(57)【要約】【課題】燃料電池のセル内の水素分子欠乏により発生する不具合を防止すること。【解決手段】水素と酸素を反応させて電力を発生するセルを複数直列接続してなる燃料電池において、水素の欠乏によりセル内で起こる水素反応量の減少を他のセル内での水素反応量を増加させることにより燃料電池の出力電圧を一定にする水素欠乏防止回路を設けた。【選択図】　　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素と酸素を反応させて電力を発生するセルを複数直列接続してなる燃料電池において、
水素の欠乏によりセル内で起こる水素反応量の減少を他のセル内での水素反応量を増加させることにより燃料電池の出力電圧を一定にする水素欠乏防止回路を設けたことを特徴とする燃料電池の水素欠乏防止装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は車両に搭載される燃料電池の水素欠乏防止装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
クリームな発電として燃料電池が注目されている。燃料電池は水素と酸素とを反応させて電力を取り出すデバイスである。つまり、
Ｈ２＋（１／２）Ｏ２→Ｈ２Ｏ＋電気エルネギー（電力）…（１）
なる反応により電力を取り出している。
【０００３】
組電池のセルの充電エネルギーをむだにすることなく、セル電圧またはモジュール電圧を均等化するセル電圧均等化装置が知られている（特許文献１）。
【０００４】
図３を参照して従来の燃料電池について説明する。図３においては、簡単のため、３つのセルが直列接続されている例を示す。１つのセルからは０．６〜１．２Ｖ程度の電圧が発生する。従って、通常車両に搭載する場合には１００〜２００枚のセルが直列接続して使用されている。
【０００５】
図において、１１ａ〜１１ｄはそれぞれカーボンセパレータ（集電電極）である。そして、互いに対向するカーボンセパレータ１１ａ〜１１ｄ間の中間位置には両面に触媒膜１２が形成された固体電解質膜（ＰＥＭ）１３ａ〜１３ｃが配設されている。１つのセルは対向するカーボンセパレータと、その対向するカーボンセパレータの中間位置に設けられた固体電解質膜により構成されている。
【０００６】
１つのセルの固体電解質膜（ＰＥＭ）１３ａ〜１３ｃの右側からは水素が水平方向に沿うように導入され、固体電解質膜（ＰＥＭ）１３ａ〜１３ｃの左側からは酸素が鉛直方向に沿うように導入される。このため、固体電解質膜（ＰＥＭ）１３ａ〜１３ｃの左側に面するカーボンセパレータ１１ａ〜１１ｄの表面は水平方向に沿うように複数条の溝が形成され、固体電解質膜（ＰＥＭ）１３ａ〜１３ｃの右側に面するカーボンセパレータ１１ａ〜１１ｄの表面は垂直方向に沿うように複数条の溝が形成されている。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００１−３３９８６５号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
各セル内においては、（１）式で示す反応が行われている。つまり、酸素分子の２倍の水素分子が必要とされる。
【０００９】
通常、酸素は大気から供給されるが、水素はメタノールを水と反応されることにより発生させている。
【００１０】
酸素分子の２倍の量の水素分子がセルに供給されていれば問題ないが、水素分子の供給量が欠乏すると、固体電解質膜１３ａ〜１３ｃ２内に存在する水素分子が（１）式の反応に使用されるため、固体電解質膜１３ａ〜１３ｃ２が破損してしまうという問題が発生する。
【００１１】
さらに、水素分子が欠乏したセルでは、電子を運ぶキャリアが欠乏する。この電子を運ぶキャリアがカーボンセパレータ１１ａ〜１１ｄの炭素＋イオンが担うため、カーボンセパレータ１１ａ〜１１ｄが移動してしまう事態が発生する。カーボンセパレータ１１ａ〜１１が移動すると、セルが故障してしまう事態に発展し兼ねない。
【００１２】
本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、その目的は、セル内の水素分子欠乏により発生する不具合を防止することができる燃料電池の水素欠乏防止装置を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、水素の欠乏によりセル内で起こる水素反応量の減少を他のセル内での水素反応量を増加させることにより燃料電池の出力電圧を一定にするようにしている。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の一実施の形態について説明する。図１において、図３と同一部分には同一番号を付し、その詳細な説明については省略する。
【００１５】
図１において、２０は水素欠乏防止回路である。以下、水素欠乏防止回路２０の構成について説明する。カーボンセパレータ１１ａは本燃料電池の−電極、カーボンセパレータ１１ｄは本燃料電池の＋電極として機能する。カーボンセパレータ１１ａとカーボンセパレータ１１ｄとの間には、負荷ＲＬ（例えば、モータ）が接続されている。
【００１６】
また、カーボンセパレータ１１ａと負荷ＲＬとの中間点とカーボンセパレータ１１ｄと負荷ＲＬとの中間点との間には、スイッチＰＧとトランスＴの一次コイルＮ１の直列接続体が接続される。このスイッチＰＧは図示しない制御手段により周期的にオン／オフされる。トランスＴの二次側には、コイルＮ２１、コイルＮ２２、コイルＮ２３が直列に接続されている。コイルＮ１とコイルＮ２１の巻き線比は３：１、コイルＮ１とコイルＮ２２の巻き線比は３：１、コイルＮ１とコイルＮ２３の巻き線比は３：１に設定されている。
【００１７】
コイルＮ２１の一端はカーボンセパレータ１１ａに接続され、コイルＮ２１とコイルＮ２２との接続点はダイオードＤ１を介してカーボンセパレータ１１ｂに接続され、コイルＮ２２とコイルＮ２３との接続点はダイオードＤ２を介してカーボンセパレータ１１ｃに接続され、コイルＮ２３の端部はダイオードＤ３を介してカーボンセパレータ１１ｄに接続されている。
【００１８】
次に、作用について説明する。各セルの固体電解質膜１３ａ〜１３ｃの両側からそれぞれ水素及び酸素が供給される。そして、各セル内において、（１）式の反応が行われる。
【００１９】
そして、各セルで発生した電圧は加算されて燃料電池の両端の電極間、つまりカーボンセパレータ１１ａ（−電極）、１１ｄ（＋電極）間に発生する。そして、カーボンセパレータ１１ａ（−電極）、１１ｄ（＋電極）に接続された負荷ＲＬが駆動される。負荷ＲＬがモータであれば、モータが回転する。
【００２０】
スイッチＰＧは周期的にオン／オンされている。従って、スイッチＰＧがオンされると、コイルＮ１に電磁エネルギーが蓄積され、スイッチＰＧがオフされると、コイルＮ１に蓄積されていた電磁エルネギーはトランスＴの二次側に伝達される。コイルＮ２１、Ｎ２２、Ｎ２３の巻数はそれぞれコイルＮ１の巻き数の１／３に設定されているため、各コイルＮ２１、Ｎ２２、Ｎ２３の両端にはＥ／３が発生する。
【００２１】
この水素欠乏防止回路２０により、何らかの原因により真中のセルに送り込む水素量が欠乏した場合でも、他のセルでの水素反応量が増加して燃料電池全体では定格出力Ｅとなるように作用される。また、水素が欠乏している真中のセルの両端のカーボンセパレータ１１ｂ、１１ｃ間は他のセルの両端に発生する電圧より低い電圧が発生するが、コイルＮ２２の両端に発生する電圧はＥ／３とされるため、水素の欠乏が発生していないときの電圧が発生される。
【００２２】
従って、セルへの水素欠乏が発生することにより発生する水素が欠乏しているセルの固体電解質膜１３ｂが破損したり、カーボルセパレータ１１ｂ，１１ｃが移動してセルが故障してしまうことを未然に防止することができる。
【００２３】
次に、図２を参照して第２の実施の形態に係る燃料電池の水素欠乏防止装置について説明する。図２において、図３と同一部分については同一番号を付し、その詳細な説明については省略する。　　　　　図中、２１は水素欠乏防止回路である。
【００２４】
カーボンセパレータ１１ａは接点ｃ１に接続され、カーボンセパレータ１１ｂは接点ｃ２，ｃ３に接続され、カーボンセパレータ１１ｃは接点ｃ４，ｃ５に接続され、カーボンセパレータ１１ｄは接点ｃ６に接続される。
【００２５】
次に、動作について説明する。スイッチＳ１〜Ｓ３は連動する連動スイッチＳを構成する。スイッチＳ１〜Ｓ３は、それぞれ接点ｃ２，ｃ４，ｃ６に閉じる第１位置（図中実線位置）と、それぞれ接点ｃ１，ｃ３，ｃ５に閉じる第２位置との間を切り替えられる。この連動スイッチＳは図示しない制御手段により周期的に切り替えられている。
【００２６】
スイッチＳ１の端子ｄ１とスイッチＳ２の端子ｄ２との間にコンデンサＣが接続され、スイッチＳ２の端子ｄ２とスイッチＳ３の端子ｄ３との間にもコンデンサＣが接続される。いずれのコンデンサＣは同じ容量を有する。
【００２７】
各セルの固体電解質膜１３ａ〜１３ｃの両側からそれぞれ水素及び酸素が供給される。そして、各セル内において、（１）式の反応が行われる。
【００２８】
そして、各セルで発生した電圧は加算されて燃料電池の両端の電極間、つまりカーボンセパレータ１１ａ（−電極）、１１ｄ（＋電極）間に発生する。そして、カーボンセパレータ１１ａ（−電極）、１１ｄ（＋電極）に接続された負荷ＲＬが駆動される。負荷ＲＬがモータであれば、モータが回転する。
【００２９】
ところで、連動スイッチＳは周期的に第１位置（図中実線位置）と第２位置とに切り替えられる。このように連動スイッチＳが第１位置から第２位置に切り替わると、真中及び右のセルに発生した電圧は右及び真中のセルに供給される。つまり、隣接するセルに電圧が供給される。
【００３０】
この水素欠乏防止回路２１により、何らかの原因により仮に真中のセルに送り込む水素量が欠乏した場合でも、他のセルでの水素反応量が増加して燃料電池全体では定格出力Ｅとなるように作用する。
【００３１】
従って、セルへの水素欠乏が発生することにより発生する水素が欠乏しているセルの固体電解質膜１３ｂが破損したり、カーボルセパレータ１１ｂ，１１ｃが移動してセルが故障してしまうことを未然に防止することができる。
【００３２】
なお、上記第１実施の形態においては、燃料電池は３つのセルにより構成されていたが、ｎセルの場合には、トランスＴ１のｎ個の二次コイルの巻き数をそれぞれ一次コイルの巻き数の１／ｎとすれば良い。
【００３３】
さらに、上記第２の実施の形態においては、燃料電池は３つのセルにより構成されていたが、ｎセルの場合には、コンデンサＣをｎ−１個用いれば良い。
【００３４】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、水素の欠乏によりセル内で起こる水素反応量の減少を他のセル内での水素反応量を増加させるようにして燃料電池の出力電圧を一定にするようにしたので、セル内で水素欠乏が発生してもセルが故障するのを未然に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池の水素欠乏防止装置を示す構成図。
【図２】本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池の水素欠乏防止装置を示す構成図。
【図３】従来の燃料電池の構成を示す図。
【符号の説明】
１１ａ〜１１ｄ…カーボンセパレータ、１２…触媒膜、１３ａ〜１３ｃ…固体電解質膜。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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