JP2009026482A - 燃料電池システムおよび燃料電池の運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 調湿器を必要とせず、電解質膜の湿潤状態を適度に調整することができる燃料電池システムおよび燃料電池の運転方法を提供する。
【解決手段】 燃料電池システム（１００）は、固体高分子型の電解質膜（３１１）を備える燃料電池（３０）と、燃料電池を加熱する加熱手段（５０）と、燃料電池が発電停止した後セル温度が０℃以下になるまでの経過時間を測定または予測する経過時間取得手段（７０）と、経過時間が所定の時間以下であるか否かを判定する判定手段（７０）と、経過時間が所定の時間以下であると判定された場合に燃料電池が加熱されるように加熱手段を制御する制御手段（７０）と、を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池および燃料電池の運転方法に関する。

燃料電池は、一般的には水素および酸素を燃料として電気エネルギを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れており、また高いエネルギ効率を実現できることから、今後のエネルギ供給システムとして広く開発が進められてきている。特に、固体高分子型燃料電池は、各種の燃料電池の中でも比較的低温で作動することから、良好な起動性を有する。そのため、多方面における実用化のために盛んに研究がなされている。

この固体高分子型燃料電池においては、氷点下における起動性向上のため、発電停止後にガス流路に乾燥ガスを供給してガス流路における水分の凍結を防止する研究がなされている。しかしながら、乾燥ガスによって電解質膜が乾燥すると、起動性が低下する。そこで、電解質膜を適当な湿潤状態に維持するために、アノードまたはカソードの少なくとも一方に、湿潤状態が調整された湿潤ガスを供給する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１の技術では、アノードおよびカソードの少なくとも一方の水が除去され、電解質膜の湿潤状態が維持される。

特開２００４−１９９９８８号公報

しかしながら、特許文献１の技術では、湿潤ガスの湿潤状態を調整するための調湿器が必要となる。また、相対湿度は温度に依存するので、降温過程にある燃料電池においては、調湿の意味がない。

本発明は、調湿器を必要とせず、電解質膜の湿潤状態を適度に調整することができる燃料電池システムおよび燃料電池の運転方法を提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池システムは、固体高分子型の電解質膜を備える燃料電池と、燃料電池を加熱する加熱手段と、燃料電池が発電停止した後、セル温度が０℃以下になるまでの経過時間を測定または予測する経過時間取得手段と、経過時間が所定の時間以下であるか否かを判定する判定手段と、経過時間が所定の時間以下であると判定手段により判定された場合に、燃料電池が加熱されるように加熱手段を制御する制御手段と、を備えることを特徴とするものである。

本発明に係る燃料電池システムにおいては、セル温度が０℃以下になるまでの経過時間が所定の時間以上になる。それにより、セル温度が０℃以下になるまでに電解質膜における含水量が多くなる。したがって、調湿器を必要とせず、電解質膜の湿潤状態を適度に調整することができる。また、触媒層等における氷の成長を抑制することができる。その結果、セルの劣化を抑制することができる。

制御手段は、所定の時間と経過時間との差に応じて、加熱手段による燃料電池に対する加熱量を決定してもよい。また、制御手段は、所定の時間と経過時間との差が大きいほど、加熱手段による燃料電池に対する加熱量を多くしてもよい。また、上記所定の時間は、燃料電池の発電停止後、電解質膜の含水量が飽和含水量になるまでの時間であってもよい。

本発明に係る燃料電池の運転方法は、固体高分子型の電解質膜を備える燃料電池の発電停止後、セル温度が０℃以下になるまでの経過時間を測定または予測する経過時間取得ステップと、経過時間が所定の時間以下であるか否かを判定する判定ステップと、経過時間が所定の時間以下であると判定された場合に、燃料電池を加熱する加熱ステップと、を含むことを特徴とするものである。

本発明に係る燃料電池の運転方法においては、セル温度が０℃以下になるまでの経過時間が所定の時間以上になる。それにより、セル温度が０℃以下になるまでに電解質膜における含水量が多くなる。したがって、調湿器を必要とせず、電解質膜の湿潤状態を適度に調整することができる。また、触媒層等における氷の成長を抑制することができる。その結果、セルの劣化を抑制することができる。

加熱ステップは、所定の時間と経過時間との差に応じて燃料電池に対する加熱量を決定する決定ステップを含んでいてもよい。また、決定ステップにおいて、所定の時間と経過時間との差が大きいほど、加熱手段による燃料電池に対する加熱量を多くしてもよい。また、上記所定の時間は、燃料電池の発電停止後、電解質膜の含水量が飽和含水量になるまでの時間であってもよい。

本発明によれば、調湿器を必要とせず、電解質膜の湿潤状態を適度に調整することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。

図１および図２を参照しつつ、本発明の第１実施例に係る燃料電池システム１００について説明する。図１は、燃料電池システム１００の全体構成を示す模式図である。図２は、後述するセル３１の模式的断面図である。図１に示すように、燃料電池システム１００は、酸化剤ガス供給手段１０、燃料ガス供給手段２０、燃料電池３０、温度センサ３２、冷却水供給手段４０、加温水供給手段５０、三方弁６０および制御手段７０を備える。

酸化剤ガス供給手段１０は、燃料電池３０に酸素を含有する酸化剤ガスを供給するための装置である。酸化剤ガス供給手段１０としては、エアポンプ等を用いることができる。酸化剤ガス供給手段１０は、制御手段７０の指示に従って、酸化剤ガスを燃料電池３０に供給する。燃料ガス供給手段２０は、燃料電池３０に水素を含有する燃料ガスを供給するための装置である。燃料ガス供給手段２０として、液体水素タンク、圧縮水素タンク、改質器等を用いることができる。燃料ガス供給手段２０は、制御手段７０の指示に従って、燃料ガスを燃料電池３０に供給する。

燃料電池３０は、複数のセル３１が積層されたスタック構造を有する。セル３１の詳細は後述する。温度センサ３２は、セル３１の温度を検出するためのセンサである。温度センサ３２は、検出した温度を制御手段７０に与える。冷却水供給手段４０は、燃料電池３０に冷却水を供給するための装置である。冷却水供給手段４０は、制御手段７０の指示に従って、冷却水を燃料電池３０に供給する。加温水供給手段５０は、燃料電池３０に加温水を供給するための装置である。加温水供給手段５０は、制御手段７０の指示に従って、加温水を燃料電池３０に供給する。

三方弁６０は、冷却水供給手段４０および燃料電池３０を接続する通路と加温水供給手段５０および燃料電池３０を接続する通路とのいずれかを開通させる弁である。三方弁６０は、制御手段７０の指示に従って、上記通路のいずれかを開通させる。

制御手段７０は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）等から構成される。制御手段７０は、温度センサ３２の検出結果に基づいて、燃料電池システム１００を制御する。また、制御手段７０は、所定の時間からの経過時間を記録するタイマー機能を有する。

次に、セル３１の詳細について説明する。本実施例においては、セル３１は、固体高分子型燃料電池構造を有する。図２に示すように、セル３１は、プロトン伝導性を有する固体高分子からなる電解質膜３１１の一方の面にアノード触媒層３１２、ガス拡散層３１３およびセパレータ３１４が順に積層され、他方の面にカソード触媒層３１５、ガス拡散層３１６、セパレータ３１７が順に積層された構造を有する。

電解質膜３１１は、例えば、パーフルオロスルフォン酸型ポリマーからなる。アノード触媒層３１２は、水素のプロトン化を促進する触媒層である。カソード触媒層３１５は、プロトンと酸素との反応を促進する触媒層である。アノード触媒層３１２およびカソード触媒層３１５は、例えば、白金担持カーボンからなる。ガス拡散層３１３は水素を含有する燃料ガスを透過する層である。ガス拡散層３１６は、酸素を含有する酸化剤ガスを透過する層である。ガス拡散層３１３，３１６は、例えば、カーボンペーパからなる。セパレータ３１４には、燃料ガス流路が設けられている。セパレータ３１７には、酸化剤ガス流路が設けられている。

（発電制御）
続いて、燃料電池３０による発電について説明する。まず、制御手段７０は、燃料ガスがセパレータ３１４の燃料ガス流路に供給されるように、燃料ガス供給手段２０を制御する。この燃料ガスは、ガス拡散層３１３を透過してアノード触媒層３１２に到達する。燃料ガスに含まれる水素は、アノード触媒層３１２の触媒を介してプロトンと電子とに解離する。プロトンは、電解質膜３１１を伝導してカソード触媒層３１５に到達する。

一方、制御手段７０は、酸化剤ガスがセパレータ３１７の酸化剤ガス流路に供給されるように、酸化剤ガス供給手段１０を制御する。この酸化剤ガスは、ガス拡散層３１６を透過してカソード触媒層３１５に到達する。カソード触媒層３１５においては、触媒を介してプロトンと酸素とが反応する。それにより、発電が行われるとともに、水が生成される。また、制御手段７０は、燃料電池３０において発電が行われる際に冷却水が燃料電池３０に供給されるように、冷却水供給手段４０および三方弁６０を制御する。それにより、燃料電池３０の温度が適度な温度に調整される。

ここで、氷点下において燃料電池３０が発電を停止する場合、発電の際に生成された水分の凍結に伴ってセル３１が劣化するおそれがある。図３に、セル３１の劣化について考えられる原理を示す。まず、図３（ａ）に示すように、氷点下において電解質膜３１１の含水量が比較的少ない場合、水分の凍結過程においてガス流路等に滞留する水分が電解質膜３１１に吸引される。吸引された水分は、アノード触媒層３１２およびカソード触媒層３１５において氷となって成長する。この場合、成長に伴う氷の体積膨張をアノード触媒層３１２およびカソード触媒層３１５の細孔で吸収できなくなる。それにより、図３（ｂ）に示すように、アノード触媒層３１２およびカソード触媒層３１５が劣化する。その結果、セル３１が劣化する。

一方、図４（ａ）に示すように、氷点下において電解質膜３１１の含水量が比較的多い場合、ガス流路等に滞留する水分の吸引が抑制される。この場合、氷の成長が抑制される。それにより、図４（ｂ）に示すように、アノード触媒層３１２およびカソード触媒層３１５に含まれる水分が氷となっても、アノード触媒層３１２およびカソード触媒層３１５の細孔で水分の体積膨張を吸収することができる。

燃料電池３０の発電停止後のセル３１の温度が氷点下になるまでの経過時間が十分に長いと、セル３１の温度が氷点下になるまでに電解質膜３１１の含水量が十分に多くなる。それにより、水分の凍結過程における水分の吸引が抑制される。その結果、氷の成長が抑制され、セル３１の劣化を抑制することができる。本実施例に係る燃料電池システム１００は、この原理を利用してセル３１の劣化を回避する。以下、詳細を説明する。

（劣化回避制御）
まず、制御手段７０は、温度センサ３２の検出結果に基づいて、燃料電池３０の発電停止後にセル３１の温度が０℃以下になるまでの経過時間ｔ_０を取得する。制御手段７０は、経過時間ｔ_０が所定時間（以下、時間ｔ_ｓｔと称する。）より小さい場合、加温水が燃料電池３０に供給されるように加温水供給手段５０および三方弁６０を制御する。

この制御によれば、セル３１における水分の凍結が回避される。したがって、燃料電池３０の発電停止時に電解質膜３１１の含水量が少なければ、電解質膜３１１による吸水時間が長くなって電解質膜３１１の含水量が増加する。それにより、セル３１の温度が０℃以下になった場合に、アノード触媒層３１２およびカソード触媒層３１５における氷の成長を抑制することができる。その結果、セル３１の劣化を抑制することができる。また、本実施例によれば、調湿器等を必要とせず、電解質膜３１１の湿潤状態を適度に調整することができる。

時間ｔ_ｓｔは、特に限定されるものではないが、例えばセル３１の性能維持率に基づいて決定される。ここで、セル３１の性能維持率とは、セル３１の出力の初期出力に対する比率を意味する。したがって、セル３１の性能維持率は、「１」に近いことが好ましい。セル３１の性能維持率は、セル３１の温度が氷点下および常温を繰り返すことによって、低下する。

図５（ａ）は、経過時間ｔ_０とセル３１の性能維持率との関係を示す図である。図５（ａ）において、横軸はセル３１の温度の氷点下および常温の繰返し数（以下、氷点下／常温繰返し数と称する。）を示し、縦軸はセル３１の性能維持率を示す。図５（ａ）に示すように、氷点下／常温の繰返し数の増加に伴って、性能維持率が低下する。セル３１が劣化するからである。しかしながら、経過時間ｔ_０が大きい場合には、性能維持率の低下幅が小さくなる。電解質膜３１１の含水量が増加して、水分の凍結過程における電解質膜３１１への水分の吸引が抑制されるからである。

そこで、所定の氷点下／常温繰返し数に対して、許容される性能維持率（例えば、０．９５）を実現する経過時間を時間ｔ_ｓｔと定義することができる。図５（ｂ）は、氷点下／常温繰返し数と所定の性能維持率を実現する時間ｔ_ｓｔとの関係を示す図である。図５（ｂ）において、縦軸は氷点下／常温繰返し数を示し、横軸は時間ｔ_ｓｔを示す。

このような過程で時間ｔ_ｓｔを定めることによって、セル３１の温度が氷点下および常温を繰り返しても、セル３１の性能を維持することができる。なお、時間ｔ_ｓｔは、電解質膜３１１の含水量が飽和含水量になるまでの時間であってもよい。この場合、セル３１の劣化をより抑制することができる。

また、本実施例においては発電停止後に各セパレータのガス流路を乾燥させる乾燥処理を行ってないが、乾燥処理を行う場合には乾燥処理後にセル３１の温度が０℃以下になるまでの経過時間を経過時間ｔ_０としてもよい。したがって、経過時間ｔ_０とは、燃料電池３０の発電停止直後からセル３１の温度が０℃以下になるまでの経過時間に限られず、燃料電池３０の発電停止後の所定時刻からセル３１の温度が０℃以下になるまでの経過時間であってもよい。このような場合においても、図５（ａ）および図５（ｂ）のような関係から、時間ｔ_ｓｔを求めることができる。

続いて、制御手段７０による劣化回避制御のフローチャートの一例を示す。図６は、上記フローチャートを示す図である。まず、制御手段７０は、温度センサ３２の検出結果を受け取る（ステップＳ１）。次に、制御手段７０は、セル３１の温度が０℃以下であるか否かを判定する（ステップＳ２）。ステップＳ２においてセル３１の温度が０℃以下であると判定されなかった場合、制御手段７０は、ステップＳ１を再度実行する。

ステップＳ２においてセル３１の温度が０℃以下であると判定された場合、制御手段７０は、経過時間ｔ_０を取得する（ステップＳ３）。具体的には、制御手段７０は、燃料電池３０が発電停止してからセル３１の温度が０℃以下になるまでの時間を経過時間ｔ_０として取得する。

次に、制御手段７０は、経過時間ｔ_０が時間ｔ_ｓｔ以下であるか否かを判定する（ステップＳ４）。ステップＳ４において経過時間ｔ_０が時間ｔ_ｓｔ以下であると判定された場合、制御手段７０は、燃料電池３０に加温水が供給されるように、加温水供給手段５０および三方弁６０を制御する（ステップＳ５）。その後、制御手段７０は、ステップＳ２を再度実行する。ステップＳ４において経過時間ｔ_０が時間ｔ_ｓｔ以下であると判定されなかった場合、制御手段７０は、フローチャートの実行を終了する。なお、時間ｔ_ｓｔは、図５（ａ）および図５（ｂ）のような実験結果から求めてもよい。

上記フローチャートに従った制御によれば、セル３１の温度が０℃以下に達する時間が短い場合に、電解質膜３１１に十分に含水させることができる。それにより、セル３１の温度が０℃以下になったとしてもセル３１の劣化を抑制することができる。

（変形例）
制御手段７０は、経過時間ｔ_０に基づいて加温水供給手段５０による燃料電池３０の加熱量を決定してもよい。図７（ａ）に、セル３１の温度が０℃以下に達するまでの経過時間ｔ_０とセル３１の温度変化との関係について示す。図７（ａ）において、縦軸はセル３１の温度変化を示し、横軸は経過時間ｔ_０を示す。図７（ａ）に示すように、セル３１の温度が０℃以下に達する経過時間ｔ_０が上記時間ｔ_ｓｔよりも小さい場合（例えば、ｔ_０＝ｔ_１またはｔ_２）、温度低下の勾配が大きくなる。セル３１の温度が０℃以下に達する時間を十分に大きくしようとすると、セル３１に与える熱量も大きくなる。図７（ｂ）に経過時間ｔ_０とセル３１に与える熱量との関係を示す。

図７（ｂ）において、縦軸はセル３１に与える熱量を示し、横軸は（時間ｔ_ｓｔ−経過時間ｔ_０）を示す。図７（ｂ）に示すように、温度低下の勾配は、例えば（ｔ_ｓｔ−ｔ_０）に比例する。したがって、経過時間ｔ_０が定まると、セル３１に与える熱量が定まる。本実施例においては、加温水供給手段５０による加温水の供給時間を増減させることによって、セル３１に与える熱量を増減させることができる。

図８に、図７の原理を取り入れたフローチャートの一例を示す。まず、制御手段７０は、燃料電池３０の運転停止後の経過時間ｔを記録する（ステップＳ１１）。次に、制御手段７０は、経過時間ｔが時間ｔ_ｓｔ以下であるか否かを判定する（ステップＳ１２）。ステップＳ１２においてステップＳ１２において経過時間ｔが時間ｔ_ｓｔ以下であると判定されなかった場合、制御手段７０は、フローチャートの実行を終了する。

ステップＳ１２において経過時間ｔが時間ｔ_ｓｔ以下であると判定された場合、制御手段７０は、温度センサ３２の検出結果に基づいてセル３１の温度Ｔを取得する（ステップＳ１３）。次に、制御手段７０は、セル３１の温度Ｔが０℃以下であるか否かを判定する（ステップＳ１４）。ステップＳ１４においてセル３１の温度Ｔが０℃以下であると判定されなかった場合、制御手段７０は、ステップＳ１２を再度実行する。

ステップＳ１４においてセル３１の温度Ｔが０℃以下であると判定された場合、制御手段７０は、（時間ｔ_ｓｔ−経過時間ｔ）に基づいて、加温水供給手段５０による加温水の供給時間ｔ_ｈを算出する（ステップＳ１５）。この場合、図７（ｂ）のような関係を用いることができる。次いで、制御手段７０は、加温水供給手段５０による加温水供給時間が供給時間ｔ_ｈになるように、加温水供給手段５０および三方弁６０を制御する（ステップＳ１６）。その後、制御手段７０は、フローチャートの実行を終了する。

上記フローチャートに従った制御によれば、セル３１の温度が０℃以下に達する時間が短い場合に、電解質膜３１１に十分に含水させることができる。それにより、セル３１の温度が０℃以下になったとしてもセル３１の劣化を抑制することができる。

図９は、図７の原理を取り入れたフローチャートの他の例を示す。まず、制御手段７０は、温度センサ３２の検出結果に基づいてセル３１の温度Ｔを取得する（ステップＳ２１）。次に、制御手段７０は、セル３１の温度Ｔが０℃以下であるか否かを判定する（ステップＳ２２）。ステップＳ２２においてセル３１の温度Ｔが０℃以下であると判定されなかった場合、制御手段７０は、フローチャートの実行を終了する。

ステップＳ２２においてセル３１の温度Ｔが０℃以下であると判定された場合、制御手段７０は、経過時間ｔ_０を取得する（ステップＳ２３）。具体的には、制御手段７０は、燃料電池３０が発電停止してからセル３１の温度が０℃以下になるまでの時間を経過時間ｔ_０として取得する。次に、制御手段７０は、経過時間ｔ_０が時間ｔ_ｓｔ以下であるか否かを判定する（ステップＳ２４）。ステップＳ２４において経過時間ｔ_０が時間ｔ_ｓｔ以下であると判定されなかった場合、制御手段７０は、ステップＳ２２を再度実行する。

ステップＳ２４において経過時間ｔ_０が時間ｔ_ｓｔ以下であると判定された場合、制御手段７０は、（時間ｔ_ｓｔ−経過時間ｔ_０）に基づいて、加温水供給手段５０による加温水の供給時間ｔ_ｈを算出する（ステップＳ２５）。この場合、図７（ｂ）のような関係を用いることができる。次いで、制御手段７０は、加温水供給手段５０による加温水供給時間が供給時間ｔ_ｈになるように、加温水供給手段５０および三方弁６０を制御する（ステップＳ２６）。その後、制御手段７０は、フローチャートの実行を終了する。

上記フローチャートに従った制御によれば、セル３１の温度が氷点下に達する時間が短い場合に、電解質膜３１１に十分に含水させることができる。それにより、セル３１の温度が氷点下になったとしてもセル３１の劣化を抑制することができる。

なお、上記実施例においては、燃料電池３０が発電停止した後にセル３１の温度が０℃以下になるまでの経過時間ｔ_０が測定されているが、それに限られない。例えば、セル３１の温度の低下速度に基づいて経過時間ｔ_０が予測されてもよく、外気温等に基づいて経過時間ｔ_０が予測されてもよい。

上記実施例においては、加温水供給手段５０が加熱手段に相当し、制御手段７０が経過時間取得手段、判定手段および制御手段に相当する。

本発明の第１実施例に係る燃料電池システムの全体構成を示す模式図である。 セルの模式的断面図である。 セルの劣化について考えられる原理を示す図である。 セルの劣化の抑制について考えられる原理を示す図である。 経過時間とセルの性能維持率との関係を示す図である。 制御手段による劣化回避制御のフローチャートの一例を示す図である。 燃料電池に対する加熱量を示す図である。 フローチャートの一例を示す図である。 フローチャートの他の例を示す図である。

符号の説明

１０ 酸化剤ガス供給手段
２０ 燃料ガス供給手段
３０ 燃料電池
３１ セル
３２ 温度センサ
４０ 冷却水供給手段
５０ 加温水供給手段
１００ 燃料電池システム
３１１ 電解質膜
３１２ アノード触媒層
３１５ カソード触媒層

Claims (8)

1. 固体高分子型の電解質膜を備える燃料電池と、
   前記燃料電池を加熱する加熱手段と、
   前記燃料電池が発電停止した後、セル温度が０℃以下になるまでの経過時間を測定または予測する経過時間取得手段と、
   前記経過時間が所定の時間以下であるか否かを判定する判定手段と、
   前記経過時間が前記所定の時間以下であると前記判定手段により判定された場合に、前記燃料電池が加熱されるように前記加熱手段を制御する制御手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記制御手段は、前記所定の時間と前記経過時間との差に応じて、前記加熱手段による前記燃料電池に対する加熱量を決定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。
3. 前記制御手段は、前記所定の時間と前記経過時間との差が大きいほど、前記加熱手段による前記燃料電池に対する加熱量を多くすることを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
4. 前記所定の時間は、前記燃料電池の発電停止後、前記電解質膜の含水量が飽和含水量になるまでの時間であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池システム。
5. 固体高分子型の電解質膜を備える燃料電池の発電停止後、セル温度が０℃以下になるまでの経過時間を測定または予測する経過時間取得ステップと、
   前記経過時間が所定の時間以下であるか否かを判定する判定ステップと、
   前記経過時間が前記所定の時間以下であると判定された場合に、前記燃料電池を加熱する加熱ステップと、を含むことを特徴とする燃料電池の運転方法。
6. 前記加熱ステップは、前記所定の時間と前記経過時間との差に応じて前記燃料電池に対する加熱量を決定する決定ステップを含むことを特徴とする請求項５記載の燃料電池の運転方法。
7. 前記決定ステップにおいて、前記所定の時間と前記経過時間との差が大きいほど、前記加熱手段による前記燃料電池に対する加熱量を多くすることを特徴とする請求項６記載の燃料電池の運転方法。
8. 前記所定の時間は、前記燃料電池の発電停止後、前記電解質膜の含水量が飽和含水量になるまでの時間であることを特徴とする請求項５〜７のいずれかに記載の燃料電池の運転方法。

Images