(57)【要約】【課題】安価な構成で、カソードおよびアノードのいずれの電極が燃料電池の電気特性の良否に影響を与えているのかを判断することができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池２の正極３の電位と負極４の電位とに基づいて両電極３，４の性能を解析する燃料電池システム１において、燃料電池２の両電極間の電位差を検出する両電極電圧検出手段６と、燃料電池２の正極３および負極４のいずれか一方の基準となる基準電位を有する基準電位部５と、基準電位部５と燃料電池２の正極３および負極４のいずれか一方極との電位差を測定する測定手段７と、検出された両電極３，４の電位差および測定された基準電位部５と燃料電池２の正極３および負極４のいずれか一方極との電位差に基づいて基準電位部５と他方極との電位差を算出する算出手段８とを備える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の正極の電位と負極の電位とに基づいて両電極の性能を解析する燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池の前記両電極間の電位差を検出する両電極電圧検出手段と、
前記燃料電池の正極および負極のいずれか一方の基準となる基準電位を有する基準電位部と、
前記基準電位部と前記燃料電池の正極および負極のいずれか一方極との電位差を測定する測定手段と、
前記検出された両電極の電位差および前記測定された前記基準電位部と前記燃料電池の正極および負極のいずれか一方極との電位差に基づいて前記基準電位部と他方極との電位差を算出する算出手段とを備えることを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池の正極の電位と負極の電位とに基づいて両電極の性能を解析する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、熱機関を用いる通常の発電システムと比較して発電効率が高いことから、ノートパソコンや携帯電話等の携帯端末装置や自動車などの多様な用途に使用されるエネルギー源として期待されており、燃料電池の性能向上に向けた研究開発が進められている。
【０００３】
燃料電池の性能は、燃料電池から得られた電圧と電流との関係からなる電流電圧特性（いわゆるＩＶ特性）に基づいて評価することができる。燃料電池は、電池内部に様々な抵抗があり、その内部抵抗が燃料電池に流す電流値が高くなるにつれて増加するため、燃料電池に流す電流値が高くなるにつれて電圧値が低下するというＩＶ特性を有する。これに対して鉛蓄電池やニッケル・カドミウム蓄電池、乾電池などのバッテリーは、電池に流す電流値に対して電圧値がほとんど変化しないというＩＶ特性を有しており、燃料電池のＩＶ特性をバッテリーのＩＶ特性に近づけることが、近年の燃料電池の課題になっている。
【０００４】
しかし、このようなＩＶ特性に基づく燃料電池の性能評価において、燃料電池に流れる電流に対して、燃料電池のカソード（正極）とアノード（負極）との電位差がどのように変化するのかを知ることはできるが、その電位差の変化が、カソードとアノードのうちのどちらの特性に起因しているのかを評価することができない。そこで、従来では、カソード、アノード両極に対して基準となる参照電極を別途設け、この参照電極を基準にして得られたカソードとアノードそれぞれの電位を測定し、この測定したカソードの電位とアノードの電位それぞれに対して燃料電池に流す電流値との相関関係を求めることで電池特性を解析する技術が提案されている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第３０５３１８４号（実施例、図２等参照）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来の技術では参照電極と、その参照電極とカソード、アノードそれぞれとを電気的に接続するためのリード線を設ける必要があるため、燃料電池システムのコストが増加する。
【０００７】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、安価な構成で、カソードおよびアノードのいずれの電極が燃料電池の電気特性の良否に影響を与えているのかを判断することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記した目的を達成するために、本発明の燃料電池システムでは、燃料電池の正極の電位と負極の電位とに基づいて両電極の性能を解析する燃料電池システムにおいて、前記燃料電池の前記両電極間の電位差を検出する両電極電圧検出手段と、前記燃料電池の正極および負極のいずれか一方の基準となる基準電位を有する基準電位部と、前記基準電位部と前記燃料電池の正極および負極のいずれか一方極との電位差を測定する測定手段と、前記検出された両電極の電位差および前記測定された前記基準電位部と前記燃料電池の正極および負極のいずれか一方極との電位差に基づいて前記基準電位部と他方極との電位差を算出する算出手段とを備えることを特徴としている（請求項１）。
【発明の効果】
【０００９】
請求項１にかかる発明によれば、両電極電圧検出手段により、燃料電池の正極と負極間の電位差が検出され、測定手段により、基準電位部と燃料電池の正極および負極のいずれか一方の極との電位差が測定される。そして、検出された燃料電池の正極と負極間の電位差と測定された基準電位部と燃料電池の正極および負極のいずれか一方極との間の電位差に基づいて、基準電位部と他方極との電位差が算出される。
【００１０】
燃料電池の正極と負極との間の電位差は、基準電位部と正極との間の電位差と基準電位部と負極との間の電位差とを合算することにより求めることができる。したがって、例えば、燃料電池の正極と負極との間の電位差と、基準電位部と正極との間の電位差が分かれば、基準電位部と負極との間の電位差を算出することができる。
【００１１】
そして、基準電位部と正極との間の電位差および基準電位部と負極との間の電位差とに基づいて、正極および負極それぞれにおいて、燃料電池に流す電流値と電位との相関関係を求めることにより、両電極のうち、いずれの電極が燃料電池の特性に影響を与えているのかを知ることができる。
【００１２】
また、従来技術が、燃料電池の両極それぞれについて参照電極（基準電位部）との間の電位差を求めるのに対して、本発明は、いずれか一方の電極と参照電極（基準電位部）との間の電位差を求めるだけでよいため、燃料電池システムにおける部品点数を減らすことができ、従来構成に比べ、コストを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態の燃料電池システムのブロック図である。
【図２】本発明の一実施形態の燃料電池システムに用いられる燃料電池を構成するセルの断面図である。
【図３】本発明の一実施形態の燃料電池システムに用いられる燃料電池の斜視図である。
【図４】本発明の一実施形態の燃料電池システムに用いられる燃料電池の正極および負極それぞれの電位−電流特性の一例を示す図である。
【図５】本発明の一実施形態の燃料電池システムに用いられる燃料電池の電流−電圧特性の一例を示す図である。
【図６】本発明の一実施形態の燃料電池システムに設けられる基準電位部として設定されるマニホールドの電位特性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の一実施形態にかかる燃料電池システムについて、図１〜図４を参照して説明する。なお、図１は燃料電池システムのブロック図、図２は燃料電池を構成するセルの断面図、図３は燃料電池の斜視図、図４は燃料電池の正極および負極それぞれの電位−電流特性の一例を示す図である。
【００１５】
本発明にかかる一実施形態の燃料電池システムに用いられる燃料電池２は、燃料としてヒドラジン（液体燃料）を使用するアルカリ型燃料電池であり、図２に示すように、アニオン交換膜からなる電解質層１０、電解質層１０の一方側に配置されたカソード３および電解質層１０の他方側に配置されたアノード４で構成される電極接合体（ＭＥＡ）と、燃料を各電極の反応面に均一に供給するためのガス拡散層（ＧＤＬ）１１と、燃料の供給流路が形成されたセパレータ１２ａ，１２ｂと、集電板１３ａ，１３ｂから構成され、これらを貼り合わして単位セルからなる燃料電池２が形成される。
【００１６】
そして、燃料電池２は、カソード３側のセパレータ１２ａの供給流路を通して加湿空気が供給され、アノード４側のセパレータ１２ｂの供給流路を通してヒドラジンが供給されることで、カソード３およびアノード４の両電極において、以下の式（１）〜式（３）に示す電気化学反応が生じ、その反応により起電力が発生する。
（１）Ｏ２＋２Ｈ２Ｏ＋４ｅ−→４ＯＨ−    （カソード３での反応）
（２）Ｎ２Ｈ４＋４ＯＨ−→Ｎ２＋４Ｈ２Ｏ＋４ｅ−    （アノード４での反応）
（３）Ｎ２Ｈ４＋Ｏ２→Ｎ２＋２Ｈ２Ｏ    （燃料電池２全体での反応）
【００１７】
この実施形態では、カソード３とアノード４それぞれの電位−電流特性を得るために、両極３，４の基準電位となる基準電位部５を設定する。基準電位部５の設定について、図３を参照して説明する。
【００１８】
図３は、この実施形態で使用する燃料電池２の斜視図であり、図２に示した燃料電池２を構成するセルがセルケース１４内に収納される。このとき、カソード３側の集電板１３ａとアノード４側の集電板１３ｂが露出した状態でセルケース１４内にセルが収納され、セルに燃料となるヒドラジンや加湿空気を供給するためのマニホールド１５（配管）や、燃料電池２における電気化学反応により生成した窒素ガス（Ｎ２）、生成水（Ｈ２Ｏ）およびアンモニア（ＮＨ３）を包含する、使用後および未反応のヒドラジンなどを排出する配管１５がセルケース１４の外部に設けられている。
【００１９】
マニホールド１５はＳＵＳなどの金属から形成されており、電位が安定していることから、この実施形態では、マニホールド１５を基準電位部５として設定する。
【００２０】
両電極電圧検出手段６は、カソード３とアノード４の電位差を検出する。この場合、セルケース１４において露出したカソード３側の集電板１３ａとアノード４側の集電板１３ｂとの間の電位差をテスターなどの電位差計を使用して検出する。集電板１３ａ，１３ｂそれぞれは、例えば、金（Ａｕ）から形成され、それぞれカソード３の電位、アノード４の電位とほぼ同じ電位を有するため、これらの集電板１３ａ，１３ｂ間の電位差を検出することで、カソード３とアノード４との間の電位差を検出することができる。
【００２１】
測定手段７は、基準電位部５であるマニホールド１５とカソード３側の集電板１３ａとの間の電位差をテスターなどの電位差計により測定する。このようにすることで、カソード３と基準電位部５であるマニホールド１５との間の電位差を測定することができる。なお、測定手段７は、基準電位部５であるマニホールド１５とアノード４との間の電位差を測定してもかまわない。すなわち、カソード３およびアノード４の少なくも一方極と基準電位部５との間の電位差を測定すればよい。
【００２２】
算出手段８は、両電極電圧検出手段６により検出されたカソード３とアノード４の電位差と、測定手段７により測定された基準電位部５とカソード３との間の電位差とに基づいて、基準電位部５（マニホールド１５）とアノード４との間の電位差を算出する。算出手段８について、図４を参照して説明する。
【００２３】
図４は、燃料電池２に流れる電流とカソード３およびアノード４それぞれの電位との関係（電位−電流特性）を示しており、紙面上側がカソード３、下側がアノード４の特性を表している。例えば、燃料電池２にＩ１の電流が流れている場合、両電極電圧検出手段６により、カソード３とアノード４との間の電位差（ＶＣ１−Ｖａ１）が検出され、測定手段７により、基準電位部５とカソード３との間の電位差（ＶＣ１−Ｖ０）が測定される。そして、算出手段８は、両電極３，４間の電位差（ＶＣ１−Ｖａ１）と基準電位部５とカソード３との間の電位差（ＶＣ１−Ｖ０）との差分を求めることにより、基準電位部５とアノード４との間の電位差（Ｖ０−Ｖａ１）を算出する。
【００２４】
表示部９ａと記憶部９ｂを備えるパーソナルコンピュータ９において、算出手段８により算出された基準電位部５と他方極（アノード４またはカソード３）との間の電位差、測定手段７により測定された基準電位部５と一方極（カソード３またはアノード４）との間の電位差および両電極電圧検出手段６により検出されたカソード３とアノード４との間の電位差それぞれの情報を記憶部９ｂに逐次記憶し、例えば、両電極３，４間の電位差と燃料電池２に流す電流との関係（図５：ＩＶ特性）やカソード３（またはアノード４）の電位と燃料電池２に流す電流との関係（図４：電位−電流特性）などを表示部９ａに表示する。
【００２５】
したがって、上記した実施形態によれば、両電極電圧検出手段６により、燃料電池２のカソード３（正極）とアノード４（負極）間の電位差が検出され、測定手段７により、基準電位部５と燃料電池２のカソード３およびアノード４のいずれか一方の極との電位差が測定される。そして、検出された燃料電池２のカソード３とアノード４間の電位差と測定された基準電位部５と燃料電池２のカソード３およびアノード４のいずれか一方極との間の電位差に基づいて、基準電位部５と他方極３，４との電位差が算出手段８により算出される。
【００２６】
燃料電池２のカソード３とアノード４との間の電位差は、基準電位部５とカソード３との間の電位差と基準電位部５とアノード４との間の電位差とを合算することにより求めることができる。したがって、例えば、燃料電池２のカソード３とアノード４との間の電位差と、基準電位部５とカソード３との間の電位差が分かれば、基準電位部５とアノード４との間の電位差を算出することができる。
【００２７】
そして、基準電位部５とカソード３との間の電位差および基準電位部５とアノード４との間の電位差とに基づいて、燃料電池２に流す電流値との相関関係（電位−電流特性）を求めることにより、両電極３，４のうち、いずれの電極３，４が燃料電池の特性の良否に影響を与えているのかを知ることができる。
【００２８】
例えば、図４に示すような、カソード３の電位およびアノード４の電位それぞれに対する燃料電池２に流す電流との相関関係（電位−電流特性）が得られた場合、燃料電池２に流す電流をＩ１からＩ２に変化させたときに、カソード３とアノード４それぞれの電位がどの程度変化したかを求めることができる。そして、カソード３の電位の変化量（ＶＣ１−ＶＣ２）がアノード４の電位の変化量（Ｖａ２−Ｖａ１）よりも大きい場合は、カソード３側が燃料電池２の特性に影響を与えていることが分かる。
【００２９】
なお、基準電位部５の電位の値は、未知であってもかまわない。この場合、両電極３，４それぞれにおいて、基準電位部５との電位差が電流値Ｉ１とＩ２との間でどのように変化したのか、すなわち、両電極３，４それぞれにおいて、電流値Ｉ１における電位差とＩ２における電位差との差分（カソード３においては電圧降下分、アノード４においては電圧上昇分）を求め、それらの大きさを比較することにより、カソード３とアノード４のどちらが燃料電池２の特性に影響を与えているのかを解析することができる。
【００３０】
また、パーソナルコンピュータ９の記憶部９ｂに、カソード３およびアノード４それぞれにおいて、理想とする電位−電流特性、または、燃料電池２の使用の初期段階における電位−電流特性を記憶しておき、両電極電圧検出手段６、測定手段７および算出手段８により求められた基準電位部５と両電極３，４ぞれぞれとの電位差に基づいて得られた両極３，４の電位と記憶された理想とする電位−電流特性または初期段階の電位−電流特性とを比較することで、使用により燃料電池２の特性が劣化した場合に、カソード３およびアノード４のどちらの極がその劣化に影響を与えているかを解析することもできる。例えば、カソード３とアノード４それぞれにおいて、ある電流値における理想とする電位と得られた電位との差を算出し、それらの差がカソード３とアノード４とでどちらの方が大きいかを求めることで、その差の大きい方の極が燃料電池２の性能の劣化に影響を与えていることが分かる。
【００３１】
なお、この場合であっても、基準電位部５の電位の値は、未知であってもかまわない。例えば、記憶部９ｂに、基準電位部５の電位を０とした場合の理想とする両電極の電位−電流特性、または、使用の初期段階における電位−電流特性を示すグラフなどを記憶しておき、そのグラフ上に、測定または算出された基準電位部５の電位を０としたときの両電極３，４それぞれの電位をプロットすればよい。
【００３２】
したがって、上記した実施形態によれば、燃料電池２の両極３，４それぞれについて参照電極（基準電位部５）との間の電位差を求めるのに対して、この実施形態では、いずれか一方の電極３，４と参照電極（基準電位部５）との間の電位差を求めるだけでよいため、燃料電池システム１における部品点数を減らすことができ、コストの低減を図ることができる。さらに、参照電極（基準電位部５）として、燃料電池２の一部であるマニホールドを使用するため、より一層コストの低減を図ることができる。また、参照電極（基準電位部５）を別途設置する必要がないため、燃料電池システム１の小型化を図ることもできる。
【００３３】
なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能である。
【００３４】
例えば、上記した実施形態にかかる燃料電池システム１において、アルカリ型燃料電池を使用したが、例えば、固体高分子型燃料電池、りん酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池など、種々の燃料電池を使用してもかまわない。
【００３５】
また、上記した実施形態では、基準電位部５の電位の値を未知でもよいこととしたが、予め基準電位部５（マニホールド１５）の電位を測定手段７に記憶しておき、その電位の値に基づいてカソード３（またはアノード４）と基準電位部５との間の電位差を測定してもよい。このようにすることで、カソード３およびアノード４の電位の値を求めることができる。なお、マニホールド１５の電位は、ヒドラジンの供給時間に対して、図６に示すような挙動を示すことが知られている。これは、マニホールド１５がヒドラジンにより腐食することに起因しており、ある程度腐食が進むと電位が安定する（腐食電位Ｖｓ）ことを表している。そこで、図６のようにな電位の推移を測定手段７において記憶しておけば、正確なカソード３（またはアノード４）の電位を測定することができる。
【００３６】
また、上記した実施形態では、燃料電池２のマニホールド１５を基準電位部５として設定したが、別途、専用の基準電位部５を設けてもかまわない。このような場合であっても、本発明にかかる燃料電池システム１は、両極３，４のうち、いずれか一方の極と基準電位部５との間の電位差を測定するだけでよく、従来のような両極それぞれの電位差を測定する燃料電池システムと比較して、片側の極と基準電位部５とを結ぶリード線などが不要になるため、部品点数を減らすことができ、コストの低減を図ることができる。
【００３７】
また、本発明を、スタック構造を有する燃料電池に適用することも可能である。この場合、複数のセルそれぞれに基準電位部５を設け、個別にカソード３およびアノード４それぞれの電位−電流特性を求めればよい。このようにすることで、スタック構造を有する燃料電池であっても、各セル毎の特性評価をすることができる。
【００３８】
また、基準電位部５を燃料電池２のマニホールド１５に設定したが、例えば、車載用の燃料電池である場合には、スタックケースの一部や車体（ボディー）の金属部分の一部など、電位の安定している箇所に基準電位部５を設定すればよい。
【００３９】
また、本発明にかかる燃料電池システム１を車両に適用する場合は、各セル毎の情報（各電位差）をエンジンＥＣＵなどで記憶し、エンジンＥＣＵでそれらの情報をもとに燃料電池２の劣化の程度を算出し、燃料供給流量や、供給ガスの圧力などを制御することもできる。
【００４０】
また、上記した実施形態では、各電位差の検出および測定にテスターを使用したが、燃料電池用のインピーダンスメーター（セルモニター）や電圧測定用のデータロガーなどを使用してもよい。
【符号の説明】
【００４１】
１…      燃料電池システム
２…      燃料電池
３…      カソード（正極）
４…      アノード（負極）
５…      基準電位部
６…      両電極電圧検出手段
７…      測定手段
８…      算出手段
【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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