JP2023155579A

JP2023155579A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2023155579A
Application number: JP2022064987A
Authority: JP
Inventors: 忍関根; Shinobu Sekine
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2022-04-11
Filing date: 2022-04-11
Publication date: 2023-10-23

Abstract

【課題】本開示は、フッ素排出量を精度良く算出可能な燃料電池システムを提供することを主目的とする。
【解決手段】本開示においては、フッ素を含有する電解質膜を有する燃料電池と、上記電解質の劣化を判定する判定装置と、を有する燃料電池システムであって、上記判定装置は、上記電解質膜のフッ素排出量を算出する算出部と、上記フッ素排出量に基づいて、上記電解質膜の上記劣化を判定する判定部と、を有し、上記算出部は、カソード側の酸素分圧、上記燃料電池の電圧、上記燃料電池の温度を考慮した第１予測式と、上記カソード側の水蒸気分圧を考慮した第２予測式と、に基づいて、上記フッ素排出量を算出する、燃料電池システムを提供することにより、上記課題を解決する。
【選択図】図１

Description

本開示は、燃料電池システムに関する。

燃料電池システムは、燃料極（アノード極）、電解質膜および酸素極（カソード極）を有する燃料電池に、燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給して、発電するシステムである。電解質膜として、例えばフッ素系高分子電解質膜が知られている。非特許文献１には、電解質膜の劣化を、Fluoride Release Rate (FRR)に基づいて判定することが開示されている。なお、Fluoride Release Rateは、Fluoride Emission Rate (FER)とも称され、本開示においては、ＦＥＲまたはフッ素排出量と称する。

M. Chandesris et. al, " Membrane degradation in PEM fuel cells: From experimental results to semi-empirical degradation laws", International journal of hydrogen energy 42 (2017) 8139-8149

非特許文献１には、フッ素排出量の予測式として、式（１）が開示されている。この予測式では、フッ素排出量を精度良く算出できない場合がある。

本開示は、上記実情に鑑みてなされたものであり、フッ素排出量を精度良く算出可能な燃料電池システムを提供することを主目的とする。

本開示においては、フッ素を含有する電解質膜を有する燃料電池と、上記電解質の劣化を判定する判定装置と、を有する燃料電池システムであって、上記判定装置は、上記電解質膜のフッ素排出量を算出する算出部と、上記フッ素排出量に基づいて、上記電解質膜の上記劣化を判定する判定部と、を有し、上記算出部は、カソード側の酸素分圧、上記燃料電池の電圧、上記燃料電池の温度を考慮した第１予測式と、上記カソード側の水蒸気分圧を考慮した第２予測式と、に基づいて、上記フッ素排出量を算出する、燃料電池システムを提供する。

本開示によれば、所定の予測式を用いることで、フッ素排出量を精度良く算出できる。そのため、電解質膜の劣化を、精度良く判定できる。

本開示においては、フッ素排出量を精度良く算出可能な燃料電池システムを提供できるという効果を奏する。

本開示における燃料電池システムの構成を例示する概略図である。本開示における燃料電池を例示する概略断面図である。本開示におけるフッ素排出量の算出結果を示すグラフである。本開示における判定装置の処理を例示するフロー図である。

以下、本開示における燃料電池システムについて、詳細に説明する。

図１は、本開示における燃料電池システムの構成を例示する概略図である。図１に示される燃料電池システム１００は、フッ素を含有する電解質膜を有する燃料電池１０と、燃料電池１０の状態を監視する監視ユニット２０と、燃料電池システム１００の各種御を行う電子制御装置（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）３０と、を備える。ＥＣＵ３０は、本開示における判定装置としても機能し、電解質膜の劣化を判定する。本開示における判定装置は、電解質膜のフッ素排出量を算出する算出部と、そのフッ素排出量に基づいて、電解質膜の劣化を判定する判定部と、を有する。また、算出部は、後述する第１予測式および第２予測式に基づいて、フッ素排出量を算出する。

本開示によれば、所定の予測式を用いることで、フッ素排出量を精度良く算出できる。そのため、電解質膜の劣化を、精度良く判定できる。上述したように、非特許文献１には、フッ素排出量の予測式として、式（１）が開示されている。この予測式は、本開示における第１予測式に含まれるが、第１予測式のみの場合、フッ素排出量を精度良く算出できない場合がある。これに対して、本開示においては、カソード側の水蒸気分圧を考慮した第２予測式を組み合わせて用いることで、フッ素排出量を精度良く算出できる。また、例えば、フッ素排出量を実測で求めることは可能であるが、フッ素排出量を測定するための装置が必要になる。これに対して、本開示においては、予測式を用いて、電解質膜の劣化を判定するため、フッ素排出量を測定するための装置が不要になるという利点がある。

１．燃料電池
図２は、本開示における燃料電池を例示する概略断面図である。図２に示される燃料電池（単セル）１０は、カソード側ガス拡散層１、カソード触媒層２、電解質膜３、アノード触媒層４、アノード側ガス拡散層５がこの順に積層された膜－電極接合体（ＭＥＡ）１１と、ＭＥＡ１１を挟持する２枚のセパレータ１２と、を有している。燃料電池は、単セルであってもよく、複数の単セルが積層された積層体であってもよい。

本開示における電解質膜は、フッ素を含有する。電解質膜は、通常、フッ素系高分子電解質膜である。フッ素系高分子電解質膜としては、例えば、パーフルオロスルホン酸系高分子電解質膜が挙げられる。

カソード触媒層およびアノード触媒層は、例えば、電気化学反応を促進する触媒、触媒を担持する母材、プロトン伝導性を有する電解質、および、電子伝導性を有するカーボン粒子を備える。触媒としては、例えば、Ｐｔ（白金）、Ｒｕ（ルテニウム）等の金属単体、Ｐｔを含む合金が挙げられる。電解質としては、例えば、パーフルオロスルホン酸系高分子電解質等のフッ素系高分子電解質、炭化水素系電解質膜が挙げられる。また、母材および導電材としては、例えば、カーボン等の炭素材料が挙げられる。

アノード側ガス拡散層およびカソード側ガス拡散層は、ガス透過性を有する導電性部材であってもよい。導電性部材としては、例えば、カーボンクロスおよびカーボンペーパー等のカーボン多孔質体、金属メッシュおよび発泡金属等の金属多孔質体が挙げられる。

セパレータは、ガス拡散層（アノード側ガス拡散層およびカソード側ガス拡散層）に対向する面にガス流路を有していてもよい。セパレータの材料としては、例えば、ステンレス鋼等の金属材料およびカーボンコンポジット材等の炭素材料を挙げることができる。

２．監視ユニット
燃料電池システムは、燃料電池の状態を監視する監視ユニットを備えていてもよい。図１に示すように、監視ユニット２０は、燃料電池１０の状態を監視し、その監視結果をＥＣＵ３０に出力する。燃料電池システムは、監視ユニットとして、電圧計、電流計、温度計、湿度計、ガス流量径等の装置を有することが好ましい。

３．判定装置
（１）判定装置の構成
本開示における燃料電池システムは、電解質の劣化を判定する判定装置を有する。上述したように、電子制御装置（ＥＣＵ）は、本開示における判定装置としても機能し、ＣＰＵ（Central Processing Unit）と、メモリと、各種信号を入出力するための入出力ポートとを含む。メモリは、例えば、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、および、書き換え可能な不揮発性メモリを含む。メモリに記憶されているプログラムをＣＰＵが実行することで、各種制御が実行される。ＥＣＵが行なう各種制御については、ソフトウェアによる処理に限られず、専用のハードウェア（電子回路）で処理することも可能である。

判定装置は、その機能を実現するための処理ブロックとして、算出部および判定部を有する。算出部は、電解質膜のフッ素排出量を算出するように構成されている。また、算出部は、カソード側の酸素分圧、燃料電池の電圧、燃料電池の温度を考慮した第１予測式と、カソード側の水蒸気分圧を考慮した第２予測式と、に基づいて、フッ素排出量を算出するように構成されている。

第１予測式は、カソード側の酸素分圧、燃料電池の電圧、燃料電池の温度を考慮した式である。第１予測式は、ＦＥＲ（ｖＦ）を予測する式であり、例えば、以下の式（１．１）～式（１．３）の式で表される。

式（１．１）において、Ａ_１、Ａ_２、α_ｅｑ、Ｅ_ａおよびＴ_０の５個は、フッティングパラメータに相当する。特に、α_ｅｑは非対称パラメータ、Ｅ_ａは反応エネルギー、Ｔ_０は実験における基準温度に対応している。また、式（１．２）において、ΔＰ_Ｏ２はカソード（Ｃ）およびアノード（ａ）の酸素分圧の差である。また、式（１．３）において、カソード側の酸素分圧の計算には、相対湿度ＲＨ_ｃを用いて、含有している水の分圧による補正をした値が採用されている。

式（１．１）において、Ｔがセルの温度、Ｕが１つのセルが発電しているときの電圧に対応している。また、ｅ_Ｍは膜厚であり、特に初期の膜厚をｅ^０ _Ｍとしている。また、式（１．１）および式（１．３）において、ＦおよびＲは、それぞれ、ファラデー定数および気体定数である。また、また、式（１．３）において、ｘ_Ｏ２は乾燥している空気の酸素分圧比であり、例えば０．２１に固定できる。Ｐ_ｓａｔは飽和水蒸気圧であり、Ｐ_ｃはカソード側ガスの全圧である。

式（１．１）において、ＦＥＲ（ｖＦ）は、Ａ_１項と、Ａ_２項とを有する。Ａ_１項は、非特許文献１に記載された式（１）に該当する。また、下記に示すように、Ａ_１項において、１で示す項は、酸素分圧および膜厚に関し、２で示す項は、燃料電池の電圧に関し、３で示す項は、燃料電池の温度に関する。また、式（１．１）では、Ａ_２項を有する。実際に実験すると、一定量のＦＥＲが常に観測されることから、式（１．１）では、その分をＡ_２項として考慮している。Ａ_２項は、例えば、電解質膜を製造したときに混入されてしまう、低分子化した電解質膜成分の影響を考慮したものである。

第１予測式は、以下の式（１．４）～式（１．６）の式で表されることが好ましい。

式（１．４）は、式（１．１）に対応する式であるが、膜厚の変動は小さいため、膜厚に関する事項を無視している。そのため、Ａ^～ _１項では、酸素分圧、燃料電池の電圧および燃料電池の温度を考慮している。また、式（１．１）において、Ｔ_０を含む定数項は、まとめることができるので、式（１．４）では、定数項をＡ^～ _１としてまとめた。Ａ^～ _１は、式（１．５）で表すことができる。また、酸素分圧について、アノード側の酸素分圧の値は小さいので、無視している。すなわち、式（１．４）および式（１．６）においては、カソード側の酸素分圧のみを考慮している。

また、第２予測式は、例えば、以下の式（１．７）の式で表される。式（１．７）におけるＡ_３項は、カソード側の水蒸気分圧を考慮した式である。電解質膜が劣化して低分子化する要因は、水等から生成されたＯＨラジカルである。ＯＨラジカルの濃度は、電解質膜の劣化に影響を与えるため、その生成原因である水の濃度が、電解質膜の劣化の重要なパラメータになると考えられる。また、式（１．７）におけるＡ_４項は、式（１．１）におけるＡ_２項と同様である。さらに、式（１．８）に示すように、第１予測式と、第２予測式とに基づいて、ＦＥＲ（ｖＦ）の近似値として、式（１．４）におけるｆ_１と、式（１．７）におけるｆ_２との大きい値を採用する。

また、式（１．４）～式（１．８）では、Ａ^～ _１、Ａ_２、Ａ_３、Ａ_４、α_ｅｑおよびＥ_ａの計６個のフィティングパラメータがある。これらのフィティングパラメータは、実験データを再現するように選択される。フィティングパラメータの例を表１に示し、各式で使用する物理定数を表２に示す。

図３は、本開示におけるフッ素排出量（ＦＥＲ）の算出結果を示すグラフである。図３において、ＦＥＲ（実測）と、ｆ_１（第１予測式）とを比較すると、ｆ_１は、ＦＥＲの値が大きい場合は精度が良好であったが、ＦＥＲの値が小さい場合は、精度が良好ではなかった。一方、ＦＥＲ（実測）と、ｆ_２（第２予測式）と比較すると、ｆ_２は、ＦＥＲの値が小さい場合は、精度が良好であった。そのため、ｆ_１（第１予測式）およびｆ_２（第２予測式）のうち、ＦＥＲが大きい方の値を採用した場合に、フッ素排出量を精度良く算出することができた。

判定部は、算出部で算出されたフッ素排出量に基づいて、電解質膜の劣化を判定するように構成されている。判定部は、例えば、算出されたフッ素排出量の時間変化に基づいて、フッ素排出量の積算値（ＦＥＲ積算値）を求める。ＦＥＲ積算値が、閾値未満である場合、判定部は、電解質膜の劣化は、許容範囲内であると判定する。一方、ＦＥＲ積算値が、閾値以上である場合、判定部は、電解質膜の劣化は、許容範囲外であると判定する。

（２）判定装置が行う処理
図４は、本開示における判定装置が実行する処理を例示するフローチャートである。ステップＳ１では、電解質膜のフッ素排出量を算出する。ステップＳ２では、算出されたフッ素排出量の時間変化に基づいて、フッ素排出量の積算値（ＦＥＲ積算値）を求め、その値が、閾値未満である場合はステップＳ１に戻り、閾値以上である場合はステップＳ３に進む。ステップＳ３では、表示部に、電解質膜の劣化を示すアラートを表示し、処理を終了する。

４．燃料電池システム
本開示における燃料電池システムの用途としては、例えば、燃料電池車（ＦＣＥＶ）等の車両が挙げられる。また、本開示における燃料電池システムは、車両以外の移動体（例えば、鉄道、船舶、航空機）に用いられてもよく、移動体以外に用いられてもよい。

本開示は、上記実施形態に限定されない。上記実施形態は、例示であり、本開示における特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本開示における技術的範囲に包含される。

１０ …燃料電池
２０ …監視ユニット
３０ …電子制御装置
１００ …燃料電池システム

Claims

フッ素を含有する電解質膜を有する燃料電池と、
前記電解質の劣化を判定する判定装置と、を有する燃料電池システムであって、
前記判定装置は、
前記電解質膜のフッ素排出量を算出する算出部と、
前記フッ素排出量に基づいて、前記電解質膜の前記劣化を判定する判定部と、を有し、
前記算出部は、カソード側の酸素分圧、前記燃料電池の電圧、前記燃料電池の温度を考慮した第１予測式と、前記カソード側の水蒸気分圧を考慮した第２予測式と、に基づいて、前記フッ素排出量を算出する、燃料電池システム。