JP7380537B2 - 燃料電池及び燃料電池システム - Google Patents
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Description
本願は燃料電池及び燃料電池システムに関する。
燃料電池を製造する際又は燃料電池に供給されるガスにより、意図せずに金属イオンを含む不純物が燃料電池内に混入される場合がある。このような不純物は電解質膜の劣化や電池性能の低下を引き起こす虞がある。
かかる問題に対し、特許文献１は、燃料電池システムに酸性ガス供給手段を設け、酸性ガスを燃料電池のＭＥＡ内に供給することで金属イオンを系外に排出する技術を開示している。また、特許文献２には空気フィルターを通過して直接液体型燃料電池システム内に混入した塩分や金属イオン等の不純物を、循環部に設けた不純物除去装置により除去する技術を開示している。
燃料電池に混入される不純物の中には、燃料電池の製造装置などに由来する鉄系異物がある。燃料電池は発電中に過酸化水素を発生する。この鉄系異物は、過酸化水素からラジカルへの変換を促進する触媒のような働きをし、鉄系異物周辺において、電解質膜の薄膜化や穴あきが顕著に発生することを本発明者は発見した。近年、燃料電池の低コスト化及び初期性能の向上を狙い、薄膜化した電解質膜が開発されていることから、鉄系異物による電解質膜の穴あき等が発生しやすい状況にある。従って、鉄系異物に関する問題は燃料電池開発において非常に重要な課題である。
特許文献１、２にように、燃料電池システムに別途酸性ガス供給手段や不純物除去装置を設ける場合、製造コストが増加する。また、特許文献１の酸性ガスを燃料電池に供給する技術は燃料電池内に存在する金属イオンを解離させることは可能であるが、鉄系異物のような固体を溶解し排出することが困難である。特許文献２の不純物除去装置は、燃料電池内の鉄系異物を排除することは困難である。そのため、特許文献１、２の技術では鉄系異物による局所的な電解質膜の劣化を十分に防ぐことができない。
そこで、本願の目的は、上記実情を鑑み、簡易な構造で鉄系異物による電解質膜の劣化を抑制することができる燃料電池及び燃料電池システムを提供する。
本開示は、上記課題を解決するための一つの手段として、ＭＥＧＡと硝酸塩化合物とを備え、ＭＥＧＡは、電解質膜と、電解質膜の一方の面に配置されるアノード触媒層と、電解質膜の他方の面に配置されるカソード触媒層と、アノード触媒層の電解質膜側の面とは反対側の面に配置されるアノードガス拡散層と、カソード触媒層の電解質膜側の面とは反対側の面に配置されるカソードガス拡散層と、を有し、硝酸塩化合物はＭＥＧＡ内に配置される、燃料電池を提供する。
上記硝酸塩化合物はＣｅイオン、Ａｇイオン、Ｃｏイオンのうち少なくとも１種のカチオンを含んでいてもよい。また、上記硝酸塩化合物はアノード触媒層、カソード触媒層、アノード触媒層とアノードガス拡散層との間、及びカソード触媒層とカソードガス拡散層との間から選ばれる少なくとも１つの位置に配置されていてもよい。
また本開示は、上記課題を解決するための一つの手段として、上記燃料電池と、燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、を備える、燃料電池システムを提供する。
本開示の燃料電池は、燃料電池内に意図せずに混入された鉄系異物を硝酸塩化合物により溶解し、燃料電池の外に排出することができる。従って、本開示の燃料電池によれば、ＭＥＧＡ内に硝酸塩化合物を備えるという簡易な構造で鉄系異物による電解質膜の劣化を抑制することができる。
本開示の燃料電池システムは上記の燃料電池を備えることにより、別途システム中に鉄系異物を排除するための設備を設けることなく、簡易な構造で鉄系異物による電解質膜の劣化を抑制することができる。
［燃料電池］
本開示の燃料電池について、一実施形態である燃料電池１を参照しつつ説明する。図１に燃料電池１の断面模式図を示した。
本開示の燃料電池について、一実施形態である燃料電池１を参照しつつ説明する。図１に燃料電池１の断面模式図を示した。
図１の通り、燃料電池１はＭＥＧＡ１０（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ｇａｓｓ－ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ－ｌａｙｅｒ Ａｓｓｅｍｂｌｙ（膜電極ガス拡散層接合体））と硝酸塩化合物２０とを備える。また、燃料電池１はＭＥＧＡ１０の積層方向の両側の面のそれぞれにセパレータ（アノードセパレータ３０ａ、カソードセパレータ３０ｂ）を備えていてもよい。
燃料電池１には鉄系異物４０が含まれている場合がある。ここで、「鉄系異物」とは、燃料電池を製造する際又は燃料電池に供給されるガスにより、燃料電池１に意図せずに混入されるＦｅ元素を含む不純物である。鉄系異物４０の近傍ではＦｅ濃度（Ｆｅイオン濃度）が高くなり易いため、電解質膜１１の薄膜化や穴あき等の局所的な劣化が生じる。このような問題を抑制するために、燃料電池１では硝酸塩化合物２０を備えている。
＜ＭＥＧＡ１０＞
ＭＥＧＡ１０は電解質膜１１と、電解質膜１１の一方の面に配置されるアノード触媒層１２ａと、電解質膜１１の他方の面に配置されるカソード触媒層１２ｂと、アノード触媒層１２ａの電解質膜１１側の面とは反対側の面に配置されるアノードガス拡散層１３ａと、カソード触媒層１２ｂの電解質膜１１側の面とは反対側の面に配置されるカソードガス拡散層１３ｂと、を有する。
ＭＥＧＡ１０は電解質膜１１と、電解質膜１１の一方の面に配置されるアノード触媒層１２ａと、電解質膜１１の他方の面に配置されるカソード触媒層１２ｂと、アノード触媒層１２ａの電解質膜１１側の面とは反対側の面に配置されるアノードガス拡散層１３ａと、カソード触媒層１２ｂの電解質膜１１側の面とは反対側の面に配置されるカソードガス拡散層１３ｂと、を有する。
ここで、本明細書において、アノード触媒層１２ａ及び／又はカソード触媒層１２ｂを単に触媒層ということがあり、アノードガス拡散層１３ａ及び／又はカソードガス拡散層１３ｂを単にガス拡散層ということがある。
（電解質膜１１）
電解質膜１１は湿潤状態において良好なプロトン伝導性を示す固体高分子薄膜である。このような電解質膜１１は公知の電解質膜を用いることができる。例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂膜に代表される水素イオン導電性の高いフッ素樹脂系高分子膜を挙げることができる。電解質膜１１の厚み等は目的に応じて適宜設定することができる。
電解質膜１１は湿潤状態において良好なプロトン伝導性を示す固体高分子薄膜である。このような電解質膜１１は公知の電解質膜を用いることができる。例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂膜に代表される水素イオン導電性の高いフッ素樹脂系高分子膜を挙げることができる。電解質膜１１の厚み等は目的に応じて適宜設定することができる。
（アノード触媒層１２ａ）
アノード触媒層１２ａは、電解質膜１１の一方の面に配置されるものであり、燃料電池１に供給された燃料ガス（例えば、水素ガス）からプロトンと電子とを取り出す役割を有する。アノード触媒層１２ａは白金系の触媒を用いる。また、アノード触媒層１２ａは触媒を担持したカーボン粒子を用いてもよい。アノード触媒層１２ａの厚み等は目的に応じて適宜設定することができる。
アノード触媒層１２ａは、電解質膜１１の一方の面に配置されるものであり、燃料電池１に供給された燃料ガス（例えば、水素ガス）からプロトンと電子とを取り出す役割を有する。アノード触媒層１２ａは白金系の触媒を用いる。また、アノード触媒層１２ａは触媒を担持したカーボン粒子を用いてもよい。アノード触媒層１２ａの厚み等は目的に応じて適宜設定することができる。
（カソード触媒層１２ｂ）
カソード触媒層１２ｂは電解質膜１１の他方の面に配置されるものであり、燃料電池１に供給された酸化剤ガス（例えば、空気）と、アノード側から電解質膜１１を介して移動してきたプロトンと、電子とから水を生成する役割を有する。カソード触媒層１２ｂはアノード触媒層１２ａと同様の材料から構成することができる。カソード触媒層１２ｂの厚み等は目的に応じて適宜設定することができる。
カソード触媒層１２ｂは電解質膜１１の他方の面に配置されるものであり、燃料電池１に供給された酸化剤ガス（例えば、空気）と、アノード側から電解質膜１１を介して移動してきたプロトンと、電子とから水を生成する役割を有する。カソード触媒層１２ｂはアノード触媒層１２ａと同様の材料から構成することができる。カソード触媒層１２ｂの厚み等は目的に応じて適宜設定することができる。
ここで、電解質膜１１、アノード触媒層１２ａ、及びカソード触媒層１２ｂは合わせてＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ（膜電極接合体））と呼ばれる。
（アノードガス拡散層１３ａ）
アノードガス拡散層１３ａはアノード触媒層１２ａの電解質膜１１側の面とは反対側の面に配置されるものであり、燃料ガスを電解質膜１１の面方向に沿って拡散させる役割を有する。アノードガス拡散層１３ａは公知のアノードガス拡散層を用いることができる。例えば、炭素繊維や黒鉛繊維、発泡金属などの多孔質の導電性基材を用いることができる。アノードガス拡散層１３ａの厚み等は目的に応じて適宜設定することができる。
アノードガス拡散層１３ａはアノード触媒層１２ａの電解質膜１１側の面とは反対側の面に配置されるものであり、燃料ガスを電解質膜１１の面方向に沿って拡散させる役割を有する。アノードガス拡散層１３ａは公知のアノードガス拡散層を用いることができる。例えば、炭素繊維や黒鉛繊維、発泡金属などの多孔質の導電性基材を用いることができる。アノードガス拡散層１３ａの厚み等は目的に応じて適宜設定することができる。
（カソードガス拡散層１３ｂ）
カソードガス拡散層１３ｂはカソード触媒層１２ｂの電解質膜１１側の面とは反対側の面に配置されるものであり、酸化剤ガスを電解質膜１１の面方向に沿って拡散させる役割を有する。カソードガス拡散層１３ｂはアノードガス拡散層１３ａと同様の材料から構成することができる。カソードガス拡散層１３ｂの厚み等は目的に応じて適宜設定することができる。
カソードガス拡散層１３ｂはカソード触媒層１２ｂの電解質膜１１側の面とは反対側の面に配置されるものであり、酸化剤ガスを電解質膜１１の面方向に沿って拡散させる役割を有する。カソードガス拡散層１３ｂはアノードガス拡散層１３ａと同様の材料から構成することができる。カソードガス拡散層１３ｂの厚み等は目的に応じて適宜設定することができる。
＜硝酸塩化合物２０＞
硝酸塩化合物２０はＭＥＧＡ１０内に配置される。ＭＥＧＡ１０内に配置された硝酸塩化合物２０は、燃料電池１の発電時に生成する水によって溶解する。そうすると、硝酸塩化合物２０はイオン化するため、燃料電池１内（ＭＥＧＡ１０内）のｐＨが低下する。ｐＨの低下により燃料電池１内に存在する鉄系異物が溶解するため、溶解した鉄系異物４０はＭＥＧＡ１０内に広く拡散して、燃料電池１の外に排出される。このようにして、燃料電池１は鉄系異物４０による電解質膜１１の局所的な劣化を抑制している。
硝酸塩化合物２０はＭＥＧＡ１０内に配置される。ＭＥＧＡ１０内に配置された硝酸塩化合物２０は、燃料電池１の発電時に生成する水によって溶解する。そうすると、硝酸塩化合物２０はイオン化するため、燃料電池１内（ＭＥＧＡ１０内）のｐＨが低下する。ｐＨの低下により燃料電池１内に存在する鉄系異物が溶解するため、溶解した鉄系異物４０はＭＥＧＡ１０内に広く拡散して、燃料電池１の外に排出される。このようにして、燃料電池１は鉄系異物４０による電解質膜１１の局所的な劣化を抑制している。
なお、鉄系異物４０を溶解させる塩として、硫酸塩や塩酸塩等を用いることも考えられるが、これらは触媒層、特に白金を被毒する虞があるため、燃料電池１では硝酸塩化合物２０を採用している。硝酸塩化合物２０は触媒を被毒する蓋然性が低いためである。
硝酸塩化合物２０は硝酸イオンとカチオンとがイオン結合した化合物である。硝酸塩化合物２０に含まれるカチオンの種類は硝酸イオンとイオン結合し得るカチオンであれば特に限定されない。例えば、プロトンや有機系・無機系カチオン、金属カチオン等である。
中でも、硝酸塩化合物２０はＣｅイオン、Ａｇイオン、Ｃｏイオンのうち少なくとも１種のカチオンを含むことが好ましい。これらのカチオンは電解質膜１１の劣化の原因の１つである過酸化水素を分解する作用があると考えられるためである。また、カチオンは電解質膜１１中の酸性官能基（スルホン酸基等）に置換し、電解質膜１１のプロトン伝導性を低下させ、発電性能に悪影響を与える虞がある。このため、カチオンによる悪影響を低減する観点から、価数の小さいこれらのカチオンを用いることが好ましい。
硝酸塩化合物２０はＭＥＧＡ１０内に配置されていればよいが、ガス拡散層には撥水性の材料が含まれている場合があり、発電による生成水が侵入し難いため、硝酸塩化合物２０はガス拡散層以外の位置に配置されていることが好ましい。すなわち、アノード触媒層１２ａ、カソード触媒層１２ｂ、アノード触媒層１２ａとアノードガス拡散層１３ａとの間、及びカソード触媒層１２ｂとカソードガス拡散層１３ｂとの間のうちから選ばれる少なくとも１つの位置に配置されていることが好ましい。これらの位置に硝酸塩化合物２０が配置されることにより、硝酸塩化合物２０が生成水に接触し易く、容易に溶解される。図１では、アノード触媒層１２ａとアノードガス拡散層１３ａとの間、及びカソード触媒層１２ｂとカソードガス拡散層１３ｂとの間に硝酸塩化合物２０が配置されている。
硝酸塩化合物２０はＭＥＧＡ１０内に少しでも配置されていれば鉄系異物４０を除去する効果を奏するが、過剰に配置すると、上記したカチオンによる悪影響が生じ、初期発電性能が低下する虞がある。そのため、燃料電池１に混入される鉄系異物４０の含有量を予測して適切な量の硝酸塩化合物２０をＭＥＧＡ１０内に配置することが好ましい。このような含有量は実験により得ることができる。
例えば、硝酸塩化合物２０が触媒層又は触媒層とガス拡散層との間に配置される場合、硝酸塩化合物２０の配置量は２μｇ/ｃｍ２以上であることが好ましく６μｇ/ｃｍ２以上であることがより好ましい。また、硝酸塩化合物２０の配置量は２４μｇ/ｃｍ２以下であることが好ましく、１２μｇ/ｃｍ２以下であることがより好ましい。
＜アノードセパレータ３０ａ＞
アノードセパレータ３０ａはアノードガス拡散層１３ａのアノード触媒層１２ａ側の面とは反対側の面に配置されるものであり、燃料電池１に供給される燃料ガスを電解質膜１１の面方向に沿って供給する役割を有する。アノードセパレータ３０ａは凹凸形状を有しており、ＭＥＧＡ１０側に開口を有する凹部が燃料ガス流路３１ａとなる。アノードセパレータ３０ａは公知の材料から構成から構成することができる。例えば、ステンレス鋼等の金属材料やカーボンコンポジット材等の炭素材料である。
アノードセパレータ３０ａはアノードガス拡散層１３ａのアノード触媒層１２ａ側の面とは反対側の面に配置されるものであり、燃料電池１に供給される燃料ガスを電解質膜１１の面方向に沿って供給する役割を有する。アノードセパレータ３０ａは凹凸形状を有しており、ＭＥＧＡ１０側に開口を有する凹部が燃料ガス流路３１ａとなる。アノードセパレータ３０ａは公知の材料から構成から構成することができる。例えば、ステンレス鋼等の金属材料やカーボンコンポジット材等の炭素材料である。
＜カソードセパレータ３０ｂ＞
カソードセパレータ３０ｂはカソードガス拡散層１３ｂのカソード触媒層１２ｂ側の面とは反対側の面に配置されるものであり、燃料電池１に供給される酸化剤ガスを電解質膜１１の面方向に沿って供給する役割を有する。カソードセパレータ３０ｂは凹凸形状を有しており、ＭＥＧＡ１０側に開口を有する凹部が酸化剤ガス流路３１ｂとなる。カソードセパレータ３０ｂを構成する材料は、アノードセパレータ３０ａと同様のものを用いることができる。
カソードセパレータ３０ｂはカソードガス拡散層１３ｂのカソード触媒層１２ｂ側の面とは反対側の面に配置されるものであり、燃料電池１に供給される酸化剤ガスを電解質膜１１の面方向に沿って供給する役割を有する。カソードセパレータ３０ｂは凹凸形状を有しており、ＭＥＧＡ１０側に開口を有する凹部が酸化剤ガス流路３１ｂとなる。カソードセパレータ３０ｂを構成する材料は、アノードセパレータ３０ａと同様のものを用いることができる。
ここで、アノードセパレータ３０ａ、カソードセパレータ３０ｂはそれぞれ冷却水を流す冷却水流路を備えていてもよい。燃料電池１の温度を調整するためである。また、本明細書において、アノードセパレータ３０ａ及び／又はカソードセパレータ３０ｂを単にセパレータということがある。
＜燃料電池１の製造方法＞
燃料電池１はＭＥＧＡ１０内に硝酸塩化合物２０を配置すること以外は、公知の工程により製造することができる。例えば、まず、所定の樹脂シートに触媒を含有するインク（触媒インク）を塗布し、その後樹脂シートと電解質膜１１とを圧着して、触媒層を電解質膜１１に転写する。これをアノード側及びカソード側でそれぞれ行う。次に、触媒層が配置された電解質膜１１の両面にそれぞれガス拡散層を配置する。これによりＭＥＧＡ１０が作製される。さらに、ＭＥＧＡ１０の積層方向の両面にセパレータをそれぞれ配置してもよい。ここで、ＭＥＧＡ１０を製造する際に、所定の位置に硝酸塩化合物２０を配置する。硝酸塩化合物２０の配置方法は特に限定されず、単に硝酸塩化合物２０の粉末を配置してもよく、上記触媒インクに混ぜて配置してもよい。触媒インクに混ぜて硝酸塩化合物２０をＭＥＧＡ１０に配置する場合、硝酸塩化合物２０は触媒層又は触媒層とガス拡散層との間に配置される。また、硝酸塩化合物の溶液をＭＥＧＡ１０のいずれかの位置に噴霧して配置してもよい。このような方法により燃料電池１を製造することができる。
燃料電池１はＭＥＧＡ１０内に硝酸塩化合物２０を配置すること以外は、公知の工程により製造することができる。例えば、まず、所定の樹脂シートに触媒を含有するインク（触媒インク）を塗布し、その後樹脂シートと電解質膜１１とを圧着して、触媒層を電解質膜１１に転写する。これをアノード側及びカソード側でそれぞれ行う。次に、触媒層が配置された電解質膜１１の両面にそれぞれガス拡散層を配置する。これによりＭＥＧＡ１０が作製される。さらに、ＭＥＧＡ１０の積層方向の両面にセパレータをそれぞれ配置してもよい。ここで、ＭＥＧＡ１０を製造する際に、所定の位置に硝酸塩化合物２０を配置する。硝酸塩化合物２０の配置方法は特に限定されず、単に硝酸塩化合物２０の粉末を配置してもよく、上記触媒インクに混ぜて配置してもよい。触媒インクに混ぜて硝酸塩化合物２０をＭＥＧＡ１０に配置する場合、硝酸塩化合物２０は触媒層又は触媒層とガス拡散層との間に配置される。また、硝酸塩化合物の溶液をＭＥＧＡ１０のいずれかの位置に噴霧して配置してもよい。このような方法により燃料電池１を製造することができる。
以上より、本開示の燃料電池について、一実施形態である燃料電池１を用いて説明した。本開示の燃料電池は、意図せずに混入された鉄系異物を硝酸塩化合物により溶解し、燃料電池の外に排出することができる。従って、本開示の燃料電池によれば、ＭＥＧＡ内に硝酸塩化合物を備えるという簡易な構造で鉄系異物による電解質膜の劣化を抑制することができる。また、鉄系異物を溶解することにより、燃料電池内の応力を低減することができる。
［燃料電池システム］
次に上記の燃料電池を用いた燃料電池システムについて、一実施形態である燃料電池システム１００を参照しつつ説明する。図２に燃料電池システム１００のブロック図を示した。
次に上記の燃料電池を用いた燃料電池システムについて、一実施形態である燃料電池システム１００を参照しつつ説明する。図２に燃料電池システム１００のブロック図を示した。
図２の通り、燃料電池システム１００は燃料電池１１０と、燃料ガス配管部１２０と、酸化剤ガス配管部１３０と、冷却水配管部１４０と、制御手段１５０と、を備えている。以下、それぞれの構成について説明する。
＜燃料電池１１０＞
燃料電池１１０は上記に説明した燃料電池１を用いることができる。また、燃料電池１１０は燃料電池１を複数積層した燃料電池スタックを使用してもよい。燃料電池スタックにおける燃料電池１以外の構成は公知の構成をとることができる。燃料電池１１０は上記した通り、ＭＥＧＡ内に硝酸塩化合物を含むものであるため、別途システム中に鉄系異物を排除するための設備を設けることなく、簡易な構造で鉄系異物による電解質膜の劣化を抑制することができる。
燃料電池１１０は上記に説明した燃料電池１を用いることができる。また、燃料電池１１０は燃料電池１を複数積層した燃料電池スタックを使用してもよい。燃料電池スタックにおける燃料電池１以外の構成は公知の構成をとることができる。燃料電池１１０は上記した通り、ＭＥＧＡ内に硝酸塩化合物を含むものであるため、別途システム中に鉄系異物を排除するための設備を設けることなく、簡易な構造で鉄系異物による電解質膜の劣化を抑制することができる。
＜燃料ガス配管部１２０＞
燃料ガス配管部１２０は燃料ガスを燃料電池１１０のアノードに供給するためのものである。燃料ガス配管部１２０は、燃料ガス供給源１２１と、燃料ガス供給源１２１から供給される燃料ガスを流すための配管である燃料ガス供給流路１２２と、燃料電池１１０から排出される燃料オフガスを流し、燃料ガス供給流路１２２に還流させるための配管である循環流路１２５と、燃料オフガス及び液体成分を排出する排気排水流路１２８とを有している。また、燃料ガス配管部１２０はその他に一般的に燃料ガス配管部に備えられる部材を備えていてもよい。
燃料ガス配管部１２０は燃料ガスを燃料電池１１０のアノードに供給するためのものである。燃料ガス配管部１２０は、燃料ガス供給源１２１と、燃料ガス供給源１２１から供給される燃料ガスを流すための配管である燃料ガス供給流路１２２と、燃料電池１１０から排出される燃料オフガスを流し、燃料ガス供給流路１２２に還流させるための配管である循環流路１２５と、燃料オフガス及び液体成分を排出する排気排水流路１２８とを有している。また、燃料ガス配管部１２０はその他に一般的に燃料ガス配管部に備えられる部材を備えていてもよい。
燃料ガス供給源１２１は、例えば、高圧水素タンクや水素吸蔵合金などで構成されており、例えば３５ＭＰａ又は７０ＭＰａの水素ガスを貯留するものである。遮断弁を開くと、燃料ガス供給源１２１から燃料ガス供給流路１２２に燃料ガスが流出する。
燃料ガス供給流路１２２は、一方が燃料ガス供給源１２１に接続され、他方が燃料電池１１０のアノードに接続されており、アノードに燃料ガスを流すための配管である。燃料ガス供給流路１２２は上流側（燃料ガス供給源１２１側）から、レギュレータ１２３とインジェクタ１２４とをこの順で備えるものである。また、燃料ガス供給源１２１とレギュレータ１２３との間には、燃料ガスの供給を遮断する遮断弁等が備えられていてもよい。燃料ガスはレギュレータ１２３及びインジェクタ１２４により、例えば２００ｋＰａ程度まで減圧されて、燃料電池１１０に供給される。
レギュレータ１２３は、その上流側圧力（一次圧）を、予め設定した二次圧に調圧する装置である。レギュレータ１２３は特に限定されず、公知のレギュレータを用いることができる。インジェクタ１２４の上流側にレギュレータ１２３を配置することにより、インジェクタ１２４の上流側圧力を効果的に低減させることができる。
インジェクタ１２４は燃料ガス供給手段であり、燃料ガス供給流路１２２に配置され、レギュレータ１２３により調圧された燃料ガスを燃料電池１１０のアノードに一定流量で供給することができる。インジェクタ１２４は、電磁駆動式開閉弁により燃料ガス供給源１２１から燃料電池１１０への燃料ガスの供給を制御している。
循環流路１２５はアノードから排出された燃料オフガスを燃料ガス供給流路１２２に循環するための配管であり、燃料オフガスを燃料ガス供給流路１２２に還流させる動力としてポンプ１２６を備えている。また、循環流路１２５は燃料オフガスの液体成分と気体成分とを分離可能な気液分離器１２７が配置されている。液体成分とは、主に燃料電池１１０の電気化学反応により生成した水であり、気体成分は燃料ガスである。分離された液体成分は排出され、気体成分は燃料ガス供給流路１２２に循環される。
気液分離器１２７の液体成分を排出する側には排気排水流路１２８が接続されており、排気排水流路１２８の開閉は排気排水弁１２９によって行われている。排気排水弁１２９は、制御手段１５０からの指令によって作動し、不純物を含む燃料オフガスと液体成分とを、排気排水流路１２８を介して外部に排出する。排気排水弁１２９の開弁により、循環流路１２５内の燃料オフガス中の不純物の濃度が下がり、循環される燃料オフガス中の燃料ガス濃度が上がる。排気排水流路１２８は後述する酸化剤オフガス排出流路１３３に接続されており、気体、液体は酸化剤オフガス排出流路１３３を介して排出される。
＜酸化剤ガス配管部１３０＞
酸化剤ガス配管部１３０は酸化剤ガスを燃料電池１１０のカソードに供給するためのものである。酸化剤ガス配管部１３０は、カソードに酸化剤ガスを流すための配管である酸化剤ガス供給流路１３１と、酸化剤ガス供給流路１３１に配置されるエアコンプレッサ１３２と、カソードから排出された酸化剤オフガスを排出するための配管である酸化剤オフガス排出流路１３３と、を備えている。また、酸化剤ガス配管部１３０はその他に一般的に酸化剤ガス配管部に備えられる部材を備えていてもよい。
酸化剤ガス配管部１３０は酸化剤ガスを燃料電池１１０のカソードに供給するためのものである。酸化剤ガス配管部１３０は、カソードに酸化剤ガスを流すための配管である酸化剤ガス供給流路１３１と、酸化剤ガス供給流路１３１に配置されるエアコンプレッサ１３２と、カソードから排出された酸化剤オフガスを排出するための配管である酸化剤オフガス排出流路１３３と、を備えている。また、酸化剤ガス配管部１３０はその他に一般的に酸化剤ガス配管部に備えられる部材を備えていてもよい。
酸化剤ガス供給流路１３１は、酸化剤ガスが例えば空気である場合、外気から取り込んだ空気をカソードに流すための配管である。エアコンプレッサ１３２は酸化剤ガス供給手段であり、酸化剤ガス供給流路１３１に配置され、カソードに酸化剤ガスを供給することができる。酸化剤オフガス排出流路１３３は、カソードから排出された酸化剤オフガスを排出するための配管である。酸化剤オフガス排出流路１３３には排気排水流路１２８が接続されており、燃料オフガス及び酸化剤オフガスが酸化剤オフガス排出流路１３３を通り、外部に排出される。
＜冷却水配管部１４０＞
冷却水配管部１４０は、冷却水を介して燃料電池１１０を冷却するためのものである。冷却水配管部１４０は、燃料電池１１０の冷却水の入口と出口とを接続し、冷却水を循環させるための配管である冷却水流路１４１と、ラジエータ１４２と、冷却水供給手段１４３とを備えている。また、冷却水配管部１４０はその他に一般的に冷却水配管部に備えられる部材を備えていてもよい。
冷却水配管部１４０は、冷却水を介して燃料電池１１０を冷却するためのものである。冷却水配管部１４０は、燃料電池１１０の冷却水の入口と出口とを接続し、冷却水を循環させるための配管である冷却水流路１４１と、ラジエータ１４２と、冷却水供給手段１４３とを備えている。また、冷却水配管部１４０はその他に一般的に冷却水配管部に備えられる部材を備えていてもよい。
冷却水流路１４１は、燃料電池１１０の冷却水の入口と出口とを接続し、冷却水を循環させるための配管である。ラジエータ１４２は、冷却水流路４１を流れる冷却水と外気との間で熱交換を行い、冷却水を冷却するものである。冷却水供給手段１４３は、冷却水流路１４１を循環する冷却水の動力である。
＜制御手段１５０＞
制御手段１５０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、及び入出力インタフェース等を備えるコンピュータシステムであり、燃料電池システム１００の各部を制御するものである。
制御手段１５０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、及び入出力インタフェース等を備えるコンピュータシステムであり、燃料電池システム１００の各部を制御するものである。
以上、本開示の燃料電池システムについて、一実施形態である燃料電池システム１００を用いて説明した。本開示の燃料電池システムによれば、本開示の燃料電池を含むことにより、別途システム中に鉄系異物を排除するための設備を設けることなく、簡易な構造で鉄系異物による電解質膜の劣化を抑制することができる。
以下、実施例に基づいて本開示についてさらに説明する。
［評価用電池の作製］
＜実施例＞
硝酸セリウム溶液をＡｎ触媒インクに添加し、Ａｎ触媒インクをテフロン（登録商標）シートに塗布した。その後、電解質膜にテフロン（登録商標）シートを圧着し、Ａｎ触媒層を電解質膜に転写した。Ａｎ触媒層の配置量は６μｇ／ｃｍ２であった。これを電解質膜の両面に行った。そして、電解質膜の両面にそれぞれガス拡散層を配置した。この際、粒子径２００μｍの鉄異物の粉末を触媒層上に配置した。得られたＭＥＧＡを所定のケースに入れ実施例に係る燃料電池を作製した。
＜実施例＞
硝酸セリウム溶液をＡｎ触媒インクに添加し、Ａｎ触媒インクをテフロン（登録商標）シートに塗布した。その後、電解質膜にテフロン（登録商標）シートを圧着し、Ａｎ触媒層を電解質膜に転写した。Ａｎ触媒層の配置量は６μｇ／ｃｍ２であった。これを電解質膜の両面に行った。そして、電解質膜の両面にそれぞれガス拡散層を配置した。この際、粒子径２００μｍの鉄異物の粉末を触媒層上に配置した。得られたＭＥＧＡを所定のケースに入れ実施例に係る燃料電池を作製した。
＜比較例＞
硝酸セリウム溶液をＡｎ触媒インクに添加しないこと以外は、実施例と同様の方法で比較例に係る燃料電池を作製した。
硝酸セリウム溶液をＡｎ触媒インクに添加しないこと以外は、実施例と同様の方法で比較例に係る燃料電池を作製した。
［評価］
作製した燃料電池に対し、慣らし運転及び３００時間の耐久試験を実施した。試験後の鉄異物の粒子径及び鉄異物直下の電解質膜のＦｅ濃度を測定した。結果を表１に示した。
作製した燃料電池に対し、慣らし運転及び３００時間の耐久試験を実施した。試験後の鉄異物の粒子径及び鉄異物直下の電解質膜のＦｅ濃度を測定した。結果を表１に示した。
ここで、慣らし運転とは、高電流密度となる条件で燃料電池の運転を行い、生成水を十分に生成させ、ＭＥＧＡ内を適切な環境に整わせるものである。耐久試験とは、低電流密度となる条件で燃料電池の運転を長時間継続して行うものである。耐久試験では、生成水の生成が十分でなく、ＭＥＧＡ内が比較的乾燥した環境となる。
鉄異物の粒子径は、透過Ｘ線を用いて測定した。鉄異物直下の電解質膜のＦｅ濃度は、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）を用いて測定した。
表１より、実施例の鉄異物の粒子径は、比較例に比べて、顕著に小さくなっていることが確認された。また、実施例のＦｅ濃度も、比較例に比べて、顕著に低くなっていることが確認できた。これらの結果から、ＭＥＧＡ内に硝酸塩化合物を配置することにより、鉄系異物を溶解し、燃料電池の外に排出することができると考えられる。従って、本開示の燃料電池によれば、電解質膜の局所的な劣化を抑制することができると考えられる。
１ 燃料電池
１０ ＭＥＧＡ
１１ 電解質膜
１２ａ アノード触媒層
１２ｂ カソード触媒層
１３ａ アノードガス拡散層
１３ｂ カソードガス拡散層
２０ 硝酸塩化合物
３０ａ アノードセパレータ
３０ｂ カソードセパレータ
３１ａ 燃料ガス流路
３１ｂ 酸化剤ガス流路
１００ 燃料電池システム
１１０ 燃料電池
１２０ 燃料ガス配管部
１２１ 燃料ガス供給源
１２２ 燃料ガス供給流路
１２３ レギュレータ
１２４ インジェクタ
１２５ 循環流路
１２６ ポンプ
１２７ 気液分離器
１２８ 排気排水流路
１２９ 排気排水弁
１３０ 酸化剤ガス配管部
１３１ 酸化剤ガス供給流路
１３２ エアコンプレッサ
１３３ 酸化剤オフガス排出流路
１４０ 冷却水配管部
１４１ 冷却水流路
１４２ ラジエータ
１４３ 冷却水供給手段
１５０ 制御手段
１０ ＭＥＧＡ
１１ 電解質膜
１２ａ アノード触媒層
１２ｂ カソード触媒層
１３ａ アノードガス拡散層
１３ｂ カソードガス拡散層
２０ 硝酸塩化合物
３０ａ アノードセパレータ
３０ｂ カソードセパレータ
３１ａ 燃料ガス流路
３１ｂ 酸化剤ガス流路
１００ 燃料電池システム
１１０ 燃料電池
１２０ 燃料ガス配管部
１２１ 燃料ガス供給源
１２２ 燃料ガス供給流路
１２３ レギュレータ
１２４ インジェクタ
１２５ 循環流路
１２６ ポンプ
１２７ 気液分離器
１２８ 排気排水流路
１２９ 排気排水弁
１３０ 酸化剤ガス配管部
１３１ 酸化剤ガス供給流路
１３２ エアコンプレッサ
１３３ 酸化剤オフガス排出流路
１４０ 冷却水配管部
１４１ 冷却水流路
１４２ ラジエータ
１４３ 冷却水供給手段
１５０ 制御手段
Claims (4)
- ＭＥＧＡと硝酸塩化合物とを備え、
前記ＭＥＧＡは、電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に配置されるアノード触媒層と、前記電解質膜の他方の面に配置されるカソード触媒層と、前記アノード触媒層の前記電解質膜側の面とは反対側の面に配置されるアノードガス拡散層と、前記カソード触媒層の前記電解質膜側の面とは反対側の面に配置されるカソードガス拡散層と、を有し、
前記硝酸塩化合物は前記アノード触媒層、前記カソード触媒層、前記アノード触媒層と前記アノードガス拡散層との間、及び前記カソード触媒層と前記カソードガス拡散層との間から選ばれる少なくとも１つの位置に配置されており、
前記硝酸塩化合物はＣｅイオン、Ａｇイオン、Ｃｏイオンのうち少なくとも１種のカチオンを含み、
前記硝酸塩化合物の配置量が２μｇ／ｃｍ ２ 以上２４μｇ／ｃｍ ２ 以下である、
燃料電池。 - 前記硝酸塩化合物の配置量が６μｇ／ｃｍ ２ 以上１２μｇ／ｃｍ ２ 以下である、請求項１に記載の燃料電池。
- 鉄系異物を含む、請求項１又は２に記載の燃料電池。
- 請求項１～３のいずれか１項に記載の燃料電池と、
前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、を備える、
燃料電池システム。
Priority Applications (4)
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|---|---|---|---|
| JP2020201239A JP7380537B2 (ja) | 2020-12-03 | 2020-12-03 | 燃料電池及び燃料電池システム |
| DE102021123592.8A DE102021123592A1 (de) | 2020-12-03 | 2021-09-13 | Brennstoffzelle und brennstoffzellensystem |
| US17/522,041 US20220181662A1 (en) | 2020-12-03 | 2021-11-09 | Fuel cell and fuel cell system |
| CN202111338105.4A CN114614057B (zh) | 2020-12-03 | 2021-11-12 | 燃料电池及燃料电池系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2020201239A JP7380537B2 (ja) | 2020-12-03 | 2020-12-03 | 燃料電池及び燃料電池システム |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
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