JPWO2004027913A1 - Fuel cell system and method of using the same - Google Patents

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隆志 眞子
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Abstract

燃料電池の起動性を向上する。燃料電池５３２は、燃料電池スタック５３４を有し、燃料電池スタック５３４に接続されたシステム負荷５３８に電力を供給する。燃料電池５３２は、温度スイッチ５３６を有し、温度スイッチ５３６を切り替えることにより、燃料電池スタック５３４の温度が基準温度より低いときに、システム負荷５３８への出入力端子間を短絡し、燃料電池スタック５３４の温度が基準温度以上となったときに出入力端子間を開放してシステム負荷５３８に電流を流すようにする。Improve the startability of the fuel cell. The fuel cell 532 has a fuel cell stack 534 and supplies power to a system load 538 connected to the fuel cell stack 534. The fuel cell 532 includes a temperature switch 536. By switching the temperature switch 536, when the temperature of the fuel cell stack 534 is lower than the reference temperature, the input / output terminals to the system load 538 are short-circuited, and the fuel cell stack When the temperature of 534 becomes equal to or higher than the reference temperature, the input / output terminals are opened so that a current flows through the system load 538.

Description

本発明は、燃料電池システムおよびその使用方法に関する。
従来技術
燃料電池は、燃料極および酸化剤極と、これらの間に設けられた電解質から構成され、燃料極には燃料が、酸化剤極には酸化剤が供給されて電気化学反応により発電する。燃料としては、一般的には水素が用いられていたが、近年、安価で取り扱いの容易なメタノールを燃料として直接利用する直接型の燃料電池の開発も盛んに行われている。
燃料としてメタノールを用いた場合、燃料極での反応は以下の式（１）のようになる。
ＣＨ３ＯＨ ＋ Ｈ２Ｏ → ６Ｈ＋ ＋ ＣＯ２ ＋ ６ｅ− （１）
また、酸化剤極での反応は以下の式（２）のようになる。
３／２Ｏ２ ＋ ６Ｈ＋ ＋ ６ｅ− → ３Ｈ２Ｏ （２）
このように、直接型の燃料電池では、メタノール水溶液から水素イオンを得ることができるので、改質器等が不要になり、小型化および軽量化を図ることができる。また、液体のメタノール水溶液を燃料とするため、エネルギー密度が非常に高いという特徴がある。
しかし、一般に、燃料電池は他の電源に比べて起動性が悪いという問題がある。特に、直接型の燃料電池の発電効率は、温度の低下とともに減少し、温度が低いと、所望の電圧／電流を供給することができずに機器を起動できない可能性もある。
このような燃料電池の起動性の悪さを改善するために、たとえば、燃料電池に電熱ヒータを付加して強制的に所定の温度まで高温させる方式が提案されている（特許文献１）。また、たとえば、燃料電池起動時に、空気室に燃料のメタノールを直接供給し、空気極でメタノールを直接燃焼することにより、燃料電池を急速に温度上昇させることができ、短時間で最適運転温度とする方式が提案されている（特許文献２）。
特開平１−１８７７７６号公報 特開平５−３０７９７０号公報 The present invention relates to a fuel cell system and a method for using the same.
A prior art fuel cell is composed of a fuel electrode, an oxidant electrode, and an electrolyte provided therebetween. The fuel is supplied to the fuel electrode and the oxidant electrode is supplied with an oxidant to generate electric power through an electrochemical reaction. . In general, hydrogen has been used as a fuel. However, in recent years, development of a direct type fuel cell using methanol which is inexpensive and easy to handle as a fuel has been actively performed.
When methanol is used as the fuel, the reaction at the fuel electrode is represented by the following formula (1).
CH 3 OH + H 2 O → 6H + + CO 2 + 6e − (1)
Further, the reaction at the oxidant electrode is represented by the following formula (2).
3 / 2O 2 + 6H + + 6e − → 3H 2 O (2)
As described above, in the direct fuel cell, hydrogen ions can be obtained from the aqueous methanol solution, so that a reformer or the like is not required, and the size and weight can be reduced. Further, since a liquid methanol aqueous solution is used as a fuel, the energy density is very high.
However, in general, a fuel cell has a problem of poor startability compared to other power sources. In particular, the power generation efficiency of the direct fuel cell decreases with a decrease in temperature, and if the temperature is low, there is a possibility that a desired voltage / current cannot be supplied and the device cannot be started.
In order to improve such poor startability of the fuel cell, for example, a method for forcibly increasing the temperature to a predetermined temperature by adding an electric heater to the fuel cell has been proposed (Patent Document 1). Also, for example, when the fuel cell is started, the fuel cell is supplied directly to the air chamber and the methanol is directly combusted at the air electrode, so that the temperature of the fuel cell can be rapidly increased, and the optimum operating temperature can be achieved in a short time. A method to do this has been proposed (Patent Document 2).
Japanese Patent Laid-Open No. 1-187776 JP-A-5-307970

発明が解決しようとする課題Problems to be solved by the invention

しかし、従来の電熱ヒータを付加する方式では、電熱ヒータを付加するため装置が大型化するという問題や、電熱ヒータを加熱するための電源を別途準備しなければならないという問題がある。また、空気極でメタノールを直接燃焼する方式においても、空気極にメタノールを供給するための配管を設ける必要があり、複数の燃料電池単セルを含むセルスタックに適用する場合、構造が複雑となり装置が大型化してしまうという問題がある。一方、燃料電池を携帯電話等の携帯型の機器に利用する場合は、外部で利用することも多く、０℃前後の低温雰囲気下でも使用可能であることが要求される。そのため、燃料電池を携帯型の機器に用いる場合、周囲温度が低くても短時間で燃料電池の温度を上昇させて出力を通常のレベルに到達させるための簡便な機構を有する携帯型燃料電池の提供がますます望まれる。
本発明は上記事情を踏まえてなされたものであり、本発明の目的は、温度が低い場合でも、燃料電池の温度を上昇させて起動性を高めることのできる技術を提供することにある。However, the conventional method of adding an electric heater has a problem that the apparatus is increased in size because of the addition of the electric heater, and a power source for heating the electric heater must be separately prepared. Also, in the method of directly burning methanol at the air electrode, it is necessary to provide piping for supplying methanol to the air electrode, and the structure becomes complicated when applied to a cell stack including a plurality of fuel cell single cells. There is a problem that becomes larger. On the other hand, when a fuel cell is used for a portable device such as a mobile phone, it is often used outside and is required to be usable even in a low temperature atmosphere of about 0 ° C. Therefore, when a fuel cell is used in a portable device, even if the ambient temperature is low, a portable fuel cell having a simple mechanism for raising the temperature of the fuel cell in a short time to reach the normal output level. Offering is increasingly desired.
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a technique capable of increasing the temperature of a fuel cell and enhancing the startability even when the temperature is low.

本発明によれば、燃料電池を有し、燃料電池に接続された負荷に電力を供給する燃料電池であって、燃料電池の温度に応じて、負荷への出入力端子間を短絡または開放する温度スイッチを備えたことを特徴とする燃料電池システムが提供される。
燃料電池に接続された負荷への出入力端子間を短絡させた場合、負荷には電流が流れない。そのため、本発明によれば、燃料電池の温度に応じて負荷への電力の供給または遮断を切り替えることができる。出入力端子間を短絡すると、燃料電池には短絡電流が流れ、燃料電池で自己発熱がおこり、燃料電池が過熱されて燃料電池の温度が上昇する。したがって、たとえば燃料電池の温度が低い場合に出入力端子間を短絡すると、燃料電池の温度が上昇するので、燃料電池の発電効率を高めることができる。その時点で出入力端子間を開放すると、負荷に電流が流れるようになり、負荷に充分な電力を供給することができる。
ここで、燃料電池は、固体電解質膜と、前記固体電解質膜を挟んで設けられた燃料極および酸化剤極とを含むことができる。また、固体電解質膜は、燃料極と酸化剤極とで挟持された構成とすることができる。固体電解質膜として、高分子固体電解質膜を用いることができる。燃料電池の燃料として、液体燃料を用いることができる。ここで、液体燃料は、メタノール、エタノール、ジメチルエーテル、または他のアルコール類等を用いることができる。液体燃料は、水溶液とすることができる。
本発明の燃料電池システムにおいて、負荷と並列に燃料電池に接続して形成された短絡経路をさらに備えることができ、温度スイッチは、短絡経路と燃料電池との間を接続または切断することができる。また、本発明の燃料電池システムにおいて、燃料電池を起動させるシステムパワースイッチを含むことができる。
本発明の燃料電池システムにおいて、温度スイッチは、温度により形状が変化する材料により構成することができ、温度に応じて、出入力端子間を接続または切断することができる。温度スイッチは、バイメタル、形状記憶合金、熱膨張剤、バネ、または感温フェライトにより構成することができる。このようにすれば、燃料電池の温度が変化する度に出入力端子間の接続または切断を繰り返し行うことができる。
本発明の燃料電池システムにおいて、温度スイッチは、短絡経路に接続された固定導電体と、温度により形状が変化する材料により構成され、温度に応じて、固定導電体と接触し、または固定導電体から離脱する可動導電体と、により構成することができる。このようにすれば、燃料電池の温度が変化する度に固定導電体と可動導電体との接触および離脱を繰り返し行うことができる。
本発明の燃料電池システムにおいて、可動導電体は、バイメタル、形状記憶合金、熱膨張剤、バネ、または感温フェライトにより構成することができる。
本発明の燃料電池システムにおいて、燃料電池内に設置された温度センサをさらに含むことができ、温度スイッチは、温度センサの出力信号に基づき、出入力端子間を短絡または開放することができる。温度センサは熱電対、金属測温抵抗体、サーミスタ、ＩＣ温度センサ、磁気温度センサ、サーモパイル、焦電型温度センサにより構成することができる。
本発明の燃料電池システムにおいて、燃料電池は、燃料極と酸化剤極とが固体電解質膜を挟んで配置された単セルを複数含む燃料電池スタックとすることができ、温度スイッチは、燃料電池スタックの端部に配置された酸化剤極の温度に応じて出入力端子間を短絡または開放することができる。このようにすれば、外部温度の影響を最も受ける可能性の高い燃料電池スタックの端部の温度を反映することができる。
本発明の燃料電池システムにおいて、温度スイッチは、燃料電池の温度が基準温度より低いときに、負荷への出入力端子間を短絡し、燃料電池の温度が基準温度以上となったときに、出入力端子間を開放することができる。ここで、基準温度は−１０℃以上３５℃以下の範囲内とすることができる。
本発明の燃料電池システムにおいて、燃料電池の温度が、基準温度よりも高温の第二の基準温度以上となったときに、警告信号を発する警告信号発信部をさらに含むことができる。
本発明の燃料電池システムにおいて、燃料電池は、燃料極および酸化剤極を含むことができ、燃料電池システムは、燃料極に燃料を供給する処理を行う燃料供給処理部と、燃料電池の温度に応じて、燃料供給処理部を制御して、燃料極に供給する燃料の濃度を調整する制御部とをさらに備えることができる。ここで、制御部は、燃料電池の温度が低いほど燃料の濃度が高くなるように設定することができる。これによりクロスオーバーを促進させ、燃料電池を加熱することができる。
本発明の燃料電池システムにおいて、制御部は、燃料電池の温度が所定温度以下のときに、燃料電池の温度に応じて燃料極に供給する燃料の濃度を設定し、燃料電池の温度が所定温度を超えたときに、燃料極に供給する燃料を所定濃度に設定することができる。制御部は、燃料電池の温度が所定温度を超えたとき、燃料電池の温度に関わらず、燃料極に供給する燃料を所定濃度に設定することができる。
本発明の燃料電池システムにおいて、制御部は、燃料電池の温度に応じて、燃料供給部を制御して、燃料極に供給する燃料の量をさらに調整することができる。制御部は、燃料電池の温度が低いほど燃料の供給量を低くすることができる。これにより、燃料極が燃料により冷却されるのを防ぐことができる。
本発明の燃料電池システムにおいて、酸化剤極に酸化剤を供給する処理を行う酸化剤供給処理部をさらに備えることができ、制御部は、燃料電池の温度に応じて、酸化剤極を制御して、酸化剤極に供給する酸化剤の量を調整することができる。制御部は、燃料電池の温度が低いほど酸化剤の供給量を低くすることができる。これにより、酸化剤極が酸化剤により冷却されるのを防ぐことができる。
本発明の燃料電池システムにおいて、燃料極に供給する燃料または酸化剤極に供給する酸化剤の少なくとも一方を加熱するヒータをさらに含むことができる。
本発明の燃料電池システムにおいて、燃料電池の燃料極に供給する燃料は液体燃料とすることができる。
本発明によれば、燃料電池を有し、燃料電池に接続された負荷に電力を供給する燃料電池の使用方法であって、燃料電池の温度に応じて、負荷への出入力端子間を短絡または開放することを特徴とする燃料電池システムの使用方法が提供される。
本発明の燃料電池システムの使用方法において、燃料電池の温度が基準温度より低いときに、出入力端子間を短絡し、燃料電池の温度が基準温度以上となったときに、出入力端子間を開放することができる。
本発明の燃料電池システムの使用方法において、燃料電池は、燃料極および酸化剤極を含むことができ、燃料電池の温度に応じて、燃料極に供給する燃料の濃度を設定するステップと、濃度を設定するステップで設定された濃度の燃料を燃料極に供給するステップと、をさらに含むことができる。
本発明の燃料電池システムの使用方法において、燃料を燃料極に供給するステップは、燃料電池の温度が所定温度以下のときに、濃度を設定するステップで設定された濃度の燃料を燃料極に供給するステップと、燃料電池の濃度が所定温度を超えたときに、燃料電池の温度に関わらず、所定濃度の燃料を燃料極に供給するステップと、を含むことができる。
本発明の燃料電池システムの使用方法において、燃料電池の温度に応じて、燃料極に供給する燃料の量を設定するステップをさらに含むことができ、燃料を燃料極に供給するステップにおいて、燃料の量を調整するステップで設定された量の燃料を燃料極に供給することができる。
本発明の燃料電池システムの使用方法において、燃料電池の温度に応じて、酸化剤極に供給する酸化剤の量を設定するステップと、酸化剤の量を設定するステップで設定された量の酸化剤を酸化剤極に供給するステップと、をさらに含むことができる。
本発明の燃料電池システムの使用方法において、燃料極に供給する燃料または酸化剤極に供給する酸化剤の少なくとも一方を加熱するステップをさらに含むことができる。According to the present invention, a fuel cell that has a fuel cell and supplies power to a load connected to the fuel cell, short-circuits or opens between input and output terminals to the load according to the temperature of the fuel cell. A fuel cell system including a temperature switch is provided.
When the input / output terminals to the load connected to the fuel cell are short-circuited, no current flows through the load. Therefore, according to the present invention, it is possible to switch power supply to or interruption from the load according to the temperature of the fuel cell. When the input / output terminals are short-circuited, a short-circuit current flows in the fuel cell, self-heating occurs in the fuel cell, the fuel cell is overheated, and the temperature of the fuel cell rises. Therefore, for example, when the input / output terminals are short-circuited when the temperature of the fuel cell is low, the temperature of the fuel cell rises, so that the power generation efficiency of the fuel cell can be increased. When the input / output terminals are opened at that time, a current flows through the load, and sufficient power can be supplied to the load.
Here, the fuel cell can include a solid electrolyte membrane, and a fuel electrode and an oxidizer electrode provided with the solid electrolyte membrane interposed therebetween. Further, the solid electrolyte membrane can be configured to be sandwiched between the fuel electrode and the oxidant electrode. As the solid electrolyte membrane, a polymer solid electrolyte membrane can be used. Liquid fuel can be used as fuel for the fuel cell. Here, methanol, ethanol, dimethyl ether, or other alcohols can be used as the liquid fuel. The liquid fuel can be an aqueous solution.
The fuel cell system of the present invention may further include a short circuit path formed by connecting to the fuel cell in parallel with the load, and the temperature switch can connect or disconnect between the short circuit path and the fuel cell. . Further, the fuel cell system of the present invention can include a system power switch for starting the fuel cell.
In the fuel cell system of the present invention, the temperature switch can be made of a material whose shape changes depending on the temperature, and the input / output terminals can be connected or disconnected depending on the temperature. The temperature switch can be composed of bimetal, shape memory alloy, thermal expansion agent, spring, or temperature sensitive ferrite. In this way, connection or disconnection between the input / output terminals can be repeated each time the temperature of the fuel cell changes.
In the fuel cell system of the present invention, the temperature switch is composed of a fixed conductor connected to the short-circuit path and a material whose shape changes depending on the temperature, and contacts the fixed conductor or the fixed conductor according to the temperature. And a movable conductor separated from the substrate. In this way, the contact and separation between the fixed conductor and the movable conductor can be repeated each time the temperature of the fuel cell changes.
In the fuel cell system of the present invention, the movable conductor can be composed of a bimetal, a shape memory alloy, a thermal expansion agent, a spring, or a temperature-sensitive ferrite.
The fuel cell system of the present invention can further include a temperature sensor installed in the fuel cell, and the temperature switch can short-circuit or open the input / output terminals based on the output signal of the temperature sensor. The temperature sensor can be composed of a thermocouple, a metal resistance temperature detector, a thermistor, an IC temperature sensor, a magnetic temperature sensor, a thermopile, and a pyroelectric temperature sensor.
In the fuel cell system of the present invention, the fuel cell can be a fuel cell stack including a plurality of single cells in which a fuel electrode and an oxidant electrode are disposed with a solid electrolyte membrane interposed therebetween, and the temperature switch is a fuel cell stack. The input / output terminals can be short-circuited or opened according to the temperature of the oxidant electrode disposed at the end of the first and second electrodes. In this way, the temperature at the end of the fuel cell stack that is most likely to be affected by the external temperature can be reflected.
In the fuel cell system of the present invention, the temperature switch short-circuits between the input and output terminals to the load when the temperature of the fuel cell is lower than the reference temperature, and the output when the temperature of the fuel cell exceeds the reference temperature. The input terminals can be opened. Here, the reference temperature can be in the range of −10 ° C. or more and 35 ° C. or less.
The fuel cell system of the present invention may further include a warning signal transmitter that issues a warning signal when the temperature of the fuel cell becomes equal to or higher than a second reference temperature that is higher than the reference temperature.
In the fuel cell system of the present invention, the fuel cell can include a fuel electrode and an oxidant electrode. The fuel cell system includes a fuel supply processing unit that performs a process of supplying fuel to the fuel electrode, and a temperature of the fuel cell. Accordingly, a control unit that controls the fuel supply processing unit to adjust the concentration of the fuel supplied to the fuel electrode can be further provided. Here, the control unit can set the concentration of the fuel to be higher as the temperature of the fuel cell is lower. Thereby, crossover is promoted and the fuel cell can be heated.
In the fuel cell system of the present invention, the control unit sets the concentration of the fuel supplied to the fuel electrode according to the temperature of the fuel cell when the temperature of the fuel cell is equal to or lower than the predetermined temperature, and the temperature of the fuel cell is the predetermined temperature. When the value exceeds the value, the fuel supplied to the fuel electrode can be set to a predetermined concentration. When the temperature of the fuel cell exceeds a predetermined temperature, the control unit can set the fuel supplied to the fuel electrode to a predetermined concentration regardless of the temperature of the fuel cell.
In the fuel cell system of the present invention, the control unit can further adjust the amount of fuel supplied to the fuel electrode by controlling the fuel supply unit according to the temperature of the fuel cell. The controller can lower the fuel supply amount as the temperature of the fuel cell is lower. As a result, the fuel electrode can be prevented from being cooled by the fuel.
The fuel cell system of the present invention may further include an oxidant supply processing unit that performs a process of supplying an oxidant to the oxidant electrode, and the control unit controls the oxidant electrode according to the temperature of the fuel cell. Thus, the amount of the oxidant supplied to the oxidant electrode can be adjusted. The controller can lower the supply amount of the oxidizer as the temperature of the fuel cell is lower. This can prevent the oxidant electrode from being cooled by the oxidant.
The fuel cell system of the present invention may further include a heater that heats at least one of the fuel supplied to the fuel electrode and the oxidant supplied to the oxidant electrode.
In the fuel cell system of the present invention, the fuel supplied to the fuel electrode of the fuel cell can be a liquid fuel.
According to the present invention, there is provided a method of using a fuel cell that has a fuel cell and supplies electric power to a load connected to the fuel cell, and shorts between input and output terminals to the load according to the temperature of the fuel cell. Alternatively, a method of using the fuel cell system is provided.
In the method of using the fuel cell system according to the present invention, when the temperature of the fuel cell is lower than the reference temperature, the input / output terminals are short-circuited, and when the temperature of the fuel cell is equal to or higher than the reference temperature, the input / output terminals are connected. Can be opened.
In the method of using the fuel cell system of the present invention, the fuel cell can include a fuel electrode and an oxidant electrode, and the step of setting the concentration of fuel supplied to the fuel electrode according to the temperature of the fuel cell; Supplying a fuel having a concentration set in the step of setting to the fuel electrode.
In the method of using the fuel cell system of the present invention, the step of supplying fuel to the fuel electrode supplies the fuel having the concentration set in the step of setting the concentration to the fuel electrode when the temperature of the fuel cell is equal to or lower than a predetermined temperature. And a step of supplying a predetermined concentration of fuel to the fuel electrode regardless of the temperature of the fuel cell when the concentration of the fuel cell exceeds a predetermined temperature.
The method of using the fuel cell system of the present invention may further include the step of setting the amount of fuel to be supplied to the fuel electrode according to the temperature of the fuel cell. In the step of supplying fuel to the fuel electrode, An amount of fuel set in the step of adjusting the amount can be supplied to the fuel electrode.
In the method of using the fuel cell system of the present invention, the amount of oxidation set in the step of setting the amount of oxidant supplied to the oxidant electrode and the step of setting the amount of oxidant according to the temperature of the fuel cell. Supplying an agent to the oxidant electrode.
The method for using the fuel cell system of the present invention may further include heating at least one of a fuel supplied to the fuel electrode or an oxidant supplied to the oxidant electrode.

図１は、本発明の実施の形態における燃料電池の回路構成を示す図である。
図２は、図１に示した燃料電池の燃料電池スタックの単セル構造を模式的に示した断面図である。
図３は、本発明の第一の実施の形態における燃料電池を模式的に示した構成図である。
図４は、本発明の第二の実施の形態における燃料電池を模式的に示した構成図である。
図５は、図１に示した燃料電池の他の例を示す図である。
図６は、図５に示した燃料電池の一例を示す図である。
図７は、本発明の第三の実施の形態における燃料電池システムを示したブロック図である。
なお、符号１０１は、単セル構造である。符号１０２は、燃料極である。符号１０４は、基体である。符号１１０は、基体である。符号１０６は、燃料極側触媒層である。符号１０８は、酸化剤極である。符号１１２は、酸化剤極側触媒層である。符号１１４は、固体電解質膜である。符号１２４は、燃料である。符号１２６は、酸化剤である。符号５３２は、燃料電池である。符号５３４は、燃料電池スタックである。符号５３６は、温度スイッチである。符号５３８は、システム負荷である。符号５４０は、出力端子である。符号５４２は、入力端子である。符号５４４は、システムパワースイッチである。符号５４５は、短絡経路である。符号５４６は、温度センサである。符号５４８は、電源制御部である。符号５５０は、支持体である。符号５５２は、可動導電体である。符号５５３は、接点である。符号５５４は、固定導電体である。符号５５６は、警告信号発信部である。符号５６０は、温度スイッチである。符号６６２は、燃料極タンクである。符号６７４は、燃料供給処理部である。符号６７６ａは、第１の燃料収容部である。符号６７６ｂは、第２の燃料収容部である。符号９００は、燃料電池システムである。符号９０１は、対応値記憶部である。符号９０２は、制御部である。符号９０６は、酸化剤極タンクである。符号９０８は、酸化剤供給処理部である。符号９１０は、燃料供給管である。符号９１２は、酸化剤供給管である。符号９１４、９１６は、ヒータである。FIG. 1 is a diagram showing a circuit configuration of a fuel cell according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing a single cell structure of the fuel cell stack of the fuel cell shown in FIG.
FIG. 3 is a configuration diagram schematically showing the fuel cell according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a configuration diagram schematically showing a fuel cell according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing another example of the fuel cell shown in FIG.
FIG. 6 is a diagram showing an example of the fuel cell shown in FIG.
FIG. 7 is a block diagram showing a fuel cell system according to the third embodiment of the present invention.
Reference numeral 101 denotes a single cell structure. Reference numeral 102 denotes a fuel electrode. Reference numeral 104 denotes a substrate. Reference numeral 110 denotes a substrate. Reference numeral 106 denotes a fuel electrode side catalyst layer. Reference numeral 108 denotes an oxidant electrode. Reference numeral 112 denotes an oxidant electrode side catalyst layer. Reference numeral 114 denotes a solid electrolyte membrane. Reference numeral 124 denotes fuel. Reference numeral 126 denotes an oxidizing agent. Reference numeral 532 denotes a fuel cell. Reference numeral 534 denotes a fuel cell stack. Reference numeral 536 is a temperature switch. Reference numeral 538 represents a system load. Reference numeral 540 is an output terminal. Reference numeral 542 is an input terminal. Reference numeral 544 denotes a system power switch. Reference numeral 545 is a short circuit path. Reference numeral 546 is a temperature sensor. Reference numeral 548 denotes a power supply control unit. Reference numeral 550 is a support. Reference numeral 552 is a movable conductor. Reference numeral 553 is a contact. Reference numeral 554 is a fixed conductor. Reference numeral 556 is a warning signal transmitter. Reference numeral 560 denotes a temperature switch. Reference numeral 662 denotes a fuel electrode tank. Reference numeral 674 denotes a fuel supply processing unit. Reference numeral 676a denotes a first fuel storage unit. Reference numeral 676b denotes a second fuel storage unit. Reference numeral 900 denotes a fuel cell system. Reference numeral 901 denotes a corresponding value storage unit. Reference numeral 902 denotes a control unit. Reference numeral 906 denotes an oxidant electrode tank. Reference numeral 908 denotes an oxidant supply processing unit. Reference numeral 910 denotes a fuel supply pipe. Reference numeral 912 denotes an oxidant supply pipe. Reference numerals 914 and 916 denote heaters.

以下の実施の形態で説明する燃料電池の用途は特に限定されないが、たとえば携帯電話、ノートパソコン、ＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｄｉｇｉｔａｌ Ａｓｓｉｓｔａｎｔ）、各種カメラ、ナビゲーションシステム、ポータブル音楽再生プレーヤー等の小型電気機器に適切に用いられる。
図１は、本発明の実施の形態における燃料電池の回路構成を示す図である。燃料電池５３２は、燃料電池スタック５３４と、システムパワースイッチ５４４と、システム負荷５３８への出力端子５４０と、システム負荷５３８からの入力端子５４２と、温度スイッチ５３６と、短絡経路５４５とを含む。ここで、システム負荷５３８とは、上述した電気機器における抵抗である。
システム負荷５３８への出力端子５４０は、燃料電池スタック５３４の燃料極１０２に接続される。燃料電池スタック５３４の酸化剤極１０８にはシステム負荷５３８からの入力端子５４２が接続される。出力端子５４０と入力端子５４２との間は、システム負荷５３８と並行に設けられた短絡経路５４５、および短絡経路５４５上に設けられた温度スイッチ５３６により接続される。温度スイッチ５３６は、燃料電池スタック５３４の温度が基準温度より低いときに出力端子５４０と入力端子５４２とを接続する。この状態でシステムパワースイッチ５４４がオンとされると、短絡経路５４５には短絡電流が流れる。燃料電池スタック５３４の温度が基準温度以上となると、温度スイッチ５３６は、入力端子５４２と出力端子５４０との間の接続を切る。これにより、システムパワースイッチ５４４がオンとされていても短絡経路５４５には短絡電流が流れない。温度スイッチ５３６は、燃料電池スタック５３４中の酸化剤極１０８の温度に応じてオンオフが切り替わるように設計されるのが好ましい。酸化剤極１０８において、触媒近傍の温度が低いと、充分な発電効率を得ることができないからである。
ここで、基準温度は、システム負荷５３８に電力を供給するのに充分な発電効率が得られる温度とするのが好ましく、たとえば−１０℃以上３５℃以下の範囲内である。これにより、燃料電池スタック５３４の温度が低いときには温度スイッチ５３６が閉じて短絡経路５４５に電流が流れるため、燃料電池スタック５３４に短絡電流が流れる。そのため、燃料電池スタック５３４を急速に暖めることができる。これにより、周囲温度が低い場合でも、燃料電池５３２の起動性を高めることができる。一方、燃料電池スタック５３４の温度が充分高くなると、温度スイッチ５３６が開いて短絡経路５４５には電流が流れなくなり、システム負荷５３８に電力を供給することができる。
図１（ａ）は、周囲温度が低い場合に、システムパワースイッチ５４４がオフのときの燃料電池５３２の初期状態を示す図である。このとき、燃料電池スタック５３４の温度は基準温度より低いものとする。この場合、図示したように、温度スイッチ５３６は閉じた状態となり、出力端子５４０と入力端子５４２との間を接続する。このようにしても、システムパワースイッチ５４４をオフにしているときには燃料電池５３２には電流が流れないため、電池が消耗することはない。
図１（ｂ）は、システムパワースイッチ５４４をオンとした直後の燃料電池５３２の状態を示す図である。システムパワースイッチ５４４がオンとなると、燃料電池５３２に電流が流れる。このとき、温度スイッチ５３６がオンとなっているので、出力端子５４０と入力端子５４２との間には温度スイッチ５３６を介して短絡電流が流れ、短絡電流はそのまま燃料電池スタック５３４に流れ込む。これにより、燃料電池スタック５３４では自己発熱がおこり、燃料電池スタック５３４が過熱されて燃料電池スタック５３４の温度が上昇する。したがって、燃料電池５３２の発電効率も高くなる。
図１（ｃ）は、燃料電池スタック５３４の温度が基準温度以上となったときの燃料電池５３２を示す図である。燃料電池スタック５３４が基準温度を超えると、温度スイッチ５３６はオフとなり、入力端子５４２と出力端子５４０の間には短絡電流が流れなくなり、出力端子５４０からの電流はシステム負荷５３８に流れ込む。これにより、システム負荷５３８に電力を供給することができる。
図２は、図１に示した燃料電池の燃料電池スタック５３４の単セル構造を模式的に示した断面図である。燃料電池スタック５３４は、複数の単セル構造１０１を有する。各単セル構造１０１は、燃料極１０２、酸化剤極１０８および固体電解質膜１１４から構成される。
固体電解質膜１１４は、燃料極１０２と酸化剤極１０８を隔てるとともに、両者の間で水素イオンを移動させる役割を有する。このため、固体電解質膜１１４は、水素イオンの伝導性が高い膜であることが好ましい。また、化学的に安定であって機械的強度が高いことが好ましい。固体電解質膜１１４を構成する材料としては、スルフォン基、リン酸基等の強酸基や、カルボキシル基等の弱酸基等の極性基を有する有機高分子が好ましく用いられる。こうした有機高分子として、スルフォン化ポリ（４−フェノキシベンゾイル−１，４−フェニレン）、アルキルスルフォン化ポリベンゾイミダゾール等の芳香族縮合系高分子；スルフォン基含有パーフルオロカーボン（ナフィオン（デュポン社製）（登録商標）、アシプレックス（旭化成社製））；カルボキシル基含有パーフルオロカーボン（フレミオンＳ膜（旭硝子社製）（登録商標））；等が例示される。
燃料極１０２および酸化剤極１０８は、それぞれ、触媒を担持した炭素粒子と固体電解質の微粒子とを含む燃料極側触媒層１０６および酸化剤極側触媒層１１２を基体１０４および基体１１０上に形成した構成とすることができる。基体１０４および基体１１０の表面は撥水処理してもよい。
燃料極側触媒層１０６の触媒としては、白金、金、銀、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、コバルト、ニッケル、レニウム、リチウム、ランタン、ストロンチウム、イットリウム、またはこれらの合金等が例示される。酸化剤極側触媒層１１２の触媒としては、燃料極側触媒層１０６と同様のものを用いることができ、上記例示物質を使用することができる。なお、燃料極側触媒層１０６および酸化剤極側触媒層１１２の触媒は同じものを用いても異なるものを用いてもどちらでもよい。
触媒を担持する炭素粒子としては、アセチレンブラック（デンカブラック（電気化学社製）（登録商標）、ＸＣ７２（Ｖｕｌｃａｎ社製）等）、ケッチェンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン等が例示される。
燃料極側触媒層１０６および酸化剤極側触媒層１１２における固体電解質の微粒子は、同一のものであっても異なるものであってもよい。ここで、固体電解質の微粒子は、固体電解質膜１１４と同じ材料を用いることができるが、固体電解質膜１１４とは異なる材料や、複数の材料を用いることもできる。
燃料極１０２、酸化剤極１０８ともに、基体１０４および基体１１０としては、カーボンペーパー、カーボンの成形体、カーボンの焼結体、焼結金属、発泡金属等の多孔性基体を用いることができる。また、基体１０４および基体１１０の撥水処理にはポリテトラフルオロエチレン等の撥水剤を用いることができる。
次に、本発明における単セル構造１０１の製造方法を説明する。
たとえば固体電解質膜１１４を有機高分子材料で構成する場合、固体電解質膜１１４は、有機高分子材料を溶媒に溶解ないし分散した液体を、ポリテトラフルオロエチレン等の剥離性シート等の上にキャストして乾燥させることにより得ることができる。
燃料極１０２および酸化剤極１０８は、たとえば以下の方法で得ることができる。まず、一般的に用いられている含浸法によって炭素粒子に触媒を担持させる。次に触媒を担持させた炭素粒子と固体電解質の微粒子を溶媒に分散させ、ペースト状としたのち、撥水化処理を行った基体１０４または基体１１０に塗布する。基体１０４または１１０へのペーストの塗布方法については特に制限がないが、たとえば、刷毛塗り、スプレー塗布、およびスクリーン印刷法等の方法を用いることができる。ペーストを塗布した後、たとえば、加熱温度１００℃〜２５０℃、加熱時間３０秒間〜３０分で乾燥させることによって燃料極１０２および酸化剤極１０８が得られる。
次に、固体電解質膜１１４を、燃料極１０２および酸化剤極１０８で挟み、ホットプレスすることにより、単セル構造１０１を得る。このとき、燃料極側触媒層１０６および酸化剤極側触媒層１１２が固体電解質膜１１４と接するようにする。たとえば固体電解質膜１１４や燃料極側触媒層１０６および酸化剤極側触媒層１１２中の固体電解質の微粒子を有機高分子で構成する場合、ホットプレスの条件は、これらの有機高分子の軟化温度やガラス転位温度を超える温度とすることができる。具体的には、たとえば、温度１００〜２５０℃、圧力１〜１００ｋｇ／ｃｍ２、時間１０秒〜３００秒とする。
以上のようにして形成された単セル構造１０１を積み重ねることにより、複数の単セル構造１０１が直列に接続された燃料電池スタック５３４を得ることができる。
このように構成された燃料電池スタック５３４において、各単セル構造１０１の燃料極１０２には、燃料１２４が供給される。また、各単セル構造１０１の酸化剤極１０８には、酸化剤１２６が供給される。燃料１２４としては、メタノール、エタノール、ジメチルエーテル、または他のアルコール類、あるいはシクロパラフィン等の液体炭化水素等の有機液体燃料を用いることができる。有機液体燃料は、水溶液とすることができる。酸化剤１２６としては、通常、空気を用いることができるが、酸素ガスを供給してもよい。
（第一の実施の形態）
図３は、本発明の第一の実施の形態における燃料電池５３２を模式的に示した構成図である。本実施の形態において、温度スイッチ５３６は、電源制御部５４８により実現することができる。燃料電池５３２は、図１を参照して説明した構成に加えて、温度センサ５４６をさらに含む。温度センサ５４６としては、熱電対、金属測温抵抗体、サーミスタ、ＩＣ温度センサ、磁気温度センサ、サーモパイル、または焦電型温度センサ等を用いることができる。温度センサ５４６は、燃料電池スタック５３４の構造に応じて種々の配置を取り得るが、たとえば燃料電池スタック５３４内の端部にある酸化剤極１０８表面に接着される。これにより、外部温度の影響を最も受ける可能性の高い燃料電池スタック５３４の端部の温度を反映することができ、良好な起動性の確保をすることができる。
電源制御部５４８は、図示しないＡ／Ｄ変換器を介して温度センサ５４６からの信号を受け付け、その信号に応じて短絡経路５４５およびシステム負荷５３８のいずれに電流を流すかの切り替え制御を行う。温度センサ５４６により測定された燃料電池スタック５３４の温度が基準温度より低い場合、電源制御部５４８は、短絡経路５４５に電流を流す。これにより、燃料電池スタック５３４には短絡電流が流れ、燃料電池スタック５３４で自己発熱がおこり、燃料電池スタック５３４が過熱されて燃料電池スタック５３４の温度が上昇する。温度センサ５４６により測定された温度が基準温度以上となった場合、電源制御部５４８は、システム負荷５３８に電流を流す。燃料電池スタック５３４の温度が基準温度を超えている場合、燃料電池５３２の発電効率も高くなっており、システム負荷５３８に充分な電力を供給することができる。
以上のように、本実施の形態における燃料電池によれば、周囲温度が低く、燃料電池の起動性が悪い場合には、抵抗の高いシステム負荷５３８には電流を流さず、燃料電池自体の内部抵抗のみで規定される燃料電池スタック５３４に短絡電流を流す。これにより、燃料電池スタック５３４の温度を素早く上昇させることができ、燃料電池５３２の発電効率を高めることができる。また、燃料電池スタック５３４の温度が上昇し、システム負荷５３８に充分な電力を供給できる状態となると、短絡電流を停止してシステム負荷５３８に電流を流すように自動的に切り替えることができる。これにより、周囲温度が低くても、起動対象の電気機器を素早く起動することができる。
（第二の実施の形態）
図４は、本発明の第二の実施の形態における燃料電池５３２を模式的に示した構成図である。本実施の形態において、温度スイッチ５３６は、温度により形状が変化する材料により構成することができる。
温度スイッチ５３６は、燃料電池スタック５３４の構造に応じて種々の配置を取り得るが、たとえば、図４（ａ）に示すように燃料電池スタック５３４内の端部にある酸化剤極１０８表面に接着される。これにより、外部温度の影響を最も受ける可能性の高い燃料電池スタック５３４の端部の温度を反映することができ、良好な起動性の確保をすることができる。
図４（ｂ）は、図４（ａ）に示した温度スイッチ５３６の構成を示す拡大図である。温度スイッチ５３６は、支持体５５０と、可動導電体５５２と、接点５５３と、固定導電体５５４とにより構成される。可動導電体５５２は、熱膨張係数の異なる金属を接合したバイメタル、形状記憶合金、熱膨張剤、バネ、または感温フェライト等により構成することができる。燃料電池スタック５３４の温度が基準温度より低い場合、図４（ｂ）に示すように、可動導電体５５２の接点５５３は、固定導電体５５４に接触する。これにより、短絡経路５４５には短絡電流が流れ、燃料電池スタック５３４で自己発熱がおこり、燃料電池スタック５３４が過熱されて燃料電池スタック５３４の温度が上昇する。このようにして、燃料電池スタック５３４の温度が基準温度以上となると、図４（ｃ）に示すように、可動導電体５５２は、固定導電体５５４から離れるように変形し、短絡経路５４５には電流が流れなくなる。これにより、燃料電池スタック５３４からの電流はシステム負荷５３８に供給される。このとき、燃料電池５３２の発電効率も高くなっており、システム負荷５３８に充分な電力を供給することができる。
以上のように、本実施の形態における燃料電池によれば、周囲温度が低く、燃料電池の起動性が悪い場合には、抵抗の高いシステム負荷５３８には電流を流さず、燃料電池自体の内部抵抗のみで規定される燃料電池スタック５３４に短絡電流を流す。これにより、燃料電池スタック５３４の温度を素早く上昇させることができ、燃料電池５３２の発電効率を高めることができる。また、燃料電池スタック５３４の温度が上昇し、システム負荷５３８に充分な電力を供給できる状態となると、短絡電流を停止してシステム負荷５３８に電流を流すように自動的に切り替えることができる。これにより、周囲温度が低くても、起動対象の機器を素早く起動することができる。また、本実施の形態において、温度スイッチ５３６を温度により形状が変化する材料により構成し、温度スイッチ５３６自体が周囲の温度に応じて変形することにより、燃料電池スタック５３４に短絡電流を流すか否かの切り替えを行う。そのため、温度スイッチ５３６を駆動するための構造をより簡略化することができる。
（第三の実施の形態）
図７は、本発明の第三の実施の形態における燃料電池システム９００を示すブロック図である。
本実施の形態において、燃料電池システム９００は、図３に示した構成に加えて、燃料極タンク６６２、燃料供給処理部６７４、第１の燃料収容部６７６ａ、第２の燃料収容部６７６ｂ、対応値記憶部９０１、制御部９０２、酸化剤極タンク９０６、酸化剤供給処理部９０８、燃料供給管９１０、酸化剤供給管９１２、ヒータ９１４、９１６を含む。
ここで、温度センサ５４６は、燃料電池スタック５３４の端部にある酸化剤極１０８表面、燃料電池スタック５３４内、燃料電池スタック５３４表面、廃液の循環経路（不図示）、または廃気の循環経路（不図示）等に配置することができる。
制御部９０２は、温度センサ５４６からの信号を受け付け、その信号に応じて燃料供給処理部６７４、酸化剤供給処理部９０８、および電源制御部５４８を制御する。燃料供給処理部６７４は、燃料極タンク６６２に供給する燃料１２４の濃度および供給量を調整する。酸化剤供給処理部９０８は、酸化剤極タンク９０６に供給する酸化剤１２６の供給量を調整する。
第１の燃料収容部６７６ａおよび第２の燃料収容部６７６ｂは、それぞれ濃度の異なる燃料を収容する。第１の燃料収容部６７６ａおよび第２の燃料収容部６７６ｂのいずれか一方は、アルコールを含まない水を収容することもできる。
図示していないが、燃料供給処理部６７４は、たとえばインバータおよびポンプを含むことができる。ポンプは第１の燃料収容部６７６ａおよび第２の燃料収容部６７６ｂにそれぞれ設けた構成とすることができる。ポンプとしては、圧電ポンプを用いることができる。圧電ポンプを用いた場合、制御部９０２は、インバータにおける振動数または電圧を変化させることにより第１の燃料収容部６７６ａおよび第２の燃料収容部６７６ｂからの燃料の供給量を制御する。これにより、燃料極タンク６６２に供給する燃料１２４の濃度および供給量を調整することができる。
燃料供給処理部６７４として圧電ポンプおよびインバータを用いることにより、従来の電磁ポンプ等を用いた場合に比べ、ポンプの小型軽量化が可能となり、また耐久性も向上する。また、ポンプの駆動に必要な電力が低減する。また、ポンプからの燃料の供給量を、インバータにおける振動数または電圧を変化させることにより良好に制御することができる。インバータの振動数を変化させた場合、単位時間あたりのポンプの吐出頻度が変化する。また、これらの電圧を変化させた場合、圧電素子の変位量の変化により、１回の吐出あたりの吐出量が変化する。したがって、いずれかを変化させた場合においても、燃料の濃度および供給量を調節することができる。
圧電ポンプとして、例えばバイモルフ型圧電ポンプが好ましく用いられる。バイモルフ型圧電ポンプとしては、例えばバイモルポンプ（極光社製、登録商標）や、ＦＤＫ社製のバイモルフ型圧電素子等を用いることができる。インバータ４６１としては、例えば松下電子部品株式会社製のＥＸＣＦシリーズ等を用いることができる。
酸化剤供給処理部９０８は、ファンを含むことができる。ファンの回転数を変化させることにより、酸化剤極タンク９０６に供給する酸化剤の供給量を制御することができる。
本実施の形態において、制御部９０２は、温度センサ５４６により測定された燃料電池スタック５３４の温度が基準温度より低い場合、電源制御部５４８を制御し、短絡経路５４５に電流を流す。
また、これと同時に、燃料電池スタック５３４の温度が基準温度より低い場合、以下の低温時処理を行う。対応値記憶部９０１は、制御部９０２が低温時処理を行う際に参照する対応値を記憶する。ここで、対応値とは、燃料電池スタック５３４の温度と、その温度のときに燃料極タンク６６２に供給すべき燃料１２４の濃度および供給量、ならびに酸化剤極タンク９０６に供給すべき酸化剤１２６の供給量とのそれぞれの関係である。
燃料極タンク６６２に供給すべき燃料１２４の濃度は、燃料電池スタック５３４の温度が低いほど高くなるように設定される。燃料１２４の濃度を高くすることにより、燃料極タンク６６２に供給されたメタノール等の燃料１２４が固体電解質膜１１４を介して酸化剤極１０８に達するクロスオーバが促進され、酸化剤極タンク９０６が加熱される。
また、燃料極タンク６６２に供給すべき燃料１２４の供給量は、燃料電池スタック５３４の温度が低いほど低くなるように設定される。このようにすれば、燃料極タンク６６２への燃料１２４の供給速度が低下され、燃料電池スタック５３４からの放熱を低減することができる。
また、酸化剤極タンク９０６に供給すべき酸化剤１２６の供給量は、燃料電池スタック５３４の温度が低いほど低くなるように設定される。このようにすれば、酸化剤極タンク９０６への酸化剤１２６の供給速度が低下され、酸化剤極タンク９０６が酸化剤１２６により空冷されるのを防ぐことができる。
制御部９０２は、温度センサ５４６により測定された燃料電池スタック５３４の温度に基づき、対応値記憶部９０１を参照して、その温度のときに燃料供給処理部６７４から供給されるべき燃料１２４の濃度および供給量、ならびに酸化剤供給処理部９０８から供給されるべき酸化剤１２６の供給量に関する情報を取得する。制御部９０２は、この情報に基づき、燃料供給処理部６７４および酸化剤供給処理部９０８を制御する。
さらに、制御部９０２は、ヒータ９１４，９１６を制御して、燃料供給管９１０および酸化剤供給管９１２をそれぞれ通過する燃料１２４および酸化剤１２６を加熱することもできる。
以上のように、本実施の形態の燃料電池システム９００においては、第１の実施の形態で説明したのと同様に、周囲温度が低く、燃料電池の起動性が悪い場合には、燃料電池スタック５３４に燃料電池自体の内部抵抗のみで規定される短絡電流を流して燃料電池スタック５３４の温度を上昇させることができる。
これに加えて、周囲温度が低い場合には、燃料電池スタック５３４に供給する燃料１２４の濃度を高めてクロスオーバーを生じさせて燃料電池スタック５３４を加熱する処理も行うので、より一層効率よく燃料電池スタック５３４の発電効率を高めることができる。さらに、周囲温度が低い場合には、燃料電池スタック５３４に供給する燃料１２４および酸化剤１２６の供給量を低くして燃料電池スタック５３４が燃料１２４や酸化剤１２６により冷却されるのを防ぐこともできる。これにより、効率よく燃料電池スタック５３４の発電効率を高めることができる。さらに、燃料電池スタック５３４に供給する燃料１２４および酸化剤１２６をヒータにより加熱することもできるので、効率よく燃料電池スタック５３４の温度を上昇させることができる。
また、他の例において、制御部９０２は、温度センサ５４６により測定された燃料電池スタック５３４の温度が基準温度より低い場合に、まず電源制御部５４８を制御して短絡経路５４５に電流を流す処理を行い、所定時間の経過後に燃料供給処理部６７４および酸化剤供給処理部９０８を制御して上述した低温時処理を行うようにすることもできる。このようにすれば、燃料電池スタック５３４を短絡させる時間を短くしても、その後の低温時処理により燃料電池スタック５３４の温度を上昇させることができ、燃料電池スタック５３４の温度を効率よく上昇させることができる。これにより、燃料電池スタック５３４を短絡させることによる燃料電池スタック５３４の固体電解質１１４へのダメージ等を生じることなく、燃料電池スタック５３４の温度を上昇させることができる。
以上、本発明を実施の形態および実施例をもとに説明した。この実施の形態および実施例は例示であり、その各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、そうした例を説明する。
燃料電池スタック５３４において、複数の単セル構造１０１をセパレータを介して積層させる構造とした場合、第一の実施の形態における温度センサ５４６、または第二の実施の形態における温度スイッチ５３６は、セパレータと酸化剤極１０８との間に配置させることもできる。
また、燃料電池５３２は、図５に示すように、警告信号発信部５５６を含むように構成することができる。警告信号発生部５５６は、燃料電池スタック５３４の温度が第二の基準温度以上となると、警告信号を発信する。ここで、第二の基準温度は、燃料電池スタック５３４や燃料電池５３２が電力を供給する電気機器内の回路等が破壊されるおそれのある温度、たとえば７０℃〜９０℃の範囲内とすることができる。
警告信号発信部５５６は、たとえば、第二の実施の形態において温度スイッチ５３６に関して説明したのと同様、温度により形状が変化する材料で構成されたスイッチとすることができる。この場合、警告信号発信部５５６は、温度スイッチ５３６とは異なる温度で形状が変化する材料により構成される。また、第一の実施の形態で説明したように、燃料電池スタック５３４の温度が第二の基準温度以上となると、電源制御部５４８が、システム負荷５３８への電流の供給を遮断するように構成することもできる。
警告信号は、燃料電池５３２が適用される電気機器の種類に応じて種々のかたちで処理され得るが、たとえば、制御部を有するシステムに燃料電池５３２を適用する場合、警告信号発信部５５６は、警告信号をシステムの制御部に伝達する。これにより、システムの制御部は、燃料電池スタック５３４の温度が過度に上昇した場合に、燃料電池スタック５３４を冷却する等、何らかの対策を行うことができる。また、警告信号発信部５５６は、燃料電池スタック５３４の温度が第二の基準温度より低くなると、警告解除の信号を発信することができる。これにより、システムの制御部はシステム全体を通常の状態に戻す処理を行うことができる。
さらに、警告信号発信部５５６は、警告信号により、燃料電池スタック５３４からシステム負荷５３８への電流の供給を遮断するようにすることもできる。このようにすると、燃料電池５３２は、燃料電池スタック５３４の温度が過度に上昇した場合に、通電を停止することができ、燃料電池スタック５３４等が破壊されるのを防ぐことができる。また、この場合、警告信号発信部５５６は、燃料電池スタック５３４の温度が第二の基準温度より低くなると、燃料電池スタック５３４とシステム負荷５３８の間の接続を回復する。これにより、燃料電池５３２は、システム負荷５３８に再び電力を供給することができる。
図６は、警告信号発信部５５６を、温度スイッチ５３６と同様の温度スイッチ５６０により実現した場合の燃料電池５３２の回路構成を示す図である。図１を参照して説明したのと同様、図６（ａ）は、システムパワースイッチ５４４がオフのときの燃料電池５３２の初期状態を示し、図６（ｂ）は、システムパワースイッチ５４４をオンとした直後の燃料電池５３２の状態を示し、図６（ｃ）は、燃料電池スタック５３４の温度が基準温度以上となったときの燃料電池５３２を示す。図６（ｄ）は、燃料電池スタック５３４の温度が第二の基準温度以上となったときの燃料電池５３２を示す。このとき、燃料電池スタック５３４とシステム負荷５３８の間が遮断されるので、システム負荷５３８には電流が流れなくなる。これにより、燃料電池５３２の通電を停止することができ、燃料電池スタック５３４等が破壊されるのを防ぐことができる。Although the use of the fuel cell described in the following embodiments is not particularly limited, for example, it is suitable for small electric devices such as mobile phones, notebook computers, PDAs (Personal Digital Assistants), various cameras, navigation systems, and portable music players. Used.
FIG. 1 is a diagram showing a circuit configuration of a fuel cell according to an embodiment of the present invention. The fuel cell 532 includes a fuel cell stack 534, a system power switch 544, an output terminal 540 to the system load 538, an input terminal 542 from the system load 538, a temperature switch 536, and a short circuit path 545. Here, the system load 538 is a resistance in the electrical equipment described above.
An output terminal 540 to the system load 538 is connected to the fuel electrode 102 of the fuel cell stack 534. An input terminal 542 from the system load 538 is connected to the oxidant electrode 108 of the fuel cell stack 534. The output terminal 540 and the input terminal 542 are connected by a short circuit path 545 provided in parallel with the system load 538 and a temperature switch 536 provided on the short circuit path 545. The temperature switch 536 connects the output terminal 540 and the input terminal 542 when the temperature of the fuel cell stack 534 is lower than the reference temperature. When the system power switch 544 is turned on in this state, a short circuit current flows through the short circuit path 545. When the temperature of the fuel cell stack 534 becomes equal to or higher than the reference temperature, the temperature switch 536 disconnects the connection between the input terminal 542 and the output terminal 540. Thereby, even if the system power switch 544 is turned on, no short-circuit current flows through the short-circuit path 545. The temperature switch 536 is preferably designed to be turned on and off according to the temperature of the oxidant electrode 108 in the fuel cell stack 534. This is because if the temperature in the vicinity of the catalyst is low in the oxidant electrode 108, sufficient power generation efficiency cannot be obtained.
Here, the reference temperature is preferably set to a temperature at which power generation efficiency sufficient to supply power to the system load 538 is obtained, and is in a range of −10 ° C. to 35 ° C., for example. As a result, when the temperature of the fuel cell stack 534 is low, the temperature switch 536 is closed and current flows through the short circuit path 545, so that a short circuit current flows through the fuel cell stack 534. Therefore, the fuel cell stack 534 can be rapidly warmed. Thereby, even when ambient temperature is low, the startability of the fuel cell 532 can be improved. On the other hand, when the temperature of the fuel cell stack 534 becomes sufficiently high, the temperature switch 536 is opened and no current flows through the short circuit path 545, so that power can be supplied to the system load 538.
FIG. 1A is a diagram showing an initial state of the fuel cell 532 when the system power switch 544 is off when the ambient temperature is low. At this time, the temperature of the fuel cell stack 534 is assumed to be lower than the reference temperature. In this case, as shown in the figure, the temperature switch 536 is closed, and the output terminal 540 and the input terminal 542 are connected. Even in this case, no current flows through the fuel cell 532 when the system power switch 544 is turned off, so that the battery is not consumed.
FIG. 1B is a diagram showing the state of the fuel cell 532 immediately after the system power switch 544 is turned on. When the system power switch 544 is turned on, a current flows through the fuel cell 532. At this time, since the temperature switch 536 is on, a short-circuit current flows between the output terminal 540 and the input terminal 542 via the temperature switch 536, and the short-circuit current flows into the fuel cell stack 534 as it is. Thereby, self-heating occurs in the fuel cell stack 534, the fuel cell stack 534 is overheated, and the temperature of the fuel cell stack 534 rises. Therefore, the power generation efficiency of the fuel cell 532 is also increased.
FIG. 1C is a diagram showing the fuel cell 532 when the temperature of the fuel cell stack 534 becomes equal to or higher than the reference temperature. When the fuel cell stack 534 exceeds the reference temperature, the temperature switch 536 is turned off, no short-circuit current flows between the input terminal 542 and the output terminal 540, and current from the output terminal 540 flows into the system load 538. As a result, power can be supplied to the system load 538.
FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing a single cell structure of the fuel cell stack 534 of the fuel cell shown in FIG. The fuel cell stack 534 has a plurality of single cell structures 101. Each single cell structure 101 includes a fuel electrode 102, an oxidant electrode 108 and a solid electrolyte membrane 114.
The solid electrolyte membrane 114 has a role of separating the fuel electrode 102 and the oxidant electrode 108 and moving hydrogen ions between them. For this reason, the solid electrolyte membrane 114 is preferably a membrane having high hydrogen ion conductivity. Further, it is preferably chemically stable and has high mechanical strength. As a material constituting the solid electrolyte membrane 114, an organic polymer having a strong acid group such as a sulfone group and a phosphate group and a polar group such as a weak acid group such as a carboxyl group is preferably used. Examples of such organic polymers include aromatic condensed polymers such as sulfonated poly (4-phenoxybenzoyl-1,4-phenylene) and alkylsulfonated polybenzimidazole; sulfo group-containing perfluorocarbon (Nafion (manufactured by DuPont) ( Registered trademark), Aciplex (manufactured by Asahi Kasei)); carboxyl group-containing perfluorocarbon (Flemion S membrane (manufactured by Asahi Glass) (registered trademark)); and the like.
In the fuel electrode 102 and the oxidant electrode 108, the fuel electrode side catalyst layer 106 and the oxidant electrode side catalyst layer 112 containing carbon particles carrying a catalyst and solid electrolyte fine particles were formed on the base 104 and the base 110, respectively. It can be configured. The surfaces of the substrate 104 and the substrate 110 may be subjected to water repellent treatment.
Examples of the catalyst for the fuel electrode side catalyst layer 106 include platinum, gold, silver, ruthenium, rhodium, palladium, osmium, iridium, cobalt, nickel, rhenium, lithium, lanthanum, strontium, yttrium, and alloys thereof. . As the catalyst for the oxidant electrode side catalyst layer 112, the same catalyst as that for the fuel electrode side catalyst layer 106 can be used, and the above exemplified substances can be used. The same catalyst may be used for the fuel electrode side catalyst layer 106 and the oxidant electrode side catalyst layer 112, or different catalysts may be used.
Examples of the carbon particles supporting the catalyst include acetylene black (Denka Black (manufactured by Denki Kagaku) (registered trademark), XC72 (manufactured by Vulcan)), ketjen black, carbon nanotube, carbon nanohorn and the like.
The solid electrolyte particles in the fuel electrode side catalyst layer 106 and the oxidant electrode side catalyst layer 112 may be the same or different. Here, as the solid electrolyte fine particles, the same material as the solid electrolyte membrane 114 can be used, but a material different from the solid electrolyte membrane 114 or a plurality of materials can also be used.
For both the fuel electrode 102 and the oxidant electrode 108, a porous substrate such as carbon paper, a carbon molded body, a carbon sintered body, a sintered metal, and a foam metal can be used as the base 104 and the base 110. A water repellent such as polytetrafluoroethylene can be used for the water repellent treatment of the base 104 and the base 110.
Next, the manufacturing method of the single cell structure 101 in this invention is demonstrated.
For example, when the solid electrolyte membrane 114 is composed of an organic polymer material, the solid electrolyte membrane 114 is obtained by casting a liquid obtained by dissolving or dispersing an organic polymer material in a solvent onto a peelable sheet such as polytetrafluoroethylene. And dried.
The fuel electrode 102 and the oxidant electrode 108 can be obtained, for example, by the following method. First, a catalyst is supported on carbon particles by a commonly used impregnation method. Next, the carbon particles carrying the catalyst and the fine particles of the solid electrolyte are dispersed in a solvent to form a paste, which is then applied to the substrate 104 or the substrate 110 that has been subjected to the water repellent treatment. Although there is no restriction | limiting in particular about the coating method of the paste to the base | substrate 104 or 110, For example, methods, such as brush coating, spray coating, and a screen printing method, can be used. After applying the paste, for example, the fuel electrode 102 and the oxidant electrode 108 are obtained by drying at a heating temperature of 100 ° C. to 250 ° C. and a heating time of 30 seconds to 30 minutes.
Next, the single electrolyte structure 114 is obtained by sandwiching the solid electrolyte membrane 114 between the fuel electrode 102 and the oxidant electrode 108 and hot pressing. At this time, the fuel electrode side catalyst layer 106 and the oxidant electrode side catalyst layer 112 are brought into contact with the solid electrolyte membrane 114. For example, when the solid electrolyte fine particles in the solid electrolyte membrane 114, the fuel electrode side catalyst layer 106, and the oxidant electrode side catalyst layer 112 are made of organic polymer, the conditions of hot pressing are the softening temperature of these organic polymers, The temperature can exceed the glass transition temperature. Specifically, for example, the temperature is 100 to 250 ° C., the pressure is 1 to 100 kg / cm 2 , and the time is 10 seconds to 300 seconds.
By stacking the unit cell structures 101 formed as described above, a fuel cell stack 534 in which a plurality of unit cell structures 101 are connected in series can be obtained.
In the fuel cell stack 534 configured as described above, the fuel 124 is supplied to the fuel electrode 102 of each single cell structure 101. Further, an oxidant 126 is supplied to the oxidant electrode 108 of each single cell structure 101. As the fuel 124, an organic liquid fuel such as methanol, ethanol, dimethyl ether, other alcohols, or a liquid hydrocarbon such as cycloparaffin can be used. The organic liquid fuel can be an aqueous solution. Usually, air can be used as the oxidant 126, but oxygen gas may be supplied.
(First embodiment)
FIG. 3 is a configuration diagram schematically showing the fuel cell 532 in the first embodiment of the present invention. In the present embodiment, the temperature switch 536 can be realized by the power supply control unit 548. The fuel cell 532 further includes a temperature sensor 546 in addition to the configuration described with reference to FIG. As the temperature sensor 546, a thermocouple, a metal resistance temperature detector, a thermistor, an IC temperature sensor, a magnetic temperature sensor, a thermopile, a pyroelectric temperature sensor, or the like can be used. The temperature sensor 546 may take various arrangements depending on the structure of the fuel cell stack 534, and is adhered to the surface of the oxidant electrode 108 at an end portion in the fuel cell stack 534, for example. Thereby, the temperature at the end of the fuel cell stack 534 that is most likely to be affected by the external temperature can be reflected, and good startability can be ensured.
The power supply control unit 548 receives a signal from the temperature sensor 546 via an A / D converter (not shown), and performs switching control as to whether the current flows to either the short circuit path 545 or the system load 538 according to the signal. When the temperature of the fuel cell stack 534 measured by the temperature sensor 546 is lower than the reference temperature, the power supply control unit 548 causes a current to flow through the short circuit path 545. As a result, a short-circuit current flows through the fuel cell stack 534, self-heating occurs in the fuel cell stack 534, the fuel cell stack 534 is overheated, and the temperature of the fuel cell stack 534 rises. When the temperature measured by the temperature sensor 546 becomes equal to or higher than the reference temperature, the power control unit 548 causes a current to flow through the system load 538. When the temperature of the fuel cell stack 534 exceeds the reference temperature, the power generation efficiency of the fuel cell 532 is high, and sufficient power can be supplied to the system load 538.
As described above, according to the fuel cell in the present embodiment, when the ambient temperature is low and the startability of the fuel cell is poor, no current is passed through the highly resistive system load 538, and the inside of the fuel cell itself A short-circuit current is passed through the fuel cell stack 534 defined only by the resistance. Thereby, the temperature of the fuel cell stack 534 can be quickly raised, and the power generation efficiency of the fuel cell 532 can be increased. When the temperature of the fuel cell stack 534 rises and sufficient power can be supplied to the system load 538, the short circuit current can be stopped and the current can be automatically switched to flow through the system load 538. Thereby, even if ambient temperature is low, the electric equipment of starting object can be started quickly.
(Second embodiment)
FIG. 4 is a configuration diagram schematically showing the fuel cell 532 in the second embodiment of the present invention. In this embodiment, the temperature switch 536 can be formed of a material whose shape changes with temperature.
The temperature switch 536 can take various arrangements depending on the structure of the fuel cell stack 534. For example, as shown in FIG. 4A, the temperature switch 536 is adhered to the surface of the oxidant electrode 108 at the end of the fuel cell stack 534. Is done. Thereby, the temperature at the end of the fuel cell stack 534 that is most likely to be affected by the external temperature can be reflected, and good startability can be ensured.
FIG. 4B is an enlarged view showing the configuration of the temperature switch 536 shown in FIG. The temperature switch 536 includes a support body 550, a movable conductor 552, a contact 553, and a fixed conductor 554. The movable conductor 552 can be made of a bimetal obtained by joining metals having different thermal expansion coefficients, a shape memory alloy, a thermal expansion agent, a spring, a temperature-sensitive ferrite, or the like. When the temperature of the fuel cell stack 534 is lower than the reference temperature, the contact 553 of the movable conductor 552 contacts the fixed conductor 554 as shown in FIG. As a result, a short-circuit current flows through the short-circuit path 545, self-heating occurs in the fuel cell stack 534, the fuel cell stack 534 is overheated, and the temperature of the fuel cell stack 534 rises. Thus, when the temperature of the fuel cell stack 534 becomes equal to or higher than the reference temperature, the movable conductor 552 is deformed away from the fixed conductor 554 as shown in FIG. Current stops flowing. As a result, the current from the fuel cell stack 534 is supplied to the system load 538. At this time, the power generation efficiency of the fuel cell 532 is also high, and sufficient power can be supplied to the system load 538.
As described above, according to the fuel cell in the present embodiment, when the ambient temperature is low and the startability of the fuel cell is poor, no current is passed through the highly resistive system load 538, and the inside of the fuel cell itself A short-circuit current is passed through the fuel cell stack 534 defined only by the resistance. Thereby, the temperature of the fuel cell stack 534 can be quickly raised, and the power generation efficiency of the fuel cell 532 can be increased. When the temperature of the fuel cell stack 534 rises and sufficient power can be supplied to the system load 538, the short circuit current can be stopped and the current can be automatically switched to flow through the system load 538. Thereby, even if ambient temperature is low, the apparatus of starting object can be started quickly. Further, in the present embodiment, the temperature switch 536 is made of a material whose shape changes depending on the temperature, and the temperature switch 536 itself is deformed according to the ambient temperature, so that a short-circuit current is passed through the fuel cell stack 534. Switch between. Therefore, the structure for driving the temperature switch 536 can be further simplified.
(Third embodiment)
FIG. 7 is a block diagram showing a fuel cell system 900 according to the third embodiment of the present invention.
In the present embodiment, the fuel cell system 900 includes a fuel electrode tank 662, a fuel supply processing unit 674, a first fuel storage unit 676a, a second fuel storage unit 676b, in addition to the configuration shown in FIG. A value storage unit 901, a control unit 902, an oxidant electrode tank 906, an oxidant supply processing unit 908, a fuel supply pipe 910, an oxidant supply pipe 912, and heaters 914 and 916 are included.
Here, the temperature sensor 546 includes the surface of the oxidant electrode 108 at the end of the fuel cell stack 534, the inside of the fuel cell stack 534, the surface of the fuel cell stack 534, a waste liquid circulation path (not shown), or a waste air circulation path. (Not shown) or the like.
The control unit 902 receives a signal from the temperature sensor 546, and controls the fuel supply processing unit 674, the oxidant supply processing unit 908, and the power supply control unit 548 according to the signal. The fuel supply processing unit 674 adjusts the concentration and supply amount of the fuel 124 supplied to the fuel electrode tank 662. The oxidant supply processing unit 908 adjusts the supply amount of the oxidant 126 supplied to the oxidant electrode tank 906.
The first fuel storage unit 676a and the second fuel storage unit 676b store fuels having different concentrations. Any one of the first fuel storage portion 676a and the second fuel storage portion 676b can also store water that does not contain alcohol.
Although not shown, fuel supply processing unit 674 can include, for example, an inverter and a pump. The pump can be configured to be provided in each of the first fuel storage portion 676a and the second fuel storage portion 676b. A piezoelectric pump can be used as the pump. When the piezoelectric pump is used, the control unit 902 controls the amount of fuel supplied from the first fuel storage unit 676a and the second fuel storage unit 676b by changing the frequency or voltage in the inverter. As a result, the concentration and supply amount of the fuel 124 supplied to the fuel electrode tank 662 can be adjusted.
By using a piezoelectric pump and an inverter as the fuel supply processing unit 674, the pump can be reduced in size and weight, and durability can be improved as compared with the case where a conventional electromagnetic pump or the like is used. In addition, the electric power required for driving the pump is reduced. Further, the amount of fuel supplied from the pump can be well controlled by changing the frequency or voltage in the inverter. When the frequency of the inverter is changed, the pump discharge frequency per unit time changes. Further, when these voltages are changed, the discharge amount per discharge changes due to the change in the displacement amount of the piezoelectric element. Therefore, even when any of them is changed, the fuel concentration and supply amount can be adjusted.
For example, a bimorph type piezoelectric pump is preferably used as the piezoelectric pump. As the bimorph type piezoelectric pump, for example, a bimorph pump (manufactured by Genko Inc., registered trademark), a bimorph type piezoelectric element manufactured by FDK, or the like can be used. As the inverter 461, for example, an EXCF series manufactured by Matsushita Electronic Components Co., Ltd. can be used.
The oxidant supply processing unit 908 can include a fan. By changing the rotation speed of the fan, the supply amount of the oxidant supplied to the oxidant electrode tank 906 can be controlled.
In the present embodiment, when the temperature of fuel cell stack 534 measured by temperature sensor 546 is lower than the reference temperature, control unit 902 controls power supply control unit 548 and causes a current to flow through short-circuit path 545.
At the same time, when the temperature of the fuel cell stack 534 is lower than the reference temperature, the following low temperature process is performed. The corresponding value storage unit 901 stores a corresponding value that is referred to when the control unit 902 performs the low temperature process. Here, the corresponding values are the temperature of the fuel cell stack 534, the concentration and supply amount of the fuel 124 to be supplied to the fuel electrode tank 662 at that temperature, and the oxidant 126 to be supplied to the oxidant electrode tank 906. It is each relationship with the supply amount.
The concentration of the fuel 124 to be supplied to the fuel electrode tank 662 is set so as to increase as the temperature of the fuel cell stack 534 decreases. By increasing the concentration of the fuel 124, crossover of the fuel 124 such as methanol supplied to the fuel electrode tank 662 to the oxidant electrode 108 via the solid electrolyte membrane 114 is promoted, and the oxidant electrode tank 906 is heated. Is done.
The supply amount of the fuel 124 to be supplied to the fuel electrode tank 662 is set to be lower as the temperature of the fuel cell stack 534 is lower. In this way, the supply speed of the fuel 124 to the fuel electrode tank 662 is reduced, and heat radiation from the fuel cell stack 534 can be reduced.
Further, the supply amount of the oxidant 126 to be supplied to the oxidant electrode tank 906 is set to be lower as the temperature of the fuel cell stack 534 is lower. In this way, the supply rate of the oxidant 126 to the oxidant electrode tank 906 can be reduced, and the oxidant electrode tank 906 can be prevented from being air-cooled by the oxidant 126.
The control unit 902 refers to the corresponding value storage unit 901 based on the temperature of the fuel cell stack 534 measured by the temperature sensor 546, and the concentration of the fuel 124 to be supplied from the fuel supply processing unit 674 at that temperature. And the supply amount, and information regarding the supply amount of the oxidant 126 to be supplied from the oxidant supply processing unit 908 are acquired. Based on this information, the control unit 902 controls the fuel supply processing unit 674 and the oxidant supply processing unit 908.
Furthermore, the control unit 902 can control the heaters 914 and 916 to heat the fuel 124 and the oxidant 126 that pass through the fuel supply pipe 910 and the oxidant supply pipe 912, respectively.
As described above, in the fuel cell system 900 of the present embodiment, as described in the first embodiment, when the ambient temperature is low and the startability of the fuel cell is poor, the fuel cell stack The temperature of the fuel cell stack 534 can be raised by passing a short-circuit current defined only by the internal resistance of the fuel cell itself through 534.
In addition, when the ambient temperature is low, the fuel cell stack 534 is heated by increasing the concentration of the fuel 124 supplied to the fuel cell stack 534 to cause crossover. The power generation efficiency of the battery stack 534 can be increased. Further, when the ambient temperature is low, the supply amount of the fuel 124 and the oxidant 126 supplied to the fuel cell stack 534 may be lowered to prevent the fuel cell stack 534 from being cooled by the fuel 124 and the oxidant 126. it can. Thereby, the power generation efficiency of the fuel cell stack 534 can be increased efficiently. Furthermore, since the fuel 124 and the oxidant 126 supplied to the fuel cell stack 534 can be heated by the heater, the temperature of the fuel cell stack 534 can be increased efficiently.
In another example, when the temperature of the fuel cell stack 534 measured by the temperature sensor 546 is lower than the reference temperature, the control unit 902 first controls the power supply control unit 548 to flow current through the short-circuit path 545. The fuel supply processing unit 674 and the oxidant supply processing unit 908 may be controlled after the elapse of a predetermined time so as to perform the above-described low temperature processing. In this way, even if the time for short-circuiting the fuel cell stack 534 is shortened, the temperature of the fuel cell stack 534 can be increased by subsequent low temperature processing, and the temperature of the fuel cell stack 534 can be increased efficiently. be able to. Thereby, the temperature of the fuel cell stack 534 can be raised without causing damage to the solid electrolyte 114 of the fuel cell stack 534 due to short circuiting of the fuel cell stack 534.
The present invention has been described based on the embodiments and examples. It is understood by those skilled in the art that the embodiments and examples are exemplifications, and that various modifications can be made to the combination of each component and each processing process, and such modifications are within the scope of the present invention. It is a place. Such an example will be described below.
When the fuel cell stack 534 has a structure in which a plurality of single cell structures 101 are stacked via a separator, the temperature sensor 546 in the first embodiment or the temperature switch 536 in the second embodiment It can also be disposed between the oxidant electrode 108.
Further, as shown in FIG. 5, the fuel cell 532 can be configured to include a warning signal transmission unit 556. The warning signal generation unit 556 transmits a warning signal when the temperature of the fuel cell stack 534 becomes equal to or higher than the second reference temperature. Here, the second reference temperature is set to a temperature at which the fuel cell stack 534 or the circuit in the electric device to which the fuel cell 532 supplies power may be destroyed, for example, in the range of 70 ° C. to 90 ° C. Can do.
The warning signal transmitter 556 can be, for example, a switch made of a material whose shape changes depending on the temperature, as described with respect to the temperature switch 536 in the second embodiment. In this case, the warning signal transmission unit 556 is made of a material whose shape changes at a temperature different from that of the temperature switch 536. Further, as described in the first embodiment, when the temperature of the fuel cell stack 534 becomes equal to or higher than the second reference temperature, the power supply control unit 548 is configured to cut off the supply of current to the system load 538. You can also
The warning signal can be processed in various forms depending on the type of electrical equipment to which the fuel cell 532 is applied. For example, when the fuel cell 532 is applied to a system having a control unit, the warning signal transmission unit 556 includes: A warning signal is transmitted to the control unit of the system. Thereby, the control unit of the system can take some measures such as cooling the fuel cell stack 534 when the temperature of the fuel cell stack 534 rises excessively. Further, the warning signal transmission unit 556 can transmit a warning cancellation signal when the temperature of the fuel cell stack 534 becomes lower than the second reference temperature. Thereby, the control part of a system can perform the process which returns the whole system to a normal state.
Further, the warning signal transmission unit 556 can cut off the supply of current from the fuel cell stack 534 to the system load 538 by the warning signal. In this way, the fuel cell 532 can stop energization when the temperature of the fuel cell stack 534 rises excessively, and can prevent the fuel cell stack 534 and the like from being destroyed. In this case, the warning signal transmission unit 556 restores the connection between the fuel cell stack 534 and the system load 538 when the temperature of the fuel cell stack 534 becomes lower than the second reference temperature. As a result, the fuel cell 532 can supply power to the system load 538 again.
FIG. 6 is a diagram illustrating a circuit configuration of the fuel cell 532 when the warning signal transmission unit 556 is realized by a temperature switch 560 similar to the temperature switch 536. As described with reference to FIG. 1, FIG. 6A shows the initial state of the fuel cell 532 when the system power switch 544 is OFF, and FIG. 6B shows that the system power switch 544 is ON. FIG. 6C shows the fuel cell 532 when the temperature of the fuel cell stack 534 is equal to or higher than the reference temperature. FIG. 6D shows the fuel cell 532 when the temperature of the fuel cell stack 534 becomes equal to or higher than the second reference temperature. At this time, since the fuel cell stack 534 and the system load 538 are disconnected, no current flows through the system load 538. Thereby, the energization of the fuel cell 532 can be stopped, and the fuel cell stack 534 and the like can be prevented from being destroyed.

以上述べたように、本発明によれば、温度が低い場合でも、燃料電池の温度を上昇させて起動性を高めることのできる技術を提供することができる。  As described above, according to the present invention, even when the temperature is low, it is possible to provide a technique that can increase the temperature of the fuel cell and improve the startability.

Claims (23)

燃料電池を有し、前記燃料電池に接続された負荷に電力を供給する燃料電池システムであって、
前記燃料電池の温度に応じて、前記負荷への出入力端子間を短絡または開放する温度スイッチを備えたことを特徴とする燃料電池システム。A fuel cell system having a fuel cell and supplying power to a load connected to the fuel cell,
A fuel cell system comprising a temperature switch that short-circuits or opens between input and output terminals to the load according to the temperature of the fuel cell. 請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記負荷と並列に前記燃料電池に接続して形成された短絡経路をさらに備え、
前記温度スイッチは、前記短絡経路と前記燃料電池との間を接続または切断することを特徴とする燃料電池システム。The fuel cell system according to claim 1,
Further comprising a short circuit path formed in connection with the fuel cell in parallel with the load;
The temperature switch connects or disconnects the short circuit path and the fuel cell. 請求項１または２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記温度スイッチは、温度により形状が変化する材料により構成され、温度に応じて、前記出入力端子間を接続または切断することを特徴とする燃料電池システム。The fuel cell system according to claim 1 or 2,
The temperature switch is made of a material whose shape changes with temperature, and connects or disconnects the input / output terminals according to the temperature. 請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記温度スイッチは、前記短絡経路に接続された固定導電体と、温度により形状が変化する材料により構成され、温度に応じて、前記固定導電体と接触し、または前記固定導電体から離脱する可動導電体と、により構成されたことを特徴とする燃料電池システム。The fuel cell system according to claim 2, wherein
The temperature switch is composed of a fixed conductor connected to the short-circuit path and a material whose shape changes depending on the temperature. The temperature switch contacts the fixed conductor or moves away from the fixed conductor depending on the temperature. A fuel cell system comprising a conductor. 請求項４に記載の燃料電池システムにおいて、
前記可動導電体は、バイメタル、形状記憶合金、熱膨張剤、バネ、または感温フェライトにより構成されたことを特徴とする燃料電池システム。The fuel cell system according to claim 4, wherein
The fuel cell system, wherein the movable conductor is made of a bimetal, a shape memory alloy, a thermal expansion agent, a spring, or a temperature-sensitive ferrite. 請求項１または２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池内に設置された温度センサをさらに含み、
前記温度スイッチは、前記温度センサの出力信号に基づき、前記出入力端子間を短絡または開放することを特徴とする燃料電池システム。The fuel cell system according to claim 1 or 2,
A temperature sensor installed in the fuel cell;
The fuel cell system, wherein the temperature switch short-circuits or opens the input / output terminals based on an output signal of the temperature sensor. 請求項１乃至６いずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池は、燃料極と酸化剤極とが固体電解質膜を挟んで配置された単セルを複数含み、
前記温度スイッチは、前記燃料電池の端部に配置された前記酸化剤極の温度に応じて前記出入力端子間を短絡または開放することを特徴とする燃料電池システム。The fuel cell system according to any one of claims 1 to 6,
The fuel cell includes a plurality of single cells in which a fuel electrode and an oxidant electrode are disposed with a solid electrolyte membrane interposed therebetween,
The temperature switch short-circuits or opens the input / output terminals according to the temperature of the oxidant electrode disposed at the end of the fuel cell. 請求項１乃至７いずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
前記温度スイッチは、前記燃料電池の温度が基準温度より低いときに、前記負荷への出入力端子間を短絡し、前記燃料電池の温度が前記基準温度以上となったときに、前記出入力端子間を開放することを特徴とする燃料電池システム。The fuel cell system according to any one of claims 1 to 7,
The temperature switch short-circuits between the input / output terminals to the load when the temperature of the fuel cell is lower than a reference temperature, and when the temperature of the fuel cell becomes equal to or higher than the reference temperature, the input / output terminal A fuel cell system characterized by opening a gap. 請求項８に記載の燃料電池システムにおいて、
前記基準温度は−１０℃以上３５℃以下の範囲内であることを特徴とする燃料電池システム。The fuel cell system according to claim 8, wherein
The fuel cell system according to claim 1, wherein the reference temperature is within a range of -10 ° C to 35 ° C. 請求項８または９に記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池の温度が、前記基準温度よりも高温の第二の基準温度以上となったときに、警告信号を発する警告信号発信部をさらに含むことを特徴とする燃料電池システム。The fuel cell system according to claim 8 or 9,
A fuel cell system, further comprising a warning signal transmitter that issues a warning signal when the temperature of the fuel cell becomes equal to or higher than a second reference temperature higher than the reference temperature. 請求項１乃至１０のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池は、燃料極および酸化剤極を含み、
前記燃料電池システムは、
前記燃料極に燃料を供給する処理を行う燃料供給処理部と、
前記燃料電池の温度に応じて、前記燃料供給処理部を制御して、前記燃料極に供給する燃料の濃度を調整する制御部と、
をさらに備えたことを特徴とする燃料電池システム。The fuel cell system according to any one of claims 1 to 10,
The fuel cell includes a fuel electrode and an oxidant electrode,
The fuel cell system includes:
A fuel supply processing unit for performing a process of supplying fuel to the fuel electrode;
A control unit that controls the fuel supply processing unit according to the temperature of the fuel cell to adjust the concentration of fuel supplied to the fuel electrode;
A fuel cell system further comprising: 請求項１１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記制御部は、前記燃料電池の温度が所定温度以下のときに、前記燃料電池の温度に応じて、前記燃料極に供給する燃料の濃度を設定し、前記燃料電池の温度が所定温度を超えたときに、前記燃料極に供給する燃料を所定濃度に設定することを特徴とする燃料電池システム。The fuel cell system according to claim 11, wherein
The controller sets a concentration of fuel to be supplied to the fuel electrode according to the temperature of the fuel cell when the temperature of the fuel cell is equal to or lower than a predetermined temperature, and the temperature of the fuel cell exceeds the predetermined temperature. A fuel cell system, wherein the fuel supplied to the fuel electrode is set to a predetermined concentration. 請求項１１または１２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記制御部は、燃料電池の温度に応じて、前記燃料供給部を制御して、前記燃料極に供給する燃料の量をさらに調整することを特徴とする燃料電池システム。The fuel cell system according to claim 11 or 12,
The control unit controls the fuel supply unit according to the temperature of the fuel cell to further adjust the amount of fuel supplied to the fuel electrode. 請求項１１乃至１３いずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
前記酸化剤極に酸化剤を供給する処理を行う酸化剤供給処理部をさらに備え、
前記制御部は、燃料電池の温度に応じて、前記酸化剤極を制御して、前記酸化剤極に供給する酸化剤の量を調整することを特徴とする燃料電池システム。The fuel cell system according to any one of claims 11 to 13,
An oxidant supply processing unit for performing a process of supplying an oxidant to the oxidant electrode;
The said control part controls the said oxidant electrode according to the temperature of a fuel cell, and adjusts the quantity of the oxidant supplied to the said oxidant electrode, The fuel cell system characterized by the above-mentioned. 請求項１１乃至１４いずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料極に供給する燃料または前記酸化剤極に供給する酸化剤の少なくとも一方を加熱するヒータをさらに含むことを特徴とする燃料電池システム。The fuel cell system according to any one of claims 11 to 14,
The fuel cell system further comprising a heater for heating at least one of the fuel supplied to the fuel electrode or the oxidant supplied to the oxidant electrode. 請求項１乃至１５いずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
請求項１乃至１５いずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池に供給する燃料が液体燃料であることを特徴とする燃料電池システム。The fuel cell system according to any one of claims 1 to 15,
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 15,
A fuel cell system, wherein the fuel supplied to the fuel cell is a liquid fuel. 燃料電池を有し、前記燃料電池に接続された負荷に電力を供給する燃料電池システムの使用方法であって、
前記燃料電池の温度に応じて、前記負荷への出入力端子間を短絡または開放することを特徴とする燃料電池システムの使用方法。A method of using a fuel cell system having a fuel cell and supplying power to a load connected to the fuel cell,
A method of using a fuel cell system, characterized in that the input / output terminals to the load are short-circuited or opened according to the temperature of the fuel cell. 請求項１７に記載の燃料電池システムの使用方法において、
前記燃料電池の温度が基準温度より低いときに、前記出入力端子間を短絡し、前記燃料電池の温度が前記基準温度以上となったときに、前記出入力端子間を開放することを特徴とする燃料電池システムの使用方法。The method of using the fuel cell system according to claim 17,
When the temperature of the fuel cell is lower than a reference temperature, the input / output terminals are short-circuited, and when the temperature of the fuel cell becomes equal to or higher than the reference temperature, the input / output terminals are opened. To use the fuel cell system. 請求項１７または１８に記載の燃料電池システムの使用方法において、
前記燃料電池は、燃料極および酸化剤極を含み、
前記燃料電池の温度に応じて、前記燃料極に供給する燃料の濃度を設定するステップと、
前記濃度を設定するステップで設定された濃度の燃料を前記燃料極に供給するステップと、
をさらに含むことを特徴とする燃料電池システムの使用方法。The method of using the fuel cell system according to claim 17 or 18,
The fuel cell includes a fuel electrode and an oxidant electrode,
Setting the concentration of the fuel supplied to the fuel electrode according to the temperature of the fuel cell;
Supplying the fuel having the concentration set in the step of setting the concentration to the fuel electrode;
A method for using a fuel cell system, further comprising: 請求項１９に記載の燃料電池システムの使用方法において、
前記燃料を前記燃料極に供給するステップは、
前記燃料電池の温度が所定温度以下のときに、前記濃度を設定するステップで設定された濃度の燃料を前記燃料極に供給するステップと、
前記燃料電池の温度が所定温度を超えたときに、前記燃料電池の温度に関わらず、所定濃度の燃料を前記燃料極に供給するステップと、
を含むことを特徴とする燃料電池システム。The method of using the fuel cell system according to claim 19,
Supplying the fuel to the fuel electrode comprises:
Supplying the fuel having the concentration set in the step of setting the concentration to the fuel electrode when the temperature of the fuel cell is equal to or lower than a predetermined temperature;
Supplying a predetermined concentration of fuel to the fuel electrode regardless of the temperature of the fuel cell when the temperature of the fuel cell exceeds a predetermined temperature;
A fuel cell system comprising: 請求項１９または２０に記載の燃料電池システムの使用方法において、
前記燃料電池の温度に応じて、前記燃料極に供給する燃料の量を設定するステップをさらに含み、
前記燃料を前記燃料極に供給するステップにおいて、前記燃料の量を調整するステップで設定された量の燃料を前記燃料極に供給することを特徴とする燃料電池システムの使用方法。The method of using the fuel cell system according to claim 19 or 20,
Further comprising the step of setting the amount of fuel to be supplied to the fuel electrode according to the temperature of the fuel cell;
In the step of supplying the fuel to the fuel electrode, an amount of fuel set in the step of adjusting the amount of the fuel is supplied to the fuel electrode. 請求項１９乃至２１いずれかに記載の燃料電池システムの使用方法において、
前記燃料電池の温度に応じて、前記酸化剤極に供給する酸化剤の量を設定するステップと、
前記酸化剤の量を設定するステップで設定された量の酸化剤を前記酸化剤極に供給するステップと、
をさらに含むことを特徴とする燃料電池システムの使用方法。The method of using the fuel cell system according to any one of claims 19 to 21,
Setting the amount of oxidant to be supplied to the oxidant electrode according to the temperature of the fuel cell;
Supplying an amount of the oxidant set in the step of setting the amount of the oxidant to the oxidant electrode;
A method for using a fuel cell system, further comprising: 請求項１９乃至２２いずれかに記載の燃料電池システムの使用方法において、
前記燃料極に供給する燃料または前記酸化剤極に供給する酸化剤の少なくとも一方を加熱するステップをさらに含むことを特徴とする燃料電池システムの使用方法。The method of using the fuel cell system according to any one of claims 19 to 22,
The method of using a fuel cell system, further comprising heating at least one of a fuel supplied to the fuel electrode or an oxidant supplied to the oxidant electrode.
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