JP2007258024A - Fuel cell system - Google Patents

Fuel cell system Download PDF

Info

Publication number
JP2007258024A
JP2007258024A JP2006081705A JP2006081705A JP2007258024A JP 2007258024 A JP2007258024 A JP 2007258024A JP 2006081705 A JP2006081705 A JP 2006081705A JP 2006081705 A JP2006081705 A JP 2006081705A JP 2007258024 A JP2007258024 A JP 2007258024A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
fuel cell
polymer electrolyte
electrolyte membrane
gas supply
fuel
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2006081705A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Akihiko Koiwai
明彦 小岩井
Masaya Kawakado
昌弥 川角
Atsushi Kamiya
厚志 神谷
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Central R&D Labs Inc
Original Assignee
Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toyota Central R&D Labs Inc filed Critical Toyota Central R&D Labs Inc
Priority to JP2006081705A priority Critical patent/JP2007258024A/en
Publication of JP2007258024A publication Critical patent/JP2007258024A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Landscapes

  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system capable of self-starting even when a fuel cell is exposed to freezing point atmosphere during the stop of operation, and having no risk of breaking of an MEA caused by freezing. <P>SOLUTION: The fuel cell system includes a polymer electrolyte fuel cell having a solid polymer electrolyte membrane; a fuel gas supply exhaust means for supplying/exhausting fuel gas to/from a fuel electrode of the polymer electrolyte fuel cell; an oxidant gas supply/exhaust means for supplying/exhausting oxidant gas to/from an air electrode of the polymer electrolyte fuel cell; and a drying means for drying the polymer electrolyte membrane, installed in the oxidant gas supply exhaust means and/or the fuel gas supply exhaust means, and the drying means removes a part of moisture contained in the solid polymer electrolyte membrane after the stop of power generation so that the water content of the solid polymer electrolyte membrane becomes W<SB>60</SB>or more and W<SB>RH'(Tmin)</SB>×1.1 or less when the minimum temperature (Tmin) reaches freezing point after the stop of power generation of the polymer electrolyte fuel cell. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、さらに詳しくは、燃料電池の停止後に電解質膜に含まれる水の凍結を防止する手段を備えた燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly to a fuel cell system including means for preventing freezing of water contained in an electrolyte membrane after the fuel cell is stopped.

固体高分子型燃料電池は、固体高分子電解質膜の両面に電極が接合された膜電極接合体(MEA)を基本単位とする。また、固体高分子型燃料電池において、電極は、一般に、拡散層と触媒層の二層構造をとる。拡散層は、触媒層に反応ガス及び電子を供給するためのものであり、カーボンペーパー、カーボンクロス等が用いられる。また、触媒層は、電極反応の反応場となる部分であり、一般に、白金等の電極触媒を担持したカーボンと固体高分子電解質(触媒層内電解質)との複合体からなる。   A solid polymer fuel cell has a membrane electrode assembly (MEA) in which electrodes are bonded to both surfaces of a solid polymer electrolyte membrane as a basic unit. In the polymer electrolyte fuel cell, the electrode generally has a two-layer structure of a diffusion layer and a catalyst layer. The diffusion layer is for supplying reaction gas and electrons to the catalyst layer, and carbon paper, carbon cloth, or the like is used. The catalyst layer is a part that becomes a reaction field for electrode reaction, and generally comprises a composite of carbon carrying an electrode catalyst such as platinum and a solid polymer electrolyte (electrolyte in the catalyst layer).

このようなMEAを構成する電解質膜あるいは触媒層内電解質には、耐酸化性に優れた炭化フッ素系電解質(例えば、ナフィオン(登録商標、デュポン社製)、アシプレックス(登録商標、旭化成(株)製)、フレミオン(登録商標、旭硝子(株)製)等。)を用いるのが一般的である。また、炭化フッ素系電解質は、耐酸化性に優れるが、一般に極めて高価である。そのため、固体高分子型燃料電池の低コスト化を図るために、炭化水素系電解質の使用も検討されている。   For the electrolyte membrane or the catalyst layer electrolyte that constitutes such an MEA, a fluorine-containing electrolyte having excellent oxidation resistance (for example, Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont)), Aciplex (registered trademark, Asahi Kasei Co., Ltd.) And Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.)) are generally used. In addition, the fluorine-containing electrolyte is excellent in oxidation resistance, but is generally very expensive. Therefore, in order to reduce the cost of the polymer electrolyte fuel cell, the use of a hydrocarbon-based electrolyte has been studied.

しかしながら、固体高分子型燃料電池を車載用動力源等として実用化するためには、解決すべき課題が残されている。例えば、固体高分子型燃料電池は、運転停止後に氷点下の環境下に放置されても、自立起動できることが望まれている。しかしながら、運転停止後に氷点下に放置されると、電極内の水が凍結する。その結果、ガスの拡散が阻害され、燃料電池を起動させるのが困難となる。また、電解質膜と電極の界面で水の凍結が起こると、電極が電解質膜から剥離するおそれがある。   However, there are still problems to be solved in order to put the polymer electrolyte fuel cell into practical use as an in-vehicle power source. For example, a polymer electrolyte fuel cell is desired to be able to start up independently even if it is left in an environment below freezing after the operation is stopped. However, if it is left below the freezing point after the operation is stopped, the water in the electrode freezes. As a result, gas diffusion is hindered, making it difficult to start the fuel cell. In addition, when water freezes at the interface between the electrolyte membrane and the electrode, the electrode may be separated from the electrolyte membrane.

そこでこの問題を解決するために、従来から種々の提案がなされている。
例えば、特許文献1には、運転を停止させる前に、まず空気の加湿を停止し、その後、カソード電極に無加湿の空気を所定時間供給した後に、燃料電池発電装置の運転を停止する固体高分子型燃料電池発電装置の運転方法が開示されている。同文献には、燃料電池の停止前に無加湿運転を行うと、電解質膜を乾燥させることができるので、寒冷時に電極内部で凍結することによる構造破壊を防止できる点が記載されている。
In order to solve this problem, various proposals have heretofore been made.
For example, in Patent Document 1, before stopping the operation, the humidification of air is first stopped, and then the non-humidified air is supplied to the cathode electrode for a predetermined time, and then the operation of the fuel cell power generator is stopped. A method of operating a molecular fuel cell power generator is disclosed. This document describes that the electrolyte membrane can be dried by performing a non-humidifying operation before stopping the fuel cell, so that structural breakdown due to freezing inside the electrode during cold can be prevented.

また、特許文献2には、装置外部の気温が氷点以下になったときに燃料電池を駆動させ、燃料電池内を循環する循環水を加温する燃料電池装置が開示されている。同文献には、装置外部の気温が氷点以下になったときに燃料電池を駆動させると、燃料電池から発生する熱により循環水が加温されるので、燃料電池内及び循環経路内の水の凍結を防止できる点が記載されている。   Patent Document 2 discloses a fuel cell device that drives a fuel cell when the temperature outside the device becomes below the freezing point and heats circulating water circulating in the fuel cell. In this document, when the fuel cell is driven when the temperature outside the apparatus is below the freezing point, the circulating water is heated by the heat generated from the fuel cell. It describes that freezing can be prevented.

特開2001−332281号公報JP 2001-332281 A 特開平11−214025号公報JP-A-11-214025

燃料電池を停止させる前に無加湿運転を行うと、電解質膜を乾燥させることができる。しかしながら、水分を除去しすぎると電解質膜のプロトン伝導度が著しく低下し、再起動が困難になる。また、装置外部の気温が氷点下になったときに燃料電池を駆動させる方法は、燃料ガスを浪費し、効率的ではない。さらに、燃料電池が氷点下に曝された場合であっても、自立起動が可能であり、かつ、凍結による電極の剥離等を抑制するために必要かつ十分な乾燥条件が示された例は、従来にはない。   If the humidification operation is performed before the fuel cell is stopped, the electrolyte membrane can be dried. However, if moisture is removed too much, the proton conductivity of the electrolyte membrane is significantly reduced, making it difficult to restart. Also, the method of driving the fuel cell when the temperature outside the apparatus becomes below freezing point is wasteful of fuel gas and is not efficient. Furthermore, even when the fuel cell is exposed to a temperature below freezing point, an example in which the self-sustained activation is possible and the necessary and sufficient drying conditions for suppressing electrode peeling due to freezing, etc. have been shown. Not.

本発明が解決しようとする課題は、燃料電池の停止中に燃料電池が氷点下に曝された場合であっても、自立起動が可能な燃料電池システムを提供することにある。
また、本発明が解決しようとする他の課題は、燃料電池の停止中に燃料電池が氷点下に曝された場合であっても、燃料電池内での水の凍結に起因するMEAが破損することのない燃料電池システムを提供することにある。
The problem to be solved by the present invention is to provide a fuel cell system that can start up independently even when the fuel cell is exposed to below freezing point while the fuel cell is stopped.
In addition, another problem to be solved by the present invention is that even when the fuel cell is exposed to below freezing point while the fuel cell is stopped, the MEA due to water freezing in the fuel cell is damaged. It is to provide a fuel cell system without the above.

上記課題を解決するために本発明に係る燃料電池システムは、固体高分子電解質膜を備えた固体高分子型燃料電池と、前記固体高分子型燃料電池の燃料極に燃料ガスを供給・排出するための燃料ガス供給排出手段と、前記固体高分子型燃料電池の空気極に酸化剤ガスを供給・排出するための酸化剤ガス供給排出手段と、前記酸化剤ガス供給排出手段及び/又は前記燃料ガス供給排出手段に設けられた前記固体高分子電解質膜を乾燥させるための乾燥手段とを備え、前記乾燥手段は、前記固体高分子型燃料電池の発電停止後に到達する最低温度(Tmin)が氷点下となる場合に、前記固体高分子電解質膜の含水量がW60以上WRH'(Tmin)×1.1以下となるように、発電停止後に前記固体高分子電解質膜に含まれる水の一部を除去するものからなる。
但し、
60=氷点下における氷共存下相対湿度RH’(=氷の飽和蒸気圧×100/過冷却水の飽和蒸気圧)が60%である場合において、前記固体高分子電解質膜が持ちうる最大含水量。
RH'(Tmin)=前記最低温度(Tmin)に対応する前記氷共存下相対湿度において、前記固体高分子電解質膜が持ちうる最大含水量。
In order to solve the above problems, a fuel cell system according to the present invention supplies a solid polymer fuel cell having a solid polymer electrolyte membrane, and supplies and discharges fuel gas to the fuel electrode of the solid polymer fuel cell. Fuel gas supply / discharge means, oxidant gas supply / discharge means for supplying / discharging oxidant gas to / from the air electrode of the polymer electrolyte fuel cell, oxidant gas supply / discharge means and / or fuel A drying means for drying the solid polymer electrolyte membrane provided in the gas supply / discharge means, wherein the drying means has a minimum temperature (Tmin) reached after freezing of the solid polymer fuel cell is below freezing point. A portion of the water contained in the solid polymer electrolyte membrane after power generation is stopped so that the water content of the solid polymer electrolyte membrane is W 60 or more and W RH ′ (Tmin) × 1.1 or less. It consists of something that removes.
However,
W 60 = maximum water content that the solid polymer electrolyte membrane can have when the relative humidity RH ′ (= saturated vapor pressure of ice × 100 / saturated vapor pressure of supercooled water) is 60% in the presence of ice below freezing point .
W RH ′ (Tmin) = maximum water content that the solid polymer electrolyte membrane can have in the relative humidity in the presence of ice corresponding to the minimum temperature (Tmin).

燃料電池の運転停止後に固体高分子電解質膜を乾燥させる場合において、固体高分子電解質膜の含水量がW60以上となるように乾燥させると、運転停止後に燃料電池が氷点下に曝された場合であっても、容易に自立起動させることができる。また、固体高分子電解質膜の含水量がWRH'(Tmin)×1.1以下となるように乾燥させると、運転停止後に燃料電池が氷点下に曝された場合であっても、凍結によるMEAの破損を防止することができる。 When the solid polymer electrolyte membrane is dried after the operation of the fuel cell is stopped, if the water content of the solid polymer electrolyte membrane is made to be W 60 or more, the fuel cell is exposed to a freezing point after the operation is stopped. Even if it exists, it can be started independently. In addition, when the solid polymer electrolyte membrane is dried so that the water content is W RH ′ (Tmin) × 1.1 or less, the MEA due to freezing is obtained even when the fuel cell is exposed to below freezing after the operation is stopped. Can be prevented from being damaged.

以下、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。
本発明に係る燃料電池システムは、固体高分子型燃料電池と、燃料ガス供給排出手段と、酸化剤ガス供給排出手段と、乾燥手段とを備えている。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail.
The fuel cell system according to the present invention includes a polymer electrolyte fuel cell, fuel gas supply / discharge means, oxidant gas supply / discharge means, and drying means.

固体高分子型燃料電池は、図示はしないが、固体高分子電解質膜の両面に電極(燃料極、空気極)が接合された膜電極接合体(MEA)と、MEAの両面を挟持するセパレータとを備えている。セパレータのMEA側表面には、燃料ガス又は酸化剤ガスを電極に供給するためのガス流路が設けられている。固体高分子型燃料電池は、一般に、このようなMEAとセパレータからなるユニットセルが複数個積層されたものからなる。   Although not shown, the polymer electrolyte fuel cell includes a membrane electrode assembly (MEA) in which electrodes (fuel electrode, air electrode) are bonded to both surfaces of a solid polymer electrolyte membrane, and a separator that sandwiches both surfaces of the MEA. It has. A gas flow path for supplying a fuel gas or an oxidant gas to the electrode is provided on the surface of the separator on the MEA side. A polymer electrolyte fuel cell is generally formed by stacking a plurality of unit cells composed of such MEAs and separators.

MEAを構成する固体高分子電解質膜には、ナフィオン(登録商標、デュポン社製)に代表されるパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマや、各種炭化水素系電解質が用いられる。電極は、一般に、固体高分子電解質膜の表面に接合された触媒層と、その外側に接合された拡散層の二層構造をとる。拡散層は、一般に、カーボンペーパ、カーボンクロス等からなり、触媒層は、一般に、白金等の電極触媒を担持したカーボンと固体高分子電解質(触媒層内電解質)との複合体からなる。触媒層内電解質は、一般に、固体高分子電解質膜と同一の材料が用いられるが、異なる材料を用いても良い。さらに、セパレータには、一般にカーボンが用いられるが、各種の金属材料の使用も検討されている。   For the polymer electrolyte membrane constituting the MEA, perfluorocarbon sulfonic acid polymer represented by Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont) and various hydrocarbon electrolytes are used. The electrode generally has a two-layer structure of a catalyst layer bonded to the surface of the solid polymer electrolyte membrane and a diffusion layer bonded to the outside thereof. The diffusion layer is generally composed of carbon paper, carbon cloth or the like, and the catalyst layer is generally composed of a composite of carbon carrying an electrode catalyst such as platinum and a solid polymer electrolyte (electrolyte in the catalyst layer). The catalyst layer electrolyte is generally made of the same material as the solid polymer electrolyte membrane, but a different material may be used. Furthermore, carbon is generally used for the separator, but the use of various metal materials is also being studied.

燃料ガス供給排出手段は、固体高分子型燃料電池の燃料極に燃料ガスを供給・排出するための手段である。燃料ガス供給装置(例えば、水素ボンベ、改質ガス発生装置など)から供給される燃料ガスは、吸気マニホールドを介して各MEAの燃料極に分配され、各燃料極から排出されるガスは、排気マニホールドを介して排出されるようになっている。
酸化剤ガス供給手段は、固体高分子型燃料電池の空気極に酸化剤ガスを供給・排出するための手段である。酸化剤ガス供給装置(例えば、酸素ボンベ、空気を供給するためのコンプレッサーなど)から供給される酸化剤ガスは、吸気マニホールドを介して各MEAの空気極に分配され、各空気極から排出されるガスは、排気マニホールドを介して排出されるようになっている。
The fuel gas supply / discharge means is means for supplying / discharging the fuel gas to / from the fuel electrode of the polymer electrolyte fuel cell. Fuel gas supplied from a fuel gas supply device (for example, a hydrogen cylinder, a reformed gas generator, etc.) is distributed to the fuel electrode of each MEA via an intake manifold, and the gas discharged from each fuel electrode is exhausted. It is discharged through the manifold.
The oxidant gas supply means is means for supplying and discharging the oxidant gas to the air electrode of the polymer electrolyte fuel cell. Oxidant gas supplied from an oxidant gas supply device (for example, an oxygen cylinder, a compressor for supplying air, etc.) is distributed to the air electrode of each MEA via the intake manifold, and is discharged from each air electrode. The gas is discharged through an exhaust manifold.

乾燥手段は、固体高分子電解質膜を乾燥させるための手段であって、固体高分子型燃料電池の発電停止後に到達する最低温度(Tmin)が氷点下となる場合に、固体高分子電解質膜の含水量がW60以上WRH'(Tmin)×1.1以下となるように、発電停止後に固体高分子電解質膜に含まれる水の一部を除去するものをいう。また、「発電停止後」とは、発電のための燃料ガスの供給を停止した後をいう。
乾燥手段は、酸化剤ガス供給排出手段及び燃料ガス供給排出手段のいずれか一方に設けられていても良く、あるいは、双方に設けられていても良い。固体高分子型燃料電池の空気極側においては、電極反応により水が発生し、燃料極側よりも湿潤状態にあるので、乾燥手段は、少なくとも空気極側、すなわち、酸化剤ガス供給排出手段のいずれかの部分に設けるのが好ましい。
The drying means is means for drying the solid polymer electrolyte membrane, and includes the solid polymer electrolyte membrane when the minimum temperature (Tmin) reached after the solid polymer fuel cell power generation is stopped is below freezing point. This means that part of the water contained in the solid polymer electrolyte membrane is removed after power generation is stopped so that the amount of water is not less than W 60 and not more than W RH ′ (Tmin) × 1.1. “After power generation is stopped” refers to after the supply of fuel gas for power generation is stopped.
The drying means may be provided in one of the oxidant gas supply / discharge means and the fuel gas supply / discharge means, or may be provided in both. On the air electrode side of the polymer electrolyte fuel cell, water is generated by the electrode reaction and is in a wet state than the fuel electrode side. Therefore, the drying means is at least the air electrode side, that is, the oxidizing gas supply / discharge means. It is preferable to provide in any part.

発電停止後に到達する最低温度(Tmin)が氷点下となるか否かは、燃料電池システムの操作者が経験により判断しても良く、あるいは、実測された現在の気象データや蓄積された過去の気象データに基づいて氷点下となるか否かを判断又は予測しても良い。いずれの場合においても、最低温度(Tmin)が氷点下となることが明らかである場合、あるいは、最低温度(Tmin)が氷点下となる確率が高い場合に、発電停止後に乾燥手段を作動させ、電解質膜に含まれる水の一部を除去する。   Whether or not the minimum temperature (Tmin) reached after power generation stops below the freezing point may be determined by the operator of the fuel cell system based on experience, or measured current weather data and accumulated past weather. Whether or not the temperature is below freezing point may be determined or predicted based on the data. In any case, when it is clear that the minimum temperature (Tmin) is below freezing, or when there is a high probability that the minimum temperature (Tmin) will be below freezing, the drying means is operated after power generation is stopped, and the electrolyte membrane Remove some of the water in the water.

また、乾燥手段を作動させる場合、電解質膜を完全に乾燥させるのではなく、含水量がW60以上WRH'(Tmin)×1.1以下となるように電解質膜を乾燥させる。乾燥終了時の電解質膜の含水量は、さらに好ましくは、WRH'(Tmin)×1.0以下である。
ここで、「W60」とは、氷点下における氷共存下相対湿度RH’が60%である場合において、固体高分子電解質膜が持ちうる最大含水量をいう。また、氷点下における「氷共存下相対湿度」とは、ある温度における過冷却水の飽和蒸気圧に対する氷の飽和蒸気圧の割合(=氷の飽和蒸気圧×100/過冷却水の飽和水蒸気圧)で定義される値をいい、氷が共存する環境下で平衡状態にあるときの相対湿度である。氷共存下相対湿度は、温度によって一義的に定まる。
また、「WRH'(Tmin)」とは、最低温度(Tmin)に対応する氷共存下相対湿度において、固体高分子電解質膜が持ちうる最大含水量をいう。
なお、氷点下における氷共存下相対湿度がx%であるときの電解質膜の含水量は、25℃、相対湿度x%である時の含水量にほぼ一致する。この点については、後述する。
Further, when the drying means is operated, the electrolyte membrane is not completely dried, but is dried so that the water content is W 60 or more and W RH ′ (Tmin) × 1.1 or less. The water content of the electrolyte membrane at the end of drying is more preferably WRH ′ (Tmin) × 1.0 or less.
Here, “W 60 ” refers to the maximum water content that the solid polymer electrolyte membrane can have when the relative humidity RH ′ under ice coexistence under freezing is 60%. The “relative humidity in the presence of ice” below freezing is the ratio of the saturated vapor pressure of ice to the saturated vapor pressure of supercooled water at a certain temperature (= saturated vapor pressure of ice × 100 / saturated water vapor pressure of supercooled water). The relative humidity when the ice is in an equilibrium state in an environment where ice coexists. The relative humidity in the presence of ice is uniquely determined by the temperature.
“W RH ′ (Tmin) ” refers to the maximum water content that the solid polymer electrolyte membrane can have in the relative humidity in the presence of ice corresponding to the minimum temperature (Tmin).
It should be noted that the water content of the electrolyte membrane when the relative humidity in the presence of ice below freezing point is x% is almost the same as the water content when the relative humidity is 25% and the relative humidity is x%. This point will be described later.

乾燥手段は、具体的には、以下のようなものがある。
乾燥手段の第1の具体例は、最低温度(Tmin)に対応する氷共存下相対湿度RH’より低い相対湿度を持つガス(以下、これを「乾燥ガス」という)を燃料ガス供給排出手段及び/又は酸化剤ガス供給排出手段に供給し、固体高分子型燃料電池を掃気する掃気手段である。
図1(a)に、掃気手段を備えた燃料電池システムの概念図を示す。なお、図1(a)においては、燃料極側及び空気極側の双方に掃気手段を備えたシステムが示されているが、これは単なる例示であり、燃料極側又は空気極側のいずれか一方にのみ掃気手段を設けても良い点、及び、少なくとも空気極側に掃気手段を設けるのが好ましい点は、上述した通りである。
Specifically, there are the following drying means.
The first specific example of the drying means includes a gas having a relative humidity lower than the relative humidity RH ′ corresponding to the minimum temperature (Tmin) (hereinafter referred to as “dry gas”) as fuel gas supply / discharge means and This is a scavenging means for supplying the oxidant gas supply / discharge means and scavenging the polymer electrolyte fuel cell.
FIG. 1A is a conceptual diagram of a fuel cell system provided with scavenging means. In FIG. 1 (a), a system including scavenging means on both the fuel electrode side and the air electrode side is shown, but this is merely an example, and either the fuel electrode side or the air electrode side is shown. As described above, the scavenging means may be provided only on one side and the scavenging means is preferably provided at least on the air electrode side.

乾燥ガスの相対湿度RHは、最低温度(Tmin)における氷共存下相対湿度RH’(x%)より低くなっていれば良い。一般に、乾燥ガスの相対湿度RHが低くなるほど、短時間で電解質膜の含水量を所定の値以下にすることができる。
乾燥ガスには、加湿を停止した空気を用いるのが好ましい。例えば、空気極側を掃気する場合、加湿を停止した空気をそのまま酸化剤ガス供給系統に導入し続けるのが好ましい。一方、燃料極側を掃気する場合には、燃料ガス供給系統に空気を導入するための手段(空気導入手段)を設け、燃料ガスの供給を停止した後、燃料ガス供給系統に加湿を停止した空気を導入するのが好ましい。
The relative humidity RH of the dry gas only needs to be lower than the relative humidity RH ′ (x%) in the presence of ice at the lowest temperature (Tmin). In general, the lower the relative humidity RH of the dry gas, the shorter the water content of the electrolyte membrane can be made to a predetermined value or less.
As the dry gas, it is preferable to use air in which humidification is stopped. For example, when scavenging the air electrode side, it is preferable to continue introducing the humidified air to the oxidant gas supply system as it is. On the other hand, when scavenging the fuel electrode side, means for introducing air into the fuel gas supply system (air introduction means) is provided, and after the fuel gas supply is stopped, humidification is stopped in the fuel gas supply system Air is preferably introduced.

なお、乾燥ガスは、空気に限られるものではなく、他のガス(例えば、N2ガス、CO2ガスなど)を用いても良い。この場合、燃料電池システムにこれらのガスを充填したボンベを設置し、運転停止後にボンベからガスを供給する。また、例えば、燃料極側を掃気する場合、乾燥ガスには、加湿を停止した燃料ガスを用いても良い。この場合、燃料ガスが反応に消費されないまま燃料電池外に排出されることになるので、排気された燃料ガスを処理する手段(例えば、燃焼手段)を排気系統に設けるのが好ましい。 The dry gas is not limited to air, and other gases (for example, N 2 gas, CO 2 gas, etc.) may be used. In this case, a cylinder filled with these gases is installed in the fuel cell system, and the gas is supplied from the cylinder after the operation is stopped. Further, for example, when scavenging the fuel electrode side, a fuel gas in which humidification is stopped may be used as the dry gas. In this case, since the fuel gas is discharged outside the fuel cell without being consumed in the reaction, it is preferable to provide a means (for example, a combustion means) for treating the exhausted fuel gas in the exhaust system.

掃気手段を作動させる時間(掃気時間)は、乾燥ガスの相対湿度、乾燥ガス流量、最低温度(Tmin)等に応じて、最適な時間を選択する。
例えば、燃料電池システムが限られた地域内でのみ使用される場合、最低温度(Tmin)は、使用地域によってほぼ一義的に定まる。このような場合には、掃気時間の制御は、予め定められた一定時間だけ行う「時間制御」で行っても良い。
一方、最低温度(Tmin)が予測困難である場合、掃気時間の制御は、電解質膜の乾燥の程度をモニタし、電解質膜の含水量がある一定の範囲になるまで掃気を行う「含水量制御」で行うのが好ましい。この場合、電解質膜の乾燥の程度は、電解質膜の膜抵抗、掃気後のガスの相対湿度などを測定することにより知ることができる。
As the time (scavenging time) for operating the scavenging means, an optimum time is selected according to the relative humidity of the drying gas, the drying gas flow rate, the minimum temperature (Tmin), and the like.
For example, when the fuel cell system is used only in a limited area, the minimum temperature (Tmin) is almost uniquely determined by the area of use. In such a case, the scavenging time may be controlled by “time control” that is performed only for a predetermined time.
On the other hand, when the minimum temperature (Tmin) is difficult to predict, the scavenging time is controlled by monitoring the degree of drying of the electrolyte membrane and performing scavenging until the moisture content of the electrolyte membrane is within a certain range. Is preferably performed. In this case, the degree of drying of the electrolyte membrane can be known by measuring the membrane resistance of the electrolyte membrane, the relative humidity of the gas after scavenging, and the like.

乾燥手段の第2の具体例は、燃料ガス供給排出手段及び/又は酸化剤ガス供給排出手段内に配置された水分吸収手段である。
図1(b)に、水分吸収手段を備えた燃料電池システムの概念図を示す。なお、図1(b)においては、空気極側にのみ水分吸収手段を備えたシステムが示されているが、これは単なる例示であり、燃料極側のみ又は燃料極側及び空気極側の双方に水分吸収手段を設けても良い点、及び、少なくとも空気極側に水分吸収手段を設けるのが好ましい点は、上述した通りである。
A second specific example of the drying means is a moisture absorption means disposed in the fuel gas supply / discharge means and / or the oxidant gas supply / discharge means.
FIG. 1 (b) shows a conceptual diagram of a fuel cell system provided with moisture absorption means. In FIG. 1 (b), a system provided with moisture absorbing means only on the air electrode side is shown, but this is merely an example, and only the fuel electrode side or both the fuel electrode side and the air electrode side are shown. As described above, the water absorbing means may be provided on the air electrode and the water absorbing means is preferably provided at least on the air electrode side.

図1(b)において、水分吸収手段は、酸化剤ガスの排気系統に設けられている。なお水分吸収手段は、吸気系統に設けても良い。また、水分吸収手段は、できるだけ電解質膜に近い位置に設けるのが好ましい。
水分吸収手段は、具体的には、水分吸収剤が充填された容器からなり、この容器が開閉バルブを介して排気系統に接続されている。開閉バルブは、通常運転時には水分吸収手段と排気系統とを遮断し(閉にし)、運転停止後に電解質膜を乾燥させるときには水分吸収手段と排気系統とを連通させる(開にする)ためものである。
In FIG.1 (b), the water | moisture-content absorption means is provided in the exhaust system of oxidant gas. The moisture absorbing means may be provided in the intake system. Further, it is preferable to provide the moisture absorbing means at a position as close to the electrolyte membrane as possible.
Specifically, the moisture absorbing means is composed of a container filled with a moisture absorbent, and this container is connected to the exhaust system via an on-off valve. The opening / closing valve shuts off (closes) the moisture absorbing means and the exhaust system during normal operation, and allows the moisture absorbing means and the exhaust system to communicate (open) when the electrolyte membrane is dried after the operation is stopped. .

開閉バルブを開にする場合、酸化剤ガス供給排出系統は、入口及び出口の双方を開放した開放系としても良く、あるいは、入口及び出口の双方を閉じた密閉系としても良い。開放系にする場合において、排気系統に水分吸収手段を設けるときには、酸化剤ガス供給手段を用いて、空気を掃気しても良い。空気極側に空気を掃気すると、電解質膜内の水分を水分吸収手段に効率よく運ぶことができる。また、密閉系にする場合、空気極側に空気を循環させる循環手段を設け、密閉された酸化剤ガス供給排出系統内において、空気を循環させても良い。空気極側の空気を循環させると、電解質膜内の水分を水分吸収手段に効率よく運ぶことができる。   When the on-off valve is opened, the oxidant gas supply / discharge system may be an open system in which both the inlet and the outlet are open, or a closed system in which both the inlet and the outlet are closed. In the case of an open system, when the moisture absorption means is provided in the exhaust system, the oxidant gas supply means may be used to scavenge the air. When the air is scavenged to the air electrode side, the water in the electrolyte membrane can be efficiently conveyed to the water absorption means. In the case of a closed system, circulation means for circulating air may be provided on the air electrode side, and the air may be circulated in the sealed oxidant gas supply / discharge system. When the air on the air electrode side is circulated, the moisture in the electrolyte membrane can be efficiently carried to the moisture absorbing means.

水分吸収剤としては、具体的には、
(1) ゼオライト(モレキュラーシーブ)、シリカ等の無機系吸着剤、
(2) 塩化リチウム、塩化ナトリウム等の塩類、又はその水溶液、
などがある。
容器内への水分吸収剤の充填量は、特に限定されるものではなく、目的に応じて任意に選択することができる。水分吸収剤の充填量は、電解質膜を所定の含水量にするために必要な最低の量(以下、単に「最低量」という)以上であればよい。
水分吸収手段を作動させる時間(吸収時間)は、密閉系か否か、空気の掃気又は循環の有無、電解質膜と水分吸収手段の距離、水分吸収剤の材質等に応じて、最適な時間を選択する。一般に、吸収時間が長くなるほど、電解質膜の含水量を少なくすることができる。
吸収時間の制御は、第1の具体例と同様に、「時間制御」で行っても良く、あるいは、「含水量制御」で行っても良い。なお、水分吸収剤の充填量が最低量である場合、吸収時間の制御は不要である。
Specifically, as a moisture absorbent,
(1) Inorganic adsorbents such as zeolite (molecular sieve) and silica,
(2) Salts such as lithium chloride and sodium chloride, or aqueous solutions thereof
and so on.
The filling amount of the moisture absorbent in the container is not particularly limited, and can be arbitrarily selected according to the purpose. The filling amount of the moisture absorbent may be equal to or more than the minimum amount (hereinafter, simply referred to as “minimum amount”) necessary for making the electrolyte membrane have a predetermined moisture content.
The time (absorption time) for operating the moisture absorbing means is the optimum time depending on whether it is a closed system, whether air is scavenged or circulated, the distance between the electrolyte membrane and the moisture absorbing means, the material of the moisture absorbent, etc. select. In general, the longer the absorption time, the lower the water content of the electrolyte membrane.
The control of the absorption time may be performed by “time control” as in the first specific example, or may be performed by “water content control”. In addition, when the filling amount of the moisture absorbent is the minimum amount, the control of the absorption time is unnecessary.

水分吸収剤の充填量が最低量であるとき、又は、水分吸収剤の充填量が最低量より多い場合において、水分吸収剤による水の吸収が限界に達したときには、水分吸収剤の再生処理又は水分吸収剤の交換を行う。再生処理は、具体的には、水分を加熱脱離させることにより行う。なお、上述の点は、燃料極側に水分吸収手段を設ける場合も同様である。   When the filling amount of the moisture absorbent is the minimum amount, or when the filling amount of the moisture absorbent is larger than the minimum amount, when the absorption of water by the moisture absorbent reaches a limit, the regeneration treatment of the moisture absorbent or Replace the moisture absorbent. Specifically, the regeneration treatment is performed by heat desorption of moisture. The above point is the same when the moisture absorbing means is provided on the fuel electrode side.

乾燥手段の第3の具体例は、燃料ガス供給排出手段及び/又は酸化剤ガス供給手段の低温部に配置された水凝縮手段である。
図1(c)に、水凝縮手段を備えた燃料電池システムの概念図を示す。なお、図1(c)においては、空気極側にのみ水凝縮手段を備えたシステムが示されているが、これは単なる例示であり、燃料極側のみ又は燃料極側及び空気極側の双方に水凝縮手段を設けても良い点、並びに、少なくとも空気極側に水凝縮手段を設けるのが好ましい点は、上述した通りである。
A third specific example of the drying means is a water condensing means arranged in a low temperature part of the fuel gas supply / discharge means and / or the oxidant gas supply means.
FIG. 1 (c) shows a conceptual diagram of a fuel cell system provided with water condensing means. In FIG. 1 (c), a system provided with water condensing means only on the air electrode side is shown, but this is merely an example, and only the fuel electrode side or both the fuel electrode side and the air electrode side are shown. As described above, the water condensing means may be provided on the air electrode and the water condensing means is preferably provided at least on the air electrode side.

図1(c)において、水凝縮手段は、酸化剤ガスの排気系統の低温部に設けられている。なお、水凝縮手段は、吸気系統の低温部に設けても良い。また、水凝縮手段は、できるだけ電解質膜に近い位置に設けるのが好ましい。
「低温部」とは、運転停止後において、燃料電池の温度(Tcell)よりも低い温度(Ttrap)となる部分をいう。一般に、燃料電池は、発電中に発熱するので、吸気マニホールドの上流側又は排気マニホールドより下流側であれば、いずれも低温部となりうる。
水凝縮手段は、具体的には、水を凝縮するための容器からなり、この容器が開閉バルブを介して排気系統に接続されている。容器の周囲は、水の凝縮を促進するための冷却手段が設けられていても良い。開閉バルブは、通常運転時には水凝縮手段と排気系統とを遮断し(閉にし)、運転停止後に電解質膜を乾燥させるときには水凝縮手段と排気系統とを連通させる(開にする)ためものである。
In FIG.1 (c), the water condensing means is provided in the low temperature part of the exhaust system of oxidizing gas. The water condensing means may be provided in the low temperature part of the intake system. The water condensing means is preferably provided as close to the electrolyte membrane as possible.
The “low temperature part” refers to a part that becomes a temperature (T trap ) lower than the temperature (T cell ) of the fuel cell after the operation is stopped. In general, since a fuel cell generates heat during power generation, any fuel cell can be a low temperature part as long as it is upstream of the intake manifold or downstream of the exhaust manifold.
Specifically, the water condensing means is composed of a container for condensing water, and this container is connected to the exhaust system via an on-off valve. A cooling means for promoting condensation of water may be provided around the container. The on-off valve shuts off (closes) the water condensing means and the exhaust system during normal operation, and communicates (opens) the water condensing means with the exhaust system when the electrolyte membrane is dried after the operation is stopped. .

開閉バルブを開にする場合、酸化剤ガス供給排出系統は、入口及び出口の双方を開放した開放系としても良く、あるいは、入口及び出口の双方を閉じた密閉系としても良い。開放系にする場合において、排気系統に水凝縮手段を設けるときには、酸化剤ガス供給手段を用いて、空気を掃気しても良い。空気極側に空気を掃気すると、電解質膜内の水分を水凝縮手段に効率よく運ぶことができる。また、密閉系にする場合、空気極側に空気を循環させる循環手段を設け、密閉された酸化剤ガス供給排出系統内において、空気を循環させても良い。空気極側の空気を循環させると、電解質膜内の水分を水凝縮手段に効率よく運ぶことができる。   When the on-off valve is opened, the oxidant gas supply / discharge system may be an open system in which both the inlet and the outlet are opened, or a closed system in which both the inlet and the outlet are closed. In the case of an open system, when the water condensing means is provided in the exhaust system, the oxidant gas supply means may be used to scavenge the air. When air is scavenged to the air electrode side, moisture in the electrolyte membrane can be efficiently conveyed to the water condensing means. In the case of a closed system, circulation means for circulating air may be provided on the air electrode side, and the air may be circulated in the sealed oxidant gas supply / discharge system. When the air on the air electrode side is circulated, moisture in the electrolyte membrane can be efficiently conveyed to the water condensing means.

水凝縮手段を作動させる時間(凝縮時間)は、密閉系か否か、空気の掃気又は循環の有無、電解質膜と水凝縮手段の距離等に応じて、最適な時間を選択する。一般に、凝縮時間が長くなるほど、電解質膜の含水量を少なくすることができる。
凝縮時間の制御は、第1の具体例と同様に、「時間制御」で行っても良く、あるいは、「含水量制御」で行っても良い。なお、系を密閉系にする場合、燃料電池内の相対湿度は、自然に氷と平衡する相対湿度になるので、凝縮時間の制御は不要である。
The time for condensing the water condensing means (condensation time) is selected in accordance with whether or not the system is a closed system, whether air is scavenged or circulated, the distance between the electrolyte membrane and the water condensing means, and the like. In general, the longer the condensation time, the lower the water content of the electrolyte membrane.
The control of the condensation time may be performed by “time control” or may be performed by “water content control” similarly to the first specific example. Note that when the system is a closed system, the relative humidity in the fuel cell is a relative humidity that naturally balances with ice, so it is not necessary to control the condensation time.

水凝縮手段による水の凝縮が限界に達したときは、図示しないドレンバルブを開いて、容器内に溜まった水を排出する。あるいは、水凝縮手段に回収された水を、燃料ガス及び/又は酸化剤ガスの加湿系統に戻しても良い。
なお、上述の点は、燃料極側に水凝縮手段を設ける場合も同様である。
また、上述した掃気手段、水分吸収手段、及び水凝縮手段は、それぞれ単独で用いても良く、あるいは、複数手段を組み合わせて用いても良い。
When the water condensation by the water condensing means reaches the limit, a drain valve (not shown) is opened to discharge the water accumulated in the container. Or you may return the water collect | recovered by the water condensing means to the humidification system of fuel gas and / or oxidant gas.
The above point is the same when the water condensing means is provided on the fuel electrode side.
The scavenging means, moisture absorption means, and water condensing means described above may be used alone or in combination with a plurality of means.

次に、本発明に係る燃料電池システムの作用について説明する。
燃料電池の運転を停止した後、燃料電池の温度が氷点下となることが予測される場合、上述した乾燥手段を作動させ、電解質膜を乾燥させる。例えば、乾燥手段が掃気手段である場合、空気極及び/又は燃料極に乾燥空気を送る。また、例えば、乾燥手段が水分吸収手段である場合、運転停止後に開閉バルブを開け、必要に応じて空気を掃気又は循環させながら、水分吸着剤に水分を吸着させる。同様に、乾燥手段が水凝縮手段である場合、運転停止後に開閉バルブを開け、必要に応じて空気を掃気又は循環させながら、容器(トラップ)内で水を凝縮させる。一定時間が経過し、電解質膜の含水量がある一定の範囲になったところで、乾燥手段を停止させる。
Next, the operation of the fuel cell system according to the present invention will be described.
After the operation of the fuel cell is stopped, when the temperature of the fuel cell is predicted to be below freezing point, the above-described drying means is operated to dry the electrolyte membrane. For example, when the drying means is a scavenging means, dry air is sent to the air electrode and / or the fuel electrode. For example, when the drying means is a moisture absorption means, the opening / closing valve is opened after the operation is stopped, and moisture is adsorbed to the moisture adsorbent while scavenging or circulating air as necessary. Similarly, when the drying unit is a water condensing unit, the open / close valve is opened after the operation is stopped, and water is condensed in a container (trap) while scavenging or circulating air as necessary. When a certain time has elapsed and the water content of the electrolyte membrane has reached a certain range, the drying means is stopped.

燃料電池が運転停止後、そのまま氷点下におかれた場合、その中のバルク状の水分が凍結する。JIS Z8806に示されているように、氷点下においては、氷の飽和水蒸気圧は、過冷却水の飽和水蒸気圧よりも低い。そのため、図2に示すように、温度の低下に伴い、氷点下における氷共存下相対湿度RH’は低下する。なお、過冷却水の飽和蒸気圧は、「氷共存下相対湿度(氷が共存する環境下で平衡状態にある時の相対湿度)」を定義するために導入された概念であり、燃料電池内に実際に過冷却水が存在することを意味するものではない。
一方、電解質膜の含水量は、相対湿度RHの低下とともに低下する。図3に、全フッ素系電解質膜の25℃における相対湿度RHと含水量との関係を示す。なお、図3の縦軸は、25℃、相対湿度100%の時の含水量を1として規格化した値である。図3より、相対湿度RHが低下するほど、含水量が低下することがわかる。
If the fuel cell is left below freezing after it is shut down, the bulk water in it will freeze. As shown in JIS Z8806, below the freezing point, the saturated water vapor pressure of ice is lower than the saturated water vapor pressure of supercooled water. Therefore, as shown in FIG. 2, the relative humidity RH ′ under the coexistence of ice below the freezing point decreases as the temperature decreases. The saturated vapor pressure of supercooled water is a concept introduced to define “relative humidity in the presence of ice (relative humidity when in an equilibrium state in an environment where ice coexists)”. This does not mean that there is actually supercooled water.
On the other hand, the water content of the electrolyte membrane decreases as the relative humidity RH decreases. FIG. 3 shows the relationship between the relative humidity RH at 25 ° C. and the water content of the perfluorinated electrolyte membrane. In addition, the vertical axis | shaft of FIG. 3 is the value normalized by setting the water content at 25 degreeC and relative humidity 100% as 1. In FIG. FIG. 3 shows that the water content decreases as the relative humidity RH decreases.

25℃、相対湿度x%における含水量は、氷点下における「氷共存下相対湿度RH’」がx%である時の最大含水量と相関がある。すなわち、上述したW60は、25℃、相対湿度60%における含水量にほぼ一致する。また、最低温度(Tmin)に対応する氷共存下相対湿度RH’がy%である場合において、WRH'(Tmin)は、25℃、相対湿度y%における含水量にほぼ一致する。
例えば、図2に示すように、−50℃における「氷共存下相対湿度RH’」は、61%である。一方、図3に示すように、25℃、相対湿度61%(−50℃における氷共存下相対湿度に対応する)における規格化された含水量W'61は、約0.43である。
The water content at 25 ° C. and the relative humidity x% correlates with the maximum water content when the “relative humidity RH ′ in the presence of ice” below the freezing point is x%. That is, the above-mentioned W 60 substantially matches the water content at 25 ° C. and relative humidity 60%. Further, when the relative humidity RH ′ in the presence of ice corresponding to the minimum temperature (Tmin) is y%, W RH ′ (Tmin) substantially matches the water content at 25 ° C. and the relative humidity y%.
For example, as shown in FIG. 2, the “relative humidity RH ′ in the presence of ice” at −50 ° C. is 61%. On the other hand, as shown in FIG. 3, the normalized water content W ′ 61 at 25 ° C. and relative humidity 61% (corresponding to the relative humidity in the presence of ice at −50 ° C.) is about 0.43.

図4に、各種電解質膜について測定された25℃におけるW'61と、−50℃におけるW'NMRとの関係を示す。25℃におけるW'61は、吸着等温線から求めた。また、−50℃におけるW'NMRは、1H−核磁気共鳴(NMR)法を用いて測定した。W'NMRは、−50℃における規格化された含水量、すなわち、−50℃の電解質膜内に含まれる運動性が高い水の量(相対値)を表す。
W'NMRの測定方法は、以下の通りである。すなわち、まず、外径5mmのNMR試料管内に電解質膜を入れ、その中を25℃にて相対湿度100%の状態で平衡となるように調整した。試料管の上端をガスバーナーにて封じた後、25℃におけるNMRスペクトルを測定した。次に、試料管の温度を−50℃まで低下させ、一晩放置した後に、再度、NMRスペクトルを測定した。両スペクトルの積分強度を算出し、25℃の値を1としたときの−50℃におけるスペクトル相対強度(W'NMR)を得た。
具体的には、NMR測定感度は絶対温度に逆比例して高くなることが知られていることから、25℃、−50℃の時のスペクトル強度をそれぞれI(25℃)、I(-50℃)としたとき、W'NMR=I(-50℃)×(-50+273.15)/{I(25℃)×(25+273.15)}より算出した。
図4より、−50℃におけるW'NMRと25℃におけるW'61とは、良く一致していることがわかる。
FIG. 4 shows the relationship between W ′ 61 at 25 ° C. and W ′ NMR at −50 ° C. measured for various electrolyte membranes. W ′ 61 at 25 ° C. was determined from an adsorption isotherm. In addition, W ′ NMR at −50 ° C. was measured using a 1 H-nuclear magnetic resonance (NMR) method. W ′ NMR represents the normalized water content at −50 ° C., that is, the amount of water (relative value) having high mobility contained in the electrolyte membrane at −50 ° C.
The measurement method of W ′ NMR is as follows. That is, first, an electrolyte membrane was placed in an NMR sample tube having an outer diameter of 5 mm, and the inside thereof was adjusted to be balanced at 25 ° C. and a relative humidity of 100%. After the upper end of the sample tube was sealed with a gas burner, the NMR spectrum at 25 ° C. was measured. Next, the temperature of the sample tube was lowered to −50 ° C. and left overnight, and then the NMR spectrum was measured again. The integrated intensity of both spectra was calculated, and the spectrum relative intensity (W ′ NMR ) at −50 ° C. when the value at 25 ° C. was taken as 1 was obtained.
Specifically, since it is known that the sensitivity of NMR measurement increases in inverse proportion to the absolute temperature, the spectral intensities at 25 ° C. and −50 ° C. are I (25 ° C.) and I (-50 C), W ′ NMR = I (−50 ° C.) × (−50 + 273.15) / {I (25 ° C.) × (25 + 273.15)}.
FIG. 4 shows that W ′ NMR at −50 ° C. and W ′ 61 at 25 ° C. are in good agreement.

燃料電池の運転停止後の状態は、相対湿度100%に相当すると考えられる。このまま、氷点下に晒された場合、電解質膜内の水の一部は、もはや電解質膜内に留まっておられず、膜の外に出て凍結すると考えられる。
これを確認するために、電解質膜を25℃、相対湿度100%の平衡状態とし、これを透明な高分子製の袋の中に入れて密閉した。次いで、袋全体を氷点下に冷却し、光学顕微鏡にて膜の表面を観察した。図5に、−30℃に冷却された電解質膜の光学顕微鏡写真を示す。図5より、電解質膜の表面に氷が生成していることがわかる。この氷は、温度を上げてゆくと減少し、膜内部に吸収されたことから、もともと電解質膜が内部に持っていた水分が、氷点下で膜外に出て凍結したものと考えられる。
次に、電解質膜を25℃、相対湿度75%(−30℃における氷との平衡下での氷共存下相対湿度に対応する)で調湿した膜を高分子製の袋の中に入れて密閉し、袋全体を氷点下に冷却した。図6に、−30℃で冷却された電解質膜の光学顕微鏡写真を示す。図6より、相対湿度75%で調湿すると、−30℃においても氷が生成しないことがわかる。
The state after the operation of the fuel cell is considered to correspond to a relative humidity of 100%. If exposed to below freezing, a part of the water in the electrolyte membrane is no longer staying in the electrolyte membrane, but is expected to go out of the membrane and freeze.
In order to confirm this, the electrolyte membrane was brought into an equilibrium state at 25 ° C. and a relative humidity of 100%, and this was put in a transparent polymer bag and sealed. Subsequently, the whole bag was cooled below freezing point, and the surface of the film was observed with an optical microscope. FIG. 5 shows an optical micrograph of the electrolyte membrane cooled to −30 ° C. FIG. 5 shows that ice is generated on the surface of the electrolyte membrane. This ice decreased with increasing temperature and was absorbed inside the membrane, so it is considered that the water originally contained in the electrolyte membrane came out of the membrane below the freezing point and was frozen.
Next, the electrolyte membrane was conditioned at 25 ° C. and 75% relative humidity (corresponding to the relative humidity in the presence of ice at equilibrium at −30 ° C.) in a polymer bag. Sealed and the entire bag was cooled to below freezing. FIG. 6 shows an optical micrograph of the electrolyte membrane cooled at −30 ° C. FIG. 6 shows that when humidity is adjusted at a relative humidity of 75%, ice is not generated even at −30 ° C.

従って、燃料電池の運転停止後に到達する最低温度(Tmin)が氷点下となる場合に、運転停止後に上述したいずれかの乾燥手段を作動させ、電解質膜の含水量がWRH'(Tmin)以下となるように電解質膜を乾燥させると、電解質膜が最低温度(Tmin)に到達しても、余分な水が電解質膜から排出されることがない。現実には、含水量が1割程度過剰であっても、電解質膜からの水の排出量は相対的に少ないので、凍結に起因する弊害は小さい。
そのため、含水量が最大でもWRH'(Tmin)×1.1以下となるように電解質膜を乾燥させると、電解質膜から染み出した水が電極との界面で凍結することに起因するMEAの破損を抑制することができる。また、染み出した水が電極内で凍結するおそれも少ないので、反応ガスの拡散が阻害されることもない。そのため、再起動時にMEAをヒータで加熱したり、あるいは補助電源を用いて起動させる必要が無く、自立起動が容易化する。
Therefore, when the minimum temperature (Tmin) reached after the fuel cell is stopped is below freezing point, any one of the drying means described above is operated after the operation is stopped, and the water content of the electrolyte membrane is less than W RH ′ (Tmin). When the electrolyte membrane is dried in such a manner, even when the electrolyte membrane reaches the minimum temperature (Tmin), excess water is not discharged from the electrolyte membrane. In reality, even if the water content is excessive by about 10%, the amount of water discharged from the electrolyte membrane is relatively small, so the adverse effects caused by freezing are small.
Therefore, when the electrolyte membrane is dried so that the water content is at most W RH ′ (Tmin) × 1.1 or less, the water exuded from the electrolyte membrane is frozen at the interface with the electrode. Damage can be suppressed. Moreover, since there is little possibility that the exuded water freezes in the electrode, the diffusion of the reaction gas is not hindered. Therefore, it is not necessary to heat the MEA with a heater or to start it up using an auxiliary power source at the time of restarting, and self-starting is facilitated.

一方、燃料電池の運転停止後に必要以上に電解質膜を乾燥させると、電解質膜の膜抵抗が過度に上昇する。膜抵抗の増大は、自立起動を困難にさせる。
図7に、全フッ素系電解質膜の25℃における相対湿度とプロトン伝導度との関係を示す。図7に示すように、電解質膜のプロトン伝導度は、相対湿度60%を境に、その変化の様子が変わることがわかる。これは、湿度の低い領域では、水がスルホン酸基に配位し、酸を解離するために使われているのに対し、湿度が高い領域では、酸が解離し、酸も水も動きやすい状態になるためと考えられている(例えば、T.A.Zawodzinski et al., J.Electrochem. Soc., 140, 1041(1991)参照)。
従って、自立起動を容易化するためには、乾燥処理は、酸も水も動きやすい状態に止めること、すなわち、電解質膜の含水量が、25℃、相対湿度60%に相当する含水量以上となるように、電解質膜を乾燥させることが好ましい。
上述したように、25℃、相対湿度60%における含水量は、氷点下における「氷共存下相対湿度」が60%である時の含水量W60にほぼ一致する。従って、燃料電池の運転停止後に電解質膜を乾燥させる場合において、含水量がW60以上となるように、電解質膜を乾燥させると、膜抵抗の増大が抑制され、自立起動が容易化する。
On the other hand, when the electrolyte membrane is dried more than necessary after the operation of the fuel cell is stopped, the membrane resistance of the electrolyte membrane is excessively increased. Increased membrane resistance makes it difficult to start up independently.
FIG. 7 shows the relationship between the relative humidity at 25 ° C. and the proton conductivity of the perfluorinated electrolyte membrane. As shown in FIG. 7, it can be seen that the proton conductivity of the electrolyte membrane changes with the relative humidity of 60% as a boundary. This is because water is coordinated to the sulfonic acid group and used to dissociate the acid in the low humidity region, whereas the acid dissociates and the acid and water move easily in the high humidity region. This is considered to be a state (see, for example, TAZawodzinski et al., J. Electrochem. Soc., 140, 1041 (1991)).
Therefore, in order to facilitate the self-sustained activation, the drying process is stopped in a state where both the acid and the water move easily, that is, the water content of the electrolyte membrane is equal to or higher than the water content corresponding to 25 ° C. and the relative humidity of 60%. Thus, it is preferable to dry the electrolyte membrane.
As described above, the water content at 25 ° C. and a relative humidity of 60% substantially matches the water content W 60 when the “relative humidity in the presence of ice” is 60% below the freezing point. Therefore, when the electrolyte membrane is dried after the operation of the fuel cell is stopped, if the electrolyte membrane is dried so that the water content is W 60 or more, an increase in membrane resistance is suppressed and self-sustained activation is facilitated.

以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。   Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.

本発明に係る燃料電池システムは、車載動力源、定置型小型発電器、コジェネレーションシステムなどに使用することができる。   The fuel cell system according to the present invention can be used for in-vehicle power sources, stationary small generators, cogeneration systems, and the like.

図1(a)、図1(b)及び図1(c)は、それぞれ、掃気手段、水分吸収手段及び水凝縮手段を備えた燃料電池システムの概略構成図である。FIG. 1A, FIG. 1B, and FIG. 1C are schematic configuration diagrams of a fuel cell system that includes scavenging means, moisture absorption means, and water condensation means, respectively. 温度と飽和蒸気圧及び氷共存下相対湿度との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between temperature, saturated vapor pressure, and relative humidity in the presence of ice. 25℃における相対湿度と電解質膜の含水量との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the relative humidity in 25 degreeC, and the water content of an electrolyte membrane. −50℃におけるW'NMRと25℃におけるW'61との関係を示す図である。It is a diagram showing the relationship between the 61 'W in NMR and 25 ° C.' W at -50 ° C.. 25℃、相対湿度100%で調湿された電解質膜を−30℃に冷却したときの電解質膜表面のSEM写真である。It is a SEM photograph of the electrolyte membrane surface when the electrolyte membrane conditioned at 25 ° C. and relative humidity of 100% is cooled to −30 ° C. 25℃、相対湿度75%で調湿された電解質膜を−30℃に冷却したときの電解質膜表面のSEM写真である。It is a SEM photograph of the electrolyte membrane surface when the electrolyte membrane conditioned at 25 ° C. and 75% relative humidity is cooled to −30 ° C. 25℃における相対湿度とプロトン伝導度との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the relative humidity in 25 degreeC, and proton conductivity.

Claims (4)

固体高分子電解質膜を備えた固体高分子型燃料電池と、
前記固体高分子型燃料電池の燃料極に燃料ガスを供給・排出するための燃料ガス供給排出手段と、
前記固体高分子型燃料電池の空気極に酸化剤ガスを供給・排出するための酸化剤ガス供給排出手段と、
前記酸化剤ガス供給排出手段及び/又は前記燃料ガス供給排出手段に設けられた前記固体高分子電解質膜を乾燥させるための乾燥手段とを備え、
前記乾燥手段は、前記固体高分子型燃料電池の発電停止後に到達する最低温度(Tmin)が氷点下となる場合に、前記固体高分子電解質膜の含水量がW60以上WRH'(Tmin)×1.1以下となるように、発電停止後に前記固体高分子電解質膜に含まれる水の一部を除去するものである
燃料電池システム。
但し、
60=氷点下における氷共存下相対湿度RH’(=氷の飽和蒸気圧×100/過冷却水の飽和蒸気圧)が60%である場合において、前記固体高分子電解質膜が持ちうる最大含水量。
RH'(Tmin)=前記最低温度(Tmin)に対応する前記氷共存下相対湿度において、前記固体高分子電解質膜が持ちうる最大含水量。
A polymer electrolyte fuel cell comprising a polymer electrolyte membrane;
Fuel gas supply / discharge means for supplying and discharging fuel gas to and from the fuel electrode of the polymer electrolyte fuel cell;
Oxidant gas supply and discharge means for supplying and discharging oxidant gas to the air electrode of the polymer electrolyte fuel cell;
A drying means for drying the solid polymer electrolyte membrane provided in the oxidant gas supply / discharge means and / or the fuel gas supply / discharge means,
The drying means has a water content of the solid polymer electrolyte membrane of not less than W 60 and W RH ′ (Tmin) × when the minimum temperature (Tmin) reached after stopping the power generation of the polymer electrolyte fuel cell is below freezing point. A fuel cell system for removing a part of water contained in the solid polymer electrolyte membrane after power generation is stopped so as to be 1.1 or less.
However,
W 60 = maximum water content that the solid polymer electrolyte membrane can have when the relative humidity RH ′ (= saturated vapor pressure of ice × 100 / saturated vapor pressure of supercooled water) is 60% in the presence of ice below freezing point .
W RH ′ (Tmin) = maximum water content that the solid polymer electrolyte membrane can have in the relative humidity in the presence of ice corresponding to the minimum temperature (Tmin).
前記乾燥手段は、前記最低温度(Tmin)に対応する前記氷共存下相対湿度より低い相対湿度を持つガスを前記燃料ガス供給排出手段及び/又は前記酸化剤ガス供給排出手段に供給し、前記固体高分子型燃料電池を掃気する掃気手段を含む請求項1に記載の燃料電池システム。   The drying means supplies a gas having a relative humidity lower than the relative humidity in the presence of ice corresponding to the minimum temperature (Tmin) to the fuel gas supply / discharge means and / or the oxidant gas supply / discharge means, and the solids The fuel cell system according to claim 1, further comprising a scavenging means for scavenging the polymer fuel cell. 前記乾燥手段は、前記燃料ガス供給排出手段及び/又は前記酸化剤ガス供給手段内に配置された水分吸収手段を含む請求項1又は2に記載の燃料電池システム。   3. The fuel cell system according to claim 1, wherein the drying unit includes a moisture absorption unit disposed in the fuel gas supply / discharge unit and / or the oxidant gas supply unit. 前記乾燥手段は、前記燃料ガス供給排出手段及び/又は前記酸化剤ガス供給排出手段の低温部に配置された水凝縮手段を含む請求項1から3まで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 3, wherein the drying unit includes a water condensing unit disposed in a low temperature portion of the fuel gas supply / discharge unit and / or the oxidant gas supply / discharge unit.
JP2006081705A 2006-03-23 2006-03-23 Fuel cell system Pending JP2007258024A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2006081705A JP2007258024A (en) 2006-03-23 2006-03-23 Fuel cell system

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2006081705A JP2007258024A (en) 2006-03-23 2006-03-23 Fuel cell system

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2007258024A true JP2007258024A (en) 2007-10-04

Family

ID=38632042

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2006081705A Pending JP2007258024A (en) 2006-03-23 2006-03-23 Fuel cell system

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2007258024A (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2018527714A (en) * 2015-09-19 2018-09-20 ダイムラー・アクチェンゲゼルシャフトDaimler AG How to shut down and store fuel cell systems at temperatures below freezing

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004022198A (en) * 2002-06-12 2004-01-22 Denso Corp Fuel cell system
JP2004199988A (en) * 2002-12-18 2004-07-15 Nissan Motor Co Ltd Fuel cell system

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004022198A (en) * 2002-06-12 2004-01-22 Denso Corp Fuel cell system
JP2004199988A (en) * 2002-12-18 2004-07-15 Nissan Motor Co Ltd Fuel cell system

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2018527714A (en) * 2015-09-19 2018-09-20 ダイムラー・アクチェンゲゼルシャフトDaimler AG How to shut down and store fuel cell systems at temperatures below freezing

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5184083B2 (en) Humidification control of polymer membrane of fuel cell
JP5083233B2 (en) Fuel cell system
JP4830852B2 (en) Fuel cell system
US8173316B2 (en) Fuel cell system
JPH11317236A (en) Fuel cell system
JP4072707B2 (en) Solid polymer electrolyte fuel cell power generator and its operation method
US20220352531A1 (en) Method for operating a fuel cell system, and fuel cell system
JP2002208429A (en) Fuel cell system
JP2009266613A (en) Fuel cell system
JP2010153218A (en) Operation switching method of reversible cell
JP2004207139A (en) Fuel cell moisture discharge device
KR20150072205A (en) Fuel cell system
JPH11242962A (en) Fuel cell device
JP2007258024A (en) Fuel cell system
JP4864228B2 (en) How to shut down the fuel cell
JP2002015760A (en) Fuel cell device
WO2005020359A1 (en) Fuel cell system and method for stopping operation of fuel cell system
JP2005025996A (en) Polymer fuel cell system and its operation method
JP2009016295A (en) Fuel cell system
JP2004234892A (en) Fuel cell system
JP2005071778A (en) Fuel cell system and its operation method
JP2004152600A (en) Shutdown method and shutdown device for fuel cell
JP2007188774A (en) Cell of fuel cell
JP2005158558A (en) Fuel cell system
JP2004235009A (en) Fuel cell system and moving device

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20090109

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20111114

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20120221

A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20120626