专利名称：燃料电池系统和电压限制方法
技术领域：
本发明涉及通过甲醇等和氧之间的反应进行发电的燃料电池系统以及应用于这种燃料电池系统的电压限制方法。
背景技术：
在过去，由于燃料电池具有高发电效率而且不排出有害物质，所以实际上燃料电池已经用作工业发电设备和家用发电设备，或者用作人造地球卫星、宇宙飞船等的电源。此 夕卜，近年来，燃料电池逐渐被开发为诸如客车、公共汽车、运货卡车的车辆的电源。这样的 燃料电池分为碱性水溶液型燃料电池、磷酸型燃料电池、熔融碳酸盐型燃料电池、固体氧化 物型燃料电池、直接甲醇型燃料电池等种类。特别地，通过使用甲醇作为燃料氢源(fuel hydrogen source)的固体高分子电解质型DMFC(直接甲醇型燃料电池)能够提供高能量密 度。另外，DMFC不需要改质器(reformer)，因此能够小型化。因此，对作为小型可携带燃料 电池的DMFC进行进一步的研究。在DMFC中，使用了作为单位电池的MEA (膜电极组件)，其中，将固体高分子电解质 膜夹在两个电极之间，并且将所得物接合并一体化。使用一个气体扩散电极作为燃料电极 (负极)，并向这样的一个气体扩散电极的表面提供作为燃料的甲醇。结果，甲醇被分解，产 生氢离子(质子)和电子，氢离子透过固体高分子电解质膜。进一步地，使用另一气体扩散 电极作为氧电极(正极)，并且向另一气体扩散电极的表面提供作为氧化剂的空气。结果， 空气中的氧与上述氢离子和电子结合生成水。这样的电化学反应导致从DMFC产生电动势。过去，在这样的燃料电池中，已提出了能够出于各种目的而限制电动势的技术 (例如专利文献1至5)。[专利文献1]日本未审查专利申请公开第59-75570号[专利文献2]日本未审查专利申请公开第3-141560号[专利文献3]日本未审查专利申请公开第2003-115305号[专利文献4]日本未审查专利申请公开第2004-319437号[专利文献5]日本未审查专利申请公开第2006-196452号
发明内容
在上述专利文献1和2中，为了防止电池本体短路，提出了一种全部单位电池的电 动势不超过给定电压(例如，最大绝对额定电压)的电路。具体地，在专利文献1中，在全 部单位电池的电动势超过给定电压的情况下，由闸流晶体管等形成短路路径以消耗电力， 从而防止电动势超过给定电压。另外，在上述专利文献3中，提出了一种通过抑制开路电压的生成来防止接合单位电池的隔膜腐蚀的电路。使燃料电池劣化的主要原因的实例包括电极溶出现象。在该现象中，长期使用之后，电极被氧化变成离子，离子溶出至外部。随着电极电位的升高，这种溶出现象越来越显著地发生。因而，特别地，具有高电位的正极(例如钼)的溶出是很严重的。为了在理论上研究抑制这种电极溶出的方法，例如，图12示出的布拜图 (Pourbaix Diagram)作为参考。该布拜图是从能斯特方程(Nernst’s equation)导出的， 并且是以热力学方式示出了特定PH值和特定电位的稳定氧化态的示图。根据该布拜图，发 现为了抑制构成正极的钼的溶出(避免钼离子的状态)，应该降低PH，或者应该降低正极电 位。然而，由于难以应用主要被用作电解质膜的Nafion (注册商标)的替代材料，因而 很难调整PH值，所以实际上难以采用前一种降低pH的方法。同时，与前一种方法相比，后一种降低正极电位的方法相对容易实现。图13示出 了在直接甲醇型燃料电池中的电流-电压曲线(示出了电流和正极电位/负极电位/正极 和负极之间的电位差(电压)/输出之间的关系)。根据图13，正极电位不总是高的。仅在 电流较小(图中区域1和2中的区域2)的区域的情况下，变成溶出成为问题的高电位状态 (0. 85[V vs. SHE(标准氢电极)]以上)。也就是说，在实际用于稳定发电的区域1中，最初 正极电位不高。因而，发现为了保持低的正极电位(低电位状态0.85[V vs. SHE] 以下)，进 行“避免区域2的状态的控制”就足够了。另外，从图13中发现，在直接甲醇型燃料电池的 情况下，将正极电位和负极电位之间的电位差(即发电电压)保持在0. 33V以下就足够了。例如，专利文献4提出了通过控制操作温度和燃料浓度来避免区域2的状态以防 止正极的溶出的方法。然而，为了采用该方法，燃料浓度的传感器是必需的。进一步地，为 了获得“避免区域2的状态的控制”，必须始终连续监控操作温度和燃料浓度。因此，导致了 控制电路中的电力消耗的增加。结果，导致整个燃料电池系统的性能降低。另外，作为另一种方法，例如，专利文献5提出了一种向正极附近的构件添加难溶 (小溶度积)金属盐的化学方法。由于该方法与控制电路无关，所以不会出现如同上述专利 文献4的方法中的电力消耗的增加。然而，由于添加了燃料电池的化学反应原本不需要的 所谓的杂质，所以可能导致燃料电池本身性能的降低。如上所述，在现有的燃料电池中，在不增加发电时的电力消耗的情况下，难以防止 过高电动势(高电位)引起的正极的溶出。鉴于上述缺点，本发明的目的在于提供能够防止过高电动势引起的正极的溶出、 而不增加发电时的电力消耗的燃料电池系统以及电压限制方法。本发明的燃料电池系统包括发电部以及电压限制电路，该发电部包括具有正极 (氧电极)和负极(燃料电极)的单位电池。电压限制电路与发电部并联连接。在发电部 的电动势超过会产生正极的溶出的给定阈值电压的情况下，电压限制电路热消耗掉基于超 过阈值电压的超出部分电压的电力，从而将发电部的电动势限制为阈值电压以下。本发明的电压限制方法适用于包括发电部的燃料电池系统，该发电部包括具有正 极(氧电极)和负极(燃料电极)的单位电池。在该电压限制方法中，通过使用并联连接 至发电部的电压限制电路，在发电部的电动势超过会产生正极的溶出的给定阈值电压的情 况下，热消耗掉基于超过阈值电压的超出部分电压的电力，从而将发电部的电动势限制为 阈值电压以下。在本发明的燃料电池系统和电压限制方法中，在发电部的电动势超过会产生正极 的溶出的给定阈值电压时，电压限制电路热消耗掉基于超过阈值电压的超出部分电压的电力，从而将发电部的电动势限制为阈值电压以下。进一步地，在这样的电压限制操作中，不必像现有情况中那样不断地监测温度、燃料浓度、电压等。因而，不会导致在发电时的电力 消耗增加。根据本发明的燃料电池系统和电压限制方法，在发电部的电动势超过会产生正极 的溶出的给定阈值电压的情况下，热消耗掉基于超过阈值电压的超出部分电压的电能，从 而将发电部的电动势限制为阈值电压以下。因而，防止了由过高电动势引起的正极的高电 位，而不会导致发电时的电力消耗的增加，从而能够防止正极的溶出。
[图1]图1是示出了根据本发明第一实施方式的燃料电池系统的整体结构的电路 图；[图2]图2是示出了图1所示的发电部的结构实例的截面图；[图3]图3是示出了图1所示的发电部的结构实例的平面图；[图4]图4是说明图1所示的发电部的制造方法的截面图；[图5]图5是说明图1所示的发电部的制造方法的平面图；[图6]图6是示出了根据第一实施方式的一个修改例的燃料电池系统的整体结构 的电路图；[图7]图7是示出了根据第二实施方式的燃料电池系统的整体结构的电路图；[图8]图8是示出了根据第三实施方式的燃料电池系统的整体结构的电路图；[图9]图9是示出了根据第三实施方式的一个修改例的燃料电池系统的整体结构 的电路图；[图10]图10是示出了根据第三实施方式的另一修改例的燃料电池系统的整体结 构的电路图；[图11]图11是示出了根据第三实施方式的又一个修改例的燃料电池系统的整体 结构的电路图；[图12]图12是示出了钼的布拜图(pH和电位之间的关系图)的特性示图；[图13]图13是示出了燃料电池中的电流密度和电压/输出密度之间的关系的实 例的特性示图。
具体实施例方式以下将参考附图详细说明本发明的实施方式。[第一实施方式]图1示出了根据本发明第一实施方式的燃料电池系统(燃料电池系统1)的整体 结构。燃料电池系统1通过输出端子Tl和T2提供电力以驱动负荷5。例如，燃料电池系统 1是由产生电动势Vl的发电部10和作为将电动势Vl限制为给定电压(后述的阈值电压) 以下的电路的电压限制电路3构成的。发电部10是通过甲醇和氧之间的反应进行发电的直接甲醇型发电部。发电部10 包括多个具有正极(氧电极)和负极(燃料电极的)单位电池。关于发电部10的详细结 构，将稍后给出说明。
电压限制电路3与发电部10并联电连接，并且包括一个齐纳二极管D1。具体地， 齐纳二极管Dl的阴极通过连接点Pl和输出线LO与发电部的正极侧连接，并且齐纳二极管 Dl的阳极通过连接点P2和接地线LG与发电部10的负极侧连接。进一步地，齐纳二极管 Dl的击穿电压(齐纳电压)Vz与后述的电动势Vl的阈值电压Vp基本相等，例如是每单位电池0. 33V。接下来，将参照图2和图3给出发电部10的详细说明。图2和图3示出了单位电 池IOA至IOF的结构实例。图2对应于沿着图3的II-II线截取的截面图。例如，单位电 池IOA至IOF在面内方向上以3X2的矩阵形式配置，并具有通过多个连接构件20将各个 单位电池彼此串联电连接的平面层压(planar laminate)结构。单位电池IOA至IOF附接 有端子20A作为连接构件20A的延长部。在单位电池IOA至IOF的下方，设置容纳液体燃 料(例如，甲醇水)41的燃料箱40。各单位电池IOA至IOF具有相对配置的(其间具有电解质膜11)燃料电极(负极、 阳极电极)12和氧电极13 (正极、阴极电极)。例如，电解质膜11由具有磺酸基(-SO3H)的质子传导材料构成。质子传导材料的 实例包括聚全氟烷基磺酸质子传导材料(例如，“Nafion (注册商标)，”杜邦(Du Pont)制 造)、诸如聚酰亚胺砜酸的碳氢系质子传导材料、以及富勒烯系质子传导材料。例如，燃料电极12和氧电极13具有在例如由碳纸制成的集电体上形成含有诸如 钼(Pt)和钌(Ru)的催化剂的催化剂层的结构。例如，催化剂层是支撑催化剂的诸如碳黑 的支撑体分散在聚全氟烷基磺酸质子传导材料等中的层。可以将空气提供泵(未示出)与 氧电极13连接。此外，氧电极13可通过设置在连接构件20上的开口与外部连通，并且可 通过自然换气向该氧电极提供空气，即氧。连接构件20具有介于两个平坦部21和22之间的弯曲部23。平坦部21与一个单 位电池(例如10A)的燃料电极12接触，平坦部22与相邻单位电池(例如10B)的氧电极 13接触，从而相邻的两个单位电池(例如IOA和10B)串联电连接。另外，连接构件20具 有聚集各单位电池IOA至IOF中产生的电的集电体的作用。这样的连接构件20具有例如 150 μ m的厚度，由铜(Cu)、镍(Ni)、钛(Ti)或不锈钢(SUS)构成，并且可以镀有金(Au)、钼 (Pt)等。另外，连接构件20具有分别向燃料电极12和氧电极13提供燃料和空气的开口 (未示出)。例如，连接构件20由诸如延展金属、冲压金属等网状物(mesh)构成。弯曲部 23可根据单位电池IOA至IOF的厚度预先弯折。另外，在连接构件20由诸如厚度为200 μ m 以下的网状物的柔性材料构成的情况下，可在制造步骤中通过弯折形成弯曲部23。例如，通 过将设置在电解质膜11周围的诸如PPS(聚苯硫醚)和硅橡胶的密封材料(未示出)旋入 固定至连接件20，使这样的连接构件20与单位电池IOA至IOF接合。燃料箱40由即使液体燃料41增加或减少也不会使气泡等侵入内部的体积可变的 容器(例如，塑料袋)、覆盖容器的矩形固体盖(结构)构成。燃料箱40设置有大约位于燃 料箱40中央上方位置的燃料提供泵(未示出)，燃料提供泵用于吸入燃料箱40中的液体 燃料41，并从喷嘴(未示出)排出吸入的液体燃料41。从喷嘴排出的液体燃料通过泵的加压、毛细管现象等扩散至设置在燃料箱40上表面上的燃料扩散板(未示出)上，并向各单 位电池IOA至IOF提供液体燃料。可向单位电池IOA至IOF提供气化状态的液体燃料41。 另外，液态的液体燃料41可与燃料电极12接触。
例如，能够以如下方式制造燃料电池系统1。首先，将上述材料制成的电解质膜11夹在上述材料制成的燃料电极12和氧电极 13之间。通过热压结合将所得物接合在一起。从而，燃料电极12和氧电极13与电解质膜 11接合以形成单位电池IOA至10F。接下来，制备由上述材料制成的连接构件20。如图4和图5所示，6个单位电池 IOA至IOF以3X2的矩阵形式配置，并且通过连接构件20以串联方式彼此电连接。在电解 质膜11的周围设置由上述材料制成的密封材料(未示出)，并且将密封材料旋入并固定在 连接构件20的弯曲部23上。随后，将容纳液态燃料41并且设置有燃料提供泵(未示出)等的燃料箱40配置 在连接的单位电池IOA至IOF的燃料电极12侧，从而形成发电部10。上述电压限制电路3 与发电部10并联电连接。因此，完成了图1至图3所示的燃料电池系统1。在燃料电池系统1中，向各单位电池IOA至IOF的燃料电极12提供燃料，并引发 反应以生成质子和电子。质子通过电解质膜11移动至氧电极13，与电子和氧反应生成水。 从而，液体燃料41 (即甲醇)的部分化学能转化成电能，该电能通过连接构件20聚集，并作 为电流(输出电流II)从发电部10提取。通过输出端子Tl和T2提供输出电流Il以及发 电部10的电动势VI，从而驱 动负荷5。在发电部10的电动势Vl的值小于等于产生各单位电池IOA至IOF的正极的溶出 的阈值电压Vp (VI ( Vp)的情况下，如前所述，阈值电压Vp基本上等于电压限制电路3中 的齐纳二极管Dl的击穿电压Vz。因而，不是输出电流流向齐纳二极管Dl侧，而是输出电 流Il直接提供至负荷5侧。S卩，当Vl < Vp时，不存在由于发电部10的电动势Vl导致各 单位电池IOA至IOF的正极的溶出的可能性。因此，电动势Vl直接提供至负荷5侧。同时，在发电部10的电动势Vl超过阈值电压Vp (VI > Vp)的情况下，为了防止各 单位电池IOA至IOF的正极的溶出，通过电压限制电路3热消耗掉基于超过阈值电压Vp的 超出部分的电压AV( = Vl-Vp)的电力。具体地，因为超过阈值电压Vp的超出部分的电压 AV造成电动势Vl超过齐纳二极管Dl的击穿电压Vz，所以作为图1所示的输出电流12的 电流流向齐纳二极管D1。从而，齐纳二极管Dl的电阻成分热消耗掉基于电压ΔΥ的电力， 并将其释放至外部。因此，发电部10的电动势Vl被限制为阈值电压Vp以下。进一步地，在电压限制电路3进行电压限制操作时，与现有情况不同，无需不断地 监控发电部10的温度、液体燃料41的燃料浓度、发电部10的电动势Vl等。因而，不会引 起由电压限制操作导致的发电时的电力消耗的增加。如上所述，在该实施方式中，在发电部10的电动势Vl超过产生各单位电池IOA至 IOF的正极的溶出的给定阈值电压Vp的情况下，限制电路3热消耗掉基于超过阈值电压的 超出部分的电压ΔΥ的电能。从而，将发电部10的电动势Vl限制为阈值电压Vp以下。结 果，能够抑制过高电动势导致的各单位电池IOA至IOF的正极的溶出，而不增加发电时的电 力消耗。具体地，电压限制电路3包括整流器。整流器的阴极连接至发电部10的正极侧，整 流器的阳极连接至发电部10的负极侧。因而，能够抑制过高电动势导致的各单位电池IOA 至IOF的正极的溶出，而不增加发电时的电力消耗。进一步地，整流器由齐纳二极管Dl构成。因而，整流器的击穿电压能够精确确定，从而能够进行严格的电压限制操作。例如，如图6所示的燃料电池系统IA中的电压限制电路3A，电压限制电路中的整 流器可以由多个彼此直接电连接的二极管D21至D2n构成。具体地，各二极管D21至D2n可 配置为阳极与发电部10的正极侧(连接点Pl侧)相对，而阴极与发电部10的负极侧(连 接点P2侧)相对。进一步地，各二极管D21至D2n的总电压降VR被设置为与阈值电压Vp 基本相等。在具有这种结构的电压限制电路3A中，在发电部10的电动势Vl超过阈值电压 Vp (VI > Vp)的情况下，作为图中所示的输出电流13的电流流向各二极管D21至D2n，从而 各二极管D21至D2n的电阻成分热消耗掉基于电压Δ V的电能，并将其释放至外部。因而， 通过与该实施方式类似的操作，获得了类似的效果。进一步地，由于整流器由多个二极管构 成，所以整流器中的泄漏电流可能较小。[第二实施方式]接下来，将给出本发明第二实施方式的说明。对于那些与第一实施方式相同的元 件，采用相同的参考符号，并适当省略对其的说明。图7示出了根据本实施方式的燃料电池系统(燃料电池系统1Β)的整体结构。燃 料电池系统IB与图1所示的第一实施方式的燃料电池系统1类似，只是设置了电压限制电 路3Β来代替电压限制电路3。电压限制电路3Β与发电部10并联电连接，并且由分路调节器31、电阻器RO和Rk、 以及构成第一电阻分压器的电阻器Rl和R2构成。具体地，分路调节器31被配置成阴极与 发电部10的正极侧(连接点P4侧)相对，阳极与发电部10的负极侧(连接点P5侧)相 对。进一步地，分路调节器31的参考端子与连接点P3连接。进一步地，电阻器Rl和R2彼 此串联地电连接在连接点Pl和P2之间，并与发电部10和分路调节器31并联电连接。电 阻器Rl和R2起到第一电阻分压器的作用，该第一电阻分压器向分路调节器31的参考端子 提供发电部10的电动势Vl的分压电压(参考电压Vref = VI* (r2/(rl+r2), rl和r2是电 阻器Rl和R2的电阻值)。进一步地，将电阻器RO配置在发电部10的正极侧和分路调节器 31的阴极之间(插入在发电部10的正极和连接点Pl之间)。电阻器Rk与发电部10和上 述第一电阻分压器并联连接，并与分路调节器31串联连接(插入在连接点P4和分路调节 器的阴极之间)。上述电动势Vl与阈值电压Vp基本上相等，例如是每单位电池0. 33V。在燃料电池系统IB中，在发电部10的电动势Vl的值小于等于产生各单位电池 IOA至IOF的正极的溶出的阈值电压Vp (VI ( Vp)的情况下，向分路调节器31的参考端子 提供的电动势Vl的分压电压(参考电压Vref)低于分路调节器31的操作电压。从而，不是输出电流流向分路调节器31侧，而是输出电流Il直接提供至负荷5侧。也就是说，当 Vl ( Vp时，不存在由于发电部10的电动势Vl导致各单位电池IOA至IOF的正极的溶出的 可能性。从而，电动势Vl直接提供至负荷5侧。同时，在发电部10的电动势Vl超过阈值电压Vp(Vl> Vp)的情况下，为了防止各 单位电池IOA至IOF的正极的溶出，电压限制电路3B热消耗掉基于超过阈值电压的超出部 分的电压Δν( = Vl-Vp)的电力。具体地，由于电动势Vl的分压电压(参考电压Vref)高 于分路调节器31的操作电压，分路调节器31变成导通状态。因此，由于超过阈值电压的超 出部分的电压的原因，作为图7所示的输出电流14的电流流向分路调节器31。因此， 稳压器31的电阻成分热消耗掉基于电压△ V的电能，并将其释放至外部。因此，将发电部10的电动势Vl限制为阈值电压Vp以下。 如上所述，在该实施方式中，通过与第一实施方式类似的操作，能够获得类似的效 果。即，能够抑制过高电动势导致的各单位电池IOA至IOF的正极的溶出，而不增加发电时 的电力消耗。具体地，由于电压限制电路3B包括分路调节器31，分路调节器31的阴极与发电部 10的正极侧相对，而阳极与发电部10的负极侧相对，因此能够获得上述效果。进一步地，电压限制电路3B具有与发电部10和稳压器31并联电连接、并向分路 调节器31的参考端子提供发电部10的电动势Vl的分压电压(参考电压Vref)的第一电 阻分压器(由电阻器Rl和R2构成)。因而，能够向稳压器31的参考端子提供基于阈值电 压Vp的操作电压。进一步地，电压限制电路3B具有在发电部10的正极侧和分路调节器31的阴极之 间的电阻器R0。因而，能够限制流向分路调节器31的电流13的大小。进一步地，电压限制电路3B具有与发电部10和第一电阻分压器并联连接并与分 路调节器31串联连接的电阻器Rk(第二电阻器)。因而，在电压限制操作期间，能够由分路 调节器31和电阻器Rk 二者来执行将基于电流13的电力转换成热的操作。在某些情况下，电压限制电路中可以不设置上述电阻器RO和Rk。[第三实施方式]接下来，将给出本发明第三实施方式的说明。对于那些与第一和第二实施方式相 同的元件，采用相同的参考符号，并适当省略对其的说明。图8示出了根据该实施方式的燃料电池系统(燃料电池系统1C)的整体结构。燃 料电池系统IC与图1示出的第一实施方式的燃料电池系统1类似，只是设置了电压限制电 路3C来代替电压限制电路3。电压限制电路3C与发电部10并联电连接，并由作为双极晶体管的NPN晶体管 Trl、电阻器RE以及构成第二电阻分压器的电阻器R3和R4构成。具体地，NPN晶体管Trl 与电阻器Rk(第三电阻器)串联电连接，并且与发电部10并联电连接。进一步地，关于NPN 晶体管Trl，其基极连接至连接点P3，其发射极连接至连接点P5侧(电阻器RE的一端)，其 集电极连接至连接点P4。进一步地，电阻器R3和R4串联电连接在连接点Pl和P2之间， 并且与发电部10和NPN晶体管Trl并联连接。电阻器R3和R4用作第二电阻分压器，其向 NPN晶体管Trl的基极提供发电部10的电动势Vl的分压电压(基极电压VB = Vl*(r4/ (r3+r4)，r3和r4是电阻器R3和R4的电阻值)。进一步地，关于电阻器RE，一端连接至NPN 晶体管的发射极，而另一端连接至连接点P5。上述电动势Vl基本上等于阈值电压Vp，例如 为每单位电池0. 33V。在本发明中，该NPN晶体管Trl对应于“晶体管”的具体实例。在燃料电池系统IC中，在发电部10的电动势Vl的值小于等于产生各单位电池 IOA至IOF的正极的溶出的给定阈值电压Vp (VI彡Vp)的情况下，向NPN晶体管Trl的基 极端子提供的电动势Vl的分压电压(基极电压VB)低于NPN晶体管Trl的导通电压。从 而，不是输出电流流向NPN晶体管Trl侧，而是输出电流Il直接提供至负荷5侧。S卩，在 Vl ( Vp的情况下，不存在由于发电部Vl的电动势Vl导致各单位电池IOA至IOF的正极的 溶出的可能性。从而，电动势Vl直接提供至负荷5侧。同时，在发电部10的电动势Vl超过产生单位电池10的正极的溶出的给定阈值电压Vp (VI > Vp)的情况下，为了防止各单位电池IOA至IOF的正极的溶出，电压限制电路3C 热消耗掉基于超过阈值电压Vp的超出部分的电压Δν( = Vl-Vp)的电力。具体地，由于电 动势Vl的分压电压(基极电压VB)高于NPN晶体管Trl的导通电压，所以NPN晶体管Trl 变成导通状态。因而，由于超过阈值电压Vp的超出部分的电压AV的原因，作为图7所示 的输出电流15的电流流向NPN晶体管Trl和电阻器RE。因此，电阻器RE热消耗掉基于电 压Δ V的电能，并将其释放至外部。因此，将发电部10的电动势Vl限制为阈值电压Vp以 下。如上所述，在该实施方式中，通过与第一和第二实施方式类似的操作，能够获得类 似的效果。即，能够抑制过高电动势导致的各单位电池IOA至IOF的正极的溶出，而不增加发电时的电力消耗。具体地，电压限制电路3C具有彼此串联并与发电部10并联连接的NPN晶体管Trl 和电阻器RE3，以及与发电部10并联连接并且提供发电部10的电动势Vl的分压电压以在 NPN晶体管Trl的导通操作和截止操作之间切换的第二电阻分压器(由电阻器R3和R4构 成)。因而，能够获得上述效果。例如，如图9所示的燃料电池系统1D，电压限制电路3D可以具有多个双极晶体管 (在本情况下为由基极电压VBl和VB2确定的两个NPN晶体管Trl和Tr2)，并且多个双极 晶体管可彼此复合连接(达林顿连接，Darlington connection) 0在这种结构的情况下，在 电压限制操作时流入晶体管的电流(电流16)能够大于该实施方式中描述的电流15，并且 能够更有效地执行电压限制操作。 此外，例如，如图10所示的燃料电池系统1E，在电压限制电路3E中，晶体管可以是 场效应晶体管(在本情况下为N沟道FET) Tr3,并且场效应晶体管Tr3可以配置成使得将第 二电阻分压器的分压电压(栅极电压VG)提供给栅极端子。在这种结构的情况下，电压限 制电路的电流消耗(图中电流17的电流消耗)能够小于在该实施方式中所描述的双极晶 体管的情况。进一步地，例如，如在图11中所示的燃料电池系统1F，电压限制电路3F可具有 能够调节第二电阻分压器的分压电压(基极电压VB)的大小的可变电阻器Rv。具体地， 将可变电阻器Rv插入电阻器R3和R4之间。在这种情况下，基极电压VB表示为VB = Vl (Vp) * ((r4+rv4) / (r3+rv3+r4+rv4) (rv3和rv4是可变电阻器Rv的电阻值中在电阻器R3 侧或电阻器R4侧的分电阻值)。在这种结构的情况下，能够精细调整基极电压VB的设定 值。这样的可变电阻器Rv可设置在图9和图10示出的电压限制电路3D和3E中。虽然在该实施方式和其修改例中，给出了晶体管是NPN晶体管或N沟道FET的情 况的说明，然而，晶体管可以是PNP晶体管或P沟道FET。已参照第一至第三实施方式对本发明进行了说明。然而，本发明不限于这些实施 方式，并可进行各种变形。例如，在上述实施方式中，已给出了发电部10包括六个彼此串联电连接的单位电 池的情况的说明，但是单位电池的数量不限于此。例如，发电部10可由一个单位电池构成， 或者由两个以上给定的多个单位电池构成。此外，在上述实施方式中，已给出了直接甲醇型燃料电池系统的说明。然而，本发 明还能够应用于其他类型的燃料电池系统。
本发明的燃料电池系统可适用于诸如移动电话、电子照相机、电子数据库以及PDA(个人数字助理)的移动电子装置。
权利要求
一种燃料电池系统，包括发电部，包括具有正极和负极的单位电池，其中所述正极为氧电极，所述负极为燃料电极；以及电压限制电路，并联连接至所述发电部，并且在所述发电部的电动势超过会产生所述正极的溶出的给定阈值电压的情况下，热消耗掉基于超过所述阈值电压的超出部分电压的电力，从而将所述发电部的电动势限制为所述阈值电压以下。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，当所述负极的发电电位是x[Vvs. SHE] 时，每单位电池的阈值电压是(0.85-x) [V]以下。
3.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其中，所述单位电池由氢燃料电池构成，以及 每单位电池的阈值电压是0.85[V]以下。
4.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其中，所述单位电池由直接甲醇型燃料电池 构成，以及每单位电池的阈值电压是0.33[V]以下。
5.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述电压限制电路包括齐纳二极管，以及所述齐纳二极管的阴极连接至所述发电部的正极侧，所述齐纳二极管的阳极连接至所 述发电部的负极侧。
6.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述电压限制电路包括彼此串联的多 个二极管，以及各个所述二极管被配置成各个阳极均与所述发电部的正极侧相对，各个阴极均与所述 发电部的负极侧相对。
7.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述电压限制电路包括分路调节器，以及所述分路调节器被配置成阴极与所述发电部的正极侧相对，阳极与所述发电部的负极 侧相对。
8.根据权利要求7所述的燃料电池系统，其中，所述电压限制电路具有与所述发电部 和所述分路调节器并联、向所述分路调节器的参考端子提供所述发电部的电动势的分压电 压的第一电阻分压器。
9.根据权利要求8所述的燃料电池系统，其中，所述电压限制电路具有在所述发电部 的正极侧和所述分路调节器的阴极之间的第一电阻器。
10.根据权利要求8所述的燃料电池系统，其中，所述电压限制电路具有与所述发电部 和所述第一电阻分压器并联连接并与所述分路调节器串联的第二电阻器。
11.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述电压限制电路具有 晶体管和第三电阻器，彼此串联连接并与所述发电部并联连接；以及第二电阻分压器，与所述发电部并联连接、提供所述发电部的电动势的分压电压以切 换所述晶体管的导通操作和截止操作。
12.根据权利要求11所述的燃料电池系统，其中，所述晶体管是双极晶体管，以及 所述双极晶体管被配置成向基极端子提供所述第二电阻分压器的分压电压。
13.根据权利要求12所述的燃料电池系统，其中，所述电压限制电路具有多个所述双极晶体管，以及多个所述双极晶体管彼此复合连接，所述复合连接为达林顿连接。
14.根据权利要求11所述的燃料电池系统，其中，所述晶体管是场效应晶体管FET，以及所述场效应晶体管被配置成向栅极端子提供所述第二电阻分压器的分压电压。
15.根据权利要求11所述的燃料电池系统，其中，所述电压限制电路具有能够调整所 述第二电阻分压器的分压电压的大小的可变电阻器。
16.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述发电部包括彼此串联电连接的多 个所述单位电池。
17.—种电压限制方法，适用于包括发电部的燃料电池系统，所述发电部包括具有正极 和负极的单位电池，其中所述正极为氧电极，所述负极为燃料电极，其中使用与所述发电部并联连接的电压限制电路，在所述发电部的电动势超过会产生所述 正极的溶出的给定阈值电压的情况下，热消耗掉基于超过所述阈值电压的超出部分电压的 电力，从而将所述发电部的电动势限制为所述阈值电压以下。
全文摘要
一种燃料电池系统，其能够抑制过高电动势造成的正极的溶出，而不增加发电时的电力消耗。在发电部(10)的电动势V1超过会产生各单位电池(10A～10F)的正极的溶出的给定阈值电压Vp的情况下，在限制电路(3)中热消耗掉基于超过阈值电压的超出部分的电压ΔV的电力，从而将发电部(10)的电动势V1限制为阈值电压Vp以下。电压限制电路包括齐纳二极管、分路调节器、晶体管等。
文档编号H01M8/04GK101803092SQ200880106928
公开日2010年8月11日 申请日期2008年9月18日 优先权日2007年9月19日
发明者井上芳明, 志村重辅 申请人:索尼公司