JP2012099332A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池スタックを備える燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system including a fuel cell stack.
燃料電池は、電解質膜の両面に触媒層を備えた膜電極接合体を有する。従来、触媒層の水蒸気吸着量を適正な値の範囲とすることで、良好な湿潤状態の時は勿論のこと、低加湿状態、高加湿状態の双方において高い出力性能を発揮する燃料電池が提案されている(特許文献1参照)。 The fuel cell has a membrane electrode assembly including catalyst layers on both surfaces of the electrolyte membrane. Conventionally, by setting the water vapor adsorption amount of the catalyst layer to an appropriate value range, a fuel cell that exhibits high output performance in both a low humidification state and a high humidification state as well as in a good wet state has been proposed. (See Patent Document 1).
しかしながら、前記従来の技術では、反応ガスの供給量によっては、ドライアップあるいはフラッディングとなることを免れなかった。ドライアップとなればプロトン伝導性が低下し、フラッディングとなれば反応ガスのガス拡散が阻害されることから、燃料電池の出力性能が低下するという問題が発生した。 However, in the conventional technique, depending on the supply amount of the reaction gas, it is inevitable that it becomes dry up or flooding. When dry-up occurs, proton conductivity decreases. When flooding occurs, gas diffusion of the reaction gas is hindered, resulting in a problem that the output performance of the fuel cell decreases.
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、反応ガスの供給量にかかわらず、燃料電池の出力性能を向上することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to improve the output performance of a fuel cell regardless of the amount of reactant gas supplied.
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以下の形態または適用例として実現することが可能である。 The present invention can be realized as the following forms or application examples in order to solve at least a part of the above-described problems.
[適用例1] 燃料電池システムであって、
第1の触媒層を有する第1の燃料電池スタックと、
保水性が前記第1の触媒層よりも高い第2の触媒層を有する第2の燃料電池スタックと、
前記第1および第2の燃料電池スタックに反応ガスを供給する通路であって、該通路に対して前記第1および第2の燃料電池スタックが並列に接続される反応ガス供給通路と、
前記反応ガス供給通路における各前記燃料電池スタックへの反応ガスの分配量を制御することにより、前記第2の燃料電池スタックに供給する反応ガスの流量を、前記第1の燃料電池スタックに供給する反応ガスの流量よりも多くする流量制御部と
を備える燃料電池システム。
Application Example 1 A fuel cell system,
A first fuel cell stack having a first catalyst layer;
A second fuel cell stack having a second catalyst layer whose water retention is higher than that of the first catalyst layer;
A passage for supplying reaction gas to the first and second fuel cell stacks, wherein the first and second fuel cell stacks are connected in parallel to the passage; and
By controlling the amount of reaction gas distributed to each fuel cell stack in the reaction gas supply passage, the flow rate of the reaction gas supplied to the second fuel cell stack is supplied to the first fuel cell stack. A fuel cell system comprising: a flow rate control unit configured to increase the flow rate of the reaction gas.
適用例1に記載の燃料電池システムによれば、触媒層の保水性が高い側の第2の燃料電池スタックに供給される反応ガスの流量が、触媒層の保水性が低い側の第1の燃料電池スタックに供給される反応ガスの流量よりも多くなる。このために、反応ガス供給通路に送り出す反応ガスの流量(以下、「反応ガス全流量」と呼ぶ)が多くても、触媒層の保水性が低い第1の燃料電池スタックでは、ガス供給量が第2の燃料電池スタックに比べて少なく、ドライアップとなり難い。一方、反応ガス全流量が少なくても、触媒層の保水性が高い第2の燃料電池スタックでは、ガス供給量が第1の燃料電池スタックに比べて多く、フラッディングとなり難い。したがって、第1の燃料電池スタックおよび第2の燃料電池スタックのうちの少なくとも一方は良好な湿度環境を、常に維持することができる。この結果、反応ガス供給通路に1つの燃料電池スタックを接続する従来の燃料電池システムと比べたとき、反応ガス全流量が同じとすると、燃料電池システム全体としての出力性能を向上することができる。 According to the fuel cell system described in Application Example 1, the flow rate of the reaction gas supplied to the second fuel cell stack on the side where the water retention of the catalyst layer is high is the first flow rate on the side where the water retention of the catalyst layer is low. More than the flow rate of the reaction gas supplied to the fuel cell stack. Therefore, even if the flow rate of the reaction gas sent to the reaction gas supply passage (hereinafter referred to as “reaction gas total flow rate”) is large, the gas supply amount is low in the first fuel cell stack in which the water retention of the catalyst layer is low. Compared to the second fuel cell stack, it is less likely to dry up. On the other hand, even if the total flow rate of the reaction gas is small, the second fuel cell stack having a high water retention capacity of the catalyst layer has a larger gas supply amount than the first fuel cell stack, and is not easily flooded. Therefore, at least one of the first fuel cell stack and the second fuel cell stack can always maintain a good humidity environment. As a result, when compared with the conventional fuel cell system in which one fuel cell stack is connected to the reaction gas supply passage, the output performance of the entire fuel cell system can be improved if the total flow rate of the reaction gas is the same.
[適用例2] 適用例1に記載の燃料電池システムであって、
前記第2の燃料電池スタックは、
前記第2の触媒層の酸基密度を前記第1の触媒層の酸基密度よりも高くすることにより、保水性を高くした構成である、燃料電池システム。
[Application Example 2] The fuel cell system according to Application Example 1,
The second fuel cell stack is
A fuel cell system having a structure in which water retention is increased by making the acid group density of the second catalyst layer higher than the acid group density of the first catalyst layer.
適用例2に記載の燃料電池によれば、簡単な酸処理を追加するだけで酸基密度の高い触媒層を作製することができることから、作製が容易である。 According to the fuel cell described in Application Example 2, since a catalyst layer having a high acid group density can be produced simply by adding a simple acid treatment, the production is easy.
[適用例3] 適用例1または2に記載の燃料電池システムであって、
前記流量制御部は、
負荷要求に基づく理論空気量に対する実際に供給されている空気量の比が第1の値となるように、前記第1の燃料電池スタックへの反応ガスの分配量を調整する第1調整部と、
負荷要求に基づく理論空気量に対する実際に供給されている空気量の比が前記第1の値より高い第2の値となるように、前記第2の燃料電池スタックへの反応ガスの分配量を調整する第2調整部と
を備える、燃料電池システム。
[Application Example 3] The fuel cell system according to Application Example 1 or 2,
The flow rate controller
A first adjusting unit that adjusts a distribution amount of the reaction gas to the first fuel cell stack so that a ratio of an actually supplied air amount to a theoretical air amount based on a load request becomes a first value; ,
The distribution amount of the reaction gas to the second fuel cell stack is set so that the ratio of the actually supplied air amount to the theoretical air amount based on the load request becomes a second value higher than the first value. A fuel cell system comprising: a second adjustment unit that adjusts.
適用例3に記載の燃料電池によれば、流量制御部を簡単な構成で実現することができることから、作製が容易である。 According to the fuel cell described in Application Example 3, since the flow rate control unit can be realized with a simple configuration, it is easy to manufacture.
[適用例4] 適用例1ないし3のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記流量制御部により流量の調整を行う前記反応ガスは、酸化剤ガスである、燃料電池システム。
[Application Example 4] The fuel cell system according to any one of Application Examples 1 to 3,
The fuel cell system, wherein the reaction gas whose flow rate is adjusted by the flow rate control unit is an oxidant gas.
生成水はカソード電極側で発生することから、湿潤環境の変化しやすいカソード電極側において、本発明の課題はより重要となる。適用例3に記載の燃料電池システムによれば、カソード電極への反応ガスである酸化剤ガスの供給量が適正に制御されることになることから、より確実に出力性能を向上することができる。 Since the generated water is generated on the cathode electrode side, the problem of the present invention becomes more important on the cathode electrode side where the wet environment is likely to change. According to the fuel cell system described in Application Example 3, since the supply amount of the oxidant gas that is the reaction gas to the cathode electrode is appropriately controlled, the output performance can be more reliably improved. .
さらに、本発明は、上記適用例1ないし4以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、本発明の燃料電池システムを搭載する車両などの形態で実現することが可能である。 Furthermore, the present invention can be realized in various forms other than the first to fourth application examples, and for example, can be realized in the form of a vehicle equipped with the fuel cell system of the present invention.
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて説明する。 Next, embodiments of the present invention will be described based on examples.
A.全体の構成:
図1は、本発明の一実施例における燃料電池システムの全体構成図である。この燃料電池システムは、燃料電池自動車に搭載されており、2つの燃料電池スタック10A、10Bと、反応ガス供給部20と、反応ガス排出部40と、電子制御ユニット60とを備えている。
A. Overall configuration:
FIG. 1 is an overall configuration diagram of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. This fuel cell system is mounted on a fuel cell vehicle, and includes two
各燃料電池スタック10A、10Bは、燃料電池の単セルが積層されたスタック構造である。燃料電池は、反応ガスとしての水素ガスと酸素を含む酸化剤ガスとの供給を受けて電力を発生するもので、ここでは、固体高分子型の燃料電池である。燃料電池スタック10A、10Bの構造については、後ほど詳しく説明する。
Each
反応ガス供給部20は、水素ガスを生成するための燃料改質装置21と、酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給装置31とを備える。
The reactive
燃料改質装置21は、燃料電池システムの外部から供給される炭化水素等の燃料を水蒸気改質法等で高水素濃度の水素ガスに改質する。燃料改質装置21は、複数の燃料電池スタック10A、10B全体の電気化学反応に必要な水素ガスを基本的に過不足なく生成する。燃料改質装置21から出力された水素ガスは、各燃料電池スタック10A、10Bにそれぞれ接続された水素ガス供給通路22A、22Bにより各燃料電池スタック10A、10Bに分配される。すなわち、燃料改質装置21に対して水素ガス供給通路22A、22Bは並列に接続されている。
The
各水素ガス供給通路22A、22Bには、水素ガス流量調節弁23A、23Bがそれぞれ設けられており、水素ガス流量調節弁23A、23Bにより各燃料電池スタック10A、10Bで必要な水素ガス量に分配調整される。
Hydrogen gas flow
酸化剤ガス供給装置31は、燃料電池システムの外部から供給される空気等の酸化剤ガスを所定の圧力・温度に調整する。酸化剤ガス供給装置31から出力された酸化剤ガスは、各燃料電池スタック10A、10Bにそれぞれ接続された酸化剤ガス供給通路32A、32Bにより各燃料電池スタック10A、10Bに分配される。すなわち、酸化剤ガス供給装置31に対して酸化剤ガス供給通路32A、32Bは並列に接続されている。
The oxidant
各酸化剤ガス供給通路32A、32Bには、酸化剤ガス流量調節弁33A、33Bがそれぞれ設けられており、酸化剤ガス流量調節弁33A、33Bにより各燃料電池スタック10A、10Bで必要な酸化剤ガス量に分配調整される。
The oxidant
反応ガス排出部40は、水素ガス排出通路42A、42Bと酸化剤ガス排出通路44A、44Bとを備える。水素ガス排出通路42A、42Bは、各燃料電池スタック10A、10Bの排出水素ガスを排出する。酸化剤ガス排出通路44A、44Bは、各燃料電池スタック10A、10Bの排出酸化剤ガスを排出する。
The reactive
電子制御ユニット60は、内部にCPU、RAM、ROMを備えるマイクロコンピュータとして構成されており、ROMに記憶されたコンピュータプログラムをRAMに展開して実行することで、アクセル開度センサ62からの出力信号を入力し、反応ガス供給部20に設けられた水素ガス流量調節弁23A、23Bや酸化剤ガス流量調節弁33A、33Bに駆動信号を出力し、燃料電池システムの運転を制御する。なお、燃料電池システムには、水素ガス流量調節弁23A、23Bや酸化剤ガス流量調節弁33A、33B以外にも図示しない各種のアクチュエータが設けられており、電子制御ユニット60はこれらアクチュエータを制御することで、燃料電池システムの運転全体を制御する。
The
B.単セルの構成:
図2は、燃料電池スタック10A、10Bに備えられる燃料電池の一単位である単セル80の構成を概略的に示す説明図である。図示するように、単セル80は、電解質膜81と、電解質膜81を挟持してサンドイッチ構造をなす一対の触媒層82,83と、このサンドイッチ構造をさらに挟持する一対のガス拡散層84,85と、これらの構造をガス拡散層84,85の外側からさらに挟持するセパレータ86a,86bとから構成されている。
B. Single cell configuration:
FIG. 2 is an explanatory diagram schematically showing the configuration of a
ここで、セパレータ86a,86bは、ガス拡散層84,85との間に、水素ガス及び酸化剤ガスの単セル内流路87P、88Pを形成する。水素ガスの単セル内流路87Pに、図示しない水素ガスマニホールドを介して、前述した反応ガス供給部20の水素ガス供給通路22Aが接続されている。酸化剤ガスの単セル内流路88Pに、図示しない酸化剤ガスマニホールドを介して、前述した反応ガス供給部20の酸化剤ガス供給通路32A、32Bが接続されている。
Here, the
電解質膜81は、固体高分子材料、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。本実施例では、厚さ50μmのナフィオン膜(デュポン社製、ナフィオン112)を使用した。
The
触媒層82,83は、表面に触媒を担持したカーボン粒子と導電性ポリマとからなる層であり、後述するように、上記触媒を担持したカーボン粒子と導電性ポリマとからなる触媒インクを、ガス拡散層上に塗布することによって形成される。触媒層82,83は、既述した電気化学反応が進行する領域であり、本発明の要部に対応するが、その詳しい構造および作製方法は後述する。 The catalyst layers 82 and 83 are layers composed of carbon particles carrying a catalyst on the surface and a conductive polymer. As will be described later, the catalyst ink composed of the carbon particles carrying the catalyst and a conductive polymer is used as a gas. It is formed by coating on the diffusion layer. The catalyst layers 82 and 83 are regions where the above-described electrochemical reaction proceeds, and correspond to the main part of the present invention. The detailed structure and manufacturing method thereof will be described later.
ガス拡散層84,85は、それぞれ、表面をポリテトラフルオロエチレン(PTFE、テフロン(登録商標))によってコーティングすることで撥水化したカーボンペーパによって形成されている。単セル80を形成するには、まず、電解質膜81をガス拡散層84,85で挟持した構造(電極アセンブリ)を形成するが、その際には、PTFEでコートした上記カーボンペーパ上に、触媒インク(触媒を担持したカーボン粒子と導電性ポリマとからなるインク)を塗布したものを一対用意し、このカーボンペーパ上に塗布した触媒インクを100℃にて真空乾燥させた後、これら一対のカーボンペーパで電解質膜81を挟持する。このとき、触媒インクの塗布面が電解質膜側に接する様に配置し、面圧50kg/cm2 、温度130℃にて熱圧プレスを行なって、上記電極アセンブリを得る。
The gas diffusion layers 84 and 85 are each formed of carbon paper that has been made water-repellent by coating the surface with polytetrafluoroethylene (PTFE, Teflon (registered trademark)). In order to form the
セパレータ86a,86bは、ガス不透過の導電性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンや、金属製部材などにより形成される。セパレータ86a,86bはその表面に、所定の形状のリブ部を形成しており、既述したように、隣接するガス拡散層との間で水素ガスの単セル内流路87Pあるいは酸化剤ガスの単セル内流路88Pを形成する。図2では、各セパレータ86a,86bの片面においてだけガス流路を成すリブが形成されているように表わされているが、実際は、両方の面に形成されている。セパレータ86a,86bのそれぞれの片面に形成されたリブは隣接するガス拡散層84との間で水素ガスの単セル内流路87Pを形成し、セパレータ86a,86bの他面に形成されたリブは隣接する単セルが備えるガス拡散層85との間で酸化剤ガスの単セル内流路88Pを形成する。したがって、セパレータ86a,86bは、ガス拡散層との間でガスの流路を形成すると共に、隣接する単セル間で水素ガスと酸化剤ガスとの流れを分離する役割を果たしている。
The
なお、各セパレータの表面に形成されたリブの形状は、ガス流路を形成してガス拡散層に対して燃料ガスまたは酸化剤ガスを供給可能であれば、いずれの形状とすることもできる。本実施例では、各セパレータの表面に形成されたリブは平行に形成された複数の溝状の構造とした。 In addition, the shape of the rib formed on the surface of each separator may be any shape as long as the gas flow path is formed and the fuel gas or the oxidant gas can be supplied to the gas diffusion layer. In this embodiment, the ribs formed on the surface of each separator have a plurality of groove-like structures formed in parallel.
以上、燃料電池の基本構造である単セル80の構成について説明した。実際に燃料電池スタックとして組み立てるときには、単セル80を複数組積層し(例えば100組)、その両端にさらに集電板、絶縁板、エンドプレート(図示せず)を配置して、燃料電池スタック10A、10Bを完成する。
The configuration of the
C.触媒層の構成:
一方の燃料電池スタック(以下、「第1の燃料電池スタック」と呼ぶ)10Aと他方の燃料電池スタック(以下、「第2の燃料電池スタック」と呼ぶ)10Bとは、次の点で相違する。すなわち、第2の燃料電池スタック10Bにおける酸化剤ガス側の電極として機能する触媒層83の酸基密度が、第1の燃料電池スタック10Aにおける酸化剤ガス側の電極として機能する触媒層83の酸基密度と比べて、高くなっている。本実施例では、第1の燃料電池スタック10Aにおける触媒層83の酸基密度は0.3mmol/g-Cであり、第2の燃料電池スタック10Bにおける触媒層83の酸基密度は0.85mmol/g-Cである。なお、ここでいう酸とは、カルボン酸(COOH)である。
C. Configuration of catalyst layer:
One fuel cell stack (hereinafter referred to as “first fuel cell stack”) 10A and the other fuel cell stack (hereinafter referred to as “second fuel cell stack”) 10B are different in the following points. . That is, the acid group density of the
図3は、酸基密度の高低による触媒層の違いを示す説明図である。図3(a)は酸基密度の低い触媒層の様子を模式的に示した図であり、図3(b)は酸基密度の高い触媒層の様子を模式的に示した図である。 FIG. 3 is an explanatory diagram showing the difference in the catalyst layer depending on the acid group density. FIG. 3A is a diagram schematically showing the state of the catalyst layer having a low acid group density, and FIG. 3B is a diagram schematically showing the state of the catalyst layer having a high acid group density.
図3(a)、(b)に示すように、触媒層は、触媒粒子101と触媒粒子101の回りを覆うプロトン伝導性ポリマとから形成されている。触媒粒子101は、担持体103に貴金属105が担持されたものである。本実施例においては、担持体103として、例えば、疎水性のカーボンブラック(粒径約0.1〜20μm)が用いられている。また担持される貴金属105として、例えば、白金あるいは白金合金が用いられている。
As shown in FIGS. 3A and 3B, the catalyst layer is formed of
導電性ポリマにおいては、担持体103の表面に向かって触媒酸基107を露出し、さらにアイオノマースルホン酸基109を備える。
In the conductive polymer, the
触媒層の構成は上述した通りであるが、酸基密度の低い触媒層と酸基密度の高い触媒層とを比較してみると、触媒酸基107の数が相違する。酸基密度の低い図3(a)の例では、触媒酸基107の数は7個である。これに対して酸基密度の高い図3(b)の例では、触媒酸基107の数は12個である。このように、酸基密度の高い触媒層は、酸基密度の低い触媒層に比べて、触媒酸基107の数が多い。触媒酸基107は水分子を強く引きつけることから、触媒酸基107の数が多い高酸基密度の触媒層は、低酸基密度の触媒層に比べて、保水性が高い。
The structure of the catalyst layer is as described above. However, when the catalyst layer having a low acid group density is compared with the catalyst layer having a high acid group density, the number of catalyst
以上のことから、第2の燃料電池スタック10Bにおける触媒層83(以下、この触媒層83を「触媒層83B」と呼ぶ)は、第1の燃料電池スタック10Aにおける触媒層83と比べて、保水性が高いものとなっている。
From the above, the
D.触媒インクの作製方法:
触媒層83A、83Bの酸基密度の低い高いは、触媒インクの成分によって変わってくる。そこで、触媒インクの作製方法を次に説明する。
D. Preparation method of catalyst ink:
The high acid group density of the catalyst layers 83A and 83B varies depending on the components of the catalyst ink. Therefore, a method for producing a catalyst ink will be described next.
図4は、触媒インクの作製方法を示す工程図である。この工程図は、第2の燃料電池スタック10Bにおける触媒層83Bに用いる触媒インクについてのものである。図示するように、まず、担持体として、Ketjen EC(ケッチエンプラックインターナショナル社)やVulcan(Cabot社)などのカーボンブラックを用意する(第1工程S1)。なお、カーボンブラックに換えて、カーボンナノチューブやアセチレンブラックなどを用いてもよい。
FIG. 4 is a process diagram showing a method for producing a catalyst ink. This process diagram is for the catalyst ink used for the catalyst layer 83B in the second
次いで、第1工程S1で用意したカーボンブラックを、蒸留水に懸濁撹拌し、Pt化合物(塩化白金酸など)を滴下し、エタノールなどの還元剤を滴下することにより、Ptをカーボンブラック上に析出させる(第2工程S2)。 Next, the carbon black prepared in the first step S1 is suspended and stirred in distilled water, a Pt compound (chloroplatinic acid, etc.) is dropped, and a reducing agent such as ethanol is dropped, whereby Pt is deposited on the carbon black. Precipitate (second step S2).
その後、第2工程S2で得られた混合物をろ過し、固形物を乾操させることによりPt担持触媒を得る(第3工程S3)。 Thereafter, the mixture obtained in the second step S2 is filtered, and the solid matter is dried, thereby obtaining a Pt-supported catalyst (third step S3).
さらに、第3工程S3で得られたPt担持触媒に対して、0.5N硝酸を用いて90℃で24時間掛けて酸処理を施す(第4工程S4)。第4工程S4の処理は、第3工程S3で得られたPt担持触媒の酸基密度を高めるためのものである。第1工程S1ないし第3工程S3は、第2の燃料電池スタック10Bにおける触媒層83Bを作製する場合にも同様に実行され、第1工程S1ないし第3工程S3により、酸基密度が0.3mmol/g-Cである触媒粒子を得ることができる。これに対して、第2の燃料電池スタック10Bにおける触媒層83Bの触媒インクを作製する場合には、第4工程S4をさらに実行することで、触媒層83の酸基密度を0.85mmol/g-Cとする。
Further, the Pt-supported catalyst obtained in the third step S3 is subjected to an acid treatment using 0.5N nitric acid at 90 ° C. for 24 hours (fourth step S4). The treatment in the fourth step S4 is for increasing the acid group density of the Pt-supported catalyst obtained in the third step S3. The first step S1 to the third step S3 are executed in the same manner when the catalyst layer 83B in the second
その後、第4工程S4で得られたPt担持触媒に蒸留水を加えた後に、エタノールや1-プ口パノールなどの溶媒を加え、プロトン伝導体としてナフィオン溶液(デュポン社製、EW1000)をさらに加える(第5工程S5)。このときの添加量は、スルホン酸密度が0.8になるよう調製した。その後、この混合物を十分に揖梓し、粒子の微粒化や均一分散のため、超音波照射やビーズミルなどによる分散処理を行った(第6工程S6)。以上で、第2の燃料電池スタック10Bにおける触媒層83Bに用いる触媒インクを作製することができる。
Thereafter, after adding distilled water to the Pt-supported catalyst obtained in the fourth step S4, a solvent such as ethanol or 1-panol is added, and a Nafion solution (manufactured by DuPont, EW1000) is further added as a proton conductor. (5th process S5). The amount added was adjusted so that the sulfonic acid density was 0.8. Thereafter, this mixture was sufficiently stirred and subjected to dispersion treatment by ultrasonic irradiation, bead milling, etc. in order to atomize and uniformly disperse the particles (sixth step S6). Thus, the catalyst ink used for the catalyst layer 83B in the second
なお、第1の燃料電池スタック10Aにおける触媒層83Aを作製する場合は、第4工程S4の酸処理を除いた工程、すなわち、第1工程S1、第2工程S2、第3工程S3、第5工程S5、および第6工程S6と実行すれば、前記触媒層83Aに用いる触媒インクを作製することができる。
Note that when the catalyst layer 83A in the first
E.制御処理:
図5は、電子制御ユニット60により実行される空気流量制御ルーチンを示すフローチャートである。この空気流量制御ルーチンは、電子制御ユニット60における燃料電池スタック10A、10Bの運転制御の一部として、所定時間毎に繰り返し実行される。
E. Control processing:
FIG. 5 is a flowchart showing an air flow rate control routine executed by the
図3に示すように、処理が開始されると、電子制御ユニット60のCPUは、負荷要求電流に基づいて理論空気量を算出する(ステップS110)。負荷要求電流とは、負荷が要求する発電電流である。負荷は、本来、燃料電池の電力を利用するもの全てを意味するが、ここでは、負荷は主にモータであるとして、アクセルの開度により負荷要求が判るものとしている。すなわち、アクセル開度センサ62からの出力信号に基づいて、負荷要求を達成するために理論的に必要な空気量、すなわち理論空気量を算出する。これは、周知の演算式に基づくものである。
As shown in FIG. 3, when the process is started, the CPU of the
次いで、電子制御ユニット60のCPUは、理論空気量に対する実際に供給されている空気量(以下、「実空気量」と呼ぶ)の比(以下、「空気比」と呼ぶ)が1.2となるように、第1の燃料電池スタック10A側の酸化剤ガス流量調節弁33Aを調整する(ステップS120)。空気比は次式(1)で示されることから、次式(1)を変形した次式(2)より実空気量を求め、この実空気量を実現するように、酸化剤ガス流量調節弁33Aを調整する。
Next, the CPU of the
空気比=実空気量/理論空気量 …(1)
実空気量=空気比・理論空気量 …(2)
Air ratio = actual air amount / theoretical air amount (1)
Actual air volume = Air ratio / Theoretical air volume (2)
すなわち、ステップS120では、ステップS110で算出した理論空気量を1.2倍することで実空気量を求め、その実空気量を実現するように、第1の燃料電池スタック10A側の酸化剤ガス流量調節弁33Aを調整する。
That is, in step S120, the actual air amount is obtained by multiplying the theoretical air amount calculated in step S110 by 1.2, and the oxidant gas flow rate on the first
続いて、電子制御ユニット60のCPUは、空気比が1.4となるように、第2の燃料電池スタック10B側の酸化剤ガス流量調節弁33Bを調整する(ステップS130)。すなわち、ステップS110で算出した理論空気量を1.4倍することで実空気量を求め、この実空気量を実現するように、第2の燃料電池スタック10B側の酸化剤ガス流量調節弁33Bを調整する。
Subsequently, the CPU of the
ステップS120とステップS130とは、この順を入れ替えて実行することもでき、実質的に同時に実行される。ステップS130の実行後、「リターン」に抜けて、この空気流量制御ルーチンを一旦終了する。 Step S120 and step S130 can be executed by switching the order, and are executed substantially simultaneously. After the execution of step S130, the process returns to “RETURN”, and this air flow rate control routine is temporarily terminated.
以上のように構成された空気流量制御ルーチンによれば、第1の燃料電池スタック10Aに対しては、空気比が1.2といった比較的少ない流量の酸化剤ガスとしての空気が供給され、第2の燃料電池スタック10Bに対しては、空気比が1.4といった比較的多い流量の空気が供給されることになる。すなわち、触媒層83Aの保水性が比較的低い第1の燃料電池スタック10Aに対し少ない流量の空気が供給され、触媒層83Bの保水性が比較的高い第2の燃料電池スタック10Bに対し多い流量の空気が供給されることになる。
According to the air flow rate control routine configured as described above, the first
なお、本実施例においては、酸化剤ガス供給通路32A、32Bに設けられた酸化剤ガス流量調節弁33A、33Bと、電子制御ユニット60と、電子制御ユニット60で実行される空気流量制御ルーチンとが、適用例1における「流量制御部」を構成する。
In this embodiment, the oxidant gas flow
F.実施例効果:
以上説明したように、本実施例の燃料電池スタックでは、保水性が比較的低い第1の燃料電池スタック10Aでは、供給空気の空気比が1.2となっており、保水性が比較的高い第2の燃料電池スタック10Bでは、供給空気の空気比が1.4となっている。このため、燃料電池システム全体で見れば、空気比は1.3となるが、両燃料電池スタック10A、10Bのそれぞれの空気比を1.3とした場合と比べて、本実施例の方がより高い出力性能を得ることができる。高い出力性能を得ることができるのは次の理由による。
F. Example effect:
As described above, in the fuel cell stack of the present embodiment, in the first
酸化剤ガス供給装置31の吐出量が多くても、触媒層83Aの保水性が低い第1の燃料電池スタック10Aでは、ガス供給量が第2の燃料電池スタック10Bに比べて少なく、ドライアップとなり難い。一方、酸化剤ガス供給装置31の吐出量が少なくても、触媒層83Bの保水性が高い第2の燃料電池スタック10Bでは、ガス供給量が第1の燃料電池スタック10Aに比べて多く、フラッディングとなり難い。したがって、第1の燃料電池スタック10Aおよび第2の燃料電池スタック10Bのうちの少なくとも一方は良好な湿度環境を、常に維持することができ、燃料電池システム全体としての出力性能を向上することができるためである。
Even if the discharge amount of the oxidant
図6は、低酸基密度の触媒層の燃料電池スタックと、高酸基密度の触媒層の燃料電池スタックとの双方における空気比と出力電圧との関係を示すグラフである。図示のグラフからも、低酸基密度の触媒層の燃料電池スタックの場合、空気比が1.2程度の低いときに出力電圧が大きくなり、高酸基密度の触媒層の燃料電池スタックの場合、空気比が1.4程度の高いときに出力電圧が大きくなる。この実験結果からも、第1の燃料電池スタック10Aおよび第2の燃料電池スタック10Bのうちの少なくとも一方は良好な湿度環境を、常に維持することができることが判る。
FIG. 6 is a graph showing the relationship between the air ratio and the output voltage in both the low acid group density catalyst layer fuel cell stack and the high acid group density catalyst layer fuel cell stack. As shown in the graph, in the case of a fuel cell stack with a catalyst layer with a low acid group density, the output voltage increases when the air ratio is as low as about 1.2, and in the case of a fuel cell stack with a catalyst layer with a high acid group density. The output voltage increases when the air ratio is as high as about 1.4. Also from this experimental result, it can be seen that at least one of the first
G.変形例:
この発明は前記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
G. Variations:
The present invention is not limited to the above-described examples and embodiments, and can be implemented in various modes without departing from the gist thereof. For example, the following modifications are possible.
・変形例1:
前記実施例および各変形例では、第1の燃料電池スタック10A側の触媒層83の酸基密度を0.3mmol/g-Cとし、第2の燃料電池スタック10B側の触媒層83の酸基密度を0.85mmol/g-Cとしたが、これら数値は、第2の燃料電池スタック10B側の触媒層83の酸基密度が第1の燃料電池スタック10A側の触媒層83の酸基密度よりも高ければ、いずれの値に変えることもできる。また、前記実施例および各変形例では、前記酸基密度を変えることで、第1および第2の燃料電池スタック10A.10Bの保水性が変わる構成としたが、これに換えて、触媒担持体に対するプロトン伝導性ポリマの量を変えること、アイオノマー(プロトン伝導性ポリマ)のEW(スルホン酸の当量モル重量:イオン交換基1mol当たりのイオン交換樹脂乾燥重量)を変えること等により、保水性が変わる構成としてもよい。触媒担持体に対するプロトン伝導性ポリマの量を多くすると保水性が向上する。アイオノマーのEWを低くすると、イオン交換基の含有mol数が大きくなるので保水性が向上する。
・ Modification 1:
In the embodiment and each modification, the acid group density of the
・変形例2:
前記実施例および各変形例では、低酸基密度の触媒層83を有する第1の燃料電池スタック10Aに対して、空気比が1.2となるように酸化剤ガスの供給を行い、高酸基密度の触媒層83を有する第2の燃料電池スタック10Bに対して、空気比が1.4となるように酸化剤ガスの供給を行っていたが、これら数値は、第2の燃料電池スタック10B側の空気比が第1の燃料電池スタック10A側の空気比よりも高く、かつ1.0以上であれば、いずれの値に変えることもできる。
Modification 2
In the above-described embodiments and modifications, the oxidant gas is supplied to the first
・変形例3:
前記実施例および各変形例では、第1および第2の燃料電池スタック20A、20Bへの反応ガスの分配は、各酸化剤ガス供給通路32A、32Bに設けられた各酸化剤ガス流量調節弁33A、33Bで行うように構成したが、これに換えて、各酸化剤ガス供給通路32A、32Bの連結部に3方弁を設ける構成としてもよい。
・ Modification 3:
In the above-described embodiments and modifications, the reaction gas is distributed to the first and second fuel cell stacks 20A and 20B by the respective oxidant gas flow
・変形例4:
前記実施例および各変形例では、空気流量制御ルーチンにより反応ガスとして酸化剤ガス(空気)を調整する構成としたが、これに換えて、水素ガスを調整する構成としてもよい。燃料電池では生成水はカソード電極側で発生するが、電解質膜を介してアノード電極側に生成水は移動することから、空気に換えて水素ガスを調整することでも、前記実施例と同様な構成を奏することができる。
-Modification 4:
In the embodiment and each modification, the oxidant gas (air) is adjusted as the reaction gas by the air flow rate control routine. However, instead of this, the hydrogen gas may be adjusted. In the fuel cell, the generated water is generated on the cathode electrode side, but the generated water moves to the anode electrode side through the electrolyte membrane. Therefore, the same configuration as in the above embodiment can be obtained by adjusting hydrogen gas instead of air. Can be played.
・変形例5:
前記実施例および変形例では、2つの燃料電池スタックを設ける構成としたが、これに換えて、3以上の数の燃料電池スタックを設ける構成としてもよい。この場合にも、3以上の数の燃料電池スタックから選択した2つの燃料電池スタックについて本発明の構成が適用されていればよく、残りの燃料電池スタックについてはどのような構成でも構わない。
-Modification 5:
In the embodiment and the modified example, two fuel cell stacks are provided. However, instead of this, a structure in which three or more fuel cell stacks are provided may be used. Also in this case, it is sufficient that the configuration of the present invention is applied to two fuel cell stacks selected from three or more fuel cell stacks, and any configuration may be used for the remaining fuel cell stacks.
・変形例6:
前記実施例および変形例とは異なる種類の燃料電池に本発明を適用することとしてもよい。例えば、ダイレクトメタノール型燃料電池に適用することができる。あるいは、固体高分子以外の電解質層を有する燃料電池であってもよく、本発明を適用することで同様の効果が得られる。
Modification 6:
The present invention may be applied to a fuel cell of a different type from the above embodiments and modifications. For example, it can be applied to a direct methanol fuel cell. Or the fuel cell which has electrolyte layers other than a solid polymer may be sufficient, and the same effect is acquired by applying this invention.
・変形例7:
前記実施例や各変形例の燃料電池システムは、車両(自動車)に搭載する構成に替えて、船舶、航空機などの他の移動体や、その他各種産業機械などに搭載することも可能である。
Modification 7:
The fuel cell systems according to the above-described embodiments and modifications may be mounted on other mobile objects such as ships and aircraft, and other various industrial machines, instead of being mounted on a vehicle (automobile).
なお、上記実施例において、ソフトウェアによって実現されていた構成(空気流量制御ルーチン)の一部をハードウェアに置き換えるようにしてもよい。また、前述した実施例および各変形例における構成要素の中の、独立請求項で記載された要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。さらに、本発明はこれらの実施例および各変形例になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々の態様での実施が可能である。 In the embodiment, a part of the configuration (air flow control routine) realized by software may be replaced with hardware. Moreover, elements other than the elements described in the independent claims among the components in the above-described embodiments and modifications are additional elements and can be omitted as appropriate. Furthermore, the present invention is not limited to these examples and modifications, and can be implemented in various modes without departing from the scope of the invention.
10A…第1の燃料電池スタック
10B…第2の燃料電池スタック
20…反応ガス供給部
21…燃料改質装置
22A…水素ガス供給通路
22B…水素ガス供給通路
23A…水素ガス流量調節弁
23B…水素ガス流量調節弁
31…酸化剤ガス供給装置
32A…酸化剤ガス供給通路
32B…酸化剤ガス供給通路
33A…酸化剤ガス流量調節弁
33B…酸化剤ガス流量調節弁
40…反応ガス排出部
42A…水素ガス排出通路
42B…水素ガス排出通路
44A…酸化剤ガス排出通路
44B…酸化剤ガス排出通路
60…電子制御ユニット
62…アクセル開度センサ
80…単セル
81…電解質膜
82…触媒層
83…触媒層
83A…触媒層
83B…触媒層
84…ガス拡散層
85…ガス拡散層
86a…セパレータ
87P…単セル内流路
88P…単セル内流路
101…触媒粒子
103…担持体
105…貴金属
107…触媒酸基
109…アイオノマースルホン酸基
DESCRIPTION OF
Claims (4)
第1の触媒層を有する第1の燃料電池スタックと、
保水性が前記第1の触媒層よりも高い第2の触媒層を有する第2の燃料電池スタックと、
前記第1および第2の燃料電池スタックに反応ガスを供給する通路であって、該通路に対して前記第1および第2の燃料電池スタックが並列に接続される反応ガス供給通路と、
前記反応ガス供給通路における各前記燃料電池スタックへの反応ガスの分配量を制御することにより、前記第2の燃料電池スタックに供給する反応ガスの流量を、前記第1の燃料電池スタックに供給する反応ガスの流量よりも多くする流量制御部と
を備える燃料電池システム。 A fuel cell system,
A first fuel cell stack having a first catalyst layer;
A second fuel cell stack having a second catalyst layer whose water retention is higher than that of the first catalyst layer;
A passage for supplying reaction gas to the first and second fuel cell stacks, wherein the first and second fuel cell stacks are connected in parallel to the passage; and
By controlling the amount of reaction gas distributed to each fuel cell stack in the reaction gas supply passage, the flow rate of the reaction gas supplied to the second fuel cell stack is supplied to the first fuel cell stack. A fuel cell system comprising: a flow rate control unit configured to increase the flow rate of the reaction gas.
前記第2の燃料電池スタックは、
前記第2の触媒層の酸基密度を前記第1の触媒層の酸基密度よりも高くすることにより、保水性を高くした構成である、燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1,
The second fuel cell stack is
A fuel cell system having a structure in which water retention is increased by making the acid group density of the second catalyst layer higher than the acid group density of the first catalyst layer.
前記流量制御部は、
負荷要求に基づく理論空気量に対する実際に供給されている空気量の比が第1の値となるように、前記第1の燃料電池スタックへの反応ガスの分配量を調整する第1調整部と、
負荷要求に基づく理論空気量に対する実際に供給されている空気量の比が前記第1の値より高い第2の値となるように、前記第2の燃料電池スタックへの反応ガスの分配量を調整する第2調整部と
を備える、燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1 or 2,
The flow rate controller
A first adjusting unit that adjusts a distribution amount of the reaction gas to the first fuel cell stack so that a ratio of an actually supplied air amount to a theoretical air amount based on a load request becomes a first value; ,
The distribution amount of the reaction gas to the second fuel cell stack is set so that the ratio of the actually supplied air amount to the theoretical air amount based on the load request becomes a second value higher than the first value. A fuel cell system comprising: a second adjustment unit that adjusts.
前記流量制御部により流量の調整を行う前記反応ガスは、酸化剤ガスである、燃料電池システム。 The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3,
The fuel cell system, wherein the reaction gas whose flow rate is adjusted by the flow rate control unit is an oxidant gas.
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