JP2009016056A - 燃料電池制御システムおよびその方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電解質の含水量の過多による電解質の劣化を防止する燃料電池制御システムを提供する。
【解決手段】燃料電池制御システムは、燃料電池と、水分検出手段と、水分除去手段と、制御手段とを有する。燃料電池は、カチオン成分とアニオン成分とを有するイオン伝導体を電解質として用いる。水分検出手段は、前記電解質が含有する含水量を検出する。水分除去手段は、前記電解質が含有する水分を除去する。制御手段は、前記水分検出手段によって検出された含水量を閾値と比較し、前記閾値以上の場合、前記除去手段によって前記電解質中の水分を減少させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池中の水分を制御できる燃料電池制御システムおよびその方法に関する。

近年、環境負荷の少ない電源として、燃料電池が注目されている。燃料電池は、酸素および水素の供給を受けて電力を発生する。このような燃料電池としては、イオン液体を電解質膜に用いた燃料電池が知られている。イオン液体は、蒸気圧がほとんどない、不燃性または難燃性である、イオン伝導性を有する、分解電圧が水よりも高い、液体温度領域が水よりも広いなどの電解質膜として優れた特性を有している。

一方で、イオン液体を電解質膜に用いた燃料電池では、燃料電池の活性化過電圧が高くなるという問題がある。下記の特許文献１には、燃料電池のアノード側に酸化剤を供給することによって電極触媒層近傍で水を生成し、活性化過電圧を低減する技術が開示されている。

しかし、上記技術では、電解質の含水量が所定値を超えた状態で反応が進行されると、イオン液体が分解し易くなり、電解質が劣化する場合がある。
特開２００７−０１８７３５号公報

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、電解質の含水量の過多による電解質の劣化を防止する燃料電池制御システムおよびその方法を提供することを目的とする。

燃料電池制御システムは、燃料電池と、水分検出手段と、水分除去手段と、制御手段とを有する。燃料電池は、カチオン成分とアニオン成分とを有するイオン伝導体を電解質として用いる。水分検出手段は、前記電解質が含有する含水量を検出する。水分除去手段は、前記電解質が含有する水分を除去する。制御手段は、前記水分検出手段によって検出された含水量を閾値と比較し、前記閾値以上の場合、前記除去手段によって前記電解質中の水分を減少させる。

上記燃料電池制御システムによれば、電解質中の含水量を閾値以下に減少できるので、反応前であればイオン液体の分解を防止でき、反応中であればイオン液体の分解を低減でき、電解質の劣化を防止できる。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。

（第１実施形態）
図１は燃料電池制御システムの概略構成を示す図である。

図１に示すように、燃料電池制御システムは、燃料電池セル１と、ガス供給手段２と、検出手段３と、コントロールユニット４とを有する。

（燃料電池セル１）
燃料電池セル１は、電解質層１０と、電解質層１０の一方の面に設けられるアノード電極１２と、他方の面に設けられるカソード電極１４と、アノード電極１２およびカソード電極１４を外側から挟むアノードセパレータ１６およびカソードセパレータ１８とを有する。

電解質層１０は、イオン伝導体として、分子性カチオンおよび分子性アニオンから形成されるイオン液体（常温溶融塩）を含む。これにより、電解質層１０は、良好な親水性を示す。電解質層１０は、たとえば、イオン液体を多孔質支持体に含浸させて形成される。本実施の形態の電解質層１０は、たとえば、イミダゾリウム誘導体カチオンとトリフルオロメタンスルホン酸アニオンとを含む親水性のイオン液体を含む。あるいは、電解質層１０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、およびアンモニウム誘導体カチオンよりなる群から選択された少なくとも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スルホン酸アニオン、フッ化水素アニオン［（ＨＦｎ）Ｆ⁻（望ましくは、ｎ＝１〜３）］、硫酸一水素アニオン、およびリン酸二水素アニオンよりなる群から選択された少なくとも１種の分子性アニオンと、を含む。

アノード電極１２は、アノード触媒層とアノード拡散層とを含む。また、カソード電極１４は、カソード触媒層とカソード拡散層とを含む。アノード触媒層、アノード拡散層、カソード触媒層およびカソード拡散層には、固体高分子型燃料電池などに用いられる一般的な材料を用いることができるため詳細な説明は省略する。

アノードセパレータ１６には、水素ガスを通ための複数の溝部が形成されている。カソードセパレータ１８には、酸化ガス（空気）を通すための複数の溝部が形成されている。

図１では、燃料電池セル１が１枚だけ示されており、燃料電池セル１自体が燃料電池として示されている。しかし、燃料電池は、燃料電池セル１が複数積層されて構成されてもよい。この場合、
（ガス供給手段２）
ガス供給手段２は、空気を燃料電池のアノードセパレータ１６に供給するために、圧縮機２１、空気通路２２、空気バルブ２３、クーラー２４を含む。さらに、ガス供給手段２は、水素を燃料電池のカソードセパレータ１８に供給するために、水素タンク２５、水素通路２６、水素バルブ２７およびヒーター２８を含む。

圧縮機２１は、圧縮した空気を、空気通路２２を通じて、アノードセパレータ１６に供給する。空気通路２２上には、空気バルブ２３およびクーラー２４が設けられている。空気バルブ２３は、圧縮機２１からアノードセパレータ１６への空気の供給流量を制御する。クーラー２４は、通過する空気を冷却する。

水素タンク２５は、水素を貯蔵しており、水素通路２６を通じて、カソードセパレータ１８に水素ガスを供給する。水素通路２６上には、水素バルブ２７およびヒーター２８が設けられている。水素バルブ２７は、開閉により、水素タンク２５からカソードセパレータ１８への水素ガスの供給流量を制御する。ヒーター２８は、通過する水素ガスを加熱する。

圧縮機２１、空気通路２２、空気バルブ２３、クーラー２４、水素タンク２５、水素通路２６、水素バルブ２７およびヒーター２８は、それぞれコントロールユニット４に接続されており、コントロールユニット４によって制御される。

ガス供給手段２は、温度調節した水素および酸素、あるいはどちらか一方を、燃料電池セル１に供給する。

（検出手段３）
燃料電池制御システムは、検出手段３として、抵抗計３２および温度計３４を含む。抵抗計３２は、２つの端子がそれぞれアノードセパレータ１６およびカソードセパレータ１８に接続されており、燃料電池セル１の抵抗値を検出する。検出された抵抗値は、コントロールユニット４に送信される。コントロールユニット４には、予め燃料電池セル１の抵抗値と、燃料電池セル１に含まれる電解質中の含水量との関係を記憶してある。コントロールユニット４は、燃料電池セル１の抵抗値を検出することによって、電解質中の含水量を決定できる。したがって、抵抗計３２は、電解質中の含水量を検出するための含水量検出手段の機能を果たす。

温度計３４は、電解質層１０に接続されており、電解質層１０の温度を検出し、検出結果をコントロールユニット４に送信する。

（コントロールユニット４）
コントロールユニット４は、通常、ガス供給手段２を制御して、反応に適した温度に調節された空気（酸化ガス）および水素ガスを燃料電池セル１に供給する。このとき、コントロールユニット４は、空気バルブ２３および水素バルブ２７の開閉、ならびにクーラー２４およびヒーター２８の温度を制御する。燃料電池セル１内の反応により、電力が発生する。

図２はイオン液体の温度と重量の関係を示す図である。

上記のように、電解質層１０にイオン液体を適用している。これにより、燃料電池セル１は１５０度近い高温領域まで使用可能であり、１００度以上において高いプロトン伝導度を示す。高温運転が可能となる。イオン液体を含む電解質層１０は、高温運転時には水分を利用して活性化過電圧を低減できる。

一方、室温や気温などの低温時から高温に上昇させつつ電力を発生させた場合、イオン液体が分解しやすくなる。すなわち、電解質層１０の劣化につながる。

たとえば、図２に示すように、イオン液体の含有量が０．８ｗ％（重量パーセント）の場合と、１．８ｗ％の場合とを比較する。すると、含有量が１．８ｗ％の方が、０．８ｗ％よりも低い温度で重量がより減少していることがわかる。すなわち、含水量が高い方の電解質は、低温で劣化しやすい。

そこで、コントロールユニット４は、ガス供給手段２および検出手段３を使用して、電解質中の含水量を低減する。

（制御手順）
次に、コントロールユニット４による具体的な制御手順について説明する。

図３はシステム始動時の含水量低減のための制御手順を示すフローチャートである。

まず、コントロールユニット４は、抵抗計３２によって、燃料電池セル１の抵抗値を検出する（ステップＳ１）。続けて、コントロールユニット４は、予め記憶しているテーブルを参照し、検出された抵抗値に基づいて、燃料電池セル１中の含水量を決定する（ステップＳ２）。

コントロールユニット４は、含水量が所定の閾値以上かどうかを判断する（ステップＳ３）。閾値の設定には、図２に示されるような、含水量ごとの温度と重量の関係の実験データが利用される。実験データに基づいて、閾値は、たとえば、水分の沸点温度以下で電解質の大幅な分解が発生する（重量が激減する）含水量以下に設定される。

含水量が閾値以上の場合（ステップＳ３：ＹＥＳ）、コントロールユニット４は、圧縮機２１、空気バルブ２３およびクーラー２４を制御して、燃料電池セル１に温度調節した空気を供給する（ステップＳ４）。ここで、供給する空気の温度は、電解質中の水分の沸点以上である。コントロールユニット４は、温度計３４によって、電解質層１０の温度をモニタリングし、沸点以上になっていることを確認する。沸点に達していない場合には、適宜空気の温度を調節する。なお、水素ガスは供給しないので、燃料電池セル１において反応は起こらない。そして、ステップＳ１の処理に戻る。

含水量が閾値未満の場合（ステップＳ３：ＮＯ）、コントロールユニット４は、通常運転の処理に進む（ステップＳ５）。含水量が閾値未満の場合、システムを通常運転に移行しても、電解質が劣化しないからである。

次に通常運転時の制御手順について説明する。

図４はシステム通常運転時の含水量低減のための制御手順を示すフローチャートである。

まず、コントロールユニット４は、運転継続か不継続かを確認する（ステップＳ１１）。コントロールユニット４は、システムが停止された場合、運転不継続と判断し（ステップＳ１１：ＮＯ）、処理を終了する。運転継続の場合（ステップＳ１１：ＹＥＳ）、ステップＳ１２の処理に進む。

コントロールユニット４は、抵抗計３２によって、燃料電池セル１の抵抗値を検出する（ステップＳ１２）。コントロールユニット４は、抵抗値に基づいて、燃料電池セル１中の含水量を決定する（ステップＳ１３）。

コントロールユニット４は、含水量が所定の閾値以上かどうかを判断する（ステップＳ１４）。ここで、閾値は、ステップＳ３で用いた値を使用できる。

含水量が閾値以上の場合（ステップＳ１４：ＹＥＳ）、コントロールユニット４は、燃料電池セル１に、水分の沸点温度に調節した空気および水素を供給する。あるいは、コントロールユニット４は、燃料電池セル１の温度が水分の沸点温度になるように、空気および水素の温度を調節してもよい。ここで、コントロールユニット４は、温度計３４に検出される温度をモニタリングし、燃料電池セル１が沸点になるように調節する。そして、ステップＳ１１の処理に戻る。

含水量が閾値未満の場合（ステップＳ１４：ＮＯ）、コントロールユニット４は、燃料電池セル１に、燃料電池セル１の通常運転時の温度に調節した空気および水素を供給する。含水量が閾値未満であれば、電解質層１０が劣化しないからである。

以上のように、第１実施形態のコントロールユニット４（制御手段）は、抵抗計３２（水分検出手段）によって検出した抵抗値から含水量を求め、閾値と比較する。コントロールユニット４は、含水量が閾値以上の場合、ガス供給手段２（水分除去手段）から供給するガスの温度を沸点またはそれ以上に調節し、水分を蒸発させることができる。したがって、含水量過多による電解質の劣化を防止でき、燃料電池セル１の性能を維持できる。

含水率の閾値は、図２に示すような実験データに基づいて、水分の沸点温度以下で電解質の分解が発生する（重量が激減する）含水量以下に設定される。したがって、電解質の分解を抑制できる。

水分検出手段として抵抗計を用いているので、予め計測されている電解質の抵抗値と含水量の関係に基づいて、実際の含水量を直接検出するよりも容易に間接的に含水量を検出できる。

圧縮機２１、空気通路２２、空気バルブ２３およびクーラー２４は、水分除去手段として機能し、システム始動時に含水量が閾値以上の場合には、沸点以上に温度調節された空気（酸化ガス）のみを燃料電池セル１に供給する。したがって、水分除去手段は、システム始動時には、燃料電池セル１の反応を防止しつつ、燃料電池セル１の温度を沸点以上の所定温度とし、水分を蒸発させる。電解質の含水量が閾値未満になるまで、燃料電池セルが所定温度に維持されるので、確実に水分を閾値以下に制御できる。

システム開始時の含水量が閾値未満になると、コントロールユニット４は、ガス供給手段２によって空気だけでなく水素ガスも燃料電池セル１に供給する。すなわち、水素タンク２５、水素通路２６、水素バルブ２７およびヒーター２８も水分除去手段として機能する。供給される空気および水素ガスは、燃料電池セルの運転時、すなわち、燃料電池セルの反応に適した温度に調節される。電解質にイオン液体を用いているので、反応に適した温度は、水分の沸点よりも高い温度である。つまり、燃料電池セル１は昇温される。両ガスを供給するので、燃料電池セル１に適切な反応を実行させられる。

また、システム運転中に含水量が閾値以上になった場合には、コントロールユニット４は、ガス供給手段２を水分除去手段として機能させ、温度調節した空気および水素ガスを燃料電池セル１に供給する。ここで、供給される空気および水素ガスは、水分の沸点に調整される。したがって、システム運転中の反応を停止することなく、水分を除去できる。また、ガスは反応に最適な温度よりも低い沸点に調整されるので、電解質に水分を含むことによる劣化を最小限にできる。

システム運転中に含水量が閾値未満に戻ると、コントロールユニット４は、ガス供給手段２によって燃料電池セルの反応に適する温度に調節された空気および水素ガスを燃料電池セル１に供給する。したがって、燃料電池セル１における反応は、適切な含水量で実行される。

ステップＳ１５において、水分の沸点温度に調整した空気および水素ガスが供給されているので、電解質の劣化が最小限に抑制されつつ、水分が最大限に除去される。

本発明は、上述した実施形態のみに限定されるものではなく、特許請求の範囲内におい
て、種々改変することができる。

たとえば、ステップＳ２およびステップＳ１３において、燃料電池セル１の抵抗値を含水量に換算し、ステップＳ３およびステップＳ１４において、含水量を閾値と比較している。しかし、該閾値と同等の含水量のときの燃料電池セル１の抵抗値を基準値として予め検出しておき、基準値を測定した燃料電池セル１の抵抗値と直接比較してもよい。この場合、コントロールユニット４は、ステップＳ２およびステップＳ１３を省略し、ステップＳ３およびステップＳ１４において、燃料電池セル１の抵抗値が、基準値よりも小さいかどうかを判断する。

また、ステップＳ４において、水分除去手段として、ガス供給手段のうち空気を供給する装置、すなわち、圧縮機２１、空気通路２２、空気バルブ２３およびクーラー２４を用いている。しかし、水分除去手段として、ガスを供給する装置、すなわち、水素タンク２５、水素通路２６、水素バルブ２７およびヒーター２８もシステム開始時の水分除去手段として適用できる。ただし、ステップＳ４では、システム始動時として水分除去だけを目的としており、燃料電池セル１の反応を目的としていない。したがって、コストがかからない空気を用いた方が経済的である。

（第２実施形態）
次に第２実施形態について説明する。

第１実施形態では、システム始動時においてガス供給手段を水分除去手段として用いている。第２実施形態では、システム始動時における水分除去手段として、直流電源を用いる。以下、詳細に説明する。

図５は、第２実施形態に係る燃料電池制御システムの概略構成を示す図である。なお、第１実施形態と同様の構成については、同じ参照番号を付して、その説明を省略する。

図５に示すように、燃料電池制御システムは、直流電源であるバッテリー５０が、燃料電池セル１に接続されている。バッテリー５０と燃料電池セル１との間には、電流計５２、電圧計５４およびスイッチ５６が接続されている。コントロールユニット４は、電流計５２および電圧計５４をモニタリングでき、スイッチ５６のＯＮ／ＯＦＦを制御できる。

（制御手順）
第２実施形態の制御手順について説明する。

図６はシステム始動時の含水量低減のための制御手順を示すフローチャートである。

図６において、ステップＳ２１〜２３およびステップＳ２７は、図３のステップＳ１〜３およびステップＳ５と同様である。したがって、その説明は省略する。

含水量が閾値以上の場合（ステップＳ２３：ＹＥＳ）、コントロールユニット４は、スイッチ５６を接続する（ステップＳ２４）。すると、バッテリー５０から燃料電池セル１に電圧が印加される。燃料電池セル１に電圧が印加されると、次の式（１）に示す水の電気分解反応が生じる。

Ｈ_２Ｏ→Ｈ_２＋１／２Ｏ_２ … 化学式（１）
出来た気体は、燃料電池セル１から排出されるので、水分が消費される。なお、この電気分解に伴って、電流が発生する。

コントロールユニット４は、電気分解による電流が発生しているかを検知する（ステップＳ２５）。電流が検知されている場合（ステップＳ２５：ＹＥＳ）、コントロールユニット４は、そのまま検知を続ける。電流が検知されているということは、水分が分解されている証拠だからである。電流が検知されなくなった場合（ステップＳ２５：ＮＯ）、コントロールユニット４は、スイッチを遮断する（ステップＳ２６）。

上記バッテリー５０が印加する電圧は、イオン液体が分解しない電圧とする。通常イオン液体の電位窓は−１〜３Ｖであるので、印加する電圧は２Ｖ以下が好ましい。しかし、電位窓は、使用するイオン液体の特性に依存するので、上記電圧値に限定するものではない。

以上のように、第２実施形態によれば、システム始動時において、電解質の含水量が閾値異常の場合、燃料電池セル１に電圧を印加する。したがって、電気分解により、電解質中の確実に水分を除去できる。

水分の除去が終わった後に、通常運転として、燃料電池セル１に温度調節された空気および水素ガスを供給するので、水分を含んだまま燃料電池セル１が反応することによる電解質の劣化を防止できる。

なお、上記第２実施形態では、電流が検知されなくなるまで電圧を印加している。しかし、これに限定されない。電圧印加中にも燃料電池セル１の抵抗を検出して、該検出地から含水量を算出し、これを閾値と比較して、閾値以下になったら、電圧の印加を停止してもよい。

（イオン伝導体）
以下に、イオン伝導体について説明する。本発明の燃料電池の電解質膜には、上述した実施の形態のイオン液体に限定されず、アニオン成分とカチオン成分とを含む種々のイオン伝導体を用いることができる。

具体的には、カチオン成分としては、次式（１）に示す１置換〜３置換イミダゾリウム誘導体を挙げることができる。

ここで、式中のＲ_１１〜Ｒ_１６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、さらに好ましくは、炭素数１〜２０のアルキル基またはアリールアルキル基を示す。そして、炭化水素基の具体例としては、メチル基、ブチル基などを挙げることができる
また、Ｒ_１２およびＲ_１３としては、上述したＲ_１１と同様のものを任意に組み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、Ｒ_１４〜Ｒ_１６としては、上述したＲ_１１と同様のものを任意に組み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。

さらに、カチオン成分としては、次式（２）に示すピリジニウム誘導体を挙げることができる。

ここで、式中のＲ_２１およびＲ_２２は同一でも異なっていてもよく、水素原子または１価の有機基、好ましくは、１価の炭化水素基、さらに好ましくは、炭素数１〜２０のアルキル基またはアリールアルキル基を示す。そして、Ｒ_２１およびＲ_２２としては、上述したＲ_１１と同様のものを任意に組み合わせた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。

さらに、カチオン成分としては、次式（３）に示すピロリジニウム誘導体を挙げることができる。

ここで、式中のＲ_３１およびＲ_３２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、さらに好ましくは、炭素数１〜２０のアルキル基またはアリールアルキル基を示す。そして、Ｒ_３１およびＲ_３２としては、上述したＲ_１１と同様のものを任意に組み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。

さらに、カチオン成分としては、次式（４）に示すアンモニウム誘導体を挙げることができる。

ここで、式中のＲ_４１〜Ｒ_４４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、さらに好ましくは、炭素数１〜２０のアルキル基またはアリールアルキル基を示す。そして、Ｒ_４１〜Ｒ_４４としては、上述したＲ_１１と同様のものを任意に組み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。

さらに、カチオン成分としては、次式（５）に示すホスフォニウム誘導体を挙げることができる。

ここで、式中のＲ_５１〜Ｒ_５４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、さらに好ましくは、炭素数１〜２０のアルキル基またはアリールアルキル基を示す。そして、Ｒ_５１〜Ｒ_５４としては、上述したＲ_１１と同様のものを任意に組み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。

さらに、カチオン成分としては、次式（６）に示すグアニジウム誘導体を挙げることができる。

さらに、カチオン成分としては、次式（７）に示すイソウロニウム誘導体を挙げることができる。

また、アニオン成分は、ハロゲン化物（Ｈａｌｏｇｅｎｉｄｅｓ）、硫酸（Ｓｕｌｆａｔｅｓ）、スルホン酸（ｓｕｌｆｏｎａｔｅｓ）、アミド（Ａｍｉｄｅｓ）、イミド（Ｉｍｉｄｅｓ）、メタン化合物（Ｍｅｔｈａｎｅｓ）、ホウ酸（Ｂｏｒａｔｅｓ）、リン酸（Ｐｈｏｓｐｈａｔｅｓ）、アンチモン酸（ａｎｔｉｍｏｎａｔｅｓ）などの化合物が用いられる。

具体的には、アニオン成分としては、Ｃｌ⁻、Ｂｒ⁻、およびＩ⁻などのハロゲン化物を挙げることができる。

さらに、アニオン成分としては、ＨＳＯ_４ ⁻、ＣＨ_３ＳＯ_４ ⁻、Ｃ_２Ｈ_５ＳＯ_４ ⁻、Ｃ_４Ｈ_９ＳＯ_４ ⁻、Ｃ_６Ｈ_１３ＳＯ_４ ⁻、およびＣ_８Ｈ_１７ＳＯ_４ ⁻などの硫酸を挙げることができる。

さらに、アニオン成分としては、ＣＦ_３ＳＯ_３ ⁻および次式（８）に示す化合物などのスルホン酸を挙げることができる。

さらに、アニオン成分としては、（ＣＮ）_２Ｎ⁻、［Ｎ（ＣＦ_３）_２］⁻、および［Ｎ（ＳＯ_２ＣＦ_３）_２］⁻などのアミドを挙げることができる。

さらに、アニオン成分としては、［ＨＣ（ＳＯ_２ＣＦ_３）_２］⁻およびＣ（ＳＯ_２ＣＦ_３）_３などのメタン化合物を挙げることができる。

さらに、アニオン成分としては、ＢＦ_４ ⁻、Ｂ（ＣＮ）_４ ⁻および次式（９）に示す化合物などのホウ酸を挙げることができる。

さらに、アニオン成分としては、Ｈ_２ＰＯ_４ ⁻、（Ｃ_２Ｆ_５）_２Ｐ（Ｏ）Ｏ⁻、ＰＦ_６ ⁻、（Ｃ_３Ｆ_７）_３ＰＦ_３ ⁻、（Ｃ_２Ｆ_５）_３ＰＦ_３ ⁻、（Ｃ_４Ｆ_９）_３ＰＦ_３ ⁻、（Ｃ_２Ｈ_５）_２ＰＯ_４ ⁻、および次式（１０）に示す化合物などのリン酸を挙げることができる。

さらに、アニオン成分としては、ＳｂＦ_６ ⁻などのアンチモン酸を挙げることができる。

さらに、アニオン成分としては、Ｃ_１０Ｈ_２１ＣＯＯ⁻、ＣＦ_３ＣＯＯ⁻、およびＣｏ（ＣＯ）_４ ⁻などを挙げることができる。

以上のとおり、本発明の燃料電池の電解質膜は、上述したカチオン成分およびアニオン成分を組み合わせた、または、混合したイオン伝導体を含むことが好ましい。

さらに、本発明においては、電解質にイオン液体以外の無水でプロトン伝導が可能な電解質を含んでも良い。その具体例の一つとして固体酸化物が挙げられる。固体酸化物の電解質は、具体的には安定化ジルコニア、ランタン−ストロンチウム−ガリウム−マグネシウム系酸化物、および酸化サマリウム、酸化ガドリニウム、酸化カルシウムのうちの１種以上を固溶したセリア、酸化イットリウム、酸化ガドリニウム、酸化ニオブ、酸化タングステンのうちの１種以上を固溶した酸化ビスマス、パイロクロール型酸化物Ａ２Ｂ２Ｏ７（Ａ：希土類元素、Ｂ：ＺｒまたはＺｒの一部をＴｉに置き換えたもの）からなる群から選ばれる少なくとも１種の酸化物である。

これらに加えて、固体酸の電解質としてヘテロポリ酸が挙げられる。ヘテロポリ酸としては、タングストリン酸、タングストケイ酸およびモリブドリン酸からなる群から選ばれた少なくとも一つの化合物を含むものがあるが、具体的にはリンモリブデン酸、ケイモリブデン酸、リンタングステン酸、ケイタングステン酸、リンタングストモリブデン酸、ケイタングストモリブデン酸、リンバナドオリブデン酸、またはリンバナドタングステン酸からなる群から選択される一または二以上の物質等が代表的に挙げられる。

燃料電池制御システムの概略構成を示す図である。 イオン液体の温度と重量の関係を示す図である。 システム始動時の含水量低減のための制御手順を示すフローチャートである。 システム通常運転時の含水量低減のための制御手順を示すフローチャートである。 第２実施形態に係る燃料電池制御システムの概略構成を示す図である。 システム始動時の含水量低減のための制御手順を示すフローチャートである。

符号の説明

１…燃料電池セル、
２…ガス供給手段、
３…検出手段、
４…コントロールユニット、
１０…電解質層、
１２…アノード電極、
１４…カソード電極、
１６…アノードセパレータ、
１８…カソードセパレータ、
２１…圧縮機、
２２…空気通路、
２３…空気バルブ、
２４…クーラー、
２５…水素タンク、
２６…水素通路、
２７…水素バルブ、
２８…ヒーター、
３２…抵抗計、
３４…温度計、
５０…バッテリー、
５２…電流計、
５４…電圧計、
５６…スイッチ。

Claims (22)

1. カチオン成分とアニオン成分とを有するイオン伝導体を電解質として用いた燃料電池と、
   前記電解質が含有する含水量を検出する水分検出手段と、
   前記電解質が含有する水分を除去する水分除去手段と、
   前記水分検出手段によって検出された含水量を閾値と比較し、前記閾値以上の場合、前記除去手段によって前記電解質中の水分を減少させる制御手段と、
   を有する燃料電池制御システム。
2. 前記閾値は、前記電解質の分解が発生する含水量以下に設定される請求項１に記載の燃料電池制御システム。
3. 前記水分検出手段は、前記電解質の抵抗値を検出する抵抗計であり、
   前記制御手段は、予め記憶されている前記電解質の抵抗値と含水量との関係に基づいて、前記電解質に含有される含水量を決定する請求項１または請求項２に記載の燃料電池制御システム。
4. 前記水分除去手段は、
   前記燃料電池に燃料ガスまたは酸化ガスのいずれか一方を供給するガス供給手段と、
   前記ガス供給手段によって供給されるガスの温度を調節する温度調節装置と、を含み、
   前記制御手段は、前記含水量が前記閾値以上の場合、前記ガス供給手段と前記温度調節装置を制御して、温度調節したガスのみを前記燃料電池に供給させ、前記燃料電池の反応を防止しつつ、前記電解質の含水量が前記閾値未満になるまで前記電解質の温度を所定温度以上にする請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料電池制御システム。
5. 前記電解質の含水量が前記閾値未満になると、前記制御手段は、前記ガス供給手段および他のガス供給手段によって、前記燃料ガスおよび前記酸化ガスの両方を前記燃料電池に供給させ、前記温度調節装置を制御して、前記燃料電池の温度を反応に適した温度まで上昇させて、前記燃料電池の反応を開始させる請求項４記載の燃料電池制御システム。
6. 前記水分除去手段は、
   前記燃料電池に燃料ガスおよび酸化ガスを供給するガス供給手段と、
   前記ガス供給手段によって供給されるガスの温度を調節する温度調節装置と、を含み、
   前記制御手段は、前記含水量が前記閾値以上の場合、前記ガス供給手段と前記温度調節装置を制御して、温度調節した燃料ガスおよび酸化ガスの両方を前記燃料電池に供給させ、前記燃料電池の反応を維持しつつ、前記電解質の含水量が前記閾値未満になるまで前記電解質の温度を所定温度にする請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料電池制御システム。
7. 前記電解質の含水量が前記閾値未満になると、前記制御手段は、前記温度調節装置を制御して、前記燃料電池の温度を前記所定温度から反応に適した温度まで上昇させる請求項６に記載の燃料電池制御システム。
8. 前記所定温度は、前記水分の沸点である請求項４〜７のいずれか一項に記載の燃料電池制御システム。
9. 前記水分除去手段は、
   前記燃料電池に燃料ガスおよび酸化ガスを供給するガス供給手段と、
   前記燃料電池に燃料ガスおよび酸化ガスの温度を調節する温度調節装置と、を含み、
   前記制御手段は、
   システムの始動時において、前記含水量が前記閾値以上の場合、前記ガス供給手段と前記温度調節装置を制御して、温度調節した燃料ガスまたは酸化ガスのいずれか一方のみを前記燃料電池に供給させ、前記燃料電池の反応を防止しつつ、前記電解質の含水量が前記閾値未満になるまで前記電解質の温度を所定温度以上に維持し、
   その後、システムの運転中において、前記含水量が前記閾値以上になった場合、前記ガス供給手段と前記温度調節装置を制御して、温度調節した燃料ガスおよび酸化ガスの両方を前記燃料電池に供給させ、前記燃料電池の反応を維持しつつ、前記電解質の含水量が前記閾値未満になるまで前記電解質の温度を所定温度に維持する請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料電池制御システム。
10. 前記水分除去手段は、前記燃料電池を構成する電池要素のアノードおよびカソードに接続された直流電源であり、
    前記制御手段は、前記含水量が前記閾値以上の場合、前記電解質の含水量が前記閾値未満になるまで前記直流電源により前記電解質に電圧を印加させる請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料電池制御システム。
11. システムの始動時に前記含水量が前記閾値以上の場合、前記電解質に電圧を印加し、その後、前記燃料電池に燃料ガスおよび酸化ガスを供給する請求項８に記載の燃料電池制御システム。
12. カチオン成分とアニオン成分とを有するイオン伝導体を電解質として用いた燃料電池の前記電解質が含有する含水量を検出する工程と、
    検出した含水量を閾値と比較し、前記閾値以上の場合、前記電解質中の水分を除去する工程と、
    を有する燃料電池制御方法。
13. 前記閾値は、前記電解質の分解が発生する含水量以下に設定される請求項１２に記載の燃料電池制御方法。
14. 含水量を検出する工程は、
    前記電解質の抵抗値を検出する工程と、
    予め記憶されている前記電解質の抵抗値と含水量との関係を参酌し、検出した抵抗値に対応する含水量を決定する工程と、
    をさらに含む請求項１２または請求項１３に記載の燃料電池制御方法。
15. 水分を除去する工程は、
    燃料ガスまたは酸化ガスのいずれか一方のみを温度調節して前記燃料電池に供給する工程と、
    前記電解質の含水量が前記閾値未満になるまで、前記電解質の温度を所定温度以上に維持する工程と、
    を含む請求項１２〜１４のいずれか一項に記載の燃料電池制御方法。
16. 前記電解質の含水量が前記閾値未満になると、温度調節された前記燃料ガスおよび前記酸化ガスの両方を前記燃料電池に供給し、前記燃料電池の温度を反応に適した温度まで上昇させて、前記燃料電池の反応を開始させる工程をさらに含む請求項１５に記載の燃料電池制御方法。
17. 水分を除去する工程は、
    燃料ガスおよび酸化ガスの両方を温度調節して前記燃料電池に供給する工程と、
    前記電解質の含水量が前記閾値未満になるまで、前記電解質の温度を所定温度に維持する工程と、
    を含む請求項１２〜１４のいずれか一項に記載の燃料電池制御方法。
18. 前記電解質の含水量が前記閾値未満になると、温度調節された前記燃料ガスおよび前記酸化ガスの両方を前記燃料電池に供給し、前記燃料電池の温度を反応に適した温度まで上昇させる請求項１７に記載の燃料電池制御方法。
19. 前記所定温度は、前記水分の沸点である請求項１５〜１８のいずれか一項に記載の燃料電池制御方法。
20. 水分を除去する工程は、
    システムの始動時においては、前記燃料電池に燃料ガスおよび酸化ガスの一方のみを供給して前記燃料電池の反応を防止しつつ、供給されるガスを温度調節して前記電解質の温度を所定温度以上にし、前記電解質の含水量が前記閾値未満になるまで前記電解質の温度を維持し、
    その後、システムの運転中においては、前記燃料電池に前記燃料ガスおよび前記酸化ガスの両方を供給して前記燃料電池の反応を維持しつつ、供給するガスを温度調節して前記電解質の温度を所定温度にし、前記電解質の含水量が前記閾値未満になるまで前記電解質の温度を維持する請求項１２〜１４のいずれか一項に記載の燃料電池制御方法。
21. 水分を除去する工程は、前記電解質の含水量が前記閾値未満になるまで、前記燃料電池を構成する電池要素のアノードおよびカソードに電圧を印加する請求項１２〜１４のいずれか一項に記載の燃料電池制御方法。
22. 前記電解質の含水量が前記閾値未満になると、前記燃料電池に燃料ガスおよび酸化ガスを供給する工程をさらに含む請求項２１に記載の燃料電池制御方法。

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