JP2007188640A - 携帯型燃料電池、携帯機器および燃料カートリッジ - Google Patents

Abstract

【課題】 フィルタの寸法の問題を解消した携帯型燃料電池を提供する。
【解決手段】 燃料極と空気極と電解質とを含む発電部３０と、発電部３０の燃料極に導入する燃料を収容する燃料カートリッジ１０と、発電部３０の空気極に空気を送り込む送風装置４０とを備えた携帯型燃料電池５０である。燃料カートリッジ１０は、発電部３０から脱着可能な構成となっており、かつ、燃料カートリッジ１０の一部には、送風装置４０によって送り込まれる空気の経路１４中に設けられたエアフィルタ２０が取り付けられている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、携帯型燃料電池、携帯機器および燃料カートリッジに関する。

近年、携帯電話、携帯情報端末、ノートパソコンのような携帯機器のための電池として、燃料電池が注目を集めている。携帯機器用の二次電池としてはリチウム二次電池が普及しているが、それと比べて燃料電池はエネルギー密度を大きくできるという可能性を有しているからである。また、燃料電池の発電中は水分しか発生しないので、環境負荷を極めて小さくすることができる。

現在、携帯機器向けの燃料電池として最も開発が進んでいるのは、ダイレクトメタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）と呼ばれるものである。ＤＭＦＣは、燃料であるメタノールと酸化剤である空気中の酸素との化学反応のエネルギーを直接エネルギーに変換することから、燃料から水素を取り出すための改質器などを必要とせず、それゆえ、小型化・軽量化を達成しやすい（例えば、特許文献１、２、３参照）。
特開２００３−１７８７８６号公報 特開昭６０−５４１７７号公報 特開２００１−１８５１８５号公報

特許文献２にも記載されている様に、酸化剤として空気中の酸素を用いてポータブルタイプのＤＭＦＣを使用する際には、次のような問題がある。すなわち、空気中には０．０１〜１０μｍ程度のダストが浮遊しており、この空気をブロアーでＤＭＦＣに送り込むと、電極の多孔質の部分がダストによって目詰まりを起こし、酸素の拡散が悪くなるため、空気極の性能が低くなり、その結果、電池性能が低下する。さらには、このダストが触媒層に達すると触媒層の活性金属（空気極では主に白金）によって燃焼が起こり、その結果、触媒層は部分的に高温になるため、その近傍に存在する白金粒子がシンタリングして、触媒そのものの性能が初期に比べて低下することになる。また、ダストの燃焼熱による他の弊害（例えば、電解質による漏れが進行して、ガス拡散が悪くなること）や、空気中に含まれ得るＰｔを被毒する物質の存在にも注意を払うことが望まれる。

特許文献２に開示されたポータブル型燃料電池では、図９に示すように、単電池を積層した電池スタック１０１を電池枠１０２で覆い、この電池枠１０２内に空気ブロアー１０３を設置し、空気入口１０４から電池の空気極側へ空気を供給する。空気ブロアー１０３の配管内には、空気浄化用フィルタ１２０が設けられている。このフィルタ１２０によって、空気などの酸化剤中に含まれるダスト等は捕捉されるので、電池性能の劣化を防止し、電池の長寿命化を図ることができる。

一方、燃料電池の使用に伴い、フィルタ１２０には捕捉した空気中のダストが溜まって目が詰まっていくので、フィルタ１２０を無期限に使用し続けることはできない。従って、必要に応じてフィルタ１２０を交換しなければならない。

燃料電池を携帯機器に用いる場合には、携帯性を高めるため、その大きさが制限される
場合がある。空気浄化用フィルタに関しても、フィルタの大きさが制限されてしまう場合がある。フィルタの大きさを大きくすることは、フィルタの交換期間（寿命）を長くすることができるが、機器の携帯性を損なってしまう。一方、フィルタの大きさを小さくすると、機器の携帯性は良くなるが、フィルタの寿命が短くなるため、交換が頻繁に必要になり、交換自体も煩雑になるおそれがある。

図９に示したポータブル型燃料電池を小型の携帯機器に用いる場合、フィルタ１２０はかなり小さくなるので、フィルタ１２０の交換は煩雑であるか、あるいは困難である。また、フィルタ１２０の交換が必要になった場合に、フィルタだけでなく燃料電池本体をも交換する方法も考えられるが、寿命に達していない電池スタック１０１や空気ブロアー１０３も交換することになるので、コストが高くなり、リチウム二次電池等の代わりに燃料電池を用いることのメリットが低減する。

図９に示したポータブル型燃料電池において、十分なサイズのフィルタ１２０を用いれば、ポータブル型燃料電池の寿命までフィルタ１２０を交換しなくても良くなるが、携帯機器では大きさが重要であるので、携帯機器の利便性を損なうような大きいサイズのフィルタ１２０は実際には採用される可能性は非常に低い。

本発明はかかる諸点に鑑みてなされたものであり、その主な目的は、フィルタの寸法の問題を解消した携帯型燃料電池を提供することにある。本発明の他の目的は、そのような携帯型燃料電池が組み込まれた携帯機器、および携帯型燃料電池に適した燃料カートリッジを提供することにある。

本発明の携帯型燃料電池は、燃料極と、空気極と、前記燃料極と前記空気極との間に設けられた電解質とを含む発電部と、前記発電部の前記燃料極に導入する燃料を収容する燃料カートリッジと、前記発電部の前記空気極に空気を送り込む送風装置とを備え、前記燃料カートリッジには前記送風装置によって送り込まれる前記空気の経路中に設けられたエアフィルタが取り付けられている。

前記燃料カートリッジを取り外した際に、前記エアフィルタも前記燃料カートリッジとともに取り出されるので、前記エアフィルタの寿命は、前記燃料カートリッジ内の前記燃料が消費される期間よりも長いことが好ましい。

本発明の携帯機器は、上記携帯型燃料電池と、前記携帯型燃料電池を収納する筐体とを備えている。

本発明の携帯型燃料電池用の燃料カートリッジには、エアフィルタが取り付けられており、前記エアフィルタは、集塵部材および化学物質の吸着部材の少なくとも一方を有しており、携帯型燃料電池の空気極に導入する空気中の塵および化学物質の少なくとも一方を吸着する。

本発明の携帯型燃料電池によれば、燃料カートリッジにエアフィルタが取り付けられているので、空気極に送り込まれる空気を浄化できることに加えて、燃料カートリッジを発電部から取り外した時に一緒にエアフィルタを取り出すことができる。したがって、発電部の寿命にあわせてサイズの大きなエアフィルタを用いなくても、それよりも小さいサイズのエアフィルタを用いることが可能であり、その結果、携帯機器の利便性を損なわないようにすることができる。また、燃料カートリッジの交換時に同時にエアフィルタを交換できるので便利である。

加えて、エアフィルタの寿命を、燃料カートリッジの燃料が消費される期間より長くさせておけば、燃料カートリッジを交換する時までエアフィルタの交換は必要なくなるので、利便性が良い。したがって、携帯機器の小型化に有利に働く。

本願発明者は、エアフィルタと燃料カートリッジとを一体化して、それを携帯型燃料電池と組み合わせることによって、フィルタ交換の手間を緩和するとともに、使用状況に合致したサイズのフィルタを使用することができることを想到し、本発明に至った。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面においては、説明の簡潔化のため、実質的に同一の機能を有する構成要素を同一の参照符号で示す。なお、本発明は以下の実施形態に限定されない。

(実施の形態１)
図１から図３を参照しながら、本発明の実施形態１に係る携帯型燃料電池について説明する。図２は、フィルタ付きの燃料カートリッジの構成を模式的に示している。図１は、本実施形態１の携帯型燃料電池の構成、および、その携帯型燃料電池を備えた携帯機器（携帯用電子機器）１００の構成を模式的に示している。

図２に示したフィルタ付きの燃料カートリッジは、燃料電池用の燃料を収容する燃料カートリッジ１０と、燃料カートリッジ１０の一部に取り付けられたエアフィルタ２０とから構成されている。エアフィルタ２０は、少なくとも集塵部材を有している。また、集塵部材に加えて化学物質の吸着部材も有していることが好ましい。

本実施形態１の燃料カートリッジ１０は、燃料電池と脱着可能な構成となっている。また、燃料カートリッジ１０は、燃料を使い切ったら使い捨てるタイプのものであってもよいし、燃料を補充（リフィル）できるタイプのものであってもよい。燃料カートリッジ１０は、例えば、アクリロニトリルから構成されており、燃料の内容量は、例えば、１〜２００ｃｍ^３程度である。例えば、１ｃｍ^３程度のものならば、携帯電話用に適しており、２００ｃｍ^３程度のものならば、ノートパソコン用に適している。

本実施形態１のエアフィルタ２０は、例えば、不織布濾材から構成されている。あるいは、例えば、活性炭から構成されていてもよい。本実施形態１では、燃料カートリッジ１０の側面にエアフィルタ２０を取り付け、エアフィルタ２０と燃料カートリッジ１０とが一体になるようにして、燃料カートリッジ１０とともにエアフィルタ２０もスムーズに携帯機器にセットできるようにしている。

このフィルタ２０付き燃料カートリッジ１０は、図１に示すように、発電部３０と、送風装置４０と組み合わされ、携帯型燃料電池５０を構成する。本実施形態１の携帯型燃料電池５０は、携帯機器１００の筐体６０内に収納されている。携帯機器１００は、例えば、ノートパソコン、携帯電話、携帯情報端末（ＰＤＡ）などである。本実施形態１においては送風装置４０としてポンプを用いているが、ファンを用いてもよい。

発電部３０は、燃料極（不図示）と、空気極（不図示）と、燃料極と空気極との間に設けられた電解質（不図示）とから構成されている。本実施形態１における携帯型燃料電池５０は、ダイレクトメタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）であり、改質器は設けられていない。携帯型燃料電池５０がＤＭＦＣの場合、燃料カートリッジ１０には、燃料として、メタノール水溶液またはメタノールが収容される。なお燃料は水素吸蔵合金を用いて吸蔵された水素であっても良いし、ジメチルエーテルのような炭化水素の液体ガスでも本実施の形
態と同様の構成とすることができる。また、メタノールなＮａＢＨ_４などの燃料から改質などで水素を取り出し、この水素を使用するようにしても良い。

燃料カートリッジ１０は、矢印１２のように、発電部３０の燃料極に燃料を導入できるようにセットされる。このとき燃料の導入方法としては、ポンプや拡散などがある。送風装置４０としてのポンプは、発電部３０の空気極に空気（より具体的には、酸化剤としての酸素）を送り込む機能を有している。エアフィルタ２０は、送風装置４０であるポンプの稼働によって移動する空気の経路１４中に設けられており、エアフィルタ２０によって発電部３０の空気極に送り込まれる空気は浄化されている。

本実施形態１では、燃料カートリッジ１０を携帯機器１００内の発電部３０から取り外した際に、エアフィルタ２０も燃料カートリッジ１０とともに取り出せるようにしている。そして、エアフィルタ２０の寿命が、燃料カートリッジ１０中の燃料が消費される期間よりも長くなるように、エアフィルタ２０は設計されている。そのように設計することで、燃料カートリッジ１０の燃料がなくなるまで、エアフィルタ２０によるフィルタ能力（例えば、集塵能力）を持続させることができ、かつ、エアフィルタ２０を効率良く利用できるので利点が大きい。エアフィルタ２０の寿命は、例えば、使用時間で規定することもできるし、実質的な寿命の一例として、初期のフィルタ能力が８０％維持できる時までの期間のように規定することも可能である。エアフィルタ２０の寿命は、燃料カートリッジ１０に含まれている燃料の量と、使用時間と、必要な空気の量とによってほぼ決まるので、それらのファクターに基づいてエアフィルタ２０の寿命を算出して、その寿命に対応したエアフィルタ２０の構造を設計して作製すればよい。

本実施形態１の携帯型燃料電池５０がＤＭＦＣであるとき、発電部３０の構成は、例えば、図３に示す通りとなる。図３に示した発電部３０は、燃料極（カソード）３２と、空気極（アノード）３４と、両極の間に位置する電解質（電解質膜）３６とから構成されている。電解質膜３６には、高分子固体電解質膜が用いられ、例えば、パーフルオロスルホン酸系ポリマーを使用することができる。燃料極３２は、例えば、白金ルテニウム担持カーボンから構成されており、空気極３４は、例えば、白金担持カーボンとプロトン伝導体（商品名；ナフィオン）から構成されている。

燃料極３２では、メタノールと水が反応して酸化され、ＣＯ_２、Ｈ^＋、電子が生成される。Ｈ^＋は、電解質膜３６を通って空気極３４に到達する。空気極３４では、空気中のＯ_２がＨ^＋、電子と結合して還元され、水を生成する。その過程で外部回路に電子が流れて電流を取り出す。全反応は、メタノールがＯ_２と反応してＣＯ_２とＨ_２Ｏになる反応である。各極の反応も参考として図３中に示す。

本実施形態１では、携帯型燃料電池５０がＤＭＦＣである場合を例示として説明したが、それに限らず、燃料カートリッジ１０とエアフィルタ２０とを同時に交換できるものとして、比較的小型の他のタイプの燃料電池（例えば、高分子固体電解質型燃料電（ＰＥＦＣ））を適用することも可能である。燃料カートリッジ１０に入れる燃料としては、メタノール水溶液・メタノールの他に、例えば、水素（あるいは、メタンまたは天然ガスなどの炭化水素のような水素供給源）あるいはジメチルエーテルが用いられる場合もあり得る。

また、図１に示した構成は、次のように改変することも可能である。図１に示した構成では、発電部３０の前方に送風装置４０を配置したが、図４に示すように、発電部３０の後方に送風装置４０を配置することも可能である。

さらに、図５に示す構成のように、燃料カートリッジ１０に２つのエアフィルタ２０、
２２を取り付けても良い。エアフィルタ２０は携帯型燃料電池５０用で、一方、エアフィルタ２２は携帯機器１００の内部回路用である。ファン６４によって生じた空気の流れ１５は、外部からエアフィルタ２２に流れ込み、その後、ファン６４を通って回路（例えば、制御回路）６２に移動して、再び外に出る。回路６２を通る空気は、エアフィルタ２２を介して浄化されているので、回路６２をダストから守ることができる。そして、燃料カートリッジ１０の交換の時に、エアフィルタ２０とともに、エアフィルタ２２も共に交換されるので、エアフィルタ２２の単独の交換が煩わしい場合でも、その交換を燃料交換とともに行えるので非常に便利である。ここで、ファン６４は、回路６２の後方に配置することも可能である。

本実施形態１の携帯型燃料電池５０を含む携帯機器１００がノートＰＣの場合、例えば、図６に示すようになる。図６に示した例では、表示部（例えば、液晶表示部）６６が位置する部位と異なる部位の筐体６０内に携帯型燃料電池５０が収納されている。筐体６０内は回路（図５中の符号「６２」参照）も存在しており、携帯型燃料電池５０の電力は回路に供給されている。携帯型燃料電池５０のうち、エアフィルタ２０が取り付けられた燃料カートリッジ１０は取り外し可能であり、燃料交換と同時にフィルタ交換も行うことが可能な構成となっている。

また、携帯型燃料電池５０の全てが携帯機器１００の筐体６０内に配置されていなくてもよく、図７に示すように、携帯型燃料電池５０の少なくとも一部を筐体６０の外に露出してもよい。図７に示した例では、エアフィルタ２０付きの燃料カートリッジ１０の部位を筐体６０の外に出すようにして、燃料カートリッジ１０の交換が容易できるようにしている。なお、発電部３０と連絡しているのであれば、燃料カートリッジ１０の配置位置は、図７に示した位置（筐体６０の左右側面）に限らず、例えば、筐体６０の紙面向こう側の側面や、紙面手前側の側面であってもよい。

本実施形態１の携帯機器１００が携帯電話の場合、例えば、図８に示すようになる。図８に示した例では、入力部６８が設けられている筐体６０内に携帯型燃料電池５０が収納されている。また、図７同様、携帯型燃料電池５０の少なくとも一部（例えば、エアフィルタ２０付きの燃料カートリッジ１０）が筐体６０から露出していてもよい。

以上、本発明を好適な実施形態により説明してきたが、こうした記述は限定事項ではなく、勿論、種々の改変が可能である。

なお、本発明の実施形態と基本的な構成は異なるが、関連する技術として、特開平７−９４２０号公報および特開２００１−３３２２８７号公報に開示された技術がある。

特開平７−９４２０号公報に開示されているのは、図１０に示すように、液晶ディスプレイ２１３とキーボード２１４とが設けられた外装内に、電気エネルギー発生装置（燃料電池）２０１とＣＰＵ（中央処理装置）２１５と冷却ファン２１６が設けられたノート型のパーソナルコンピュータ２０００である。この技術によれば、冷却ファン２１６によって発生し、ＣＰＵ２１５を冷却した空気流が電気エネルギー発生装置２０１に流れ込むので、温度が上昇した空気流を電気エネルギー発生装置２０１に供給することができ、その結果、電気エネルギー発生装置２０１内の吸湿部材（不図示）の水の蒸発を著しく促進することができ、電気エネルギーの発生効率が経時的に低下することを効果的に防止することができる。

しかしながら、この技術は、フィルタ付きの燃料カートリッジを用いた構成については記載も示唆もされておらず、単に電気エネルギー発生装置２０１に熱を与えることを主眼においている技術である。これは、図１１に示すように、電気エネルギー発生装置２０１
を液晶ディスプレイ２１３のバックライトで発生する熱を用いて、電気エネルギー発生装置２０１に熱を与える例が開示されていることからも理解できる。したがって、本発明の実施形態の構成と基本的に異なるものである。

一方、特開２００１−３３２２８７号公報に開示されているのは、図１２に示すように、燃料極と空気極と電解質とからなる燃料電池スタック３０１と、燃料処理装置３０２と、反応空気供給装置３１０とから構成された燃料電池発電システムである。反応空気供給装置３１０は、フィルタ３０６と、ブロワ３０７と、不純物吸着装置３１１とから構成されており、この不純物吸着装置３１１によって、空気極に供給される反応空気３１３Ａを浄化して、電解質の変質および電極触媒の酸素吸着能の低下、さらにこれらが原因で発生するセル特性の低下を防止する。

しかしながら、この技術も、フィルタ付きの燃料カートリッジを用いた構成については記載も示唆もされておらず、単に反応空気３１３Ａを浄化することを主眼においている技術である。したがって、この技術も、本発明の実施形態の構成と基本的に異なるものである。

本発明によれば、フィルタの寸法の問題を解消した携帯型燃料電池を提供することができる。

本発明の実施形態１に係る携帯型燃料電池５０および携帯機器１００の構成を模式的に示す図 本発明の実施形態１に係るフィルタ付きの燃料カートリッジの構成を模式的に示す図 本発明の実施形態１に係る携帯型燃料電池５０における発電部３０の構成を模式的に示す図 本発明の実施形態１に係る携帯機器１００の改変例を模式的に示す図 本発明の実施形態１に係る携帯機器１００の改変例を模式的に示す図 本発明の実施形態１に係る携帯機器１００がノートＰＣである場合の構成を模式的に示す斜視図 本発明の実施形態１に係る携帯機器１００がノートＰＣである場合の構成を模式的に示す斜視図 本発明の実施形態１に係る携帯機器１００が携帯電話である場合の構成を模式的に示す斜視図 従来のポータブル型燃料電池の構成を示す斜視図 従来のパーソナルコンピュータ２０００の構成を模式的に示す斜視図 従来のパーソナルコンピュータ２０００の構成を模式的に示す斜視図 従来の燃料電池発電システムの構成を模式的に示す図

符号の説明

１０ 燃料カートリッジ
２０ エアフィルタ
２２ エアフィルタ
３０ 発電部
３２ 燃料極
３４ 空気極
３６ 電解質膜
４０ 送風装置
５０ 携帯型燃料電池
６０ 筐体
６２ 回路
６４ ファン
６６ 表示部
６８ 入力部
１００ 携帯機器
１０１ 電池スタック
１０２ 電池枠
１０３ 空気ブロアー
１０４ 空気入口
１２０ フィルタ
２０１ 電気エネルギー発生装置
２１３ 液晶ディスプレイ
２１４ キーボード
２１５ ＣＰＵ
２１６ 冷却ファン
３０１ 燃料電池スタック
３０２ 燃料処理装置
３０６ フィルタ
３０７ ブロワ
３１０ 反応空気供給装置
３１１ 不純物吸着装置
３１３Ａ 反応空気
２０００ パーソナルコンピュータ

Claims (4)

1. 燃料極と、
   空気極と、
   前記燃料極と前記空気極との間に設けられた電解質とを含む発電部と、
   前記発電部の前記燃料極に導入する燃料を収容する燃料カートリッジと、
   前記発電部の前記空気極に空気を送り込む送風装置と、
   を備え、
   前記燃料カートリッジは、エアフィルタを有し、
   前記エアフィルタは、前記送風装置によって送り込まれる前記空気の経路中に設けられていることを特徴とする、携帯型燃料電池。
2. 前記エアフィルタの寿命は、前記燃料カートリッジの前記燃料が消費される期間よりも長いことを特徴とする、
   請求項１に記載の携帯型燃料電池。
3. 請求項１または２に記載の携帯型燃料電池と、
   前記燃料電池を収納する筐体と、
   を備えた携帯機器。
4. エアフィルタを有する携帯型燃料電池用の燃料カートリッジであって、
   前記エアフィルタは、集塵部材および化学物質の吸着部材の少なくとも一方を有しており、
   前記エアフィルタは、前記携帯型燃料電池の空気極に導入する空気中の塵および化学物質の少なくとも一方を吸着することを特徴とする、燃料カートリッジ。

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