JP7067496B2 - Fuel cell system - Google Patents
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Description
本発明は、生成水へ溶出した金属イオンによる電解質膜への影響を抑制する燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system that suppresses the influence of metal ions eluted in the generated water on the electrolyte membrane.
燃料電池は、電気的に接続された2つの電極に燃料ガス(水素ガス)と酸化剤ガス(酸素ガス)の反応ガスを供給し、電気化学的に燃料の酸化を起こさせることで、化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する。この燃料電池は、通常、電解質膜を一対の電極で挟持した膜電極接合体をセパレータによって挟持した単セルを構成単位とし、この単セルを複数積層してなるセルスタックを備えている。中でも、電解質膜として固体高分子電解質膜を用いた固体高分子電解質型燃料電池は、小型化が容易であること、低い温度で作動すること、などの利点があることから、特に携帯用、移動体用電源として注目されている。 A fuel cell supplies chemical energy by supplying reaction gas of fuel gas (hydrogen gas) and oxidant gas (oxygen gas) to two electrically connected electrodes and electrochemically causing oxidation of the fuel. Is directly converted into electrical energy. This fuel cell usually has a single cell in which a membrane electrode assembly in which an electrolyte membrane is sandwiched between a pair of electrodes is sandwiched by a separator as a constituent unit, and includes a cell stack formed by stacking a plurality of the single cells. Among them, the polymer electrolyte fuel cell using the polymer electrolyte membrane as the electrolyte membrane has advantages such as easy miniaturization and operation at a low temperature, so that it is particularly portable and mobile. It is attracting attention as a power source for the body.
上記の燃料電池においては、セパレータとして波形状に成形された金属セパレータが一般に使用されている。この金属セパレータには、その面内に燃料ガス又は酸化剤ガスを流すための反応ガス流路が設けられている。例えば、特許文献1には、燃料電池用のセパレータとして用いるためのステンレス鋼製セパレータが開示されている。
In the above fuel cell, a metal separator formed into a wavy shape is generally used as the separator. The metal separator is provided with a reaction gas flow path for flowing a fuel gas or an oxidant gas in the surface thereof. For example,
固体高分子電解質型燃料電池において、水素が供給された燃料極(アノード)では下記(1)式の反応が進行する。
H2 → 2H+ + 2e- ・・・(1)
In the polymer electrolyte fuel cell, the reaction of the following equation (1) proceeds at the fuel electrode (anode) to which hydrogen is supplied.
H 2 → 2H + + 2e -... ( 1)
上記(1)式で生じる電子は、外部回路を経由し、外部の負荷で仕事をした後、酸化剤極(カソード)に到達する。他方で、上記(1)式で生じたプロトンは、水と水和した状態で、電気浸透により固体高分子電解質膜内を燃料極側から酸化剤極側に移動する。 The electrons generated by the above equation (1) pass through an external circuit, work with an external load, and then reach the oxidant electrode (cathode). On the other hand, the protons generated by the above equation (1) move from the fuel electrode side to the oxidant electrode side in the solid polymer electrolyte membrane by electro-osmosis in a state of being hydrated with water.
一方、酸化剤極では下記(2)式の反応が進行する。
2H+ + 1/2O2 + 2e- → H2O ・・・(2)
On the other hand, at the oxidizing agent electrode, the reaction of the following formula (2) proceeds.
2H + + 1 / 2O 2 + 2e - → H 2 O ・ ・ ・ (2)
従って、電池全体では下記(3)式に示す化学反応が進行し、起電力が生じて外部負荷に対して電気的仕事がなされる。
H2 + 1/2O2 → H2O ・・・(3)
Therefore, the chemical reaction represented by the following equation (3) proceeds in the entire battery, an electromotive force is generated, and electrical work is performed on the external load.
H 2 + 1 / 2O 2 → H 2 O ・ ・ ・ (3)
このように、燃料電池では発電に伴い酸化剤極に生成水が発生するとともに、燃料極には前記生成水が電解質膜を介して逆拡散している。 As described above, in the fuel cell, the generated water is generated at the oxidant electrode along with the power generation, and the generated water is back-diffused at the fuel electrode via the electrolyte membrane.
また、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂膜に代表される固体高分子電解質膜を備えた燃料電池では、イオン伝導性を確保するために、電解質膜や触媒層の湿潤状態を維持することが重要であり、そのため、一般的に、反応ガスを予め加湿した状態で電極に供給することが行われている。その際、加湿用の水分が、電解質膜に吸収されずに液状化され、セパレータの反応ガス流路に滞留することがある。 Further, in a fuel cell provided with a solid polymer electrolyte membrane represented by a perfluorocarbon sulfonic acid resin membrane, it is important to maintain a wet state of the electrolyte membrane and the catalyst layer in order to secure ionic conductivity. Therefore, in general, the reaction gas is supplied to the electrode in a pre-humidified state. At that time, the humidifying water may be liquefied without being absorbed by the electrolyte membrane and may stay in the reaction gas flow path of the separator.
高分子固体電解質膜としては、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂膜に代表される水素イオン導電性の高いフッ素樹脂系高分子膜が一般に用いられており、電解質膜を通過した生成水中には、電解質膜からのフッ素化合物やフッ素イオンが溶出することがある。このような生成水がステンレス鋼等の金属製セパレータの反応ガス流路に滞留すると、セパレータを構成する金属のイオン、例えば鉄イオン、ニッケルイオン、クロムイオン、モリブデンイオン等が生成水中に溶出する一因となる。 As the polymer solid electrolyte membrane, a fluororesin-based polymer membrane having high hydrogen ion conductivity represented by a perfluorocarbon sulfonic acid resin membrane is generally used, and in the generated water that has passed through the electrolyte membrane, the electrolyte membrane is used. Fluorine compounds and fluorine ions may elute. When such generated water stays in the reaction gas flow path of a metal separator such as stainless steel, metal ions constituting the separator, such as iron ion, nickel ion, chromium ion, molybdenum ion, etc., are eluted into the generated water. It becomes a cause.
このような金属イオンが高分子電解質膜に取り込まれると、高分子電解質膜の劣化を促進し、燃料電池の性能を低下させることになる。 When such metal ions are incorporated into the polyelectrolyte film, the deterioration of the polyelectrolyte film is promoted and the performance of the fuel cell is deteriorated.
そこで、従来、燃料電池において、生成水への金属イオンの流出を抑制するため、様々な試みが提案されている。 Therefore, conventionally, in a fuel cell, various attempts have been proposed in order to suppress the outflow of metal ions into the generated water.
例えば、特許文献2には、燃料電池から排出される生成水中のイオンの濃度を検出し、このイオン濃度が所定値よりも高い場合に、燃料電池の温度を低下させる手段を備えた燃料電池システムが開示されている。 For example, Patent Document 2 provides a fuel cell system provided with a means for detecting the concentration of ions in the generated water discharged from the fuel cell and lowering the temperature of the fuel cell when the ion concentration is higher than a predetermined value. Is disclosed.
特許文献3には、燃料電池から排出される生成水を貯留し、この貯留された生成水に含まれるイオン濃度が所定濃度以上のときに、貯留されている生成水の排出を禁止する手段を備えた、燃料電池制御装置が開示されている。 Patent Document 3 describes a means for storing the generated water discharged from the fuel cell and prohibiting the discharge of the stored generated water when the ion concentration contained in the stored generated water is equal to or higher than a predetermined concentration. A fuel cell control device provided is disclosed.
特許文献4には、燃料電池内のイオン量を取得し、このイオン量に基づいて電解質膜の劣化を検知する手段を備えた、燃料電池システムが開示されている。 Patent Document 4 discloses a fuel cell system provided with a means for acquiring the amount of ions in the fuel cell and detecting the deterioration of the electrolyte membrane based on the amount of ions.
特許文献5には、燃料電池から排出される生成水を貯蔵し、この生成水中に含まれるイオンを吸着するイオン吸着装置を備える、燃料電池システムが開示されている。 Patent Document 5 discloses a fuel cell system including an ion adsorption device for storing generated water discharged from a fuel cell and adsorbing ions contained in the generated water.
配管などから溶出する金属イオンは、電解質膜に到達する前に低減することができる。しかしながら、単セルのセパレータとしてステンレス鋼のような金属セパレータを用いた場合には、セパレータは電解質膜の近傍に配置されているため、溶出した金属イオンが電解質膜に到達する前に除去することは困難であった。 Metal ions eluted from pipes and the like can be reduced before reaching the electrolyte membrane. However, when a metal separator such as stainless steel is used as the separator for a single cell, the separator is arranged in the vicinity of the electrolyte membrane, so that the eluted metal ions cannot be removed before reaching the electrolyte membrane. It was difficult.
本発明は、上記実情を鑑みてなされたものであり、電解質膜への金属イオンの取り込みを抑制する手段を備えた燃料電池システムを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a fuel cell system provided with means for suppressing the uptake of metal ions into an electrolyte membrane.
本発明は、以下の手段により上記目的を達成するものである。 The present invention achieves the above object by the following means.
膜電極接合体をステンレス鋼製セパレータによって挟持した単セルを複数積層してなるセルスタックを備える燃料電池、並びに
制御部
を備えた燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記燃料電池から排出された生成水中の金属イオン濃度が規定値以上か否かを判定し、前記金属イオン濃度が規定値以上である場合、前記セルスタックの拘束圧を検出し、前記拘束圧が規定値以上である場合、前記セルスタックの拘束圧を規定圧未満に低下させる、燃料電池システム。
A fuel cell having a cell stack in which a plurality of single cells having a membrane electrode assembly sandwiched between stainless steel separators are stacked, and a fuel cell system having a control unit.
The control unit determines whether or not the metal ion concentration in the generated water discharged from the fuel cell is equal to or higher than the specified value, and if the metal ion concentration is equal to or higher than the specified value, detects the restraining pressure of the cell stack. A fuel cell system that reduces the restraining pressure of the cell stack to less than the specified pressure when the restraining pressure is equal to or higher than the specified value.
本発明によれば、生成水中の金属イオン濃度が規定値以上と高い場合に、燃料電池を構成するセルスタックの拘束圧を低減することにより、単セルを構成するガス拡散層の厚みが増加し、それによってセル中を移動する金属イオンの拡散距離が増加する。その結果、電解質膜への金属イオンの取り込みが抑制され、膜電解質膜の劣化を抑制することができる。 According to the present invention, when the metal ion concentration in the generated water is as high as a specified value or more, the thickness of the gas diffusion layer constituting the single cell is increased by reducing the restraining pressure of the cell stack constituting the fuel cell. , Thereby increasing the diffusion distance of the metal ions moving through the cell. As a result, the uptake of metal ions into the electrolyte membrane is suppressed, and deterioration of the membrane electrolyte membrane can be suppressed.
本発明の燃料電池システムは、
膜電極接合体をステンレス鋼製セパレータによって挟持した単セルを複数積層してなるセルスタックを備える燃料電池、並びに
制御部
を備え、
前記制御部は、前記燃料電池から排出された生成水中の金属イオン濃度が規定値以上か否かを判定し、前記金属イオン濃度が規定値以上である場合、前記セルスタックの拘束圧を検出し、前記拘束圧が規定値以上である場合、前記セルスタックの拘束圧を規定圧未満に低下させる。
The fuel cell system of the present invention is
A fuel cell equipped with a cell stack formed by stacking a plurality of single cells in which a membrane electrode assembly is sandwiched by a stainless steel separator, and a control unit are provided.
The control unit determines whether or not the metal ion concentration in the generated water discharged from the fuel cell is equal to or higher than the specified value, and if the metal ion concentration is equal to or higher than the specified value, detects the restraining pressure of the cell stack. When the restraining pressure is equal to or higher than the specified value, the restraining pressure of the cell stack is reduced to less than the specified pressure.
図1に、燃料電池を構成する単セルの基本構造を示す。単セル10は、固体高分子材料で形成されたプロトン伝導性の電解質膜11の両面に触媒層12を形成し、さらに触媒層12の両面にガス拡散層13を形成し、それらを一体化してなる膜電極接合体14をステンレス鋼製セパレータ15によって挟持して構成されている。
FIG. 1 shows the basic structure of a single cell constituting a fuel cell. In the
このような単セルから構成される燃料電池の運転中においては、上記のように、酸化剤極において生成された水は、電解質膜を通過して燃料極に移動する。この際、生成水中に金属イオンが存在すると、OHラジカルが生成する。この燃料電池の運転中に生ずるOHラジカルは、電解質膜11を攻撃し、電解質膜11を分解させる。電解質膜11が分解すると、膜やせが生じ、最終的には電解質膜11に穴が開き、燃料電池の発電性能が低下することとなる。
During the operation of such a fuel cell composed of a single cell, as described above, the water generated at the oxidant electrode passes through the electrolyte membrane and moves to the fuel electrode. At this time, if metal ions are present in the generated water, OH radicals are generated. The OH radicals generated during the operation of this fuel cell attack the
そこで、電解質膜11への金属イオンの取り込みを抑制することにより、電解質膜11の劣化を抑制し、燃料電池の発電性能の低下を抑制することができる。
Therefore, by suppressing the uptake of metal ions into the
図2に、燃料電池の基本構造を示す。図2に示すように、燃料電池20は、単セル10を複数積層してなるセルスタック21を備えている。セルスタック21の両端部には、電力取り出し用の一対のターミナルプレート16が配置されている。ターミナルプレート16の外側には、一対のエンドプレート17が配置され、セルスタック21をその積層方向に締め付けて固定している。また、セルスタック21の積層方向に、セルスタック21の全体に渡って延びたテンションシャフト19が設けられており、このテンションシャフト19は、ボルト18によってエンドプレート17に固定されている。このテンションシャフト19は必ずしも設けなくてもよいが、テンションシャフト19を設けることによって、セルスタック21に拘束圧力を加え、また拘束圧力を調節することが容易になる。
FIG. 2 shows the basic structure of the fuel cell. As shown in FIG. 2, the
このように、セルスタックは電解質膜と触媒層との間の密着性を確保するため、通常はセルスタックに、その積層方向に圧を加えている。この際、ガス拡散層は押しつぶされた状態となっている。 As described above, in order to secure the adhesion between the electrolyte membrane and the catalyst layer, the cell stack usually applies pressure to the cell stack in the stacking direction. At this time, the gas diffusion layer is in a crushed state.
燃料電池中において、金属イオンは、生成水や加湿ガスによる液水中を拡散し、電解質膜内に取り込まれると考えられる。そこで本発明においては、制御部において、燃料電池から排出された生成水中の金属イオン濃度が規定値以上か否かを判定し、この金属イオン濃度が規定値以上である場合、セルスタックの拘束圧を検出し、この拘束圧が規定値以上である場合、セルスタックの拘束圧を規定圧未満に低下させている。セルスタックの拘束圧を小さくすることにより、押しつぶされていたガス拡散層の厚みが大きくなり、電解質膜に達するまでの金属イオンの拡散距離が長くなる。その結果、電解質膜に到達する金属イオンが少なくなり、電解質膜による金属イオンの取り込み量を低下させ、結果として電解質膜11の劣化を抑制することができる。
In the fuel cell, it is considered that the metal ions diffuse in the liquid water generated by the generated water or the humidifying gas and are taken into the electrolyte membrane. Therefore, in the present invention, the control unit determines whether or not the metal ion concentration in the generated water discharged from the fuel cell is equal to or higher than the specified value, and if the metal ion concentration is equal to or higher than the specified value, the restraining pressure of the cell stack is obtained. When this restraining pressure is equal to or higher than the specified value, the restraining pressure of the cell stack is lowered to less than the specified pressure. By reducing the restraining pressure of the cell stack, the thickness of the crushed gas diffusion layer becomes large, and the diffusion distance of metal ions until reaching the electrolyte membrane becomes long. As a result, the number of metal ions reaching the electrolyte membrane is reduced, the amount of metal ions taken up by the electrolyte membrane is reduced, and as a result, deterioration of the
以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々変形して実施することができる。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. The present invention is not limited to the following embodiments, and can be variously modified and implemented within the scope of the gist of the present invention.
〈燃料電池システムの構成〉
図3は、本発明の一実施例としての燃料電池システム100の概略構成を示す説明図である。
<Fuel cell system configuration>
FIG. 3 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a
図3に示す燃料電池システム100は、燃料電池30の燃料極に燃料ガスを供給するための燃料供給系と、酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤供給系とを備えている。燃料電池30は、図2に示すような構成のセルスタックを備えている。
The
図3において、燃料供給系は、燃料供給装置31と、燃料供給装置31と燃料電池30に設けられた燃料入口とを結ぶ配管32と、燃料電池30に設けられた燃料出口と冷却器33とを結ぶ配管34と、冷却器33と気液分離器35とを結ぶ配管36と、気液分離器35と循環ポンプ(又はコンプレッサ)37とを結ぶ配管38と、ポンプ37と配管32とを逆止弁39を介して接続する配管40とを備えている。
In FIG. 3, the fuel supply system includes a
燃料供給装置31から送り出される燃料ガスは、配管32を通って燃料電池30の燃料極に供給され、燃料極での反応に使用される。燃料極を通過した燃料ガスは、燃料電池30の燃料出口から配管34に排出される。配管34に排出された燃料ガスは、冷却器33で必要に応じて冷却された後、配管36を介して気液分離器35に到達する。気液分離器35で液層成分が除去された燃料ガスは、循環ポンプ37により配管40に送出され、再び配管32を通じて燃料電池30の燃料極へ供給される。このようにして、燃料電池30から排出される燃料ガスに含まれる燃料極での反応に使用されなかった残存水素が再び燃料電池30へ供給される水素循環系(燃料ガスの循環経路)が構成されている。
The fuel gas sent out from the
また、図3において、酸化剤供給系は、酸化剤供給装置41と、酸化剤供給装置41と燃料電池30に設けられた酸化剤入口とを結ぶ配管42と、燃料電池30に設けられた酸化剤出口と冷却器43とを結ぶ配管44と、冷却器43と気液分離器45とを結ぶ配管46と、気液分離器45と循環ポンプ(又はコンプレッサ)47とを結ぶ配管48と、ポンプ47と配管42とを逆止弁49を介して接続する配管50とを備えている。
Further, in FIG. 3, the oxidant supply system includes an
酸化剤供給装置41から送り出される酸化剤ガスは、配管42を通って燃料電池30酸化剤極に供給され、酸化剤極での反応に使用される。酸化剤極を通過した酸化剤ガスは、燃料電池30の酸化剤出口から配管44に排出される。配管44に排出された酸化剤ガスは、冷却器43で必要に応じて冷却された後、配管46を介して気液分離器45に到達する。気液分離器45で液層成分が除去された酸化剤ガスは、循環ポンプ47により配管50に送出され、再び配管42を通じて燃料電池30の酸化剤極へ供給される。このようにして、燃料電池30から排出された酸化剤ガスに含まれる酸化剤極での反応に使用されなかった残存酸素が再び燃料電池30へ供給される酸素循環系(酸化剤ガスの循環経路)が構成されている。
The oxidant gas sent out from the
ところで、燃料電池30では、酸化剤極での反応によって水(生成水)が生成される。生成水は固体高分子電解質膜を通じて酸化剤極から燃料極に到達する。ここで、固体高分子電解質膜には、フッ素系樹脂系高分子膜が適用されている。このため、燃料極へ移動する生成水中にフッ素化合物(例えばフッ酸)やフッ素イオンが溶出することがある。
By the way, in the
燃料極へ到達した生成水は、図1に示すセパレータ15の通路を通過し、燃料ガスとともに、燃料電池30の外部(配管34)に排出される。このとき、生成水中のフッ素化合物やフッ素イオンは、セパレータ15を構成する金属(ステンレス鋼製セパレータの場合、鉄、ニッケル、クロム、モリブデン等)と反応し、これらの金属のイオンが溶出する要因となる。
The generated water that has reached the fuel electrode passes through the passage of the
ここで図4に、金属イオンとして鉄イオンを意図的に添加した膜電極接合体の耐久試験の結果を示す。図4中、縦軸は、電解質膜の膜やせに起因する、両極間でのガス漏れ量(クロスリーク量)を、基準値のラインを1.0としたときの相対割合で示し、横軸は、耐久時間を、目標値を1.0tとしたときの相対割合で示している。この図から明らかなように、膜電極接合体に添加したFe量(d)が多くなるほど、基準のクロスリーク量を超える時間が早くなり、膜痩せの進行が速いことがわかる。 Here, FIG. 4 shows the results of a durability test of a membrane electrode assembly in which iron ions are intentionally added as metal ions. In FIG. 4, the vertical axis shows the gas leakage amount (cross leak amount) between the two poles due to the thinness of the electrolyte membrane as a relative ratio when the reference value line is 1.0, and the horizontal axis shows. Shows the endurance time as a relative ratio when the target value is 1.0t. As is clear from this figure, it can be seen that as the amount of Fe (d) added to the membrane electrode assembly increases, the time for exceeding the standard cross-leakage amount becomes faster and the progress of membrane thinning becomes faster.
また、図5に、膜電極接合体中のFe量と基準のクロスリーク量を超えるときの耐久時間の関係を示す。図5中、縦軸は、耐久時間を、目標値を1.0tとしたときの相対割合で示し、横軸は、Feの量を、耐久時間1.0tにおける膜電極接合体中のFe量をdとしたときの相対割合で示している。膜電極接合体中のFe量と耐久時間には相関があり、Fe量が多いほど耐久時間が短くなる傾向にある。目標の耐久時間を満足するためには、膜電極接合体中のFe量が基準値以下であることが必要である。以上のことから、電解質膜中のFe量を所定の量以下に抑制することが必要であることがわかる。 Further, FIG. 5 shows the relationship between the amount of Fe in the membrane electrode assembly and the durability time when the reference cross leak amount is exceeded. In FIG. 5, the vertical axis indicates the endurance time as a relative ratio when the target value is 1.0 t, and the horizontal axis indicates the amount of Fe as the amount of Fe in the membrane electrode assembly at the endurance time of 1.0 t. Is shown as a relative ratio when d is. There is a correlation between the amount of Fe in the membrane electrode assembly and the durability time, and the larger the amount of Fe, the shorter the durability time tends to be. In order to satisfy the target durability time, it is necessary that the amount of Fe in the membrane electrode assembly is equal to or less than the reference value. From the above, it can be seen that it is necessary to suppress the amount of Fe in the electrolyte membrane to a predetermined amount or less.
上記問題に鑑み、図3に示す燃料電池システムは、生成水中の金属イオン濃度を検出する金属イオン濃度検出手段と制御部としてのECU53とを備えている。この金属イオン濃度検出手段としては、例えば図3に示す、気液分離器35、45によって分離された生成水中の金属イオンの濃度を検知する金属イオン検知センサ51、52を用いることができる。金属イオン検知センサ51、52は、例えば原子吸光法を用いて生成水中の金属イオン、例えば鉄イオン、ニッケルイオン、クロムイオン、モリブデンイオン、の濃度を検知する。金属イオン検知センサの出力信号は、ECU53に与えられる。
In view of the above problems, the fuel cell system shown in FIG. 3 includes a metal ion concentration detecting means for detecting the metal ion concentration in the generated water and an
ECU53は、CPU、メモリ、入出力インタフェース等を用いて構成されており、CPUがメモリに格納された制御プログラムを実行することによって、金属イオン検知センサ51、52のような金属イオン濃度検出手段からのセンサ出力に基づいて、セルスタックの拘束圧の検出、さらにはセルスタックの拘束圧の制御を行う。このセルスタックの拘束圧の検出は、例えば燃料電池30内に設けられた圧力センサのような拘束圧検出手段により行われる。また、セルスタックの拘束圧の制御は、セルスタック拘束圧調整装置54のような拘束圧制御手段により、例えば図2に示すテンションシャフト19に加えられる張力を調整することによって行うことができる。
The
図6に、単セル中のガス拡散層の厚みと、電解質膜へのFe取り込み率(溶出したFeイオン量に対する膜電極接合体に取り込まれたFe量の割合)の関係を示す。ガス拡散層の厚みとFe取り込み率には相関があり、ガス拡散層が厚くなるほどFe取り込み率は小さくなる。これは、Feイオンは生成水中を拡散して電解質膜内に取り込まれると考えられ、ガス拡散層が厚くなることにより、Feイオンの拡散距離が長くなり、電解質膜に到達するFeイオンが少なくなったためであると考えられる。 FIG. 6 shows the relationship between the thickness of the gas diffusion layer in a single cell and the Fe uptake rate into the electrolyte membrane (the ratio of the Fe amount taken into the membrane electrode assembly to the eluted Fe ion amount). There is a correlation between the thickness of the gas diffusion layer and the Fe uptake rate, and the thicker the gas diffusion layer, the smaller the Fe uptake rate. It is considered that Fe ions diffuse in the generated water and are taken into the electrolyte membrane, and as the gas diffusion layer becomes thicker, the diffusion distance of Fe ions becomes longer and the number of Fe ions reaching the electrolyte membrane decreases. It is thought that this is because of the fact.
そこで本発明においては、金属イオン濃度検出手段(例えば金属イオン検知センサ51、52)において、生成水中の金属イオン濃度が規定値以上か否かを判定し、金属イオン濃度が規定値以上である場合、拘束圧検出手段(例えば、燃料電池内に設けられたセンサ)によってセルスタックの拘束圧を検出する。そしてこのセルスタックの拘束圧が規定値以上である場合、拘束圧制御手段(例えば、セルスタック拘束圧調整装置54)によりセルスタックの拘束圧を規定圧未満に低下させる。こうしてセルスタックの拘束圧を規定圧未満とすることにより、単セル中の圧縮されていたガス拡散層が厚くなり、電解質膜に到達する金属イオン量を少なくすることができる。
Therefore, in the present invention, the metal ion concentration detecting means (for example, the metal
燃料電池システムにおける上記制御は、制御部であるECU53により行われる。本発明の燃料電池システムにおける運転制御処理の流れを、図7のフローチャートに示す。
The control in the fuel cell system is performed by the
〈運転制御処理〉
図7に示す処理は、例えば、燃料電池30が起動されることによって開始する。図7に示す処理が開始されると、ECU53は、金属イオン検知センサ51、52によって、排出された生成水中の金属イオン濃度を取得する(S01)。金属イオンとしては、鉄、ニッケル、クロム、モリブデン等のうち、1種もしくはこれらの組み合わせが挙げられる。
<Operation control processing>
The process shown in FIG. 7 is started, for example, by starting the
次に、ECU53は、金属イオン濃度が所定の濃度規定値以上か否かを判定する(S02)。即ち、ECU53は、金属イオン濃度が用意された濃度規定値以上か否かを判定する。このとき、金属イオン濃度が濃度規定値以上であれば(S02:Yes)、処理をステップS03に進め、そうでなければ(S02:No)、処理を停止する。
Next, the
ステップS03では、ECU53は、燃料電池30内に配置された拘束圧センサによって、セルスタック中のセル拘束圧を取得する(S03)。
In step S03, the
次に、ECU53は、セル拘束圧が圧力規定値以上か否かを判定する(S04)。即ち、ECU53は、セル拘束圧が用意された圧力規定値以上か否かを判定する。このとき、セル拘束圧が圧力規定値以上であれば(S04:Yes)、処理をステップS05に進め、そうでなければ(S04:No)、処理を停止する。
Next, the
ステップS05では、ECU53は、セルスタック拘束圧調整装置54を始動させ、セルスタック拘束圧を圧力規定値未満に低下させ、この処理を終了する。
In step S05, the
以上の処理によって、電解質膜に到達する金属イオンの量が抑制され、電解質膜の劣化を抑制し、燃料電池の性能低下を抑制することができる。 By the above treatment, the amount of metal ions reaching the electrolyte membrane can be suppressed, deterioration of the electrolyte membrane can be suppressed, and deterioration of the performance of the fuel cell can be suppressed.
10 単セル
11 電解質膜
12 触媒層
13 ガス拡散層
14 膜電極接合体
15 セパレータ
16 ターミナルプレート
17 エンドプレート
18 ボルト
19 テンションシャフト
20 燃料電池
21 セルスタック
30 燃料電池
31 燃料供給装置
32 配管
33 冷却器
34 配管
35 気液分離器
36 配管
37 循環ポンプ
38 配管
39 逆止弁
40 配管
41 酸化剤供給装置
42 配管
43 冷却器
44 配管
45 気液分離器
46 配管
47 循環ポンプ
48 配管
49 逆止弁
50 配管
51 金属イオン検知センサ
52 金属イオン検知センサ
53 ECU
54 セルスタック拘束圧調整装置
10
54 Cell stack restraint pressure regulator
Claims (2)
制御部
を備えた燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記燃料電池から排出された生成水中の金属イオン濃度が規定値以上か否かを判定し、前記金属イオン濃度が規定値以上である場合、前記セルスタックの拘束圧を検出し、前記拘束圧が規定値以上である場合、前記セルスタックの拘束圧を規定圧未満に低下させる、燃料電池システム。 A fuel cell having a cell stack in which a plurality of single cells having a membrane electrode assembly sandwiched between stainless steel separators are stacked, and a fuel cell system having a control unit.
The control unit determines whether or not the metal ion concentration in the generated water discharged from the fuel cell is equal to or higher than the specified value, and if the metal ion concentration is equal to or higher than the specified value, detects the restraining pressure of the cell stack. A fuel cell system that reduces the restraining pressure of the cell stack to less than the specified pressure when the restraining pressure is equal to or higher than the specified value.
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