(57)【要約】【課題】燃料供給を特に制御する必要がなく、簡易な装置で好適に二次電池を充電することができ、燃料電池への過負荷も生じにくい充電装置を提供する。【解決手段】燃料を供給する燃料供給手段１０と、その燃料供給手段１０から供給された燃料により発電して出力する燃料電池ＦＣと、その燃料電池ＦＣの出力電圧を所定の電圧に変換して出力する直流電圧変換回路２０と、充電のための電力を出力すべく、前記直流電圧変換回路２０の出力の一方が電気的に接続された出力部３０と、前記直流電圧変換回路２０の出力の他方と前記出力部３０との間に介在し、前記出力部３０からの出力電流が所定の電流値を超えないように制御する電流制御回路４０と、を備える充電装置。【選択図】図１
2007207474.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料を供給する燃料供給手段と、
その燃料供給手段から供給された燃料により発電して出力する燃料電池と、
その燃料電池の出力電圧を所定の電圧に変換して出力する直流電圧変換回路と、
充電のための電力を出力すべく、前記直流電圧変換回路の出力の一方が電気的に接続された出力部と、
前記直流電圧変換回路の出力の他方と前記出力部との間に介在し、前記出力部からの出力電流が所定の電流値を超えないように制御する電流制御回路と、
を備える充電装置。
【請求項２】
前記電流制御回路は、前記直流電圧変換回路の出力の他方と前記出力部との間に直列に接続された電流制御素子を備え、その電流制御素子に流れる電流に応じて変化する検出電圧と基準となる基準電圧とを比較して、電圧差に応じた入力信号により前記電流制御素子に流れる電流を一定以下に制御する請求項１記載の充電装置。
【請求項３】
前記燃料供給手段は水素ガスを燃料として供給するものであり、前記燃料電池は、水素ガスにより発電を行うと共に、出力電流が低下すると水素ガスの消費量を低下させ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、水素ガス等の燃料の供給により発電を行う燃料電池を用いて、二次電池等の充電を行う充電装置に関し、特に、充電の際に燃料電池に過剰な負荷が生じるのを防止する技術として有用である。
【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。
【０００７】
一方、燃料電池を用いた二次電池の充電制御を効率良く行う技術として、下記の特許文献３には、二次電池が所定電圧値に達するまでは定電流充電を行い、所定電圧値に達した場合に定電圧充電に切り替えて充電を行う充電回路を設けた充電装置が開示されている。この充電装置では、充電の初期に二次電池の充電電流を一定にしているため、二次電池に過電流が生じることなく、二次電池の充・放電の耐久性が向上するという効果がある。
【０００８】
しかしながら、上記の充電装置の充電回路では、充電の初期において、充電電圧を変化させて充電電流を一定に制御しているため、燃料電池に要求される電池出力（電力）が変化してしまう。このため、燃料電池への燃料の供給量を制御する必要があり、煩雑な制御操作や複雑な制御機構が必要となっていた。
【０００９】
なお、二次電池を内蔵して外部からの充電が可能な携帯機器では、内部に二次電池の充電回路を備えているのが一般的であるが、ＡＣアダプターのような定電圧・定電流の入力を予定しているため、燃料電池の出力を直接接続する場合、充電の初期に過電流が生じることによって、燃料電池の損傷が生じる可能性がある。
【００１０】
【特許文献１】特開２００４−１９４４３４号公報
【特許文献２】特開２００４−５６９８５号公報
【特許文献３】特開２００５−２９５７０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
そこで、本発明の目的は、燃料供給を特に制御する必要がなく、簡易な装置で好適に二次電池を充電することができ、燃料電池への過負荷も生じにくい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】
【００１２】
上記目的は、下記の如き本発明により達成できる。      
即ち、本発明の充電装置は、燃料を供給する燃料供給手段と、その燃料供給手段から供給された燃料により発電して出力する燃料電池と、その燃料電池の出力電圧を所定の電圧に変換して出力する直流電圧変換回路と、充電のための電力を出力すべく、前記直流電圧変換回路の出力の一方が電気的に接続された出力部と、前記直流電圧変換回路の出力の他方と前記出力部との間に介在し、前記出力部からの出力電流が所定の電流値を超えないように制御する電流制御回路と、を備えることを特徴とする。
【００１３】
本発明の充電装置によると、直流電圧変換回路によって充電電圧を維持しながら、電流制御回路によって充電電流を一定以下に制御できるため、燃料電池に要求される電池出力が変化しにくいので、燃料電池への燃料の供給量を制御する必要性が小さく、煩雑な制御操作や複雑な制御機構が必要でなくなる。また、充電電流を一定以下に制御できるため、充電初期に燃料電池への過負荷も生じにくく、安定した充電電圧・充電電流により、好適に二次電池を充電することができる。その結果、燃料供給を特に制御する必要がなく、簡易な装置で好適に二次電池を充電することができ、燃料電池への過負荷も生じにくい充電装置となる。
【００１４】
上記において、前記電流制御回路は、前記直流電圧変換回路の出力の他方と前記出力部との間に直列に接続された電流制御素子を備え、その電流制御素子に流れる電流に応じて変化する検出電圧と基準となる基準電圧とを比較して、電圧差に応じた入力信号により前記電流制御素子に流れる電流を一定以下に制御することが好ましい。
【００１５】
このような電流制御回路によると、充電用の出力部の出力電流を電圧として確実に検出することができ、基準電圧との電圧差に応じた入力信号によって、電流制御素子に流れる電流を一定以下により確実に制御することができる。その結果、出力部からの出力電流が所定の電流値を超えないように、より確実に制御できるようになる。
【００１６】
前記燃料供給手段は水素ガスを燃料として供給するものであり、前記燃料電池は、水素ガスにより発電を行うと共に、出力電流が低下すると水素ガスの消費量を低下させるものであることが好ましい。
【００１７】
このような燃料電池を用いると、充電の後期に、出力部の充電電流が低下した際に、燃料電池に要求される出力電流が低下しても、水素ガスの消費量が低下することによって、燃料の供給制御を行わなくても、自動的に対応することができるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
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、本発明の充電装置の一例を示す概略構成図であり、図２は、本発明の充電装置に用いられる電流制御回路の一例を示す回路図である。図３〜図４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及び縦断面図である。
【００１９】
本発明の充電装置は、図１に示すように、燃料を供給する燃料供給手段１０と、その燃料供給手段１０から供給された燃料により発電して出力する燃料電池ＦＣと、充電のための電力を出力する出力部３０とを備える。本実施形態では、水素発生剤１１を用いた燃料供給手段１０と、水素供給型の燃料電池ＦＣとを用いる場合の例を示す。
【００２０】
本発明の充電装置は、このような充電装置において、燃料電池ＦＣの出力電圧を所定の電圧に変換して出力する直流電圧変換回路２０と、充電のための電力を出力すべく、前記直流電圧変換回路２０の出力の一方が電気的に接続された出力部３０と、前記直流電圧変換回路２０の出力の他方と前記出力部３０との間に介在し、前記出力部３０からの出力電流が所定の電流値を超えないように制御する電流制御回路４０とを備えることを特徴とする。
【００２１】
直流電圧変換回路２０は、ＤＣ−ＤＣコンバータとも呼ばれており、直流の入力電圧を変換して、電圧のより大きい直流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、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。
【００２２】
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。
【００２３】
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２０を構成することができる。本発明では、特に入力電圧が変動しても出力電圧を一定に制御する出力電圧調整回路を備えた直流電圧変換回路２０が好ましい。つまり、燃料電池ＦＣでは、出力電流が低下すると出力電圧が増加する性質があり、出力電流が低下して電圧が増加しても、直流電圧変換回路２０の出力電圧を維持する観点から、出力電圧調整回路を備える直流電圧変換回路２０が好ましい。
【００２４】
直流電圧変換回路２０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。直流電圧変換回路２０の入力ＶＩＮ＋，ＶＩＮ−は燃料電池ＦＣの電極２，３に接続され、出力ＯＵＴ＋は出力部３０の＋側端子３１および電流制御回路４０の電源Ｖ＋に、出力ＯＵＴ−はグランドされると共に、電流制御回路４０の制御用入力４５に接続される。
【００２５】
直流電圧変換回路２０からの出力電圧は、充電の対象となる機器や内蔵される電池の種類などによって決定される。例えば３．７Ｖ出力のリチウム二次電池を内蔵する携帯電話の場合には、５Ｖ付近の出力電圧が採用される。一方、直流電圧変換回路２０に対する入力電圧は、燃料電池ＦＣの特性や個数によって決定することができるが、５Ｖ付近の出力電圧の場合には、２〜４Ｖの入力電圧とするのが直流電圧変換回路２０の安定動作や効率の点で好ましい。
【００２６】
電流制御回路４０は、出力部３０における出力電流が所定の電流値を超えないように制御するものであり、トランジスタなどの電流制御素子４１を用いるのが一般的である。トランジスタなどの電流制御素子４１を用いる場合、ベース入力電圧などによって電流制御素子４１の電流が制御されるが、当該電流が一定値を超えるとベース入力電圧などが低下するようなフィードバック回路（保護回路としても一般的でる）を設けることによって、出力電流が所定の電流値を超えないように制御することができる。
【００２７】
このようなフィードバック回路としては、受動部品のみで構成することも可能であるが、トランジスタやオペアンプ等の能動部品を用いることが好ましい。更に、より確実な制御を行う上で、オペアンプを用いた電流制御回路４０が好ましい。
【００２８】
一方、本発明における電流制御回路４０は、図２に示すように、直流電圧変換回路２０の出力の他方と出力部３０との間に直列に接続された電流制御素子４１を備え、その電流制御素子４１に流れる電流に応じて変化する検出電圧と基準となる基準電圧とを比較して、電圧差に応じた入力信号により前記電流制御素子４１に流れる電流を一定以下に制御することが好ましい。その際、オペアンプ４４を用いて、電圧差に応じた入力信号を増幅することが好ましい。
【００２９】
図示した例では、電流制御素子４１と直流電圧変換回路２０の出力ＯＵＴ−との間に設けられた抵抗４２によって、電流制御素子４１に流れる電流に応じて変化する検出電圧が生じ、この検出電圧をオペアンプ４４の−側入力に入力する。一方、可変抵抗４３を含む一連の定電圧回路によって、基準となる基準電圧を生成させ、これをオペアンプ４４の＋側入力に入力する。このときの電圧差に応じた入力信号は、オペアンプ４４の増幅機能によって、トランジスタなどの電流制御素子４１のベース入力電圧等を大きく変化させる。このため、出力部３０の電流と同じになる抵抗４２の電流が一定値を超えると、オペアンプ４４に入力される電圧差が小さくなり、その出力電圧、即ち電流制御素子４１のベース入力電圧等が大きく低下し、電流制御素子４１に流れる電流も低下する。これによって、出力部３０における出力電流が所定の電流値を超えないように制御することができる。
【００３０】
なお、図２に示すように、定電圧回路は、抵抗Ｒ１に直列接続された定電圧ダイオードＤの電圧を、抵抗Ｒ２〜Ｒ３に直列接続された可変抵抗４３で所定の電圧として取り出す構成となっている。また、オペアンプ４４には電源供給が必要であり、グランドと直流電圧変換回路２０の出力ＯＵＴ＋とを接続している。
【００３１】
出力部３０における出力電流は、その出力電圧と、燃料電池ＦＣの容量（有効面積などで決まる）や電力特性などに応じて決定される。例えば３．７Ｖ出力のリチウム二次電池を内蔵する携帯電話を充電する場合で、水素供給型の燃料電池ＦＣの容量が３Ｗ程度である場合、出力部３０における出力電流が４００〜６００ｍＡの範囲のしきい値を超えないように制御するのが好ましい。ダイレクトメタノール型などの燃料電池ＦＣの場合、その容量がより小さくなるため、しきい値をより小さい電流値に設定するのが好ましい。
【００３２】
水素供給型の燃料電池ＦＣとしては、図３〜図４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の単数又は複数を備えることが好ましい。
【００３３】
本実施形態では、図３〜図４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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
図４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。
【００５５】
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。
【００５６】
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）。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
本発明では、以上のような単位セルを１個又は複数個使用して、燃料電池ＦＣを構成することができる。この燃料電池ＦＣでは、電気的には、各々の単位セル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。
【００６０】
単位セルを使用する際、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４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。
【００６１】
本発明における燃料供給手段１０は、燃料電池ＦＣの燃料を供給可能なものであれば何れでもよく、燃料電池ＦＣの種類に応じて、各種の燃料供給手段１０が選択される。例えば、水素供給型の燃料電池ＦＣの場合には、水素発生剤や水素吸蔵合金を用いた燃料供給手段が採用され、燃料供給手段は水素を収容する圧力容器などでもよい。また、ダイレクトメタノール型の場合には、液体の供給系や流量制御系などで燃料供給手段１０が構成され、メタノール改質型の場合には、改質器などが更に付加される。
【００６２】
本発明において、小型の充電装置を構成する場合、水素発生剤を用いた燃料供給手段１０と、水素供給型の燃料電池ＦＣとの組合せが特に好ましい。本実施形態では、水素発生剤１１を用いた燃料供給手段１０の例を示す。
【００６３】
本実施形態の燃料供給手段１０は、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。また、燃料電池ＦＣ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。
【００６４】
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。
【００６５】
燃料供給手段１０である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１１などを反応容器１２内に備え、これにより燃料電池ＦＣ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。
【００６６】
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。
【００６７】
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燃料電池ＦＣとは、水素供給管で連結されており、発生した水素ガス（Ｈ２）が燃料電池ＦＣの単位セルのアノード側空間に供給される。
【００６８】
本発明の充電装置は、例えば図１に示すように、リチウムイオン二次電池５３を内蔵する携帯電話５０を充電するのに使用することができる。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。
【００６９】
一般的に、図１に示すように、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、コネクタ５１を介して出力部３０からの電力が携帯電話５０に供給される。携帯電話５０の充電回路５２は、ＡＣアダプターのような定電圧・定電流の入力を予定しているため、本発明の充電装置を接続することによって、充電の前半では、定電流かつ定電圧の充電が行われ、後半では定電圧での充電が行われる（図５参照）。その際、リチウムイオン二次電池５３等には、充電回路５２によって制御された、電圧・電流が印加される。
【００７０】
充電回路５２としては、二次電池５３等に応じて、充電電圧を変化させるものが一般的である。
【００７１】
本発明の充電装置は、燃料供給を特に制御する必要がなく、簡易な装置で好適に二次電池を充電することができ、燃料電池への過負荷も生じにくいので、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。
【００７２】
［他の実施形態］
（１）前述の実施形態では、水素供給型の燃料電池を用いる例を示したが、本発明に用いられる燃料電池ＦＣとしては、燃料により発電可能な燃料電池ＦＣであれば何れでもよく、例えばメタノール改質型、ダイレクトメタノール型、炭化水素供給型などが挙げられる。その他の燃料を用いる燃料電池も各種知られており、それらを何れも採用できる。
【００７３】
（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。
【００７４】
（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。
【００７５】
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。
【００７６】
（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。
【００７７】
（５）前述の実施形態では、携帯電話に充電を行う例を示したが、ノートＰＣ、ＰＤＡ等のモバイル機器の充電にも使用することが可能である。その場合でも、充電に要求される電圧（例えば１２Ｖ）を出力部から出力できるように、直流電圧変換回路の出力電圧が設定される。また、制御される電流のしきい値は、充電の効率などを考慮して、更に高い電流値（例えば０．８Ａ）に設定してもよい。
【００７８】
このように、携帯電話と比較して大きな消費電力を有するモバイル機器の場合、燃料電池の出力電圧をより大きくする方が効率が良く、直列に接続する燃料電池の数を増加させることで対応できる。
【００７９】
（６）前述の実施形態では、充電回路を介して二次電池の充電を行う場合の例を示したが、本発明の充電装置では、出力電流がしきい値を超えないように制御されるため、これを用いて二次電池等を直接充電することも可能である。その場合、例えば、二次電池のフル充電後の出力電圧に対して、１００〜１２０％の電圧を直流電圧変換回路の出力電圧として設定すればよい。また、出力電流のしきい値は、３００〜５００ｍＡに設定すればよい。
【実施例】
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【００８３】
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４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。これを単位セルとし、４個の単位セルを直列（ガスおよび電気）に接続して燃料電池を構成した。
【００８４】
上記の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て、燃料電池に供給した。
【００８５】
更に、上記の燃料電池の出力をステップアップ（ＤＣ／ＤＣ）コンバータ（ＭＡＸＩＭ社製、ＭＡＸ１７０８ＥＥＥ使用）を利用して構成された直流電圧変換回路（出力５．５Ｖ）に入力し、その出力の一方に介在する電流制御回路（図２、オペアンプはＮＳ社製ＬＭ７３０１ＩＭ５）によって、出力部からの出力電流が所定（５００ｍＡ）の電流値を超えないように制御した。そして、出力部には、コネクタを介して、３．７Ｖのリチウムイオン二次電池（容量８００ｍＡ・ｈ）を内蔵する携帯電話を接続し、充電回路を介して充電を行った。
【００８６】
その際、燃料電池の電圧、電流、出力電力、およびＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧、出力電流を測定し、その結果を図５に示した。この充電においては、充電開始から７５分経過時（７０％充電時）に、充電のための電流が低下し始め、１４０分経過でほぼ１００％の充電が完了した。
【００８７】
図５の結果から、７５分経過時までは、充電に要求される電流が５００ｍＡを超える場合でも、それを超えないようにＤＣ／ＤＣコンバータの出力電流が制御されていることが分かる。この出力電流が一定の間、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧も一定に維持され、燃料電池の電圧、電流、出力電力が一定に維持されている。７５分経過後は、充電に要求される電流が５００ｍＡより低くなり、燃料電池の電流が低下するとともに電圧が上昇する。但し、燃料電池の電流が低下しても、水素ガスの消費量が減るだけなので、水素ガスの供給に関する特別な制御は通常必要とされない。
【００８８】
比較例１
実施例１において、電流制御回路を介さずに抵抗を用いて同じ出力電力となるように、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力によって充電を行ったこと以外は、実施例１と同様にして燃料電池の発電による充電を行った。その結果、充電の初期に燃料電池の出力電流が４Ａまで上昇して、燃料電池が過負荷状態となったため、充電を直ちに中止した。
【図面の簡単な説明】
【００８９】
【図１】本発明の充電装置の一例を示す概略構成図
【図２】本発明の充電装置に用いられる電流制御回路の一例を示す回路図
【図３】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４】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５】実施例における各部の電圧、電流、及び出力の経時変化を示すグラフ
【符号の説明】
【００９０】
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
５            アノード側金属板
１０            燃料供給手段
１１            水素発生剤
２０            直流電圧変換回路
３０            出力部
４０            電流制御回路
４１            電流制御素子
ＦＣ            燃料電池
【図１】
2007207474.tif 000003
【図２】
2007207474.tif 000004
【図３】
2007207474.tif 000005
【図４】
2007207474.tif 000006
【図５】
2007207474.tif 000007