JP5880356B2 - 燃料電池スタック - Google Patents
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Description
本発明の一形態によれば、燃料電池スタックの製造方法が提供される。この燃料電池スタックの製造方法は、アイオノマと、白金を担持したカーボンと、比誘電率が60以上の第1の溶媒を含む溶液を分散して得られる第1の触媒インク溶液を製造する工程と、電解質膜の両面に前記第1の触媒インク溶液を塗布することによって触媒層を形成してモニタセルを形成する工程と、アイオノマと、白金を担持したカーボンと、比誘電率が60未満の第2の溶媒を含む溶液を分散して得られる第2の触媒インク溶液を製造する工程と、電解質膜の両面に前記第2の触媒インク溶液を塗布することによって触媒層を形成して非モニタセルを形成する工程と、前記モニタセルと前記非モニタセルとを積層して燃料電池スタックを形成する工程と、を備え、前記非モニタセルは、前記モニタセルと前記非モニタセルの温度が同じ状態で比較したときに、(i)前記非モニタセルの発生させる電圧は、前記モニタセルの発生させる電圧よりも大きく、(ii)前記モニタセル及び前記非モニタセルの温度が高いほど、前記非モニタセルの発生させる電圧と前記モニタセルの発生させる電圧との差が大きくなるように形成される。この形態の燃料電池スタックの製造方法によれば、モニタセルは、通常時には非モニタセルと同等の発電性能を有し、単セルの温度が上がったときには発電性能が非モニタセルよりも低くなり、モニタセル及び非モニタセルの温度が高いほど、非モニタセルの発生させる電圧と、モニタセルの発生させる電圧と、の差が大きくなる。そのため、モニタセルは、特定の条件時における異常の発生の検知に適した発電性能を示すことができる。
図1は、本発明の第1の実施形態に係る燃料電池の構成を示す説明図である。燃料電池システム20は、燃料電池10と、燃料タンク300と、エアポンプ400と、冷却水ポンプ500と、負荷600と、制御部700と、セルモニタ710と、を備える。燃料電池10は、燃料電池スタック100と、集電板200、201と、絶縁板210、211と、エンドプレート230、231と、テンションロッド240と、ナット250と、を備える。
48.9wt%のPtCo/C触媒にアイオノマと、水と、エタノールと、を混合して攪拌し、超音波ホモジナイザーを用いて分散処理を行って触媒インクを得た。なお、アイオノマとして、デュポン社のナフィオン(ナフィオンは登録商標)を用いた。触媒インクを作製した後、電解質膜121に触媒インクをスプレー塗布し、乾燥させることで、膜電極接合体120を得た。なお、このとき、触媒層の触媒担持量が同じ量となるように触媒層を形成した。
図8は、第2の実施形態の非モニタセルとモニタセルの構成を示す説明図である。非モニタセル110の構成は、第1の実施形態の非モニタセル110の構成と同じである。第2の実施形態のモニタセル112の構成は、第1の実施形態のモニタセルの構成と、以下の点が異なっている。第2の実施形態のモニタセル112では、触媒層124と、電解質膜121との間にカーボン/アイオノマ混合層125を備えている。カーボン/アイオノマ混合層125のカーボンは、触媒が担持されていない。
電解質膜121の上に混合層125を形成した。白金を担持していないカーボンと、アイオノマと、水と、エタノールとを混合・攪拌した。このとき、アイオノマとカーボンとの質量比(アイオノマの質量/カーボンの質量)を0.75となるようにカーボンと、アイオノマと、の混合比を定めた。また、アイオノマとして、デュポン社のDE2020CSを用いた。混合溶液に対して、超音波ホモジナイザーによる分散処理を行った。この分散溶液をカーボン目付量が、0.01mg/cm2となるように電解質膜121にスプレー塗布した。なお、同様に、カーボン目付量が、0.03mg/cm2のものと、0.05mg/cm2のものと、合計3種類のシートを作製した。
20…燃料電池システム
100…燃料電池スタック
110…非モニタセル
111…モニタセル
112…モニタセル
120…膜電極接合体
121…電解質膜
122…触媒層
123…触媒層(アノード触媒層)
124…触媒層
125…混合層
132…ガス拡散層
142…多孔体ガス流路
152…セパレータプレート
153…セパレータプレート
155…冷却水流路
160…シールガスケット
200…集電板
210…絶縁板
230…エンドプレート
231…エンドプレート
240…テンションロッド
250…ナット
300…燃料タンク
310…燃料ガス供給管
320…バルブ
330…燃料ガス排気管
340…燃料ガス排気バルブ
350…圧力計
360…燃料ガス回収管
370…ポンプ
400…エアポンプ
410…酸化ガス供給管
420…バルブ
430…酸化ガス排気管
440…酸化ガス排気バルブ
450…圧力計
500…冷却水ポンプ
510…冷却水配管
520…ラジエーター
530…温度計
600…負荷
700…制御部
710…セルモニタ
Claims (6)
- 燃料電池スタックの製造方法であって、
アイオノマと、白金を担持したカーボンと、比誘電率が60以上の第1の溶媒を含む溶液を分散して得られる第1の触媒インク溶液を製造する工程と、
電解質膜の両面に前記第1の触媒インク溶液を塗布することによって触媒層を形成してモニタセルを形成する工程と、
アイオノマと、白金を担持したカーボンと、比誘電率が60未満の第2の溶媒を含む溶液を分散して得られる第2の触媒インク溶液を製造する工程と、
電解質膜の両面に前記第2の触媒インク溶液を塗布することによって触媒層を形成して非モニタセルを形成する工程と、
前記モニタセルと前記非モニタセルとを積層して燃料電池スタックを形成する工程と、
を備え、
前記非モニタセルは、前記モニタセルと前記非モニタセルの温度が同じ状態で比較したときに、(i)前記非モニタセルの発生させる電圧は、前記モニタセルの発生させる電圧よりも大きく、(ii)前記モニタセル及び前記非モニタセルの温度が高いほど、前記非モニタセルの発生させる電圧と前記モニタセルの発生させる電圧との差が大きくなるように形成される、燃料電池スタックの製造方法。 - 請求項1に記載の燃料電池スタックの製造方法において、
前記第1と第2の溶媒は、水とエタノールとを含んでおり、
前記水と前記エタノールの混合比率を変えることにより、前記第1と第2の溶媒の比誘電率を調製する、燃料電池スタックの製造方法。 - 請求項2に記載の燃料電池スタックの製造方法において、
前記第1と第2の溶媒の少なくとも一方にさらに酢酸プロピルを含ませることで、前記第1と第2の溶媒の比誘電率を調製する、燃料電池スタックの製造方法。 - 請求項1〜3のいずれか一項に記載の燃料電池スタックの製造方法において、
前記モニタセルを形成する工程は、前記電解質膜に前記触媒層を形成する前に、触媒が担持されていないカーボンとアイオノマとを含む混合層を形成する工程を有している、
燃料電池スタックの製造方法。 - 複数の単セルが積層されて形成される燃料電池スタックであって、
前記複数の単セルは、モニタセルと、非モニタセルと、を含んでおり、
前記モニタセル及び前記非モニタセルは、いずれも、
電解質膜と、
前記電解質膜の両面に形成される触媒層であって、触媒が担持されているカーボンとアイオノマとを含む触媒層と、
備えており、
前記モニタセルは、前記電解質膜と前記触媒層のうちのカソード側触媒層との間に、触媒が担持されていないカーボンとアイオノマとを含む混合層を有し、前記非モニタセルは、前記電解質膜と前記カソード側触媒層との間に、前記混合層を有しておらず、
前記モニタセルと前記非モニタセルの温度が同じ状態で比較したときに、
(i)前記非モニタセルの発生させる電圧は、前記モニタセルの発生させる電圧よりも大きく、
(ii)前記モニタセル及び前記非モニタセルの温度が高いほど、前記非モニタセルの発生させる電圧と、前記モニタセルの発生させる電圧と、の差が大きくなる、燃料電池スタック。 - 請求項5に記載の燃料電池スタックにおいて、
前記混合層の前記触媒が担持されていないカーボンの目付量は、混合層1平方センチメートル当たり0.03mg以上である、燃料電池スタック。
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