JPWO2007129594A1 - 充電装置 - Google Patents

Abstract

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。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、燃料電池ＦＣへの燃料の供給量の変動パターンに、燃料の消費量の変動パターンが近づくように、電流制御回路４０の設定電流値を変化させる設定電流変更手段６０とを備える充電装置。

Description

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。

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。

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。

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、出力不足になるという問題がある。

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。

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。

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。

しかしながら、上記の充電装置の充電回路では、充電電流を一定に制御しているため、燃料電池への燃料の供給量が変動する系の場合、燃料の消費量が一定となるため、余分な燃料を排出する必要があり、燃料の利用効率が低下するという問題もあった。

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。

特開２００４−１９４４３４号公報 特開２００４−５６９８５号公報 特開２００５−２９５７０５号公報

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、燃料の利用効率が高く、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。

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が電気的に接続された出力部と、前記出力部又は前記燃料電池からの出力電流が設定電流値を超えないように制御する電流制御手段と、前記燃料電池への燃料の供給量の変動パターンに、燃料の消費量の変動パターンが近づくように、前記電流制御手段の前記設定電流値を変化させる設定電流変更手段と、を備えることを特徴とする。

本発明の充電装置によると、電流制御手段により充電電流を設定値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過剰になりにくいので、充電初期に燃料電池への過負荷も生じにくく、好適に二次電池を充電することができる。また、燃料供給の変動パターンに合わせて、電流制御手段の設定電流値を変化させる設定電流変更手段を設けたため、燃料電池への燃料の供給量が変動する場合でも、これに近づくように設定電流値が変化して燃料の消費量が変動するため、余分な燃料の排出量を少なくすることができる。このため、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。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、燃料の利用効率が高く、燃料電池への過負荷も生じにくい充電装置となる。

また、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設定電流値を超えないように制御する電流制御回路と、前記燃料電池への燃料の供給量の変動パターンに、燃料の消費量の変動パターンが近づくように、前記電流制御回路の前記設定電流値を変化させる設定電流変更手段と、を備えることを特徴とする。

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設定値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過剰になりにくいので、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。また、燃料供給の変動パターンに合わせて、電流制御回路の設定電流値を変化させる設定電流変更手段を設けたため、燃料電池への燃料の供給量が変動する場合でも、これに近づくように設定電流値が変化して燃料の消費量が変動するため、余分な燃料の排出量を少なくすることができる。このため、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。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、燃料の利用効率が高く、燃料電池への過負荷も生じにくい充電装置となる。

上記において、前記設定電流変更手段は、予め決定された、時間と共に変化する電流値の変動パターンに基づいて、前記電流制御回路の設定電流値を変化させるものであることが好ましい。燃料電池への燃料の供給量の変動パターンは予測可能なため、これに対応して電流値の変動パターンを予め決定することができる。このため、この変動パターンに基づいて、前記電流制御回路の設定電流値を変化させる設定電流変更手段を設けることで、燃料電池への燃料の供給量が変動する場合でも、これに近づくように設定電流値が変化して燃料の消費量が変動するため、余分な燃料の排出量を少なくすることができる。

本発明において用いられる燃料電池は、複数の単位セルが電気的に直列接続されると共に、燃料供給手段から供給される燃料の通路も直列接続されており、前記設定電流変更手段は、燃料通路の最下流に位置する最終段単位セルの第１電圧を検出する第１電圧検出部と、最終段単位セル以外の残りの単位セルの第２電圧を検出する第２電圧検出部と、第１電圧の時間的変動を検出する第１電圧変動検出部と、第２電圧の時間的変動を検出する第２電圧変動検出部と、第１電圧と第２電圧の時間的変動の度合いに基づいて前記電流制御回路の設定電流値を決定する設定値決定部と、を備えるものが好ましい。

この燃料電池に燃料を供給する場合には、上流側に位置する単位セルにまず燃料が供給され、以下順番に下流側に位置する単位セルへと供給されていく。この場合、燃料が不足する現象は最下流に位置する最終段の単位セルで生じやすい。そこで、燃料電池を構成する複数の単位セルを、最終段の単位セルとそれ以外の単位セル（群）に分け、最終段の単位セルの第１電圧と、残りの単位セルの第２電圧を別々に検出する。そして、これら第１電圧と第２電圧の時間的変動を検出する。これらの時間的変動を検出することで、燃料電池への燃料の供給量の変動度合いを監視することができ、特に、第１電圧の変動度合いを特別に検出することで、精度よく監視することができる。この時間的変動に基づいて、設定電流値を決定するようにしたので、燃料の消費量に追随して設定電流値を柔軟に対応させることができ、余分な燃料の排出を少なくすることができる。なお、第２電圧については、最終段以外の単位セルが複数存在する場合は平均電圧としてもよいし、総電圧としてもよい。

上記時間的変動の検出を行なう設定電流変更手段において、第１電圧、第２電圧、及びこれらの時間的変動は、所定のサンプリング周期により検出を行なうように構成され、第１・第２電圧変動検出部は、現在の電圧値と過去の複数のサンプリング点における電圧値とから、電圧値の減少傾向の度合い、増加傾向の度合いを検出し、設定値決定部は、この度合いの程度に応じて現在の設定電流値に対する調整値を決定するものが好ましい。

この構成によると、所定のサンプリング周期に基づいて、第１・第２電圧の時間的変動を監視する。時間的変動の度合いについては、現在のサンプリング点における電圧値と、過去の複数のサンプリング点における電圧値とから、現在の電圧値の変動が減少傾向にあるのか増加傾向にあるのか、その度合いを検出する。かかる度合いの演算方法については、例えば、前回のサンプリング点における電圧値に対して増加していれば＋１、減少していれば−１、同じであれば０として評価する方法が考えられる。ただし、これに限定されるものではない。このような増加あるいは減少の度合いに基づいて、現在の設定電流値に対する調整値を決定する。例えば、増加や減少の度合いが多ければ、調整値も大きくなるように決定する。これにより、燃料の消費量に精度よく追従させることができる。

更に、本発明において調整値を決定するために、前記調整値を決定するための関数を設定する関数設定部が設けられており、この関数は、現在の設定電流値を入力変数として調整値を決定するものであることが好ましい。

調整値を決定するために関数が設定されており、現在の設定電流値の大きさに対応した適切な調整値を決定することができる。例えば、現在の設定電流値が小さいほど調整値を大きくすることができる。関数は、例えば、テーブルの形で設定しておくことができる。

また、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設定電流値以下に制御することが好ましい。

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設定電流値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。

一方、前記電流制御手段は、前記直流電圧変換回路の入力側又は出力側の電流を検出して、前記直流電圧変換回路の電圧調節用のフィードバック入力に対して入力することで、前記出力部からの出力電流が設定電流値を超えないように制御するものであることが好ましい。

この構成によると、電流制御手段により、直流電圧変換回路の出力電流を制御できるため、直流電圧変換回路の後段に電流制御回路を設ける場合と比較して、過剰昇圧が必要なくなり、これによるエネルギーロスが小さくなり、充電効率が向上する。

また、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。

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。

本発明の充電装置の一例を示す概略構成図 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 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 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 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、および水素供給量と水素消費量の経時変化を示すグラフ 実施例、比較例における水素供給総量と水素消費総量の経時変化を示すグラフ 設定電流変更手段の別実施形態の構成を示す模式図 出力と瞬時消費量の経時変化を示すグラフ 出力容量と水素消費量の経時変化を示すグラフ 本発明の充電装置の他の例を示す概略構成図 本発明の充電装置の他の例を示す概略構成図

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
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
６０ 設定電流変更手段
６１ 第１電圧検知部
６２ 第２電圧検知部
６４ 第１電圧変動検出部
６５ 第２電圧変動検出部
６６ 設定値決定部
６７ 関数設定部
７０ 電流検出部
７１ 電流検出素子
８０ 出力電流制御手段
ＦＣ 燃料電池
Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４ 単位セル

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。

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。

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の出力が電気的に接続された出力部３０と、前記出力部３０からの出力電流が設定電流値を超えないように制御する電流制御手段（図１の例では電流制御回路４０）と、燃料電池ＦＣへの燃料の供給量の変動パターンに、燃料の消費量の変動パターンが近づくように、電流制御手段の設定電流値を変化させる設定電流変更手段６０とを備えることを特徴とする。本実施形態では、出力部３０が直流電圧変換回路２０の出力の一方に電気的に接続されると共に、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からの出力電流が設定電流値を超えないように制御する電流制御回路４０が、電流制御手段として設けられている例を示す。

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。

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。

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。本実施形態では、特に入力電圧が変動しても出力電圧を一定に調整する直流電圧変換回路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、入力電圧が変動しても出力電圧を一定に調整する直流電圧変換回路２０が好ましい。

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。

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。

電流制御回路４０は、出力部３０における出力電流が設定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（ＦＥＴを含む）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ある）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。

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。

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に流れる電流を設定電流値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。

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設定電流値を超えないように制御することができる。

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。

設定電流変更手段６０は、燃料電池ＦＣへの燃料の供給量の変動パターンに、燃料の消費量の変動パターンが近づくように、電流制御回路４０の設定電流値を変化させるものである。図５（ａ）は、燃料電池ＦＣへの燃料の供給量の変動パターンと消費量の変動パターンとを例示しており、設定電流変更手段６０によって、電流制御回路４０の設定電流値を変化させることで、消費量の変動パターンが供給量の変動パターンに近づいている。

つまり、本発明では、設定電流値を一定（即ち、燃料の消費量一定）に制御するのではなく、電流制御回路４０の設定電流値を変化させる制御を設定電流変更手段６０によって行う。その際、設定電流値を変化させる制御を含んでおり、これが供給量の変動パターンに消費量の変動パターンが近づく方向であれば、本発明の設定電流変更手段６０に相当する。

設定電流変更手段６０によって電流制御回路４０の設定電流値を変化させる際、予め決定された変動パターンを利用する方法、又は、フィードバック制御及び／又はフィードフォワード制御を利用する方法などが挙げられるが、何れの方法でもよい。好ましくは、供給量の変動パターンに対し、消費量の変動パターンが５０〜１００％の範囲内に制御される場合であり、７０〜１００％の範囲内に制御される場合がより好ましい。

予め決定された変動パターンを利用する方法としては、燃料電池への燃料の供給量の変動パターンを予測して、これに対応した電流値の変動パターンを用いる方法（図５（ａ）の場合）が有効である。その場合、設定電流変更手段６０は、予め決定された、時間と共に変化する電流値の変動パターンに基づいて、電流制御回路４０の設定電流値を変化させるものとなる。最も単純なものとしては、タイマー制御によって設定電流値を変化させる場合が挙げられる。

フィードバック制御を行う場合、燃料電池ＦＣからの燃料の排出量を検出する方法、燃料電池ＦＣの内部の圧力を検出する方法、燃料電池ＦＣの最終段の単位セルの電圧を検出する方法などが挙げられる。また、フィードフォワード制御を行う場合、燃料電池ＦＣへの燃料の供給量を検出する方法などが挙げられる。

設定電流変更手段６０により、電流制御回路４０の設定電流値を変化させる方法としては、電流制御回路４０の可変抵抗４３を機械的に変動させる方法もあるが、オペアンプ４４に入力する基準電圧を変動させる電子回路を利用するのが好ましい。つまり、設定電流値に対応する基準電圧が、電流制御回路４０の回路特性から決定されるため、電子回路を利用することで、装置の小型化、低コスト化などが図れる。

電子回路を利用する場合、例えばプログラム可能なマイコンを利用してシーケンス制御によって、電流値の変動パターンに対応する基準電圧を生成させる方法が有効である。また、フィードバック制御等を行う場合も、制御遅れなどをマッチングさせる観点から、プログラム可能なマイコンを利用して、フィードバック制御を行う際に追加の制御パラメータを付加することが好ましい。

具体的には例えば、一定時間毎（例えば０．２５秒毎）に燃料電池ＦＣの最終段の単位セルと前段の単位セルとの電圧をサンプリング（検出）し、複数回のサンプリングにおける電圧の増減をパラメータ化して、このパラメータの条件式（例えば前段電圧が維持されかつ最終段電圧が下降した場合）の判定によって、設定電流値を増減する（例えば前記条件で−１０ｍＡ、他の条件で＋１０ｍＡだけ設定電流値を変化させる）制御や、これに制御遅れパラメータを反映させるべく、一定時間（例えば０．５秒）をおいてから条件式による判定を再開する制御などが挙げられる。

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０．６Ａを超えない範囲で設定電流値を変化させるのが好ましい。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の範囲内に設定するのが好ましい。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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）。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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、ＭｇＨ_２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。

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（Ｈ_２）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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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設定電流値を超えないように制御した。その際、設定電流変更手段として、プログラム可能なマイコンを利用してシーケンス制御によって、図５（ｂ）に示す電流値の変動パターンに対応する基準電圧を生成させ、オペアンプに入力して設定電流値を変化させた。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。

その際、燃料電池の電圧、電流、出力電力、および出力部の出力電圧、出力電流（設定電流値）を測定し、その結果を図５（ｂ）に示した。また、充電の際の水素供給量と水素消費量とを図５（ａ）に示した。

図５（ｂ）の結果によると、設定電流値の変化に応じて燃料電池の出力電流が変化し、出力部からの出力も変化している。その際、図５（ａ）に示すように、水素供給量が変動しているが、これに近づくように水素消費量が変化している。このとき、水素消費量／水素供給量が燃料の利用率となるが、図６に示すように、７０％程度の利用率が得られている。このため、水素供給量が変動しても、対応することができ、水素ガスの供給に関する特別な制御を省略することができる。

比較例１
実施例１において、設定電流変更手段を設けずに、電流制御回路により出力部の出力電流を一定（０．１６Ａ）に制御したこと以外は、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、図６に示すように、５０％以下の利用率しか得られなかった。

比較例２
実施例１において、電流制御回路（設定電流変更手段もなし）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。

＜設定電流変更手段の別実施形態＞
次に、設定電流変更手段６０の別実施形態について図７の模式図により説明する。ここで説明する制御は、前述のフィードバック制御の一例である。この実施形態では、燃料電池ＦＣは４つの同じ単位セルＳ１〜Ｓ４により構成されている。４つの単位セルＳ１〜Ｓ４は、電気的に直列に接続されており、個々の単位セルＳ１〜Ｓ４の出力電圧がＶ１〜Ｖ４で表わされており、燃料電池ＦＣとしての出力電圧はＶｔ＝Ｖ１＋Ｖ２＋Ｖ３＋Ｖ４となる。この出力電圧Ｖｔが直流電圧変換回路２０への入力電圧となる。なお、燃料電池ＦＣを構成する単位セルの個数については特に制限はなく、４つでなくてもよい。

燃料供給手段１０から供給される燃料である水素ガスはパイプ１６により各単位セルＳ１〜Ｓ４へ供給される。パイプ１６により連結される燃料通路は、直列に連結されており、水素ガスは上流側（初段）の単位セルＳ１から順番に供給され、下流側の最終段の単位セルＳ４へと供給される。最終段の単位セルＳ４へ到達した水素ガスは、パイプ１６ａから外部に排出される。ただし、排出される水素ガスの量は極力少ない方が好ましい。

次に、設定電流変更手段６０の具体的な機能について説明する。第１電圧検知部６１は、最終段の単位セルＳ４の出力電圧Ｖ４を検出する。第２電圧検知部６２は、最終段以外の単位セルＳ１〜Ｓ３の出力電圧Ｖ１〜Ｖ３を検出する。ここで検出される電圧は、３つの単位セルＳ１〜Ｓ３の総電圧でもよいし、平均値でもよい。ただし、以下の説明では平均値Ｖａ＝（Ｖｔ−Ｖ４）／３として説明する。検出する場合のサンプリング周期は０．５秒に設定されているが、周期の設定については任意に行なうことができる。電圧値記憶部６３には、検出された電圧値Ｖａ，Ｖ４が一時的に記憶される。記憶されるデータは、最新のデータを含めて４つのサンプリング点におけるデータであり、古くなったデータは適宜消去される。

第１電圧変動検出部６４は、最終段単位セルＳ４の出力電圧Ｖ４の時間的変動を検出する。具体的には、最新のデータＶ４（０ｓ）、０．５秒前のデータＶ４（−０．５ｓ）、１秒前のデータＶ４（−１ｓ）、１．５秒前のデータＶ４（−１．５ｓ）の４つのデータに基づいて、時間的変動を検出する。隣接するサンプリング点におけるデータを比較し、減少方向であれば−１、増加方向であれば１、増減がなければ０を変動値として設定する。サンプリング点が４つであるので、変動値は３つ求められ、変動値の総和をフラグ値として求める。フラグ値は−３，−２，−１，０，１，２，３のいずれかをとる。この値を第１フラグレジスタ６６ａに格納する。第１電圧変動検出部６４がこのようなフラグデータを演算する周期も、前述のサンプリング周期と同様に０．５秒となる。なお、サンプリング点をいくつにするかは任意である。

第２電圧変動検出部６５は、同様に３つの単位セルＳ１〜Ｓ３の平均の電圧値Ｖａの時間的変動を検出する。具体的には、最新のデータＶａ（０ｓ）、０．５秒前のデータＶａ（−０．５ｓ）、１秒前のデータＶａ（−１ｓ）、１．５秒前のデータＶａ（−１．５ｓ）の４つのデータに基づいて、時間的変動を検出する。第１電圧変動検出部６４の場合と同様に、変動値の総和がフラグ値として第２フラグレジスタ６６ｂに格納される。

上記において、最終段の単位セルＳ４とそれ以外の単位セルＳ１〜Ｓ３に分けているのは次の理由による。燃料電池ＦＣの各単位セルＳ１〜Ｓ４には、初段の単位セルＳ１から順番に水素ガスが供給されていくが、水素ガスの供給不足が最も生じやすいのは最終段にある単位セルＳ４である。従って、最終段単位セルＳ４の出力電圧は単独で検出するようにし、時間的変動を監視する。燃料電池への燃料の供給量の変動度合いを精度よく監視するには、最終段の単位セルＳ４の電圧を監視することが好ましい。最終段以外の単位セルＳ１〜Ｓ３については、水素ガスの供給不足はそれほど生じにくいため、これらの出力電圧の平均値を監視していればよい。

設定値決定部６６は、第１・第２電圧の時間的変動の度合いに基づいて、電流制御回路４０の設定電流値を決定する。具体的には、第１・第２フラグレジスタ６６ａ，６６ｂに格納されるフラグ値と、関数設定部６７に設定されている関数に基づいて、調整値を決定する。これを具体的に、表１，表２，表３も利用しながら説明する。調整値を決める時の制御は次のように行われる。各表は、夫々サンプリング周期で検出された電流値Ｖａ（ｍＶ），Ｖ４（ｍＶ），夫々のフラグ値，設定電流（ｍＡ），入力電流（ｍＡ），出力電流（ｍＡ）の推移を表わした測定例である。設定電流は、図２における電流制御素子４１のエミッタ・コレクタ間を流れる電流の設定値に相当するものであり、入力電流は、実際に流れているエミッタ・コレクタ間電流を測定した結果を示すものである。また、出力電流とは、燃料電池ＦＣから直流電圧変換回路２０へと流れ込む電流を測定したものである。

（Ａ）まず出力電流が流れていない時は、設定電流値の調整は行われない。

（Ｂ）最終段の単位セルＳ４の現在の電圧値Ｖ４（０ｓ）が４８０ｍＶ以下になった場合には、設定電流値が８０ｍＡになるように制御する。これは過小電圧に落ちた時の緊急措置として行われるものである。

（Ｃ）Ｖａが安定傾向の時（フラグ値が−１，０，１の時）かつＶ４も安定傾向（フラグ値が−１，０，１の時）は、設定電流値を関数Ａを用いて上げるように制御する。関数については後述する。関数Ａによる制御は表中「Ｕ」の判定で表示されている。

（Ｄ）Ｖ４が低下傾向の時（フラグ値が−２、−３の時）かつ隣接するサンプリング点間のＶ４の電圧差が−３（ｍＶ）よりも大きな時は、設定電流値を関数Ｂを用いて下げるように制御する。関数Ｂによる制御は表中「Ｄ」の判定で表わされている。

（Ｅ）隣接するサンプリング点間のＶ４の電圧差が−３（ｍＶ）以下の時、すなわち、最終段単位セルＶ４の電圧が急激に低下した時は、設定電流値を関数Ｃを用いて下げるように制御する。関数Ｃによる制御は表中「Ｌ」の判定で示されている。

（Ｆ）以上のいずれの条件にも当てはまらない時は、設定電流値に対する調整は行われない。表中、判定の欄が空欄になっている場合に相当する。

次に、関数Ａ，Ｂ，Ｃの構成をそれぞれ表４，表５，表６に示す。

関数Ａは表４に示すように、現在の設定電流値の大きさに対応して調整値が決定されるように関数が決められている。設定電流値の大きさを５段階に分け、設定電流値が小さいほど調整値が大きくなるようにしている。これは燃料電池ＦＣの立ち上げ時など、電圧値が定常状態になるように増えていく段階でできるだけ早く定常状態になるようにするためである。

表１のＮｏ．５におけるデータをみると、現在電圧値はＶａ＝６５８，Ｖ４＝６９３である。Ｖａのフラグ値については、Ｎｏ．２→Ｎｏ．３が増加（＋１）、Ｎｏ．３→Ｎｏ．４が減少（−１）、Ｎｏ．４→Ｎｏ．５が増加で（＋１）であるから、フラグ値＝１−１＋１＝１となる。Ｖ４のフラグ値については、Ｎｏ．２→Ｎｏ．３が増加（＋１）、Ｎｏ．３→Ｎｏ．４が増減なし（０）、Ｎｏ．４→Ｎｏ．５が減少で（−１）であるから、フラグ値＝１＋０−１＝０となる。従って、Ｖａ，Ｖ４も共に安定傾向にあり（判定Ｕ）、前述の条件（Ｃ）を満たすので関数Ａによる制御が行なわれる。そして、Ｎｏ．５の直前における設定電流値は３３８ｍＡであるから、表４から調整値は３ｍＡの増加となる。従って、Ｎｏ．５の時点における設定電流値は、３３８ｍＡから３４１ｍＡへと変更されることになる。

関数Ｂは表５に示されており、関数Ａと同様に現在の設定電流値の大きさに対応して調整値が決定されるように関数が決められている。設定電流値の大きさを５段階に分け、設定電流値が小さいほど調整値が大きくなるようにしている。この理由は、直流電圧変換回路２０の効率に対応させるためである。

表２のＮｏ．５におけるデータをみると、Ｖａのフラグ値が０でＶ４のフラグ値が−２となっておりＶ４が低下傾向にある。また、現時点のＶ４＝６７２で直前のＶ４＝６７３に対して−１ｍＶの差であり−３ｍＶよりも大きい（判定Ｄ）。従って、前述の条件（Ｄ）を満たすので関数Ｂによる制御が行なわれる。そして、Ｎｏ．５の直前における設定電流値は４０１ｍＡであるから、表５から調整値は２ｍＡの減少となる。従って、Ｎｏ．５の時点における設定電流値は、４０１ｍＡから３９９ｍＡへと変更されることになる。

関数Ｃは表６に示されており、現時点における最終段単位セルＳ４の電圧値Ｖ４と直前のサンプリング点の電圧値の電圧差の大きさに対応して調整値が決定されるように関数が決められている。電圧差が大きいほど調整値が大きくなるように関数が決められている。これは電圧の低下の度合いが大きいほど、設定電流値も大きく下げるようにして、最終段の単位セルＳ４に対する過負荷を抑制するためである。

表３のＮｏ．４におけるデータをみると、電圧値Ｖ４＝６１１ｍＶであり、直前の電圧値Ｖ４＝６２３ｍＶに対して１２ｍＶ低下（３ｍＶ以上の低下）している（判定Ｌ）。従って、前述の条件（Ｅ）を満たすので関数Ｃによる制御が行なわれる。表６において電圧差が１２ｍＶの場合の調整値は１５ｍＡである。直前の設定電流値は４５３ｍＡであり、調整後は４３７ｍＡとなる。

本実施形態において、各関数Ａ，Ｂ，Ｃはテーブル（ルックアップテーブル）の形で提供されるが、本発明としては、これに限定されるものではなく、例えば、関数式を用いて演算するようにしてもよい。

表１，２，３において実際の設定電流値の変化に対応して、入力電流も同じような傾向で変化していることがわかる。なお、電圧値の最大調整値は５００ｍＡ、電流の最大調整値は８０ｍＡ、単位セルの最小電圧値は４８０ｍＶとなるように制御される。

基準電圧設定回路６８は、設定値決定部６６により決定された設定電流値となるように基準電圧を設定するための電子回路である。すなわち、設定電流値の大きさに対応した基準電圧を設定することができ、図２の電流制御回路４０のオペアンプ４４に入力される基準電圧を調整することで設定電流値の設定変更を行うようにするものである。

図８は、図７の構成によるフィードバック制御を行なった場合の、水素ガスの瞬時消費量と燃料電池出力の時間的推移を示すグラフである。このグラフによれば、出力に対応した水素ガスの消費が行なわれており、無駄に水素ガスを排出させないような結果が得られている。また、図９は水素消費量と出力容量の時間的推移を示すグラフである。このグラフからも出力容量の変化に対応して水素ガスの消費量が変化していることがわかる。さらに、水素発生総量１２００ｍｌに対して水素消費量は１１５０ｍｌとなっており、消費率は９５％とかなり高くなっていることが確認された。従って、水素ガスを無駄にすることなく有効に消費されていることが分かる。

＜電流制御手段の別実施形態＞
前述した実施形態では、電流制御手段が直流電圧変換回路２０の出力の他方と出力部３０との間に介在する電流制御回路４０で構成されている例を示したが、本発明における電流制御手段は、直流電圧変換回路２０に対して電流制御を行うものでもよい。

例えば、図１０に示す実施形態ように、直流電圧変換回路２０の入力側の電流を検出して、出力部３０からの出力電流が設定電流値を超えないように、直流電圧変換回路２０に対して制御を行うことも可能である。この場合、予め直流電圧変換回路２０の入力側の電流と出力部３０からの出力電流との関係を求めておくことで、前者の電流を検出して、後者の電流を間接的に制御することができる。このように直流電圧変換回路２０の入力側の電流（燃料電池ＦＣからの出力電流）を検出する場合、燃料電池ＦＣからの出力電流が設定電流値を超えないように、直流電圧変換回路２０又は前述した電流制御回路４０に対して制御を行うことも可能である。

図１０に示す実施形態では、直流電圧変換回路２０と燃料電池ＦＣとの間に設けた電流検出素子７１の電流値を検出する電流検出部７０と、電流検出部７０での検出結果に応じて、直流電圧変換回路２０の出力電流が設定電流値を超えないように制御する出力電流制御手段８０とを備えている。

電流検出素子７１としては、直流電圧変換回路２０と燃料電池ＦＣとの間に設けられた抵抗などが利用できる。この抵抗によって、直流電圧変換回路２０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等を利用した電流検出部７０により検出することができる。

出力電流制御手段８０では、直流電圧変換回路２０に対する制御信号が生成され、例えば、直流電圧変換回路２０が電圧調節用のフィードバック入力を有する場合、そのフィードバック入力に対して、出力電流制御手段８０からの制御信号を入力することができる。

この実施形態では、直流電圧変換回路２０は、その出力電圧が可変であり、出力電圧調節用のフィードバック入力を有することが好ましい。このフィードバック入力に対して、出力電流制御手段８０からの制御信号を制御電圧として入力することで、直流電圧変換回路２０の出力電圧が調節でき、この電圧調節により直流電圧変換回路２０から出力される充電のための電流が設定電流値を超えないように制御することができる。

そして、出力電流制御手段８０における設定電流値は、一定（即ち、燃料の消費量一定）に制御されるのではなく、出力電流制御手段８０の設定電流値を変化させる制御を設定電流変更手段６０によって行う。その際、設定電流変更手段６０からの信号は、出力電流制御手段８０の設定電流値を変化させるが、燃料（例えば水素）の供給量の変動パターンに消費量の変動パターンが近づく方向に制御される。

なお、設定電流変更手段６０からの信号を電流検出部７０に入力すること（図中の点線で示す信号経路）で、電流制御手段８０の設定電流値を変化させることも可能である。

一方、例えば、図１１に示す実施形態のように、直流電圧変換回路２０の出力側の電流を検出して、出力部３０からの出力電流が設定電流値を超えないように、直流電圧変換回路２０に対して制御を行うことも可能である。

この実施形態では、直流電圧変換回路２０と出力部３０との間に設けた電流検出素子７１の電流値を検出する電流検出部７０と、電流検出部７０での検出結果に応じて、直流電圧変換回路２０の出力電流が設定電流値を超えないように制御する出力電流制御手段８０とを備えている。

電流検出素子７１、電流検出部７０、出力電流制御手段８０等については、図１０に示す実施形態と同様である。つまり、出力電流制御手段８０からの制御信号を直流電圧変換回路２０に入力することで、直流電圧変換回路２０から出力される充電のための電流が設定電流値を超えないように制御される。これに加えて、設定電流変更手段６０により、出力電流制御手段８０の設定電流値を変化させて、燃料（例えば水素）の供給量の変動パターンに消費量の変動パターンが近づく方向に制御することができる。

［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。

（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。

（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。

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。

（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。

（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、更に高い電流値の範囲内（例えば０．８Ａ以下）に設定してもよい。

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。

（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、出力電流が設定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以下に設定すればよい。

Claims (9)

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が電気的に接続された出力部と、
   前記出力部又は前記燃料電池からの出力電流が設定電流値を超えないように制御する電流制御手段と、
   前記燃料電池への燃料の供給量の変動パターンに、燃料の消費量の変動パターンが近づくように、前記電流制御手段の前記設定電流値を変化させる設定電流変更手段と、
   を備える充電装置。
2. 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設定電流値を超えないように制御する電流制御回路と、
   前記燃料電池への燃料の供給量の変動パターンに、燃料の消費量の変動パターンが近づくように、前記電流制御回路の前記設定電流値を変化させる設定電流変更手段と、
   を備える充電装置。
3. 前記設定電流変更手段は、予め決定された、時間と共に変化する電流値の変動パターンに基づいて、前記電流制御回路の設定電流値を変化させるものである請求項１又は２記載の充電装置。
4. 前記燃料電池は、複数の単位セルが電気的に直列接続されると共に、燃料供給手段から供給される燃料の通路も直列接続されており、
   前記設定電流変更手段は、
   燃料通路の最下流に位置する最終段単位セルの第１電圧を検出する第１電圧検出部と、
   最終段単位セル以外の残りの単位セルの第２電圧を検出する第２電圧検出部と、
   第１電圧の時間的変動を検出する第１電圧変動検出部と、
   第２電圧の時間的変動を検出する第２電圧変動検出部と、
   第１電圧と第２電圧の時間的変動の度合いに基づいて前記電流制御手段又は前記電流制御回路の設定電流値を決定する設定値決定部と、を備える請求項１又は２に記載の充電装置。
5. 第１電圧、第２電圧、及びこれらの時間的変動は、所定のサンプリング周期により検出を行なうように構成され、
   第１・第２電圧変動検出部は、現在の電圧値と過去の複数のサンプリング点における電圧値とから、電圧値の減少傾向の度合い、増加傾向の度合いを検出し、
   設定値決定部は、この度合いの程度に応じて現在の設定電流値に対する調整値を決定するものである請求項４に記載の充電装置。
6. 前記調整値を決定するための関数を設定する関数設定部が設けられており、
   この関数は、現在の設定電流値を入力変数として調整値を決定するものである請求項５に記載の充電装置。
7. 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設定電流値以下に制御する請求項２〜６のいずれかに記載の充電装置。
8. 前記電流制御手段は、前記直流電圧変換回路の入力側又は出力側の電流を検出して、前記直流電圧変換回路の電圧調節用のフィードバック入力に対して入力することで、前記出力部からの出力電流が設定電流値を超えないように制御するものである請求項１記載の充電装置。
9. 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１〜８いずれかに記載の充電装置。

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