JP2004194434A

JP2004194434A - 携帯電話充電器

Info

Publication number: JP2004194434A
Application number: JP2002359950A
Authority: JP
Inventors: Takashi Yamauchi; 尚山内; Masahiro Takashita; 雅弘高下; Masato Akita; 征人秋田; Koichiro Kawano; 浩一郎川野
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2002-12-11
Filing date: 2002-12-11
Publication date: 2004-07-08

Abstract

【課題】直接型メタノール燃料電池を用い、安全性が高く、且つ動作が安定した携帯電話充電器を提供する。
【解決手段】本発明の携帯電話充電器は、直接型メタノール燃料電池を用いて携帯電話に内蔵される二次電池を充電するための携帯電話充電器であって、該携帯電話充電器が、筐体と、該筐体の内部に配置された直接型メタノール燃料電池と、該筐体に配設された該直接型メタノール燃料電池から出力される電力を該携帯電話に供給するための端子部と、該携帯電話を該筐体と所定の間隙を介して装着保持する保持部を少なくとも備え、筐体に携帯電話を装着した場合に筐体と携帯電話とで形成される空間が少なくとも２つの開口を有する空気流通路となるよう構成し、空気供給口となる該空気流通路の開口の実効面積と、空気排出口となる開口の実効面積とが特定の関係となるように携帯電話充電器の構造を決定する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、携帯電話充電器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
携帯電話は、情報化社会を支える重要な電子機器の一つであり、近年急速なスピードで普及し続けている。特に、２００１年には第３世代携帯電話が販売され、高速通信に伴う動画メールのサービスも開始された。また、将来的には、テレビ電話などのサービスも開始されると考えられている。さらに、これらのサービスを充実させるために、携帯電話のディスプレイにも、その美しさ、応答速度の速さが要求される様になり、ＴＦＴ液晶が搭載されつつある。しかしながら、携帯電話に搭載される機能の増加に伴い、消費電力も著しく増加している。従来の携帯電話の電源としては、通常リチウムイオン２次電池が用いられているが、例えば、第２世代携帯電話においては、１日１５分の通話と２３時間４５分の待ち受け状態において６日間使用可能であったものが、現状の第３世代携帯電話では、同様な使い方において２日間しか使用できなくなっている。この問題は、高速通信を行なうための回路におけるデジタル信号処理の問題に起因しており、将来的に回路の大幅な改良が行われたとしても、消費電力を第２世代携帯電話程度までも減少させることは困難であると言われている。さらに、将来、有機ＥＬ液晶のディスプレイが普及すると、消費電力は、第２世代携帯電話の一桁増になると考えられている。
【０００３】
この様な状況を踏まえ、携帯電話に内蔵されるリチウムイオン２次電池（ＬＩＢ）の容量を増大させる試みも行なわれている。リチウムイオン２次電池の容量を増大させるためには、電池内部に蓄えられる（伝導に寄与する）リチウムイオンの数を増大させる必要があり、即ち、電極活物質を多く詰め込むことが必要である。ところで、カソード電極内部の空隙に充填する活物質（ＬｉｘＣｏＯ_２）の量を増加させると、カソード電極内部でのリチウムイオンの実効的な化学拡散係数を低下させることになり、このことは、リチウムイオン２次電池の大電流における放電容量を低下させることになる。実際の携帯電話用途では、２Ｃ（１．２Ａ）程度までの電流において容量が８０％以上を維持することが必要であり、現状以上に活物質を詰め込むと、この条件が満たされなくなってしまう。
【０００４】
二次電池の容量を増加させる他の方法として、他の活物質材料、例えば、ＬｉｘＮｉＯ_２を用いることも検討されている。この材料は、４．２Ｖの電圧における組成比が０．３程度であり、充放電に利用できる組成比の範囲がＬｉｘＣｏＯ_２と比較して大きく、放電容量の増大が期待されが、このＬｉｘＮｉＯ_２を電極活物質として用いたとしても、現状のリチウムイオン２次電池のエネルギー密度を２倍以上に増大させることは困難である。
【０００５】
以上のように、携帯電話に内蔵されているリチウムイオン２次電池の容量を増大させるためには、リチウムイオン２次電池の体積を大きくせざるを得ず、結果的に携帯電話自体の重量及び体積を増大させることになる。
【０００６】
この様な状況を鑑みて、燃料電池を利用した、持ち歩き可能な携帯電話充電器が検討されている（特許文献１参照）。
現在、燃料電池としては、幾つかの燃料電池が知られている。
水素、酸素を燃料として用いるＰＥＭ（ＰＥＦＣ、固体電解質燃料電池）は、電気自動車への応用という点から最近注目されているが、水素という気体を燃料として用いるため、燃料容器が大きくなることが欠点であり、圧縮水素（２５０ａｔｍ）、液体水素、水素吸蔵合金を利用する必要が出てくる。しかし、携帯電話充電器応用に関しては、いずれの燃料形態を用いたとしても、燃料容器自体の重さ、さらには安全性の問題を生じるため不適当であると考えられる。
【０００７】
直接液体燃料であるメタノールからプロトンを取り出すことにより発電を行う直接型メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）は、ＰＥＭと比較して出力が小さくなるという欠点はあるものの、燃料容器自体の小型化、軽量化を図ることが可能であるため、携帯電話充電器に適していると考えられる。
【０００８】
図１２に、直接型メタノール燃料電池の起電部単位の一例を示す。アノード基板１２３上に塗布したアノード触媒層１２４からなるアノード電極と、カソード基板１２７上に塗布したカソード触媒層からなるカソード電極と、二つの電極の間に配置される電解質膜１２５から、直接型メタノール燃料電池の起電部単位１２１は構成される。電解質膜１２５には、例えば、高プロトン伝導性をもつナフィオン膜が用いられる。一方、アノード触媒層１２４に用いられる触媒には、例えば、被毒の少ないＰｔＲｕが用いられ、また、カソード触媒層１２６に用いられる触媒としては、例えば、Ｐｔが用いられる。このような直接型メタノール燃料電池においては、アノード触媒層１２４にメタノール水溶液を供給し、触媒反応によってプロトンを発生させ、発生したプロトンが電解質膜１２５を通り抜け、カソード触媒層１２６に供給された酸素と触媒上で反応するという原理で発電が行われる。
【０００９】
実際の直接型メタノール燃料電池発電装置は、図１３に示す様に、起電部単位１２１を１個もしくは複数個電気的に直列もしくは並列に接続した発電部４、アノード触媒層１２３にメタノール水溶液を送液するためのポンプ９やカソード触媒層１２６に空気を送気するためのポンプ８などの補器、および燃料容器５などからなっている。
【００１０】
ところで、この直接型メタノール燃料電池を携帯電話の充電器として用いるためには幾つかの問題点が存在する。その１つとして、直接型メタノール燃料電池は、その出力特性が温度に対して非常に敏感であるという点が挙げられる。
【００１１】
図１４は、２Ｍのメタノール水溶液を０．０６ｃｍ／ｍｉｎで送液を行なった場合の電流電圧特性の温度依存性を測定した結果である。図１４からも分かる様に、直接型メタノール燃料電池で最大出力が得られる動作温度は７０℃付近であり、２０℃程度温度が下がると、アノード触媒層中でのメタノールの拡散速度が低下するために限界負荷電流が減少し、出力密度が低下する。一方、７０℃よりも温度が２０℃程度上がると、アノード触媒層中でのメタノールの拡散速度が高くなりすぎるため、クロスオーバー現象の影響も強められ、著しい起電力の低下を生じてしまう。よって、直接型メタノール燃料電池を携帯電話充電器として利用する場合にも、発電部における反応熱を有効に利用するために、何かしらの断熱構造、もしくは放熱構造を発電部に施すことによって、起電部自体の温度を７０℃に維持する必要が出てくる。さらに、定常動作時において、周辺の環境により発電部の温度自体が高くなる点に関しても配慮をする必要がある。実際には、７０℃±５℃程度に動作温度を維持することが最適であると考えられる。さらには、メタノールの沸点は約６２℃であるため、周辺環境の発熱により燃料容器自体の温度が高くなり、メタノールの気化による燃料容器の破裂、燃料漏れなどの問題にも注意する必要が出てくる。よって、携帯電話充電器として直接型メタノール燃料電池を用いた場合、温度管理は最も重要な問題であり、周辺環境からの発熱による上昇温度が５℃以下になる様にする構造を作成することが必須である。
【００１２】
【特許文献１】米国特許6,326,097 Micro-Fuel Cell Power Devices,Robert G. Hockaday
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、直接型メタノール燃料電池を用い、安全性が高く、且つ動作が安定した携帯電話充電器を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明の携帯電話充電器は、発電部と該発電部に供給する燃料を収容する燃料容器を有する直接型メタノール燃料電池を用いて携帯電話に内蔵される二次電池を充電するための携帯電話充電器であって、
該携帯電話充電器が、筐体と、該筐体の内部に配置された直接型メタノール燃料電池と、該筐体に配設された該直接型メタノール燃料電池から出力される電力を該携帯電話に供給するための端子部と、該携帯電話を該筐体と所定の間隙を介して装着保持する保持部を少なくとも備え、
該筐体に携帯電話を装着した場合に該筐体と該携帯電話とで形成される空間が少なくとも２つの開口を有し、該空間を空気が流通する空気流通路となるよう構成し、該筐体の底部に近接して位置し、空気供給口となる該空気流通路の重力方向の開口の実効面積Ａ_０（ｃｍ^２）と、該筐体の上部に位置し、空気排出口となるこれと対向する方向の開口の実効面積Ａ（ｃｍ^２）とが下記数式（２）を満たすようにすることを特徴とする携帯電話充電器である。
【数２】

但し、ｈは前記空気排出口と前記空気供給口の実効距離（ｃｍ）である。
【００１５】
前記本発明において、前記携帯電話に内蔵されている二次電池としては、リチウムイオン二次電池であることが好ましい。
【００１６】
また、前記本発明において、前記携帯電話充電器において、該携帯電話充電器を空気供給口が重力方向に位置するように配置した場合、前記充電器内部に収容されている直接型メタノール燃料電池を構成する前記発電部が前記燃料容器より下側に位置するよう配設したことを特徴とする。
【００１７】
さらに、前記本発明において、前記携帯電話の充電電力入力端子部と、前記直接型メタノール燃料電池から出力される電力を該携帯電話に供給するための端子部との接続が、伸縮可能なコードで行われることを特徴とする。
【００１８】
上記本発明において、携帯電話の背面部分に充電器を装着した状態において、携帯電話に配設されているマイク側を下にして床に垂直に立てた時、一意的に決まる充電器の位置を、本発明においては、充電器の正位置と定義する。携帯電話と充電器の間に設けた間隙に形成した空気供給もしくは空気排出のための開口の実効面積を、その開口の縁で囲まれた２次元曲面の中で面積が最小となる曲面の面積と定義する。さらに、各開口に関して実効面積が定義される曲面上の任意の点（ｘ，ｙ，ｚ）に対して、下記数式（３）を定義し、開口の中心（ｘ’、ｙ’、ｚ’）とする。但し、ｙは重力方向に取ることとする。
【数３】

【００１９】
開口の数をＮとした場合、すべての開口の中心のｙ座標の平均値、すなわち下記数式（４）により定義されるｙ’_ｍに対して、ｙ_ｉの値が大きくなる開口を空気供給口、小さくなる開口を空気排出口と呼ぶことにする。
【数４】

【００２０】
即ち、自然対流を用いて放熱をおこなうので、重力方向と逆向きに空気が流れるという現象に基づき、空気供給口と空気排出口を定義したことになる。
【００２１】
さらに、この定義により決定した空気供給口の数をＭとした場合に、下記数式（５）によって定義されるｙ’_ｓと、同様に定義される空気排出口に関するｙ’_ｅの差を、本特許においては、空気供給口と空気排出口の実効距離ｈとして定義することにする。
【数５】

【００２２】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
本発明に係る第１実施の形態である携帯電話充電器における数式（１）を導出するための原理を、以下に説明する。
図１に、正位置にある第１の携帯電話充電器の一例を示す。さらに、立体図として表した図が図２である。さらに、図１における第１の携帯電話充電器における空気の流れを示した図が、図３および図４である。
前記空気流通路を通過する空気の流れが、十分ゆっくりとした流れとすれば、流体の運動方程式は、等温過程における気体の状態方程式を仮定することにより、以下の式により与えられる。
【数６】

【００２３】
但し、充電器と携帯電話の隙間の温度をＴ、その温度における空気の密度をρとした。図１に示す様に、空気供給口６の実効面積をＡ_０（ｃｍ^２）、空気排出口７の実効面積をＡ（ｃｍ^２）、空気供給口６と空気排出口７の実効距離をｈ（ｃｍ）、重力定数をｇ（ｃｍ／ｓｅｃ^２）、空気の平均分子量をＭ（＝２８．８）、外気の温度をＴ_０（＝３００Ｋ）、外気温度における空気の密度をρ_０（＝１．４×１０^−３ｇ／ｃｍ^３）、空気供給口から入る空気の流速をｕ_０（ｃｍ／ｓｅｃ）、空気排出口７から排出される空気の流速をｕ（ｃｍ／ｓｅｃ）とすることにより、数式（６）の解は以下の式で与えられる。
【数７】

【００２４】
更に、以下の質量保存則が成立する。
【数８】

【００２５】
よって、数式（７）及び数式（８）をｕに関して解くことによりｕの式が与えられる。
【数９】

【００２６】
よって、数式（９）を用いることにより、自然対流による放熱量は、以下の式で与えられることになる。
【数１０】

【００２７】
但し、Ｃｐは空気の定圧比熱（＝１．０Ｊ／ｇ／ｓｅｃ）である。数式（１０）で与えられる放熱量と携帯電話１の中のＬＩＢ（リチウムイオン二次電池）１０１を充電することにより発生する発熱量Ｗ（Ｊ／ｓｅｃ）を等しくとることにより、定常状態における温度差ΔＴ（＝Ｔ−Ｔ_０）が決定される。また、ΔＴを用いることにより、空気供給口の実効面積Ａ_０は、以下の式により記述される。
【数１１】

【００２８】
数式（１１）は、空気供給口と空気排出口の実効面積の比を与えるものである。さらに、数式（１０）において、ΔＴ＜＜Ｔ_０であることを考慮すれば、空気供給口の断面性Ａ_０の範囲を与えることができる。
【数１２】

【００２９】
次に、携帯電話に内蔵されたリチウムイオン２次電池から発生する発熱量Ｗを計算する。カソード極中のリチウムイオンの実効的な化学拡散係数をＤとすると、カソード極中でのリチウムイオンの伝導は、以下の式により記述される。
【数１３】

【００３０】
上記数式（１２）を解くことにより、カソード極中のリチウムイオン分布が得られる。
【数１４】

【００３１】
ここで、ｚ＝０が電解液／カソード極界面であり、カソード極厚をＬ、Ｃ_０をカソード極中の平均のリチウムイオン濃度、リチウムイオン２次電池に流す電流密度をｊ_０とした。さらに、カソード極のＬｉｘＣｏＯ_２の実効的なモル体積Ｖｍ（＝２０ｃｍ^３／ｍｏｌ）を用い、数式（１４）で与えられるリチウムイオン濃度を組成比に直すことができる。よって、リチウムイオン２次電池の起電力は、以下の式で表される。
【数１５】

【００３２】
さらに、カソード極中で生じる拡散分極によって生じる発熱量Ｗは、以下の式によって与えられる。
【数１６】

【００３３】
但し、Ｓはリチウムイオン２次電池の電極シートの面積、Ｆ（＝９６４８５Ｃ／ｍｏｌ）である。例えば、６００ｍＡｈの容量を持つリチウムイオン２次電池では、１５０ｃｍ^２の面積の電極シートに厚さ４０μｍの電極を、両面塗工することによって作成する。よって、このリチウムイオン２次電池を０．５Ｃの電流で充電を行なうと、カソード極に流れる電流密度ｊ_０は１ｍＡ／ｃｍ^２であり、（ＶｍＣｉ（０）／Ｆ−ＶｍＣ_０）／Ｆは、以下の値となる。
【数１７】

【００３４】
さらに、図１１からも分かる様に、開回路電位の組成比依存性は、組成比０．５５以上１以下の範囲でほぼ直線的であり、組成比が０．０２７異なることによる起電力の差は０．０５Ｖ程度と考えられる。よって、容量６００ｍＡのリチウムイオン２次電池を、通常の充電電流である０．５Ｃで充電を行なうと、発熱量Ｗは、数１６より３０ｍＷと計算される。言うまでもなく、充電電流が小さければ、リチウムイオン２次電池から発生する発熱量は小さくなる。しかし、リチウムイオン２次電池を高速で充電するという要望を鑑みると、０．５Ｃの電流で充電を行なう必要があると考えられ、逆に、０．５Ｃ充電の場合の発熱量に関する放熱の対策を講じておけば、それより低い電流による充電の場合に関しても十分対応可能となる。また、この発熱量は、１ｃｍ^３の空気を、１ｓｅｃ当たりに２１Ｋ上昇させるのに匹敵する熱量である。よって、リチウムイオン２次電池及び充電器の間で放熱を行なわなければ、充電器内部の燃料容器及び直接型メタノール燃料電池の温度が上昇し、出力の不安定さ及び安全性の問題を生じることが予想される。そこで、数式（１２）の両辺に、リチウムイオン２次電池の発熱量Ｗ＝０.０３Ｗ及びＡＴ＝５Ｋを代入することにより、上記数式（１）が得られることが明らかである。
【００３５】
次に、図１に示した携帯電話充電器２における空気の流れを、図３、図４を用いて説明する。保持部３、携帯電話１及び充電器２で囲まれた空間が、前記空気流路であり、側面において保持部３が形成されていない部分が空気流通開口となる。即ち、図４にある様に、保持部３が上端まで形成されている場合には、上端が空気排出口７となり、下端の二つの流通開口が空気供給口６となる。また、定義に従い、空気供給口６が２個対称にあるので、それぞれの実効面積はＡ_０／２である。さらに、図４の場合は、保持部３が上端まで来ていない場合であり、太線で記した領域が空気排出口７となる。さらに、空気供給口６を保持部３に作成してあり、下記数式（１８）により実効面積および実効距離が定義されることになる。
【数１８】

【００３６】
いずれの場合にしろ、空気は重力方向とは逆に流れ、隙間内部の空気を放熱することに寄与する。この現象は自然対流と呼ばれ、空気排出口の実効面積Ａ及び空気供給口の実効面積Ａ_０が上記数式（１）を満足すれば、隙間内部の温度上昇を５Ｋ以下に抑えることが可能となる。よって、直接型メタノール燃料電池の温度上昇も５Ｋ以下に抑えられるので、燃料容器の温度上昇による破裂、直接型メタノール燃料電池の出力低下を抑制することが可能となり、本実施の形態の充電器は、安全性及び出力の安定性が高い携帯充電器である。
【００３７】
（第２の実施の形態）
次いで第２の実施の形態である携帯電話充電器に関して説明を行なう。この実施の形態の携帯電話充電器は、図３及び図４に示した様に、携帯電話充電器を正位置に置いた場合、直接型メタノール燃料電池発電装置を構成する燃料容器５及び発電部４は重力方向に対して、発電部４が燃料容器５よりも下側に配置することを特徴としている。
【００３８】
図１２で示した様に、直接型メタノール燃料電池においては、アノード電極における反応により生成される二酸化炭素及びカソード電極で消費されなかった空気を生成する。これらの気体を発電装置内部に閉じ込めておくことができないので、充電器の外部へ排出する必要がある。また、直接型メタノール燃料電池を最適動作させるための温度は７０℃近傍であるので、カソード電極で生成する水及び未反応のメタノールなどが、余剰の空気に混じって排出されることになる。さらに、アノード電極から排出される二酸化炭素に対しても、気化したメタノールや水が混入していると考えられる。大気中に放出できるメタノール量は２５０ｐｐｍと規定されているだけでなく、水蒸気を大気中に放出すると、携帯電話表面で水が結露することが考えられ、携帯電話の故障の原因となる。
【００３９】
この問題を解決させるためには、発電部において発生した気体を、燃料容器中の液体と気液接触させてから排出すれば良い。何故なら、水蒸気やメタノールは、メタノール水溶液に対する溶解度が空気や二酸化炭素と比較して非常に高いため、メタノール水溶液に溶け込むと考えられるからである。この様な機構を作成するためには、燃料容器を発電部の上側に配置した方が、気体の浮力を利用できて有利である。また、燃料供給という面から考えても、重力を利用して送液が行えるので、圧力損失を見かけ小さくすることが可能となる。
【００４０】
（第３の実施の形態）
さらに第３の実施の形態である携帯電話充電器に関して説明を行う。この実施の形態の携帯電話充電器は、図５に示す様に、携帯電話１と充電器２のコネクタ部分５１に伸縮可能なコード５２が装着されていることを特徴としている。
携帯電話１の背面部分に充電器２を装着していると、着信時などに携帯電話をはずしやすい様な構造にする必要がある。そのため、電気的に携帯電話と充電器を接続するコネクタ部に差込み式のコネクタを用いていると、容易に取り外しができないため用いることができない。よって、通常のＡＣアダプタからの充電器と同様、接触させておく以外に方法がない。一方、第１及び第２の携帯電話充電器は、持ち運び可能であるため鞄などの中でも携帯電話の充電に利用される可能性が高い。しかしながら、接触させておくだけの充電方法では、歩いている際の振動などによって容易に外れてしまうため、安定した充電を行うことができない。よって、これらの問題を解決させるためには、携帯電話に差込み式のコネクタで充電を行い、コネクタと充電器の間に伸縮可能なコードを用いれば、着信時などに携帯電話を取りやすいだけでなく、外部の振動にも耐え、安定した充電を行うことが可能である。さらに、充電器を鞄に取り付けておけば、最近問題となっている携帯電話の落下による故障の問題を解決することが可能である。
【００４１】
【実施例】
（実施例１）
＜起電部単位の作製＞
公知のプロセス（Ｒ．Ｒａｍａｋｕｍａｒｅｔａｌ．Ｊ．ＰｏｗｅｒＳｏｕｒｃｅｓ６９（１９９７）７５）により、アノード用触媒（Ｐｔ：Ｒｕ＝１：１）担持カーボンブラックとカソード用触媒（Ｐｔ）担持カーボンブラックを作製した。触媒担持量は、カーボン１００に対して重量比でアノードは３０、カソードは１５とした。前記プロセスにおいて作製したアノード用触媒担持カーボンブラックにパーフルオロカーボンスルホン酸溶液（Ｄｕｐｏｎｔ社Ｎａａｏｎ溶液ＳＥ−２００９２）とイオン交換水を添加し、前記触媒担持カーボンブラックを分散させてペーストを調製した。アノード集電体１２３としての撥水処理済カーボンペーパーＴＧＰＨ−１２０（Ｅ−ＴＥＫ社製）の上にペーストを５５０μｍ塗布し、乾燥させ、アノード触媒層１２４を形成することによりアノード電極を得た。前記プロセスにおいて作製したカソード用触媒担持カーボンブラックにパーフルオロカーボンスルホン酸溶液（Ｄｕｐｏｎｔ社Ｎａｆｉｏｎ溶液ＳＥ−２００９２）とイオン交換水を加え、前記触媒担持カーボンブラックを分散させてペーストを調製した。カソード集電体１２７としての撥水処理済カーボンペーパーＴＧＰＨ−０９０（Ｅ−ＴＥＫ社製）の上にペーストを２２５μｍ塗布した後、乾燥させ、カソード触媒層１２６を形成することにより、カソード電極を得た。アノード電極のアノード触媒層１２４とカソード電極のカソード触媒層１２６の間に、電解質膜１２５としての市販のパーフルオロカーボンスルホン酸膜（Ｄｕｐｏｎｔ社Ｎａｆｉｏｎ１１７）を配置し、これらにホットプレス（１２５℃、５分間、５０ｋｇ／ｃｍ^２）を施すことにより、アノード電極、電解質膜及びカソード電極を接合し、起電部単位１２１を得た。起電部単位中のアノード触媒層の断面積Ｓは、１０ｃｍ^２であった。また、起電部単位を切断し、断面積を電子顕微鏡で観察したところ、アノード触媒層の厚さＬは１０５μｍで、カソード触媒層の厚さは５０μｍであった。また、この電子顕微鏡観察により、アノード電極と電解質膜とカソード電極との接合状態が良好であることを確認することができた。
【００４２】
＜起電部単位の出力密度の測定＞
図８及び図１３に示すように、作製した起電部単位をカーボン製のセパレータに装着し、ネジで締め付けることにより密閉した。セパレータにはシリコンラバーヒーターが装着されており、市販の温度コントローラーを用いて、ホルダー内部が常時７０℃になる様に温度制御した。ところで、アノード電極側に位置するセパレータ１２２には、前述した図６に示すような形状のアノード流路６４が形成されている。アノード流路６４のメタノール供給口６２に供給チューブを接続すると共に、アノード流路６４のメタノール排出口６３に排出チューブを接続した。燃料容器５に収容されている濃度３Ｍのメタノール水溶液を、市販の送液ポンプ９を用いて送液し、供給チューブ及びメタノール供給口６３を通してアノード流路６４に供給した。アノード集電体１２３であるアノードカーボンペーパーに浸み込まなかったメタノール水溶液を、メタノール排出口６３を通して排出チューブから排出した。一方、カソード電極側に位置するセパレータ１２８にも、アノード流路と同様な形状のカソード流路が形成されている。カソード流路の酸化剤供給口に供給チューブを接続すると共に、カソード流路の酸化剤排出口に排出チューブを接続した。市販のエアーポンプを用いて空気を送気し、供給チューブ及び酸化剤供給口を通してカソード流路に供給した。空気の流量は，市販のマスフローコントローラーを用いて調整した。送液は０．０１μＬ／ｍｉｎから６ｍＬ／ｍｉｎまでの範囲で調整可能であり、送気は２０ｍＬ／ｍｉｎから５Ｌ／ｍｉｎの範囲で調整可能であることを確認した。また、負荷には市販の電子負荷機を用いた。さらに、電圧検出手段には、市販のデジタルマルチメーターを用いた。０．１ｍＬ／ｍｉｎのメタノール流量、また１２０ｍＬ／ｍｉｎの空気流量を供給したところ、図７の電流電圧特性が得られた。およそ１００ｍＡ／ｃｍ^２の電流密度で０．３Ｖの電圧が得られ、出力密度は３０ｍＷ／ｃｍ^２となることが分かった。
【００４３】
＜発電部の作製＞
起電部単位１２１を５枚作成し、それぞれについて上記測定を行い、どの起電部単位からも３０ｍＷ／ｃｍ^２以上の出力密度が得られることを確認した後、流路板を挟んで、５枚の起電部単位を直列に並べた。流路板は、１枚の板の両面に、図６に示した様な流路構造を作成し、それぞれアノード電極及びカソード電極の流路として用いられる様に工夫した。また、起電部単位の端の部分には、燃料や空気の漏れがない様に、フッ素樹脂によるシール材を取り付けた。最後に、ネジで締め付け、５枚の起電部単位を、電気的に直列に接続した。さらに、各起電部単位に対して、並列に送液、送気が行える様に配管の接続を行った。最後に、厚さ２ｍｍの発泡スチロールで囲い、断熱を行なった。この様にして作成した発電部に関して、室温で電流電圧特性の測定を行った。０．５ｍＬ／ｍｉｎのメタノール流量、０．６Ｌ／ｍｉｎの空気流量を供給したところ、最初の２０分間は、０．３Ａまでの電流しか取ることができなかったが、ステップ状に電流を増加させ、１０分かけて１Ａの電流が取れる様になった。また、１Ａの電流において、１．４Ｖの電圧が得られ、起電部単位の測定結果から予測される約１．５Ｗに近い出力が得られることを確認した。よって、断熱を行なうことにより、発電部内部の温度も約７０℃に上昇することができた。
【００４４】
＜直接型メタノール燃料電池発電装置の作製＞
作製した発電部に供給チューブ８２と排出チューブ８３を取り付け、供給チューブ８２には、市販の送液ポンプ９（大きさ３．５ｃｍ×３．５ｃｍ×０．５ｃｍ、消費電力０．０２Ｗ、圧電式ポンプ、吐出圧１５ｋＰａ、無負荷状態５０ｍＬ／ｍｉｎ）を取り付けた。さらに、図８にある様に、供給チューブ８２と排出チューブ８３を燃料容器５に取り付けた。燃料容器５には３Ｍのメタノール水溶液１０ｍＬを収容したが、図８にある様に、可動な仕切り板８４を設け、もう一方には、アノード電極及びカソード電極から排出される液体を吸収することが可能な高分子吸収剤８５を収容した。さらに、排出される水やメタノールには、余剰の空気及び反応によって生成した二酸化炭素も混じって燃料容器５に回収されるので、気体を外部へ排出できる様に逆止弁８６を取り付けたチューブを接続した。また、送気用ポンプ８としては、市販の大きさ１．５ｃｍ×２．６ｃｍ×３ｃｍ、消費電力０．２Ｗ、吐出圧力３ｋＰａ、１Ｌ／ｍｉｎ（無負荷状態）のポンプを使用した。よって、発電部から得られる電力１．５Ｗのうち、ポンプの消費電力を差し引いた分１．２８Ｗが、実質的に直接型メタノール燃料電池発電装置から取り出せる出力となった。さらに、リチウムイオン２次電池を充電するため、ＤＣ−ＤＣコンバータを含めた回路を作成し、発電部の電圧１．４Ｖを４．２Ｖまで昇圧を行なった。市販のＤＣ−ＤＣコンバータの効率が約９０％であるため、直接型メタノール燃料電池発電装置から実効的に取り出せる出力は１．１５Ｗに下がった。また、電圧４．２Ｖに対する電流は、２．７Ａとなり、６００ｍＡｈの容量をもつリチウムイオン２次電池の０．４５Ｃに匹敵する電流を取り出せることが分かった。さらに、直接型メタノール燃料電池発電装置からリチウムイオン２次電池に充電を行なうために、回路に携帯電話充電器のコネクタを取り付け、完成させた。図９に示した様に、最終的な直接型メタノール燃料電池発電装置（充電器２）の大きさは、９．５ｃｍ×４．５ｃｍ×１．５ｃｍであった。次に、充電を行なう携帯電話１として、ＴＯＳＨＩＢＡ製ａｕＣ５００１Ｔを用いた。本実施例の充電器としては、図９に示した様に、７ｍｍの隙間を作り、高さ６ｃｍの保持部３を取り付けた。空気排出口７の実効面積は６．６５ｃｍ^２であり、空気供給口６の実効面積は１．４ｃｍ^２、さらに、空気供給口と空気排出口との実効距離が７．７５ｃｍとなる。よって、上記数式（１）から得られる空気供給口の実効面積は、６．５７ｃｍ^２以下０．０４ｃｍ^２となるから、本実施例の充電器は上記数式（１）の範囲内にあることが明かである。
【００４５】
（比較例１）
自然放熱の効果を見るために、充電器２とリチウムイオン２次電池１０１の間に隙間を２ｍｍとし、高さ６ｃｍのプラスチック製の保持部３をとりつけた比較例の充電器２を作成した。
【００４６】
＜充電実験＞
上記実施例１および比較例で作成した充電器を用いて、ＴＯＳＨＩＢＡ製ａｕＣ５００１Ｔの充電を行なった。携帯電話１の中のリチウムイオン２次電池１０１の容量は、初期の状態で３００ｍＡｈになっている様に設定した。実施例１と比較例を用いて、同時に充電を開始した。約２０分後燃料容器５が空になっていたので、新しい燃料容器５に交換し、実験を再開した。同様の作業をさらに１回繰り返し、約１時間の充電を行なった。充電後のリチウムイオン２次電池１０１の容量を測定したところ、比較例を用いた場合には、リチウムイオン２次電池１０１の容量が４８０ｍＡｈ、実施例１を用いた場合には、５５０ｍＡｈまで増加していることが確認できた。しかし、比較例を用いた場合には、明らかにリチウムイオン２次電池１０１の容量が小さくなっていた。そこで、実施例１、および比較例に関して、Ｋタイプ熱電対を用いて、表面温度の測定を行なった。比較例は４５度、実施例１は２９度になっていることが分かった。即ち、大気温度が２５度であったので、実施例１に関しては温度上昇が４度以下に抑えられたのに対して、比較例では、１５度温度上昇が起きていた。そのため、比較例では、充電器内部の直接型メタノール燃料電池も温度が上昇し、出力が低下したものと考えられる。これによって、上記第１の実施の形態の発明の有効性が確認された。
【００４７】
（実施例２）
容量６００ｍＡｈのリチウムイオン２次電池の放熱量を測定するために、リチウムイオン２次電池を真空断熱し、０．３Ａの充電電流で充電を行なった。ケーブルとしては、直径０．５ｍｍの銅線を用い、電流を流した。さらに、Ｋタイプ熱電対をリチウムイオン２次電池の表面に接触させ、表面温度の時間経過を測定したところ、発熱量は３２ｍＷであることが分かった。即ち、数１６から得られる発熱量とほぼ一致していることが確認された。
【００４８】
（実施例３）
実施例１で作成した発電部を用いて、実施例３の充電器を作成した。燃料容器、送液ポンプ、送気ポンプ及び回路に関しては、比較例１と同様のものを用いたが、リチウムイオン２次電池１０１側の側面を、図１０の破線で示した様に台形状に加工した。即ち、実施例３では、台形内部が空気排出口７となっている。実効面積は１．２２５ｃｍ^２であり、空気供給口６の実効面積は０．２ｃｍ^２、空気供給口と空気排出口との実効距離は７．７５ｃｍとなり、上記数式（１）から得られる空気供給口の実効面積は、１．２２ｃｍ^２以下０．０４ｃｍ^２以上となるから、上記数式（１）の条件を満足する。
この充電器を用いて実施例１と同様の充電試験を行なったところ、充電後の容量は５４６ｍＡｈであった。空気排出口の実効面積自体は、比較例と比較して５分の１程度であったが、実施例１と同程度の効果を確認することができた。これは、直接型メタノール燃料電池の発電部付近で自然対流を行なっている構造になっているため、放熱の効果が大きかったものと考えられる。
【００４９】
【発明の効果】
直接型メタノール燃料電池を用い、安全性が高く、且つ動作が安定した携帯電話充電器を提供する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の携帯電話充電器の模式図。
【図２】第１図の携帯電話充電器の立体図。
【図３】本発明の携帯電話充電器と携帯電話間の空気の自然対流を表す図。
【図４】本発明の他の携帯電話充電器と携帯電話間の空気の自然対流を表す図。
【図５】本発明の更に他の携帯電話充電器の模式図。
【図６】燃料電池の流路板の模式図。
【図７】実施例１に用いた起電部単位の出力特性を示す図。
【図８】実施例１における充電器の構造を表す図。
【図９】実施例１における充電器の構造を表す図。
【図１０】実施例３における充電器の構造を表す図。
【図１１】ＬｉｘＣｏＯ_２の化学拡散係数及び開回路電位の組成比依存性を表す模式図。
【図１２】起電部単位の構造を表す模式図。
【図１３】標準的な直接型メタノール燃料電池発電装置を表す模式図。
【図１４】直接型メタノール燃料電池の電流電圧特性の温度依存性を測定した結果。
【符号の簡単な説明】
１…携帯電話
２…充電器
３…保持部
４…燃料電池発電部
５…燃料容器
６…空気供給口
７…空気排出口
８…送気ポンプ
９…送液ポンプ
１０…制御回路
５１…コネクタ
５２…伸縮可能コード
６１…アノード側セパレータ
６２…メタノール供給口
６３…メタノール排出口
６４…メタノール通路（アノード流路）
６５…ネジ穴
８１…発電部筐体
８２…供給チューブ
８３…排出チューブ
８４…仕切板
８５…高分子吸収体
９６…逆止弁
１０１…リチウムイオン電池
１２１…起電部単位
１２２…アノード側セパレータ
１２３…アノード集電体（アノード基板）
１２４…アノード触媒層
１２５…電解質膜
１２６…カソード触媒層
１２７…カソード集電体（カソード基板）
１３１…カソード側セパレータ

Claims

発電部と該発電部に供給する燃料を収容する燃料容器を有する直接型メタノール燃料電池を用いて携帯電話に内蔵される二次電池を充電するための携帯電話充電器であって、
該携帯電話充電器が、筐体と、該筐体の内部に配置された直接型メタノール燃料電池と、該筐体に配設された該直接型メタノール燃料電池から出力される電力を該携帯電話に供給するための端子部と、該携帯電話を該筐体と所定の間隙を介して装着保持する保持部を少なくとも備え、
該筐体に携帯電話を装着した場合に該筐体と該携帯電話とで形成される空間が少なくとも２つの開口を有し、該空間を空気が流通する空気流通路となるよう構成し、該筐体の底部に位置し、空気供給口となる該空気流通路の重力方向の開口の実効面積Ａ_０（ｃｍ^２）と、該筐体の上部に位置し、空気排出口となるこれと対向する方向の開口の実効面積Ａ（ｃｍ^２）とが下記数式（１）を満たすようにすることを特徴とする携帯電話充電器。

但し、ｈは前記空気排出口と前記空気供給口の実効距離（ｃｍ）である。
前記携帯電話に内蔵されている二次電池が、リチウムイオン二次電池であることを特徴とする請求項１記載の携帯電話充電器。
前記携帯電話充電器において、該携帯電話充電器を空気供給口が重力方向に位置するように配置した場合、前記充電器内部に収容されている直接型メタノール燃料電池を構成する前記発電部が前記燃料容器より下側に位置するよう配設したことを特徴とする請求項１記載の携帯電話充電装置。
前記携帯電話の充電電力入力端子部と、前記直接型メタノール燃料電池から出力される電力を該携帯電話に供給するための端子部との接続が、伸縮可能なコードで行われることを特徴とする請求項１記載の携帯電話充電器。