JP5154043B2

JP5154043B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP5154043B2
Application number: JP2006245103A
Authority: JP
Inventors: 浩一郎朝澤
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2006-09-11
Filing date: 2006-09-11
Publication date: 2013-02-27
Anticipated expiration: 2026-09-11
Also published as: JP2008066211A

Description

本発明は、燃料電池システム、詳しくは、電解質層を有する燃料電池を備える燃料電池システムに関する。

従来より、環境への負荷を軽減する必要性から、燃料電池の開発および実用化が進められている。

電解質層を有する燃料電池は、電解質層の両側に、燃料として水素が供給される燃料側電極と、酸素が供給される酸素側電極とを備えており、燃料側電極に水素を供給し、酸素側電極に酸素を供給して、各電極で電気化学反応を生じさせることにより、起電力を発生させる。酸素は、一般的に、コンプレッサーなどで空気を圧送することにより供給されるが、空気中の酸素濃度は低いため、発電時に大きな分極が発生することにより電圧が低下し、発電効率が低下する場合がある。

このような発電効率の低下は、電解質膜および電極触媒に起因して発生する場合も少なくないが、とりわけ、酸素還元反応が律速段階である低電流域においては、酸素濃度が大きな要因となっており、電解質膜、電極触媒などを改良しても、発電効率を向上させることが困難である。

そこで、燃料電池に供給される空気中の酸素濃度を高めるべく、例えば、水素を含むアノードガスと酸素を含むカソードガスが供給されることで発電する燃料電池と、電力により作動するモータと、前記燃料電池へのカソードガスの供給系に配置され、電力により作動して酸素富化ガスを生成する酸素富化装置と、前記酸素富化装置の作動状態を制御する制御手段とを備える燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

この燃料電池システムでは、酸素富化装置の内部に酸素富化膜が設けられているため、空気をこの酸素富化膜に通すことによって、空気中の酸素濃度が高められ、燃料電池に酸素富化ガスを供給することができる。
特開２００５−１５０００６号公報

しかし、特許文献１に記載される燃料電池システムでは、酸素富化装置が燃料電池へのカソードガスの供給系に配置されているので、コンプレッサーから圧送される空気には、燃料電池に供給される以前に、酸素富化膜を通過する際の圧力損失が生じる。その一方で、燃料電池には、空気を、予め設定された供給圧力で供給する必要がある。そのため、この燃料電池システムでは、コンプレッサーから、より高圧で空気を圧送する必要がある。すると、コンプレッサーなどに余分な電力が必要となり、システム全体としての発電効率が低下する。また、燃料電池の起動時においては、上記した圧力損失に起因して、レスポンスが低下する。

本発明は、このような事情に鑑みなされたもので、その目的とするところは、簡単な構成で、発電効率を向上させることができる燃料電池を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の燃料電池システムは、燃料側電極、前記燃料側電極と対向配置される酸素側電極、および、前記燃料側電極および前記酸素側電極の間に介在される電解質層を有するセルを含む燃料電池と、前記酸素側電極に対して酸素含有ガスを供給および排出する酸素給排路と、酸素の給排方向における前記燃料電池の下流側において、前記酸素給排路に設けられており、前記燃料電池から前記酸素給排路へ排出された酸素含有ガス中の酸素の通過を抑制するための酸素通過抑制手段とを備え、前記酸素給排路は、前記酸素側電極から酸素含有ガスを排出させるとともに、前記酸素通過抑制手段が設けられる第１空気排出路と、前記第１空気排出路に対して、前記酸素通過抑制手段をバイパスするように接続される第２空気排出路とを備えており、下記低電流域では酸素含有ガスが前記酸素通過抑制手段を通過して排出され、下記高電流域では酸素含有ガスが酸素通過抑制手段を通過せずに排出されるように構成されていることを特徴としている。
低電流域：酸素側電極における酸素消費量＜第１空気排出路の窒素通過量
高電流域：酸素側電極における酸素消費量≧第１空気排出路の窒素通過量

本発明の燃料電池システムによれば、酸素通過抑制手段が、酸素の給排方向における燃料電池の下流側において、燃料電池から酸素給排路へ排出された酸素含有ガス中の酸素の通過を抑制するので、酸素給排路から酸素側電極へ供給される酸素含有ガス中の酸素濃度を高めることができる。そのため、発電時の分極に起因する電圧低下を抑制でき、燃料電池の発電効率を向上させることができる。また、本発明の燃料電池システムでは、酸素通過抑制手段が、酸素の給排方向における燃料電池の下流側において酸素給排路に設けられている。そのため、酸素の給排方向における燃料電池の上流側において、酸素通過抑制手段に起因する圧力損失が発生せず、しかも、酸素通過抑制手段によって、酸素側電極へ供給される酸素含有ガスの圧力を高めることができる。そのため、酸素給排路から酸素側電極へ酸素含有ガスを供給するための動力を低減することができ、発電効率の向上を図ることができる。

また、燃料電池の起動時においても、上記した圧力損失が発生しないため、迅速な応答により、効率的に起電力を発生させることができる。

図１は、本発明の燃料電池システムの一実施形態を示す概略構成図である。

図１において、この燃料電池システム１は、燃料電池２と、この燃料電池２に供給される水素ガスを貯留するための燃料タンク３と、燃料電池２に空気を圧送するためのエアコンプレッサ４と、この燃料電池システム１の各部を制御するためのコントローラ５とを備えている。

燃料電池２は、例えば、アルカリ形（ＡＦＣ）、固体高分子形（ＰＥＦＣ）、リン酸形（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩形（ＭＣＦＣ）、固体電解質形（ＳＯＦＣ）など、公知の燃料電池であって、燃料電池セル（単セル）６を複数積み重ねたスタック構造に形成されている。なお、図１では、便宜上、複数の燃料電池セル６のうち、１つだけ示し、その他の燃料電池セル６については省略して示している。また、以下では、燃料電池２を固体高分子形燃料電池として、その構成を説明する。

燃料電池セル６は、燃料側電極７、酸素側電極８、および、燃料側電極７および酸素側電極８の間に介在される電解質層９を有する。

燃料側電極７は、電解質層９の一方の面に対向接触されている。燃料側電極７の材料としては、特に制限されず、例えば、触媒が担持された多孔質担体などが挙げられる。
多孔質担体としては、特に制限されず、例えば、カーボンなどの撥水性担体が挙げられる。

触媒としては、特に制限されず、例えば、白金族元素（Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ）、鉄族元素（Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ）などの周期表第８〜１０（ＶＩＩＩ）族元素や、例えば、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕなどの周期表第１１（ＩＢ）族元素など、さらには、これらの組み合わせなどが挙げられ、好ましくは、Ｐｔ（白金）が挙げられる。また、燃料の種類によって一酸化炭素（ＣＯ）が副生する場合には、上記例示の元素とともに、ルテニウム（Ｒｕ）を用いることで、触媒の被毒を防止することができる。
一方、酸素側電極８は、電解質層９の他方の面に対向接触されている。酸素側電極８の材料としては、特に制限されず、例えば、燃料側電極７の材料として例示した、触媒が担持された多孔質担体などが挙げられる。

電解質層９としては、例えば、プロトン交換膜やアニオン交換膜などの固体高分子膜が挙げられる。

プロトン交換膜としては、その内部をプロトンが移動できる膜であれば、特に制限されず、例えば、パーフルオロスルホン酸膜が挙げられる。

一方、アニオン交換膜としては、その内部をアニオン（とりわけ、水酸化物イオン（ＯＨ⁻））が移動できる膜であれば、特に制限されず、例えば、４級アンモニウム基、ピリジニウム基などのアニオン交換基を有する固体高分子膜（アニオン交換樹脂）が挙げられる。

燃料電池セル６は、さらに、燃料供給部材１０および酸素供給部材１１を備えている。

燃料供給部材１０は、ガス不透過性の導電性部材からなり、その一方の面が、燃料側電極７に対向接触されている。そして、この燃料供給部材１０には、燃料側電極７の全体に燃料を接触させるための燃料側流路１２が、一方の面から凹む葛折状の溝として形成されている。なお、この燃料側流路１２には、その上流側端部および下流側端部に、燃料供給部材１０を貫通する水素ガス供給口１３および水素ガス排出口１４が、それぞれ燃料側流路１２と連続して形成されている。

水素ガス供給口１３には、燃料タンク３から供給される水素ガスの供給路である水素ガス供給路１５が接続されており、水素ガス供給路１５の途中部には、水素ガス供給路１５を流れる水素ガスの流圧（流量）を調節する水素ガス供給バルブ１６が設けられている。

一方、水素ガス排出口１４には、水素ガス排出路１７が接続されており、水素ガス排出路１７の途中部には、水素ガス排出路１７を流れる水素ガスの流圧（流量）を調節する水素ガス排出バルブ１８が設けられている。

酸素供給部材１１は、燃料供給部材１０と同様に、ガス不透過性の導電性部材からなり、その一方の面が、酸素側電極８に対向接触されている。そして、この酸素供給部材１１にも、酸素側電極８の全体に酸素（空気）を接触させるための酸素側流路１９が、一方の面から凹む葛折状の溝として形成されている。さらに、この酸素側流路１９にも、その上流側端部および下流側端部に、酸素供給部材１１を貫通する空気供給口２０および空気排出口２１が、それぞれ酸素側流路１９と連続して形成されている。

空気供給口２０には、エアコンプレッサ４が接続される空気供給路２２が接続されている。そのため、エアコンプレッサ４を所定の回転数で回転させることにより、空気供給路２２を介して燃料電池２に所望の量の空気を圧送することができる。なお、エアコンプレッサ４には、図示しない回転センサが設けられており、この回転センサにより回転数を検知することができる。

一方、空気排出口２１には、第１空気排出路２３が接続されている。
第１空気排出路２３の途中部（酸素の給排方向における燃料電池２の下流側）には、上流側から、圧力センサ２４、フィルタ２５（酸素通過抑制手段）および第１空気排出バルブ２６が順次設けられている。

圧力センサ２４は、第１空気排出路２３内の空気圧力を測定するためのセンサであり、この圧力センサ２４によって、第１空気排出路２３内の空気圧力を検知することができる。

フィルタ２５は、第１空気排出路２３を流れる空気中の酸素の通過を抑制するためのフィルタであって、その材料としては、酸素の通過を選択的に抑制できれば、特に制限されず、例えば、ゼオライトなどの酸素低透過膜材料が挙げられる。

第１空気排出バルブ２６は、第１空気排出路２３を流れる空気の流圧（流量）を調節するためのバルブである。

また、第１空気排出路２３には、圧力センサ２４とフィルタ２５との間および第１空気排出バルブ２６の下流側に、第２空気排出路２７の一端および他端がそれぞれフィルタ２５および第１空気排出バルブ２６をバイパスするように接続されており、第２空気排出路２７の途中部には、第２空気排出路２７を流れる空気の流圧（流量）を調節する第２空気排出バルブ２８が設けられている。

そのため、第１空気排出バルブ２６および第２空気排出バルブ２８の開度および開閉を適宜調節することにより、エアコンプレッサ４から供給された空気を、フィルタ２５を通過する第１空気排出路２３および／または第２空気排出路２７を通過する第１空気排出路２３へ排出することができる。
なお、本実施形態においては、空気供給路２２、空気供給口２０、酸素側流路１９、空気排出口２１、第１空気排出路２３および第２空気排出路２７を通る空気の流路が、本発明の酸素給排路に相当する。

コントローラ５は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭなどを備えるマイクロコンピュータで構成されている。

コントローラ５には、燃料電池２、エアコンプレッサ４および圧力センサ２４が、電気的に接続されており（図１の破線矢印参照）、これら各部が検知した信号が、入力信号としてコントローラ５に伝達される。例えば、燃料電池２からは、燃料電池２で発生した起電力により流れる電流の電流値が伝達される。また、例えば、エアコンプレッサ４からは、エアコンプレッサ４内に設けられた回転数センサ（図示せず）が検知する、エアコンプレッサ４の回転数が伝達される。さらに、例えば、圧力センサ２４からは、第１空気排出路２３内の空気圧力が伝達される。

また、コントローラ５には、水素ガス供給バルブ１６、水素ガス排出バルブ１８、第１空気排出バルブ２６および第２空気排出バルブ２８が、制御対象として電気的に接続されている（図１の破線矢印参照）。そのため、コントローラ５は、上記した各部（例えば、燃料電池２、エアコンプレッサ４および圧力センサ２４）からの入力信号に基づいて、水素ガス供給バルブ１６、水素ガス排出バルブ１８、圧力センサ２４、第１空気排出バルブ２６および第２空気排出バルブ２８の開度を制御することができる。

つまり、燃料供給系においては、水素ガス供給バルブ１６および水素ガス排出バルブ１８の開度および開閉を適宜調節することによって、例えば、高圧（例えば、３５０気圧）状態で燃料タンク３に充填されている水素ガスを減圧して、水素ガス供給路１５から燃料電池２に供給し、水素ガス排出路１７へ排出することができる。

一方、空気供給系においては、エアコンプレッサ４を所定の回転数で回転させ、第１空気排出バルブ２６および第２空気排出バルブ２８の開度および開閉を適宜調節することにより、空気供給路２２から燃料電池２に空気を供給し、フィルタ２５を通過する第１空気排出路２３および／または第２空気排出路２７を通過する第１空気排出路２３へ排出することができる。

そして、この燃料電池システム１では、上記したコントローラ５の制御により、水素ガス供給路１５から燃料電池２の燃料側流路１２に水素ガスが供給されるとともに、空気供給路２２から酸素側流路１９に空気（酸素）が供給されると、電気化学反応が起こり、燃料側電極７と酸素側電極８との間に起電力が発生する。

例えば、電解質層９としてプロトン交換膜が用いられる場合には、燃料側流路１２に水素ガスが供給されると、水素ガスが燃料側電極７に供給され、燃料側電極７において、下記一般式（１）に示されるように、水素ガス中の水素の酸化反応が起こり、プロトン（Ｈ^＋）および電子（ｅ⁻）が生成する。
２Ｈ_２→４Ｈ^＋＋４ｅ⁻ （１）
生成したプロトンは、電解質層９を通って酸素側電極８に移動する。一方、電子は、外部回路（図示せず）を通って酸素側電極８に移動する。

そして、プロトンおよび電子が酸素側電極８に到達すると、酸素側電極８において、下記一般式（２）に示されるように、酸素側流路１９を介して酸素側電極８に供給された空気中の酸素の還元反応が起こる。

２Ｏ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ⁻→２Ｈ_２Ｏ（２）
このように、外部回路（図示せず）を介して、燃料側電極７と酸素側電極８との間で電子が授受されることによって、起電力が発生して酸素側電極８から燃料側電極７へと電流が流れ、図２に、燃料電池２の電流−電圧特性曲線が示されるように、電圧を得ることができる。

実際に得られる電圧は、図２に示すように、分極（例えば、活性化分極、抵抗分極、拡散分極など）が生じるため、理論電圧より低い電圧となる。とりわけ、酸素の還元反応（上記一般式（２）参照）が律速段階である低電流域（例えば、図２の（ａ）で示される範囲）においては、空気中（酸素側流路１９中）の酸素濃度が大きな要因となる。つまり、空気中の酸素濃度が低いため、大きな分極（電圧低下）が生じている。

そこで、本実施形態では、前述したように、第１空気排出バルブ２６および第２空気排出バルブ２８の開度および開閉を適宜調節することによって、燃料電池２から排出される空気をフィルタ２５を通過する第１空気排出路２３に排出させて、酸素側流路１９中の酸素濃度を高めることができる。
より具体的には、第１空気排出バルブ２６を開け、第２空気排出バルブ２８を閉じることにより、燃料電池２から排出される空気は、第１空気排出路２３に流れ出し、第１空気排出路２３に設けられたフィルタ２５で、空気中の酸素の通過が抑制される。そのため、フィルタ２５より上流側、つまり、酸素側流路１９側の酸素濃度を高めることができ、酸素濃度に起因する分極を抑制することができる。その結果、図３に、燃料電池システム１の効率と燃料電池２の出力との関係が示されるように、フィルタ２５を設けない従来の燃料電池システム（図３の従来技術（ａ））と比較して、システム全体としての発電効率を向上させることができる。

また、この燃料電池システム１では、フィルタ２５が、空気の流れ方向における燃料電池２の下流側に設けられているため、エアコンプレッサ４から燃料電池２に空気を供給する際の圧力損失が生じず、エアコンプレッサ４の出力を余分に大きくする必要もない。そのため、燃料電池２の上流側に酸素富化膜を設けた従来の燃料電池システム（図３の従来技術（ｂ））と比較しても、システム全体としての発電効率を向上させることができる。

また、燃料電池２の起動時においても、上記した圧力損失が発生しないため、迅速な応答により、効率的に起電力を発生させることができる。

そして、第１空気排出バルブ２６および第２空気排出バルブ２８の開閉のタイミングについては、特に制限されないが、例えば、低電流域では、第１空気排出バルブ２６を開け、第２空気排出バルブ２８を閉じることにより、空気をフィルタ２５が設けられている第１空気排出路２３に排出させる一方で、高電流域では、第１空気排出バルブ２６を閉じ、第２空気排出バルブ２８を開けることにより、空気をフィルタ２５が設けられていない第２空気排出路２７に排出させることが好ましい。

なお、低電流域および高電流域の条件は、例えば、以下のとおりである。

低電流域：酸素側電極８における酸素消費量＜第１空気排出路２３の窒素通過量
高電流域：酸素側電極８における酸素消費量≧第１空気排出路２３の窒素通過量
このような電流域は、例えば、コントローラ５で判別される。つまり、コントローラ５で、酸素側電極８における酸素消費量と、第１空気排出路２３の窒素通過量と、が比較されることにより、いずれの電流域であるかどうか判別される。

ここで、酸素側電極８における酸素消費量は、例えば、燃料電池２からコントローラ５に伝達される燃料電池２の電流値と、上記一般式（２）と、から算出される。

一方、第１空気排出路２３の窒素通過量は、例えば、圧力センサ２４から伝達される空気圧力と、エアコンプレッサ４から伝達されるエアコンプレッサ４の回転数から算出される空気供給量と、から算出される。

このようなタイミングで第１空気排出バルブ２６および第２空気排出バルブ２８を開閉すると、エアコンプレッサ４の起動動力が必要な低電流域においては、酸素側流路１９内の酸素濃度を高めて、上記起動動力に必要な電力を補償することができる一方、エアコンプレッサ４が定常運転となる高電流域においては、通常通り空気を排出（第２空気排出路２７を通る第１空気排出路２３に排出）し、排出される空気に生じる余分な圧損（例えば、空気がフィルタ２５を通過する際に生じる圧損）を抑制することができるため、燃料電池システム１のシステム効率をいっそう向上させることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の実施形態は、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲で、適宜設計を変形することができる。

本発明の燃料電池システムの用途としては、例えば、自動車、鉄道、船舶、航空機などが挙げられる。

また、上記実施形態では、燃料電池２を固体高分子膜形燃料電池として説明したが、上記アルカリ形（ＡＦＣ）、リン酸形（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩形（ＭＣＦＣ）、固体電解質形（ＳＯＦＣ）などの燃料電池にも適用することができる。

また、燃料電池２の構造を、燃料電池セル６を１つだけ備える単セル構造とすることもできる。

さらに、酸素側電極８における酸素消費量を、燃料電池２からコントローラ５に伝達される燃料電池２の電流値と、上記一般式（２）とから算出したが、第１空気排出路２３（フィルタ２５の上流側）に酸素濃度センサを設け、この酸素濃度センサと、エアコンプレッサ４の回転数から算出される空気供給量とから算出することもできる。

本発明の燃料電池システムの一実施形態を示す概略構成図である。燃料電池の電流−電圧特性曲線である。燃料電池システムの効率と燃料電池の出力との関係を示すグラフである。

符号の説明

１燃料電池システム
２燃料電池
６燃料電池セル
７燃料側電極
８酸素側電極
９電解質層
２２空気供給路
２３第１空気排出路
２５フィルタ
２７第２空気排出路

Claims

燃料側電極、前記燃料側電極と対向配置される酸素側電極、および、前記燃料側電極および前記酸素側電極の間に介在される電解質層を有するセルを含む燃料電池と、
前記酸素側電極に対して酸素含有ガスを供給および排出する酸素給排路と、
酸素の給排方向における前記燃料電池の下流側において、前記酸素給排路に設けられており、前記燃料電池から前記酸素給排路へ排出された酸素含有ガス中の酸素の通過を抑制するための酸素通過抑制手段とを備え、
前記酸素給排路は、
前記酸素側電極から酸素含有ガスを排出させるとともに、前記酸素通過抑制手段が設けられる第１空気排出路と、
前記第１空気排出路に対して、前記酸素通過抑制手段をバイパスするように接続される第２空気排出路とを備えており、
下記低電流域では酸素含有ガスが前記酸素通過抑制手段を通過して排出され、
下記高電流域では酸素含有ガスが酸素通過抑制手段を通過せずに排出される
ように構成されていることを特徴とする、燃料電池システム。
低電流域：酸素側電極における酸素消費量＜第１空気排出路の窒素通過量
高電流域：酸素側電極における酸素消費量≧第１空気排出路の窒素通過量