(57)【要約】【課題】  電気浸透水の多い電解質膜を備える固体高分子型燃料電池の発電効率低下を抑制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（１００）は、カソード（１５）側からアノード（１４）側への水流速が２×１０−６ｍｏｌ／ｃｍ２／ｓｅｃ以下でプロトン伝導性を有する電解質膜（１３）を備える燃料電池（１０）と、燃料電池のアノードに供給される燃料ガスの相対湿度および燃料電池のカソードに供給される酸化剤ガスの相対湿度を調整する湿度調整手段（３０，４０）と、燃料電池のアノード入口における燃料ガスの相対湿度が燃料電池のカソード入口における酸化剤ガスの相対湿度よりも高くなるように湿度調整手段を制御する制御手段（５０）と、を備える。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
カソード側からアノード側への水流速が２×１０−６ｍｏｌ／ｃｍ２／ｓｅｃ以下でプロトン伝導性を有する電解質膜を備える燃料電池と、
前記燃料電池のアノードに供給される燃料ガスの相対湿度および前記燃料電池のカソードに供給される酸化剤ガスの相対湿度を調整する湿度調整手段と、
前記燃料電池のアノード入口における前記燃料ガスの相対湿度が前記燃料電池のカソード入口における前記酸化剤ガスの相対湿度よりも高くなるように前記湿度調整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。
【請求項２】
前記湿度調整手段は、前記カソード入口における前記酸化剤ガスの相対湿度を４０％以下に調整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。
【請求項３】
前記湿度調整手段は、前記アノード入口における前記燃料ガスの相対湿度を４５％以上に調整することを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記湿度調整手段は、前記アノード入口における前記燃料ガスの相対湿度を１００％に調整することを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記アノード入口に設けられ、前記燃料ガスの相対湿度を検出する第１湿度センサと、
前記カソード入口に設けられ、前記酸化剤ガスの相対湿度を検出する第２湿度センサとをさらに備え、
前記湿度調整手段は、前記第１湿度センサおよび前記第２湿度センサの検出結果に基づいて、前記燃料ガスおよび前記酸化剤ガスの相対湿度を調整することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記湿度調整手段は、前記燃料電池のカソード出口に設けられた気液分離器を備え、前記気液分離器によって分離された水を前記燃料ガスに混合することによって前記燃料ガスの相対湿度を調整することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子型燃料電池を備えた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、一般的には水素及び酸素を燃料として電気エネルギーを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れかつ高いエネルギー効率を実現できることから、今後のエネルギー供給システムとして広く開発が進められてきている。
【０００３】
例えば、固体高分子型燃料電池は、プロトン伝導性を備える固体高分子電解質膜の両面に触媒層およびガス拡散層が順に積層された構造を有する。このような固体高分子型燃料電池においては運転中に電解質膜のプロトン伝導性を確保することが必要であることから、燃料ガスおよび酸化剤ガスが加湿されることが多い。そこで、高い発電性能を維持するために、燃料極から排出される未反応燃料ガス中の水蒸気量が飽和水蒸気量以上となるように燃料ガスを加湿する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−２３６９７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、電気浸透水の多い電解質膜を用いた場合、アノード側からカソード側への水移動量が多くなってしまう。この場合、アノード側が乾燥し、カソード側においてはフラッディングが生じるおそれがある。その結果、発電効率が低下するおそれがある。
【０００６】
本発明は、電気浸透水の多い電解質膜を備える固体高分子型燃料電池の発電効率低下を抑制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。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る燃料電池システムは、カソード側からアノード側への水流速が２×１０−６ｍｏｌ／ｃｍ２／ｓｅｃ以下でプロトン伝導性を有する電解質膜を備える燃料電池と、燃料電池のアノードに供給される燃料ガスの相対湿度および燃料電池のカソードに供給される酸化剤ガスの相対湿度を調整する湿度調整手段と、燃料電池のアノード入口における燃料ガスの相対湿度が燃料電池のカソード入口における酸化剤ガスの相対湿度よりも高くなるように湿度調整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。
【０００８】
本発明に係る燃料電池システムにおいては、アノード側からカソード側への水移動量が多くなるが、アノード側における相対湿度を高く維持することができる。したがって、アノードの乾燥を抑制することができる。また、カソードにおける相対湿度を低く維持することができる。したがって、カソードのフラッディングを抑制することができる。その結果、燃料電池の発電効率低下を抑制することができる。
【０００９】
湿度調整手段は、カソード入口における酸化剤ガスの相対湿度を４０％以下に調整してもよい。この場合、カソードにおけるフラッディングを抑制することができる。また、湿度調整手段は、アノード入口における燃料ガスの相対湿度を４５％以上に調整してもよい。この場合、アノードの乾燥を抑制することができる。さらに、湿度調整手段は、アノード入口における燃料ガスの相対湿度を１００％に調整してもよい。この場合、アノードの乾燥を効果的に抑制することができる。
【００１０】
アノード入口に設けられ燃料ガスの相対湿度を検出する第１湿度センサと、カソード入口に設けられ酸化剤ガスの相対湿度を検出する第２湿度センサとをさらに備え、湿度調整手段は、第１湿度センサおよび第２湿度センサの検出結果に基づいて燃料ガスおよび酸化剤ガスの相対湿度を調整してもよい。また、湿度調整手段は、燃料電池のカソード出口に設けられた気液分離器を備え、気液分離器によって分離された水を燃料ガスに混合することによって燃料ガスの相対湿度を調整してもよい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、アノードの乾燥を抑制することができるとともにカソードにおけるフラッディングを抑制することができる。それにより、発電効率低下を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
【００１３】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池システム１００を説明するための図である。図１（ａ）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１（ｂ）は、燃料電池１０の構成を示す模式図である。図１（ａ）に示すように、燃料電池システム１００は、燃料電池１０、気液分離器２０、水供給弁３０，４０および制御部５０を備える。燃料電池１０のアノード入口には湿度センサ１１が設けられており、燃料電池１０のカソード入口には湿度センサ１２が設けられている。
【００１４】
図１（ｂ）に示すように、燃料電池１０は、プロトン伝導性固体高分子からなる電解質膜１３がアノード１４とカソード１５とによって挟持された単セルが複数積層された構造を有する。電解質膜１３は、電気浸透水の多い電解質膜である。すなわち、電解質膜１３は、プロトンが伝導する際のアノード側からカソード側への水移動量が多い電解質膜である。具体的には、カソード側からアノード側への水流速が２×１０−６ｍｏｌ／ｃｍ２／ｓｅｃ以下の電解質膜である。電解質膜１３の構成は、例えば、下記式によって表すことができる。化１の化合物名はスルホン化ポリエーテルエーテルケトン（Ｓ−ＰＥＥＫ）であり、化２の化合物名はスルホン化ポリエーテルスルホン（Ｓ−ＰＥＳ）である。
【００１５】
【化１】
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【００１６】
【化２】
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【００１７】
アノード１４およびカソード１５は、電解質膜１３側から触媒層およびガス拡散層が順に積層された構造を有する。ガス拡散層は、燃料ガスまたは酸化剤ガスを触媒層側へ拡散させるための層であり、例えばカーボンペーパ等の導電性材料からなる。アノード１４の触媒層は、水素のプロトン化を促進するための触媒を含有する導電性材料からなる。カソード１５の触媒層は、プロトンと酸素との反応を促進するための触媒を含有する導電性材料からなる。アノード１４およびカソード１５の触媒層は、例えば白金担持カーボンからなる。
【００１８】
アノード１４に供給された燃料ガス中の水素はプロトンと電子とに分離する。プロトンは電解質膜１３を伝導してカソード１５に到達する。カソード１５に到達したプロトンは、酸化剤ガス中の酸素と反応する。それにより、水が発生するとともに電力が発生する。なお、プロトンの伝導とともにアノード側からカソード側に水が移動する。
【００１９】
気液分離器２０は、燃料電池１０のカソード出口に設けられている。気液分離器２０は、カソードオフガスから水分を分離して水供給弁３０，４０に供給する。水供給弁３０は、制御部５０の指示に従って、気液分離器２０によって分離された水分のうち必要量の水分を燃料ガス流路に供給する。水供給弁４０は、制御部５０の指示に従って、気液分離器２０によって分離された水分のうち必要量の水分を酸化剤ガス流路に供給する。それにより、燃料ガスおよび酸化剤ガスの相対湿度（水蒸気圧／セル温度における飽和水蒸気圧）を制御することができる。
【００２０】
湿度センサ１１，１２は、例えば露点計からなる。湿度センサ１１は、燃料電池１０のアノード入口における燃料ガスの相対湿度を検出し、その検出結果を制御部５０に与える。湿度センサ１２は、燃料電池１０のカソード入口における酸化剤ガスの相対湿度を検出し、その検出結果を制御部５０に与える。制御部５０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。制御部５０は、湿度センサ１１，１２の検出結果に基づいて、水供給弁３０，４０を制御する。本実施の形態においては、制御部５０は、アノード入口における燃料ガスの相対湿度がカソード入口における酸化剤ガスの相対湿度よりも大きくなるように水供給弁３０，４０を制御する。
【００２１】
本実施の形態に係る燃料電池１０においてはアノード１４からカソード１５への水移動量が多くなるが、アノード１４における相対湿度を高く維持することができる。したがって、アノード１４の乾燥を抑制することができる。また、カソード１５における相対湿度を低く維持することができる。したがって、カソード１５のフラッディングを抑制することができる。その結果、燃料電池１０の発電効率低下を抑制することができる。
【００２２】
なお、カソード入口における酸化剤ガスの相対湿度は、４０％以下であることが好ましい。以下、その理由について説明する。燃料電池１０の発電時の電流密度が１．０Ａ／ｃｍ２であり、電解質膜１３のカソード側からアノード側への水流速が２．０×１０−６ｍｏｌ／ｃｍ２／ｓｅｃであり、セル温度が４０℃であり、ガスストイキ比が２．０（すなわち、燃料ガスに含まれる水素量が、１．０Ａ／ｃｍ２の電流密度を実現するために必要な水素量の２．０倍であり、酸化剤ガスに含まれる酸素量が、１．０Ａ／ｃｍ２の電流密度を実現するために必要な酸素量の２．０倍である）である場合について考える。
【００２３】
この場合、カソード１５における生成水量は、下記式（１）により５．２×１０−６ｍｏｌ／ｃｍ２／ｓｅｃとなる。
１．０Ａ／ｃｍ２  ／  ９６５００（ファラデー定数）  ／２  （電子数）
＝  ５．２×１０−６ｍｏｌ／ｃｍ２／ｓｅｃ  （１）
電解質膜１３においてカソード側からアノード側への水流速が２．０×１０−６ｍｏｌ／ｃｍ２／ｓｅｃであることから、カソード１５から排出する必要がある水量は３．２×１０−６ｍｏｌ／ｃｍ２／ｓｅｃ以上である。
【００２４】
ここで、カソード出口における酸化剤ガスの相対湿度を１００％であると仮定すると、カソード出口の水蒸気量は、（４０℃飽和水蒸気圧）×流量／気体定数／温度＝５．５×１０−６ｍｏｌ／ｃｍ２／ｓｅｃである。したがって、発電生成水をカソード１５から排出するためには、カソード入口における酸化剤ガスの相対湿度は下記式（２）により４０％以下にする必要がある。
（１−（３．２×１０−６／５．５×１０−６））×１００％  ＝  ４０％  （２）
以上のことから、カソード入口における酸化剤ガスの相対湿度を４０％以下に調整することによって、カソード１５におけるフラッディングを効果的に抑制することができる。
【００２５】
また、アノード入口における燃料ガスの相対湿度は、４５％以上であることが好ましい。以下、その理由について説明する。電解質膜１３の電気浸透係数が１．０であると仮定すると、プロトンが電解質膜１３を伝導するために必要な水量は、２．６×１０−６ｍｏｌ／ｃｍ２／ｓｅｃ以上である。また、アノード１４における飽和水蒸気量は、（４０℃飽和水蒸気圧）×流量／気体定数／温度＝５．８×１０−６ｍｏｌ／ｃｍ２／ｓｅｃである。この場合、アノード入口における燃料ガスの相対湿度は下記式（３）により４５％以上にする必要がある。
（２．６×１０−６）／（５．８×１０−６）×１００％  ＝  ４５％  （３）
したがって、アノード入口における燃料ガスの相対湿度を４５％以上に調整することによって、アノード１４における乾燥を効果的に抑制することができる。なお、一般的に、燃料ガスの相対湿度が高いほど燃料電池１０の発電効率が向上する。したがって、アノード入口における燃料ガスの相対湿度は、１００％であることが好ましい。
【００２６】
ここで、電気浸透水の少ない電解質膜（例えば、カソード側からアノード側への水流速が５×１０−６ｍｏｌ／ｃｍ２／ｓｅｃである電解質膜）について考えてみる。この場合、カソードにおける生成水量は、上記式（１）により５．２×１０−６ｍｏｌ／ｃｍ２／ｓｅｃである。したがって、カソードにおいて排出する必要がある水量は０．２×１０−６ｍｏｌ／ｃｍ２／ｓｅｃ以上である。カソード出口における酸化剤ガスの相対湿度が１００％であると仮定すると、カソード出口における水蒸気量は、（４０℃飽和水蒸気圧）×流量／気体定数／温度＝５．５×１０−６ｍｏｌ／ｃｍ２／ｓｅｃである。したがって、発電生成水をカソード１５から排出するためには、カソード入口における酸化剤ガスの相対湿度は下記式（４）により９６％以下でよい。
（１−（０．２×１０−６／５．５×１０−６））×１００％  ＝  ９６％  （４）
【００２７】
以上のことから、カソード入口における酸化剤ガスの相対湿度を９６％以下に調整することによって、カソードにおけるフラッディングを効果的に抑制することができる。このように、電気浸透水が少ない電解質膜においては、酸化剤ガスの相対湿度を精度よく制御しなくてもカソードにおけるフラッディングを抑制できる。したがって、本発明は、電気浸透水が多い電解質膜に対して特に効果を発揮する。
【００２８】
続いて、制御部５０による水供給弁３０，４０の制御を表すフローチャートの一例について説明する。図２は、上記フローチャートを示す図である。制御部５０は、周期的に図２のフローチャートを実行する。まず、図２に示すように、制御部５０は、湿度センサ１１からアノード入口における燃料ガスの相対湿度を取得するとともに、湿度センサ１２からカソード入口における酸化剤ガスの相対湿度を取得する（ステップＳ１）。
【００２９】
次に、制御部５０は、アノード入口における燃料ガスの相対湿度がカソード入口の酸化剤ガスの相対湿度よりも大きいか否かを判定する（ステップＳ２）。ステップＳ２においてアノード入口における燃料ガスの相対湿度がカソード入口の酸化剤ガスの相対湿度よりも大きいと判定された場合、制御部５０は動作を終了する。ステップＳ２においてアノード入口における燃料ガスの相対湿度がカソード入口の酸化剤ガスの相対湿度よりも大きいと判定されなかった場合、制御部５０は、アノード入口における燃料ガスの相対湿度が高くなるように水供給弁３０を制御する（ステップＳ３）。その後、制御部５０は、動作を終了する。
【００３０】
このように図２のフローチャートに従った制御によって、燃料電池システム１００は、アノード入口における燃料ガスの相対湿度がカソード入口における酸化剤ガスの相対湿度よりも大きく設定することができる。
【００３１】
本実施の形態においては、水供給弁３０，４０が湿度調整手段に相当し、制御部５０が制御手段に相当し、湿度センサ１１が第１湿度センサに相当し、湿度センサ１２が第２湿度センサに相当する。
【００３２】
（第２の実施の形態）
図３は、本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池システム１００ａの全体構成を示す模式図である。図３に示すように、燃料電池システム１００ａは、燃料電池１０、スチームインジェクション６０，７０および制御部５０を備える。燃料電池１０のアノード入口には湿度センサ１１が設けられており、燃料電池１０のカソード入口には湿度センサ１２が設けられている。燃料電池１０、湿度センサ１１，１２および制御部５０は、第１の実施の形態と同様のものである。
【００３３】
スチームインジェクション６０は、燃料電池１０のアノード入口に設けられている。スチームインジェクション７０は、燃料電池１０のカソード入口に設けられている。スチームインジェクション６０，７０は、制御部５０の指示に従って、必要量の水蒸気をそれぞれアノード入口およびカソード入口に供給する。それにより、燃料ガスおよび酸化剤ガスの相対湿度を制御することができる。
【００３４】
制御部５０は、湿度センサ１１，１２の検出結果に基づいて、スチームインジェクション６０，７０を制御する。本実施の形態においては、制御部５０は、アノード入口における燃料ガスの相対湿度がカソード入口における酸化剤ガスの相対湿度よりも大きくなるようにスチームインジェクション６０，７０を制御する。なお、カソード入口における酸化剤ガスの相対湿度は、４０％以下であることが好ましい。アノード入口における燃料ガスの相対湿度は、４５％以上であることが好ましく、１００％であることがより好ましい。
【００３５】
本実施の形態においては、スチームインジェクション６０，７０が湿度調整手段に相当し、制御部５０が制御手段に相当し、湿度センサ１１が第１湿度センサに相当し、湿度センサ１２が第２湿度センサに相当する。
【実施例】
【００３６】
以下、上記の実施の形態に係る燃料電池システムの特性を調べた。
【００３７】
（実施例）
実施例においては、燃料電池システム１００において、アノード入口における燃料ガスの相対湿度がカソード入口における酸化剤ガスの相対湿度よりも大きくなるように水供給弁３０，４０を制御した。セル温度は８０℃、燃料ガスの加湿温度は８０℃（相対湿度１００％）、酸化剤ガスの加湿温度は０℃（相対湿度０％）、燃料ガスおよび酸化剤ガスの流量は５００ｃｃｍ、背圧は０．２ＭＰａとした。電解質膜１３としては、膜厚３０μｍ、水流速１．０×１０−６ｍｏｌ／ｃｍ２／ｓｅｃの炭化水素系材料を用いた。
【００３８】
（比較例）
比較例においては、燃料電池システム１００において、アノード入口における燃料ガスの相対湿度とカソード入口における酸化剤ガスの相対湿度が等しくなるように水供給弁３０，４０を制御した。セル温度は８０℃、燃料ガスおよび酸化剤ガスの加湿温度は８０℃（相対湿度１００％）、燃料ガスおよび酸化剤ガスの流量は５００ｃｃｍ、背圧は０．２ＭＰａとした。電解質膜１３としては、膜厚３０μｍ、水流速１．０×１０−６ｍｏｌ／ｃｍ２／ｓｅｃの炭化水素系材料を用いた。
【００３９】
（分析）
実施例および比較例に係る燃料電池システムの発電性能について調べた。図３は、発電開始からの経過時間と発電電圧との関係を示す図である。図３の横軸は経過時間を示し、図３の縦軸は発電電圧を示す。図３（ａ）は比較例に係る燃料電池システムの発電電圧を示し、図３（ｂ）は実施例に係る燃料電池システムの発電電圧を示す。
【００４０】
図３（ａ）に示すように、比較例においては、時間の経過とともに発電電圧が低下していった。これは、アノード側からカソード側への水移動に伴って、カソード側においてフラッディングが生じたからであると考えられる。一方、図３（ｂ）に示すように、実施例においては、時間が経過しても発電電圧はほぼ一定値を維持した。これは、アノード側の乾燥を抑制しつつカソード側におけるフラッディングを抑制することができたからであると考えられる。
【００４１】
以上のように、電気浸透水の多い電解質膜を用いた燃料電池において、アノード入口における燃料ガスの相対湿度をカソード入口における酸化剤ガスの相対湿度よりも大きく制御することによって、燃料電池の発電効率低下を抑制できることがわかった。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池システムを説明するための図である。
【図２】制御部による水供給弁の制御を表すフローチャートの一例である。
【図３】本発明の第２の実施の形態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。
【図４】発電開始からの経過時間と発電電圧との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００４３】
１０  燃料電池
１１，１２  湿度センサ
１３  電解質膜
１４  アノード
１５  カソード
２０  気液分離器
３０，４０  水供給弁
５０  制御部
６０，７０  スチームインジェクション
１００，１００ａ  燃料電池システム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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