(57)【要約】【課題】水素を迅速に供給することができる応答性に優れた電気化学セルシステムを提供する。【解決手段】電池１１０の電極または該電極の近傍に設けられて該電極に電気的に接続され、通電により水素を吸蔵または放出する水素吸蔵合金と、電池１１０で使用される水素を水素吸蔵合金が放出するように、電極の通電状態を制御する制御手段１６０と、を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電池の電極または該電極の近傍に設けられて該電極に電気的に接続され、通電により水素を吸蔵または放出する水素吸蔵合金と、
前記電池で使用される水素を前記水素吸蔵合金が放出するように、前記電極の通電状態を制御する制御手段と、を有することを特徴とする電気化学セルシステム。
【請求項２】
前記電池は、水素および酸素の供給を受けて電力を生成する燃料電池であって、
前記電極は、水素の供給を受ける燃料極であることを特徴とする請求項１に記載の電気化学セルシステム。
【請求項３】
前記水素吸蔵合金は、前記燃料極の触媒層に粉末状に設けられていることを特徴とする請求項２に記載の電気化学セルシステム。
【請求項４】
前記水素吸蔵合金は、前記燃料極にメッシュ板状または多孔質状に設けられていることを特徴とする請求項２に記載の電気化学セルシステム。
【請求項５】
前記水素吸蔵合金は、０．１〜２００ｍ２／ｇの比表面積を有することを特徴とする請求項３または４に記載の電気化学セルシステム。
【請求項６】
前記水素吸蔵合金は、１×１０−１０Ｓ／ｃｍ以上の電気伝導度を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の電気化学セルシステム。
【請求項７】
前記水素吸蔵合金は、パラジウム、パラジウム合金、希土類元素−ニッケル合金、チタン−鉄合金、およびチタン−クロム合金からなる群から選択される少なくとも１種を含むことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の電気化学セルシステム。
【請求項８】
前記制御手段は、前記水素吸蔵合金に応じて定まる水素放出電位領域に前記水素吸蔵合金の電位が達するように前記燃料極の通電状態を制御して、前記水素吸蔵合金から水素を放出させることを特徴とする請求項２に記載の電気化学セルシステム。
【請求項９】
前記水素吸蔵合金に印加される電圧と電流との関係を示す特性曲線は、前記水素放出電位領域において極大点を呈し、
前記制御手段は、前記水素放出電位領域の極大点近傍に前記水素吸蔵合金の電位が達するように、前記燃料極の通電状態を制御することを特徴とする請求項８に記載の電気化学セルシステム。
【請求項１０】
前記燃料電池のセル電圧を検出する第１検出手段をさらに有し、
前記制御手段は、前記燃料電池に供給される水素の欠乏に起因して前記セル電圧が低下する場合、前記燃料極の通電状態を制御することを特徴とする請求項２に記載の電気化学セルシステム。
【請求項１１】
前記制御手段は、前記燃料電池にかかる負荷を変動させることによって、前記燃料極の通電状態を制御することを特徴とする請求項２に記載の電気化学セルシステム。
【請求項１２】
前記制御手段は、外部の二次電池から電力を供給することによって、前記燃料極の通電状態を制御することを特徴とする請求項２に記載の電気化学セルシステム。
【請求項１３】
前記制御手段は、前記水素吸蔵合金が水素を放出するように、前記燃料極を流れる電流を増加させることを特徴とする請求項２に記載の電気化学セルシステム。
【請求項１４】
前記制御手段は、所定の電流値だけ前記燃料極を流れる電流を増加させることを特徴とする請求項１３に記載の電気化学セルシステム。
【請求項１５】
前記制御手段は、前記水素吸蔵合金が水素を放出するように、水素の欠乏に起因して増加する前記燃料極の電位を維持することを特徴とする請求項２に記載の電気化学セルシステム。
【請求項１６】
前記制御手段は、前記水素吸蔵合金が水素を放出する状態を所定時間維持することを特徴とする請求項２に記載の電気化学セルシステム。
【請求項１７】
前記制御手段は、水素の欠乏に起因して低下する前記燃料電池のセル電圧が回復するまで、前記水素吸蔵合金が水素を放出する状態を維持することを特徴とする請求項２に記載の電気化学セルシステム。
【請求項１８】
前記燃料極の電位を検出する第２検出手段をさらに有し、
前記制御手段は、前記燃料電池に供給される水素の欠乏に起因して前記燃料極の電位が閾値以上になる場合、前記燃料極の通電状態を制御することを特徴とする請求項２に記載の電気化学セルシステム。
【請求項１９】
前記制御手段は、参照極の電位を基準として前記燃料極の電位を制御するポテンショスタットを有し、
前記ポテンショスタットは、前記水素吸蔵合金が水素を放出するように、前記燃料極の電位を上昇させることを特徴とする請求項１８に記載の電気化学セルシステム。
【請求項２０】
請求項１に記載の電気化学セルシステムを電池の水素供給源として搭載したことを特徴とする車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気化学セルシステムおよびこれを搭載した車両に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境負荷の少ない電源として、燃料電池が注目されている。燃料電池は、酸素および水素の供給を受けて電力を生成する。燃料電池に水素を供給する技術としては、たとえば、特許文献１に開示されている燃料電池システムが知られている。
【０００３】
特許文献１の燃料電池システムは、水素ガスが供給される燃料電池の負極部もしくはその近傍に水素吸蔵合金からなる水素吸蔵手段を備える。このような構成の燃料電池システムによれば、燃料電池に要求される電気的な出力が大きく変動する際に、水素吸蔵手段から補助的に水素が供給されるため、発電性能の安定性が向上する。
【特許文献１】特開２００１−００６６９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記燃料電池システムでは、水素圧力によって水素吸蔵合金からの水素の放出が制御されるため、応答性が低く、急激な水素の欠乏には対応することができないという問題がある。
【０００５】
本発明は、上記の問題を解決するためになされたものである。したがって、本発明の目的は、水素を迅速に供給することができる応答性に優れた電気化学セルシステムを提供することである。
【０００６】
また、本発明の他の目的は、上記電気化学セルシステムを搭載した車両を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の上記目的は、下記の手段によって達成される。
【０００８】
本発明の電気化学セルシステムは、電池の電極または該電極の近傍に設けられて該電極に電気的に接続され、通電により水素を吸蔵または放出する水素吸蔵合金と、前記電池で使用される水素を前記水素吸蔵合金が放出するように、前記電極の通電状態を制御する制御手段と、を有することを特徴とする。
【０００９】
本発明の車両は、上記電気化学セルシステムを電池の水素供給源として搭載したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の電気化学セルシステムによれば、電池に水素を迅速に供給することができる。
【００１１】
本発明の車両によれば、電池に水素が迅速に供給されるため、安定性が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、添付の図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、以下の実施の形態では、本発明を燃料電池自動車の燃料電池システムに適用した場合を例にとって説明する。
【００１３】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態における電気化学セルシステムが用いられた燃料電池システムの概略構成を示す図である。以下に説明する本実施の形態の電気化学セルシステムは、燃料電池に供給される水素が欠乏した場合に、水素吸蔵合金を含む燃料電池のアノード（燃料極）の通電状態を制御して水素吸蔵合金から水素を放出させることにより、燃料電池に水素を補助的に供給するものである。
【００１４】
図１に示すとおり、本実施の形態の燃料電池システム１００は、燃料電池１１０、燃料タンク１２０、検出部１３０、負荷１４０、二次電池１５０、および制御部１６０を備える。
【００１５】
燃料電池１１０は、水素および酸素の供給を受けて電力を生成するものである。燃料電池１１０は、単位電池としての単セルが複数積層されて構成される。燃料電池１１０の各単セルは、通電により水素を放出または吸蔵する水素吸蔵合金をアノードに含む。燃料電池１１０についての詳細な構成については後述する。
【００１６】
燃料タンク１２０は、燃料電池１１０に供給されるアノードガス（水素を含む燃料ガス）を貯蔵するものである。燃料タンク１２０は、水素供給用配管を通じて、燃料電池１１０のアノードにアノードガスを供給する。
【００１７】
検出部１３０は、第１検出手段として、燃料電池１１０のセル電圧を検出するものである。検出部１３０は、燃料電池１１０に取り付けられる電圧センサを含み、燃料電池１１０を構成する複数の単セルのうち一の単セルのセル電圧を検出する。
【００１８】
負荷１４０は、燃料電池１１０が生成した電力を消費するものである。負荷１４０は、燃料電池１１０に電気的に並列に接続されている。本実施の形態の負荷１４０は、燃料電池自動車を駆動させるための駆動モータおよび燃料電池１１０の補機を含む。
【００１９】
二次電池１５０は、燃料電池１１０が生成した電力のうち余剰な電力を貯蔵するものである。二次電池１５０は、燃料電池１１０に電気的に並列に接続されている。二次電池１５０は、制御部１６０で制御されるスイッチ（不図示）を用いて燃料電池１１０との接続／切断が切り替えられる。二次電池１５０は、たとえば、鉛蓄電池である。なお、本明細書において電気的に接続するという表現は、直接的に接続されている場合および他の部材（たとえば、スイッチ）を介して接続されている場合の両方を含む。
【００２０】
制御部１６０は、制御手段として、検出部１３０からの信号を受信し、これらの信号に基づいて、負荷１４０を制御するものである。より具体的には、制御部１６０は、燃料タンク１２０から燃料電池１１０に供給される水素が欠乏した場合に、燃料電池１１０から取り出す電流を増加させることによって、燃料電池１１０のアノードに含まれる水素吸蔵合金から水素を放出させる。
【００２１】
次に、図２を参照しつつ、本実施の形態における燃料電池１１０の構成を説明する。本実施の形態の燃料電池１１０は、アノードガスとカソードガス（酸素を含む酸化剤ガス）との反応により起電力を生じる単位電池としての単セルが複数積層されて構成されたものであり、各単セルのアノードには、通電により水素を吸蔵または放出する水素吸蔵合金が設けられている。
【００２２】
図２は、図１に示す燃料電池システムにおける燃料電池のセル構造を示す斜視図である。図２に示すとおり、燃料電池１１０を構成する各単セル１１１は、ＭＥＡ１１２と、ＭＥＡ１１２の両面にそれぞれ配置されるセパレータ１１３とから構成される。
【００２３】
ＭＥＡ１１２は、固体高分子電解質膜１１４と、固体高分子電解質膜１１４を両側から挟み込むアノード１１５およびカソード１１６と、を有する。固体高分子電解質膜１１４は、水素イオンを通す高分子電解質膜から構成される。アノード１１５は、アノード触媒層１１５Ａおよびガス拡散層１１５Ｂから構成され、カソード１１６は、カソード触媒層１１６Ａおよびガス拡散層１１６Ｂから構成される。さらに、本実施の形態におけるアノード１１５は、通電により水素を吸蔵または放出する水素吸蔵合金を有する。本実施の形態では、アノード触媒層１１５Ａの白金または白金合金を含む触媒粉末に、水素吸蔵合金として、粉末状のパラジウム（Ｐｄ）またはパラジウム合金が混合される。
【００２４】
セパレータ１１３は、導電性を有する材料により形成される。セパレータ１１３の一方の面の発電に寄与するアクティブ領域には、ＭＥＡ１１２にアノードガスを流通させるアノードガス流路１１７Ａをなす溝部１１７が形成されている。一方、セパレータ１１３の他方の面のアクティブ領域には、ＭＥＡ１１２にカソードガスを流通させるカソードガス流路１１８Ａをなす溝部１１８が形成されている。アノードガスは、アノードガス導入口より導入されて溝部１１７を流れ、アノードガス排出口より排出される。カソードガスは、カソードガス導入口より導入されて溝部１１８を流れ、カソードガス排出口より排出される。
【００２５】
アノードガス流路１１７Ａおよびカソードガス流路１１８Ａにアノードガスおよびカソードガスをそれぞれ流通させると、（１）式に示すとおり、水素はアノード触媒層１１５Ａの触媒作用で水素イオンに変わり電子を放出する。
【００２６】
Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−…（１）
電子を放出した水素イオンは固体高分子電解質膜１１４を通過する。カソード触媒層１１６Ａでは固体高分子電解質膜１１４を通過してきた水素イオンと外部回路（不図示）を経由してきた電子がカソードガス中に含まれる酸素と反応して水を生成する。この作用によってアノード１１５がマイナスに、カソード１１６がプラスになり、図２に示すとおり、アノード１１５とカソード１１６との間で直流電圧が発生する。この直流電圧は、検出部１３０によって検出される。通常、アノード１１５を流通するアノードガスは、燃料タンク１２０から供給される。本実施の形態の燃料電池システム１００では、燃料タンク１２０から供給されるアノードガスが欠乏する場合には、アノード１１５に含まれる水素吸蔵合金から水素が放出されて燃料電池１１０の電解質膜１１４に補助的に供給される。
【００２７】
次に、図３を参照しつつ、本実施の形態における水素吸蔵合金について説明する。上述したとおり、本実施の形態の水素吸蔵合金は、通電により水素を吸蔵または放出するものであり、アノード触媒層１１５Ａに粉末状に設けられている。
【００２８】
図３は、図２に示す燃料電池のアノードに設けられる水素吸蔵合金の電圧−電流特性を示す図である。図３の横軸は、水素吸蔵合金に印加される電圧を示し、縦軸は、水素吸蔵合金を流れる電流を示す。上述したとおり、本実施の形態の水素吸蔵合金は、通電により水素を吸蔵または放出する。
【００２９】
図３に示すとおり、本実施の形態の水素吸蔵合金は、燃料電池１１０が通常使用される通常発電領域において、燃料タンク１２０から燃料電池１１０に供給される水素を吸蔵する。一方、水素吸蔵合金に印加される電圧および電流が通常発電領域よりも高い水素放出電位領域では、水素吸蔵合金は、内部に含有する水素を放出する。本実施の形態では、（２）式に示すとおり、パラジウムまたはパラジウム合金から水素が解離する際に、電子およびプロトンが生成されるものと考えられる。
【００３０】
Ｈ（ａｂ）→Ｈ＋＋ｅ−…（２）
このような水素放出電位領域は、水素吸蔵合金の材質によって定まり、パラジウム合金の場合、８０ｍＶ付近の領域である。また、図３に示すとおり、水素吸蔵合金に印加される電圧と電流との関係を示す特性曲線は、水素放出電位領域において極大点を呈する。
【００３１】
なお、本実施の形態では、水素酸化反応における活性が比較的に高く、水素吸蔵量性能が高い点から、水素吸蔵合金としてパラジウムまたはパラジウム合金を用いる。しかしながら、本実施の形態とは異なり、水素吸蔵合金としては、希土類元素−ニッケル合金、チタン−鉄合金、チタン−クロム合金などを用いることができ、特に、パラジウムの代替材料としては、パラジウムの次に水素酸化反応活性と水素吸蔵性能が高い希土類元素−ニッケル合金を用いることが好ましい。また、水素吸蔵合金は、アノード触媒層１１５Ａで効率的に電子を受け渡す見地から、１×１０−１０以上の電気伝導度を有することが好ましい。さらに、本実施の形態の水素吸蔵合金は、効果的に水素を吸蔵または放出する見地から、０．１ｍ２／ｇ以上の比表面積を有することが好ましく、かつ、水素吸蔵合金の耐久性を維持する見地から、２００ｍ２／ｇ未満の比表面積を有することが好ましい。
【００３２】
以上のとおり構成される本実施の形態の電気化学セルシステムおよびこれを用いた燃料電池システム１００によれば、燃料タンク１２０から燃料電池１１０に供給されるアノードガスが欠乏する場合、水素吸蔵合金を含むアノード１１５の通電状態が制御されることによって、水素吸蔵合金から水素が放出され、電解質膜１１４に補助的に供給される。以下、本実施の形態の水素発生処理について説明する。
【００３３】
図４は、図１に示す燃料電池システムにおける水素発生処理を示すフローチャートである。本実施の形態の水素発生処理は、たとえば、燃料電池自動車の急峻な加速またはアノードフラッディングなどにより、燃料タンク１２０から燃料電池１１０に供給される水素が欠乏した場合に、水素吸蔵合金を含む燃料電池１１０のアノード１１５の通電状態を制御して水素吸蔵合金から水素を放出させることにより、水素の欠乏を補うものである。
【００３４】
図４に示すとおり、本実施の形態の水素発生処理によれば、まず、燃料電池１１０のセル電圧が検出される（ステップＳ１０１）。本実施の形態では、検出部１３０によって燃料電池１１０の端部に位置する単セル１１１のセル電圧が検出される。
【００３５】
次に、セル電圧が閾値未満か否かが判断される（ステップＳ１０２）。セル電圧が閾値未満の場合（ステップＳ１０２：ＹＥＳ）、燃料タンク１２０から供給される水素が欠乏していると判断されて、ステップＳ１０３以下の処理に移行する。一方、セル電圧が閾値以上の場合（ステップＳ１０２：ＮＯ）、水素の欠乏が発生するまで待機する。
【００３６】
以上のとおり、ステップＳ１０１〜Ｓ１０２に示す処理によれば、セル電圧の急激な低下を検知することによって、燃料タンク１２０から燃料電池１１０に供給される水素の欠乏が検知される。なお、本実施の形態とは異なり、たとえば、水素供給用配管に圧力センサを設け、燃料タンク１２０から燃料電池１１０に供給される水素の圧力低下を検知することによって、水素の欠乏を検知することもできる。
【００３７】
次に、燃料電池１１０に供給される水素が欠乏していると判断された場合、燃料電池１１０から取り出される電流が増加される（ステップＳ１０３）。本実施の形態では、たとえば、駆動モータの回転数を上昇させ、電流負荷を増大させることによって、燃料電池１１０から取り出される電流を増加させる。このようにすると、燃料電池１１０から取り出される電流の増加にともなって、燃料電池１１０のアノード１１５に設けられる水素吸蔵合金を流れる電流が増加して、水素吸蔵合金の電位が通常発電領域から水素放出電位領域の極大点に向かって上昇する。
【００３８】
次に、セル電圧が検出され、検出されたセル電圧が上昇しているか否かが判断される（ステップＳ１０４，Ｓ１０５）。セル電圧が上昇している場合（ステップＳ１０５：ＹＥＳ）、水素吸蔵合金の電位が水素放出電位領域の極大点に到達していないとして、セル電圧の上昇が停止するまで待機する。一方、検出されたセル電圧が上昇していない場合（ステップＳ１０５：ＮＯ）、水素吸蔵合金の電位が水素放出電位領域の極大点に到達したとして、電流負荷が維持される（ステップＳ１０６）。
【００３９】
以上のとおり、ステップＳ１０３〜Ｓ１０６に示す処理によれば、燃料電池１１０にかかる電流負荷を増大させて燃料電池１１０から取り出す電流を増加させることにより、水素吸蔵合金の電位が水素放出電位領域の極大点まで上昇される。その結果、水素吸蔵合金から迅速に水素が放出されて電解質膜１１４に補助的に供給され、燃料電池１１０の発電性能が維持される。なお、本実施の形態とは異なり、たとえば、別途に電流計を設けることによって、燃料電池１１０を流れる電流を検出しつつ、水素吸蔵合金を流れる電流が水素放出電位領域の極大点に到達したか否かを判断することもできる。
【００４０】
次に、時間が計測されて、所定時間（たとえば、０．１〜１０秒）が経過したか否かが判断される（ステップＳ１０７，Ｓ１０８）。所定時間経過していない場合（ステップＳ１０８：ＮＯ）、所定時間が経過するまで、たとえば、駆動モータの回転数を制御することによって、水素吸蔵合金の電位を水素放出電位領域の極大点に維持する。一方、所定時間が経過した場合（ステップＳ１０８：ＹＥＳ）、駆動モータの回転数を低減することによって、燃料電池１１０から取り出す電流が低減され、処理が終了される（ステップＳ１０８）。
【００４１】
以上のとおり、ステップＳ１０７〜Ｓ１０８に示す処理によれば、所定時間だけ水素吸蔵合金から水素が放出され、処理が終了される。水素吸蔵合金は、水素を放出する水素放出電位領域から通常発電領域に復帰して、燃料タンク１２０から水素供給用配管を通じて燃料電池１１０に供給される水素を吸蔵する。
【００４２】
以上のとおり、図４に示すフローチャートの処理によれば、まず、燃料タンク１２０から燃料電池１１０に供給される水素の欠乏が検知される。そして、水素が欠乏する場合、燃料電池１１０にかかる電流負荷が増大されて、燃料電池１１０から取り出される電流が増加される。その結果、水素吸蔵合金の電位が水素放出電位領域に到達することによって、水素吸蔵合金から迅速に水素が放出される。したがって、水素が燃料電池１１０に補助的に供給されることにより、燃料タンク１２０からの水素の供給が追いつかない場合であっても、燃料電池１１０の発電性能が維持される。
【００４３】
なお、上述した本実施の形態における水素発生処理では、水素吸蔵合金の電位を水素放出電位領域の極大点まで上昇させ、一定時間維持することにより、水素吸蔵合金から水素を放出させた。しかしながら、燃料電池１１０から取り出す電流を所定量だけ増加させて水素吸蔵合金から水素を放出させ、セル電圧が回復するまでその状態を維持することもできる。
【００４４】
図５は、本実施の形態における水素発生処理の変形例を示すフローチャートである。
【００４５】
図５に示すとおり、本実施の形態の水素発生処理の変形例によれば、まず、燃料電池１１０のセル電圧が検出され、検出されたセル電圧が閾値未満か否かが判断される（ステップＳ２０１，Ｓ２０２）。
【００４６】
セル電圧が閾値未満の場合（ステップＳ２０２：ＹＥＳ）、燃料タンク１２０から供給される水素が欠乏していると判断して、ステップＳ２０３以下の処理に移行する。一方、セル電圧が閾値以上の場合（ステップＳ２０２：ＮＯ）、水素の欠乏が発生するまで待機する。
【００４７】
次に、燃料電池１１０に供給される水素が欠乏していると判断された場合、燃料電池１１０から取り出される電流が予め設定される電流値だけ増加される（ステップＳ２０３）。本実施の形態では、たとえば、駆動モータの回転数の上昇数を予め設定しておいて、水素の欠乏が発生した場合には、設定した上昇数だけ駆動モータの回転数を上昇させることにより、燃料電池１１０から取り出す電流が増加される。その結果、水素吸蔵合金から迅速に水素が放出されて電解質膜１１４に補助的に供給される。
【００４８】
次に、セル電圧が検出されて、急激に低下する前のセル電圧まで回復したか否かが判断される（ステップＳ２０４，Ｓ２０５）。セル電圧が回復しない場合（ステップＳ２０５：ＮＯ）、セル電圧が回復するまで通電状態を維持する。一方、セル電圧が回復した場合（ステップＳ２０５：ＹＥＳ）、駆動モータの回転数が低減されて、処理が終了される（ステップＳ２０６）。
【００４９】
以上のとおり、図５に示すフローチャートの処理によれば、水素吸蔵合金の電位が水素放出電位領域に到達するように、予め設定された電流値だけ燃料電池１１０から取り出される電流が増加され、セル電圧が回復するまで水素吸蔵合金が水素を放出する状態が維持される。このような構成にすると、図６に示すとおり、燃料電池１１０のセル電圧を確実に回復させることができる。
【００５０】
なお、上述した変形例では、予め設定される回転数だけ駆動モータの回転数を上昇させることによって、水素吸蔵合金の電位を水素放出電位領域まで上昇させた。しかしながら、強制的に水素吸蔵合金の電位を上昇させることなく、水素の欠乏に起因して自然に上昇するアノードの電位を維持することによって、水素吸蔵合金から水素を放出させることもできる。したがって、本変形例では、水素吸蔵合金に応じて、０〜５００ｍＡ／ｃｍ２程度電流値が増加するように、駆動モータの回転数が設定される。
【００５１】
以上のとおり、説明した本実施の形態は、以下の効果を奏する。
【００５２】
（ａ）本実施の形態の電気化学セルシステムは、燃料電池のアノードに設けられ、通電により水素を吸蔵または放出する水素吸蔵合金と、燃料電池で使用される水素を水素吸蔵合金が放出するように、アノードの通電状態を制御する制御部と、を有する。したがって、燃料電池に迅速に水素を供給することができる。その結果、応答性に優れた燃料電池システムを提供することができる。
【００５３】
（ｂ）水素吸蔵合金は、燃料電池のアノード触媒層に粉末状に設けられている。したがって、水素吸蔵合金の比表面積を大きくとることができる。
【００５４】
（ｃ）制御部は、水素吸蔵合金に応じて定まる水素放出電位領域に水素吸蔵合金の電位が達するようにアノードの通電状態を制御して、水素吸蔵合金から水素を放出させる。したがって、アノードの通電状態を制御することによって、水素吸蔵合金から水素を放出させることができる。
【００５５】
（ｄ）水素吸蔵合金に印加される電圧と電流との関係を示す特性曲線は、水素放出電位領域において極大点を呈し、制御部は、水素放出電位領域の極大点近傍に水素吸蔵合金の電位が達するように、アノードの通電状態を制御する。したがって、水素吸蔵合金に水素放出電位領域に容易に調節することができる。
【００５６】
（ｅ）本実施の形態の電気化学セルシステムは、燃料電池のセル電圧を検出する検出部をさらに有し、制御部は、燃料電池に供給される水素の欠乏に起因してセル電圧が低下する場合、アノードの通電状態を制御する。したがって、要求される出力値が大きく変動することにより、燃料電池に供給される水素の欠乏が発生した場合であっても、水素吸蔵合金から水素が迅速に供給されるため、燃料電池の発電性能が維持される。
【００５７】
（ｆ）制御部は、燃料電池にかかる負荷を変動させることによって、アノードの通電状態を制御する。したがって、アノードの通電状態を容易に制御することができる。
【００５８】
（ｇ）制御部は、水素吸蔵合金が水素を放出するように、燃料電池を流れる電流を増加させる。したがって、燃料電池にかかる負荷を増大させることによって、水素吸蔵合金から水素を放出させることができる。
【００５９】
（ｈ）制御部は、水素吸蔵合金が水素を放出するように、燃料電池を流れる電流を所定の電流値だけ増加させる。したがって、燃料電池のセル電圧をモニタリングすることなく、水素吸蔵合金から水素を放出させることができる。
【００６０】
（ｉ）制御部は、水素吸蔵合金が水素を放出するように、水素の欠乏に起因して増加するアノードの電位を維持する。したがって、燃料電池のセル電圧をモニタリングすることなく、水素吸蔵合金から水素を放出させることができる。
【００６１】
（ｊ）制御部は、水素吸蔵合金が水素を放出する状態を所定時間維持する。したがって、制御プログラミングが簡素化される。また、システムの構成が簡略化される。
【００６２】
（ｋ）制御部は、水素の欠乏に起因して低下する燃料電池のセル電圧が回復するまで、水素吸蔵合金が水素を放出する状態を維持する。したがって、より確実に燃料電池の発電性能を維持することができる。
【００６３】
なお、上述した実施の形態では、粉体状の水素吸蔵合金がアノードのアノード触媒層に混合された。しかしながら、水素吸蔵合金は、燃料電池のアノードに電気的に接続されればよく、たとえば、図７に示すとおり、メッシュ形態に形成され（参照符号１１９）、セパレータ１１３とアノード１１５との間に配置されることもできる。あるいは、水素吸蔵合金は、粉体からなる多孔質形状または板状に形成されて、セパレータ１１３とアノード１１５との間に配置されることもできる。
【００６４】
（第２の実施の形態）
第１の実施の形態では、燃料電池から取り出される電流を制御することによって水素吸蔵合金からの水素の放出を制御した。本実施の形態では、燃料電池に印加する電圧を制御することによって、水素吸蔵合金からの水素の放出を制御する。
【００６５】
図８は、本発明の第２の実施の形態における電気化学セルシステムが用いられた燃料電池システムの概略構成を示す図である。
【００６６】
図８に示すとおり、本実施の形態の燃料電池システム１００は、燃料電池１１０、燃料タンク１２０、負荷１４０、二次電池１５０、制御部１６０、およびポテンショスタット１７０を備える。本実施の形態では、ポテンショスタット１７０が、アノードの通電状態を制御していることを除けば、本実施の形態における燃料電池システム１００の構成は、第１の実施の形態と同様であるため、詳細な説明は省略する。なお、図中、図１に示す概略構成図と同様の部材には同一の符号を用いた。
【００６７】
ポテンショスタット１７０は、参照極の電位を基準として燃料電池１１０のアノードのアノード電位を制御するものである。本実施の形態のポテンショスタット１７０は、燃料電池１１０に電気的に並列に接続されて、燃料電池１１０に電圧を印加する。
【００６８】
図９は、本実施の形態におけるポテンショスタットの概略構成を示す図である。図９に示すとおり、本実施の形態のポテンショスタット１７０は、電圧計（第２検出手段）１７１、可変電源１７２、および参照極１７３を備える。電圧計１７１は、参照極１７３と燃料電池１１０のアノード１１５との電位差であるアノード電位を検出するものであり、可変電源１７２は、参照極１７３とアノード１１５との電位差に基づいて、アノード電位を制御する。
【００６９】
以上のとおり構成される本実施の形態の燃料電池システム１００によれば、燃料タンク１２０から燃料電池１１０に供給される水素ガスが欠乏する場合、水素吸蔵合金を含むアノード１１５のアノード電位が制御され、アノード１１５に含まれる水素吸蔵合金から水素が補助的に放出される。以下、燃料電池のアノード電位に基づいて、アノードに印加する電圧を制御する本実施の形態の水素発生処理について述べる。
【００７０】
図１０は、図８に示す燃料電池システムにおける水素発生処理を示すフローチャートである。
【００７１】
図１０に示すとおり、本実施の形態における水素発生処理では、まず、燃料電池１１０のアノード１１５のアノード電位が検出される（ステップＳ３０１）。次に、アノード電位が閾値（たとえば、０．０５Ｖ）以上か否かが判断される（ステップＳ３０２）。本実施の形態では、ポテンショスタット１７０内部に設けられた電圧計１７１によって、燃料電池１１０を構成する一の単セル１１１のアノード１１５のアノード電位が検出される。
【００７２】
アノード電位が閾値以上の場合（ステップＳ３０２：ＹＥＳ）、燃料電池１１０に供給される水素が欠乏していると判断して、ステップＳ３０３以下の処理に移行する。一方、アノード電位が閾値未満の場合（ステップＳ３０２：ＮＯ）、水素の欠乏が発生するまで待機する。
【００７３】
次に、燃料電池１１０に電圧が印加される（ステップＳ３０３）。本実施の形態では、ポテンショスタット１７０から燃料電池１１０に電圧が印加され、水素吸蔵合金から水素が放出される水素放出電位領域までアノード電位が上昇される。
【００７４】
次に、アノード１１５のアノード電位が検出されて、水素放出電位領域まで到達しているか否かが判断される（ステップＳ３０４，Ｓ３０５）。アノード電位が水素放出電位領域まで到達していない場合（ステップＳ３０５：ＮＯ）、アノード電位が水素放出電位領域に到達するまで待機する。一方、アノード電位が水素放出電位領域まで到達した場合（ステップＳ３０５：ＹＥＳ）、アノード電位が水素放出電位領域の極大点近傍（たとえば、８０±１０ｍＶ）に維持される（ステップＳ３０６）。本実施の形態では、ポテンショスタット１７０の電圧計１７１によって検出されるアノード電位に基づいて、可変電源１７２が調整されつつ、アノード電位が維持される。
【００７５】
次に、時間が計測されて、所定時間（たとえば、０．１〜１０秒）が経過したか否かが判断される（ステップＳ３０７，Ｓ３０８）。所定時間経過していない場合（ステップＳ３０７：ＮＯ）、所定時間が経過するまで、アノード１１５のアノード電位を水素放出電位領域の極大点に維持する。一方、所定時間が経過した場合（ステップＳ３０８：ＹＥＳ）、燃料電池１１０への電圧の印加が停止されて、処理が終了される（ステップＳ３０９）。
【００７６】
以上のとおり、図１０に示すフローチャートの処理によれば、まず、燃料タンク１２０から燃料電池１１０に供給される水素ガスの欠乏が検知される。そして、水素ガスが欠乏する場合、燃料電池１１０に電圧が印加されて、燃料電池１１０のアノード電位が上昇される。その結果、水素放出電位領域に到達した水素吸蔵合金から迅速に水素が放出され、燃料電池１１０に補助的に供給される。したがって、燃料タンク１２０からの水素の供給が追いつかない場合であっても、燃料電池１１０の発電性能が維持される。
【００７７】
以上のとおり、説明した本実施の形態は、第１の実施の形態の効果に加えて、以下の効果を奏する。
【００７８】
（ｌ）本実施の形態の電気化学セルシステムは、参照極の電位を基準としてアノード電位を制御するポテンショスタットを有し、ポテンショスタットは、燃料電池に供給される水素の欠乏に起因してアノード電位が閾値以上になる場合、水素吸蔵合金が水素を放出するように、参照極の電位を基準とするアノードのアノード電位を上昇させる。したがって、参照極を基準として、アノード電位が制御されるため、アノード電位を高精度に制御することができる。
【００７９】
（第３の実施の形態）
本実施の形態は、上記第１および第２の実施の形態の電気化学セルシステムが燃料電池の水素供給源として搭載されている燃料電池自動車の実施の形態である。
【００８０】
図１１は、本発明の第３の実施の形態である燃料電池自動車を示す図である。本実施の形態の燃料電池自動車２００は、燃料電池システム１００を備える。第１および第２の実施の形態で説明したとおり、燃料電池システム１００は、自動車２００の急峻な加速により燃料電池に供給される水素が欠乏した場合であっても、水素吸蔵合金から迅速に水素が供給されることにより、燃料電池の発電性能が維持される。
【００８１】
以上のとおり、説明した本実施の形態は、第１〜第３の実施の形態の効果に加えて、以下の効果を奏する。
【００８２】
（ｍ）本実施の形態の燃料電池自動車は、上記電気化学セルシステムを燃料電池の水素供給源として搭載している。したがって、燃料電池の発電性能が維持されて、燃料電池自動車の安定性が向上する。
【００８３】
以上のとおり、第１〜第３の実施の形態において、本発明における電気化学セルシステムおよびこれを搭載した車両を説明した。しかしながら、本発明は、その技術思想の範囲内において当業者が適宜に追加、変形、および省略することができることはいうまでもない。
【００８４】
たとえば、上述した実施の形態では、燃料電池に電気的に接続される駆動モータの回転数を上げることによって、燃料電池を通電する電流および電圧を増加させた。しかしながら、外部の二次電池から電力を供給することによって、燃料電池に印加する電流および電圧を増加させることもできる。
【００８５】
また、第１〜第３の実施の形態では、本発明の電気化学セルシステムが燃料電池自動車に搭載されている場合を例にとって説明した。しかしながら、本発明の電気化学セルシステムは、燃料電池自動車のみならず、家庭用発電装置といった定置用燃料電池、ダイレクトメタノール燃料電池などに用いられることができる。さらに、本発明の電気化学セルシステムは、燃料電池に水素を供給する用途に限定されず、ニッケル水素電池といった水素を必要とする種々の用途に応用される。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】本発明の第１の実施の形態における電気化学セルシステムが用いられた燃料電池システムの概略構成を示す図である。
【図２】図１に示す燃料電池システムにおける燃料電池のセル構造を示す斜視図である。
【図３】図２に示す燃料電池のアノードに設けられる水素吸蔵合金の電圧−電流特性を示す図である。
【図４】図１に示す燃料電池システムにおける水素発生処理を示すフローチャートである。
【図５】図４に示す水素発生処理の変形例を示すフローチャートである。
【図６】図１に示す燃料電池システムにおける燃料電池のセル電圧の回復を説明するための図である。
【図７】図１に示す燃料電池システムにおける燃料電池のセル構造の変形例を示す斜視図である。
【図８】本発明の第２の実施の形態における電気化学セルシステムが用いられた燃料電池システムの概略構成を示す図である。
【図９】図８に示す燃料電池システムにおけるポテンショスタットの概略構成を示す図である。
【図１０】図８に示す燃料電池システムにおける水素発生処理を示すフローチャートである。
【図１１】本発明の第３の実施の形態である燃料電池自動車を示す図である。
【符号の説明】
【００８７】
１００    燃料電池システム、
１１０    燃料電池、
１２０    燃料タンク、
１３０    検出部、
１４０    負荷、
１５０    二次電池、
１６０    制御部
１７０    ポテンショスタット、
２００    燃料電池自動車。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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