JP2009076259A - 燃料電池システムおよび電圧制限方法 - Google Patents

Abstract

【課題】発電時の消費電力の増加を引き起こすことなく、過大な起電力による正極の溶出を抑えることが可能な燃料電池システムを提供する。
【解決手段】発電部１０による起電力Ｖ１が各単位セル１０Ａ〜１０Ｆの正極の溶出が生ずる所定の閾値電圧Ｖｐを超えたときに、その超えた分の電圧ΔＶに基づく電力を電圧制限回路３において熱消費させることにより、発電部１０の起電力Ｖ１を閾値電圧Ｖｐ以下に制限する。電圧制限回路の構成としては、ツェナーダイオードやシャントレギュレータ、トランジスタなどを含むようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、メタノール等と酸素との反応により発電を行う燃料電池システムおよびそのような燃料電池システムに適用される電圧制限方法に関する。

従来、燃料電池は、発電効率が高く、有害物質を排出しないため、産業用や家庭用の発電装置として、あるいは人工衛星や宇宙船などの動力源として実用化されてきた。また、近年では、乗用車、バス、トラック等の車両用の動力源としての開発が進んでいる。このような燃料電池は、アルカリ水溶液型、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型および直接型メタノールなどの種類に分類される。中でも、ダイレクトメタノール固体高分子電解質型燃料電池（ＤＭＦＣ；Direct Methanol Fuel Cell）は、燃料水素源としてメタノールを用いることによって高エネルギー密度化することができ、また改質器が不要であり小型化が可能であることから、小型携帯用燃料電池向けに研究が進められている。

ＤＭＦＣでは、固体高分子電解質膜を２枚の電極で挟み、一体化させて接合した単位セルであるＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly；膜電極接合体）が使用される。そしてガス拡散電極の一方を燃料電極（負極）とすると共に、その表面に燃料としてのメタノールを供給すると、メタノールが分解されて水素イオン（プロトン）と電子とが生じ、水素イオンが固体高分子電解質膜を透過する。また、ガス拡散電極の他方を酸素電極（正極）とすると共に、その表面に酸化剤としての空気を供給すると、空気中の酸素と上記水素イオンおよび電子とが結合し、水が生成される。このような電気化学反応により、ＤＭＦＣから起電力が生じるようになっている。

このような燃料電池では、従来より、種々の目的から起電力を制限できるようにしたものが提案されている（例えば、特許文献１〜５）。

特開昭５９−７５５７０号公報 特開平３−１４１５６０号公報 特開２００３−１１５３０５号公報 特開２００４−３１９４３７号公報 特開２００６−１９６４５２号公報

上記特許文献１，２では、電池本体の短絡防止を目的として、全単位セルによる起電力が所定の電圧（例えば、最大絶対定格電圧）を超えないようにした回路が提案されている。特に特許文献１では、全単位セルによる起電力が所定の電圧を超えた場合には、サイリスタ等によって短絡経路を形成して電力消費させることにより、起電力が所定の電圧を超えないようにしている。

また、上記特許文献３では、開回路電圧の発生を抑えることにより、単位セル同士を接合するためのセパレータの腐食を防止するようにした回路が提案されている。

ところで、燃料電池が劣化する大きな原因の一つとして、電極の溶出現象が挙げられる。これは、長期間の使用によって電極が酸化してイオンとなり、このイオンが外部に溶け出してしまう現象である。このような溶出現象は電極電位が高いほど顕著に起こるため、特に、電位が高い正極（例えば、白金）の溶け出しが深刻である。

ここで、このような電極の溶け出しを抑える方法を理論的に考察する上で、例えば図１２に示したようなプールベイ図が参考になる。これは、ネルンストの式から導出されるものであって、特定のｐＨおよび電位における安定な酸化状態を、熱力学的に示す図である。このプールベイ図によると、正極を構成する白金の溶出を抑える（白金イオンの状態となるのを回避する）には、ｐＨをより低くするか、もしくは正極の電位を下げればよいということが分かる。

ところが、前者の方法であるｐＨをより低くするという方法は、実際には採用することが困難である。なぜならば、電解質膜として主に用いられているＮａｆｉｏｎ（登録商標）の代替材料を適用するのが困難であることから、ｐＨの調整を行うのが困難であるためである。

一方、後者の方法である正極の電位を下げるという方法は、前者の方法と比べ、比較的容易に実現することができる。ここで、ダイレクトメタノール型の燃料電池における電流−電圧曲線（電流と、正極電位、負極電位、正極と負極との電位差（電圧）、および出力との関係を表したもの）を、図１３に示す。これによると、正極電位は常に高いわけではなく、溶出が問題となる高電位状態（０．８５［Ｖ ｖｓ． ＳＨＥ（Standard hydrogen electrode；標準水素電極）］以上）となるのは、電流が小さい領域（図中の領域１，２のうちの領域２）だけである。つまり、実際の定常発電で使用している領域１では、そもそも正極電位は高くない。したがって、正極電位を低く保つには（低電位状態；０．８５［Ｖ ｖｓ． ＳＨＥ］以下）、「領域２に入らないような制御」を行えば十分であることが分かる。そして、図１３により、ダイレクトメタノール型の燃料電池の場合、正極電位と負極電位との電位差、すなわち発電電圧を、０．３３Ｖ以下に保てば十分であることが分かる。

ここで、例えば特許文献４には、運転温度と燃料濃度とを制御することによって領域２に入らないようにすることにより、正極の溶出を防ぐようにした方法が提案されている。しかしながら、この方法を採用するには、燃料濃度のセンサーが必要となる。また、「領域２に入らないような制御」にするには、運転温度と燃料濃度とを常に監視（モニター）し続けなければならない。よって、制御回路における消費電力の増加を引き起こし、結果として燃料電池システム全体での性能低下に繋がってしまうことになる。

また、別の方法として例えば特許文献５には、正極近傍の部材に難溶性の（溶解度積の小さな）金属塩を添加するという、化学的な方法も提案されている。この方法は制御回路とは無縁であるため、上記特許文献４の方法のような消費電力の増加は生じない。ところが、本来の燃料電池の化学反応に不必要な、いわば不純物を添加しているため、燃料電池そのものの性能を低下させる可能性がある。

このように従来の燃料電池では、発電時の消費電力の増加を引き起こすことなく、過大な起電力（高電位）による正極の溶出を抑えるのが困難であった。

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、発電時の消費電力の増加を引き起こすことなく、過大な起電力による正極の溶出を抑えることが可能な燃料電池システムおよび電圧制限方法を提供することにある。

本発明の燃料電池システムは、正極（酸素電極）および負極（燃料電極）を有する単位セルを含む発電部と、電圧制限回路とを備えたものである。ここで、この電圧制限回路は、発電部に対して並列接続されると共に、発電部による起電力が正極の溶出が生ずる所定の閾値電圧を超えたときにその超えた分の電圧に基づく電力を熱消費させることにより、発電部の起電力を閾値電圧以下に制限するものである。

本発明の電圧制限方法は、正極（酸素電極）および負極（燃料電極）を有する単位セルを含む発電部を備えた燃料電池システムに適用されるものであって、発電部に対して並列接続された電圧制限回路を用いて、発電部による起電力が正極の溶出が生ずる所定の閾値電圧を超えたときに、その超えた分の電圧に基づく電力を熱消費させることにより、発電部の起電力を閾値電圧以下に制限するようにしたものである。

本発明の燃料電池システムおよび電圧制限方法では、発電部による起電力が正極の溶出が生ずる所定の閾値電圧を超えると、電圧制限回路によってその超えた分の電圧に基づく電力が熱消費されることにより、発電部の起電力が閾値電圧以下に制限される。また、このような電圧制限動作の際に、従来のように温度や燃料濃度、電圧等を定常的に監視（モニター）する必要がないため、発電時の消費電力の増加は生じない。

本発明の燃料電池システムまたは電圧制限方法によれば、発電部による起電力が正極の溶出が生ずる所定の閾値電圧を超えたときに、その超えた分の電圧に基づく電力を熱消費させることによって発電部の起電力を閾値電圧以下に制限するようにしたので、発電時の消費電力の増加を引き起こすことなく、過大な起電力による正極の高電位化を抑え、それによって正極の溶出を抑えることが可能となる。

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燃料電池システム（燃料電池システム１）の全体構成を表すものである。この燃料電池システム１は、負荷５を駆動するための電力を出力端子Ｔ１，Ｔ２を介して供給するものであり、起電力Ｖ１を発生する発電部１０と、この起電力Ｖ１を所定の電圧（後述する閾値電圧）以下に制限するための回路である電圧制限回路３とから構成されている。

発電部１０は、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発電部であり、正極（酸素電極）および負極（燃料電極）を有する複数の単位セルを含んで構成されている。この発電部１０の詳細構成については、後述する。

電圧制限回路３は発電部１０に対して電気的に並列接続されており、１つのツェナーダイオードＤ１により構成されている。具体的には、ツェナーダイオードＤ１のカソードは、接続点Ｐ１および出力ラインＬＯを介して発電部の正極側に接続されると共に、ツェナーダイオードＤ１のアノードは、接続点Ｐ２および接地ラインＬＧを介して発電部１０の負極側に接続されている。また、このツェナーダイオードＤ１の降伏電圧（ツェナー電圧）Ｖｚは、後述する起電力Ｖ１の閾値電圧Ｖｐとほぼ等しい値となっており、例えば単位セル当たり０．３３Ｖとなっている。

次に、図２および図３を参照して、発電部１０の詳細構成について説明する。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り、図２は、図３におけるＩＩ−ＩＩ線に沿った矢視断面構成に対応する。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（負極、アノード電極）１２と酸素電極１３（正極、カソード電極）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。

この燃料電池システム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。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を配設することにより、発電部１０を形成する。そしてこの発電部１０に対し、上述した電圧制限回路３Ｃを、電気的に並列接続されるように取り付ける。以上により、図１ないし図３に示した燃料電池システム１が完成する。

この燃料電池システム１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、発電部１０から電流（出力電流Ｉ１）として取り出される。そしてこの出力電流Ｉ１および発電部１０による起電力Ｖ１が出力端子Ｔ１，Ｔ２から供給され、負荷５が駆動される。

ここで、発電部１０による起電力Ｖ１が、各単位セル１０Ａ〜１０Ｆの正極の溶出が生ずる所定の閾値電圧Ｖｐ以下の値であるとき（Ｖ１≦Ｖｐ）には、前述のようにこの閾値電圧Ｖｐが電圧制限回路３内のツェナーダイオードＤ１の降伏電圧Ｖｚとほぼ等しい値であるため、このツェナーダイオードＤ１側には出力電流が流れず、出力電流Ｉ１はそのまま負荷５側へと供給される。すなわち、Ｖ１≦Ｖｐのときには、発電部Ｖ１による起電力Ｖ１によって各単位セル１０Ａ〜１０Ｆの正極の溶出が生ずるおそれはないため、起電力Ｖ１がそのまま負荷５へ供給される。

一方、発電部１０による起電力Ｖ１が閾値電圧Ｖｐを超えた場合（Ｖ１＞Ｖｐ）には、各単位セル１０Ａ〜１０Ｆの正極の溶出を防ぐため、電圧制限回路３によって閾値電圧Ｖｐを超えた分の電圧ΔＶ（＝Ｖ１−Ｖｐ）に基づく電力が熱消費される。具体的には、起電力Ｖ１がツェナーダイオードＤ１の降伏電圧Ｖｚを超えることになるため、超えた分の電圧ΔＶによって、図１に示した出力電流Ｉ２のようにツェナーダイオードＤ１へ向かって電流が流れ、これによりツェナーダイオードＤ１の抵抗成分によって電圧ΔＶに基づく電力が熱消費され、外部へ放出される。したがって、発電部１０の起電力Ｖ１が、閾値電圧Ｖｐ以下に制限される。

また、このような電圧制限回路３による電圧制限動作の際に、従来のように、発電部１０の温度や液体燃料４１の燃料濃度、発電部１０による起電力Ｖ１等を定常的に監視（モニター）する必要はない。したがって、このような電圧制限動作に起因する発電時の消費電力の増加は生じない。

以上のように本実施の形態では、発電部１０による起電力Ｖ１が各単位セル１０Ａ〜１０Ｆの正極の溶出が生ずる所定の閾値電圧Ｖｐを超えたときに、その超えた分の電圧ΔＶに基づく電力を電圧制限回路３において熱消費させることによって発電部１０の起電力Ｖ１を閾値電圧Ｖｐ以下に制限するようにしたので、発電時の消費電力の増加を引き起こすことなく、過大な起電力による各単位セル１０Ａ〜１０Ｆの正極の溶出を抑えることが可能となる。

具体的には、電圧制限回路３が整流器を含んで構成され、この整流器のカソードが発電部１０の正極側に接続されると共に整流器のアノードが発電部１０の負極側に接続されているようにしたので、上記のように発電時の消費電力の増加を引き起こすことなく、過大な起電力による各単位セル１０Ａ〜１０Ｆの正極の溶出を抑えることが可能となる。

また、整流器が１つのツェナーダイオードＤ１により構成されているようにしたので、整流器の降伏電圧を精度良く規定することができ、厳密な電圧制限動作を行うことが可能となる。

なお、電圧制限回路内の整流器を、例えば図６に示した燃料電池システム１Ａにおける電圧制限回路３Ａのように、互いに電気的に直接接続された複数のダイオードＤ２１〜Ｄ２ｎによって構成するようにしてもよい。具体的には、各ダイオードＤ２１〜Ｄ２ｎは、アノードが発電部１０の正極側（接続点Ｐ１側）を向くと共に、カソードが発電部１０の負極側（接続点Ｐ２側）を向くように配置すればよい。また、各ダイオードＤ２１〜Ｄ２ｎの電圧降下ＶＲの和が、閾値電圧Ｖｐとほぼ等しくなるように設定されている。このような構成の電圧制限回路３Ａにおいても、発電部１０による起電力Ｖ１が閾値電圧Ｖｐを超えた場合（Ｖ１＞Ｖｐ）には、図中に示した出力電流Ｉ３のように各ダイオードＤ２１〜Ｄ２ｎへ向かって電流が流れ、これにより各ダイオードＤ２１〜Ｄ２ｎの抵抗成分によって電圧ΔＶに基づく電力が熱消費され、外部へ放出される。よって、本実施の形態と同様の作用により、同様の効果が得られる。また、整流器を複数のダイオードによって構成しているので、整流器における漏れ電流を小さくすることも可能となる。

［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。なお、第１の実施の形態における構成要素と同一のものには同一の符号を付し、適宜説明を省略する。

図７は、本実施の形態に係る燃料電池システム（燃料電池システム１Ｂ）の全体構成を表したものである。この燃料電池システム１Ｂは、図１に示した第１の実施の形態の燃料電池システム１において、電圧制限回路３の代わりに電圧制限回路３Ｂを設けるようにしたものである。

電圧制限回路３Ｂは、発電部１０に対して電気的に並列接続されており、シャントレギュレータ３１と、抵抗器Ｒ０，Ｒｋと、第１の抵抗分圧器を構成する抵抗器Ｒ１，Ｒ２とにより構成されている。具体的には、シャントレギュレータ３１は、カソードが発電部１０の正極側（接続点Ｐ４側）を向くと共に、アノードが発電部１０の負極側（接続点Ｐ５側）を向くように配置されている。また、シャントレギュレータ３１のリファレンス端子は、接続点Ｐ３に接続されている。また、抵抗器Ｒ１，Ｒ２は、接続点Ｐ１，Ｐ２間で互いに電気的に直列接続されると共に、発電部１０およびシャントレギュレータ３１に対して並列接続されており、シャントレギュレータ３１のリファレンス端子に対して発電部１０による起電力Ｖ１の分圧電圧（リファレンス電圧Ｖref＝Ｖ１×（ｒ２／（ｒ１＋ｒ２））；ｒ１，ｒ２は抵抗器Ｒ１，Ｒ２の抵抗値）を供給する第１の抵抗分圧器として機能している。また、抵抗器Ｒ０は、発電部１０の正極側とシャントレギュレータ３１のカソードとの間に配置され（発電部１０の正極と接続点Ｐ１との間に挿入配置され）、抵抗器Ｒｋは、発電部１０および上記第１の抵抗分圧器に対して並列接続されると共に、シャントレギュレータ３１に対して直列接続されている（接続点Ｐ４とシャントレギュレータのカソードとの間に挿入配置されている）。なお、上記した起電力Ｖ１は、閾値電圧Ｖｐとほぼ等しい値となっており、例えば単位セル当たり０．３３Ｖとなっている。

この燃料電池システム１Ｂでは、発電部１０による起電力Ｖ１が、各単位セル１０Ａ〜１０Ｆの正極の溶出が生ずる所定の閾値電圧Ｖｐ以下の値であるとき（Ｖ１≦Ｖｐ）には、シャントレギュレータ３１のリファレンス端子に供給される起電力Ｖ１の分圧電圧（リファレンス電圧Ｖref）がシャントレギュレータ３１の動作電圧よりも低いことになるため、このシャントレギュレータ３１側には出力電流が流れず、出力電流Ｉ１はそのまま負荷５側へと供給される。すなわち、Ｖ１≦Ｖｐのときには、発電部Ｖ１による起電力Ｖ１によって各単位セル１０Ａ〜１０Ｆの正極の溶出が生ずるおそれはないため、起電力Ｖ１がそのまま負荷５へ供給される。

一方、発電部１０による起電力Ｖ１が閾値電圧Ｖｐを超えた場合（Ｖ１＞Ｖｐ）には、各単位セル１０Ａ〜１０Ｆの正極の溶出を防ぐため、電圧制限回路３Ｂによって閾値電圧Ｖｐを超えた分の電圧ΔＶ（＝Ｖ１−Ｖｐ）に基づく電力が熱消費される。具体的には、起電力Ｖ１の分圧電圧（リファレンス電圧Ｖref）がシャントレギュレータ３１の動作電圧よりも高くなるため、シャントレギュレータ３１がオン状態となる。したがって、閾値電圧Ｖｐを超えた分の電圧ΔＶによって、図７に示した出力電流Ｉ４のようにシャントレギュレータ３１へ向かって電流が流れ、これによりシャントレギュレータ３１の抵抗成分によって電圧ΔＶに基づく電力が熱消費され、外部へ放出される。よって、発電部１０の起電力Ｖ１が、閾値電圧Ｖｐ以下に制限される。

以上のように本実施の形態においても、第１の実施の形態と同様の作用により、同様の効果を得ることが可能である。すなわち、発電時の消費電力の増加を引き起こすことなく、過大な起電力による各単位セル１０Ａ〜１０Ｆの正極の溶出を抑えることが可能となる。

具体的には、電圧制限回路３Ｂがシャントレギュレータ３１を含んで構成され、このシャントレギュレータ３１のカソードが発電部１０の正極側を向くと共にアノードが発電部１０の負極側を向くように配置したので、上記のような効果を得ることができる。

また、電圧制限回路３Ｂが、発電部１０およびシャントレギュレータ３１に対して並列接続されると共にシャントレギュレータ３１のリファレンス端子に対して発電部１０による起電力Ｖ１の分圧電圧（リファレンス電圧Ｖref）を供給する第１の抵抗分圧器（抵抗器Ｒ１，Ｒ２により構成される）を有するようにしたので、閾値電圧Ｖｐに基づく動作電圧をシャントレギュレータ３１のリファレンス端子に供給することが可能となる。

また、電圧制限回路３Ｂが、発電部１０の正極側とシャントレギュレータ３１のカソードとの間に抵抗器Ｒ０（第１の抵抗器）を有するようにしたので、シャントレギュレータ３１へ流れ込む電流Ｉ３の大きさを制限することが可能となる。

さらに、電圧制限回路３Ｂが、発電部１０および第１の抵抗分圧器に対して並列接続されると共にシャントレギュレータ３１に対して直列接続された抵抗器Ｒｋ（第２の抵抗器）を有するようにしたので、電圧制限動作の際に、電流Ｉ３に基づく電力を熱に変換させる動作を、シャントレギュレータ３１と抵抗器Ｒｋとの間で分担させることが可能となる。

なお、上記した抵抗器Ｒ０，Ｒｋは、場合によっては電圧制限回路内に設けないようにしてもよい。

［第３の実施の形態］
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。なお、第１または第２の実施の形態における構成要素と同一のものには同一の符号を付し、適宜説明を省略する。

図８は、本実施の形態に係る燃料電池システム（燃料電池システム１Ｃ）の全体構成を表したものである。この燃料電池システム１Ｃは、図１に示した第１の実施の形態の燃料電池システム１において、電圧制限回路３の代わりに電圧制限回路３Ｃを設けるようにしたものである。

電圧制限回路３Ｃは、発電部１０に対して電気的に並列接続されており、バイポーラトランジスタであるＮＰＮトランジスタＴｒ１と、抵抗器ＲＥと、第２の抵抗分圧器を構成する抵抗器Ｒ３，Ｒ４とにより構成されている。具体的には、ＮＰＮトランジスタＴｒ１は、抵抗器Ｒｋ（第３の抵抗器）と互いに電気的に直列接続されると共に、発電部１０に対して電気的に並列接続されている。また、ＮＰＮトランジスタＴｒ１は、ベースが接続点Ｐ３に接続され、エミッタが接続点Ｐ５側（抵抗器ＲＥの一端）に接続され、コレクタが接続点Ｐ４に接続されている。また、抵抗器Ｒ３，Ｒ４は、接続点Ｐ１，Ｐ２間で互いに電気的に直列接続されると共に、発電部１０およびＮＰＮトランジスタＴｒ１に対して並列接続されており、ＮＰＮトランジスタＴｒ１のベース端子に対して発電部１０による起電力Ｖ１の分圧電圧（ベース電圧ＶＢ＝Ｖ１×（ｒ４／（ｒ３＋ｒ４））；ｒ３，ｒ４は抵抗器Ｒ３，Ｒ４の抵抗値）を供給する第２の抵抗分圧器として機能している。また、抵抗器ＲＥは、一端がＮＰＮトランジスタのエミッタに接続され、他端が接続点Ｐ５に接続されている。なお、上記した起電力Ｖ１は、閾値電圧Ｖｐとほぼ等しい値となっており、例えば単位セル当たり０．３３Ｖとなっている。また、ＮＰＮトランジスタＴｒ１は、本発明における「トランジスタ」の一具体例に対応する。

この燃料電池システム１Ｃでは、発電部１０による起電力Ｖ１が、各単位セル１０Ａ〜１０Ｆの正極の溶出が生ずる所定の閾値電圧Ｖｐ以下の値であるとき（Ｖ１≦Ｖｐ）には、ＮＰＮトランジスタＴｒ１のベース端子に供給される起電力Ｖ１の分圧電圧（ベース電圧ＶＢ）がＮＰＮトランジスタＴｒ１のオン電圧よりも低いことになるため、このＮＰＮトランジスタＴｒ１側には出力電流が流れず、出力電流Ｉ１はそのまま負荷５側へと供給される。すなわち、Ｖ１≦Ｖｐのときには、発電部Ｖ１による起電力Ｖ１によって各単位セル１０Ａ〜１０Ｆの正極の溶出が生ずるおそれはないため、起電力Ｖ１がそのまま負荷５へ供給される。

一方、発電部１０による起電力Ｖ１が閾値電圧Ｖｐを超えた場合（Ｖ１＞Ｖｐ）には、各単位セル１０Ａ〜１０Ｆの正極の溶出を防ぐため、電圧制限回路３Ｃによって閾値電圧Ｖｐを超えた分の電圧ΔＶ（＝Ｖ１−Ｖｐ）に基づく電力が熱消費される。具体的には、起電力Ｖ１の分圧電圧（ベース電圧ＶＢ）がＮＰＮトランジスタＴｒ１のオン電圧よりも高くなるため、ＮＰＮトランジスタＴｒ１がオン状態となる。したがって、閾値電圧Ｖｐを超えた分の電圧ΔＶによって、図７に示した出力電流Ｉ５のようにＮＰＮトランジスタＴｒ１および抵抗器ＲＥへ向かって電流が流れ、これにより抵抗器ＲＥによって電圧ΔＶに基づく電力が熱消費され、外部へ放出される。よって、発電部１０の起電力Ｖ１が、閾値電圧Ｖｐ以下に制限される。

以上のように本実施の形態においても、第１および第２の実施の形態と同様の作用により、同様の効果を得ることが可能である。すなわち、発電時の消費電力の増加を引き起こすことなく、過大な起電力による各単位セル１０Ａ〜１０Ｆの正極の溶出を抑えることが可能となる。

具体的には、電圧制限回路３Ｃが、互いに直列接続されると共に発電部１０に対して並列接続されたＮＰＮトランジスタＴｒ１および抵抗器ＲＥ３と、発電部１０に対して並列接続されると共に発電部１０による起電力Ｖ１の分圧電圧を供給してＮＰＮトランジスタＴｒのオン・オフ動作を切り替えるための第２の抵抗分圧器（抵抗器Ｒ３，Ｒ４により構成される）とを有するようにしたので、上記のような効果を得ることができる。

なお、例えば図９に示した燃料電池システム１Ｄのように、電圧制限回路３Ｄが、複数のバイポーラトランジスタ（ここでは、ベース電圧ＶＢ１，ＶＢ２により規定される２つのＮＰＮトランジスタＴｒ２１，Ｔｒ２２）を有すると共に、これら複数のバイポーラトランジスタが互いに複合接続（ダーリントン接続）されているようにしてもよい。このように構成した場合、電圧制限動作の際にトランジスタに流し込む電流（電流Ｉ６）を、本実施の形態で説明した電流Ｉ５よりも大きくすることができ、より効率的に電圧制限動作を行うことが可能となる。

また、例えば図１０に示した燃料電池システム１Ｅのように、電圧制限回路３Ｅにおいて、トランジスタが電界効果トランジスタ（この場合、ＮチャネルＦＥＴ）Ｔｒ３であると共に、この電界効果トランジスタＴｒ３を、第２の抵抗分圧器による分圧電圧（ゲート電圧ＶＧ）がゲート端子に供給されるように配置してもよい。このように構成した場合、本実施の形態において説明したバイポーラトランジスタの場合と比べ、電圧制限回路における消費電流（図中の電流Ｉ７による消費電流）を小さくすることが可能となる。

さらに、例えば図１１に示した燃料電池システム１Ｆのように、電圧制限回路３Ｆが、第２の抵抗分圧器による分圧電圧（ベース電圧ＶＢ）の大きさを調整可能な可変抵抗器Ｒｖを有するようにしてもよい。具体的には、この可変抵抗器Ｒｖは抵抗器Ｒ３，Ｒ４の間に挿入配置されており、この場合のベース電圧ＶＢは、ＶＢ＝Ｖ１（Ｖｐ）×（（ｒ４＋ｒｖ４）／（ｒ３＋ｒｖ３＋ｒ４＋ｒｖ４）））（ｒｖ３，ｒｖ４は、可変抵抗器Ｒｖの抵抗値うちの、抵抗器Ｒ３側または抵抗器Ｒ４側の分割抵抗値）となる。このように構成した場合、ベース電圧ＶＢの設定値をより繊細に調整することが可能となる。なお、このような可変抵抗器Ｒｖを、図９や図１０に示した電圧制限回路３Ｄ，３Ｅにおいて設けるようにしてもよい。

なお、本実施の形態およびその変形例では、トランジスタが、ＮＰＮトランジスタやＮチャネルＦＥＴである場合について説明したが、トランジスタが、ＰＮＰトランジスタやＰチャネルＦＥＴであってもよい。

以上、第１〜第３の実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明はこれらの実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。

例えば、上記実施の形態では、発電部１０が、互いに電気的に直列接続された６つの単位セルを含む場合について説明したが、単位セルの数はこれには限られない。例えば、発電部１０が１つの単位セルにより構成されていてもよく、また、２以上の任意の複数の単位セルにより構成されていてもよい。

また、上記実施の形態では、ダイレクトメタノール型の燃料電池システムについて説明したが、本発明は、これ以外の種類の燃料電池システムについても適用することが可能である。

本発明の燃料電池システムは、例えば、携帯電話、電子写真機、電子手帳またはＰＤＡ（Personal Digital Assistants）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燃料電池システムの全体構成を表す回路図である。 図１に示した発電部の構成例を表す断面図である。 図１に示した発電部の構成例を表す平面図である。 図１に示した発電部の製造方法を説明するための断面図である。 図１に示した発電部の製造方法を説明するための平面図である。 第１の実施の形態の変形例に係る燃料電池システムの全体構成を表す回路図である。 第２の実施の形態に係る燃料電池システムの全体構成を表す回路図である。 第３の実施の形態に係る燃料電池システムの全体構成を表す回路図である。 第３の実施の形態の変形例に係る燃料電池システムの全体構成を表す回路図である。 第３の実施の形態の他の変形例に係る燃料電池システムの全体構成を表す回路図である。 第３の実施の形態の他の変形例に係る燃料電池システムの全体構成を表す回路図である。 白金におけるプールベイ図（ｐＨと電位との関係図）を表す特性図である。 燃料電池における電流密度と電圧および出力密度との関係の一例を表す特性図である。

符号の説明

１，１Ａ〜１Ｆ…燃料電池システム、１０…発電部、１０Ａ〜１０Ｆ…単位セル、１１…電解質膜、１２…燃料電極（負極）、１３…酸素電極（正極）、２０…接続部材、２０Ａ…端子、３，３Ａ〜３Ｆ…電圧制限回路、３１…シャントレギュレータ、４０…燃料タンク、４１…液体燃料、５…負荷、Ｐ１〜Ｐ５…接続点、Ｔ１，Ｔ２…出力端子、ＬＯ…出力ライン、ＬＧ…接地ライン、Ｖ１…発電部による起電力、Ｖｚ…降伏電圧、ＶＲ…電圧降下、Ｖref…リファレンス電圧、ＶＢ，ＶＢ１，ＶＢ２…ベース電圧、ＶＧ…ゲート電圧、Ｉ１〜Ｉ７…出力電流、Ｄ１…ツェナーダイオード、Ｄ２１〜Ｄ２ｎ…ダイオード、Ｒ０〜Ｒ４，Ｒｋ，ＲＥ…抵抗器、Ｒｖ…可変抵抗器、Ｔｒ１，Ｔｒ２１，Ｔｒ２２…バイポーラトランジスタ（ＮＰＮトランジスタ）、Ｔｒ３…電界効果トランジスタ（ＮチャネルＦＥＴ）。

Claims (17)

1. 正極（酸素電極）および負極（燃料電極）を有する単位セルを含む発電部と、
   前記発電部に対して並列接続されると共に、前記発電部による起電力が前記正極の溶出が生ずる所定の閾値電圧を超えたときにその超えた分の電圧に基づく電力を熱消費させることにより、前記発電部の起電力を前記閾値電圧以下に制限する電圧制限回路と
   を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記負極の発電電位をｘ［Ｖ ｖｓ. ＳＨＥ］としたとき、
   前記閾値電圧が、単位セル当たり、（０．８５−ｘ）［Ｖ］以下である
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記単位セルが、水素型燃料電池により構成され、
   前記閾値電圧が、単位セル当たり、０．８５［Ｖ］以下である
   ことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記単位セルが、直接メタノール型燃料電池により構成され、
   前記閾値電圧が、単位セル当たり、０．３３［Ｖ］以下である
   ことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
5. 前記電圧制限回路がツェナーダイオードを含んで構成され、
   前記ツェナーダイオードのカソードが前記発電部の正極側に接続されると共に、前記ツェナーダイオードのアノードが前記発電部の負極側に接続されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
6. 前記電圧制限回路が、互いに直列接続された複数のダイオードを含んで構成され、
   前記ダイオードはそれぞれ、アノードが前記発電部の正極側を向くと共にカソードが前記発電部の負極側を向くように配置されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
7. 前記電圧制限回路がシャントレギュレータを含んで構成され、
   前記シャントレギュレータは、カソードが前記発電部の正極側を向くと共にアノードが前記発電部の負極側を向くように配置されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
8. 前記電圧制限回路は、前記発電部および前記シャントレギュレータに対して並列接続されると共に、シャントレギュレータのリファレンス端子に対して前記発電部による起電力の分圧電圧を供給する第１の抵抗分圧器を有する
   ことを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。
9. 前記電圧制限回路は、前記発電部の正極側と前記シャントレギュレータのカソードとの間に、第１の抵抗器を有する
   ことを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム。
10. 前記電圧制限回路は、前記発電部および前記第１の抵抗分圧器に対して並列接続されると共に前記シャントレギュレータに対して直列接続された第２の抵抗器を有する
    ことを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム。
11. 前記電圧制限回路は、
    互いに直列接続されると共に前記発電部に対して並列接続されたトランジスタおよび第３の抵抗器と、
    前記発電部に対して並列接続されると共に、前記発電部による起電力の分圧電圧を供給して前記トランジスタのオン・オフ動作を切り替えるための第２の抵抗分圧器とを有する
    ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
12. 前記トランジスタがバイポーラトランジスタであり、
    前記バイポーラトランジスタは、前記第２の抵抗分圧器による分圧電圧がベース端子に供給されるように配置されている
    ことを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池システム。
13. 前記電圧制限回路が複数の前記バイポーラトランジスタを有し、
    前記複数のバイポーラトランジスタが互いに複合接続（ダーリントン接続）されている
    ことを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池システム。
14. 前記トランジスタが電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）であり、
    前記電界効果トランジスタは、前記第２の抵抗分圧器による分圧電圧がゲート端子に供給されるように配置されている
    ことを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池システム。
15. 前記電圧制限回路は、前記第２の抵抗分圧器による分圧電圧の大きさを調整可能な可変抵抗器を有する
    ことを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池システム。
16. 前記発電部は、互いに電気的に直列接続された複数の前記単位セルを含む
    ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
17. 正極（酸素電極）および負極（燃料電極）を有する単位セルを含む発電部を備えた燃料電池システムに適用される電圧制限方法であって、
    前記発電部に対して並列接続された電圧制限回路を用いて、前記発電部による起電力が前記正極の溶出が生ずる所定の閾値電圧を超えたときに、その超えた分の電圧に基づく電力を熱消費させることにより、前記発電部の起電力を前記閾値電圧以下に制限する
    ことを特徴とする電圧制限方法。

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