JP4752175B2

JP4752175B2 - 燃料電池

Info

Publication number: JP4752175B2
Application number: JP2003271571A
Authority: JP
Inventors: 敏之松野; 千明金井
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2003-06-05
Filing date: 2003-07-07
Publication date: 2011-08-17
Anticipated expiration: 2023-07-07
Also published as: US20070111061A1; US7901822B2; JP2005019372A; WO2005006478A1

Description

本発明は、燃料電池に関し、複数の異なる動作電圧の負荷に対して電流を供給するための燃料電池に関する。

燃料電池は、燃料と酸素（酸化剤ガス）を電気化学的に反応させることにより発電を行う発電素子である。燃料電池は、発電により生成される生成物が水であることから環境を汚染することがない発電素子として近年注目されており、例えば自動車を駆動するための駆動電源や家庭用コジェネレーションシステムとして使用する試みが行われている。

さらに、上述の自動車駆動用の駆動電源等に止まらず、例えばノート型パソコン、携帯電話及びＰＤＡ（ＰｅｒｓｏｎａｌＤｉｇｉｔａｌＡｓｓｉｓｔａｎｔ）などの携帯型電子機器の駆動電源としての燃料電池の開発も活発に行われている。このような燃料電池においては、所要の電力を安定して出力できるとともに、携帯可能なサイズ及び重量とされることが重要となり、このような要求に対応するべく各種技術開発が盛んに行われている。

また、近年の電気製品は多機能化や高性能化の要請に応えるために、機能ごとに複数の電気回路を備えるものがあり、各電気回路をそれぞれの駆動に適した電圧で駆動している。例えばパーソナルコンピュータは演算素子などが１．６５Ｖ〜３．３Ｖ程度の電圧によって駆動され、ロジックボード上の電気回路では５Ｖ程度の電圧が用いられる。また、磁気記憶装置などの物理的な動作を伴う電子部品では１２Ｖが用いられ、液晶表示装置などでは百数十〜二百数十Ｖの電圧によって動作している。このような電気製品では、ＡＣアダプターや二次電池、燃料電池などの所定の電圧範囲の電力を供給する電源を備えており、電源から出力を降圧レギュレータや昇圧レギュレータで電圧変換して、各電気回路に適した電圧でそれぞれの機能を駆動している。

複数の電気回路を備える電気製品で電源として燃料電池を用いる場合の従来例を図８に示す。燃料電池１０は複数の発電素子を積層したスタックセル構造を有しており、各層のセルが発電する電流に対して直列に接続されている。燃料電池１０の一端である最下層セル１１は接地電位１２に接続されており、燃料電池１０の多端である最上層セル１３には電極端子１４が接続されている。

電極端子１４には、電圧を変換する電位調整器であるレギュレータが並列に複数接続されており、例えば、それぞれレギュレータ１５は液晶表示装置に、レギュレータ１６は物理的な運動をする駆動系回路に、レギュレータ１７はロジックボードに、レギュレータ１８は演算素子に接続され、それぞれの電気回路に適した電圧を供給する。

レギュレータ１５，１６，１７，１８は電極端子１４に接続されており、電極端子１４の電位から降圧または昇圧をおこなって電圧の変換を行うことになる。各レギュレータが燃料電池１０から供給される電圧は略同一であるのに対して、各レギュレータが出力する電圧が異なるため、レギュレータ１５，１６，１７，１８の電圧の降圧率や昇圧率に大きな差が生じることになる。

また、一般的に燃料電池は負荷電流による電圧変動が大きいため、単一の電極端子１４で様々な電気回路に対する出力を供給することで、接続された電気回路の動作の影響が他の電気回路にも及んでしまい、エネルギー損失を最小に抑えることが難しい。また、同様の理由によって、発電素子の状態にも大きく影響を与えて発電効率が低下してしまうという問題があった。

したがって本願発明は、様々な電気回路に対して安定した電力供給を行うことが可能な燃料電池を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために本願発明の燃料電池は、複数の発電素子を積層したスタックセル構造の燃料電池であって、前記複数の発電素子に含まれる第一の発電素子に第一の出力用端子が形成され、前記複数の発電素子に含まれる第二の発電素子に第二の出力用端子が形成されると共に、前記第一の出力用端子は第一の電位調整器に接続され、前記第二の出力用端子は第二の電位調整器に接続され、前記第一の出力用端子の電位と前記第二の出力用端子の電位とが異なることを特徴とする。

スタックセル構造の燃料電池の異なる層の発電素子に出力用端子を形成することによって、それぞれの出力用端子の電位は直列に接続された発電セルの層数に対応したものになる。したがって、それぞれの出力用端子から得られる電圧を異なるものとすることができ、接続される電気回路が必要としている電圧に応じて出力用端子を選択することで、電圧変換用レギュレータに最適な電圧を供給する事が出来る。

このとき、第一の電位調整器と第二の電位調整器とは、電圧の変換率が異なるとしてもよい。

［第一の実施の形態］
以下、本願発明を適用した燃料電池および電圧供給方法について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお本願発明は、以下の記述に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。

図１は、本実施の形態における燃料電池の構成を示す模式図である。発電部２０は、セパレータの間に発電体としての接合体が挟み込まれて発電を行う発電素子を複数有し、複数の発電素子が直列に接続されたスタックセル構造を成している。なお、発電部２０を形成する発電素子数は図中に示す１１層である必要はなく、各種電子機器を駆動するために必要な出力電力に合わせて所要の数だけ設置すればよい。本実施の形態では、発電部２０に含まれている各層の発電素子はそれぞれ同等の面積を有しているとする。

発電部２０の一端である最下層の発電素子２１は、接地電位２６に接続されている。また、下から３層目、５層目、９層目、最上層の発電素子には、それぞれ電極端子２２，２３，２４，２５が形成されている。また、電極端子２２，２３，２４，２５には、それぞれ電圧の変換をおこなう電位調整器としてレギュレータ３０，２９，２８，２７が接続されている。

各レギュレータは、発電部２０から出力された電圧を変換して、様々な電気回路に適した電力を供給する部材である。例えば、レギュレータ２７は液晶表示装置に１２０〜２１０Ｖの電圧を供給し、レギュレータ２８は物理的な運動をする駆動系回路に１２Ｖの電圧を供給し、レギュレータ２９はロジックボードに５Ｖの電圧を供給し、レギュレータ３０は演算素子に３．３Ｖの電圧を供給する。

スタックセル構造を構成する各発電素子は、２つのセパレータと、これら２つのセパレータの間に挟持される接合体とから構成される。また、セパレータには、図示していないが燃料ガス流路及び空気流路が形成されている。空気流路に空気が供給されることにより、発電部２０の内部における空気の流動が実現され、各発電素子の酸素極に酸素が供給される。また、燃料ガス流路に燃料ガスである水素などが供給されることにより、発電部２０の内部における燃料の流動が実現され、各発電素子の燃料極に燃料が供給される。

接合体は、吸湿した際にイオン伝導性を有する固体高分子電解質膜と、この固体高分子電解質膜を両面から挟み込む電極とによって形成される。固体高分子電解質膜としては、例えばスルホン酸系の固体高分子電解質膜を用いることができる。また、電極としては、発電反応を促進するための触媒が担持された電極を用いることができる。

また、接合体の周縁付近には、発電部２０としてスタックセル構造を形成した際に、セパレータと接合体との間を封止する封止部材が配置される。この封止部材は、セパレータの周縁部と接合体の周縁部とを十分に絶縁することができる材質から構成される。また、封止部材としては、発電部２０の放熱性を高めるために高い熱伝導性を有する材質を用いることが好ましく十分な熱伝導性及び電気的絶縁性を有する材質が好適である。

各発電素子では、燃料ガス流路を介して接合体の燃料極が燃料を受け取り、空気流路を介して接合体の酸素極が酸素を受け取ることで、接合体においてＨ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻の如き反応と１／２Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻＝Ｈ_２Ｏの如き反応が起こり、結果として水が生成される。水素ガス（Ｈ_２）が接合体の燃料極でプロトンを発生させ、解離したプロトン（Ｈ^＋）は固体高分子電解質膜の膜中を酸素極側に移動する。この移動したプロトンは、接合体の酸素極で酸素（空気）と反応して、これにより起電力が取り出される。

電極端子２２は接地電位２６に接続された最下層の発電素子から３層分の発電素子を直列に接続した位置に形成されているため、電極端子２２の電位は３層の発電素子の起電力を合計した値となる。同様にして、電極端子２３の電位は５層の発電素子の起電力を合計した値であり、電極端子２４は９層、電極端子２５は１１層の発電素子の起電力を合計した値である。

したがって、電極端子２２，２３，２４，２５の電位は各々異なる値となり、それぞれに接続されているレギュレータ３０，２９，２８，２７にも異なる電圧が供給されることになる。つまり、例えば１層の発電素子から得られる起電力を０．６Ｖであるとすると、レギュレータ３０には１．８Ｖ、レギュレータ２９には３．０Ｖ、レギュレータ２８には５．４Ｖ、レギュレータ２７には６．６Ｖの電圧が供給されることになる。

上述した例の場合には、レギュレータ３０は１．８Ｖから３．３Ｖへの電圧変換を行い、レギュレータ２９は３．０Ｖから５Ｖ、レギュレータ２８は５．４Ｖから１２Ｖ、レギュレータ２７は６．６Ｖから１２０〜２１０Ｖの変換を行うことになる。

このようにして、各レギュレータへ供給される電圧値として最適な電圧となるように、スタックセルに含まれる複数の発電素子に出力用端子を設けることにより、レギュレータを適切な降圧率および昇圧率に設定することが出来る。

［第二の実施の形態］
次に本発明の他の実施の形態として、スタックセル構造を構成する発電素子の面積が異なる燃料電池および電圧供給方法について説明する。なお、上述した第一の実施の形態と同様の部材に関する説明は省略する。

図２は、本実施の形態における燃料電池の燃料電池の構成を示す模式図である。発電部４０は、セパレータの間に発電体としての接合体が挟み込まれて発電を行う発電素子を複数有し、複数の発電素子が直列に接続されたスタックセル構造を成している。また、発電部４０に含まれる発電素子は、図に示すように異なる面積のものが含まれている。なお、発電部４０を形成する発電素子数は図中に示す層数である必要はなく、各種電子機器を駆動するために必要な出力電力に合わせて所要の数だけ設置すればよい。

発電部４０の一端である最下層の発電素子４１は、接地電位４６に接続されている。また、下から５層目、７層目、１１層目、最上層の発電素子には、それぞれ電極端子４２，４３，４４，４５が形成されている。また、電極端子４２，４３，４４，４５には、それぞれ電圧の変換をおこなう電位調整器としてレギュレータ５０，４９，４８，４７が接続されている。

また、発電部４０を構成する発電素子の面積は、各電極端子が接続されている発電素子毎に異なっている。図に示した例では、最下層から５層目までを構成する発電素子の面積が最大であり、６層目と７層目を構成する発電素子の面積が次に大きく、８層目から１１層目までを構成する発電素子の面積は次に大きく、１２層目から１８層目までを構成する発電素子の面積は最小である。

各レギュレータは、発電部４０から出力された電圧を変換して、様々な電気回路に適した電力を供給する部材である。例えば、レギュレータ４７は液晶表示装置に１２０〜２１０Ｖの電圧を供給し、レギュレータ４８は物理的な運動をする駆動系回路に１２Ｖの電圧を供給し、レギュレータ４９はロジックボードに５Ｖの電圧を供給し、レギュレータ５０は演算素子に３．３Ｖの電圧を供給する。

各発電素子の構成や発電部４０での発電反応については上述した第一の実施の形態と同様であるため、説明を省略する。

電極端子４２は接地電位４６に接続された最下層の発電素子から５層分の発電素子を直列に接続した位置に形成されているため、電極端子４２の電位は５層の発電素子の起電力を合計した値となる。同様にして、電極端子４３の電位は７層までの発電素子の起電力を合計した値であり、電極端子４４は１１層、電極端子４５は１８層までの発電素子の起電力を合計した値である。

したがって、電極端子４２，４３，４４，４５の電位は各々異なる値となり、それぞれに接続されているレギュレータ５０，４９，４８，４７にも異なる電圧が供給されることになる。

このとき、例えば最下層の発電素子での発電によって生じた電流は、直列に接続された各層の発電素子を通って電極端子４２，４３，４４，４５から電気回路へと流れていく。これに対して、例えば電極端子４４が形成されている１１層目の発電素子での発電によって生じた電流は、電極端子４４と電極端子４６から電気回路へと流れていく。

したがって、発電素子での発電による起電力が接合体の面積に関係することと、接地電位４６に近い側に配置された発電素子における発電で生じた電流が、複数の電極端子から電気回路に出力されていくことにより、各電極端子が形成される発電素子の面積を調整することで、全ての発電素子の単位面積あたりに流れる電流密度を略同一に設定することができる。

発電素子での発電は、一般的に、電流密度や温度などの発電環境によって効率が変化する。また、発電素子に含まれている固体高分子電解質膜は、電流密度によって劣化の程度が異なるため、各層の発電素子の単位面積あたりに流れる電流密度を略同一のものにすることで、各層に含まれる固体高分子電解質膜の状態を略均一なものとすることができる。

したがって、発電素子の面積を調整することで、各発電素子の単位面積あたりに流れる電流密度を同程度に設定することができ、各発電素子での発電環境を略同一のものとすることができるため、安定した発電反応を継続して行うことが可能となる。

また、各レギュレータへ供給される電圧値として最適な電圧となるように、発電部に含まれる複数の発電素子に出力用端子を設けることにより、レギュレータを適切な降圧率および昇圧率に設定することが出来る。

［第三の実施の形態］
次に本発明の他の実施の形態として、複数のスタックセル構造を有する燃料電池および電圧供給方法について説明する。なお、上述した第一の実施の形態と同様の部材に関する説明は省略する。

図３は、本実施の形態における燃料電池の燃料電池の構成を示す模式図である。発電部６０は、複数のスタックセル６１，６２，６３、６４が個別に形成された構造を有している。各スタックセル６１，６２，６３，６４は、セパレータの間に発電体としての接合体が挟み込まれて発電を行う発電素子を複数有し、複数の発電素子が直列に接続されたスタックセル構造を成している。なお、発電部６０を形成するスタックセル数および発電素子数は図中に示す個数である必要はなく、各種電子機器を駆動するために必要な出力電力に合わせて所要の数だけ設置すればよい。本実施の形態では、スタックセル６１，６２，６３，６４に含まれている発電素子は、略同一のスタックセル内では同等の面積を有しており、異なるスタックセル内では異なる面積を有しているとする。また、各スタックセルに含まれる発電素子数は異なるものである。

スタックセル６１の最下層に配置された発電素子は接地電位６５に接続され、最上層に配置された発電素子には電極端子６６が形成されている。同様に、スタックセル６２，６３，６４の最下層に配置された発電素子は、それぞれ接地電位６７，６９，７１に接続され、最上層に配置された発電素子にはそれぞれ電極端子６８，７０，７２が形成されている。また、電極端子６６，６８，７０，７２には、それぞれ電圧の変換をおこなう電位調整器としてレギュレータ７３，７４，７５，７６が接続されている。

各レギュレータは、発電部６０から出力された電圧を変換して、様々な電気回路に適した電力を供給する部材である。例えば、レギュレータ７３は液晶表示装置に１２０〜２１０Ｖの電圧を供給し、レギュレータ７４は物理的な運動をする駆動系回路に１２Ｖの電圧を供給し、レギュレータ７５はロジックボードに５Ｖの電圧を供給し、レギュレータ７６は演算素子に３．３Ｖの電圧を供給する。

各スタックセルに含まれている発電素子の面積と層数はそれぞれ異なるものである。したがって、電極端子６６，６８，７０，７２の電位は各々異なる値となり、それぞれに接続されているレギュレータ７３，７４，７５，７６にも異なる電圧が供給されることになる。

上述した第二の実施の形態と同様に、各スタックセルに含まれている発電素子の面積を調整することで、各発電素子の単位面積あたりに流れる電流密度を同程度に設定することができ、各発電素子での発電環境を略同一のものとすることができるため、安定した発電反応を継続して行うことが可能となる。

また、各レギュレータへ供給される電圧値として最適な電圧となるように、スタックセルに含まれる発電素子の個数を調整することで、レギュレータを適切な降圧率および昇圧率に設定することが出来る。また、各スタックセルを個別に形成しているため、各スタックセルを小型にすることができ電気機器へ搭載する場合に機器の空きスペースを有効に利用することが可能になる。

［第四の実施の形態］
次に本発明の他の実施の形態として、複数のスタックセル構造を有する燃料電池および電圧供給方法について説明する。なお、上述した第一の実施の形態と同様の部材に関する説明は省略する。

図４は、本実施の形態における燃料電池の燃料電池の構成を示す模式図である。発電部８０は、複数のスタックセル８１，８２，８３、８４が個別に形成された構造を有している。各スタックセル８１，８２，８３，８４は、セパレータの間に発電体としての接合体が挟み込まれて発電を行う発電素子を複数有し、複数の発電素子が直列に接続されたスタックセル構造を成している。なお、発電部８０を形成するスタックセル数および発電素子数は図中に示す個数である必要はなく、各種電子機器を駆動するために必要な出力電力に合わせて所要の数だけ設置すればよい。本実施の形態では、スタックセル８１，８２，８３，８４に含まれている発電素子は略同一の面積を有しているとする。また、各スタックセルに含まれる発電素子数は異なるものである。

スタックセル８１の最下層に配置された発電素子は接地電位８５に接続され、最上層に配置された発電素子には電極端子８６が形成されている。同様に、スタックセル８２，８３，８４の最下層に配置された発電素子は、それぞれ接地電位８７，８９，９１に接続され、最上層に配置された発電素子にはそれぞれ電極端子８８，９０，９２が形成されている。また、電極端子８６，８８，９０，９２には、それぞれ電圧の変換をおこなう電位調整器としてレギュレータ９３，９４，９５，９６が接続されている。

各レギュレータは、発電部８０から出力された電圧を変換して、様々な電気回路に適した電力を供給する部材である。例えば、レギュレータ９３は液晶表示装置に１２０〜２１０Ｖの電圧を供給し、レギュレータ９４は物理的な運動をする駆動系回路に１２Ｖの電圧を供給し、レギュレータ９５はロジックボードに５Ｖの電圧を供給し、レギュレータ９６は演算素子に３．３Ｖの電圧を供給する。

各スタックセルに含まれている発電素子の面積は略同一であるが、各スタックセルに含まれている発電素子の層数はそれぞれ異なるものである。したがって、電極端子８６，８８，９０，９２の電位は各々異なる値となり、それぞれに接続されているレギュレータ９３，９４，９５，９６にも異なる電圧が供給されることになる。

また、各レギュレータへ供給される電圧値として最適な電圧となるように、スタックセルに含まれる発電素子の個数を調整することで、レギュレータを適切な降圧率および昇圧率に設定することが出来る。また、各スタックセルを個別に形成しているため、各スタックセルを小型にすることができ電気機器へ搭載する場合に機器の空きスペースを有効に利用することが可能になる。また、各スタックセルに含まれる発電素子の面積が略同一であるため、燃料電池の設計および製造を簡便なものとなる。

［第五の実施の形態］
次に本発明の他の実施の形態として、発電素子を搭載した発電ユニットを電気的に直列接続して構成されるユニット層を複数有する燃料電池および電圧供給方法について説明する。なお、上述した第一の実施の形態と同様の部材に関する説明は省略する。

図５は、本実施の形態における燃料電池の燃料電池の構成を示す模式図である。発電部１００は、複数のユニット層１０１，１０２，１０３、１０４が個別に形成された構造を有している。各ユニット層１０１，１０２，１０３、１０４は、複数の発電ユニット１１７が電気的に直列に接続されることで構成されている。なお、発電部１００を形成するユニット層数および発電ユニット数は図中に示す個数である必要はなく、各種電子機器を駆動するために必要な出力電力に合わせて所要の数だけ設置すればよい。

発電ユニット１１７は燃料電池の発電素子を搭載しており、燃料と酸素を供給されることで発電を行い電流を供給する部材である。各ユニット層１０１，１０２，１０３、１０４に含まれている発電ユニット１１７は全て同じ仕様で設計されており、搭載している発電素子数は同一であり、発電素子の面積も略同一で、略同一の出力電圧、略同一の出力電流を供給するものであって構わない。

ユニット層１０１の最下層に配置された発電ユニット１１７は接地電位１０５に接続され、最上層に配置された発電素子には電極端子１０６が形成されている。同様に、ユニット層１０２，１０３，１０４の最下層に配置された発電ユニット１１７は、それぞれ接地電位１０７，１０９，１１１に接続され、最上層に配置された発電ユニットにはそれぞれ電極端子１０８，１１０，１１２が形成されている。また、電極端子１０６，１０８，１１０，１１２には、それぞれ電圧の変換をおこなう電位調整器としてレギュレータ１１３，１１４，１１５，１１６が接続されている。

各レギュレータは、発電部１００から出力された電圧を変換して、様々な電気回路に適した電力を供給する部材である。例えば、レギュレータ１１３は液晶表示装置に１２０〜２１０Ｖの電圧を供給し、レギュレータ１１４は物理的な運動をする駆動系回路に１２Ｖの電圧を供給し、レギュレータ１１５はロジックボードに５Ｖの電圧を供給し、レギュレータ１１６は演算素子に３．３Ｖの電圧を供給する。

各ユニット層に含まれている発電ユニット１１７の出力は略同一であるが、各ユニット層に含まれている発電ユニット１１７の層数はそれぞれ異なるものである。したがって、電極端子１０６，１０８，１１０，１１２の電位は各々異なる値となり、それぞれに接続されているレギュレータ１１３，１１４，１１５，１１６にも異なる電圧が供給されることになる。

また、各レギュレータへ供給される電圧値として最適な電圧となるように、ユニット層に含まれる発電ユニットの個数を調整することで、レギュレータを適切な降圧率および昇圧率に設定することが出来る。また、各ユニット層に含まれる発電ユニット１１７の仕様を同一にすることで、部品の共通化を図ってコストの低減を行うことが可能になり、燃料電池の設計および製造を簡便なものとなる。

［第六の実施の形態］
次に本発明の他の実施の形態として、発電素子を搭載した発電ユニットを複数有し、発電ユニット間の電気的接続を切り替える燃料電池および電圧供給方法について説明する。なお、上述した第一の実施の形態と同様の部材に関する説明は省略する。

図６は、本実施の形態における燃料電池の燃料電池の構成例を示す模式図である。発電部１２０は、発電ユニット１２１，１２２，１２３を有し、各発電ユニットのプラス極とマイナス極を相互に電気配線で接続し、制御部１２８で切替スイッチ１２４，１２５，１２６，１２７の接続方向を切り替えることで電流の経路を切り替える構成となっている。切替スイッチ１２４，１２５，１２６，１２７は例えば低抵抗の半導体スイッチで形成されているとする。

発電ユニット１２１，１２２，１２３はそれぞれ燃料電池の発電素子を搭載しており、燃料と酸素を供給されることで発電を行い電流を供給する部材である。なお、発電部１２０を形成する発電ユニット数は図中に示す個数である必要はなく、各種電子機器を駆動するために必要な出力電力に合わせて所要の数だけ設置すればよい。また、図６では発電部１２０には発電ユニットのみ搭載されている例を示しているが、一部をリチウムイオン電池等の二次電池で代用して、発電ユニットと二次電池が混在した発電部を構成するとしても良い。

制御部１２８は、発電部１２０が電力を供給する負荷側の駆動状況をモニタリングすると共に、切替スイッチ１２４，１２５，１２６，１２７の接続制御を行う制御回路である。制御部１２８には予め負荷側の駆動状況に対応した発電部１２０の出力モードが記録されており、負荷側の駆動状況が変化した場合には発電部１２０の出力モードを変更するために、適宜各切替スイッチの接続方向を変更する。図６では切替スイッチ１２４，１２５，１２６，１２７の接続方向を制御部１２８により切り替える構成を示したが、使用者が手動で各切替スイッチを切り替える構成としても良い。

図６に示した例では、発電ユニット１２１はプラス極が切替スイッチ１２４に接続され、マイナス極が設置電位および切替スイッチ１２５に接続されている。また、発電ユニット１２２のプラス極は切替スイッチ１２４，１２６に接続され、マイナス極は切替スイッチ１２５，１２７に接続されている。発電ユニット１２３のプラス極は切替スイッチ１２６とレギュレータや負荷に接続され、マイナス極は切替スイッチ１２７に接続されている。

各発電ユニットに燃料と酸素を供給して発電ユニットに搭載された発電素子によって発電を行い、切替スイッチ１２４，１２５，１２６，１２７をそれぞれ図中a方向かｂ方向に切り替えると、電気配線が接続されてレギュレータまたは負荷に対して電流が供給される。この際、各切替スイッチの方向を適宜選択することで、発電ユニット同士の電気的接続を切り替えることになる。

図７は、各切替スイッチを切り替えることで各発電ユニット間の電気的接続関係を切り替える例を示した図である。図７(a)は図６において切替スイッチ１２４，１２５，１２６，１２７をそれぞれa方向に接続した場合の電流の流れを示し、図７（ｂ）は図６において切替スイッチ１２４，１２５，１２６，１２７をそれぞれｂ方向に接続した場合の電流の流れを示している。

図７（a）のように発電ユニット１２１，１２２，１２３が直列に接続された場合には、レギュレータまたは負荷側に出力される電圧は各発電ユニットが発生する起電力の合計となる。したがって、負荷側が大電流よりも大電圧を要求するような場合に適した出力モードで電力の供給を行うことができる。また、図７（ｂ）のように発電ユニット１２１，１２２，１２３が並列に接続された場合には、レギュレータまたは負荷側に出力される電流は各発電ユニットが発生する電流の合計となる。したがって、負荷側が大電圧よりも大電流を要求するような場合に適した出力モードで電力の供給を行うことができる。

図７では発電ユニットが３つで切替スイッチ１２４，１２５，１２６，１２７を全てa方向またはｂ方向に接続した例を示したが、例えば発電ユニットを４つ備えてそのうち二つずつを並列接続するように切替スイッチを接続し、２個並列に接続された発電ユニットを直列接続するように切替スイッチを接続するとしてもよい。発電ユニットが２つずつ並列接続され、他の二つの発電ユニットと直列接続することで、発電ユニットを４つ全て直列に接続する場合と比較して、電圧を半分にして電流を２倍にすることができる。このように、適宜各切替スイッチの接続方向を選択することによって、各発電ユニット間の電気的接続関係を切り替えて出力モードを選択することが出来る。

発電ユニット間の電気的接続関係を切り替えることで、発電ユニットを直列接続とした状態では出力電圧を大きくし、発電ユニットを並列接続した状態では出力電流を大きくすることができ、使用時の負荷状況に応じて適切な電力を供給することが可能となる。

このとき、第一の出力用端子は第一の電位調整器に接続され、第二の出力用端子は第二の電位調整器に接続されているとしてもよい。また、第一の電位調整器と第二の電位調整器とは、電圧の変換率が異なるとしてもよい。

また、発電素子の面積を異なるものとすることで、全ての発電素子の単位面積あたりに流れる電流密度を同程度に設定することが可能となり、安定した発電反応を継続することが可能となる。

複数のスタックセルを形成し、各スタックセルを構成する発電素子の面積を異なるものにすることによって、それぞれのスタックセルが供給する電位は異なるものとなる。したがって、接続される電気回路が必要としている電圧に応じてスタックセルを選択することで、電圧変換用レギュレータに最適な電圧を供給する事が出来る。

このとき、第一のスタックセルを構成する発電素子数と、第二のスタックセルを構成する発電素子数とを異なるものとすることで、さらに各スタックセルが供給する電位を調整することが可能となる。

複数のスタックセルを形成したとき、各スタックセルを構成する発電素子の面積が略同一であっても、各スタックセルを構成するスタック数を異なるものにすることによって、それぞれのスタックセルが供給する電位は異なるものとなる。したがって、接続される電気回路が必要としている電圧に応じてスタックセルを選択することで、電圧変換用レギュレータに最適な電圧を供給する事が出来る。各スタックセルに含まれる発電素子の面積が略同一であることで、部品の共通化を図ってコストの低減を行うことが可能になり、燃料電池の設計および製造を簡便なものにすることが可能となる。

複数のユニット層を構成する発電ユニット数を異なるものにすることによって、それぞれのユニット層が供給する電位は異なるものとなる。したがって、接続される電気回路が必要としている電圧に応じてユニット層を選択することで、電圧変換用レギュレータに最適な電圧を供給する事が出来る。各ユニット層に含まれる発電ユニットの発電素子数や出力電圧や発電素子の面積を共通の仕様とすることで、部品の共通化を図ってコストの低減を行うことが可能になり、燃料電池の設計および製造を簡便なものにすることが可能となる。

第一の実施の形態における燃料電池の構造を示す模式図である。第二の実施の形態における燃料電池の構造を示す模式図である。第三の実施の形態における燃料電池の構造を示す模式図である。第四の実施の形態における燃料電池の構造を示す模式図である。第五の実施の形態における燃料電池の構造を示す模式図である。第六の実施の形態における燃料電池の構造を示す模式図である。第六の実施の形態における燃料電池の発電ユニット間を直列接続した場合の電気的接続関係を示す模式図である。第六の実施の形態における燃料電池の発電ユニット間を並列接続した場合の電気的接続関係を示す模式図である。従来のスタックセル構造を有する燃料電池と電圧供給方法を説明する模式図である。

符号の説明

１０燃料電池
１１最下層セル
１２，２６，４６，６５，６７，６９，７１，８５，８７，８９，９１，１０５，１０７，１０９，１１１接地電位
１３最上層セル
１４，２２，２３，２４，２５，４２，４３，４４，４５，６６，６８，７０，７２，８６，８８，９０，９２，１０６，１０８，１１０，１１２電極端子
１５，１６，１７，１８，２７，２８，２９，３０，４７，４８，４９，５０，７３，７４，７５，７６，９３，９４，９５，９６，１１３，１１４，１１５，１１６レギュレータ
２０，４０，６０，８０，１００，１２０発電部
２１，４１発電素子
６１，６２，６３，６４，８１，８２，８３，８４スタックセル
１０１，１０２，１０３，１０４ユニット層
１１７，１２１，１２２，１２３発電ユニット
１２４，１２５，１２６，１２７切替スイッチ
１２８制御部

Claims

複数の発電素子を積層したスタックセル構造の燃料電池であって、
前記複数の発電素子に含まれる第一の発電素子に第一の出力用端子が形成され、前記複数の発電素子に含まれる第二の発電素子に第二の出力用端子が形成されると共に、
前記第一の出力用端子は第一の電位調整器に接続され、前記第二の出力用端子は第二の電位調整器に接続され、
前記第一の出力用端子の電位と前記第二の出力用端子の電位とが異なる
燃料電池。
前記第一の電位調整器と前記第二の電位調整器とは、電圧の変換率が異なる、請求項１記載の燃料電池。