JP2010287439A - Fuel cell and control method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、低温始動性に優れた燃料電池と、その制御方法に関するものである。 The present invention relates to a fuel cell excellent in cold startability and a control method thereof.
固体高分子型燃料電池の燃料電池セルは、イオン透過性の電解質膜と、該電解質膜を挟持するアノード側およびカソード側の触媒層とから膜電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)が形成され、この膜電極接合体とこれを挟持するアノード側およびカソード側のガス拡散層(GDL)とから電極体(MEGA:Membrane Electrode & Gas Diffusion Layer Assembly)が形成され、電極体に燃料ガスもしくは酸化剤ガスを提供するとともに電気化学反応によって生じた電気を集電するための金属多孔体からなるガス流路層とセパレータが電極体の両側に配されて構成されている。なお、セパレータにガス流路溝が形成された燃料電池セルも従来一般のものであり、この形態の場合にはガス流路層となる金属多孔体は不要である。実際の燃料電池スタックは、所要電力に応じた基数の燃料電池セルが積層され、スタッキングされることによって形成されている。 A fuel cell of a polymer electrolyte fuel cell has a membrane electrode assembly (MEA) formed from an ion-permeable electrolyte membrane and an anode-side and cathode-side catalyst layer sandwiching the electrolyte membrane. An electrode body (MEGA: Membrane Electrode & Gas Diffusion Layer Assembly) is formed from the membrane electrode assembly and the anode-side and cathode-side gas diffusion layers (GDL) sandwiching the membrane-electrode assembly, and a fuel gas or an oxidant is formed on the electrode body. A gas flow path layer made of a porous metal body for collecting gas and collecting electricity generated by an electrochemical reaction and a separator are arranged on both sides of the electrode body. In addition, the fuel cell in which the gas flow channel groove is formed in the separator is also a conventional one, and in this case, the metal porous body that becomes the gas flow channel layer is unnecessary. An actual fuel cell stack is formed by stacking and stacking a number of fuel cell cells according to required power.
上記する燃料電池では、アノード電極に燃料ガスとして水素ガス等が提供され、カソード電極には酸化剤ガスとして酸素や空気が提供され、各電極では固有のガス流路層(またはセパレータに形成されたガス流路溝)にて面内方向にガスが流れ、次いでガス拡散層にて拡散されたガスが電極触媒層に導かれて電気化学反応がおこなわれるものである。 In the fuel cell described above, hydrogen gas or the like is provided as a fuel gas to the anode electrode, oxygen or air is provided as the oxidant gas to the cathode electrode, and each electrode has a unique gas flow path layer (or formed in a separator). The gas flows in the in-plane direction in the gas channel groove), and then the gas diffused in the gas diffusion layer is guided to the electrode catalyst layer to cause an electrochemical reaction.
上記する燃料電池セルにおいては、膜電極接合体に供給される燃料ガスや酸化剤ガス、さらにはセルの昇温を抑止するための冷却水などの冷却媒体をシールするためのガスケットが、電極体や金属多孔体の周縁に射出成形や圧縮成形にて形成されている。たとえばガス流路となる金属多孔体を具備する燃料電池セルにおいては、成形型のキャビティ内にアノード側もしくはカソード側の一方の金属多孔体を収容し、次いで電極体を収容し、次いでアノード側もしくはカソード側の他方の金属多孔体を収容した姿勢で、電極体および金属多孔体の周縁のガスケット形成用キャビティに樹脂を注入してガスケット成形がおこなわれている。なお、キャビティ内にアノード側もしくはカソード側いずれか一方のセパレータを最初に収容し、次いで上記する構成部材を収容して射出成形をおこなう方法もある。 In the fuel cell described above, the electrode body includes a gasket for sealing a cooling medium such as a fuel gas and an oxidant gas supplied to the membrane electrode assembly, and a cooling water for suppressing a temperature rise of the cell. And formed on the periphery of the porous metal body by injection molding or compression molding. For example, in a fuel cell having a metal porous body serving as a gas flow path, one metal porous body on the anode side or cathode side is accommodated in the cavity of the mold, and then the electrode body is accommodated, and then the anode side or Gasket molding is performed by injecting a resin into the gasket forming cavity at the periphery of the electrode body and the metal porous body in a posture in which the other metal porous body on the cathode side is accommodated. There is also a method in which either the anode side or the cathode side separator is first accommodated in the cavity, and then the above-described constituent members are accommodated for injection molding.
上記するセパレータには、たとえばチタンやステンレスからなる2枚のプレート(カソード側プレートとアノード側プレート)の間に流路が形成されたプレート(中間層、中間プレート)が介層された3層構造のものや、中間層を樹脂製の枠材とし、2枚のプレートの一方から多数のディンプルや流路を画成するリブを突出させて冷却水流路を形成するものなどがあり(このような構造も3層構造のセパレータに含めることができる)、この3層構造のセパレータを具備する燃料電池が特許文献1に開示されている。この構造のセパレータは、当該セル自体のアノード側もしくはカソード側のいずれか一方のセパレータであると同時に、積層姿勢において隣接するセルのアノード側もしくはカソード側の他方のセパレータとなるものである。すなわち、この3層構造セパレータを有する燃料電池セルのセル構成部材は、一つの3層構造セパレータと、アノード側およびカソード側のガス透過層(エキスパンドメタルや金属発泡焼結体などの金属多孔体からなるガス流路層)と、電極体(膜電極接合体およびガス拡散層)と、からなり、複数の燃料電池セルが積層された姿勢において、任意の燃料電池セルは、その両端にアノード側およびカソード側のセパレータを有することとなる。
The separator described above has a three-layer structure in which a plate (intermediate layer, intermediate plate) in which a flow path is formed between two plates (cathode side plate and anode side plate) made of, for example, titanium or stainless steel is interposed. And the intermediate layer is made of a resin frame material, and a plurality of dimples and ribs defining a flow path are projected from one of the two plates to form a cooling water flow path (such as A structure can also be included in the separator having the three-layer structure), and a fuel cell including the separator having the three-layer structure is disclosed in
ここで、3層構造セパレータの理解を容易とするべく、図4に3層構造セパレータを具備する燃料電池セルの縦断面図を示している。
図4において、燃料電池セルは、電解質膜aとこれを挟持するカソード側およびアノード側の触媒層b1、b2とから膜電極接合体cが形成され、この膜電極接合体cをカソード側およびアノード側のガス拡散層d1、d2が挟持して電極体eが形成され、電極体eをカソード側およびアノード側のガス流路層f1、f2が挟持し、アノード側のガス流路層f2の下方に、3層構造のセパレータhが配され、電極体eの側方に流体流通用のマニホールドMを具備するガスケットgが射出成形等されてその全体が構成されている。この3層構造のセパレータhは、2枚のステンレス製もしくはチタン製の第1のプレートh1(アノード側プレート)と第2のプレートh2(カソード側プレート)と、このプレートh1、h2間に介在してガスや冷却水などの流体用の流路を画成する中間層h3(中間プレート)と、から構成されている。なお、燃料電池スタックは、図示する燃料電池セルが複数積層され、スタッキングされることによって形成されるものであり、不図示の燃料電池セルが図示する燃料電池セルの上下に積層されるものである。
Here, in order to facilitate understanding of the three-layer structure separator, FIG. 4 shows a vertical cross-sectional view of a fuel cell having the three-layer structure separator.
In FIG. 4, in the fuel cell, a membrane electrode assembly c is formed from an electrolyte membrane a and cathode and anode catalyst layers b1 and b2 sandwiching the electrolyte membrane a. The membrane electrode assembly c is formed into a cathode side and an anode. The gas diffusion layers d1 and d2 on the side are sandwiched to form an electrode body e. The electrode body e is sandwiched between the gas flow layer f1 and f2 on the cathode side and the anode, and below the gas flow path layer f2 on the anode side. In addition, a separator h having a three-layer structure is disposed, and a gasket g including a fluid circulation manifold M is formed on the side of the electrode body e by injection molding or the like to constitute the whole. The three-layer separator h is interposed between two stainless steel or titanium first plates h1 (anode side plates), a second plate h2 (cathode side plates), and the plates h1 and h2. And an intermediate layer h3 (intermediate plate) that defines a flow path for fluid such as gas and cooling water. The fuel cell stack is formed by stacking a plurality of illustrated fuel cells and stacking them, and stacks fuel cells not shown in the figure above and below the illustrated fuel cells. .
中間層h3には、酸化剤ガスを不図示の燃料電池セル(図示する燃料電池セルの下方に位置することとなる燃料電池セル)のカソード側ガス流路層に提供するための酸化剤ガス導入路h3a(酸化剤ガスの流れ:Z1)と、図示する燃料電池セル自身のアノード側ガス流路層f2に燃料ガスを提供するための燃料ガス導入路h3b(燃料ガスの流れ:Z2)、さらには、発電経過における電極体eの昇温を抑止するための冷却媒体が流通する冷却用流路h3cが形成されている。なお、図4は、酸化剤ガスが流通するマニホールドMを通る断面で切断した縦断面図である。 In the intermediate layer h3, an oxidant gas is introduced to provide an oxidant gas to a cathode-side gas flow path layer of a fuel cell (not shown) (a fuel cell located below the fuel cell shown). A path h3a (oxidant gas flow: Z1), a fuel gas introduction path h3b (fuel gas flow: Z2) for providing fuel gas to the anode-side gas flow path layer f2 of the illustrated fuel cell, and Is formed with a cooling flow path h3c through which a cooling medium for suppressing the temperature rise of the electrode body e in the course of power generation flows. FIG. 4 is a longitudinal sectional view cut along a section passing through the manifold M through which the oxidizing gas flows.
ところで、燃料電池セルにおいては、その触媒層が形成された領域が一般に発電領域となっており、セパレータの全面積に対する該発電領域の割合は発電面積利用率と称され、この発電面積利用率を可及的に高くすることが求められている。 By the way, in a fuel cell, a region where the catalyst layer is formed is generally a power generation region, and the ratio of the power generation region to the total area of the separator is called a power generation area utilization rate. It is required to be as high as possible.
しかし、図4からも明らかなように、3層構造セパレータでは、その構造上の制約(ガスの導入路を設けたり、酸化剤ガスと燃料ガスのそれぞれに固有のガス流路層等へガスを供給するための開口(燃料ガス用のガス供給用開口h1a、酸化剤ガス用のガス供給用開口h2a)およびガス流路層等からガスを排気するための排気用開口(不図示)を同じ側面領域に設けるなど)から、電極体eの触媒層形成領域は、冷却媒体が流通する冷却用流路が形成されている平面範囲にしか設けることができない。より具体的には、平面視でカソード側のガス供給用開口h2aおよびガス排気用開口(不図示)よりもアノード側のガス供給用開口h1aおよびガス排気用開口(不図示)が内側に形成されている場合には、このアノード側のガス供給用開口h1aおよびガス排気用開口の内側範囲に触媒層形成領域(図中の中央領域)が限定されている。なお、これらの開口は、ガス流路層の全範囲に効果的にガスを提供するとともに、ガス流路層等からのガスの効率的な排気を図るべく、触媒層と同程度の幅をその延長とする細長形状に形成される形態もあり、このような細長形状のガス開口は、いわゆるコモンレールと称されることもある。 However, as is clear from FIG. 4, in the three-layer structure separator, there are structural restrictions (such as providing gas introduction paths, or supplying gas to the gas flow path layers unique to each of the oxidant gas and the fuel gas). An opening for supply (gas supply opening h1a for fuel gas, gas supply opening h2a for oxidant gas) and an exhaust opening (not shown) for exhausting gas from the gas flow path layer and the like are on the same side. For example, the catalyst layer forming region of the electrode body e can be provided only in the plane range in which the cooling channel through which the cooling medium flows is formed. More specifically, the anode-side gas supply opening h1a and the gas exhaust opening (not shown) are formed inside the cathode side gas supply opening h2a and the gas exhaust opening (not shown) in a plan view. In this case, the catalyst layer forming region (the central region in the drawing) is limited to the inner range of the gas supply opening h1a and the gas exhaust opening on the anode side. These openings effectively provide gas to the entire range of the gas flow path layer, and have the same width as the catalyst layer in order to efficiently exhaust gas from the gas flow path layer and the like. There is a form formed in an elongated shape as an extension, and such an elongated gas opening may be referred to as a so-called common rail.
上記理由から触媒層形成領域が制限されているのに対して、発電領域を仮に広げ、この触媒層形成領域を中央領域のみならず、その外側の周縁領域まで広げた場合に(したがって、少なくとも上記コモンレールh1a、h2aに対応する平面位置、およびそれよりもさらに外側の領域に触媒層が形成される)、この周縁領域に対応するガス流路層等において(対応する位置には冷却用流路が形成されていない)、高密度電流通電時等の際に異常過熱が生じ、電解質膜にガスのクロスリーク路となり得る孔が開いたり、あるいは、異常過熱によってドライアップが助長され、燃料電池の局所的な発電落ち(発電性能低下、発電不可)が生じ得るという課題が危惧される。 While the catalyst layer formation region is limited for the above reasons, when the power generation region is temporarily expanded and this catalyst layer formation region is expanded not only to the central region but also to the outer peripheral region (and therefore at least the above) A catalyst layer is formed in a planar position corresponding to the common rails h1a and h2a and a region further outside thereof, and a gas flow path layer corresponding to the peripheral region (a cooling channel is provided at the corresponding position). Not formed), abnormal overheating occurs when a high-density current is applied, etc., and a hole that can become a gas cross-leakage path is opened in the electrolyte membrane, or dry-up is promoted by abnormal overheating, and local fuel cell There is a concern that a general power failure (power generation performance decline, power generation impossible) may occur.
さらに、上記する周縁領域は、マニホールドMから導入されるガスリッチな酸化剤ガスや燃料ガスが流れ込んでくる領域でもあるため、発電経過において、電極体の中央領域よりも高温になり易く、上記する課題の発生が一層懸念される。 Furthermore, since the peripheral region described above is also a region into which the gas-rich oxidant gas and fuel gas introduced from the manifold M flows, the temperature tends to be higher than the central region of the electrode body during the power generation process. There is further concern about the occurrence of this.
そこで、上記する燃料電池セルの周縁領域に触媒層を設けて、発電利用面積を広げる代わりに、この周縁領域のガス透過層(ガス流路層やガス拡散層など)に他の作用を奏させるべく、当該領域を有効に利用する試み、検証が現在進行している。 Therefore, instead of providing a catalyst layer in the peripheral region of the fuel cell described above to increase the power generation utilization area, the gas permeation layer (gas channel layer, gas diffusion layer, etc.) in this peripheral region has other functions. Therefore, an attempt to effectively use the area and verification are currently in progress.
ところで、上記するコモンレールは、燃料ガスや酸化剤ガスをガス透過層に供給し、あるいはガス透過層から外部へ排出するために比較的大きな開口面積を有するものである一方で、燃料電池セル内で生成された生成水等がこのコモンレールを閉塞するという課題があり、当該分野にて解決すべき重要な課題の一つとなっている。 By the way, the above-described common rail has a relatively large opening area for supplying fuel gas or oxidant gas to the gas permeable layer or discharging the gas from the gas permeable layer to the outside. There is a problem that the generated generated water and the like block the common rail, and this is one of the important problems to be solved in this field.
たとえば、燃料電池セル内が氷点下雰囲気の場合に、このようにコモンレール内で水分が滞留した姿勢で燃料電池の発電を停止した場合、滞留した水分が凍結してコモンレールやセパレータのガス導入路、ガス排出路等を閉塞してしまい、たとえば氷点下起動時に燃料電池セルへのガス提供が阻害されて起動不良が生じるという課題が懸念される。また、この際には、冷却媒体も同様に凍結していることが十分に考えられ、したがって、冷却媒体による電極体の昇温抑制が図れないといった課題も懸念される。 For example, when the fuel cell has a freezing atmosphere and the power generation of the fuel cell is stopped in such a posture that moisture stays in the common rail, the remaining moisture freezes and the common rail and separator gas introduction path, gas There is a concern that the discharge path or the like is blocked and, for example, gas supply to the fuel cell is hindered during start-up below freezing, resulting in start-up failure. In this case, it is considered that the cooling medium is also frozen in the same manner, and therefore there is a concern that the temperature rise of the electrode body cannot be suppressed by the cooling medium.
本発明は、上記する問題に鑑みてなされたものであり、燃料電池セルで発電に寄与していない未使用領域を有効活用すること、および、セル内に存在する液体(冷却媒体である冷却水等)が凍結し得る低温雰囲気の場合における低温始動性に優れた、燃料電池とその制御方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and effectively utilizes an unused area that does not contribute to power generation in a fuel cell, and a liquid (cooling water that is a cooling medium) present in the cell. It is an object of the present invention to provide a fuel cell excellent in low temperature startability in a low temperature atmosphere that can be frozen and a control method thereof.
前記目的を達成すべく、本発明による燃料電池は、電解質膜と、該電解質膜の両側で当接する触媒層と、から膜電極接合体が形成され、該膜電極接合体の両側にガス透過層が配され、いずれか一方のガス透過層側には、燃料ガスもしくは酸化剤ガスのいずれか一方を該ガス透過層に提供するセパレータが配されて燃料電池セルを成し、該燃料電池セルが積層されてなる燃料電池であって、前記セパレータには、アノード側もしくはカソード側のガス透過層に燃料ガスもしくは酸化剤ガスを提供するためのガス供給用開口と、該アノード側もしくはカソード側のガス透過層から燃料ガスもしくは酸化剤ガスを排出するためのガス排気用開口が開設されており、前記ガス供給用開口と前記ガス排気用開口の間の内側に対応する中央領域に触媒層が形成されており、前記燃料電池セルのうち、前記中央領域の外側の周縁領域には、加熱手段が配されており、セル内の温度が予め設定された温度以下の場合に、該加熱手段を作動する制御手段をさらに具備しているものである。 In order to achieve the above object, a fuel cell according to the present invention comprises a membrane electrode assembly formed of an electrolyte membrane and a catalyst layer contacting both sides of the electrolyte membrane, and a gas permeable layer on both sides of the membrane electrode assembly. A separator that provides either the fuel gas or the oxidant gas to the gas permeable layer is disposed on either gas permeable layer side to form a fuel cell, and the fuel cell The fuel cell is a laminated fuel cell, wherein the separator has a gas supply opening for supplying a fuel gas or an oxidant gas to a gas permeable layer on the anode side or the cathode side, and a gas on the anode side or the cathode side. A gas exhaust opening for discharging fuel gas or oxidant gas from the permeation layer is opened, and a catalyst layer is provided in a central region corresponding to the inside between the gas supply opening and the gas exhaust opening. Heating means is disposed in a peripheral region outside the central region of the fuel cell, and when the temperature in the cell is equal to or lower than a preset temperature, the heating means is It further comprises control means for operating.
ここで、上記する燃料電池セルの構造は、膜電極接合体のアノード側とカソード側の双方に拡散層基材と集電層からなるガス拡散層を具備する形態、アノード側とカソード側のいずれか一方は集電層のみを具備する(拡散層基材が廃された)形態の双方を含んでいる。また、本明細書では、これらのいずれの形態も電極体と称呼している。また、電極体の両側にガス流路溝が形成されたセパレータが直接配された形態は勿論のこと、いわゆるフラットタイプのセパレータと電極体の間に、ガス流路層(エキスパンドメタル等の金属多孔体)が配された形態を含むものである。さらに、「ガス透過層」とは、ガス拡散層とガス流路層の双方を含む意味である。したがって、ガス流路層を具備しないセル形態においては「ガス透過層」は「ガス拡散層」を意味するものであり、ガス拡散層とガス流路層の双方を具備するセル形態においては「ガス透過層」は「ガス拡散層」と「ガス流路層」の双方もしくはいずれか一方を意味するものである。 Here, the structure of the fuel cell described above is either a mode in which a gas diffusion layer composed of a diffusion layer base material and a current collecting layer is provided on both the anode side and the cathode side of the membrane electrode assembly, either the anode side or the cathode side. One of them includes both of the forms including only the current collecting layer (the diffusion layer base material is eliminated). In the present specification, any of these forms is referred to as an electrode body. In addition to a configuration in which separators having gas flow channel grooves formed on both sides of the electrode body are directly arranged, a gas flow channel layer (a porous metal such as an expanded metal) is formed between a so-called flat type separator and the electrode body. Body) is included. Furthermore, the “gas permeable layer” is meant to include both a gas diffusion layer and a gas flow path layer. Therefore, in a cell configuration that does not include a gas flow path layer, a “gas permeable layer” means a “gas diffusion layer”, and in a cell configuration that includes both a gas diffusion layer and a gas flow path layer, The “permeation layer” means either or both of “gas diffusion layer” and “gas flow path layer”.
また、本発明の燃料電池を構成する燃料電池セルは、たとえば3層構造のセパレータを有し、かつ、このセパレータに開設されて、ガス透過層へ燃料ガスや酸化剤ガスを提供するガス供給用開口と、ガス透過層からのガスを排気するためのガス排気用開口と、を有し、たとえば、これらの開口が細長形状に形成されているものにおいて、これらの開口の間の中央領域に対応する電極体内にアノード側およびカソード側の触媒層が形成されており、この中央領域の外側の周縁領域のたとえばガス透過層(ガス流路層やガス拡散層など)に加熱手段が形成されている。すなわち、セル構造のうち、本来的に発電に寄与しない周縁領域に加熱手段を配し、セル内のたとえば冷却媒体等の温度をセンシングし、冷却媒体等が凍結する温度を基準として、この基準温度(予め設定された温度)以下の場合に周縁領域に配された加熱手段を作動させてセル内を昇温し、冷却媒体等の凍結を効果的に防止する、もしくは、既に凍結している冷却媒体等を迅速に融解することで、低温始動性に優れた燃料電池となるものである。 The fuel cell constituting the fuel cell of the present invention has a separator having, for example, a three-layer structure, and is provided in this separator, for supplying gas for supplying fuel gas and oxidant gas to the gas permeable layer. For example, in the case where these openings are formed in an elongated shape, corresponding to the central region between these openings. A catalyst layer on the anode side and the cathode side is formed in the electrode body to be heated, and a heating means is formed in, for example, a gas permeable layer (a gas flow path layer, a gas diffusion layer, etc.) in the peripheral region outside the central region. . That is, the heating means is arranged in the peripheral area of the cell structure that does not inherently contribute to power generation, the temperature of the cooling medium, for example, in the cell is sensed, and the reference temperature is determined based on the temperature at which the cooling medium freezes. (Preset temperature) In the following cases, the heating means arranged in the peripheral region is operated to raise the temperature in the cell, effectively preventing the cooling medium or the like from being frozen, or cooling that has already been frozen By rapidly melting the medium or the like, a fuel cell excellent in low-temperature startability is obtained.
なお、ここでいう「低温始動性」とは、セル内に存在する冷却媒体等が凍結し得る低温雰囲気下において、可及的速やかに、燃料電池スタックを構成する各燃料電池セルの所期の発電を実行できる状態となる性能を指称している。 The term “low temperature startability” as used herein refers to the expected value of each fuel cell constituting the fuel cell stack as quickly as possible in a low temperature atmosphere where the cooling medium or the like existing in the cell can freeze. It refers to the performance that enables power generation.
ここで、加熱手段の一例として、発熱素子や小型ヒータなどを挙げることができる。そして、温度センサ等の検知手段による計測結果が、たとえば燃料電池スタックの外部に設けられた制御手段(装置)に送られ、計測温度が予め設定された温度以下の場合には、制御手段から加熱手段へ作動信号が送信され、発熱素子や小型ヒータ等が発熱するものである。なお、加熱手段の作動後も温度センサ等のセンシングは継続され、セル内が昇温され過ぎないように、すなわち、所定の温度に達した段階で加熱手段の作動が停止されるような制御が実行されるのが好ましい。 Here, examples of the heating means include a heating element and a small heater. Then, the measurement result obtained by the detection means such as a temperature sensor is sent to, for example, a control means (device) provided outside the fuel cell stack. An operation signal is transmitted to the means, and the heating element and the small heater generate heat. It should be noted that the sensing of the temperature sensor or the like is continued even after the operation of the heating means, and control is performed so that the operation of the heating means is stopped when the temperature inside the cell is not excessively increased, that is, when the temperature reaches a predetermined temperature. Preferably it is performed.
また、「予め設定された温度」としては、冷却媒体に冷却水を使用する場合には、この冷却水や上記する開口を仮に閉塞している水分の氷点である摂氏ゼロ度を、この温度に設定することができるし、その氷点よりも若干高めの温度をこの「予め設定された温度」としておくことで、冷却媒体の凍結を確実に抑止するようにしてもよい。 In addition, as the “preset temperature”, when cooling water is used as the cooling medium, this temperature is set to zero degrees Celsius, which is the freezing point of water that temporarily closes the cooling water and the opening. It is possible to set the temperature slightly higher than the freezing point as this “preset temperature”, so that the freezing of the cooling medium can be surely suppressed.
燃料電池スタックの低温作動時において、上記する加熱手段によってセル内の冷却媒体等の凍結が抑止され、あるいは、既に凍結している冷却媒体等が融解され、当該冷却媒体等が可及的速やかに凍結温度以上とされる。そして、この凍結温度以上が確認された段階で、燃料電池スタックの本来的な発電がおこなわれるものである。なお、セル内の温度が上記する設定温度よりも高い場合には、加熱手段の作動はおこなわれず、燃料電池スタックの本来的な発電のみが実行されることは言うまでもない。 During the low temperature operation of the fuel cell stack, freezing of the cooling medium in the cell is suppressed by the heating means described above, or the already frozen cooling medium is melted and the cooling medium etc. is melted as quickly as possible. Above freezing temperature. Then, when the temperature equal to or higher than the freezing temperature is confirmed, the power generation of the fuel cell stack is performed. Needless to say, when the temperature in the cell is higher than the set temperature described above, the heating means is not operated and only the inherent power generation of the fuel cell stack is performed.
上記する本発明による燃料電池によれば、従来構造では未使用であった燃料電池セルの非発電領域となる周縁領域のガス流路層等に適宜の加熱手段を配し、この加熱手段を所望に制御してセル内の温度を迅速に昇温することにより、冷却媒体等の液体が凍結しないように調整でき、もしくは、凍結している場合には即座に融解させることができるため、燃料電池セルの未使用領域を有効に利用しながら、低温始動性に優れた燃料電池を得ることが可能となる。 According to the fuel cell according to the present invention described above, an appropriate heating means is arranged in the gas flow path layer in the peripheral region which is a non-power generation region of the fuel cell, which has not been used in the conventional structure, and this heating means is desired. Because the temperature inside the cell is quickly raised by controlling the temperature so that the liquid such as the cooling medium can be adjusted so as not to freeze, or if it is frozen, it can be melted immediately. It is possible to obtain a fuel cell excellent in low-temperature startability while effectively utilizing the unused area of the cell.
また、本発明による燃料電池の他の実施の形態は、前記中央領域の触媒層は第1の触媒層であり、前記周縁領域には、前記第1の触媒層と絶縁された第2の触媒層が形成されており、第1の触媒層が介在する第1の回路と、前記加熱手段となる、第2の触媒層が介在する第2の回路と、少なくとも前記第2の回路に設けられて該回路をON−OFF制御するスイッチと、セル内温度検知手段と、をさらに有し、セル内温度検知手段にてセル内の温度が前記予め設定された温度以下であることが検知された際に、前記制御手段によって、少なくとも前記第2の回路のスイッチがON制御されるようになっているものである。 In another embodiment of the fuel cell according to the present invention, the catalyst layer in the central region is a first catalyst layer, and a second catalyst insulated from the first catalyst layer is provided in the peripheral region. A first circuit in which a first catalyst layer is interposed, a second circuit in which a second catalyst layer is interposed, which serves as the heating means, and at least the second circuit. The switch further includes a switch for ON-OFF control of the circuit and an in-cell temperature detecting means, and the in-cell temperature detecting means detects that the temperature in the cell is equal to or lower than the preset temperature. At this time, at least the switch of the second circuit is controlled to be ON by the control means.
本実施の形態は、前記周縁領域にも中央領域の触媒層(第1の触媒層)とは別途の触媒層(第2の触媒層)を設けておき、この第2の触媒層を加熱手段として利用するものである。 In the present embodiment, a catalyst layer (second catalyst layer) separate from the central region catalyst layer (first catalyst layer) is also provided in the peripheral region, and the second catalyst layer is heated. It is intended to be used as
たとえば、3層構造セパレータが適用される場合には、その中央領域に冷媒流路が存在し、その周縁領域には当該冷媒流路が存在しない。したがって、この第2の触媒層を介して発電をおこなった際には、冷却媒体による昇温抑制が図られないことから、周縁領域は自ずと昇温する。本実施の形態は、周縁領域が冷却媒体によって冷却されないことを有効に利用し、これを加熱手段として各燃料電池セルの低温始動性を高めようとするものである。 For example, when a three-layer structure separator is applied, the refrigerant flow path exists in the central area, and the refrigerant flow path does not exist in the peripheral area. Therefore, when power generation is performed through the second catalyst layer, the temperature rise by the cooling medium cannot be achieved, so that the peripheral region naturally heats up. In the present embodiment, the fact that the peripheral region is not cooled by the cooling medium is effectively used, and this is used as a heating means to improve the low temperature startability of each fuel cell.
なお、前記第1の回路も該回路をON−OFF制御するスイッチを有していてもよく、前記セル内温度検知手段にてセル内の温度が前記予め設定された温度以下であることが検知された際に、第2の回路のスイッチに加えて、第1の回路のスイッチもON制御されるようになっており、セル内の温度が前記予め設定された温度よりも高くなったことが確認された段階で、燃料ガスおよび酸化剤ガスのセル内への導入が実行され、発電が開始されるものであってもよい。 The first circuit may also have a switch for ON / OFF control of the circuit, and the cell temperature detecting means detects that the temperature in the cell is equal to or lower than the preset temperature. In addition to the switch of the second circuit, the switch of the first circuit is also ON-controlled, and the temperature inside the cell is higher than the preset temperature. At the confirmed stage, introduction of fuel gas and oxidant gas into the cell may be executed, and power generation may be started.
上記実施の形態の具体的な構成としては、第1の触媒層を含む回路を第1の回路とし、この回路で燃料電池スタックによる発電が実行されるものであり、加熱手段である第2の触媒層を含む回路を第2の回路とし、この回路は、セル内温度(のたとえば冷却媒体等)が予め設定された温度以下の場合にのみ使用されるものである。そして、少なくとも第2の回路にはそのON−OFFが制御自在なスイッチ(リレースイッチ、トランジスタなど)が設けてあり、この回路スイッチのON−OFF制御は、セル内温度検知手段(たとえば温度センサ等)による測定結果に基づき、制御手段からの制御信号によって所望に制御されるものである。なお、第1、第2の回路を完全に絶縁するべく、少なくとも、第1、第2の触媒層の間に適宜の絶縁材が介層されている。なお、このセル内温度検知手段は、冷却媒体用マニホールドにおける冷却媒体の入口近傍もしくは出口近傍に一箇所程度設けておいてもよいし、各燃料電池セルのセパレータに形成されたガス導入用開口やガス排気用開口などに設けておいてもよい。 As a specific configuration of the above-described embodiment, a circuit including a first catalyst layer is used as a first circuit, and power generation by the fuel cell stack is executed in this circuit. The circuit including the catalyst layer is the second circuit, and this circuit is used only when the temperature in the cell (for example, the cooling medium) is equal to or lower than a preset temperature. At least the second circuit is provided with a switch (relay switch, transistor, etc.) whose ON / OFF can be controlled. The ON / OFF control of this circuit switch is performed by means of a temperature detecting means (for example, a temperature sensor) in the cell. ) Is controlled as desired by a control signal from the control means. In order to completely insulate the first and second circuits, an appropriate insulating material is interposed at least between the first and second catalyst layers. The in-cell temperature detecting means may be provided in the vicinity of the cooling medium inlet or in the vicinity of the outlet of the cooling medium manifold, or a gas introduction opening formed in the separator of each fuel cell. It may be provided in a gas exhaust opening or the like.
ここで、第2の触媒層の加熱作用を高めるべく、第1の触媒層に比して、第2の触媒層の発熱に寄与する抵抗を相対的に大きくしておくのがよい。
たとえば、第1の触媒層に比して、第2の触媒層を形成する担持触媒量を相対的に少なくしたり、第1の触媒層のガス透過層との間の接触抵抗に比して、第2の触媒層のガス透過層との間の接触抵抗を相対的に大きくする(したがって、面圧を低減する)、などの措置を挙げることができる。
Here, in order to enhance the heating action of the second catalyst layer, it is preferable to make the resistance contributing to the heat generation of the second catalyst layer relatively larger than that of the first catalyst layer.
For example, the amount of the supported catalyst for forming the second catalyst layer is relatively small compared to the first catalyst layer, or the contact resistance between the gas passage layer of the first catalyst layer is compared with the first catalyst layer. Measures such as relatively increasing the contact resistance between the gas permeable layer and the second catalyst layer (thus reducing the surface pressure) can be given.
また、本発明による燃料電池の制御方法は、電解質膜と、該電解質膜の両側で当接する触媒層と、から膜電極接合体が形成され、該膜電極接合体の両側にガス透過層が配され、いずれか一方のガス透過層側には、燃料ガスもしくは酸化剤ガスのいずれか一方を該ガス透過層に提供するセパレータが配されて燃料電池セルを成し、該燃料電池セルが積層されてなる燃料電池であって、前記セパレータには、アノード側もしくはカソード側のガス透過層に燃料ガスもしくは酸化剤ガスを提供するためのガス供給用開口と、該アノード側もしくはカソード側のガス透過層から燃料ガスもしくは酸化剤ガスを排出するためのガス排気用開口が開設され、前記ガス供給用開口と前記ガス排気用開口の間の内側に対応する中央領域に触媒層が形成されている、燃料電池の内部温度の制御方法であって、以下のステップのいずれか一方が選択され、実行されるものであり、該ステップは、セル内の温度が予め設定された温度以下である際に、少なくとも、燃料電池セルの前記中央領域の外側の周縁領域に配された加熱手段を加熱するステップ、セル内の温度が予め設定された温度よりも高い場合に、燃料電池セルの前記中央領域の触媒層を介して燃料電池の発電を実行し、電力を取り出すステップ、からなるものである。 In addition, the fuel cell control method according to the present invention comprises a membrane electrode assembly formed of an electrolyte membrane and a catalyst layer contacting both sides of the electrolyte membrane, and a gas permeable layer is disposed on both sides of the membrane electrode assembly. A separator that provides either the fuel gas or the oxidant gas to the gas permeable layer is arranged on either gas permeable layer side to form a fuel cell, and the fuel cell is stacked. The separator includes a gas supply opening for supplying fuel gas or oxidant gas to the anode- or cathode-side gas-permeable layer, and the anode- or cathode-side gas-permeable layer. A gas exhaust opening for discharging fuel gas or oxidant gas from the gas outlet is opened, and a catalyst layer is formed in a central region corresponding to the inside between the gas supply opening and the gas exhaust opening. A method for controlling the internal temperature of the fuel cell, wherein any one of the following steps is selected and executed, and when the temperature in the cell is equal to or lower than a preset temperature, Heating the heating means disposed at least in the peripheral region outside the central region of the fuel cell, and when the temperature in the cell is higher than a preset temperature, the central region of the fuel cell This step comprises the steps of generating power from the fuel cell through the catalyst layer and taking out the power.
さらに、本発明による燃料電池の制御方法の他の実施の形態において、前記周縁領域には、前記第1の触媒層と絶縁された第2の触媒層が形成され、第1の触媒層が介在する第1の回路と、前記加熱手段となる、第2の触媒層が介在する第2の回路と、該加熱手段を作動する制御手段と、少なくとも前記第2の回路に設けられて該回路をON−OFF制御するスイッチと、セル内温度検知手段と、を有した燃料電池の制御方法であって、セル内温度検知手段にてセル内の温度が前記予め設定された温度以下であることが検知された際に、前記制御手段によって、少なくとも前記第2の回路のスイッチがON制御されるようになっており、セル内温度検知手段にてセル内の温度が前記予め設定された温度よりも高い温度であることが検知された際に、前記制御手段によって、前記第2の回路のスイッチがOFF制御され、前記第1の回路のスイッチがON制御されるようになっているものである。 Furthermore, in another embodiment of the method for controlling a fuel cell according to the present invention, a second catalyst layer insulated from the first catalyst layer is formed in the peripheral region, and the first catalyst layer is interposed. A first circuit that serves as the heating means, a second circuit that includes a second catalyst layer, a control means that operates the heating means, and at least the second circuit. A control method for a fuel cell having a switch for ON-OFF control and an in-cell temperature detecting means, wherein the temperature in the cell is equal to or lower than the preset temperature by the in-cell temperature detecting means. When detected, at least the switch of the second circuit is controlled to be ON by the control means, and the temperature in the cell is higher than the preset temperature by the in-cell temperature detection means. Detected high temperature The, by the control means, the switch of the second circuit is OFF control, switch of the first circuit is what is adapted to be ON controlled.
なお、上記する制御方法において、前記セル内の温度が予め設定された温度以下である際に、前記加熱手段を加熱することに加えて、燃料ガスおよび酸化剤ガスをセル内に導入しない姿勢で前記第1の回路もON制御するようになっており、セル内の温度が前記予め設定された温度よりも高くなった段階で、燃料ガスおよび酸化剤ガスのセル内への導入が実行され、燃料電池の発電を開始するような制御方法であってもよい。 In the control method described above, when the temperature in the cell is equal to or lower than a preset temperature, in addition to heating the heating means, the fuel gas and the oxidant gas are not introduced into the cell. The first circuit is also ON-controlled, and when the temperature in the cell becomes higher than the preset temperature, introduction of fuel gas and oxidant gas into the cell is executed, A control method for starting power generation of the fuel cell may be used.
上記する本発明の制御方法によって、各燃料電池セル内に存在する液体が凍結し得る低温雰囲気下におけるセル内温度が所望に制御されることにより、低温始動性に優れた燃料電池を形成することが可能となる。 By the above-described control method of the present invention, a fuel cell excellent in low-temperature startability is formed by controlling the temperature in the cell in a low-temperature atmosphere in which the liquid present in each fuel cell can be frozen. Is possible.
以上の説明から理解できるように、本発明の燃料電池とその制御方法によれば、従来構造では未使用であった燃料電池セルの非発電領域である周縁領域に適宜の加熱手段を配し、この加熱手段を所望に制御してセル内の温度を迅速に昇温可能としたことにより、冷却媒体等の液体が凍結しないように調整したり、冷却媒体等が凍結している場合には可及的速やかに融解させることができ、したがって、燃料電池セルの未使用領域を有効に利用しながら、その低温始動性を格段に向上させることができる。 As can be understood from the above description, according to the fuel cell of the present invention and the control method thereof, an appropriate heating means is disposed in the peripheral region that is a non-power generation region of the fuel cell that has not been used in the conventional structure, This heating means is controlled as desired so that the temperature in the cell can be raised quickly, so that adjustment can be made so that the liquid such as the cooling medium does not freeze or the cooling medium is frozen. It can be melted as quickly as possible. Therefore, the low temperature startability can be remarkably improved while effectively utilizing the unused area of the fuel cell.
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。なお、図示する燃料電池セルは、その左側領域、より具体的には、燃料ガスが導入されるガス供給用開口を含む領域のみを取り出して拡大した図であり、実際の燃料電池セルはこれと同構造の右側領域であって、ガス排気用開口を具備する領域を有するものであることは言うまでもないことである。また、説明をより明瞭とするべく、図2では酸化剤ガスの供給用開口などの図示は省略している。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. The illustrated fuel cell is an enlarged view of the left side region, more specifically, only the region including the gas supply opening into which the fuel gas is introduced. It goes without saying that the right side region of the structure has a region having a gas exhaust opening. In order to make the description clearer, the illustration of the opening for supplying the oxidant gas and the like is omitted in FIG.
図1は、本発明の燃料電池をその側面から見た図である。図示する燃料電池100は、所望基数の燃料電池セル10,…が積層されて燃料電池スタックをなし、それらの外側にそれぞれ、ターミナルプレート20,20、絶縁プレート30,30、総マイナス側エンドプレート40Aおよび総プラス側エンドプレート40Bが配され、不図示のテンションプレートを介して全体がスタッキングされることにより、燃料電池100が形成されている。なお、各燃料電池セル10において、総マイナス側にアノード側電極、総プラス側にカソード側電極が形成されていることは言うまでもない。
FIG. 1 is a side view of a fuel cell according to the present invention. In the illustrated
また、図示例では、総マイナス側エンドプレート40Aの外側に断熱部材50が配されており、総マイナス側エンドプレート40Aの保温性能をより確実に保障できるようになっている。
In the illustrated example, the
この燃料電池100の総マイナス側SMには、冷却媒体供給配管60Aと、冷却媒体排出配管60Bそれぞれの端部開口が臨んでおり、冷却媒体供給配管60Aを流通する(X1方向でWin)冷却媒体(冷却水など)は、各燃料電池セル10のたとえばセパレータに設けられた不図示の流路を介してその面内方向に流れ(X2方向)、発電経過で発熱した電極体を所望にクーリングするようになっている。
各燃料電池セル10内を流れた冷却水は、冷却媒体排出配管60Bに排水され(Wout)、冷却媒体排出配管60Bを介して燃料電池100外に排出される。
The total minus side SM of the
The cooling water that has flowed through each
ここで、図2を参照して各燃料電池セル10の構造を概説する。図2は、図1の燃料電池を構成する燃料電池セルの一部を拡大した縦断面図である。
図2で示す燃料電池セル10は、電解質膜1と、カソード側およびアノード側の触媒層2,2’と、から膜電極接合体3が形成され、これをカソード側およびアノード側のガス拡散層4,4’(ガス透過層)が挟持して電極体5が形成され、これをカソード側およびアノード側のガス流路層6,6’(ガス透過層、金属多孔体)が挟持し、さらに、アノード側のガス流路層6’側に3層構造のセパレータ7が配されて構成される。
Here, the structure of each
In the
触媒層2,2’は電解質膜1に比してそれらの面積が狭小であり、したがって、電解質膜1の両側の触媒層2,2’の周縁には該触媒層2,2’が存在しない露出領域1aが形成され、この露出領域1aには、カソード側およびアノード側の不図示の保護フィルムが配されて、ガス拡散層4,4’から突出する毛羽が電解質膜1の露出領域に突き刺さるのを防護している。
The catalyst layers 2, 2 ′ have a smaller area than the
ここで、膜電極接合体3を構成する電解質膜1は、たとえば、スルホン酸基やカルボニル基を持つフッ素系イオン交換膜、置換フェニレンオキサイドやスルホン化ポリアリールエーテルケトン、スルホン化ポリアリールエーテルスルホン、スルホン化フェニレンスルファイドなどの非フッ素系のポリマーなどから形成される。
Here, the
また、触媒層2,2’は、触媒が担持された導電性担体(粒子状のカーボン担体など)と、電解質と、分散溶媒(有機溶媒)と、を混合して触媒溶液(触媒インク)を生成し、これを電解質膜1やガス拡散層4,4’等の基材にたとえば塗工ブレードにて層状に引き伸ばして塗膜を形成し、温風乾燥炉等で乾燥することで触媒層が形成される。ここで、触媒溶液を形成する電解質は、プロトン伝導性ポリマーである、有機系の含フッ素高分子を骨格とするイオン交換樹脂、例えばパーフルオロカーボンスルフォン酸樹脂、スルホン化ポリエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホン化ポリスルホン、スルホン化ポリスルフィド、スルホン化ポリフェニレン等のスルホン化プラスチック系電解質、スルホアルキル化ポリエーテルエーテルケトン、スルホアルキル化ポリエーテルスルホン、スルホアルキル化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホアルキル化ポリスルホン、スルホアルキル化ポリスルフィド、スルホアルキル化ポリフェニレンなどのスルホアルキル化プラスチック系電解質などを挙げることができる。なお、市販素材としては、ナフィオン(Nafion)(登録商標、デュポン社製)やフレミオン(Flemion)(登録商標、旭硝子株式会社製)などを挙げることができる。また、分散溶媒としては、メタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール、エチレングリコール、ジエチレングリコール等のアルコール類、アセトン、メチルエチルケトン、ジメチルホルムアミド、ジメチルイミダゾリジノン、ジメチルスルホキシド、ジメチルアセトアミド、N−メチルピロリドン、プロピレンカーボネート、酢酸エチルや酢酸ブチルなどのエステル類、芳香族系あるいはハロゲン系の種々の溶媒を挙げることができ、さらには、これらを単独で、もしくは混合液として使用することができる。さらに、触媒が担持された導電性担体に関し、この導電性担体としては、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバーなどの炭素材料のほか、炭化ケイ素などに代表される炭素化合物などを挙げることができ、この触媒(金属触媒)としては、たとえば、白金や白金合金、パラジウム、ロジウム、金、銀、オスミウム、イリジウムなどのうちのいずれか一種を使用することができ、好ましくは白金または白金合金を使用するのがよい。さらに、この白金合金としては、たとえば、白金と、アルミニウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、ガリウム、ジルコニウム、モリブデン、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、バナジウム、タングステン、レニウム、オスミウム、イリジウム、チタンおよび鉛のうちの少なくとも一種との合金を挙げることができる。
In addition, the catalyst layers 2 and 2 ′ are prepared by mixing a conductive carrier (particulate carbon carrier or the like) carrying a catalyst, an electrolyte, and a dispersion solvent (organic solvent) to form a catalyst solution (catalyst ink). The catalyst layer is formed by stretching it in a layer shape with a coating blade, for example, on a base material such as the
また、ガス拡散層4,4’は、拡散層基材と集電層(MPL)からなるものであり、拡散層基材としては、電気抵抗が低く、集電を行えるものであれば特に限定されるものではないが、たとえば、導電性無機物質を主とするものを挙げることができ、この導電性無機物質としては、ポリアクリロニトリルからの焼成体、ピッチからの焼成体、黒鉛及び膨張黒鉛等の炭素材やこれらのナノカーボン材料、ステンレススチール、モリブデン、チタン等を挙げることができる。また、拡散層基材の導電性無機物質の形態は特に限定されるものではなく、たとえば繊維状あるいは粒子状で用いられるが、ガス透過性の点から無機導電性繊維であって、特に炭素繊維が好ましい。無機導電性繊維を用いた拡散層基材としては、織布あるいは不織布いずれの構造のものも使用することができ、カーボンペーパーやカーボンクロスなどを挙げることができる。織布としては、紋織、平織など、特に限定されるものではなく、不織布としては、抄紙法、ウォータージェットパンチ法によるものなどが挙げられる。さらに、この炭素繊維としては、フェノール系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、ポリアクリロニトリル(PAN)系炭素繊維、レーヨン系炭素繊維などを挙げることができる。さらに、集電層はアノード側、カソード側の触媒層2,2’から電子を集める電極の役割を果たすとともに、生成水等を排水する撥水作用を有するものであり、導電性材料である、白金、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、金、銀、銅及びこれらの化合物または合金、導電性炭素材料と、フッ素樹脂(PTFE)などから形成できる。
The
また、金属多孔体6,6’は、エキスパンドメタルや金属発泡焼結体などから形成でき、たとえば、チタンやステンレス、銅、ニッケル等の耐食性に優れた金属素材の発泡焼結体からガス流路層が形成されるものである。
Further, the
また、3層構造のセパレータ7は、ステンレスやチタンからなる金属製の第1、第2のプレート71,72と、その間に介在する中間層73(中間プレート)と、がろう付け等で一体化されたものである。
Further, the separator 7 having a three-layer structure is integrated by brazing or the like with the first and
図示するセパレータ7を構成する中間層73には、自身が構成要素となる燃料電池セルのアノード側の金属多孔体6'に燃料ガスを供給するための燃料ガスの導入路73bと、セルの積層姿勢において、隣接する不図示の燃料電池セルのカソード側の金属多孔体6に酸化剤ガスを供給する(Z1方向)ための導入路73aが形成されている。さらには、冷却水等の冷却媒体が流通する冷却用流路73cが形成されている。ここで、中間層73には、その内側の領域に冷却用流路73cが形成されており、中間層73には燃料ガス用の導入路73bが形成され、これに連通する第1のプレート71には、平面視で細長形状の燃料ガス用のガス供給用開口71a(コモンレールとも称される)が形成され、このコモンレールを介して燃料ガスがガス流路層6’に提供されるようになっている(Z2方向)。なお、ガス流路層6’に提供された燃料ガスは、当該ガス流路層6’内を面内方向に流れ(Z3方向)、各所でガス拡散層4’に提供されるものである(Z4方向)。
In the
また、中間層73にはさらに酸化剤ガス用の導入路73aが形成され、これに連通する第2のプレート72に形成された細長形状の酸化剤ガス用のガス供給用開口72aが形成されている。なお、図示しない燃料ガスや酸化剤ガスの排出路やガス排気用開口も、不図示の燃料電池セルの右側領域に形成されている。
The
なお、図示を省略しているが、触媒層の周縁であって電解質膜が該触媒層と密着していない露出領域には、ガス拡散層から突出する毛羽が電解質膜に突き刺さるのを防止し、さらには、射出成形されるガスケットに対して電解質膜を補強する効果を奏する保護ポリマーフィルムが接着されている。この保護ポリマーフィルムは、ポリテトラフルオロエチレン、PVDF(二フッ化ポリビニル)、ポリエチレン、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリカーボネート、ポリフェニレンエーテル(PPE)、ポリプロピレン、ポリエステル、ポリアミド、コポリアミド、ポリアミドエラストマ、ポリイミド、ポリウレタン、ポリウレタンエラストマ、シリコーン、シリコンゴム、シリコンベースのエラストマなどから形成されるものである。 Although not shown, in the exposed region at the periphery of the catalyst layer where the electrolyte membrane is not in close contact with the catalyst layer, fluff protruding from the gas diffusion layer is prevented from sticking into the electrolyte membrane, Furthermore, the protective polymer film which has the effect which reinforces an electrolyte membrane with respect to the gasket by which injection molding is carried out is adhere | attached. This protective polymer film is made of polytetrafluoroethylene, PVDF (polyvinyl difluoride), polyethylene, polyethylene naphthalate (PEN), polycarbonate, polyphenylene ether (PPE), polypropylene, polyester, polyamide, copolyamide, polyamide elastomer, polyimide, It is formed from polyurethane, polyurethane elastomer, silicone, silicon rubber, silicon-based elastomer or the like.
ガスケット8は、その端部のマニホールドMの周縁に該マニホールドMを囲繞する無端リブ8aを有するものである。その成形方法の概要は、不図示の成形型内にアノード側の金属多孔体6’、電極体5、カソード側の金属多孔体6の順に収容して型閉めし、膜電極接合体4の側方のガスケット用キャビティ内に樹脂を注入する(射出成形)等の方法でおこなわれる。ここで、このガスケットの材料としては、耐メタノール性を有するエポキシ系樹脂、エポキシ変性シリコーン樹脂、シリコーン系樹脂、フッ素系樹脂、ウレタンRTVゴムやブチルゴム系樹脂、シリコーンRTVゴム、EPDM系樹脂等が使用できる。
The
図示する燃料電池セル10では、発電に寄与する中央領域と、発電に寄与しない周縁領域を絶縁する絶縁領域9が設けられており、この周縁領域に、別途の触媒層2a、2’aが形成されている。すなわち、触媒層2,2’は第1の触媒層であり、触媒層2a、2’aは第2の触媒層であって、この第2の触媒層2a、2’aが発熱手段を形成するものである。
In the illustrated
燃料電池セル10の絶縁領域9は、触媒層やセパレータ等、各構成部材に跨って形成されるものであり、各構成部材を形成する過程で、適宜の絶縁樹脂を充填硬化させたり、この領域のみ絶縁金属素材で形成する等の方法で当該絶縁領域9が形成される。
The
燃料電池セル10内にこの絶縁領域9を設け、少なくとも第1の触媒層2,2’と第2の触媒層2a、2’aを完全に通電不可としたことにより、以下で説明するように、中央領域のみからなる電気回路と、周縁領域のみからなる電気回路を形成することが可能となる。
As described below, the
なお、第2の触媒層2a、2’aは発熱手段となり、燃料電池100の低温始動性を高めるために設けられた構成であることから、第1の触媒層2,2’に比して発熱性能を高めるべく、第2の触媒層2a、2’aを形成する担持触媒量を相対的に少なくしたり、第2の触媒層2a、2’aのガス透過層との間の接触抵抗を相対的に大きくする(したがって、面圧を低減する)、などの措置を講じておくのが好ましい。
The second catalyst layers 2a and 2'a serve as heat generating means, and are provided to improve the low temperature startability of the
図1に戻り、本発明の燃料電池100は、各燃料電池セル10の周縁領域を介して形成された回路K2(第2の回路)と、この回路K2と絶縁領域9を挟んで絶縁され、各燃料電池セル10の中央領域を介して形成された回路K1(第1の回路)と、を有しており、各回路K1,K2の通電制御を実行するためのスイッチSW1,SW2が設けられている。第2の回路K2には負荷装置F2が介在しており、第1の回路K1には、燃料電池スタックによって発電された電力を取り出すための電力取り出し装置F1が介在している。
Returning to FIG. 1, the
そして、冷却媒体排出配管60Bの内部に温度センサSE(セル内温度検知手段)が配されており、少なくとも冷却水等の冷却媒体の温度がセンシングできるようになっている。
温度センサSEによる計測データは制御装置SG(制御手段)に送信され、計測データに基づいて、この制御手段SGにて、各回路K1,K2のスイッチSW1,SW2のON−OFF制御が実行されるようになっている。
A temperature sensor SE (in-cell temperature detection means) is arranged inside the cooling
Measurement data from the temperature sensor SE is transmitted to the control device SG (control means), and on the basis of the measurement data, the control means SG performs ON / OFF control of the switches SW1 and SW2 of the circuits K1 and K2. It is like that.
なお、制御装置SGの内部構造の図示は省略するが、その内部構造は、公知のCPU,RAM,ROM、インターフェイス回路、温度計測データ取得部、閾値となる「予め設定された温度」を格納する格納部、この予め設定された温度と温度計測データを比較し、その結果に応じてスイッチSE1,SE2にON−OFF制御信号を送信する比較演算部、などが、バスなどで繋がれた構造となっている。 Although the illustration of the internal structure of the control device SG is omitted, the internal structure stores a known CPU, RAM, ROM, interface circuit, temperature measurement data acquisition unit, and “preset temperature” serving as a threshold value. A storage unit, a comparison operation unit that compares the preset temperature and temperature measurement data, and transmits an ON-OFF control signal to the switches SE1 and SE2 according to the result, and a structure connected by a bus or the like It has become.
次に、図1で示す燃料電池100の制御方法を図3で示すフロー図に基づいて説明する。なお、ここでは、本発明の燃料電池100を搭載する車両(ハイブリッド車、電気自動車(燃料電池車も含まれる))がその効果を奏する条件である、冷却媒体(冷却水)が凍結し得る冬期、もしくは寒冷地に置かれていることを条件とする。
Next, a control method of the
まず、車両が停止し、したがって、燃料電池が停止した状態(一応、この状態をステップS1とする)から、車両のイグニッションをONする(ステップS2)。
イグニッションがONされると、温度センサSEによる温度計測データが制御装置SGに送信され、ここで、セル内温度が予め設定された温度以下か否かが比較される(ステップS3)。なお、この「予め設定された温度」は、冷却媒体に冷却水を使用する場合には、この冷却水の氷点である摂氏ゼロ度とすることができ、あるいは、その氷点よりも若干高めの温度を設定しておくことで、冷却媒体の凍結を確実に抑止するようにしてもよい。
First, the vehicle is stopped, and therefore the ignition of the vehicle is turned on (step S2) from the state where the fuel cell is stopped (this state is referred to as step S1 for the time being).
When the ignition is turned on, temperature measurement data from the temperature sensor SE is transmitted to the control device SG, where it is compared whether or not the in-cell temperature is equal to or lower than a preset temperature (step S3). This “preset temperature” can be set to zero degrees Celsius, which is the freezing point of the cooling water when cooling water is used as the cooling medium, or a temperature slightly higher than the freezing point. By setting this, it is possible to reliably prevent the cooling medium from freezing.
比較の結果、温度計測データが予め設定された温度以下であると判断された際には、回路K2のスイッチSW2のみをON制御する、もしくは、ガスを燃料電池セルに提供しない姿勢で回路K1のスイッチSW1もともにON制御する、ことで、少なくとも発熱手段である第2の触媒層2a、2’aを発熱させることができる(スイッチSW1もONした際には、第1の触媒層2,2’も発熱手段となり得る)。 As a result of the comparison, when it is determined that the temperature measurement data is equal to or lower than a preset temperature, only the switch SW2 of the circuit K2 is ON-controlled, or the circuit K1 is in an attitude not to provide gas to the fuel cell. Since both the switches SW1 are also ON-controlled, at least the second catalyst layers 2a and 2′a, which are heat generating means, can generate heat (when the switch SW1 is also turned on, the first catalyst layers 2 and 2 are heated. 'Can also be a heating means).
温度センサSEによるセンシングは継続されており、計測データは制御装置SGに随時送信され、設定温度との比較が随時実行されていて(ステップS6)、セル内温度が予め設定された温度より高くなった段階で、スイッチSW2はOFF制御され(ステップS7)、発熱が終了する。このような発熱を終了させる制御をもおこなうことで、周縁領域が過熱されることが抑止される。 Sensing by the temperature sensor SE is continued, the measurement data is transmitted to the control device SG at any time, the comparison with the set temperature is performed at any time (step S6), and the in-cell temperature becomes higher than the preset temperature. At this stage, the switch SW2 is turned off (step S7), and the heat generation ends. By also performing control for terminating such heat generation, the peripheral region is prevented from being overheated.
一方、上記ステップS3で、セル内温度が予め設定された温度よりも高い場合には、発熱手段による発熱の必要がないことから、スイッチSW1のみがON制御され(ステップS5)、燃料ガスおよび酸化剤ガスがセル内に導入されて(ステップS8)、燃料電池100による発電が実行され、電力取り出し装置F1にて電力の取り出しが実行される(ステップS9)。
また、ステップS7で発熱手段の作動が停止された後は、ステップS5以降と同様の制御フローを辿ることになる。
On the other hand, if the temperature in the cell is higher than the preset temperature in step S3, since there is no need for heat generation by the heat generating means, only the switch SW1 is ON-controlled (step S5), and fuel gas and oxidation The agent gas is introduced into the cell (step S8), power generation by the
In addition, after the operation of the heat generating means is stopped in step S7, the same control flow as that after step S5 is followed.
図示する本発明の燃料電池100やその制御方法によれば、従来構造の燃料電池にて未使用の周縁領域を発熱手段として有効利用しながら、セル内に存在する冷却媒体等が凍結し得る低温雰囲気下において、当該冷却媒体の凍結の有無に関わらず、可及的速やかに燃料電池の通常発電を実行できる状態を形成することができる(良好な低温始動性)。
According to the illustrated
以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。たとえば、図示するコモンレールが、酸化剤ガス導入路であり、この内側に燃料ガス用のコモンレールが配された構造であってもよい。 The embodiment of the present invention has been described in detail with reference to the drawings. However, the specific configuration is not limited to this embodiment, and there are design changes and the like without departing from the gist of the present invention. They are also included in the present invention. For example, the illustrated common rail may be an oxidant gas introduction path, and a fuel gas common rail may be disposed inside the common rail.
1…電解質膜、1a…張り出している箇所、2、2’…触媒層(第1の触媒層)、2a、2’a…触媒層(第2の触媒層、発熱手段)、3…膜電極接合体、4…カソード側のガス拡散層(ガス透過層)、4’…アノード側のガス拡散層(ガス透過層)、5…電極体、6…カソード側の金属多孔体(ガス透過層、ガス流路層)、6’…アノード側の金属多孔体(ガス透過層、ガス流路層)、7…セパレータ、71…第1のプレート(アノード側プレート)、71a…ガス供給用開口(コモンレール)、72…第2のプレート(カソード側プレート)、73…中間層(中間プレート)、73a…酸化剤ガスの導入路、73b…燃料ガスの導入路、73c…冷却用流路、8…ガスケット、9…絶縁領域、10…燃料電池セル、100…燃料電池
DESCRIPTION OF
Claims (11)
前記セパレータには、アノード側もしくはカソード側のガス透過層に燃料ガスもしくは酸化剤ガスを提供するためのガス供給用開口と、該アノード側もしくはカソード側のガス透過層から燃料ガスもしくは酸化剤ガスを排出するためのガス排気用開口が開設されており、
前記ガス供給用開口と前記ガス排気用開口の間の内側に対応する中央領域に触媒層が形成されており、
前記燃料電池セルのうち、前記中央領域の外側の周縁領域には、加熱手段が配されており、セル内の温度が予め設定された温度以下の場合に、該加熱手段を作動する制御手段をさらに具備している、燃料電池。 A membrane electrode assembly is formed from the electrolyte membrane and a catalyst layer that contacts both sides of the electrolyte membrane, and a gas permeable layer is disposed on both sides of the membrane electrode assembly, and on either gas permeable layer side, A fuel cell in which a separator that provides either the fuel gas or the oxidant gas to the gas permeable layer is disposed to form a fuel cell, and the fuel cell is laminated,
The separator has a gas supply opening for supplying fuel gas or oxidant gas to the anode or cathode gas permeable layer, and fuel gas or oxidant gas from the anode or cathode gas permeable layer. There is an opening for gas exhaust to discharge,
A catalyst layer is formed in a central region corresponding to the inside between the gas supply opening and the gas exhaust opening;
Among the fuel cells, a heating means is arranged in a peripheral area outside the central area, and a control means for operating the heating means when the temperature in the cell is equal to or lower than a preset temperature. A fuel cell further provided.
前記周縁領域には、前記第1の触媒層と絶縁された第2の触媒層が形成されており、
第1の触媒層が介在する第1の回路と、
前記加熱手段となる、第2の触媒層が介在する第2の回路と、
少なくとも前記第2の回路に設けられて該回路をON−OFF制御するスイッチと、
セル内温度検知手段と、をさらに有し、
セル内温度検知手段にてセル内の温度が前記予め設定された温度以下であることが検知された際に、前記制御手段によって、少なくとも前記第2の回路のスイッチがON制御されるようになっている、請求項1に記載の燃料電池。 The catalyst layer in the central region is a first catalyst layer;
A second catalyst layer insulated from the first catalyst layer is formed in the peripheral region,
A first circuit with a first catalyst layer interposed;
A second circuit interposing a second catalyst layer serving as the heating means;
A switch provided at least in the second circuit for ON-OFF control of the circuit;
A temperature detecting means in the cell,
When the in-cell temperature detecting means detects that the temperature in the cell is equal to or lower than the preset temperature, at least the switch of the second circuit is ON-controlled by the control means. The fuel cell according to claim 1.
前記セル内温度検知手段にてセル内の温度が前記予め設定された温度以下であることが検知された際に、第2の回路のスイッチに加えて、第1の回路のスイッチもON制御されるようになっており、
セル内の温度が前記予め設定された温度よりも高くなった際に、燃料ガスおよび酸化剤ガスのセル内への導入が実行されるようになっている、請求項2に記載の燃料電池。 The first circuit also has a switch for ON-OFF control of the circuit,
When the in-cell temperature detecting means detects that the temperature in the cell is equal to or lower than the preset temperature, the switch in the first circuit is also ON-controlled in addition to the switch in the second circuit. It is supposed to
The fuel cell according to claim 2, wherein introduction of fuel gas and oxidant gas into the cell is performed when the temperature in the cell becomes higher than the preset temperature.
アノード側とカソード側双方のガス透過層が、複数の前記形態中の同一の形態、もしくは異なる形態のいずれかからなる、請求項1〜6のいずれかに記載の燃料電池。 The gas permeable layer is in any form of a gas diffusion layer, a gas flow path layer made of a metal porous body, a combination of the gas diffusion layer and the gas flow path layer,
The fuel cell according to any one of claims 1 to 6, wherein the gas permeable layers on both the anode side and the cathode side are formed of either the same form among the plurality of forms or different forms.
以下のステップのいずれか一方が選択され、実行されるものであり、該ステップは、
セル内の温度が予め設定された温度以下である際に、少なくとも、燃料電池セルの前記中央領域の外側の周縁領域に配された加熱手段を加熱するステップ、
セル内の温度が予め設定された温度よりも高い場合に、燃料電池セルの前記中央領域の触媒層を介して燃料電池の発電を実行し、電力を取り出すステップ、からなる、燃料電池の制御方法。 A membrane electrode assembly is formed from the electrolyte membrane and a catalyst layer that contacts both sides of the electrolyte membrane, and a gas permeable layer is disposed on both sides of the membrane electrode assembly, and on either gas permeable layer side, A fuel cell is formed by arranging a separator that provides either the fuel gas or the oxidant gas to the gas permeable layer, and the fuel cell is laminated. A gas supply opening for supplying fuel gas or oxidant gas to the anode or cathode gas permeable layer, and for discharging the fuel gas or oxidant gas from the anode or cathode gas permeable layer. A method for controlling the internal temperature of a fuel cell, wherein a gas exhaust opening is opened and a catalyst layer is formed in a central region corresponding to an inner side between the gas supply opening and the gas exhaust opening.
Any one of the following steps is selected and executed, and the steps include:
When the temperature in the cell is equal to or lower than a preset temperature, at least heating the heating means disposed in the peripheral region outside the central region of the fuel cell,
A method of controlling a fuel cell, comprising the steps of: generating electric power of the fuel cell through the catalyst layer in the central region of the fuel cell and taking out the electric power when the temperature in the cell is higher than a preset temperature; .
セル内温度検知手段にてセル内の温度が前記予め設定された温度以下であることが検知された際に、前記制御手段によって、少なくとも前記第2の回路のスイッチがON制御されるようになっており、
セル内温度検知手段にてセル内の温度が前記予め設定された温度よりも高い温度であることが検知された際に、前記制御手段によって、前記第2の回路のスイッチがOFF制御され、前記第1の回路のスイッチがON制御されるようになっている、請求項8に記載の燃料電池の制御方法。 In the peripheral region, a second catalyst layer that is insulated from the first catalyst layer is formed, a first circuit in which the first catalyst layer is interposed, and a second catalyst layer that serves as the heating means A second circuit intervening, a control means for operating the heating means, a switch provided in at least the second circuit for ON-OFF control of the circuit, and an in-cell temperature detection means. A fuel cell control method comprising:
When the in-cell temperature detecting means detects that the temperature in the cell is equal to or lower than the preset temperature, at least the switch of the second circuit is ON-controlled by the control means. And
When the in-cell temperature detecting means detects that the temperature in the cell is higher than the preset temperature, the control means turns off the switch of the second circuit, and The fuel cell control method according to claim 8, wherein the switch of the first circuit is ON-controlled.
セル内の温度が前記予め設定された温度よりも高くなった際に、燃料ガスおよび酸化剤ガスのセル内への導入が実行されるようになっている、請求項9に記載の燃料電池の制御方法。 When the temperature in the cell is equal to or lower than a preset temperature, in addition to heating the heating means, the first circuit is also ON-controlled in a posture not to introduce fuel gas and oxidant gas into the cell. Is supposed to
The fuel cell according to claim 9, wherein introduction of fuel gas and oxidant gas into the cell is executed when the temperature in the cell becomes higher than the preset temperature. Control method.
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