JP2005317442A - Starting method of fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電解質膜の両側にそれぞれ電極を設けた電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体を挟持する一対のセパレータとを積層する燃料電池の始動方法に関する。 The present invention relates to a fuel cell starting method in which an electrolyte membrane / electrode structure provided with electrodes on both sides of an electrolyte membrane and a pair of separators sandwiching the electrolyte membrane / electrode structure are stacked.
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を対設した電解質膜・電極構造体(MEA)を、セパレータによって挟持している。この種の燃料電池は、通常、所定の数の燃料電池を積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。 For example, in a polymer electrolyte fuel cell, an electrolyte membrane / electrode structure (MEA) in which an anode side electrode and a cathode side electrode are provided on both sides of an electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane is sandwiched by separators. ing. This type of fuel cell is normally used as a fuel cell stack by stacking a predetermined number of fuel cells.
この燃料電池において、アノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス(以下、水素含有ガスともいう)は、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質膜を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子は外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。なお、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気(以下、酸素含有ガスともいう)が供給されているために、このカソード側電極において、水素イオン、電子及び酸素が反応して水が生成される。 In this fuel cell, a fuel gas supplied to the anode side electrode, for example, a gas mainly containing hydrogen (hereinafter also referred to as a hydrogen-containing gas) is ionized with hydrogen on the electrode catalyst, and the cathode passes through the electrolyte membrane. Move to the side electrode side. Electrons generated during that time are taken out to an external circuit and used as direct current electric energy. The cathode side electrode is supplied with an oxidant gas, for example, a gas mainly containing oxygen or air (hereinafter also referred to as an oxygen-containing gas). And oxygen reacts to produce water.
ところで、この種の燃料電池では、イオン導電性を維持するために、高分子イオン交換膜からなる電解質膜を適度に加湿しておく必要がある。さらに、カソード側電極では、上記のように反応による生成水が存在している。このため、燃料電池を氷点下(水の凍結温度以下)で始動させようとすると、前記燃料電池内の水分が凍結し易く、該燃料電池内で電気化学反応が行われ難いという不具合が指摘されている。 By the way, in this type of fuel cell, in order to maintain ionic conductivity, it is necessary to appropriately humidify the electrolyte membrane made of the polymer ion exchange membrane. Furthermore, water generated by the reaction is present at the cathode side electrode as described above. For this reason, when starting the fuel cell below freezing point (below the freezing temperature of water), the water in the fuel cell easily freezes, and it is pointed out that the electrochemical reaction is difficult to occur in the fuel cell. Yes.
そこで、例えば、特許文献1には、燃料電池を低温始動させる際に、前記燃料電池の酸化剤ガス流路に対して、空気(酸化剤ガス)と水素との混合ガスを供給することによって発熱させ、該燃料電池を加熱する技術が開示されている。 Therefore, for example, in Patent Document 1, when a fuel cell is started at a low temperature, heat is generated by supplying a mixed gas of air (oxidant gas) and hydrogen to the oxidant gas flow path of the fuel cell. And a technique for heating the fuel cell is disclosed.
また、特許文献2では、図12に示すように、セパレータ1の左右両側に、空気供給マニホールド2と空気排出マニホールド3とが設けられるとともに、前記空気供給マニホールド2を構成する各供給口2aには、各々バルブ4を介してエアコンプレッサ5が連通自在である。空気排出マニホールド3を構成する各排出口3aは、各々バルブ5を介して大気に開放自在である。
In
セパレータ1の面内には、空気供給マニホールド2と空気排出マニホールド3とに連通するガス流路7が形成されている。各バルブ4、6は、ECU8を有する制御装置9により駆動制御されている。
A
このような構成において、制御装置9は、燃料電池の冷間始動の際に放熱損出の小さな部位、すなわち、ガス流路7の中央部のみに空気を供給するために、バルブ4a、6aを開放する。従って、エアコンプレッサ5から供給される空気は、バルブ4aの開放作用下にガス流路7の中央部のみに供給され、この中央部で発電を行った後、バルブ6aの開放作用下に排気される。
In such a configuration, the
次いで、ガス流路7の中央部に水分の凍結が発生したら、隣の領域のガス流路7にガスを供給し、さらに該隣の領域に水分の凍結が生じたら、さらに隣の領域のガス流路7にガスの供給先を変更している。そして、上記の操作を繰り返すことによってセル温度が上昇した後、ガス流路7の全面に空気の供給が行われる。
Next, when water freeze occurs in the central portion of the
しかしながら、上記の特許文献1では、低温始動時に空気中に水素を4vol%以下、好適には、2vol%の割合で混合した混合ガスを、単一の連通孔からカソード流路に供給するため、前記連通孔近傍の触媒層で酸化反応が局所的に行われる。従って、昇温が部分的に進行するため、燃料電池全体を均一に暖めることが困難である。しかも、触媒層では、酸化反応が局所的に進行しており、酸化反応部分で触媒の劣化が集中するという問題がある。 However, in Patent Document 1 described above, in order to supply a mixed gas in which hydrogen is mixed in the air at a rate of 4 vol% or less, preferably 2 vol%, at a low temperature start from a single communication hole to the cathode flow path, An oxidation reaction is locally performed in the catalyst layer in the vicinity of the communication hole. Accordingly, since the temperature rise partially proceeds, it is difficult to uniformly warm the entire fuel cell. Moreover, in the catalyst layer, the oxidation reaction proceeds locally, and there is a problem that the deterioration of the catalyst is concentrated in the oxidation reaction portion.
一方、上記の特許文献2では、空気供給マニホールド2の複数の供給口2aからガス流路7に空気を選択的に供給することにより、部分的な自己発熱を繰り返し行っている。しかしながら、特に氷点下での始動時には、燃料電池全体を凍結しない温度まで自己発熱により昇温させるまでに、相当な時間がかかってしまうという問題がある。
On the other hand, in
本発明はこの種の問題を解決するものであり、特に低温時に、触媒での酸化反応を広範囲で行うことができ、短時間且つ確実に燃料電池全体を良好に暖機することが可能な燃料電池の始動方法を提供することを目的とする。 The present invention solves this type of problem, and can perform a wide range of oxidation reactions with a catalyst, particularly at low temperatures, and can warm up the entire fuel cell satisfactorily in a short time. An object of the present invention is to provide a battery starting method.
本発明は、電解質膜の両側にそれぞれ電極を設けた電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体を挟持する一対のセパレータとを積層するとともに、前記電極の発電面に沿って反応ガスを流動させる反応ガス流路と、積層方向に設けられて前記反応ガス流路に連通する複数の反応ガス連通孔とを設けた燃料電池の始動方法である。 The present invention comprises an electrolyte membrane / electrode structure provided with electrodes on both sides of an electrolyte membrane and a pair of separators sandwiching the electrolyte membrane / electrode structure, and reacts along the power generation surface of the electrode. This is a fuel cell starting method provided with a reaction gas flow path for flowing a gas and a plurality of reaction gas communication holes provided in the stacking direction and communicating with the reaction gas flow path.
そこで、一方の反応ガスに他方の反応ガスを所定の割合で混合した混合ガスが、複数の反応ガス連通孔から反応ガス流路に同時に供給されることにより、燃料電池の発電が開始される。 Therefore, a fuel cell is started to generate power by simultaneously supplying a mixed gas obtained by mixing one reactive gas with the other reactive gas at a predetermined ratio from a plurality of reactive gas communication holes to the reactive gas flow path.
また、複数の反応ガス連通孔の中、任意の2以上を反応ガス供給口として、順次、切り替えながら、混合ガスを前記2以上の反応ガス供給口から反応ガス流路に同時に供給して発電を開始することが好ましい。 Further, among the plurality of reaction gas communication holes, any two or more may be used as reaction gas supply ports, and the mixed gas may be simultaneously supplied from the two or more reaction gas supply ports to the reaction gas flow path to generate power. It is preferable to start.
さらに、本発明は、複数の反応ガス連通孔の中、任意の反応ガス連通孔を反応ガス供給口として、順次、切り替えながら、一方の反応ガスに他方の反応ガスを所定の割合で混合した混合ガスが、前記反応ガス供給口から前記反応ガス流路に供給されることにより、燃料電池の発電が開始される。 Further, the present invention provides a mixture in which one reaction gas is mixed at a predetermined ratio while sequentially switching an arbitrary reaction gas communication hole as a reaction gas supply port among a plurality of reaction gas communication holes. When the gas is supplied from the reaction gas supply port to the reaction gas channel, power generation of the fuel cell is started.
さらにまた、反応ガス流路は、酸化剤ガス流路であるとともに、反応ガス連通孔は、酸化剤ガス連通孔であり、一方の反応ガスである酸化剤ガスに、他方の反応ガスである燃料ガスを低割合で混合した混合ガスが、反応ガス供給口である酸化剤ガス供給口から前記酸化剤ガス流路に供給されることが好ましい。 Furthermore, the reaction gas flow path is an oxidant gas flow path, and the reaction gas communication hole is an oxidant gas communication hole. A fuel that is the other reaction gas is added to an oxidant gas that is one reaction gas. It is preferable that a mixed gas obtained by mixing gases at a low ratio is supplied to the oxidant gas flow path from an oxidant gas supply port which is a reaction gas supply port.
また、反応ガス流路は、燃料ガス流路であるとともに、前記反応ガス連通孔は、燃料ガス連通孔であり、一方の反応ガスである燃料ガスに、他方の反応ガスである酸化剤ガスを低割合で混合した混合ガスが、反応ガス供給口である燃料ガス供給口から前記燃料ガス流路に供給されることが好ましい。 The reaction gas flow path is a fuel gas flow path, and the reaction gas communication hole is a fuel gas communication hole, and an oxidant gas, which is the other reaction gas, is supplied to the fuel gas, which is one reaction gas. It is preferable that the mixed gas mixed at a low ratio is supplied to the fuel gas flow path from a fuel gas supply port which is a reaction gas supply port.
本発明によれば、混合ガスが、複数の反応ガス連通孔から反応ガス流路に同時に供給されるため、触媒での酸化反応の領域が拡大され、燃料電池全体を迅速に昇温させることができる。これにより、特に、低温始動時の暖機時間が有効に短縮されるとともに、自己発熱に代えて触媒での酸化反応を採用することによって、氷点下での始動が容易且つ確実に遂行可能になる。しかも、触媒での酸化反応が局部的に発生することがなく、触媒の局所的な劣化を良好に阻止することができ、該触媒の耐久性が向上する。 According to the present invention, since the mixed gas is simultaneously supplied to the reaction gas flow path from the plurality of reaction gas communication holes, the region of the oxidation reaction in the catalyst is expanded, and the temperature of the entire fuel cell can be quickly raised. it can. Thereby, in particular, the warm-up time at the time of low-temperature start is effectively shortened, and by employing an oxidation reaction with a catalyst instead of self-heating, start-up below freezing can be performed easily and reliably. In addition, the oxidation reaction in the catalyst does not occur locally, local deterioration of the catalyst can be satisfactorily prevented, and the durability of the catalyst is improved.
また、本発明では、任意の反応ガス連通孔が、反応ガス供給口として、順次、切り替えられながら、前記反応ガス供給口に混合ガスが供給されるため、触媒での酸化反応の領域が有効に拡大される。従って、触媒の局所的な劣化を阻止するとともに、燃料電池全体を均一且つ迅速に暖機させることが可能になる。 Further, in the present invention, since the mixed gas is supplied to the reaction gas supply port while any reaction gas communication hole is sequentially switched as the reaction gas supply port, the region of the oxidation reaction in the catalyst is effective. Enlarged. Therefore, it is possible to prevent local deterioration of the catalyst and warm up the entire fuel cell uniformly and rapidly.
図1は、本発明の第1の実施形態に係る始動方法を実施するための燃料電池10を組み込む燃料電池システム12の概略構成図である。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a
複数の燃料電池10が鉛直方向(矢印A方向)に積層されて燃料電池スタック14を構成する。この燃料電池スタック14には、酸化剤ガス、例えば、空気等の酸素含有ガスを供給及び排出するカソード側制御部16と、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給及び排出するアノード側制御部18と、純水やエチレングリコール等の冷却媒体を供給及び排出する冷却側制御部20とが装着される。
A plurality of
図2に示すように、燃料電池10は、略正方形状の電解質膜・電極構造体24と、前記電解質膜・電極構造体24を挟持する略正方形状の金属製第1及び第2セパレータ26、28とを備える。なお、第1及び第2セパレータ26、28には、シール機能及び絶縁機能を有する樹脂シールが一体化されている。
As shown in FIG. 2, the
燃料電池10の矢印B方向の一端縁部には、積層方向である矢印A方向に互いに連通して、酸素含有ガスを流すための第1酸化剤ガス連通孔30a、冷却媒体を流すための第1冷却媒体連通孔32a、及び水素含有ガスを流すための第1燃料ガス連通孔34aが、矢印C方向に順次設けられる。
A first oxidant
燃料電池10の矢印C方向の上端縁部には、矢印A方向に互いに連通して、第2燃料ガス連通孔34b、第2冷却媒体連通孔32b及び第2酸化剤ガス連通孔30bが、矢印B方向に順次設けられる。
A second fuel
燃料電池10の矢印B方向の他端縁部には、矢印A方向に互いに連通して、第3酸化剤ガス連通孔30c、第3冷却媒体連通孔32c及び第3燃料ガス連通孔34cが、矢印C方向に順次設けられる。燃料電池10の矢印C方向の下端縁部には、矢印A方向に互いに連通して、第4酸化剤ガス連通孔30d、第4冷却媒体連通孔32d及び第4燃料ガス連通孔34dが、矢印B方向に順次設けられる。
A third oxidant
図2及び図3に示すように、電解質膜・電極構造体24は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜36と、該固体高分子電解質膜36を挟持するアノード側電極38及びカソード側電極40とを備える。アノード側電極38及びカソード側電極40は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布された電極触媒層とをそれぞれ有する。
As shown in FIGS. 2 and 3, the electrolyte membrane /
第1セパレータ26のカソード側電極40に対向する面26aには、第1〜第4酸化剤ガス連通孔30a、30b、30c及び30dに連通可能な酸化剤ガス流路(反応ガス流路)42が設けられる。酸化剤ガス流路42は、複数のエンボス44により形成される。
An oxidant gas flow path (reactive gas flow path) 42 that can communicate with the first to fourth oxidant
図2及び図4に示すように、第2セパレータ28のアノード側電極38に向かう面28aには、第1〜第4燃料ガス連通孔34a、34b、34c及び34dに連通可能な燃料ガス流路(反応ガス流路)46が設けられる。この燃料ガス流路46は、複数のエンボス48により形成される。
As shown in FIGS. 2 and 4, a fuel gas flow path capable of communicating with the first to fourth fuel gas communication holes 34 a, 34 b, 34 c and 34 d is provided on the
図2に示すように、第2セパレータ28の面28aとは反対の面28bには、冷却媒体流路50が設けられる。冷却媒体流路50は、複数のエンボス52により形成されるとともに、前記エンボス52はエンボス48よりも小径に設定される。
As shown in FIG. 2, a cooling
図5に示すように、カソード側制御部16は、酸化剤ガスとして、例えば、空気を供給するためのコンプレッサ60を備え、このコンプレッサ60が供給管62を介して第1スイッチング機構64に連結される。この第1スイッチング機構64は、例えば、ロータリ式であり、燃料電池スタック14の供給側に装着されるとともに、第1アクチュエータ66を介して切り替えられる。
As shown in FIG. 5, the cathode
第1アクチュエータ66には、機械式、電気式、電磁石式、空気圧式又は油圧式等を用いることができ、この第1アクチュエータ66を介して第1スイッチング機構64が切り替え制御されることにより、供給管62が第1〜第4酸化剤ガス連通孔30a〜30dに選択的又は同時に連通する。
The
なお、第1スイッチング機構64は、ロータリ式に代替して、例えば、第1〜第4電磁切り替え弁(図示せず)を用い、第1〜第4酸化剤ガス連通孔30a〜30dを供給管62に個別に連通させるように構成してもよい。
The
燃料電池スタック14の排出側には、第2スイッチング機構68が第2アクチュエータ70を介して切り替え可能に装着される。第2スイッチング機構68は、上記の第1スイッチング機構64と同様に、第1〜第4酸化剤ガス連通孔30a〜30dを排出管72に選択的又は同時に連通可能である。
A
第1及び第2アクチュエータ66、70は、コンピュータ74を介してコントローラ76により駆動制御されるとともに、このコンピュータ74には、燃料電池スタック14に装着されたセンサ78からの検出信号が入力される。このセンサ78としては、例えば、酸化剤ガスである空気の入口側又は出口側の湿度検出センサ又は温度検出センサの他、電極面内の生成水量検出センサや、電流密度検出センサ等が用いられる。また、センサ78に代替して、タイマにより定期的な間隔で切り替え制御を行うこともできる。
The first and
第1及び第2スイッチング機構64、68の駆動により第1〜第4酸化剤ガス連通孔30a〜30dを、酸化剤ガス供給口(反応ガス供給口)及び/又は酸化剤ガス排出口(反応ガス排出口)として切り替える操作が行われる。
By driving the first and
図1に示すように、アノード側制御部18は、上記のカソード側制御部16と同様に構成されており、図示しない燃料ガスタンクに連結されて燃料電池スタック14の供給側に供給管79を介して装着される第1スイッチング機構80と、前記燃料電池スタック14の排出側に排出管81を介して連結される第2スイッチング機構82とを備えている。第1及び第2スイッチング機構80、82を介して、第1〜第4燃料ガス連通孔34a〜34dは、供給管79及び排出管81に選択的又は同時に連通可能である。
As shown in FIG. 1, the anode-
冷却側制御部20は、上記のカソード側制御部16及びアノード側制御部18と同様に構成されており、図示しない冷却媒体タンクに連結されて燃料電池スタック14の供給側に供給管83を介して装着される第1スイッチング機構84と、前記燃料電池スタック14の排出側に排出管85を介して連結される第2スイッチング機構86とを備える。第1及び第2スイッチング機構84、86を介して、第1〜第4冷却媒体連通孔32a〜32dは、供給管83及び排出管85に選択的又は同時に連通可能である。
The cooling
カソード側制御部16を構成する供給管62には、空気中にアノード側制御部18から燃料ガスを低割合で混在させるための第1混合バルブ88aが設けられるとともに、前記アノード側制御部18を構成する供給管79には、燃料ガス中に前記カソード側制御部16から空気を低割合で混在させるための第2混合バルブ88bが設けられる。燃料ガスは、空気中に4vol%以下、好適には、2vol%の割合で混合される。
The
このように構成される燃料電池システム12の動作について、第1の実施形態に係る燃料電池の始動方法との関連で以下に説明する。
The operation of the
先ず、燃料電池システム12が氷点下等の低温時始動を行う際には、例えば、第1混合バルブ88aが操作される。このため、カソード側制御部16を構成する供給管62には、アノード側制御部18を構成する供給管79を介して所定量の燃料ガスが供給される。供給管62には、図5に示すように、コンプレッサ60を介して空気(酸化剤ガス)が供給され、この空気中に燃料ガスが所定の割合、例えば、2Vol%だけ混在される。
First, when the
そこで、カソード側制御部16では、第1スイッチング機構64が制御されて、第1及び第2酸化剤ガス連通孔30a、30bが酸化剤ガス供給口に設定される一方、第3及び第4酸化剤ガス連通孔30c、30dが酸化剤ガス排出口としてに設定される。
Therefore, in the cathode
従って、図2及び図6に示すように、酸化剤ガス流路42には、第1及び第2酸化剤ガス連通孔30a、30bから空気中に燃料ガスが所定の割合で混合された混合ガス(以下、混合酸化剤ガスともいう)が同時に供給される。これにより、電解質膜・電極構造体24を構成するカソード側電極40では、空気中に混在している燃料ガスによって触媒での酸化反応が発生し、前記カソード側電極40の昇温が開始される。
Therefore, as shown in FIGS. 2 and 6, the
一方、アノード側制御部18では、第1スイッチング機構80及び第2スイッチング機構82が操作されて、図2及び図7に示すように、第1及び第4燃料ガス連通孔34a、34dが燃料ガス供給口に設定されるとともに、第2及び第3燃料ガス連通孔34b、34cが燃料ガス排出口に設定される。
On the other hand, in the anode
そして、図1に示すように、第2混合バルブ88bが操作されることにより、供給管79を介して燃料電池スタック14に供給される燃料ガスには、カソード側制御部16を介して空気が所定の低割合で混合され、混合ガスが得られる(以下、混合燃料ガスともいう)。このため、混合燃料ガスは、第1及び第4燃料ガス連通孔34a、34dから燃料ガス流路46に同時に供給される(図2及び図7参照)。従って、電解質膜・電極構造体24を構成するアノード側電極38には、触媒での酸化反応が惹起されて、このアノード側電極38の昇温が開始される。
As shown in FIG. 1, when the
この場合、第1の実施形態では、図6に示すように、混合酸化剤ガスが第1及び第2酸化剤ガス連通孔30a、30bから酸化剤ガス流路42に同時に供給されている。このため、カソード側電極40では、第1及び第2酸化剤ガス連通孔30a、30bの近傍に酸化反応部位90a、90bが発生し、前記カソード側電極40が昇温される。
In this case, in the first embodiment, as shown in FIG. 6, the mixed oxidant gas is simultaneously supplied to the oxidant
従って、単一の酸化剤ガス連通孔から混合酸化剤ガスが供給される従来の方式に比べ、カソード側電極40における触媒燃料の領域が大幅に拡大され、前記カソード側電極40を迅速に昇温させることが可能になる。これにより、特に氷点下等の低温始動時において、暖機時間が有効に短縮されるとともに、自己発熱に替えて触媒での酸化反応を採用することによって、低温始動が容易且つ確実に遂行可能になるという効果が得られる。しかも、触媒での酸化反応が局部的に発生することがなく、触媒の局所的な劣化を良好に阻止することができ、該触媒の耐久性が向上するという利点がある。
Therefore, compared with the conventional method in which the mixed oxidant gas is supplied from a single oxidant gas communication hole, the area of the catalyst fuel in the
一方、アノード側電極38では、図7に示すように、混合燃料ガスが第1及び第4燃料ガス連通孔34a、34dから燃料ガス流路46に同時に供給されている。このため、アノード側電極38では、第1及び第4燃料ガス連通孔34a、34dの近傍に触媒での酸化反応が惹起し、燃料部位92a、92bが発生する。従って、アノード側電極38の触媒での酸化反応の領域が拡大されるとともに、該触媒での酸化反応が局部的に発生することがなく、低温始動が良好且つ迅速に遂行されるという効果が得られる。
On the other hand, in the
なお、第1の実施形態では、低温始動に際して、混合酸化剤ガスが第1及び第2酸化剤ガス連通孔30a、30bから同時に供給される一方、混合燃料ガスが第1及び第4燃料ガス連通孔34a、34dから同時に供給されているが、これに限定されるものではない。例えば、混合酸化剤ガスと燃料ガス、又は空気と混合燃料ガスとを用いてもよい。
In the first embodiment, the mixed oxidant gas is simultaneously supplied from the first and second oxidant
次に、本発明の第2の実施形態に係かる燃料電池の始動方法について、図8を参照しながら以下に説明する。 Next, a fuel cell starting method according to the second embodiment of the present invention will be described below with reference to FIG.
この第2の実施形態では、例えば、第1〜第4酸化剤ガス連通孔30a〜30dが、第1連通位置P1、第2連通位置P2、第3連通位置P3及び第4連通位置P4に、順次、切り替え操作されて、酸化剤ガス流路42における空気の流れ方向が、順次、変動される。
In the second embodiment, for example, the first to fourth oxidant
具体的には、第1連通位置P1は、第1の実施形態と同様に、第1及び第2酸化剤ガス連通孔30a、30bが酸化剤ガス供給位置に設定される一方、第3及び第4酸化剤ガス連通孔30c、30dが酸化剤ガス排出口に設定されている。第2連通位置P2は、第2及び第3酸化剤ガス連通孔30b、30cが酸化剤ガス供給口に設定される一方、第4及び第1酸化剤ガス連通孔30d、30aが酸化剤ガス排出口に設定されている。
Specifically, in the first communication position P1, as in the first embodiment, the first and second oxidant
第3連通位置P3では、第3及び第4酸化剤ガス連通孔30c、30dが酸化剤ガス供給口に設定される一方、第1及び第2酸化剤ガス連通孔30a、30bが酸化剤ガス排出口に設定されている。さらに、第4連通位置P4では、第4及び第1酸化剤ガス連通孔30d、30aが酸化剤ガス供給口に設定される一方、第2及び第3酸化剤ガス連通孔30b、30cが酸化剤ガス排出口に設定されている。
At the third communication position P3, the third and fourth oxidant
そこで、低温始動時には、第1〜第4酸化剤ガス連通孔30a〜30dが、第1〜第4連通位置P1〜P4に、順次、切り替え制御されながら、混合酸化剤ガスが、2つの酸化剤ガス供給口から酸化剤ガス流路42に同時に供給されている。
Therefore, at the time of low temperature start, the mixed oxidant gas is supplied to the two oxidizers while the first to fourth oxidant
このように、第2の実施形態では、混合酸化剤ガスが、2つの酸化剤ガス供給口から酸化剤ガス流路42に同時に供給されるとともに、前記2つの酸化剤ガス供給口が、順次、切り替えられている。このため、カソード側電極40における触媒での酸化反応の領域が一層拡大され、触媒での酸化反応が局部的に発生することを確実に阻止することができる。従って、燃料電池10全体を均一且つ確実に暖機させることが可能になるという効果が得られる。
Thus, in the second embodiment, the mixed oxidant gas is simultaneously supplied from the two oxidant gas supply ports to the oxidant
なお、第2の実施形態では、第1〜第4酸化剤ガス連通孔30a〜30dについて説明したが、第1〜第4燃料ガス連通孔34a〜34dにおいても同様であり、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第3〜第5の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。
In the second embodiment, the first to fourth oxidant
図9は、本発明の第3の実施形態に係る燃料電池の始動方法の説明図である。この第3の実施形態では、第1〜第4酸化剤ガス連通孔30a〜30dが第1〜第4連通位置P11〜P14に、順次、切り替えられることにより、酸化剤ガス流路42に供給される混合酸化剤ガスの供給方向が、順次、変更されている。すなわち、第1連通位置P11では、混合酸化剤ガスが第1酸化剤ガス連通孔30aから酸化剤ガス流路42に供給されて、前記第1酸化剤ガス連通孔30aの近傍に触媒での酸化反応が発生する。
FIG. 9 is an explanatory diagram of a fuel cell starting method according to the third embodiment of the present invention. In the third embodiment, the first to fourth oxidant
第2連通位置P12では、混合酸化剤ガスが第2酸化剤ガス連通孔30bから酸化剤ガス流路42に供給されて、前記第2酸化剤ガス連通孔30bの近傍に触媒燃料が発生する。さらに、第3連通位置P13では、混合酸化剤ガスが第3酸化剤ガス連通孔30cから酸化剤ガス流路42に供給され、前記第3酸化剤ガス連通孔30cの近傍に触媒燃料が発生する。さらにまた、第4連通位置P14では、混合酸化剤ガスが第4酸化剤ガス連通孔30dから酸化剤ガス流路42に供給され、前記第4酸化剤ガス連通孔30dの近傍に触媒での酸化反応が発生する。
In the second communication position P12, the mixed oxidant gas is supplied from the second oxidant
このように、第3の実施形態では、酸化剤ガス供給口が第1〜第4酸化剤ガス連通孔30a〜30dに、順次、切り替えられることにより、カソード側電極40には局部的な触媒での酸化反応が発生することがない。これにより、カソード側電極40の外周円部近傍にわたって触媒での酸化反応の領域が拡大し、燃料電池10全体を均一且つ確実に暖機することができる等、第1及び第2の実施形態と同様の効果が得られる。
Thus, in the third embodiment, the oxidant gas supply port is sequentially switched to the first to fourth oxidant
図10は、本発明の第4の実施形態に係る運転方法を実施するための燃料電池160の要部分解斜視図である。
FIG. 10 is an exploded perspective view of the main part of the
燃料電池160は、略円盤状の電解質膜・電極構造体162と、前記電解質膜・電極構造体162を挟持する略円盤状の金属製第1及び第2セパレータ164、166とを備える。燃料電池160の外周縁部には、アノード側電極38及びカソード側電極40の外方に位置して第1酸化剤ガス連通孔168a、第2酸化剤ガス連通孔168b、第3酸化剤ガス連通孔168c、第4酸化剤ガス連通孔168d及び第5酸化剤ガス連通孔168eが所定角度間隔ずつ離間して矢印A方向に貫通形成される。
The
第1及び第2酸化剤ガス連通孔168a、168b間には、第1燃料ガス連通孔170aと第1冷却媒体連通孔172aとが形成される。第2及び第3酸化剤ガス連通孔168b、168c間には、第2燃料ガス連通孔170bと第2冷却媒体連通孔172bとが設けられ、第3及び第4酸化剤ガス連通孔168c、168d間には、第3燃料ガス連通孔170cと第3冷却媒体連通孔172cとが形成される。
A first fuel
第4酸化剤ガス連通孔168dと第5酸化剤ガス連通孔168eとの間には、第4燃料ガス連通孔170d及び第4冷却媒体連通孔172dが設けられる。第5及び第1酸化剤ガス連通孔168e、168a間には、第5燃料ガス連通孔170e及び第5冷却媒体連通孔172eが形成される。
A fourth fuel
このように構成される第4の実施形態では、第1〜第5酸化剤ガス連通孔168a〜168eにおいて、例えば、第1〜第3酸化剤ガス連通孔168a〜168cが酸化剤ガス供給口に設定される一方、第4及び第5酸化剤ガス連通孔168d、168eが酸化剤ガス排出口に設定されている。
In the fourth embodiment configured as described above, in the first to fifth oxidant
また、第1〜第5燃料ガス連通孔170a〜170eにおいて、例えば、第1及び第2燃料ガス連通孔170a、170bが燃料ガス排出口に設定される一方、第3〜第5燃料ガス連通孔170c〜170eが燃料ガス供給口に設定されている。第1〜第5冷却媒体連通孔172a〜172eでは、任意の1つ以上の冷却媒体供給口に設定される一方、任意の1つ以上が冷却媒体排出口に設定されている。
In the first to fifth fuel
この場合、第4の実施形態では、第1〜第3酸化剤ガス連通孔168a〜168cが酸化剤ガス供給口に設定されており、混合酸化剤ガスが前記第1〜第3酸化剤ガス連通孔168a〜168cから酸化剤ガス流路42に同時に供給されている。従って、カソード側電極40には、部分的な触媒での酸化反応が惹起することがなく、触媒での酸化反応領域が有効に拡大されるとともに、燃料電池160全体を迅速に昇温させることができる。
In this case, in the fourth embodiment, the first to third oxidant
これにより、第4の実施形態では、触媒の局所的な劣化を有効に阻止し、特に低温始動時の暖機時間が有効に短縮される等、第1〜第3の実施形態と同様の効果が得られる。 Thereby, in 4th Embodiment, the local degradation of a catalyst is prevented effectively, Especially the effect similar to 1st-3rd Embodiment, such as warming-up time at the time of low temperature start being shortened effectively, etc. Is obtained.
なお、第4の実施形態では、第2の実施形態と同様に、第1〜第5酸化剤ガス連通孔168a〜168eの任意の2つ以上を酸化剤ガス供給口として、順次、切り替えながら、混合酸化剤ガスを前記2以上の酸化剤ガス供給口から酸化剤ガス流路42に同時に供給して、発電を行うことができる。
In the fourth embodiment, as in the second embodiment, any two or more of the first to fifth oxidant
さらにまた、第3の実施形態と同様に、第1〜第5酸化剤ガス連通孔168a〜168eの任意の1つを酸化剤ガス供給口として、順次、切替ながら、混合酸化剤ガスを1つの酸化剤ガス供給口から酸化剤ガス流路42に供給して、発動を行うことも可能である。
Furthermore, as in the third embodiment, any one of the first to fifth oxidant
図11は、本発明の第5の実施形態に係る運転方法を実施するための燃料電池200の要部分解斜視図である。
FIG. 11 is an exploded perspective view of a main part of a
燃料電池200は、電解質膜・電極構造体202と、前記電解質膜・電極構造体202を挟持する略正方形状の金属製第1及び第2セパレータ204、206とを備える。
The
燃料電池200の矢印B方向の一端縁部には、矢印C方向に長尺な第1酸化剤ガス連通孔208aが形成されるとともに、この第1酸化剤ガス連通孔208aの上下には、第1冷却媒体連通孔210aと第2冷却媒体連通孔210bとが設けられる。燃料電池200の矢印B方向略中央部には、第1酸化剤ガス連通孔208aと平行して、矢印C方向に長尺な第2酸化剤ガス連通孔208bが形成される。
A first oxidant
燃料電池200の矢印B方向の他端縁部には、第1及び第2酸化剤ガス連通孔208a、208bと平行し且つ矢印C方向に長尺な第3酸化剤ガス連通孔208cが形成される。この第3酸化剤ガス連通孔208cの上下には、第3冷却媒体連通孔210cと第4冷却媒体連通孔210dとが形成される。燃料電池200の矢印C方向両端には、第1燃料ガス連通孔212aと第2燃料ガス連通孔212bとが形成される。
A third oxidant
電解質膜・電極構造体202は、第1〜第3酸化剤ガス連通孔208a〜208cの間に位置して、アノード側電極38a、38bと、カソード側電極40a、40bとが設けられる。
The electrolyte membrane /
第1セパレータ204には、カソード側電極40a、40bに対応して酸化剤ガス流路42a、42bが分割形成されるとともに、第2セパレータ206には、アノード側電極38a、38bに対応して燃料ガス流路46a、46bが分割形成される。第2セパレータ206には、燃料ガス流路46a、46bとは反対の面に、冷却媒体流路50a、50bが分割形成される。
The
このように構成される燃料電池200では、第1及び第2酸化剤ガス連通孔208a、208bが酸化剤ガス供給口に設定される一方、第3酸化剤ガス連通孔208cが酸化剤ガス排出口に設定される。また、第1燃料ガス連通孔212aが燃料ガス供給口に設定されるとともに、第2燃料ガス連通孔212bが燃料ガス排出口に設定される。さらに、第1及び第3冷却媒体連通孔210a、210cが冷却媒体供給口に設定され、第2及び第4冷却媒体連通孔210b、210dが冷却媒体排出口に設定される。
In the
この場合、第5の実施形態では、燃料電池200の低温始動時に、第1及び第2酸化剤ガス連通孔208a、208bに混合酸化剤ガスが供給され、この混合酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路42a、42bに各々供給された後、第3酸化剤ガス連通孔208cから排出される。
In this case, in the fifth embodiment, when the
このため、カソード側電極40a、40bでは、各々混合酸化剤ガスが供給されて触媒での酸化反応が惹起され、該触媒での酸化反応が局所的に行われることを阻止することができる。これにより、特に低温始動時の暖機時間が有効に短縮されるとともに、触媒の耐久性が向上する等、第1〜第4の実施形態と同様の効果が得られる。
For this reason, in the
なお、第1燃料ガス連通孔212aに供給された燃料ガスは、アノード側電極38a、38bに沿って鉛直上方向に移動した後、第2燃料ガス連通孔212bから排出される。一方、第1及び第4冷却媒体連通孔210a、210dに供給された冷却媒体は、各々冷却媒体流路50a、50bに沿って下降しながら電解質膜・電極構造体202を冷却した後、第2及び第4冷却媒体連通孔210b、210dから排出される。
The fuel gas supplied to the first fuel
10、160、200…燃料電池 12…燃料電池システム
14…燃料電池スタック 16…カソード側制御部
18…アノード側制御部 20…冷却側制御部
24、162、202…電解質膜・電極構造体
26、28、164、166、204、206…セパレータ
30a〜30d、168a〜168e、208a〜208c…酸化剤ガス連通孔
32a〜32d、172a〜172e、210a〜210d…冷却媒体連通孔
34a〜34d、170a〜170e、212a、212b…燃料ガス連通孔
36…固体高分子電解質膜
38、38a、38b…アノード側電極
40、40a、40b…カソード側電極
42、42a、42b…酸化剤ガス流路
46、46a、46b…燃料ガス流路
50、50a、50b…冷却媒体流路 60…コンプレッサ
64、68、80、82、84、86…スイッチング機構
88a、88b…混合バルブ
DESCRIPTION OF
Claims (5)
一方の反応ガスに他方の反応ガスを所定の割合で混合した混合ガスを、前記複数の反応ガス連通孔から前記反応ガス流路に同時に供給して発電を開始することを特徴とする燃料電池の始動方法。 An electrolyte membrane / electrode structure provided with electrodes on both sides of the electrolyte membrane and a pair of separators sandwiching the electrolyte membrane / electrode structure are stacked, and a reaction gas is allowed to flow along the power generation surface of the electrode. A fuel cell starting method provided with a reaction gas flow path and a plurality of reaction gas communication holes provided in the stacking direction and communicating with the reaction gas flow path,
A fuel cell, wherein a mixed gas obtained by mixing one reaction gas with the other reaction gas at a predetermined ratio is simultaneously supplied to the reaction gas flow path from the plurality of reaction gas communication holes to start power generation. How to start.
前記複数の反応ガス連通孔の中、任意の反応ガス連通孔を反応ガス供給口として、順次、切り替えながら、一方の反応ガスに他方の反応ガスを所定の割合で混合した混合ガスを、前記反応ガス供給口から前記反応ガス流路に供給して発電を開始することを特徴とする燃料電池の始動方法。 An electrolyte membrane / electrode structure provided with electrodes on both sides of the electrolyte membrane and a pair of separators sandwiching the electrolyte membrane / electrode structure are stacked, and a reaction gas is allowed to flow along the power generation surface of the electrode. A fuel cell starting method provided with a reaction gas flow path and a plurality of reaction gas communication holes provided in the stacking direction and communicating with the reaction gas flow path,
Among the plurality of reaction gas communication holes, an arbitrary reaction gas communication hole is used as a reaction gas supply port, and a mixed gas obtained by mixing one reaction gas with the other reaction gas at a predetermined ratio while sequentially switching is used. A method for starting a fuel cell, wherein power generation is started by supplying the reaction gas flow path from a gas supply port.
前記一方の反応ガスである酸化剤ガスに、前記他方の反応ガスである燃料ガスを低割合で混合した混合ガスを、前記反応ガス供給口である酸化剤ガス供給口から前記酸化剤ガス流路に供給することを特徴とする燃料電池の始動方法。 The start method according to any one of claims 1 to 3, wherein the reaction gas channel is an oxidant gas channel, and the reaction gas communication hole is an oxidant gas communication hole,
A mixed gas obtained by mixing the oxidizing gas, which is the one reactive gas, with the fuel gas, which is the other reactive gas, at a low ratio, is supplied from the oxidizing gas supply port, which is the reactive gas supply port, to the oxidizing gas channel. A method for starting a fuel cell, comprising: supplying to a fuel cell.
前記一方の反応ガスである燃料ガスに、前記他方の反応ガスである酸化剤ガスを低割合で混合した混合ガスを、前記反応ガス供給口である燃料ガス供給口から前記燃料ガス流路に供給することを特徴とする燃料電池の始動方法。 The start method according to any one of claims 1 to 3, wherein the reaction gas channel is a fuel gas channel, and the reaction gas communication hole is a fuel gas communication hole,
A mixed gas in which the fuel gas that is the one reaction gas is mixed with the oxidant gas that is the other reaction gas at a low ratio is supplied to the fuel gas flow path from the fuel gas supply port that is the reaction gas supply port. A starting method for a fuel cell.
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