携帯機器用電池駆動システム
【課題】携帯機器用の耐圧性能が低い燃料電池にも対応可能であり、不純物ガスの濃縮による発電効率の低下が生じにくい携帯機器用電池駆動システムを提供する。
【解決手段】水素ガスをアノード側に供給して発電を行う燃料電池１０と、反応液との反応で水素ガスを発生させる水素発生剤２１により燃料電池１０に水素ガスを供給する水素ガス発生手段２０と、水素ガス発生手段２０に反応液を供給する反応液供給手段３０と、前記燃料電池１０への水素ガスの供給量を調節する供給側調節機構ＩＣと、前記燃料電池１０のアノード側に設けられて一次側の圧力が一定以上の場合にガスの排出量を増加させる排出側制御機構ＯＣとを備える。
【解決手段】水素ガスをアノード側に供給して発電を行う燃料電池１０と、反応液との反応で水素ガスを発生させる水素発生剤２１により燃料電池１０に水素ガスを供給する水素ガス発生手段２０と、水素ガス発生手段２０に反応液を供給する反応液供給手段３０と、前記燃料電池１０への水素ガスの供給量を調節する供給側調節機構ＩＣと、前記燃料電池１０のアノード側に設けられて一次側の圧力が一定以上の場合にガスの排出量を増加させる排出側制御機構ＯＣとを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池を用いてモバイルパソコン、ＰＤＡなどの携帯電子機器に電源を供給するための携帯機器用電池駆動システムに関し、より詳細には、水等の反応液との反応で発生した水素ガスを燃料電池に燃料として供給する方式の携帯機器用電池駆動システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ポリマー電解質のような固体高分子電解質を使用した高分子型燃料電池は、高いエネルギー変換効率を持ち、薄型小型・軽量であることから、家庭用コージェネレーションシステムや自動車向けに開発が活発化している。
【０００３】
また、近年のＩＴ技術の活発化に伴い、携帯電話、ノートパソコン、デジカメなどモバイル機器が頻繁に使用される傾向があるが、これらの電源は、ほとんどリチウムイオン二次電池が用いられている。ところが、モバイル機器の高機能化に伴って消費電力がどんどん増大し、その電源用としてクリーンで高効率な燃料電池が注目されてきている。
【０００４】
モバイル機器の電源として燃料電池を使用する場合、燃料であるメタノールを用いた電極反応によって直接電流を取り出すことができる直接メタノール型燃料電池が、これまで開発の主流であった（例えば非特許文献１）。直接メタノール型では、改質型のように改質器を必要とせず、また、燃料が液体のため、ガスと比べて燃料の貯留や取り扱いが簡易に行えるためである。
【０００５】
しかしながら、直接メタノール型燃料電池は、メタノールのクロスオーバー（膜透過）の問題があるため、メタノールの濃度を十分高めることができず、エネルギー変換効率が悪いという問題があった。
【０００６】
一方、このような理由から、自動車向けの燃料電池では、水素ガスを燃料として用いるタイプが開発の主流になっている。しかし、水素ガスの貯留の方法、水素ガスの供給インフラなど、残された問題も多い。特に、モバイル機器では、水素ガスの貯留容器を配置するためのスペースが確保しにくく、ポンプなどのガス供給・制御装置の組み込みなどについても問題が多い。
【０００７】
モバイル機器に水素ガス燃料を用いる燃料電池を適用した例としては、燃料の貯蔵に水素吸蔵合金を収納したタンクを用いる方式が知られている（例えば非特許文献１）。しかし、この方式では、合金に対する水素の吸蔵量が十分でないため、合金の重量が大きくなるという問題があった。また、水素の吸蔵には高圧に耐える圧力容器が必要となり、これも重量増加の要因となり、更に、圧力制御が困難になり易いという問題もある。
【０００８】
他方、下記の特許文献１には、水との反応により水素を生成する水素発生装置として、鉄等の金属を反応容器に収容し、これに水を供給して反応させる水素発生装置が開示されている（例えば、金属として鉄を用いた場合の反応式は、３Ｆｅ＋４Ｈ２Ｏ→Ｆｅ３Ｏ４＋４Ｈ２と表わせる）。この装置では、金属を収容した反応容器を着脱できるようにし、別途、水素ガス等で金属の加熱・還元を行うようにしている。
【０００９】
しかしながら、この水素発生装置はほぼ一定量の水素ガスを供給することを目的とするものであり、水素ガスの消費量の変動を考慮した発明でない。従って、この水素発生装置を携帯電子機器へ適用しようとすると、電力の消費量が減少した場合に無駄な水素ガスが発生してしまい、その排ガス処理や発電効率の低下の問題が生じる。また、携帯電子機器への組み込みが可能な小型・薄型化された燃料電池は、一般的に耐圧性能が低く、過剰の水素ガスによって圧力上昇による電池破損の問題が生じ易い。このため、燃料電池のアノード側を閉じた系とすることができず、水素ガスの流通方式となるので、排ガス処理や発電効率の低下の問題が顕著になる。
【００１０】
更に、水素ガス等の燃料ガスの消費量の変動を考慮した燃料電池システムとして、燃料ガス（反応ガス）の消費にともない、燃料ガスを貯蔵する気体貯蔵部の内圧が低下することにより、液体貯蔵部の反応溶液を反応が行われる反応部に移動する燃料電池システムが提案されている（例えば特許文献２等）。このシステムでは、燃料ガスの消費量が減って気体貯蔵部の内圧が上昇した場合に、反応溶液を反応部に移動するのを停止する制御も可能となる。
【００１１】
しかしながら、反応溶液の供給に対し反応による燃料ガスの発生には通常時間遅れがあるため、このシステムの場合、反応溶液の移動を停止しても気体貯蔵部の内圧が上昇し続ける場合が多い。これによって、特に携帯機器用途の場合には、燃料電池の耐圧性能が低いため、電池破損の問題が生じる場合がある。また、上記システムでは燃料電池のアノード側からガスの排出が行われないため、アノード側に不純物ガスが濃縮され、燃料電池の発電効率の低下を招き易い構造となっていた。
【００１２】
【非特許文献１】「燃料電池２００４」発行日２００３年１０月７日、発行所：日経ＢＰ社
【特許文献１】特開２００４−１４９３９４号公報
【特許文献２】特開２００４−２８１３８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
そこで、本発明の目的は、携帯機器用の耐圧性能が低い燃料電池にも対応可能であり、不純物ガスの濃縮による発電効率の低下が生じにくい携帯機器用電池駆動システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的は、下記の如き本発明により達成できる。
即ち、本発明の携帯機器用電池駆動システムは、水素ガスをアノード側に供給して発電を行う燃料電池と、反応液との反応で水素ガスを発生させる水素発生剤により前記燃料電池に水素ガスを供給する水素ガス発生手段と、その水素ガス発生手段に反応液を供給する反応液供給手段と、前記燃料電池への水素ガスの供給量を調節する供給側調節機構と、前記燃料電池のアノード側に設けられて一次側の圧力が一定以上の場合にガスの排出量を増加させる排出側制御機構とを備えることを特徴とする。本発明において、「反応液」とは液体に限られず気相状態で供給されるものも含まれる。
【００１５】
本発明の携帯機器用電池駆動システムによると、上記のような供給側調節機構と排出側制御機構とを備えるため、水素ガスの消費量の変動や反応液供給停止後の反応制御遅れ等により、水素ガスが燃料電池へ供給過剰になった場合でも、排出側制御機構によりガスの排出量を増加させることができるため、燃料電池の内部圧力を一定以下に維持することができる。また、排出側制御機構によりガスの排出が行われるため、アノード側に不純物ガスが濃縮されにくく、燃料電池の発電効率の低下が生じにくい。その結果、携帯機器用の耐圧性能が低い燃料電池にも対応可能であり、不純物ガスの濃縮による発電効率の低下が生じにくい携帯機器用電池駆動システムを提供することができる。
【００１６】
上記において、前記供給側調節機構は、系内の水素ガスの圧力が設定範囲になるように制御する圧力制御機構を有することが好ましい。このように、系内の水素ガスの圧力が設定範囲になるように制御する圧力制御機構を設けることで、電力の消費量に応じて過不足なく水素ガスが供給可能なため、水素ガスをあまり排出させずに発電を行うことができ、排ガス処理や発電効率の低下の問題をより軽減することができる。
【００１７】
また、前記反応液供給手段は、流動調節部を介して前記水素ガス発生手段と連通する貯液部を有し、その貯液部からの反応液の供給を前記流動調節部で調節することで、前記水素ガス発生手段における水素ガスの発生量を調節する供給側調節機構を構成してあることが好ましい。
【００１８】
本発明では、上記のように排出側制御機構によって燃料電池の内部圧力を一定以下に維持することができるため、流動調節部により反応液の供給を調節する供給側調節機構を設けて、水素ガスの発生量を調節するだけでも、圧力制御及び反応制御の観点から十分な制御を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。図１〜図５は、本発明の携帯機器用電池駆動システムの第１実施形態〜第５実施形態の例を示す概略構成図である。
【００２０】
本発明の携帯機器用電池駆動システムは、図１〜図５に示すように、水素ガスの供給により水素ガスをアノード側に供給して発電を行う燃料電池１０と、反応液との反応で水素ガスを発生させる水素発生剤２１により燃料電池１０に水素ガスを供給する水素ガス発生手段２０と、水素ガス発生手段２０に反応液を供給する反応液供給手段３０と、前記燃料電池１０への水素ガスの供給量を調節する供給側調節機構ＩＣと、前記燃料電池１０のアノード側に設けられて、一次側の圧力が一定以上の場合にガスの排出量を増加させる排出側制御機構ＯＣとを備える。
【００２１】
以下、各実施形態を例にとり詳細に説明する。なお、以下の実施形態では、水素発生剤２１が水又は水蒸気との反応で水素ガスを発生させる場合について説明するが、反応液と水素発生剤２１の組み合わせとしては、特開２００４−２８１３８４号公報に記載のものも使用することができる。
【００２２】
［第１実施形態］
本発明の第１実施形態では、図１に示すように、反応液供給手段３０は水を加熱して水蒸気を発生させる加熱手段３１を有すると共に、水素ガス発生手段２０の上流側に設けられ、二次側の圧力に応じて流量調節を行う圧力調節手段４１によって圧力制御機構４０を構成してある例を示す。この圧力制御機構４０は、燃料電池１０への水素ガスの供給量を調節する供給側調節機構ＩＣとして機能する。
【００２３】
即ち、この例では、加熱手段３１で水を加熱して水蒸気を発生させることで、圧力調節手段４１の一次側に圧力を生じさせ、この圧力差によってガスを流動させることができ、その際、圧力調節手段４１が二次側の圧力に応じて流量調節を行うため、系内の水素ガスの圧力が設定範囲になるように制御され、その際、燃料電池１０への水素ガスの供給量が調節される。
【００２４】
反応液供給手段３０は、閉じた空間である貯液部３２を有しており、水が貯留されている。貯液部３２には、注水口３３が設けられており、水の消費量に応じて、水を追加供給することができる。貯液部３２には熱伝導性が良好である、金属を用いるのが好ましく、アルミニウムやステンレス、銅などが挙げられる。
【００２５】
加熱手段３１としては、貯液部３２の水を蒸発させられればよく、フィルム状抵抗加熱器、電磁誘導加熱器などが好ましい。これらを使用する場合、発電初期には補助電池からの電力供給を行えばよい。その他、化学反応により発熱する加熱手段３１などであってもよい。
【００２６】
貯液部３２には、繊維集合体や多孔質体を配置して、毛管現象によって所定の部分に水が保持されるようにしてもよく、これにより携帯機器の使用状態（機器の傾斜や振動）が変化しても、加熱手段３１によって安定した水蒸気の発生が可能となる。
【００２７】
このような反応液供給手段３０によって、水分組成が略１００％の水蒸気を発生させることができる。反応液供給手段３０と水素ガス発生手段２０とは配管３４で連結されており、発生した水蒸気（ＧＨ２Ｏ）が水素ガス発生手段２０に供給される。
【００２８】
水素ガス発生手段２０は、水分（水又は水蒸気）との反応で水素ガスを発生させる水素発生剤２１を反応容器２２内に備え、これにより燃料電池１０に水素ガスを供給することができる。水素発生剤２１の反応が加熱を要する場合、加熱手段２３が設けられる。
【００２９】
水素発生剤２１としては、水分と反応して水素を生成する金属粒子が好ましく、Ｆｅ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｓｉなどから選ばれる１種以上の金属の粒子や、これらが部分的に酸化された金属の粒子が挙げられる。また、酸化反応を促進するための金属触媒などを添加することで、より低温で水素ガスを発生させることができる。
【００３０】
水素発生剤２１は、反応容器２２内に金属粒子のまま充填することも可能であるが、金属粒子を結着させた多孔質体を使用することもできる。水素発生剤２１は、水蒸気のパス（下流側空間へのリーク）が生じないように、水素発生剤２１の充填部が反応容器２２の空間を仕切るように配置することも可能である。但し、燃料電池に供給する燃料ガス中に水分を含有させるのが好ましい場合もあり、その場合、反応容器２２内にバイパスを設けて、一部の水蒸気を発生した水素ガスと混合するようにするのが好ましい。
【００３１】
加熱手段２３としては、水素発生剤２１と水分の反応に必要な加熱が行えればよく、フィルム状抵抗加熱器、電磁誘導加熱器などが好ましい。これらを使用する場合、発電初期には補助電池からの電力供給を行えばよい。その他、化学反応により発熱する加熱手段２３などであってもよい。
【００３２】
このような水素ガス発生手段２０によって、水素組成が略１００％（水分は除く）の水素ガスを発生させることができる。水素ガス発生手段２０と燃料電池１０とは配管２４で連結されており、発生した水素ガス（Ｈ２）が燃料電池１０のアノード側空間１１に供給される。
【００３３】
本発明における燃料電池１０は、水素ガスをアノード側に供給して発電を行うものである。燃料電池１０は、一般的に、アノード側空間（又は流路）１１、アノード側電極１２、電解質膜１３、カソード側電極１４、カソード側空間（又は流路）１５を備える。携帯機器に利用する場合、特に部品数を減らすのが好ましいため、カソード側空間１５は、大気開放されて空気中の酸素を自然供給できるようにするのが好ましい。携帯機器に適した燃料電池１０の構造や材料等については、後に詳述する。
【００３４】
本実施形態では、上記のような燃料電池１０、水素ガス発生手段２０、及び反応液供給手段３０を備える携帯機器用電池駆動システムにおいて、図１に示すように、二次側の圧力に応じて流量調節（開閉を含む）を行う圧力調節手段４１を、水素ガス発生手段２０の上流側に設け、これによって圧力制御機構４０を構成してある。
【００３５】
圧力調節手段４１としては、一般的な減圧弁と同様な構造をとることができ、例えば、圧力調節ねじで付勢力が調節可能なバネと、そのバネで付勢されつつ逆方向から二次側流路の圧力を受けるダイヤフラムと、ダイヤフラムと連動して二次側の圧力が一定圧以上の場合に閉弁される弁部とを備える構造が挙げられる。このような構造の圧力調節手段４１を採用すると、電気的な制御を必要とせずに、簡易な装置で圧力制御機構４０を構成することができる。
【００３６】
このような圧力制御機構４０によると、燃料電池１０で消費される水素ガスが減少して、系内の水素ガスの圧力が上昇した場合でも、同時に配管３４の圧力調節手段４１の二次側の圧力が増加して、圧力調節手段４１が流量の減少又は停止を行うことによって、水蒸気の供給量が減少するため、水素ガスの発生量も減少し、その結果、系内の水素ガスの圧力が設定範囲になるように制御することができる。
【００３７】
上記において、圧力調節手段４１が流量の減少又は停止を行うことで、貯液部３２の温度や圧力が上昇し過ぎる場合が生じる。従って、貯液部３２の温度や圧力を検出して、貯液部３２の温度や圧力が一定以下になるように加熱手段３１を制御する制御手段を更に設けることが好ましい。
【００３８】
図１に示す例では、圧力調節手段４１が、それ自体が二次側の圧力に応じて流量調節を行うものであるが、別途圧力検出器を設けて、そこからの電気信号等に基づいて二次側の圧力に応じて流量調節を行うものでもよい。その場合、圧力検出器は配管２４や燃料電池１０に設けてもよい。
【００３９】
更に本発明では、図１に示すように、排出側制御機構ＯＣが、燃料電池１０のカソード側空間（又は流路）１５に対して設けられている。この排出側制御機構ＯＣは、一次側の圧力が一定以上の場合にガスの排出量を増加させるものである。排出量を増加させる際、排出なしの状態から排出を行ってもよく、排出量自体を変化させてもよい。本発明では、燃料電池１０の単位セルを１個又は複数個使用することができるが、水素ガス供給の最終段となる単位セルの排出口５ｄに対して、排出側制御機構ＯＣが設けられる。
【００４０】
排出側制御機構ＯＣとなる圧力制御弁５０としては、一次側の圧力が一定以上の場合にガスの排出量を増加させることができれば何れの形式でもよいが、構造を簡易化する上で、自力式の制御弁が好ましく、外部検出型より内部検出型の方がより好ましい。
【００４１】
本実施形態では、図６に示すように、弁座５１に弁体５２を付勢する付勢手段５３と、その付勢手段５３の付勢力を調節する調節機構５４と、弁座５１を有し弁体５２を収容する弁座空間５５と、その弁座空間５５まで連通し弁体５２によって封鎖可能な導入流路５６と、弁座空間５５から外部に連通する排出流路５７とを備える圧力制御弁５０を用いる例を示す。
【００４２】
圧力制御弁５０は、弁座空間５５を形成する筒状本体５８の連結部５８ａを、アノード側金属板５の排出口５ｄに挿入して、端部のカシメを行うことで、気密に連結してある。また、筒状本体５８のメネジ部５８ｂに調節機構５４のオネジ部５４ａを螺合してあり、螺合量によって付勢手段５３であるバネの長さを調節することで、付勢手段５３の付勢力を調節することができる。弁体５２は、例えば金属板５２ｂとシリコーンゴム５２ａとの積層体で形成されている。
【００４３】
この圧力制御弁５０では、導入流路５６を封鎖する弁体５２に対する水素ガスの圧力が一定以上になると、付勢手段５３の付勢力に抗して弁体５２と弁座５１との間に隙間が生じて、水素ガスが弁座空間５５と排出流路５６とを経て外部に排出されるため、内部圧を略一定に維持することができる。また、弁体５２を付勢する付勢手段５３の付勢力を調節する調節機構５４を備えるため、内部圧制御の設定値を変化させることができる。
【００４４】
この圧力制御弁５０によると、最も簡易な構成で圧力制御弁を構成できるため、圧力制御弁を小型化・薄型化でき（例えば直径４ｍｍ、高さ５ｍｍも可能）、燃料電池全体の薄型化が容易になる。
【００４５】
［第２実施形態］
本発明の第２実施形態では、図２に示すように、反応液供給手段３０は、貯液部３２と貯液部３２の水を輸送する圧送手段３６とを有すると共に、水蒸気又は水素ガスの流路に設けた圧力検出手段４７と、その圧力検出手段４７からの信号に基づいて水素ガスの圧力が設定値範囲になるように前記圧送手段３６を制御する制御手段４６とによって圧力制御機構４０を構成してある例を示す。この場合、水素ガスの流路に設けた圧力検出手段４７からの信号に基づいて圧送手段３６を制御するため、輸送される水の量の変動によって、系内の水素ガスの圧力が設定範囲になるように制御することができる。
【００４６】
図示した例では、水素ガス発生手段２０の上流側に、水蒸気発生部３７を有している。特に説明のない構成については、第１実施形態と同様である。
【００４７】
圧送手段３６としては、制御手段４６からの操作信号に基づいて、供給量が調節可能（発動・停止を含む）ものであればよく、例えば駆動源を電気モータとするチューブ型のマイクロポンプや、圧電素子を利用したマイクロポンプ、ギヤポンプなどを使用することができる。
【００４８】
圧送手段３６は、一端が貯液部３２に配置され、他端が水蒸気発生部３７に接続された配管３５に設けられている。
【００４９】
水蒸気発生部３７は、内蔵型のヒータ３８を備えており、供給された水を蒸発させて水蒸気を発生させることができる。これが配管３４を経て水素ガス発生手段２０に供給される。水蒸気発生部３７は、水素発生剤２１が低温で水素ガスを発生する場合や、水素ガス発生手段２０が十分高温である場合には、省略することも可能である。
【００５０】
圧力検出手段４７は、ガスの圧力を検出して出力可能なものであればよく、小型化可能なものとしては、圧電素子や差動トランスを利用した圧力センサが好ましい。なお、圧力検出手段４７からの信号は、電気信号に限られるものではなく、圧力変動などによる信号でもよい。
【００５１】
圧力検出手段４７は、水素ガス発生手段２０と燃料電池１０とを接続する配管２４、即ち、水素ガスの流路に設けられているが、水蒸気の流路に設けてもよい。各々の流路は、配管である必要はなく、燃料電池１０の内部や水素ガス発生手段２０の内部の流路（空間を含む）に圧力検出手段４７の検出部を設けてもよい。
【００５２】
制御手段４６は、圧力検出手段４７からの信号に基づいて、水素ガスの圧力が設定値範囲を超える場合には、圧送手段３６を停止又は輸送量を減少させ、設定値範囲未満の場合には、圧送手段３６を発動又は輸送量を増加させるものである。当該制御は、単純なオンオフ制御でもよいが、より複雑なＰＩＤ制御を行うように構成してもよい。これらの制御手段４６は、何れも当業者に周知慣用の技術手段である。
【００５３】
一方、水素発生剤２１と反応液との反応をより低温で行うことができる場合、水を蒸発させずに水素ガス発生手段２０に供給することができる。その場合、加熱手段３８を備えた水蒸気発生部３７を省略した構成とする。また、水素発生剤２１の加熱手段２３を省略することも可能である。
【００５４】
［第３実施形態］
本発明の第３実施形態では、図３に示すように、反応液供給手段３０は水を加熱して水蒸気を発生させる加熱手段３１を有すると共に、水素ガス発生手段２０の下流側に設けられ、二次側の圧力に応じて流量調節を行う圧力調節手段４１によって圧力制御機構４０を構成してある例を示す。本発明の第３実施形態は、圧力調節手段４１を設ける位置のみが第１実施形態と相違する。
【００５５】
このような圧力制御機構４０によると、燃料電池１０で消費される水素ガスが減少して、系内の水素ガスの圧力が上昇した場合、圧力調節手段４１が流量の減少又は停止を行うことによって、系内の水素ガスの圧力が設定範囲になるように制御することができる。その際、圧力調節手段４１の一次側の圧力が上昇するが、貯液部３２の水の蒸発量が少なくなるため、過剰な反応液が水素ガス発生手段２０に供給されるわけではない。
【００５６】
但し、貯液部３２の温度や圧力が上昇し過ぎる場合が生じため、貯液部３２の温度や圧力を検出して、貯液部３２の温度や圧力が一定以下になるように加熱手段３１を制御する制御手段を更に設けることが好ましい。
【００５７】
［第４実施形態］
本発明の第４実施形態では、図４に示すように、前記反応液供給手段３０は、貯液部３２と貯液部３２の水を負圧によって輸送する配管３５とを有すると共に、その配管３５に設けられ二次側の圧力に応じて流量調節を行う圧力調節手段４１によって圧力制御機構４０を構成してある例を示す。水素ガスを自然排出させずに発電を行う燃料電池では、発電によって水素ガスが消費されることで、アノード側が負圧となる。上記の反応液供給手段３０によると、この負圧で貯液部３２の水を輸送することができ、その際、輸送配管３５に設けた圧力調節手段４１が二次側の圧力に応じて流量調節を行うため、系内の水素ガスの圧力が設定範囲になるように制御することができる。
【００５８】
図示した例では、水素ガス発生手段２０の上流側に、水蒸気発生部３７を有している。特に説明のない構成については、第１実施形態と同様である。
【００５９】
貯液部３２の水を負圧によって輸送するには、配管３５の一端を水中に配置し、貯液部３２の空間が負圧にならないように、大気開放するなどしておけばよい。その際、疎水性の多孔質膜を介して空間と大気とが連通することで、水の漏れを防止しながら、貯液部３２の空間を大気圧に維持することができる。
【００６０】
水素ガスの供給により、水素ガスを自然排出させずに発電を行う燃料電池１０では、水素ガスが消費されると、アノード側空間１１が徐々に減圧されて負圧となる。燃料電池１０の上流側には、水素ガス発生手段２０と水蒸気発生部３７とが、配管２４と配管３４とを介して気密に接続されており、アノード側空間１１が負圧になると、配管３５により貯液部３２の水が水蒸気発生部３７に輸送される。水蒸気発生部３７を設けない場合には、水素ガス発生手段２０に貯液部３２の水が輸送される。
【００６１】
圧力調節手段４１は、第１実施形態と同様の構造の減圧弁等が使用できるが、第４実施形態では、一次側が略大気圧であるため、より簡易な構造の弁類を使用することができる。例えば、圧力調節ねじで付勢力が調節可能なバネと、そのバネで付勢されつつ逆方向から一次側流路の圧力を受け、二次側の圧力が一定圧以下の場合に開弁する弁部とを備える構造が挙げられる。
【００６２】
このような圧力制御機構４０によると、燃料電池１０で消費される水素ガスが増大して、系内の水素ガスの圧力が低下した場合、圧力調節手段４１が開弁又は流量の増加を行うことによって、水が水蒸気発生部３７に供給され、系内の水素ガスの圧力が設定範囲になるように制御することができる。その際、圧力調節手段４１の二次側の圧力が一次的に上昇するが、上昇前の圧力が負圧（１気圧以下）であるため、燃料電池１０の内圧の上昇は問題となりにくい。
【００６３】
一方、水素発生剤２１と反応液との反応をより低温で行うことができる場合、水を蒸発させずに水素ガス発生手段２０に供給することができる。その場合、加熱手段３９を備えた水蒸気発生部３７を省略した構成とする。また、水素発生剤２１の加熱手段２３を省略することも可能である。
【００６４】
［第５実施形態］
本発明の第５実施形態では、図５に示すように、反応液供給手段３０が、流動調節部を介して水素ガス発生手段２０と連通する貯液部３２を有し、その貯液部３２からの反応液の供給を前記流動調節部で調節することで、前記水素ガス発生手段２０における水素ガスの発生量を調節する供給側調節機構ＩＣを構成してある例を示す。
【００６５】
図示した例では、流動調節部が毛管流動部材２６とシャッター部材２７とで構成されており、反応液供給手段３０と水素ガス発生手段２０とが一体化されている。特に説明のない構成については、第１実施形態と同様である。
【００６６】
反応液供給手段３０の内部には、水素ガス発生手段２０の反応容器２２が内蔵されており、反応容器２２の外部に、反応液を貯留するための貯液部３２が形成される。反応容器２２の内部には水素発生剤２１が充填されており、発生した水素はバブリング管２８から貯液部３２の反応液内にバブリング排出される。反応液が水の場合、バブリングにより水素ガスに水分を供給することができ、燃料電池１０の固体電解質１３の乾燥を防ぐのに有利になる。
【００６７】
バブリング管２８の下端は、反応容器２２の下端と略同じ高さにするのが好ましく、その場合、貯液部３２の反応液の高さが変化しても、反応容器２２の内圧と反応液供給手段３０の内圧とが略等しいため、毛管流動部材２６に対して生じる反応液からの圧力は殆ど変化しない構造となる。
【００６８】
従って、毛管流動部材２６を反応液が浸透する速度によって、反応液の流入速度を調節することができる。このため、反応容器２２の底面に毛管流動部材２６を複数設けておき、シャッター部材２７によって、一部の毛管流動部材２６との接触を遮断することによって、反応液の流入速度を調節することができる。また、毛管流動部材２６の空隙サイズや厚みなどを変えることで、個々の毛管流動部材２６における反応液の流入速度を調節することができる。
【００６９】
その結果、水素ガスの消費量に応じて、一定速度で水素ガスを発生させることができ、これにより、水素ガスの無駄な排出を少なくすることができる。
【００７０】
毛管流動部材２６としては、紙類、不織布、織布、多孔質膜、フェルト、セラミック等の多孔質体などを使用することができる。シャッター部材２７には、Ｏリングなどのシール材を設けることによって、接触遮断時のシール性をより高めることができる。
【００７１】
流動調節部としては、毛管流動部材２６を使用する場合に限らず、流路の単純な絞り機構や流量調節弁などでよい。
【００７２】
［燃料電池］
次に、本発明の携帯機器用電池駆動システムに好適に使用できる燃料電池１０について説明する。図７は、燃料電池の単位セル（燃料電池セル）の一例を示す組み立て斜視図であり、図８は、燃料電池の単位セルの一例を示す縦断面図である。本発明に利用することができる燃料電池は、本実施形態に開示された構造に限定されるものではなく、種々の構造の燃料電池に対して利用可能である。なお、本発明では、単位セルを直列に接続し、かつ水素ガスを直列に供給するのが好ましい。
【００７３】
本発明の燃料電池は、図７〜図８に示すように、板状の固体高分子電解質１と、その固体高分子電解質１の一方側に配置されたカソード側電極２と、他方側に配置されたアノード側電極板３とを備えるものである。本実施形態では、アノード側金属板５に、エッチングにより燃料の流路溝９が形成され、アノード側金属板５とカソード側金属板４の周縁部がエッチングにより他の部分より厚みを薄くしてある例を示す。
【００７４】
固体高分子電解質１としては、従来の固体高分子膜型電池に用いられるものであれば何れでもよいが、化学的安定性及び導電性の点から、超強酸であるスルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体からなる陽イオン交換膜が好適に用いられる。このような陽イオン交換膜としては、ナフィオン（登録商標）が好適に用いられる。
【００７５】
その他、例えば、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素樹脂からなる多孔質膜に上記ナフィオンや他のイオン伝導性物質を含浸させたものや、ポリエチレンやポリプロピレン等のポリオレフィン樹脂からなる多孔質膜や不織布に上記ナフィオンや他のイオン伝導性物質を担持させたものでもよい。
【００７６】
固体高分子電解質１の厚みは、薄くするほど全体の薄型化に有効であるが、イオン伝導機能、強度、ハンドリング性などを考慮すると、１０〜３００μｍが使用可能であるが、２５〜５０μｍが好ましい。
【００７７】
電極板２，３は、ガス拡散層としての機能を発揮して、燃料ガスや、酸化ガス及び水蒸気の供給・排出を行なうと同時に、集電の機能を発揮するものが使用できる。電極板２，３としては、同一又は異なるものが使用でき、その基材には電極触媒作用を有する触媒を担持させることが好ましい。触媒は、固体高分子電解質１と接する内面２ｂ，３ｂに少なくとも担持させるのが好ましい。
【００７８】
電極基材としては、例えば、カーボンペーパー、カーボン繊維不織布などの繊維質カーボン、導電性高分子繊維の集合体などの電導性多孔質材が使用できる。一般に、電極板２，３は、このような電導性多孔質材にフッ素樹脂等の撥水性物質を添加して作製されるものであって、触媒を担持させる場合、白金微粒子などの触媒とフッ素樹脂等の撥水性物質とを混合し、これに溶媒を混合して、ペースト状或いはインク状とした後、これを固体高分子電解質膜と対向すべき電極基材の片面に塗布して形成される。
【００７９】
一般に、電極板２，３や固体高分子電解質１は、燃料電池に供給される還元ガスと酸化ガスに応じた設計がなされる。本発明では、酸化ガスとして空気が用いられると共に、還元ガスとして水素ガスを用いるのが好ましい。また、還元ガスの代わりに、メタノールやジメチルエーテル等を用いることもできる。
【００８０】
例えば、水素ガスと空気を使用する場合、空気が自然供給される側のカソード側電極２では、酸素と水素イオンの反応が生じて水が生成するため、かかる電極反応に応じた設計をするのが好ましい。特に、低作動温度、高電流密度及び高ガス利用率の運転条件では、特に水が生成する空気極において水蒸気の凝縮による電極多孔体の閉塞（フラッディング）現象が起こりやすい。したがって、長期にわたって燃料電池の安定な特性を得るためには、フラッディング現象が起こらないように電極の撥水性を確保することが有効である。
【００８１】
触媒としては、白金、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、銀、ニッケル、鉄、銅、コバルト及びモリブデンから選ばれる少なくとも１種の金属か、又はその酸化物が使用でき、これらの触媒をカーボンブラック等に予め担持させたものも使用できる。
【００８２】
電極板２，３の厚みは、薄くするほど全体の薄型化に有効であるが、電極反応、強度、ハンドリング性などを考慮すると、５０〜５００μｍが好ましい。
【００８３】
電極板２，３と固体高分子電解質１とは、予め接着、融着等を行って積層一体化しておいてもよいが、単に積層配置されているだけでもよい。このような積層体は、薄膜電極組立体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）として入手することもでき、これを使用してもよい。
【００８４】
カソード側電極板２の表面にはカソード側金属板４が配置され、アノード側電極板３の表面にはアノード側金属板５が配置される。アノード側金属板５には燃料の注入口５ｃ及び排出口５ｄが設けられ、更に本実施形態では、アノード側金属板５に流路溝９が設けられている。
【００８５】
カソード側金属板４には、空気中の酸素を供給するための開口部４ｃが設けられている。開口部４ｃは、カソード側電極板２が露出可能であれば、その個数、形状、大きさ、形成位置などは何れでもよい。但し、空気中の酸素の供給効率と、カソード側電極板２からの集電効果などを考慮すると、開口部４ｃの面積はカソード側電極板２の面積の１０〜５０％であるのが好ましく、特に２０〜４０％であるのが好ましい。
【００８６】
カソード側金属板４の開口部４ｃは、例えば規則的又はランダムに複数の円孔やスリット等を設けたり、または金属メッシュによって開口部を設けてもよい。
【００８７】
金属板４，５としては、電極反応に悪影響がないものであれば何れの金属も使用でき、例えばステンレス板、ニッケル、銅、銅合金などが挙げられる。但し、伸び、重量、弾性率、強度、耐腐食性、プレス加工性、エッチング加工性などの観点から、ステンレス板、ニッケルなどが好ましい。
【００８８】
アノード側金属板５に設けられる流路溝９は、電極板３との接触により水素ガス等の流路が形成できるものであれば何れの平面形状や断面形状でもよい。但し、流路密度、積層時の積層密度、屈曲性などを考慮すると、金属板５の一辺に平行な縦溝９ａと垂直な横溝９ｂを主に形成するのが好ましい。本実施形態では、複数本（図示した例では３本）の縦溝９ａが横溝９ｂに直列接続されるようにして、流路密度と流路長のバランスを取っている。
【００８９】
なお、このような金属板５の流路溝９の一部（例えば横溝９ｂ）を電極板３の外面に形成してもよい。電極板３の外面に流路溝を形成する方法としては、加熱プレスや切削などの機械的な方法でもよいが、微細加工を好適に行う上で、レーザ照射によって溝加工を行うことが好ましい。レーザ照射を行う観点からも、電極板２，３の基材としては、繊維質カーボンの集合体が好ましい。
【００９０】
金属板５の流路溝９に連通する注入口５ｃ及び排出口５ｄは、それぞれ１個又は複数を形成することができる。なお、金属板４，５の厚みは、薄くするほど全体の薄型化に有効であるが、強度、伸び、重量、弾性率、ハンドリング性などを考慮すると、０．１〜１ｍｍが好ましい。
【００９１】
金属板５に流路溝９を形成する方法としては、加工の精度や容易性から、エッチングが好ましい。エッチングによる流路溝９では、幅０．１〜１０ｍｍ、深さ０．０５〜１ｍｍが好ましい。また、流路溝９の断面形状は、略四角形、略台形、略半円形、Ｖ字形などが好ましい。
【００９２】
金属板４への開口部４ｃの形成、金属板４，５の周辺部の薄肉化、金属板５への注入口５ｃ等の形成についても、エッチングを利用するのが好ましい。
【００９３】
エッチングは、例えばドライフィルムレジストなどを用いて、金属表面に所定形状のエッチングレジストを形成した後、金属板４，５の種類に応じたエッチング液を用いて行うことが可能である。また、２種以上の金属の積層板を用いて、金属ごとに選択的にエッチングを行うことで、流路溝９の断面形状をより高精度に制御することができる。
【００９４】
図８に示す実施形態は、金属板４，５のカシメ部（周辺部）をエッチングにより厚みを薄くした例である。このように、カシメ部をエッチングして適切な厚さにすることで、カシメによる封止をより容易に行うことができる。この観点から、カシメ部の厚みとしては、０．０５〜０．３ｍｍが好ましい。
【００９５】
本発明では、金属板４，５の周縁は、電気的に絶縁した状態でカシメにより封止されている。電気的な絶縁は、絶縁材料６や固体高分子電解質１の周縁部、又はその両者を介在させることで行うことができる。
【００９６】
本発明では、カシメを行う際、図８に示すように、金属板４，５の周縁によって固体高分子電解質１を挟持する構造が好ましく、絶縁材料６を介在させつつ固体高分子電解質１を挟持する構造がより好ましい。このような構造によると、電極板２，３の一方から他方へのガス等の流入を効果的に防止することができる。絶縁材料６の厚みとしては、薄型化の観点から、０．１ｍｍ以下が好ましい。なお、絶縁材料をコーティングすることにより、更なる薄型化が可能である（例えば絶縁材料６の厚み１μｍも可能）。
【００９７】
絶縁材料６としては、シート状の樹脂、ゴム、熱可塑性エラストマー、セラミックスなどが使用できるが、シール性を高める上で、樹脂、ゴム、熱可塑性エラストマーなどが好ましく、特にポリプロピレン、ポリエチレン、ポリエステル、フッ素樹脂、ポリイミドが好ましい。絶縁材料６は、金属板４，５の周縁に直接あるいは粘着剤を介して貼着したり、塗布したりして、予め金属板４，５に一体化しておくことも可能である。
【００９８】
カシメ構造としては、シール性や製造の容易性、厚み等の観点から図８に示すものが好ましい。つまり、一方の金属板５の外縁部５ａを他方の外縁部４ａより大きくしておき、絶縁材料６を介在させつつ、一方の金属板５の外縁部５ａを他方の金属板４の外縁部４ａを挟圧するように折り返したカシメ構造が好ましい。このカシメ構造では、プレス加工等によって、金属板４の外縁部４ａに段差を設けておくのが好ましい。このようなカシメ構造自体は金属加工として公知であり、公知のカシメ装置によって、それを形成することができる。
【００９９】
本発明では、図８に示すような単位セルを１個又は複数個使用することができるが、固体高分子電解質１、一対の電極板２，３、及び一対の金属板４，５で単位セルを構成し、この単位セルを複数積層したり、同一面に配列して使用することも可能である。このようにすると、ボルト及びナットの締結部品で相互結合して、セル部品に一定の圧力を加えなくても、高出力の燃料電池を提供することができる。
【０１００】
使用の際、金属板５の燃料の注入口５ｃ及び排出口５ｄには、直接、燃料供給用のパイプを接合することも可能であるが、燃料電池の薄型化を行う上で、厚みが小さく、金属板５の表面に平行なパイプを有するジョイント機構を設けるのが好ましい。図８には、注入口５ｃにジョイント用の金属製ピン５ｅが金属板５に対して取り付けられている。この取り付けは、カシメや圧入により行うことができる。このピン５ｅに対して、パイプ５ｆを圧入して取り付けることができる。
【０１０１】
このようなジョイント機構は、直列に接続された単位セルに対し、各々の注入口５ｃ及び排出口５ｄに設けられるが、最終段の単位セルは、排出口５ｄに対して、前述した排出側制御機構ＯＣが設けられる。これによって、不純物の濃縮による発電効率の低下を抑制することができる。なお、単位セルには、必要に応じて前記と同様の加熱手段を設けてもよい。
【０１０２】
図７〜８では、絶縁材料６（絶縁層に相当）を介してカシメを行っているが、固体高分子電解質１の周縁部を延ばし、これを介在させてカシメを行ってもよい。この場合、固体高分子電解質１が絶縁層として機能する。この場合は、絶縁材料を設ける必要がないので、構成を簡素化することができる。
【０１０３】
前述の実施形態では、エッチングによりアノード側金属板に流路溝を形成する例を示したが、本発明では、プレス加工、切削などの機械的な方法により、アノード側金属板に流路溝を形成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１０４】
【図１】本発明の携帯機器用電池駆動システムの第１実施形態の例を示す概略構成図
【図２】本発明の携帯機器用電池駆動システムの第２実施形態の例を示す概略構成図
【図３】本発明の携帯機器用電池駆動システムの第３実施形態の例を示す概略構成図
【図４】本発明の携帯機器用電池駆動システムの第４実施形態の例を示す概略構成図
【図５】本発明の携帯機器用電池駆動システムの第５実施形態の例を示す概略構成図
【図６】本発明の携帯機器用電池駆動システムの要部の一例を示す縦断面図
【図７】本発明における燃料電池の単位セルの一例を示す組み立て斜視図
【図８】本発明における燃料電池の単位セルの一例を示す縦断面図
【符号の説明】
【０１０５】
１０ 燃料電池
２０ 水素ガス発生手段
２１ 水素発生剤
３０ 反応液供給手段
３２ 貯液部
３５ 配管
４０ 圧力制御機構
４１ 圧力調節手段
５０ 圧力制御弁
ＩＣ 供給側調節機構
ＯＣ 排出側制御機構
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池を用いてモバイルパソコン、ＰＤＡなどの携帯電子機器に電源を供給するための携帯機器用電池駆動システムに関し、より詳細には、水等の反応液との反応で発生した水素ガスを燃料電池に燃料として供給する方式の携帯機器用電池駆動システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ポリマー電解質のような固体高分子電解質を使用した高分子型燃料電池は、高いエネルギー変換効率を持ち、薄型小型・軽量であることから、家庭用コージェネレーションシステムや自動車向けに開発が活発化している。
【０００３】
また、近年のＩＴ技術の活発化に伴い、携帯電話、ノートパソコン、デジカメなどモバイル機器が頻繁に使用される傾向があるが、これらの電源は、ほとんどリチウムイオン二次電池が用いられている。ところが、モバイル機器の高機能化に伴って消費電力がどんどん増大し、その電源用としてクリーンで高効率な燃料電池が注目されてきている。
【０００４】
モバイル機器の電源として燃料電池を使用する場合、燃料であるメタノールを用いた電極反応によって直接電流を取り出すことができる直接メタノール型燃料電池が、これまで開発の主流であった（例えば非特許文献１）。直接メタノール型では、改質型のように改質器を必要とせず、また、燃料が液体のため、ガスと比べて燃料の貯留や取り扱いが簡易に行えるためである。
【０００５】
しかしながら、直接メタノール型燃料電池は、メタノールのクロスオーバー（膜透過）の問題があるため、メタノールの濃度を十分高めることができず、エネルギー変換効率が悪いという問題があった。
【０００６】
一方、このような理由から、自動車向けの燃料電池では、水素ガスを燃料として用いるタイプが開発の主流になっている。しかし、水素ガスの貯留の方法、水素ガスの供給インフラなど、残された問題も多い。特に、モバイル機器では、水素ガスの貯留容器を配置するためのスペースが確保しにくく、ポンプなどのガス供給・制御装置の組み込みなどについても問題が多い。
【０００７】
モバイル機器に水素ガス燃料を用いる燃料電池を適用した例としては、燃料の貯蔵に水素吸蔵合金を収納したタンクを用いる方式が知られている（例えば非特許文献１）。しかし、この方式では、合金に対する水素の吸蔵量が十分でないため、合金の重量が大きくなるという問題があった。また、水素の吸蔵には高圧に耐える圧力容器が必要となり、これも重量増加の要因となり、更に、圧力制御が困難になり易いという問題もある。
【０００８】
他方、下記の特許文献１には、水との反応により水素を生成する水素発生装置として、鉄等の金属を反応容器に収容し、これに水を供給して反応させる水素発生装置が開示されている（例えば、金属として鉄を用いた場合の反応式は、３Ｆｅ＋４Ｈ２Ｏ→Ｆｅ３Ｏ４＋４Ｈ２と表わせる）。この装置では、金属を収容した反応容器を着脱できるようにし、別途、水素ガス等で金属の加熱・還元を行うようにしている。
【０００９】
しかしながら、この水素発生装置はほぼ一定量の水素ガスを供給することを目的とするものであり、水素ガスの消費量の変動を考慮した発明でない。従って、この水素発生装置を携帯電子機器へ適用しようとすると、電力の消費量が減少した場合に無駄な水素ガスが発生してしまい、その排ガス処理や発電効率の低下の問題が生じる。また、携帯電子機器への組み込みが可能な小型・薄型化された燃料電池は、一般的に耐圧性能が低く、過剰の水素ガスによって圧力上昇による電池破損の問題が生じ易い。このため、燃料電池のアノード側を閉じた系とすることができず、水素ガスの流通方式となるので、排ガス処理や発電効率の低下の問題が顕著になる。
【００１０】
更に、水素ガス等の燃料ガスの消費量の変動を考慮した燃料電池システムとして、燃料ガス（反応ガス）の消費にともない、燃料ガスを貯蔵する気体貯蔵部の内圧が低下することにより、液体貯蔵部の反応溶液を反応が行われる反応部に移動する燃料電池システムが提案されている（例えば特許文献２等）。このシステムでは、燃料ガスの消費量が減って気体貯蔵部の内圧が上昇した場合に、反応溶液を反応部に移動するのを停止する制御も可能となる。
【００１１】
しかしながら、反応溶液の供給に対し反応による燃料ガスの発生には通常時間遅れがあるため、このシステムの場合、反応溶液の移動を停止しても気体貯蔵部の内圧が上昇し続ける場合が多い。これによって、特に携帯機器用途の場合には、燃料電池の耐圧性能が低いため、電池破損の問題が生じる場合がある。また、上記システムでは燃料電池のアノード側からガスの排出が行われないため、アノード側に不純物ガスが濃縮され、燃料電池の発電効率の低下を招き易い構造となっていた。
【００１２】
【非特許文献１】「燃料電池２００４」発行日２００３年１０月７日、発行所：日経ＢＰ社
【特許文献１】特開２００４−１４９３９４号公報
【特許文献２】特開２００４−２８１３８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
そこで、本発明の目的は、携帯機器用の耐圧性能が低い燃料電池にも対応可能であり、不純物ガスの濃縮による発電効率の低下が生じにくい携帯機器用電池駆動システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的は、下記の如き本発明により達成できる。
即ち、本発明の携帯機器用電池駆動システムは、水素ガスをアノード側に供給して発電を行う燃料電池と、反応液との反応で水素ガスを発生させる水素発生剤により前記燃料電池に水素ガスを供給する水素ガス発生手段と、その水素ガス発生手段に反応液を供給する反応液供給手段と、前記燃料電池への水素ガスの供給量を調節する供給側調節機構と、前記燃料電池のアノード側に設けられて一次側の圧力が一定以上の場合にガスの排出量を増加させる排出側制御機構とを備えることを特徴とする。本発明において、「反応液」とは液体に限られず気相状態で供給されるものも含まれる。
【００１５】
本発明の携帯機器用電池駆動システムによると、上記のような供給側調節機構と排出側制御機構とを備えるため、水素ガスの消費量の変動や反応液供給停止後の反応制御遅れ等により、水素ガスが燃料電池へ供給過剰になった場合でも、排出側制御機構によりガスの排出量を増加させることができるため、燃料電池の内部圧力を一定以下に維持することができる。また、排出側制御機構によりガスの排出が行われるため、アノード側に不純物ガスが濃縮されにくく、燃料電池の発電効率の低下が生じにくい。その結果、携帯機器用の耐圧性能が低い燃料電池にも対応可能であり、不純物ガスの濃縮による発電効率の低下が生じにくい携帯機器用電池駆動システムを提供することができる。
【００１６】
上記において、前記供給側調節機構は、系内の水素ガスの圧力が設定範囲になるように制御する圧力制御機構を有することが好ましい。このように、系内の水素ガスの圧力が設定範囲になるように制御する圧力制御機構を設けることで、電力の消費量に応じて過不足なく水素ガスが供給可能なため、水素ガスをあまり排出させずに発電を行うことができ、排ガス処理や発電効率の低下の問題をより軽減することができる。
【００１７】
また、前記反応液供給手段は、流動調節部を介して前記水素ガス発生手段と連通する貯液部を有し、その貯液部からの反応液の供給を前記流動調節部で調節することで、前記水素ガス発生手段における水素ガスの発生量を調節する供給側調節機構を構成してあることが好ましい。
【００１８】
本発明では、上記のように排出側制御機構によって燃料電池の内部圧力を一定以下に維持することができるため、流動調節部により反応液の供給を調節する供給側調節機構を設けて、水素ガスの発生量を調節するだけでも、圧力制御及び反応制御の観点から十分な制御を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。図１〜図５は、本発明の携帯機器用電池駆動システムの第１実施形態〜第５実施形態の例を示す概略構成図である。
【００２０】
本発明の携帯機器用電池駆動システムは、図１〜図５に示すように、水素ガスの供給により水素ガスをアノード側に供給して発電を行う燃料電池１０と、反応液との反応で水素ガスを発生させる水素発生剤２１により燃料電池１０に水素ガスを供給する水素ガス発生手段２０と、水素ガス発生手段２０に反応液を供給する反応液供給手段３０と、前記燃料電池１０への水素ガスの供給量を調節する供給側調節機構ＩＣと、前記燃料電池１０のアノード側に設けられて、一次側の圧力が一定以上の場合にガスの排出量を増加させる排出側制御機構ＯＣとを備える。
【００２１】
以下、各実施形態を例にとり詳細に説明する。なお、以下の実施形態では、水素発生剤２１が水又は水蒸気との反応で水素ガスを発生させる場合について説明するが、反応液と水素発生剤２１の組み合わせとしては、特開２００４−２８１３８４号公報に記載のものも使用することができる。
【００２２】
［第１実施形態］
本発明の第１実施形態では、図１に示すように、反応液供給手段３０は水を加熱して水蒸気を発生させる加熱手段３１を有すると共に、水素ガス発生手段２０の上流側に設けられ、二次側の圧力に応じて流量調節を行う圧力調節手段４１によって圧力制御機構４０を構成してある例を示す。この圧力制御機構４０は、燃料電池１０への水素ガスの供給量を調節する供給側調節機構ＩＣとして機能する。
【００２３】
即ち、この例では、加熱手段３１で水を加熱して水蒸気を発生させることで、圧力調節手段４１の一次側に圧力を生じさせ、この圧力差によってガスを流動させることができ、その際、圧力調節手段４１が二次側の圧力に応じて流量調節を行うため、系内の水素ガスの圧力が設定範囲になるように制御され、その際、燃料電池１０への水素ガスの供給量が調節される。
【００２４】
反応液供給手段３０は、閉じた空間である貯液部３２を有しており、水が貯留されている。貯液部３２には、注水口３３が設けられており、水の消費量に応じて、水を追加供給することができる。貯液部３２には熱伝導性が良好である、金属を用いるのが好ましく、アルミニウムやステンレス、銅などが挙げられる。
【００２５】
加熱手段３１としては、貯液部３２の水を蒸発させられればよく、フィルム状抵抗加熱器、電磁誘導加熱器などが好ましい。これらを使用する場合、発電初期には補助電池からの電力供給を行えばよい。その他、化学反応により発熱する加熱手段３１などであってもよい。
【００２６】
貯液部３２には、繊維集合体や多孔質体を配置して、毛管現象によって所定の部分に水が保持されるようにしてもよく、これにより携帯機器の使用状態（機器の傾斜や振動）が変化しても、加熱手段３１によって安定した水蒸気の発生が可能となる。
【００２７】
このような反応液供給手段３０によって、水分組成が略１００％の水蒸気を発生させることができる。反応液供給手段３０と水素ガス発生手段２０とは配管３４で連結されており、発生した水蒸気（ＧＨ２Ｏ）が水素ガス発生手段２０に供給される。
【００２８】
水素ガス発生手段２０は、水分（水又は水蒸気）との反応で水素ガスを発生させる水素発生剤２１を反応容器２２内に備え、これにより燃料電池１０に水素ガスを供給することができる。水素発生剤２１の反応が加熱を要する場合、加熱手段２３が設けられる。
【００２９】
水素発生剤２１としては、水分と反応して水素を生成する金属粒子が好ましく、Ｆｅ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｓｉなどから選ばれる１種以上の金属の粒子や、これらが部分的に酸化された金属の粒子が挙げられる。また、酸化反応を促進するための金属触媒などを添加することで、より低温で水素ガスを発生させることができる。
【００３０】
水素発生剤２１は、反応容器２２内に金属粒子のまま充填することも可能であるが、金属粒子を結着させた多孔質体を使用することもできる。水素発生剤２１は、水蒸気のパス（下流側空間へのリーク）が生じないように、水素発生剤２１の充填部が反応容器２２の空間を仕切るように配置することも可能である。但し、燃料電池に供給する燃料ガス中に水分を含有させるのが好ましい場合もあり、その場合、反応容器２２内にバイパスを設けて、一部の水蒸気を発生した水素ガスと混合するようにするのが好ましい。
【００３１】
加熱手段２３としては、水素発生剤２１と水分の反応に必要な加熱が行えればよく、フィルム状抵抗加熱器、電磁誘導加熱器などが好ましい。これらを使用する場合、発電初期には補助電池からの電力供給を行えばよい。その他、化学反応により発熱する加熱手段２３などであってもよい。
【００３２】
このような水素ガス発生手段２０によって、水素組成が略１００％（水分は除く）の水素ガスを発生させることができる。水素ガス発生手段２０と燃料電池１０とは配管２４で連結されており、発生した水素ガス（Ｈ２）が燃料電池１０のアノード側空間１１に供給される。
【００３３】
本発明における燃料電池１０は、水素ガスをアノード側に供給して発電を行うものである。燃料電池１０は、一般的に、アノード側空間（又は流路）１１、アノード側電極１２、電解質膜１３、カソード側電極１４、カソード側空間（又は流路）１５を備える。携帯機器に利用する場合、特に部品数を減らすのが好ましいため、カソード側空間１５は、大気開放されて空気中の酸素を自然供給できるようにするのが好ましい。携帯機器に適した燃料電池１０の構造や材料等については、後に詳述する。
【００３４】
本実施形態では、上記のような燃料電池１０、水素ガス発生手段２０、及び反応液供給手段３０を備える携帯機器用電池駆動システムにおいて、図１に示すように、二次側の圧力に応じて流量調節（開閉を含む）を行う圧力調節手段４１を、水素ガス発生手段２０の上流側に設け、これによって圧力制御機構４０を構成してある。
【００３５】
圧力調節手段４１としては、一般的な減圧弁と同様な構造をとることができ、例えば、圧力調節ねじで付勢力が調節可能なバネと、そのバネで付勢されつつ逆方向から二次側流路の圧力を受けるダイヤフラムと、ダイヤフラムと連動して二次側の圧力が一定圧以上の場合に閉弁される弁部とを備える構造が挙げられる。このような構造の圧力調節手段４１を採用すると、電気的な制御を必要とせずに、簡易な装置で圧力制御機構４０を構成することができる。
【００３６】
このような圧力制御機構４０によると、燃料電池１０で消費される水素ガスが減少して、系内の水素ガスの圧力が上昇した場合でも、同時に配管３４の圧力調節手段４１の二次側の圧力が増加して、圧力調節手段４１が流量の減少又は停止を行うことによって、水蒸気の供給量が減少するため、水素ガスの発生量も減少し、その結果、系内の水素ガスの圧力が設定範囲になるように制御することができる。
【００３７】
上記において、圧力調節手段４１が流量の減少又は停止を行うことで、貯液部３２の温度や圧力が上昇し過ぎる場合が生じる。従って、貯液部３２の温度や圧力を検出して、貯液部３２の温度や圧力が一定以下になるように加熱手段３１を制御する制御手段を更に設けることが好ましい。
【００３８】
図１に示す例では、圧力調節手段４１が、それ自体が二次側の圧力に応じて流量調節を行うものであるが、別途圧力検出器を設けて、そこからの電気信号等に基づいて二次側の圧力に応じて流量調節を行うものでもよい。その場合、圧力検出器は配管２４や燃料電池１０に設けてもよい。
【００３９】
更に本発明では、図１に示すように、排出側制御機構ＯＣが、燃料電池１０のカソード側空間（又は流路）１５に対して設けられている。この排出側制御機構ＯＣは、一次側の圧力が一定以上の場合にガスの排出量を増加させるものである。排出量を増加させる際、排出なしの状態から排出を行ってもよく、排出量自体を変化させてもよい。本発明では、燃料電池１０の単位セルを１個又は複数個使用することができるが、水素ガス供給の最終段となる単位セルの排出口５ｄに対して、排出側制御機構ＯＣが設けられる。
【００４０】
排出側制御機構ＯＣとなる圧力制御弁５０としては、一次側の圧力が一定以上の場合にガスの排出量を増加させることができれば何れの形式でもよいが、構造を簡易化する上で、自力式の制御弁が好ましく、外部検出型より内部検出型の方がより好ましい。
【００４１】
本実施形態では、図６に示すように、弁座５１に弁体５２を付勢する付勢手段５３と、その付勢手段５３の付勢力を調節する調節機構５４と、弁座５１を有し弁体５２を収容する弁座空間５５と、その弁座空間５５まで連通し弁体５２によって封鎖可能な導入流路５６と、弁座空間５５から外部に連通する排出流路５７とを備える圧力制御弁５０を用いる例を示す。
【００４２】
圧力制御弁５０は、弁座空間５５を形成する筒状本体５８の連結部５８ａを、アノード側金属板５の排出口５ｄに挿入して、端部のカシメを行うことで、気密に連結してある。また、筒状本体５８のメネジ部５８ｂに調節機構５４のオネジ部５４ａを螺合してあり、螺合量によって付勢手段５３であるバネの長さを調節することで、付勢手段５３の付勢力を調節することができる。弁体５２は、例えば金属板５２ｂとシリコーンゴム５２ａとの積層体で形成されている。
【００４３】
この圧力制御弁５０では、導入流路５６を封鎖する弁体５２に対する水素ガスの圧力が一定以上になると、付勢手段５３の付勢力に抗して弁体５２と弁座５１との間に隙間が生じて、水素ガスが弁座空間５５と排出流路５６とを経て外部に排出されるため、内部圧を略一定に維持することができる。また、弁体５２を付勢する付勢手段５３の付勢力を調節する調節機構５４を備えるため、内部圧制御の設定値を変化させることができる。
【００４４】
この圧力制御弁５０によると、最も簡易な構成で圧力制御弁を構成できるため、圧力制御弁を小型化・薄型化でき（例えば直径４ｍｍ、高さ５ｍｍも可能）、燃料電池全体の薄型化が容易になる。
【００４５】
［第２実施形態］
本発明の第２実施形態では、図２に示すように、反応液供給手段３０は、貯液部３２と貯液部３２の水を輸送する圧送手段３６とを有すると共に、水蒸気又は水素ガスの流路に設けた圧力検出手段４７と、その圧力検出手段４７からの信号に基づいて水素ガスの圧力が設定値範囲になるように前記圧送手段３６を制御する制御手段４６とによって圧力制御機構４０を構成してある例を示す。この場合、水素ガスの流路に設けた圧力検出手段４７からの信号に基づいて圧送手段３６を制御するため、輸送される水の量の変動によって、系内の水素ガスの圧力が設定範囲になるように制御することができる。
【００４６】
図示した例では、水素ガス発生手段２０の上流側に、水蒸気発生部３７を有している。特に説明のない構成については、第１実施形態と同様である。
【００４７】
圧送手段３６としては、制御手段４６からの操作信号に基づいて、供給量が調節可能（発動・停止を含む）ものであればよく、例えば駆動源を電気モータとするチューブ型のマイクロポンプや、圧電素子を利用したマイクロポンプ、ギヤポンプなどを使用することができる。
【００４８】
圧送手段３６は、一端が貯液部３２に配置され、他端が水蒸気発生部３７に接続された配管３５に設けられている。
【００４９】
水蒸気発生部３７は、内蔵型のヒータ３８を備えており、供給された水を蒸発させて水蒸気を発生させることができる。これが配管３４を経て水素ガス発生手段２０に供給される。水蒸気発生部３７は、水素発生剤２１が低温で水素ガスを発生する場合や、水素ガス発生手段２０が十分高温である場合には、省略することも可能である。
【００５０】
圧力検出手段４７は、ガスの圧力を検出して出力可能なものであればよく、小型化可能なものとしては、圧電素子や差動トランスを利用した圧力センサが好ましい。なお、圧力検出手段４７からの信号は、電気信号に限られるものではなく、圧力変動などによる信号でもよい。
【００５１】
圧力検出手段４７は、水素ガス発生手段２０と燃料電池１０とを接続する配管２４、即ち、水素ガスの流路に設けられているが、水蒸気の流路に設けてもよい。各々の流路は、配管である必要はなく、燃料電池１０の内部や水素ガス発生手段２０の内部の流路（空間を含む）に圧力検出手段４７の検出部を設けてもよい。
【００５２】
制御手段４６は、圧力検出手段４７からの信号に基づいて、水素ガスの圧力が設定値範囲を超える場合には、圧送手段３６を停止又は輸送量を減少させ、設定値範囲未満の場合には、圧送手段３６を発動又は輸送量を増加させるものである。当該制御は、単純なオンオフ制御でもよいが、より複雑なＰＩＤ制御を行うように構成してもよい。これらの制御手段４６は、何れも当業者に周知慣用の技術手段である。
【００５３】
一方、水素発生剤２１と反応液との反応をより低温で行うことができる場合、水を蒸発させずに水素ガス発生手段２０に供給することができる。その場合、加熱手段３８を備えた水蒸気発生部３７を省略した構成とする。また、水素発生剤２１の加熱手段２３を省略することも可能である。
【００５４】
［第３実施形態］
本発明の第３実施形態では、図３に示すように、反応液供給手段３０は水を加熱して水蒸気を発生させる加熱手段３１を有すると共に、水素ガス発生手段２０の下流側に設けられ、二次側の圧力に応じて流量調節を行う圧力調節手段４１によって圧力制御機構４０を構成してある例を示す。本発明の第３実施形態は、圧力調節手段４１を設ける位置のみが第１実施形態と相違する。
【００５５】
このような圧力制御機構４０によると、燃料電池１０で消費される水素ガスが減少して、系内の水素ガスの圧力が上昇した場合、圧力調節手段４１が流量の減少又は停止を行うことによって、系内の水素ガスの圧力が設定範囲になるように制御することができる。その際、圧力調節手段４１の一次側の圧力が上昇するが、貯液部３２の水の蒸発量が少なくなるため、過剰な反応液が水素ガス発生手段２０に供給されるわけではない。
【００５６】
但し、貯液部３２の温度や圧力が上昇し過ぎる場合が生じため、貯液部３２の温度や圧力を検出して、貯液部３２の温度や圧力が一定以下になるように加熱手段３１を制御する制御手段を更に設けることが好ましい。
【００５７】
［第４実施形態］
本発明の第４実施形態では、図４に示すように、前記反応液供給手段３０は、貯液部３２と貯液部３２の水を負圧によって輸送する配管３５とを有すると共に、その配管３５に設けられ二次側の圧力に応じて流量調節を行う圧力調節手段４１によって圧力制御機構４０を構成してある例を示す。水素ガスを自然排出させずに発電を行う燃料電池では、発電によって水素ガスが消費されることで、アノード側が負圧となる。上記の反応液供給手段３０によると、この負圧で貯液部３２の水を輸送することができ、その際、輸送配管３５に設けた圧力調節手段４１が二次側の圧力に応じて流量調節を行うため、系内の水素ガスの圧力が設定範囲になるように制御することができる。
【００５８】
図示した例では、水素ガス発生手段２０の上流側に、水蒸気発生部３７を有している。特に説明のない構成については、第１実施形態と同様である。
【００５９】
貯液部３２の水を負圧によって輸送するには、配管３５の一端を水中に配置し、貯液部３２の空間が負圧にならないように、大気開放するなどしておけばよい。その際、疎水性の多孔質膜を介して空間と大気とが連通することで、水の漏れを防止しながら、貯液部３２の空間を大気圧に維持することができる。
【００６０】
水素ガスの供給により、水素ガスを自然排出させずに発電を行う燃料電池１０では、水素ガスが消費されると、アノード側空間１１が徐々に減圧されて負圧となる。燃料電池１０の上流側には、水素ガス発生手段２０と水蒸気発生部３７とが、配管２４と配管３４とを介して気密に接続されており、アノード側空間１１が負圧になると、配管３５により貯液部３２の水が水蒸気発生部３７に輸送される。水蒸気発生部３７を設けない場合には、水素ガス発生手段２０に貯液部３２の水が輸送される。
【００６１】
圧力調節手段４１は、第１実施形態と同様の構造の減圧弁等が使用できるが、第４実施形態では、一次側が略大気圧であるため、より簡易な構造の弁類を使用することができる。例えば、圧力調節ねじで付勢力が調節可能なバネと、そのバネで付勢されつつ逆方向から一次側流路の圧力を受け、二次側の圧力が一定圧以下の場合に開弁する弁部とを備える構造が挙げられる。
【００６２】
このような圧力制御機構４０によると、燃料電池１０で消費される水素ガスが増大して、系内の水素ガスの圧力が低下した場合、圧力調節手段４１が開弁又は流量の増加を行うことによって、水が水蒸気発生部３７に供給され、系内の水素ガスの圧力が設定範囲になるように制御することができる。その際、圧力調節手段４１の二次側の圧力が一次的に上昇するが、上昇前の圧力が負圧（１気圧以下）であるため、燃料電池１０の内圧の上昇は問題となりにくい。
【００６３】
一方、水素発生剤２１と反応液との反応をより低温で行うことができる場合、水を蒸発させずに水素ガス発生手段２０に供給することができる。その場合、加熱手段３９を備えた水蒸気発生部３７を省略した構成とする。また、水素発生剤２１の加熱手段２３を省略することも可能である。
【００６４】
［第５実施形態］
本発明の第５実施形態では、図５に示すように、反応液供給手段３０が、流動調節部を介して水素ガス発生手段２０と連通する貯液部３２を有し、その貯液部３２からの反応液の供給を前記流動調節部で調節することで、前記水素ガス発生手段２０における水素ガスの発生量を調節する供給側調節機構ＩＣを構成してある例を示す。
【００６５】
図示した例では、流動調節部が毛管流動部材２６とシャッター部材２７とで構成されており、反応液供給手段３０と水素ガス発生手段２０とが一体化されている。特に説明のない構成については、第１実施形態と同様である。
【００６６】
反応液供給手段３０の内部には、水素ガス発生手段２０の反応容器２２が内蔵されており、反応容器２２の外部に、反応液を貯留するための貯液部３２が形成される。反応容器２２の内部には水素発生剤２１が充填されており、発生した水素はバブリング管２８から貯液部３２の反応液内にバブリング排出される。反応液が水の場合、バブリングにより水素ガスに水分を供給することができ、燃料電池１０の固体電解質１３の乾燥を防ぐのに有利になる。
【００６７】
バブリング管２８の下端は、反応容器２２の下端と略同じ高さにするのが好ましく、その場合、貯液部３２の反応液の高さが変化しても、反応容器２２の内圧と反応液供給手段３０の内圧とが略等しいため、毛管流動部材２６に対して生じる反応液からの圧力は殆ど変化しない構造となる。
【００６８】
従って、毛管流動部材２６を反応液が浸透する速度によって、反応液の流入速度を調節することができる。このため、反応容器２２の底面に毛管流動部材２６を複数設けておき、シャッター部材２７によって、一部の毛管流動部材２６との接触を遮断することによって、反応液の流入速度を調節することができる。また、毛管流動部材２６の空隙サイズや厚みなどを変えることで、個々の毛管流動部材２６における反応液の流入速度を調節することができる。
【００６９】
その結果、水素ガスの消費量に応じて、一定速度で水素ガスを発生させることができ、これにより、水素ガスの無駄な排出を少なくすることができる。
【００７０】
毛管流動部材２６としては、紙類、不織布、織布、多孔質膜、フェルト、セラミック等の多孔質体などを使用することができる。シャッター部材２７には、Ｏリングなどのシール材を設けることによって、接触遮断時のシール性をより高めることができる。
【００７１】
流動調節部としては、毛管流動部材２６を使用する場合に限らず、流路の単純な絞り機構や流量調節弁などでよい。
【００７２】
［燃料電池］
次に、本発明の携帯機器用電池駆動システムに好適に使用できる燃料電池１０について説明する。図７は、燃料電池の単位セル（燃料電池セル）の一例を示す組み立て斜視図であり、図８は、燃料電池の単位セルの一例を示す縦断面図である。本発明に利用することができる燃料電池は、本実施形態に開示された構造に限定されるものではなく、種々の構造の燃料電池に対して利用可能である。なお、本発明では、単位セルを直列に接続し、かつ水素ガスを直列に供給するのが好ましい。
【００７３】
本発明の燃料電池は、図７〜図８に示すように、板状の固体高分子電解質１と、その固体高分子電解質１の一方側に配置されたカソード側電極２と、他方側に配置されたアノード側電極板３とを備えるものである。本実施形態では、アノード側金属板５に、エッチングにより燃料の流路溝９が形成され、アノード側金属板５とカソード側金属板４の周縁部がエッチングにより他の部分より厚みを薄くしてある例を示す。
【００７４】
固体高分子電解質１としては、従来の固体高分子膜型電池に用いられるものであれば何れでもよいが、化学的安定性及び導電性の点から、超強酸であるスルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体からなる陽イオン交換膜が好適に用いられる。このような陽イオン交換膜としては、ナフィオン（登録商標）が好適に用いられる。
【００７５】
その他、例えば、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素樹脂からなる多孔質膜に上記ナフィオンや他のイオン伝導性物質を含浸させたものや、ポリエチレンやポリプロピレン等のポリオレフィン樹脂からなる多孔質膜や不織布に上記ナフィオンや他のイオン伝導性物質を担持させたものでもよい。
【００７６】
固体高分子電解質１の厚みは、薄くするほど全体の薄型化に有効であるが、イオン伝導機能、強度、ハンドリング性などを考慮すると、１０〜３００μｍが使用可能であるが、２５〜５０μｍが好ましい。
【００７７】
電極板２，３は、ガス拡散層としての機能を発揮して、燃料ガスや、酸化ガス及び水蒸気の供給・排出を行なうと同時に、集電の機能を発揮するものが使用できる。電極板２，３としては、同一又は異なるものが使用でき、その基材には電極触媒作用を有する触媒を担持させることが好ましい。触媒は、固体高分子電解質１と接する内面２ｂ，３ｂに少なくとも担持させるのが好ましい。
【００７８】
電極基材としては、例えば、カーボンペーパー、カーボン繊維不織布などの繊維質カーボン、導電性高分子繊維の集合体などの電導性多孔質材が使用できる。一般に、電極板２，３は、このような電導性多孔質材にフッ素樹脂等の撥水性物質を添加して作製されるものであって、触媒を担持させる場合、白金微粒子などの触媒とフッ素樹脂等の撥水性物質とを混合し、これに溶媒を混合して、ペースト状或いはインク状とした後、これを固体高分子電解質膜と対向すべき電極基材の片面に塗布して形成される。
【００７９】
一般に、電極板２，３や固体高分子電解質１は、燃料電池に供給される還元ガスと酸化ガスに応じた設計がなされる。本発明では、酸化ガスとして空気が用いられると共に、還元ガスとして水素ガスを用いるのが好ましい。また、還元ガスの代わりに、メタノールやジメチルエーテル等を用いることもできる。
【００８０】
例えば、水素ガスと空気を使用する場合、空気が自然供給される側のカソード側電極２では、酸素と水素イオンの反応が生じて水が生成するため、かかる電極反応に応じた設計をするのが好ましい。特に、低作動温度、高電流密度及び高ガス利用率の運転条件では、特に水が生成する空気極において水蒸気の凝縮による電極多孔体の閉塞（フラッディング）現象が起こりやすい。したがって、長期にわたって燃料電池の安定な特性を得るためには、フラッディング現象が起こらないように電極の撥水性を確保することが有効である。
【００８１】
触媒としては、白金、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、銀、ニッケル、鉄、銅、コバルト及びモリブデンから選ばれる少なくとも１種の金属か、又はその酸化物が使用でき、これらの触媒をカーボンブラック等に予め担持させたものも使用できる。
【００８２】
電極板２，３の厚みは、薄くするほど全体の薄型化に有効であるが、電極反応、強度、ハンドリング性などを考慮すると、５０〜５００μｍが好ましい。
【００８３】
電極板２，３と固体高分子電解質１とは、予め接着、融着等を行って積層一体化しておいてもよいが、単に積層配置されているだけでもよい。このような積層体は、薄膜電極組立体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）として入手することもでき、これを使用してもよい。
【００８４】
カソード側電極板２の表面にはカソード側金属板４が配置され、アノード側電極板３の表面にはアノード側金属板５が配置される。アノード側金属板５には燃料の注入口５ｃ及び排出口５ｄが設けられ、更に本実施形態では、アノード側金属板５に流路溝９が設けられている。
【００８５】
カソード側金属板４には、空気中の酸素を供給するための開口部４ｃが設けられている。開口部４ｃは、カソード側電極板２が露出可能であれば、その個数、形状、大きさ、形成位置などは何れでもよい。但し、空気中の酸素の供給効率と、カソード側電極板２からの集電効果などを考慮すると、開口部４ｃの面積はカソード側電極板２の面積の１０〜５０％であるのが好ましく、特に２０〜４０％であるのが好ましい。
【００８６】
カソード側金属板４の開口部４ｃは、例えば規則的又はランダムに複数の円孔やスリット等を設けたり、または金属メッシュによって開口部を設けてもよい。
【００８７】
金属板４，５としては、電極反応に悪影響がないものであれば何れの金属も使用でき、例えばステンレス板、ニッケル、銅、銅合金などが挙げられる。但し、伸び、重量、弾性率、強度、耐腐食性、プレス加工性、エッチング加工性などの観点から、ステンレス板、ニッケルなどが好ましい。
【００８８】
アノード側金属板５に設けられる流路溝９は、電極板３との接触により水素ガス等の流路が形成できるものであれば何れの平面形状や断面形状でもよい。但し、流路密度、積層時の積層密度、屈曲性などを考慮すると、金属板５の一辺に平行な縦溝９ａと垂直な横溝９ｂを主に形成するのが好ましい。本実施形態では、複数本（図示した例では３本）の縦溝９ａが横溝９ｂに直列接続されるようにして、流路密度と流路長のバランスを取っている。
【００８９】
なお、このような金属板５の流路溝９の一部（例えば横溝９ｂ）を電極板３の外面に形成してもよい。電極板３の外面に流路溝を形成する方法としては、加熱プレスや切削などの機械的な方法でもよいが、微細加工を好適に行う上で、レーザ照射によって溝加工を行うことが好ましい。レーザ照射を行う観点からも、電極板２，３の基材としては、繊維質カーボンの集合体が好ましい。
【００９０】
金属板５の流路溝９に連通する注入口５ｃ及び排出口５ｄは、それぞれ１個又は複数を形成することができる。なお、金属板４，５の厚みは、薄くするほど全体の薄型化に有効であるが、強度、伸び、重量、弾性率、ハンドリング性などを考慮すると、０．１〜１ｍｍが好ましい。
【００９１】
金属板５に流路溝９を形成する方法としては、加工の精度や容易性から、エッチングが好ましい。エッチングによる流路溝９では、幅０．１〜１０ｍｍ、深さ０．０５〜１ｍｍが好ましい。また、流路溝９の断面形状は、略四角形、略台形、略半円形、Ｖ字形などが好ましい。
【００９２】
金属板４への開口部４ｃの形成、金属板４，５の周辺部の薄肉化、金属板５への注入口５ｃ等の形成についても、エッチングを利用するのが好ましい。
【００９３】
エッチングは、例えばドライフィルムレジストなどを用いて、金属表面に所定形状のエッチングレジストを形成した後、金属板４，５の種類に応じたエッチング液を用いて行うことが可能である。また、２種以上の金属の積層板を用いて、金属ごとに選択的にエッチングを行うことで、流路溝９の断面形状をより高精度に制御することができる。
【００９４】
図８に示す実施形態は、金属板４，５のカシメ部（周辺部）をエッチングにより厚みを薄くした例である。このように、カシメ部をエッチングして適切な厚さにすることで、カシメによる封止をより容易に行うことができる。この観点から、カシメ部の厚みとしては、０．０５〜０．３ｍｍが好ましい。
【００９５】
本発明では、金属板４，５の周縁は、電気的に絶縁した状態でカシメにより封止されている。電気的な絶縁は、絶縁材料６や固体高分子電解質１の周縁部、又はその両者を介在させることで行うことができる。
【００９６】
本発明では、カシメを行う際、図８に示すように、金属板４，５の周縁によって固体高分子電解質１を挟持する構造が好ましく、絶縁材料６を介在させつつ固体高分子電解質１を挟持する構造がより好ましい。このような構造によると、電極板２，３の一方から他方へのガス等の流入を効果的に防止することができる。絶縁材料６の厚みとしては、薄型化の観点から、０．１ｍｍ以下が好ましい。なお、絶縁材料をコーティングすることにより、更なる薄型化が可能である（例えば絶縁材料６の厚み１μｍも可能）。
【００９７】
絶縁材料６としては、シート状の樹脂、ゴム、熱可塑性エラストマー、セラミックスなどが使用できるが、シール性を高める上で、樹脂、ゴム、熱可塑性エラストマーなどが好ましく、特にポリプロピレン、ポリエチレン、ポリエステル、フッ素樹脂、ポリイミドが好ましい。絶縁材料６は、金属板４，５の周縁に直接あるいは粘着剤を介して貼着したり、塗布したりして、予め金属板４，５に一体化しておくことも可能である。
【００９８】
カシメ構造としては、シール性や製造の容易性、厚み等の観点から図８に示すものが好ましい。つまり、一方の金属板５の外縁部５ａを他方の外縁部４ａより大きくしておき、絶縁材料６を介在させつつ、一方の金属板５の外縁部５ａを他方の金属板４の外縁部４ａを挟圧するように折り返したカシメ構造が好ましい。このカシメ構造では、プレス加工等によって、金属板４の外縁部４ａに段差を設けておくのが好ましい。このようなカシメ構造自体は金属加工として公知であり、公知のカシメ装置によって、それを形成することができる。
【００９９】
本発明では、図８に示すような単位セルを１個又は複数個使用することができるが、固体高分子電解質１、一対の電極板２，３、及び一対の金属板４，５で単位セルを構成し、この単位セルを複数積層したり、同一面に配列して使用することも可能である。このようにすると、ボルト及びナットの締結部品で相互結合して、セル部品に一定の圧力を加えなくても、高出力の燃料電池を提供することができる。
【０１００】
使用の際、金属板５の燃料の注入口５ｃ及び排出口５ｄには、直接、燃料供給用のパイプを接合することも可能であるが、燃料電池の薄型化を行う上で、厚みが小さく、金属板５の表面に平行なパイプを有するジョイント機構を設けるのが好ましい。図８には、注入口５ｃにジョイント用の金属製ピン５ｅが金属板５に対して取り付けられている。この取り付けは、カシメや圧入により行うことができる。このピン５ｅに対して、パイプ５ｆを圧入して取り付けることができる。
【０１０１】
このようなジョイント機構は、直列に接続された単位セルに対し、各々の注入口５ｃ及び排出口５ｄに設けられるが、最終段の単位セルは、排出口５ｄに対して、前述した排出側制御機構ＯＣが設けられる。これによって、不純物の濃縮による発電効率の低下を抑制することができる。なお、単位セルには、必要に応じて前記と同様の加熱手段を設けてもよい。
【０１０２】
図７〜８では、絶縁材料６（絶縁層に相当）を介してカシメを行っているが、固体高分子電解質１の周縁部を延ばし、これを介在させてカシメを行ってもよい。この場合、固体高分子電解質１が絶縁層として機能する。この場合は、絶縁材料を設ける必要がないので、構成を簡素化することができる。
【０１０３】
前述の実施形態では、エッチングによりアノード側金属板に流路溝を形成する例を示したが、本発明では、プレス加工、切削などの機械的な方法により、アノード側金属板に流路溝を形成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１０４】
【図１】本発明の携帯機器用電池駆動システムの第１実施形態の例を示す概略構成図
【図２】本発明の携帯機器用電池駆動システムの第２実施形態の例を示す概略構成図
【図３】本発明の携帯機器用電池駆動システムの第３実施形態の例を示す概略構成図
【図４】本発明の携帯機器用電池駆動システムの第４実施形態の例を示す概略構成図
【図５】本発明の携帯機器用電池駆動システムの第５実施形態の例を示す概略構成図
【図６】本発明の携帯機器用電池駆動システムの要部の一例を示す縦断面図
【図７】本発明における燃料電池の単位セルの一例を示す組み立て斜視図
【図８】本発明における燃料電池の単位セルの一例を示す縦断面図
【符号の説明】
【０１０５】
１０ 燃料電池
２０ 水素ガス発生手段
２１ 水素発生剤
３０ 反応液供給手段
３２ 貯液部
３５ 配管
４０ 圧力制御機構
４１ 圧力調節手段
５０ 圧力制御弁
ＩＣ 供給側調節機構
ＯＣ 排出側制御機構
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素ガスをアノード側に供給して発電を行う燃料電池と、反応液との反応で水素ガスを発生させる水素発生剤により前記燃料電池に水素ガスを供給する水素ガス発生手段と、その水素ガス発生手段に反応液を供給する反応液供給手段と、前記燃料電池への水素ガスの供給量を調節する供給側調節機構と、前記燃料電池のアノード側に設けられて一次側の圧力が一定以上の場合にガスの排出量を増加させる排出側制御機構とを備える携帯機器用電池駆動システム。
【請求項２】
前記供給側調節機構は、系内の水素ガスの圧力が設定範囲になるように制御する圧力制御機構を有する請求項１記載の携帯機器用電池駆動システム。
【請求項３】
前記反応液供給手段は、流動調節部を介して前記水素ガス発生手段と連通する貯液部を有し、その貯液部からの反応液の供給を前記流動調節部で調節することで、前記水素ガス発生手段における水素ガスの発生量を調節する供給側調節機構を構成してある請求項１記載の携帯機器用電池駆動システム。
【請求項１】
水素ガスをアノード側に供給して発電を行う燃料電池と、反応液との反応で水素ガスを発生させる水素発生剤により前記燃料電池に水素ガスを供給する水素ガス発生手段と、その水素ガス発生手段に反応液を供給する反応液供給手段と、前記燃料電池への水素ガスの供給量を調節する供給側調節機構と、前記燃料電池のアノード側に設けられて一次側の圧力が一定以上の場合にガスの排出量を増加させる排出側制御機構とを備える携帯機器用電池駆動システム。
【請求項２】
前記供給側調節機構は、系内の水素ガスの圧力が設定範囲になるように制御する圧力制御機構を有する請求項１記載の携帯機器用電池駆動システム。
【請求項３】
前記反応液供給手段は、流動調節部を介して前記水素ガス発生手段と連通する貯液部を有し、その貯液部からの反応液の供給を前記流動調節部で調節することで、前記水素ガス発生手段における水素ガスの発生量を調節する供給側調節機構を構成してある請求項１記載の携帯機器用電池駆動システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００６−２２２０６２（Ｐ２００６−２２２０６２Ａ）
【公開日】平成１８年８月２４日（２００６．８．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−１８２９７８（Ｐ２００５−１８２９７８）
【出願日】平成１７年６月２３日（２００５．６．２３）
【出願人】（０００００３９６４）日東電工株式会社 (5,557)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年８月２４日（２００６．８．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年６月２３日（２００５．６．２３）
【出願人】（０００００３９６４）日東電工株式会社 (5,557)
【Ｆターム（参考）】
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