JP2012094366A - Fuel cell, and fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池に関する。 The present invention relates to a fuel cell.
電極膜接合体がフランジ部の内壁面に対して所定の隙間を確保するように第1セパレータの断面コ字状の底面上に配置され、第2セパレータが電極膜接合体上に外形位置を合わせるようにして配置され、シール剤が、積層方向の外方から第2セパレータに所定の圧力を加え、押圧状態を維持しつつ、電極膜接合体および第2セパレータの端部とフランジ部との間の隙間に充填、硬化されている燃料電池が知られている(例えば特許文献1)。 The electrode membrane assembly is disposed on the bottom surface of the U-shaped cross section of the first separator so as to secure a predetermined gap with respect to the inner wall surface of the flange portion, and the second separator is positioned on the electrode membrane assembly. The sealing agent applies a predetermined pressure to the second separator from the outside in the stacking direction, and maintains the pressed state, while the electrode membrane assembly and the end portion of the second separator and the flange portion. There is known a fuel cell filled and cured in the gap (for example, Patent Document 1).
しかし、従来の技術では、シール部に隙間が生じ易く、反応ガスの圧力変動時に電解質膜に応力が発生し易く、燃料電池の耐久性が得られ難いという問題があった。 However, the conventional technology has a problem that a gap is easily generated in the seal portion, stress is easily generated in the electrolyte membrane when the pressure of the reaction gas fluctuates, and the durability of the fuel cell is difficult to obtain.
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、燃料電池の耐久性を向上させることを目的とする。 The present invention has been made to solve at least a part of the above-described problems, and an object thereof is to improve the durability of a fuel cell.
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。 SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following forms or application examples.
[適用例1]
燃料電池であって、電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に形成される第1の触媒層と、他方の面に形成される第2の触媒層と、を有する膜電極接合体と、前記膜電極接合体を挟持する2つのガス拡散層であって、前記第1、第2の触媒層とそれぞれ隣接する第1、第2のガス拡散層と、前記膜電極接合体及び前記第1、第2のガス拡散層の外縁部に形成されるガスケットと、前記2つのガス拡散層と、前記ガスケットと、を挟持するセパレータプレートと、を備え、前記ガスケットは前記第1のガス拡散層に侵入するように形成されており、前記第2のガス拡散層の外縁は、前記第1のガス拡散層の外縁よりも内側に形成されている、燃料電池。
この適用例によれば、前記ガスケットは前記第1のガス拡散層に侵入するように形成されているので、第1、第2のガス拡散層における圧力に差があっても、電解質膜にかかる応力を抑制し、燃料電池の耐久性を向上させることが可能となる。
[Application Example 1]
A fuel cell, a membrane electrode assembly comprising an electrolyte membrane, a first catalyst layer formed on one surface of the electrolyte membrane, and a second catalyst layer formed on the other surface; Two gas diffusion layers sandwiching the membrane electrode assembly, the first and second gas diffusion layers adjacent to the first and second catalyst layers, respectively, the membrane electrode assembly and the first A gasket formed on an outer edge of the second gas diffusion layer, a separator plate sandwiching the two gas diffusion layers and the gasket, and the gasket is disposed on the first gas diffusion layer. The fuel cell is formed so as to penetrate, and an outer edge of the second gas diffusion layer is formed inside an outer edge of the first gas diffusion layer.
According to this application example, the gasket is formed so as to penetrate into the first gas diffusion layer. Therefore, even if there is a difference in pressure between the first and second gas diffusion layers, the gasket is applied to the electrolyte membrane. It is possible to suppress the stress and improve the durability of the fuel cell.
[適用例2]
適用例1に記載の燃料電池において、前記第2の触媒層の外縁は前記電解質膜の外縁より内側に形成されており、前記第2のガス拡散層の外縁は前記第2の触媒層の外縁よりも内側に形成されており、前記電解質膜のうちの前記第2の触媒層に覆われていない部分と、前記ガスケットとの間の接触部及び、前記ガスケットと前記セパレータプレートとの接触部は、シール材でシールされている、燃料電池。
この適用例によれば、燃料電池の耐久性を向上させるとともに、反応ガスのリークを抑制することが可能となる。
[Application Example 2]
In the fuel cell according to Application Example 1, an outer edge of the second catalyst layer is formed inside an outer edge of the electrolyte membrane, and an outer edge of the second gas diffusion layer is an outer edge of the second catalyst layer. A portion of the electrolyte membrane not covered with the second catalyst layer and a contact portion between the gasket and a contact portion between the gasket and the separator plate are: The fuel cell is sealed with a sealing material.
According to this application example, it is possible to improve the durability of the fuel cell and suppress the leakage of the reaction gas.
[適用例3]
適用例1または適用例2に記載の燃料電池において、前記第1の触媒層はカソード触媒層であり、前記第2の触媒層はアノード触媒層である、燃料電池。
この適用例によれば、アノード触媒層の方(アノード側)が高い圧力になっても良い。
[Application Example 3]
The fuel cell according to Application Example 1 or Application Example 2, wherein the first catalyst layer is a cathode catalyst layer, and the second catalyst layer is an anode catalyst layer.
According to this application example, the anode catalyst layer (anode side) may be at a higher pressure.
[適用例4]
燃料電池システムであって、適用例1から適用例3のうちのいずれか一項に記載の燃料電池と、前記燃料電池に燃料ガスを供給するための燃料タンクと、前記燃料タンクと前記燃料電池とを接続する燃料ガス供給管と、前記燃料ガス供給管に設けられた圧力調整弁と、前記燃料タンクに空気を圧縮して供給するためのエアコンプレッサと、前記エアコンプレッサと前記燃料電池とを接続する酸化ガス供給管と、燃料電池制御部と、を備え、前記燃料電池制御部は、前記燃料電池の発電中に、前記圧力調整弁と前記エアコンプレッサの動作を制御することにより、前記第2の触媒層に掛かる圧力が前記第1の触媒層に掛かる圧力以上となるように調整する、燃料電池システム。
この適用例によれば、燃料電池の発電中にアノード側の圧力を大きくすることが可能となる。
[Application Example 4]
A fuel cell system, wherein the fuel cell according to any one of application examples 1 to 3, a fuel tank for supplying fuel gas to the fuel cell, the fuel tank, and the fuel cell A fuel gas supply pipe, a pressure adjusting valve provided in the fuel gas supply pipe, an air compressor for compressing and supplying air to the fuel tank, the air compressor, and the fuel cell. An oxidant gas supply pipe to be connected; and a fuel cell control unit, wherein the fuel cell control unit controls the operation of the pressure regulating valve and the air compressor during power generation of the fuel cell. A fuel cell system that adjusts the pressure applied to the second catalyst layer to be equal to or higher than the pressure applied to the first catalyst layer.
According to this application example, it is possible to increase the pressure on the anode side during power generation of the fuel cell.
[適用例5]
適用例4に記載の燃料電池システムにおいて、さらに、前記酸化ガス供給管に設けられた酸化ガス供給弁と、前記燃料電池からの燃料排ガスを排出するための燃料排ガス管と、前記燃料排ガス管に設けられた燃料排ガス弁と、前記燃料電池からの酸化排ガスを排出するための酸化排ガス管と、前記酸化排ガス管に設けられた酸化排ガス弁と、前記燃料ガス供給管と前記酸化ガス供給管との間に接続される圧力調整装置と、前記燃料ガス排気管と前記酸化ガス排気管との間に接続される圧力調整装置、のうちの少なくとも一方の圧力調整装置と、を備え、前記燃料電池制御部は、前記燃料電池の非発電時において、前記圧力調整装置を用いて前記第2の触媒層に掛かる圧力が前記第1の触媒層に掛かる圧力以上となるように調整する、燃料電池システム。
この適用例によれば、圧力調整装置により、アノード側とカソード側の圧力を調整することが可能となる。
[Application Example 5]
In the fuel cell system according to Application Example 4, the oxidizing gas supply valve provided in the oxidizing gas supply pipe, the fuel exhaust pipe for discharging the fuel exhaust gas from the fuel cell, and the fuel exhaust pipe A fuel exhaust valve provided; an oxidation exhaust gas pipe for discharging the oxidation exhaust gas from the fuel cell; an oxidation exhaust gas valve provided in the oxidation exhaust gas pipe; the fuel gas supply pipe; and the oxidation gas supply pipe; A pressure regulator connected between the pressure regulator and at least one of the pressure regulator connected between the fuel gas exhaust pipe and the oxidizing gas exhaust pipe, and the fuel cell. The control unit adjusts the pressure applied to the second catalyst layer to be equal to or higher than the pressure applied to the first catalyst layer by using the pressure adjusting device when the fuel cell is not generating power. Stem.
According to this application example, the pressure on the anode side and the cathode side can be adjusted by the pressure adjusting device.
本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池の他、燃料電池システム等、様々な形態で実現することができる。 The present invention can be realized in various forms. For example, in addition to a fuel cell, the present invention can be realized in various forms such as a fuel cell system.
[第1の実施例]
図1は、第1の実施例の燃料電池システムを示す説明図である。燃料電池システム10は、燃料電池100と、燃料タンク200と、エアポンプ300と、制御部400と、圧力調整装置500と、圧力計250、350と、を備える。燃料電池100は、燃料ガスと酸化ガスとを反応させて電力を発生させる装置である。燃料電池100は、複数の発電ユニット110と、エンドプレート190と、を備える。複数の発電ユニット110は、積層して配置されており、エンドプレート190は、積層された発電ユニット110の積層方向の両端に配置されている。
[First embodiment]
FIG. 1 is an explanatory diagram showing a fuel cell system according to a first embodiment. The
燃料タンク200は、燃料電池100に供給される燃料ガスを貯蔵している。本実施例では、燃料ガスとして水素を用いている。燃料タンク200と燃料電池100とは、燃料ガス供給管210により接続されている。燃料ガス供給管210には、燃料電池100に供給する燃料ガスの圧力を調整するための調圧弁230が配置されている。調圧弁230は、燃料電池100の発電動作中には、燃料電池100に供給する燃料ガスの圧力を調整する。一方、燃料電池100の発電停止中には、閉じて燃料タンク200から燃料電池100への燃料ガスの供給を停止する。なお、調圧弁230と燃料タンク200との間に主止弁を設け、調圧弁230は、燃料電池100に供給する燃料ガスの圧力の調整のみを行い、主止弁が、燃料電池100の発電停止中に、閉弁して燃料タンク200から燃料電池100への燃料ガスの供給を停止する構成を採用してもよい。燃料電池100の下流側には、燃料排ガスを大気に放出するための燃料ガス排気管220が配置されており、燃料ガス排気管220には、燃料ガス排気弁240が設けられている。燃料ガス排気弁240は、燃料電池100の発電停止中には、大気からの空気の逆流を抑制するために、閉弁される。圧力計250は、燃料ガス排気管220上に設けられており、燃料ガスの圧力を測定する。なお、圧力計250は、燃料ガス供給管210上に設けられていてもよい。
The
エアポンプ300は、燃料電池100の供給するための空気を圧縮する。すなわち、本実施例では、酸化ガスとして、空気(空気中の酸素)を用いている。エアポンプ300と、燃料電池100とは、酸化ガス供給管310により接続されている。酸化ガス供給管310には、燃料電池100の発電停止中に、燃料電池100とエアポンプ300との間の空気の移動を制限するための酸化ガス主止弁330が設けられている。なお、酸化ガス供給管310に、エアポンプ300による圧縮により高温となった酸化ガスを冷却するためのインタークーラーが設けられていてもよい。燃料電池100の下流側には、酸化排ガスを大気に放出するための酸化ガス排気管320が配置されており、酸化ガス排気管320には、酸化ガス排気弁340が設けられている。酸化ガス排気弁340は、燃料電池100の発電停止中には、大気からの空気の逆流を抑制するために、閉弁される。圧力計350は、酸化ガス排気管320上に設けられており、酸化ガスの圧力を測定する。なお、圧力計350は、酸化ガス供給管310上に設けられていてもよい。
The
圧力調整装置500は、燃料ガス排気弁240よりも燃料電池100側の燃料ガス排気管220と、酸化ガス排気弁340よりも燃料電池100側の酸化ガス排気管320と、に接続されている。圧力調整装置500は、燃料電池100の発電停止中に、燃料電池100内の燃料ガスと酸化ガスの圧力の調整を行う。圧力調整装置500の構成については、後述する。なお、圧力調整装置500は、調圧弁230よりも燃料電池100側の燃料ガス供給管210と、酸化ガス主止弁330よりも燃料電池100側の酸化ガス供給管310と、に接続されていてもよい。
The
制御部400は、調圧弁230と、燃料ガス排気弁240と、エアポンプ300と、酸化ガス主止弁330と、酸化ガス排気弁340と、圧力調整装置500と、圧力計250、350と、に接続しており、これらの動作を制御する。具体的には、燃料電池100の発電動作中には、制御部400は、燃料ガスの圧力が酸化ガスの圧力よりも大きくなるように、エアポンプ300の動作、及び、調圧弁230と、酸化ガス主止弁330と、燃料ガス排気弁240と、酸化ガス排気弁340の弁の開度を制御する。また、燃料電池100の発電停止中には、制御部400は、エアポンプ300の動作を停止し、調圧弁230と、燃料ガス排気弁240と、酸化ガス主止弁330と、酸化ガス排気弁340と、を閉弁し、圧力調整装置500を用いて、燃料ガスの圧力が酸化ガスの圧力よりも大きくなるように、調整する。
The
図2は、発電ユニット110の概略構成を示す説明図である。発電ユニット110は、膜電極接合体120と、カソードガス拡散層132と、アノードガス拡散層133と、カソードセパレータプレート142と、アノードセパレータプレート143と、ガスケット160と、を備える。膜電極接合体120は、電解質膜121と、カソード触媒層122と、アノード触媒層123と、を備える。
FIG. 2 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of the
電解質膜121は、固体高分子材料、例えばパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマなどのフッ素系樹脂から成るプロトン伝導性のイオン交換膜である。カソード触媒層122とアノード触媒層123は、電気化学反応を促進する触媒、例えば、白金触媒、あるいは白金と他の金属から成る白金合金触媒を含んでいる。カソード触媒層122は電解質膜121の一方の面に形成され、アノード触媒層123は、電解質膜121の他方の面に形成されている。本実施例では、カソード触媒層122の外縁は、電解質膜121の外縁とほぼ一致しているが、アノード触媒層123の外縁は、電解質膜121の外縁よりも内側に位置している。
The
カソードガス拡散層132、アノードガス拡散層133は、燃料ガスや酸化ガスを通過させるとともに、これらのガスを拡散してそれぞれカソード触媒層122とアノード触媒層123に供給するための部材であり、例えば、チタン製などの金属あるいは導電性樹脂で形成された多孔体を用いることができる。また、カソードガス拡散層132、アノードガス拡散層133として、カーボン不織布を用いたカーボンクロスやカーボンペーパーを用いてもよい。
The cathode
カソードガス拡散層132は、カソード触媒層122に接するように配置されている。ここで、カソードガス拡散層132の外縁は、カソード触媒層122の外縁より少し内側に位置している。ただし、カソードガス拡散層132の外縁と、カソード触媒層122の外縁は、ほぼ同じであってもよい。アノードガス拡散層133は、アノード触媒層123に接するように配置されている。ここで、アノードガス拡散層133の外縁は、アノード触媒層123の外縁よりも内側に位置している。アノードガス拡散層133の外縁は、カソードガス拡散層132の外縁よりも内側に位置している。
The cathode
カソードセパレータプレート142は、金属製の平板形状の部材であり、カソードガス拡散層132と接するように配置されている。カソードセパレータプレート142は、カソードガス拡散層132と接する面に、溝144を有しており、溝144は、酸化ガス流路152を形成している。アノードセパレータプレート143は、金属製の平板形状の部材であり、アノードガス拡散層133と接するように配置されている。アノードセパレータプレート143は、アノードガス拡散層133と接する面に、溝145を有しており、溝145は、燃料ガス流路153を形成している。
The
ガスケット160は、膜電極接合体120と、カソードガス拡散層132と、アノードガス拡散層133と、の外縁部を、額縁状に囲うように形成されている。ガスケット160は、樹脂材料を射出成形することにより形成されている。ここで、アノードガス拡散層133の外縁は、カソードガス拡散層132の外縁よりも内側に位置しているため、ガスケット160の射出形成時において、ガスケット160を構成する樹脂は、カソードガス拡散層132の孔の中に侵入する。そのため、膜電極接合体120と、カソードセパレータプレート142と、の間には、隙間(176)が生じない。一方、ガスケット160を構成する樹脂は、ガスケット160の射出形成時に、アノードガス拡散層133には達せず、ガスケット160と、アノードガス拡散層133と、の間に隙間177が生じる。
The
ガスケット160と、カソードセパレータプレート142との境界にはシール面172が形成され、ガスケット160と、アノードセパレータプレート143との境界にはシール面173が形成され、ガスケット160と、膜電極接合体120の電解質膜121のアノード側の面との境界には、シール面175が形成されている。これらのシール面は、燃料ガスや酸化ガスのリークを抑制する。
A
本実施例の燃料電池では、制御部(図1)は、燃料ガスの圧力を酸化ガスの圧力以上としている。燃料ガスと酸化ガスの圧力差から、電解質膜121には、アノード側(燃料ガスの流路側)からカソード側(酸化ガスの流路側)に向かう方向に力が働く。ここで、本実施例では、電解質膜121のカソード側には、カソードガス拡散層132と、ガスケット160が存在し、ガスケット160を構成する樹脂がカソードガス拡散層132に侵入しているため、カソードガス拡散層132と、ガスケット160との間に隙間(176(後述する図3参照))が存在しない。その結果、電解質膜121にアノード側からカソード側に向かう方向に力が働いても、電解質膜121はカソードガス拡散層132と、ガスケット160に支持されるため、変形しにくく、劣化し難い。
In the fuel cell of this embodiment, the control unit (FIG. 1) sets the pressure of the fuel gas to be equal to or higher than the pressure of the oxidizing gas. Due to the pressure difference between the fuel gas and the oxidizing gas, a force acts on the
図3は、比較例の燃料電池の構成を示す説明図である。比較例では、カソードガス拡散層132の外縁と、アノードガス拡散層133の外縁は、いずれも膜電極接合体120の外縁よりも内側に位置している。そして、ガスケット160は、カソードガス拡散層132と、アノードガス拡散層133に侵入していない。すなわち、カソードガス拡散層132とガスケット160との間に隙間176が形成され、アノードガス拡散層133とガスケット160との間に隙間177が形成されている。
FIG. 3 is an explanatory diagram showing a configuration of a fuel cell of a comparative example. In the comparative example, the outer edge of the cathode
図3(A)は、燃料ガスの圧力と酸化ガスの圧力とが同じ場合であり、図3(B)は、燃料ガスの圧力が酸化ガスの圧力よりも大きい場合である。燃料ガスの圧力と酸化ガスの圧力とが同じ場合には、アノード側から電解質膜121に掛かる力と、カソード側から電解質膜121に掛かる力が同じであるため、図3(A)に示すように、電解質膜121は変形しない。しかし、燃料ガスの圧力が酸化ガスの圧力よりも大きい場合には、カソード側から電解質膜121に掛かる力よりも、アノード側から電解質膜に掛かる力の方が大きいため、電解質膜121は、隙間176、177の位置において、カソード側に凸となるように変形する。図3(A)に示す状態と、図3(B)に示す状態と、が繰り返されると、電解質膜121は疲労により劣化し、耐久性が落ちる。
FIG. 3A shows the case where the pressure of the fuel gas is the same as the pressure of the oxidizing gas, and FIG. 3B shows the case where the pressure of the fuel gas is larger than the pressure of the oxidizing gas. When the pressure of the fuel gas and the pressure of the oxidizing gas are the same, the force applied to the
図4は、他の比較例である。この比較例では、カソード触媒層122とアノード触媒層123の外縁は、電解質膜121の外縁とほぼ同じであり、カソードガス拡散層132の外縁と、アノードガス拡散層133の外縁は、いずれも膜電極接合体120の外縁よりもやや内側に位置している。ガスケット160は、カソードガス拡散層132と、アノードガス拡散層133との両方に侵入している。この構成では、ガスケット160とカソード触媒層122との境界面にシール面(176(図3参照))が形成されず、ガスケット160とアノード触媒層123との境界面にシール面(177(図3参照))が形成されていない。そのため、燃料ガスや酸化ガスのリークを抑制し難いという問題が生じる。
FIG. 4 shows another comparative example. In this comparative example, the outer edges of the
本実施例は、ガスケット160がカソードガス拡散層132に侵入するように形成されており、アノードガス拡散層133の外縁は、カソードガス拡散層132の外縁よりも内側に形成されており、アノードガス拡散層133とガスケット160との間に隙間177が形成されている構成を採用することにより、上記比較例の課題を解決し、燃料ガスや酸化ガスをシールするとともに、電解質膜121の耐久性を向上させることができる。
In this embodiment, the
次に、第1の実施例の燃料電池の発電停止中における動作について説明する。図5は、圧力調整装置500の構成の一例を示す説明図である。圧力調整装置500は、ピストンプレート510と、アクチュエータ520、とガイドレール525と、を備える。ピストンプレート510は、圧力調整装置500の内部を第1室501と第2室502に分離する。第1室501は、接続管221により燃料ガス排気管220に接続され、第2室502は、接続管321により酸化ガス排気管320に接続されている。アクチュエータ520は、ピストンプレート510を、ガイドレール525に沿って移動させる。これにより、第1室501と第2室502の大きさを変更することが可能である。
Next, the operation of the fuel cell according to the first embodiment while power generation is stopped will be described. FIG. 5 is an explanatory diagram showing an example of the configuration of the
図6は、燃料電池のアノード側、カソード側の圧力の時間変化を示す説明図である。これらの圧力は、圧力計250、350により計測することが可能である。時刻t0において、制御部400は、燃料電池100の発電を停止し、調圧弁230と、燃料ガス排気弁240と、酸化ガス主止弁330と、酸化ガス排気弁340と、を閉弁する。このとき、酸化ガス主止弁330を閉じた後、調圧弁230を閉じてもよい。水素は、電解質膜121に対するガス透過性が大きいため、アノード側の圧力が下がり、カソード側の圧力が上がる。時刻t1において、制御部400は、第1室501を狭く、第2室502を広くさせるようにピストンプレート510を移動させる。これにより、アノード側のガス流路の体積(燃料ガス供給管210の体積+燃料ガス排気管220の体積+燃料ガス流路153(図3)の体積+第1室501の体積)が小さくなり、カソード側のガス流路の体積(酸化ガス供給管310の体積+酸化ガス排気管320の体積+酸化ガス流路152の体積(図3)+第2室502の体積)が大きくなるので、アノード側の圧力が上昇し、カソード側の圧力が減少する。
FIG. 6 is an explanatory diagram showing the change over time in pressure on the anode side and cathode side of the fuel cell. These pressures can be measured by
以上、本実施例によれば、制御部400は、圧力調整装置500に対し、第1室501を狭く、第2室502を広くさせるようにピストンプレート510を移動させる。その結果、アノード側の圧力を上げて、カソード側の圧力を下げる。その結果、燃料電池100の発電停止中において、アノード側とカソード側の圧力差を少なくできるので、電解質膜121に掛かる応力を下げて、燃料電池100の耐久性を向上させることができる。
As described above, according to this embodiment, the
[第2の実施例]
図7は、第2の実施例を示す説明図である。第1の実施例の燃料ガス排気弁240、酸化ガス排気弁340は二方向弁であったが、第2の実施例の燃料ガス排気弁241、酸化ガス排気弁341は、三方弁である点が異なる。そして、圧力調整装置530は、燃料ガス排気弁241、酸化ガス排気弁341の3つのうちの1つの弁口に接続されている。
[Second Embodiment]
FIG. 7 is an explanatory diagram showing the second embodiment. The fuel
図8は、第2の実施例における動作を示す説明図である。図8(A)は、燃料電池100が発電中であるときを示し、図8(B)は燃料電池100の発電後を示す。圧力調整装置530は、ガスを透過させない軟らかいフィルム540を有しており、フィルム540は、圧力調整装置530の内部を第1室531と第2室532に分離している。なお、フィルム540は、やや遊びを持っており、緩やかに張られている。第1室531は、燃料ガス排気弁241に接続され、第2室532は酸化ガス排気弁342に接続されている。
FIG. 8 is an explanatory diagram showing the operation in the second embodiment. FIG. 8A shows the time when the
燃料電池100の発電中では、制御部400は、燃料ガス排気弁241に対し、三方を開放させ、燃料電池100と大気の間を連通させるとともに、燃料ガス排気管220と第1室531の間を連通にする。同様に、制御部400は、酸化ガス排気弁341に対し、三方を開放させ、燃料電池100と大気の間を連通させるとともに、酸化ガス排気管320と第2室532の間を連通にする。その結果、第1室531と第2室532の圧力はほぼ同じとなるので、フィルム540は、弛んだ状態となる。
During power generation by the
制御部400は、燃料電池100を非発電状態にするとき、調圧弁230と、酸化ガス主止弁330とを閉弁する。このとき、酸化ガス主止弁330を先に閉じ、その後、調圧弁230を閉じても良い。こうすると、アノード側の圧力を高くすることが可能となる。次に、制御部400は、燃料ガス排気弁241に対し、大気側の弁を閉弁させる。これにより、燃料電池100と第1室531との間の連通が維持される。また、制御部400は、酸化ガス排気弁341に対し、大気側の弁を閉弁させる。これにより、燃料電池100と第2室532との間の連通が維持される。
The
水素は、電解質膜121に対するガス透過性が大きいため、電解質膜121を介して、アノード側からカソード側に移動する。そうすると、カソード側のガスの量が増加するため、カソード側の圧力があがる。本実施例では、このアノードとカソードとの間の圧力差による力は、電解質膜121ではなく、フィルム540に掛かる。すなわち、フィルム540がアノード側に膨らむことにより、電解質膜121に掛かる応力を低減し、燃料電池100の耐久性を向上させることができる。
Since hydrogen has a high gas permeability to the
制御部400は、燃料ガス排気弁241と酸化ガス排気弁341の開閉動作を上記説明した動作と異なる動作としてもよい。図8(C)は、燃料ガス排気弁241と酸化ガス排気弁341の異なる動作を示す説明図である。燃料電池100を発電停止中から発電に切り換えるタイミングでは、圧力調整装置530の内部は負圧となっている。この動作では、制御部400は、燃料電池100の発電中に、燃料ガス排気弁241に対し、燃料電池100と大気の間を連通させ、燃料ガス排気管220と第1室531の間を非連通にする。同様に、制御部400は、酸化ガス排気弁341に対し、燃料電池100と大気の間を連通させ、酸化ガス排気管320と第2室532の間を非連通にする。これにより、圧力調整装置530の内部の負圧を維持することができる。
The
制御部400は、燃料電池100を発電中から停止に移すタイミングで、燃料ガス排気弁241及び酸化ガス排気弁341に対し、一旦、三方を開放させる。すなわち、制御部400は、一旦、燃料ガス排気弁241と酸化ガス排気弁341の状態を図8(A)に示す状態に移行する。その後、制御部400は、燃料ガス排気弁241と酸化ガス排気弁341の状態を図8(B)に示す状態にする。このようにすれば、図8(A)に示す状態に移行したときに、第1室531と第2室532の圧力はほぼ同じにして、フィルム540を、弛んだ状態することができる。その後、図8(B)に示す状態に遷移するときの動作は、第2の実施例において説明した動作と同じである。したがって、この実施例においても、同様に、電解質膜121に掛かる応力を低減し、燃料電池100の耐久性を向上させることができる。
The
以上、本実施例によれば、燃料電池100の非発電時において、フィルム540がアノード側に膨らむことにより、電解質膜121に掛かる応力を低減するので、燃料電池100の耐久性を向上させることができる。
As described above, according to the present embodiment, when the
以上、いくつかの実施例に基づいて本発明の実施の形態について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。 The embodiments of the present invention have been described above based on some examples. However, the above-described embodiments of the present invention are for facilitating the understanding of the present invention and limit the present invention. It is not a thing. The present invention can be changed and improved without departing from the spirit and scope of the claims, and it is needless to say that the present invention includes equivalents thereof.
10…燃料電池システム
100…燃料電池
110…発電ユニット
120…膜電極接合体
121…電解質膜
122…カソード触媒層
123…アノード触媒層
132…カソードガス拡散層
133…アノードガス拡散層
142…カソードセパレータプレート
143…アノードセパレータプレート
144…溝
145…溝
152…酸化ガス流路
153…燃料ガス流路
160…ガスケット
172…シール面
173…シール面
175…シール面
176…隙間
177…隙間
190…エンドプレート
200…燃料タンク
210…燃料ガス供給管
220…燃料ガス排気管
221…接続管
230…調圧弁
240…燃料ガス排気弁
241…燃料ガス排気弁
250…圧力計
300…エアポンプ
310…酸化ガス供給管
320…酸化ガス排気管
321…接続管
330…酸化ガス主止弁
340…酸化ガス排気弁
341…酸化ガス排気弁
342…酸化ガス排気弁
350…圧力計
400…制御部
500…圧力調整装置
501…第1室
502…第2室
510…ピストンプレート
520…アクチュエータ
525…ガイドレール
530…圧力調整装置
531…第1室
532…第2室
540…フィルム
DESCRIPTION OF
Claims (5)
電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に形成される第1の触媒層と、他方の面に形成される第2の触媒層と、を有する膜電極接合体と、
前記膜電極接合体を挟持する2つのガス拡散層であって、前記第1、第2の触媒層とそれぞれ隣接する第1、第2のガス拡散層と、
前記膜電極接合体及び前記第1、第2のガス拡散層の外縁部に形成されるガスケットと、
前記2つのガス拡散層と、前記ガスケットと、を挟持するセパレータプレートと、
を備え、
前記ガスケットは前記第1のガス拡散層に侵入するように形成されており、
前記第2のガス拡散層の外縁は、前記第1のガス拡散層の外縁よりも内側に形成されている、
燃料電池。 A fuel cell,
A membrane electrode assembly having an electrolyte membrane, a first catalyst layer formed on one surface of the electrolyte membrane, and a second catalyst layer formed on the other surface;
Two gas diffusion layers sandwiching the membrane electrode assembly, the first and second gas diffusion layers respectively adjacent to the first and second catalyst layers;
A gasket formed on an outer edge of the membrane electrode assembly and the first and second gas diffusion layers;
A separator plate sandwiching the two gas diffusion layers and the gasket;
With
The gasket is formed so as to penetrate the first gas diffusion layer;
The outer edge of the second gas diffusion layer is formed inside the outer edge of the first gas diffusion layer,
Fuel cell.
前記第2の触媒層の外縁は前記電解質膜の外縁より内側に形成されており、
前記第2のガス拡散層の外縁は前記第2の触媒層の外縁よりも内側に形成されており、
前記電解質膜のうちの前記第2の触媒層に覆われていない部分と、前記ガスケットとの間の接触部及び、前記ガスケットと前記セパレータプレートとの接触部は、シール材でシールされている、
燃料電池。 The fuel cell according to claim 1, wherein
The outer edge of the second catalyst layer is formed inside the outer edge of the electrolyte membrane,
The outer edge of the second gas diffusion layer is formed inside the outer edge of the second catalyst layer,
A portion of the electrolyte membrane not covered with the second catalyst layer, a contact portion between the gasket, and a contact portion between the gasket and the separator plate are sealed with a sealing material,
Fuel cell.
前記第1の触媒層はカソード触媒層であり、前記第2の触媒層はアノード触媒層である、燃料電池。 The fuel cell according to claim 1 or 2,
The fuel cell, wherein the first catalyst layer is a cathode catalyst layer and the second catalyst layer is an anode catalyst layer.
請求項1から請求項3のうちのいずれか一項に記載の燃料電池と、
前記燃料電池に燃料ガスを供給するための燃料タンクと、
前記燃料タンクと前記燃料電池とを接続する燃料ガス供給管と、
前記燃料ガス供給管に設けられた圧力調整弁と、
前記燃料タンクに空気を圧縮して供給するためのエアコンプレッサと、
前記エアコンプレッサと前記燃料電池とを接続する酸化ガス供給管と、
燃料電池制御部と、
を備え、
前記燃料電池制御部は、前記燃料電池の発電中に、前記圧力調整弁と前記エアコンプレッサの動作を制御することにより、前記第2の触媒層に掛かる圧力が前記第1の触媒層に掛かる圧力以上となるように調整する、燃料電池システム。 A fuel cell system,
The fuel cell according to any one of claims 1 to 3,
A fuel tank for supplying fuel gas to the fuel cell;
A fuel gas supply pipe connecting the fuel tank and the fuel cell;
A pressure regulating valve provided in the fuel gas supply pipe;
An air compressor for compressing and supplying air to the fuel tank;
An oxidizing gas supply pipe connecting the air compressor and the fuel cell;
A fuel cell control unit;
With
The fuel cell control unit controls the operation of the pressure regulating valve and the air compressor during power generation of the fuel cell so that the pressure applied to the second catalyst layer is applied to the first catalyst layer. A fuel cell system that is adjusted to achieve the above.
前記酸化ガス供給管に設けられた酸化ガス供給弁と、
前記燃料電池からの燃料排ガスを排出するための燃料排ガス管と、
前記燃料排ガス管に設けられた燃料排ガス弁と、
前記燃料電池からの酸化排ガスを排出するための酸化排ガス管と、
前記酸化排ガス管に設けられた酸化排ガス弁と、
前記燃料ガス供給管と前記酸化ガス供給管との間に接続される圧力調整装置と、前記燃料ガス排気管と前記酸化ガス排気管との間に接続される圧力調整装置、のうちの少なくとも一方の圧力調整装置と、
を備え、
前記燃料電池制御部は、前記燃料電池の非発電時において、前記圧力調整装置を用いて前記第2の触媒層に掛かる圧力が前記第1の触媒層に掛かる圧力以上となるように調整する、燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 4, further comprising:
An oxidizing gas supply valve provided in the oxidizing gas supply pipe;
A fuel exhaust pipe for discharging the fuel exhaust gas from the fuel cell;
A fuel exhaust valve provided in the fuel exhaust pipe;
An oxidation exhaust gas pipe for discharging the oxidation exhaust gas from the fuel cell;
An oxidation exhaust gas valve provided in the oxidation exhaust gas pipe;
At least one of a pressure regulator connected between the fuel gas supply pipe and the oxidant gas supply pipe, and a pressure regulator connected between the fuel gas exhaust pipe and the oxidant gas exhaust pipe A pressure regulator of
With
The fuel cell control unit adjusts the pressure applied to the second catalyst layer to be equal to or higher than the pressure applied to the first catalyst layer by using the pressure adjusting device when the fuel cell is not generating electricity; Fuel cell system.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2014191906A (en) * | 2013-03-26 | 2014-10-06 | Toyota Motor Corp | Manufacturing method of membrane electrode assembly with gas diffusion layer, and manufacturing device therefor |
JP2014216110A (en) * | 2013-04-24 | 2014-11-17 | トヨタ自動車株式会社 | Cell structure of fuel cell |
JP2017033644A (en) * | 2015-07-29 | 2017-02-09 | 本田技研工業株式会社 | Resin frame-attached electrolyte membrane-electrode structure and fuel cell |
-
2010
- 2010-10-27 JP JP2010240330A patent/JP2012094366A/en active Pending
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