水素発生装置、燃料電池発電システム、水素発生量の調節方法及びこれらを行うプログラムが記録された記録媒体
【課題】スイッチのオンオフ時間及び/またはオンオフ周波数を用いて燃料電池に供給される水素発生量の調節が可能な水素発生装置を提供する。
【解決手段】水素発生装置は、水素イオンを含んだ電解質水溶液が入っている電解槽と、前記電解槽内に位置し、前記電解質水溶液に浸され電子を発生する第１電極と、前記電解槽内に位置し、前記電解質水溶液に浸され前記電子を受けて水素を発生する第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に連結されているスイッチと、前記第２電極からの水素発生量を測定する流量測定器と、設定値の入力を受け、前記流量測定器から測定された前記水素発生量と前記設定値とを比較して前記スイッチのオンオフを制御するスイッチ制御部とを備えることを特徴とする。
【解決手段】水素発生装置は、水素イオンを含んだ電解質水溶液が入っている電解槽と、前記電解槽内に位置し、前記電解質水溶液に浸され電子を発生する第１電極と、前記電解槽内に位置し、前記電解質水溶液に浸され前記電子を受けて水素を発生する第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に連結されているスイッチと、前記第２電極からの水素発生量を測定する流量測定器と、設定値の入力を受け、前記流量測定器から測定された前記水素発生量と前記設定値とを比較して前記スイッチのオンオフを制御するスイッチ制御部とを備えることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は水素発生装置に関するもので、より詳細には、燃料電池に供給する水素発生量の調節が可能な水素発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池とは燃料、すなわち、水素、ＬＮＧ、ＬＰＧ、メタノールなどの燃料と空気の化学エネルギーとを電気化学的反応により電気及び熱に直接変換させる装置である。既存の発電技術が燃料の燃焼、蒸気発生、タービン駆動、発電機駆動の過程を用いることとは異なって、燃焼過程や駆動装置がないため効率が高く、かつ環境問題を誘発しない新たな概念の発電技術である。
【０００３】
図１は燃料電池の作動原理を示す図である。
【０００４】
図１を参照すると、燃料電池１００の燃料極１１０はアノード（ａｎｏｄｅ）であり、空気極１３０はカソード（ｃａｔｈｏｄｅ）である。燃料極１１０は水素（Ｈ２）の供給を受け水素イオン（Ｈ＋）と電子（ｅ−）に分解される。水素イオンは膜１２０を経て空気極１３０に移動する。膜１２０は電解質層である。電子は外部回路１４０を経て電流を発生する。そして、空気極１３０にて水素イオンと電子、そして空気中の酸素と結合して水になる。前述した燃料電池１００における化学反応式は下記の化学式１で表される。
【０００５】
（化１）
燃料極１１０：Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−
空気極１３０：１/２Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２０
全体反応：Ｈ２＋１/２Ｏ２→Ｈ２０
【０００６】
すなわち、燃料極１１０から分離された電子が外部回路を経て電流を発生することにより電池の機能を果たすことになる。このような燃料電池１００はＳＯｘとＮＯｘなどの大気汚染物質をほとんど排出しなく二酸化炭素の発生も少なくいので無公害発電であり、低騷音、無振動などの長所がある。
【０００７】
燃料電池１００は燃料極１１０から電子を発生するために、水素を含有している一般燃料を燃料電池１００が要求する、水素を多く含むガスに変化させる水素発生装置を要する。しかし、水素発生装置として広く知られている水素貯蔵タンクなどを用いると嵩が大きくなり、保管に危険がある。また、最近注目されている携帯電話やノートパソコンなどの携帯用電子機器が高容量の電源供給装置を要求するにつれ、燃料電池はこれらの要求に対応しなくてはならなく、嵩も小さいながら高い性能を有する必要がある。
【０００８】
ＩＣＡＯ（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｉｖｉｌ Ａｖｉａｔｉｏｎ Ｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎ）から飛行機搬入が承認されたメタノールやギ酸などを用いて燃料を改質し水素を発生させたり、直接メタノールやエタノール、ギ酸などを燃料電池にて直接燃料として使用する方式が用いられている。
【０００９】
しかし、前者は高い改質温度が要求され、システムが複雑になり、駆動電力が消耗されて純粋水素以外の不純物（ＣＯ２、ＣＯ）が含まれるという問題点がある。そして、後者は低い両極化学反応と炭化水素（ｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎ）の膜によるクロスオーバ（ｃｒｏｓｓ−ｏｖｅｒ）により電力密度が非常に低くなるという問題点がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は前述した問題点を解決するために案出されたもので、本発明の目的は電気化学的反応を用いて純粋水素を常温から生成できる水素発生装置、燃料電池発電システム、水素発生量の調節方法及びこれらを行うプログラムが記録された記録媒体を提供することである。
【００１１】
本発明の他の目的は簡単な構造のシステムを有しながら別途のバランスオブプラント（Ｂａｌａｎｃｅ ｏｆ Ｐｌａｎｔ、以下、'ＢＯＰ'という）なしで水素発生量の制御が可能な水素発生装置、燃料電池発電システム、水素発生量の調節方法及びこれらを行うプログラムが記録された記録媒体を提供することである。
【００１２】
本発明のさらに他の目的は費用がチープであり、親環境的な水素発生装置、燃料電池発電システム、水素発生量の調節方法及びこれらを行うプログラムが記録された記録媒体を提供することである。
【００１３】
本発明のまたさらに他の目的はスイッチのオンオフ時間及び/またはオンオフ周波数を用いて水素発生量が調節できる水素発生装置、燃料電池発電システム、水素発生量の調節方法及びこれらを行うプログラムが記録された記録媒体を提供することである。
【００１４】
本発明のまたさらに他の目的はスイッチを単にオンすることにより残留する水素を空気中に吹き飛ばす燃料の浪費や危険性を除去し、気体ポンプや液体ポンプを使用しないので、騷音発生及び電力消耗を減らすことができる水素発生装置、燃料電池発電システム、水素発生量の調節方法及びこれらを行うプログラムが記録された記録媒体を提供することである。
【００１５】
本発明のまたさらに他の目的は、フィードバック制御を用いて燃料電池に連結されている負荷の要求に応じて生成量の調節が可能な水素発生装置を提供することである。
【００１６】
本発明の以外の目的は下記の説明を通して容易に理解できよう。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明の一実施形態によれば、水素発生量を調節することができる水素発生装置が提供される。
【００１８】
本発明の一実施例による水素発生装置は、電解質水溶液が入っている電解槽と、前記電解槽内に位置し、前記電解質水溶液に浸され電子を発生する第１電極と、前記電解槽内に位置し、前記電解質水溶液に浸され前記電子を受けて水素を発生する第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に連結されているスイッチと、前記第２電極の水素発生量を測定する流量測定器と、設定値が入力され、前記流量測定器から測定された前記水素発生量と前記設定値とを比較して前記スイッチのオンオフを制御するスイッチ制御部と、を備える。
【００１９】
ここで、前記スイッチ制御部は入力装置を用いて使用者または前記水素発生装置に結合されている燃料電池から、必要とする水素量に対応する前記設定値の入力を受けることができる。
【００２０】
そして、前記第１電極は前記第２電極より相対的にイオン化傾向が大きい金属からなることができる。
【００２１】
前記流量測定部は前記水素発生量を流量（ｆｌｏｗｒａｔｅ）単位で測定することができる。
【００２２】
また、前記スイッチ制御部は前記スイッチをオンオフするスイッチ制御信号を生成して出力し、前記スイッチ制御部は前記スイッチ制御信号のデューティ比（ｄｕｔｙ ｒａｔｉｏ）を変化させ一周期内での前記スイッチのオンオフの比率を決定することができる。前記スイッチ制御部は前記スイッチ制御信号のオンオフ周波数を変化させ前記水素発生量の微細変動を制御することができる。
【００２３】
前記スイッチ制御部は前記設定値と測定された前記水素発生量とを比較して、前記水素発生量が前記設定値より小さい場合には前記デューティ比を増加させ、前記水素発生量が前記設定値より大きい場合には前記デューティ比を減少させ、前記水素発生量が前記設定値と同一である場合は前記デューティ比を維持することができる。
【００２４】
また、前記設定値は上限設定値と下限設定値とを含み、前記スイッチ制御部は前記設定値と測定された前記水素発生量とを比較して、前記水素発生量が前記下限設定値より小さい場合には前記デューティ比を増加させ、前記水素発生量が前記上限設定値より大きい場合には前記デューティ比を減少させ、前記水素発生量が前記下限設定値と前記上限設定値との間にある場合は前記デューティ比を維持することができる。
【００２５】
本発明の他の実施形態によれば、水素発生量の調節が可能な水素発生装置を備える燃料電池発電システムが提供される。
【００２６】
本発明の一実施例による燃料電池発電システムは、電極の間に連結されているスイッチのオンオフを制御し水素発生量を調節する水素発生装置と、前記水素発生装置から生成された水素の供給を受け、前記水素の化学エネルギーを電気エネルギーに変換して直流電流を生産する燃料電池と、前記電気エネルギーの供給を受けて予め設定されている動作を行う負荷（ｌｏａｄ）とを備える。
【００２７】
ここで、前記水素発生装置は、水素イオンを含有する電解質水溶液が入っている電解槽と、前記電解槽内に位置し、前記電解質水溶液に浸され電子を発生する第１電極と、前記電解槽内に位置し、前記電解質水溶液に浸され前記電子を受けて水素を発生する第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に連結されているスイッチと、前記負荷から要求電力の入力を受け、前記燃料電池の出力を測定して前記要求電力と前記出力とを比較して前記スイッチのオンオフを制御するスイッチ制御部とを備えることができる。前記第１電極は前記第２電極より相対的にイオン化傾向が大きい金属からなることができる。
【００２８】
前記スイッチ制御部は前記スイッチをオンオフするスイッチ制御信号を生成して出力し、前記スイッチ制御部は前記スイッチ制御信号のデューティ比を変化させて一周期内での前記スイッチのオンオフの比率を決定することができる。そして、前記スイッチ制御部は前記スイッチ制御信号のオンオフ周波数を変化させ前記水素発生量の微細変動を制御することができる。
【００２９】
前記スイッチ制御部は前記要求電力と前記出力とを比較して、前記出力が前記要求電力より大きい場合には前記デューティ比を減少させ、前記出力が前記要求電力より小さい場合には前記デューティ比を増加させ、前記出力が前記要求電力と同一である場合は前記デューティ比を維持することができる。
【００３０】
本発明の他の実施例による燃料電池発電システムは、前記燃料電池と前記負荷との間に結合され、前記燃料電池から前記電気エネルギーの供給を受けて充電し、前記負荷が必要とする場合には前記充電された前記電気エネルギーを提供する充電池をさらに備える。
【００３１】
ここで、前記水素発生装置は、電解質水溶液が入っている電解槽と、前記電解槽内に位置し、前記電解質水溶液に浸され電子を発生する第１電極と、前記電解槽内に位置し、前記電解質水溶液に浸され前記電子を受けて水素を発生する第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に連結されているスイッチと、前記充電池の現在電圧を測定し、前記充電池の完充電圧と比較して前記スイッチのオンオフを制御するスイッチ制御部と、を備えることができる。前記第１電極は前記第２電極より相対的にイオン化傾向が大きい金属からなることができる。
【００３２】
前記スイッチ制御部は前記スイッチをオンオフするスイッチ制御信号を生成して出力し、前記スイッチ制御部は前記スイッチ制御信号のデューティ比を変化させて一周期内での前記スイッチのオンオフの比率を決定することができる。前記スイッチ制御部は前記スイッチ制御信号のオンオフ周波数を変化させて前記水素発生量の微細変動を制御することができる。
【００３３】
ここで、前記スイッチ制御部は前記現在電圧と前記完充電圧とを比較して、前記現在電圧が前記完充電圧より小さい場合には前記デューティ比を増加させ、前記現在電圧が前記完充電圧より大きいかまたは同一である場合は前記デューティ比を最小化することができる。
【００３４】
本発明のさらに他の実施形態によれば、電極の間に連結されているスイッチのオンオフを制御して水素発生量を調節する水素発生装置の水素発生量の調節方法が提供される。
【００３５】
本発明の一実施例による水素発生量の調節方法は、設定値が入力される段階と、測定された水素発生量と前記設定値とを比較する段階と、前記水素発生量が前記設定値より小さい場合にはスイッチ制御信号のデューティ比を増加させ、前記水素発生量が前記設定値より大きい場合には前記スイッチ制御信号のデューティ比を減少させ、前記水素発生量が前記設定値と同一である場合は前記スイッチ制御信号のデューティ比を維持する段階であって、ここで、前記スイッチ制御信号は前記デューティ比に応じて一週期内での前記スイッチのオンオフを制御する段階、とを含む。
【００３６】
本発明の他の実施例による水素発生量の調節方法は、上限設定値と下限設定値とが入力される段階と、測定された水素発生量と前記上限設定値及び前記下限設定値とを比較する段階と、前記水素発生量が前記下限設定値より小さい場合にはスイッチ制御信号のデューティ比を増加させ、前記水素発生量が前記上限設定値より大きい場合には前記スイッチ制御信号のデューティ比を減少させ、前記水素発生量が前記下限設定値と前記上限設定値との間にある場合は前記スイッチ制御信号のデューティ比を維持する段階であって、ここで、前記スイッチ制御信号は前記デューティ比に応じて一週期内での前記スイッチのオンオフを制御する段階、とを含む。
【００３７】
本発明のさらに他の実施例による水素発生量の調節方法は、負荷に電気エネルギーを提供する燃料電池に連結され、電極の間に連結されているスイッチのオンオフを制御することにより前記燃料電池に供給する水素発生量を調節することであって、
前記燃料電池の出力を測定し、前記負荷の要求電力の入力を受ける段階と、前記出力と前記要求電力とを比較する段階と、前記出力が前記要求電力より大きい場合にはスイッチ制御信号のデューティ比を減少させ、前記出力が前記要求電力より小さい場合には前記スイッチ制御信号のデューティ比を増加させ、また前記出力が前記要求電力と同一である場合は前記スイッチ制御信号のデューティ比を維持する段階であって、ここで、前記スイッチ制御信号は前記デューティ比に応じて一週期内での前記スイッチのオンオフを制御する段階、とを含む。
【００３８】
本発明のさらに他の実施例による水素発生量の調節方法は、充電池に電気エネルギーを充電する燃料電池に連結され、電極の間に連結されているスイッチのオンオフを制御して前記燃料電池に供給する水素発生量を調節することであって、
前記充電池の現在電圧を測定する段階と、前記現在電圧と前記充電池の完充電圧とを比較する段階と、前記現在電圧が前記完充電圧より小さいとスイッチ制御信号のデューティ比を増加させ、その以外の場合には前記スイッチ制御信号のデューティ比を最小化させる段階であって、ここで、前記スイッチ制御信号は前記デューティ比に応じて週期内での前記スイッチのオンオフを制御する段階、とを含む。
【発明の効果】
【００３９】
本発明による水素発生装置は、別途の消費電力を消耗しながらも小型化が困難であるＢＯＰユニットの代りに、親環境的な物質を用いて水素を発生することができる。
【００４０】
さらに、電気化学的反応を用いて純粋水素を常温より生成することができ、簡単な構造のシステムであり、費用がチープである。
【００４１】
さらに、従来水素が一定量のみが発生されたこととは異なって、使用者または燃料電池からの要求に合わせて電極間の電流量を調節することにより発生される水素量を調節することができる。これにより、消費電力が随時変化するヘアー用器機などの製品にも燃料電池の使用が可能となる。
【００４２】
さらに、スイッチのオンオフの時間及び/またはオンオフの周波数を用いて水素発生量を調節することができる。スイッチを単にオンすることから残留する水素を空気中に吹き飛ばす燃料の浪費や危険性を除去し、気体ポンプや液体ポンプを使用しないので騷音発生及び電力消耗を減らすことができる。
【００４３】
さらに、燃料電池の制御回路がスイッチ制御部を共に担うことにして、水素発生装置を備える燃料電池発電システムでの制御部が、一つのワンチップ化され小型化が可能になり、製造が容易である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４４】
本発明は、多様に変更することができ、多くの実施例を有することができることは明らかであり、以下、特定実施例を図面に例示し詳しく説明する。しかし、これは本発明を特定の実施形態に限定するものではなく、本発明の思想及び技術範囲に含まれる全ての変更、均等物ないし代替物を含むものとして理解されるべきである。本発明の説明において、係る公知技術に対する具体的な説明が本発明の要旨をかえって不明にすると判断される場合、その詳細な説明を省略する。
【００４５】
第１、第２などの用語は多様な構成要素を説明するのに使用するが、前記構成要素が前記用語により限定されるものではない。前記用語は一つの構成要素を他の構成要素と区別する目的のみに利用する。例えば、本発明の権利範囲を脱しない限り第１構成要素が第２構成要素と命名されることもあり、同じく第２構成要素が第１構成要素と命名されることも可能である。及び/またはという用語は、関連記載の複数の項目の 組み合い、または 関連記載の複数の項目の中のいずれの項目を含む。
【００４６】
ある構成要素が異なる構成要素に"連結されている"とか"接続している"と記載された場合には、その異なる構成要素に直接的に連結されているかまたは接続されている場合でもあり、あるいは、その間に他の構成要素が存在していることも可能であることは理解されるべきである。それに反して、ある構成要素が異なる構成要素に"直接連結されている"とか"直接接続している"と記載された場合には、その間に他の構成要素が存在しないことと理解されるべきである。
【００４７】
本願から使用した用語は、単に特定の実施例を説明するために使用したものであって、本発明を限定するものではない。単数の表現は文脈上明白に異なる意味を表現しない限り複数の意味も含む。本願において"含む"または"有する"などの用語は明細書上に記載された特徴、数字、段階、動作、構成要素、部品またはこれらを組み合いしたものが存在することを指定することにすぎなく、一つまたはその以上の他の特徴や数字、段階、動作、構成要素、部品またはこれらを組み合いしたものなどの存在または付加可能性を予め排除するものではないと理解されるべきである。
【００４８】
別に定義しない限り、技術的あるいは科学的な用語を含んでここで使用する全ての用語は、本発明が属する技術分野の通常の知識を持った者により一般的に理解されることと同じ意味を有する。一般的に使用する、辞典に定義されている用語は、係る技術の文脈上の意味と一致する意味で解釈しなくてはならなく、本願で明白に定義しない限り、理想的にまたは過度に形式的な意味で解釈することはない。
【００４９】
以下、本発明の実施例を添付した図面を参照して詳しく説明する。
【００５０】
図２は本発明の一実施例による水素発生装置の概略的な断面図である。
【００５１】
水素発生装置２００は、電解槽２１０、第１電極２２０、第２電極２３０、制御部２４０を備える。以下、本発明の理解と説明の便宜のために第１電極２２０がマグネシウム（Ｍｇ）からなり、第２電極２３０がステンレススチール（Ｓｔａｉｎｌｅｓｓ Ｓｔｅｅｌ）からなったものを中心にして説明する。
【００５２】
電解槽２１０内には電解質（ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ）水溶液２１５が入っている。電解質水溶液２１５は水素イオンを含んでおり、水素発生装置２００は電解質水溶液２１５に含まれている水素イオンを用いて水素ガスを発生する。
【００５３】
電解質水溶液２１５の電解質として、ＬｉＣｌ、ＫＣｌ、ＮａＣｌ、ＫＮＯ３、ＮａＮＯ３、ＣａＣｌ２、ＭｇＣｌ２、Ｋ２ＳＯ４、Ｎａ２ＳＯ４、ＭｇＳＯ４、ＡｇＣｌなどが使用できる。
【００５４】
また、電解槽２１０内には第１電極２２０及び第２電極２３０がある。第１電極２２０及び第２電極２３０は全体またはその一部が電解質水溶液内に浸されている。
【００５５】
第１電極２２０は活性電極である。第１電極２２０では、マグネシウム（Ｍｇ）電極と水（Ｈ２Ｏ）とのイオン化エネルギーの差によりマグネシウム電極が水中に電子（ｅ−）を出してマグネシウムイオン（Ｍｇ２＋）に酸化する。この際、生成された電子は第１電線２２５、制御部２４０、及び第２電線２３５を経て第２電極２３０に移動する。
【００５６】
第２電極２３０は非活性電極である。第２電極２３０では、水が第１電極２２０から移動してきた電子を受けて水素に分解される。
【００５７】
前述した化学反応式は下記の化学式２で表される。
【００５８】
（化２）
第１電極２２０：Ｍｇ→Ｍｇ２＋＋２ｅ−
第２電極２３０：２Ｈ２Ｏ ＋２ｅ−→Ｈ２＋２（ＯＨ）−
全体反応：Ｍｇ＋２Ｈ２Ｏ→Ｍｇ（ＯＨ）２＋Ｈ２
【００５９】
前述の化学反応は多様な要素により反応速度及び反応効率が決定される。反応速度を決定する要素としては、第１電極２２０及び/または第２電極２３０の電極面積、電解質水溶液２１５の濃度、電解質水溶液２１５の種類、第１電極２２０及び/または第２電極２３０の個数、第１電極２２０と第２電極２３０との間の連結方法、第１電極２２０と第２電極２３０との間の電気的抵抗などがある。
【００６０】
前述した要素を変化させると、反応条件に応じて第１電極２２０と第２電極２３０との間に流れる電流量（すなわち、電子の量）が変わり、従って化学式２のような電気化学的反応速度が変わることになる。電気化学的反応速度が変わると、第２電極２３０から発生する水素量にも変化が生ずる。
【００６１】
よって、本発明の実施例によれば、第１電極２２０と第２電極２３０との間に流れる電流量を調節することにより、生成される水素量を調節できるようになる。これは下記の数学式１で表されるようにファラデー法則（Ｆａｒａｄａｙ'ｓ ｌａｗ）により原理的に説明できる。
【数１】
【００６２】
ここで、Ｎｈｙｄｒｏｇｅｎは１秒間に生成される水素量（ｍｏｌ）であり、Ｖｈｙｄｒｏｇｅｎは１分間に生成される水素の体積（ｍｌ/ｍｉｎ）である。ｉは電流（Ｃ/ｓ）、ｎは反応電子の個数、Ｅは電子１モル当たりの電荷（Ｃ/ｍｏｌ）を示す。
【００６３】
前述した化学式２を参照すると、第２電極２３０にて水素電子二つが反応するので、ｎは２であり、電子１モルの電荷は約−９６４８５クーロンである。
【００６４】
１分間に生成される水素の体積は、１秒間に生成される水素量に時間（６０秒）と水素１モルの体積（２２４００ｍｌ）とを乗じて算出することができる。
【００６５】
若し、燃料電池が２Ｗシステムで用いられる場合、燃料電池を０．６Ｖ及び常温で駆動する際の水素利用率を約６０％と仮定すると、水素要求量は４２ｍｌ/ｍｏｌ程度であり、６Ａの電流を必要とする。また、燃料電池が５Ｗシステムで用いられる場合、水素要求量は１０５ｍｌ/ｍｏｌ程度であり、１５Ａの電流を必要とする。
【００６６】
このように、水素発生装置２００は第１電極２２０に連結された第１電線２２５及び第２電極２３０に連結された第２電線２３５に流れる電流量を調節すれば後段に連結される燃料電池が必要とするだけの水素を発生することが可能になる。
【００６７】
水素発生装置２００の第２電極２３０から水素を発生する反応速度を決定する前述した要素のうち、第１電極２２０と第２電極２３０との間の電気的抵抗を除いたその他の要素は水素発生装置２００を構成する際に決定される要素であり、後でその要素を変化させることは容易ではない。
【００６８】
よって、本発明の実施例で水素発生装置２００は、第１電極２２０と第２電極２３０とを連結する第１電線２２５と第２電線２３５との間に制御部２４０を備えることにより第１電極２２０と第２電極２３０の電気的抵抗を調節する。
【００６９】
すなわち、前述した数学式１に基づいて、第１電極２２０と第２電極２３０との間の電気的抵抗を変化させ第１電極２２０と第２電極２３０との間に流れる電流量を調節することにより燃料電池が必要とするだけの水素を発生させることが可能になる。
【００７０】
本発明の実施例によれば、第１電極２２０はマグネシウム以外にもアルミニウム（Ａｌ）、亜鉛（Ｚｎ）などのアルカリ金属系の元素や鉄（Ｆｅ）などの相対的にイオン化傾向が大きい金属からなることができる。また、第２電極２３０はステンレススチール以外にも白金（Ｐｔ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、鉄（Ｆｅ）などのように第１電極２２０を形成する金属より相対的にイオン化傾向が小さい金属からなることができる。
【００７１】
制御部２４０は電気化学的反応により第１電極２２０から生成された電子を第２電極２３０に伝達する速度、すなわち、電流量を調節する。
【００７２】
制御部２４０は燃料電池と連結されている負荷（ｌｏａｄ）から必要とする電力の伝達を受けて、必要とされる電力に従い第１電極２２０から第２電極２３０に流れる電子量をそのまま維持するか、あるいは、増加または減少させる。
【００７３】
例えば、図３に示されている携帯電話の電力消耗量を参照して説明する。図３は携帯電話の電力消耗量を示すグラフである。
【００７４】
携帯電話は、現在動作するキーやメニュー選択などにより使用用途が異なってくるし、それに応じて電力消耗量も異なってくる。
【００７５】
３０１は番号を押して電話を要請する場合であり、３０２は相手が電話に出るまで通話連結音を聞いている場合であり、３０３は通話が繋がって相手と通話する場合であり、３０４は通話が終了された場合であり、３０５は通話料金メッセージを転送する場合を示している。それぞれの場合ごとに、携帯電話の内部で動作する部品などに差があるので、図３に示したように電力消耗量が随時変化することになる。
【００７６】
よって、制御部２４０は図３に示された携帯電話のような負荷から、現在必要とする電力をフィードバックで受けて、それに応じて必要とされるだけの水素を発生させることにより燃料電池と連結されている負荷に十分な電力を提供する。
【００７７】
また、水素発生装置は別途の入力装置を備えて使用者から直接的に必要とする電力または水素量の入力を受けることもできる。
【００７８】
本発明において第１電極２２０及び/または第２電極２３０は一つまたは二つ以上であってもよい。第１電極２２０及び/または第２電極２３０の数が増加すると、同一時間の間に発生する水素量は増加するので、より短い時間内に所望する水素を発生させることができる。
【００７９】
図４は本発明の一実施例による水素発生装置２００において、第１電極２２０と第２電極２３０との間に流れる電流量と発生される水素量との関係を示すグラフである。ここで、発生する水素量は１分単位で算出された流量（ｆｌｏｗｒａｔｅ）である。これは、燃料電池に使用される場合水素の総発生量ではなく水素の流量が重要な値であるからである。
【００８０】
実験条件は下記のとおりである。
第１電極２２０：マグネシウム（Ｍｇ）
第２電極２３０：ステンレススチール（Ｓｔａｉｎｌｅｓｓ Ｓｔｅｅｌ）
電極間の距離：３ｍｍ
電解質の種類及び濃度：３０ｗｔ％ＫＣｌ
電極の使用個数：マグネシウム３ｅａ、ステンレススチール３ｅａ
電極の連結方式：直列連結
電解質水溶液の体積：６０ｍｌ（ｅｘｃｅｓｓｉｖｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ）
電極の大きさ：２４ｍｍ×８５ｍｍ×１ｍｍ
【００８１】
前述した実験条件は以下本発明を説明するために参照される全てのグラフに同様に適用した。
【００８２】
ただし、図４に示されているグラフを得るための実験では、一対の電極ではなく三対の電極を用いたため、各対の電極相互間の交互作用により水素の流量は一対の電極だけを用いた場合の理論値（前述の数学式１に基づいた値）よりさらに大きい値を有した。
【００８３】
しかし、図４を参照しても、第１電極２２０と第２電極２３０との間に流れる電流量に応じて発生される水素の流量（ｍｌ/ｍｉｎ）が決定されることを確認できる。グラフ上ではほぼ線形的な特性を有し、これは前述した数学式１と同じ結果である。
【００８４】
図５は本発明の一実施例による水素発生装置２００での制御部２４０に対する概略的な構成図である。
【００８５】
制御部２４０は、流量測定器５１０、スイッチ制御部５２０、スイッチ５３０を備える。
【００８６】
流量測定器５１０は水素発生装置２００の第２電極２３０から生成された水素発生量を流量（ｆｌｏｗｒａｔｅ）単位で測定する。前述したように本発明の実施例による水素発生装置２００を燃料電池に結合して用いるためには、水素の総発生量ではなく、一定時間の間に所定の水素発生量を維持することが重要であるので、水素発生量を流量単位、すなわち、ｍｌ/ｍｉｎ単位で測定する。勿論、その他にも流量を測定することができれば他の測定単位を用いることもできる。
【００８７】
スイッチ制御部５２０は水素発生量に係った設定値の入力を受ける。水素発生装置２００に別途の入力部（図示せず）が備えられ、使用者が直接入力することもできる。また、水素発生装置２００の結合された燃料電池が電力を提供する負荷から必要とする電力の入力を受けることもできる。後者の場合、負荷には、 必要とする電力を水素発生装置２００に伝達するための電力要求部が別に備えられてもよい。
【００８８】
スイッチ制御部５２０は、入力された設定値と、流量測定器５１０から測定した水素発生量とを比較する。水素発生量が設定値より小さい場合には水素発生量が増加するようにスイッチ５３０を制御し、水素発生量が設定値より多い場合には水素発生量が減少するようにスイッチ５３０を制御する。スイッチ５３０制御はスイッチ制御部５２０がスイッチ５３０のオン/オフを制御するようにするスイッチ制御信号によると仮定する。
【００８９】
スイッチ５３０は第１電極２２０と第２電極２３０との間に具備され、スイッチ５３０がオン（ｏｎ）になると第１電極２２０から発生した電子を第２電極２３０に移動させ、オフ（ｏｆｆ）になると第１電極２２０から発生した電子が第２電極２３０に移動しないようにさせる。
【００９０】
すなわち、制御部２４０はスイッチ５３０を用いて、第１電極２２０から第２電極２３０への電子の移動を調整して水素発生量を調節する。
【００９１】
図６は、本発明の他の実施例による水素発生装置２００の制御部２４０及びそれに結合された燃料電池と負荷を含む燃料電池発電システムの概略的な構成図である。
【００９２】
制御部２４０は、スイッチ制御部６１０及びスイッチ５３０を備える。ここで、スイッチ５３０は前述した図５の説明と同様な機能を果たすので詳細な説明は省略する。
【００９３】
スイッチ制御部６１０は、燃料電池１００が電力を提供する負荷６２０と連結される。前述したように、負荷６２０は現在の動作状態に応じて必要とする電力に差が生ずる（図３参照）。よって、スイッチ制御部６１０は負荷６２０の現在の動作状態に応じて要求電力の入力を受ける。
【００９４】
そして、スイッチ制御部６１０は燃料電池１００に連結され燃料電池１００の出力の入力を受ける。燃料電池１００の出力とは、例えば、水素発生装置２００から発生した水素の供給を受けた燃料電池１００が負荷６２０に提供する電力を意味する。前述したように、本発明の実施例による水素発生装置２００を燃料電池に結合して使用するためには、水素の総発生量ではなく一定した時間の間に所定の水素発生量が維持されることが重要であるので、水素発生量による燃料電池１００の電力をワット（Ｗ）単位で入力を受ける。また、スイッチ制御部６１０は燃料電池１００の電圧（ｖｏｌｔａｇｅ）を測定し、抵抗を用いて電力に換算する。その他にも最終的に電力を算出することができれば他の測定単位を用いることも可能である。
【００９５】
スイッチ制御部６１０は、燃料電池１００の出力と負荷６２０が必要とする要求電力とを比較する。燃料電池１００の出力が要求電力より小さい場合には水素発生量が増加するようにスイッチ５３０のオン/オフ時間を可変させ、燃料電池１００の出力が要求電力より大きい場合には水素発生量が減少するようにスイッチ５３０のオン/オフ時間を可変させる。また、燃料電池１００の出力が要求電力との一定誤差範囲以内にあると現在の水素発生量を維持することにする。これはスイッチ制御部６１０がスイッチ５３０のオン/オフ時間を制御するようにするスイッチ制御信号によると仮定する。
【００９６】
図７は本発明のさらに他の実施例による水素発生装置２００の制御部２４０及びそれに結合された燃料電池と負荷を含む燃料電池発電システムの概略的な構成図である。
【００９７】
制御部２４０はスイッチ制御部７１０及びスイッチ５３０を含む。ここで、スイッチ５３０は前述した図５の説明と同様な機能を果たすので詳細な説明は省略する。
【００９８】
図７に示す燃料電池発電システムは、図６の燃料電池発電システムに比して充電池７００をさらに備える。燃料電池１００は応答性が遅いため、負荷６２０からピーク電力（ｐｅａｋ ｐｏｗｅｒ）が要求される場合瞬間的に対処することができない。よって、充電池７００に電力を予め充電しておくことによりピーク電力に対処できるようになる。
【００９９】
スイッチ制御部７１０は充電池７００の電圧を測定しながら充電池７００が完全に充電されるまで水素を引続き生成し、燃料電池１００は電圧を引続き供給するようにする。
【０１００】
そして、負荷６２０からの要求電力に応じて充電池７００に充電されている電圧を提供し、これにより充電池７００の電圧が低くなると再び水素発生装置２００が水素を生成するようにする。
【０１０１】
すなわち、スイッチ制御部７１０は充電池７００の現在電圧と完充電圧とを比較する。完充電圧とは充電池７００が完全に充電された状態の電圧を意味する。現在電圧が完充電圧より小さい場合には水素発生量が増加するようにスイッチ５３０のオン/オフ時間を可変させ、現在電圧が完充電圧より大きいかまたは同一である場合は水素発生が停止するようにスイッチ５３０のオン/オフ時間を可変させる。これはスイッチ制御部７１０がスイッチ５３０のオン/オフ時間を制御できるようにするスイッチ制御信号によると仮定する。
【０１０２】
ここで、充電池７００はスーパーキャパシタ（ｓｕｐｅｒ ｃａｐａｃｉｔｏｒ）または充電用小型バッテリであることができる。スーパーキャパシタはキャパシタの性能中の電気容量の性能を強化したものであり、電力を充電しながら必要により充電された電力を放出する。
【０１０３】
図８はスイッチをオンした場合の水素発生量を流量単位で示したグラフである。ここで、流量単位は分当たりの水素発生量ｍｌ/ｍｉｎである。
【０１０４】
スイッチ５３０を持続的にオンした場合、初期には反応速度が速くなり温度の上昇と共に１００ｍｌ/ｍｉｎまで急激に水素発生量が増加する。その以後、電解質水溶液内の水と第１電極２２０を成す金属の減少などにより水素発生量が急激に減少する。
【０１０５】
この場合、水素発生量の調節が困難であるため、スイッチ５３０を持続的にオンすることではなく、スイッチ制御部５２０、６１０、７１０が所定のデューティ比（ｄｕｔｙ ｒａｔｉｏ）及び/または、所定のオン/オフ周波数（ｏｎ/ｏｆｆ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）を有するようにスイッチ５３０のオン/オフを制御して水素発生量を所望する流量に調節する。これに対しては以下の図面を参照して詳しく説明する。
【０１０６】
図９は本発明の一実施例による水素発生装置のスイッチのオン/オフ周波数の第１例であり、図１０は本発明の一実施例による水素発生装置のスイッチのオン/オフ周波数の第２例であり、図１１はスイッチのオン/オフ周波数が制御される場合の時間に対する水素発生量の関係を示すグラフである。以下でスイッチ５３０は、入力されるスイッチ制御信号の大きさがＭである場合、すなわち、ハイ（ｈｉｇｈ）である場合にオン（ｏｎ）になり、スイッチ制御信号の大きさが０である場合、すなわち、ロウ（ｌｏｗ）である場合にオフ（ｏｆｆ）になると仮定する。
【０１０７】
図９を参照すると、スイッチ５３０に入力されるスイッチ制御信号は、周期がＴであり、５０％のデューティ比を有する。すなわち、スイッチ５３０に入力されるスイッチ制御信号は１/２Ｔの間にはハイ信号、１/２Ｔの間にはロウ信号になる。
【０１０８】
また、図１０を参照すると、スイッチ５３０から入力されるスイッチ制御信号は、周期が１/４Ｔであり、５０％のデューティ比を有する。すなわち、スイッチ５３０に入力されるスイッチ制御信号は１/８Ｔの間にはハイ信号、１/８Ｔの間にはロウ信号になる。
【０１０９】
スイッチ５３０に入力されるスイッチ制御信号は、所定のデューティ比（図９及び１０では５０％）を有し、一周期内で同一時間の間にスイッチ５３０がオン/オフされるようにする。
【０１１０】
図１１は、２Ｗの電力を要する燃料電池に必要な水素発生量４２ｍｌ/ｍｉｎを有するようにスイッチのデューティ比が調整された場合のオン/オフ周波数に応ずる水素発生量の微細変動（ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎ）を示している。水素発生装置２００の温度は参照番号１１１０のように持続的に増加するが、８０℃以下である。
【０１１１】
水素発生量１１２０は略４２ｍｌ/ｍｉｎに近接している。図９に示されているようにオン/オフ周波数が相対的に小さい場合、すなわち、周期が大きい場合には微細変動が激しく現れ（１１４０参照）、図１０に示されているようにオン/オフ周波数が相対的に大きい場合、すなわち、周期が小さい場合には微細変動が弱く現れる（１１５０参照）ことが分かる。
【０１１２】
よって、同じデューティ比を有する場合にはスイッチ制御信号のオン/オフ周波数を相対的に大きくする方が微細変動を小さく発生させ、所望する水素発生量を維持できることが確認できる。
【０１１３】
図１２は本発明の一実施例による水素発生装置におけるスイッチのデューティ比の第１例であり、図１３は本発明の一実施例による水素発生装置におけるスイッチのデューティ比の第２例であり、図１４はスイッチのデューティ比が制御される場合の時間に対する水素発生量の関係を示すグラフである。
【０１１４】
図１２を参照すると、スイッチ制御信号は周期がＴであり、７５％のデューティ比を有する。すなわち、スイッチ制御信号は３/４Ｔの間にはハイ信号で、１/４Ｔの間にはロウ信号になる。
【０１１５】
これに反して、図１３を参照すると、スイッチ制御信号は、周期が図１２の信号と同じくＴであり、２５％のデューティ比を有する。すなわち、スイッチ制御信号は１/４Ｔの間にはハイ信号で、３/４Ｔの間にはロウ信号になる。
【０１１６】
このようにスイッチ５３０に入力されるスイッチ制御信号のデューティ比を調節すれば水素発生装置２００から発生する一定時間当たりの水素発生量を調節することができるようになる。
【０１１７】
図１４を参照すると、最初には自然に水素発生量が増加するようにし（１４２０参照）、以後スイッチ制御部５２０がスイッチ５３０のオン/オフを制御して所望する水素発生量を４２ｍｌ/ｍｉｎ（１４２１参照）、１０ｍｌ/ｍｉｎ（１４２２参照）、４２ｍｌ/ｍｉｎ（１４２３参照）、２０ｍｌ/ｍｉｎ（１４２４参照）、３０ｍｌ/ｍｉｎ（１４２５参照）の順に調節している。
【０１１８】
水素発生量を４２ｍｌ/ｍｉｎ（１４２１参照）から１０ｍｌ/ｍｉｎ（１４２２参照）に調節する場合には、一周期内のスイッチ制御信号のオフ時間の比率を増加、すなわち、デューティ比を漸進的に減少させる。そして、流量測定器５１０から測定された水素発生量が所望する水素発生量の１０ｍｌ/ｍｉｎになった時点のデューティ比を持続的に維持することにより水素発生量を１０ｍｌ/ｍｉｎに維持させる。
【０１１９】
また、水素発生量を１０ｍｌ/ｍｉｎ（１４２２参照）から４２ｍｌ/ｍｉｎ（１４２３参照）に調節する場合には、一周期内のスイッチ制御信号のオン時間の比率を増加、すなわち、デューティ比を漸進的に増加させる。そして、流量測定器５１０から測定された水素発生量が所望する水素発生量の４２ｍｌ/ｍｉｎになった時点のデューティ比を持続的に維持することにより水素発生量を４２ｍｌ/ｍｉｎに維持させる。
【０１２０】
前述したデューティ比の調節を反復的に行うことによりスイッチ制御部５２０は変化する設定値に対応して水素発生量を調節することができる。
【０１２１】
また、図９ないし図１１より説明したように、所定の水素発生量を維持する場合にスイッチ５３０のオン/オフ周波数を変更することにより水素発生量の微細変動を調節することも可能である。
【０１２２】
また、図８、１１、１４において流量単位で測定した水素発生量は、図６または図７の水素発生装置２００においては燃料電池１００の出力、すなわち、電力または電圧であることもできる。例えば、図８、１１、１４において、４２ｍｌ/ｍｉｎは燃料電池１００の運転条件に応じて２Ｗに対応されることができる。
【０１２３】
すなわち、前より測定した水素発生量は、図６または図７に示されているスイッチ制御部６１０、７１０から測定した燃料電池の出力、すなわち、電力または電圧に対応され、スイッチのオン/オフ制御により制御しようとする水素発生量は、制御しようとする燃料電池の出力、すなわち、電力または電圧に対応される。
【０１２４】
本発明の実施例による水素発生装置のスイッチは金属酸化膜半導体（ｍｅｔａｌ−ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ、ＭＯＳ）トランジスタからなることができる。
【０１２５】
また、本発明の実施例による水素発生装置のスイッチ制御部は燃料電池の電力回路を共に使用し、燃料電池発電システムの制御部に含まれることができる。すなわち、燃料電池発電システムの制御部にスイッチ制御部が含まれることによりワンチップ（ｏｎｅ ｃｈｉｐ）化が可能になる。
【０１２６】
また、本発明の水素発生装置は燃料電池と連結され燃料電池発電システムを構成することができる。燃料電池発電システムは、水素発生量の調節が可能な水素発生装置と、水素発生装置から水素の供給を受けて電気を発生させる燃料電池とを備える。
【０１２７】
図１５は本発明の一実施例による水素発生装置において、水素発生量を調節する方法のフローチャートである。ここで、水素発生装置は図５に示されている。
【０１２８】
先ず、段階Ｓ１５００で、水素発生装置２００のスイッチ制御部５２０はスイッチ５３０をオンして水素発生量が臨界値以上の流量を有するように水素を発生する。
【０１２９】
段階Ｓ１５１０で、流量測定器５１０は水素発生量を測定し、段階Ｓ１５２０で、スイッチ制御部５２０は流量測定器５１０から測定した水素発生量と入力された設定値とを比較する。ここで、入力される設定値は、段階Ｓ１５２０ａのように一つの設定値であるか、または段階Ｓ１５２０ｂのように所定の間隔を有する上限設定値と下限設定値であることができる。
【０１３０】
スイッチ制御部５２０は設定値に応じてスイッチ５３０のオン/オフを制御するためのスイッチ制御信号を生成しスイッチ５３０に印加する。
【０１３１】
段階Ｓ１５２０ａで、一つの設定値が入力される場合、段階Ｓ１５３０ａで、水素発生量（Ａ）と設定値（Ｂ）とを比較する。水素発生量が設定値より小さい場合（Ａ＜Ｂ）には、段階Ｓ１５３２ａのようにスイッチ制御信号のデューティ比を増加させ、 水素発生量が設定値より大きい場合（Ａ＞Ｂ）には、段階Ｓ１５３４ａのようにスイッチ制御信号のデューティ比を減少させ、水素発生量が設定値と同一である場合（Ａ＝Ｂ）には、 段階Ｓ１５３６ａのようにスイッチ制御信号の現在デューティ比を維持する。
【０１３２】
段階Ｓ１５２０ｂで、上限設定値と下限設定値とが入力される場合、段階Ｓ１５３０ｂで、水素発生量（Ａ）と上限設定値（Ｂ１）及び下限設定値（Ｂ２）を比較する。水素発生量が下限設定値より小さい場合（Ａ＜Ｂ２）には、段階Ｓ１５３２ｂのようにスイッチ制御信号のデューティ比を増加させ、水素発生量が上限設定値より大きい場合（Ａ＞Ｂ１）には、段階Ｓ１５３４ｂのようにスイッチ制御信号のデューティ比を減少させ、水素発生量が上限設定値と下限設定値との間にある場合（Ｂ２≦Ａ≦Ｂ１）には、段階Ｓ１５３６ｂのようにスイッチ制御信号の現在デューティ比を維持する。
【０１３３】
段階Ｓ１５２０ないし段階Ｓ１５３６ａ、またはＳ１５３６ｂを反復することにより水素発生装置２００は入力された設定値に対応する量の水素を発生するようにできる。
【０１３４】
図１６は本発明の他の実施例による水素発生装置において、水素発生量を調節する方法のフローチャートである。ここで、水素発生装置は図６に示されている。
【０１３５】
先ず、段階Ｓ１６００で、水素発生装置２００のスイッチ制御部６１０はスイッチ５３０をオンして水素発生量が臨界値以上の流量を有するように水素を発生させる。
【０１３６】
段階Ｓ１６１０で、水素発生装置２００に連結されている燃料電池１００の出力を測定し、燃料電池１００に連結されている負荷６２０の要求電力の入力を受ける。ここで、燃料電池１００の出力は電力であるか電圧であることができ、電圧である場合ぬは抵抗を用いて電力を算出することができる。
【０１３７】
そして、段階１６２０で、燃料電池１００の電力（Ｃ）と負荷６２０の要求電力（Ｄ）とを比較する。
【０１３８】
比較結果、燃料電池１００の電力が要求電力より大きい場合（Ｃ＞Ｄ）には段階Ｓ１６３０で、スイッチ制御信号のデューティ比を減少させ、燃料電池１００の電力が要求電力より小さい場合（Ｃ＜Ｄ）には段階Ｓ１６３２で、スイッチ制御信号のデューティ比を増加させ、燃料電池１００の電力が要求電力と同一である場合（Ｃ＝Ｄ）には段階Ｓ１６３４で、スイッチ制御信号のデューティ比を維持する。ここで、同一であるか否かは燃料電池１００の電力が、要求電力を基準にして予め設定された一定誤差範囲内であるか否かを意味する。
【０１３９】
以後、段階Ｓ１６１０ないし段階Ｓ１６３０、Ｓ１６３２、またはＳ１６３４を反復することにより、水素発生装置２００は負荷の要求電力に対応する燃料電池の出力が出るように水素発生量を調節することができる。
【０１４０】
図１７は本発明のさらに他の実施例による水素発生装置において、水素発生量を調節する方法のフローチャートである。ここで、水素発生装置は図７に示されている。
【０１４１】
先ず、段階Ｓ１７００で、水素発生装置２００のスイッチ制御部７１０はスイッチ５３０をオンして水素発生量が臨界値以上の流量を有するように水素を発生させることにより燃料電池１００を動作させ、燃料電池１００と負荷６２０との間に連結されている充電池７００を充電する。
【０１４２】
段階Ｓ１７１０で、充電池７００に充電された電圧を測定し、段階１７２０で、充電池７００の完充電圧（Ｆ）と測定された現在電圧（Ｅ）とを比較する。
【０１４３】
比較結果、現在電圧が完充電圧より大きいかまたは同一である場合（Ｅ≧Ｆ）には、段階１７３０で、スイッチ制御信号のデューティ比を最小化（０％を含む）し充電池７００に電圧が充電されないようにし、現在の電圧が完充電圧より小さい場合（Ｅ＜Ｆ）には、段階１７３２で、スイッチ制御信号のデューティ比を増加させる。ここで、同一であるか否かは、現在電圧が完充電圧を基準にして予め設定された一定誤差範囲内であるか否かを意味する。
【０１４４】
以後、段階Ｓ１７１０ないし段階Ｓ１７３０またはＳ１７３２を反復することにより、水素発生装置２００は充電池７００を完全充電して負荷６２０のピーク電力に対処できるように調節することができる。
【０１４５】
一方、前述した水素発生量の調節方法のうち、段階Ｓ１５２０ないし段階Ｓ１５３６ａまたはＳ１５３６ｂ、あるいは、段階Ｓ１６２０ないし段階Ｓ１６３０、Ｓ１６３２またはＳ１６３４、あるいは、段階Ｓ１７２０ないしＳ１７３０またはＳ１７３２は、コンピュータプログラムで作成可能である。前記プログラムを構成するコード及びコードセグメントは当分野のコンピュータプログラマーにより容易に推論できる。また、前記プログラムはコンピュータが読める情報保存媒体（ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｒｅａｄａｂｌｅ ｍｅｄｉｕｍ）に保存され、コンピュータにより読まれ実行されることにより水素発生量の調節方法を具現する。前記情報保存媒体は磁気記録媒体、光記録媒体及びキャリアウェーブ媒体を含む。
【０１４６】
以上で本発明の好ましい実施例を参照して説明したが、当該技術分野の通常の知識を持った者であれば、本発明の特許請求の範囲に記載された本発明の思想及び領域から脱しない範囲内で本発明を多様に修正及び変更させることができることを理解できよう。
【図面の簡単な説明】
【０１４７】
【図１】燃料電池の作動原理を示す図である。
【図２】本発明の一実施例による水素発生装置の概略的な断面図である。
【図３】携帯電話の電力消耗量を示すグラフである。
【図４】本発明の一実施例による水素発生装置において、第１電極と第２電極との間に流れる電流量と発生される水素量との関係を示すグラフである。
【図５】本発明の一実施例による水素発生装置における制御部の概略的な構成図である。
【図６】本発明の他の実施例による水素発生装置の制御部及びそれに結合された燃料電池と負荷とを備える燃料電池発電システムの概略的な構成図である。
【図７】本発明のさらに他の実施例による水素発生装置の制御部及びそれに結合された燃料電池と負荷とを備える燃料電池発電システムの概略的な構成図である。
【図８】スイッチをオンした場合の水素発生量を流量単位で示したグラフである。
【図９】本発明の一実施例による水素発生装置のスイッチのオン/オフ周波数の第１例である。
【図１０】本発明の一実施例による水素発生装置のスイッチのオン/オフ周波数の第２例である。
【図１１】スイッチのオン/オフ周波数が制御される場合の時間に対する水素発生量の関係を示すグラフである。
【図１２】本発明の一実施例による水素発生装置のスイッチのデューティ比の第１例である。
【図１３】本発明の一実施例による水素発生装置のスイッチのデューティ比の第２例である。
【図１４】スイッチのデューティ比が制御される場合の時間に対する水素発生量の関係を示すグラフである。
【図１５】本発明の一実施例による水素発生装置において水素発生量を調節する方法のフローチャートである。
【図１６】本発明の他の実施例による水素発生装置において水素発生量を調節する方法のフローチャートである。
【図１７】本発明のさらに他の実施例による水素発生装置において水素発生量を調節する方法のフローチャートである。
【符号の説明】
【０１４８】
１００ 燃料電池
１１０ 燃料極
１２０ 膜
１３０ 空気極
２００ 水素発生装置
２１０ 電解槽
２１５ 電解質水溶液
２２０ 第１電極
２３０ 第２電極
２４０ 制御部
５１０ 流量測定器
５２０、６１０、７１０ スイッチ制御部
５３０ スイッチ
６２０ 負荷
７００ 充電池
【技術分野】
【０００１】
本発明は水素発生装置に関するもので、より詳細には、燃料電池に供給する水素発生量の調節が可能な水素発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池とは燃料、すなわち、水素、ＬＮＧ、ＬＰＧ、メタノールなどの燃料と空気の化学エネルギーとを電気化学的反応により電気及び熱に直接変換させる装置である。既存の発電技術が燃料の燃焼、蒸気発生、タービン駆動、発電機駆動の過程を用いることとは異なって、燃焼過程や駆動装置がないため効率が高く、かつ環境問題を誘発しない新たな概念の発電技術である。
【０００３】
図１は燃料電池の作動原理を示す図である。
【０００４】
図１を参照すると、燃料電池１００の燃料極１１０はアノード（ａｎｏｄｅ）であり、空気極１３０はカソード（ｃａｔｈｏｄｅ）である。燃料極１１０は水素（Ｈ２）の供給を受け水素イオン（Ｈ＋）と電子（ｅ−）に分解される。水素イオンは膜１２０を経て空気極１３０に移動する。膜１２０は電解質層である。電子は外部回路１４０を経て電流を発生する。そして、空気極１３０にて水素イオンと電子、そして空気中の酸素と結合して水になる。前述した燃料電池１００における化学反応式は下記の化学式１で表される。
【０００５】
（化１）
燃料極１１０：Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−
空気極１３０：１/２Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２０
全体反応：Ｈ２＋１/２Ｏ２→Ｈ２０
【０００６】
すなわち、燃料極１１０から分離された電子が外部回路を経て電流を発生することにより電池の機能を果たすことになる。このような燃料電池１００はＳＯｘとＮＯｘなどの大気汚染物質をほとんど排出しなく二酸化炭素の発生も少なくいので無公害発電であり、低騷音、無振動などの長所がある。
【０００７】
燃料電池１００は燃料極１１０から電子を発生するために、水素を含有している一般燃料を燃料電池１００が要求する、水素を多く含むガスに変化させる水素発生装置を要する。しかし、水素発生装置として広く知られている水素貯蔵タンクなどを用いると嵩が大きくなり、保管に危険がある。また、最近注目されている携帯電話やノートパソコンなどの携帯用電子機器が高容量の電源供給装置を要求するにつれ、燃料電池はこれらの要求に対応しなくてはならなく、嵩も小さいながら高い性能を有する必要がある。
【０００８】
ＩＣＡＯ（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｉｖｉｌ Ａｖｉａｔｉｏｎ Ｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎ）から飛行機搬入が承認されたメタノールやギ酸などを用いて燃料を改質し水素を発生させたり、直接メタノールやエタノール、ギ酸などを燃料電池にて直接燃料として使用する方式が用いられている。
【０００９】
しかし、前者は高い改質温度が要求され、システムが複雑になり、駆動電力が消耗されて純粋水素以外の不純物（ＣＯ２、ＣＯ）が含まれるという問題点がある。そして、後者は低い両極化学反応と炭化水素（ｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎ）の膜によるクロスオーバ（ｃｒｏｓｓ−ｏｖｅｒ）により電力密度が非常に低くなるという問題点がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は前述した問題点を解決するために案出されたもので、本発明の目的は電気化学的反応を用いて純粋水素を常温から生成できる水素発生装置、燃料電池発電システム、水素発生量の調節方法及びこれらを行うプログラムが記録された記録媒体を提供することである。
【００１１】
本発明の他の目的は簡単な構造のシステムを有しながら別途のバランスオブプラント（Ｂａｌａｎｃｅ ｏｆ Ｐｌａｎｔ、以下、'ＢＯＰ'という）なしで水素発生量の制御が可能な水素発生装置、燃料電池発電システム、水素発生量の調節方法及びこれらを行うプログラムが記録された記録媒体を提供することである。
【００１２】
本発明のさらに他の目的は費用がチープであり、親環境的な水素発生装置、燃料電池発電システム、水素発生量の調節方法及びこれらを行うプログラムが記録された記録媒体を提供することである。
【００１３】
本発明のまたさらに他の目的はスイッチのオンオフ時間及び/またはオンオフ周波数を用いて水素発生量が調節できる水素発生装置、燃料電池発電システム、水素発生量の調節方法及びこれらを行うプログラムが記録された記録媒体を提供することである。
【００１４】
本発明のまたさらに他の目的はスイッチを単にオンすることにより残留する水素を空気中に吹き飛ばす燃料の浪費や危険性を除去し、気体ポンプや液体ポンプを使用しないので、騷音発生及び電力消耗を減らすことができる水素発生装置、燃料電池発電システム、水素発生量の調節方法及びこれらを行うプログラムが記録された記録媒体を提供することである。
【００１５】
本発明のまたさらに他の目的は、フィードバック制御を用いて燃料電池に連結されている負荷の要求に応じて生成量の調節が可能な水素発生装置を提供することである。
【００１６】
本発明の以外の目的は下記の説明を通して容易に理解できよう。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明の一実施形態によれば、水素発生量を調節することができる水素発生装置が提供される。
【００１８】
本発明の一実施例による水素発生装置は、電解質水溶液が入っている電解槽と、前記電解槽内に位置し、前記電解質水溶液に浸され電子を発生する第１電極と、前記電解槽内に位置し、前記電解質水溶液に浸され前記電子を受けて水素を発生する第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に連結されているスイッチと、前記第２電極の水素発生量を測定する流量測定器と、設定値が入力され、前記流量測定器から測定された前記水素発生量と前記設定値とを比較して前記スイッチのオンオフを制御するスイッチ制御部と、を備える。
【００１９】
ここで、前記スイッチ制御部は入力装置を用いて使用者または前記水素発生装置に結合されている燃料電池から、必要とする水素量に対応する前記設定値の入力を受けることができる。
【００２０】
そして、前記第１電極は前記第２電極より相対的にイオン化傾向が大きい金属からなることができる。
【００２１】
前記流量測定部は前記水素発生量を流量（ｆｌｏｗｒａｔｅ）単位で測定することができる。
【００２２】
また、前記スイッチ制御部は前記スイッチをオンオフするスイッチ制御信号を生成して出力し、前記スイッチ制御部は前記スイッチ制御信号のデューティ比（ｄｕｔｙ ｒａｔｉｏ）を変化させ一周期内での前記スイッチのオンオフの比率を決定することができる。前記スイッチ制御部は前記スイッチ制御信号のオンオフ周波数を変化させ前記水素発生量の微細変動を制御することができる。
【００２３】
前記スイッチ制御部は前記設定値と測定された前記水素発生量とを比較して、前記水素発生量が前記設定値より小さい場合には前記デューティ比を増加させ、前記水素発生量が前記設定値より大きい場合には前記デューティ比を減少させ、前記水素発生量が前記設定値と同一である場合は前記デューティ比を維持することができる。
【００２４】
また、前記設定値は上限設定値と下限設定値とを含み、前記スイッチ制御部は前記設定値と測定された前記水素発生量とを比較して、前記水素発生量が前記下限設定値より小さい場合には前記デューティ比を増加させ、前記水素発生量が前記上限設定値より大きい場合には前記デューティ比を減少させ、前記水素発生量が前記下限設定値と前記上限設定値との間にある場合は前記デューティ比を維持することができる。
【００２５】
本発明の他の実施形態によれば、水素発生量の調節が可能な水素発生装置を備える燃料電池発電システムが提供される。
【００２６】
本発明の一実施例による燃料電池発電システムは、電極の間に連結されているスイッチのオンオフを制御し水素発生量を調節する水素発生装置と、前記水素発生装置から生成された水素の供給を受け、前記水素の化学エネルギーを電気エネルギーに変換して直流電流を生産する燃料電池と、前記電気エネルギーの供給を受けて予め設定されている動作を行う負荷（ｌｏａｄ）とを備える。
【００２７】
ここで、前記水素発生装置は、水素イオンを含有する電解質水溶液が入っている電解槽と、前記電解槽内に位置し、前記電解質水溶液に浸され電子を発生する第１電極と、前記電解槽内に位置し、前記電解質水溶液に浸され前記電子を受けて水素を発生する第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に連結されているスイッチと、前記負荷から要求電力の入力を受け、前記燃料電池の出力を測定して前記要求電力と前記出力とを比較して前記スイッチのオンオフを制御するスイッチ制御部とを備えることができる。前記第１電極は前記第２電極より相対的にイオン化傾向が大きい金属からなることができる。
【００２８】
前記スイッチ制御部は前記スイッチをオンオフするスイッチ制御信号を生成して出力し、前記スイッチ制御部は前記スイッチ制御信号のデューティ比を変化させて一周期内での前記スイッチのオンオフの比率を決定することができる。そして、前記スイッチ制御部は前記スイッチ制御信号のオンオフ周波数を変化させ前記水素発生量の微細変動を制御することができる。
【００２９】
前記スイッチ制御部は前記要求電力と前記出力とを比較して、前記出力が前記要求電力より大きい場合には前記デューティ比を減少させ、前記出力が前記要求電力より小さい場合には前記デューティ比を増加させ、前記出力が前記要求電力と同一である場合は前記デューティ比を維持することができる。
【００３０】
本発明の他の実施例による燃料電池発電システムは、前記燃料電池と前記負荷との間に結合され、前記燃料電池から前記電気エネルギーの供給を受けて充電し、前記負荷が必要とする場合には前記充電された前記電気エネルギーを提供する充電池をさらに備える。
【００３１】
ここで、前記水素発生装置は、電解質水溶液が入っている電解槽と、前記電解槽内に位置し、前記電解質水溶液に浸され電子を発生する第１電極と、前記電解槽内に位置し、前記電解質水溶液に浸され前記電子を受けて水素を発生する第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に連結されているスイッチと、前記充電池の現在電圧を測定し、前記充電池の完充電圧と比較して前記スイッチのオンオフを制御するスイッチ制御部と、を備えることができる。前記第１電極は前記第２電極より相対的にイオン化傾向が大きい金属からなることができる。
【００３２】
前記スイッチ制御部は前記スイッチをオンオフするスイッチ制御信号を生成して出力し、前記スイッチ制御部は前記スイッチ制御信号のデューティ比を変化させて一周期内での前記スイッチのオンオフの比率を決定することができる。前記スイッチ制御部は前記スイッチ制御信号のオンオフ周波数を変化させて前記水素発生量の微細変動を制御することができる。
【００３３】
ここで、前記スイッチ制御部は前記現在電圧と前記完充電圧とを比較して、前記現在電圧が前記完充電圧より小さい場合には前記デューティ比を増加させ、前記現在電圧が前記完充電圧より大きいかまたは同一である場合は前記デューティ比を最小化することができる。
【００３４】
本発明のさらに他の実施形態によれば、電極の間に連結されているスイッチのオンオフを制御して水素発生量を調節する水素発生装置の水素発生量の調節方法が提供される。
【００３５】
本発明の一実施例による水素発生量の調節方法は、設定値が入力される段階と、測定された水素発生量と前記設定値とを比較する段階と、前記水素発生量が前記設定値より小さい場合にはスイッチ制御信号のデューティ比を増加させ、前記水素発生量が前記設定値より大きい場合には前記スイッチ制御信号のデューティ比を減少させ、前記水素発生量が前記設定値と同一である場合は前記スイッチ制御信号のデューティ比を維持する段階であって、ここで、前記スイッチ制御信号は前記デューティ比に応じて一週期内での前記スイッチのオンオフを制御する段階、とを含む。
【００３６】
本発明の他の実施例による水素発生量の調節方法は、上限設定値と下限設定値とが入力される段階と、測定された水素発生量と前記上限設定値及び前記下限設定値とを比較する段階と、前記水素発生量が前記下限設定値より小さい場合にはスイッチ制御信号のデューティ比を増加させ、前記水素発生量が前記上限設定値より大きい場合には前記スイッチ制御信号のデューティ比を減少させ、前記水素発生量が前記下限設定値と前記上限設定値との間にある場合は前記スイッチ制御信号のデューティ比を維持する段階であって、ここで、前記スイッチ制御信号は前記デューティ比に応じて一週期内での前記スイッチのオンオフを制御する段階、とを含む。
【００３７】
本発明のさらに他の実施例による水素発生量の調節方法は、負荷に電気エネルギーを提供する燃料電池に連結され、電極の間に連結されているスイッチのオンオフを制御することにより前記燃料電池に供給する水素発生量を調節することであって、
前記燃料電池の出力を測定し、前記負荷の要求電力の入力を受ける段階と、前記出力と前記要求電力とを比較する段階と、前記出力が前記要求電力より大きい場合にはスイッチ制御信号のデューティ比を減少させ、前記出力が前記要求電力より小さい場合には前記スイッチ制御信号のデューティ比を増加させ、また前記出力が前記要求電力と同一である場合は前記スイッチ制御信号のデューティ比を維持する段階であって、ここで、前記スイッチ制御信号は前記デューティ比に応じて一週期内での前記スイッチのオンオフを制御する段階、とを含む。
【００３８】
本発明のさらに他の実施例による水素発生量の調節方法は、充電池に電気エネルギーを充電する燃料電池に連結され、電極の間に連結されているスイッチのオンオフを制御して前記燃料電池に供給する水素発生量を調節することであって、
前記充電池の現在電圧を測定する段階と、前記現在電圧と前記充電池の完充電圧とを比較する段階と、前記現在電圧が前記完充電圧より小さいとスイッチ制御信号のデューティ比を増加させ、その以外の場合には前記スイッチ制御信号のデューティ比を最小化させる段階であって、ここで、前記スイッチ制御信号は前記デューティ比に応じて週期内での前記スイッチのオンオフを制御する段階、とを含む。
【発明の効果】
【００３９】
本発明による水素発生装置は、別途の消費電力を消耗しながらも小型化が困難であるＢＯＰユニットの代りに、親環境的な物質を用いて水素を発生することができる。
【００４０】
さらに、電気化学的反応を用いて純粋水素を常温より生成することができ、簡単な構造のシステムであり、費用がチープである。
【００４１】
さらに、従来水素が一定量のみが発生されたこととは異なって、使用者または燃料電池からの要求に合わせて電極間の電流量を調節することにより発生される水素量を調節することができる。これにより、消費電力が随時変化するヘアー用器機などの製品にも燃料電池の使用が可能となる。
【００４２】
さらに、スイッチのオンオフの時間及び/またはオンオフの周波数を用いて水素発生量を調節することができる。スイッチを単にオンすることから残留する水素を空気中に吹き飛ばす燃料の浪費や危険性を除去し、気体ポンプや液体ポンプを使用しないので騷音発生及び電力消耗を減らすことができる。
【００４３】
さらに、燃料電池の制御回路がスイッチ制御部を共に担うことにして、水素発生装置を備える燃料電池発電システムでの制御部が、一つのワンチップ化され小型化が可能になり、製造が容易である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４４】
本発明は、多様に変更することができ、多くの実施例を有することができることは明らかであり、以下、特定実施例を図面に例示し詳しく説明する。しかし、これは本発明を特定の実施形態に限定するものではなく、本発明の思想及び技術範囲に含まれる全ての変更、均等物ないし代替物を含むものとして理解されるべきである。本発明の説明において、係る公知技術に対する具体的な説明が本発明の要旨をかえって不明にすると判断される場合、その詳細な説明を省略する。
【００４５】
第１、第２などの用語は多様な構成要素を説明するのに使用するが、前記構成要素が前記用語により限定されるものではない。前記用語は一つの構成要素を他の構成要素と区別する目的のみに利用する。例えば、本発明の権利範囲を脱しない限り第１構成要素が第２構成要素と命名されることもあり、同じく第２構成要素が第１構成要素と命名されることも可能である。及び/またはという用語は、関連記載の複数の項目の 組み合い、または 関連記載の複数の項目の中のいずれの項目を含む。
【００４６】
ある構成要素が異なる構成要素に"連結されている"とか"接続している"と記載された場合には、その異なる構成要素に直接的に連結されているかまたは接続されている場合でもあり、あるいは、その間に他の構成要素が存在していることも可能であることは理解されるべきである。それに反して、ある構成要素が異なる構成要素に"直接連結されている"とか"直接接続している"と記載された場合には、その間に他の構成要素が存在しないことと理解されるべきである。
【００４７】
本願から使用した用語は、単に特定の実施例を説明するために使用したものであって、本発明を限定するものではない。単数の表現は文脈上明白に異なる意味を表現しない限り複数の意味も含む。本願において"含む"または"有する"などの用語は明細書上に記載された特徴、数字、段階、動作、構成要素、部品またはこれらを組み合いしたものが存在することを指定することにすぎなく、一つまたはその以上の他の特徴や数字、段階、動作、構成要素、部品またはこれらを組み合いしたものなどの存在または付加可能性を予め排除するものではないと理解されるべきである。
【００４８】
別に定義しない限り、技術的あるいは科学的な用語を含んでここで使用する全ての用語は、本発明が属する技術分野の通常の知識を持った者により一般的に理解されることと同じ意味を有する。一般的に使用する、辞典に定義されている用語は、係る技術の文脈上の意味と一致する意味で解釈しなくてはならなく、本願で明白に定義しない限り、理想的にまたは過度に形式的な意味で解釈することはない。
【００４９】
以下、本発明の実施例を添付した図面を参照して詳しく説明する。
【００５０】
図２は本発明の一実施例による水素発生装置の概略的な断面図である。
【００５１】
水素発生装置２００は、電解槽２１０、第１電極２２０、第２電極２３０、制御部２４０を備える。以下、本発明の理解と説明の便宜のために第１電極２２０がマグネシウム（Ｍｇ）からなり、第２電極２３０がステンレススチール（Ｓｔａｉｎｌｅｓｓ Ｓｔｅｅｌ）からなったものを中心にして説明する。
【００５２】
電解槽２１０内には電解質（ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ）水溶液２１５が入っている。電解質水溶液２１５は水素イオンを含んでおり、水素発生装置２００は電解質水溶液２１５に含まれている水素イオンを用いて水素ガスを発生する。
【００５３】
電解質水溶液２１５の電解質として、ＬｉＣｌ、ＫＣｌ、ＮａＣｌ、ＫＮＯ３、ＮａＮＯ３、ＣａＣｌ２、ＭｇＣｌ２、Ｋ２ＳＯ４、Ｎａ２ＳＯ４、ＭｇＳＯ４、ＡｇＣｌなどが使用できる。
【００５４】
また、電解槽２１０内には第１電極２２０及び第２電極２３０がある。第１電極２２０及び第２電極２３０は全体またはその一部が電解質水溶液内に浸されている。
【００５５】
第１電極２２０は活性電極である。第１電極２２０では、マグネシウム（Ｍｇ）電極と水（Ｈ２Ｏ）とのイオン化エネルギーの差によりマグネシウム電極が水中に電子（ｅ−）を出してマグネシウムイオン（Ｍｇ２＋）に酸化する。この際、生成された電子は第１電線２２５、制御部２４０、及び第２電線２３５を経て第２電極２３０に移動する。
【００５６】
第２電極２３０は非活性電極である。第２電極２３０では、水が第１電極２２０から移動してきた電子を受けて水素に分解される。
【００５７】
前述した化学反応式は下記の化学式２で表される。
【００５８】
（化２）
第１電極２２０：Ｍｇ→Ｍｇ２＋＋２ｅ−
第２電極２３０：２Ｈ２Ｏ ＋２ｅ−→Ｈ２＋２（ＯＨ）−
全体反応：Ｍｇ＋２Ｈ２Ｏ→Ｍｇ（ＯＨ）２＋Ｈ２
【００５９】
前述の化学反応は多様な要素により反応速度及び反応効率が決定される。反応速度を決定する要素としては、第１電極２２０及び/または第２電極２３０の電極面積、電解質水溶液２１５の濃度、電解質水溶液２１５の種類、第１電極２２０及び/または第２電極２３０の個数、第１電極２２０と第２電極２３０との間の連結方法、第１電極２２０と第２電極２３０との間の電気的抵抗などがある。
【００６０】
前述した要素を変化させると、反応条件に応じて第１電極２２０と第２電極２３０との間に流れる電流量（すなわち、電子の量）が変わり、従って化学式２のような電気化学的反応速度が変わることになる。電気化学的反応速度が変わると、第２電極２３０から発生する水素量にも変化が生ずる。
【００６１】
よって、本発明の実施例によれば、第１電極２２０と第２電極２３０との間に流れる電流量を調節することにより、生成される水素量を調節できるようになる。これは下記の数学式１で表されるようにファラデー法則（Ｆａｒａｄａｙ'ｓ ｌａｗ）により原理的に説明できる。
【数１】
【００６２】
ここで、Ｎｈｙｄｒｏｇｅｎは１秒間に生成される水素量（ｍｏｌ）であり、Ｖｈｙｄｒｏｇｅｎは１分間に生成される水素の体積（ｍｌ/ｍｉｎ）である。ｉは電流（Ｃ/ｓ）、ｎは反応電子の個数、Ｅは電子１モル当たりの電荷（Ｃ/ｍｏｌ）を示す。
【００６３】
前述した化学式２を参照すると、第２電極２３０にて水素電子二つが反応するので、ｎは２であり、電子１モルの電荷は約−９６４８５クーロンである。
【００６４】
１分間に生成される水素の体積は、１秒間に生成される水素量に時間（６０秒）と水素１モルの体積（２２４００ｍｌ）とを乗じて算出することができる。
【００６５】
若し、燃料電池が２Ｗシステムで用いられる場合、燃料電池を０．６Ｖ及び常温で駆動する際の水素利用率を約６０％と仮定すると、水素要求量は４２ｍｌ/ｍｏｌ程度であり、６Ａの電流を必要とする。また、燃料電池が５Ｗシステムで用いられる場合、水素要求量は１０５ｍｌ/ｍｏｌ程度であり、１５Ａの電流を必要とする。
【００６６】
このように、水素発生装置２００は第１電極２２０に連結された第１電線２２５及び第２電極２３０に連結された第２電線２３５に流れる電流量を調節すれば後段に連結される燃料電池が必要とするだけの水素を発生することが可能になる。
【００６７】
水素発生装置２００の第２電極２３０から水素を発生する反応速度を決定する前述した要素のうち、第１電極２２０と第２電極２３０との間の電気的抵抗を除いたその他の要素は水素発生装置２００を構成する際に決定される要素であり、後でその要素を変化させることは容易ではない。
【００６８】
よって、本発明の実施例で水素発生装置２００は、第１電極２２０と第２電極２３０とを連結する第１電線２２５と第２電線２３５との間に制御部２４０を備えることにより第１電極２２０と第２電極２３０の電気的抵抗を調節する。
【００６９】
すなわち、前述した数学式１に基づいて、第１電極２２０と第２電極２３０との間の電気的抵抗を変化させ第１電極２２０と第２電極２３０との間に流れる電流量を調節することにより燃料電池が必要とするだけの水素を発生させることが可能になる。
【００７０】
本発明の実施例によれば、第１電極２２０はマグネシウム以外にもアルミニウム（Ａｌ）、亜鉛（Ｚｎ）などのアルカリ金属系の元素や鉄（Ｆｅ）などの相対的にイオン化傾向が大きい金属からなることができる。また、第２電極２３０はステンレススチール以外にも白金（Ｐｔ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、鉄（Ｆｅ）などのように第１電極２２０を形成する金属より相対的にイオン化傾向が小さい金属からなることができる。
【００７１】
制御部２４０は電気化学的反応により第１電極２２０から生成された電子を第２電極２３０に伝達する速度、すなわち、電流量を調節する。
【００７２】
制御部２４０は燃料電池と連結されている負荷（ｌｏａｄ）から必要とする電力の伝達を受けて、必要とされる電力に従い第１電極２２０から第２電極２３０に流れる電子量をそのまま維持するか、あるいは、増加または減少させる。
【００７３】
例えば、図３に示されている携帯電話の電力消耗量を参照して説明する。図３は携帯電話の電力消耗量を示すグラフである。
【００７４】
携帯電話は、現在動作するキーやメニュー選択などにより使用用途が異なってくるし、それに応じて電力消耗量も異なってくる。
【００７５】
３０１は番号を押して電話を要請する場合であり、３０２は相手が電話に出るまで通話連結音を聞いている場合であり、３０３は通話が繋がって相手と通話する場合であり、３０４は通話が終了された場合であり、３０５は通話料金メッセージを転送する場合を示している。それぞれの場合ごとに、携帯電話の内部で動作する部品などに差があるので、図３に示したように電力消耗量が随時変化することになる。
【００７６】
よって、制御部２４０は図３に示された携帯電話のような負荷から、現在必要とする電力をフィードバックで受けて、それに応じて必要とされるだけの水素を発生させることにより燃料電池と連結されている負荷に十分な電力を提供する。
【００７７】
また、水素発生装置は別途の入力装置を備えて使用者から直接的に必要とする電力または水素量の入力を受けることもできる。
【００７８】
本発明において第１電極２２０及び/または第２電極２３０は一つまたは二つ以上であってもよい。第１電極２２０及び/または第２電極２３０の数が増加すると、同一時間の間に発生する水素量は増加するので、より短い時間内に所望する水素を発生させることができる。
【００７９】
図４は本発明の一実施例による水素発生装置２００において、第１電極２２０と第２電極２３０との間に流れる電流量と発生される水素量との関係を示すグラフである。ここで、発生する水素量は１分単位で算出された流量（ｆｌｏｗｒａｔｅ）である。これは、燃料電池に使用される場合水素の総発生量ではなく水素の流量が重要な値であるからである。
【００８０】
実験条件は下記のとおりである。
第１電極２２０：マグネシウム（Ｍｇ）
第２電極２３０：ステンレススチール（Ｓｔａｉｎｌｅｓｓ Ｓｔｅｅｌ）
電極間の距離：３ｍｍ
電解質の種類及び濃度：３０ｗｔ％ＫＣｌ
電極の使用個数：マグネシウム３ｅａ、ステンレススチール３ｅａ
電極の連結方式：直列連結
電解質水溶液の体積：６０ｍｌ（ｅｘｃｅｓｓｉｖｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ）
電極の大きさ：２４ｍｍ×８５ｍｍ×１ｍｍ
【００８１】
前述した実験条件は以下本発明を説明するために参照される全てのグラフに同様に適用した。
【００８２】
ただし、図４に示されているグラフを得るための実験では、一対の電極ではなく三対の電極を用いたため、各対の電極相互間の交互作用により水素の流量は一対の電極だけを用いた場合の理論値（前述の数学式１に基づいた値）よりさらに大きい値を有した。
【００８３】
しかし、図４を参照しても、第１電極２２０と第２電極２３０との間に流れる電流量に応じて発生される水素の流量（ｍｌ/ｍｉｎ）が決定されることを確認できる。グラフ上ではほぼ線形的な特性を有し、これは前述した数学式１と同じ結果である。
【００８４】
図５は本発明の一実施例による水素発生装置２００での制御部２４０に対する概略的な構成図である。
【００８５】
制御部２４０は、流量測定器５１０、スイッチ制御部５２０、スイッチ５３０を備える。
【００８６】
流量測定器５１０は水素発生装置２００の第２電極２３０から生成された水素発生量を流量（ｆｌｏｗｒａｔｅ）単位で測定する。前述したように本発明の実施例による水素発生装置２００を燃料電池に結合して用いるためには、水素の総発生量ではなく、一定時間の間に所定の水素発生量を維持することが重要であるので、水素発生量を流量単位、すなわち、ｍｌ/ｍｉｎ単位で測定する。勿論、その他にも流量を測定することができれば他の測定単位を用いることもできる。
【００８７】
スイッチ制御部５２０は水素発生量に係った設定値の入力を受ける。水素発生装置２００に別途の入力部（図示せず）が備えられ、使用者が直接入力することもできる。また、水素発生装置２００の結合された燃料電池が電力を提供する負荷から必要とする電力の入力を受けることもできる。後者の場合、負荷には、 必要とする電力を水素発生装置２００に伝達するための電力要求部が別に備えられてもよい。
【００８８】
スイッチ制御部５２０は、入力された設定値と、流量測定器５１０から測定した水素発生量とを比較する。水素発生量が設定値より小さい場合には水素発生量が増加するようにスイッチ５３０を制御し、水素発生量が設定値より多い場合には水素発生量が減少するようにスイッチ５３０を制御する。スイッチ５３０制御はスイッチ制御部５２０がスイッチ５３０のオン/オフを制御するようにするスイッチ制御信号によると仮定する。
【００８９】
スイッチ５３０は第１電極２２０と第２電極２３０との間に具備され、スイッチ５３０がオン（ｏｎ）になると第１電極２２０から発生した電子を第２電極２３０に移動させ、オフ（ｏｆｆ）になると第１電極２２０から発生した電子が第２電極２３０に移動しないようにさせる。
【００９０】
すなわち、制御部２４０はスイッチ５３０を用いて、第１電極２２０から第２電極２３０への電子の移動を調整して水素発生量を調節する。
【００９１】
図６は、本発明の他の実施例による水素発生装置２００の制御部２４０及びそれに結合された燃料電池と負荷を含む燃料電池発電システムの概略的な構成図である。
【００９２】
制御部２４０は、スイッチ制御部６１０及びスイッチ５３０を備える。ここで、スイッチ５３０は前述した図５の説明と同様な機能を果たすので詳細な説明は省略する。
【００９３】
スイッチ制御部６１０は、燃料電池１００が電力を提供する負荷６２０と連結される。前述したように、負荷６２０は現在の動作状態に応じて必要とする電力に差が生ずる（図３参照）。よって、スイッチ制御部６１０は負荷６２０の現在の動作状態に応じて要求電力の入力を受ける。
【００９４】
そして、スイッチ制御部６１０は燃料電池１００に連結され燃料電池１００の出力の入力を受ける。燃料電池１００の出力とは、例えば、水素発生装置２００から発生した水素の供給を受けた燃料電池１００が負荷６２０に提供する電力を意味する。前述したように、本発明の実施例による水素発生装置２００を燃料電池に結合して使用するためには、水素の総発生量ではなく一定した時間の間に所定の水素発生量が維持されることが重要であるので、水素発生量による燃料電池１００の電力をワット（Ｗ）単位で入力を受ける。また、スイッチ制御部６１０は燃料電池１００の電圧（ｖｏｌｔａｇｅ）を測定し、抵抗を用いて電力に換算する。その他にも最終的に電力を算出することができれば他の測定単位を用いることも可能である。
【００９５】
スイッチ制御部６１０は、燃料電池１００の出力と負荷６２０が必要とする要求電力とを比較する。燃料電池１００の出力が要求電力より小さい場合には水素発生量が増加するようにスイッチ５３０のオン/オフ時間を可変させ、燃料電池１００の出力が要求電力より大きい場合には水素発生量が減少するようにスイッチ５３０のオン/オフ時間を可変させる。また、燃料電池１００の出力が要求電力との一定誤差範囲以内にあると現在の水素発生量を維持することにする。これはスイッチ制御部６１０がスイッチ５３０のオン/オフ時間を制御するようにするスイッチ制御信号によると仮定する。
【００９６】
図７は本発明のさらに他の実施例による水素発生装置２００の制御部２４０及びそれに結合された燃料電池と負荷を含む燃料電池発電システムの概略的な構成図である。
【００９７】
制御部２４０はスイッチ制御部７１０及びスイッチ５３０を含む。ここで、スイッチ５３０は前述した図５の説明と同様な機能を果たすので詳細な説明は省略する。
【００９８】
図７に示す燃料電池発電システムは、図６の燃料電池発電システムに比して充電池７００をさらに備える。燃料電池１００は応答性が遅いため、負荷６２０からピーク電力（ｐｅａｋ ｐｏｗｅｒ）が要求される場合瞬間的に対処することができない。よって、充電池７００に電力を予め充電しておくことによりピーク電力に対処できるようになる。
【００９９】
スイッチ制御部７１０は充電池７００の電圧を測定しながら充電池７００が完全に充電されるまで水素を引続き生成し、燃料電池１００は電圧を引続き供給するようにする。
【０１００】
そして、負荷６２０からの要求電力に応じて充電池７００に充電されている電圧を提供し、これにより充電池７００の電圧が低くなると再び水素発生装置２００が水素を生成するようにする。
【０１０１】
すなわち、スイッチ制御部７１０は充電池７００の現在電圧と完充電圧とを比較する。完充電圧とは充電池７００が完全に充電された状態の電圧を意味する。現在電圧が完充電圧より小さい場合には水素発生量が増加するようにスイッチ５３０のオン/オフ時間を可変させ、現在電圧が完充電圧より大きいかまたは同一である場合は水素発生が停止するようにスイッチ５３０のオン/オフ時間を可変させる。これはスイッチ制御部７１０がスイッチ５３０のオン/オフ時間を制御できるようにするスイッチ制御信号によると仮定する。
【０１０２】
ここで、充電池７００はスーパーキャパシタ（ｓｕｐｅｒ ｃａｐａｃｉｔｏｒ）または充電用小型バッテリであることができる。スーパーキャパシタはキャパシタの性能中の電気容量の性能を強化したものであり、電力を充電しながら必要により充電された電力を放出する。
【０１０３】
図８はスイッチをオンした場合の水素発生量を流量単位で示したグラフである。ここで、流量単位は分当たりの水素発生量ｍｌ/ｍｉｎである。
【０１０４】
スイッチ５３０を持続的にオンした場合、初期には反応速度が速くなり温度の上昇と共に１００ｍｌ/ｍｉｎまで急激に水素発生量が増加する。その以後、電解質水溶液内の水と第１電極２２０を成す金属の減少などにより水素発生量が急激に減少する。
【０１０５】
この場合、水素発生量の調節が困難であるため、スイッチ５３０を持続的にオンすることではなく、スイッチ制御部５２０、６１０、７１０が所定のデューティ比（ｄｕｔｙ ｒａｔｉｏ）及び/または、所定のオン/オフ周波数（ｏｎ/ｏｆｆ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）を有するようにスイッチ５３０のオン/オフを制御して水素発生量を所望する流量に調節する。これに対しては以下の図面を参照して詳しく説明する。
【０１０６】
図９は本発明の一実施例による水素発生装置のスイッチのオン/オフ周波数の第１例であり、図１０は本発明の一実施例による水素発生装置のスイッチのオン/オフ周波数の第２例であり、図１１はスイッチのオン/オフ周波数が制御される場合の時間に対する水素発生量の関係を示すグラフである。以下でスイッチ５３０は、入力されるスイッチ制御信号の大きさがＭである場合、すなわち、ハイ（ｈｉｇｈ）である場合にオン（ｏｎ）になり、スイッチ制御信号の大きさが０である場合、すなわち、ロウ（ｌｏｗ）である場合にオフ（ｏｆｆ）になると仮定する。
【０１０７】
図９を参照すると、スイッチ５３０に入力されるスイッチ制御信号は、周期がＴであり、５０％のデューティ比を有する。すなわち、スイッチ５３０に入力されるスイッチ制御信号は１/２Ｔの間にはハイ信号、１/２Ｔの間にはロウ信号になる。
【０１０８】
また、図１０を参照すると、スイッチ５３０から入力されるスイッチ制御信号は、周期が１/４Ｔであり、５０％のデューティ比を有する。すなわち、スイッチ５３０に入力されるスイッチ制御信号は１/８Ｔの間にはハイ信号、１/８Ｔの間にはロウ信号になる。
【０１０９】
スイッチ５３０に入力されるスイッチ制御信号は、所定のデューティ比（図９及び１０では５０％）を有し、一周期内で同一時間の間にスイッチ５３０がオン/オフされるようにする。
【０１１０】
図１１は、２Ｗの電力を要する燃料電池に必要な水素発生量４２ｍｌ/ｍｉｎを有するようにスイッチのデューティ比が調整された場合のオン/オフ周波数に応ずる水素発生量の微細変動（ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎ）を示している。水素発生装置２００の温度は参照番号１１１０のように持続的に増加するが、８０℃以下である。
【０１１１】
水素発生量１１２０は略４２ｍｌ/ｍｉｎに近接している。図９に示されているようにオン/オフ周波数が相対的に小さい場合、すなわち、周期が大きい場合には微細変動が激しく現れ（１１４０参照）、図１０に示されているようにオン/オフ周波数が相対的に大きい場合、すなわち、周期が小さい場合には微細変動が弱く現れる（１１５０参照）ことが分かる。
【０１１２】
よって、同じデューティ比を有する場合にはスイッチ制御信号のオン/オフ周波数を相対的に大きくする方が微細変動を小さく発生させ、所望する水素発生量を維持できることが確認できる。
【０１１３】
図１２は本発明の一実施例による水素発生装置におけるスイッチのデューティ比の第１例であり、図１３は本発明の一実施例による水素発生装置におけるスイッチのデューティ比の第２例であり、図１４はスイッチのデューティ比が制御される場合の時間に対する水素発生量の関係を示すグラフである。
【０１１４】
図１２を参照すると、スイッチ制御信号は周期がＴであり、７５％のデューティ比を有する。すなわち、スイッチ制御信号は３/４Ｔの間にはハイ信号で、１/４Ｔの間にはロウ信号になる。
【０１１５】
これに反して、図１３を参照すると、スイッチ制御信号は、周期が図１２の信号と同じくＴであり、２５％のデューティ比を有する。すなわち、スイッチ制御信号は１/４Ｔの間にはハイ信号で、３/４Ｔの間にはロウ信号になる。
【０１１６】
このようにスイッチ５３０に入力されるスイッチ制御信号のデューティ比を調節すれば水素発生装置２００から発生する一定時間当たりの水素発生量を調節することができるようになる。
【０１１７】
図１４を参照すると、最初には自然に水素発生量が増加するようにし（１４２０参照）、以後スイッチ制御部５２０がスイッチ５３０のオン/オフを制御して所望する水素発生量を４２ｍｌ/ｍｉｎ（１４２１参照）、１０ｍｌ/ｍｉｎ（１４２２参照）、４２ｍｌ/ｍｉｎ（１４２３参照）、２０ｍｌ/ｍｉｎ（１４２４参照）、３０ｍｌ/ｍｉｎ（１４２５参照）の順に調節している。
【０１１８】
水素発生量を４２ｍｌ/ｍｉｎ（１４２１参照）から１０ｍｌ/ｍｉｎ（１４２２参照）に調節する場合には、一周期内のスイッチ制御信号のオフ時間の比率を増加、すなわち、デューティ比を漸進的に減少させる。そして、流量測定器５１０から測定された水素発生量が所望する水素発生量の１０ｍｌ/ｍｉｎになった時点のデューティ比を持続的に維持することにより水素発生量を１０ｍｌ/ｍｉｎに維持させる。
【０１１９】
また、水素発生量を１０ｍｌ/ｍｉｎ（１４２２参照）から４２ｍｌ/ｍｉｎ（１４２３参照）に調節する場合には、一周期内のスイッチ制御信号のオン時間の比率を増加、すなわち、デューティ比を漸進的に増加させる。そして、流量測定器５１０から測定された水素発生量が所望する水素発生量の４２ｍｌ/ｍｉｎになった時点のデューティ比を持続的に維持することにより水素発生量を４２ｍｌ/ｍｉｎに維持させる。
【０１２０】
前述したデューティ比の調節を反復的に行うことによりスイッチ制御部５２０は変化する設定値に対応して水素発生量を調節することができる。
【０１２１】
また、図９ないし図１１より説明したように、所定の水素発生量を維持する場合にスイッチ５３０のオン/オフ周波数を変更することにより水素発生量の微細変動を調節することも可能である。
【０１２２】
また、図８、１１、１４において流量単位で測定した水素発生量は、図６または図７の水素発生装置２００においては燃料電池１００の出力、すなわち、電力または電圧であることもできる。例えば、図８、１１、１４において、４２ｍｌ/ｍｉｎは燃料電池１００の運転条件に応じて２Ｗに対応されることができる。
【０１２３】
すなわち、前より測定した水素発生量は、図６または図７に示されているスイッチ制御部６１０、７１０から測定した燃料電池の出力、すなわち、電力または電圧に対応され、スイッチのオン/オフ制御により制御しようとする水素発生量は、制御しようとする燃料電池の出力、すなわち、電力または電圧に対応される。
【０１２４】
本発明の実施例による水素発生装置のスイッチは金属酸化膜半導体（ｍｅｔａｌ−ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ、ＭＯＳ）トランジスタからなることができる。
【０１２５】
また、本発明の実施例による水素発生装置のスイッチ制御部は燃料電池の電力回路を共に使用し、燃料電池発電システムの制御部に含まれることができる。すなわち、燃料電池発電システムの制御部にスイッチ制御部が含まれることによりワンチップ（ｏｎｅ ｃｈｉｐ）化が可能になる。
【０１２６】
また、本発明の水素発生装置は燃料電池と連結され燃料電池発電システムを構成することができる。燃料電池発電システムは、水素発生量の調節が可能な水素発生装置と、水素発生装置から水素の供給を受けて電気を発生させる燃料電池とを備える。
【０１２７】
図１５は本発明の一実施例による水素発生装置において、水素発生量を調節する方法のフローチャートである。ここで、水素発生装置は図５に示されている。
【０１２８】
先ず、段階Ｓ１５００で、水素発生装置２００のスイッチ制御部５２０はスイッチ５３０をオンして水素発生量が臨界値以上の流量を有するように水素を発生する。
【０１２９】
段階Ｓ１５１０で、流量測定器５１０は水素発生量を測定し、段階Ｓ１５２０で、スイッチ制御部５２０は流量測定器５１０から測定した水素発生量と入力された設定値とを比較する。ここで、入力される設定値は、段階Ｓ１５２０ａのように一つの設定値であるか、または段階Ｓ１５２０ｂのように所定の間隔を有する上限設定値と下限設定値であることができる。
【０１３０】
スイッチ制御部５２０は設定値に応じてスイッチ５３０のオン/オフを制御するためのスイッチ制御信号を生成しスイッチ５３０に印加する。
【０１３１】
段階Ｓ１５２０ａで、一つの設定値が入力される場合、段階Ｓ１５３０ａで、水素発生量（Ａ）と設定値（Ｂ）とを比較する。水素発生量が設定値より小さい場合（Ａ＜Ｂ）には、段階Ｓ１５３２ａのようにスイッチ制御信号のデューティ比を増加させ、 水素発生量が設定値より大きい場合（Ａ＞Ｂ）には、段階Ｓ１５３４ａのようにスイッチ制御信号のデューティ比を減少させ、水素発生量が設定値と同一である場合（Ａ＝Ｂ）には、 段階Ｓ１５３６ａのようにスイッチ制御信号の現在デューティ比を維持する。
【０１３２】
段階Ｓ１５２０ｂで、上限設定値と下限設定値とが入力される場合、段階Ｓ１５３０ｂで、水素発生量（Ａ）と上限設定値（Ｂ１）及び下限設定値（Ｂ２）を比較する。水素発生量が下限設定値より小さい場合（Ａ＜Ｂ２）には、段階Ｓ１５３２ｂのようにスイッチ制御信号のデューティ比を増加させ、水素発生量が上限設定値より大きい場合（Ａ＞Ｂ１）には、段階Ｓ１５３４ｂのようにスイッチ制御信号のデューティ比を減少させ、水素発生量が上限設定値と下限設定値との間にある場合（Ｂ２≦Ａ≦Ｂ１）には、段階Ｓ１５３６ｂのようにスイッチ制御信号の現在デューティ比を維持する。
【０１３３】
段階Ｓ１５２０ないし段階Ｓ１５３６ａ、またはＳ１５３６ｂを反復することにより水素発生装置２００は入力された設定値に対応する量の水素を発生するようにできる。
【０１３４】
図１６は本発明の他の実施例による水素発生装置において、水素発生量を調節する方法のフローチャートである。ここで、水素発生装置は図６に示されている。
【０１３５】
先ず、段階Ｓ１６００で、水素発生装置２００のスイッチ制御部６１０はスイッチ５３０をオンして水素発生量が臨界値以上の流量を有するように水素を発生させる。
【０１３６】
段階Ｓ１６１０で、水素発生装置２００に連結されている燃料電池１００の出力を測定し、燃料電池１００に連結されている負荷６２０の要求電力の入力を受ける。ここで、燃料電池１００の出力は電力であるか電圧であることができ、電圧である場合ぬは抵抗を用いて電力を算出することができる。
【０１３７】
そして、段階１６２０で、燃料電池１００の電力（Ｃ）と負荷６２０の要求電力（Ｄ）とを比較する。
【０１３８】
比較結果、燃料電池１００の電力が要求電力より大きい場合（Ｃ＞Ｄ）には段階Ｓ１６３０で、スイッチ制御信号のデューティ比を減少させ、燃料電池１００の電力が要求電力より小さい場合（Ｃ＜Ｄ）には段階Ｓ１６３２で、スイッチ制御信号のデューティ比を増加させ、燃料電池１００の電力が要求電力と同一である場合（Ｃ＝Ｄ）には段階Ｓ１６３４で、スイッチ制御信号のデューティ比を維持する。ここで、同一であるか否かは燃料電池１００の電力が、要求電力を基準にして予め設定された一定誤差範囲内であるか否かを意味する。
【０１３９】
以後、段階Ｓ１６１０ないし段階Ｓ１６３０、Ｓ１６３２、またはＳ１６３４を反復することにより、水素発生装置２００は負荷の要求電力に対応する燃料電池の出力が出るように水素発生量を調節することができる。
【０１４０】
図１７は本発明のさらに他の実施例による水素発生装置において、水素発生量を調節する方法のフローチャートである。ここで、水素発生装置は図７に示されている。
【０１４１】
先ず、段階Ｓ１７００で、水素発生装置２００のスイッチ制御部７１０はスイッチ５３０をオンして水素発生量が臨界値以上の流量を有するように水素を発生させることにより燃料電池１００を動作させ、燃料電池１００と負荷６２０との間に連結されている充電池７００を充電する。
【０１４２】
段階Ｓ１７１０で、充電池７００に充電された電圧を測定し、段階１７２０で、充電池７００の完充電圧（Ｆ）と測定された現在電圧（Ｅ）とを比較する。
【０１４３】
比較結果、現在電圧が完充電圧より大きいかまたは同一である場合（Ｅ≧Ｆ）には、段階１７３０で、スイッチ制御信号のデューティ比を最小化（０％を含む）し充電池７００に電圧が充電されないようにし、現在の電圧が完充電圧より小さい場合（Ｅ＜Ｆ）には、段階１７３２で、スイッチ制御信号のデューティ比を増加させる。ここで、同一であるか否かは、現在電圧が完充電圧を基準にして予め設定された一定誤差範囲内であるか否かを意味する。
【０１４４】
以後、段階Ｓ１７１０ないし段階Ｓ１７３０またはＳ１７３２を反復することにより、水素発生装置２００は充電池７００を完全充電して負荷６２０のピーク電力に対処できるように調節することができる。
【０１４５】
一方、前述した水素発生量の調節方法のうち、段階Ｓ１５２０ないし段階Ｓ１５３６ａまたはＳ１５３６ｂ、あるいは、段階Ｓ１６２０ないし段階Ｓ１６３０、Ｓ１６３２またはＳ１６３４、あるいは、段階Ｓ１７２０ないしＳ１７３０またはＳ１７３２は、コンピュータプログラムで作成可能である。前記プログラムを構成するコード及びコードセグメントは当分野のコンピュータプログラマーにより容易に推論できる。また、前記プログラムはコンピュータが読める情報保存媒体（ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｒｅａｄａｂｌｅ ｍｅｄｉｕｍ）に保存され、コンピュータにより読まれ実行されることにより水素発生量の調節方法を具現する。前記情報保存媒体は磁気記録媒体、光記録媒体及びキャリアウェーブ媒体を含む。
【０１４６】
以上で本発明の好ましい実施例を参照して説明したが、当該技術分野の通常の知識を持った者であれば、本発明の特許請求の範囲に記載された本発明の思想及び領域から脱しない範囲内で本発明を多様に修正及び変更させることができることを理解できよう。
【図面の簡単な説明】
【０１４７】
【図１】燃料電池の作動原理を示す図である。
【図２】本発明の一実施例による水素発生装置の概略的な断面図である。
【図３】携帯電話の電力消耗量を示すグラフである。
【図４】本発明の一実施例による水素発生装置において、第１電極と第２電極との間に流れる電流量と発生される水素量との関係を示すグラフである。
【図５】本発明の一実施例による水素発生装置における制御部の概略的な構成図である。
【図６】本発明の他の実施例による水素発生装置の制御部及びそれに結合された燃料電池と負荷とを備える燃料電池発電システムの概略的な構成図である。
【図７】本発明のさらに他の実施例による水素発生装置の制御部及びそれに結合された燃料電池と負荷とを備える燃料電池発電システムの概略的な構成図である。
【図８】スイッチをオンした場合の水素発生量を流量単位で示したグラフである。
【図９】本発明の一実施例による水素発生装置のスイッチのオン/オフ周波数の第１例である。
【図１０】本発明の一実施例による水素発生装置のスイッチのオン/オフ周波数の第２例である。
【図１１】スイッチのオン/オフ周波数が制御される場合の時間に対する水素発生量の関係を示すグラフである。
【図１２】本発明の一実施例による水素発生装置のスイッチのデューティ比の第１例である。
【図１３】本発明の一実施例による水素発生装置のスイッチのデューティ比の第２例である。
【図１４】スイッチのデューティ比が制御される場合の時間に対する水素発生量の関係を示すグラフである。
【図１５】本発明の一実施例による水素発生装置において水素発生量を調節する方法のフローチャートである。
【図１６】本発明の他の実施例による水素発生装置において水素発生量を調節する方法のフローチャートである。
【図１７】本発明のさらに他の実施例による水素発生装置において水素発生量を調節する方法のフローチャートである。
【符号の説明】
【０１４８】
１００ 燃料電池
１１０ 燃料極
１２０ 膜
１３０ 空気極
２００ 水素発生装置
２１０ 電解槽
２１５ 電解質水溶液
２２０ 第１電極
２３０ 第２電極
２４０ 制御部
５１０ 流量測定器
５２０、６１０、７１０ スイッチ制御部
５３０ スイッチ
６２０ 負荷
７００ 充電池
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質水溶液が入っている電解槽と、
前記電解槽内に位置し、前記電解質水溶液に浸され電子を発生する第１電極と、
前記電解槽内に位置し、前記電解質水溶液に浸され前記の電子を受けて水素を発生する第２電極と、
前記第１電極と前記第２電極との間に連結されているスイッチと、
前記第２電極からの水素発生量を測定する流量測定器と、
設定値が入力され、前記流量測定器から測定された前記水素発生量と前記設定値とを比較して前記スイッチのオンオフを制御するスイッチ制御部と
を備える水素発生装置。
【請求項２】
前記スイッチ制御部が、入力装置を用いて使用者からまたは前記水素発生装置に結合されている燃料電池から必要とする水素量に対応する前記設定値の入力を受けることを特徴とする請求項１に記載の水素発生装置。
【請求項３】
前記第１電極が、前記第２電極より相対的にイオン化傾向が大きい金属からなることを特徴とする請求項１に記載の水素発生装置。
【請求項４】
前記流量測定部が、前記水素発生量を流量（ｆｌｏｗｒａｔｅ）単位で測定することを特徴とする請求項１に記載の水素発生装置。
【請求項５】
前記スイッチ制御部は前記スイッチをオンオフするスイッチ制御信号を生成して出力し、
前記スイッチ制御部が、前記スイッチ制御信号のデューティ比（ｄｕｔｙ ｒａｔｉｏ）を変化させ一周期内での前記スイッチのオンオフの比率を決定することを特徴とする請求項１に記載の水素発生装置。
【請求項６】
前記スイッチ制御部が、前記スイッチ制御信号のオンオフ周波数を変化させ前記水素発生量の微細変動を制御することを特徴とする請求項５に記載の水素発生装置。
【請求項７】
前記スイッチ制御部が、前記設定値と測定された前記水素発生量とを比較して前記水素発生量が前記設定値より小さい場合には前記デューティ比を増加させ、前記水素発生量が前記設定値より大きい場合には前記デューティ比を減少させ、前記水素発生量が前記設定値と同一である場合は前記デューティ比を維持することを特徴とする請求項５に記載の水素発生装置。
【請求項８】
前記設定値が、上限設定値と下限設定値とを含み、
前記スイッチ制御部が、前記設定値と測定された前記水素発生量とを比較して前記水素発生量が前記下限設定値より小さい場合には前記デューティ比を増加させ、前記水素発生量が前記上限設定値より大きい場合には前記デューティ比を減少させ、前記水素発生量が前記下限設定値と前記上限設定値との間である場合は前記デューティ比を維持することを特徴とする請求項５に記載の水素発生装置。
【請求項９】
電極の間に連結されているスイッチのオンオフを制御して水素発生量を調節する水素発生装置と、
前記水素発生装置から生成された水素の供給を受けて前記水素の化学エネルギーを電気エネルギーに変換し直流電流を生産する燃料電池と、
前記電気エネルギーの供給を受けて、予め設定されている動作を行う負荷（ｌｏａｄ）と
を備える燃料電池発電システム。
【請求項１０】
前記水素発生装置が、
水素イオンを含む電解質水溶液が入っている電解槽と、
前記電解槽内に位置し、前記電解質水溶液に浸され電子を発生する第１電極と、
前記電解槽内に位置し、前記電解質水溶液に浸され前記電子を受けて水素を発生する第２電極と、
前記第１電極と前記第２電極との間に連結されているスイッチと、
前記負荷から要求電力の入力を受け、前記燃料電池の出力を測定し、前記要求電力と前記出力とを比較して前記スイッチのオンオフを制御するスイッチ制御部と
を備える請求項９に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１１】
前記第１電極が、前記第２電極より相対的にイオン化傾向が大きい金属からなることを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１２】
前記スイッチ制御部は前記スイッチをオンオフするスイッチ制御信号を生成して出力し、
前記スイッチ制御部が、前記スイッチ制御信号のデューティ比を変化させて一周期内での前記スイッチのオンオフの比率を決定することを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１３】
前記スイッチ制御部が、前記スイッチ制御信号のオンオフ周波数を変化させ前記水素発生量の微細変動を制御することを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１４】
前記スイッチ制御部が、前記要求電力と前記出力とを比較して、前記出力が前記要求電力より大きい場合には前記デューティ比を減少させ、前記出力が前記要求電力より小さい場合には前記デューティ比を増加させ、前記出力が前記要求電力と同一である場合は前記デューティ比を維持することを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１５】
前記燃料電池と前記負荷との間に結合され、前記燃料電池から前記電気エネルギーの供給を受けて充電し、前記負荷が必要とする場合には前記充電された前記電気エネルギーを提供する充電池をさらに備える請求項９に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１６】
前記水素発生装置が、
電解質水溶液が入っている電解槽と、
前記電解槽内に位置し、前記電解質水溶液に浸され電子を発生する第１電極と、
前記電解槽内に位置し、前記電解質水溶液に浸され前記電子を受けて水素を発生する第２電極と、
前記第１電極と前記第２電極との間に連結されているスイッチと、
前記充電池の現在電圧を測定し、前記充電池の完充電圧と比較して前記スイッチのオンオフを制御するスイッチ制御部と
を備える請求項１５に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１７】
前記第１電極が、前記第２電極より相対的にイオン化傾向が大きい金属からなることを特徴とする請求項１６に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１８】
前記スイッチ制御部は前記スイッチをオンオフするスイッチ制御信号を生成して出力し、
前記スイッチ制御部が、前記スイッチ制御信号のデューティ比を変化させて一周期内で前記スイッチのオンオフの比率を決定することを特徴とする請求項１６に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１９】
前記スイッチ制御部が、前記スイッチ制御信号のオンオフ周波数を変化させ前記水素発生量の微細変動を制御することを特徴とする請求項１８に記載の燃料電池発電システム。
【請求項２０】
前記スイッチ制御部が、前記現在電圧と前記完充電圧とを比較して前記現在電圧が前記完充電圧より小さい場合には前記デューティ比を増加させ、前記現在電圧が前記完充電圧より大きいかまたは同一である場合には前記デューティ比を最小化することを特徴とする請求項１８に記載の燃料電池発電システム。
【請求項２１】
電極の間に連結されているスイッチのオンオフを制御し水素発生量を調節する水素発生装置の水素発生量の調節方法において、
設定値が入力される段階と、
測定された水素発生量と前記設定値とを比較する段階と、
前記水素発生量が前記設定値より小さい場合にはスイッチ制御信号のデューティ比を増加させ、前記水素発生量が前記設定値より大きい場合には前記スイッチ制御信号のデューティ比を減少させ、前記水素発生量が前記設定値と同一である場合は前記スイッチ制御信号のデューティ比を維持する段階であって、ここで、前記スイッチ制御信号は前記デューティ比に応じて一週期内での前記スイッチのオンオフを制御する段階、と
を含む水素発生量の調節方法。
【請求項２２】
電極の間に連結されているスイッチのオンオフを制御し水素発生量を調節する水素発生装置の水素発生量の調節方法において、
上限設定値と下限設定値とが入力される段階と、
測定された水素発生量と前記上限設定値及び前記下限設定値とを比較する段階と、
前記水素発生量が前記下限設定値より小さい場合にはスイッチ制御信号のデューティ比を増加させ、前記水素発生量が前記上限設定値より大きい場合には前記スイッチ制御信号のデューティ比を減少させ、前記水素発生量が前記下限設定値と前記上限設定値との間にある場合は前記スイッチ制御信号のデューティ比を維持する段階であって、ここで、前記スイッチ制御信号は前記デューティ比に応じて一週期内での前記スイッチのオンオフを制御する段階、と
を含む水素発生量の調節方法。
【請求項２３】
負荷に電気エネルギーを提供する燃料電池に連結され、電極の間に位置しているスイッチのオンオフを制御して前記燃料電池に供給する水素発生量を調節する水素発生装置の水素発生量の調節方法において、
前記燃料電池の出力を測定し、前記負荷の要求電力が入力される段階と、
前記出力と前記要求電力とを比較する段階と、
前記出力が前記要求電力より大きい場合にはスイッチ制御信号のデューティ比を減少させ、前記出力が前記要求電力より小さい場合には前記スイッチ制御信号のデューティ比を増加させ、前記出力が前記要求電力と同一である場合は前記スイッチ制御信号のデューティ比を維持する段階であって、ここで、前記スイッチ制御信号は前記デューティ比に応じて一週期内での前記スイッチのオンオフを制御する段階、と
を含む水素発生量の調節方法。
【請求項２４】
充電池に電気エネルギーを充電する燃料電池に連結され、電極の間に連結されているスイッチのオンオフを制御し前記燃料電池に供給する水素発生量を調節する水素発生装置の水素発生量の調節方法において、
前記充電池の現在電圧を測定する段階と、
前記現在電圧と前記充電池の完充電圧とを比較する段階と、
前記現在電圧が前記完充電圧より小さい場合にはスイッチ制御信号のデューティ比を増加させ、その他の場合には前記スイッチ制御信号のデューティ比を最小化する段階であって、ここで、前記スイッチ制御信号は前記デューティ比に応じて一週期内での前記スイッチのオンオフを制御する段階、と
を含む水素発生量の調節方法。
【請求項１】
電解質水溶液が入っている電解槽と、
前記電解槽内に位置し、前記電解質水溶液に浸され電子を発生する第１電極と、
前記電解槽内に位置し、前記電解質水溶液に浸され前記の電子を受けて水素を発生する第２電極と、
前記第１電極と前記第２電極との間に連結されているスイッチと、
前記第２電極からの水素発生量を測定する流量測定器と、
設定値が入力され、前記流量測定器から測定された前記水素発生量と前記設定値とを比較して前記スイッチのオンオフを制御するスイッチ制御部と
を備える水素発生装置。
【請求項２】
前記スイッチ制御部が、入力装置を用いて使用者からまたは前記水素発生装置に結合されている燃料電池から必要とする水素量に対応する前記設定値の入力を受けることを特徴とする請求項１に記載の水素発生装置。
【請求項３】
前記第１電極が、前記第２電極より相対的にイオン化傾向が大きい金属からなることを特徴とする請求項１に記載の水素発生装置。
【請求項４】
前記流量測定部が、前記水素発生量を流量（ｆｌｏｗｒａｔｅ）単位で測定することを特徴とする請求項１に記載の水素発生装置。
【請求項５】
前記スイッチ制御部は前記スイッチをオンオフするスイッチ制御信号を生成して出力し、
前記スイッチ制御部が、前記スイッチ制御信号のデューティ比（ｄｕｔｙ ｒａｔｉｏ）を変化させ一周期内での前記スイッチのオンオフの比率を決定することを特徴とする請求項１に記載の水素発生装置。
【請求項６】
前記スイッチ制御部が、前記スイッチ制御信号のオンオフ周波数を変化させ前記水素発生量の微細変動を制御することを特徴とする請求項５に記載の水素発生装置。
【請求項７】
前記スイッチ制御部が、前記設定値と測定された前記水素発生量とを比較して前記水素発生量が前記設定値より小さい場合には前記デューティ比を増加させ、前記水素発生量が前記設定値より大きい場合には前記デューティ比を減少させ、前記水素発生量が前記設定値と同一である場合は前記デューティ比を維持することを特徴とする請求項５に記載の水素発生装置。
【請求項８】
前記設定値が、上限設定値と下限設定値とを含み、
前記スイッチ制御部が、前記設定値と測定された前記水素発生量とを比較して前記水素発生量が前記下限設定値より小さい場合には前記デューティ比を増加させ、前記水素発生量が前記上限設定値より大きい場合には前記デューティ比を減少させ、前記水素発生量が前記下限設定値と前記上限設定値との間である場合は前記デューティ比を維持することを特徴とする請求項５に記載の水素発生装置。
【請求項９】
電極の間に連結されているスイッチのオンオフを制御して水素発生量を調節する水素発生装置と、
前記水素発生装置から生成された水素の供給を受けて前記水素の化学エネルギーを電気エネルギーに変換し直流電流を生産する燃料電池と、
前記電気エネルギーの供給を受けて、予め設定されている動作を行う負荷（ｌｏａｄ）と
を備える燃料電池発電システム。
【請求項１０】
前記水素発生装置が、
水素イオンを含む電解質水溶液が入っている電解槽と、
前記電解槽内に位置し、前記電解質水溶液に浸され電子を発生する第１電極と、
前記電解槽内に位置し、前記電解質水溶液に浸され前記電子を受けて水素を発生する第２電極と、
前記第１電極と前記第２電極との間に連結されているスイッチと、
前記負荷から要求電力の入力を受け、前記燃料電池の出力を測定し、前記要求電力と前記出力とを比較して前記スイッチのオンオフを制御するスイッチ制御部と
を備える請求項９に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１１】
前記第１電極が、前記第２電極より相対的にイオン化傾向が大きい金属からなることを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１２】
前記スイッチ制御部は前記スイッチをオンオフするスイッチ制御信号を生成して出力し、
前記スイッチ制御部が、前記スイッチ制御信号のデューティ比を変化させて一周期内での前記スイッチのオンオフの比率を決定することを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１３】
前記スイッチ制御部が、前記スイッチ制御信号のオンオフ周波数を変化させ前記水素発生量の微細変動を制御することを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１４】
前記スイッチ制御部が、前記要求電力と前記出力とを比較して、前記出力が前記要求電力より大きい場合には前記デューティ比を減少させ、前記出力が前記要求電力より小さい場合には前記デューティ比を増加させ、前記出力が前記要求電力と同一である場合は前記デューティ比を維持することを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１５】
前記燃料電池と前記負荷との間に結合され、前記燃料電池から前記電気エネルギーの供給を受けて充電し、前記負荷が必要とする場合には前記充電された前記電気エネルギーを提供する充電池をさらに備える請求項９に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１６】
前記水素発生装置が、
電解質水溶液が入っている電解槽と、
前記電解槽内に位置し、前記電解質水溶液に浸され電子を発生する第１電極と、
前記電解槽内に位置し、前記電解質水溶液に浸され前記電子を受けて水素を発生する第２電極と、
前記第１電極と前記第２電極との間に連結されているスイッチと、
前記充電池の現在電圧を測定し、前記充電池の完充電圧と比較して前記スイッチのオンオフを制御するスイッチ制御部と
を備える請求項１５に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１７】
前記第１電極が、前記第２電極より相対的にイオン化傾向が大きい金属からなることを特徴とする請求項１６に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１８】
前記スイッチ制御部は前記スイッチをオンオフするスイッチ制御信号を生成して出力し、
前記スイッチ制御部が、前記スイッチ制御信号のデューティ比を変化させて一周期内で前記スイッチのオンオフの比率を決定することを特徴とする請求項１６に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１９】
前記スイッチ制御部が、前記スイッチ制御信号のオンオフ周波数を変化させ前記水素発生量の微細変動を制御することを特徴とする請求項１８に記載の燃料電池発電システム。
【請求項２０】
前記スイッチ制御部が、前記現在電圧と前記完充電圧とを比較して前記現在電圧が前記完充電圧より小さい場合には前記デューティ比を増加させ、前記現在電圧が前記完充電圧より大きいかまたは同一である場合には前記デューティ比を最小化することを特徴とする請求項１８に記載の燃料電池発電システム。
【請求項２１】
電極の間に連結されているスイッチのオンオフを制御し水素発生量を調節する水素発生装置の水素発生量の調節方法において、
設定値が入力される段階と、
測定された水素発生量と前記設定値とを比較する段階と、
前記水素発生量が前記設定値より小さい場合にはスイッチ制御信号のデューティ比を増加させ、前記水素発生量が前記設定値より大きい場合には前記スイッチ制御信号のデューティ比を減少させ、前記水素発生量が前記設定値と同一である場合は前記スイッチ制御信号のデューティ比を維持する段階であって、ここで、前記スイッチ制御信号は前記デューティ比に応じて一週期内での前記スイッチのオンオフを制御する段階、と
を含む水素発生量の調節方法。
【請求項２２】
電極の間に連結されているスイッチのオンオフを制御し水素発生量を調節する水素発生装置の水素発生量の調節方法において、
上限設定値と下限設定値とが入力される段階と、
測定された水素発生量と前記上限設定値及び前記下限設定値とを比較する段階と、
前記水素発生量が前記下限設定値より小さい場合にはスイッチ制御信号のデューティ比を増加させ、前記水素発生量が前記上限設定値より大きい場合には前記スイッチ制御信号のデューティ比を減少させ、前記水素発生量が前記下限設定値と前記上限設定値との間にある場合は前記スイッチ制御信号のデューティ比を維持する段階であって、ここで、前記スイッチ制御信号は前記デューティ比に応じて一週期内での前記スイッチのオンオフを制御する段階、と
を含む水素発生量の調節方法。
【請求項２３】
負荷に電気エネルギーを提供する燃料電池に連結され、電極の間に位置しているスイッチのオンオフを制御して前記燃料電池に供給する水素発生量を調節する水素発生装置の水素発生量の調節方法において、
前記燃料電池の出力を測定し、前記負荷の要求電力が入力される段階と、
前記出力と前記要求電力とを比較する段階と、
前記出力が前記要求電力より大きい場合にはスイッチ制御信号のデューティ比を減少させ、前記出力が前記要求電力より小さい場合には前記スイッチ制御信号のデューティ比を増加させ、前記出力が前記要求電力と同一である場合は前記スイッチ制御信号のデューティ比を維持する段階であって、ここで、前記スイッチ制御信号は前記デューティ比に応じて一週期内での前記スイッチのオンオフを制御する段階、と
を含む水素発生量の調節方法。
【請求項２４】
充電池に電気エネルギーを充電する燃料電池に連結され、電極の間に連結されているスイッチのオンオフを制御し前記燃料電池に供給する水素発生量を調節する水素発生装置の水素発生量の調節方法において、
前記充電池の現在電圧を測定する段階と、
前記現在電圧と前記充電池の完充電圧とを比較する段階と、
前記現在電圧が前記完充電圧より小さい場合にはスイッチ制御信号のデューティ比を増加させ、その他の場合には前記スイッチ制御信号のデューティ比を最小化する段階であって、ここで、前記スイッチ制御信号は前記デューティ比に応じて一週期内での前記スイッチのオンオフを制御する段階、と
を含む水素発生量の調節方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【公開番号】特開２００８−２０２１４２（Ｐ２００８−２０２１４２Ａ）
【公開日】平成２０年９月４日（２００８．９．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−３２２６４１（Ｐ２００７−３２２６４１）
【出願日】平成１９年１２月１３日（２００７．１２．１３）
【出願人】（５９４０２３７２２）サムソン エレクトロ−メカニックス カンパニーリミテッド． (1,585)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年９月４日（２００８．９．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１２月１３日（２００７．１２．１３）
【出願人】（５９４０２３７２２）サムソン エレクトロ−メカニックス カンパニーリミテッド． (1,585)
【Ｆターム（参考）】
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