JP2008282580A - Fuel cell and fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、燃料電池および燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell and a fuel cell system.
燃料電池は、複数枚の燃料電池セル(以下、「単位セル」と称す)が積層された燃料電池スタックとして使用される。単位セル自体も平面状の部材の積層体であり、電解質膜をアノードおよびカソードで挟んで構成された膜電極接合体(MEA;Membrane Electrode Assembly)を有し、該MEAをその両側からセパレータで挟むことで構成されている。 The fuel cell is used as a fuel cell stack in which a plurality of fuel cell cells (hereinafter referred to as “unit cells”) are stacked. The unit cell itself is also a laminate of planar members, and has a membrane electrode assembly (MEA) composed of an electrolyte membrane sandwiched between an anode and a cathode, and the MEA is sandwiched between separators from both sides. It is composed of that.
このような燃料電池においては、低温起動される際に発電効率が大幅に低下するため、所望の発電状態に至るまでに相当の時間を要することが問題とされている。そこで、例えば、特開2004−103477号公報には、燃料電池における低温起動を迅速に行うことのできる燃料電池が開示されている。この燃料電池によれば、MEAの中央部分における熱伝導性が、他の部分に比して低くなるように構成されている。このような構成によれば、低温起動される場合に該MEA中央部から外部に伝播する熱量が抑制されるため、該MEA中央部において発電反応を活発に行われる。このため、当該発電反応による反応熱を周囲に伝播させることによりMEAを所望の温度まで迅速に加熱することができる。 In such a fuel cell, since the power generation efficiency is greatly reduced when the fuel cell is started at a low temperature, it takes a considerable time to reach a desired power generation state. In view of this, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-103477 discloses a fuel cell that can quickly start a fuel cell at a low temperature. According to this fuel cell, the thermal conductivity in the central portion of the MEA is configured to be lower than in other portions. According to such a configuration, when starting at a low temperature, the amount of heat propagating from the MEA central portion to the outside is suppressed, so that a power generation reaction is actively performed in the MEA central portion. For this reason, MEA can be rapidly heated to desired temperature by propagating the reaction heat by the said electric power generation reaction to circumference | surroundings.
しかしながら、燃料電池において発電反応が行われると、MEAのカソード側では、供給された酸素と電解質膜内を移動したプロトンとが反応することにより水が生成される。つまり、上記従来の燃料電池においては、低温起動時にMEA中央部において水が生成されることとなる。このため、これらの生成水がカソード流路の下流へ向かって流通すると、未だ発電反応が行われていない低温領域において当該水分が結露あるいは凍結し、発電効率が低下するおそれがあった。このように、発電により生成される水分の流れを考慮していない上記従来の燃料電池では、低温起動を良好に行うために未だ改善の余地を残すものであった。 However, when a power generation reaction is performed in the fuel cell, water is generated on the cathode side of the MEA by the reaction between the supplied oxygen and the proton that has moved through the electrolyte membrane. That is, in the above-described conventional fuel cell, water is generated at the MEA central portion at low temperature startup. For this reason, when the generated water flows toward the downstream side of the cathode flow channel, the moisture may condense or freeze in a low temperature region where the power generation reaction has not yet been performed, and power generation efficiency may be reduced. As described above, the conventional fuel cell that does not consider the flow of moisture generated by power generation still leaves room for improvement in order to perform a low temperature start well.
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、低温起動性を向上させることのできる燃料電池、および燃料電池システムを提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and it is an object of the present invention to provide a fuel cell and a fuel cell system that can improve low-temperature startability.
第1の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池であって、
複数の単位セルを積層した構造を有し、反応ガスの供給を受けて発電を行う燃料電池において、
前記単位セルは、
電解質膜の両面に電極が配置された膜電極接合体と、
前記反応ガスとしての酸化ガスが、前記膜電極接合体の面に沿って流れるように設けられた酸化ガス流路と、
前記膜電極接合体と前記酸化ガス流路との間における、前記酸化ガス流路の上流側に対応する領域に配置されたプレートと、を有し、
前記プレートは、前記燃料電池の低温時に前記燃料電池の積層方向に広がるように構成された平板であることを特徴とする。
In order to achieve the above object, a first invention is a fuel cell,
In a fuel cell having a structure in which a plurality of unit cells are stacked and generating power by receiving supply of a reaction gas,
The unit cell is
A membrane electrode assembly in which electrodes are arranged on both surfaces of the electrolyte membrane;
An oxidizing gas flow path provided so that an oxidizing gas as the reaction gas flows along the surface of the membrane electrode assembly;
A plate disposed in a region corresponding to the upstream side of the oxidizing gas channel between the membrane electrode assembly and the oxidizing gas channel;
The plate is a flat plate configured to spread in the stacking direction of the fuel cells when the temperature of the fuel cells is low.
第2の発明は、第1の発明において、
前記プレートは、前記燃料電池が氷点下である場合に、前記燃料電池の積層方向に広がるように組成された形状記憶合金であることを特徴とする。
According to a second invention, in the first invention,
The plate is a shape memory alloy that is configured to spread in the stacking direction of the fuel cells when the fuel cells are below freezing.
第3の発明は、第1または第2の発明において、
前記酸化ガス流路は、前記膜電極接合体と対向する面に配置されたガス拡散層を含むことを特徴とする。
According to a third invention, in the first or second invention,
The oxidizing gas flow path includes a gas diffusion layer disposed on a surface facing the membrane electrode assembly.
第4の発明は、第1乃至第3の何れか1つの発明において、
前記プレートは、複数の貫通孔を有することを特徴とする。
A fourth invention is any one of the first to third inventions,
The plate has a plurality of through holes.
第5の発明は、第1の発明において、燃料電池システムであって、
電解質膜の両面に電極が配置された膜電極接合体と、前記反応ガスとしての酸化ガスが、前記膜電極接合体のカソード面に沿って流れるように設けられた酸化ガス流路と、前記反応ガスとしての燃料ガスが、前記膜電極接合体のアノード面に沿って流れるように設けられた燃料ガス流路と、を有する単位セルを複数した燃料電池と、
前記膜電極接合体における接触抵抗を、所定領域毎に制御する接触抵抗制御手段と、
を備え、
前記接触抵抗制御手段は、前記燃料電池の低温始動時に、前記膜電極接合体における前記酸化ガス流路の上流側に対応する領域の接触抵抗を大きくすることを特徴とする。
A fifth invention is the fuel cell system according to the first invention,
A membrane electrode assembly in which electrodes are arranged on both surfaces of the electrolyte membrane; an oxidizing gas flow path in which an oxidizing gas as the reaction gas flows along the cathode surface of the membrane electrode assembly; and the reaction A fuel cell having a plurality of unit cells each having a fuel gas flow path provided so that a fuel gas as a gas flows along the anode surface of the membrane electrode assembly;
Contact resistance control means for controlling the contact resistance in the membrane electrode assembly for each predetermined region;
With
The contact resistance control means increases contact resistance in a region corresponding to the upstream side of the oxidizing gas flow path in the membrane electrode assembly when the fuel cell is started at a low temperature.
第6の発明は、第5の発明において、
前記燃料電池の温度を取得する温度取得手段を更に備え、
前記接触抵抗制御手段は、前記燃料電池の温度が氷点下である場合に、前記膜電極接合体における前記酸化ガス流路の上流側に対応する領域の接触抵抗を大きくすることを特徴とする。
According to a sixth invention, in the fifth invention,
A temperature acquisition means for acquiring the temperature of the fuel cell;
The contact resistance control means increases contact resistance in a region corresponding to the upstream side of the oxidizing gas flow path in the membrane electrode assembly when the temperature of the fuel cell is below freezing point.
第7の発明は、第5または第6の発明において、
前記燃料電池の末端に配置され、前記酸化ガス流路におけるガスの流れ方向に沿って複数に分断されたターミナルを更に備え、
前記接触抵抗制御手段は、
前記各ターミナルの外側面から前記燃料電池をそれぞれ加圧する加圧手段を含み、
前記燃料電池の低温始動時に、前記燃料電池における前記酸化ガス流路の上流側に対応する領域の面圧が、前記酸化ガス流路の下流側に対応する領域の面圧に比して小さくなるように、前記加圧手段を制御することを特徴とする。
A seventh invention is the fifth or sixth invention, wherein
The terminal further disposed at the end of the fuel cell and divided into a plurality along the gas flow direction in the oxidizing gas flow path,
The contact resistance control means includes
Pressurizing means for pressurizing the fuel cell from the outer surface of each terminal;
When the fuel cell is started at a low temperature, the surface pressure in the region corresponding to the upstream side of the oxidizing gas flow channel in the fuel cell is smaller than the surface pressure in the region corresponding to the downstream side of the oxidizing gas flow channel. Thus, the pressurizing means is controlled.
第1の発明によれば、燃料電池を構成する各単位セルにおける膜電極接合体(MEA)と酸化ガス流路との間には、酸化ガス流路の上流側に対応する領域(以下、「カソード上流領域」と称す)にプレートが配置されている。プレートは、燃料電池の低温起動時において該燃料電地の積層方向に広がる材料により構成されている。プレートが燃料電池の積層方向に広がると、膜電極接合体におけるカソード上流領域の接触抵抗が大きくなる。このため、本発明によれば、燃料電池の低温起動時に酸化ガス流路の下流に対応する領域(以下、「カソード下流領域」と称す)に発電反応を集中させることができるので、発電反応により生成された水分を、未だ発電が活発に行われていない低温領域を流通させずに外部に排出することができる。これにより、当該生成水が流路内で結露あるいは凍結することにより、該燃料電池の発電効率が低下する事態を効果的に抑制し、低温起動性を効果的に向上させることができる。 According to the first aspect of the present invention, the region corresponding to the upstream side of the oxidizing gas channel (hereinafter, “ The plate is arranged in the “cathode upstream region”. The plate is made of a material that spreads in the fuel cell stacking direction when the fuel cell is started at a low temperature. When the plate spreads in the fuel cell stacking direction, the contact resistance in the upstream region of the cathode in the membrane electrode assembly increases. Therefore, according to the present invention, the power generation reaction can be concentrated in the region corresponding to the downstream of the oxidizing gas flow path (hereinafter referred to as “cathode downstream region”) when the fuel cell is started at a low temperature. The generated moisture can be discharged outside without circulating through a low temperature region where power generation is not actively performed. As a result, a situation in which the power generation efficiency of the fuel cell decreases due to condensation or freezing of the generated water in the flow path can be effectively suppressed, and low-temperature startability can be effectively improved.
第2の発明によれば、当該プレートは、氷点下において該燃料電池の積層方向に広がるように変形し、氷点下を脱すると平板形状に変形するように組成された形状記憶合金により構成されている。このため、本発明によれば、燃料電池の温度が氷点下である場合には発電反応を効果的にカソード下流領域に集中させ、氷点下を脱した場合には、MEA全面において発電反応を行うことができる。 According to the second aspect of the invention, the plate is made of a shape memory alloy that is deformed so as to spread in the stacking direction of the fuel cell below the freezing point and deforms into a flat plate shape when the freezing point is removed. Therefore, according to the present invention, when the temperature of the fuel cell is below freezing, the power generation reaction is effectively concentrated in the downstream region of the cathode, and when the temperature is below freezing, the power generation reaction is performed on the entire surface of the MEA. it can.
第3の発明によれば、当該プレートは、MEAとガス拡散層との間に配置される。このため、本発明によれば、燃料電池の低温起動時に、カソード上流領域におけるMEAとガス拡散層との接触抵抗を大きくすることができ、かかる領域における発電反応を効率よく抑制することができる。 According to the third invention, the plate is disposed between the MEA and the gas diffusion layer. Therefore, according to the present invention, when the fuel cell is started at a low temperature, the contact resistance between the MEA and the gas diffusion layer in the cathode upstream region can be increased, and the power generation reaction in the region can be efficiently suppressed.
第4の発明によれば、当該プレートには、反応ガスおよび水分が通過するための複数の貫通孔が形成されている。このため、本発明によれば、プレートが配置された領域であっても、膜電極接合体へのガスの供給、および生成水の排出を問題なく行うことができる。 According to the fourth invention, the plate is formed with a plurality of through holes for the reaction gas and moisture to pass therethrough. For this reason, according to this invention, even if it is the area | region where the plate is arrange | positioned, supply of the gas to a membrane electrode assembly and discharge of generated water can be performed without a problem.
第5の発明によれば、膜電極接合体における接触抵抗を領域毎に制御することができるシステムにおいて、燃料電池の低温起動時にカソード上流領域における接触抵抗を大きくすることができる。このため、本発明によれば、燃料電池の低温起動時にカソード下流領域に発電反応を集中させることができるので、発電反応により生成された水分を、未だ発電が活発に行われていない低温領域を流通させずに外部に排出することができる。これにより、当該生成水が流路内で結露あるいは凍結することにより、該燃料電池の発電効率が低下する事態を効果的に抑制し、低温起動性を効果的に向上させることができる。 According to the fifth invention, in the system that can control the contact resistance in the membrane electrode assembly for each region, it is possible to increase the contact resistance in the cathode upstream region when the fuel cell is started at a low temperature. For this reason, according to the present invention, the power generation reaction can be concentrated in the cathode downstream region at the time of low temperature startup of the fuel cell, so that the moisture generated by the power generation reaction can be removed from the low temperature region where power generation is not actively performed. It can be discharged outside without being distributed. As a result, a situation in which the power generation efficiency of the fuel cell decreases due to condensation or freezing of the generated water in the flow path can be effectively suppressed, and low-temperature startability can be effectively improved.
第6の発明によれば、燃料電池の温度が氷点下である場合に、カソード上流領域における接触抵抗が大きくされる。このため、本発明によれば、燃料電池の低温起動時にカソード下流領域に発電反応を集中させることができ、生成された水分が排出される前に凍結してしまう事態を効果的に抑制することができる。 According to the sixth invention, when the temperature of the fuel cell is below freezing point, the contact resistance in the cathode upstream region is increased. For this reason, according to the present invention, the power generation reaction can be concentrated in the cathode downstream region at the time of low temperature start-up of the fuel cell, and the situation where the generated water freezes before being discharged is effectively suppressed. Can do.
第7の発明によれば、燃料電池の末端に配置されたターミナルは、酸化ガス流路に沿って複数に分断されており、各ターミナルを外部から加圧することにより、膜電極接合体における接触抵抗が領域毎に制御される。このため、本発明によれば、燃料電池の低温起動時において、カソード上流領域に対応するターミナルの加圧量を、カソード下流領域に対応するターミナルの加圧量に比して小さくすることにより、カソード上流領域における接触抵抗を効果的に大きくすることができる。 According to the seventh invention, the terminal disposed at the end of the fuel cell is divided into a plurality along the oxidizing gas flow path, and the contact resistance in the membrane electrode assembly is increased by pressurizing each terminal from the outside. Are controlled for each region. Therefore, according to the present invention, at the time of low temperature startup of the fuel cell, by reducing the pressurization amount of the terminal corresponding to the cathode upstream region as compared with the pressurization amount of the terminal corresponding to the cathode downstream region, The contact resistance in the cathode upstream region can be effectively increased.
以下、図面に基づいてこの発明のいくつかの実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。なお、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。 Several embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the element which is common in each figure, and the overlapping description is abbreviate | omitted. The present invention is not limited to the following embodiments.
実施の形態1.
[実施の形態1の構成]
本発明の実施の形態としての燃料電池は、図7に示すような発電システム(燃料電池システム)に使用される。図7は、本発明にかかる燃料電池を使用可能な燃料電池システムの全体を示す概略構成図である。この燃料電池システムは、燃料電池自動車に搭載される車両用燃料電池システムとして好適である。尚、他の用途の燃料電池システムへの適用も勿論可能である。
Embodiment 1 FIG.
[Configuration of Embodiment 1]
The fuel cell as an embodiment of the present invention is used in a power generation system (fuel cell system) as shown in FIG. FIG. 7 is a schematic configuration diagram showing an entire fuel cell system in which the fuel cell according to the present invention can be used. This fuel cell system is suitable as a vehicle fuel cell system mounted on a fuel cell vehicle. Of course, application to fuel cell systems for other purposes is also possible.
図7に示す燃料電池システムでは、燃料ガスとしての水素(以下、「アノードガス」とも称す)が燃料電池100に供給される。燃料電池100に供給される水素は高圧の水素タンク114に貯蔵されている。水素タンク114と燃料電池100のアノードとは水素供給管110によって接続され、水素供給管110の途中にはシャットバルブ116および調圧バルブ118が配置されている。また、燃料電池100のアノードには、アノードオフガスを排出するためのオフガス排出管112が接続されている。オフガス排出管112は、水素供給管110における調圧バルブ118の下流側に接続され、水素供給管110と共に水素の循環系を構成している。オフガス排出管112の途中には、循環系内で水素を循環させるための循環ポンプ120が配置されている。
In the fuel cell system shown in FIG. 7, hydrogen (hereinafter also referred to as “anode gas”) as a fuel gas is supplied to the
このシステムでは、酸化ガスとしての空気(以下、「カソードガス」とも称す)が燃料電池100に供給される。燃料電池100に供給される空気は、コンプレッサ134によって大気から取り込まれる。コンプレッサ134と燃料電池100のカソードとは空気供給管130によって接続されている。また、燃料電池100のカソードには、カソードオフガスを排出するためのオフガス排出管132が接続されている。オフガス排出管132は大気開放され、その管路の途中には空気圧を調整する為の調圧バルブ136が設けられている。
In this system, air as an oxidizing gas (hereinafter also referred to as “cathode gas”) is supplied to the
更に、このシステムでは、上記の反応ガス(燃料ガスおよび酸化ガス)とは別に、燃料電池100を冷却するための冷媒(水、不凍液或いは空気等)が燃料電池100に供給される。燃料電池100には冷媒を供給するための冷媒供給管140と冷媒を排出するための冷媒排出管142とが接続されている。冷媒供給管140と冷媒排出管142はともにラジエータ146に接続され、冷媒はラジエータ146を通って冷媒排出管142から冷媒供給管140へ循環するようになっている。冷媒排出管142の途中には、循環系内で冷媒を循環させるための循環ポンプ148が配置されている。
Further, in this system, a coolant (water, antifreeze, air, or the like) for cooling the
本実施の形態の燃料電池100は、図1に示すような構成を有している。図1は、本実施の形態の燃料電池100の構成を模式的に示す断面図である。図1に示すとおり、燃料電池スタック(以下、「FCスタック」とも称す)100は単位セル10を複数積層したスタック構造を有している。単位セル10は、発電体12、カソードガスおよびアノードガスが流れる多孔体流路14および16、隣接する発電体12を隔離するセパレータ18によって構成されている。発電体12は、電解質膜を挟んでアノードとカソードが配置された膜電極接合体(MEA)20の外側に、図示しないガス拡散層をシールガスケットで囲んで一体として形成されている。
The
多孔体流路14および16は、ステンレス鋼やチタン、或いはチタン合金などの発砲焼結金属や、金属メッシュなどの内部に多数の細孔を備えた多孔体によって形成されている。多孔体流路14および16は所定方向へ反応ガスを流すことを主目的としているため、反応ガスの流れの圧力損失を抑え、排水性を構造させるように、比較的気孔率の大きい多孔体が使用される。当該多孔体流路14および16に導入された反応ガスは内部の細孔を通過しMEA50のアノードおよびカソードに供給される。
The
図1に示すとおり、燃料電池セル10には空間が形成されており、これらが単位セル10の積層方向に延在することにより、カソード系入口マニホールド30、およびカソード系出口マニホールド32が形成されている。上述した多孔体流路14は、上記カソード系入口マニホールド30とカソード系出口マニホールド32との間に介在するように設けられている。同様に、FCスタック100には、図示しないアノード系入口マニホールド、およびアノード系出口マニホールドが形成されている。そして、上述した多孔体流路16は、上記アノード系入口マニホールドとアノード系出口マニホールドとの間に介在するように設けられている。
As shown in FIG. 1, a space is formed in the
セパレータ18は、ステンレス鋼、チタンなどの導電性の金属の薄板を積層して形成される三層積層型のセパレータである。より具体的には、多孔体流路14と接触するカソードプレート22と、多孔体流路16と接触するアノードプレート24と、これらのプレートの中間に挟まれた中間プレート26とから構成されている。図1に示すとおり、中間プレート26には複数の溝が形成されている。これにより、セパレータ18内部に複数の冷媒流路28が形成されている。
The
図2は、図1に示すFCスタック100の積層方向からみた単位セル10の内部構造を示す模式図である。図2に示すとおり、単位セル10には、上述した入口マニホールド30および出口マニホールド32としての空間が形成されている。入口マニホールド30に導入されたカソードガスは、多孔体流路14の内部を出口マニホールド32に向かって流通する。また、同様に、単位セル10には、アノード系入口マニホールド34、アノード系出口マニホールド36、冷却系入口マニホールド38、および冷却系出口マニホールド40、としての空間が形成されている。
FIG. 2 is a schematic diagram showing the internal structure of the
ここで、単位セル10におけるカソード上流領域には、プレート42が配置されている。図3は、図2に示す単位セル10におけるIII−III断面の一部を詳細に示す摸式図である。この図に示すとおり、MEA20と多孔体流路14、16との間には、拡散層44、46が設けられており、当該プレート42は、MEA20と拡散層46との間に配置されている。プレート42は、氷点下においてスタックの積層方向へ広がる形状記憶合金であり、例えば、変態点が0℃近傍となるように組成されたNi−Ti系合金が使用される。また、プレート42には、反応ガスや水分が通過するための孔が複数設けられている。
Here, a
[実施の形態1における動作]
次に、図4乃至図6を参照して、本実施の形態の動作について説明する。燃料電池における氷点下からの始動性を向上させるためには、発電反応を一部領域に集中させて、局所を逸早く氷点突破させることが重要となる。このため、「発明が解決しようとする課題」において上述した従来のシステムでは、単位セルの中央部における発電反応が活発に行われるように、当該中央部の熱伝導性を他の領域に比して低く設定し、外周部への放熱を抑制することとしている。
[Operation in Embodiment 1]
Next, the operation of the present embodiment will be described with reference to FIGS. In order to improve the startability from below freezing point in a fuel cell, it is important to concentrate the power generation reaction in a part of the region and break through the freezing point quickly. For this reason, in the conventional system described above in “Problem to be Solved by the Invention”, the thermal conductivity of the central portion is compared with other regions so that the power generation reaction is actively performed in the central portion of the unit cell. Therefore, heat radiation to the outer periphery is suppressed.
図4は、MEA20中央部において局部的に氷点下発電が開始された場合のスタック内部の状態を説明するための図である。この図に示すとおり、氷点下の燃料電池において発電反応が開始されると、熱伝導性の低いMEA20の中央部において温度が上昇し、局部的に氷点突破される。これにより、該中央部において発電反応が活発に行われ、発生した反応熱が周囲に伝播されることにより、効率よく発電範囲が拡大される。
FIG. 4 is a diagram for explaining a state inside the stack when sub-freezing power generation is locally started in the central portion of the
ここで、発電反応が行われると、MEA20のカソード側において水が生成される。生成された水分はMEA20の加湿のために使用されるが、余剰な水分は反応後のオフガスとともに多孔体流路14内を流通して出口マニホールド32から排出される。このため、生成された水分が氷点を突破していない範囲に流通すると、当該生成水が多孔体流路14内で結露あるいは凍結してしまうおそれがある。かかる事態が発生すると、多孔体流路14が閉塞してしまい、発電効率が低下してしまう。
Here, when the power generation reaction is performed, water is generated on the cathode side of the
そこで、本実施の形態においては、プレート42が配置された単位セル10が使用される。図5は、プレート42を有する単位セル10において、氷点下発電が開始された場合のスタック内部の状態を説明するための図である。上述したとおり、プレート42は、氷点下においてスタック積層方向に広がり、氷点下を突破すると略平面形状となる形状記憶合金として構成されている。つまり、氷点下においては、プレート42が配置された領域においてMEA20と拡散層44との接触抵抗を大きくすることができ、当該領域における発電反応を抑制することができる。
Therefore, in the present embodiment, the
図5に示すとおり、プレート42を有する燃料電池において氷点下発電が開始されると、接触抵抗の小さい範囲、すなわち該プレート42が配置されていないカソード下流領域において発電反応が局部的に開始される。発電反応により生成された水分は、多孔体流路14における氷点下の範囲を流通することなく、出口マニホールド32へ排出される。このため、生成水が多孔体流路14内で結露あるいは凍結することによりガス流路が閉塞する事態を効果的に回避することができる。これにより、燃料電池における発電効率の低下を抑制し、低温起動性を効果的に向上させることができる。
As shown in FIG. 5, when sub-freezing power generation is started in the fuel cell having the
図6は、プレート42を有する単位セル10において、氷点下を脱した場合のスタック内部の状態を説明するための図である。図6に示すとおり、カソード下流領域における発電反応により発生した反応熱が周囲に伝播されると、氷点突破範囲がカソード上流領域に拡大される。プレート42は、氷点を突破すると略平面形状に変形してMEA20の接触抵抗を低下させる。このため、プレート42における氷点を突破した範囲から徐々に発電範囲が拡大される。
FIG. 6 is a diagram for explaining a state inside the stack when the
以上説明したとおり、本実施の形態の燃料電池によれば、カソード上流領域に配置されたプレート42は、氷点下において該燃料電池の積層方向に広がるように構成されている。このため、氷点下起動時においてMEA20のカソード上流領域の接触抵抗を効果的に増大させることができる。これにより、発電反応をカソード下流領域における局部に集中させることができるので、当該発電反応による反応熱が周囲に伝播されることにより、効果的に低温起動性を向上させることができる。
As described above, according to the fuel cell of the present embodiment, the
また、発電反応をカソード下流領域に集中させると、当該発電反応により生成される水分を、低温領域を通過させることなく外部に排出することができる。このため、かかる生成水が流路内で結露あるいは凍結し、発電効率が低下する事態を効果的に回避することができる。 Further, when the power generation reaction is concentrated in the cathode downstream region, moisture generated by the power generation reaction can be discharged outside without passing through the low temperature region. For this reason, it is possible to effectively avoid a situation where the generated water is condensed or frozen in the flow path and the power generation efficiency is lowered.
ところで、上述した実施の形態1においては、プレート42を、単位セル10におけるMEA20と拡散層46との間に配置することとしているが、当該プレート42の配置はこれに限られない。すなわち、MEA20面における接触抵抗を変化させることができるのであれば、拡散層46と多孔体流路14との間に配置することとしてもよい。また、拡散層44を有しない燃料電池、あるいは拡散層44がMEA20と一体として形成されている場合には、該MEA20と多孔体流路14との間に配置することとしてもよい。
By the way, in Embodiment 1 mentioned above, it is supposed that the
また、上述した実施の形態1においては、プレート42は、形状記憶合金を使用することとしているが、使用する材料はこれに限られない。すなわち、0℃近傍において温度に基づいて変形する材料であれば、例えば、バイメタル等を使用することとしてもよい。
Moreover, in Embodiment 1 mentioned above, although the
尚、上述した実施の形態1においては、多孔体流路14が前記第1の発明における「酸化ガス流路」に、拡散層46が前記第3の発明における「ガス拡散層」に、それぞれ相当している。
In the first embodiment described above, the
実施の形態2.
[実施の形態2の構成]
次に、図8乃至図12を参照して、本発明の実施の形態2について説明する。図8は、本実施の形態2におけるFCスタック200が搭載された燃料電池システムの全体を示す概略構成図である。尚、図8に示す燃料電池システムにおいて、図7に示す燃料電池システムと共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。
Embodiment 2. FIG.
[Configuration of Embodiment 2]
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 8 is a schematic configuration diagram showing the entire fuel cell system on which the
図8に示す燃料電池システムでは、FCスタック200に面圧可変機構52が配置されている。面圧可変機構52は、後述するように、FCスタック200の面圧を所定領域毎に制御することのできる機構を備えている。また、冷媒排出管142には温度センサ62が配置されている。温度センサ62は、FCスタック200から排出された冷媒の温度を取得する。
In the fuel cell system shown in FIG. 8, the surface
また、本実施の形態のシステムは、図8に示すとおり、ECU(Electronic Control Unit)60を備えている。上述した温度センサ62の出力等はECU60に供給されている。ECU60はこれらのセンサ出力に基づいて、面圧可変機構52の制御等の処理を行う。
Further, the system of the present embodiment includes an ECU (Electronic Control Unit) 60 as shown in FIG. The output of the
図9は、FCスタック200およびその周辺機器の内部構造を模式的に示す図である。尚、図9に示す燃料電池において、図3に示す燃料電池と共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。
FIG. 9 is a diagram schematically showing the internal structure of the
図9に示すとおり、単位セル50が積層されたFCスタック200の末端には、カソード上流領域においてターミナル54aが、カソード下流領域においてターミナル54bが、それぞれ配置されている(以下、これらを特に区別しないときは、「ターミナル54」と称す)。また、ターミナル54a、54bには、面圧可変機構52として、コイルスプリング56a、56b(以下、これらを特に区別しないときは、「コイルスプリング56」と称す)がそれぞれ配置されている。コイルスプリング56の他端には、コイルスプリング56の変位量をそれぞれ制御するための制御装置(図示せず)が接続されている。
As shown in FIG. 9, at the end of the
[実施の形態2の特徴的動作]
次に、図10および図11を参照して、本実施の形態2における特徴的動作について説明する。図10は、FCスタック200において、氷点下発電が開始された場合のスタック内部の状態を説明するための図である。この図に示すとおり、氷点下において発電反応が開始されると、カソード上流領域のコイルスプリング56aの圧縮変位量がコイルスプリング56bの圧縮変異量よりも小さく設定される。圧縮変位量が小さく設定されるとスタックの内部の面圧が低下するため、カソード上流領域の接触抵抗がカソード下流領域に比して大きくなる。これにより、氷点下起動時の発電反応をカソード下流領域に集中させることができるので、発電反応により生成された水分を効果的に外部に排出し、氷点下からの起動性を向上させることができる。
[Characteristic operation of the second embodiment]
Next, characteristic operations in the second embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 10 is a diagram for explaining a state inside the stack in the
FCスタック200の温度が反応熱により徐々に上昇すると、発電可能範囲が拡大する。図11は、FCスタック200が氷点下状態を脱した場合のスタック内部の状態を説明するための図である。この図に示すとおり、カソード下流領域における発電反応により発生した反応熱が周囲に伝播され、カソード上流領域が氷点下を脱すると、カソード上流領域のコイルスプリング56aの圧縮変位量がコイルスプリング56bの圧縮変異量と同等に設定される。カソード上流領域における接触抵抗が低下すると、発電範囲がMEA20の全面に拡大される。このように、氷点下発電時に面圧可変機構52を制御することにより、MEA20面において、発電反応が活発に行われる範囲を制限することができる。
When the temperature of the
[実施の形態2の具体的処理]
次に、図12を参照して、本実施の形態の具体的処理について説明する。図12は、この発明の実施の形態2において、ECU60がFCスタック50の氷点下始動を実施するために実行するルーチンのフローチャートである。図12に示すルーチンでは、先ず、冷媒温度Twが検出される(ステップ100)。冷媒はFCスタック200内の熱を吸収するため、冷媒温度TwはFCスタック200の内部温度として使用される。ここでは、具体的には、冷媒排出管142に設けられた温度センサ62の出力信号に基づいて、FCスタック50から排出された冷媒の温度が取得される。
[Specific Processing of Embodiment 2]
Next, specific processing of the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 12 is a flowchart of a routine that is executed by the
次に、上記ステップ100において取得された冷媒温度Twが0℃より低いか否かが判定される(ステップ102)。その結果、Tw<0℃の成立が認められた場合には、スタック内が氷点下の状態であると判断され、次のステップに移行し、カソード上流領域における面圧が、カソード下流領域に比して小さくなるように、面圧可変機構52が制御される(ステップ104)。ここでは、具体的には、コイルスプリング56aの圧縮変位量がコイルスプリング56bの圧縮変位量よりも小さくなるように制御される。
Next, it is determined whether or not the refrigerant temperature Tw acquired in
一方、上記ステップ102において、Tw<0℃の成立が認められた場合には、既にスタック内部が氷点下の状態を脱していると判断され、次のステップに移行し、カソード上流領域、およびカソード下流領域における面圧が、ともに通常運転面圧となるように制御される(ステップ106)。
On the other hand, if the establishment of Tw <0 ° C. is recognized in
以上説明したとおり、本実施の形態2の燃料電池システムによれば、氷点下における起動を実行する場合に、カソード上流領域におけるスタック面圧がカソード下流領域に比して低く設定される。スタック面圧の低い領域は接触抵抗が増大される。このため、発電領域をカソード下流領域に集中させることができ、発電反応により生成された水分を効果的に出口マニホールド32から排出することができる。これにより、生成された水分が氷点下領域において結露あるいは凍結してカソード経路を閉塞する事態を効果的に回避することができる。
As described above, according to the fuel cell system of the second embodiment, the stack surface pressure in the cathode upstream region is set lower than that in the cathode downstream region when starting below freezing. The contact resistance is increased in the region where the stack surface pressure is low. For this reason, the power generation region can be concentrated in the cathode downstream region, and the water generated by the power generation reaction can be effectively discharged from the
ところで、上述した実施の形態2においては、ターミナル54を2つに分割して、カソード上流領域およびカソード下流領域のスタック面圧を個別に制御することとしているが、かかる領域の区分けはこれに限られない。すなわち、カソードガスの流れ方向に沿って区分けされているのであれば、ターミナル54を3つ以上に分割して、更に詳細にスタック面圧を制御することとしてもよい。 By the way, in the second embodiment described above, the terminal 54 is divided into two and the stack surface pressure in the cathode upstream region and the cathode downstream region is individually controlled. I can't. That is, if it is divided along the flow direction of the cathode gas, the terminal 54 may be divided into three or more to control the stack surface pressure in more detail.
また、上述した実施の形態2においては、各ターミナル54に設けられたスプリング56の圧縮変位量を制御し、領域毎のスタック面圧を制御することとしているが、領域毎のスタック面圧を制御する構成はこれに限られない。すなわち、各ターミナル54への加圧量を個別に制御できるのであれば、スプリング56に代えて他のアクチュエータを用いる構成としてもよい。 In the second embodiment described above, the compression displacement amount of the spring 56 provided in each terminal 54 is controlled to control the stack surface pressure for each region, but the stack surface pressure for each region is controlled. The configuration to be performed is not limited to this. That is, as long as the amount of pressure applied to each terminal 54 can be controlled individually, another actuator may be used instead of the spring 56.
尚、上述した実施の形態2においては、多孔体流路14が前記第5の発明における「酸化ガス流路」に、面圧可変機構52が前記第7の発明における「加圧手段」に、それぞれ相当している。
In the second embodiment described above, the porous
また、上述した実施の形態2においては、ECU60が、前記ステップ104の処理を実行することにより、前記第5の発明における「接触抵抗制御手段」が、前記ステップ100の処理を実行することにより、前記第6の発明における「温度取得手段」が、それぞれ実行されている。
In the second embodiment described above, the
10 単位セル
12 発電体
14 多孔体流路
16 多孔体流路
18 セパレータ
22 カソードプレート
24 アノードプレート
26 中間プレート
30 入口マニホールド
32 出口マニホールド
42 プレート
44 拡散層
46 拡散層
50 単位セル
52 面圧可変機構
54 ターミナル
56 コイルスプリング
60 ECU(Electronic Control Unit)
62 温度センサ
100、200 燃料電池(FC)スタック
110 水素供給管
112 オフガス排出管
114 水素タンク
116 シャットバルブ
118 調圧バルブ
120 循環ポンプ
130 空気供給管
132 オフガス排出管
134 コンプレッサ
136 調圧バルブ
140 冷媒供給管
142 冷媒排出管
146 ラジエータ
148 循環ポンプ
10
62
Claims (7)
前記単位セルは、
電解質膜の両面に電極が配置された膜電極接合体と、
前記反応ガスとしての酸化ガスが、前記膜電極接合体の面に沿って流れるように設けられた酸化ガス流路と、
前記膜電極接合体と前記酸化ガス流路との間における、前記酸化ガス流路の上流側に対応する領域に配置されたプレートと、を有し、
前記プレートは、前記燃料電池の低温時に前記燃料電池の積層方向に広がるように構成された平板であることを特徴とする燃料電池。 In a fuel cell having a structure in which a plurality of unit cells are stacked and generating power by receiving supply of a reaction gas,
The unit cell is
A membrane electrode assembly in which electrodes are arranged on both surfaces of the electrolyte membrane;
An oxidizing gas flow path provided so that an oxidizing gas as the reaction gas flows along the surface of the membrane electrode assembly;
A plate disposed in a region corresponding to the upstream side of the oxidizing gas channel between the membrane electrode assembly and the oxidizing gas channel;
The fuel cell according to claim 1, wherein the plate is a flat plate configured to spread in a stacking direction of the fuel cells when the temperature of the fuel cell is low.
前記膜電極接合体における接触抵抗を、所定領域毎に制御する接触抵抗制御手段と、
を備え、
前記接触抵抗制御手段は、前記燃料電池の低温始動時に、前記膜電極接合体における前記酸化ガス流路の上流側に対応する領域の接触抵抗を大きくすることを特徴とする燃料電池システム。 A membrane electrode assembly in which electrodes are arranged on both surfaces of the electrolyte membrane; an oxidizing gas flow path in which an oxidizing gas as the reaction gas flows along the cathode surface of the membrane electrode assembly; and the reaction A fuel cell having a plurality of unit cells each having a fuel gas flow path provided so that a fuel gas as a gas flows along the anode surface of the membrane electrode assembly;
Contact resistance control means for controlling the contact resistance in the membrane electrode assembly for each predetermined region;
With
The fuel cell system characterized in that the contact resistance control means increases a contact resistance in a region corresponding to an upstream side of the oxidizing gas flow path in the membrane electrode assembly when the fuel cell is started at a low temperature.
前記接触抵抗制御手段は、前記燃料電池の温度が氷点下である場合に、前記膜電極接合体における前記酸化ガス流路の上流側に対応する領域の接触抵抗を大きくすることを特徴とする請求項5記載の燃料電池システム。 A temperature acquisition means for acquiring the temperature of the fuel cell;
The contact resistance control means increases contact resistance in a region corresponding to the upstream side of the oxidizing gas flow path in the membrane electrode assembly when the temperature of the fuel cell is below freezing point. 5. The fuel cell system according to 5.
前記接触抵抗制御手段は、
前記各ターミナルの外側面から前記燃料電池をそれぞれ加圧する加圧手段を含み、
前記燃料電池の低温始動時に、前記燃料電池における前記酸化ガス流路の上流側に対応する領域の面圧が、前記酸化ガス流路の下流側に対応する領域の面圧に比して小さくなるように、前記加圧手段を制御することを特徴とする請求項5または6記載の燃料電池システム。 The terminal further disposed at the end of the fuel cell and divided into a plurality along the gas flow direction in the oxidizing gas flow path,
The contact resistance control means includes
Pressurizing means for pressurizing the fuel cell from the outer surface of each terminal;
When the fuel cell is started at a low temperature, the surface pressure in the region corresponding to the upstream side of the oxidizing gas flow channel in the fuel cell is smaller than the surface pressure in the region corresponding to the downstream side of the oxidizing gas flow channel. The fuel cell system according to claim 5 or 6, wherein the pressurizing means is controlled as described above.
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