JP2005203236A - Operation characteristic detecting method and operation characteristic detecting device of fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池の動作特性検出方法及び動作特性検出装置に関する。 The present invention relates to a fuel cell operation characteristic detection method and an operation characteristic detection apparatus.
燃料電池は、燃料の供給と燃焼生成物の排出とを連続的に行い、燃料の持つ化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する電池である。電解質膜として固体高分子電解質膜を用いる固体高分子型燃料電池は、作動温度が低く、電力密度が高く、瞬時動作が可能である等の理由から、自動車用や、小規模なコージェネレーションシステムとなる家庭用据置型として開発が急速に進められている。 A fuel cell is a cell that continuously supplies fuel and discharges combustion products, and directly converts the chemical energy of the fuel into electrical energy. Solid polymer fuel cells that use solid polymer electrolyte membranes as electrolyte membranes are used for automobiles and small-scale cogeneration systems because of their low operating temperature, high power density, and instantaneous operation. Development is rapidly progressing as a home stationary type.
図6(a)は固体高分子型燃料電池の基本単位となる単電池の一例を模式的に示す分解斜視図、図6(b)は、組み立て後の単電池を模式的に示す斜視図、図6(c)は単電池を積層して構成した固体高分子型燃料電池を模式的に示す斜視図である。 FIG. 6A is an exploded perspective view schematically showing an example of a unit cell that is a basic unit of a polymer electrolyte fuel cell, and FIG. 6B is a perspective view schematically showing the assembled unit cell. FIG. 6C is a perspective view schematically showing a polymer electrolyte fuel cell configured by stacking unit cells.
図6(a)、(b)に示すように、単電池20は、固体高分子からなる電解質膜6と、これを挟むように配された一対の触媒層7,9と、触媒層7,9の外面に配された一対のガス拡散層8,10と、ガス拡散層8,10の外面に配された一対のセパレータ1,2とを有する。触媒層7とガス拡散層8とでアノード13を構成し、触媒層9とガス拡散層10とでカソード14を構成する。電解質膜6の両面にそれぞれアノード13とカソード14を接合し、電極電解質複合体(以下、MEAという)15を構成する。セパレータ1,2、電解質膜6には、燃料ガス供給マニフォルド孔3A、燃料ガス排出マニフォルド孔3B、酸化剤ガス供給マニフォルド孔5A、酸化剤ガス排出マニフォルド孔5Bが形成されている。なお、実際には、電解質膜6の両面の外周部にアノード13及びカソード14を囲むようにガスケットがそれぞれ配設され、各ガスケットに、燃料ガス供給マニフォルド孔3A、燃料ガス排出マニフォルド孔3B、酸化剤ガス供給マニフォルド孔5A、酸化剤ガス排出マニフォルド孔5Bが形成されているが、ここでは図示を省略している。
As shown in FIGS. 6A and 6B, the
図7は、セパレータ1のガス拡散層8と接する主面を模式的に示す上面図である。図8は、セパレータ2のガス拡散層10と接する主面を模式的に示す上面図である。図7に示すように、セパレータ1の主面には、燃料ガス供給マニフォルド孔3Aと、燃料ガス排出マニフォルド孔3Bとを結ぶ燃料ガス支流路12が形成されている。図8に示すように、セパレータ2の主面には、酸化剤ガス供給マニフォルド孔5Aと酸化剤ガス排出マニフォルド孔5Bとを結ぶ酸化剤ガス支流路11が形成されている。
FIG. 7 is a top view schematically showing the main surface of the separator 1 in contact with the
燃料電池の基本単位は単電池であるが、一つの単電池から得られる電圧は小さいため、通常、図6(c)に示すように、単電池20を何枚も積層したスタック30にして使用する。スタック30において、各単電池20の燃料ガス供給マニフォルド孔3Aが連続して燃料ガス供給マニフォルド3A’を形成し、各単電池20の燃料ガス排出マニフォルド孔3Bが連続して燃料ガス排出マニフォルド孔3B’を形成し、各単電池20の酸化剤ガス供給マニフォルド孔5Aが連続して酸化剤ガス供給マニフォルド5A’を形成し、各単電池20の酸化剤ガス排出マニフォルド孔5Bが連続して酸化剤ガス排出マニフォルド5B’を形成する。スタック30において、燃料ガス供給マニフォルド3A’の上流端から燃料ガスが供給され、燃料ガス供給マニフォルド3A’内を燃料ガスが流通するとともに、各単電池20の燃料ガス支流路12に燃料ガスが分流し、各単電池20のアノード13に燃料ガスが供給される。スタック30において、酸化剤ガス供給マニフォルド5A’の上流端から酸化剤ガスが供給され、酸化剤ガス供給マニフォルド5B’内を酸化剤ガスが流通するとともに、各単電池20の酸化剤ガス支流路11に酸化剤ガスが分流し、各単電池20のカソード14に酸化剤ガスが供給される。
The basic unit of a fuel cell is a single cell, but since the voltage obtained from one single cell is small, it is usually used as a
各単電池20における反応を説明する。燃料供給マニフォルド3A’から燃料ガス支流路12を介してアノード13に水素を含む燃料ガスが供給されると、触媒層7において下記の反応式(1)に示す反応が生じる。
H2→2H++2e− (1)
上記反応式(1)において生じたプロトン(H+)は、電解質膜6を、また電子(e−)は外部回路を通ってカソード14に移動する。燃料ガス支流路12に供給される燃料ガスのうち、上記反応式(1)の反応に寄与しなかった燃料ガスは、燃料ガス排出マニフォルド3B’から排出される。
The reaction in each
H 2 → 2H + + 2e − (1)
Proton (H +) generated in the reaction formula (1) moves through the electrolyte membrane 6 and electrons (e−) through the external circuit to the
酸化剤供給マニフォルド5A’から酸化剤ガス支流路11を介してカソード14に酸化剤ガスが供給されると、触媒層9において、酸化剤ガス中の酸素と、アノード13から移動してきたプロトンと、電子とにより下記の反応式(2)に示す反応が生じ、水が生成される。
1/2O2+2H++2e−→H2O (2)
反応式(2)において発生した水と、上記反応式(2)の反応に寄与しなかった酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出マニフォルド5B’から排出される。
When oxidant gas is supplied from the
1 / 2O 2 + 2H + + 2e − → H 2 O (2)
The water generated in the reaction formula (2) and the oxidant gas that has not contributed to the reaction of the reaction formula (2) are discharged from the oxidant
各単電池20の燃料ガス排出マニフォルド3B’から排出された燃料ガスは、スタック30の燃料ガス排出マニフォルド3B’を流通し、その下流端から外部に排出される。各単電池20の酸化剤ガス排出マニフォルド5B’から排出された酸化剤ガス及び水は、スタック30の酸化剤ガス排出マニフォルド5B’を流通し、その下流端から外部に排出される。
The fuel gas discharged from the fuel
スタック30の上記構成により、各単電池20の燃料ガス支流路12及び酸化剤ガス支流路11のガス流通抵抗が同じ場合は、各単電池20に、同一流量および同一圧力の燃料ガス及び酸化剤ガスが配流される。
When the gas flow resistances of the fuel
固体高分子型燃料電池において、電解質膜6は含水率の増加に伴ってイオン伝導度が高くなる物性を有しているため、電解質膜6を湿潤状態に保つ必要がある。そのため、スタック30に供給するガスは加湿することが一般的である。しかしながら、過剰な湿潤状態にするとカソード14における生成水の発生も加わり、触媒層7,9やガス拡散層8,10の気孔部、燃料ガス支流路12、酸化剤ガス支流路11に液体水が滞留し、ガス流通抵抗が高くなってしまう。本明細書では触媒層7,9やガス拡散層8,10の気孔部での液体水の滞留が要因であるガス流通抵抗も含めて燃料ガス支流路12のガス流通抵抗及び酸化剤ガス支流路11のガス流通抵抗という。ガス流通抵抗が高くなることにより、電池性能が極端に劣化する状態を「フラッディング」という。フラッディングを生じさせないためには、電解質膜6を適度な湿潤状態に保ちつつ、過剰な水分が安全かつ速やかに除去されるように運転することが必要である。
In the polymer electrolyte fuel cell, the electrolyte membrane 6 has a physical property that increases the ionic conductivity as the water content increases, so that it is necessary to keep the electrolyte membrane 6 in a wet state. Therefore, the gas supplied to the
しかしながら、単電池20には個体差があり、同一スタック30内での使用であっても、特定の単電池20においてのみガス流通抵抗が増大してしまうことがある。ガス流通抵抗が増大した単電池20においては、ガスの流入量が相対的に少なくなる。図9(a)はいずれの単電池20においてもガス流通抵抗の極端な増大が生じていないスタック30におけるガスの流通の様子を、図9(b)は特定の単電池20aにおいてガス流通抵抗の極端な増大が生じた場合のスタック30におけるガスの流通の様子を模式的に示す図である。図9において、矢印の長さは、ガスの流入量を相対的に表す。図9(a)に示すように、いずれの単電池20においてもガス流通抵抗の極端な増大が生じていない場合は、各単電池20に供給されるガスの流量は同一である。一方、図9(b)に示すように、特定の単電池20aにおいてガス流通抵抗の極端な増大が生じると、単電池20aへのガスの流入量は他の単電池20と比較して少なくなる。
However, the
各単電池20での消費ガス量は一定なので、ガス流入量の少なくなった単電池20aでは、他の単電池20と比較してガス流入量に対する消費ガス量であるガス利用率が上昇し、電圧低下が生じる。そして、ガス利用率が上昇すると、ガス流通抵抗の増大が加速し、極端な電圧低下が生じ、フラッディングが起こる。その結果、固体高分子型燃料電池全体のエネルギー効率が低下してしまう。
Since the amount of gas consumed in each
各単電池の電圧のばらつきを抑制する方法として、各単電池へ供給される及び/又は各単電池から排出されるガスの流量、圧力及び/又は加湿量を単電池毎に変化させる燃料電池の運転方法が開示されている(例えば、特許文献1参照)
しかしながら、上記のような運転方法は、運転中のスタックでのガス流量、圧力及び/又は加湿量を検出する必要があり非常に煩雑である。 However, the above-described operation method is very complicated because it is necessary to detect the gas flow rate, pressure and / or humidification amount in the stack during operation.
単電池間でのフラッディングの起こりやすさの差は、各単電池の製造工程やスタックを組み立てる工程等で生じうる。この内、フラッディングの起こりやすさの差が生じる大きな要因は、各単電池の製造工程にあると考えられている。 Differences in the likelihood of flooding between the cells can occur in the manufacturing process of each cell, the process of assembling the stack, and the like. Among these, it is considered that the major factor causing the difference in the likelihood of flooding is the manufacturing process of each unit cell.
固体高分子型燃料電池において、上述のように特定の単電池に生じたフラッディングによるエネルギー効率の低下を防ぐためには、製造工程においてすでにフラッディングが生じやすい要因が発生している単電池を、スタック内に組み込まないようにすることが最も好ましい。したがって、スタックに組み込む前に、フラッディングが生じやすい要因が発生している単電池であるか否かを検出することができ、このような単電池を除外してスタックを製造することが望ましい。単電池をスタックに組み込んだ後では、不都合が生じた単電池を取り除くために煩雑な作業を要し好ましくない。 In a polymer electrolyte fuel cell, in order to prevent a decrease in energy efficiency due to flooding generated in a specific unit cell as described above, a unit cell in which a factor that is likely to cause flooding in the manufacturing process has already been generated. Most preferably, it is not incorporated into the. Therefore, it is possible to detect whether or not the cell has a factor that is likely to cause flooding before being incorporated into the stack, and it is desirable to manufacture the stack without such a cell. After the unit cell is incorporated in the stack, it is not preferable because a complicated operation is required to remove the unit cell in which inconvenience has occurred.
スタックでは、単電池内のガス流通抵抗に応じて単電池に供給されるガス量が変化する。これまで、単電池の状態で発電特性を検出する方法は知られていたものの、常にガス供給量が一定であり、スタック内での単電池を摸擬しているとはいえなかった。 In the stack, the amount of gas supplied to the cell changes according to the gas flow resistance in the cell. Until now, although the method of detecting the power generation characteristics in the state of the unit cell has been known, the gas supply amount is always constant, and it cannot be said that the unit cell in the stack is simulated.
本発明は、スタック内での単電池の状態に近い条件で、単電池の動作特性を検出することができる検出方法及び検出装置を提供することを目的とする。 An object of this invention is to provide the detection method and detection apparatus which can detect the operating characteristic of a single cell on the conditions close | similar to the state of the single cell in a stack.
上記目的を達成するために、本発明は、電解質膜の片面に接合されたアノードと、前記電解質膜の他面に接合されたカソードと、前記アノード及び前記カソードの外面に配置された一対のセパレータとを有する燃料電池の動作特性検出方法であって、燃料ガス本流路を構成する貫通孔と、酸化剤ガス本流路を構成する貫通孔と、上流端が前記燃料ガス本流路に接続され前記アノードに燃料ガスを導く燃料ガス支流路と、上流端が前記酸化剤ガス本流路に接続され前記カソードに酸化剤ガスを導く酸化剤ガス支流路とを前記燃料電池に具備し、前記燃料ガス本流路の上流端から前記燃料ガス支流路に燃料ガスを流通させ、前記酸化剤ガス本流路の上流端から前記酸化剤ガス支流路に酸化剤ガスを流通させ、前記燃料電池から電流を取り出した負荷状態で、前記燃料ガス支流路の上流端を流通する燃料ガスの圧力に応じて、前記燃料ガス本流路の下流端からの燃料ガスの排出/非排出の切り替えを行うステップ(a)と、前記負荷状態で、前記酸化剤ガス支流路の上流端を流通する酸化剤ガスの圧力に応じて、前記酸化剤ガス本流路の下流端からの酸化剤ガスの排出/非排出の切り替えを行うステップ(b)と、前記ステップ(a)および(b)での燃料ガスまたは酸化剤ガスの排出/非排出の切り替えに基づいて前記燃料電池の動作特性を検出するステップ(c)とを有する。 To achieve the above object, the present invention provides an anode bonded to one surface of an electrolyte membrane, a cathode bonded to the other surface of the electrolyte membrane, and a pair of separators disposed on the anode and the outer surface of the cathode. A method for detecting operating characteristics of a fuel cell, comprising: a through-hole constituting a fuel gas main passage; a through-hole constituting an oxidant gas main passage; and an upstream end connected to the fuel gas main passage. The fuel cell includes a fuel gas branch channel that guides the fuel gas to the fuel cell, and an oxidant gas branch channel that has an upstream end connected to the oxidant gas main channel and guides the oxidant gas to the cathode. The fuel gas is circulated from the upstream end of the fuel gas to the fuel gas branch channel, the oxidant gas is circulated from the upstream end of the oxidant gas main channel to the oxidant gas branch channel, and a current is taken out from the fuel cell. A step (a) of switching the discharge / non-discharge of the fuel gas from the downstream end of the fuel gas main flow path according to the pressure of the fuel gas flowing through the upstream end of the fuel gas branch flow path in the state; A step of switching between discharge / non-discharge of the oxidant gas from the downstream end of the oxidant gas main flow path in accordance with the pressure of the oxidant gas flowing through the upstream end of the oxidant gas branch flow path in a loaded state ( b) and a step (c) of detecting operating characteristics of the fuel cell on the basis of switching between discharge / non-discharge of the fuel gas or oxidant gas in the steps (a) and (b).
ステップ(a)において、供給された燃料ガスは、前記圧力に応じて燃料ガス支流路以外の流路から排出されることがあり、同じくステップ(b)において、供給された酸化剤ガスは、前記圧力に応じて酸化剤ガス支流路以外の流路から排出されることがある。燃料ガス支流路及び酸化剤ガス支流路以外に、ガスを排出させる他の流路があるという条件は、スタック内の単電池と同じ条件である。尚、本発明では他の流路へは、燃料ガス支流路及び酸化剤ガス支流路を流通する流体の圧力に応じて流通される。 In step (a), the supplied fuel gas may be discharged from a flow path other than the fuel gas branch flow path according to the pressure. Similarly, in step (b), the supplied oxidant gas is Depending on the pressure, it may be discharged from a channel other than the oxidant gas branch channel. In addition to the fuel gas branch channel and the oxidant gas branch channel, the condition that there is another channel for discharging the gas is the same as that of the single cells in the stack. In the present invention, other channels are circulated according to the pressure of the fluid flowing through the fuel gas branch channel and the oxidant gas branch channel.
ステップ(a)において、前記燃料ガス支流路の上流端を流通する燃料ガスの圧力が所定値を超えた場合に非排出から排出に切り替え、ステップ(b)において、前記酸化剤ガス支流路の上流端を流通する酸化剤ガスの圧力が所定値を超えた場合に非排出から排出に切り替えることが望ましい。燃料ガス支流路あるいは、酸化剤ガス支流路の上流端を流通するガスの圧力が所定値を超えたか否か、容易に確認することができるからである。 In step (a), when the pressure of the fuel gas flowing through the upstream end of the fuel gas branch passage exceeds a predetermined value, switching from non-discharge to discharge is performed, and in step (b), upstream of the oxidant gas branch passage. It is desirable to switch from non-discharge to discharge when the pressure of the oxidant gas flowing through the end exceeds a predetermined value. This is because it can be easily confirmed whether or not the pressure of the gas flowing through the upstream end of the fuel gas branch channel or the oxidant gas branch channel exceeds a predetermined value.
また、本発明は、電解質膜の片面に接合されたアノードと、前記電解質膜の他面に接合されたカソードと、前記アノード及び前記カソードの外面に配置された一対のセパレータとを有し、前記アノードに燃料ガスを導く燃料ガス支流路と、前記カソードに酸化剤ガスを導く酸化剤ガス支流路とが形成された燃料電池の動作特性検出方法であって、燃料ガス本流路と、酸化剤ガス本流路とを用い、前記燃料ガス支流路の上流端を前記燃料ガス本流路に接続し、前記酸化剤ガス支流路の上流端を前記酸化剤ガス本流路に接続するステップ(a)と、前記燃料ガス本流路の上流端から前記燃料ガス支流路に燃料ガスを流通させ、前記酸化剤ガス本流路の上流端から前記酸化剤ガス支流路に酸化剤ガスを流通させ、前記燃料電池から電流を取り出した負荷状態で、前記燃料ガス支流路の上流端を流通する燃料ガスの圧力に応じて、前記燃料ガス本流路の下流端からの燃料ガスの排出/非排出の切り替えを行うステップ(b)と、前記負荷状態で、前記酸化剤ガス支流路の上流端を流通する酸化剤ガスの圧力に応じて、前記酸化剤ガス本流路の下流端からの酸化剤ガスの排出/非排出の切り替えを行うステップ(c)と、前記ステップ(b)および(c)での燃料ガスまたは酸化剤ガスの排出/非排出の切り替えに基づいて前記燃料電池の動作特性を検出するステップ(d)とを有する。 The present invention also includes an anode bonded to one surface of the electrolyte membrane, a cathode bonded to the other surface of the electrolyte membrane, and a pair of separators disposed on the outer surface of the anode and the cathode, A method for detecting operating characteristics of a fuel cell comprising a fuel gas branch channel for introducing fuel gas to an anode and an oxidant gas branch channel for leading an oxidant gas to the cathode, the fuel gas main channel, and an oxidant gas Using the main channel, connecting the upstream end of the fuel gas branch channel to the fuel gas main channel, and connecting the upstream end of the oxidant gas branch channel to the oxidant gas main channel; A fuel gas is circulated from the upstream end of the fuel gas main channel to the fuel gas branch channel, an oxidant gas is circulated from the upstream end of the oxidant gas main channel to the oxidant gas branch channel, and current is supplied from the fuel cell. Removed A step (b) of switching between discharge / non-discharge of the fuel gas from the downstream end of the fuel gas main flow path according to the pressure of the fuel gas flowing through the upstream end of the fuel gas branch flow path in a loaded state; A step of switching between discharge / non-discharge of the oxidant gas from the downstream end of the oxidant gas main flow path in accordance with the pressure of the oxidant gas flowing through the upstream end of the oxidant gas branch flow path in the load state (C) and a step (d) of detecting operating characteristics of the fuel cell based on the switching of discharge / non-discharge of the fuel gas or oxidant gas in the steps (b) and (c).
本検出方法によると、燃料ガス本流路及び酸化剤ガス本流路を内部に備えていない単電池で、スタックに組み込んだ際に外部燃料ガス本流路及び外部酸化剤ガス本流路から燃料ガス及び酸化剤ガスを直接取得する構成の単電池であっても、スタックに組み込む前に、スタック内での状態を模擬した状態で動作特性を検出することができる。 According to this detection method, a unit cell that does not have a fuel gas main flow channel and an oxidant gas main flow channel inside, and the fuel gas and oxidant from the external fuel gas main flow channel and external oxidant gas main flow channel when incorporated in a stack. Even a single cell configured to directly acquire gas can detect the operating characteristics in a state simulating the state in the stack before being incorporated into the stack.
また、本発明は、電解質膜の片面に接合されたアノードと、前記電解質膜の他面に接合されたカソードと、前記アノード及び前記カソードの外面に配置された一対のセパレータとを有し、燃料ガス本流路を構成する貫通孔と、酸化剤ガス本流路を構成する貫通孔と、上流端が前記燃料ガス本流路に接続され前記アノードに燃料ガスを導く燃料ガス支流路と、上流端が前記酸化剤ガス本流路に接続され前記カソードに酸化剤ガスを導く酸化剤ガス支流路と、が形成された燃料電池の動作特性検出装置であって、前記燃料ガス本流路に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記酸化剤ガス本流路に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料電池から電流を取り出す電子負荷と、前記燃料ガス支流路の上流端を流通する燃料ガスの圧力に応じて前記燃料ガス本流路の下流端からの燃料ガスの排出/非排出の切り替えを行う燃料ガス本流路開閉手段と、前記酸化剤ガス支流路の上流端を流通する酸化剤ガスの圧力に応じて前記酸化剤ガス本流路の下流端から酸化剤ガスの排出/非排出の切り替えを行う酸化剤ガス本流路開閉手段と、を備える。このような構成の検出装置を用いると、上記検出方法を容易に行うことができる。 The present invention also includes an anode bonded to one surface of the electrolyte membrane, a cathode bonded to the other surface of the electrolyte membrane, and a pair of separators disposed on the outer surface of the anode and the cathode, A through-hole constituting a gas main flow path, a through-hole constituting an oxidant gas main flow path, a fuel gas branch flow path having an upstream end connected to the fuel gas main flow path and leading the fuel gas to the anode, and an upstream end being the above-mentioned An operating characteristic detecting device for a fuel cell, comprising: an oxidant gas branch channel connected to an oxidant gas main channel and leading an oxidant gas to the cathode, the fuel gas supplying fuel gas to the fuel gas main channel Gas supply means, oxidant gas supply means for supplying oxidant gas to the oxidant gas main flow path, an electronic load for taking out current from the fuel cell, and fuel gas flowing through the upstream end of the fuel gas branch flow path A fuel gas main flow path opening / closing means for switching between discharge / non-discharge of the fuel gas from the downstream end of the fuel gas main flow path according to force, and a pressure of the oxidant gas flowing through the upstream end of the oxidant gas branch flow path And an oxidant gas main flow path opening / closing means for switching the discharge / non-discharge of the oxidant gas from the downstream end of the oxidant gas main flow path. When the detection apparatus having such a configuration is used, the detection method can be easily performed.
例えば、前記燃料ガス本流路開閉手段は、一端が前記燃料ガス本流路の下流端に接続され、他端からの一定の長さが水中もしくは水銀中に浸漬されている筒状の管から構成することができ、前記酸化剤ガス本流路開閉手段は、一端が前記酸化剤ガス本流路の下流端に接続され、他端からの一定の長さが水中もしくは水銀中に浸漬されている筒状の管から構成することができる。このような構成によると、水中もしくは水銀中に浸漬されている筒状の管の液界面に浸漬部分の長さに対応した圧力がかかると、管内を流体が流通し、水中もしくは水銀中に気泡が発生する。したがって、気泡の発生の有無により前記管の下流端からの流体の排出が許容されている状態か否か容易に検出することができる。 For example, the fuel gas main channel opening / closing means is composed of a cylindrical tube having one end connected to the downstream end of the fuel gas main channel and a certain length from the other end immersed in water or mercury. The oxidant gas main channel opening / closing means has a cylindrical shape in which one end is connected to the downstream end of the oxidant gas main channel and a certain length from the other end is immersed in water or mercury. It can consist of tubes. According to such a configuration, when a pressure corresponding to the length of the immersed portion is applied to the liquid interface of a cylindrical tube immersed in water or mercury, fluid flows through the tube and bubbles are generated in the water or mercury. Will occur. Therefore, it is possible to easily detect whether or not the discharge of fluid from the downstream end of the tube is allowed based on the presence or absence of bubbles.
本発明によると、固体高分子型燃料電池を構成する単電池について、スタックを構成する前の段階で、スタックを構成した際の動作特性に近い動作特性を検出することができるので、例えばフラッディングしやすい単電池を事前により正確に検出することができ、このような単電池を除外してスタックを製造することができるので製造効率がよい。また、エネルギー効率の高いスタックを容易に製造することができるようになる。 According to the present invention, for a unit cell constituting a solid polymer fuel cell, it is possible to detect an operation characteristic close to the operation characteristic when the stack is formed at a stage before the stack is formed. The easy unit cell can be detected more accurately in advance, and the stack can be manufactured without such a unit cell, so that the manufacturing efficiency is good. In addition, an energy efficient stack can be easily manufactured.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
(単電池の動作特性検出装置)
図1は、本実施形態の単電池の動作特性検出装置の概略の構成を示すブロック図である。本検出装置は、単電池20を検出対象とし、燃料ガス供給手段41と、酸化剤ガス供給手段51と、燃料ガス本流路開閉手段44と、酸化剤ガス本流路開閉手段54と、単電池20から電流を取り出す電子負荷70とからなる。尚、検出対象の単電池20として、図6〜図8を用いて説明した従来技術の単電池20と同様の構成のものを用いるので、単電池の各構成要素には従来技術の単電池20と同一の符号を付し、説明を省略する。単電池20内の燃料ガス支流路12の上流端は、燃料ガス供給マニフォルド3A’に接続されている。図1においては、かかる接続点を分流点3aとする。酸化剤ガス支流路11の上流端は、酸化剤ガス供給マニフォルド5A’に接続されている。図1においては、かかる接続点を分流点5aとする。単電池20の動作特性検出の際には、燃料ガス供給手段41は燃料ガス供給マニフォルド3A’の上流端に接続され、燃料ガス本流路開閉手段44は燃料ガス供給マニフォルド3A’の下流端に接続される。また、酸化剤ガス供給手段51は酸化剤ガス供給マニフォルド5A’の上流端に接続され、酸化剤ガス本流路開閉手段54は酸化剤ガス供給マニフォルド5A’の下流端に接続される。電子負荷70は、単電池20のアノードとカソードに接続される。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(Single cell operating characteristic detector)
FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of an operating characteristic detection device for a single cell according to the present embodiment. This detection apparatus targets the
燃料ガス本流路開閉手段44が開状態である場合は、燃料ガス供給マニフォルド3A’の下流端が開放され、燃料ガス供給マニフォルド3A’の下流端からの燃料ガスの排出を許容する。一方、燃料ガス本流路開閉手段44が閉状態である場合は、燃料ガス供給マニフォルド3A’の下流端が閉鎖され、燃料ガス供給マニフォルド3A’の下流端からの燃料ガスの排出を許容しない。したがって、燃料ガス本流路開閉手段44が閉状態である場合は、燃料ガス供給手段41から供給される燃料ガスの全ては分流点3aから単電池20内の燃料ガス支流路12に流通する。燃料ガス支流路12からアノードに燃料ガスが供給され、上記反応式(1)で示した反応に寄与しない燃料ガスは、燃料ガス排出マニフォルドの下流端から排出される。
When the fuel gas main channel opening / closing means 44 is in the open state, the downstream end of the fuel
酸化剤ガス本流路開閉手段54が開状態である場合は、酸化剤ガス本流路52の下流端が開放され、酸化剤ガス供給マニフォルド5A’の下流端からの酸化剤ガスの排出を許容する。一方、酸化剤ガス本流路開閉手段54が閉状態である場合は、酸化剤ガス供給マニフォルド5A’の下流端が閉鎖され、酸化剤ガス供給マニフォルド5A’の下流端からの酸化剤ガスの排出を許容しない。したがって、酸化剤ガス本流路開閉手段54が閉状態である場合は、酸化剤ガス供給手段51から供給される酸化剤ガスの全ては分流点52bから単電池20内の酸化剤ガス支流路11に流通する。酸化剤ガス支流路11からカソードに酸化剤ガスが供給され、上記反応式(2)で示した反応に寄与しない酸化剤ガス及び生成水は、酸化剤ガス排出マニフォルドの下流端から排出される。
When the oxidant gas main flow path opening / closing means 54 is in the open state, the downstream end of the oxidant gas
燃料ガス本流路開閉手段44は、分流点3aを流通する燃料ガスの圧力に応じて開閉を切り替える。本実施形態では、燃料ガス供給マニフォルド3A’内の流体により、燃料ガス本流路開閉手段44にかかる圧力が一定値以下の場合は閉状態とし、前記圧力が一定値より大きい場合は開状態とする。燃料ガス本流路開閉手段44にかかる圧力は、分流点3aを流通する燃料ガスの圧力に応じて変化し、分流点3aを流通する燃料ガスの圧力は、燃料ガス支流路12のガス流通抵抗及び燃料ガス供給手段41からの供給ガス量に応じて変化する。したがって、例えば供給ガス量が一定の場合は、燃料ガス本流路開閉手段44の開閉は、燃料ガス支流路12のガス流通抵抗に応じて切り替わる。尚、燃料ガス本流路開閉手段44にかかる圧力は、分流点3aを流通する燃料ガスの圧力とほぼ同じとみなすことができる。
The fuel gas main channel opening / closing means 44 switches between opening and closing according to the pressure of the fuel gas flowing through the
酸化剤ガス本流路開閉手段54は、分流点5aを流通する酸化剤ガスの圧力に応じて開閉を切り替える。本実施形態では、酸化剤ガス供給マニフォルド5A’内の流体により、酸化剤ガス本流路開閉手段54にかかる圧力が一定値以下の場合は閉状態とし、前記圧力が一定値より大きい場合は開状態とする。酸化剤ガス本流路開閉手段54にかかる圧力は、分流点5aを流通する酸化剤ガスの圧力に応じて変化し、分流点5aを流通する酸化剤ガスの圧力は、酸化剤ガス支流路11のガス流通抵抗及び酸化剤ガス供給手段51からの供給ガス量に応じて変化する。したがって、例えば供給ガス量が一定の場合は、酸化剤ガス本流路開閉手段54の開閉は、酸化剤ガス支流路11のガス流通抵抗に応じて切り替わる。尚、酸化剤ガス本流路開閉手段54にかかる圧力は、分流点5aを流通する酸化剤ガスの圧力とほぼ同じとみなすことができる。
The oxidant gas main channel opening / closing means 54 switches between opening and closing according to the pressure of the oxidant gas flowing through the branch point 5a. In this embodiment, the fluid in the oxidant
燃料ガス供給手段41及び酸化剤ガス供給手段51は、燃料ガス支流路12及び酸化剤ガス支流路11のガス流通抵抗に関係なく、一定量のガスを供給する制御も可能であるし、所望のガス利用率となるように電子負荷70の電流値に応じてガス供給量を制御することも可能である。
The fuel gas supply means 41 and the oxidant gas supply means 51 can be controlled to supply a certain amount of gas regardless of the gas flow resistance of the fuel gas
本検出装置による単電池の動作特性検出方法は、供給手段41,51からのガスの供給と、電子負荷70による電流の取得を所定時間継続させ、開閉手段44,54の動作を検出する。所定時間内に燃料ガス本流路開閉手段44もしくは酸化剤ガス本流路開閉手段54が開状態となったら、フラッディングが生じやすい単電池と判定する。尚、一般的には、燃料ガス支流路12より酸化剤ガス支流路11の方が、ガス流通抵抗の増大が生じやすい。酸化剤ガス支流路11は、カソードで生成された水の排出路ともなり、かかる水が滞留することによりガス流通抵抗を増大させるからである。燃料ガス本流路開閉手段44、及び酸化剤ガス本流路開閉手段54において切り替えが起こる圧力は、正常な単電池とフラッディングが生じやすい単電池との境界となる圧力を検出時と同一の運転条件において事前に取得し、その値に設定する。
In the method for detecting the operating characteristics of a single cell by this detection device, the supply of gas from the supply means 41 and 51 and the acquisition of current by the
図示しないが、例えば単電池20の電圧等の発電特性を検出する発電特性検出手段を設けることも可能である。発電特性検出手段によると、フラッディングが生じていること、すなわち電池性能が極端に落ちていることを直接確認することができる。
Although not shown, it is also possible to provide a power generation characteristic detecting means for detecting power generation characteristics such as the voltage of the
本実施形態では、燃料ガス供給マニフォルド3A’と酸化剤ガス供給マニフォルド5A’が内部に形成されている単電池20が検出対象である場合の検出装置の構成を示したが、外部の燃料ガス供給マニフォルド及び酸化剤ガス供給マニフォルドから、内部の燃料ガス支流路、酸化剤ガス支流路に直接ガスを導く構成の単電池を検出対象とすることもできる。この場合、検出装置において、燃料ガス供給マニフォルド及び酸化剤ガス供給マニフォルドを備えた構成とする。
(単電池の動作特性検出装置の具体的な構成例)
図2は、本実施形態における単電池の動作特性検出装置の構成を概略的に示す斜視図であり、特に燃料本流路開閉手段、空気本流路開閉手段の具体的な構成を示す。
図2に示すように、燃料ガス本流路開閉手段44は、燃料ガス供給マニフォルド3A’の下流端に接続された燃料ガス流通管42と、精製水が注入され水平に配置されたメスシリンダー43からなる。メスシリンダー43においては、燃料ガス流通管42の下流端から一部分が、その中心軸が鉛直方向となるように水中に浸漬されている。燃料ガス流通管42の浸漬部分の鉛直方向の長さをLa(mm)、メスシリンダー43の水面の高さをHa(mm)、燃料ガス流通管44内の水面の高さをha(mm)、Ha(mm)とha(mm)との差をPa(mm)とする。メスシリンダー43においては、燃料ガス流通管42内の水面にLa(mmaq)より大きな圧力がかかると、気泡が発生する。すなわち、燃料ガス流通管42の下流端が開放され、燃料ガス供給マニフォルド3A’の下流端から燃料ガスが排出される。
In the present embodiment, the configuration of the detection device in the case where the
(Specific configuration example of single cell operating characteristic detection device)
FIG. 2 is a perspective view schematically showing the configuration of the unit cell operating characteristic detection apparatus according to the present embodiment, and particularly shows the specific configuration of the fuel main channel opening / closing means and the air main channel opening / closing means.
As shown in FIG. 2, the fuel gas main channel opening / closing means 44 includes a fuel
図2に示すように、酸化剤ガス本流路開閉手段54は、酸化剤ガス供給マニフォルド5A’の下流端に接続された酸化剤ガス流通管52と、精製水が注入され水平に配置されたメスシリンダー53からなる。メスシリンダー53では、酸化剤ガス流通管52の下流端から一部分が、その中心軸が鉛直方向となるように水中に浸漬されている。酸化剤ガス流通管52の浸漬部分の鉛直方向の長さをLc(mm)、メスシリンダー53の水面の高さをHc(mm)、燃料ガス流通管54内の水面の高さをhc(mm)、Hc(mm)とhc(mm)との差をPc(mm)とする。メスシリンダー53においては、酸化剤ガス流通管52内の水面にLc(mmaq)より大きな圧力がかかると、気泡が発生する。すなわち、酸化剤ガス流通管52の下流端が開放され、酸化剤ガス供給マニフォルド5A’の下流端から酸化剤ガスが排出される。
As shown in FIG. 2, the oxidant gas main flow path opening / closing means 54 includes an oxidant
尚、メスシリンダー43,53内の液状物質は精製水に限定されることはなく、燃料ガス流通管42及び酸化剤ガス流通管52の水面にかかる圧力が測定できる物質であればよく、例えば水銀を用いることができる。
The liquid substance in the graduated
本実施形態では、供給手段からのガスの供給と、電子負荷70による電流の取得を所定時間継続し、所定時間内に、メスシリンダー43,53から気泡が発生したか否かでフラッディングが生じやすい単電池か否かの検出を行うが、Pa、Pcの経時変化を追うことにより、単電池20内のガス流通抵抗の変化を検出することができ、また、最初に気泡が発生した後も気泡の発生の程度を検出することによりフラッディングの進行の程度を検出することができる。また、あわせて、単電池の電圧変化を検出してもよい。
In this embodiment, the supply of gas from the supply means and the acquisition of current by the
固体高分子型燃料電池を構成する単電池を製造し、その後、図2に示す検出装置を用いて、単電池の動作特性を検出した。
(単電池の製造)
まず、アノード13用の触媒ペーストを作製した。平均粒径が30nmのカーボン粉末(AKZO社製、ケッチェンブラック)を、塩化白金酸と塩化ルテニウム酸とを溶解した水溶液に浸漬したのち、これを還元処理することで、カーボン粉末に白金−ルテニウムを担持させた。このとき、白金粒子とルテニウム粒子との平均粒径はともに約3nmで、カーボン粉末に対する白金粒子とルテニウム粒子の担持率は、それぞれ30重量%及び24重量%とした。この触媒担持カーボン粉末を水素イオン伝導性高分子電解質であるパーフルオロスルホン酸の50重量%アルコール溶液(旭硝子社製、フレミオン溶液)中に分散させ、スラリー化した。これをアノード13用の触媒ペーストとした。この触媒ペースト中のパーフルオロスルホン酸とカーボン粉末との重量混合比は、1.6:1.0とした。
A unit cell constituting the polymer electrolyte fuel cell was manufactured, and then the operating characteristics of the unit cell were detected using the detection apparatus shown in FIG.
(Manufacture of single cells)
First, a catalyst paste for the
次に、カソード14用の触媒ペーストを作製した。平均粒径が30nmのカーボン粉末(AKZO社製、ケッチェンブラック)を、塩化白金酸を溶解した水溶液に浸漬したのち、これを還元処理することで、カーボン粉末に白金を担持させた。このとき、白金粒子の平均粒径は約3nmで、カーボン粉末に対する白金粒子の担持率は、50重量%とした。この触媒担持カーボン粉末を水素イオン伝導性高分子電解質であるパーフルオロスルホン酸の50重量%アルコール溶液(旭硝子社製、フレミオン溶液)中に分散させ、スラリー化した。これをカソード14用の触媒ペーストとした。この触媒ペースト中のパーフルオロスルホン酸とカーボン粉末との重量混合比は、1.0:1.0とした。
Next, a catalyst paste for the
これらの触媒担持カーボンを含むスラリーをポリプロピレン製フィルム基材に乾燥させて触媒層7,9とし、高分子電解質膜(デュポン社製、Nafion112)6の両面にそれぞれホットプレスにより転写し、触媒層付き電解質膜とした。触媒層7,9は10cm角で、電極面積100cm2とした。 Slurry containing these catalyst-supporting carbons is dried on a polypropylene film substrate to form catalyst layers 7 and 9, which are transferred to both sides of a polymer electrolyte membrane (Nafion 112, manufactured by DuPont) by hot pressing, with a catalyst layer. An electrolyte membrane was obtained. The catalyst layers 7 and 9 were 10 cm square, and the electrode area was 100 cm 2 .
PAN(ポリアクリロニトリル)を原料とする平織のカーボンクロス(日本カーボン社製、GF−20−31E)を基材に用い、このカーボンクロスに導電性撥水層を塗工し、ガス拡散層8,10とした。導電性撥水層について説明する。界面活性剤(Triton−X)を添加した水にアセチレンブラック(電気化学工業社製)の顆粒を分散させた後、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)の水性ディスパージョン(ダイキン社製、D−1)を加えてよく混練したものを導電性撥水層スラリーとした。このスラリーの重量組成比は、水:アセチレングラック:PTFE:界面活性剤=40:10:3:1とした。このスラリーを前記カーボンクロスに塗工した後、電気炉で300℃、3時間焼成して界面活性剤を除去させつつ導電性撥水層をカーボンクロスに固着させ、ガス拡散層8,10とした。このガス拡散層8,10を触媒層7,9より周囲1mmずつ大きな10.2cm角に切断した。
A plain weave carbon cloth (manufactured by Nippon Carbon Co., Ltd., GF-20-31E) made of PAN (polyacrylonitrile) as a base material is coated with a conductive water-repellent layer. It was set to 10. The conductive water repellent layer will be described. After dispersing granules of acetylene black (manufactured by Denki Kagaku Kogyo) in water to which a surfactant (Triton-X) has been added, an aqueous dispersion of polytetrafluoroethylene (PTFE) (manufactured by Daikin, D-1) And kneaded well to make a conductive water-repellent layer slurry. The weight composition ratio of this slurry was water: acetylene rack: PTFE: surfactant = 40: 10: 3: 1. After coating the slurry on the carbon cloth, the conductive water-repellent layer was fixed to the carbon cloth while removing the surfactant by baking at 300 ° C. for 3 hours in an electric furnace to form
次に、触媒付電解質膜の両面に一対のガス拡散層8,10を導電性撥水層が触媒反応層7,9と接するように結着し、さらにガス拡散層8,10の周囲にパイントゴム製のガスケットを配置して、100℃、10kgf/cm2、5分ホットプレスしMEA15とした。
Next, a pair of
セパレータ1,2は、厚み3mmの樹脂含浸黒鉛板に切削加工でガス流路11,12を施したものを用いた。図示しないが、アノード13側のセパレータ1のガス流路12は、リブ幅1.0mm、溝幅1.0mmの3本の流路からなるサーペンタイプ流路、カソード側のセパレータ2のガス流路はリブ幅1.0mm、溝幅1.0mmの6本の流路からなるサーペンタイプ流路とした。
The
MEA15をセパレータ1,2、集電板、絶縁板、端板の順に挟持し、10kgf/cm2の締結圧で締結し単電池20とした。
(単電池の動作特性検出)
本検出においては、燃料ガスとして水素ガスを用い、酸化剤ガスとして空気を用いた。尚、単電池の動作特性を検出する前に、図3に示す検出装置を用いて、電子負荷70により取得する電流密度0.15A/cm2、水素ガス利用率60%〜80%の条件下で、燃料ガス供給マニフォルド3A’の下流端にかかる圧力を、圧力計(長野計器(株)製KL−71)45を用いて測定した。水素ガス利用率は5%毎変化させた。30枚の単電池20の前記圧力を測定し、その平均値より略10%高い値を表1に示す。各水素ガス利用率において、平均値より略10%高い圧力が図2に示す燃料ガス流通管42の水面にかかっている場合は、フラッディングが生じている状態であるとみなすことができる。同じく、図3に示す検出装置を用いて、電子負荷70により取得する電流密度0.15A/cm2、空気利用率60%〜80%の条件下で、空気ガス供給マニフォルド5A’の下流端にかかる圧力を、圧力計55を用いて測定した。空気利用率は5%毎変化させた。30枚の単電池20の前記圧力を測定し、その平均値より略10%高い値を表2に示す。各空気利用率において、平均値より略10%高い圧力が図2に示す空気流通管52の水面にかかっている場合は、フラッディングが生じている状態であるとみなすことができる。
The
(Detection of cell operating characteristics)
In this detection, hydrogen gas was used as the fuel gas, and air was used as the oxidant gas. Before detecting the operating characteristics of the unit cell, using the detection device shown in FIG. 3, the current density obtained by the
上記検出において、良好品であると判定された単電池を20枚用いてスタックを製造し、スタックの発電特性を検出した。ここで検出した発電特性は、スタック内の各単電池の電圧の経時変化である。詳細な検出条件は、負荷により取り出す電流密度を0.15A/cm2、燃料ガス供給マニフォルド3A’の上流端から、水素ガス利用率が70%となるように露点65℃の水素ガスを供給した。酸化剤ガス供給マニフォルド5A’の上流端から、空気利用率が70%となるように露点70℃の空気を供給した。
In the above detection, a stack was manufactured using 20 single cells determined to be good, and the power generation characteristics of the stack were detected. The power generation characteristic detected here is a change with time of the voltage of each unit cell in the stack. As detailed detection conditions, the current density taken out by the load was 0.15 A / cm 2 , and hydrogen gas having a dew point of 65 ° C. was supplied from the upstream end of the fuel
図4に結果を示す。図4からわかるように、20時間経過しても、いずれの単電池からも電圧の低下は観測されなかった。すなわち、スタックにおける電池性能の低下は観測されなかった。 The results are shown in FIG. As can be seen from FIG. 4, no voltage drop was observed from any single cell even after 20 hours. That is, no decrease in battery performance in the stack was observed.
尚、比較例として、上記単電池の動作特性検出を行っていない単電池を無作為で20枚選びスタックを構成し、かかるスタックについて、上記と同様の条件で発電特性を検出した。図5に結果を示す。図5からわかるように、20枚の単電池中二つの単電池でフラッディングが発生したことがわかる。 As a comparative example, a stack was selected by randomly selecting 20 unit cells for which the operation characteristics of the unit cell were not detected, and the power generation characteristics of the stack were detected under the same conditions as described above. The results are shown in FIG. As can be seen from FIG. 5, flooding occurred in two of the 20 cells.
この試験において、電圧の急激な低下が観測された単電池を取り出し、図2に示す検出装置を用いて空気利用率を変化させながら測定したところ、空気利用率75%においてシリンダー53内に気泡が発生した。
In this test, a single cell in which a sudden drop in voltage was observed was taken out and measured using the detection device shown in FIG. 2 while changing the air utilization rate. As a result, bubbles were found in the
本発明は、固体高分子型燃料電池を製造する際に有用である。予めフラッディングが生じやすい単電池を除いてスタックを製造することができるので、エネルギー効率の高い固体高分子型燃料電池を煩雑な作業を行うことなく製造することができる。 The present invention is useful when manufacturing a polymer electrolyte fuel cell. Since the stack can be manufactured excluding the single cells that are likely to be flooded in advance, it is possible to manufacture a polymer electrolyte fuel cell with high energy efficiency without performing complicated operations.
1,2 セパレータ
3A 燃料ガス供給マニフォルド孔
3A’ 燃料ガス供給マニフォルド
3B 燃料ガス排出マニフォルド孔
3B’ 燃料ガス排出マニフォルド
5A 酸化剤ガス供給マニフォルド孔
5A’ 酸化剤ガス供給マニフォルド
5B 酸化剤ガス排出マニフォルド孔
5B’ 酸化剤ガス排出マニフォルド
7,9 触媒層
8,10 ガス拡散層
11 酸化剤ガス支流路
12 燃料ガス支流路
13 アノード
14 カソード
15 MEA
20 単電池
30 スタック
41 燃料ガス供給手段
42 燃料ガス流通管
43 メスシリンダー
44 燃料ガス本流路開閉手段
51 酸化剤ガス供給手段
52 酸化剤ガス流通管
53 メスシリンダー
54 酸化剤ガス本流路開閉手段
70 電子負荷
1, 2 separator
3A Fuel gas
20
Claims (5)
燃料ガス本流路を構成する貫通孔と、酸化剤ガス本流路を構成する貫通孔と、上流端が前記燃料ガス本流路に接続され前記アノードに燃料ガスを導く燃料ガス支流路と、上流端が前記酸化剤ガス本流路に接続され前記カソードに酸化剤ガスを導く酸化剤ガス支流路とを前記燃料電池に具備し、
前記燃料ガス本流路の上流端から前記燃料ガス支流路に燃料ガスを流通させ、前記酸化剤ガス本流路の上流端から前記酸化剤ガス支流路に酸化剤ガスを流通させ、前記燃料電池から電流を取り出した負荷状態で、前記燃料ガス支流路の上流端を流通する燃料ガスの圧力に応じて、前記燃料ガス本流路の下流端からの燃料ガスの排出/非排出の切り替えを行うステップ(a)と、
前記負荷状態で、前記酸化剤ガス支流路の上流端を流通する酸化剤ガスの圧力に応じて、前記酸化剤ガス本流路の下流端からの酸化剤ガスの排出/非排出の切り替えを行うステップ(b)と、
前記ステップ(a)および(b)での燃料ガスまたは酸化剤ガスの排出/非排出の切り替えに基づいて前記燃料電池の動作特性を検出するステップ(c)と、
を有する燃料電池の動作特性検出方法。 An operating characteristic detection method for a fuel cell, comprising: an anode bonded to one surface of an electrolyte membrane; a cathode bonded to the other surface of the electrolyte membrane; and a pair of separators disposed on the anode and the outer surface of the cathode. And
A through hole constituting the fuel gas main passage, a through hole constituting the oxidant gas main passage, a fuel gas branch passage having an upstream end connected to the fuel gas main passage and leading the fuel gas to the anode, and an upstream end comprising The fuel cell comprises an oxidant gas branch channel connected to the oxidant gas main channel and leading the oxidant gas to the cathode,
A fuel gas is circulated from the upstream end of the fuel gas main channel to the fuel gas branch channel, an oxidant gas is circulated from the upstream end of the oxidant gas main channel to the oxidant gas branch channel, and a current is supplied from the fuel cell. A step (a) of switching between discharge / non-discharge of the fuel gas from the downstream end of the fuel gas main flow path in accordance with the pressure of the fuel gas flowing through the upstream end of the fuel gas branch flow path in the load state where )When,
A step of switching between discharge / non-discharge of the oxidant gas from the downstream end of the oxidant gas main flow path in accordance with the pressure of the oxidant gas flowing through the upstream end of the oxidant gas branch flow path in the load state (B) and
Detecting an operating characteristic of the fuel cell based on switching between discharge / non-discharge of the fuel gas or the oxidant gas in the steps (a) and (b);
A method for detecting operating characteristics of a fuel cell.
ステップ(b)において、前記酸化剤ガス支流路の上流端を流通する酸化剤ガスの圧力が所定値を超えた場合に非排出から排出に切り替える、請求項1に記載の燃料電池の動作特性検出方法。 In step (a), when the pressure of the fuel gas flowing through the upstream end of the fuel gas branch passage exceeds a predetermined value, switching from non-discharge to discharge,
2. The operation characteristic detection of the fuel cell according to claim 1, wherein in step (b), when the pressure of the oxidant gas flowing through the upstream end of the oxidant gas branch passage exceeds a predetermined value, switching from non-discharge to discharge is performed. Method.
燃料ガス本流路と、酸化剤ガス本流路とを用い、
前記燃料ガス支流路の上流端を前記燃料ガス本流路に接続し、前記酸化剤ガス支流路の上流端を前記酸化剤ガス本流路に接続するステップ(a)と、
前記燃料ガス本流路の上流端から前記燃料ガス支流路に燃料ガスを流通させ、前記酸化剤ガス本流路の上流端から前記酸化剤ガス支流路に酸化剤ガスを流通させ、前記燃料電池から電流を取り出した負荷状態で、前記燃料ガス支流路の上流端を流通する燃料ガスの圧力に応じて、前記燃料ガス本流路の下流端からの燃料ガスの排出/非排出の切り替えを行うステップ(b)と、
前記負荷状態で、前記酸化剤ガス支流路の上流端を流通する酸化剤ガスの圧力に応じて、前記酸化剤ガス本流路の下流端からの酸化剤ガスの排出/非排出の切り替えを行うステップ(c)と、
前記ステップ(b)および(c)での燃料ガスまたは酸化剤ガスの排出/非排出の切り替えに基づいて前記燃料電池の動作特性を検出するステップ(d)と、
を有する燃料電池の動作特性検出方法。 An anode joined to one side of the electrolyte membrane, a cathode joined to the other side of the electrolyte membrane, and a pair of separators arranged on the anode and the outer surface of the cathode, and guides fuel gas to the anode An operation characteristic detection method for a fuel cell, in which a fuel gas branch channel and an oxidant gas branch channel for guiding an oxidant gas to the cathode are formed,
Using the fuel gas main channel and the oxidant gas main channel,
Connecting the upstream end of the fuel gas branch channel to the fuel gas main channel and connecting the upstream end of the oxidant gas branch channel to the oxidant gas main channel;
A fuel gas is circulated from the upstream end of the fuel gas main channel to the fuel gas branch channel, an oxidant gas is circulated from the upstream end of the oxidant gas main channel to the oxidant gas branch channel, and a current is supplied from the fuel cell. A step (b) of switching between discharge / non-discharge of the fuel gas from the downstream end of the fuel gas main flow path in accordance with the pressure of the fuel gas flowing through the upstream end of the fuel gas branch flow path in the loaded state where )When,
A step of switching between discharge / non-discharge of the oxidant gas from the downstream end of the oxidant gas main flow path in accordance with the pressure of the oxidant gas flowing through the upstream end of the oxidant gas branch flow path in the load state (C),
Detecting an operating characteristic of the fuel cell based on switching between discharge / non-discharge of the fuel gas or oxidant gas in the steps (b) and (c);
A method for detecting operating characteristics of a fuel cell.
前記燃料ガス本流路に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記酸化剤ガス本流路に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料電池から電流を取り出す電子負荷と、前記燃料ガス支流路の上流端を流通する燃料ガスの圧力に応じて前記燃料ガス本流路の下流端からの燃料ガスの排出/非排出の切り替えを行う燃料ガス本流路開閉手段と、前記酸化剤ガス支流路の上流端を流通する酸化剤ガスの圧力に応じて前記酸化剤ガス本流路の下流端から酸化剤ガスの排出/非排出の切り替えを行う酸化剤ガス本流路開閉手段と、を備えた燃料電池の動作特性検出装置。 An anode bonded to one surface of the electrolyte membrane, a cathode bonded to the other surface of the electrolyte membrane, and a pair of separators disposed on the anode and the outer surface of the cathode constitute a fuel gas main flow path. A through-hole, a through-hole constituting an oxidant gas main flow path, a fuel gas branch flow path whose upstream end is connected to the fuel gas main flow path and guides fuel gas to the anode, and an upstream end connected to the oxidant gas main flow path An operating characteristic detection device for a fuel cell, comprising: an oxidant gas branch channel connected to guide the oxidant gas to the cathode; and
Fuel gas supply means for supplying fuel gas to the fuel gas main flow path; oxidant gas supply means for supplying oxidant gas to the oxidant gas main flow path; an electronic load for taking out current from the fuel cell; and the fuel. A fuel gas main flow path opening / closing means for switching between discharge / non-discharge of the fuel gas from the downstream end of the fuel gas main flow path according to the pressure of the fuel gas flowing through the upstream end of the gas branch flow path, and the oxidant gas branch flow And an oxidant gas main channel opening / closing means for switching between discharge / non-discharge of the oxidant gas from the downstream end of the oxidant gas main channel according to the pressure of the oxidant gas flowing through the upstream end of the passage Battery operating characteristic detection device.
前記酸化剤ガス本流路開閉手段は、一端が前記酸化剤ガス本流路の下流端に接続され、他端からの一定の長さが水中もしくは水銀中に浸漬されている筒状の管からなる、請求項4に記載の燃料電池の動作特性検出装置。 The fuel gas main channel opening / closing means is composed of a cylindrical tube having one end connected to the downstream end of the fuel gas main channel and a fixed length from the other end immersed in water or mercury,
The oxidant gas main channel opening / closing means is composed of a cylindrical tube having one end connected to the downstream end of the oxidant gas main channel and a certain length from the other end immersed in water or mercury. The fuel cell operating characteristic detection device according to claim 4.
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2004
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