JP2006164902A - Fuel cell system - Google Patents

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直哉 松岡
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To start up a fuel cell system in a low-temperature environment by warming up a fuel cell stack through the use of heat generation by unit cells having high water-holding capability. <P>SOLUTION: The fuel cell stack comprises unit cells each made up of an electrolyte membrane, and catalyst layers, carbon layers and gas diffusing layers that sandwich the electrolyte membrane. A first cell having high water-holding capability and a second cell having low water-holding capability are provided, and the fuel cell stack is formed by combining at least one each of the first and second cells. The first cell is inserted to the vicinity of the midpoint of the stack taken in the direction of lamination. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、燃料電池スタックの保水能力の高い単位セルと保水能力が低い単位セルとを組み合わせた燃料電池システムに関するものである。   The present invention relates to a fuel cell system in which a unit cell having a high water retention capacity and a unit cell having a low water retention capacity are combined in a fuel cell stack.

従来の燃料電池システムにおいては、燃料電池スタックの冷却系の冷媒である不凍液を、低温環境における発電始動において、一旦タンクへ回収して燃料電池スタックの熱容量を減少させた後、発電始動を開始することで低温起動運転を達成している。（例えば、特許文献１、参照。）
特開２００３−２５７４６０号公報 In the conventional fuel cell system, the antifreeze, which is a refrigerant for the cooling system of the fuel cell stack, is once collected in a tank at the start of power generation in a low temperature environment, and the heat capacity of the fuel cell stack is reduced, and then the power generation start is started This achieves cold start-up operation. (For example, see Patent Document 1)
JP 2003-257460 A

低温環境下において燃料電池システムを停止した際の燃料電池スタック内部における水の残留や、電解質膜の乾燥度合いによって、低温起動時に電力が十分発生しないという問題があった。   There is a problem that sufficient electric power is not generated at low temperature startup due to water remaining inside the fuel cell stack when the fuel cell system is stopped in a low temperature environment and the degree of drying of the electrolyte membrane.

そこで本発明では、速やかな低温起動を可能とする燃料電池システムを目的とする。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a fuel cell system that enables quick start-up at a low temperature.

本発明では、電解質膜と、前記電解質膜を触媒層、カーボン層およびガス拡散層により挟持した単位セルからなる燃料電池スタックにおいて、保水能力の高い第１のセルと、保水能力の低い第２のセルを備え、前記第１のセルと第２のセルをそれぞれ少なくとも１つ以上組み合わせ燃料電池スタックを構成し、前記スタックの積層方向中央部付近に前記第１のセルを挿入する。   In the present invention, in a fuel cell stack comprising an electrolyte membrane and a unit cell in which the electrolyte membrane is sandwiched between a catalyst layer, a carbon layer and a gas diffusion layer, a first cell having a high water retention capability and a second cell having a low water retention capability. A fuel cell stack is formed by combining at least one or more of the first cell and the second cell, and the first cell is inserted in the vicinity of the center in the stacking direction of the stack.

本発明によると、低温環境下において燃料電池スタックの起動をする際に、保水能力の高い第１のセルの発熱により、保水能力の低い第２のセルを保温しスタック内部に溜まった水を解凍する。これによって、燃料電池システムの低温起動性が円滑に行える。   According to the present invention, when the fuel cell stack is started in a low temperature environment, the second cell having a low water retention capacity is kept warm by the heat generation of the first cell having a high water retention capacity, and the water accumulated in the stack is thawed. To do. Thereby, the low temperature startability of the fuel cell system can be smoothly performed.

（第１実施形態）
第１の実施形態に用いる燃料電池システムにおける燃料電池スタックの単位セルの概略構成図を図１に示す。 (First embodiment)
FIG. 1 shows a schematic configuration diagram of a unit cell of a fuel cell stack in the fuel cell system used in the first embodiment.

電解質膜１を挟んで、その両側に電極触媒層２が配置されている。さらに、この電極触媒層２の両外側にカーボン層３、ガス拡散層４の順で配置する。さらにその外側に燃料ガスまたは酸化剤ガスが流通するガス流路を形成したセパレータ５を配置し、単位セルを構成する。ここで、燃料ガスとして水素含有ガスを用い、酸化剤ガスとして酸素含有ガス（空気）を用いる。   Electrode catalyst layers 2 are disposed on both sides of the electrolyte membrane 1. Furthermore, the carbon layer 3 and the gas diffusion layer 4 are arranged in this order on both outer sides of the electrode catalyst layer 2. Furthermore, a separator 5 having a gas flow path through which fuel gas or oxidant gas flows is arranged outside thereof to constitute a unit cell. Here, a hydrogen-containing gas is used as the fuel gas, and an oxygen-containing gas (air) is used as the oxidant gas.

電解質膜１にはプロトン伝導性に優れた材料で、本実施形態ではパーフルオロスルホン酸系イオン交換膜を用いる。   The electrolyte membrane 1 is a material excellent in proton conductivity, and in this embodiment, a perfluorosulfonic acid ion exchange membrane is used.

また、電極触媒層２は、触媒からガス拡散層への電子の伝導、膜へのプロトンの伝導、ガスを供給する空孔を形成する構成とする。カーボン担持白金触媒と高分子電解質と撥水材から構成され厚さは１０〜数μｍ程度である。カーボン担持触媒としては主に白金系の触媒が用いられ、本実施形態においては、平均粒径が３ｎｍ程度となるように白金触媒をカーボンに担持し、アイオノマー（電解質溶液）としてNafion溶液と混ぜ、攪拌することによりペースト状にした後にPTFE基材にスクリーン印刷し、その後電解質膜にホットプレスにより転写して作成した。   Further, the electrode catalyst layer 2 is configured to form electrons from the catalyst to the gas diffusion layer, protons to the membrane, and holes for supplying the gas. It is composed of a carbon-supported platinum catalyst, a polymer electrolyte, and a water repellent material, and the thickness is about 10 to several μm. As the carbon-supported catalyst, a platinum-based catalyst is mainly used. In this embodiment, the platinum catalyst is supported on carbon so that the average particle size is about 3 nm, and mixed with the Nafion solution as an ionomer (electrolyte solution). The mixture was made into a paste by stirring and screen printed on a PTFE substrate, and then transferred to the electrolyte membrane by hot pressing.

ガス拡散層４は、ガス透過性と導電性に優れた厚さ１００〜３００μｍ程度のカーボンペーパーやカーボンクロスをいい、燃料ガスや酸化剤ガスを触媒層に拡散させるのみならず、生成した水をセパレータ５の流路に排出する。   The gas diffusion layer 4 is a carbon paper or carbon cloth having a thickness of about 100 to 300 μm that is excellent in gas permeability and conductivity, and not only diffuses fuel gas and oxidant gas into the catalyst layer, but also generates generated water. Discharge into the flow path of the separator 5.

電解質膜１の厚みが大きいものは保水能力が高く、電解質膜１の厚みが小さいものは保水能力が低い。たとえば、発電前に乾燥させた電解質膜１において、厚さ２５μｍでは単位電極面当り約０．５ｍｇ／ｃｍ2の保水が可能であり、一方、厚さ５０μｍでは単位電極面当り１．０ｍｇ／ｃｍ2の保水が可能である。ここで、保水能力の高い単位セルのアイオノマーの量を多くしてもよい。アイオノマーの量を多くすることによって、より多くの水を電解質膜１に吸収させることが可能となる。 When the thickness of the electrolyte membrane 1 is large, the water retention capability is high, and when the thickness of the electrolyte membrane 1 is small, the water retention capability is low. For example, in the electrolyte membrane 1 dried before power generation, water retention of about 0.5 mg / cm 2 per unit electrode surface is possible at a thickness of 25 μm, while 1.0 mg / cm 2 per unit electrode surface at a thickness of 50 μm. 2 water retention is possible. Here, you may increase the quantity of the ionomer of a unit cell with a high water retention capacity. By increasing the amount of ionomer, it becomes possible to cause the electrolyte membrane 1 to absorb more water.

また、保水能力の高い単位セルは、保水能力の低い単位セルと比較すると、同一の電流値で両単位セルの発電を行った場合、保水能力の高い単位セルを用いた単位セルのほうが長時間の発電が可能である。したがって、保水能力の高い単位セルを用いた単位セルは保水能力の低い単位セルを用いた単位セルより発熱性が高い。たとえば、電解質膜１のみに保水能力のあり、電流１００ｍＡ／ｃｍ2で発電させた場合、厚さ２５μｍの電解質膜１においては約１分間、厚さ５０μｍの電解質膜１においては約２分間の発電が可能である。したがって、発電不能になるまでの発熱量は保水能力の低い単位セルでは、約５Ｊ／ｃｍ2であり、一方、保水能力の高い単位セルは、約１０Ｊ／ｃｍ2である。したがって、保水能力の高い単位セルは保水能力の低い単位セルより発熱性が高い。 In addition, a unit cell with a high water retention capacity is longer than a unit cell with a low water retention capacity when a unit cell with a high water retention capacity is used for power generation when both unit cells generate power at the same current value. Power generation is possible. Therefore, a unit cell using a unit cell having a high water retention capacity is more exothermic than a unit cell using a unit cell having a low water retention capacity. For example, when only the electrolyte membrane 1 has a water retention capacity and is generated at a current of 100 mA / cm 2 , the electrolyte membrane 1 with a thickness of 25 μm takes about 1 minute, and the electrolyte membrane 1 with a thickness of 50 μm takes about 2 minutes. Is possible. Therefore, the calorific value until power generation becomes impossible is about 5 J / cm 2 in a unit cell having a low water holding capacity, whereas the unit cell having a high water holding capacity is about 10 J / cm 2 . Therefore, a unit cell having a high water retention capacity is more exothermic than a unit cell having a low water retention capacity.

本実施形態においては、厚さの異なる２種類の電解質膜１を用いることにより、保水能力の高い単位セルと保水能力の低い単位セルとを組み合わせ構成する燃料電池スタックについて図２を参照しながら説明する。   In the present embodiment, a fuel cell stack configured by combining unit cells having a high water retention capacity and unit cells having a low water retention capacity by using two types of electrolyte membranes 1 having different thicknesses will be described with reference to FIG. To do.

A領域１２は保水能力の高い単位セルが保水能力の低い単位セルの２０％を占めるように組み合わせ構成され、B領域１３は保水能力の高い単位セルが保水能力の低い単位セルの５０％を占めるように組み合わせ構成され、C領域１４は１００％の保水能力の高い単位セルから構成される。このA領域１２をB領域１３、C領域１４の順で挟持し燃料電池スタック１５を構成する。   Area A 12 is configured so that unit cells with high water retention capacity occupy 20% of unit cells with low water retention capacity, and area B 13 has unit cells with high water retention capacity occupy 50% with unit cells with low water retention capacity. The C region 14 is composed of unit cells having a high water retention capacity of 100%. The A region 12 is sandwiched in the order of the B region 13 and the C region 14 to constitute a fuel cell stack 15.

エンドプレート８への放熱を防ぐため、この燃料電池スタック１５を両側から断熱材７で挟持し、さらにエンドプレート８とボルト９で燃料電池スタック１５と断熱材７を固定し挟持する。たとえばエンドプレート８にはボルト９で締め付けた圧力を電解質膜１の面内に均等に分配するようにたわみの小さいステンレス材料を用いた。   In order to prevent heat radiation to the end plate 8, the fuel cell stack 15 is sandwiched by the heat insulating material 7 from both sides, and the fuel cell stack 15 and the heat insulating material 7 are fixed and sandwiched by the end plate 8 and the bolt 9. For example, a stainless material having a small deflection is used for the end plate 8 so that the pressure clamped by the bolts 9 is evenly distributed in the plane of the electrolyte membrane 1.

燃料電池スタック１５の入り口配管から供給された燃料ガスまたは酸化剤ガスを単位セル１１に分配し、それぞれの燃料極、酸化剤極へ導入するマニホールド１０ａ、１０ｂを備える。   Manifolds 10a and 10b for distributing fuel gas or oxidant gas supplied from the inlet pipe of the fuel cell stack 15 to the unit cells 11 and introducing them to the respective fuel electrodes and oxidant electrodes are provided.

次に、燃料電池スタック１５に燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給して電力を供給する燃料電池システムについて図３を参照し説明する。   Next, a fuel cell system for supplying power by supplying fuel gas and oxidant gas to the fuel cell stack 15 will be described with reference to FIG.

燃料電池スタック１５の発電反応を生じさせるため、燃料電池スタック１５に燃料ガスを供給する燃料ガス供給通路２５と酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給通路２６とを備え、燃料ガス供給通路２５の上流に燃料ガスタンク１６を設置し、圧力調整弁１８を介し燃料電池スタック１５に燃料ガスを供給する。そして、燃料電池スタック１５へ供給された余剰な燃料ガスは燃料ガス排出通路２７より排出される。一方、酸化剤ガス供給通路２６の上流にコンプレッサ１７を設置し、空気を圧縮し圧力調整弁１９を介して燃料電池スタック１５へ酸化剤ガスは供給される。そして、燃料電池スタック１５において発電反応後、余剰な酸化剤ガスは酸化剤ガス排出通路２８より排出される。   In order to generate a power generation reaction of the fuel cell stack 15, the fuel cell stack 15 includes a fuel gas supply passage 25 that supplies fuel gas and an oxidant gas supply passage 26 that supplies oxidant gas. A fuel gas tank 16 is installed upstream, and fuel gas is supplied to the fuel cell stack 15 via a pressure regulating valve 18. The surplus fuel gas supplied to the fuel cell stack 15 is discharged from the fuel gas discharge passage 27. On the other hand, the compressor 17 is installed upstream of the oxidant gas supply passage 26, the air is compressed, and the oxidant gas is supplied to the fuel cell stack 15 via the pressure regulating valve 19. After the power generation reaction in the fuel cell stack 15, excess oxidant gas is discharged from the oxidant gas discharge passage 28.

燃料電池スタック１５に接続している燃料ガス供給通路２５と酸化剤ガス供給通路２６に備えた圧力調整弁１８と圧力調整弁１９の下流で燃料電池スタック１５の上流に圧力計２９と圧力計３０を備え、燃料電池スタック１５へ供給する燃料ガスおよび酸化剤ガスの圧力を監視する。   A pressure gauge 29 and a pressure gauge 30 upstream of the fuel cell stack 15 downstream of the pressure adjustment valve 18 and the pressure adjustment valve 19 provided in the fuel gas supply passage 25 and the oxidant gas supply passage 26 connected to the fuel cell stack 15. The pressure of the fuel gas and the oxidant gas supplied to the fuel cell stack 15 is monitored.

また、燃料電池スタック１５の状態を常に監視するため燃料電池スタック１５の電圧を検出する電圧計２２と燃料電池スタック１５の保水能力の高い単位セルの温度と保水能力の低い単位セルの温度とを検出する温度センサ２３を備える。また、外気の温度を測定するため温度計２４を燃料電池スタック１５の外部に備える。   Further, in order to constantly monitor the state of the fuel cell stack 15, a voltmeter 22 for detecting the voltage of the fuel cell stack 15, the temperature of the unit cell having a high water retention capacity and the temperature of the unit cell having a low water retention capacity of the fuel cell stack 15 The temperature sensor 23 to detect is provided. Further, a thermometer 24 is provided outside the fuel cell stack 15 in order to measure the temperature of the outside air.

また、発電反応時に燃料電池スタック１５において、生成水は水蒸気として、燃料電池スタック１５で消費されなかったガスとともに大気中へ排出されるが、燃料極側の燃料ガスは燃焼器において反応させ水蒸気になった後大気中に排出される。   In addition, in the fuel cell stack 15 during the power generation reaction, the generated water is discharged into the atmosphere together with the gas that has not been consumed in the fuel cell stack 15, but the fuel gas on the fuel electrode side reacts in the combustor to form water vapor. And then discharged into the atmosphere.

上述した燃料電池システムを用いて電圧計２２、温度センサ２３より得られた検出結果を保水能力の低い電解質膜１を有するセルのみから構成された燃料電池スタック１５を用いて発電を行ったときの結果を図４に、上述した保水能力の高い電解質膜１を有するセルと保水能力の低い電解質膜１を有するセルを組み合わせて構成した燃料電池スタック１５を用いて発電を行ったときの結果を図５に示し以下説明する。   Using the fuel cell system described above, the detection results obtained from the voltmeter 22 and the temperature sensor 23 are obtained when power generation is performed using the fuel cell stack 15 composed only of cells having the electrolyte membrane 1 having a low water retention capacity. The results are shown in FIG. 4, and the results when power generation is performed using the fuel cell stack 15 configured by combining the cell having the electrolyte membrane 1 having the high water retention capability and the cell having the electrolyte membrane 1 having the low water retention capability described above. This will be described below.

保水能力の低い単位セルのみから構成された燃料電池スタック１５は、氷点下からの発電開始後所定の時間発電を行うが、単位セルの温度が氷点に達する前に、吸収しきれなくなった生成水が溜まり、凍結するので電圧が低下し発電が中止される。   The fuel cell stack 15 composed only of unit cells having a low water holding capacity performs power generation for a predetermined time after the start of power generation from below freezing point. However, before the temperature of the unit cell reaches the freezing point, the generated water that cannot be absorbed is generated. As it accumulates and freezes, the voltage drops and power generation stops.

一方、保水能力の高い単位セルと保水能力の低い単位セルから構成された燃料電池スタック１５は、発電開始後、生成水の保水能力の高い単位セルは発電機能が維持され、温度が上昇し、単位セルの温度が氷点を超えたときから、単位セルの電圧も上昇する。それと同時に保水能力の低い単位セルにおいては、発電開始後単位セルの電圧は急激に低下するが、単位セルの温度は保水能力の高い単位セルの発熱により上昇する。そして、単位セルの温度が氷点を超えた点から保水能力の低い単位セルの電圧も上昇を開始しその後発電の継続が可能となる。   On the other hand, the fuel cell stack 15 composed of a unit cell with a high water retention capacity and a unit cell with a low water retention capacity, after the start of power generation, the unit cell with a high water retention capacity of the generated water maintains the power generation function, the temperature rises, When the temperature of the unit cell exceeds the freezing point, the voltage of the unit cell also increases. At the same time, in the unit cell having a low water retention capacity, the voltage of the unit cell rapidly decreases after the start of power generation, but the temperature of the unit cell increases due to the heat generation of the unit cell having a high water retention capacity. Then, the voltage of the unit cell having a low water holding capacity starts to rise from the point where the temperature of the unit cell exceeds the freezing point, and then power generation can be continued.

保水能力の低い単位セルのみから構成される単位セルでは、氷点下において発電を開始した際、発電により生成した水を保水するため、その生成水が凍結し触媒層が氷で覆われ触媒への燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給が妨げられることによって、電圧の低下を招く。しかし、保水能力の高い単位セルから構成される単位セルは、吸収できる生成水の保水量が多いため発電できなくなるまでの時間が長い。したがって、発電による発熱時間が長くなり電圧が低下する前に、単位セルとその周りのセルを氷点以上に暖めることが可能となる。   In a unit cell consisting of only unit cells with low water retention capacity, when power generation is started below freezing point, the generated water freezes and the catalyst layer is covered with ice to retain the water generated by the power generation. The supply of gas and oxidant gas is hindered, leading to a decrease in voltage. However, a unit cell composed of unit cells having a high water holding capacity has a long time until power generation cannot be performed because of a large amount of water that can be absorbed. Therefore, the unit cell and the surrounding cells can be warmed to above the freezing point before the heat generation time by power generation becomes long and the voltage decreases.

本実施形態における効果について以下述べる。   The effects in this embodiment will be described below.

保水能力の高い単位セルを積層方向に対し中央部付近に少なくとも１つ以上挿入することにより、氷点下における起動時に発電の開始を容易にし、燃料電池スタック１５の全体を暖め、保水能力の高い単位セルの発熱によって保水能力の低い単位セルを暖めることによって、保水能力の低い単位セルが氷点下であったとしても解凍し発電を維持することが可能となる。   By inserting at least one unit cell having a high water retention capacity near the center with respect to the stacking direction, it is easy to start power generation at the time of start-up below freezing, warming the entire fuel cell stack 15, and a unit cell having a high water retention capacity By heating the unit cell having a low water retention capacity by the heat generation, it is possible to thaw and maintain power generation even if the unit cell having a low water retention capacity is below freezing.

燃料電池スタック１５の発電開始後、電圧計２２と温度センサ２３から検出した値から、燃料電池スタック１５の両端に設置しているエンドプレート８より、燃料電池スタック１５の発電反応により生成した熱が放出される。したがって、燃料電池スタック１５の中央部では発電反応によって生成した熱の放熱量が比較的少ないため、エンドプレート８近辺の端セルより単位セルの温度が上昇しやすい。ゆえに、燃料電池スタック１５を構成する単位セルを暖めるため、熱量がより多く必要な燃料電池スタック１５の端部に保水能力の高い単位セルを構成することによって、氷点以上により少ない熱量であげることが可能である。   After starting the power generation of the fuel cell stack 15, the heat generated by the power generation reaction of the fuel cell stack 15 from the end plates 8 installed at both ends of the fuel cell stack 15 from the values detected by the voltmeter 22 and the temperature sensor 23. Released. Accordingly, since the heat release amount of heat generated by the power generation reaction is relatively small in the central portion of the fuel cell stack 15, the temperature of the unit cell is likely to rise from the end cells near the end plate 8. Therefore, in order to warm the unit cells constituting the fuel cell stack 15, a unit cell having a high water retention capacity is formed at the end of the fuel cell stack 15 that requires a larger amount of heat. Is possible.

保水能力の高い単位セルを燃料電池スタック１５に周期的に積層することによって、氷点下で発電をおこなったとき、保水能力の高い単位セルは保水能力の低い単位セルより長時間発電可能である。したがって、時間が経過するにつれて均等に燃料電池スタック１５を暖めることが可能であり、燃料電池スタック１５から安定した出力を維持し燃料電池スタック１５の発電を継続することが可能となる。   By periodically stacking unit cells having a high water retention capacity on the fuel cell stack 15, when power generation is performed below freezing point, a unit cell having a high water retention capacity can generate power for a longer time than a unit cell having a low water retention capacity. Therefore, the fuel cell stack 15 can be evenly warmed as time elapses, and a stable output from the fuel cell stack 15 can be maintained and power generation of the fuel cell stack 15 can be continued.

単位セルの電解質膜１の厚さを大きくすることによって、氷点下起動時に生成した水が触媒層における凍結前に電解質膜１に生成水を吸収する容量が増すため、生成水の凍結を抑制することが可能となり、発電を維持することが可能となる。   By increasing the thickness of the electrolyte membrane 1 of the unit cell, the water generated at the time of starting below sub-freezing increases the capacity of the generated water to be absorbed by the electrolyte membrane 1 before freezing in the catalyst layer. And power generation can be maintained.

電解質膜１のアイオノマー量が多いと、氷点下発電時に生成した水を吸収することが可能となるので触媒層２において水の凍結を抑制可能となり、燃料電池スタック１５の発電継続が可能となる。
（第２実施形態）
第１実施形態と異なる点について以下に述べる。第１実施形態においては、保水能力を変化させるために、電解質膜１の厚さを変化させたが、本実施形態においては、要求される保水能力に応じて触媒層２の厚さを変化させる。 If the amount of ionomer in the electrolyte membrane 1 is large, it is possible to absorb water generated during sub-freezing power generation, so that freezing of water in the catalyst layer 2 can be suppressed, and power generation in the fuel cell stack 15 can be continued.
(Second Embodiment)
Differences from the first embodiment will be described below. In the first embodiment, the thickness of the electrolyte membrane 1 is changed in order to change the water retention capacity. However, in the present embodiment, the thickness of the catalyst layer 2 is changed according to the required water retention capacity. .

電解質膜１に塗布した触媒層の厚さはカーボン層３への白金担持率を低くし、白金の量を維持しつつカーボンの量を増やすことによって、触媒層２のカーボンと白金、アイオノマーと空孔との総体積が増加するため、触媒層２の厚さが増える。ここで、空孔率を上げるとき電解質膜１に触媒層２をホットプレスするときの圧力を変化させてもよいし、カーボン繊維を添加してもよい。   The thickness of the catalyst layer applied to the electrolyte membrane 1 reduces the platinum loading on the carbon layer 3 and increases the amount of carbon while maintaining the amount of platinum, so that the carbon, platinum, ionomer, and vacancy of the catalyst layer 2 are increased. Since the total volume with the pores increases, the thickness of the catalyst layer 2 increases. Here, when increasing the porosity, the pressure when hot pressing the catalyst layer 2 on the electrolyte membrane 1 may be changed, or carbon fibers may be added.

また、計算値より発電前に空孔から水を除去した厚さ１０μｍの触媒層２では、厚さ１５μｍの触媒層の１．５倍水を吸収可能であり、さらに触媒層２の厚さを１．５倍にすることによって、発電時間も１．５倍となる。したがって、本実施形態では、保水能力の高低に変化応じて、単位セルの触媒層２の厚さを変化させる。   Further, from the calculated value, the catalyst layer 2 having a thickness of 10 μm from which water has been removed from the pores before power generation can absorb 1.5 times as much water as the catalyst layer having a thickness of 15 μm. By making it 1.5 times, the power generation time is also made 1.5 times. Therefore, in the present embodiment, the thickness of the catalyst layer 2 of the unit cell is changed according to the change in the water retention capacity.

次に、本実施形態における燃料電池システムの作用および効果について述べる。   Next, the operation and effect of the fuel cell system in the present embodiment will be described.

第１実施形態における保水能力の高い単位セルは触媒層の厚さが大きい単位セルとする。   The unit cell having a high water retention capacity in the first embodiment is a unit cell having a large catalyst layer thickness.

燃料電池スタック１５の積層方向中央部における、全セルに対して１０％のみ保水能力の高い単位セルとし他の単位セルは保水能力の低い単位セルから構成した。   Only 10% of all the cells in the central portion of the fuel cell stack 15 in the stacking direction had a high water retention capability, and the other unit cells were composed of unit cells with a low water retention capability.

したがって、A領域の中央部で発電時間が長くなるため、中央部で発電し続けて生じた熱が燃料電池スタック１５全体に伝わり発電反応の維持を可能とする。   Therefore, since the power generation time becomes longer in the central portion of the region A, the heat generated by continuously generating power in the central portion is transmitted to the entire fuel cell stack 15 and the power generation reaction can be maintained.

触媒層２を厚くすることによって氷点下で燃料電池スタック１５を発電させたとき、触媒層２の厚さが大きい単位セルにおいて生成水が保水できる空孔の相対的な体積が多くなる。したがって、発電までの時間を長く維持できるため、氷点下の燃料電池スタック１５の発電が可能となる。   When the fuel cell stack 15 is caused to generate electric power below freezing by increasing the thickness of the catalyst layer 2, the relative volume of the pores that can hold the generated water in the unit cell having a large thickness of the catalyst layer 2 increases. Therefore, since the time until power generation can be maintained long, it is possible to generate power in the fuel cell stack 15 below freezing point.

触媒層２の空孔率が大きいと、氷点下の発電において、生成した水が触媒層２にたまって凍結する際、水が保水できる空孔の体積が多くなるので、氷点下での燃料電池スタック１５の発電が可能となる。
（第３実施形態）
本実施形態では、保水能力の高い単位セルにおいて、電解質膜１、触媒層２、またはガス拡散層４に吸収剤を混入する。したがって、電解質膜１の劣化を引き起こすことなく吸水機能を高める。たとえば、吸収剤としては、シリカゲル、合成ゼオライト、アルミナゲル、ジコニアゲル、イットリアゲル、酸化スズ、酸化タングステンからなる群から選択される吸湿性無機多孔質性樹脂、あるいは、架橋ポリクリロニトリル系、デンプンーアクリル酸塩グラフト恭重合架橋物、ポバール系、ポリアクリロニトリル系、カルボキシメチルセルロース系の高分子樹脂のうち少なくとも一つを使用する。 When the porosity of the catalyst layer 2 is large, when the generated water accumulates in the catalyst layer 2 and freezes in power generation below freezing point, the volume of pores that can hold water increases, so that the fuel cell stack 15 below freezing point 15 Power generation is possible.
(Third embodiment)
In the present embodiment, an absorbent is mixed into the electrolyte membrane 1, the catalyst layer 2, or the gas diffusion layer 4 in a unit cell having a high water retention capacity. Therefore, the water absorption function is enhanced without causing deterioration of the electrolyte membrane 1. For example, the absorbent may be a hygroscopic inorganic porous resin selected from the group consisting of silica gel, synthetic zeolite, alumina gel, zirconia gel, yttria gel, tin oxide and tungsten oxide, or a crosslinked polyacrylonitrile-based, starch- At least one of a polymer resin of an acrylate graft copolymerization cross-linked product, a poval type, a polyacrylonitrile type, or a carboxymethyl cellulose type is used.

また、吸収剤は電解質膜１の重量に対し０．０１〜３０％であることが好ましい。０．０１％より小さいと吸収剤を添加する効果が期待できず、３０％を超えると、電解質膜１の導電率の低下が顕著となる。   Further, the absorbent is preferably 0.01 to 30% with respect to the weight of the electrolyte membrane 1. If it is less than 0.01%, the effect of adding an absorbent cannot be expected, and if it exceeds 30%, the decrease in the conductivity of the electrolyte membrane 1 becomes significant.

本実施形態における効果を以下に述べる。   The effect in this embodiment is described below.

吸収剤を触媒層２に混入することにより、氷点下の発電時において生成した水を吸収する能力が上がるので触媒層に水がたまり凍結することを抑制できる。そして、氷点下での燃料電池スタック１５の発電が可能となる。   By mixing the absorbent into the catalyst layer 2, the ability to absorb water generated at the time of power generation below the freezing point is increased, so that accumulation of water in the catalyst layer and freezing can be suppressed. Then, the fuel cell stack 15 can generate electric power below freezing point.

本実施形態では、保水能力の高い単位セルと保水能力の低い単位セルを交互に組み合わせて積層する。ただし、A領域、B領域、C領域における保水能力の高い単位セルの保水力を順に上げていく。たとえば、A領域については、電解質膜１の厚さ５０μｍ、触媒層２の厚さ１０μｍ、触媒層２の空孔率５０％と構成して単位電極面積あたり約１．５ｍｇ／ｃｍ2、B領域については、電解質膜１の厚さ５０μｍ、触媒層２の厚さ１５μｍ、触媒層２の空孔率５０％と構成して単位電極面積あたり約１．７５ｍｇ／ｃｍ2、Ｃ領域については、電解質膜１の厚さ５０μｍ、触媒層２の厚さ１５μｍ、触媒層２の空孔率７５％と構成して単位電極面積あたり約２．０ｍｇ／ｃｍ2である。ここで、電解質膜１の厚さのみ変化させてもよいし、触媒層２の厚さを変化させてもよい。 In the present embodiment, unit cells having a high water holding capacity and unit cells having a low water holding capacity are alternately combined and stacked. However, the water retention capacity of the unit cells having high water retention capacity in the A area, the B area, and the C area is increased in order. For example, in the A region, the electrolyte membrane 1 has a thickness of 50 μm, the catalyst layer 2 has a thickness of 10 μm, and the catalyst layer 2 has a porosity of 50%, so that about 1.5 mg / cm 2 per unit electrode area, The electrolyte membrane 1 has a thickness of 50 μm, the catalyst layer 2 has a thickness of 15 μm, and the catalyst layer 2 has a porosity of 50%, and is about 1.75 mg / cm 2 per unit electrode area. The thickness of the membrane 1 is 50 μm, the thickness of the catalyst layer 2 is 15 μm, and the porosity of the catalyst layer 2 is 75%, which is about 2.0 mg / cm 2 per unit electrode area. Here, only the thickness of the electrolyte membrane 1 may be changed, or the thickness of the catalyst layer 2 may be changed.

本実施形態の効果について以下に述べる。   The effect of this embodiment will be described below.

燃料電池スタック１５の発電を行うとすべての単位セルが同様の発電を行ったとき、エンドプレート８からの放熱の影響によってスタック積層方向の温度分布として、燃料電池スタック１５の中央部の温度が端部の温度よりも高くなる。したがって、エンドプレートに近いほど温度が氷点以上に上昇する時間が長くなるので、保水能力の高い単位セルをより多くの発熱量を必要とする燃料電池スタック１５の端部に設置することによって、氷点下での燃料電池スタック１５の発電が可能となる。   When the power generation of the fuel cell stack 15 is performed, when all unit cells generate the same power generation, the temperature distribution in the stack stacking direction is caused by the influence of heat radiation from the end plate 8, and the temperature at the center of the fuel cell stack 15 is the end. It becomes higher than the temperature of the part. Therefore, the closer to the end plate, the longer the temperature rises above the freezing point. Therefore, by installing a unit cell having a high water holding capacity at the end of the fuel cell stack 15 that requires a larger amount of heat generation, Thus, the fuel cell stack 15 can generate electricity.

本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した発明の技術的思想の範囲内で当業者がなしうるさまざまな改良、変更が含まれることは明白である。
It is obvious that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and includes various improvements and modifications that can be made by those skilled in the art within the scope of the technical idea of the invention described in the claims. .

燃料電池スタックの構成を示した図である。It is the figure which showed the structure of the fuel cell stack. 燃料電池スタック内の領域を示した図である。It is the figure which showed the area | region in a fuel cell stack. 燃料電池システムの構成を示した図である。It is the figure which showed the structure of the fuel cell system. 保水能力の低い単位セルにおける電流、電圧、スタック温度と時間との関係を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the relationship between the electric current in a unit cell with low water retention capability, a voltage, stack temperature, and time. 保水能力の高い単位セルと保水能力の低い単位セルのそれぞれにおける電流、電圧、スタック温度と時間との関係を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the relationship between the current, voltage, stack temperature, and time in each of the unit cell having a high water holding capacity and the unit cell having a low water holding capacity.

符号の説明Explanation of symbols

１ 電解質膜
２ 反応触媒層
３ カーボン層
４ ガス拡散層
７ 断熱材
８ エンドプレート
１２ Ａ領域
１３ Ｂ領域
１４ Ｃ領域
１５ 燃料電池スタック

DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Electrolyte membrane 2 Reaction catalyst layer 3 Carbon layer 4 Gas diffusion layer 7 Heat insulating material 8 End plate 12 A area 13 B area 14 C area 15 Fuel cell stack

Claims (9)

電解質膜と、
前記電解質膜を触媒層、カーボン層およびガス拡散層により挟持した単位セルを積層してなる燃料電池スタックを備える燃料電池システムにおいて、
保水能力の高い第１のセルと、
保水能力の低い第２のセルと、
を備え、
前記第１のセルと第２のセルを組み合わせて積層して燃料電池スタックを構成し、前記スタックの積層方向中央部付近に前記第１のセルを少なくとも１つ以上配置したことを特徴とする燃料電池システム。 An electrolyte membrane;
In a fuel cell system comprising a fuel cell stack formed by laminating unit cells in which the electrolyte membrane is sandwiched between a catalyst layer, a carbon layer, and a gas diffusion layer,
A first cell with high water retention capacity;
A second cell with low water retention capacity;
With
A fuel cell stack is configured by combining and stacking the first cell and the second cell, and at least one or more of the first cells are arranged near the center of the stack in the stacking direction. Battery system. 前記スタック積層方向中央部付近から端部に向かい前記第１のセルの割合を増やしたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。   2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the ratio of the first cells is increased from the vicinity of the center in the stacking direction toward the end. 前記第２のセルと、前記第１のセルを周期的に積層し構成した請求項１に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 1, wherein the second cell and the first cell are periodically stacked. 前記第２のセルに対し前記第１のセルを前記スタックの積層方向中央部付近から端部へ向かって段階的に多くしたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。   2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the number of the first cells is increased stepwise from the vicinity of the central portion of the stack in the stacking direction toward the end portion with respect to the second cells. 前記第１のセルの保水能力を高くするため前記第２のセルよりも前記電解質膜の厚さを大きくすることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to any one of claims 1 to 4, wherein the thickness of the electrolyte membrane is made larger than that of the second cell in order to increase the water retention capacity of the first cell. 前記第１のセルの保水能力を高くするため前記第２のセルよりも触媒層の厚さを大きくすることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to any one of claims 1 to 4, wherein the thickness of the catalyst layer is made larger than that of the second cell in order to increase the water retention capacity of the first cell. 前記第１のセルの保水能力を高くするため前記第２のセルよりも触媒層の空孔率を大きくすることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to any one of claims 1 to 4, wherein the porosity of the catalyst layer is made larger than that of the second cell in order to increase the water retention capacity of the first cell. 前記第１のセルの保水能力を高くするため電解質膜、触媒層、またはガス拡散層に水の吸収剤を混入することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の燃料電池システム。   The fuel cell according to any one of claims 1 to 4, wherein a water absorbent is mixed into the electrolyte membrane, the catalyst layer, or the gas diffusion layer in order to increase the water retention capacity of the first cell. system. 前記第１のセルの保水能力を高くするため前記第２のセルよりもアイオノマーの量を多くすることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to any one of claims 1 to 4, wherein the amount of ionomer is made larger than that of the second cell in order to increase the water retention capacity of the first cell.
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