JP2006351317A - 燃料電池制御装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】低負荷（低温領域）から高負荷（高温領域）運転の全ての領域で高いプロトン伝導度を維持し得る燃料電池の制御装置を提供すること。
【解決手段】カチオン成分とアニオン成分とを含むイオン伝導体を電解質として用いる燃料電池に適用され、燃料電池の運転条件に応じて、燃料電池の電解質中の水分量を制御する水分量制御手段を備える燃料電池制御装置である。カチオン成分とアニオン成分とを含むイオン伝導体を電解質として用いる燃料電池に適用され、燃料電池の運転条件に応じて、燃料電池の電解質中の水分量を制御する水分量制御手段として絞り弁３２等による運転圧力制御手段を備える燃料電池制御装置である。
【選択図】図５

Description

本発明は、燃料電池制御装置に係り、更に詳細には、カチオン成分とアニオン成分を含むイオン伝導体を電解質として用いる燃料電池の運転条件に応じて、当該電解質中の水分量を制御する水分量制御手段を備える燃料電池制御装置に関する。
従来の燃料電池の電解質としては、スルホン酸系の電解質が使用されており、加水状態では高いプロトン伝導度を示すが、使用温度の上限は８０℃程度であった。
一方、イオン性液体を燃料電池に適用することが提案されている。イオン性液体は、２００℃近い高温領域まで使用可能であり、１００℃以上において高いプロトン伝導度を示す。
具体的には、イオン性液体を用いたプロトン伝導体を適用したものがあり、無加湿運転を前提としたものが提案されている（特許文献１参照。）。
また、疎水性アニオンと疎水性カチオンからなるイオン性液体を適用したものがあり、イオン性液体への水の混入を防ぐものが提案されている（特許文献２参照。）。
特開２００３−１２３７９１号公報 特表２００３−５３５４５０号公報
しかしながら、イオン性液体を適用した燃料電池は、低温領域ではプロトン伝導度が低下し、従来の含水したスルホン酸系の電解質より低い値になるという問題点があった。
また、上述の如くイオン性液体を適用した燃料電池においては、水を含ませないで使用することを前提としており、水の混入により燃料電池の性能が悪化するという報告がなされている。
一方、我々の実施した実験においては、親水性のイオン性液体に水を添加することなどにより、プロトン伝導性が向上し、燃料電池としての性能（例えばＩＶ特性）が向上するという新たな技術知見を得ている。
本発明は、このような従来技術の有する課題及び上述した技術知見に基づいてなされたものであり、その目的とするところは、低負荷（低温領域）から高負荷（高温領域）運転の全ての領域で高いプロトン伝導度を維持し得る燃料電池の制御装置を提供することにある。
本発明者は、上記目的を達成するため鋭意研究を重ねたところ、カチオン成分とアニオン成分を含むイオン伝導体を電解質として用いる燃料電池の当該電解質中の水分量を制御する燃料電池制御装置であって、当該燃料電池の運転条件に応じて電解質中の水分量を制御する水分量制御手段を設けることなどにより、上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。
即ち、本発明の燃料電池制御装置は、カチオン成分とアニオン成分を含むイオン伝導体を電解質として用いる燃料電池の当該電解質中の水分量を制御する燃料電池制御装置であって、当該燃料電池の運転条件に応じて電解質中の水分量を制御する水分量制御手段を備えることを特徴とする。
本発明によれば、カチオン成分とアニオン成分を含むイオン伝導体を電解質として用いる燃料電池の当該電解質中の水分量を制御する燃料電池制御装置であって、当該燃料電池の運転条件に応じて電解質中の水分量を制御する水分量制御手段を設けることなどとしたため、低負荷（低温領域）から高負荷（高温領域）運転の全ての領域で高いプロトン伝導度を維持し得る燃料電池制御装置を提供することができる。
以下、本発明の燃料電池制御装置について詳細に説明する。
上述の如く、本発明の燃料電池制御装置は、カチオン成分とアニオン成分を含むイオン伝導体を電解質として用いる燃料電池の当該電解質中の水分量を制御するものであり、当該燃料電池の運転条件に応じて電解質中の水分量を制御する水分量制御手段を備えるものである。
このように、運転条件に応じて、電解質中の水分量を制御する水分量制御手段を備えることにより、低負荷（低温領域）から高負荷（高温領域）運転の全ての領域で高いプロトン伝導度を維持し得る。
まず、本発明に用いるカチオン成分及びアニオン成分について説明する。
本発明においては、燃料電池の電解質中のカチオン成分の全部又は一部が分子性カチオンであり、且つ上記アニオン成分の全部又は一部が分子性アニオンであることが望ましい。
このような構成とすることにより、電解質の設計を使用環境に合わせて適宜変更することができ、プロトン伝導性をより向上させることができる。
特に、カチオン成分の全部が分子性カチオンであり、且つアニオン成分の全部が分子性アニオンであることは、水と複合イオン等を形成し易くなるという観点からより望ましい。
なお、「分子性カチオン」及び「分子性アニオン」とは、それぞれ多原子カチオン及び多原子アニオンを意味する。
また、本発明においては、分子性カチオンが少なくとも１種のヘテロ原子を有することが望ましい。
このようなヘテロ原子を含有する分子性カチオンは、高イオン伝導性を有するものであり、プロトン伝導性をより向上させることができる。
なお、ヘテロ原子とは、炭素原子（Ｃ）及び水素原子（Ｈ）以外の原子であり、代表的には酸素原子（Ｏ）、窒素原子（Ｎ）、硫黄原子（Ｓ）、リン原子（Ｐ）、フッ素原子（Ｆ）、塩素原子（Ｃｌ）、臭素原子（Ｂｒ）、ヨウ素原子（Ｉ）、ホウ素原子（Ｂ）、コバルト原子（Ｃｏ）、アンチモン原子（Ｓｂ）、などを挙げることができる。
また、本発明においては、燃料電池の電解質が、上記分子性カチオン及び分子性アニオンが形成するイオン性液体を含有することが望ましい。
このようなイオン性液体を含有することにより、イオン性液体としての性質を有することとなり、更に高イオン伝導性を有することで、プロトン伝導性を更に向上させることができる。
一方、イオン性液体であれば、形成するカチオン成分及びアニオン成分の双方がそれぞれ分子性カチオン及び分子性アニオンである必要はない。
また、イオン性液体を適用することにより、従来の加湿を必要とする燃料電池で発生した生成水による拡散過電圧（フラッティング）による電圧低下を防止し、高い電流密度まで、発電が可能となり、燃料電池自体を小型化することが可能である。
更に、高温運転が可能なため、放熱系システムについても小型化を図ることができる。
更に、本発明においては、イオン性液体の全部又は一部が親水性イオン性液体であることが望ましい。
このようなイオン性液体は水を含有させる場合に、電解質における水の保持能を向上させることができ、より一層プロトン伝導性の向上効果を発揮させることが可能となる。
なお、本発明に用いられるカチオン成分とアニオン成分の具体例については後述する。
次に、本発明の燃料電池制御装置についてその制御と共に、図面に基づいてより具体的に説明する。
図１は、水分量制御手段により、電解質中の水分量を増加させたときのＩＶ特性を示すグラフ図である。
同図に示すように、イオン性液体に水を添加することによって、ＩＲロスに相当する傾きが緩やかになることが分かる。
図２は、イオン性液体のみの場合とイオン性液体に水を添加した場合の温度の逆数とプロトン伝導率の関係を示すグラフ図である。
同図に示すように、イオン性液体に水を添加することによって、ほとんどの温度領域で電解質のプロトン伝導度が向上することが分かる。
図３は、各条件におけるＩＶ特性を示すグラフ図である。
同図に示すように、低温／低負荷（低電流密度側）で運転する条件では、含水量を保持ないし増加させる制御状態にし、プロトン伝導度を向上させ、燃料電池の性能の向上を図ることが望ましい。
つまり、イオン性液体のみの場合よりイオン性液体＋水の場合の方がＩＶ特性が向上する。
一方、高温／高負荷（高電流密度側）で運転する条件では、燃料電池の発熱量が増え、水を含有しない状態でのイオン性液体のプロトン伝導度も向上するため（図２参照。）、電解質中の水分量を減少させること、更に燃料電池の発電に伴う生成水の燃料電池内での凝縮を防止する制御状態にし、燃料電池の性能の向上を図ることが望ましい。
つまり、イオン性液体＋水の場合よりイオン性液体のみの方がＩＶ特性が向上する。
なお、従来のスルホン酸系電解質を用いる燃料電池の使用温度ではイオン性液体＋水の場合にＩＶ特性が低下する傾向が見られる。これは、現時点においては、生成水に起因する拡散過電圧により電圧が低下したものと推定している。
図４は、本発明の燃料電池制御装置の制御を示すフロー図である。
同図に示すように、運転条件を判断して、低温／低負荷（低電流密度側）である場合には、水分量制御手段により水分量増加制御を行い、高温／高負荷（高電流密度側）である場合には、水分量制御手段により水分量減少制御を行う。
これによって、低温／低負荷（低電流密度側）においては、プロトン伝導度を向上させることができ、更に、高温／高負荷（高電流密度側）まで、フラッティングが発生せず燃料電池の運転が可能となり、燃料電池自体を小型化することができる。
また、本発明においては、水分量制御手段として、例えば当該燃料電池の運転圧力制御手段を備えることが望ましい。
更に、本発明においては、運転圧力制御手段として、例えば燃料電池のアノードのガス排出流路に設置された絞り弁を適用することができる。
図５は、本発明の燃料電池制御装置の第１の実施例を示す構成図である。
同図に示すように、本発明の燃料電池制御装置１ａは、水素タンク２０と、燃料電池１０と、運転圧力制御手段の一例である絞り弁３２とを備えている。
燃料電池１０のアノード１２側には、水素タンク２０から水素調圧弁２２を介して水素が供給されている。一方、燃料電池１０のカソード１４側には、コンプレッサ３０を介して酸化ガス（空気）が供給されている。
そして、運転条件に応じて、絞り弁３２により運転圧力を制御する。
ここで、運転圧力とは、アノード１２及びカソード１４の一方又は双方の近傍のガス圧力のことである。
低温／低負荷（低電流密度側）で運転する条件では、運転圧力を増加させること、より具体的には絞り弁を開度を小さくすることによって、電解質中の水分の放出が抑制され、更に発電に伴う生成水は凝縮し易くなり、電解質中の含水量を保持ないし増加させる制御状態にし、プロトン伝導度を向上させ、燃料電池の性能の向上を図ることができる。
一方、高温／高負荷（高電流密度側）で運転する条件では、燃料電池の発熱量が増え、水を含有しない状態でのイオン性液体のプロトン伝導度も向上する。
従って、電解質中の水分量を減少させること、更には燃料電池の発電に伴う生成水の燃料電池内での凝縮を防止すること、より具体的には絞り弁の開度を大きくすることによって、燃料電池内を流れるガスの飽和水蒸気圧が高くなり、電解質中の水分の放出が促進され、更に発電に伴う生成水は蒸発し易くなる。
このように、電解質中の含水量を減少させる制御状態にし、プロトン伝導度を向上させ、燃料電池の性能の向上を図ることができる。
また、高負荷運転において、酸化ガス（空気）を燃料電池へ圧送するコンプレッサの負荷を低減することができるため、コンプレッサの小型化や低コスト化を図ることができる。
図６は、本発明の燃料電池制御装置の第１の実施例の制御を示すフロー図である。
同図に示すように、運転条件を判断して、低温／低負荷（低電流密度側）である場合には、運転圧力制御手段により加圧制御を行い、高温／高負荷（高電流密度側）である場合には、運転圧力制御手段により減圧制御を行う。
これによって、低温／低負荷（低電流密度側）においては、プロトン伝導度を向上させることができ、更に、高温／高負荷（高電流密度側）まで、フラッティングが発生せず燃料電池の運転が可能となり、燃料電池自体を小型化することができる。
また、本発明において、水分量制御手段として、例えば当該燃料電池へ供給されるガスのうち少なくとも酸化ガスの湿度を制御する湿度制御手段を備えることが望ましい。
更に、本発明においては、湿度制御手段が、燃料電池の空気極のガス供給流路に設置された加湿器であることが望ましい。
なお、酸化ガス及び水素の双方のガスの湿度を制御してもよい。
図７は、本発明の燃料電池制御装置の第２の実施例を示す構成図である。
同図に示すように、本発明の燃料電池制御装置１ｂは、水素タンク２０と、燃料電池１０と、湿度制御手段の一例である加湿器３４を備え、更に水回収タンク３６を備えている。
燃料電池１０のアノード１２側には、水素タンク２０から水素調圧弁２２を介して水素が供給されている。一方、燃料電池１０のカソード１４側には、コンプレッサ３０と加湿器３４を介して酸化ガス（空気）が供給されている。
そして、運転条件に応じて、加湿器３４により湿度を制御する。加湿器３４には、冷却水などの熱媒体が流路３４ｂに流通されている。
また、カソード１４から排出された水の一部が水回収タンク３６に貯蔵され、加湿器３４に備えられた水供給制御弁３４ａを介して加湿器３４に戻される。
なお、本例においては、カソード１４側のみを示したが、アノード１２側に設けてもよく、双方に設けてもよい。
低温／低負荷（低電流密度側）で運転する条件では、湿度を増加させ、電解質中の水分の放出を抑制すること、更には発電に伴う生成水の電解質への導入を促進すること、より具体的には加湿器を作動させることによって、電解質中の含水量を保持ないし増加させる制御状態にし、プロトン伝導度を向上させ、燃料電池の性能の向上を図ることができる。
一方、高温／高負荷（高電流密度側）で運転する条件では、燃料電池の発熱量が増え、水を含有しない状態でのイオン性液体のプロトン伝導度も向上する。
従って、電解質中の水分量を減少させること、更に燃料電池の発電に伴う生成水の燃料電池内での凝縮を防止すること、より具体的には加湿器を作動させないことによって、燃料電池内を流れるガスの飽和水蒸気圧が高まり、電解質中の水分の放出が促進され、更に発電に伴う生成水は蒸発し易くなる。
このように、電解質中の含水量を減少させる制御状態にし、プロトン伝導度を向上させ、燃料電池の性能の向上を図ることができる。
なお、電解質中の含水量を減少させる場合には、基本的には外気湿度に対して湿度を増加させない程度でもかまわないが、外気湿度が高い場合には、冷却水を循環させて除湿することによって制御してもよい。
また、更に運転条件の変化激しい、車両等に搭載する場合には、加湿及び除湿の双方を行える湿度制御手段を用いることが、より優れたＩＶ特性を発揮するという観点から望ましい。
図８は、本発明の燃料電池制御装置の第２の実施例の制御を示すフロー図である。
同図に示すように、運転条件を判断して、低負荷である場合には、湿度制御手段により水供給量制御を行い、高負荷である場合には、湿度制御手段により水供給停止を行う。
これによって、低温／低負荷（低電流密度側）においては、プロトン伝導度を向上させることができる。
また、高温／高負荷（高電流密度側）まで、フラッティングが発生せず燃料電池の運転が可能となり、燃料電池自体を小型化することができる。
更に、加湿運転が低負荷側に限られるため、加湿器等の湿度制御手段の小型化が図れる。
また、本発明においては、水分量制御手段として、例えば当該燃料電池の温度制御手段を備えることが望ましい。
更に、本発明においては、温度制御手段が、当該燃料電池に設置されたラジエータであることが望ましい。
図９は、本発明の燃料電池制御装置の第３の実施例を示す構成図である。
同図に示すように、本発明の燃料電池制御装置１ｃは、水素タンク２０と、燃料電池１０と、温度制御手段の一例であるラジエータ２４と、運転圧力制御手段の一例である絞り弁３２を備えている。
燃料電池１０のアノード１２側には、水素タンク２０から水素調圧弁２２を介して水素が供給されている。 また、燃料電池１０のアノード１２側にはラジエータ２４との間の流路２４ｃを冷却水などの熱媒体がポンプ２４ａにより循環している。そして熱媒体はファン２４ｂにより冷却されている。
一方、燃料電池１０のカソード１４側には、コンプレッサ３０を介して酸化ガス（空気）が供給されている。
そして、運転条件に応じて、ラジエータ２４により温度を制御する。具体的には、ラジエータ２４のポンプ２４ａにより循環させる冷却水などの熱媒体の流量やラジエータ２４のファン２４ｂのモータ回転数を制御する。
なお、本例においては、図記上アノード１２側のみに熱媒体を循環させるように記しているが、具体的には、燃料電池内に設けられた冷媒流路に冷媒を流す構成である。
低温／低負荷（低電流密度側）で運転する条件では、温度を低下させ、電解質中の水分の放出を抑制すること、更には発電に伴う生成水の電解質への導入を促進すること、より具体的にはラジエータの冷却量が燃料電池の放熱量以上になるように、冷却水などの熱媒体の流量を増加させること、更にはラジエータのファンモータの回転数を増加させることによって、燃料電池内を流れるガスの飽和水蒸気圧が低くなり、発電に伴う生成水等の燃料電池内での凝縮が促進される。
このように、電解質中の含水量を保持ないし増加させる制御状態にし、プロトン伝導度を向上させ、燃料電池の性能の向上を図ることができる。
一方、高温／高負荷（高電流密度側）で運転する条件では、燃料電池の発熱量が増え、水を含有しない状態でのイオン性液体のプロトン伝導度も向上する。
従って、電解質中の水分量を減少させること、更に燃料電池の発電に伴う生成水の燃料電池内での凝縮を防止すること、より具体的にはラジエータの冷却量を特に増加させることなく通常の動作をさせることによって、燃料電池内を流れるガスの飽和水蒸気圧が高まり、電解質中の水分の放出が促進され、更に発電に伴う生成水は蒸発し易くなる。
このように、電解質中の含水量を減少させる制御状態にし、プロトン伝導度を向上させ、燃料電池の性能の向上を図ることができる。
図１０は、本発明の燃料電池制御装置の第３の実施例の制御を示すフロー図である。
同図に示すように、運転条件を判断して、低負荷である場合には、温度制御手段によりラジエータのポンプ流量やファンモータ回転数の増加制御を行い、高負荷である場合には、湿度制御手段の通常制御を行う。
なお、図１１は、通常制御と増加制御の場合の負荷に対するポンプ流量及びファンモータ回転数の関係を示すグラフ図である。
これによって、低温／低負荷（低電流密度側）においては、プロトン伝導度を向上させることができる。
また、高温／高負荷（高電流密度側）まで、フラッティングが発生せず燃料電池の運転が可能となり、燃料電池自体を小型化することができる。
更に、燃料電池の冷却量を増加させるのは、低負荷運転時が主であるため、温度制御手段の冷却性能を向上させる必要は特にない。
更にまた、上述した水分量制御手段である運転圧力制御手段、湿度制御手段及び温度制御手段を適宜組合わせて適用することもできる。
また、本発明において、電解質中の水分量は０．０１〜５０％であることが好ましい。水分量が増加するに伴い、プロトン伝導度は向上するが、高温／高負荷（高電流密度側）での運転を考慮すると水分量は５０％以下であることが望ましい。
更に、本発明において、電解質中の水分量は０．０１〜２５％であることがより好ましい。上述の如く、水分量が増加するに伴い、プロトン伝導度は向上するが、２５％を超えるとイオン性液体の特性（粘度や表面張力）が変化し易く、燃料電池の電極触媒層との接触状態が変化し、拡散過電圧の増大を引き起こす可能性があるためである。
更にまた、本発明において、電解質中の水分量は０．０１〜１０％であることが更に好ましい。１０％程度でも高いプロトン伝導度が発揮されるからである。
ここで、本発明に用いられるカチオン成分とアニオン成分について具体例を挙げて詳細に説明する。
なお、本発明においては、以下に示すカチオン成分とアニオン成分を適宜組合わせて用いることができる。
上述したカチオン成分の一種である分子性カチオンとしては、例えばイミダゾリウム誘導体カチオン、より具体的には次の化学式（１）で表される一置換イミダゾリウム誘導体カチオン（Ｍｏｎｏｓｕｂｓｔｉｔｕｔｅｄ Ｉｍｉｄａｚｏｌｉｕｍ Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ Ｃａｔｉｏｎ）；
Figure 2006351317
（式中のＲ１１は、１価の有機基、好ましくは１価の炭化水素基、更に好ましくは炭素数１〜２０のアルキル基又はアリールアルキル基を示す。）を挙げることができる。
そして、炭化水素基の具体例としては、メチル基やブチル基などを挙げることができる。
また、次の化学式（２）で表される二置換イミダゾリウム誘導体カチオン（Ｄｉｓｕｂｓｔｉｔｕｔｅｄ Ｉｍｉｄａｚｏｌｉｕｍ Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ Ｃａｔｉｏｎ）；
Figure 2006351317
（式中のＲ２１及びＲ２２は同一でも異なっていてもよく、１価の有機基、好ましくは１価の炭化水素基、更に好ましくは炭素数１〜２０のアルキル基又はアリールアルキル基を示す。）を挙げることができる。
そして、Ｒ２１及びＲ２２としては、上述したＲ１１と同様のものを任意に組合わせたものを挙げることができ、その他にエチル基、ペンチル基、ヘキシル基、オクチル基、デシル基、ドデシル基、テトラデシル基、ヘキサデシル基、オクタデシル基、ベンジル基、γ−フェニルプロピル基などを挙げることができる。
また、これらの基の代表的な組合せの具体例としては、Ｒ２１がメチル基であり、Ｒ２２がメチル基、エチル基、ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基、オクチル基、デシル基、ドデシル基、テトラデシル基、ヘキサデシル基、オクタデシル基、ベンジル基、γ−フェニルプロピル基であるものや、Ｒ２１がエチル基であり、Ｒ２２がブチル基であるものなどを挙げることができる。
更に、次の化学式（３）で表される三置換イミダゾリウム誘導体カチオン（Ｔｒｉｓｕｂｓｔｉｔｕｔｅｄ Ｉｍｉｄａｚｏｌｉｕｍ Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ Ｃａｔｉｏｎ）；
Figure 2006351317
（式中のＲ３１〜Ｒ３３は同一でも異なっていてもよく、１価の有機基、好ましくは１価の炭化水素基、更に好ましくは炭素数１〜２０のアルキル基又はアリールアルキル基を示す。）を挙げることができる。
そして、Ｒ３１〜Ｒ３３としては、上述したＲ１１と同様のものを任意に組合わせたものを挙げることができ、その他にエチル基、プロピル基、ヘキシル基、ヘキサデシル基などを挙げることができる。
また、これらの基の代表的な組合せの具体例としては、Ｒ３１がエチル基であり、Ｒ３２及びＲ３３がメチル基であるもの、Ｒ３１がプロピル基であり、Ｒ３２及びＲ３３がメチル基であるもの、Ｒ３１がブチル基であり、Ｒ３２及びＲ３３がメチル基であるもの、Ｒ３１がヘキシル基であり、Ｒ３２及びＲ３３がメチル基であるもの、Ｒ３１がヘキサデシル基であり、Ｒ３２及びＲ３３がメチル基であるものなどを挙げることができる。
また、次の化学式（４）で表されるピリジニウム誘導体カチオン（Ｐｙｒｉｄｉｎｉｕｍ Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ Ｃａｔｉｏｎ）；
Figure 2006351317
（式中のＲ４１〜Ｒ４４は同一でも異なっていてもよく、水素又は１価の有機基、好ましくは１価の炭化水素基、更に好ましくは炭素数１〜２０のアルキル基又はアリールアルキル基を示す。）を挙げることができる。
そして、Ｒ４１〜Ｒ４４としては、上述したＲ１１と同様のものを任意に組合わせたものを挙げることができ、その他に水素、エチル基、ヘキシル基、オクチル基などを挙げることができる。
また、これらの基の代表的な組合せの具体例としては、Ｒ４１がエチル基であり、Ｒ４２〜Ｒ４４が水素であるもの、Ｒ４１がブチル基であり、Ｒ４２〜Ｒ４４が水素であるものやＲ４２及びＲ４３が水素でありＲ４４がメチル基であるもの、Ｒ４２及びＲ４４が水素でありＲ４３がメチル基であるもの、Ｒ４２及びＲ４３がメチル基でありＲ４４が水素であるもの、Ｒ４２及びＲ４４がメチル基でありＲ４３が水素であるもの、Ｒ４２及びＲ４３が水素でありＲ４４がエチル基であるもの、Ｒ４１がヘキシル基であり、Ｒ４２〜Ｒ４４が水素であるものやＲ４２及びＲ４３が水素でありＲ４４がメチル基であるもの、Ｒ４２及びＲ４４が水素でありＲ４３がメチル基であるもの、Ｒ４１がオクチル基であり、Ｒ４２〜Ｒ４４が水素であるものやＲ４２及びＲ４３が水素でありＲ４４がメチル基であるもの、Ｒ４２およびＲ４４が水素でありＲ４３がメチル基であるものなどを挙げることができる。
更に、次の化学式（５）で表されるピロリジニウム誘導体カチオン（Ｐｙｒｒｏｌｉｄｉｎｉｕｍ Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ Ｃａｔｉｏｎ）；
Figure 2006351317
（式中のＲ５１及びＲ５２は同一でも異なっていてもよく、１価の有機基、好ましくは１価の炭化水素基、更に好ましくは炭素数１〜２０のアルキル基又はアリールアルキル基を示す。）を挙げることができる。
そして、Ｒ５１及びＲ５２としては、上述したＲ１１と同様のものを任意に組合わせたものを挙げることができ、その他にエチル基、プロピル基、ヘキシル基、オクチル基などを挙げることができる。
また、これらの基の代表的な組合せの具体例としては、Ｒ５１がメチル基であり、Ｒ５２がメチル基であるものやエチル基であるもの、ブチル基であるもの、ヘキシル基であるもの、オクチル基であるもの、Ｒ５１がエチル基であり、Ｒ５２がブチル基であるもの、Ｒ５１及びＲ５２がプロピル基、ブチル基、ヘキシル基であるものなどを挙げることができる。
また、次の化学式（６）で表されるアンモニウム誘導体カチオン（Ａｍｍｏｎｉｕｍ Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ Ｃａｔｉｏｎ）；
Figure 2006351317
（式中のＲ６１〜Ｒ６４は同一でも異なっていてもよく、１価の有機基、好ましくは１価の炭化水素基、更に好ましくは炭素数１〜２０のアルキル基又はアリールアルキル基を示す。）を挙げることができる。
そして、Ｒ６１〜Ｒ６４としては、上述したＲ１１と同様のものを任意に組合わせたものを挙げることができ、その他にエチル基、オクチル基などを挙げることができる。
また、これらの基の代表的な組合せの具体例としては、Ｒ６１〜Ｒ６４がメチル基であるものやエチル基であるもの、ブチル基であるもの、Ｒ６１がメチル基であり、Ｒ６２〜Ｒ６４がオクチル基であるものなどを挙げることができる。
更に、次の化学式（７）で表されるホスフォニウム誘導体カチオン（Ｐｈｏｓｐｈｏｎｉｕｍ Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ Ｃａｔｉｏｎ）；
Figure 2006351317
（式中のＲ７１〜Ｒ７４は同一でも異なっていてもよく、１価の有機基、好ましくは１価の炭化水素基、更に好ましくは炭素数１〜２０のアルキル基又はアリールアルキル基を示す。）を挙げることができる。
そして、Ｒ７１〜Ｒ７４としては、上述したＲ１１と同様のものを任意に組合わせたものを挙げることができ、その他にエチル基、イソブチル基、ヘキシル基、オクチル基、テトラデシル基、ヘキサデシル基、フェニル基、ベンジル基などを挙げることができる。
また、これらの基の代表的な組合せの具体例としては、Ｒ７１がメチル基であり、Ｒ７２〜Ｒ７４がブチル基であるものやイソブチル基であるもの、Ｒ７１がエチル基であり、Ｒ７２〜Ｒ７４がブチル基であるもの、Ｒ７１〜Ｒ７４がブチル基であるものやオクチル基であるもの、Ｒ７１がテトラデシル基であり、Ｒ７２〜Ｒ７４がブチル基であるものやヘキシル基であるもの、Ｒ７１がヘキサデシル基であり、Ｒ７２〜Ｒ７４がブチル基であるもの、Ｒ７１がベンジル基であり、Ｒ７２〜Ｒ７４がフェニル基であるものなどを挙げることができる。
また、次の化学式（８）で表されるグアニジウム誘導体カチオン（Ｇｕａｎｉｄｉｎｉｕｍ Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ Ｃａｔｉｏｎ）；
Figure 2006351317
（式中のＲ８１〜Ｒ８６は同一でも異なっていてもよく、水素又は１価の有機基、好ましくは１価の炭化水素基、更に好ましくは炭素数１〜２０のアルキル基又はアリールアルキル基を示す。）を挙げることができる。
そして、Ｒ８１〜Ｒ８６としては、上述したＲ１１と同様のものを任意に組合わせたものを挙げることができ、その他に水素、エチル基、プロピル基、イソプロピル基などを挙げることができる。
また、これらの基の代表的な組合せの具体例としては、Ｒ８１〜Ｒ８６の全てが水素であるものやメチル基であるもの、Ｒ８１がエチル基、Ｒ８２〜Ｒ８５がメチル基、Ｒ８６が水素であるもの、Ｒ８１がイソプロピル基、Ｒ８２〜Ｒ８５がメチル基、Ｒ８６が水素であるもの、Ｒ８１がプロピル基、Ｒ８２〜Ｒ８６がメチル基であるものなどを挙げることができる。
更に、次の化学式（９）で表されるイソウロニウム誘導体カチオン（Ｉｓｏｕｒｏｎｉｕｍ Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ Ｃａｔｉｏｎ）；
Figure 2006351317
（式中のＲ９１〜Ｒ９５は同一でも異なっていてもよく、水素又は１価の有機基、好ましくは１価の炭化水素基、更に好ましくは炭素数１〜２０のアルキル基又はアリールアルキル基を示し、Ａ９は酸素原子又は硫黄原子を示す。）を挙げることができる。
そして、Ｒ９１〜Ｒ９５としては、上述したＲ１１と同様のものを任意に組合わせたものを挙げることができ、その他に水素、エチル基などを挙げることができる。
また、これらの基の代表的な組合せの具体例としては、Ａ９が酸素原子（Ｏ）であって、Ｒ９１〜Ｒ９５の全てがメチル基であるものやＲ９１がエチル基、Ｒ９２〜Ｒ９５がメチル基であるもの、Ａ９が硫黄原子（Ｓ）であって、Ｒ９１がエチル基、Ｒ９２〜Ｒ９５がメチル基であるものなどを挙げることができる。
一方、上記分子性アニオンとしては、例えば硫酸アニオン［ＳＯ４ ２−］、硫酸一水素アニオン［ＨＳＯ４ −］又は次の化学式（１０）で表される硫酸エステルアニオン（Ｓｕｌｆａｔｅｓ ａｎｉｏｎ）；
Figure 2006351317
（式中のＲ１０１は１価の有機基、好ましくは１価の炭化水素基、更に好ましくは炭素数１〜２０のアルキル基又はアリールアルキル基を示す。）を挙げることができる。
そして、Ｒ１０１としては、上述したＲ１１と同様のものを挙げることができ、その他にエチル基、ヘキシル基、オクチル基などを挙げることができる。
また、代表的な具体例としては、Ｒ１０１がメチル基やエチル基、ブチル基、ヘキシル基、オクチル基であるものなどを挙げることができる。
また、次の化学式（１１）で表されるスルホン酸エステルアニオン（Ｓｕｌｆｏｎａｔｅｓ ａｎｉｏｎ）；
Figure 2006351317
（式中のＲ１１１は１価の有機基、好ましくは１価の炭化水素基、更に好ましくは炭素数１〜２０のアルキル基又はアリールアルキル基、更にはそのフッ素置換体を示す。）を挙げることができる。
そして、代表的な具体例としては、Ｒ１１１がフッ素置換されたメチル基（トリフルオロメタンサルフォネートアニオンに相当）であるもの、更にはｐ−トリル基（ｐ−トルエンスルホン酸アニオンに相当）であるものを挙げることができる。
更に、次の化学式（１２）〜（１４）で表されるアミドアニオン（Ａｍｉｄｅｓ Ａｎｉｏｎ）又はイミドアニオン（Ｉｍｉｄｅｓ Ａｎｉｏｎ）；
Figure 2006351317
Figure 2006351317
Figure 2006351317
を挙げることができる。
なお、アミドアニオンやイミドアニオンについては必ずしもこれらに限定されるものではない。
また、次の化学式（１５）又は（１６）で表されるメタンアニオン（Ｍｅｔｈａｎｅｓ Ａｎｉｏｎ）；
Figure 2006351317
Figure 2006351317
を挙げることができる。
なお、メタンアニオンについても必ずしもこれらに限定されるものではない。
また、次の化学式（１７）〜（２３）で表されるホウ素含有化合物アニオン；
Figure 2006351317
Figure 2006351317
Figure 2006351317
Figure 2006351317
Figure 2006351317
Figure 2006351317
Figure 2006351317
を挙げることができる。
なお、ホウ素含有化合物アニオンについても必ずしもこれらに限定されるものではない。
更に、次の化学式（２４）〜（３２）で表されるリン含有化合物アニオン；
Figure 2006351317
Figure 2006351317
Figure 2006351317
Figure 2006351317
Figure 2006351317
Figure 2006351317
Figure 2006351317
Figure 2006351317
Figure 2006351317
を挙げることができる。
なお、リン含有化合物アニオンについても必ずしもこれらに限定されるものではない。
更に、次の化学式（３３）又は（３４）で表されるカルボン酸アニオン；
Figure 2006351317
Figure 2006351317
を挙げることができる。
なお、カルボン酸アニオンについても必ずしもこれらに限定されるものではない。
更に、次の化学式（３５）又は（３６）で表される金属元素含有アニオン；
Figure 2006351317
Figure 2006351317
を挙げることができる。
なお、金属元素含有アニオンについても必ずしもこれらに限定されるものではない。
他方、分子性アニオンではないが、他のアニオン成分としてハロゲン化物アニオン（Ｈａｌｏｇｅｎｉｄｅｓ Ａｎｉｏｎ）であるフッ素アニオン［Ｆ−］や塩素アニオン［Ｃｌ−］、臭素アニオン［Ｂｒ−］、ヨウ素アニオン［Ｉ−］を挙げることもできる。
更に、本発明においては、イミダゾリウム誘導体カチオン、ピリジニウム誘導体カチオン、ピロリジニウム誘導体カチオン又はアンモニウム誘導体カチオン、及びこれらの任意の組合わせに係る分子性カチオンの混合物と、四フッ化ホウ素アニオン、トリフルオロメタンサルフォネートアニオン、フッ化水素アニオン［（ＨＦｎ）Ｆ−（ｎは実数で１〜３が望ましい。）］、硫酸一水素アニオン又はリン酸二水素アニオン、及びこれらの任意の組合わせに係る分子性アニオンの混合物とから成ることが望ましい。
これらの分子性カチオンと分子性アニオンを組合わせたものはイオン性液体（常温溶融塩）であって、良好な親水性を示すからである。
電解質中の水分量を増加させたときのＩＶ特性を示すグラフ図である。 温度の逆数とプロトン伝導率の関係を示すグラフ図である。 ＩＶ特性を示すグラフ図である。 本発明の燃料電池制御装置の制御を示すフロー図である。 本発明の燃料電池制御装置の第１の実施例を示す構成図である。 本発明の燃料電池制御装置の第１の実施例の制御を示すフロー図である。 本発明の燃料電池制御装置の第２の実施例を示す構成図である。 本発明の燃料電池制御装置の第２の実施例の制御を示すフロー図である。 本発明の燃料電池制御装置の第３の実施例を示す構成図である。 本発明の燃料電池制御装置の第３の実施例の制御を示すフロー図である。 通常制御及び増加制御の場合の負荷とポンプ流量及びファンモータ回転数との関係を示すグラフ図である。
符号の説明
１ａ，１ｂ，１ｃ 燃料電池制御装置
１０ 燃料電池
１２ アノード
１４ カソード
２０ 水素タンク
２２ 水素調圧弁
２４ ラジエータ
２４ａ ポンプ
２４ｂ ファン
２４ｃ 流路
３０ コンプレッサ
３２ 絞り弁
３４ 加湿器
３４ａ 水供給制御弁
３４ｂ 流路
３６ 水回収タンク

Claims (14)

  1. カチオン成分とアニオン成分を含むイオン伝導体を電解質として用いる燃料電池の当該電解質中の水分量を制御する燃料電池制御装置であって、
    当該燃料電池の運転条件に応じて電解質中の水分量を制御する水分量制御手段を備えることを特徴とする燃料電池制御装置。
  2. 上記水分量制御手段として当該燃料電池の運転圧力制御手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池制御装置。
  3. 上記運転圧力制御手段が、当該燃料電池の空気極のガス排出流路に設置された絞り弁であることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池制御装置。
  4. 上記水分量制御手段として当該燃料電池へ供給されるガスのうち少なくとも酸化ガスの湿度を制御する湿度制御手段を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つの項に記載の燃料電池制御装置。
  5. 上記湿度制御手段が、当該燃料電池の空気極のガス供給流路に設置された加湿器であることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池制御装置。
  6. 上記水分量制御手段として当該燃料電池の温度制御手段を備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つの項に記載の燃料電池制御装置。
  7. 上記温度制御手段が、当該燃料電池に設置されたラジエータであることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池制御装置。
  8. 上記燃料電池の電解質中のカチオン成分の全部又は一部が分子性カチオンであり、且つ上記アニオン成分の全部又は一部が分子性アニオンであることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つの項に記載の燃料電池制御装置。
  9. 上記燃料電池の電解質が、上記分子性カチオン及び分子性アニオンが形成するイオン性液体を含有することを特徴とする請求項８に記載の燃料電池制御装置。
  10. 上記イオン性液体の全部又は一部が親水性イオン性液体であることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池制御装置。
  11. 上記親水性イオン性液体の全部又は一部が、イミダゾリウム誘導体カチオン、ピリジニウム誘導体カチオン、ピロリジニウム誘導体カチオン及びアンモニウム誘導体カチオンから成る群より選ばれた少なくとも１種の分子性カチオンと、四フッ化ホウ素アニオン、トリフルオロメタンサルフォネートアニオン、フッ化水素アニオン、硫酸一水素アニオン及びリン酸二水素アニオンから成る群より選ばれた少なくとも１種の分子性アニオンと、から成ることを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池制御装置。
  12. 上記電解質中の水分量が０．０１〜５０％であることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１つの項に記載の燃料電池制御装置。
  13. 上記電解質中の水分量が０．０１〜２５％であることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１つの項に記載の燃料電池制御装置。
  14. 上記電解質中の水分量が０．０１〜１０％であることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１つの項に記載の燃料電池制御装置。
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