KR20160036653A - 연료 전지 및 이동체 - Google Patents

연료 전지 및 이동체 Download PDF

Info

Publication number
KR20160036653A
KR20160036653A KR1020150134038A KR20150134038A KR20160036653A KR 20160036653 A KR20160036653 A KR 20160036653A KR 1020150134038 A KR1020150134038 A KR 1020150134038A KR 20150134038 A KR20150134038 A KR 20150134038A KR 20160036653 A KR20160036653 A KR 20160036653A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
fuel cell
catalyst
polymer electrolyte
carbon
weight ratio
Prior art date
Application number
KR1020150134038A
Other languages
English (en)
Other versions
KR101800078B1 (ko
Inventor
고 데지마
Original Assignee
도요타지도샤가부시키가이샤
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 도요타지도샤가부시키가이샤 filed Critical 도요타지도샤가부시키가이샤
Publication of KR20160036653A publication Critical patent/KR20160036653A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101800078B1 publication Critical patent/KR101800078B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/90—Selection of catalytic material
    • H01M4/9075—Catalytic material supported on carriers, e.g. powder carriers
    • H01M4/9083—Catalytic material supported on carriers, e.g. powder carriers on carbon or graphite
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/8647—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells consisting of more than one material, e.g. consisting of composites
    • H01M4/8657—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells consisting of more than one material, e.g. consisting of composites layered
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/8663—Selection of inactive substances as ingredients for catalytic active masses, e.g. binders, fillers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/90—Selection of catalytic material
    • H01M4/9075—Catalytic material supported on carriers, e.g. powder carriers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/90—Selection of catalytic material
    • H01M4/92—Metals of platinum group
    • H01M4/921—Alloys or mixtures with metallic elements
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/90—Selection of catalytic material
    • H01M4/92—Metals of platinum group
    • H01M4/925—Metals of platinum group supported on carriers, e.g. powder carriers
    • H01M4/926—Metals of platinum group supported on carriers, e.g. powder carriers on carbon or graphite
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1016—Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
    • H01M8/1018—Polymeric electrolyte materials
    • H01M8/102—Polymeric electrolyte materials characterised by the chemical structure of the main chain of the ion-conducting polymer
    • H01M8/1032—Polymeric electrolyte materials characterised by the chemical structure of the main chain of the ion-conducting polymer having sulfur, e.g. sulfonated-polyethersulfones [S-PES]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1016—Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
    • H01M8/1018—Polymeric electrolyte materials
    • H01M8/1039—Polymeric electrolyte materials halogenated, e.g. sulfonated polyvinylidene fluorides
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2250/00—Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/20—Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y02E60/521—
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Inert Electrodes (AREA)

Abstract

연료 전지(20)는, 고분자 전해질(102)과 촉매 담지 카본(101)을 갖는 촉매층(23a, 24a)을 갖는다. 촉매층(23a, 24a)에 있어서의 고분자 전해질(102)과 촉매 담지 카본(101)의 초기의 중량비(I/C)의 값(P1)은, 고분자 전해질(102)이 팽윤되어 있지 않은 상태에서의, 연료 전지의 최대 출력이 최대로 되는 중량비(I/C)의 값(P0)보다도, 0.1∼0.2 작은 값으로 설정된다.

Description

연료 전지 및 이동체{FUEL CELL AND MOVING BODY}
본 발명은 연료 전지 및 이동체에 관한 것이다.
연료 전지 차량 등에 탑재되는 연료 전지의 단셀은, 전해질막의 양측에, 애노드 전극과 캐소드 전극을 갖고, 그들 각 전극은, 각 셀에 있어서의 전기 화학 반응을 촉진시키는 촉매층을 구비하고 있다. 촉매층은, 백금 등의 촉매를 담지한 촉매 담지 카본이나, 프로톤이나 산소의 전달을 담당하는 고분자 전해질(아이오노머)을 구비하고 있다(일본 특허 출원 공개 제2011-258452호, 일본 특허 출원 공개 제2013-143340호, 일본 특허 출원 공개 제2013-089447호 참조).
그런데, 상기 촉매층에 있어서의 고분자 전해질(I)과 촉매 담지 카본(C)의 중량비(I/C)는, 연료 전지의 최대 출력 등의 연료 전지 성능에 크게 영향을 미치므로, 단셀 제조 시에 원하는 값으로 조정되어 있다. 일반적으로, 초기 시(제조 시)의 중량비(I/C)는, 연료 전지의 초기 성능이 최대로 되도록 설정되어 있다. 구체적으로는, 도 5에 나타내는 바와 같이 초기 상태(팽창률 0％)에 있어서의 중량비(I/C)와 연료 전지의 최대 출력의 상관을 나타내는 특성 곡선 S0에 있어서, 연료 전지의 최대 출력이 최대로 되는 중량비(I/C)의 값 P0이 선택되어 있다.
그러나, 상기 촉매층의 고분자 전해질은, 연료 전지의 사용 시에 수분을 포함하고 비가역적으로 팽윤된다. 이 팽윤에 의해, 도 5에 나타내는 바와 같이 중량비(I/C)와 연료 전지의 최대 출력의 특성 곡선이 바뀌고, 그 특성 곡선은, 팽윤율이 올라감에 따라 연료 전지의 최대 출력의 피크가 저중량비(I/C)측으로 이동하고, 연료 전지의 최대 출력이 저하된다. 또한, 연료 전지의 사용에 의해, 촉매 담지 카본의 카본이 산화되거나 소실되어 카본량이 감소하므로, 중량비(I/C)의 값이 점차 커지고, 이것에 의해서도 연료 전지의 최대 출력이 저하된다.
이 결과, 상술한 바와 같이 초기의 중량비(I/C)를, 연료 전지의 초기 성능을 최대로 하는 값 P0으로 설정하면, 예를 들어 도 5의 화살표로 나타내는 바와 같이 연료 전지의 사용을 계속함으로써 연료 전지의 성능이 저하될 가능성이 있다.
본 출원의 일 형태는, 사용에 의한 연료 전지의 성능의 저하를 억제할 수 있는 연료 전지 및 이동체를 제공한다.
본 발명의 일 형태는, 고분자 전해질과 촉매 담지 카본을 갖는 촉매층을 갖는 연료 전지이며, 상기 촉매층에 있어서의 고분자 전해질과 촉매 담지 카본의 초기의 중량비의 값은, 고분자 전해질이 팽윤되어 있지 않은 상태에 있어서의, 연료 전지의 최대 출력이 최대로 되는, 상기 촉매층에 있어서의 고분자 전해질과 촉매 담지 카본의 중량비의 값보다도, 0.1∼0.2 작은 값인, 연료 전지를 포함한다.
본 발명에 따르면, 연료 전지의 사용에 의해 촉매층의 고분자 전해질이 비가역적으로 팽윤되거나, 촉매 담지 카본의 카본이 산화되거나 소실되어 카본량이 감소한 때의, 연료 전지의 성능의 저하를 억제할 수 있다.
상기 연료 전지에 있어서, 상기 고분자 전해질은, 퍼플루오로카본술폰산 폴리머 및 폴리아릴렌에테르술폰산 공중합체 중 적어도 하나인 것으로 해도 된다.
연료 전지에 있어서, 상기 촉매 담지 카본은, 카본 블랙인 것으로 해도 된다.
연료 전지에 있어서, 상기 촉매 담지 카본은, Pt, Pt-Fe, Pt-Cr, Pt-Ni 및 Pt-Ru 중 적어도 하나의 금속 촉매를 담지하는 것으로 해도 된다.
다른 관점에 의한 본 발명은, 상기 연료 전지를 갖는 이동체를 포함한다.
본 발명의 일 형태에 따르면, 사용에 의한 연료 전지의 성능의 저하를 억제할 수 있으므로, 연료 전지의 내구성이 향상된다.
본 발명의 예시적인 실시예의 특징, 이점 및 기술적 및 산업적 의의는 동등한 요소들을 동등한 도면 부호로 나타낸 첨부 도면을 참조로 하여 이하에 설명된다.
도 1은 연료 전지 시스템의 구성의 개략을 도시하는 설명도.
도 2는 연료 전지의 셀 구조를 도시하는 설명도.
도 3은 촉매층의 고분자 전해질과 촉매 담지 카본을 모식적으로 도시하는 설명도.
도 4는 중량비(I/C)와 연료 전지의 최대 출력의 상관을 나타내는 그래프.
도 5는 일반적인 초기의 중량비(I/C)의 설정값을 나타내는 그래프.
이하, 본 발명의 실시 형태에 대해 상세하게 설명한다. 또한, 도면의 상하 좌우 등의 위치 관계는, 특별히 언급하지 않는 한, 도면에 나타내는 위치 관계에 기초하는 것으로 한다. 또한, 도면의 치수 비율은, 도시의 비율에 한정되는 것은 아니다. 또한, 이하의 실시 형태는, 본 발명을 설명하기 위한 예시이며, 본 발명을 그 실시 형태만으로 한정하는 취지는 아니다. 또한, 본 발명은 그 요지를 일탈하지 않는 한, 다양한 변형이 가능하다.
도 1은 본 실시 형태에 있어서의 연료 전지 시스템(10)의 시스템 구성을 도시하고 있다. 연료 전지 시스템(10)은, 예를 들어 이동체로서의 연료 전지 차량에 탑재되는 차량 탑재 전원 시스템으로서 기능하는 것이며, 반응 가스(연료 가스, 산화 가스)의 공급을 받아 발전하는 연료 전지(20)와, 산화 가스로서의 공기를 연료 전지(20)에 공급하기 위한 산화 가스 공급계(30)와, 연료 가스로서의 수소 가스를 연료 전지(20)에 공급하기 위한 연료 가스 공급계(40)와, 전력의 충방전을 제어하기 위한 전력계(50)와, 시스템 전체를 통괄 제어하는 컨트롤러(60)를 구비하고 있다.
연료 전지(20)는, 다수의 셀을 직렬로 적층하여 이루어지는 고체 고분자 전해질형 셀 스택이다. 연료 전지(20)에서는, 애노드극에 있어서 (1) 식의 산화 반응이 발생하고, 캐소드극에 있어서 (2) 식의 환원 반응이 발생한다. 연료 전지(20) 전체로서는 (3) 식의 기전 반응이 발생한다. H2→2H＋＋2e－…(1) (1/2)O2＋2H＋＋2e－→H2O…(2) H2＋(1/2)O2→H2O…(3)
도 2는 연료 전지(20)를 구성하는 셀(21)의 분해 사시도이다. 셀(21)은, 고분자 전해질막(22)과, 애노드극(23)과, 캐소드극(24)과, 세퍼레이터(26, 27)로 구성되어 있다. 애노드극(23) 및 캐소드극(24)은, 고분자 전해질막(22)을 양측으로부터 사이에 끼워 샌드위치 구조를 형성하고 있다.
세퍼레이터(26, 27)는, 가스 불투과의 도전성 부재로 구성되고, 애노드 전극(23), 캐소드 전극(24)을 양측으로부터 사이에 끼우면서, 애노드극(23) 및 캐소드극(24)과의 사이에 각각 연료 가스 및 산화 가스의 유로를 형성하고 있다.
세퍼레이터(26)에는, 단면 오목 형상의 리브(26a)가 형성되어 있다. 리브(26a)에 애노드극(23)이 접촉함으로써, 리브(26a)의 개구부는 폐색되고, 연료 가스 유로가 형성된다. 세퍼레이터(27)에는, 단면 오목 형상의 리브(27a)가 형성되어 있다. 리브(27a)에 캐소드극(24)이 접촉함으로써, 리브(27a)의 개구부는 폐색되고, 산화 가스 유로가 형성되어 있다.
애노드극(23)은, 촉매층(23a)과 가스 확산층(23b)을 갖고 있다. 마찬가지로, 캐소드극(24)은, 촉매층(24a)과 가스 확산층(24b)을 갖고 있다. 촉매층(23a, 24a)은, 도 3에 도시하는 바와 같이 촉매로서 기능하는 예를 들어 백금계의 귀금속 입자(100)를 담지한 촉매 담지 카본(101)과, 고분자 전해질(102)을 구비하고 있다.
귀금속 입자(100)의 백금계의 재료로서, 예를 들어 금속 촉매(Pt, Pt-Fe, Pt-Cr, Pt-Ni, Pt-Ru 등)를 사용할 수 있다. 촉매 담지 카본(101)으로서는, 예를 들어 카본 블랙을 사용할 수 있다.
고분자 전해질(102)로서, 예를 들어 불소계 수지인 퍼플루오로카본술폰산 폴리머나, 비불소계 수지인 BPSH(폴리아릴렌에테르술폰산 공중합체) 등을 갖는 프로톤 전도성의 이온 교환 수지 등을 사용할 수 있다. 퍼플루오로카본술폰산 폴리머나 BPSH는, 술폰산기를 구비하고 있다. 즉, 이들 수지는, 이온성을 갖고 있으며, 「아이오노머(이온＋폴리머)」라고도 불린다.
촉매층(23a, 24a)은, 귀금속 입자(100)를 담지한 소정량의 촉매 담지 카본(101)에, 소정량의 고분자 전해질(102)을 첨가하여 페이스트화하고, 고분자 전해질막(22) 상에 스크린 인쇄하여 형성된다. 또한, 촉매층(23a, 24a)은, 다른 방법, 예를 들어 스프레이 도포 시공 등을 이용하여 형성되어도 된다.
본 실시 형태에 있어서, 촉매층(23a, 24a)에 있어서의 고분자 전해질(102)과 촉매 담지 카본(101)의 초기(제조 시)의 중량비(I/C)의 값 P1{고분자 전해질(102)의 중량을 촉매 담지 카본(101)의 중량[귀금속 입자(100)의 중량도 포함함]으로 나눈 값}은, 소정의 값으로 설정되어 있다. 구체적으로는, 초기의 중량비 I/C는, 도 4에 나타내는 바와 같이 고분자 전해질(102)이 팽윤되어 있지 않은 상태(초기 상태)에서의, 연료 전지의 최대 출력이 최대로 되는 중량비(I/C)의 값 P0보다도, 0.1∼0.2 작은 값으로 설정되어 있다. 또한, 도 4에 나타내는 초기 상태의 연료 전지의 최대 출력과 중량비(I/C)의 상관을 나타내는 특성 곡선 S0은, 미리 실험이나 계산 등에 의해 구해진다.
가스 확산층(23b, 24b)은, 촉매층(23a, 24a)의 표면에 형성되어 통기성과 전자 도전성을 겸비하고, 탄소 섬유로 이루어지는 실로 짜서 만든 카본 클로스, 카본 페이퍼, 또는 카본 펠트에 의해 형성되어 있다.
도 2에 도시하는 고분자 전해질막(22)은, 고체 고분자 재료, 예를 들어 불소계 수지에 의해 형성된 프로톤 전도성의 이온 교환막이며, 습윤 상태에서 양호한 전기 전도성을 발휘한다. 고분자 전해질막(22), 애노드극(23) 및 캐소드극(24)에 의해 막-전극 어셈블리(25)가 형성되어 있다.
도 1에 도시하는 바와 같이 연료 전지(20)에는, 연료 전지(20)의 출력 전압(FC 전압)을 검출하기 위한 전압 센서(71)와, 출력 전류(FC 전류)를 검출하기 위한 전류 센서(72)가 설치되어 있다.
산화 가스 공급계(30)는, 연료 전지(20)의 캐소드극(24)에 공급되는 산화 가스가 흐르는 산화 가스 통로(33)와, 연료 전지(20)로부터 배출되는 산화 오프 가스가 흐르는 산화 오프 가스 통로(34)를 갖고 있다. 산화 가스 통로(33)에는, 필터(31)를 통해 대기 중으로부터 산화 가스를 도입하는 에어 컴프레서(32)와, 에어 컴프레서(32)에 의해 가압되는 산화 가스를 가습하기 위한 가습기(35)와, 연료 전지(20)에의 산화 가스 공급을 차단하기 위한 차단 밸브(A1)가 설치되어 있다.
산화 오프 가스 통로(34)에는, 연료 전지(20)로부터의 산화 오프 가스 배출을 차단하기 위한 차단 밸브(A2)와, 산화 가스 공급압을 조정하기 위한 배압 조정 밸브(A3)와, 산화 가스(드라이 가스)와 산화 오프 가스(웨트 가스) 사이에서 수분 교환하기 위한 가습기(35)가 설치되어 있다.
연료 가스 공급계(40)는, 연료 가스 공급원(41)과, 연료 가스 공급원(41)으로부터 연료 전지(20)의 애노드극(23)에 공급되는 연료 가스가 흐르는 연료 가스 통로(43)와, 연료 전지(20)로부터 배출되는 연료 오프 가스를 연료 가스 통로(43)에 귀환시키기 위한 순환 통로(44)와, 순환 통로(44) 내의 연료 오프 가스를 연료 가스 통로(43)에 압송하는 순환 펌프(45)와, 순환 통로(44)에 분기 접속되는 배기 배수 통로(46)를 갖고 있다.
연료 가스 공급원(41)은, 예를 들어 고압 수소 탱크나 수소 흡장 합금 등으로 구성되고, 고압(예를 들어, 35㎫∼70㎫)의 수소 가스를 저류한다. 차단 밸브(H1)를 개방하면, 연료 가스 공급원(41)으로부터 연료 가스 통로(43)에 연료 가스가 유출된다. 연료 가스는, 레귤레이터(H2)나 인젝터(42)에 의해, 예를 들어 200㎪ 정도까지 감압되어, 연료 전지(20)에 공급된다.
순환 통로(44)에는, 연료 전지(20)로부터의 연료 오프 가스 배출을 차단하기 위한 차단 밸브(H4)와, 순환 통로(44)로부터 분기하는 배기 배수 통로(46)가 접속되어 있다. 배기 배수 통로(46)에는, 배기 배수 밸브(H5)가 배치되어 있다. 배기 배수 밸브(H5)는, 컨트롤러(60)로부터의 지령에 의해 작동함으로써, 순환 통로(44) 내의 불순물을 포함하는 연료 오프 가스와 수분을 외부로 배출(퍼지)한다.
배기 배수 밸브(H5)를 통해 배출되는 연료 오프 가스는, 산화 오프 가스 통로(34)를 흐르는 산화 오프 가스와 혼합되고, 희석기(도시하지 않음)에 의해 희석된다. 순환 펌프(45)는, 순환계 내의 연료 오프 가스를 모터 구동에 의해 연료 전지(20)에 순환 공급한다.
전력계(50)는, DC/DC 컨버터(51)와, 배터리(축전 장치)(52)와, 트랙션 인버터(53)와, 트랙션 모터(54)와, 보조 기계류(55)를 구비하고 있다. DC/DC 컨버터(51)는, 배터리(52)로부터 공급되는 직류 전압을 승압하여 트랙션 인버터(53)에 출력하는 기능과, 연료 전지(20)가 발전한 직류 전력, 또는 회생 제동에 의해 트랙션 모터(54)가 회수한 회생 전력을 강압하여 배터리(52)에 충전하는 기능을 갖는다.
배터리(52)는, 잉여 전력의 저장원, 회생 제동 시의 회생 에너지 저장원, 연료 전지 차량의 가속 또는 감속에 수반하는 부하 변동 시의 에너지 버퍼로서 기능한다. 배터리(52)로서는, 예를 들어 니켈·카드뮴 축전지, 니켈·수소 축전지, 리튬 2차 전지 등의 2차 전지가 적합하다. 배터리(52)에는, 그 잔류 용량인 SOC(State of charge)를 검출하기 위한 SOC 센서(73)가 설치되어 있다.
트랙션 인버터(53)는, 예를 들어 펄스 폭 변조 방식으로 구동되는 PWM 인버터이며, 컨트롤러(60)로부터의 제어 지령에 따라, 연료 전지(20) 또는 배터리(52)로부터 출력되는 직류 전압을 삼상 교류 전압으로 변환하여, 트랙션 모터(54)의 회전 토크를 제어한다. 트랙션 모터(54)는, 예를 들어 삼상 교류 모터이며, 연료 전지 차량의 동력원을 구성한다.
보조 기계류(55)는, 연료 전지 시스템(10) 내의 각 부에 배치되어 있는 각 모터(예를 들어, 펌프류 등의 동력원)나, 이들 모터를 구동하기 위한 인버터류, 나아가서는 각종 차량 탑재 보조 기계류(예를 들어, 에어 컴프레서, 인젝터, 냉각수 순환 펌프, 라디에이터 등)를 총칭하는 것이다.
컨트롤러(60)는, CPU, ROM, RAM 및 입출력 인터페이스를 구비하는 컴퓨터 시스템이며, 연료 전지 시스템(10)의 각 부를 제어한다. 예를 들어, 컨트롤러(60)는, 이그니션 스위치로부터 출력되는 기동 신호(IG)를 수신하면, 연료 전지 시스템(10)의 운전을 개시하고, 액셀러레이터 센서로부터 출력되는 액셀러레이터 개방도 신호(ACC)나, 차속 센서로부터 출력되는 차속 신호(VC) 등을 기초로, 시스템 전체의 요구 전력을 구한다. 시스템 전체의 요구 전력은, 차량 주행 전력과 보조 기계 전력의 합계값이다.
보조 기계 전력에는, 차량 탑재 보조 기계류(가습기, 에어 컴프레서, 수소 펌프 및 냉각수 순환 펌프 등)에서 소비되는 전력, 차량 주행에 필요한 장치(변속기, 차륜 제어 장치, 조타 장치 및 현가 장치 등)에서 소비되는 전력, 탑승원 공간 내에 배치되는 장치(공조 장치, 조명 기구 및 오디오 등)에서 소비되는 전력 등이 포함된다.
컨트롤러(60)는, 연료 전지(20)와 배터리(52)의 각각의 출력 전력의 배분을 결정하고, 연료 전지(20)의 발전량이 목표 전력에 일치하도록, 산화 가스 공급계(30) 및 연료 가스 공급계(40)를 제어함과 함께, DC/DC 컨버터(51)를 제어하여, 연료 전지(20)의 출력 전압을 조정함으로써, 연료 전지(20)의 운전 포인트(출력 전압, 출력 전류)를 제어한다.
연료 전지 시스템(10)의 운전 시에는, 연료 전지(20)에 있어서, 상술한 (1) 식에 나타내는 바와 같이, 애노드극(23)에서 생성된 수소 이온이 전해질막(22)을 투과하여 캐소드극(24)으로 이동하고, 캐소드극(24)으로 이동한 수소 이온은, 상술한 (2) 식에 나타내는 바와 같이, 캐소드극(24)에 공급되어 있는 산화 가스 중의 산소와 전기 화학 반응을 일으키고, 산소의 환원 반응을 발생시키고, 물을 생성한다.
이때, 촉매층(23a, 24a)에서는, 고분자 전해질(102)이, 수분을 포함하고 비가역적으로 팽윤된다. 이 팽윤에 의해, 도 4에 나타내는 바와 같이 고분자 전해질(102)과 촉매 담지 카본(101)의 중량비(I/C)와 연료 전지의 최대 출력의 특성 곡선이 변화하고, 당해 특성 곡선은, 팽윤율(팽창률)이 올라감에 따라 연료 전지의 최대 출력의 피크가 저중량비(I/C)측으로 이동하고, 연료 전지의 최대 출력이 저하된다. 이것은, 산소가 촉매에 도달하기 위해 고분자 전해질(102) 중을 투과할 필요가 있지만, 고분자 전해질(102)이 팽창하면, 이 투과 경로가 길어져, 산소가 촉매에 도달하기 어려워지기 때문이다.
또한, 촉매 담지 카본(101)에서는, 카본이 산화되거나 소실되어 카본량이 감소하므로, 중량비(I/C)의 값이 증가한다. 또한, 촉매 담지 카본(101)의 카본은, 변동하는 전위에 노출되고, 그 전위에 의해 (4) 식에 나타내는 바와 같이 물과 반응하여 산화된다. C＋2H2O→CO2＋4H＋＋4e－…(4)
본 실시 형태에 따르면, 도 4에 나타내는 바와 같이 촉매층(23a, 24a)에 있어서의 고분자 전해질(102)과 촉매 담지 카본(101)의 초기의 중량비(I/C)의 값 P1이, 고분자 전해질(102)이 팽윤되어 있지 않은 상태에 있어서의, 연료 전지의 최대 출력이 최대로 되는 중량비(I/C)의 값 P0보다도, 0.1∼0.2 작은 값으로 설정되어 있으므로, 상술한 바와 같이 연료 전지(20)의 사용에 의해 고분자 전해질(102)이 비가역적으로 팽윤되거나, 촉매 담지 카본(101)의 카본이 산화되거나 소실되어 카본량이 감소한 때의 연료 전지의 성능의 저하를 억제할 수 있다.
또한, 고분자 전해질(102)과 촉매 담지 카본(101)의 초기의 중량비(I/C)의 값 P1이, 고분자 전해질(102)이 팽윤되어 있지 않은 상태에 있어서의, 연료 전지의 최대 출력이 최대로 되는 중량비(I/C)의 값 P0보다도, 0.1 미만 작은 값인 경우에는, 연료 전지의 성능 저하의 억제 효과가 약하다. 또한, 초기의 중량비(I/C)의 값 P1이, 연료 전지의 최대 출력이 최대로 되는 중량비(I/C)의 값 P0보다도, 0.2를 초과하여 작은 값인 경우에는, 초기 성능이 지나치게 내려가 버려 바람직하지 않다.
이상, 첨부 도면을 참조하면서 본 발명의 적합한 실시 형태에 대해 설명하였지만, 본 발명은 이러한 예에 한정되지 않는다. 당업자라면, 특허 청구 범위에 기재된 사상의 범주 내에 있어서, 각종 변경예 또는 수정예에 상도할 수 있는 것은 명백하며, 그들에 대해서도 당연히 본 발명의 기술적 범위에 속하는 것이라고 이해된다. 당업자라면, 고분자 전해질, 촉매 담지 카본 및 금속 촉매의 재료에 한정이 없는 경우, 바꾸어 말하면, 종속항에서 재료에 한정이 없는 경우라도, 본 발명은 성립되는 것이라고 이해된다.
예를 들어 이상의 실시 형태에 있어서는, 연료 전지(20)를 연료 전지 차량에 탑재한 예를 나타냈지만, 연료 전지 차량 이외의 각종 이동체(로봇, 선박, 항공기 등)에 본 발명에 관한 연료 전지를 탑재할 수도 있다. 또한, 연료 전지(20)를, 건물(주택, 빌딩 등)용의 발전 설비로서 사용되는 정치용 발전 시스템에 적용해도 된다.
본 발명은 사용에 의한 연료 전지의 성능의 저하를 억제할 때에 유용하다.

Claims (5)

  1. 연료 전지(20)이며,
    고분자 전해질(102)과 촉매 담지 카본(101)을 갖는 촉매층(23a, 24a)을 포함하고,
    상기 촉매층(23a, 24a)에 있어서의 고분자 전해질(102)과 촉매 담지 카본(101)의 초기의 중량비의 값은, 고분자 전해질(102)이 팽윤되어 있지 않은 상태에서의, 연료 전지(20)의 최대 출력이 최대로 되는, 상기 촉매층(23a, 24a)에 있어서의 고분자 전해질(102)과 촉매 담지 카본(101)의 중량비의 값보다도, 0.1∼0.2 작은 값인 것을 특징으로 하는, 연료 전지.
  2. 제1항에 있어서, 상기 고분자 전해질(102)은, 퍼플루오로카본술폰산 폴리머 및 폴리아릴렌에테르술폰산 공중합체 중 적어도 하나인, 연료 전지.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 촉매 담지 카본(101)은, 카본 블랙인, 연료 전지.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 촉매 담지 카본(101)은, Pt, Pt-Fe, Pt-Cr, Pt-Ni 및 Pt-Ru 중 적어도 하나의 금속 촉매를 담지하는, 연료 전지.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 연료 전지(20)를 포함하는, 이동체.
KR1020150134038A 2014-09-25 2015-09-22 연료 전지 및 이동체 KR101800078B1 (ko)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2014195812A JP6202343B2 (ja) 2014-09-25 2014-09-25 燃料電池及び移動体
JPJP-P-2014-195812 2014-09-25

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20160036653A true KR20160036653A (ko) 2016-04-04
KR101800078B1 KR101800078B1 (ko) 2017-11-21

Family

ID=55485962

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020150134038A KR101800078B1 (ko) 2014-09-25 2015-09-22 연료 전지 및 이동체

Country Status (5)

Country Link
US (2) US20160093894A1 (ko)
JP (1) JP6202343B2 (ko)
KR (1) KR101800078B1 (ko)
CN (1) CN105470528B (ko)
DE (1) DE102015116006A1 (ko)

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1298751A3 (en) * 2001-09-27 2006-04-26 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Polymer electrolyte fuel cell and production method thereof
JP2003115299A (ja) * 2001-10-02 2003-04-18 Toyota Motor Corp 固体高分子型燃料電池
US7217303B2 (en) * 2003-02-28 2007-05-15 Exxonmobil Research And Engineering Company Pressure swing reforming for fuel cell systems
US8445141B2 (en) * 2005-06-09 2013-05-21 Toyo Boseki Kabushiki Kaisha Sulfonic acid group-containing polymer, method for producing the same, resin composition containing such sulfonic acid group-containing polymer, polymer electrolyte membrane, polymer electrolyte membrane/electrode assembly, and fuel cell
JP2007080694A (ja) * 2005-09-14 2007-03-29 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池用電極触媒層、および、これを用いた燃料電池
JP2011258452A (ja) 2010-06-10 2011-12-22 Toyota Motor Corp 電極触媒と膜電極接合体および固体高分子型燃料電池
JP2013089447A (ja) 2011-10-18 2013-05-13 Toyota Motor Corp 燃料電池の電極触媒層
JP2013131300A (ja) * 2011-12-20 2013-07-04 Toyota Motor Corp 燃料電池
JP5989344B2 (ja) 2012-01-12 2016-09-07 トヨタ自動車株式会社 燃料電池
KR20140138181A (ko) * 2012-02-23 2014-12-03 도판 인사츠 가부시키가이샤 고체 고분자형 연료 전지용 막 전극 접합체 및 그 제조 방법과 고체 고분자형 연료 전지

Also Published As

Publication number Publication date
US20160093894A1 (en) 2016-03-31
JP6202343B2 (ja) 2017-09-27
US10720650B2 (en) 2020-07-21
CN105470528B (zh) 2018-10-09
JP2016066548A (ja) 2016-04-28
DE102015116006A1 (de) 2016-03-31
KR101800078B1 (ko) 2017-11-21
CN105470528A (zh) 2016-04-06
US20190267637A1 (en) 2019-08-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8415065B2 (en) Fuel cell system and method of controlling fuel cell system
JP4591721B2 (ja) 燃料電池システム
EP2192647B1 (en) Fuel cell system
KR101719674B1 (ko) 연료전지 시스템
US8420268B2 (en) Fuel cell system
WO2013128610A1 (ja) 燃料電池システム
WO2013128609A1 (ja) 燃料電池システム
CN107452972B (zh) 燃料电池系统及其控制方法
JP2013232361A (ja) 燃料電池システム
JPWO2013136494A1 (ja) 燃料電池システム
CN107452974B (zh) 缺氢判断方法及缺氢判断装置
JP2013258038A (ja) 燃料電池システム及びその制御方法
JP5765672B2 (ja) 燃料電池システム
JP5725423B2 (ja) 燃料電池システム
KR101800078B1 (ko) 연료 전지 및 이동체
KR20160034809A (ko) 연료 전지 시스템
US20160087292A1 (en) Fuel cell system
JP5773278B2 (ja) 燃料電池システム及びその制御方法
JPWO2013128610A1 (ja) 燃料電池システム

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right