燃料電池の制御システムおよび燃料電池の制御方法
【課題】燃料電池の活性化過電圧を効率的に低減することができる燃料電池の制御システムおよび燃料電池の制御方法を提供する。
【解決手段】本発明の燃料電池の制御システム１００は、燃料電池１１０、水分供給手段１４０、および制御手段１６０を有する。燃料電池１１０は、カチオン成分とアニオン成分とを有するイオン伝導体を電解質膜として用いている。水分供給手段１４０は、燃料電池に供給される燃料ガスおよび酸化ガスの少なくとも一方に水分を供給する。制御手段１６０は、燃料電池１１０の燃料極および空気極のうち一方の電極の過電圧に応じて水分供給手段１４０を制御することにより、当該電極の触媒層に水分を供給する。
【解決手段】本発明の燃料電池の制御システム１００は、燃料電池１１０、水分供給手段１４０、および制御手段１６０を有する。燃料電池１１０は、カチオン成分とアニオン成分とを有するイオン伝導体を電解質膜として用いている。水分供給手段１４０は、燃料電池に供給される燃料ガスおよび酸化ガスの少なくとも一方に水分を供給する。制御手段１６０は、燃料電池１１０の燃料極および空気極のうち一方の電極の過電圧に応じて水分供給手段１４０を制御することにより、当該電極の触媒層に水分を供給する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の制御システムおよび燃料電池の制御方法に関する。特に、本発明は、イオン伝導体を電解質膜として用いた燃料電池の制御システムおよび燃料電池の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境負荷の少ない電源として、燃料電池が注目されている。燃料電池は、酸素および水素の供給を受けて電力を発生する。このような燃料電池としては、イオン液体を電解質膜に用いた燃料電池が知られている。イオン液体は、蒸気圧がほとんどない、不燃性または難燃性である、イオン伝導性を有する、分解電圧が水よりも高い、液体温度領域が水よりも広いなどの電解質膜として優れた特性を有している。
【０００３】
しかしながら、イオン液体を電解質膜に用いた燃料電池では、燃料電池の活性化過電圧が高くなるという問題がある。下記の特許文献１には、燃料電池のアノード側に酸化剤を供給することによって電極触媒層近傍で水を生成し、活性化過電圧を低減する技術が開示されているが、より効率的に活性化過電圧を低減することが望まれている。
【特許文献１】特開２００７−０１８７３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、上記の問題を解決するためになされたものである。したがって、本発明の目的は、イオン伝導体を電解質膜として用いた燃料電池の活性化過電圧を効率的に低減することができる燃料電池の制御システムおよび燃料電池の制御方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の上記目的は、下記の手段によって達成される。
【０００６】
本発明の燃料電池の制御システムは、燃料電池、水分供給手段、および制御手段を有する。前記燃料電池は、カチオン成分とアニオン成分とを有するイオン伝導体を電解質膜として用いている。前記水分供給手段は、前記燃料電池に供給される燃料ガスおよび酸化ガスの少なくとも一方に水分を供給する。前記制御手段は、前記燃料電池の燃料極および空気極のうち一方の電極の過電圧に応じて前記水分供給手段を制御することにより、当該電極の触媒層に水分を供給する。
【０００７】
本発明の燃料電池の制御方法は、カチオン成分とアニオン成分とを有するイオン伝導体を電解質膜として用いた燃料電池の制御方法である。本発明の燃料電池の制御方法は、前記燃料電池の燃料極および空気極のうち一方の電極の過電圧に応じて、前記燃料電池に供給される燃料ガスおよび酸化ガスの少なくとも一方に水分を供給することにより、当該電極の触媒層に水分を供給する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の燃料電池の制御システムおよび燃料電池の制御方法によれば、燃料電池の電極の過電圧に応じて当該電極の触媒層に水分が供給されるため、燃料電池の活性化過電圧を効率的に低減することができる。その結果、燃料電池の発電性能を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、添付の図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、以下の実施の形態では、本発明の燃料電池の制御システムおよび燃料電池の制御方法を用いて、燃料電池のアノード触媒層に水分を供給する場合を例にとって説明する。図中、同様の部材には同一の符号を用いた。
【００１０】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態における燃料電池の制御システムの概略構成を示す図である。図１に示すとおり、本発明の第１の実施の形態における燃料電池の制御システム１００は、燃料電池１１０、コンプレッサ１２０、燃料タンク１３０、加湿器１４０、検出部１５０、およびコントロールユニット１６０を備える。ここで、燃料電池１１０とコンプレッサ１２０とは、空気供給用配管１２１を介して接続されている。また、燃料電池１１０と燃料タンク１３０とは、水素供給用配管１３１を介して接続されている。
【００１１】
燃料電池１１０は、水素および酸素の供給を受けて電力を生成するものである。燃料電池１１０は、単位電池としての単セルが複数積層されて構成されており、各単セルは、カチオン成分とアニオン成分とを有するイオン伝導体を電解質膜として備える。燃料電池１１０の詳細な構成については後述する。
【００１２】
コンプレッサ１２０は、燃料電池１１０にカソードガス（酸素を含む酸化ガス）を供給するものである。コンプレッサ１２０は、空気供給用配管１２１を通じて、燃料電池１１０のカソード（空気極）にカソードガスを供給する。空気供給用配管１２１の上流側の端部は、コンプレッサ１２０に接続されており、下流側の端部は、燃料電池１１０に接続されている。また、空気供給用配管１２１の下流部には、酸素流量調整バルブ１２５が設けられている。
【００１３】
燃料タンク１３０は、燃料電池１１０に供給されるアノードガス（水素を含む燃料ガス）を貯蔵するものである。燃料タンク１３０は、水素供給用配管１３１を通じて、燃料電池１１０のアノード（燃料極）にアノードガスを供給する。水素供給用配管１３１の上流側の端部は、燃料タンク１３０に接続されており、下流側の端部は、燃料電池１１０に接続されている。また、水素供給用配管１３１の上流部には、加湿器１４０が設けられており、下流部には、水素流量調整バルブ１３５が設けられている。
【００１４】
加湿器１４０は、水分供給手段として、アノードガスを加湿するものである。加湿器１４０は、酸素排出用配管１４１を介して燃料電池１１０と接続されており、燃料電池１１０で生成される水を利用して、アノードガスを加湿する。燃料電池１１０で生成される水は、酸素排出用配管１４１を通じて、カソードガスとともに加湿器１４０に供給される。酸素排出用配管１４１の上流側の端部は、燃料電池１１０に接続されており、下流側の端部は、加湿器１４０に接続されている。また、酸素排出用配管１４１には、水分を含むカソードガスの供給を制御するための切替バルブ（三方弁）１４５が設けられている。なお、本実施の形態の加湿器１４０自体は、膜を通じて１次流体と２次流体との間で水分を移動させる一般的な膜式加湿器であるため、詳細な説明は省略する。また、加湿器１４０は、コントロールユニット１６０によって制御され、アノードガスの加湿度を調整することができる。
【００１５】
検出部１５０は、電位検出手段として、燃料電池１１０のアノード過電圧を検出するものである。検出部１５０は、燃料電池１１０に取り付けられる電圧センサを含み、燃料電池１１０を構成する複数の単セルのうち一の単セルのアノード過電圧を検出する。検出部１５０からの信号は、コントロールユニット１６０に送信される。
【００１６】
コントロールユニット１６０は、燃料電池１１０のアノード過電圧に応じて加湿器１４０を制御することにより、アノード触媒層に水分を供給する制御手段である。より具体的には、コントロールユニット１６０は、検出部１５０からの信号を受信して、加湿器１４０の出力を制御することにより、アノード触媒層へ供給されるアノードガスの加湿度を調整する。また、コントロールユニット１６０は、コンプレッサ１２０、酸素流量調整バルブ１２５、水素流量調整バルブ１３５、および切替バルブ１４５を制御する。
【００１７】
次に、図２を参照しつつ、本実施の形態における燃料電池１１０の構成を説明する。本実施の形態の燃料電池１１０は、アノードガスとカソードガスとの反応により起電力を生じる単位電池としての単セルが複数積層されて構成されたものである。
【００１８】
図２は、図１に示す燃料電池の制御システムにおける燃料電池のセル構造を示す断面図である。上述したとおり、本実施の形態の燃料電池１１０は、カチオン成分とアニオン成分とを有するイオン伝導体を電解質膜として用いている。
【００１９】
図２に示すとおり、燃料電池１１０を構成する各単セル１１１は、電解質膜１１２と、電解質膜１１２の一方の面に設けられるアノード１１３と、電解質膜１１２の他方の面に設けられるカソード１１４と、を備える。アノード１１３、電解質膜１１２、およびカソード１１４は、セパレータ１１５，１１６によって挟み込まれている。セパレータ１１５，１１６には、アノードガス流路およびカソードガス流路をなす複数の溝部が形成されている。
【００２０】
電解質膜１１２は、イオン伝導体として、分子性カチオンおよび分子性アニオンから形成されるイオン液体（常温溶融塩）を含む。電解質膜１１２は、たとえば、イオン液体を多孔質支持体に含浸させて形成される。本実施の形態の電解質膜１１２は、たとえば、イミダゾリウム誘導体カチオンとトリフルオロメタンスルホン酸アニオンとを含む親水性のイオン液体を含む。あるいは、電解質膜１１２は、イミダゾリウム誘導体カチオン、ピリジニウム誘導体カチオン、ピロリジニウム誘導体カチオン、およびアンモニウム誘導体カチオンよりなる群から選択された少なくとも１種の分子性カチオンと、四フッ化ホウ素アニオン、トリフルオロメタンスルホン酸アニオン、フッ化水素アニオン［（ＨＦｎ）Ｆ−（望ましくは、ｎ＝１〜３）］、硫酸一水素アニオン、およびリン酸二水素アニオンよりなる群から選択された少なくとも１種の分子性アニオンと、を含む。なお、イオン液体であれば、カチオン成分及びアニオン成分の双方がそれぞれ分子性カチオン及び分子性アニオンでなくともよい。
【００２１】
アノード１１３は、アノード触媒層１１３Ａおよびアノードガス拡散層１１３Ｂを備える。カソード１１４は、カソード触媒層１１４Ａおよびカソードガス拡散層１１４Ｂを備える。このようなアノード触媒層１１３Ａ、カソード触媒層１１４Ａ、アノードガス拡散層１１３Ｂ、およびカソードガス拡散層１１４Ｂには、固体高分子形燃料電池などに用いられる一般的な材料を用いることができるため詳細な説明は省略する。
【００２２】
また、図２に示すとおり、電解質膜１１２には、白金よりなる導線１１８が電気的に接続されている。導線１１８は、電解質膜１１２に接続されるガス供給配管１１９の内部に配置されており、ガス供給配管１１９には水素ガスが供給されている。ガス供給配管１１９を通じて供給される水素ガスは電解質膜１１２に接触して、電解質膜１１２に接続されるガス排出配管（不図示）を通じて排出される。このような導線１１８は、参照極の役割を果たし、検出部１５０は、参照極の電位を基準とするアノード１１３の電位をアノード過電圧として検出する。なお、水素ガス流入用配管１１９に供給される水素ガスは、加湿されて水蒸気を含んでいることが望ましい。
【００２３】
以上のとおり構成される本実施の形態の燃料電池１１０は、発電時において、特に、アノード過電圧が増加する（図３参照）。アノード過電圧は、アノード活性化過電圧、濃度過電圧（拡散過電圧）、および抵抗過電圧から構成される。そして、アノード活性化過電圧は、水素がアノード触媒層１１３Ａでプロトンとなる際の活性化エネルギーによるエネルギー損失であって、アノード触媒層１１３Ａの性能に起因するものである。本実施の形態における燃料電池の制御システム１００は、上記アノード過電圧のうちアノード活性化過電圧を効率的に低減するために、アノード過電圧に応じてアノードガスを加湿する。以下、本実施の形態における燃料電池の制御方法について詳細に説明する。
【００２４】
図４は、本実施の形態の燃料電池の制御システムにおける処理を説明するためのフローチャートである。本実施の形態における燃料電池の制御方法は、アノード過電圧が大きいほど多量の水分がアノード触媒層１１３Ａに供給されるようにアノードガスの加湿度を制御して、アノード活性化過電圧を低減するものである。なお、以下に示す処理では、初期段階として、燃料電池１１０で生成される水は加湿器１４０に供給されておらず、加湿されていないアノードガスが燃料電池１１０に供給されている。
【００２５】
図４に示すとおり、本実施の形態における燃料電池の制御方法では、まず、燃料電池１１０のアノード過電圧が検出される（ステップＳ１０１）。本実施の形態では、検出部１５０が参照極を基準とするアノード１１３の電位をアノード過電圧として検出し、検出した電圧データをコントロールユニット１６０に送信する。
【００２６】
次に、検出されたアノード過電圧が閾値以上か否かが判断される（ステップＳ１０２）。本実施の形態では、予め閾値が設定されており、コントロールユニット１６０が、アノード過電圧と閾値とを比較する。なお、ここで設定されている閾値は、たとえば、５０ｍＶであって、これは活性化過電圧の上昇が許容される値である。
【００２７】
アノード過電圧が閾値未満の場合（ステップＳ１０２：ＮＯ）、アノード過電圧の上昇は許容範囲内であるとして、アノード過電圧が閾値以上になるまで待機する。一方、アノード過電圧が閾値以上の場合（ステップＳ１０２：ＹＥＳ）、アノードガスが加湿される（ステップＳ１０３）。本実施の形態では、切替バルブ１４５が制御されて、燃料電池１１０から排出されるカソードガスが加湿器１４０に供給される。加湿器１４０は、カソードガスに含まれる水分を回収して、回収した水分をアノードガスに移動させる。その結果、加湿器１４０によって加湿されたアノードガスが燃料電池１１０に供給されて、アノード触媒層１１３Ａに水分が供給される。アノード触媒層１１３Ａに水分が供給されることにより、アノード活性化電圧が低減される。
【００２８】
次に、アノード過電圧が再び検出され、検出されたアノード過電圧が閾値未満か否かが判断される（ステップＳ１０４，Ｓ１０５）。アノード過電圧が閾値未満の場合（ステップＳ１０５：ＹＥＳ）、アノード過電圧が許容範囲まで低下したとして、処理が終了される。本実施の形態では、燃料電池１１０から排出されるカソードガスが加湿器１４０に供給されることなく排出されるように切替バルブ１４５が制御される。
【００２９】
一方、アノード過電圧が閾値以上の場合（ステップＳ１０５：ＮＯ）、検出されるアノード過電圧に対応するアノードガスの加湿度が算出される（ステップＳ１０６）。より具体的には、アノード過電圧が大きいほど多量の水分がアノード触媒層１１３Ａに供給されるようにアノードガスの加湿度が算出される。本実施の形態では、アノード過電圧と加湿度との対応関係を示す換算テーブルが予め作成されており、コントロールユニット１６０は、ステップＳ１０５に示す処理で検出されたアノード過電圧に対応するアノードガスの加湿度を算出する。
【００３０】
次に、アノードガスの加湿度が変更される（ステップＳ１０７）。より具体的には、ステップＳ１０６に示す処理で算出された加湿度にアノードガスの加湿度がなるように、コントロールユニット１６０が加湿器１４０の出力を制御する。その結果、検出されるアノード過電圧が大きいほどアノードガスの加湿度が上昇されて、アノード触媒層１１３Ａに多量の水分が供給される。そして、アノード過電圧が閾値未満となるまで、ステップＳ１０３以下の処理が繰り返される。
【００３１】
以上のとおり、図４に示すフローチャートの処理によれば、まず、燃料電池１１０のアノード過電圧が検出され、検出されるアノード過電圧に応じて、アノードガスが加湿される。より具体的には、アノード過電圧が大きいほど多量の水分がアノード触媒層１１３Ａに供給されるように、加湿器１４０の出力が制御される。その結果、加湿されたアノードガスがアノード触媒層１１３Ａに供給されて、燃料電池１１０のアノード活性化過電圧が低減される。なお、図４のステップＳ１０１に示す処理は、検出部１５０の処理に対応し、ステップＳ１０２〜Ｓ１０６に示す処理は、コントロールユニット１６０の処理に対応する。また、ステップＳ１０７に示す処理は、加湿器１４０の処理に対応する。
【００３２】
図５は、図４のフローチャートに示す処理によるアノードガスの加湿度およびアノード過電圧の経時的な変化を説明するための図である。図５の実線は、アノード過電圧Ｖの経時変化を示し、図５の破線は、アノードガスの加湿度の経時変化を示す。図５に示すとおり、本実施の形態における燃料電池の制御方法では、アノード過電圧Ｖが大きいほど多量の水が供給されるようにアノードガスの加湿度が増加される。その結果、処理開始直後は、アノード過電圧Ｖが増加するとともに、アノードガスの加湿度が増加する。その後、アノード触媒層１１３Ａに水分が供給されることにより、アノード過電圧（すなわち、アノード活性化過電圧）が次第に低下する。アノード過電圧の低下にともなって、アノードガスの加湿度も低減される。
【００３３】
次に、図６を参照しつつ、本実施の形態の燃料電池の制御システム１００によるアノード活性化過電圧の低減効果を説明する
図６は、本実施の形態における燃料電池の制御システムによるアノード活性化過電圧の低減効果を説明するための図である。図６に示すとおり、５０％の加湿度に加湿したアノードガスが供給される本実施の形態の燃料電池１１０では、加湿しない場合と比較して、アノード過電圧を半分程度に低下させることができる。したがって、アノード過電圧に応じて加湿度を調節することにより、アノード活性化過電圧を効率的に低減することができる。
【００３４】
以上のとおり、本実施の形態の燃料電池の制御システム１００は、アノード過電圧をモニタリングしつつ、アノードガスに水分を供給する。すなわち、本実施の形態の燃料電池の制御システム１００は、アノード１１３でのエネルギー損失を詳細にモニタリングしつつ、アノード触媒層１１３Ａへの水分の供給を直接的に制御する。したがって、本実施の形態の燃料電池の制御システム１００は、アノード過電圧とカソード過電圧とを分離することなく燃料電池全体の電圧（ＩＶ特性）をモニタリングする場合と比較して、アノード触媒層１１３Ａへの水分の供給をより細かく効率的に制御することができる。
【００３５】
また、本実施の形態の燃料電池の制御システム１００は、アノード１１３でのエネルギー損失を詳細にモニタリングしつつ、アノード触媒層１１３Ａに水分を供給するため、アノード触媒層１１３Ａの加湿を最小限に抑えることができる。したがって、本実施の形態の燃料電池の制御システム１００は、アノード触媒層１１３Ａに供給される水がガス拡散を妨げることなどによるエネルギー損失（発電性能の低下）を最小限に抑えることができる。
【００３６】
さらに、本実施の形態では、カソード１１４よりも過電圧が高くなるアノード１１３のアノード過電圧をモニタリングして、アノード触媒層１１３Ａに水分を供給するため、より効率的に燃料電池１１０の活性化過電圧を低減することができる。
【００３７】
以上のとおり、説明した本実施の形態における燃料電池の制御方法では、アノード過電圧が大きいほど多量の水分がアノードガスに供給されるように加湿器１４０の出力が制御された。しかしながら、一定量の水分がアノードガスに供給されるように加湿器１４０が制御されてもよい。
【００３８】
図７は、本実施の形態の燃料電池の制御システムにおける処理の変形例を説明するためのフローチャートである。図７に示すとおり、本変形例では、まず、燃料電池１１０のアノード過電圧が検出される（ステップＳ２０１）。本変形例では、検出部１５０が参照極を基準とするアノード１１３の電位をアノード過電圧として検出し、検出した電圧データをコントロールユニット１６０に送信する。
【００３９】
次に、検出されたアノード過電圧が閾値以上か否かが判断される（ステップＳ２０２）。本変形例では、予め閾値が設定されており、コントロールユニット１６０が、アノード過電圧と閾値とを比較する。
【００４０】
アノード過電圧が閾値未満の場合（ステップＳ２０２：ＮＯ）、アノード過電圧の上昇は許容範囲内であるとして、アノード過電圧が閾値以上になるまで待機する。一方、アノード過電圧が閾値以上の場合（ステップＳ２０２：ＹＥＳ）、アノードガスが加湿される（ステップＳ２０３）。本変形例では、切替バルブ１４５が制御されて、燃料電池１１０から排出されるカソードガスが加湿器１４０に供給される。加湿器１４０は、カソードガスに含まれる水分を回収して、回収した水分をアノードガスに移動させる。その結果、加湿器１４０によって加湿されたアノードガスは、燃料電池１１０のアノード１１３に供給され、アノード触媒層１１３Ａに水分が供給される。アノード触媒層１１３Ａに水分が供給されることにより、アノード活性化電圧が低減される。
【００４１】
次に、所定時間経過したか否かが判断される（ステップＳ２０４）。所定時間経過していない場合（ステップＳ２０４：ＮＯ）、所定時間が経過するまで、アノードガスを加湿している状態が維持される。一方、所定時間経過した場合（ステップＳ２０４：ＹＥＳ）、処理が終了される。本変形例では、燃料電池１１０から排出されるカソードガスが加湿器１４０に供給されないように切替バルブ１４５が制御される。
【００４２】
以上のとおり、図７に示すフローチャートの処理によれば、まず、燃料電池１１０のアノード過電圧が検出され、検出されるアノード過電圧に応じて、アノードガスが加湿される。そして、アノードガスが加湿される状態が所定時間維持される。その結果、加湿されたアノードガスがアノード触媒層１１３Ａに供給されて、アノード活性化過電圧が低減される。
【００４３】
なお、上述した実施の形態では、燃料電池１１０から排出されたカソードガスの水分を直接的にアノードガスに移動させるために、膜式加湿器を利用した。しかしながら、加湿器１４０は、膜式加湿器に限定されず、内部に貯蔵される水にガスを通過させるバブリング式加湿器、ガスに微細な水を噴霧するスプレー式加湿器、膜状の加湿部材にガスを通過させる透湿膜式加湿器、高湿度ガスと低湿度ガスとの交換により加湿する全熱交換式加湿器などを用いてもよい。この場合、燃料電池１１０で生成される水を、たとえば、加湿器内部の容器に貯蔵し、容器に貯蔵された水を利用して、アノードガスを加湿することができる。
【００４４】
以上のとおり、説明された本実施の形態は、以下の効果を奏する。
【００４５】
（ａ）本実施の形態の燃料電池の制御システムは、カチオン成分とアニオン成分とを有するイオン伝導体を電解質膜として用いた燃料電池と、燃料電池に供給されるアノードガスに水分を供給する加湿器と、燃料電池のアノード過電圧に応じて加湿器を制御することにより、アノード触媒層に水分を供給するコントロールユニットと、を有する。したがって、燃料電池のアノード活性化過電圧を効率的に低減することができる。その結果、燃料電池の発電性能を向上させることができる。
【００４６】
また、本実施の形態の燃料電池の制御システムは、アノード触媒層への水分の供給を最小限に抑えることができるため、水分の供給によるエネルギー損失（発電性能の低下）を最小限に抑制することができる。また、アノードガスを加湿することにより、アノード触媒層に水分を供給することができる。
【００４７】
（ｂ）本実施の形態の燃料電池の制御システムは、燃料電池で生成される水を加湿器に供給する酸素排出用配管をさらに有し、加湿器は、燃料電池で生成される水を利用して、アノードガスに水分を供給する。したがって、加湿器の内部または外部に水貯蔵用容器を設けて水を貯蔵する必要がなく、水の凍結などの問題が発生しない。その結果、制御システムの始動性が向上される。また、制御システムのコストが抑えられる。
【００４８】
（ｃ）加湿器は、バブリング式加湿器、スプレー式加湿器、透湿膜式加湿器、膜式加湿器、全熱交換式加湿器、またはこれらの組み合わせを有する。したがって、所望の加湿度でアノードガスを加湿することができる。
【００４９】
（ｄ）本実施の形態の燃料電池の制御システムは、電解質膜に電気的に接続される参照極を基準とするアノードの電位をアノード過電圧として検出する検出部をさらに有する。したがって、アノード過電圧を検出することができる。
【００５０】
（ｅ）コントロールユニットは、検出部で検出されるアノード過電圧が大きいほど、多量の水分がアノード触媒層に供給されるように、加湿器を制御する。したがって、より効率的にアノード触媒層に水分を供給することができる。
【００５１】
（ｆ）コントロールユニットは、検出部で検出されるアノード過電圧が閾値以上の場合、加湿器を制御してアノード触媒層に水分を供給する。したがって、簡単な構成でアノード活性化過電圧を低減させることができる。
【００５２】
（ｇ）イオン伝導体は、分子性カチオンと分子性アニオンとを有する。したがって、電解質膜の設計を使用環境に合わせて適宜変更することができ、プロトン伝導性をより向上させることができる。
【００５３】
（ｈ）イオン伝導体は、分子性カチオンおよび分子性アニオンよりなるイオン液体を含む。したがって、さらに高いイオン伝導性を備えるため、プロトン伝導性をさらに向上させることができる。また、中温域（１２０℃程度）での運転が可能であるため、一般的なＰＥＭ型燃料電池と比較して、ラジエータ負荷が低減され、放熱系システムの小型化などにより、燃料電池システム全体を小型化および軽量化することができる。さらに、１００℃以上の温度領域においても高いプロトン伝導度を示すため、２００℃近い高温領域で燃料電池を使用することができる。
【００５４】
（ｉ）イオン液体は、親水性を有する。したがって、イオン液体の全部または一部が親水性を有することにより、イオン液体に水を含有させる場合、電解質における水の保持能を向上させることができる。その結果、プロトン伝導性の向上効果をより一層発揮させることができる。
【００５５】
（ｊ）イオン伝導体は、イミダゾリウム誘導体カチオン、ピリジニウム誘導体カチオン、ピロリジニウム誘導体カチオン、およびアンモニウム誘導体カチオンよりなる群から選択された少なくとも１種の分子性カチオンと、四フッ化ホウ素アニオン、トリフルオロメタンスルホン酸アニオン、フッ化水素アニオン、硫酸一水素アニオン、およびリン酸二水素アニオンよりなる群から選択された少なくとも１種の分子性アニオンと、を含む。したがって、イオン液体は、親水性を有し、イオン液体に水を含有させることができる。
【００５６】
（ｋ）本実施の形態の燃料電池の制御方法は、カチオン成分およびアニオン成分を有するイオン伝導体を電解質膜として用いた燃料電池の制御方法であって、燃料電池のアノード過電圧に応じて、燃料電池に供給されるアノードガスを加湿することにより、アノード触媒層に水分を供給する。したがって、燃料電池のアノード活性化過電圧を効率的に低減することができる。その結果、燃料電池の発電性能を向上させることができる。
【００５７】
（第２の実施の形態）
次に、図８を参照しつつ、本発明の第２の実施の形態について詳細に説明する。本実施の形態は、燃料電池で生成される水を利用することなく、加湿器に予め貯蔵される水を利用してアノードガスを加湿する実施の形態である。
【００５８】
図８は、本発明の第２の実施の形態における燃料電池の制御システムの概略構成を示す図である。図８に示すとおり、本実施の形態の燃料電池の制御システム１００は、燃料電池１１０、コンプレッサ１２０、燃料タンク１３０、加湿器１４０、検出部１５０、およびコントロールユニット１６０を備える。ここで、燃料電池１１０とコンプレッサ１２０とは、空気供給用配管１２１を介して接続されている。また、燃料電池１１０と燃料タンク１３０とは、第１および第２の水素供給用配管１３１，１３２を介して接続されている。
【００５９】
第１の水素供給用配管１３１の上流側の端部は、燃料タンク１３０に接続されており、下流側の端部は、燃料電池１１０に接続されている。第２の水素供給用配管１３２の上流側の端部は、切替バルブ１３６を介して、第１の水素供給用配管１３１の上流部に接続されており、下流側の端部は、第１の水素供給用配管１３１の下流部に接続されている。
【００６０】
また、本実施の形態の加湿器１５０は、その内部に貯蔵される水にアノードガスを通過させることにより、アノードガスを加湿するバブリング式加湿器である。加湿器１４０は、内部に水貯蔵タンクを有しており、水貯蔵タンクには、外部から水が補充される。なお、加湿器１４０が水貯蔵タンクに予め貯蔵されている水を利用してアノードガスを加湿する点を除いては、本実施の形態の構成は、第１の実施の形態における構成と同様であるため、詳細な説明は省略する。
【００６１】
以上のとおり構成される本実施の形態の燃料電池の制御システム１００によれば、アノードガスを加湿するに際して、切替バルブ１３６が制御され、アノードガスが加湿器１４０に供給される。このとき、アノードガスは、加湿器１４０内部に貯蔵されている水を通過することによって加湿されるため、容易に加湿される。したがって、本実施の形態の燃料電池の制御システム１００によれば、アノードガスを加湿する制御性が向上される。
【００６２】
以上のとおり、説明された本実施の形態は、第１の実施の形態における効果に加えて、以下の効果を奏する。
【００６３】
（ｌ）加湿器は、内部に貯蔵される水を利用して、アノードガスを加湿する。したがって、容器に貯蔵された水を利用してアノードガスを加湿することができるため、アノードガスを加湿する制御性が向上される。
【００６４】
（第３の実施の形態）
次に、図９を参照しつつ、本発明の第３の実施の形態について詳細に説明する。本実施の形態は、カソードガスを加湿することにより、アノード触媒層に水分を供給する実施の形態である。
【００６５】
図９は、本発明の第３の実施の形態における燃料電池の制御システムの概略構成を示す図である。図９に示すとおり、本実施の形態の燃料電池の制御システム１００は、燃料電池１１０、コンプレッサ１２０、燃料タンク１３０、加湿器１４０、検出部１５０、およびコントロールユニット１６０を備える。ここで、燃料電池１１０とコンプレッサ１２０とは、第１および第２の空気供給用配管１２１，１２２を介して接続されている。また、燃料電池１１０と燃料タンク１３０とは、水素供給用配管１３１を介して接続されている。
【００６６】
第１の空気供給用配管１２１の上流側の端部は、コンプレッサ１２０に接続されており、下流側の端部は、燃料電池１１０に接続されている。第２の空気供給用配管１２２の上流側の端部は、切替バルブ１２６を介して、第１の空気供給用配管１２１の上流部に接続されており、下流側の端部は、第１の空気供給用配管１２１の下流部に接続されている。
【００６７】
また、本実施の形態の加湿器１５０は、その内部に貯蔵される水にカソードガスを通過させることにより、カソードガスを加湿するバブリング式加湿器である。加湿器１４０は、内部に水貯蔵タンクを有しており、水貯蔵タンクには、外部から水が補充される。なお、加湿器１４０がカソードガスを加湿する点を除いては、本実施の形態の構成は、第１および第２の実施の形態における構成と同様であるため、詳細な説明は省略する。
【００６８】
以上のとおり構成される本実施の形態の燃料電池の制御システム１００によれば、アノード触媒層１１３Ａに水分を供給するに際して、加湿器１４０によって加湿されたカソードガスが燃料電池１１０のカソード１１４に供給される。加湿されたカソードガスが燃料電池１１０のカソード１１４に供給されることにより、カソード１１４側の水蒸気分圧が増加する。したがって、アノード１１３とカソード１１４との水蒸気分圧差が増加して、電解質膜１１２内の水分拡散によってカソード１１４からアノード１１３への水分移動（逆拡散）が促進される。その結果、アノード触媒層１１３Ａに水分が供給され、アノード活性化過電圧が低減される。
【００６９】
以上のとおり、説明された本実施の形態は、第１および第２の実施の形態における効果に加えて、以下の効果を奏する。
【００７０】
（ｍ）加湿器は、燃料電池のカソードおよび電解質膜を通じてアノード触媒層に水分が供給されるように、カソードガスを加湿する。したがって、電解質膜内の水分拡散を利用してアノード触媒層に水分を供給することにより、電解質膜と接するアノード触媒層の反応部に効果的に水分を供給することができる。
【００７１】
以上のとおり、本実施の形態において、本発明の燃料電池の制御システムおよび燃料電池制御方法を説明した。しかしながら、本発明は、その技術思想の範囲内において当業者が適宜に追加、変形、および省略することができることはいうまでもない。
【００７２】
たとえば、第１〜第３の実施の形態では、アノード過電圧を検出して、アノードガスまたはカソードガスを加湿することにより、アノード触媒層に水分を供給した。しかしながら、カソード過電圧に応じて、カソード触媒層に水分を供給することもできる。
【００７３】
また、第１〜第３の実施の形態では、アノードガスおよびカソードガスの一方を加湿した。しかしながら、アノードガスおよびカソードガスの両方を加湿してもよい。
【００７４】
さらに、上述した第１〜第３の実施の形態では、電圧センサを有する検出部によって、アノード過電圧を直接的に検出した。しかしながら、燃料電池の温度を検出することによって、アノード過電圧を間接的に検出してもよい。
【００７５】
さらに、上述した第１〜第３の実施の形態では、電解質膜に用いられるイオン伝導体として、イミダゾリウム誘導体カチオンとトリフルオロメタンスルホン酸アニオンとを含む親水性のイオン液体を述べた。しかしながら、イオン伝導体としては、種々のカチオン成分およびアニオン成分を適用することができる。
【００７６】
ここで、イオン伝導体について説明する。本発明の燃料電池の電解質膜には、上述した実施の形態のイオン液体に限定されず、アニオン成分とカチオン成分とを含む種々のイオン伝導体を用いることができる。
【００７７】
カチオン成分は、イミダゾリウム誘導体（Ｉｍｉｄａｚｏｌｉｕｍ Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ）、ピリジニウム誘導体（Ｐｙｒｉｄｉｎｉｕｍ Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ）、ピロリジニウム誘導体（Ｐｙｒｒｏｌｉｄｉｎｉｕｍ Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ）、アンモニウム誘導体（Ａｍｍｏｎｉｕｍ Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ）、ホスフォニウム誘導体（Ｐｈｏｓｐｈｏｎｉｕｍ Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ）、グアニジウム誘導体（Ｇｕａｎｉｄｉｎｉｕｍ Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ）、およびイソウロニウム誘導体（Ｉｓｏｕｒｏｎｉｕｍ Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ）などの化合物が用いられる。
【００７８】
具体的には、カチオン成分としては、次式（１）に示す１置換〜３置換イミダゾリウム誘導体を挙げることができる。
【００７９】
【化１】
【００８０】
ここで、式中のＲ１１〜Ｒ１６は同一でも異なっていてもよく、１価の有機基、好ましくは、１価の炭化水素基、さらに好ましくは、炭素数１〜２０のアルキル基またはアリールアルキル基を示す。そして、炭化水素基の具体例としては、メチル基、ブチル基などを挙げることができる
また、Ｒ１２およびＲ１３としては、上述したＲ１１と同様のものを任意に組み合わせたものを挙げることができ、その他にエチル基、ペンチル基、ヘキシル基、オクチル基、デシル基、ドデシル基、テトラデシル基、ヘキサデシル基、オクタデシル基、ベンジル基、γ−フェニルプロピル基などを挙げることができる。
【００８１】
また、Ｒ１４〜Ｒ１６としては、上述したＲ１１と同様のものを任意に組み合わせたものを挙げることができ、その他にエチル基、プロピル基、ヘキシル基、ヘキサデシル基などを挙げることができる。
【００８２】
さらに、カチオン成分としては、次式（２）に示すピリジニウム誘導体を挙げることができる。
【００８３】
【化２】
【００８４】
ここで、式中のＲ２１およびＲ２２は同一でも異なっていてもよく、水素原子または１価の有機基、好ましくは、１価の炭化水素基、さらに好ましくは、炭素数１〜２０のアルキル基またはアリールアルキル基を示す。そして、Ｒ２１およびＲ２２としては、上述したＲ１１と同様のものを任意に組み合わせたものを挙げることができ、その他にエチル基、ヘキシル基、オクチル基などを挙げることができる。
【００８５】
さらに、カチオン成分としては、次式（３）に示すピロリジニウム誘導体を挙げることができる。
【００８６】
【化３】
【００８７】
ここで、式中のＲ３１およびＲ３２は同一でも異なっていてもよく、１価の有機基、好ましくは、１価の炭化水素基、さらに好ましくは、炭素数１〜２０のアルキル基またはアリールアルキル基を示す。そして、Ｒ３１およびＲ３２としては、上述したＲ１１と同様のものを任意に組み合わせたものを挙げることができ、その他にエチル基、プロピル基、ヘキシル基、オクチル基などを挙げることができる。
【００８８】
さらに、カチオン成分としては、次式（４）に示すアンモニウム誘導体を挙げることができる。
【００８９】
【化４】
【００９０】
ここで、式中のＲ４１〜Ｒ４４は同一でも異なっていてもよく、１価の有機基、好ましくは、１価の炭化水素基、さらに好ましくは、炭素数１〜２０のアルキル基またはアリールアルキル基を示す。そして、Ｒ４１〜Ｒ４４としては、上述したＲ１１と同様のものを任意に組み合わせたものを挙げることができ、その他にエチル基、オクチル基などを挙げることができる。
【００９１】
さらに、カチオン成分としては、次式（５）に示すホスフォニウム誘導体を挙げることができる。
【００９２】
【化５】
【００９３】
ここで、式中のＲ５１〜Ｒ５４は同一でも異なっていてもよく、１価の有機基、好ましくは、１価の炭化水素基、さらに好ましくは、炭素数１〜２０のアルキル基またはアリールアルキル基を示す。そして、Ｒ５１〜Ｒ５４としては、上述したＲ１１と同様のものを任意に組み合わせたものを挙げることができ、その他にエチル基、イソブチル基、ヘキシル基、オクチル基、テトラデシル基、ヘキサデシル基、フェニル基、ベンジル基などを挙げることができる。
【００９４】
さらに、カチオン成分としては、次式（６）に示すグアニジウム誘導体を挙げることができる。
【００９５】
【化６】
【００９６】
さらに、カチオン成分としては、次式（７）に示すイソウロニウム誘導体を挙げることができる。
【００９７】
【化７】
【００９８】
また、アニオン成分は、ハロゲン化物（Ｈａｌｏｇｅｎｉｄｅｓ）、硫酸（Ｓｕｌｆａｔｅｓ）、スルホン酸（ｓｕｌｆｏｎａｔｅｓ）、アミド（Ａｍｉｄｅｓ）、イミド（Ｉｍｉｄｅｓ）、メタン化合物（Ｍｅｔｈａｎｅｓ）、ホウ酸（Ｂｏｒａｔｅｓ）、リン酸（Ｐｈｏｓｐｈａｔｅｓ）、アンチモン酸（ａｎｔｉｍｏｎａｔｅｓ）などの化合物が用いられる。
【００９９】
具体的には、アニオン成分としては、Ｃｌ−、Ｂｒ−、およびＩ−などのハロゲン化物を挙げることができる。
【０１００】
さらに、アニオン成分としては、ＨＳＯ４−、ＣＨ３ＳＯ４−、Ｃ２Ｈ５ＳＯ４−、Ｃ４Ｈ９ＳＯ４−、Ｃ６Ｈ１３ＳＯ４−、およびＣ８Ｈ１７ＳＯ４−などの硫酸を挙げることができる。
【０１０１】
さらに、アニオン成分としては、ＣＦ３ＳＯ３−および次式（８）に示す化合物などのスルホン酸を挙げることができる。
【０１０２】
【化８】
【０１０３】
さらに、アニオン成分としては、（ＣＮ）２Ｎ−、［Ｎ（ＣＦ３）２］−、および［Ｎ（ＳＯ２ＣＦ３）２］−などのアミドを挙げることができる。
【０１０４】
さらに、アニオン成分としては、［ＨＣ（ＳＯ２ＣＦ３）２］−およびＣ（ＳＯ２ＣＦ３）３などのメタン化合物を挙げることができる。
【０１０５】
さらに、アニオン成分としては、ＢＦ４−、Ｂ（ＣＮ）４−および次式（９）に示す化合物などのホウ酸を挙げることができる。
【０１０６】
【化９】
【０１０７】
さらに、アニオン成分としては、Ｈ２ＰＯ４−、（Ｃ２Ｆ５）２Ｐ（Ｏ）Ｏ−、ＰＦ６−、（Ｃ３Ｆ７）３ＰＦ３−、（Ｃ２Ｆ５）３ＰＦ３−、（Ｃ４Ｆ９）３ＰＦ３−、（Ｃ２Ｈ５）２ＰＯ４−、および次式（１０）に示す化合物などのリン酸を挙げることができる。
【０１０８】
【化１０】
【０１０９】
さらに、アニオン成分としては、ＳｂＦ６−などのアンチモン酸を挙げることができる。
【０１１０】
さらに、アニオン成分としては、Ｃ１０Ｈ２１ＣＯＯ−、ＣＦ３ＣＯＯ−、およびＣｏ（ＣＯ）４−などを挙げることができる。
【０１１１】
以上のとおり、本発明の燃料電池の電解質膜は、上述したカチオン成分およびアニオン成分を組み合わせた、または、混合したイオン伝導体を含むことが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【０１１２】
【図１】本発明の第１の実施の形態における燃料電池の制御システムの概略構成を示す図である。
【図２】図１に示す燃料電池の制御システムにおける燃料電池のセル構造を示す断面図である。
【図３】図２に示す燃料電池の制御システムにおける燃料電池の特性を説明するための図である。
【図４】図１に示す燃料電池の制御システムにおける処理を説明するためのフローチャートである。
【図５】図４のフローチャートに示す処理によるアノードガスの加湿度およびアノード過電圧の経時的な変化を説明するための図である。
【図６】図１に示す燃料電池の制御システムによるアノード活性化過電圧の低減効果を説明するための図である。
【図７】図１に示す燃料電池の制御システムにおける処理の変形例を説明するためのフローチャートである。
【図８】本発明の第２の実施の形態における燃料電池の制御システムの概略構成を示す図である。
【図９】本発明の第３の実施の形態における燃料電池の制御システムの概略構成を示す図である。
【符号の説明】
【０１１３】
１００ 燃料電池の制御システム、
１１０ 燃料電池、
１１２ 電解質膜、
１１３ アノード（燃料極）、
１１４ カソード（空気極）、
１１８ 導線（参照極）、
１４０ 加湿器（水分供給手段）、
１４１ 酸素排出用配管（水供給流路）、
１５０ 検出部（電位検出手段）、
１６０ コントロールユニット（制御手段）。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の制御システムおよび燃料電池の制御方法に関する。特に、本発明は、イオン伝導体を電解質膜として用いた燃料電池の制御システムおよび燃料電池の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境負荷の少ない電源として、燃料電池が注目されている。燃料電池は、酸素および水素の供給を受けて電力を発生する。このような燃料電池としては、イオン液体を電解質膜に用いた燃料電池が知られている。イオン液体は、蒸気圧がほとんどない、不燃性または難燃性である、イオン伝導性を有する、分解電圧が水よりも高い、液体温度領域が水よりも広いなどの電解質膜として優れた特性を有している。
【０００３】
しかしながら、イオン液体を電解質膜に用いた燃料電池では、燃料電池の活性化過電圧が高くなるという問題がある。下記の特許文献１には、燃料電池のアノード側に酸化剤を供給することによって電極触媒層近傍で水を生成し、活性化過電圧を低減する技術が開示されているが、より効率的に活性化過電圧を低減することが望まれている。
【特許文献１】特開２００７−０１８７３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、上記の問題を解決するためになされたものである。したがって、本発明の目的は、イオン伝導体を電解質膜として用いた燃料電池の活性化過電圧を効率的に低減することができる燃料電池の制御システムおよび燃料電池の制御方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の上記目的は、下記の手段によって達成される。
【０００６】
本発明の燃料電池の制御システムは、燃料電池、水分供給手段、および制御手段を有する。前記燃料電池は、カチオン成分とアニオン成分とを有するイオン伝導体を電解質膜として用いている。前記水分供給手段は、前記燃料電池に供給される燃料ガスおよび酸化ガスの少なくとも一方に水分を供給する。前記制御手段は、前記燃料電池の燃料極および空気極のうち一方の電極の過電圧に応じて前記水分供給手段を制御することにより、当該電極の触媒層に水分を供給する。
【０００７】
本発明の燃料電池の制御方法は、カチオン成分とアニオン成分とを有するイオン伝導体を電解質膜として用いた燃料電池の制御方法である。本発明の燃料電池の制御方法は、前記燃料電池の燃料極および空気極のうち一方の電極の過電圧に応じて、前記燃料電池に供給される燃料ガスおよび酸化ガスの少なくとも一方に水分を供給することにより、当該電極の触媒層に水分を供給する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の燃料電池の制御システムおよび燃料電池の制御方法によれば、燃料電池の電極の過電圧に応じて当該電極の触媒層に水分が供給されるため、燃料電池の活性化過電圧を効率的に低減することができる。その結果、燃料電池の発電性能を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、添付の図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、以下の実施の形態では、本発明の燃料電池の制御システムおよび燃料電池の制御方法を用いて、燃料電池のアノード触媒層に水分を供給する場合を例にとって説明する。図中、同様の部材には同一の符号を用いた。
【００１０】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態における燃料電池の制御システムの概略構成を示す図である。図１に示すとおり、本発明の第１の実施の形態における燃料電池の制御システム１００は、燃料電池１１０、コンプレッサ１２０、燃料タンク１３０、加湿器１４０、検出部１５０、およびコントロールユニット１６０を備える。ここで、燃料電池１１０とコンプレッサ１２０とは、空気供給用配管１２１を介して接続されている。また、燃料電池１１０と燃料タンク１３０とは、水素供給用配管１３１を介して接続されている。
【００１１】
燃料電池１１０は、水素および酸素の供給を受けて電力を生成するものである。燃料電池１１０は、単位電池としての単セルが複数積層されて構成されており、各単セルは、カチオン成分とアニオン成分とを有するイオン伝導体を電解質膜として備える。燃料電池１１０の詳細な構成については後述する。
【００１２】
コンプレッサ１２０は、燃料電池１１０にカソードガス（酸素を含む酸化ガス）を供給するものである。コンプレッサ１２０は、空気供給用配管１２１を通じて、燃料電池１１０のカソード（空気極）にカソードガスを供給する。空気供給用配管１２１の上流側の端部は、コンプレッサ１２０に接続されており、下流側の端部は、燃料電池１１０に接続されている。また、空気供給用配管１２１の下流部には、酸素流量調整バルブ１２５が設けられている。
【００１３】
燃料タンク１３０は、燃料電池１１０に供給されるアノードガス（水素を含む燃料ガス）を貯蔵するものである。燃料タンク１３０は、水素供給用配管１３１を通じて、燃料電池１１０のアノード（燃料極）にアノードガスを供給する。水素供給用配管１３１の上流側の端部は、燃料タンク１３０に接続されており、下流側の端部は、燃料電池１１０に接続されている。また、水素供給用配管１３１の上流部には、加湿器１４０が設けられており、下流部には、水素流量調整バルブ１３５が設けられている。
【００１４】
加湿器１４０は、水分供給手段として、アノードガスを加湿するものである。加湿器１４０は、酸素排出用配管１４１を介して燃料電池１１０と接続されており、燃料電池１１０で生成される水を利用して、アノードガスを加湿する。燃料電池１１０で生成される水は、酸素排出用配管１４１を通じて、カソードガスとともに加湿器１４０に供給される。酸素排出用配管１４１の上流側の端部は、燃料電池１１０に接続されており、下流側の端部は、加湿器１４０に接続されている。また、酸素排出用配管１４１には、水分を含むカソードガスの供給を制御するための切替バルブ（三方弁）１４５が設けられている。なお、本実施の形態の加湿器１４０自体は、膜を通じて１次流体と２次流体との間で水分を移動させる一般的な膜式加湿器であるため、詳細な説明は省略する。また、加湿器１４０は、コントロールユニット１６０によって制御され、アノードガスの加湿度を調整することができる。
【００１５】
検出部１５０は、電位検出手段として、燃料電池１１０のアノード過電圧を検出するものである。検出部１５０は、燃料電池１１０に取り付けられる電圧センサを含み、燃料電池１１０を構成する複数の単セルのうち一の単セルのアノード過電圧を検出する。検出部１５０からの信号は、コントロールユニット１６０に送信される。
【００１６】
コントロールユニット１６０は、燃料電池１１０のアノード過電圧に応じて加湿器１４０を制御することにより、アノード触媒層に水分を供給する制御手段である。より具体的には、コントロールユニット１６０は、検出部１５０からの信号を受信して、加湿器１４０の出力を制御することにより、アノード触媒層へ供給されるアノードガスの加湿度を調整する。また、コントロールユニット１６０は、コンプレッサ１２０、酸素流量調整バルブ１２５、水素流量調整バルブ１３５、および切替バルブ１４５を制御する。
【００１７】
次に、図２を参照しつつ、本実施の形態における燃料電池１１０の構成を説明する。本実施の形態の燃料電池１１０は、アノードガスとカソードガスとの反応により起電力を生じる単位電池としての単セルが複数積層されて構成されたものである。
【００１８】
図２は、図１に示す燃料電池の制御システムにおける燃料電池のセル構造を示す断面図である。上述したとおり、本実施の形態の燃料電池１１０は、カチオン成分とアニオン成分とを有するイオン伝導体を電解質膜として用いている。
【００１９】
図２に示すとおり、燃料電池１１０を構成する各単セル１１１は、電解質膜１１２と、電解質膜１１２の一方の面に設けられるアノード１１３と、電解質膜１１２の他方の面に設けられるカソード１１４と、を備える。アノード１１３、電解質膜１１２、およびカソード１１４は、セパレータ１１５，１１６によって挟み込まれている。セパレータ１１５，１１６には、アノードガス流路およびカソードガス流路をなす複数の溝部が形成されている。
【００２０】
電解質膜１１２は、イオン伝導体として、分子性カチオンおよび分子性アニオンから形成されるイオン液体（常温溶融塩）を含む。電解質膜１１２は、たとえば、イオン液体を多孔質支持体に含浸させて形成される。本実施の形態の電解質膜１１２は、たとえば、イミダゾリウム誘導体カチオンとトリフルオロメタンスルホン酸アニオンとを含む親水性のイオン液体を含む。あるいは、電解質膜１１２は、イミダゾリウム誘導体カチオン、ピリジニウム誘導体カチオン、ピロリジニウム誘導体カチオン、およびアンモニウム誘導体カチオンよりなる群から選択された少なくとも１種の分子性カチオンと、四フッ化ホウ素アニオン、トリフルオロメタンスルホン酸アニオン、フッ化水素アニオン［（ＨＦｎ）Ｆ−（望ましくは、ｎ＝１〜３）］、硫酸一水素アニオン、およびリン酸二水素アニオンよりなる群から選択された少なくとも１種の分子性アニオンと、を含む。なお、イオン液体であれば、カチオン成分及びアニオン成分の双方がそれぞれ分子性カチオン及び分子性アニオンでなくともよい。
【００２１】
アノード１１３は、アノード触媒層１１３Ａおよびアノードガス拡散層１１３Ｂを備える。カソード１１４は、カソード触媒層１１４Ａおよびカソードガス拡散層１１４Ｂを備える。このようなアノード触媒層１１３Ａ、カソード触媒層１１４Ａ、アノードガス拡散層１１３Ｂ、およびカソードガス拡散層１１４Ｂには、固体高分子形燃料電池などに用いられる一般的な材料を用いることができるため詳細な説明は省略する。
【００２２】
また、図２に示すとおり、電解質膜１１２には、白金よりなる導線１１８が電気的に接続されている。導線１１８は、電解質膜１１２に接続されるガス供給配管１１９の内部に配置されており、ガス供給配管１１９には水素ガスが供給されている。ガス供給配管１１９を通じて供給される水素ガスは電解質膜１１２に接触して、電解質膜１１２に接続されるガス排出配管（不図示）を通じて排出される。このような導線１１８は、参照極の役割を果たし、検出部１５０は、参照極の電位を基準とするアノード１１３の電位をアノード過電圧として検出する。なお、水素ガス流入用配管１１９に供給される水素ガスは、加湿されて水蒸気を含んでいることが望ましい。
【００２３】
以上のとおり構成される本実施の形態の燃料電池１１０は、発電時において、特に、アノード過電圧が増加する（図３参照）。アノード過電圧は、アノード活性化過電圧、濃度過電圧（拡散過電圧）、および抵抗過電圧から構成される。そして、アノード活性化過電圧は、水素がアノード触媒層１１３Ａでプロトンとなる際の活性化エネルギーによるエネルギー損失であって、アノード触媒層１１３Ａの性能に起因するものである。本実施の形態における燃料電池の制御システム１００は、上記アノード過電圧のうちアノード活性化過電圧を効率的に低減するために、アノード過電圧に応じてアノードガスを加湿する。以下、本実施の形態における燃料電池の制御方法について詳細に説明する。
【００２４】
図４は、本実施の形態の燃料電池の制御システムにおける処理を説明するためのフローチャートである。本実施の形態における燃料電池の制御方法は、アノード過電圧が大きいほど多量の水分がアノード触媒層１１３Ａに供給されるようにアノードガスの加湿度を制御して、アノード活性化過電圧を低減するものである。なお、以下に示す処理では、初期段階として、燃料電池１１０で生成される水は加湿器１４０に供給されておらず、加湿されていないアノードガスが燃料電池１１０に供給されている。
【００２５】
図４に示すとおり、本実施の形態における燃料電池の制御方法では、まず、燃料電池１１０のアノード過電圧が検出される（ステップＳ１０１）。本実施の形態では、検出部１５０が参照極を基準とするアノード１１３の電位をアノード過電圧として検出し、検出した電圧データをコントロールユニット１６０に送信する。
【００２６】
次に、検出されたアノード過電圧が閾値以上か否かが判断される（ステップＳ１０２）。本実施の形態では、予め閾値が設定されており、コントロールユニット１６０が、アノード過電圧と閾値とを比較する。なお、ここで設定されている閾値は、たとえば、５０ｍＶであって、これは活性化過電圧の上昇が許容される値である。
【００２７】
アノード過電圧が閾値未満の場合（ステップＳ１０２：ＮＯ）、アノード過電圧の上昇は許容範囲内であるとして、アノード過電圧が閾値以上になるまで待機する。一方、アノード過電圧が閾値以上の場合（ステップＳ１０２：ＹＥＳ）、アノードガスが加湿される（ステップＳ１０３）。本実施の形態では、切替バルブ１４５が制御されて、燃料電池１１０から排出されるカソードガスが加湿器１４０に供給される。加湿器１４０は、カソードガスに含まれる水分を回収して、回収した水分をアノードガスに移動させる。その結果、加湿器１４０によって加湿されたアノードガスが燃料電池１１０に供給されて、アノード触媒層１１３Ａに水分が供給される。アノード触媒層１１３Ａに水分が供給されることにより、アノード活性化電圧が低減される。
【００２８】
次に、アノード過電圧が再び検出され、検出されたアノード過電圧が閾値未満か否かが判断される（ステップＳ１０４，Ｓ１０５）。アノード過電圧が閾値未満の場合（ステップＳ１０５：ＹＥＳ）、アノード過電圧が許容範囲まで低下したとして、処理が終了される。本実施の形態では、燃料電池１１０から排出されるカソードガスが加湿器１４０に供給されることなく排出されるように切替バルブ１４５が制御される。
【００２９】
一方、アノード過電圧が閾値以上の場合（ステップＳ１０５：ＮＯ）、検出されるアノード過電圧に対応するアノードガスの加湿度が算出される（ステップＳ１０６）。より具体的には、アノード過電圧が大きいほど多量の水分がアノード触媒層１１３Ａに供給されるようにアノードガスの加湿度が算出される。本実施の形態では、アノード過電圧と加湿度との対応関係を示す換算テーブルが予め作成されており、コントロールユニット１６０は、ステップＳ１０５に示す処理で検出されたアノード過電圧に対応するアノードガスの加湿度を算出する。
【００３０】
次に、アノードガスの加湿度が変更される（ステップＳ１０７）。より具体的には、ステップＳ１０６に示す処理で算出された加湿度にアノードガスの加湿度がなるように、コントロールユニット１６０が加湿器１４０の出力を制御する。その結果、検出されるアノード過電圧が大きいほどアノードガスの加湿度が上昇されて、アノード触媒層１１３Ａに多量の水分が供給される。そして、アノード過電圧が閾値未満となるまで、ステップＳ１０３以下の処理が繰り返される。
【００３１】
以上のとおり、図４に示すフローチャートの処理によれば、まず、燃料電池１１０のアノード過電圧が検出され、検出されるアノード過電圧に応じて、アノードガスが加湿される。より具体的には、アノード過電圧が大きいほど多量の水分がアノード触媒層１１３Ａに供給されるように、加湿器１４０の出力が制御される。その結果、加湿されたアノードガスがアノード触媒層１１３Ａに供給されて、燃料電池１１０のアノード活性化過電圧が低減される。なお、図４のステップＳ１０１に示す処理は、検出部１５０の処理に対応し、ステップＳ１０２〜Ｓ１０６に示す処理は、コントロールユニット１６０の処理に対応する。また、ステップＳ１０７に示す処理は、加湿器１４０の処理に対応する。
【００３２】
図５は、図４のフローチャートに示す処理によるアノードガスの加湿度およびアノード過電圧の経時的な変化を説明するための図である。図５の実線は、アノード過電圧Ｖの経時変化を示し、図５の破線は、アノードガスの加湿度の経時変化を示す。図５に示すとおり、本実施の形態における燃料電池の制御方法では、アノード過電圧Ｖが大きいほど多量の水が供給されるようにアノードガスの加湿度が増加される。その結果、処理開始直後は、アノード過電圧Ｖが増加するとともに、アノードガスの加湿度が増加する。その後、アノード触媒層１１３Ａに水分が供給されることにより、アノード過電圧（すなわち、アノード活性化過電圧）が次第に低下する。アノード過電圧の低下にともなって、アノードガスの加湿度も低減される。
【００３３】
次に、図６を参照しつつ、本実施の形態の燃料電池の制御システム１００によるアノード活性化過電圧の低減効果を説明する
図６は、本実施の形態における燃料電池の制御システムによるアノード活性化過電圧の低減効果を説明するための図である。図６に示すとおり、５０％の加湿度に加湿したアノードガスが供給される本実施の形態の燃料電池１１０では、加湿しない場合と比較して、アノード過電圧を半分程度に低下させることができる。したがって、アノード過電圧に応じて加湿度を調節することにより、アノード活性化過電圧を効率的に低減することができる。
【００３４】
以上のとおり、本実施の形態の燃料電池の制御システム１００は、アノード過電圧をモニタリングしつつ、アノードガスに水分を供給する。すなわち、本実施の形態の燃料電池の制御システム１００は、アノード１１３でのエネルギー損失を詳細にモニタリングしつつ、アノード触媒層１１３Ａへの水分の供給を直接的に制御する。したがって、本実施の形態の燃料電池の制御システム１００は、アノード過電圧とカソード過電圧とを分離することなく燃料電池全体の電圧（ＩＶ特性）をモニタリングする場合と比較して、アノード触媒層１１３Ａへの水分の供給をより細かく効率的に制御することができる。
【００３５】
また、本実施の形態の燃料電池の制御システム１００は、アノード１１３でのエネルギー損失を詳細にモニタリングしつつ、アノード触媒層１１３Ａに水分を供給するため、アノード触媒層１１３Ａの加湿を最小限に抑えることができる。したがって、本実施の形態の燃料電池の制御システム１００は、アノード触媒層１１３Ａに供給される水がガス拡散を妨げることなどによるエネルギー損失（発電性能の低下）を最小限に抑えることができる。
【００３６】
さらに、本実施の形態では、カソード１１４よりも過電圧が高くなるアノード１１３のアノード過電圧をモニタリングして、アノード触媒層１１３Ａに水分を供給するため、より効率的に燃料電池１１０の活性化過電圧を低減することができる。
【００３７】
以上のとおり、説明した本実施の形態における燃料電池の制御方法では、アノード過電圧が大きいほど多量の水分がアノードガスに供給されるように加湿器１４０の出力が制御された。しかしながら、一定量の水分がアノードガスに供給されるように加湿器１４０が制御されてもよい。
【００３８】
図７は、本実施の形態の燃料電池の制御システムにおける処理の変形例を説明するためのフローチャートである。図７に示すとおり、本変形例では、まず、燃料電池１１０のアノード過電圧が検出される（ステップＳ２０１）。本変形例では、検出部１５０が参照極を基準とするアノード１１３の電位をアノード過電圧として検出し、検出した電圧データをコントロールユニット１６０に送信する。
【００３９】
次に、検出されたアノード過電圧が閾値以上か否かが判断される（ステップＳ２０２）。本変形例では、予め閾値が設定されており、コントロールユニット１６０が、アノード過電圧と閾値とを比較する。
【００４０】
アノード過電圧が閾値未満の場合（ステップＳ２０２：ＮＯ）、アノード過電圧の上昇は許容範囲内であるとして、アノード過電圧が閾値以上になるまで待機する。一方、アノード過電圧が閾値以上の場合（ステップＳ２０２：ＹＥＳ）、アノードガスが加湿される（ステップＳ２０３）。本変形例では、切替バルブ１４５が制御されて、燃料電池１１０から排出されるカソードガスが加湿器１４０に供給される。加湿器１４０は、カソードガスに含まれる水分を回収して、回収した水分をアノードガスに移動させる。その結果、加湿器１４０によって加湿されたアノードガスは、燃料電池１１０のアノード１１３に供給され、アノード触媒層１１３Ａに水分が供給される。アノード触媒層１１３Ａに水分が供給されることにより、アノード活性化電圧が低減される。
【００４１】
次に、所定時間経過したか否かが判断される（ステップＳ２０４）。所定時間経過していない場合（ステップＳ２０４：ＮＯ）、所定時間が経過するまで、アノードガスを加湿している状態が維持される。一方、所定時間経過した場合（ステップＳ２０４：ＹＥＳ）、処理が終了される。本変形例では、燃料電池１１０から排出されるカソードガスが加湿器１４０に供給されないように切替バルブ１４５が制御される。
【００４２】
以上のとおり、図７に示すフローチャートの処理によれば、まず、燃料電池１１０のアノード過電圧が検出され、検出されるアノード過電圧に応じて、アノードガスが加湿される。そして、アノードガスが加湿される状態が所定時間維持される。その結果、加湿されたアノードガスがアノード触媒層１１３Ａに供給されて、アノード活性化過電圧が低減される。
【００４３】
なお、上述した実施の形態では、燃料電池１１０から排出されたカソードガスの水分を直接的にアノードガスに移動させるために、膜式加湿器を利用した。しかしながら、加湿器１４０は、膜式加湿器に限定されず、内部に貯蔵される水にガスを通過させるバブリング式加湿器、ガスに微細な水を噴霧するスプレー式加湿器、膜状の加湿部材にガスを通過させる透湿膜式加湿器、高湿度ガスと低湿度ガスとの交換により加湿する全熱交換式加湿器などを用いてもよい。この場合、燃料電池１１０で生成される水を、たとえば、加湿器内部の容器に貯蔵し、容器に貯蔵された水を利用して、アノードガスを加湿することができる。
【００４４】
以上のとおり、説明された本実施の形態は、以下の効果を奏する。
【００４５】
（ａ）本実施の形態の燃料電池の制御システムは、カチオン成分とアニオン成分とを有するイオン伝導体を電解質膜として用いた燃料電池と、燃料電池に供給されるアノードガスに水分を供給する加湿器と、燃料電池のアノード過電圧に応じて加湿器を制御することにより、アノード触媒層に水分を供給するコントロールユニットと、を有する。したがって、燃料電池のアノード活性化過電圧を効率的に低減することができる。その結果、燃料電池の発電性能を向上させることができる。
【００４６】
また、本実施の形態の燃料電池の制御システムは、アノード触媒層への水分の供給を最小限に抑えることができるため、水分の供給によるエネルギー損失（発電性能の低下）を最小限に抑制することができる。また、アノードガスを加湿することにより、アノード触媒層に水分を供給することができる。
【００４７】
（ｂ）本実施の形態の燃料電池の制御システムは、燃料電池で生成される水を加湿器に供給する酸素排出用配管をさらに有し、加湿器は、燃料電池で生成される水を利用して、アノードガスに水分を供給する。したがって、加湿器の内部または外部に水貯蔵用容器を設けて水を貯蔵する必要がなく、水の凍結などの問題が発生しない。その結果、制御システムの始動性が向上される。また、制御システムのコストが抑えられる。
【００４８】
（ｃ）加湿器は、バブリング式加湿器、スプレー式加湿器、透湿膜式加湿器、膜式加湿器、全熱交換式加湿器、またはこれらの組み合わせを有する。したがって、所望の加湿度でアノードガスを加湿することができる。
【００４９】
（ｄ）本実施の形態の燃料電池の制御システムは、電解質膜に電気的に接続される参照極を基準とするアノードの電位をアノード過電圧として検出する検出部をさらに有する。したがって、アノード過電圧を検出することができる。
【００５０】
（ｅ）コントロールユニットは、検出部で検出されるアノード過電圧が大きいほど、多量の水分がアノード触媒層に供給されるように、加湿器を制御する。したがって、より効率的にアノード触媒層に水分を供給することができる。
【００５１】
（ｆ）コントロールユニットは、検出部で検出されるアノード過電圧が閾値以上の場合、加湿器を制御してアノード触媒層に水分を供給する。したがって、簡単な構成でアノード活性化過電圧を低減させることができる。
【００５２】
（ｇ）イオン伝導体は、分子性カチオンと分子性アニオンとを有する。したがって、電解質膜の設計を使用環境に合わせて適宜変更することができ、プロトン伝導性をより向上させることができる。
【００５３】
（ｈ）イオン伝導体は、分子性カチオンおよび分子性アニオンよりなるイオン液体を含む。したがって、さらに高いイオン伝導性を備えるため、プロトン伝導性をさらに向上させることができる。また、中温域（１２０℃程度）での運転が可能であるため、一般的なＰＥＭ型燃料電池と比較して、ラジエータ負荷が低減され、放熱系システムの小型化などにより、燃料電池システム全体を小型化および軽量化することができる。さらに、１００℃以上の温度領域においても高いプロトン伝導度を示すため、２００℃近い高温領域で燃料電池を使用することができる。
【００５４】
（ｉ）イオン液体は、親水性を有する。したがって、イオン液体の全部または一部が親水性を有することにより、イオン液体に水を含有させる場合、電解質における水の保持能を向上させることができる。その結果、プロトン伝導性の向上効果をより一層発揮させることができる。
【００５５】
（ｊ）イオン伝導体は、イミダゾリウム誘導体カチオン、ピリジニウム誘導体カチオン、ピロリジニウム誘導体カチオン、およびアンモニウム誘導体カチオンよりなる群から選択された少なくとも１種の分子性カチオンと、四フッ化ホウ素アニオン、トリフルオロメタンスルホン酸アニオン、フッ化水素アニオン、硫酸一水素アニオン、およびリン酸二水素アニオンよりなる群から選択された少なくとも１種の分子性アニオンと、を含む。したがって、イオン液体は、親水性を有し、イオン液体に水を含有させることができる。
【００５６】
（ｋ）本実施の形態の燃料電池の制御方法は、カチオン成分およびアニオン成分を有するイオン伝導体を電解質膜として用いた燃料電池の制御方法であって、燃料電池のアノード過電圧に応じて、燃料電池に供給されるアノードガスを加湿することにより、アノード触媒層に水分を供給する。したがって、燃料電池のアノード活性化過電圧を効率的に低減することができる。その結果、燃料電池の発電性能を向上させることができる。
【００５７】
（第２の実施の形態）
次に、図８を参照しつつ、本発明の第２の実施の形態について詳細に説明する。本実施の形態は、燃料電池で生成される水を利用することなく、加湿器に予め貯蔵される水を利用してアノードガスを加湿する実施の形態である。
【００５８】
図８は、本発明の第２の実施の形態における燃料電池の制御システムの概略構成を示す図である。図８に示すとおり、本実施の形態の燃料電池の制御システム１００は、燃料電池１１０、コンプレッサ１２０、燃料タンク１３０、加湿器１４０、検出部１５０、およびコントロールユニット１６０を備える。ここで、燃料電池１１０とコンプレッサ１２０とは、空気供給用配管１２１を介して接続されている。また、燃料電池１１０と燃料タンク１３０とは、第１および第２の水素供給用配管１３１，１３２を介して接続されている。
【００５９】
第１の水素供給用配管１３１の上流側の端部は、燃料タンク１３０に接続されており、下流側の端部は、燃料電池１１０に接続されている。第２の水素供給用配管１３２の上流側の端部は、切替バルブ１３６を介して、第１の水素供給用配管１３１の上流部に接続されており、下流側の端部は、第１の水素供給用配管１３１の下流部に接続されている。
【００６０】
また、本実施の形態の加湿器１５０は、その内部に貯蔵される水にアノードガスを通過させることにより、アノードガスを加湿するバブリング式加湿器である。加湿器１４０は、内部に水貯蔵タンクを有しており、水貯蔵タンクには、外部から水が補充される。なお、加湿器１４０が水貯蔵タンクに予め貯蔵されている水を利用してアノードガスを加湿する点を除いては、本実施の形態の構成は、第１の実施の形態における構成と同様であるため、詳細な説明は省略する。
【００６１】
以上のとおり構成される本実施の形態の燃料電池の制御システム１００によれば、アノードガスを加湿するに際して、切替バルブ１３６が制御され、アノードガスが加湿器１４０に供給される。このとき、アノードガスは、加湿器１４０内部に貯蔵されている水を通過することによって加湿されるため、容易に加湿される。したがって、本実施の形態の燃料電池の制御システム１００によれば、アノードガスを加湿する制御性が向上される。
【００６２】
以上のとおり、説明された本実施の形態は、第１の実施の形態における効果に加えて、以下の効果を奏する。
【００６３】
（ｌ）加湿器は、内部に貯蔵される水を利用して、アノードガスを加湿する。したがって、容器に貯蔵された水を利用してアノードガスを加湿することができるため、アノードガスを加湿する制御性が向上される。
【００６４】
（第３の実施の形態）
次に、図９を参照しつつ、本発明の第３の実施の形態について詳細に説明する。本実施の形態は、カソードガスを加湿することにより、アノード触媒層に水分を供給する実施の形態である。
【００６５】
図９は、本発明の第３の実施の形態における燃料電池の制御システムの概略構成を示す図である。図９に示すとおり、本実施の形態の燃料電池の制御システム１００は、燃料電池１１０、コンプレッサ１２０、燃料タンク１３０、加湿器１４０、検出部１５０、およびコントロールユニット１６０を備える。ここで、燃料電池１１０とコンプレッサ１２０とは、第１および第２の空気供給用配管１２１，１２２を介して接続されている。また、燃料電池１１０と燃料タンク１３０とは、水素供給用配管１３１を介して接続されている。
【００６６】
第１の空気供給用配管１２１の上流側の端部は、コンプレッサ１２０に接続されており、下流側の端部は、燃料電池１１０に接続されている。第２の空気供給用配管１２２の上流側の端部は、切替バルブ１２６を介して、第１の空気供給用配管１２１の上流部に接続されており、下流側の端部は、第１の空気供給用配管１２１の下流部に接続されている。
【００６７】
また、本実施の形態の加湿器１５０は、その内部に貯蔵される水にカソードガスを通過させることにより、カソードガスを加湿するバブリング式加湿器である。加湿器１４０は、内部に水貯蔵タンクを有しており、水貯蔵タンクには、外部から水が補充される。なお、加湿器１４０がカソードガスを加湿する点を除いては、本実施の形態の構成は、第１および第２の実施の形態における構成と同様であるため、詳細な説明は省略する。
【００６８】
以上のとおり構成される本実施の形態の燃料電池の制御システム１００によれば、アノード触媒層１１３Ａに水分を供給するに際して、加湿器１４０によって加湿されたカソードガスが燃料電池１１０のカソード１１４に供給される。加湿されたカソードガスが燃料電池１１０のカソード１１４に供給されることにより、カソード１１４側の水蒸気分圧が増加する。したがって、アノード１１３とカソード１１４との水蒸気分圧差が増加して、電解質膜１１２内の水分拡散によってカソード１１４からアノード１１３への水分移動（逆拡散）が促進される。その結果、アノード触媒層１１３Ａに水分が供給され、アノード活性化過電圧が低減される。
【００６９】
以上のとおり、説明された本実施の形態は、第１および第２の実施の形態における効果に加えて、以下の効果を奏する。
【００７０】
（ｍ）加湿器は、燃料電池のカソードおよび電解質膜を通じてアノード触媒層に水分が供給されるように、カソードガスを加湿する。したがって、電解質膜内の水分拡散を利用してアノード触媒層に水分を供給することにより、電解質膜と接するアノード触媒層の反応部に効果的に水分を供給することができる。
【００７１】
以上のとおり、本実施の形態において、本発明の燃料電池の制御システムおよび燃料電池制御方法を説明した。しかしながら、本発明は、その技術思想の範囲内において当業者が適宜に追加、変形、および省略することができることはいうまでもない。
【００７２】
たとえば、第１〜第３の実施の形態では、アノード過電圧を検出して、アノードガスまたはカソードガスを加湿することにより、アノード触媒層に水分を供給した。しかしながら、カソード過電圧に応じて、カソード触媒層に水分を供給することもできる。
【００７３】
また、第１〜第３の実施の形態では、アノードガスおよびカソードガスの一方を加湿した。しかしながら、アノードガスおよびカソードガスの両方を加湿してもよい。
【００７４】
さらに、上述した第１〜第３の実施の形態では、電圧センサを有する検出部によって、アノード過電圧を直接的に検出した。しかしながら、燃料電池の温度を検出することによって、アノード過電圧を間接的に検出してもよい。
【００７５】
さらに、上述した第１〜第３の実施の形態では、電解質膜に用いられるイオン伝導体として、イミダゾリウム誘導体カチオンとトリフルオロメタンスルホン酸アニオンとを含む親水性のイオン液体を述べた。しかしながら、イオン伝導体としては、種々のカチオン成分およびアニオン成分を適用することができる。
【００７６】
ここで、イオン伝導体について説明する。本発明の燃料電池の電解質膜には、上述した実施の形態のイオン液体に限定されず、アニオン成分とカチオン成分とを含む種々のイオン伝導体を用いることができる。
【００７７】
カチオン成分は、イミダゾリウム誘導体（Ｉｍｉｄａｚｏｌｉｕｍ Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ）、ピリジニウム誘導体（Ｐｙｒｉｄｉｎｉｕｍ Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ）、ピロリジニウム誘導体（Ｐｙｒｒｏｌｉｄｉｎｉｕｍ Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ）、アンモニウム誘導体（Ａｍｍｏｎｉｕｍ Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ）、ホスフォニウム誘導体（Ｐｈｏｓｐｈｏｎｉｕｍ Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ）、グアニジウム誘導体（Ｇｕａｎｉｄｉｎｉｕｍ Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ）、およびイソウロニウム誘導体（Ｉｓｏｕｒｏｎｉｕｍ Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ）などの化合物が用いられる。
【００７８】
具体的には、カチオン成分としては、次式（１）に示す１置換〜３置換イミダゾリウム誘導体を挙げることができる。
【００７９】
【化１】
【００８０】
ここで、式中のＲ１１〜Ｒ１６は同一でも異なっていてもよく、１価の有機基、好ましくは、１価の炭化水素基、さらに好ましくは、炭素数１〜２０のアルキル基またはアリールアルキル基を示す。そして、炭化水素基の具体例としては、メチル基、ブチル基などを挙げることができる
また、Ｒ１２およびＲ１３としては、上述したＲ１１と同様のものを任意に組み合わせたものを挙げることができ、その他にエチル基、ペンチル基、ヘキシル基、オクチル基、デシル基、ドデシル基、テトラデシル基、ヘキサデシル基、オクタデシル基、ベンジル基、γ−フェニルプロピル基などを挙げることができる。
【００８１】
また、Ｒ１４〜Ｒ１６としては、上述したＲ１１と同様のものを任意に組み合わせたものを挙げることができ、その他にエチル基、プロピル基、ヘキシル基、ヘキサデシル基などを挙げることができる。
【００８２】
さらに、カチオン成分としては、次式（２）に示すピリジニウム誘導体を挙げることができる。
【００８３】
【化２】
【００８４】
ここで、式中のＲ２１およびＲ２２は同一でも異なっていてもよく、水素原子または１価の有機基、好ましくは、１価の炭化水素基、さらに好ましくは、炭素数１〜２０のアルキル基またはアリールアルキル基を示す。そして、Ｒ２１およびＲ２２としては、上述したＲ１１と同様のものを任意に組み合わせたものを挙げることができ、その他にエチル基、ヘキシル基、オクチル基などを挙げることができる。
【００８５】
さらに、カチオン成分としては、次式（３）に示すピロリジニウム誘導体を挙げることができる。
【００８６】
【化３】
【００８７】
ここで、式中のＲ３１およびＲ３２は同一でも異なっていてもよく、１価の有機基、好ましくは、１価の炭化水素基、さらに好ましくは、炭素数１〜２０のアルキル基またはアリールアルキル基を示す。そして、Ｒ３１およびＲ３２としては、上述したＲ１１と同様のものを任意に組み合わせたものを挙げることができ、その他にエチル基、プロピル基、ヘキシル基、オクチル基などを挙げることができる。
【００８８】
さらに、カチオン成分としては、次式（４）に示すアンモニウム誘導体を挙げることができる。
【００８９】
【化４】
【００９０】
ここで、式中のＲ４１〜Ｒ４４は同一でも異なっていてもよく、１価の有機基、好ましくは、１価の炭化水素基、さらに好ましくは、炭素数１〜２０のアルキル基またはアリールアルキル基を示す。そして、Ｒ４１〜Ｒ４４としては、上述したＲ１１と同様のものを任意に組み合わせたものを挙げることができ、その他にエチル基、オクチル基などを挙げることができる。
【００９１】
さらに、カチオン成分としては、次式（５）に示すホスフォニウム誘導体を挙げることができる。
【００９２】
【化５】
【００９３】
ここで、式中のＲ５１〜Ｒ５４は同一でも異なっていてもよく、１価の有機基、好ましくは、１価の炭化水素基、さらに好ましくは、炭素数１〜２０のアルキル基またはアリールアルキル基を示す。そして、Ｒ５１〜Ｒ５４としては、上述したＲ１１と同様のものを任意に組み合わせたものを挙げることができ、その他にエチル基、イソブチル基、ヘキシル基、オクチル基、テトラデシル基、ヘキサデシル基、フェニル基、ベンジル基などを挙げることができる。
【００９４】
さらに、カチオン成分としては、次式（６）に示すグアニジウム誘導体を挙げることができる。
【００９５】
【化６】
【００９６】
さらに、カチオン成分としては、次式（７）に示すイソウロニウム誘導体を挙げることができる。
【００９７】
【化７】
【００９８】
また、アニオン成分は、ハロゲン化物（Ｈａｌｏｇｅｎｉｄｅｓ）、硫酸（Ｓｕｌｆａｔｅｓ）、スルホン酸（ｓｕｌｆｏｎａｔｅｓ）、アミド（Ａｍｉｄｅｓ）、イミド（Ｉｍｉｄｅｓ）、メタン化合物（Ｍｅｔｈａｎｅｓ）、ホウ酸（Ｂｏｒａｔｅｓ）、リン酸（Ｐｈｏｓｐｈａｔｅｓ）、アンチモン酸（ａｎｔｉｍｏｎａｔｅｓ）などの化合物が用いられる。
【００９９】
具体的には、アニオン成分としては、Ｃｌ−、Ｂｒ−、およびＩ−などのハロゲン化物を挙げることができる。
【０１００】
さらに、アニオン成分としては、ＨＳＯ４−、ＣＨ３ＳＯ４−、Ｃ２Ｈ５ＳＯ４−、Ｃ４Ｈ９ＳＯ４−、Ｃ６Ｈ１３ＳＯ４−、およびＣ８Ｈ１７ＳＯ４−などの硫酸を挙げることができる。
【０１０１】
さらに、アニオン成分としては、ＣＦ３ＳＯ３−および次式（８）に示す化合物などのスルホン酸を挙げることができる。
【０１０２】
【化８】
【０１０３】
さらに、アニオン成分としては、（ＣＮ）２Ｎ−、［Ｎ（ＣＦ３）２］−、および［Ｎ（ＳＯ２ＣＦ３）２］−などのアミドを挙げることができる。
【０１０４】
さらに、アニオン成分としては、［ＨＣ（ＳＯ２ＣＦ３）２］−およびＣ（ＳＯ２ＣＦ３）３などのメタン化合物を挙げることができる。
【０１０５】
さらに、アニオン成分としては、ＢＦ４−、Ｂ（ＣＮ）４−および次式（９）に示す化合物などのホウ酸を挙げることができる。
【０１０６】
【化９】
【０１０７】
さらに、アニオン成分としては、Ｈ２ＰＯ４−、（Ｃ２Ｆ５）２Ｐ（Ｏ）Ｏ−、ＰＦ６−、（Ｃ３Ｆ７）３ＰＦ３−、（Ｃ２Ｆ５）３ＰＦ３−、（Ｃ４Ｆ９）３ＰＦ３−、（Ｃ２Ｈ５）２ＰＯ４−、および次式（１０）に示す化合物などのリン酸を挙げることができる。
【０１０８】
【化１０】
【０１０９】
さらに、アニオン成分としては、ＳｂＦ６−などのアンチモン酸を挙げることができる。
【０１１０】
さらに、アニオン成分としては、Ｃ１０Ｈ２１ＣＯＯ−、ＣＦ３ＣＯＯ−、およびＣｏ（ＣＯ）４−などを挙げることができる。
【０１１１】
以上のとおり、本発明の燃料電池の電解質膜は、上述したカチオン成分およびアニオン成分を組み合わせた、または、混合したイオン伝導体を含むことが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【０１１２】
【図１】本発明の第１の実施の形態における燃料電池の制御システムの概略構成を示す図である。
【図２】図１に示す燃料電池の制御システムにおける燃料電池のセル構造を示す断面図である。
【図３】図２に示す燃料電池の制御システムにおける燃料電池の特性を説明するための図である。
【図４】図１に示す燃料電池の制御システムにおける処理を説明するためのフローチャートである。
【図５】図４のフローチャートに示す処理によるアノードガスの加湿度およびアノード過電圧の経時的な変化を説明するための図である。
【図６】図１に示す燃料電池の制御システムによるアノード活性化過電圧の低減効果を説明するための図である。
【図７】図１に示す燃料電池の制御システムにおける処理の変形例を説明するためのフローチャートである。
【図８】本発明の第２の実施の形態における燃料電池の制御システムの概略構成を示す図である。
【図９】本発明の第３の実施の形態における燃料電池の制御システムの概略構成を示す図である。
【符号の説明】
【０１１３】
１００ 燃料電池の制御システム、
１１０ 燃料電池、
１１２ 電解質膜、
１１３ アノード（燃料極）、
１１４ カソード（空気極）、
１１８ 導線（参照極）、
１４０ 加湿器（水分供給手段）、
１４１ 酸素排出用配管（水供給流路）、
１５０ 検出部（電位検出手段）、
１６０ コントロールユニット（制御手段）。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
カチオン成分とアニオン成分とを有するイオン伝導体を電解質膜として用いた燃料電池と、
前記燃料電池に供給される燃料ガスおよび酸化ガスの少なくとも一方に水分を供給する水分供給手段と、
前記燃料電池の燃料極および空気極のうち一方の電極の過電圧に応じて前記水分供給手段を制御することにより、当該電極の触媒層に水分を供給する制御手段と、
を有することを特徴とする燃料電池の制御システム。
【請求項２】
前記制御手段は、前記燃料極の過電圧に応じて前記水分供給手段を制御することにより、前記燃料極の触媒層に水分を供給することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の制御システム。
【請求項３】
前記水分供給手段は、前記燃料ガスに水分を供給することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池の制御システム。
【請求項４】
前記燃料電池で生成される水を前記水分供給手段に供給する水供給流路をさらに有し、
前記水分供給手段は、前記燃料電池で生成される水を利用して、前記燃料ガスに水分を供給することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池の制御システム。
【請求項５】
前記水分供給手段は、前記空気極および前記電解質膜を通じて前記燃料極の触媒層に水分が供給されるように、前記酸化ガスに水分を供給することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池の制御システム。
【請求項６】
前記水分供給手段は、バブリング式加湿器、スプレー式加湿器、透湿膜式加湿器、膜式加湿器、全熱交換式加湿器、またはこれらの組み合わせを有することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池の制御システム。
【請求項７】
前記電解質膜に接続される参照極を基準とする前記燃料極の電位を過電圧として検出する電位検出手段をさらに有することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池の制御システム。
【請求項８】
前記制御手段は、前記電位検出手段で検出される燃料極の過電圧が大きいほど、多量の水分が前記燃料極の触媒層に供給されるように、前記水分供給手段を制御することを特徴とする請求項７に記載の燃料電池の制御システム。
【請求項９】
前記制御手段は、前記電位検出手段で検出される燃料極の過電圧が閾値以上の場合、前記水分供給手段を制御して前記燃料極の触媒層に水分を供給することを特徴とする請求項７に記載の燃料電池の制御システム。
【請求項１０】
前記イオン伝導体は、分子性カチオンと分子性アニオンとを有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の制御システム。
【請求項１１】
前記イオン伝導体は、前記分子性カチオンおよび前記分子性アニオンよりなるイオン液体を含むことを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池の制御システム。
【請求項１２】
前記イオン液体は、親水性を有することを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池の制御システム。
【請求項１３】
前記イオン伝導体は、イミダゾリウム誘導体カチオン、ピリジニウム誘導体カチオン、ピロリジニウム誘導体カチオン、およびアンモニウム誘導体カチオンよりなる群から選択された少なくとも１種の分子性カチオンと、四フッ化ホウ素アニオン、トリフルオロメタンスルホン酸アニオン、フッ化水素アニオン、硫酸一水素アニオン、およびリン酸二水素アニオンよりなる群から選択された少なくとも１種の分子性アニオンと、を含むことを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池の制御システム。
【請求項１４】
カチオン成分とアニオン成分とを有するイオン伝導体を電解質膜として用いた燃料電池の制御方法であって、
前記燃料電池の燃料極および空気極のうち一方の電極の過電圧に応じて、前記燃料電池に供給される燃料ガスおよび酸化ガスの少なくとも一方に水分を供給することにより、当該電極の触媒層に水分を供給することを特徴とする燃料電池の制御方法。
【請求項１】
カチオン成分とアニオン成分とを有するイオン伝導体を電解質膜として用いた燃料電池と、
前記燃料電池に供給される燃料ガスおよび酸化ガスの少なくとも一方に水分を供給する水分供給手段と、
前記燃料電池の燃料極および空気極のうち一方の電極の過電圧に応じて前記水分供給手段を制御することにより、当該電極の触媒層に水分を供給する制御手段と、
を有することを特徴とする燃料電池の制御システム。
【請求項２】
前記制御手段は、前記燃料極の過電圧に応じて前記水分供給手段を制御することにより、前記燃料極の触媒層に水分を供給することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の制御システム。
【請求項３】
前記水分供給手段は、前記燃料ガスに水分を供給することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池の制御システム。
【請求項４】
前記燃料電池で生成される水を前記水分供給手段に供給する水供給流路をさらに有し、
前記水分供給手段は、前記燃料電池で生成される水を利用して、前記燃料ガスに水分を供給することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池の制御システム。
【請求項５】
前記水分供給手段は、前記空気極および前記電解質膜を通じて前記燃料極の触媒層に水分が供給されるように、前記酸化ガスに水分を供給することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池の制御システム。
【請求項６】
前記水分供給手段は、バブリング式加湿器、スプレー式加湿器、透湿膜式加湿器、膜式加湿器、全熱交換式加湿器、またはこれらの組み合わせを有することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池の制御システム。
【請求項７】
前記電解質膜に接続される参照極を基準とする前記燃料極の電位を過電圧として検出する電位検出手段をさらに有することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池の制御システム。
【請求項８】
前記制御手段は、前記電位検出手段で検出される燃料極の過電圧が大きいほど、多量の水分が前記燃料極の触媒層に供給されるように、前記水分供給手段を制御することを特徴とする請求項７に記載の燃料電池の制御システム。
【請求項９】
前記制御手段は、前記電位検出手段で検出される燃料極の過電圧が閾値以上の場合、前記水分供給手段を制御して前記燃料極の触媒層に水分を供給することを特徴とする請求項７に記載の燃料電池の制御システム。
【請求項１０】
前記イオン伝導体は、分子性カチオンと分子性アニオンとを有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の制御システム。
【請求項１１】
前記イオン伝導体は、前記分子性カチオンおよび前記分子性アニオンよりなるイオン液体を含むことを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池の制御システム。
【請求項１２】
前記イオン液体は、親水性を有することを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池の制御システム。
【請求項１３】
前記イオン伝導体は、イミダゾリウム誘導体カチオン、ピリジニウム誘導体カチオン、ピロリジニウム誘導体カチオン、およびアンモニウム誘導体カチオンよりなる群から選択された少なくとも１種の分子性カチオンと、四フッ化ホウ素アニオン、トリフルオロメタンスルホン酸アニオン、フッ化水素アニオン、硫酸一水素アニオン、およびリン酸二水素アニオンよりなる群から選択された少なくとも１種の分子性アニオンと、を含むことを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池の制御システム。
【請求項１４】
カチオン成分とアニオン成分とを有するイオン伝導体を電解質膜として用いた燃料電池の制御方法であって、
前記燃料電池の燃料極および空気極のうち一方の電極の過電圧に応じて、前記燃料電池に供給される燃料ガスおよび酸化ガスの少なくとも一方に水分を供給することにより、当該電極の触媒層に水分を供給することを特徴とする燃料電池の制御方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００８−３００２９０（Ｐ２００８−３００２９０Ａ）
【公開日】平成２０年１２月１１日（２００８．１２．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１４７２３６（Ｐ２００７−１４７２３６）
【出願日】平成１９年６月１日（２００７．６．１）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１２月１１日（２００８．１２．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年６月１日（２００７．６．１）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【Ｆターム（参考）】
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