JP2002352828A - Solid-state polymer electrolyte fuel cell - Google Patents

Solid-state polymer electrolyte fuel cell

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JP2002352828A
JP2002352828A JP2001155203A JP2001155203A JP2002352828A JP 2002352828 A JP2002352828 A JP 2002352828A JP 2001155203 A JP2001155203 A JP 2001155203A JP 2001155203 A JP2001155203 A JP 2001155203A JP 2002352828 A JP2002352828 A JP 2002352828A
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polymer electrolyte
electrolyte membrane
fuel cell
dye layer
absorbance
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Katsunori Aoki
克徳 青木
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Nissan Motor Co Ltd
Original Assignee
Nissan Motor Co Ltd
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell capable of shortening the start-up time. SOLUTION: The solid-state polymer electrolyte fuel cell comprises a hydrogen pole and an oxygen pole supporting a catalyst with a polymer electrolyte film (1) in between, with the poles supplied with hydrogen and oxygen to generate a power. A pixel layer is formed where the absorbancy changes according to humidification at the polymer electrolyte film. By measuring the change in the absorbance of the pixel layer, the humidification of the polymer electrolyte film (1) is judged, and the polymer electrolyte film (1) is supplied with water content according to the absorbancy.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、固体高分子電解質
型燃料電池の改良に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an improvement in a solid polymer electrolyte fuel cell.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年の自動車の排ガスによる大気汚染や
二酸化炭素による地球温暖化の問題に対処するためにク
リーンな排気及び高効率のエネルギ変換を可能とする燃
料電池が注目されている。その中でも固体高分子電解質
型燃料電池は高い出力密度を有するため自動車等の移動
体用電源として注目されている。
2. Description of the Related Art In order to cope with the recent problems of air pollution caused by exhaust gas from automobiles and global warming caused by carbon dioxide, fuel cells that enable clean exhaust gas and highly efficient energy conversion have attracted attention. Among them, solid polymer electrolyte fuel cells have attracted attention as power sources for mobile bodies such as automobiles because of their high output density.

【0003】固体高分子電解質型燃料電池(以下、燃料
電池という。)においては、水素イオン導電率の高いパ
ーフルオロスルホン酸膜の高分子膜上の表面に白金等の
貴金属触媒が担持される。高分子膜の両面にそれぞれ水
素ガス及び空気を透過させるガス拡散電極(それぞれ水
素極、酸素極という。)が設置され、さらにその外側に
ガス流路を形成したバイポーラプレートが高分子膜とガ
ス拡散電極を挟み込むように構成される。
In a solid polymer electrolyte fuel cell (hereinafter referred to as a fuel cell), a noble metal catalyst such as platinum is supported on a surface of a perfluorosulfonic acid membrane having a high hydrogen ion conductivity on a polymer membrane. Gas diffusion electrodes (referred to as hydrogen electrode and oxygen electrode, respectively) for transmitting hydrogen gas and air are installed on both surfaces of the polymer film, and a bipolar plate having a gas flow path formed outside the gas diffusion electrode is formed between the polymer film and the gas diffusion electrode. It is configured to sandwich the electrode.

【0004】水素極触媒の作用で水素ガス分子は水素イ
オンと電子に分離し、電子は外部負荷回路を通過した
後、酸素極側触媒に送られ、酸素極触媒で高分子膜を通
過した水素イオン及び供給された空気と反応して水とな
って外部に排出される。ここで高分子膜中の水素イオン
の導電率が高いほど(あるいはその逆数で示される電気
抵抗が低いほど)高い発電効率を得ることができる。
Hydrogen gas molecules are separated into hydrogen ions and electrons by the action of the hydrogen electrode catalyst. The electrons pass through an external load circuit and are then sent to the oxygen electrode side catalyst, where the hydrogen gas passes through the polymer membrane by the oxygen electrode catalyst. It reacts with the ions and supplied air to become water and is discharged to the outside. Here, the higher the conductivity of the hydrogen ions in the polymer membrane (or the lower the electrical resistance indicated by the reciprocal thereof), the higher the power generation efficiency can be obtained.

【0005】しかしながら導電率は高分子膜の含水量に
依存し、高分子膜の濡れ状態に応じてガス拡散電極に供
給するガスの加湿状態を制御することが特開平7‐28
2832号公報に開示されている。
However, the conductivity depends on the water content of the polymer film, and it is known to control the humidification state of the gas supplied to the gas diffusion electrode according to the wetting state of the polymer film.
No. 2832.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特開平
7‐282832号公報に開示された技術は、燃料電池
に水素ガス及び空気を供給し、電圧が発生してからイン
ピーダンス測定及び参照電極を使用した電圧測定を行
い、高分子膜の加湿状態を検出するため、ガスが供給さ
れない限りは高分子膜の加湿状態を検出できず、燃料電
池自動車に適用した場合にその測定に要する時間の長さ
が問題となる。特に燃料電池の発電を長時間に渡り行わ
ない場合には、一般的には高分子膜が乾燥する傾向とな
り、起動直後には十分な発電が行えないことになるが、
ガスが供給されないと高分子膜の濡れ状態の検出ができ
ないためガス供給に合わせた適切な高分子膜の加湿制御
が行えず、所定の発電量に達するまで時間が掛かると言
う問題がある。
However, the technique disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-282832 uses hydrogen gas and air to a fuel cell, and uses a impedance measurement and a reference electrode after a voltage is generated. Since the voltage measurement is performed to detect the humidified state of the polymer membrane, the humidified state of the polymer membrane cannot be detected unless gas is supplied, and the time required for the measurement when applied to a fuel cell vehicle is reduced. It becomes a problem. In particular, when the power generation of the fuel cell is not performed for a long time, the polymer membrane generally tends to dry, and sufficient power generation cannot be performed immediately after startup.
If the gas is not supplied, the wet state of the polymer film cannot be detected, so that appropriate control of the humidification of the polymer film in accordance with the gas supply cannot be performed, and it takes a long time to reach a predetermined power generation amount.

【0007】そこで本発明の目的は、上記問題点を解決
する燃料電池を提供することである。
It is an object of the present invention to provide a fuel cell which solves the above problems.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】第1の発明は、高分子電
解質膜を挟んで触媒が担持された水素極と酸素極が設け
られ、それぞれの極に水素及び酸素が供給されることで
発電が行われる固体高分子電解質型燃料電池において、
前記高分子電解質膜の加湿状態に応じて吸光度が変化す
る色素層と、この色素層の吸光度を測定する手段と、こ
の測定した吸光度に応じて高分子電解膜に水分を供給す
る手段を備える。
According to a first aspect of the present invention, a hydrogen electrode and an oxygen electrode carrying a catalyst are provided with a polymer electrolyte membrane interposed therebetween, and hydrogen and oxygen are supplied to the respective electrodes to generate power. Is performed in a solid polymer electrolyte fuel cell,
A dye layer whose absorbance changes according to the humidified state of the polymer electrolyte membrane, means for measuring the absorbance of the dye layer, and means for supplying water to the polymer electrolyte membrane according to the measured absorbance.

【0009】第2の発明は、第1の発明において、前記
色素層を透過する光を照射する発光部と、色素層を透過
してきた光を受ける受光部を設け、発光部から直接、受
光部に入光したときの基準吸光度と、色素層を透過した
吸光度とに基づき色素層の吸光度を検出する。
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect, a light emitting section for irradiating light transmitted through the dye layer and a light receiving section for receiving light transmitted through the dye layer are provided. And the absorbance of the dye layer is detected based on the reference absorbance when the light enters and the absorbance transmitted through the dye layer.

【0010】第3の発明は、第2の発明において、前記
高分子電解質膜と水素極と酸素極とを挟むバイポーラプ
レートを設置し、前記色素層を挟み込むように一対の光
ファイバをバイポーラプレート内に固定し、それぞれの
光ファイバを前記発光部と受光部に接続する。
In a third aspect based on the second aspect, a bipolar plate sandwiching the polymer electrolyte membrane, the hydrogen electrode and the oxygen electrode is provided, and a pair of optical fibers are placed in the bipolar plate so as to sandwich the dye layer. And each optical fiber is connected to the light emitting unit and the light receiving unit.

【0011】第4の発明は、第1または2の発明におい
て、前記高分子電解質膜と水素極と酸素極とを挟むバイ
ポーラプレートを設置し、前記高分子電解質膜をバイポ
ーラプレートより大きく形成し、バイポーラプレートか
らはみ出した高分子電解質膜に色素層を形成する。
In a fourth aspect based on the first or second aspect, a bipolar plate is provided so as to sandwich the polymer electrolyte membrane, a hydrogen electrode and an oxygen electrode, and the polymer electrolyte membrane is formed larger than the bipolar plate. A dye layer is formed on the polymer electrolyte membrane protruding from the bipolar plate.

【0012】第5の発明は、第1から4のいずれか一つ
の発明において、前記色素層の吸光度から高分子電解質
膜の導電率を演算し、演算された導電率が所定値未満の
場合には、高分子電解質膜を加湿するための水分を燃料
電池内に、演算された導電率が所定値であるときに供給
する水分量よりも多く供給する。
According to a fifth aspect, in any one of the first to fourth aspects, the conductivity of the polymer electrolyte membrane is calculated from the absorbance of the dye layer, and the calculated conductivity is less than a predetermined value. Supplies more water for humidifying the polymer electrolyte membrane into the fuel cell than the amount of water supplied when the calculated conductivity is a predetermined value.

【0013】第6の発明は、第1から4のいずれか一つ
の発明において、前記色素層の吸光度から高分子電解質
膜の導電率を演算し、演算された導電率が小さいほど、
高分子電解質膜を加湿するための水分を多く燃料電池内
に供給する。
According to a sixth aspect, in any one of the first to fourth aspects, the conductivity of the polymer electrolyte membrane is calculated from the absorbance of the dye layer.
A large amount of water for humidifying the polymer electrolyte membrane is supplied into the fuel cell.

【0014】[0014]

【発明の効果】第1の発明では、前記高分子電解質膜の
加湿状態に応じて吸光度が変化する色素層を形成し、こ
の色素層の吸光度を測定し、所定の吸光度未満のときに
高分子電解膜に所定の吸光度のときより多くの水分を供
給することにより、燃料電池の速やかな起動が可能とな
り、短時間で高効率発電の定常運転への移行が可能とな
る。また従来技術の測定法に比して構成が簡潔であり、
測定に必要な時間を短縮できる。
According to the first aspect of the present invention, a dye layer whose absorbance changes in accordance with the humidified state of the polymer electrolyte membrane is formed, and the absorbance of the dye layer is measured. By supplying more water to the electrolyte membrane than at the predetermined absorbance, the fuel cell can be quickly started, and the transition to the steady operation of high-efficiency power generation in a short time becomes possible. In addition, the configuration is simpler than the conventional measurement method,
The time required for measurement can be reduced.

【0015】第2の発明では、色素層を透過する光を照
射する発光部と、色素層を透過してきた光を受ける受光
部を設け、発光部から直接、受光部に入光したときの基
準吸光度と、色素層を透過した吸光度とに基づき色素層
の吸光度を検出することにより、燃料ガスを燃料電池に
供給することなく、高分子電解膜の加湿状態を検出する
ことができ、高分子電解膜への給水の制御の必要性を短
時間で判断し、起動時間を短縮することができる。
According to a second aspect of the present invention, there is provided a light emitting portion for irradiating light transmitted through the dye layer, and a light receiving portion for receiving light transmitted through the dye layer, and a reference when light enters the light receiving portion directly from the light emitting portion. By detecting the absorbance of the dye layer based on the absorbance and the absorbance transmitted through the dye layer, the humidified state of the polymer electrolyte membrane can be detected without supplying the fuel gas to the fuel cell. The necessity of controlling the supply of water to the membrane can be determined in a short time, and the startup time can be reduced.

【0016】第3の発明では、高分子電解質膜と水素極
と酸素極とを挟むバイポーラプレートを設置し、前記色
素層を挟み込むように一対の光ファイバをバイポーラプ
レート内に固定し、それぞれの光ファイバを発光部と受
光部に接続することにより、簡潔な構成で高分子電解膜
の加湿状態を検出することができる。
In the third invention, a bipolar plate sandwiching the polymer electrolyte membrane, the hydrogen electrode and the oxygen electrode is provided, and a pair of optical fibers are fixed in the bipolar plate so as to sandwich the dye layer. By connecting the fiber to the light emitting unit and the light receiving unit, the humidified state of the polymer electrolyte membrane can be detected with a simple configuration.

【0017】第4の発明では、高分子電解質膜と水素極
と酸素極とを挟むバイポーラプレートを設置し、前記高
分子電解質膜をバイポーラプレートより大きく形成し、
バイポーラプレートからはみ出した高分子電解質膜に色
素層を形成することにより、より一層単純な構成とする
ことができ、容易に製造することが可能となる。
In the fourth invention, a bipolar plate sandwiching the polymer electrolyte membrane, the hydrogen electrode and the oxygen electrode is provided, and the polymer electrolyte membrane is formed larger than the bipolar plate.
By forming the dye layer on the polymer electrolyte membrane that protrudes from the bipolar plate, the structure can be further simplified, and it can be easily manufactured.

【0018】第5、6の発明では、色素層の吸光度から
高分子電解質膜の導電率または水分量を演算し、演算さ
れた導電率または水分量が所定値未満の場合には、高分
子電解質膜を加湿するための水分を、演算された導電率
または水分量が所定値であるときの水分量よりも多く燃
料電池内に供給することにより、起動運転時、定常運転
時にかかわらず、常に高分子電解質膜の加湿状態を適正
状態に維持することができる。
In the fifth and sixth aspects, the conductivity or the water content of the polymer electrolyte membrane is calculated from the absorbance of the dye layer, and if the calculated conductivity or the water content is less than a predetermined value, the polymer electrolyte By supplying more water for humidifying the membrane into the fuel cell than the calculated conductivity or the amount of water when the amount of water is a predetermined value, the water is always high regardless of the start-up operation or the steady operation. The humidified state of the molecular electrolyte membrane can be maintained in an appropriate state.

【0019】[0019]

【発明の実施の形態】以下、本発明の固体高分子電解質
型燃料電池の構成を添付図面に基づいて説明する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The structure of a solid polymer electrolyte fuel cell according to the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.

【0020】図1は第1実施形態の燃料電池の構成を説
明する図である。本実施形態は、第1固体高分子電解質
膜1を両側から挟み込むように、水素ガス流路5を形成
した燃料側バイポーラプレート6と、一面には空気流路
7を形成し、他面には冷却水流路8を形成した空気側バ
イポーラプレート9とが配置される。第1固体高分子電
解質膜1と燃料側バイポーラプレート6との間には、燃
料側バイポーラプレート6に形成した水素ガス流路5と
面するように触媒層が塗布されたガス拡散電極3aが配
置され、同様に第1固体高分子電解質膜1と空気側バイ
ポーラプレート9との間には空気側バイポーラプレート
9に形成した空気流路7と面するように触媒層が塗布さ
れたガス拡散電極3bが配置される。
FIG. 1 is a diagram illustrating the configuration of the fuel cell according to the first embodiment. In the present embodiment, a fuel-side bipolar plate 6 in which a hydrogen gas flow path 5 is formed, an air flow path 7 is formed on one surface, and an air flow path 7 is formed on the other surface so as to sandwich the first solid polymer electrolyte membrane 1 from both sides. An air-side bipolar plate 9 having a cooling water flow path 8 is arranged. A gas diffusion electrode 3a coated with a catalyst layer is disposed between the first solid polymer electrolyte membrane 1 and the fuel-side bipolar plate 6 so as to face the hydrogen gas flow path 5 formed in the fuel-side bipolar plate 6. Similarly, a gas diffusion electrode 3b coated with a catalyst layer between the first solid polymer electrolyte membrane 1 and the air-side bipolar plate 9 so as to face the air channel 7 formed in the air-side bipolar plate 9 Is arranged.

【0021】水素ガス流路5及び空気流路7が形成され
ていないバイポーラプレート6、9と第1固体高分子電
解質膜1との間には吸着、キャスト法、スピンコート等
の手法により形成された色素層を備えた第2固体高分子
電解質膜2が挟み込まれており、ガス拡散電極3a、3
bと第2固体高分子電解質膜2との間にはOリング4が
設置されて空気や水素が外部に漏出することを防止して
いる。このような積層構造で単セルが形成される。この
状態からスタックキングによる締め付けによって第2固
体高分子電解質膜2は固定される。
The first solid polymer electrolyte membrane 1 is formed between the bipolar plates 6, 9 in which the hydrogen gas flow path 5 and the air flow path 7 are not formed and the first solid polymer electrolyte membrane 1 by a technique such as adsorption, casting, or spin coating. The second solid polymer electrolyte membrane 2 having the dye layer is sandwiched between the gas diffusion electrodes 3a and 3d.
An O-ring 4 is provided between b and the second solid polymer electrolyte membrane 2 to prevent air or hydrogen from leaking to the outside. A single cell is formed with such a laminated structure. From this state, the second solid polymer electrolyte membrane 2 is fixed by fastening by stacking.

【0022】なお、第2固体高分子電解質膜2は、固体
高分子電解質膜と同等の化学組成を有する膜であれば、
固体高分子電解質膜でなくてもよい。
The second solid polymer electrolyte membrane 2 is a membrane having the same chemical composition as the solid polymer electrolyte membrane.
It does not need to be a solid polymer electrolyte membrane.

【0023】さらにバイポーラプレート6、9には第2
固体高分子電解質膜2に面するように開口した孔10、
13が形成されており、この孔10、13にはそれぞれ
光ファイバ11、14が挿入され、その先端が第2固体
高分子電解質膜2に対向している。光ファイバ11、1
4の他端は発光部12または受光部15に接続されてい
る。
Further, the bipolar plates 6 and 9 have the second
A hole 10 opened to face the solid polymer electrolyte membrane 2,
Optical fibers 11 and 14 are inserted into the holes 10 and 13, respectively, and the ends thereof face the second solid polymer electrolyte membrane 2. Optical fiber 11, 1
The other end of 4 is connected to light emitting unit 12 or light receiving unit 15.

【0024】第2固体高分子電解質膜2に形成された色
素層は、水分により変色する色素の層であればよく、例
えば、塩化コバルトなどの無機化合物や、シアニン系の
有機化合物を使用することが可能である。
The dye layer formed on the second solid polymer electrolyte membrane 2 may be a dye layer that changes its color due to moisture. For example, an inorganic compound such as cobalt chloride or a cyanine-based organic compound may be used. Is possible.

【0025】本実施形態では、第2固体高分子電解質膜
2に色素層を吸着、キャスト法、スピンコート等の手法
により形成する構成を開示したが、これに限らず、第1
固体高分子電解質膜1に吸着、キャスト法、スピンコー
ト等の手法により直接形成することも可能である。
In the present embodiment, the structure in which the dye layer is formed on the second solid polymer electrolyte membrane 2 by a method such as adsorption, casting, spin coating, etc., is disclosed.
It can be directly formed on the solid polymer electrolyte membrane 1 by a technique such as adsorption, casting, or spin coating.

【0026】発光部12と受光部15の構成は、発光ダ
イオードやレーザーダイオード等の発光素子、及びフォ
トダイオードやフォトトランジスタ等の受光素子を用い
て構成する。これらの光素子の使用波長領域は、使用す
る色素の最大吸光度近傍のものを使用することで、感度
よく固体高分子電解質膜の膜抵抗あるいは加湿状態を検
知することができる。なお吸光度の測定には、色素層を
透過しない光を参考光として検出し、この参考光と検出
された光を比較し吸光度を測定することで、計測器具の
経時劣化分の誤差を排除し、より精度よく測定すること
ができる。
The light emitting section 12 and the light receiving section 15 are configured using light emitting elements such as light emitting diodes and laser diodes and light receiving elements such as photodiodes and phototransistors. By using a wavelength region of these optical elements near the maximum absorbance of the dye to be used, the membrane resistance or the humidified state of the solid polymer electrolyte membrane can be detected with high sensitivity. In the measurement of the absorbance, light that does not pass through the dye layer is detected as reference light, and the reference light and the detected light are compared to measure the absorbance, thereby eliminating errors due to deterioration of the measuring instrument over time, More accurate measurement can be performed.

【0027】なお、本実施形態では色素層を形成した第
2固体高分子電解質膜2の加湿状態から第1固体高分子
電解質膜1の加湿状態を検出したが、これに限らず、第
1固体高分子電解質膜1のガス拡散電極3a、3bに接
触していない部位に色素層を形成し、この部位から直接
加湿状態を検出しても、ガス拡散電極3a、3bに接触
した第1固体高分子電解質膜1の加湿状態と、接触して
いない第1固体高分子電解質膜1の加湿状態の相関関係
をあらかじめ測定しておけば、ガス拡散電極3a、3b
に接触した第1固体高分子電解質膜1の加湿状態を正確
に検出することができる。
In this embodiment, the humidified state of the first solid polymer electrolyte membrane 1 is detected from the humidified state of the second solid polymer electrolyte membrane 2 having the dye layer formed thereon. Even if a dye layer is formed in a portion of the polymer electrolyte membrane 1 that is not in contact with the gas diffusion electrodes 3a and 3b, and the humidified state is directly detected from this portion, the first solid height in contact with the gas diffusion electrodes 3a and 3b can be detected. If the correlation between the humidified state of the molecular electrolyte membrane 1 and the humidified state of the first solid polymer electrolyte membrane 1 that is not in contact is measured in advance, the gas diffusion electrodes 3a, 3b
The humidified state of the first solid polymer electrolyte membrane 1 that has come into contact with can be accurately detected.

【0028】図2は本発明の燃料電池を用いた燃料電池
システムの概要図である。燃料電池20に備えられた第
1固体高分子電解膜1の加湿状態を検出する検出部21
(発光部12、受光部15等から構成される)から発信
された信号はコントローラ22に入力され、その検出さ
れた加湿状態に基づきコントローラ22が燃料電池2に
供給される水分量を水インジェクタ24を用いて制御す
る。
FIG. 2 is a schematic diagram of a fuel cell system using the fuel cell of the present invention. Detector 21 for detecting the humidified state of first solid polymer electrolyte membrane 1 provided in fuel cell 20
The signal transmitted from the light emitting unit 12 and the light receiving unit 15 is input to the controller 22, and the controller 22 determines the amount of water supplied to the fuel cell 2 based on the detected humidification state. Is controlled using.

【0029】図3はコントローラ22が行う起動時の制
御内容を説明するフローチャートである。
FIG. 3 is a flowchart for explaining the contents of control at the time of startup performed by the controller 22.

【0030】まずステップS1で検出部21からの出力
信号と予め記憶しておいた参考光に基づいて第1固体高
分子電解膜1の吸光度を検出する。続くステップS2で
吸光度から第1固体高分子電解膜1の水分量を演算し、
加湿状態を検知する。吸光度から水分量を求めるには、
例えば、図4に示すようなマップを予めコントローラ2
2に記憶させておき、このマップに基づき吸光度から水
分量を演算する。
First, in step S1, the absorbance of the first solid polymer electrolyte membrane 1 is detected based on the output signal from the detection unit 21 and the reference light stored in advance. In the following step S2, the water content of the first solid polymer electrolyte membrane 1 is calculated from the absorbance,
Detects the humidification state. To determine the water content from the absorbance,
For example, a map as shown in FIG.
2, and the water content is calculated from the absorbance based on this map.

【0031】ステップS3では、水分量から第1固体高
分子電解膜1の導電率を演算する、このとき図5に示す
ような水分量から導電率を算出するマップをコントロー
ラ22に記憶させておき、このマップに基づき水分量か
ら導電率を演算する。
In step S3, the conductivity of the first solid polymer electrolyte membrane 1 is calculated from the amount of water. At this time, a map for calculating the conductivity from the amount of water as shown in FIG. The conductivity is calculated from the water content based on this map.

【0032】ステップS4では、演算した伝導率に基づ
いて第1固体高分子電解膜1の加湿の制御の必要性を判
断する。つまり水インジェクタ24によって水分量を制
御して変化するかどうかを判断する。例えば、導電率が
7×10‐2S/cm以上のときには水の供給量の変化
は不要と判断し、フローを終了する。水供給量の制御が
必要な、例えば基準値に満たないときにはステップS5
に進み、供給すべき水分量を演算する。ステップS6で
演算された水分を、水インジェクタ24から燃料電池2
0の水素ガスまたは空気の入口マニホールドに供給し、
第1固体高分子電解膜1の加湿量を増加する。水分の供
給は、バイポーラプレート6、9に水分供給用の孔を設
けて供給するようにしてもよく、さらには水分供給に合
わせて、水やマニホールドを加熱してもよい。
In step S4, the necessity of controlling the humidification of the first solid polymer electrolyte membrane 1 is determined based on the calculated conductivity. That is, it is determined whether or not the water amount is controlled by the water injector 24 to change. For example, when the conductivity is not less than 7 × 10- 2 S / cm change in supplied amount of water is determined to be unnecessary, the flow ends. When it is necessary to control the water supply amount, for example, when the water supply amount is less than the reference value, step S5
To calculate the amount of water to be supplied. The water calculated in step S6 is supplied from the water injector 24 to the fuel cell 2
0 hydrogen gas or air to the inlet manifold,
The amount of humidification of the first solid polymer electrolyte membrane 1 is increased. The supply of water may be performed by providing holes for supplying water to the bipolar plates 6 and 9, and further, the water or the manifold may be heated in accordance with the supply of water.

【0033】このような制御によって起動時間を短縮
し、燃料電池から定格出力を取り出すことができる。
By such control, the start-up time can be reduced, and the rated output can be obtained from the fuel cell.

【0034】なお、説明した制御内容は起動時に限ら
ず、定常運転時にも適用できることは言うまでもない。
また、セル電圧計23の電圧変化と検出部21で検出さ
れた吸光度の変化からどちらかの計測値に誤差が生じた
場合にも、より正確に水分供給制御を行うことができ
る。さらに水素ガス供給量によって適正な水供給量の制
御を行うことができる。
It is needless to say that the control contents described above can be applied not only at the time of starting but also at the time of steady operation.
Further, even when an error occurs in one of the measured values due to a change in the voltage of the cell voltmeter 23 and a change in the absorbance detected by the detection unit 21, the water supply control can be performed more accurately. Further, it is possible to appropriately control the water supply amount by the hydrogen gas supply amount.

【0035】したがって、加湿状態によって吸光度の変
化する色素層を用いて、その吸光度を測定することで第
1固体高分子電解膜1の加湿状態を検出することがで
き、燃料電池の速やかな起動が可能となり、また高効率
の発電が可能となる。また水素ガスを供給する前に第1
固体高分子電解膜1の加湿状態を把握することができる
ので、予め燃料電池で発電される発電量を推定すること
ができる。さらに燃料電池のセル電圧を検出することに
より、燃料電池の運転状況や高分子電解膜の加湿状態を
検出でき、水や水素ガスの流量を制御して、必要とされ
る発電量を迅速に提供することが可能となる。さらには
従来技術の測定法に比して構成が簡潔であり、測定に必
要な時間が短縮できる。
Therefore, the humidified state of the first solid polymer electrolyte membrane 1 can be detected by measuring the absorbance using the dye layer whose absorbance changes depending on the humidified state, and the fuel cell can be quickly started. Power generation and high-efficiency power generation. Before supplying hydrogen gas,
Since the humidified state of the polymer electrolyte membrane 1 can be grasped, the amount of power generated by the fuel cell can be estimated in advance. Furthermore, by detecting the cell voltage of the fuel cell, the operating state of the fuel cell and the humidified state of the polymer electrolyte membrane can be detected, and the flow of water and hydrogen gas can be controlled to quickly provide the required power generation. It is possible to do. Further, the configuration is simpler than that of the conventional measuring method, and the time required for the measurement can be reduced.

【0036】図6は、第2実施形態の燃料電池の構成を
示し、第1の実施形態に対してその構成は同様であるが
第2固体高分子電解膜2の数と第2固体高分子電解膜2
の加湿状態を検出する位置が異なっている。第2固体高
分子電解膜2は第1固体高分子電解膜1の一方の面にの
み設置されており、さらに第1、第2固体高分子電解膜
1、2はバイポーラプレート6、9よりはみ出すように
形成され、そのはみ出した部位で第1固体高分子電解膜
1の加湿状態を検出するようにしたものである。この構
成によって、より簡潔な構成で固体高分子電解膜の加湿
状態を検出することが可能となる。
FIG. 6 shows the configuration of a fuel cell according to the second embodiment. The configuration is the same as that of the first embodiment, but the number of the second solid polymer electrolyte membranes 2 and the second solid polymer Electrolytic membrane 2
Are different in the position where the humidification state is detected. The second solid polymer electrolyte membrane 2 is provided only on one surface of the first solid polymer electrolyte membrane 1, and the first and second solid polymer electrolyte membranes 1, 2 extend beyond the bipolar plates 6, 9. Thus, the humidified state of the first solid polymer electrolyte membrane 1 is detected at the protruding portion. With this configuration, it is possible to detect the humidified state of the solid polymer electrolyte membrane with a simpler configuration.

【0037】本発明は、上記実施形態に限定されるもの
ではなく、特許請求の範囲に記載した技術的思想の範囲
内でさまざまな変更がなしうることは明白である。
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and it is apparent that various changes can be made within the scope of the technical idea described in the claims.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の第1実施形態を説明する固体高分子電
解質型燃料電池の概要図である。
FIG. 1 is a schematic diagram of a solid polymer electrolyte fuel cell illustrating a first embodiment of the present invention.

【図2】同じく固体高分子電解質型燃料電池システムの
概要図である。
FIG. 2 is a schematic diagram of a solid polymer electrolyte fuel cell system.

【図3】同じくコントローラが実施する制御内容を説明
するフローチャートである。
FIG. 3 is a flowchart for explaining control contents performed by the controller.

【図4】高分子電解質膜の吸光度から含水量を演算する
マップである。
FIG. 4 is a map for calculating the water content from the absorbance of the polymer electrolyte membrane.

【図5】高分子電解質膜の含水量から導電率を演算する
マップである。
FIG. 5 is a map for calculating the electric conductivity from the water content of the polymer electrolyte membrane.

【図6】第2実施形態を説明する固体高分子電解質型燃
料電池の概要図である。
FIG. 6 is a schematic view of a solid polymer electrolyte fuel cell illustrating a second embodiment.

【符号の説明】 1 第1固体高分子電解質膜 2 第2固体高分子電解質膜 3a、3b ガス拡散電極 4 リング 5 水素ガス流路 6 バイポーラプレート 7 空気流路 8 冷却水流路 9 バイポーラプレート 11 光ファイバ 12 発光部 14 光ファイバ 15 受光部[Description of Signs] 1 First solid polymer electrolyte membrane 2 Second solid polymer electrolyte membrane 3a, 3b Gas diffusion electrode 4 Ring 5 Hydrogen gas flow path 6 Bipolar plate 7 Air flow path 8 Cooling water flow path 9 Bipolar plate 11 Light Fiber 12 Light emitting part 14 Optical fiber 15 Light receiving part

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】高分子電解質膜を挟んで触媒が担持された
水素極と酸素極が設けられ、それぞれの極に水素及び酸
素が供給されることで発電が行われる固体高分子電解質
型燃料電池において、 前記高分子電解質膜の加湿状態に応じて吸光度が変化す
る色素層と、この色素層の吸光度を測定する手段と、こ
の測定した吸光度に応じて高分子電解膜に水分を供給す
る手段を備えることを特徴とする固体高分子電解質型燃
料電池。
1. A solid polymer electrolyte fuel cell in which a hydrogen electrode and an oxygen electrode carrying a catalyst are provided with a polymer electrolyte membrane interposed therebetween, and power is generated by supplying hydrogen and oxygen to the respective electrodes. In, a dye layer whose absorbance changes according to the humidified state of the polymer electrolyte membrane, means for measuring the absorbance of the dye layer, and means for supplying water to the polymer electrolyte membrane according to the measured absorbance A solid polymer electrolyte fuel cell, comprising:
【請求項2】前記色素層を透過する光を照射する発光部
と、色素層を透過してきた光を受ける受光部を設け、発
光部から直接、受光部に入光したときの基準吸光度と、
色素層を透過した吸光度とに基づき色素層の吸光度を検
出することを特徴とする請求項1記載の固体高分子電解
質型燃料電池。
2. A light-emitting portion for irradiating light transmitted through the dye layer, and a light-receiving portion for receiving light transmitted through the dye layer, a reference absorbance when light directly enters the light-receiving portion from the light-emitting portion;
2. The solid polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the absorbance of the dye layer is detected based on the absorbance transmitted through the dye layer.
【請求項3】前記高分子電解質膜と水素極と酸素極とを
挟むバイポーラプレートを設置し、 前記色素層を挟み込むように一対の光ファイバをバイポ
ーラプレート内に固定し、それぞれの光ファイバを前記
発光部と受光部に接続したことを特徴とする請求項2に
記載の固体高分子電解質型燃料電池。
3. A bipolar plate sandwiching the polymer electrolyte membrane, the hydrogen electrode and the oxygen electrode is provided, and a pair of optical fibers is fixed in the bipolar plate so as to sandwich the dye layer. 3. The solid polymer electrolyte fuel cell according to claim 2, wherein the fuel cell is connected to a light emitting part and a light receiving part.
【請求項4】前記高分子電解質膜と水素極と酸素極とを
挟むバイポーラプレートを設置し、 前記高分子電解質膜をバイポーラプレートより大きく形
成し、バイポーラプレートからはみ出した高分子電解質
膜に色素層を形成したことを特徴とする請求項1または
2に記載の固体高分子電解質型燃料電池。
4. A bipolar plate sandwiching said polymer electrolyte membrane, a hydrogen electrode and an oxygen electrode, wherein said polymer electrolyte membrane is formed larger than said bipolar plate, and a dye layer is formed on said polymer electrolyte membrane protruding from said bipolar plate. The solid polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein:
【請求項5】前記色素層の吸光度から高分子電解質膜の
導電率を演算し、演算された導電率が所定値未満の場合
には、高分子電解質膜を加湿するための水分を燃料電池
内に、演算された導電率が所定値であるときに供給する
水分量よりも多く供給することを特徴とする請求項1か
ら4のいずれか一つに記載の固体高分子電解質型燃料電
池。
5. The method according to claim 1, wherein the conductivity of the polymer electrolyte membrane is calculated from the absorbance of the dye layer, and when the calculated conductivity is less than a predetermined value, water for humidifying the polymer electrolyte membrane is supplied to the fuel cell. 5. The solid polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the amount of supplied water is larger than the amount of water supplied when the calculated conductivity is a predetermined value. 6.
【請求項6】前記色素層の吸光度から高分子電解質膜の
導電率を演算し、演算された導電率が小さいほど、高分
子電解質膜を加湿するための水分を多く燃料電池内に供
給することを特徴とする請求項1から4のいずれか一つ
に記載の固体高分子電解質型燃料電池。
6. The method according to claim 6, wherein the conductivity of the polymer electrolyte membrane is calculated from the absorbance of the dye layer, and the smaller the calculated conductivity, the more water for humidifying the polymer electrolyte membrane is supplied into the fuel cell. The solid polymer electrolyte fuel cell according to any one of claims 1 to 4, wherein:
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