(57)【要約】【課題】膜電極複合体の湿潤状態を正確に判断して、これを適正化することができる固体高分子形燃料電池の運転制御方法を提供する。【解決手段】アノードガスが供給されるアノード極と酸素を含むカソードガスが供給されるカソード極とを固体高分子電解質膜を介して配して構成される膜電極複合体を備えた固体高分子形燃料電池の運転制御方法であって、前記膜電極複合体と前記カソードガスに含まれる酸素との接触頻度を強制的に増減させたときの固体高分子形燃料電池の出力電圧の差を算出する算出工程と、前記算出工程で算出された出力電圧の差が、所定の上限値を上回った場合に、前記膜電極複合体への加湿を抑制する加湿制御工程とを有する固体高分子形燃料電池の運転制御方法。【選択図】        なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードガスが供給されるアノード極と酸素を含むカソードガスが供給されるカソード極とを固体高分子電解質膜を介して配して構成される膜電極複合体を備えた固体高分子形燃料電池の運転制御方法であって、
前記膜電極複合体と前記カソードガスに含まれる酸素との接触頻度を強制的に増減させたときの固体高分子形燃料電池の出力電圧の差を算出する算出工程と、
前記算出工程で算出された出力電圧の差が、所定の上限値を上回った場合に、前記膜電極複合体への加湿を抑制する加湿制御工程とを有する固体高分子形燃料電池の運転制御方法。
【請求項２】
アノードガスが供給されるアノード極と酸素を含むカソードガスが供給されるカソード極とを固体高分子電解質膜を介して配して構成される膜電極複合体を備えた固体高分子形燃料電池の運転制御方法であって、
前記膜電極複合体と前記カソードガスに含まれる酸素との接触頻度を強制的に増減させたときの固体高分子形燃料電池の出力電圧の差を算出する算出工程と、
前記算出工程で算出された出力電圧の差が、所定の下限値を下回った場合に前記膜電極複合体への加湿を促進する加湿制御工程とを有する固体高分子形燃料電池の運転制御方法。
【請求項３】
前記固体高分子形燃料電池の出力電圧値が所定の下限値を下回ったか否かを判定する電圧値判定工程を有し、
電圧値判定工程において前記固体高分子形燃料電池の出力電圧値が所定の下限値を下回ったと判定された場合に、前記算出工程及び前記加湿制御工程を実施する請求項１又は２に記載の固体高分子形燃料電池の運転制御方法。
【請求項４】
前記算出工程において、前記カソードガスの流量を変更する請求項１〜３の何れか１項に記載の固体高分子形燃料電池の運転制御方法。
【請求項５】
前記算出工程において、前記カソードガスに含まれる酸素分圧を変更する請求項１〜３の何れか１項に記載の固体高分子形燃料電池の運転制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アノードガスが供給されるアノード極と酸素を含むカソードガスが供給されるカソード極とを固体高分子電解質膜を介して配して構成される膜電極複合体を備えた固体高分子形燃料電池の運転制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、固体高分子形燃料電池では、前記膜電極複合体の湿潤状態が燃料電池の性能を左右する重要な因子であることが知られていた。即ち、前記膜電極複合体が乾燥しすぎると固体高分子膜のイオン伝導度が低下して燃料電池の出力電圧が低下し、前記膜電極複合体が濡れすぎるとガス流路が塞がれて反応が起こりにくくなり燃料電池の出力電圧が低下する。従って、この種の燃料電池の運転制御方法においては、燃料電池稼動時における出力電圧等の特性信号に基づいて、前記前記膜電極複合体の湿潤状態を判断し、前記膜電極複合体に対する水分供給を制御していた（特許文献１参照。）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１１−１９１４２３号公報（第［０００５］、［００１１］段落、
図１参照。）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の固体高分子形燃料電池の運転制御方法によれば、膜電極複合体が乾燥しすぎても濡れすぎていても燃料電池の出力低下という同じ結果に帰着するので、湿潤状態の正確な判断が困難であり、半ば推測に近い状況で制御が行われているという問題点があった。
【０００５】
従って、本発明の目的は、上記問題点に鑑み、前記膜電極複合体の湿潤状態を正確に判断して、これを適正化することができる固体高分子形燃料電池の運転制御方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するための本発明の固体高分子形燃料電池の運転制御方法の第１特徴手段は、請求項１に記載されているように、アノードガスが供給されるアノード極と酸素を含むカソードガスが供給されるカソード極とを固体高分子電解質膜を介して配して構成される膜電極複合体を備えた固体高分子形燃料電池の運転制御方法であって、前記膜電極複合体と前記カソードガスに含まれる酸素との接触頻度を強制的に増減させたときの固体高分子形燃料電池の出力電圧の差を算出する算出工程と、前記算出工程で算出された出力電圧の差が、所定の上限値を上回った場合に、前記膜電極複合体への加湿を抑制する加湿制御工程とを有する点にある。
【０００７】
この目的を達成するための本発明の固体高分子形燃料電池の運転制御方法の第２特徴手段は、請求項２に記載されているように、アノードガスが供給されるアノード極と酸素を含むカソードガスが供給されるカソード極とを固体高分子電解質膜を介して配して構成される膜電極複合体を備えた固体高分子形燃料電池の運転制御方法であって、前記膜電極複合体と前記カソードガスに含まれる酸素との接触頻度を強制的に増減させたときの固体高分子形燃料電池の出力電圧の差を算出する算出工程と、前記算出工程で算出された出力電圧の差が、所定の下限値を下回った場合に前記膜電極複合体への加湿を促進する加湿制御工程とを有する点にある。
【０００８】
上記第１又は２特徴手段において、請求項３に記載されているように、前記固体高分子形燃料電池の出力電圧値が所定の下限値を下回ったか否かを判定する電圧値判定工程を有し、電圧値判定工程において前記固体高分子形燃料電池の出力電圧値が所定の下限値を下回ったと判定された場合に、前記算出工程及び前記加湿制御工程を実施することが好ましく、
請求項４に記載されているように、前記算出工程において、前記カソードガスの流量を変更してもよく、
請求項５に記載されているように、前記算出工程において、前記カソードガスに含まれる酸素分圧を変更してもよい。
そして、これらの作用効果は、以下の通りである。
【０００９】
前記膜電極複合体の湿潤性が高過ぎる（濡れている）と、高分子固体膜の外側に存在する電極触媒層も濡れてしまって、カソードガス、特にこれに含まれる酸素、が前記電極触媒層を通過することが妨げられ、燃料電池の出力が低下する。しかしながら、前記カソードガス中の酸素濃度が十分に高いと前記電極触媒層の濡れの影響をほぼ無視し得るほどの酸素が前記電極触媒層に到達し、前記電極触媒層を形成する電極触媒が有する性能をフルに発揮し、高い出力電圧が得られる。そこで、請求項１に記載されているように、アノードガスが供給されるアノード極と酸素を含むカソードガスが供給されるカソード極とを固体高分子電解質膜を介して配して構成される膜電極複合体を備えた固体高分子形燃料電池の運転を制御するに、算出工程において、前記膜電極複合体と前記カソードガスに含まれる酸素との接触頻度を強制的に増減させたときの固体高分子形燃料電池の出力電圧の差を算出すると、前記膜電極複合体の湿潤性を調べることができることを見出した。詳述すると、前記固体高分子電解質膜と前記カソードガスに含まれる酸素との接触頻度を強制的に増加させ、このときの前記燃料電池の出力電圧値を測定すると、上述したように、前記電極触媒の性能に応じた高い出力電圧を測定することができる。そして、前記固体高分子電解質膜と前記カソードガスに含まれる酸素との接触頻度を強制的に減少させ、このときの前記燃料電池の出力電圧値を測定すると、前記膜電極複合体を構成する前記固体高分子膜や電極触媒層の濡れの程度に応じた出力電圧値が得られる。よって、前記膜電極複合体と前記カソードガスに含まれる酸素との接触頻度を強制的に増減させたときの固体高分子形燃料電池の出力電圧の差が大きいほど、前記膜電極複合体の湿潤性が高いと判断することができる。これに基づいて、加湿制御工程において、前記算出工程で算出された出力電圧の差が、所定の上限値を上回った場合には、前記膜電極複合体の濡れの程度が大きすぎて過湿状態にあると判断し、前記膜電極複合体への加湿を抑制する。すると、前記膜電極複合体の湿潤性が適切な範囲に保たれる。
【００１０】
他方、請求項２に記載されているように、前記膜電極複合体と前記カソードガスに含まれる酸素との接触頻度を強制的に増減させたときの固体高分子形燃料電池の出力電圧の差が小さいほど、前記膜電極複合体の湿潤性が低いと判断することができる。そこで、これに基づいて、加湿制御工程において、前記算出工程で算出された出力電圧の差が、所定の下限値を下回った場合には、前記膜電極複合体の濡れの程度が低すぎて乾燥状態にあると判断し、前記膜電極複合体への加湿を促進する。すると、前記膜電極複合体の湿潤性が適切な範囲に保たれる。
【００１１】
さらに、請求項１と請求項２とを組み合わせて、加湿制御工程において、前記算出工程で算出された出力電圧の差が、所定の上限値を上回った場合に前記膜電極複合体への加湿を抑制し、前記算出工程で算出された出力電圧の差が、所定の下限値を下回った場合に前記膜電極複合体への加湿を促進すると、前記膜電極複合体の過湿、乾燥の両方に対応することができ、更に前記膜電極複合体の湿潤性を適切な範囲に保つことができる。
【００１２】
従来の固体高分子形燃料電池の運転制御方法では、前記膜電極複合体の湿潤状態が過湿であるか乾燥しているかの何れかの状態であることは比較的容易に判断することができたが、その何れかに該当するのか判断するのは困難であった。例えば、従来技術においては、「前記膜電極複合体への水分供給が行われている状態で、固体高分子形燃料電池の出力電圧が低下したので、前記膜電極複合体が過湿状態にあると判断する」とされているが、前記膜電極複合体への水分供給が行われている状態であっても、前記膜電極複合体が乾燥気味であることはあり得るので、実際に前記膜電極複合体が過湿状態にあるか否かについては定かではない。しかしながら、上記請求項１又は２に係る方法を採用すると、推測によらず、特別な操作や設備を用いることなく、簡単且つ正確に、前記膜電極複合体の湿潤状態が過湿であるか乾燥しているかについての判断を行うことができるので、前記膜電極複合体の湿潤状態の異常に対処することができる。
【００１３】
尚、前記算出工程において、前記膜電極複合体と前記カソードガスに含まれる酸素との接触頻度を強制的に変更する操作をするにあたって、通常の稼動条件に規定される酸素供給条件と異なる条件で前記固体高分子形燃料電池を運転することになる場合がある。しかし、このような操作は、数秒から数分程度で行うことができるので、前記固体高分子形燃料電池の運転を長期に亘って完全に停止する必要もなく、又、酸素供給条件が変わったからといって、前記固体高分子形燃料電池を構成する部材に損傷を与えるような反応が起こるほどの稼動条件変更に該当するものでもない。
【００１４】
更に、請求項３に記載されているように、電圧値判定工程において、前記燃料電池の出力電圧値が所定の下限値を下回ったか否かを判定し、電圧値判定工程において前記燃料電池の出力電圧値が所定の下限値を下回ったと判定された場合にのみ、前記算出工程及び前記加湿制御工程を実施すると、操作を更に簡略化することができ、又、前記固体高分子形燃料電池の通常運転を中断する頻度を下げることができる。
【００１５】
ここで、請求項４に記載されているように、前記算出工程において、前記カソードガスの流量を変更すると、前記カソードガス中の酸素分圧が同じであっても、拡散の影響によって、前記膜電極複合体と酸素ガスとの接触頻度を変えることができる。即ち、前記カソードガスの流速を上げれば、前記膜電極複合体と酸素ガスとの接触頻度を増加させることができ、前記カソードガスの流速を落とせば、前記膜電極複合体と酸素ガスとの接触頻度を減少させることができる。
【００１６】
又、請求項５に記載されているように、前記算出工程において、前記カソードガスに含まれる酸素分圧を変更すると、前記膜電極複合体と酸素ガスとの接触頻度を変えることができる。即ち、前記カソードガスに含まれる酸素分圧を増加すれば、前記膜電極複合体と酸素ガスとの接触頻度を増加させることができ、前記カソードガスに含まれる酸素分圧を減少すれば、前記膜電極複合体と酸素ガスとの接触頻度を減少させることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本法を実施可能な燃料電池システムの概略図である。固体高分子形燃料電池１は、カソード側電極層１２（カソード極）とアノード側電極層１３（アノード極）とを固体高分子膜１１を介して配して構成される膜電極複合体１０を、筐体１６に内装している。前記筐体１６内は前記膜電極複合体１０を介して仕切られる空間を有し、前記筐体１６内壁と前記カソード側電極層１２とによって仕切られた空間は、前記カソード側電極層１２にカソードガスを供給するためのカソードガス通路１４であり、前記筐体１６内壁と前記アノード側電極層１３とによって仕切られた空間は、前記アノード側電極層１３にアノードガスを供給するためのアノードガス通路１５である。前記固体高分子膜１１としてはパーフロロスルホン酸膜等が用いられている。前記アノードガス通路１５を流通するアノードガス（水素を含むガス、例えば、天然ガスを改質して得られた改質ガス）中の水素ガスは、前記アノード側電極層１３に配された電極触媒の触媒作用によって水素イオンに変換されて、前記固体高分子膜１１を通過する。前記固体高分子膜１１を通過した水素イオンは、前記カソード側電極層１２に配された電極触媒の触媒作用によって、前記カソードガス通路１４を流通するカソードガス（酸素を含む空気）中の酸素ガスと結合し、電子を受けて、水が生成される。
【００１８】
前記カソードガスと前記アノードガスとは、夫々、カソードガス流量調整手段２１とアノードガス流量調整手段３１とによって流量調整される。これらの流量調整手段２１，３１としては、エアポンプ、弁などを採用することができる。そして、これらのガスは、前記カソードガス通路１４、アノードガス通路１５に導入される前に、夫々、カソードガス加湿手段２２とアノードガス加湿手段３２とによって湿度（露点）を調整される。前記両加湿手段２２，３２としては、ガスを温度調整可能な水槽中にバブリングするバブリング装置等の公知の外部加湿手段を採用することができる。これらは、前述したように、前記固体高分子膜１１の湿潤状態によって、前記固体高分子形燃料電池１の性能（出力電圧）が変わるので、前記固体高分子膜１１の湿潤状態を制御するために設けられている。
尚、上記両加湿手段２２，３２としては、上記のような外部加湿手段ではなく公知の内部加湿手段を採用しても構わない。
【００１９】
制御手段５は、電圧モニタ手段４によってモニタされた前記固体高分子形燃料電池１の出力電圧の情報に基づいて、前記カソードガス流量調整手段２１、アノードガス流量調整手段３１、カソードガス加湿手段２２、及びアノードガス加湿手段３２を制御する。具体的には、先ず、前記膜電極複合体１０の湿潤状態を適した状態に保ち、且つ前記固体高分子形燃料電池１の出力電圧を高く保つのに適していると考えられる所与の制御情報に基づいて、前記カソードガス流量調整手段２１、アノードガス流量調整手段３１を働かせて、前記カソードガス及び前記アノードガスの流量を調整し、又、前記カソードガス加湿手段２２、前記アノードガス加湿手段３２を働かせて、前記カソードガス及び前記アノードガスの露点を調整する。
【００２０】
前記固体高分子形燃料電池１の運転を継続すると、前記カソードガス流量調整手段２１、アノードガス流量調整手段３１、カソードガス加湿手段２２、及びアノードガス加湿手段３２を、前記制御手段５が上記所与の制御情報に基づいて制御していても、前記固体高分子形燃料電池１の出力電圧値が下がってくることがある。このような場合、前記膜電極複合体１０が乾燥又は過湿して、前記電極触媒の働きが悪くなっていることが考えられる。そこで、前記制御手段５は、前記電圧モニタ手段４から取得した出力電力値が所定の下限値を下回ったか否かの電圧値判定工程を行い、出力電力値が所定の下限値を下回ったと判定した場合に、前記膜電極複合体１０の湿潤性のチェックを行う。即ち、前記制御手段５は、前記カソードガス流量調整手段２１を働かせて、前記カソードガス流量調整手段２１の流量を増加させる。これによって、前記膜電極複合体１０と酸素ガスとの接触頻度が上昇し、前記電極触媒が本来有する性能に準じた出力電力値が、前記電圧モニタ手段４から得られる。又、別途、前記制御手段５は、前記カソードガス流量調整手段２１を働かせて、前記カソードガス流量調整手段２１の流量を減少させる。これによって、前記膜電極複合体１０と酸素ガスとの接触頻度が減少し、前記膜電極複合体１０の濡れ度合いに準じた出力電力値が、前記電圧モニタ手段４から得られる。
【００２１】
そして、前記制御手段５は、前記両電圧値の差を算出する算出工程を行い、この算出工程で算出された両電圧値の差が所定の上限値を上回った場合には、加湿制御工程において、前記膜電極複合体１０が過湿状態にあると判断して、前記カソードガス加湿手段２２、前記アノードガス加湿手段３２の少なくとも何れか一方を働かせて、前記カソードガス、アノードガスの少なくとも何れか一方の露点を下げて、前記膜電極複合体１０に供給される水分を減少させる。他方、前記両電圧値の差が所定の下限値を下回った場合には、前記制御手段５は、加湿制御工程において、前記膜電極複合体１０が乾燥状態にあると判断して、前記カソードガス加湿手段２２、前記アノードガス加湿手段３２の少なくとも何れか一方を働かせて、前記カソードガス、アノードガスの少なくとも何れか一方の露点を上げて、前記膜電極複合体１０に供給される水分を増加させる。加湿制御工程においてこれらの何れかの操作を行うことによって、前記膜電極複合体１０の湿潤性が適正な範囲に復帰し、前記固体高分子形燃料電池１の出力電圧が回復する。
【００２２】
【実施例】
以下に本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
前記膜電極複合体１０の湿潤性をチェックするにあたって、前記カソードガスの流量を変更する手段を採用した。又、アノードガスの露点を一定（７０℃）に維持し、前記制御手段５が前記カソードガス加湿手段２２を働かせて、カソードガスの露点を調整することによって、前記膜電極複合体１０の湿潤性を制御するように構成した。前記湿潤性のチェックは、前記燃料電池システムの稼動開始から２０００時間経過後は、一定間隔（約２００時間ごと）に行った。その結果を、図２に示す。尚、図２のグラフ中、「Ｕｏ］は、以下の式により導き出される酸素利用率（流速）を表す。
【００２３】
【数１】
2004296317.tif 000002
【００２４】
固体高分子形燃料電池１の稼動初期は、出力電圧値も高く、Ｕｏ＝３０％、Ｕｏ＝５０％のときの出力電圧差も小さいので、前記膜電極複合体１０の濡れ具合が適切な範囲に保たれていると考えられる。しかしながら、稼動開始から２５００時間後には、出力電圧値が低下し、且つ、Ｕｏ＝３０％、Ｕｏ＝５０％のときの出力電圧差がかなり大きくなっているので、前記膜電極複合体１０が過湿状態にあると考えられる。そこで、前記制御手段５が、前記カソードガス加湿手段２２を働かせて、前記カソードガスの露点を下げ、前記膜電極複合体１０への水分供給を減少させた。これによって、前記固体高分子形燃料電池１の出力電圧値が回復した。また、この操作のあとにＵｏ＝３０％、Ｕｏ＝５０％のときの出力電圧値を測定し、その差を算出すると、操作前に比べて電圧値の差が小さくなり、前記膜電極複合体１０の湿潤性が好適な範囲に復旧したと考えられる。
【００２５】
固体高分子形燃料電池１の稼動開始から３０００時間後には、Ｕｏ＝３０％、Ｕｏ＝５０％のときの出力電圧差は小さいものの電圧が低下していることから、前記膜電極複合体１０が乾燥傾向にあると考えられる。そこで、前記制御手段５が前記カソードガス加湿手段２２を働かせて、前記カソードガスの露点を上昇させて、前記膜電極複合体１０への水分供給を増加させると、出力電圧値が回復した。
【００２６】
固体高分子形燃料電池１の稼動開始から３５００時間後には、Ｕｏ＝３０％、Ｕｏ＝５０％のときの出力電圧差が再び大きくなっていたので、前記制御手段５が、前記カソードガス加湿手段２２を働かせて、前記カソードガスの露点を下げ、前記膜電極複合体１０への水分供給を減少させた。これによって、前記固体高分子形燃料電池１の出力電圧値が回復した。
【００２７】
〔別実施形態〕
以下に別実施形態を説明する。
（イ）前記膜電極複合体１０の湿潤性チェックは、前記固体高分子形燃料電池１の出力電圧値が所定の下限値以下になった場合だけでなく、定期的に実施しても良い。
（ロ）前記膜電極複合体１０の湿潤性チェックを実施するにあたって、前記カソードガスの流量を変更するのに代えて、前記カソードガスの流量を変更させずに、前記カソードガス中の酸素濃度を変更しても良い。この場合、別途、酸素富化手段を設けて空気に必要量の酸素を添加し、前記カソードガスを製造してもよく、カソードガス切り替え手段を設けて、カソードガスとして空気と純酸素を切り替えて供給してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池の運転制御方法を実施可能な燃料電池システムのブロック図
【図２】本発明に係る燃料電池の運転制御方法の実施例を表わすグラフ
【符号の説明】
１  固体高分子形燃料電池
４  電圧モニタ手段
５  制御手段
１１  固体高分子膜
１２  カソード側電極層（カソード極）
１３  アノード側電極層（アノード極）
２１  カソードガス流量調整手段
２２  カソードガス加湿手段
【図１】
2004296317.tif 000003
【図２】
2004296317.tif 000004