JP2010153267A

JP2010153267A - Fuel battery stack

Info

Publication number: JP2010153267A
Application number: JP2008331678A
Authority: JP
Inventors: Koichi Shiraishi; 剛一白石
Original assignee: Equos Research Co Ltd
Current assignee: Equos Research Co Ltd
Priority date: 2008-12-26
Filing date: 2008-12-26
Publication date: 2010-07-08

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel battery stack preventing flooding of a first cell with a temperature getting lower than those of other cells at no-load time. <P>SOLUTION: The fuel battery stack 3 made by laminating a plurality of fuel battery cells is to have a catalyst activity per unit area in a cathode side catalyst layer 12c of an end part cell 3a prone to flooding smaller than that of a cell 3c at a center part. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は燃料電池スタックに関する。 The present invention relates to a fuel cell stack.

従来の燃料電池の積層されたスタックの両端のセルは、中央側のセルに比べて外気と接触する面積が大きい。さらに両端のセルは、金属などの熱伝導性の高い端板に覆われているので、中央側のセルよりも放熱が大きくなり温度が低下する。温度が低下した両端のセルは、結露によるフラッディング（水詰まり）などの発電特性を劣化させる。したがって、両端のセル温度の低下を防止して燃料電池全体において温度分布が生じないようにする必要がある。 The cells at both ends of the stack in which the conventional fuel cells are stacked have a larger area in contact with outside air than the cells on the center side. Furthermore, since the cells at both ends are covered with end plates having high thermal conductivity such as metal, heat dissipation is larger than that at the center side, and the temperature is lowered. The cells at both ends where the temperature is lowered deteriorate the power generation characteristics such as flooding (water clogging) due to condensation. Therefore, it is necessary to prevent a temperature distribution from occurring in the entire fuel cell by preventing a decrease in cell temperature at both ends.

従来、燃料電池全体において温度分布を均一するために、下記特許文献１に示す燃料電池が知られている。この燃料電池は電解質と、電解質を挟む一対の電極と、電極の一方に少なくとも水素を含む燃料を供給排出し他方に少なくとも酸素を含む酸化剤ガスを供給排出するガス流路を有する一対のセパレータ板とを有する第１のセルと、第１のセルにおける一対の電極に比べて電極面積の異なる一対の電極を備えた中央部のセルとを備え、複数の第１のセルと少なくとも一つの中央部のセルを積層して構成されるスタックを備えたものである。 Conventionally, in order to make the temperature distribution uniform in the whole fuel cell, a fuel cell shown in Patent Document 1 below is known. This fuel cell has an electrolyte, a pair of electrodes sandwiching the electrolyte, and a pair of separator plates having a gas flow path for supplying and discharging a fuel containing at least hydrogen to one of the electrodes and supplying and discharging an oxidant gas containing at least oxygen to the other of the electrodes A plurality of first cells and at least one central portion, and a central cell including a pair of electrodes having a different electrode area compared to the pair of electrodes in the first cell. A stack formed by stacking the cells.

上記燃料電池によれば、発電下において、中央部のセルおよび第１のセルを積層したスタックには所定の電流が流れると、中央部のセルと電極面積の異なる第１のセルには単位面積当たりに流れる電流（電流密度）が第１のセルと異なった状態となる。電流密度に応じて中央部のセルおよび第１のセルのセル温度はそれぞれ決定されるので、第１のセルの電極面積を中央部のセルよりも小さくすれば、電流密度が相対的に高くなり、第１のセルのセル温度は中央部のセルよりも高くすることができる。逆に、第１のセルの電極面積を中央部のセルよりも大きくすれば、電流密度は相対的に低くなり、第１のセルのセル温度は中央部のセルよりも低くすることができる。 According to the fuel cell described above, when a predetermined current flows through the stack in which the central cell and the first cell are stacked under power generation, the unit area of the first cell having a different electrode area from the central cell is obtained. The current (current density) flowing in the hit state is different from that of the first cell. Since the cell temperature of the central cell and the first cell are determined according to the current density, respectively, if the electrode area of the first cell is made smaller than that of the central cell, the current density becomes relatively high. The cell temperature of the first cell can be higher than that of the central cell. Conversely, if the electrode area of the first cell is made larger than that of the central cell, the current density becomes relatively low, and the cell temperature of the first cell can be made lower than that of the central cell.

したがって、スタックの両端など冷却されやすい位置のセルに中央部のセルよりも電極面積の小さい第１のセルを配置すれば、スタック全体として積層方向の温度分布を均一化することができ、フラッディングなどの特性劣化が抑制された燃料電池が得られる。 Therefore, if the first cell having a smaller electrode area than the central cell is placed in a cell that is easily cooled, such as both ends of the stack, the temperature distribution in the stacking direction can be made uniform throughout the stack, such as flooding. Thus, a fuel cell in which the characteristic deterioration is suppressed can be obtained.

特開２００８−１１７５４７号公報JP 2008-117547 A

しかしながら、発明者は、鋭意研究検討を重ねた結果、上記従来の燃料電池では、中央部のセル及び第１のセルに流れる電流が低くなる低負荷時には、第１のセルが中央部のセルに比較して充分に温度が上昇しにくいので、フラッディングの対策が不十分であることを見出した。
これは、端部に配置された第１のセルは、電極面積を小さくして発電下における電流密度を中央部のセルよりも高くして温度を上昇している。すなわち、中央部のセルと第１のセルとの電流密度の差に基づいて第１のセルの温度を中央部のセルよりも上昇させることから、中央部のセル及び第１のセルに流れる電流に依存して温度上昇に差が生じる。このため、中央部のセル及び第１のセルに流れる電流が低くなる低負荷時には、第１のセルが中央部のセルに比較して充分に温度が上昇しにくかった。
一方、上記低負荷時に第１のセルを中央部のセルに比較して充分な温度上昇を得ようとすると、中央部のセル及び第１のセルに流れる電流が高くなる高負荷時には、第１のセルが中央部のセルに比較して温度が上昇し過ぎて適切でない。 However, as a result of intensive research and study, the inventor has found that in the conventional fuel cell, the first cell becomes the central cell at the time of low load when the current flowing through the central cell and the first cell is low. It was found that the countermeasure for flooding was insufficient because the temperature was not sufficiently increased compared with the above.
This is because the first cell arranged at the end portion is raised in temperature by reducing the electrode area so that the current density under power generation is higher than that in the central cell. That is, since the temperature of the first cell is raised from the central cell based on the difference in current density between the central cell and the first cell, the current flowing through the central cell and the first cell Depending on the difference in temperature rise. For this reason, at the time of low load when the current flowing through the central cell and the first cell is low, the temperature of the first cell is not sufficiently increased as compared with the central cell.
On the other hand, if an attempt is made to obtain a sufficient temperature rise when the first cell is compared with the central cell at the time of the low load, the first cell at the high load when the current flowing through the central cell and the first cell is high. This cell is not suitable because the temperature is too high compared to the cell in the center.

本発明は上記従来の課題を解決するためになされたもので、複数の燃料電池のセルを積層してなる燃料電池スタックにおいて、無負荷時に温度が他のセルよりも低下する第１のセルのフラッディングを防止する燃料電池スタックを提供することを目的としている。 The present invention has been made to solve the above-described conventional problems. In a fuel cell stack in which a plurality of fuel cell cells are stacked, the temperature of the first cell is lower than that of other cells when no load is applied. An object of the present invention is to provide a fuel cell stack that prevents flooding.

第１の局面の燃料電池スタックは、複数の燃料電池のセルを積層してなる燃料電池スタックであって、フラッディングしやすい第１のセルの反応層における単位面積当たりの触媒活性を他のセルのそれより小さくする、ものである。
このような燃料電池スタックによれば、フラッディングしやすい第１のセルの反応層における単位面積当たりの触媒活性を他のセルのそれより小さくしたので、第１のセル及び他のセルに流れる電流値の大きさに依存することなく、第１のセルの発電反応が他のセルより低下する。
したがって、燃料電池を低負荷から高負荷まで駆動しても、第１のセルが他のセルに比較してほぼ均一に温度上昇するので、第１のセルのフラッディングを防止できる。
また、第１のセルの反応層には、アノード側(水素ガス側)、カソード側(空気側)があるが、アノード側(水素ガス側)又はカソード側(空気側)の少なくともいずれか一方を備えていれば足りる。しかし、燃料電池の負荷の状態、すなわち、低負荷から高負荷まで一様な発電反応を得るにはカソード側(空気側)が好ましい。カソード側(空気側)は、アノード側(水素ガス側)に比較して触媒活性の低下に基づく発熱量が大きいからである。
第１のセルの反応層における単位面積当たりの触媒活性を他のセルのそれより小さくするには、上記単位面積当たりの触媒活性を同一にしておいて、他のセルと第１のセルとの温度分布などを測定し、全負荷領域において全てのセルの温度分布が均一になるように、第１のセルの単位面積当たりの触媒活性を決めることが好ましい。 The fuel cell stack according to the first aspect is a fuel cell stack in which a plurality of fuel cell cells are stacked, and the catalytic activity per unit area in the reaction layer of the first cell that is easily flooded is compared with that of other cells. Make it smaller.
According to such a fuel cell stack, since the catalytic activity per unit area in the reaction layer of the first cell that is easily flooded is smaller than that of the other cells, the value of the current flowing through the first cell and the other cells The power generation reaction of the first cell is lower than that of the other cells without depending on the size of.
Therefore, even if the fuel cell is driven from a low load to a high load, the temperature of the first cell rises almost uniformly compared to the other cells, so that the flooding of the first cell can be prevented.
The reaction layer of the first cell has an anode side (hydrogen gas side) and a cathode side (air side). At least one of the anode side (hydrogen gas side) and the cathode side (air side) is used. It is enough if you have it. However, the cathode side (air side) is preferable for obtaining a uniform power generation reaction from the load state of the fuel cell, that is, from a low load to a high load. This is because the cathode side (air side) generates a larger amount of heat based on a decrease in catalyst activity than the anode side (hydrogen gas side).
In order to make the catalytic activity per unit area in the reaction layer of the first cell smaller than that of the other cells, the catalytic activity per unit area is the same, and the other cells and the first cell It is preferable to determine the catalyst activity per unit area of the first cell so that the temperature distribution of all the cells is uniform in the entire load region by measuring the temperature distribution and the like.

第２の局面の燃料電池スタックは、前記第１のセルは他のセルに比べて、同一面積の反応層に単位表面積あたりの活性が小さい触媒を使用すること、及び／又は同一面積の反応層に担持する触媒の有効表面を少なくすること、により触媒活性を小さくしている、ことが好ましい。
同一面積の反応層に単位表面積あたりの活性が小さい触媒とは、第１のセルが他のセルに比較して触媒活性が小さいことを意味する。すなわち、他のセルを基準に比較して第１のセルの触媒活性が小さければ良い。したがって、燃料電池スタック全体の触媒活性を他のセルを基準にして決定できるので、燃料電池スタック全体の触媒活性を設定し易い。
また、同一面積の反応層に担持する触媒の有効表面を少なくすることとは、第１のセルを他のセルと比較して、触媒の触媒層への投入量を減少したり、触媒の坦持密度の小さい触媒を用いたり、触媒の粒径を大きいものを用いたりすることにより得られる。このように上記同一面積の反応層に担持する触媒の有効表面を少なくすることは、上記同一面積の反応層に単位表面積あたりの活性が小さい触媒を用いるのに比較して、触媒の投入量などを簡易に調整できることから、触媒活性の調整がし易い利点がある。
このような燃料電池スタックによれば、他のセルに比較して第１のセルの反応層における単位面積当たりの触媒活性を小さくするために、同一面積の反応層に単位表面積あたりの活性が小さい触媒を使用すること及び／又は同一面積の反応層に担持する触媒の有効表面を少なくするという、簡易な構成により実現できる。したがって、他のセルに比較して第１のセルの触媒活性を小さくした燃料電池スタックの製造などが容易に実現できる。 In the fuel cell stack according to the second aspect, the first cell uses a catalyst having a smaller activity per unit surface area in the reaction layer having the same area than other cells, and / or the reaction layer has the same area. It is preferable that the catalytic activity is reduced by reducing the effective surface of the catalyst supported on the catalyst.
A catalyst having a small activity per unit surface area in a reaction layer having the same area means that the first cell has a smaller catalytic activity than other cells. That is, it is sufficient that the catalytic activity of the first cell is small compared to other cells. Accordingly, since the catalyst activity of the entire fuel cell stack can be determined based on other cells, it is easy to set the catalyst activity of the entire fuel cell stack.
In addition, reducing the effective surface of the catalyst supported on the reaction layer of the same area means that the first cell is compared with other cells to reduce the amount of catalyst charged into the catalyst layer, or to support the catalyst. It can be obtained by using a catalyst having a low density or using a catalyst having a large particle size. In this way, reducing the effective surface of the catalyst supported on the reaction layer of the same area is less than the amount of catalyst input compared to using a catalyst having a small activity per unit surface area for the reaction layer of the same area. Therefore, there is an advantage that the catalyst activity can be easily adjusted.
According to such a fuel cell stack, in order to reduce the catalytic activity per unit area in the reaction layer of the first cell compared to other cells, the reaction layer of the same area has a low activity per unit surface area. This can be realized by a simple configuration that uses a catalyst and / or reduces the effective surface of the catalyst supported on the reaction layer of the same area. Therefore, the manufacture of a fuel cell stack in which the catalytic activity of the first cell is reduced compared to other cells can be easily realized.

第３の局面の燃料電池スタックは、前記フラッディングしやすい第１のセルは前記スタックの両端に存在する１〜５枚のセルである、ことが好ましい。
燃料電池の積層されたスタックの両端における１〜５枚のセルは、中央側のセルに比べて外気と接触する面積が大きくなるので、中央側のセルよりも放熱が大きいから温度も低下しやすい。このため、上記１〜５枚のセルに反応層における単位面積当たりの触媒活性を他のセルのそれより小さくすることが必要となる。 In the fuel cell stack of the third aspect, it is preferable that the first cells that are easily flooded are 1 to 5 cells existing at both ends of the stack.
Since 1 to 5 cells at both ends of the stacked stack of fuel cells have a larger area in contact with the outside air than the cells on the center side, the heat radiation is larger than the cells on the center side, so the temperature is likely to decrease. . For this reason, it is necessary to make the catalytic activity per unit area in the reaction layer smaller than that of the other cells in the 1 to 5 cells.

第４の局面の燃料電池スタックは、前記第１のセルが複数枚存在するとき、各セルの触媒活性は前記スタックの端に向かうにつれて低下する、ことが好ましい。
第１のセルが複数枚存在する場合、燃料電池スタックの端に行くにしたがい外気と接触する面積もしだいに大きくなるなどして放熱され易くなる。これより、第１セルが複数枚存在すると、第１のセルの中でも、温度上昇分布が異なる。この温度分布に合わせて第１の各セルは、触媒活性をスタックの端に向かうにつれて低下することにより、第１のセル内においても、均一な温度分布を得ることができる。したがって、第１のセルのフラッディングをより防止できる。 In the fuel cell stack according to the fourth aspect, it is preferable that when a plurality of the first cells exist, the catalytic activity of each cell decreases toward the end of the stack.
When there are a plurality of first cells, the area in contact with the outside air gradually increases as it goes to the end of the fuel cell stack, so that heat is easily radiated. Thus, when there are a plurality of first cells, the temperature rise distribution is different among the first cells. According to this temperature distribution, the first cells can obtain a uniform temperature distribution even in the first cell by decreasing the catalytic activity toward the end of the stack. Therefore, flooding of the first cell can be further prevented.

実施例１
本発明の実施例を図１から図３によって説明する。図１は、本発明の一実施例による燃料電池の概略全体構成図、図２は図１に示す燃料電池スタックのセルの断面図、図３は燃料電池スタックのセルの位置対セル温度の特性曲線図である。
燃料電池は、燃料電池スタック３と、燃料電池スタック３のアノード側には、水素ガスを供給し、カソード側には空気を供給できるように形成されており、燃料電池スタック３の端部には、それぞれ金属製の端板５が設けられている。 Example 1
An embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 is a schematic overall configuration diagram of a fuel cell according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a cross-sectional view of a cell of the fuel cell stack shown in FIG. 1, and FIG. 3 is a characteristic of cell position versus cell temperature of the fuel cell stack. FIG.
The fuel cell is formed so that hydrogen gas can be supplied to the fuel cell stack 3 and the anode side of the fuel cell stack 3, and air can be supplied to the cathode side. Each of them is provided with a metal end plate 5.

図1において、燃料電池スタック３は、セルを多数積層しており、フラッディングしやすい両端部に設けられた第１のセルとして端部のセル３ａと、端部のセル３ａ以外で、中央部に設けられた他のセルとしての中央部のセル３ｃとを有している。なお、中央部のセル３ｃは、多数のセルを有している。
図２に示すように、端部のセル３ａ，中央部のセル３ｃは反応層の触媒活性が異なるものの、同一構造で、高分子電解質膜１１の両面にアノード側触媒層１２ａ及び反応層としてのカソード側触媒層１２ｃが積層されており、その外側がアノード側拡散層１３及びカソード側拡散層１４で挟まれてＭＥＡ１０を形成している。
さらに、端部のセル３ａ，中央部のセル３ｃは、ＭＥＡ１０の両側からセパレータ２０、４０のリブ２０ａ、４０ａで圧接されており、これによりセパレータ２０、４０とアノード側拡散層１３及びカソード側拡散層１４との間に水素ガスを流す水素ガス流路３０、空気を流す空気流路５０が形成されている。 In FIG. 1, the fuel cell stack 3 has a large number of cells stacked, and the first cell provided at both ends that are easily flooded is the end cell 3 a and the center cell other than the end cell 3 a. A central cell 3c as another cell provided. The central cell 3c has a large number of cells.
As shown in FIG. 2, the cell 3a at the end and the cell 3c at the center have the same structure, but the anode side catalyst layer 12a and the reaction layer are formed on both sides of the polymer electrolyte membrane 11 although the catalytic activity of the reaction layer is different. The cathode side catalyst layer 12c is laminated, and the outside thereof is sandwiched between the anode side diffusion layer 13 and the cathode side diffusion layer 14 to form the MEA 10.
Further, the cell 3a at the end and the cell 3c at the center are pressed against each other by the ribs 20a and 40a of the separators 20 and 40 from both sides of the MEA 10, whereby the separators 20 and 40, the anode side diffusion layer 13 and the cathode side diffusion are obtained. Between the layer 14, a hydrogen gas flow path 30 for flowing hydrogen gas and an air flow path 50 for flowing air are formed.

そして、フラッディングしやすい端部のセル３ａは、図３に示すように中央部のセル３ｃよりも温度が低下している燃料電池スタック３の各端から１枚をいい、カソード側触媒層１２ｃの表面積を中央部のセル３ｃそれと同一にしており、中央部のセル３ｃと同一の触媒Ｐｔを用いつつ、中央部のセル３ｃに比較して単位面積当たり触媒量を1／８に減少して、触媒活性を中央部のセル３ｃのよりも小さくしている。
ここで、端部のセル３ａの触媒量の減少量は、中央部のセル３ｃに比較して１／８としたのは、反応層の触媒活性を同一とした同一構造にして製作した端部のセル３ａ，中央部のセル３ｃを用い、図３に示すように、中央部のセル３ｃと端部のセル３ａとの温度上昇の差により定めたものである。これによって、端部のセル３ａは、発電反応を中央部のセル３ｃよりも低下して、燃料電池の低負荷時から高負荷まで一様に温度を上昇させるように形成されている。 As shown in FIG. 3, one end cell 3a that is easily flooded is one from each end of the fuel cell stack 3 where the temperature is lower than that of the center cell 3c. The surface area is the same as that of the central cell 3c, and the catalyst Pt is the same as that of the central cell 3c, while the catalyst amount per unit area is reduced to 1/8 compared to the central cell 3c. The catalytic activity is made smaller than that of the center cell 3c.
Here, the amount of decrease in the amount of catalyst in the end cell 3a was set to 1/8 of that in the center cell 3c because the end portion manufactured with the same structure with the same catalytic activity in the reaction layer was used. 3 and the center cell 3c, as shown in FIG. 3, it is determined by the difference in temperature rise between the center cell 3c and the end cell 3a. As a result, the end cell 3a is formed so that the power generation reaction is lower than that of the center cell 3c, and the temperature is increased uniformly from a low load to a high load of the fuel cell.

また、端部のセル３ａのアノード側触媒層１２ａは、中央部のセル３ｃと同一の触媒Ｐｔを用いると共に、触媒層の面積及び触媒量も同一に形成されている。
ここで、触媒量をカソード側のみ減少してアノード側を減少しないのは、この減少に起因する低負荷から高負荷までの端部のセル３ａの発熱量の増加がアノード側触媒層１２ａよりもカソード側触媒層１２ｃの方が大きいからである。 Further, the anode side catalyst layer 12a of the end cell 3a uses the same catalyst Pt as the center cell 3c, and the catalyst layer has the same area and the same amount of catalyst.
Here, the reason that the amount of catalyst is decreased only on the cathode side and the anode side is not decreased is that the increase in the amount of heat generated in the end cell 3a from the low load to the high load due to this decrease is greater than that in the anode side catalyst layer 12a. This is because the cathode side catalyst layer 12c is larger.

また、触媒の担持方法としては、周知の湿式法を採用している。湿式法とは、触媒の材料を分散させた溶液（以下「触媒溶液」とも呼ぶ）と担体とを接触させることによって、担体の表面に触媒を担持させる方法である。 As a catalyst loading method, a well-known wet method is employed. The wet method is a method in which a catalyst is supported on the surface of a carrier by bringing a solution in which a catalyst material is dispersed (hereinafter also referred to as “catalyst solution”) into contact with the carrier.

＜発熱量増加比率の実験データ＞
上記のように構成された燃料電池スタックを用い、燃料電池を低負荷から高負荷まで駆動して、中央部のセル３ｃに比較した端部セル３ａの発熱量増加比率を測定して図４に示す。なお、中央部のセル３ｃの発熱量増加比率を１としている。
図４では、実施例、応用例、比較例の燃料電池スタック３の実験データを示しており、比較例は、従来の燃料電池スタック３に相当するもので、端部のセル３ａを中央部のセル３ｃに比較して電極面積を２／3に減少したものである。また、応用例（他の実施例）は、本実施例の端部のセル３ａと同一の構成で、中央部のセル３ｃに比較して単位面積当たり触媒量を１／３減少させたものである。 <Experimental data of heat generation increase ratio>
Using the fuel cell stack configured as described above, the fuel cell is driven from a low load to a high load, and the calorific value increase ratio of the end cell 3a compared to the central cell 3c is measured and shown in FIG. Show. The heating rate increase rate of the central cell 3c is set to 1.
FIG. 4 shows experimental data of the fuel cell stack 3 of the example, application example, and comparative example. The comparative example corresponds to the conventional fuel cell stack 3, and the cell 3a at the end is placed at the center. Compared to the cell 3c, the electrode area is reduced to 2/3. Further, the application example (other examples) has the same configuration as the end cell 3a of the present example, and the catalyst amount per unit area is reduced by 1/3 compared to the center cell 3c. is there.

上記図４によれば、本実施例の燃料電池スタック３の端部のセル３ａは、低負荷から高負荷までの全領域に亘り、略１．１倍程度の発熱量増加比率を示している。
さらに、応用例に示す燃料電池スタック３の端部のセル３ａは、低負荷から高負荷までの全領域に亘り、略１．０４倍程度の発熱量増加比率を示している。これに対して、従来の燃料電池スタック3では、中負荷から高負荷に亘り、発熱量増加比率が略１．１倍程度に増加するものの、従来技術の課題で指摘したように、低負荷においては、発熱量増加比率が低下している。
したがって、実施例及び応用例の燃料電池スタック３は、端部のセル３ａも触媒量を減少することにより発熱量増加比率を従来の燃料電池スタック３よりも増加しながら低負荷から高負荷までの全領域に亘り、ほぼ一定の発熱量増加比率を得られることが実験によって確認できた。特に、実施例の燃料電池スタック３は、応用例に比較して発熱量増加比率が上昇していることも実験により確認できた。 According to FIG. 4 described above, the cell 3a at the end of the fuel cell stack 3 of the present embodiment shows a heating value increase ratio of about 1.1 times over the entire region from low load to high load. .
Furthermore, the cell 3a at the end of the fuel cell stack 3 shown in the application example shows a heating value increase ratio of about 1.04 times over the entire region from low load to high load. On the other hand, in the conventional fuel cell stack 3, although the rate of increase in heat generation is increased by about 1.1 times from medium load to high load, as pointed out in the problem of the conventional technology, The calorific value increase ratio is decreasing.
Therefore, in the fuel cell stack 3 of the embodiment and the application example, the cell 3a at the end also reduces the amount of catalyst, thereby increasing the heat generation rate increase rate from the conventional fuel cell stack 3 and increasing from the low load to the high load. It was confirmed by experiments that an almost constant calorific value increase ratio can be obtained over the entire region. In particular, it was also confirmed by experiments that the fuel cell stack 3 of the example had an increased heating value increase ratio compared to the application example.

＜セル電圧対電流の実験データ＞
上記のように構成された３種類の燃料電池スタックを用いて低負荷から高負荷まで駆動してセル電圧対電流の特性を測定して図５に示し、同様に、基準性能として中央部セル３ｃのセル電圧対電流の特性を測定して図５に示す。 <Experimental data of cell voltage vs. current>
The three types of fuel cell stacks configured as described above are used to drive from a low load to a high load and the characteristics of cell voltage versus current are measured and shown in FIG. FIG. 5 shows the measured cell voltage versus current characteristics.

上記図５によれば、本実施例の燃料電池スタック３の端部セル３ａは、低負荷から高負荷までの全領域に亘り、中央部セル３ｃよりも電圧が低下すると共に、従来の燃料電池スタック３に比較して低負荷から中負荷までは電圧が低下するものの、中負荷から高負荷までは、ほぼ同様な電圧を示している。
さらに、応用例の燃料電池スタック３の端部セル３ａは、実施例の燃料電池スタック３の端部セル３ａと、中央部のセル３ｃとのちょうど中間の値を示している。 According to FIG. 5, the end cell 3a of the fuel cell stack 3 of the present embodiment has a voltage lower than that of the central cell 3c over the entire region from low load to high load, and a conventional fuel cell. Although the voltage decreases from a low load to a medium load as compared with the stack 3, a substantially similar voltage is shown from a medium load to a high load.
Furthermore, the end cell 3a of the fuel cell stack 3 of the application example shows an intermediate value between the end cell 3a of the fuel cell stack 3 of the embodiment and the cell 3c at the center.

上記のように構成された燃料電池は、複数の燃料電池のセルを積層してなる燃料電池スタック３であって、フラッディングしやすい端部のセル３ａのカソード側触媒層１２ｃにおける単位面積当たりの触媒活性を、中央部のセル３ｃよりも１／８に触媒量を減少することにより実現したので、低負荷から高負荷に亘り、発熱量増加比率を一様に増加できた。
したがって、燃料電池を低負荷から高負荷運転に亘り、簡易な構成により端部のセル３ｃの温度を図３に示す点線から実線に上げることにより端部のセル３ａのフラッディングを防止できる。 The fuel cell configured as described above is a fuel cell stack 3 in which cells of a plurality of fuel cells are stacked, and the catalyst per unit area in the cathode side catalyst layer 12c of the end cell 3a that is easily flooded. Since the activity was realized by reducing the amount of catalyst to 1/8 that of the center cell 3c, the heat generation rate increase ratio could be increased uniformly from low load to high load.
Therefore, flooding of the end cell 3a can be prevented by raising the temperature of the end cell 3c from the dotted line shown in FIG. 3 to the solid line with a simple configuration over a low load to high load operation.

上記実施例では、フラッディングしやすいセルを端部のセル３ａとしたが、フラッディングしやすければ、他のセルでも良い。フラッディングしやすいセルか否かは、他のセルとの相対的な温度が所定値以上の差を有して低ければ、フラッディングしやすいセルとなる。
また、上記実施例では、端部のセル３ａは中央部のセル３ｃよりも１／８に触媒量を減少したが、中央部のセル３ｃと端部のセル３ａとの温度比率により定めるべきものなので、１／２から１／１５程度の比率になることもあり得る。
さらに、上記実施例では、端部のセル３ａを燃料電池スタック３の端から１枚としたが、燃料電池スタック３の構造によっては、１枚から５枚程度まであり得る。 In the above embodiment, the cell 3a which is easily flooded is the end cell 3a. However, other cells may be used if flooding is easy. Whether the cell is easy to flood or not is a cell that is easily flooded if the temperature relative to other cells is low with a difference of a predetermined value or more.
In the above embodiment, the amount of catalyst in the end cell 3a is reduced to 1/8 of that in the center cell 3c, but should be determined by the temperature ratio between the center cell 3c and the end cell 3a. Therefore, the ratio may be about 1/2 to 1/15.
Furthermore, in the above embodiment, one end cell 3 a is provided from the end of the fuel cell stack 3, but depending on the structure of the fuel cell stack 3, there may be one to five.

実施例２
上記実施例１では、フラッディングしやすい端部のセル３ａのカソード側触媒層１２ｃにおける単位面積当たりの触媒活性を、触媒量を減少することにより実現したが、本実施例では、同一面積のカソード側触媒層１２ｃに単位表面積あたりの活性を小さくしたり、同一面積のカソード側触媒層１２ｃに担持する触媒の有効表面を少なくしたり、することにより単位面積当たりの触媒活性を減少するものである。 Example 2
In Example 1 described above, the catalytic activity per unit area in the cathode side catalyst layer 12c of the cell 3a at the end that is likely to be flooded was realized by reducing the amount of the catalyst. By reducing the activity per unit surface area of the catalyst layer 12c or reducing the effective surface of the catalyst supported on the cathode side catalyst layer 12c of the same area, the catalyst activity per unit area is reduced.

また、端部のセル３ａのアノード側触媒層１２ａは、中央部のセル３ｃのアノード側触媒層１２ａの面積及び触媒量と同一に形成されている。ここで、端部のセル３ａのカソード側触媒層１２ｃの触媒量を減少してアノード側触媒層１２ａを減少しないのは、上記のように、この減少に起因する発熱量増加がアノード側触媒層１２ａよりもカソード側触媒層１２ｃの方が大きいからである。 The anode side catalyst layer 12a of the end cell 3a is formed to have the same area and catalyst amount as the anode side catalyst layer 12a of the center cell 3c. Here, the anode side catalyst layer 12a is not reduced by reducing the catalyst amount of the cathode side catalyst layer 12c of the cell 3a at the end, as described above, because the increase in the calorific value due to this reduction is the anode side catalyst layer. This is because the cathode side catalyst layer 12c is larger than 12a.

同一面積のカソード側触媒層１２ｃに単位表面積あたりの活性が小さい触媒とは、端部のセル３ｃが中央部のセル３ａに比較して触媒活性が小さいことを意味する。すなわち、中央部のセル３ａに比較して端部のセル３ｃの触媒活性が小さくすれば、良い。中央部のセル３ａの触媒活性を基準として端部のセル３ｃの触媒活性を決めることにより、燃料電池スタック全体の触媒活性を所望の値に設定しやすい利点がある。なお、端部のセル３ｃの触媒活性を基準として中央部のセル３ｃの触媒活性を決めても良い。
端部のセル３ｃが中央部のセル３ａよりも触媒活性が低い例として、中央部のセル３ｃが白金Ｐｔで、端部のセル３ａが中央部のセル３ｃよりも触媒活性が低いパラジウムＰｄ、イリジウムＩｒなども適用する。このように形成された燃料電池スタックでは、すべてのセルに白金を用いた場合に比較して全体の触媒活性をやや低くできる。
また、端部のセル３ｃよりも中央部のセル３ａの触媒活性が高い例として端部のセル３ａが白金Ｐｔで、端部のセル３ａよりも触媒活性が高い中央部のセル３ｃとして、中央部のセル３ｃが白金コバルト合金Ｐｔ-Ｃｏ、白金ニッケル合金Ｐｔ-Ｎｉ、白金鉄合金Ｐｔ-Ｆｅなどを適用する。このように形成さたれ燃料電池スタック３では、すべてのセルに白金を用いた場合に比較して全体の触媒活性を向上することができる。 The catalyst having a small activity per unit surface area in the cathode-side catalyst layer 12c having the same area means that the end cell 3c has a smaller catalytic activity than the center cell 3a. That is, it is sufficient if the catalytic activity of the end cell 3c is smaller than that of the center cell 3a. By determining the catalytic activity of the end cell 3c based on the catalytic activity of the central cell 3a, there is an advantage that the catalytic activity of the entire fuel cell stack can be easily set to a desired value. The catalytic activity of the center cell 3c may be determined based on the catalytic activity of the end cell 3c.
As an example in which the end cell 3c is lower in catalytic activity than the center cell 3a, the center cell 3c is platinum Pt, and the end cell 3a is palladium Pd having lower catalyst activity than the center cell 3c, Iridium Ir or the like is also applied. In the fuel cell stack formed in this way, the overall catalytic activity can be slightly lowered as compared with the case where platinum is used for all cells.
Further, as an example in which the catalytic activity of the central cell 3a is higher than the central cell 3c, the central cell 3a is platinum Pt, and the central cell 3c is higher in catalytic activity than the central cell 3a. The part cell 3c applies platinum cobalt alloy Pt—Co, platinum nickel alloy Pt—Ni, platinum iron alloy Pt—Fe or the like. In the fuel cell stack 3 formed in this way, the overall catalytic activity can be improved as compared with the case where platinum is used for all cells.

また、同一面積のカソード側触媒層１２ｃに担持する触媒の有効表面を少なくすることとは、端部のセル３ａを中央部のセル３ｃと比較して、触媒のカソード側触媒層１２ｃへの投入量を減少したり、触媒の坦持密度を小さい触媒を用いたり、触媒の粒径を大きくしたりすることにより得られる。
そして、上記投入量の減少は例えば、端部のセル３ａを他のセルと比較して、端部のセル３ａの触媒のカソード側触媒層１２ｃへの投入量を1とすると、中央部のセル３ｃの投入量を０．６とすることにより実現できる。また、上記触媒の坦時密度を小さくするには、端部のセル３ａの触媒の担持密度を３０ｗｔ％にし、中央部のセル３ｃの担持密度５０ｗｔ％とすることにより実現できる。また、上記触媒の粒系を大きくするには、端部のセル３ａが５ｎｍで中央部のセル３ｃが３ｎｍにすることにより実現できる。
このように上記同一面積のカソード側触媒層１２ｃに担持する触媒の有効表面を少なくすることは、上記同一面積のカソード側触媒層１２ｃに単位表面積あたりの活性が小さい触媒を用いるのに比較して、投入量などを簡易に調整できることから、触媒活性の調整がし易い利点がある。 Further, reducing the effective surface of the catalyst supported on the cathode-side catalyst layer 12c of the same area means that the catalyst is put into the cathode-side catalyst layer 12c in comparison with the cell 3a at the end compared with the cell 3c at the center. It can be obtained by reducing the amount, using a catalyst with a small catalyst supporting density, or increasing the particle size of the catalyst.
For example, when the amount of the cell 3a at the end is compared with other cells and the amount of the catalyst in the end cell 3a to the cathode side catalyst layer 12c is 1, the cell at the center is reduced. This can be realized by setting the input amount of 3c to 0.6. In addition, the carrier density of the catalyst can be reduced by setting the catalyst support density of the end cell 3a to 30 wt% and the support density of the center cell 3c to 50 wt%. Further, the size of the catalyst particle system can be increased by setting the end cell 3a to 5 nm and the center cell 3c to 3 nm.
Thus, reducing the effective surface of the catalyst supported on the cathode-side catalyst layer 12c having the same area is smaller than using a catalyst having a small activity per unit surface area for the cathode-side catalyst layer 12c having the same area. Since the input amount can be easily adjusted, there is an advantage that the catalyst activity can be easily adjusted.

上記説明のように、同一面積のカソード側触媒層１２ｃにおける単位表面積あたりの活性が小さい触媒又は担持する触媒の有効表面を少なくするの、少なくもいずれか一方を端部のセル３ａに適用しても良い。
上記構成をいずれか一方の場合には、上記のような各特徴を有し、上記構成を二つ備えた場合、すなわち、同一面積のカソード側触媒層１２ｃにおける単位表面積あたりの活性が小さい触媒及び担持する触媒の有効表面を少なくする場合には、燃料電池スタック３全体の触媒活性を所望の値に設定しやすく、しかも、触媒活性の調整がし易くなる。したがって、燃料電池スタックの製作が容易になる。 As described above, the effective surface of the catalyst having a small activity per unit surface area or the supported catalyst in the cathode-side catalyst layer 12c having the same area is reduced, and at least one of them is applied to the end cell 3a. Also good.
In any one of the above configurations, the catalyst has the above-described features and includes two of the above configurations, that is, a catalyst having a small activity per unit surface area in the cathode-side catalyst layer 12c having the same area, and When reducing the effective surface of the catalyst to be supported, the catalyst activity of the entire fuel cell stack 3 can be easily set to a desired value, and the catalyst activity can be easily adjusted. Therefore, it becomes easy to manufacture the fuel cell stack.

上記のように構成された燃料電池スタック３は、端部のセル３ａは中央部のセル３ｃに比べて、同一面積のカソード側触媒層１２ｃに単位表面積あたりの活性が小さい触媒を使用すること及び／又は同一面積のカソード側触媒層１２ｃに担持する触媒の有効表面を少なくすること、により触媒活性を小さくしているので、端部のセル３ａを中央部のセル３ｃよりも簡易に触媒活性を小さくできる。端部のセル３ａのフラッディングを防止できる。 In the fuel cell stack 3 configured as described above, the end cell 3a uses a catalyst having a smaller activity per unit surface area in the cathode-side catalyst layer 12c having the same area than the center cell 3c, and Since the catalytic activity is reduced by reducing the effective surface of the catalyst supported on the cathode-side catalyst layer 12c having the same area, the catalytic activity of the end cell 3a can be made easier than the central cell 3c. Can be small. Flooding of the end cell 3a can be prevented.

実施例３
本発明の他の実施例を図６によって説明する。図６は、燃料電池スタックのセル位置対セル温度の特性曲線図である。
反応層の触媒活性を同一とした同一構造にして製作した端部のセル３ａ，中央部のセル３ｃを用いた図６の点線に示すように、無負荷時において燃料電池スタック３の端部から５枚までセル３ａの温度が中心部よりも、かなり低下しているので、端から５枚までのセル３ａがフラッディングしやすいことになる。これは、燃料電池スタック３の端に行くにしたがい外気と接触する面積もしだいに大きくなり、端に行くにしたがい金属などの熱伝導性の高い端板５により放熱されやすくなるからである。この５枚のセル３ａに上記のように触媒活性を一律に低下しても良いし、図６の点線で示す各セル３ａの温度に対応して触媒活性を変更しても良い。
触媒活性を変更するには、図６に示すように触媒活性を各セル３ａに対応して燃料電池スタック３の端から０２、０．４、０．６、０．８、０．９のように階段的に低下させることにより、図６の実線で示すように、燃料電池スタック３の位置にかかわらず各セル３ａ，３ｃの温度を一様にできる。
上記燃料電池スタック３におけるフラッディングしやすい端部のセル３ａは燃料電池スタック３の両端に存在する５枚のセル３ａとしたので、燃料電池スタック３全体のセル３ａ，３ｃのフラッディングを防止できる。
なお、本実施例では、フラッディングしやすいセル３ａを端部から５枚としたが、少なくとも１枚から５枚の間に任意に選択できる。 Example 3
Another embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a characteristic curve diagram of cell position versus cell temperature of the fuel cell stack.
As shown by the dotted lines in FIG. 6 using the end cell 3a and the center cell 3c manufactured with the same structure in which the catalytic activity of the reaction layer is the same, from the end of the fuel cell stack 3 when no load is applied. Since the temperature of the cells 3a is considerably lower than that of the central part up to five, the five cells 3a from the end are easily flooded. This is because the area in contact with the outside air gradually increases as it goes to the end of the fuel cell stack 3, and heat is easily radiated by the end plate 5 having high thermal conductivity such as metal as it goes to the end. As described above, the catalytic activity may be uniformly reduced in the five cells 3a, or the catalytic activity may be changed in accordance with the temperature of each cell 3a indicated by the dotted line in FIG.
To change the catalyst activity, the catalyst activity is changed from the end of the fuel cell stack 3 to 02, 0.4, 0.6, 0.8, 0.9 corresponding to each cell 3a as shown in FIG. As shown by the solid line in FIG. 6, the temperature of each cell 3 a, 3 c can be made uniform regardless of the position of the fuel cell stack 3.
Since the cells 3a at the end portions of the fuel cell stack 3 that are easily flooded are the five cells 3a existing at both ends of the fuel cell stack 3, flooding of the cells 3a and 3c of the entire fuel cell stack 3 can be prevented.
In the present embodiment, the number of cells 3a that are easily flooded is five from the end, but any number between at least one and five can be selected.

本実施例では、燃料電池スタック３の各セル３ｃの触媒活性は燃料電池スタック３の端に向かうにつれて低下したので、燃料電池スタック３のセル位置にかかわらず、燃料電池が低負荷から高負荷になっても各セル３ａ，３ｃの温度をより一様にできる。
また、上記実施例1〜３では、端部のセル３ａのカソード側触媒層１２ａの触媒活性を小さくしたが、アノード側触媒層１２ａの触媒活性を小さくしても良いし、アノード側触媒層１２ａ及びカソード側触媒層１２ｃの触媒活性を小さくしても良い。 In this embodiment, since the catalytic activity of each cell 3c of the fuel cell stack 3 decreases toward the end of the fuel cell stack 3, the fuel cell is changed from a low load to a high load regardless of the cell position of the fuel cell stack 3. Even if it becomes, the temperature of each cell 3a, 3c can be made more uniform.
In Examples 1 to 3, the catalytic activity of the cathode side catalyst layer 12a of the end cell 3a is reduced. However, the catalytic activity of the anode side catalyst layer 12a may be reduced, or the anode side catalyst layer 12a. The catalytic activity of the cathode side catalyst layer 12c may be reduced.

本発明は、燃料電池に適用できる。 The present invention can be applied to a fuel cell.

本発明は、上記発明の実施例及び実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様も本発明に含まれる。 The present invention is not limited to the examples of the invention described above and the description of the examples. Various modifications are also included in the present invention as long as those skilled in the art can easily conceive without departing from the scope of the claims.

図１は本発明の一実施例による燃料電池の概略全体構成図である。FIG. 1 is a schematic overall configuration diagram of a fuel cell according to an embodiment of the present invention. 図２は図１に示す燃料電池スタックのセルの断面図である。2 is a cross-sectional view of the cells of the fuel cell stack shown in FIG. 燃料電池スタックのセル位置対セル温度の特性曲線図である。It is a characteristic curve figure of the cell position of a fuel cell stack versus cell temperature. 燃料電池スタックに流れる電流対発熱量増加比率の特性曲線図である。It is a characteristic curve figure of the electric current which flows into a fuel cell stack with the calorific value increase ratio. 燃料電池スタックに流れる電流対セル電圧の特性曲線図である。It is a characteristic curve figure of the electric current which flows into a fuel cell stack versus cell voltage. 燃料電池スタックのセル位置対セル温度の特性曲線図である。It is a characteristic curve figure of the cell position of a fuel cell stack versus cell temperature.

Explanation of symbols

３…燃料電池スタック
３ａ…端部のセル（第１のセル）
３ｃ…中央部のセル（他のセル）
１２ｃ…カソード側触媒層 3 ... Fuel cell stack 3a ... End cell (first cell)
3c ... center cell (other cells)
12c ... Cathode side catalyst layer

Claims

A fuel cell stack formed by laminating a plurality of fuel cell cells, wherein the catalytic activity per unit area in the reaction layer of the first cell that is easily flooded is smaller than that of other cells.

The first cell uses a catalyst having a small activity per unit surface area in the reaction layer of the same area and / or reduces the effective surface of the catalyst supported on the reaction layer of the same area as compared with the other cells. The fuel cell stack according to claim 1, wherein the catalytic activity is reduced.

3. The fuel cell stack according to claim 1, wherein the first cells that are easily flooded are 1 to 5 cells existing at both ends of the stack.

4. The fuel cell stack according to claim 3, wherein when there are a plurality of the first cells, the catalytic activity of each cell decreases toward the end of the stack. 5.