(57)【要約】【課題】短時間で水素発生量を変化することができ、かつエネルギー密度の高く、効率の高い燃料電池を提供すること。【解決手段】水素を燃料として用いる燃料電池であり、電力を消費して駆動する電力消費ユニットに接続される燃料電池において、燃料と酸化剤から電気化学反応により電力を生ずる第一の発電部と、燃料前駆体を含む反応溶液から水素を発生する水素発生器と、発電部が要求される電力をモニターし水素発生器の水素発生量を指示する制御回路から構成され、水素発生器における水素発生反応が、反応溶液の電気化学反応によることとする。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力を消費して駆動する電力消費ユニットに接続される燃料電池であって、燃料と酸化剤から電気化学反応により電力を生ずる第一の発電部と、燃料前駆体を含む反応溶液から水素を発生する水素発生器と、要求される電力をモニターして水素発生器の水素発生量を指示する制御回路と、を備え、
前記水素発生器における水素発生反応が前記反応溶液の電気化学反応によりおきることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
電気化学反応による前記水素発生反応が、電力の発生を伴うことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記水素発生器で生じた電力が、前記第一の発電部で生じた電力と共に、燃料電池が接続される前記電力消費ユニットで使われることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記水素発生器が、電力発生に伴い水素を発生する第二の発電部と、前記第二の発電部で生じた電圧を調整する昇圧回路を備え、前記昇圧回路により、前記第一の発電部から発生する電圧と、前記第二の発電部から発生する電圧とが略同一となるように調整されることを特徴とする請求項２または３に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記第一の発電部が、電気化学反応を起こす電極と、電解質と、加熱部を備え、
前記水素発生器で生じた電力が前記加熱部に供給され、前記電極と前記電解質を加熱することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記水素発生器が、第二の発電部と加熱部を備え、前記水素発生器で生じた電力が前記加熱部に供給され、前記加熱部が前記反応溶液を加熱することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記水素発生器が、第二の発電部と、前記反応溶液を貯蔵する貯蔵容器と、前記貯蔵容器から前記第二の発電部に前記反応溶液を供給する燃料供給路とを備え、前記第二の発電部への前記反応溶液の供給量が、前記第二の発電部で生じた電力により調節されることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
【請求項８】
前記第二の発電部への前記反応溶液の供給量はバルブにより調節され、前記第二の発電部で生じた電力によりバルブを開閉することにより前記第二の発電部に供給される前記反応溶液の供給量を可変とすることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池。
【請求項９】
前記第二の発電部への前記反応溶液の供給量はポンプにより可変とされ、前記第二の発電部で生じた電力によりポンプが作動して、前記第二の発電部に供給される前記反応溶液の供給量が可変となることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池。
【請求項１０】
前記水素発生器が、前記反応溶液と前記酸化剤から電気化学反応により電力を生ずる第二の発電部と、前記酸化剤を供給する酸化剤供給口を備え、前記制御回路の指示により前記第二の発電部に負荷がかかり、水素発生量が可変となることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
【請求項１１】
前記第二の発電部が、電気化学反応を起こす電極と、電解質と、加熱部を備え、前記第二の発電部で生じた電力を前記加熱部に供給し、前記加熱部が前記第二の発電部を加熱し、水素発生量を増加することを特徴とする請求項１０記載の燃料電池。
【請求項１２】
前記加熱部が、熱電変換器であることを特徴とする請求項５、６、１１のいずれか一項に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、携帯電話、ノートパソコン、家庭電源、自動車などの電源として用いる燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
水素を燃料として用いる燃料電池は、負極における水素の酸化反応と、正極における酸化剤、つまり、酸素もしくは貴な電位にて還元反応可能な酸化剤の還元反応とを、電気化学的に行い、両極の電位差と電気化学反応にて取り出される電流から出力を得る装置である。水素を得る方法として、水素の前駆体である反応物質の加水分解反応による方法（例えば、特許文献１参照）や、反応溶液もしくは気体（以下、両者を併せて反応物とする）を改質する方法（例えば、特許文献２参照）がある。従来の燃料電池の構成は、水素と酸化剤とを電気化学反応する発電部と、反応物を貯蔵する反応物貯蔵部と、反応物から水素を発生する改質部と、反応物貯蔵部から改質部に反応物を供給する燃料供給路と、水素を改質部から発電部に供給する水素流路から構成される。
【０００３】
電力を消費して駆動する電子機器やモーターなど（以下、電力消費ユニットとする）が燃料電池に接続される場合、電力消費ユニットが要求する電力を得るために、燃料電池は出力が変化する。出力が変動する場合、水素消費量も変化するため、出力に応じて水素発生量の変化が必要である。しかし、従来の触媒による方法は、触媒と反応物が接した場合反応が進行し、水素発生量の制御が難しかった。これを解決するために水素発生量の制御は、ポンプを用いて反応溶液の触媒への供給量を制御して行っていた。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−１８７５９５号公報（第３−６頁、第１図）
【０００５】
【特許文献２】
特許２７１５５００号公報（第２−４頁、第１図）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし従来の方法によると、燃料電池で発生した電力をポンプで用いることとなるが、電力消費ユニットから要求される電力が多い場合、ポンプの負荷が大きくなる。従ってポンプの駆動電力を得るために、ポンプと電力消費ユニットの消費電力の増加分、燃料電池が発電する電力を大きくしなければならない。しかし燃料電池は負荷応答性が悪く、高電力を短時間で得ることが困難である。またポンプに電力を供給するため、実質的に用いることのできる電力量が低下してしまう問題があった。更に、燃料電池は内部インピーダンスが高く、高電流発生時には電圧が低下する。また、ポンプの駆動においては、摩擦によるエネルギー損失がある。従って高電力を得るためには、燃料電池の内部インピーダンスやポンプでのエネルギー損失を見込んで電力を発生させなければならない。これはエネルギー密度の低下に通ずる。また、従来の方法によって水素発生量を増大しても、燃料電池の効率を向上することはできず、前述の通り内部インピーダンスが高く維持されたままである。
【０００７】
本発明は、上述した課題問題を解決し、短時間で水素発生量を変化することができ、かつエネルギー密度の高く、効率の高い燃料電池を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明による、電力を消費して駆動する電力消費ユニットに接続される燃料電池は、燃料と酸化剤から電気化学反応により電力を生ずる第一の発電部と、燃料前駆体を含む反応溶液から水素を発生する水素発生器と、第一の発電部に要求される電力をモニターして水素発生器の水素発生量を指示する制御回路を備え、水素発生器における水素発生反応が、反応溶液の電気化学反応によることを特徴としている。これにより、電気化学反応量に従って水素の発生量を制御することが可能となる。
【０００９】
さらに、電気化学反応による水素発生反応が、電力の発生を伴うこととした。これにより、水素発生反応が起きる部位への負荷を変化することにより、水素発生量を変化することができるようになる。水素発生に伴って発生する電力を、燃料電池の効率向上、電力消費ユニットへの供給、水素発生速度の制御に使用することが可能となる。
【００１０】
水素発生器で生じた電力が、第一の発電部で生じた電力と共に燃料電池が接続される電力消費ユニットで使われることを特徴としている。これにより、第一の発電部と水素発生器で生じた電力を加算した出力を電力消費ユニットに送電することができるようになる。これは、燃料電池の出力を向上することにつながる。
【００１１】
また、水素発生器が、電力発生に伴い水素を発生する第二の発電部と、第二の発電部で生じた電圧を調整する昇圧回路から構成され、昇圧回路により、第一の発電部から発生する電圧と、第二の発電部から発生する電圧とが略同一となるように調整されることを特徴としている。これにより、第二の発電部から燃料消費ユニットに直接電力を供給することができるようになる。
【００１２】
第一の発電部が、電気化学反応を起こす電極と、電解質と、加熱部から構成され、電力発生に伴い水素を発生する水素発生器で生じた電力を加熱部に供給し、電極と電解質を加熱することを特徴としている。これにより、第一の発電部の効率を向上することができ、要求される水素発生量が増大した場合、第一の発電部での出力の増加に伴う内部インピーダンスの増加を低減することができるようになる。加熱部としては種々あり、一般的なシーズヒーター、カートリッジヒーター、セラミックヒーターなどを用いてもよい。円筒や平面状など電極や電解質の形状に合わせた面状発熱体を用いるのが好ましい。また、電極周囲に抵抗体をパターニングして形成することもできる。また電解質としては、固体酸化物、固体高分子電解質、リン酸塩などを用いることができる。いずれも水素を燃料として用いる燃料電池であり、水素は前記水素発生器により得ることができる。
【００１３】
さらに、加熱部が熱電変換器であることを特徴としている。熱電変換器としては、ペルチェ効果を用いる素子が好ましい。これにより、ＯＮ／ＯＦＦの応答性がよく、瞬時の加熱が可能となる。
【００１４】
水素発生器が、第二の発電部とヒーターから構成され、水素発生器で生じた電力をヒーターで消費し、ヒーターが反応溶液を加熱することを特徴としている。これにより、水素発生反応が促進され、水素発生能が向上する。ヒーターとしては種々あり、一般的なシーズヒーター、カートリッジヒーター、セラミックヒーターなどを用いてもよい。円筒や平面状など電極や電解質の形状に合わせた面状発熱体を用いるのが好ましい。
【００１５】
また、ヒーターが熱電変換器であることを特徴としている。熱電変換器はペルチェ効果を用いた素子であり、特にＯＮ／ＯＦＦの応答性がよく、瞬時の加熱が可能となる。
【００１６】
水素発生器が、第二の発電部と、反応溶液を貯蔵する貯蔵容器と、貯蔵容器から第二の発電部に反応溶液を供給する燃料供給路と、燃料供給路に配置される燃料供給量を可変とする構造から構成され、第二の発電部への反応溶液供給量が、第二の発電部で生じた電力により調節され、可変となることを特徴としている。これにより、反応溶液を第二の発電部に供給する量を変化する電力を得る事ができ、反応溶液の供給量を適宜変化する事ができるようになる。
【００１７】
燃料供給量を可変とする構造がバルブであり、第二の発電部で生じた電力により、バルブが開閉して、第二の発電部に供給される前記反応溶液の供給量が可変となることを特徴としている。これにより、低電力により反応溶液の供給を促進できるようになる。ここで燃料供給路を毛細管とすることにより、反応溶液の供給量制御をバルブの開閉で行うことが可能となる。
【００１８】
バルブには、仕切弁、バタフライ弁、玉形弁、ダイヤフラム弁が用いられる。バタフライ弁、ダイヤフラム弁ならば、外圧の影響により弁を開閉することが可能であるため、バルブの駆動に電力がかからず、より一層有効である。
【００１９】
燃料供給量を可変とする構造がポンプであり、第二の発電部で生じた電力により、ポンプが作動して、第二の発電部に供給される反応溶液の供給量が可変となることを特徴としている。これにより、必要な水素量が急増した場合でも、ポンプを作動することにより反応溶液を大量に第二の発電部に供給し、対応する事ができるようになる。
【００２０】
水素発生器が、反応溶液と酸化剤から電気化学反応により電力を生ずる第二の発電部と、酸化剤を供給する酸化剤供給口から構成され、制御回路の指示により第二の発電部に負荷がかかり、水素発生量が可変となることを特徴としている。これにより、第二の発電部における電気化学反応により電力を得る事ができるようになり、負荷を変化することにより水素発生量を変化する事ができるようになる。
【００２１】
この水素発生器の構造は、具体的には、燃料電池とする事が好ましい。また水素発生器内に、第二の発電部と共に水素発生部材と反応溶液による水素発生反応を生じる部位を形成することができる。以下に反応溶液と水素発生部材の例を示す。但しこの限りではない。反応溶液として金属水素錯化合物水溶液を、水素発生部材としてＦｅ，Ｎｉ，Ｃｏ、貴金属から成る群の内いずれか一種を含む金属、金属酸化物、金属塩化物や酸が挙げられる。また、酸もしくはアルカリ水溶液と金属の組み合わせでもよい。ここで第二の発電部のアノードとして、導電性を有する水素発生部材を用いることができる。また、カーボン、Ｔｉなどを用いてもよい。
【００２２】
第二の発電部が、電気化学反応を起こす電極と、電解質と、ヒーターから構成され、第二の発電部で生じた電力をヒーターで消費し、ヒーターが第二の発電部を加熱し、水素発生量を増加することを特徴としている。これにより、第二の発電部における電気化学反応が促進され、発電効率が向上することができる。従って第二の発電部での水素発生反応において、エネルギーロスを低減することが可能となる。
【００２３】
ここで、電解質には、固体高分子電解質、固体酸化物を用いることができる。固体高分子電解質の種類には、カチオン交換膜、アニオン交換膜がある。アニオン交換膜の場合、アニオン透過時の抵抗が低下する効果があるが、現状耐久性が低い。従って、電解質導電物質の種類に限らず、カチオン交換膜を使うのが好ましい。しかしこれには限らない。また電極としては、触媒にＰｔ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｔｉ，Ｚｒから成る群の少なくともいずれかひとつを含む金属、化合物であることが好ましい。ヒーターとしては種々あり、一般的なシーズヒーター、カートリッジヒーター、セラミックヒーターなどを用いてもよい。円筒や平面状など電極や電解質の形状に合わせた面状発熱体を用いるのが好ましい。また、電極周囲に抵抗体をパターニングして形成することもできる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
図１は本発明に関わる燃料電池の構造を示す模式図である。本燃料電池は、水素燃料と酸化剤から電気化学反応により電力を生ずる第一の発電部１と、燃料前駆体を含む反応溶液２を貯蔵する燃料タンク３と、反応溶液２から水素を発生する水素発生器４と、第一の発電部１に要求される電力をモニターして水素発生器４の水素発生量を指示する制御回路５を備えている。本燃料電池は、電力を消費して駆動する電力消費ユニット６に接続されている。ここで水素発生器４には制御回路５の指示により負荷がかかり、この負荷を可変とすることにより反応溶液２の電気化学反応の反応量を調整することができる。これにより、水素発生量が可変となる。
【００２５】
図２は本発明にかかわる燃料電池の水素発生器の構造を示す模式図である。水素発生器は、反応溶液２と酸化剤から電気化学反応により電力を生ずる第二の発電部７と、酸化剤を供給する酸化剤供給口８、反応溶液２から適宜水素を発生するための水素発生部材９を備えている。ここで、水素発生部材９は第二の発電部７のアノード１０を兼ねている。第二の発電部７は、反応溶液２と酸化剤の電気化学反応により電力を発生する。また水素発生器において、反応溶液２と水素発生部材９の接触により、加水分解反応、熱分解反応、金属の酸化反応の少なくともいずれか一種がおき、更に、第二の発電部７上で反応溶液２の電気化学反応がおき、両者により水素を発生する。第二の発電部７の出力を制御して電気化学反応により、水素発生量を制御することが可能となる。
【００２６】
以上の反応を可能とするために、酸化剤には、酸素、過酸化水素などに代表される還元可能な物質が使われる。また、反応溶液２として金属水素錯化合物水溶液が、水素発生部材９としてＦｅ，Ｎｉ，Ｃｏ、貴金属から成る群の内いずれか一種を含む金属が例示できる。また、反応溶液２と水素発生部材９として、酸もしくはアルカリ水溶液と金属の組み合わせでもよい。また第二の発電部７のアノード１０として、導電性を有する水素発生部材９を用いることができる。
【００２７】
例えば、反応溶液２を金属水素錯化合物水溶液、水素発生部材９をＮｉとし、第二の発電部７のアノード１０に水素発生部材９を用いた場合、Ｎｉ上での金属水素錯化合物の加水分解反応により水素が発生すると共に、Ｎｉ上で電気化学的に水素発生反応を起こすことができる。また他の例として、反応溶液２をアルカリ水溶液、水素発生部材９をＡｌとし、第二の発電部７のアノード１０に水素発生部材９を用いた場合、Ａｌの酸化反応により水素を発生すると共に、Ａｌ上での電気化学的に水素発生反応を起こすことができる。
【００２８】
以上の構造によれば、第二の発電部への負荷が変動すると電気化学的な水素発生反応の反応量が変化することになる。すなわち、負荷を制御することにより水素発生量を制御することができるようになる。
【００２９】
（実施例２）
図３は本発明にかかわる燃料電池の水素発生器を示す模式図である。図２と類似の構造であるが、水素発生部材９が水素発生器内の反応溶液２に分散している点で、図２と異なる。従って、第二の発電部７のアノード１０と水素発生部材９とは別体となっている。水素発生部材９上での加水分解反応と、アノード１０上の電気化学反応により水素が発生する。以上の反応を可能とするために、反応溶液２として金属水素錯化合物水溶液を用い、水素発生部材９としてＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、貴金属から成る群の内いずれか一種を含む金属酸化物、金属塩化物や酸を用いることが例示できる。また、第二の発電部７のアノード１０として、カーボン、Ｔｉなどを用いてもよい。例えば、水素発生部材９をクエン酸とし、第二の発電部７のアノードにカーボンを用いた場合、金属水素錯化合物の加水分解反応により水素が発生すると共に、カーボン上で電気化学的に水素発生反応を起こすことができる。
【００３０】
以上の構造により、第二の発電部への負荷が変動した場合、電気化学的な水素発生反応の反応量が変化するため、負荷を制御することにより水素発生量を制御することができるようになる。
【００３１】
（実施例３）
図４は本実施例の燃料電池と電力消費ユニット６の電気接続を示すブロック図である。本実施例の燃料電池は、水素を消費して発電する第一の発電部１と、水素発生器４と、水素発生器４で生じる電圧を第一の発電部１で生じる電圧と略同一とする昇圧回路１１を備えている。ここで電力消費ユニット６は、携帯電話、デジタルスチルカメラといった携帯情報機器、コンピューターやコンピューター関連機器、家庭電化製品、自動車などの電力を消費して駆動する製品を示す。ここには二次電池やキャパシタのような電力をいったん貯蔵した後これを放電することにより機能を示すデバイスや、電圧を昇降圧するための直流電流変換器も含まれる。このような構成により、燃料電池から送電する電力は、第一の発電部１で発生した電力に、水素発生器４から生じる電力を加算することができ、燃料電池全体の出力を向上することができる。
【００３２】
（実施例４）
図５は本実施例の燃料電池の構造を示す模式図である。本燃料電池は、図１と類似の構造をしており、更に第一の発電部１に加熱部１２を取り付けている。加熱部１２に送電される電力は、水素発生器４で発電した電力である。第一の発電部１で反応が起きると電流上昇と共に電圧が低下するが、高温になるに従い電圧低下幅が小さくなる。従って本構造により第一の発電部１の温度が上昇し、より高い電力を出力できるようになる。
【００３３】
（実施例５）
図６は本発明にかかわる燃料電池の水素発生器と燃料関連部分を示す模式図である。水素発生器４の構造は、図２もしくは図３と同様の構造をしている。また燃料関連部分として、反応溶液２を貯蔵する燃料タンク３、燃料タンク３から水素発生器４に反応溶液２を送液する燃料供給路１３から成っている。燃料供給路１３には、反応溶液２の供給量を調節するためのバルブ１４が設置されている。
【００３４】
燃料電池に適用されるバルブ１４の駆動には、従来燃料電池で発電した電力かもしくは外部から電力を供給する必要があった。しかし本構造では、水素発生器４で発電した電力を用いることとなる。従って水素発生器４にかかる負荷が増大し電気化学反応が促進された場合、発生する水素量が増大すると共に、発生した電力によりバルブ１４を駆動し、反応溶液２の供給を増大することができる。
【００３５】
（実施例６）
図７は本発明にかかわる燃料電池の水素発生器を示す模式図である。水素発生器４の第二の発電部７の構造は、図２もしくは図３と同様の構造している。本実施の形態では、反応溶液滞留部１５にヒーター１６を取り付けている。ヒーター１６は水素発生器４で発電する電力により加熱される。これにより反応溶液２が加熱され、加水分解反応による水素発生が促進される。また反応溶液２の温度が上昇した場合、反応物や反応生成物の溶解度を増加することができる。従って、常温で溶解度以上の反応物を保持することが可能となり、エネルギー密度を増加することができる。
【００３６】
（実施例７）
図８は水素発生器へのヒーターの取り付け構造を示す斜視図である。水素発生器４の第二の発電部７は、図２もしくは図３と同様の構造している。ヒーター１６はアノード１０の周囲に図示するように取り付けられる。ヒーター１６は第二の発電部７で発生する電力により加熱される。これにより、第二の発電部７の電力触媒活性能が向上し、電気化学反応による水素発生が促進される。また同時に反応溶液２が加熱されるため、加水分解反応による水素発生が促進される。燃料電池が要求される電力が増加して第二の発電部７への負荷が増加した場合、高電流を出力することができるため、上記反応をより促進することができ、十分量の水素を得ることができるようになる。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の燃料電池は、水素を燃料として用いる燃料電池であり、電力を消費して駆動する電力消費ユニットに接続されており、燃料と酸化剤から電気化学反応により電力を生ずる第一の発電部と、燃料前駆体を含む反応溶液から水素を発生する水素発生器と、発電部が要求される電力をモニターし水素発生器の水素発生量を指示する制御回路から構成され、水素発生器における水素発生反応が、反応溶液の電気化学反応によることを特徴としている。これにより、電気化学反応量に従って水素の発生量を制御することが可能となる。
【００３８】
更に、電気化学反応による水素発生反応が、電力の発生を伴うことを特徴としている。そのため、水素発生反応が起きる部位への負荷を変化することにより、水素発生量を変化することができるようになる。水素発生に伴って発生する電力を、燃料電池の効率向上、電力消費ユニットへの供給、水素発生速度の制御に使用することが可能となる。
【００３９】
以上により、短時間で水素発生量を変化することができ、かつエネルギー密度の高く、効率の高い燃料電池を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による燃料電池の構造を示す模式図である。
【図２】本発明による燃料電池の水素発生器の構造を示す模式図である。
【図３】本発明による実施例２の燃料電池の水素発生器を示す模式図である。
【図４】本発明による実施例３の燃料電池と電力消費ユニットの電気接続を示すブロック図である。
【図５】本発明による実施例４の燃料電池の構造を示す模式図である。
【図６】本発明による実施例５の燃料電池の水素発生器と燃料関連部分を示す模式図である。
【図７】本発明による実施例６の燃料電池の水素発生器を示す模式図である。
【図８】本発明による実施例７の水素発生器へのヒーターの取り付け構造を示す斜視図である。
【符号の説明】
１  第一の発電部
２  反応溶液
３  燃料タンク
４  水素発生器
５  制御回路
６  電力消費ユニット
７  第二の発電部
８  酸化剤供給口
９  水素発生部材
１０  アノード
１１  昇圧回路
１２  加熱部
１３  燃料供給路
１４  バルブ
１５  反応溶液滞留部
１６  ヒーター
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2004327202.tif 000007
【図６】
2004327202.tif 000008
【図７】
2004327202.tif 000009
【図８】
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