JP2009026483A - 燃料電池システムおよび燃料電池の運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 調湿器を必要とせず、電解質膜の湿潤状態を適度に調整することができる燃料電池システムおよび燃料電池の運転方法を提供する。
【解決手段】 燃料電池システム（１００）は、固体高分子型の電解質膜（３１１）を備える燃料電池（３０）と、電解質膜を加湿する加湿手段（４０）と、燃料電池の発電停止後における電解質膜の含水量を測定する測定手段（３２）と、電解質膜の温度が０℃以下である場合または電解質膜の温度が０℃以下になると予測される場合に含水量が所定量以下であれば電解質膜が加湿されるように加湿手段を制御する制御手段（５０）と、を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池システムおよび燃料電池の運転方法に関する。

燃料電池は、一般的には水素および酸素を燃料として電気エネルギを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れており、また高いエネルギ効率を実現できることから、今後のエネルギ供給システムとして広く開発が進められてきている。特に、固体高分子型燃料電池は、各種の燃料電池の中でも比較的低温で作動することから、良好な起動性を有する。そのため、多方面における実用化のために盛んに研究がなされている。

この固体高分子型燃料電池においては、氷点下における起動性向上のため、発電停止後にガス流路に乾燥ガスを供給してガス流路における水分の凍結を防止する研究がなされている。しかしながら、乾燥ガスによって電解質膜が乾燥すると、起動性が低下する。そこで、電解質膜を適当な湿潤状態に維持するために、アノードまたはカソードの少なくとも一方に、湿潤状態が調整された湿潤ガスを供給する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１の技術では、アノードおよびカソードの少なくとも一方の水が除去され、電解質膜の湿潤状態が維持される。

特開２００４−１９９９８８号公報

しかしながら、特許文献１の技術では、湿潤ガスの湿潤状態を調整するための調湿器が必要となる。また、相対湿度は温度に依存するので、降温過程にある燃料電池においては、調湿の意味がない。

本発明は、調湿器を必要とせず、電解質膜の湿潤状態を適度に調整することができる燃料電池システムおよび燃料電池の運転方法を提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池システムは、固体高分子型の電解質膜を備える燃料電池と、電解質膜を加湿する加湿手段と、燃料電池の発電停止後における電解質膜の含水量を測定する測定手段と、電解質膜の温度が０℃以下である場合または電解質膜の温度が０℃以下になると予測される場合に含水量が所定量以下であれば、電解質膜が加湿されるように加湿手段を制御する制御手段と、を備えることを特徴とするものである。

本発明に係る燃料電池システムにおいては、電解質膜の温度が０℃以下である場合または電解質膜の温度が０℃以下になると予測される場合に電解質膜の含水量が増加する。したがって、調湿器を必要とせず、電解質膜の湿潤状態を適度に調整することができる。また、触媒層等における氷の成長を抑制することができる。その結果、セルの劣化を抑制することができる。

上記所定量は、電解質膜の飽和含水量であってもよい。この場合、電解質膜に十分に含水させることができる。それにより、セルの劣化をより抑制することができる。

測定手段は、燃料電池のセル抵抗に基づいて含水量を測定してもよい。また、加湿手段は、電解質膜に湿潤ガスを供給する手段であってもよい。また、加湿手段は、電解質膜に水分を注入する手段であってもよい。また、加湿手段は、毛細管現象を利用して電解質膜に水分を注入する手段であってもよい。

本発明に係る燃料電池の運転方法は、固体高分子型の電解質膜を備える燃料電池の発電停止後に電解質膜の含水量を測定する測定ステップと、電解質膜の温度が０℃以下であるか否かまたは電解質膜の温度が０℃以下になると予測されるか否かを判定する判定ステップと、電解質膜の温度が０℃以下である場合または電解質膜の温度が０℃以下になると予測される場合に含水量が所定量以下であれば電解質膜を加湿する加湿ステップと、を含むことを特徴とするものである。

本発明に係る燃料電池の運転方法においては、電解質膜の温度が０℃以下である場合または電解質膜の温度が０℃以下になると予測される場合に電解質膜の含水量が増加する。したがって、調湿器を必要とせず、電解質膜の湿潤状態を適度に調整することができる。また、触媒層等における氷の成長を抑制することができる。その結果、セルの劣化を抑制することができる。

上記所定量は、電解質膜の飽和含水量であってもよい。この場合、電解質膜に十分に含水させることができる。それにより、セルの劣化をより抑制することができる。

測定ステップは、燃料電池のセル抵抗に基づいて含水量を測定するステップであってもよい。加湿ステップは、電解質膜に湿潤ガスを供給するステップであってもよい。加湿ステップは、電解質膜に水分を注入するステップであってもよい。加湿ステップは、毛細管現象を利用して電解質膜に水分を注入するステップであってもよい。

本発明によれば、調湿器を必要とせず、電解質膜の湿潤状態を適度に調整することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。

図１および図２を参照しつつ、本発明の第１実施例に係る燃料電池システム１００について説明する。図１は、燃料電池システム１００の全体構成を示す模式図である。図２は、後述するセル３１の模式的断面図である。図１に示すように、燃料電池システム１００は、酸化剤ガス供給手段１０、燃料ガス供給手段２０、燃料電池３０、抵抗センサ３２、温度センサ３３、加湿手段４０および制御手段５０を備える。

酸化剤ガス供給手段１０は、燃料電池３０に酸素を含有する酸化剤ガスを供給するための装置である。酸化剤ガス供給手段１０としては、エアポンプ等を用いることができる。酸化剤ガス供給手段１０は、制御手段５０の指示に従って、酸化剤ガスを燃料電池３０に供給する。燃料ガス供給手段２０は、燃料電池３０に水素を含有する燃料ガスを供給するための装置である。燃料ガス供給手段２０として、液体水素タンク、圧縮水素タンク、改質器等を用いることができる。燃料ガス供給手段２０は、制御手段５０の指示に従って、燃料ガスを燃料電池３０に供給する。

燃料電池３０は、複数のセル３１が積層されたスタック構造を有する。セル３１の詳細は後述する。抵抗センサ３２は、燃料電池３０におけるセル抵抗を検出するためのセンサである。この場合のセル抵抗は、１つのセル３１の電気抵抗であってもよく、複数のセル３１の電気抵抗であってもよい。抵抗センサ３２は、検出したセル抵抗を制御手段５０に与える。温度センサ３３は、セル３１の温度を検出するためのセンサである。温度センサ３３は、検出した温度を制御手段５０に与える。

加湿手段４０は、セル３１を加湿するための装置である。本実施例においては、加湿手段４０は、酸化剤ガス流路に水分を供給することによってセル３１を加湿する。例えば、加湿手段４０は、湿度の高い湿潤ガスを酸化剤ガス流路に供給してもよく、液状または霧滴状の水を酸化剤ガス流路に供給してもよい。加湿手段４０は、制御手段５０の指示に従って、酸化剤ガス流路に水分を供給する。制御手段５０は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）等から構成される。制御手段５０は、抵抗センサ３２および温度センサ３３の検出結果に基づいて、燃料電池システム１００を制御する。

次に、セル３１の詳細について説明する。本実施例においては、セル３１は、固体高分子型燃料電池構造を有する。図２に示すように、セル３１は、プロトン伝導性を有する固体高分子からなる電解質膜３１１の一方の面にアノード触媒層３１２、ガス拡散層３１３およびセパレータ３１４が順に積層され、他方の面にカソード触媒層３１５、ガス拡散層３１６、セパレータ３１７が順に積層された構造を有する。

電解質膜３１１は、例えば、パーフルオロスルフォン酸型ポリマーからなる。アノード触媒層３１２は、水素のプロトン化を促進する触媒層である。カソード触媒層３１５は、プロトンと酸素との反応を促進する触媒層である。アノード触媒層３１２およびカソード触媒層３１５は、例えば、白金担持カーボンからなる。ガス拡散層３１３は水素を含有する燃料ガスを透過する層である。ガス拡散層３１６は、酸素を含有する酸化剤ガスを透過する層である。ガス拡散層３１３，３１６は、例えば、カーボンペーパからなる。セパレータ３１４には、燃料ガス流路が設けられている。セパレータ３１７には、酸化剤ガス流路が設けられている。

（発電制御）
続いて、燃料電池３０による発電について説明する。まず、制御手段５０は、燃料ガスがセパレータ３１４の燃料ガス流路に供給されるように、燃料ガス供給手段２０を制御する。この燃料ガスは、ガス拡散層３１３を透過してアノード触媒層３１２に到達する。燃料ガスに含まれる水素は、アノード触媒層３１２の触媒を介してプロトンと電子とに解離する。プロトンは、電解質膜３１１を伝導してカソード触媒層３１５に到達する。

一方、制御手段５０は、酸化剤ガスがセパレータ３１７の酸化剤ガス流路に供給されるように、酸化剤ガス供給手段１０を制御する。この酸化剤ガスは、ガス拡散層３１６を透過してカソード触媒層３１５に到達する。カソード触媒層３１５においては、触媒を介してプロトンと酸素とが反応する。それにより、発電が行われるとともに、水が生成される。

ここで、氷点下において燃料電池３０が発電を停止する場合、発電の際に生成された水分の凍結に伴ってセル３１が劣化するおそれがある。図３に、セル３１の劣化について考えられる原理を示す。まず、図３（ａ）に示すように、氷点下において電解質膜３１１の含水量が比較的少ない場合、水分の凍結過程においてガス流路等に滞留する水分が電解質膜３１１に吸引される。吸引された水分は、アノード触媒層３１２およびカソード触媒層３１５において氷となって成長する。この場合、成長に伴う氷の体積膨張をアノード触媒層３１２およびカソード触媒層３１５の細孔で吸収できなくなる。それにより、図３（ｂ）に示すように、アノード触媒層３１２およびカソード触媒層３１５が劣化する。その結果、セル３１が劣化する。

一方、図４（ａ）に示すように、氷点下において電解質膜３１１の含水量が比較的多い場合、ガス流路等に滞留する水分の吸引が抑制される。この場合、氷の成長が抑制される。それにより、図４（ｂ）に示すように、アノード触媒層３１２およびカソード触媒層３１５に含まれる水分が氷となっても、アノード触媒層３１２およびカソード触媒層３１５の細孔で水分の体積膨張を吸収することができる。本実施例に係る燃料電池システム１００は、この原理を利用してセル３１の劣化を回避する。以下、詳細を説明する。

（劣化回避制御）
まず、制御手段５０は、温度センサ３３の検出温度が０℃以下である場合、セル３１の含水量Ｍ_０を求める。本実施例においては、制御手段５０は、セル抵抗Ｒに基づいてセル３１の含水量Ｍ_０を求める。図５は、セル抵抗Ｒと含水量Ｍ_０との関係を示す図である。図５において、横軸は含水量Ｍ_０を示し、縦軸はセル抵抗Ｒを示す。図５に示すように、含水量Ｍ_０の増加に伴ってセル抵抗Ｒは単調減少する。この場合、含水量Ｍ_０とセル抵抗Ｒとは１対１の関係にある。したがって、セル抵抗Ｒを取得することによって含水量Ｍ_０を求めることができる。

続いて、制御手段５０は、含水量Ｍ_０が所定量（以下、含水量Ｍ_ｓｔと称する。）以下であれば、電解質膜３１１が加湿されるように加湿手段４０を制御する。この制御によれば、電解質膜３１１の含水量が増加する。この場合、電解質膜３１１による新たな水の吸引が抑制される。それにより、アノード触媒層３１２およびカソード触媒層３１５における氷の成長を抑制することができる。その結果、セル３１の劣化を抑制することができる。また、本実施例によれば、加湿手段４０にはセル３１の調湿精度が要求されない。したがって、燃料電池システム１００は、調湿器を必要とせず、電解質膜３１１の湿潤状態を適度に調整することができる。

含水量Ｍ_ｓｔは、特に限定されるものではないが、例えばセル３１の性能維持率に基づいて決定される。ここで、セル３１の性能維持率とは、セル３１の出力の初期出力に対する比率を意味する。したがって、セル３１の性能維持率は、「１」に近いことが好ましい。セル３１の性能維持率は、セル３１の温度が氷点下および常温を繰り返すことによって、低下する。

図６は、含水量とセル３１の性能維持率との関係を示す図である。図６において、横軸はセル３１の温度の氷点下および常温の繰返し数（以下、氷点下／常温繰返し数と称する。）を示し、縦軸はセル３１の性能維持率を示す。図６に示すように、氷点下／常温の繰返し数の増加に伴って、性能維持率が低下する。セル３１が劣化するからである。しかしながら、電解質膜３１１の含水量が多い場合には、性能維持率の低下幅が小さくなる。そこで、所定の氷点下／常温繰返し数に対して、許容される性能維持率（例えば、０．９５）を実現する含水量を含水量Ｍ_ｓｔと定義することができる。このような過程で含水量Ｍ_ｓｔを定めることによって、セル３１の温度が氷点下および常温を繰り返しても、セル３１の性能を維持することができる。

なお、含水量Ｍ_ｓｔは、電解質膜３１１の飽和含水量であってもよい。この場合、図６のような実験を行わなくても含水量Ｍ_ｓｔを決定することができる。また、セル３１の劣化をより抑制することができる。

また、本実施例においては発電停止後に各セパレータのガス流路を乾燥させる乾燥処理を行ってないが、乾燥処理を行う場合には乾燥処理後における電解質膜３１１の含水量を含水量Ｍ_０としてもよい。また、本実施例においては酸化剤ガス流路に水分を供給することによって電解質膜３１１を加湿しているが、それに限られない。ただし、酸化剤ガス流路に水分を供給することによって、水素欠を抑制することができる。

続いて、制御手段５０による劣化回避制御のフローチャートの一例を示す。図７は、上記フローチャートを示す図である。まず、制御手段５０は、温度センサ３３の検出結果を受け取る（ステップＳ１）。次に、制御手段５０は、セル３１の温度が０℃以下であるか否かを判定する（ステップＳ２）。ステップＳ２においてセル３１の温度が０℃以下であると判定されなかった場合、制御手段５０は、ステップＳ１を再度実行する。

ステップＳ２においてセル３１の温度が０℃以下であると判定された場合、制御手段５０は、電解質膜３１１の含水量Ｍ_０を取得する（ステップＳ３）。具体的には、制御手段５０は、抵抗センサ３２の検出結果を受け取り、その検出結果を図５のようなマップに照らし合わせて含水量Ｍ_０を取得する。

次に、制御手段５０は、含水量Ｍ_０が含水量Ｍ_ｓｔ以下であるか否かを判定する（ステップＳ４）。ステップＳ４において含水量Ｍ_０が含水量Ｍ_ｓｔ以下であると判定された場合、制御手段５０は、電解質膜３１１が加湿されるように加湿手段４０を制御する（ステップＳ５）。その後、制御手段５０は、ステップＳ２を再度実行する。ステップＳ４において含水量Ｍ_０が含水量Ｍ_ｓｔ以下であると判定されなかった場合、制御手段５０は、フローチャートの実行を終了する。なお、含水量Ｍ_ｓｔは、図６のような実験結果から求めてもよく、電解質膜３１１の飽和含水量であってもよい。

上記フローチャートに従った制御によれば、セル３１の温度が０℃以下になる場合に電解質膜３１１に十分に含水させることができる。それにより、セル３１の温度が氷点下になったとしてもセル３１の劣化を抑制することができる。

（変形例１）
図８は、加湿手段４０の他の例である加湿手段４０ａを示す模式図である。図８に示すように、加湿手段４０ａは、水タンク４１、バルブ４２および供給管４３を備える。水タンク４１は、供給管４３を介して電解質膜３１１の端部に接続されている。バルブ４２は、供給管４３に介挿されている。バルブ４２は、制御手段５０の指示に従って、水タンク４１に貯留されている水を供給管４３に供給する。供給管４３に供給された水は、電解質膜３１１の端部に直接供給される。それにより、電解質膜３１１の含水量が増加する。なお、供給管４３の管径は、水の毛細管現象を引き起こす程度であってもよい。

（変形例２）
図９は、加湿手段４０の他の例である加湿手段４０ｂを示す模式図である。図９に示すように、加湿手段４０ｂが図８の加湿手段４０ａと異なる点は、供給管４３が電解質膜３１１の中央部に接続されている点である。加湿手段４０ｂは、電解質膜３１１の中央部に水を供給することができる。この場合、電解質膜３１１の全体にわたって水を供給することができる。なお、加湿手段４０ｂにおいても、供給管４３の管径は、水の毛細管現象を引き起こす程度であってもよい。

これらの変形例のように、加湿手段４０は、電解質膜３１１を加湿することができるものであれば、特に限定されない。その他にも、燃料電池３０の運転停止後に残留した燃料ガスおよび酸化剤ガスを用いて燃料電池３０に発電させることによって、生成された水によって電解質膜３１１を加湿してもよい。

続いて、本発明の第２実施例に係る燃料電池システム１００ａについて説明する。図１０は、燃料電池システム１００ａの全体構成を示す模式図である。図１０に示すように、燃料電池システム１００ａが図１の燃料電池システム１００と異なる点は、温度センサ３３の代わりに温度センサ３３ａを備えている点である。温度センサ３３ａは、外気の温度を検出し、その検出結果を制御手段５０に与える。

まず、制御手段５０は、温度センサ３３aの検出温度が０℃以下である場合、セル３１の温度が０℃以下になると予測する。セル３１の温度が０℃以下になると予測された場合、制御手段５０は、セル３１の含水量Ｍ_０を求める。続いて、制御手段５０は、含水量Ｍ_０が含水量Ｍ_ｓｔ以下であれば、電解質膜３１１が加湿されるように加湿手段４０を制御する。この制御によれば、電解質膜３１１の含水量が増加する。この場合、電解質膜３１１による新たな水の吸引が抑制される。それにより、アノード触媒層３１２およびカソード触媒層３１５における氷の成長を抑制することができる。その結果、セル３１の劣化を抑制することができる。

以上のように、セル３１の温度が０℃以下になると予測される場合に電解質膜３１１の含水量が所定値以下であれば、電解質膜３１１を加湿してもよい。セル３１の温度が０℃以下になるか否かを予測する手法は、外気温の検出に限られない。例えば、セル３１の温度の低下速度に基づいてセル３１の温度が０℃以下になるか否かを判定してもよい。

なお、上記各実施例においては、抵抗センサ３２が測定手段に相当する。

本発明の第１実施例に係る燃料電池システムの全体構成を示す模式図である。 セルの模式的断面図である。 セルの劣化について考えられる原理を示す図である。 セルの劣化の抑制について考えられる原理を示す図である。 セル抵抗と含水量との関係を示す図である。 含水量とセルの性能維持率との関係を示す図である。 制御手段による劣化回避制御のフローチャートの一例を示す図である。 加湿手段の他の例を示す模式図である。 加湿手段の他の例を示す模式図である。 本発明の第２実施例に係る燃料電池システムの全体構成を示す模式図である。

符号の説明

１０ 酸化剤ガス供給手段
２０ 燃料ガス供給手段
３０ 燃料電池
３１ セル
３２ 抵抗センサ
３３ 温度センサ
４０ 加湿手段
５０ 制御手段
１００ 燃料電池システム
３１１ 電解質膜
３１２ アノード触媒層
３１５ カソード触媒層

Claims (12)

1. 固体高分子型の電解質膜を備える燃料電池と、
   前記電解質膜を加湿する加湿手段と、
   前記燃料電池の発電停止後における前記電解質膜の含水量を測定する測定手段と、
   前記電解質膜の温度が０℃以下である場合または前記電解質膜の温度が０℃以下になると予測される場合に前記含水量が所定量以下であれば、前記電解質膜が加湿されるように前記加湿手段を制御する制御手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記所定量は、前記電解質膜の飽和含水量であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記測定手段は、前記燃料電池のセル抵抗に基づいて前記含水量を測定することを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池システム。
4. 前記加湿手段は、前記電解質膜に湿潤ガスを供給する手段であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池システム。
5. 前記加湿手段は、前記電解質膜に水分を注入する手段であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池システム。
6. 前記加湿手段は、毛細管現象を利用して前記電解質膜に水分を注入する手段であることを特徴とする請求項５記載の燃料電池システム。
7. 固体高分子型の電解質膜を備える燃料電池の発電停止後に前記電解質膜の含水量を測定する測定ステップと、 前記電解質膜の温度が０℃以下であるか否かまたは前記電解質膜の温度が０℃以下になると予測されるか否かを判定する判定ステップと、
   前記電解質膜の温度が０℃以下である場合または前記電解質膜の温度が０℃以下になると予測される場合に前記含水量が所定量以下であれば前記電解質膜を加湿する加湿ステップと、を含むことを特徴とする燃料電池の運転方法。
8. 前記所定量は、前記電解質膜の飽和含水量であることを特徴とする請求項７記載の燃料電池の運転方法。
9. 前記測定ステップは、前記燃料電池のセル抵抗に基づいて前記含水量を測定するステップであることを特徴とする請求項７または８記載の燃料電池の運転方法。
10. 前記加湿ステップは、前記電解質膜に湿潤ガスを供給するステップであることを特徴とする請求項７〜９のいずれかに記載の燃料電池の運転方法。
11. 前記加湿ステップは、前記電解質膜に水分を注入するステップであることを特徴とする請求項７〜９のいずれかに記載の燃料電池の運転方法。
12. 前記加湿ステップは、毛細管現象を利用して前記電解質膜に水分を注入するステップであることを特徴とする請求項１１記載の燃料電池の運転方法。

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