JP2008269960A - 電池システム - Google Patents

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Abstract

【課題】能動的な制御なしに、起電力を失った単位セルにかかる逆電圧を抑えることができる電池システムを提供する。
【解決手段】電気的に直列に接続された単位セル１０Ａ〜１０Ｆの各々に対して、整流器などの整流機能を有する電子素子、および、金属−半導体界面などの整流作用を有する界面のうち少なくとも一方よりなる整流部３０Ａ〜３０Ｆを、電気的に並列に接続する。整流部３０Ａ〜３０Ｆにより各単位セル１０Ａ〜１０Ｆの両端を短絡させ、いずれかの単位セルの起電力がゼロになった場合に電流の迂回路を形成する。整流部３０Ａ〜３０Ｆにおける電圧降下量は、０．５Ｖ以下とすることが好ましい。特に、整流部３０Ａ〜３０Ｆをショットキーダイオードにより構成すれば、他の種類のダイオードに比べて電圧降下を著しく小さくすることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、２個以上の単位セルを電気的に直列に接続した電池システムに係り、特に燃料電池あるいは太陽電池などに好適な電池システムに関する。
電池を電源として用いる場合、負荷に必要な電圧を得るため、必要な数だけ単位セルを直列に接続して高い電圧を得ることが多い。特に、燃料電池あるいは太陽電池では、単位セルあたりの発電電圧が低いので、複数の単位セル（発電部）を直列に接続して電池システムを構成するのが通例となっている。
特開２００６−１１４４８１号公報
しかしながら、このような電池システムでは、複数の単位セルの間で出力にばらつきがあり、どれか一つの単位セルでも起電力がゼロになると、該当する単位セルは、抵抗成分となってしまい、外部に取り出せる出力が減少するだけでなく、該当する単位セルそのものの劣化を加速させる原因となってしまっていた。なお、複数の単位セル間の出力のばらつきは、例えば、燃料電池の場合は燃料供給量のばらつきにより、太陽電池の場合は部分的に日陰に入ってしまうことにより生じるものであり、それ自体を避けることはかなり難しい。
ちなみに、従来では、コンパレータとロジック回路とを組み合わせ、複数の単位セルの出力を能動的に制御するようにした燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。しかし、この従来構成では、複雑な回路を必要とすることに加えて、各単位セルの電圧を検出するため、配線も増加しなければならなかった。
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、能動的な制御なしに、起電力を失った単位セルにかかる逆電圧を抑えることができる電池システムを提供することにある。
本発明の電池システムは、電気的に直列に接続された２個以上の単位セルと、整流機能を有する電子素子および整流作用を有する界面のうち少なくとも一方により構成され、２個以上の単位セルの各々に対して電気的に並列に接続された整流部とを備えたものである。
本発明の電池システムでは、ある一つの単位セルの起電力がゼロになると、電流は、その単位セルを迂回し、その単位セルに対して電気的に並列に接続された整流部を介して、その先の単位セルへと流れる。よって、迂回された単位セルにかかる逆電圧が抑えられる。
本発明の電池システムによれば、電気的に直列に接続された２個以上の単位セルの各々に対して、整流機能を有する電子素子および整流作用を有する界面のうち少なくとも一方よりなる整流部を、電気的に並列に接続するようにしたので、この整流部により各単位セルの両端を短絡させ、いずれかの単位セルの起電力がゼロになった場合に電流の迂回路を形成することができる。よって、能動的な制御なしに、起電力を失った単位セルにかかる逆電圧を抑えることができる。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る電池システムの構成を表したものである。この電池システム１は、例えば、携帯電話やＰＤＡ（Personal Digital Assistant；個人用携帯情報機器）などのモバイル機器、またはノート型ＰＣ（Personal Computer ）などに用いられる燃料電池システムであり、２個以上（例えば６個）の単位セル１０Ａ〜１０Ｆが電気的に直列に接続され、これらの単位セル１０Ａ〜１０Ｆで発電される電気エネルギーが負荷（外部回路）２に供給されるようになっている。
単位セル１０Ａ〜１０Ｆは、例えば、それぞれメタノールと酸素との反応により発電を行う直接メタノール型の燃料電池であり、後述する導電性の接続部材２０により電気的に直列に接続されている。これらの単位セル１０Ａ〜１０Ｆの各々に対して、整流機能を有する電子素子、具体的には整流器よりなる整流部３０Ａ〜３０Ｆがそれぞれ電気的に並列に接続されている。これにより、この電池システム１では、能動的な制御なしに、起電力を失った単位セルにかかる逆電圧を抑えることができるようになっている。
整流部３０Ａ〜３０Ｆにおける電圧降下量は、例えば０．５Ｖ以下であることが好ましく、０．３Ｖ以下であればより好ましく、０．１Ｖ以下であれば更に好ましい。電圧降下量を可及的に小さくすることができると共に、漏れ電流も低減することができるからである。そのためには、整流部３０Ａ〜３０Ｆを構成する整流器は、ショットキーダイオードであることが好ましい。他の種類のダイオードに比べて電圧降下量を著しく小さくすることができるからである。
図２および図３は、単位セル１０Ａ〜１０Ｆの構成例を表すものである。単位セル１０Ａ〜１０Ｆは、面内方向に例えば３行×２列に配置されると共に、複数の接続部材２０により電気的に直列に接続された平面積層構造とされている。単位セル１０Ｃ，１０Ｆには、接続部材２０の延長部分である端子２０Ａが取り付けられている。単位セル１０Ａ〜１０Ｆの下方には、液体燃料（例えば、メタノール水）４１を収容する燃料タンク４０が設けられている。
単位セル１０Ａ〜１０Ｆは、それぞれ、電解質膜１１を間にして対向配置された燃料電極１２と酸素電極１３とを有している。
電解質膜１１は、例えば、スルホン酸基（−ＳＯ3 Ｈ）を有するプロトン伝導材料により構成されている。プロトン伝導材料としては、ポリパーフルオロアルキルスルホン酸系プロトン伝導材料（例えば、デュポン社製「Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）」）、ポリイミドスルホン酸などの炭化水素系プロトン伝導材料、またはフラーレン系プロトン伝導材料などが挙げられる。
燃料電極１２および酸素電極１３は、例えば、カーボンペーパーなどよりなる集電体に、白金（Ｐｔ）あるいはルテニウム（Ｒｕ）などの触媒を含む触媒層が形成された構成を有している。触媒層は、例えば、触媒を担持させたカーボンブラックなどの担持体をポリパーフルオロアルキルスルホン酸系プロトン伝導材料などに分散させたものにより構成されている。なお、酸素電極１３には図示しない空気供給ポンプが接続されていてもよいし、接続部材２０に設けられた開口（図示せず）を介して外部と連通し、自然換気により空気すなわち酸素が供給されるようになっていてもよい。
接続部材２０は、二つの平坦部２１，２２の間に屈曲部２３を有し、一方の平坦部２１において一つの単位セル（例えば、１０Ａ）の燃料電極１２に接し、他方の平坦部２２において隣接する単位セル（例えば、１０Ｂ）の酸素電極１３に接しており、隣接する二つの単位セル（例えば、１０Ａ，１０Ｂ）を電気的に直列に接続すると共に、各単位セル１０Ａ〜１０Ｆで発生した電気を集電する集電体としての機能も有している。このような接続部材２０は、例えば、厚みが１５０μｍであり、銅（Ｃｕ），ニッケル（Ｎｉ），チタン（Ｔｉ）またはステンレス鋼（ＳＵＳ）により構成され、金（Ａｕ）または白金（Ｐｔ）等でめっきされていてもよい。また、接続部材２０は、燃料電極１２および酸素電極１３に燃料および空気をそれぞれ供給するための開口（図示せず）を有しており、例えば、エキスパンドメタルなどのメッシュ類や、パンチングメタルなどにより構成されている。なお、屈曲部２３は、予め単位セル１０Ａ〜１０Ｆの厚みに合わせて折曲加工されていてもよいし、接続部材２０が厚み２００μｍ以下のメッシュなど柔軟性を有している場合は製造工程においてたわむことにより形成されるようにしてもよい。このような接続部材２０は、例えば、電解質膜１１の周辺部に設けられたＰＰＳ（ポリフェニレンスルフィド）あるいはシリコーンゴム等の封止材（図示せず）が接続部材２０にネジ締めされることにより、単位セル１０Ａ〜１０Ｆに接合されている。
燃料タンク４０は、例えば、液体燃料４１の増減によっても内部に気泡などが入らずに体積が変化する容器（例えばビニール袋など）と、この容器を覆う直方体形状のケース（構造体）とにより構成されている。燃料タンク４０には、その中央付近の上方に、燃料タンク４０内の液体燃料４１を吸引してノズル（図示せず）から排出させるための燃料供給ポンプ（図示せず）が設けられている。ノズルから排出された液体燃料は、燃料タンク４０の上面に設けられた燃料拡散板（図示せず）上においてポンプによる加圧または毛細管現象などにより拡散し、各単位セル１０Ａ〜１０Ｆに供給されるようになっている。液体燃料４１は、気化した状態で電池セル１０Ａ〜１０Ｆに供給されるようになっていてもよいし、液体の状態で燃料電極１２に接触するようになっていてもよい。
この電池システム１は、例えば次のようにして製造することができる。
まず、上述した材料よりなる電解質膜１１を、上述した材料よりなる燃料電極１２および酸素電極１３の間に挟んで熱圧着することにより、電解質膜１１に燃料電極１２および酸素電極１３を接合し、単位セル１０Ａ〜１０Ｆを形成する。
次いで、上述した材料よりなる接続部材２０を用意し、図４および図５に示したように、６個の単位セル１０Ａ〜１０Ｆを３行×２列に配置し、接続部材２０により電気的に直列に接続すると同時に、各単位セル１０Ａ〜１０Ｆに対して、上述した整流機能を有する電子素子、具体的には整流器よりなる整流部３０Ａ〜３０Ｆをそれぞれ電気的に並列に接続する。単位セル１０Ａ，１０Ｆには端子２０Ａを取り付ける。なお、電解質膜１１の周辺部には上述した材料よりなる封止材（図示せず）を設け、この封止材を接続部材２０の屈曲部２３にネジ締めにより固定する。
そののち、連結された単位セル１０Ａ〜１０Ｆの燃料電極１２側に、液体燃料４１が収容されると共に燃料供給ポンプ（図示せず）等が設けられた燃料タンク４０を配設する。以上により、図１ないし図３に示した電池システム１が完成する。
この電池システムでは、各単位セル１０Ａ〜１０Ｆの燃料電極１２に燃料が供給され、反応によりプロトンと電子とを生成する。プロトンは電解質膜１１を通って酸素電極１３に移動し、電子および酸素と反応して水を生成する。これにより、液体燃料４１すなわちメタノールの化学エネルギーの一部が電気エネルギーに変換され、接続部材２０により集電されて電流として取り出され、外部回路２が駆動される。その際、液体燃料４１の供給量のばらつき等に起因して、例えば単位セル１０Ｃの起電力がゼロになると、図６に示したように、電流Ｃは、単位セル１０Ｃを迂回し、単位セル１０Ｃに対して電気的に並列に接続された整流部３１Ｃを介して、その先の単位セル１０Ｄへと流れる。よって、出力の小さくなった単位セル１０Ｃにかかる逆電圧が抑えられる。
このように本実施の形態では、電気的に直列に接続された単位セル１０Ａ〜１０Ｆの各々に対して、整流機能を有する電子素子、具体的には整流器よりなる整流部３０Ａ〜３０Ｆを、電気的に並列に接続するようにしたので、この整流部３０Ａ〜３０Ｆにより各単位セル１０Ａ〜１０Ｆの両端を短絡させ、いずれかの単位セルの出力が小さくなり起電力がゼロになった場合に電流の迂回路を形成することができる。よって、能動的な制御なしに、起電力を失った単位セルにかかる逆電圧を抑えることができる。従って、外部に取り出せる出力の減少を食い止めると共に、起電力を失った単位セルの劣化促進を阻むことができる。また、各単位セル１０Ａ〜１０Ｆの出力を制御するための従来のような複雑な回路は不要となると共に、各単位セル１０Ａ〜１０Ｆの電圧を検出・監視するための多数の配線なども不要となる。よって、構成を簡単にすることができ、小型化にも極めて有利となる。
特に、整流部３０Ａ〜３０Ｆにおける電圧降下量を、０．５Ｖ以下とするようにしたので、電圧降下量を可及的に小さくすることができると共に漏れ電流も低減することができる。
また、特に、整流部３０Ａ〜３０Ｆを、ショットキーダイオードにより構成するようにしたので、他の種類のダイオードに比べて電圧降下を著しく小さくすることができる。
（第２の実施の形態）
図７および図８は、本発明の第２の実施の形態に係る電池システムを表したものである。この電池システム１Ａは、整流部３０Ａ〜３０Ｆが、整流作用を有する界面、具体的には金属−半導体界面（ショットキー界面）により構成されたものであることを除いては、上記第１の実施の形態で説明した電池システム１と同様の構成を有している。よって、対応する構成要素には同一の符号を付して説明する。
単位セル１０Ａ〜１０Ｆは、第１の実施の形態と同様に構成されている。
接続部材２０の平坦部２１の間には、金属層３１および半導体層３２が設けられている。金属層３１は、接続部材２０を構成する金属（第１の金属）Ｍ１とは異なる金属（第２の金属）Ｍ２を含み、一つの接続部材２０の平坦部２１に接合されている。半導体層３２は、ｎ型半導体ｎＳにより構成され、隣接する他の接続部材２０の平坦部２１に接合されている。半導体層３２と、この半導体層３２が接合された接続部材２０または金属層３１との間には、ショットキー界面３３が形成されており、このショットキー界面３３が本実施の形態の整流部３０Ａ〜３０Ｆを構成している。これにより、この電池システム１Ａでは、第１の実施の形態と同様に、能動的な制御なしに、起電力を失った単位セルにかかる逆電圧を抑えることができるようになっている。
金属Ｍ１，Ｍ２およびｎ型半導体ｎＳの種類によっては、金属層３１および半導体層３２は、位置が入れ替わっていてもよい。また、半導体層３２は、ｎ型半導体の代わりにｐ型半導体により構成されていてもよい。
例えば、図７および図８に示した配置関係では、金属Ｍ１をマグネシウム（Ｍｇ）、金属Ｍ２を金（Ａｕ）、ｎ型半導体ｎＳをｎ型シリコン（Ｓｉ）とする構成が可能である。この場合、金属層３１と半導体層３２との界面がショットキー界面３３となっている。また、金属層３１と接続部材２０との間には、オーミック界面３１Ａが形成され、半導体層３２と接続部材２０との間には、オーミック界面３２Ａが形成されている。
図９は、金属層３１，半導体層３２およびショットキー界面３３の他の配置関係を表したものである。この場合、金属Ｍ１は金（Ａｕ）、金属Ｍ２はマグネシウム（Ｍｇ）、ｎ型半導体ｎＳはｎ型シリコン（Ｓｉ）であり、半導体層３２と接続部材２０との間の界面がショットキー界面３３となる。また、金属層３１と接続部材２０との間の界面がオーミック界面３１Ａとなり、半導体層３２と金属層３１との間の界面がオーミック界面３２Ａとなる。
整流部３０Ａ〜３０Ｆにおける電圧降下は、第１の実施の形態の整流部３０Ａ〜３０Ｆと同様に、例えば０．５Ｖ以下であることが好ましく、０．３Ｖ以下であればより好ましく、０．１Ｖ以下であれば更に好ましい。
燃料タンク４０および液体燃料４１は、第１の実施の形態と同様に構成されている。
この電池システム１Ａは、例えば、以下のようにして製造することができる。なお、ここでは、図９に示したような、金属Ｍ１が金（Ａｕ）、金属Ｍ２がマグネシウム（Ｍｇ）、ｎ型半導体ｎＳがｎ型シリコン（Ｓｉ）であり、半導体層３２と接続部材２０との間の界面がショットキー界面３３となる場合の製造方法について説明する。
まず、第１の実施の形態と同様にして、電解質膜１１に燃料電極１２および酸素電極１３を接合し、単位セル１０Ａ〜１０Ｆを形成する。
次いで、金属Ｍ１として金（Ａｕ）、または金めっきされた銅（Ｃｕ），ニッケル（Ｎｉ）あるいはチタン（Ｔｉ）などよりなる接続部材２０を用意し、この接続部材２０の末端部分に、例えばパターン蒸着により、金属Ｍ２としてマグネシウム（Ｍｇ）よりなる金属層３１を形成し、接続部材２０との間にオーミック界面３１Ａを形成する。続いて、この金属層３１の金属Ｍ２が露出した部分に、例えば超音波溶接により、ｎ型半導体ｎＳとしてｎ型シリコン片よりなる半導体層３２を接合し、金属層３１との間にオーミック界面３２Ａを形成する。そののち、ｎ型シリコン片を別の接続部材２０に接続し、ショットキー界面３３を形成する。これにより、半導体層３２と接続部材との間に、ショットキー界面３３よりなる整流部３０Ａ〜３０Ｆが形成される。
整流部３０Ａ〜３０Ｆを形成したのち、第１の実施の形態と同様にして、６個の単位セル１０Ａ〜１０Ｆを３行×２列に配置し、接続部材２０により電気的に直列に接続すると共に、各単位セル１０Ａ〜１０Ｆに対して、ショットキー界面３３よりなる整流部３０Ａ〜３０Ｆをそれぞれ電気的に並列に接続する。
そののち、燃料電極１２側に燃料タンク４０を配設する。以上により、図１，図７および図８に示した電池システム１が完成する。
この電池システム１Ａは、第１の実施の形態の電池システム１と同様の作用を有し、同様の効果を得ることができる。
（第３の実施の形態）
図１０は、本発明の第３の実施の形態に係る電池システム１Ｂの構成を表したものである。この電池システム１Ｂは、例えば、携帯電話，ＰＤＡなどのモバイル機器またはノート型ＰＣなどに用いられる色素増感型太陽電池システムであり、単位セル１０Ａ〜１０Ｆ（このうち単位セル１０Ｄ〜１０Ｆは図１０には図示せず、図１参照。）が導線５０により電気的に直列に接続されている。このことを除いては、この電池システム１Ｂは、第１の実施の形態の電池システム１と同様に構成されている。よって、対応する構成要素には同一の符号を付して説明する。
各単位セル１０Ａ〜１０Ｆは、例えば、ガラスまたは透明プラスチック等よりなる透明基板６０および対極基板７０を対向配置し、その間に電解質層８０を設けたものである。透明基板６０には、透明電極６１および半導体電極６２が順に形成されている。対極基板７０には、対極７１が形成されている。
透明電極６１は、例えばＩＴＯ（Indium Tin Oxide）などの透明導電膜により構成されている。
半導体電極６２は、例えば、一次粒子の平均粒径が１ｎｍ〜２００ｎｍ程度、より好ましくは５ｎｍ〜１００ｎｍ程度であり、シリコンなどの元素半導体、化合物半導体または酸化物半導体により構成されている。また、半導体電極６２は、光励起下で伝導帯電子がキャリアーとなり、アノード電流を与えるｎ型半導体であることが好ましい。具体的には、ＴｉＯ2 ，ＭｇＯ，ＺｎＯ，ＷＯ3 ，Ｎｂ2 Ｏ5 ，ＴｉＳｒＯ3 またはＳｎＯ2 などの金属酸化物半導体が挙げられ、なかでもＴｉＯ2 （アナターゼ構造のもの）が好ましい。なお、半導体の種類はこれらに限定されず、また、これらの半導体を２種類以上混合して用いてもよい。半導体電極６２は、平均粒径の異なる粒子を混合したものでもよい。
半導体電極６２は、増感作用を有する色素を担持している。色素としては、例えば、ビピリジン，フェナントリン誘導体，ローダミンＢ，ローズベンガル，エオシン，エリスロシン等のキサンテン系色素、キノシアニン，クロプトシアニン等のシアニン系色素、フェノサフラニン，カブリブルー，チオシン，メチレンブルー等の塩基性染料、クロロフィル，亜鉛ポルフィリン，マグネシウムポルフィリン等のポルフィリン系化合物、アゾ染料、フタロシアニン化合物、クマリン系化合物、アントラキノン系色素、多環キノン系色素が上げられる。また、色素は、ルテニウム（Ｒｕ），亜鉛（Ｚｎ），白金（Ｐｔ）あるいはパラジウム（Ｐｄ）などの金属と錯体を形成したものでもよい。なかでも、Ｒｕビピリジン錯化合物は、量子収率が高く好ましい。なお、これらの色素は２種類以上混合して用いてもよい。
対極７１は、例えば、白金（Ｐｔ）により構成されている。なお、対極７１と対極基板７０との間に、電極または密着層（いずれも図示せず）の少なくとも一方を設けるようにしてもよい。
電解質層８０は、例えば、電解質中に、少なくとも１種類の可逆的に酸化／還元の状態変化を起こす物質系（酸化還元系）が溶解されたものである。酸化還元系の例としては、例えば、Ｉ−／Ｉ3 −，Ｂｒ−／Ｂｒ2 などのハロゲン類、キノン／ハイドロキノン，ＳＣＮ−／（ＳＣＮ）2 などの擬ハロゲン類、鉄（ＩＩ）イオン／鉄（ＩＩＩ）イオン、銅（Ｉ）イオン／銅（ＩＩ）イオンが挙げられるが、これらに限られるものではない。
電解質は、液体電解質でもよいし、これを高分子物質中に含有させた高分子電解質（ゲル電解質）、高分子固体電解質または無機固体電解質でもよい。具体的には、ヨウ素（Ｉ2 ）と金属ヨウ化物あるいは有機ヨウ化物との組合せ、臭素（Ｂｒ2 ）と金属臭化物あるいは有機臭化物との組合せ、フェロシアン酸塩／フェリシアン酸塩あるいはフェロセン／フェリシニウムイオン等のイオウ化合物、ビオロゲン色素、ヒドロキノン／キノンが挙げられる。金属化合物のカチオンとしては、Ｌｉ，Ｎａ，Ｋ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｃｓ等、有機化合物のカチオンとしては、テトラアルキルアンモニウム類，ピリジニウム類，イミダゾリウム類などの４級アンモニウム化合物が好適であるが、これらに限定されるものではなく、また、これらを２種類以上混合して用いてもよい。中でも、Ｉ2 とＬｉＩ，ＮａＩ，イミダゾリウムヨーダイド，４級アンモニウムヨーダイド等のイオン性液体とを組合せた電解質が好ましい。電解質塩の濃度は、例えば、溶媒に対して０．０５Ｍ〜５Ｍであることが好ましく、０．２Ｍ〜１Ｍであればより好ましい。Ｉ2 またはＢｒ2 の濃度は、例えば、０．０００５Ｍ〜１Ｍであることが好ましく、０．００１Ｍ〜０．１Ｍであればより好ましい。なお、開放電圧を向上させる目的で、４−ｔｅｒｔ−ブチルピリジンあるいはカルボン酸などの各種添加剤が加えられていてもよい。
溶媒としては、例えば、アセトニトリル等のニトリル系、プロピレンカーボネートあるいはエチレンカーボネート等のカーボネート系、ガンマブチロラクトン、ピリジン、ジメチルアセトアミドあるいはその他の極性溶媒、メチルプロピルイミダゾリウム−ヨウ素などの常温溶融塩、またはそれらの混合物が挙げられる。より一般的には、溶媒は、水、アルコール類、エーテル類、エステル類、炭酸エステル類、ラクトン類、カルボン酸エステル類、リン酸トリエステル類、複素環化合物類、ニトリル類、ケトン類、アミド類、ニトロメタン、ハロゲン化炭化水素、ジメチルスルホキシド、スルフォラン、Ｎ−メチルプロリドン、１，３−ジメチルイミダゾリジノン、３−メチルオキサゾリジノン、炭化水素などでもよく、これらを２種類以上混合して用いてもよい。また、溶媒は、テトラアルキル系，ピリジニウム系，イミダゾリウム系４級アンモニウム塩のイオン性液体でもよい。
電解質中には必要に応じて支持電解質が加えられていてもよい。支持電解質としては、ヨウ化リチウムあるいはヨウ化ナトリウムなどの無機塩、または、イミダゾリウムあるいは４級アンモニウムなどの溶融塩が挙げられる。
単位セル１０Ａ〜１０Ｆの各々に対しては、第１の実施の形態と同様の整流機能を有する電子素子、具体的には整流器よりなる整流部３０Ａ〜３０Ｆがそれぞれ電気的に並列に接続されている。これにより、この電池システム１Ｂでは、第１の実施の形態と同様に、能動的な制御なしに、起電力を失った単位セルにかかる逆電圧を抑えることができるようになっている。なお、整流部３０Ａ〜３０Ｆは、第２の実施の形態と同様の整流作用を有する界面、具体的にはショットキー界面３３よりなるものであってもよいことは言うまでもない。
この電池システム１Ｂは、例えば、次のようにして製造することができる。
まず、半導体微粒子としてＴｉＯ2 を含むＴｉＯ2 ペーストを調製する。すなわち、例えば、チタンイソプロポキシドを０．１Ｍの硝酸水溶液に室温で攪拌しながらゆっくり滴下し、この溶液を８０℃の恒温槽に移して８時間攪拌し、白濁した半透明のゾル溶液とする。次いで、このゾル溶液を室温まで放冷し、ガラスフィルターでろ過したのち、メスアップする。得られたゾル溶液をオートクレーブで水熱処理を行ったのち、超音波処理を行うことにより分散処理を行う。続いて、この溶液をエバポレータにより濃縮し、ＴｉＯ2 の含有量が１１ｗｔ％になるように調製する。この濃縮ゾル溶液に分子量が５０万のポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）を添加し、遊星ボールミルで均一に混合し、増粘したＴｉＯ2 ペーストを得る。
次いで、透明基板６０に、上述した材料よりなる透明電極６１を形成し、この透明電極６１に、例えばスクリーン印刷法によりＴｉＯ2 ペーストを塗布し、窒素雰囲気下で４５０℃に６０分間保持し、焼結することにより半導体電極６２を形成する。
続いて、例えば、０．５ｍＭのシス−ビス（イソチオシアナート）−Ｎ，Ｎ−ビス（２，２’−ジピリジル−４，４’−ジカルボン酸）−ルテニウム（ＩＩ）二水和物および２０ｍＭのデオキシコール酸を溶解した脱水エタノール溶液に１２時間浸漬させ、増感色素を半導体電極６２に吸着させる。そののち、半導体電極６２を洗浄し、暗所で乾燥させる。
半導体電極６２に色素を担持させたのち、対極基板７０に上述した材料よりなる対極７１を形成し、透明基板６０と対極基板７０とを対向配置して、その間に電解質層８０を形成する。
電解質層８０が液状電解質である場合は、透明基板６０と対極基板との周囲を、エポキシ樹脂，紫外線硬化樹脂、アクリル系接着剤，ＥＶＡ（エチレンビニルアセテート），アイオノマー樹脂，セラミックまたは熱融着フィルムなどを用いて封止し、注入口から液状電解質を注入したのちに注入口を封止する。更に、必要に応じて液状電解質をゲル化させるようにしてもよい。
また、電解質層８０がゲル電解質または固体電解質である場合は、電解質および可塑剤を含む高分子溶液を半導体電極６２に滴下し、可塑剤を完全に除去したのち、対極７１を形成した対極基板７０を対向配置して周囲を封止する。
このようにして各単位セル１０Ａ〜１０Ｆを形成したのち、これらを導線５０で電気的に直列に接続すると共に、各単位セル１０Ａ〜１０Ｆに対して、上述した整流部３０Ａ〜３０Ｆをそれぞれ電気的に並列に接続する。以上により、図１０に示した電池システム１Ｂが完成する。
この電池システム１Ｂでは、透明基板６０側から光Ｌが入射すると、この光Ｌにより、半導体電極６２に担持された色素が励起され、電子が色素から半導体電極６２に移動する。電子を失った色素は電解質層８０のイオンから電子を受け取り、電子を渡した分子は、対極７１で電子を受け取る。一方、色素から半導体電極６２に移動した電子は、透明電極６１および導線５０を介して対極７１へ移動する。このようにして、透明電極６１と対極７１との間で電気エネルギーが取り出される。ここでは、各単位セル１０Ａ〜１０Ｆに対して、上述した整流部３０Ａ〜３０Ｆがそれぞれ電気的に並列に接続されているので、例えば単位セル１０Ｃが日陰に入って起電力が失われると、第１の実施の形態と同様に、図６を参照して説明したように、電流Ｉは単位セル１０Ｃを迂回し、整流部３０Ｃを介してその先の単位セル１０Ｄに流れる。よって、出力の小さくなった単位セル１０Ｃにかかる逆電圧が抑えられる。
この電池システム１Ｂは、第１の実施の形態の電池システム１と同様の効果を得ることができる。
（第４の実施の形態）
図１１および図１２は、本発明の第４の実施の形態に係る電池システム１Ｃの構成を表したものである。この電池システム１Ｃは、例えば、携帯電話，ＰＤＡなどのモバイル機器またはノート型ＰＣなどに用いられるシリコン系太陽電池システムであり、単位セル１０Ａ〜１０Ｆ（このうち単位セル１０Ｄ〜１０Ｆは図１１には図示せず、図１参照。）が導線５０により電気的に直列に接続されている。このことを除いては、この電池システム１Ｃは、第１の実施の形態の電池システム１と同様に構成されている。よって、対応する構成要素には同一の符号を付して説明する。
各単位セル１０Ａ〜１０Ｆは、例えば、ｐ型シリコンよりなる半導体基板８０の表面近傍に、ｐ層８１Ａおよびｎ層８１Ｂよりなるｐｎ接合部８１を有している。半導体基板８０の表面には、例えば銀（Ａｇ）ペーストよりなる表面電極８２が形成され、それ以外の領域には反射防止膜８３が設けられている。表面電極８２は、例えば、接続電極８２Ｂと、この接続電極８２から分岐する集電電極８２Ｆとを有している。半導体基板８０の裏面には、例えばアルミニウム（Ａｌ）よりなる裏面電極８４が全面に形成されている。
単位セル１０Ａ〜１０Ｆの各々に対しては、第１の実施の形態と同様の整流機能を有する電子素子、具体的には整流器よりなる整流部３０Ａ〜３０Ｆがそれぞれ電気的に並列に接続されている。これにより、この電池システム１Ｃでは、第１の実施の形態と同様に、能動的な制御なしに、起電力を失った単位セルにかかる逆電圧を抑えることができるようになっている。なお、整流部３０Ａ〜３０Ｆは、第２の実施の形態と同様の整流作用を有する界面、具体的にはショットキー界面３３よりなるものであってもよいことは言うまでもない。
この電池システム１Ｃは、例えば、次のようにして製造することができる。
まず、上述した材料よりなる半導体基板８０を用意し、この半導体基板８０の表面近傍に、例えば不純物拡散によりｐｎ接合部８１を形成する。次いで、半導体基板８０の表面の全面に反射防止膜８３を形成する。続いて、この反射防止膜８３を、例えばエッチングにより選択的に除去し、例えば銀ペーストのスクリーン印刷により、接続電極８２Ｂおよび集電電極８３Ｆよりなる表面電極８２を形成する。また、半導体基板８０の裏面には、例えばスクリーン印刷により、上述した材料よりなる裏面電極８４を形成する。
このようにして各単位セル１０Ａ〜１０Ｆを形成したのち、これらを導線５０で電気的に直列に接続すると共に、各単位セル１０Ａ〜１０Ｆに対して、上述した整流部３０Ａ〜３０Ｆをそれぞれ電気的に並列に接続する。以上により、図１１および図１２に示した電池システム１Ｃが完成する。
この電池システム１Ｃでは、表面電極８２側から入射する光Ｌの一部は、反射防止膜８３を透過して単位セル１０Ａ〜１０Ｆに吸収される。単位セル１０Ａ〜１０Ｆを透過した光の一部は、裏面電極８４で反射され、単位セル１０Ａ〜１０Ｆに吸収される。光Ｌを吸収したｐ層８１Ａおよびｎ層８１Ｂでは電子−正孔対が発生する。ｐ層８１Ａで発生した電子は電界に引かれてｎ層８１Ｂに入り、ｎ層８１Ｂで発生した正孔は電界に引かれてｐ層８１Ａに入る。これにより、入射光量に比例する電流が発生し、導線５０を介して取り出される。ここでは、各単位セル１０Ａ〜１０Ｆに対して、上述した整流部３０Ａ〜３０Ｆがそれぞれ電気的に並列に接続されているので、例えば単位セル１０Ｃが日陰に入って出力が小さくなると、第１の実施の形態と同様に、図６を参照して説明したように、電流Ｉは単位セル１０Ｃを迂回し、整流部３０Ｃを介してその先の単位セル１０Ｄに流れる。よって、出力の小さくなった単位セル１０Ｃにかかる逆電圧が抑えられる。
この電池システム１Ｃは、第１の実施の形態の電池システム１と同様の効果を得ることができる。
更に、本発明の具体的な実施例について説明する。なお、以下の実施例では、図１〜図３と同様の構成を有する電池システム１を作製し、特性を評価した。よって、以下の実施例においても、図１〜図３を参照し、同一の符号を用いて説明する。
図１〜図３と同様の構成を有する電池システム１を作製した。上記実施の形態と同様にして、直接メタノール型の単位セル１０Ａ〜１０Ｆが６個直列に接続された電池システム１を作製し、これに負荷２として可変負荷を接続した。また、各単位セル１０Ａ〜１０Ｆに対して、整流部３０Ａ〜３０Ｆとしてショットキーダイオードをそれぞれ電気的に並列に接続した。
この電池システム１について、各単位セル１０Ａ〜１０Ｆへのメタノール供給量にばらつきを持たせた状態で、可変負荷を適宜変えながら発電試験を行い、回路に流れる電流と、各単位セル１０Ａ〜１０Ｆの電圧とをモニターし、プロットした。得られた結果を図１３に示す。なお、メタノール供給量は、単位セル１０Ａ，１０Ｆは適量、単位セル１０Ｂ，１０Ｅは過多、単位セル１０Ｃ，１０Ｄは不足の状態とした。
比較例として、各単位セル１０Ａ〜１０Ｆにショットキーダイオードを接続しなかったことを除いては、本実施例と同様にして発電試験を行った。その結果を図１４に示す。
図１３および図１４から分かるように、ショットキーダイオードを接続した実施例では、燃料の不足している単位セル１０Ｃ，１０Ｄの出力は、他の単位セル１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｅ，１０Ｆに比べて小さかったが、逆電圧は−０．２Ｖ未満に抑えることができた。これに対して、ショットキーダイオードを接続しなかった比較例では、燃料の不足している単位セル１０Ｃ，１０Ｄの出力は−０．６Ｖ付近まで低下してしまった。すなわち、単位セル１０Ａ〜１０Ｆの各々に対して、ショットキーダイオードよりなる整流部３０Ａ〜３０Ｆを電気的に並列に接続するようにすれば、能動的な制御なしに、起電力を失った単位セル１０Ｃ，１０Ｄにかかる逆電圧を抑えることができることが分かった。
以上、実施の形態および実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明は、上記実施の形態および実施例に限定されるものではなく、種々変形することができる。例えば、上記実施の形態および実施例では、整流部３０Ａ〜３０Ｆが、整流機能を有する電子素子として、具体的には整流器により構成されている場合について説明したが、整流部３Ａ〜３Ｆは、整流機能を有するその他の素子、例えば電界効果トランジスタの二端子、あるいはバイポーラトランジスタの二端子により構成されていてもよい。
また、例えば、上記第２の実施の形態では、接続部材２０の間に、ショットキー界面３３を含む整流部３０Ａ〜３０Ｆを形成するようにしたが、ショットキー界面３３は、単位セル１０Ａ〜１０Ｆの各々の内部に埋め込まれていてもよい。
更に、例えば、上記実施の形態において説明した各構成要素の材料および厚み、または燃料電池の発電条件などは限定されるものではなく、他の材料および厚みとしてもよく、または他の発電条件としてもよい。
加えて、上記実施の形態では、燃料タンク４０を密閉型とし、必要に応じて液体燃料４１を供給するようにしたが、燃料電極１２に燃料供給部（図示せず）から燃料を供給するようにしてもよい。また、例えば、液体燃料４１は、メタノールのほか、エタノールやジメチルエーテルなどの他の液体燃料でもよい。
更にまた、本発明は、液体燃料を用いる燃料電池に限らず、水素など液体燃料以外の物質を燃料として用いる燃料電池についても適用可能である。
本発明の電池システムは、例えば、携帯電話、電子写真機、電子手帳、ノートブック型パーソナルコンピュータ、カムコーダ、携帯型ゲーム機、携帯型ビデオプレーヤー、ヘッドフォンステレオまたはＰＤＡ等の携帯型の電子機器に好適に用いることが可能である。
本発明の第１の実施の形態に係る電池システムの構成を表す回路図である。 図１に示した電池システムの構成例を表す断面図である。 図２に示した電池システムの単位セル側からみた構成を表す平面図である。 図３に示した電池システムの製造方法を説明するための図である。 図３に示した電池システムの製造方法を説明するための図である。 図１に示した整流部の作用を説明するための図である。 本発明の第２の実施の形態に係る電池システムの構成を表す断面図である。 図７に示した電池システムの単位セル側からみた構成を表す平面図である。 図７に示した電池システムの他の構成例を表す断面図である。 本発明の第３の実施の形態に係る電池システムの構成を表す断面図である。 本発明の第４の実施の形態に係る電池システムの構成を表す断面図である。 図１１に示した単位セルの構成を表す斜視図である。 本発明の実施例の結果を表す図である。 比較例の結果を表す図である。
符号の説明
１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ…電池システム、２…負荷、１０Ａ〜１０Ｆ…単位セル、１１…電解質膜、１２…燃料電極、１３…酸素電極、２０…接続部材（Ｍ１）、３０Ａ〜３０Ｆ…整流部、３１…金属層（Ｍ２）、３１Ａ，３２Ａ…オーミック界面、３２…半導体層（ｎＳ）、３３…ショットキー界面、４０…燃料タンク、４１…液体燃料、５０…導線、６０…透明基板、６１…透明電極、６２…半導体電極、７０…対極基板、７１…対極、８０…半導体基板、８１…ｐｎ接合部、８２…表面電極、８３…反射防止膜、８４…裏面電極

Claims (8)

  1. 電気的に直列に接続された２個以上の単位セルと、
    整流機能を有する電子素子および整流作用を有する界面のうち少なくとも一方により構成され、前記２個以上の単位セルの各々に対して電気的に並列に接続された整流部と
    を備えたことを特徴とする電池システム。
  2. 前記整流部における電圧降下量は０．５Ｖ以下である
    ことを特徴とする請求項１記載の電池システム。
  3. 前記整流機能を有する電子素子は、整流器である
    ことを特徴とする請求項１記載の電池システム。
  4. 前記整流器は、ショットキーダイオードである
    ことを特徴とする請求項３記載の電池システム。
  5. 前記整流作用を有する界面は、金属−半導体界面である
    ことを特徴とする請求項１記載の電池システム。
  6. 前記２個以上の単位セルは、第１の金属を含む複数の接続部材により電気的に直列に接続され、
    前記複数の接続部材の間には、第２の金属を含むと共に前記複数の接続部材の一つに接合された金属層と、前記複数の接続部材の他の一つに接合された半導体層とが形成され、
    前記整流作用を有する界面は、前記半導体層と、前記複数の接続部材の他の一つまたは前記金属層との間に形成されたショットキー界面である
    ことを特徴とする請求項１記載の電池システム。
  7. 前記単位セルは、燃料電池である
    ことを特徴とする請求項１記載の電池システム。
  8. 前記単位セルは、太陽電池である
    ことを特徴とする請求項１記載の電池システム。
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