(57)【要約】【課題】燃料電池セルを直列に接続することによって大きな起電力を得ると同時に、各々の燃料電池セルの発電特性を十分に利用でき発電密度の高い燃料電池装置を提供する。【解決手段】複数の燃料電池セルが電気的に直列に接続されて構成された燃料電池スタックと、燃料電池スタックが出力する電力の一部を用いて燃料電池スタックを制御する制御手段とを備え、制御手段は、燃料電池スタックを構成する少なくとも１つの燃料電池セルと電気的に並列に接続されており、制御手段と電気的に接続されている少なくとも１つの燃料電池セルの短絡電流は、燃料電池スタックを構成する、制御手段と電気的に並列に接続されていない燃料電池セルの少なくとも１つの短絡電流よりも大きい燃料電池装置。【選択図】図１
2006210324.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の燃料電池セルが電気的に直列に接続されて構成された燃料電池スタックと、該燃料電池スタックが出力する電力の一部を用いて該燃料電池スタックを制御する制御手段とを備えており、該制御手段は、前記燃料電池スタックを構成する少なくとも１つの燃料電池セルと電気的に並列に接続されており、前記制御手段と電気的に接続されている少なくとも１つの燃料電池セルの短絡電流は、前記燃料電池スタックを構成する、該制御手段と電気的に並列に接続されていない燃料電池セルの少なくとも１つの短絡電流よりも大きいことを特徴とする燃料電池装置。
【請求項２】
複数の燃料電池セルが電気的に直列に接続されて構成された燃料電池スタックと、該燃料電池スタックが出力する電力の一部を用いて該燃料電池スタックを制御する制御手段と、酸化剤を前記複数の燃料電池に供給するための酸化剤流路と、燃料を前記複数の燃料電池に供給するための燃料流路とを備えており、該制御手段は、前記燃料電池スタックを構成する前記複数の燃料電池セルのうち、前記酸化剤流路の上流側に位置する、少なくとも１つの燃料電池セルと電気的に並列に接続されていることを特徴とする燃料電池装置。
【請求項３】
複数の燃料電池セルが電気的に直列に接続されて構成された燃料電池スタックと、該燃料電池スタックが出力する電力の一部を用いて該燃料電池スタックを制御する制御手段と、酸化剤を前記複数の燃料電池に供給するための酸化剤流路と、燃料を前記複数の燃料電池に供給するための燃料流路とを備えており、該制御手段は、前記燃料電池スタックを構成する前記複数の燃料電池セルのうち、前記燃料流路の上流側に位置する、少なくとも１つの燃料電池セルと電気的に並列に接続されていることを特徴とする燃料電池装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池装置は体積あたりの供給可能なエネルギー量が従来の電池に比べて、数倍から十倍近くになる可能性があり、さらに燃料を充填することにより、携帯電話、ノートＰＣ等小型電気機器の長時間連続使用が可能となるため期待されている。
【０００３】
燃料電池セルは、電解質膜の対向する面に触媒を有する燃料極と触媒を有する酸化剤極が配置され、燃料極側に水素ガスなどの燃料を供給し、酸化剤極側に酸素ガスなどの酸化剤を供給し、電解質膜を介してこれらの反応剤を電気化学的に反応させる。
【０００４】
燃料電池セルに対し、外部負荷を変えながら電流と電圧の関係を測定すると図１１のような電流電圧曲線が得られる。図１１中、Ｖｏｃを開路電圧、Ｉｓｃを短絡電流と呼ぶ。この様に出力電圧は出力電流の増大に伴って低下する。このため出力電力は出力電流に対してピークを持つ。燃料電池セルは通常１Ｖ程度の起電力しか持たないため、電気機器等を駆動するため燃料電池セルを電気的に複数直列に接続して使用する。
【０００５】
燃料電池セルを電気的に複数直列に接続する方法としては、導電性のセパレータを介して燃料電池セルを積層した積層型燃料電池スタックと、燃料電池セルを同一平面上に配置し別途配線等で接続した平面型燃料電池スタックとがある。
【０００６】
従来の燃料電池装置の構成図を図１２に示す。燃料電池装置１２１は、上述した燃料電池スタック１２２を用いて電気機器１２４に電力を供給する。安定した出力を得るため燃料電池装置１２１は、各種制御手段１２３を有する。例えば、燃料電池スタックに安定して燃料を供給するためのポンプやバルブ、燃料電池スタックの動作温度を制御するためのファン、燃料電池スタックの起動を補助するバッテリ等である。またこれら制御手段１２３は燃料電池スタック１２２と電気的に並列に接続され、燃料電池スタックの電力の一部を用いて動作する。
【０００７】
燃料電池装置においては、燃料電池セルの配置、酸化剤あるいは燃料の供給方法などによって燃料電池セルの発電特性に不均一さが発生する場合があった。例えば、非特許文献１において、Ｆ．Ｂ．Ｐｒｉｎｚらは、平面型燃料電池スタックを用いて特性に不均一さが発生していることを報告している。すなわち前述した短絡電流が燃料電池セル間で異なる特性となった。この原因は明らかではないが、酸化剤或いは燃料の下流の燃料電池セルにおいて短絡電流が低下しており、圧力損失・反応物の枯渇・水分管理の問題等を指摘している。
【０００８】
この様に不均一さが発生した燃料電池スタックをいずれかの燃料電池セルの短絡電流以上で発電した場合、該燃料電池セルに逆方向電流が流れ該燃料電池セルの特性を劣化させる事がある。これは他の燃料電池セルが発電した電圧が該燃料電池セルに印加され、該燃料電池セルでは水の電気分解が起きたためと考えられる。安定した出力を得るため燃料電池装置では各燃料電池セルの短絡電流以上で動作することが無いよう出力電流が選択される。
【非特許文献１】“Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｐｏｗｅｒ  Ｓｏｕｒｃｅｓ”１１２、ｐ．４１０−４１８、２００２年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
この様に複数の燃料電池セルを電気的に直列に接続する燃料電池装置において、燃料電池セル間で発電特性に不均一さが生じると、短絡電流の小さな燃料電池セルに合わせて燃料電池スタックの出力電流を選択する必要があり、各々の燃料電池セルの発電特性を十分に利用できない。さらに燃料電池スタックの出力電力の一部を制御手段に供給するため燃料電池装置の発電密度が低下するという問題点があった。
【００１０】
本発明は、この様な従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、燃料電池セルが電気的に複数直列に接続された燃料電池スタックと、該燃料電池スタックが出力する電力の一部を用いて該燃料電池スタックを制御する制御手段よりなる燃料電池装置において、該燃料電池スタックを構成する各燃料電池セルの短絡電流が異なる場合にも、各々の燃料電池セルの発電特性を十分に利用でき、発電密度の高い燃料電池装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決する第一の燃料電池装置は、複数の燃料電池セルが電気的に直列に接続されて構成された燃料電池スタックと、該燃料電池スタックが出力する電力の一部を用いて該燃料電池スタックを制御する制御手段とを備えており、該制御手段は、前記燃料電池スタックを構成する少なくとも１つの燃料電池セルと電気的に並列に接続されており、前記制御手段と電気的に接続されている少なくとも１つの燃料電池セルの短絡電流は、前記燃料電池スタックを構成する、該制御手段と電気的に並列に接続されていない燃料電池セルの少なくとも１つの短絡電流よりも大きいことを特徴とする。
【００１２】
上記課題を解決する第二の燃料電池装置は、複数の燃料電池セルが電気的に直列に接続されて構成された燃料電池スタックと、該燃料電池スタックが出力する電力の一部を用いて該燃料電池スタックを制御する制御手段と、酸化剤を前記複数の燃料電池に供給するための酸化剤流路と、燃料を前記複数の燃料電池に供給するための燃料流路とを備えており、該制御手段は、前記燃料電池スタックを構成する前記複数の燃料電池セルのうち、前記酸化剤流路の上流側に位置する、少なくとも１つの燃料電池セルと電気的に並列に接続されていることを特徴とする。
【００１３】
上記課題を解決する第三の燃料電池装置は、複数の燃料電池セルが電気的に直列に接続されて構成された燃料電池スタックと、該燃料電池スタックが出力する電力の一部を用いて該燃料電池スタックを制御する制御手段と、酸化剤を前記複数の燃料電池に供給するための酸化剤流路と、燃料を前記複数の燃料電池に供給するための燃料流路とを備えており、該制御手段は、前記燃料電池スタックを構成する前記複数の燃料電池セルのうち、前記燃料流路の上流側に位置する、少なくとも１つの燃料電池セルと電気的に並列に接続されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、セルを直列に接続することによって大きな起電力を得ると同時に、各々の燃料電池セルの発電特性を十分に利用でき発電密度の高い燃料電池装置が提供可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１は本発明の実施形態に係る燃料電池装置１１の構成を表すものである。１４は燃料電池装置の出力によって駆動される電気機器である。１２は複数の燃料電池セルが電気的に直列に接続された燃料電池スタック、１３は燃料電池スタックを制御する制御手段である。制御手段は複数の燃料電池セルの一部のみと電気的に並列に接続される。制御手段と並列に接続される燃料電池セルは、少なくとも制御手段と並列に接続されない燃料電池セル一つよりもその短絡電流が大きい。
【００１６】
なお、本明細書において、短絡電流は、複数の燃料電池セルが、電気的に直列に接続されて燃料電池スタックを構成し、燃料電池装置に実装された状態にて測定されるものをいう。
【００１７】
燃料電池の出力はインバータやＤＣ／ＤＣコンバータなどの電力変換装置により所定の電圧、周波数に変換して電気機器に接続しても良い。制御手段は燃料電池スタックの動作状態を制御する手段であり、例えば、燃料電池スタックに安定して燃料を供給するためのポンプやバルブ、燃料電池スタックの動作温度を制御するためのファン、燃料電池スタックの起動を補助するバッテリ等である。
【００１８】
図１ではｎ個の燃料電池セル１〜ｎが直列に接続され電気機器に電力を供給する。制御手段１３は燃料電池セル１〜ｋのみと電気的に並列に接続される。これにより制御手段は燃料電池スタックが出力する電力の一部を用いて動作する。制御手段１３に並列に接続される燃料電池セル１〜ｋは、その短絡電流が少なくとも他の燃料電池セルｋ＋１〜ｎの１つよりも大きい。
【００１９】
燃料電池スタックの出力電流は、いずれの燃料電池セルの短絡電流をも超えて発電することが無いよう選択される。制御手段に並列に接続される燃料電池セルは、燃料電池スタックの出力電流と制御手段に供給する電流とを同時に発電する。このため、燃料電池セル１〜ｋの発電特性が十分に利用できる。
【００２０】
このように本発明によれば、複数の燃料電池セルを電気的に直列に接続して高い出力電圧を得ると同時に、発電密度の高い燃料電池装置を提供可能となる。
【実施例】
【００２１】
以下、実施例を示し本発明をさらに具体的に説明する。
実施例１
図２に本発明の第一の実施例である燃料電池装置２１を示す。２２は燃料電池スタック、２３は制御手段、２４は燃料電池装置によって駆動される電気機器である。本燃料電池装置は、図３に示した電気機器３１筐体に組み込んで用いる。３２は燃料電池スタックの配置位置、３３は電気機器筐体に設けられた通  気孔である。
【００２２】
図４に本実施例で用いる、燃料電池スタックを示す。電解質電極接合体４４は電解質膜４１の両面に燃料極４２と酸化剤極４３を有する。電解質電極接合体の燃料極と隣接する電解質電極接合体の酸化剤極とを互いに対向させて積層する。電解質電極接合体の間には導電性のセパレータ４５をそれぞれ挿入する。以上により、各電解質電極接合体は直列に接続される。また、各セパレータには、隣接する酸化剤極に酸化剤を供給するための酸化剤流路４６と、隣接する燃料極に燃料を供給するための燃料流路４７とをそれぞれ形成する。
【００２３】
本実施例では、３つの燃料電池セル２５、２６、２７を積層する。燃料はメタノール、酸化剤は大気中の酸素を用いる。燃料のメタノールは不図示の配管により供給される。また酸化剤極で消費される酸素は、電気機器筐体に設けられた通気孔３３を通して取り込まれる。
【００２４】
図５に、各燃料電池セル２５、２６、２７の電流電圧曲線を示す。それぞれ短絡電流を図中矢印で示した。燃料電池セル２７の短絡電流が３つの燃料電池セルで最も小さい。この原因は明らかではないが、燃料電池セル２７は通気孔３３より最も離れて配置されており、酸化剤の供給不足が原因であると推測される。
【００２５】
図２に示したように、制御手段は燃料電池セル２５に並列に接続する。燃料電池セル２５の短絡電流は燃料電池セル２７の短絡電流よりも大きい。制御手段は、燃料電池装置の発電開始時に蓄電部に充電された電力を用いて電解質膜を加熱し、燃料電池装置の起動を補助する。蓄電部は、燃料電池セル２５の発電した電力の一部を用いて充電される。
【００２６】
燃料電池スタックの出力電流は燃料電池セル２７の短絡電流を越えない範囲で使用される。図５中２８に燃料電池装置の電流電圧曲線を示す。燃料電池セルを直列に接続したため高い出力電圧を電気機器に供給可能となる。また制御手段で使用する電力、すなわち蓄電部を充電する電力は燃料電池セル２５で発電された電力の一部が用いられ、燃料電池装置の安定した起動が可能である。以上のように本実施例の燃料電池装置によって、発電密度の高い燃料電池装置が提供可能となる。
【００２７】
実施例２
本実施例は、平面型燃料電池スタックを用いた燃料電池装置である。図６に燃料電池装置の模式図を示す。６２は燃料電池スタック、６３は制御手段、６４は燃料電池装置によって駆動される電気機器である。本燃料電池装置は酸素と水素を外部から供給して発電を行う。制御手段は燃料電池スタックの発電量に応じて流量を制御し、燃料電池スタックに酸素および水素を供給する。
【００２８】
図７（ａ）に平面型燃料電池スタック各部材の断面図、図７（ｂ）に平面図を示す。電解質膜７１の両面に図示したように燃料極７２と酸化剤極７３が形成  される。燃料極に接して燃料極に水素を供給する燃料流路７４、酸化剤極に接して酸化剤極に酸素を供給する酸化剤流路７５を形成する。燃料流路と酸化剤流路が形成される基板には、図示した形状で取り出し電極７６を設ける。燃料流路の入り口７７および酸化剤流路の入り口７８は、水素および酸素を導入する配管が接続される。
【００２９】
図８に電解質電極接合体の製造方法を示す。電解質膜はパーフルオロスルホン酸基ポリマーを用い、触媒は白金をカーボンに担持したものを用いる。カーボンペーパ８１の表面にイオン交換樹脂溶液と触媒を混合した溶液を塗布し乾燥する（図８（ａ））。触媒層８２の形成されたカーボンペーパを所望の形状に切り出し電解質膜８３の両面に配置してプレス装置で圧着する（図８（ｂ））。以上により同一平面上に３つの電解質電極接合体が形成される（図８（ｃ））。
【００３０】
図９に流路基板の製造方法を示す。ガラス基板９１上にマスク用にアモルファスシリコンをＣＶＤ法により成膜し、プラズマエッチングによってパターニング９２する（図９（ａ））。ウェットエッチングによってガラス基板に流路９３を形成し、マスクを除去する（図９（ｂ））。取り出し電極用パターンのマスクを設け、流路を含むガラス基板上に金９４をスパッタ成膜する（図９（ｃ））。
【００３１】
電解質電極接合体の両側に、燃料用の流路板と酸化剤用の流路板を流路が形成された面を電解質電極接合体に対向して配置し、不図示の支持板により３者を圧着する。この時、取り出し電極に配線を設け燃料電池セルから電気取り出しを可能とする。また燃料流路の入り口と酸化剤流路の入り口に配管を設け水素或いは酸素を燃料電池セルに供給可能とする。以上により３つの燃料電池セル６５、６６、６７が同一平面状に配置された平面型燃料電池スタックが構成される。
【００３２】
燃料電池スタック内の燃料電池セル６５、６６、６７それぞれの電流電圧曲線を図１０に示す。短絡電流は、６５＞６６＞６７の順になる。このように燃料電池セル間で異なる特性となる原因は明らかではないが、酸素或いは水素の下流の燃料電池セルにおいて短絡電流が低下し、圧力損失・反応物の枯渇・水分管理の問題等が考えられる。
【００３３】
このため、燃料電池スタックを構成する複数の燃料電池セルのうち、燃料流路の上流側に位置する、少なくとも１つの燃料電池セルに制御手段を電気的に並列に接続するとよい。また、燃料電池スタックを構成する複数の燃料電池セルのうち、酸化剤流路の上流側に位置する、少なくとも１つの燃料電池セルに制御手段を電気的に並列に接続するとよい。
【００３４】
燃料電池スタックの３つの燃料電池セル６５、６６、６７は配線により直列に接続され電気機器に電力を供給する。燃料電池装置は、燃料電池セルを直列に接続するため高い出力電圧を電気機器に供給可能である。燃料電池装置は燃料電池セル６７の短絡電流を超えることのない範囲で電気機器６４に電力を供給可能である。さらに、燃料電池セル６５、６６のみ制御手段と並列に接続する。これにより燃料電池セル６５、６６から供給された電力によって、制御手段が燃料および酸化剤の供給を制御し、燃料電池装置の発電は安定して行われる。以上のように本実施例の燃料電池装置において、発電密度の高い燃料電池装置が提供可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明の燃料電池装置は、セルを直列に接続することによって大きな起電力を得ると同時に、各々の燃料電池セルの発電特性を十分に利用でき発電密度の高いので、小型電気機器用の電源等に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明における燃料電池装置の一例を示す構成図である。
【図２】実施例１における燃料電池装置の構成図である。
【図３】実施例１における燃料電池装置によって駆動される電気機器の模式図である。
【図４】実施例１における燃料電池装置に用いた燃料電池スタックの模式図である。
【図５】実施例１における燃料電池装置および燃料電池セルの電流電圧特性を示す図である。
【図６】実施例２における燃料電池装置の構成図である。
【図７ａ】実施例２における燃料電池装置に用いた燃料電池スタックの模式図である。
【図７ｂ】実施例２における燃料電池装置に用いた燃料電池スタックの模式図である。
【図８】実施例２における電解質電極接合体の製造方法を示す図である。
【図９】実施例２における流路の製造方法を示す図である。
【図１０】実施例２における燃料電池セルの電流電圧特性を示す図である。
【図１１】燃料電池セルの電流電圧特性を説明する図である。
【図１２】従来の燃料電池装置の構成図である。
【符号の説明】
【００３７】
１１  燃料電池装置
１２  燃料電池スタック
１３  制御手段
１４  電気機器
２１  燃料電池装置
２２  燃料電池スタック
２３  制御手段
２４  電気機器
２５、２６、２７  燃料電池セル
２８  燃料電池装置の電流電圧曲線
３１  電気機器
３２  燃料電池スタックの配置位置
３３  通気孔
４１  電解質膜
４２  燃料極
４３  酸化剤極
４４  電解質電極接合体
４５  導電性セパレータ
４６  酸化剤流路
４７  燃料流路
６２  燃料電池スタック
６３  制御手段
６４  電気機器
６５、６６、６７  燃料電池セル
７１  電解質膜
７２  燃料極
７３  酸化剤極
７４  燃料流路
７５  酸化剤流路
７６  取り出し電極
７７  燃料流路の入り口
７８  酸化剤流路の入り口
８１  カーボンペーパ
８２  触媒層
８３  電解質膜
９１  ガラス基板
９２  マスク用パターニング
９３  流路
９４  取り出し電極
１２１  燃料電池装置
１２２  燃料電池スタック
１２３  制御手段
１２４  電気機器
【図１】
2006210324.tif 000003
【図２】
2006210324.tif 000004
【図３】
2006210324.tif 000005
【図４】
2006210324.tif 000006
【図５】
2006210324.tif 000007
【図６】
2006210324.tif 000008
【図７ａ】
2006210324.tif 000009
【図７ｂ】
2006210324.tif 000010
【図８】
2006210324.tif 000011
【図９】
2006210324.tif 000012
【図１０】
2006210324.tif 000013
【図１１】
2006210324.tif 000014
【図１２】
2006210324.tif 000015