JP5178087B2 - 燃料電池および燃料電池用燃料供給装置 - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池に燃料を供給する技術に関する。
燃料電池は水素と酸素とから電気エネルギを発生させる装置であり、高い発電効率を得ることができる。燃料電池の主な特徴としては、従来の発電方式のように熱エネルギや運動エネルギの過程を経ない直接発電であるので、小規模でも高い発電効率が期待できること、窒素化合物等の排出が少なく、騒音や振動も小さいので環境性が良いことなどが挙げられる。このように、燃料電池は燃料のもつ化学エネルギを有効に利用でき、環境にやさしい特性をもっているので、２１世紀を担うエネルギ供給システムとして期待され、宇宙用から自動車用、携帯機器用まで、大規模発電から小規模発電まで、種々の用途に使用できる将来有望な新しい発電システムとして注目され、実用化に向けて技術開発が本格化している。
中でも、固体高分子形燃料電池は、他の種類の燃料電池に比べて、作動温度が低く、高い出力密度を持つ特徴が有り、特に近年、固体高分子形燃料電池の一形態として、ダイレクトメタノール燃料電池（Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＤＭＦＣ）が注目を集めている。ＤＭＦＣは、燃料であるメタノール水溶液を改質することなく直接アノードへ供給し、メタノール水溶液と酸素との電気化学反応により電力を得るものであり、この電気化学反応によりアノードからは二酸化炭素が、カソードからは生成水が、反応生成物として排出される。メタノール水溶液は水素に比べ、単位体積当たりのエネルギが高く、また、貯蔵に適しており、爆発などの危険性も低いため、自動車や携帯機器（携帯電話、ノート型パーソナルコンピュータ、ＰＤＡ、ＭＰ３プレーヤ、デジタルカメラあるいは電子辞書（書籍））などの電源への利用が期待されている。
ＤＭＦＣには、ポンプなどの補機類を用いて、強制的にアノードに燃料を供給するアクティブ形と、ポンプなどの補機類を使用せずに，燃料および空気を対流や濃度こう配などを利用して供給するパッシブ形とがある。このうち、パッシブ形は、ポンプなどの補機類を必要としないため、構造が単純であり、小型化に適している。
特許文献１は、パッシブ形の燃料電池を携帯機器の電源として用いる場合に、燃料電池に燃料を供給する装置を開示する。
また、近年、気体燃料を用いて発電を行う固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）の小型化が図られ、ＰＥＦＣを携帯機器の電源として用いる技術が開発されている。ＰＥＦＣの場合には、燃料ガスの供給手段として、メタノール改質を用いることや、水素吸蔵合金を用いることなどが知られている。
特開２００４−１１９０２７号公報
ＤＭＦＣに関しては、反応で使われなかった未反応の水もしくはメタノールや燃料の反応により生じた蟻酸などの副生成物が廃液としてアノードに溜まっていく。副生成物の滞留は、燃費、出力、耐久性などの燃料電池の性能の低下を招く。しかし、特許文献１に示すような従来の燃料供給装置では、廃液がＤＭＦＣの燃料貯蔵部の中に滞留したままとなるため、上述したような燃料電池の性能低下が生じてしまうという問題があった。また、ＰＥＦＣに関しては、触媒金属が被毒することにより燃料電池の性能劣化が生じる問題や、水素吸蔵合金の水素吸蔵能力が劣化するといった問題がある。
本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料電池の性能低下を抑制するとともに、燃料電池への燃料供給を簡便かつ容易に行うことができる技術の提供にある。
本発明のある態様は、燃料電池に燃料を供給可能な燃料電池用燃料供給装置であって、燃料電池を装着可能な装着部と、燃料電池で使用される燃料を格納する燃料格納部と、燃料電池が装着部に装着された状態で、燃料電池の燃料貯蔵部に残留した廃液を回収する廃液回収手段と、燃料電池が装着部に装着された状態で、燃料格納部から燃料貯蔵部に燃料を供給する燃料供給手段を備え、
前記廃液回収手段による廃液回収が、前記燃料貯蔵部に燃料を供給することによって前記燃料貯蔵部に残留した廃液を押し出すことにより行われ、前記燃料供給手段は、前記燃料貯蔵部に燃料を満たした後、さらに所定量の燃料を前記燃料貯蔵部に供給することを特徴とする。「燃料電池を装着」とは、燃料電池を直接に装着する形態および燃料電池を携帯機器等に搭載した状態で当該携帯機器を装着する形態を含む。
前記廃液回収手段による廃液回収が、前記燃料貯蔵部に燃料を供給することによって前記燃料貯蔵部に残留した廃液を押し出すことにより行われ、前記燃料供給手段は、前記燃料貯蔵部に燃料を満たした後、さらに所定量の燃料を前記燃料貯蔵部に供給することを特徴とする。「燃料電池を装着」とは、燃料電池を直接に装着する形態および燃料電池を携帯機器等に搭載した状態で当該携帯機器を装着する形態を含む。
この態様によれば、燃料電池への燃料供給を簡便かつ容易に行うことができるだけでなく、燃料電池の燃料貯蔵部に残留した廃液を回収することにより、燃料電池の性能劣化を抑制することができる。
この態様によれば、燃料貯蔵部への燃料を供給するとともに、燃料貯蔵部から廃液を回収することができる。
上記態様において、洗浄液を格納する洗浄液格納部と、洗浄液を燃料貯蔵部に供給して燃料電池のアノード電極を洗浄する洗浄液供給手段と、燃料貯蔵部から洗浄液を回収する洗浄液回収手段と、をさらに備えてもよい。この場合に、燃料貯蔵部への燃料供給および廃液回収と、燃料貯蔵部への洗浄液供給および洗浄液回収とを切り替える手段をさらに備えてもよい。
この態様によれば、燃料電池への燃料供給および廃液回収の他に、燃料電池のメンテナンスを容易に行うことができる。
本発明の他の態様は、上記いずれかの態様の燃料電池用燃料供給装置の装着部に装着可能な燃料電池であって、燃料を貯蔵する燃料貯蔵部に、燃料供給手段によって供給される燃料が流入する燃料供給口と、廃液を排出するための廃液排出口とが設けられていることを特徴とする。
なお、上述した各要素を適宜組み合わせたものも、本件特許出願によって特許による保護を求める発明の範囲に含まれうる。
本発明によれば、燃料電池への燃料供給を簡便かつ容易に行うことに加えて、燃料電池の性能劣化を抑制することができる。
（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係る携帯電話１および携帯電話１に内蔵されたＤＭＦＣ１０の構成を示す概略図である。
図１は、実施の形態１に係る携帯電話１および携帯電話１に内蔵されたＤＭＦＣ１０の構成を示す概略図である。
ＤＭＦＣ１０は、メタノール水溶液あるいは純メタノール（以下、「燃料」と記載する）が毛細管現象により供給されるアノード電極１２と空気が供給されるカソード電極１４とこのアノード電極１２とカソード電極１４とに挟持される電解質膜１６とを備える。ＤＭＦＣ１０は、燃料中のメタノールと空気中の酸素との電気化学反応により発電する。各セル２２のアノード電極１２とカソード電極１４には、それぞれ集電体１８および集電体２０が設けられている。配線（図示せず）によって各集電体１８、２０をつなぐことで、複数のセル２２が直列に接続されている。
アノード電極１２の周囲には、ウィッキング材１３が設けられている。ウィッキング材１３は、燃料を吸い込むとともに、集電体１８を介してアノード電極１２へ燃料を供給する機能を有する。ウィッキング材１３に隣接して、燃料が貯蔵される燃料貯蔵部２６が設けられており、燃料貯蔵部２６に貯蔵された燃料は、ウィッキング材１３に適宜吸い込まれる。燃料貯蔵部２６側の筐体３４のウィッキング材１３側面部分には、気液分離フィルタ３５が設けられている。気液分離フィルタ３５を介して、アノード電極１２で発生した二酸化炭素などのガスが排出される。
燃料貯蔵部２６を形成する筐体３４には、燃料供給口３１が設けられている。燃料貯蔵部２６は、燃料供給口３１および配管２９を介して、燃料吸入部５０と連通している。燃料吸入部５０には、逆止弁が設けられている。また、アノード電極１２近傍の筐体３４には、排出口５１が設けられており、排出口５１および配管３０を介して、廃液排出部５２と連通している。
一方、カソード電極１４には、カソード電極１４側の筐体３４に設けられた空気取込口３６から自然に生じる空気の流れを利用して空気が供給される。本実施の形態において、アノード電極１２、カソード電極１４には、それぞれ、メタノールからＨ+を、また、Ｈ+と酸素から水を生成する触媒機能を有する触媒層が存在すればよく、その構成は限定されない。アノード電極１２、カソード電極１４として、たとえば、カーボンペーパーなどの電極基材の上に触媒層を形成してもよい。
ＤＭＦＣ１０で得られた電力は、回路部６０により所定の電圧に変換された後、ＬＩＢ（リチウムイオン二次電池）６２の充電、または、必要に応じて携帯電話１の電源として使用される。
燃料貯蔵部２６内の燃料の残量は、水位センサなどの残量検出手段を用いて検出される。残量検出手段によって検出された燃料の残量に関するデータは、赤外線通信などの無線通信手段（図示せず）によって後述する燃料電池用燃料供給装置に送信される。
図２は、実施の形態１に係る携帯電話１および燃料電池用燃料供給装置１００の外観を示す斜視図である。燃料電池用燃料供給装置１００は、携帯電話１を装着可能な装着部１０１を有する。装着部１０１の底部には、携帯電話１の底部に設けられた燃料吸入部５０および廃液排出部５２とそれぞれ接続可能な燃料供給部１０２および廃液受入部１０４が設けられている。
装着部１０１に携帯電話１を装着することにより、携帯電話１に設けられた燃料吸入部５０と、燃料電池用燃料供給装置１００に設けられた燃料供給部１０２とが接続されるとともに、携帯電話１に設けられた廃液排出部５２と、燃料電池用燃料供給装置１００に設けられた廃液受入部１０４とが接続される。
燃料吸入部５０に燃料供給部１０２が接続されると、燃料吸入部５０に設けられた逆止弁が開き、燃料供給部１０２から燃料吸入部５０へ燃料などの液体を送出可能になる。また、廃液排出部５２に廃液受入部１０４が接続されると、廃液排出部５２に設けられた逆止弁が開き、廃液排出部５２から廃液受入部１０４へ廃液などの液体を送出可能になる。
装着部１０１の底面には、ピン１０６が設けられている。ピン１０６は、携帯電話１を装着しない状態ではバネなどで付与された弾性力により装着部１０１の底面上に飛び出しており、押圧によって燃料電池用燃料供給装置１００の内部に押し込まれる。ピン１０６が燃料電池用燃料供給装置１００の内部に押し込まれると、装着部１０１に携帯電話１が装着されたことが検知される。
図３は、燃料電池用燃料供給装置１００の構成を示す概略図である。燃料電池用燃料供給装置１００は、上述したように、燃料供給部１０２、廃液受入部１０４およびピン１０６が設けられた装着部１０１を有し、携帯電話１を装着可能な構造を有する。
また、燃料電池用燃料供給装置１００は、燃料カートリッジ１１０、廃液カートリッジ１１２、ポンプ１１４、および制御部１５０を備える。燃料カートリッジ１１０および廃液カートリッジ１１２は着脱可能であり、必要に応じて取り替えることができる。
燃料カートリッジ１１０は、配管１１１を介して燃料供給部１０２と連通している。配管１１１には、燃料送出手段としてポンプ１１４が設けられている。ポンプ１１４は、燃料カートリッジ１１０から燃料を吸い込み、燃料供給部１０２および燃料吸入部５０を介して、携帯電話１に搭載されたＤＭＦＣ１０の燃料貯蔵部２６に燃料を供給する。ポンプ１１４による燃料の供給動作は、後述する制御部１５０によって制御されている。
一方、廃液カートリッジ１１２は配管１１３を介して廃液受入部１０４と連通している。ポンプ１１４によって、ＤＭＦＣ１０の燃料貯蔵部２６に燃料を供給することにより、排出口５１を経由して廃液が燃料貯蔵部２６から押し出される。燃料貯蔵部２６から排出された廃液は、廃液排出部５２、廃液受入部１０４を経由して、廃液カートリッジ１１２に回収される。
制御部１５０には、コネクタになどによる有線通信手段（図示せず）、携帯電話１に対応した赤外線通信などの無線通信手段（図示せず）などを用いて受信された、燃料貯蔵部２６内の燃料の残量に関するデータが入力される。制御部１５０は、燃料貯蔵部２６の容量と燃料の残量データに基づいて、燃料貯蔵部２６に供給する燃料の量を算出し、ポンプ１１４を駆動することにより、算出された量の燃料を燃料貯蔵部２６に供給した後、さらに一定量または一定時間だけ燃料を燃料貯蔵部２６に供給する。
ここで、燃料電池用燃料供給装置１００による燃料電池への燃料供給および廃液回収の動作について説明する。
まず、ユーザが携帯電話１を装着部１０１に装着することにより、携帯電話１に設けられた燃料吸入部５０と、燃料電池用燃料供給装置１００に設けられた燃料供給部１０２とが接続されるとともに、携帯電話１に設けられた廃液排出部５２と、燃料電池用燃料供給装置１００に設けられた廃液受入部１０４とが接続される。この際に、ピン１０６が押し下げられることにより、携帯電話１が装着されたことが検出され、検出信号が制御部１５０に送られる。このとき、制御部１５０は、ロック機構（図示せず）などにより携帯電話１が装着部１０１からはずれないように携帯電話１を固定する。
続いて、制御部１５０からの制御信号により、ポンプ１１４が駆動し、燃料カートリッジ１１０から燃料が吸い出され、燃料貯蔵部２６に燃料が供給される。制御部１５０は、燃料貯蔵部２６内の燃料の残量に関するデータに基づいて、燃料貯蔵部２６が燃料で満たされたことを検出した後、ポンプ１１４を用いて燃料貯蔵部２６に一定量または一定時間だけ燃料を供給させる。これにより、燃料貯蔵部２６に不純物の含有量が抑制された燃料を確実かつ簡便に貯留することができるだけでなく、燃料貯蔵部２６に残留した廃液を燃料貯蔵部２６から十分に追い出することにより、各セルでの電気化学反応を副生成物により阻害されにくくし、ＤＭＦＣ１０の発電性能の低下を抑制することができる。
続いて、上述したロック機構を解除し、携帯電話１を装着部１０１から取り外せるようにする。なお、ロック機構が働いているか否か、または、燃料供給中か否かに関する情報を無線通信手段を用いて制御部１５０から携帯電話１に送信し、色、文字などを用いてロック機構の動作等に関する情報を携帯電話１の表示部に表示させてもよい。
なお、本実施の形態では、ポンプ１１４によって燃料を燃料貯蔵部２６に供給し、燃料貯蔵部２６に滞留した廃液を燃料貯蔵部２６の外に押し出すことにより、廃液を廃液カートリッジ１１２に回収しているが、燃料電池用燃料供給装置１００は、燃料貯蔵部２６から廃液を吸い出すためのポンプをさらに備えてもよい。
本実施の形態の燃料電池用燃料供給装置１００は、機能を限定することにより小型化が可能であり、個人ユーザが自ら携帯電話１のＤＭＦＣ１０に燃料を補給する装置として好適に使用することができる。
（実施の形態２）
図４は、実施の形態２に係る燃料電池用燃料供給装置１００の構成を示す概略図である。本実施の形態の燃料電池用燃料供給装置１００は、実施の形態１と同様な構成に加えて、洗浄液カートリッジ１２０、洗浄液回収カートリッジ１２２およびポンプ１１５をさらに有する。
図４は、実施の形態２に係る燃料電池用燃料供給装置１００の構成を示す概略図である。本実施の形態の燃料電池用燃料供給装置１００は、実施の形態１と同様な構成に加えて、洗浄液カートリッジ１２０、洗浄液回収カートリッジ１２２およびポンプ１１５をさらに有する。
また、配管１１１には、少なくとも１つの電動三方弁１３０が設けられ、ポンプ１１４による吸引先が、燃料カートリッジ１１０と少なくとも１つの洗浄液カートリッジ１２０とで切り替え可能になっている。電動三方弁１３０の動作は制御部１５０によって制御される。洗浄液カートリッジ１２０に格納される洗浄液としては、水、希硫酸、過酸化水素水、硝酸(０．５Ｍ以下)などが挙げられる。なお、水を含む洗浄液は、たとえば８０℃程度に加熱したものを用いることにより洗浄効果を向上させることができる。このため、燃料電池用燃料供給装置１００に洗浄液カートリッジ１２０を加熱するためのヒータなどの加熱手段を設けることがより好ましい。
また、配管１０３には、電動三方弁１３２が設けられ、ポンプ１１５による液体の送出先が、廃液カートリッジ１１２と洗浄液回収カートリッジ１２２とで切り替え可能になっている。電動三方弁１３２の動作は制御部１５０によって制御される。
本実施の形態の燃料電池用燃料供給装置１００による燃料電池への燃料供給、廃液回収および燃料電池のメンテナンスの動作について説明する。なお、燃料電池用燃料供給装置１００の動作として、(a)燃料補給のみ、(b)廃液回収後に燃料補給、(c)洗浄後に燃料補給など、種々のモードを切り替え可能とすることができる。この場合、ユーザは、携帯電話１の表示部および操作部を用いて燃料電池用燃料供給装置１００を所望の動作モードに設定することができる。以下の説明では、ユーザが(c)洗浄後に燃料補給するモードを選択した場合について例示する。
まず、ユーザが携帯電話１を装着部１０１に装着することにより、携帯電話１に設けられた燃料吸入部５０と、燃料電池用燃料供給装置１００に設けられた燃料供給部１０２とが接続されるとともに、携帯電話１に設けられた廃液排出部５２と、燃料電池用燃料供給装置１００に設けられた廃液受入部１０４とが接続される。この際に、ピン１０６が押し下げられることにより、携帯電話１が装着されたことが検出され、検出信号が制御部１５０に送られる。このとき、制御部１５０は、ロック機構（図示せず）などにより携帯電話１が装着部１０１からはずれないように携帯電話１を固定する。
続いて、制御部１５０により、電動三方弁１３０を用いてポンプ１１４の吸引先が洗浄液カートリッジ１２０に切り替えられるとともに、電動三方弁１３２を用いてポンプ１１５からの送出先が洗浄液回収カートリッジ１２２に切り替えられる。この後、ポンプ１１４が駆動し、洗浄液カートリッジ１２０から洗浄液が吸引され、燃料貯蔵部２６に洗浄液が供給される。洗浄液により燃料貯蔵部２６、アノード電極１２およびウィッキング材１３が洗浄される。燃料貯蔵部２６に供給された洗浄液は、ポンプ１１５を駆動することにより、排出口５１を経由して燃料貯蔵部２６から排出され、洗浄液回収カートリッジ１２２に回収される。
続いて、制御部１５０により、電動三方弁１３０を用いてポンプ１１４の吸引先が燃料カートリッジ１１０に切り替えられるとともに、電動三方弁１３２を用いてポンプ１１５からの送出先が廃液カートリッジ１１２に切り替えられる。この後、制御部１５０からの制御信号により、ポンプ１１４が駆動し、燃料カートリッジ１１０から燃料が吸い出され、燃料貯蔵部２６に燃料が供給される。制御部１５０は、燃料貯蔵部２６内の燃料の残量に関するデータに基づいて、燃料貯蔵部２６が燃料で満たされたことを検出した後、ポンプ１１４を用いて燃料貯蔵部２６に一定量または一定時間だけ燃料を供給させる。これにより、燃料貯蔵部２６に不純物の含有量が抑制された燃料を確実かつ簡便に貯留することができるだけでなく、燃料貯蔵部２６に残留した廃液を燃料貯蔵部２６から十分に追い出することにより、各セルでの電気化学反応を副生成物により阻害されにくくし、ＤＭＦＣ１０の発電性能の低下を抑制することができる。
続いて、上述したロック機構を解除し、携帯電話１を装着部１０１から取り外せるようにする。なお、ロック機構が働いているか否か、燃料供給中か否か、または洗浄中か否かに関する情報を無線通信手段を用いて制御部１５０から携帯電話１に送信し、色、文字などを用いてロック機構の動作等に関する情報を携帯電話１の表示部に表示させてもよい。
なお、図４に示すように、装着部１０１および装着された携帯電話１を覆うカバー１４０を設けることが好ましい。カバー１４０により、燃料電池の燃料、廃液、洗浄液などが飛散することが抑制されるので、燃料電池用燃料供給装置１００の安全性を高めることができる。なお、カバー１４０の開閉にもロック機構を設け、少なくとも燃料電池の洗浄中にはカバー１４０が開かないように制限することがより好ましい。
本実施の形態の燃料電池用燃料供給装置１００は、燃料供給だけでなく、燃料電池の電極を洗浄するという機能を兼ね備えた多機能型の装置であり、設置場所としては、コンビニエンスストア、携帯電話販売店などに設置して業務用として好適に使用することができる。
（実施の形態３）
上述の各実施の形態では、燃料電池としてＤＭＦＣが例示されていたが、燃料電池の種類はこれに限られない。たとえば、燃料電池は、気体燃料を用いて発電を行う固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）であってもよい。図５は、実施の形態３に係る携帯電話１および携帯電話１に内蔵されたＰＥＦＣ１１の構成を示す概略図である。
上述の各実施の形態では、燃料電池としてＤＭＦＣが例示されていたが、燃料電池の種類はこれに限られない。たとえば、燃料電池は、気体燃料を用いて発電を行う固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）であってもよい。図５は、実施の形態３に係る携帯電話１および携帯電話１に内蔵されたＰＥＦＣ１１の構成を示す概略図である。
ＰＥＦＣ１１では、水素がアノード電極１２に供給され、水素と空気中の酸素との電気化学反応により発電が行われる。アノード電極１２側に水素を含む燃料ガスが充填される燃料充填部１７が設けられている。ＰＥＦＣ１１では、実施の形態1で示した燃料貯蔵部２６に加えて、改質部２７が設けられている。改質部２７は、気相接触の水蒸気改質法により燃料貯蔵部２６から供給されるメタノールを改質して水素を発生する。改質部２７では、副生成物として、ＣＯ２、ＣＯが発生する。改質部２７で発生した水素を含む燃料ガスは、燃料充填部１７に供給される。また、ＰＥＦＣ１１では、実施の形態1で示した廃液排出部５２に代えて外部連通口５３が設けられている。なお、改質部２７で生じた副生成物は、燃料貯蔵部２６に滞留する場合があり、燃料貯蔵部２６から副生成物を除去する必要が生じる。
図６は、実施の形態３に係る携帯電話１および燃料電池用燃料供給装置１００の外観を示す斜視図である。燃料電池用燃料供給装置１００は、携帯電話１を装着可能な装着部１０１を有する。装着部１０１の底部には、携帯電話１の底部に設けられた燃料吸入部５０および外部連通口５３とそれぞれ接続可能な燃料供給部１０２および接続部１０５が設けられている。
装着部１０１に携帯電話１を装着することにより、携帯電話１に設けられた燃料吸入部５０と、燃料電池用燃料供給装置１００に設けられた燃料供給部１０２とが接続されるとともに、携帯電話１に設けられた外部連通口５３と、燃料電池用燃料供給装置１００に設けられた接続部１０５とが接続される。
燃料吸入部５０に燃料供給部１０２が接続されると、燃料吸入部５０に設けられた逆止弁が開き、燃料供給部１０２から燃料吸入部５０へ燃料などの気体あるいは液体を送出可能になる。また、外部連通口５３に接続部１０５が接続されると、外部連通口５３に設けられた逆止弁が開き、外部連通口５３と接続部１０５とが連通する。
装着部１０１の底面には、ピン１０６が設けられている。ピン１０６は、携帯電話１を装着しない状態ではバネなどで付与された弾性力により装着部１０１の底面上に飛び出しており、押圧によって燃料電池用燃料供給装置１００の内部に押し込まれる。ピン１０６が燃料電池用燃料供給装置１００の内部に押し込まれると、装着部１０１に携帯電話１が装着されたことが検知される。
図７は、実施の形態３に係る燃料電池用燃料供給装置１００の構成を示す概略図である。燃料電池用燃料供給装置１００は、上述したように、燃料供給部１０２、接続部１０５およびピン１０６が設けられた装着部１０１を有し、携帯電話１を装着可能な構造を有する。
また、本実施の形態の燃料電池用燃料供給装置１００は、燃料カートリッジ１１０、エアブリード用カートリッジ１６０、副生成物回収カートリッジ１７０、ポンプ１１４、ポンプ１１５および制御部１５０を備える。燃料カートリッジ１１０、エアブリード用カートリッジ１６０および副生成物回収カートリッジ１７０は着脱可能であり、必要に応じて取り替えることができる。エアブリード用カートリッジ１６０には、４〜６ｗｔ％の酸素を含有する水素ガス（エアブリード用ガス）が充填されている。
燃料カートリッジ１１０は、配管１１１を介して燃料供給部１０２と連通している。配管１１１には、燃料送出手段としてポンプ１１４が設けられている。ポンプ１１４は、燃料カートリッジ１１０から燃料を吸い込み、燃料供給部１０２および燃料吸入部５０を介して、携帯電話１に搭載されたＰＥＦＣ１１の燃料貯蔵部２６に燃料を供給する。ポンプ１１４による燃料の供給動作は、制御部１５０によって制御されている。
配管１０３には、電動三方弁１３２が設けられている。電動三方弁１３２を切り替えることにより、エアブリード用カートリッジ１６０に収容されたエアブリード用ガスがＰＥＦＣ１１のアノード電極１２に供給されるモードと、ＰＥＦＣ１１で発生した副生成物をポンプ１１５によって吸い出して副生成物回収カートリッジ１７０に収容するモードとが切り替え可能になっている。なお、電動三方弁１３２の動作は制御部１５０によって制御される。
本実施の形態の燃料電池用燃料供給装置１００による燃料電池への燃料供給、副生成物回収および燃料電池のメンテナンスの動作について説明する。なお、燃料電池用燃料供給装置１００の動作として、(a)燃料補給のみ、(b)副生成物回収後に燃料補給、(c)エアブリード後に燃料補給など、種々のモードを切り替え可能とすることができる。この場合、ユーザは、携帯電話１の表示部および操作部を用いて燃料電池用燃料供給装置１００を所望の動作モードに設定することができる。以下の説明では、ユーザが(c)エアブリード後に燃料補給するモードを選択した場合について例示する。
まず、ユーザが携帯電話１を装着部１０１に装着することにより、携帯電話１に設けられた燃料吸入部５０と、燃料電池用燃料供給装置１００に設けられた燃料供給部１０２とが接続されるとともに、携帯電話１に設けられた外部連通口５３と、燃料電池用燃料供給装置１００に設けられた接続部１０５とが接続される。この際に、ピン１０６が押し下げられることにより、携帯電話１が装着されたことが検出され、検出信号が制御部１５０に送られる。このとき、制御部１５０は、ロック機構（図示せず）などにより携帯電話１が装着部１０１からはずれないように携帯電話１を固定する。
続いて、エアブリード用カートリッジ１６０に収容されたエアブリード用ガスがポンプ１１５を用いてＰＥＦＣ１１のアノード電極１２に供給可能になるように制御部１５０により電動三方弁１３２が切り替えられる。この後、ポンプ１１５が駆動し、エアブリード用カートリッジ１６０に収容されたエアブリード用ガスがＰＥＦＣ１１のアノード電極１２に供給される。この状態で、アノード電極１２に微小電流が流れるようにＰＥＦＣ１１に負荷をかけ、エアブリードを行う。エアブリードによって、被毒された触媒粒子からＣＯを除去することにより、触媒の活性を取り戻すことができる。この場合の負荷としては、たとえば、装着部１０１にＰＥＦＣ１１を接続可能な接続端子を設け、燃料電池用燃料供給装置１００に携帯電話１を装着したときに、燃料電池用燃料供給装置１００とＰＥＦＣ１１とを電気的に接続することにより生じる負荷が好適である。
次に、ＰＥＦＣ１１の負荷を停止するとともに、ＰＥＦＣ１１で発生した副生成物をポンプ１１５によって吸い出して副生成物回収カートリッジ１７０に収容可能になるように制御部１５０により電動三方弁１３２が切り替えられる。ポンプ１１５を駆動することにより、ＣＯなどの副生成物がＰＥＦＣ１１から副生成物回収カートリッジ１７０に回収される。
続いて、ポンプ１１４を用いて燃料貯蔵部２６に一定量または一定時間だけ燃料を供給させる。なお、燃料貯蔵部２６への燃料の供給は、上述したエアブリードの前であってもっよく、エアブリードまたは副生成物回収と並行して行ってもよい。
以上の動作により、燃料貯蔵部２６に燃料が供給されるとともに、触媒活性を阻害する副生成物を回収することにより、ＰＥＦＣ１１の発電性能の低下を抑制することができる。
なお、本実施の形態では、エアブリード用ガスが燃料充填部１７に供給されているが、エアブリード用ガスに代えて燃料以外の流体を燃料充填部１７に供給し、燃料充填部１７およびアノード電極１２に残留した副生成物を押し出すことにより、副生成物回収カートリッジ１７０に副生成物を回収してもよい。また、流体を供給することなく、ポンプなどを用いて、燃料充填部１７およびアノード電極１２に残留した副生成物を吸い出すことにより副生成物を回収してもよい。
（実施の形態４）
図８は、実施の形態４に係る携帯電話１および携帯電話１に内蔵されたＰＥＦＣ１１の構成を示す概略図である。本実施の形態では、燃料貯蔵部２６として水素吸蔵合金を収容した水素吸蔵合金タンクが用いられている。水素を吸蔵可能な水素吸蔵合金（たとえば、希土類系のＭｍ（ミッシュメタル）Ｎｉ4.32Ｍｎ0.18Ａｌ0.1 Ｆｅ0.1 Ｃｏ0.3）が格納されている。なお、水素吸蔵合金は、希土類系に限られず、たとえばＴｉ−Ｍｎ系、Ｔｉ−Ｆｅ系、Ｔｉ−Ｚｒ系、Ｍｇ−Ｎｉ系、Ｚｒ−Ｍｎ系等であってもよい。燃料貯蔵部２６、すなわち水素吸蔵合金タンクに貯蔵された水素は、燃料充填部１７に供給され、ＰＥＦＣ１１の発電に使用される。
図８は、実施の形態４に係る携帯電話１および携帯電話１に内蔵されたＰＥＦＣ１１の構成を示す概略図である。本実施の形態では、燃料貯蔵部２６として水素吸蔵合金を収容した水素吸蔵合金タンクが用いられている。水素を吸蔵可能な水素吸蔵合金（たとえば、希土類系のＭｍ（ミッシュメタル）Ｎｉ4.32Ｍｎ0.18Ａｌ0.1 Ｆｅ0.1 Ｃｏ0.3）が格納されている。なお、水素吸蔵合金は、希土類系に限られず、たとえばＴｉ−Ｍｎ系、Ｔｉ−Ｆｅ系、Ｔｉ−Ｚｒ系、Ｍｇ−Ｎｉ系、Ｚｒ−Ｍｎ系等であってもよい。燃料貯蔵部２６、すなわち水素吸蔵合金タンクに貯蔵された水素は、燃料充填部１７に供給され、ＰＥＦＣ１１の発電に使用される。
図９は、実施の形態４に係る燃料電池用燃料供給装置１００の構成を示す概略図である。燃料電池用燃料供給装置１００は、実施の形態３と同様に、燃料供給部１０２、接続部１０５およびピン１０６が設けられた装着部１０１を有し、携帯電話１を装着可能な構造を有する。
また、本実施の形態の燃料電池用燃料供給装置１００は、燃料カートリッジ１１０、洗浄液カートリッジ１２０、洗浄液回収カートリッジ１２２、エアブリード用カートリッジ１６０、副生成物回収カートリッジ１７０、ポンプ１１４、ポンプ１１５および制御部１５０を備える。本実施の形態の燃料カートリッジ１１０、エアブリード用カートリッジ１６０、副生成物回収カートリッジ１７０は、実施の形態３と同様である。洗浄液カートリッジ１２０には、洗浄液として、たとえば、酸性溶液が格納されている。洗浄液回収カートリッジ１２２は、電動三方弁１３４により切り替え可能に配管１１１に接続されている。
本実施の形態のポンプ１１４は、電動三方弁１３０、１３４の切り替えに応じて、燃料送出手段、洗浄液送出手段、洗浄液吸い出し手段として機能する。本実施の形態では、燃料吸入部５０および燃料供給部１０２は、洗浄液の送出および吸い出しの通路として活用される。
本実施の形態の燃料電池用燃料供給装置１００による燃料電池への燃料供給、副生成物回収および燃料電池のメンテナンスの動作について説明する。なお、燃料電池用燃料供給装置１００の動作として、(a)燃料補給のみ、(b)副生成物回収後に燃料補給、(c)エアブリード後に燃料補給、(d)水素吸蔵合金活性化処理後に燃料補給など、種々のモードを切り替え可能とすることができる。この場合、ユーザは、携帯電話１の表示部および操作部を用いて燃料電池用燃料供給装置１００を所望の動作モードに設定することができる。以下の説明では、ユーザが(d)水素吸蔵合金活性化処理後に燃料補給するモードを選択した場合について例示する。
まず、ユーザが携帯電話１を装着部１０１に装着することにより、携帯電話１に設けられた燃料吸入部５０と、燃料電池用燃料供給装置１００に設けられた燃料供給部１０２とが接続されるとともに、携帯電話１に設けられた外部連通口５３と、燃料電池用燃料供給装置１００に設けられた接続部１０５とが接続される。この際に、ピン１０６が押し下げられることにより、携帯電話１が装着されたことが検出され、検出信号が制御部１５０に送られる。このとき、制御部１５０は、ロック機構（図示せず）などにより携帯電話１が装着部１０１からはずれないように携帯電話１を固定する。
続いて、洗浄液カートリッジ１２０に収容された洗浄液（酸性溶液）がポンプ１１４を用いてＰＥＦＣ１１の燃料貯蔵部２６に供給可能になるように制御部１５０により電動三方弁１３０、１３４が切り替えられる。この後、ポンプ１１４が駆動し、洗浄液カートリッジ１２０に収容された洗浄液がＰＥＦＣ１１の燃料貯蔵部２６に供給される。燃料貯蔵部２６、すなわち水素吸蔵合金タンクに供給された洗浄液により、水素吸蔵合金が活性化される。
所定時間経過後、燃料貯蔵部２６に供給され、水素吸蔵合金の活性化に使用された洗浄液をポンプ１１４によって吸い出して洗浄液回収カートリッジ１２２に収容可能になるように制御部１５０により電動三方弁１３０、１３４が切り替えられる。この後、ポンプ１１４が駆動し、燃料貯蔵部２６に存在する使用済みの洗浄液が洗浄液回収カートリッジ１２２に回収される。なお、洗浄液による洗浄処理の後、水素吸蔵合金を水ですすぎ、さらに、加熱、真空乾燥させることが好ましい。この場合には、水を貯蔵するカートリッジ、ヒータなどの加熱手段、真空ポンプなどをさらに備え、これらの動作を適宜切り替えることにより実現可能である。
続いて、燃料貯蔵部２６が連通するように電動三方弁１３０が切り替えられた後、ポンプ１１４を用いて燃料貯蔵部２６に一定量または一定時間だけ燃料が供給される。
以上の動作により、燃料貯蔵部２６に格納された水素吸蔵合金が活性化された後、燃料貯蔵部２６に燃料が供給されるので、燃料貯蔵部２６に貯蔵される水素の量の低下が抑制される。この結果、ＰＥＦＣ１１の運転時間の長時間化を図ることができる。
なお、上述した燃料貯蔵部２６の洗浄および燃料貯蔵部２６への燃料供給と並行または前後して、実施の形態３で説明したエアブリードを行ってもよい。
また、燃料貯蔵部２６と燃料充填部１７との間に弁を設け、洗浄液による水素吸蔵合金の活性化の間、弁を閉じることにより燃料貯蔵部２６から燃料充填部１７に洗浄液が漏れないようにすることが好ましい。
また、本実施の形態では、洗浄液が燃料貯蔵部２６に供給されているが、洗浄液に代えて燃料以外の流体を燃料貯蔵部２６に供給し、燃料貯蔵部２６に残留した副生成物を押し出すことにより、副生成物を回収してもよい。また、流体を供給することなく、ポンプなどを用いて、燃料貯蔵部２６に残留した副生成物を吸い出すことにより副生成物を回収してもよい。
本発明は、上述の各実施の形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうるものである。
たとえば、実施の形態１では、ポンプ１１４を用いて燃料の供給および廃液の回収を行っているが、ポンプ１１４以外の燃料送出手段を用いてもよい。たとえば、図５に示すように、携帯電話１を装着部１０１に装着することにより、ピン１０６が押し下げられる圧力を用いて、燃料カートリッジ１１０内の空気の圧力を高めることにより、所定量の燃料が燃料カートリッジ１１０から燃料貯蔵部２６へ供給されるようにしてもよい。
これによれば、ポンプなどの補機類が不要になるため、燃料電池用燃料供給装置１００の構造をより簡便化することにより、小型化および製造コストの低減を図ることができる。
また、実施の形態３において、燃料貯蔵部２６または改質部２７に燃料以外の流体を供給し、燃料貯蔵部２６または改質部２７に残留した副生成物を押し出すことにより、副生成物回収カートリッジ１７０に副生成物を回収してもよい。また、流体を供給することなく、ポンプなどを用いて、燃料貯蔵部２６または改質部２７に残留した副生成物を吸い出すことにより副生成物を回収してもよい。
また、実施の形態４では、酸による洗浄により水素吸蔵合金の活性化が図られているが、水素吸蔵合金の活性化処理はこれに限られない。たとえば、水素吸蔵合金の活性化処理は、真空、加熱等を繰り返す処理によっても可能である。このため、水素ガスを用いて水素吸蔵合金タンクを加圧する加圧手段、水素吸蔵合金タンク内を真空引きする真空引き手段、水素吸蔵合金タンクを加熱する加熱手段を備えてもよい。加熱手段としては、たとえば、（１）加熱したガスを流すこと、（２）燃料電池用燃料供給装置１００と燃料貯蔵部２６とを結ぶ流路を熱伝導性の良い配管で作製し、燃料電池用燃料供給装置１００に備えたヒータで加熱すること、（３）燃料貯蔵部２６の周囲に予めヒータを配置し、燃料電池用燃料供給装置１００からの電力でヒータを加熱すること、などが挙げられる。具体的には、水素吸蔵合金としてＬａＮｉ５を用いた場合には、１００℃強の温度に水素吸蔵合金タンクを加熱する。
上述の各実施の形態では、アノード側（燃料貯蔵部、燃料充填部、アノード電極付近）に外部への排気口がない場合を例示したが、排気口があってもよい。
また、上述の各実施の形態では、燃料電池を搭載する携帯機器として、携帯電話が例示されているが、携帯機器は、デジタルカメラ、ＰＤＦ、ＭＰ３プレーヤ、携帯型ゲーム機などであってもよい。
１ 携帯電話、１０ ＤＭＦＣ、１２ アノード電極、１４ カソード電極、２６ 燃料貯蔵部、１００ 燃料電池用燃料供給装置、１０１ 装着部、１１０ 燃料カートリッジ、１１２ 廃液カートリッジ。
Claims (4)
- 燃料電池に燃料を供給可能な燃料電池用燃料供給装置であって、
燃料電池を装着可能な装着部と、
前記燃料電池で使用される燃料を格納する燃料格納部と、
前記燃料電池が前記装着部に装着された状態で、前記燃料電池の燃料貯蔵部に残留した廃液を回収する廃液回収手段と、
前記燃料電池が前記装着部に装着された状態で、前記燃料格納部から前記燃料貯蔵部に前記燃料を供給する燃料供給手段と、を備え、
前記廃液回収手段による廃液回収が、前記燃料貯蔵部に燃料を供給することによって前記燃料貯蔵部に残留した廃液を押し出すことにより行われ、
前記燃料供給手段は、前記燃料貯蔵部に燃料を満たした後、さらに所定量の燃料を前記燃料貯蔵部に供給することを特徴とする燃料電池用燃料供給装置。 - 洗浄液を格納する洗浄液格納部と、
前記洗浄液を前記燃料貯蔵部に供給して前記燃料電池のアノード電極を洗浄する洗浄液供給手段と、
前記燃料貯蔵部から前記洗浄液を回収する洗浄液回収手段と、
をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用供給装置。 - 前記燃料貯蔵部への燃料供給および廃液回収と、前記燃料貯蔵部への洗浄液供給および洗浄液回収とを切り替える手段をさらに備えることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池用供給装置。
- 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料電池用燃料供給装置の前記装着部に装着可能な燃料電池であって、
燃料を貯蔵する燃料貯蔵部に、前記燃料供給手段によって供給される燃料が流入する燃料供給口と、廃液を排出するための廃液排出口とが設けられていることを特徴とする燃料電池。
Priority Applications (2)
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