JP4729866B2 - Fuel cell - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池に係り、特に、固体高分子形燃料電池(PEFC)や直接メタノール形燃料電池などの高分子電解質膜を備えた燃料電池に関する。 The present invention relates to a fuel cell, and more particularly, to a fuel cell including a polymer electrolyte membrane such as a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) or a direct methanol fuel cell.
近年、水素と酸素の電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギー供給源として注目されている。例えば高分子電解質膜を備えた燃料電池などでは一般に、高分子電解質であるイオン交換樹脂膜がアノード極とカソード極の両電極間に狭持され、さらに各電極との間に燃料を挿通する燃料流路(アノード側)と酸化剤ガスを挿通する酸化剤ガス流路(カソード側)とを形成するセパレータを設けて構成されている。 In recent years, fuel cells that generate electricity by electrochemical reaction between hydrogen and oxygen have attracted attention as an energy supply source. For example, in a fuel cell equipped with a polymer electrolyte membrane, generally, an ion exchange resin membrane, which is a polymer electrolyte, is sandwiched between both anode and cathode electrodes, and further fuel is inserted between the electrodes. A separator is provided to form a flow path (anode side) and an oxidant gas flow path (cathode side) through which the oxidant gas is inserted.
そして、燃料電池を発電運転させる場合、アノード側、カソード側にそれぞれ必要に応じて加湿された燃料、酸化剤ガスが供給されると、電気化学反応(電池反応)を起こさせて電気を取出すと共に、カソード側の酸化剤ガス流路には発電に伴なって水が生成される。 When the fuel cell is operated for power generation, when fuel and oxidant gas humidified as necessary are supplied to the anode side and the cathode side, respectively, an electrochemical reaction (cell reaction) is caused and electricity is taken out. In the oxidant gas flow path on the cathode side, water is generated with power generation.
ところが、発電効率を良好にかつ安定的に保持するには、膜電極接合体に付与する締付け圧を均一化して接触抵抗を下げるだけでなく、膜電極接合体の場所により様々に変化する内部湿度や温度、飽和に達して凝結する条件等を全体として均一に保持することが重要となる。 However, in order to maintain power generation efficiency satisfactorily and stably, not only does the tightening pressure applied to the membrane electrode assembly equalize and lower the contact resistance, but also the internal humidity varies depending on the location of the membrane electrode assembly. In addition, it is important to keep the temperature, saturation, conditions for condensing after reaching saturation, and the like as a whole.
しかし、燃料電池の規模が大きくなるにつれ、特に電池内部のあらゆる場所において内部湿度や温度、飽和に達して凝結する条件等を均一に保持することは難しい。例えば、低電流密度(例えば開回路(OC;open circuit)の状態)で発電運転させた場合は、高分子電解質膜の湿度条件が低下するために発電効率が悪くなりやすく、高電流密度で発電運転させた場合には、カソード側において大量に生成された生成水の影響で水滴が流路に滞留することにより高分子電解質膜へのガス供給を阻害する、いわゆるフラッディングを招きやすく、やはり発電効率は低下してしまう。 However, as the scale of the fuel cell increases, it is difficult to maintain uniform conditions such as internal humidity, temperature, saturation, and condensation at all locations inside the cell. For example, when the power generation operation is performed at a low current density (for example, an open circuit (OC) state), the humidity condition of the polymer electrolyte membrane is lowered, so that the power generation efficiency is likely to deteriorate, and the power generation is performed at a high current density. When operated, water droplets are retained in the flow channel due to the large amount of water generated on the cathode side, so that gas supply to the polymer electrolyte membrane is hindered, so-called flooding is likely to occur. Will fall.
特に、湿度条件のコントロールは発電効率を向上し保持する点で重要であるが、上記のように電池内部での湿度条件の変化は、運転条件(電流密度の高低や連続運転等)や環境条件など様々な影響を受けるために多様であり、しかも構造由来の湿度分布などの影響で膜電極接合体の場所によっても異なり、電池内部でも部位(領域)により大きく変化する。したがって、電池内部での電池反応が不均一であると、燃料電池全体での発電性能は低下する。 In particular, control of humidity conditions is important in terms of improving and maintaining power generation efficiency, but as described above, changes in humidity conditions inside the battery can be caused by operating conditions (such as high and low current density and continuous operation) and environmental conditions. However, it varies depending on the location of the membrane electrode assembly due to the influence of the humidity distribution derived from the structure, and varies greatly depending on the site (region) within the battery. Therefore, if the battery reaction within the battery is non-uniform, the power generation performance of the entire fuel cell is degraded.
上記に関連して、導電性材料と保水性樹脂から形成され、複数の貫通孔を有する保水層を備えた固体高分子型燃料電池がある(例えば、特許文献1参照)。しかし、カソード側で生成される生成水の排出機能が不充分であり、フラッディングの発生のおそれまで解消することはできず、発電性能を確保し得ない。 In relation to the above, there is a polymer electrolyte fuel cell including a water retention layer formed of a conductive material and a water retention resin and having a plurality of through holes (for example, see Patent Document 1). However, the function of discharging the produced water generated on the cathode side is insufficient, and the possibility of flooding cannot be eliminated, and the power generation performance cannot be ensured.
また、電池内部の湿度条件を温度条件からコントロールする方法も考えられるが、燃料電池の出力に相応した最適制御を行なうことまでは不可能である。
従来から、燃料電池の発電性能の向上に関する技術については種々提案がなされているものの、燃料電池の内部で様々に変化する湿度条件や飽和に達して凝結する条件等を燃料電池全体において均一化することは困難であり、ある一つの湿度条件下で発電運転が最適化されているに過ぎず、その条件から外れた湿度条件では所望の発電性能を保持できない。したがって、運転条件や環境条件等ごとに、あるいは燃料電池の内部、特に膜電極接合体の各領域ごとに異なる湿度条件の均一化を図ることが課題であった。 Conventionally, although various proposals have been made regarding the technology for improving the power generation performance of a fuel cell, the humidity conditions that vary in the fuel cell and conditions for condensation upon reaching saturation are made uniform throughout the fuel cell. This is difficult, and the power generation operation is only optimized under a certain humidity condition, and the desired power generation performance cannot be maintained under a humidity condition deviating from that condition. Therefore, it has been a challenge to make the humidity conditions different for each operating condition, environmental condition, etc., or for different regions inside the fuel cell, particularly for each region of the membrane electrode assembly.
本発明は、上記に鑑みなされたものであり、運転条件(電流密度の高低や連続運転等)や環境条件(温度等)等に相応し、燃料電池の内部において所定の領域単位で部分的に湿度条件や飽和に達して凝結する条件、生成水の排水性を制御することが可能で、高い発電効率で安定的に発電運転することができる燃料電池を提供することを目的とし、該目的を達成することを課題とする。 The present invention has been made in view of the above, and corresponds to operating conditions (high current density, continuous operation, etc.), environmental conditions (temperature, etc.), etc., and partially in a predetermined region unit inside the fuel cell. The purpose of the present invention is to provide a fuel cell capable of controlling humidity conditions, conditions for condensation upon reaching saturation, and drainage of generated water, and capable of stable power generation operation with high power generation efficiency. The challenge is to achieve.
上記目的を達成するために、本発明の燃料電池は、高分子電解質膜及び該高分子電解質膜を狭持する電極対を含む膜電極接合体と、複数のリブを有し、電極対の各電極との間に流路を形成するセパレータと、リブとリブとの間(凹部)に流路における電極面に沿って設けられ、開口部を有し、電圧印加により前記開口部が拡縮する高分子膜であって流路と膜電極接合体との間の物質透過を可変にする透過可変部材とで構成したものである。 In order to achieve the above object, a fuel cell of the present invention has a membrane electrode assembly including a polymer electrolyte membrane and an electrode pair sandwiching the polymer electrolyte membrane, and a plurality of ribs. A separator that forms a flow path between the electrodes, and a rib that is provided between the ribs (recesses) along the electrode surface in the flow path , has an opening, and expands and contracts when the voltage is applied. It is a molecular membrane and is composed of a permeation variable member that varies the permeation of the substance between the flow path and the membrane electrode assembly.
本明細書中において、リブは、セパレータの少なくとも一方の側に形成された凹凸状面(以下、リブ面ともいう)において凸状に突出した凸部であり、リブとリブとの間の凹部は一般にリブ(凸部)先端が膜電極接合体(特に電極、すなわち触媒層及び拡散層が積層されてなる電極の拡散層の表面)と当接した状態で、燃料を給排する燃料流路又は酸化剤ガスを給排する酸化剤ガス流路を構成する。 In the present specification, the rib is a convex portion protruding in a convex shape on an uneven surface (hereinafter also referred to as a rib surface) formed on at least one side of the separator, and the concave portion between the ribs is In general, a fuel flow path for supplying and discharging fuel in a state where a tip of a rib (convex portion) is in contact with a membrane electrode assembly (in particular, a surface of an electrode, that is, a diffusion layer of an electrode in which a catalyst layer and a diffusion layer are laminated) An oxidant gas flow path for supplying and discharging the oxidant gas is configured.
また、膜電極接合体は、高分子電解質膜とこれを狭持する一対の電極対とで構成することができ、電極対の各電極は一般に、高分子電解質膜側から順に触媒層と拡散層とを積層して構成される。 Further, the membrane electrode assembly can be composed of a polymer electrolyte membrane and a pair of electrode pairs sandwiching the polymer electrolyte membrane, and each electrode of the electrode pair generally has a catalyst layer and a diffusion layer in order from the polymer electrolyte membrane side. And are constructed.
本発明においては、セパレータのリブ面のリブとリブとの間となる凹部において、燃料電池を構成したときに凹部の開口する面を閉塞する膜電極接合体の外壁面、すなわち電極面(具体的には拡散層の表面)の上に該凹部に沿って、流路と膜電極接合体との間に仕切り(隔壁)を設けるように透過可変部材を配設することで、流路内に露出する膜電極接合体の露出面積を時間的にあるいは部分的に変化させることができるので、流路と膜電極接合体の電極との間の物質移動量、すなわち流路内雰囲気中の燃料成分(水素ガス等)や水分の膜電極接合体(特に電極)への供給量、及び膜電極接合体の電極で生成された生成水の流路側への排出量を所望の程度に制御することができる。 In the present invention, in the concave portion between the ribs of the rib surface of the separator, the outer wall surface of the membrane electrode assembly that closes the opening surface of the concave portion when the fuel cell is configured, that is, the electrode surface (specifically, In this case, a permeation variable member is disposed on the surface of the diffusion layer along the recess so as to provide a partition (partition wall) between the flow channel and the membrane electrode assembly, thereby being exposed in the flow channel. Since the exposed area of the membrane electrode assembly can be changed over time or partly, the amount of mass transfer between the channel and the electrode of the membrane electrode assembly, that is, the fuel component in the atmosphere in the channel ( The supply amount of hydrogen gas or the like to the membrane electrode assembly (particularly the electrode) and the discharge amount of the generated water generated by the electrode of the membrane electrode assembly to the flow channel side can be controlled to a desired level. .
透過可変部材は、拡縮可能な開口部を有する形態が望ましい。拡縮可能な開口部を有する透過可変部材を流路の電極面(具体的には拡散層の表面)の上に凹部に沿って設けることで、流路内に露出する膜電極接合体の露出面積を局部的に変化させ得るので、開度可変なバルブのように機能して、流路と膜電極接合体の電極との間の物質透過量、すなわち上記同様に、流路内雰囲気中の燃料成分(水素ガス等)や水分の膜電極接合体(特に電極)への供給量、及び膜電極接合体の電極で生成された生成水の流路側への排出量を所望の程度に制御することができる。 The transmission variable member preferably has an opening that can be expanded and contracted. An exposed area of the membrane electrode assembly exposed in the channel by providing a variable transmission member having an expandable / contractible opening on the electrode surface of the channel (specifically, the surface of the diffusion layer) along the recess. Therefore, the amount of material permeation between the flow path and the electrode of the membrane electrode assembly, that is, the fuel in the atmosphere in the flow path, as described above, functions like a valve with a variable opening. Control the supply amount of components (hydrogen gas, etc.) and moisture to the membrane electrode assembly (especially electrodes) and the discharge amount of the generated water generated by the electrodes of the membrane electrode assembly to the flow channel side to a desired level. Can do.
そのため、例えば、OC時などの低電流密度で発電運転させる場合など、高分子電解質膜の湿度条件が低下しやすい場合又は部位においては、透過可変部材の開口部を縮小して保水状態が形成されるようにし、高電流密度で発電運転させる場合など、カソード側に大量に生成水が生成されるような場合又は部位については、透過可変部材の開口部を拡大して排水性を高めるようにすることができる。このように、流路及び膜電極接合体間の物質透過の程度を、所望により選択した場所、領域について局所的に、あるいは燃料電池の出力等の諸条件に応じ、適宜制御が可能であり、高分子電解質膜の低湿化に伴う発電性能の低下やフラッディングの発生を抑止し、あらゆる運転条件下において安定的に発電効率を向上させ得る。 For this reason, for example, in the case where the humidity condition of the polymer electrolyte membrane is likely to be lowered, such as when the power generation operation is performed at a low current density during OC, or the like, the water retaining state is formed by reducing the opening of the permeation variable member. In the case where a large amount of generated water is generated on the cathode side, such as when the power generation operation is performed at a high current density, the opening of the permeation variable member is enlarged to improve drainage. be able to. In this way, the degree of material permeation between the flow path and the membrane electrode assembly can be appropriately controlled according to various conditions such as the location and region selected as desired, locally, or the output of the fuel cell, It is possible to suppress the decrease in power generation performance and flooding due to the low humidity of the polymer electrolyte membrane, and to stably improve the power generation efficiency under all operating conditions.
透過可変部材は、膜電極接合体を構成する電極の流路内に露出する露出面の少なくとも一部に設けて構成することができる。流路内に露出する電極表面に設けることで、簡易な構成にできると共に、膜電極接合体と流路との間の物質透過制御が直接的に行なわれ、接合体内部の湿度条件、水分量等のコントロールが容易である。 The permeation variable member can be configured by being provided on at least a part of the exposed surface exposed in the flow path of the electrode constituting the membrane electrode assembly. By providing it on the electrode surface exposed in the flow path, the structure can be simplified, and the material permeation control between the membrane electrode assembly and the flow path is performed directly, and the humidity condition and water content inside the bonded body Etc. are easy to control.
この透過可変部材は、開口部を有し、電圧印加による開口部の拡大もしくは縮少が可能な高分子膜で構成する。これは、いわゆるエレクトロアクティブ高分子(人工筋肉)と呼ばれるもので、米国特許第6,583,533号明細書に詳細な記載がある。このエレクトロアクティブ高分子は、例えば膜面に開口部を設けこの膜を電極間に配置して電圧印加したときに、印加電圧を変化させることによって、電圧に応じた開口部の拡縮が行なえる。開口部を有する膜ごと、あるいは単一又は複数の開口部ごとに電圧変化が可能なように電極を配し構成することで、所望の位置の開口部の開口面積を選択的に変化させることができる。したがって、開口部が設けられた高分子膜を流路内に露出する電極表面に設けることで、流路内に露出する膜電極接合体の露出面積(拡散層の表面積)を部分的に変化させ得るので、所望により選択した場所、領域について局所的に、あるいは燃料電池の出力等の諸条件に応じ、流路内雰囲気中の燃料成分(水素ガス等)や水分の膜電極接合体(特に電極)への供給量、及び膜電極接合体の電極で生成された生成水の流路側への排出量を制御することができる。 The transmission variable member has an opening, that make up an enlarged or reduced little capable polymer film openings by voltage application. This is a so-called electroactive polymer (artificial muscle) and is described in detail in US Pat. No. 6,583,533. In the electroactive polymer, for example, when an opening is provided on the film surface and this film is disposed between the electrodes and a voltage is applied, the applied voltage is changed to expand or contract the opening according to the voltage. It is possible to selectively change the opening area of the opening at a desired position by arranging and configuring the electrodes so that the voltage can be changed for each film having the opening or for each single or plural openings. it can. Therefore, by providing a polymer film with an opening on the electrode surface exposed in the flow channel, the exposed area of the membrane electrode assembly exposed in the flow channel (surface area of the diffusion layer) is partially changed. Therefore, depending on conditions, such as the location and region selected as desired, or depending on various conditions such as the output of the fuel cell, the membrane electrode assembly (especially electrodes) ) And the discharge amount of the generated water generated at the electrode of the membrane electrode assembly to the flow channel side can be controlled.
電圧印加により開口部が拡縮する高分子膜は、空気の誘電率1より高い誘電率(例えば2.5〜10)を有し、電極間に挟んで電圧印加したときに収縮等を起こして歪みを生ずる誘電性の高分子材料、例えば、アクリル系エラストマー、シリコーン、フルオロシリコーン、ポリウレタン等の公知の高分子材料を膜状に成膜すると共に、所望位置に開口部を形成して構成することができる。
A polymer film that expands and contracts when a voltage is applied has a dielectric constant higher than the
また、透過可変部材は、開口部を有し、略平行に配置された二枚の透過板を含む構造とし、二枚の透過板の少なくとも一方を平行移動させて開口部で構成される透過部を開閉するように構成することができる。二枚の透過板を所定位置に配置し、透過板の一方における開口部と他方における開口部とが重ならない位置関係としたときに閉状態を形成し、少なくとも一方あるいは両方を平行移動させたときに各透過板に設けられた開口部が互いに重なる位置関係となって開状態を形成するので、平行移動させる移動量を制御することによって、流路及び膜電極接合体間における所望位置の開口部の拡縮、すなわち開口面積を選択的に変化させることができる。この構成によっても、所望により選択した場所、領域について局所的に、あるいは燃料電池の出力等の諸条件に応じ、適宜制御が可能である点で効果的である。 The transmission variable member has an opening and a structure including two transmission plates arranged substantially in parallel, and at least one of the two transmission plates is moved in parallel, and the transmission unit is configured by the opening. Can be configured to open and close. When two transmissive plates are placed at a predetermined position, and a closed state is formed when the opening on one side of the transmissive plate and the opening on the other do not overlap, and at least one or both are translated Since the openings provided in each transmission plate overlap each other to form an open state, the opening at a desired position between the flow path and the membrane electrode assembly can be controlled by controlling the amount of translation. , That is, the opening area can be selectively changed. This configuration is also effective in that it is possible to appropriately control the location and region selected as desired locally or according to various conditions such as the output of the fuel cell.
本発明によれば、運転条件(電流密度の高低や連続運転等)や環境条件(温度等)等に相応し、燃料電池の内部において所定の領域単位で部分的に湿度条件や飽和に達して凝結する条件、生成水の排水性を制御することが可能で、高い発電効率で安定的に発電運転することができる燃料電池を提供することができる。 According to the present invention, the humidity condition or saturation is partially reached in a predetermined region unit within the fuel cell in accordance with the operating conditions (high and low current density, continuous operation, etc.) and environmental conditions (temperature, etc.). It is possible to provide a fuel cell capable of controlling the conditions for condensation and the drainage of generated water and capable of stably performing power generation operation with high power generation efficiency.
以下、図面を参照して、本発明の燃料電池の実施形態を説明する。なお、下記の実施形態において、固体高分子形に構成された燃料電池に燃料及び酸化剤ガスとして水素ガス及び空気(エア)を用いた場合を中心に説明する。但し、本発明においてはこれら実施形態に制限されるものではない。 Hereinafter, embodiments of a fuel cell of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following embodiment, a case where hydrogen gas and air (air) are used as fuel and oxidant gas in a fuel cell configured in a solid polymer type will be mainly described. However, the present invention is not limited to these embodiments.
(第1実施形態)
本発明の燃料電池の第1実施形態を図1〜図7を参照して説明する。本実施形態は、カソードのエア流路内及びアノードの水素ガス流路内に露出する拡散層表面に複数の開口部を有する透過可変膜を設け、透過可変膜ごとに印加電圧を変化させ得るようにしたものである。
(First embodiment)
1st Embodiment of the fuel cell of this invention is described with reference to FIGS. In the present embodiment, a permeable variable film having a plurality of openings is provided on the surface of the diffusion layer exposed in the cathode air flow path and in the anode hydrogen gas flow path so that the applied voltage can be changed for each permeable variable film. It is a thing.
燃料電池(単セル)10は、図1に示すように、高分子電解質であるイオン交換樹脂膜11がアノード極12とカソード極13の両電極間に狭持され、さらに各電極との間に水素ガス(燃料)を通過する水素ガス流路(アノード側)15とエア(酸化剤ガス)を通過するエア流路(カソード側)17とが形成されるように複数のリブを設けて溝(流路)が凹設された一対のセパレータ14及び16を設けて構成されている。なお、一般に単セルによる起電力は比較的小さいため、通常は複数の単セルを積層して直列に接続されたスタック構造で使用される。
As shown in FIG. 1, a fuel cell (single cell) 10 includes an ion
このように構成された燃料電池10の概略の断面構造の一部を図2に示す。発電運転させる場合、水素ガス流路15に水素(H2)密度の高い水素ガスが、エア流路17に酸素(O2)を含む空気(Air)が供給され、以下に示す下記式(1)〜(3)で表される電気化学反応(電池反応)によって起電力が発生するようになっている。なお、式(1) 、式(2)は各々アノード側、カソード側での反応を示し、式(3)は燃料電池での全反応である。
H2 → 2H++2e- …(1)
(1/2)O2+2H++2e- → H2O …(2)
H2+(1/2)O2 → H2O …(3)
FIG. 2 shows a part of a schematic cross-sectional structure of the
H 2 → 2H + + 2e − (1)
(1/2) O 2 + 2H + + 2e − → H 2 O (2)
H 2 + (1/2) O 2 → H 2 O (3)
カソード極13は、図3に示すように、イオン交換樹脂膜11側から順に触媒層20と拡散層21とが積層された構成となっており、アノード極12はカソード極13と同様に構成されている。図3は、燃料電池10のカソード側の断面構造の概略を一部拡大して示すものである。
As shown in FIG. 3, the
カソード極13を構成する拡散層21には、触媒層20と接触しない側において、エア流路17内に露出する表面に(セパレータのリブ部には設けない)エア流路17に沿って複数の透過可変膜25が規則的に配列して設けられている。アノード極12が設けられたアノード側においても同様である。以下、カソード側を例に説明する。
A plurality of diffusion layers 21 constituting the
透過可変膜25は、図4に示すように、所定のサイズ(例えば、長さB=1mm、幅C=1mm、厚みD=100μm)の矩形の小片に成形されたものであり、金電極27,27’の間に狭装して、路幅Aのエア流路17に露出する同幅の拡散層21の表面に長さBの間隔をおいてストライプ状に規則的に配列されており、2枚の金電極の間に電圧を印加したときのクーロン力によって駆動できるようになっている。なお、透過可変膜25が配列されていない領域は、拡散層21の表面がエア流路内に露出した状態にある。
As shown in FIG. 4, the
透過可変膜25は、所望の粘度に溶解、希釈することで塗布液状に調製された高分子溶液を、例えばスピンコート法によりあらかじめ所望の基板上に塗布して膜形成し、溶媒を蒸発させて成膜した後、これを所定のサイズのパターンに成形し、拡散層21の所望位置にストライプ状に配列することによって設けることができる。高分子溶液の塗布は、スピンコート法以外に、ディップコート法、キャスト法、スプレー法等の公知のコーティング法を適宜選択して行なうことができる。特にスピンコート法は、膜の均一化、薄膜化の点で好ましい。
The
透過可変膜の厚みは、流路内のガスや水等の通過を損なわない範囲で選択することができ、駆動電圧の低減の点で薄膜であるのが望ましく、10〜100μmの範囲が望ましい。 The thickness of the permeation variable membrane can be selected within a range that does not impair the passage of gas, water, or the like in the flow path, and is preferably a thin film from the viewpoint of reducing driving voltage, and is preferably in the range of 10 to 100 μm.
透過可変膜の形状は、透過可変膜を設ける領域の面積等を考慮して適宜選択することが可能であり、図4に示すように長さB×幅Cの矩形状の小片に成形する以外に、幅Cを図4の路幅Aとした長尺形状や、長さ3B×幅3C等のより大きい矩形状などに成形するようにしてもよい。また、透過可変膜は、ストライプ状に配列するほか、エア流路17内に露出する拡散層21表面の全体に配列してもよいし、所定サイズの矩形片を海島構造状にランダムに設けてもよいし、あるいはエア流路の出口近傍などの水分の多い領域やアノード側の水素ガス流路の入口近傍などの低湿条件になりやすい領域に選択的に設けるようにしてもよい。
The shape of the permeation variable membrane can be appropriately selected in consideration of the area of the region where the permeation variable membrane is provided, etc., as shown in FIG. 4, except that it is formed into a rectangular piece of length B × width C. In addition, it may be formed into a long shape with the width C as the road width A in FIG. 4 or a larger rectangular shape such as length 3B × width 3C. Further, the permeation variable film may be arranged in a stripe shape, or may be arranged on the entire surface of the
透過可変膜25の個々の膜面には、図5−(a)に示すように、膜を貫通する円形の開口部26が複数配列して設けられており、開口部26を介してエア流路17と拡散層21、すなわち膜電極接合体18との間で物質移動が可能なようになっている。なお、開口部の形状は、円形以外に楕円形や矩形状などの任意の形状とすることができる。
As shown in FIG. 5A, a plurality of
また、透過可変膜25は、その表裏の膜面が金電極27,27’によって狭装されており、金電極27及び27’は、開口部26が被覆されないように開口部26の周囲をやや残して全面に設けられ、金電極間に電圧印加できるようになっている。金電極27及び27’は、制御部(ECU)30と電気的に接続されており(図3〜4参照)、個々の透過可変膜25ごとに所望の電圧を印加し、透過可変膜25ごとに開口部26を図5−(a)中の破線部Pに示すように拡縮することによって、図5−(a)に示す開口状態と図5−(b)に示す閉口状態との間で、開口面積の大きさ、すなわち物質透過量をコントロールできるようになっている。
Further, the
金電極27,27’は、透過可変膜に設ける必要があることから、膜の収縮や歪みを阻害したり剥離することのないように、柔軟(コンプライアント)な形態にて形成されている。コンプライアントな金電極は、例えば、開口部が最大に開口した状態の透過可変膜の表面にフォトリソグラフィによって金の膜構造(上記のような面状のほか、例えば線状、ジグザグ線状)を作ることによって形成することができる。金電極以外に、透過可変膜を構成する高分子材料や他のエレクトロアクティブ高分子にカーボン粒子や金属粒子等の導電性粒子を混合したものを電極用材料として用いることができ、コンプライアント性及び透過可変膜との密着の点で有用である。
Since the
また、図2及び図3に示すように、エア流路17の流路内には、流路内の湿度条件を検出するための湿度センサ22が取り付けられており、カソード側の拡散層21の近傍にはさらに燃料電池10のセル温度tを検出するための温度センサ23が取り付けられている。また、アノード側の水素ガス流路15の流路内にも同様に、流路内の湿度条件を検出するための湿度センサ24が取り付けられている(図2参照)。湿度センサ22,24及び温度センサ23は、各々制御部30と電気的に接続されて、所定の監視間隔をおいて流路内の湿度条件及びセル温度tを検出可能なようになっている。
As shown in FIGS. 2 and 3, a
イオン交換樹脂膜11は、イオン導電性を有する高分子電解質で構成することができ、一般にパーフルオロスルホン酸膜などが用いられる。本実施形態では、ナフィオン膜(デュポン社製)で構成してある。この膜は、通常イオン導電性を高める点から湿潤状態とされ、水素ガスが供給されて得たアノード側の水素イオンは該膜を良好にイオン伝導してカソード側に移動することができる。この湿潤状態は、上記のように透過可変膜によって保持、コントロールすることができる。また、場合により、燃料である水素ガスやカソード側の酸素を含む空気に加水(加湿)するようにすることもできる。
The ion
アノード極及びカソード極を構成する触媒層20は、電気化学反応を担うものであり、イオン交換樹脂膜11の表面に、触媒としての白金又は白金と他の金属とからなる合金を塗布してなるものである。塗布は、白金または白金と他の金属とからなる合金を担持したカーボン粉を作製し、このカーボン粉を適当な有機溶剤に分散させ、これに電解質溶液(例えば、Aldrich Chemical社、Nafion Solution)を適量添加してペースト化し、高分子電解質膜上にスクリーン印刷する方法などによって行なえる。また、前記カーボン粉を含有するペーストを膜成形してシートとし、このシートを高分子電解質膜上にプレスする構成によることもできる。あるいは、白金または白金と他の金属とからなる合金を、高分子電解質膜ではなく、高分子電解質膜と対向する側の拡散層の表面に塗布するようにしてもよい。
The
また、アノード極及びカソード極を構成する拡散層21は、集電体として機能するものであり、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスにより形成されている。なお、拡散層は、カーボンクロスのほか、炭素繊維からなるカーボンペーパーやカーボンフェルトなどで構成した形態も好適である。
Further, the
セパレータ14,16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によって構成することができる。このセパレータは、単セルを複数積層してスタック構造をなすときには一つのセパレータが二つの膜電極接合体18の間で共有され、一般にセパレータの両側の面において流路が形成される。
The
燃料電池10での通常の発電運転において、水素ガス流路15に水素ガスが供給され、エア流路17にエアが供給されると、図2に示すように、アノード側では、水素(H2)は透過可変膜25の開口部26(図3〜図5参照)を通過しアノード極12で水素イオンH+となってイオン交換樹脂膜11の内部をカソード側に向かって移動し、放出された電子e-はアノード極及びカソード極を繋ぐ外部回路19を通じてカソード側に流れる。また、カソード側では、エア中の酸素O2がカソード側に設けられた透過可変膜25の開口部26を通過してカソード極13に達し、アノード側からのH+及び電子e-と反応して、水(H2O)が生成される。この水はエア流路17を通って外部に排出される。
In normal power generation operation of the
次に、上記した通常の発電運転中における制御部30による制御ルーチンについて、特に発電運転中の透過可変膜25の開閉制御を行なう制御ルーチンを中心に図6及び図7を参照して説明する。なお、既述のように、湿度センサ22、温度センサ23、及び透過可変膜に設けられた金電極27,27’は制御部30と電気的に接続されて、動作タイミングが制御可能なようになっている。この制御部30は、透過可変膜25の開閉制御以外に、燃料電池10と接続された負荷の大きさに応じて水素ガスおよびエアの量を調節することにより出力を制御する燃料電池の通常の発電運転制御をも担うものである。
Next, a control routine performed by the
図6は、発電運転制御時に一定間隔での電圧監視のもとにカソード側における透過可変膜の開閉制御を行なう制御ルーチンを示すものである。本ルーチンが実行されると、ステップ100において、エア流路17の流路内に取り付けられた湿度センサ22により流路内の湿度hcが取り込まれ、次のステップ120において、温度センサ23によりセル温度tが取り込まれる。
FIG. 6 shows a control routine for performing opening / closing control of the permeable variable membrane on the cathode side under voltage monitoring at regular intervals during power generation operation control. When this routine is executed, in step 100, the humidity h c in the flow path is taken by the
次に、ステップ140において、取り込まれた湿度hcの湿度条件がセル温度tのときに露点Tに達するか否かが判断され、露点Tに達していると判断されたときには、エア流路17内に水分が多く存在しフラッディングの発生のおそれがあるので、ステップ160において透過可変膜25の開口部26の開度を100%(全開)にし、露点Tに達しないと判断されたときには、逆に低湿条件に移行して乾燥気味になるおそれがあるので、ステップ180において開口部26の開度を80%に縮小するように制御する。その後、ステップ200において、発電運転の停止要求があるか否かが判断され、未だ停止要求はないと判断されたときには、ステップ100に戻って同様の制御が繰り返され、停止要求があると判断されたときには、そのまま本ルーチンを終了する。
Next, in
次に、アノード側の制御ルーチンについて図7を参照して説明する。図7は、発電運転制御時に一定間隔での電圧監視のもとにアノード側の透過可変膜の開閉制御を行なう制御ルーチンを示すものである。 Next, the control routine on the anode side will be described with reference to FIG. FIG. 7 shows a control routine for performing opening / closing control of the anode-side permeable variable membrane under voltage monitoring at regular intervals during power generation operation control.
本ルーチンが実行されると、ステップ300において、水素ガス流路15の流路内に取り付けられた湿度センサ24により流路内の湿度haが取り込まれる。次に、ステップ320において、取り込まれた湿度haが所定値H以下であるか否かが判断され、湿度haが所定値H以下であると判断されたときには、イオン交換樹脂膜の保湿状態を保つ必要があるので、ステップ340において透過可変膜25の開口部26の開度を80%に縮小し、湿度haが所定値Hを超えていると判断されたときには、低湿条件になることで発電効率が低下することがないので、ステップ360において開口部26の開度を100%(全開)にするように制御する。その後、ステップ380において、発電運転の停止要求があるか否かが判断され、停止要求は未だないと判断されたときには、ステップ300に戻って同様の制御を繰り返し、停止要求があると判断されたときには、そのまま本ルーチンを終了する。
When this routine is executed, in
上記のように制御した結果について、図13及び図14を参照して説明する。図13は、電流密度と電圧との関係を制御なしの場合と比較した関係図であり、OC時などの低密度域から高密度域に至るいずれの電流密度においても、図中の破線(2)、(3)の場合のような電圧低下が抑えられ高い発電電圧が得られていた。また、図14は、電流密度と抵抗との関係を制御なしの場合と比較した関係図であり、抵抗値の増加は乾燥条件に移行していることを意味するものであるが、いずれの電流密度域においても湿度条件が保持されており、発電効率は良好であった。 The results of the control as described above will be described with reference to FIGS. FIG. 13 is a relationship diagram comparing the relationship between the current density and the voltage with no control. In any current density from the low density region to the high density region such as during OC, the broken line (2 ) And (3), the voltage drop was suppressed and a high power generation voltage was obtained. FIG. 14 is a relational diagram comparing the relationship between current density and resistance compared to the case without control, and an increase in resistance value means that the condition has shifted to drying conditions. Humidity conditions were maintained even in the density range, and power generation efficiency was good.
上記においては、カソード側及びアノード側の透過可変膜の開度を80%に一段階縮めるような制御を行なっているが、80%以下(例えば50%)に更に縮めるように制御してもよい。また、100%(全開)の状態から略閉口状態(例えば開度20%)までの開度を、露点Tとの差や湿度条件等を基準に多段階に変化させて拡縮するように制御することもできる。 In the above, the control is performed so that the opening degree of the permeation variable membrane on the cathode side and the anode side is reduced by one step to 80%, but may be controlled to be further reduced to 80% or less (for example, 50%). . Further, the opening from the 100% (fully open) state to the substantially closed state (for example, 20% opening) is controlled so as to be expanded and contracted in multiple steps based on the difference from the dew point T, humidity conditions, and the like. You can also
上記のように、燃料電池の内部において部分的に湿度条件や飽和に達して凝結する条件、生成水の排水性を制御することが可能であり、高い発電効率で安定的に発電運転することができる。 As mentioned above, it is possible to control humidity conditions, conditions that partially reach condensation within the fuel cell, and the drainage of produced water, and stable power generation operation with high power generation efficiency. it can.
(第2実施形態)
本発明の燃料電池の第2実施形態を図8を参照して説明する。本実施形態は、第1実施形態の透過可変膜に設けられた開口部の形状を矩形状に構成したものである。なお、発電のための燃料及び酸化剤ガスは第1実施形態で使用したものを用いることができ、第1実施形態と同様の構成要素には同一の参照符号を付してその詳細な説明を省略する。
(Second Embodiment)
A second embodiment of the fuel cell of the present invention will be described with reference to FIG. In this embodiment, the shape of the opening provided in the permeation variable membrane of the first embodiment is configured to be rectangular. Note that the fuel and oxidant gas used in the first embodiment can be the same as those used in the first embodiment, and the same reference numerals are given to the same components as those in the first embodiment, and the detailed description thereof will be given. Omitted.
本実施形態におけるカソード側の拡散層21には、触媒層20と接触しない側において、エア流路17内に露出する表面に(セパレータのリブ部には設けない)エア流路17に沿って複数の透過可変膜30が、図3及び図4に示すように規則的に配列して設けられている。アノード側においても同様である。
The
この透過可変膜30の個々の膜面には、図8−(a)に示すように、膜を貫通する矩形の開口部31が4つ設けられており、開口部31を介してエア流路17と拡散層21、すなわち膜電極接合体18との間で物質移動が可能なようになっている。
As shown in FIG. 8A, four
また、透過可変膜30は、既述の第1実施形態と同様に、その膜面の表裏が電圧を印加するための金電極32及び不図示の金電極32’(透過可変膜30と拡散層21との間に設けられた金電極)によって狭装されており、金電極は開口部31が被覆されないように開口部31の周囲をやや残して全面に設けられ、金電極間に電圧印加できるようになっている。金電極32及び32’はいずれも、制御部(ECU)30と電気的に接続されており、個々の透過可変膜30に所望の電圧を印加して図中の矢印方向に拡縮させることによって、図8−(a)に示す開口状態と図8−(b)に示す閉口状態との間で、開口面積の大きさ、すなわち物質透過量をコントロールできるようになっている。
Similarly to the first embodiment, the
本実施形態によっても、燃料電池の内部において部分的に湿度条件や飽和に達して凝結する条件、生成水の排水性を制御することが可能であり、高い発電効率で安定的に発電運転することができる。 Also according to the present embodiment, it is possible to control the humidity condition or the condition that the fuel cell partially condenses by reaching saturation, the drainage of generated water, and stable power generation operation with high power generation efficiency. Can do.
(参考形態)
燃料電池の参考形態を図9〜図10を参照して説明する。本参考形態は、第1実施形態の透過可変膜をシャッター構造を有する透過可変器に代えて構成したものである。なお、発電のための燃料及び酸化剤ガスは第1実施形態で使用したものを用いることができ、第1実施形態と同様の構成要素には同一の参照符号を付してその詳細な説明を省略する。
( Reference form)
The reference embodiment of fuel cell with reference to FIGS. 9-10 is described. In this reference embodiment, the transmission variable film of the first embodiment is configured by replacing a transmission variable device having a shutter structure. Note that the fuel and oxidant gas used in the first embodiment can be the same as those used in the first embodiment, and the same reference numerals are given to the same components as those in the first embodiment, and the detailed description thereof will be given. Omitted.
本参考形態の膜電極接合体18のカソード側に設けられた拡散層21には、触媒層20と接触しない側において、エア流路17内に露出する表面の全体に(セパレータのリブ部には設けない)エア流路17に沿って単一の長尺状の透過可変器40を設けて構成されている。アノード側も同様に構成されている。
The
透過可変器40は、図9に示すように、拡散層21のエア流路17内に露出する表面を移動しないように固定配置され、矩形状に開口された窓部46を有する支持基材41と、支持基材41を挟むようにして配置され、支持基材41の表面に平行に移動可能な二枚の透過可変板42,43とで構成されている。
As shown in FIG. 9, the transmission variable device 40 is fixedly arranged so as not to move the surface exposed in the
透過可変板42,43には各々、板を貫通する円形(直径10〜1000mm)の開口部44,45が複数規則的に配列して設けられており、透過可変板42及び43を所定位置に配置した場合には、開口部44と開口部45とが重ならず、所定位置から透過可変板42及び43の少なくとも一方を平行移動させた場合に、開口部44と開口部45とが徐々に重なって透過口が形成され、窓部46を介して物質透過が可能となる、いわゆるシャッター構造に構成されている。開口部44と開口部45とが重ならない状態では透過口は形成されず、透過可変器40を介した物質透過は不可能となる。
Each of the
透過可変板42,43は、ステンレスやチタン、ガラス状金属など、電池内部で耐腐食性の金属材料を用いて構成することができる。また、開口部44及び45は、同一の形状及び開口面積で構成される以外に、互いに異なる形状、開口面積に構成することもできる。
The
透過可変板42,43の移動は、例えば、燃料電池からの電力供給により駆動するモータの駆動力を、例えば露点との差や湿度条件等を基準に制御部30で制御しつつ透過可変板に伝達して行なうようにすることができる。
For example, the movement of the
また、透過可変板42,43を移動させる場合、図10に示すように、透過可変板42及び43のいずれか一方を矢印方向E又はFに平行移動させる態様でもよいし、透過可変板42及び43の両方を互いに逆方向(一方を矢印方向Eとし、他方を矢印方向Fとする)に平行移動させるようにした態様であってもよい。
Further, when the
本参考形態によっても、燃料電池の内部において部分的に湿度条件や飽和に達して凝結する条件、生成水の排水性を制御することが可能であり、高い発電効率で安定的に発電運転することができる。 Even in this reference mode, it is possible to control the humidity condition, the condition that the fuel cell is partially saturated and condensed, and the drainage of the generated water, and stable power generation operation with high power generation efficiency. Can do.
次に、透過可変部材の他の例について説明する。他の例は上記した各実施形態に適用することができる。
図11は、本発明に係る透過可変部材の他の例を示すものであり、多孔質シート(透過可変部材)50は、エア流路17の側壁に配設され、多孔質シート50の一端に張架して設けられた不図示のワイヤーで他端を回転軸に上下に移動させて、カソード極13の流路内に露出する露出面に配置される。ワイヤーを緩めることで、自重でエア流路17の側壁に倒れるようにすることができる。多孔質シートは、金属、セラミック、プラスチック等が使用でき、このシートの配設の有無によって簡易に、流路と膜電極接合体との間の物質透過を可変にできる。
Next, another example of the transmission variable member will be described. Other examples can be applied to the above-described embodiments.
FIG. 11 shows another example of the permeation variable member according to the present invention. A porous sheet (permeation variable member) 50 is disposed on the side wall of the
図12もまた、本発明に係る透過可変部材の他の例を示すものであり、多孔質シート(透過可変部材)60は、セパレータ16と拡散層21との間に設けられた間隙61に配設され、例えば露点との差や湿度条件等を基準に制御部30でモータ駆動等を制御して矢印方向に往復移動される。この多孔質シートの配設の有無によって簡易に、流路と膜電極接合体との間の物質透過を可変にできる。
FIG. 12 also shows another example of the transmission variable member according to the present invention. The porous sheet (transmission variable member) 60 is arranged in a
上記の実施形態では、燃料電池として固体高分子形燃料電池を中心に説明したが、水素ガスに代えメタノールを燃料とする直接メタノール形燃料電池(DMFC)についても同様に適用することができ、DMFCでは水素ガス流路(燃料流路)にメタノールが供給される。 In the above embodiment, the solid polymer fuel cell has been mainly described as the fuel cell. However, the present invention can also be applied to a direct methanol fuel cell (DMFC) using methanol instead of hydrogen gas as a fuel cell. Then, methanol is supplied to the hydrogen gas passage (fuel passage).
また、本発明の燃料電池は、電気自動車等の車両や船舶、航空機等への電力供給源として好適に適用することができる。 In addition, the fuel cell of the present invention can be suitably applied as a power supply source for vehicles such as electric vehicles, ships, airplanes, and the like.
11…イオン交換樹脂膜(高分子電解質膜)
12…アノード極
13…カソード極
14,16…セパレータ
15…水素ガス流路
17…エア流路
18…膜電極接合体
25,30…透過可変膜
26,31…拡縮する開口部
40…透過可変器
44,45…開口部
11 ... ion exchange resin membrane (polymer electrolyte membrane)
DESCRIPTION OF
Claims (3)
複数のリブを有し、前記電極対の各電極との間に流路を形成するセパレータと、
前記リブとリブとの間に前記流路における電極面に沿って設けられ、開口部を有し、電圧印加により前記開口部が拡縮する高分子膜であって前記流路と前記膜電極接合体との間の物質透過を可変にする透過可変部材と、
を備えた燃料電池。 A membrane electrode assembly comprising a polymer electrolyte membrane and an electrode pair sandwiching the polymer electrolyte membrane;
A separator having a plurality of ribs and forming a flow path between each electrode of the electrode pair;
A polymer film provided between the ribs along the electrode surface in the flow path , having an opening, and the opening is expanded and contracted by voltage application, the flow path and the membrane electrode assembly A permeation variable member that varies the material permeation between
A fuel cell.
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