JP2006092793A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池システムの改良に関する。特に、起動/停止時の燃料電池の劣化を抑制するための制御方法に関する。 The present invention relates to an improvement in a fuel cell system. In particular, the present invention relates to a control method for suppressing deterioration of a fuel cell at start / stop.
従来の燃料電池として、複数の分割された分割電極を平面に並べて単位セルを積層して構成されたものが知られている。分割電極により構成された燃料極と酸化剤極により、一枚からなるマトリックスを狭持している。燃料ガスと空気の混合がマトリックスにて防止され、分割電極間は反応面内を仕切り板等の部材を用いなくとも、電気容量の低下及びコストの増大を招くことなく、組み立て時におけるハンドリング性を向上している(例えば、特許文献1、参照)。 2. Description of the Related Art As a conventional fuel cell, a battery configured by stacking unit cells by arranging a plurality of divided electrodes on a plane is known. A single-layer matrix is sandwiched between the fuel electrode and the oxidant electrode formed by the divided electrodes. Mixing of fuel gas and air is prevented by the matrix, and handling performance at the time of assembly is reduced without causing a decrease in electric capacity and an increase in cost without using a partition plate or the like in the reaction surface between the divided electrodes. (For example, refer to Patent Document 1).
燃料電池の起動/停止時には、燃料極側の反応ガス流路において、燃料ガスと酸化剤ガスが混在して局部電池が形成されることにより、触媒層の劣化反応が生じる。特に、燃料ガス流路と酸化剤ガス流路が並行に構成された場合には、酸化剤極流路出口側における触媒層劣化が顕著になる傾向があり、燃料電池耐久性を決める要因の一つとなっている。 When the fuel cell is started / stopped, the fuel cell and the oxidant gas are mixed in the reaction gas channel on the fuel electrode side to form a local cell, thereby causing a deterioration reaction of the catalyst layer. In particular, when the fuel gas flow path and the oxidant gas flow path are configured in parallel, the deterioration of the catalyst layer on the outlet side of the oxidant electrode flow path tends to become remarkable, which is one of the factors that determine the fuel cell durability. It has become one.
上記従来技術においては、各分割電極間が電気的に接続しているため、従来の燃料電池と同様に、起動/停止時に触媒層の劣化反応を抑制することが困難であった。 In the prior art described above, since the divided electrodes are electrically connected, it is difficult to suppress the deterioration reaction of the catalyst layer at the time of starting / stopping as in the case of the conventional fuel cell.
そこで、本発明は、上記問題を鑑みて、触媒層の劣化反応を抑制することができる燃料電池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 that can suppress a deterioration reaction of a catalyst layer.
本発明は、電解質膜の両主面に触媒層を有し、さらにその両側に燃料ガス拡散電極および酸化剤ガス拡散電極をそれぞれ配置してなる膜電極接合体と、前記燃料ガス拡散電極および酸化剤ガス拡散電極にそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスを供給するためのガス流路を備えたセパレータと、を有する燃料電池を備え、前記燃料ガス拡散電極、前記酸化剤ガス拡散電極、および前記セパレータを、燃料ガスの流れ方向対してほぼ垂直に、絶縁部材により複数に分割された分割体により構成する。 The present invention provides a membrane electrode assembly having catalyst layers on both main surfaces of an electrolyte membrane, and a fuel gas diffusion electrode and an oxidant gas diffusion electrode disposed on both sides thereof, and the fuel gas diffusion electrode and the oxidation membrane. And a separator having gas flow paths for supplying fuel gas and oxidant gas to the oxidant gas diffusion electrode, respectively, the fuel gas diffusion electrode, the oxidant gas diffusion electrode, and the separator. In addition, it is constituted by a divided body divided into a plurality of parts by an insulating member substantially perpendicularly to the flow direction of the fuel gas.
燃料ガス拡散電極、酸化剤ガス拡散電極、およびセパレータを、燃料ガスの流れ方向に対してほぼ垂直に、絶縁部材により複数に分割された分割体により構成する。これにより、分割体間の電子の移動を妨げることができるので、触媒層の劣化反応を抑制することができる。 The fuel gas diffusion electrode, the oxidant gas diffusion electrode, and the separator are configured by a divided body that is divided into a plurality of portions by an insulating member substantially perpendicular to the flow direction of the fuel gas. Thereby, since the movement of the electrons between divided bodies can be prevented, the deterioration reaction of the catalyst layer can be suppressed.
図1、図2を参照して、本発明の第1の実施形態について説明する。図1に燃料電池スタック1の概略構成を、図2に、局部電池の発生状況を示す。
A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 shows a schematic configuration of the
図1に示すように、燃料電池スタック1を、複数の単位セル2を積層して構成する。単位セル2は、高分子電解質膜4の一方の面に、触媒層5aとガス拡散電極6aよりなる燃料極14aを、もう一方の面に触媒層5cとガス拡散電極6cよりなる酸化剤極14cを接合した膜電極接合体16を備える。膜電極接合体16の一方の面には、燃料ガスを流通する燃料ガス流路7を設けたセパレータ3aを備え、ガス拡散電極6aを介して触媒層5aに燃料ガスを供給する。もう一方の面には、酸化剤ガスを流通する酸化剤ガス流路8を設けたセパレータ3cを備え、ガス拡散電極6cを介して触媒層5cに酸化剤ガスを供給する。図1に示すように、燃料ガス流路7と酸化剤ガス流路8を、互いに平行に構成する。また、燃料ガス流路7と酸化剤ガス流路8の入口部および出口部を、互いに積層方向に略重なる位置に設け、通常の運転時には、燃料ガスと酸化剤ガスが略同一方向に流通するように構成する。さらに、単位セル2は、膜電極接合体16の外縁に沿ってシール9を備え、電極14aと14cの間の短絡を防止するとともに、反応ガスの混合を防止する。
As shown in FIG. 1, the
燃料極14aのガス拡散電極6aを、燃料ガス流路7の流れ方向に略垂直に分割した分割電極61aにより構成する。また、カソード側のガス拡散電極6cを、酸化剤ガス流路8の流れ方向に略垂直に分割した分割電極61cにより構成する。ここでは、ガス拡散電極6aを構成する分割電極61aと、ガス拡散電極6cを構成する分割電極61cは、略同形状に分割される。
The
また、アノード側のセパレータ3aを燃料ガス流路7の流れ方向に垂直に分割した分割セパレータ31aにより構成する。また、カソード側のセパレータ3cを酸化剤ガス流路8の流れ方向に略垂直に分割した分割セパレータ31cにより構成する。ここでは、セパレータ3aを構成する分割セパレータ31aと、セパレータ3cを構成する分割セパレータ31cは、略同形状に分割される。
Further, the anode-
さらに、ガス拡散電極6aとセパレータ3aは、燃料ガス流路7の流路軸方向について同じ箇所で分割される。また、ガス拡散電極6cとセパレータ3cは、酸化剤ガス流路8の流路軸方向について同じ箇所で分割される。
Further, the
つまり、セパレータ3aと3cおよびガス拡散電極6aと6cを、反応ガスの流れ方向について、複数に分割して構成する。言い換えれば、積層方向に重ねられた分割セパレータ31aと31cおよび分割電極61aと61cは、反応ガス流路7と8の流れ方向に関する長さが同一となる。また、ガス拡散電極6とセパレータ3の分割部分には、分割電極61および分割セパレータ31間の電気絶縁性を保つために、絶縁部材10を備える。分割セパレータ31a、31cおよび分割電極61a、61cにより分割体17a、17cを構成し、複数の分割体17a、17cを絶縁体10を介して配置することで、単位セル2を構成する。
That is, the
このような分割体17a、17cは、積層された単位セル2間でも同形状とし、分割体17a、17cが積層されて分割スタック15が形成される。分割スタック15は、それぞれスイッチ11aを介して外部負荷12に接続される。
Such divided
なお、図1においては、セパレータ3aと3cおよびガス拡散電極6aと6cの分割数を三個としている。つまり、燃料電池スタック1を三つの分割スタック15から構成しているがこの限りではない。
In FIG. 1, the number of divisions of the
また、触媒層5は、ガス拡散電極6に触媒担持カーボンを塗布することで、分割電極61と同様に分割して構成される。または、電解質膜4に塗布する場合には、絶縁部材10に対向する部分には触媒担持カーボンを塗布するのを避けるのが好ましい。または、触媒層5を他の部材を用いて形成する場合には、その構成部材を分割して構成してもよい。
Further, the catalyst layer 5 is divided and configured in the same manner as the divided electrode 61 by applying catalyst-supporting carbon to the
次に、本実施形態の起動・停止時の状態について説明する。まず、通常の分割していない単位セル102を用いた際の、起動時の局部電極発生のメカニズムを図2を用いて説明する。
Next, the state at the time of starting and stopping of this embodiment will be described. First, the local electrode generation mechanism at the start-up when using a normal
燃料ガス流路107と酸化剤ガス流路108に酸素が混入している状態から、燃料ガス流路107に燃料ガスを導入すると、燃料ガス流路107内は上流側に水素を含む燃料ガスが、下流側に酸素を含む空気が存在して燃料極114a側に局部電池が形成される。これにより、燃料ガス流路107の下流領域における電解質膜104でプロトンが欠乏し、電解質膜104内でプロトンの濃度勾配が発生する。これにより、触媒層105と電解質膜104の電位差が増大し、下流領域で、次式(1)に示すような、触媒担持カーボンの腐食および触媒金属の溶解が発生する。
When the fuel gas is introduced into the
C+2H2O → CO2+4H++4e- ・・・(1)
なお、停止時にも、例えば空気により燃料ガスをパージする場合などには、燃料ガス流路107内に、燃料ガスが存在する領域と、存在しない領域が生じて、起動時と同様に局部電池が形成される。
C + 2H 2 O → CO 2 + 4H + + 4e − (1)
In addition, even when the fuel gas is purged with air, for example, when the fuel gas is purged with air, a region where the fuel gas exists and a region where the fuel gas does not exist are generated in the fuel
そこで、本実施形態では、酸化剤ガス流路8内のガスが、空気から燃料ガスに、または、燃料ガスから空気に置換されるような条件においては、スイッチ11aを開放する。これにより、燃料極14a側のセパレータ3aや、ガス拡散電極6aを通って、アノード側の分割体17a間を電子e-が移動できなくなる。同様に、カソード側のセパレータ3cや、ガス拡散電極6cを通ってカソード側の分割体17cc間を電子e−が移動できなくなる。そのため、局部電池は、燃料ガスと酸化剤ガスの境界(水素/空気フロント)がそれぞれの分割体17a、17cに沿って流れる間のみ発生し、その電位差も小さなものとなる。
Therefore, in the present embodiment, the
これにより、燃料電池スタック1の起動・停止時の、局部電池の発生による、局所的な触媒層5の劣化を防止することができるため、燃料電池スタック1の耐久性を向上することができる。
Thereby, since the local deterioration of the catalyst layer 5 due to the generation of a local battery at the start / stop 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.
燃料電池システムは、電解質膜4の両主面に触媒層5を有し、その外側に燃料極14aのガス拡散電極6aおよび酸化剤極14cのガス拡散電極6cをそれぞれ配置してなる膜電極接合体16と、ガス拡散電極6aおよびガス拡散電極6cにそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスを供給するための燃料ガス流路7と酸化剤ガス流路8を備えたセパレータ3a、3cと、を有する燃料電池2を備える。このような燃料電池システムにおいて、ガス拡散電極6a、ガス拡散電極6c、およびセパレータ3a、3cを、燃料ガスの流れ方向に対してほぼ垂直に絶縁部材10により複数に分割された分割体17a、17cにより構成する。これにより、起動時や停止時の局所的な触媒層5の劣化を防止することができる。
The fuel cell system has a catalyst layer 5 on both main surfaces of the electrolyte membrane 4, and a membrane electrode joint formed by disposing the
分割体17と外部負荷12とを結ぶ電気回路に、分割体17毎にスイッチ11aを備える。スイッチ11aを開放することで、局部電池発生時に、分割体17間を流れる腐食電流を遮断することができる。
In the electric circuit connecting the divided body 17 and the
次に、第2の実施形態について、図3を用いて説明する。以下、第1の実施形態と異なる部分を中心に説明する。分割体17と外部負荷12とを結ぶ電気回路に、分割電極61毎にコイル11bを備える。
Next, a second embodiment will be described with reference to FIG. Hereinafter, a description will be given centering on differences from the first embodiment. The electric circuit connecting the divided body 17 and the
起動・停止時に、分割体17間の電気的な接続を遮断する手段として、スイッチ11aの替わりに、コイル11bを用いる。燃料電池スタック1の起動・停止時の局部電池発生による腐食電流は1/10秒レベルの短時間で発生する。そこで、各分割体17間をコイル11bを介して接続することにより、複雑な制御を必要とせずに局部電池発生による電子移動を抑制することができる。コイル11bのサイズ(巻数)は、分割体17に沿ったガス流路7、8の長さに応じて設定することができ、ここでは予め実験等により設定しておく。その結果、燃料電池スタック1の起動・停止時の局部電池発生による局所的な触媒層5の劣化を防止することができ、燃料電池スタック1の耐久性を向上することができる。
A
次に、第3の実施形態について、図4を用いて説明する。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.
起動・停止時に、分割体17間の電気的な接続を遮断する手段として、スイッチ11aの替わりに、ダイオード11cを用いる。つまり、分割体17と外部負荷12とを結ぶ電気回路に、分割体17毎にダイオード11cを備える。
A
ダイオード11cを用いることで、外部負荷12への電子移動は確保しつつ、他の分割体17への電子移動を防止することができる。その結果、複雑な制御を必要とせずに、燃料電池スタック1の起動・停止時の局部電池発生による局所的な触媒層5の劣化を防止することができ、燃料電池スタック1の耐久性を向上することができる。
By using the
次に、第4の実施形態について説明する。第1の実施形態に示した燃料電池スタック1を用いて、図5と図6に示すようなタイミングでスイッチ11aの切替を行う。
Next, a fourth embodiment will be described. Using the
まず、起動時のスイッチ11aの切替について、図5を用いて説明する。
First, switching of the
燃料電池スタック1の停止・保管時には、燃料電池スタック1は開回路電圧を防止するためにスイッチ11aが接続され、外部負荷12へと接続される。起動開始直後に、スイッチ11aを開放し、分割体17間の電気的接続を遮断した状態で、燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給する。
When the
所定の時間t1経過後に、スイッチ11aを接続して電力の取り出しを開始する。なお、所定時間t1は、ガスの供給が安定するまでに要する時間であり、ここでは、燃料ガス流路7に燃料ガスが行き渡るまでの時間とする。所定時間t1は、燃料ガス流量Mfと燃料電池スタック1内の燃料極合計流路体積Vc,cellから以下のように求められる。
After a predetermined time t 1 has elapsed, the
t1=Vc,cell/Mf
または、実験により、燃料ガスが行き渡るまでの時間を予め求めておき、これを所定時間t1として設定してもよい。または、燃料ガス流路7の出口側に水素センサを設置し、水素が検知されたら、燃料ガス流路7に燃料ガスが行き渡ったと判断して、スイッチ11aを接続してもよい。
t 1 = V c, cell / Mf
Alternatively, the time until the fuel gas is distributed may be obtained in advance by an experiment, and this may be set as the predetermined time t 1 . Alternatively, a hydrogen sensor may be installed on the outlet side of the
次に、停止時のスイッチ11aの切替について、図6を用いて説明する。
Next, switching of the
燃料電池スタック1の運転時には、スイッチ11aを接続し、外部負荷12に接続することにより、電力を取り出す。燃料電池スタック1の運転の停止制御が開始したら、スイッチ11aは開放される。この状態で、酸化剤ガス流路8と燃料ガス流路7に空気を導入して、パージを行う。所定時間t2が経過したら空気の導入を停止してパージを終了し、また、スイッチ11aを接続して開回路電圧を防止した状態で運転を停止する。
During operation of the
所定時間t2は、酸化剤ガス流路8と燃料ガス流路7に酸化剤ガスが行き渡たるのに要する時間である。例えば、燃料極14aに供給される酸化剤ガス流量Moと、燃料電池スタック1内の燃料極合計流路体積Vc,cellから以下のように求められる。
The predetermined time t 2 is a time required for the oxidant gas to reach the oxidant
t2=Vc,cell/Mo
または、実験により、燃料ガス流路7に空気が行き渡るまでの時間を予め求めておき、これを所定時間t2として設定してもよい。または、燃料ガス流路7の出口側に水素センサを設置し、水素が検知されなくなったら、燃料ガス流路7に酸化剤ガスが行き渡ったと判断して、パージを終了してスイッチ11aを接続してもよい。
t 2 = V c, cell / Mo
Or by experiment, 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.
起動時に、スイッチ11aを全部開とした状態で、燃料ガスの供給を開始する。これにより、起動時の局部電池発生時に、分割電極61間を流れる腐食電流を遮断することができる。
At the time of startup, the supply of fuel gas is started with all the
また、停止時に、スイッチ11aを全部開とした状態で、燃料ガス流路7aの空気パージを行う。これにより、停止時の局部電池発生時に、分割電極61間を流れる腐食電流を遮断することができる。
Further, at the time of stop, the air purge of the fuel gas passage 7a is performed with the
次に、第5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 fifth embodiment will be described. Hereinafter, a description will be given centering on differences from the first embodiment.
燃料電池スタック1において、分割体17を積層した分割スタック15にそれぞれ電圧センサ13を備える。ここでは、燃料電池スタック1のガス拡散電極6およびセパレータ3を三つに分割して三つの分割スタック15を備え、さらに、三つの電圧センサ13を備える。
In the
燃料電池スタック1の起動には、スイッチ11aが開放されている場合、一般に単位セル2の電圧は、0V程度から0.95V程度へ上昇する。なお、燃料電池スタック1は、単位セル2が積層されていることにより、電圧センサ13の出力は、単位セル2の積層分の和となる。例えば、起動時には、スイッチ11aを開放した状態で、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給を開始して、電圧センサ13の出力が0.95×積層数(V)以上となった分割スタック15から、スイッチ11aを接続して、電力の取り出しを開始する。これにより、開回路電圧状態の保持時間を極力減少させることができる。
In starting the
同様に、停止時には、パージガスとして空気を導入してから所定の電圧まで低下したら、スイッチ11aを接続する。
Similarly, at the time of stop, when air is introduced as a purge gas and then drops to a predetermined voltage, 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.
分割体17を複数積層してなる分割スタック15に、それぞれ電圧センサ13を備え、スイッチ11aは、想定されたガスが供給されたと判断される電圧となった分割スタック15から順に外部負荷12にスイッチ11aが接続される。ここでは、起動時には想定されたガスは燃料ガスであり、停止時には想定されたガスは空気である。また、供給されたと判断される電圧は、燃料ガスまたは空気が燃料ガス流路7に充満した状態であると推測できる電圧を指す。これにより、開回路電圧の保持時間を短時間とすることが可能となり、開回路電圧による触媒層5の劣化を抑制することができる。
Each of the divided stacks 15 formed by laminating a plurality of divided bodies 17 is provided with a
なお、上記実施形態では、ガス拡散電極6と触媒層5とセパレータ3の全てを分割形状としているが、この限りではなく、少なくともガス拡散電極6とセパレータ3を分割形状に構成する。
In the above embodiment, the
このように、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。 Thus, the present invention is not limited to the best mode for carrying out the invention, and various modifications can be made within the scope of the technical idea described in the claims. Not too long.
本発明は、燃料電池システムに関する。特に、起動・停止を繰り返し行う車両搭載用の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 relates to a fuel cell system. In particular, an appropriate effect can be obtained by applying it to a vehicle-mounted fuel cell system that repeatedly starts and stops.
1 燃料電池スタック
2 単位セル
3 セパレータ
31 分割セパレータ
4 電解質膜
5 触媒層
6 ガス拡散電極
61 分割電極
7 酸化剤ガス流路
8 燃料ガス流路
10 絶縁部材
11a スイッチ
11b コイル
11c ダイオード
12 外部負荷
13 電圧検出手段
15 分割スタック
16 膜電極接合体
17 分割体
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記燃料ガス拡散電極および酸化剤ガス拡散電極にそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスを供給するためのガス流路を備えたセパレータと、を有する燃料電池を備え、
前記燃料ガス拡散電極、前記酸化剤ガス拡散電極、および、前記セパレータを、燃料ガスの流れ方向に対してほぼ垂直に、絶縁部材により複数に分割された分割体により構成することを特徴とする燃料電池システム。 A membrane electrode assembly comprising a catalyst layer on both main surfaces of the electrolyte membrane, and a fuel gas diffusion electrode and an oxidant gas diffusion electrode disposed on both sides thereof; and
A separator having a gas flow path for supplying fuel gas and oxidant gas to the fuel gas diffusion electrode and oxidant gas diffusion electrode, respectively,
The fuel gas diffusion electrode, the oxidant gas diffusion electrode, and the separator are constituted by a divided body that is divided into a plurality of parts by an insulating member substantially perpendicular to the flow direction of the fuel gas. Battery system.
前記スイッチは、想定されたガスが供給されたと判断される電圧となった分割スタックから順に外部負荷にスイッチが接続される請求項2、5、6のいずれか一つに記載の燃料電池システム。 Each of the divided stacks formed by stacking a plurality of the divided bodies is provided with voltage detection means,
The fuel cell system according to any one of claims 2, 5, and 6, wherein the switch is connected to an external load in order from a divided stack having a voltage at which it is determined that an assumed gas is supplied.
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