JP2007095385A - 燃料電池システム及び燃料電池の湿潤状態調整方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の電解質膜における内部応力の発生を抑制することにより、燃料電池の耐用期間の長期化を実現させる。
【解決手段】アノード電極及びカソード電極が形成された電解質膜を有する燃料電池２と、アノード電極とカソード電極のうち少なくとも一方の湿潤状態を調整可能な湿潤状態調整手段（制御装置５、燃料ガス加湿器３０及び酸化ガス加湿器４０）を備える燃料電池システム１である。湿潤状態調整手段は、燃料電池２の電流密度が大きくなるほどアノード電極の加湿及びカソード電極の乾燥を促進させて、アノード電極とカソード電極との湿潤状態の差を低減する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システム及び燃料電池の湿潤状態調整方法に関する。

固体高分子型の電解質膜を有する燃料電池を備えた燃料電池システムにおいては、電解質膜に形成されたアノード電極にアノードガスを供給する一方、カソード電極にカソードガスを供給して電気化学反応を起こすことにより、発電を行っている。電解質膜へのガスの供給量は要求発電量に応じて調整されることとなるが、ガス流により電解質膜が乾燥して発電効率が低下する場合がある。このため、燃料電池システムには、電解質膜に供給されるガスを加湿するための加湿器が設けられるのが一般的である。

また、近年においては、電解質膜に形成された各電極（アノード電極及びカソード電極）の電位を検出し、かかる電位から判定した各電極の湿潤状態に応じて、各ガス（アノードガス及びカソードガス）の流量等を調整する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開平７−２２０４７号公報

ところで、電解質膜に形成されたアノード電極とカソード電極とで含水率に差が生じると、両電極の伸長差に起因して電解質膜の内部に応力が発生する。このように電解質膜に内部応力が発生すると、燃料電池の寿命が大幅に短縮されてしまうという問題がある。特許文献１に記載されたような技術を採用すると電解質膜の乾燥を抑制することはできるが、電解質膜における内部応力の発生が抑制されるとは限らなかった。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、燃料電池の電解質膜における内部応力の発生を抑制することにより、燃料電池の耐用期間の長期化を実現させることを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明に係る燃料電池システムは、電解質膜とこの電解質膜の一方の面に配置されたアノード電極と他方の面に配置されたカソード電極とを有する燃料電池と、アノード電極とカソード電極のうち少なくとも一方の湿潤状態を調整可能な湿潤状態調整手段と、を備える燃料電池システムであって、湿潤状態調整手段は、アノード電極とカソード電極の湿潤状態の差が低減されるように、アノード電極とカソード電極のうち少なくとも一方の湿潤状態を変更するものである。

また、本発明に係る燃料電池の湿潤状態調整方法は、電解質膜とこの電解質膜の一方の面に配置されたアノード電極と他方の面に配置されたカソード電極とを有する燃料電池のアノード電極とカソード電極のうち少なくとも一方の湿潤状態を調整する方法であって、アノード電極とカソード電極の湿潤状態の差が低減されるように、アノード電極とカソード電極のうち少なくとも一方の湿潤状態を変更するものである。

かかる構成及び方法によれば、アノード電極とカソード電極の湿潤状態の差が低減されるように、アノード電極とカソード電極のうち少なくとも一方の湿潤状態を変更することができる。従って、両電極の湿潤状態の差に起因する伸長差を低減させることができるので、電解質膜の内部応力の発生を抑制することができる。この結果、燃料電池の耐用期間の長期化を実現させることができる。

ここで、燃料電池のアノード電極及びカソード電極の湿潤状態の変化は、外部の加湿器から電解質膜への水分供給に起因する「加湿」と、外部から電解質膜へのガス供給量の増大に起因する「乾燥」と、発電反応に伴う生成水に起因する電解質膜の「内部的な湿度変化」と、によりもたらされる。また、「加湿」は、電解質膜へのガス供給流路上でガスを加湿する外部加湿方式と、燃料電池内の生成水を下流から上流へ強制移動させることによりガスを加湿する内部加湿方式と、の双方により実現することができる。

前記燃料電池システムにおいて、湿潤状態調整手段は、燃料電池の出力が大きくなるほど、アノード電極の加湿とカソード電極の乾燥のうち少なくとも一方を促進させるものであることが好ましい。また、湿潤状態調整手段は、低出力運転から高出力運転へと移行するに従って、アノード電極の加湿量の増加（乾燥の低減）及びカソード電極の加湿量の低減（乾燥の増加）を実現させるものであることが好ましい。さらに、湿潤状態調整手段は、燃料電池の出力増大に伴って、アノード電極とカソード電極のうち少なくとも一方の湿潤状態を徐々に変更するものであってもよい。

また、前記燃料電池システムにおいて、水蒸気を利用して炭化水素系燃料を水素リッチな燃料ガスに改質する改質器を備えることもできる。かかる場合に、湿潤状態調整手段は、改質器における水蒸気の供給量を調整することによりアノード電極の加湿量を調整することができる。

本発明によれば、燃料電池の電解質膜における内部応力の発生を抑制することにより、燃料電池の耐用期間の長期化を実現させることができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。本実施形態においては、本発明を燃料電池車両の車載発電システムに適用した例について説明することとする。

まず、図１及び図２を用いて、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１の構成について説明する。燃料電池システム１は、図１に示すように、燃料電池２を中心として構成され、燃料電池２に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給源３、燃料電池２に酸化ガスを供給するための酸化ガス供給源４、システム全体を統合制御する制御装置５等を備えて構成されている。

燃料電池２は、図２に示すような単電池１０を複数積層したスタック本体を備えており、このスタック本体の両端外側に、出力端子付の集電板、絶縁板及び端板がこの順に配置されて構成されている。燃料電池２を構成する単電池１０は、図２に示すように、電解質膜１１、電解質膜１１の両面に設けられた電極用の触媒層１２、触媒層１２の外側に配設される拡散層１３、反応ガス流路が設けられたセパレータ１４、拡散層１３とセパレータ１４との間をシールするシール部材１５等から構成されている。

単電池１０を構成する電解質膜１１は、固体高分子材料のイオン交換膜から構成され、主として、アノードガスにより供給された水素イオンをアノード電極からカソード電極へと移動させる機能を有する。触媒層１２は、電解質膜１１に接合され、例えば固体電解質と炭素粒子とその炭素粒子に担持された白金等の触媒とから構成される。拡散層１３は、生成水及び反応ガスを通過させる機能と、触媒層１２及びセパレータ１４を導通させる機能と、を有する導電体（例えばカーボンペーパ等の多孔質の素材）であり、燃料電池２の外部からセパレータ１４を介して触媒層１２側に供給された反応ガスを拡散させて触媒層１２側へ移動させるものである。触媒層１２と拡散層１３とによってアノード電極及びカソード電極が構成される。なお、図２に示すように、電解質膜１１及び触媒層１２は何れも平面視で矩形形状を呈し、電解質膜１１は触媒層１２よりも広い面積を有している。

単電池１０を構成するセパレータ１４は、積層された各々の単電池１０同士を区切る境界であり、隣接する単電池１０間でアノード電極とカソード電極とが接触することによる単電池１０同士の短絡を防止する機能と、隣接する単電池１０同士を導通させる機能と、を有する。セパレータ１４はシール部材１５を介して拡散層１３に隣接配置され、その拡散層１３側の面には反応ガス流路１４ａが形成されている。また、セパレータ１４には、反応ガスの入口及び出口となるマニホールド１４ｂが設けられており、マニホールド１４ｂは反応ガス流路１４ａに連通するようになっている。なお、セパレータ１４は、電子伝導性が高く、耐食性に優れており、しかもガス雰囲気において金属イオンを放出しないという特性を有するように構成される。かかる条件を満足する材料として、例えば、カーボン等の炭素質材料やステンレス鋼等の金属材料が採用される。

燃料電池２には、発電された電力を蓄える図示されていない蓄電池や、発電された電力及び／又は蓄電池に蓄えられた電力によって駆動する図示されていないモータ等が接続されている。また、燃料電池２の水素供給口には水素供給用配管２１が接続されており、この水素供給用配管２１を介して燃料ガス（水素ガス）が燃料ガス供給源３から供給される。水素供給用配管２１には、燃料ガス供給源３から水素ガスを供給し又は供給を停止する遮断弁、燃料電池２への水素ガスの供給圧力を減圧して調整する水素調圧弁、燃料電池２の水素供給口と水素供給用配管２１間を開閉する遮断弁、水素ガスに所要の水分を加える燃料ガス加湿器３０等が設けられている。なお、各種弁については図示を省略している。

燃料電池２の水素排出口には水素循環用配管２２が接続されており、燃料電池２で消費されなかった水素ガスは、水素オフガスとして水素循環用配管２２に排出されて水素供給用配管２１に戻される。水素循環用配管２２には、燃料電池２と水素循環用配管２２とを連通させ又は遮断する遮断弁、水素オフガスから水分を回収する気液分離器２２ａ、水素オフガスを加圧する水素ポンプ２２ｂ、逆止弁２２ｃ等が設けられている。水素オフガスは、水素供給用配管２１で水素ガスと合流し、燃料電池２に供給されて再利用される。また、水素循環用配管２２は、パージ弁及びパージ用配管２３を介して空気排出用配管２５に接続される。なお、遮断弁及びパージ弁については図示を省略している。

燃料電池２の空気供給口には空気供給用配管２４が接続されており、この空気供給用配管２４を介して酸化ガス（空気）が酸化ガス供給源４から供給される。空気供給用配管２４には、空気に所要の水分を加える酸化ガス加湿器４０や空気から微粒子を除去する図示されていないエアフィルタ等が設けられている。また、燃料電池２の空気排出口には空気排出用配管２５が接続されており、この空気排出用配管２５を介して空気オフガスが外部に放出される。

燃料電池２の冷却水供給口には冷却水供給用配管２６が接続されており、この冷却水供給用配管２６を介して燃料電池２に冷却水が供給される。また、燃料電池２の冷却水排出口には冷却水排出用配管２７が接続されており、この冷却水排出用配管２７を介して燃料電池２から冷却水が外部に排出される。冷却水供給用配管２６と冷却水排出用配管２７とは冷却ファン２６ａを有するラジエータ２６ｂを介して接続されている。冷却水供給用配管２６には、燃料電池２に供給される冷却水の温度を検出する温度センサや冷却水を加圧して循環させるポンプ２６ｃ等が設けられている。

燃料ガス供給源３は、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池２に供給するためのものである。本実施形態においては、燃料ガス供給源３として高圧水素タンクを採用している。なお、高圧水素タンクに代えて、いわゆる燃料改質器や水素吸蔵合金等を採用することもできる。酸化ガス供給源４は、酸化ガスとしての空気を燃料電池に供給するためのものである。本実施形態においては、酸化ガス供給源４としてコンプレッサを採用している。

制御装置５は、燃料電池２の電流密度の大きさに基づいて、燃料ガス加湿器３０及び酸化ガス加湿器４０を制御することにより、燃料電池２のアノード電極及びカソード電極の湿潤状態を調整する。

具体的には、制御装置５は、燃料電池２の出力（電流密度）の増加（低出力運転から高出力運転への移行）に伴って燃料ガス加湿器３０及び酸化ガス加湿器４０を制御して、水素ガス及び空気に加える水分の量（アノード電極及びカソード電極の加湿量）を徐々に変化させる。この際、制御装置５は、燃料電池２の電流密度の増加に伴ってアノード電極の加湿量を増加（乾燥を低減）させる一方、カソード電極の加湿量を低減（乾燥を増加）させる。これにより、燃料電池２のアノード電極の加湿及びカソード電極の乾燥を促進して、アノード電極とカソード電極との湿潤状態（含水率）の差を低減する。すなわち、制御装置５、燃料ガス加湿器３０及び酸化ガス加湿器４０によって本発明における湿潤状態調整手段の一実施形態が構成される。

次に、図３及び図４を用いて、本実施形態に係る燃料電池システム１における燃料電池２の湿潤状態調整方法について説明する。

燃料電池２の作動中は、図３（ａ）に示すように、水素イオンが電解質膜１１のアノード電極側からカソード電極側に移動し、これに伴って水分子もアノード電極側からカソード電極側に移動する。また、燃料電池２の作動中は、電気化学反応によりカソード電極において水が生成する。従って、図３（ｂ）に示すように、電解質膜１１のアノード電極側における含水率（Ｐ_AL、Ｐ_AH）は低く、カソード電極側における含水率（Ｐ_CL、Ｐ_CH）は高くなる。

また、水分子の移動量は電流密度に比例するため、加湿量を一定にしたまま燃料電池２を高出力領域（高電流密度領域）で作動させると、アノード電極側への供給水分量が相対的に不足することとなる。従って、図３（ｂ）に示すように、高出力領域における電解質膜１１の膜厚方向の含水率の差（Ｐ_CH−Ｐ_AH）は、低出力領域における電解質膜１１の膜厚方向の含水率の差（Ｐ_CL−Ｐ_AL）よりも格段に大きくなる。このように電解質膜１１の膜厚方向において湿潤状態（含水率）に大きな差が生じると、電解質膜１１の内部に大きな応力が発生することとなる。

このため、本実施形態においては、燃料電池２のアノード電極及びカソード電極の加湿量を調整してアノード電極とカソード電極との湿潤状態（含水率）の差を低減することにより、電解質膜１１の内部応力の発生を抑制する。

まず、燃料電池システム１の制御装置５は、燃料電池２の電流密度を検出する（電流密度検出工程）。そして、制御装置５は、検出した電流密度と図４に示したマップとに基づいて、燃料電池２のアノード電極及びカソード電極に加える水分の量（加湿量）を算出する（加湿量算出工程）。算出された加湿量は、アノード電極の加湿及びカソード電極の乾燥を促進させ、アノード電極とカソード電極との湿潤状態の差を低減するような値である。

次いで、制御装置５は、加湿量算出工程で算出した加湿量に基づいて、燃料ガス加湿器３０及び酸化ガス加湿器４０を制御することにより、水素ガス及び空気に所要の水分を加える（加湿工程）。制御装置５は、以上の電流密度検出工程、加湿量算出工程及び加湿工程を所定時間毎に繰り返すことにより、燃料電池２のカソード電極とアノード電極との湿潤状態の差を低減することができる。

以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１においては、燃料電池２の電流密度が大きくなるほど、アノード電極の加湿及びカソード電極の乾燥を促進させるようにアノード電極及びカソード電極の湿潤状態を調整して、アノード電極とカソード電極との湿潤状態（含水率）の差を低減することができる。従って、両電極の伸長差を低減させることができるので、電解質膜１１の内部応力の発生を抑制することができる。この結果、燃料電池２の耐用期間の長期化を実現させることができる。

なお、以上の実施形態においては、燃料ガス供給源３として高圧水素タンクを採用した例を示したが、水蒸気を利用して炭化水素系燃料を水素リッチな燃料ガスに改質する燃料改質器を燃料ガス供給源３として採用することができる。かかる場合に、燃料改質器における炭化水素系燃料中の炭素に対する水蒸気の量（Ｓ／Ｃ比：Steam Carbon ratio）を制御装置５で調整することにより、アノード電極の加湿量を調整することもできる。

ここで、炭化水素系燃料とは、天然ガス（都市ガスを含む）、メタノール、ガソリン等を意味する。一般的に、燃料改質器への水蒸気の供給量を調整することにより水素の生成量（改質量）が変化するが、改質時の水蒸気の供給量をアノード電極の目標湿度に対応させて調整することにより、改質ガス（水素リッチな燃料ガス）中の湿度（すなわちアノード電極の加湿量）を調整することが可能となる。

また、以上の実施形態においては、制御装置５が、燃料電池２の電流密度の大きさに応じて、アノード電極及びカソード電極の加湿量を算出する例を示したが、要求発電量（負荷）に応じてアノード電極及びカソード電極の加湿量を算出するようにしてもよい。

また、以上の実施形態においては、制御装置５が燃料ガス加湿器３０及び酸化ガス加湿器４０双方を制御し、アノード電極及びカソード電極双方の加湿量を調整することにより、湿潤状態の差を低減させた例を示したが、制御装置５が燃料ガス加湿器３０のみを制御してアノード電極の加湿量を調整してアノード電極の加湿を促進することにより、湿潤状態の差を低減することもできる。また、制御装置５が酸化ガス加湿器４０のみを制御してカソード電極の加湿量を調整してカソード電極の乾燥を促進することにより、湿潤状態の差を低減することもできる。

また、以上の実施形態においては、燃料電池車両に搭載される燃料電池システムに本発明を適用した例について説明したが、燃料電池車両以外の各種構造体（ロボット、船舶、航空機等）に搭載される燃料電池システムについても本発明を適用することができる。

本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。 図１に示した燃料電池システムの燃料電池を構成する単電池の分解斜視図である。 （ａ）は電解質膜の膜厚方向における水分の流れを説明するための拡大断面図、（ｂ）は電解質膜の膜厚方向寸法と含水率との関係を示すグラフである。 燃料電池の電流密度と加湿量との関係を示すマップである。

符号の説明

１…燃料電池システム、２…燃料電池、５…制御装置（湿潤状態調整手段の一部）、１１…電解質膜、１２…触媒層（アノード電極及びカソード電極の一部）、１３…拡散層（アノード電極及びカソード電極の一部）、３０…燃料ガス加湿器（湿潤状態調整手段の一部）、４０…酸化ガス加湿器（湿潤状態調整手段の一部）

Claims (9)

1. 電解質膜とこの電解質膜の一方の面に配置されたアノード電極と他方の面に配置されたカソード電極とを有する燃料電池と、前記アノード電極と前記カソード電極のうち少なくとも一方の湿潤状態を調整可能な湿潤状態調整手段と、を備える燃料電池システムであって、
   前記湿潤状態調整手段は、前記アノード電極と前記カソード電極の湿潤状態の差が低減されるように、前記アノード電極と前記カソード電極のうち少なくとも一方の湿潤状態を変更する燃料電池システム。
2. 前記湿潤状態調整手段は、前記燃料電池の出力が大きくなるほど、前記アノード電極の加湿を促進させる請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記湿潤状態調整手段は、前記燃料電池の出力が大きくなるほど、前記カソード電極の乾燥を促進させる請求項１に記載の燃料電池システム。
4. 前記湿潤状態調整手段は、前記燃料電池の出力が大きくなるほど、前記アノード電極の加湿及び前記カソード電極の乾燥を促進させる請求項１に記載の燃料電池システム。
5. 前記湿潤状態調整手段は、低出力運転から高出力運転へと移行するに従って、前記アノード電極の加湿量の増加及び前記カソード電極の加湿量の低減を実現させる請求項１に記載の燃料電池システム。
6. 前記湿潤状態調整手段は、低出力運転から高出力運転へと移行するに従って、前記アノード電極の乾燥の低減及び前記カソード電極の乾燥の増加を実現させる請求項１に記載の燃料電池システム。
7. 前記湿潤状態調整手段は、前記燃料電池の出力増大に伴って、前記アノード電極と前記カソード電極のうち少なくとも一方の湿潤状態を徐々に変更する請求項１に記載の燃料電池システム。
8. 水蒸気を利用して炭化水素系燃料を水素リッチな燃料ガスに改質する改質器を備え、
   前記湿潤状態調整手段は、前記改質器における水蒸気の供給量を調整することにより前記アノード電極の加湿量を調整する請求項１から７の何れか一項に記載の燃料電池システム。
9. 電解質膜とこの電解質膜の一方の面に配置されたアノード電極と他方の面に配置されたカソード電極とを有する燃料電池の前記アノード電極と前記カソード電極のうち少なくとも一方の湿潤状態を調整する方法であって、
   前記アノード電極と前記カソード電極の湿潤状態の差が低減されるように、前記アノード電極と前記カソード電極のうち少なくとも一方の湿潤状態を変更する燃料電池の湿潤状態調整方法。
   

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