JP2019029067A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 加湿器の加湿状態を高精度に判定することができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】 燃料電池システムは、反応ガスが供給されることにより発電する燃料電池と、反応ガスを燃料電池に供給するための供給路と、燃料電池から反応ガスを排出するための排出路と、燃料電池に供給される反応ガスを、燃料電池から排出された反応ガスに含まれる水分により加湿する加湿器と、加湿器内の加湿状態を判定する判定部とを有し、加湿器は、供給路に接続された第１流路と、排出路に接続された第２流路と、第１流路と第２流路を隔てる電解質膜と、電解質膜の第１流路側及び第２流路側の各面の少なくとも一部に設けられた一対の触媒電極とを有し、判定部は、一対の触媒電極に交流電圧を印加することにより電解質膜のインピーダンスを測定し、インピーダンスに基づき加湿状態を判定する。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池に供給される空気は、加湿器内においてカソードのオフガス中の水分により加湿されるため、燃料電池の電解質膜の湿度は良好な状態に維持される。例えば特許文献１には、加湿器内の加湿状態をカソードオフガスの入口と出口の温度差から判定することが記載されている。

特開２０１０−１０７１２２号公報

しかし、上記の判定方法によると、カソードオフガスの水分を浸透させる中空糸膜の状態が、カソードオフガスの入口と出口の温度差に基づき間接的に判定されるため、判定精度が低いという問題がある。

そこで本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、加湿器の加湿状態を高精度に判定することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明の燃料電池システムは、反応ガスが供給されることにより発電する燃料電池と、前記反応ガスを前記燃料電池に供給するための供給路と、前記燃料電池から前記反応ガスを排出するための排出路と、前記燃料電池に供給される前記反応ガスを、前記燃料電池から排出された前記反応ガスに含まれる水分により加湿する加湿器と、前記加湿器内の加湿状態を判定する判定部とを有し、前記加湿器は、前記供給路に接続された第１流路と、前記排出路に接続された第２流路と、前記第１流路と前記第２流路を隔てる電解質膜と、前記電解質膜の前記第１流路側及び前記第２流路側の各面の少なくとも一部に設けられた一対の触媒電極とを有し、前記判定部は、前記一対の触媒電極に交流電圧を印加することにより前記電解質膜のインピーダンスを測定し、前記インピーダンスに基づき前記加湿状態を判定する。

本発明によれば、加湿器の湿潤状態を高精度に判定することができる。

燃料電池システムの一例を示す構成図である。 加湿器の一例を示す構成図である。

図１は、燃料電池システムの一例を示す構成図である。燃料電池システムは、燃料電池１と、加湿器２と、インタークーラ３と、エアコンプレッサ４と、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）５と酸化剤供給路９０〜９２と、酸化剤排出路９３，９４と、燃料ガス供給路８１と、燃料ガス排出路８２とを有する。なお、本実施例の燃料電池システムは、一例として燃料電池車に搭載されるが、これに限定されず、他の用途に用いられるものであってもよい。

ＥＣＵ５は、加湿器２及び燃料電池１を制御する。ＥＣＵ５は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）及びメモリなどから構成され、ＣＰＵを駆動するプログラムに従って動作する。

燃料電池１は、固体高分子形の複数の燃料電池単セルが積層されることにより構成されており、燃料ガスである水素ガスと、酸化剤ガスとして、酸素を含む空気とが供給される。各燃料電池単セルには膜電極接合体（MEA： Membrane Electrode Assembly）が設けられており、膜電極接合体において酸化剤ガス中の酸素と燃料ガス中の水素とが化学反応することにより発電する。なお、本実施例では、加湿器２により加湿される反応ガスの一例として、酸化剤ガスを挙げるが、燃料ガスであってもよい。

燃料電池１には、酸化剤供給路９０〜９２、酸化剤排出路９３，９４、燃料ガス供給路８１、及び燃料ガス排出路８２が接続されている。燃料ガス供給路８１は、燃料ガスをタンク（図示を省略）から燃料電池１のアノードに供給するための経路である。燃料ガス排出路８２は、燃料電池１のアノードから燃料オフガスを外部に排出するための経路である。

酸化剤供給路９０〜９２は、供給路の一例であり、酸化剤ガスを外部から燃料電池１のカソードに供給するための経路である。酸化剤排出路９３，９４は、燃料電池１のカソードから酸化剤オフガスを外部に排出するための経路である。なお、酸化剤オフガスには、各燃料電池単セルの膜電極接合体における化学反応により生成された水分が含まれる。

エアコンプレッサ４は、外部から空気を取り込んで圧縮し、酸化剤ガスとして、酸化剤供給路９０を介してインタークーラ３に送出する。インタークーラ３は、酸化剤ガスを熱交換により冷却し、酸化剤供給路９１を介して加湿器２に送出する。

加湿器２には、インタークーラ３から酸化剤供給路９１を介して低湿度の酸化剤ガスが導入され、燃料電池１から酸化剤排出路９３を介して高湿度の酸化剤オフガスが導入される。加湿器２は、燃料電池１に供給される酸化剤ガスを、燃料電池１から排出された酸化剤オフガスに含まれる水分により加湿する。

加湿器２は、加湿した酸化剤ガスを、酸化剤供給路９２を介して燃料電池１に送出する。このため、燃料電池の膜電極接合体は、加湿された酸化剤ガス中の水分により適切な湿度に維持される。また、加湿器２は、加湿に使用した酸化剤オフガスを、酸化剤排出路９４を介して外部に導く。

符号Ｇは加湿器２の部分的な断面を示す。加湿器２は、複数のセパレータ２０と、電解質膜２１０と、一対の触媒電極２１５，２１６とを有する。なお、加湿器２の詳細な構成は後述する。

セパレータ２０は、例えば金属板などにより構成される。セパレータ２０の一方の面２０ｂには、燃料電池１に供給される酸化剤ガスが流通する第１流路２００ｂが設けられており、セパレータ２０の他方の面２０ａには、燃料電池１から排出された酸化剤オフガスが流通する第２流路２００ａが設けられている。第１流路２００ｂ及び第２流路２００ａは、例えばプレス成型やカーボン成型により形成される。

第１流路２００ｂは酸化剤供給路９１，９２に接続されており、第２流路２００ａは酸化剤排出路９３，９４に接続されている。第１流路２００ｂ内の酸化剤ガスが流通する方向Ｄｉｎは、第２流路２００ａ内の酸化剤オフガスが流通する方向Ｄｏｕｔとは反対方向となる。すなわち、第１流路２００ｂ内の酸化剤ガスと第２流路２００ａ内の酸化剤オフガスは対向流の関係にある。

電解質膜２１０は、一対のセパレータ２０により挟まれるように設けられており、第１流路２００ｂと第２流路２００ａを隔てる。より具体的には、電解質膜２１０の一方の面２１０ｂは、第１流路２００ｂを介して一方のセパレータ２０の下側の面２０ｂに対向し、電解質膜２１０の他方の面２１０ａは、第２流路２００ａを介して他方のセパレータ２０の上側の面２０ａに対向する。

電解質膜２１０は、例えば、燃料電池１内の電解質膜と同様に、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示すイオン交換樹脂膜により構成される。このようなイオン交換樹脂膜としては、例えば、ナフィオン（登録商標）などの、イオン交換基としてスルホン酸基を有するフッ素樹脂系のものが挙げられる。なお、電解質膜２１０は、プロトン伝導性のものに限定されず、水酸化物イオン伝導性のものであってもよい。

電解質膜２１０は、第１流路２００ｂと第２流路２００ａの間の水蒸気の圧力差により、第２流路２００ａ側から水分が浸透して第１流路２００ｂ側へと移動する。これにより、酸化剤オフガス中の水分（Ｈ_２Ｏ）は電解質膜２１０を通って第１流路２００ｂ内の酸化剤ガス中に拡散する。したがって、酸化剤供給路９１からの低湿度の酸化剤ガスが酸化剤オフガス中の水分により加湿される。

一対の触媒電極２１５，２１６は、電解質膜２１０の第１流路２００ｂ側及び第２流路２００ａ側の各面２１０ｂ，２１０ａの少なくとも一部に設けられている。より具体的には、一方の触媒電極２１５は電解質膜２１０の一方の面２１０ｂに積層され、他方の触媒電極２１６は電解質膜２１０の他方の面２１０ａに積層されている。一対の触媒電極２１５，２１６は、触媒担持導電性粒子により構成された、ガス拡散性を有する多孔質層であり、例えば、白金担持カーボンの分散溶液である触媒インクの乾燥塗膜として形成される。

一対の触媒電極２１５，２１６は、電気配線Ｗを介し、後述する交流電源に接続されている。加湿器２の加湿状態の判定が行われる場合、一対の触媒電極２１５，２１６には、交流電源から交流電圧が印加される。一対の触媒電極２１５，２１６は、交流電圧により一定周期で交互に正極または負極となる。このとき、電解質膜２１０を介して一対の触媒電極２１５，２１６の一方から他方にイオンが移動する。

２Ｈ_２Ｏ→４Ｈ^＋＋４ｅ⁻＋Ｏ_２ ・・・（１）
４Ｈ^＋＋４ｅ⁻→２Ｈ_２ ・・・（２）

電解質膜２１０がプロトン伝導性を有する場合、水素イオンが一対の触媒電極２１５，２１６の間を移動する。正極におけるイオン反応式は上記の式（１）で表され、負極におけるイオン反応式は上記の式（２）で表される。

４ＯＨ⁻→４ｅ⁻＋２Ｈ_２Ｏ＋Ｏ_２ ・・・（３）
４Ｈ_２Ｏ＋４ｅ⁻→４ＯＨ⁻＋２Ｈ_２ ・・・（４）

また、電解質膜２１０が水酸化物イオン伝導性を有する場合、水酸化物イオンが一対の触媒電極２１５，２１６の間を移動する。正極におけるイオン反応式は上記の式（３）で表され、負極におけるイオン反応式は上記の式（４）で表される。

ＥＣＵ５は、判定部の一例であり、一対の触媒電極２１５，２１６に交流電圧を印加することにより電解質膜２１０のインピーダンスを測定し、インピーダンスに基づき加湿器２の加湿状態を判定する。より具体的には、ＥＣＵ５は、例えば交流インピーダンス法を用いて、イオンの移動による電流−電圧特性からインピーダンスを測定する。

電解質膜２１０は、インピーダンスが大きい場合、イオンの移動抵抗が大きいと判断され、インピーダンスが小さい場合、イオンの移動抵抗が小さいと判断される。イオンの移動抵抗は、一対の触媒電極２１５，２１６に挟まれる電解質膜２１０内の水分量に応じて変化し、湿度が高い状態では低くなり、湿度が低い状態では高くなる。

したがって、ＥＣＵ５は、電解質膜２１０のインピーダンスに基づき加湿器２の加湿状態を判定することができる。このため、電解質膜２１０の状態から直接的に加湿器２の加湿状態が判定されるので、その判定精度が向上する。

次に、加湿器２の詳細な構成を説明する。

図２は、加湿器２の一例を示す構成図である。加湿器２は、ＥＣＵ５と電気的に接続された駆動部２２と、燃料電池１と同様の形態で積層された複数の単セルＵとを有する。単セルＵの積層体の両側は、エンドプレートを介してテンションプレートにより締結されている。

駆動部２２は、交流電源２２０、電流センサ２２１、及び電圧センサ２２２を含む。交流電源２２０、電流センサ２２１、及び電圧センサ２２２は、それぞれ、ＥＣＵ５と電気的に接続されている。なお、駆動部２２は、加湿器２から独立した別装置として設けられてもよい。

単セルＵは、互いに重ね合わせられたセパレータ２０及び樹脂フレーム２１を含む。セパレータ２０及び樹脂フレーム２１は、一例として矩形状の外形を有するが、これに限定されない。セパレータ２０と樹脂フレーム２１の間は、気密状態となるように、例えばガスケットや接着剤により封止（シール）されている。

セパレータ２０は、一端に流通孔２０３，２０４が設けられ、他端に流通孔２０１，２０２が設けられている。流通孔２０１〜２０４は、セパレータ２０をその厚み方向に貫通する。

流通孔２０３は、酸化剤供給路９１と連通し、インタークーラ３から低湿度の酸化剤ガスが流れ込む。流通孔２０２は、酸化剤供給路９２と連通し、燃料電池１に供給される、加湿された酸化剤ガスが流れ込む。流通孔２０１は、酸化剤排出路９３と連通し、燃料電池１から水分を含む酸化剤オフガスが流れ込む。流通孔２０４は、酸化剤排出路９４と連通し、加湿に用いられた酸化剤オフガスが流れ込む。

また、セパレータ２０は、一方の面２０ｂに第１流路２００ｂが設けられ、他方の面２０ａに第２流路２００ａが設けられている。第１流路２００ｂは流通孔２０３，２０２に接続され、第２流路２００ａは流通孔２０１，２０４に接続されている。

このため、燃料電池１に供給される酸化剤ガスは、方向Ｄｉｎに従って、流通孔２０３から流れ込み、第１流路２００ｂを通って流通孔２０２に流れ込む。また、燃料電池１から排出された酸化剤オフガスは、方向Ｄｏｕｔに従って、流通孔２０１から流れ込み、第２流路２００ａを通って流通孔２０４に流れ込む。なお、第１流路２００ｂ及び第２流路２００ａの形状は、図示を省略するが、一例としてストレート状または蛇行状に延びる複数本の溝から構成される。

樹脂フレーム２１は、同一の単セルＵ内のセパレータ２０と、隣接する単セルＵ内のセパレータ２０との間に挟まれる。樹脂フレーム２１は、一端に流通孔２１３，２１４が設けられ、他端に流通孔２１１，２１２が設けられている。流通孔２１１〜２１４は、樹脂フレーム２１をその厚み方向に貫通する。

流通孔２１１はセパレータ２０の流通孔２０１と重なり合う。重なり合った複数の流通孔２０１，２１１には、水分を含む酸化剤オフガスが単セルＵの積層方向に流通する。

流通孔２１２はセパレータ２０の流通孔２０２と重なり合う。重なり合った複数の流通孔２０２，２１２には、加湿された酸化剤ガスが単セルＵの積層方向に流通する。

流通孔２１３はセパレータ２０の流通孔２０３と重なり合う。重なり合った複数の流通孔２０３，２１３には、低湿度の酸化剤ガスが単セルＵの積層方向に流通する。

流通孔２１４はセパレータ２０の流通孔２０４と重なり合う。重なり合った複数の流通孔２０４，２１４には、加湿に用いられた酸化剤オフガスが単セルＵの積層方向に流通する。

また、樹脂フレーム２１の中央には、矩形の電解質膜２１０が接合されている。電解質膜２１０は、一方の面２１０ｂがセパレータ２０の面２０ｂに対向し、他方の面２１０ａがセパレータ２０の面２０ａに対向する。このため、電解質膜２１０は、面２０ｂ内の第１流路２００ｂと面２０ａ内の第２流路２００ａを隔てる。なお、電解質膜２１０の各面２１０ａ，２１０ｂには、水蒸気を拡散させるガス拡散層が設けられてもよい。

上述したように、第２流路２００ａを流れる酸化剤オフガス中の水分の一部は、符号Ｐで示されるように、水蒸気の圧力差により電解質膜２１０を通って第１流路２００ｂに移動する。これにより、第１流路２００ｂを流れる低湿度の酸化剤ガスに水分が与えられるため、燃料電池１に供給される酸化剤ガスが加湿される。

また、電解質膜２１０の各面２１０ｂ，２１０ａの一部には、一対の触媒電極２１５，２１６が設けられている。触媒電極２１５，２１６は、セパレータ２０内の不図示の電気配線を介して交流電源２２０の各端子にそれぞれ電気的に接続されている。交流電源２２０は、ＥＣＵ５の制御に従いオンオフされる。これにより、ＥＣＵ５は、一対の触媒電極２１５，２１６に交流電圧を印加する。

また、電流センサ２２１は、交流電源２２０に対して直列に接続され、電解質膜２１０を流れる電流を検出する。電圧センサ２２２は、交流電源２２０に対して並列に接続され、一対の触媒電極２１５，２１６の間の電圧を検出する。

ＥＣＵ５は、電流センサ２２１が検出した電流値と、電圧センサ２２２が検出した電圧値とを取得することにより電解質膜２１０の電流−電圧特性を算出し、その特性に基づいてインピーダンスを測定する。このとき、一対の触媒電極２１５，２１６には交流電圧を印加されるため、直流電圧を印加する場合と比較すると、ＥＣＵ５は、電解質膜２１０を移動可能なイオン数が少ない場合でも、例えば交流インピーダンス法を用いることによりインピーダンスを高精度に測定することができる。そして、ＥＣＵ５は、上述したように、インピーダンスから加湿器２の加湿状態を判定する。

一対の触媒電極２１５，２１６は、加湿器２内の加湿状態を判定すべき任意の位置に形成することができる。加湿状態を判定すべき位置は限定されないが、例えば、加湿器２の加湿効率を向上するため、電解質膜２１０の最も乾燥しやすい部位に設けられると好ましい。

電解質膜２１０は、第１流路２００ｂの上流部または第２流路２００ａの下流部が乾燥しやすい。ここで、第１流路２００ｂの上流部とは、第１流路２００ｂを酸化剤ガスの流通方向において入口から出口までの間を複数の領域に分割したときの入口に最も近い領域であり、例えば３等分や５等分したときの最も入口に近い領域である。これと同様に、第２流路２００ａの下流部とは、第２流路２００ａを燃料ガスの流通方向において入口から出口までの間を複数の領域に分割したときの入口に最も近い領域であり、例えば３等分や５等分したときの最も入口に近い領域である。

本実施例において、第１流路２００ｂと第２流路２００ａの各流通方向は、電解質膜２１０を介して対向する対向流の関係にあるため、第１流路２００ｂの上流部と第２流路２００ａの下流部は、電解質膜２１０を介して対向する位置にある。

このため、一方の触媒電極２１５は、電解質膜２１０の面２１０ｂにおいて、第１流路２００ｂの上流部かつ第２流路２００ａの下流部に対向する領域である流通孔２０３側に設けられる。また、他方の触媒電極２１６は、電解質膜２１０の面２１０ａにおいて、第１流路２００ｂの上流部かつ第２流路２００ａの下流部に対向する領域である流通孔２０４側に設けられている。なお、一対の触媒電極２１５，２１６は、電解質膜２１０を挟んで対向するため、電解質膜２１０を平面視した場合、同一の位置に設けられている。

このような位置に一対の触媒電極２１５，２１６が設けられている場合、ＥＣＵ５は、加湿状態が悪いと判定したとき、電解質膜２１０の該当部位の湿度が増加するように燃料電池１を制御することにより加湿器２の加湿効率を改善することができる。このとき、ＥＣＵ５は、例えば、燃料電池１の冷却水の循環量やラジエータのファンの回転数を増加させることにより燃料電池１の運転温度を低下させて、酸化剤オフガスの飽和水蒸気量を低下させてもよい。さらに、ＥＣＵ５は、酸化剤オフガスとともに加湿器２から外部に排出される水蒸気量が減少するように燃料電池１に供給される酸化剤ガスの量を減少させて、第１流路２００ｂと第２流路２００ａの間の水蒸気圧の差を増加させてもよい。

上記の実施例では第１流路２００ｂと第２流路２００ａの各流通方向が対向流の関係にある場合を挙げたが、第１流路２００ｂと第２流路２００ａの各流通方向が電解質膜２１０を介して略同一であって並行流の関係にある場合、第１流路２００ｂの上流部かつ第２流路２００ａの下流部の各位置は、電解質膜２１０を平面視したときに同一とはならない。この場合、触媒電極２１５，２１６は、第１流路２００ｂの上流部または第２流路２００ａの下流部において電解質膜２１０の各面に設けられてもよい。

また、触媒電極２１５，２１６は、電解質膜２１０において、第１流路２００ｂの上流部に対向する領域の全体に形成される必要がなく、第２流路２００ａの下流部に対向する領域の全体に形成される必要もない。したがって、触媒電極２１５，２１６は、第１流路２００ｂの上流部に対向する領域の一部、または第２流路２００ａの下流部に対向する領域の一部に形成されてもよい。

上述したように、加湿器２は、第１流路２００ｂ及び第２流路２００ａを有する一組のセパレータ２０と、一対の触媒電極２１５，２１６に挟まれた電解質膜２１０とを含み、このような構成は燃料電池１の構成に類似する。したがって、上記のような加湿状態の判定手段を構成することは容易である。

また、ＥＣＵ５は、電解質膜２１０のインピーダンスから加湿器２の加湿状態を判定するため、電解質膜２１０内の水分の湿潤状態に基づく効果的な加湿性能の判定が可能である。これに対し、例えば加湿器２内の酸化剤ガスまたは酸化剤オフガスの湿度を検出することにより判定を行う場合、外気や燃料電池１内の温度や湿度などの影響があるため、効果的な判定を行うことは難しい。

上述した実施形態は本発明の好適な実施の例である。但し、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施可能である。

１ 燃料電池
２ 加湿器
５ ＥＣＵ（判定部）
９０〜９２ 酸化剤供給路（供給路）
９３，９４ 酸化剤排出路（排出路）
２００ｂ 第１流路
２００ａ 第２流路
２１０ 電解質膜
２１５，２１６ 触媒電極
２２０ 交流電源

Claims (1)

1. 反応ガスが供給されることにより発電する燃料電池と、
   前記反応ガスを前記燃料電池に供給するための供給路と、
   前記燃料電池から前記反応ガスを排出するための排出路と、
   前記燃料電池に供給される前記反応ガスを、前記燃料電池から排出された前記反応ガスに含まれる水分により加湿する加湿器と、
   前記加湿器内の加湿状態を判定する判定部とを有し、
   前記加湿器は、前記供給路に接続された第１流路と、前記排出路に接続された第２流路と、前記第１流路と前記第２流路を隔てる電解質膜と、前記電解質膜の前記第１流路側及び前記第２流路側の各面の少なくとも一部に設けられた一対の触媒電極とを有し、
   前記判定部は、前記一対の触媒電極に交流電圧を印加することにより前記電解質膜のインピーダンスを測定し、前記インピーダンスに基づき前記加湿状態を判定することを特徴とする燃料電池システム。
   

Images