(57)【要約】【課題】燃料供給を特別に制御する必要がなく、簡易な装置で残余の水素ガスを好適に処理することができる充電装置を提供する。【解決手段】水素ガスを供給する水素ガス供給手段２０と、充電のための電力を出力する出力部２３と、前記水素ガス供給手段２０から供給された水素ガスにより発電して前記出力部２３へ出力すると共に、残余の水素ガスを排出する出力用燃料電池２４と、出力用燃料電池２４から排出される水素ガスを導入して、この水素ガスにより発電することで水素ガスを消費する処理用燃料電池２６と、その処理用燃料電池に電気的に接続された負荷手段２７とを備える。【選択図】図３
2007080721.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素ガスを供給する水素ガス供給手段と、
充電のための電力を出力する出力部と、
前記水素ガス供給手段から供給された水素ガスにより発電して前記出力部へ出力すると共に、残余の水素ガスを排出する出力用燃料電池と、
その出力用燃料電池から排出される水素ガスを導入して、この水素ガスにより発電することで水素ガスを消費する処理用燃料電池と、
その処理用燃料電池に電気的に接続された負荷手段と、
を備える充電装置。
【請求項２】
前記処理用燃料電池は、板状の固体高分子電解質と、その固体高分子電解質の一方側に配置されたカソード側電極板と、他方側に配置されたアノード側電極板と、前記カソード側電極板に酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給部と、前記アノード側電極板に水素ガスを供給する水素ガス流路部とで構成される請求項１記載の充電装置。
【請求項３】
前記水素ガス供給手段は、反応液との反応により水素ガスを発生する水素発生剤を収容する反応容器と、反応液の供給部とを有するものである請求項１又は２に記載の充電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素ガスの供給により発電を行う燃料電池を用いて充電を行う充電装置に関し、特に、携帯機器の充電に使用する携帯型の充電装置として有用である。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子電解質を使用した燃料電池は、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】
一方、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ており、これらモバイル機器の高機能化に伴って、消費電力は増大する傾向にある。このため、これらの電源として主に使用されているリチウムイオン二次電池についても、電池容量を高めるための開発が盛んに行われている。
【０００４】
しかし、リチウムイオン二次電池の電池容量には、理論的に限界があり、このため、燃料電池を用いた携帯型の充電器の開発も進んでいる。例えば、下記の特許文献１には、直接型メタノール燃料電池を用い、燃料電池を安定して動作させるために温度制御を行う携帯電話用の充電器が開示されている。しかし、直接型メタノール燃料電池を用いる充電器では、燃料に対する電池出力が十分でなく、急速充電を行う際に、出力不足になるいという問題がある。
【０００５】
また、下記の特許文献２には、水素ガスにより発電を行う燃料電池を用い、水の電気分解により発生させた水素ガスを貯蔵しておき、この水素ガスを燃料電池に供給して発電した電力により、二次電池を充電する携帯型の充電器が開示されている。
【０００６】
しかしながら、上記の充電器では、充電時の発電に必要な水素ガス量に合わせて、水素ガスを精度良く供給するには、煩雑な制御装置が必要になる。また、このような制御装置を採用しないと、燃料電池から残余の水素ガスが排出される場合があり、排ガスの処理が必要となる。更に、充電終了後に、水素ガスが消費されなくなるため、排ガス量が更に多くなるという問題もある。そして、水素ガスは、空気中の濃度が４ｖｏｌ％を越えると火災や爆発の危険性があるため、一定以上の濃度で大気中に排出することが規制されている。
【０００７】
なお、水素ガスを排ガス処理する方法としては、工業的には燃焼式処理や触媒式処理が知られているが、何れの方法でも装置の大型化や処理剤の寿命などの問題があり、小型の充電装置に使用するのは困難であった。
【０００８】
【特許文献１】特開２００４−１９４４３４号公報
【特許文献２】特開２００４−５６９８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
そこで、本発明の目的は、燃料供給を特別に制御する必要がなく、簡易な装置で残余の水素ガスを好適に処理することができる充電装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者らは、上記目的を達成すべく、排出される水素ガスの処理方法について鋭意研究したところ、充電用とは別の燃料電池を用い、適当な負荷を接続して発電を行うことによって、残余の水素ガスを好適に処理することができることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１１】
即ち、本発明の充電装置は、水素ガスを供給する水素ガス供給手段と、充電のための電力を出力する出力部と、前記水素ガス供給手段から供給された水素ガスにより発電して前記出力部へ出力すると共に、残余の水素ガスを排出する出力用燃料電池と、その出力用燃料電池から排出される水素ガスを導入して、この水素ガスにより発電することで水素ガスを消費する処理用燃料電池と、その処理用燃料電池に電気的に接続された負荷手段とを備えることを特徴とする。
【００１２】
本発明の充電装置によると、出力用燃料電池から排出される水素ガスを導入して発電する処理用燃料電池と、これに電気的に接続された負荷手段とを備えるため、導入された全ての水素ガスを電極反応によって消費することができる。つまり、負荷手段が処理用燃料電池で発生した電力を全て消費するため、充電中に生じる過剰に供給された水素ガス、および充電後に生じる不要な水素ガスを、処理用燃料電池で全て消費することができる。その結果、燃料供給を特別に制御する必要がなく、簡易な装置で残余の水素ガスを好適に処理することができる充電装置となる。
【００１３】
上記において、前記処理用燃料電池は、板状の固体高分子電解質と、その固体高分子電解質の一方側に配置されたカソード側電極板と、他方側に配置されたアノード側電極板と、前記カソード側電極板に酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給部と、前記アノード側電極板に水素ガスを供給する水素ガス流路部とで構成されることが好ましい。
【００１４】
このような構造の単位セルは、放熱性能が高く、大電流に対応できるため、十分な量の水素ガスを消費して処理することができる。
【００１５】
また、前記水素ガス供給手段は、反応液との反応により水素ガスを発生する水素発生剤を収容する反応容器と、反応液の供給部とを有するものであることが好ましい。本発明では、充電中に生じる過剰に供給された水素ガス、および充電後に生じる不要な水素ガスを全て消費することができるため、このような単純で水素発生量の制御が困難な水素ガス供給手段を用いた場合でも、燃料供給などを特別に制御する必要がなく、簡易な装置で燃料電池から排出される残余の水素ガスを好適に処理することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
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は、本発明の充電装置に用いる単位セルの一例を示す組み立て斜視図であり、図２は、本発明の充電装置に用いる単位セルの一例を示す縦断面図である。図３は、出力用燃料電池が複数の単位セルで構成された本発明の充電装置の一例を示す概略構成図である。
【００１７】
本発明の充電装置は、図３に示すように、水素ガスを供給する水素ガス供給手段２０と、充電のための電力を出力する出力部２３と、前記水素ガス供給手段２０から供給された水素ガスにより発電して前記出力部２３へ出力すると共に、残余の水素ガスを排出する出力用燃料電池２４とを備える。
【００１８】
本発明では、このような充電装置において、図３に示すように、出力用燃料電池２４から排出される水素ガスを導入して、この水素ガスにより発電することで水素ガスを消費する処理用燃料電池２６と、その処理用燃料電池に電気的に接続された負荷手段２７とを備えることを特徴とする。
【００１９】
本発明に用いられる出力用燃料電池２４としては、水素ガスにより発電可能な燃料電池であれば、何れでもよいが、図１〜図３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板２と、他方側に配置されたアノード側電極板３と、前記カソード側電極板２に酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給部と、前記アノード側電極板３に水素ガスを供給する水素ガス流路部とで形成される単位セルＵＣの単数又は複数を備えることが好ましい。本実施形態では、図３に示すように、複数の単位セルＵＣで燃料電池が構成される例を示す。
【００２０】
以下、この単位セルＵＣについて説明する。本実施形態では、図１〜図２に示すように、アノード側金属板５にエッチングにより水素ガスの流路溝９が形成されて水素ガス流路部が構成され、カソード側金属板４に空気を自然供給するための開口部４ｃが形成されて酸素含有ガス供給部が構成されている単位セルＵＣを用いる例を示す。このように、金属板４，５によってガス供給部が構成されることにより、燃料電池の薄型化・軽量化を図ることができる。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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、純酸素等の酸素含有ガスが用いられると共に、還元ガス（燃料）として水素ガスが用いられる。本発明では、空気が自然供給される側のカソード側電極板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。
【００２７】
出力用燃料電池２４に供給する水素ガスは、水素ガスの排出量を少なくして、安定かつ継続して効率良く発電を行う理由から、水素ガスの純度９５％以上が好ましく、純度９９％以上がより好ましく、純度９９．９％以上が更に好ましい。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
本実施形態では、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。また、アノード側金属板５には水素ガスの注入口５ｃ及び排出口５ｄが設けられ、その間に流路溝９が設けられている。
【００３２】
本発明では、酸素含有ガス供給部には、カソード側から外部へ水分の拡散を抑制する拡散抑制機構が設けてあることが好ましい。本実施形態では、カソード側金属板４に、空気中の酸素を自然供給するための開口部４ｃが設けられており、これが拡散抑制機構として機能する拡散抑制板に相当し、その拡散抑制板を介して空気を自然供給できるように構成してある。
【００３３】
拡散抑制板であるカソード側金属板４には、カソード側電極板２の面積に対して開口率１０〜３０％で開口部４ｃを設けることが好ましい。このような開口率とする場合、この開口率の範囲内であれば、開口部４ｃの個数、形状、大きさ、形成位置などは何れでもよい。なお、上記の開口率の範囲内であれば、カソード側電極板２からの集電も十分行うことができる。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ることができる。
【００３４】
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。金属板４，５には、電極板２，３との接触抵抗を低減するために、金メッキなどの貴金属メッキを施すのが好ましい。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
図２に示す実施形態は、金属板４，５のカシメ部（外縁部）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。
【００４２】
本発明では、カソード側電極板２に酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給部と、アノード側電極板３に水素ガスを供給する水素ガス流路部とが形成されていれば、流路部等の形成構造は何れでもよい。金属板４，５で流路部等を形成する場合には、金属板４，５の周縁は、電気的に絶縁した状態で曲げプレスにより封止することが好ましい。本実施形態では、カシメにより封止されている例を示す。
【００４３】
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。絶縁材料６を用いる場合、その厚みとしては、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）。
【００４４】
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。
【００４５】
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２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。
【００４６】
本発明では、以上のような単位セルＵＣを１個又は複数個使用して、出力用燃料電池２４を構成することができる。本実施形態では、図３に示すように、複数の単位セルＵＣで出力用燃料電池２４が構成される例を示す。
【００４７】
この出力用燃料電池２４では、電気的には、各々の単位セルＵＣは直列に接続されるのが通常であるが、電流値を優先させて並列に接続してもよい。また、電圧が不足する場合には、ブートアップ回路（ＤＣ−ＤＣコンバータ）が必要に応じて接続される。
【００４８】
水素ガスについては、初段Ｓ１から最終段Ｓｎまでの各単位セルＵＣが、直列に接続されるが、直列に接続した単位セルＵＣ群を複数構成し、各々の単位セルＵＣ群に並列に水素ガスを供給することもできる。
【００４９】
図３に示した例では、初段Ｓ１から最終段Ｓｎまでの各単位セルＵＣが、水素供給管２５で直列に接続され、水素ガスの供給手段２０である水素ガス発生セルから初段Ｓ１の単位セルＵＣに水素ガスが供給される。供給された水素ガスは各々の単位セルＵＣで消費されながら、最終段側に流動し、最終段Ｓｎの単位セルＵＣの排出口５ｄから、残余の水素ガスとして排出される。
【００５０】
単位セルＵＣを使用する際、金属板５の水素ガスの注入口５ｃ及び排出口５ｄには、直接、水素ガス供給用のチューブ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、図２に示すように、厚みが小さく、金属板５の表面に平行なパイプ５ｆを有するチューブジョイント５ｅを設けるのが好ましい。
【００５１】
本発明における水素ガス供給手段２０は、出力用燃料電池２４に水素ガスを供給可能なものであれば何れでもよく、例えば、水素ガスを発生させる水素ガス発生セル、水素ガスを吸蔵する水素ガスを吸蔵ボンベなどが挙げられる。
【００５２】
水素供給手段２０は、例えば、反応液との反応により水素ガスを発生する水素発生剤を収容する反応容器と、反応液の供給部を備えるのが好ましい。また、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を備えていてもよい。
【００５３】
反応液の供給部には、貯液部を有していてもよいが、反応容器に直接、水などの反応液を供給できる構造にするのが、簡易な構造のため携帯用として有利となる。貯液部を設ける場合、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。反応液の供給部には、貯液部の反応液を輸送する圧送手段を有していてもよい。
【００５４】
水素ガス発生手段は、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などを反応容器内に備え、これにより燃料電池に水素ガスを供給することができる。水素発生剤の反応が加熱を要する場合、加熱手段が設けられる。
【００５５】
水素発生剤としては、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。水素発生剤は、反応容器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。
【００５６】
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。水素ガス発生セルと出力用燃料電池２４とは、水素供給管２５で連結されており、発生した水素ガス（Ｈ２）が出力用燃料電池２４の初段Ｓ１の単位セルＵＣのアノード側空間に供給される。
【００５７】
本発明における出力部２３は、充電のための電力を出力できるものであれば何れでもよく、通常、電極２１，２２などを備える端子類やアダプターとして構成される。本実施形態では、出力用燃料電池２４が、直接、出力部２３に接続されている例を示すが、電圧を上昇させるためのブートアップ回路（ＤＣ−ＤＣコンバータ）や、充電の際の電圧や電流を制御するための充電制御回路を設けてもよい。これらの回路は、従来公知のものを使用することができる。
【００５８】
出力部２３からの充電は、各種二次電池や大容量のキャパシタ等に対して行うことができ、例えばリチウムイオン二次電池、ニッケルカドミウム二次電池、ニッケル水素二次電池などの二次電池に対して行うことができる。
【００５９】
本発明では、更に、図３に示すように、出力用燃料電池２４から排出される水素ガスを導入して、この水素ガスにより発電することで水素ガスを消費する処理用燃料電池２６と、その処理用燃料電池２６に電気的に接続された負荷手段２７とを備える。
【００６０】
処理用燃料電池２６は、出力用燃料電池２４と同じものでも異なったものでもよいが、図１〜図２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板２と、他方側に配置されたアノード側電極板３と、前記カソード側電極板２に酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給部と、前記アノード側電極板３に水素ガスを供給する水素ガス流路部とで構成されるものが好ましい。
【００６１】
このような構造の単位セルを用いると、放熱性能が高く、大電流に対応できるため、十分な量の水素ガスを消費して処理することができる。この単位セル具体的な構成は、前述した通りである。但し、処理用燃料電池２６の水素ガスの排出口は、大気開放してある。
【００６２】
負荷手段２７としては、処理用燃料電池２６での発電に応じて、導入した水素ガスを全て消費できるだけの電極反応を生じさせる電流を確保できるものであればよい。具体的には、抵抗値が０〜１０Ωの抵抗、ヒータ、ランプ、二次電池、キャパシタなど何れでもよい。但し、抵抗値が小さいほど、水素ガスの処理能力が高くなるため、０〜５Ωの抵抗値を有するものが好ましく、処理用燃料電池２６の料電極を短絡させる導通配線が最も好ましい。
【００６３】
本発明の充電装置は、燃料供給を特別に制御する必要がなく、簡易な装置で残余の水素ガスを好適に処理することができ、携帯型に構成できるため、特に、携帯電話、ノートＰＣ等のモバイル機器の充電に好適に使用することができる。
【００６４】
［他の実施形態］
（１）前述の実施形態では、出力用燃料電池と処理用燃料電池とを別々の単位セルで構成する例を示したが、両者を一体の燃料電池として構成してもよい。その場合、両者を構成する単位セルをスタックした構造などが例示される。また、出力用燃料電池の最終段の単位セルを分割して、下流側に処理用燃料電池を構成するようにしてもよい。
【００６５】
（２）前述の実施形態では、カソード側電極板の面積に対して一定の開口率で開口部を設けた拡散抑制板（金属板）をカソード側電極板の表面に配置して、酸素含有ガス供給部を形成する例を示したが、酸素含有ガス供給部を、アノード側と同様に酸素含有ガスの流路溝によって構成してもよい。その場合、アノード側金属板と同様に、エッチングやプレス加工により、空気等の酸素含有ガスの流路溝、注入口、排出口を形成し、アノード側金属板と同様に、カソード側金属板の注入口から空気等を供給しつつ発電を行うことができる。その際、カソード側から外部へ水分の拡散を抑制する方法としては、例えば水分を含有する酸素含有ガスを供給する方法が挙げられる。
【００６６】
（３）前述の実施形態では、金属板をカソード側電極板とアノード側電極板との表面に配置して、酸素含有ガス供給部と水素ガス流路部とを形成する例を示したが、金属板の代わりに、その他の材料や、従来から使用されている各種セパレータを用いることも可能である。
【００６７】
また、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。
【００６８】
（４）前述の実施形態では、水素ガス供給手段である水素ガス発生セルが充電装置内に一体的に構成されている例を示したが、水素ガス発生セル等を充電装置に対して、着脱自在に装着できるように構成してもよい。その場合、水素ガス供給管に対して、連結可能な配管を水素ガス発生セルが備える。
【００６９】
（５）前述の実施形態では、処理用燃料電池の水素ガスの排出口を大気開放してある例を示したが、より安全性を高めるために、当該排出口を閉鎖してもよい。その場合、内部に不純物ガスが濃縮する場合があるので、処理用燃料電池で排ガス処理を行わない時に、不純物ガスを置換するための弁を設けるのが好ましい。
【実施例】
【００７０】
以下、本発明の構成と効果を具体的に示す実施例等について説明する。
【００７１】
実施例１
耐食性を有するＳＵＳ（５０ｍｍ×２６ｍｍ×０．３ｍｍ厚）に溝（幅０．８ｍｍ、深さ０．２ｍｍ、間隔１．６ｍｍ、本数２１本）、及び周辺カシメ部、ガス導入、排出孔を塩化第二鉄水溶液によるエッチングにより設け、これをアノード側金属板とした。同様に、耐食性を有するＳＵＳ（５０ｍｍ×２６ｍｍ×０．３ｍｍ厚）に貫通孔（０．６ｍｍφ、ピッチ１．５ｍｍ、個数３５７個、接触領域の開口率１３％）、及び周辺カシメ部、ガス導入、排出孔を塩化第二鉄水溶液によるエッチングにより設け、これをカソード側金属板とした。そして絶縁シート（５０ｍｍ×２６ｍｍ×２ｍｍ幅、厚み８０μｍ）をＳＵＳに張り合わせた。
【００７２】
また、薄膜電極組立体（４９．３ｍｍ×２５．３ｍｍ）は、下記のようにして作製した。白金触媒は、米国エレクトロケム社製２０％白金担持カーボン触媒（ＥＣ−２０−ＰＴＣ）を用いた。この白金触媒と、カーボンブラック（アクゾ社ケッチェンブラックＥＣ）、ポリフッ化ビニリデン（カイナー）を、それぞれ７５重量％、１５重量％、１０重量％の割合で混合し、ジメチルホルムアミドを、２．５重量％のポリフッ化ビニリデン溶液となるような割合で、上記白金触媒、カーボンブラック、ポリフッ化ビニリデンの混合物中に加え、乳鉢中で溶解・混合して、触媒ペーストを作製した。カーボンペーパー（東レ製ＴＧＰ−Ｈ−９０、厚み３７０μｍ）を２０ｍｍ×４３ｍｍに切断し、この上に、上記のようにして作製した触媒ペースト約２０ｍｇをスパチュラにて塗布し、８０℃の熱風循環式乾燥機中で乾燥した。このようにして４ｍｇの触媒組成物が担持されたカーボンペーパーを作製した。白金担持量は、０．６ｍｇ／ｃｍ2 である。
【００７３】
上記のようにして作製した白金触媒担持カーボンペーパーと、固体高分子電解質（陽イオン交換膜）としてナフィオンフィルム（デュポン社製ナフィオン１１２、２５．３ｍｍ×４９．３ｍｍ、厚み５０μｍ）を用い、その両面に、金型を用いて、１３５℃、２ＭＰａの条件にて２分間ホットプレスした。こうして得られた薄膜電極組立体を上記のＳＵＳ板２枚の中央で挟み込み、図２に示すようにカシメ合わせることで、外寸５０ｍｍ×２６ｍｍ×１．４ｍｍ厚という薄型小型のマイクロ燃料電池を得る事ができた。
【００７４】
これを単位セルとし、図３に示すように、４個の単位セルを直列（ガスおよび電気）に接続して出力用燃料電池を構成した。更に、上記の単位セルを処理用燃料電池として用い、最終段の単位セルから排出される水素ガスを導入する（水素ガス流路の排出口は大気開放）と共に、この単位セルの両側の金属板を銅線によって短絡させた。
【００７５】
上記の出力用燃料電池の初段の単位セルに水素ガス供給手段を接続し、次のようにして水素ガスを供給した。アルミニウム粉末（高純度化学研究所製：平均粒径３μｍ）と、カーボンブラック（キャボット社製：バルカンＸＣ−７２Ｒ、平均粒径２０ｎｍ）と、酸化カルシウム（和光純薬工業Ａ−１２１１２、粉末試薬）とからなる水素発生剤（重量比は１／０．２３／０．０１５）２．８ｇを反応容器に入れ、吸水紙を介して水を供給し、水素ガスを発生させた。この時の水素ガスの発生流量をマスフローメータ（ＫＯＴ−ＬＯＣ製）で測定した結果を、図４に示す。また、処理用燃料電池の水素ガス流路の排出口から、水素ガスが排出されるかについても測定したが、水素ガスは検出されなかった。
【００７６】
また、出力用燃料電池を出力部を介して出力することで、３．７Ｖのリチウムイオン二次電池（容量８００ｍＡ・ｈ）の充電を行った。その際の出力電圧を図４に併せて示す。また、充電に必要な電流から換算した、必要水素流量を図４に併せて示す。
【００７７】
図４の結果から、二次電池を充電するのに十分な量の水素ガスが供給され、１７０分で充電が完了して、出力電圧が上昇していることが分かる。その際、実際の供給水素流量から必要水素流量を差し引いた量が、残余の水素ガスとして最終段の単位セルから排出される。つまり、充電中に生じる過剰に供給された水素ガス、および充電後に生じる不要な水素ガスが排出されるが、これらを全て処理用燃料電池で消費することができ、排出されなかった。
【００７８】
実施例２
実施例１において、出力用燃料電池を３個の単位セルで構成すると共に、水素ガスの供給をボンベから流量を変えながら行ったこと以外は、実施例１と同様にして燃料電池による発電と排ガスの処理を行った。その際、出力用燃料電池に供給する水素ガス流量を、出力用燃料電池から排出される水素ガスの流量が１０ｍｌ／分、２０ｍｌ／分、５ｍｌ／分となるように変化させ、その際の処理用燃料電池のセル温度と、出力用燃料電池の電池出力を測定した。その結果を図５（ａ）〜（ｂ）に示す。また、処理用燃料電池の水素ガス流路の排出口から、水素ガスが排出されるかについても測定したが、何れの条件でも水素ガスは検出されなかった。
【００７９】
この結果から、処理用燃料電池に接続する負荷手段を短絡により行った場合、５〜２０ｍｌ／分のように導入量が変化しても、完全に排ガス処理できることが分かった。その際、処理用燃料電池のセル温度が変化することから、電極反応の反応量が変化していることが分かる。一方、処理用燃料電池による処理量が変化しても、出力用燃料電池の電池出力には、全く影響しないことが分かった。
【００８０】
実施例３
実施例１において、出力用燃料電池を３個の単位セルで構成すると共に、処理用燃料電池に接続する負荷手段を０〜４Ωに変化させたこと以外は、実施例１と同様にして燃料電池による発電と排ガスの処理を行った。その際の負荷手段の抵抗値と、処理用燃料電池の電流密度および水素消費量との関係を図６に示す。この結果のように、負荷手段の抵抗値が小さいほど、水素ガスの処理量が多くなることが分かる。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】本発明の充電装置に用いる単位セルの一例を示す組み立て斜視図
【図２】本発明の充電装置に用いる単位セルの一例を示す縦断面図
【図３】複数の単位セルで構成された本発明の充電装置の一例を示す概略構成図
【図４】実施例１における発生水素流量、出力電圧、及び必要水素流量の経時変化を示すグラフ
【図５】実施例２におけるセル温度及び電池出力の経時変化を示すグラフ
【図６】実施例３における負荷手段の抵抗値と、処理用燃料電池の電流密度および水素消費量との関係を示すグラフ
【符号の説明】
【００８２】
１            固体高分子電解質
２            カソード側電極板
３            アノード側電極板
４            カソード側金属板
４ｃ          開口部
５            アノード側金属板
５ｃ          注入口
５ｄ          排出口
９            流路溝
２０            水素ガス供給手段
２３            出力部
２４            出力用燃料電池
２６            処理用燃料電池
２７            負荷手段
ＵＣ            単位セル
【図１】
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【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】
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