JP2007188860A - Fuel cell system with gasket having voltage detection terminal - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池の開発過程や、最適化チューニング過程または実際の動作中に電気発生部の電圧を測定することができる電圧測定手段に関し、より詳しくは、電気発生部における流体流出を防止しつつ電圧を測定できるように電圧測定端子を有するガスケットを備えた燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a voltage measuring means capable of measuring a voltage of an electricity generation unit during a fuel cell development process, an optimization tuning process, or during actual operation, and more specifically, prevents fluid outflow in the electricity generation unit. The present invention relates to a fuel cell system including a gasket having a voltage measurement terminal so that the voltage can be measured.
一般的に、燃料電池システムは、電気を生成する発電システムであって、水素と酸素の電気化学反応によって電気を生成する電気発生部を有する。前記電気発生部は、選択的なイオン透過特性を有する導電性高分子膜と、前記高分子膜の両側に提供されたカソード電極及びアノード電極からなる単位電池が複数個積層された構造からなる。このとき、隣接する単位電池の間には水素と酸素を前記アノード電極とカソード電極にそれぞれ供給するためのバイポーラプレートが提供される。 In general, a fuel cell system is a power generation system that generates electricity, and includes an electricity generation unit that generates electricity by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. The electricity generating unit has a structure in which a plurality of unit cells each including a conductive polymer film having selective ion permeability and cathode and anode electrodes provided on both sides of the polymer film are stacked. At this time, a bipolar plate for supplying hydrogen and oxygen to the anode electrode and the cathode electrode is provided between adjacent unit cells.
前述の水素と酸素の電気化学反応によって電気が生成されるとき、電気発生部における電圧を測定するための手段は、従来からよく知られている。 Means for measuring the voltage at the electricity generator when electricity is generated by the electrochemical reaction between hydrogen and oxygen described above are well known.
例えば、特開2005−183308号公報(特許文献1)には、図4に示されるように、電圧検出部の電圧検出用端子をセパレータの端子接続部に接触させた構造の燃料電池が示されている。このような特許文献1において、アノード側電極に不活性ガスを供給する一方、カソード側電極に空気を供給しながら、電圧検出部によって発電セルの回路電圧を検出する。 For example, Japanese Patent Laid-Open No. 2005-183308 (Patent Document 1) shows a fuel cell having a structure in which a voltage detection terminal of a voltage detection unit is in contact with a terminal connection portion of a separator, as shown in FIG. ing. In Patent Document 1, such an inert gas is supplied to the anode side electrode, while air is supplied to the cathode side electrode, and the circuit voltage of the power generation cell is detected by the voltage detection unit.
特開2005−019042号公報(特許文献2)には、図5に示されるように、燃料電池単セルが有するセパレータには、冷却水用流路が形成され、電圧評価部は、セパレータに形成された冷却水用流路の付近に配置されている燃料電池スタックが開示されている。 In Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-019042 (Patent Document 2), as shown in FIG. 5, a flow path for cooling water is formed in a separator of a single fuel cell, and a voltage evaluation unit is formed in the separator. A fuel cell stack is disclosed that is disposed in the vicinity of the coolant flow path.
特開平9−199147号公報(特許文献3)には、図6に示されるように、基板に触媒を塗布して形成された燃料極及び酸化剤極の間に電解質層を挟んで形成された単位電池とガス分離板とを交互に複数個ずつ積層して形成するサブスタックにおいて、少なくとも2個の単位電池の燃料極または酸化剤極の少なくとも一方の電位を測定する電位測定手段が開示されている。 In Japanese Patent Laid-Open No. 9-199147 (Patent Document 3), as shown in FIG. 6, an electrolyte layer is sandwiched between a fuel electrode and an oxidant electrode formed by applying a catalyst to a substrate. Disclosed is a potential measuring means for measuring a potential of at least one of a fuel electrode and an oxidant electrode of at least two unit cells in a sub-stack formed by alternately laminating a plurality of unit cells and gas separation plates. Yes.
そして、特開平8−007911号公報(特許文献4)には、図7に示されるように、サブスタックTsにおける両端のセルCのそれぞれに電圧測定用端子14を電気的に接続させた構造が開示されている。電圧測定用端子14は、サブスタックの端部のセルと冷却部7とによって狭持され、かつサブスタックの端部のセルと集電板8とによって狭持されている。
JP-A-8-007911 (Patent Document 4) has a structure in which the
燃料電池単位セルの電圧を測定するための従来技術において、ピンのような形状の検針器を単位セルを構成するバイポーラプレートに挟む方式は、安定した接触を保障することができず、正確な電圧測定が難しかった。また、開発過程やチューニング過程で電圧検出回数が多くなるほど単位セルのバイポーラプレートが損傷するか、または接触が不良になるという問題があった。
したがって、本発明の目的は、水素と酸素の電気化学反応によって電気を生成する電気発生部を有する燃料電池システムを提供することをその目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a fuel cell system having an electricity generation unit that generates electricity by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen.
前記目的を達成するために、本発明による前記電気発生部は、両面にそれぞれ提供されているアノード電極層とカソード電極層とを有する導電性高分子膜を有する電極膜組立体と、前記電極膜組立体のアノード電極層とカソード電極層にそれぞれ対面して前記電極層に提供する水素含有燃料または酸素含有気体が流動する流動チャネルを有する一対の分離板と、前記電極膜組立体と分離板との間に介在されて流体漏れを防止する一対のガスケットと、を含み、前記ガスケットのうち少なくとも1つは、弾性材質の第1フレームと導電性材質の第2フレームとからなる電圧検出ガスケットであることを特徴とする。 To achieve the above object, the electricity generator according to the present invention includes an electrode film assembly having a conductive polymer film having an anode electrode layer and a cathode electrode layer provided on both sides, and the electrode film. A pair of separator plates each having a flow channel through which a hydrogen-containing fuel or an oxygen-containing gas to be provided to the electrode layer faces the anode electrode layer and the cathode electrode layer of the assembly, and the electrode membrane assembly and the separator plate; A pair of gaskets interposed between the first and second gaskets to prevent fluid leakage, and at least one of the gaskets is a voltage detection gasket comprising a first frame made of an elastic material and a second frame made of a conductive material. It is characterized by that.
前記電圧検出ガスケットに接触する分離板は、非導電性物質からなることを特徴とする。 The separation plate in contact with the voltage detection gasket is made of a non-conductive material.
前記第1フレームは、分離板に接触し、前記第2フレームは、導電性高分子膜に接触することを特徴とする。 The first frame is in contact with a separation plate, and the second frame is in contact with a conductive polymer film.
前記第2フレームには、電圧検出端子が提供されることを特徴とする。 The second frame is provided with a voltage detection terminal.
上述したように、本発明によれば、伝導性材質のフレームを持つ電圧検出ガスケットを用いて単位電池から発生される電圧を測定することによってバイポーラプレートによる電圧検出のときにバイポーラプレートが損傷される現象を防止しつつ電圧を正確に検出することができる。 As described above, according to the present invention, the bipolar plate is damaged when the voltage is detected by the bipolar plate by measuring the voltage generated from the unit cell using the voltage detection gasket having the frame made of the conductive material. The voltage can be accurately detected while preventing the phenomenon.
以下、添付図面を参照して本発明の好ましい実施例を説明する。
図1は、本発明による燃料電池システムの概略図であり、図2は、本発明による電圧検出ガスケットを有する電気発生部の一部を示す断面図であり、図3は、本発明による電圧検出ガスケットの斜視図である。
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a schematic view of a fuel cell system according to the present invention, FIG. 2 is a cross-sectional view showing a part of an electricity generator having a voltage detection gasket according to the present invention, and FIG. 3 is a voltage detection according to the present invention. It is a perspective view of a gasket.
図1を参照すると、本発明による燃料電池システムは、1個以上の単位電池が提供されており、水素と酸素の電気化学反応によって電気を生成する電気発生部100と、電気発生部100に水素含有燃料を供給する燃料供給部200と、電気発生部100に酸素含有気体を供給する酸素供給部300とを有する。
Referring to FIG. 1, the fuel cell system according to the present invention is provided with one or more unit cells. The
ここで、水素含有燃料は、メタノール、エタノールなどのアルコール系燃料、メタン、プロパン、ブタンなどの炭化水素系燃料、液化天然ガスなどの天然ガス系燃料といった液体原燃料または水素といった気体原燃料を意味し、前記水素は、好ましくは、前記液体原燃料から得ることができる。 Here, the hydrogen-containing fuel means liquid raw fuel such as alcohol fuel such as methanol and ethanol, hydrocarbon fuel such as methane, propane and butane, natural gas fuel such as liquefied natural gas, or gaseous raw fuel such as hydrogen. The hydrogen can be preferably obtained from the liquid raw fuel.
燃料供給部200は、前述の液体原燃料を電気発生部100に直接供給する直接メタノール燃料電池において原燃料供給タンク(図示せず)を含むことができる。一方、気体原燃料を電気発生部100に供給する高分子電解質型燃料電池において、燃料供給部200は、液体原燃料が貯蔵されている原燃料貯蔵部(図示せず)と、前記原燃料貯蔵部から供給される液体原燃料に対する改質過程を通じて得られる水素を主成分とする改質燃料、すなわち、気体原燃料を電気発生部100に供給するための改質器(図示せず)とで構成されることができる。
The
以下では、直接メタノール燃料電池を基準として説明する。 In the following, a direct methanol fuel cell will be described as a reference.
図2を参照すると、電気発生部100に提供された単位電池は、選択的なイオン透過性を有する導電性高分子膜112と、導電性高分子膜112の両側に提供されたアノード電極114及びカソード電極116とからなる電極膜組立体110(MEA;Membrane Electrode Assembly)と、アノード電極114とカソード電極116に水素含有燃料と酸素含有気体をそれぞれ供給する分離板130とを有する。
Referring to FIG. 2, the unit cell provided in the electricity generating
導電性高分子膜112は、アノード電極114の触媒層(図示せず)から発生した水素イオンをカソード電極116の触媒層に伝達するイオン交換の機能とともに水素含有燃料の透過を防止する機能を有する導電性高分子電解質膜であって、約50〜200μm程度の厚さを有する。前記導電性高分子膜112としては、例えば、ペルフルオロスルホネート樹脂(Nafion(登録商標))で製造された過フッ化フッ素酸樹脂膜、多孔性ポリテトラフルオロエチレン薄膜支持体に過フッ化スルホン酸(perfluorinated sulfonic acid)などの樹脂溶液がコーティングされている膜、多孔性の非導電性高分子支持体に陽イオン交換樹脂及び無機シリケートが被覆されている膜などが使用される。
The
電極膜組立体110において、電極、例えば、カソード電極116は、カーボン紙のような第1多孔性支持層と、前記第1多孔性支持層に順次積層された触媒物質の第1拡散層と第1触媒層とからなる。前記第1多孔性支持層は、分離板130の一面に形成された酸素供給流路134を介して供給される酸素の流入経路だけでなく、下記に説明されるように、前記第1触媒層からなる電気化学反応の副産物である水(H2O)の流出経路を提供する。前記第1触媒層において、前記第1多孔性支持層と第1拡散層とを経由して提供される酸素は、下記反応式1の還元反応が行われる。
カソード反応:
(3/2)O2+6H++6e− → 3H2O ・・・ (1)
In the
Cathode reaction:
(3/2) O 2 + 6H + + 6e − → 3H 2 O (1)
前記第1拡散層は、前記第1多孔性支持層と第1触媒層との間に介在されて酸素供給流路134を介して供給される酸素が前記第1触媒層に均一に分散されるように作用しながら、前記還元反応を通じて生成される水が前記第1多孔性支持層に排出されるように作用する。
The first diffusion layer is interposed between the first porous support layer and the first catalyst layer, and oxygen supplied through the
同様に、アノード電極114は、カーボン紙のような第2多孔性支持層と、前記第2多孔性支持層に順次積層された触媒物質の第2拡散層と第2触媒層とからなる。前記第2多孔性支持層は、分離板130の一面に形成された燃料供給流路132を介して供給される水素含有燃料の流入経路だけでなく、下記に説明されるように、前記第2触媒層で行われる電気化学反応の副産物である二酸化炭素(CO2)の流出経路を提供する。前記第2触媒層において、前記第2多孔性支持層と第2拡散層とを経由して提供される水素含有燃料は、下記反応式2の酸化反応が行われる。
アノード反応:
CH3OH+H2O → CO2+6H++6e− ・・・ (2)
Similarly, the
Anode reaction:
CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 6H + + 6e − (2)
前記第2拡散層は、前記第2多孔性支持層と第2触媒層との間に介在されて燃料供給流路132を介して供給される水素含有燃料が前記第2触媒層に均一に分散されるように作用しながら、前記酸化反応を通じて生成される二酸化炭素が前記第2多孔性支持層に排出されるように作用する。
The second diffusion layer is interposed between the second porous support layer and the second catalyst layer, and the hydrogen-containing fuel supplied through the
したがって、電気発生部100において、アノード電極114では、メタノールと水との反応によって二酸化炭素及び6個の水素イオンと電子が生成される(酸化反応)。前記水素イオンは、高分子膜112、例えば、水素イオン交換膜を経てカソード電極116に伝達され、電子は、電気集電体14bの突起部2を介してカソード電極116に伝達される。カソード電極116では、水素イオンと電子、そして酸素が反応して水を生成する(還元反応)。全体としては、メタノールと酸素が反応して水と二酸化炭素を生成する。
Therefore, in the
一方、電気発生部100の単位電池において、電極膜組立体100と分離板130との間には、流体流出を防止するためのガスケット120A、120Bが提供される。本発明によると、少なくとも1つのガスケット、流体流出を防止しつつ単位電池で生成される電圧を検出することができる電圧検出ガスケット120Bに作用する。図において、電圧検出ガスケット120Bは、電極膜組立体100のアノード電極側に提供されているが、これに限らず、カソード電極側または両側に提供されることができる。
On the other hand, in the unit cell of the
図3を参照すると、電圧検出ガスケット120Bは、弾性材質の第1フレーム122と、導電性材質の第2フレーム124とからなる。第1フレームと第2フレーム122、124は、アノード電極と分離板130の燃料供給流路132とが面接触できるように貫通している貫通窓122a、124aと、貫通窓122a、124aを取り囲む縁部122b、124bとからなる。このとき、第2フレーム124には、縁部124bから外部に延長する電圧検出端子124cが提供される。第1フレーム122は、分離板130に接するように位置し、第2フレーム124は、導電性高分子膜112に接するように位置する。これは、電極膜組立体110で行われる電気化学反応の結果、生成される電流が第2フレーム124に流れるようにするためである。
Referring to FIG. 3, the
上述したように、電圧検出ガスケット120Bが導電性高分子膜112の一側面に提供された状態で、一般的な弾性材質のガスケット120Aは、導電性高分子膜112の他側面と他の分離板との間に提供される。しかし、導電性高分子膜112の両側面に本発明による電圧検出ガスケット120Bが提供されることもできる。
As described above, in a state where the
分離板130において、電極膜組立体100のアノード電極114に対面している一側面には、水素含有燃料が流動することができる燃料供給流路132が提供され、カソード電極116に対面している他側面には、酸素含有気体が流動することができる酸素供給流路134が提供される。前記分離板130には、上述した電気化学反応の過程で発生する熱を除去するために冷媒が流動することができる冷媒流動チャネル136が提供される。
In the
上述したように、電圧検出ガスケット120Bが分離板130と導電性高分子膜112との間に提供された状態で、分離板130は、非導電性物質で製作されることができる。これは、電極膜組立体110で生成される電流が電圧検出ガスケット120Bの第2フレーム124に流れることができるからである。すなわち、電圧検出ガスケット120Bが電極膜組立体110のアノード電極114側に提供されていれば、アノード電極114に接触する分離板130は、非導電性物質で製作されることができ、かつ電圧検出ガスケット120Bが電極膜組立体110のカソード電極116側に提供されていれば、カソード電極116に接触する分離板130は、非導電性物質で製作されることができる。
As described above, the
例えば、電圧検出ガスケット120Bが電極膜組立体110の両側面に提供されていれば、非導電性物質の分離板130に形成されている燃料供給流路132及び酸素供給流路134を介して水素含有燃料と酸素含有気体がアノード電極114とカソード電極116にそれぞれ供給される。そして、アノード電極114とカソード電極116からそれぞれなる電気化学反応の結果、アノード電極114とカソード電極116でそれぞれ生成される二酸化炭素と水は、非導電性物質の分離板130を介して外部に排出される。このように分離板130が非導電性物質で製作される場合に、その製作費用を節減することができる。
For example, if the
上述した構造の電気発生部を有する燃料電池システムにおいて、その開発過程、最適化チューニング過程または実際の動作中に各単位電池の電圧を測定して正常稼働の有無を判断するようになる。すなわち、電圧検出器(図示せず)を電圧検出ガスケット120Bの第2フレームに提供された電圧検出端子124cに接触させて単位電池別電圧を測定するようになる。前記電圧検出器は、一般的に、電圧検出端子124cに通電可能に接続される電圧検出部と、前記電圧検出部で検出される単位電池の電圧を測定する電圧表示部とを有する。
In the fuel cell system having the electricity generation unit having the above-described structure, the voltage of each unit cell is measured during the development process, the optimization tuning process, or the actual operation to determine whether the unit is operating normally. That is, a voltage detector (not shown) is brought into contact with the
以下、本発明による燃料電池システムの動作について説明する。 Hereinafter, the operation of the fuel cell system according to the present invention will be described.
燃料供給部200から低濃度の水素含有燃料、例えば、水と混合して希釈されている所定濃度のメタノールが電気発生部100に供給される。電気発生部100において、分離板130の燃料供給流路132を介して単位電池、特に電極膜組立体110のアノード電極114に容易に供給される。酸素供給部300から供給される酸素は、電気発生部100から分離板130の酸素供給流路134を介して単位電池、特に電極膜組立体110のカソード電極116に供給される。
A low concentration hydrogen-containing fuel, for example, methanol having a predetermined concentration diluted with water is supplied to the
アノード電極114において、第2多孔性支持層と第2拡散層とを経由して提供された水素含有燃料は、第2触媒層で酸化され、その結果、水素イオンと電子及び二酸化炭素が生成される。このとき、水素イオンは、導電性高分子膜112を介してカソード電極116の第1触媒層に移動し、二酸化炭素は、第2多孔性支持層を経由して分離板130の燃料供給流路132を介して外部に排出される。
In the
カソード電極116において、第1多孔性支持層と第1拡散層とを経由して提供された酸素は、第1触媒層で水素イオンと反応し、その結果、水が生成される。前記水は、第1多孔性支持層を経由して分離板130の酸素供給流路134を介して外部に排出される。
In the
このとき、前記電圧測定器の電圧検出部を電圧検出端子124cに接触させて上述した電気化学反応の過程で単位電池で生成される電圧を測定する。前記電圧測定器によって測定される電圧の大きさによって各単位電池の正常稼働の有無を判断する。
At this time, the voltage detection unit of the voltage measuring device is brought into contact with the
このような内容は、単に本発明の好ましい実施例を例示したもので、本発明の属する技術分野における当業者は、添付された請求範囲に記載された本発明の思想及び要旨から逸脱しない範囲で本発明に対する修正及び変更を加えることができることを認識することができる。 The above description merely exemplifies a preferred embodiment of the present invention, and those skilled in the art to which the present invention belongs will not depart from the spirit and scope of the present invention described in the appended claims. It can be appreciated that modifications and changes can be made to the present invention.
100 電気発生部
200 燃料供給部
300 酸素供給部
112 導電性高分子膜
114 アノード電極
116 カソード電極
120A、120B ガスケット
122 第1フレーム
124 第2フレーム
122a、124a 貫通窓
122b、124b 縁部
124c 電圧検出端子
130 分離板
134 酸素供給流路
136 冷媒流動チャネル
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記電気発生部は、
両面にそれぞれ提供されているアノード電極層とカソード電極層とを有する導電性高分子膜を有する電極膜組立体と、
前記電極膜組立体のアノード電極層とカソード電極層にそれぞれ対面して前記電極層に提供する水素含有燃料または酸素含有気体が流動する流動チャネルを有する一対の分離板と、
前記電極膜組立体と分離板との間に介在されて流体漏れを防止する一対のガスケットと、を含み、
前記ガスケットのうち少なくとも1つは、弾性材質の第1フレームと導電性材質の第2フレームとからなる電圧検出ガスケットであることを特徴とする燃料電池システム。 In a fuel cell system having an electricity generation unit that generates electricity by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen,
The electricity generator is
An electrode film assembly having a conductive polymer film having an anode electrode layer and a cathode electrode layer respectively provided on both sides;
A pair of separator plates each having a flow channel through which a hydrogen-containing fuel or an oxygen-containing gas flows to face the anode electrode layer and the cathode electrode layer of the electrode membrane assembly and to provide the electrode layer;
A pair of gaskets interposed between the electrode membrane assembly and the separation plate to prevent fluid leakage,
At least one of the gaskets is a voltage detection gasket comprising a first frame made of an elastic material and a second frame made of a conductive material.
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