特許 6019300 発電装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6019300

(24)【登録日】2016年10月14日

(45)【発行日】2016年11月2日

(54)【発明の名称】発電装置

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04 20160101AFI20161020BHJP

   H01M 8/04225 20160101ALI20161020BHJP

   H01M 8/04302 20160101ALI20161020BHJP

   H01M 8/0606 20160101ALN20161020BHJP

   H01M 8/10 20160101ALN20161020BHJP

【ＦＩ】

   H01M8/04 Z

   H01M8/04 X

   !H01M8/06 R

   !H01M8/10

【請求項の数】4

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2012-208212(P2012-208212)

(22)【出願日】2012年9月21日

(65)【公開番号】特開2014-63650(P2014-63650A)

(43)【公開日】2014年4月10日

【審査請求日】2015年3月12日

(73)【特許権者】

【識別番号】506239784

【氏名又は名称】アクアフェアリー株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000729

【氏名又は名称】特許業務法人 ユニアス国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】石坂 整

(72)【発明者】

【氏名】加藤 大典

(72)【発明者】

【氏名】金井 仁子

(72)【発明者】

【氏名】木村 剛

【審査官】 清水 康

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００８−０４１６４６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−２７３７５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−０９３２１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−１９２４２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−２８９２１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６０−０７４３４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−３３２６８７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ ８／００ − ８／２４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃料ガスを発生させる燃料供給手段と、
前記燃料供給手段から供給された燃料ガスで発電を行なう単数又は複数の発電セルで構成され、各々が直列接続されている複数の発電ユニットと、
前記複数の発電ユニットの各々の出力部に対して、スイッチ素子を介して電気的に各々接続された複数の負荷手段と、
前記燃料供給手段で燃料ガスの発生を開始する起動の際に、前記発電ユニットの全体からの合計の出力電圧が一定以上になるまで待機した後、前記複数の発電ユニットの何れかに対して前記スイッチ素子をオンにし、所定の条件を満たした後に、前記スイッチ素子をオフにしてから、別の前記発電ユニットに対して前記スイッチ素子をオンにする処理を含む制御を行う制御手段と、
前記発電ユニットの全体から電力が供給され、前記制御手段を動作させるための電力を前記制御手段に供給する電源回路と、
を備える発電装置。

【請求項2】

前記制御手段による処理は、前記スイッチ素子をオンにする処理の後に、前記発電ユニットの出力電圧が一定以上であるか否かを判定する処理を含み、一定以上の場合に前記所定の条件を満たすものとして次の処理を行う請求項１記載の発電装置。

【請求項3】

前記制御手段による処理は、前記複数の発電ユニットの全てに対して、前記発電ユニットの出力電圧が一定以上であるか否かを判定する処理を繰り返すものである請求項２に記載の発電装置。

【請求項4】

前記制御手段による処理は、前記スイッチ素子をオンにする処理と、前記発電ユニットの出力電圧が一定以上であるか否かを判定する処理との間に、所定の時間待機する処理を含む請求項２〜３のいずれか１項に記載の発電装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、燃料供給手段で発生した燃料ガスで発電を行なう複数の発電セルを備える発電装置に関し、特に、高分子電解質型等の発電セルを発電装置内において、自動的に活性化する技術として有用である。

【背景技術】

【0002】

一般に、高分子電解質型の燃料電池は、プロトン導伝性の高分子電解質薄膜と、正極および負極となる電極、それぞれの電極から集電を行う集電体等により構成されている。高分子電解質には、フッ素樹脂を主鎖とし、スルホン基を側鎖としたもの等が使用されており、水分を含んだ状態でプロトン伝導性の電解質として機能することが知られている。そのため電池の作動状態では、電解質は常に水分を含んだ状態であることが望ましい。

【0003】

しかし、高分子電解質型燃料電池の電極拡散層や高分子電解質を水和させるには、ある程度の運転時間を要するため、高分子電解質型の燃料電池を組み立て直後に作動させる場合や、長時間未使用のまま放置した電池を再作動させる場合、瞬時に高い電池出力を得ることは一般に困難であった。

【0004】

従って、従来、電池性能を早期に引き出すために、純酸素中でより高電流密度で発電させたり、また、燃料電池が通常運転時に発生する最大電流よりも大きな電流を通電させるに十分な逆極性の電圧を印加して、燃料電池を活性化する方法が提案されている。しかし、これらの方法は、発電装置とは別に、燃料電池を活性化するための装置を使用するものであり、発電装置自体に、活性化手段を備えるものではなかった。

【0005】

そこで、特許文献１には、燃料電池の活性化処理の必要性や活性化処理の終点を判断し、活性化処理の開始や停止を自動制御した後に、通常運転を開始する燃料電池システムが提案されている。また、この文献には、スタック内の個々の発電セルに抵抗を接続して、個別に活性化を行う制御についても開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２００８−４１６４６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかし、特許文献１の燃料電池システムでは、起動時から燃料ガスが十分供給される状態を想定しており、制御手段の電源は燃料電池からではなく、別の蓄電手段から供給されていると考えられる。このため、燃料供給手段で発生した燃料ガスで発電を行ない、かつ発電セルからの出力電力で制御手段を作動させる場合には、複数同時に負荷が発電セルに接続されることを排除していないため、起動時に制御手段の電源としての電圧が不十分となり、活性化のための制御が適切に行われない場合が生じる。

【0008】

また、この燃料電池システムで採用されている活性化処理は、負荷接続部を制御して高分子電解質膜の加湿による活性化を行うというものであり、通常の使用状態と大差のない電流に制御されている。このため、活性化に長時間を要するので、時間的なロスの問題だけでなく、燃料消費量が大きくなるため、燃料の容量が制限される携帯機器類には、使用しにくいという問題もあった。

【0009】

そこで、本発明の目的は、制御のための蓄電池を別途必要とせずに、起動時の燃料が不十分な状態においても、発電セルの適切な活性化が自動的に行える発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】

【0010】

上記課題は次の如き本発明により達成できる。
すなわち、本発明の発電装置は、
燃料ガスを発生させる燃料供給手段と、
前記燃料供給手段から供給された燃料ガスで発電を行なう単数又は複数の発電セルで構成され、各々が直列接続されている複数の発電ユニットと、
前記複数の発電ユニットの各々の出力部に対して、スイッチ素子を介して電気的に各々接続された複数の負荷手段と、
前記燃料供給手段で燃料ガスの発生を開始する起動の際に、前記複数の発電ユニットの何れかに対して前記スイッチ素子をオンにし、所定の条件を満たした後に、前記スイッチ素子をオフにしてから、別の前記発電ユニットに対して前記スイッチ素子をオンにする処理を含む制御を行う制御手段と、
前記発電ユニットから電力が供給され、前記制御手段を動作させるための電力を前記制御手段に供給する電源回路と、を備えることを特徴とする。

【0011】

本発明の発電装置によると、電源回路により発電ユニットから制御手段を動作させるための電力を供給するため、制御のための蓄電池を別途必要としない。また、燃料供給手段が燃料ガスを発生させるものであるため、起動時に燃料ガスが不十分な状態になり易く、発電が不十分な状態で、従来のように活性化のために複数の負荷手段を発電ユニットに接続すると、全体の電圧が低下することで、初期の活性化のための制御が行えなくなる。しかし、本発明では、複数に分けた個々の発電ユニットに対して、個別に活性化を行うための制御をするので、全体の電圧が低下しにくく、初期の活性化のための制御が適切に行えるようになる。その結果、制御のための蓄電池を別途必要とせずに、起動時の燃料が不十分な状態においても、発電セルの適切な活性化が自動的に行える発電装置を提供することができた。

【0012】

上記において、前記制御手段による処理は、前記スイッチ素子をオンにする処理の後に、前記発電ユニットの出力電圧が一定以上であるか否かを判定する処理を含み、一定以上の場合に前記所定の条件を満たすものとして次の処理を行うことが好ましい。このような判定処理によって、発電ユニットの発電状態を確認することで、より確実に個々の発電ユニットの活性化を行うことができる。

【0013】

また、前記制御手段による処理は、前記複数の発電ユニットの全てに対して、前記発電ユニットの出力電圧が一定以上であるか否かを判定する処理を繰り返すものであることが好ましい。このような処理により、全ての発電ユニットの活性化を確認することができ、全ての発電ユニットの活性化を自動的に行うことができる。

【0014】

更に、前記制御手段による処理は、最初に前記スイッチ素子をオンにする処理の前に、単数又は複数の前記発電ユニットの出力電圧が一定以上になるまで待機する処理を含むことが好ましい。この処理を行うことにより、制御に必要な最低限の発電状態を実現してから、活性化のための処理を行なうため、より確実に発電ユニットの初期の活性化を行うことができる。

【0015】

また、前記制御手段による処理は、前記スイッチ素子をオンにする処理と、前記発電ユニットの出力電圧が一定以上であるか否かを判定する処理との間に、所定の時間待機する処理を含むことが好ましい。このような待機処理により、一定時間以上の活性化を常に行なうことができ、より確実に個々の発電ユニットの活性化を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】本発明の発電装置の構成の一例を示すブロック図

【図2】本発明の発電装置における制御の一例を示す流れ図

【図3】本発明の発電装置の一例を示す縦断面図

【図4】本発明の発電装置の一例を示すＢ−Ｂ矢視断面図

【発明を実施するための形態】

【0017】

＜発電装置の構成および制御＞
本発明の発電装置は、図１に示すように、燃料ガスを発生させる燃料供給手段３１と、前記燃料供給手段３１から供給された燃料ガスで発電を行なう発電セルで構成され、各々が直列接続されている複数の発電ユニット３２ａ〜３２ｄとを備えている。燃料供給手段３１は、水素等の燃料ガスを発生させて、発電ユニット３２ａ〜３２ｄに供給するものである。本実施形態では、発電ユニット３２ａ〜３２ｄが、燃料ガスの供給経路に対して直列に接続されており、各々の発電ユニット３２ａ〜３２ｄに対して、順次、燃料ガスの供給・排出が行なわれる例を示す。燃料供給手段３１の詳細については後述する。

【0018】

発電ユニット３２ａ〜３２ｄは、単数又は複数の発電セルで構成されており、複数の発電セルで構成される場合、各々の単位セルが、直列接続、並列接続、又はその組み合わせで電気的に接続される。発電ユニット３２ａ〜３２ｄは、直列接続された複数の発電セルを、複数のユニットに分けたものであり、活性化の際の全体の電圧低下を抑制する観点から、全体を２〜１０分割したものが好ましく、３〜５分割したものがより好ましい。発電セルの詳細については後述する。

【0019】

複数の発電ユニット３２ａ〜３２ｄには、各々の出力部に対して、スイッチ素子３４ａ〜３４ｄを介して負荷手段３３ａ〜３３ｄが、各々電気的に接続されている。スイッチ素子３４ａ〜３４ｄとしては、操作信号により通電可能なものであればよく、各種の電力用半導体、リレー等が使用可能であるが、パワーＦＥＴや静電誘導トランジスタ（ＳＩＴ）などの高速スイッチング素子が好ましく使用される。

【0020】

負荷手段３３ａ〜３３ｄとしては、発電ユニット３２ａ〜３２ｄから出力される電力を消費又は蓄電できるものであればよいが、出力電圧の検出精度を高める観点から、抵抗器、ＦＥＴ素子等が好ましい。

【0021】

負荷手段３３ａ〜３３ｄの抵抗値は、より適切な活性化を行なう観点から、純水素を供給して発電ユニット３２ａ〜３２ｄが最大電力を出力できる場合の電流に対して、１．２〜０．５倍になる抵抗値に設定することが好ましく、０．６〜１倍に設定することがより好ましい。

【0022】

また、本発明の発電装置は、図１に示すように、スイッチ素子３４ａ〜３４ｄを制御する制御手段３５と、制御手段３５を動作させるための電力を制御手段３５に供給する電源回路３６とを備えている。

【0023】

制御手段３５は、複数の入力・出力の系統を有し、これらを制御するプログラムの書き込み等および実行等が可能なマイコンユニット、マイコンチップなどで構成することができる。

【0024】

電源回路３６には、発電ユニット３２ａ〜３２ｄの少なくとも一部から電力が供給されるが、発電ユニット３２ａ〜３２ｄの全体から電源回路３６に電力が供給されることが好ましい。また、最初に活性化される発電ユニット（例えば発電ユニット３２ａ）を避けて、その他の発電ユニット（例えば発電ユニット３２ｂ〜３２ｄ）から電力が供給されるようにしてもよい。

【0025】

次ぎに、図２に基づいて、本発明における制御について説明する。制御手段３５は、燃料供給手段３１で燃料ガスの発生を開始する起動の際に、複数の発電ユニット３２ａ〜３２ｄの何れかに対してスイッチ素子（例えば３４ａ）をオンにし、所定の条件を満たした後に、スイッチ素子（例えば３４ａ）をオフにしてから、別の前記発電ユニット（例えば３２ｂ）に対して前記スイッチ素子（例えば３４ｂ）をオンにする処理を含む制御を行う。本実施形態では、発電ユニット３２ａ〜発電ユニット３２ｄの順で当該処理を行なう場合の例を示す。

【0026】

ステップＳ１では、燃料供給手段３１において、水素ガス等の燃料ガスの発生を開始する。これにより発電が開始することで、制御手段３５による制御が可能になる。

【0027】

但し、ステップＳ２では、４つの発電ユニット３２ａ〜３２ｄの電圧が３．０Ｖ以上になるまで、待機する処理を行なっている。このように、最初にスイッチ素子３４ａをオンにする処理の前に、単数又は複数の発電ユニット３２ａ〜３２ｄの出力電圧が一定以上になるまで待機することにより、制御に必要な最低限の発電状態を実現してから、活性化のための処理を行なうことができる。この処理は、一定時間だけ待機する処理に代えることも可能である。

【0028】

ステップＳ３では、複数の発電ユニット３２ａ〜３２ｄのうち、発電ユニット３２ａに対してスイッチ素子３４ａをオンにすることで、負荷手段３３ａである抵抗器に接続を行なう処理を実行する。この処理は、活性化のためのトータルの処理時間を短縮する観点から、複数の発電ユニット３２ａ〜３２ｄのうち、水素を供給する経路の最も上流側の発電ユニット３２ａに対して行なうことが好ましい。

【0029】

ステップＳ４では、１０秒間の待機処理を実行する。このように、スイッチ素子スイッチ素子３４ａをオンにする処理と、発電ユニット３２ａの出力電圧が一定以上であるか否かを判定する処理との間に、所定の時間待機する処理を含むことにより、一定時間以上の活性化を常に行なうことができ、より確実に個々の発電ユニット３２ａ〜３２ｄの活性化を行うことができる。

【0030】

ステップＳ５では、所定の条件を満たすかを判定する処理として、発電ユニット３２ａの出力電圧が一定以上（例えば４０８ｍＶ以上）であるか否かを判定する処理を実行する。所定の条件を満たす場合には、判定ループを抜けて、発電ユニット３２ａに対してスイッチ素子３４ａがオフされる。この時点で、発電ユニット３２ａの活性化が完了する。

【0031】

上記の判定の出力電圧の閾値としては、より適切な活性化を行なう観点から、純水素を供給して発電ユニット３２ａが最大電力を出力できる場合の電圧に対して、１００〜５０％に設定することが好ましく、９０〜６０％に設定することがより好ましい。

【0032】

ステップＳ６では、ステップＳ５の判定で所定の条件を満たさない時間が、一定時間（例えば２０秒）以上になった場合に、ステップＳ５の判定ループを抜ける判定処理を行なう。この判定ループを抜けると、発電ユニット３２ａに対してスイッチ素子３４ａがオフされ、ステップＳ７の処理を実行する。ステップＳ６で設定する時間としては、発電ユニット３２ａ〜３２ｄを活性化するのに必要な時間の１〜１０倍に設定することが好ましい。

【0033】

ステップＳ７では、発電ユニット３２ａの全体又は一部の発電セルが不良品であることを出力する処理である。具体的には、例えばＬＥＤなどによる表示が行なわれる。ステップＳ６〜Ｓ７処理によって、発電ユニット３２ａの全体又は一部の発電セルが不良品であることを検出できる。この処理を実行した後、次のステップＳ８を継続することで、他の発電ユニット３２ｂ〜３２ｄについても、活性化のための処理又は発電セル等の良品判定処理を実行できる。

【0034】

ステップＳ８〜Ｓ１２では、２番目の発電ユニット３２ｂに対して、ステップＳ３〜Ｓ７と同じ処理を行なう。待機時間および判定電圧などは、１番目の発電ユニット３２ａと同じにしてもよく、異なるようにしてもよい。通常は、同じ条件が設定される。

【0035】

ステップＳ１３〜Ｓ１４では、３〜４番目の発電ユニット３２ｃ〜３２ｄに対して、ステップＳ３〜Ｓ７と同じ処理を行なう。待機時間および判定電圧などの条件は、１番目の発電ユニット３２ａと同じにしてもよく、異なるようにしてもよい。通常は、同じ条件が設定される。

【0036】

このようにして、複数の発電ユニット３２ａ〜３２ｄの全てに対して、発電ユニット３２ａ〜３２ｄの出力電圧が一定以上であるか否かを判定する処理を繰り返すものであることにより、全ての発電ユニット３２ａ〜３２ｄの活性化を確認することができ、全ての発電ユニットの活性化を自動的に行うことができる。

【0037】

活性化が完了すると、発電装置による通常の発電が行なわれる。制御手段３１は、通常の発電を行なう際の出力制御、安全確保のための出力制御などを、上記の制御に引き続き、又は並列して行なうことも可能である。

【0038】

＜発電装置の構造＞
本発明の発電装置は、例えば図３〜図４に示す構造の装置として構成することができる。図示した例では、発電装置が、燃料電池本体１０と燃料供給カートリッジ２０とを含むものである。燃料供給カートリッジ２０が燃料供給手段３１に相当し、燃料電池本体１０に発電ユニット３２ａ〜３２ｄ、制御手段３５等が組み込まれている。図３は燃料供給カートリッジ２０が燃料電池本体１０に装着される前の状態を示しており、図４のように、発電装置は、燃料供給カートリッジ２０が燃料電池本体１０に装着された状態で使用される。

【0039】

燃料電池本体１０は、一方の表面から燃料ガスが供給され、他方の表面から酸素が供給されることで発電を行う発電セル１１と、その発電セル１１を一方の表面を内部に向けて保持することで、発電セル１１と共に内部空間を形成するセル保持体１２と、その内部空間に接続されガスの排出のみを許容する逆止弁１３と、内部空間に連通する燃料ガス供給口１４と、連通路１５によって相互に連通する第１開口部１５ａ及び第２開口部１５ｂと、を備えている。

【0040】

一方、燃料供給カートリッジ２０は、反応液２１ａを収容する反応液収容部２１と、反応液２１ａと反応して燃料ガスを発生させる燃料ガス発生剤２２ａを収容する燃料発生部２２と、反応液収容部２１から反応液を外部に排出するための反応液排出口２３と、燃料発生部２２に反応液２１ａを外部から供給するための反応液供給口２４と、燃料発生部２２から燃料ガスを外部に排出するための燃料排出口２５と、を備えている。

【0041】

本実施形態の発電装置は、燃料電池本体１０に燃料供給カートリッジ２０を装着した状態では、反応液排出口２３及び反応液供給口２４は第１開口部１５ａ及び第２開口部１５ｂに各々接続され、燃料排出口２５は燃料ガス供給口１４に接続される。

【0042】

この発電装置は、反応液収容部２１を加圧するための加圧機構２６を有することが好ましい。本実施形態では、燃料電池本体１０が燃料供給カートリッジ２０を装着するカートリッジ収容部１８を有し、燃料供給カートリッジ２０は、カートリッジ収容部１８に装着する際に、カートリッジ収容部１８の形状に従って変形することで、反応液収容部２１の内部圧力を増加させる加圧機構２６を有している例を示す。

【0043】

反応液排出口２３と反応液供給口２４と燃料排出口２５とは、燃料電池本体１０に燃料供給カートリッジ２０を装着する前には外部に連通していないことが好ましい。本実施形態では、封止材２７を燃料供給カートリッジ２０に設けておき、装着時に反応液排出口２３と反応液供給口２４と燃料排出口２５とが、第１開口部１５ａと第２開口部１５ｂと燃料ガス供給口１４とに各々連通する例を示す。

【0044】

また、図１に示すように、燃料電池本体１０が発電セル１１で構成される発電ユニット３２ａ〜３２ｄからの出力を制御する出力回路３７と、出力回路３７からの出力を外部に接続するためのコネクター４０とを備える例を示す。以下、各部の詳細について説明する。

【0045】

＜発電セル＞
発電セル１１は、単数又は複数の単位セルを備え、複数の単位セルを備える場合、いずれかの単位セルと他の単位セルの導電層同士を、接続部により電気的に接続している。電気的な接続は、直列接続、並列接続、又はその組み合わせが可能である。なお、接続する単位セルの数としては、要求される電圧又は電流に応じて、設定することが可能である。

【0046】

本発明における各々の単位セルは、図４に示すように、固体高分子電解質層１と、この固体高分子電解質層１の両側に設けられた第１電極層２及び第２電極層３と、これら電極層２，３の更に外側に各々配置された第１導電層及び第２導電層とを有する。本実施形態では、第１導電層及び第２導電層が、第１電極層２及び第２電極層３を部分的に露出させる露出部を有する第１金属層４及び第２金属層５とからなる例を示す。

【0047】

なお、導電層の材質としては、金属、導電性高分子、導電性ゴム、導電性繊維、導電性ペースト、導電性塗料などが挙げられる。

【0048】

固体高分子電解質層１としては、従来の固体高分子膜型の燃料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。

【0049】

固体高分子電解質層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、１５〜５０μｍが好ましい。

【0050】

電極層２，３は、固体高分子電解質層１の表面付近でアノード側およびカソード側の電極反応を生じさせるものであれば何れでもよい。なかでも、ガス拡散層としての機能を発揮して、燃料ガス、燃料液、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好適に使用できる。電極層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、固体高分子電解質層１と接する内面側に少なくとも担持させるのが好ましい。

【0051】

電極層２，３の電極基材としては、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。また、固体高分子電解質層１に触媒を直接付着させたり、カーボンブラックなどの導電性粒子に担持させて固体高分子電解質層１に付着させた電極層２，３を用いることも可能である。

【0052】

一般に、電極層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。

【0053】

一般に、電極層２，３や固体高分子電解質層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。なお、還元ガスの代わりにメタノール等の燃料液を使用することも可能である。

【0054】

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の第２電極層３（本明細書では、アノード側を第１電極層、カソード側を第２電極層と仮定する）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。

【0055】

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。

【0056】

電極層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、１〜５００μｍが好ましく、１００〜３００μｍがより好ましい。電極層２，３と固体高分子電解質層１とは、予め接着、融着、又は塗布形成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、膜／電極接合体（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。

【0057】

アノード側電極層２の表面にはアノード側の第１金属層４が配置され、カソード側電極層３の表面にはカソード側の第２金属層５が配置される（本明細書では、アノード側を第１金属層、カソード側を第２金属層と仮定する）。第１金属層４は、第１電極層２を部分的に露出させる露出部を有する。

【0058】

第１金属層４の露出部は、アノード側電極層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。アノード側金属層４の開孔は、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孔を設けたり、第１金属層４を櫛形電極のような形状にしてアノード側電極層２を露出させてもよい。開孔部分の面積が占める割合（開孔率）は、電極との接触面積とガスの供給面積のバランスなどの観点から、１０〜５０％が好ましく、１５〜３０％がより好ましい。

【0059】

また、カソード側の第２金属層５は、第２電極層３を部分的に露出させる露出部を有するが、本実施形態では、カソード側金属層５には、空気中の酸素を供給（自然吸気）するための多数の開孔が設けられている例を示す。開孔は、カソード側電極層３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。カソード側金属層５の開孔は、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孔を設けたり、第２金属層５を櫛形電極のような形状にしてカソード側電極層３を露出させてもよい。開孔部分の面積が締める割合（開孔率）は、電極との接触面積とガスの供給面積のバランスなどの観点から、１０〜５０％が好ましく、１５〜３０％がより好ましい。

【0060】

金属層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、導電性、コスト、形状付与性、加圧のための強度などの観点から、銅、銅合金、ステンレス板などが好ましい。また、上記の金属に金メッキなどの金属メッキを施したものでもよい。

【0061】

なお、金属層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、導電性、コスト、重量、形状付与性、加圧のための強度などを考慮すると、１０〜１０００μｍが好ましく、５０〜２００μｍがより好ましい。

【0062】

金属層４及び金属層５は、少なくとも一部が樹脂から露出することにより、その部分を電極として電気を外部に取り出すことができる。このため、樹脂成形体６に対して、金属層４及び金属層５を一部露出させた端子部を設けてもよいが、本発明では、直列接続の場合には、その両端の単位セルの金属層４又は金属層５が、単位セルの電極となる突出部を備え、これが樹脂成形体６から外部に出ていることが好ましい。この突出部は、インサート成形を行う際に、金属層４，５等を成形型内に保持するためにも利用できる。

【0063】

金属層４及び金属層５の形成や開孔の形成は、プレス加工（プレス打ち抜き加工）を利用して行うことができる。また、金属層４及び金属層５の突出部には、樹脂の流動や密着性を良好にする目的で、インサート成形される部分に貫通孔を設けてもよい。

【0064】

以上のような単位セル及び接続部をインサート成形により一体化した樹脂成形体６を備えている。樹脂成形体６は、第１電極層２及び第２電極層３に気体又は液体を供給するための供給部を有することが好ましく、この供給部は、第１金属層４又は第２金属層５の露出部に対応する位置に設けられた開孔６ａであることが好ましい。

【0065】

本実施形態では、第１電極層２及び第２電極層３が開孔６ａから露出するように、第１金属層４及び第２金属層５を両側から加圧した状態で、樹脂成形体６によりインサート成形して一体化してある例を示す。

【0066】

本発明では、金属層４，５の露出部に相当する開孔の大きさが、樹脂成形体６の開孔６ａの大きさより、大きくてもよく、同じ大きさでもよく、小さくてもよい。

【0067】

樹脂成形体６の材質としては、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂、耐熱性樹脂などが挙げられるが、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂が好ましい。なお、熱可塑性樹脂としては、ポリカーボネート樹脂、ＡＢＳ樹脂、液晶ポリマー、ポリプロピレン、ポリスチレン、アクリル樹脂、フッ素樹脂、ポリエステル、ポリアミドなどが挙げられる。熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、アミノ樹脂、ポリウレタン樹脂、シリコーン樹脂、または熱硬化性ポリイミド樹脂等が挙げられる。なかでも、成形型内での樹脂の流動性、強度、溶融温度などの観点から、ポリエステル、ポリプロピレン、アクリル樹脂が好ましく、これらはアプリケーションによって選択することが可能である。

【0068】

樹脂成形体６の全体の厚みとしては、樹脂による一体化の強度や、金属層を加圧する圧力、薄型化などの観点から、０．３〜４ｍｍが好ましく０．５〜２ｍｍがより好ましい。特に、金属層を覆う部分の樹脂成形体６の厚みとしては、金属層を加圧する圧力の観点から、０．２〜１．５ｍｍが好ましく、０．３〜１．０ｍｍがより好ましい。

【0069】

樹脂成形体６は、平板形状のものを予めインサート成形しておきセル保持体１２を構成する他の壁面と接合すること、または、セル保持体１２を構成する他の壁面と共にインサート成形することで、セル保持体１２と一体化することができる。

【0070】

＜燃料電池本体＞

【0071】

燃料電池本体１０は、発電セル１１を一方の表面を内部に向けて保持することで、発電セルと共に内部空間を形成するセル保持体１２を備えている。本実施形態では、セル保持体１２が箱状に形成され、箱状の予備空間形成部１９と、筒状のカートリッジ収容部１８と一体的に形成されている例を示す。

【0072】

セル保持体１２には、その内部空間に接続され、ガスの排出のみを許容する逆止弁１３を備えている。セル保持体１２の内部空間は、逆止弁１３および燃料ガス供給口１４以外の部分は、密閉状態となっている。

【0073】

逆止弁１３としては、小型軽量のものが好ましく、例えば、ダックビルタイプ、アンブレラタイプ、ボールとゴム板の併用、ボールとスプリングの併用、フート弁等の逆止弁を使用することができる。逆止弁１３は、内部空間が大気圧を超えると、ガスを放出し、内部空間が大気圧未満になるときでも、大気を内部交換に流入をさせないという機能を有する。逆止弁１３の開弁圧は、ゲージ圧力で１０ｋＰａ以内に設定されることが好ましく、５ｋＰａ以内に設定されることがより好ましい。

【0074】

予備空間形成部１９には、燃料ガス供給口１４を形成するパイプが設けられ、これにより燃料ガス供給口１４から内部空間へと連通する。また、予備空間形成部１９には、内部空間から独立した連通路１５が設けられており、これによって第１開口部１５ａ及び第２開口部１５ｂが相互に連通している。

【0075】

連通路１５は、燃料発生部２２が大気圧未満となったときにも、反応液収容部２１から反応液が燃料発生部２２に過剰に供給されないように、流量を調節する役割を有する。本実施形態では、流量を調整するために、連通路１５が内径の細いパイプ１５ｃを有している例を示す。

【0076】

本発明では、燃料発生部２２で発生した水素ガス等から、不純物であるアンモニアを除去するために、内部空間、予備空間、又は燃料発生部２２にアンモニア除去剤を設けてもよい。具体的には、シート状のアンモニア除去剤を内部空間の壁面、燃料発生部２２の壁面などに配置することができる。また、予備空間内において、燃料ガス供給口１４から内部空間へと連通する流路空間を設けて、その内部にアンモニア除去剤を設けてもよい。このようなアンモニア除去剤は、シート状に形成されたものが市販されているが、粒状の吸着剤等を通気性の袋に収容したものを使用することも可能である。

【0077】

アンモニア除去剤としては、例えば、水素中のアンモニアを吸着除去する吸着剤（吸着・分解や反応吸着などの化学吸着を含む）、アンモニアを溶解除去する吸収剤、アンモニアを反応により除去する反応剤、アンモニアを分解（加熱分解・触媒反応分解等）により除去する分解手段、などが挙げられるが、アンモニアを物理吸着又は化学吸着により除去する吸着剤を備えることが好ましい。

【0078】

中でも吸着剤が、物理吸着又は化学吸着によりアンモニアを除去するものであることがより好ましく、固体酸、活性炭（固体酸に相当するものを除く）、ゼオライト（固体酸に相当するものを除く）、及びモレキュラーシーブからなる群から選ばれる１種以上であることが更に好ましい。中でも、アンモニアの吸着除去能力やより高温で吸着可能な観点から、固体酸を用いることが好ましい。

【0079】

予備空間形成部１９の予備空間内には、回路基板が設けられている。回路基板には、負荷手段３３ａ〜３３ｄ、スイッチ素子３４ａ〜３４ｄ、制御手段３５、電源回路３６、出力回路３７が設けられている。出力回路３７は、ＤＣ−ＤＣコンバータ３７ａ（昇圧回路に相当）、コンパレータ３７ｂ、可変抵抗器３７ｃ、電流検出用の抵抗器３７ｄ、電圧増幅器３７ｅで構成されている。参照電圧Ｒｅｆは、内部に蓄電池を設けて、これを利用することも可能であるが、電源回路３６として設けられた、固定電圧出力型のＤＣ−ＤＣコンバータからの出力電圧を利用することが好ましい。

【0080】

発電ユニット３２ａ〜３２ｄの出力電圧は、ＤＣ−ＤＣコンバータ３７ａ（昇圧回路に相当）により所定の電圧にまで昇圧するのが好ましい。ＤＣ−ＤＣコンバータ３７ａは、可変電圧出力型であるのが好ましく、可変抵抗器３７ｃにより、電圧の設定が可能である。参照電圧Ｒｅｆを利用して、可変抵抗器３７ｃにより所定の電圧が設定される。この設定電圧と、電流検出用の抵抗器３７ｄで検出し、電圧増幅器３７ｅで増幅した電圧とが、コンパレータ３７ｂで比較されて、その差電圧による信号が出力される。ＤＣ−ＤＣコンバータ３７ａのＦＢ端子からこの信号が入力され、この信号に基づいて、ＤＣ−ＤＣコンバータ３７ａが、差電圧が一定になるように、出力電圧を制御することで、コネクター４０（電源供給端子）から出力される電流が、一定に制御される。

【0081】

制御手段３５は、ＤＣ−ＤＣコンバータ３７ａのＥＮ端子に接続されており、発電ユニット３２ａ〜３２ｄの活性化を行なう制御の際には、ＤＣ−ＤＣコンバータ３７ａからの出力を停止することが可能となる。また、制御手段３５は、抵抗器３７ｄとコンパレータ３７ｂとに接続されており、電流を一定に制御する際の設定値を、出力回路３７に対して変更する制御を行なうことができる。この制御は、例えば、発電ユニット３２ａ〜３２ｄの出力電圧に応じて、コネクター４０からの電流を変更する制御であり、コンパレータ３７ｂに入力される電圧を制御手段３５が制御することで、コネクター４０からの電流を変更する制御を行なうことが可能となる。
コネクター４０には、携帯電話、携帯ゲーム、タブレット型パソコンなどの携帯機器が接続され、充電等のために電力供給がなされる。

【0082】

＜燃料供給カートリッジ＞

【0083】

燃料供給カートリッジ２０は、反応液２１ａを収容する反応液収容部２１と、反応液２１ａと反応して燃料ガスを発生させる燃料ガス発生剤２２ａを収容する燃料発生部２２とを備えている。反応液収容部２１と燃料発生部２２とは、万が一の場合でも、反応液２１ａが燃料ガス発生剤２２ａに到達しにくいように、燃料供給カートリッジ２０内において、隔壁２８で隔絶されていることが好ましい。内部空間を有効利用するために隔壁２８を可動型とし、燃料ガス発生剤２２ａの反応後の膨張に合わせ反応液２１ａの体積の減少とバランスを取れるようにすることが好ましい。

【0084】

図示した例では、反応液収容部２１は、密閉され変形可能な袋状容器により形成されている。収納される反応液２１ａとしては、燃料ガス発生剤２２ａと反応して燃料ガスを発生させる液体が使用される。具体的には、燃料ガス発生剤２２ａの種類に応じて、水、または酸水溶液、アルカリ水溶液などが使用される。

【0085】

反応液収容部２１には、そこから反応液２１ａを外部に排出するための反応液排出口２３を備えている。図示した例では、反応液排出口２３から反応液収容部２１の底面付近まで延びるパイプが設けられている。このパイプに、燃料電池本体１０の第１開口部１５ａを形成するパイプが連結される。両者のパイプの連結部分には、気密性を維持するためのシール部材を設けることが好ましい。

【0086】

反応液収容部２１には、水等の収容位置を調整して、どのような向きに設置したときでも排出を容易にする目的で、吸水シートなどの吸水体を設けてもよい。吸水体としては、水を含浸可能なものであれば何れでもよいが、吸水性樹脂、脱脂綿、吸水性不織布、吸水紙などが好ましい。

【0087】

図示した燃料供給カートリッジ２０は、カートリッジ収容部１８に装着する際に、カートリッジ収容部１８の形状に従って揺動する側壁を有しており、これが内側に変形して袋状容器を押圧することで、反応液収容部２１の内部圧力を増加させる加圧機構２６を有している。揺動可能な側壁は、ヒンジ部によって構成することができるが、可とう性の材料で側壁を形成することで同様の変形が可能となる。

【0088】

燃料発生部２２に収容される燃料ガス発生剤２２ａとしては、反応液と反応して、水素ガスなどの燃料ガスを発生させるものが使用される。例えば、水等の反応液と反応して水素ガスを発生する水素発生剤または高反応性の水素発生剤を樹脂に包埋したものが使用できる。なかでも、反応性を制御できる観点から、高反応性の水素発生剤を樹脂に包埋したものが好ましい。

【0089】

このような高反応性の水素発生剤としては、水素化カルシウム、水素化リチウム、水素化カリウム、水素化ホウ素ナトリウム、水素化ホウ素カリウム、水素化リチウムアルミニウム、水素化アルミニウムナトリウム、又は水素化マグネシウムなどの水素化金属化合物を含有するものが挙げられる。

【0090】

また、上記化合物以外の水素発生剤として、アルミニウム、鉄、マグネシウム、カルシウム等の金属、上記以外の金属水素錯化合物などを含有してもよい。水素化金属化合物、金属、金属水素錯化合物は、何れかを複数組み合わせて使用することもでき、また、それぞれを組み合わせて使用することも可能である。

【0091】

水素発生剤を樹脂に包埋する場合、粒状の水素発生剤の平均粒径は、樹脂中への分散性や反応性を制御する観点から、１〜１００μｍが好ましく、６〜３０μｍがより好ましく、８〜１０μｍが更に好ましい。

【0092】

水素発生剤の含有量は、適度な反応性とある程度の水素発生量を確保する観点から、樹脂中、１０〜８５重量％が好ましく、３０〜８０重量％が好ましい。

【0093】

用いられる樹脂としては、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂、耐熱性樹脂などが挙げられるが、熱硬化性樹脂が好ましい。なお、熱可塑性樹脂としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、アクリル樹脂、フッ素樹脂、ポリエステル、ポリアミドなどが挙げられる。また、耐熱性樹脂としては、芳香族系のポリイミド、ポリアミド、ポリエステルなどが挙げられる。

【0094】

熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、アミノ樹脂、ポリウレタン樹脂、シリコーン樹脂、または熱硬化性ポリイミド樹脂等が挙げられる。なかでも、水素発生反応中に多孔質構造を適度に維持できる観点から、エポキシ樹脂が好ましい。

【0095】

燃料ガス発生剤２２ａには、上記の成分以外の任意成分として、触媒、充填材、発泡剤などのその他の成分を含有してもよい。触媒としては、水素発生剤用の金属触媒の他、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化カルシウムなどのアルカリ化合物も有効である。

【0096】

燃料発生部２２には、反応液２１ａを外部から供給するための反応液供給口２４と、燃料ガスを外部に排出するための燃料排出口２５とを備えている。図示した例では、反応液供給口２４と燃料排出口２５とが各々パイプで形成されており、これらのパイプに、燃料電池本体１０の第２開口部１５ｂと燃料ガス供給口１４とを形成するパイプが連結される。両者のパイプの連結部分には、気密性を維持するためのシール部材を設けることが好ましい。

【0097】

本実施形態では、燃料供給カートリッジ２０の反応液排出口２３と反応液供給口２４と燃料排出口２５とに対して、封止材２７を設けている。封止材２７としては、樹脂フィルム、ゴムシート、金属箔などが使用でき、接着剤、粘着剤、熱融着フィルムなどで、反応液排出口２３等の形成面に貼り付けられる。封止材２７は、使用の直前に剥離する方法で使用してもよいが、装着時にパイプにより封止材２７が穿孔されることで、反応液排出口２３と反応液供給口２４と燃料排出口２５とが、第１開口部１５ａと第２開口部１５ｂと燃料ガス供給口１４とに各々連通するように、封止材２７の厚みと材質を選択することが好ましい。

【0098】

＜動作説明＞
図３は燃料供給カートリッジ２０が燃料電池本体１０に装着される前の状態を示しており、図４のように、燃料供給カートリッジ２０が燃料電池本体１０に装着される。装着により、反応液排出口２３及び反応液供給口２４は、第１開口部１５ａ及び第２開口部１５ｂに各々接続され、燃料排出口２５は燃料ガス供給口１４に接続される。その際、燃料供給カートリッジ２０が、燃料電池本体１０のカートリッジ収容部１８の内部形状に従って変形することで、反応液収容部２１の内部圧力を増加させるため、連通路１５を経て燃料発生部２２に反応液２１ａが供給される。ついで供給された反応液２１ａが燃料ガス発生剤２２ａと反応し、発生した燃料ガスが燃料ガス供給口１４を経て、セル保持体１２の内部空間に導入され、発電セル１１による発電が行われる。

【0099】

カートリッジの装着により発電装置が起動する際には、初期に発生した燃料ガスによる圧力で、内部空間内のガス（主に空気中の窒素ガス）が逆止弁１３を経て排出されて、内部空間の燃料ガス濃度が上昇する。これが発電により消費されて大気圧未満のときには、逆止弁１３は閉じているため、内部空間とともに燃料発生部２２の圧力が低下する。これにより、反応液収容部２１に収容された反応液２１ａが減圧により吸引され、連通路１５を経て燃料発生部２２に供給されるようになる。定常動作時には、消費される電力に応じて燃料ガスが消費されるため、消費電力に応じて反応液２１ａが吸引供給され、その結果、消費電力に応じて燃料ガスの発生量を自動調整することが可能となる。

【0100】

起動の際には、前述したような制御が制御手段３５により行なわれ、発電ユニット３２ａ〜３２ｄの活性化が行なわれる。活性化が完了した後には、可変電圧出力型のＤＣ−ＤＣコンバータ３７ａによって、出力電圧が昇圧され、コネクター４０（電源供給端子）からの出力が、所定の電圧に制御される。

【0101】

［別の実施形態］
（１）前述の実施形態では、発電ユニット３２ａ〜３２ｄが、燃料ガスの供給経路に対して直列に接続されている場合の例を示したが、本発明では、燃料ガスの供給経路を各々の発電ユニット３２ａ〜３２ｄに並列に接続してもよい。また、発電ユニットを複数の群に分けて、各々に燃料ガスの供給経路を接続し、各群では、燃料ガスの供給経路に対して発電ユニットを直列に接続してもよい。

【0102】

（２）前述の実施形態では、所定の条件を満たすかを判定する処理として、発電ユニットの出力電圧が一定以上であるか否かを判定する処理を実行する場合の例を示したが、その他の条件を満たすか否かを判定することも可能である。

【0103】

その他の条件としては、出力電流などの発電ユニットの出力状態を基準とする他、予め活性化のために適当な時間（例えば１０秒）を決めておき、所定時間の経過を条件として判定処理を実行するようにしてもよい。

【0104】

（３）前述の実施形態では、発電ユニットの出力電圧が一定以上であるか否かを判定する際に、個々の発電ユニットの全体の出力電圧を検出する場合の例を示したが、発電ユニットを構成する発電セルが直列に接続されている場合など、一部の発電セルの出力電圧が一定以上であるか否かを判定することも可能である。

【0105】

（４）前述の実施形態では、最終段の発電ユニット３２ｄから燃料ガスが逆止弁１３を介して放出される例を示したが、燃料ガスの排出口に電磁弁等を使用して、燃料ガスの排出を制御することも可能である。その場合、排出ガスの不純物ガスの濃度に応じて、排出ガスの排出量を制御することが好ましい。

【符号の説明】

【0106】

３１ 燃料供給手段
３２ａ〜３２ｄ 発電ユニット
３３ａ〜３３ｄ 負荷手段
３４ａ〜３４ｄ スイッチ素子
３５ 制御手段
３６ 電源回路
３７ 出力回路

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】