JP4784075B2 - Fuel cell - Google Patents
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Description
本発明は燃料電池に関する。特に、電解質膜を備えた燃料電池において、湿潤状態を適切に維持するための保水機構を有する燃料電池に関する。 The present invention relates to a fuel cell. In particular, the present invention relates to a fuel cell having a water retention mechanism for appropriately maintaining a wet state in a fuel cell including an electrolyte membrane.
従来の燃料電池として、固体高分子膜と、前記固体高分子膜を挟んで設けられた一対の電極触媒層と、電極触媒層の上に設けられた一対のガス拡散層とから構成された固体高分子型燃料電池用の電極構造体を有するものが知られている。電極触媒層は、水の排出性を高めるための造孔材を含んで構成され、かつ、電極触媒層とガス拡散層との間に、水の保持性を高める保水層を備えている。これにより、燃料電池にフラッディングが生じることによりガス拡散が阻害されるのを抑制し、燃料不足に起因するカーボン腐食を抑制している（例えば、特許文献１、参照。）。
しかしながら、保水層の容量が大き過ぎると、反応ガスの拡散が阻害されるという問題があった。一方、保水層の容量が十分でないと、発電に伴って生成された水が保水層に留まらずガス拡散層まで達してしまうという問題があった。燃料電池内の飽和水蒸気圧が低い起動時には、ガス拡散層に達した水は燃料電池外部に排出されにくいため、ガス拡散が阻害される可能性がある。特に、雰囲気温度が氷点下の場合には、ガス拡散層内で水が凍結して、ガス拡散阻害に加えて燃料電池内部の細部構造の破壊が生じる可能性があるといった問題があった。 However, when the capacity of the water retention layer is too large, there is a problem that the diffusion of the reaction gas is hindered. On the other hand, when the capacity of the water retention layer is not sufficient, there is a problem that water generated with power generation does not stay in the water retention layer but reaches the gas diffusion layer. At the start-up time when the saturated water vapor pressure in the fuel cell is low, the water that has reached the gas diffusion layer is difficult to be discharged outside the fuel cell, which may impede gas diffusion. In particular, when the ambient temperature is below the freezing point, there is a problem that water freezes in the gas diffusion layer, and in addition to inhibiting gas diffusion, the detailed structure inside the fuel cell may be destroyed.
そこで、本発明は、上記問題を鑑みて、起動時の保水層の水保持性を向上した燃料電池を提供することを目的とする。 In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a fuel cell in which the water retention property of the water retention layer at the time of startup is improved.
本発明は、湿潤状態で適切なプロトン伝導性を示す電解質膜を備える燃料電池において、発電開始から、少なくとも単位時間あたりに導入される水量と生成される水量の和で示される増加量から、排出される水量で示される減少量を差し引くことにより規定される残留水量がゼロ以下となるまでの間、電池電圧が０Ｖより高い値に設定された下限電圧を下回らないように水を保持できる容量の保水層を備える。 The present invention relates to a fuel cell including an electrolyte membrane that exhibits appropriate proton conductivity in a wet state, and discharges from an increase indicated by the sum of the amount of water introduced per unit time and the amount of water generated at least from the start of power generation. Capacity to hold water so that the battery voltage does not fall below the lower limit voltage set to a value higher than 0V until the amount of residual water specified by subtracting the amount of decrease indicated by the amount of water to be reduced to zero or less . A water retention layer is provided.
このような保水機構を燃料電池に備えることで、発電開始直後のように、定常時に比較して排水性が十分ではない状態において、単位時間あたりの残留水量がゼロ以下となるまでの間、電池電圧が下限圧を下回らないように保水機構中に水が保持されるので、燃料電池のガス拡散性を維持することができる。 By providing such a water retention mechanism in the fuel cell, until the amount of residual water per unit time becomes zero or less in a state where drainage is not sufficient compared to the normal state, just after the start of power generation, the battery Since water is retained in the water retention mechanism so that the voltage does not fall below the lower limit pressure, the gas diffusibility of the fuel cell can be maintained.
以下、図面を用いて本願発明の実施形態を説明する。先ず、第１の実施形態に用いる燃料電池１の構成を、図１を用いて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. First, the configuration of the fuel cell 1 used in the first embodiment will be described with reference to FIG.
燃料電池１は、プロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜（以下、電解質膜）１０を備える。電解質膜１０として、湿潤状態で高いプロトン伝導性を示すパーフルオロスルホン酸膜を使用する。 The fuel cell 1 includes a solid polymer electrolyte membrane (hereinafter, electrolyte membrane) 10 having proton conductivity. As the electrolyte membrane 10, a perfluorosulfonic acid membrane showing high proton conductivity in a wet state is used.
また、燃料電池１の内部に水を保持する残留水保持機構を備える。ここでは、残留水保持機構として、電解質膜１０の両面に保水層１１を備える。 Further, a residual water holding mechanism for holding water inside the fuel cell 1 is provided. Here, the water retention layer 11 is provided on both surfaces of the electrolyte membrane 10 as a residual water retention mechanism.
電解質膜１０との接続性を考慮して、保水層１１をパーフルオロスルホン酸ポリマーを用いて構成する。また、保水層１１の外側には、白金等の触媒を含有する電極触媒層１２を備え、さらにその外側には、電極触媒層１２の外側にガスを拡散する多孔構造を有するガス拡散層１３を備える。 In consideration of the connectivity with the electrolyte membrane 10, the water retention layer 11 is composed of a perfluorosulfonic acid polymer. An electrode catalyst layer 12 containing a catalyst such as platinum is provided outside the water retention layer 11, and a gas diffusion layer 13 having a porous structure for diffusing gas to the outside of the electrode catalyst layer 12 is further provided outside the water retention layer 11. Prepare.
また、ガス拡散層１３の外側には、ガス拡散層１３に対峙する表面にアノードガス流路１６を有するアノードセパレータ１４と、カソードガス流路１７を有するカソードセパレータ１５と、を備える。ここでは、各ガス流路１６、１７を、ガス供給口からガス排出口にかけて流路がほぼ直線状となる、一般にストレート流路と呼ばれる形状に構成する。ガス流路１６、１７をストレート流路とすると、ガスの流れによって、水の一部が液相のまま燃料電池１の外部に排出される。セパレータ１４、１５のガス拡散層１３に対峙する表面に撥水処理を施し、ガス流路１６、１７の撥水性を向上させることにより液水の滞留を抑制する。なお、ここでは、アノードガスとして水素を、カソードガスとして酸素を含有する空気を用いる。 Further, outside the gas diffusion layer 13, an anode separator 14 having an anode gas flow channel 16 on a surface facing the gas diffusion layer 13 and a cathode separator 15 having a cathode gas flow channel 17 are provided. Here, each gas flow path 16 and 17 is configured in a shape generally called a straight flow path in which the flow path is substantially linear from the gas supply port to the gas discharge port. When the gas flow paths 16 and 17 are straight flow paths, a part of water is discharged outside the fuel cell 1 in a liquid phase by the gas flow. The surface of the separators 14 and 15 facing the gas diffusion layer 13 is subjected to water repellency treatment to improve the water repellency of the gas flow paths 16 and 17, thereby suppressing liquid water retention. Here, air containing hydrogen as the anode gas and air containing oxygen as the cathode gas is used.
次に、燃料電池１を構成する構成部材の容量の設定方法について説明する。なお、保水層１１の容量（体積）と保水可能な水量（保水能力）とは略比例する。 Next, a method for setting the capacity of the constituent members constituting the fuel cell 1 will be described. The capacity (volume) of the water retention layer 11 and the amount of water that can be retained (water retention capacity) are substantially proportional.
保水層１１の容量が大きいと、燃料電池１の運転時に、保持された水によりガスの拡散が阻害される可能性がある。一方、保水層１１の容量が小さいと、反応ガスの飽和水蒸気圧が低く、排水性の悪い起動時などに、生成水の一部が保水層１１から溢れ出てガス拡散層１３にまで達し、ガスの拡散を阻害する可能性がある。特に、氷点下からの起動時には、ガス拡散層１３に溢れ出た水が凍結して破損に繋がる可能性もある。そのため、保水層１１は、運転時のガス拡散性を維持できる程度に小さく、かつ、起動時にガス拡散層１３へ水が溢れない程度に大きく構成されることが望まれる。 If the capacity of the water retention layer 11 is large, gas diffusion may be hindered by the retained water during operation of the fuel cell 1. On the other hand, when the capacity of the water retention layer 11 is small, the saturated water vapor pressure of the reaction gas is low, and at the time of startup with poor drainage, a part of the generated water overflows from the water retention layer 11 and reaches the gas diffusion layer 13, May interfere with gas diffusion. In particular, at the time of startup from below freezing point, the water overflowing the gas diffusion layer 13 may freeze and lead to breakage. Therefore, it is desirable that the water retention layer 11 is small enough to maintain gas diffusibility during operation and large enough that water does not overflow into the gas diffusion layer 13 during startup.
そこで、排水性の悪い起動時に、ガス拡散性が低下することにより電圧低下が引き起こされ、燃料電池１が劣化するのを防ぐことができるように、保水層１１の容量を設定する。なお、ここでは、通常運転時のガス拡散性については記載しないが、起動時のガス拡散性を維持できる範囲で、出来るだけ小さく保水層１１の容量を設定することで、運転時のガス拡散性も維持することができる。 Therefore, the capacity of the water retention layer 11 is set so that it is possible to prevent the fuel cell 1 from deteriorating due to a decrease in voltage due to a decrease in gas diffusibility during startup with poor drainage. Here, the gas diffusivity during normal operation is not described here, but the gas diffusibility during operation is set by setting the capacity of the water retention layer 11 as small as possible within a range in which the gas diffusibility during start-up can be maintained. Can also be maintained.
起動時の保水能力を維持するために、保水層１１の容量を、少なくとも単位時間あたりの燃料電池１内への残留水量ΔＱがゼロ以下となるまでの間、ガス拡散性を維持できるように設定する。 In order to maintain the water retention capacity at the time of start-up, the capacity of the water retention layer 11 is set so that the gas diffusibility can be maintained at least until the residual water amount ΔQ in the fuel cell 1 per unit time becomes zero or less. To do.
なお、上記「単位時間あたりの燃料電池１内への残留水量ΔＱがゼロ以下となるまでの間」は、単位時間あたりに燃料電池１に導入される水量と燃料電池１内で生成された水量との和で示される増加量Ｑ+から、外部に排出される水量で示される減少量Ｑ-を差し引いた残留水量ΔＱ（＝Ｑ+―Ｑ-）がゼロ以下となるまでの間とする。ここでは、ガス流路１６、１７をストレート形状としているため、減少量Ｑ-を、単位時間あたりに燃料電池から排出される反応ガスに含まれる水蒸気量と、燃料電池１の外部に排出される液相の水量との和で示す。 Note that the “until the amount of residual water ΔQ in the fuel cell 1 per unit time becomes zero or less” is the amount of water introduced into the fuel cell 1 per unit time and the amount of water generated in the fuel cell 1. The residual amount of water ΔQ (= Q + −Q − ) obtained by subtracting the amount of decrease Q − indicated by the amount of water discharged to the outside from the amount of increase Q + indicated by Here, since the gas flow paths 16 and 17 have a straight shape, the reduction amount Q − is discharged to the outside of the fuel cell 1 and the amount of water vapor contained in the reaction gas discharged from the fuel cell per unit time. It is shown as the sum of the amount of liquid water.
また、上記「ガス拡散性を維持できる」とは、燃料電池１が予め設定した下限電圧を下回るのを回避できる範囲でガス拡散性が維持されることを示す。ここでは、転極を防ぐために下限電圧として０Ｖより高い値を設定し、これを下回るのを回避できるような保水層１１の水回収性を得られるように、保水層１１の容量を設定する。 In addition, the above “maintain gas diffusibility” indicates that the gas diffusibility is maintained within a range in which the fuel cell 1 can avoid falling below a preset lower limit voltage. Here, a value higher than 0V is set as the lower limit voltage in order to prevent inversion, and the capacity of the water retention layer 11 is set so as to obtain water recoverability of the water retention layer 11 that can avoid lowering the voltage.
このような保水層１１の容量を設定する際には、例えば、単位時間当たりの燃料電池１内の水量変化を示す残留水量ΔＱがゼロまたはゼロ以下となる燃料電池１の内部温度Ｔ0に達するまでの時間、燃料電池１に滞留する水を含有できるように保水層１１の容量を設定する。なお、発電開始時の燃料電池１の内部温度Ｔによって、所定の内部温度Ｔ0に達するまでに導入される水量、生成される水量が異なるが、発電開始時の温度を発電開始可能な下限温度とした水量に応じて保水層１１の容量を設定することで、ガス拡散性をより確実に維持することができる。 When the capacity of the water retention layer 11 is set, for example, the internal temperature T 0 of the fuel cell 1 at which the residual water amount ΔQ indicating the change in the water amount in the fuel cell 1 per unit time becomes zero or less than zero is reached. The capacity of the water retention layer 11 is set so that the water staying in the fuel cell 1 can be contained for the time until. It should be noted that the amount of water introduced and the amount of water generated before reaching the predetermined internal temperature T 0 differs depending on the internal temperature T of the fuel cell 1 at the start of power generation, but the temperature at the start of power generation is the lower limit temperature at which power generation can be started. By setting the capacity of the water retention layer 11 according to the amount of water, the gas diffusibility can be more reliably maintained.
ここでは、特に、燃料電池１のガス流路１６、１７をストレート形状としているため、液相の水が排出されるか否かにより排水性が大きく異なってくる。そこで、内部温度が氷点下で発電を開始する燃料電池１に対して、所定の内部温度Ｔ0を０℃に設定する。燃料電池１の内部温度Ｔが０℃より低い場合には、燃料電池１内で水の再凍結が生じて液相の水は排出されにくい。これに対して、燃料電池１の内部温度Ｔが０℃以上となると再凍結を避けることができるので、燃料電池１から液相の水が排出されて、燃料電池の排水性が飛躍的に向上する。 Here, in particular, since the gas flow paths 16 and 17 of the fuel cell 1 have a straight shape, the drainage greatly varies depending on whether or not liquid phase water is discharged. Therefore, a predetermined internal temperature T 0 is set to 0 ° C. for the fuel cell 1 that starts power generation when the internal temperature is below freezing. When the internal temperature T of the fuel cell 1 is lower than 0 ° C., refreezing of water occurs in the fuel cell 1 and liquid phase water is not easily discharged. On the other hand, when the internal temperature T of the fuel cell 1 becomes 0 ° C. or higher, refreezing can be avoided, so that liquid phase water is discharged from the fuel cell 1 and the drainage performance of the fuel cell is greatly improved. To do.
なお、燃料電池１内の再凍結を避けるため、ここでは０℃より低い温度での起動運転時には、燃料電池１への水の導入を避ける。そのため、増加量Ｑ+は、単位時間あたりに燃料電池１で生成される水量となる。 In order to avoid re-freezing in the fuel cell 1, introduction of water into the fuel cell 1 is avoided at the start-up operation at a temperature lower than 0 ° C. here. Therefore, the increase amount Q + is the amount of water produced by the fuel cell 1 per unit time.
次に、ストレート形状のガス流路１６、１７を有し、かつ、０℃より低い温度で発電を開始する燃料電池１の保水層１１の容量を、図２を用いて設定する。図２には、発電開始からの時間と、燃料電池１内に滞留する水量、つまり保水層１１に要求される容量との関係を実線で示し、燃料電池１を０℃まで暖機するのに必要な時間を点線で示す。 Next, the capacity of the water retention layer 11 of the fuel cell 1 that has straight gas flow paths 16 and 17 and starts power generation at a temperature lower than 0 ° C. is set using FIG. In FIG. 2, the relationship between the time from the start of power generation and the amount of water remaining in the fuel cell 1, that is, the capacity required for the water retention layer 11, is indicated by a solid line, and the fuel cell 1 is warmed up to 0 ° C. The required time is indicated by a dotted line.
燃料電池１の内部温度が０℃となる時間は、電解質膜１０、電極触媒層１２、ガス拡散層１３、セパレータ１４、１５の熱容量により異なる。図２に示すように、各構成部材の組み合わせにより異なる構成Ａ、Ｂ、Ｃに対して、発電開始から所定温度Ｔ0、ここでは０℃に達するまでの時間ｔA、ｔB、ｔCが異なる。構成Ａは熱容量が最も大きく、構成Ｃは熱容量が最も小さくなるように構成されている。ここでは、燃料電池１を構成Ｃとし、図２の実線と点線が交差するときの保水層１１の容量Ｖｃを選択する。これにより、燃料電池１の内部温度が０℃に達するまでの時間に生成される水を保持できるように保水層１１の容量が設定される。 The time during which the internal temperature of the fuel cell 1 is 0 ° C. varies depending on the heat capacities of the electrolyte membrane 10, the electrode catalyst layer 12, the gas diffusion layer 13, and the separators 14 and 15. As shown in FIG. 2, the time t A , t B , t C from the start of power generation until reaching a predetermined temperature T 0 , here 0 ° C. Different. Configuration A is configured to have the largest heat capacity, and Configuration C is configured to have the smallest heat capacity. Here, the fuel cell 1 is configured as C, and the capacity Vc of the water retention layer 11 when the solid line and the dotted line in FIG. 2 intersect is selected. Thereby, the capacity | capacitance of the water retention layer 11 is set so that the water produced | generated in the time until the internal temperature of the fuel cell 1 reaches 0 degreeC can be hold | maintained.
つまり、燃料電池１が所定温度Ｔ0に達するまでに、保水層１１に保持される水量が限界となるのを避けるように保水層１１の容量が設定される。言い換えれば、燃料電池１を構成する構成部材である電解質膜１０、電極触媒層１２、ガス拡散層１３、セパレータ１４、１５を、所定温度Ｔ0まで上昇させるのに必要な熱量が、保水層１１に保持される水量が限界に達するまでに燃料電池１で発生される熱量より小さくなるように、電解質膜１０、電極触媒層１２、ガス拡散層１３、セパレータ１４、１５の熱容量が設定される。 That is, the capacity of the water retention layer 11 is set so as to avoid the limit of the amount of water retained in the water retention layer 11 until the fuel cell 1 reaches the predetermined temperature T 0 . In other words, the amount of heat necessary to raise the electrolyte membrane 10, the electrode catalyst layer 12, the gas diffusion layer 13, and the separators 14 and 15 that are constituent members of the fuel cell 1 to the predetermined temperature T 0 is the water retention layer 11. The heat capacities of the electrolyte membrane 10, the electrode catalyst layer 12, the gas diffusion layer 13, and the separators 14 and 15 are set so that the amount of water retained in the fuel cell 1 becomes smaller than the amount of heat generated in the fuel cell 1 before reaching the limit.
次に、このように保水層１１の容量、および電解質膜１０、電極触媒層１２、ガス拡散層１３、セパレータ１４、１５の熱容量を設定した燃料電池１を、−２０℃で発電開始した場合の電圧値を図３に示す。 Next, in the case where the fuel cell 1 in which the capacity of the water retention layer 11 and the heat capacity of the electrolyte membrane 10, the electrode catalyst layer 12, the gas diffusion layer 13, and the separators 14 and 15 are set in this way is generated at -20 ° C. The voltage value is shown in FIG.
保水層１１を有さず、他の構成を本実施形態と同様とした燃料電池においては、−20℃から発電を開始した場合、発電開始後セル電圧が０Ｖまで低下して発電を継続することができない場合がある。これに比較して、本実施形態では、図３に示すように発電開始後暫くすると電圧が安定し、その後定常の発電を行うことができる。 In a fuel cell that does not have the water retention layer 11 and has the other configuration similar to that of the present embodiment, when power generation is started from −20 ° C., the cell voltage decreases to 0 V after power generation starts and power generation continues. May not be possible. Compared to this, in this embodiment, as shown in FIG. 3, the voltage stabilizes after a while after the start of power generation, and then steady power generation can be performed.
なお、所定温度Ｔ0を０℃としたがこの限りではない。例えば、０℃より低い温度から発電を開始する燃料電池１において、単位時間あたりの残留水量ΔＱがゼロとなる所定の内部温度Ｔ0が０℃以上である場合にも同様に設定することができる。この場合には、保水層１１の容量は、発電開始から所定温度Ｔ0に達するまでに燃料電池１に導入される水量と生成される水量の和から、０℃から所定温度Ｔ0に達するまでに燃料電池１から排出される水量を差し引いた水量を保持するのに必要な容量とする。 Although the predetermined temperature T 0 is 0 ° C., it is not limited to this. For example, in the fuel cell 1 that starts power generation from a temperature lower than 0 ° C., the same setting can be made when the predetermined internal temperature T 0 at which the residual water amount ΔQ per unit time becomes zero is 0 ° C. or higher. . In this case, the capacity of the water retaining layer 11, from the start of power generation reaches a predetermined temperature T 0 from the sum of the amount of water produced and the amount of water is introduced into the fuel cell 1, to a 0 ℃ reaches a predetermined temperature T 0 The capacity required to hold the amount of water obtained by subtracting the amount of water discharged from the fuel cell 1.
また、発電開始時の燃料電池１の内部温度を０℃以上とした場合には、発電開始から所定温度Ｔ0に達するまでに燃料電池１内に導入された水量と生成された水量の和から、発電開始から所定温度Ｔ0に達するまでに排出された水量を差し引いた量を保持できるように、保水層１１の容量を設定すればよい。 Further, when the internal temperature of the fuel cell 1 at the start of power generation is set to 0 ° C. or more, the sum of the amount of water introduced into the fuel cell 1 and the amount of generated water from the start of power generation until the predetermined temperature T 0 is reached. The capacity of the water retention layer 11 may be set so that the amount obtained by subtracting the amount of water discharged from the start of power generation until reaching the predetermined temperature T 0 can be maintained.
さらに、ガス流路１６、１７はストレート形状に限定するわけではなく、燃料電池１内部で液相の水が移動しやすい反応ガス流速が得られる構造であればよい。 Furthermore, the gas flow paths 16 and 17 are not limited to a straight shape, and any structure may be used as long as a reaction gas flow rate that allows liquid water to easily move inside the fuel cell 1 is obtained.
次に、本実施形態の効果について説明する。 Next, the effect of this embodiment will be described.
適切な湿潤状態でプロトン伝導性を示す電解質膜１０を備える燃料電池１において、発電開始から、少なくとも単位時間あたりに導入される水量と生成される水量の和で示される増加量Ｑ+から、外部に排出される水量で示される減少量Ｑ-を差し引くことにより規定される残留水量ΔＱがゼロ以下となるまでの間、電池電圧が下限電圧を下回らないように水を保持できる保水層１１を備える。これにより、発電開始直後の排水性が悪化した状態で燃料電池１内に滞留する水が回収される保水層１１を有し、ガス拡散層１３に水が溢れてガス拡散阻害が生じるのを抑制できる燃料電池１を提供することができる。 In the fuel cell 1 including the electrolyte membrane 10 exhibiting proton conductivity in an appropriate wet state, from the start of power generation, at least from the increase Q + indicated by the sum of the amount of water introduced per unit time and the amount of water generated, the external A water retention layer 11 is provided that can retain water so that the battery voltage does not fall below the lower limit voltage until the residual water amount ΔQ defined by subtracting the decrease amount Q − indicated by the amount of water discharged in the battery is zero or less. . Thereby, it has the water retention layer 11 in which the water staying in the fuel cell 1 is recovered in a state where the drainage performance immediately after the start of power generation is deteriorated, and the gas diffusion layer 13 is prevented from overflowing with water and inhibiting gas diffusion. The fuel cell 1 which can be provided can be provided.
減少量Ｑ-を、単位時間あたりに燃料電池１から排出される反応ガスの飽和水蒸気量と、単位時間あたりに外部に排出される液相の水量の和とする。このように水蒸気だけでなく、液相の水量を考慮することで、ストレート形状などの液相の排水が見込まれる流路１６、１７を有する燃料電池１に対して、適切に保水層１１の容量の設定を行うことができる。 The decrease amount Q − is the sum of the saturated water vapor amount of the reaction gas discharged from the fuel cell 1 per unit time and the liquid phase water amount discharged outside per unit time. Thus, by considering not only water vapor but also the amount of liquid phase water, the capacity of the water retention layer 11 can be appropriately adjusted for the fuel cell 1 having the flow paths 16 and 17 in which liquid phase drainage such as a straight shape is expected. Can be set.
保水層１１は、発電開始から、増加量Ｑ+と減少量Ｑ-が等しくなる燃料電池１の内部温度Ｔ0に達するまでの間に、電池内部に滞留する水を保持できる容量を有する。これにより、燃料電池１のガス拡散性を維持できるので、発電開始時の燃料電池１の電圧低下を抑制することができる。 The water retention layer 11 has a capacity capable of retaining water remaining in the battery from the start of power generation until the internal temperature T 0 of the fuel cell 1 where the increase amount Q + and the decrease amount Q − are equal. Thereby, since the gas diffusibility of the fuel cell 1 can be maintained, the voltage drop of the fuel cell 1 at the start of power generation can be suppressed.
複数の構成部材（１０、１２〜１５）を積層して構成される燃料電池１であって、増加量Ｑ+と減少量Ｑ-が等しくなる燃料電池１の内部温度Ｔ0に達するのに要する熱量が、保水層１１の保水量が限界に達するまでに発生する熱量より小さくなるように、構成部材（１０、１２〜１５）の熱容量を設定する。ここでは、構成部材を、電解質膜１０、電極触媒層１２、ガス拡散層１３、セパレータ１４とする。これにより、保水層１１の保水能力が限界となった時点で、既に燃料電池１の内部温度は、単位時間あたりに導入される水量と生成される水量の和と、外部に排出される水蒸気量と液相の水の量の和と、が等しくなる温度に達しているので、十分な排水性を得ることができ、ガス拡散性を維持することができる。 A fuel cell 1 configured by stacking a plurality of constituent members (10, 12 to 15), which is required to reach the internal temperature T 0 of the fuel cell 1 where the increase amount Q + and the decrease amount Q − are equal. The heat capacity of the constituent members (10, 12 to 15) is set so that the amount of heat is smaller than the amount of heat generated until the amount of water retained in the water retaining layer 11 reaches the limit. Here, the constituent members are an electrolyte membrane 10, an electrode catalyst layer 12, a gas diffusion layer 13, and a separator 14. As a result, when the water retention capacity of the water retention layer 11 reaches the limit, the internal temperature of the fuel cell 1 is already the sum of the amount of water introduced per unit time and the amount of water generated, and the amount of water vapor discharged to the outside. And the sum of the amounts of water in the liquid phase have reached the same temperature, sufficient drainage can be obtained and gas diffusibility can be maintained.
内部温度が０℃より低い状態から発電を開始する燃料電池１であって、保水層１１は、少なくとも発電開始から０℃以上となるまでの間に導入される水量と生成される水量の合計を保持できる容量を有する。これにより、内部温度Ｔが０℃より低い燃料電池１における水の再凍結による反応ガスの拡散阻害を起こすことなく、発電を継続することができる。 The fuel cell 1 starts power generation from a state where the internal temperature is lower than 0 ° C., and the water retention layer 11 calculates the total amount of water introduced and generated water at least from the start of power generation to 0 ° C. or more. It has a capacity that can be retained. Thus, power generation can be continued without causing reaction gas diffusion inhibition due to refreezing of water in the fuel cell 1 having an internal temperature T lower than 0 ° C.
次に、第２の実施形態について説明する。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。 Next, a second embodiment will be described. Hereinafter, a description will be given centering on differences from the first embodiment.
ここでは、アノードガス流路１６、カソードガス流路１７を、ガス供給口からガス排出口にかけて屈曲部分を有する、一般的にサーペンタイン流路と呼ばれる形状とする。サーペンタイン形状においては、水は主に水蒸気としてガスの流れによって燃料電池１外部に排出される。そこで、本実施形態では、燃料電池１内の水の減少量Ｑ-を、単位時間あたりに燃料電池１から排出される反応ガスの飽和水蒸気量により示す。なお、ガス流路１６、１７の形状はサーペンタイン形状に限定するのではなく、燃料電池１から水蒸気として排水されるものであればよい。 Here, the anode gas channel 16 and the cathode gas channel 17 have a shape generally called a serpentine channel having a bent portion from the gas supply port to the gas discharge port. In the serpentine shape, water is mainly discharged as water vapor to the outside of the fuel cell 1 by the gas flow. Therefore, in the present embodiment, the decrease amount Q − of the water in the fuel cell 1 is indicated by the saturated water vapor amount of the reaction gas discharged from the fuel cell 1 per unit time. In addition, the shape of the gas flow paths 16 and 17 is not limited to the serpentine shape, and any shape may be used as long as it is drained from the fuel cell 1 as water vapor.
次に、保水層１１の容量と、電解質膜１０、電極触媒層１２、ガス拡散層１３、セパレータ１４、１５の熱容量を決める上でのベースとなるデータを図４に示す。 Next, FIG. 4 shows data serving as a base for determining the capacity of the water retention layer 11 and the heat capacities of the electrolyte membrane 10, the electrode catalyst layer 12, the gas diffusion layer 13, and the separators 14 and 15.
図４には、発電開始からの時間と、保水層１１に要求される容量との関係を実線で示す。また、各種構成Ｄ〜Ｆに対して、燃料電池１内の残留水量ΔＱがゼロとなる時間を点線で示す。なお、上記「燃料電池１内の残留水量ΔＱがゼロとなる時間」を、一定の取り出し電流において発電開始から単位時間あたりに燃料電池１に流入する水量と生成される水量の合計に等しい水量に等しい水蒸気量が、排出される反応ガスに含まれることが可能な温度まで燃料電池１の温度が達するのに必要な時間とする。 In FIG. 4, the relationship between the time from the start of power generation and the capacity required for the water retention layer 11 is shown by a solid line. Further, for various configurations D to F, a time when the residual water amount ΔQ in the fuel cell 1 becomes zero is indicated by a dotted line. Note that the “time when the residual water amount ΔQ in the fuel cell 1 becomes zero” is set to a water amount equal to the sum of the amount of water flowing into the fuel cell 1 per unit time from the start of power generation and the amount of water generated at a constant takeout current. The time required for the temperature of the fuel cell 1 to reach a temperature at which an equal amount of water vapor can be contained in the exhausted reaction gas.
ここでは、熱容量の最も小さい構成Ｆを選択し、また、実線と構成Ｆの点線が交差するときの保水層１１の容量ＶFを選択する。これにより、発電開始から、燃料電池１の温度が一定の取り出し電流において発電開始から増加量Ｑ+に等しい飽和水蒸気量を得ることが可能な温度に到達するまでの時間に、燃料電池１内に滞留する水を保持できるように、保水層１１の容量を設定することができる。言い換えれば、一定の取り出し電流において発電開始から増加量Ｑ+に等しい飽和水蒸気量を得ることが可能な温度まで上昇させるのに必要な熱量が、保水層１１の保持水量が限界となるまでに生成される熱量以下となるように、電解質膜１０、触媒電極層１２、ガス拡散層１３、セパレータ１４、１５の熱容量を設定する。 Here, the configuration F having the smallest heat capacity is selected, and the capacitance V F of the water retention layer 11 when the solid line and the dotted line of the configuration F intersect is selected. As a result, the fuel cell 1 has a temperature within the fuel cell 1 from the start of power generation until it reaches a temperature at which a saturated water vapor amount equal to the increase amount Q + can be obtained from the start of power generation at a constant take-out current. The capacity of the water retention layer 11 can be set so that the water that remains is retained. In other words, the amount of heat necessary to raise the saturated water vapor amount equal to the increase amount Q + from the start of power generation to a temperature at which a constant extraction current can be obtained until the amount of water retained in the water retention layer 11 reaches a limit. The heat capacities of the electrolyte membrane 10, the catalyst electrode layer 12, the gas diffusion layer 13, and the separators 14 and 15 are set so as to be equal to or less than the amount of heat that is generated.
次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第１の実施形態と異なる効果のみを説明する。 Next, the effect of this embodiment will be described. Only the effects different from those of the first embodiment will be described below.
減少量Ｑ-を、単位時間あたりに燃料電池１から排出される反応ガスの飽和水蒸気量とする。これにより、水蒸気の状態で排水される燃料電池１に対して、適切に保水層１１の容量を設定することができる。 The decrease amount Q − is the saturated water vapor amount of the reaction gas discharged from the fuel cell 1 per unit time. Thereby, the capacity | capacitance of the water retention layer 11 can be appropriately set with respect to the fuel cell 1 drained in the state of water vapor | steam.
なお、保水層１１は、ガス拡散を阻害しない限り、燃料電池１内の設置場所には制約はない。但し、電解質膜１０及び触媒電極層１２の内部、あるいは、その二つの部材の間に保水層１１を設ける場合には、水素イオン伝導性を低下しない構成とする。 The water retention layer 11 is not limited in the installation location in the fuel cell 1 as long as gas diffusion is not hindered. However, when the water retention layer 11 is provided inside the electrolyte membrane 10 and the catalyst electrode layer 12 or between the two members, the hydrogen ion conductivity is not lowered.
このように、本発明は、上記発明を実施するための最良の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術思想の範囲内で、様々な変更を為し得ることはいうまでもない。 Thus, the present invention is not limited to the best mode for carrying out the invention, and various modifications can be made within the scope of the technical idea described in the claims. Not too long.
本発明は、燃料電池に適用することができる。例えば、自動車等の移動体に搭載する燃料電池に適用することができる。 The present invention can be applied to a fuel cell. For example, it can be applied to a fuel cell mounted on a moving body such as an automobile.
１ 燃料電池
１０ 電解質膜
１１ 保水層
１２ 電極触媒層
１３ ガス拡散層
１４ アノードセパレータ
１５ カソードセパレータ
１６ アノードガス流路
１７ カソードガス流路
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell 10 Electrolyte membrane 11 Water retention layer 12 Electrode catalyst layer 13 Gas diffusion layer 14 Anode separator 15 Cathode separator 16 Anode gas flow path 17 Cathode gas flow path
Claims (6)
発電開始から、少なくとも単位時間あたりに導入される水量と生成される水量の和で示される増加量から、排出される水量で示される減少量を差し引くことにより規定される残留水量がゼロ以下となるまでの間、電池電圧が０Ｖより高い値に設定された下限電圧を下回らないように水を保持できる容量の保水層を備えることを特徴とする燃料電池。 In a fuel cell comprising an electrolyte membrane that exhibits appropriate proton conductivity in a wet state,
From the start of power generation, the amount of residual water specified by subtracting the decrease indicated by the amount of discharged water from the increase indicated by the sum of at least the amount of water introduced per unit time and the amount of water produced will be zero or less. A fuel cell comprising a water-retaining layer having a capacity capable of holding water so that the battery voltage does not fall below a lower limit voltage set to a value higher than 0 V.
前記増加量と前記減少量が等しくなる燃料電池内部温度に達するのに要する熱量が、前記保水層の保水量が限界に達するまでに発生する熱量より小さくなるように、前記構成部材の熱容量を設定する請求項４に記載の燃料電池。 A fuel cell configured by laminating a plurality of constituent members,
The heat capacity of the component is set so that the amount of heat required to reach the fuel cell internal temperature at which the increase amount and the decrease amount are equal is smaller than the heat amount generated until the water retention amount of the water retention layer reaches the limit. The fuel cell according to claim 4.
前記保水層は、発電開始から内部温度が０℃以上となるまでの間に、導入される水量と生成される水量の合計を保持できる容量を有する請求項２に記載の燃料電池。 A fuel cell which starts power generation from a state where the internal temperature of the fuel cell is lower than 0 ° C
3. The fuel cell according to claim 2, wherein the water retention layer has a capacity capable of holding a total amount of introduced water and generated water from the start of power generation until the internal temperature reaches 0 ° C. or higher.
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