(57)【要約】【課題】燃料電池システム及びこれを利用した燃料電池動作方法を提供すること。【解決手段】負荷に電力を供給するための燃料電池システムにおいて、少なくとも一つの単位セルを備える燃料電池と、一端と他端とが燃料電池の相異なる極にそれぞれ連結された開閉スイッチと、スイッチの動作を制御する回路部と、を備えることを特徴とする燃料電池システム及びこれを利用した燃料電池動作方法。燃料電池は、直列に連結された複数の単位セルを備え、スイッチの一端は、複数の単位セルの最初の単位セルのアノードに連結され、他端は、最後の単位セルのカソードに連結される。負荷と燃料電池との間にコンバータ、２次電池、バッテリー充電器、スイッチング手段がさらに備わりうる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
負荷に電力を供給するための燃料電池システムにおいて、
少なくとも一つの単位セルを備える燃料電池と、
一端と他端とが前記燃料電池の相異なる極にそれぞれ連結されたスイッチと、
前記スイッチの動作を制御する回路部と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池は、直列に連結された複数の単位セルを備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記スイッチの一端は、前記複数の単位セルの最初の単位セルのアノードに連結され、他端は、最後の単位セルのカソードに連結されたことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
複数の前記スイッチが備えられたことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記スイッチの数は前記複数の単位セルの数と同数であり、前記スイッチはそれぞれ前記複数の単位セルと一対一に対応し、各スイッチの一端及び他端はそれぞれ対応する単位セルの相異なる極に連結されたことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記スイッチの数は、前記複数の単位セルの数より少なく、前記スイッチの少なくとも一つは、少なくとも二つの前記単位セルと対応し、前記スイッチの残りは、前記単位セルと一対一に対応することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記燃料電池は、モノポーラまたはスタック型であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記回路部は、前記スイッチにパルス信号を印加して前記スイッチの開閉動作を制御するコントローラを備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記負荷と前記燃料電池との間に、コンバータ、２次電池、バッテリー充電器及びスイッチング手段をさらに備えることを特徴とする請求項１、３、４のうちいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記負荷と前記燃料電池との間に、コンバータ、２次電池、バッテリー充電器及びスイッチング手段をさらに備えることを特徴とする請求項５または６に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記負荷と前記燃料電池との間に、コンバータ、２次電池、バッテリー充電器及びスイッチング手段をさらに備えることを特徴とする請求項７または８に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
負荷に電力を供給するために少なくとも一つの単位セルを備える燃料電池、及びこれに連結されて前記燃料電池が正常に動作する時にオフになるスイッチを備える燃料電池システムにおいて、前記燃料電池が動作中止状態または無負荷状態にある時、前記燃料電池に残った燃料を消耗させるための燃料電池動作方法であって、
前記スイッチを第１時間の間オン状態に保持する第１ステップと、
前記オン状態後、前記スイッチを第２時間の間オフ状態に保持する第２ステップと、
前記第１及び第２ステップを有限反復する第３ステップと、を含み、
前記第１時間は、前記第２時間より短いことを特徴とする燃料電池動作方法。
【請求項１３】
前記燃料電池は、直列に連結された複数の単位セルを備えることを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池動作方法。
【請求項１４】
前記スイッチの一端は、前記複数の単位セルの最初の単位セルのアノードに連結され、他端は、最後の単位セルのカソードに連結されたことを特徴とする請求項１３に記載の燃料電池動作方法。
【請求項１５】
前記第１及び第２ステップを反復する過程で、少なくともいずれか一つの反復ステップで前記第２時間をその前後の反復ステップより短くすることを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池動作方法。
【請求項１６】
前記燃料電池システムに複数の前記スイッチが備えられたことを特徴とする請求項１３に記載の燃料電池動作方法。
【請求項１７】
前記スイッチの数は前記複数の単位セルの数と同数であり、前記スイッチは、それぞれ前記複数の単位セルと一対一に対応し、各スイッチの一端及び他端は、それぞれ対応する単位セルの相異なる極に連結されたことを特徴とする請求項１６に記載の燃料電池動作方法。
【請求項１８】
前記負荷と前記燃料電池との間にコンバータ、２次電池、バッテリー充電器及びスイッチング手段をさらに備えることを特徴とする請求項１２、１３、１７のうちいずれか１項に記載の燃料電池動作方法。
【請求項１９】
前記２次電池を完全に充電した後、前記第１ないし第３ステップを行うことを特徴とする請求項１８に記載の燃料電池動作方法。
【請求項２０】
前記２次電池を２回以上充電し、前記２次電池の充電と充電との間に前記第１ないし第３ステップを行うことを特徴とする請求項１８に記載の燃料電池動作方法。
【請求項２１】
前記複数のスイッチは、同時にまたは順次に開閉させることを特徴とする請求項１７に記載の燃料電池動作方法。
【請求項２２】
前記複数のスイッチを順次に開閉させる時、
前記複数のスイッチを複数のグループに分けるステップと、
前記複数のグループ間に時間差をおいて開閉させるステップと、をさらに含むことを特徴とする請求項２１に記載の燃料電池動作方法。
【請求項２３】
前記複数のグループのうちいずれか一つのグループのスイッチは、同時にまたは順次に開閉させることを特徴とする請求項２２に記載の燃料電池動作方法。
【請求項２４】
前記スイッチの数は、前記複数の単位セルの数より少なく、前記スイッチの少なくとも一つは、少なくとも二つの前記単位セルと対応し、前記スイッチの残りは前記単位セルと一対一に対応することを特徴とする請求項１６に記載の燃料電池動作方法。
【請求項２５】
前記負荷と前記燃料電池との間に、コンバータ、２次電池、バッテリー充電器及びスイッチング手段をさらに備えることを特徴とする請求項２４に記載の燃料電池動作方法。
【請求項２６】
前記複数のスイッチを順次に開閉させることを特徴とする請求項２４に記載の燃料電池動作方法。
【請求項２７】
前記複数のスイッチを順次に開閉させることを特徴とする請求項２５に記載の燃料電池動作方法。
【請求項２８】
前記第２ステップで測定された前記単位セルの電圧が設定された基準電圧である時、前記第１ステップの反復を中止することを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池動作方法。
【請求項２９】
前記負荷と前記燃料電池との間に、コンバータ、２次電池、バッテリー充電器及びスイッチング手段をさらに備えることを特徴とする請求項２８に記載の燃料電池動作方法。
【請求項３０】
前記２次電池を完全に充電した後、前記第１ないし第３ステップを行うことを特徴とする請求項２５に記載の燃料電池動作方法。
【請求項３１】
前記２次電池を２回以上充電し、前記２次電池の充電と充電との間に前記第１ないし第３ステップを行うことを特徴とする請求項２５に記載の燃料電池動作方法。
【請求項３２】
第２９項において、前記２次電池を完全に充電した後、前記第１ないし第３ステップを行うことを特徴とする請求項２９に記載の燃料電池動作方法。
【請求項３３】
前記燃料電池は、モノポーラまたはスタック型であることを特徴とする請求項１２、２４、２９のうちいずれか１項に記載の燃料電池動作方法。
【請求項３４】
前記燃料電池は、モノポーラまたはスタック型であることを特徴とする請求項２５に記載の燃料電池動作方法。
【請求項３５】
前記第１時間をｔとし、前記第２時間をＴとする時、前記第１時間（ｔ）と前記第２時間（Ｔ）との比（ｔ／Ｔ）は０より大きく、０．７以下（０＜（ｔ／Ｔ）≦０．７）であることを特徴とする請求項１２または２４に記載の燃料電池動作方法。
【請求項３６】
前記第１時間をｔとし、前記第２時間をＴとする時、前記第１時間（ｔ）と前記第２時間（Ｔ）との比（ｔ／Ｔ）は０より大きく、０．７以下（０＜（ｔ／Ｔ）≦０．７）であることを特徴とする請求項２５に記載の燃料電池動作方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システム及び燃料電池動作方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池には多種があるが、メタノールを直接使用する直接メタノール燃料電池（Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＤＭＦＣ）と高分子電解質型燃料電池（Ｐｒｏｔｏｎ Ｅｘｃｈａｎｇｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＰＥＭＦＣ）とに大別できる。
【０００３】
ＤＭＦＣは、燃料が保存された保存タンク、すなわち、カートリッジから供給されるメタノールが電解質膜−電極集合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）のカソードで水と反応して発生した電子と水素イオンとがアノードに移動して酸素と反応する過程でエネルギーを発生させる。燃料は、燃料電池の動作中にカートリッジからＭＥＡに供給され続ける。したがって、ＤＭＦＣの動作が中止するか、燃料電池に連結された負荷がない時、燃料はそれ以上供給されないが、カートリッジとＭＥＡとの接触領域とＭＥＡ内とに残存燃料がありうる。
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１１４４８６号公報
【特許文献２】米国特許出願公開２００５／００６４２７８号明細書
【特許文献３】米国特許６５３１８４７号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ＤＭＦＣのうち受動型燃料電池の場合、燃料電池の動作が中止した状態で残存燃料を完全に除去することは非常に難しいところ、残存燃料を除去するための別途の動作方法が必要である。ＭＥＡ内の残存燃料をそのまま放置する場合、残存燃料にＭＥＡが持続的に露出されて、ＭＥＡ内部に備えられたフィルターや電極などが損傷するなど、ＭＥＡが物理的に損傷する恐れがある。特に、前記燃料が高濃度である場合、ＭＥＡの物理的損傷はさらに大きくなる。また、残存燃料が二酸化炭素（ＣＯ２）の排出口に出つつ燃料電池国際標準化安全基準に背反するという問題が発生する恐れもある。
【０００６】
ＤＭＦＣのうち能動型燃料電池の場合、能動成分を利用してある程度残存燃料を除去できるが、能動成分の駆動に必要な別途のパワーが必要であり、ＭＥＡ内部の残存燃料を完全に除去することは困難である。
【０００７】
これにより、燃料電池の残存燃料による問題点を解消するためにいろいろな技術が紹介された。現在まで紹介された従来技術のうち、燃料電池に別途の負荷を連結して燃料電池内の残存燃料を減少させる方法があるが、この方法は必ず別途の負荷を利用せねばならず、かなり面倒でありうる。
【０００８】
そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、前述した従来技術の問題点を改善し、別途の負荷なしに燃料電池自らの動作調節を通じて燃料電池内に残る燃料を安全に減少させることが可能な新規かつ改良された燃料電池システムを提供することにある。また、本発明の目的とするところは、前記燃料電池システムを利用して燃料電池内の残存燃料を減少させることが可能な新規かつ改良された燃料電池動作方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、負荷に電力を供給するための燃料電池システムにおいて、少なくとも一つの単位セルを備える燃料電池と、一端と他端とが前記燃料電池の相異なる極にそれぞれ連結された開閉スイッチと、前記スイッチの動作を制御する回路部と、を備えることを特徴とする燃料電池システムを提供する。
【００１０】
前記燃料電池は、直列に連結された複数の単位セルを備えることができる。このとき、前記スイッチの一端は、前記複数の単位セルの最初の単位セルのアノードに連結され、他端は、最後の単位セルのカソードに連結される。
【００１１】
複数の前記スイッチを備えることができる。このとき、前記スイッチの数は前記複数の単位セルの数と同数であり、前記スイッチはそれぞれ前記複数の単位セルと一対一に対応し、各スイッチの一端及び他端はそれぞれ対応する単位セルの相異なる極に連結される。
【００１２】
本発明の他の実施形態によれば、前記スイッチの数は、前記複数の単位セルの数より少なく、前記スイッチの少なくとも一つは、少なくとも二つの前記単位セルと対応し、前記スイッチの残りは、前記単位セルと一対一に対応する。
前記回路部は、前記スイッチにパルス信号を印加して前記スイッチの開閉動作を起こすコントローラを備える。
【００１３】
本発明の他の実施形態によれば、前記複数のスイッチと共に一端は、前記複数の単位セルの最初の単位セルのアノードに連結され、他端は、最後の単位セルのカソードに連結された一つのスイッチがさらに備わりうる。
【００１４】
前記負荷と前記燃料電池との間に、コンバータ、２次電池、バッテリー充電器及びスイッチング手段をさらに備える。
【００１５】
前記他の技術的課題を達成するために、本発明は、負荷に電力を供給するために少なくとも一つの単位セルを備える燃料電池、及びこれに連結されて前記燃料電池が正常に動作する時にオフになるスイッチを備える燃料電池システムで、前記燃料電池が動作中止状態または無負荷状態にある時、前記燃料電池に残った燃料を消耗させるための燃料電池動作方法において、前記スイッチを第１時間の間オン状態に保持する第１ステップと、前記オン状態後、前記スイッチを第２時間オフ状態に保持する第２ステップと、前記第１及び第２ステップを有限反復する第３ステップと、を含み、前記第１時間は、前記第２時間より短いことを特徴とする燃料電池動作方法を提供する。
【００１６】
このような動作方法で、前記燃料電池は、直列に連結された複数の単位セルを備えることができる。
【００１７】
前記スイッチの一端は、前記複数の単位セルの最初の単位セルのアノードに連結され、他端は、最後の単位セルのカソードに連結される。
【００１８】
前記第１及び第２ステップを反復する過程で、少なくともいずれか一つの反復ステップで前記第２時間をその前後反復ステップより短くすることができる。
【００１９】
前記スイッチは複数備わり、このとき、前記スイッチの数は前記複数の単位セルの数と同数であり、前記スイッチは、それぞれ前記複数の単位セルと一対一に対応し、各スイッチの一端及び他端は、それぞれ対応する単位セルの相異なる極に連結されることができる。また、一端は、前記複数の単位セルの最初の単位セルのアノードに連結され、他端は、最後の単位セルのカソードに連結された一つのスイッチがさらに備わることができる。
【００２０】
前記複数のスイッチは、同時にまたは順次に開閉させる。前記複数のスイッチを順次に開閉させる時、前記複数のスイッチを複数のグループに分けるステップと、前記複数のグループ間に時間差をおいて開閉させるステップと、をさらに含むことができる。
【００２１】
前記複数のグループのうちいずれか一つのグループのスイッチは、同時にまたは順次に開閉させる。
【００２２】
前記第２ステップで測定された前記単位セルの電圧が設定された基準電圧である時、前記第１ステップの反復を中止できる。
【００２３】
本発明の他の実施形態によれば、前記スイッチの数は、前記複数の単位セルの数より少なく、前記スイッチの少なくとも一つは、少なくとも二つの前記単位セルと対応し、前記スイッチの残りは前記単位セルと一対一に対応する。
【００２４】
この時、一端は、前記複数の単位セルの最初の単位セルのアノードに連結され、他端は、最後の単位セルのカソードに連結された一つの他のスイッチをさらに備え、前記複数のスイッチと前記一つの他のスイッチのうちいずれか一側がオフである時、他側を前記第１ないし第３ステップによって動作させることができる。前記複数のスイッチは順次に開閉させることができる。
【００２５】
前記燃料電池は、モノポーラまたはスタック型である。前記第１時間をｔとし、前記第２時間をＴとする時、前記第１時間（ｔ）と前記第２時間（Ｔ）との比（ｔ／Ｔ）は０より大きく、０．７以下（０＜（ｔ／Ｔ）≦０．７）である。
【００２６】
前記負荷と前記燃料電池との間にコンバータ、２次電池、バッテリー充電器及びスイッチング手段をさらに備えることができる。この場合、前記２次電池を完全に充電した後、前記第１ないし第３ステップを実施するか、前記２次電池を２回以上充電するものの、前記２次電池の充電と充電との間に前記第１ないし第３ステップを行える。
【発明の効果】
【００２７】
本発明の燃料電池システムは、燃料電池と負荷との間に燃料電池全体をショートさせるか、燃料電池に含まれた単位セル別に選択的にショートさせうる手段の一つとして開閉スイッチを備える。そして、このようなスイッチの動作を制御できる回路部を備えるため、このような燃料電池システムを利用すれば、スイッチの開閉動作を反復するが、オン状態（ショート状態）をオフ状態より短く維持することによって、システムの温度上昇の恐れなく燃料電池内に残っている燃料やカートリッジと燃料電池ＭＥＡとの接触領域に残っている燃料を安全かつ迅速に消費させることができる。
【００２８】
これにより、燃料漏れを防止でき、無負荷時にＭＥＡが高濃度燃料に露出されることも防止でき、カートリッジ交替が必要な時点でカートリッジに残っている燃料を最大限除去できる。また、燃料電池に含まれた単位セルの短絡を通じて燃料を消尽させるので、システムの構成が単純になる。そして短時間の短絡を反復して残っている燃料を消尽させるので、燃料電池の温度上昇を防止でき、再使用のために保存された水が蒸発することも防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００３０】
（第１の実施形態）
図１を参照すれば、第１ないし第５単位セル２０ａ〜２０ｅを備えるモノポーラ燃料電池２０が備えられている。図示したモノポーラ燃料電池２０は、５個の単位セルを備えているが、５個以上の単位セルを備えてもよく、５個以下の単位セル、例えば、１個、２個または３個の単位セルのみ備えてもよい。第１単位セル２０ａのカソードは配線Ｌ１を通じて第２単位セル２０ｂのアノードに連結されている。そして、第２単位セル２０ｂのカソードは、第３単位セル２０ｃのアノードに連結されている。このような方式で、第３単位セル２０ｃのカソードから第５単位セル２０ｅのアノードまで直列に連結されている。
【００３１】
第１単位セル２０ａのアノードと第５単位セル２０ｅのカソードとは、スイッチ２５を経由して直接連結されている。燃料電池２０とスイッチ２５とのこのような連結は、燃料電池２０がスタック型である場合にも同一に適用できる。
【００３２】
スイッチ２５は、第１ないし第５単位セル２０ａ〜２０ｅの間に電流を流すか、遮断する手段であり、燃料電池２０が負荷３５にエネルギーを供給する正常的な動作を行う間にオフ状態を維持する。しかし、燃料電池２０から負荷３５にエネルギーが供給されていないか、燃料電池２０の動作が中止した状態あるいは負荷３５が除去された状態である時、スイッチ２５は、燃料電池２０が与えられた状態になるまで、すなわち、燃料電池２０の第１ないし第５単位セル２０ａ〜２０ｅのＭＥＡ内に残った燃料の量が与えられた量になるまで開閉動作を反復する。
【００３３】
また、燃料電池２０に装着される燃料保存カートリッジとＭＥＡとの接触領域に残った燃料がなくなるまでスイッチ２５は開閉動作を反復する。スイッチ２５の開閉動作が反復される過程で、スイッチ２５がオフ状態に保持される時間（Ｔ）は、スイッチ２５がオン状態に保持される時間（ｔ）より長い（Ｔ＞ｔ）。スイッチ２５がオン状態になったということは、第１ないし第５単位セル２０ａ〜２０ｅがショートされたということを意味しており、短時間でシステムの温度が高くなる。
【００３４】
したがって、前記開閉動作の反復中にスイッチ２５が閉じられている時間（ｃｌｏｓｅｄ ｔｉｍｅ）、すなわち、オン（ＯＮ）状態に保持される時間（ｔ）は、ショートによる温度上昇がシステムに影響を与えずに、ＭＥＡに物理的損傷を与えない程度に短いことが望ましい。しかし、これは多様なＭＥＡの製作条件及び特性に大きく依存するので、前記開閉動作の反復でスイッチ２５がオン状態に保持される時間（ｔ）と、スイッチ２５が開いている時間（ｏｐｅｎｅｄ ｔｉｍｅ）、すなわち、オフ（ＯＦＦ）状態に保持される時間（Ｔ）との比（ｔ／Ｔ）は、使用ＭＥＡの特性によって０より大きくて１００％より小さい。すなわち、ｔ／Ｔは０＜（ｔ／Ｔ）＜１であるが、望ましくは、０＜（ｔ／Ｔ）≦０．７でありうる。
【００３５】
スイッチ２５のこのような動作は、スイッチ２５の動作を制御する回路部３０で制御される。回路部３０は、燃料電池２０の動作如何を確認し、燃料電池２０と負荷３５との連結如何を確認してスイッチ２５の動作如何を決定する。また、回路部３０は、初期設定された時間によってスイッチ２５の開閉時間を制御する。また、スイッチ２５がオン状態になった時、システムの温度上昇を感知し、温度上昇が設定された温度を超えたかどうかを確認する。スイッチ２５のオン状態によってシステムの上昇温度が設定された温度を超えた時、回路部３０は、スイッチ２５がオン状態に保持される時間をさらに短縮し、これに合せてオフ状態に保持される時間も短縮できる。このようにして燃料電池２０に残った燃料を消費させるのに係る全体時間は同一にすることができる。
【００３６】
また、スイッチ２５が開閉動作を反復する間に負荷３５が燃料電池２０に連結された場合、回路部３０は、これを感知してスイッチ２５を開いた状態に保持する。回路部３０には、スイッチ２５の前記開閉動作を実質的に制御するためのコントローラ（以下、第１コントローラ）（図示せず）を備える。前記第１コントローラは、スイッチ２５が前記開閉動作を行えるようにスイッチ２５にパルス信号を印加する。前記第１コントローラからパルス信号が印加される時だけスイッチ２５はオン状態を維持できる。一方、前記第１コントローラからパルス信号が印加される時、スイッチ２５はオフ状態を維持させてもよい。次いで、第５単位セル２０ｅのカソードは、回路部３０を経由して負荷３５の第１端子に連結されている。そして、第１単位セル２０ａのアノードは、回路部３０を経由して負荷３５の第２端子に連結されている。負荷３５は、１次電池や２次電池をエネルギー源として使用できる電子製品でありうるが、例えば、携帯電話、ゲーム機、ＭＰ３プレーヤー、ＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｄｉｇｉｔａｌ Ａｓｓｉｓｔａｎｔ）、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）、ＤＭＢ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｕｌｔｉｍｅｄｉａ Ｂｒｏａｄｃａｓｔｉｎｇ）、カムコーダ、カメラなどでありうる。
【００３７】
（第２の実施形態）
第１実施形態による燃料電池システムは、燃料電池２０に一つのスイッチ２５が連結されているが、第２実施形態による燃料電池システムでは、燃料電池２０に少なくとも２個のスイッチが連結され、燃料電池２０をなす複数の単位セルそれぞれに一つずつスイッチが連結されることもある。第２実施形態による燃料電池システムの燃料電池２０も第１ないし第５単位セル２０ａ〜２０ｅを備えると見なす。しかし、単位セルは５個以上あるいはそれ以下でもある。
【００３８】
具体的に、図２を参照すれば、第２実施形態による燃料電池システムで、燃料電池２０の第１単位セル２０ａのカソードは第２単位セル２０ｂのアノードに連結されており、第２単位セル２０ｂのカソードは隣接した第３単位セル２０ｃのアノードに連結されている。このような方式で、燃料電池２０の第３ないし第５単位セル２０ｃ、２０ｄ、２０ｅは直列に連結されている。しかし、第１実施形態とは異なって、各単位セルのアノードとカソードとはスイッチを経由して連結されている。例えば、第１単位セル２０ａのアノードとカソードとは、第１スイッチ２５ａを経由して連結されており、第２単位セル２０ｂのアノードとカソードとは、第２スイッチ２５ｂを経由して連結されている。したがって、第１ないし第５スイッチ２５ａ〜２５ｅがオン状態になれば、第１ないし第５単位セル２０ａ〜２０ｅは、それぞれ回路的に個別閉ループをなしてショート状態になって、自身が持っている燃料を消尽させる。第１ないし第５スイッチ２５ａ〜２５ｅは、負荷３５にエネルギーを供給するために燃料電池２０が正常に動作する間はオフ状態に保持される。第１ないし第５スイッチ２５ａ〜２５ｅは、回路部４０の一員として含まれうる。第２実施形態による燃料電池システムは複数のスイッチ２５ａ〜２５ｅを備えるために、回路部４０は、さらに多くのスイッチを制御せねばならないことを除いて、第１実施形態の回路部３０と同じ機能を行える。
【００３９】
次いで、第５単位セル２０ｅのカソード及び第５スイッチ２５ｅは回路部４０を経由して負荷３５の第１端子に連結されている。そして、第１単位セル２０ａのアノード及び第１スイッチ２５ａは、回路部４０を経由して負荷３５の第２端子に連結されている。
【００４０】
燃料電池システムで負荷３５が分離されるか、負荷３５が付着された状態で燃料電池２０の動作が中止した場合、燃料電池２０の第１ないし第５単位セル２０ａ〜２０ｅそれぞれのＭＥＡの内部に残った燃料を消尽させるために、または、第１ないし第５単位セル２０ａ〜２０ｅそれぞれのＭＥＡとカートリッジとの接触領域に残った燃料を消尽させるために、第１ないし第５スイッチ２５ａ〜２５ｅは与えられた時間に開閉動作を反復する。このような開閉動作の反復は、第１ないし第５単位セル２０ａ〜２０ｅそれぞれのＭＥＡ内に残っている燃料が完全になくなり、前記接触領域でも燃料が完全になくなるまで続けることができる。また、前記開閉動作の反復は、第１ないし第５単位セル２０ａ〜２０ｅのセル当り電圧が、基準電圧、例えば、０．１（Ｖ／セル）になるまで続けることができる。ここで、前記セル当り電圧は、開閉動作を反復する途中でスイッチが開いた状態で測定された電圧、すなわち、開路電圧（Ｏｐｅｎ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｖｏｌｔａｇｅ、ＯＣＶ）である。前記開閉動作の反復で閉じられた動作はショートを意味するところ、閉じられた状態に保持される時間（ｔ１）は、当然のこととして開いた状態に保持される時間（Ｔ１）より短くなければならない。例えば、閉じられた状態に保持される時間（ｔ１）と、開いた状態に保持される時間（Ｔ１）との比（ｔ１／Ｔ１）は、使用ＭＥＡの特性によって０より大きくて１より小さいことがある（０＜（ｔ１／Ｔ１）＜１）。前記閉じられた状態に保持される時間（ｔ１）は、前記第１実施形態で言及したように、回路部４０の制御を通じて、例えば、回路部４０に備えられて第１ないし第５スイッチ２５ａ〜２５ｅの開閉動作を制御するコントローラ（以下、第２コントローラ）（図示せず）により、初期の設定された時間より長いか、短くすることもできる。前記第２コントローラの基本動作は、各スイッチにパルス信号を印加して各スイッチの開閉を制御する前記第１コントローラと同一である。前記第２コントローラは単一体であり、第１ないし５スイッチ２５ａ〜２５ｅの動作を制御することもでき、スイッチと同数のコントローラを備えて構成されたものであり、各スイッチを一対一に制御することもできる。
【００４１】
第１ないし第５スイッチ２５ａ〜２５ｅの開閉動作の反復は、少なくとも二つの方法で行える。
【００４２】
第１は、第１ないし第５スイッチ２５ａ〜２５ｅに対して同時に行う方法であり、第２は、第１ないし第５スイッチ２５ａ〜２５ｅに対して時間的に差をおいて順次に行う方法である。
【００４３】
前記第１の方法は、前記第１実施形態と同じ方法である。前記第２の方法は、いろいろな方式で行えるが、第１方式は、図２に図示したように第５スイッチ２５ｅから第１スイッチ２５ａの順に順次に行える。一方、第１スイッチ２５ａから第５スイッチ２５ｅの順に行ってもよい。具体的に説明すれば、第５スイッチ２５ｅのみ与えられた時間（ｔ１）の間にオン状態にし、前記与えられた時間（ｔ１）の間に第１ないし第４スイッチ２５ａ〜２５ｄはいずれもオフ状態にする。次いで、第４スイッチ２５ｄのみ与えられた時間（ｔ１）の間にオン状態にし、前記与えられた時間（ｔ１）の間に第１ないし第３スイッチ２５ａ、２５ｂ、２５ｃと第５スイッチ２５ｅとはオフ状態に保持する。次いで、第３スイッチ２５ｃだけ前記与えられた時間（ｔ１）の間にオン状態に保持し、前記与えられた時間（ｔ１）の間に第１及び第２スイッチ２５ａ、２５ｂと第４及び第５スイッチ２５ｄ、２５ｅとはオフ状態に保持する。次いで、第２スイッチ２５ｂのみ前記与えられた時間（ｔ１）の間にオン状態に保持し、前記与えられた時間（ｔ１）の間に第１スイッチ２５ａと第３ないし第５スイッチ２５ｃ、２５ｄ、２５ｅとはいずれもオフ状態に保持する。次いで、第１スイッチ２５ａを前記与えられた時間（ｔ１）の間にオン状態に保持し、前記与えられた時間（ｔ１）の間に第２ないし第５スイッチ２５ｂ、２５ｃ、２５ｄ、２５ｅはいずれもオフ状態を維持する。このような過程を通じて、第１ないし第５単位セル２０ａ〜２０ｅのＭＥＡ内に残った燃料がいずれも消尽していなければ、前記の第１ないし第５スイッチ２５ａ〜２５ｅの順次的な開閉過程を反復する。
【００４４】
前記第２の方法は第２方式で行える。例えば、第１ないし第５スイッチ２５ａ〜２５ｅを少なくとも２つのグループに分けて１グループのスイッチ（第３ないし第５スイッチ２５ｃ、２５ｄ、２５ｅ）は時間的に差をおいて順次に開閉させ、他の１グループのスイッチ（第１及び第２スイッチ２５ａ、２５ｂ）は同時に開閉させることができる。
【００４５】
図３は、前記第２方式で第１ないし第５スイッチ２５ａ〜２５ｅを時間隔をおいて順次に開閉させる場合を示す。図３には便宜のため、第１ないし第５スイッチ２５ａ〜２５ｅと各スイッチの開閉時間変化のみを図示した。
【００４６】
図３を参照すれば、第１グループ５０のスイッチ２５ｃ、２５ｄ、２５ｅは、第５スイッチ２５ｅから始めて第３スイッチ２５ｃまで順次に開閉させる。以後、第２グループ６０のスイッチ２５ａ、２５ｂを、同時に前記与えられた時間（ｔ１）の間にオン状態に保持させる。一方、第２グループ６０のスイッチ２５ａ、２５ｂは順次に開閉させた後、第１グループ５０のスイッチ２５ｃ、２５ｄ、２５ｅは、同時に前記与えられた時間（ｔ１）の間にオン状態に保持できる。このような開閉過程は、スイッチがオフ状態である時、第１ないし第５単位セル２０ａ〜２０ｅから測定される電圧が前記の基準電圧になるまで行う。
【００４７】
例えば、第１グループのスイッチ２５ｃ、２５ｄ、２５ｅと第２グループのスイッチ２５ａ、２５ｂとについての順次的な開閉動作で、第１グループのスイッチ２５ｃ、２５ｄ、２５ｅと第２グループのスイッチ２５ａ、２５ｂとがオフ状態に保持される時、第１ないし第５単位セル２０ａ〜２０ｅから測定された電圧が基準電圧であれば、第１グループのスイッチ２５ｃ、２５ｄ、２５ｅと第２グループのスイッチ２５ａ、２５ｂとについて開閉動作を中止する。しかし、前記開閉動作で第１グループのスイッチ２５ｃ、２５ｄ、２５ｅがオフ状態に保持される時、第１ないし第５単位セル２０ａ〜２０ｅから測定された電圧は前記基準電圧である一方、第２グループのスイッチ２５ａ、２５ｂがオフ状態に保持される時、第１ないし第５単位セル２０ａ〜２０ｅから測定された電圧は前記基準電圧ではない場合、第１グループのスイッチ２５ｃ、２５ｄ、２５ｅについては開閉動作を中止し、第２グループのスイッチ２５ａ、２５ｂについては開閉動作を反復し続ける。このような第１グループのスイッチ２５ｃ、２５ｄ、２５ｅと第２グループのスイッチ２５ａ、２５ｂとの開閉動作で第２グループのスイッチ２５ａ、２５ｂが同時に開閉される場合、第２グループのスイッチ２５ａ、２５ｂは、図４に図示したように一つのスイッチ２５ａに代替されうる。同様に第１グループのスイッチ２５ｃ、２５ｄ、２５ｅが同時に開閉される場合、第１グループのスイッチ２５ｃ、２５ｄ、２５ｅは一つのスイッチに代替されうる。
【００４８】
このような事実に鑑みれば、第２実施形態による燃料電池システムで、燃料電池２０のＭＥＡ内に残存する燃料を消尽させるために、またはＭＥＡとカートリッジの接触領域に存在する燃料を消尽させるために備えられたスイッチ数は複数であるが、燃料電池２０に含まれた単位セルの数より少ないこともある。
【００４９】
一方、第１ないし第５単位セル２０ａ〜２０ｅは、各単位セルのアノードとカソードとの電位が同じになる理想動作ポイントに到達する電圧で最大電流を発生させるが、電流が多く発生するほど燃料の消耗は多くなる。したがって、前記第１及び第２実施形態による燃料電池システムで、スイッチ２５、２５ａ〜２５ｅの開閉動作を反復する過程で、スイッチ２５、２５ａ〜２５ｅは、第１ないし第５単位セル２０ａ〜２０ｅのアノード及びカソードの電位が前記理想動作ポイントに到達できる最大限低い抵抗を持つようにショートさせることが望ましい。
【００５０】
（第３の実施形態）
第３実施形態による燃料電池システム及びこれを利用した動作方法は、燃料電池と共に２次電池（バッテリー）を備えるところに特徴がある。
【００５１】
図５を参照すれば、本発明の第３実施形態による燃料電池システム８０は、第１ないし第５単位セル５２ａ〜５２ｅを備える燃料電池５２、第１ないし第１０スイッチ５４ａ〜５４ｊ、ＤＣ−ＤＣコンバータ（以下、コンバータ）５６、２次電池５８、バッテリー充電器６２を備える。燃料電池５２は、便宜のために５個の単位セル５２ａ〜５２ｅを備えるとしたが、６個以上の単位セルを備えることができ、４個以下の単位セルを備えてもよい。単位セル５２ａ〜５２ｅは図２の単位セル２０ａ〜２０ｅと同じものでありうる。
【００５２】
また、第１ないし第５スイッチ５４ａ〜５４ｅは、図２の各スイッチ２５ａ〜２５ｅと同じ役割を行え、第６スイッチ５４ｆは、図１のスイッチ２５と同じ役割を行える。第１ないし第５スイッチ５４ａ〜５４ｅは、それぞれ単位セル５２ａ〜５２ｅと並列に連結されており、第６スイッチ５４ｆは、燃料電池５２の両終端と並列に連結されている。第６スイッチ５４ｆが使われる時、第１ないし第５スイッチ５４ａ〜５４ｅは開いた状態、すなわち、オフ状態を維持する。コンバータ５６は、燃料電池５２から発生した直流を負荷３５で要求する直流に変換させる役割を行う。第７スイッチ５４ｇは、コンバータ５６と燃料電池５２との間に備えられている。第７スイッチ５４ｇは、燃料電池５２が非正常であるか、その他の電気的な問題が発生した時、燃料電池５２からコンバータ５６及び２次電池５８を分離するための手段でありうる。第７スイッチ５４ｇが閉じられた状態である時、すなわち、オン状態である時、燃料電池５２で発生した電流はコンバータ５６に流れることができる。しかし、第７スイッチ５４ｇがオフ状態である時、燃料電池５２で発生した電流がコンバータ５６に流れることは遮断される。第６スイッチ５４ｆの一端は、燃料電池５２と第７スイッチ５４ｇとの間に連結されている。第１ないし第７スイッチ５４ａ〜５４ｇは、低いオン抵抗特性を持つ電界効果トランジスタであるが、オン抵抗の小さな機械的スイッチやその他の電子スイッチでもよい。
【００５３】
２次電池５８は燃料電池５２を補助するためのものであり、負荷３５で要求する電力が燃料電池５２から供給される電力より多い時、燃料電池５２が供給できない足りない電力を負荷３５に供給する役割を行う。したがって、負荷３５で要求する電力が燃料電池５２から十分に供給される時、２次電池５８は待ち状態にすることができる。このような２次電池５８の入力端は充電器６２の出力端に、出力端はコンバータ５６の入力端に連結されている。２次電池５８の出力端とインバータ５６の入力端とを連結する配線７０上に第９及び第１０スイッチ５４ｉ、５４ｊが備えられている。第９及び第１０スイッチ５４ｉ、５４ｊは、制御部（図示せず）の信号によって２次電池５８からコンバータ５６に流れる電流を断続させる。第７ないし第１０スイッチ５４ｇ〜５４ｊは、パワー金属酸化物電界効果トランジスタでありうる。２次電池５８が動作状態である時、すなわち負荷３５に電力を供給する時、第９及び第１０スイッチ５４ｉ、５４ｊはオン状態となる。しかし、２次電池５８が充電器６２により充電される間は、第９及び第１０スイッチ５４ｉ、５４ｊはオフ状態になる。
【００５４】
次いで、図５に図示した燃料電池システムで、残存燃料消耗のための動作方法について説明する。燃料電池５２の残存燃料は２つの方法で消耗できる。
【００５５】
第１の方法は、残存燃料を利用して先ず２次電池５８を完全に充電し、それでも残存燃料が残った場合、第１ないし第５スイッチ５４ａ〜５４ｅまたは第６スイッチ５４ｆを開閉させる方法である。第１ないし第５スイッチ５４ａ〜５４ｅは、図２の第１ないし第５スイッチ２５ａ〜２５ｅを開閉させる方法と同じ方法で開閉させることができる。そして、第６スイッチ５４ｆは、図１のスイッチ２５を開閉させる方法と同じ方法で開閉させることができる。
【００５６】
図６は、前記最初の方法を説明するグラフである。図６で、第１グラフＧ１は、残存燃料を利用した２次電池５８の充電程度を示し、第２グラフＧ２は、２次電池５８の充電による残存燃料の減少を示す。そして、第３グラフＧ３は、２次電池充電後に第１ないし第５スイッチ５４ａ〜５４ｅまたは第６スイッチ５４ｆを周期的または非周期的に開閉させることによって、すなわち、燃料電池５２の単位セル５２ａ〜５２ｅを周期的または非周期的にショートさせたときの残存燃料減少を示す。
【００５７】
図６を参照すれば、２次電池５８が充電されつつ残存燃料が順次に減少し、２次電池５８が完全に充電された後、燃料電池５２の単位セル５２ａ〜５２ｅを周期的または非周期的にショートさせることによって残存燃料は急激に減少することが分かる。
【００５８】
残存燃料消耗の第２の方法は、２次電池５８の充電と単位セル５２ａ〜５２ｅのショートとを交互に反復する方法である。この時、単位セル５２ａ〜５２ｅのショートは周期的あるいは非周期的に反復できる。また単位セル５２ａ〜５２ｅは、全体を同時にまたは一部を順次にショートさせることができる。
【００５９】
図７は、前記第２の方法を説明するグラフである。図７で第１グラフＧ１１は、残存燃料消耗による２次電池５８の充電程度を示し、第２グラフＧ２２は、２次電池５８の周期的充電と燃料電池５２内の単位セル５２ａ〜５２ｅの周期的ショートとを交互に反復実施することによる残存燃料の減少を示す。第１グラフＧ１１に充電が停止した第１時間隔ｔ１１が現れるが、第１時間隔ｔ１１は、燃料電池５２内の単位セル５２ａ〜５４ｅをショートさせる時間である。第２グラフＧ２２は、交互に反復される第１時間区間ＴＴ１と第２時間区間ＴＴ２とを含む。第２時間区間ＴＴ２が第１時間区間ＴＴ１より長い。第２時間区間ＴＴ２は、２次電池５８の充電により残存燃料が消耗される時間である。そして、第１時間区間ＴＴ１は、単位セル５２ａ〜５２ｅのショートにより残存燃料が消耗される時間である。したがって、第２グラフＧ２２の第１時間区間ＴＴ１と第１グラフＧ１１の第１時間隔ｔ１１とは同じである。また、第１グラフＧ１１の第１時間隔ｔ１１間の２次電池５８の充電時間は、第２グラフＧ２２の第２時間区間ＴＴ２と同じである。
【００６０】
図７の第２グラフＧ２２を参照すれば、２次電池５８の充電による残存燃料消耗率より単位セル５２ａ〜５２ｅのショートによる残存燃料消耗率が大きいということが分かる。
【００６１】
図８は、前記第１及び第２の方法で燃料電池５２の残存燃料が２次電池５８充電を利用して消耗される時の燃料電池システムを示す。
【００６２】
図８を参照すれば、第１ないし第６スイッチ５４ａ〜５４ｆと第９及び第１０スイッチ５４ｉ、５４ｊとはオフ状態である。そして、第７及び第８スイッチ５４ｇ、５４ｈはオン状態である。また、負荷３５と燃料電池システム８０との間はオフになっている。したがって、燃料電池５２の残存燃料により発生した電流は、コンバータ５６及び充電器６２を経て２次電池５８を充電させるのに使われうる。
【００６３】
前記第１の方法で、このような充電は、燃料電池５２の電位差が所定値以下に落ちるまで連続して続くことができる。
【００６４】
しかし、前記第２の方法で前記充電は１回に完了せず、燃料電池５２の電位差が前記所定値以下に落ちるまで周期的あるいは非周期的に反復される。前記充電と充電との間には、燃料電池５２の単位セル５２ａ〜５２ｅをショートさせて燃料電池５２の残存燃料を消耗させる。
【００６５】
前記第１及び第２の方法で、燃料電池５２内の単位セル５２ａ〜５２ｅをすべてショートさせるか、少なくとも一つを任意にあるいは順次にショートさせる方法、すなわち、第１ないし第５スイッチ５２ａ〜５２ｅまたは第６スイッチ５２ｆを開閉させる方法で燃料電池５２の残存燃料を消耗させる方法は、第１実施形態で説明したところと同一であるので、ここでそれについての説明は省略する。第１ないし第５スイッチ５２ａ〜５２ｅまたは第６スイッチ５２ｆを開閉させる方法で燃料電池５２の残存燃料を消耗させる時、第７スイッチ５４ｇはオフ状態を維持する。
【００６６】
前記の説明で多くの事項が具体的に記載されているが、これらは発明の範囲を限定するものというより、望ましい実施形態の例示として解釈されねばならない。例えば、当業者ならば、スイッチ２５、２５ａ〜２５ｅとして多様な開閉スイッチを使用でき、トランジスタを使用することもできるであろう。また、残存燃料消尽のための動作方法でスイッチオン状態を短く連続して２回以上実施する代わり、オフ状態をさらに長く維持してもよい。すなわち、経時的にオフ状態の時間長さを異ならせることができる。また、スイッチコントローラは回路部の外に備えてもよい。したがって、本発明の範囲は説明された実施形態によって定められるものではなく、特許請求の範囲に記載された技術的思想により定められねばならない。
【００６７】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【産業上の利用可能性】
【００６８】
本発明は、１次電池または２次電池が使われうるあらゆる電子機器に使われ、例えば、携帯電話、ノート型パソコン、デジタルカメラ、カムコーダ、携帯映像ディスプレイ、ＧＰＳ、ＰＤＡなどに利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明の第１実施形態による燃料電池システム及びこれを利用した燃料電池動作方法を説明する構成図である。
【図２】本発明の第２実施形態による燃料電池システム及びこれを利用した燃料電池動作方法を説明する構成図である。
【図３】図２の順次に開閉されるスイッチ構成についての変形例を概略的に示す図面である。
【図４】図２の順次に開閉されるスイッチ構成についての他の変形例を概略的に示す図面である。
【図５】本発明の第３実施形態による燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図６】図５の燃料電池システムで、燃料電池に残った燃料を消耗するための最初の動作方法を説明するグラフである。
【図７】図５の燃料電池システムで、燃料電池に残った燃料を消耗するための２番目の動作方法を説明するグラフである。
【図８】図６及び図７に図示した、残存燃料を消耗するための最初及び２番目の方法で、残存燃料が２次電池を充電するのに消耗されるステップで、燃料電池システムの構成要素の動作状態を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００７０】
２０    モノポーラ燃料電池
２０ａ〜２０ｅ    第１ないし第５単位セル
２５    スイッチ
３０    回路部
３５    負荷
Ｌ１    配線
【図１】
2008047537.tif 000003
【図２】
2008047537.tif 000004
【図３】
2008047537.tif 000005
【図４】
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【図５】
2008047537.tif 000007
【図６】
2008047537.tif 000008
【図７】
2008047537.tif 000009
【図８】
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