(57)【要約】燃料電池の起動性を向上する。燃料電池５３２は、燃料電池スタック５３４を有し、燃料電池スタック５３４に接続されたシステム負荷５３８に電力を供給する。燃料電池５３２は、温度スイッチ５３６を有し、温度スイッチ５３６を切り替えることにより、燃料電池スタック５３４の温度が基準温度より低いときに、システム負荷５３８への出入力端子間を短絡し、燃料電池スタック５３４の温度が基準温度以上となったときに出入力端子間を開放してシステム負荷５３８に電流を流すようにする。
2004027913.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池を有し、前記燃料電池に接続された負荷に電力を供給する燃料電池システムであって、
前記燃料電池の温度に応じて、前記負荷への出入力端子間を短絡または開放する温度スイッチを備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記負荷と並列に前記燃料電池に接続して形成された短絡経路をさらに備え、
前記温度スイッチは、前記短絡経路と前記燃料電池との間を接続または切断することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記温度スイッチは、温度により形状が変化する材料により構成され、温度に応じて、前記出入力端子間を接続または切断することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記温度スイッチは、前記短絡経路に接続された固定導電体と、温度により形状が変化する材料により構成され、温度に応じて、前記固定導電体と接触し、または前記固定導電体から離脱する可動導電体と、により構成されたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項４に記載の燃料電池システムにおいて、
前記可動導電体は、バイメタル、形状記憶合金、熱膨張剤、バネ、または感温フェライトにより構成されたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
請求項１または２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池内に設置された温度センサをさらに含み、
前記温度スイッチは、前記温度センサの出力信号に基づき、前記出入力端子間を短絡または開放することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】
請求項１乃至６いずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池は、燃料極と酸化剤極とが固体電解質膜を挟んで配置された単セルを複数含み、
前記温度スイッチは、前記燃料電池の端部に配置された前記酸化剤極の温度に応じて前記出入力端子間を短絡または開放することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項８】
請求項１乃至７いずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
前記温度スイッチは、前記燃料電池の温度が基準温度より低いときに、前記負荷への出入力端子間を短絡し、前記燃料電池の温度が前記基準温度以上となったときに、前記出入力端子間を開放することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項９】
請求項８に記載の燃料電池システムにおいて、
前記基準温度は−１０℃以上３５℃以下の範囲内であることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１０】
請求項８または９に記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池の温度が、前記基準温度よりも高温の第二の基準温度以上となったときに、警告信号を発する警告信号発信部をさらに含むことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１１】
請求項１乃至１０のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池は、燃料極および酸化剤極を含み、
前記燃料電池システムは、
前記燃料極に燃料を供給する処理を行う燃料供給処理部と、
前記燃料電池の温度に応じて、前記燃料供給処理部を制御して、前記燃料極に供給する燃料の濃度を調整する制御部と、
をさらに備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１２】
請求項１１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記制御部は、前記燃料電池の温度が所定温度以下のときに、前記燃料電池の温度に応じて、前記燃料極に供給する燃料の濃度を設定し、前記燃料電池の温度が所定温度を超えたときに、前記燃料極に供給する燃料を所定濃度に設定することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１３】
請求項１１または１２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記制御部は、燃料電池の温度に応じて、前記燃料供給部を制御して、前記燃料極に供給する燃料の量をさらに調整することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１４】
請求項１１乃至１３いずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
前記酸化剤極に酸化剤を供給する処理を行う酸化剤供給処理部をさらに備え、
前記制御部は、燃料電池の温度に応じて、前記酸化剤極を制御して、前記酸化剤極に供給する酸化剤の量を調整することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１５】
請求項１１乃至１４いずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料極に供給する燃料または前記酸化剤極に供給する酸化剤の少なくとも一方を加熱するヒータをさらに含むことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１６】
請求項１乃至１５いずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
請求項１乃至１５いずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池に供給する燃料が液体燃料であることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１７】
燃料電池を有し、前記燃料電池に接続された負荷に電力を供給する燃料電池システムの使用方法であって、
前記燃料電池の温度に応じて、前記負荷への出入力端子間を短絡または開放することを特徴とする燃料電池システムの使用方法。
【請求項１８】
請求項１７に記載の燃料電池システムの使用方法において、
前記燃料電池の温度が基準温度より低いときに、前記出入力端子間を短絡し、前記燃料電池の温度が前記基準温度以上となったときに、前記出入力端子間を開放することを特徴とする燃料電池システムの使用方法。
【請求項１９】
請求項１７または１８に記載の燃料電池システムの使用方法において、
前記燃料電池は、燃料極および酸化剤極を含み、
前記燃料電池の温度に応じて、前記燃料極に供給する燃料の濃度を設定するステップと、
前記濃度を設定するステップで設定された濃度の燃料を前記燃料極に供給するステップと、
をさらに含むことを特徴とする燃料電池システムの使用方法。
【請求項２０】
請求項１９に記載の燃料電池システムの使用方法において、
前記燃料を前記燃料極に供給するステップは、
前記燃料電池の温度が所定温度以下のときに、前記濃度を設定するステップで設定された濃度の燃料を前記燃料極に供給するステップと、
前記燃料電池の温度が所定温度を超えたときに、前記燃料電池の温度に関わらず、所定濃度の燃料を前記燃料極に供給するステップと、
を含むことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２１】
請求項１９または２０に記載の燃料電池システムの使用方法において、
前記燃料電池の温度に応じて、前記燃料極に供給する燃料の量を設定するステップをさらに含み、
前記燃料を前記燃料極に供給するステップにおいて、前記燃料の量を調整するステップで設定された量の燃料を前記燃料極に供給することを特徴とする燃料電池システムの使用方法。
【請求項２２】
請求項１９乃至２１いずれかに記載の燃料電池システムの使用方法において、
前記燃料電池の温度に応じて、前記酸化剤極に供給する酸化剤の量を設定するステップと、
前記酸化剤の量を設定するステップで設定された量の酸化剤を前記酸化剤極に供給するステップと、
をさらに含むことを特徴とする燃料電池システムの使用方法。
【請求項２３】
請求項１９乃至２２いずれかに記載の燃料電池システムの使用方法において、
前記燃料極に供給する燃料または前記酸化剤極に供給する酸化剤の少なくとも一方を加熱するステップをさらに含むことを特徴とする燃料電池システムの使用方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  本発明は、燃料電池システムおよびその使用方法に関する。
従来技術
燃料電池は、燃料極および酸化剤極と、これらの間に設けられた電解質から構成され、燃料極には燃料が、酸化剤極には酸化剤が供給されて電気化学反応により発電する。燃料としては、一般的には水素が用いられていたが、近年、安価で取り扱いの容易なメタノールを燃料として直接利用する直接型の燃料電池の開発も盛んに行われている。
燃料としてメタノールを用いた場合、燃料極での反応は以下の式（１）のようになる。
ＣＨ３ＯＨ  ＋  Ｈ２Ｏ  →  ６Ｈ＋  ＋  ＣＯ２  ＋  ６ｅ−    （１）
また、酸化剤極での反応は以下の式（２）のようになる。
３／２Ｏ２  ＋  ６Ｈ＋  ＋  ６ｅ−  →  ３Ｈ２Ｏ    （２）
このように、直接型の燃料電池では、メタノール水溶液から水素イオンを得ることができるので、改質器等が不要になり、小型化および軽量化を図ることができる。また、液体のメタノール水溶液を燃料とするため、エネルギー密度が非常に高いという特徴がある。
しかし、一般に、燃料電池は他の電源に比べて起動性が悪いという問題がある。特に、直接型の燃料電池の発電効率は、温度の低下とともに減少し、温度が低いと、所望の電圧／電流を供給することができずに機器を起動できない可能性もある。
このような燃料電池の起動性の悪さを改善するために、たとえば、燃料電池に電熱ヒータを付加して強制的に所定の温度まで高温させる方式が提案されている（特許文献１）。また、たとえば、燃料電池起動時に、空気室に燃料のメタノールを直接供給し、空気極でメタノールを直接燃焼することにより、燃料電池を急速に温度上昇させることができ、短時間で最適運転温度とする方式が提案されている（特許文献２）。
【特許文献１】          特開平１−１８７７７６号公報
【特許文献２】          特開平５−３０７９７０号公報
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の電熱ヒータを付加する方式では、電熱ヒータを付加するため装置が大型化するという問題や、電熱ヒータを加熱するための電源を別途準備しなければならないという問題がある。また、空気極でメタノールを直接燃焼する方式においても、空気極にメタノールを供給するための配管を設ける必要があり、複数の燃料電池単セルを含むセルスタックに適用する場合、構造が複雑となり装置が大型化してしまうという問題がある。一方、燃料電池を携帯電話等の携帯型の機器に利用する場合は、外部で利用することも多く、０℃前後の低温雰囲気下でも使用可能であることが要求される。そのため、燃料電池を携帯型の機器に用いる場合、周囲温度が低くても短時間で燃料電池の温度を上昇させて出力を通常のレベルに到達させるための簡便な機構を有する携帯型燃料電池の提供がますます望まれる。
本発明は上記事情を踏まえてなされたものであり、本発明の目的は、温度が低い場合でも、燃料電池の温度を上昇させて起動性を高めることのできる技術を提供することにある。
【発明の開示】
本発明によれば、燃料電池を有し、燃料電池に接続された負荷に電力を供給する燃料電池であって、燃料電池の温度に応じて、負荷への出入力端子間を短絡または開放する温度スイッチを備えたことを特徴とする燃料電池システムが提供される。
燃料電池に接続された負荷への出入力端子間を短絡させた場合、負荷には電流が流れない。そのため、本発明によれば、燃料電池の温度に応じて負荷への電力の供給または遮断を切り替えることができる。出入力端子間を短絡すると、燃料電池には短絡電流が流れ、燃料電池で自己発熱がおこり、燃料電池が過熱されて燃料電池の温度が上昇する。したがって、たとえば燃料電池の温度が低い場合に出入力端子間を短絡すると、燃料電池の温度が上昇するので、燃料電池の発電効率を高めることができる。その時点で出入力端子間を開放すると、負荷に電流が流れるようになり、負荷に充分な電力を供給することができる。
ここで、燃料電池は、固体電解質膜と、前記固体電解質膜を挟んで設けられた燃料極および酸化剤極とを含むことができる。また、固体電解質膜は、燃料極と酸化剤極とで挟持された構成とすることができる。固体電解質膜として、高分子固体電解質膜を用いることができる。燃料電池の燃料として、液体燃料を用いることができる。ここで、液体燃料は、メタノール、エタノール、ジメチルエーテル、または他のアルコール類等を用いることができる。液体燃料は、水溶液とすることができる。
本発明の燃料電池システムにおいて、負荷と並列に燃料電池に接続して形成された短絡経路をさらに備えることができ、温度スイッチは、短絡経路と燃料電池との間を接続または切断することができる。また、本発明の燃料電池システムにおいて、燃料電池を起動させるシステムパワースイッチを含むことができる。
本発明の燃料電池システムにおいて、温度スイッチは、温度により形状が変化する材料により構成することができ、温度に応じて、出入力端子間を接続または切断することができる。温度スイッチは、バイメタル、形状記憶合金、熱膨張剤、バネ、または感温フェライトにより構成することができる。このようにすれば、燃料電池の温度が変化する度に出入力端子間の接続または切断を繰り返し行うことができる。
本発明の燃料電池システムにおいて、温度スイッチは、短絡経路に接続された固定導電体と、温度により形状が変化する材料により構成され、温度に応じて、固定導電体と接触し、または固定導電体から離脱する可動導電体と、により構成することができる。このようにすれば、燃料電池の温度が変化する度に固定導電体と可動導電体との接触および離脱を繰り返し行うことができる。
本発明の燃料電池システムにおいて、可動導電体は、バイメタル、形状記憶合金、熱膨張剤、バネ、または感温フェライトにより構成することができる。
本発明の燃料電池システムにおいて、燃料電池内に設置された温度センサをさらに含むことができ、温度スイッチは、温度センサの出力信号に基づき、出入力端子間を短絡または開放することができる。温度センサは熱電対、金属測温抵抗体、サーミスタ、ＩＣ温度センサ、磁気温度センサ、サーモパイル、焦電型温度センサにより構成することができる。
本発明の燃料電池システムにおいて、燃料電池は、燃料極と酸化剤極とが固体電解質膜を挟んで配置された単セルを複数含む燃料電池スタックとすることができ、温度スイッチは、燃料電池スタックの端部に配置された酸化剤極の温度に応じて出入力端子間を短絡または開放することができる。このようにすれば、外部温度の影響を最も受ける可能性の高い燃料電池スタックの端部の温度を反映することができる。
本発明の燃料電池システムにおいて、温度スイッチは、燃料電池の温度が基準温度より低いときに、負荷への出入力端子間を短絡し、燃料電池の温度が基準温度以上となったときに、出入力端子間を開放することができる。ここで、基準温度は−１０℃以上３５℃以下の範囲内とすることができる。
本発明の燃料電池システムにおいて、燃料電池の温度が、基準温度よりも高温の第二の基準温度以上となったときに、警告信号を発する警告信号発信部をさらに含むことができる。
本発明の燃料電池システムにおいて、燃料電池は、燃料極および酸化剤極を含むことができ、燃料電池システムは、燃料極に燃料を供給する処理を行う燃料供給処理部と、燃料電池の温度に応じて、燃料供給処理部を制御して、燃料極に供給する燃料の濃度を調整する制御部とをさらに備えることができる。ここで、制御部は、燃料電池の温度が低いほど燃料の濃度が高くなるように設定することができる。これによりクロスオーバーを促進させ、燃料電池を加熱することができる。
本発明の燃料電池システムにおいて、制御部は、燃料電池の温度が所定温度以下のときに、燃料電池の温度に応じて燃料極に供給する燃料の濃度を設定し、燃料電池の温度が所定温度を超えたときに、燃料極に供給する燃料を所定濃度に設定することができる。制御部は、燃料電池の温度が所定温度を超えたとき、燃料電池の温度に関わらず、燃料極に供給する燃料を所定濃度に設定することができる。
本発明の燃料電池システムにおいて、制御部は、燃料電池の温度に応じて、燃料供給部を制御して、燃料極に供給する燃料の量をさらに調整することができる。制御部は、燃料電池の温度が低いほど燃料の供給量を低くすることができる。これにより、燃料極が燃料により冷却されるのを防ぐことができる。
本発明の燃料電池システムにおいて、酸化剤極に酸化剤を供給する処理を行う酸化剤供給処理部をさらに備えることができ、制御部は、燃料電池の温度に応じて、酸化剤極を制御して、酸化剤極に供給する酸化剤の量を調整することができる。制御部は、燃料電池の温度が低いほど酸化剤の供給量を低くすることができる。これにより、酸化剤極が酸化剤により冷却されるのを防ぐことができる。
本発明の燃料電池システムにおいて、燃料極に供給する燃料または酸化剤極に供給する酸化剤の少なくとも一方を加熱するヒータをさらに含むことができる。
本発明の燃料電池システムにおいて、燃料電池の燃料極に供給する燃料は液体燃料とすることができる。
本発明によれば、燃料電池を有し、燃料電池に接続された負荷に電力を供給する燃料電池の使用方法であって、燃料電池の温度に応じて、負荷への出入力端子間を短絡または開放することを特徴とする燃料電池システムの使用方法が提供される。
本発明の燃料電池システムの使用方法において、燃料電池の温度が基準温度より低いときに、出入力端子間を短絡し、燃料電池の温度が基準温度以上となったときに、出入力端子間を開放することができる。
本発明の燃料電池システムの使用方法において、燃料電池は、燃料極および酸化剤極を含むことができ、燃料電池の温度に応じて、燃料極に供給する燃料の濃度を設定するステップと、濃度を設定するステップで設定された濃度の燃料を燃料極に供給するステップと、をさらに含むことができる。
本発明の燃料電池システムの使用方法において、燃料を燃料極に供給するステップは、燃料電池の温度が所定温度以下のときに、濃度を設定するステップで設定された濃度の燃料を燃料極に供給するステップと、燃料電池の濃度が所定温度を超えたときに、燃料電池の温度に関わらず、所定濃度の燃料を燃料極に供給するステップと、を含むことができる。
本発明の燃料電池システムの使用方法において、燃料電池の温度に応じて、燃料極に供給する燃料の量を設定するステップをさらに含むことができ、燃料を燃料極に供給するステップにおいて、燃料の量を調整するステップで設定された量の燃料を燃料極に供給することができる。
本発明の燃料電池システムの使用方法において、燃料電池の温度に応じて、酸化剤極に供給する酸化剤の量を設定するステップと、酸化剤の量を設定するステップで設定された量の酸化剤を酸化剤極に供給するステップと、をさらに含むことができる。
本発明の燃料電池システムの使用方法において、燃料極に供給する燃料または酸化剤極に供給する酸化剤の少なくとも一方を加熱するステップをさらに含むことができる。
【図面の簡単な説明】  図１は、本発明の実施の形態における燃料電池の回路構成を示す図である。
図２は、図１に示した燃料電池の燃料電池スタックの単セル構造を模式的に示した断面図である。
図３は、本発明の第一の実施の形態における燃料電池を模式的に示した構成図である。
図４は、本発明の第二の実施の形態における燃料電池を模式的に示した構成図である。
図５は、図１に示した燃料電池の他の例を示す図である。
図６は、図５に示した燃料電池の一例を示す図である。
図７は、本発明の第三の実施の形態における燃料電池システムを示したブロック図である。
なお、符号１０１は、単セル構造である。符号１０２は、燃料極である。符号１０４は、基体である。符号１１０は、基体である。符号１０６は、燃料極側触媒層である。符号１０８は、酸化剤極である。符号１１２は、酸化剤極側触媒層である。符号１１４は、固体電解質膜である。符号１２４は、燃料である。符号１２６は、酸化剤である。符号５３２は、燃料電池である。符号５３４は、燃料電池スタックである。符号５３６は、温度スイッチである。符号５３８は、システム負荷である。符号５４０は、出力端子である。符号５４２は、入力端子である。符号５４４は、システムパワースイッチである。符号５４５は、短絡経路である。符号５４６は、温度センサである。符号５４８は、電源制御部である。符号５５０は、支持体である。符号５５２は、可動導電体である。符号５５３は、接点である。符号５５４は、固定導電体である。符号５５６は、警告信号発信部である。符号５６０は、温度スイッチである。符号６６２は、燃料極タンクである。符号６７４は、燃料供給処理部である。符号６７６ａは、第１の燃料収容部である。符号６７６ｂは、第２の燃料収容部である。符号９００は、燃料電池システムである。符号９０１は、対応値記憶部である。符号９０２は、制御部である。符号９０６は、酸化剤極タンクである。符号９０８は、酸化剤供給処理部である。符号９１０は、燃料供給管である。符号９１２は、酸化剤供給管である。符号９１４、９１６は、ヒータである。
【発明を実施するための最良の形態】  以下の実施の形態で説明する燃料電池の用途は特に限定されないが、たとえば携帯電話、ノートパソコン、ＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ  Ｄｉｇｉｔａｌ  Ａｓｓｉｓｔａｎｔ）、各種カメラ、ナビゲーションシステム、ポータブル音楽再生プレーヤー等の小型電気機器に適切に用いられる。
図１は、本発明の実施の形態における燃料電池の回路構成を示す図である。燃料電池５３２は、燃料電池スタック５３４と、システムパワースイッチ５４４と、システム負荷５３８への出力端子５４０と、システム負荷５３８からの入力端子５４２と、温度スイッチ５３６と、短絡経路５４５とを含む。ここで、システム負荷５３８とは、上述した電気機器における抵抗である。
システム負荷５３８への出力端子５４０は、燃料電池スタック５３４の燃料極１０２に接続される。燃料電池スタック５３４の酸化剤極１０８にはシステム負荷５３８からの入力端子５４２が接続される。出力端子５４０と入力端子５４２との間は、システム負荷５３８と並行に設けられた短絡経路５４５、および短絡経路５４５上に設けられた温度スイッチ５３６により接続される。温度スイッチ５３６は、燃料電池スタック５３４の温度が基準温度より低いときに出力端子５４０と入力端子５４２とを接続する。この状態でシステムパワースイッチ５４４がオンとされると、短絡経路５４５には短絡電流が流れる。燃料電池スタック５３４の温度が基準温度以上となると、温度スイッチ５３６は、入力端子５４２と出力端子５４０との間の接続を切る。これにより、システムパワースイッチ５４４がオンとされていても短絡経路５４５には短絡電流が流れない。温度スイッチ５３６は、燃料電池スタック５３４中の酸化剤極１０８の温度に応じてオンオフが切り替わるように設計されるのが好ましい。酸化剤極１０８において、触媒近傍の温度が低いと、充分な発電効率を得ることができないからである。
ここで、基準温度は、システム負荷５３８に電力を供給するのに充分な発電効率が得られる温度とするのが好ましく、たとえば−１０℃以上３５℃以下の範囲内である。これにより、燃料電池スタック５３４の温度が低いときには温度スイッチ５３６が閉じて短絡経路５４５に電流が流れるため、燃料電池スタック５３４に短絡電流が流れる。そのため、燃料電池スタック５３４を急速に暖めることができる。これにより、周囲温度が低い場合でも、燃料電池５３２の起動性を高めることができる。一方、燃料電池スタック５３４の温度が充分高くなると、温度スイッチ５３６が開いて短絡経路５４５には電流が流れなくなり、システム負荷５３８に電力を供給することができる。
図１（ａ）は、周囲温度が低い場合に、システムパワースイッチ５４４がオフのときの燃料電池５３２の初期状態を示す図である。このとき、燃料電池スタック５３４の温度は基準温度より低いものとする。この場合、図示したように、温度スイッチ５３６は閉じた状態となり、出力端子５４０と入力端子５４２との間を接続する。このようにしても、システムパワースイッチ５４４をオフにしているときには燃料電池５３２には電流が流れないため、電池が消耗することはない。
図１（ｂ）は、システムパワースイッチ５４４をオンとした直後の燃料電池５３２の状態を示す図である。システムパワースイッチ５４４がオンとなると、燃料電池５３２に電流が流れる。このとき、温度スイッチ５３６がオンとなっているので、出力端子５４０と入力端子５４２との間には温度スイッチ５３６を介して短絡電流が流れ、短絡電流はそのまま燃料電池スタック５３４に流れ込む。これにより、燃料電池スタック５３４では自己発熱がおこり、燃料電池スタック５３４が過熱されて燃料電池スタック５３４の温度が上昇する。したがって、燃料電池５３２の発電効率も高くなる。
図１（ｃ）は、燃料電池スタック５３４の温度が基準温度以上となったときの燃料電池５３２を示す図である。燃料電池スタック５３４が基準温度を超えると、温度スイッチ５３６はオフとなり、入力端子５４２と出力端子５４０の間には短絡電流が流れなくなり、出力端子５４０からの電流はシステム負荷５３８に流れ込む。これにより、システム負荷５３８に電力を供給することができる。
図２は、図１に示した燃料電池の燃料電池スタック５３４の単セル構造を模式的に示した断面図である。燃料電池スタック５３４は、複数の単セル構造１０１を有する。各単セル構造１０１は、燃料極１０２、酸化剤極１０８および固体電解質膜１１４から構成される。
固体電解質膜１１４は、燃料極１０２と酸化剤極１０８を隔てるとともに、両者の間で水素イオンを移動させる役割を有する。このため、固体電解質膜１１４は、水素イオンの伝導性が高い膜であることが好ましい。また、化学的に安定であって機械的強度が高いことが好ましい。固体電解質膜１１４を構成する材料としては、スルフォン基、リン酸基等の強酸基や、カルボキシル基等の弱酸基等の極性基を有する有機高分子が好ましく用いられる。こうした有機高分子として、スルフォン化ポリ（４−フェノキシベンゾイル−１，４−フェニレン）、アルキルスルフォン化ポリベンゾイミダゾール等の芳香族縮合系高分子；スルフォン基含有パーフルオロカーボン（ナフィオン（デュポン社製）（登録商標）、アシプレックス（旭化成社製））；カルボキシル基含有パーフルオロカーボン（フレミオンＳ膜（旭硝子社製）（登録商標））；等が例示される。
燃料極１０２および酸化剤極１０８は、それぞれ、触媒を担持した炭素粒子と固体電解質の微粒子とを含む燃料極側触媒層１０６および酸化剤極側触媒層１１２を基体１０４および基体１１０上に形成した構成とすることができる。基体１０４および基体１１０の表面は撥水処理してもよい。
燃料極側触媒層１０６の触媒としては、白金、金、銀、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、コバルト、ニッケル、レニウム、リチウム、ランタン、ストロンチウム、イットリウム、またはこれらの合金等が例示される。酸化剤極側触媒層１１２の触媒としては、燃料極側触媒層１０６と同様のものを用いることができ、上記例示物質を使用することができる。なお、燃料極側触媒層１０６および酸化剤極側触媒層１１２の触媒は同じものを用いても異なるものを用いてもどちらでもよい。
触媒を担持する炭素粒子としては、アセチレンブラック（デンカブラック（電気化学社製）（登録商標）、ＸＣ７２（Ｖｕｌｃａｎ社製）等）、ケッチェンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン等が例示される。
燃料極側触媒層１０６および酸化剤極側触媒層１１２における固体電解質の微粒子は、同一のものであっても異なるものであってもよい。ここで、固体電解質の微粒子は、固体電解質膜１１４と同じ材料を用いることができるが、固体電解質膜１１４とは異なる材料や、複数の材料を用いることもできる。
燃料極１０２、酸化剤極１０８ともに、基体１０４および基体１１０としては、カーボンペーパー、カーボンの成形体、カーボンの焼結体、焼結金属、発泡金属等の多孔性基体を用いることができる。また、基体１０４および基体１１０の撥水処理にはポリテトラフルオロエチレン等の撥水剤を用いることができる。
次に、本発明における単セル構造１０１の製造方法を説明する。
たとえば固体電解質膜１１４を有機高分子材料で構成する場合、固体電解質膜１１４は、有機高分子材料を溶媒に溶解ないし分散した液体を、ポリテトラフルオロエチレン等の剥離性シート等の上にキャストして乾燥させることにより得ることができる。
燃料極１０２および酸化剤極１０８は、たとえば以下の方法で得ることができる。まず、一般的に用いられている含浸法によって炭素粒子に触媒を担持させる。次に触媒を担持させた炭素粒子と固体電解質の微粒子を溶媒に分散させ、ペースト状としたのち、撥水化処理を行った基体１０４または基体１１０に塗布する。基体１０４または１１０へのペーストの塗布方法については特に制限がないが、たとえば、刷毛塗り、スプレー塗布、およびスクリーン印刷法等の方法を用いることができる。ペーストを塗布した後、たとえば、加熱温度１００℃〜２５０℃、加熱時間３０秒間〜３０分で乾燥させることによって燃料極１０２および酸化剤極１０８が得られる。
次に、固体電解質膜１１４を、燃料極１０２および酸化剤極１０８で挟み、ホットプレスすることにより、単セル構造１０１を得る。このとき、燃料極側触媒層１０６および酸化剤極側触媒層１１２が固体電解質膜１１４と接するようにする。たとえば固体電解質膜１１４や燃料極側触媒層１０６および酸化剤極側触媒層１１２中の固体電解質の微粒子を有機高分子で構成する場合、ホットプレスの条件は、これらの有機高分子の軟化温度やガラス転位温度を超える温度とすることができる。具体的には、たとえば、温度１００〜２５０℃、圧力１〜１００ｋｇ／ｃｍ２、時間１０秒〜３００秒とする。
以上のようにして形成された単セル構造１０１を積み重ねることにより、複数の単セル構造１０１が直列に接続された燃料電池スタック５３４を得ることができる。
このように構成された燃料電池スタック５３４において、各単セル構造１０１の燃料極１０２には、燃料１２４が供給される。また、各単セル構造１０１の酸化剤極１０８には、酸化剤１２６が供給される。燃料１２４としては、メタノール、エタノール、ジメチルエーテル、または他のアルコール類、あるいはシクロパラフィン等の液体炭化水素等の有機液体燃料を用いることができる。有機液体燃料は、水溶液とすることができる。酸化剤１２６としては、通常、空気を用いることができるが、酸素ガスを供給してもよい。
（第一の実施の形態）
図３は、本発明の第一の実施の形態における燃料電池５３２を模式的に示した構成図である。本実施の形態において、温度スイッチ５３６は、電源制御部５４８により実現することができる。燃料電池５３２は、図１を参照して説明した構成に加えて、温度センサ５４６をさらに含む。温度センサ５４６としては、熱電対、金属測温抵抗体、サーミスタ、ＩＣ温度センサ、磁気温度センサ、サーモパイル、または焦電型温度センサ等を用いることができる。温度センサ５４６は、燃料電池スタック５３４の構造に応じて種々の配置を取り得るが、たとえば燃料電池スタック５３４内の端部にある酸化剤極１０８表面に接着される。これにより、外部温度の影響を最も受ける可能性の高い燃料電池スタック５３４の端部の温度を反映することができ、良好な起動性の確保をすることができる。
電源制御部５４８は、図示しないＡ／Ｄ変換器を介して温度センサ５４６からの信号を受け付け、その信号に応じて短絡経路５４５およびシステム負荷５３８のいずれに電流を流すかの切り替え制御を行う。温度センサ５４６により測定された燃料電池スタック５３４の温度が基準温度より低い場合、電源制御部５４８は、短絡経路５４５に電流を流す。これにより、燃料電池スタック５３４には短絡電流が流れ、燃料電池スタック５３４で自己発熱がおこり、燃料電池スタック５３４が過熱されて燃料電池スタック５３４の温度が上昇する。温度センサ５４６により測定された温度が基準温度以上となった場合、電源制御部５４８は、システム負荷５３８に電流を流す。燃料電池スタック５３４の温度が基準温度を超えている場合、燃料電池５３２の発電効率も高くなっており、システム負荷５３８に充分な電力を供給することができる。
以上のように、本実施の形態における燃料電池によれば、周囲温度が低く、燃料電池の起動性が悪い場合には、抵抗の高いシステム負荷５３８には電流を流さず、燃料電池自体の内部抵抗のみで規定される燃料電池スタック５３４に短絡電流を流す。これにより、燃料電池スタック５３４の温度を素早く上昇させることができ、燃料電池５３２の発電効率を高めることができる。また、燃料電池スタック５３４の温度が上昇し、システム負荷５３８に充分な電力を供給できる状態となると、短絡電流を停止してシステム負荷５３８に電流を流すように自動的に切り替えることができる。これにより、周囲温度が低くても、起動対象の電気機器を素早く起動することができる。
（第二の実施の形態）
図４は、本発明の第二の実施の形態における燃料電池５３２を模式的に示した構成図である。本実施の形態において、温度スイッチ５３６は、温度により形状が変化する材料により構成することができる。
温度スイッチ５３６は、燃料電池スタック５３４の構造に応じて種々の配置を取り得るが、たとえば、図４（ａ）に示すように燃料電池スタック５３４内の端部にある酸化剤極１０８表面に接着される。これにより、外部温度の影響を最も受ける可能性の高い燃料電池スタック５３４の端部の温度を反映することができ、良好な起動性の確保をすることができる。
図４（ｂ）は、図４（ａ）に示した温度スイッチ５３６の構成を示す拡大図である。温度スイッチ５３６は、支持体５５０と、可動導電体５５２と、接点５５３と、固定導電体５５４とにより構成される。可動導電体５５２は、熱膨張係数の異なる金属を接合したバイメタル、形状記憶合金、熱膨張剤、バネ、または感温フェライト等により構成することができる。燃料電池スタック５３４の温度が基準温度より低い場合、図４（ｂ）に示すように、可動導電体５５２の接点５５３は、固定導電体５５４に接触する。これにより、短絡経路５４５には短絡電流が流れ、燃料電池スタック５３４で自己発熱がおこり、燃料電池スタック５３４が過熱されて燃料電池スタック５３４の温度が上昇する。このようにして、燃料電池スタック５３４の温度が基準温度以上となると、図４（ｃ）に示すように、可動導電体５５２は、固定導電体５５４から離れるように変形し、短絡経路５４５には電流が流れなくなる。これにより、燃料電池スタック５３４からの電流はシステム負荷５３８に供給される。このとき、燃料電池５３２の発電効率も高くなっており、システム負荷５３８に充分な電力を供給することができる。
以上のように、本実施の形態における燃料電池によれば、周囲温度が低く、燃料電池の起動性が悪い場合には、抵抗の高いシステム負荷５３８には電流を流さず、燃料電池自体の内部抵抗のみで規定される燃料電池スタック５３４に短絡電流を流す。これにより、燃料電池スタック５３４の温度を素早く上昇させることができ、燃料電池５３２の発電効率を高めることができる。また、燃料電池スタック５３４の温度が上昇し、システム負荷５３８に充分な電力を供給できる状態となると、短絡電流を停止してシステム負荷５３８に電流を流すように自動的に切り替えることができる。これにより、周囲温度が低くても、起動対象の機器を素早く起動することができる。また、本実施の形態において、温度スイッチ５３６を温度により形状が変化する材料により構成し、温度スイッチ５３６自体が周囲の温度に応じて変形することにより、燃料電池スタック５３４に短絡電流を流すか否かの切り替えを行う。そのため、温度スイッチ５３６を駆動するための構造をより簡略化することができる。
（第三の実施の形態）
図７は、本発明の第三の実施の形態における燃料電池システム９００を示すブロック図である。
本実施の形態において、燃料電池システム９００は、図３に示した構成に加えて、燃料極タンク６６２、燃料供給処理部６７４、第１の燃料収容部６７６ａ、第２の燃料収容部６７６ｂ、対応値記憶部９０１、制御部９０２、酸化剤極タンク９０６、酸化剤供給処理部９０８、燃料供給管９１０、酸化剤供給管９１２、ヒータ９１４、９１６を含む。
ここで、温度センサ５４６は、燃料電池スタック５３４の端部にある酸化剤極１０８表面、燃料電池スタック５３４内、燃料電池スタック５３４表面、廃液の循環経路（不図示）、または廃気の循環経路（不図示）等に配置することができる。
制御部９０２は、温度センサ５４６からの信号を受け付け、その信号に応じて燃料供給処理部６７４、酸化剤供給処理部９０８、および電源制御部５４８を制御する。燃料供給処理部６７４は、燃料極タンク６６２に供給する燃料１２４の濃度および供給量を調整する。酸化剤供給処理部９０８は、酸化剤極タンク９０６に供給する酸化剤１２６の供給量を調整する。
第１の燃料収容部６７６ａおよび第２の燃料収容部６７６ｂは、それぞれ濃度の異なる燃料を収容する。第１の燃料収容部６７６ａおよび第２の燃料収容部６７６ｂのいずれか一方は、アルコールを含まない水を収容することもできる。
図示していないが、燃料供給処理部６７４は、たとえばインバータおよびポンプを含むことができる。ポンプは第１の燃料収容部６７６ａおよび第２の燃料収容部６７６ｂにそれぞれ設けた構成とすることができる。ポンプとしては、圧電ポンプを用いることができる。圧電ポンプを用いた場合、制御部９０２は、インバータにおける振動数または電圧を変化させることにより第１の燃料収容部６７６ａおよび第２の燃料収容部６７６ｂからの燃料の供給量を制御する。これにより、燃料極タンク６６２に供給する燃料１２４の濃度および供給量を調整することができる。
燃料供給処理部６７４として圧電ポンプおよびインバータを用いることにより、従来の電磁ポンプ等を用いた場合に比べ、ポンプの小型軽量化が可能となり、また耐久性も向上する。また、ポンプの駆動に必要な電力が低減する。また、ポンプからの燃料の供給量を、インバータにおける振動数または電圧を変化させることにより良好に制御することができる。インバータの振動数を変化させた場合、単位時間あたりのポンプの吐出頻度が変化する。また、これらの電圧を変化させた場合、圧電素子の変位量の変化により、１回の吐出あたりの吐出量が変化する。したがって、いずれかを変化させた場合においても、燃料の濃度および供給量を調節することができる。
圧電ポンプとして、例えばバイモルフ型圧電ポンプが好ましく用いられる。バイモルフ型圧電ポンプとしては、例えばバイモルポンプ（極光社製、登録商標）や、ＦＤＫ社製のバイモルフ型圧電素子等を用いることができる。インバータ４６１としては、例えば松下電子部品株式会社製のＥＸＣＦシリーズ等を用いることができる。
酸化剤供給処理部９０８は、ファンを含むことができる。ファンの回転数を変化させることにより、酸化剤極タンク９０６に供給する酸化剤の供給量を制御することができる。
本実施の形態において、制御部９０２は、温度センサ５４６により測定された燃料電池スタック５３４の温度が基準温度より低い場合、電源制御部５４８を制御し、短絡経路５４５に電流を流す。
また、これと同時に、燃料電池スタック５３４の温度が基準温度より低い場合、以下の低温時処理を行う。対応値記憶部９０１は、制御部９０２が低温時処理を行う際に参照する対応値を記憶する。ここで、対応値とは、燃料電池スタック５３４の温度と、その温度のときに燃料極タンク６６２に供給すべき燃料１２４の濃度および供給量、ならびに酸化剤極タンク９０６に供給すべき酸化剤１２６の供給量とのそれぞれの関係である。
燃料極タンク６６２に供給すべき燃料１２４の濃度は、燃料電池スタック５３４の温度が低いほど高くなるように設定される。燃料１２４の濃度を高くすることにより、燃料極タンク６６２に供給されたメタノール等の燃料１２４が固体電解質膜１１４を介して酸化剤極１０８に達するクロスオーバが促進され、酸化剤極タンク９０６が加熱される。
また、燃料極タンク６６２に供給すべき燃料１２４の供給量は、燃料電池スタック５３４の温度が低いほど低くなるように設定される。このようにすれば、燃料極タンク６６２への燃料１２４の供給速度が低下され、燃料電池スタック５３４からの放熱を低減することができる。
また、酸化剤極タンク９０６に供給すべき酸化剤１２６の供給量は、燃料電池スタック５３４の温度が低いほど低くなるように設定される。このようにすれば、酸化剤極タンク９０６への酸化剤１２６の供給速度が低下され、酸化剤極タンク９０６が酸化剤１２６により空冷されるのを防ぐことができる。
制御部９０２は、温度センサ５４６により測定された燃料電池スタック５３４の温度に基づき、対応値記憶部９０１を参照して、その温度のときに燃料供給処理部６７４から供給されるべき燃料１２４の濃度および供給量、ならびに酸化剤供給処理部９０８から供給されるべき酸化剤１２６の供給量に関する情報を取得する。制御部９０２は、この情報に基づき、燃料供給処理部６７４および酸化剤供給処理部９０８を制御する。
さらに、制御部９０２は、ヒータ９１４，９１６を制御して、燃料供給管９１０および酸化剤供給管９１２をそれぞれ通過する燃料１２４および酸化剤１２６を加熱することもできる。
以上のように、本実施の形態の燃料電池システム９００においては、第１の実施の形態で説明したのと同様に、周囲温度が低く、燃料電池の起動性が悪い場合には、燃料電池スタック５３４に燃料電池自体の内部抵抗のみで規定される短絡電流を流して燃料電池スタック５３４の温度を上昇させることができる。
これに加えて、周囲温度が低い場合には、燃料電池スタック５３４に供給する燃料１２４の濃度を高めてクロスオーバーを生じさせて燃料電池スタック５３４を加熱する処理も行うので、より一層効率よく燃料電池スタック５３４の発電効率を高めることができる。さらに、周囲温度が低い場合には、燃料電池スタック５３４に供給する燃料１２４および酸化剤１２６の供給量を低くして燃料電池スタック５３４が燃料１２４や酸化剤１２６により冷却されるのを防ぐこともできる。これにより、効率よく燃料電池スタック５３４の発電効率を高めることができる。さらに、燃料電池スタック５３４に供給する燃料１２４および酸化剤１２６をヒータにより加熱することもできるので、効率よく燃料電池スタック５３４の温度を上昇させることができる。
また、他の例において、制御部９０２は、温度センサ５４６により測定された燃料電池スタック５３４の温度が基準温度より低い場合に、まず電源制御部５４８を制御して短絡経路５４５に電流を流す処理を行い、所定時間の経過後に燃料供給処理部６７４および酸化剤供給処理部９０８を制御して上述した低温時処理を行うようにすることもできる。このようにすれば、燃料電池スタック５３４を短絡させる時間を短くしても、その後の低温時処理により燃料電池スタック５３４の温度を上昇させることができ、燃料電池スタック５３４の温度を効率よく上昇させることができる。これにより、燃料電池スタック５３４を短絡させることによる燃料電池スタック５３４の固体電解質１１４へのダメージ等を生じることなく、燃料電池スタック５３４の温度を上昇させることができる。
以上、本発明を実施の形態および実施例をもとに説明した。この実施の形態および実施例は例示であり、その各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、そうした例を説明する。
燃料電池スタック５３４において、複数の単セル構造１０１をセパレータを介して積層させる構造とした場合、第一の実施の形態における温度センサ５４６、または第二の実施の形態における温度スイッチ５３６は、セパレータと酸化剤極１０８との間に配置させることもできる。
また、燃料電池５３２は、図５に示すように、警告信号発信部５５６を含むように構成することができる。警告信号発生部５５６は、燃料電池スタック５３４の温度が第二の基準温度以上となると、警告信号を発信する。ここで、第二の基準温度は、燃料電池スタック５３４や燃料電池５３２が電力を供給する電気機器内の回路等が破壊されるおそれのある温度、たとえば７０℃〜９０℃の範囲内とすることができる。
警告信号発信部５５６は、たとえば、第二の実施の形態において温度スイッチ５３６に関して説明したのと同様、温度により形状が変化する材料で構成されたスイッチとすることができる。この場合、警告信号発信部５５６は、温度スイッチ５３６とは異なる温度で形状が変化する材料により構成される。また、第一の実施の形態で説明したように、燃料電池スタック５３４の温度が第二の基準温度以上となると、電源制御部５４８が、システム負荷５３８への電流の供給を遮断するように構成することもできる。
警告信号は、燃料電池５３２が適用される電気機器の種類に応じて種々のかたちで処理され得るが、たとえば、制御部を有するシステムに燃料電池５３２を適用する場合、警告信号発信部５５６は、警告信号をシステムの制御部に伝達する。これにより、システムの制御部は、燃料電池スタック５３４の温度が過度に上昇した場合に、燃料電池スタック５３４を冷却する等、何らかの対策を行うことができる。また、警告信号発信部５５６は、燃料電池スタック５３４の温度が第二の基準温度より低くなると、警告解除の信号を発信することができる。これにより、システムの制御部はシステム全体を通常の状態に戻す処理を行うことができる。
さらに、警告信号発信部５５６は、警告信号により、燃料電池スタック５３４からシステム負荷５３８への電流の供給を遮断するようにすることもできる。このようにすると、燃料電池５３２は、燃料電池スタック５３４の温度が過度に上昇した場合に、通電を停止することができ、燃料電池スタック５３４等が破壊されるのを防ぐことができる。また、この場合、警告信号発信部５５６は、燃料電池スタック５３４の温度が第二の基準温度より低くなると、燃料電池スタック５３４とシステム負荷５３８の間の接続を回復する。これにより、燃料電池５３２は、システム負荷５３８に再び電力を供給することができる。
図６は、警告信号発信部５５６を、温度スイッチ５３６と同様の温度スイッチ５６０により実現した場合の燃料電池５３２の回路構成を示す図である。図１を参照して説明したのと同様、図６（ａ）は、システムパワースイッチ５４４がオフのときの燃料電池５３２の初期状態を示し、図６（ｂ）は、システムパワースイッチ５４４をオンとした直後の燃料電池５３２の状態を示し、図６（ｃ）は、燃料電池スタック５３４の温度が基準温度以上となったときの燃料電池５３２を示す。図６（ｄ）は、燃料電池スタック５３４の温度が第二の基準温度以上となったときの燃料電池５３２を示す。このとき、燃料電池スタック５３４とシステム負荷５３８の間が遮断されるので、システム負荷５３８には電流が流れなくなる。これにより、燃料電池５３２の通電を停止することができ、燃料電池スタック５３４等が破壊されるのを防ぐことができる。
【産業上の利用可能性】  以上述べたように、本発明によれば、温度が低い場合でも、燃料電池の温度を上昇させて起動性を高めることのできる技術を提供することができる。
【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】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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