JP2004253361A - 発電のための装置および方法ならびに電源 - Google Patents

Abstract

【課題】生体触媒型燃料電池は生ずる電圧が低いこと、必要に応じて前記燃料電池を直列または並列に接続すると、前記燃料電池の電気的特性（内部抵抗等）が相互に著しく異なる場合があり、前記燃料電池より必要とする電源装置を得ることが問題となる。
【解決手段】電力を発生させるための複数の生体触媒型燃料電池ユニット１を備える。前記装置は、さらに、生体触媒型燃料電池ユニット１によって発生する電圧を平衡に保って蓄電する１個または複数の蓄電器２， ３と、生体触媒型燃料電池ユニット１によって発生する電圧を１個または複数の蓄電器２， ３に周期的に接続するための手段４， ８と、制御回路５，を備える。すなわち本発明は生体触媒型燃料電池ユニット１の出力電流をチョッピングすることによって、出力電圧を増大する考えに基づく。
【選択図】図２

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、生体触媒を使用した（すなわち生体触媒型の）燃料電池ユニットを用いた発電装置および発電方法に関する。本発明はさらに、生体触媒型燃料電池ユニットを用いた電源に関する。
【背景技術】
【０００２】
生体触媒型燃料電池は、化学エネルギーを直接電気に変換するデバイスである。この型の電池に適した燃料（つまり基質）としては、様々な有機化合物（例えば糖とアルコール）が挙げられる。生きている微生物、細胞結合した酵素（ｃｅｌｌ−ｂｏｕｎｄ ｅｎｚｙｍｅ）、または単離された酵素を触媒として用いる場合、電池の駆動力は、基質の酸化還元反応に基づく。生体触媒型電池の動作原理は、化学燃料電池の動作原理に類似している。主な違いは、生物学的燃料電池での触媒が、白金等の貴金属ではなく１種または数種の酵素であり、動作条件が穏やかであるということである。溶液の温度およびｐＨは、生物学的範囲内、すなわち生物および酵素が作用する条件内である。
【０００３】
現今、低電力のポータブル電子デバイス（例えば携帯電話、コンピュータ等）に適したエネルギー源に特別な注目が払われている。燃料として水素を使用することは安全上の理由から実際上不可能なので、改質装置がなくても動作し、ロジスティックな（ｌｏｇｉｓｔｉｃ）燃料を用いた直接作用の燃料電池が関心の的となっている。従来の蓄電池よりもさらに良好なエネルギー蓄積能力と、さらに環境にやさしい構造および材料の解明とが目的とされている。化学燃料電池の欠点は、強力にするために激しい反応条件（例えば、高温、および強酸性溶液または強アルカリ性溶液）を必要とすることである。ゆえに、上記の電池を電源としてポータブル電子デバイス等に使用することは非常に問題が多い。
【０００４】
触媒として酵素を有する生物学的燃料電池は、当分野において既に公知である。例えば、米国特許第６，２９４，２８１号明細書は、エネルギー源としてヒトの体液または植物の液汁を用いる生物学的燃料電池を記載している。この公報に記載の燃料電池によって発生する電力は、かなり低電力のデバイスを駆動するのに直接使用されるか、或いは蓄電池またはバッテリを充電するのに直接使用される。
【０００５】
生体触媒型燃料電池に関する一般的な問題は、燃料電池ユニットから生じる電圧の低さに起因する。電圧源を必要に応じて直列または並列に接続することは公知であるが、生体触媒型燃料電池では、燃料電池の電気的特性（内部抵抗等）が相互に著しく異なる場合があるので、問題が生じる。僅か２、３個の電池を直列に接続することは十分可能であるが、その数は全ての適用を満たすには十分な数ではない。数個の電池を直列に接続すると、ユニットの動作にむらが生じ、ユニットの動作を停止し、結果として直列接続した電池全体の動作を停止する可能性がある。さらに、電池の内部抵抗は、直接アルコール燃料電池ではかなり高く、その高い内部抵抗が、直列に接続された上記の電池の動作をさらに弱くする。
【考案の開示】
【０００６】
本発明の課題は、上述の欠点が回避され、以前よりも簡便かつ汎用性のある方法で、生体触媒の燃料電池から電力を発生させることが可能である、発電装置および発電方法ならびに電源を提供することである。本発明の課題は、本発明の装置、方法および電源によって解決され、独立請求項１、６、８および９に記載した事項を特徴とする。本発明の好適な実施形態を従属請求項に示す。
【０００７】
本発明は、生体触媒型燃料電池の出力電流をチョッピング（ｃｈｏｐｐｉｎｇ）することによって、燃料電池の出力電圧が瞬間的に増大するという考えに基づく。従って、燃料電池を連続電圧源として使用するのではなく、その出力は中間ストレージ（ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ ｓｔｏｒａｇｅ）（例えば蓄電器（ｃａｐａｃｉｔｏｒ）または蓄電池（ａｃｃｕｍｕｌａｔｏｒ）等）にスイッチオンされたり、スイッチオフされたりする。出力電流をチョッピングすることにより、電極表面での反応が改善され、特に、生体触媒型燃料電池の電極付近の物質移動が改善されることがわかった。
【０００８】
本発明の解決策の利点は、該方法および装置の原理によれば、生体触媒型燃料電池を所望のやり方で機能上並列または直列に接続することが可能であり、同時に、単一の燃料電池ユニットの出力電圧を増大することが可能であり、それによってシステム全体の出力電圧が増大し、ユニットのサイズによって得られる容量が増大することである。さらに、燃料電池ユニットは単に機能上多数直列接続されているだけなので、ユニットの電気特性の相違によって、ユニット電池で形成される実体の動作は何ら影響を受けない。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明を、好適な実施形態、さらに添付の図面を参照することによって、より詳細に説明する。
【００１０】
図１は本発明の装置の一実施形態を示す。この装置において、生体触媒型燃料電池１は機能上並列に接続されている。機能上並列である接続は、電池ユニット間に直流結合（ｇａｌｖａｎｉｃ ｃｏｕｐｌｉｎｇ）を用いずに行われるので、該電池ユニットの考えうる種々の電気特性によって接続作用は全く影響されない。本発明によれば、燃料電池ユニットは、電池ユニットを中間ストレージに並列に接続することが可能なように、制御スイッチを介して中間ストレージ（蓄電器または蓄電池等）に接続される。図１は、生体触媒型燃料電池ユニット１を３個有する接続を示すものであり、図において、ユニット１は、制御スイッチ４で蓄電器２の一方の極に接続され、ユニット１と蓄電器の他方の極は接地されている。従って、各電池ユニットは、スイッチを介して同一の蓄電器に接続することが可能である。図１は、３個の電池ユニットのみを示すが、電池ユニットの数は、各適用場面で必要とされる電力に基づいて選択することが可能であることは明らかである。図１および２の実施形態およびその説明において、中間ストレージは蓄電器２である。本発明の好適な一実施形態によれば、中間ストレージは、上記蓄電器のように充電と放電が可能な充電デバイスである蓄電池でもあってもよい。
【００１１】
本発明に係る制御スイッチを導電状態からまたは導電状態に周期的に制御することで、燃料電池ユニットの出力電圧が増大される。図１の場合、スイッチ４は、交互に導電状態に制御され、各電池ユニットは、交代で蓄電器と電気的に接触し、ユニットに電圧を発生させる。上述の通り、生体触媒燃料電池のパルス負荷は、電池の動作を改善し、電池の平均電力を増大させる。電池１個の開放回路の電圧は通常０．６〜０．９ボルトであり、動作モードで負荷がかけられた電池は、０．３〜０．５ボルトの電圧を生じる。本発明の方法の使用は、勿論、直列に接続されていない電池の使用だけに限定されるものではない。電池ユニットからの電圧を大きくする必要がある場合、適切な動作を得るのに十分な数の電池を直流電気的に（ｇａｌｖａｎｉｃａｌｌｙ）結合してもよい。本発明の方法に基づく解決策は、特に、生体触媒型燃料電池から得られる電力を改善することが確認されている。本発明の方法を別の種類の電池に適用することも当然可能であるが、もたらされる利益は、生体触媒型電池での利益ほど良好ではない。
【００１２】
図１はさらに、スイッチ４を制御する制御回路５を示す。最も単純なもので、制御回路は、スイッチを一度に一個規則正しく（ｃｌｏｃｋｅｄｌｙ）制御するクロック回路である。スイッチ４は、通常、低損失の半導体スイッチ（例、ＦＥＴトランジスタ等）である。
【００１３】
制御回路５は、スイッチを規則正しく制御すること以外の機能も備えることが可能である。本発明の方法の実施形態によれば、電池の１種または数種の特性を決定し、その決定を基準として、特定の特性を有する電池の制御スイッチを導電状態に設定する。このような決定可能な電池の特性の例としては電池の電圧が挙げられ、最高電圧を有する電池が中間ストレージに接続される。このようにして、電池の状態をモニターすることが可能であり、最高エネルギーを供給する電池を使用して、中間ストレージにエネルギーを供給することが可能である。他の決定可能な電池の特性としては、電池の電圧の増減率および電池の温度が挙げられる。制御回路は、電池の電圧を連続的に決定するような様式で（すなわち、電池が中間ストレージに接続されている場合でさえも）、制御を実行することが可能である。電圧が事前設定電圧の限度未満に下がった場合、制御回路は前記スイッチの制御を停止させて、最高電圧を有する未接続の電池に制御を移行することが可能である。
【００１４】
図１の実施形態において、蓄電器２のタスクは、電池ユニットから獲得した電流の平衡を保ち、瞬間的なエネルギー貯蔵部としての役割を果たすことである。本発明の装置の好適な一実施形態によれば、該装置は電圧コンバーター６も備える。電圧コンバーターはその入力Ｕｉｎに蓄電器２の電圧を受ける。電圧コンバーターは、入力電圧を各々の場合において所望の特性を有する出力電圧Ｕｏｕｔに変換するデバイスである。本発明に適用する電圧コンバーターは、入力直流電圧を出力電圧に変換するＤＣ／ＤＣコンバーターであるのが好ましい。該コンバーターは、当分野で一般に公知である適当な任意のコンバーターでよい。
【００１５】
図１は本発明の電源を示し、電池ユニットは機能上並列に接続されている。この種の電源は、ポータブル電子デバイスにおいて、例えば電力を供給するのに適しており、この場合、電子デバイスは電源の出力Ｕｏｕｔからその供給を受ける。
【００１６】
図２は、本発明の方法および装置を利用した本発明の電源の第二の実施形態を示す。図２の実施形態において、生体触媒型電池は、別個の蓄電器接続を用いることによって実質的に直列に接続されている。図２の実施形態は、全ての電池ユニット１が各自その燃料電池ユニット専用（ｆｕｅｌ−ｃｅｌｌ−ｕｎｉｔ−ｓｐｅｃｉｆｉｃ）の蓄電器３を有する点で図１の実施形態と異なっており、蓄電器３は、第一半導体スイッチ４を介してユニットと蓄電器とを並列に接続することによって充電される。本発明の方法に基づいて充電をパルス式で行うと、より高い電力が得られる。
【００１７】
本発明の電源および図２は、さらに、燃料電池ユニット専用の蓄電器３を直列に接続するように装置された第二半導体スイッチ７と、直列接続の蓄電器３を平衡蓄電器（ｂａｌａｎｃｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｏｒ）２と並列に接続するように装置された第三半導体スイッチ８とを備える。既に上述の通り、図２の実施形態も、中間ストレージとして蓄電器を示す。同様に、本発明の実施形態に係る中間ストレージとして使用されるコンポーネントは、蓄電池でもよい。
【００１８】
第二半導体スイッチおよび第三半導体スイッチは同時に一緒に制御されるので、電池ユニットによって充電される蓄電器は互いに直列に接続され、平衡蓄電器２とは並列に接続される。平衡蓄電器は、図１の実施形態と同じように使用される。
【００１９】
本発明の電源はさらに、制御回路と電圧コンバーターを備える。制御回路は、半導体スイッチを制御するように装置され、同時にスイッチ４を瞬間的に制御して導電状態にし、蓄電器３を充電するタイマー回路として導入することが可能である。制御回路がスイッチ４をブロッキング状態に制御する場合、蓄電器３が直列に接続するように、制御回路は、同時にスイッチ７も制御する。スイッチ７が制御されている間に、スイッチ８も導電状態に制御されて、蓄電器の電荷が、蓄電器２および電圧コンバーター６に移動できるようになる。
【００２０】
スイッチ７は２つの導電状態を有する。電池専用の蓄電器３を充電中、該スイッチは、蓄電器を、つまり図２の場合においては接地に対して電池と並列に接続する。第二の状態において、蓄電器３は直列に接続され、同時に、蓄電器の電荷はスイッチ８を介して放電される。この方法によって、生体触媒型燃料電池は機能上直列に接続され、より高い電圧を達成することが可能である。蓄電器２は、図１の実施形態と同じように電圧コンバーターに接続される。機能上直列接続で獲得され、コンバーター入力Ｕｉｎに供給される電圧は、同種電池を同数、機能上並列に接続した電圧よりも高い。
【００２１】
本発明は、ユニット電池、パルス制御されたスイッチ、制御を実行する電子回路、および中間ストレージが一つになって同じ実体（ｅｎｔｉｔｙ）を構成し、かつ一緒に電源を形成するようなやり方で上記に記載されている。しかしながら、本発明を別のデバイスで実施するのに必要なコンポーネント（電子デバイス等）の一部を設置することも可能である。上記の場合、電子デバイスには、本発明を実施するための、電池ユニット以外の全ての手段が含まれる。電子デバイスとして、さらに、制御スイッチコンポーネント、論理制御回路、中間ストレージ、および通常は電圧コンバーターが挙げられる。他の可能な変形形態も、本発明を実行するのに必要なコンポーネントの配置において勿論可能である。
【００２２】
上記は、本発明の方法および装置に基づく本発明の電源の２つの実施形態を記載する。しかしながら、本発明の方法を利用することによって、非常に多くの様々な要望に対して、種々の電源を組み立てることが可能となるのは明らかである。
【００２３】
本発明の基本的な考えを様々な方法で実施可能であることは、当業者には明らかである。本発明およびその実施形態は、上記の実施例に限定されるものではなく、請求項の範囲内で変更することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の装置の２、３種の実施形態の概略を示す図である。
【図２】本発明の装置の２、３種の実施形態の概略を示す図である。
【符号の説明】
【００２５】
１ 生体触媒型燃料電池ユニット、２ 中間ストレージ（蓄電器）、３ 中間ストレージ（蓄電器）、４ 第一半導体スイッチ、５ 制御回路、６ 電圧コンバーター、７ 第二半導体スイッチ、８ 第三半導体スイッチ

Claims (16)

1. 発電用の複数の生体触媒型燃料電池ユニット（１）を備えた発電装置であって、
   生体触媒型燃料電池ユニット（１）によって生じた電圧を平衡に保ち、蓄電するための１個または複数の中間ストレージ（２，３）と、
   生体触媒型燃料電池ユニット（１）によって生じた電圧を周期的に１個または複数の中間ストレージ（２，３）に接続するための手段（４，５）と
   をさらに備えることを特徴とする装置。
2. 燃料電池ユニットを接続するための手段が、スイッチ手段（４）と、スイッチ手段を制御するように装置された制御回路（５）を備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 中間ストレージに蓄電された電圧を変換し、出力電圧を供給するように装置された電圧コンバーター（６）をさらに備えることを特徴とする請求項１または２に記載の装置。
4. 電圧コンバーター（６）がＤＣ／ＤＣコンバーターであることを特徴とする請求項３に記載の装置。
5. スイッチ手段（４）が半導体スイッチであることを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載の装置。
6. 中間ストレージが蓄電器または蓄電池であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の装置。
7. 生体触媒型燃料電池ユニットを用いて電力を発生させる発電方法であって、燃料電池ユニットが制御スイッチを介して１個または複数の中間ストレージに接続されており、導電状態からまたは導電状態に制御スイッチを周期的に制御して、燃料電池ユニットの出力電圧を増大させるステップを含むことを特徴とする方法。
8. 前記電池の１種または数種の特性を決定するステップと、
   前記決定を基準として、特定の特性を有する電池の制御スイッチを導電状態に制御するステップをさらに含むことを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. 決定される特性が電池の電圧であることを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. 電池の電圧を連続的に決定するステップと、
    前記の決定を基準として、特定の電池の制御スイッチを導電状態に制御するステップと、
    前記特定の電池の電圧が、事前に設定した限界値未満になるまで、前記制御スイッチを導電状態に維持するステップと
    をさらに含むことを特徴とする請求項８に記載の方法。
11. 中間ストレージに蓄電された電圧を電圧コンバーターで変換して、出力電圧を供給するステップをさらに含むことを特徴とする請求項７〜１０のいずれか１項に記載の方法。
12. 中間ストレージが、蓄電器または蓄電池であることを特徴とする請求項７〜１１のいずれか１項に記載の方法。
13. 電極をもち、その電極間に出力電圧を有する発電用の複数の生体触媒型燃料電池ユニット（１）を備えた電源であって、
    前記生体触媒型燃料電池ユニット（１）によって発生した電圧を平衡に保って蓄電する中間ストレージ（２）と、
    前記燃料電池ユニットの出力電圧を前記中間ストレージに周期的に接続するための、各燃料電池ユニットの一方の電極に接続された第一半導体スイッチ（４）と、
    第一半導体スイッチ（４）を制御するための制御回路（５）と、
    前記中間ストレージ（２）の極に接続された入力（Ｕｉｎ）、および出力電圧を供給するように装置された出力（Ｕｏｕｔ）を備える電圧コンバーター（６）と
    をさらに備えることを特徴とする電源。
14. 前記中間ストレージが、蓄電器または蓄電池であることを特徴とする請求項１３に記載の電源。
15. 電極をもち、その電極間に出力電圧を有する発電用の複数の生体触媒型燃料電池ユニット（１）を備えた電源であって、
    前記生体触媒型燃料電池ユニットによって発生した電圧を平衡に保って蓄電する平衡中間ストレージ（２）と、
    燃料電池ユニット専用の中間ストレージ（３）、および前記燃料電池ユニット専用の中間ストレージ（３）を前記燃料電池（１）と周期的に並列に接続するように装置された第一半導体スイッチ（４））と、
    前記燃料電池ユニット専用の中間ストレージ（３）を直列に接続するように装置された第二半導体スイッチ（７）と、
    前記の直列に接続された中間ストレージ（３）を平衡中間ストレージ（２）と並列に接続するように装置された第三半導体スイッチ（８）と、
    前記半導体スイッチを制御するための制御回路（５）と、
    前記平衡中間ストレージ（２）の極に接続された入力（Ｕｉｎ）および出力電圧を提供するように装置された出力（Ｕｏｕｔ）を備えた電圧コンバーター（６）と
    を備えることを特徴とする電源。
16. 前記中間ストレージが蓄電器または蓄電池であることを特徴とする請求項１５に記載の電源。

Images