JP2020087773A - 燃料電池のガスパージ方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池内に残る燃料ガスおよび水素イオンを素早く排出することが可能な燃料電池のガスパージ方法を提供する。【解決手段】本発明の燃料電池のガスパージ方法は、酸化ガス流路（２１Ａ）に対する酸化ガスの供給と燃料ガス流路（２１Ｂ）に対する燃料ガスの供給が停止された状態で、燃料ガス流路（２１Ｂ）内の不活性ガスの圧力が酸化ガス流路（２１Ａ）内の不活性ガスの圧力よりも高くなるよう差圧を付けて、酸化ガス流路（２１Ａ）と燃料ガス流路（２１Ｂ）内のうち少なくとも燃料ガス流路（２１Ｂ）内に不活性ガスを供給する工程を含む。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池のガスパージ方法に関する。

固体高分子型燃料電池等の燃料電池の単セルは、
高分子電解質膜等からなる電解質膜と、電解質膜の一方の面に形成されたカソード側電極触媒層と、電解質膜の他方の面に形成されたアノード側電極触媒層とからなる膜電極接合体（ＭＥＡ）と、
このＭＥＡを挟持するカソード側ガス拡散層およびアノード側ガス拡散層とを含む膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ）を備える。
燃料電池の単セルはさらに、ＭＥＧＡを挟持するカソード側セパレータとアノード側セパレータを備える。カソード側セパレータのカソード側ガス拡散層側の面には酸化ガス流路が形成され、アノード側セパレータのアノード側ガス拡散層側の面には燃料ガス流路が形成されている。

燃料電池では、酸素ガスおよび空気等の酸化ガスと、水素ガスおよびメタノールガス等の燃料ガスとを用いて発電が行われる。外部より供給された酸化ガスの一部がカソード側ガス拡散層を介してカソード側電極触媒層に供給される。外部より供給された燃料ガスの一部がアノード側ガス拡散層を介してアノード側電極触媒層に供給され、触媒存在下の反応により水素イオン（プロトン）が生成される。アノード側電極触媒層で生成された水素イオンは電解質膜を選択的に透過し、カソード側電極触媒層において、触媒存在下で酸素および電子と反応して、水を生成する。生成された水は、カソード側ガス拡散層を介して外部に排出される。燃料電池では、上記のような水素と酸素の化学反応によって、電気エネルギーが生じる。

特開２００７−２７３２７６号公報

発電を停止するときには、燃料電池に対して酸化ガスと燃料ガスの供給を同時に停止する。酸化ガスと燃料ガスの供給が停止された後も、電池内に残る燃料ガスまたは水素イオンによって発電が継続される。
従来、発電停止を素早く行えるよう、電池内に残る酸化ガスおよび燃料ガスを素早く除去する方法として、特許文献１には、酸化ガス流路と燃料ガス流路に、上記の水素と酸素の化学反応に対して不活性なガス（例えば窒素ガス）を供給し、これら流路内に残る酸化ガスおよび燃料ガスを排出する方法が開示されている（請求項１、図３）。しかしながら、この方法では、不活性ガスの流れる方向がＭＥＧＡの面に対して平行な方向であり、酸化ガス流路内の不活性ガスと燃料ガス流路内の不活性ガスは等圧であるため、不活性ガスはＭＥＧＡの内部に積極的には入っていかない。そのため、この方法では、アノード側電極触媒層等の内部に残る水素イオンとカソード側電極触媒層等の内部に残る酸素を排出することができず、これらの反応による発電の継続を止めることはできない。アノード側電極触媒層等の内部に残る水素イオンが、電解質膜を透過し、カソード側電極触媒層内に残る酸素と反応して消費されるまで、発電は継続してしまう。発電が継続する間は、高電圧状態が続き、好ましくない。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、燃料電池内に残る燃料ガスおよび水素イオンを素早く排出することが可能な燃料電池のガスパージ方法を提供することを目的とする。

本発明の燃料電池のガスパージ方法は、
電解質膜と、
前記電解質膜の一方の面に順次形成されたカソード側電極触媒層、カソード側ガス拡散層、およびカソード側セパレータと、
前記電解質膜の他方の面に順次形成されたアノード側電極触媒層、アノード側ガス拡散層、およびアノード側セパレータとを備え、
前記カソード側セパレータの前記カソード側ガス拡散層側の面に酸化ガス流路が形成され、前記アノード側セパレータの前記アノード側ガス拡散層側の面に燃料ガス流路が形成された燃料電池のガスパージ方法であって、
前記酸化ガス流路に対する酸化ガスの供給と前記燃料ガス流路に対する燃料ガスの供給が停止された状態で、
前記燃料ガス流路内の不活性ガスの圧力が前記酸化ガス流路内の不活性ガスの圧力よりも高くなるよう差圧を付けて、前記酸化ガス流路と前記燃料ガス流路内のうち少なくとも前記燃料ガス流路内に不活性ガスを供給する工程を含むものである。

本発明によれば、燃料電池内に残る燃料ガスおよび水素イオンを素早く排出することが可能な燃料電池のガスパージ方法を提供することができる。

本発明に係る一実施形態の燃料電池の要部模式断面図である。

図面を参照して、本発明に係る一実施形態の燃料電池の構成について、説明する。ここでは、固体高分子型燃料電池を例として説明するが、本発明は任意の燃料電池に適用可能である。図１は、固体高分子型燃料電池の単セルの要部模式断面図である。

固体高分子型燃料電池の単セル１は、
電解質膜１１と、電解質膜１１の一方の面に形成されたカソード側電極触媒層１３Ａと、電解質膜１１の他方の面に形成されたアノード側電極触媒層１３Ｂとからなる膜電極接合体（ＭＥＡ）１２と、
このＭＥＡ１２を挟持するカソード側ガス拡散層１４Ａおよびアノード側ガス拡散層１４Ｂとを含む膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ）１０を備える。
燃料電池の単セル１はさらに、ＭＥＧＡ１０を挟持するカソード側セパレータ２０Ａとアノード側セパレータ２０Ｂを備える。カソード側セパレータ２０Ａのカソード側ガス拡散層１４Ａ側の面には酸化ガス流路２１Ａが形成され、アノード側セパレータ２０Ｂのアノード側ガス拡散層１４Ｂ側の面には燃料ガス流路２１Ｂが形成されている。酸化ガスとしては、酸素ガスおよび空気等が挙げられる。燃料ガスとしては、水素ガスおよびメタノールガス等が挙げられる。

電解質膜１１はスルホン酸基を有する含フッ素イオン交換樹脂等の電解質からなり、プロトン伝導性を有する膜である。
電極触媒層１３Ａ、１３Ｂは、粉末状のカーボン担体に触媒が担持された触媒担持カーボンと、電解質樹脂とを含む。カーボン担体の材料としては、アセチレンブラック等のカーボンブラック等が好ましい。触媒としては、白金、金、およびパラジウム等の貴金属触媒が好ましい。

カソード側ガス拡散層１４Ａは、電解質膜１１側から、カソード側マイクロポーラス層１５Ａとカソード側基材１６Ａとの積層構造を有する。同様に、アノード側ガス拡散層１４Ｂは、電解質膜１１側から、アノード側マイクロポーラス層１５Ｂとアノード側基材１６Ｂとの積層構造を有する。ガス拡散層１４Ａ、１４Ｂは、ガス透過性および水透過性を有する。ガス拡散層１４Ａ、１４Ｂは、基材１６Ａ、１６Ｂ上に、マイクロポーラス層形成用ペースト組成物を塗布し、乾燥および焼成してマイクロポーラス層１５Ａ、１５Ｂを形成することで、製造することができる。

基材１６Ａ、１６Ｂは導電性多孔質材料からなり、カーボンペーパー、カーボンクロス、およびカーボンフェルト（カーボン不織布）等が好ましく、ガス拡散層１４Ａ、１４Ｂの撥水性向上の観点から公知の撥水処理が施されていることが望ましい。
マイクロポーラス層形成用ペースト組成物は、導電性材料と撥水性材料と分散媒とを含む。導電性材料としては、アセチレンブラック等のカーボンブラック、グラファイト、および炭素繊維等の各種カーボンが好ましい。撥水性材料としては、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等のフッ素樹脂が好ましい。分散媒としては、水等が挙げられる。

上記構造の固体高分子型燃料電池では、外部より酸化ガス流路２１Ａに供給された酸化ガスの一部がカソード側ガス拡散層１４Ａを介してカソード側電極触媒層１３Ａに供給される。外部より燃料ガス流路２１Ｂに供給された燃料ガスの一部がアノード側ガス拡散層１４Ｂを介してアノード側電極触媒層１３Ｂに供給され、触媒存在下の反応により水素イオン（プロトン）が生成される。アノード側電極触媒層１３Ｂで生成された水素イオンは電解質膜１１を選択的に透過し、カソード側電極触媒層１３Ａにおいて、触媒存在下で酸素および電子と反応して、水を生成する。生成された水は、カソード側ガス拡散層１４Ａを介して外部に排出される。燃料電池では、このような水素と酸素の化学反応によって、電気エネルギー（発電）が生じる。

発電を停止するときには、固体高分子型燃料電池に対して酸化ガスと燃料ガスの供給を同時に停止する。酸化ガスと燃料ガスの供給が停止された後も、電池内には燃料ガスと水素イオンが残っている。
本発明の燃料電池のガスパージ方法は、
酸化ガス流路（２１Ａ）に対する酸化ガスの供給と燃料ガス流路（２１Ｂ）に対する燃料ガスの供給が停止された状態で、
燃料ガス流路（２１Ｂ）内の不活性ガスの圧力が酸化ガス流路（２１Ａ）内の不活性ガスの圧力よりも高くなるよう差圧を付けて、酸化ガス流路（２１Ａ）と燃料ガス流路（２１Ｂ）内のうち少なくとも燃料ガス流路（２１Ｂ）内に不活性ガスを供給する工程を含む。

本発明の燃料電池のガスパージ方法では、燃料ガス流路（２１Ｂ）内に不活性ガスを供給することで、燃料ガス流路（２１Ｂ）内に残る燃料ガスを素早く排出することができる。本発明の燃料電池のガスパージ方法ではさらに、燃料ガス流路（２１Ｂ）内の不活性ガスの圧力が酸化ガス流路（２１Ａ）内の不活性ガスの圧力よりも高くなるよう差圧を付けることで、差圧により燃料ガス流路（２１Ｂ）内の不活性ガスを酸化ガス流路（２１Ａ）側に効果的に流すことができる。この不活性ガスの流れにより、アノード側電極触媒層（１３Ｂ）等の内部に残る水素イオンを電解質膜（１１）側に効果的に移動させることができる。この結果、アノード側電極触媒層（１３Ｂ）等の内部に残る水素イオンが電解質膜（１１）を透過し、カソード側電極触媒層（１３Ａ）内に残る酸素と反応して消費されることを促進することができる。
本発明の燃料電池のガスパージ方法によれば、酸化ガス流路（２１Ａ）に対する酸化ガスの供給と燃料ガス流路（２１Ｂ）に対する燃料ガスの供給を停止した後、燃料電池内に残る燃料ガスおよび水素イオンを素早く排出することができ、これによって発電を素早く停止し、電圧を素早く降下させることができる。

不活性ガスとしては、燃料電池内で起こる通常の水素と酸素の化学反応に対して不活性なガスであればよく、窒素、ヘリウム、およびアルゴン等が挙げられる。
差圧は、燃料ガス流路（２１Ｂ）内の不活性ガスを酸化ガス流路（２１Ａ）側に効果的に流すことができればよく、好ましくは５０ｋＰａ以上である。

本発明の燃料電池のガスパージ方法としては、以下の第１〜第４の実施形態が挙げられる。
第１の実施形態では、燃料ガス流路（２１Ｂ）内の不活性ガスの圧力が酸化ガス流路（２１Ａ）内の不活性ガスの圧力よりも高くなるよう、好ましくは５０ｋＰａ以上の差圧を付けて、燃料ガス流路（２１Ｂ）内にのみ不活性ガスを供給する。
第２の実施形態では、燃料ガス流路（２１Ｂ）内の不活性ガスの圧力が酸化ガス流路（２１Ａ）内の不活性ガスの圧力よりも高くなるよう、好ましくは５０ｋＰａ以上の差圧を付けて、酸化ガス流路（２１Ａ）と燃料ガス流路（２１Ｂ）内の両方に不活性ガスを供給する。

第３の実施形態では、
燃料ガス流路（２１Ｂ）内の不活性ガスの圧力と酸化ガス流路（２１Ａ）内の不活性ガスの圧力に差を付けずに、酸化ガス流路（２１Ａ）と燃料ガス流路（２１Ｂ）内の両方に不活性ガスを供給して、これら流路内に残る酸化ガスと燃料ガスを排出した後、
燃料ガス流路（２１Ｂ）内の不活性ガスの圧力が酸化ガス流路（２１Ａ）内の不活性ガスの圧力よりも高くなるよう、好ましくは５０ｋＰａ以上の差圧を付けて、燃料ガス流路（２１Ｂ）内にのみ不活性ガスを供給して、アノード側電極触媒層（１３Ｂ）等の内部に残る水素イオンを効果的に移動させる。

第４の実施形態では、
燃料ガス流路（２１Ｂ）内の不活性ガスの圧力と酸化ガス流路（２１Ａ）内の不活性ガスの圧力に差を付けずに、酸化ガス流路（２１Ａ）と燃料ガス流路（２１Ｂ）内の両方に不活性ガスを供給して、これら流路内に残る酸化ガスと燃料ガスを排出した後、
燃料ガス流路（２１Ｂ）内の不活性ガスの圧力が酸化ガス流路（２１Ａ）内の不活性ガスの圧力よりも高くなるよう、好ましくは５０ｋＰａ以上の差圧を付けて、酸化ガス流路（２１Ａ）と燃料ガス流路（２１Ｂ）内の両方に不活性ガスを供給して、アノード側電極触媒層（１３Ｂ）等の内部に残る水素イオンを効果的に移動させる。

固体高分子型燃料電池は、酸化ガス流路２１Ａに酸化ガスを供給する手段と、燃料ガス流路２１Ｂに燃料ガスを供給する手段と、燃料ガス流路２１Ｂに不活性ガスを供給する手段と、燃料ガス流路２１Ｂに供給するガスの種類を切り替える手段と、燃料ガス流路２１Ｂに供給する不活性ガスの圧力を調整する手段とを含むことができる。固体高分子型燃料電池はさらに、酸化ガス流路２１Ａに不活性ガスを供給する手段と、酸化ガス流路２１Ａに供給するガスの種類を切り替える手段と、酸化ガス流路２１Ａに供給する不活性ガスの圧力を調整する手段とを含んでいてもよい。
これら手段は、酸化ガスが充填されたボンベ、燃料ガスが充填されたボンベ、不活性ガスが充填されたボンベ、これらのガスが流下するガス配管、供給ガスの種類を切り替えるバルブ、および圧力計等の公知部材を組み合わせて構成することができる。
固体高分子型燃料電池はさらに、酸化ガス流路２１Ａ内の圧力と燃料ガス流路２１Ｂ内の圧力との差に応じて、燃料ガス流路２１Ｂ、または、酸化ガス流路２１Ａと燃料ガス流路２１Ｂに供給する不活性ガスの流量を制御する制御手段を含んでいてもよい。

以上説明したように、本発明によれば、燃料電池内に残る燃料ガスおよび水素イオンを素早く排出することが可能な燃料電池のガスパージ方法を提供することができる。
本発明の燃料電池のガスパージ方法は、燃料電池自動車の製品出荷前のエージング時の発電検査工程、燃料電池自動車のディーラー等による検査時、燃料電池自動車の通常走行における運転停止時等に行うことができる。

本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて、適宜設計変更が可能である。

１ 固体高分子型燃料電池の単セル
１０ 膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ）
１１ 電解質膜
１２ 膜電極接合体（ＭＥＡ）
１３Ａ カソード側電極触媒層
１３Ｂ アノード側電極触媒層
１４Ａ カソード側ガス拡散層
１４Ｂ アノード側ガス拡散層
１５Ａ カソード側マイクロポーラス層
１５Ｂ アノード側マイクロポーラス層
１６Ａ カソード側基材
１６Ｂ アノード側基材
２０Ａ カソード側セパレータ
２０Ｂ アノード側セパレータ
２１Ａ 酸化ガス流路
２１Ｂ 燃料ガス流路

Claims (1)

1. 電解質膜と、
   前記電解質膜の一方の面に順次形成されたカソード側電極触媒層、カソード側ガス拡散層、およびカソード側セパレータと、
   前記電解質膜の他方の面に順次形成されたアノード側電極触媒層、アノード側ガス拡散層、およびアノード側セパレータとを備え、
   前記カソード側セパレータの前記カソード側ガス拡散層側の面に酸化ガス流路が形成され、前記アノード側セパレータの前記アノード側ガス拡散層側の面に燃料ガス流路が形成された燃料電池のガスパージ方法であって、
   前記酸化ガス流路に対する酸化ガスの供給と前記燃料ガス流路に対する燃料ガスの供給が停止された状態で、
   前記燃料ガス流路内の不活性ガスの圧力が前記酸化ガス流路内の不活性ガスの圧力よりも高くなるよう差圧を付けて、前記酸化ガス流路と前記燃料ガス流路内のうち少なくとも前記燃料ガス流路内に不活性ガスを供給する工程を含む、燃料電池のガスパージ方法。

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