JP2006236689A - 燃料電池用昇圧回路及び燃料電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の立ち上げ時等に燃料電池に過負荷をかけることのない燃料電池用昇圧回路を提供する。
【解決手段】燃料電池１００により発生した電圧が入力される入力部５３と、この入力された電圧を所定の電圧値に昇圧するためのＤＣ−ＤＣコンバータ５１と、昇圧された電圧を機器１０１へ供給するための供給部５４とを備えた燃料電池用昇圧回路５０であって、入力部５３における電圧値を検知する電圧検知部５６ａと、検知された電圧値が所定値よりも低いか否かを判断する電圧判断部と、電圧値が所定値より低い場合、機器への電力供給を遮断するパワーＭＯＳＦＥＴ５５ａとからなる保護回路５２を備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池により発生した電圧が入力される入力部と、この入力された電圧を所定の電圧値に昇圧するための昇圧部と、昇圧された電圧を機器へ供給するための供給部とを備えた燃料電池用昇圧回路及びこの昇圧回路を有する燃料電池モジュールに関するものである。

ポリマー電解質のような固体高分子電解質を使用した高分子型燃料電池は、高いエネルギー効率を持ち、薄型小型・軽量であることから、家庭用ジェネレーションシステムや自動車向けに開発が活発化している。かかる燃料電池の従来技術の構造として、下記の非特許文献１に開示されており、これを図６に示す。

図６に示すように、固体高分子電解質膜１００を挟んでアノード１０１とカソード１０２とを配設する。さらに、ガスケット１０３を介して一対のセパレータ１０４により挟持して単位セル１０５を構成する。この単位セル１０５を多数個積層し、単位セル１０５どうしを電気的に直列に接続して燃料電池Ｎを構成する。電極１０６は、積層した両端の単位セル１０５から取り出すことができる。このような燃料電池Ｎは、クリーンかつ高効率という特徴から、種々の用途、特に、電気自動車用電源や家庭用分散型電源として注目されている。

一方、近年のＩＴの発展に伴い、携帯電話、ノートパソコン、デジタルカメラ等のモバイル機器（携帯機器）のほとんどの電源は、リチウムイオン二次電池が用いられている。しかし、これらモバイル機器の高機能化に伴い消費電力がますます増加する傾向にあり、その電源用としてクリーンで高効率な燃料電池に注目が集まっている。
日経メカニカル別冊「燃料電池開発最前線」発行日２００１年６月２９日、発行所：日経ＢＰ社、第３章ＰＥＦＣ、３．１原理と特徴ｐ４６

例えば、ノートパソコン用の電源として燃料電池を用いる場合、１５Ｖ程度の出力電圧が必要となる。従って、燃料電池セル（単位セル）を複数個直列接続することで、所望の出力電圧となるように構成する必要があるが、搭載できる燃料電池セルの数には限度がある。すなわち、所望の電圧値となるまでの燃料電池セルを接続できないため、燃料電池により発生した電圧を昇圧させる必要がある。そこで、燃料電池用昇圧回路を燃料電池と共に設けなければならない。

しかしながら、燃料電池によりノートパソコン等の機器に電源供給する場合、次のような課題が発生する。すなわち、燃料電池の立ち上げ当初は十分な電気出力が得られないため、機器側から能力以上の電力供給を要求されることがあり、燃料電池に過負荷がかかるということがありうる。このような過負荷が燃料電池にかかると、電極が劣化してしまい、以後十分な電力を供給できなくなる。

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、燃料電池の立ち上げ時等に燃料電池に過負荷をかけることのない燃料電池用昇圧回路及び燃料電池モジュールを提供することである。

上記課題を解決するため本発明に係る燃料電池用昇圧回路は、
燃料電池により発生した電圧が入力される入力部と、
この入力された電圧を所定の電圧値に昇圧するための昇圧部と、
昇圧された電圧を機器へ供給するための供給部とを備えた燃料電池用昇圧回路であって、
入力部における電圧値を検知する電圧検知部と、
検知された電圧値が所定値よりも低いか否かを判断する電圧判断部と、
電圧値が所定値より低い場合、機器への電力供給を遮断する制御部とからなる保護回路を備えたことを特徴とするものである。

かかる燃料電池用昇圧回路の作用・効果を説明する。燃料電池により発生した電圧が入力部に入力されると、昇圧部により所定の電圧に昇圧される。昇圧部は、例えば、ＤＣ−ＤＣコンバータにより構成することができる。昇圧された電圧は、供給部を介して機器に供給される。また、本発明に係る昇圧回路は保護回路を備えている。この保護回路は、入力部における電圧値を検知する機能を有しており、この電圧値が所定値よりも低いか否かを判断する。この電圧値が低い場合、機器と燃料電池を接続すると、燃料電池に過負荷がかかる恐れがある。そこで、制御部を設けており、電圧値が低すぎる場合は、機器への電力供給を遮断するようにしている。これにより、機器側から能力以上の電力を要求されないようにすることができる。その結果、燃料電池の立ち上げ時等に燃料電池に過負荷をかけることのない燃料電池用昇圧回路を提供することができる。

本発明において、前記制御部よりも供給部側に、機器への電力供給がされていることを表示する表示部が設けられていることが好ましい。

かかる表示部を設けることで、正常に電力供給がされておれば、表示部が作動するため、確認を容易に行うことができる。

本発明に係る保護回路には、昇圧部により昇圧された電圧が供給されることが好ましい。これにより、昇圧された電圧により、保護回路を適切に作動させることができる。

本発明に係る燃料電池用昇圧回路と燃料電池とを組み合わせることで、燃料電池モジュールとすることができる。かかる燃料電池モジュールの作用・効果は、既に述べたとおりである。

本発明に係る燃料電池用昇圧回路の好適な実施形態を図面を用いて説明する。図１は、燃料電池用昇圧回路の機能を示す模式図である。（ａ）は機器へ電力が供給される状態を示し、（ｂ）は機器への電力供給が遮断された状態を示す。

図１に示すように、昇圧回路５０は、昇圧部としてのＤＣ−ＤＣコンバータ５１（以下、コンバータと省略）と、保護回路５２を備えている。燃料電池１００により発生した出力電圧は、入力部５３から入力され、コンバータ５１により所定の電圧値まで昇圧される。昇圧された電圧は、供給部５４から機器１０１へと供給される。なお、コンバータ５１そのものは、公知の回路構成を使用することができる。

保護回路５２は、入力部５３における電圧値を検知している。保護回路５２には、検知している電圧値が所定値よりも小さくないか否かを常時モニターしている。電圧値が所定値よりも小さな場合は、機器１０１へ電力供給を行わないような制御部５５が設けられている。すなわち、電圧値が小さい場合には、制御部５５により電力供給路が遮断される。

燃料電池１００の立ち上げ時は、十分な電気出力が得られていない状態であるにもかかわらず、機器１０１側が能力以上の電力を燃料電池１００に要求する状態となると、燃料電池１００の電極を劣化させたり、燃料電池セル内部の薄膜電極組成体（ＭＥＡ）を損傷させてしまう恐れがある。このような劣化や損傷がいったん生じてしまうと、以後は十分な電気出力が得られないままとなる。そこで、出力電圧が小さい場合には、機器１０１に電力供給を行わないようにして、燃料電池１００を保護している。

＜具体的な回路構成＞
次に、燃料電池用昇圧回路５０の具体的な回路構成例を図２に示す。入力部５３には、正極端子５３ａと負極端子５３ｂが設けられており、燃料電池１００の出力端子と接続される。コンバータ５１は、入力された電圧を所定の電圧値まで昇圧させる。ノートパソコンのような機器１０１に使用する場合には、１５Ｖまで昇圧させる必要がある。昇圧させる場合の電圧値は、機器１０１に応じて設定することができる。

制御部５５として、パワーＭＯＳＦＥＴ５５ａが設けられており、ゲートＧを制御することでソースＳ・ドレインＤ間を遮断したり導通させた状態とすることができる。供給部５４には、出力端子としての正極端子５４ａと負極端子５４ｂが設けられている。また、供給部５４には、表示部として機能するＬＥＤ５４ｃが設けられている。パワーＭＯＳＦＥＴ５５ａが導通した状態となれば、ＬＥＤ５４ｃが点灯するので、燃料電池１００の電力が供給されていることを視覚的に確認することができる。パワーＭＯＳＦＥＴ５５ａも保護回路５２として機能する。なお、制御部５５として、パワーＭＯＳＦＥＴ以外のトランジスタを使用してもよい。

昇圧回路５０には、多数の蓄電用コンデンサーが並列接続されており、燃料電池による発電電力を蓄積するようにしている。また、安定した出力電圧を供給できるようにしている。

保護回路５２の中核として、ＩＣチップ５６を備えており、入力部５３におけるＰ１点の電位を検知している。そのため、ＩＣチップ５６には、検知用端子５６ａ（電圧検知部に相当）が設けられている。ＩＣチップ５６を駆動するためのＶＣＣ電圧として、Ｐ２から電源供給を受けている。すなわち、昇圧後の電圧によりＩＣチップ５６を駆動するので、適切な電圧で駆動することができる。ＩＣチップ５６の内部には、電圧判断部として機能する回路が内蔵されており、検知用端子５６ａにおける入力電圧値を所定の電圧値と比較して低いか否かを判断することができる。所定値の大きさについては、接続される機器に応じて任意に設定することができる。

ＩＣチップ５６の制御端子５６ｂがパワーＭＯＳＦＥＴ５５ａのゲートＧに接続されており、ゲートＧに対する電圧印加を制御することで、ソースＳ・ドレインＤ間の遮断・導通を制御する。具体的には、入力部５３の電圧値が所定値よりも低い場合は、遮断するように制御する。

＜燃料電池モジュール＞
次に、図１，２に示した昇圧回路と燃料電池を備えた燃料電池モジュールの構成を図３により説明する。燃料電池の発電ユニット１０として、８つの燃料電池セルＳが基板１１に搭載されている。水素発生装置１２は、発電ユニット１０へ燃料ガスとしての水素ガスを供給するための装置である。水素ガスは、ガス供給チューブ１４により、水素発生セルＳへと供給される。８つの燃料電池セルＳは電気的に直列接続され、その電気出力はライン１３により昇圧回路５０へ供給される。昇圧された電圧が機器１０１へ供給される。

＜燃料電池セル＞
燃料電池セルＳの構成例を図４，５に示す。図４は、燃料電池セル（単位セル）の一例を示す組み立て斜視図であり、図５は、本発明の燃料電池セルの一例を示す縦断面図である。

本実施形態の燃料電池セルは、図４〜図５に示すように、板状の固体高分子電解質１と、その固体高分子電解質１の一方側に配置されたカソード側電極板２と、他方側に配置されたアノード側電極板３とを備えるものである。また、これら電極板２，３のさらに外側には、カソード側金属板４とアノード側金属板５とが設けられる。本実施形態では、アノード側金属板５に、エッチングにより燃料の流路溝９が形成され、アノード側金属板５とカソード側金属板４の周縁部がエッチングにより他の部分より厚みを薄くしてある例を示す。

固体高分子電解質１としては、従来の固体高分子膜型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。固体高分子電解質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。

電極板２，３（ガス拡散板）は、ガス拡散層としての機能を発揮して、燃料ガスや、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使用できる。電極板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１と接する内面２ｂ，３ｂに少なくとも担持させるのが好ましい。

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。一般に、電極板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。

一般に、電極板２，３や固体高分子電解質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。また、還元ガスの代わりに、メタノールやジメチルエーテル等を用いることもできる。

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電極２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。

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。

電極板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、５０〜５００μｍが好ましい。電極板２，３と固体高分子電解質１とは、予め接着、融着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、薄膜電極組立体（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。

カソード側電極板２の表面にはカソード側金属板４が配置され、アノード側電極板３の表面にはアノード側金属板５が配置される。アノード側金属板５には燃料の注入口５ｃ及び排出口５ｄが設けられ、更に本実施形態では、アノード側金属板５に流路溝９が設けられている。

カソード側金属板４には、空気中の酸素を供給するための多数の開口部４ｃ（孔）が設けられている。開口部４ｃは、カソード側電極板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。但し、空気中の酸素の供給効率と、カソード側電極板２からの集電効果などを考慮すると、開口部４ｃの面積はカソード側電極板２の面積の１０〜５０％であるのが好ましく、特に２０〜４０％であるのが好ましい。カソード側金属板４の開口部４ｃ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口部を設けてもよい。

金属板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、伸び、重量、弾性率、強度、耐腐食性、プレス加工性、エッチング加工性などの観点から、ステンレス板、ニッケルなどが好ましい。

アノード側金属板５に設けられる流路溝９は、電極板３との接触により水素ガス等の流路が形成できるものであれば何れの平面形状や断面形状でもよい。但し、流路密度、積層時の積層密度、屈曲性などを考慮すると、金属板５の一辺に平行な縦溝９ａと垂直な横溝９ｂを主に形成するのが好ましい。本実施形態では、複数本（図示した例では３本）の縦溝９ａが横溝９ｂに直列接続されるようにして、流路密度と流路長のバランスを取っている。

なお、このような金属板５の流路溝９の一部（例えば横溝９ｂ）を電極板３の外面に形成してもよい。電極板３の外面に流路溝を形成する方法としては、加熱プレスや切削などの機械的な方法でもよいが、微細加工を好適に行う上で、レーザ照射によって溝加工を行うことが好ましい。レーザ照射を行う観点からも、電極板２，３の基材としては、繊維質カーボンの集合体が好ましい。

金属板５の流路溝９に連通する注入口５ｃ及び排出口５ｄは、それぞれ１個又は複数を形成することができる。なお、金属板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、強度、伸び、重量、弾性率、ハンドリング性などを考慮すると、０．１〜１ｍｍが好ましい。金属板５に流路溝９を形成する方法としては、加工の精度や容易性から、エッチングが好ましい。エッチングによる流路溝９では、幅０．１〜１０ｍｍ、深さ０．０５〜１ｍｍが好ましい。また、流路溝９の断面形状は、略四角形、略台形、略半円形、Ｖ字形などが好ましい。

金属板４への開口部４ｃの形成、金属板４，５の周辺部の薄肉化、金属板５への注入口５ｃ等の形成についても、エッチングを利用するのが好ましい。エッチングは、例えばドライフィルムレジストなどを用いて、金属表面に所定形状のエッチングレジストを形成した後、金属板４，５の種類に応じたエッチング液を用いて行うことが可能である。また、２種以上の金属の積層板を用いて、金属ごとに選択的にエッチングを行うことで、流路溝９の断面形状をより高精度に制御することができる。

図５に示す実施形態は、金属板４，５のカシメ部（周辺部）をエッチングにより厚みを薄くした例である。このように、カシメ部をエッチングして適切な厚さにすることで、カシメによる封止をより容易に行うことができる。この観点から、カシメ部の厚みとしては、０．０５〜０．３ｍｍが好ましい。

本発明では、金属板４，５の周縁は、電気的に絶縁した状態でカシメにより封止されている。電気的な絶縁は、絶縁材料６や固体高分子電解質１の周縁部、又はその両者を介在させることで行うことができる。本発明では、カシメを行う際、図５に示すように、金属板４，５の周縁によって固体高分子電解質１を挟持する構造が好ましく、絶縁材料６を介在させつつ固体高分子電解質１を挟持する構造がより好ましい。このような構造によると、電極板２，３の一方から他方へのガス等の流入を効果的に防止することができる。絶縁材料６の厚みとしては、薄型化の観点から、０．１ｍｍ以下が好ましい。なお、絶縁材料をコーティングすることにより、更なる薄型化が可能である（例えば絶縁材料６の厚み１μｍも可能）。

絶縁材料６としては、シート状の樹脂、ゴム、熱可塑性エラストマー、セラミックスなどが使用できるが、シール性を高める上で、樹脂、ゴム、熱可塑性エラストマーなどが好ましく、特にポリプロピレン、ポリエチレン、ポリエステル、フッ素樹脂、ポリイミドが好ましい。絶縁材料６は、金属板４，５の周縁に直接あるいは粘着剤を介して貼着したり、塗布したりして、予め金属板４，５に一体化しておくことも可能である。

カシメ構造としては、シール性や製造の容易性、厚み等の観点から図５に示すものが好ましい。つまり、一方の金属板５の周縁領域５ａを他方の周縁領域４ａより大きくしておき、絶縁材料６を介在させつつ、一方の金属板５の周縁領域５ａを他方の金属板４の周縁領域４ａを挟圧するように折り返したカシメ構造が好ましい。このカシメ構造では、プレス加工等によって、金属板４の周縁領域４ａに段差を設けておくのが好ましい。このようなカシメ構造自体は金属加工として公知であり、公知のカシメ装置によって、それを形成することができる。

図５には、注入口５ｃにジョイント用の金属製ピン５ｅが金属板５に対して取り付けられている。この取り付けは、カシメや圧入により行うことができる。このピン５ｅに対して、ガス供給チューブ１４を圧入して取り付けることができる。ガス供給チューブ１４は、金属製あるいは樹脂製のものを用いることができる。

また、図５に示すように、金属板４，５には、突出部４ｆ，５ｆが形成されており、これら突出部４ｆ，５ｆの内側に形成される空間には、電極板２，３が収容される。突出部４ｆ，５ｆは、金属板４，５を絞り加工（打ち出し加工）することで形成することができる。

＜別実施形態＞
本発明に係る燃料電池用昇圧回路の具体的な回路構成を図２で説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、種々の変形例が可能である。接続される機器の例として、ノートパソコンをあげたが、これに限定されるものではなく、種々の機器（コンピュータ、携帯電話、ＰＤＡその他の携帯機器、その他の電子機器）に対して使用することができる。

本発明に係る昇圧回路に接続される燃料電池セルについては、本実施形態のものに限定されるものではなく、種々の燃料電池セル（燃料電池）に対して使用することができる。本実施形態では、空気取り込み用の開口部が形成されたセルについて説明したが、このようなタイプに限定されるものではなく、開口部が設けられないようなセルに対しても適用できるものである。また、燃料ガスとして水素ガスを取り込むタイプではなく、例えば、ダイレクトメタノール方式のセルの場合にも、本発明は適用可能である。

燃料電池用昇圧回路の機能を示す概念図 燃料電池用昇圧回路の構成を示す回路図 燃料電池モジュールの構成を示す概念図 燃料電池セルの一例を示す組み立て斜視図 燃料電池セルの一例を示す縦断面図 従来の燃料電池の構成を示す斜視図

符号の説明

５０ 昇圧回路
５１ ＤＣ−ＤＣコンバータ
５２ 保護回路
５３ 入力部
５４ 供給部
５４ｃ ＬＥＤ
５５ 制御部
５５ａ パワーＭＯＳＦＥＴ
５６ ＩＣチップ
５６ａ 検知用端子
１００ 燃料電池
１０１ 機器
Ｓ 燃料電池セル

Claims (4)

1. 燃料電池により発生した電圧が入力される入力部と、
   この入力された電圧を所定の電圧値に昇圧するための昇圧部と、
   昇圧された電圧を機器へ供給するための供給部とを備えた燃料電池用昇圧回路であって、
   入力部における電圧値を検知する電圧検知部と、
   検知された電圧値が所定値よりも低いか否かを判断する電圧判断部と、
   電圧値が所定値より低い場合、機器への電力供給を遮断する制御部とからなる保護回路を備えたことを特徴とする燃料電池用昇圧回路。
2. 前記制御部よりも供給部側に、機器への電力供給がされていることを表示する表示部が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用昇圧回路。
3. 前記保護回路には、昇圧部により昇圧された電圧が供給されることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池用昇圧回路。
4. 燃料電池と、請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池用昇圧回路とからなる燃料電池モジュール。
   

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