JP2006139972A - 燃料電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】 ＤＭＦＣなどの燃料電池と実装基板とを一体化した燃料電池モジュールを提供する。
【解決手段】 燃料電池ユニットとしてのＤＭＦＣユニット５は、ＤＭＦＣ本体６に実装基板８を実装して構成される。実装基板８は、正電極８ａ、負電極８ｂが設けられた両サイドで、ボルトによってＤＭＦＣ本体６のカソード電極２、アノード電極３に固定される。このため、実装基板８とＤＭＦＣ本体６の間に配線を設けずに、ＤＭＦＣ本体６実装基板８上の電子回路に給電することができる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、燃料電池とプリント配線板とを一体化した燃料電池モジュールに関する。

近年、電子技術の進歩によって、携帯電話機、ノート型パソコン、オーディオ・ビジュアル機器、カムコーダ、あるいはＰＤＡ（Personal Digital Assistant）などのような携帯型の電子機器が急速に普及している。こうした携帯電子機器は二次電池によって駆動するシステムが主流であり、その駆動時間を延ばすため、従来のようなシール鉛蓄電池に続き、Ｎｉ／Ｃd電池、Ｎｉ／水素電池、さらには、リチウムイオン（Ｌｉイオン）二次電池など、新型の高エネルギー密度な二次電池が搭載されるようになった。これによって、携帯電子機器はより小型・軽量化が進み、またそれによって携帯電子機器のさらなる高機能化が図られるようになる。エネルギー密度をより一層高めるために、とりわけＬｉイオン二次電池に対して、電池活物質の開発や高容量電池構造の開発が進められ、一充電当りの使用時間がより長い電池電源を実現するための努力が払われている。その結果、従来の二次電池に比べて体積比で数倍の容量向上を実現している。
しかし、二次電池は一定の電力を使用した後には必ず充電操作を行う必要があり、充電設備と比較的長い充電時間が必要となるために、携帯電子機器を長時間に亘って連続的に駆動するためには、電池容量が十分な二次電池を用意して携帯電子機器を使用する必要がある。

また、携帯電子機器の用途として、美術館や博物館などの公共施設で来場者に貸し出し、展示物の説明を行うための携帯型情報端末機器（以下、携帯情報端末と云う）が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１の技術によれば、来場者が持つ携帯情報端末と展示物と間で通信を行い、展示物の説明に関する文字、画像、あるいは音声などの情報を携帯情報端末に表示したり再生したりすることができる。このような用途に利用される携帯情報端末においては、来場者が電池交換できないため、特に、二次電池の電池容量を充分に確保する必要がある。

そのため、携帯電子機器には二次電池のほかに燃料電池を搭載し、燃料電池で二次電池を充電しながら運用することによって二次電池の電池容量を確保する技術も知られている（例えば、特許文献２参照）。燃料電池としては、アノード、電解質膜、カソード、及び拡散層から構成される膜／電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）のアノードで液体の燃料が酸化され、カソードで酸素が還元される燃料電池が知られており、前記の特許文献２の技術では、その代表的な燃料電池としてダイレクトメタノール型燃料電池（以下、ＤＭＦＣと略称）が用いられている。

このようにしてＤＭＦＣなどの燃料電池を使用する場合は、燃料電池の出力側に昇圧用ＤＣ／ＤＣコンバータを接続し、その昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータから充電制御回路を介して二次電池及び負荷に接続して、二次電池の充電及び負荷への給電を行っている。もちろん、負荷への給電電力は二次電池で賄える量を超えた場合、燃料電池側からも供給される。このように、燃料電池はいずれの場合においても、安定した電圧の出力が要求されるが、燃料電池の出力電圧は、極めて不安定なもので出力電流によって大きく上下するため、出力電力を安定化させる昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータが必要となる。このとき、燃料電津と昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータとの間では、電源配線、検出配線、及び制御配線など種々の配線で接続されるため、配線の引き回しが煩雑であり、燃料電池としての取扱性が極めて悪い。

そこで、燃料電池の取扱性を改善するために、プリント配線板等の回路基板に直接実装可能な燃料電池の技術が開示されている（例えば、特許文献３参照）。この技術によれば、多数のセルからなる燃料電池の裏面に、プリント配線板に対して表面実装が可能な形状の端子を配列させている。これによって、燃料電池を他の電子部品と同様にプリント配線板の表面に実装することができるので、燃料電池を電子機器に搭載するときにコネクタや固定機構などが不要となる。したがって、配線の引き回しがなくなって燃料電池の取扱性が改善されると共に、燃料電池とプリント配線板が一体となって電子機器の構造を簡略化かつ小型化することができる。
特開２００２−２５９６１２号公報（段落番号００１１〜００２９、及び図１〜図９参照） 特開２００４−２２７８３２号公報（段落番号００１４〜００４３、及び図１〜図７参照） 特開２００３−２７２６６２号公報（請求項１及び図１参照）

しかしながら、前記の特許文献３に記載された技術は、プリント配線板に燃料電池を表面実装しているので、プリント配線板における燃料電池の実装部分には他の電子部品を搭載することができなくなり、プリント配線板における電子部品の実装効率が悪くなる。また、プリント配線板を燃料電池の実装面積分だけ大きくしなければならないので、結果的に電子機器の小型化を阻害してしまう。さらには、プリント配線板の厚さだけ燃料電池の厚みが増して燃料電池モジュールとしての体積を増加させてしまう。また、燃料電池（ＤＭＦＣ）の端子は耐メタノール性を必要とするため、半田付け不能な材料が多いので端子材料の選定および半田付けがむつかしく、結果的に燃料電池モジュールをコストアップさせる要因となる。さらに、燃料電池は多数のセルが並べられて構成されているが、燃料電池の一面（裏面）には多数の端子を配列させているので、その面（裏面）にセルを有効の並べることができない。つまり、燃料電池の片面側しか有効に使用することができない。

本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであり、ＤＭＦＣなどの燃料電池と燃料電池からの電力供給で動作する電子回路が搭載されたプリント配線板とを一体化したとき、配線が容易にできるうえ、体積の減少を図ることのできる燃料電池モジュールを提供することを目的とする。

そこで、本発明は、外部に発電電力を出力するためのカソード電極とアノード電極とが設けられた燃料電池と、前記燃料電池からの電力供給で動作する電子回路が搭載された実装基板とを備え、前記実装基板は、前記燃料電池のカソード電極とアノード電極に固定されて前記燃料電池に実装され、前記電子回路の正電極と負電極が前記燃料電池のカソード電極とアノード電極に対応した位置に設定され、前記実装基板が前記燃料電池に固定されることによって、前記燃料電池のカソード電極とアノード電極にそれぞれ接続されるものとした。

本発明によれば、燃料電池のカソード電極とアノード電極に実装基板を固定して実装することにより、従来に比べて燃料電池モジュールの体積を縮小することができる。このとき、実装基板において、燃料電池のカソード電極とアノード電極が位置する以外の部位で、電子部品の搭載が可能なため、電子部品の実装効率が悪くなるおそれがない。さらには、電子回路の正電極、負電極が燃料電池のカソード電極、アノード電極と直接に接続されるため、接続するための配線が不要で、配線の取り回しが簡単になる。燃料電池モジュールの取扱性が向上すると共に、配線抵抗分の電圧降下が減少し、より高い電圧で燃料電池から電子回路に出力させることができる。

さらに、燃料電池のカソード電極とアノード電極は、ボルトによって実装基板と固定することができるので、半田付けが不要となるために燃料電池のカソード電極とアノード電極に汎用の耐メタノール性の材料を用いても構わない。また、燃料電池と実装基板は個別になっているので燃料電池の両面に燃料電池のセルを有効に配置することができると共に、燃料電池モジュールの厚さを燃料電池の厚みに抑えることができる。
実装される電子回路としては例えば燃料電池の電圧を安定化させる昇圧ＤＣ／ＤＣコンバータを用いることができる。この場合、燃料電池と昇圧ＤＣ／ＤＣコンバータの間の配線を省くことができ、配線の簡素化と給電系の信頼性の向上を図ることができる。

また、このような燃料電池モジュールは携帯情報端末に使用した場合、携帯情報端末の信頼性の向上と小型化を図ることができる。
携帯情報端末としては、例えば公共施設において来場者に貸し出しするための情報端末機器の場合、燃料電池モジュールと情報端末機器内蔵の二次電池との併用で、小型でかつ長時間利用可能になり、管理側と利用側双方の利便性が向上する。

＜発明の概要＞
まず、本発明における燃料電池モジュール（燃料電池ユニット）の概要について、燃料電池としてＤＭＦＣを用いた場合の概要を説明する。本発明に適用される燃料電池は、図３に示すようにＤＭＦＣ本体６の端部においてカソード電極（＋電極）２とアノード電極（−電極）３が端部から離れた位置で突き出た構造となっている。一方、燃料電池に実装される実装基板８は、中央部分に実装部品９ｂが搭載されて樹脂モールドされた構成となっている。実装部品９ｂとパターン９ａが位置する部品実装領域９の部分がカソード電極２とアノード電極３の間に位置するように両サイドでＤＭＦＣ本体６のカソード電極２とアノード電極３にそれぞれ固定されて実装される。実装基板８の両サイドに実装部品９ｂの正電極８ａと負電極８ｂのパターンが形成されているので、実装によって、正電極８ａがＤＭＦＣ本体６のカソード電極２、負電極８ｂがＤＭＦＣ本体６のアノード電極３に直接に電気接続される。実装した状態では、ＤＭＦＣ本体６の端面と実装基板８の端面との間に、放熱のための隙間２１が形成されている。

＜実施の形態＞
以下、図面を参照しながら、燃料電池としてＤＭＦＣを用いた場合を例に挙げて、本発明に係る燃料電池モジュールの実施の形態について説明する。
図１は燃料電池および燃料電池に実装される実装基板を示す平面図で、図２は燃料電池に実装基板を実装する際の状態を示す斜視図である。なお、図１の（ａ）は上面図で、（ｂ）は側面図である。
ＤＭＦＣ本体６は、図１の（ａ）に示すようにＤＭＦＣ本体６の端部で幅方向の中心振り分けで所定のピッチ間隔でカソード電極２とアノード電極３が突き出た状態で配置されている。カソード電極２とアノード電極３とは図１の（ｂ）に示すようにＤＭＦＣ本体６の厚さ方向に段差が設けられ、それぞれの中央で貫通孔２ａ、３ａが形成されている。
ＤＭＦＣ本体６は、高分子電解質膜を挟んで両側に電極を配置した構成となっている。カソード電極２およびアノード電極３はそれぞれの内部電極から延出した状態で形成されている。ＤＭＦＣ本体６のカソード側の面に空気を取り入れる通気口、アノード側の面には発電する際に生成される生成水を貯留するためのアノードタンク７がそれぞれ設けられている。

実装基板８は、カソード電極２とアノード電極３の両方をカバーし、両端部がＤＭＦＣ本体６からはみ出さないようにした長さを有する。実装基板８の横幅は、搭載する電子部品に応じて適宜に選定する。実装基板８は、カソード電極２、アノード電極３に固定された状態でＤＭＦＣ本体６に実装されるため、図１の（ａ）に示すように、カソード電極２、アノード電極３と固定する両サイドの正電極８ａ、負電極８ｂの領域を除いた中央の部品実装領域９が電子部品の搭載が可能な領域となる。

実装基板８は、図１の（ｂ）において矢印Ｍで示すようにＤＭＦＣ本体６の厚さ方向でカソード電極２とアノード電極３の間に挿入されカソード電極２とアノード電極３に固定される。
実装基板８の両サイドで、カソード電極２と対向する面には正電極８ａ、アノード電極３と対向する面には負電極８ｂが形成され、この正電極８ａ、負電極８ｂの部位には、図１の（ａ）に示すように、ＤＭＦＣ本体６のカソード電極２、アノード電極３のそれぞれの貫通孔２ａ、３ａと対応した貫通孔８２、８３が形成されている。
貫通孔８３は対応するアノード電極３の貫通孔３ａと同じ大きさで形成されるが、貫通孔８２は、対応するカソード電極２の貫通孔２ａの直径と同じ幅で、横長の形状に形成されている。このため、ＤＭＦＣ本体６における貫通孔２ａ、３ａのピッチに対してカソード電極２と実装基板８における両貫通孔８２、８３のピッチに誤差が発生しても、それを補償するための逃げ代が得られる。
また、実装基板８の厚さは、図１の（ｂ）に示すように、カソード電極２とアノード電極３の間隔より小さく設定されている。したがって、実装基板８は、カソード電極２及びアノード電極３に対して傾くことなく、それぞれの正電極８ａ、負電極８ｂをカソード電極２、アノード電極３に密着させてＤＭＦＣ本体６に固定することができる。

なお、実装基板８の正電極８ａ及び負電極８ｂのそれぞれの貫通孔８２、８３の実装基板８のＤＭＦＣ本体６側の端面からの位置は、実装基板８をＤＭＦＣ本体６に実装したとき、ＤＭＦＣ本体６の端面と実装基板８の端面には隙間２１（図３参照）が形成されるように設定されている。

図２において実装基板８の部品実装領域９には、表面（図の下面）には電子部品からなる実装部品９ｂが搭載されていて樹脂モールドされている。また、裏面（図の上面）にはパターン９ａが形成されていて同様に樹脂モールドされる。パターン９ａから外部と接続するためのリード線が延出されリード線の先端にはコネクタ１６が接続されている。
このように電子部品が搭載された実装基板８は、ＤＭＦＣ本体６の厚さ方向でカソード電極２とアノード電極３との間に挿入されて固定されるが、実装基板８の厚さはカソード電極２とアノード電極３の間隔より小さく設定されているため、実装に際して正電極８ａとカソード電極２の間にスペーサ１９を入れ、さらにカソード電極２と正電極８ａの両側にワッシャ２０を挟んで、貫通孔２ａ、８２にボルト１７を通してナット１８で締め付けて固定する。負電極８ｂにおいては、アノード電極３と負電極８ｂの両側にワッシャ２０を設けて、アノード電極３と負電極８ｂの貫通孔３ａ、８３にボルト１７を通しナットで締め付けて固定する。このようにしてＤＭＦＣ本体６に実装基板８が実装されたＤＭＦＣユニット（燃料電池ユニット）５が得られる。
なお、実装基板８のＤＭＦＣ本体６への実装に関してスペーサ１９は必ずしも必須の部品ではなく、実装基板８の厚さがカソード電極２とアノード電極３の間隔と同じ場合には省略可能なものである。

図３は、ＤＭＦＣ本体に実装基板を実装した燃料電池ユニットの外観図である。
図示のように、燃料電池ユニット５においては、図の右側で、上側のカソード電極２に対してスペーサ１９を介して実装基板８の正電極８ａが密着した状態になり、図の左側では、下側のアノード電極３に対して実装基板８の負電極８ｂが密着した状態になる。つまり、カソード電極２とアノード電極３は図１の（ｂ）で示したように段差があり、カソード電極２と正電極８ａの間にスペーサ１９を介在させることにより、実装基板８がＤＭＦＣ本体６のカソード電極２とアノード電極３に対して厚さ方向でほぼ並行に取り付けられるとともに、正電極８ａ、負電極８ｂがそれぞれカソード電極２、アノード電極３と密着して電気接続されることになる。なお、スペーサ１９は例えば金メッキした導電性の良い銅板等を用いることが望ましい。

また、カソード電極２とアノード電極３との間に収納された実装部品９ｂ及びパターン９ａは樹脂モールドを含めて、ＤＭＦＣ本体６と同じ高さとなっている。これによって、ＤＭＦＣ本体６と実装基板８とを効率的に実装構成することができるので、燃料電池モジュールを最小の容積で実現することが可能となる。また、ＤＭＦＣ本体６の端面と実装基板８の部品実装領域９の端面とは隙間２１が空いているので、ＤＭＦＣ本体６と実装基板８は相互に熱干渉を受けることなく、それぞれ独立して効率よく放熱することができる。なお、実装基板８からリード線を介してコネクタ１６が接続されているので、燃料電池ユニットとして、例えば昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータを搭載し、安定した電圧を出力できた場合は、外部の充電制御回路などの電源ユニットに接続することが容易に行われる。

次に、本発明の燃料電池モジュールを携帯型情報端末機器に用いた場合について説明を行う。携帯型情報端末機器は、例えば博覧会などの公共施設で来場者に貸し出し、展示物の説明を行うためのものである。
博覧会では、携帯型情報端末機器を来場者に貸し出し、来場者は携帯情報端端末機器を使用し、展示物との間で通信を行うことによって、展示物の説明に関する文字、画像、あるいは音声などの情報を得る。この場合、携帯型情報端末機器に搭載される二次電池の電池容量を充分に確保するために、使用しながら発電ができる燃料電池を搭載する。この場合、できる限り、携帯型情報端末機器の体積の増大を抑え、配線の簡略化を図るため、本発明にかかる燃料電池モジュールを用い、実装される電子回路としては、二次電池に安定した電力供給のできる昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータを用いた。

図４は、本発明の燃料電池モジュールに適用されるＤＭＦＣと昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータの回路構成図である。
図４に示すように、ＤＭＦＣユニット５に備えられる電気回路として、ＤＭＦＣ本体６の出力を安定化させる昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ１５が用いられる。昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ１５は、ＯＣＶ保護回路１４とコンバータ回路１５ａと、サーミスタ３４および温度制御回路３７を含んで構成されている。
昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ１５とＤＭＦＣ本体６とは、前記したようにＤＭＦＣ本体６のカソード電極２、アノード電極３が昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ１５の正電極、負電極と直接に接続されているので、ＤＭＦＣ本体６や昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ１５を保守・交換する場合はＤＭＦＣ本体６と実装基板８を簡単に分離でき、接続を外すことができる。
ＯＣＶ（Open Circuit Voltage）保護回路１４は、ＤＭＦＣ本体６が無負荷状態で発電状態になった際に発生する高電圧のＯＣＶによって昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ１５や負荷側を破壊しないようにするために設けられている。昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ１５は、ＤＭＦＣ本体６の出力電圧を昇圧して安定化する役割を持っている。例えば、ＤＭＦＣ本体６の直列セル数が６セルのときは、昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ１５の出力電圧は約４．５〜５．０Ｖである。

ＯＣＶ保護回路１４は、シャントレギュレータ２２と抵抗２３、２４、２５からなるブリッジ回路で構成され、昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ１５に接続されている。昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ１５は、ｎチャネルパワーＭＯＳＦＥＴ２８、ｐチャネルパワーＭＯＳＦＥＴ２９、インダクタ２７、平滑キャパシタ３３、昇圧コンバータ制御回路３０、電流センサ２６、入力電流制御回路３１、及び出力電圧制御回路３２を備えた構成となっている。昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ１５は、コネクタ１６を介して二次電池を充電する充電制御回路などの電源ユニットに接続されるが、これらの電源ユニットの回路図は本発明とは直接関係ないので省略してある。

次に、図４に示す燃料電池ユニットの動作について概略的に説明する。ＤＭＦＣ本体６の出力電圧は抵抗２４と抵抗２５の分圧比としてシャントレギュレータ２２の基準電圧と比較される。したがって、ＤＭＦＣ本体６の出力電圧が所定の値以下である場合は、シャントレギュレータ２２のインピーダンスが非常に高くなり抵抗２３には電流は流れない。しかし、ＤＭＦＣ本体６の開放電圧（ＯＣＶ）が所定の値以上になると、シャントレギュレータ２２のインピーダンスが急激に低くなって抵抗２３に電流が流れる。

ＤＭＦＣ本体６の電流−電圧特性は、電流ゼロでは高い開放電圧を持つが、少しでも電流が流れると電圧が大きく低下するという特性を持つ。そのため、ＤＭＦＣ本体６が携帯型情報端末機器に給電するとき、ＯＣＶ保護回路１４の回路構成によって、例えばコネクタ１６に接続された充電制御回路などの電源ユニットの状態によらずＤＭＦＣ本体６の出力電圧を所定の値以下に保つことができる。したがって、ＤＭＦＣ本体６の開放電圧の上昇によって昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ１５やコネクタ１６に接続された電源ユニットの破損を防止することができる。

次に、図４に示す昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ１５の制御方法について説明する。昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ１５は、昇圧コンバータ制御回路３０によってｎチャネルパワーＭＯＳＦＥＴ２８とｐチャネルＭＯＳＦＥＴ２９を交互にスイッチングさせることにより、ｎチャネルパワーＭＯＳＦＥＴ２８のＯＮ時にインダクタ２７に蓄えられたエネルギーをｐチャネルパワーＭＯＳＦＥＴ２９のＯＮ時に平滑キャパシタ３３に移すことによって、昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ１５の入力電圧より出力電圧を上昇させる回路である。

昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ１５の出力電圧は、例えば４．５Ｖ〜５．０Ｖに設定する。この昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ１５は、平滑キャパシタ３３の電圧を出力電圧制御回路３２にフィードバックし、出力電圧が４．５Ｖ〜５．０Ｖの範囲で一定になるように制御する。さらに、インダクタ２７に流れる電流を電流センサ２６によって検出して入力電流制御回路３１へ入力する。この入力電流制御回路３１は、あらかじめ決めた電流値（ＩLim）以下の場合には出力信号は無く、前述の出力電圧制御回路３２の出力信号のみによって昇圧コンバータ制御回路３０が動作し、ｎチャネルパワーＭＯＳＦＥＴ２８及びｐチャネルパワーＭＯＳＦＥＴ２９の各ゲート回路のＯＮ／ＯＦＦ比率を制御する。

しかし、電流センサ２６の検出電流が所定の値（ＩLim）を超えると、入力電流制御回路３１の出力信号が変化するので、昇圧コンバータ制御回路３０には、出力電圧制御回路３２の出力信号に対して入力電流制御回路３１の出力信号が優先的に入力され、入力電流ＩLimが一定値に制限されるように動作する。これによって、ＤＭＦＣ本体６の出力電流を常に所定の値以下に抑制することができ、ＤＭＦＣ本体６の内部での気泡による出力低下、同伴水の増加による空気極での結露、及び水漏れなどの諸現象を防止することができる。

サーミスタ３４は、実装基板８においてＤＭＦＣ本体６に近い位置に取り付けられている。ＤＭＦＣ本体６の温度をサーミスタ３４によって検出することができる。温度制御回路３７は、サーミスタ３４の検出値と所定値とを比較するによって、ＤＭＦＣ本体６の温度を判定し、ＤＭＦＣ本体６の温度が所定温度以上となった場合には昇圧コンバータ制御回路３０に発電停止信号を出力してＤＭＦＣ本体６の発電を停止させる。これによって発電に際してＤＭＦＣ本体６が過熱になることを防止できる。
このように、サーミスタ３４が実装基板に配置されながら、ＤＭＦＣ本体６の温度を検出できるためサーミスタ３４を温度制御回路３７に接続するためのリード線が不要となる。また、実装基板８から離れた部位の温度を検出する場合でも、その部位に配設されたサーミスタ３４と実装基板８の間をリード線で接続すればよく、リード線の短くすることができる。

ＯＣＶ保護回路１４については、前記した回路に限らず、例えば図８、図１０に示す別構成の回路を用いることもできる。
図８に示すＯＣＶ保護回路１４ａは、ＭＯＳＦＥＴスイッチＭ１、抵抗４１、抵抗４２、抵抗４３、抵抗４４、アンプＡ１、コンパレータＣ１から構成される。コンパレータＣ１のプラス端に基準電圧Ｖ１が印加され、アンプＡ１のマイナス端には基準電圧Ｖ２が印加されている。
ＤＭＦＣ本体６によってＯＣＶ保護回路１４ａの正電極、負電極に電圧Ｖｆｃが印加されたとき、Ｖｆｃ＞（１＋Ｒ１／Ｒ２）・Ｖ１の場合、コンパレータＣ１の出力がロウレベルになり、アンプＡ１が起動する。アンプＡ１はＩｓ＝Ｖ２／ＲｓとなるようにＭＯＳＦＥＴスイッチＭ１のゲートを駆動する。
但し、Ｒ１は抵抗４１の抵抗値、Ｒ２は抵抗４２の抵抗値、Ｒｓは抵抗４３の抵抗値である。

これにより、ＤＭＦＣ本体６の電圧電流特性に関して、図９に示すように電流設定値の動作範囲と電圧設定値の動作範囲が得られる。ＤＭＦＣ本体６の開放電圧Ｖｆｃが所定の値以上になった場合に、ＯＣＶ保護回路１４ａが所定の電流Ｉｓを流すことによって、ＤＭＦＣ本体６の出力電流Ｉｃを増大させることによって図９の曲線１に示すように開放電圧Ｖｆｃの上昇をＡ点に相当する電圧に抑制することができる。また、電流負荷（燃料電池）に加えられた電圧が所定の電圧に達する前に、ＤＭＦＣ本体６の出力電流Ｉｃを減少させ、ＤＭＦ本体６の内部抵抗による電圧降下を低減させることにより、図９の曲線２に示すようにＢ点に相当する所定の電圧付近で開放電圧Ｖｆｃの抑制を維持する。開放電圧Ｖｆｃは、ＤＭＦＣの仕様・性能により変わるが、基準電圧Ｖ１、Ｖ２または抵抗４1などを変化させることで対応することが可能。

図１０に示すＯＣＶ保護回路１４ｂは、図８で示したＯＣＶ保護回路１４ａと同様に、ＭＯＳＦＥＴスイッチＭ１、抵抗４１、抵抗４２、抵抗４３、アンプＡ１、アンプＡ２、コンパレータＣ１から構成される。コンパレータＣ１のプラス端に基準電圧Ｖ１、アンプＡ２のマイナス端には基準電圧Ｖ２が印加されている。
このＯＣＶ保護回路１４ｂに関しては、図８に示すＯＣＶ保護回路１４ａと同じように動作するため、詳しい説明を省略する。

図５は、前記昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータが適用された場合の実装基板の構成を示す図である。図５の（ａ）は基板表面、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ断面を示す。図７は、実装基板における電子部品の配置と配線を示す図である。
図７の（ａ）に示すように、基板表面には実装部品９ｂが搭載されている。また、図７の（ｂ）に示すように、基板裏面にはパターン９ａが配線されている。このように実装部品９ｂおよびパターン９ａが配置された部分に樹脂モールドが施されている。したがって、基板表面側には、図５に示すように、正電極８ａの部分を除いてほぼ全体で樹脂モールドが施されている。また、基板裏面には、図５に示すように負電極８ｂの部分を除いてほぼ全体で樹脂モールドが施されている。表面と裏面の樹脂モールドの高さは、いずれもＤＭＦＣ本体６の高さ以下に抑えられている。

したがって、実装基板８をＤＭＦＣ本体６に固定したとき、実装基板８の正電極８ａ、負電極８ｂが、それぞれカソード電極２、アノード電極３と直接に接続される。また、基板表面には、「ＰＧ」、「ＦＣＣ」、「ＣＯＭ」、「ＡＣＣ」、及び「Ｖ＋」、「Ｖ−」の各ハウジングピンが立てられ、そこからコネクタ１６（図３参照）をもったリード線が延出されている。
なお、実装部品や配線のパターンに樹脂モールドを施す際に、図１１に示すように、チップコンデンサ、チップインダクタ、制御ＩＣなどからなる実装部品９ｂを含めて実装基板８全体を薄いコーティング材８ｃで覆うようにしてもよい。この場合、とくに発熱の大きい昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータに対して熱の発散を容易に行わせることができる。コーティング材や樹脂モールドを施す際の材料は、フッ素系の樹脂や高熱伝導樹脂を使用することが望ましい。
このような材料を用いることによって、防水性、防湿絶縁性、耐衝撃性を確保すると同時に熱の発散も容易になる。

図６は、燃料電池ユニットが用いられる携帯型情報端末機器側の基板を示す図である。
携帯型情報端末機器側の基板３５には、ＤＭＦＣユニット５側からのコネクタ１６を挿入可能な基板側コネクタ３６が設けられている。この基板側コネクタ３６は、携帯型情報端末機器の内部に組み込まれたリムーバブルハードディスクなどのメモリや電源ユニットに接続されている。したがって、ＤＭＦＣユニット５側のコネクタ１６を基板側コネクタ３６に挿入することによって、電源ユニットを含めて基板側コネクタ３６に接続される装置に安定した電圧の電力を供給することができる。コネクタ１６については市販の一般的なコネクタを用いることができるので、その説明は省略する。

本発明の燃料電池モジュールによれば、燃料電池と昇圧用ＤＣ／ＤＣコンバータとの間の配線をなくして最小限の構成で燃料電池モジュールが構成されているので、燃料電池によって二次電池を充電しながら負荷の電力を供給するような電源ユニットをコンパクトに構成することができる。したがって、博覧会や展示会などにおいて大量の携帯情報端末を長期間に亘って運用するのに好適な携帯情報端末用の電源ユニットとして利用することができる。
また、ＤＭＦＣ本体６と昇圧用ＤＣ／ＤＣコンバータ１５の間の配線を削減したので、配線による電圧降下を抑制することができる。給電系の信頼性の向上によって、携帯型情報端末機器全体の信頼性を向上させることができる。
また、実装する際には、実装基板８上の電子部品を含めて樹脂モールドがＤＭＦＣ本体６よりはみ出さないようにしたため。実装基板上全体がＤＭＦＣ本体６の厚み以内に収納されるので、取扱い性がよく、かつ小型化された燃料電池モジュールを実現することができる。

前記した実施の形態では、ＤＭＦＣ本体から突出したアノード電極やカソード電極に対してコンバータ基板の正電極や負電極をネジで接続する場合について説明したが、ボルトによる接続に限定されるものではない。以下、ＤＭＦＣ本体のアノード電極やカソード電極に対してコンバータ基板の正電極や負電極を接続する幾つかのバリエーションを説明する。なお、以下の説明では、ＤＭＦＣ本体のアノード電極やカソード電極をＤＭＦＣ端子といい、実装基板の正電極や負電極を基板電極といい、実装基板を基板ということにする。

図１２は、本発明の燃料電池モジュールにおけるＤＭＦＣ端子と基板電極の接続バリエーション１を示す図である。図１２に示すように、ＤＭＦＣ本体１０１から突出したＤＭＦＣ端子１０２は所定の位置に突起１０２ａが形成されている。一方、基板１０３の基板電極１０３ａ及びクリップ１０４には、ＤＭＦＣ端子１０２の突起１０２ａが嵌まり込むような穴が設けられている。したがって、ＤＭＦＣ端子１０２に基板電極１０３ａを沿わせた状態でバネ性のあるクリップ１０４を挿入すれば、ＤＭＦＣ端子１０２の突起１０２ａが基板電極１０３ａ及びクリップ１０４の穴に嵌まり込む状態となり、ＤＭＦＣ端子１０２と基板電極１０３ａとを接続して確実に両者を固定することができる。この場合は、ＤＭＦＣ端子１０２の両端子に段差がなくても基板電極１０３ａをＤＭＦＣ端子１０２に接続することができる。

図１３は、本発明の燃料電池モジュールにおけるＤＭＦＣ端子と基板電極の接続バリエーション２を示す図で、図１３の（ａ）はＤＭＦＣ本体と基板を示す側面図で、（ｂ）はその斜視図である。
図１３の場合は、ＤＭＦＣ端子１１２が２枚のバネ板１１２ａ、１１２ｂによって構成されており、そのうちの１枚のバネ板１１２ｂの内側に突起１１３が形成されている。一方、基板電極１１３ａには突起１１３が嵌まり込むような孔１１３ｂがあいている。したがって、基板電極１１３ａをＤＭＦＣ端子１１２の２枚のバネ板１１２ａ、１１２ｂの間に挿入すれば、基板電極１１３ａはバネ板１１２ｂの突起１１３で固定され、ＤＭＦＣ端子１１２と基板電極１１３とを接続して確実に固定することができる。なお、ＤＭＦＣ端子１１２の２枚のバネ板１１２ａ、１１２ｂをそれぞれアノード電極とカソード電極とし、一方、基板電極１１３ａの両面を正電極と負電極とすることもできる。

図１４ａは、本発明の燃料電池モジュールにおけるＤＭＦＣ端子と基板電極の接続バリエーション３を示す図であり、図１４ｂは基板電極の構成を示す図である。図１４ａの場合は、ＤＭＦＣ本体１０１にＤＭＦＣ端子が突出しているのではなく、ＤＭＦＣ本体１０１の内部にＤＭＦＣ電極１２３が形成されている。したがって、基板電極１０３ａをカードスロットに差し込む要領で、ＤＭＦＣ本体１０１のＤＭＦＣ電極１２３に差し込んで接続し固定する。

なお、ＤＭＦＣ電極１２３のアノード電極とカソード電極の間に基板電極１０３ａを差し込むこともできるが、電気的な接続が取れれば、ＤＭＦＣ電極１２３のどの位置に差し込んでも構わない。また、ＤＭＦＣ電極１２３と基板電極１０３ａとの接続部分には固定ピンやネジがなくても十分に固定できるが、振動などを考慮した場合は、信頼度向上のために、固定ピンやネジなどによって抜け止め対策を行っておけばより効果的に接続することができる。また、図１４ａのような接続方法にすれば、基板サイズが縮小できたり、基板の部品配置面積を広げたりすることができるなどのメリットがある。また、図１４ｂのように、基板電極１０３ａは、Ｃｕメッキ、半田コート、Ａｕメッキ、あるいは金属むき出しなど、様々な電極形態をとることができる。

図１５ａは、本発明の燃料電池モジュールにおけるＤＭＦＣ端子と基板電極の接続バリエーション４を示す図である。つまり、この図は、図１２の一つの変形例であり、ＤＭＦＣ端子１０２がＤＭＦＣ本体１０１の両サイドから突き出ている場合を示している。したがって、基板電極１０３ａも基板１０３の両サイドから突き出た形状となっている。ＤＭＦＣ端子１０２と基板電極１０３ａとの接続は、図１２の場合と同様にクリップ１０４によって挟み込むことによって実現することができる。

図１５ｂは、図１５ａの変形例を示す図である。すなわち、ＤＭＦＣ端子１０２がＤＭＦＣ本体１０１の反対の位置にある場合は、図１５ｂに示すように、ＤＭＦＣ本体１０１の両サイドから折り曲げた形にＤＭＦＣ端子１０２を伸ばし、基板電極と接続することもできる。この場合も、図１２の場合と同様にクリップ１０４によってＤＭＦＣ端子１０２と基板電極１０３ａとを挟み込む。

図１６は、本発明の燃料電池モジュールにおけるＤＭＦＣ端子と基板電極の接続バリエーション５を示す図である。すなわち、図１６の場合は、ノートパソコンやＰＤＡなどのモバイル端末１３１の内部にコンバータ基板がある場合の具体的な接続例を示している。ＤＭＦＣ本体１０１のＤＭＦＣ端子１０２を直接ノートＰＣやＰＤＡなどのモバイル端末１３１の筐体に設けられた差し込み口１３１ａに差し込み、モバイル端末１３１の内部の基板と直接接続する。
内部のコンバータ基板には商用電源のコンセントのような、弾性を有するコネクタが実装されており、ＤＭＦＣ端子１０２を挟み込むことによってＤＭＦＣ端子１０２がコネクタに固定されるとともに、電気接続が行われる。
また、ＤＭＦＣ本体１０１の電極形状を例えば図１３に示すように２枚のバネ板として形成することもできる。この場合は、内部のコンバータ基板を差込口１３１ａの内側でバネ板で挟み込むことで、コンバータ基板を挟持して電気接続と機械的な固定の両方を行う。

燃料電池および燃料電池に実装される実装基板を示す平面図である。 本発明における燃料電池モジュールの組立工程図である。 ＤＭＦＣ本体に実装基板を実装した燃料電池ユニットの外観図である。 本発明の燃料電池モジュールに適用されるＤＭＦＣと昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータの回路構成図である。 昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータが適用された場合の実装基板の構成を示す図である。 燃料電池ユニットが用いられる携帯型情報端末機器側の基板を示す図である。 実装基板における電子部品の配置と配線を示す図である。 ＯＣＶ保護回路を示す図である。 ＯＣＶ保護回路の動作領域を示す図である。 ＯＣＶ保護回路を示す図である。 実装基板のコーティング状態を示す図である。 本発明の燃料電池モジュールにおけるＤＭＦＣ端子と基板電極の接続バリエーション１を示す図である。 本発明の燃料電池モジュールにおけるＤＭＦＣ端子と基板電極の接続バリエーション２を示す図である。 本発明の燃料電池モジュールにおけるＤＭＦＣ端子と基板電極の接続バリエーション３を示す図である。 本発明の燃料電池モジュールにおけるＤＭＦＣ端子と基板電極の接続バリエーション４を示す図である。 本発明の燃料電池モジュールにおけるＤＭＦＣ端子と基板電極の接続バリエーション５を示す図である。

符号の説明

２ カソード電極
２ａ 貫通孔
３ アノード電極
３ａ 貫通孔
５ ＤＭＦＣユニット（燃料電池ユニット）
６ ＤＭＦＣ本体
８ 実装基板
８ａ 正電極
８ｂ 負電極
９ 部品実装領域
９ａ パターン
９ｂ 実装部品
１４ ＯＣＶ保護回路
１５ 昇圧型ＤＣコンバータ
１５ａ コンバータ回路
１６ コネクタ
１７ ボルト
１８ ナット
１９ スペーサ
２０ ワッシャ
２１ 隙間
２２ シャントレギュレータ
２３ 抵抗
２４ 抵抗
２５ 抵抗
２６ 電流センサ
２７ インダクタ
３０ 昇圧コンバータ制御回路
３１ 入力電流制御回路
３２ 出力電圧制御回路
３３ 平滑キャパシタ
３５ 基板
３６ 基板側コネクタ
８２ 貫通孔
８３ 貫通孔
１０１ ＤＭＦＣ本体
１０２、１１２ ＤＭＦＣ端末
１０２ａ、１１３ 突起
１０３ 基板
１０３ａ 基板電極
１０４ クリップ
１１２ａ、１１２ｂ バネ板
１２３ ＤＭＦＣ電極
１３１ モバイル端末
１３１ａ 差し込み口

Claims (20)

1. 外部に発電電力を出力するためのカソード電極とアノード電極とが設けられた燃料電池と、
   前記燃料電池からの電力供給で動作する電子回路が搭載された実装基板とを備え、
   前記実装基板は、前記燃料電池のカソード電極とアノード電極に締結手段によって固定されて前記燃料電池に実装され、
   前記実装基板の正電極と負電極が前記燃料電池のカソード電極とアノード電極に対応した位置に設定され、前記実装基板が前記燃料電池のカソード電極と、アノード電極に固定されることによって、前記実装基板の正電極、負電極が燃料電池のカソード電極、アノード電極にそれぞれ電気接続されることを特徴とする燃料電池モジュール。
2. 前記燃料電池のカソード電極とアノード電極は、前記燃料電池の厚さ方向において段差を有して配置され、
   前記実装基板は、前記燃料電池の厚さ方向で前記カソード電極とアノード電極の間に配置され、前記カソード電極とアノード電極に固定されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池モジュール。
3. 前記締結手段として、前記実装基板を前記カソード電極とアノード電極に弾性で固定するクリップを用いることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池モジュール。
4. 前記締結手段として、前記燃料電池のカソード電極とアノード電極は、それぞれ２枚の板状電極として前記燃料電池の厚さ方向に対向するように配置され、前記実装基板は、前記板状電極の間に挿入されたとき、前記２枚の板状電極が前記実装基板を挟持して固定することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池モジュール。
5. 前記燃料電池のカソード電極とアノード電極のそれぞれを構成する２枚の板状電極のうち、少なくとも１枚の板状電極は、弾性変形可能な材料で形成され、弾性変形で前記実装基板を固定することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池モジュール。
6. 前記燃料電池のカソード電極とアノード電極は、前記燃料電池の厚さ方向において段差を有し対向するように配置され、
   前記実装基板は、前記燃料電池の厚さ方向で前記カソード電極とアノード電極の間に挿入されて配置され、前記カソード電極とアノード電極に固定されることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池モジュール。
7. 前記締結手段として、前記燃料電池のカソード電極とアノード電極は、前記燃料電池の内部にスロットとして形成され、
   前記実装基板の正電極と負電極は、前記スロットに合わせた形状に形成され、前記実装基板の正電極と負電極を前記燃料電池のスロットに挿入することによって、前記実装基板を固定することを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の燃料電池モジュール。
8. 前記実装基板は、前記燃料電池に実装された状態で、前記燃料電池の両端面から突出しないように、前記実装基板の高さが設定されたことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか1項に記載の燃料電池モジュール。
9. 前記実装基板は、前記正電極または前記負電極のうちの少なくとも一方に、燃料電池の前記カソード電極またはアノード電極が係止するための貫通孔を有することを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の燃料電池モジュール。
10. 前記貫通孔のうち少なくとも一つは、前記実装基板の長手方向に横長の形状に形成されていることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池モジュール。
11. 前記実装基板は、前記正電極と前記負電極のうちの少なくとも一方に、窪みを有することを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の燃料電池モジュール。
12. 前記実装基板に実装される電子部品は、防湿絶縁性材料により覆われていることを特徴とする請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の燃料電池モジュール。
13. 前記防湿絶縁性材料は、フッ素系樹脂であることを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池モジュール。
14. 前記防湿絶縁性材料は、高熱伝導性を有する樹脂であることを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池モジュール。
15. 前記実装基板と前記燃料電池の間に空気放熱を可能とする隙間が形成されていることを特徴とする請求項１から請求項１４のいずれか１項に記載の燃料電池モジュール。
16. 前記実装基板は、外部の電気回路と接続するためのコネクタを備えることを特徴とする請求項１から請求項１５のいずれか１項に記載の燃料電池モジュール。
17. 前記電子回路は、前記燃料電池の出力電圧を所望の電圧に変換するＤＣ／ＤＣコンバータであることを特徴とする請求項１から請求項１６のいずれか１項に記載の燃料電池モジュール。
18. 携帯情報端末に用いられる燃料電池モジュールであって、
    前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力端子が前記携帯情報端末に接続され、前記携帯情報端末に電力供給可能とすることを特徴とする請求項１７に記載の燃料電池モジュール。
19. 前記携帯情報端末は、公共施設において来場者に貸し出して展示物の説明を行うための情報端末機器であることを特徴とする請求項１７に記載の燃料電池モジュール。
20. 前記実装基板は、携帯情報端末の内部に配置され、
    前記燃料電池のアノード電極とカソード電極は、弾性及び導電性を有する弾性板により構成され、
    前記弾性板で構成されたアノード電極とカソード電極を前記携帯情報端末に挿入することによって、前記燃料電池を前記実装基板に固定し、実装基板の正電極と負電極をそれぞれカソード電極とアノード電極に電気接続を行うことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池モジュール。

Images