燃料電池システム
【課題】燃料電池へ供給される燃料ガスのできるだけすべてを発電のために用いて、外部に排出させないようにして安全性を高めることができ、かつ、構成も簡素化することが可能な燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料供給部から供給される水素ガスにより発電する複数の単位セルにより構成される燃料電池２０と、この燃料電池２０の出力電圧ＶFCを所定の電圧値に変換して出力するコンバータ３１と、出力電圧ＶFCが予め設定された設定電圧Ｖrefとなるように制御を行う電圧制御部４１と、を備え、電圧制御部４１は、複数の単位セルＣ個々のセル電圧ＶCを検出する電圧検出部４１ａと、個々のセル電圧ＶCの最大電圧もしくは平均電圧と、最小電圧との差電圧を演算する差電圧演算部４１ｂと、差電圧が予め設定した設定差電圧以上となった場合に、設定電圧を第１所定値上げる設定電圧変更部４１ｃと、を備えている。
【解決手段】燃料供給部から供給される水素ガスにより発電する複数の単位セルにより構成される燃料電池２０と、この燃料電池２０の出力電圧ＶFCを所定の電圧値に変換して出力するコンバータ３１と、出力電圧ＶFCが予め設定された設定電圧Ｖrefとなるように制御を行う電圧制御部４１と、を備え、電圧制御部４１は、複数の単位セルＣ個々のセル電圧ＶCを検出する電圧検出部４１ａと、個々のセル電圧ＶCの最大電圧もしくは平均電圧と、最小電圧との差電圧を演算する差電圧演算部４１ｂと、差電圧が予め設定した設定差電圧以上となった場合に、設定電圧を第１所定値上げる設定電圧変更部４１ｃと、を備えている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料供給部から供給される燃料ガスにより発電する複数の単位セルにより構成される燃料電池と、この燃料電池の出力電圧を所定の電圧値に変換して出力する直流電圧変換回路と、出力電圧が予め設定された設定電圧となるように制御を行う電圧制御部と、を備えた燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、従来から日常的に使用されている乾電池などの一次電池や、リチウム電池などの二次電池とは異なり、水素ガス等の燃料（還元ガス）と、酸素等の酸化ガスを供給し続けることで継続的に電力を取り出すことができる。燃料電池は、理論的に発電の効率が高いという点や、二酸化炭素を発生しない反応によって発電し、環境にもやさしいという点から近年において大きく注目されており、日々改良が進められている。
【０００３】
また、システム規模の大小にあまり影響されないため、ノートパソコン、携帯電話などの携帯機器から、自動車、鉄道、民生用・産業用コジェネレーションなどの多岐にわたって未来のエネルギー源として大きく期待されている。
【０００４】
燃料電池による発電を行うためには、水素ガス等の燃料を供給し続ける必要があるが、効率よく発電を行うためには供給される水素ガス等の燃料が全て燃料電池の発電のために用いられ、外部に排出しないようなシステムが望まれる。また、安全性の面からも外部に水素ガス等を排出しないようにする必要がある。
【０００５】
かかるシステムとして、下記特許文献１に開示される燃料電池システムの出力制御装置がある。この装置は、燃料電池と、この燃料電池からの出力電圧を昇圧もしくは降圧する電力制御手段と、燃料電池の出力電圧を一定値に固定する機能、この固定を解除する機能を有する固定制御手段と、を有している。
【０００６】
これにより、発電された電力を最適に負荷系に供給して十分な運転性能を引き出そうとするものである。ただし、燃料電池スタックでの反応に使用されずに残った排水素は、改質器内の排水素燃焼器に戻されるようになっている。したがって、燃料電池に供給される水素ガスは、燃料電池の発電のために全て使用されないことが前提となっている。また、使用されない水素ガスを外部に排出させないようにするには、これを戻すための経路を別途設ける必要があり、構成が複雑化するとともに、特に携帯機器の充電用に用いる場合、小型化を実現する上での障害にもなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第３８４３６８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、その課題は、燃料電池へ供給される燃料ガスのできるだけすべてを発電のために用いて、外部に排出させないようにして安全性を高めることができ、かつ、構成も簡素化することが可能な燃料電池システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため本発明に係る燃料電池システムは、
燃料供給部から供給される燃料ガスにより発電する複数の単位セルにより構成される燃料電池と、この燃料電池の出力電圧を所定の電圧値に変換して出力する直流電圧変換回路と、前記出力電圧が予め設定された設定電圧となるように制御を行う電圧制御部と、を備え、
前記電圧制御部は、
前記複数の単位セル個々のセル電圧を検出する電圧検出部と、
検出された個々のセル電圧の偏り度合いを検出する偏り度合い検出部と、
検出された前記偏り度合いが予め設定した設定レベル以上となった場合に、前記設定電圧を第１所定値上げる設定電圧変更部と、を備えていることを特徴とするものである。
【００１０】
この構成による燃料電池システムの作用・効果を説明する。燃料供給部は、燃料電池へ供給する燃料ガスを発生する機能を有する。燃料供給部としては、例えば、水素化カルシウム、水素化リチウム等の燃料発生剤を収容する第１収容部と、水等の反応液を収容する第２収容部を備えたものがあげられる。上記反応液を燃料発生剤と反応させることで、燃料ガスである水素ガスが発生する。燃料電池は、燃料ガスが供給されることで発電し、その出力電圧は直流電圧変換回路により所定の電圧に変換（昇圧あるいは降圧）される。燃料電池は、複数の単位セルにより構成され、これらを電気的に接続することで、所望の出力電圧を得ることができる。
【００１１】
また、燃料電池の出力電圧が予め設定された設定電圧となるように電圧制御部による制御がおこなわれる。ここで、上記設定電圧は次のように設定される。燃料電池は、複数の単位セルにより構成されており、例えば、それらが直列接続される。電圧検出部は、それら単位セルのセル電圧を個々に検出する。そして、個々に検出したセル電圧の偏り度合いを検出する。仮に燃料ガスがすべての単位セルに均等に供給されていれば、すべての単位セルのセル電圧は同じになるはずであるが、実際には単位セルのばらつきや、配置の違い等の要因により等しくはならない。従って、その偏り度合いが予め設定した設定レベル以上になると、特定の単位セルにおいて燃料ガス不足が生じていると考えられる。燃料電池へ供給される燃料ガスのできるだけすべてを発電のために用いるためには、特定の単位セルへの燃料ガス不足が生じないようにする必要がある。また、燃料ガス不足のまま発電を続けていると、膜／電極接合体（ＭＥＡ）が損傷しやすくなるという問題も生じる。
【００１２】
そこで、偏り度合いが設定レベル以上になった場合は、燃料電池の設定電圧を第１所定値上げるように制御を行う。ここで燃料電池の出力電圧とは、例えば、複数の単位セルを直列接続した場合、夫々の単位セルのセル電圧を加算した合成電圧となる。上記設定電圧をあげるということは、燃料電池のＩＶ特性（図５参照）からもわかるように、全体的に、燃料ガスを使用しない方向に動作する。従って、特定の単位セルにおける燃料ガス不足の状態を解消する方向に動作させることができる。燃料電池へ供給される燃料ガスのできるだけすべてを発電のために用いて、外部に排出させないようにして安全性を高めることができる。また、上記制御は、例えば、マイコンを用いてプログラムで構成することができ、構成も簡素化することが可能になる。
【００１３】
本発明において、前記偏り度合いは、前記個々のセル電圧のうち１以上のセル電圧から設定される比較対象電圧と、基準電圧との差電圧であることが好ましい。
【００１４】
偏り度合いについては、種々の求め方があるが、個々のセル電圧のうち１以上のセル電圧から設定される比較対象電圧と、基準電圧との差電圧を演算することで、求めることができる。この差電圧が、予め設定した設定差電圧（前述の偏り度合いの設定レベルに相当）よりも大きくなると、特定の単位セルにおいて燃料ガス不足が生じていると判断することができる。
【００１５】
個々のセル電圧のうち１以上のセル電圧から設定される比較対象電圧として、例えば、前記個々のセル電圧のうちの最大電圧を用いることができる。例えば、前記個々のセル電圧の平均電圧を用いることができる。
【００１６】
さらに、基準電圧として、例えば、前記個々のセル電圧のうちの最小電圧を用いることができる。例えば、予め設定された固定電圧を用いることができる。
【００１７】
従って、偏り度合いとしては、種々の変形例が考えられる。例えば、個々のセル電圧のうちの最大電圧と最小電圧の差電圧を用いることができる。この差電圧が大きくなるほど、特定の単位セルにおいて燃料ガス不足が生じていると考えられる。偏り度合いとしては、平均電圧と最小電圧の差電圧を用いてもよい。この場合も、差電圧が大きくなるほど、特定の単位セルにおいて燃料ガス不足が生じていると考えられる。
【００１８】
なお、差電圧を求める場合に最小電圧ではなく、予め設定された固定電圧を用いても、同じような傾向が得られる。
【００１９】
本発明において、前記電圧制御部は、前記設定電圧変更部により設定電圧を変更した場合、変更後、少なくとも第１所定時間は設定電圧の変更を行わないことが好ましい。
【００２０】
設定電圧を変更した場合、応答性も考慮して、しばらくは設定電圧を変更しないことが好ましい。従って、第１所定時間が少なくとも経過するまでは、設定電圧の再変更は行わないようにし、これにより、安定した制御を保証することができる。
【００２１】
本発明において、前記設定電圧変更部は、少なくとも第２所定時間、設定電圧の変更を行っていない場合、前記設定電圧を第２所定値下げるように制御することが好ましい。
【００２２】
設定電圧の変更を少なくとも第２所定時間行っていないということは、この間は、十分に燃料ガスが各単位セルに供給されているものと推定することができる。そこで、かかる場合、設定電圧を第２所定値下げるように制御を行い、燃料ガスをより消費できる方向に動作させる。これにより、燃料ガスが不用意に外部に排出してしまうことを抑制し、安全性を更に高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】燃料電池システムの構成を示す概念図
【図２】本発明の燃料電池の一例を示す図
【図３】図２に示す燃料電池の断面図
【図４】燃料電池システムの回路図の構成を示す図
【図５】燃料電池の出力電流−出力電圧特性（ＩＶ特性）を示す図
【図６】電流一定制御の実験結果を示す図
【図７】電流一定制御の実験結果を示す図
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本発明に係る燃料電池システムの好適な実施形態を図面を用いて説明する。図１は、燃料電池システムの構成を示す概念図である。
【００２５】
＜燃料電池システムの概要＞
図１に示すように、燃料電池システムは、燃料ガスである水素ガスを発生させて燃料電池２０へ供給する燃料発生部１０と、この燃料発生部１０から供給される水素ガスにより発電して電気出力を行う燃料電池２０と、この燃料電池２０の出力電圧を所定の電圧に変換して出力する回路部３０を有する。回路部３０の出力コネクタ３２（図４参照）は、図１に図示するように、例えば、携帯電話５０の電源コネクタ５１に接続される。
【００２６】
携帯電話５０は、充電回路５２を介してリチウムイオン二次電池５３等を充電する構成になっており、電源コネクタ５１を介して、回路部３０の出力コネクタからの電力が携帯電話５０に供給される。
【００２７】
本発明に係る燃料電池システムにより供給される電力は、好適には二次電池を充電するために利用することができ、各種二次電池や大容量のキャパシタ等への充電電力として供給される。例えば、上記リチウムイオン二次電池の他、ニッケルカドミウム二次電池、ニッケル水素二次電池等の二次電池の充電用として本システムを用いることができる。
【００２８】
なお、充電機器としては、上記の携帯電話５０に限定されるものではなく、種々の携帯機器やノートパソコン等に対しても用いることができる。
【００２９】
本発明における燃料発生部１０は、例えば、水素発生剤や水素吸蔵合金を用いた構成が採用されるが、水素を収容する圧力容器などを用いてもよく、メタノール改質型の水素ガス供給手段を用いてもよい。
【００３０】
携帯機器への充電用として用いる場合、水素発生剤を用いた燃料発生部１０を用いるのが好ましい。例えば、図１に示すように、水等の反応液１４との反応により水素ガスを発生する水素発生剤１１を収容する反応容器１２と、反応液１４の供給部１３を備える。
【００３１】
反応液１４の供給部１３には、貯液部１５を有していてもよく、反応容器１２に直接、水などの反応液１４を供給できる構造にしてもよい。貯液部１５を設ける場合、注水口を設けて、水の消費量に応じて、水を追加供給できるようにしてもよい。貯液部１５には、繊維集合体や多孔質体を配置して、毛管現象によって所定の部分に水が保持されるようにしてもよい。反応液１４の供給部には、貯液部１５の反応液１４を輸送する圧送手段を有していてもよい。
【００３２】
水素ガス発生手段としては、水分（水又は水蒸気）との反応で水素ガスを発生させる水素発生剤１１などを反応容器１２内に備え、これにより燃料電池２０に水素ガスを供給することができる。水素発生剤１１の反応が加熱を要する場合、加熱手段が設けられる。
【００３３】
水素発生剤１１としては、水分と反応して水素を生成する金属粒子が好ましく、Ｆｅ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｓｉなどから選ばれる１種以上の金属の粒子や、これらが部分的に酸化された金属の粒子が挙げられる。また、酸化反応を促進するための金属触媒などを添加することで、より低温で水素ガスを発生させることができる。更に、ＭｇＨ2等の水素化金属を単独又は上記と併用して用いることも可能である。水素発生剤１１は、反応容器１２内に金属粒子のまま充填することも可能であるが、金属粒子を結着させた多孔質体を使用することもできる。
【００３４】
このような水素ガス発生手段によって、水素組成が略１００％（水分は除く）の水素ガスを発生させることができる。燃料発生部１０と燃料電池２０とは、水素供給管１６で連結されており、発生した水素ガス（Ｈ2）が燃料電池２０の単位セルのアノード側空間に供給される。
【００３５】
＜燃料電池の構成＞
本発明の燃料電池は、図２に示すように、複数の単位セルＣ１〜Ｃ４（以下、各単位セルを区別する必要がない場合は、単位セルＣと表記する。）を備え、いずれかの単位セルＣと他の単位セルＣの導電層同士を、接続部により電気的に接続している。本実施形態では、例えば、単位セルＣ１の第１導電層（第１金属層４）と、それに隣接する単位セルＣ２の第２導電層（第２金属層５）とを電気的に接続（直列接続）する例を示すが、本発明では、何れかの単位セルＣと他の単位セルＣとを並列接続することも可能である。その場合、何れかの単位セルＣと他の単位セルＣの第１導電層同士及び第２導電層同士が電気的に接続される。もちろん、並列接続と直列接続とを組み合わせることも可能である。
【００３６】
なお、接続する単位セルＣの数としては、要求される電圧又は電流に応じて、設定することが可能である。本実施形態では４つの単位セルＣ１〜Ｃ４を接続する例を示すが、単位セルＣは１つでもよく、５つ以上であってもよい。例えば、８つの単位セルを用いて、２個ずつペアで並列接続して４つのペアを作り、各ペアを直列接続することができる。この場合、４つの単位セルを直列接続する構成に対して、電圧は同じであるが電流量を２倍にすることができる。
【００３７】
本発明における各々の単位セルＣは、固体高分子電解質層１と、この固体高分子電解質層１の両側に設けられた第１電極層２及び第２電極層３と、これら電極層２，３の更に外側に各々配置された第１導電層及び第２導電層とを有する。本実施形態では、第１導電層及び第２導電層が、第１電極層２及び第２電極層３を部分的に露出させる露出部を有する第１金属層４及び第２金属層５とからなる例を示す。
【００３８】
なお、導電層の材質としては、金属、導電性高分子、導電性ゴム、導電性繊維、導電性ペースト、導電性塗料などが挙げられる。
【００３９】
固体高分子電解質層１としては、従来の固体高分子膜型の燃料電池に用いられるものであれば何れでもよいが、化学的安定性及び導電性の点から、超強酸であるスルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体からなる陽イオン交換膜が好適に用いられる。このような陽イオン交換膜としては、ナフィオン（登録商標）が好適に用いられる。その他、例えば、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素樹脂からなる多孔質膜に上記ナフィオンや他のイオン伝導性物質を含浸させたものや、ポリエチレンやポリプロピレン等のポリオレフィン樹脂からなる多孔質膜や不織布に上記ナフィオンや他のイオン伝導性物質を担持させたものでもよい。
【００４０】
固体高分子電解質層１の厚みは、薄くするほど全体の薄型化に有効であるが、イオン伝導機能、強度、ハンドリング性などを考慮すると、１０〜３００μｍが使用可能であるが、２５〜５０μｍが好ましい。
【００４１】
電極層２，３は、固体高分子電解質層１の表面付近でアノード側およびカソード側の電極反応を生じさせるものであれば何れでもよい。なかでも、ガス拡散層としての機能を発揮して、燃料ガス、燃料液、酸化ガス及び水蒸気の供給・排出を行なうと同時に、集電の機能を発揮するものが好適に使用できる。電極層２，３としては、同一又は異なるものが使用でき、その基材には電極触媒作用を有する触媒を担持させることが好ましい。触媒は、固体高分子電解質層１と接する内面側に少なくとも担持させるのが好ましい。
【００４２】
電極層２，３の電極基材としては、例えば、カーボンペーパー、カーボン繊維不織布などの繊維質カーボン、導電性高分子繊維の集合体などの電導性多孔質材が使用できる。また、固体高分子電解質層１に触媒を直接付着させたり、カーボンブラックなどの導電性粒子に担持させて固体高分子電解質層１に付着させた電極層２，３を用いることも可能である。
【００４３】
一般に、電極層２，３は、このような電導性多孔質材にフッ素樹脂等の撥水性物質を添加して作製されるものであって、触媒を担持させる場合、白金微粒子などの触媒とフッ素樹脂等の撥水性物質とを混合し、これに溶媒を混合して、ペースト状或いはインク状とした後、これを固体高分子電解質膜と対向すべき電極基材の片面に塗布して形成される。
【００４４】
一般に、電極層２，３や固体高分子電解質層１は、燃料電池に供給される還元ガスと酸化ガスに応じた設計がなされる。本発明では、酸化ガスとして空気が用いられると共に、還元ガスとして水素ガスを用いるのが好ましい。なお、還元ガスの代わりにメタノール等の燃料液を使用することも可能である。
【００４５】
例えば、水素ガスと空気を使用する場合、空気が自然供給される側のカソード側の第２電極層３（本明細書では、アノード側を第１電極層、カソード側を第２電極層と仮定する）では、酸素と水素イオンの反応が生じて水が生成するため、かかる電極反応に応じた設計をするのが好ましい。特に、低作動温度、高電流密度及び高ガス利用率の運転条件では、特に水が生成する空気極において水蒸気の凝縮による電極多孔体の閉塞（フラッディング）現象が起こりやすい。したがって、長期にわたって燃料電池の安定な特性を得るためには、フラッディング現象が起こらないように電極の撥水性を確保することが有効である。
【００４６】
触媒としては、白金、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、銀、ニッケル、鉄、銅、コバルト及びモリブデンから選ばれる少なくとも１種の金属か、又はその酸化物が使用でき、これらの触媒をカーボンブラック等に予め担持させたものも使用できる。
【００４７】
電極層２，３の厚みは、薄くするほど全体の薄型化に有効であるが、電極反応、強度、ハンドリング性などを考慮すると、１〜５００μｍが好ましく、１００〜３００μｍがより好ましい。電極層２，３と固体高分子電解質層１とは、予め接着、融着、又は塗布形成等を行って積層一体化しておいてもよいが、単に積層配置されているだけでもよい。このような積層体は、膜／電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）として入手することもでき、これを使用してもよい。
【００４８】
本発明では、第１電極層２及び第２電極層３の外形が固体高分子電解質層１の外形より小さいものでもよいが、第１電極層２及び第２電極層３の外形と固体高分子電解質層１の外形とが同じであることが好ましい。電極層の外形と固体高分子電解質層の外形とが同じであると、電極板と固体高分子電解質の積層体を打ち抜いて、固体高分子電解質・電極・接合体を製造することができ、量産効果により当該接合体のコストを低減することができる。また、電極層の外周より金属層の外周が内側に形成されていることで、電極層の外周及び固体高分子電解質層の外周をより確実に封止することができる。
【００４９】
アノード側電極層２の表面にはアノード側の第１金属層４が配置され、カソード側電極層３の表面にはカソード側の第２金属層５が配置される（本明細書では、アノード側を第１金属層、カソード側を第２金属層と仮定する）。第１金属層４は、第１電極層２を部分的に露出させる露出部を有するが、本実施形態では、アノード側金属層４には燃料ガス等を供給するための開孔４ａが設けられている例を示す。
【００５０】
第１金属層４の露出部は、アノード側電極層２が露出可能であれば、その個数、形状、大きさ、形成位置などは何れでもよい。アノード側金属層４の開孔４ａは、例えば、規則的又はランダムに複数の円孔やスリット等を設けたり、または金属メッシュによって開孔４ａを設けたり、第１金属層４を櫛形電極のような形状にしてアノード側電極層２を露出させてもよい。開孔４ａ部分の面積が締める割合（開孔率）は、電極との接触面積とガスの供給面積のバランスなどの観点から、１０〜５０％が好ましく、１５〜３０％がより好ましい。
【００５１】
また、カソード側の第２金属層５は、第２電極層３を部分的に露出させる露出部を有するが、本実施形態では、カソード側金属層５には、空気中の酸素を供給（自然吸気）するための多数の開孔５ａが設けられている例を示す。開孔５ａは、カソード側電極層３が露出可能であれば、その個数、形状、大きさ、形成位置などは何れでもよい。カソード側金属層５の開孔５ａは、例えば、規則的又はランダムに複数の円孔やスリット等を設けたり、または金属メッシュによって開孔５ａを設けたり、第２金属層５を櫛形電極のような形状にしてカソード側電極層３を露出させてもよい。開孔５ａ部分の面積が締める割合（開孔率）は、電極との接触面積とガスの供給面積のバランスなどの観点から、１０〜５０％が好ましく、１５〜３０％がより好ましい。
【００５２】
金属層４，５としては、電極反応に悪影響がないものであれば何れの金属も使用でき、例えばステンレス板、ニッケル、銅、銅合金などが挙げられる。但し、導電性、コスト、形状付与性、加圧のための強度などの観点から、銅、銅合金、ステンレス板などが好ましい。また、上記の金属に金メッキなどの金属メッキを施したものでもよい。
【００５３】
なお、金属層４，５の厚みは、薄くするほど全体の薄型化に有効であるが、導電性、コスト、重量、形状付与性、加圧のための強度などを考慮すると、１０〜１０００μｍが好ましく、５０〜２００μｍがより好ましい。
【００５４】
本発明では、電極層２，３と金属層４，５とを良好に樹脂で一体化する観点から、第１電極層２の外周より、第１金属層４の外周が内側に形成されていることが好ましく、第２電極層３の外周より、第２金属層５の外周が内側に形成されていることが好ましい。なお、第１電極層２の外周より、第１金属層４の外周が外側に形成されていてもよく、第２電極層３の外周より、第２金属層５の外周が外側に形成されていてもよい。
【００５５】
金属層４及び金属層５は、少なくとも一部が樹脂から露出することにより、その部分を電極として電気を外部に取り出すことができる。このため、樹脂成形体６に対して、金属層４及び金属層５を一部露出させた端子部を設けてもよいが、本発明では、直列接続の場合には、その両端の単位セルＣの金属層４又は金属層５が、単位セルＣの電極となる突出部４ｂ，５ｂを備え、これが樹脂成形体６から外部に出ていることが好ましい。この突出部４ｂ，５ｂは、インサート成形を行う際に、金属層４，５等（積層物Ｌ）を成形型内に保持するためにも利用できる。
【００５６】
金属層４及び金属層５の形成や開孔５ａ、４ａの形成は、プレス加工（プレス打ち抜き加工）を利用して行うことができる。また、金属層４及び金属層５の突出部４ｂ，５ｂには、樹脂の流動や密着性を良好にする目的で、インサート成形される部分に貫通孔を設けてもよい。更に、接続や固定を良好に行うために、突出部４ｂ，５ｂの露出した部分に貫通孔を設けてもよい。
【００５７】
次に、燃料電池２０の構成を説明する。図２は、本発明の燃料電池の一例を示す図であり、（ａ）は外観斜視図、（ｂ）は外観正面図、（ｃ）は金属板４，５の構成を示す斜視図である。図３は、図２に示す燃料電池の断面図である。
【００５８】
本発明の燃料電池は、図１に示すように、何れかの単位セルＣと他の単位セルＣの導電層同士を電気的に接続する接続部Ｊを備えているが、直列接続の場合、何れかの単位セルＣの第１導電層と他の単位セルＣの第２導電層とが電気的に接続される。本実施形態では、隣り合う前記単位セルＣの一方の第１導電層（金属層４）と、他方の第２導電層（金属層５）と、接続部Ｊとが、連続する金属板（一体化した単一の金属部品）からなる金属層で形成されている例を示す。
【００５９】
この実施形態では、各単位セルＣ１〜Ｃ４が直列に接続されているため、金属層の突出部４ｂ，５ｂは、それぞれ単位セルＣ１と単位セルＣ４とにだけ設けられている。
【００６０】
第１金属層４及び第２金属層５を接続部Ｊを介して一体化した金属板は、隣り合う単位セルＣ同士を直列に接続するための部材である。第１金属層４及び第２金属層５を独立して配置する代わりに、この一体化した金属板を用いることにより、これを成形型１０内に配置するだけで、単位セルＣ１〜Ｃ４が直列に接続された燃料電池を製造することができる。
【００６１】
金属板は、図２（ｃ）に示すように、相互に平行な面内に隣接して配置された第１金属層４及び第２金属層５が、同じ面内で外側に各々延設された延出部４ｊ，５ｊを有しており、延出部４ｊ，５ｊを段差部４ｓによって連結一体化してある。このような段差部は、金属板を板金加工することで作製することができる。なお、並列接続を行う場合、例えば、同じ面内に隣接して配置された第１金属層４同士（又は第２金属層５同士）が、延設された延出部により連結一体化した金属板を使用することができる。また、接続部Ｊは、部分的に樹脂成形体６の外部に突出した形状となっている。
【００６２】
突出部４ｂ，５ｂは、不図示の回路部に接続されて出力電圧として取り出すことができる。また、接続部Ｊについては、上記回路部に接続することで、中間的な電位のモニターを行うことができる。
【００６３】
この実施形態では、接続部Ｊが部分的に樹脂成形体６の外部に突出する形状となっているが、接続部Ｊが中央に段差部を有する長方形となっていてもよい。後述のように、インサート形成する際には、積層物を成形型内に位置固定する必要があり、位置固定の際には接続部Ｊが部分的に樹脂成形体６の外部に突出する形状であることが好ましい。
【００６４】
接続部Ｊは、隣り合う単位セルＣ同士を直列に接続するものであり、第１金属層４及び第２金属層５と一体化した金属板になっている。第１金属層４及び第２金属層５を独立して配置する代わりに、この金属板を用いることにより、これを成形型内に配置するだけで、単位セルＣが直列に接続された燃料電池を製造することができる。
【００６５】
前述のように、発生した水素ガス（Ｈ2）は燃料電池２０の単位セルのアノード側空間に供給され、各単位セルＣ１〜Ｃ４に対して、均等に水素ガスを供給可能に構成している。各単位セルＣのアノード側金属層４の開孔４ａは、アノード側空間に同じように露出しており、各開孔４ａを介して、水素ガスの供給量ができるだけ均等になるように構成される。
【００６６】
＜回路部の構成＞
次に、図１に示す回路部の具体的な構成を図４により説明する。回路部３０の主要な機能は、燃料電池２０の出力電圧ＶFCを接続される携帯機器に適切な電圧に変換（昇圧・降圧）することである。本実施形態では、昇圧される例として説明する。
【００６７】
電圧を変換するための直流電圧変換回路として可変電圧出力のＤＣ−ＤＣコンバータ３１が用いられる。これは、直流の入力電圧を変換して、直流のより大きな電圧を出力する回路である。本発明において、特に、小型の充電装置を構成する場合は、ステップアップ回路を利用したステップアップコンバータを用いるのが好ましい。
【００６８】
ステップアップ回路の原理は、コイルに対する入力電力のオン−オフによって電流変化を生じさせ、これに応じた電圧の上昇分を、発振回路で継続的に生じさせて出力として取り出すというものである。このため、ステップアップコンバータは、発振回路と電力回路とを備え、必要に応じて、出力電圧調整回路、二次フィルタ、外部クロック同期回路などが追加される。
【００６９】
ステップアップコンバータ用の集積回路（パッケージ）は、各種市販されており、推奨される標準的な回路構成によって、本発明における直流電圧変換回路を構成することができる。
【００７０】
ＤＣ−ＤＣコンバータ３１は、一般に入力ＶＩＮ＋，ＶＩＮ−、出力ＯＵＴ＋，ＯＵＴ−、グランドＧＮＤなどを備えている。ＤＣ−ＤＣコンバータ３１の入力ＶＩＮ＋，ＶＩＮ−は燃料電池２０の電極板４ｂ，５ｂ（図１参照）に接続され、出力ＯＵＴ＋は出力コネクタ３２の＋側端子３２ａに接続され、出力ＯＵＴ−は出力コネクタ３２の−側端子（不図示）に接続される。ＤＣ−ＤＣコンバータ３１のＶＩＮ−と出力ＯＵＴ−は共にグランド（ＧＮＤ）される。したがって、図４では図示を省略している。
【００７１】
また、ＤＣ−ＤＣコンバータ３１の出力側にはフィードバック端子ＦＢが設けられている。この端子ＦＢに関しては、後述する。
【００７２】
＜電圧制御部の構成＞
次に、燃料電池２０の出力電圧ＶＦＣが予め設定された設定電圧となるように制御を行う電圧制御部４１の構成を説明する。本発明では、上記出力電圧ＶＦＣを設定電圧Ｖrefになるように制御することで、燃料電池２０に供給される水素ガスをすべて消費できるようにし、外部に水素ガスを排出しないようにすることを目的とする。
【００７３】
電圧制御部４１は、その機能の一部を図４に示すようにマイコン４０により構成することができる。電圧制御部４１は、更に、電圧検出部４１ａ、差電圧演算部４１ｂ（偏り度合い検出部に相当）、設定電圧変更部４１ｃの機能を備えている。
【００７４】
各単位セルＣのセル電圧を検出するために、マイコン４０に入力ポートｍ１〜ｍ４が設けられている。これにより、電圧検出部４１ａは、各単位セルＣ１〜Ｃ４のセル電圧ＶC1〜ＶC4（セルを特に区別しないときは、ＶCと表記する）を検出することができる。
【００７５】
制御用のオペアンプＯＰ（差動増幅器）の負入力端子（第１入力端子）には、燃料電池２０の出力電圧ＶFCが入力される。単位セルＣ１〜Ｃ４は、直列接続されているので、出力電圧ＶFCは、各セル電圧の合成電圧（ＶC1＋ＶC2＋ＶC3＋ＶC4）である。なお、出力電圧ＶFCをそのまま入力するのではなく、所定の分圧比に分圧してから入力してもよい。
【００７６】
一方、オペアンプＯＰの正入力端子（第２入力端子）には、設定電圧Ｖrefが入力される。設定電圧Ｖrefは、入力電圧設定部４２を介して入力され、設定電圧Ｖref自体がマイコン４０（電圧制御部４１）により制御される。これらオペアンプＯＰと入力電圧設定部４２も電圧制御部４１として機能する。
【００７７】
オペアンプＯＰの出力端子は、ＤＣ−ＤＣコンバータ３１のフィードバック端子ＦＢに接続される。オペアンプＯＰの出力端子からは、負入力端子に入力される電圧と、正入力端子に入力される電圧の差に比例した差電圧が出力され、この差がゼロになるように制御される。すなわち、燃料電池２０の出力電圧ＶFCが、設定電圧Ｖrefに等しくなるように制御されるものである。
【００７８】
ＤＣ−ＤＣコンバータ３１は、フィードバック端子ＦＢに入力される差電圧がゼロになるように、コンバータ３１の出力電圧Ｖoutを可変させる。このような制御機能は、市販のＤＣ−ＤＣコンバータ３１の有するフィードバック端子ＦＢを用いて行うことができる。また、電圧制御部４１を構成するためのオペアンプＯＰも市販のものを使用することができ、電圧制御部４１を簡素かつ低コストの回路で構成することができる。
【００７９】
差電圧演算部４１ｂは、電圧検出部４１ａにより検出されたセル電圧ＶCのうち、最大電圧（個々のセル電圧のうち１以上のセル電圧から設定される比較対象電圧に相当）と最小電圧（基準電圧に相当）の差電圧（偏り度合いに相当）を演算する。設定電圧変更部４１ｃは、この差電圧が予め設定してある設定差電圧（予め設定した設定レベルに相当）以上か否かを判定する。その結果に応じて、設定電圧Ｖrefを変更する。この電圧検知部４１ａや差分演算部４１ｂが検出を行うサンプリング周期は、１００ｍｓｅｃである。ただし、サンプリング周期は、適宜決めることができる。
【００８０】
仮に水素ガスがすべての単位セルＣに均等に供給されていれば、すべての単位セルＣのセル電圧Ｖは同じになるはずであるが、実際には単位セルＣのばらつきや、配置の違い等の要因により等しくはならない。特に、上記差電圧が予め設定した設定差電圧よりも大きくなると、特定の単位セルにおいて、水素ガス不足が生じていると考えられる。燃料電池２０へ供給される水素ガスのすべてを発電のために用いるためには、特定の単位セルＣへの水素ガス不足が生じないようにする必要がある。また、水素ガス不足のまま発電を続けていると、その単位セルＣの膜／電極接合体（ＭＥＡ）が損傷しやすくなるという問題も生じる。
【００８１】
そこで、差電圧が５０ｍＶ（設定差電圧に相当）以上になった場合は、燃料電池２０の設定電圧Ｖrefを５０ｍＶ（第１所定値に相当）上げるように制御を行う。なお、具体的な電圧値については、上記に限定されるものではなく、適宜変更可能である。
【００８２】
上記設定電圧Ｖrefをあげるということは、燃料電池２０のＩＶ特性（図５参照）からもわかるように、全体的に、水素ガスを使用しない方向に動作する。このＩＶ特性について説明する。
【００８３】
図５は、燃料電池２０の基本的な性能評価を行うときに用いられる出力電流−出力電圧特性（ＩＶ特性）である。この特性は、燃料電池２０の構造が定まれば理論的あるいは実験的に求まるものである。したがって、最大の供給燃料ガス量（Ａ）に対して決まる出力電流（Ｂ）に対応する出力電圧も上記ＩＶ特性から求められる。図５からも分かるように、ＩＶ特性は、横軸が出力電流（Ｉ）、縦軸が出力電圧（Ｖ）で表わされる。
【００８４】
そして、設定電圧Ｖrefは、上記ＩＶ特性から求められる電圧値よりも低い圧力値に設定する。例えば、最大の供給燃料ガス量（Ａ）に対して決まる出力電流（Ｂ）がＩ１であるとする。このＩ１に対応する出力電圧はＶ１である。この出力電圧Ｖ１よりも低い電圧値Ｖ２を設定電圧Ｖrefとすることが好ましい。
【００８５】
燃料電池２０のＩＶ特性によれば、出力電圧ＶＦＣが低くなれば出力電流が大きくなるという特性を有しているため、設定電圧Ｖrefを上記のごとく低く設定するということは、もう少し電流が流せる状態に燃料電池２０を置くということである。図５を見れば分かるように、Ｖ１に対応するＩ１よりも、Ｖ２に対応するＩ２の方が大きい。換言すれば、上記のように設定することで、水素ガスが少し足らない状態になるように燃料電池２０が置かれるため、水素ガスを発電のために全て（できる限りすべて）を消費させることができる。これにより、水素ガスの利用効率を高めることができると共に、水素ガスを燃料電池２０の外部に排出しないようにすることができ、安全性を高めることができる。
【００８６】
ただし、設定電圧Ｖrefは、固定された一定値ではなく、電圧検出部４１ａの検出結果に応じて設定変更する。水素ガスを足らない状態に設定するにしても、大きく足らない状態に設定すると、発電効率も悪く、また、膜／電極接合体の劣化という問題もある。そこで、各単位セルＣのセル電圧ＶCをモニターしながら、最適な設定電圧Ｖrefとなるように設定電圧Ｖref自体を設定変更しながら制御を行う。
【００８７】
前述のように、そこで、差電圧が５０ｍＶ（設定差電圧に相当）以上になった場合、設定電圧変更部４１ｃは、設定電圧Ｖrefを５０ｍＶ（第１所定値に相当）上げるように制御を行う。上記設定電圧Ｖrefをあげるということは、全体的に、水素ガスを使用しない方向に動作する。従って、各発電セルＣにおいて必要な水素ガスのレベルも下がるので、特定の発電セルＣについて水素ガスが不足している状態を解消させることができる。
【００８８】
また、設定電圧変更部４１ｃは、上記のように設定電圧Ｖrefを変更した場合、少なくとも５秒間（第１所定時間に相当）は、さらなる設定電圧Ｖrefの変更制御は行わないようにする。これは、設定変更をした後にその効果が生じるまでは時間を要するので、かかる応答性を考慮して５秒間は制御を行わない。なお、５秒という具体的な数値は、適宜変更可能である。
【００８９】
さらに、設定電圧変更部４１ｃは、設定電圧Ｖrefの変更を１０秒間（第２所定時間に相当）行っていない場合、設定電圧Ｖrefを２５ｍＶ（第２所定値に相当）下げるように制御する。設定電圧Ｖrefの変更を少なくとも１０秒間行っていないということは、この間は、十分に水素ガスが各単位セルＣに供給されているものと推定することができる。そこで、設定電圧Ｖrefを２５ｍＶ下げるように制御を行い、水素ガスをより消費できる方向に動作させる。これにより、水素ガスの供給バランスを一度変えるようにする。水素ガスをより消費できる方向に動作させることで、さらに効率の良い発電を行うことができる。
【００９０】
＜回路部の他の構成＞
次に、図４に戻り、回路部３０の他の構成・機能を説明する。出力電流検出部３３ａは、ＤＣ−ＤＣコンバータ３１の出力側に流れる電流を検出し、その電流値をマイコン４０でモニターする。過電流防止回路３３ｂは、出力電流検出部３３ａによる検出結果に基づいて、過電流が流れているとマイコン４０で判断された場合に作動して、過電流が流れることを防止する。過電流防止回路３３ｂは、ヒューズ等により構成される。
【００９１】
内部負荷検出部３４ａは、負荷を検出することで、出力コネクタ３２における携帯電話５０等の機器の着脱状態を検出する。例えば、出力コネクタ３２に携帯電話５０を接続して充電を行っているときに、不用意に、あるいは故意に携帯電話５０の接続を解除することがある。その場合、突然負荷がなくなった状態になり、発生した水素ガスを消費することができず、水素ガスを外部に排出してしまう可能性がある。
【００９２】
そこで、機器が突然出力コネクタ３２からはずされた場合でも、水素ガスを排出してしまわないような構成を採用している。内部負荷検出部３４ａにより負荷状態を検出し、機器が突然はずされたことをマイコン４０が検出すると、内部可変負荷３４ｂを作用させる。すなわち、突然、携帯電話５０が出力コネクタ３２から外されたとしても、負荷が切り替わることで、水素ガスを消費させ、外部に排出しないようにすることができる。
【００９３】
制御用５Ｖコンバータ３５は、マイコン４０を駆動するための定電圧を提供する。温度センサー３６は、燃料電池２０内部の環境温度を検出する。入力電流検出部３７は、ＤＣ−ＤＣコンバータ３１へ入力する電流の大きさを検出している。
【００９４】
＜実験結果＞
次に、本発明に基づいて、設定電圧をマイコン制御した場合の実験結果を図６、図７に示す。使用した単位セルＣは４つを直列接続したものである。この燃料電池２０の特性は図５に示される。
【００９５】
図６（ａ）は、燃料電池の出力（Ｗ）を時間経過と共に示すグラフである。（ｂ）は、水素ガスの瞬時消費量（ｃｃ／ｍｉｎ）と水素総消費量（ｃｃ）を時間経過と共に示すグラフである。（ｃ）は燃料電池２０の出力容量（Ｗｈ）を時間経過と共に示すグラフである。（ｄ）は燃料電池２０の設定電圧Ｖref（Ｖ）を時間経過と共に示すグラフである。
【００９６】
これらのグラフからも分かるように、水素ガスの発生量に応じて、設定電圧Ｖrefが変更されており、水素ガスを効率よく消費し、また、水素ガスが欠乏することなく発電しているものと推定される。図６（ｂ）からも分かるように、水素総消費量は約８５０ｃｃであった。また、水素検知器を用いて水素ガスの漏れが生じているか否かを検査したが、水素ガスの漏れを検出しなかった。従って、水素ガスを外部に排出することなく効率よく消費できていることが分かった。
【００９７】
図７（ａ）は、４つの単位セルのそれぞれのセル電圧（ＶC1〜ＶC4）を時間経過と共に示すグラフである。（ｂ）は、４つのセル電圧ＶC1〜ＶC4のうち、最大電圧（Ｖmax）−最小電圧（Ｖmin）を時間経過と共に示すグラフである。なお、しきい値としての５０ｍＶが重ねて表示されている。このグラフからも分かるように、水素ガスの発生量が変動しても、設定電圧Ｖrefを制御することで、各単位セルＣの電圧差を抑制できていることが理解される。
【００９８】
＜別実施形態＞
本実施形態では、偏り度合いとして、個々のセル電圧のうち１以上のセル電圧から設定される比較対象電圧と、基準電圧との差電圧を例示して説明した。また、個々のセル電圧のうち１以上のセル電圧から設定される比較対象電圧として、複数（４つ）のセル電圧のうちの最大電圧を例示し、基準電圧として、複数（４つ）のセル電圧のうち最小電圧を例示した。本発明は、上記の例示に限定されるものではなく、種々の変形例が考えられる。
【００９９】
例えば、比較対象電圧として、最大電圧ではなく、２番目あるいは３番目に大きなセル電圧を設定してもよい。基準電圧として、最小電圧ではなく、２番目あるいは３番目に小さなセル電圧を設定してもよい。基準電圧として、セル電圧とは関係のない、予め設定された固定電圧値を用いてもよい。偏り度合いを求めるための方法は多数の変形例が考えられ、任意の組み合わせを採用することができる。
【０１００】
燃料発生部の構成については、種々の変形例が考えられ、本実施形態に限定されるものではない。燃料発生部は消耗品であるため、燃料電池に対して着脱自在なカートリッジとして構成することが好ましい。
【０１０１】
オペアンプの２つの入力端子のうち、どちらを基準電圧に設定するかは、回路構成に応じて適宜選択することができる。
【０１０２】
本実施形態では、発生した水素ガスは燃料電池２０の単位セルのアノード側空間に供給され、各単位セルＣ１〜Ｃ４に対して、均等に水素ガスを供給可能に構成している。水素ガスの供給態様は、上記に限定されるものではなく、例えば、単位セルＣの内部に水素ガスの流路を形成し、各単位セルＣの流路同士をパイプ等で連結することで、決められた流路により水素ガスを供給するように構成してもよい。
【０１０３】
本実施形態では、４つの単位セルＣを直列接続して連結しているが、複数の単位セルＣの接続態様は種々の変形例が可能である。単位セルの個数は上記に限定されるものではない。また、並列接続と直列接続を組み合わせてもよい。例えば、単位セルＣを８つとし、そのうちの２つずつを並列接続のペアとし、このペアを４つ直列接続するように構成してもよい。
【符号の説明】
【０１０４】
１０ 燃料発生部
２０ 燃料電池
３０ 回路部
３１ ＤＣ−ＤＣコンバータ
４０ マイコン
４１ 電圧制御部
４１ａ 電圧検出部
４１ｂ 差電圧演算部
４１ｃ 設定電圧変更部
４２ 入力電圧設定部
５０ 携帯電話
Ｃ（Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４） 発電セル
ＯＰ オペアンプ
ＶC（ＶC1，ＶC2，ＶC3，ＶC4） セル電圧
ＶFC 出力電圧
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料供給部から供給される燃料ガスにより発電する複数の単位セルにより構成される燃料電池と、この燃料電池の出力電圧を所定の電圧値に変換して出力する直流電圧変換回路と、出力電圧が予め設定された設定電圧となるように制御を行う電圧制御部と、を備えた燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、従来から日常的に使用されている乾電池などの一次電池や、リチウム電池などの二次電池とは異なり、水素ガス等の燃料（還元ガス）と、酸素等の酸化ガスを供給し続けることで継続的に電力を取り出すことができる。燃料電池は、理論的に発電の効率が高いという点や、二酸化炭素を発生しない反応によって発電し、環境にもやさしいという点から近年において大きく注目されており、日々改良が進められている。
【０００３】
また、システム規模の大小にあまり影響されないため、ノートパソコン、携帯電話などの携帯機器から、自動車、鉄道、民生用・産業用コジェネレーションなどの多岐にわたって未来のエネルギー源として大きく期待されている。
【０００４】
燃料電池による発電を行うためには、水素ガス等の燃料を供給し続ける必要があるが、効率よく発電を行うためには供給される水素ガス等の燃料が全て燃料電池の発電のために用いられ、外部に排出しないようなシステムが望まれる。また、安全性の面からも外部に水素ガス等を排出しないようにする必要がある。
【０００５】
かかるシステムとして、下記特許文献１に開示される燃料電池システムの出力制御装置がある。この装置は、燃料電池と、この燃料電池からの出力電圧を昇圧もしくは降圧する電力制御手段と、燃料電池の出力電圧を一定値に固定する機能、この固定を解除する機能を有する固定制御手段と、を有している。
【０００６】
これにより、発電された電力を最適に負荷系に供給して十分な運転性能を引き出そうとするものである。ただし、燃料電池スタックでの反応に使用されずに残った排水素は、改質器内の排水素燃焼器に戻されるようになっている。したがって、燃料電池に供給される水素ガスは、燃料電池の発電のために全て使用されないことが前提となっている。また、使用されない水素ガスを外部に排出させないようにするには、これを戻すための経路を別途設ける必要があり、構成が複雑化するとともに、特に携帯機器の充電用に用いる場合、小型化を実現する上での障害にもなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第３８４３６８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、その課題は、燃料電池へ供給される燃料ガスのできるだけすべてを発電のために用いて、外部に排出させないようにして安全性を高めることができ、かつ、構成も簡素化することが可能な燃料電池システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため本発明に係る燃料電池システムは、
燃料供給部から供給される燃料ガスにより発電する複数の単位セルにより構成される燃料電池と、この燃料電池の出力電圧を所定の電圧値に変換して出力する直流電圧変換回路と、前記出力電圧が予め設定された設定電圧となるように制御を行う電圧制御部と、を備え、
前記電圧制御部は、
前記複数の単位セル個々のセル電圧を検出する電圧検出部と、
検出された個々のセル電圧の偏り度合いを検出する偏り度合い検出部と、
検出された前記偏り度合いが予め設定した設定レベル以上となった場合に、前記設定電圧を第１所定値上げる設定電圧変更部と、を備えていることを特徴とするものである。
【００１０】
この構成による燃料電池システムの作用・効果を説明する。燃料供給部は、燃料電池へ供給する燃料ガスを発生する機能を有する。燃料供給部としては、例えば、水素化カルシウム、水素化リチウム等の燃料発生剤を収容する第１収容部と、水等の反応液を収容する第２収容部を備えたものがあげられる。上記反応液を燃料発生剤と反応させることで、燃料ガスである水素ガスが発生する。燃料電池は、燃料ガスが供給されることで発電し、その出力電圧は直流電圧変換回路により所定の電圧に変換（昇圧あるいは降圧）される。燃料電池は、複数の単位セルにより構成され、これらを電気的に接続することで、所望の出力電圧を得ることができる。
【００１１】
また、燃料電池の出力電圧が予め設定された設定電圧となるように電圧制御部による制御がおこなわれる。ここで、上記設定電圧は次のように設定される。燃料電池は、複数の単位セルにより構成されており、例えば、それらが直列接続される。電圧検出部は、それら単位セルのセル電圧を個々に検出する。そして、個々に検出したセル電圧の偏り度合いを検出する。仮に燃料ガスがすべての単位セルに均等に供給されていれば、すべての単位セルのセル電圧は同じになるはずであるが、実際には単位セルのばらつきや、配置の違い等の要因により等しくはならない。従って、その偏り度合いが予め設定した設定レベル以上になると、特定の単位セルにおいて燃料ガス不足が生じていると考えられる。燃料電池へ供給される燃料ガスのできるだけすべてを発電のために用いるためには、特定の単位セルへの燃料ガス不足が生じないようにする必要がある。また、燃料ガス不足のまま発電を続けていると、膜／電極接合体（ＭＥＡ）が損傷しやすくなるという問題も生じる。
【００１２】
そこで、偏り度合いが設定レベル以上になった場合は、燃料電池の設定電圧を第１所定値上げるように制御を行う。ここで燃料電池の出力電圧とは、例えば、複数の単位セルを直列接続した場合、夫々の単位セルのセル電圧を加算した合成電圧となる。上記設定電圧をあげるということは、燃料電池のＩＶ特性（図５参照）からもわかるように、全体的に、燃料ガスを使用しない方向に動作する。従って、特定の単位セルにおける燃料ガス不足の状態を解消する方向に動作させることができる。燃料電池へ供給される燃料ガスのできるだけすべてを発電のために用いて、外部に排出させないようにして安全性を高めることができる。また、上記制御は、例えば、マイコンを用いてプログラムで構成することができ、構成も簡素化することが可能になる。
【００１３】
本発明において、前記偏り度合いは、前記個々のセル電圧のうち１以上のセル電圧から設定される比較対象電圧と、基準電圧との差電圧であることが好ましい。
【００１４】
偏り度合いについては、種々の求め方があるが、個々のセル電圧のうち１以上のセル電圧から設定される比較対象電圧と、基準電圧との差電圧を演算することで、求めることができる。この差電圧が、予め設定した設定差電圧（前述の偏り度合いの設定レベルに相当）よりも大きくなると、特定の単位セルにおいて燃料ガス不足が生じていると判断することができる。
【００１５】
個々のセル電圧のうち１以上のセル電圧から設定される比較対象電圧として、例えば、前記個々のセル電圧のうちの最大電圧を用いることができる。例えば、前記個々のセル電圧の平均電圧を用いることができる。
【００１６】
さらに、基準電圧として、例えば、前記個々のセル電圧のうちの最小電圧を用いることができる。例えば、予め設定された固定電圧を用いることができる。
【００１７】
従って、偏り度合いとしては、種々の変形例が考えられる。例えば、個々のセル電圧のうちの最大電圧と最小電圧の差電圧を用いることができる。この差電圧が大きくなるほど、特定の単位セルにおいて燃料ガス不足が生じていると考えられる。偏り度合いとしては、平均電圧と最小電圧の差電圧を用いてもよい。この場合も、差電圧が大きくなるほど、特定の単位セルにおいて燃料ガス不足が生じていると考えられる。
【００１８】
なお、差電圧を求める場合に最小電圧ではなく、予め設定された固定電圧を用いても、同じような傾向が得られる。
【００１９】
本発明において、前記電圧制御部は、前記設定電圧変更部により設定電圧を変更した場合、変更後、少なくとも第１所定時間は設定電圧の変更を行わないことが好ましい。
【００２０】
設定電圧を変更した場合、応答性も考慮して、しばらくは設定電圧を変更しないことが好ましい。従って、第１所定時間が少なくとも経過するまでは、設定電圧の再変更は行わないようにし、これにより、安定した制御を保証することができる。
【００２１】
本発明において、前記設定電圧変更部は、少なくとも第２所定時間、設定電圧の変更を行っていない場合、前記設定電圧を第２所定値下げるように制御することが好ましい。
【００２２】
設定電圧の変更を少なくとも第２所定時間行っていないということは、この間は、十分に燃料ガスが各単位セルに供給されているものと推定することができる。そこで、かかる場合、設定電圧を第２所定値下げるように制御を行い、燃料ガスをより消費できる方向に動作させる。これにより、燃料ガスが不用意に外部に排出してしまうことを抑制し、安全性を更に高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】燃料電池システムの構成を示す概念図
【図２】本発明の燃料電池の一例を示す図
【図３】図２に示す燃料電池の断面図
【図４】燃料電池システムの回路図の構成を示す図
【図５】燃料電池の出力電流−出力電圧特性（ＩＶ特性）を示す図
【図６】電流一定制御の実験結果を示す図
【図７】電流一定制御の実験結果を示す図
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本発明に係る燃料電池システムの好適な実施形態を図面を用いて説明する。図１は、燃料電池システムの構成を示す概念図である。
【００２５】
＜燃料電池システムの概要＞
図１に示すように、燃料電池システムは、燃料ガスである水素ガスを発生させて燃料電池２０へ供給する燃料発生部１０と、この燃料発生部１０から供給される水素ガスにより発電して電気出力を行う燃料電池２０と、この燃料電池２０の出力電圧を所定の電圧に変換して出力する回路部３０を有する。回路部３０の出力コネクタ３２（図４参照）は、図１に図示するように、例えば、携帯電話５０の電源コネクタ５１に接続される。
【００２６】
携帯電話５０は、充電回路５２を介してリチウムイオン二次電池５３等を充電する構成になっており、電源コネクタ５１を介して、回路部３０の出力コネクタからの電力が携帯電話５０に供給される。
【００２７】
本発明に係る燃料電池システムにより供給される電力は、好適には二次電池を充電するために利用することができ、各種二次電池や大容量のキャパシタ等への充電電力として供給される。例えば、上記リチウムイオン二次電池の他、ニッケルカドミウム二次電池、ニッケル水素二次電池等の二次電池の充電用として本システムを用いることができる。
【００２８】
なお、充電機器としては、上記の携帯電話５０に限定されるものではなく、種々の携帯機器やノートパソコン等に対しても用いることができる。
【００２９】
本発明における燃料発生部１０は、例えば、水素発生剤や水素吸蔵合金を用いた構成が採用されるが、水素を収容する圧力容器などを用いてもよく、メタノール改質型の水素ガス供給手段を用いてもよい。
【００３０】
携帯機器への充電用として用いる場合、水素発生剤を用いた燃料発生部１０を用いるのが好ましい。例えば、図１に示すように、水等の反応液１４との反応により水素ガスを発生する水素発生剤１１を収容する反応容器１２と、反応液１４の供給部１３を備える。
【００３１】
反応液１４の供給部１３には、貯液部１５を有していてもよく、反応容器１２に直接、水などの反応液１４を供給できる構造にしてもよい。貯液部１５を設ける場合、注水口を設けて、水の消費量に応じて、水を追加供給できるようにしてもよい。貯液部１５には、繊維集合体や多孔質体を配置して、毛管現象によって所定の部分に水が保持されるようにしてもよい。反応液１４の供給部には、貯液部１５の反応液１４を輸送する圧送手段を有していてもよい。
【００３２】
水素ガス発生手段としては、水分（水又は水蒸気）との反応で水素ガスを発生させる水素発生剤１１などを反応容器１２内に備え、これにより燃料電池２０に水素ガスを供給することができる。水素発生剤１１の反応が加熱を要する場合、加熱手段が設けられる。
【００３３】
水素発生剤１１としては、水分と反応して水素を生成する金属粒子が好ましく、Ｆｅ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｓｉなどから選ばれる１種以上の金属の粒子や、これらが部分的に酸化された金属の粒子が挙げられる。また、酸化反応を促進するための金属触媒などを添加することで、より低温で水素ガスを発生させることができる。更に、ＭｇＨ2等の水素化金属を単独又は上記と併用して用いることも可能である。水素発生剤１１は、反応容器１２内に金属粒子のまま充填することも可能であるが、金属粒子を結着させた多孔質体を使用することもできる。
【００３４】
このような水素ガス発生手段によって、水素組成が略１００％（水分は除く）の水素ガスを発生させることができる。燃料発生部１０と燃料電池２０とは、水素供給管１６で連結されており、発生した水素ガス（Ｈ2）が燃料電池２０の単位セルのアノード側空間に供給される。
【００３５】
＜燃料電池の構成＞
本発明の燃料電池は、図２に示すように、複数の単位セルＣ１〜Ｃ４（以下、各単位セルを区別する必要がない場合は、単位セルＣと表記する。）を備え、いずれかの単位セルＣと他の単位セルＣの導電層同士を、接続部により電気的に接続している。本実施形態では、例えば、単位セルＣ１の第１導電層（第１金属層４）と、それに隣接する単位セルＣ２の第２導電層（第２金属層５）とを電気的に接続（直列接続）する例を示すが、本発明では、何れかの単位セルＣと他の単位セルＣとを並列接続することも可能である。その場合、何れかの単位セルＣと他の単位セルＣの第１導電層同士及び第２導電層同士が電気的に接続される。もちろん、並列接続と直列接続とを組み合わせることも可能である。
【００３６】
なお、接続する単位セルＣの数としては、要求される電圧又は電流に応じて、設定することが可能である。本実施形態では４つの単位セルＣ１〜Ｃ４を接続する例を示すが、単位セルＣは１つでもよく、５つ以上であってもよい。例えば、８つの単位セルを用いて、２個ずつペアで並列接続して４つのペアを作り、各ペアを直列接続することができる。この場合、４つの単位セルを直列接続する構成に対して、電圧は同じであるが電流量を２倍にすることができる。
【００３７】
本発明における各々の単位セルＣは、固体高分子電解質層１と、この固体高分子電解質層１の両側に設けられた第１電極層２及び第２電極層３と、これら電極層２，３の更に外側に各々配置された第１導電層及び第２導電層とを有する。本実施形態では、第１導電層及び第２導電層が、第１電極層２及び第２電極層３を部分的に露出させる露出部を有する第１金属層４及び第２金属層５とからなる例を示す。
【００３８】
なお、導電層の材質としては、金属、導電性高分子、導電性ゴム、導電性繊維、導電性ペースト、導電性塗料などが挙げられる。
【００３９】
固体高分子電解質層１としては、従来の固体高分子膜型の燃料電池に用いられるものであれば何れでもよいが、化学的安定性及び導電性の点から、超強酸であるスルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体からなる陽イオン交換膜が好適に用いられる。このような陽イオン交換膜としては、ナフィオン（登録商標）が好適に用いられる。その他、例えば、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素樹脂からなる多孔質膜に上記ナフィオンや他のイオン伝導性物質を含浸させたものや、ポリエチレンやポリプロピレン等のポリオレフィン樹脂からなる多孔質膜や不織布に上記ナフィオンや他のイオン伝導性物質を担持させたものでもよい。
【００４０】
固体高分子電解質層１の厚みは、薄くするほど全体の薄型化に有効であるが、イオン伝導機能、強度、ハンドリング性などを考慮すると、１０〜３００μｍが使用可能であるが、２５〜５０μｍが好ましい。
【００４１】
電極層２，３は、固体高分子電解質層１の表面付近でアノード側およびカソード側の電極反応を生じさせるものであれば何れでもよい。なかでも、ガス拡散層としての機能を発揮して、燃料ガス、燃料液、酸化ガス及び水蒸気の供給・排出を行なうと同時に、集電の機能を発揮するものが好適に使用できる。電極層２，３としては、同一又は異なるものが使用でき、その基材には電極触媒作用を有する触媒を担持させることが好ましい。触媒は、固体高分子電解質層１と接する内面側に少なくとも担持させるのが好ましい。
【００４２】
電極層２，３の電極基材としては、例えば、カーボンペーパー、カーボン繊維不織布などの繊維質カーボン、導電性高分子繊維の集合体などの電導性多孔質材が使用できる。また、固体高分子電解質層１に触媒を直接付着させたり、カーボンブラックなどの導電性粒子に担持させて固体高分子電解質層１に付着させた電極層２，３を用いることも可能である。
【００４３】
一般に、電極層２，３は、このような電導性多孔質材にフッ素樹脂等の撥水性物質を添加して作製されるものであって、触媒を担持させる場合、白金微粒子などの触媒とフッ素樹脂等の撥水性物質とを混合し、これに溶媒を混合して、ペースト状或いはインク状とした後、これを固体高分子電解質膜と対向すべき電極基材の片面に塗布して形成される。
【００４４】
一般に、電極層２，３や固体高分子電解質層１は、燃料電池に供給される還元ガスと酸化ガスに応じた設計がなされる。本発明では、酸化ガスとして空気が用いられると共に、還元ガスとして水素ガスを用いるのが好ましい。なお、還元ガスの代わりにメタノール等の燃料液を使用することも可能である。
【００４５】
例えば、水素ガスと空気を使用する場合、空気が自然供給される側のカソード側の第２電極層３（本明細書では、アノード側を第１電極層、カソード側を第２電極層と仮定する）では、酸素と水素イオンの反応が生じて水が生成するため、かかる電極反応に応じた設計をするのが好ましい。特に、低作動温度、高電流密度及び高ガス利用率の運転条件では、特に水が生成する空気極において水蒸気の凝縮による電極多孔体の閉塞（フラッディング）現象が起こりやすい。したがって、長期にわたって燃料電池の安定な特性を得るためには、フラッディング現象が起こらないように電極の撥水性を確保することが有効である。
【００４６】
触媒としては、白金、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、銀、ニッケル、鉄、銅、コバルト及びモリブデンから選ばれる少なくとも１種の金属か、又はその酸化物が使用でき、これらの触媒をカーボンブラック等に予め担持させたものも使用できる。
【００４７】
電極層２，３の厚みは、薄くするほど全体の薄型化に有効であるが、電極反応、強度、ハンドリング性などを考慮すると、１〜５００μｍが好ましく、１００〜３００μｍがより好ましい。電極層２，３と固体高分子電解質層１とは、予め接着、融着、又は塗布形成等を行って積層一体化しておいてもよいが、単に積層配置されているだけでもよい。このような積層体は、膜／電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）として入手することもでき、これを使用してもよい。
【００４８】
本発明では、第１電極層２及び第２電極層３の外形が固体高分子電解質層１の外形より小さいものでもよいが、第１電極層２及び第２電極層３の外形と固体高分子電解質層１の外形とが同じであることが好ましい。電極層の外形と固体高分子電解質層の外形とが同じであると、電極板と固体高分子電解質の積層体を打ち抜いて、固体高分子電解質・電極・接合体を製造することができ、量産効果により当該接合体のコストを低減することができる。また、電極層の外周より金属層の外周が内側に形成されていることで、電極層の外周及び固体高分子電解質層の外周をより確実に封止することができる。
【００４９】
アノード側電極層２の表面にはアノード側の第１金属層４が配置され、カソード側電極層３の表面にはカソード側の第２金属層５が配置される（本明細書では、アノード側を第１金属層、カソード側を第２金属層と仮定する）。第１金属層４は、第１電極層２を部分的に露出させる露出部を有するが、本実施形態では、アノード側金属層４には燃料ガス等を供給するための開孔４ａが設けられている例を示す。
【００５０】
第１金属層４の露出部は、アノード側電極層２が露出可能であれば、その個数、形状、大きさ、形成位置などは何れでもよい。アノード側金属層４の開孔４ａは、例えば、規則的又はランダムに複数の円孔やスリット等を設けたり、または金属メッシュによって開孔４ａを設けたり、第１金属層４を櫛形電極のような形状にしてアノード側電極層２を露出させてもよい。開孔４ａ部分の面積が締める割合（開孔率）は、電極との接触面積とガスの供給面積のバランスなどの観点から、１０〜５０％が好ましく、１５〜３０％がより好ましい。
【００５１】
また、カソード側の第２金属層５は、第２電極層３を部分的に露出させる露出部を有するが、本実施形態では、カソード側金属層５には、空気中の酸素を供給（自然吸気）するための多数の開孔５ａが設けられている例を示す。開孔５ａは、カソード側電極層３が露出可能であれば、その個数、形状、大きさ、形成位置などは何れでもよい。カソード側金属層５の開孔５ａは、例えば、規則的又はランダムに複数の円孔やスリット等を設けたり、または金属メッシュによって開孔５ａを設けたり、第２金属層５を櫛形電極のような形状にしてカソード側電極層３を露出させてもよい。開孔５ａ部分の面積が締める割合（開孔率）は、電極との接触面積とガスの供給面積のバランスなどの観点から、１０〜５０％が好ましく、１５〜３０％がより好ましい。
【００５２】
金属層４，５としては、電極反応に悪影響がないものであれば何れの金属も使用でき、例えばステンレス板、ニッケル、銅、銅合金などが挙げられる。但し、導電性、コスト、形状付与性、加圧のための強度などの観点から、銅、銅合金、ステンレス板などが好ましい。また、上記の金属に金メッキなどの金属メッキを施したものでもよい。
【００５３】
なお、金属層４，５の厚みは、薄くするほど全体の薄型化に有効であるが、導電性、コスト、重量、形状付与性、加圧のための強度などを考慮すると、１０〜１０００μｍが好ましく、５０〜２００μｍがより好ましい。
【００５４】
本発明では、電極層２，３と金属層４，５とを良好に樹脂で一体化する観点から、第１電極層２の外周より、第１金属層４の外周が内側に形成されていることが好ましく、第２電極層３の外周より、第２金属層５の外周が内側に形成されていることが好ましい。なお、第１電極層２の外周より、第１金属層４の外周が外側に形成されていてもよく、第２電極層３の外周より、第２金属層５の外周が外側に形成されていてもよい。
【００５５】
金属層４及び金属層５は、少なくとも一部が樹脂から露出することにより、その部分を電極として電気を外部に取り出すことができる。このため、樹脂成形体６に対して、金属層４及び金属層５を一部露出させた端子部を設けてもよいが、本発明では、直列接続の場合には、その両端の単位セルＣの金属層４又は金属層５が、単位セルＣの電極となる突出部４ｂ，５ｂを備え、これが樹脂成形体６から外部に出ていることが好ましい。この突出部４ｂ，５ｂは、インサート成形を行う際に、金属層４，５等（積層物Ｌ）を成形型内に保持するためにも利用できる。
【００５６】
金属層４及び金属層５の形成や開孔５ａ、４ａの形成は、プレス加工（プレス打ち抜き加工）を利用して行うことができる。また、金属層４及び金属層５の突出部４ｂ，５ｂには、樹脂の流動や密着性を良好にする目的で、インサート成形される部分に貫通孔を設けてもよい。更に、接続や固定を良好に行うために、突出部４ｂ，５ｂの露出した部分に貫通孔を設けてもよい。
【００５７】
次に、燃料電池２０の構成を説明する。図２は、本発明の燃料電池の一例を示す図であり、（ａ）は外観斜視図、（ｂ）は外観正面図、（ｃ）は金属板４，５の構成を示す斜視図である。図３は、図２に示す燃料電池の断面図である。
【００５８】
本発明の燃料電池は、図１に示すように、何れかの単位セルＣと他の単位セルＣの導電層同士を電気的に接続する接続部Ｊを備えているが、直列接続の場合、何れかの単位セルＣの第１導電層と他の単位セルＣの第２導電層とが電気的に接続される。本実施形態では、隣り合う前記単位セルＣの一方の第１導電層（金属層４）と、他方の第２導電層（金属層５）と、接続部Ｊとが、連続する金属板（一体化した単一の金属部品）からなる金属層で形成されている例を示す。
【００５９】
この実施形態では、各単位セルＣ１〜Ｃ４が直列に接続されているため、金属層の突出部４ｂ，５ｂは、それぞれ単位セルＣ１と単位セルＣ４とにだけ設けられている。
【００６０】
第１金属層４及び第２金属層５を接続部Ｊを介して一体化した金属板は、隣り合う単位セルＣ同士を直列に接続するための部材である。第１金属層４及び第２金属層５を独立して配置する代わりに、この一体化した金属板を用いることにより、これを成形型１０内に配置するだけで、単位セルＣ１〜Ｃ４が直列に接続された燃料電池を製造することができる。
【００６１】
金属板は、図２（ｃ）に示すように、相互に平行な面内に隣接して配置された第１金属層４及び第２金属層５が、同じ面内で外側に各々延設された延出部４ｊ，５ｊを有しており、延出部４ｊ，５ｊを段差部４ｓによって連結一体化してある。このような段差部は、金属板を板金加工することで作製することができる。なお、並列接続を行う場合、例えば、同じ面内に隣接して配置された第１金属層４同士（又は第２金属層５同士）が、延設された延出部により連結一体化した金属板を使用することができる。また、接続部Ｊは、部分的に樹脂成形体６の外部に突出した形状となっている。
【００６２】
突出部４ｂ，５ｂは、不図示の回路部に接続されて出力電圧として取り出すことができる。また、接続部Ｊについては、上記回路部に接続することで、中間的な電位のモニターを行うことができる。
【００６３】
この実施形態では、接続部Ｊが部分的に樹脂成形体６の外部に突出する形状となっているが、接続部Ｊが中央に段差部を有する長方形となっていてもよい。後述のように、インサート形成する際には、積層物を成形型内に位置固定する必要があり、位置固定の際には接続部Ｊが部分的に樹脂成形体６の外部に突出する形状であることが好ましい。
【００６４】
接続部Ｊは、隣り合う単位セルＣ同士を直列に接続するものであり、第１金属層４及び第２金属層５と一体化した金属板になっている。第１金属層４及び第２金属層５を独立して配置する代わりに、この金属板を用いることにより、これを成形型内に配置するだけで、単位セルＣが直列に接続された燃料電池を製造することができる。
【００６５】
前述のように、発生した水素ガス（Ｈ2）は燃料電池２０の単位セルのアノード側空間に供給され、各単位セルＣ１〜Ｃ４に対して、均等に水素ガスを供給可能に構成している。各単位セルＣのアノード側金属層４の開孔４ａは、アノード側空間に同じように露出しており、各開孔４ａを介して、水素ガスの供給量ができるだけ均等になるように構成される。
【００６６】
＜回路部の構成＞
次に、図１に示す回路部の具体的な構成を図４により説明する。回路部３０の主要な機能は、燃料電池２０の出力電圧ＶFCを接続される携帯機器に適切な電圧に変換（昇圧・降圧）することである。本実施形態では、昇圧される例として説明する。
【００６７】
電圧を変換するための直流電圧変換回路として可変電圧出力のＤＣ−ＤＣコンバータ３１が用いられる。これは、直流の入力電圧を変換して、直流のより大きな電圧を出力する回路である。本発明において、特に、小型の充電装置を構成する場合は、ステップアップ回路を利用したステップアップコンバータを用いるのが好ましい。
【００６８】
ステップアップ回路の原理は、コイルに対する入力電力のオン−オフによって電流変化を生じさせ、これに応じた電圧の上昇分を、発振回路で継続的に生じさせて出力として取り出すというものである。このため、ステップアップコンバータは、発振回路と電力回路とを備え、必要に応じて、出力電圧調整回路、二次フィルタ、外部クロック同期回路などが追加される。
【００６９】
ステップアップコンバータ用の集積回路（パッケージ）は、各種市販されており、推奨される標準的な回路構成によって、本発明における直流電圧変換回路を構成することができる。
【００７０】
ＤＣ−ＤＣコンバータ３１は、一般に入力ＶＩＮ＋，ＶＩＮ−、出力ＯＵＴ＋，ＯＵＴ−、グランドＧＮＤなどを備えている。ＤＣ−ＤＣコンバータ３１の入力ＶＩＮ＋，ＶＩＮ−は燃料電池２０の電極板４ｂ，５ｂ（図１参照）に接続され、出力ＯＵＴ＋は出力コネクタ３２の＋側端子３２ａに接続され、出力ＯＵＴ−は出力コネクタ３２の−側端子（不図示）に接続される。ＤＣ−ＤＣコンバータ３１のＶＩＮ−と出力ＯＵＴ−は共にグランド（ＧＮＤ）される。したがって、図４では図示を省略している。
【００７１】
また、ＤＣ−ＤＣコンバータ３１の出力側にはフィードバック端子ＦＢが設けられている。この端子ＦＢに関しては、後述する。
【００７２】
＜電圧制御部の構成＞
次に、燃料電池２０の出力電圧ＶＦＣが予め設定された設定電圧となるように制御を行う電圧制御部４１の構成を説明する。本発明では、上記出力電圧ＶＦＣを設定電圧Ｖrefになるように制御することで、燃料電池２０に供給される水素ガスをすべて消費できるようにし、外部に水素ガスを排出しないようにすることを目的とする。
【００７３】
電圧制御部４１は、その機能の一部を図４に示すようにマイコン４０により構成することができる。電圧制御部４１は、更に、電圧検出部４１ａ、差電圧演算部４１ｂ（偏り度合い検出部に相当）、設定電圧変更部４１ｃの機能を備えている。
【００７４】
各単位セルＣのセル電圧を検出するために、マイコン４０に入力ポートｍ１〜ｍ４が設けられている。これにより、電圧検出部４１ａは、各単位セルＣ１〜Ｃ４のセル電圧ＶC1〜ＶC4（セルを特に区別しないときは、ＶCと表記する）を検出することができる。
【００７５】
制御用のオペアンプＯＰ（差動増幅器）の負入力端子（第１入力端子）には、燃料電池２０の出力電圧ＶFCが入力される。単位セルＣ１〜Ｃ４は、直列接続されているので、出力電圧ＶFCは、各セル電圧の合成電圧（ＶC1＋ＶC2＋ＶC3＋ＶC4）である。なお、出力電圧ＶFCをそのまま入力するのではなく、所定の分圧比に分圧してから入力してもよい。
【００７６】
一方、オペアンプＯＰの正入力端子（第２入力端子）には、設定電圧Ｖrefが入力される。設定電圧Ｖrefは、入力電圧設定部４２を介して入力され、設定電圧Ｖref自体がマイコン４０（電圧制御部４１）により制御される。これらオペアンプＯＰと入力電圧設定部４２も電圧制御部４１として機能する。
【００７７】
オペアンプＯＰの出力端子は、ＤＣ−ＤＣコンバータ３１のフィードバック端子ＦＢに接続される。オペアンプＯＰの出力端子からは、負入力端子に入力される電圧と、正入力端子に入力される電圧の差に比例した差電圧が出力され、この差がゼロになるように制御される。すなわち、燃料電池２０の出力電圧ＶFCが、設定電圧Ｖrefに等しくなるように制御されるものである。
【００７８】
ＤＣ−ＤＣコンバータ３１は、フィードバック端子ＦＢに入力される差電圧がゼロになるように、コンバータ３１の出力電圧Ｖoutを可変させる。このような制御機能は、市販のＤＣ−ＤＣコンバータ３１の有するフィードバック端子ＦＢを用いて行うことができる。また、電圧制御部４１を構成するためのオペアンプＯＰも市販のものを使用することができ、電圧制御部４１を簡素かつ低コストの回路で構成することができる。
【００７９】
差電圧演算部４１ｂは、電圧検出部４１ａにより検出されたセル電圧ＶCのうち、最大電圧（個々のセル電圧のうち１以上のセル電圧から設定される比較対象電圧に相当）と最小電圧（基準電圧に相当）の差電圧（偏り度合いに相当）を演算する。設定電圧変更部４１ｃは、この差電圧が予め設定してある設定差電圧（予め設定した設定レベルに相当）以上か否かを判定する。その結果に応じて、設定電圧Ｖrefを変更する。この電圧検知部４１ａや差分演算部４１ｂが検出を行うサンプリング周期は、１００ｍｓｅｃである。ただし、サンプリング周期は、適宜決めることができる。
【００８０】
仮に水素ガスがすべての単位セルＣに均等に供給されていれば、すべての単位セルＣのセル電圧Ｖは同じになるはずであるが、実際には単位セルＣのばらつきや、配置の違い等の要因により等しくはならない。特に、上記差電圧が予め設定した設定差電圧よりも大きくなると、特定の単位セルにおいて、水素ガス不足が生じていると考えられる。燃料電池２０へ供給される水素ガスのすべてを発電のために用いるためには、特定の単位セルＣへの水素ガス不足が生じないようにする必要がある。また、水素ガス不足のまま発電を続けていると、その単位セルＣの膜／電極接合体（ＭＥＡ）が損傷しやすくなるという問題も生じる。
【００８１】
そこで、差電圧が５０ｍＶ（設定差電圧に相当）以上になった場合は、燃料電池２０の設定電圧Ｖrefを５０ｍＶ（第１所定値に相当）上げるように制御を行う。なお、具体的な電圧値については、上記に限定されるものではなく、適宜変更可能である。
【００８２】
上記設定電圧Ｖrefをあげるということは、燃料電池２０のＩＶ特性（図５参照）からもわかるように、全体的に、水素ガスを使用しない方向に動作する。このＩＶ特性について説明する。
【００８３】
図５は、燃料電池２０の基本的な性能評価を行うときに用いられる出力電流−出力電圧特性（ＩＶ特性）である。この特性は、燃料電池２０の構造が定まれば理論的あるいは実験的に求まるものである。したがって、最大の供給燃料ガス量（Ａ）に対して決まる出力電流（Ｂ）に対応する出力電圧も上記ＩＶ特性から求められる。図５からも分かるように、ＩＶ特性は、横軸が出力電流（Ｉ）、縦軸が出力電圧（Ｖ）で表わされる。
【００８４】
そして、設定電圧Ｖrefは、上記ＩＶ特性から求められる電圧値よりも低い圧力値に設定する。例えば、最大の供給燃料ガス量（Ａ）に対して決まる出力電流（Ｂ）がＩ１であるとする。このＩ１に対応する出力電圧はＶ１である。この出力電圧Ｖ１よりも低い電圧値Ｖ２を設定電圧Ｖrefとすることが好ましい。
【００８５】
燃料電池２０のＩＶ特性によれば、出力電圧ＶＦＣが低くなれば出力電流が大きくなるという特性を有しているため、設定電圧Ｖrefを上記のごとく低く設定するということは、もう少し電流が流せる状態に燃料電池２０を置くということである。図５を見れば分かるように、Ｖ１に対応するＩ１よりも、Ｖ２に対応するＩ２の方が大きい。換言すれば、上記のように設定することで、水素ガスが少し足らない状態になるように燃料電池２０が置かれるため、水素ガスを発電のために全て（できる限りすべて）を消費させることができる。これにより、水素ガスの利用効率を高めることができると共に、水素ガスを燃料電池２０の外部に排出しないようにすることができ、安全性を高めることができる。
【００８６】
ただし、設定電圧Ｖrefは、固定された一定値ではなく、電圧検出部４１ａの検出結果に応じて設定変更する。水素ガスを足らない状態に設定するにしても、大きく足らない状態に設定すると、発電効率も悪く、また、膜／電極接合体の劣化という問題もある。そこで、各単位セルＣのセル電圧ＶCをモニターしながら、最適な設定電圧Ｖrefとなるように設定電圧Ｖref自体を設定変更しながら制御を行う。
【００８７】
前述のように、そこで、差電圧が５０ｍＶ（設定差電圧に相当）以上になった場合、設定電圧変更部４１ｃは、設定電圧Ｖrefを５０ｍＶ（第１所定値に相当）上げるように制御を行う。上記設定電圧Ｖrefをあげるということは、全体的に、水素ガスを使用しない方向に動作する。従って、各発電セルＣにおいて必要な水素ガスのレベルも下がるので、特定の発電セルＣについて水素ガスが不足している状態を解消させることができる。
【００８８】
また、設定電圧変更部４１ｃは、上記のように設定電圧Ｖrefを変更した場合、少なくとも５秒間（第１所定時間に相当）は、さらなる設定電圧Ｖrefの変更制御は行わないようにする。これは、設定変更をした後にその効果が生じるまでは時間を要するので、かかる応答性を考慮して５秒間は制御を行わない。なお、５秒という具体的な数値は、適宜変更可能である。
【００８９】
さらに、設定電圧変更部４１ｃは、設定電圧Ｖrefの変更を１０秒間（第２所定時間に相当）行っていない場合、設定電圧Ｖrefを２５ｍＶ（第２所定値に相当）下げるように制御する。設定電圧Ｖrefの変更を少なくとも１０秒間行っていないということは、この間は、十分に水素ガスが各単位セルＣに供給されているものと推定することができる。そこで、設定電圧Ｖrefを２５ｍＶ下げるように制御を行い、水素ガスをより消費できる方向に動作させる。これにより、水素ガスの供給バランスを一度変えるようにする。水素ガスをより消費できる方向に動作させることで、さらに効率の良い発電を行うことができる。
【００９０】
＜回路部の他の構成＞
次に、図４に戻り、回路部３０の他の構成・機能を説明する。出力電流検出部３３ａは、ＤＣ−ＤＣコンバータ３１の出力側に流れる電流を検出し、その電流値をマイコン４０でモニターする。過電流防止回路３３ｂは、出力電流検出部３３ａによる検出結果に基づいて、過電流が流れているとマイコン４０で判断された場合に作動して、過電流が流れることを防止する。過電流防止回路３３ｂは、ヒューズ等により構成される。
【００９１】
内部負荷検出部３４ａは、負荷を検出することで、出力コネクタ３２における携帯電話５０等の機器の着脱状態を検出する。例えば、出力コネクタ３２に携帯電話５０を接続して充電を行っているときに、不用意に、あるいは故意に携帯電話５０の接続を解除することがある。その場合、突然負荷がなくなった状態になり、発生した水素ガスを消費することができず、水素ガスを外部に排出してしまう可能性がある。
【００９２】
そこで、機器が突然出力コネクタ３２からはずされた場合でも、水素ガスを排出してしまわないような構成を採用している。内部負荷検出部３４ａにより負荷状態を検出し、機器が突然はずされたことをマイコン４０が検出すると、内部可変負荷３４ｂを作用させる。すなわち、突然、携帯電話５０が出力コネクタ３２から外されたとしても、負荷が切り替わることで、水素ガスを消費させ、外部に排出しないようにすることができる。
【００９３】
制御用５Ｖコンバータ３５は、マイコン４０を駆動するための定電圧を提供する。温度センサー３６は、燃料電池２０内部の環境温度を検出する。入力電流検出部３７は、ＤＣ−ＤＣコンバータ３１へ入力する電流の大きさを検出している。
【００９４】
＜実験結果＞
次に、本発明に基づいて、設定電圧をマイコン制御した場合の実験結果を図６、図７に示す。使用した単位セルＣは４つを直列接続したものである。この燃料電池２０の特性は図５に示される。
【００９５】
図６（ａ）は、燃料電池の出力（Ｗ）を時間経過と共に示すグラフである。（ｂ）は、水素ガスの瞬時消費量（ｃｃ／ｍｉｎ）と水素総消費量（ｃｃ）を時間経過と共に示すグラフである。（ｃ）は燃料電池２０の出力容量（Ｗｈ）を時間経過と共に示すグラフである。（ｄ）は燃料電池２０の設定電圧Ｖref（Ｖ）を時間経過と共に示すグラフである。
【００９６】
これらのグラフからも分かるように、水素ガスの発生量に応じて、設定電圧Ｖrefが変更されており、水素ガスを効率よく消費し、また、水素ガスが欠乏することなく発電しているものと推定される。図６（ｂ）からも分かるように、水素総消費量は約８５０ｃｃであった。また、水素検知器を用いて水素ガスの漏れが生じているか否かを検査したが、水素ガスの漏れを検出しなかった。従って、水素ガスを外部に排出することなく効率よく消費できていることが分かった。
【００９７】
図７（ａ）は、４つの単位セルのそれぞれのセル電圧（ＶC1〜ＶC4）を時間経過と共に示すグラフである。（ｂ）は、４つのセル電圧ＶC1〜ＶC4のうち、最大電圧（Ｖmax）−最小電圧（Ｖmin）を時間経過と共に示すグラフである。なお、しきい値としての５０ｍＶが重ねて表示されている。このグラフからも分かるように、水素ガスの発生量が変動しても、設定電圧Ｖrefを制御することで、各単位セルＣの電圧差を抑制できていることが理解される。
【００９８】
＜別実施形態＞
本実施形態では、偏り度合いとして、個々のセル電圧のうち１以上のセル電圧から設定される比較対象電圧と、基準電圧との差電圧を例示して説明した。また、個々のセル電圧のうち１以上のセル電圧から設定される比較対象電圧として、複数（４つ）のセル電圧のうちの最大電圧を例示し、基準電圧として、複数（４つ）のセル電圧のうち最小電圧を例示した。本発明は、上記の例示に限定されるものではなく、種々の変形例が考えられる。
【００９９】
例えば、比較対象電圧として、最大電圧ではなく、２番目あるいは３番目に大きなセル電圧を設定してもよい。基準電圧として、最小電圧ではなく、２番目あるいは３番目に小さなセル電圧を設定してもよい。基準電圧として、セル電圧とは関係のない、予め設定された固定電圧値を用いてもよい。偏り度合いを求めるための方法は多数の変形例が考えられ、任意の組み合わせを採用することができる。
【０１００】
燃料発生部の構成については、種々の変形例が考えられ、本実施形態に限定されるものではない。燃料発生部は消耗品であるため、燃料電池に対して着脱自在なカートリッジとして構成することが好ましい。
【０１０１】
オペアンプの２つの入力端子のうち、どちらを基準電圧に設定するかは、回路構成に応じて適宜選択することができる。
【０１０２】
本実施形態では、発生した水素ガスは燃料電池２０の単位セルのアノード側空間に供給され、各単位セルＣ１〜Ｃ４に対して、均等に水素ガスを供給可能に構成している。水素ガスの供給態様は、上記に限定されるものではなく、例えば、単位セルＣの内部に水素ガスの流路を形成し、各単位セルＣの流路同士をパイプ等で連結することで、決められた流路により水素ガスを供給するように構成してもよい。
【０１０３】
本実施形態では、４つの単位セルＣを直列接続して連結しているが、複数の単位セルＣの接続態様は種々の変形例が可能である。単位セルの個数は上記に限定されるものではない。また、並列接続と直列接続を組み合わせてもよい。例えば、単位セルＣを８つとし、そのうちの２つずつを並列接続のペアとし、このペアを４つ直列接続するように構成してもよい。
【符号の説明】
【０１０４】
１０ 燃料発生部
２０ 燃料電池
３０ 回路部
３１ ＤＣ−ＤＣコンバータ
４０ マイコン
４１ 電圧制御部
４１ａ 電圧検出部
４１ｂ 差電圧演算部
４１ｃ 設定電圧変更部
４２ 入力電圧設定部
５０ 携帯電話
Ｃ（Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４） 発電セル
ＯＰ オペアンプ
ＶC（ＶC1，ＶC2，ＶC3，ＶC4） セル電圧
ＶFC 出力電圧
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料供給部から供給される燃料ガスにより発電する複数の単位セルにより構成される燃料電池と、
この燃料電池の出力電圧を所定の電圧値に変換して出力する直流電圧変換回路と、
前記出力電圧が予め設定された設定電圧となるように制御を行う電圧制御部と、を備え、
前記電圧制御部は、
前記複数の単位セル個々のセル電圧を検出する電圧検出部と、
検出された個々のセル電圧の偏り度合いを検出する偏り度合い検出部と、
検出された前記偏り度合いが予め設定した設定レベル以上となった場合に、前記設定電圧を第１所定値上げる設定電圧変更部と、を備えていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記偏り度合いは、前記個々のセル電圧のうち１以上のセル電圧から設定される比較対象電圧と、基準電圧との差電圧であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記比較対象電圧は、前記個々のセル電圧のうちの最大電圧であることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記比較対象電圧は、前記個々のセル電圧の平均電圧であることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記基準電圧は、前記個々のセル電圧のうちの最小電圧であることを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記基準電圧は、予め設定された固定電圧であることを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記電圧制御部は、前記設定電圧変更部により設定電圧を変更した場合、変更後、少なくとも第１所定時間は設定電圧の変更を行わないことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記設定電圧変更部は、少なくとも第２所定時間、設定電圧の変更を行っていない場合、前記設定電圧を第２所定値下げるように制御することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１】
燃料供給部から供給される燃料ガスにより発電する複数の単位セルにより構成される燃料電池と、
この燃料電池の出力電圧を所定の電圧値に変換して出力する直流電圧変換回路と、
前記出力電圧が予め設定された設定電圧となるように制御を行う電圧制御部と、を備え、
前記電圧制御部は、
前記複数の単位セル個々のセル電圧を検出する電圧検出部と、
検出された個々のセル電圧の偏り度合いを検出する偏り度合い検出部と、
検出された前記偏り度合いが予め設定した設定レベル以上となった場合に、前記設定電圧を第１所定値上げる設定電圧変更部と、を備えていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記偏り度合いは、前記個々のセル電圧のうち１以上のセル電圧から設定される比較対象電圧と、基準電圧との差電圧であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記比較対象電圧は、前記個々のセル電圧のうちの最大電圧であることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記比較対象電圧は、前記個々のセル電圧の平均電圧であることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記基準電圧は、前記個々のセル電圧のうちの最小電圧であることを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記基準電圧は、予め設定された固定電圧であることを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記電圧制御部は、前記設定電圧変更部により設定電圧を変更した場合、変更後、少なくとも第１所定時間は設定電圧の変更を行わないことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記設定電圧変更部は、少なくとも第２所定時間、設定電圧の変更を行っていない場合、前記設定電圧を第２所定値下げるように制御することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１１−２２２１９４（Ｐ２０１１−２２２１９４Ａ）
【公開日】平成２３年１１月４日（２０１１．１１．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−８７９８４（Ｐ２０１０−８７９８４）
【出願日】平成２２年４月６日（２０１０．４．６）
【出願人】（５０６２３９７８４）アクアフェアリー株式会社 (40)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１１月４日（２０１１．１１．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年４月６日（２０１０．４．６）
【出願人】（５０６２３９７８４）アクアフェアリー株式会社 (40)
【Ｆターム（参考）】
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