JP2014053133A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】大掛かりな装置を必要とせず、燃料発生部材の酸化状態を精度良く検出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】燃料電池システムは、酸化反応により燃料ガスを発生する燃料発生部材１と、酸素を含む酸化剤ガスと前記燃料発生部材１から供給される燃料ガスとの反応により発電を行う燃料電池部２と、前記燃料電池部２にパルス電流を印加し、パルス電流印加時の前記燃料電池部２の燃料極２Ｂ−酸化剤極２Ｃ間電圧を測定し、測定した前記電圧に基づいて前記燃料発生部材１の酸化状態を検出する電気回路とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、化学反応により燃料ガスを発生する燃料発生部材と、酸素を含む酸化剤ガスと前記燃料発生部材から供給される燃料ガスとの反応により発電を行う燃料電池部とを備える燃料電池システムに関する。

燃料電池は、典型的には、固体ポリマーイオン交換膜を用いた固体高分子電解質膜、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）を用いた固体酸化物電解質膜等を、燃料極（アノード）と酸化剤極（カソード）とで両側から挟み込んだものを１つのセル構成としている。そして、燃料極に燃料ガス（例えば水素）を供給する燃料ガス流路と、酸化剤極に酸化剤ガス（例えば酸素や空気）を供給する酸化剤ガス流路とが設けられ、これらの流路を介して燃料ガス、酸化剤ガスがそれぞれ燃料極、酸化剤極に供給されることにより発電が行われる。

燃料電池は、原理的に取り出せる電力エネルギーの効率が高いため、省エネルギーになるだけでなく、環境に優れた発電方式であり、地球規模でのエネルギーや環境問題解決の切り札として期待されている。

特開２００８−９４６４５号公報 特表平１１−５０１４４８号公報 国際公開第２０１２／０７０４８７号 特開２０１２−４７６９３号公報 特開２００９−１１０８０６号公報 特開２００３−４５４６６号公報

特許文献１〜３には、燃料電池へ燃料ガスとして供給される水素を、鉄（燃料発生部材）と水または水蒸気との化学反応により発生させる方法が開示されている。

ここで、特許文献４には、燃料発生部材自体の重量を測定することにより、燃料発生部材の酸化状態を検出する方法が開示されている。しかしながら、燃料発生部材自体の重量を測定する装置が大掛かりになるという課題がある。

また、特許文献５及び特許文献６では、燃料電池の開回路電圧を測定し、発電異常やガス漏れを検知している。燃料電池の開回路電圧から水素濃度を推測し、推測した水素濃度を利用して燃料発生部材の酸化状態を検出することも考えられるが、燃料電池に流れる電流がごくわずかであるため、燃料電池の開回路電圧と燃料発生部材の酸化状態との相関が低く、燃料発生部材の酸化状態の検出精度が低いという課題がある。

本発明は、上記の状況に鑑み、大掛かりな装置を必要とせず、燃料発生部材の酸化状態を精度良く検出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。

上記目的を達成するために本発明に係る燃料電池システムは、酸化反応により燃料ガスを発生する燃料発生部材と、酸素を含む酸化剤ガスと前記燃料発生部材から供給される燃料ガスとの反応により発電を行う燃料電池部と、前記燃料電池部にパルス電流を印加し、パルス電流印加時の前記燃料電池部の燃料極−酸化剤極間電圧を測定し、前記電圧に基づいて前記燃料発生部材の酸化状態を検出する電気回路とを備える構成（第１の構成）とする。

また、上記第１の構成の燃料電池システムにおいて、前記電気回路は、前記燃料発生部材の酸化状態ごとの前記燃料電池部の電流電圧特性に関するデータを予め格納する記憶部を有し、前記電圧及び前記データに基づいて前記燃料発生部材の酸化状態を検出する構成（第２の構成）としてもよい。

また、上記第１または第２の構成の燃料電池システムにおいて、前記電気回路は、前記燃料電池部を流れる電流を検出する第１の電流検出回路を有し、前記電圧及び前記第１の電流検出回路によって検出された電流に基づいて前記燃料発生部材の酸化状態を検出する構成（第３の構成）としてもよい。

また、上記第１〜第３のいずれかの構成の燃料電池システムにおいて、前記電気回路は、前記燃料電池部に外部負荷を電気的に接続した状態で前記燃料電池部にパルス電流を印加する構成（第４の構成）としてもよい。

また、上記第４の構成の燃料電池システムにおいて、前記電気回路は、パルス電流印加時に前記燃料電池部を流れる電流を一定するために前記パルス電流をフィードバック制御するフィードバック制御部を備える構成（第５の構成）としてもよい。

また、上記第１〜第５のいずれかの構成の燃料電池システムにおいて、前記電気回路は、パルス電流印加期間中のある瞬間の前記燃料電池部の燃料極−酸化剤極間電圧、パルス電流印加期間中の前記燃料電池部の燃料極−酸化剤極間電圧の時間変化率、及びパルス電流印加開始から前記燃料電池部の燃料極−酸化剤極間電圧が一定になるまでの時間の少なくとも一つを測定する構成（第６の構成）としてもよい。

本発明に係る燃料電池システムによると、燃料発生部材の酸化状態検出動作が回路規模の小さい電気回路によって実現できるため、大掛かりな装置を必要としない。また、本発明に係る燃料電池システムによると、燃料電池部の開回路電圧ではなく、パルス電流印加時の燃料電池部の電圧を用いて燃料発生部材の酸化状態を検出しているので、燃料発生部材の酸化状態を精度良く検出することができる。

本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す図である。 第１実施形態に係る電気回路の構成を示す回路図である。 第１実施形態に係る電気回路の動作を示すフローチャートである。 第１実施形態に係る電気回路によって燃料発生部材の酸化状態検出動作が１回実施された場合における燃料電池部の電流及び電圧を示すタイムチャートである。 第２実施形態に係る電気回路の動作を示すフローチャートである。 燃料電池部の電流電圧特性と燃料発生部材の鉄残量との関係を示す図である。 第３実施形態に係る電気回路の構成を示す回路図である。 第３実施形態に係る電気回路の動作を示すフローチャートである。 第４実施形態に係る電気回路の動作を示すフローチャートである。 第４実施形態に係る電気回路によって燃料発生部材の酸化状態検出動作が１回実施された場合における燃料電池部の電流及び電圧を示すタイムチャートである。 第５実施形態に係る電気回路の構成を示す回路図である。 第５実施形態に係る電気回路の動作を示すフローチャートである。 第５実施形態に係る電気回路によって燃料発生部材の酸化状態検出動作が１回実施された場合における燃料電池部の電流及び電圧を示すタイムチャートである。

本発明の実施形態について図面を参照して以下に説明する。なお、本発明は、後述する実施形態に限られない。

本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を図１に示す。本実施形態に係る燃料システムは、酸化反応により燃料ガスを発生する燃料発生部材１と、酸素を含む酸化剤ガスと燃料発生部材１から供給される燃料ガスとの反応により発電を行う燃料電池部２と、電気回路３と、燃料発生部材１及び燃料電池部２を収容する容器４とを備えている。なお、必要に応じて、燃料発生部材１や燃料電池部２の周辺に温度を調節するヒータや温度を検出する温度センサ等を設けてもよい。

燃料発生部材１としては、例えば、基材料（主成分）が鉄である微粒子圧縮体からなる燃料発生部材を用いることができる。また、燃料電池部２としては、例えば、Ｏ^2-を透過する固体電解質を挟み、両側にそれぞれ燃料極と酸化剤極が形成されているＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly；膜・電極接合体）構造をなす固体酸化物燃料電池部を用いることができる。なお、図１では、ＭＥＡを１つだけ設けた構造を図示しているが、ＭＥＡを複数設けたり、さらに複数のＭＥＡを積層構造にしたりしてもよい。

以下の説明では、燃料発生部材１として基材料（主成分）が鉄である微粒子圧縮体からなる燃料発生部材を用い、燃料電池部２として固体酸化物燃料電池部を用い、燃料ガスとして水素を用いた場合について説明する。

本実施形態に係る燃料電池システムの発電時に燃料電池部２は電気回路３を介して外部負荷５に電気的に接続される。燃料電池部２では、本実施形態に係る燃料電池システムの発電時に、燃料極２Ｂにおいて下記の（１）式の反応が起こる。
Ｈ₂＋Ｏ^2-→Ｈ₂Ｏ＋２ｅ^- …（１）

上記の（１）式の反応によって生成された電子は、電気回路３及び外部負荷５を通って、酸化剤極２Ｃに到達し、酸化剤極２Ｃにおいて下記の（２）式の反応が起こる。
１／２Ｏ₂＋２ｅ^-→Ｏ^2- …（２）

そして、上記の（２）式の反応によって生成された酸素イオンは、固体電解質２Ａを通って、燃料極２Ｂに到達する。上記の一連の反応を繰り返すことにより、燃料電池部２が発電動作を行うことになる。また、上記の（１）式から分かるように、本実施形態に係る燃料電池システムの発電動作時には、燃料極２Ｂ側においてＨ₂が消費されＨ₂Ｏが生成されることになる。

上記の（１）式及び（２）式より、本実施形態に係る燃料電池システムの発電動作時における燃料電池部２での反応は下記の（３）式の通りになる。
Ｈ₂＋１／２Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ …（３）

一方、燃料発生部材１は、下記の（４）式に示す酸化反応により、本実施形態に係る燃料電池システムの発電時に燃料電池部２の燃料極２Ｂ側で生成されたＨ₂Ｏを消費してＨ₂を生成する。
３Ｆｅ＋４Ｈ₂Ｏ→Ｆｅ₃Ｏ₄＋４Ｈ₂ …（４）

上記の（４）式に示す鉄の酸化反応が進むと、鉄から酸化鉄への変化が進んで鉄残量が減っていくが、上記の（４）式の逆反応（還元反応）により、燃料発生部材１を再生することができ、本実施形態に係る燃料電池システムを充電することができる。

本実施形態に係る燃料電池システムの充電時に燃料電池部２は外部電源（不図示）に接続される。燃料電池部２では、本実施形態に係る燃料電池システムの充電時に、上記の（３）式の逆反応である下記の（５）式に示す電気分解反応が起こり、燃料極２Ｂ側においてＨ₂Ｏが消費されＨ₂が生成され、燃料発生部材１では、上記の（４）式に示す酸化反応の逆反応である下記（６）式に示す還元反応が起こり、燃料電池部２の燃料極２Ｂ側で生成されたＨ₂が消費されＨ₂Ｏが生成される。
Ｈ₂Ｏ→Ｈ₂＋１／２Ｏ₂ …（５）
Ｆｅ₃Ｏ₄＋４Ｈ₂→３Ｆｅ＋４Ｈ₂Ｏ …（６）

本実施形態に係る燃料電池システムは、燃料電池部２での燃料ガス消費が進むと、容器４内部の水蒸気濃度が高まり燃料発生部材１からの燃料ガス発生量が増え、燃料発生部材１から燃料電池部２への燃料ガスの供給が促進されるというフィードバック機能を有している。しかし、燃料発生部材１において鉄から酸化鉄への変化が進んで鉄残量が不足している場合は、燃料発生部材１から燃料電池部２へ燃料ガスを十分に供給することができず、燃料電池部２の燃料極２Ｂ−酸化剤極２Ｃ間電圧が下がるという現象が起こる。

電気回路３は、この現象を利用して燃料発生部材１の鉄残量すなわち燃料発生部材１の酸化状態を検出する回路であって、より具体的には、燃料電池部２にパルス電流を印加し、パルス電流印加時の燃料電池部２の燃料極２Ｂ−酸化剤極２Ｃ間電圧を測定し、測定したパルス電流印加時の燃料電池部２の燃料極２Ｂ−酸化剤極２Ｃ間電圧に基づいて燃料発生部材１の酸化状態を検出する回路である。以下、電気回路３の各実施形態について説明する。

＜電気回路の第１実施形態＞
本実施形態に係る電気回路３の構成を図２Ａに示し、本実施形態に係る電気回路３の動作を図２Ｂに示す。なお、図２Ａにおいて、直流電源Ｄ１と抵抗Ｒ１からなる直列回路は燃料電池部２の等価回路の一例であり、抵抗Ｒ２は外部負荷５の等価回路の一例である。

本実施形態に係る電気回路３は、マイクロコンピュータ３１と、ワンショットパルス電流回路３２と、負荷接続回路３３と、電圧検出回路３４とによって構成される。

ワンショットパルス電流回路３２は、ワンショットパルス電流のＯＮ／ＯＦＦをスイッチするＮチャネル電界効果トランジスタＱ１（以下、トランジスタＱ１という）と、ワンショットパルス電流を調整するオペアンプＡ１と、ワンショットパルス電流を検出する抵抗Ｒ３とを備えている。トランジスタＱ１のドレインは、直流電源Ｄ１と抵抗Ｒ１からなる直列回路のグランド電位に接続されていない側の端部に接続される。トランジスタＱ１のソースは、オペアンプＡ１の反転入力端子及び抵抗Ｒ３の一端に接続される。抵抗Ｒ３の他端はグランド電位に接続される。マイクロコンピュータ３１のＡポートから出力される制御信号がオペアンプＡ１の非反転入力端子に供給され、オペアンプＡ１の出力端子から出力されるゲート制御信号がトランジスタＱ１のゲートに供給される。抵抗Ｒ２に流れるワンショットパルス電流がマイクロコンピュータ３１のＡポートから出力される制御信号に応じた一定値になるようにオペアンプＡ１によってトランジスタＱ１が制御され、抵抗Ｒ３にワンショットパルス電流が流れることで、直流電源Ｄ１と抵抗Ｒ１からなる直列回路（燃料電池部２）にワンショットパルス電流が印加される。

負荷接続回路３３は、Ｎチャネル電界効果トランジスタＱ２（以下、トランジスタＱ２という）を備えている。トランジスタＱ２のドレインは直流電源Ｄ１と抵抗Ｒ１からなる直列回路のグランド電位に接続されていない側の端部に接続される。トランジスタＱ２のソースは抵抗Ｒ２のグランド電位に接続されていない側の端部に接続される。マイクロコンピュータ３１のＢポートから出力される制御信号がトランジスタＱ２のゲートに供給される。マイクロコンピュータ３１のＢポートから出力される制御信号がＨｉｇｈレベルであれば、トランジスタＱ２がオン状態になり、直流電源Ｄ１と抵抗Ｒ１からなる直列回路（燃料電池部２）と抵抗Ｒ２（外部負荷５）とが電気的に接続される。マイクロコンピュータ３１のＢポートから出力される制御信号がＬｏｗレベルであれば、トランジスタＱ２がオフ状態になり、直流電源Ｄ１と抵抗Ｒ１からなる直列回路（燃料電池部２）と抵抗Ｒ２（外部負荷５）とが電気的に遮断される。

電圧検出回路３４は、非反転入力端子が直流電源Ｄ１と抵抗Ｒ１からなる直列回路のグランド電位に接続されていない側の端部に接続され、反転入力端子及び出力端子がともにマイクロコンピュータ３１のＣポートに接続されるオペアンプＡ２からなるボルテージフォロア回路である。電圧検出回路３４は、インピーダンス変換を行うことで、直流電源Ｄ１と抵抗Ｒ１からなる直列回路のグランド電位に接続されていない側のインピーダンスに影響を及ぼすことなく、直流電源Ｄ１と抵抗Ｒ１からなる直列回路のグランド電位に接続されていない側の電圧を検出し、検出結果をマイクロコンピュータ３１のＣポートに供給する。

次に、本実施形態に係る電気回路３が行う燃料発生部材１の酸化状態検出動作について図２Ｂを参照して説明する。

燃料発生部材１の酸化状態検出動作が開始されると、マイクロコンピュータ３１はＢポートからＬｏｗレベルの制御信号を出力し、トランジスタＱ２をオフ状態にして、直流電源Ｄ１と抵抗Ｒ１からなる直列回路（燃料電池部２）と抵抗Ｒ２（外部負荷５）とを電気的に遮断する（ステップＳ１０）。

ステップＳ１０に続くステップＳ２０において、マイクロコンピュータ３１は、内蔵メモリに格納しているワンショットパルス電流の設定値に対応する制御信号を生成し、その生成した制御信号のＡポートからの出力を開始し、直流電源Ｄ１と抵抗Ｒ１からなる直列回路（燃料電池部２）へのワンショットパルス電流の印加を開始する。

ステップＳ２０に続くステップＳ３０において、マイクロコンピュータ３１は、電圧検出回路３４からＣポートに供給される電圧、すなわち燃料電池部２の燃料極２Ｂ−酸化剤極２Ｃ間電圧を検出する。

ステップＳ３０に続くステップＳ４０において、マイクロコンピュータ３１は、ワンショットパルス電流の印加開始から所定時間が経過したかを確認し、ワンショットパルス電流の印加開始から所定時間が経過していなければステップＳ３０に戻り、ワンショットパルス電流の印加開始から所定時間が経過すればステップＳ５０に進む。なお、ステップＳ４０で用いる所定時間の設定値はマイクロコンピュータ３１の内蔵メモリに格納すればよい。

ステップＳ５０において、マイクロコンピュータ３１は、制御信号のＡポートからの出力を終了し、直流電源Ｄ１と抵抗Ｒ１からなる直列回路（燃料電池部２）へのワンショットパルス電流の印加を終了する。

ステップＳ５０に続くステップＳ６０において、マイクロコンピュータ３１は、ワンショットパルス電流の印加時に検出された燃料電池部２の燃料極２Ｂ−酸化剤極２Ｃ間電圧であって安定した電圧（例えば、印加期間の中間時点での電圧、印加期間中の最小電圧など）が所定値よりも小さいかを確認する。なお、ステップＳ６０で用いる所定値の設定値はマイクロコンピュータ３１の内蔵メモリに格納すればよい。

ワンショットパルス電流の印加時に検出された燃料電池部２の燃料極２Ｂ−酸化剤極２Ｃ間電圧であって安定した電圧が所定値よりも小さければ、マイクロコンピュータ３１は、燃料発生部材１の酸化している割合が閾値以上であると判断し、燃料発生部材１の鉄残量が少ないことを示す残量表示器（不図示）をＯＮにし（ステップＳ７０）、燃料発生部材１の酸化状態検出動作を終了する。残量表示器としては例えばＬＥＤなどを用いることができる。

一方、ワンショットパルス電流の印加時に検出された燃料電池部２の燃料極２Ｂ−酸化剤極２Ｃ間電圧であって安定した電圧が所定値以上であれば、マイクロコンピュータ３１は、燃料発生部材１の酸化している割合が閾値未満であると判断し、燃料発生部材１の鉄残量が少ないことを示す残量表示器（不図示）をＯＦＦにし（ステップＳ８０）、燃料発生部材１の酸化状態検出動作を終了する。

上述した燃料発生部材１の酸化状態検出動作が１回実施された場合、燃料電池部２を流れる電流と燃料電池部２の燃料極２Ｂ−酸化剤極２Ｃ間電圧は、図２Ｃに示すように推移する。ワンショットパルス電流を印加している期間においては電気回路３で燃料電池部２の発電電力が消費されることになるため、ワンショットパルス電流を印加している期間は、燃料発生部材１の酸化状態を精度良く検出することができる範囲内で可能な限り短時間にすることが好ましい。また、検出時間の短縮や消費電力の低減を図る観点からは、ワンショットパルス電流を１回だけ印加することが好ましく、検出精度の向上を図る観点からはワンショットパルス電流を複数回印加し、例えば検出結果を多数決で採用するなどの処理を行うことが好ましい。ワンショットパルス電流を複数回印加する場合は、ワンショットパルス電流の設定値を各回で異なるようにしてもよい。

上述した燃料発生部材１の酸化状態検出動作は、回路規模の小さい電気回路３によって実現できるため、大掛かりな装置を必要としない。また、上述した燃料発生部材１の酸化状態検出動作は、燃料電池部２の開回路電圧ではなく、パルス電流印加時の燃料電池部２の電圧を用いて燃料発生部材１の酸化状態を検出しているので、燃料発生部材の酸化状態を精度良く検出することができる。

なお、上述した燃料発生部材１の酸化状態検出動作では、電気回路３で燃料電池部２の発電電力が消費されてしまうので、本発明は、燃料発生部材１を再生することができない一次電池型燃料電池システムに適用するよりも、燃料発生部材１を再生することができる二次電池型燃料電池システムに適用して燃料発生部材１の再生が必要なタイミングの報知などに利用することが好ましい。

また、上述した燃料発生部材１の酸化状態検出動作では、ステップＳ６０において、ワンショットパルス電流印加期間中のある瞬間の燃料電池部２の燃料極２Ｂ−酸化剤極２Ｃ間電圧を用いているが、この他にも、ワンショットパルス電流印加期間中の燃料電池部２の燃料極２Ｂ−酸化剤極２Ｃ間電圧の時間変化率（例えばワンショットパルス電流印加開始から第２の所定時間経過時の燃料電池部２の燃料極２Ｂ−酸化剤極２Ｃ間電圧の時間変化率。ここで、第２の所定時間の設定は、ワンショットパルス電流印加開始から第２の所定時間経過時には燃料電池部２の燃料極２Ｂ−酸化剤極２Ｃ間電圧がまだ一定になっていないような設定にすればよい。）、ワンショットパルス電流印加開始から燃料電池部２の燃料極２Ｂ−酸化剤極２Ｃ間電圧が一定になるまでの時間などを用いて、あるいはこれらを組み合わせて用いて燃料発生部材１の酸化状態を検出してもよい。ここで、ワンショットパルス電流印加期間中の燃料電池部２の燃料極２Ｂ−酸化剤極２Ｃ間電圧の時間変化率が小さければ、燃料発生部材１の鉄残量が少ない状態であり、ワンショットパルス電流印加開始から燃料電池部２の燃料極２Ｂ−酸化剤極２Ｃ間電圧が一定になるまでの時間が長ければ、燃料発生部材１の鉄残量が少ない状態である。

＜電気回路の第２実施形態＞
本実施形態に係る電気回路３の構成は第１実施形態で同一である。本実施形態に係る電気回路３の動作を図３に示す。なお、図３において、図２Ｂと同一の部分には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。

ステップＳ１０〜Ｓ５０の処理については、上述した第１実施形態と同一であるため説明を省略する。

ここで、燃料発生部材１の鉄残量と燃料電池部２の燃料極２Ｂ−酸化剤極２Ｃ間電圧との関係について説明する。燃料発生部材１の鉄残量が少なくなると、燃料電池部２を流れる電流が同一であれば、燃料電池部２の燃料極２Ｂ−酸化剤極２Ｃ間電圧は減少する。そのため、燃料電池部２の電流電圧特性は燃料発生部材１の鉄残量に応じて図４のように変化する。なお、燃料電池部２の電流電圧特性は、燃料電池システムの構成によって異なる。

そこで、本実施形態では、図４に示すような燃料発生部材１の鉄残量ごとの燃料電池部２の電流電圧特性に関するデータをマイクロコンピュータ３１の内蔵メモリに予め格納し、ステップＳ５０に続くステップＳ５１において、マイクロコンピュータ３１が、ワンショットパルス電流の設定値とステップＳ３０において検出した電圧とに対応する燃料電池部２の電流電圧特性から現時点での燃料発生部材１の鉄残量を推定し、ステップＳ５１に続くステップＳ５２において、マイクロコンピュータ３１が、ステップＳ５１において推定した現時点での燃料発生部材１の鉄残量を例えば液晶表示器（不図示）に数値表示させる。なお、ステップＳ５２の代わりに、マイクロコンピュータ３１が、ステップＳ５１において推定した現時点での燃料発生部材１の鉄残量を利用して、燃料発生部材１の鉄残量に応じた燃料電池部２と外部負荷５との接続のオン／オフの切り替え、燃料電池システムの充電／放電の切り替えなどの制御を行うステップを設けてもよい。

なお、マイクロコンピュータ３１の内蔵メモリに予め格納する燃料電池部２の電流電圧特性に関するデータは、燃料電池部２を流れる電流の全領域に関するデータでなくてもよく、例えば、ワンショットパルス電流の設定値に対応する燃料電池部２の電圧データのみであっても構わない。

＜電気回路の第３実施形態＞
本実施形態に係る電気回路３の構成を図５Ａに示し、本実施形態に係る電気回路３の動作を図５Ｂに示す。なお、図５Ａ及び図５Ｂにおいて、図２Ａ及び図２Ｂと同一の部分には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。

本実施形態に係る電気回路３は、マイクロコンピュータ３１、ワンショットパルス電流回路３２、負荷接続回路３３、及び電圧検出回路３４に加えて、電流検出回路３５を備えている。

電流検出回路３５は、直流電源Ｄ１と抵抗Ｒ１からなる直列回路（燃料電池部２）を流れる電流を検出する抵抗Ｒ４と、抵抗Ｒ５〜Ｒ８及びオペアンプＡ３からなる差動増幅器とによって構成される。抵抗Ｒ４は、直流電源Ｄ１と抵抗Ｒ１からなる直列回路（燃料電池部２）に直列接続される。抵抗Ｒ４の一端は抵抗Ｒ７を介してオペアンプＡ３の非反転入力端子に接続される。抵抗Ｒ４の他端は抵抗Ｒ５を介してオペアンプＡ３の反転入力端子に接続される。オペアンプＡ３の反転入力端子は抵抗Ｒ６を介してオペアンプＡ３の出力端子に接続される。オペアンプＡ３の非反転入力端子は抵抗Ｒ８を介してグランド電位に接続される。抵抗Ｒ５と抵抗Ｒ７の抵抗値が同一であり、抵抗Ｒ６と抵抗Ｒ８の抵抗値が同一である場合、差動増幅器の増幅率は、抵抗Ｒ８の抵抗値を抵抗Ｒ７の抵抗値で除した値となる。燃料電池部２を流れる電流に比例する抵抗Ｒ４の両端電圧が差動増幅器によって増幅されてマイクロコンピュータ３１のＤポートに供給される。

次に、本実施形態に係る電気回路３が行う燃料発生部材１の酸化状態検出動作について図５Ｂを参照して説明する。

ステップＳ１０〜Ｓ３０の処理については、上述した第１実施形態と同一であるため説明を省略する。

本実施形態では、ステップＳ３０の次に、マイクロコンピュータ３１が、電流検出回路３５からＤポートに供給される電圧に基づいて、燃料電池部２を流れる電流を検出し（ステップＳ３１）、その後ステップＳ４０に移行する。

ステップＳ４０〜Ｓ５０の処理についても、上述した第１実施形態と同一であるため説明を省略する。

第１実施形態では、ワンショットパルス電流印加時に燃料電池部２を流れる電流が一定であることを前提にステップＳ６０での確認を行っていたが、実際にはワンショットパルス電流印加時に燃料電池部２を流れる電流が各印加で異なった値を取り得る。したがって、本実施形態では、マイクロコンピュータ３１は、燃料発生部材１を流れる電流と所定値との関係を示すデータテーブルを内蔵メモリに予め格納しており、ステップＳ３１で検出した電流値に応じた所定値を用いてステップＳ６０での確認を実行する。これにより、本実施形態は第１実施形態よりも燃料発生部材１の酸化状態の検出精度が向上する。

ステップＳ７０〜Ｓ８０の処理についても、上述した第１実施形態と同一であるため説明を省略する。

＜電気回路の第４実施形態＞
本実施形態に係る電気回路３の構成は第３実施形態で同一である。本実施形態に係る電気回路３の動作を図６Ａに示す。なお、図６Ａにおいて、図５Ｂと同一の部分には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。

燃料発生部材１の酸化状態検出動作が開始されると、マイクロコンピュータ３１はＢポートからＨｉｇｈレベルの制御信号を出力し、トランジスタＱ２をオン状態にして、直流電源Ｄ１と抵抗Ｒ１からなる直列回路（燃料電池部２）と抵抗Ｒ２（外部負荷５）とを電気的に接続し（ステップＳ１１）、その後ステップＳ２０に移行する。

ステップＳ２０〜Ｓ８０の処理については、上述した第３実施形態と同一であるため説明を省略する。

本実施形態では、ワンショットパルス電流が燃料電池部２に印加されていないときは、燃料電池部２を流れる電流が外部負荷５を流れる電流と等しくなり、ワンショットパルス電流印加時は燃料電池部２を流れる電流が外部負荷５を流れる電流とワンショットパルス電流（抵抗Ｒ３を流れる電流）との合計電流と等しくなる。したがって、外部負荷５が変動負荷である場合、燃料電池部２を流れる電流と燃料電池部２の燃料極２Ｂ−酸化剤極２Ｃ間電圧は、例えば図６Ｂに示すように推移する。

ワンショットパルス電流の設定値は、外部負荷５を流れる電流よりも十分に大きくする（２〜１００倍程度が好ましい）。これにより、ワンショットパルス電流非印加時とワンショットパルス電流印加時との区別が容易になる。

本実施形態では、燃料電池部２を外部負荷５に接続した状態でも、燃料発生部材１の酸化状態を検出することができる。

なお、本実施形態では、燃料発生部材１の酸化状態を検出する際に燃料電池部２と外部負荷５との接続を切り離す必要がないため、負荷接続回路３３を設けない構成にしてもよい。この場合、ステップＳ１１の処理が不要になる。

＜電気回路の第５実施形態＞
本実施形態に係る電気回路５の構成を図７Ａに示し、本実施形態に係る電気回路３の動作を図７Ｂに示す。なお、図７Ａ及び図７Ｂにおいて、図５Ａ及び図６Ａと同一の部分には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。

本実施形態に係る電気回路３は、マイクロコンピュータ３１、ワンショットパルス電流回路３２、負荷接続回路３３、電圧検出回路３４、及び電流検出回路３５に加えて、電流検出回路３６を備えている。

電流検出回路３６は、抵抗Ｒ２（外部負荷５）を流れる電流を検出する抵抗Ｒ９と、抵抗Ｒ１０〜Ｒ１３及びオペアンプＡ４からなる差動増幅器とによって構成される。電流検出回路３６の回路構成は電流検出回路３５の回路構成と同様であるため、説明を省略する。抵抗Ｒ２（外部負荷５）を流れる電流に比例する抵抗Ｒ９の両端電圧が電流検出回路３６の差動増幅器によって増幅されてマイクロコンピュータ３１のＥポートに供給される。

次に、本実施形態に係る電気回路３が行う燃料発生部材１の酸化状態検出動作について図７Ｂを参照して説明する。

ステップＳ１１の処理については、上述した第４実施形態と同一であるため説明を省略する。

ステップＳ２０〜Ｓ８０については、上述した第４実施形態と同一であるため説明を省略する。

本実施形態では、ステップＳ４０の確認において、ワンショットパルス電流の印加開始から所定時間が経過していなければ、直接ステップＳ３０に戻るのではなく、ステップＳ４１及びＳ４２の処理を実行してからステップＳ３０に戻るようにしている。

ステップＳ４１において、マイクロコンピュータ３１は、電流検出回路３６からＥポートに供給される電圧に基づいて、外部負荷５を流れる電流を検出する。

ステップＳ４１に続くステップＳ４２において、マイクロコンピュータ３１は、ステップＳ４１で検出した外部負荷５を流れる電流の値を考慮して、外部負荷５を流れる電流とワンショットパルス電流（抵抗Ｒ３を流れる電流）との合計電流が一定になるように、Ａポートから出力する制御信号を調整して、ワンショットパルス電流にフィードバックをかける。したがって、外部負荷５が変動負荷である場合、燃料電池部２を流れる電流と燃料電池部２の燃料極２Ｂ−酸化剤極２Ｃ間電圧は、例えば図７Ｃに示すように推移する。

本実施形態では、燃料電池部２を外部負荷５に接続した状態でも、ワンショットパルス電流印加時に燃料電池部２を流れる電流を一定にすることができる。これにより、本実施形態は、第４実施形態よりも燃料発生部材１の酸化状態の検出精度が向上する。

本実施形態においても、上述した第４実施形態と同様に、ワンショットパルス電流の設定値は、外部負荷５を流れる電流よりも十分に大きくする（２〜１００倍程度が好ましい）。これにより、ワンショットパルス電流非印加時とワンショットパルス電流印加時との区別が容易になる。

なお、本実施形態においても、上述した第４実施形態と同様に、燃料発生部材１の酸化状態を検出する際に燃料電池部２と外部負荷５との接続を切り離す必要がないため、負荷接続回路３３を設けない構成にしてもよい。この場合、ステップＳ１１の処理が不要になる。

また、電流検出回路３６を設けずに、マイクロコンピュータ３１が、電流検出回路３５の検出結果を用いて、外部負荷５を流れる電流とワンショットパルス電流（抵抗Ｒ３を流れる電流）との合計電流が一定になるように、Ａポートから出力する制御信号を調整して、ワンショットパルス電流にフィードバックをかけるようにしてもよい。

＜その他＞
上述した実施形態においては、燃料電池部２の電解質膜２Ａとして固体酸化物電解質を用いて、発電の際に燃料極２Ｂ側で水を発生させるようにする。この構成によれば、燃料発生部材１が設けられた側で水を発生するため、装置の簡素化や小型化に有利である。一方、特開２００９−９９４９１号公報に開示された燃料電池のように、燃料電池部２の電解質膜２Ａとして水素イオンを通す固体高分子電解質を用いることも可能である。但し、この場合には、発電の際に燃料電池部２の酸化剤極２Ｃ側で水が発生されることになるため、この水を燃料発生部１に伝搬する流路を設ければよい。また、上述した実施形態では、１つの燃料電池部２が発電も水の電気分解も行っているが、燃料電池（例えば発電専用の固体酸化物燃料電池）と水の電気分解器（例えば水の電気分解専用の固体酸化物燃料電池）が燃料発生部材１に対してガス流路上並列に接続される構成にしてもよい。

また、上述した実施形態では、燃料発生部材１と燃料電池部２とを同一の容器に収容したが、別々の容器に収容しても構わない。

また、上述した実施形態では、燃料電池部２の燃料ガスを水素にしているが、一酸化炭素や炭化水素など水素以外の還元性ガスを燃料電池部２の燃料ガスとして用いても構わない。

また、上述した電気回路３の各実施形態同士は、矛盾のない限り適宜組み合わせて実施しても構わない。また、上述した電気回路３の各実施形態において説明した変形例は矛盾のない限り他の実施形態において適用しても構わない。

１ 燃料発生部材
２ 燃料電池部
２Ａ 電解質膜
２Ｂ 燃料極
２Ｃ 酸化剤極
３ 電気回路
４ 容器
５ 外部負荷
３１ マイクロコンピュータ
３２ ワンショットパルス電流回路
３３ 負荷接続回路
３４ 電圧検出回路
３５、３６ 電流検出回路

Claims (6)

1. 酸化反応により燃料ガスを発生する燃料発生部材と、
   酸素を含む酸化剤ガスと前記燃料発生部材から供給される燃料ガスとの反応により発電を行う燃料電池部と、
   前記燃料電池部にパルス電流を印加し、パルス電流印加時の前記燃料電池部の燃料極−酸化剤極間電圧を測定し、前記電圧に基づいて前記燃料発生部材の酸化状態を検出する電気回路とを備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記電気回路は、前記燃料発生部材１の酸化状態ごとの前記燃料電池部の電流電圧特性に関するデータを予め格納する記憶部を有し、前記電圧及び前記データに基づいて前記燃料発生部材の酸化状態を検出することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記電気回路は、前記燃料電池部を流れる電流を検出する第１の電流検出回路を有し、前記電圧及び前記第１の電流検出回路によって検出された電流に基づいて前記燃料発生部材の酸化状態を検出することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記電気回路は、前記燃料電池部に外部負荷を電気的に接続した状態で前記燃料電池部にパルス電流を印加することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
5. 前記電気回路は、パルス電流印加時に前記燃料電池部を流れる電流を一定するために前記パルス電流をフィードバック制御するフィードバック制御部を備えることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 前記電気回路は、パルス電流印加期間中のある瞬間の前記燃料電池部の燃料極−酸化剤極間電圧、パルス電流印加期間中の前記燃料電池部の燃料極−酸化剤極間電圧の時間変化率、及びパルス電流印加開始から前記燃料電池部の燃料極−酸化剤極間電圧が一定になるまでの時間の少なくとも一つを測定することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の燃料電池システム。