JP6305132B2 - Polymer electrolyte fuel cell - Google Patents
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Description
本発明は、固体高分子電解質膜を燃料極及び空気極で挟んで構成される膜電極接合体を有し、当該膜電極接合体へ供給される反応ガスを用いて発電するセルを複数積層して形成されるセルスタックを備える固体高分子形燃料電池に関する。 The present invention comprises a membrane electrode assembly comprising a solid polymer electrolyte membrane sandwiched between a fuel electrode and an air electrode, and a plurality of cells that generate power using a reaction gas supplied to the membrane electrode assembly. The present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell including a cell stack formed in the above manner.
固体高分子形燃料電池は、固体高分子電解質膜及びそれを両側から挟む燃料極と空気極とが湿潤することによりプロトン導電性が高められ、それによって発電が可能となる。そのため、燃料極に供給する燃料ガス及び空気極に供給する酸化剤ガスに水蒸気を混合するなど、加湿して運転させている。また、長期耐久性が求められる定置用途では、劣化抑制の観点から電池温度と、燃料ガス及び酸化剤ガスの露点とがほぼ同一の飽和加湿条件での作動が一般的である。この条件では、低負荷運転時には電池温度が低下して結露水が発生し易くなるため、反応に必要なガスの流路の閉塞がその水によって引き起こされ、電池性能の低下や不安定化が生じることとなる。そのため、ガス流路内のガス流速を確保するといった余剰水分排出対策がなされてきた(例えば、特許文献1を参照)。 In the polymer electrolyte fuel cell, proton conductivity is increased by wetting the polymer electrolyte membrane and the fuel electrode and the air electrode sandwiching it from both sides, thereby enabling power generation. Therefore, the fuel gas supplied to the fuel electrode and the oxidant gas supplied to the air electrode are operated with humidification such as mixing water vapor. In stationary applications where long-term durability is required, operation under saturated humidification conditions in which the cell temperature and the dew points of the fuel gas and the oxidant gas are substantially the same are generally used from the viewpoint of suppressing deterioration. Under these conditions, the battery temperature is lowered during condensation and water is likely to be generated during low-load operation, so the water blockage of the gas flow path required for the reaction causes deterioration in battery performance and instability. It will be. For this reason, measures have been taken to discharge excess moisture such as ensuring the gas flow rate in the gas flow path (see, for example, Patent Document 1).
一方、燃料ガス及び酸化剤ガスに対する加湿機能を簡略化もしくは削除することによって、コスト低減を図ることができる。そのため、飽和加湿条件でなくてもセルの劣化が抑制されるような開発が進められてきた(例えば、非特許文献1を参照)。
また、このような低加湿条件においては、発電による生成水を如何にセルの湿潤に効率よく利用できるか、即ち、膜電極接合体の、低加湿条件での使用の適応性能を表す低加湿適応性能(例えば、保水性能、低加湿条件下でのプロトン導電性能、低加湿条件下での耐劣化性能など)が高いかが発電性能を引き出す上で重要であり、セルの構成部材の最適化が進められている(例えば、非特許文献2を参照)。
On the other hand, cost can be reduced by simplifying or eliminating the humidification function for the fuel gas and the oxidant gas. For this reason, development that suppresses cell deterioration even under non-saturated humidification conditions has been advanced (see, for example, Non-Patent Document 1).
In such a low humidification condition, how efficiently the water generated by power generation can be used to wet the cell, that is, the low humidification adaptation that represents the adaptive performance of the membrane electrode assembly used in the low humidification condition. High performance (for example, water retention performance, proton conductivity performance under low humidification conditions, anti-degradation performance under low humidification conditions, etc.) is important for extracting power generation performance, and optimization of cell components is promoted (See, for example, Non-Patent Document 2).
しかしながら、低加湿条件に合わせた高い低加湿適応性能を有するセルの構成部材、特に固体高分子電解質膜は一般の飽和加湿条件仕様に対して高価であり、普及へ向けた低コスト化にそぐわない。 However, a cell component having high low humidification adaptability adapted to low humidification conditions, particularly a solid polymer electrolyte membrane, is expensive with respect to general saturated humidification condition specifications, and is not suitable for cost reduction for popularization.
また、セルへの反応ガスの流入部の近傍(即ち、上流側)の膜電極接合体は、そこでの発電反応により水は生成されるものの、流入してくる反応ガスによって乾燥し易い。これに対して、セルからの反応ガスの流出部の近傍(即ち、下流側)の膜電極接合体は、発電反応による生成水がその反応ガスの流れによって運ばれてくるため、上流側に比べて水が多く存在することになる。そのため、膜電極接合体が、上述したような乾燥し易い上流側の条件に合わせて高い低加湿適応性能(例えば、水を留め易いという高い保水性能)を有するように構成されていると、下流側では湿潤が過剰になり、滞留する水によって反応に必要なガスの流路閉塞が引き起こされる可能性もある。逆に、膜電極接合体が、上述したような水が多く存在することになる下流側の条件に合わせて低い保水性能(即ち、水が排出され易いという性能)を有するように構成されていると、上流側では湿潤が不足し、膜電極接合体のプロトン導電性が十分に確保できないという問題が発生する。 In addition, the membrane electrode assembly in the vicinity of the inflow portion of the reaction gas to the cell (that is, the upstream side) is easily dried by the inflowing reaction gas, although water is generated by the power generation reaction there. On the other hand, the membrane electrode assembly in the vicinity of the outflow part of the reaction gas from the cell (that is, the downstream side) generates water generated by the power generation reaction and is carried by the flow of the reaction gas. There will be a lot of water. Therefore, when the membrane / electrode assembly is configured to have high low humidification adaptive performance (for example, high water retention capability of easily retaining water) in accordance with the upstream conditions that are easy to dry as described above, On the side, wetting becomes excessive, and the water that remains can cause blockage of the gas flow path required for the reaction. Conversely, the membrane electrode assembly is configured to have low water retention performance (that is, performance that water is easily discharged) in accordance with downstream conditions where a large amount of water is present as described above. As a result, there is a problem in that wetting is insufficient on the upstream side, and the proton conductivity of the membrane electrode assembly cannot be sufficiently secured.
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、コストの上昇を抑制しながら、膜電極接合体に求められる性能を充分に発揮させることができる固体高分子形燃料電池を提供する点にある。 The present invention has been made in view of the above problems, and its object is to provide a polymer electrolyte fuel cell capable of sufficiently exhibiting the performance required for a membrane electrode assembly while suppressing an increase in cost. Is to provide
上記目的を達成するための本発明に係る固体高分子形燃料電池の特徴構成は、固体高分子電解質膜を燃料極及び空気極で挟んで構成される膜電極接合体を有し、当該膜電極接合体へ供給される反応ガスを用いて発電するセルを複数積層して形成されるセルスタックを備える固体高分子形燃料電池であって、
前記セルは、前記反応ガスが流入する流入部と、発電で用いられた後の前記反応ガスが流出する流出部と、前記セル内の前記流入部から前記流出部に至る間に前記反応ガスが流れるガス流路とを有し、
前記セル内で前記ガス流路に面する前記膜電極接合体の低加湿適応性能は、前記流入部の近傍の方が前記流出部の近傍よりも高くなるように構成され、
前記膜電極接合体は、低加湿適応性能の異なる複数個の膜電極接合体部材を組み合わせて形成されている点にある。この低加湿適応性能は、膜電極接合体の低加湿条件での使用の適応性能を表す特性であり、例えば保水性能、及び、低加湿条件下でのプロトン導電性能、及び、低加湿条件下での耐劣化性能の内の少なくとも一つである。
In order to achieve the above object, the solid polymer fuel cell according to the present invention has a membrane electrode assembly configured by sandwiching a solid polymer electrolyte membrane between a fuel electrode and an air electrode, and the membrane electrode A polymer electrolyte fuel cell comprising a cell stack formed by stacking a plurality of cells that generate power using a reaction gas supplied to a joined body,
The cell includes an inflow portion into which the reaction gas flows, an outflow portion from which the reaction gas flows out after being used in power generation, and the reaction gas between the inflow portion and the outflow portion in the cell. A flowing gas flow path,
The low humidification adaptive performance of the membrane electrode assembly facing the gas flow path in the cell is configured so that the vicinity of the inflow portion is higher than the vicinity of the outflow portion ,
The membrane electrode assembly is formed by combining a plurality of membrane electrode assembly members having different low humidification adaptability . This low-humidification adaptive performance is a characteristic that represents the adaptive performance of the membrane electrode assembly when used under low humidification conditions. For example, the water retention performance, proton conductivity performance under low humidification conditions, and under low humidification conditions. Is at least one of the deterioration resistance performance of
上記特徴構成によれば、セル内でガス流路に面する膜電極接合体の低加湿適応性能は、流入部の近傍の方が流出部の近傍よりも高くなるように構成されている。つまり、反応ガスの流入部の近傍の膜電極接合体は、存在する水が相対的に少ない低加湿条件に合わせて相対的に高い低加湿適応性能(即ち、高い保水性能(水を留め易い性能)、低加湿条件下での高いプロトン導電性能、低加湿条件下での高い耐劣化性能の内の少なくとも一つ)を有するように構成されている。これに対して、反応ガスの流出部の近傍の膜電極接合体は、存在する水が相対的に多い条件下にあるため、上記低加湿適応性能が高くなくても(即ち、保水性能が低くても)、そのプロトン導電性を十分に確保できることを期待できる。また、保水性能が低ければ、反応ガスの流路が水によって閉塞されるといった問題も発生し難くなる。その結果、膜電極接合体の全体にわたって、求められる性能を充分に発揮させることができる。
また、本特徴構成では、膜電極接合体の全体を低加湿条件に合わせた高い低加湿適応性能を有するようには構成しないので、膜電極接合体が非常に高価になることもない。
従って、コストの上昇を抑制しながら、膜電極接合体に求められる性能を充分に発揮させることができる固体高分子形燃料電池を提供できる。
According to the above characteristic configuration, the low humidification adaptive performance of the membrane electrode assembly facing the gas flow path in the cell is configured to be higher in the vicinity of the inflow portion than in the vicinity of the outflow portion. In other words, the membrane electrode assembly in the vicinity of the inflow portion of the reaction gas has a relatively high low humidification adaptability (that is, high water retention performance (performance that can easily retain water) in accordance with low humidification conditions in which relatively little water is present. ), At least one of high proton conductivity performance under low humidification conditions and high deterioration resistance performance under low humidification conditions). On the other hand, the membrane electrode assembly in the vicinity of the outflow part of the reaction gas is in a condition where a relatively large amount of water is present, and therefore the low humidification adaptive performance is not high (that is, the water retention performance is low). Even so, it can be expected that the proton conductivity can be sufficiently secured. Moreover, if the water retention performance is low, the problem that the flow path of the reaction gas is blocked by water is less likely to occur. As a result, the required performance can be sufficiently exerted over the entire membrane electrode assembly.
Further, in this feature configuration, the entire membrane electrode assembly is not configured to have a high low humidification adaptive performance that matches the low humidification condition, so that the membrane electrode assembly does not become very expensive.
Therefore, it is possible to provide a polymer electrolyte fuel cell that can sufficiently exhibit the performance required for the membrane electrode assembly while suppressing an increase in cost.
加えて、低加湿適応性能の異なる複数個の膜電極接合体部材を組み合わせることで、セル内でガス流路に面する膜電極接合体の低加湿適応性能が、反応ガスの流入部の近傍の方が反応ガスの流出部の近傍よりも高くなるような構成を得ることができる。 In addition , by combining a plurality of membrane electrode assembly members with different low humidification adaptability, the low humidification adaptability of the membrane electrode assembly facing the gas flow path in the cell can be improved in the vicinity of the inflow portion of the reaction gas. It is possible to obtain a configuration in which the height is higher than that in the vicinity of the outflow portion of the reaction gas.
本発明に係る固体高分子形燃料電池の別の特徴構成は、前記反応ガスは、露点が前記セルの作動温度よりも低い状態で前記流入部に流入するように構成されている点にある。 Another characteristic configuration of the polymer electrolyte fuel cell according to the present invention is that the reaction gas is configured to flow into the inflow portion in a state where a dew point is lower than an operating temperature of the cell.
反応ガスの露点がセルの作動温度以上となる飽和加湿条件で固体高分子形燃料電池を運転させようとすると、即ち、反応ガスに多量の水を含ませようとすると、例えば反応ガスや水の温度を昇温する必要があるなど、多くのエネルギーが必要となる。
ところが本特徴構成によれば、反応ガスを、その露点がセルの作動温度よりも低い状態で流入部に流入させるという低加湿条件で固体高分子形燃料電池が運転される。つまり、反応ガスの加湿に必要なエネルギーを相対的に小さくできる。
また、セル内部に存在する水の量を相対的に少なくすることができるので、反応ガスの流路が水で閉塞されるといった問題の発生を抑制できる。
If the polymer electrolyte fuel cell is operated under saturated humidification conditions where the dew point of the reaction gas is equal to or higher than the cell operating temperature, that is, if the reaction gas contains a large amount of water, for example, the reaction gas or water A lot of energy is needed, such as the need to raise the temperature.
However, according to this characteristic configuration, the polymer electrolyte fuel cell is operated under a low humidification condition in which the reaction gas is allowed to flow into the inflow portion in a state where the dew point is lower than the operating temperature of the cell. That is, the energy required for humidifying the reaction gas can be made relatively small.
Further, since the amount of water present in the cell can be relatively reduced, it is possible to suppress the occurrence of a problem that the flow path of the reaction gas is blocked with water.
本発明に係る固体高分子形燃料電池の更に別の特徴構成は、前記反応ガスは、前記空気極に供給される酸化剤ガスである点にある。 Yet another characteristic configuration of the polymer electrolyte fuel cell according to the present invention is that the reaction gas is an oxidant gas supplied to the air electrode.
酸化剤ガスが供給される空気極では発電反応によって水が生成されるため、燃料極側に比べて、存在する水が相対的に多い条件下にある。そのため、セルへの反応ガスの流入部の近傍の膜電極接合体が、流入してくる反応ガスによって乾燥し易いという問題は燃料極側及び空気極側で共通するが、セルからの反応ガスの流出部の近傍で水が多く存在するという現象は、燃料極側よりも空気極側の方が顕著になる。
本特徴構成では、空気極に供給される酸化剤ガスのガス流路に面する膜電極接合体の低加湿適応性能を、流入部の近傍の方が流出部の近傍よりも高くなるように構成するので、空気極側で顕著になる、セルからの反応ガスの流出部の近傍で水が多く存在するという現象に対して、より良く対処できる。
Since water is generated by the power generation reaction at the air electrode to which the oxidant gas is supplied, there is a relatively large amount of water present compared to the fuel electrode side. Therefore, the problem that the membrane electrode assembly in the vicinity of the inflow portion of the reaction gas to the cell is easily dried by the inflowing reaction gas is common to the fuel electrode side and the air electrode side. The phenomenon that a lot of water is present in the vicinity of the outflow portion is more remarkable on the air electrode side than on the fuel electrode side.
In this feature configuration, the low humidification adaptive performance of the membrane electrode assembly facing the gas flow path of the oxidant gas supplied to the air electrode is configured so that the vicinity of the inflow portion is higher than the vicinity of the outflow portion. Therefore, it is possible to better cope with a phenomenon in which a large amount of water is present in the vicinity of the outflow portion of the reaction gas from the cell, which becomes prominent on the air electrode side.
<第1実施形態>
以下に図面を参照して第1実施形態の固体高分子形燃料電池の構成について説明する。図1は、燃料電池システムの構成を説明する図であり、図2は、セルスタックCSの構成を説明する模式図であり、図3は、セルの分解斜視図である。図示するように、この燃料電池システムは、発電ユニットU1と貯湯ユニットU2とを備える。尚、本願で示す図面では、本発明の理解を容易にするために、各部材の位置関係や大きさなどを本来の位置関係や大きさなどとは異なるように描いている箇所もある。
<First Embodiment>
The configuration of the polymer electrolyte fuel cell according to the first embodiment will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of a fuel cell system, FIG. 2 is a schematic diagram illustrating a configuration of a cell stack CS, and FIG. 3 is an exploded perspective view of a cell. As shown in the figure, the fuel cell system includes a power generation unit U1 and a hot water storage unit U2. In the drawings shown in the present application, in order to facilitate understanding of the present invention, there are places where the positional relationship and size of each member are drawn differently from the original positional relationship and size.
発電ユニットU1は、熱と電気とを併せて発生する熱電併給装置としての固体高分子形燃料電池を有する。固体高分子形燃料電池は、固体高分子電解質膜10を燃料極11及び空気極12で挟んで構成される膜電極接合体40と、膜電極接合体40の燃料極11側に設けられ、燃料ガス流路13aを通してその燃料極11に燃料ガスを導入する燃料極セパレータ13と、膜電極接合体40の空気極12側に設けられ、酸化剤ガス流路14aを通してその空気極12に酸化剤ガスを導入する空気極セパレータ14とを有するセルCを複数積層して形成されるセルスタックCSとを備える。また、燃料電池システムは、自身の運転を制御する運転制御手段36を備える。
The power generation unit U1 has a polymer electrolyte fuel cell as a combined heat and power generation device that generates heat and electricity together. The polymer electrolyte fuel cell includes a
本実施形態では、固体高分子形燃料電池には、燃料ガスとしての水素と、酸化剤ガスとしての空気(酸素)とが供給される。
燃料ガスとしての水素は、発電ユニットU1が備える改質器8が、炭化水素を含む原燃料を改質することで生成される。図1に示した例では、メタン(CH4)を主成分とする原燃料ガス(都市ガス等)が、原燃料ガス供給路6を介して改質器8に供給されて改質され、その結果として得られる水素を主成分とする燃料ガスが、燃料ガス供給路7を介してセルCに供給される。また、セルCには、酸化剤ガスとしての空気も、酸化剤ガス供給路1を介して供給される。
In the present embodiment, hydrogen as a fuel gas and air (oxygen) as an oxidant gas are supplied to the polymer electrolyte fuel cell.
Hydrogen as the fuel gas is generated when the
燃料ガス供給路7の途中には燃料極側加湿器4が設けられ、セルCへ供給される燃料ガスの加湿が行われる。また、酸化剤ガス供給路1の途中には空気極側加湿器2が設けられ、セルCへ供給される酸化剤ガスの加湿が行われる。燃料極側加湿器4及び空気極側加湿器2については既存の様々な加湿器を利用できる。燃料極側加湿器4及び空気極側加湿器2の動作は運転制御手段36が制御する。具体的には、運転制御手段36が燃料極側加湿器4及び空気極側加湿器2の加湿部分での温度を制御することで、燃料ガス及び酸化剤ガスの露点を調節する。一例を挙げると、運転制御手段36が燃料極側加湿器4の加湿部分での温度を高くすると、燃料ガスに含まれる水分量を増加させる(即ち、燃料ガスの露点を高くする)ことができる。本実施形態では、運転制御手段36は、反応ガスとしての燃料ガス及び酸化剤ガスを、それらの露点がセルCの作動温度(例えば、70℃)よりも低い状態で後述する流入部13a1,14a1に流入させるように加湿器2,4の動作を制御する。
A fuel electrode side humidifier 4 is provided in the middle of the fuel gas supply path 7 to humidify the fuel gas supplied to the cell C. An air
加えて、燃焼器9には、セルCでの発電反応に用いられた後の燃料ガス(以下、「排燃料ガス」と記載することもある)が排燃料ガス路5を介して供給され、且つ、空気(酸素)が酸化剤ガス供給路1aを介して供給される。そして、燃焼器9で排燃料ガスが燃焼され、その燃焼熱が改質器8に伝達されることで、改質器8での改質反応が促進される。そして、燃焼器9から排出される排ガスと、セルCでの発電反応に用いられた後の空気とは、排ガス路3を介して発電ユニットU1の外部へと排出される。尚、図1では、排燃料ガスと空気とが予め混合された上で燃焼器9に供給される状態(排燃料ガス路5が酸化剤ガス供給路1aに連結された状態)を示しているが、排燃料ガスと空気とを別々に燃焼器9へ供給してもよい。
In addition, the fuel gas after being used for the power generation reaction in the cell C (hereinafter also referred to as “exhaust fuel gas”) is supplied to the
セルCでは、燃料極セパレータ13が膜電極接合体40の燃料極11側に設けられ、空気極セパレータ14が膜電極接合体40の空気極12側に設けられる。そして、燃料極セパレータ13に形成される燃料ガス流路13aを通して燃料極11に燃料ガスが導入され、空気極セパレータ14に形成される酸化剤ガス流路14aを通して空気極12に酸化剤ガスが導入される。図1に示した例では、一つのセルCは、一方の面に燃料ガスが流通する燃料ガス流路13aとなる燃料ガス用溝が形成される燃料極セパレータ13と、一方の面に酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス流路14aとなる酸化剤ガス用溝が形成され且つ他方の面に冷却水が流通する冷却水用溝が形成される空気極セパレータ14と、膜電極接合体40とを用いて構成される。そして、一つのセルCにおいて、燃料ガス用溝が形成されている燃料極セパレータ13の一方の面を膜電極接合体40の燃料極11に相対させることで燃料ガスを燃料極11に導入し、及び、酸化剤ガス用溝が形成されている空気極セパレータ14の一方の面を膜電極接合体40の空気極12に相対させることで酸化剤ガスを空気極12に導入するように構成される。セルスタックCSにおいて、一方のセルCの冷却水用溝が形成されている空気極セパレータ14の他方の面を、他方のセルCの燃料ガス用溝が形成されていない燃料極セパレータ13の他方の面に相対させるようにして複数のセルCが順に積層される。
In the cell C, the
セルCは、図2に示すY軸方向に順に積層される。そして、セルスタックCSは、セルCの積層方向に沿った上流側から下流側に向かって延びる(即ち、Y軸方向に沿って延びる)、セルスタックCSへ供給される燃料ガスが流れる燃料ガス供給マニホールド部15と、セルスタックCSへ供給される酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス供給マニホールド部17と、セルスタックCSから排出される燃料ガスが流れる燃料ガス排出マニホールド部16と、セルスタックCSから排出される酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス排出マニホールド部18とを備える。燃料ガス供給マニホールド部15には燃料ガス供給路7が接続され、それにより燃料ガスがセルスタックCSへ供給される。酸化剤ガス供給マニホールド部17には酸化剤ガス供給路1が接続され、それにより酸化剤ガスがセルスタックCSへ供給される。燃料ガス排出マニホールド部16には排燃料ガス路5が接続され、それにより、セルCでの発電反応に用いられた後の燃料ガス(排燃料ガス)がセルスタックCSから排出される。酸化剤ガス排出マニホールド部18には排ガス路3が接続され、セルCでの発電反応に用いられた後の酸化剤ガスがセルスタックCSから排出される。
The cell C is sequentially stacked in the Y-axis direction shown in FIG. The cell stack CS extends from the upstream side to the downstream side along the stacking direction of the cells C (that is, extends along the Y-axis direction), and the fuel gas supply through which the fuel gas supplied to the cell stack CS flows.
各セルCの内部において、燃料ガス流路13aは、燃料ガス供給マニホールド部15と燃料ガス排出マニホールド部16との間を接続し、酸化剤ガス流路14aは、酸化剤ガス供給マニホールド部17と酸化剤ガス排出マニホールド部18との間を接続する。そして、燃料ガス供給マニホールド部15では、燃料ガスが、上流側から下流側へ向かって流れながら燃料ガス流路13aへ流入し、酸化剤ガス供給マニホールド部17では、酸化剤ガスが、上流側から下流側へ向かって流れながら酸化剤ガス流路14aへ流入する。図2に示す例では、図面の簡略化のため、セルCにおいて、燃料ガス流路13aがX軸方向に沿って直線形状に形成され、酸化剤ガス流路14aがZ軸方向に沿って直線形状に形成されているような模式図を描いているが、セルCの内部での燃料ガス流路13aの形状及び酸化剤ガス流路14aの形状は自在に設計できる。例えば、一つのセルCにおいて、燃料ガスが、X−Z平面内で蛇行しながら、全体としてX軸の正の方向に向かって流れるように、燃料ガス流路13aを形成することができる。また、一つのセルCにおいて、酸化剤ガスが、X−Z平面内で蛇行しながら、全体としてZ軸の正の方向に向かって流れるように、酸化剤ガス流路14aを形成することができる。また、図2に示す例では、冷却水についての説明は省略している。
Inside each cell C, the fuel
上述した冷却水はセルCを冷却する役割を担うと共に、セルCから排熱を回収する役割も担っている。本実施形態では、冷却水は、冷却水循環路19を流れている。冷却水循環路19の途中には、上述したセルスタックCS内の冷却水流路20と、冷却水用熱交換器21と、冷却水用ポンプ22とが設けられており、冷却水用ポンプ22によって付勢された冷却水がセルスタックCS(冷却水流路20)と冷却水用熱交換器21とを順に流れながら循環するように構成されている。また、冷却水用熱交換器21には、貯湯ユニットU2が備える貯湯タンク25に貯えられている湯水が排熱回収路23を介して流入する。その結果、冷却水用熱交換器21では、冷却水循環路19を流れる冷却水と排熱回収路23を流れる湯水との間で熱交換が行われる。排熱回収路23での湯水の流量は、排熱回収路23の途中に設けられている排熱回収用ポンプ24の出力を制御することで調節される。冷却水用ポンプ22及び排熱回収用ポンプ24の動作は運転制御手段36が制御する。
The cooling water described above plays a role of cooling the cell C and also plays a role of recovering exhaust heat from the cell C. In the present embodiment, the cooling water flows through the cooling
貯湯ユニットU2に設けられる貯湯タンク25では、上部に相対的に高温の湯水が貯えられ、下部に相対的に低温の湯水が貯えられる。具体的には、排熱回収路23は、貯湯タンク25の下部と貯湯タンク25の上部とを接続するように設けられ、その間に上記冷却水用熱交換器21が設けられる。その結果、貯湯タンク25の下部に貯留されている相対的に低温の湯水が、排熱回収路23を通って冷却水用熱交換器21に至って昇温され、その昇温された相対的に高温の湯水が貯湯タンク25の上部に帰還して流入する。
In the hot
貯湯タンク25の上部には給湯路27が接続され、台所や風呂などの給湯用途に湯水が供給される。また、貯湯タンク25の下部には給水路26が接続され、貯湯タンク25への湯水の補充が行われる。
A hot
次にセルの構造について説明する。
図3は、一つのセルCの分解斜視図である。図示するように、セルCは、膜電極接合体40が燃料極セパレータ13及び空気極セパレータ14によってその両側から挟まれた構造となっている。膜電極接合体40の周囲にはガスケット(シール部材の一例)41が設けられ、膜電極接合体40とガスケット41とが組み合わされて一枚の部材となって、燃料極セパレータ13及び空気極セパレータ14によってその両側から挟まれている。ガスケット41は中央部に開口部分が設けられた環状に形成され、その開口部分に膜電極接合体40が嵌め込まれている。尚、図3では、冷却水の流路についての説明は省略している。
Next, the cell structure will be described.
FIG. 3 is an exploded perspective view of one cell C. FIG. As shown in the figure, the cell C has a structure in which the
また、図3に示すように、セルCには燃料ガス供給マニホールド部15と燃料ガス排出マニホールド部16と酸化剤ガス供給マニホールド部17と酸化剤ガス排出マニホールド部18とが形成されている。このうち、燃料ガス供給マニホールド部15と燃料ガス排出マニホールド部16は燃料極セパレータ13に形成される燃料ガス流路13aと接続され、酸化剤ガス供給マニホールド部17と酸化剤ガス排出マニホールド部18とは空気極セパレータ14に形成される酸化剤ガス流路14aと接続される。そして、燃料ガス流路13aを流れる燃料ガスは膜電極接合体40の一方側(燃料極11側)の面から直接接触し、酸化剤ガス流路14aを流れる酸化剤ガスは膜電極接合体40の他方側(空気極12側)の面から直接接触する。このように、セルCは、反応ガス(燃料ガス及び酸化剤ガス)が流入する流入部13a1,14a1と、発電で用いられた後の反応ガス(燃料ガス及び酸化剤ガス)が流出する流出部13a2,14a2と、セルC内の流入部13a1,14a1から流出部13a2,14a2に至る間に反応ガス(燃料ガス及び酸化剤ガス)が流れるガス流路13a,14aとを有する。
As shown in FIG. 3, the fuel gas
次に、膜電極接合体40の構造について説明する。図1に示したように、膜電極接合体40は、固体高分子電解質膜10を燃料極11及び空気極12で挟んで構成される。
図4は、膜電極接合体40の断面構造を示す図である。図4に示すように、燃料極11は、固体高分子電解質膜10の側に設けられる燃料極側触媒層11bと、燃料極セパレータ13の側に設けられる燃料極側ガス拡散層11aとで構成される。同様に、空気極12は、固体高分子電解質膜10の側に設けられる空気極側触媒層12bと、空気極セパレータ14の側に設けられる空気極側ガス拡散層12aとで構成される。
Next, the structure of the
FIG. 4 is a view showing a cross-sectional structure of the
本実施形態では、膜電極接合体40は、図3に記載したような反応ガス(燃料ガス及び酸化剤ガス)の流入部13a1,14a1の側から流出部13a2,14a2の側に向かって順に並ぶ第1領域40aと第2領域40bとを有する。セルC内でガス流路13a,14aに面する膜電極接合体40の低加湿適応性能は、流入部13a1,14a1の近傍にある第1領域40aの方が、流出部13a2,14a2の近傍にある第2領域40bよりも高くなるように構成されている。つまり、膜電極接合体40の第1領域40aの低加湿適応性能は、膜電極接合体40の第2領域40bの低加湿適応性能よりも高い。この低加湿適応性能は、膜電極接合体40の低加湿条件での使用の適応性能を表す特性であり、保水性能、及び、低加湿条件下でのプロトン導電性能、及び、低加湿条件下での耐劣化性能の内の少なくとも一つである。
In the present embodiment, the
このような膜電極接合体40の低加湿適応性能の違いは、膜電極接合体40を構成する、固体高分子電解質膜10、触媒層11b,12b、ガス拡散層11a,12aのうちの少なくとも何れか一つの特性の違いによって生み出すことができる。燃料極側触媒層11b及び空気極側触媒層12bの低加湿適応性能を高めるためには、水分が流出し難い水管理層などを塗布してその保水性能を高めるという構成を採用することができる。燃料極側ガス拡散層11a及び空気極側ガス拡散層12aの低加湿適応性能を高めるためは、例えばガス拡散層の材料となる多孔質カーボン材のポアサイズを小さくして、或いは、撥水処理(テフロン(登録商標)によるコーティングなど)の度合を低くする(撥水性を低くする)ことでその保水性能を高めるという構成を採用することができる。固体高分子電解質膜10の低加湿適応性能を高めるためには、低湿度でのプロトン導電性が高い原料を用いることで低加湿条件下でのそのプロトン導電性能を高くするという構成を採用することや、低加湿条件下で発生し易い劣化現象を抑制する添加剤を加えることでその低加湿条件下での耐劣化性能を高くするという構成を採用することができる。
The difference in the low humidification adaptability of the
例えば、第1領域40aに対応する部分の固体高分子電解質膜10と、第2領域40bに対応する部分の固体高分子電解質膜10とを、互いに上述したような低加湿適応性能の異なる材料で形成する。これに対して、触媒層11b,12b並びにガス拡散層11a,12aのそれぞれは、膜電極接合体40の全体にわたって低加湿適応性能に違いのない材料で形成する。このように構成することで、第1領域40aに対応する部分と第2領域40bに対応する部分とで低加湿適応性能に差異を設けることができる。
For example, a portion of the solid
或いは、第1領域40aに対応する部分の触媒層11b,12bと、第2領域40bに対応する部分の触媒層11b,12bとを、互いに上述したような低加湿適応性能の異なる材料で形成する。これに対して、固体高分子電解質膜10並びにガス拡散層11a,12aのそれぞれは、膜電極接合体40の全体にわたって低加湿適応性能に違いのない材料で形成する。このように構成することで、第1領域40aに対応する部分と第2領域40bに対応する部分とで低加湿適応性能に差異を設けることができる。
Alternatively, portions of the catalyst layers 11b and 12b corresponding to the
また或いは、第1領域40aに対応する部分のガス拡散層11a,12aと、第2領域40bに対応する部分のガス拡散層11a,12aとを、互いに上述したような低加湿適応性能の異なる材料で形成する。これに対して、固体高分子電解質膜10並びに触媒層11b,12bのそれぞれは、膜電極接合体40の全体にわたって低加湿適応性能に違いのない材料で形成する。このように構成することで、第1領域40aに対応する部分と第2領域40bに対応する部分とで低加湿適応性能に差異を設けることができる。
Alternatively, the portions of the gas diffusion layers 11a and 12a corresponding to the
以上のように、セルC内で燃料ガス流路13a及び酸化剤ガス流路14aに面する膜電極接合体40の低加湿適応性能は、膜電極接合体40を構成する、固体高分子電解質膜10、触媒層11b,12b、ガス拡散層11a,12aのうちの少なくとも何れか一つの特性を異ならせることで、流入部13a1,14a1の近傍の方が流出部13a2,14a2の近傍よりも高くなるように構成される。つまり、反応ガスの流入部13a1,14a1の近傍の膜電極接合体40は、存在する水が相対的に少ない低加湿条件に合わせて相対的に高い低加湿適応性能(即ち、高い保水性能(水を留め易い性能)、低加湿条件下での高いプロトン導電性能、低加湿条件下での高い耐劣化性能の内の少なくとも一つ)を有するように構成されている。これに対して、反応ガスの流出部13a2,14a2の近傍の膜電極接合体40は、存在する水が相対的に多い条件下にあるため、上記低加湿適応性能が高くなくても(即ち、保水性能が低くても)、そのプロトン導電性を十分に確保できることを期待できる。また、保水性能が低ければ、反応ガスの流路が水によって閉塞されるといった問題も発生し難くなる。
その結果、膜電極接合体40の全体にわたって、求められる性能を充分に発揮させることができる。加えて、膜電極接合体40の全体を低加湿条件に合わせた高い低加湿適応性能を有するようには構成しないので、膜電極接合体40が非常に高価になることもない。
As described above, the low humidification adaptive performance of the
As a result, the required performance can be sufficiently exhibited throughout the
また、反応ガス(燃料ガス及び酸化剤ガス)の露点がセルCの作動温度以上となる飽和加湿条件で固体高分子形燃料電池を運転させようとすると、即ち、燃料極側加湿器4及び空気極側加湿器2を用いて燃料ガス及び酸化剤ガスに多量の水を含ませようとすると、例えば反応ガスや水の温度を昇温する必要があるなど、多くのエネルギーが必要となる。ところが本実施形態では、運転制御手段36は、反応ガスとしての燃料ガス及び酸化剤ガスの露点がセルCの作動温度(例えば、70℃)よりも低い状態で流入部13a1,14a1に流入するように加湿器2,4の動作を制御している。その結果、反応ガスの加湿に必要なエネルギーを相対的に小さくできる。また、セルC内部に存在する水の量を相対的に少なくすることができるので、膜電極接合体40の内部での反応ガスの流路が水で閉塞されるといった問題の発生を抑制できる。
Further, when the polymer electrolyte fuel cell is operated under saturated humidification conditions in which the dew point of the reaction gas (fuel gas and oxidant gas) is equal to or higher than the operating temperature of the cell C, that is, the fuel electrode side humidifier 4 and the air If a large amount of water is included in the fuel gas and the oxidant gas using the pole-
<第2実施形態>
第2実施形態の固体高分子形燃料電池は、膜電極接合体40が複数個に分割されている点で上記実施形態と異なっている。以下に第2実施形態の固体高分子形燃料電池の構成について説明するが、上記実施形態と同様の構成については説明を省略する。
Second Embodiment
The polymer electrolyte fuel cell according to the second embodiment is different from the above embodiment in that the
図5は、セルの分解斜視図である。図示するように、セルCは、膜電極接合体40が燃料極セパレータ13及び空気極セパレータ14によってその両側から挟まれた構造となっている。詳細には、膜電極接合体40の周囲にはガスケット(シール部材の一例)41が設けられ、膜電極接合体40とガスケット41とが一枚の部材となって、燃料極セパレータ13及び空気極セパレータ14によってその両側から挟まれている。ガスケット41は中央部に2つの開口部分が設けられた「8」の字形に形成され、それぞれの開口部分に膜電極接合体40(第1膜電極接合体部材40A,第2膜電極接合体部材40B)が嵌め込まれている。尚、図5では、冷却水の流路についての説明は省略している。
FIG. 5 is an exploded perspective view of the cell. As shown in the figure, the cell C has a structure in which the
本実施形態では、反応ガス(燃料ガス及び酸化剤ガス)の流入部13a1,14a1の側から流出部13a2,14a2の側に向かって第1膜電極接合体部材40Aと第2膜電極接合体部材40Bとが順に並ぶ。つまり、第1膜電極接合体部材40Aの方が反応ガス(燃料ガス及び酸化剤ガス)の流入部13a1,14a1に近い位置にあり、第2膜電極接合体部材40Bの方が反応ガス(燃料ガス及び酸化剤ガス)の流出部13a2,14a2に近い位置にある。そして、セルC内でガス流路13a,14aに面する膜電極接合体40の低加湿適応性能は、流入部13a1,14a1の近傍にある第1膜電極接合体部材40Aの方が、流出部13a2,14a2の近傍にある第2膜電極接合体部材40Bよりも高くなるように構成されている。つまり、膜電極接合体40の第1膜電極接合体部材40Aの低加湿適応性能は、第2膜電極接合体部材40Bの低加湿適応性能よりも高い。
In the present embodiment, the first membrane
このような低加湿適応性能の違いは、第1実施形態と同様に、第1膜電極接合体部材40A及び第2膜電極接合体部材40Bのそれぞれを構成する、固体高分子電解質膜10、触媒層11b,12b、ガス拡散層11a,12aのうちの少なくとも何れか一つの特性の違いによって生み出すことができる。つまり、膜電極接合体40は、低加湿適応性能の異なる複数個の膜電極接合体部材40A,40Bを組み合わせて形成され、これにより、セルC内でガス流路13a,14aに面する膜電極接合体40の低加湿適応性能が、反応ガスの流入部13a1,14a1の近傍の方が反応ガスの流出部13a2,14a2の近傍よりも高くなるような構成を得ることができる。
The difference in such low-humidification adaptive performance is similar to the first embodiment in that the solid
<別実施形態>
<1>
上記実施形態において、燃料電池システムの構成は適宜変更可能である。
例えば、図1に示した発電ユニットU1に変成器や一酸化炭素除去器などを追加で設けてもよい。即ち、図1に示した例では、改質器8で生成された改質ガス(水素を主成分とするガス)が固体高分子形燃料電池のセルCに供給される例を示したが、変成器を用いてその改質ガス中に含まれる一酸化炭素を二酸化炭素に変成し、更に一酸化炭素除去器を用いてその変成処理を施した後の改質ガスに残存している一酸化炭素を除去した上でセルCに供給するような変更を行ってもよい。
他にも、図1等に示した各ガスの流路の構成、冷却水の流路の構成、湯水の流路の構成なども適宜変更可能である。
<Another embodiment>
<1>
In the above embodiment, the configuration of the fuel cell system can be changed as appropriate.
For example, a transformer, a carbon monoxide remover, or the like may be additionally provided in the power generation unit U1 shown in FIG. That is, in the example shown in FIG. 1, the example in which the reformed gas (gas containing hydrogen as a main component) generated by the
In addition, the configuration of each gas channel, the configuration of the cooling water channel, the configuration of the hot water channel, and the like shown in FIG.
<2>
上記実施形態において、膜電極接合体40の両面側ではなく、酸化剤ガスが流れる側の膜電極接合体40の低加湿適応性能のみを、上述したように流入部14a1の近傍の方が流出部14a2の近傍よりも高くなるように異ならせることでもよい。酸化剤ガスが供給される空気極12では発電反応によって水が生成されるため、燃料極11側に比べて、存在する水が相対的に多い条件下にある。そのため、セルCへの反応ガスの流入部13a1,14a1の近傍の膜電極接合体40が、流入してくる反応ガスによって乾燥し易いという問題は燃料極11側及び空気極12側で共通するが、セルからの反応ガスの流出部13a2,14a2の近傍で水が多く存在するという現象は、燃料極11側よりも空気極12側の方が顕著になる。このような場合において、空気極12に供給される酸化剤ガスのガス流路14aに面する膜電極接合体40の低加湿適応性能を、流入部14a1の近傍の方が流出部14a2の近傍よりも高くなるように構成すると、空気極12側で顕著になる、セルCからの酸化剤ガスの流出部14a2の近傍で水が多く存在するという現象に対して、より良く対処できる。
<2>
In the above embodiment, only the low humidification adaptive performance of the
或いは、燃料ガスが流れる側の膜電極接合体40の低加湿適応性能のみを、上述したように流入部13a1の近傍の方が流出部13a2の近傍よりも高くなるように異ならせてもよい。この場合、流入部13a1の近傍に位置する燃料ガスが流れる側の膜電極接合体40は、存在する水が相対的に少なくても、低加湿適応性能が相対的に高く発揮されることで、求められる性能を充分に発揮することができる。
また、例えば上記低加湿適応性能が保水性能である場合、燃料ガスが流れる側の流出部13a2の近傍の膜電極接合体40の保水性能は、燃料ガスが流れる側の流入部13a1の近傍の膜電極接合体40の保水性能よりも低くなる(即ち、水が排出され易くなる)。加えて、膜電極接合体40を間に挟んで対向する位置にある、燃料ガスの流入部13a1の近傍と酸化剤ガスの流入部14a1の近傍との比較では、燃料ガスが流れる側の流入部13a1の近傍の膜電極接合体40の保水性能は、酸化剤ガスが流れる側の流入部14a1の近傍の膜電極接合体40の保水性能よりも高くなる(即ち、水が排出され難くなる)。その結果、空気極12側で生成された水が、固体高分子電解質膜10を経由して燃料極11側へ拡散する量が抑えられ、その水は、空気極12側に留まるようになる。従って、燃料極11側に比べ供給するガス量が相対的に多い空気極12側の酸化剤ガスの流入部14a1の近傍における膜電極接合体40の乾燥を抑制できる。
Alternatively, only the low humidification adaptive performance of the
For example, when the low humidification adaptive performance is water retention performance, the water retention performance of the
<3>
第1実施形態で説明した膜電極接合体40の第1領域40aの面積(即ち、「燃料極セパレータ13及び空気極セパレータ14に相対する面積」。以下、同様。)と第2領域40bの面積は互いに同じでなくてもよく、並びに、第2実施形態で説明した第1膜電極接合体部材40Aの面積及び第2膜電極接合体部材40Bの面積は互いに同じでなくてもよい。
また、膜電極接合体40の低加湿適応性能を、第1領域40a及び第2領域40b、或いは、第1膜電極接合体部材40A及び第2膜電極接合体部材40Bというように2つに区分けして異ならせるのではなく、3つ以上に区分けして互いに異ならせてもよい。更に、上述するように、膜電極接合体40の低加湿適応性能を、流入部13a1,14a1の近傍の方が流出部13a2,14a2の近傍よりも高くなるように段階的に変化させて異ならせるのではなく、連続的に変化させて異ならせてもよい。
<3>
The area of the
Further, the low humidification adaptive performance of the
<4>
図3及び図5に例示したセルCでは、膜電極接合体40に対する燃料ガスの流れる向きと酸化剤ガスの流れる向きとが同じ向き(並行流)である場合にしているが、膜電極接合体40に対する燃料ガスの流れる向きと酸化剤ガスの流れる向きとを、逆の向き(対向流)に改変してもよく、或いは、交差(例えば90度の角度での交差など)するように改変してもよい。このような改変を行った場合、セルC内でガス流路としての酸化剤ガス流路14aに面する膜電極接合体40の低加湿適応性能を、流入部14a1の近傍の方が流出部14a2の近傍よりも高くなるように構成することが好ましい。
<4>
In the cell C illustrated in FIGS. 3 and 5, the flow direction of the fuel gas and the flow direction of the oxidant gas with respect to the
本発明は、コストの上昇を抑制しながら、膜電極接合体に求められる性能を充分に発揮させることができる固体高分子形燃料電池に利用できる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used for a polymer electrolyte fuel cell that can sufficiently exhibit the performance required for a membrane electrode assembly while suppressing an increase in cost.
10 固体高分子電解質膜
11 燃料極
12 空気極
13a 燃料ガス流路
13a1 流入部
13a2 流出部
14a 酸化剤ガス流路
14a1 流入部
14a2 流出部
40 膜電極接合体
40A,40B 膜電極接合体部材
41 ガスケット
C セル
CS セルスタック
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記セルは、前記反応ガスが流入する流入部と、発電で用いられた後の前記反応ガスが流出する流出部と、前記セル内の前記流入部から前記流出部に至る間に前記反応ガスが流れるガス流路とを有し、
前記セル内で前記ガス流路に面する前記膜電極接合体の低加湿適応性能は、前記流入部の近傍の方が前記流出部の近傍よりも高くなるように構成され、
前記膜電極接合体は、低加湿適応性能の異なる複数個の膜電極接合体部材を組み合わせて形成されている固体高分子形燃料電池。 A membrane electrode assembly having a solid polymer electrolyte membrane sandwiched between a fuel electrode and an air electrode, and a plurality of cells that generate power using a reaction gas supplied to the membrane electrode assembly are stacked. A polymer electrolyte fuel cell comprising a cell stack,
The cell includes an inflow portion into which the reaction gas flows, an outflow portion from which the reaction gas flows out after being used in power generation, and the reaction gas between the inflow portion and the outflow portion in the cell. A flowing gas flow path,
The low humidification adaptive performance of the membrane electrode assembly facing the gas flow path in the cell is configured so that the vicinity of the inflow portion is higher than the vicinity of the outflow portion ,
The membrane electrode assembly is a polymer electrolyte fuel cell formed by combining a plurality of membrane electrode assembly members having different low humidification adaptability .
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