JP3118182U - 燃料電池及び電源供給システム - Google Patents

Abstract

【課題】小型化を実現しながらも、大きな電気出力を取り出すことが可能な燃料電池を提供する。
【解決手段】カソード側に空気を取り込むための開口孔４ｃが形成され、発電用に設けられた少なくとも１つの単位セルＵと、この単位セルＵに供給する水素ガスを発生する水素ガス発生ユニット４０と、単位セルＵのアノード側が基板面に位置するように支持される支持基板３０と、この支持基板３０を含む複数の基板を筒状枠となるように結合した基板ユニットと、カソード側に向けて強制的に空気を送り込むための送風用ファン２２とを備えている。基板ユニットは、単位セルＵのカソード側が筒状枠の内側を向くように結合される。
【選択図】図３

Description

本考案は、カソード側に空気を取り込むための開口孔が形成され、発電用に設けられた少なくとも１つの単位セルと、この単位セルに供給する燃料ガスを発生する燃料ガス発生ユニットと、単位セルのアノード側が基板面に位置するように支持される支持基板とを備えた燃料電池及びこれを備えた電源供給システムに関する。

近年のＩＴの発展に伴い、携帯電話、ノートパソコン、デジタルカメラ等のモバイル機器（携帯機器）のほとんどの電源は、リチウムイオン二次電池が用いられている。しかし、これらモバイル機器の高性能化に伴い消費電力がますます増加する傾向にあり、その電源用あるいは充電用として、クリーンで高効率な燃料電池に注目が集まっている。

特に、ノートパソコンや携帯電話のような携帯機器に燃料電池を使用する場合に、携帯性あるいは小型化を維持できるような構造が望まれる。また、燃料電池を機器に装着する場合にも装着の容易性が要求される。

燃料電池を構成する単位セル（燃料電池セル）として、携帯機器等に好適な小型化を実現したものとして、本出願人による特開２００５−２６８１７６号公報により公知である。この単位セルは、板状の固体高分子電解質と、その両側に配置されるカソード側電極板及びアノード側電極板と、これら電極板の更に外側に配置されるカソード側金属板及びアノード側金属板とを備えており、薄型の単位セルを形成している。そして、カソード側金属板には、空気を取り込むための開口孔が多数形成されている。また、アノード側には、水素ガス等の燃料ガスが供給されるように構成されている。

上記のように、カソード側への空気の供給は開口孔を介して自然給気という形で行なわれる。燃料電池からの電気出力の大きさは、取り込まれる空気の量に依存するものであるが、自然給気であるために、取り出せる電気出力の大きさには限界があった。

本考案は上記実情に鑑みてなされたものであり、その課題は、小型化を実現しながらも、大きな電気出力を取り出すことが可能な燃料電池及び電源供給システムを提供することである。

上記課題を解決するため本考案に係る燃料電池は、
カソード側に空気を取り込むための開口孔が形成され、発電用に設けられた少なくとも１つの単位セルと、
この単位セルに供給する燃料ガスを発生する燃料ガス発生ユニットと、
単位セルのアノード側が基板面に位置するように支持される支持基板と、
この支持基板を含む複数の基板を筒状枠となるように結合した基板ユニットと、
カソード側に向けて強制的に空気を送り込むための送風用ファンと、を備えていることを特徴とするものである。

この構成による燃料電池の作用・効果を説明する。燃料電池は発電用に設けられた少なくとも１つの単位セルを備えている。燃料ガス発生部は、燃料ガスを発生し、単位セルに供給される燃料ガス（アノード側）と、開口孔から供給される空気（カソード側）により、電気出力が得られる。単位セルは、支持基板に支持され、支持基板を含む複数の基板により筒状枠を形成する。複数の基板の全てに単位セルが搭載されていても良いし、単位セルが搭載されない基板があってもよい。基板を４枚で筒状枠を形成した場合、筒状枠の断面形状は、正方形あるいは長方形となるが、筒状枠を構成する基板の数については、特に限定されるものではなく、本考案としては、種々の形状を有する筒状枠が考えられる。筒状枠を形成することで、基板ユニットを形成し、組立性の向上を図ることができ、ユニットとしての強度を確保することができる。また、送風用ファンを備えており、空気を強制的にカソード側に向けて送り込むように構成されている。従って、自然給気に比べて多くの空気を単位セルが取り込むことができるので、自然給気に比べて大きな出力を得ることができる。その結果、小型化を実現しながらも、大きな電気出力を取り出すことが可能な燃料電池を提供することができる。

本考案において、基板ユニットは、単位セルのカソード側が筒状枠の内側を向くように結合されることが好ましい。

カソード側が筒状枠の内側を向いているため、送風用ファンによる送風を筒状枠の内側に向けて行なえばよく、送風用ファンの配置構成が容易になると共に、効率よく送風を行なうことができる。

本考案に係る燃料ガス発生ユニットは、筒状枠の内部に配置されると共に、燃料ガス発生ユニットの外形面と、単位セルの開口孔が形成される面との間に送風用通路を形成することが好ましい。

開口孔が形成される面と、燃料ガス発生部の外形面の間に送風用通路を形成し、この通路に送風を行なうことで、開口孔への空気の供給を行なうと共に、外形面を通じて燃料ガス発生部の冷却を行なうことができる。従って、１つの送風用通路で２つの目的を同時に達成することができ、送風通路の構成を簡素化することができる。

本考案に係る送風用ファンは、筒状枠の一端側であって、かつ、筒状枠の内部に取り付けられることが好ましい。

筒状枠の一端側の内部に送風用ファンを設けることで、筒状枠内部にカソード側を向けた単位セルのすべてに対して、効率よく送風を行なうことができる。また、筒状枠の一端側の内部に設けることで、基板ユニットと一体化することができ、組み立て時における取り扱いが容易になる。

本考案において、機器側の電源端子に接続される電源供給端子と、この電源供給端子を搭載した回路基板とを備え、
筒状枠の一端側に、回路基板を接続するためのコネクタを配置することが好ましい。

筒状枠の一端側に回路基板を接続することで、回路全体をユニット化することができる。また、回路基板には、昇圧回路や安定化回路などを搭載することができ、燃料電池が使用される機器の使用に応じて異なる回路基板を容易することができる。回路基板はコネクタを介して接続するため、異なる仕様に対して容易に対応することができる。

上記課題を解決するため本考案に係る電源供給システムは、本考案に係る燃料電池と、この燃料電池により電源供給を受ける機器とから構成されることが好ましい。

機器としては、ノートパソコン、ＰＤＡ、携帯電話等が例としてあげられるが、特定の機器に限定されるものではない。また、燃料電池は、機器の電源端子に直接着脱するものでもよいし、接続コードを介して接続するものでもよい。

本考案に係る燃料電池の好適な実施形態を図面を用いて説明する。

＜第１実施形態＞
まず、第１実施形態にかかる燃料電池の好適な実施形態を図面を用いて説明する。図１は、燃料電池の外観形状を示す斜視図である。燃料電池Ｆは、全体としてスティック状の外観形状を有している。燃料電池Ｆは、本体部２０と、本体部２０の軸方向ｙの一端側に設けられた電源供給端子２１を備えている。電源供給端子２１として、ＵＳＢ端子を例示しているが、その他のタイプの端子を使用してもよい。

本体部２０は、略直方体形状を有しており、１つもしくは複数のケース部材により構成される。本体部２０は、４つの壁面部２０ａを備えており、この壁面部２０ａにより形成される内部空間に、燃料電池Ｆとして必要な機能が搭載される。本体部２０の軸方向一端側には、第１端面部２０ｂが形成され、電源供給端子２１が外部に突出した形で設けられる。本体部２０の軸方向他端側には、第２端面部２０ｃ（図１では見えない）が形成され、水素ガス発生ユニット（燃料ガス発生部に相当）を着脱自在に取り出すための開閉部を構成している。

また、各壁面部２０ａには、開口窓２０ｄが形成されており、この開口窓２０ｄを介して空気を取り込むことができる。詳しくは後述するが、内部にファンを設けており、空気を強制的に単位セルのカソード側に送り込むようにしている。

図２は、図１に示す燃料電池Ｆにおいて、ケース部材を取り外した状態を示す図である。図３は、内部構成を示す分解斜視図である。４つの壁面部２０ａに沿う形で、４つの略矩形の支持基板３０が設けられ、各支持基板３０には単位セルＵ（燃料電池セル）が１つずつ搭載されている。本実施形態では、合計４つの単位セルＵが設けられており、これらを直列接続することで、セル発電部が構成される。４つの支持基板３０を図示のように結合することで、断面が正方形の筒状枠が形成される。この筒状枠の軸方向（ｙ）一端側に、正方形の回路基板３１が取り付けられ、この回路基板３１に、前述の電源供給端子２１が結合される。回路基板３１には、昇圧回路や安定化回路を構成するチップ部品等が搭載され、機器に対して安定した所望の電力を供給することができる。

回路基板３１は、筒状枠に形成される支持基板３０に対して着脱できるように構成される。支持基板３０の軸方向一端側には、オス型の接続コネクタ３２が設けられ、これが回路基板３１側に設けられたメス型の接続コネクタ３３と連結する。回路基板３１により昇圧する場合、何Ｖに昇圧するかは、使用される機器により異なるため、使用される機器の数に対応して回路基板３１を複数種類用意しておくことで、支持基板３０については、共通に使用することができ、低コストで多品種に対応することができる。接続コネクタ３２が配置される場所において、支持基板３０には切欠３０ａが形成され、この切欠３０ａの位置は、空気取り込み用の開口窓２０ｄの位置に対応している。

隣接する支持基板３０どうしは、Ｌ字板３４（連結部材に相当）により結合される。支持基板３０の軸方向他端側には、孔３０ｂが形成されネジ３４ａにより支持基板３０とＬ字板３４とを連結する。これにより、４つの支持基板３０同士を強固に連結し、所望の強度を保持することができる。Ｌ字板３４は金属製であり、支持基板３０同士を機械的に結合するだけでなく、支持基板３０に形成されている電極パターン同士を電気的に接続する機能も有している。従って、支持基板３０の間でパターン同士を接続するための配線接続が不要となり、スペースを有効活用できると共に組立性も向上する。

また、Ｌ字板３４の高さ（厚み）は、支持基板３０に搭載される単位セルＵと同じ程度の高さに収めることができるので、Ｌ字板３４を配置するための特別な空間は必要なく、燃料電池Ｆの小型化に寄与することができる。

支持基板３０は、矩形形状の基板であり、その上に単位セルＵが搭載される。単位セルＵを支持基板３０に取り付けるためのコネクタ３５が設けられる。コネクタ３５は、図示の都合上、図３に１箇所のみ示しているが、各単位セルＵについて設けられる。コネクタ３５には矩形の開口部３５ａが形成されている。この開口部３５ａを設けることで、単位セルＵは空気を内部に取り込むことができる。

＜単位セル（燃料電池セル）＞
まず、本考案に係る燃料電池Ｆに搭載される単位セルＵの好適な実施形態を図面を用いて説明する。図４は、単位セルの一例を示す組み立て斜視図であり、図５は、図４に示す単位セルの縦断面図である。

本考案の燃料電池セルは、図４〜図５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とを備えるものである。また、これら電極板２，３のさらに外側には、カソード側金属板４とアノード側金属板５とが設けられる。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。

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。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。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。

電極板２，３（ガス拡散板）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。

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。

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。本考案では、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。

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。

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。

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。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。

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。

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多数の開口孔４ｃが設けられている。開口孔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、開口孔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。カソード側金属板４の開口孔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孔を設けてもよい。

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。

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。

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。

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。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。

金属板４への開口孔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。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。

図５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。

本考案では、金属板４，５の周縁は、電気的に絶縁した状態でカシメ（プレス曲げ加工に相当）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。本考案では、カシメを行う際、図５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）。

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。

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５に示すものが好ましい。つまり、一方の金属板５の周縁領域５ａを他方の周縁領域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の周縁領域５ａを他方の金属板４の周縁領域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の周縁領域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。

図５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、金属パイプ１０を圧入して取り付けることができる。この金属パイプ１０に対して更に樹脂性パイプ１１挿入することで、ガス供給流路を形成することができる（図５（ｂ）の分解斜視図も参照）。排出口５ｄについても、同じ構成を採用することができる。

また、図５に示すように、金属板４，５には、突出部４ｆ，５ｆが形成されており、これら突出部４ｆ，５ｆの内側に形成される空間には、電極板２，３が収容される。突出部４ｆ，５ｆは、金属板４，５を絞り加工（打ち出し加工）することで形成することができる。

図３に戻り、支持基板３０には、図５に示す樹脂製のパイプ１１を配置するための切欠３０ｃが形成される。これにより、図２に示すようにガス流路を接続するためのパイプ１１を配置することができる。

また、支持基板３０で形成される筒状枠の軸方向一端側には、送風ファン２２（送風手段に相当）が配置される。送風ファン２２は、ちょうど回路基板３１に隣接するように配置され、ネジ３６により、支持基板３０に固定される。送風ファン２２は、汎用のものを使用することができ、中央部にモーター２２ａ、周辺部に送風羽根２２ｂが設けられる。送風ファン２２を設けることで、強制的に空気を単位セルＵの開口孔４ｃに向けて送り込むことができ、これにより、より大きな電気出力を取り出すことができる。また、燃料電池Ｆ内部への空気の取り込みは、前述の開口窓２０ｄを介して行なわれる。

単位セルＵを支持基板３０に結合するためのコネクタ３５について、更に詳細に説明する。コネクタ３５は、枠状押圧部３５ｂを備えており、その中央部には矩形の開口窓３５ａが形成されている。この開口窓３５ａにより、カソード側金属板４に形成された多数の開口孔４ｃが露出する。枠状押圧部３５ｂは、金属板４を支持基板３０の基板面の方向へ押圧する機能を有し、金属板４の外周領域を押圧する。枠状押圧部３５ｂは、金属板４の突出部４ｆ（図５参照）の周囲を押圧するようにしている。これにより、金属板４，５、電極板２，３、固体高分子電解質１の間にも適切な押圧力が作用し、これら部材間の接触を良好に保つようにしている。これにより、摩擦抵抗を減らすことができ、効率よく電気出力を取り出すことができる。

枠状押圧部３５ｂの両側には、一対の脚部３５ｃが一体的に形成されており、支持基板３０に形成されるカソード電極パターンと接続される。また、枠状押圧部３５ｂの四隅において、ネジ３７により支持基板３０にコネクタ３５が結合されるように構成される。すなわち、コネクタ３５には四隅に雌ネジ３５ｄが形成されており、ネジ３７はこの雌ネジ３５ｄに螺合するように構成され、これにより、コネクタ３５を支持基板３０に引き付けるようにして結合する。従って、単位セルＵはコネクタ３５により支持基板３０に対して挟持される形で結合され、機械的及び電気的に接続される。

コネクタ３５の脚部３５ｃの高さは、接続すべき単位セルＵの高さ寸法を考慮して決めることができる。すなわち、適度の押圧力で単位セルＵを支持基板３０に押圧するように設定される。また、脚部３３ｃを設けることで、コネクタ３５としての強度を確保することができる。

コネクタ３５は、真鍮等の金属プレートを曲げ加工することで製造することができ、必要に応じて接触抵抗を減らすためのメッキ処理が施される。コネクタ３５の厚みは０．５ｍｍ程度であり、単位セルＵを含めた全体の厚みが大きくならないようにしている。なお、厚み寸法は、単位セルＵの大きさに応じて設定できるものである。

図示はしないが、支持基板３０には、カソード電極パターン（＋）とアノード電極パターン（−）が形成されている。カソード電極パターン（＋）には、コネクタ３５の脚部３５ｃが接触する。これにより、カソード側金属板４とカソード電極パターンとが電気的に接続される。ネジ３７によりコネクタ３５を結合しているため、パターンとの電気的接触を確実に確保することができる。なお、コネクタ３５と支持基板３０の結合は、上記に限定されるものではなく、ボルト・ナットやハンダ付けにより行なってもよい。

４つの支持基板３０に搭載される４つの単位セルＵは、直列接続されるものであり、隣接する支持基板３０の電極パターンは、前述したように、Ｌ字板３４により電気的に接続される。直列接続することで、出力電圧を大きくすることができる。また、４つの単位セルＵは、カソード側の開口孔４ｃが、筒状枠により形成される内部空間を臨むように配置されている。開口孔４ｃが内部空間の方向へ露出している形になるので、空気をカソード側に取り込みやすい構成となっている。

次に、ガス流路の構成について図６により説明する。図６（ａ）では、ガス流路が直列接続された２つの単位セルＵからなる２つのグループに分けられ、水素ガス発生ユニット４０から発生した水素ガスは、途中で分岐して、夫々のグループに水素ガスが供給される。図６（ｂ）に示す構成例では、４つの単位セルＵのガス流路が直列接続されている。このように、ガス流路は直列接続、並列接続、あるいは直列接続と並列接続の適宜の組み合わせにより構成することができる。

＜水素ガス発生ユニットの構成例＞
次に、水素ガス発生ユニット４０（燃料ガス発生部、以下「ユニット」と省略）の構成例について説明する。このユニット４０は、４つの支持基板３０により構成される筒状枠の内部に形成される空間に着脱自在に配置される。従って、ユニット４０の外観形状も直方体状に形成される。図７は、ユニット４０の構成を概念的に示す図である。

図７（ａ）において、ユニット４０は、水収容部４１と金属収容部４２とを備えており、金属収容部４２内には、アルミニウム等の金属粉末を収容する。水収容部４１内の水を金属粉末と反応させることで、水素ガスを発生させることができる。金属収容部４２の底部には連通孔４２ａが形成されており、この連通孔４２ａを介して水が金属収容部４２内に供給される。また、金属収容部４２の底部には濾紙等の給水紙４３が配置され、安定した状態で水を金属収容部４２内に供給する。連通孔４２ａ及び給水紙４３により、毛細管現象により水を供給するようにし、急激に大量の水が供給されないように構成している。連通孔４２ａの内部にも給水紙を充填してもよい。

また、水収容部４１内には押圧板４１ａが設けられており、スプリング４７により水が連通孔４２ａを介して進入する方向に押圧する。水収容部４１の外観を構成するユニット本体４４の一端側には、パイプ接続端子４４ａが設けられており、樹脂性パイプ１１が挿入される。ユニット４０を燃料電池Ｆの本体部２０から取り出すときには、この部分が切り離される。

図７（ｂ）は、ユニット４０の別実施形態を示すものであり、下部に水収容部４１、上部に金属収容部４２が配置され、その間に水を蒸発させるための空間４６が設けられる。水収容部４１には、給水紙４３が挿入されており、給水紙４３を伝わって上昇した水は、空間４６において加熱されて水蒸気となる。この水蒸気は、メッシュ４５を通過して、金属収容部４２内に収容された金属と反応して水素ガスを発生する。金属としては、純鉄を使用することができ、粉末もしくはタブレットの形態で収容させることができる。水を加熱するための加熱手段は、フィルムヒーターを用いるなど適宜の方法を採用することができる。

なお、水素ガスを発生させるための方法は種々知られており、本考案として、どの方法を採用するかについては、適宜選択することができる。

図８は、水素ガス発生ユニット４０を着脱するときの様子を示す図である。図８に示すように本体部２０の第２端面部２０ｃは、ヒンジ２０ｅにより開閉できるようにする。すなわち、第２端面部２０ｃは開閉扉として機能する。また、係合爪２０ｆが形成されており、本体部２０の内部に形成された係合凹部（不図示）と係合する。係合爪２０ｆを適宜の方法で弾性変形することで、係合解除を行なうことができる。なお、ユニット４０を着脱するための開閉機構としては、種々の変形例が考えられ、図示のものに限定されるものではない。

また、第２端面部２０ｃをなくし、水素ガス発生ユニット４０の端面部４０ａを外観に露出させるように構成してもよい。この場合は、水素ガス発生ユニット４０自身に、係合機構を設けることになる。また、水素ガス発生ユニット４０をスムーズに着脱するためのガイド機構を内部に設けることが好ましい。

図７や図８では、燃料ガス発生部の全体を着脱する構成を説明したが、金属収容部４２のみを着脱する構成を採用してもよい。図７（ａ）の例では、アルミニウムを収容する金属収容部４２のみを着脱可能に構成し、アルミニウムを消費した場合に、金属収容部４２を取り外して、新たなアルミニウムを収容するようにする。水を消費した場合は、水を供給するための供給口を設けて、この供給口から新たな水を供給するようにする。以上の点は、図７（ｂ）の場合も同じようにすることができる。

図９は、燃料電池Ｆを軸方向に垂直な面で切断したときの断面図である。この図からも分かるように、ユニット４０の外形面４０ｂと単位セルＵ（コネクタ３５）との間には、寸法δで示す空間が、ユニット４０の全周に形成されている。この寸法δは１ｍｍ程度に設定され、送風用通路として機能するものである。すなわち、ファン２２を駆動すると、空気はこの送風用通路を通り、単位セルＵの開口孔４ｃに供給される。また、送風は、ユニット４０の周囲も通過することになるため、水素ガスを発生する反応により発生する熱を冷却する方向に作用する。これにより、燃料電池Ｆ内部の雰囲気温度が上昇することを抑制し、発電効率を高めることができる。送風用通路の大きさについては、適宜設定することができる。また、送風用通路を形成できるように、ユニット４０を挿脱するためのガイド機構（不図示）が設けられる。

＜回路構成＞
次に、燃料電池Ｆに搭載される回路の構成について図１０により説明する。燃料電池Ｆを構成する単位セルＵにより構成されるセル発電部５０により、電源供給端子２１を介して電力供給がされるが、セル発電部５０による発電が十分ではないときには、必要な電力を機器に対して供給できないことが有る。例えば、セル発電部５０の立ち上げ時や、大きな負荷が作用したとき、水素ガスを発生するための材料が減少してきたときなどである。そこで、セル発電部５０の他に補助電池として、小型のリチウム電池５１（充電可能な補助電池（二次電池）に相当）を搭載し、セル発電部５０とリチウム電池５１のいずれかを選択的に切替可能に構成する。これにより、セル発電部５０による電力供給が十分に行なわれない場合には、リチウム電池５１を機器に接続するように構成し、常時適切な電力供給を機器に行なうことができるように構成した。

かかる構成を実現するための回路構成を図１０に示す。このような回路は、第１実施形態の例だと、正方形の回路基板３１に搭載することが可能である。もちろん、全ての機能を回路基板３１に搭載する必要はなく、支持基板３０にも一部の機能が搭載されていてもよい。

図１０において、セル発電部５０は、４つの単位セルＵにより構成され、それらが直列接続されている。リチウム電池５１は、充電可能な補助電池に相当するが、リチウム電池５１以外の二次電池を使用してもよい。

電圧検出部５２（検出部に相当）は、セル発電部５０とリチウム電池５１の電圧値を常時監視しており、いずれを電源供給端子２１に接続すべきかをこの電圧値に基づいて判断する機能を有する。本考案に係る検出部としては、電圧値をモニターするのではなく、電流値をモニターするようにしてもよい。リチウム電池５１の電圧レベルは、例えば３．７Ｖ〜５Ｖ程度であり、セル発電部５０の電圧レベルは、例えば、４つの単位セルＵを使用して２．７Ｖレベルである。これら２つの電圧レベルを検出して、相対的な比較を行なうことで、いずれを電源供給端子２１に接続すべきかが判断される。例えば、セル発電部５０の電圧値がリチウム電池５１の電圧値に比べて、あまりに低い状態のときは、リチウム電池５１により電力供給を行なうようにする。

セル発電部５０の出力電圧は、第１昇圧回路５３により機器に適した電圧となるように昇圧される。リチウム電池５１の出力電圧も、同様に第２昇圧回路５４により昇圧される。これら昇圧回路５３，５４は、同じ構成のものを採用することができ、公知のＤＣ−ＤＣコンバータにより構成することができる。

第１スイッチ部５５は、セル発電部５０による電力供給を電源供給端子２１を介して行うための切替機能を備えており、ａ側にスイッチを切り替えることで、セル発電部５０が電源供給端子２１と電気的に接続される。第２スイッチ部５６は、リチウム電池５１による電力供給を電源供給端子２１を介して行なうための切替機能を備えており、ｂ側に切り替えることで、リチウム電池５１が電源供給端子２１と電気的に接続される。これらスイッチ部５４，５５については、例えば、パワーＭＯＳ−ＦＥＴやその他の適宜のスイッチング用トランジスタを用いて構成することができる。

図１０において、第１昇圧回路５３の出力部と第２スイッチ部５６の間にダイオード５７が接続され、この経路は、リチウム電池５１を充電するための充電経路として機能する。すなわち、セル発電部５０による電力供給が行なわれるときには、スイッチはａ側に切り換えられ、リチウム電池５１への充電も同時に行なわれることになる。ダイオード５７を設けることで、リチウム電池５１からセル発電部５０への逆充電を防止すると共に、セル発電部５０による電力供給が行なわれているときに、リチウム電池５１による電力供給が行なわれないようにしている。

切替制御部５８は、電圧検出部５２による検出結果に基づいて、第１スイッチ部５５と第２スイッチ部５６の動作を制御するものであり、セル発電部５０では機器（負荷）を駆動するのに必要な電力供給ができない状態のときは、ｂ側にスイッチ部５５，５６を切り替えることで、リチウム電池５１による電力供給が電源供給端子２１を介して行なわれる。このときは、第２スイッチ部５６の切替により、リチウム電池５１への充電経路も切断される。セル発電部５０により電力供給が可能な場合は、スイッチはａ側に切り替えられる。

キャパシタ５９は、スイッチ部５５，５６の切替動作時に生じるノイズ成分を吸収するために設けられるものであり、例えば、スーパーキャパシタを用いることができる。

また、第１昇圧回路５３の出力部には駆動回路６０が接続されており、ファン２２を回転駆動させる。すなわち、セル発電部５０により発電された電力を使用してファン２２を駆動するようにしているため、水素ガスが供給されて発電が開始されると、ファン２２も回転するようになる。

上記実施形態では、第２スイッチ部５６は、充電経路か電力供給経路のいずれか一方にのみ切り替えられるように構成しているが、いずれの位置でもないニュートラルな状態を取れるように構成してもよい。セル発電部５０により電力供給を行う場合に、機器側の負荷の駆動とリチウム電池５１への充電の双方を行なうことが過負荷状態になることがある。その場合、ニュートラル位置に設定して、リチウム電池５１が回路から切り離された状態にすることができる。

＜実験例＞
次に、ファン２２を設けたことによる効果を実験により確認した。図１１は実験結果を示すグラフである。実験はＡ，Ｂ，Ｃの３種類を行い、実験Ａで使用した燃料電池Ｆは、図１２に示すような構造を有しており、図１等で説明した第１実施形態と異なるのは、単位セルＵを支持基板３０により構成される筒状枠の外側に搭載している点である。また、ファンは設けていない。実験Ｂ及びＣでは、図１等で説明したファン２２を有する構造のものを使用した。実験Ｂでは、ファン２２を回転させずに実験を行い、実験Ｃではファン２２を回転して実験を行った。また、単位セルＵの温度を測定するために、単位セルＵを取り付けるコネクタ３５に温度センサーを取り付けて温度測定を行った。

図１１の実験結果で示すように、ファン２２を回転させた場合（実験Ｃ）は、ファンを駆動しないもの（実験Ａ，Ｂ）に比べて大きな出力（Ｗ）が得られることが分かる。また、セル温度について見てみると、ファン２２を設けることでセル温度が低くなっていることが分かる。

以上の点を考察してみると、ファン２２により強制的に空気を単位セルＵのカソード側に送風できるため、単位セルＵにおける発電効率を高め大きな出力が得られたものと考えられる。また、水素ガス発生ユニット４０の周囲に対しても送風していることになり、ユニット４０内での発熱を抑制することができ、その結果、各単位セルＵが加熱されることを抑制し、この点においても発電効率を高めることができたものと考えられる。ちなみに、実験ＡとＢでは大きな差は見られず、発電効率という面からは、単位セルＵの配置場所は影響を与えないことがわかる。

＜第２実施形態＞
図１３は、第２実施形態に係る燃料電池Ｆの内部構成を示す図である。第１実施形態と異なっているのは、支持基板３０のサイズと、電源供給端子２１の配置である。第１実施形態では、単位セルＵは４つ搭載されているが、第２実施形態では同じ大きさの単位セルＵが６つ搭載されている。また、電源供給端子２１は、支持基板３０の１つに搭載されている。支持基板３０を結合することで筒状枠を構成する点や、筒状枠の内部に単位セルＵを配置する点は同じである。

＜別実施形態＞
燃料電池の実施形態を種々説明したが、本考案は、これら実施形態に限定されるものではない。支持基板３０の枚数について４枚の構成例を説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、３枚の支持基板３０により構成してもよい。３枚の場合は、筒状枠は三角形になる。５枚の場合は、五角形になる。また、搭載される単位セルＵの数についても、特に限定されるものではなく、任意の個数を載せることができる。また、１枚の支持基板３０に搭載する単位セルＵの個数も任意である。燃料電池Ｆが使用される機器に応じて、単位セルＵの個数を決めることができる。また、単位セルＵの大きさについても、適宜決めることができる。

本考案に係る燃料電池Ｆが使用される機器については、携帯機器に特に好適ではあるが、これに限定されるものではなく、種々の機器に対して着脱自在に使用することができる。また、燃料電池Ｆの使用目的も、機器の主電源として使用しても良いし、機器に使用される二次電池を充電する目的で使用してもよい。また、燃料電池Ｆを機器に着脱する場合、直接機器（機器の外部に露出した端子）に装着するのではなく、接続コードを介して機器に接続する場合も、本考案に含まれるものである。また、電源供給端子２１としてＵＳＢ端子を例示したように、機器に対して着脱自在な形で提供することが好ましい。例えば、ＵＳＢ端子に着脱自在に装着可能なメモリと同じような使い勝手とすることが好ましい。

本体部２０の断面形状については、正方形、長方形などの方形に形成した構成例を説明したが、これに限定されるものではなく、種々の形状にすることができる。例えば、六角形や八角形などの多角形にすることができる。また、本体部２０の形状を円筒形や楕円筒形やその他の任意の形状とすることができる。本体部２０の角部には、Ｒ形状を設けてもよい。また、本体部２０にクリップを取り付けて、上着のポケット等に差し込めるようにしてもよい。

本実施形態では、本体部２０に開口窓２０ｄを形成しているが、本考案としては、開口窓２０ｄは必ずしも必要はない。開口窓２０ｄを形成する場合、その形状、配置場所、個数については任意に設定することができる。

なお、本考案として壁面部２０ａに沿って支持基板３０あるいは単位セルＵを配置する場合、すべての壁面部２０ａに対して支持基板３０を配置する構成に限定されるものではない。例えば、図１の構成では、４つの壁面部２０ａの全てに支持基板３０を配置しているが、そのうちの、例えば、３つの壁面部２０ａに沿って単位セルＵを搭載した支持基板３０を配置してもよい。また、支持基板３０の全てに単位セルＵを搭載する必要はなく、単位セルＵを搭載しない支持基板３０が存在してもよい。かかる場合は、支持基板３０に図１０に示す回路を搭載することができる。

第１実施形態にかかる燃料電池の外観形状を示す斜視図 本体部ケースを外した状態を示す斜視図 内部構成を示す分解斜視図 本考案の燃料電池セルの一例を示す縦断面図 要部の構成を示す分解斜視図 ガス流路の構成例を示す図 水素ガス発生ユニットの構成例を示す概念図 水素ガス発生ユニットを着脱するときの態様を示す図 第１実施形態にかかる燃料電池を軸方向に垂直な面で切断したときの断面図 回路構成を示す図 実験結果を示すグラフ 単位セルの配置場所を異ならせた変形例を示す図 第２実施形態にかかる燃料電池の構成を示す図

符号の説明

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 開口孔
５ アノード側金属板
１１ 樹脂性パイプ
２０ 本体部
２０ａ 壁面部
２０ｂ 第１端面部
２０ｃ 第２端面部
２０ｄ 開口窓
２１ 電源供給端子
２２ ファン
３０ 支持基板
３１ 回路基板
３５ コネクタ
４０ 水素ガス発生ユニット
５０ セル発電部
５１ 駆動回路
Ｆ 燃料電池
Ｕ 単位セル

Claims (6)

1. カソード側に空気を取り込むための開口孔が形成され、発電用に設けられた少なくとも１つの単位セルと、
   この単位セルに供給する燃料ガスを発生する燃料ガス発生ユニットと、
   単位セルのアノード側が基板面に位置するように支持される支持基板と、
   この支持基板を含む複数の基板を筒状枠となるように結合した基板ユニットと、
   カソード側に向けて強制的に空気を送り込むための送風用ファンと、を備えていることを特徴とする燃料電池。
2. 基板ユニットは、単位セルのカソード側が筒状枠の内側を向くように結合されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記燃料ガス発生ユニットは、筒状枠の内部に配置されると共に、燃料ガス発生ユニットの外形面と、単位セルの開口孔が形成される面との間に送風用通路を形成したことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池。
4. 送風用ファンは、筒状枠の一端側であって、かつ、筒状枠の内部に取り付けられることを特徴とする請求項２又は３記載の燃料電池。
5. 機器側の電源端子に接続される電源供給端子と、この電源供給端子を搭載した回路基板とを備え、
   筒状枠の一端側に、回路基板を接続するためのコネクタを配置したことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池と、この燃料電池により電源供給を受ける機器とから構成される電源供給システム。

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