JP2006040611A - Fuel cell and fuel cell system using it - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池およびそれを用いた燃料電池システムに関する。特に、固体高分子型燃料電池を有する燃料電池システムの触媒劣化を抑制するための構成に関する。 The present invention relates to a fuel cell and a fuel cell system using the same. In particular, the present invention relates to a configuration for suppressing catalyst deterioration of a fuel cell system having a polymer electrolyte fuel cell.
燃料電池システムにおいて、燃料極、酸化剤極共に空気が混入している状態からシステムを起動させる場合、燃料極側のガス流路に水素を供給し始めた初期には、燃料ガス流路内に水素が存在する領域と存在しない領域が形成される。燃料極に水素が供給されている領域においては、通常の動作状態と同様の反応が起こり、酸化剤極側には0.8V以上の電位が立つ。そのため、燃料極の水素が存在しない領域では、これに対峙する酸化剤極で、
C+2H2O→CO2+4H++4e- ・・・(1)
という反応が生じる。その結果、Pt等の触媒を担持するカーボン担体の腐食が起こり、酸化剤極の電極触媒が大きく劣化し、その後の燃料電池の性能を低下させる要因となる。このとき燃料極側の空気が存在する領域においては、
O2+4H++4e-→2H2O ・・・(2)
という反応が起こり、水が生成される。
In a fuel cell system, when starting the system from a state where air is mixed in both the fuel electrode and the oxidant electrode, in the initial stage when hydrogen is supplied to the gas flow channel on the fuel electrode side, A region where hydrogen exists and a region where hydrogen does not exist are formed. In a region where hydrogen is supplied to the fuel electrode, a reaction similar to that in a normal operation state occurs, and a potential of 0.8 V or more is generated on the oxidant electrode side. Therefore, in the region where hydrogen does not exist in the fuel electrode, the oxidant electrode is opposed to this,
C + 2H 2 O → CO 2 + 4H + + 4e − (1)
This reaction occurs. As a result, the carbon carrier carrying the catalyst such as Pt is corroded, the electrode catalyst of the oxidant electrode is greatly deteriorated, and it becomes a factor of lowering the performance of the subsequent fuel cell. At this time, in the region where the air on the fuel electrode side exists,
O 2 + 4H + + 4e − → 2H 2 O (2)
Reaction occurs and water is generated.
従来の燃料電池システムにおいては、この現象による酸化剤極の劣化を防止するために、短時間(1秒以下)で、燃料極内の水素が存在する領域と存在しない領域の境界(以後、水素/空気フロントと呼称)が、燃料ガス流路中を通過するようにしたものが提案されている(例えば、特許文献1、参照。)。
しかしながら、水素/空気フロントの滞在時間を短縮するためには、燃料ガス入口と出口の圧力差が大きくなるように設定する必要がある。この場合には、電解質膜のそれぞれの主面に形成された極間圧力差の制御が困難となる。そのため、水素/空気フロントの滞在期間の短縮には限界があり、カソード側の炭素の酸化を十分に抑えるのは困難であった。 However, in order to shorten the residence time of the hydrogen / air front, it is necessary to set the pressure difference between the fuel gas inlet and the outlet to be large. In this case, it becomes difficult to control the pressure difference between the electrodes formed on each main surface of the electrolyte membrane. Therefore, there is a limit to shortening the staying period of the hydrogen / air front, and it is difficult to sufficiently suppress the oxidation of carbon on the cathode side.
そこで本発明は、上記問題を鑑みて、酸化剤極の炭素酸化を抑制できる燃料電池および燃料電池システムを提供することを目的とする。 In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a fuel cell and a fuel cell system that can suppress carbon oxidation of an oxidant electrode.
本発明による燃料電池は、電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に隣接し、互いのガス移動が妨げられるように独立して構成された第一カソード電極と、第二カソード電極と、前記電解質膜のもう一方の面に隣接し、少なくとも前記第一カソード電極に重なる領域に設けられた第一アノード電極を備える。また、前記第一カソード電極に隣接して形成された第一カソードガス流路と、前記第二カソードガス電極に隣接して形成された第二カソードガス流路と、前記第一アノード電極に隣接して形成された第一アノードガス流路と、を備える。 A fuel cell according to the present invention includes an electrolyte membrane, a first cathode electrode that is adjacent to one surface of the electrolyte membrane and is independently configured to prevent gas movement between each other, the second cathode electrode, A first anode electrode is provided adjacent to the other surface of the electrolyte membrane and provided at least in a region overlapping the first cathode electrode. A first cathode gas channel formed adjacent to the first cathode electrode; a second cathode gas channel formed adjacent to the second cathode gas electrode; and adjacent to the first anode electrode. A first anode gas flow path formed as described above.
また、本発明による燃料電池システムは、電解質膜と、前記電解質の一方の面に隣接し、互いのガス移動が妨げられるように独立して構成された第一カソード電極と、第二カソード電極と、前記電解質膜のもう一方の面に隣接し、少なくとも前記第一カソード電極に重なる領域に設けられた第一アノード電極と、前記第一カソード電極に隣接して形成された第一カソードガス流路と、前記第二カソードガス電極に隣接して形成された第二カソードガス流路と、前記第一アノード電極に隣接して形成された第一アノードガス流路と、を有する燃料電池を備える。また、前記燃料電池にカソードガスを供給するカソードガス供給手段と、前記燃料電池にアノードガスを供給するアノードガス供給手段と、前記カソードガス供給手段から前記第一カソードガス流路へのカソードガスの導入を選択する第一選択手段を備える。また、前記アノードガス供給手段から前記第一アノードガス流路へのアノードガスの導入を選択する第二選択手段と、前記アノードガス供給手段から前記第二カソードガス流路へのアノードガスの導入を選択する第三選択手段と、を備える。 The fuel cell system according to the present invention includes an electrolyte membrane, a first cathode electrode that is adjacent to one surface of the electrolyte and that is independently configured to prevent gas movement between each other, and a second cathode electrode. A first anode electrode provided in a region adjacent to the other surface of the electrolyte membrane and overlapping at least the first cathode electrode, and a first cathode gas channel formed adjacent to the first cathode electrode And a second cathode gas channel formed adjacent to the second cathode gas electrode, and a first anode gas channel formed adjacent to the first anode electrode. A cathode gas supply means for supplying a cathode gas to the fuel cell; an anode gas supply means for supplying an anode gas to the fuel cell; and a cathode gas supply from the cathode gas supply means to the first cathode gas flow path. First selection means for selecting introduction is provided. A second selection means for selecting introduction of anode gas from the anode gas supply means to the first anode gas flow path; and introduction of anode gas from the anode gas supply means to the second cathode gas flow path. And third selecting means for selecting.
第一カソード電極に独立して第二カソード電極を備え、それぞれにガスを供給する第一カソードガス流路、第二カソードガス流路を備えることで、第一アノードガス流路に水素が存在する領域と水素が存在しない領域が形成された場合に、カソード側に水素を存在させることができるので、触媒の劣化を抑制することができる。 Hydrogen is present in the first anode gas flow path by providing a first cathode gas flow path and a second cathode gas flow path for supplying a gas to each of the second cathode electrodes independently of the first cathode electrode. When a region and a region where no hydrogen exists are formed, hydrogen can be present on the cathode side, so that deterioration of the catalyst can be suppressed.
また、第二カソードガス流路にアノードガスを選択的に供給する第三選択手段を備えることで、アノードにアノードガスを供給する際に第二カソードガス流路にもアノードガスを導入して、触媒の劣化を抑制することができる。 Further, by providing the third selection means for selectively supplying the anode gas to the second cathode gas flow path, when supplying the anode gas to the anode, the anode gas is also introduced into the second cathode gas flow path, Deterioration of the catalyst can be suppressed.
図1を参照して、第1の実施形態による燃料電池スタック(以下、スタック)2を構成する単位セル20の構成について説明する。スタック2は、複数の単位セル20を積層して構成される。
With reference to FIG. 1, the structure of the
単位セル20は、プロトン伝導性を有する電解質膜21と、電解質膜21の両主面に設けられた触媒層22a、22cと、さらにその外側に設けられたガス拡散層23a、23cからなる膜電極接合体(membrane electrode assembly:MEA)24を備える。触媒層22は、カーボン担体に白金(Pt)を担持することにより構成する。ガス拡散層23は、カーボンペーパ、カーボンクロス等より構成する。触媒層22とガス拡散層23により電極層32を構成する。
The
また、単位セル20は、MEA24に隣接し、さらにMEA24に接触する面に溝状のガス流路28を有するセパレータ27と、MEA24の外周に沿って設けられ、ガスの漏洩と電極間の短絡を防ぐガスシール部25を備える。
The
このような単位セル20において、通常運転時には、カソードガス流路28cに酸化剤ガスとしての空気を、アノードガス流路28aには燃料ガスとしての水素を供給し、ガス拡散層23c、23aを介して触媒層22cと22aにそれぞれ酸素と水素を接触させることにより、以下の反応を生じる。
In such a
アノード側 : H2 → 2H+ + 2e- ・・・(3)
カソード側: 2H+ + 1/2O2 + 2e- → H2O ・・・(4)
アノード触媒層22aでは、(3)式に示すように、水素がプロトンと電子に電離する。プロトンは電解質膜21の内部を拡散してカソード触媒層22cに到達し、電子は図示しない外部回路を流れて出力として取り出される。
Anode side: H 2 → 2H + + 2e − (3)
Cathode side: 2H + + 1 / 2O 2 + 2e − → H 2 O (4)
In the
一方、カソード触媒層22cでは、電解質膜21を拡散したプロトンと、図示しない外部回路を介して移動した電子と、空気中の酸素により形成される三相界面上で(4)式に示す反応を生じる。
On the other hand, in the
このような単位セル20を複数積層したスタック2を移動体、例えば自動車の動力源として活用する場合には、起動/停止が頻繁に繰り返される。運転停止中には、スタック2への水素および空気の供給が停止された状態で放置される。または不活性ガス等により充満された状態で放置される。スタック2が長時間放置された場合には、外部から大気が浸入してアノードガス流路28a内に空気が存在する可能性がある。
When the
アノード側に空気が存在する状態からシステムを起動すると、起動初期に単位セル20内は図2に示すような状態となる。
When the system is started from a state where air exists on the anode side, the
カソードガス流路28cには全領域に空気が充満する。また、アノードガス流路28aは、水素が導入されることで、水素が存在する領域Aと空気が存在する領域Cが形成される。アノードガス流路28a内には、水素と空気の界面である水素/空気フロントBが形成される。領域Aにおいては、通常の動作と同様の反応が起り、カソード側には0.8V以上の電位が立つ。つまり、領域Aに局所的に電池が形成される。このようにカソード側が比較的高電圧となることで、水素/空気フロントBを境にして領域C側においては、カソード触媒層22cで前述した(1)式のような反応が、アノード触媒層22aで前述した(2)式のような反応が生じる。つまり、カソード触媒層22cで、Pt触媒を担持するカーボン担体の腐食が生じる。これにより、カソード触媒層22cが大きく劣化し、単位セル20の性能を劣化させる原因となる。
The cathode
そこで本実施形態では、図1に示すように、カソード側に、MEA24に対峙し、かつカソードガス流路28cとは独立したカソード側起動用流路29を設ける。ここでは、カソード側セパレータ27cのMEA24に対峙する面に設けた溝により、カソード側起動用流路29を設ける。カソード側起動用流路29は、アノードガス流路28aと軸が平行となる溝により構成される。また、カソード側起動用流路29は、カソードガス流路28cと軸が平行となる溝により構成される。ここでは、カソード側起動用流路29を連続する一つの溝により構成するが、並列する複数の溝により構成してもよい。また、カソード側起動用流路29を単位セル20の積層面の外縁近傍に設ける。つまり、複数の並列するカソードガス流路28cを形成した領域の外側にカソード側起動用流路29を設ける。
Therefore, in the present embodiment, as shown in FIG. 1, a cathode-side
カソード側起動用流路29は、MEA24の一部に対峙して構成する。ただし、反応ガスの混合を避けるため、カソード触媒層22cとカソードガス拡散層23cよりなるカソード電極層32cを、カソードガス流路28cに対峙する第一カソード電極層321cと、カソード側起動用流路29に対峙する第二カソード電極層322cとに隔離するガスシール部26cを備える。つまり、ガスシール部26cは、積層面方向について第一カソード電極層321cと第二カソード電極層322cの間に配置され、また、積層方向についてカソード側セパレータ27cと電解質膜21の間に配置される。
The cathode-side
なお、図1に示すように、ここでは、単位セル20は、カソード側起動用流路29、第二カソード電極層322cに重なる領域についても、アノード電極層32aおよびアノードガス流路28aを設ける。
As shown in FIG. 1, here, the
次に、図3を参照して、スタック2に空気および水素を供給する燃料電池システム1について説明する。スタック2は、上述した単位セル20を複数積層することにより構成するが、図3では、便宜上、カソード側起動用流路3、カソードガス流路4、アノードガス流路5のみを概略的に描いている。
Next, the
カソードガスとして用いる空気を供給する空気供給装置10を備える。空気供給装置10は、大気を昇圧して所定の圧力まで上昇させるコンプレッサ等により構成される。空気供給装置10の下流は、スタック2のカソードガス流路4側とカソード側起動用流路3側に分岐し、それぞれに空気を導入するか否かを選択するバルブ9、8を備える。
An
なお、図3のカソードガス流路4は、図1に示したカソードガス流路28cと、各単位セル20のカソードガス流路28cに連通する図示しない空気入口マニホールドと空気出口マニホールドよりなる。また、図3のカソード側起動用流路3は、図1に示したカソード側起動用流路29と、各単位セル20のカソード側起動用流路29に連通する図示しないカソード側起動用入口、出口マニホールドよりなる。
3 includes the
また、アノードガスとして用いる水素を供給する水素供給装置11を備える。水素供給装置11は、高圧タンクまたは改質システムおよび圧力調整装置等で構成される。水素供給装置11の下流は、スタック2のアノードガス流路5側とカソード側起動用流路3側に分岐し、それぞれに水素を導入するか否かを選択するバルブ7、6を備える。なお、アノードガス流路5は、図1に示したアノードガス流路28aと、各単位セル20のアノードガス流路28aに連通する図示しない燃料入口マニホールドと燃料出口マニホールドよりなる。
Moreover, the
カソードガス流路4、アノードガス流路5、カソード側流路3それぞれのガスの流通方向を略同一方向とする。特に、各単位セル20内のカソードガス流路28c、アノードガス流路28a、カソード側起動用流路29内のガスの流通方向が並行となるように構成する。
The gas flow directions of the
ここで、水素供給装置11から、カソード側起動用流路3側、アノードガス流路5側に分岐して燃料電池に至るまでのガス配管の長さ、もしくは管断面積(断面半径)は、カソード側起動用流路3およびアノードガス流路5の圧力損失に応じて設定する。例えば、本実施例のように、水素供給装置から燃料電池に至る配管長さは、燃料電池供給装置と燃料電池とのレイアウト関係上が異なる場合が多い。このような場合には後述するように、スタック2の起動時に、バルブ6、7を開くことにより導入された水素が、各単位セル20のカソード側起動用流路29、アノードガス流路28aの入口に略同時に到達し、かつそれらの内部を略同じ速さで進むように前記管断面積(断面半径)を設定することが好ましい。
Here, the length of the gas pipe from the
また、反応ガスの供給を制御するコントロールユニット12を備える。コントロールユニット12は、空気供給装置10、水素供給装置11、バルブ6〜9の開度を制御することにより、スタック2に供給する反応ガスを制御する。コントロールユニット12は、中央演算ユニット(CPU)、ランダムアクセスメモリ(RAM)、リードオンリーメモリ(ROM)、および入出力インターフェース(I/Oインターフェース)を有するマイクロコンピュータで構成される。コントロールユニット12を複数のマイクロコンピュータで構成することも可能である。
Moreover, the
次に、図4のフローチャートを参照して、スタック2の起動方法について説明する。
Next, a method for starting the
スタック2の起動を指示する信号が検知されたら、ステップS1でバルブ6、7を同時に開くことによりカソード側起動用流路3、アノードガス流路5への水素の供給を開始する。次に、ステップS2において、水素の供給を開始してからの経過時間t1をカウントする。ステップS3において、経過時間t1が所定時間taに達したか否かを判断する。ここで、所定時間taを、単位セル20内のアノードガス流路28a全体に水素が行き渡るのに要する時間、またはそれ以上の時間とする。
When a signal instructing activation of the
経過時間t1が所定時間taに達するまでカウントを継続し、所定時間taが経過したら、ステップS4でバルブ6を閉として、カソード側起動用流路3への水素の導入を終了する。次に、ステップS5で、バルブ8を開くことにより、カソード側起動用流路3に空気を導入して、カソード側起動用流路3に残留する水素をパージする。
Elapsed time t 1 continues counting until the predetermined time t a, When a predetermined time t a has passed, the closing
ステップS6において、パージを開始してからの経過時間t2をカウントする。次に、ステップS7において、経過時間t2が所定時間tbに達したか否かを判断する。ここで、所定時間tbは、単位セル20内のカソード側起動用流路29全域について水素をパージするのに要する時間であり、予め実験等により求めておく。
In step S6, it counts the elapsed time t 2 from the start of purge. Next, in step S7, the elapsed time t 2 it is determined whether or not reached a predetermined time t b. Here, the predetermined time t b is a time required for purging hydrogen in the entire cathode-side
パージ開始から所定時間tbが経過するまでカウントを継続し、所定時間tbが経過したら、ステップS8でバルブ8を閉じてパージを終了する。次に、ステップS9においてバルブ9を開いて、カソードガス流路4への空気の導入を開始し、起動制御を終了する。
Continue counting from the purge start until the predetermined time t b elapses, when the predetermined time t b is passed to end the purge by closing the
なお、本ルーチンでは、空気供給装置10、水素供給装置11の制御については記載していないが、起動時の水素および空気の流量や、カソード側起動用流路29をパージする際の空気流量は、予め実験等により設定しておき、これに応じて空気供給装置10、水素供給装置11の制御を行う。
In this routine, the control of the
また、ステップS2とステップS6では、カウントの間隔をt0としているが、これは同じである必要はなく、ステップS2、S6それぞれが繰り返される時間に応じて設定すればよい。 Further, in steps S2 and S6, but the interval count is set to t 0, which need not be the same, step S2, S6 may be set according to the time each repeated.
次に、図5を参照して、上述した制御を行った場合の単位セル20内の状態を説明する。
Next, the state in the
起動前は、図5(a)に示すようにカソード側起動用流路29、カソードガス流路28c、アノードガス流路28a内には酸素が存在する。起動を開始して、図5(b)に示すようにカソード側起動用流路29とアノードガス流路28aに同時に水素を導入する。このとき、第二カソード電極層322cに水素が存在し、水素の酸化反応を生じることでカーボンの腐食反応が抑制される。その後、アノードガス流路28a全体に水素が行き渡ったら、図5(c)に示すようにカソード側起動用流路29の水素が空気によりパージされ、カソードガス流路28cに空気が導入される。
Before startup, oxygen is present in the cathode
なお、本実施形態では、水素がアノードガス流路28a内に行き渡ったか否かを、水素の供給を開始してからの経過時間t1により判断したがこの限りではない。アノードガス流路28aの出口、またはその近傍に水素センサを備え、水素センサにより水素が検知されたらアノードガス流路28aに水素が行き渡ったと判断してもよい。
In the present embodiment, whether hydrogen is prevailing in the
また、パージの終了をパージ開始からの経過時間t2により判断しているがこの限りではない。カソード側起動用流路29の出口、またはその近傍に水素センサを備え、水素が検出されなくなったらパージ終了を判断してもよい。
Further, although judged not limited by the elapsed time t 2 from the purge start the end of the purge. A hydrogen sensor may be provided at or near the outlet of the cathode side
また、カソード側起動用流路29の水素をパージするラインとバルブ8とプロセスを設けたが、これは省略することもできる。つまり空気供給装置10の下流側をカソードガス流路4のみに接続して構成してもよい。この場合には、カソードガス流路4に空気が導入されることにより、カソード側起動用流路29内の水素が消費される。ただし、パージを行うことで、起動時間を短縮することができる。
Further, although a line for purging hydrogen in the cathode side
さらに、本実施形態では、停止時には、バルブ7とアノードガス流路28aの下流に設けた図示しないバルブによりアノードガス流路28aを閉塞した状態で放置する。ただし、この限りではなく、停止時にアノードガス流路28a内の水素をパージしてもよい。
Furthermore, in the present embodiment, at the time of stopping, the anode
停止時に、水素のパージを行う場合には、空気供給装置10の下流をアノードガス流路5側に分岐し、アノードガス流路5に選択的に空気を導入するバルブ15(図示せず)を備える。そして、燃料電池システム1停止時には、まず、バルブ7、9を閉じて、アノードガス流路5、カソードガス流路4への水素および空気の供給を終了する。次に、バルブ6を開いてカソード側起動用流路3に水素を供給し、カソード側起動用流路3に水素が行き渡ったらバルブ6を閉じる。次に、バルブ8とバルブ15(図示せず)を開いて、カソード側起動用流路3とアノードガス流路5に同時に空気を導入し、スタック2内に残存する水素をパージする。水素がパージされたら、バルブ8と15(図示せず)を閉じて停止制御を終了する。これにより、停止時にカソード側の腐食反応を抑制しながら、アノードガス流路5の水素をパージすることができる。
When purging hydrogen when stopping, a valve 15 (not shown) for branching the downstream of the
次に本実施形態の効果について説明する。 Next, the effect of this embodiment will be described.
スタック2を構成する単位セル20は、電解質膜21と、電解質膜21の一方の面に隣接し、互いのガス移動が妨げられるように独立して構成された第一カソード電極層321cと、第二カソード電極層322cと、電解質膜21のもう一方の面に隣接し、少なくとも第一カソード電極層321cに重なる領域に設けられたアノード電極層32aを備える。また、第一カソード電極層321cに隣接して形成されたカソードガス流路28cと、第二カソードガス電極層322cに隣接して形成されたカソード側起動用流路29と、アノード電極層32aに隣接して形成されたアノードガス流路28aと、を備える。このように第一カソード電極層321cに独立した第二カソード電極層322cを備えることで、アノードガス流路28a内に水素/空気フロントBが形成される際に、カソード側に水素を存在させることができるので、カソード側のカーボン腐食反応を抑制することができる。
The
燃料電池システム1は、このようなスタック2と、スタック2に空気を供給する空気供給装置10と、スタックに水素を供給する水素供給装置11と、空気供給装置10からカソードガス流路28c(4)への空気の導入を選択するバルブ9を備える。また、水素供給装置11からアノードガス流路28a(5)への水素の導入を選択するバルブ7と、水素供給装置11からカソード側起動用流路29(3)への水素の導入を選択するバルブ6と、を備える。このように、第一カソード電極層321cに独立した第二カソード電極層322cを備えた単位セル20を有するスタック2に、第二カソード電極層322cに隣接するカソード側起動用流路29(3)に選択的に水素を導入可能な構成とする。これにより、水素/空気フロントBが形成される際に、カソード側に水素を導入してカソード腐食反応が生じるのを抑制することができる。
The
また、起動時には、水素供給装置11からアノードガス流路28a(4)とカソード側起動用流路29(3)へ水素を供給し、アノードガス流路28a全体にアノードガスが導入された後に、カソード側起動用流路29(3)への水素の供給を停止する。このように、起動時に、単位セル20内のカソード側起動用流路29に水素が存在することにより、アノードガス流路28a内で水素/空気フロントBが形成された場合にも、腐食反応を抑制することができる。
Further, at the time of startup, hydrogen is supplied from the
また、空気供給装置10からカソード側起動用流路29(3)への空気の導入を選択するバルブ8を備え、単位セル20内のアノードガス流路28a全体にアノードガスが導入された後に、カソード側起動用流路29(3)への水素の供給を停止して、カソード側起動用流路29(3)に空気を導入して水素をパージする。これにより、速やかに起動制御を終了することができる。
In addition, a
また、第二カソード電極層322cを、アノード電極層32aの一部と積層方向に重なるように構成するとともに、アノードガス流路28aとカソード側起動用流路29を互いに並行に構成する。このようなスタック2に対して、起動時に、水素供給装置11から、アノードガス流路28aとカソード側起動用流路29とに略同時に水素を流通させる。これにより、流路断面内でアノード側のみに水素が存在するのを避け、カソード側に水素が存在せずにカーボンの腐食反応が生じるのを抑制することができる。
In addition, the second
次に、図6を参照して、第2の実施形態について説明する。以下、第1の実施形態と異なる部分を中心に説明する。 Next, a second embodiment will be described with reference to FIG. Hereinafter, a description will be given centering on differences from the first embodiment.
単位セル20のアノード側において、カソード側起動用流路29に対向する位置にガスシール部31aを設ける。ここでは、ガスシール部31aを、カソード側のガスシール部26c、25cと、これらに挟まれた第二カソード電極層322cに積層方向に重なる領域に設ける。またガスシール部31aは、積層方向については、電解質膜21とアノード側セパレータ27aとの間に挟まれて配置される。つまり、カソード側起動用流路29からガスが供給される第二カソード電極層322cに重なる領域にはアノード電極層32aを設けず、電極反応が生じないように構成する。
On the anode side of the
次に、図7を参照して、このような単位セル20を積層したスタック2の起動方法を説明する。
Next, with reference to FIG. 7, a method of starting the
ステップS11で、バルブ6を開く。これによりカソード側起動用流路3に水素を導入する。ステップS12で、バルブ7を開くことによりアノードガス流路5に水素を導入する。以下、ステップS13〜S20にかけては、ステップS2〜S9と同様とする。
In step S11, the
このように制御した際の単位セル20の状態を図8に示す。
The state of the
図8(a)に示すように、起動制御を開始する前には、各流路28、29内には酸素が存在する。起動制御開始後、カソード側起動用流路29に水素を導入することにより、図8(b)に示す状態となる。ここで、カソードガス流路28cと、カソード側起動用流路29は、第一、第二カソード電極層321c、322cを介して電解質膜21で連続している。そのため、カソード側起動用流路29に重なる第二カソード電極層322cでは、式(3)の反応によりプロトンが生じる。プロトンは、電解質膜21を通って、カソードガス流路28cに重なる第一カソード電極層321cに到達し、ここで式(4)の反応が生じる。このとき、カソード側の電位は、水素酸化電流と酸素還元電流とが釣り合った図9に示す混成電位になる。
As shown in FIG. 8A, oxygen is present in each of the
図9に示すように、水素酸化反応は、酸素還元反応より進行し易いので、混成電位はカソード側に空気が単独に存在する電位よりも遥かに小さくなる。また、図10に示すように、カーボン腐食反応は高電圧となるほど生じ易くなる。混成電位が形成された後、アノードガス流路28aに水素を供給する際に、水素/空気フロントBが形成されても、カソード側の電位が小さいためにカーボン腐食反応が抑制される。
As shown in FIG. 9, since the hydrogen oxidation reaction proceeds more easily than the oxygen reduction reaction, the hybrid potential is much smaller than the potential at which air alone exists on the cathode side. Also, as shown in FIG. 10, the carbon corrosion reaction is more likely to occur as the voltage increases. Even when the hydrogen / air front B is formed when hydrogen is supplied to the
次に、図8(c)に示すように、カソード側起動用流路29内の水素をパージし、アノードガス流路28aに水素を導入して起動制御を終了し、通常運転に移行する。
Next, as shown in FIG. 8 (c), the hydrogen in the cathode
なお、本実施形態では、停止時には、バルブ7と、アノードガス流路28aの下流に設けた図しないバルブにより、アノードガス流路28aを閉塞した状態で放置する。ただし、この限りではなく、停止時にアノードガス流路28a内の水素をパージしてもよい。
In this embodiment, at the time of stop, the anode
停止時に、水素のパージを行う場合には、空気供給装置10の下流をアノードガス流路5側に分岐し、アノードガス流路5に選択的に空気を導入するバルブ15(図示せず)を備える。そして、燃料電池システム1停止時には、まず、バルブ9とバルブ7を閉じて、スタック2への空気と水素の供給を停止する。次にバルブ6を開いて、カソード側起動用流路3に水素を導入する。単位セル20内のカソード側起動用流路29全体に水素が行き渡ったら、バルブ6を閉じて水素の供給を停止する。次にバルブ15(図示せず)を開くことによりアノードガス流路5に空気を導入して、残留する水素のパージを行う。単位セル20内のアノードガス流路28aの水素がパージされたら、バルブ15(図示せず)を閉じ、バルブ8を開くことによりカソード側起動用流路3に空気を導入して水素をパージする。単位セル20内のカソード側起動用流路29内の水素がパージされたら、停止制御を終了する。これにより、停止時に水素のパージを行うことにより生じるカソード側の腐食反応を抑制することができる。
When purging hydrogen when stopping, a valve 15 (not shown) for branching the downstream of the
次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第1の実施形態と異なる効果のみを説明する。 Next, the effect of this embodiment will be described. Only the effects different from those of the first embodiment will be described below.
アノード電極層32aを、第一カソード電極層321cに重なる領域のみに形成する。これにより、カソード側の電位が、水素酸化電流と酸素還流電流とが釣り合う混成電位となるので、アノードガス流路28a内に水素/空気フロントBが発生しても、カーボンの腐食反応の駆動電位が小さくなるので、カソード触媒層22cの劣化を抑制することができる。
The
また、第二カソード電極層322cを、アノード電極層32aと重なる領域の外部に構成し、起動時に、水素供給装置11からカソード側起動用流路29に水素を供給した後、アノードガス流路28aに水素を供給する。これにより、カソード側起動用流路29とアノードガス流路28aへの水素の供給を同時にする必要がなくなるので、起動時の制御を容易にすることができる。
Further, the second
次に、図11を参照して、第3の実施形態について説明する。以下、第1の実施形態と異なる部分を中心に説明する。 Next, a third embodiment will be described with reference to FIG. Hereinafter, a description will be given centering on differences from the first embodiment.
単位セル20のアノード側の、カソード側起動用流路29に対向する位置にアノード側起動用流路30を設ける。また、アノード電極層32aを、アノードガス流路28aに重なる第一アノード電極層321aと、アノード側起動用流路30に重なる第二アノード電極層322aとの隔壁となるガスシール部26aを備える。ガスシール部26aは、アノード側起動用流路30とアノードガス流路28aそれぞれを流通するガスの混合を妨げる役割を担う。
An anode-
次に、図12を参照して、スタック2に空気および水素を供給するシステムについて説明する。スタック2は、上述した単位セル20を複数積層することにより構成するが、図12では、便宜上、カソード側起動用流路3、カソードガス流路4、アノードガス流路5、アノード側起動用流路13のみを概略的に描いている。
Next, a system for supplying air and hydrogen to the
水素供給装置11の下流側をアノード側起動用流路13に接続し、水素をアノード側起動用流路13に導入するか否かを選択するバルブ14を備える。なお、アノード側起動用流路13は、アノード側起動用流路30と、各単位セル20のアノード側起動用流路30に接続する図示しないアノード側起動用入口、出口マニホールドからなる。
A downstream side of the
次に、図13のフローチャートを参照して、このようなスタック2の起動方法について説明する。
Next, a method for starting the
ステップS21において、バルブ6と14を同時に開く。これにより、カソード側起動用流路3とアノード側起動用流路13に水素が供給される。このとき、単位セル20内部のアノード側起動用流路30をカソード側起動用流路29との本数を同じとすることで、流路抵抗を略同じとする。また、各単位セル20のカソード側起動用流路29とアノード側起動用流路30のそれぞれの入口を、水素供給装置11の吐出口からの距離が略同じ位置に設けることができる。そのため、カソード側起動用流路29とアノード側起動用流路30には、水素を比較的容易に同時に導入することができる。そのため、カソード側、アノード側の両方で、カーボン腐食反応が生じるのを抑制することができる。
In step S21, the
次に、ステップS22において、バルブ7を開くことによりアノードガス流路5に水死を供給する。このとき、既にカソード側に水素が供給されているので、主にカーボン腐食反応より生じ易い水素の酸化反応が生じる。
Next, in step S <b> 22, water death is supplied to the anode
ステップS23、S24において、アノードガス流路5への水素の供給を所定時間ta行って、アノードガス流路28a(5)全体に水素が行き渡ったら、ステップS25で、バルブ6と14を閉じる。これにより、カソード側起動用流路3、アノード側起動用流路13への水素の供給を終了する。次に、ステップS26でバルブ8を開くことにより、カソード側起動用流路3に空気を導入して残留する水素をパージする。
In steps S23 and S24, the supply of hydrogen to the anode
ステップS27、S28で所定時間tb、パージを継続したら、ステップS29において、バルブ8を閉じる。これによりパージを終了し、ステップS30でバルブ9を開くことによりカソードガス流路4に空気を導入して、通常運転に移行する。
If purging is continued for a predetermined time t b in steps S27 and S28, the
このように制御した際の単位セル20の状態を図14に示す。
The state of the
図14(a)に示すように、起動制御を開始する前には、各流路28、29、30内には酸素が存在する。起動制御開始後、図14(b)に示すように、スタック2のカソード側起動用流路29とアノード側起動用流路30に、同時に水素を供給した後に、アノードガス流路28aに水素を供給する。これにより、水素をアノードガス流路28aに供給した際に、カソード触媒層22cでカーボンの腐食反応が発生するのを抑制することができる。その後、図14(c)に示すようにカソード側起動用流路29の水素を空気によってパージし、カソードガス流路28cに空気を導入する。
As shown in FIG. 14A, oxygen is present in each of the
このような制御を行った場合には、図15に示すように、起動停止の制御を繰り返し行った場合に、スタック2の性能低下を抑制することができる。なお、図15における従来例では、起動時にアノードガス流路に水素を、カソードガス流路に空気を同時に導入した場合を示している。
When such control is performed, as shown in FIG. 15, the performance degradation of the
なお、本実施形態では、停止時には、バルブ7とアノードガス流路28aの下流に設けた図示しないバルブにより、アノードガス流路28aを閉塞した状態で放置する。ただし、この限りではなく、停止時にアノードガス流路28a内の水素をパージしてもよい。
In the present embodiment, at the time of stopping, the anode
停止時に、水素のパージを行う場合には、空気供給装置10の下流でアノードガス流路5側に分岐する流路を設け、さらに、アノードガス流路5に選択的に空気を導入するバルブ15(図示せず)を備える。また、空気供給装置10の下流でアノード側起動用流路13に分岐する流路を設け、さらに、アノード側起動用流路13に選択的に空気を導入するバルブ16(図示せず)を備える。そして、燃料電池システム1停止時には、まず、バルブ9とバルブ7を閉じて、スタック2への空気と水素の供給を停止する。次にバルブ6と14を開いて、カソード側起動用流路3、アノード側起動用流路13に水素を導入する。カソード側起動用流路29(3)とアノード側起動用流路30(13)全体に水素が行き渡ったら、バルブ6と14を閉じて水素の供給を停止する。次にバルブ15(図示せず)を開くことによりアノードガス流路5に空気を導入して、残留する水素のパージを行う。アノードガス流路28a(5)の水素がパージされたら、バルブ15(図示せず)を閉じ、バルブ8とバルブ16(図示せず)を開くことによりカソード側起動用流路3とアノード側起動用流路13に略同時に空気を導入して水素をパージする。カソード側起動用流路29(3)およびアノード側起動用流路30(13)内の水素がパージされたら、バルブ8とバルブ16(図示なし)を閉じて停止制御を終了する。このように制御することで、停止時に水素のパージを行うことにより生じる腐食反応を抑制することができる。
When purging hydrogen at the time of stoppage, a flow path that branches to the anode
次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第1の実施形態と異なる効果のみを説明する。 Next, the effect of this embodiment will be described. Only the effects different from those of the first embodiment will be described below.
第二カソード電極層322cに重なる領域に設けられ、第一アノード電極層321aとの間のガス移動が妨げられるように独立して構成された第二アノード電極層322aと、第二アノード電極層322aに隣接して形成されたアノード側起動用流路30と、を備える。ここでは、さらに、水素供給装置11からアノード側起動用流路30への水素の導入を選択するバルブ14を備え、起動時には、水素供給装置11からカソード側起動用流路29とアノード側起動用流路30に水素を供給した後、アノードガス流路28aに水素を導入する。なお、カソード側起動用流路29とアノード側起動用流路30とを互いに並行に構成し、起動時に、水素供給装置11からカソード側起動用流路29とアノード側起動用流路30に略同時に水素を流通させる。このように構成することで、アノード側とカソード側とに、比較的容易に同時に水素を供給することができるので、さらに触媒層22の劣化を抑制することができる。
A second
なお、本発明は、上記発明を実施するための最良の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術思想の範囲内で、様々な変更を為し得ることはいうまでもない。 The present invention is not limited to the best mode for carrying out the invention, and it goes without saying that various modifications can be made within the scope of the technical idea described in the claims. Absent.
本発明は、燃料電池に適用することができる。特に、起動と停止を繰り返し行う自動車の駆動源として搭載される燃料電池システムに適用することで、適切な効果を得ることができる。 The present invention can be applied to a fuel cell. In particular, an appropriate effect can be obtained by applying to a fuel cell system mounted as a driving source of an automobile that repeatedly starts and stops.
1 燃料電池システム
2 スタック
3、29 カソード側起動用流路(第二カソードガス流路)
4、28c カソードガス流路(第一カソードガス流路)
5、28a アノードガス流路(第一アノードガス流路)
6 バルブ(第三選択手段)
7 バルブ(第二選択手段)
8 バルブ(第四選択手段)
9 バルブ(第一選択手段)
10 空気供給装置(カソードガス供給手段)
11 水素供給装置(アノードガス供給手段)
12 コントロールユニット
13、30 アノード側起動用流路(第二アノードガス流路)
14 バルブ(第五選択手段)
21 電解質膜
321c 第一カソード電極層
322c 第二カソード電極層
321a 第一アノード電極層
322a 第二アノード電極層
1
4, 28c Cathode gas flow path (first cathode gas flow path)
5, 28a Anode gas flow path (first anode gas flow path)
6 Valve (third selection means)
7 Valve (second selection means)
8 Valve (fourth selection means)
9 Valve (first selection means)
10 Air supply device (cathode gas supply means)
11 Hydrogen supply device (anode gas supply means)
12
14 Valve (5th selection means)
21
Claims (10)
前記電解質膜の一方の面に隣接し、互いのガス移動が妨げられるように独立して構成された第一カソード電極と、第二カソード電極と、
前記電解質膜のもう一方の面に隣接し、少なくとも前記第一カソード電極に重なる領域に設けられた第一アノード電極と、
前記第一カソード電極に隣接して形成された第一カソードガス流路と、
前記第二カソードガス電極に隣接して形成された第二カソードガス流路と、
前記第一アノード電極に隣接して形成された第一アノードガス流路と、を備えることを特徴とする燃料電池。 An electrolyte membrane;
A first cathode electrode adjacent to one surface of the electrolyte membrane and independently configured to prevent mutual gas movement; and a second cathode electrode;
A first anode electrode provided in a region adjacent to the other surface of the electrolyte membrane and overlapping at least the first cathode electrode;
A first cathode gas passage formed adjacent to the first cathode electrode;
A second cathode gas channel formed adjacent to the second cathode gas electrode;
A fuel cell comprising: a first anode gas flow path formed adjacent to the first anode electrode.
前記第二アノード電極に隣接して形成された第二アノードガス流路と、を備える請求項2に記載の燃料電池。 A second anode electrode provided in a region overlapping the second cathode electrode, and configured independently so as to prevent gas movement with the first anode electrode;
The fuel cell according to claim 2, further comprising a second anode gas channel formed adjacent to the second anode electrode.
前記電解質の一方の面に隣接し、互いのガス移動が妨げられるように独立して構成された第一カソード電極と、第二カソード電極と、
前記電解質膜のもう一方の面に隣接し、少なくとも前記第一カソード電極に重なる領域に設けられた第一アノード電極と、
前記第一カソード電極に隣接して形成された第一カソードガス流路と、
前記第二カソードガス電極に隣接して形成された第二カソードガス流路と、
前記第一アノード電極に隣接して形成された第一アノードガス流路と、を備えた燃料電池と、
前記燃料電池にカソードガスを供給するカソードガス供給手段と、
前記燃料電池にアノードガスを供給するアノードガス供給手段と、
前記カソードガス供給手段から前記第一カソードガス流路へのカソードガスの導入を選択する第一選択手段と、
前記アノードガス供給手段から前記第一アノードガス流路へのアノードガスの導入を選択する第二選択手段と、
前記アノードガス供給手段から前記第二カソードガス流路へのアノードガスの導入を選択する第三選択手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。 An electrolyte membrane;
A first cathode electrode adjacent to one side of the electrolyte and independently configured to prevent mutual gas movement; and a second cathode electrode;
A first anode electrode provided in a region adjacent to the other surface of the electrolyte membrane and overlapping at least the first cathode electrode;
A first cathode gas passage formed adjacent to the first cathode electrode;
A second cathode gas channel formed adjacent to the second cathode gas electrode;
A fuel cell comprising: a first anode gas channel formed adjacent to the first anode electrode;
A cathode gas supply means for supplying a cathode gas to the fuel cell;
An anode gas supply means for supplying an anode gas to the fuel cell;
First selection means for selecting introduction of cathode gas from the cathode gas supply means to the first cathode gas flow path;
Second selection means for selecting introduction of anode gas from the anode gas supply means to the first anode gas flow path;
And a third selection means for selecting introduction of the anode gas from the anode gas supply means to the second cathode gas flow path.
前記第一アノードガス流路全体にアノードガスが導入された後に、前記第二カソードガス流路へのアノードガスの供給を停止する請求項4に記載の燃料電池システム。 At startup, anode gas is supplied from the anode gas supply means to the first anode gas channel and the second cathode gas channel,
5. The fuel cell system according to claim 4, wherein the supply of the anode gas to the second cathode gas flow channel is stopped after the anode gas is introduced into the entire first anode gas flow channel.
前記第一アノードガス流路全体にアノードガスが導入された後に、前記第二カソードガス流路へのアノードガスの供給を停止して、前記第二カソードガス流路にカソードガスを導入してアノードガスをパージする請求項5に記載の燃料電池システム。 Comprising fourth selection means for selecting introduction of cathode gas from the cathode gas supply means to the second cathode gas flow path;
After the anode gas is introduced into the entire first anode gas channel, the supply of the anode gas to the second cathode gas channel is stopped, and the cathode gas is introduced into the second cathode gas channel to The fuel cell system according to claim 5, wherein the gas is purged.
前記第一アノードガス流路と前記第二カソードガス流路を互いに並行に構成し、
起動時に、前記アノードガス供給手段から、前記第一アノードガス流路と前記第二カソードガス流路とに略同時にアノードガスを流通させる請求項5または6に記載の燃料電池システム。 The second cathode electrode is configured to overlap a part of the first anode electrode in the stacking direction,
The first anode gas flow path and the second cathode gas flow path are configured in parallel with each other,
The fuel cell system according to claim 5 or 6, wherein an anode gas is allowed to flow from the anode gas supply means to the first anode gas flow path and the second cathode gas flow path substantially simultaneously at the time of startup.
起動時に、前記アノード供給手段から、前記第二カソードガス流路にアノードガスを供給した後、前記第一アノードガス流路にアノードガスを供給する請求項5または6に記載の燃料電池システム。 The second cathode electrode is configured outside the region overlapping the first anode electrode,
The fuel cell system according to claim 5 or 6, wherein an anode gas is supplied from the anode supply means to the second cathode gas flow channel and then supplied to the first anode gas flow channel at the time of startup.
前記第二アノード電極に隣接して形成された第二アノードガス流路と、を備え、
さらに、前記アノードガス供給手段から前記第二アノードガス流路へのアノードガスの導入を選択する第五選択手段を備え、
起動時には、前記アノード供給手段から前記第二カソードガス流路と前記第二アノードガス流路にアノードガスを供給した後、前記第一アノードガス流路にアノードガスを導入する請求項5に記載の燃料電池システム。 The fuel cell is provided in a region overlapping the second cathode electrode, and is independently configured to prevent gas movement between the first anode electrode and the second anode electrode,
A second anode gas flow path formed adjacent to the second anode electrode,
And a fifth selection means for selecting introduction of anode gas from the anode gas supply means to the second anode gas flow path,
6. The anode gas is introduced into the first anode gas flow path after the anode gas is supplied from the anode supply means to the second cathode gas flow path and the second anode gas flow path at startup. Fuel cell system.
起動時に、前記アノード供給手段から前記第二カソードガス流路と前記第二アノードガス流路に略同時にアノードガスを流通させる請求項9に記載の燃料電池システム。 The second cathode gas flow path and the second anode gas flow path are configured in parallel with each other,
10. The fuel cell system according to claim 9, wherein an anode gas is circulated from the anode supply means to the second cathode gas flow channel and the second anode gas flow channel substantially simultaneously during startup.
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