JP2014003011A - Method for operating fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、アノード電極とカソード電極との間に電解質膜を挟持する電解質膜・電極構造体と、セパレータとが積層される燃料電池の運転方法に関する。 The present invention relates to a method of operating a fuel cell in which an electrolyte membrane / electrode structure sandwiching an electrolyte membrane between an anode electrode and a cathode electrode and a separator are laminated.
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる固体高分子電解質膜を採用している。この燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ電極触媒(電極触媒層)と多孔質カーボン(ガス拡散層)とを有するアノード電極及びカソード電極を配設した電解質膜・電極構造体(MEA)を備えている。電解質膜・電極構造体は、セパレータ(バイポーラ板)によって挟持されることにより発電セルを構成している。通常、燃料電池では、発電セルを所定の数だけ積層した燃料電池スタックが、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。 For example, a solid polymer fuel cell employs a solid polymer electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane. This fuel cell has an electrolyte membrane / electrode structure in which an anode electrode and a cathode electrode each having an electrode catalyst (electrode catalyst layer) and porous carbon (gas diffusion layer) are disposed on both sides of a solid polymer electrolyte membrane ( MEA). The electrolyte membrane / electrode structure constitutes a power generation cell by being sandwiched between separators (bipolar plates). Normally, in a fuel cell, a fuel cell stack in which a predetermined number of power generation cells are stacked is used as, for example, an in-vehicle fuel cell stack.
この種の燃料電池では、良好な発電反応を発揮させるために、固体高分子電解質膜を所望の湿潤状態に維持する必要がある。電極含水量が多いと、電極触媒と多孔質カーボンに水詰まり(フラッディング)が惹起される一方、電極含水量が少ないと、前記固体高分子電解質膜の性能低下が惹起されるからである。従って、燃料電池を構成するカソード電極及びアノード電極の含水量を良好に制御することが重要である。 In this type of fuel cell, it is necessary to maintain the solid polymer electrolyte membrane in a desired wet state in order to exhibit a good power generation reaction. This is because if the electrode water content is high, water clogging (flooding) is caused in the electrode catalyst and the porous carbon, whereas if the electrode water content is low, the performance of the solid polymer electrolyte membrane is reduced. Therefore, it is important to satisfactorily control the water content of the cathode and anode electrodes constituting the fuel cell.
そこで、例えば、特許文献1に開示されている燃料電池システムが知られている。この燃料電池システムは、図21に示すように、燃料電池のインピーダンスを測定するインピーダンス演算手段1と、インピーダンスに対する前記燃料電池の推定含水量の関係に基づいて、該燃料電池の含水量を推定する含水量推定手段2とを備えている。そして、測定されたインピーダンス又は推定された含水量は、燃料電池の環境温度に基づいて、インピーダンス温度補正手段3により補正されている。
Thus, for example, a fuel cell system disclosed in
これにより、燃料電池本体の周囲条件(例えば、環境温度、ガス圧力)がインピーダンスの測定値に与える影響を補正した上で、燃料電池の含水量を推定することができる、としている。 Thus, the moisture content of the fuel cell can be estimated after correcting the influence of the ambient conditions (for example, environmental temperature, gas pressure) of the fuel cell body on the measured impedance value.
しかしながら、上記の特許文献1では、インピーダンス計測と含水量計測との相関性に基づいて、燃料電池の運転制御を行うものである。このため、装置全体が相当に複雑化するとともに、コストが高騰して経済的ではないという問題がある。
However, in
本発明は、この種の問題を解決するものであり、電解質膜の含水量を適正な範囲に維持してフラッディングを防止することができ、簡単且つ経済的に、燃料電池を良好な状態で運転制御することが可能な燃料電池の運転方法を提供することを目的とする。 The present invention solves this type of problem, can maintain the water content of the electrolyte membrane in an appropriate range and prevent flooding, and can operate the fuel cell in a good condition simply and economically. It is an object of the present invention to provide a method of operating a fuel cell that can be controlled.
本発明は、アノード電極とカソード電極との間に電解質膜を挟持する電解質膜・電極構造体と、セパレータとが積層される燃料電池の運転方法に関するものである。 The present invention relates to a method of operating a fuel cell in which an electrolyte membrane / electrode structure sandwiching an electrolyte membrane between an anode electrode and a cathode electrode and a separator are laminated.
この運転方法は、電解質膜・電極構造体の外周端部に設けられた電位センサの出力値に基づいて、予め設定された電位と含水量との関係から、前記電解質膜・電極構造体の含水量を推定する工程を有している。さらに、推定された含水量が、所定の含水量範囲内に維持されるように、燃料電池の運転条件を調整する工程を有している。 This operation method is based on the output value of the potential sensor provided at the outer peripheral end of the electrolyte membrane / electrode structure, and the inclusion of the electrolyte membrane / electrode structure is determined from the relationship between the preset potential and the water content. A step of estimating the amount of water. Furthermore, it has the process of adjusting the driving | running condition of a fuel cell so that the estimated water content may be maintained in the predetermined water content range.
また、この運転方法では、電位センサは、面内に単一又は複数個配置されることが好ましい。 In this operation method, it is preferable that a single or a plurality of potential sensors be arranged in the plane.
さらに、この運転方法では、運転条件の調整は、少なくともアノード電極側に供給される燃料ガスの流量調整、圧力調整、湿度調整、温度調整又はパージ処理のいずれかを有することが好ましい。 Further, in this operation method, it is preferable that the adjustment of the operation condition includes at least one of a flow rate adjustment, a pressure adjustment, a humidity adjustment, a temperature adjustment, or a purge process of the fuel gas supplied to the anode electrode side.
さらにまた、この運転方法では、運転条件の調整は、少なくともカソード電極側に供給される酸化剤ガスの流量調整、圧力調整、温度調整又は湿度調整のいずれかを有することが好ましい。 Furthermore, in this operation method, it is preferable that the adjustment of the operation condition includes at least one of flow rate adjustment, pressure adjustment, temperature adjustment, and humidity adjustment of the oxidant gas supplied to the cathode electrode side.
また、この運転方法では、運転条件の調整は、少なくとも冷却媒体の温度調整又は流量調整のいずれかを有することが好ましい。 Further, in this operation method, it is preferable that the adjustment of the operation condition includes at least either a temperature adjustment or a flow rate adjustment of the cooling medium.
さらに、この運転方法では、電解質膜・電極構造体の四隅の少なくとも1カ所に切り欠き部が設けられるとともに、前記切り欠き部に対応して電位センサが設置されることが好ましい。 Further, in this operation method, it is preferable that a notch is provided at at least one of the four corners of the electrolyte membrane / electrode structure, and a potential sensor is installed corresponding to the notch.
本発明によれば、電解質膜・電極構造体の外周端部に設けられている電位センサからの出力(電位)を検出するだけで、前記電解質膜・電極構造体の含水量を容易且つ確実に検出することができる。これにより、推定された含水量に基づいて、燃料電池の運転条件を調整するだけでよく、簡単且つ経済的に、電解質膜・電極構造体の含水量を所定の含水量範囲内に維持することが可能になり、燃料電池を良好な状態で運転制御することができる。 According to the present invention, the water content of the electrolyte membrane / electrode structure can be easily and reliably detected only by detecting the output (potential) from the potential sensor provided at the outer peripheral end of the electrolyte membrane / electrode structure. Can be detected. Thus, it is only necessary to adjust the operating conditions of the fuel cell based on the estimated water content, and the water content of the electrolyte membrane / electrode structure is maintained within a predetermined water content range simply and economically. Thus, the fuel cell can be operated and controlled in a good state.
図1に示すように、本発明の第1の実施形態に係る燃料電池10の運転方法が実施される燃料電池システム12は、例えば、燃料電池電気自動車等の燃料電池車両に搭載される車載用燃料電池システムを構成する。
As shown in FIG. 1, a
燃料電池システム12は、複数の燃料電池10が積層される燃料電池スタック14と、前記燃料電池スタック14に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置16と、前記燃料電池スタック14に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置18と、前記燃料電池スタック14に冷却媒体を供給する冷却媒体供給装置20と、前記燃料電池システム12全体の制御を行う制御装置(ECU)22とを備える。
The
図2に示すように、燃料電池10は、電解質膜・電極構造体24を第1セパレータ26及び第2セパレータ28で挟持する。第1セパレータ26及び第2セパレータ28は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、チタニウム(Ti)板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属板や、カーボン部材等で構成されている。
As shown in FIG. 2, the
図2及び図3に示すように、電解質膜・電極構造体24は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜30と、前記固体高分子電解質膜30を挟持するアノード電極32及びカソード電極34とを備える。固体高分子電解質膜30は、フッ素系電解質の他、HC(炭化水素)系電解質が使用される。
As shown in FIGS. 2 and 3, the electrolyte membrane /
図3に示すように、カソード電極34の外周端部34endは、アノード電極32の外周端部32endよりも外側に突出するとともに、前記アノード電極32は、固体高分子電解質膜30の一方の面に配置される。アノード電極32は、固体高分子電解質膜30の外周を額縁状に露呈させる。カソード電極34は、固体高分子電解質膜30の他方の面に配置され、前記固体高分子電解質膜30の外周端部は、前記カソード電極34の外周端部34endよりも外方に突出する。なお、固体高分子電解質膜30の外周端部は、カソード電極34の外周端部34endと同一位置に配置してもよい。
As shown in FIG. 3, the outer
アノード電極32は、固体高分子電解質膜30の一方の面に接合される電極触媒層と、前記電極触媒層に積層されるガス拡散層とを設ける。カソード電極34は、固体高分子電解質膜30の他方の面に接合される電極触媒層と、前記電極触媒層に積層されるガス拡散層とを設ける。
The
本発明では、電解質膜・電極構造体24の作製方法が特に限定されるものではない。例えば、電極触媒層は、カーボンブラックに白金や白金合金粒子を担持した触媒粒子や白金ブラックを形成し、例えば、イオン導伝性バインダーとして高分子電解質を使用している。この高分子電解質の溶液中に、触媒粒子を均一に混合して作製された触媒ペーストを、固体高分子電解質膜30の両面に印刷、塗布、スプレー、スパッタ又は転写することによって、電極触媒層が構成される。電極触媒層は、ガス拡散層の全面に設けられてもよく、又は、前記ガス拡散層の外周部分に前記電極触媒層が設けられない枠状の領域を設けてもよい。
In the present invention, the method for producing the electrolyte membrane /
電解質膜・電極構造体24は、固体高分子電解質膜30の外周を周回する樹脂製枠部材36を備える。樹脂製枠部材36は、例えば、PPS(ポリフェニレンサルファイド)やPPA(ポリフタルアミド)、LCP(液晶ポリマー)、PES(ポリエーテルサルフォン)、PEEK(ポリエーテルエーテルケトン)、PFA(フッ素樹脂)等で構成される。
The electrolyte membrane /
図2に示すように、燃料電池10は、例えば、横長形状を有しており、立位姿勢で水平方向に積層される。燃料電池10の矢印B方向(図2中、水平方向)の一端縁部には、積層方向である矢印A方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給する酸化剤ガス入口連通孔38aと、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出する燃料ガス出口連通孔40bとが、矢印C方向(鉛直方向)に配列して設けられる。
As shown in FIG. 2, the
燃料電池10の矢印B方向の他端縁部には、矢印A方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔40aと、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔38bとが、矢印C方向に配列して設けられる。
The other end edge of the
燃料電池10の矢印C方向の上端縁部には、冷却媒体を供給するための一対の冷却媒体入口連通孔42aが設けられるとともに、前記燃料電池10の矢印C方向の下端縁部には、前記冷却媒体を排出するための一対の冷却媒体出口連通孔42bが設けられる。なお、冷却媒体入口連通孔42a及び冷却媒体出口連通孔42bは、それぞれ1つであってもよい。
A pair of cooling medium
第1セパレータ26の電解質膜・電極構造体24に向かう面26aには、酸化剤ガス入口連通孔38aと酸化剤ガス出口連通孔38bとに連通する酸化剤ガス流路46が設けられる。第2セパレータ28の電解質膜・電極構造体24に向かう面28aには、燃料ガス入口連通孔40aと燃料ガス出口連通孔40bとに連通する燃料ガス流路48が形成される。酸化剤ガス流路46及び燃料ガス流路48は、水平方向に向かって酸化剤ガス及び燃料ガスを流通させる。
An oxidant
第1セパレータ26の面26aとは反対の面26bと、第2セパレータ28の面28aとは反対の面28bとの間には、冷却媒体入口連通孔42aと冷却媒体出口連通孔42bとに連通する冷却媒体流路50が形成される。冷却媒体流路50は、鉛直方向下方に向かって冷却媒体を流通させる。
The cooling medium
第1セパレータ26の面26a、26bには、この第1セパレータ26の外周端部を周回して、第1シール部材52が一体化される。第2セパレータ28の面28a、28bには、この第2セパレータ28の外周端部を周回して、第2シール部材54が一体化される。
The
第1シール部材52及び第2シール部材54は、例えば、EPDM、NBR、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材等の弾性を有するシール部材が用いられる。
The
第2セパレータ28には、燃料ガス入口連通孔40aを燃料ガス流路48に連通する供給孔部56と、前記燃料ガス流路48を燃料ガス出口連通孔40bに連通する排出孔部58とが形成される。
The
図3に示すように、電解質膜・電極構造体24の外周端部には、アノード側又はカソード側の少なくとも一方に、1個、あるいは、複数個の電位センサ60が直接設けられる。電位センサ60は、樹脂製枠部材36で被覆されているが、この樹脂製枠部材36により被覆されていなくてもよい。電位センサ60は、例えば、アノード電極32の外周端部32endから数ミリ以内の位置に設けられることが好ましく、前記アノード電極32の内部でもよく、また、前記アノード電極32の外部でもよい。
As shown in FIG. 3, one or a plurality of
電位センサ60は、必要に応じて、カソード電極34側に設置される。カソード電極34側では、電位センサ60は、カソード電極34の外周端部34endから数ミリ以内(又は数ミリ外方)の位置に設けられることが好ましい。電位センサ60は、1個又は複数個に設定して、前記電位センサ60の値の平均値、最大値又は最小値、あるいは、複数個の前記電位センサ60の電位勾配を用いてもよい。なお、電位センサ60は、アノード側とカソード側との両方に設けてもよい。
The
電解質膜・電極構造体24には、図示しないが、参照電極が設けられる。参照電極は、アノード電極32を参照電極として利用してもよく、また、別体で固体高分子電解質膜30のアノード側に対して電極を設けてもよい。
Although not shown, the electrolyte membrane /
電位センサ60は、電解質膜・電極構造体24の水分量が最も多い領域及び最も少ない領域に配置される。図2に示すように、電位センサ60は、水分量が最も多い領域である重力方向下方で且つ燃料ガス出口連通孔40bの近傍、及び、酸化剤ガス出口連通孔38bの近傍に配置される。
The
一方、電位センサ60は、水分量が最も少ない領域である重力方向上方で且つ燃料ガス入口連通孔40aの近傍、及び、酸化剤ガス入口連通孔38aの近傍に配置される。なお、電位センサ60は、電解質膜・電極構造体24の水分含有量が最も多い領域又は最も少ない領域にのみ配置してもよい。但し、電位センサ60の配置位置は、特に限定されるものではない。
On the other hand, the
図4及び図5に示すように、電位センサ60は、参照電極(又はアノード電極32、好ましくは、前記アノード電極32の中央部分)との電位差を検出するとともに、一方の側部側に屈曲又は突出する計測部62aを有するシート状又は線状の導電性端子(電位測定電極)62を備える。導電性端子62は、基材64にシート状の絶縁部材66を介して固定される。
As shown in FIGS. 4 and 5, the
基材64は、導電性端子62の長さ方向に略同一の長さを有する一方、前記導電性端子62の幅方向に該導電性端子62よりも幅広に構成される。絶縁部材66は、導電性端子62の長さよりも短尺に構成され、前記導電性端子62の計測部62aが外部に露呈する。計測部62aの厚さ方向は、絶縁部材66の厚さよりも大きな寸法に設定され、前記計測部62aの計測面が、前記絶縁部材66の外面よりも外方(端面の前側)に突出する。
The
導電性端子62は、耐酸性及び耐熱性を有する、例えば、薄膜状又は線状の金(Au)や白金(Pt)等により形成される。導電性端子62の端部には、導電ライン68の一端が接続される。導電ライン68の他端は、電位測定装置70に接続される(図1参照)。電位測定装置70には、図示しないが、参照電極に接続された導電ラインが接続される。
The
基材64及び絶縁部材66は、絶縁性を有し、耐熱水性、耐酸性及び耐熱性に優れるとともに、フレキシブルな材料で形成される。例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)や液晶ポリマー(LCP)やポリイミド等が好適である。
The
図1に示すように、酸化剤ガス供給装置16は、大気からの空気を圧縮して供給するエアコンプレッサ(ポンプ)71を備え、前記エアコンプレッサ71が空気供給流路72に配設される。空気供給流路72には、加湿器74と、バルブ76を介して前記加湿器74をバイパスするバイパス流路78とが設けられ、燃料電池スタック14の酸化剤ガス入口連通孔38aに連通する。酸化剤ガス出口連通孔38bには、空気排出流路80が連通する。空気排出流路80は、背圧制御弁82を介装して希釈器84に接続される。
As shown in FIG. 1, the oxidant
燃料ガス供給装置18は、高圧水素を貯留する高圧水素タンク86を備え、この高圧水素タンク86は、水素供給流路88を介して燃料電池スタック14の燃料ガス入口連通孔40aに連通する。水素供給流路88には、バルブ90及びエゼクタ92が設けられるとともに、前記エゼクタ92をバイパスするバイパス流路88aには、インジェクタ93が設けられる。
The fuel
バルブ90は、圧力調整時に使用されるものであり、インジェクタ93は、燃料ガスの流量調整、湿度調整及び温度調整に利用される。例えば、インジェクタ93により未加湿の水素を供給することにより、湿度を下げることができる。後述する循環路102を介して循環される排出燃料ガス(以下、燃料オフガスともいう)は、インジェクタ93により新たに供給される未反応燃料ガスよりも高温であるため、前記燃料ガスを供給することにより、供給ガス(供給される燃料ガス)の温度を下げることができる。また、インジェクタ93に代えて、水素供給流路88には、必要に応じて熱交換器を設けてもよい。
The
燃料電池スタック14の燃料ガス出口連通孔40bには、オフガス流路94が連通する。このオフガス流路94は、気液分離器96に接続されるとともに、前記気液分離器96には、液体成分を排出するドレン流路98と、気体成分を排出する気体流路100とが設けられる。気体流路100は、循環路102を介してエゼクタ92に接続される一方、パージ弁104の開放作用下に、希釈器84に連通する。ドレン流路98は、バルブ106を介して希釈器84に連通する。希釈器84は、燃料電池スタック14の燃料ガス出口連通孔40bから排出されるオフガス(燃料ガスを含有する)と前記燃料電池スタック14の酸化剤ガス出口連通孔38bから排出されるオフガス(酸化剤ガスを含有する)とを混在させて燃料ガス濃度(水素濃度)を規定値以下に希釈する機能を有する。
An off-
冷却媒体供給装置20は、燃料電池スタック14の冷却媒体入口連通孔42aと冷却媒体出口連通孔42bとに連通し、冷却媒体を循環供給する冷却媒体循環路108を備える。冷却媒体循環路108には、冷却媒体入口連通孔42a側に近接して冷却ポンプ110が配置されるとともに、冷却媒体出口連通孔42bに近接してラジエータ112が配置される。
The cooling
空気供給流路72、空気排出流路80、水素供給流路88及びオフガス流路94には、それぞれ圧力計114a、114b、114c及び114dが配置される。空気供給流路72及び水素供給流路88には、湿度計116a、116bが配置される。空気排出流路80、気体流路100及び冷却媒体循環路108には、温度計118a、118b及び118cが配置される。
制御装置22には、電位測定装置70から計測された電位が入力される。この制御装置22は、検出された温度、圧力及び湿度に基づいて、計測された電位を補正する電位補正部120と、前記補正された電位に基づいて、含水量を推定する含水量推定部122と、推定された含水量が、所定の含水量範囲内に維持されるように、各デバイスを制御して燃料電池10の運転条件を調整するデバイス制御部124とを有する。
The potential measured from the
このように構成される燃料電池システム12の動作について、以下に説明する。
The operation of the
図1に示すように、酸化剤ガス供給装置16を構成するエアコンプレッサ71を介して空気供給流路72に酸化剤ガス(空気)が送られる。この酸化剤ガスは、加湿器74を通って加湿された後、又は、バイパス流路78を通って前記加湿器74をバイパスした後、燃料電池スタック14の酸化剤ガス入口連通孔38aに供給される。
As shown in FIG. 1, the oxidant gas (air) is sent to the air
一方、燃料ガス供給装置18では、バルブ90の開放作用下に、高圧水素タンク86から水素供給流路88に燃料ガス(水素ガス)が供給される。この燃料ガスは、エゼクタ92を通った後、燃料電池スタック14の燃料ガス入口連通孔40aに供給される。
On the other hand, in the fuel
また、冷却媒体供給装置20では、冷却ポンプ110の作用下に、冷却媒体循環路108から燃料電池スタック14の冷却媒体入口連通孔42aに純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。
In the cooling
図2に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔38aから第1セパレータ26の酸化剤ガス流路46に導入され、矢印B方向に移動して電解質膜・電極構造体24のカソード電極34に供給される。一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔40aから供給孔部56を通って第2セパレータ28の燃料ガス流路48に導入される。燃料ガスは、燃料ガス流路48に沿って矢印B方向に移動し、電解質膜・電極構造体24のアノード電極32に供給される。
As shown in FIG. 2, the oxidant gas is introduced into the oxidant
従って、各電解質膜・電極構造体24では、カソード電極34に供給される酸化剤ガスと、アノード電極32に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費されて発電が行われる。
Therefore, in each electrolyte membrane /
次いで、カソード電極34に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔38bに沿って矢印A方向に排出される。同様に、アノード電極32に供給されて消費された燃料ガスは、排出孔部58を通り燃料ガス出口連通孔40bに沿って矢印A方向に排出される。
Next, the oxidant gas consumed by being supplied to the
また、冷却媒体入口連通孔42aに供給された冷却媒体は、第1セパレータ26と第2セパレータ28との間の冷却媒体流路50に導入された後、矢印C方向に流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体24を冷却した後、冷却媒体出口連通孔42bから排出される。
In addition, the cooling medium supplied to the cooling medium
図1に示すように、酸化剤ガス出口連通孔38bに排出された酸化剤ガスは、空気排出流路80を流通して希釈器84に導入される。一方、燃料ガス出口連通孔40bに排出されたオフガス(一部が消費された燃料ガス)は、オフガス流路94から気液分離器96に導入される。オフガスは、液状水分が除去された後、気体流路100から循環路102を介してエゼクタ92に吸引される。
As shown in FIG. 1, the oxidant gas discharged to the oxidant gas
また、冷却媒体出口連通孔42bに排出された冷却媒体は、冷却媒体循環路108を通ってラジエータ112により冷却される。さらに、冷却媒体は、冷却ポンプ110の作用下に、燃料電池スタック14に循環供給される。
The cooling medium discharged to the cooling medium
次いで、本発明の第1の実施形態に係る運転方法について、以下に説明する。 Next, an operation method according to the first embodiment of the present invention will be described below.
先ず、電解質膜・電極構造体24の含水量と電位センサ60の出力(電位)との相関性を予め取得した。具体的には、アノード電極32側の含水量と電位との関係を実験的に検出したところ、図6に示す電位−含水量曲線が得られ、含水量の有効範囲に対応する電位の範囲が設定された。
First, the correlation between the water content of the electrolyte membrane /
その際、種々の発電条件による電位域と含水量との関係が取得された。この得られた燃料電池10の運転条件(I、II、III、IV、i、ii、iii、iv)は、図7に示すように、含水量(Z、Y、X、W)に対応した電位域(a、b、c、d)のマップとして制御装置22のメモリに記憶される。
At that time, the relationship between the potential range and the water content according to various power generation conditions was acquired. The operating conditions (I, II, III, IV, i, ii, iii, iv) of the obtained
ここで、運転条件(例えば、1、2)としては、燃料電池スタック14に供給される酸化剤ガスの流量、露点及び圧力、前記燃料電池スタック14から排出される酸化剤ガスの露点及び圧力、前記燃料電池スタック14に供給される燃料ガスの流量、露点及び圧力、前記燃料電池スタック14から排出されるオフガス(燃料ガス)の露点及び圧力、前記燃料電池スタック14に供給される冷却媒体の温度、流量並びに該燃料電池スタック14から排出される冷却媒体の温度等が含まれる。
Here, as operating conditions (for example, 1 and 2), the flow rate, dew point and pressure of the oxidant gas supplied to the
第1の実施形態において、具体的な運転条件の調整(運転制御)としては、アノード電極32側のパージ処理(パージ弁104を短時間だけ開く処理)、前記カソード電極34に供給される酸化剤ガスの流量調整、圧力調整、温度調整又は湿度調整のいずれかを有する。また、アノード電極32側では、パージ処理の他、前記アノード電極32に供給される燃料ガスの流量調整、圧力調整、湿度調整又は温度調整を行ってもよい。
In the first embodiment, specific adjustment of operating conditions (operation control) includes purge processing on the
なお、アノード電極32側には、供給される燃料ガスに含まれる水分及びカソード電極34側から固体高分子電解質膜30を逆拡散する生成水が存在している。従って、アノード電極32側のパージ処理を行うことにより、カソード電極34側から前記アノード電極32側への拡散が促進され、前記カソード電極34側の含水量を低下させることができる。
On the
次に、燃料電池システム12が発電運転している際、制御装置22では、各電位センサ60により検出された電位が、電位測定装置70を介して入力されるとともに、電位補正部120には、各温度、各圧力及び各湿度が入力される。このため、電位補正部120では、検出された電位が温度補正、圧力補正及び湿度補正された補正電位が得られ、この補正電位が含水量推定部122に送られる。なお、電位補正部120では、複数の電位センサ60の値の平均値、最大値又は最小値、あるいは、複数個の前記電位センサ60の電位勾配を用いてもよい。
Next, when the
含水量推定部122では、図6に示すように、予め設定された電位と固体高分子電解質膜30の含水量との相関性から、入力された補正電位を用いて演算処理することにより、含水量が推定される。さらに、デバイス制御部124では、推定含水量が、所定の含水量範囲内(図6中、有効範囲参照)に維持されるように、燃料電池スタック14の運転条件を調整する。
As shown in FIG. 6, the water content estimation unit 122 performs calculation processing using the input correction potential based on the correlation between the preset potential and the water content of the solid
そこで、デバイス制御部124は、例えば、燃料ガス供給装置18を構成するパージ弁104の開放作用下に、気体流路100を希釈器84に連通させる。従って、各燃料電池10の燃料ガス流路48を通って加湿された燃料ガスは、オフガスとしてオフガス流路94に排出された後、希釈器84に導入される。
Therefore, for example, the
オフガスは、気液分離器96を通過する際に、液状水が除去されるものの、水蒸気を含んでいる。このため、パージ弁104の開放作用下に、オフガスがパージ処理されることにより、水蒸気を含有するオフガスが希釈器84に排出される。これにより、各燃料電池10の燃料ガス流路48には、高圧水素タンク86からドライな燃料ガスが供給されるため、前記燃料ガス流路48に滞留する水分は、前記燃料ガス中に含有されて確実に除去される。
The off-gas contains water vapor although liquid water is removed when passing through the gas-
上記のように、アノード電極32側から水分が除去されるため、前記アノード電極32側の含水量が減少する。一方、カソード電極34側の滞留水は、固体高分子電解質膜30を通ってアノード電極32側への拡散が促進される。従って、カソード電極34側の含水量を低下させることができる。
As described above, since moisture is removed from the
アノード電極32側の含水量が低下すると、図6に示すように、検出される電位が低下する。制御装置22では、各電位センサ60により検出されて電位測定装置70から入力される電位を監視することにより、含水量を推定し、前記含水量が有効範囲内に入った際に、アノード電極32側のパージ処理を停止させる。
When the water content on the
この場合、第1の実施形態では、電解質膜・電極構造体24の外周端部に設けられている電位センサ60からの出力(電位)を検出するだけで、前記電解質膜・電極構造体24の含水量を容易且つ確実に検出することができる。
In this case, in the first embodiment, only by detecting the output (potential) from the
これにより、推定された含水量に基づいて、燃料電池10の運転条件を調整するだけでよく、簡単且つ経済的に、電解質膜・電極構造体24の含水量を所定の含水量範囲内に維持することが可能になる。このため、燃料電池10を良好な状態で確実に運転制御することができるという効果が得られる。
Accordingly, it is only necessary to adjust the operating condition of the
しかも、第1の実施形態では、電位センサ60は、電解質膜・電極構造体24の水分量が最も多い領域及び最も少ない領域に配置されている。具体的には、図2に示すように、電位センサ60は、水分量が最も多い領域である重力方向下方で且つ燃料ガス出口連通孔40bの近傍、及び、酸化剤ガス出口連通孔38bの近傍に配置されている。一方、電位センサ60は、水分量が最も少ない領域である重力方向上方で且つ燃料ガス入口連通孔40aの近傍、及び、酸化剤ガス入口連通孔38aの近傍に配置されている。
Moreover, in the first embodiment, the
従って、電解質膜・電極構造体24が部分的に多量の含水量となってフラッディングを惹起することを確実に阻止するとともに、前記電解質膜・電極構造体24が部分的に含水量不足となって乾燥することを可及的に抑制することが可能になる。これにより、固体高分子電解質膜30は、良好の湿潤状態を確実に維持することができ、所望の発電反応を確実且つ連続的に遂行することが可能になる。
Therefore, the electrolyte membrane /
ところで、燃料電池システム12では、上記のアノード電極32側のパージ処理に代えて、又は、前記パージ処理に併用して、他の運転条件の調整を行うことができる。例えば、カソード電極34側では、各燃料電池10の酸化剤ガス流路46に供給される酸化剤ガスの流量を増加させる処理が行われる。
By the way, in the
具体的には、図8に示すように、含水量の増加に伴って検出電位が高くなり、前記電位が既定値(閾値)を超えると判断された際、酸化剤ガス流路46に供給される酸化剤ガスの流量(Air流量)が増加される。このため、酸化剤ガス流路46からの排水性が向上し、含水量が減少するとともに、電位が低下する。従って、簡単且つ経済的に、電解質膜・電極構造体24の含水量を所定の含水量範囲内に維持することが可能になる。
Specifically, as shown in FIG. 8, the detected potential increases as the water content increases, and when it is determined that the potential exceeds a predetermined value (threshold value), it is supplied to the oxidant
なお、第1の実施形態では、電位センサ60を用いているが、これに限定されるものではなく、例えば、図9に示す電位センサ60aを使用することができる。
In the first embodiment, the
電位センサ60aでは、導電性端子62を基材64と絶縁部材66aとを介して固定する。絶縁部材66aは、基材64と同一の長さを有しており、一端縁部には、導電性端子62の計測部62aを外部に露呈させる開口部66bが形成される。
In the
このように、構成される電位センサ60aは、上記の電位センサ60と同様の作用効果を有する。
Thus, the configured
図10は、本発明の第2の実施形態に係る運転方法における運転条件の調整として、冷却媒体の流量を調整する際の説明図である。 FIG. 10 is an explanatory diagram when adjusting the flow rate of the cooling medium as the adjustment of the operation condition in the operation method according to the second embodiment of the present invention.
第2の実施形態では、燃料電池スタック14に供給される冷却媒体の流量を低下させることにより、含水量を低下させている。従って、冷却媒体の流量を低下させるだけで、電位を低下させることができ、簡単且つ経済的に、電解質膜・電極構造体24の含水量を所定の含水量範囲内に維持することが可能になる等、上記の第1の実施形態と同様の効果が得られる。
In the second embodiment, the water content is reduced by reducing the flow rate of the cooling medium supplied to the
なお、冷却媒体の流量を下げる方法の他、前記冷却媒体の温度を上げることにより、含水量を低下させて電位の低下を図ることも可能である。 In addition to the method of decreasing the flow rate of the cooling medium, it is also possible to decrease the water content and decrease the potential by increasing the temperature of the cooling medium.
図11は、本発明の第3の実施形態に係る運転方法が実施される燃料電池130を構成する電解質膜・電極構造体132の要部断面説明図である。なお、第1の実施形態に係る燃料電池10を構成する電解質膜・電極構造体24と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第4以降の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。
FIG. 11 is a cross-sectional explanatory view of a main part of an electrolyte membrane /
電解質膜・電極構造体132は、固体高分子電解質膜30をアノード電極32a及びカソード電極34aで挟持する。アノード電極32aの外周端部は、カソード電極34aの外周端部よりも外方に突出する。すなわち、アノード電極32a及びカソード電極34aの寸法は、第1の実施形態のアノード電極32及びカソード電極34の寸法とは逆に設定される(図3参照)。固体高分子電解質膜30上には、アノード電極32a側の面及びカソード電極34a側の面に電位センサ60が設置される。
The electrolyte membrane /
これにより、第3の実施形態では、電位センサ60を介して、電解質膜・電極構造体132の含水量を容易且つ確実に検出することができ、上記の第1の実施形態と同様の効果が得られる。
Accordingly, in the third embodiment, the water content of the electrolyte membrane /
図12は、本発明の第4の実施形態に係る運転方法が実施される燃料電池140を構成する電解質膜・電極構造体142の正面説明図である。
FIG. 12 is an explanatory front view of the electrolyte membrane /
図12及び図13に示すように、電解質膜・電極構造体142は、固体高分子電解質膜30をアノード電極144及びカソード電極146で挟持する。アノード電極144は、固体高分子電解質膜30と同一の平面寸法に、又は前記固体高分子電解質膜30よりも小さな平面寸法に設定されるとともに、前記アノード電極144は、カソード電極146よりも大きな平面寸法に設定される(図12参照)。
As shown in FIGS. 12 and 13, the electrolyte membrane /
アノード電極144の四隅には、切り欠き部144aが形成される。各切り欠き部144aでは、積層方向に対して、カソード電極146の外周端部位置が、アノード電極144の外周端部位置よりも外方に突出する。なお、切り欠き部144aの形状は、特に限定されるものではない。
各切り欠き部144aに対応してカソード側には、すなわち、電解質膜・電極構造体142の水分量が最も多い領域である燃料ガス出口連通孔40bの近傍及び酸化剤ガス出口連通孔38bの近傍と、水分量が最も少ない領域である燃料ガス入口連通孔40aの近傍及び酸化剤ガス入口連通孔38aの近傍とに、電位センサ148が設置される。
Corresponding to each
電位センサ148は、図13及び図14に示すように、参照電極との電位差を検出するとともに、一方の側部側に屈曲又は突出する計測部150a、152a、154a及び156aを有する複数のシート状又は線状の導電性端子(電位測定電極)150、152、154及び156を備える。導電性端子150、152、154及び156は、シート状の第1絶縁部材158とシート状の第2絶縁部材160との間に介装される。なお、導電性端子は、1個又は複数個設けてあればよく、個数は種々変更可能である。
As shown in FIGS. 13 and 14, the
導電性端子150、152、154及び156は、例えば、薄膜状又は線状の金(Au)により形成されるとともに、前記導電性端子150から前記導電性端子156に向かって、順次、短尺に構成される。各計測部150a、152a、154a及び156aは、第1絶縁部材158に形成された開口部158a、158b、158c及び158dから外部に長さL(数μm〜数十μm)だけ突出する。計測部150a、152a、154a及び156aは、他の部位150b、152b、154b及び156b上にめっき処理によって厚く構成し、又は、先端を折り曲げて厚くしてもよい。
The
各計測部150a、152a、154a及び156aは、順次、段差状に高さ方向(矢印C方向)に低くなるように配置され、図13に示すように、固体高分子電解質膜30のカソード電極146側に、それぞれ所定の位置に配置される。図14に示すように、導電性端子150、152、154及び156には、他の部位150b、152b、154b及び156bの下端部に導電ライン162a、162b、162c及び162dが接続される。導電ライン162a、162b、162c及び162dは、図示しない電位測定装置に接続される。
The measuring
これにより、第4の実施形態では、電位センサ148を介して、電解質膜・電極構造体142の含水量を容易且つ確実に検出することができ、上記の第1〜第3の実施形態と同様の効果が得られる。さらに、複数の計測部150a、152a、154a及び156aにより、平面領域における含水率の分布を検出することができる。
As a result, in the fourth embodiment, the water content of the electrolyte membrane /
なお、第4の実施形態では、電位センサ148を用いているが、これに代えて電位センサ60を採用してもよい。また、アノード電極144側にも、電位センサ148又は電位センサ60を設けてもよい。その際、カソード電極146の四隅には、切り欠き部が形成される。この切り欠き部は、固体高分子電解質膜30を挟んで、カソード電極146とアノード電極144との位置関係を、電位測定に最適な形状にすることが好ましい。以下に説明する第5以降の実施形態でも、同様である。
Although the
図15は、本発明の第5の実施形態に係る運転方法が実施される燃料電池163を構成する電解質膜・電極構造体165の正面説明図である。
FIG. 15 is an explanatory front view of the electrolyte membrane /
図15及び図16に示すように、電解質膜・電極構造体165は、固体高分子電解質膜30をアノード電極164及びカソード電極166で挟持する。アノード電極164は、固体高分子電解質膜30と、同一の平面寸法に、又は前記固体高分子電解質膜よりも小さな平面寸法に設定されるとともに、前記アノード電極164は、カソード電極166よりも大きな平面寸法に設定される(図15参照)。
As shown in FIGS. 15 and 16, the electrolyte membrane /
アノード電極164と固体高分子電解質膜30とが同一寸法である場合、このアノード電極164の端部の電位計測を行う際には、前記アノード電極164の四隅には、切り欠き部164aが形成される。なお、アノード電極164の平面寸法が、固体高分子電解質膜30の平面寸法よりも小さい場合には、切り欠き部164aを設ける必要がない。
When the
一方、アノード電極164と同様に、カソード電極166の端部の電位計測も行う際には、前記カソード電極166の四隅の少なくとも1カ所(四隅全てでもよい)には、切り欠き部166aが形成される。切り欠き部166aの寸法は、アノード電極164とカソード電極166との大きさの差である寸法と同じに設定される。又は、アノード電極164とカソード電極166と大きさの差は、電位計測に最適な形状により設定される。カソード電極166のみの電位計測を行う際には、前記カソード電極166に切り欠き部を設けなくてもよい。
On the other hand, as with the
各切り欠き部164aに対応して、すなわち、電解質膜・電極構造体165の水分量が最も多い領域である燃料ガス出口連通孔40bの近傍及び酸化剤ガス出口連通孔38bの近傍と、水分量が最も少ない領域である燃料ガス入口連通孔40aの近傍及び酸化剤ガス入口連通孔38aの近傍とに対応して、アノード側に電位センサ148が設置される。また、アノード電極164又はカソード電極166のいずれか一方にのみ、あるいは両方に電位センサ148を設置してもよい。
Corresponding to each
これにより、第5の実施形態では、電位センサ148を介して、電解質膜・電極構造体165の含水量を容易且つ確実に検出することができ、上記の第1〜第4の実施形態と同様の効果が得られる。
Thereby, in the fifth embodiment, the water content of the electrolyte membrane /
図17は、本発明の第6の実施形態に係る運転方法が実施される燃料電池170を構成する電解質膜・電極構造体172の正面説明図である。
FIG. 17 is an explanatory front view of an electrolyte membrane /
図17及び図18に示すように、電解質膜・電極構造体172は、固体高分子電解質膜30をアノード電極174及びカソード電極176で挟持する。カソード電極176は、固体高分子電解質膜30と同一の平面寸法に、又は前記固体高分子電解質膜30よりも小さな平面寸法に設定されるとともに、前記カソード電極176は、アノード電極174よりも大きな平面寸法に設定される(図17参照)。
As shown in FIGS. 17 and 18, the electrolyte membrane /
カソード電極176の四隅には、切り欠き部176aが形成される。各切り欠き部176aでは、積層方向に対して、アノード電極174の外周端部位置が、カソード電極176の外周端部位置よりも外方に突出する。
At the four corners of the
各切り欠き部176aに対応してアノード側には、すなわち、電解質膜・電極構造体172の水分量が最も多い領域である燃料ガス出口連通孔40bの近傍及び酸化剤ガス出口連通孔38bの近傍と、水分量が最も少ない領域である燃料ガス入口連通孔40aの近傍及び酸化剤ガス入口連通孔38aの近傍とに、電位センサ148が設置される。また、カソード電極176側にも、電位センサ148又は電位センサ60を設けてもよい。
Corresponding to each
これにより、第6の実施形態では、電位センサ148を介して、電解質膜・電極構造体172の含水量を容易且つ確実に検出することができ、上記の第1〜第5の実施形態と同様の効果が得られる。
Accordingly, in the sixth embodiment, the water content of the electrolyte membrane /
図19は、本発明の第7の実施形態に係る運転方法が実施される燃料電池180を構成する電解質膜・電極構造体182の正面説明図である。
FIG. 19 is an explanatory front view of an electrolyte membrane /
図19及び図20に示すように、電解質膜・電極構造体182は、固体高分子電解質膜30をアノード電極184及びカソード電極186で挟持する。カソード電極186は、固体高分子電解質膜30と同一の平面寸法に、又は前記固体高分子電解質膜30よりも小さな平面寸法に設定されるとともに、前記カソード電極186は、アノード電極184よりも大きな平面寸法に設定される(図19参照)。
As shown in FIGS. 19 and 20, the electrolyte membrane /
アノード電極184の端部の電位計測及びカソード電極186の端部の電位計測を行う際には、前記アノード電極184の四隅には、切り欠き部184aが形成される一方、前記カソード電極186の四隅には、切り欠き部186aが形成される。なお、切り欠き部184a、186aの形状は、必要に応じて設定され、電位計測に最適な形状に変更可能である。アノード電極184のみの電位計測を行う際には、アノード電極184に切り欠き部184aを設けなくてもよい。
When measuring the potential at the end of the
各切り欠き部184a、186aに対応してアノード側及びカソード側には、すなわち、電解質膜・電極構造体182の水分量が最も多い領域である燃料ガス出口連通孔40bの近傍及び酸化剤ガス出口連通孔38bの近傍と、水分量が最も少ない領域である燃料ガス入口連通孔40aの近傍及び酸化剤ガス入口連通孔38aの近傍とに、電位センサ148が設置される。また、アノード電極164又はカソード電極166のいずれか一方にのみ、電位センサ148を設置してもよい。
Corresponding to the
これにより、第7の実施形態では、電位センサ148を介して、電解質膜・電極構造体182の含水量を容易且つ確実に検出することができ、上記の第1〜第6の実施形態と同様の効果が得られる。
Accordingly, in the seventh embodiment, the water content of the electrolyte membrane /
10、130、140、163、170、180…燃料電池
12…燃料電池システム 14…燃料電池スタック
16…酸化剤ガス供給装置 18…燃料ガス供給装置
20…冷却媒体供給装置 22…制御装置
24、132、142、165、172、182…電解質膜・電極構造体
26、28…セパレータ 30…固体高分子電解質膜
32、32a、144、164、174、184…アノード電極
34、34a、146、166、176、186…カソード電極
38a…酸化剤ガス入口連通孔 38b…酸化剤ガス出口連通孔
40a…燃料ガス入口連通孔 40b…燃料ガス出口連通孔
42a…冷却媒体入口連通孔 42b…冷却媒体出口連通孔
46…酸化剤ガス流路 48…燃料ガス流路
50…冷却媒体流路 60、60a、148…電位センサ
62、150、152、154、156…導電性端子
62a、150a、152a、154a、156a…計測部
70…電位測定装置 120…電位補正部
122…含水量推定部 124…デバイス制御部
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記電解質膜・電極構造体の外周端部に設けられた電位センサの出力値に基づいて、予め設定された電位と含水量との関係から、前記電解質膜・電極構造体の含水量を推定する工程と、
推定された前記含水量が、所定の含水量範囲内に維持されるように、前記燃料電池の運転条件を調整する工程と、
を有することを特徴とする燃料電池の運転方法。 An operation method of a fuel cell in which an electrolyte membrane / electrode structure sandwiching an electrolyte membrane between an anode electrode and a cathode electrode and a separator are laminated,
The water content of the electrolyte membrane / electrode structure is estimated from the relationship between the preset potential and the water content based on the output value of the potential sensor provided at the outer peripheral end of the electrolyte membrane / electrode structure. Process,
Adjusting the operating conditions of the fuel cell so that the estimated water content is maintained within a predetermined water content range;
A method of operating a fuel cell, comprising:
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