JP2009087741A - 燃料電池の劣化検出装置及び燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】電池の劣化を検出でき、常に安定して負荷を駆動することができる燃料電池の劣化検出装置及び燃料電池システムを提供する。
【解決手段】一定時間の経過ごとに定電流負荷制御手段４０１により定電流負荷部２のトランジスタ素子２０１ｂ、２０２ｂを動作し燃料電池発電部１０１よりａアンペア及び２ａアンペアの特定電流を出力させ、劣化検出手段４０２によりａアンペア及び２ａアンペアに応じた出力電圧Ｖａ及び出力電圧Ｖｂを求め、これら出力電圧Ｖａ、Ｖｂの差電圧ｄｖから出力抵抗Rdmfcに相当する傾きＲ（＝ｄｖ／ｄＩ）を求めるとともに、出力電圧Ｖａに電圧差ｄｖを加えた（Ｖａ＋ｄｖ）から開放電圧ＯＣＶを求め、これら傾きＲ及び開放電圧ＯＣＶについて劣化判定手段４０３で所定の閾値と比較し、燃料電池発電部１０１の劣化を判定し劣化検出信号を出力する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池の劣化を検出する燃料電池の劣化検出装置及び燃料電池システムに関するものである。

携帯電話機や携帯情報端末（ＰＤＡ：Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｄｉｇｉｔａｌ Ａｓｓｉｓｔａｎｔｓ）などの電子機器の小型化は目覚しいものがあり、これら電子機器の小型化とともに、電源として燃料電池を使用することが試みられている。燃料電池は、燃料と空気を供給するのみで、発電することができ、燃料のみを交換すれば連続して発電できるという利点を有するため、小型化が実現できれば、小型の電子機器の電源として極めて有効である。

そこで、最近、燃料電池として、直接メタノール型燃料電池（以下、ＤＭＦＣ；Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌと称する。）が注目されている。かかるＤＭＦＣは、液体燃料の供給方式によって分類され、気体供給型や液体供給型等のアクティブ方式のものと、燃料収容部内の液体燃料を電池内部で気化させて燃料極に供給する内部気化型等のパッシブ方式のものがあり、これらのうち、パッシブ方式のものはＤＭＦＣの小型化に対して特に有利である。

従来、このようなパッシブ方式のＤＭＦＣとして、特許文献１に開示されるように、例えば燃料極、電解質膜および空気極を有する膜電極接合体（燃料電池セル）を、樹脂製の箱状容器からなる燃料収容部上に配置した構造のものが考えられている。

また、ＤＭＦＣの燃料電池セルと燃料収容部とを流路を介して接続する構成のものも特許文献２〜４に開示されている。これら特許文献２〜４は、燃料収容部から供給された液体燃料を燃料電池セルに流路を介して供給することによって、流路の形状や径等に基づいて液体燃料の供給量を調整可能としたもので、特に、特許文献３では燃料収容部から流路にポンプで液体燃料を供給している。また、ポンプに代えて、流路に電気浸透流を形成する電界形成手段を用いることも記載されている。さらに特許文献４には電気浸透流ポンプを用いて液体燃料等を供給することが記載されている。
国際公開第２００５／１１２１７２号パンフレット 特表２００５−５１８６４６号公報 特開２００６−０８５９５２号公報 米国特許公開第２００６／００２９８５１号公報

ところで、このようなＤＭＦＣは、長期間にわたって使用し続けると、例えば電池内部に発生するガスにより電池全体が膨み、アノードやカソードに用いられる集電体部分に剥離が生じることがあり、また、触媒の劣化（被毒）なども生じることがあり、これらが原因で電池出力が急激に低下することがある。

このため、この状態のままＤＭＦＣを負荷の駆動電源として使い続けると、負荷に供給される電力が不安定となり、負荷を安定して駆動することができなくなるという問題を生じる。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、電池劣化を検出でき、常に安定して負荷を駆動することができる燃料電池の劣化検出装置及び燃料電池システムを提供することを目的とする。

請求項１記載の発明は、燃料電池発電部を有する燃料電池本体と、前記燃料電池発電部に第１の電流及び該第１の電流の２倍の第２の電流を出力させる電池出力取得手段と、前記電池出力取得手段により前記燃料電池発電部に前記第１及び第２の電流を出力させた状態で、これら第１及び第２の電流に基づいて求められる出力電圧により前記燃料電池発電部の出力抵抗及び開放電圧の少なくとも一方を検出する劣化検出手段と、前記劣化検出手段により検出された前記燃料電池発電部の出力抵抗及び開放電圧の少なくとも一方により前記燃料電池発電部の劣化を判定する劣化判定手段とを具備したことを特徴としている。

請求項２記載の発明は、請求項１記載において、前記劣化検出手段は、前記燃料電池発電部に前記第１及び第２の電流を出力させた状態で、これら第１及び第２の電流に応じた出力電圧Ｖａ及び出力電圧Ｖｂを求め、これら出力電圧Ｖａ、Ｖｂの差電圧ｄｖ、およびこれら第１及び第２の電流の差電流ｄＩから求められる前記燃料電池発電部の出力抵抗に相当する傾きＲ（＝ｄｖ／ｄＩ）及び前記出力電圧Ｖａに電圧差ｄｖを加えた（Ｖａ＋ｄｖ）から求められる開放電圧ＯＣＶの少なくとも一方を検出することを特徴としている。

請求項３記載の発明は、請求項２記載において、前記劣化判定手段は、前記劣化検出手段で検出される傾きＲ及び開放電圧ＯＣＶの少なくとも一方に対して所定の閾値が設定され、前記傾きＲの場合、前記設定された閾値を超えるとき、開放電圧ＯＣＶの場合、前記設定された閾値を下回るとき、前記燃料電池発電部の劣化を判定することを特徴としている。

請求項４記載の発明は、燃料電池発電部、液体燃料を収容する燃料収容部及び前記燃料収容部から前記燃料電池発電部への燃料の供給を制御する燃料移送制御手段を有する燃料電池本体と、前記燃料電池発電部に第１の電流及び該第１の電流の２倍の第２の電流を出力させる電池出力取得手段と、前記電池出力取得手段により前記燃料電池発電部に前記第１及び第２の電流を出力させた状態で、これら第１及び第２の電流基づいて求められる出力電圧により前記燃料電池発電部の出力抵抗及び開放電圧の少なくとも一方を検出する劣化検出手段と、前記劣化検出手段により検出された前記燃料電池発電部の出力抵抗及び開放電圧の少なくとも一方により前記燃料電池発電部の劣化を判定する劣化判定手段と、を具備し、前記劣化判定手段の劣化判定に応じて前記燃料移送制御手段による前記燃料電池発電部への燃料の供給量を制御することを特徴としている。

請求項５記載の発明は、請求項４記載において、前記劣化検出手段は、前記燃料電池発電部に前記第１及び第２の電流を出力させた状態で、これら第１及び第２の電流に応じた出力電圧Ｖａ及び出力電圧Ｖｂを求め、これら出力電圧Ｖａ、Ｖｂの差電圧ｄｖ、およびこれら第１及び第２の電流の差電流ｄＩから求められる前記燃料電池発電部の出力抵抗に相当する傾きＲ（＝ｄｖ／ｄＩ）及び前記出力電圧Ｖａに電圧差ｄｖを加えた（Ｖａ＋ｄｖ）から求められる開放電圧ＯＣＶの少なくとも一方を検出することを特徴としている。

請求項６記載の発明は、請求項５記載において、前記劣化判定手段は、前記劣化検出手段で検出される傾きＲ及び開放電圧ＯＣＶの少なくとも一方に対して所定の閾値が設定され、前記傾きＲの場合、前記設定された閾値を超えるとき、開放電圧ＯＣＶの場合前記設定された閾値を下回るとき、前記燃料電池発電部の劣化を判定し劣化検出信号を出力することを特徴としている。

請求項７記載の発明は、請求項４記載において、前記劣化判定手段の劣化判定に応じて前記燃料移送制御手段による前記燃料電池発電部への燃料の供給量を増加させ前記燃料電池発電部の発電量を制御することを特徴としている。

請求項８記載の発明は、請求項４記載において、前記劣化判定手段の劣化判定に応じて前記燃料移送制御手段による前記燃料電池発電部への燃料の供給量を減少させ前記燃料電池発電部の発電量を制御することを特徴としている。

請求項９記載の発明は、請求項４乃至８のいずれか一記載において、前記燃料供給制御手段は、前記燃料を前記燃料電池発電部に移送するためのポンプ又は前記燃料電池本体への液体燃料の供給を遮断可能にした燃料遮断バルブであることを特徴としている。

本発明によれば、電池劣化を速やかに検出でき、常に安定して負荷を駆動することができる燃料電池の劣化検出装置及び燃料電池システムを提供できる。

以下、本発明の実施の形態を図面に従い説明する。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に適用される燃料電池システムの概略構成を示している。

図１において、１は燃料電池本体（ＤＭＦＣ）で、この燃料電池本体１は、起電部を構成する燃料電池発電部（セル）１０１、液体燃料を収容する燃料収容部１０２、燃料収容部１０２と燃料電池発電部（セル）１０１を接続する流路１０３及び燃料収容部１０２から燃料電池発電部（セル）１０１に液体燃料を移送するための燃料供給制御手段としてのポンプ１０４を有している。

図２は、このような燃料電池本体１をさらに詳細に説明するための断面図である。

この場合、燃料電池発電部１０１は、アノード触媒層１１とアノードガス拡散層１２とを有するアノード（燃料極）１３と、カソード触媒層１４とカソードガス拡散層１５とを有するカソード（空気極／酸化剤極）１６と、アノード触媒層１１とカソード触媒層１４とで挟持されたプロトン（水素イオン）伝導性の電解質膜１７とから構成される膜電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）を有している。

ここで、アノード触媒層１１やカソード触媒層１４に含有される触媒としては、例えばＰｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｏｓ、Ｐｄ等の白金族元素の単体、白金族元素を含有する合金等が挙げられる。アノード触媒層１１にはメタノールや一酸化炭素等に対して強い耐性を有するＰｔ−ＲｕやＰｔ−Ｍｏ等を用いることが好ましい。カソード触媒層１４にはＰｔやＰｔ−Ｎｉ等を用いることが好ましい。ただし、触媒はこれらに限定されるものではなく、触媒活性を有する各種の物質を使用することができる。触媒は炭素材料のような導電性担持体を使用した担持触媒、あるいは無担持触媒のいずれであってもよい。

電解質膜１７を構成するプロトン伝導性材料としては、例えばスルホン酸基を有するパーフルオロスルホン酸重合体のようなフッ素系樹脂（ナフィオン（商品名、デュポン社製）やフレミオン（商品名、旭硝子社製）等）、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂等の有機系材料、あるいはタングステン酸やリンタングステン酸等の無機系材料が挙げられる。ただし、プロトン伝導性の電解質膜１７はこれらに限られるものではない。

アノード触媒層１１に積層されるアノードガス拡散層１２は、アノード触媒層１１に燃料を均一に供給する役割を果たすと同時に、アノード触媒層１１の集電体も兼ねている。カソード触媒層１４に積層されるカソードガス拡散層１５は、カソード触媒層１４に酸化剤を均一に供給する役割を果たすと同時に、カソード触媒層１４の集電体も兼ねている。アノードガス拡散層１２およびカソードガス拡散層１５は多孔質基材で構成されている。

アノードガス拡散層１２やカソードガス拡散層１５には、必要に応じて導電層が積層される。これら導電層としては、例えばＡｕのような導電性金属材料からなるメッシュ、多孔質膜、薄膜等が用いられる。電解質膜１７と後述する燃料分配機構１０５およびカバープレート１８との間には、それぞれゴム製のＯリング１９が介在されており、これらによって燃料電池発電部１０１からの燃料漏れや酸化剤漏れを防止している。

カバープレート１８は酸化剤である空気を取入れるための不図示の開口を有している。カバープレート１８とカソード１６との間には、必要に応じて保湿層や表面層が配置される。保湿層はカソード触媒層１４で生成された水の一部が含浸されて、水の蒸散を抑制すると共に、カソード触媒層１４への空気の均一拡散を促進するものである。表面層は空気の取入れ量を調整するものであり、空気の取入れ量に応じて個数や大きさ等が調整された複数の空気導入口を有している。

燃料電池発電部１０１のアノード（燃料極）１３側には、燃料分配機構１０５が配置されている。燃料分配機構１０５には配管のような液体燃料の流路１０３を介して燃料収容部１０２が接続されている。

燃料収容部１０２には、燃料電池発電部１０１に対応した液体燃料が収容されている。液体燃料としては、各種濃度のメタノール水溶液や純メタノール等のメタノール燃料が挙げられる。液体燃料は必ずしもメタノール燃料に限られるものではない。液体燃料は、例えばエタノール水溶液や純エタノール等のエタノール燃料、プロパノール水溶液や純プロパノール等のプロパノール燃料、グリコール水溶液や純グリコール等のグリコール燃料、ジメチルエーテル、ギ酸、その他の液体燃料であってもよい。いずれにしても、燃料収容部１０２には燃料電池発電部１０１に応じた液体燃料が収容される。

燃料分配機構１０５には燃料収容部１０２から流路１０３を介して液体燃料が導入される。流路１０３は燃料分配機構１０５や燃料収容部１０２と独立した配管に限られるものではない。例えば、燃料分配機構１０５と燃料収容部１０２とを積層して一体化する場合、これらを繋ぐ液体燃料の流路であってもよい。燃料分配機構１０５は流路１０３を介して燃料収容部１０２と接続されていればよい。

ここで、燃料分配機構１０５は図３に示すように、液体燃料が流路１０３を介して流入する少なくとも１個の燃料注入口２１と、液体燃料やその気化成分を排出する複数個の燃料排出口２２とを有する燃料分配板２３を備えている。燃料分配板２３の内部には図２に示すように、燃料注入口２１から導かれた液体燃料の通路となる空隙部２４が設けられている。複数の燃料排出口２２は燃料通路として機能する空隙部２４にそれぞれ直接接続されている。

燃料注入口２１から燃料分配機構１０５に導入された液体燃料は空隙部２４に入り、この燃料通路として機能する空隙部２４を介して複数の燃料排出口２２にそれぞれ導かれる。複数の燃料排出口２２には、例えば液体燃料の気化成分のみを透過し、液体成分は透過させない気液分離体（図示せず）を配置してもよい。これによって、燃料電池発電部１０１のアノード（燃料極）１３には液体燃料の気化成分が供給される。なお、気液分離体は燃料分配機構１０５とアノード１３との間に気液分離膜等として設置してもよい。液体燃料の気化成分は複数の燃料排出口２２からアノード１３の複数個所に向けて排出される。

燃料排出口２２は燃料電池発電部１０１の全体に燃料を供給することが可能なように、燃料分配板２３のアノード１３と接する面に複数設けられている。燃料排出口２２の個数は２個以上であればよいが、燃料電池発電部１０１の面内における燃料供給量を均一化する上で、０．１〜１０個／ｃｍ²の燃料排出口２２が存在するように形成することが好ましい。

燃料分配機構１０５と燃料収容部１０２の間を接続する流路１０３には、ポンプ１０４が挿入されている。このポンプ１０４は燃料を循環される循環ポンプではなく、あくまでも燃料収容部１０２から燃料分配機構１０５に液体燃料を移送する燃料供給ポンプである。このようなポンプ１０４で必要時に液体燃料を送液することによって、燃料供給量の制御性を高めるものである。この場合、ポンプ１０４としては、少量の液体燃料を制御性よく送液することができ、さらに小型軽量化が可能という観点から、ロータリーベーンポンプ、電気浸透流ポンプ、ダイアフラムポンプ、しごきポンプ等を使用することが好ましい。ロータリーベーンポンプはモータで羽を回転させて送液するものである。電気浸透流ポンプは電気浸透流現象を起こすシリカ等の焼結多孔体を用いたものである。ダイアフラムポンプは電磁石や圧電セラミックスによりダイアフラムを駆動して送液するものである。しごきポンプは柔軟性を有する燃料流路の一部を圧迫し、燃料をしごき送るものである。これらのうち、駆動電力や大きさ等の観点から、電気浸透流ポンプや圧電セラミックスを有するダイアフラムポンプを使用することがより好ましい。

また、ポンプ１０４には、後述する燃料供給制御回路８が接続され、ポンプ１０４の動作が制御される。この点については後述する。

このような構成において、燃料収容部１０２に収容された液体燃料は、ポンプ１０４により流路１０３を移送され、燃料分配機構１０５に供給される。そして、燃料分配機構１０５から放出された燃料は、燃料電池発電部１０１のアノード（燃料極）１３に供給される。燃料電池発電部１０１内において、燃料はアノードガス拡散層１２を拡散してアノード触媒層１１に供給される。液体燃料としてメタノール燃料を用いた場合、アノード触媒層１１で下記の(1)式に示すメタノールの内部改質反応が生じる。なお、メタノール燃料として純メタノールを使用した場合には、カソード触媒層１４で生成した水や電解質膜１７中の水をメタノールと反応させて(1)式の内部改質反応を生起させる。あるいは、水を必要としない他の反応機構により内部改質反応を生じさせる。

ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ → ＣＯ₂＋６Ｈ⁺＋６ｅ^- …(1)
この反応で生成した電子（ｅ^-）は集電体を経由して外部に導かれ、いわゆる出力として負荷側に供給された後、カソード（空気極）１６に導かれる。また、(1)式の内部改質反応で生成したプロトン（Ｈ⁺）は電解質膜１７を経てカソード１６に導かれる。カソード１６には酸化剤として空気が供給される。カソード１６に到達した電子（ｅ^-）とプロトン（Ｈ⁺）は、カソード触媒層１４で空気中の酸素と下記の(2)式にしたがって反応し、この反応に伴って水が生成される。

６ｅ^-＋６Ｈ⁺＋（３／２）Ｏ₂ → ３Ｈ₂Ｏ …(2)
図１に戻って、このように構成された燃料電池本体１の燃料電池発電部（セル）１０１には、電池出力取得手段としての定電流負荷部２が接続されている。この定電流負荷部２は、図４に示すように燃料電池発電部１０１の出力端子間に、定電流負荷２０１ａとトランジスタ素子２０１ｂの直列回路からなる第1の定電流負荷回路２０１と、定電流負荷２０２ａとトランジスタ素子２０２ｂの直列回路からなる第２の定電流負荷回路２０２を並列接続している。第1の定電流負荷回路２０１は、トランジスタ素子２０１ｂの動作により定電流負荷２０１ａを通して燃料電池発電部１０１より特定の電流、例えば、ａアンペアの定電流を出力させる。同様に、第２の定電流負荷回路２０２は、トランジスタ素子２０２ｂの動作により定電流負荷２０２ａを通して燃料電池発電部１０１より特定の電流として、ａアンペアの定電流を出力させる。これにより、第1の定電流負荷回路２０１のみ動作では、燃料電池発電部１０１より第１の電流としてａアンペアの定電流が出力され、第1及び第２の定電流負荷回路２０１、２０１を同時動作させると、燃料電池発電部１０１より第２の電流として、ａアンペアの２倍の２ａアンペアの定電流が出力される。この場合、定電流負荷部２より出力される２ａアンペアの電流値は、燃料電池発電部１０１の初期時における最大発電量の半分程度が望ましい。

定電流負荷部２には、制御部４が接続されている。制御部４については後述する。

燃料電池本体１には、定電流負荷部２を介して出力調整手段としてＤＣ−ＤＣコンバータ（電圧調整回路）５が接続されている。このＤＣ−ＤＣコンバータ５は、不図示のスイッチング要素とエネルギー蓄積要素を有し、これらスイッチング要素とエネルギー蓄積要素により燃料電池本体１で発電された電気エネルギーを蓄積／放出させ、燃料電池本体１からの比較的低い出力電圧を十分の電圧まで昇圧して生成される出力を発生する。このＤＣ−ＤＣコンバータ５の出力は、補助電源６に供給される。

なお、ここでは標準的な昇圧型のＤＣ−ＤＣコンバータ５を示したが、昇圧動作が可能なものならば、他の回路方式のものでも実施可能である。

ＤＣ−ＤＣコンバータ５の出力端には、補助電源６が接続されている。この補助電源６は、ＤＣ−ＤＣコンバータ５の出力により充電可能としたもので、電子機器本体７の瞬間的な負荷変動に対して電流を供給し、また、燃料枯渇状態になって前記燃料電池本体１が発電不能に陥った場合に電子機器本体７の駆動電源として用いられる。この補助電源６には、充放電可能な二次電池(例えばリチウムイオン充電池（ＬＩＢ）)や電気二重層コンデンサ）が用いられる。

補助電源６には、燃料供給制御回路８が接続されている。この燃料供給制御回路８は、補助電源６を電源としてポンプ１０４の動作を制御するもので、制御部４からの指示、周囲の温度情報や電子機器本体７の運転状態情報などに基づいてポンプ１０４を駆動する制御信号を出力する。

制御部４は、システム全体を制御するもので、定電流負荷制御手段４０１、劣化検出手段４０２、劣化判定手段４０３及び劣化報知手段４０４を有している。定電流負荷制御手段４０１は、定電流負荷部２のトランジスタ素子２０１ｂ、２０２ｂの動作を制御するもので、最初にトランジスタ素子２０１ｂのみを動作して第1の定電流負荷回路２０１により燃料電池発電部１０１よりａアンペアの定電流を出力させ、次に、トランジスタ素子２０１ｂ、２０２ｂを同時に動作して第1及び第２の定電流負荷回路２０１、２０１により燃料電池発電部１０１より２ａアンペアの定電流を出力させる。この定電流負荷制御手段４０１は、一定時間ごとに定電流負荷部２を動作して劣化検出を実行する。

劣化検出手段４０２は、燃料電池発電部１０１よりａアンペア及び２ａアンペアの特定電流を出力させた状態で燃料電池発電部１０１の劣化を検出する。

ここで、燃料電池の劣化検出の考え方を簡単に説明する。
燃料電池の特性の一つとしてＩ＊Ｖ特性がある。このＩ＊Ｖ特性は、図５に示すように燃料電池の出力電流（Ａ）を変化させた時の出力電圧（Ｖ）を測定したもので、特性曲線Ｘで表すことができる。この特性曲線Ｘは、燃料電池を使用し続けると、使用期間の経過とともに同図の特性曲線Ｙ、Ｚに示すようにそれぞれ変化し、特にその傾きを変化していく。

いま、特性曲線Ｘについて考えると、この特性曲線Ｘを、一次関数で近似した場合、
Ｖｏ＝Rdmfc＊Ｉｏ＋ＯＣＶ
で表すことができる。ここで、燃料電池の等価回路は、図６に示すように出力端子ｔ１、ｔ２の間に電池本体Ｂｔと出力抵抗Rdmfcを直列に接続した回路で表すことができ、この等価回路において、上述のＶｏは出力端子ｔ１、ｔ２間に発生する出力電圧、Ｉｏは電池本体Ｂｔより出力される出力電流、Rdmfcは燃料電池の出力抵抗、ＯＣＶ（Open Circuit Voltage）は開放電圧を示している。なお、開放電圧ＯＣＶは、実際の燃料電池の開放電圧でなく、近似の際の仮想の開放電圧である。

次に、図５において、特性曲線Ｘを太線で示す直線Ｘ’と見做し、燃料電池の出力電流Ｉｏとして上述したａアンペアの特定電流を流した時の出力電圧Ｖａと、２ａアンペアの特定電流を流した時の出力電圧Ｖｂをそれぞれ求める。そして、これら出力電圧ＶａとＶｂの電圧差ｄｖを求め、この電圧差ｄｖとｄＩ（２ａ−ａ）から直線Ｘ’の傾きＲ（＝ｄｖ／ｄＩ）を求める。この傾きＲは、上述した出力抵抗Rdmfcに相当する。また、ａアンペアの特定電流を流した時の出力電圧Ｖａに電圧差ｄｖを加えた（Ｖａ＋ｄｖ）は、直線Ｘ’の延長線が出力電圧（Ｖ）軸と交差する点であり、この点の出力電圧Ｖが上述した開放電圧ＯＣＶに相当する。

なお言い換えれば、この（仮想の）開放電圧は、燃料電池の出力特性が
出力電圧＝−出力抵抗×出力電圧＋仮想の開放電圧
が成り立つとき、
ｄＩ＝２ａ−ａ
すなわち
ｄＩ＝ａ
が成立する。そして、
ｄＩ−ａ＝０
が成り立ち、出力０Ａ（ゼロアンペア）となる。これを開放として
Ｖａ−Ｖｂ＝ｄＶ
のとき、仮想の開放電圧は
Ｖａ＋ｄＶ
となる。

同様にして、例えば、図５に示す特性曲線Ｚ（使用期間がさらに経過した時の曲線を示している）についても、太線で示す直線Ｚ’と見做して上述したａアンペアの特定電流を流した時の出力電圧Ｖａ’と、２ａアンペアの特定電流を流した時の出力電圧Ｖｂ’をそれぞれ求め、これら出力電圧Ｖａ’とＶｂ’の電圧差ｄｖ’を用いて出力抵抗Rdmfcに相当する傾きＲ（＝ｄｖ’／ｄＩ）と開放電圧ＯＣＶ’（Ｖａ’＋ｄｖ’）を求める。

この場合、直線Ｚ’の傾きＲ（＝ｄｖ’／ｄＩ）については、上述の直線Ｘ’の傾きＲ（＝ｄｖ／ｄＩ）に比べて明らかに大きくなっており、出力抵抗Rdmfcが増加していることを示している。また、開放電圧ＯＣＶ’については、上述の直線Ｘ’の開放電圧ＯＣＶ（Ｖａ＋ｄｖ）に比べて明らかに低下している。つまり、これら傾きＲと開放電圧ＯＣＶは、燃料電池の使用期間に応じて変化することが明らかであり、これにより、これら傾きＲと開放電圧ＯＣＶの状態を常時監視するようにすれば燃料電池の劣化を検出することができる。

劣化検出手段４０２は、このような考えに基づいて劣化検出を行う。この場合、劣化検出手段４０２は、定電流負荷制御手段４０１により燃料電池発電部１０１にａアンペア及び２ａアンペアの特定電流を順に出力させた状態で、これら特定電流に応じた出力電圧Ｖａ及び出力電圧Ｖｂを求める。次に、これら出力電圧Ｖａ、Ｖｂの差電圧ｄｖから出力抵抗Rdmfcに相当する傾きＲ（＝ｄｖ／ｄＩ）を求め、同時に、出力電圧Ｖａに電圧差ｄｖを加えた（Ｖａ＋ｄｖ）から開放電圧ＯＣＶを求める。

劣化判定手段４０３は、劣化検出手段４０２で検出された傾きＲ（＝ｄｖ／ｄＩ）及び開放電圧ＯＣＶ（Ｖａ＋ｄｖ）から劣化判定を行う。この場合、劣化判定手段４０３は、傾きＲ及び開放電圧ＯＣＶに対してそれぞれ所定の閾値を設定していて、劣化検出手段４０２で検出された傾きＲが予め設定された閾値を超えるとともに、開放電圧ＯＣＶが予め設定された閾値を下回ると、燃料電池発電部１０１の劣化を判定し劣化検出信号を出力する。

なお、ここでの劣化検出手段４０２及び劣化判定手段４０３での劣化検出には、傾きＲ及び開放電圧ＯＣＶを用いているが、傾きＲ及び開放電圧ＯＣＶのいずれか一方を用いて劣化を判断するようにしても良い。

制御部４には、ＤＣ−ＤＣコンバータ５及び燃料供給制御回路８が接続されている。

ＤＣ−ＤＣコンバータ５は、制御部４で劣化検出を実行している間は、強制的に動作を停止される。

燃料供給制御回路８は、制御部４より劣化判定信号が入力されると、燃料電池発電部１０１の劣化を補償するためポンプ１０４による燃料供給を増加させる。つまり、燃料供給制御回路８は、ポンプ１０４のオン時間を長くするようにポンプ１０４の駆動を制御し燃料電池発電部１０１への燃料の供給量を増加させて燃料電池発電部１０１の劣化に伴う発電量の低下の分を補償する。

このような構成において、いま、補助電源６の出力が、燃料供給制御回路８に電源として供給されると、燃料供給制御回路８は、周囲の温度情報や電子機器本体７の運転状態情報などに基づいてポンプ１０４をオン／オフ制御する制御信号を出力する。

これにより、燃料収容部１０２に収容される液体燃料がポンプ１０４により流路１０３を介して燃料電池発電部１０１に供給され、燃料電池発電部１０１より発電出力が発生する。

燃料電池発電部１０１の発電出力は、ＤＣ−ＤＣコンバータ５により昇圧され、電子機器本体７に供給される。同時に、補助電源６は、ＤＣ−ＤＣコンバータ５の出力により充電される。これにより、電子機器本体７は、ＤＣ−ＤＣコンバータ５から供給される電力を電源として動作される。

この状態で、一定時間が経過すると、制御部４の定電流負荷制御手段４０１により定電流負荷部２が動作され劣化検出が実行される。この場合、ＤＣ−ＤＣコンバータ５の動作は強制的に停止される。

まず、定電流負荷制御手段４０１により定電流負荷部２のトランジスタ素子２０１ｂを動作して第1の定電流負荷回路２０１により燃料電池発電部１０１よりａアンペアの定電流を出力させる。次に、トランジスタ素子２０１ｂ、２０２ｂを同時に動作して第1及び第２の定電流負荷回路２０１、２０１により燃料電池発電部１０１より２ａアンペアの定電流を出力させる。そして、これらａアンペア及び２ａアンペアの特定電流を出力させた状態で、劣化検出手段４０２により、これら特定電流に応じた出力電圧Ｖａ及び出力電圧Ｖｂをそれぞれ求める。そして、これら出力電圧Ｖａ、Ｖｂの差電圧ｄｖから出力抵抗Rdmfcに相当する傾きＲ（＝ｄｖ／ｄＩ）を求め、同時に、出力電圧Ｖａに電圧差ｄｖを加えた（Ｖａ＋ｄｖ）から開放電圧ＯＣＶを求める。

次に、劣化検出手段４０２で検出された傾きＲ（＝ｄｖ／ｄＩ）及び開放電圧ＯＣＶ（Ｖａ＋ｄｖ）は、劣化判定手段４０３に送られ、劣化判定が行われる。この場合、劣化判定手段４０３には、傾きＲ及び開放電圧ＯＣＶに対してそれぞれ所定の閾値が設定されている。そして、劣化検出手段４０２で検出された傾きＲが所定の閾値を超えるとともに、開放電圧ＯＣＶが設定の閾値を下回ると、燃料電池発電部１０１の劣化を判定し劣化検出信号が出力される。

この劣化検出信号は、燃料供給制御回路８に送られる。燃料供給制御回路８は、劣化判定手段４０３より劣化判定信号が与えられると、燃料電池発電部１０１の劣化を補償するためポンプ１０４による燃料供給を増加させる。つまり、燃料供給制御回路８は、ポンプ１０４のオン時間が長くなるようにポンプ１０４の駆動を制御し燃料電池発電部１０１への燃料の供給量を増加させる。これにより、燃料電池発電部１０１は、劣化に伴う発電量の低下の分が補償され、一定の発電量が維持される。

一方、劣化検出手段４０２で検出された傾きＲが所定の閾値以下で、開放電圧ＯＣＶも設定の閾値を上回るような場合、劣化判定手段４０３は、燃料電池発電部１０１での劣化がなく正常な状態と判定するので、燃料供給制御回路８は、上述したように周囲の温度情報や電子機器本体７の運転状態情報などに基づいたポンプ１０４のオン／オフ制御を継続する。

なお、上述では、制御部４より劣化判定信号が出力されると、燃料供給制御回路８は、ポンプ１０４のオン時間を長くするようにポンプ１０４の駆動を制御し燃料電池発電部１０１への燃料の供給量を増加させるようにしたが、この方法に代えてポンプ１０４の駆動電圧を高めて（駆動電流を大きくしても良い）燃料電池発電部１０１への燃料の供給量を増加させるようにしてもよい。

したがって、このようにすれば、燃料電池発電部１０１より電子機器本体７に発電電力が供給されている状態で、一定時間の経過ごとに定電流負荷制御手段４０１により定電流負荷部２のトランジスタ素子２０１ｂ、２０２ｂを動作して燃料電池発電部１０１よりａアンペア及び２ａアンペアの特定電流を出力させ、劣化検出手段４０２によりａアンペア及び２ａアンペアの特定電流に応じた出力電圧Ｖａ及び出力電圧Ｖｂをそれぞれ求め、さらに、これら出力電圧Ｖａ、Ｖｂの差電圧ｄｖから出力抵抗Rdmfcに相当する傾きＲ（＝ｄｖ／ｄＩ）を求めるとともに、出力電圧Ｖａに電圧差ｄｖを加えた（Ｖａ＋ｄｖ）から開放電圧ＯＣＶを求め、これら傾きＲ及び開放電圧ＯＣＶについて劣化判定手段４０３で傾きＲが所定の閾値を超えるとともに、開放電圧ＯＣＶが設定の閾値を下回ると、燃料電池発電部１０１の劣化を判定し劣化検出信号を出力するようにした。そして、この劣化検出信号の出力により燃料供給制御回路８は、ポンプ１０４のオン時間を長くするようにポンプ１０４の駆動を制御し燃料電池発電部１０１への燃料の供給量を増加させるようにした。これにより、燃料電池発電部１０１は、劣化に伴う発電量の低下を補償され、一定の発電量を維持することができるので、この状態で燃料電池発電部１０１の発電出力を電子機器本体７の駆動電源として使い続けても、電子機器本体７に供給される電力が不安定になることがなく、電子機器本体７を安定して駆動し続けることができる。

（変形例１）
上述した実施の形態では、劣化判定信号が入力されると燃料供給制御回路８によりポンプ１０４のオン時間を長くするようにポンプ１０４の駆動を制御し、燃料電池発電部１０１への燃料の供給量を増加させて燃料電池発電部１０１の劣化に伴う発電量の低下の分を補償するようにしたが、これと逆に、燃料電池発電部１０１への燃料の供給量を減少させて燃料電池発電部１０１の延命を図るようにしても良い。この場合、劣化判定信号が入力されると、燃料供給制御回路８は、ポンプ１０４のオン時間を短くするようにポンプ１０４の駆動を制御し、燃料電池発電部１０１への燃料の供給量を減少させて燃料電池発電部１０１の発電量を低下させ電池劣化の速度を抑制する。このようにすれば、燃料電池発電部１０１の劣化が始まっても使用できる時間をさらに延ばして使用しつづけることができる。

なお、上述では、劣化判定信号が出力されると、燃料供給制御回路８は、ポンプ１０４のオン時間を短くするようにポンプ１０４の駆動を制御し燃料電池発電部１０１への燃料の供給量を減少させるようにしたが、この方法に代えてポンプ１０４の駆動電圧を下げて（駆動電流を小さくしても良い）燃料電池発電部１０１への燃料の供給量を減少させるようにしてもよい。

（変形例２）
この場合、図１に示すように燃料電池本体１に温度検出器９を設け、劣化判定手段４０３で劣化判定がなされると、このとき温度検出器９で検出される温度を制御部４が参照し、この温度が燃料電池発電部１０１の劣化が顕著となる高温又は低温であることを検出すると、燃料供給制御回路８によるポンプ１０４の動作をオフして燃料電池発電部１０１の発電動作を強制的に停止させる。このようにすれば、燃料電池発電部１０１の劣化が検出された後に、さらに燃料電池発電部１０１が急激に劣化して再生不能に陥るような事態を防止することができる。

（変形例３）
例えば、劣化判定手段４０３で燃料電池発電部１０１の劣化が判定されたとき、この旨を外部に報知するようにしても良い。この場合、図１に示すように制御部４は、劣化報知手段４０４が設けられる。この劣化報知手段４０４は、劣化判定手段４０３で燃料電池発電部１０１の劣化が判定されると、劣化報知信号を発生し、この劣化報知信号を電子機器本体７に出力する。電子機器本体７は、報知手段としての表示部７１が設けられている。表示部７１は、劣化報知信号により燃料電池発電部１０１の劣化表示するもので、発光体として例えばＬＥＤが用いられる。勿論、報知手段としてブザーなど音を発生する手段を用いることもできる。このようにすれば、燃料電池発電部１０１の劣化を電子機器本体７の表示部７１に表示できるので、ユーザは、電池劣化を速やかに知ることができ、かかる状況に対する対応を早急に実行することができる。

なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものでなく、実施段階では、その要旨を変更しない範囲で種々変形することが可能である。例えば、上述した実施の形態では、一定時間ごとに劣化検出を実行するようにしたが、燃料電池発電部１０１の起動の際に実行するようにしても良い。また、劣化検出手段４０２では、出力抵抗Rdmfcに相当する傾きＲ（＝ｄｖ／ｄＩ）と開放電圧ＯＣＶを検出するようにしているが、傾きＲ及び開放電圧ＯＣＶの少なくとも一方を検出するようにしてもよい。また、上述した実施の形態では、燃料分配機構１０５と燃料収容部１０２の間を接続する流路１０３に燃料移送制御手段としてのポンプ１０４を配置した例を述べたが、さらにポンプ１０４と直列に燃料遮断バルブを配置してもよい。この燃料遮断バルブは、長期保管時等におけるポンプ１０４からの液体燃料の蒸発を防止するために設けられるものであるが、ポンプ１０４の制御を停止する代わりに、燃料遮断バルブを強制的に遮断し燃料電池本体１への液体燃料の供給を強制的に停止させる燃料供給制御手段の機能を持たせるようにしてもよい。

さらに、上記実施の形態には、種々の段階の発明が含まれており、開示されている複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出できる。例えば、実施の形態に示されている全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題を解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出できる。

本発明の第１の実施の形態にかかる燃料電池システムの概略構成を示す図。 第１の実施の形態の燃料電池本体を詳細に説明するための断面図。 第１の実施の形態の燃料電池本体に用いられる燃料分配機構の斜視図。 第１の実施の形態に用いられる定電流負荷部の概略構成を示す図。 第１の実施の形態に用いられる劣化検出手段の動作を説明するための図。 第１の実施の形態に用いられる燃料電池発電部の等価回路を示す図。

符号の説明

１…燃料電池本体、２…定電流負荷部
２０１…第１の定電流負荷回路、２０２…第２の定電流負荷回路
２０１ａ、２０２ａ…定電流負荷、２０１ｂ、２０２ｂ…トランジスタ素子
４…制御部、４０１…定電流負荷制御手段
４０２…劣化検出手段、４０３…劣化判定手段
４０４…劣化報知手段、５…ＤＣ／ＤＣコンバータ
６…補助電源、７…電子機器本体、７１…表示部
８…燃料供給制御回路、９…温度検出器
１１…アノード触媒層、１２…アノードガス拡散層
１３…アノード、１４…カソード触媒層
１５…カソードガス拡散層、１６…カソード
１７…電解質膜、１８…カバープレート
１９…Ｏリング、２１…燃料注入口
２２…燃料排出口、２３…燃料分配板、２４…空隙部
１０１…燃料電池発電部、１０２…燃料収容部
１０３…流路、１０４…ポンプ、１０５…燃料分配機構

Claims (9)

1. 燃料電池発電部を有する燃料電池本体と、
   前記燃料電池発電部に第１の電流及び該第１の電流の２倍の第２の電流を出力させる電池出力取得手段と、
   前記電池出力取得手段により前記燃料電池発電部に前記第１及び第２の電流を出力させた状態で、これら第１及び第２の電流に基づいて求められる出力電圧により前記燃料電池発電部の出力抵抗及び開放電圧の少なくとも一方を検出する劣化検出手段と、
   前記劣化検出手段により検出された前記燃料電池発電部の出力抵抗及び開放電圧の少なくとも一方により前記燃料電池発電部の劣化を判定する劣化判定手段と
   を具備したことを特徴とする燃料電池の劣化検出装置。
2. 前記劣化検出手段は、前記燃料電池発電部に前記第１及び第２の電流を出力させた状態で、これら第１及び第２の電流に応じた出力電圧Ｖａ及び出力電圧Ｖｂを求め、これら出力電圧Ｖａ、Ｖｂの差電圧ｄｖ、およびこれら第１及び第２の電流の差電流ｄＩから求められる前記燃料電池発電部の出力抵抗に相当する傾きＲ（＝ｄｖ／ｄＩ）及び前記出力電圧Ｖａに電圧差ｄｖを加えた（Ｖａ＋ｄｖ）から求められる開放電圧ＯＣＶの少なくとも一方を検出することを特徴とする請求項１記載の燃料電池の劣化検出装置。
3. 前記劣化判定手段は、前記劣化検出手段で検出される傾きＲ及び開放電圧ＯＣＶの少なくとも一方に対して所定の閾値が設定され、前記傾きＲの場合、前記設定された閾値を超えるとき、前記開放電圧ＯＣＶの場合、前記設定された閾値を下回るとき、前記燃料電池発電部の劣化を判定することを特徴とする請求項２記載の燃料電池の劣化検出装置。
4. 燃料電池発電部、液体燃料を収容する燃料収容部及び前記燃料収容部から前記燃料電池発電部への燃料の供給を制御する燃料移送制御手段を有する燃料電池本体と、
   前記燃料電池発電部に第１の電流及び該第１の電流の２倍の第２の電流を出力させる電池出力取得手段と、
   前記電池出力取得手段により前記燃料電池発電部に前記第１及び第２の電流を出力させた状態で、これら第１及び第２の電流基づいて求められる出力電圧により前記燃料電池発電部の出力抵抗及び開放電圧の少なくとも一方を検出する劣化検出手段と、
   前記劣化検出手段により検出された前記燃料電池発電部の出力抵抗及び開放電圧の少なくとも一方により前記燃料電池発電部の劣化を判定する劣化判定手段と、を具備し、
   前記劣化判定手段の劣化判定に応じて前記燃料移送制御手段による前記燃料電池発電部への燃料の供給量を制御することを特徴とする燃料電池システム。
5. 前記劣化検出手段は、前記燃料電池発電部に前記第１及び第２の電流を出力させた状態で、これら第１及び第２の電流に応じた出力電圧Ｖａ及び出力電圧Ｖｂを求め、これら出力電圧Ｖａ、Ｖｂの差電圧ｄｖ、およびこれら第１及び第２の電流の差電流ｄＩから求められる前記燃料電池発電部の出力抵抗に相当する傾きＲ（＝ｄｖ／ｄＩ）及び前記出力電圧Ｖａに電圧差ｄｖを加えた（Ｖａ＋ｄｖ）から求められる開放電圧ＯＣＶの少なくとも一方を検出することを特徴とする請求項４記載の燃料電池システム。
6. 前記劣化判定手段は、前記劣化検出手段で検出される傾きＲ及び開放電圧ＯＣＶの少なくとも一方に対して所定の閾値が設定され、前記傾きＲの場合、前記設定された閾値を超えるとき、前記開放電圧ＯＣＶの場合前記設定された閾値を下回るとき、前記燃料電池発電部の劣化を判定し劣化検出信号を出力することを特徴とする請求項５記載の燃料電池システム。
7. 前記劣化判定手段の劣化判定に応じて前記燃料移送制御手段による前記燃料電池発電部への燃料の供給量を増加させ前記燃料電池発電部の発電量を制御することを特徴とする請求項４記載の燃料電池システム。
8. 前記劣化判定手段の劣化判定に応じて前記燃料移送制御手段による前記燃料電池発電部への燃料の供給量を減少させ前記燃料電池発電部の発電量を制御することを特徴とする請求項４記載の燃料電池システム。
9. 前記燃料供給制御手段は、前記燃料を前記燃料電池発電部に移送するためのポンプ又は前記燃料電池本体への液体燃料の供給を遮断可能にした燃料遮断バルブであることを特徴とする請求項４乃至８のいずれか一記載の燃料電池システム。

Images