JPH09213359A - 機器搭載用燃料電池装置 - Google Patents

機器搭載用燃料電池装置

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JPH09213359A
JPH09213359A JP8018544A JP1854496A JPH09213359A JP H09213359 A JPH09213359 A JP H09213359A JP 8018544 A JP8018544 A JP 8018544A JP 1854496 A JP1854496 A JP 1854496A JP H09213359 A JPH09213359 A JP H09213359A
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誠 内田
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裕子 福岡
Yasushi Sugawara
靖 菅原
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 一つのパッケージ内に一体化した超小型化し
た機器搭載用の固体高分子型燃料電池を提供することを
目的とする。 【解決手段】 本発明は、水素と空気を用いて発電する
燃料電池本体と、この燃料電池本体に供給する水素を貯
蔵するための水素吸蔵ボンベと、この水素吸蔵ボンベを
着脱可能な手段と、空気を供給するための手段と、発電
により生成した水を回収する構成と、上記燃料電池本体
に供給する水素を加湿する手段と、発電動作を制御する
制御部と、これらを一体的に収納し、空気の吸排気口な
らびに機器と電気的に結合する端子部を備えたケースと
を有する燃料電池装置であって、ポータブル機器に着脱
自在に搭載することによって、全く新しい電源システム
を提供でき、従来の電池にはない長時間の作動を可能と
するとともに、繰り返し利用ができる電池装置が実現で
きる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ノート型パソコン
等のポータブル機器に搭載するための電源システムであ
って、燃料として水素を用い、空気を酸化剤とする超小
型の固体高分子型燃料電池を用いた電源システムに関す
るものである。
【０００２】
【従来の技術】ポータブル電源として燃料電池を用いた
例は、例えば特開平４−３０８６６２号公報や特開平６
−６０８９４号公報に記載されている一連の先行技術が
あるが、これはリン酸型燃料電池を水素吸蔵合金より供
給される水素と空気で駆動する構成を開示している。ま
た特開昭５４−２２５３７号公報や特開平２−２６０３
７１号公報には、固体高分子型燃料電池を水素吸蔵合金
より供給される水素と空気で駆動する構成が開示されて
いる。さらにポータブルではないが、搬送可能な小型電
源として、米国特許５２００２７８号には、生成水を回
収し、冷却水と加湿水に用いる固体高分子型燃料電池の
システムが開示されている。
【０００３】固体高分子型燃料電池は、電解質に固体高
分子電解質であるイオン交換膜を用いており、その一般
的な構成を図１８に示す。このイオン交換膜５１を用い
た構成では、上記膜５１の両面に正極５２ならびに負極
５３を層状に形成し、これらを併せて単位電池５４が構
成される。水素を燃料とした場合、負極では触媒と高分
子電解質の接触界面において、以下のような反応が起こ
る。
【０００４】Ｈ2 → ２Ｈ+ ＋ ２ｅ- 酸素を酸化剤とした場合、正極では同様に １／２Ｏ2 ＋ ２Ｈ+ ＋ ２ｅ- ＝ Ｈ2Ｏ の反応が起こり、水が生成される。触媒は反応の活性点
となり、電極層は上記反応の電子の伝導体であり、高分
子電解質は水素イオンの伝導体となる。ただし、高分子
電解質は含水して初めて実用的なイオン透過性を持つ。
したがって、固体高分子型燃料電池を用いた電源システ
ムとして特徴的に、この高分子電解質を加湿する方法が
広く検討されている。上記単位電池５４は、図１９に示
すようなセパレータ板５５とガスケット５６を用いて直
列に接続され、図２０に示すような積層体５７を形成し
てエンドプレート５８で締め付けて一つの発電ユニット
となる。米国特許５２５２４１０号では、燃料および酸
化剤の加湿部は上記積層体５７の発電部とエンドプレー
ト５８で一体に構成されている。この加湿部は、イオン
交換膜５１の一方の面に燃料または酸化剤を供給し、他
方に水を供給して、膜が水分だけを透過する性質を利用
して上記燃料または酸化剤をそれぞれ加湿している。加
湿方法は、他にも色々提案されており、特開平５−５４
９００号公報に記載の加湿方法は、燃料または酸化剤ガ
スの供給通路内に加圧水の噴霧ノズルを有する動力噴霧
器、あるいは極微小化した霧の生成水面を有する超音波
加湿器を持つ構成である。特開平６−３３８３３８号公
報に記載の加湿方法は、セパレータ板と単位電池との間
に多孔性の燃料配流板あるいは酸化剤配流板を設置し、
配流板内部に水を供給して、同配流板の微細孔を介して
加湿する構成である。また特開平７−２４５１１６号公
報には、積層電池のスタック内に中空糸膜を用いた加湿
装置を設置して燃料電池をコンパクト化する内容が開示
されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来のポータブル燃料電池や固体高分子型燃料電池システ
ムの構成では、ポータブル機器に搭載するための構成
や、コンパクト化するための構成が考慮されていなかっ
た。例えば特開平４−３０８６６２号公報や６−６０８
９４号公報に記載されている一連の技術では、水素吸蔵
合金からの水素を用いて燃料電池を駆動させるための様
々な構成が開示されているが、リン酸型燃料電池を用い
ているために加湿機構などの固体高分子型燃料電池を作
動させるための特有な構成を考慮したシステムにはなっ
ていない。また特開昭５４−２２５３７号公報や特開平
２−２６０３７１号公報に記載の構成では、固体高分子
型燃料電池を水素吸蔵合金より供給される水素で駆動す
る構成を開示しているが、水素吸蔵合金に燃料電池の熱
を伝えるための構成と、生成水回収のための灯心部材や
水透過性部材などの構成が示されているのみで、超小型
のための構成は示されていない。また米国特許５２００
２７８号には、固体高分子型燃料電池の構造およびシス
テムに関する種々の開示が見られるが、機器に搭載する
ことを主眼においた構成やそのための小型化の取り組み
に関する構成について示唆されるものはない。
【０００６】また前記先行技術に示されている種々の加
湿方法は、水の配管経路が複雑であったり、システムそ
のものが補助動力を必要としたり、生成水の回収構造も
含めた小型化の取り組みがなされていない点で問題があ
った。
【０００７】本発明は上記従来の問題点を解決し、一つ
のパッケージ内に一体化した超小型化した機器搭載用の
固体高分子型燃料電池システムを提供することを目的と
する。
【０００８】
【課題を解決するための手段】この課題を解決するた
め、本発明は水素と空気を用いて発電する燃料電池本体
と、この燃料電池本体に供給する水素を貯蔵するための
水素吸蔵ボンベと、この水素吸蔵ボンベを着脱可能な手
段と、空気を供給するための手段と、発電により生成し
た水を回収する構成と、上記燃料電池本体に供給する水
素を加湿する手段と、発電動作を制御する制御部と、こ
れらを収納し、空気の吸排気口ならびに機器と電気的に
結合する端子部を備えたケースとを有し、これら一体の
電池システムをポータブル機器に着脱自在に構成するこ
とにより、機器に搭載できる超小型の全く新しい電源シ
ステムを提供でき、従来の電池にはない長時間の作動を
可能とするとともに、繰り返し利用が可能な電池システ
ムが実現できる。
【０００９】
【発明の実施の形態】以下本発明の一実施例を図１〜１
１を用いて詳細に説明する。
【００１０】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１の電池装置収納部１ａに着脱自在に燃料
電池装置２が収納されている。この結合は、従来のニッ
ケル水素等からなる電池装置における結合と同様のもの
でよく、電気的、かつ機械的に着脱できるように構成さ
れている。電池装置２の外郭を構成する電池装置ケース
３の中には、燃料電池本体４と、この燃料電池本体４で
使用される水素を貯蔵する水素吸蔵ボンベ５と、この水
素吸蔵ボンベ５と燃料電池本体４とを連結し、水素を水
素吸蔵ボンベ５から燃料電池本体４に導く水素供給手段
６と、燃料電池の発電に必要な酸素を供給するための空
気を燃料電池本体４に供給するファン等からなる送気手
段７と、燃料電池本体４で生成された水を回収して保水
する保水手段８と、上記燃料電池本体４の発電動作を制
御する制御部９とが収納され、図に示すように配置され
ている。この電池装置ケース３には、制御部９と機器１
との間を接続する機器接続端子部１０、送気手段７の吸
気口１１と排気口１２、水素吸蔵ボンベ５を電池装置ケ
ース３から出し入れするボンベ着脱蓋１３が設けられて
いる。水素供給手段６は、端部に水素吸蔵ボンベ５と着
脱自在に結合し、水素吸蔵ボンベ５の水素を漏洩させる
ことなく、受け入れるボンベ側連結部６aと、このボン
ベ側連結部６aに連結し、水素吸蔵ボンベ５からの水素
を燃料電池本体４に導く複数の水素供給管６bと、この
複数の水素供給管６bをまとめ、燃料電池本体４の水素
供給口に連結する電池側連結部６cとから構成されてい
る。そしてこの電池装置ケース３の底部には、燃料電池
本体４の水生成側に密接させた保水手段８がシート状に
敷設され、これが水素吸蔵ボンベ５の下面にも接するよ
うに延設されている。そしてこの保水手段８には、上記
水素供給管６bが包み込まれるように保持されている。
上記保水手段８の材料は、例えば雑誌「表面，Vol.33,N
o.4,52-59,(1995)」に記述されているような紙おむつや
生理用品などの衛生用品、土壌保水材などの農業園芸用
品等に使用される各種の高吸水性高分子が応用できる。
特に、本実施例ではポリアクリル酸塩架橋物とデンプン
−アクリル酸塩グラフト共重合体架橋物を使用した。こ
のような材料の使用により、機器１の内部や、外部に精
製水が漏洩することのないように構成されている。そし
て水素供給管６bは、水を透過し、気体を透過しない材
質、例えばパーフルオロスルフォン酸高分子等の固体高
分子電解質から成っており、かつこの水素供給管６bが
上記のように保水手段８に包囲された構成となっている
ことから、保水手段８の水分が上記水素供給管６bの管
壁を通して内部に浸透し、内部を通過する水素ガスを加
湿する。また上記保水手段８は、燃料電池本体４に接し
ていることから、燃料電池本体４の発電時発せられる熱
を吸収し、保水されている水分の蒸発に寄与するととも
に、保水手段８が水素吸蔵ボンベ５にも接するように延
設されていることから、上記燃料電池本体４の発電時の
熱を水素吸蔵ボンベ５側に伝達し、水素吸蔵合金を暖め
ることによる水素排出反応の効率を向上させることが出
来る。また併せて、この水素吸蔵合金の水素排出時にお
こる吸熱により、水素吸蔵ボンベ５の表面が結露するこ
とがあるが、この結露した水は、上記保水手段８により
吸水され、保水される。
【００１１】なお、本実施例においては、燃料電池本体
４で生成される水により水素吸蔵ボンベ５からの水素ガ
スを加湿するのに、この水素ガスを搬送する通水性の水
素供給管６bを用いたが、図１３、１４に示すように水
素ガス流と生成水とが管でなく、板状の膜で接するよう
に構成してもよい。そしてその位置は、燃料電池本体４
のスタックの一部に組み込まれてもよく（図１３）、ま
た燃料電池本体４の下部に位置させてもよい（図１
４）。
【００１２】燃料電池本体４において、発電時に発生す
る生成水の量を検知するには、保水手段８材料の膨張量
を検出する方法、保水手段８の誘電率や抵抗値の変化で
感知する方法等が採用できる。保水手段については、本
実施例のように保水材を用いて膨潤させる以外に、保水
タンクを用いて、これに回収するようにすることもでき
る。この場合回収した水の量は、フロートスイッチ等の
検知手段を設けることが考えられる。保水手段に回収し
た水が蒸発等により減量できず、保水手段の水量検知手
段により排出を報知されたものは、保水材の交換や、タ
ンクの取り外し等の手段により、外部に放出するように
することが可能である。
【００１３】保水手段に回収した水を蒸発により減量さ
せる方法としては、前記のように燃料電池本体４から発
生する熱を利用する方法以外に、例えば保水手段の膨張
率を感知して空気供給ファンを駆動し、空気流により蒸
発を促進する方法もある。この場合、ファン駆動電力
は、燃料電池本体からでもよく、機器が外部電源と接続
されている時には、その電源から供給されるようにして
もよい。水素吸蔵ボンベ５の水素が全て消費された場合
は、水素吸蔵ボンベ５を交換することになるが、電池装
置ケース３のボンベ着脱蓋１３を開けて、ここから出し
入れすればよい。
【００１４】燃料電池の作動時間を検知する方法として
は、水素吸蔵ボンベ５の水素残量を検知するための圧力
センサを用いる方法や、水素の積算流量を検知する方
法、発電した電気量を積算し、水素の反応量を求めて水
素の残量を計算する方法、生成水量を上述した方法で検
知し、水素消費量を計算する方法等が用いられる。この
燃料電池電源を搭載する機器が、例えば本実施例のよう
なノートパソコンである場合等では、作動経過時間や残
りの作動時間の予測値を機器接続端子部１０を通して出
力し、機器１に表示するなどの使用例が考えられる。も
ちろん機器で燃料電池電源の電圧や電流、水素の圧力、
温度、抵抗値、ファンの作動状況、生成水の量など種々
のデータを管理する構成とすることも可能である。
【００１５】図１５は、本発明の他の実施例を示すもの
である。この構成は、電池装置ケース１０３に補助電池
１４を内蔵するものである。この補助電池１４によっ
て、起動時のファン１０７の駆動を補助し、起動初期よ
り空気を多量に供給して出力の立ち上がり特性を改善で
きる。また燃料電池休止時に水素吸蔵ボンベ１０５の圧
力管理や上述した各種のデータをメモリーするためのバ
ックアップ、ガス漏れ等の緊急時の対応などに利用でき
る。本実施例において、この補助電池１４は、一次電池
を用い、電池着脱用蓋を設けて取り替えられるよう構成
することも、二次電池を用いて燃料電池の電力で充電す
るよう構成することも考えられる。また補助電池を機器
側に搭載された電池を用いて同様の機能を持たせること
も可能である。
【００１６】図１６は、さらに他の実施例を示すもの
で、この構成は、電池装置ケース２０３内部にファンを
持たない構成としたものである。ノート型パソコンに搭
載する場合において、この機器は、本体自身を冷却する
ためのファンを備えているものが多い。本実施例は、本
体機器のファンの気流を取り込んで燃料電池を発電する
ものであり、電池装置ケース２０３には、機器からの冷
却用空気を取り込むための吸気口１６設けられている。
この場合、燃料電池装置の内部にファンを持たないため
に、燃料電池本体２０４のサイズを拡大して出力を増加
できることや、水素吸蔵ボンベのサイズを拡大して作動
時間を増加できるなどの利点がある。また搭載する機器
本体を冷却した後の空気を用いれば、あらかじめ暖めら
れた空気を用いることが出来、燃料電池本体２０４の電
気化学反応をより効率的に促進する利点も生まれる。
【００１７】なお本実施例では、水素吸蔵ボンベ２０５
に燃料電池本体２０４から排出された空気で加熱する例
を示したが、同様の効果を得るために本燃料電池電源を
搭載する機器の発生する熱を銅やアルミなどの高熱伝導
性金属やカーボン材料などを用いてボンベに伝える構成
とすることもできる。また水素吸蔵合金に低温で水素を
発生する合金を選択することによって、ボンベを加熱す
る構成そのものを削除することもできる。さらに燃料電
池のイオン交換膜を湿潤させるための水素ガスの加湿方
法について例を示したが、イオン交換膜に水を逆拡散し
やすい膜、例えば膜厚が５０μｍ以下ものを選択するこ
とによって、生成水を用いて十分な膜の加湿が可能とな
り、膜を加湿するための種々の構成を省くこともでき、
これらにより、構成をシンプル化して、さらに燃料電池
本体のサイズを拡大し、出力を増加させることができ、
また水素吸蔵ボンベのサイズを拡大して作動時間を増加
できるなどの利点が生まれる。
【００１８】また本発明の燃料電池電源を搭載する機器
の例として、ノート型パソコンを示したが、他の使用例
としてポータブルなプリンターやファクス、電話、テレ
ビ、通信機器、オーディオビデオ機器、扇風機、保温保
冷庫、アイロン、ポット、掃除機、炊飯器、電磁調理
器、照明器具、ゲーム機やラジコンカーなどの玩具、電
動工具など様々な用途に使用でき、特に１０Ｗ以上の出
力で３時間以上の作動時間を必要とする機器にきわめて
有効である。
【００１９】
【発明の効果】以上のように本発明の構成によれば、発
電に要するシステム全てを一つのパッケージに納めるこ
とが可能となり、従来にない超小型の燃料電池による電
源システムが実現できる。そしてこの電源システムをポ
ータブル機器に搭載することにより、従来の一次電池や
二次電池を用いた場合よりも長時間の作動が可能となる
とともに、発電終了後は、水素吸蔵ボンベに水素を充填
することにより、または水素を充填済みのボンベに交換
することにより、瞬時に発電を再開することができる。
さらに本電源システムは、繰り返し何度も使用できるこ
とから、省資源の観点からも優れたシステムを提供でき
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例における燃料電池装置とこれ
を搭載する機器の斜視図
【図２】同燃料電池装置の斜視図
【図３】同燃料電池装置の平面図
【図４】同燃料電池装置の右側面図
【図５】同燃料電池装置の左側面図
【図６】図３におけるＣ−Ｃ断面図
【図７】図３におけるＤ−Ｄ断面図
【図８】図３におけるＡ−Ａ断面図
【図９】図３におけるＢ−Ｂ断面図
【図１０】加湿手段の構成を示す図
【図１１】水素供給手段と保水手段の関係を示す説明図
【図１２】水素供給管の構成を示す説明図
【図１３】燃料電池本体への保水材による保水構造を示
す他の実施例の説明図
【図１４】さらに他の実施例の説明図
【図１５】本発明の他の実施例における燃料電池装置の
上部切欠平面図
【図１６】本発明のさらに他の実施例における燃料電池
装置の上部切欠平面図
【図１７】同燃料電池装置の側面図
【図１８】燃料電池の原理を示すための説明図
【図１９】燃料電池における単位電池の分解断面図
【図２０】単体電池を複数個連結して構成した燃料電池
の斜視説明図
【符号の説明】
１ 機器 ２ 電池装置 ３ 電池装置ケース ４ 燃料電池本体 ５ 水素吸蔵ボンベ ６ 水素供給手段 ６ａ ボンベ側連結部 ６ｂ 水素供給管 ６ｃ 電池側連結部 ７ 送気手段 ８ 保水手段 ９ 制御部 １０ 機器接続端子部 １１ 吸気口 １２ 排気口 １３ ボンベ着脱蓋
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｍ 8/06 Ｈ０１Ｍ 8/06 Ｂ 8/10 8/10 (72)発明者 江田 信夫 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 パーソナルコンピュータ等の可搬用機器
    に搭載して用いられる燃料電池装置であって、燃料電池
    本体と、この燃料電池本体に必要な水素を吸蔵する水素
    吸蔵ボンベと、この水素吸蔵ボンベからの水素の流動を
    制御し、上記燃料電池本体における燃料電池の作動を制
    御する制御部と、上記水素吸蔵ボンベと燃料電池本体と
    を連結し、水素を水素吸蔵ボンベから燃料電池本体に供
    給する水素供給手段と、上記燃料電池本体に燃料電池の
    発電に必要な酸素を供給するための空気を供給する送気
    手段と、上記燃料電池本体で生成される水を回収して保
    水する保水手段と、上記回収した水を用いて燃料電池本
    体に供給する水素を加湿する加湿手段と、これらを収納
    するとともに、可搬用機器に機械的、かつ電気的に着脱
    可能に結合する電池装置ケースとを有し、上記電池装置
    ケースには、上記送気手段の吸気口ならびに排気口と水
    素吸蔵ボンベを出し入れできる手段を有し、かつ前記水
    素供給手段は、水素吸蔵ボンベと着脱可能な構成とした
    ことを特徴とする機器搭載用燃料電池装置。
  2. 【請求項２】 燃料電池本体での発生熱を水素吸蔵ボン
    ベに導いて同水素吸蔵ボンベを加熱することを特徴とす
    る請求項１記載の機器搭載用燃料電池装置。
  3. 【請求項３】 発生熱の伝達を保水手段を介して行うこ
    とを特徴とする請求項２記載の機器搭載用燃料電池装
    置。
  4. 【請求項４】 発生熱の伝達を送気手段による空気流に
    よって行うことを特徴とする請求項２記載の機器搭載用
    燃料電池装置。
  5. 【請求項５】 加湿手段は、水素供給手段の少なくとも
    一部を水素非透過水透過性膜で構成し、この膜を介して
    保水手段の水と水素供給手段を通過する水素とを接触さ
    せる構成としたことを特徴とする請求項１記載の機器搭
    載用燃料電池装置。
  6. 【請求項６】 水素供給手段の一部に水素非透過水透過
    性の管を用い、この管を保水手段により包囲するよう構
    成し、保水手段の保持された水により管内を流動する水
    素を加湿することを特徴とする請求項５記載の機器搭載
    用燃料電池装置。
  7. 【請求項７】 保水手段は、水を吸収し、膨潤して保水
    する材料で構成し、この水を材料の表面を介して蒸発さ
    せることにより上記保持した水を減量することを特徴と
    する請求項１記載の機器搭載用燃料電池装置。
  8. 【請求項８】 保水手段を燃料電池本体に接触させ、同
    燃料電池本体の発熱により保水手段に保水された水を蒸
    発させることを特徴とする請求項７記載の機器搭載用燃
    料電池装置。
  9. 【請求項９】 内部を冷却する送気手段を備えたパーソ
    ナルコンピュータ等の可搬用機器に搭載して用いられる
    燃料電池装置であって、燃料電池本体と、この燃料電池
    本体に必要な水素を吸蔵する水素吸蔵ボンベと、この水
    素吸蔵ボンベからの水素の流動を制御し、上記燃料電池
    本体における燃料電池の作動を制御する制御部と、上記
    水素吸蔵ボンベと燃料電池本体とを連結し、水素を水素
    吸蔵ボンベから燃料電池本体に供給する水素供給手段
    と、上記燃料電池本体で生成される水を回収して保水す
    る保水手段と、上記回収した水を用いて燃料電池本体に
    供給する水素を加湿する加湿手段と、これらを収納する
    とともに、可搬用機器に機械的、かつ電気的に着脱可能
    に結合する電池装置ケースとを有し、上記電池装置ケー
    スには、上記送気手段の吸気口ならびに排気口と水素吸
    蔵ボンベを出し入れできる手段を有し、機器に設けられ
    た送気手段により形成される空気流を燃料電池本体に導
    き、この空気流により燃料電池の発電に必要な酸素を供
    給するよう構成したことを特徴とする機器搭載用燃料電
    池装置。
  10. 【請求項１０】 送気手段を駆動し、燃料電池本体の初
    作動を確保するための補助電池を内蔵させたことを特徴
    とする請求項１または９記載の機器搭載用燃料電池装
    置。
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