JP5990798B2 - 発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、水素を燃料電池に供給して発電を行う発電装置に関し、特に窒素等の不純物ガスによる発電効率の低下を防止する技術として有用である。

水素発生剤と反応液との反応で発生させた水素を燃料電池に供給して発電を行う発電装置としては、例えば、下記特許文献１に開示されたものが知られている。この発電装置は、一方の表面から燃料ガスが供給され、他方の表面から酸素が供給されることで発電を行なう複数の発電セルと、その複数の発電セルを前記一方の表面を内部に向けて保持することで、前記複数の発電セルと共に内部空間を形成するセル保持体と、そのセル保持体の前記内部空間に配置され、燃料ガスを発生させる燃料発生部と、を備えるものである。

また、外部に設けた燃料発生装置で水素ガスを発生させて、これを発電セルが保持された筐体の内部空間に供給する方式も知られている。特に後者の方式では、内部空間及び燃料発生装置に存在する空気中の窒素成分が多く、これが燃料電池の内部空間から排出されずに濃縮されて、相対的に内部空間における水素濃度が低下する結果、燃料電池の発電効率が低下するという問題があった。

このような、窒素等の不純物ガスによる発電効率の低下を防止する技術として、特許文献２には、最終段の発電セルの水素流路の排出部に弁を設けて、圧力が一定以上になったときに、不純物ガスを排出する発電装置が知られている。また、特許文献３には、発電セルから排出されるガスの窒素濃度等を検出して、窒素濃度を一定以下に保つようにパージ弁を制御する発電装置が開示されている。

国際公開ＷＯ２００９／１２２９１０号公報 特開２００７−６６７８４号公報 特表２００４−５１３４８５号公報

しかしながら、特許文献２の発電装置では、不純物ガスの濃度を検出して、その検出値に基づいて弁の開閉により排出を行っていないため、余分な水素ガスが比較的高い濃度で放出される可能性がある。また、不純物ガスの放出量を少なく設定すると、発電セルの水素流路に、不純物ガスが残存するという懸念がある。

一方、特許文献３の発電装置では、窒素濃度等を検出しているため、より適切に不純物ガスを排出することが可能であるが、窒素濃度を検出するには複雑な計測機器が必要となり、製造コスト的にも不利になる。また、窒素濃度が上昇した状態では既に、燃料電池の発電効率が低下しているため、トータルで十分な発電効率を維持し難いと言える。

そこで、本発明の目的は、簡易な装置構成により、不純物ガスを自動的に排出することができ、しかもその際に燃料電池の出力の低下を抑制することができる発電装置を提供することにある。

上記目的は、以下の如き本発明により達成できる。

即ち、本発明の発電装置は、アノード側に設けた流路空間に供給された水素で発電を行う出力用燃料電池と、アノード側に設けた流路空間に前記流路空間から排出されるガスを導いて、そのガスに含まれる水素で発電を行う検出用燃料電池と、前記検出用燃料電池の流路空間に接続され、電気信号により開閉動作が可能な弁と、前記検出用燃料電池の出力部に電気的に接続された負荷手段と、前記検出用燃料電池の出力に基づいて、出力低下時に開動作させる操作信号を前記弁に送る制御手段と、を備えることを特徴とする。

本発明の発電装置によると、出力用燃料電池から排出されるガスを導いて、そのガスに含まれる水素で発電を行う検出用燃料電池を設けているため、検出用燃料電池の出力から、不純物ガスが濃度上昇した状態を検出することができる。また、その出力に基づいて、出力低下時に開動作させる制御手段により、弁の開閉を制御するため、不純物ガスの濃度上昇時に弁を介して不純物ガスを自動的に排出することが可能となり、検出用燃料電池の流路空間に存在する不純物ガスの濃度を一定以下に維持することができる。更に、検出用燃料電池の流路空間に存在する不純物ガスの濃度がある程度上昇しても、その上流側に設けられている出力用燃料電池の流路空間からは、不純物ガスが排出されているため、出力用燃料電池の出力の低下はほとんど生じない。更に、検出用燃料電池の出力部に負荷手段を接続しており、検出用燃料電池が水素を消費することでガスを吸引する機能を有するため、上流側の出力用燃料電池からガスを効率良く排出させることができる。その結果、簡易な装置構成により、不純物ガスを自動的に排出することができ、しかもその際に燃料電池の出力の低下を抑制することができる発電装置を提供することができた。

上記において、前記制御手段は、前記検出用燃料電池の出力が第１閾値以下になると開動作の操作信号を送り、前記検出用燃料電池の出力が第２閾値以上になると閉動作の操作信号を送る制御を行い、前記第１閾値は前記第２閾値の９５％以下の値であることが好ましい。このように、第１閾値と第２閾値とに５％以上の差を設けることで、過度に頻繁に弁が開閉するのを防ぎながら、不純物ガスの濃度を一定以下に維持することができる。

本発明の発電装置は、水素発生剤と反応液との反応で水素を発生させる水素発生手段を更に備え、発生した水素を前記出力用燃料電池の流路空間に供給する場合に、特に有効である。つまり、このような水素発生手段を備える場合、これに存在する窒素等の不純物ガスの量がより多くなるため、不純物ガスを自動的に排出することができ、しかもその際に燃料電池の出力の低下を抑制することができる本発明の発電装置がより有効となる。

また、前記出力用燃料電池が複数並列に電気的に接続されており、各々の前記出力用燃料電池に対して前記検出用燃料電池、前記弁、及び前記負荷手段が各々設けられ、前記制御手段により前記弁が各々制御されることが好ましい。このように、出力用燃料電池が複数並列に接続することで、出力用燃料電池の発電効率の低下を防止しつつ、より大きな電力を出力することが可能となる。

本発明の発電装置の一例を示す図であり、（ａ）はブロック図、（ｂ）は要部の断面図 本発明の発電装置における制御の一例を示すフローチャート 本発明の発電装置の他の例を示すブロック図 本発明の発電装置における制御の一例を示すフローチャート 実験例１における結果を示すグラフ 実験例２における結果を示すグラフ

本発明の発電装置は、図１（ａ）〜（ｂ）に示すように、アノード側に設けた流路空間１１に供給された水素で発電を行う出力用燃料電池１０と、アノード側に設けた流路空間２０ａに前記流路空間１１から排出されるガスを導いて、そのガスに含まれる水素で発電を行う検出用燃料電池２０とを備えている。検出用燃料電池２０の流路空間２０ａには、電気信号により開閉動作が可能な弁２１が接続され、検出用燃料電池２０の出力部には、負荷手段２２が電気的に接続され、更に、検出用燃料電池２０の出力に基づいて、出力低下時に開動作させる操作信号を弁２１に送る制御手段２３を備えている。本実施形態では、水素発生装置３０で発生した水素を１系列の出力用燃料電池１０に供給して発電を行う装置の例を示す。

水素発生装置３０は、水等の反応液と反応して水素ガスを発生させる水素発生剤を収容する燃料発生部を備えている。燃料発生部には、反応液が供給され、発生した水素ガスは出力用燃料電池１０の流路空間１１に供給される。反応液としては水素発生剤と反応して水素ガスを発生させる液体が使用される。具体的には、水素発生剤の種類に応じて、水、または酸水溶液、アルカリ水溶液などが使用される。

水素発生剤としては、反応液と反応して、水素ガスを発生させるものが使用される。例えば、水等の反応液と反応して水素ガスを発生する水素発生剤または高反応性の水素発生剤を樹脂に包埋したものが使用できる。なかでも、反応性を制御できる観点から、高反応性の水素発生剤を樹脂に包埋したものが好ましい。

このような高反応性の水素発生剤としては、水素化カルシウム、水素化リチウム、水素化カリウム、水素化ホウ素ナトリウム、水素化ホウ素カリウム、水素化リチウムアルミニウム、水素化アルミニウムナトリウム、又は水素化マグネシウムなどの水素化金属化合物を含有するものが挙げられる。

また、上記化合物以外の水素発生剤として、アルミニウム、鉄、マグネシウム、カルシウム等の金属、上記以外の金属水素錯化合物などを含有してもよい。水素化金属化合物、金属、金属水素錯化合物は、何れかを複数組み合わせて使用することもでき、また、それぞれを組み合わせて使用することも可能である。

水素発生剤を樹脂に包埋する場合、粒状の水素発生剤の平均粒径は、樹脂中への分散性や反応性を制御する観点から、１〜１００μｍが好ましく、６〜３０μｍがより好ましく、８〜１０μｍが更に好ましい。

水素発生剤の含有量は、適度な反応性とある程度の水素発生量を確保する観点から、樹脂中、１０〜８０重量％が好ましく、６０〜８０重量％が好ましい。

用いられる樹脂としては、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂、耐熱性樹脂などが挙げられるが、熱硬化性樹脂が好ましい。なお、熱可塑性樹脂としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、アクリル樹脂、フッ素樹脂、ポリエステル、ポリアミドなどが挙げられる。また、耐熱性樹脂としては、芳香族系のポリイミド、ポリアミド、ポリエステルなどが挙げられる。

熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、アミノ樹脂、ポリウレタン樹脂、シリコーン樹脂、または熱硬化性ポリイミド樹脂等が挙げられる。なかでも、水素発生反応中に多孔質構造を適度に維持できる観点から、エポキシ樹脂が好ましい。

水素発生剤には、上記の成分以外の任意成分として、触媒、充填材、発泡剤などのその他の成分を含有してもよい。触媒としては、水素発生剤用の金属触媒の他、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化カルシウムなどのアルカリ化合物も有効である。

水素発生装置３０で発生した水素ガスは、出力用燃料電池１０の流路空間１１に供給口１３を経て供給される。水素発生装置３０の内部、又は水素発生装置３０からの水素の供給経路には、発生した水素ガスから、不純物であるアンモニアを除去するために、アンモニア除去剤を設けてもよい。このようなアンモニア除去剤は、シート状に形成されたものが市販されているが、粒状の吸着剤等を通気性の袋に収容したものを使用することも可能である。

アンモニア除去剤としては、例えば、水素中のアンモニアを吸着除去する吸着剤（吸着・分解や反応吸着などの化学吸着を含む）、アンモニアを溶解除去する吸収剤、アンモニアを反応により除去する反応剤、アンモニアを分解（加熱分解・触媒反応分解等）により除去する分解手段、などが挙げられるが、アンモニアを物理吸着又は化学吸着により除去する吸着剤を備えることが好ましい。

中でも吸着剤が、物理吸着又は化学吸着によりアンモニアを除去するものであることがより好ましく、固体酸、活性炭（固体酸に相当するものを除く）、ゼオライト（固体酸に相当するものを除く）、及びモレキュラーシーブからなる群から選ばれる１種以上であることが更に好ましい。中でも、アンモニアの吸着除去能力やより高温で吸着可能な観点から、固体酸を用いることが好ましい。

出力用燃料電池１０は、図１（ｂ）に示すように、アノード側に流路空間１１が設けられ、これに供給された水素で発電をすることができる。本実施形態では、複数の単位セルがアノード側を内側にしてセル保持体１２に保持され、直列に接続されている例を示す。

本発明において、出力用燃料電池１０の流路空間１１に供給される水素ガスの圧力としては、内部の不純物ガスを効率よく排出する観点から、５〜１００ｋＰａが好ましく、発電セルの耐圧の観点から５〜６０ｋＰａがより好ましい。

本発明において、出力用燃料電池１０は、単数又は複数の単位セルを備え、複数の単位セルを備える場合、いずれかの単位セルと他の単位セルの導電層同士を、接続部により電気的に接続している。電気的な接続は、直列接続、並列接続、又はその組み合わせが可能である。なお、接続する単位セルの数としては、要求される電圧又は電流に応じて、設定することが可能である。

本発明における各々の単位セルは、図１（ｂ）の部分拡大図に示すように、固体高分子電解質層１と、この固体高分子電解質層１の両側に設けられた第１電極層２及び第２電極層３と、これら電極層２，３の更に外側に各々配置された第１導電層及び第２導電層とを有する。本実施形態では、第１導電層及び第２導電層が、第１電極層２及び第２電極層３を部分的に露出させる露出部を有する第１金属層４及び第２金属層５とからなる例を示す。

なお、導電層の材質としては、金属、導電性高分子、導電性ゴム、導電性繊維、導電性ペースト、導電性塗料などが挙げられる。

固体高分子電解質層１としては、従来の固体高分子膜型の燃料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。

固体高分子電解質層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、１５〜５０μｍが好ましい。

電極層２，３は、固体高分子電解質層１の表面付近でアノード側およびカソード側の電極反応を生じさせるものであれば何れでもよい。なかでも、ガス拡散層としての機能を発揮して、燃料ガス、燃料液、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好適に使用できる。電極層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、固体高分子電解質層１と接する内面側に少なくとも担持させるのが好ましい。

電極層２，３の電極基材としては、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。また、固体高分子電解質層１に触媒を直接付着させたり、カーボンブラックなどの導電性粒子に担持させて固体高分子電解質層１に付着させた電極層２，３を用いることも可能である。

一般に、電極層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、電極層２，３や固体高分子電解質層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。なお、還元ガスの代わりにメタノール等の燃料液を使用することも可能である。

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の第２電極層３（本明細書では、アノード側を第１電極層、カソード側を第２電極層と仮定する）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。

電極層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、１〜５００μｍが好ましく、１００〜３００μｍがより好ましい。電極層２，３と固体高分子電解質層１とは、予め接着、融着、又は塗布形成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、膜／電極接合体（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。

アノード側電極層２の表面にはアノード側の第１金属層４が配置され、カソード側電極層３の表面にはカソード側の第２金属層５が配置される（本明細書では、アノード側を第１金属層、カソード側を第２金属層と仮定する）。第１金属層４は、第１電極層２を部分的に露出させる露出部を有する。

第１金属層４の露出部は、アノード側電極層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。アノード側金属層４の開孔は、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孔を設けたり、第１金属層４を櫛形電極のような形状にしてアノード側電極層２を露出させてもよい。開孔部分の面積が締める割合（開孔率）は、電極との接触面積とガスの供給面積のバランスなどの観点から、１０〜５０％が好ましく、１５〜３０％がより好ましい。

また、カソード側の第２金属層５は、第２電極層３を部分的に露出させる露出部を有するが、本実施形態では、カソード側金属層５には、空気中の酸素を供給（自然吸気）するための多数の開孔が設けられている例を示す。開孔は、カソード側電極層３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。カソード側金属層５の開孔は、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孔を設けたり、第２金属層５を櫛形電極のような形状にしてカソード側電極層３を露出させてもよい。開孔部分の面積が締める割合（開孔率）は、電極との接触面積とガスの供給面積のバランスなどの観点から、１０〜５０％が好ましく、１５〜３０％がより好ましい。

金属層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、導電性、コスト、形状付与性、加圧のための強度などの観点から、銅、銅合金、ステンレス板などが好ましい。また、上記の金属に金メッキなどの金属メッキを施したものでもよい。

なお、金属層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、導電性、コスト、重量、形状付与性、加圧のための強度などを考慮すると、１０〜１０００μｍが好ましく、５０〜２００μｍがより好ましい。

金属層４及び金属層５は、少なくとも一部が樹脂から露出することにより、その部分を電極として電気を外部に取り出すことができる。このため、樹脂成形体６に対して、金属層４及び金属層５を一部露出させた端子部を設けてもよいが、本発明では、直列接続の場合には、その両端の単位セルの金属層４又は金属層５が、単位セルの電極となる突出部を備え、これが樹脂成形体６から外部に出ていることが好ましい。この突出部は、インサート成形を行う際に、金属層４，５等を成形型内に保持するためにも利用できる。

金属層４及び金属層５の形成や開孔の形成は、プレス加工（プレス打ち抜き加工）を利用して行うことができる。また、金属層４及び金属層５の突出部には、樹脂の流動や密着性を良好にする目的で、インサート成形される部分に貫通孔を設けてもよい。

以上のような単位セル及び接続部をインサート成形により一体化した樹脂成形体６を備えている。樹脂成形体６は、第１電極層２及び第２電極層３に気体又は液体を供給するための供給部を有することが好ましく、この供給部は、第１金属層４又は第２金属層５の露出部に対応する位置に設けられた開孔６ａであることが好ましい。

本実施形態では、第１電極層２及び第２電極層３が開孔６ａから露出するように、第１金属層４及び第２金属層５を両側から加圧した状態で、樹脂成形体６によりインサート成形して一体化してある例を示す。

本発明では、金属層４，５の露出部に相当する開孔の大きさが、樹脂成形体６の開孔６ａの大きさより、大きくてもよく、同じ大きさでもよく、小さくてもよい。

樹脂成形体６の材質としては、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂、耐熱性樹脂などが挙げられるが、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂が好ましい。なお、熱可塑性樹脂としては、ポリカーボネート樹脂、ＡＢＳ樹脂、液晶ポリマー、ポリプロピレン、ポリスチレン、アクリル樹脂、フッ素樹脂、ポリエステル、ポリアミドなどが挙げられる。熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、アミノ樹脂、ポリウレタン樹脂、シリコーン樹脂、または熱硬化性ポリイミド樹脂等が挙げられる。なかでも、成形型内での樹脂の流動性、強度、溶融温度などの観点から、ポリエステル、ポリプロピレン、アクリル樹脂が好ましく、これらはアプリケーションによって選択することが可能である。

樹脂成形体６の全体の厚みとしては、樹脂による一体化の強度や、金属層を加圧する圧力、薄型化などの観点から、０．３〜４ｍｍが好ましく０．５〜２ｍｍがより好ましい。特に、金属層を覆う部分の樹脂成形体６の厚みとしては、金属層を加圧する圧力の観点から、０．２〜１．５ｍｍが好ましく、０．３〜１．０ｍｍがより好ましい。

樹脂成形体６は、平板形状のものを予めインサート成形しておきセル保持体１２を構成する他の壁面と接合すること、または、セル保持体１２を構成する他の壁面と共にインサート成形することで、セル保持体１２と一体化することができる。

図示した例では、出力用燃料電池１０からの出力がそのまま外部に出力されているが、出力回路を経て外部に出力することも可能である。出力回路は、発電セルの出力端子に電気的に接続される。出力電圧は、ＤＣ−ＤＣコンバータ（昇圧回路に相当）により所定の電圧にまで昇圧するのが好ましい。更に、コンバータの下流側に付加される回路部を介して、コネクターから外部機器、携帯電話などに電源供給がされる。回路部には、安定化回路などが備えられており、適切な出力電圧や出力電流を供給できるように制御がなされる。コンバータ、回路部などは、回路ユニットとして構成することが好ましい。

セル保持体１２は、水素ガスの供給口１３と排出口１４とを有している。水素ガスの供給口１３から、水素発生装置３０で発生した水素ガスが供給される。水素ガスの排出口１４は、検出用燃料電池２０の流路空間２０ａに接続されている。

検出用燃料電池２０は、アノード側に流路空間２０ａが設けられ、出力用燃料電池１０から排出されるガスを導いて、そのガスに含まれる水素で発電を行うものである。検出用燃料電池２０における単位セルの構造は、出力用燃料電池１０と同じものが使用できる。但し、図１（ｂ）に示すように、より少ない（例えば１つまた２つ）単位セルによって、検出用燃料電池２０は構成される。図示した例では、セル保持体の一方側にのみ、１つの単位セルがアノード側を内側にして保持されている。

検出用燃料電池２０の流路空間２０ａのガスの排出口２０ｂには、電気信号により開閉動作が可能な弁２１が接続されている。弁２１としては、電気信号により開閉可能な電磁弁、モータ駆動弁、圧電素子駆動弁（ダイヤフラム）、などの電動弁等が使用できる。弁２１は、制御手段から電気信号のみを受信するようにしてもよく、弁動作のための電力供給を受けてもよい。弁２１を介して排出されるガスは、水素濃度が低いため、そのまま外気放出することが可能である。

検出用燃料電池２０の出力部には、負荷手段２２が電気的に接続される。負荷手段２２としては、抵抗器が好ましいが、電池、キャパシタなどの蓄電手段、電子回路による負荷手段、ランプなどのエネルギー消費手段を使用することも可能である。

制御手段２３は、検出用燃料電池２０の出力に基づいて、出力低下時に開動作させる操作信号を弁２１に送るものであり、マイコンユニット、パソコンなどで構成することができる。制御手段２３による制御としては、検出された出力値と閾値との偏差に応じて、弁２１の開度を調整するといった複雑な制御（比例制御、ＰＩＤ制御等）を行うことも可能であるが、閾値を基準としてオンオフ制御する方法でもよい。

本発明では、図２に示すように、制御手段２３が、検出用燃料電池２０の出力が第１閾値（例えば０．２０Ｖ）以下になると開動作の操作信号を弁２１に送り、検出用燃料電池２０の出力が第２閾値（例えば０．２４Ｖ）以上になると閉動作の操作信号を弁２１に送る制御を行うことが好ましい。その際、第１閾値は第２閾値の９５％以下の値であることが好ましく、９０％以下の値であることがより好ましい。

また、設定する第２閾値は、弁２１を経て排出されるガスの不純物濃度を適切に維持する観点から、検出用燃料電池２０の最大出力の４０〜９９％であることが好ましい。５０〜９８％であることが好ましい。５０〜９５％であることが好ましい。

このような処理は、ループ処理として所定時間ごとに行われ、検出した出力値が第１閾値と第２閾値との間にあるときは、操作信号を送らない処理となる。処理の間隔としては、セル電圧の計測数を確保の観点から、０．０１〜０．５秒が好ましく、０．０２〜０．２秒がより好ましい。

このような制御は、例えばマイコンユニット内に記憶したプログラムにより実行することができ、外部からの入力により、設定値を変更すること等も可能となる。

図１に示す例では、制御手段２３であるマイコンユニットが、出力用燃料電池１０から電力供給を受ける場合が示されており、その場合、ＤＣ−ＤＣコンバータ３１により、降圧又は昇圧した電力が、制御手段２３に供給される。制御手段２３は、別の電源（例えば蓄電池）のみから電力供給を受けてもよく、また、別の電源と出力用燃料電池１０との両者から、電力供給を受けるようにしてもよい。

別の電源から電力供給を受けない場合、初期状態において、弁２１が開状態になっていることが好ましい。その場合、初期には、十分な水素が供給されて系内の不純物ガスが弁２１から排出される。その結果、出力用燃料電池１０からの出力が上昇して、制御手段２３が動作可能なまで電力が供給されることで、正常な制御が行えるようになる。

（他の実施形態）
（１）前述の実施形態では、水素発生装置３０で発生した水素を１系列の出力用燃料電池１０に供給して発電を行う装置の例を示したが、本発明では更に複数の系列の出力用燃料電池１０を用いて発電を行ってもよい。その場合、出力用燃料電池１０が複数並列に電気的に接続されており、各々の出力用燃料電池１０に対して検出用燃料電池２０、弁２１、及び負荷手段２２が各々設けられ、制御手段２３により弁２１が各々制御されることが好ましい。

図３に示す例は、４系列の出力用燃料電池１０が並列に電気的に接続されている発電装置である。４系列の出力用燃料電池１０により４倍の水素が消費され、４倍の電力を出力することができる。

制御手段２３は、１つのプログラムにより、全ての系統の弁２１を制御しており、各系統の弁２１の制御は、図４（ｂ）に示すように、前述の実施形態と同じである。この実施形態では、図４（ａ）に示すように、各系統の弁２１の制御をループ処理として行う際に、各系統の検出用燃料電池２０からの出力値に基づく処理を順番に行うようにプログラムされている。なお、各系統の弁２１の制御を独立して並列に行うことも可能である。

（２）前述の実施形態では、水素発生装置３０で発生した水素を出力用燃料電池１０に供給して発電を行う装置の例を示したが、水素発生装置３０の代わりに、水素ボンベ、水素吸蔵合金などの水素貯蔵手段を用いることも可能である。その場合でも、出力用燃料電池１０の流路空間内に最初に存在する窒素等の不純物ガスによる出力の低下を効果的に防止することができる。また、本発明のような発電装置では、消費電力に応じて出力用燃料電池１０での水素消費量が変化するため、この性質を利用して、アノード側の流路空間１１が負圧になったときに、水素発生剤を収容する燃料発生部が反応液を吸引できるように、水素発生装置３０を構成してもよい。

（３）前述の実施形態では、複数の単位セルがアノード側を内側にしてセル保持体１２に保持されて、アノード側に流路空間１１が設けられている例を示したが、水素を供給するためのガス流路が、単位セル又は複数の単位セルに対して、予め形成されたものを用いてもよい。

また、このような燃料電池としては、少なくとも一方の側に、燃料等を供給するための流路を設けた単位セルが独立して構成された燃料電池、又はセパレータを介在させたスタックタイプの燃料電池などを使用することが可能である。

（４）前述の実施形態では、供給した水素ガスが弁２１のみから排出される発電装置の例を示したが、本発明では、何れかのガスの経路に、一定以上の圧力でガスを開放する安全弁を設けることも可能である。また、このような安全弁の代わりに、圧力を検出する手段を何れかのガスの経路に設けて、制御手段２３の操作信号により、弁２１の開閉によって経路内の圧力一定以下に制御することも可能である。

（５）前述の実施形態では、検出用燃料電池２０からの出力を負荷手段２２の両側の出力電圧により検出する例を示したが、本発明では、負荷手段２２に流れる電流を直接測定する方法など、電流を検出することも可能である。

実験例

以下、本発明の効果を確認するための実験例等について説明する。

実験例１（不純物ガスによる出力低下）
出力用燃料電池として、図１（ｂ）に示す構造を有し、インサート成形した平面型セル（単位セル４枚分を直列接続したもの、単位セルの有効面積は４ｃｍ^２）を両側に２枚保持して、内部に流路空間（２６ｍＬ）を形成したユニットを８つ用いた。その際、８つのユニットに対して、水素ガスの経路は直列に接続し、各ユニットの両側の発電セルが並列接続になるように、８つのユニットを直列接続した（４×８直列の２並列接続）。

インサート成形には次の材料を使用した。即ち、金属板として金メッキした複数の開口を有するニッケル板、固体高分子電解質層としてのナフィオンフィルム（デュポン社製ナフィオン１１２、３３ｍｍ×１２ｍｍ、厚み１５μｍ）、触媒層としての白金担持カーボン触媒、電極層としてのカーボンペーパー（厚み３７０μｍ、３３ｍｍ×１２ｍｍ）、成形用樹脂として樹脂（（株）プライムポリマー製、ポリプロピレン樹脂、Ｊ−７００ＧＰ）を用いた。

この出力用燃料電池のガスの排出口に、上記と同じ単位セル（有効面積は４ｃｍ^２）を片側に１つだけ保持して、内部に流路空間（０．８ｍＬ）を形成した検出用燃料電池の流路空間を接続した。この検出用燃料電池の出力には抵抗（０．４Ω）を電気的に接続した。検出用燃料電池のガスの排出口に電磁弁を設けて、手動で開閉を行った。この出力用燃料電池の出力を電子負荷機に接続し、出力電圧が２２．４Ｖの一定になるように負荷を設定した（設定電圧に達するまでは、出力電流は最小となる）。電磁弁を開状態にし、水素ボンベから水素ガスを圧力２０ｋＰａで、出力用燃料電池のガスの供給口に供給した。出力用燃料電池の各々の単位セルの電圧がほぼ等しくなった後（約４０秒後）、電磁弁を閉状態にした。

このときの１０番目、１２番目、１４番目、１６番目の単位セルの電圧を図５に示す。この図が示すように、水素ガスの供給により、各単位セルの電圧が徐々に上昇し、設定された電圧まで上昇する。設定された電圧に達すると電子負荷機による負荷により、圧力差が生じて水素供給量がアンバランスとなり、最終段に近い単位セルの電圧が降下するが、やがて水素供給量がバランスされて、各単位セルの電圧がほぼ等しくなる。電磁弁が閉じられると、不純物ガスが最終段に近い単位セルに濃縮されていき、最終段に近い単位セルの電圧が降下する。このような部分的な単位セルの電圧降下により、出力電流が低下して、出力（電力）が低下する。

実験例２（弁を制御する場合）
次ぎに、検出用燃料電池の出力に応じて、弁の開閉を制御する場合の実験を行った。マイコンユニットのプログラムを行って、検出用燃料電池の出力が第１閾値（０．５Ａ）以下になると開動作の操作信号を電磁弁に送り、出力が第２閾値（０．６Ａ）以上になると閉動作の操作信号を電磁弁に送る制御を行うようにした。この制御におけるループ処理の間隔は、０．０５秒とした。このような制御を行うこと以外は、実験例１と同様の条件で、水素供給による発電を行った。

このときの１０番目、１２番目、１４番目、１６番目の単位セルの電圧を図６に示す。この図が示すように、水素ガスの供給により、各単位セルの電圧が徐々に上昇し、設定された電圧まで上昇する。設定された電圧に達すると電子負荷機による負荷により、圧力差が生じて水素供給量がアンバランスとなり、最終段に近い単位セルの電圧が降下するが、やがて水素供給量がバランスされて、各単位セルの電圧がほぼ等しくなる。その状態の近づくと、出力用燃料電池の電流が第２閾値（０．６Ａ）以上となり、制御手段による電磁弁の開閉が行われる。その結果、電磁弁から不純物ガスが効率良く排出され、最終段に近い単位セルの出力（電圧）の降下を防止することができた。

１０ 出力用燃料電池
１１ 流路空間
１２ セル保持体
１３ 供給口
１４ 排出口
２０ 検出用燃料電池
２０ａ 流路空間
２０ｂ 排出口
２１ 弁
２２ 負荷手段
２３ 制御手段
３０ 水素発生装置
３１ ＤＣ−ＤＣコンバータ

Claims (4)

1. アノード側に設けた流路空間に供給された水素で発電を行い、外部に出力を行なう出力用燃料電池と、
   アノード側に設けた流路空間に前記流路空間から排出されるガスを導いて、そのガスに含まれる水素で発電を行う検出用燃料電池と、
   前記検出用燃料電池の流路空間に接続され、電気信号により開閉動作が可能な弁と、
   前記検出用燃料電池の出力部に電気的に接続された抵抗器と、
   前記検出用燃料電池の出力に基づいて、出力が第１閾値以下になると開動作の操作信号を送り、前記検出用燃料電池の出力が第２閾値以上になると閉動作の操作信号を送る制御手段と、を備える発電装置。
2. 前記制御手段は、前記検出用燃料電池の出力が第１閾値以下になると開動作の操作信号を送り、前記検出用燃料電池の出力が第２閾値以上になると閉動作の操作信号を送る制御を行い、前記第１閾値は前記第２閾値の９５％以下の値である請求項１に記載の発電装置。
3. 水素発生剤と反応液との反応で水素を発生させる水素発生手段を更に備え、発生した水素を前記出力用燃料電池の流路空間に供給する請求項１又は２に記載の発電装置。
4. 前記出力用燃料電池が複数並列に電気的に接続されており、各々の前記出力用燃料電池に対して前記検出用燃料電池、前記弁、及び前記抵抗器が各々設けられ、前記制御手段により前記弁が各々制御される請求項１〜３いずれかに記載の発電装置。
   

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