JP2011181383A

JP2011181383A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2011181383A
Application number: JP2010045425A
Authority: JP
Inventors: Keisuke Fujita; 敬祐藤田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2010-03-02
Filing date: 2010-03-02
Publication date: 2011-09-15

Abstract

【課題】燃料電池の劣化を簡易な構成で確実に回復させることのできる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】固体高分子型の燃料電池の内部に液相水を、少なくとも２．４ｍｇ／ｃｍ^２／ｍｉｎ.以上、好ましくは、３ｍｇ／ｃｍ^２／ｍｉｎ.以上、且つ２８ｍｇ／ｃｍ^２／ｍｉｎ.以下の流通速度で流通させる被毒回復処理を実施する。液相水の流通速度は、燃料電池の加湿量および／または温度を変化させることにより制御する。好ましくは、燃料電池の出力が所定値以下となった場合に、上記被毒回復制御を実施する。
【選択図】図３

Description

この発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池は、複数枚の単位電池が積層された燃料電池スタックとして使用される。単位電池自体も平面状の部材の積層体であり、電解質膜をその両側から電極で挟んで構成された膜電極接合体（ＭＥＡ;Membrane Electrode Assembly）を有し、該ＭＥＡをその両側から拡散層、ガス流路、およびセパレータで挟むことで構成されている。

ところで、燃料電池は、経年劣化によって徐々に出力が低下する。そこで、従来から、燃料電池の劣化を回復させるための技術が提案されている。例えば、特開２０００−２６０４５４号公報には、酸素極（カソード）に水素を存在させて、二酸化窒素等の劣化原因ガスによる劣化を回復するシステムが提案されている。酸素極に水素が存在すると、その水素の還元作用によって、酸素極の電極触媒に吸着されている劣化原因ガスが還元・離脱される。これにより、燃料電池の劣化回復を図ることができる。

特開２０００−２６０４５４号公報特許第３４７５８６９号公報特開２００８−７７９１１号公報特開２００７−２０７６６９号公報

しかしながら、上記従来の技術を駆使しても、燃料電池の劣化を十分に回復させることはできない。すなわち、上記従来の技術では、カソード（酸素極）に燃料ガス（水素）を供給することで、通常の反応とは逆の反応を生じさせることとしている。このため、白金触媒（Ｐｔ）の酸化皮膜の除去やアノード（燃料極）の被毒除去には一定の効果が発現する可能性があるが、過電圧の大きいカソードの被毒除去には至らないことが考えられる。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、燃料電池の劣化を簡易な構成で確実に回復させることのできる燃料電池システムを提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池システムであって、
固体高分子型の燃料電池と、
前記燃料電池の内部に液相水を所定の流通速度で流通させる流通手段と、を備え、
前記流通手段は、２．４ｍｇ／ｃｍ^２／ｍｉｎ.以上の流通速度で液相水を流通させることを特徴とする。

第２の発明は、第１の発明において、
前記流通手段は、前記燃料電池の出力が所定値以下となった場合に実行することを特徴とする。

第３の発明は、第１または第２の発明において、
前記流通手段は、前記燃料電池に供給されるガスの加湿量を制御する加湿量制御手段を含み、前記加湿量を制御することによって液相水の流通速度を制御することを特徴とする。

第４の発明は、第１乃至第３の何れか１つの発明において、
前記流通手段は、前記燃料電池の温度を制御する温度制御手段を含み、前記温度を制御することによって液相水の流通速度を制御することを特徴とする。

第５の発明は、第１乃至第４の何れか１つの発明において、
前記流通手段は、前記燃料電池の発電量を制御する発電量制御手段を含み、前記発電量を制御することによって液相水の流通速度を制御することを特徴とする。

第６の発明は、第１乃至第５の何れか１つの発明において、
前記流通手段は、３ｍｇ／ｃｍ^２／ｍｉｎ.以上の速度で液相水を流通させることを特徴とする。

第７の発明は、第１乃至第６の何れか１つの発明において、
前記流通手段は、２８ｍｇ／ｃｍ^２／ｍｉｎ.以下の速度で液相水を流通させることを特徴とする。

本出願の発明者は、燃料電池内に流通される液相水の流通速度を２．４ｍｇ／ｃｍ^２／ｍｉｎ．以上とすることで、該燃料電池の触媒層に存在していた被毒物質を有効に系外に排出することができることを見出した。このため、第１の発明によれば、性能が低下した燃料電池を効果的に回復させることができる。

第２の発明によれば、燃料電池の出力が所定値以下に低下した場合に、液相水の流通速度が２．４ｍｇ／ｃｍ^２／ｍｉｎ．以上に制御される。このため、本発明によれば、燃料電池の出力が低下した状態が継続される事態を有効に抑制することができる。

第３の発明によれば、燃料電池に供給されるガスの加湿量を制御することによって液相水の流通速度が制御される。ガスの加湿量が増減されると、これに応じて燃料電池内へ導入される水分量が増減するため、液相水の流通速度も変化する。このため、本発明によれば、簡易な構成で液相水の流通速度を制御することができる。

第４の発明によれば、燃料電池の温度を制御することによって液相水の流通速度が制御される。燃料電池の温度が変化すると、飽和蒸気圧との関係で該燃料電池内の液相水の量が変化するため、流通速度も変化する。このため、本発明によれば、簡易な構成で液相水の流通速度を制御することができる。

第５の発明によれば、燃料電池の発電量を制御することによって液相水の流通速度が制御される。燃料電池の発電量が変化すると、生成水の生成量との関係で該燃料電池内の液相水の量が変化するため、流通速度も変化する。このため、本発明によれば、簡易な構成で液相水の流通速度を制御することができる。

第６の発明によれば、液相水の流通速度は、３ｍｇ／ｃｍ^２／ｍｉｎ．以上に制御されることが好ましい。これにより、燃料電池の性能回復効果を更に高めることができる。

第７の発明によれば、液相水の流通速度は、２８ｍｇ／ｃｍ^２／ｍｉｎ．以下に制御されることが好ましい。流通速度をかかる値よりも高く制御しても、性能回復効果は飛躍的に上昇しない。このため、本発明によれば、無駄なエネルギ消費を有効に抑止することができる。

本実施の形態の燃料電池の構成を模式的に示す図である。燃料電池１０の被毒回復処理制御の一例を示す図である。液相水の流通速度に対する回復電圧の関係を示す図である。被毒回復前後の低下電圧量の関係を示す図である。

以下、図面に基づいてこの発明の実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。また、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態．
［実施の形態の構成］
図１は、本実施の形態における燃料電池の構成を模式的に示す断面図である。燃料電池１０は、発電反応により発生した電力をモータ等の負荷装置に供給する燃料電池システムとして使用される。燃料電池１０は単位電池１２を複数積層したスタック構造を有している。単位電池１２は、発電体１４、反応ガスが流れるガス流路１６、隣接する発電体１４を隔離するセパレータ１８によって構成されている。発電体１４は、プロトン伝導性を有する炭化水素系の電解質膜２４を挟んでアノード２６とカソード２８とが配置された膜電極接合体（ＭＥＡ）２０の外側に、カーボン繊維からなるガス拡散層（図示せず）をシールガスケットで囲んで一体として形成されている。各単位電池１２は、アノードに燃料ガス（例えば、水素ガス）の供給を受け、カソードに空気の供給を受けて発電する。尚、本実施の形態１において、燃料ガスの供給／排気系の構成、および空気の供給／排気系の構成に限定はないので、それらについての説明は省略する。

［実施の形態の特徴］
次に、本実施の形態の燃料電池１０の特徴について説明する。電解質膜２４は、燃料電池１０内で発生するラジカル等によって次第に分解・劣化する。生じた膜分解物は、該電解質膜２４内の水の移動に伴いアノード２６やカソード２８の内部へ移動する。これらの膜分解物が該電極に付着すると、触媒被毒やガス拡散阻害等により燃料電池の電圧低下が発生してしまう。

そこで、本願の発明者は、後述する評価試験によって、燃料電池１０の触媒被毒の回復効果と該燃料電池１０の内部を流通する液相水の流通速度との関係を評価した。その結果、液相水の流通速度が少なくとも２．４ｍｇ／ｃｍ^２／ｍｉｎ．以上の場合に、被毒回復効果が劇的に向上することが分かった。これは、十分な液相水により触媒層に存在していた被毒物質が系外へ流れて排出されたことによる効果と推察される。そこで、本実施の形態のシステムでは、触媒被毒を回復させる場合に、液相水の流通速度を少なくとも２．４ｍｇ／ｃｍ^２／ｍｉｎ．以上に制御することとする。これにより、燃料電池の触媒被毒を有効に回復させることが可能となる。尚、後述する評価試験の結果から、液相水の流通速度は、３ｍｇ／ｃｍ^２／ｍｉｎ．以上に制御することが好ましい。これにより、燃料電池の触媒被毒の回復効果を更に高めることが可能となる。

また、液相水の流通速度の上限は、２８ｍｇ／ｃｍ^２／ｍｉｎ．以下に設定することが好ましい。これは、かかる流通速度の液相水が、５．０Ａ／ｃｍ^２の生成水量に相当し、現実的な燃料電池セル性能を考慮すると、これ以上の高負荷発電は困難であることを根拠としている。また、触媒における被毒物質除去のメカニズムから推察しても、被毒物質の除去効果は当該液相水の流通速度において飽和している可能性が高い。このため、液相水の流通速度の上限を２８ｍｇ／ｃｍ^２／ｍｉｎ．以下に設定することで、無駄なエネルギ消費を抑制することが可能となる。

液相水の流通速度の制御方法は、例えば、燃料電池１０に供給されるガスの加湿量を調整することで制御することができる。すなわち、供給されるガスの加湿量が高いほど、該燃料電池１０内に導入される水分量が増大する。このため、ガスの加湿量と液相水の流通速度との関係を予めマップ等に規定しておくことで、加湿量制御による液相水の流通速度制御が可能となる。

また、液相水の流通速度の制御は、例えば、燃料電池１０の内部温度を調整することで制御することとしてもよい。すなわち、燃料電池１０の温度が低いほど、飽和蒸気圧との関係で該燃料電池内の液相量は増大する。このため、燃料電池１０の内部温度と液相水の流通速度との関係を予めマップ等に規定しておくことで、燃料電池１０の温度制御による液相水の流通速度制御が可能となる。

更に、液相水の流通速度の制御は、例えば、燃料電池１０の発電量を調整することで制御することとしてもよい。すなわち、燃料電池１０の発電量が増えるほど生成水が増加するため、該燃料電池内の液相量は増大する。このため、燃料電池１０の発電量と液相水の流通速度との関係を予めマップ等に規定しておくことで、燃料電池１０の発電制御による液相水の流通速度制御が可能となる。

また、被毒回復処理制御の実行時期は、例えば、燃料電池１０の出力に応じて設定することができる。図２は、燃料電池１０の被毒回復処理制御の一例を示す図である。この図に示すとおり、燃料電池１０の被毒を判定するための、出力のしきい値を起動時間毎に設定し、該燃料電池１０の出力が当該しきい値以下となった場合に、被毒回復処理制御を実行することができる。これにより、燃料電池１０の出力が低下した場合に当該被毒回復制御を実行することができるので、出力低下状態が長時間継続される事態を有効に抑止することができる。

ところで、上述した実施の形態では、炭化水素系の電解質膜２４を用いることとしているが、使用可能な電解質膜２４の種類はこれに限られない。すなわち、触媒被毒は、スルホン酸が脱離した硫酸根（ＳＯ_４ ^２−）が主因と考えられる。このため、スルホン酸を含有している電解質膜であれば、炭化水素系の電解質膜に限らず、フッ素系の電解質膜を用いることとしても同様の効果を奏することができる。

［実施の形態についての評価試験］
次に、図３および図４を用いて、実施の形態に示す発明の効果を確認するために行った評価試験について説明する。

（ＭＥＡの作製手順）
炭化水素系電解質膜上に、Ｐｔを含む電極触媒とプロトン伝導性を有する電解質とからなる電極をアノード側およびカソード側にスプレー塗布し、両極にカーボンペーパーからなる拡散層を熱圧着させてＭＥＡを作製した。

（耐久試験）
上記ＭＥＡをセル温度８０℃、アノード露点４５℃、およびカソード露点５５℃の低加湿条件とし、０．２、０．８、および１．６Ａ／ｃｍ^２の電圧値をそれぞれ測定し、これを初期電圧とした。次に、同条件で非発電（ＯＣ；Open Circuit）と発電（０．１ｍＡ／ｃｍ^２）のサイクルをおよそ２００時間繰り返す耐久試験を行った。

（回復電圧量評価試験）
上記耐久試験を実施したＭＥＡをセル温度８０℃、アノード露点４５℃、およびカソード露点５５℃の条件とし、０．２、０．８、および１．６Ａ／ｃｍ^２の電圧値をそれぞれ測定し、これを回復前電圧とした。次に、セル温度を７０℃から３０℃まで１０℃毎に降下させて、両極加湿せずに、アノードストイキ１．２、カソードストイキ１．５とし、１．０Ａ／ｃｍ^２で１５分間発電状態を保持した。尚、このときの液相水の流通速度は、１．０Ａ／ｃｍ^２の発電による生成水量が５６ｍｇ／ｃｍ^２／ｍｉｎ．であること、およびセル温度により飽和蒸気圧が変わることを考慮して演算した。その後、再度セル温度８０℃、アノード露点４５℃、およびカソード露点５５℃の条件として、０．２、０．８、および１．６Ａ／ｃｍ^２の電圧値をそれぞれ測定し、これを回復後電圧とした。

（試験結果）
図３は、液相水の流通速度に対する回復電圧量の関係を示す図である。尚、この図において、回復電力は、上記評価試験における回復後電圧から回復前電圧を減じた値を示している。この図に示すとおり、何れの電流密度についても、液相水の流通速度が２．４ｍｇ／ｃｍ^２／ｍｉｎ．となる点から急激に回復電圧力が大きくなっていることが分かる。この試験結果から、液相水の流通速度を２．４ｍｇ／ｃｍ^２／ｍｉｎ．以上に制御することで、被毒回復の効果が劇的に高まることが分かる。

また、図４は、被毒回復前後の低下電圧量の関係を示す図である。尚、この図において、低下電圧量は、上記評価試験における初期電圧から回復前電圧および回復後電圧（流通速度２８ｍｇ／ｃｍ^２／ｍｉｎ．）を減じた値をそれぞれ示している。この図に示すとおり、本発明の回復処理により、初期に対する性能低下が最大１／４程度まで抑制され得ることが分かる。

１０燃料電池
１２単位電池
１４発電体
１６ガス流路
１８セパレータ
２０膜電極接合体（ＭＥＡ）
２４電解質膜
２６アノード
２８カソード

Claims

固体高分子型の燃料電池と、
前記燃料電池の内部に液相水を所定の流通速度で流通させる流通手段と、を備え、
前記流通手段は、２．４ｍｇ／ｃｍ^２／ｍｉｎ.以上の流通速度で液相水を流通させることを特徴とする燃料電池システム。
前記流通手段は、前記燃料電池の出力が所定値以下となった場合に実行することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
前記流通手段は、前記燃料電池に供給されるガスの加湿量を制御する加湿量制御手段を含み、前記加湿量を制御することによって液相水の流通速度を制御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。
前記流通手段は、前記燃料電池の温度を制御する温度制御手段を含み、前記温度を制御することによって液相水の流通速度を制御することを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項記載の燃料電池システム。
前記流通手段は、前記燃料電池の発電量を制御する発電量制御手段を含み、前記発電量を制御することによって液相水の流通速度を制御することを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項記載の燃料電池システム。
前記流通手段は、３ｍｇ／ｃｍ^２／ｍｉｎ.以上の速度で液相水を流通させることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項記載の燃料電池システム。
前記流通手段は、２８ｍｇ／ｃｍ^２／ｍｉｎ.以下の速度で液相水を流通させることを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項記載の燃料電池システム。