(57)【要約】【課題】燃料電池をスタックすることによる不具合を低減させ、スタックの為の締結構造を省略する。【解決手段】固体電解質膜に複数の燃料電池ユニットを作り込み、各燃料電池ユニットに昇圧型のＤＣ／ＤＣコンバータを接続し、該ＤＣ／ＤＣコンバータを直列接続することにより、各燃料電池ユニットの発電時より小さな電流で高い出力電圧を得る。【選択図】図１
2007123042.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体電解質膜、
該固体電解質膜の第１の面に配置される第１の空気極、及び前記固体電解質膜の第２の面において前記第１の空気極と対向する位置に配置される第１の水素極、
前記固体電解質膜の第１の面において前記第１の空気極から分離して配置される第２の空気極、及び前記固体電解質膜の第２の面において前記第２の水素極と対向する位置に前記第１の水素極から分離して配置される第２の水素極、
前記第１の空気極及び前記第１の水素極に接続される第１のＤＣ／ＤＣコンバータ、並びに
前記第２の空気極及び前記第２の水素極に接続される第２のＤＣ／ＤＣコンバータ、を備え、
前記第１のＤＣ／ＤＣコンバータと前記第２のＤＣ／ＤＣコンバータとが直列接続される、ことを特徴とする燃料電池装置。
【請求項２】
前記第１の及び第２のＤＣ／ＤＣコンバータは前記固体電解質膜の第１の面において、前記固体電解質膜を貫通する配線部を被覆するように固定される、ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。
【請求項３】
前記固体電解質膜の第１の面において前記第１の空気極及び前記第２の空気極から分離して配置される第３の空気極、並びに前記固体電解質膜の第２の面において前記第３の空気極と対向する位置に前記第１の水素極及び前記第２の水素極から分離して配置される第３の水素極と、
前記第３の空気極及び前記第３の水素極に接続される第３のＤＣ／ＤＣコンバータと、が更に備えられ、
該第３のＤＣ／ＤＣコンバータは前記第１及び第２のＤＣ／ＤＣコンバータに直列接続されている、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池装置。
【請求項４】
前記固体電解質膜の第１の面において前記第１の空気極及び前記第２の空気極から分離して配置される第３の空気極、並びに前記固体電解質膜の第２の面において前記第３の空気極と対向する位置に前記第１の水素極及び前記第２の水素極から分離して配置される第３の水素極と、
前記第３の空気極及び前記第３の水素極に接続される第３のＤＣ／ＤＣコンバータと、が更に備えられ、
該第３のＤＣ／ＤＣコンバータは前記第１及び第２のＤＣ／ＤＣコンバータと並列接続である、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池装置。
【請求項５】
前記第３のＤＣ／ＤＣコンバータは前記固体電解質膜の第１の面において、前記固体電解質膜を貫通する配線部を被覆するように固定される、ことを特徴とする請求項３又は４に記載の燃料電池装置。
【請求項６】
前記固体電解質膜が可撓性を有する、ことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池装置。
【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（以下、「セル」ということがある）は空気極と水素極とで電解質膜を挟持する構成であり、空気極と水素極とを結線して電力を取出している。現在のところ、単一の燃料電池から取り出せる電圧が小さい（例えば電圧が１Ｖ以下）ので、複数の燃料電池を積層して燃料電池装置を構成し、各燃料電池の出力を総合して所望の電力を得ている。燃料電池スタックでは電流は各燃料電池の面直方向に流れ、スタックの端部から取出される。
本発明に関連する文献として特許文献１を参照されたい。
【特許文献１】特開２００４―５５６０３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明者は上記燃料電池装置のスタック構造に着目し、検討を重ねてきた結果、下記の解決すべき課題を見出した。
例えば固体高分子電解質膜を用いた燃料電池には１Ａ／ｃｍ２（０．６Ｖのとき）の発電能力があるので、燃料電池の面積を１００ｃｍ２とした場合、単一の燃料電池から１００Ａもの電流が流れる。燃料電池スタックでは、電流は各燃料電池の面直方向に流れるので、燃料電池のユニット間に接触抵抗が生じ、発電して得た電力を熱としてロスしてしまう。
上記接触抵抗を低減するためには、スタックを締結する構造が必要になり、また当該締結構造を維持するために大きな力に耐える部材が要求される。その結果、燃料電池スタックが大型化しその重量が増大してしまう。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
この発明は上記課題を解決すべくなされたものであり、その第１の局面は次のように規定される。即ち、
固体電解質膜、
該固体電解質膜の第１の面に配置される第１の空気極、及び前記固体電解質膜の第２の面において前記第１の空気極と対向する位置に配置される第１の水素極、
前記固体電解質膜の第１の面において前記第１の空気極から分離して配置される第２の空気極、及び前記固体電解質膜の第２の面において前記第２の水素極と対向する位置に前記第１の水素極から分離して配置される第２の水素極、
前記第１の空気極及び前記第１の水素極に接続される第１のＤＣ／ＤＣコンバータ、並びに
前記第２の空気極及び前記第２の水素極に接続される第２のＤＣ／ＤＣコンバータ、を備え、
前記第１のＤＣ／ＤＣコンバータと前記第２のＤＣ／ＤＣコンバータとが直列接続される、ことを特徴とする燃料電池装置。
【０００５】
このように構成された第１の局面の燃料電池装置によれば、ある一つの面内において第１の空気極及び第１の水素極により第１の燃料電池ユニットが構成される。この第１の燃料電池ユニットの出力は第１のＤＣ／ＤＣコンバータで昇圧される（電流は小さくなる）。他方、同一の面内において第２の空気極及び第２の水素極により第２の燃料電池ユニットが構成され、この第２の燃料電池ユニットの出力は第２のＤＣ／ＤＣコンバータで昇圧される（電流は小さくなる）。第１のＤＣ／ＤＣコンバータと第２のＤＣ／ＤＣコンバータとは直列接続されているので、各燃料電池ユニットの出力電圧が加算されて取出される。また、各燃料電池ユニットからの電流は各ＤＣ／ＤＣコンバータにより小さくされるので、ＤＣ／ＤＣコンバータ間の電気的接続を汎用的な電気配線により行なうことができる。
かかる構成を採用することにより、燃料電池を積層しなくても、充分な電圧を得ることができる。その結果、接触抵抗による電力ロスが無くなり燃料電池装置として高い出力効率が得られる。また、スタックを維持する締結構造が不要となるので、燃料電池の小型及び軽量化を達成できる。さらに積層してスタックを構成した場合でも、接触抵抗による電力ロスが無くなるので、従来よりも締結構造や集電構造を簡略化できる。
【０００６】
この発明の第２の局面は次のように規定される。即ち、
第１の局面の燃料電池装置において、前記第１の及び第２のＤＣ／ＤＣコンバータは前記固体電解質膜の第１の面において、前記固体電解質膜を貫通する配線部を被覆するように固定される。
このように構成される第２の局面の燃料電池装置によれば、水素極側の出力配線が固体電解質膜を貫通しているとき、その配線部をＤＣ／ＤＣコンバータで被覆することにより、水素極側から空気極側への水素漏洩をより確実に防止できる。ＤＣ／ＤＣコンバータを固体電解質膜の空気極側の面（第１の面）へ配置することにより、電極の厚さを薄くできるという効果がある。
【０００７】
この発明の第３の局面は次のように規定される。即ち、
第１若しくは第２の局面に記載の燃料電池装置において、前記固体電解質膜の第１の面において前記第１の空気極及び前記第２の空気極から分離して配置される第３の空気極、並びに前記固体電解質膜の第２の面において前記第３の空気極と対向する位置に前記第１の水素極及び前記第２の水素極から分離して配置される第３の水素極と、
前記第３の空気極及び前記第３の水素極に接続される第３のＤＣ／ＤＣコンバータと、が更に備えられ、
該第３のＤＣ／ＤＣコンバータは前記第１及び第２のＤＣ／ＤＣコンバータに直列接続されている。
このように構成された第３の局面の燃料電池装置によれば、更に高い電圧を得ることができる。
【０００８】
この発明の第４の局面は次のように規定される。即ち、
第１若しくは第２の局面の燃料電池装置において、前記固体電解質膜の第１の面において前記第１の空気極及び前記第２の空気極から分離して配置される第３の空気極、並びに前記固体電解質膜の第２の面において前記第３の空気極と対向する位置に前記第１の水素極及び前記第２の水素極から分離して配置される第３の水素極と、
前記第３の空気極及び前記第３の空気極に接続される第３のＤＣ／ＤＣコンバータと、が更に備えられ、
該第３のＤＣ／ＤＣコンバータは前記第１及び第２のＤＣ／ＤＣコンバータと並列接続である。
このように構成された第４の局面の燃料電池装置によれば、１つの固体電解質膜に配置された複数のＤＣ／ＤＣコンバータの結線方法（直列or並列）を選択することにより、出力を任意に制御することが可能となる。
【０００９】
この発明の第５の局面は次のように規定される。即ち、
第３若しくは第４の局面に記載の燃料電池装置において、前記第３のＤＣ／ＤＣコンバータは前記固体電解質膜の第１の面において、前記固体電解質膜を貫通する配線部を被覆するように固定される。
このように構成された第５の局面の燃料電池装置よれば、水素極側の出力配線が固体電解質膜を貫通しているとき、その配線部をＤＣ／ＤＣコンバータで被覆することにより、水素極側から空気極側への水素漏洩をより確実に防止できる。
【００１０】
この発明の第６の局面は次のように規定される。即ち、
第１〜第５の局面のいずれかに記載の燃料電池装置において、前記固体電解質膜が可撓性を有する。
このように構成された第６の局面の燃料電池装置によれば固体電解質膜が可撓性を有するので、当該固体電解質膜を大面積化しても、これを折りたたんだり、丸めることによりコンパクトに収納することができる。固体電解質膜を大面積化すると、そこへ積層可能な、空気極（相互に分離している）及び水素極（相互に分離している）の数量が多くなる。よって、より高い出力を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、この発明を構成する各要素について説明する。
（固体電解質膜）
固体電解質膜は絶縁性でありかつプロトンを透過させるものであれば特に限定されない。例えば、ナフィオン（デュポン社商品名、以下同じ）膜やアシプレックス（旭化成社商品名、以下同じ）を用いることができる。
この固体電解質膜は可撓性を有することが好ましい。これを折り畳むことによりコンパクトに収納出来るからである。固体電解質膜は一体物である必要なく、各空気極や酸素極を配置する部分毎に別体で形成されていてもよい。
【００１２】
（空気極及び酸素極）
空気極及び酸素極は汎用的な構成を採用することができる。例えば、各極は固体電解質膜に連続する反応層とその上に形成される拡散層とを備えてなる。各極の拡散層は導電性の材料（カーボン等）で形成され、ここに電線が接続さる。この電線はＤＣ／ＤＣコンバータへ接続される。
空気極及び酸素極は固体電解質膜を挟むように対向して配置され、燃料電池ユニットを構成する。空気極及び酸素極の面積を調整することにより出力電流を調整することができる。電線を介して出力電流をＤＣ／ＤＣコンバータへ送ることを考えれば、電流は０．１〜１０Ａとすることが好ましい。従って、ナフィオン膜を固体電解質膜として使用し、出力特性が０．６Ｖで１Ａ／ｃｍ２のときには、各極の面積を０．１〜１０ｃｍ２とすることとなる。
【００１３】
（ＤＣ／ＤＣコンバータ）
ＤＣ／ＤＣコンバータは燃料電池ユニットの出力（直流）を昇圧する一般的な回路を有する。ＤＣ／ＤＣコンバータは燃料電池ユニット毎に設けることが好ましい。ＤＣ／ＤＣコンバータによる昇圧率は任意に選択可能であるが、昇圧に伴い低下する電流量がＤＣ／ＤＣコンバータをつなぐ電線の定格内に収まるようにする。
燃料電池ユニット間の干渉を避けるために、ＤＣ／ＤＣコンバータを隣合う燃料電池ユニットの間に配置することが好ましい。
ＤＣ／ＤＣコンバータは固体電解質膜の空気局側の面（第１の面）に配置されることが好ましい。このＤＣ／ＤＣコンバータは固体電解質膜において水素極側から貫通する配線部をシールするように配置される。これにより、水素極側に供給される水素ガスが電解質膜と配線部のすきまから空気極側に漏洩することが防止される。
【００１４】
ＤＣ／ＤＣコンバータは燃料電池ユニットの出力の電圧を上昇させるが、単独では産業用や車両用として充分な電圧を得ることができない。そこでＤＣ／ＤＣコンバータを直列接続することにより外部へ供給する。
燃料電池ユニットの出力（電圧）を増大させることに伴い、電流値が小さくなるので、ＤＣ／ＤＣコンバータを電線で接続可能となる。よって、接触抵抗に起因する電力ロスを可及的に低減することができる。また、燃料電池の面内方向（電極面、固体電解質膜にとって平行な方向）へ充分な電力（電圧）の取出しが可能となる。よって、スタック構造を採用する必要性がなくなる。これにより、締結構造やそれに伴う高い機械的強度を備える部材も不要となるので、燃料電池装置のコストを低減することが出来る。
【実施例】
【００１５】
以下、この発明の実施例について説明する。
図１はこの発明の実施例の燃料電池装置１の構成を示す断面図であり、図２は空気局側筐体１７を省略した平面図である。
実施例の燃料電池装置１において、ナフィオンからなる固体電解質膜３の第１の面側に複数の空気極５Ａ〜５Ｉが相互に分離して配置され、各空気極５Ａ〜５Ｉに対向して固体電解質膜３の第２の面側に水素極が相互に分離して配置されている。
空気極５Ａ〜５Ｉはいずれも同一矩形状であり、固体電解質膜３の第１の面に均等に分配されている。各空気極の形状及び面積に変化を与えることもできる。水素極は空気極と合同形状とすることが好ましい。
空気極及び水素極は固体電解質膜３に接する部分を反応層とし、該反応層の上に拡散層を積層させた構成である。反応層は導電性活性炭に触媒を担持させ更にナフィオン溶液を含浸させている。拡散層も導電性のカーボン（カーボンクロスやカーボンペーパー等）からなり、ここに配線８Ａ、９Ａが結線され、この配線８Ａ及び９Ａは第１のＤＣ／ＤＣコンバータ１３Ａの入力線となる。
【００１６】
相互に対向する空気極５と水素極７とで燃料電池ユニット１０が構成される。より具体的には、第１の空気極５Ａと第１の水素極７Ａとで第１の燃料電池ユニット１０Ａが構成される。この第１の燃料電池ユニット１０Ａにおいて、水素極７Ａの配線９Ａは、固体電解質膜３を貫通して第１のＤＣ／ＤＣコンバータ１３Ａへ入力される。ここに、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３Ａのパッケ−ジは固体電解質膜３を貫通する配線９Ａの出口をシールするように固定される。これにより、水素極に供給された水素が配線９Ａの貫通孔を介して空気極側へ漏洩することをより確実に防止可能となる。
【００１７】
同様に、第２の空気極５Ｂと第２の水素極７Ｂとで第２の燃料電池ユニット１０Ｂが構成され、各極は第２のＤＣ／ＤＣコンバータ１３Ｂへ接続される。同じく、第３の空気極５Ｃと第３の水素極７Ｃとで第３の燃料電池ユニット１０Ｃが構成され、各極は第２のＤＣ／ＤＣコンバータ１３Ｃへ接続される。
第１〜第３のＤＣ／ＤＣコンバータ１３Ａ〜１３Ｃは出力線１５Ａ及び１５Ｂにより直列に接続されている。
図中の符号１７は空気極側の筐体であり、ファン等を備える空気供給系から空気が送り込まれる。符号１９は水素極側の筐体であり、水素ガスが水素ガス供給系から送り込まれる。
【００１８】
この実施例では、空気極５及び水素極７の面積を約５ｃｍ２としたので各燃料電池ユニット１０あたり５Ａ（０．６Ｖ）の出力が得られる。各ＤＣ／ＤＣコンバータ１３としてほぼ９０％の変換効率を有するものを採用したところ、例えば第１のＤＣ／ＤＣコンバータ１３Ａの出力は０．５Ａ（５．５Ｖ）となる。
第１のＤＣ／ＤＣコンバータ１３Ａから第３のＤＣ／ＤＣコンバータ１３Ｃを直列に接続すると、燃料電池装置１の終端出力は約１６．５Ｖとなる。勿論、直列接続されるＤＣ／ＤＣコンバータ（及びそれに出力する燃料電池ユニット）の数を増加させることにより、燃料電池装置１の終端出力を増大させることができる。
この実施例では、第４の空気極５Ｄを含む第４の燃料電池ユニットに対応して第４のＤＣ／ＤＣコンバータ１３Ｄを備えており、これは第１及び第２のＤＣ／ＤＣコンバータに対して並列に配置されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ１３を並列接続することにより、電池の容量が増大する。また、直列接続の場合、１カ所でも断線すると電力供給が停止するおそれがあるが、並列接続を採用することにより、かかる障害を防止することができる。
【００１９】
図３には他の実施例の燃料電池装置２１を示す。図１及び図２と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。図３の例の燃料電池装置においては、全てのＤＣ／ＤＣコンバータ１３Ａ〜１３Ｉが全て直列接続されている。これにより、最も高い電圧を得ることができる。
【００２０】
この発明は、上記発明の実施の形態及び実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１はこの発明の実施例の燃料電池装置の構成を示す断面図である。
【図２】図２は同じく燃料電池装置の平面図である。
【図３】図３は他の実施例の燃料電池装置の構成を示す平面図である。
【符号の説明】
【００２２】
１、２１  燃料電池装置
３  固体電解質膜
５Ａ〜５Ｉ  空気極
７Ａ〜７Ｃ  水素極
１０Ａ〜１０Ｃ  燃料電池ユニット
１３Ａ〜１３Ｉ  ＤＣ／ＤＣコンバータ
１５Ａ、１５Ｂ  出力線
【図１】
2007123042.tif 000003
【図２】
2007123042.tif 000004
【図３】
2007123042.tif 000005