JP2015185525A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の出力の低下を抑制できる、燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池システム１は、燃料電池２、燃料供給路３、空気供給路４および加湿装置５を含んでいる。燃料電池２は、電解質膜２２の一方面および他方面にそれぞれアノード２３およびカソード２４を接合してなる膜／電極接合体を備える。燃料供給路３は、アノード２３に燃料を供給する。空気供給路４は、カソード２４に空気を供給する。加湿装置５は、空気供給路４を通してカソード２４に供給される空気をその相対湿度が２０％以上かつ６０％以下の範囲内となるように加湿する。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池を含む燃料電池システムに関する。

燃料電池は、たとえば、電解質膜の両側にアノード（燃料極）およびカソード（酸素極）を貼り合わせて一体化した膜／電極接合体を備えている。アノードに燃料が供給されるとともに、カソードに空気が供給されると、発電反応が生じ、アノードとカソードとの間に起電力が発生する。

たとえば、水加ヒドラジンを燃料とする燃料電池では、アノードに水加ヒドラジンが供給され、カソードにエアが供給されると、アノードでは、反応式（１）で示される反応が生じ、カソードでは、反応式（２）で示される反応が生じる。

Ｎ_２Ｈ_４＋４ＯＨ⁻→Ｎ_２＋４Ｈ_２Ｏ＋４ｅ⁻ ・・・（１）
Ｏ_２＋２Ｈ_２Ｏ＋４ｅ⁻→４ＯＨ⁻ ・・・（２）

アノードで発生する電子がアノードからマイナス配線に流出し、プラス配線からアノードに電子が流れ込むことにより、アノードとカソードとの間に起電力が発生する。

特開２００６−２４４９６１号公報

ところが、本願発明者らが燃料電池を連続して運転させる試験を行ったところ、時間の経過に伴って、燃料電池の出力電力（発電効率）が低下することが判った。

本発明の目的は、燃料電池の出力電力の低下を抑制できる、燃料電池システムを提供することである。

前記の目的を達成するため、本発明に係る燃料電池システムは、電解質膜の一方面および他方面にそれぞれアノードおよびカソードを接合してなる膜／電極接合体を備える燃料電池と、アノードに燃料を供給する燃料供給路と、カソードに空気を供給する空気供給路と、空気供給路を通してカソードに供給される空気を加湿する加湿装置とを含み、加湿装置は、カソードに供給される空気をその相対湿度が２０％以上かつ６０％以下の範囲内となるように加湿する。

本願発明者らは、燃料電池の連続運転時に、燃料電池の出力電力が時間の経過に伴って低下する原因を探求すべく、鋭意研究を重ね、カソードの乾燥がその原因であることを究明した。

カソードが乾燥するとカソードが劣化し、その結果、燃料電池の出力電力が低下すると考えられる。

また、カソードにおける反応には、前記の反応式（２）に示されるように、水（Ｈ_２Ｏ）が必要となる。カソードが乾燥すると、反応に必要な水が不十分となり、十分な反応が行われず、燃料電池の出力電力が低下すると考えられる。

そして、本願発明者らは、加湿装置を設けて、空気供給路を通してカソードに供給される空気を加湿する構成に想到した。カソードに供給される空気を加湿することにより、カソードの乾燥を防止することができる。その結果、カソードの劣化およびカソードの反応に必要な水の不足を抑制でき、燃料電池の出力電力の低下を抑制することができる。

カソードの乾燥を防ぎ、カソードの劣化およびカソードの反応に必要な水の不足を抑制するためには、相対湿度が２０％以上であることが好ましい。

一方、カソード付近の相対湿度が大きくなりすぎると、カソードに水が過剰に存在するフラッディングが発生し、空気がカソード触媒に十分到達できないため、燃料電池の出力電力が低下する。フラッディングの発生を抑制するためには、相対湿度が６０％以下であることが好ましい。

したがって、カソードに供給される空気は、その相対湿度が２０％以上かつ６０％以下の範囲内となるように加湿されることが好ましい。

本発明によれば、燃料電池のカソードの乾燥を抑制することができる。その結果、燃料電池の出力電力の低下を抑制することができる。

本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。 ＩＶ測定およびインピーダンス測定のための試験における燃料電池の端子間電圧の変化を示すグラフである。 相対湿度が０％である空気を燃料電池のカソードに供給したときの出力密度、ＯＣＶ、電解質抵抗および反応抵抗の各測定値を示す表である。 空気の相対湿度が３０％である空気を燃料電池のカソードに供給したときの出力密度、ＯＣＶ、電解質抵抗および反応抵抗の各測定値を示す表である。 空気の相対湿度が５０％である空気を燃料電池のカソードに供給したときの出力密度、ＯＣＶ、電解質抵抗および反応抵抗の各測定値を示す表である。 空気の相対湿度が１００％である空気を燃料電池のカソードに供給したときの出力密度、ＯＣＶ、電解質抵抗および反応抵抗の各測定値を示す表である。 図３〜６に示される出力密度の測定値の時間変化を示すグラフである。 図３〜６に示されるＯＣＶの測定値の時間変化を示すグラフである。 図３〜６に示される電解質抵抗の測定値の時間変化を示すグラフである。 図３〜６に示される反応抵抗の測定値の時間変化を示すグラフである。

以下では、本発明の実施の形態について、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。

＜燃料電池システムの構成＞

図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システム１の構成図である。

燃料電池システム１は、たとえば、モータを走行用駆動源として搭載した車両（自動車）に搭載される。燃料電池システム１は、燃料電池２、燃料供給路３、空気供給路４および加湿装置５を含む。

燃料電池２は、所定数（たとえば、１００〜２００）のセルが一方向に積層された、いわゆるセルスタックを有している。このセルスタックは、セルの積層方向の両側から出力端子付の集電板によって挟まれ、さらにその両外側からエンドプレートに挟まれている。

各セルは、膜／電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）２１、膜／電極接合体２１の両側に配置されたセパレータ（図示せず）、および膜／電極接合体２１と各セパレータとの間に介在されたガス拡散層（ＧＤＬ：Gas Diffusion Layer）（図示せず）を備えている。膜／電極接合体２１は、電解質膜２２の両側にアノード（燃料極）２３およびカソード（酸素極）２４を貼り合わせて一体化したものである。電解質膜２２は、たとえば、アニオン（ＯＨ⁻）を透過させる性質を有する。各セルのアノード２３は、集電板の一方と電気的に接続され、各セルのカソード２４は、集電板の他方と電気的に接続されている。アノード２３と電気的に接続された集電板には、負荷６を含む外部回路のマイナス配線７が接続され、カソードと電気的に接続された集電板の端子には、当該外部海路のプラス配線８が接続されている。

燃料供給路３は、セパレータにおけるアノード２３と対向する面に形成された燃料流路と連通している。

空気供給路４は、セパレータにおけるカソード２４と対向する面に形成された空気流路と連通している。

加湿装置５は、空気供給路４の途中部に介装されている。加湿装置５には、水を貯留可能な水タンクが備えられている。水タンクが所定の温度に加熱されることにより、水蒸気が発生し、その水蒸気が空気供給路４を流通する空気に混ざることにより、空気供給路４を流通する空気が加湿される。

たとえば、燃料供給路３から燃料電池２のアノード２３に液体燃料である水加ヒドラジンが供給され、空気供給路４から燃料電池２のカソード２４に空気が供給されると、燃料電池２において、前記の反応式（１），（２）で示される発電反応（電気化学反応）が生じ、その発電反応により、アノード２３とカソード２４との間に起電力が発生する。

＜燃料電池の性能＞

燃料電池２の性能は、主として、出力密度およびＯＣＶ（Open Circuit Voltage）で表される。

出力密度は、燃料電池２における電極の単位面積当たりの出力電力であり、その単位は、たとえば、「ｍＷ／ｃｍ^２」である。

ＯＣＶは、開回路電圧で、負荷が接続されていないときの燃料電池２の電圧であり、その単位は、たとえば、「Ｖ」である。

燃料電池２の内部抵抗は、燃料電池２の出力密度に影響する。燃料電池２の内部抵抗には、電解質抵抗および反応抵抗が含まれる。

電解質抵抗は、電解質膜のイオン導電性に起因する抵抗であり、その単位は、たとえば、「Ω・ｃｍ^２」である。

反応抵抗は、電極における触媒活性に起因する抵抗であり、その単位は、たとえば、「Ω・ｃｍ^２」である。

燃料電池２においては、電解質抵抗および反応抵抗を小さいほど、出力電力が増大する。

＜ＩＶ測定およびインピーダンス測定＞

図２は、ＩＶ測定およびインピーダンス測定のための試験における燃料電池２の端子間電圧の変化を示すグラフである。

カソード２４に供給される空気の最適な湿度範囲を探索するために、空気供給路４を流通する空気の相対湿度を０％、３０％、５０％および１００％に変化させて、各相対湿度における燃料電池２の出力密度、ＯＣＶ、電解質抵抗および反応抵抗の測定値を取得する試験を行った。

具体的には、各相対湿度において、燃料電池システム１を連続運転させ、６時間ごとに、ＩＶ測定およびインピーダンス測定を行った。ＩＶ測定およびインピーダンス測定時以外の期間（６時間）においては、２００ｍＡ／ｃｍ^２の定格電流を維持するように、負荷電流を制御した。

ＩＶ測定では、電子負荷装置を評価対象の燃料電池２のアノード２３とカソード２４との間に接続し、負荷電流を制御しながら、燃料電池２のアノード２３とカソード２４との間の電圧（以下、「端子間電圧」という。）を測定した。ＩＶ測定では、まず、負荷電流を０ｍＡ／ｃｍ^２に設定した。そして、端子間電圧が安定した後、端子間電圧が０．２Ｖに達するまで、負荷電流を増大させた。電圧が０．２Ｖに達すると、負荷電流を０ｍＡ／ｃｍ^２まで低下させた。これを１サイクルとし、これと同様の操作を３サイクル繰り返した。以下、このサイクルを順に、ＩＶ−１、ＩＶ−２、ＩＶ−３という。

出力密度の測定値には、ＩＶ−２の期間中において、出力電力（電流値と電圧値との積）が最大の値を使用する。

ＯＣＶの測定値には、ＩＶ−１とＩＶ−２との間において負荷電流が０ｍＡ／ｃｍ^２である時点の電圧を使用する。

ＩＶ測定の後、負荷電流を２００ｍＡ／ｃｍ^２に設定し、インピーダンス測定を行った。

インピーダンス測定では、燃料電池２を定負荷状態に保ち、異なる周波数の交流電流を負荷として重畳させ、その際の端子間電圧を測定した。横軸を実数部とし、縦軸を虚数部として、インピーダンスの測定値をグラフにプロット（Ｃｏｌｅ−Ｃｏｌｅプロット）し、そのグラフから、電解質抵抗および反応抵抗を求めた。

図３は、空気供給路４を流通する空気の相対湿度が０％であるときの測定値を示す表である。図４は、空気供給路４を流通する空気の相対湿度が３０％であるときの測定値を示す表である。図５は、空気供給路４を流通する空気の相対湿度が５０％であるときの測定値を示す表である。図６は、空気供給路４を流通する空気の相対湿度が１００％であるときの測定値を示す表である。

また、図７は、出力密度の測定値の時間変化を示すグラフである。図８は、ＯＣＶの測定値の時間変化を示すグラフである。図９は、電解質抵抗（Ｒ１）の測定値の時間変化を示すグラフである。図１０は、反応抵抗（Ｒ２）の測定値の時間変化を示すグラフである。図７〜１０に示される各グラフでは、縦軸に測定値がとられ、横軸に時間がとられている。

なお、空気供給路４を流通する空気の相対湿度が０％、３０％および１００％である場合の測定試験では、アノード２３の材質がＮｉＺｎであり、カソード２４に０．２５重量％のアイオノマが添加され、カソード２４のプレス圧力を３．２５ＭＰａとして作製された膜／電極接合体２１を備える燃料電池２を使用した。また、空気供給路４を流通する空気の相対湿度が５０％である場合の測定試験では、アノード２３の材質がＮｉであり、カソード２４に０．３３重量％のアイオノマが添加され、カソード２４のプレス圧力を１３ＭＰａとして作製された膜／電極接合体２１を備える燃料電池２を使用した。

図７に示される出力密度のグラフにおいて、初期出力密度は、相対湿度が３０％である場合が最も高く、相対湿度が０％および１００％である場合がほぼ同じで最も低い。相対湿度が５０％である場合の初期出力密度は、相対湿度が３０％である場合の初期出力密度と相対湿度が０％および１００％である場合の初期出力密度とのほぼ中間の値である。また、出力密度は、相対湿度にかかわらず、時間の経過とともにほぼ直線的に低下している。相対湿度が０％、３０％および１００％である場合のグラフの傾きは、ほぼ同じであり、相対湿度が５０％である場合のグラフの傾きは、相対湿度が０％、３０％および１００％である場合のグラフの傾きと比較して緩やかである。

この結果から、出力密度に関しては、短時間の使用では、相対湿度が３０％程度の空気がカソード２４に供給されることが好ましく、長時間の使用では、相対湿度５０％程度の空気がカソード２４に供給されることが好ましいと言える。

相対湿度が０％である場合に好ましい測定結果が得られなかったのは、湿度が低いため、カソード２４が乾燥により劣化し、発電効率が低下したこと、および、カソード２４において反応に必要な水が不十分で、十分な反応が行われなかったことが原因であると考えられる。

また、相対湿度が１００％である場合に好ましい測定結果が得られなかったのは、湿度が高いため、カソード２４に水が過剰に存在するフラッディングが発生し、空気がカソード触媒に十分到達できなかったと考えられる。

図８に示されるＯＣＶのグラフにおいて、初期ＯＣＶは、相対湿度が３０％である場合が最も高く、相対湿度が０％および１００％である場合がほぼ同じで最も低い。相対湿度が５０％である場合の初期ＯＣＶは、相対湿度が３０％である場合の初期ＯＣＶと相対湿度が０％および１００％である場合の初期ＯＣＶとのほぼ中間の値である。また、相対湿度が０％である場合において、ＯＣＶは、燃料電池システム１の運転開始当初、急激に低下した後、ほぼ一定に保持されている。相対湿度が３０％である場合において、ＯＣＶは、燃料電池システム１の運転開始当初、急激に低下し、その後、緩やかに低下した後、再び急激に低下している。相対湿度が５０％である場合においては、ＯＣＶは、燃料電池システム１の運転開始当初、急激に低下し、その後、緩やかに上昇した後、ほぼ一定に保持されている。相対湿度が１００％である場合においては、ＯＣＶは、燃料電池システム１の運転開始当初、急激に低下した後、ほぼ一定に保持され、再び急激に低下した後、ほぼ一定に保持されている。

この結果から、ＯＣＶに関しては、短時間の使用では、相対湿度３０％程度が好ましく、長時間の使用では、相対湿度５０％程度の空気がカソード２４に供給されることが好ましいと言える。

図９に示される電解質抵抗のグラフにおいて、初期電解質抵抗は、相対湿度が５０％および１００％である場合がほぼ同じで最も低く、相対湿度が０％である場合が最も高い。相対湿度が３０％である場合の初期電解質抵抗は、相対湿度が０％である場合の初期電解質抵抗と相対湿度が５０％および１００％である場合の初期電解質抵抗とのほぼ中間の値である。また、電解質抵抗は、相対湿度にかかわらず、時間の経過とともにほぼ直線的に上昇している。相対湿度が３０％、５０％および１００％である場合のグラフの傾きは、ほぼ同じであり、相対湿度が０％である場合のグラフの傾きは、相対湿度が０％、５０％および１００％である場合と比較して急である。

この結果から、電解質抵抗に関しては、相対湿度５０％以上の空気がカソード２４に供給されることが好ましいと言える。

図１０に示される反応抵抗のグラフにおいて、初期反応抵抗は、相対湿度が３０％および１００％である場合がほぼ同じで低く、相対湿度が０％および５０％である場合がほぼ同じで高い。また、反応抵抗は、相対湿度にかかわらず、時間の経過とともにほぼ直線的に上昇している。相対湿度が０％、３０％および５０％である場合のグラフの傾きは、ほぼ同じで、相対湿度が１００％である場合のグラフの傾きは、相対湿度が０％、３０％および５０％である場合と比較して急である。

この結果から、反応抵抗に関しては、相対湿度０％から５０％程度の空気がカソード２４に供給されることが好ましく、相対湿度３０％程度の空気がカソード２４に供給されることがより好ましいと言える。

電解質抵抗は、電解質膜２２の劣化により上昇する。電解質膜２２は、一度劣化すると元に戻らないため、電解質抵抗は、不可逆である。一方、反応抵抗は、一度上昇しても低下させることができる（可逆である）。そのため、電解質抵抗の上昇を抑制することを優先して、カソード２４に供給される空気の適切な相対湿度を設定することが好ましい。

以上の結果を総合的に判断して、空気供給路４からカソード２４に供給される空気の相対湿度は、２０％以上かつ６０％以下の範囲内であることが好ましく、３０％以上かつ５０％以下の範囲内であることがより好ましいと言える。

電解質抵抗の上昇を特に抑制したい場合には、空気供給路４からカソード２４に供給される空気の相対湿度の好ましい範囲の上限を１００％としてもよい。

＜作用効果＞

以上のように、カソード２４に供給される空気を加湿することにより、カソード２４の乾燥を防止することができる。その結果、カソード２４の劣化およびカソード２４の反応に必要な水の不足を抑制でき、燃料電池２の出力電力の低下を抑制することができる。

＜変形例＞

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、他の形態で実施することもできる。

たとえば、空気供給路４からカソード２４に供給される空気の相対湿度を検出するセンサが設けられて、カソード２４に供給される空気の相対湿度が好適な範囲内に収まるように、加湿装置５がフィードバック制御されてもよい。

その他、前述の構成には、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。

１ 燃料電池システム
２ 燃料電池
３ 燃料供給路
４ 空気供給路
５ 加湿装置
２１ 膜／電極接合体
２２ 電解質膜
２３ アノード
２４ カソード

Claims (1)

1. 電解質膜の一方面および他方面にそれぞれアノードおよびカソードを接合してなる膜／電極接合体を備える燃料電池と、
   前記アノードに燃料を供給する燃料供給路と、
   前記カソードに空気を供給する空気供給路と、
   前記空気供給路を通して前記カソードに供給される空気を加湿する加湿装置とを含み、
   前記加湿装置は、前記カソードに供給される空気をその相対湿度が２０％以上かつ６０％以下の範囲内となるように加湿する、燃料電池システム。

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