(57)【要約】【課題】燃料電池へ供給される燃料ガスのできるだけすべてを発電のために用いて、外部に排出させないようにして安全性を高めることができ、かつ、構成も簡素化することが可能な燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料供給部１０から供給される水素ガスにより発電する燃料電池２０と、この燃料電池２０の出力電圧ＶFCを所定の電圧値に変換して出力するＤＣ−ＤＣコンバータ３１と、出力電圧ＶFCが予め設定された設定電圧となるように制御を行う電圧制御部と、を備え、燃料供給部１０で発生可能な所定時間当たりの最大の水素ガス量を（Ａ）とし、燃料電池２０に（Ａ）を供給したときの出力電流を（Ｂ）とした場合、設定電圧は、燃料電池２０の出力電流（Ｉ）−出力電圧（Ｖ）特性から求まる（Ｂ）に対応した出力電圧よりも低い電圧に設定されている。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料供給部から供給される燃料ガスにより発電する燃料電池と、
この燃料電池の出力電圧を所定の電圧値に変換して出力する直流電圧変換回路と、
前記出力電圧が予め設定された設定電圧となるように制御を行う電圧制御部と、を備え、
前記燃料供給部で発生可能な所定時間当たりの最大の燃料ガス量を（Ａ）とし、前記燃料電池に（Ａ）を供給したときの出力電流を（Ｂ）とした場合、前記設定電圧は、燃料電池の出力電流−出力電圧特性から求まる（Ｂ）に対応した出力電圧よりも低い電圧に設定されていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記電圧制御部は、差動増幅器により構成され、
この差動増幅器の第１入力端子に前記出力電圧を分圧回路で分圧した分圧出力電圧を入力し、第２入力端子に前記設定電圧に対応した基準電圧が入力され、かつ、
前記差動増幅器の出力端子が前記直流電圧変換回路であるＤＣ−ＤＣコンバータのフィードバック端子に接続されている請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記直流電圧変換回路の出力側に蓄電部を設けている請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
電子機器が接続される出力コネクタにおける電子機器の着脱状態を検出する検出部と、
この検出部からの電子機器の離脱信号に基づいて、前記燃料電池の出力に対し負荷を生じさせる負荷付与手段を設けている請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
二次電池を内蔵する電子機器の充電用に用いられる請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料供給部から供給される燃料ガスにより発電する燃料電池と、この燃料電池の出力電圧を所定の電圧値に変換して出力する直流電圧変換回路と、出力電圧が予め設定された設定電圧となるように制御を行う電圧制御部と、を備えた燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、従来から日常的に使用されている乾電池などの一次電池や、リチウム電池などの二次電池とは異なり、水素ガス等の燃料（還元ガス）と、酸素等の酸化ガスを供給し続けることで継続的に電力を取り出すことができる。燃料電池は、理論的に発電の効率が高いという点や、二酸化炭素を発生しない反応によって発電し、環境にもやさしいという点から近年において大きく注目されており、日々改良が進められている。
【０００３】
また、システム規模の大小にあまり影響されないため、ノートパソコン、携帯電話などの携帯機器から、自動車、鉄道、民生用・産業用コジェネレーションなどの多岐にわたって未来のエネルギー源として大きく期待されている。
【０００４】
燃料電池による発電を行うためには、水素ガス等の燃料を供給し続ける必要があるが、効率よく発電を行うためには供給される水素ガス等の燃料が全て燃料電池の発電のために用いられ、外部に排出しないようなシステムが望まれる。また、安全性の面からも外部に水素ガス等を排出しないようにする必要がある。
【０００５】
かかるシステムとして、下記特許文献１に開示される燃料電池システムの出力制御装置がある。この装置は、燃料電池と、この燃料電池からの出力電圧を昇圧もしくは降圧する電力制御手段と、燃料電池の出力電圧を一定値に固定する機能、この固定を解除する機能を有する固定制御手段と、を有している。
【０００６】
これにより、発電された電力を最適に負荷系に供給して十分な運転性能を引き出そうとするものである。ただし、燃料電池スタックでの反応に使用されずに残った排水素は、改質器内の排水素燃焼器に戻されるようになっている。したがって、燃料電池に供給される水素ガスは、燃料電池の発電のために全て使用されないことが前提となっている。また、使用されない水素ガスを外部に排出させないようにするには、これを戻すための経路を別途設ける必要があり、構成が複雑化するとともに、特に携帯機器の充電用に用いる場合、小型化を実現する上での障害にもなる。
【０００７】
一方、下記特許文献２には、燃料電池を用いた充電装置が開示されている。この充電装置は、燃料電池の出力電圧をＤＣ−ＤＣコンバータにより変換し、このコンバータの出力部もしくは燃料電池からの出力電流が設定電流値を超えないように制御する電流制御手段を備え、燃料電池への燃料の供給パターンに、燃料の消費量の変動パターンが近づくように設定電流値を変化させるように制御する。このような構成を採用すれば、燃料の利用効率が高くなり、燃料電池への過負荷も生じにくくなる。
【０００８】
しかし、所定のサンプリング周期に基づいて、発電セルの電圧をモニターする必要があり、また、制御内容も複雑になるという問題点がある。
【０００９】
【特許文献１】特許第３８４３６８０号公報
【特許文献２】国際公開ＷＯ２００７／１２９５４１Ａ１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、その課題は、燃料電池へ供給される燃料ガスのできるだけすべてを発電のために用いて、外部に排出させないようにして安全性を高めることができ、かつ、構成も簡素化することが可能な燃料電池システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するため本発明に係る燃料電池システムは、
燃料供給部から供給される燃料ガスにより発電する燃料電池と、
この燃料電池の出力電圧を所定の電圧値に変換して出力する直流電圧変換回路と、
前記出力電圧が予め設定された設定電圧となるように制御を行う電圧制御部と、を備え、
前記燃料供給部で発生可能な所定時間当たりの最大の燃料ガス量を（Ａ）とし、前記燃料電池に（Ａ）を供給したときの出力電流を（Ｂ）とした場合、前記設定電圧は、燃料電池の出力電流−出力電圧特性から求まる（Ｂ）に対応した出力電圧よりも低い電圧に設定されていることを特徴とするものである。
【００１２】
この構成による燃料電池システムの作用・効果を説明する。燃料供給部は、燃料電池へ供給する燃料ガスを発生する機能を有する。燃料供給部としては、例えば、水素化カルシウム、水素化リチウム等の燃料発生剤を収容する第１収容部と、水等の反応液を収容する第２収容部を備えたものがあげられる。上記反応液を燃料発生剤と反応させることで、燃料ガスである水素ガスが発生する。燃料電池は、燃料ガスが供給されることで発電し、その出力電圧は直流電圧変換回路により所定の電圧に変換（昇圧あるいは降圧）される。
【００１３】
また、燃料電池の出力電圧が予め設定された設定電圧となるように電圧制御部による制御がおこなわれる。ここで、上記設定電圧は次のように設定される。すなわち、燃料供給部で発生可能な所定時間当たりの最大の燃料ガス量を（Ａ）とし、前記燃料電池に（Ａ）を供給したときの出力電流を（Ｂ）とした場合、前記設定電圧は、燃料電池の出力電流−出力電圧特性から求まる（Ｂ）に対応した出力電圧よりも低い電圧に設定されている。
【００１４】
燃料供給部で発生可能な所定時間当たりの最大の燃料ガス量は、収容される燃料発生剤の種類、形状、収容量や反応させる反応液の種類、量、燃料供給部の内部構造などにより決まるものである。所定時間当たりの量は、例えば、（ｃｃ／分）（ｍｌ／ｓｅｃ）などの単位で表現することができる。また、燃料電池により流せる電流量は、供給される燃料ガスの供給量により決まる。これは、燃料電池を構成するセルの構造・大きさなどにより一義的に定まるものである。
【００１５】
さらに、燃料電池の基本的な性能評価を行うときに出力電流−出力電圧特性（ＩＶ特性）が用いられる（図  参照）。この特性は、燃料電池の構造が定まれば理論的あるいは実験的に求まるものである。したがって、最大の供給燃料ガス量（Ａ）に対して決まる出力電流（Ｂ）に対応する出力電圧も上記ＩＶ特性から求められる。
【００１６】
そして、設定電圧は、上記ＩＶ特性から求められる電圧値よりも低い圧力値に設定する。燃料電池のＩＶ特性によれば、出力電圧が低くなれば出力電流が大きくなるという特性を有しているため、設定電圧を上記のごとく低く設定するということは、もう少し電流が流せる状態に燃料電池を置くということである。換言すれば、燃料ガスが少し足らない状態になるように燃料電池が置かれるため、燃料ガスを発電のために全て（できる限りすべて）を消費させることができる。これにより、燃料ガスの利用効率を高めることができると共に、燃料ガスを外部に排出しないようにすることができ、安全性を高めることができる。また、燃料電池の出力電圧を設定電圧に制御するだけであるから、構成も簡素化することが可能となる。
【００１７】
本発明に係る上記電圧制御部は、差動増幅器により構成され、この差動増幅器の第１入力端子に前記出力電圧を分圧回路で分圧した分圧出力電圧を入力し、第２入力端子に前記設定電圧に対応した基準電圧が入力され、かつ、前記差動増幅器の出力端子が前記直流電圧変換回路であるＤＣ−ＤＣコンバータのフィードバック端子に接続されていることが好ましい。
【００１８】
この構成によると、差動増幅器を用いて、出力電圧が設定電圧になるように制御することができ、汎用の回路構成を用いることができる。また、差動増幅器の出力端子がＤＣ−ＤＣコンバータのフィードバック端子に接続される。これにより、燃料電池の出力電圧が設定電圧になるように、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧が調整される。このように、燃料電池システムとして本来必要なコンバータの機能を用いて、出力電圧を制御できるので、構成を簡素化することができる。なお、分圧回路により、例えば、１：１に分圧するのであれば、基準電圧は設定電圧の１／２となる。
【００１９】
本発明に係る燃料電池システムは、直流電圧変換回路の出力側に蓄電部を設けることが好ましい。蓄電部としては、二次電池あるいはコンデンサーなどを用いることができる。
【００２０】
燃料電池システムを機器の電源として用いる場合、機器の負荷変動に対応しながら燃料電池システムから電力を供給する必要がある。しかし、負荷の急激な変動があった場合に必ずしも燃料電池側で対応できないことも考えられる。そこで、余分な電力の発生があった場合には蓄電部に蓄積しておくようにすれば、燃料電池からの発電のみでは電力不足になる場合でも蓄電部により不足分をサポート可能になる。
【００２１】
本発明において、電子機器が接続される出力コネクタにおける電子機器の着脱状態を検出する検出部と、この検出部からの電子機器の離脱信号に基づいて、前記燃料電池の出力に対し負荷を生じさせる負荷付与手段を設けていることが好ましい。
【００２２】
この構成によると、出力コネクタの着脱状態を検出する検出部からの離脱信号に基づいて、燃料電池の出力に対し負荷を生じさせる負荷付与手段を備えるため、不用意に、あるいは故意に電子機器の接続を解除されたとしても、発生した水素ガスを消費させることができ、水素ガスを外部に排出してしまわないようにできる。
【００２３】
本発明に係る燃料電池システムは、二次電池を内蔵する電子機器の充電用に用いられることが好ましい。充電用であれば、上記のような急激な負荷変動が生じる問題はなく、電子機器の二次電池へ充電電流を流していくだけである。本発明の構成を採用すれば、燃料ガスの利用率を高めることができ、構成も簡素化できるため、コストパフォーマンスの高い充電器を提供することができる。小型化も可能であることから特に携帯機器用に好適に適用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
本発明に係る燃料電池システムの好適な実施形態を図面を用いて説明する。図１は、燃料電池システムの構成を示す概念図である。
【００２５】
＜燃料電池システムの概要＞
図１に示すように、燃料電池システムは、燃料ガスである水素ガスを発生させて燃料電池２０へ供給する燃料発生部１０と、この燃料発生部１０から供給される水素ガスにより発電して電気出力を行う燃料電池２０と、この燃料電池２０の出力電圧を所定の電圧に変換して出力する回路部３０を有する。回路部３０の出力コネクター３２（図４参照）は、図１に図示するように、例えば、携帯電話５０の電源コネクタ５１に接続される。
【００２６】
携帯電話５０は、充電回路５２を介してリチウムイオン二次電池５３等を充電する構成になっており、電源コネクタ５１を介して、回路部３０の出力コネクタからの電力が携帯電話５０に供給される。
【００２７】
本発明に係る燃料電池システムにより供給される電力は、好適には二次電池を充電するために利用することができ、各種二次電池や大容量のキャパシタ等への充電電力として供給される。例えば、上記リチウムイオン二次電池の他、ニッケルカドミウム二次電池、ニッケル水素二次電池等の二次電池の充電用として本システムを用いることができる。
【００２８】
なお、充電機器としては、上記の携帯電話５０に限定されるものではなく、種々の携帯機器やノートパソコン等に対しても用いることができる。
【００２９】
本発明における燃料発生部１０は、例えば、水素発生剤や水素吸蔵合金を用いた構成が採用されるが、水素を収容する圧力容器などを用いてもよく、メタノール改質型の水素ガス供給手段を用いてもよい。
【００３０】
携帯機器への充電用として用いる場合、水素発生剤を用いた燃料発生部１０を用いるのが好ましい。例えば、図１に示すように、水等の反応液１４との反応により水素ガスを発生する水素発生剤１１を収容する反応容器１２と、反応液１４の供給部１３を備える。
【００３１】
反応液１４の供給部１３には、貯液部１５を有していてもよく、反応容器１２に直接、水などの反応液１４を供給できる構造にしてもよい。貯液部１５を設ける場合、注水口を設けて、水の消費量に応じて、水を追加供給できるようにしてもよい。貯液部１５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い。反応液１４の供給部には、貯液部１５の反応液１４を輸送する圧送手段を有していてもよい。
【００３２】
水素ガス発生手段としては、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１１などを反応容器１２内に備え、これにより燃料電池２０に水素ガスを供給することができる。水素発生剤１１の反応が加熱を要する場合、加熱手段が設けられる。
【００３３】
水素発生剤１１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。更に、ＭｇＨ2等の水素化金属を単独又は上記と併用して用いることも可能である。水素発生剤１１は、反応容器１２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。
【００３４】
このような水素ガス発生手段によって、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。燃料発生部１０と燃料電池２０とは、水素供給管１６で連結されており、発生した水素ガス（Ｈ2）が燃料電池２０の単位セルのアノード側空間に供給される。
【００３５】
＜燃料電池の構成＞
本発明の燃料電池は、図２に示すように、複数の単位セルＣ１〜Ｃ４（以下、各単位セルを区別する必要がない場合は、単位セルＣと表記する。）を備え、いずれかの単位セルＣと他の単位セルＣの導電層同士を、接続部により電気的に接続している。本実施形態では、例えば、単位セルＣ１の第１導電層（第１金属層４）と、それに隣接する単位セルＣ２の第２導電層（第２金属層５）とを電気的に接続（直列接続）する例を示すが、本発明では、何れかの単位セルＣと他の単位セルＣとを並列接続することも可能である。その場合、何れかの単位セルＣと他の単位セルＣの第１導電層同士及び第２導電層同士が電気的に接続される。もちろん、並列接続と直列接続とを組み合わせることも可能である。
【００３６】
なお、接続する単位セルＣの数としては、要求される電圧又は電流に応じて、設定することが可能である。本実施形態では４つの単位セルＣ１〜Ｃ４を接続する例を示すが、単位セルＣは１つでもよく、５つ以上であってもよい。例えば、８つの単位セルを用いて、２個ずつペアで並列接続して４つのペアを作り、各ペアを直列接続することができる。この場合、４つの単位セルを直列接続する構成に対して、電圧は同じであるが電流量を２倍にすることができる。
【００３７】
本発明における各々の単位セルＣは、固体高分子電解質層１と、この固体高分子電解質層１の両側に設けられた第１電極層２及び第２電極層３と、これら電極層２，３の更に外側に各々配置された第１導電層及び第２導電層とを有する。本実施形態では、第１導電層及び第２導電層が、第１電極層２及び第２電極層３を部分的に露出させる露出部を有する第１金属層４及び第２金属層５とからなる例を示す。
【００３８】
なお、導電層の材質としては、金属、導電性高分子、導電性ゴム、導電性繊維、導電性ペースト、導電性塗料などが挙げられる。
【００３９】
固体高分子電解質層１としては、従来の固体高分子膜型の燃料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。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。
【００４０】
固体高分子電解質層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。
【００４１】
電極層２，３は、固体高分子電解質層１の表面付近でアノード側およびカソード側の電極反応を生じさせるものであれば何れでもよい。なかでも、ガス拡散層としての機能を発揮して、燃料ガス、燃料液、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好適に使用できる。電極層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、固体高分子電解質層１と接する内面側に少なくとも担持させるのが好ましい。
【００４２】
電極層２，３の電極基材としては、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。また、固体高分子電解質層１に触媒を直接付着させたり、カーボンブラックなどの導電性粒子に担持させて固体高分子電解質層１に付着させた電極層２，３を用いることも可能である。
【００４３】
一般に、電極層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。
【００４４】
一般に、電極層２，３や固体高分子電解質層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。なお、還元ガスの代わりにメタノール等の燃料液を使用することも可能である。
【００４５】
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の第２電極層３（本明細書では、アノード側を第１電極層、カソード側を第２電極層と仮定する）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。
【００４６】
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。
【００４７】
電極層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、１〜５００μｍが好ましく、１００〜３００μｍがより好ましい。電極層２，３と固体高分子電解質層１とは、予め接着、融着、又は塗布形成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、膜／電極接合体（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。
【００４８】
本発明では、第１電極層２及び第２電極層３の外形が固体高分子電解質層１の外形より小さいものでもよいが、第１電極層２及び第２電極層３の外形と固体高分子電解質層１の外形とが同じであることが好ましい。電極層の外形と固体高分子電解質層の外形とが同じであると、電極板と固体高分子電解質の積層体を打ち抜いて、固体高分子電解質・電極・接合体を製造することができ、量産効果により当該接合体のコストを低減することができる。また、電極層の外周より金属層の外周が内側に形成されていることで、電極層の外周及び固体高分子電解質層の外周をより確実に封止することができる。
【００４９】
アノード側電極層２の表面にはアノード側の第１金属層４が配置され、カソード側電極層３の表面にはカソード側の第２金属層５が配置される（本明細書では、アノード側を第１金属層、カソード側を第２金属層と仮定する）。第１金属層４は、第１電極層２を部分的に露出させる露出部を有するが、本実施形態では、アノード側金属層４には燃料ガス等を供給するための開孔４ａが設けられている例を示す。
【００５０】
第１金属層４の露出部は、アノード側電極層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。アノード側金属層４の開孔４ａ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孔４ａを設けたり、第１金属層４を櫛形電極のような形状にしてアノード側電極層２を露出させてもよい。開孔４ａ部分の面積が締める割合（開孔率）は、電極との接触面積とガスの供給面積のバランスなどの観点から、１０〜５０％が好ましく、１５〜３０％がより好ましい。
【００５１】
また、カソード側の第２金属層５は、第２電極層３を部分的に露出させる露出部を有するが、本実施形態では、カソード側金属層５には、空気中の酸素を供給（自然吸気）するための多数の開孔５ａが設けられている例を示す。開孔５ａは、カソード側電極層３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。カソード側金属層５の開孔５ａ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孔５ａを設けたり、第２金属層５を櫛形電極のような形状にしてカソード側電極層３を露出させてもよい。開孔５ａ部分の面積が締める割合（開孔率）は、電極との接触面積とガスの供給面積のバランスなどの観点から、１０〜５０％が好ましく、１５〜３０％がより好ましい。
【００５２】
金属層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、導電性、コスト、形状付与性、加圧のための強度などの観点から、銅、銅合金、ステンレス板などが好ましい。また、上記の金属に金メッキなどの金属メッキを施したものでもよい。
【００５３】
なお、金属層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、導電性、コスト、重量、形状付与性、加圧のための強度などを考慮すると、１０〜１０００μｍが好ましく、５０〜２００μｍがより好ましい。
【００５４】
本発明では、電極層２，３と金属層４，５とを良好に樹脂で一体化する観点から、第１電極層２の外周より、第１金属層４の外周が内側に形成されていることが好ましく、第２電極層３の外周より、第２金属層５の外周が内側に形成されていることが好ましい。なお、第１電極層２の外周より、第１金属層４の外周が外側に形成されていてもよく、第２電極層３の外周より、第２金属層５の外周が外側に形成されていてもよい。
【００５５】
金属層４及び金属層５は、少なくとも一部が樹脂から露出することにより、その部分を電極として電気を外部に取り出すことができる。このため、樹脂成形体６に対して、金属層４及び金属層５を一部露出させた端子部を設けてもよいが、本発明では、直列接続の場合には、その両端の単位セルＣの金属層４又は金属層５が、単位セルＣの電極となる突出部４ｂ，５ｂを備え、これが樹脂成形体６から外部に出ていることが好ましい。この突出部４ｂ，５ｂは、インサート成形を行う際に、金属層４，５等（積層物Ｌ）を成形型内に保持するためにも利用できる。
【００５６】
金属層４及び金属層５の形成や開孔５ａ、４ａの形成は、プレス加工（プレス打ち抜き加工）を利用して行うことができる。また、金属層４及び金属層５の突出部４ｂ，５ｂには、樹脂の流動や密着性を良好にする目的で、インサート成形される部分に貫通孔を設けてもよい。更に、接続や固定を良好に行うために、突出部４ｂ，５ｂの露出した部分に貫通孔を設けてもよい。
【００５７】
次に、燃料電池２０の構成を説明する。図２は、本発明の燃料電池の一例を示す図であり、（ａ）は外観斜視図、（ｂ）は外観正面図、（ｃ）は金属板４，５の構成を示す斜視図である。図３は、図２に示す燃料電池の断面図である。
【００５８】
本発明の燃料電池は、図１に示すように、何れかの単位セルＣと他の単位セルＣの導電層同士を電気的に接続する接続部Ｊを備えているが、直列接続の場合、何れかの単位セルＣの第１導電層と他の単位セルＣの第２導電層とが電気的に接続される。本実施形態では、隣り合う前記単位セルＣの一方の第１導電層（金属層４）と、他方の第２導電層（金属層５）と、接続部Ｊとが、連続する金属板（一体化した単一の金属部品）からなる金属層で形成されている例を示す。
【００５９】
この実施形態では、各単位セルＣ１〜Ｃ４が直列に接続されているため、金属層の突出部４ｂ，５ｂは、それぞれ単位セルＣ１と単位セルＣ４とにだけ設けられている。
【００６０】
第１金属層４及び第２金属層５を接続部Ｊを介して一体化した金属板は、隣り合う単位セルＣ同士を直列に接続するための部材である。第１金属層４及び第２金属層５を独立して配置する代わりに、この一体化した金属板を用いることにより、これを成形型１０内に配置するだけで、単位セルＣ１〜Ｃ４が直列に接続された燃料電池を製造することができる。
【００６１】
金属板は、図２（ｃ）に示すように、相互に平行な面内に隣接して配置された第１金属層４及び第２金属層５が、同じ面内で外側に各々延設された延出部４ｊ，５ｊを有しており、延出部４ｊ，５ｊを段差部４ｓによって連結一体化してある。このような段差部は、金属板を板金加工することで作製することができる。なお、並列接続を行う場合、例えば、同じ面内に隣接して配置された第１金属層４同士（又は第２金属層５同士）が、延設された延出部により連結一体化した金属板を使用することができる。また、接続部Ｊは、部分的に樹脂成形体６の外部に突出した形状となっている。
【００６２】
突出部４ｂ，５ｂは、不図示の回路部に接続されて出力電圧として取り出すことができる。また、接続部Ｊについては、上記回路部に接続することで、中間的な電位のモニターを行うことができる。
【００６３】
この実施形態では、接続部Ｊが部分的に樹脂成形体６の外部に突出する形状となっているが、接続部Ｊが中央に段差部を有する長方形となっていてもよい。後述のように、インサート形成する際には、積層物を成形型内に位置固定する必要があり、位置固定の際には接続部Ｊが部分的に樹脂成形体６の外部に突出する形状であることが好ましい。
【００６４】
接続部Ｊは、隣り合う単位セルＣ同士を直列に接続するものであり、第１金属層４及び第２金属層５と一体化した金属板になっている。第１金属層４及び第２金属層５を独立して配置する代わりに、この金属板を用いることにより、これを成形型内に配置するだけで、単位セルＣが直列に接続された燃料電池を製造することができる。
【００６５】
＜回路部の構成＞
次に、図１に示す回路部の具体的な構成を図４により説明する。回路部３０の主要な機能は、燃料電池２０の出力電圧ＶFCを接続される携帯機器に適切な電圧に変換（昇圧・降圧）することである。本実施形態では、昇圧される例として説明する。
【００６６】
電圧を変換するための直流電圧変換回路として可変電圧出力のＤＣ−ＤＣコンバータ３１が用いられる。これは、直流の入力電圧を変換して、直流のより大きな電圧を出力する回路である。本発明において、特に、小型の充電装置を構成する場合は、ステップアップ回路を利用したステップアップコンバータを用いるのが好ましい。
【００６７】
ステップアップ回路の原理は、コイルに対する入力電力のオン−オフによって電流変化を生じさせ、これに応じた電圧の上昇分を、発振回路で継続的に生じさせて出力として取り出すというものである。このため、ステップアップコンバータは、発振回路と電力回路とを備え、必要に応じて、出力電圧調整回路、二次フィルタ、外部クロック同期回路などが追加される。
【００６８】
ステップアップコンバータ用の集積回路（パッケージ）は、各種市販されており、推奨される標準的な回路構成によって、本発明における直流電圧変換回路を構成することができる。
【００６９】
ＤＣ−ＤＣコンバータ３１は、一般に入力ＶＩＮ＋，ＶＩＮ−、出力ＯＵＴ＋，ＯＵＴ−、グランドＧＮＤなどを備えている。ＤＣ−ＤＣコンバータ３１の入力ＶＩＮ＋，ＶＩＮ−は燃料電池２０の電極板４ｂ，５ｂ（図１参照）に接続され、出力ＯＵＴ＋は出力コネクタ３２の＋側端子３２ａに接続され、出力ＯＵＴ−は出力コネクタ３２の−側端子３２ｂに接続される。ＤＣ−ＤＣコンバータ３１のＶＩＮ−と出力ＯＵＴ−は共にグランド（ＧＮＤ）される。したがって、図４では図示を省略している。
【００７０】
また、ＤＣ−ＤＣコンバータ３１の出力側にはフィードバック端子ＦＢが設けられている。この端子ＦＢに関しては、後述する。
【００７１】
＜電圧制御部の構成＞
次に、燃料電池２０の出力電圧ＶＦＣが予め設定された設定電圧となるように制御を行う電圧制御部の構成を説明する。本発明では、上記出力電圧ＶＦＣを設定電圧になるように制御することで、燃料電池２０に供給される水素ガスをすべて消費できるようにし、外部に水素ガスを排出しないようにすることを目的とする。
【００７２】
まず、抵抗Ｒ１，抵抗Ｒ２からなる分圧回路を用いて、出力電圧ＶＦＣを所定の比率に分圧する。一方、制御用のオペアンプＯＰ（差動増幅器に相当）の負入力端子（第１入力端子に相当）に抵抗Ｒ３を介して、上記分圧された出力電圧ＶFCが入力される。一方、オペアンプＯＰの正入力端子（第２入力端子に相当）には、基準電圧（設定電圧に対応する）が入力される。基準電圧を入力するために、抵抗Ｒ４，可変抵抗Ｒ５が設けられており、これらは参照電圧Ｖrefが印加されている。可変抵抗Ｒ５を設けているのは、出力コネクタ３２に接続される電子機器に応じて適切な基準電圧を設定するためである。なお、一度可変抵抗Ｒ５の調整を行った後は、基準電圧は固定される。したがって、オペアンプＯＰの正入力端子には、参照電圧Ｖrefを所定の分圧比で分圧した基準電圧が入力されることになる。
【００７３】
オペアンプＯＰの出力端子は、抵抗Ｒ６を介して負入力端子に接続（フィードバック）される。また、オペアンプＯＰの出力端子は、ダイオードＤ１を介して、ＤＣ−ＤＣコンバータ３１のフィードバック端子ＦＢにも接続される。なお、ダイオードＤ１のカソード側の出力は、抵抗Ｒ７，抵抗Ｒ８により分圧点に接続され、この分圧点を経由してフィードバック端子ＦＢに接続される。
【００７４】
オペアンプＯＰの出力端子からは、負入力端子に入力される電圧と、正入力端子に入力される電圧の差に比例した差電圧が出力され、この差がゼロになるように制御される。すなわち、燃料電池２０の出力電圧ＶFCの分圧値が、基準電圧に等しくなるように制御されるものであり、換言すれば、出力電圧ＶFCが設定電圧に等しくなるように制御される。
【００７５】
ＤＣ−ＤＣコンバータ３１は、フィードバック端子ＦＢに入力される差電圧がゼロになるように、コンバータ３１の出力電圧Ｖoutを可変させる。このような制御機能は、市販のＤＣ−ＤＣコンバータ３１の有するフィードバック端子ＦＢを用いて行うことができる。また、電圧制御部を構成するためのオペアンプＯＰも市販のものを使用することができ、電圧制御部を簡素かつ低コストの回路で構成することができる。
【００７６】
上記における参照電圧は、ＤＣ−ＤＣコンバータ３１の出力電圧Ｖoutを抵抗ＲｒとツェナーダイオードＤ２により分圧することで得られる。ツェナーダイオードＤ２を用いることで、安定した電圧値を創出することができ、前述の基準電圧も安定かつ精度の良い電圧値とすることができる。この参照電圧は、ＤＣ−ＤＣコンバータ３１やオペアンプＯＰの駆動電圧としても用いることができる。
【００７７】
次に、オペアンプＯＰの正入力端子に入力される基準電圧をどのように設定すべきかを説明する。本発明において、燃料電池２０の出力電圧ＶFCが予め設定された設定電圧になるように、上記オペアンプＯＰ等により構成される電圧制御部による制御（定電圧制御）が行われる。なお、オペアンプＯＰに入力されるのは出力電圧自体ではなく、これの分圧値である。分圧比をｋとすれば、オペアンプＯＰの負入力端子に入力される電圧値は、ｋ×出力電圧ＶFC（Ｖ）であり、したがって、オペアンプＯＰの正入力端子に入力される基準電圧＝ｋ×設定電圧となるように調整される。
【００７８】
ここで、燃料発生部１０で発生可能な所定時間当たりの最大の水素ガス量を（Ａ）とし、前記燃料電池２０に（Ａ）を供給したときの出力電流を（Ｂ）とした場合、設定電圧は、燃料電池２０の出力電流−出力電圧特性から求まる（Ｂ）に対応した出力電圧よりも低い電圧に設定される。
【００７９】
燃料供給部１０で発生可能な所定時間当たりの最大の水素ガス量は、収容される水素発生剤の種類、形状、収容量や反応させる反応液の種類、量、燃料供給部の内部構造などにより決まるものである。所定時間当たりの量は、例えば、（ｃｃ／分）（ｍｌ／ｓｅｃ）などの単位で表現することができる。また、燃料電池２０により流せる電流量は、供給される水素ガスの供給量により決まる。これは、燃料電池２０を構成する単位セルの構造・大きさ・個数などにより一義的に定まるものである。
【００８０】
さらに、燃料電池２０の基本的な性能評価を行うときに出力電流−出力電圧特性（ＩＶ特性）が用いられる（図５参照）。この特性は、燃料電池の構造が定まれば理論的あるいは実験的に求まるものである。したがって、最大の供給燃料ガス量（Ａ）に対して決まる出力電流（Ｂ）に対応する出力電圧も上記ＩＶ特性から求められる。図５からも分かるように、ＩＶ特性は、横軸が出力電流（Ｉ）、縦軸が出力電圧（Ｖ）で表わされる。
【００８１】
そして、設定電圧は、上記ＩＶ特性から求められる電圧値よりも低い圧力値に設定する。例えば、最大の供給燃料ガス量（Ａ）に対して決まる出力電流（Ｂ）がＩ１であるとする。このＩ１に対応する出力電圧はＶ１である。この出力電圧Ｖ１よりも低い電圧値Ｖ２が設定電圧として決められる。なお、Ｖ２をどの程度Ｖ１よりも小さく設定するかについては適宜決めることができる。
【００８２】
燃料電池のＩＶ特性によれば、出力電圧が低くなれば出力電流が大きくなるという特性を有しているため、設定電圧を上記のごとく低く設定するということは、もう少し電流が流せる状態に燃料電池を置くということである。図５を見れば分かるように、Ｖ１に対応するＩ１よりも、Ｖ２に対応するＩ２の方が大きい。換言すれば、上記のように設定することで、水素ガスが少し足らない状態になるように燃料電池２０が置かれるため、水素ガスを発電のために全て（できる限りすべて）を消費させることができる。これにより、水素ガスの利用効率を高めることができると共に、水素ガスを燃料電池２０の外部に排出しないようにすることができ、安全性を高めることができる。
【００８３】
＜回路部の他の構成＞
次に、図４に戻り、回路部３０の他の構成・機能について説明する。コンデンサーＣ１は、燃料電池２０の出力電圧ＶFCの変動を抑制する平滑用コンデンサーである。コイルＬ１は直流電圧を昇圧させるためのトランスである。
【００８４】
ＤＣ−ＤＣコンバータ３１の出力側に設けられているコンデンサーＣ２は蓄電部として機能する。図４に示す燃料電池システムは、好ましくは、携帯機器等の充電用に用いられるものであるが、本発明に係る燃料電池システムは機器の電源として用いることもできる。この場合、機器の負荷変動に対応しながら燃料電池システムから電力を供給する必要がある。しかし、負荷の急激な変動があった場合に必ずしも燃料電池側で対応できないことも考えられる。そこで、余分な電力の発生があった場合には蓄電部であるコンデンサーＣ２に蓄積しておくようにすれば、燃料電池２０からの発電のみでは電力不足になる場合でもコンデンサーＣ２により不足分をサポート可能になる。
【００８５】
コンデンサーＣ２としては、例えば、電気二重層コンデンサーを用いることができる。また、蓄電部としては、コンデンサーではなく、リチウムイオン電池等の二次電池を用いてもよい。なお、本発明に係る燃料電池システムを充電専用に用いる場合は、蓄電部は必ずしもなくてもよい。
【００８６】
次に、出力コネクタ３２における機器の着脱状態を検出する構成について説明する。例えば、出力コネクタ３２に携帯電話５０を接続して充電を行っているときに、不用意に、あるいは故意に携帯電話５０の接続を解除することがある。その場合、突然負荷がなくなった状態になり、発生した水素ガスを消費することができず、水素ガスを外部に排出してしまう可能性がある。
【００８７】
そこで、機器が突然出力コネクタ３２から外された場合でも、水素ガスを排出してしまわないような構成を採用している。
【００８８】
出力コネクタ３２には、着脱状態を検出するための検出端子３２ｃが設けられている。検出用端子３２ｃ（検出部に相当）は抵抗Ｒ９を介してＧＮＤに接続されると共に、検出用トランジスタＴｒ（検出部に相当）のベースにも接続されている。トランジスタＴｒ（スイッチング素子）のコレクタが燃料電池２０の出力側に接続され、エミッタは抵抗Ｒ１０（負荷付与手段に相当）を介してＧＮＤに接続される。また、トランジスタＴｒのベースは抵抗Ｒ１１を介して燃料電池２０の出力側に接続されている。
【００８９】
この回路構成では、出力コネクタ３２に携帯電話５０を装着したときに、検出用端子３２ｃと−側端子３２ｂとを短絡させる構成になっている。したがって、ＧＮＤを０Ｖとした場合、出力コネクタ３０への携帯電話５０の装着時に、検出用端子３０ｃの電位は０Ｖになり、携帯電話５０を外した時には、検出用端子３０ｃの電位は抵抗Ｒ１１と抵抗Ｒ９で分圧された電圧となる。
【００９０】
検出用端子３０ｃが０Ｖのときは、トランジスタＴｒはオフの状態になる。携帯電話５０を外した場合は、トランジスタＴｒのベースに電圧がかかり、トランジスタＴｒをオンさせる。これにより、抵抗Ｒ１０が負荷として作用し始める。すなわち、突然、携帯電話５０が出力コネクタ３２から外されたとしても、負荷が抵抗Ｒ１０に切り替わることができ、水素ガスを消費させて外部に排出させないようにすることができる。
【実施例１】
【００９１】
次に、本発明に係る電圧一定制御の場合と、電流一定制御を行った場合の比較を行う。図６は、本発明による実験結果を示すグラフであり、図７は、比較例による実験結果を示すグラフである。電流制御を行う構成については、例えば、ＷＯ２００７／１２９５９４に開示されている。
【００９２】
＜比較例の実験結果＞
なお、使用した発電セルは１個であり、所定の水素発生剤（具体的には水素化カルシウム）を用いて水素ガスを発電セルに供給した。発電セルに流れた出力電流と出力電圧を時間の経過とともにプロットしたものが図６（ａ）に示される。水素発生剤に水を定量供給することで水素ガスを発生させるが、およそ１０〜１５（ｃｃ／分）の水素ガスが発生していることを確認し、発電セルに流れる出力電流が３８０ｍＡになるように定電流制御を行った。なお、３８０ｍＡに対応する水素ガスの理論値は１１．５ｃｃ／分であった。
【００９３】
グラフからも分かるように、しばらくは１１．５ｃｃ／分以上の水素ガスが供給されており、電流値は一定し、出力電圧も２．８Ｖ程度を維持して出力していた。しかし、時間の経過とともに、水素発生剤が消耗されていき、１１．５ｃｃ／分の水素ガスが流せなくなり、３８０ｍＡの電流が流せなくなる。
【００９４】
そこで、手動で設定電流値の値を２００ｍＡに変更した。その状態を５分程度維持できたが、水素ガスの発生量が再び落ちてきたので、再度設定値を１００ｍＡ、５０ｍＡと変更させた。
【００９５】
図６（ａ）のグラフから、出力（Ｗ）と電力量（Ｗｈ）の経過を計算したものが（ｂ）のグラフである。最初は１Ｗ程度の出力があったが、水素ガス発生量が次第に減っていくので、出力も次第に減少していく。トータルの電力量としては、約０．７Ｗｈの出力を確認することができた。
【００９６】
また、図６（ｃ）は、（ａ）の実験結果に基づいて、瞬時の水素消費量と、総消費量を計算して、時間軸で表わしたグラフである。このグラフから分かるように、発生した水素ガスの約５００ｃｃが電流に変換されている。この実験で使用した水素発生剤と水との反応で、実際にどの程度の水素ガスが発生するのかを確認したところで、７００〜８００ｃｃであった。従って、発生した水素ガスのうち、２００〜３００ｃｃは発電に供されず外部に排出されたものと推定できる。
【００９７】
＜本発明の実験結果＞
次に、本発明に基づいて、電圧を一定制御した場合の実験結果を図７に示す。実験に際して、使用した発電セル、水素発生剤、反応液（水）に関する条件は比較例と場合と同じであるが、制御方法のみを変えた。このような相対的な比較を行うことで、本発明の作用・効果の優位点を実証しようとするものである。
【００９８】
まず、図７（ａ）に示すように発電セルの出力電圧が２．６Ｖの一定になるように制御した。この実験に使用した発電セルのＩＶ特性では、初期の出力電圧は３．６Ｖである。従って、それよりも低い２．６Ｖを設定電圧とした。
【００９９】
図７（ａ）のグラフからもわかるように、出力電流は約３２５ｍＡであり、その状態が約１分間続いた後、水素ガスの発生量も徐々に低下していくので、それにあわせて出力電流も徐々に低下していく。このときの水素ガスの発生流量は計算すると約１０ｃｃである。
【０１００】
図７（ｂ）（ｃ）は図６と同様の計算結果を示すグラフである。（ｂ）からも分かるように、電力量は約１Ｗであり、図６の比較例に比べて大きく伸びている。また、（ｃ）からも分かるように、水素ガスの総消費量は約７００ｃｃとなっている。従って、効率よく水素ガスを発電のために消費できていることが実証された。
【０１０１】
今回の実験において使用した水素発生剤と水の供給パターンは、１５ｃｃ／分以下の発生量となるように設定されている。一方、発電セルのＩＶ特性から、出力電圧を２．６Ｖに設定すると、１５ｃｃ／分以上の水素ガスを消費可能あることは予想できる。すなわち、水素ガスが少し足らない状態になるように発電セルが置かれるため、水素ガスを発電のために全てを消費できていると考えられる。
【０１０２】
＜別実施形態＞
燃料発生部の構成については、種々の変形例が考えられ、本実施形態に限定されるものではない。燃料発生部は消耗品であるため、燃料電池に対して着脱自在なカートリッジとして構成することが好ましい。
【０１０３】
本発明に係る設定電圧をどの程度低い電圧に設定するかについては、適宜決めることができる。
【０１０４】
オペアンプの２つの入力端子のうち、どちらを基準電圧に設定するかは、回路構成に応じて適宜選択することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１０５】
【図１】燃料電池システムの構成を示す概念図
【図２】本発明の燃料電池の一例を示す図
【図３】図２に示す燃料電池の断面図
【図４】燃料電池システムの回路図の構成を示す図
【図５】燃料電池の出力電流−出力電圧特性（ＩＶ特性）を示す図
【図６】電流一定制御の実験結果を示す図（本発明）
【図７】電圧一定制御の実験結果を示す図（比較例）
【符号の説明】
【０１０６】
１０      燃料発生部
２０      燃料電池
３０      回路部
３１      ＤＣ−ＤＣコンバータ
５０      携帯電話
Ｃ        発電セル
ＯＰ      オペアンプ
ＶFC          出力電圧
【図１】
2010092767.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2010092767.tif 000008
【図７】
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