃料側と接触する面との間に燃料ガスを注入する注入口を設けて構成すると、好適である。
【００１５】
そして、前記燃料電池を構成するセルは、プロトン伝導体からなる電解質膜で構成し、このプロトン伝導体からなる電解質膜は、フラーレン分子を主要構成要素としてプロトン解離性の基を備えてなるものとすると好適である。
【００１６】
このように、本発明の燃料電池によれば、電解モジュールにプロトン伝導体からなる電解質膜を使用した燃料電池を使用しているので、水素ガスを加湿するための加湿器が必要なく、コンパクトな構成とすることが可能となる。また、水素を加湿しない構成であるため、従来の燃料電池のように多量の水が発生しないので、大容量の保水手段も不要となる。
【００１７】
さらにまた、空気供給可能な壁部から空気が供給されるので、ファンを設ける必要がなく、部品点数を低減させることができるとともに、電気で駆動される装置の筐体そのものを利用することができるので、安価な装置を提供することが可能となる。なお、燃料電池を備えた電気で駆動される装置としては、ポータブル機器が好適であるが、これに限らず自動車を含む移動体、定置き型発電システムなどに利用することが可能となる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、以下に説明する部材，配置等は本発明を限定するものでなく、本発明の趣旨の範囲内で種々改変することができるものである。
【００１９】
図１乃至図４は本実施の形態の燃料電池の取付構造を示すものであり、図１は燃料電池が取付けられる機器としてのパーソナルコンピュータを示す斜視図、図２は筐体内部を示す説明図、図３は図２のＡ視図、図４は燃料電池の具体的構成を示す説明図である。また、図７はフラーレン分子を主要構成要素としてプロトン解離性の基を備えた一例としてのポリ水酸化フラーレンの構造図、図８はフラーレン分子を主要構成要素としてプロトン解離性の基を備えた一例を示す模式図である。なお、本明細書において、「プロトン（Ｈ＋）の解離」とは、「電離によりプロトンが（官能基から）離れること」を意味し、「プロトン解離性の基」とは、「プロトンが電離により離脱し得る官能基」を意味する。
【００２０】
本例では電気で駆動される装置として、パーソナルコンピュータを例にして説明するが、各種電気機器、例えばテレビ、ビデオ、携帯カメラ、デジタルビデオカメラ、デジタルカメラ、携帯型や据置型を含むパソコン、ファクシミリ、携帯電話を含む情報端末、プリンタ、ナビゲーションシステム、その他のＯＡ機器、照明装置、家庭用電気機器、移動体としての車両、家庭用・業務用を含む発電システム等に適用することが可能であることは勿論である。
【００２１】
本例では、電源を必要とする機器として、ノート型のパーソナルコンピュータを例として説明する。パーソナルコンピュータ１は、図１に示すように、電子機器を内蔵した筐体２と、筐体２に係合する画面３とを備えている。
【００２２】
本例の筐体２は、アルミ合金等の金属板をプレス加工することにより形成されている。筐体２には、ＣＰＵやハードディスクなどを含む基本制御部や、後述する駆動源としての燃料電池１０、ＣＤ−ＲＯＭやフロッピーディスクが内蔵されている。このため、燃料電池１０の形状や大きさに応じて所定形状に形成され、基本制御部や、燃料電池１０及び燃料としての水素ガスを蓄積した水素ボンベＢの配置部が形成される。
【００２３】
本例では、図２に示すように、筐体２に、対向する壁部２ｄを備えた燃料電池配置部２ａと、水素ボンベ配置部２ｂとが形成されている。また、図示しない基本制御部等の他の機器は配置部２ｃに配置される。燃料電池１０は、燃料電池配置部２ａに隙間なく配置され、燃料電池１０に適度な面圧がかかるようにして保持されている。
【００２４】
このように、本例では燃料電池１０が、筐体２の壁部２ｄにより面圧を付されながら保持されているので、燃料電池１０がガタ付くことなく、電気の流れに不良が発生する等の不都合を防止することが可能となる。
【００２５】
なお、筐体２の所定位置に、基本制御部や燃料電池１０等が配設されたら、図３に示すように、蓋部４が取り付けられる。蓋部４には、キーボード５やタッチパネル６が配設されている。
【００２６】
上記例では、筐体２をアルミ合金等の金属板をプレス加工で形成した例を示したが、筐体２は合成樹脂で成形するようにしてもよい。成形は射出成形、ブロー成形等を用いることが可能である。
【００２７】
燃料電池１０は、所定の出力を得るためにセルＣを連続させたスタックＳとして形成されている。スタックＳを構成する各セルＣには、燃料としての水素ガスが水素ガスボンベＢから供給される。本例では水素ガスボンベＢを筐体２内に着脱可能に配設した例を示しているが、筐体内に密閉した空間を形成し、この空間に外部から水素等の燃料を注入するノズルを形成し、他方で上記燃料電池１０と連結された燃料通路を形成するように構成すると、液体水素ガスを筐体２内の密閉空間に供給し、水素ガスボンベＢを省略することが可能となる。
【００２８】
なお、この場合、ノズルは液体水素ガスの注入口が押しあてられると、開口して液体水素ガスが密閉空間に注入されるように構成し、一方、燃料電池１０と連結された燃料通路は、一定の量がスタック側に供給するように形成する。これにより定量の水素が所定の圧力をもって燃料側に供給されることになる。
【００２９】
また、本例のセルＣは、図４に示すように、電極モジュールＥＭを取り付けたプレート４０を二つ、電極モジュールＥＭの燃料側を対向させ（二枚背中合わせにし）て構成し、各端部をシール部材３０でシールし、密閉構造として形成されている。プレート４０には孔４１が設けられ、この孔４１からそれぞれの電極モジュールＥＭに空気が供給されるように構成されている。
【００３０】
したがって、筐体２に、別途ファン等の送風手段を設ける必要がなく、ファンを駆動するモータ等による騒音が発生しない。よって、騒音の少ない使い勝手の良いパーソナルコンピュータ１を得ることが可能となる。
【００３１】
電極モジュールＥＭは、プロトン伝導体からなる電解質膜１１と、電解質膜１１を支持する所定形状の枠体２０（導電性）と、電解質膜１１と枠体２０との間に位置する絶縁体１２と、燃料側の電極膜１３と、空気側の電極膜１４と、電極膜１３，１４に設けられた図示しない触媒膜と、シート膜１７，１８とから構成されている。シート膜１７，１８は、電極膜１３，１４の保持、強度のための機能と、水素ガス，酸素を分散的により良く触媒に送り電気化学反応を起こしやすく、且つ生成物（水）を除去する機能を有するものである。
【００３２】
本例のセルＣでは、ガス供給管３１を介して、スペーサを兼ねた燃料ガスのノズル連通管３２から、燃料としての水素ガスが供給される。水素ガスは水素ガスボンベＢに蓄積されており、ノズル連通管３２よりセルＣの中央から注入され、両側の電極モジュールＥＭへ燃料が供給されるように構成されている。
【００３３】
上記構成からなるセルＣを複数枚積層させて、パーソナルコンピュータ１を駆動させるために必要な電力を供給可能なスタックＳが形成される。このように、セルＣを複数枚積層させた場合、それぞれのセルＣに水素を供給するため、それぞれのセルＣと水素ボンベとは、複数のノズル連通管３２により連結される。
【００３４】
次に、本発明に係る燃料電池で使用するプロトン伝導体からなる電解質膜１１について説明する。
プロトン伝導体からなる電解質膜１１として、ポリ水酸化フラーレンは、図７に示すように、フラーレンに複数の水酸基を付加した構造を持ったものの総称であり、通称「フラレノール（Fullerenol）」と呼ばれている。当然のことながら、フラレノールは１９９２年にChiangらによって最初に合成例が報告された(Chiang, L. Y. ; Swirczewski, J. W. ; Hsu, C. S. ; Chowdhury, S. K. ; Cameron, S. ; Creegan, K. J. Chem. Soc, Chem. Commun. 1992, 1791)。以来、一定量以上の水酸基を導入したフラレノールは、特に水溶性である特徴が注目され、主にバイオ関連の技術分野で研究されてきた。
【００３５】
フラレノールは、図８（Ａ）で概略図示するように凝集体とし、近接し合ったフラレノール分子（図中、○はフラーレン分子を示す。）の水酸基同士に相互作用が生じるようにする。この凝集体はマクロな集合体として高いプロトン伝導特性（換言すれば、フラレノール分子のフェノール性水酸基からのＨ＋の解離性）を発揮する。
【００３６】
プロトン伝導体からなる電解質膜は、上記フラレノール以外に、たとえば複数の−ＯＳＯ３Ｈ基をもつフラーレンの凝集体をプロトン伝導体として用いるものでもよい。ＯＨ基がＯＳＯ３Ｈ基と置き換わった図８（Ｂ）に示すようなポリ水酸化フラーレン、すなわち硫酸水素エステル化フラレノールは、やはりChiangらによって１９９４年に報告されている(Chiang, L. Y. ; Wang, L. Y. ; Swirczewski, J. W. ; Soled, S. ; Cameron, S. J. Org. Chem. 1994, 59, 3960)。硫酸水素エステル化されたフラーレンには、一つの分子内にＯＳＯ３Ｈ基のみを含むものもあるし、あるいはこの基と水酸基をそれぞれ複数、もたせたものでもよい。
【００３７】
上述したフラーレン誘導体を多数凝集させた時、それがバルクとして示すプロトン伝導性は、分子内に元々含まれる大量の水酸基やＯＳＯ３Ｈ基に由来するプロトンが移動に直接関わるため、雰囲気から水蒸気分子などを起源とする水素、プロトンを取り込む必要はなく、また、外部からの水分の補給、とりわけ外気より水分等を吸収する必要もなく、雰囲気に対する制約はない。また、これらの誘導体分子の基体となっているフラーレンは、特に求電子性の性質を持ち、このことが酸性度の高いＯＳＯ３Ｈ基のみならず、水酸基等においても水素イオンの電離の促進に大きく寄与していると考えられる。
【００３８】
また、一つのフラーレン分子中にかなり多くの水酸基およびＯＳＯ３Ｈ基等を導入することができるため、伝導の関与するプロトンの伝導体体積あたりの数密度が非常に多くなる。
【００３９】
本例のプロトン伝導体は、その殆どが、フラーレンの炭素原子で構成されているため、重量が軽く、変質もし難く、また汚染物質も含まれていない。フラーレンの製造コストも急激に低下しつつある。資源的、環境的、経済的にみてフラーレンは他のどの材料にもまして、理想に近い炭素系材料であると考えられる。
【００４０】
更に、プロトン解離性の基は、前述した水酸基やＯＳＯ３Ｈ基に限定する必要はない。即ち、この解離性の基は、式−ＸＨで表され、Ｘは２価の結合手段を有する任意の原子もしくは原子団であればよい。更には、この基は、式−ＯＨ又は−ＹＯＨで表わされ、Ｙは２価の結合手を有する任意の原子もしくは原子団であればよい。
【００４１】
具体的には、プロトン解離性の基としては、前記−ＯＨ、−ＯＳＯ３Ｈ以外に−ＣＯＯＨ、−ＳＯ３Ｈ、−ＯＰＯ（ＯＨ）２のいずれかが好ましい。
【００４２】
更に、本例では、フラーレン分子を構成する炭素原子に、プロトン解離性の基とともに、電子吸引基、たとえば、ニトロ基、カルボニル基、カルボキシル基、ニトリル基、ハロゲン化アルキル基、ハロゲン原子（フッ素、塩素など）などが導入されていることが好ましい。図８（Ｃ）に、−ＯＨの外にＺを導入したフラーレン分子を示す。このＺは、具体的には、−ＮＯ２、−ＣＮ、−Ｆ、−Ｃ１、−ＣＯＯＲ、−ＣＨＯ、−ＣＯＲ、−ＣＦ３、−ＳＯ３ＣＦ３などである（ここでＲはアルキル基を表わす）。このように電子吸引基が併存していると、その電子吸引効果のために、上記プロトン解離性の基からプロトンが解離し易くなる。
【００４３】
但し、フラーレン分子に導入するプロトン解離性の基の数は、フラーレン分子を構成する炭素数の範囲内で任意でよいが、望ましくは５個以上とするのがよい。なお、フラーレンのπ電子性を残し、有効な電子吸引性を出すためには、上記基の数は、フラーレンを構成する炭素数の半分以下が好ましい。
【００４４】
プロトン伝導体に用いるフラーレン誘導体を合成するには、フラーレン分子の粉末に対し、たとえば酸処理や加水分解等の公知の処理を適宜組み合わせて施すことにより、フラーレン分子の構成炭素原子に所望のプロトン解離性の基を導入すればよい。
【００４５】
より具体的に述べるならば、ポリ水酸化フラーレンの合成は、文献(Chiang, L. Y. ; Wang, L. Y. ; Swirczewski, J. W. ; Soled, S. ; Cameron, S. J. Org. Chem. 1994, 59, 3960)を参考にしておこなった。Ｃ７０を約１５％含むＣ６０／Ｃ７０フラーレン混合物の粉末２ｇを発煙硫酸３０ｍｌ中に投じ、窒素雰囲気中で６０℃に保ちながら３日間攪拌した。得られた反応物を、氷浴内で冷やした無水ジエチルエーテル中に少しずつ投下し、その沈澱物を遠心分離で分別し、さらにジエチルエーテルで３回、およびジエチルエーテルとアセトニトリルの２：１混合液で２回洗浄したあと、４０℃にて減圧中で乾燥させた。さらに、この乾燥物を６０ｍｌのイオン交換水中に入れ、８５℃で窒素によるバブリングを行いながら１０時間攪拌した。反応生成物は遠心分離によって沈澱物を分離し、この沈澱物をさらに純水で数回洗浄し、遠心分離を繰り返した後に、４０℃で減圧乾燥した。このようにして得られた茶色の粉末のＦＴ−ＩＲ測定を行ったところ、上記文献に示されているＣ６０（ＯＨ）１２のＩＲスペクトルとほぼ一致し、この粉末が目的物質であるポリ水酸化フラーレンと確認された。
【００４６】
またポリ水酸化フラーレン凝集ペレットの製造は、次に、このポリ水酸化フラーレンの粉末９０ｍｇをとり、直径１５ｍｍの円形ペレット状になるように一方方向へのプレスを行った。この時のプレス圧は約７トン／ｃｍ２であった。その結果、このポリ水酸化フラーレンの粉末は、バインダー樹脂等を一切含まないにも関わらず成形性に優れており、容易にペレット化することができた。そのペレットは厚みが約３００ミクロンである。
【００４７】
ポリ水酸化フラーレン硫酸水素エステル（全エステル化）の合成も、同様に前記の文献を参考にしておこなった。ポリ水酸化フラーレンの粉末１ｍｇを６０ｍｌの発煙硫酸中に投下し、室温にて窒素雰囲気下で３日間攪拌した。得られた反応物を、氷浴内で冷やした無水ジエチルエーテル中に少しずつ投下し、その沈澱物を遠心分離で分別し、さらにジエチルエーテルで３回、およびジエチルエーテルとアセトニトリルの２：１混合液で２回洗浄した後、４０℃にて減圧下で乾燥させた。このようにして得られた粉末のＴＦ−ＩＲ測定を行ったところ、前記文献中に示されている、全ての水酸基が硫酸水素エステル化されたもののＩＲスペクトルとほぼ一致し、この粉末が目的物質であると、確認できた。
【００４８】
また、ポリ水酸化フラーレン硫酸水素エステル凝集ペレットの製造は、ポリ水酸化フラーレン硫酸水素エステルの粉末７０ｍｇをとり、直径１５ｍｍの円形ペレット状になるように一方方向へのプレスを行った。この時のプレス圧は約７トン／ｃｍ２であった。その結果、この粉末はバインダー樹脂等を一切含まないにも関わらず、成形性に優れており、容易にペレット化することができた。このペレットは厚みが約３００ミクロンである。
【００４９】
さらに、ポリ水酸化フラーレン硫酸水素エステル（部分エステル化）の合成は、Ｃ７０を約１５％含むＣ６０／Ｃ７０フラーレン混合物の粉末２ｇを発煙硫酸３０ｍｌ中に投じ、窒素の雰囲気中にて、６０℃に保ちながら３日間攪拌した。得られた反応物を、氷浴内で冷やしたジエチルエーテル中に少しずつ投下した。ただし、この場合のジエチルエーテルは脱水処理を行っていないものを用いた。得られた沈澱物を遠心分離で分別し、さらにジエチルエーテルで３回、およびジエチルエーテルとアセトニトリルの２：１混合液で２回洗浄した後、４０℃にて減圧下で乾燥させた。このようにして得られた粉末のＦＴ−ＩＲ測定を行ったところ、前記文献に示されている、部分的に水酸基とＯＳＯ３Ｈ基を含むフラーレン誘導体のＩＲスペクトルとほぼ一致し、この粉末が目的物質であると、確認できた。
【００５０】
さらにまた、ポリ水酸化フラーレン硫酸水素エステル凝集ペレットの製造は、一部が硫酸水素エステル化されたポリ水酸化フラーレンの粉末８０ｍｇをとり、直径１５ｍｍの円形ペレット状になるように一方方向へのプレスを行った。この時のプレス圧は約７トン／ｃｍ２であった。その結果、この粉末はバインダー樹脂等を一切含まないにも関わらず成形性に優れており、容易にペレット化することができた。このペレットは厚みが約３００ミクロンであった。
【００５１】
以上のように、本例の燃料電池１０は、電解質膜として、プロトン伝導体からなる電解質膜１１を使用しているので、水素ガスの加湿が不要であり、加湿器を設ける必要がなく、パーソナルコンピュータ１の筐体内において加湿器のための設置スペースを設けることがないため、パーソナルコンピュータ１自体をコンパクトな構成とすることが可能である。
【００５２】
また、水素ガスの加湿が不要であるため、燃料電池１０により発生する水は、燃料電池１０における化学反応による生成水だけとなる。このため、従来の燃料電池１０を使用したときのように多量の水が発生しないため、水を貯溜するタンク等が必要とされない。このため、貯溜タンクの設置スペースを確保する必要がなく、また、貯溜された水によりパーソナルコンピュータ１自体の重量が増加するのを防ぐことが可能である。
【００５３】
燃料電池１０における水素と酸素の反応により生じる生成水は、燃料電池１０や、パーソナルコンピュータ１の基本制御部の部品であるＣＰＵ等を冷却するために利用すると好適である。本例の燃料電池１０によれば、従来のように多量の水は発生しないので、燃料電池１０に隣接させて吸水性を有するシート（図示せず）を配置しておき、このシートに保水された生成水の気化熱を利用して燃料電池１０を冷却する構成とすると良い。
【００５４】
なお、本例によれば、筐体に燃料電池の配置部を設けて燃料電池１０を配設する構成であるため、燃料電池１０のスタックの大きさを変えることにより、プレス加工により形状を変更可能な筐体を備えた機器であれば、あらゆる大きさの機器に燃料電池１０を搭載することが可能となる。
【００５５】
例えば、本例に示すパーソナルコンピュータの他、より小型の機器であるポータブル音楽再生プレーヤに応用することが可能である。図５は、ポータブル音楽再生プレーヤの筐体５０を示す説明図である。この場合は、従来では充電型電池或いは乾電池を配設していた配設部５１を、燃料電池の配設箇所とし、燃料電池のスタックを配置した構成とする。
【００５６】
或いは、本発明の燃料電池を備えた電気で駆動される装置は、大型の機器である移動体、例えば車両、自動車などに応用することも可能である。図６は、燃料電池自動車６０のバンパー側の内部を示す説明図である。自動車６０の場合は、フロアパネル６１と、フロントバンパ６２と、フロントサイドメンバ６３と、車室形成メンバ６４と、に囲まれて形成される筐体としてのエンジンルーム６５を、燃料電池１０の配設箇所とし、燃料電池１０のスタックを配置する。
【００５７】
このとき、必要に応じて、エンジンルーム６５に隔壁を形成し、隔壁で囲まれた空間にスタックを配設すると、燃料電池をより確実に保持することが可能となる。なお、上記例では移動体としての自動車を例にしたが、家庭用・業務用等の定置型発電システムの筐体に適用することができることは勿論である。
【００５８】
なお、上記の実施の形態では、プロトン伝導膜としては、ポリ水酸化フラーレンでできた膜を用いたが、プロトン伝導膜はこれに限定されるものではない。ポリ水酸化フラーレンは、フラーレン分子を母体とし、その構成炭素分子に水酸基を導入したものであるが、母体としてはフラーレン分子に限らず炭素を主成分とする炭素質材料であればよい。
【００５９】
この炭素性材料には、炭素原子が、炭素−炭素間結合の種類を問わず、数個から数百個結合して形成されている集合体である炭素クラスターや、チューブ状炭素質（通称カーボンナノチューブ）が含まれてよい。
【００６０】
前者の炭素クラスターには、図９で示されるような、炭素原子が多数個集合してなる、球体又は長球、又はこれらに類似する閉じた面構造を有する種々の炭素クラスターがある。また、図１０で示されるような、それらの炭素クラスターの球構造の一部が欠損し、構造中に開放端を有する炭素クラスター、図１１で示すような、大部分の炭素原子がＳＰ３結合したダイヤモンド構造を持つ炭素クラスター、更には図１２で示すような、これらのクラスターどうしが種々に結合した炭素クラスターが含まれていてよい。
【００６１】
またこの種の母体に導入する基としては水酸基に限らず、−ＸＨ、より好ましくは−ＹＯＨで表されるプロトン解離性の基であればよい。ここでＸ及びＹは２価の結合手を有する任意の原子若しくは原子団であり、Ｈは水素原子、Ｏは酸素原子である。具体的には、前記−ＯＨ以外に、硫酸水素エステル基−ＯＳＯ３Ｈ、カルボキシル基−ＣＯＯＨ、他に−ＳＯ３Ｈ、−ＯＰＯ（ＯＨ）２のいずれかであることが好ましい。
【００６２】
また、ゾルゲル法により作成したプロトン（水素イオン）の高伝導性ガラスであってもよい。この高伝導性ガラスは、例えば、リン酸−ケイ酸塩（Ｐ２Ｏ５−ＳｉＯ２）系ガラスであり、金属アルコキシド原料を加水分解し、ゲルを作製、５００−８００度Ｃで加熱しガラスとして作成でいる。このガラスには２ナノメートル程度の微細孔があり、そこに水分が吸着され、プロトンの移動が促進されるものである。
【００６３】
さらに、有機無機ハイブリッドイオン交換膜であってもよい。これは、ポリエチレンオキサイド（ＰＥＯ）やポリプロピレンオキサイド（ＰＰＯ）、ポリテトラメチレンオキサイド（ＰＴＭＯ）などとシリカが分子レベルで結合した複合膜であり、モノドテシルフォスフェート（ＭＤＰ）や１、２−タングストリン酸（ＰＷＡ）などをプロトン伝導性供与剤としてドープしたものである。
【００６４】
また、自己加湿型電解質膜であってもよい。この膜は、例えば図１３で示すように、膜中に極微量の白金超微粒子触媒と酸化物（ＴｉＯ２・ＳｉＯ２）超微粒端子を高分散させている。クロスオーバーしてくる水素と酸素を逆用して白金触媒上で水を生成させ、その生成水を酸化物超微粒子に吸着保水させることにより、膜を内部から加湿して含水率を高く保つものである。そして、粒径１〜２ｎｍ極微量の白金超微粒子（０．０９ｍｇ／ｃｍ２）と粒径５ｎｍのＴｉＯ２超微粒子（乾燥Ｎａｆｉｏｎ重量の３％）を高分散したＰｔ−ＴｉＯ２分散膜を電解質に用いると、完全に外部無加湿の状態でも、きわめて安定で高性能（０．４〜０．６Ｖで約０．６Ｗ／ｃｍ２）な電池運転が可能になりる。
上記のいずれの変形例によっても、プロトンの伝導に加湿が不要であり、本発明における効果には変わりはない。
【００６５】
以上のように、本例の燃料電池１０は、電解質膜として、プロトン伝導体からなる電解質膜１１を使用しているので、水素ガスの加湿が不要であり、加湿器を設ける必要がなく、コンパクトな構成とすることが可能である。
【００６６】
【発明の効果】
以上のように、本発明の燃料電池を備えた電気で駆動される装置によれば、燃料電池の配設箇所として機器の筐体の一部を利用した構成とされているので、燃料電池配設のための特別のスペースを設けることなく、機器を大型化せずに燃料電池を搭載することが可能となる。
【００６７】
燃料電池を搭載することにより、エネルギー効率が高く持続力の長い電源を小型軽量の構成で得ることが可能となり、ポータブル機器を手軽に持ち運べるとともに、長時間使用することが可能となる。
【００６８】
特に、本発明の燃料電池は、電解質膜にプロトン伝導体からなる電解質膜を利用しているので、水素ガスを加湿するための加湿器等が不要となり、情報収集装置本体の限られた空間において設置場所をとることがなく、コンパクトな構成とすることができる。また、多量の水が発生しないので、水の重さが付加されることなく、貯溜タンク等の設備も不要となる。また、燃料電池は負荷変動に対して強く、また低温特定が良いため、低温環境下においても常に安定した電力を得ることが可能となり、高い信頼性を得ることができる。
【００６９】
また燃料電池を構成するセルスタックを狭持するときに、個別の板体を用いずに、電気で駆動される装置の筐体を利用できるので、各種電気で駆動される装置に適用したときに、燃料電池の構成部品を省略することが可能となり、コスト面を含めて実用的価値は絶大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】電気で駆動される装置としてのパーソナルコンピュータを示す斜視図である。
【図２】筐体内部を示す説明図である。
【図３】図２のＡ視図である。
【図４】燃料電池の具体的構成を示す説明図である。
【図５】燃料電池を搭載可能な他の筐体を示す説明図である。
【図６】燃料電池を搭載した他の例を示す説明図である。
【図７】フラーレン分子を主要構成要素としてプロトン解離性の基を備えた一例としてのポリ水酸化フラーレンの構造図である。
【図８】フラーレン分子を主要構成要素としてプロトン解離性の基を備えた一例を示す模式図である。
【図９】炭素クラスターの例を示す説明図である。
【図１０】開放端を有する炭素クラスターの例を示す説明図である。
【図１１】ダイヤモンド構造を持つ炭素クラスターの例を示す説明図である。
【図１２】各種のクラスターが結合した炭素クラスターの例を示す説明図である。
【図１３】自己加湿型電解質膜の説明図である。
【図１４】従来例を示す説明図である。
【符号の説明】
１ パーソナルコンピュータ
２ 筐体
２ａ 燃料電池配置部
２ｂ 水素ボンベ配置部
２ｃ 配置部
３ 画面
４ 蓋部
５ キーボード
６ タッチパネル
１０ 燃料電池
１１ 電解質膜
１２ 絶縁体
１３ 燃料側の電極膜
１４ 空気側の電極膜
１７，１８ シート膜
２０ 枠体
３０ シール部材
３１ ガス供給管
３２ ノズル連通管
４０ プレート
４１ 孔
５０ 筐体
５１ 配置部
６０ 電気自動車
６１ フロアパネル
６２ フロントバンパ
６３ フロントサイドメンバ
６４ 車体形成メンバ
６５ エンジンルーム（筐体）
Ｂ 水素ガスボンベ
Ｃ セル
ＥＭ 電極モジュール
Ｓ スタック
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池を備えた電気で駆動される装置に係り、特にスペース効率の向上や構造の簡略化を図った燃料電池を備えた電気で駆動される装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、燃料の持つ化学エネルギーを電気化学プロセスで酸化させることにより酸化反応に伴って放出されるエネルギーを直接電気エネルギーに変換する装置である。燃料電池はエネルギー効率が高く、クリーン・低騒音で環境問題が少なく、さらに負荷変動に対して応答性が良いことから、様々な機器への実用化が望まれている。
【０００３】
しかし、燃料電池による発電を行うためには、燃料電池本体に供給する水素を加湿する手段や、発電により生成した水を回収する手段等の様々な機器を必要とするものであり、このため、ポータブル機器等の小型機器に搭載するためには、燃料電池のシステム全体を大幅に小型化する必要があった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
燃料電池をコンパクトにして、ポータブル機器に搭載した例として、例えば特開平９−２１３３５９に記載のものが知られている。即ち、図１４に示すように、パーソナルコンピュータ等の電池電源を必要とする機器１００に、着脱自在に形成された燃料電池を収納可能とした構成が開示されている。
【０００５】
上記従来例では、水素加湿手段をシート状にし、これらをまとめてパッケージ化して、ノート型のパーソナルコンピュータへ組み込む構成としている。すなわち、燃料電池１０２をパーソナルコンピュータ１００とは独立した機構とし、パーソナルコンピュータ１００の筐体１０１に形成された空間１０１ａへ組み込む構成としている。
【０００６】
しかし、上記構成では、燃料電池や水素ガスを供給するボンベ、水素を加湿する手段、さらに生成水を吸収させるための吸収体等をケース１０２に収納し、このケース１０２をパーソナルコンピュータ１００の筐体１０１に組み込んで装着する構成とされているため、それぞれの部品を並べてケース１０２に収納するため、ケース１０２が大型化し、その結果パーソナルコンピュータ１００も大型化し、持ち運びが不便になるという問題の他に、加湿に利用した水と生成された水の処理のため吸収体等に十分な配慮が必要であった。
【０００７】
また、従来の燃料電池では、燃料として水素を供給するに際して、加湿が必要であり、このため燃料供給前の加湿処理が必要であった。
【０００８】
また燃料電池はセルを束ねたセルスタックが必要であり、このセルスタックはセルを束ねた後で板体により加圧狭持したものを使用している。このため、加圧狭持する板体が必要となり、コストが高くなるという不都合があった。
【０００９】
本発明の目的は、ポータブル機器にコンパクトに搭載可能であり、燃料電池を使用しながらも小型軽量化の実現が可能である燃料電池を備えた電気で駆動される装置を提供することにある。
【００１０】
本発明の他の目的は、セルスタックを狭持するときに、個別の板体を用いずに、電気で駆動される装置の筐体を利用できる燃料電池を備えた電気で駆動される装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の燃料電池を備えた電気で駆動される装置は、筐体と、筐体の内部にその一部として対向配置された一対の壁部と、一対の壁部間に設けられ、燃料電池を構成するセルスタックとを備え、セルスタックは、その積層方向において一対の壁部から圧力を受けて筐体に取り付けられているものである。
【００１２】
本発明の第２の燃料電池を備えた電気で駆動される装置は、筐体と、筐体の内部にその一部として対向配置された一対の壁部と、一対の壁部間に設けられた燃料電池とを備え、燃料電池を構成するセルは、その積層方向において一対の壁部から圧力を受けて筐体に取り付けられているものである。
【００１３】
このように、本発明では、筐体の一部を利用して、筐体の一部で燃料電池を構成するセルスタックや燃料電池を圧接しながら配設しているので、機器に特別な空間を設ける必要がなく、機器を大型化させることなく、燃料電池を配設することが可能となる。また、筐体で燃料電池を構成するセルスタックや燃料電池を保持するので、燃料電池のセル間に接触抵抗が発生するのを防止することが可能となる。
【００１４】
このとき、前記燃料電池を構成するセルは、前記筐体に形成された空気供給可能な壁部と、該空気供給可能な壁部に気密性を有して取り付けられ酸素と接触する面を備えた少なくとも一つの電極モジュールと、該電極モジュールの前記酸素と接触する面と反対側の面に設けられた燃料側と接触する面を密閉する密閉壁部と、該密閉壁部と前記電極モジュールの燃料側と接触する面との間に燃料ガスを注入する注入口を設けて構成すると、好適である。
【００１５】
そして、前記燃料電池を構成するセルは、プロトン伝導体からなる電解質膜で構成し、このプロトン伝導体からなる電解質膜は、フラーレン分子を主要構成要素としてプロトン解離性の基を備えてなるものとすると好適である。
【００１６】
このように、本発明の燃料電池によれば、電解モジュールにプロトン伝導体からなる電解質膜を使用した燃料電池を使用しているので、水素ガスを加湿するための加湿器が必要なく、コンパクトな構成とすることが可能となる。また、水素を加湿しない構成であるため、従来の燃料電池のように多量の水が発生しないので、大容量の保水手段も不要となる。
【００１７】
さらにまた、空気供給可能な壁部から空気が供給されるので、ファンを設ける必要がなく、部品点数を低減させることができるとともに、電気で駆動される装置の筐体そのものを利用することができるので、安価な装置を提供することが可能となる。なお、燃料電池を備えた電気で駆動される装置としては、ポータブル機器が好適であるが、これに限らず自動車を含む移動体、定置き型発電システムなどに利用することが可能となる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、以下に説明する部材，配置等は本発明を限定するものでなく、本発明の趣旨の範囲内で種々改変することができるものである。
【００１９】
図１乃至図４は本実施の形態の燃料電池の取付構造を示すものであり、図１は燃料電池が取付けられる機器としてのパーソナルコンピュータを示す斜視図、図２は筐体内部を示す説明図、図３は図２のＡ視図、図４は燃料電池の具体的構成を示す説明図である。また、図７はフラーレン分子を主要構成要素としてプロトン解離性の基を備えた一例としてのポリ水酸化フラーレンの構造図、図８はフラーレン分子を主要構成要素としてプロトン解離性の基を備えた一例を示す模式図である。なお、本明細書において、「プロトン（Ｈ＋）の解離」とは、「電離によりプロトンが（官能基から）離れること」を意味し、「プロトン解離性の基」とは、「プロトンが電離により離脱し得る官能基」を意味する。
【００２０】
本例では電気で駆動される装置として、パーソナルコンピュータを例にして説明するが、各種電気機器、例えばテレビ、ビデオ、携帯カメラ、デジタルビデオカメラ、デジタルカメラ、携帯型や据置型を含むパソコン、ファクシミリ、携帯電話を含む情報端末、プリンタ、ナビゲーションシステム、その他のＯＡ機器、照明装置、家庭用電気機器、移動体としての車両、家庭用・業務用を含む発電システム等に適用することが可能であることは勿論である。
【００２１】
本例では、電源を必要とする機器として、ノート型のパーソナルコンピュータを例として説明する。パーソナルコンピュータ１は、図１に示すように、電子機器を内蔵した筐体２と、筐体２に係合する画面３とを備えている。
【００２２】
本例の筐体２は、アルミ合金等の金属板をプレス加工することにより形成されている。筐体２には、ＣＰＵやハードディスクなどを含む基本制御部や、後述する駆動源としての燃料電池１０、ＣＤ−ＲＯＭやフロッピーディスクが内蔵されている。このため、燃料電池１０の形状や大きさに応じて所定形状に形成され、基本制御部や、燃料電池１０及び燃料としての水素ガスを蓄積した水素ボンベＢの配置部が形成される。
【００２３】
本例では、図２に示すように、筐体２に、対向する壁部２ｄを備えた燃料電池配置部２ａと、水素ボンベ配置部２ｂとが形成されている。また、図示しない基本制御部等の他の機器は配置部２ｃに配置される。燃料電池１０は、燃料電池配置部２ａに隙間なく配置され、燃料電池１０に適度な面圧がかかるようにして保持されている。
【００２４】
このように、本例では燃料電池１０が、筐体２の壁部２ｄにより面圧を付されながら保持されているので、燃料電池１０がガタ付くことなく、電気の流れに不良が発生する等の不都合を防止することが可能となる。
【００２５】
なお、筐体２の所定位置に、基本制御部や燃料電池１０等が配設されたら、図３に示すように、蓋部４が取り付けられる。蓋部４には、キーボード５やタッチパネル６が配設されている。
【００２６】
上記例では、筐体２をアルミ合金等の金属板をプレス加工で形成した例を示したが、筐体２は合成樹脂で成形するようにしてもよい。成形は射出成形、ブロー成形等を用いることが可能である。
【００２７】
燃料電池１０は、所定の出力を得るためにセルＣを連続させたスタックＳとして形成されている。スタックＳを構成する各セルＣには、燃料としての水素ガスが水素ガスボンベＢから供給される。本例では水素ガスボンベＢを筐体２内に着脱可能に配設した例を示しているが、筐体内に密閉した空間を形成し、この空間に外部から水素等の燃料を注入するノズルを形成し、他方で上記燃料電池１０と連結された燃料通路を形成するように構成すると、液体水素ガスを筐体２内の密閉空間に供給し、水素ガスボンベＢを省略することが可能となる。
【００２８】
なお、この場合、ノズルは液体水素ガスの注入口が押しあてられると、開口して液体水素ガスが密閉空間に注入されるように構成し、一方、燃料電池１０と連結された燃料通路は、一定の量がスタック側に供給するように形成する。これにより定量の水素が所定の圧力をもって燃料側に供給されることになる。
【００２９】
また、本例のセルＣは、図４に示すように、電極モジュールＥＭを取り付けたプレート４０を二つ、電極モジュールＥＭの燃料側を対向させ（二枚背中合わせにし）て構成し、各端部をシール部材３０でシールし、密閉構造として形成されている。プレート４０には孔４１が設けられ、この孔４１からそれぞれの電極モジュールＥＭに空気が供給されるように構成されている。
【００３０】
したがって、筐体２に、別途ファン等の送風手段を設ける必要がなく、ファンを駆動するモータ等による騒音が発生しない。よって、騒音の少ない使い勝手の良いパーソナルコンピュータ１を得ることが可能となる。
【００３１】
電極モジュールＥＭは、プロトン伝導体からなる電解質膜１１と、電解質膜１１を支持する所定形状の枠体２０（導電性）と、電解質膜１１と枠体２０との間に位置する絶縁体１２と、燃料側の電極膜１３と、空気側の電極膜１４と、電極膜１３，１４に設けられた図示しない触媒膜と、シート膜１７，１８とから構成されている。シート膜１７，１８は、電極膜１３，１４の保持、強度のための機能と、水素ガス，酸素を分散的により良く触媒に送り電気化学反応を起こしやすく、且つ生成物（水）を除去する機能を有するものである。
【００３２】
本例のセルＣでは、ガス供給管３１を介して、スペーサを兼ねた燃料ガスのノズル連通管３２から、燃料としての水素ガスが供給される。水素ガスは水素ガスボンベＢに蓄積されており、ノズル連通管３２よりセルＣの中央から注入され、両側の電極モジュールＥＭへ燃料が供給されるように構成されている。
【００３３】
上記構成からなるセルＣを複数枚積層させて、パーソナルコンピュータ１を駆動させるために必要な電力を供給可能なスタックＳが形成される。このように、セルＣを複数枚積層させた場合、それぞれのセルＣに水素を供給するため、それぞれのセルＣと水素ボンベとは、複数のノズル連通管３２により連結される。
【００３４】
次に、本発明に係る燃料電池で使用するプロトン伝導体からなる電解質膜１１について説明する。
プロトン伝導体からなる電解質膜１１として、ポリ水酸化フラーレンは、図７に示すように、フラーレンに複数の水酸基を付加した構造を持ったものの総称であり、通称「フラレノール（Fullerenol）」と呼ばれている。当然のことながら、フラレノールは１９９２年にChiangらによって最初に合成例が報告された(Chiang, L. Y. ; Swirczewski, J. W. ; Hsu, C. S. ; Chowdhury, S. K. ; Cameron, S. ; Creegan, K. J. Chem. Soc, Chem. Commun. 1992, 1791)。以来、一定量以上の水酸基を導入したフラレノールは、特に水溶性である特徴が注目され、主にバイオ関連の技術分野で研究されてきた。
【００３５】
フラレノールは、図８（Ａ）で概略図示するように凝集体とし、近接し合ったフラレノール分子（図中、○はフラーレン分子を示す。）の水酸基同士に相互作用が生じるようにする。この凝集体はマクロな集合体として高いプロトン伝導特性（換言すれば、フラレノール分子のフェノール性水酸基からのＨ＋の解離性）を発揮する。
【００３６】
プロトン伝導体からなる電解質膜は、上記フラレノール以外に、たとえば複数の−ＯＳＯ３Ｈ基をもつフラーレンの凝集体をプロトン伝導体として用いるものでもよい。ＯＨ基がＯＳＯ３Ｈ基と置き換わった図８（Ｂ）に示すようなポリ水酸化フラーレン、すなわち硫酸水素エステル化フラレノールは、やはりChiangらによって１９９４年に報告されている(Chiang, L. Y. ; Wang, L. Y. ; Swirczewski, J. W. ; Soled, S. ; Cameron, S. J. Org. Chem. 1994, 59, 3960)。硫酸水素エステル化されたフラーレンには、一つの分子内にＯＳＯ３Ｈ基のみを含むものもあるし、あるいはこの基と水酸基をそれぞれ複数、もたせたものでもよい。
【００３７】
上述したフラーレン誘導体を多数凝集させた時、それがバルクとして示すプロトン伝導性は、分子内に元々含まれる大量の水酸基やＯＳＯ３Ｈ基に由来するプロトンが移動に直接関わるため、雰囲気から水蒸気分子などを起源とする水素、プロトンを取り込む必要はなく、また、外部からの水分の補給、とりわけ外気より水分等を吸収する必要もなく、雰囲気に対する制約はない。また、これらの誘導体分子の基体となっているフラーレンは、特に求電子性の性質を持ち、このことが酸性度の高いＯＳＯ３Ｈ基のみならず、水酸基等においても水素イオンの電離の促進に大きく寄与していると考えられる。
【００３８】
また、一つのフラーレン分子中にかなり多くの水酸基およびＯＳＯ３Ｈ基等を導入することができるため、伝導の関与するプロトンの伝導体体積あたりの数密度が非常に多くなる。
【００３９】
本例のプロトン伝導体は、その殆どが、フラーレンの炭素原子で構成されているため、重量が軽く、変質もし難く、また汚染物質も含まれていない。フラーレンの製造コストも急激に低下しつつある。資源的、環境的、経済的にみてフラーレンは他のどの材料にもまして、理想に近い炭素系材料であると考えられる。
【００４０】
更に、プロトン解離性の基は、前述した水酸基やＯＳＯ３Ｈ基に限定する必要はない。即ち、この解離性の基は、式−ＸＨで表され、Ｘは２価の結合手段を有する任意の原子もしくは原子団であればよい。更には、この基は、式−ＯＨ又は−ＹＯＨで表わされ、Ｙは２価の結合手を有する任意の原子もしくは原子団であればよい。
【００４１】
具体的には、プロトン解離性の基としては、前記−ＯＨ、−ＯＳＯ３Ｈ以外に−ＣＯＯＨ、−ＳＯ３Ｈ、−ＯＰＯ（ＯＨ）２のいずれかが好ましい。
【００４２】
更に、本例では、フラーレン分子を構成する炭素原子に、プロトン解離性の基とともに、電子吸引基、たとえば、ニトロ基、カルボニル基、カルボキシル基、ニトリル基、ハロゲン化アルキル基、ハロゲン原子（フッ素、塩素など）などが導入されていることが好ましい。図８（Ｃ）に、−ＯＨの外にＺを導入したフラーレン分子を示す。このＺは、具体的には、−ＮＯ２、−ＣＮ、−Ｆ、−Ｃ１、−ＣＯＯＲ、−ＣＨＯ、−ＣＯＲ、−ＣＦ３、−ＳＯ３ＣＦ３などである（ここでＲはアルキル基を表わす）。このように電子吸引基が併存していると、その電子吸引効果のために、上記プロトン解離性の基からプロトンが解離し易くなる。
【００４３】
但し、フラーレン分子に導入するプロトン解離性の基の数は、フラーレン分子を構成する炭素数の範囲内で任意でよいが、望ましくは５個以上とするのがよい。なお、フラーレンのπ電子性を残し、有効な電子吸引性を出すためには、上記基の数は、フラーレンを構成する炭素数の半分以下が好ましい。
【００４４】
プロトン伝導体に用いるフラーレン誘導体を合成するには、フラーレン分子の粉末に対し、たとえば酸処理や加水分解等の公知の処理を適宜組み合わせて施すことにより、フラーレン分子の構成炭素原子に所望のプロトン解離性の基を導入すればよい。
【００４５】
より具体的に述べるならば、ポリ水酸化フラーレンの合成は、文献(Chiang, L. Y. ; Wang, L. Y. ; Swirczewski, J. W. ; Soled, S. ; Cameron, S. J. Org. Chem. 1994, 59, 3960)を参考にしておこなった。Ｃ７０を約１５％含むＣ６０／Ｃ７０フラーレン混合物の粉末２ｇを発煙硫酸３０ｍｌ中に投じ、窒素雰囲気中で６０℃に保ちながら３日間攪拌した。得られた反応物を、氷浴内で冷やした無水ジエチルエーテル中に少しずつ投下し、その沈澱物を遠心分離で分別し、さらにジエチルエーテルで３回、およびジエチルエーテルとアセトニトリルの２：１混合液で２回洗浄したあと、４０℃にて減圧中で乾燥させた。さらに、この乾燥物を６０ｍｌのイオン交換水中に入れ、８５℃で窒素によるバブリングを行いながら１０時間攪拌した。反応生成物は遠心分離によって沈澱物を分離し、この沈澱物をさらに純水で数回洗浄し、遠心分離を繰り返した後に、４０℃で減圧乾燥した。このようにして得られた茶色の粉末のＦＴ−ＩＲ測定を行ったところ、上記文献に示されているＣ６０（ＯＨ）１２のＩＲスペクトルとほぼ一致し、この粉末が目的物質であるポリ水酸化フラーレンと確認された。
【００４６】
またポリ水酸化フラーレン凝集ペレットの製造は、次に、このポリ水酸化フラーレンの粉末９０ｍｇをとり、直径１５ｍｍの円形ペレット状になるように一方方向へのプレスを行った。この時のプレス圧は約７トン／ｃｍ２であった。その結果、このポリ水酸化フラーレンの粉末は、バインダー樹脂等を一切含まないにも関わらず成形性に優れており、容易にペレット化することができた。そのペレットは厚みが約３００ミクロンである。
【００４７】
ポリ水酸化フラーレン硫酸水素エステル（全エステル化）の合成も、同様に前記の文献を参考にしておこなった。ポリ水酸化フラーレンの粉末１ｍｇを６０ｍｌの発煙硫酸中に投下し、室温にて窒素雰囲気下で３日間攪拌した。得られた反応物を、氷浴内で冷やした無水ジエチルエーテル中に少しずつ投下し、その沈澱物を遠心分離で分別し、さらにジエチルエーテルで３回、およびジエチルエーテルとアセトニトリルの２：１混合液で２回洗浄した後、４０℃にて減圧下で乾燥させた。このようにして得られた粉末のＴＦ−ＩＲ測定を行ったところ、前記文献中に示されている、全ての水酸基が硫酸水素エステル化されたもののＩＲスペクトルとほぼ一致し、この粉末が目的物質であると、確認できた。
【００４８】
また、ポリ水酸化フラーレン硫酸水素エステル凝集ペレットの製造は、ポリ水酸化フラーレン硫酸水素エステルの粉末７０ｍｇをとり、直径１５ｍｍの円形ペレット状になるように一方方向へのプレスを行った。この時のプレス圧は約７トン／ｃｍ２であった。その結果、この粉末はバインダー樹脂等を一切含まないにも関わらず、成形性に優れており、容易にペレット化することができた。このペレットは厚みが約３００ミクロンである。
【００４９】
さらに、ポリ水酸化フラーレン硫酸水素エステル（部分エステル化）の合成は、Ｃ７０を約１５％含むＣ６０／Ｃ７０フラーレン混合物の粉末２ｇを発煙硫酸３０ｍｌ中に投じ、窒素の雰囲気中にて、６０℃に保ちながら３日間攪拌した。得られた反応物を、氷浴内で冷やしたジエチルエーテル中に少しずつ投下した。ただし、この場合のジエチルエーテルは脱水処理を行っていないものを用いた。得られた沈澱物を遠心分離で分別し、さらにジエチルエーテルで３回、およびジエチルエーテルとアセトニトリルの２：１混合液で２回洗浄した後、４０℃にて減圧下で乾燥させた。このようにして得られた粉末のＦＴ−ＩＲ測定を行ったところ、前記文献に示されている、部分的に水酸基とＯＳＯ３Ｈ基を含むフラーレン誘導体のＩＲスペクトルとほぼ一致し、この粉末が目的物質であると、確認できた。
【００５０】
さらにまた、ポリ水酸化フラーレン硫酸水素エステル凝集ペレットの製造は、一部が硫酸水素エステル化されたポリ水酸化フラーレンの粉末８０ｍｇをとり、直径１５ｍｍの円形ペレット状になるように一方方向へのプレスを行った。この時のプレス圧は約７トン／ｃｍ２であった。その結果、この粉末はバインダー樹脂等を一切含まないにも関わらず成形性に優れており、容易にペレット化することができた。このペレットは厚みが約３００ミクロンであった。
【００５１】
以上のように、本例の燃料電池１０は、電解質膜として、プロトン伝導体からなる電解質膜１１を使用しているので、水素ガスの加湿が不要であり、加湿器を設ける必要がなく、パーソナルコンピュータ１の筐体内において加湿器のための設置スペースを設けることがないため、パーソナルコンピュータ１自体をコンパクトな構成とすることが可能である。
【００５２】
また、水素ガスの加湿が不要であるため、燃料電池１０により発生する水は、燃料電池１０における化学反応による生成水だけとなる。このため、従来の燃料電池１０を使用したときのように多量の水が発生しないため、水を貯溜するタンク等が必要とされない。このため、貯溜タンクの設置スペースを確保する必要がなく、また、貯溜された水によりパーソナルコンピュータ１自体の重量が増加するのを防ぐことが可能である。
【００５３】
燃料電池１０における水素と酸素の反応により生じる生成水は、燃料電池１０や、パーソナルコンピュータ１の基本制御部の部品であるＣＰＵ等を冷却するために利用すると好適である。本例の燃料電池１０によれば、従来のように多量の水は発生しないので、燃料電池１０に隣接させて吸水性を有するシート（図示せず）を配置しておき、このシートに保水された生成水の気化熱を利用して燃料電池１０を冷却する構成とすると良い。
【００５４】
なお、本例によれば、筐体に燃料電池の配置部を設けて燃料電池１０を配設する構成であるため、燃料電池１０のスタックの大きさを変えることにより、プレス加工により形状を変更可能な筐体を備えた機器であれば、あらゆる大きさの機器に燃料電池１０を搭載することが可能となる。
【００５５】
例えば、本例に示すパーソナルコンピュータの他、より小型の機器であるポータブル音楽再生プレーヤに応用することが可能である。図５は、ポータブル音楽再生プレーヤの筐体５０を示す説明図である。この場合は、従来では充電型電池或いは乾電池を配設していた配設部５１を、燃料電池の配設箇所とし、燃料電池のスタックを配置した構成とする。
【００５６】
或いは、本発明の燃料電池を備えた電気で駆動される装置は、大型の機器である移動体、例えば車両、自動車などに応用することも可能である。図６は、燃料電池自動車６０のバンパー側の内部を示す説明図である。自動車６０の場合は、フロアパネル６１と、フロントバンパ６２と、フロントサイドメンバ６３と、車室形成メンバ６４と、に囲まれて形成される筐体としてのエンジンルーム６５を、燃料電池１０の配設箇所とし、燃料電池１０のスタックを配置する。
【００５７】
このとき、必要に応じて、エンジンルーム６５に隔壁を形成し、隔壁で囲まれた空間にスタックを配設すると、燃料電池をより確実に保持することが可能となる。なお、上記例では移動体としての自動車を例にしたが、家庭用・業務用等の定置型発電システムの筐体に適用することができることは勿論である。
【００５８】
なお、上記の実施の形態では、プロトン伝導膜としては、ポリ水酸化フラーレンでできた膜を用いたが、プロトン伝導膜はこれに限定されるものではない。ポリ水酸化フラーレンは、フラーレン分子を母体とし、その構成炭素分子に水酸基を導入したものであるが、母体としてはフラーレン分子に限らず炭素を主成分とする炭素質材料であればよい。
【００５９】
この炭素性材料には、炭素原子が、炭素−炭素間結合の種類を問わず、数個から数百個結合して形成されている集合体である炭素クラスターや、チューブ状炭素質（通称カーボンナノチューブ）が含まれてよい。
【００６０】
前者の炭素クラスターには、図９で示されるような、炭素原子が多数個集合してなる、球体又は長球、又はこれらに類似する閉じた面構造を有する種々の炭素クラスターがある。また、図１０で示されるような、それらの炭素クラスターの球構造の一部が欠損し、構造中に開放端を有する炭素クラスター、図１１で示すような、大部分の炭素原子がＳＰ３結合したダイヤモンド構造を持つ炭素クラスター、更には図１２で示すような、これらのクラスターどうしが種々に結合した炭素クラスターが含まれていてよい。
【００６１】
またこの種の母体に導入する基としては水酸基に限らず、−ＸＨ、より好ましくは−ＹＯＨで表されるプロトン解離性の基であればよい。ここでＸ及びＹは２価の結合手を有する任意の原子若しくは原子団であり、Ｈは水素原子、Ｏは酸素原子である。具体的には、前記−ＯＨ以外に、硫酸水素エステル基−ＯＳＯ３Ｈ、カルボキシル基−ＣＯＯＨ、他に−ＳＯ３Ｈ、−ＯＰＯ（ＯＨ）２のいずれかであることが好ましい。
【００６２】
また、ゾルゲル法により作成したプロトン（水素イオン）の高伝導性ガラスであってもよい。この高伝導性ガラスは、例えば、リン酸−ケイ酸塩（Ｐ２Ｏ５−ＳｉＯ２）系ガラスであり、金属アルコキシド原料を加水分解し、ゲルを作製、５００−８００度Ｃで加熱しガラスとして作成でいる。このガラスには２ナノメートル程度の微細孔があり、そこに水分が吸着され、プロトンの移動が促進されるものである。
【００６３】
さらに、有機無機ハイブリッドイオン交換膜であってもよい。これは、ポリエチレンオキサイド（ＰＥＯ）やポリプロピレンオキサイド（ＰＰＯ）、ポリテトラメチレンオキサイド（ＰＴＭＯ）などとシリカが分子レベルで結合した複合膜であり、モノドテシルフォスフェート（ＭＤＰ）や１、２−タングストリン酸（ＰＷＡ）などをプロトン伝導性供与剤としてドープしたものである。
【００６４】
また、自己加湿型電解質膜であってもよい。この膜は、例えば図１３で示すように、膜中に極微量の白金超微粒子触媒と酸化物（ＴｉＯ２・ＳｉＯ２）超微粒端子を高分散させている。クロスオーバーしてくる水素と酸素を逆用して白金触媒上で水を生成させ、その生成水を酸化物超微粒子に吸着保水させることにより、膜を内部から加湿して含水率を高く保つものである。そして、粒径１〜２ｎｍ極微量の白金超微粒子（０．０９ｍｇ／ｃｍ２）と粒径５ｎｍのＴｉＯ２超微粒子（乾燥Ｎａｆｉｏｎ重量の３％）を高分散したＰｔ−ＴｉＯ２分散膜を電解質に用いると、完全に外部無加湿の状態でも、きわめて安定で高性能（０．４〜０．６Ｖで約０．６Ｗ／ｃｍ２）な電池運転が可能になりる。
上記のいずれの変形例によっても、プロトンの伝導に加湿が不要であり、本発明における効果には変わりはない。
【００６５】
以上のように、本例の燃料電池１０は、電解質膜として、プロトン伝導体からなる電解質膜１１を使用しているので、水素ガスの加湿が不要であり、加湿器を設ける必要がなく、コンパクトな構成とすることが可能である。
【００６６】
【発明の効果】
以上のように、本発明の燃料電池を備えた電気で駆動される装置によれば、燃料電池の配設箇所として機器の筐体の一部を利用した構成とされているので、燃料電池配設のための特別のスペースを設けることなく、機器を大型化せずに燃料電池を搭載することが可能となる。
【００６７】
燃料電池を搭載することにより、エネルギー効率が高く持続力の長い電源を小型軽量の構成で得ることが可能となり、ポータブル機器を手軽に持ち運べるとともに、長時間使用することが可能となる。
【００６８】
特に、本発明の燃料電池は、電解質膜にプロトン伝導体からなる電解質膜を利用しているので、水素ガスを加湿するための加湿器等が不要となり、情報収集装置本体の限られた空間において設置場所をとることがなく、コンパクトな構成とすることができる。また、多量の水が発生しないので、水の重さが付加されることなく、貯溜タンク等の設備も不要となる。また、燃料電池は負荷変動に対して強く、また低温特定が良いため、低温環境下においても常に安定した電力を得ることが可能となり、高い信頼性を得ることができる。
【００６９】
また燃料電池を構成するセルスタックを狭持するときに、個別の板体を用いずに、電気で駆動される装置の筐体を利用できるので、各種電気で駆動される装置に適用したときに、燃料電池の構成部品を省略することが可能となり、コスト面を含めて実用的価値は絶大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】電気で駆動される装置としてのパーソナルコンピュータを示す斜視図である。
【図２】筐体内部を示す説明図である。
【図３】図２のＡ視図である。
【図４】燃料電池の具体的構成を示す説明図である。
【図５】燃料電池を搭載可能な他の筐体を示す説明図である。
【図６】燃料電池を搭載した他の例を示す説明図である。
【図７】フラーレン分子を主要構成要素としてプロトン解離性の基を備えた一例としてのポリ水酸化フラーレンの構造図である。
【図８】フラーレン分子を主要構成要素としてプロトン解離性の基を備えた一例を示す模式図である。
【図９】炭素クラスターの例を示す説明図である。
【図１０】開放端を有する炭素クラスターの例を示す説明図である。
【図１１】ダイヤモンド構造を持つ炭素クラスターの例を示す説明図である。
【図１２】各種のクラスターが結合した炭素クラスターの例を示す説明図である。
【図１３】自己加湿型電解質膜の説明図である。
【図１４】従来例を示す説明図である。
【符号の説明】
１ パーソナルコンピュータ
２ 筐体
２ａ 燃料電池配置部
２ｂ 水素ボンベ配置部
２ｃ 配置部
３ 画面
４ 蓋部
５ キーボード
６ タッチパネル
１０ 燃料電池
１１ 電解質膜
１２ 絶縁体
１３ 燃料側の電極膜
１４ 空気側の電極膜
１７，１８ シート膜
２０ 枠体
３０ シール部材
３１ ガス供給管
３２ ノズル連通管
４０ プレート
４１ 孔
５０ 筐体
５１ 配置部
６０ 電気自動車
６１ フロアパネル
６２ フロントバンパ
６３ フロントサイドメンバ
６４ 車体形成メンバ
６５ エンジンルーム（筐体）
Ｂ 水素ガスボンベ
Ｃ セル
ＥＭ 電極モジュール
Ｓ スタック
Claims (7)
- 筐体と、
前記筐体の内部にその一部として対向配置された一対の壁部と、
前記一対の壁部間に設けられ、燃料電池を構成するセルスタックとを備え、
前記セルスタックは、その積層方向において前記一対の壁部から圧力を受けて前記筐体に取り付けられている
燃料電池を備えた電気で駆動される装置。 - 筐体と、
前記筐体の内部にその一部として対向配置された一対の壁部と、
前記一対の壁部間に設けられた燃料電池とを備え、
前記燃料電池は、その積層方向において前記一対の壁部から圧力を受けて前記筐体に取り付けられている
燃料電池を備えた電気で駆動される装置。 - 前記燃料電池を構成するセルの端部は、シール部材により封止されている
請求項１又は２記載の燃料電池を備えた電気で駆動される装置。 - 前記燃料電池を構成するセルは、前記筐体に形成された空気供給可能な壁部と、該空気供給可能な壁部に気密性を有して取り付けられ酸素と接触する面を備えた少なくとも一つの電極モジュールと、該電極モジュールの前記酸素と接触する面と反対側の面に設けられた燃料側と接触する面を密閉する密閉壁部と、該密閉壁部と前記電極モジュールの燃料側と接触する面との間に燃料ガスを注入する注入口を設けてなる請求項１乃至３いずれか記載の燃料電池を備えた電気で駆動される装置。
- 前記燃料電池を構成するセルは、プロトン伝導体からなる電解質膜を備えてなる請求項１乃至４いずれか記載の燃料電池を備えた電気で駆動される装置。
- 前記プロトン伝導体からなる電解質膜は、フラーレン分子を主要構成要素としてプロトン解離性の基を備えてなる請求項５記載の燃料電池を備えた電気で駆動される装置。
- 前記電気で駆動される装置が、携帯用電子機器、自動車を含む移動体、定置き型発電システムのいずれかである請求項１乃至６のいずれか記載の燃料電池を備えた電気で駆動される装置。
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