JP2006004703A

JP2006004703A - 固体高分子型燃料電池システム

Info

Publication number: JP2006004703A
Application number: JP2004178283A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Kamoshita; 真一鴨志田; Yoshiichi Morita; 芳一守田; Keiji Izumi; 圭二和泉
Original assignee: Nisshin Steel Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Nisshin Co Ltd
Priority date: 2004-06-16
Filing date: 2004-06-16
Publication date: 2006-01-05

Abstract

【目的】低負荷又は無負荷状態で生じやすいフッ素イオンの溶出を防止し、イオン交換膜の機能，膜強度を長期にわたり維持すると共に、フッ素イオン溶出に起因する環境負荷を軽減する。
【構成】燃料電池Ｂの電力を主として消費する主負荷Ｌ₁，主負荷Ｌ₁で消費される電力が下限値を下回ったときに作動する補助負荷Ｌ₂を燃料電池Ｂに並列接続している。燃料電池Ｂの運転状況を電池出力監視装置１０で検出して基準信号ｓ_refと比較し、燃料電池Ｂが常に下限出力値を保持するように制御信号を補助負荷装置Ｌ₂に出力する。
【効果】主負荷Ｌ₁で消費される電力が少ない場合に補助負荷Ｌ₂が電力を自動的に消費すため、燃料電池Ｂの負荷が常に所定の下限出力値以上に維持され、フッ素イオンの溶出原因である低負荷状態での運転が避けられる。
【選択図】図３

Description

本発明は、固体高分子型燃料電池の低負荷運転時におけるフッ素イオンの溶出を抑制する燃料電池制御システムに関する。

固体高分子型燃料電池は、環境に及ぼす影響が少なく、室温程度の低温でも起動・発電が可能であり、各部材が固体材料で構成されている長所を活かし、自動車の動力源を始めとし各分野で移動体用又は定置用電気エネルギー供給源として期待されている。
固体高分子型燃料電池は、イオン交換膜の両面に燃料極，酸化極を配置した電極構造体をセパレータで挟み込んだセル構造を一単位としている。プレス加工により必要形状に成形でき、薄肉化，小型化に有利な金属セパレータを採用した燃料電池も開発されている（特許文献１）。
特開2000−123850号公報

水素含有燃料を燃料極側に送り込むと、燃料極上でＨ₂からプロトンＨ⁺が発生する。プロトンＨ⁺は、水の存在下でイオン交換膜を透過して酸化極側に移動し、酸化極側に送り込まれている酸化剤中のＯ₂及び外部回路を流れてきた電子ｅ^-と反応し、Ｈ₂Ｏ（反応生成物）として系外に排出される。
電子ｅ^-の流れが電気エネルギーとして取り出されるが、単体のセル構造から取り出される電圧は１Ｖ以下であるため、多数のセル構造をスタックすることにより実用に供せられる電力を得ている。

固体高分子型燃料電池に組み込まれている代表的なイオン交換膜であるパーフルオロスルホン酸系の薄膜は、燃料電池の低負荷状態、すなわちセル電圧の高い状態におかれると分解しやすく、一部がフッ素イオンとして排出される。具体的には、ナフィオンNF115をイオン交換膜に使用した電極面積２５ｃｍ²の固体高分子型燃料電池（単セル）について、セル電圧，電池排気の結露水に含まれるフッ素イオンの濃度を電流密度で整理した図１にみられるように、セル電圧：０.８Ｖ以上，電流密度：０.１Ａ／ｃｍ²以下でフッ素イオンの溶出が生じている。

低負荷時にフッ素イオンが溶出する機構の詳細は不明であるが、イオン交換膜中のＣ−Ｆ結合が高い電圧印加で分解されるものと推察される。高電圧状態が長く続くと、フッ素イオンの溶出が促進され、イオン交換能や膜強度の低下等に起因して電池出力の低下が引き起こされる。フッ素イオンの溶出は、電池排水のｐＨを低下させる原因でもある（図２）。排水のｐＨ低下に伴い、電池運転システムのガス循環系や排気系を構成する金属部品を腐食しやすくなることは勿論、フッ素イオンをトラップする機構の排気系への組込みが環境対策上で必要とされる。

電池の負荷が軽いときにフッ素イオンが溶出することを前提にすると、負荷の下限を定め、下限以上の所定電流をセルから常に取り出すことによりフッ素イオンの溶出回避が可能なことが予想される。しかし、実際の燃料電池制御システムでは、負荷の種類によって消費電力が大きく変動し、無負荷に近い状態が避けられない場合がある。無負荷に近い状態での運転を避するには、単純な負荷の組込みだけでは不十分である。
金属セパレータを用いた燃料電池では、低負荷時又は無負荷時に金属セパレータからＦｅを始めとする金属イオンの溶出が懸念される。金属イオンの溶出は、電流密度の減少で引き起こされる排水のｐＨ低下によって促進される。溶出した金属イオンがイオン交換膜に侵入すると水素イオンが金属イオンで置換され、イオン交換膜のイオン交換能、ひいては燃料電池の出力が低下する。金属イオンはイオン交換膜を分解する触媒作用もあり、イオン交換膜からのフッ素イオンの溶出を促進させ、セル内のｐＨ値を更に低下させ、結果として金属セパレータからの金属イオンの溶出が一層加速される。

本発明は、このような問題を解消すべく案出されたものであり、本来の負荷に加え、無負荷運転回避用の補助的な負荷を燃料電池に並列接続し、本来の負荷が軽くなる場合の余剰電力を消費することにより、燃料電池のセル電圧上昇を抑制し、フッ素イオンの溶出を防止することを目的とする。

本発明の燃料電池制御システムは、その目的を達成するため、燃料電池の電力を主として消費する主負荷，主負荷で消費される電力が予め設定された下限値を下回ったときに作動する補助負荷を燃料電池に並列接続し、燃料電池の運転状況の監視結果に応じて補助負荷の作動・非作動を切り替える電池出力監視装置を燃料電池と補助負荷との間に介在させていることを特徴とする。

本発明の燃料電池制御システムは、燃料電池Ｂの運転状況ｓ_oをモニタリングする電池出力監視装置１０を備え、燃料電池Ｂに主負荷Ｌ₁に加えて補助負荷Ｌ₂を並列接続している（図３）。主負荷Ｌ₁は、燃料電池Ｂの電力を主に消費する電気機器である。補助負荷Ｌ₂は、燃料電池Ｂの低負荷運転時におけるフッ素イオンの溶出を防止できる容量をもち、間歇動作が可能な電気機器が使用される。具体的には、二次電池への充電等の電気エネルギー蓄積，給湯器等の抵抗発熱体への通電，既存の電力系統への接続等が負荷Ｌ₂に使用される。

電池出力監視装置１０は、燃料電池Ｂから送られてきた電圧，電流，電力等の電池出力を表す運転状況ｓ_oを演算器１１でデジタル化し、デジタル信号ｓ_dを比較器１２に出力する。運転状況ｓ_oを表す限り、デジタル信号ｓ_dに替えてアナログ信号を演算器１１から比較器１２に出力しても良い。比較器１２には、フッ素イオンが溶出しない基準値（下限出力値：基準信号ｓ_ref）が基準設定器１３から入力されている。比較器１２は、演算器１１からのデジタル信号ｓ_dを基準設定器１３からの基準信号ｓ_refと比較し、燃料電池Ｂが常に下限出力値以上の出力を保持するように制御信号ｓ_cを補助負荷Ｌ₂に出力する。

具体的には、主負荷Ｌ₁で消費される電力が燃料電池Ｂの下限出力値を下回った場合に補助負荷Ｌ₂に電流ｉ₂を流し、下限出力値以上の電池出力を確保する。主負荷Ｌ₁が下限出力値以上の電力を消費している場合、補助負荷Ｌ₂への通電を停止する。補助負荷Ｌ₂の作動・非作動を燃料電池Ｂの運転状況に応じて切り替えることにより、燃料電池Ｂの出力が常に下限出力値以上に維持される。
出力低下が下限出力値以上に規制されることは、金属セパレータを組み込んだ燃料電池で特に有効であり、低負荷時又は無負荷時における金属セパレータからの金属イオンの溶出が抑制されることを意味する。金属イオンの溶出抑制に伴い、イオン交換膜からのフッ素イオンの溶出やセル内ｐＨ値の低下が抑制され、結果として金属セパレータの腐食が軽減され発電能力が高位に維持される。

−セル電圧で出力下限を規制した例−
電池出力を監視する指標としてセル電圧Ｅをそのまま使用し、フッ素イオンが溶出する下限電圧Ｅ_refを０.８Ｖに設定した。燃料電池Ｂには、図１の出力特性を示す電極面積２５ｃｍ²の単セルを用い、図４のように電池出力監視装置１０、トランジスタ（補助負荷Ｌ₂）を結線した。比較器１２の出力Ｖ₀により、トランジスタＬ₂に流れる電流を制御した。セル電圧Ｅ≧０.８Ｖで比較器１２の出力がＶ₀＞０となり、補助負荷Ｌ₂で電力を消費することによりセル電圧Ｅを０.８Ｖに維持した。
主負荷Ｌ₁に流れる電流ｉ₁を変化させた場合のセル電圧Ｅとフッ素イオン濃度との関係を図５に示す。図５の結果から、主負荷Ｌ₁に流れる電流を減少させても、電流ｉ₂が流れる補助負荷Ｌ₂によってセル電圧Ｅの上限が０.８Ｖに維持され、フッ素イオンの溶出が検出されなかった。

−セル電流で出力下限を規制した例−
燃料電池Ｂに流れる電流を電流センサ１４で検出し、電流１Ａ当り０.２Ｖの電圧値に変換し、比較器１２で基準電圧Ｅ_refと比較した（図６）。この場合、図１の特性を示す電極面積２５ｃｍ²の燃料電池Ｂではセル電流ｉ₀≦２.５Ａでフッ素イオンが溶出することから、基準電圧Ｅ_refを１Ｖに設定した。比較器１２の出力Ｖ₀はセル電流ｉ₀≦２.５Ａで正となり、電流ｉ₂が補助負荷Ｌ₂に流れた。

主負荷Ｌ₁に流れる電流ｉ₂を調整した場合のセル電流ｉ₀とフッ素イオン濃度との関係を図７に示す。図７の結果から、主負荷Ｌ₁に流れる電流ｉ₁が２.５Ａ以下になると、不足分を補う電流ｉ₂が補助負荷Ｌ₂に流れるため、燃料電池Ｂを流れるセル電流ｉ₀は一定値２.５Ａに維持された。その結果、フッ素イオンの溶出が検出されなかった。

−金属セパレータを用いセル電圧で出力下限を規制した例−
イオン交換膜としてNafion 115を用いた電極面積２５ｃｍ²の単セルをステンレス鋼製セパレータで挟み、電流密度０，０.１，０.２，０.５Ａ，１.０／ｃｍ²で運転した。３００時間の連続運転後に燃料電池を分解し、イオン交換膜に含まれるＦｅ量を蛍光Ｘ線で測定した。図８の測定結果に見られるように、電流密度が小さいほどイオン交換膜に含まれるＦｅ量が多くなっていた。電流密度の低減に伴うＦｅ量の増加は、図１の場合と同様に電流密度が小さいほど排水のｐＨ値が小さくなる傾向を示唆している。
そこで、図４と同じ回路構成を採用し、補助負荷Ｌ₂で電力を消費することにより低負荷時又は無負荷時のセル電圧Ｅを０.８Ｖに維持した。その結果、主負荷Ｌ₁に流れる電流を減少させてもセル電圧Ｅが０.８Ｖを上回ることがないので、イオン交換膜に含まれるＦｅ量は運転前と同じレベルに維持された（図９）。また、フッ素イオンの溶出やステンレス鋼製セパレータの腐食が検出されず、長期間にわたって高発電能力を維持できた。

−金属セパレータを用いセル電流で出力下限を規制した例−
実施例３と同様な単セルをステンレス鋼製セパレータで挟み、図４と同じ回路構成によって主負荷Ｌ₁に流れる電流ｉ₁が２.５Ａ以下になったとき、不足分を補う電流ｉ₂を補助負荷Ｌ₂に供給した。その結果、燃料電池Ｂを流れるセル電流ｉ₀が一定値２.５Ａに維持され、イオン交換膜に含まれるＦｅ量は運転前と同じレベルに維持された（図１０）。また、フッ素イオンの溶出やステンレス鋼製セパレータの腐食が検出されず、長期間にわたって高発電能力を維持できた。

以上に説明したように、本発明の燃料電池制御システムは、燃料電池Ｂの出力を主として消費する主負荷Ｌ₁の他に、主負荷Ｌ₁で消費される電力が燃料電池Ｂの下限出力値を下回ったときに作動する補助負荷Ｌ₂を燃料電池Ｂに並列接続している。補助負荷Ｌ₂の作動により燃料電池Ｂの出力が常に下限出力値以上に維持される。その結果、低負荷運転時に生じがちなフッ素イオンの溶出が抑制され、イオン交換膜の機能低下や膜強度低下が防止され、構成金属部材の腐食が抑制されることと相俟って耐久性に優れた燃料電池制御システムとなる。しかも、燃料電池からフッ素イオンの排出がなくなるので、環境対策にかかる負担も軽減される。

固体高分子型燃料電池におけるセル電圧，電池排気の結露水に含まれるフッ素イオンの濃度を電流密度で整理したグラフ電流密度に応じたフッ素イオン濃度と電池排水のｐＨ値低下の関係を示したグラフ主負荷に加えて補助負荷を組み込んだ燃料電池制御システムの概略図セル電圧で下限出力値を制御する燃料電池制御システムの概略図セル電圧で下限出力値を制御した実施例１のセル電圧，及び電池排気の結露水に含まれるフッ素イオンの濃度の変化を示すグラフセル電流で下限出力値を制御する燃料電池制御システムの概略図セル電流で下限出力値を制御した実施例２のセル電圧，及び電池排気の結露水に含まれるフッ素イオンの濃度の変化を示すグラフ電流密度が小さくなるとイオン交換膜に含まれるＦｅ量が増加することを示すグラフセル電圧規制によってイオン交換膜に含まれるＦｅ量の増加が抑制されることを示すグラフセル電流規制によってイオン交換膜に含まれるＦｅ量の増加が抑制されることを示すグラフ

符号の説明

Ｂ：燃料電池Ｌ₁：主負荷Ｌ₂：補助負荷
１０：電池出力監視装置１１：演算器１２：比較器１３：基準設定器１４：電流センサ
ｓ_o：運転状況ｓ_d：デジタル信号ｓ_ref：基準信号ｓ_c：制御信号
Ｅ：セル電圧Ｅ_ref：下限電圧（基準電圧）Ｖ₀：比較器１２の出力
ｉ₀：セル電流ｉ₁：主負荷Ｌ₁に流れる電流ｉ₂：補助負荷Ｌ₂に流れる電流

Claims

燃料電池の電力を主として消費する主負荷，主負荷で消費される電力が予め設定された下限値を下回ったときに作動する補助負荷を燃料電池に並列接続し、燃料電池の運転状況の監視結果に応じて補助負荷の作動・非作動を切り替える電池出力監視装置を燃料電池と補助負荷との間に介在させていることを特徴とする燃料電池制御システム。