JP2008262822A - Starting and stopping method of fuel cell, and starting and stopping system of fuel cell - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method as well as a system for starting and stopping a fuel cell capable of suppressing the closure of fine pores of a catalyst layer which is apt to occur at the starting of the fuel cell in a cold environment, and moreover, capable of shortening the scavenging time in a fuel battery cell prepared for starting in the cold environment. <P>SOLUTION: This is the method for starting and stopping the fuel cell equipped with an electrolyte membrane, a membrane electrode assembly including a catalyst layer and a gas diffusion layer from the electrolyte membrane side and having a pair of electrodes installed by pinching the electrolyte membrane, and a compression mechanism. The gas diffusion layer is what to have a higher rigidity than that of the electrolyte membrane, and the method for starting and stopping the fuel cell includes the following processes: (1) a process for compressing the electrolyte membrane in the laminating direction of the membrane electrode assembly by the compression mechanism when operation of the fuel cell is stopped, (2) a process for maintaining compression of the electrolyte membrane with a thickness smaller than that of the swollen size of the electrolyte membrane until the next starting time, and (3) a process for eliminating the pressure of the electrolyte membrane by the compression mechanism at the starting of the fuel cell. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池の起動及び停止方法、及び燃料電池の起動及び停止に用いるシステムに関し、さらに詳しくは、燃料電池の起動時に生成する水を除去する技術に関する。   The present invention relates to a method for starting and stopping a fuel cell, and a system used for starting and stopping a fuel cell, and more particularly to a technique for removing water generated when the fuel cell is started.

燃料電池は、燃料と酸化剤を電気的に接続された2つの電極に供給し、電気化学的に燃料の酸化を起こさせることで、化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する。火力発電とは異なり、燃料電池はカルノーサイクルの制約を受けないので、高いエネルギー変換効率を示す。電解質として固体高分子電解質を用いる固体高分子電解質型燃料電池は、小型化が容易であること、低い温度で作動すること、などの利点があることから、特に携帯用、移動体用電源として注目されている。   A fuel cell directly converts chemical energy into electrical energy by supplying fuel and an oxidant to two electrically connected electrodes and causing the fuel to be oxidized electrochemically. Unlike thermal power generation, fuel cells are not subject to the Carnot cycle and thus exhibit high energy conversion efficiency. Solid polymer electrolyte fuel cells using a solid polymer electrolyte as an electrolyte have advantages such as easy miniaturization and operation at a low temperature. Has been.

固体高分子電解質型燃料電池には、電解質膜の両面に電極を積層した膜電極接合体(MEA)が備えられている。電解質膜の両面に設けられて一対となる電極(すなわち燃料極及び酸化剤極)は、一般的に、電解質膜側から順に、触媒層、ガス拡散層が積層した構造を有しているものが多い。
触媒層は、通常、各電極における反応を促進する触媒成分、プロトン伝導路を形成する高分子電解質、及び電子伝導路を形成する導電性材料を含み、各電極反応の場となる部分である。触媒層に含まれる高分子電解質としては、上記電解質膜を形成する高分子電解質と同様のものが用いられることが多い。
一方、ガス拡散層は、導電性多孔質体からなり、触媒層への反応ガスの拡散及び電子伝導性を向上させることを目的として設けられている。
A solid polymer electrolyte fuel cell includes a membrane electrode assembly (MEA) in which electrodes are stacked on both surfaces of an electrolyte membrane. A pair of electrodes (that is, a fuel electrode and an oxidizer electrode) provided on both surfaces of the electrolyte membrane generally have a structure in which a catalyst layer and a gas diffusion layer are laminated in order from the electrolyte membrane side. Many.
The catalyst layer usually includes a catalyst component that promotes a reaction in each electrode, a polymer electrolyte that forms a proton conduction path, and a conductive material that forms an electron conduction path, and is a portion that serves as a field for each electrode reaction. As the polymer electrolyte contained in the catalyst layer, the same polymer electrolyte as that for forming the electrolyte membrane is often used.
On the other hand, the gas diffusion layer is made of a conductive porous body and is provided for the purpose of improving the diffusion of the reaction gas into the catalyst layer and the electronic conductivity.

固体高分子電解質型燃料電池では、水素を燃料とした場合、アノード(燃料極)では(1)式の反応が進行する。
→ 2H + 2e …(1)
(1)式で生じる電子は、外部回路を経由し、外部の負荷で仕事をした後、カソードに到達する。そして、(1)式で生じたプロトンは、水と水和した状態で、固体高分子電解質膜内をアノード側からカソード側に、電気浸透により移動する。そのため、固体高分子電解質膜はイオン導電性を向上させるために、加湿することが一般的である。
In the solid polymer electrolyte fuel cell, when hydrogen is used as the fuel, the reaction of the formula (1) proceeds at the anode (fuel electrode).
H 2 → 2H + + 2e (1)
The electrons generated by the equation (1) reach the cathode after working with an external load via an external circuit. Then, the proton generated in the formula (1) moves by electroosmosis from the anode side to the cathode side in the solid polymer electrolyte membrane in a state of being hydrated with water. For this reason, the solid polymer electrolyte membrane is generally humidified in order to improve ionic conductivity.

また、酸素を酸化剤とした場合、カソード(酸化剤極)では(2)式の反応が進行する。
2H + (1/2)O + 2e → HO …(2)
カソードで生成した水は、主としてガス拡散層を通り、外部へと排出される。
Further, when oxygen is used as the oxidizing agent, the reaction of the formula (2) proceeds at the cathode (oxidant electrode).
2H + + (1/2) O 2 + 2e → H 2 O (2)
The water produced at the cathode mainly passes through the gas diffusion layer and is discharged to the outside.

電気自動車の用途に対して、上記燃料電池は、起動後直ちに電気エネルギーを発生すること、すなわち、良好な始動性(起動性)を有することが要求される。
しかしながら、上述したように、燃料電池を利用した発電システムは、必ず水を伴うため、雰囲気温度が氷点下となるような寒冷環境においては、燃料電池を停止している際に発電で発生した水や加湿水が凍結したり、また、燃料電池を再起動する際に再起動により生成した水がカソード内で凍結することがある。このような水の凍結が生じる結果、良好な始動性が得られ難く、セパレータ、電極等の物理的破壊、ガス流路の目詰まり、ガスの拡散不良に伴う起動障害が懸念される。
燃料電池内の各所にある程度水分が残留し、寒冷環境下で部分的に凍結することは避けられないが、水分を所定量に抑えて、燃料電池の寒冷環境下における始動性(以下において、「低温起動性(低温始動性)」と記述する。)を向上させることで、燃料電池の効率を向上させることが望まれている。
For electric vehicle applications, the fuel cell is required to generate electrical energy immediately after startup, that is, to have good startability (startability).
However, as described above, since a power generation system using a fuel cell always includes water, in a cold environment where the ambient temperature is below freezing, water generated by power generation when the fuel cell is stopped The humidified water may freeze, or the water generated by the restart when the fuel cell is restarted may freeze in the cathode. As a result of such freezing of water, it is difficult to obtain good startability, and there are concerns about physical failure of separators, electrodes, etc., clogging of gas flow paths, and start-up failure due to poor gas diffusion.
It is inevitable that some moisture remains in various places in the fuel cell and partially freezes in the cold environment, but the startability of the fuel cell in the cold environment (hereinafter, “ It is desired to improve the efficiency of the fuel cell by improving “low temperature startability (low temperature startability)”.

従来、は燃料電池の低温起動性を確保するために、運転条件60〜80℃の高温で掃気を行った後に燃料電池の運転を停止することが提案されている。例えば、特許文献1には、燃料電池に供給する反応ガスを加湿する加湿器と、燃料電池に供給する反応ガスを除湿する除湿器とを設け、燃料電池の運転停止時に反応ガスの供給路を除湿器側に切り換えるガス流路切換手段を設けた燃料電池のガス供給装置が開示されており、燃料電池の運転停止時に除湿したガスを流すことによって短時間で燃料電池内を適度に乾燥させることができるとしている。
また、特許文献2には、燃料電池の停止時に、アノードへの燃料ガスの供給を遮断し、掃気ガスをアノード極へ供給するとともに、カソード極へは加湿器を介して掃気ガスを供給するように掃気ガス供給手段を制御する制御手段を備える燃料電池システムが開示されており、電極内における湿度のムラの発生を防止しながら乾燥することができるとしている。
しかし、低温起動において燃料電池内の水分の残留が特に問題となるのは、細孔で薄膜の触媒層と該触媒層に隣接する電解質膜であり、触媒層や該触媒層に隣接する電解質膜に残留した水が凍結した場合には、触媒層中のガスの透過路が閉塞し、低温起動が困難になる。一方、ガスなどの流路や多孔質のガス拡散層に部分的に残留した水分が凍結しても充分に反応ガスが流通できる空間が残されるため問題は少ない。
特許文献1及び特許文献2においては、残留水分量を低減させるために燃料電池全体の掃気を行っているが、燃料電池のセルにガスを供給して所定の湿度まで乾燥しても、乾燥時の雰囲気温度が低温で乾燥を終了した後、燃料電池が低温下にさらされて(自然放置されて)放冷した場合や、乾燥が終了した時の雰囲気温度が低温ではなくても、昼間から夜間になるにしたがい気温が冷え込むなど、燃料電池の雰囲気温度が低下した場合には、セル内の相対湿度が上昇して、一度乾燥によって気化したセル内の水が結露し、発生した水は電解質膜に吸収されやすい。さらに、燃料電池の雰囲気温度が低下している状態で、燃料電池を起動すると電気化学反応により触媒層で水が生成されるが、上記電解質膜は既にかなりの程度に吸水しており、新たに電気化学反応で生成した水を充分に吸収する能力に乏しいため、生成水は触媒層及び該触媒層に隣接する電解質膜で凍結してしまい、触媒層におけるガスの流通の妨げとなり、低温起動性が損なわれる。
従来は、このような寒冷環境下における運転停止時の結露によって発生する水分を電解質膜が吸収することを見越して、時間をかけて燃料電池のセル内を充分に乾燥させていたが、燃料電池を電気自動車に搭載した場合に、電気自動車の停止に長時間を要することが問題であった。
Conventionally, in order to ensure the low temperature startability of the fuel cell, it has been proposed to stop the operation of the fuel cell after scavenging at a high temperature of 60 to 80 ° C. For example, Patent Document 1 includes a humidifier that humidifies a reaction gas supplied to the fuel cell and a dehumidifier that dehumidifies the reaction gas supplied to the fuel cell, and provides a supply path for the reaction gas when the fuel cell is stopped. A fuel cell gas supply device provided with a gas flow path switching means for switching to the dehumidifier side is disclosed, and the inside of the fuel cell is appropriately dried in a short time by flowing the dehumidified gas when the fuel cell is stopped. I can do it.
In Patent Document 2, when the fuel cell is stopped, the supply of the fuel gas to the anode is cut off, the scavenging gas is supplied to the anode electrode, and the scavenging gas is supplied to the cathode electrode via a humidifier. Discloses a fuel cell system provided with a control means for controlling the scavenging gas supply means, and can be dried while preventing the occurrence of uneven humidity in the electrode.
However, residual moisture in the fuel cell is particularly problematic during low-temperature start-up, with the catalyst layer being a thin film and an electrolyte membrane adjacent to the catalyst layer, and the catalyst layer and the electrolyte membrane adjacent to the catalyst layer. When the water remaining in the catalyst freezes, the gas permeation path in the catalyst layer is blocked, making it difficult to start at a low temperature. On the other hand, there are few problems because a space in which the reaction gas can be sufficiently circulated remains even if moisture remaining partially in the gas flow path or the porous gas diffusion layer is frozen.
In Patent Document 1 and Patent Document 2, scavenging of the entire fuel cell is performed in order to reduce the residual moisture content. However, even if gas is supplied to the fuel cell and dried to a predetermined humidity, After the drying is finished at a low ambient temperature, the fuel cell is exposed to low temperature (naturally left) and left to cool, or even if the ambient temperature at the end of drying is not low, When the temperature of the fuel cell decreases, such as when the temperature cools down at night, the relative humidity in the cell rises, and the water in the cell once vaporized by drying condenses. It is easily absorbed by the membrane. Furthermore, when the fuel cell is started in a state where the ambient temperature of the fuel cell is lowered, water is generated in the catalyst layer by an electrochemical reaction. However, the electrolyte membrane has already absorbed water to a considerable extent, Since the ability to sufficiently absorb the water generated by the electrochemical reaction is insufficient, the generated water freezes at the catalyst layer and the electrolyte membrane adjacent to the catalyst layer, hinders the gas flow in the catalyst layer, and low temperature startability. Is damaged.
Conventionally, the inside of the fuel cell has been sufficiently dried over time in anticipation that the electrolyte membrane absorbs moisture generated by dew condensation when the operation is stopped in such a cold environment. When this is mounted on an electric vehicle, it takes a long time to stop the electric vehicle.

一方、特許文献3には、部分電池反応など酸化剤極の劣化反応を効率的に抑制できる燃料電池システムの提供を目的として、燃料電池を1つ以上備え、さらに、少なくともガス拡散層を膜電極接合体の積層方向に圧縮する圧縮手段と、圧縮手段による圧縮と除圧を制御する制御手段とを備える燃料電池システムが開示されている。このシステムによれば、圧縮手段によりガス拡散層を圧縮してガス拡散層内に含有されるガスの量を低減し、触媒とガスとの接触を抑制することができ、その結果、燃料極ガス拡散層内に水素が存在する領域と酸素が存在する領域が形成される際に、対極間で反応が生じるのを抑制することができるものの、ガス拡散層にはカーボン繊維からなる布状材質を使用している。カーボンクロスやカーボンペーパーは通常用いられる電解質膜よりも剛直性が低いため、外部から圧力をかけた場合には、剛直性の低いガス拡散層が圧縮され、ガス拡散層よりも剛直性の高い電解質膜の圧縮量及び含水状態を制御することはできない。   On the other hand, Patent Document 3 includes one or more fuel cells for the purpose of providing a fuel cell system capable of efficiently suppressing a deterioration reaction of an oxidant electrode such as a partial cell reaction, and further includes at least a gas diffusion layer as a membrane electrode. A fuel cell system is disclosed that includes a compression unit that compresses the joined body in the stacking direction, and a control unit that controls compression and decompression by the compression unit. According to this system, the gas diffusion layer can be compressed by the compression means to reduce the amount of gas contained in the gas diffusion layer, and the contact between the catalyst and the gas can be suppressed. Although it is possible to suppress a reaction between the counter electrodes when a region where hydrogen is present and a region where oxygen is present in the diffusion layer, a cloth-like material made of carbon fiber is used for the gas diffusion layer. I use it. Since carbon cloth and carbon paper are less rigid than the electrolyte membranes usually used, when pressure is applied from the outside, the gas diffusion layer with low rigidity is compressed and the electrolyte has higher rigidity than the gas diffusion layer. The amount of compression and moisture content of the membrane cannot be controlled.

特開2002−313394号公報JP 2002-313394 A 特開2005−251441号公報JP-A-2005-251441 特開2005−166596号公報JP 2005-166596 A

本発明は上記実情を鑑みて成し遂げられたものであり、寒冷環境下における燃料電池の起動時に生じやすい触媒層の細孔の閉塞を抑制することができ、また、寒冷環境下での起動に備えた運転停止時における燃料電池セル内の掃気時間を短縮することができる燃料電池の起動及び停止方法、並びに燃料電池の起動及び停止システムを提供することを目的とする。   The present invention has been accomplished in view of the above circumstances, and can prevent clogging of the pores of the catalyst layer, which is likely to occur at the start of the fuel cell in a cold environment, and prepare for the start-up in the cold environment. It is an object of the present invention to provide a fuel cell start and stop method and a fuel cell start and stop system that can reduce the scavenging time in the fuel cell when the operation is stopped.

上記目的を達成するために、本発明は、電解質膜、及び、該電解質膜側から触媒層及びガス拡散層を含み、該電解質膜を挟んで設けられた一対の電極を有する膜電極接合体、並びに、圧縮機構を備える燃料電池の起動及び停止方法であって、該ガス拡散層が該電解質膜よりも剛直性の高いガス拡散層であり、以下の工程を含む燃料電池の起動及び停止方法を提供する。
(1)該燃料電池の運転停止時に、該圧縮機構によって該電解質膜を該膜電極接合体の積層方向に圧縮する工程、
(2)該電解質膜の圧縮を、該電解質膜の膨潤寸法厚さより薄い厚さで次の起動時まで維持する工程、及び
(3)該燃料電池の起動時に、該圧縮機構によって該電解質膜の除圧を行う工程。
To achieve the above object, the present invention provides an electrolyte membrane, and a membrane electrode assembly including a catalyst layer and a gas diffusion layer from the electrolyte membrane side and having a pair of electrodes provided with the electrolyte membrane interposed therebetween, And a method of starting and stopping a fuel cell including a compression mechanism, wherein the gas diffusion layer is a gas diffusion layer having higher rigidity than the electrolyte membrane, and includes the following steps. provide.
(1) a step of compressing the electrolyte membrane in the stacking direction of the membrane electrode assembly by the compression mechanism when the operation of the fuel cell is stopped;
(2) maintaining the compression of the electrolyte membrane at a thickness smaller than the swelling dimension thickness of the electrolyte membrane until the next startup, and (3) at the startup of the fuel cell, the compression mechanism A process of releasing pressure.

本発明においては、掃気時間をさらに短縮するために、上記工程(1)において、電解質膜を乾燥させることが好ましい。   In the present invention, in order to further shorten the scavenging time, it is preferable to dry the electrolyte membrane in the step (1).

また、上記工程(1)においては、前記電解質膜の膨潤寸法厚さと乾燥寸法厚さとの差に対する、前記電解質膜の圧縮前の厚さと圧縮後の厚さとの差の百分率による比を、電解質膜の圧縮率としたときに、当該圧縮率が20〜80%となるまで、前記電解質膜を圧縮することが望ましい。   In the step (1), the ratio of the difference between the thickness before compression and the thickness after compression of the electrolyte membrane to the difference between the swelling dimension thickness and the dry dimension thickness of the electrolyte membrane is expressed as a percentage of the electrolyte membrane. It is desirable to compress the electrolyte membrane until the compression rate becomes 20 to 80%.

上記膜電極接合体を膜電極接合体の積層方向に圧縮するため耐久性の観点から、ガス拡散層は、7MPa以上の圧力(圧縮圧)で体積減少率が30%以下の剛直体からなることが好ましい。   From the viewpoint of durability because the membrane electrode assembly is compressed in the stacking direction of the membrane electrode assembly, the gas diffusion layer is made of a rigid body having a volume reduction rate of 30% or less at a pressure (compression pressure) of 7 MPa or more. Is preferred.

また、本発明は、電解質膜、及び、該電解質膜側から触媒層及びガス拡散層を含み、該電解質膜を挟んで設けられた一対の電極を有する膜電極接合体、並びに、圧縮機構を備える燃料電池の起動及び停止システムであって、
該ガス拡散層が該電解質膜よりも剛直性の高いガス拡散層であり、
該圧縮機構が、該電解質膜を該膜電極接合体の積層方向に圧縮する圧縮手段と、該圧縮手段による圧縮と除圧を制御する制御手段とを含むことを特徴とする燃料電池の起動及び停止システムを提供する。
The present invention also includes an electrolyte membrane, a membrane electrode assembly including a catalyst layer and a gas diffusion layer from the electrolyte membrane side, and having a pair of electrodes provided with the electrolyte membrane interposed therebetween, and a compression mechanism. A fuel cell start and stop system comprising:
The gas diffusion layer is a gas diffusion layer having higher rigidity than the electrolyte membrane;
The start-up of the fuel cell, wherein the compression mechanism includes compression means for compressing the electrolyte membrane in the stacking direction of the membrane electrode assembly, and control means for controlling compression and decompression by the compression means. Provide a stop system.

さらに、上記システムは、燃料電池の起動及び停止指令の信号を検出し、該信号を前記制御手段に伝達する検出手段を含む。   Further, the system includes detection means for detecting a start and stop command signal of the fuel cell and transmitting the signal to the control means.

本発明に係る燃料電池の起動及び停止方法、及び、燃料電池の起動及び停止システムによれば、燃料電池の運転停止時に電解質膜を圧縮し、燃料電池の起動時に該電解質膜を除圧するため、寒冷環境下の燃料電池の起動時の生成水を、除圧した電解質膜が吸収することができ、触媒層における生成水の凍結を防いで触媒層の細孔の閉塞を抑制することができる。したがって、低温起動性に優れた燃料電池を実現することができる。さらに、燃料電池の運転停止時に電解質膜を圧縮して次の起動時まで維持するため、寒冷環境下の起動に備えた運転停止時における燃料電池セル内の掃気時間を短縮することができる。   According to the fuel cell start and stop method and the fuel cell start and stop system according to the present invention, in order to compress the electrolyte membrane when the fuel cell is stopped and depressurize the electrolyte membrane when the fuel cell is started, The electrolyte membrane that has been depressurized can absorb the generated water at the start-up of the fuel cell in a cold environment, and the freezing of the generated water in the catalyst layer can be prevented and the pores of the catalyst layer can be blocked. Therefore, it is possible to realize a fuel cell excellent in low-temperature startability. Furthermore, since the electrolyte membrane is compressed and maintained until the next start-up when the fuel cell is stopped, the scavenging time in the fuel cell at the time of the stop in preparation for the start-up in the cold environment can be shortened.

本発明により提供される燃料電池の起動及び停止方法は、電解質膜、及び、該電解質膜側から触媒層及びガス拡散層を含み、該電解質膜を挟んで設けられた一対の電極を有する膜電極接合体、並びに、圧縮機構を備える燃料電池の起動及び停止方法であって、該ガス拡散層が該電解質膜よりも剛直性の高いガス拡散層であり、以下の工程を含むことを特徴とするものである。
(1)該燃料電池の運転停止時に、該圧縮機構によって該電解質膜を該膜電極接合体の積層方向に圧縮する工程、
(2)該電解質膜の圧縮を、該電解質膜の膨潤寸法厚さより薄い厚さで次の起動時まで維持する工程、及び
(3)該燃料電池の起動時に、該圧縮機構によって該電解質膜の除圧を行う工程。
A fuel cell start and stop method provided by the present invention includes an electrolyte membrane, and a membrane electrode including a catalyst layer and a gas diffusion layer from the electrolyte membrane side, and a pair of electrodes provided with the electrolyte membrane interposed therebetween. A method for starting and stopping a fuel cell including a joined body and a compression mechanism, wherein the gas diffusion layer is a gas diffusion layer having higher rigidity than the electrolyte membrane, and includes the following steps: Is.
(1) a step of compressing the electrolyte membrane in the stacking direction of the membrane electrode assembly by the compression mechanism when the operation of the fuel cell is stopped;
(2) maintaining the compression of the electrolyte membrane at a thickness smaller than the swelling dimension thickness of the electrolyte membrane until the next startup, and (3) at the startup of the fuel cell, the compression mechanism A process of releasing pressure.

本発明においては、燃料電池の運転停止時に電解質膜を圧縮し、燃料電池の起動時に該電解質膜を除圧するため、寒冷環境下の燃料電池の起動時の生成水を、除圧した電解質膜が吸収することができ、触媒層における生成水の凍結を防いで触媒層の細孔の閉塞を抑制することができる。したがって、低温起動性に優れた燃料電池を実現することができる。さらに、燃料電池の運転停止時に電解質膜を圧縮して次の起動時まで維持するため、寒冷環境下の起動に備えた運転停止時における燃料電池セル内の掃気時間を短縮することができる。   In the present invention, the electrolyte membrane is compressed when the fuel cell is stopped, and the electrolyte membrane is decompressed when the fuel cell is started. It can be absorbed, and the generated water in the catalyst layer can be prevented from freezing and the pores of the catalyst layer can be blocked. Therefore, it is possible to realize a fuel cell excellent in low-temperature startability. Furthermore, since the electrolyte membrane is compressed and maintained until the next start-up when the fuel cell is stopped, the scavenging time in the fuel cell at the time of the stop in preparation for the start-up in the cold environment can be shortened.

上記燃料電池の起動及び停止方法において用いられる、本発明により提供される燃料電池の起動及び停止システムは、電解質膜、及び、該電解質膜側から触媒層及びガス拡散層を含み、該電解質膜を挟んで設けられた一対の電極を有する膜電極接合体、並びに、圧縮機構を備える燃料電池の起動及び停止システムであって、
該ガス拡散層が該電解質膜よりも剛直性の高いガス拡散層であり、
該圧縮機構が、該電解質膜を該膜電極接合体の積層方向に圧縮する圧縮手段と、該圧縮手段による圧縮と除圧を制御する制御手段とを含むことを特徴とするものである。
The fuel cell start and stop system provided by the present invention used in the fuel cell start and stop method includes an electrolyte membrane, and a catalyst layer and a gas diffusion layer from the electrolyte membrane side. A membrane electrode assembly having a pair of electrodes provided sandwiched between, and a fuel cell start and stop system including a compression mechanism,
The gas diffusion layer is a gas diffusion layer having higher rigidity than the electrolyte membrane;
The compression mechanism includes compression means for compressing the electrolyte membrane in the stacking direction of the membrane electrode assembly, and control means for controlling compression and decompression by the compression means.

以下、図1及び図2を参照しながら、本発明における燃料電池の起動及び停止システムの各構成要素について詳細に説明する。尚、本発明は、図1及び図2に示した積層構造及び下記の実施形態に限定されるものではない。
<膜電極接合体>
図1は、燃料電池における単セルの一形態例(単セル100)を示す断面図である。図1に示すように、電解質膜1は、一方の面にカソード(酸化剤極)4a、他方の面にアノード(燃料極)4bが設けられ、膜電極接合体5を形成している。本例において、両電極4(カソード4a、アノード4b)は、それぞれ電解質膜側から順に、カソード側触媒層2aとカソード側ガス拡散層3a、アノード側触媒層2bとアノード側ガス拡散層3bとが積層した構造を有している。
Hereinafter, the components of the fuel cell start and stop system according to the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 1 and 2. In addition, this invention is not limited to the laminated structure shown in FIG.1 and FIG.2, and the following embodiment.
<Membrane electrode assembly>
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of a single cell (single cell 100) in a fuel cell. As shown in FIG. 1, the electrolyte membrane 1 is provided with a cathode (oxidant electrode) 4 a on one surface and an anode (fuel electrode) 4 b on the other surface to form a membrane electrode assembly 5. In this example, both the electrodes 4 (cathode 4a, anode 4b) are respectively composed of a cathode side catalyst layer 2a and a cathode side gas diffusion layer 3a, an anode side catalyst layer 2b and an anode side gas diffusion layer 3b in this order from the electrolyte membrane side. It has a laminated structure.

膜電極接合体5は、カソード側セパレータ6a及びアノード側セパレータ6bで挟持され、単セル100を構成している。セパレータ6は、各電極4に反応ガス(燃料ガス、酸化剤ガス)を供給する流路7(7a、7b)を画成し、各単セル間をガスシールすると共に、集電体としても機能するものである。カソード4aは、流路7aから酸化剤ガス(酸素を含む又は酸素を発生させるガス。通常は空気。)が供給され、アノード4bは、流路7bから燃料ガス(水素を含む又は水素を発生させるガス。通常、水素ガス。)が供給される。
(電解質膜)
本発明における電解質膜1としては、従来から固体高分子電解質型燃料電池に用いられている電解質膜用高分子電解質、例えば、フッ素系高分子電解質及び炭化水素系高分子電解質を含む電解質膜を用いることができる。
The membrane electrode assembly 5 is sandwiched between a cathode side separator 6 a and an anode side separator 6 b to constitute a single cell 100. The separator 6 defines a flow path 7 (7a, 7b) for supplying a reaction gas (fuel gas, oxidant gas) to each electrode 4 and gas-seals between each single cell, and also functions as a current collector. To do. The cathode 4a is supplied with an oxidant gas (a gas containing oxygen or generating oxygen, usually air) from the flow path 7a, and the anode 4b is a fuel gas (containing hydrogen or generating hydrogen) from the flow path 7b. Gas, usually hydrogen gas).
(Electrolyte membrane)
As the electrolyte membrane 1 in the present invention, a polymer electrolyte for an electrolyte membrane conventionally used in a solid polymer electrolyte fuel cell, for example, an electrolyte membrane containing a fluorine-based polymer electrolyte and a hydrocarbon-based polymer electrolyte is used. be able to.

フッ素系高分子電解質としては、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸等のフッ素系イオン交換樹脂が挙げられる。パーフルオロカーボンスルホン酸膜としては、例えば米国デュポン社製ナフィオンや旭硝子社製フレミオン等の市販品もある。   Examples of the fluorine-based polymer electrolyte include fluorine-based ion exchange resins such as perfluorocarbon sulfonic acid. Examples of the perfluorocarbon sulfonic acid membrane include commercially available products such as Nafion manufactured by DuPont of the United States and Flemion manufactured by Asahi Glass.

一方、炭化水素系高分子電解質とは、炭素と水素からなる高分子の主鎖と、イオン交換基とを有するものであり、代表的には、イオン交換基としてプロトン解離性の極性基を有する、プロトン伝導性の炭化水素系高分子電解質が用いられる。プロトン解離性の極性基としては、例えば、スルホン酸基、カルボン酸基、ボロン酸基、ホスホン酸基、リン酸基、水酸基等が挙げられる。
炭化水素系高分子電解質からなる電解質膜は、フッ素系高分子電解質からなるものと比べて廉価であるため経済的に有利であり、耐熱性が高いため耐久性の点でも有利である。
On the other hand, a hydrocarbon-based polymer electrolyte has a polymer main chain composed of carbon and hydrogen and an ion exchange group, and typically has a proton dissociable polar group as an ion exchange group. A proton-conducting hydrocarbon polymer electrolyte is used. Examples of proton dissociative polar groups include sulfonic acid groups, carboxylic acid groups, boronic acid groups, phosphonic acid groups, phosphoric acid groups, and hydroxyl groups.
An electrolyte membrane made of a hydrocarbon-based polymer electrolyte is economically advantageous because it is cheaper than that made of a fluorine-based polymer electrolyte, and is also advantageous in terms of durability because of its high heat resistance.

炭化水素系高分子電解質には、ナフィオン(商品名、デュポン社製)等のパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂膜に代表される主鎖及び側鎖の水素が全てフッ素で置換されたフッ素系高分子電解質は含まれない。炭化水素系高分子電解質は、典型的には、フッ素を全く含まない。但し、ガラス転移温度が比較的高い高分子電解質を用いる場合には、本発明による効果が十分に得られることから、部分的にフッ素置換されているものや、フッ素以外の異種原子を含んでいるものであっても、そのガラス転移温度がある程度高い場合には、炭化水素系高分子電解質に含まれる。   The hydrocarbon polymer electrolyte is a fluorine polymer electrolyte in which the main chain and side chain hydrogen represented by perfluorocarbon sulfonic acid resin membranes such as Nafion (trade name, manufactured by DuPont) are all substituted with fluorine. Not included. The hydrocarbon-based polymer electrolyte typically does not contain any fluorine. However, when a polymer electrolyte having a relatively high glass transition temperature is used, the effect according to the present invention can be sufficiently obtained, and therefore, partially substituted with fluorine or contains hetero atoms other than fluorine. Even if the glass transition temperature is high to some extent, it is included in the hydrocarbon polymer electrolyte.

プロトン解離性の極性基を有する炭化水素系高分子電解質(以下、単に炭化水素系高分子電解質ということがある)としては、主鎖及び/又は側鎖に芳香族環を含み、且つ、プロトン解離性の極性基を含む高分子樹脂を用いることができる。具体的には、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンエーテル等のエンジニアリングプラスチックや、ポリスチレン、ABS樹脂、AS樹脂等の汎用プラスチックに、上記したようなプロトン解離性の極性基を導入し、共有結合したものが挙げられる。また、特表平11−503262号公報などに開示されている、ポリベンズイミダゾール、ポリピリミジン、ポリベンゾオキサゾールなどの塩基性高分子に強酸をドープした塩基性高分子と強酸との複合体からなる固体ポリマー電解質等の高分子電解質も挙げられる。   The hydrocarbon polymer electrolyte having a proton-dissociating polar group (hereinafter sometimes simply referred to as a hydrocarbon polymer electrolyte) includes an aromatic ring in the main chain and / or side chain, and proton dissociation. A high molecular resin containing a polar group can be used. Specifically, the proton-dissociating properties described above are applied to engineering plastics such as polyether ether ketone, polyether ketone, polyether sulfone, polyphenylene sulfide, and polyphenylene ether, and general-purpose plastics such as polystyrene, ABS resin, and AS resin. Examples thereof include a polar group introduced and covalently bonded. Further, it is composed of a complex of a basic polymer and a strong acid, such as polybenzimidazole, polypyrimidine, and polybenzoxazole, which are disclosed in JP-A-11-503262. Examples also include polymer electrolytes such as solid polymer electrolytes.

耐熱性に優れ、高温条件下作動される燃料電池に好適に使用することが可能であることから、炭化水素系高分子電解質は、Tg(ガラス転移温度)が110℃以上、特に130℃以上、さらには、160℃以上であることが好ましい。高分子の主鎖骨格に芳香環構造を含む炭化水素系高分子電解質は、耐熱性に優れ、上記範囲のTgを有するものが多く、好適に用いることができる。   Since it is excellent in heat resistance and can be suitably used for a fuel cell operated under high temperature conditions, the hydrocarbon polymer electrolyte has a Tg (glass transition temperature) of 110 ° C. or higher, particularly 130 ° C. or higher. Furthermore, it is preferable that it is 160 degreeC or more. Hydrocarbon polymer electrolytes having an aromatic ring structure in the main chain skeleton of the polymer are excellent in heat resistance and many have a Tg in the above range, and can be suitably used.

電解質膜1は、上記のような高分子電解質をメタノール、エタノール、プロパノール等のアルコール類や水等を適宜組み合わせた溶媒、又は、ジメチルスルホキシドやジメチルホルムアミド等の極性有機溶媒中に溶解又は分散させて電解質溶液とし、得られた溶液を基板等の表面や型に流延、乾燥することによって作製することができる。また、ガラス転移点以上の温度にて高分子電解質を押し出し成型する方法によっても作製することができる。
電解質膜1は、上記のような高分子電解質を1種のみ含むものであっても、又は2種以上含ものであってもよい。また、導入されるプロトン解離性の極性基は、1種であっても、2種以上であってもよい。また、必要に応じてその他の成分を含んでいてもよい。
The electrolyte membrane 1 is obtained by dissolving or dispersing the above polymer electrolyte in a solvent appropriately combined with alcohols such as methanol, ethanol, propanol, or water, or in a polar organic solvent such as dimethyl sulfoxide or dimethylformamide. The electrolyte solution can be prepared by casting and drying the obtained solution on the surface or mold of a substrate or the like. It can also be produced by a method of extruding a polymer electrolyte at a temperature above the glass transition point.
The electrolyte membrane 1 may contain only one type of polymer electrolyte as described above, or may contain two or more types. Moreover, the proton dissociative polar group to be introduced may be one type or two or more types. Moreover, the other component may be included as needed.

電解質膜1の膜厚は、通常、10〜100μm程度でよい。電解質膜1は、プロトン伝導性の向上の点からは薄いほうが好ましいが、あまりに薄すぎるとガスを隔離する機能が低下し、非プロトン水素の透過量が増大し、甚だしい場合にはクロスリークが発生する。
電解質膜1は、フィブリル状、繊布状、不繊布状、多孔質シートのパーフルオロカーボン重合体で補強することや、膜表面に無機酸化物あるいは金属をコーティングすることにより補強することもできる。
The film thickness of the electrolyte membrane 1 may usually be about 10 to 100 μm. The electrolyte membrane 1 is preferably thin from the viewpoint of improving proton conductivity. However, if it is too thin, the function of isolating gas is reduced, the permeation amount of non-proton hydrogen is increased, and cross leakage occurs in a severe case. To do.
The electrolyte membrane 1 can be reinforced with a perfluorocarbon polymer in the form of a fibril, a fabric, a non-fabric, or a porous sheet, or by coating the membrane surface with an inorganic oxide or a metal.

本発明における電解質膜1としては、乾燥(排水)によって収縮して体積が減少し、吸水によって膨潤して体積が増加する膨潤性材料、及び、圧縮によって体積を減少させながら排水(脱水)し、開放(除圧)によって体積を増加させながら吸水するゴム弾性・膨潤性材料を用いることができる。電解質膜1は、完全に圧力から開放された時に、圧縮前の約90%以上の体積まで復元できる膨潤性又は膨潤性及びゴム弾性を有する材料であることが好ましい。実際には、上述した電解質膜のほとんどはゴム弾性に乏しく、吸排水によって体積が変化する。   As the electrolyte membrane 1 in the present invention, the volume is reduced by drying (drainage) and the volume is reduced, the swelling material is swollen by water absorption and the volume is increased, and the volume is reduced by compression (drainage). A rubber elastic / swellable material that absorbs water while increasing the volume by opening (removing pressure) can be used. The electrolyte membrane 1 is preferably a material having swelling property or swelling property and rubber elasticity that can be restored to a volume of about 90% or more before compression when completely released from pressure. Actually, most of the above-described electrolyte membranes have poor rubber elasticity, and the volume changes due to water absorption and drainage.

上記膨潤性材料においては、単に圧縮しただけでは電解質膜1の体積は減少せず、水分を除去しないと収縮しないため、圧縮と共に乾燥することが必要であり、一方、上記ゴム弾性・膨潤性材料においては必ずしも乾燥しなくてもよい。ただし、ゴム弾性・膨潤性材料の場合においても、脱水のために繰り返し圧縮を行うことで電解質膜が破損する虞があるため、乾燥を圧縮と併用することによって、電解質膜の脱水時間を短縮することが可能である。
いずれの材料を用いても、本発明の電解質膜1は、運転停止時に強制的に圧縮して次の起動時まで維持することによって再膨張を防ぎ、起動時に新たな生成水を吸収できる余力を残す。そのため、従来と比べて掃気時間を短縮することが可能である。
尚、電解質膜1の乾燥は、燃料電池101の環境温度が寒冷環境の温度と同程度まで低下するまでであれば、電解質膜1を圧縮しながら行ってもよいし、電解質膜1を乾燥してから圧縮してもよいし、又は、電解質膜1を圧縮してから乾燥してもよい。
乾燥手段としては、除湿、乾燥したガスを流す等が挙げられる。大気と同程度の湿度、燃料電池の運転を停止した時の温度(60〜80℃)という条件において乾燥することができる。
In the swellable material, simply compressing does not reduce the volume of the electrolyte membrane 1 and does not shrink unless moisture is removed. Therefore, it is necessary to dry with compression. In this case, it is not always necessary to dry. However, even in the case of rubber elastic and swellable materials, the electrolyte membrane may be damaged by repeated compression for dehydration, so the drying time of the electrolyte membrane can be shortened by using drying together with compression. It is possible.
Regardless of which material is used, the electrolyte membrane 1 of the present invention is forced to compress at the time of operation stop and maintain until the next start-up to prevent re-expansion, and has the remaining capacity to absorb new product water at the start-up. leave. Therefore, it is possible to shorten the scavenging time compared with the conventional case.
The electrolyte membrane 1 may be dried while the electrolyte membrane 1 is compressed as long as the environmental temperature of the fuel cell 101 is lowered to the same level as the temperature of the cold environment. The electrolyte membrane 1 may be compressed or dried after being compressed.
Examples of the drying means include dehumidification and flowing dry gas. Drying can be performed under conditions of a humidity comparable to the atmosphere and a temperature (60 to 80 ° C.) when the fuel cell is stopped.

本実施形態では電解質膜として、プロトン伝導膜の一種である固体高分子電解質膜の一つであるパーフルオロカーボンスルホン酸膜を用いて説明しているが、本発明の燃料電池において用いられる電解質膜は特に限定されるものではなく、プロトン伝導性のものであっても、水酸化物イオンや酸化物イオン(O2-)等その他のイオン伝導性のものであってもよい。 In the present embodiment, a perfluorocarbon sulfonic acid membrane, which is one of solid polymer electrolyte membranes, which is a kind of proton conducting membrane, is described as an electrolyte membrane. However, the electrolyte membrane used in the fuel cell of the present invention is It is not particularly limited, and may be proton-conductive or other ion-conductive such as hydroxide ion or oxide ion (O 2− ).

(触媒層)
触媒層2は、触媒、及び、プロトン伝導性物質としての触媒層用高分子電解質(電極用高分子電解質)のほか、通常、導電性材料を含み、さらに必要に応じて撥水性高分子や結着剤等、その他の成分または材料を含んでいてもよい。
かかる触媒層2は、触媒と、電極用高分子電解質と、溶媒と、必要に応じてさらに他の成分を含む触媒インクを用いて形成することができる。
触媒としては、触媒成分を炭素質粒子、炭素質繊維のような炭素材料等の導電性材料に担持させた担持触媒粒が好適に用いられる。触媒成分としては、アノードにおける水素の酸化反応、カソードにおける酸素の還元反応に対して触媒作用を有するものであれば特に限定されず、例えば、白金、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、パラジウム、オスニウム、タングステン、鉛、鉄、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウム等の金属、又はそれらの合金から選択することができる。好ましくは、Pt、及びPtと例えばRuなど他の金属とからなる合金である。
(Catalyst layer)
The catalyst layer 2 usually contains a conductive material in addition to the catalyst and the polymer electrolyte for the catalyst layer (electrode polymer electrolyte) as a proton conductive substance, and further contains a water-repellent polymer or a binder as necessary. Other components or materials such as an adhesive may be included.
The catalyst layer 2 can be formed using a catalyst ink containing a catalyst, a polymer electrolyte for electrodes, a solvent, and other components as necessary.
As the catalyst, supported catalyst particles in which a catalyst component is supported on a conductive material such as a carbon material such as carbonaceous particles and carbonaceous fibers are preferably used. The catalyst component is not particularly limited as long as it has a catalytic action on the hydrogen oxidation reaction at the anode and the oxygen reduction reaction at the cathode. For example, platinum, ruthenium, iridium, rhodium, palladium, osnium, tungsten, It can be selected from metals such as lead, iron, chromium, cobalt, nickel, manganese, vanadium, molybdenum, gallium, aluminum, or alloys thereof. Pt and an alloy made of Pt and another metal such as Ru are preferable.

電極用高分子電解質は特に限定されず、上述した電解質膜を形成する時に用いられる高分子電解質を用いることができる。電極用高分子電解質と電解質膜用高分子電解質は異なるものであってもよいが、通常は同じものが好ましく使用される。   The polymer electrolyte for electrodes is not particularly limited, and a polymer electrolyte used when forming the above-described electrolyte membrane can be used. The polymer electrolyte for electrodes and the polymer electrolyte for electrolyte membrane may be different, but usually the same one is preferably used.

触媒インクは上記のような触媒成分と電極用高分子電解質とを、溶媒に溶解又は分散させて得られる。触媒インクの溶媒は、用いる電極用高分子電解質に応じて適宜選択すればよく、例えば、メタノール、エタノール、プロパノール等のアルコールの他、ジメチルスルホキシド(DMSO)、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)、ジメチルアセトアミド(DMAC)、ジクロロメタン、クロロホルム、1,1−ジクロロエタン、1,2−ジクロロエタン、1,1,1−トリクロロエタン、テトラヒドロフラン、ジエチルエーテル、アセトン、メチルエチルケトン、ジメチルホルムアミド、又はこれら有機溶媒の混合物やこれら有機溶媒と水との混合物を用いることができる。
溶媒は、触媒成分1重量部に対し、通常、10〜20重量部程度添加する。
The catalyst ink is obtained by dissolving or dispersing the above catalyst component and electrode polymer electrolyte in a solvent. The solvent of the catalyst ink may be appropriately selected according to the polymer electrolyte for the electrode to be used. For example, in addition to alcohols such as methanol, ethanol and propanol, dimethyl sulfoxide (DMSO), N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) Dimethylacetamide (DMAC), dichloromethane, chloroform, 1,1-dichloroethane, 1,2-dichloroethane, 1,1,1-trichloroethane, tetrahydrofuran, diethyl ether, acetone, methyl ethyl ketone, dimethylformamide, or a mixture of these organic solvents, Mixtures of these organic solvents and water can be used.
The solvent is generally added in an amount of about 10 to 20 parts by weight per 1 part by weight of the catalyst component.

触媒インクを電解質膜1に塗布する方法は、特に限定されず、例えば、スプレー法、スクリーン印刷法、ドクターブレード法、グラビア印刷法、ダイコート法等が挙げられる。塗布後、自然乾燥又はホットプレート、オーブン、温風等の加熱乾燥を行うことで、触媒層が形成される。
触媒層2の膜厚は、特に限定されないが、5〜50μm程度とすればよい。
A method for applying the catalyst ink to the electrolyte membrane 1 is not particularly limited, and examples thereof include a spray method, a screen printing method, a doctor blade method, a gravure printing method, and a die coating method. After the application, the catalyst layer is formed by natural drying or heat drying such as a hot plate, an oven, or warm air.
Although the film thickness of the catalyst layer 2 is not specifically limited, What is necessary is just to be about 5-50 micrometers.

(ガス拡散層)
触媒層2の上には、さらにガス拡散層3が積層される。ガス拡散層3は、触媒層2に効率良くガスを供給することができるガス拡散性、導電性、及びガス拡散層を構成する材料として要求される強度を有するものであり、さらに、本発明においては、上述した電解質膜1よりも剛直性の高いガス拡散層を用いる。電解質膜1よりも剛直性が高いとは、積層状態で膜電極接合体5の積層方向に圧縮した時の圧縮変形率が電解質膜よりも小さいことを意味する。ガス拡散層3が、7MPa以上の圧力(圧縮圧)で体積減少率が30%以下の剛直体からなることが好ましい。ガス拡散層が上記範囲外である場合には、ガス拡散性を保持したまま圧縮することが困難である。体積減少率は「(1−圧縮時の拡散層の厚さ)/非圧縮時の拡散層の厚さ」によって求める(測定する)ことができる。
上記ガス拡散層3としては、例えば、チタン、アルミニウム、銅、ニッケル、ニッケル−クロム合金、銅及びその合金、銀、アルミ合金、亜鉛合金、鉛合金、チタン、ニオブ、タンタル、鉄、ステンレス、金、白金等の金属から構成される金属メッシュ又は金属多孔質体等の導電性多孔質体、発泡金属からなるガス拡散層シートを用いて形成することができる。通常ガス拡散層に用いることがあるカーボンクロスやカーボンペーパーは、剛直性が低く、膜電極接合体を積層方向に圧縮した時に、電解質膜が圧縮される前に潰れてしまうため、本発明におけるガス拡散層としては適当ではない。
(Gas diffusion layer)
A gas diffusion layer 3 is further laminated on the catalyst layer 2. The gas diffusion layer 3 has gas diffusivity, conductivity, and strength required as a material constituting the gas diffusion layer so that gas can be efficiently supplied to the catalyst layer 2. Uses a gas diffusion layer having higher rigidity than the electrolyte membrane 1 described above. Higher rigidity than the electrolyte membrane 1 means that the compressive deformation rate when compressed in the stacking direction of the membrane electrode assembly 5 in a stacked state is smaller than that of the electrolyte membrane. The gas diffusion layer 3 is preferably composed of a rigid body having a pressure (compression pressure) of 7 MPa or more and a volume reduction rate of 30% or less. When the gas diffusion layer is out of the above range, it is difficult to compress it while maintaining gas diffusibility. The volume reduction rate can be obtained (measured) by “(1−Diffusion layer thickness during compression) / Diffusion layer thickness during non-compression”.
Examples of the gas diffusion layer 3 include titanium, aluminum, copper, nickel, nickel-chromium alloy, copper and alloys thereof, silver, aluminum alloy, zinc alloy, lead alloy, titanium, niobium, tantalum, iron, stainless steel, and gold. It can be formed using a metal mesh composed of a metal such as platinum, a conductive porous body such as a metal porous body, or a gas diffusion layer sheet composed of a foam metal. The carbon cloth or carbon paper that is usually used for the gas diffusion layer has low rigidity, and when the membrane / electrode assembly is compressed in the stacking direction, it is crushed before the electrolyte membrane is compressed. It is not suitable as a diffusion layer.

ガス拡散層3は、上記したような導電性多孔質体の単層からなるものであってもよいが、触媒層に面する側に撥水層を設けることもできる。撥水層は、導電性多孔質体内に含浸した層であっても良い。
撥水層は、通常、炭素粒子や炭素繊維等の導電性粉粒体、ポリテトラフルオロエチレン等の撥水性樹脂等を含む多孔質構造を有するものである。撥水層は、必ずしも必要なものではないが、触媒層及び電解質膜内の水分量を適度に保持しつつ、ガス拡散層の排水性を高めることができる上に、触媒層とガス拡散層間の電気的接触を改善することができるという利点がある。
ガス拡散層3は、必要に応じて撥水層を設けたガス拡散層シートを、ホットプレス等の手法によって触媒層の表面に加熱圧着して接合することができる。
ガス拡散層3の厚さは、15〜100μm程度であることが好ましい。
The gas diffusion layer 3 may be composed of a single layer of the conductive porous body as described above, but a water repellent layer may be provided on the side facing the catalyst layer. The water repellent layer may be a layer impregnated in the conductive porous body.
The water-repellent layer usually has a porous structure containing conductive particles such as carbon particles and carbon fibers, a water-repellent resin such as polytetrafluoroethylene, and the like. The water-repellent layer is not always necessary, but it can improve the drainage of the gas diffusion layer while maintaining an appropriate amount of water in the catalyst layer and the electrolyte membrane. There is an advantage that electrical contact can be improved.
The gas diffusion layer 3 can be bonded by thermocompression bonding a gas diffusion layer sheet provided with a water-repellent layer as necessary to the surface of the catalyst layer by a technique such as hot pressing.
The thickness of the gas diffusion layer 3 is preferably about 15 to 100 μm.

このようにして、電解質膜1の両面に電極4a、4bを接合した膜電極接合体5が得られる。この膜電極接合体5は、さらにガス流路7a、7bを設けたセパレータ6a、6bで挟持され単セル100を形成する。
セパレータ6としては、例えば、炭素繊維を高濃度に含有し、樹脂との複合材からなるカーボンセパレータや、金属材料を用いた金属セパレータ等を用いることができる。金属セパレータとしては、耐腐食性に優れた金属材料からなるものや、表面をカーボンや耐腐食性に優れた金属材料等で被覆し、耐腐食性を高めるコーティングが施されたもの等が挙げられる。通常セパレータとして用いられている材料であれば、本発明の圧縮において破損などを生じず、問題なく使用することができる。
In this way, a membrane electrode assembly 5 is obtained in which the electrodes 4a and 4b are joined to both surfaces of the electrolyte membrane 1. This membrane electrode assembly 5 is further sandwiched between separators 6a and 6b provided with gas flow paths 7a and 7b to form a single cell 100.
As the separator 6, for example, a carbon separator containing a high concentration of carbon fiber and made of a composite material with a resin, a metal separator using a metal material, or the like can be used. Examples of the metal separator include those made of a metal material excellent in corrosion resistance, and those coated with a coating that enhances the corrosion resistance by coating the surface with carbon or a metal material excellent in corrosion resistance. . Any material that is normally used as a separator can be used without any problem without causing damage in the compression of the present invention.

このような単セル100を有する燃料電池を移動体、例えば自動車のエネルギー源として活用した場合には、起動と停止が頻繁に繰り返されることになる。寒冷環境下における燃料電池の停止中には、単セル100への水素及び空気の供給が停止し、必要に応じて乾燥ガスを供給して排気することによって、セル内における湿度を一定範囲に抑え、セル内の水分の凍結を低減する。
しかし、燃料電池のセル100にガスを供給して所定の湿度まで乾燥しても、乾燥時の雰囲気温度が低温で乾燥を終了した後、燃料電池が低温下にさらされて(自然放置されて)放冷した場合や、乾燥が終了した時の雰囲気温度が低温ではなくても、昼間から夜間になるにしたがい気温が冷え込むなど、燃料電池の雰囲気温度が低下した場合には、セル100内の相対湿度が上昇して、一度乾燥によって気化したセル内の水が結露し、発生した水は電解質膜1に吸収される。一度所定の湿度まで乾燥を完了したにもかかわらず、停止時に電解質膜1の含水量が増加してしまうと、再起動後に電解質膜1が水を吸収できる量は低減する。このような状態の燃料電池を寒冷環境下で起動した場合には、電気化学反応によって触媒層2で生成する水を電解質膜1が吸収しきれず、生成水はガス拡散層3と比べて細孔を有する触媒層2及び該触媒層に隣接する電解質膜1で凍結し、触媒層2中の細孔を閉塞させてしまい、燃料電池の起動性が損なわれる虞がある。
本発明においては燃料電池に圧縮機構を設けることによって、燃料電池の運転停止時に電解質膜1を圧縮して維持し、低温起動時に触媒層2で生成する水を電解質膜1が吸収することができる余力を持たせる。
When a fuel cell having such a single cell 100 is used as an energy source for a mobile object, for example, an automobile, start and stop are frequently repeated. While the fuel cell is stopped in a cold environment, the supply of hydrogen and air to the single cell 100 is stopped, and the humidity in the cell is kept within a certain range by supplying and exhausting dry gas as necessary. Reduce the freezing of moisture in the cell.
However, even if gas is supplied to the fuel cell 100 and dried to a predetermined humidity, after the drying is finished at a low atmospheric temperature, the fuel cell is exposed to a low temperature (naturally left to stand). ) In the case where the temperature of the fuel cell is lowered, such as when the temperature is lowered from the daytime to the nighttime even when the drying is finished or the atmosphere temperature is not low, When the relative humidity increases, water in the cell once evaporated by vapor condensation forms, and the generated water is absorbed by the electrolyte membrane 1. If the moisture content of the electrolyte membrane 1 increases at the time of stoppage even though the drying is once completed to a predetermined humidity, the amount that the electrolyte membrane 1 can absorb water after restarting is reduced. When the fuel cell in such a state is started in a cold environment, the electrolyte membrane 1 cannot fully absorb the water generated in the catalyst layer 2 by the electrochemical reaction, and the generated water has pores as compared with the gas diffusion layer 3. The catalyst layer 2 and the electrolyte membrane 1 adjacent to the catalyst layer are frozen to clog the pores in the catalyst layer 2, which may impair the startability of the fuel cell.
In the present invention, by providing a compression mechanism in the fuel cell, the electrolyte membrane 1 can be compressed and maintained when the fuel cell is stopped, and the electrolyte membrane 1 can absorb water generated in the catalyst layer 2 at the time of low temperature startup. Give extra energy.

<圧縮機構>
図2に固体高分子電解質型燃料電池の一例を示す。圧縮機構10は、電解質膜1を膜電極接合体5の積層方向に圧縮する圧縮手段8と、該圧縮手段8による圧縮と除圧を制御する制御手段9とを含む。
図2に示すように、上述した構成を有する膜電極接合体5を備えた単セル100を複数用いて、膜電極接合体5の積層方向に積層し、電気的に集合させてスタックを形成し、単セル100の一端のセパレータ6に圧縮機構10の圧縮手段8が面するように配置し、さらにスタックの外側から一対のエンドプレート11a、11bによって狭持して固定して、燃料電池101を形成する。エンドプレート11a及び11bの間は締結ロッド12によって膜電極接合体5の積層方向が一定の厚さを有するように固定される。
図2に図示されていないが、単セル100のガス流路7a、7bは、それぞれセル内に反応ガスを導入するガスマニホールドに連通する。また、積層面の外縁部からのガス漏れを防止するため、電解質膜1を中心に、触媒層2a、2bとガス拡散層3a、3bの外縁部をガスケットによりシールする。また、セル内の余分な水は集められて外部に排出される。
<Compression mechanism>
FIG. 2 shows an example of a solid polymer electrolyte fuel cell. The compression mechanism 10 includes a compression unit 8 that compresses the electrolyte membrane 1 in the stacking direction of the membrane electrode assembly 5, and a control unit 9 that controls compression and decompression by the compression unit 8.
As shown in FIG. 2, a plurality of unit cells 100 each including the membrane electrode assembly 5 having the above-described configuration are used, stacked in the stacking direction of the membrane electrode assembly 5, and electrically stacked to form a stack. The fuel cell 101 is disposed so that the compression means 8 of the compression mechanism 10 faces the separator 6 at one end of the single cell 100 and is sandwiched and fixed by a pair of end plates 11a and 11b from the outside of the stack. Form. The end plates 11a and 11b are fixed by the fastening rod 12 so that the stacking direction of the membrane electrode assembly 5 has a constant thickness.
Although not shown in FIG. 2, the gas flow paths 7a and 7b of the single cell 100 communicate with gas manifolds that introduce reaction gas into the cells, respectively. Further, in order to prevent gas leakage from the outer edge portion of the laminated surface, the outer edge portions of the catalyst layers 2a and 2b and the gas diffusion layers 3a and 3b are sealed with a gasket, centering on the electrolyte membrane 1. In addition, excess water in the cell is collected and discharged to the outside.

(圧縮手段)
本発明における圧縮手段8としては、特に限定されず、例えば、油圧式ジャッキ、空気圧による圧縮器、ネジの締結力によって圧力をかける機械式圧縮器等が挙げられる。電解質膜1全体に略均一に圧力をかけることができるものであることが好ましい。
(Compression means)
The compression means 8 in the present invention is not particularly limited, and examples thereof include a hydraulic jack, a pneumatic compressor, and a mechanical compressor that applies pressure by a screw fastening force. It is preferable that pressure can be applied to the entire electrolyte membrane 1 substantially uniformly.

(制御手段)
本発明における制御手段9は、燃料電池101の停止時に、圧縮手段8に電解質膜1を圧縮させ、該電解質膜1の圧縮を、該電解質膜1の膨潤寸法厚さより薄い厚さで次の起動時まで維持させた後、該燃料電池101の起動時に、該圧縮手段8に該電解質膜1の除圧を行わせる。尚、本発明における圧縮は、膜電極接合体5を備える単セル100に対して行うため、電解質膜1以外に触媒層2、ガス拡散層3及びセパレータ6にも圧力が加わる。しかし、ガス拡散層3及びセパレータ6には剛直な材料が用いられ、触媒層2は非常に薄膜であるため、実質的に圧縮されるのは電解質膜1のみとなる。
(Control means)
The control means 9 in the present invention causes the compression means 8 to compress the electrolyte membrane 1 when the fuel cell 101 is stopped, and the compression of the electrolyte membrane 1 is started next with a thickness smaller than the swelling dimension thickness of the electrolyte membrane 1. After maintaining for a while, when the fuel cell 101 is started, the compression means 8 is made to depressurize the electrolyte membrane 1. In addition, since compression in the present invention is performed on the single cell 100 including the membrane electrode assembly 5, pressure is applied to the catalyst layer 2, the gas diffusion layer 3, and the separator 6 in addition to the electrolyte membrane 1. However, since a rigid material is used for the gas diffusion layer 3 and the separator 6 and the catalyst layer 2 is a very thin film, only the electrolyte membrane 1 is substantially compressed.

圧縮機構10によって施される電解質膜1の圧縮は、寒冷環境下における燃料電池101の起動に備えるために、単セル100の電解質膜1及び電極4におけるガス透過路が確保できる程度であることが求められ、膨潤寸法厚さより薄い厚さとなるように電解質膜1を圧縮する。ここで、膨潤寸法厚さとは、電解質膜が最も水分を吸収した時の厚さであり、80℃で60分間熱水中に電解質膜を浸漬させた時の膜厚を意味する。他方、電解質膜から最も水分を除去した時の厚さを乾燥寸法厚さといい、80℃のドライオーブン中で24時間乾燥した時の膜厚を意味する。
具体的には、電解質膜1の膨潤寸法厚さと乾燥寸法厚さとの差に対する、電解質膜1の圧縮前の厚さと圧縮後の厚さとの差の百分率による比を、電解質膜1の圧縮率としたときに、当該圧縮率が20〜80%、好ましくは40〜60%となるまで、前記電解質膜を圧縮することが好ましい。電解質膜1の圧縮率が上記範囲外である場合には、起動時の生成水が十分に吸収できなかったり、電解質膜が破損してしまう等の問題が発生する虞がある。
また、電解質膜1は、一旦、上記所定の圧縮率の膜厚よりも薄くなるまで圧縮した後、除圧して膜厚を復元させ、圧縮率が上記所定の範囲内になるようにしてもよい。
本発明における燃料電池の起動及び停止システムは、電解質膜1の厚さを測定し、測定値を制御手段9に伝達する膜厚測定手段(図示せず)を含むことが好ましい。
The compression of the electrolyte membrane 1 performed by the compression mechanism 10 is such that a gas permeation path can be secured in the electrolyte membrane 1 and the electrode 4 of the single cell 100 in order to prepare for the start of the fuel cell 101 in a cold environment. The electrolyte membrane 1 is compressed so that the thickness is smaller than the swelling dimension thickness. Here, the swelling dimension thickness is the thickness when the electrolyte membrane absorbs most water, and means the thickness when the electrolyte membrane is immersed in hot water at 80 ° C. for 60 minutes. On the other hand, the thickness when water is most removed from the electrolyte membrane is called dry dimension thickness, which means the thickness when dried in a dry oven at 80 ° C. for 24 hours.
Specifically, the ratio of the difference between the thickness before compression of the electrolyte membrane 1 and the thickness after compression to the difference between the swelling dimension thickness and the dry dimension thickness of the electrolyte membrane 1 is expressed as the compressibility of the electrolyte membrane 1. It is preferable to compress the electrolyte membrane until the compression ratio is 20 to 80%, preferably 40 to 60%. When the compressibility of the electrolyte membrane 1 is out of the above range, there is a possibility that problems such as insufficient generation of water generated at the time of start-up or breakage of the electrolyte membrane may occur.
The electrolyte membrane 1 may be compressed until it becomes thinner than the film thickness having the predetermined compression ratio, and then the pressure is removed to restore the film thickness so that the compression ratio falls within the predetermined range. .
The fuel cell start and stop system according to the present invention preferably includes a film thickness measuring means (not shown) for measuring the thickness of the electrolyte membrane 1 and transmitting the measured value to the control means 9.

本発明における燃料電池の起動及び停止システムは、さらに、燃料電池101の起動及び停止指令の信号を検出し、該信号を制御手段9に伝達する入力検出手段(図示せず)を含むことが好ましい。
燃料電池101の起動時に、本発明においては電解質膜1の除圧を行う。そのため、寒冷環境下において燃料電池101の起動時の生成水を除圧した電解質膜1が吸収し、触媒層2における生成水の凍結を防ぎ、ガス透過路の閉塞を抑制することができる。
The fuel cell start and stop system according to the present invention preferably further includes input detection means (not shown) for detecting a start and stop command signal for the fuel cell 101 and transmitting the signal to the control means 9. .
At the start of the fuel cell 101, the electrolyte membrane 1 is depressurized in the present invention. Therefore, the electrolyte membrane 1 that has depressurized the generated water at the start-up of the fuel cell 101 in a cold environment absorbs it, prevents the generated water from freezing in the catalyst layer 2, and suppresses the blockage of the gas permeation path.

次に、このような燃料電池の起動及び停止システムにおける燃料電池の起動及び停止方法について説明する。
(1)燃料電池の運転停止時に、圧縮機構によって電解質膜を膜電極接合体の積層方向に圧縮する工程
燃料電池101の運転停止時には、圧縮機構10によって電解質膜1を膜電極接合体5の積層方向に圧縮する。ここで、「燃料電池の運転停止時」とは、反応ガスの供給停止直前から反応ガスの供給が停止され、電気化学反応がほぼ終了するまで、さらに、該電気化学反応がほぼ終了した後、電解質膜1が上述した所定の膨潤寸法厚さより薄い厚さまで圧縮可能な程度の未凍結の状態である期間を意味する。寒冷環境下において、電解質膜の温度が氷点下となり電解質膜中の水分が凍結すると電解質膜の圧縮は困難になる。
燃料電池101を移動体又は車両に搭載する場合には、通常、イグニッションがOFFにされた後に反応ガスの供給が停止される。この場合、イグニッションがOFFにされる直前から圧縮を開始することができる。
また、本工程(1)における圧縮は、燃料電池の運転停止直前に、又は燃料電池の運転を停止しながら行うことができる。圧縮圧は、7MPa以上、特に7〜10MPaが好ましい。圧縮圧が7MPa以上であることによって、上述した電解質膜1の圧縮率を上記範囲とすることができる。上記範囲よりも圧縮圧が小さいと電解質膜1が吸水により膨張する時に充分に制御しながら開放することが難しい。
本工程における圧縮は、電解質膜1において一度体積が減少した状態を押さえて体積が増加しないようにする役割を果たす。
上述したように、本発明の電解質膜の多くは水の出入りで膨潤と収縮を行う電解質膜であるため、通常は圧縮と並行して乾燥も行う。
Next, a fuel cell start and stop method in such a fuel cell start and stop system will be described.
(1) The step of compressing the electrolyte membrane in the stacking direction of the membrane electrode assembly by the compression mechanism when the operation of the fuel cell is stopped The stacking of the electrolyte membrane 1 by the compression mechanism 10 is performed by the compression mechanism 10 when the operation of the fuel cell 101 is stopped. Compress in the direction. Here, “when the fuel cell operation is stopped” means that the supply of the reaction gas is stopped immediately before the supply of the reaction gas is stopped until the electrochemical reaction is almost finished, and then the electrochemical reaction is almost finished, It means a period in which the electrolyte membrane 1 is in an unfrozen state so that the electrolyte membrane 1 can be compressed to a thickness smaller than the predetermined swelling dimension thickness. In a cold environment, when the temperature of the electrolyte membrane is below freezing point and the water in the electrolyte membrane is frozen, it becomes difficult to compress the electrolyte membrane.
When the fuel cell 101 is mounted on a moving body or a vehicle, the supply of the reaction gas is normally stopped after the ignition is turned off. In this case, compression can be started immediately before the ignition is turned off.
Further, the compression in this step (1) can be performed immediately before stopping the operation of the fuel cell or while stopping the operation of the fuel cell. The compression pressure is preferably 7 MPa or more, particularly 7 to 10 MPa. When the compression pressure is 7 MPa or more, the compression rate of the electrolyte membrane 1 described above can be in the above range. When the compression pressure is lower than the above range, it is difficult to open the electrolyte membrane 1 while being sufficiently controlled when the electrolyte membrane 1 expands due to water absorption.
The compression in this step serves to prevent the volume from increasing by suppressing the state where the volume has once decreased in the electrolyte membrane 1.
As described above, since many of the electrolyte membranes of the present invention are electrolyte membranes that swell and shrink when water enters and exits, drying is usually performed in parallel with compression.

図3に燃料電池の運転停止時のフローチャートを示す。イグニッションがOFFとなり、車両、つまり燃料電池101の運転が停止されると、ステップS01において、入力検出手段が停止信号を検出し、制御手段9に伝達する。制御手段9は、ステップS02において、圧縮手段8に対して電解質膜1の圧縮を開始するように指令を発し、ステップS03において、圧縮手段8は電解質膜1を膜電極接合体5の積層方向に圧縮し始める。ステップS04において、膜厚測定手段は所定の時間ごとに電解質膜1の厚さを測定し、測定値を制御手段9に伝達する。制御手段9は、ステップS05において、上述したような所定の電解質膜の厚さに該測定値が達しているかを判定し、判定結果がNOである場合には、圧縮を続けるように圧縮手段8に指令を発し、圧縮手段8はステップS03においてさらに圧縮を行う。他方、判定結果がYESである場合には、ステップS06において、制御手段9は圧縮手段8に対して電解質膜1の圧縮を停止するように指令を発し、ステップS07において圧縮手段8は電解質膜1の圧縮を停止する。   FIG. 3 shows a flowchart when the operation of the fuel cell is stopped. When the ignition is turned off and the operation of the vehicle, that is, the fuel cell 101 is stopped, the input detection means detects a stop signal and transmits it to the control means 9 in step S01. In step S02, the control means 9 issues a command to the compression means 8 to start compression of the electrolyte membrane 1, and in step S03, the compression means 8 places the electrolyte membrane 1 in the stacking direction of the membrane electrode assembly 5. Start compressing. In step S <b> 04, the film thickness measuring unit measures the thickness of the electrolyte membrane 1 every predetermined time, and transmits the measured value to the control unit 9. In step S05, the control unit 9 determines whether the measured value has reached the predetermined electrolyte membrane thickness as described above. If the determination result is NO, the compression unit 8 continues the compression. The compression means 8 further performs compression in step S03. On the other hand, if the determination result is YES, in step S06, the control means 9 issues a command to the compression means 8 to stop the compression of the electrolyte membrane 1, and in step S07, the compression means 8 causes the electrolyte membrane 1 to stop. Stop compression.

(2)電解質膜の圧縮を、電解質膜の膨潤寸法厚さより薄い厚さで次の起動時まで維持する工程
上記工程(1)に続き、電解質膜1の圧縮を、電解質膜1の膨潤寸法厚さより薄い厚さで次の起動時まで維持する。すなわち、工程(1)で電解質膜1を圧縮した後、除圧を行わずに、ステップS06における電解質膜1に対する圧力を維持した状態で放置する。このように、圧縮した状態が維持されるため、燃料電池の運転停止時から起動時までの間、電解質膜1の含水量はほとんど増加しない。そのため、上述したように、低温下停止時に相対湿度が増加して結露により生じる水を電解質膜が吸収することを見越して長時間掃気を行っている従来の方法と比較して、掃気時間を短縮することができる。
通常、固体高分子型燃料電池は100℃未満という常温に近い温度で運転するが、寒冷環境下で燃料電池の運転を停止した場合、又は、運転停止後に燃料電池の雰囲気温度が氷点下まで低下した場合には、運転停止時から次の起動までの間、燃料電池101内の温度が雰囲気温度と同程度になるように変化する。例えば、氷点下で圧縮を終了した後、燃料電池101は低温にさらされて(自然放置されて)放冷し、燃料電池101の温度は雰囲気温度と同じ程度になる。また、圧縮が終了した時は昼間で雰囲気温度は低温ではないが、夜間になるにしたがい気温が冷え込んだ場合には、燃料電池101の温度が雰囲気温度にしたがい低下する。氷点下において、燃料電池の外に排出されずに残留した水は凍結する。
(2) Step of maintaining the compression of the electrolyte membrane with a thickness smaller than the swelling dimension thickness of the electrolyte membrane until the next start-up Following the above step (1), the compression of the electrolyte membrane 1 is performed with the swelling dimension thickness of the electrolyte membrane 1 Maintain a thinner thickness until the next start-up. That is, after compressing the electrolyte membrane 1 in the step (1), it is left in a state in which the pressure on the electrolyte membrane 1 in step S06 is maintained without performing pressure reduction. Thus, since the compressed state is maintained, the water content of the electrolyte membrane 1 hardly increases during the period from the stop of the operation of the fuel cell to the start of the fuel cell. Therefore, as described above, the scavenging time is shortened compared to the conventional method in which scavenging is performed for a long time in anticipation that the electrolyte membrane absorbs water generated by condensation due to an increase in relative humidity when stopped at low temperatures. can do.
Normally, a polymer electrolyte fuel cell is operated at a temperature close to room temperature of less than 100 ° C. However, when the operation of the fuel cell is stopped in a cold environment, or after the operation is stopped, the ambient temperature of the fuel cell has decreased to below freezing point. In this case, the temperature in the fuel cell 101 changes so as to be approximately the same as the ambient temperature from the time when the operation is stopped until the next activation. For example, after completion of compression below freezing point, the fuel cell 101 is exposed to a low temperature (naturally left) and allowed to cool, and the temperature of the fuel cell 101 becomes approximately the same as the ambient temperature. When the compression is completed, the ambient temperature is not low in the daytime. However, when the air temperature cools down at night, the temperature of the fuel cell 101 decreases according to the ambient temperature. Below freezing, water that remains without being discharged out of the fuel cell freezes.

(3)燃料電池の起動時に、圧縮機構によって電解質膜の除圧を行う工程
上記工程(2)を経て、燃料電池101の起動時には、圧縮機構10によって電解質膜1の除圧を行う。ここで、「燃料電池の起動時」とは、反応ガスの供給開始直前から反応ガスの供給が開始され、ウォーミングアップがほぼ完了するまでの期間を意味する。ウォーミングアップとは、まだ燃料電池101に凍結が残っている状態で、反応ガス供給開始から3分くらいを意味する。
燃料電池101を移動体又は車両に搭載する場合には、通常、イグニッションがONにされた後に反応ガスの供給が開始される。この場合、イグニッションがONにされた時点から除圧を開始することができる。
また、本工程(3)における除圧は、工程(1)において加えた圧力がゼロになるまで圧力を減少させることを意味し、燃料電池の起動直前、又は燃料電池を起動しながら行うことができる。除圧は、一度に又は徐々に行うことができるが、急激に除圧すると電解質膜1の復元が偏り、膜にひずみが生じ、スタックにおいて接触不良が生じる可能性があるため、電解質膜1と圧縮機構10(圧縮手段)との間で接触圧を保持しながら徐々に除圧して、電解質膜1が生成水を吸収しながら体積を増加させることが好ましい。
本工程における除圧は、電解質膜1において体積の増加を妨げないようにする役割を果たす。燃料電池を起動すると反応ガスが供給され、電気化学反応が開始し、その結果、触媒層2において水が生成する。上述したように、膨潤性材料の電解質膜1が生成水を吸収しながら体積を復元するため、又は、ゴム弾性・膨潤性材料の電解質膜1が圧力の開放により体積を復元しながら生成水を吸収するため、起動時の生成水が触媒層2又は該触媒層に隣接する電解質膜1で凍結することを回避でき、低温起動性を向上させることができる。
(3) Step of Depressurizing the Electrolyte Membrane by the Compression Mechanism when Starting the Fuel Cell After the step (2), the pressure of the electrolyte membrane 1 is removed by the compression mechanism 10 when starting the fuel cell 101. Here, “when the fuel cell is activated” means a period from the start of the supply of the reaction gas to the start of the supply of the reaction gas until the warm-up is almost completed. “Warming up” means about 3 minutes from the start of the reaction gas supply in a state where the fuel cell 101 is still frozen.
When the fuel cell 101 is mounted on a moving body or a vehicle, the supply of the reaction gas is usually started after the ignition is turned on. In this case, the decompression can be started from the time when the ignition is turned on.
Further, the depressurization in this step (3) means that the pressure is decreased until the pressure applied in step (1) becomes zero, and can be performed immediately before starting the fuel cell or while starting the fuel cell. it can. The depressurization can be performed at once or gradually. However, if the depressurization is suddenly performed, the restoration of the electrolyte membrane 1 is biased, and the membrane may be distorted, resulting in poor contact in the stack. It is preferable that the pressure is gradually reduced while maintaining the contact pressure with the compression mechanism 10 (compression means), and the volume is increased while the electrolyte membrane 1 absorbs generated water.
The decompression in this step plays a role of preventing the increase in volume in the electrolyte membrane 1. When the fuel cell is started, a reaction gas is supplied and an electrochemical reaction starts. As a result, water is generated in the catalyst layer 2. As described above, in order to restore the volume while the electrolyte membrane 1 of the swellable material absorbs the generated water, or the electrolyte membrane 1 of the rubber elastic / swellable material restores the volume by releasing the pressure, Since it absorbs, it can avoid freezing the water produced | generated at the time of starting in the catalyst layer 2 or the electrolyte membrane 1 adjacent to this catalyst layer, and can improve low temperature starting property.

図4に燃料電池の起動時のフローチャートを示す。ステップS08において、イグニッションがONとなり車両、つまり燃料電池101の運転開始の信号を入力検出手段が検出し、制御手段9に伝達する。制御手段9は、ステップS09において、圧縮手段8に対して電解質膜1の除圧を開始するように指令を発し、ステップS10において、圧縮手段8は電解質膜1の除圧を開始する。ステップS07で加圧した圧力がゼロになるように一度に又は徐々に除圧する。ステップS11において、ステップS07で加圧した圧力がゼロになったところで除圧は終了する。   FIG. 4 shows a flowchart when starting the fuel cell. In step S08, the ignition is turned on, and the input detection means detects the vehicle, that is, the operation start signal of the fuel cell 101, and transmits it to the control means 9. In step S09, the control unit 9 issues a command to the compression unit 8 to start depressurization of the electrolyte membrane 1, and in step S10, the compression unit 8 starts depressurization of the electrolyte membrane 1. The pressure is released all at once or gradually so that the pressure applied in step S07 becomes zero. In step S11, the pressure removal ends when the pressure applied in step S07 becomes zero.

以上に説明した本発明に係る燃料電池の起動及び停止方法及び燃料電池の起動及び停止システムによれば、燃料電池の運転停止時に電解質膜を圧縮し、燃料電池の起動時に該電解質膜を除圧するため、寒冷環境下の燃料電池の起動時の生成水を、除圧した電解質膜が吸収することができ、触媒層における生成水の凍結を防いで触媒層の細孔の閉塞を抑制することができる。したがって、低温起動性に優れた燃料電池を実現することができる。さらに、燃料電池の運転停止時に電解質膜を圧縮して次の起動時まで維持するため、寒冷環境下の起動に備えた運転停止時における燃料電池セル内の掃気時間を短縮することができる。   According to the fuel cell starting and stopping method and the fuel cell starting and stopping system according to the present invention described above, the electrolyte membrane is compressed when the fuel cell is stopped, and the electrolyte membrane is depressurized when the fuel cell is started. Therefore, the electrolyte membrane that has been depressurized can absorb the generated water at the start-up of the fuel cell in a cold environment, preventing the freezing of the generated water in the catalyst layer and suppressing the clogging of the pores of the catalyst layer. it can. Therefore, it is possible to realize a fuel cell excellent in low-temperature startability. Further, since the electrolyte membrane is compressed and maintained until the next start-up when the fuel cell is stopped, the scavenging time in the fuel cell at the time of the stop in preparation for the start-up in the cold environment can be shortened.

(実施例1)
電解質膜として含水量30%のNafion(商品名、デュポン社製)を用意し、クリープ試験機等を用いて7MPaの圧力を付与して維持したまま、相対湿度100%の環境下(60℃)に放置し、該電解質膜の膜厚の増加割合を測定した。
Example 1
Prepare an Nafion (trade name, manufactured by DuPont) with a water content of 30% as an electrolyte membrane, and maintain a pressure of 7 MPa using a creep tester, etc., in an environment with a relative humidity of 100% (60 ° C.). And the increase rate of the thickness of the electrolyte membrane was measured.

(比較例1)
圧力を1MPaとした以外は、実施例1と同様に該電解質膜の膜厚の増加割合を測定した。
(Comparative Example 1)
The increase rate of the thickness of the electrolyte membrane was measured in the same manner as in Example 1 except that the pressure was 1 MPa.

(比較例2)
圧力を2.5MPaとした以外は、実施例1と同様に該電解質膜の膜厚の増加割合を測定した。
(Comparative Example 2)
The increase rate of the thickness of the electrolyte membrane was measured in the same manner as in Example 1 except that the pressure was 2.5 MPa.

図5に、実施例1及び比較例1〜2における経過時間と膜厚増加割合の関係を表したグラフを示す。膜厚増加割合は、上記電解質膜の乾燥寸法厚さを基準とした場合での、各測定膜厚の増加率を百分率で表す。尚、圧縮前の上記電解質膜の膜厚は乾燥寸法厚さの25%増加した状態である。
該グラフより、実施例1においては、圧縮前の電解質膜の膜厚の約半分くらいの膜厚までしか復元しないため、圧力が適切であることが分かる。比較例1〜2においては、付与された圧力が小さすぎて電解質膜が水を吸収しながら膜厚を増加させすぎてしまうことが分かる。
In FIG. 5, the graph showing the relationship between the elapsed time in Example 1 and Comparative Examples 1-2 and a film thickness increase rate is shown. The rate of film thickness increase represents the rate of increase of each measured film thickness as a percentage based on the dry dimension thickness of the electrolyte membrane. In addition, the film thickness of the electrolyte membrane before compression is in a state in which it is increased by 25% of the dry dimension thickness.
From the graph, it can be seen that in Example 1, the pressure is appropriate because it is restored only to about half the thickness of the electrolyte membrane before compression. In Comparative Examples 1 and 2, it is understood that the applied pressure is too small and the electrolyte membrane increases the film thickness while absorbing water.

(実施例2)
電解質膜としてNafion(商品名、デュポン社製)、触媒として20wt%のPtを担持させた炭素材料(E−TEK製)、ガス拡散層としてTGPH−060(商品名、東レ製)を用いて、膜電極接合体を作製した。次に、圧縮手段として面圧管理可能な圧縮ホルダを用いて電解質膜の圧縮率が60%となるように前記膜電極接合体を圧縮し、−15℃に設置して12時間放置した。
続いて、圧縮圧を除去して膜電極接合体を開放しながら、前記膜電極接合体にHと空気を両極に流し、0.1Vで電圧を一定に保ちながら発電を続け、電流密度の経時変化を測定した。
(Example 2)
Using Nafion (trade name, manufactured by DuPont) as an electrolyte membrane, a carbon material (E-TEK) supporting 20 wt% Pt as a catalyst, and TGPH-060 (trade name, manufactured by Toray) as a gas diffusion layer, A membrane electrode assembly was produced. Next, the membrane electrode assembly was compressed using a compression holder capable of controlling the surface pressure as the compression means so that the compression rate of the electrolyte membrane was 60%, and the membrane electrode assembly was placed at −15 ° C. and left for 12 hours.
Subsequently, while releasing the compression pressure and opening the membrane electrode assembly, H 2 and air were passed through the membrane electrode assembly in both electrodes, and power generation was continued while maintaining a constant voltage at 0.1 V. The change with time was measured.

(比較例3)
圧縮手段を用いない以外は、実施例2と同様に該膜電極接合体の電流密度の経時変化を測定した。
(Comparative Example 3)
The change with time of the current density of the membrane electrode assembly was measured in the same manner as in Example 2 except that the compression means was not used.

図6に実施例2と比較例3の測定結果を示す。比較例3に示す従来技術においては、発電により生成した水が触媒層及び触媒層に隣接する電解質膜で凍結し、触媒層中の細孔を閉塞させてしまうため、発電特性が早期に低下してしまった。
他方、実施例2においては、生成した水が、圧縮圧から開放された電解質膜に速やかに吸収されるため、触媒層中の細孔に生成水が留まって閉塞させることを抑制できた。
FIG. 6 shows the measurement results of Example 2 and Comparative Example 3. In the prior art shown in Comparative Example 3, the water generated by power generation freezes at the catalyst layer and the electrolyte membrane adjacent to the catalyst layer and clogs the pores in the catalyst layer. I have.
On the other hand, in Example 2, since the produced | generated water was rapidly absorbed into the electrolyte membrane released from the compression pressure, it was possible to suppress the produced water from staying in and blocking the pores in the catalyst layer.

本発明における燃料電池の単セルの一例の模式的断面図である。It is typical sectional drawing of an example of the single cell of the fuel cell in this invention. 本発明における燃料電池の一例の模式的断面図である。It is typical sectional drawing of an example of the fuel cell in this invention. 本発明の燃料電池の停止時のフローチャート図である。It is a flowchart figure at the time of the stop of the fuel cell of this invention. 本発明の燃料電池の起動時のフローチャート図である。It is a flowchart figure at the time of starting of the fuel cell of this invention. 本発明の実施例の測定結果を示すグラフである。It is a graph which shows the measurement result of the Example of this invention. 本発明の実施例の測定結果を示すグラフである。It is a graph which shows the measurement result of the Example of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1…電解質膜
2…触媒層(2a:カソード側触媒層、2b:アノード側触媒層)
3…ガス拡散層(3a:カソード側ガス拡散層、3b:アノード側ガス拡散層)
4…電極(4a:カソード、4b:アノード)
5…膜電極接合体
6…セパレータ(6a:カソード側セパレータ、6b:アノード側セパレータ)
7…ガス流路(7a、7b)
8…圧縮手段
9…制御手段
10…圧縮機構
11…エンドプレート(11a、11b)
12…締結ロッド
100…単セル
101…燃料電池
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Electrolyte membrane 2 ... Catalyst layer (2a: Cathode side catalyst layer, 2b: Anode side catalyst layer)
3. Gas diffusion layer (3a: cathode side gas diffusion layer, 3b: anode side gas diffusion layer)
4 ... Electrode (4a: cathode, 4b: anode)
5 ... Membrane electrode assembly 6 ... Separator (6a: cathode side separator, 6b: anode side separator)
7: Gas flow path (7a, 7b)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 8 ... Compression means 9 ... Control means 10 ... Compression mechanism 11 ... End plate (11a, 11b)
12 ... Fastening rod 100 ... Single cell 101 ... Fuel cell

Claims (6)

電解質膜、及び、該電解質膜側から触媒層及びガス拡散層を含み、該電解質膜を挟んで設けられた一対の電極を有する膜電極接合体、並びに、圧縮機構を備える燃料電池の起動及び停止方法であって、該ガス拡散層が該電解質膜よりも剛直性の高いガス拡散層であり、以下の工程を含む燃料電池の起動及び停止方法。
(1)該燃料電池の運転停止時に、該圧縮機構によって該電解質膜を該膜電極接合体の積層方向に圧縮する工程、
(2)該電解質膜の圧縮を、該電解質膜の膨潤寸法厚さより薄い厚さで次の起動時まで維持する工程、及び
(3)該燃料電池の起動時に、該圧縮機構によって該電解質膜の除圧を行う工程。
Starting and stopping of an electrolyte membrane, a membrane electrode assembly including a catalyst layer and a gas diffusion layer from the electrolyte membrane side and having a pair of electrodes provided with the electrolyte membrane interposed therebetween, and a fuel cell including a compression mechanism A method for starting and stopping a fuel cell, comprising the following steps, wherein the gas diffusion layer is a gas diffusion layer having higher rigidity than the electrolyte membrane.
(1) a step of compressing the electrolyte membrane in the stacking direction of the membrane electrode assembly by the compression mechanism when the operation of the fuel cell is stopped;
(2) maintaining the compression of the electrolyte membrane at a thickness smaller than the swelling dimension thickness of the electrolyte membrane until the next startup, and (3) at the startup of the fuel cell, the compression mechanism A process of releasing pressure.
前記工程(1)において、前記電解質膜を乾燥させることを特徴とする、請求項1に記載の燃料電池の起動及び停止方法。   The method of starting and stopping a fuel cell according to claim 1, wherein the electrolyte membrane is dried in the step (1). 前記工程(1)において、前記電解質膜の膨潤寸法厚さと乾燥寸法厚さとの差に対する、前記電解質膜の圧縮前の厚さと圧縮後の厚さとの差の百分率による比を、電解質膜の圧縮率としたときに、当該圧縮率が20〜80%となるまで、前記電解質膜を圧縮することを特徴とする、請求項1又は2に記載の燃料電池の起動及び停止方法。   In the step (1), the ratio of the difference between the thickness before compression of the electrolyte membrane and the thickness after compression with respect to the difference between the swelling dimension thickness and the dry dimension thickness of the electrolyte membrane is defined as the compressibility of the electrolyte membrane. 3. The method of starting and stopping the fuel cell according to claim 1, wherein the electrolyte membrane is compressed until the compression rate becomes 20 to 80%. 前記ガス拡散層が、7MPa以上の圧力(圧縮圧)で体積減少率が30%以下の剛直体からなることを特徴とする、請求項1乃至3に記載の燃料電池の起動及び停止方法。   4. The method for starting and stopping a fuel cell according to claim 1, wherein the gas diffusion layer is made of a rigid body having a pressure (compression pressure) of 7 MPa or more and a volume reduction rate of 30% or less. 電解質膜、及び、該電解質膜側から触媒層及びガス拡散層を含み、該電解質膜を挟んで設けられた一対の電極を有する膜電極接合体、並びに、圧縮機構を備える燃料電池の起動及び停止システムであって、
該ガス拡散層が該電解質膜よりも剛直性の高いガス拡散層であり、
該圧縮機構が、該電解質膜を該膜電極接合体の積層方向に圧縮する圧縮手段と、該圧縮手段による圧縮と除圧を制御する制御手段とを含むことを特徴とする燃料電池の起動及び停止システム。
Starting and stopping of an electrolyte membrane, a membrane electrode assembly including a catalyst layer and a gas diffusion layer from the electrolyte membrane side and having a pair of electrodes provided with the electrolyte membrane interposed therebetween, and a fuel cell including a compression mechanism A system,
The gas diffusion layer is a gas diffusion layer having higher rigidity than the electrolyte membrane;
The start-up of the fuel cell, wherein the compression mechanism includes compression means for compressing the electrolyte membrane in the stacking direction of the membrane electrode assembly, and control means for controlling compression and decompression by the compression means. Stop system.
さらに、前記燃料電池の起動及び停止指令の信号を検出し、該信号を前記制御手段に伝達する検出手段を含むことを特徴とする、請求項5に記載の燃料電池の起動及び停止システム。   6. The fuel cell start and stop system according to claim 5, further comprising detection means for detecting a start and stop command signal of the fuel cell and transmitting the signal to the control means.
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