JP2003187822A

JP2003187822A - プロトン伝導体、膜電極接合体、燃料電池、燃料電池装置、並びに電圧変換装置

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Publication number: JP2003187822A
Application number: JP2001387328A
Authority: JP
Inventors: Shigeaki Wachi; 滋明和智
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2001-12-20
Filing date: 2001-12-20
Publication date: 2003-07-04

Abstract

(57)【要約】【課題】燃料電池から所望とする電圧値で効率よく電
力を取り出す。【解決手段】負極集電電極２と正極集電電極３とによ
り挟持されたプロトン伝導体１２中に制御電極１１を配
設し、この制御電極１１に対して、取り出す電力に応じ
た電圧を印加する。これにより、制御電極１１に印加電
圧に応じた電界が生じる。このとき、プロトンが正の電
荷を有していることから、制御電極１１に正の電圧を印
加すれば、この制御電極１１とプロトンとの間に生じる
クーロン力による影響により、プロトンの移動を制御す
ることができる。したがって、制御電極１１に対する印
加電圧を制御することにより、燃料電池１からの出力を
制御することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する分野】本発明は、燃料電池に搭載して用
いるに好適なプロトン伝導体、膜電極接合体に関する。
また、本発明は、このようなプロトン伝導体又は膜電極
接合体が搭載されて、電力を生成して出力する燃料電池
及び燃料電池装置、並びに、このような燃料電池或いは
燃料電池装置からの出力電圧を所定の電圧値に変換して
出力する電圧変換装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池は、例えば、各種車両等の動力
を担う電力源として、或いは、電気通信の分野に従来か
ら広く用いられており、近年では家庭用電気製品にも搭
載することも検討されつつある。燃料電池は、このよう
に広い分野で様々な用途に用いられているが、各用途に
おいては必要とされる電力や電圧或いは出力特性などが
異なり、それぞれの場合で最適な出力電圧や出力特性が
要求されている。

【０００３】一般に、燃料電池は、正の電極と負の電極
に対してそれぞれ正極活性物質と負極活性物質とが供給
される単セル（１セル）を基本構造として有している。
ところが、単セルから取り出せる電圧値は、０．６Ｖ程
度と比較的低く、単セル構造とされた燃料電池では適用
可能な用途が限定される。

【０００４】そこで、燃料電池から高い出力電圧を得る
ために、次のような手法が利用されている。すなわち、
単セルを積層して電気的に直列接続し、いわばスタック
構造とすることにより、これら単セルの整数倍の出力電
圧を得る手法や、単セルから得られた出力電圧をＤＣ−
ＤＣコンバータを用いて所望とする電圧値に変換する手
法などが利用されている。

【０００５】ここで、単セル構造とされた従来の燃料電
池について、図１１を参照しながら説明する。

【０００６】従来の燃料電池１００は、図１１に示すよ
うに、プロトン伝導体１０１の一方主面に接して負極ガ
ス拡散電極１０２が配設され、他方主面に接して正極ガ
ス拡散電極１０３が配設されている。また、負極ガス拡
散電極１０２と正極ガス拡散電極１０３には、プロトン
伝導体１０１が接する側とは反対側の主面に、それぞれ
負極集電電極１０４と正極集電電極１０５とが配設され
ている。

【０００７】プロトン伝導体１０１は、水素イオンの伝
導率が高い物質、すなわち例えば、フッ素を含む高分子
材料やナフィオン（デュポン社登録商標）などにより形
成されている。負極ガス拡散電極１０２及び正極ガス拡
散電極１０３は、例えば、触媒層が担持された多孔性炭
素基板である。これら負極ガス拡散電極１０２及び正極
ガス拡散電極１０３に担持される触媒としては、例えば
白金やルテニウム等が用いられる。ここで、負極ガス拡
散電極１０２及び正極ガス拡散電極１０３にプロトン伝
導体１０１が挟持され、一体化された部位は、一般に膜
電極接合体（ＭＥＡ）１０６と称されており、燃料電池
１００における主要な構成物のひとつとされている。

【０００８】一方、負極集電電極１０４及び正極集電電
極１０５は、導電性材料により形成されている。そして
燃料電池１００においては、これら負極集電電極１０４
及び正極集電電極１０５により膜電極接合体１０６が挟
持される構成とされている。また、負極集電電極１０４
と正極集電電極１０５とには、それぞれ負極ガス拡散電
極１０２と正極ガス拡散電極１０３とに接する側の主面
に、溝状に形成された流路１０７，１０８を有してい
る。燃料電池１００において、負極集電電極１０４と正
極集電電極１０５とは、これら流路１０７，１０８によ
り負極活性物質と正極活性物質とがそれぞれ負極ガス拡
散電極１０２と正極ガス拡散電極１０３とに供給され
る。

【０００９】以上のように構成された燃料電池１００
は、負極集電電極１０４と正極集電電極１０５とに形成
された流路１０７，１０８に対して、それぞれ負極活性
物質と正極活性物質とを供給することにより発電動作を
開始する。

【００１０】燃料電池１００においては、負極活性物質
として、メタノールに代表される各種のアルコールや水
素ガスなどのように、分子構造に水素原子を含む各種の
物質が用いられ、正極活性物質として、酸素又は空気等
の酸化作用を有する物質が用いられる。なお、最も一般
的には、負極活性物質及び正極活性物質として、例え
ば、水素及び酸素、或いは、水素及び空気の組が用いら
れている。

【００１１】燃料電池１００においては、上述したよう
な負極活性物質と正極活性物質とを反応させることによ
って電気エネルギーを得ることができる。燃料電池１０
０は、電気エネルギーを得る過程で、水（Ｈ_２Ｏ）と熱
以外に余分な有害物質等が生成されることがないため、
環境に対する負荷が極めて低いという大きな利点を有し
ている。

【００１２】ところで、燃料電池１００において、例え
ば水素と酸素を活性物質として用いた場合に単セルから
得られる発電電圧は、理論的には１．２３Ｖであるが、
電極から取り出す電流に応じて電圧降下が生じ、実用電
圧としては０．６Ｖ程度である。したがって、燃料電池
１００は、０．６Ｖ程度の電圧で正常に動作する機器に
対する電力源として用いる場合には、この出力電圧をそ
のまま機器に供給することができる。しかしながら、よ
り高い電圧で動作する機器の電力源として用いる場合な
どにおいて、燃料電池１００から十分な電圧を得るため
には、例えばスタック構造として構成される。

【００１３】燃料電池１００は、単セル構造ではなくス
タック構造とされる場合には、図１１に示す構造体が複
数積層された構造とされ、各構造体における負極集電電
極１０４と正極集電電極１０５とが電気的に直列に接続
されてなる。また、この場合には、負極集電電極１０４
及び正極集電電極１０５によって負極活性物質と正極活
性物質とが分離されることから、これら負極集電電極１
０４及び正極集電電極１０５が「セパレータ」と別称さ
れる。

【００１４】つぎに、単セル構造の燃料電池１００から
より高い出力電圧を得る場合の具体例として、ＤＣ−Ｄ
Ｃコンバータを用いた場合の一例について、図１２を参
照しながら説明する。

【００１５】この場合に、燃料電池１００は、図１２に
示すように、電極端子１００ａがトランジスタ等のスイ
ッチ素子１１１を介してトランス１１２の１次側巻線１
１３に接続される。また、トランス１１２の２次側巻線
１１４には、ダイオード１１５、インダクタンス１１
６、及びコンデンサ１１７を介して負荷機器１１８が接
続されている。図１２に示す回路においては、燃料電池
１００から出力された電圧をトランス１１２の巻線比に
応じて昇圧又は降圧することができることから、トラン
ス１１２の巻線比を適宜選択することにより、所望とす
る電圧値を負荷機器１１８に対して印加することができ
る。

【００１６】また、スイッチ素子１１１の動作を制御回
路部１１９により制御することもできる。このとき、例
えば、トランス１１２のコアが飽和しない範囲におい
て、スイッチ素子１１１がオンとなる時間を長くすれ
ば、トランス１１２の２次側に発生する平均電力も増大
する。したがって、制御回路部１１９によって、負荷機
器１１８に印加される負荷電圧を検知し、負荷電圧が所
定の電圧値よりも低い場合にはスイッチ素子１１１がオ
ンとなる時間を長くするとともに、負荷電圧が所定の電
圧値よりも高い場合にはスイッチ素子１１１がオンとな
る時間を短くする制御を行うことにより、負荷機器１１
８に印加する電圧値を所定の範囲に保つことができる。

【００１７】すなわち、図１２においては、燃料電池１
００に接続された回路が全体として、直流電圧を変換す
るＤＣ−ＤＣコンバータとしての機能を果たしている。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述したよ
うに燃料電池をスタック構造として構成した場合には、
任意の出力電圧を得ることができるものの、全体として
の構造が複雑化・大型化してしまうといった問題があっ
た。このため、例えば、携帯型の電子機器に搭載して電
力源として用いる場合などには適さない。

【００１９】そこで、単セル構造によって所望とする出
力電圧を得ることが可能な燃料電池を実現することが望
まれている。

【００２０】ところで、図１２に示すような回路は、単
セル構造の燃料電池１００からの出力電圧を任意の出力
電圧に変換するという目的において有用性が高いもので
ある。しかしながら、このような回路においてスイッチ
素子１１１に用いられるトランジスタなどの半導体電力
素子は、電流値に依存して０．４Ｖ〜１Ｖ程度の順方向
電圧降下を有しており、決して理想的なスイッチング特
性を備えているものではない。

【００２１】したがって、このような半導体電力素子が
燃料電池１００と負荷機器１１８との間に介在すると、
その個数に応じて電圧降下と電力損失とが発生してしま
うといった問題があった。具体的には、例えば図１２に
示す例において、燃料電池１００からの出力電圧が０．
６Ｖであるときに、スイッチ素子１１１に０．４Ｖの順
方向電圧降下が存在すると、負荷機器１１８に印加され
る電圧は０．２Ｖになってしまい、電力の利用効率は３
３％以下になってしまう。

【００２２】このため、図１２に示すような回路によっ
ては、燃料電池から得られる出力を効率よく電圧変換す
ることができないといった問題があった。

【００２３】そこで、本発明は、上述した従来の実情に
鑑みてなされたものであり、単セル構造の燃料電池から
任意の電圧値で効率よく電力を取り出すことを実現可能
なプロトン伝導体、膜電極接合体、燃料電池、燃料電池
装置、並びに電圧変換装置を提供することを目的とす
る。

【００２４】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１に係る
プロトン伝導体は、プロトンを伝導するプロトン伝導体
において、印加される電圧に応じて生じる電界により上
記プロトンの移動を制御する制御電極を備える。

【００２５】また、本発明の請求項５に係る膜電極接合
体は、負極ガス拡散電極と正極ガス拡散電極とによっ
て、プロトンを伝導するプロトン伝導体が挟持されてな
る膜電極接合体において、上記プロトン伝導体は、印加
される電圧に応じて生じる電界により上記プロトンの移
動を制御する制御電極を備える。

【００２６】さらに、本発明の請求項１０に係る燃料電
池は、負極ガス拡散電極と、正極ガス拡散電極と、上記
負極ガス拡散電極と上記正極ガス拡散電極とにより挟持
され、プロトンを伝導するプロトン伝導体と、上記負極
ガス拡散電極に負極活性物質を供給する負極活性物質供
給手段と、上記正極ガス拡散電極に正極活性物質を供給
する正極活性物質供給手段と、上記プロトン伝導体中に
配設され、印加される電圧に応じて生じる電界により上
記プロトンの移動を制御する制御電極とを備える。

【００２７】さらにまた、本発明の請求項１５記載の燃
料電池装置は、負極ガス拡散電極と、正極ガス拡散電極
と、上記負極ガス拡散電極と上記正極ガス拡散電極とに
より挟持され、プロトンを伝導するプロトン伝導体と、
上記負極ガス拡散電極に負極活性物質を供給する負極活
性物質供給手段と、上記正極ガス拡散電極に正極活性物
質を供給する正極活性物質供給手段と、上記プロトン伝
導体中に配設され、印加される電圧に応じて生じる電界
により上記プロトンの移動を制御する制御電極と、上記
制御電極に対して所定の電圧を印加する電圧印加手段と
を備える。

【００２８】さらにまた、本発明の請求項２０に係る電
圧変換装置は、負極ガス拡散電極と、正極ガス拡散電極
と、上記負極ガス拡散電極と上記正極ガス拡散電極とに
より挟持され、プロトンを伝導するプロトン伝導体と、
上記負極ガス拡散電極に負極活性物質を供給する負極活
性物質供給手段と、上記正極ガス拡散電極に正極活性物
質を供給する正極活性物質供給手段と、上記プロトン伝
導体中に配設され、印加される電圧に応じて生じる電界
により上記プロトンの移動を制御する制御電極と、上記
制御電極に対して所定の電圧を印加する電圧印加手段
と、上記負極ガス拡散電極と上記正極ガス拡散電極との
間で生じた電圧を変圧する変圧器とを備える。

【００２９】以上のように構成された本発明では、プロ
トン伝導体が制御電極を備え、この制御電極に印加され
る電圧に応じて生じる電界により、プロトンの移動を制
御することができる。このため、このようなプロトン伝
導体を備える燃料電池においては、制御電極に印加する
電圧を制御することによって、所定の出力電圧を得るこ
とができる。また、大きな電圧降下や電力損失を有する
半導体電力素子を用いることなく出力電圧を制御するこ
とができることから、単セル構造の燃料電池に適用した
場合であっても、十分に高い出力電圧値を確保すること
ができる。さらに、制御電極に印加する電圧の制御によ
り燃料電池からの出力を制御できることから、例えば活
性物質の供給量を制御することによって出力を制御する
場合と比較して、装置の簡略化・小型化・低コスト化を
図ることが可能である。

【００３０】なお、本発明においては、上記制御電極
が、導電性材料によって形成された電極本体の表面に絶
縁性材料が被覆されていてもよい。通常、燃料電池にお
いては、プロトン伝導体におけるプロトンの移動に水が
関与するため、このプロトン伝導体に対する加湿が行わ
れている。したがって、制御電極を絶縁性材料で被覆す
ることにより、この制御電極からプロトン伝導体へと電
流が流出することを防止することができ、高入力インピ
ーダンスにてプロトンの移動を制御することができる。

【００３１】ここで、本発明においては、電圧を印加し
ないときにプロトンを通過させるとともに、電圧が印加
されることにより生じた電界を利用して効果的にプロト
ンの移動を制御するために、制御電極に微小な孔部を無
数に設けることが望ましい。このとき、プロトンの移動
を制御するに適した十分に小さな径の孔部を制御電極に
形成することが困難な場合であっても、このような制御
電極を複数用意し、各々に形成された孔部の位置をずら
してプロトン導電体中に配設することによって、制御電
極同士の間に孔部の径よりも小さな間隙を構成すること
が容易となる。これにより、電界を効果的にプロトンに
付与し、十分にプロトンの移動を制御することができ
る。したがって、本発明においては、プロトン伝導体中
に複数の制御電極が配設するとしてもよい。

【００３２】また、本発明においては、複数の制御電極
のそれぞれに対して、それぞれ独立して所定の電圧を印
加することが可能とされていることが望ましい。これに
より、各制御電極に対して印加する電圧値を選定し、プ
ロトン伝導体中にプロトンを安定して保持することがで
きる。

【００３３】また、本発明においては、負極ガス拡散電
極及び正極ガス拡散電極のうちの少なくとも一方に、電
極反応を促進する触媒が担持されていることが望まし
く、また、負極ガス拡散電極と正極ガス拡散電極との双
方に触媒が担持されていることがさらに望ましい。これ
により、燃料電池における電極反応が促進され、燃料電
池から効率よく出力電圧を取り出すことが可能となる。

【００３４】また、本発明に係る構成された燃料電池に
加えて、上記負極ガス拡散電極と上記正極ガス拡散電極
との間で生じた電圧を変圧する変圧器とを備えることに
より、請求項２０に係る構成とすることによって、この
燃料電池を電圧変換装置の一部として用いることが可能
となる。

【００３５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図面を参照しながら詳細に説明する。以下では、ま
ず、図１に示すような燃料電池１について説明する。な
お、図１は、燃料電池１の基本構造としての単セルにつ
いて要部を拡大して示す概略断面図である。

【００３６】燃料電池１は、図１に示すように、導電性
材料によって形成された負極集電電極２及び正極集電電
極３によって、膜電極接合体（ＭＥＡ）１０が挟持され
た構造とされている。膜電極接合体１０は、内部に制御
電極１１を備えるプロトン伝導体１２と、このプロトン
伝導体１２の両主面にそれぞれ接して配設された負極ガ
ス拡散電極１３及び正極ガス拡散電極１４とにより構成
されている。

【００３７】プロトン伝導体１２は、水素イオン（プロ
トン）の伝導率が高い材料により形成されており、例え
ば高分子固体電解質材料によって形成されている。この
ような高分子固体電解質材料としては、高分子材料の結
合鎖中にスルホン酸基やカルボン酸基等の電解質基を有
する材料が広く用いられており、具体的には例えば、ナ
フィオン（デュポン社商品名）として知られているパー
フルオロスルホン酸系ポリマー材料を代表として挙げら
れる他、Ｃ_６０（ＯＨ）_ｎ（フラレノール）、Ｃ
_６０（ＯＳＯ_３Ｈ）_ｎ（ＯＨ）_ｍ、Ｃ_６０（ＣＨ_２ＣＨ
_２ＳＯ_３Ｈ）_ｎ、或いはＣ_６０（ＣＨ_２ＣＨ_２ＣＨ_２Ｃ
Ｈ_２ＳＯ_３Ｈ）_ｎ等を原料とした炭素クラスター誘導体
材料を用いることができる。

【００３８】負極ガス拡散電極１３及び正極ガス拡散電
極１４は、例えば、繊維状のカーボンファイバーシート
や多孔質炭素系基板等により形成されており、負極活性
物質及び正極活性物質が自由に透過することが可能な構
造とされている。また、負極ガス拡散電極１３と正極ガ
ス拡散電極１４とのそれぞれにおけるプロトン伝導体１
２側の主面には、電極反応を促進する負極触媒１５と正
極触媒１６とが配されている。

【００３９】これら負極触媒１５及び正極触媒１６は、
例えば、白金、酸化ルテニウム、或いは酸化イリジウム
等の微粒子や、銀などの材料によって形成されている。
燃料電池１は、これら負極触媒１５及び正極触媒１６を
備えていることによって、電極反応が促進され、効率よ
く出力電圧を取り出すことが可能となる。

【００４０】また、負極集電電極２及び正極集電電極３
は、例えば、炭素系材料、ステンレス鋼、或いはチタン
合金などのような耐腐食性が高い導電性材料によって形
成されており、負極ガス拡散電極１３と正極ガス拡散電
極１４との間で生じた電圧を外部に取り出す機能を有し
ている。

【００４１】また、負極集電電極２と正極集電電極３と
には、それぞれ膜電極接合体１０に接する側の主面に、
溝状に形成された流路２ａ，３ａが形成されている。燃
料電池１においては、これら流路２ａ，３ａを介して、
それぞれ負極活性物質と正極活性物質とが負極ガス拡散
電極１２と正極ガス拡散電極１３とに供給される。すな
わち、これら流路２ａ，３ａは、負極ガス拡散電極１２
と正極ガス拡散電極１３とに対してそれぞれ負極活性物
質と正極活性物質とを供給する活性物質供給手段として
の機能を有している。

【００４２】ここで、負極活性物質としては、水素、又
はメタノールに代表される各種のアルコール等のように
分子構造に水素原子を含む物質を用いることができる。
また、正極活性物質としては、酸素又は空気等のような
酸化作用を有する物質を用いることができる。なお、本
例においては、負極活性物質として水素ガスが用いら
れ、正極活性物質として空気が用いられるものとする。

【００４３】一方、プロトン伝導体１２中に配される制
御電極１１は、例えばＦｅ、Ｃｕ、Ａｕ等の導電性材料
によって形成されている。制御電極１１は、外部端子
（図１においては図示せず。）に接続されており、この
外部端子を介して所定の電圧を印加することが可能とさ
れている。制御電極１１は、電圧を印加されたことによ
り生じた電界に応じて、プロトン伝導体１２中における
プロトンの移動を制御する機能を有している。

【００４４】制御電極１１の形状や配設形態としては、
印加される電圧に応じてプロトンの移動を制御するもの
であれば、特に限定されるものではないが、図１に示す
ように、複数の孔部１１ａが形成された平板形状とさ
れ、プロトンの移動方向に対して垂直な方向、すなわち
負極ガス拡散電極１２及び正極ガス拡散電極１３に対し
て平行な方向に配設されることが望ましい。これによ
り、電圧を印加されることにより生じた電界を利用し
て、効果的にプロトンの移動を制御することができる。

【００４５】ここで、制御電極１１の具体的な形状とし
ては、例えば図２（ａ）に示すように、帯状に穿設され
た複数の孔部１１ａが互いに並行に並ぶ形状であっても
よいし、例えば図２（ｂ）に示すように、複数の孔部１
１ａが制御電極１１の主面の全面に渡って所定の間隔で
形成された形状であってもよい。

【００４６】なお、図２（ａ）及び図２（ｂ）は、全体
を板状に形成された制御電極１１の主面を示す平面図で
あり、制御電極１１の端部に、外部から電圧を印加する
ための外部端子１７が接続された状態を示す。また、図
２（ａ）及び図２（ｂ）は、孔部１１ａの具体的な穿設
パターンを模式的に図示するものであり、制御電極１１
全体の大きさに比して孔部１１ａが比較的大きく図示さ
れているが、実際に制御電極１１に形成する孔部１１ａ
の大きさ及び数は、制御電極１１に印加される電圧に応
じて十分にプロトンの移動を制御できる程度の大きさ及
び数とすればよい。

【００４７】なお、制御電極１１と負極触媒１５との間
の離間距離、及び制御電極１１と正極触媒１６との間の
離間距離は、例えば、それぞれ５μｍ〜２００μｍ程度
とすることが望ましい。この離間距離が小さすぎる場合
には、制御電極１１及びプロトン伝導体１２からなる構
造体における機械的強度が不十分となってしまい、応力
が加わることによって制御電極１１がプロトン伝導体１
２から剥離してしまう虞などが生じてしまう。また、離
間距離が大きすぎる場合には、制御電極１１に印加する
電圧に対してプロトンの制御特性が悪化してしまう虞が
生じる。ただし、燃料電池１においては、離間距離が上
述した範囲を超えた場合にプロトンの制御が不能になっ
てしまうものではなく、燃料電池１全体のサイズや要求
される強度に応じて、制御電極１１と負極触媒１５及び
正極触媒１６との離間距離を適宜選択すればよい。

【００４８】また、制御電極１１に形成する孔部１１ａ
の具体的な寸法としては、制御電極１１と負極触媒１５
及び正極触媒１６との離間距離に対して、短辺が１／１
０以下程度とすることが望ましい。すなわち、例えば、
離間距離が５０μｍである場合には、孔部１１ａの短辺
寸法を５μｍ以下程度とすることが望ましい。

【００４９】制御電極１１と負極触媒１５及び正極触媒
１６との離間距離に対して、孔部１１ａの短辺寸法が１
／１０を超える場合には、この孔部１１ａからプロトン
に印加される電界の一様性が大きく損なわれ、プロトン
の制御を均一に行うことができなくなる虞が生じる。こ
の場合には、孔部１１ａの中心部からプロトンが漏れて
しまうことを防ぐために、例えば、制御電極１１に対し
て余分に大きな電圧を印加することが必要となるため、
望ましくない。

【００５０】また、制御電極１１の全表面積に対する孔
部１１ａにおける開口面積の合計の割合（開口比率）が
小さくなるに従って、プロトン伝導体１２中におけるプ
ロトンの伝導の割合（プロトン伝導効率）が低下してし
まうというといった問題が生じる。したがって、十分な
プロトン伝導効率を得るためには、開口比率を３０％以
上程度とすることが望ましい。

【００５１】また、制御電極１１は、例えば図３に示す
ように、表面に絶縁性材料によって形成された被覆膜１
８を備える構成としてもよい。通常、燃料電池１におい
ては、プロトン伝導体１２におけるプロトンの移動に水
が関与するため、図示を省略する加湿機構によって、こ
のプロトン伝導体１２に対して加湿が行われる。したが
って、制御電極１１が被覆膜１８を備えていることによ
り、この制御電極１１からプロトン伝導体１２へと電流
が流出することを防止することができ、高入力インピー
ダンスにてプロトンの移動を制御することができる。

【００５２】なお、被覆膜１８を構成する絶縁性材料と
しては、例えば、酸化シリコン、窒化チタン、ポリエチ
レン、或いはポリプロピレン等のような従来から絶縁性
材料として用いられている各種の材料を用いることがで
きる。

【００５３】つぎに、以上のように構成された燃料電池
１において、制御電極１１に電圧を印加することにより
プロトンの移動が制御可能であることについて図４を参
照しながら説明する。なお、図４においては、負極集電
電極２及び正極集電電極３にそれぞれ負極電極端子１９
ａ及び正極電極端子１９ｂが接続され、これら負極電極
端子１９ａ及び正極電極端子１９ｂにより燃料電池１で
発生した電力が外部に取り出される場合について図示す
る。

【００５４】燃料電池１の制御電極１１に電圧が印加さ
れていない状態においては、図４（ａ）に示すように、
制御電極１１に形成された孔部１１ａを通してプロトン
が自由に移動できることから、従来の燃料電池と同様に
発電動作する。

【００５５】一方、負極集電電極２に対して正となる電
圧を制御電極１１に印加した場合には、電圧が印加され
ることにより電界が生じた制御電極１１と、正の電荷を
有するプロトンとの間に生じるクーロン力によって、プ
ロトン伝導体１２中でのプロトンの移動が妨げられる。
このため、図４（ｂ）に示すように、プロトン伝導膜１
２中のプロトンが負極ガス拡散電極１３から正極ガス拡
散電極１４へと移動することが抑制される。この結果、
負極触媒１５付近でのプロトンの濃度が上昇する。

【００５６】ここで、負極触媒１５においてプロトンが
電離する量は、負極触媒１５の表面近傍でのプロトン濃
度によって支配されていることから、負極触媒１５付近
でプロトン濃度が上昇すると、この負極触媒１５におけ
るプロトンと電子との電離作用が抑制され、電子の発生
が抑制される。同時に、正極触媒１６に達するプロトン
の量も減少するため、正極触媒１６におけるプロトンの
再結合も抑制される。

【００５７】したがって、制御電極１１に正電圧を印加
することによって、燃料電池１における出力電圧が低下
する。そして、十分な正電圧を制御電極１１に印加した
場合には、プロトンが負極ガス拡散電極１３に到達する
ことができなくなり、正極触媒１６におけるプロトンの
再結合が全く行われなくなると同時に、負極触媒１５に
おいても電子の発生が全く行われなくなるため、出力電
圧は０（ゼロ）となる。

【００５８】上述のように、燃料電池１は、プロトン伝
導体１２が制御電極１１を備え、この制御電極１１に印
加される電圧に応じて生じる電界によって、プロトンの
移動を制御することができる。このため、制御電極１１
に印加する電圧を制御することによって、所定の出力電
圧を得ることができる。また、大きな電圧降下や電力損
失を有する半導体電力素子を用いることなく出力電圧を
制御することができることから、単セル構造である場合
でおいても十分に高い出力電圧値を確保することができ
る。さらに、例えば制御電極１１に印加する電圧を制御
する電気的な制御回路を備えることによって出力電圧を
自在に制御できることから、例えば活性物質の供給量を
制御する機械的な機構によって出力を制御する場合と比
較して、装置の簡略化・小型化・低コスト化を図ること
が可能である。

【００５９】ところで、燃料電池１においては、上述し
たように、制御電極１１に形成された孔部１１ａのサイ
ズを、制御電極１１と負極触媒１５及び正極触媒１６と
の離間距離に対して十分に小さくすることが望ましい。
（なお、「孔部１１ａのサイズ」とは、孔部１１ａが方
形の孔である場合には、孔部１１ａの短辺寸法のことと
し、孔部１１ａが円形の孔である場合には、孔部１１ａ
の径のこととする。また、孔部１１ａの形状については
特に限定されるものではない。）

【００６０】具体的には、例えば制御電極１１と負極触
媒１５及び正極触媒１６との離間距離が５μｍ〜２００
μｍである場合には、この離間距離に対応して孔部１１
ａのサイズをその１／１０程度、すなわち０．５μｍ〜
２０μｍ程度とすることが望ましい。しかしながら、こ
のように小さなサイズで孔部１１ａを形成する場合に
は、制御電極１１に微細な加工技術と高い加工精度が要
求され、結果として燃料電池１全体の製品コストが高価
なものとなってしまうといった虞がある。

【００６１】そこで、燃料電池１においては、プロトン
伝導体１２中に複数の制御電極を配設し、これら複数の
制御電極によりプロトンの移動を制御する構成とするこ
とによって、微細な加工技術や高い加工精度を不要とし
ながら単一の制御電極１１を用いた場合と同様な作用効
果を奏する構成とすることもできる。

【００６２】この場合には、例えば図５に示すように、
第１の制御電極１１ｂと第２の制御電極１１ｃとをプロ
トンの移動方向に対して垂直な方向、すなわち負極ガス
拡散電極１２及び正極ガス拡散電極１３に対して平行な
方向に配設する。これら第１の制御電極１１ｂ及び第２
の制御電極１１ｃは、上述した制御電極１１に相当する
ものであり、制御電極１１と同様に、例えば図２（ａ）
又は図２（ｂ）に示すような平面形状とされている。な
お、図５は、プロトン伝導体１２中に配設した第１の制
御電極１１ｂ及び第２の制御電極１１ｃを説明するため
の模式図であり、燃料電池１を構成する他の各部の図示
を省略している。また、図５は、プロトンの移動方向に
対して垂直な断面を示す要部拡大断面図である。

【００６３】ここで、燃料電池１においては、図５に示
すように、第１の制御電極１１ｂ及び第２の制御電極１
１ｃを、それぞれに形成された孔部１１ａの位置をずら
して配設することによって、第１の制御電極１１ｂ及び
第２の制御電極１１ｃの全体として孔部１１ａのサイズ
よりも小さな間隙を構成することができる。

【００６４】すなわち、第１の制御電極１１ｂと負極触
媒１５との離間距離、或いは第２の制御電極１１ｃと正
極触媒１６との離間距離が例えば１００μｍ程度である
場合に、第１の制御電極１１ｂ及び第２の制御電極１１
ｃに形成された孔部１１ａのサイズを、この離間距離と
同程度又はそれ以上とした場合であっても、第１の制御
電極１１ｂ及び第２の制御電極１１ｃによって全体とし
て、数μｍ以下の微小な孔部１１ａを有する単一の制御
電極１１と等価な作用をなす制御電極を構成することが
できる。

【００６５】したがって、燃料電池１に複数の制御電極
を配設することにより、微細な加工技術や高い加工精度
を不要としながら、プロトンの移動を効果的に制御する
ことができる。これにより、燃料電池１の低コスト化を
実現することができる。

【００６６】なお、図５に示す例においては、第１の制
御電極１１ｂと第２の制御電極１１ｃとは、相対向する
面の間隔を数μｍ程度とすることが望ましい。これによ
り、第１の制御電極１１ｂ及び第２の制御電極１１ｃ
が、それぞれに形成された孔部１１ａがオーバーラップ
しない位置に配置された場合であっても、これら第１の
制御電極１１ｂ及び第２の制御電極１１ｃ同士の相対向
する面の間隙でプロトンを良好に通過させることができ
る。また、この場合においては、第１の制御電極１１ｂ
と第２の制御電極１１ｃとを互いに電気的に接続し、双
方に等しい電圧を印加することによって、これら第１の
制御電極１１ｂ及び第２の制御電極１１ｃの近傍で全面
に渡って均一な電界が生じることとなる。このようにし
て、確実に且つ高精度にプロトンの移動を制御すること
ができる。

【００６７】なお、上述においては、２枚の制御電極を
配設した例について説明したが、燃料電池１に配設する
制御電極は２枚に限定されるものではなく、制御電極の
枚数をさらに増やすことによって、１枚の微細加工され
た制御電極を備える場合と等価な作用・効果を得るとし
てもよい。

【００６８】また、燃料電池１においては、上述のよう
に複数の制御電極を備える構成とされた場合において
も、各制御電極の表面に被覆膜１８を備える構成とする
ことがより望ましい。これにより、上述したように、高
入力インピーダンスにてプロトンの移動を制御すること
ができる。

【００６９】つぎに、燃料電池１を用いた具体的なシス
テム構成について説明する。

【００７０】先ず、第１の具体例として、燃料電池１を
用いて発電動作を行うシステムについて説明する。この
場合には、例えば図６に示すように、燃料電池１の制御
電極１１に対して電圧を印加する電圧印加部２０を燃料
電池１に接続する。

【００７１】具体的には、燃料電池１の負極電極端子１
９ａと正極電極端子１９ｂとを、この燃料電池１からの
出力を消費する負荷装置の電極端子にそれぞれ接続する
とともに、燃料電池１の負極電極端子１９ａと制御電極
１１の電極端子１１ａとを、電圧印加部２０の電極端子
にそれぞれ接続する。電圧印加部２０は、例えば各種電
気・電子素子によって構成され、負極電極端子１９ａに
対して正となる所定の電圧値を電極端子１１ａに対して
印加する。

【００７２】以上のように構成されたシステムによれ
ば、燃料電池１に対して所定の流量で活性物質が供給さ
れた状態の下で、電圧印加部２０によって制御電極１１
に印加する電圧値を制御することにより、燃料電池１か
らの出力電圧を自在に制御することが可能となる。

【００７３】すなわち、電圧印加部２０によって、制御
電極１１が電気的に開放された状態とされるた場合に
は、燃料電池１における最大の出力電圧が負荷装置５０
に印加される。また、電圧印加部２０によって制御電極
１１に印加する電圧を高くするに従って燃料電池１から
出力される電圧値が減少し、制御電極１１に十分に高い
電圧が印加されると、燃料電池１からの出力電圧がゼロ
となる。

【００７４】以上のように構成されたシステムにおいて
は、燃料電池１からの出力と比較して遙かに小さい電力
で十分に燃料電池１からの出力を制御できることから、
燃料電池１からの出力を直接制御する場合に必要となる
大型のスイッチや大規模な電圧変換回路を不要とするこ
とができるという利点を有している。また、制御電極１
１に印加する電圧を制御することによる燃料電池１の出
力応答は、この燃料電池１に供給する活性物質の供給量
を制御することによる出力制御を行う場合と比較して遙
かに迅速であることから、極めて急峻なオン／オフ制御
を行うことができるとともに、負荷装置５０における急
激な電圧変動に対しても迅速に対応することが可能であ
る。

【００７５】なお、電圧印加部２０は、制御電極１１に
対して所定の電圧を印加する機能、又は、制御電圧１１
に対して印加する電圧を制御する機能を備えていれば、
特にその構成について限定されるものではない。また、
電圧印加部２０は、例えば、予め設定された所定の時刻
となった場合や、予め設定された所定の時間が経過した
場合に、制御電極１１に対して印加する電圧値を制御す
る構成とされていることによって、負荷装置５０に対す
る燃料電池１からの電力供給を自動的に開始又は停止す
ることが可能とされていてもよい。

【００７６】また、電圧印加部２０から制御電極１１に
対して出力する電圧波形は、燃料電池１の発電動作をオ
ン／オフするための波形に限定されるものでない。例え
ば、負荷装置５０がスピーカ装置である場合に、このス
ピーカ装置に対して供給すべき電圧変化に対応した電圧
波形を制御電極１１に対して印加することによって、燃
料電池１からは所望とする電圧変化を有する音声信号を
スピーカ装置に対して出力することができる。この場合
に、燃料電池１は、スピーカ装置に対する電力供給機能
を果たすと同時に、スピーカ装置に対して出力する信号
の電力増幅機能をも果たすこととなる。

【００７７】また、この場合におけるスピーカ装置に代
えて、各種アクチュエータ装置などを負荷装置５０とし
て燃料電池１に接続してもよい。すなわち、所定の電圧
波形を制御電極１１に対して印加することによって、各
種アクチュエータ装置などに対して出力する電圧を制御
し、これにより各種アクチュエータ装置に対して所望と
する動作を行わせることもできる。

【００７８】次に、燃料電池１を用いたシステムの第２
の具体例として、燃料電池１からの出力を電圧変換して
負荷装置５０に印加するシステムについて説明する。

【００７９】この場合には、例えば図７に示すように、
燃料電池１の制御電極１１に対して電圧を印加する電圧
印加部２０を燃料電池１に接続するとともに、燃料電池
１の負極電極端子１９ａ及び正極電極端子１９ｂをトラ
ンス（変圧器）３０の１次側巻線３０ａに接続し、トラ
ンス３０の２次側巻線３０ｂを負荷装置５０の電極端子
に接続する。また、トランス３０と負荷装置５０との間
には、ダイオード３１及びインダクタンス３２を直接に
接続し、コンデンサ３３を並列に接続する。

【００８０】なお、図７中において、トランス３０の１
次側巻線３０ａ及び２次側巻線３０ｂの近傍に示す丸印
は、巻線の巻始めを示している。すなわち、１次側巻線
３０ａの一端に電流が流れ込む場合に、この一端と同じ
側の２次側巻線３０ｂからは電流が流れ出すこととな
る。

【００８１】電圧印加部２０は、燃料電池１に対して活
性物質が供給された状態の下で、燃料電池１からの電圧
出力が停止するに十分な電圧を所定の周期で繰り返す矩
形波電圧を制御電極１１に対して印加する。このとき、
トランス３０における１次側巻線３０ａ及び２次側巻線
３０ｂの極性と、ダイオード３１の極性との関係から、
電圧印加部２０における「オン」周期、すなわち燃料電
池１からの電圧出力がオンとなる周期で、トランス３０
の２次側巻線３０ｂ側から断続的に電圧出力が発生す
る。この断続的な電圧出力は、トランス３０の２次側巻
線３０ｂ側に接続されたインダクタンス３２によって定
電圧に変換され、最終的に負荷装置５０に印加される。
なお、負荷装置５０に対して定電圧を印加せずに、断続
的な電圧を印加する場合には、インダクタンス３２を不
要とすることができる。

【００８２】ここで、負荷装置５０に印加される電圧値
は、電圧印加部２０における「オン」周期の長さに応じ
て増大する。すなわち、電圧印加部２０により制御電極
１１に印加する矩形波電圧の周期を制御することによっ
て、負荷装置５０に対する出力を制御することが可能で
ある。

【００８３】また、電圧印加部２０は、例えば、負荷装
置５０に印加される電圧値を検出し、この電圧値に基づ
いて、制御電極１１に印加する矩形波電圧の周期を制御
する構成とされていてもよい。これにより、電圧印加部
２０を用いて制御ループを構成することができ、負荷電
流に依存しない良好な定電圧特性を得ることが可能とな
る。

【００８４】さらに、例えばトランス３０における１次
側巻線３０ａと２次側巻線３０ｂとの巻線比を適宜選択
することにより、燃料電池１からの出力電圧を所望とす
る電圧値まで自在に昇圧又は降圧することができる。

【００８５】次に、燃料電池１を用いたシステムの第３
の具体例として、燃料電池１からの直流出力を交流に変
換して負荷装置５０に出力するシステムについて説明す
る。

【００８６】この場合には、例えば図８に示すように、
第１の燃料電池１ａと第２の燃料電池１ｂとを用意し、
第１の燃料電池１ａの負極電極端子１９ａ及び正極電極
端子１９ｂをトランス３０の第１の１次側巻線３０ｃに
接続するとともに、第２の燃料電池１ｂの負極電極端子
１９ａ及び正極電極端子３ｂをトランス３０の第２の１
次側巻線３０ｄに接続する。また、トランスの２次側巻
線３０ｅには、負荷装置５０を接続する。なお、トラン
ス３０における巻線の極性は、図８において丸印にて示
す側を巻き始めとされているものとする。

【００８７】一方、第１の燃料電池１ａの制御電極１１
と第２の燃料電池１ｂの制御電極１１とは、電圧印加部
２０の電極端子に接続され、この電圧印加部２０によっ
て印加される電圧がそれぞれ独立して制御される。

【００８８】また、電圧印加部２０は、負荷装置５０に
印加される電圧（以下、負荷電圧と称する。）又は電流
（以下、負荷電流と称する。）の値を検出し、この負荷
電圧又は負荷電流の値を示す信号である負荷信号を生成
する。

【００８９】ここで、負荷装置５０に交流電圧が印加さ
れている場合には、電圧印加部２０により生成される負
荷信号は、例えば図９（ａ）に示すような正弦波状の波
形となる。電圧印加部２０は、例えば各種半導体素子を
組み合わせて構成された演算回路によって、負荷信号の
絶対値を算出することにより、図９（ｂ）に示すような
波形を有する絶対値信号を生成する。

【００９０】また一方、電圧印加部２０内には、負荷装
置５０に印加すべき理想的な電圧波形又は電流波形を示
す基準信号が生成されている。この基準信号は、例えば
図９（ｃ）に示すような波形とされており、負荷装置５
０に対して正弦波状に変動する電圧又は電流を印加する
場合には、この正弦波形の絶対値に相当する波形とされ
る。そして、電圧印加部２０は、絶対値信号と基準信号
との差分信号に基づいて、第１の燃料電池１ａの制御電
極１１に印加する第１の電圧と、第２の燃料電池１ｂの
制御電極１１に印加する第２の電圧とをそれぞれ生成し
て出力する。

【００９１】このとき電圧印加部２０から出力される第
１の電圧及び第２の電圧は、例えば、図９（ｄ）及び図
９（ｅ）のような波形となる。すなわち、第１の電圧及
び第２の電圧は、それぞれ交互に正の定電圧となる電圧
として出力され、これにより、第１の燃料電池１ａと第
２の燃料電池１ｂとは交互に発電動作を繰り返すことと
なる。

【００９２】以上のようにして、第１の燃料電池１ａと
第２の燃料電池１ｂとを交互に発電動作させることによ
り、各燃料電池からの直流出力を交流に変換して負荷装
置に供給することができる。

【００９３】ここで、正の定電圧が制御電極１１に印加
され、発電動作が停止中の燃料電池には、トランス３０
における一対の１次側巻線３０ｃ，３０ｄ同士の影響に
より、逆極性の電圧が印加されることとなる。このと
き、動作停止中の燃料電池においては、プロトン伝導体
１２を誘電体とするコンデンサとして機能することとな
り、発電動作中の燃料電池に対して格別の影響を与える
ことはない。

【００９４】なお、本例においては、電圧印加部２０が
負荷信号の絶対値を算出するなどの演算処理を行う演算
回路を備えることにより直流―交流変換の制御を行うと
したが、この負荷信号の代わりに負荷電圧又は負荷電流
を直接用い、演算回路の代わりに同等の処理を行う電気
回路を備えて構成されていてもよい。

【００９５】ところで、以上の説明においては、燃料電
池１に備えられた単一又は複数の制御電極に対して、負
極集電電極２に対して「正」となる電圧（以下、正電圧
と称する。）を印加する場合を想定して説明した。以下
では、燃料電池１の制御電極に対して、負極集電電極２
に対して「負」となる電圧（以下、負電圧と称する。）
を印加する場合について説明する。なお、以下の説明に
おいては、燃料電池１が単一の制御電極１１を備える場
合を想定するが、制御電極が複数配設されている場合も
同様である。

【００９６】まず、図４を参照しながら燃料電池１内部
におけるプロトンの動きに注目して説明する。燃料電池
１において、制御電極１１に対して負電圧を印加した場
合には、プロトンは負極触媒１５の表面を離れ、クーロ
ン力により制御電極１１側に移動する。この結果、負極
触媒１５の表面でのプロトン濃度が減少するため、負極
触媒１５の表面でのプロトンと電子との電離作用が促進
される。この現象は、燃料電池１における触媒作用が向
上すると捉えることができる。したがって、負極触媒１
５の表面近傍に多量に発生した電子を外部に取り出すこ
とができれば、燃料電池１の出力効率を向上させること
ができる。

【００９７】しかしながら、制御電極１１に負電圧を印
加した場合には、正極触媒１６の表面近傍に位置するプ
ロトンもクーロン力によって制御電極１１側に移動して
しまうため、正極触媒１６におけるプロトンと電子との
再結合が促進されないといった問題が生じる。このた
め、プロトン伝導体１２内の電子を効果的に外部に取り
出すことができず、燃料電池１における出力効率の向上
を図ることができない。

【００９８】そこで、上述した問題を解決する目的で、
プロトン伝導体１２内に制御電極を複数配設し、各々の
制御電極に対して独立して電圧を印加する構成とする場
合について以下で説明する。

【００９９】この場合には、例えば図１０に示すよう
に、プロトン伝導体１２内で負極触媒１５の近傍位置に
第１の制御電極２１を配設し、正極触媒１６の近傍位置
に第２の制御電極２２を配設する。そして、負極集電電
極２（ひいては負極ガス拡散電極１３及び負極触媒１
５）に対して「負」となる電圧を第１の制御電極２１に
対して印加するとともに、正極集電電極３（ひいては正
極ガス拡散電極１４及び正極触媒１６）に対して「正」
となる電圧を第２の制御電極２２に対して印加する。こ
れにより、正極触媒１６の近傍位置で、第２の制御電極
２２で生じる電界によりプロトンがクーロン力によって
正極触媒１６の表面に向けて移動される。したがって、
正極触媒１６の近傍でプロトンと電子との再結合が促進
され、燃料電池１の出力効率を向上させることができ
る。

【０１００】燃料電池１は、上述のようにして、第１の
制御電極２１と第２の制御電極２２とに対してそれぞれ
独立して電圧を印加する構成とすることにより、少なく
とも一時的には電流容量を増大させることが可能とな
る。

【０１０１】また、負極集電電極２に対して正となる電
圧を第１の制御電極２１及び第２の制御電極２２の双方
に印加した状態を保つことにより、これら第１の制御電
極２１と第２の制御電極２２との間に最も低い電位とな
る部位が生じる。そこで、この部位の付近でプロトンが
安定して留まることを利用して、プロトンを長期間安定
して貯蔵することが可能となる。

【０１０２】したがって、燃料電池１は、例えば、電力
の取り出しを行わないときに上述のようにしてプロトン
を貯蔵しておき、電力の取り出しが行われるときに貯蔵
したプロトンを活用することによってさらに出力効率を
向上させるといった動作を実現することができる。

【０１０３】ここで、本例においても、先の例における
説明と同様な理由により、第１の制御電極２１に設けら
れた孔部２１ａのサイズ、及び第２の制御電極２２に設
けられた孔部２２ａのサイズは、それぞれ、第１の制御
電極２１と負極触媒１５との離間距離、及び第２の制御
電極２２と正極触媒１６との離間距離に対して、１／１
０以下程度とすることが望ましい。

【０１０４】また、第１の制御電極２１及び第２の制御
電極２２に要求される加工精度の許容度を緩和する目的
で、これら第１の制御電極２１及び第２の制御電極２２
のうちの少なくとも一方を、先の例における説明と同様
にして、複数の制御電極（例えば第１の制御電極１１ｂ
及び第２の制御電極１１ｃとの２枚の制御電極）により
構成してもよい。また、先の例における説明と同様に、
第１の制御電極２１及び第２の制御電極２２のうちの少
なくとも一方に対して、上述した被覆膜１８を形成する
ことにより、高入力インピーダンスとなる効果をさらに
向上させることができる。

【０１０５】また、本例においては、第１の制御電極２
１及び第２の制御電極２２に対して、それぞれ独立して
任意の電圧を印加することによって、上述した動作に限
定されず、さらに複雑に組み合わせた動作を行うことが
可能となる。また、第１の制御電極２１と第２の制御電
極２２との２枚の制御電極を設けることに限定されるも
のではなく、制御電極を３枚以上で構成することによ
り、さらに種々の動作を組み合わせることも可能となる
といった効果を得ることができる。

【０１０６】

【発明の効果】本発明では、プロトン伝導体が制御電極
を備え、この制御電極に印加される電圧に応じて生じる
電界により、プロトンの移動を制御することができる。
このため、このようなプロトン伝導体を備える燃料電池
においては、制御電極に印加する電圧を制御することに
よって、所望とする所定の出力電圧を得ることができ
る。また、大きな電圧降下や電力損失を有する半導体電
力素子を用いることなく出力電圧を制御することができ
ることから、単セル構造の燃料電池に適用した場合であ
っても、十分に高い出力電圧値を確保することができ
る。さらに、制御電極に印加する電圧の制御により燃料
電池からの出力を制御できることから、例えば活性物質
の供給量を制御することによって出力を制御する場合と
比較して、燃料電池全体の簡略化・小型化・低コスト化
を図ることが可能である。

【０１０７】したがって、本発明によれば、単セル構造
の燃料電池を用いた場合であっても、所望とする所定の
の出力電圧を効率よく得ることができるとともに、燃料
電池全体の簡略化・小型化・低コスト化を図ることがで
きる。これにより、例えば小型の電子機器等を含めて種
々の機器に搭載することが容易となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態として示す燃料電池の要部
拡大断面図である。

【図２】同燃料電池に備えられる制御電極を示す平面図
であり、図２（ａ）は制御電極に帯状の孔部が形成され
た場合の一例を示し、図２（ｂ）は制御電極の全面に複
数の孔部が形成された場合の一例を示す。

【図３】同燃料電池の制御電極に被覆膜が形成された場
合の例を示す要部拡大断面図である。

【図４】同燃料電池の動作について説明する概略図であ
り、図４（ａ）は制御電極に電圧が印加されていない場
合を示し、図４（ｂ）は制御電極に電圧が印加された場
合を示す。

【図５】同燃料電池に複数の制御電極が備えられる場合
の一例について説明するための図であり、プロトン伝導
体の一部を拡大して示す要部断面図である。

【図６】同燃料電池を用いて負荷装置を駆動するシステ
ムの一例を示す概略図である。

【図７】同燃料電池を用いて負荷装置に印加する電圧の
制御を行うシステムの一例を示す概略図である。

【図８】同燃料電池を用いて直流―交流変換を行うシス
テムの一例を示す概略図である。

【図９】図８に示すシステムにおいて、電圧印加部で用
いられる各種信号の波形の一例を示す概略図であり、図
９（ａ）は負荷装置に印加される電圧又は電流の波形を
示す負荷信号の波形を示し、図９（ｂ）は負荷信号の絶
対値を示す絶対値信号の波形を示し、図９（ｃ）は負荷
装置に印加する理想的な電圧波形又は電流波形の絶対値
を示す基準信号を示し、図９（ｄ）及び図９（ｅ）はそ
れぞれ第１の燃料電池及び第２の燃料電池に印加する電
圧の波形を示す。

【図１０】本発明の別の実施の形態として示す燃料電池
において、複数の制御電極に対してそれぞれ独立して電
圧を印加する場合について説明するための要部拡大断面
図である。

【図１１】従来の燃料電池における単セルの構造を示す
概略斜視図である。

【図１２】従来の燃料電池において出力を制御するシス
テムの概略を示す模式図である。

【符号の説明】

１燃料電池、２負極集電電極、２ａ流路、３正
極集電電極、３ａ流路、１０膜電極接合体、１１
制御電極、１１ａ孔部、１１ｂ第１の制御電極、１
１ｃ第２の制御電極、１２プロトン伝導体、１３
負極ガス拡散電極、１４正極ガス拡散電極、１５負
極触媒、１６正極触媒、１７外部端子、１８被覆
膜、１９ａ負極電極端子、１９ｂ正極電極端子、２
０電圧印加部、２１第１の制御電極、２１ａ孔
部、２２第２の制御電極、２２ａ孔部、３０トラン
ス、５０負荷装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０１Ｍ 8/10 Ｈ０１Ｍ 8/10

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】プロトンを伝導するプロトン伝導体にお
いて、印加される電圧に応じて生じる電界により上記プロトン
の移動を制御する制御電極を備えることを特徴とするプ
ロトン伝導体。
【請求項２】上記制御電極は、導電性材料によって形
成された電極本体の表面が絶縁性材料によって被覆され
てなることを特徴とする請求項１記載のプロトン伝導
体。
【請求項３】上記制御電極を複数備えることを特徴と
する請求項１記載のプロトン伝導体。
【請求項４】上記複数の制御電極には、それぞれ独立
して電圧が印加されることを特徴とする請求項３記載の
プロトン伝導体。
【請求項５】負極ガス拡散電極と正極ガス拡散電極と
によって、プロトンを伝導するプロトン伝導体が挟持さ
れてなる膜電極接合体において、上記プロトン伝導体は、印加される電圧に応じて生じる
電界により上記プロトンの移動を制御する制御電極を備
えることを特徴とする膜電極接合体。
【請求項６】上記制御電極は、導電性材料によって形
成された電極本体の表面が絶縁性材料によって被覆され
てなることを特徴とする請求項５記載の膜電極接合体。
【請求項７】上記プロトン伝導体は、上記制御電極を
複数備えることを特徴とする請求項５記載の膜電極接合
体。
【請求項８】上記複数の制御電極には、それぞれ独立
して電圧が印加されることを特徴とする請求項７記載の
膜電極接合体。
【請求項９】上記負極ガス拡散電極及び／又は上記正
極ガス拡散電極は、電極反応を促進する触媒が担持され
てなることを特徴とする請求項５記載の膜電極接合体。
【請求項１０】負極ガス拡散電極と、正極ガス拡散電極と、上記負極ガス拡散電極と上記正極ガス拡散電極とにより
挟持され、プロトンを伝導するプロトン伝導体と、上記負極ガス拡散電極に負極活性物質を供給する負極活
性物質供給手段と、上記正極ガス拡散電極に正極活性物質を供給する正極活
性物質供給手段と、上記プロトン伝導体中に配設され、印加される電圧に応
じて生じる電界により上記プロトンの移動を制御する制
御電極とを備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項１１】上記制御電極は、導電性材料によって
形成された電極本体の表面が絶縁性材料によって被覆さ
れてなることを特徴とする請求項１０記載の燃料電池。
【請求項１２】上記制御電極を複数備えることを特徴
とする請求項１０記載の燃料電池。
【請求項１３】上記複数の制御電極には、それぞれ独
立して電圧が印加されることを特徴とする請求項１２記
載の燃料電池。
【請求項１４】上記負極ガス拡散電極及び／又は上記
正極ガス拡散電極は、電極反応を促進する触媒が担持さ
れてなることを特徴とする請求項１０記載の燃料電池。
【請求項１５】負極ガス拡散電極と、正極ガス拡散電極と、上記負極ガス拡散電極と上記正極ガス拡散電極とにより
挟持され、プロトンを伝導するプロトン伝導体と、上記負極ガス拡散電極に負極活性物質を供給する負極活
性物質供給手段と、上記正極ガス拡散電極に正極活性物質を供給する正極活
性物質供給手段と、上記プロトン伝導体中に配設され、印加される電圧に応
じて生じる電界により上記プロトンの移動を制御する制
御電極と、上記制御電極に対して所定の電圧を印加する電圧印加手
段とを備えることを特徴とする燃料電池装置。
【請求項１６】上記制御電極は、導電性材料によって
形成された電極本体の表面が絶縁性材料によって被覆さ
れてなることを特徴とする請求項１５記載の燃料電池装
置。
【請求項１７】上記制御電極を複数備えることを特徴
とする請求項１５記載の燃料電池装置。
【請求項１８】上記電圧印加手段は、上記複数の制御
電極に対して、それぞれ独立して所定の電圧を印加する
ことを特徴とする請求項１７記載の燃料電池装置。
【請求項１９】上記負極ガス拡散電極及び／又は上記
正極ガス拡散電極は、電極反応を促進する触媒が担持さ
れてなることを特徴とする請求項１５記載の燃料電池装
置。
【請求項２０】負極ガス拡散電極と、正極ガス拡散電極と、上記負極ガス拡散電極と上記正極ガス拡散電極とにより
挟持され、プロトンを伝導するプロトン伝導体と、上記負極ガス拡散電極に負極活性物質を供給する負極活
性物質供給手段と、上記正極ガス拡散電極に正極活性物質を供給する正極活
性物質供給手段と、上記プロトン伝導体中に配設され、印加される電圧に応
じて生じる電界により上記プロトンの移動を制御する制
御電極と、上記制御電極に対して所定の電圧を印加する電圧印加手
段と、上記負極ガス拡散電極と上記正極ガス拡散電極との間で
生じた電圧を変圧する変圧器とを備えることを特徴とす
る電圧変換装置。
【請求項２１】上記制御電極は、導電性材料によって
形成された電極本体の表面が絶縁性材料によって被覆さ
れてなることを特徴とする請求項２０記載の電圧変換装
置。
【請求項２２】上記制御電極を複数備えることを特徴
とする請求項２０記載の電圧変換装置。
【請求項２３】上記電圧印加手段は、上記複数の制御
電極に対して、それぞれ独立して所定の電圧を印加する
ことを特徴とする請求項２２記載の電圧変換装置。
【請求項２４】上記負極ガス拡散電極及び／又は上記
正極ガス拡散電極は、電極反応を促進する触媒が担持さ
れてなることを特徴とする請求項２０記載の電圧変換装
置。