JP6479310B2

JP6479310B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP6479310B2
Application number: JP2013196527A
Authority: JP
Inventors: 豪士加藤
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2013-09-24
Filing date: 2013-09-24
Publication date: 2019-03-06
Anticipated expiration: 2033-09-24
Also published as: JP2015064935A

Description

本発明は、車両などに搭載される燃料電池システムに関する。

従来、車両などに搭載される燃料電池システムとして、メタノール、ジメチルエーテル、ヒドラジンなどの液体燃料を使用する固体高分子形の燃料電池を備える燃料電池システムが知られている。

より具体的には、例えば、アノード電極（燃料側電極）およびカソード電極（酸素側電極）を備える燃料電池と、燃料を燃料電池に供給するとともに、その燃料電池から排出される燃料を燃料電池に還流するための燃料給排部と、空気を燃料電池に供給し、また、燃料電池から排出される空気を外部に排出するための空気給排部と、燃料電池から出力される電気エネルギを電動車両の動力とするための動力部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。）。

また、このような燃料電池システムにおいて、燃料として、ヒドラジンを含む液体燃料を用いる場合、電気特性の向上を図るため、燃料に水酸化カリウムなどのアルカリ金属含有成分を添加することも知られている。

特開２０１０−１２９３０４号公報

一方、特許文献１に記載されるような燃料電池システムでは、燃料電池に供給された燃料が、アノード電極において反応することなく電解質膜を透過し、カソード電極側に漏出する場合がある（クロスリーク現象）。このような場合、漏出した燃料によって、カソード電極に劣化、損傷などを生じる場合がある。

具体的には、例えば、燃料としてヒドラジンを含む液体燃料を用い、また、液体燃料中に水酸化カリウムなどのカリウム含有成分が添加される場合には、カソード電極側に燃料が漏出すると、その燃料とともに、カリウム含有成分がカソード電極側に漏出される。

このような場合において、燃料電池が停止され、時間の経過に伴ってカソード電極が乾燥されると、カソード電極の表面にカリウム塩（例えば、水酸化カリウムと二酸化炭素との反応により生成する炭酸カリウムなど）などの塩が析出し、その塩によってカソード電極が劣化、損傷する場合がある。

そこで、本発明の目的は、酸素側電極の劣化、損傷を抑制できる燃料電池システムを提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の燃料電池システムは、電解質膜と、前記電解質膜を挟んで対向配置される燃料側電極および酸素側電極とを備える燃料電池と、前記燃料電池に対して空気を供給する空気供給経路と、前記燃料電池から排出される空気を外部に排出するための空気排出経路と、前記空気供給経路に介在される空気供給弁と、前記空気排出経路に介在される空気排出弁と、前記燃料電池の作動停止時において、前記酸素側電極を湿潤させるための湿潤手段と、前記燃料電池における発電を停止させるか否かを判断し、前記湿潤手段、前記空気供給弁および前記空気排出弁の動作を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記燃料電池における発電を停止すると判断した場合に、前記湿潤手段によって前記酸素側電極を湿潤させ、前記空気供給弁および前記空気排出弁を閉状態に変位させることを特徴としている。

本発明の燃料電池システムでは、燃料電池における発電が停止される場合に、湿潤手段によって酸素側電極が湿潤され、空気供給弁および空気排出弁を閉塞させる。すなわち、燃料電池の停止時には、酸素側電極が湿潤状態で保持される。

そのため、本発明の燃料電池システムでは、酸素側電極の乾燥を抑制することにより、塩の析出を抑制でき、その結果、酸素側電極の劣化、損傷を抑制することができる。

図１は、本発明の一実施形態としての燃料電池システムを搭載した電動車両の概略構成図である。図２は、図１に示す燃料電池システムの停止動作を説明するフロー図である。

１．電動車両の全体構成
図１は、本発明の一実施形態としての燃料電池システムを搭載した電動車両の概略構成図である。

図１において、電動車両１は、燃料電池を動力源とする車両である。電動車両１は、燃料電池システム２を搭載している。

燃料電池システム２は、燃料電池３と、燃料給排部４と、空気給排部５と、制御部６と、動力部７とを備えている。
（１）燃料電池
燃料電池３は、液体燃料が直接供給されるアニオン交換形燃料電池である。燃料電池３は、電動車両１の中央下側に配置されている。燃料電池３は、複数の単位セル１１と、１対のエンドプレート１２とを備えている。

各単位セル１１は、略平板形状に形成されている。各単位セル１１は、その厚み方向（図１の紙面左右方向）において互いに積層され、セルスタック１０を構成している。以下、燃料電池３の説明において、単位セル１１の積層方向を、積層方向と記載する。各単位セル１１は、図１中の拡大図に示すように、膜電極接合体１３と、アノード側セパレータ１４と、カソード側セパレータ１５とを備えている。

膜電極接合体１３は、略平板形状に形成されており、電解質膜１６と、電解質膜１６を挟んで対向配置される燃料側電極としてのアノード電極１７、および、酸素側電極としてのカソード電極１８とを備えている。

電解質膜１６は、アニオン交換形の高分子電解質膜から形成されている。

アノード電極１７は、電解質膜１６の積層方向一方側（図１の紙面右側）の表面に、薄層として積層されている。アノード電極１７は、例えば、触媒を担持した触媒担体により形成されている。なお、アノード電極１７は、触媒担体を用いずに、触媒から、直接形成することもできる。

カソード電極１８は、電解質膜１６の積層方向他方側（図１の紙面左側）の表面に、薄層として積層されている。カソード電極１８は、例えば、触媒を担持した触媒担体により形成されている。なお、カソード電極１８は、触媒担体を用いずに、触媒から、直接形成することもできる。

アノード側セパレータ１４は、膜電極接合体１３の積層方向一方側に配置されている。アノード側セパレータ１４は、ガス不透過性の導電性材料から略平板形状に形成されている。アノード側セパレータ１４の積層方向他方面には、積層方向一方に凹む葛折状の凹溝が形成されている。アノード側セパレータ１４の積層方向他方面は、アノード電極１７に接触している。アノード側セパレータ１４の凹溝は、アノード電極１７の積層方向一方面とともに、燃料流路１９を形成する。燃料流路１９は、エンドプレート１２の後述する燃料供給口１２Ａおよび燃料排出口１２Ｂに連続している。

カソード側セパレータ１５は、膜電極接合体１３の積層方向他方側に配置されている。カソード側セパレータ１５は、ガス不透過性の導電性材料から略平板形状に形成されている。カソード側セパレータ１５の積層方向一方面には、積層方向他方に凹む葛折状の凹溝が形成されている。カソード側セパレータ１５の積層方向一方面は、カソード電極１８に接触している。カソード側セパレータ１５の凹溝は、カソード電極１８の積層方向他方面とともに、空気流路２０を形成する。空気流路２０は、エンドプレート１２の後述する空気供給口１２Ｃおよび空気排出口１２Ｄに連続している。

各エンドプレート１２は、絶縁性の樹脂などから略平板形状に形成されている。各エンドプレート１２は、セルスタック１０を挟むように、燃料電池３の積層方向両側に配置されている。積層方向一方側のエンドプレート１２には、その下端部に貫通形成される燃料供給口１２Ａと、その上端部に貫通形成される燃料排出口１２Ｂとが形成されている。積層方向他方側のエンドプレート１２には、その上端部に貫通形成される空気供給口１２Ｃと、その下端部に貫通形成される空気排出口１２Ｄとが形成されている。
（２）燃料給排部
燃料給排部４は、電動車両１において燃料電池３の後側に配置されている。燃料給排部４は、燃料タンク２１と、燃料供給ライン２３と、燃料還流ライン２４と、排気ライン２５とを備えている。

燃料タンク２１は、燃料成分を含む液体燃料を貯蔵する。なお、燃料タンク２１内の液体燃料の水位は、燃料電池３よりも下側に位置している。

燃料成分としては、例えば、ヒドラジン（ＮＨ_２ＮＨ_２）、水加ヒドラジン（ＮＨ_２ＮＨ_２・Ｈ_２Ｏ）、炭酸ヒドラジン（（ＮＨ_２ＮＨ_２）_２ＣＯ_２）、塩酸ヒドラジン（ＮＨ_２ＮＨ_２・ＨＣｌ）、硫酸ヒドラジン（ＮＨ_２ＮＨ_２・Ｈ_２ＳＯ_４）、モノメチルヒドラジン（ＣＨ_３ＮＨＮＨ_２）、ジメチルヒドラジン（（ＣＨ_３）_２ＮＮＨ_２、ＣＨ_３ＮＨＮＨＣＨ_３）、カルボンヒドラジド（（ＮＨＮＨ_２）_２ＣＯ）などのヒドラジン類が挙げられる。これらの燃料成分は、単独または２種類以上組み合わせて用いることができる。これらの燃料成分のうち、好ましくは、炭素を含まない化合物、すなわち、ヒドラジン、水加ヒドラジン、硫酸ヒドラジンなどが挙げられる。ヒドラジン、水加ヒドラジン、硫酸ヒドラジンなどは、ＣＯおよびＣＯ_２の生成がなく、触媒の被毒が生じないことから、耐久性の向上を図ることができ、実質的なゼロエミッションを実現することができる。

また、燃料成分としてヒドラジン、水加ヒドラジン、硫酸ヒドラジンなどが用いられる場合、電池性能の向上を図る観点から、好ましくは、添加剤として、アルカリ金属含有成分（例えば、水酸化カリウムなどのアルカリ金属水酸化物など）などが、適宜の割合で添加される。

燃料供給ライン２３は、燃料タンク２１から燃料電池３へ液体燃料を供給するための配管である。燃料供給ライン２３の供給方向上流端は、燃料タンク２１の下端部に接続されている。燃料供給ライン２３の供給方向下流端は、燃料電池３の燃料供給口１２Ａに接続されている。燃料供給ライン２３は、送液ポンプ２６と、バルブ２８とを備えている。

送液ポンプ２６は、燃料供給ライン２３の途中に介在されている。送液ポンプ２６としては、例えば、ロータリーポンプ、ギヤポンプなどの回転式ポンプ、ピストンポンプ、ダイヤフラムポンプなどの往復式ポンプなどが挙げられる。送液ポンプ２６は、燃料タンク２１内の液体燃料を燃料電池３に供給する。送液ポンプ２６は、ＥＣＵ５１（後述）に電気的に接続されている。

バルブ２８は、送液ポンプ２６と燃料電池３との間に配置されている。すなわち、送液ポンプ２６の供給方向下流側において、燃料供給ライン２３の途中に介在されている。バルブ２８は、電磁バルブであり、ＥＣＵ５１（後述）に電気的に接続されている。バルブ２８は、液体燃料の通過を許容する開状態と、液体燃料の通過を許容しない閉状態とに変位する。

燃料還流ライン２４は、燃料電池３から燃料タンク２１へ液体燃料を還流するための配管である。燃料還流ライン２４の還流方向上流端は、燃料電池３の燃料排出口１２Ｂに接続されている。燃料還流ライン２４の還流方向下流端は、燃料タンク２１の上端部に接続されている。燃料還流ライン２４は、気液分離器２７を備えている。

気液分離器２７は、燃料還流ライン２４の途中に介在されている。気液分離器２７は、液体燃料とガス（気体）とを分離する。

排気ライン２５は、気液分離器２７で分離されたガスを電動車両１から外へ排気するための配管である。排気ライン２５の排気方向上流端は、気液分離器２７に接続されている。排気ライン２５の排気方向下流端は、大気開放されている。なお、排気ライン２５の途中には、ガスを無害化および無臭化するための図示しない浄化装置が介在されている。
（３）空気給排部
空気給排部５は、燃料電池３に対して空気を供給する空気供給経路としての空気供給ライン４１と、燃料電池３から排出される空気を外部に排出するための空気排出経路としての空気排出ライン４２とを備えている。

空気供給ライン４１は、電動車両１の外から燃料電池３へ空気を供給するための配管である。空気供給ライン４１の供給方向上流端は、大気開放されている。空気供給ライン４１の供給方向下流端は、燃料電池３の空気供給口１２Ｃに接続されている。空気供給ライン４１は、送気ポンプ４３と、空気供給弁４４とを備えている。

送気ポンプ４３は、空気供給ライン４１の途中に介在されている。送気ポンプ４３としては、例えば、エアコンプレッサなどが挙げられる。

空気供給弁４４は、送気ポンプ４３と燃料電池３との間に配置されている。すなわち、送気ポンプ４３の供給方向下流側において、空気供給ライン４１の途中に介在されている。空気供給弁４４は、例えば、電磁バルブであり、ＥＣＵ５１（後述）に電気的に接続されている。空気供給弁４４は、空気の通過を許容する開状態と、空気の通過を許容しない閉状態とに変位する。

空気排出ライン４２は、燃料電池３から電動車両１の外へ空気を排出するための配管である。空気排出ライン４２の排出方向上流端は、燃料電池３の空気排出口１２Ｄに接続されている。空気排出ライン４２の排出方向下流端は、大気開放されている。空気排出ライン４２は、空気排出弁４５を備えている。

空気排出弁４５は、空気排出ライン４２の途中に介在されている。空気排出弁４５は、例えば、電磁バルブであり、ＥＣＵ５１（後述）に電気的に接続されている。空気排出弁４５は、空気の通過を許容する開状態と、空気の通過を許容しない閉状態とに変位する。

また、空気給排部５は、さらに、燃料電池３の作動停止時（後述）において、カソード電極１８を湿潤させるための湿潤手段としての空気加湿器４６を備えている。

空気加湿器４６は、送気ポンプ４３と空気供給弁４４との間に配置されている。すなわち、送気ポンプ４３の供給方向下流側、かつ、空気供給弁４４の上流側において、空気供給ライン４１の途中に介在されている。空気加湿器４６は、特に制限されず、公知の加湿装置を用いることができる。

空気加湿器４６として、具体的には、例えば、水を貯留する水タンク（図示せず）と、その水を加熱するヒータ（図示せず）とを備え、水を所定温度に加熱して蒸気を発生させる加湿器などが挙げられる。

このような空気加湿器４６は、空気供給ライン４１を通過する空気を加湿可能としており、また、その加湿された空気によりカソード電極１８を湿潤可能としている。また、このような空気加湿器４６は、ＥＣＵ５１（後述）に電気的に接続されており、その作動および停止が、ＥＣＵ５１（後述）によって制御されている。
（４）制御部
制御部６は、制御手段としてのＥＣＵ５１と、速度計５０とを備えている。

ＥＣＵ５１は、電動車両１における電気的な制御を実行するコントロールユニット（すなわち、ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）であり、ＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭなどを備えるマイクロコンピュータから構成されている。

速度計５０は、ＥＣＵ５１に電気的に接続されている。速度計５０は、電動車両１の速度を計測し、計測した速度をＥＣＵ５１に送信する。
（５）動力部
動力部７は、電動車両１の前端部において、いわゆるエンジンルーム内に配置されている。動力部７は、モータ５２と、バッテリー５３とを備えている。

モータ５２は、燃料電池３に電気的に接続されている。モータ５２は、燃料電池３から出力される電気エネルギーを電動車両１の駆動力として機械エネルギーに変換する。モータ５２としては、例えば、三相誘導電動機、三相同期電動機などの公知の三相電動機などが挙げられる。

バッテリー５３は、燃料電池３とモータ５２との間の配線に電気的に接続されている。バッテリー５３としては、例えば、ニッケル水素電池や、リチウムイオン電池などの公知の二次電池などが挙げられる。
２．燃料電池システムの発電動作
次いで、燃料電池システム２の発電動作について説明する。

電動車両１が作動されると、ＥＣＵ５１の制御により、バルブ２８が開状態に変位され、燃料供給ライン２３の送液ポンプ２６が駆動される。また、これとともに、ＥＣＵ５１の制御により、空気供給弁４４および空気排出弁４５が開状態に変位され、空気供給ライン４１の送気ポンプ４３が駆動される。

燃料供給ライン２３の送液ポンプ２６が駆動すると、燃料タンク２１内の液体燃料は、燃料供給ライン２３を介して燃料電池３の燃料供給口１２Ａに供給される。燃料供給口１２Ａに供給された液体燃料は、アノード電極１７の積層方向一方面と接触しながら燃料流路１９内を流れ、燃料排出口１２Ｂから燃料還流ライン２４へ排出される。

また、空気供給ライン４１の送気ポンプ４３が駆動すると、電動車両１の外部から空気が取り込まれ、空気供給ライン４１を介して燃料電池３の空気供給口１２Ｃに供給される。空気供給口１２Ｃに供給された空気は、カソード電極１８の積層方向他方面と接触しながら空気流路２０内を流れ、空気排出口１２Ｄから空気排出ライン４２へ排出される。

このとき、各単位セル１１では、燃料成分が、例えば、ヒドラジンである場合には、下記反応式（１）〜（３）で表される反応が生じ、燃料電池３の発電が行なわれる。
（１）Ｎ_２Ｈ_４＋４ＯＨ⁻→Ｎ_２＋４Ｈ_２Ｏ＋４ｅ⁻ （アノード電極１７での反応）
（２）Ｏ_２＋２Ｈ_２Ｏ＋４ｅ⁻→４ＯＨ⁻ （カソード電極１８での反応）
（３）Ｎ_２Ｈ_４＋Ｏ_２→Ｎ_２＋２Ｈ_２Ｏ（単位セル１１全体での反応）
これらの反応により、ヒドラジン（Ｎ_２Ｈ_４）が消費されるとともに、水（Ｈ_２Ｏ）および窒素ガス（Ｎ_２）が生成され、起電力（４ｅ⁻）が発生される。発生した起電力は、図示しないインバータにより三相交流電力に変換された後、モータ５２に供給され、電動車両１の車輪を駆動させる機械エネルギーに変換される。なお、機械エネルギーに変換されなかった余剰の電力は、バッテリー５３に蓄電される。

燃料排出口１２Ｂから燃料還流ライン２４に排出された液体燃料は、気液分離器２７において、ガス（上記式（１）の反応において生成する窒素ガス（Ｎ_２）や、副生するアンモニア（ＮＨ_３）など）と分離されて、燃料タンク２１に還流される。
３．燃料電池システムの停止
図２は、図１に示す燃料電池システムの停止動作を説明するフロー図である。

図２を参照しながら、燃料電池システム２の停止について説明する。この燃料電池システム２の停止は、ＥＣＵのメモリに記憶されている発電停止制御処理に基づいて実施（スタート）される。

電動車両１が走行しているときには、上記した発電動作により発電される。そして、電動車両１が停車すると、すなわち、速度計５０の計測に基づいて、ＥＣＵ５１が、電動車両１の速度が０ｋｍ／時であると判断したときには、ＥＣＵ５１は、燃料電池３における発電を停止すると判断する（Ｓ１：ＹＥＳ）。

すると、ＥＣＵ５１は、送気ポンプ４３を駆動させた状態で、送液ポンプ２６を停止させ、また、これとともに、空気加湿器４６を作動させる。なお、このとき、上記の発電動作から引き続いて、空気供給弁４４および空気排出弁４５は開状態とされる（Ｓ２）。

そして、これにより燃料の供給が停止され、燃料電池３が作動停止する。

一方、空気加湿器４６の作動により、空気供給ライン４１を通過する空気が加湿され、その加湿された空気が、カソード電極１８に供給される。その結果、カソード電極１８が湿潤状態とされる。

また、これとともに、カソード電極１８が湿潤状態であるか否かが、例えば、送気ポンプ４３および空気加湿器４６の作動時間などから、ＥＣＵ５１によって判断される（Ｓ３）。

そして、カソード電極１８が湿潤状態でないと判断される場合（Ｓ３：ＮＯ）には、カソード電極１８が湿潤状態に至るまで、送気ポンプ４３および空気加湿器４６を作動させる。

一方、カソード電極１８が湿潤状態であると判断される場合（Ｓ３：ＹＥＳ）には、ＥＣＵ５１の制御によって、空気供給弁４４および空気排出弁４５を閉状態に変位させる。また、これとともに、送気ポンプ４３および空気加湿器４６が停止される（Ｓ４）。

これにより、燃料電池システム２における発電が停止される。
４．作用効果
このような燃料電池システム２では、燃料電池３に供給された燃料が、アノード電極１７において反応することなく電解質膜１６を透過し、カソード電極１８側に漏出する場合がある（クロスリーク現象）。このような場合、漏出した燃料によって、カソード電極１８に劣化、損傷などを生じる場合がある。

具体的には、例えば、燃料としてヒドラジンを含む液体燃料を用い、また、液体燃料中に水酸化カリウムなどのカリウム含有成分が添加される場合には、カソード電極１８側に燃料が漏出すると、その燃料とともに、カリウム含有成分がカソード電極１８側に漏出される。

このような場合、燃料電池３が停止され、時間の経過に伴ってカソード電極１８が乾燥されると、その表面にカリウム塩（例えば、水酸化カリウムと二酸化炭素との反応により生成する炭酸カリウムなど）などの塩が析出し、塩によってカソード電極１８が劣化、損傷する場合がある。

一方、上記の燃料電池システム２では、燃料電池３における発電が停止される場合に、空気加湿器４６によってカソード電極１８が湿潤され、空気供給弁４４および空気排出弁４５が閉塞される。すなわち、燃料電池３の停止時には、カソード電極１８が湿潤状態で保持される。

そのため、上記の燃料電池システム２では、カソード電極１８の乾燥を抑制することにより、塩の析出を抑制でき、その結果、カソード電極１８の劣化、損傷を抑制することができる。

なお、上記した説明では、燃料電池３による発電が停止される場合に、空気加湿器４６が作動されるが、必要により、燃料電池３の発電時に、空気加湿器４６が作動されてもよい。

燃料電池３の発電時に空気加湿器４６が作動されると、空気供給ライン４１を通過する空気が加湿され、その加湿された空気がカソード電極１８に供給される。そのため、カソード電極１８が湿潤状態とされ、そのカソード電極１８を介して、電解質膜５が湿潤状態とされる。これにより、電解質膜５の導電性の向上を図ることができ、燃料電池３の発電効率の向上を図ることができる。

また、このような場合において、燃料電池３による発電の停止時に、カソード電極１８が湿潤状態である場合には、燃料電池３による発電の停止とともに、空気加湿器４６が停止され、また、空気供給弁４４および空気排出弁４５が閉状態に変位されてもよい。

このような処理によっても、カソード電極１８の乾燥を抑制することにより、塩の析出を抑制でき、その結果、カソード電極１８の劣化、損傷を抑制することができる。

また、上記した説明では、空気供給ライン４１を通過する空気が加湿されることによって、カソード電極１８が湿潤状態とされたが、例えば、湿潤手段としてカソード電極１８を洗浄するための洗浄装置を用いて、燃料電池３による発電の停止時に、カソード電極１８を洗浄し、湿潤状態とさせてもよい。

さらには、湿潤手段として燃料給排部４を用い、上記のクロスリーク現象によりカソード電極１８側に漏出する液体燃料によって、カソード電極１８を湿潤状態とさせてもよい。

２燃料電池システム
３燃料電池
６制御部
１６電解質膜
１７アノード電極
１８カソード電極
４１空気供給ライン
４２空気排出ライン
４４空気供給弁
４５空気排出弁
４６空気加湿器
５１ＥＣＵ

Claims

電解質膜と、前記電解質膜を挟んで対向配置される燃料側電極および酸素側電極とを備える燃料電池と、
前記燃料電池に対して空気を供給する空気供給経路と、
前記燃料電池から排出される空気を外部に排出するための空気排出経路と、
前記空気供給経路に介在される空気供給弁と、
前記空気排出経路に介在される空気排出弁と、
前記燃料電池の作動停止時において、前記酸素側電極を湿潤させるための湿潤手段と、
前記燃料電池における発電を停止させるか否か、および、前記酸素側電極が湿潤状態であるか否かを判断し、前記湿潤手段、前記空気供給弁および前記空気排出弁の動作を制御する制御手段とを備え、
前記湿潤手段が、水を加熱して蒸気を発生させる加湿器であり、
前記制御手段は、
前記燃料電池における発電を停止すると判断した場合において、
前記酸素側電極が湿潤状態でないと判断される場合に、前記酸素側電極が湿潤状態に至るまで、前記湿潤手段によって前記酸素側電極を湿潤させ、
前記酸素側電極が湿潤状態であると判断される場合に、前記空気供給弁および前記空気排出弁を閉状態に変位させるとともに、前記湿潤手段を停止させる
ことを特徴とする、燃料電池システム。