JP4434090B2 - 燃料電池装置 - Google Patents

Description

本発明は燃料電池装置に関する。更に詳しくは、水素極と酸素極との間に電解質層が介在される燃料電池であって、発電部と水電解部とを併設するタイプの燃料電池装置の改良に関する。

発電部と水電解部とを併設するタイプの燃料電池装置として特許文献１に記載のものが知られている。
特許文献１によれば、セルの同一平面内に水電解部と燃料電池部とが設けられており、セルの積層方向には、プロトン交換膜の一方の面に酸素極および他方の面に水素極がそれぞれ配置され、各極の両側には触媒上で発生した電子を通す拡散層が備えられ、その外側には燃料電池部にガスを供給するためのガス通路を有するインターコネクターが備えられているとともに、酸素極側の該インターコネクターには水電解部へ水を供給するための水通路が設けられている。
この燃料電池装置では発電（力行）モードと電解（回生）モードとが択一的に選択される。

特開２００２−３３４７０８号公報 段落００２２

かかる燃料電池装置によればこれを回生運転するとき電解質層においてプロトンが酸素極側から水素極側へ移動する。このとき、プロトン１個につき３~４個の水分子が伴って移動するものと考えられる。これにより、水素極が加湿され、もって水素極を湿潤状態に維持することができる。
しかしながら、自動車のような負荷変動の激しい用途においては、燃料電池装置自体を回生運転させる条件が制限される。そのため、水素極を湿潤状態に確実に維持することが困難になる場合がある。

本発明者らは、かかる課題を解決すべく鋭意検討を重ねてきた結果、回生運転が行われる部分（水電解部）と発電が行われる発電部とを分離して、かつ水素ガスの流通経路において水電解部を発電部の上流側に配置し、両者を独立して制御可能とすれば、発電部の水素極の湿潤状態維持を確実に行えると考え、下記構成の本発明に想到した。即ち、
一対の反応極の間に電解質層が介在される構成の水電解部と発電部を有する燃料電池装置であって、
前記発電部へ供給される水素ガスは、該発電部へ到達する前に前記水電解部の水素極を通過し、前記発電部に対して前記水電解部を独立して制御する制御部を備える、ことを特徴とする燃料電池装置。

このように構成された燃料電池装置によれば、水電解部は独立して制御されるので、発電部にかかる負荷の如何に関わらずその水素極を湿潤状態に維持することができる。従って、発電部の水素極へ供給される水素ガスを予めこの水素極へ接触させることにより、当該水素ガスを加湿することができる。よって、発電部の水素極に供給される水素ガスの含有水蒸気量を常に適正に制御可能となる。

水電解部はこれを常にオン状態にして発電部へ供給される水素ガスを加湿することができる。
水電解部がオン状態であるときには水の電気分解のために電力が消費される。
そこでこの発明の第２の局面によれば、発電部の状態を検出する発電状態センサが備えられ、発電状態センサの検出結果に基づき水電解部を制御するようにした。発電部に大きな負荷がかかっているときにはプロトンの移動量が増えて、それに伴う同伴水により水分が酸素極側に移動してしまい水素極側が乾燥してしまう。従って、加湿量を多くする必要がある。他方、発電部の負荷が小さい場合や回生運転の場合には加湿量が少量若しくは不要となる。
第２の局面によれば、発電部の状態を検出することにより、水電解部の動作を制御し、もって、発電部の水素供給系の加湿状態を常に適正に維持することができる。これにより、発電部から必要な発電量を確保できるとともに、水電解部における無駄な水の電気分解を省略することにより、水電解部における省電力が達成される。
第３の局面は、発電部の状態を検出する具体的な方法として水素供給系における湿度検出を規定し、当該湿度に基づき水電解部の制御方法としてオン・オフ制御を採用している。このように簡易な制御方法を採用することにより、燃料電池装置の製造コスト増大を抑制することができる。

発電部の状態を検出する方法は上記水素供給系における湿度検出に限定されるものではなく、発電部の温度を検出対象としてもよい。また、発電部にかかる負荷を検出対象とすることもできる。
水電解部の制御方法も第３の局面のようなオン・オフというデジタル的な簡易な方法に限定されるものではなく、検出された発電部の状態に応じて水電解部へ供給する電力を制御し、もってその水素極の湿潤状態をアナログ的に制御可能である。

更には、負荷に要求される電力が発電部の定格を超えている場合、水電解部を発電部として使用することもできる。この場合、水電解部に対する電力の供給を止めて、負荷に対して発電部と水電解部とを直列に接続する。

以下、この発明の実施例について説明する。
図１は燃料電池の単位セル１を水電解部２０と発電部３０とに面内で独立分離したものである。
単位セル１はナフィオン（ディユポン社商標名）からなる固体高分子膜（高分子電解質膜）３を水素極４と酸素極５との間に介在させた構成である。水素極４は触媒層６が固体高分子膜３に積層され、更に拡散層７及びターミナル８が積層される。この水素極４の構成は水電解部２０と発電部３０とで何ら変わることがない。酸素極５はその触媒層１０が固体高分子膜３に積層され、更に拡散層１１及びターミナル１２が積層される。
水素極４及び酸素極５は水電解部２０と発電部３０との間において絶縁されている。

水電解部２０は加湿制御回路２１によりその動作が制御される。加湿制御回路２１はターミナル８，１２間へ印加する電力を制御する。この電力は発電部３０及び／又はキャパシタ３５から供給される。酸素極５のターミナル１２をプラス側とし、水素極４のターミナル８をマイナス側として電力を印加すると、下記の反応が生じる。

水素極４ ： ２Ｈ^＋ ＋ 2ｅ⁻ → Ｈ_２
酸素極５ ： Ｈ_２Ｏ → １／２Ｏ_２ ＋ ２Ｈ^＋ ＋ ２ｅ⁻

酸素極５において生じたプロトン（２Ｈ^＋）は高分子電解質膜３内を水素極４側へ移動する。このとき水分子をともなうので、当該水分子より水素極４が加湿されその湿潤状態が維持される。酸素極５の水分子が水素極４へ移動するので、酸素極５には常に水分を供給する必要がある。当該水分供給の方策として、例えば、酸素極へ霧状の水を供給することができる（水直噴型の燃料電池装置（特開２０００−４４７号等）を参照されたい。）。

発電部３０は制御回路３１によりその動作が制御される。発電部３０には負荷としてモータ３３が接続されている。符号３５は大容量のキャパシタである。当該キャパシタ３５の代りに（若しくは併用して）二次電池を用いることもできる。
当該発電部３０における反応は次の通りである。

水素極４ ： Ｈ_２ → ２Ｈ^＋ ＋ 2ｅ⁻
酸素極５ ： １／２Ｏ_２ ＋ ２Ｈ^＋ ＋ ２ｅ⁻ → Ｈ_２Ｏ

制御回路３１には湿度計３７が接続されており、この湿度計３７は水素極４を通り燃料電池セル１から排出される水素の湿度を検出する。
湿度計３７で検出された湿度が所定の閾値湿度より低いとき、発電部３０の水素極４を加湿する必要があるとして水電解部２０をオンとし、水素極４を加湿する。他方、湿度計３７で検出された温度が上記閾値湿度を超えるときには水電解部２０をオフとして、省電力を図る。
この実施例では、湿度計３７で水素供給系の湿度を検出して水電解部２０のオンオフ制御の基準としているが、検出対象を発電部３０の温度若しくは空気の排気温度とすることができる。
また、負荷の大きさに基づき水電解部２０の制御をすることができる。負荷を基準に水電解部２０の制御を行うときは、負荷に要求される電力が発電部３０の定格を超えたとき、加湿制御回路２１は水電解部２０を負荷へ接続し、水電解部２０を燃料電池として動作させこれから電力を得ることができる。

図２には他の実施例の燃料電池装置４０を示す。
水素極と酸素極との間に電解質層を介在させてなるセルを複数枚積層してなるスタック４１が備えられる。当該スタック４１において水素ガスの流通方向の上流側に配置されるセルを水電解用モジュール５０とし、下流側に配置されるセルを発電用モジュール６０とする。別の見方をすれば、燃料電池を構成する発電用モジュール６０に水電解用モジュール５０を付設したものである。
図中の符号５１、５３、６１はターミナルであって、ターミナル５１及びターミナル５３間に印加する電力により水電解部５０を動作させる。当該水電解部５０に印加される電力は加湿制御回路５５により制御される。
ターミナル５３とターミナル６１の間に負荷（モータ６４）とキャパシタ６５が架設され、もって発電用モジュール６０から電力が取り出される。制御回路６３は発電用モジュール６０の動作を制御する。

図３は加湿制御回路５５の機能を示すブロック図である。
図３に示すとおり、この加湿制御回路５５は電子制御ユニット（ＥＣＵ）５５１、電流制御部５５２、各種センサ５５３−５５７からの出力を受け入れるポートを備えている。
セパレータ温度センサ５５３−５５５は発電用モジュール６０を構成する１０個のセルの各セパレータに付設されている。発電用モジュール６０の温度状態を特定できるものであれば、この温度センサの数は任意に選択可能である。発電モジュールにおける温度勾配を得ることができれば、発電モジュールを構成する各セルの温度を推定可能となる。

アノード上流部湿度センサ５５６とアノード下流部湿度センサ５５７はそれぞれ水素ガス流路において発電用モジュール６０の上流位置と下流位置に配置される。発電用モジュールの水素ガス流路の湿度状態を特定できるものであればこの湿度センサの数も任意に選択可能である。また、発電モジュールの温度と負荷の状態から水素ガスの湿度状態を推定することもできる。湿度センサの検出結果に基づき発電用モジュールを構成する各セルにおける水素ガスの湿度状態を推定することができる。
ＥＣＵ５５１には発電用モジュールの制御回路６３から発電電流値が入力される。
ＥＣＵ５５１は上記のセンサ情報及び発電電流値から、発電用モジュールの水素極が必要とする水分量を計算する。そして、水電解用モジュール５０へ印加する電流量を制御して、当該計算された必要水分量がその水素極に供給されるようにする。

発電用モジュール６０の水素極が必要とする水分量は次のように求められる（図５参照）。なお、予め燃料電池セルが必要とする水素ガス湿度状態、温度及び発電電流の関係を計測し、図４に示すルックアップテーブルとしてＥＣＵ５５１のメモリ内に保存しておく。
図５に示すように、ステップ１において各温度センサ５５３−５５５の出力Ｔ１−Ｔ１０を取得し、ステップ３では湿度センサ５５６、５５７の出力Ｈ１，Ｈ２を取得する。Ｈ１とＨ２に基づき発電用モジュール６０の各セルにおける水素ガスの湿度状態Ｈｅ１−Ｈｅ１０を推定する。なお、湿度センサ５５６，５５７の出力Ｈ１、Ｈ２に基づき各セルの水素ガスの湿度状態を特定するための演算式がＥＣＵ５５１のメモリに予め保存され、当該ステップ５において用いられるものとする。
ステップ７では制御回路６３より発電用モジュール６０の総発電電流量Ｌを取得する。なお、発電モジュールを構成する各セルの電流量ｌはＬ／１０であると推定することとした。
このように各セルにおける電流量ｌと温度が特定されると、図４のルックアップテーブルから各セルに必要な湿度Ｈｎ１−Ｈｎ１０が特定される（ステップ９）。

ステップ１１では各セル毎に、ステップ９で演算された水素ガスに要求される必要湿度Ｈｎと実際の湿度Ｈｅとの差Ｈｄを演算する（ステップ１１）。そして、当該差Ｈｄとセルの温度に基づきセル毎に必要な水分量Ｗ１−Ｗ１０を演算することができる（ステップ１３）。
この水分量の和が正のときは（ステップ１５）、水電解モジュール５０の水素極において当該水分量（ΣＴ）がその酸素極から輸送されてくるのに必要な電流量を演算する（ステップ１７）。そして、ステップ１９においてステップ１７で演算された電流量を水電解モジュール５０へ印加する。
水分量の和がゼロ又は負のときは、水分が過剰であると判断し、水電解モジュール５０はオフとしておく。
このように構成された燃料電池装置４０によれば、発電用モジュールの水素ガスの湿度状態がモニタされてその結果をフィードバックして水電解用モジュールを動作させる。これにより、水電解用モジュールで消費する電力を抑制しつつ、発電量モジュールへ供給される水素ガスの湿度状態を適正に維持することができる。

この発明は、上記発明の実施の形態及び実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。

図１はこの発明の実施例の燃料電池装置の概略図構成である。 図２は他の実施例の燃料電池装置の概略構成図である。 図３は加湿制御部の構成を示すブロック図である。 図４は燃料電池セルにおける温度、電流及び必要湿度の関係を示すルックアップテーブルである。 図５は図２の燃料電池装置の動作を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 燃料電池装置
３ 固体高分子電解質膜
４ 水素極
５ 酸素極
２０ 水電解部
３０ 発電部
５０ 水電解用モジュール
６０ 発電用モジュール

Claims (4)

1. 水素極と酸素極との間に電解質層が介在される構成の水電解部と発電部を有する燃料電池装置であって、
   前記水電解部と前記発電部とは同一の高分子膜において独立分離されており、
   水素ガスの流通経路において前記水電解部が前記発電部の上流側に配置され、前記発電部へ供給される水素ガスは、該発電部へ到達する前に前記水電解部の水素極を通過し、
   前記発電部を制御する制御回路、前記発電部の負荷に関わらず前記水電解部を前記発電部に対して独立して制御する加湿制御回路、前記発電部の状態を検出する発電状態センサが備えられ、前記制御回路は前記発電状態センサの検出結果に基づき前記加湿制御回路を介して前記水電解部を制御する、ことを特徴とする燃料電池装置。
2. 前記発電状態センサは前記発電部から排出される水素ガスの湿度を検出し、
   前記制御回路は検出された前記湿度に基づき、前記加湿制御回路を介して前記水電解部のオン・オフを制御する、ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。
3. 前記発電状態センサは前記発電部の温度を検出し、
   前記制御回路は検出された前記発電部の温度に基づき、前記加湿制御回路を介して前記水電解部のオン・オフを制御する、ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。
4. 前記制御回路は前記検出された発電部の発電状態に基づき前記加湿制御回路を介して水電解部を発電部として機能させる、ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。

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