JP2011003477A - Solid polymer fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、運転始動及び運転停止時に生じる過大な開回路電圧が発生することを防止し、且つ、運転停止後の残留ガスにより生じる逆電圧によって構成部材が腐食されることを防止した固体高分子形燃料電池に関する。 The present invention is a solid polymer that prevents the occurrence of an excessive open circuit voltage generated at the start and stop of operation and prevents the constituent members from being corroded by a reverse voltage generated by residual gas after the operation is stopped. The present invention relates to a fuel cell.
従来、固体高分子形燃料電池(PEFC:Polymer Electrolyte Fuel Cell)は、電解質に高分子膜を用いる燃料電池であり、出力密度が高く、電池寿命が長い等の特徴を有している。この固体高分子形燃料電池は、燃料電池スタック、燃料改質装置、空気供給装置、及び冷却装置などで構成される。燃料電池スタックは燃料極(負極)と空気極(正極)とを有し、燃料極に燃料ガスを空気極に空気を連続的に供給することにより、燃料ガス中の水素と空気中の酸素とが電気化学的に反応して発電が行なわれる。燃料電池スタックに供給される燃料ガスと空気とは、通常燃料電池スタックの発電効率を極端に低下させることがないように燃料電池スタックが消費する以上の流量に設定される。過剰に供給された燃料ガスと空気とは電池本体を通過した後、燃料改質装置で燃焼され燃料改質エネルギーの一部となる。 Conventionally, a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) is a fuel cell that uses a polymer membrane as an electrolyte, and has characteristics such as high output density and long battery life. This polymer electrolyte fuel cell includes a fuel cell stack, a fuel reformer, an air supply device, a cooling device, and the like. The fuel cell stack has a fuel electrode (negative electrode) and an air electrode (positive electrode). By continuously supplying fuel gas to the fuel electrode and air to the air electrode, hydrogen in the fuel gas and oxygen in the air Will react electrochemically to generate electricity. The fuel gas and air supplied to the fuel cell stack are usually set at a flow rate higher than that consumed by the fuel cell stack so as not to extremely reduce the power generation efficiency of the fuel cell stack. The excessively supplied fuel gas and air pass through the battery body and are then combusted by the fuel reformer to become part of the fuel reforming energy.
図3は、従来における固体高分子形燃料電池の燃料電池セル4の概略構造の一例を示す断面図である。燃料電池スタックは、この燃料電池セル4を複数枚積層したものである。この燃料電池セル4は、中央に配置される電解質膜21の片面に接して燃料極(負極)となる燃料極触媒層22と、電解質膜21の他方の片面に接して空気極(正極)となる空気極触媒層23が設けられている。また、燃料極触媒層22は、電解質膜21の反対面側に集電及び燃料ガスを拡散するための燃料極拡散層26が設けられている。また同様に、空気極触媒層23は、電解質膜21の反対面側に空気や発生した水蒸気を拡散するための空気極拡散層27が設けられている。更に、燃料極拡散層26及び空気極拡散層27の外側には、ガス流通溝3(燃料極側ガス流通溝3a、空気極側ガス流通溝3b)が設けられたセパレータ1で両面を挟持している。また、電解質膜21の周囲は、保護フィルム24によって保護されている。尚、電解質膜21、燃料極触媒層22、及び空気極触媒層23及び保護フィルム24を含めた総称を膜電極接合体(MEA:Membrance Electrode Assembly)2と呼ぶ。
FIG. 3 is a cross-sectional view showing an example of a schematic structure of a
燃料電池スタックに供給された燃料ガス中の水素は、燃料極側ガス流通溝3aによって、略均等に燃料極拡散層26へ送られる。燃料極(負極)となる燃料極触媒層22では、燃料極拡散層26から送られた水素を触媒の働きで電子を切り離して水素イオンとなる。切り離された電子は燃料極拡散層26で集電されてセパレータ1へ出て行く。電解質膜21を通過した水素イオンは、反対側の空気極(正極)となる空気極触媒層23に送られた空気中の酸素と、セパレータ1から外部回路(図示せず)を通じて戻ってきた電子と反応して、水(水蒸気)となる。燃料電池スタックに供給された空気中の酸素は、空気極側ガス流通溝3bによって、略均等に空気極拡散層27へ送られる。空気極拡散層27では、空気極触媒層23で生じた水蒸気と使用しなかった空気を空気極側ガス流通溝3bへ追い出し、燃料電池スタックの外部へ排気される。燃料極触媒層22及び空気極触媒層23は、一般的に白金族等の金属触媒を担持したカーボン粉末によって構成されている。この金属触媒を例えばパーフルオロスルホン酸ポリマーを溶解した溶液と混同することによりペースト状にして、燃料極触媒層22及び空気極触媒層23上に塗布して形成している。また、ポリマーと混合してあらかじめシート化した後に、熱プレス等によって燃料極触媒層22及び空気極触媒層23と一体化してもよい。
Hydrogen in the fuel gas supplied to the fuel cell stack is sent to the fuel
燃料電池スタックの発電停止後においては、燃料電池セル4の燃料極側ガス流通溝3aに水素が、空気極側ガス流通溝3bには酸素が各々残留しているため開回路電圧が発生し、燃料電池セル4内に局部電池が形成され、燃料極触媒層22及び空気極触媒層23の触媒担体の腐食が起こり、触媒自体の劣化が誘発されて電池の出力電圧の劣化がもたらされることが一般的に知られている。このため、燃料電池セル4本体の電圧、特に空気極の電位は、常に許容値以下に保つ必要がある。そのため、燃料電池スタックの運転始動及び運転停止時に生じる過大な開回路電圧が発生することを防止する様々な対応技術が提案されている。そのうち、燃料電池スタックの開回路電圧が許容値を超えないように、燃料電池スタックの両端の端子に放電抵抗を接続した外部回路を設けて、この外部回路に電流を流すことにより燃料電池スタック内に残留する残留燃料ガスを消費して、開回路電圧を低減する方法が提案されている。
After the power generation of the fuel cell stack is stopped, an open circuit voltage is generated because hydrogen remains in the fuel electrode side
そのなかで、燃料電池スタックを複数のブロックに分けて、ブロック単位で放電抵抗、スイッチ、及び放電制御装置を接続した外部回路を設けて、各ブロック内の燃料電池セルに残留する残留燃料ガスを消費し、放電制御装置がブロック内の燃料電池セルが所定電圧以下に電圧が低下するとスイッチを切って、ブロック内の燃料電池セルに逆電圧がかからないようにして電極の触媒や触媒担体の劣化を防止させる技術が提案されている(特許文献1)。 Among them, the fuel cell stack is divided into a plurality of blocks, and an external circuit in which discharge resistors, switches, and discharge control devices are connected in units of blocks is provided, and residual fuel gas remaining in the fuel cells in each block is provided. When the fuel cell in the block drops below the specified voltage, the discharge control device is switched off to prevent reverse voltage from being applied to the fuel cell in the block, and to deteriorate the electrode catalyst and catalyst carrier. A technique for preventing it has been proposed (Patent Document 1).
また、各燃料電池セルの両端の端子に放電抵抗、スイッチ、及び電圧測定装置を接続した外部回路を設けて、燃料電池セル毎に残留する残留燃料ガスを消費して開回路電圧を低減し、所定電圧以下に電圧が低下したことを電圧測定装置が検知するとスイッチを切って燃料電池セルに逆電圧がかからないようにして電極の触媒や触媒担体の劣化を防止させる技術が提案されている(特許文献2)。 In addition, an external circuit in which a discharge resistor, a switch, and a voltage measurement device are connected to terminals at both ends of each fuel cell is provided to reduce the open circuit voltage by consuming residual fuel gas remaining for each fuel cell, When the voltage measuring device detects that the voltage has dropped below a predetermined voltage, a technique has been proposed in which the switch is turned off so that no reverse voltage is applied to the fuel cell, thereby preventing deterioration of the electrode catalyst and catalyst carrier (patent) Reference 2).
しかしながら、特許文献1では、各燃料電池セルに残留する残留燃料ガスの量は必ずしも同じではなく不均一であることが多いので、ブロック内で残留燃料ガスが少ない燃料電池セルでは、残留燃料ガスが消費した後でも外部抵抗を接続している状態が続くので、その燃料電池セルに逆電圧がかかり、触媒や触媒担体にダメージが生じるという問題があった。
However, in
また、特許文献2では、上述の問題を解決できるが、燃料電池セル毎に電圧測定装置を設けて制御する必要があるため、固体高分子形燃料電池装置を複雑化・大型化させてコストアップに繋がるという欠点があった。
そこで、本発明は、上記問題点に鑑みなされたものであり、燃料電池セルに残留する残留燃料ガスによる開回路電圧の上昇を防止し、且つ燃料電池セルの触媒や触媒担体に損傷を与えることなく、簡便な燃料電池スタックを有する燃料固体高分子形燃料電池を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention has been made in view of the above problems, and prevents an increase in open circuit voltage due to residual fuel gas remaining in the fuel cell, and damages the catalyst and catalyst carrier of the fuel cell. An object of the present invention is to provide a fuel polymer electrolyte fuel cell having a simple fuel cell stack.
上記課題を解決するために、本発明の固体高分子形燃料電池に係る複数個の燃料電池セルがセパレータを介して積層する燃料電池スタックにおいて、前記各セパレータの外周に設けられた端子同士を前記燃料電池セルの外部で接続した外部回路と、前記外部回路上に負荷を与える放電抵抗と、前記外部回路上の電流を一方向のみに流す整流器と、を備えることを特徴とする。 In order to solve the above problems, in a fuel cell stack in which a plurality of fuel cells according to the polymer electrolyte fuel cell of the present invention are stacked via separators, terminals provided on the outer periphery of each separator are connected to each other. An external circuit connected outside the fuel cell, a discharge resistor that applies a load on the external circuit, and a rectifier that allows a current on the external circuit to flow in only one direction are provided.
上述の発明によれば、複数の燃料電池セルと各燃料電池セルの両側を挟持するセパレータから成る固体高分子形燃料電池において、各セパレータの外周に設けられた端子間に放電抵抗と整流器を接続した外部回路を備えている。そのため、外部回路の放電抵抗によって、セパレータと燃料電池セルとの間に介在していた残留燃料ガスを消費させて、各燃料電池セルに生じた開回路電圧を低減することができる。また、整流器を設けているので、逆方向電流を通し難いが、逆方向電流を増してゆくと、ツェナー降伏やなだれ降伏を起こして急激に電流が流れるようになる。この降伏現象が始まる電圧である降伏電圧と呼んでいる。この降伏現象中では、電流の変化に比して電圧の変化がとても小さくなるので、逆方向電流が大きくなってもほぼ降伏電圧で開回路電圧を安定に保つことができる。すなわち、所定以下の降伏電圧を有する整流器の降伏現象を利用して逆電圧の上昇を防止して、燃料電池セルの触媒や触媒担体の損傷を防止することができる。また、外部回路は整流器を加えた簡便な構成であるため、燃料電池セルの触媒や触媒担体に損傷を与えずコストを抑えた燃料電池スタックを提供することができる。 According to the above-described invention, in the polymer electrolyte fuel cell comprising a plurality of fuel cells and separators sandwiching both sides of each fuel cell, the discharge resistor and the rectifier are connected between the terminals provided on the outer periphery of each separator. Provided with an external circuit. Therefore, the residual fuel gas existing between the separator and the fuel cell can be consumed by the discharge resistance of the external circuit, and the open circuit voltage generated in each fuel cell can be reduced. In addition, since a rectifier is provided, it is difficult to pass a reverse current. However, when the reverse current is increased, a Zener breakdown or an avalanche breakdown occurs and a current flows rapidly. This is called the breakdown voltage, which is the voltage at which this breakdown phenomenon begins. During this breakdown phenomenon, the voltage change is very small compared to the current change, so that the open circuit voltage can be kept stable at almost the breakdown voltage even if the reverse current is increased. That is, it is possible to prevent the reverse voltage from rising by utilizing the breakdown phenomenon of the rectifier having a breakdown voltage lower than a predetermined value, thereby preventing the catalyst of the fuel cell and the catalyst carrier from being damaged. In addition, since the external circuit has a simple configuration including a rectifier, it is possible to provide a fuel cell stack with reduced cost without damaging the catalyst and catalyst carrier of the fuel cell.
また、本発明の固体高分子形燃料電池において、前記外部回路は、隣り合う前記セパレータの前記端子間で接続し、前記放電抵抗と前記整流器は、前記端子間毎に1つずつ備えることを特徴とする。 In the polymer electrolyte fuel cell of the present invention, the external circuit is connected between the terminals of the adjacent separators, and the discharge resistor and the rectifier are provided one for each of the terminals. And
上述の発明によれば、隣り合うセパレータの端子間で放電抵抗と整流器を1つずつ備えた外部回路であるため、一つの燃料電池セルに対応した放電抵抗と整流器を備えている。そのため、各燃料電池セルに残留する残留燃料ガスの量は必ずしも同じではなく不均一であることが多いので、各々の燃料電池セルの残留燃料ガス量に応じて、外部回路の各々の放電抵抗により開回路電圧を低減することができる。また、所定以下の降伏電圧を有する整流器を各々の燃料電池に対応できるので、降伏現象を利用して逆電圧の上昇を防止することができる。そのため、燃料電池スタック内の残留燃料ガスの量が不均一であっても、開回路電圧を低く安定に保ち、燃料電池セルの触媒や触媒担体の損傷を防止することができる。 According to the above-described invention, since the external circuit is provided with one discharge resistor and one rectifier between terminals of adjacent separators, the discharge resistor and rectifier corresponding to one fuel cell are provided. For this reason, the amount of residual fuel gas remaining in each fuel cell is not necessarily the same and is often non-uniform. Therefore, depending on the amount of residual fuel gas in each fuel cell, the discharge resistance of each external circuit The open circuit voltage can be reduced. Moreover, since a rectifier having a breakdown voltage below a predetermined value can be applied to each fuel cell, it is possible to prevent an increase in reverse voltage by utilizing a breakdown phenomenon. Therefore, even if the amount of residual fuel gas in the fuel cell stack is not uniform, the open circuit voltage can be kept low and stable, and damage to the catalyst and catalyst carrier of the fuel cell can be prevented.
また、本発明の固体高分子形燃料電池において、前記放電抵抗と前記整流器は、前記外部回路上で直列に接続していることを特徴とする。 In the polymer electrolyte fuel cell of the present invention, the discharge resistor and the rectifier are connected in series on the external circuit.
上述の発明によれば、外部回路上に放電抵抗と整流器が直列で接続しているので、燃料電池スタック運転時には、放電抵抗による電力のロスを低減することができる。また、燃料電池スタック起動時及び停止時には、無負荷時及び軽負荷時におこる開回路電圧の上昇を整流器による降伏現象によって効果的に低減することができる。そのため、燃料電池セルの触媒や触媒担体の損傷を防止することができる。 According to the above-described invention, since the discharge resistor and the rectifier are connected in series on the external circuit, power loss due to the discharge resistor can be reduced during the fuel cell stack operation. In addition, when the fuel cell stack is started and stopped, the increase in open circuit voltage that occurs during no load and light load can be effectively reduced by the breakdown phenomenon caused by the rectifier. Therefore, damage to the catalyst and catalyst carrier of the fuel cell can be prevented.
また、本発明の固体高分子形燃料電池において、前記整流器は、前記外部回路上の電流が流れる前記一方向とは逆方向に電圧が生じた際に、所定電圧以下に前記電圧を保持する定電圧整流器であることを特徴とする。 In the polymer electrolyte fuel cell of the present invention, the rectifier may be configured to maintain the voltage below a predetermined voltage when a voltage is generated in a direction opposite to the one direction in which the current on the external circuit flows. It is a voltage rectifier.
上述の発明によれば、定電圧整流器は逆方向電流を通し難いが、逆方向電流を増してゆくと、ツェナー降伏やなだれ降伏を起こして急激に電流が流れるようになる。この降伏現象を利用して燃料電池セルの開回路電圧をほぼ降伏電圧以下にすることができる。そのため、燃料電池セルの触媒や触媒担体の損傷を防止することができる。 According to the above-described invention, the constant voltage rectifier is difficult to pass a reverse current, but when the reverse current is increased, a Zener breakdown or an avalanche breakdown occurs and a current flows rapidly. By utilizing this breakdown phenomenon, the open circuit voltage of the fuel cell can be made substantially lower than the breakdown voltage. Therefore, damage to the catalyst and catalyst carrier of the fuel cell can be prevented.
また、本発明の固体高分子形燃料電池において、前記定電圧整流器は、前記逆方向の電圧が生じた際に、1つの前記セパレート間に保持される前記所定電圧である降伏電圧が0.8V〜1.0Vであることを特徴とする。 In the polymer electrolyte fuel cell of the present invention, the constant voltage rectifier has a breakdown voltage of 0.8 V, which is the predetermined voltage held between the separates when the reverse voltage is generated. It is -1.0V.
また、本発明の固体高分子形燃料電池において、前記定電圧整流器は、前記逆方向の電圧が生じた際に、1つの前記セパレート間に保持される前記所定電圧である降伏電圧が0.85V〜0.95Vであることを特徴とする。 In the polymer electrolyte fuel cell of the present invention, the constant voltage rectifier has a breakdown voltage of 0.85 V, which is the predetermined voltage held between the separates when the reverse voltage is generated. It is ˜0.95V.
また、本発明の固体高分子形燃料電池において、前記定電圧整流器は、ツェナーダイオードであることを特徴とする。 In the polymer electrolyte fuel cell of the present invention, the constant voltage rectifier is a Zener diode.
上述の発明によれば、定電圧整流器は降伏電圧が0.8V〜1.0V、好ましくは0.85V〜0.95Vであることが望ましい。また、このような小さな降伏電圧が設計可能なツェナーダイオードであることが望ましい。更にツェナーダイオードは降伏電圧の誤差が例えば0.1%以下といった精度の高いものが存在しており、無負荷時及び軽負荷時におこる開回路電圧の精度を高めることもできる。これにより、燃料電池セル内に局部電池が形成されることなく、触媒や触媒担体の損傷を防止することができる。 According to the above-described invention, it is desirable that the constant voltage rectifier has a breakdown voltage of 0.8V to 1.0V, preferably 0.85V to 0.95V. In addition, it is desirable that the Zener diode can design such a small breakdown voltage. Further, there are Zener diodes with high accuracy such that the error of the breakdown voltage is 0.1% or less, for example, and the accuracy of the open circuit voltage that occurs during no load and light load can be increased. Thereby, damage to the catalyst and the catalyst carrier can be prevented without forming a local battery in the fuel cell.
また、本発明の固体高分子形燃料電池に係る複数個の燃料電池セルがセパレータを介して積層する燃料電池スタックにおいて、前記各セパレータの外周に接続する接続端子を有する外部接続回路と、前記外部接続回路上に負荷を与える放電抵抗と、前記各接続端子とその対応する前記各セパレータとを機械的に接続又は切断する切換手段と、前記燃料電池スタックが無負荷状態の時に、前記切換手段により前記各接続端子とその対応する前記各セパレータの端子とを機械的に接続させる制御を行う制御手段と、を備えることを特徴とする。 Further, in a fuel cell stack in which a plurality of fuel cells according to the polymer electrolyte fuel cell of the present invention are stacked via a separator, an external connection circuit having a connection terminal connected to the outer periphery of each separator, and the external A discharge resistor for applying a load on a connection circuit; a switching means for mechanically connecting or disconnecting each of the connection terminals and the corresponding separator; and the switching means when the fuel cell stack is in an unloaded state. And a control means for performing control to mechanically connect each of the connection terminals and the corresponding terminal of each of the separators.
上述の発明によれば、複数の燃料電池セルと各燃料電池セルの両側を挟持するセパレータから成る固体高分子形燃料電池において、放電抵抗を接続した外部接続回路がセパレータに接続又は切断を機械的に切り換える切換手段と、無負荷状態の時に切換手段を外部回路がセパレータに接続するように制御する制御手段とで構成している。そのため、無負荷状態に放電抵抗を有した外部接続回路が接続して、放電抵抗によってセパレータと燃料電池セルとの間に介在していた残留燃料ガスを消費させて、各燃料電池セルに生じた開回路電圧を低減することができる。また、外部接続回路は簡便な構成であるため、燃料電池セルの触媒や触媒担体に損傷を与えずコストを抑えた燃料電池スタックを提供することができる。 According to the above-described invention, in the polymer electrolyte fuel cell comprising a plurality of fuel cells and separators sandwiching both sides of each fuel cell, the external connection circuit connected to the discharge resistance is mechanically connected to or disconnected from the separator. And a control means for controlling the switching means so that the external circuit is connected to the separator when there is no load. Therefore, an external connection circuit having a discharge resistance is connected in a no-load state, and the residual fuel gas existing between the separator and the fuel cell is consumed by the discharge resistance, and is generated in each fuel cell. The open circuit voltage can be reduced. Further, since the external connection circuit has a simple configuration, it is possible to provide a fuel cell stack with reduced cost without damaging the catalyst and catalyst carrier of the fuel cell.
また、本発明の固体高分子形燃料電池において、前記制御手段は、前記外部接続回路上の電流が流れる前記一方向とは逆方向に電圧が生じた際に、前記切換手段により前記各接続端子とその対応する前記各セパレータとを機械的に切断させる制御を行うことを特徴とする。 Further, in the polymer electrolyte fuel cell according to the present invention, the control means may be configured such that when the voltage is generated in the direction opposite to the one direction in which the current on the external connection circuit flows, the connection means causes the connection terminals to connect the connection terminals. And the corresponding separators are mechanically cut.
上述の発明によれば、制御手段は、外部接続回路上の逆電圧が生じた際に、切換手段により外部接続回路をセパレータから切断し、燃料電池セルに逆電圧が発生することを防止することができる。各燃料電池セルに残留する残留燃料ガスが不均一であるため、残留燃料ガスが少ない燃料電池セルは他の燃料電池セルとの電位差が生じて逆電圧が発生するが、外部接続回路を切断することで、逆電圧を防止することができて、燃料電池セルの触媒や触媒担体の損傷を防止することができる。 According to the above-described invention, when the reverse voltage on the external connection circuit is generated, the control means disconnects the external connection circuit from the separator by the switching means and prevents the reverse voltage from being generated in the fuel cell. Can do. Since the residual fuel gas remaining in each fuel battery cell is uneven, the fuel battery cell with a small residual fuel gas generates a potential difference with other fuel battery cells and generates a reverse voltage, but disconnects the external connection circuit. Thus, reverse voltage can be prevented, and damage to the catalyst and catalyst carrier of the fuel cell can be prevented.
また、本発明の固体高分子形燃料電池において、前記外部接続回路は、隣り合う前記セパレータに対応する前記接続端子間で接続し、前記放電抵抗は、前記接続端子間毎に1つずつ備えることを特徴とする。 In the polymer electrolyte fuel cell of the present invention, the external connection circuit is connected between the connection terminals corresponding to the adjacent separators, and the discharge resistance is provided for each of the connection terminals. It is characterized by.
上述の発明によれば、隣り合う各セパレータ間で放電抵抗を1つずつ備えた外部接続回路から成るので、一つの燃料電池セルに対応した放電抵抗を備えている。そのため、各燃料電池セルに残留する残留燃料ガスの量は必ずしも同じではなく不均一であることが多いので、各々の燃料電池セルの残留燃料ガス量に応じて、外部接続回路の各々の放電抵抗により開回路電圧を低減することができる。また、逆電圧がかかる前に切換手段によって燃料電池セルから外部接続回路を切断することで、燃料電池セルに逆電圧が発生することを防止することができる。そのため、燃料電池スタック内の残留燃料ガスの量が不均一であっても、開回路電圧を低く安定に保ち、燃料電池セルの触媒や触媒担体の損傷を防止することができる。 According to the above-mentioned invention, since it consists of the external connection circuit provided with one discharge resistance between each adjacent separator, it has the discharge resistance corresponding to one fuel cell. For this reason, the amount of residual fuel gas remaining in each fuel cell is not necessarily the same and is often non-uniform. Therefore, each discharge resistance of the external connection circuit depends on the amount of residual fuel gas in each fuel cell. Thus, the open circuit voltage can be reduced. Further, by disconnecting the external connection circuit from the fuel cell by the switching means before the reverse voltage is applied, it is possible to prevent the reverse voltage from being generated in the fuel cell. Therefore, even if the amount of residual fuel gas in the fuel cell stack is not uniform, the open circuit voltage can be kept low and stable, and damage to the catalyst and catalyst carrier of the fuel cell can be prevented.
また、本発明の固体高分子形燃料電池において、前記切換手段は、前記制御手段の制御により前記外部接続回路全体を可動させて、前記各接続端子とその対応する前記各セパレータとを接続又は切断することを特徴とする。 In the polymer electrolyte fuel cell of the present invention, the switching unit moves the entire external connection circuit under the control of the control unit to connect or disconnect the connection terminals and the corresponding separators. It is characterized by doing.
また、本発明の固体高分子形燃料電池において、前記切換手段は、前記制御手段の制御により可動する電動ばねであることを特徴とする。 In the polymer electrolyte fuel cell of the present invention, the switching means is an electric spring that is movable under the control of the control means.
上述の発明によれば、切換手段は、外部接続回路全体を可動させてセパレータの端子と外部接続回路の接続端子とを接続又は切断を行っていて、好ましくは、切換手段は制御部からの制御によって可動する電動ばねが望ましい。機械的な切換手段であるため、例えば、電動ばね本体を燃料電池スタックの外側に配設することもでき、稼動状況を視認することが可能となる。また、外部接続回路は簡便な構成であるため、燃料電池セルの触媒や触媒担体に損傷を与えずコストを抑えた燃料電池スタックを提供することができる。 According to the above invention, the switching means moves the entire external connection circuit to connect or disconnect the separator terminal and the connection terminal of the external connection circuit. Preferably, the switching means is controlled by the control unit. An electric spring that can be moved by is desirable. Since it is a mechanical switching means, for example, the electric spring main body can be disposed outside the fuel cell stack, and the operating status can be visually confirmed. Further, since the external connection circuit has a simple configuration, it is possible to provide a fuel cell stack with reduced cost without damaging the catalyst and catalyst carrier of the fuel cell.
したがって、本発明によれば、燃料電池スタックが無負荷及び軽負荷時において、燃料電池セルに残留する残留燃料ガスによる開回路電圧の上昇を防止し、且つ燃料電池セルの触媒や触媒担体に損傷を与えることなく、簡便な燃料電池スタックを有する燃料固体高分子形燃料電池を提供することができる。 Therefore, according to the present invention, when the fuel cell stack is unloaded and lightly loaded, an increase in open circuit voltage due to residual fuel gas remaining in the fuel cell is prevented, and damage to the catalyst and catalyst carrier of the fuel cell is prevented. Therefore, it is possible to provide a solid polymer electrolyte fuel cell having a simple fuel cell stack.
以下、本発明の2つの実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。尚、この実施例によって本発明を限定するものではない。 Hereinafter, two embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In addition, this invention is not limited by this Example.
図1は、本発明における実施形態1に係る固体高分子形燃料電池の概要を示した説明図である。
FIG. 1 is an explanatory diagram showing an overview of a polymer electrolyte fuel cell according to
図1に示すとおり、燃料電池セル4は、膜電極接合体(MEA)2と、膜電極接合体2を挟持するセパレータ1と、セパレータ1に設けられたガス流路溝3によって構成されている。膜電極接合体2やガス流路溝3については、従来例として説明した図3と同様であるため、説明を省略する。セパレータ1を介して複数の燃料電池セル4を積層して燃料電池スタックが構成されている。各セパレータ1の周囲部に端子7を設け、端子7同士を接続し燃料電池スタックの外部に設けられた外部回路8には、ツェナーダイオード5と放電抵抗6が備えられている。また、ツェナーダイオード5と放電抵抗6は、外部回路8上で直列に接続されている。更に、ここでは隣り合うセパレータ1の端子7間の外部回路8上に、ツェナーダイオード5と放電抵抗6を一つずつ設けた構成となっている。つまり、各燃料電池セル4に対応したツェナーダイオード5と放電抵抗6が設けられている。
As shown in FIG. 1, the
ツェナーダイオード5は、外部回路上の電流を一方向のみに流す整流器であり、特に、外部回路上で逆方向に電圧が生じた際に、所定電圧以下に開回路電圧を保持する定電圧整流器である。また、このツェナーダイオード5は、0.8V〜1.0V好ましくは0.85V〜0.95Vの降伏電圧である特性を持っている。ここでは、降伏電圧が0.85Vのツェナーダイオード5を外部回路8に接続した。
The
放電抵抗6は、常時接続しているため、放電抵抗6の抵抗値は燃料電池スタックの出力特性に影響を与えないように十分に大きい値を設定する必要がある。例えば、放電抵抗6による消費電力が燃料電池スタックの出力の1%以下となるように設定する。ここでは、200Ωの放電抵抗6を外部回路8に接続した。
Since the
燃料電池スタックが運転停止した際に、ガス流路溝3に残留する残留燃料ガスによって、停止後も燃料極側で水素ガスが電気分解して、燃料極と空気極との電位差が生じて、燃料電池セル4の電圧が上昇する。しかし、外部回路8が常時接続しているため、すぐに外部回路8に電子が流れ、燃料電池セル4の開回路電圧を下げることができる。
When the fuel cell stack is shut down, residual fuel gas remaining in the gas
また、燃料電池スタックが運転停止した際に、各燃料電池セル4のガス流路溝3に残留する残留燃料ガスの量は不均一であるため、残留燃料ガスが少ない燃料電池4は、他の燃料電池セル4との電位差が生じて、逆電圧がかかってしまう。この場合において、ツェナーダイオード5は、降伏電圧以上の逆電圧がかかった時に、ツェナー降下によって逆電流を流すようになり、燃料電池セル4の電圧を下げることができる。そのため、ツェナーダイオード5の降伏電圧と略同じ開回路電圧を維持することができる。
In addition, when the fuel cell stack is shut down, the amount of residual fuel gas remaining in the gas
燃料電池スタックが運転停止した際に、燃料電池セル4の電圧を測定すると、0.9Vとなっていた。更に、燃料電池スタックが運転停止した後しばらくした無負荷時である開回路状態において、燃料電池セル4の電圧を測定すると、同様に0.9Vとなっていた。そのため、外部回路8による放電抵抗6とツェナーダイオード5の降伏現象により、燃料電池セル4に残留する残留燃料ガスによる開回路電圧の上昇を防止できて、且つ、燃料電池セル4の触媒や触媒担体に損傷を与えることができる。
When the fuel cell stack was stopped, the voltage of the
図2は、本発明における実施形態2に係る固体高分子形燃料電池の概要を示した説明図である。図2(a)は、燃料電池スタックが運転を停止した固体高分子形燃料電池の概要を示しており、図2(b)は、燃料電池スタックが運転を停止後の開回路状態における固体高分子形燃料電池の概要を示している。
FIG. 2 is an explanatory view showing an outline of a polymer electrolyte fuel cell according to
図2(a)で示すように、燃料電池セル4は、膜電極接合体(MEA)2と、膜電極接合体2を挟持するセパレータ1と、セパレータ1に設けられたガス流路溝3によって構成されている。図1と同様に、セパレータ1を介して複数の燃料電池セル4を積層して燃料電池スタックが構成されている。また、外部接続回路10は、放電抵抗6、接続端子9、及び電動ばね11で構成している。複数の接続端子9は、各セパレータ1に1つずつ対応していて、各セパレータ1の近傍に設けられている。また、外部接続回路10は、隣り合う各セパレータ1に対応する接続端子9間で放電抵抗6を1つずつ備えている。つまり、燃料電池セル4毎に対応した放電抵抗6を1つずつ備えていることになる。電動ばね11は、複数の放電抵抗6を有する外部接続回路10に1つ備えている。電動ばね11は、制御部12からの信号回線によって、電動ばね11のばね部を可動させることができる。ここで挙げた電動ばね11は、各接続端子9とその対応する各セパレータ1とを機械的に接続又は切断する切換手段の一例であり、限定するものではない。
As shown in FIG. 2 (a), the
燃料電池スタックが運転を停止した時に、ガス流路溝3に残留する残留燃料ガスによって、停止後も燃料極側で水素ガスが電気分解して、燃料極と空気極との電位差が生じて、燃料電池セル4の電圧が上昇する。しかし、燃料電池スタックの運転停止信号を制御部12が受信すると、制御部12は、電動ばね11のばね部を伸長させる信号を電動ばね11に送信する。電動ばね11は、制御部12の信号を受信して、ばね部を伸長させて外部回路10の接続端子をセパレータ1に押し付けて接続する。そのため、すぐに外部接続回路10に電子が流れ、燃料電池セル4の開回路電圧を下げることができる。
When the fuel cell stack stops operation, the residual fuel gas remaining in the gas
図2(b)で示すように、燃料電池スタックが運転停止した後、外部接続回路10上において図2(a)で流れた電流とは逆方向に電圧が生じた際の固体高分子形燃料電池の概要を示している。燃料電池スタックが運転停止した際に、各燃料電池セル4のガス流路溝3に残留する残留燃料ガスの量は不均一であるため、残留燃料ガスが少ない燃料電池セル4は、他の燃料電池セル4との電位差が生じて、逆電圧がかかってしまう。この逆電圧を検知した信号を制御部12が受信すると、制御部12は、電動ばね11のばね部を圧縮させる信号を電動ばね11に送信する。電動ばね11は、制御部12の信号を受信して、ばね部を圧縮させて外部回路10の接続端子9をセパレータ1から離す。そのため、すぐに外部接続回路10が切断されるため、各燃料電池セル4の開回路電圧の変動を停止することができる。このとき、各燃料電池セル4の開回路電圧が所定電圧(例えば、1.0V)以下となり、燃料電池セル4内に局部電池が形成されること無く、電極の触媒又は触媒担体の劣化を防止することができる。
As shown in FIG. 2 (b), after the fuel cell stack is shut down, the polymer electrolyte fuel when a voltage is generated on the
ここでは、燃料電池スタックが通常運転時には、図2(a)のように、外部接続回路10がセパレータ1と接続しているとするが、特に限定はしていない。この場合、放電抵抗6の抵抗値は燃料電池スタックの出力特性に影響を与えないように十分に大きい値を設定する必要がある。例えば、放電抵抗6による消費電力が燃料電池スタックの出力の1%以下となるように設定する。ここでは、200Ωの放電抵抗6を外部接続回路8に接続した。
Here, when the fuel cell stack is in normal operation, the
燃料電池スタックが運転停止した図2(a)の状態において、燃料電池セル4の電圧を測定すると、0.9Vとなっていた。更に、燃料電池スタックが運転停止した後しばらくした無負荷時である図2(b)の開回路状態において、燃料電池セル4の電圧を測定すると、同様に0.9Vとなっていた。そのため、外部接続回路10による放電抵抗6、電動ばね11、及び制御部12により、燃料電池セル4に残留する残留燃料ガスによる開回路電圧の上昇を防止できて、且つ、燃料電池セルの触媒や触媒担体に損傷を与えることができる。
When the voltage of the
このように、図1、図2で示した2つの実施形態において、簡便な装置を追加しただけで、燃料電池セル4に残留する残留燃料ガスを、燃料電池スタックの外部で接続した回路の放電抵抗6によって消費して、燃料電池セル4の開回路電圧の上昇を防止することができる。また、残留燃料ガスが不均一であるために生じる逆電圧を低減して、燃料電池セル4の開回路電圧を正常に保持して、燃料電池セル4の触媒や触媒担体に損傷を与えることができる。
As described above, in the two embodiments shown in FIGS. 1 and 2, the discharge of the circuit in which the residual fuel gas remaining in the
以上のことから、本実施形態によれば、複数の燃料電池セル4と各燃料電池セル4の両側を挟持するセパレータ1から成る固体高分子形燃料電池において、各セパレータ1の外周に設けられた端子7間に放電抵抗6とツェナーダイオード(整流器)5を接続した外部回路10を備えている。そのため、外部回路10の放電抵抗によって、セパレータ1と燃料電池セル4との間に介在していた残留燃料ガスを消費させて、各燃料電池セル4に生じた開回路電圧を低減することができる。また、ツェナーダイオード(整流器)5を設けているので、逆方向電流を通し難いが、逆方向電流を増してゆくと、ツェナー降伏やなだれ降伏を起こして急激に電流が流れるようになる。この降伏現象中では、電流の変化に比して電圧の変化がとても小さくなるので、逆方向電流が大きくなってもほぼ降伏電圧で開回路電圧を安定に保つことができる。すなわち、所定以下の降伏電圧を有するツェナーダイオード(整流器)5の降伏現象を利用して逆電圧の上昇を防止して、燃料電池セル4の触媒や触媒担体の損傷を防止することができる。また、外部回路8はツェナーダイオード(整流器)5を加えた簡便な構成であるため、燃料電池セル4の触媒や触媒担体に損傷を与えずコストを抑えた燃料電池スタックを提供することができる。
As described above, according to the present embodiment, in the polymer electrolyte fuel cell including the plurality of
また、本実施形態によれば、隣り合うセパレータ1の端子7間で放電抵抗6とツェナーダイオード(整流器)5を1つずつ備えた外部回路であるため、一つの燃料電池セル4に対応した放電抵抗6とツェナーダイオード(整流器)5を備えている。そのため、各燃料電池セル4に残留する残留燃料ガスの量は必ずしも同じではなく不均一であることが多いので、各々の燃料電池セル4の残留燃料ガス量に応じて、外部回路8の各々の放電抵抗により開回路電圧を低減することができる。また、所定以下の降伏電圧を有するツェナーダイオード(整流器)5を各々の燃料電池に対応できるので、降伏現象を利用して逆電圧の上昇を防止することができる。そのため、燃料電池スタック内の残留燃料ガスの量が不均一であっても、開回路電圧を低く安定に保ち、燃料電池セル4の触媒や触媒担体の損傷を防止することができる。
Further, according to the present embodiment, since the external circuit is provided with one
また、本実施形態によれば、外部回路8上に放電抵抗6とツェナーダイオード(整流器)5が直列で接続しているので、燃料電池スタック運転時には、放電抵抗6による電力のロスを低減することができる。また、燃料電池スタック起動時及び停止時には、無負荷時及び軽負荷時におこる開回路電圧の上昇をツェナーダイオード(整流器)5による降伏現象によって効果的に低減することができる。そのため、燃料電池セル4の触媒や触媒担体の損傷を防止することができる。
In addition, according to the present embodiment, since the
また、本実施形態によれば、ツェナーダイオード(整流器)5は0.85V〜0.95Vの降伏電圧を有している。更に、ツェナーダイオード(整流器)5は降伏電圧の誤差が例えば0.1%以下といった精度の高いものが存在しており、無負荷時及び軽負荷時におこる開回路電圧の精度を高めることもできる。これにより、燃料電池セル4内に局部電池が形成されることなく、触媒や触媒担体の損傷を防止することができる。
Moreover, according to this embodiment, the Zener diode (rectifier) 5 has a breakdown voltage of 0.85V to 0.95V. Further, there is a Zener diode (rectifier) 5 having a high accuracy such that the error of the breakdown voltage is 0.1% or less, for example, and the accuracy of the open circuit voltage generated at the time of no load and light load can be increased. Thereby, damage to the catalyst and the catalyst carrier can be prevented without forming a local battery in the
また、本実施形態によれば、複数の燃料電池セル4と各燃料電池セル4の両側を挟持するセパレータ1から成る固体高分子形燃料電池において、放電抵抗6を接続した外部接続回路10がセパレータ1に接続又は切断を機械的に切り換える電動ばね(切換手段)11と、無負荷状態の時に電動ばね(切換手段)11を外部回路10がセパレータ1に接続するように制御する制御部12とで構成している。そのため、無負荷状態に放電抵抗6を有した外部接続回路10が接続して、放電抵抗6によってセパレータ1と燃料電池セル4との間に介在していた残留燃料ガスを消費させて、各燃料電池セル4に生じた開回路電圧を低減することができる。また、外部接続回路10は簡便な構成であるため、燃料電池セル4の触媒や触媒担体に損傷を与えずコストを抑えた燃料電池スタックを提供することができる。
Further, according to the present embodiment, in the polymer electrolyte fuel cell including the plurality of
また、本実施形態によれば、制御部12は、外部接続回路10上の逆電圧が生じた際に、電動ばね(切換手段)11により外部接続回路10をセパレータ1から切断し、燃料電池セル4に逆電圧が発生することを防止することができる。各燃料電池セル4に残留する残留燃料ガスが不均一であるため、残留燃料ガスが少ない燃料電池セル4は他の燃料電池セル4との電位差が生じて逆電圧が発生するが、外部接続回路10を切断することで、逆電圧を防止することができて、燃料電池セル4の触媒や触媒担体の損傷を防止することができる。
Further, according to the present embodiment, the
また、本実施形態によれば、隣り合う各セパレータ1間で放電抵抗6を1つずつ備えた外部接続回路10から成るので、一つの燃料電池セル4に対応した放電抵抗6を備えている。そのため、各燃料電池セル4に残留する残留燃料ガスの量は必ずしも同じではなく不均一であることが多いので、各々の燃料電池セル4の残留燃料ガス量に応じて、外部接続回路10の各々の放電抵抗により開回路電圧を低減することができる。また、逆電圧がかかる前に電動ばね(切換手段)11によって燃料電池セル4から外部接続回路8を切断することで、燃料電池セル4に逆電圧が発生することを防止することができる。そのため、燃料電池スタック内の残留燃料ガスの量が不均一であっても、開回路電圧を低く安定に保ち、燃料電池セル4の触媒や触媒担体の損傷を防止することができる。
Moreover, according to this embodiment, since it consists of the
また、本実施形態によれば、電動ばね(切換手段)11は、外部接続回路10全体を可動させてセパレータ1と外部接続回路10の接続端子9とを接続又は切断を行うことができる。そのため、簡便な構成でセパレータ1と外部接続回路10とを接続又は切断できて、燃料電池セル4の触媒や触媒担体に損傷を与えずコストを抑えた燃料電池スタックを提供することができる。
Further, according to the present embodiment, the electric spring (switching means) 11 can move the entire
このように、本発明によれば、燃料電池スタックが無負荷及び軽負荷時において、燃料電池セル4に残留する残留燃料ガスによる開回路電圧の上昇を防止し、且つ燃料電池セル4の触媒や触媒担体に損傷を与えることなく、簡便な燃料電池スタックを有する燃料固体高分子形燃料電池を提供することができる。
Thus, according to the present invention, when the fuel cell stack is unloaded and lightly loaded, an increase in open circuit voltage due to residual fuel gas remaining in the
本実施形態において、切換手段として電動ばね11を設けているが、特に限定していない。例えば、電動ソレノイドや電動モータで可動させてもよい。
In this embodiment, although the
また、本実施形態において、逆電圧又は逆方向の電流を検知して、制御部12へ送信する検知装置も特に限定していない。また、検知装置の設置位置についても、燃料電池セル1の逆電圧又は逆方向の電流を検知できる箇所であればよい。例えば、外部接続回路10上に検知装置として電圧計を設けて、常に制御部12でその電圧計の値を監視し、制御部12は、所定値以上の逆電圧を検知すると、切換手段である電動ばね11を制御する信号を送信させてもよい。
Moreover, in this embodiment, the detection apparatus which detects a reverse voltage or the electric current of a reverse direction, and transmits to the
また、本実施形態において、切換手段の設置個数についても限定していない。例えば、燃料電池セル4毎に放電抵抗6と切換手段11を設けることで、燃料電池セル4毎に切換手段11を切り換えることが可能になり、燃料電池スタック内不均一な残留燃料ガスであっても、燃料電池セル4毎に残留燃料ガスを消費させることができるので、開回路電圧を低く安定に保ち、燃料電池セルの触媒や触媒担体の損傷を防止することができる。
Further, in the present embodiment, the number of installed switching means is not limited. For example, by providing the
以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形、変更が可能である。 The preferred embodiments of the present invention have been described in detail above. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications may be made within the scope of the gist of the present invention described in the claims. It can be changed.
1 セパレータ
2 膜電極接合体(MEA)
3 ガス流路溝
3a 燃料極側ガス流路溝
3b 空気極側ガス流路溝
4 燃料電池セル
5 ツェナーダイオード
6 放電抵抗
7 端子
8 外部回路
9 接続端子
10 外部接続回路
11 電動ばね
12 制御部
21 電解質膜
22 燃料極触媒層
23 空気極触媒層
24 保護フィルム
26 燃料極拡散層
27 空気極拡散層
1
DESCRIPTION OF
Claims (12)
前記各セパレータの外周に設けられた端子同士を前記燃料電池セルの外部で接続した外部回路と、
前記外部回路上に負荷を与える放電抵抗と、
前記外部回路上の電流を一方向のみに流す整流器と、を備えることを特徴とする固体高分子形燃料電池。 In a fuel cell stack in which a plurality of fuel cells are stacked via a separator,
An external circuit in which the terminals provided on the outer periphery of each separator are connected to each other outside the fuel cell; and
A discharge resistor for applying a load on the external circuit;
A solid polymer fuel cell, comprising: a rectifier that allows current on the external circuit to flow in only one direction.
前記放電抵抗と前記整流器は、前記端子間毎に1つずつ備えることを特徴とする請求項1に記載の固体高分子形燃料電池。 The external circuit is connected between the terminals of the separators adjacent to each other,
2. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein one discharge resistor and one rectifier are provided for each of the terminals.
前記各セパレータの外周に接続する接続端子を有する外部接続回路と、
前記外部接続回路上に負荷を与える放電抵抗と、
前記各接続端子とその対応する前記各セパレータとを機械的に接続又は切断する切換手段と、
前記燃料電池スタックが無負荷状態の時に、前記切換手段により前記各接続端子とその対応する前記各セパレータとを機械的に接続させる制御を行う制御手段と、を備えることを特徴とする固体高分子形燃料電池。 In a fuel cell stack in which a plurality of fuel cells are stacked via a separator,
An external connection circuit having a connection terminal connected to the outer periphery of each separator;
A discharge resistor for applying a load on the external connection circuit;
Switching means for mechanically connecting or disconnecting each connecting terminal and each corresponding separator;
Control means for controlling the mechanical connection between the connection terminals and the corresponding separators by the switching means when the fuel cell stack is in an unloaded state. Fuel cell.
前記放電抵抗は、前記接続端子間毎に1つずつ備えることを特徴とする請求項8又は9に記載の固体高分子形燃料電池。 The external connection circuit is connected between the connection terminals corresponding to the adjacent separators,
10. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 8, wherein the discharge resistor is provided for each of the connection terminals.
12. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 8, wherein the switching means is an electric spring that is movable under the control of the control means.
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