JP5640625B2 - 燃料電池システムおよび燃料電池システムの判定方法 - Google Patents
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Description
[形態1]
燃料電池の各燃料電池セルの構成要素である電解質膜の状態を判定することが可能な燃料電池システムであって、
前記燃料電池セルのアノードに燃料ガスを供給するアノードガス供給系と、
前記燃料電池セルのカソードに酸化ガスを供給するカソードガス供給系と、
前記燃料電池セルの電圧を測定するセル電圧モニター部と、
前記燃料電池セルの前記電解質膜の状態を判定する膜状態判定部、を含む制御部と、を備え、
前記膜状態判定部は、
あらかじめ定められた膜状態判定タイミングにおいて、あらかじめ設定された電圧回復動作条件で、前記アノードガス供給系と、前記カソードガス供給系と、前記出力制御部と、前記セル電圧モニター部の動作を制御して前記燃料電池セルを発電させることにより前記燃料電池セルの電圧を回復させる電圧回復動作を実行させて、前記電圧回復動作の前の電圧と前記電圧回復動作の後の電圧の差である回復電圧を測定し、
前記電解質膜の初期状態における前記電解質の機能を有する分子量に対する、前記回復電圧が測定される際に前記電解質膜中に存在している前記電解質の機能を有する分子量の割合を示す分子量維持率と回復電圧との関係に基づいて、前記測定した回復電圧に対応する前記燃料電池セルの電解質膜の劣化状態を判定する
ことを特徴とする燃料電池システム。
上記燃料電池システムによれば、従来技術において別途必要としていた装置を用意する必要がなく、電解質膜の劣化状態を容易に判定することが可能である。これにより、移動体に搭載する燃料電池システムとして有利である。
[形態2]
燃料電池の各燃料電池セルの構成要素である電解質膜の状態を判定する燃料電池システムの判定方法であって、
あらかじめ定められた膜状態判定タイミングにおいて、あらかじめ設定された電圧回復動作条件で前記燃料電池セルを発電させることにより前記燃料電池セルの電圧を回復させる電圧回復動作を実行させる工程と、
前記電圧回復動作の前の電圧と前記電圧回復動作の後の電圧の差である回復電圧を測定する工程と、
前記電解質膜の初期状態における前記電解質の機能を有する分子量に対する、前記回復電圧が測定される際に前記電解質膜中に存在している前記電解質の機能を有する分子量の割合を示す分子量維持率と回復電圧との関係に基づいて、前記測定した回復電圧に対応する前記燃料電池セルの電解質膜の劣化状態を判定する工程と、
を備えることを特徴とする燃料電池システムの判定方法。
上記方法によれば、燃料電池システムにおいて、電解質膜の劣化状態を容易に把握することができる。
燃料電池の各燃料電池セルの構成要素である電解質膜の状態を判定することが可能な電燃料電池システムであって、
前記燃料電池セルのアノードに燃料ガスを供給するアノードガス供給系と、
前記燃料電池セルのカソードに酸化ガスを供給するカソードガス供給系と、
前記燃料電池セルの電圧を測定するセル電圧モニター部と、
前記燃料電池セルの前記電解質膜の状態を判定する膜状態判定部、を含む制御部と、を備え、
前記膜状態判定部は、
あらかじめ定められた膜状態判定タイミングにおいて、あらかじめ設定された電圧回復動作条件で、前記アノードガス供給系と、前記カソードガス供給系と、前記出力制御部と、前記セル電圧モニター部の動作を制御して前記燃料電池セルを発電させることにより前記燃料電池セルの電圧を回復させる電圧回復動作を実行させて、前記電圧回復動作後の回復電圧を測定し、
前記電解質膜の初期状態における前記電解質の機能を有する分子量に対する、前記回復電圧が測定される際に前記電解質膜中に存在している前記電解質の機能を有する分子量の割合を示す分子量維持率に基づいて、前記測定した回復電圧に対応する前記燃料電池セルの電解質膜の劣化状態を判定する
ことを特徴とする燃料電池システム。
上記燃料電池システムによれば、従来技術において別途必要としていた装置を用意する必要がなく、電解質膜の劣化状態を容易に判定することが可能である。これにより、移動体に搭載する燃料電池システムとして有利である。
適用例1記載の燃料電池システムであって、
前記膜状態判定部は、あらかじめ設定されている回復電圧と燃料電池セルの交換時期までの残時間との関係に基づいて、前記測定した回復電圧に対応する前記燃料電池セルの交換時期までの残時間を推定し、前記残時間を通知する
ことを特徴とする燃料電池システム。
上記構成によれば、燃料電池セルの交換時期までの残時間を容易に予測し、知ることが可能である。
適用例1または適用例2に記載の燃料電池システムであって、
前記膜状態判定部は、前記測定した回復電圧が、前記電解質膜が不可逆的変化を引き起こす目安となる前記分子量維持率の閾値に対応する前記回復電圧の閾値を超えた場合に、少なくとも、交換時期を通知する
ことを特徴とする燃料電池システム。
上記構成によれば、燃料電池セルの交換時期を容易に知ることができる。
適用例1ないし適用例3のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、
前記測定した回復電圧が前記回復電圧の閾値よりも低い所定の基準値から前記回復電圧の閾値までの範囲内にあるような前記電解質膜の劣化状態である場合において、要求される出力が所定の高負荷条件に対応する出力以上である場合には、前記要求される出力に対応する条件で発電させる
ことを特徴とする燃料電池システム。
上記構成によれば、電解質膜の劣化状態が進行することを抑制することができる。
適用例4に記載の燃料電池システムであって、
さらに、二次電池を備え、
前記制御部は、
前記測定した回復電圧が前記回復電圧の閾値よりも低い所定の基準値から前記回復電圧の閾値までの範囲内にあるような前記電解質膜の劣化状態である場合において、
要求される出力が所定の高負荷条件に対応する出力よりも小さい場合で、かつ、前記要求される出力に対して前記二次電池の蓄電容量が十分である場合には、前記二次電池から前記要求される出力に対応する電力を出力させ、
要求される出力が所定の高負荷条件に対応する出力よりも小さい場合で、かつ、前記要求される出力に対して前記二次電池の蓄電容量が不十分である場合には、前記燃料電池を少なくとも前記所定の高負荷条件で発電させて、前記要求される出力に対応する電力を出力させるとともに、余剰電力を用いて前記二次電池を蓄電させる
ことを特徴とする燃料電池システム。
上記構成によれば、無駄な電力消費を抑制しつつ、電解質膜の劣化状態の進行を抑制することができる。
燃料電池の各燃料電池セルの構成要素である電解質膜の状態を判定する燃料電池システムの判定方法であって、
あらかじめ定められた膜状態判定タイミングにおいて、あらかじめ設定された電圧回復動作条件で前記燃料電池セルを発電させることにより前記燃料電池セルの電圧を回復させる電圧回復動作を実行させる工程と、
前記電圧回復動作後の回復電圧を測定する工程と、
前記電解質膜の初期状態における前記電解質の機能を有する分子量に対する、前記回復電圧が測定される際に前記電解質膜中に存在している前記電解質の機能を有する分子量の割合を示す分子量維持率に基づいて、前記測定した回復電圧に対応する前記燃料電池セルの電解質膜の劣化状態を判定する工程と、
を備えることを特徴とする燃料電池システムの判定方法。
上記方法によれば、燃料電池システムにおいて、電解質膜の劣化状態を容易に把握することができる。
A.第1実施例:
B.第2実施例:
C.変形例:
A1.システム構成:
図1は、第1実施例としての燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。この燃料電池システム10は、燃料電池100と、アノードガス(燃料ガス)給排系200と、カソードガス(酸化ガス)給排系300と、冷却装置400と、加熱装置500と、モニター切替部600と、電力出力系700と、システム制御部800と、駆動系900と、を備えている。
A2.1.膜状態判定の概念:
まず、燃料電池のリフレッシュ動作による回復電圧と電解質膜中の分子量維持率との関係、電解質膜中の分子量維持率と電解質膜の破断伸度維持率との関係、および、回復電圧と燃料電池セルの交換時期との関係について説明する。図2は、燃料電池のリフレッシュ動作による回復電圧と電解質膜中の分子量維持率との関係について試験した結果、および、電解質膜中の分子量維持率と膜の破断伸度維持率との関係について試験した結果を示す説明図である。図3は、回復電圧と燃料電池セルの交換残時間との関係について示す説明図である。
以下のようにして、燃料電池のリフレッシュ動作による回復電圧と電解質膜中の分子量維持率との関係について求めた。
炭化水素系電解質膜を用意し、この電解質膜の両面上に電極用インクをスプレー塗布してアノード電極およびカソード電極を形成し、さらに、両電極上に拡散層を熱圧着させて、複数のMEAを作製した。なお、電極用インクとしては、Ptを含む電極触媒とプロトン伝導性を有する電解質からな溶液を用いることができる。また、拡散層としては、カーボンペーパーやカーボンクロス等を用いることができる。
上記複数のMEAを用いて、温度80℃、アノード露点45℃、カソード露点55℃の低加湿条件として、非発電(OCV)と発電(0.1A/cm2)のサイクル試験を繰り返す耐久試験を行った。サイクル試験時間としては、約200時間から500時間とした。
サイクル試験時間をパラメータとして耐久試験を行った各MEAについて、温度80℃、アノード露点45℃、カソード露点55℃の低加湿条件として、1.6A/cm2の発電電流における電圧値(回復動作前電圧)を測定した。次に、温度40℃、アノードおよびカソード無加湿条件、アノードストイキ/カソードストイキ=1.2/1.5とし、1.0A/cm2の発電電流による発電を15分間保持するリフレッシュ動作を実行した。その後、再度温度80℃、アノード露点45℃、カソード露点55℃の低加湿条件として、1.6A/cm2の発電電流における電圧値(回復動作後電圧)を測定した。そして、回復動作後電圧と回復動作前電圧との差からサイクル試験時間ごとの回復電圧を求めた。
サイクル試験時間をパラメータとして耐久試験を行った各MEAについて、エタノールを含ませたウェスを用いて触媒電極を払拭除去し、さらに、電解質膜内の金属イオン除去のために、電解質膜を0.1mol/lの塩酸(HCl)に一晩浸した。その後、取り出した電解質膜を調純粋で洗浄し乾燥させた後、GPC法を用いて電解質膜の分子量を測定し、サイクル試験時間ごとの電解質膜の分子量維持率を求めた。なお、分子量維持率は、電解質膜の初期状態における電解質の機能を有する分子量に対する、耐久試験の後において、電解質膜中に存在している電解質の機能を有する分子量の割合を示している。
リフレッシュ動作(電圧回復動作)により求めたサイクル試験時間ごとの回復電圧と、分子量測定により求めたサイクル試験時間ごとの分子量維持率との関係をプロットしたところ、図2(a)に示すような顕著な相間関係があることがわかった。具体的には、回復電圧と分子量維持率との間には反比例の関係があることがわかった。
[フェントン試験]
上記MEAに使用した炭化水素系電解質膜を複数用意し、4ppmの塩化鉄と3%の過酸化水素(H2O2)を含む水溶液に浸して、60℃から80℃の複数の温度で2時間加熱するフェントン試験を実施した。
フェントン試験を行った各電解質膜について、それぞれGPC法を用いて分子量を測定して、各温度ごとの分子量維持率を求めた。
フェントン試験を行った各電解質膜について、機械特性の変化を把握するために、80℃80%RH条件下で引張試験を行い、各温度ごとの破断伸度維持率を求めた。
フェントン試験により求めた、各温度ごとの分子量維持率と、各温度ごとの破断伸度維持率との関係は、図2(b)のようになることがわかった。すなわち、電解質膜の酸化劣化が分子量維持率30%前後まで進行すると、電解質膜の破断伸度維持率が20%程度まで減少する。このように、電解質膜の破断伸度維持率が20%以下となると、電解質膜の破断の可能性が大きく、これに伴い発電不能状態に陥る可能性が大きいと考えられる。
以上説明した、[回復電圧と電解質膜中の分子量維持率との関係の試験結果]および[電解質膜中の分子量維持率と電解質膜の破断伸度維持率との関係の試験結果]から、炭化水素系電解質膜の分子量維持率30%を電解質膜の破断閾値であり、セル交換の閾値と設定することができると考える。そして、この分子量維持率30%に対応する回復電圧を電解質膜の破断およびセル交換の閾値電圧Vthと設定するものとした。
各回復電圧の状態から、それぞれ回復電圧が閾値電圧Vthとなるまでの耐久試験を行うことにより、図3に示すように、そのサイクル試験時間を交換残時間Tcとして求めることができる。
以上説明した試験結果を基に、本例の燃料電池システム10では、システム制御部800の膜状態判定部840が、以下で説明する電解質膜の膜状態判定を実行する。図4は、膜状態判定の手順を示すフローチャートである。
以上説明したように、本実施例の燃料電池システム10においては、電解質膜の破断およびセル交換の閾値に対応する回復電圧の閾値Vth、および、回復電圧と交換残時間Tcとの関係を用いることにより、燃料電池のリフレッシュ動作(電圧回復動作)による回復電圧における電解質膜の膜状態を把握して、燃料電池セルの交換時期を判定し、また、燃料電池セルの交換までの残時間(電解質膜の余寿命)を予測することが可能となる。また、本実施例の場合には、従来のような装置を別途用意し、メンテナンスの機械を設ける必要がないので、移動体に燃料電池システムを搭載する上で有利である。
B1.システム構成:
図5は、第2実施例としての燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。この燃料電池システム10Bは、システム制御部800の発電制御部830Bの膜状態判定部830Bの動作が異なる点、これに応じて、電力出力制御部710を介して二次電池750が設けられている点が、異なっているのみであり、他の各要素の動作は、第1実施例の燃料電池システム10と基本的に同じである。そこで、本実施例では、上記相違点について関係する点についてのみ説明を加えることとする。
B2.1.寿命改善発電制御の概念:
図6は、電解質膜中の分子量低下率と発電電流密度との関係を調べた結果を示す説明図である。図6に示すように、0.6A/cm2以上の高負荷で燃料電池の発電を実行すると、電解質膜中の分子量の低下がほとんど発生せず、電解質膜の劣化を抑制することができることがわかった。
以上説明した寿命改善発電制御の概念に基づいて、システム制御部800の発電制御部830Bが、以下で説明する寿命改善発電制御を実行する。図8は、発電制御部で実行される寿命改善発電制御の手順を示すフローチャートである。
B2.3.寿命改善発電制御の効果:
以上説明したように、本実施例の燃料電池システム10Bにおいては、第1実施例の燃料電池システム10と同様に、電解質膜の破断およびセル交換の閾値に対応する回復電圧の閾値Vth、および、回復電圧と交換残時間Tcとの関係を用いることにより、燃料電池のリフレッシュ動作(電圧回復動作)による回復電圧における電解質膜の膜状態を把握して、燃料電池セルの交換時期を判定し、また、燃料電池セルの交換までの残時間(電解質膜の余寿命)を予測することが可能となる。また、本実施例の場合には、従来のような装置を別途用意し、メンテナンスの機械を設ける必要がないので、移動体に燃料電池システムを搭載する上で有利である。
ここで、上記のように、燃料電池100を0.6A/cm2以上で運転させた場合において、駆動系900に必要な電力以外の余剰電力を二次電池に充電させしてもなお、余剰電力を吸収しきれない場合には、例えば、駆動系900の電動モータ910の回転数を高めて、電力を消費させることが考えられる。例えば、ギアボックス950のギアを変更してモータの回転数を上昇させて消費電力を増加させるようにしてもよい。また、ギアボックス950において、ドライブシャフト920と車軸930との接続を切って、車輪940への動力伝達を遮断させて、電動モータ910のみを余剰電力で空転させるようにしてもよい。さらにまた、電動モータ910の回転数を高めて消費させるのではなく、電力制御用負荷720で余剰電力を消費させるようにしてもよい。
なお、上記各実施例における構成要素の中の、独立クレームでクレームされた要素以外の要素は、負荷的な要素であり、適宜省略可能である。また、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能である。
100…燃料電池
110…燃料電池セル
120…セル電圧モニター
200…アノードガス給排系
210…水素供給源
220…流量調整部
230…加湿調整部
240…背圧調整バルブ
270a〜270e…配管
280…露点計
290…圧力計
300…カソードガス給排系
310…吸気口
320…コンプレッサ
330…流量調整部
340…加湿調整部
350…背圧調整バルブ
360…排気口
370a〜370f…配管
380…露点計
390…圧力計
400…冷却装置
410a、410b…配管
420…温度計
500…加熱装置
600…モニター切替部
700…電力出力系
710…電力出力制御部
720…電力制御用負荷
750…二次電池
800…システム制御部
810…動作制御部
820…モニター制御部
830…発電制御部
830B…発電制御部
840…膜状態判定部
850…記憶部
850a…発電制御情報
850b…膜状態判定情報
860…通知部
900…駆動系
910…電動モータ
920…ドライブシャフト
930…車軸
940…車輪
950…ギアボックス
Claims (6)
- 燃料電池の各燃料電池セルの構成要素である電解質膜の状態を判定することが可能な燃料電池システムであって、
前記燃料電池セルのアノードに燃料ガスを供給するアノードガス供給系と、
前記燃料電池セルのカソードに酸化ガスを供給するカソードガス供給系と、
前記燃料電池セルの電圧を測定するセル電圧モニター部と、
前記燃料電池セルの前記電解質膜の状態を判定する膜状態判定部、を含む制御部と、を備え、
前記膜状態判定部は、
あらかじめ定められた膜状態判定タイミングにおいて、あらかじめ設定された電圧回復動作条件で、前記アノードガス供給系と、前記カソードガス供給系と、前記出力制御部と、前記セル電圧モニター部の動作を制御して前記燃料電池セルを発電させることにより前記燃料電池セルの電圧を回復させる電圧回復動作を実行させて、前記電圧回復動作の前の電圧と前記電圧回復動作の後の電圧の差である回復電圧を測定し、
前記電解質膜の初期状態における前記電解質の機能を有する分子量に対する、前記回復電圧が測定される際に前記電解質膜中に存在している前記電解質の機能を有する分子量の割合を示す分子量維持率と回復電圧との関係に基づいて、前記測定した回復電圧に対応する前記燃料電池セルの電解質膜の劣化状態を判定する
ことを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項1に記載の燃料電池システムであって、
前記膜状態判定部は、あらかじめ設定されている回復電圧と燃料電池セルの交換時期までの残時間との関係に基づいて、前記測定した回復電圧に対応する前記燃料電池セルの交換時期までの残時間を推定し、前記残時間を通知する
ことを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項1または請求項2に記載の燃料電池システムであって、
前記膜状態判定部は、前記測定した回復電圧が、前記電解質膜が不可逆的変化を引き起こす目安となる前記分子量維持率の閾値に対応する前記回復電圧の閾値を超えた場合に、少なくとも、交換時期を通知する
ことを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項1ないし請求項3のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、
前記測定した回復電圧が前記回復電圧の閾値よりも低い所定の基準値から前記回復電圧の閾値までの範囲内にあるような前記電解質膜の劣化状態である場合において、要求される出力が所定の高負荷条件に対応する出力以上である場合には、前記要求される出力に対応する条件で発電させる
ことを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項4に記載の燃料電池システムであって、
さらに、二次電池を備え、
前記制御部は、
前記測定した回復電圧が前記回復電圧の閾値よりも低い所定の基準値から前記回復電圧の閾値までの範囲内にあるような前記電解質膜の劣化状態である場合において、
要求される出力が所定の高負荷条件に対応する出力よりも小さい場合で、かつ、前記要求される出力に対して前記二次電池の蓄電容量が十分である場合には、前記二次電池から前記要求される出力に対応する電力を出力させ、
要求される出力が所定の高負荷条件に対応する出力よりも小さい場合で、かつ、前記要求される出力に対して前記二次電池の蓄電容量が不十分である場合には、前記燃料電池を少なくとも前記所定の高負荷条件で発電させて、前記要求される出力に対応する電力を出力させるとともに、余剰電力を用いて前記二次電池を蓄電させる
ことを特徴とする燃料電池システム。 - 燃料電池の各燃料電池セルの構成要素である電解質膜の状態を判定する燃料電池システムの判定方法であって、
あらかじめ定められた膜状態判定タイミングにおいて、あらかじめ設定された電圧回復動作条件で前記燃料電池セルを発電させることにより前記燃料電池セルの電圧を回復させる電圧回復動作を実行させる工程と、
前記電圧回復動作の前の電圧と前記電圧回復動作の後の電圧の差である回復電圧を測定する工程と、
前記電解質膜の初期状態における前記電解質の機能を有する分子量に対する、前記回復電圧が測定される際に前記電解質膜中に存在している前記電解質の機能を有する分子量の割合を示す分子量維持率と回復電圧との関係に基づいて、前記測定した回復電圧に対応する前記燃料電池セルの電解質膜の劣化状態を判定する工程と、
を備えることを特徴とする燃料電池システムの判定方法。
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