JP2007294366A - Fuel cell system - Google Patents

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Kazumine Kimura
和峰 木村
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Abstract

【課題】長時間に亘って発電性能を向上させることが可能な、燃料電池システムを提供する。
【解決手段】電解質層1並びに電解質層1の一方の側へ配設される電極層2及び他方の側へ配設される電極層3を備える電解質・電極構造体4と、電解質・電極構造体4の一方の側へ配設される集電体5及び他方の側へ配設される集電体6と、電解質・電極構造体4へと供給される流体が流通可能な流路7、8と、を備える単セル9を有するモジュールを具備し、モジュールの動作停止時に、圧力が低下した流路7、8へ、液体が供給される、燃料電池システム。
【選択図】図2
A fuel cell system capable of improving power generation performance over a long period of time is provided.
An electrolyte / electrode structure including an electrolyte layer, an electrode layer disposed on one side of the electrolyte layer, and an electrode layer disposed on the other side, and the electrolyte / electrode structure Current collector 5 disposed on one side of current collector 4, current collector 6 disposed on the other side, and flow paths 7, 8 through which fluid supplied to electrolyte / electrode structure 4 can flow. A fuel cell system in which a liquid is supplied to the flow paths 7 and 8 having a reduced pressure when the operation of the module is stopped.
[Selection] Figure 2

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、特に、長時間に亘って発電性能を向上させることが可能な、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 capable of improving power generation performance over a long period of time.

燃料電池は、電解質層(以下、「電解質膜」ということがある。)と、電解質膜の両面側にそれぞれ配設される電極層(アノード及びカソード)とを備える膜電極接合体(以下、「MEA(Membrane Electrode Assembly)」という。)における電気化学反応により発生した電気エネルギーを、MEAの両側にそれぞれ配設される集電体を介して外部に取り出している。燃料電池の中でも、家庭用コージェネレーション・システムや自動車等に使用される固体高分子型燃料電池(以下、「PEFC(Polymer Electrolyte Fuel Cell)」ということがある。)は、低温領域での運転が可能である。また、PEFCは、高いエネルギー変換効率を示し、起動時間が短く、かつシステムが小型軽量であることから、電気自動車や携帯用電源の最適な動力源として注目されている。   A fuel cell includes a membrane electrode assembly (hereinafter referred to as “the electrolyte membrane”) and electrode layers (anode and cathode) respectively disposed on both sides of the electrolyte membrane. The electrical energy generated by the electrochemical reaction in MEA (Membrane Electrode Assembly) ”) is taken out to the outside through current collectors arranged on both sides of the MEA. Among fuel cells, polymer electrolyte fuel cells (hereinafter referred to as “PEFC (Polymer Electrolyte Fuel Cell)”) used in household cogeneration systems and automobiles, etc., operate at low temperatures. Is possible. In addition, PEFC has attracted attention as an optimal power source for electric vehicles and portable power sources because of its high energy conversion efficiency, short start-up time, and small and lightweight system.

PEFCの単セルは、電解質膜と、少なくとも触媒層を備えるカソード及びアノードと、を具備し、その理論起電力は1.23Vである。PEFCでは、アノードに水素含有ガスが、カソードに酸素含有ガスが、それぞれ供給される。アノードへと供給された水素は、アノードの触媒層(以下、「アノード触媒層」という。)に含まれる触媒(例えば、Pt等。以下において同じ。)上でプロトンと電子へ分離し、水素から生じたプロトンは、アノード触媒層及び電解質膜を通ってカソードの触媒層(以下、「カソード触媒層」という。)へと達する。一方、電子は、外部回路を通ってカソード触媒層へと達し、かかる過程を経ることにより、電気エネルギーを取り出すことが可能になる。そして、カソード触媒層へと達したプロトン及び電子と、カソード触媒層へと供給される酸素とが触媒上で反応することにより、水が生成される。   A single cell of PEFC includes an electrolyte membrane, a cathode and an anode including at least a catalyst layer, and a theoretical electromotive force thereof is 1.23V. In PEFC, a hydrogen-containing gas is supplied to the anode, and an oxygen-containing gas is supplied to the cathode. Hydrogen supplied to the anode is separated into protons and electrons on a catalyst (for example, Pt etc., the same applies hereinafter) contained in the catalyst layer of the anode (hereinafter referred to as “anode catalyst layer”), and from the hydrogen. The generated protons reach the cathode catalyst layer (hereinafter referred to as “cathode catalyst layer”) through the anode catalyst layer and the electrolyte membrane. On the other hand, electrons reach the cathode catalyst layer through an external circuit, and through such a process, electric energy can be extracted. The protons and electrons that have reached the cathode catalyst layer react with oxygen supplied to the cathode catalyst layer on the catalyst, thereby generating water.

すなわち、電気エネルギーを取り出すためには、上記アノード触媒層、電解質膜、及び、カソード触媒層を、プロトンが伝導可能であることが必要とされる。かかる観点から、PEFCのアノード触媒層、電解質膜、及び、カソード触媒層には、プロトンの通り道となり得るイオン交換基を具備する電解質樹脂が備えられる。そして、アノード触媒層及びカソード触媒層には、当該電解質樹脂(以下、「アイオノマー」ということがある。)に加え、さらに、電気化学反応の触媒として機能する金属粒子(例えば、Pt等)が備えられている。   That is, in order to extract electric energy, it is necessary that protons can be conducted through the anode catalyst layer, the electrolyte membrane, and the cathode catalyst layer. From this point of view, the anode catalyst layer, the electrolyte membrane, and the cathode catalyst layer of PEFC are provided with an electrolyte resin having an ion exchange group that can be a passage for protons. The anode catalyst layer and the cathode catalyst layer are provided with metal particles (for example, Pt) that function as a catalyst for an electrochemical reaction, in addition to the electrolyte resin (hereinafter sometimes referred to as “ionomer”). It has been.

他方、PEFCの作動時に触媒層で過酸化水素が副生され、この過酸化水素から生じるラジカル等が、MEAに備えられるアイオノマー等の劣化の一因になることが明らかになりつつある。かかる劣化はPEFCの耐久性を低下させるほか、発電性能低下の一因となるため、MEA内の過酸化水素を低減することで上記劣化を抑制し、耐久性及び発電性能を向上させることが望まれている。   On the other hand, it is becoming clear that hydrogen peroxide is by-produced in the catalyst layer during the operation of PEFC, and radicals generated from this hydrogen peroxide contribute to the degradation of ionomers and the like provided in the MEA. Such deterioration not only reduces the durability of PEFC but also contributes to a decrease in power generation performance. Therefore, it is hoped that reducing the hydrogen peroxide in the MEA will suppress the above deterioration and improve the durability and power generation performance. It is rare.

PEFCの発電性能向上等を主な目的とした技術は、これまでにいくつか開示されてきている。例えば、特許文献1には、アノード拡散電極およびカソード拡散電極で狭持された高分子電解質膜を更に一対のセパレータで狭持してなる単セルを含む燃料電池本体部を備え、燃料電池本体部による電力供給が停止されたときに、アノード側に形成され燃料が給排される燃料流路およびカソード側に形成され酸化ガスが給排される酸化ガス流路の少なくとも一方に希硫酸を供給する燃料電池システムに関する技術が開示されている。かかる技術によれば、燃料への加湿によって湿潤されたアノード側および電池反応に伴なう水が存在するカソード側の少なくとも一方に、燃料流路又は酸化ガス流路を利用して希硫酸を供給することにより凍結が効果的に防止される。その結果、起動中の発電停止のおそれを回避できると共に燃料電池の発電効率が向上し、しかも一旦停止した後の再始動をも良好に行なうことができる、としている。
特開2004−235009号公報
Several techniques have been disclosed so far with the main purpose of improving the power generation performance of PEFC. For example, Patent Document 1 includes a fuel cell main body including a single cell in which a polymer electrolyte membrane sandwiched between an anode diffusion electrode and a cathode diffusion electrode is further sandwiched between a pair of separators, When the electric power supply is stopped, dilute sulfuric acid is supplied to at least one of a fuel flow path formed on the anode side where fuel is supplied and discharged and an oxidant gas flow path formed on the cathode side where oxidant gas is supplied and discharged Techniques relating to fuel cell systems are disclosed. According to such a technique, dilute sulfuric acid is supplied to at least one of the anode side wetted by humidification of the fuel and the cathode side where water accompanying the cell reaction is present using the fuel flow path or the oxidizing gas flow path. This effectively prevents freezing. As a result, the possibility of stopping power generation during startup can be avoided, the power generation efficiency of the fuel cell can be improved, and the restart after being temporarily stopped can be performed well.
JP 2004-235209 A

しかし、特許文献1に開示されている技術により、燃料流路及び酸化ガス流路の少なくとも一方に希硫酸を供給しても、希硫酸が供給される流路内の圧力が高い場合には、流路の入口近傍にしか希硫酸が供給されず、凍結防止効果や発電性能向上効果等が得られ難くなるという問題があった。   However, even if dilute sulfuric acid is supplied to at least one of the fuel flow path and the oxidizing gas flow path by the technique disclosed in Patent Document 1, if the pressure in the flow path to which dilute sulfuric acid is supplied is high, There is a problem that dilute sulfuric acid is supplied only to the vicinity of the inlet of the flow path, and it is difficult to obtain the effect of preventing freezing and improving the power generation performance.

そこで本発明は、長時間に亘って発電性能を向上させることが可能な、燃料電池システムを提供することを課題とする。   Then, this invention makes it a subject to provide the fuel cell system which can improve electric power generation performance over a long time.

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段をとる。すなわち、
請求項1に記載の本発明は、電解質層並びに当該電解質層の一方の側へ配設される電極層及び他方の側へ配設される電極層を備える電解質・電極構造体と、当該電解質・電極構造体の一方の側へ配設される集電体及び他方の側へ配設される集電体と、電解質・電極構造体へと供給される流体が流通可能な流路と、を備える単セルを有するモジュールを具備し、モジュールの動作停止時に、圧力が低下した流路へ、液体が供給されることを特徴とする、燃料電池システムにより、上記課題を解決する。
In order to solve the above problems, the present invention takes the following means. That is,
The present invention described in claim 1 includes an electrolyte layer, an electrode layer disposed on one side of the electrolyte layer and an electrode layer disposed on the other side, and the electrolyte A current collector disposed on one side of the electrode structure, a current collector disposed on the other side, and a flow path through which a fluid supplied to the electrolyte / electrode structure can flow. The above-described problem is solved by a fuel cell system comprising a module having a single cell and supplying a liquid to a flow path where the pressure is reduced when the operation of the module is stopped.

ここに、「電解質層」の具体例としては、プロトン交換基(プロトン伝導体として機能するイオン交換基)を有する高分子を備える固体高分子膜を挙げることができる。固体高分子膜を構成する高分子の具体例としては、パーフルオロスルホン酸系のポリマーや炭化水素系のポリマー等を挙げることができる。
さらに、「電極層」とは、電気化学反応の触媒として機能する金属粒子とプロトン伝導性を有するアイオノマーとを備える層を意味する。金属粒子の具体例としては、Ptのほか、Co、Ru、Ir、Au、Ag、Cu、Ni、Fe、Cr、Mn、V、Ti、Mo、Pd、Rh、Wからなる群より選択される1種または2種以上の金属とPtとを有するPt合金等を挙げることができる。アイオノマーの具体例としては、固体高分子膜を構成可能な上記高分子等を挙げることができる。
加えて、「集電体」の具体例としては、金属又は炭素等により構成される部材(例えば、セパレータ等)を挙げることができる。
さらに、「電解質・電極構造体へと供給される流体」として、PEFCの場合には、水素含有ガス及び酸素含有ガス(例えば、空気)が挙げられ、ダイレクトメタノール型燃料電池(以下、「DMFC」という。)の場合には、メタノール水溶液及び酸素含有ガス(例えば、空気)が挙げられる。以下、電解質・電極構造体へと供給される流体を、「反応流体」と記述することがある。
さらにまた、本発明において、集電体及び流路は、本発明の燃料電池システムを長時間に亘って動作可能な形態で備えられていれば、その形態は特に限定されず、例えば、集電体に流路が備えられる形態とすることも可能である。また、本発明において、「流路」とは、単セル内に備えられる流路(例えば、集電体に備えられる流路)と、単セル外に備えられる流路とを含む概念である。
加えて、「モジュールの動作停止時」とは、単セルを備えるモジュールを作動させるための反応流体が流路に供給されていない状態を意味する。また、「圧力が低下した流路」とは、例えば、アノードへ供給された反応流体が電解質層を透過してアノード側へと達し、及び/又は、カソードへ供給された反応流体が電解質層を透過してカソード側へと達して両者が反応することにより、シール部材等により気密性を保たれた単セルにおける流路の圧力が低下した状態(例えば、大気圧以下の圧力へ低下した状態)を意味する。
さらに、モジュールの動作停止時に流路へ供給される「液体」の具体例としては、後述する、過酸化水素分解性能を有するイオンを含有する液体や、凍結抑制機能を有する液体を挙げることができる。過酸化水素分解性能を有するイオンを含有する液体の具体例としては、当該イオンを含有する水溶液等を挙げることができる。一方、凍結抑制機能を有する液体の具体例としては、エチレングリコールを含有する液体のほか、エタノール、メタノール、フッ素系不凍液等を挙げることができる。
Here, as a specific example of the “electrolyte layer”, a solid polymer membrane including a polymer having a proton exchange group (ion exchange group functioning as a proton conductor) can be mentioned. Specific examples of the polymer constituting the solid polymer film include a perfluorosulfonic acid polymer and a hydrocarbon polymer.
Further, the “electrode layer” means a layer comprising metal particles that function as a catalyst for electrochemical reaction and an ionomer having proton conductivity. Specific examples of the metal particles are selected from the group consisting of Pt, Co, Ru, Ir, Au, Ag, Cu, Ni, Fe, Cr, Mn, V, Ti, Mo, Pd, Rh, and W. Examples thereof include a Pt alloy having one or two or more metals and Pt. Specific examples of the ionomer include the above-described polymers that can form a solid polymer film.
In addition, as a specific example of the “current collector”, a member (for example, a separator) made of metal, carbon, or the like can be given.
Furthermore, as the “fluid supplied to the electrolyte / electrode structure”, in the case of PEFC, a hydrogen-containing gas and an oxygen-containing gas (for example, air) can be cited, and a direct methanol fuel cell (hereinafter referred to as “DMFC”). In the case of the above), an aqueous methanol solution and an oxygen-containing gas (for example, air) may be mentioned. Hereinafter, the fluid supplied to the electrolyte / electrode structure may be referred to as “reaction fluid”.
Furthermore, in the present invention, the current collector and the flow path are not particularly limited as long as the current collector and the flow path are provided in a form capable of operating the fuel cell system of the present invention for a long time. It is also possible to adopt a form in which the body is provided with a flow path. In the present invention, the “flow path” is a concept including a flow path provided in a single cell (for example, a flow path provided in a current collector) and a flow path provided outside the single cell.
In addition, “when the operation of the module is stopped” means that the reaction fluid for operating the module including the single cell is not supplied to the flow path. In addition, the “flow path with reduced pressure” means, for example, that the reaction fluid supplied to the anode passes through the electrolyte layer and reaches the anode side, and / or the reaction fluid supplied to the cathode passes through the electrolyte layer. A state in which the pressure of the flow path in the single cell that has been kept airtight by the seal member or the like is reduced by passing through and reaching the cathode side (for example, a state in which the pressure is reduced to a pressure below atmospheric pressure) Means.
Further, specific examples of the “liquid” supplied to the flow path when the operation of the module is stopped include a liquid containing ions having hydrogen peroxide decomposition performance and a liquid having a freezing suppression function, which will be described later. . Specific examples of the liquid containing ions having the ability to decompose hydrogen peroxide include an aqueous solution containing the ions. On the other hand, specific examples of the liquid having the freeze-inhibiting function include ethanol, methanol, a fluorine-based antifreeze liquid, and the like in addition to a liquid containing ethylene glycol.

請求項2に記載の本発明は、請求項1に記載の燃料電池システムにおいて、液体に、過酸化水素分解性能を有するイオンが含まれることを特徴とする。   According to a second aspect of the present invention, in the fuel cell system according to the first aspect, the liquid includes ions having hydrogen peroxide decomposition performance.

ここに、「過酸化水素分解性能を有するイオン」の具体例としては、遷移金属イオン、希土類金属イオン等を挙げることができ、具体的には、C4+、Si4+、Sc3+、Ti4+、Mn2+、Co2+、Cu2+、Se2+、Rb、Y3+、Zr4+、Nb5+、Rh2+、Pd、Ag、Sn2+、La3+、Ce4+、Pr3+、Nd3+、Pm3+、Sm3+、Eu3+、Gd3+、Tb3+、Dy3+、Ho3+、Er3+、Tm3+、Yb3+、Lu3+、Hf4+、Ta5+、Os4+、Ir2+、Pt2+、Au等が例示される。 Specific examples of the “ion having hydrogen peroxide decomposition performance” include transition metal ions, rare earth metal ions, and the like. Specifically, C 4+ , Si 4+ , Sc 3+ , Ti 4+ , Mn 2+ , Co 2+ , Cu 2+ , Se 2+ , Rb + , Y 3+ , Zr 4+ , Nb 5+ , Rh 2+ , Pd + , Ag + , Sn 2+ , La 3+ , Ce 4+ , Pr 3+ , Nd 3 + , Sm3 + , Eu3 + , Gd3 + , Tb3 + , Dy3 + , Ho3 + , Er3 + , Tm3 + , Yb3 + , Lu3 + , Hf4 + , Ta5 + , Os4 + , Ir2 + , t2 + Illustrated.

請求項3に記載の本発明は、請求項2に記載の燃料電池システムにおいて、過酸化水素分解性能を有するイオンが、Ceイオンであることを特徴とする。   According to a third aspect of the present invention, in the fuel cell system according to the second aspect, the ions having hydrogen peroxide decomposition performance are Ce ions.

本発明によれば、圧力が低下した流路へ液体が供給されるので、流路の入口近傍のみならず、流路全体及びMEAへ液体を均一に供給することができる。そのため、例えば、上記液体が過酸化水素分解性能を有するイオン(以下、「分解イオン」という。)を含む液体である場合には、当該液体に含まれる分解イオンがMEAへ均一に供給されるので、MEAの耐久性を向上させることが可能になり、発電性能を向上させ得る燃料電池システムを提供できる。また、上記液体が凍結抑制機能を有する液体(以下、「凍結抑制剤」ということがある。)である場合には、流路及びMEAへ凍結抑制剤を均一に供給できる。これにより、流路及びMEAに残留する液体(例えば、水)の凍結が防止され、低温始動性を向上させることが可能になる結果、発電性能を向上させ得る燃料電池システムを提供できる。加えて、本発明によれば、モジュールの動作停止時毎に圧力が低下した流路へ液体を供給することもできるので、長時間に亘って発電性能を向上させることが可能な、燃料電池システムを提供できる。   According to the present invention, since the liquid is supplied to the flow path where the pressure is reduced, it is possible to supply the liquid uniformly not only to the vicinity of the inlet of the flow path but also to the entire flow path and the MEA. Therefore, for example, when the liquid is a liquid containing ions having hydrogen peroxide decomposition performance (hereinafter referred to as “decomposed ions”), the decomposed ions contained in the liquid are uniformly supplied to the MEA. Further, the durability of the MEA can be improved, and a fuel cell system that can improve the power generation performance can be provided. Further, when the liquid is a liquid having a freeze-inhibiting function (hereinafter sometimes referred to as “freezing-inhibiting agent”), the anti-freezing agent can be uniformly supplied to the flow path and the MEA. As a result, freezing of the liquid (for example, water) remaining in the flow path and the MEA is prevented, and the low temperature startability can be improved. As a result, a fuel cell system that can improve power generation performance can be provided. In addition, according to the present invention, the liquid can be supplied to the flow path where the pressure is reduced every time the operation of the module is stopped, so that the power generation performance can be improved over a long period of time. Can provide.

PEFCの作動時には、水素及び酸素から水が生成されるほか、過酸化水素が副生される。この過酸化水素から生成されるOHラジカルやOOHラジカル等によって、MEA中のアイオノマー等が劣化し、PEFCの発電性能及び耐久性が低下する。そのため、PEFCの発電性能及び耐久性を向上させるには、副生される過酸化水素を分解することが有効であり、過酸化水素分解性能を有する物質(以下、「分解物質」ということがある。)として、希土類金属イオン等が知られている。これまでに、過酸化水素を分解すること等を目的として、分解物質を備える形態のPEFCが提案されてきているが、PEFCの作動中に分解物質が溶出するため、過酸化水素分解効果を長時間に亘って持続し難い。そこで、分解物質をMEAへ供給し得る形態の燃料電池システムを提案した。ところが、本発明者は、分解物質が供給される箇所(流路やMEA等)の圧力が高いと、分解物質が均一に供給され難く、発電性能や耐久性を向上させ難いことを知見した。分解物質をMEAへ均一に供給するには、圧力が低下した流路及びMEAに分解物質を供給することが有効である。   During the operation of PEFC, water is generated from hydrogen and oxygen, and hydrogen peroxide is by-produced. The ionomer and the like in the MEA are deteriorated by OH radicals, OOH radicals and the like generated from the hydrogen peroxide, and the power generation performance and durability of the PEFC are lowered. Therefore, in order to improve the power generation performance and durability of PEFC, it is effective to decompose hydrogen peroxide produced as a by-product, and a substance having hydrogen peroxide decomposition performance (hereinafter, referred to as “decomposition substance”). )), Rare earth metal ions and the like are known. In the past, PEFCs with a form of a decomposition substance have been proposed for the purpose of decomposing hydrogen peroxide, etc., but since the decomposition substance elutes during the operation of PEFC, the hydrogen peroxide decomposition effect is prolonged. Hard to last over time. In view of this, a fuel cell system has been proposed that can supply a decomposition material to the MEA. However, the present inventor has found that when the pressure at the location (flow path, MEA, etc.) to which the decomposition substance is supplied is high, the decomposition substance is hardly supplied uniformly and it is difficult to improve the power generation performance and durability. In order to supply the decomposed material uniformly to the MEA, it is effective to supply the decomposed material to the flow path and the MEA where the pressure is reduced.

本発明は、かかる観点からなされたものであり、その要旨は、圧力が低下した流路へ液体(分解物質を含む液体や凍結抑制剤等)を供給することで、長時間に亘って発電性能を向上させることが可能な、燃料電池システムを提供することにある。   The present invention has been made from such a viewpoint, and the gist of the present invention is to supply a liquid (a liquid containing a decomposition substance, a freeze inhibitor, etc.) to a flow path whose pressure has been reduced, thereby generating power over a long period of time. It is an object of the present invention to provide a fuel cell system capable of improving the fuel efficiency.

以下に図面を参照しつつ、本発明の燃料電池システムについてさらに具体的に説明する。なお、特に断らない限り、PEFCを備える燃料電池システムに本発明を適用した場合について説明するが、本発明は、電解質層として固体高分子膜を備える燃料電池であれば、他の形態の燃料電池(例えば、DMFC)を備える燃料電池システムにも適用可能である。   Hereinafter, the fuel cell system of the present invention will be described more specifically with reference to the drawings. Unless otherwise specified, a case where the present invention is applied to a fuel cell system including a PEFC will be described. However, the present invention is not limited to a fuel cell including a solid polymer film as an electrolyte layer. (For example, it is applicable also to a fuel cell system provided with DMFC).

1.第1実施形態
図1は、第1実施形態にかかる本発明の燃料電池システムを示す概略図である。図1において、矢印は、酸素含有ガス(以下、「空気」という。)又は水素含有ガス(以下、「水素」という。)の流れ方向を示している。
1. First Embodiment FIG. 1 is a schematic view showing a fuel cell system of the present invention according to a first embodiment. In FIG. 1, arrows indicate the flow direction of an oxygen-containing gas (hereinafter referred to as “air”) or a hydrogen-containing gas (hereinafter referred to as “hydrogen”).

図1に示すように、第1実施形態にかかる本発明の燃料電池システム100は、燃料電池モジュール10と、燃料電池モジュール10に備えられる単セル(図2参照)へ液体を供給可能な液体供給手段20と、を備えている。燃料電池モジュール10(以下、「FCモジュール10」という。)には、主に空気が流通する第1吸気ライン41及び第1排気ライン42と、水素が流通する水素供給ライン43及び水素回収ライン44と、が接続されている。一方、液体供給手段20には、単セルへ供給される液体が流通すべき液体供給ライン45及び単セルから回収される液体が流通すべき液体回収ライン46と、単セルへ液体を供給する際に用いられる第2吸気ライン47及び第2排気ライン48と、が接続されている。そして、液体供給ライン45が第1吸気ライン41に接続され、液体回収ライン46が第1排気ライン42に接続されることにより、液体供給手段20から単セルへの液体供給、及び、単セルから液体供給手段20への液体回収が可能なように構成されている。さらに、第1吸気ライン41、第1排気ライン42、水素供給ライン43、水素回収ライン44、液体供給ライン45、液体回収ライン46、第2吸気ライン47、及び、第2排気ライン48には、これらの中を流通する気体又は液体の流量を調整可能な、バルブ31、32、33、34、35、36、37、及び、38が、それぞれ設けられている。   As shown in FIG. 1, the fuel cell system 100 according to the first embodiment of the present invention includes a liquid supply capable of supplying a liquid to a fuel cell module 10 and a single cell (see FIG. 2) provided in the fuel cell module 10. And means 20. The fuel cell module 10 (hereinafter referred to as “FC module 10”) includes a first intake line 41 and a first exhaust line 42 through which mainly air flows, a hydrogen supply line 43 and a hydrogen recovery line 44 through which hydrogen flows. And are connected. On the other hand, the liquid supply means 20 includes a liquid supply line 45 through which the liquid supplied to the single cell should flow, a liquid recovery line 46 through which the liquid recovered from the single cell should flow, and when supplying the liquid to the single cell. The second intake line 47 and the second exhaust line 48 used in the above are connected. Then, the liquid supply line 45 is connected to the first intake line 41 and the liquid recovery line 46 is connected to the first exhaust line 42, so that the liquid supply from the liquid supply means 20 to the single cell and the single cell The liquid supply means 20 is configured to be able to recover the liquid. Further, the first intake line 41, the first exhaust line 42, the hydrogen supply line 43, the hydrogen recovery line 44, the liquid supply line 45, the liquid recovery line 46, the second intake line 47, and the second exhaust line 48 include: Valves 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, and 38 that can adjust the flow rate of the gas or liquid flowing through these are provided.

FCモジュール10の作動時には、第1吸気ライン41を介して空気が、水素供給ライン43を介して水素が、それぞれFCモジュール10へと供給される。そして、FCモジュール10を経た空気が第1排気ライン42を介してFCモジュール10の外へと排出され、FCモジュール10を経た水素が水素回収ライン44を介して回収される。この場合、バルブ31、32、33、及び34は開いており、バルブ35、36、37、及び38は閉じている。一方、液体供給手段20には、FCモジュール10の停止時にFCモジュール10内の単セルへ供給されるべき液体が備えられている。FCモジュール10の停止後にFCモジュール10内が減圧環境になると、必要に応じて(例えば、単セル内に備えられる分解物質量が減少した場合等)、液体供給手段20からFCモジュール10の単セルへと液体が供給される。液体供給手段20から単セルへと液体が供給される際には、後述するように、バルブ31、32、33、及び34が閉じられ、その後、バルブ35、36、37、及び38が開かれる。このようにして、バルブ35、36、37、及び38が開かれると、液体供給ライン45及び第1吸気ライン41を介して、FCモジュール10に備えられる単セルへと液体が供給され、例えば、単セル内の流路及びMEAが液体によって満たされた後、液体が、第1排気ライン42及び液体回収ライン46を介して、液体供給手段20へと回収される。単セルから液体供給手段20への液体の回収が終了すると、バルブ35、36、37、及び38が閉じられ、その後、FCモジュール10の運転が再開される際には、バルブ31、32、33、及び34が開かれる。   During operation of the FC module 10, air is supplied to the FC module 10 via the first intake line 41 and hydrogen is supplied to the FC module 10 via the hydrogen supply line 43. Then, the air passing through the FC module 10 is discharged out of the FC module 10 via the first exhaust line 42, and the hydrogen passing through the FC module 10 is recovered via the hydrogen recovery line 44. In this case, valves 31, 32, 33, and 34 are open, and valves 35, 36, 37, and 38 are closed. On the other hand, the liquid supply means 20 is provided with a liquid to be supplied to a single cell in the FC module 10 when the FC module 10 is stopped. When the inside of the FC module 10 is in a decompressed environment after the FC module 10 is stopped, the single cell of the FC module 10 is supplied from the liquid supply means 20 as necessary (for example, when the amount of decomposition substances provided in the single cell is reduced). Liquid is supplied to When the liquid is supplied from the liquid supply means 20 to the single cell, the valves 31, 32, 33, and 34 are closed and then the valves 35, 36, 37, and 38 are opened as will be described later. . Thus, when the valves 35, 36, 37, and 38 are opened, the liquid is supplied to the single cell provided in the FC module 10 through the liquid supply line 45 and the first intake line 41, for example, After the flow path and MEA in the single cell are filled with the liquid, the liquid is recovered to the liquid supply means 20 via the first exhaust line 42 and the liquid recovery line 46. When the recovery of the liquid from the single cell to the liquid supply means 20 is completed, the valves 35, 36, 37, and 38 are closed. Thereafter, when the operation of the FC module 10 is resumed, the valves 31, 32, 33 are used. , And 34 are opened.

図2は、FCモジュール10に備えられる単セルの形態例を示す断面図であり、単セルの一部のみを示している。図2に示すように、単セル9は、電解質膜1と、電解質膜1の一方の側に配設されるアノード触媒層2a及び他方の側に配設されるカソード触媒層3aと、アノード触媒層2a側に配設されるアノード拡散層2bと、カソード触媒層3a側に配設されるカソード拡散層3bと、アノード拡散層2b側に配設されるセパレータ5と、カソード拡散層3b側に配設されるセパレータ6と、を備えている。アノード2は、アノード触媒層2a及びアノード拡散層2bを、カソード3は、カソード触媒層3a及びカソード拡散層3bを、それぞれ備え、MEA4は、アノード触媒層2a、電解質膜1、及び、カソード触媒層3aを備えている。電解質膜1には、パーフルオロスルホン酸系のポリマー等のアイオノマーが備えられ、アノード触媒層2a及びカソード触媒層3aには、上記アイオノマーと、炭素等に担持された白金等の触媒と、が備えられる。さらに、セパレータ5には、流路7、7、…が備えられ、セパレータ8には、流路8、8、…が備えられる。以下、図1及び図2を参照しつつ、本発明の燃料電池システム100について説明する。   FIG. 2 is a cross-sectional view showing an example of a single cell provided in the FC module 10, and shows only a part of the single cell. As shown in FIG. 2, the single cell 9 includes an electrolyte membrane 1, an anode catalyst layer 2a disposed on one side of the electrolyte membrane 1, a cathode catalyst layer 3a disposed on the other side, and an anode catalyst. An anode diffusion layer 2b disposed on the layer 2a side, a cathode diffusion layer 3b disposed on the cathode catalyst layer 3a side, a separator 5 disposed on the anode diffusion layer 2b side, and a cathode diffusion layer 3b side And a separator 6 disposed. The anode 2 includes an anode catalyst layer 2a and an anode diffusion layer 2b, the cathode 3 includes a cathode catalyst layer 3a and a cathode diffusion layer 3b, and the MEA 4 includes an anode catalyst layer 2a, an electrolyte membrane 1, and a cathode catalyst layer. 3a. The electrolyte membrane 1 includes an ionomer such as a perfluorosulfonic acid polymer, and the anode catalyst layer 2a and the cathode catalyst layer 3a include the ionomer and a catalyst such as platinum supported on carbon. It is done. Further, the separator 5 is provided with flow paths 7, 7,..., And the separator 8 is provided with flow paths 8, 8,. Hereinafter, the fuel cell system 100 of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2.

FCモジュール10の作動時には、水素供給ライン43及び流路7、7、…を介して、アノード2へ水素が供給される。アノード2のアノード触媒層2aに達した水素は、アノード触媒層2aに備えられる触媒上でプロトン及び電子となり、このようにして生じたプロトンは、アノード触媒層2a、電解質膜1、及びカソード触媒層3aに備えられるアイオノマーを伝ってカソード触媒層3aに備えられる触媒上へと達する。一方、電子は、外部回路を経てカソード触媒層3aの触媒上へと達する。他方、FCモジュール10の作動時には、第1吸気ライン41及び流路8、8、…を介して、カソード3へ空気が供給される。そして、空気に含まれる酸素がカソード3に備えられるカソード触媒層3aの触媒上へ達すると、アノード触媒層2aから移動してきたプロトン及び電子と反応することにより、水が生成される。このように、FCモジュール10の作動時には水が生成される一方で、当該水の生成反応の副反応により、過酸化水素が生成され、この過酸化水素からOHラジカルやOOHラジカル等が生成される。このOHラジカルやOOHラジカル等は、アイオノマーを劣化させるほか、アノード拡散層、カソード拡散層、及びセパレータ等をも劣化させ得る。したがって、単セルを構成する各部材の劣化を抑制するには、OHラジカルやOOHラジカルの発生源となる過酸化水素を分解することが有効である。かかる観点から、燃料電池システム100では、停止したFCモジュール10における流路8、8、…の圧力が低下した後、液体供給手段20から単セル9へ、例えば、分解物質を含有する液体(Ceイオンを含有する水溶液等)を供給する。以下、単セル9へCeイオン(例えば、Ce4+)が供給される形態について説明する。 When the FC module 10 is operated, hydrogen is supplied to the anode 2 via the hydrogen supply line 43 and the flow paths 7, 7,. The hydrogen that has reached the anode catalyst layer 2a of the anode 2 becomes protons and electrons on the catalyst provided in the anode catalyst layer 2a, and the protons thus generated are converted into the anode catalyst layer 2a, the electrolyte membrane 1, and the cathode catalyst layer. It reaches the catalyst provided in the cathode catalyst layer 3a through the ionomer provided in 3a. On the other hand, electrons reach the catalyst of the cathode catalyst layer 3a through an external circuit. On the other hand, when the FC module 10 is operated, air is supplied to the cathode 3 through the first intake line 41 and the flow paths 8, 8,. When oxygen contained in the air reaches the catalyst of the cathode catalyst layer 3a provided in the cathode 3, water is generated by reacting with protons and electrons that have moved from the anode catalyst layer 2a. As described above, while the FC module 10 is operated, water is generated, while hydrogen peroxide is generated by a side reaction of the water generation reaction, and OH radicals, OOH radicals, and the like are generated from the hydrogen peroxide. . These OH radicals, OOH radicals, and the like can degrade the ionomer, as well as the anode diffusion layer, the cathode diffusion layer, the separator, and the like. Therefore, in order to suppress deterioration of each member constituting the single cell, it is effective to decompose hydrogen peroxide which is a generation source of OH radicals and OOH radicals. From this point of view, in the fuel cell system 100, after the pressure of the flow paths 8, 8,... In the stopped FC module 10 decreases, for example, liquid (Ce) containing a decomposition substance is transferred from the liquid supply means 20 to the single cell 9. An aqueous solution containing ions). Hereinafter, a mode in which Ce ions (for example, Ce 4+ ) are supplied to the single cell 9 will be described.

上述のように、FCモジュール10の作動時には、アノード2に水素が、カソード3に空気が、それぞれ供給され、水素と酸素とが反応することにより、水が生成される。ここで、水素及び空気をFCモジュール10へ供給した後に、バルブ31、32、33、及び34を閉めて閉鎖空間を形成すると、単セル9内に残留している水素及び酸素が電解質膜1を透過(クロスオーバー)して反応し、水が生成される。このようにして水が生成されると、単セル9内の残留気体量が低減するため、単セル9、並びに、第1吸気ライン41、第1排気ライン42、水素供給ライン43、及び、水素回収ライン44が減圧環境になる。このようにして減圧環境が形成された後に、バルブ35、36、37、及び38を開けて、液体供給手段20から液体を供給すると、液体供給ライン45、第1吸気ライン41、及び、流路8、8、…を介して、液体がカソード拡散層3bへと達し、さらに、単セル9におけるMEA4の圧力が低下しているため、液体が、カソード触媒層3a、電解質膜1、及び、アノード触媒層2a(以下、これらをまとめて「MEA4」と表記する。)へ均一に供給される。このようにして、液体がMEA4へ供給されると、MEA4内のアイオノマーに備えられるプロトン交換基のプロトンと、液体に備えられるCeイオンとがイオン交換され、MEA4内にCeイオンが取り込まれる。   As described above, when the FC module 10 is operated, hydrogen is supplied to the anode 2 and air is supplied to the cathode 3, and water and oxygen are reacted to generate water. Here, after supplying hydrogen and air to the FC module 10, when the closed spaces are formed by closing the valves 31, 32, 33, and 34, the hydrogen and oxygen remaining in the single cell 9 cause the electrolyte membrane 1 to pass through. Permeates (crosses over) and reacts to produce water. When water is generated in this way, the amount of residual gas in the single cell 9 is reduced, so that the single cell 9, the first intake line 41, the first exhaust line 42, the hydrogen supply line 43, and hydrogen The recovery line 44 becomes a reduced pressure environment. After the reduced pressure environment is formed in this manner, when the valves 35, 36, 37, and 38 are opened and the liquid is supplied from the liquid supply means 20, the liquid supply line 45, the first intake line 41, and the flow path The liquid reaches the cathode diffusion layer 3b via 8, 8,... And the pressure of the MEA 4 in the single cell 9 is reduced, so that the liquid becomes the cathode catalyst layer 3a, the electrolyte membrane 1, and the anode. The catalyst layer 2a (hereinafter collectively referred to as “MEA4”) is supplied uniformly. When the liquid is supplied to the MEA 4 in this manner, protons of proton exchange groups provided in the ionomer in the MEA 4 and Ce ions provided in the liquid are ion-exchanged, and Ce ions are taken into the MEA 4.

なお、従来技術のように、減圧環境ではない単セルへ液体を供給すると、FCモジュール停止後のカソード拡散層やアノード拡散層の細孔中に気体が残存しているため、供給された液体がカソード拡散層やアノード拡散層を通過し難い。そのため、液体をMEAへ均一に供給することが難しく、液体が不均一に供給されやすい。このようにして液体が不均一に供給されると、液体が供給された部位のみで上記イオン交換がなされるため、当該部位におけるイオン交換が進み過ぎ、プロトン伝導性能が低下して発電性能が低下するという問題がある。本発明によれば、減圧環境のMEAへ液体を供給するため、かかる問題を解決することができる。   Note that when liquid is supplied to a single cell that is not in a reduced pressure environment as in the prior art, gas remains in the pores of the cathode diffusion layer and anode diffusion layer after the FC module is stopped. It is difficult to pass through the cathode diffusion layer and the anode diffusion layer. For this reason, it is difficult to uniformly supply the liquid to the MEA, and the liquid is likely to be supplied unevenly. If the liquid is supplied in a non-uniform manner in this way, the ion exchange is performed only at the site where the liquid is supplied, so that the ion exchange at the site proceeds excessively, and the proton conduction performance deteriorates and the power generation performance decreases. There is a problem of doing. According to the present invention, since the liquid is supplied to the MEA in a reduced pressure environment, such a problem can be solved.

単セル9への液体の供給が終了し、当該液体を液体供給手段20へ回収した後に、再びFCモジュール10を作動させると、単セル9において過酸化水素が副生される。ところが、燃料電池システム100によれば、FCモジュール10の停止時に、過酸化水素分解性能を有するCeイオンがMEA4に供給されているため、副生された過酸化水素を分解できる。このように、過酸化水素が分解されれば、アイオノマー等を劣化させて発電性能及び耐久性を低下させるOHラジカルやOOHラジカル等の発生を防止することが可能になるので、本発明によれば、発電性能及び耐久性を向上させ得る、燃料電池システム100を提供できる。   After the supply of the liquid to the single cell 9 is completed and the liquid is recovered to the liquid supply means 20, when the FC module 10 is operated again, hydrogen peroxide is by-produced in the single cell 9. However, according to the fuel cell system 100, when the FC module 10 is stopped, Ce ions having hydrogen peroxide decomposition performance are supplied to the MEA 4, so that the by-produced hydrogen peroxide can be decomposed. Thus, if hydrogen peroxide is decomposed, it becomes possible to prevent the generation of OH radicals, OOH radicals, etc. that degrade the ionomer and the like and reduce the power generation performance and durability. The fuel cell system 100 that can improve the power generation performance and durability can be provided.

なお、FCモジュール10の運転を継続すると、時間の経過とともにCeイオンが溶出して過酸化水素分解性能が低下し、FCモジュール10の発電性能が低下する虞がある。ところが、本発明によれば、停止後に減圧環境になったFCモジュール10へ液体を供給することができるので、例えば、FCモジュール10の運転停止毎に液体を供給することも可能になる。したがって、本発明によれば、Ceイオンを繰り返し添加することができるので、長期間に亘って発電性能及び耐久性を向上させることが可能な、燃料電池システム100とすることができる。   If the operation of the FC module 10 is continued, Ce ions are eluted with the passage of time, and the hydrogen peroxide decomposition performance is lowered, and the power generation performance of the FC module 10 may be lowered. However, according to the present invention, since the liquid can be supplied to the FC module 10 that has been in a reduced pressure environment after the stop, for example, the liquid can be supplied every time the operation of the FC module 10 is stopped. Therefore, according to the present invention, Ce ions can be repeatedly added, so that the fuel cell system 100 capable of improving the power generation performance and durability over a long period of time can be obtained.

図3は、燃料電池システム100に備えられる液体供給手段20の形態例を示す概略図であり、矢印は、液体供給手段20内を流通する液体の移動方向を示している。図3において、図1に示す部位と同じ構成を採るものには、図1にて使用した符号と同符号を付し、その説明を適宜省略する。以下、図1〜図3を参照しつつ、本発明の燃料電池システム100について説明する。   FIG. 3 is a schematic diagram showing an example of the form of the liquid supply means 20 provided in the fuel cell system 100, and arrows indicate the moving directions of the liquid flowing through the liquid supply means 20. In FIG. 3, the same reference numerals as those used in FIG. 1 are assigned to the same components as those shown in FIG. 1, and description thereof will be omitted as appropriate. Hereinafter, the fuel cell system 100 of the present invention will be described with reference to FIGS.

図3に示すように、液体供給手段20は、回収された液体が流入すべき戻り液タンク21と、液体供給手段20における液体流路としての送液ライン22と、戻り液タンク21へ回収された液体のイオン濃度を検出可能なイオン検出手段23と、送液ポンプ24と、イオン濃度検知機能を備える電気透析セル25と、高濃度Ceイオン溶液を備える高濃度溶液タンク26と、Ceイオン濃度が調整された調整液を溜めるべき調整液タンク27と、を備え、戻り液タンク21の入口(=液体回収ライン46の出口。以下において同じ。)にイオン除去手段28が備えられている。戻り液タンク21は、液体回収ライン46及び第2排気ライン48と接続されるとともに、調整液タンク27は、液体供給ライン45及び第2吸気ライン47と接続され、液体供給手段20には、さらに、戻り液タンク21へ液体(例えば、脱イオン水等)を補給する際等に使用される補給口(不図示)が備えられている。   As shown in FIG. 3, the liquid supply means 20 is recovered to the return liquid tank 21 into which the recovered liquid should flow, the liquid feed line 22 as a liquid flow path in the liquid supply means 20, and the return liquid tank 21. An ion detection means 23 capable of detecting the ion concentration of the liquid, a liquid feed pump 24, an electrodialysis cell 25 having an ion concentration detection function, a high concentration solution tank 26 having a high concentration Ce ion solution, and a Ce ion concentration. And an adjustment liquid tank 27 for storing the adjusted adjustment liquid, and an ion removal means 28 is provided at the inlet of the return liquid tank 21 (= the outlet of the liquid recovery line 46; the same applies hereinafter). The return liquid tank 21 is connected to the liquid recovery line 46 and the second exhaust line 48, and the adjustment liquid tank 27 is connected to the liquid supply line 45 and the second intake line 47. A replenishment port (not shown) used when replenishing liquid (for example, deionized water) to the return liquid tank 21 is provided.

このような形態の液体供給手段20によれば、イオン検出手段23によって検出されたイオン濃度に基いて電気浸透条件を調整することにより、電気透析セル25を介して高濃度溶液タンク26から加えられる高濃度溶液の量を調整できる。それゆえ、調整液タンク27に溜められる調整液のCeイオン濃度を容易に制御することができる。そして、液体(調整液)を単セル9へ供給する際には、液体供給ライン45を介して、調整液タンク27に溜められた調整液が単セル9へ供給され、FCモジュール10の運転を再開する前に、液体回収ライン46を介して、液体が回収される。   According to the liquid supply means 20 of such a form, it is added from the high concentration solution tank 26 via the electrodialysis cell 25 by adjusting the electroosmotic conditions based on the ion concentration detected by the ion detection means 23. The amount of high concentration solution can be adjusted. Therefore, the Ce ion concentration of the adjustment liquid stored in the adjustment liquid tank 27 can be easily controlled. When supplying the liquid (adjustment liquid) to the single cell 9, the adjustment liquid stored in the adjustment liquid tank 27 is supplied to the single cell 9 via the liquid supply line 45 to operate the FC module 10. Prior to restarting, the liquid is recovered via the liquid recovery line 46.

図3に示すように、液体供給手段20には、戻り液タンク21の入口にイオン除去手段28が備えられる。そのため、液体供給手段20によれば、液体回収ライン46を介して回収される液体に微量に混入する、アイオノマー等を劣化させるイオン(例えば、Feイオン、Crイオン、Niイオン、Alイオン等。以下、「不純物イオン」という。)を除去できる。このようにして不純物イオンが除去されれば、不純物イオンによるFCモジュール10の発電性能及び耐久性の低下を防止できるので、発電性能及び耐久性をより一層向上させることができる。   As shown in FIG. 3, the liquid supply means 20 includes an ion removing means 28 at the inlet of the return liquid tank 21. Therefore, according to the liquid supply means 20, ions (for example, Fe ions, Cr ions, Ni ions, Al ions, etc., which are mixed in a small amount in the liquid recovered via the liquid recovery line 46 and deteriorate ionomers, etc.) , "Impurity ions"). If the impurity ions are removed in this way, it is possible to prevent the power generation performance and durability of the FC module 10 from being deteriorated by the impurity ions, so that the power generation performance and durability can be further improved.

ここで、例えば、燃料電池システム100が自動車に備えられる場合、送液ポンプ24及び電気透析セル25の動力は、FCモジュール10、及び/又は、自動車に備えられる二次電池等から得ることができる。この場合、FCモジュール10の作動中に送液ポンプ24及び電気透析セル25の動力を得て、FCモジュール10の作動中に、上記調整液を調整することが好ましい。   Here, for example, when the fuel cell system 100 is provided in an automobile, the power of the liquid feeding pump 24 and the electrodialysis cell 25 can be obtained from the FC module 10 and / or a secondary battery provided in the automobile. . In this case, it is preferable to obtain the power of the liquid feed pump 24 and the electrodialysis cell 25 during the operation of the FC module 10 and adjust the adjustment liquid during the operation of the FC module 10.

また、図3では、戻り液タンク21、送液ライン22、イオン検出手段23、送液ポンプ24、電気透析セル25、高濃度溶液タンク26、及び、イオン除去手段28が備えられる形態の液体供給手段20を例示したが、本発明の燃料電池システムにかかる液体供給手段は、これらのものが備えられない形態であっても良い。ただし、環境負荷を低減する等の観点から、液体の流通経路を循環系のラインとすることが好ましく、循環系のラインとする場合には、戻り液タンク、送液ライン、イオン検出手段、送液ポンプ、及び高濃度溶液タンクが備えられることが好ましい。また、発電性能及び耐久性をより一層向上させる等の観点から、イオン除去手段が備えられる形態とすることが好ましい。なお、液体供給手段20に備えられるイオン除去手段28の具体例としては、陽イオン交換樹脂を備えるイオン交換機等を挙げることができる。   In FIG. 3, the liquid supply is provided with a return liquid tank 21, a liquid feed line 22, an ion detection means 23, a liquid feed pump 24, an electrodialysis cell 25, a high concentration solution tank 26, and an ion removal means 28. Although the means 20 is illustrated, the liquid supply means according to the fuel cell system of the present invention may be in a form in which these are not provided. However, from the viewpoint of reducing the environmental load, the circulation path of the liquid is preferably a circulatory line. When the circulatory line is used, the return liquid tank, the liquid feed line, the ion detection means, Preferably, a liquid pump and a high concentration solution tank are provided. Further, from the viewpoint of further improving the power generation performance and durability, it is preferable that the ion removing means is provided. A specific example of the ion removing means 28 provided in the liquid supply means 20 includes an ion exchanger provided with a cation exchange resin.

加えて、図3では、循環系のラインに組み込まれて液体(調整液)が調整される形態の液体供給手段20を例示したが、本発明の燃料電池システムにかかる液体供給手段は、当該形態に限定されない。液体供給手段が採り得る他の形態例としては、液体供給手段が作動される前に予め調整された調整液を備える容器が、液体供給手段に備えられる形態等を挙げることができる。かかる形態の場合には、例えば、容器内の調整液がなくなった後に、当該容器を、Ceイオン濃度が調整された調整液を備える他の容器と交換する等の手段により、長期間に亘って発電性能及び耐久性を向上させ得る燃料電池システムとすることができる。なお、取り扱い性を向上させる等の観点から、図3に示す形態にかかる液体供給手段20の場合、高濃度溶液タンク26はカートリッジ式とし、取り替え可能な形態とすることが好ましい。   In addition, FIG. 3 exemplifies the liquid supply means 20 that is incorporated in the circulation system line and adjusts the liquid (conditioning liquid). However, the liquid supply means according to the fuel cell system of the present invention is not limited to this form. It is not limited to. As another form example that the liquid supply means can take, there can be mentioned a form in which the liquid supply means is provided with a container having a preliminarily adjusted liquid before the liquid supply means is operated. In the case of such a form, for example, after the adjustment liquid in the container is exhausted, the container is replaced with another container having an adjustment liquid whose Ce ion concentration is adjusted. The fuel cell system can improve the power generation performance and durability. In the case of the liquid supply means 20 according to the embodiment shown in FIG. 3, from the viewpoint of improving the handleability, it is preferable that the high concentration solution tank 26 is a cartridge type and can be replaced.

さらに、図3では、電気透析セル25が備えられる形態の液体供給手段20を例示したが、本発明の燃料電池システムにかかる液体供給手段は、電気透析セル25が備えられない形態であっても良い。この場合には、高濃度溶液タンク26から送液ライン22へ定期的に高濃度溶液が供給される形態等とすることにより、調整液を調整できる。ただし、単セル9へと供給される液体のCeイオン濃度の制御を容易にする等の観点からは、電気透析セル25が備えられる形態の液体供給手段20とすることが好ましい。   Further, in FIG. 3, the liquid supply means 20 in the form in which the electrodialysis cell 25 is provided is illustrated, but the liquid supply means in the fuel cell system of the present invention may be in a form in which the electrodialysis cell 25 is not provided. good. In this case, the adjustment liquid can be adjusted by adopting a form in which the high concentration solution is periodically supplied from the high concentration solution tank 26 to the liquid feeding line 22. However, from the viewpoint of facilitating the control of the Ce ion concentration of the liquid supplied to the single cell 9, it is preferable to use the liquid supply means 20 in a form in which the electrodialysis cell 25 is provided.

加えて、上記説明では、戻り液タンク21に補給される液体として、脱イオン水を例示したが、本発明はかかる形態に限定されない。ただし、不純物イオンを含まない液体を補給することで、発電性能及び耐久性を向上させやすい燃料電池システム100とする等の観点からは、補給される液体を脱イオン水とすることが好ましい。   In addition, in the above description, deionized water is exemplified as the liquid to be supplied to the return liquid tank 21, but the present invention is not limited to such a form. However, it is preferable to use deionized water as the liquid to be replenished from the viewpoint of providing the fuel cell system 100 that easily improves the power generation performance and durability by replenishing the liquid that does not contain impurity ions.

Ceイオンが単セルへ供給される上記形態において、単セルへと供給されるCeイオン量は、特に限定されない。ただし、過酸化水素分解性能を発現させる等の観点からは、液体が供給される単セルのMEAに備えられるプロトン交換基のプロトンの0.1%以上がCeイオンによってイオン交換される量とすることが好ましい。また、Ceイオンによって過度にイオン交換されることによるプロトン伝導性能の低下を抑制する等の観点からは、単セルのMEAに備えられるプロトン交換基のプロトンがイオン交換される割合は95%以下とすることが好ましい。より好ましい液体の量は、0.3%以上10%以下のプロトンがCeイオンによってイオン交換される量である。なお、Ceイオン以外の分解イオンが単セルへ供給される場合も、同様の観点から、当該分解イオンの量は、単セルのMEAに備えられるプロトン交換基のプロトンの0.1%以上95%以下がイオン交換される量とすることが好ましい。   In the above embodiment in which Ce ions are supplied to the single cell, the amount of Ce ions supplied to the single cell is not particularly limited. However, from the standpoint of developing hydrogen peroxide decomposition performance, etc., the amount is such that 0.1% or more of protons of proton exchange groups provided in the MEA of a single cell supplied with liquid are ion-exchanged by Ce ions. It is preferable. Moreover, from the viewpoint of suppressing a decrease in proton conduction performance due to excessive ion exchange by Ce ions, the ratio of proton exchange group protons provided in the single cell MEA is 95% or less. It is preferable to do. A more preferable amount of liquid is an amount in which 0.3% to 10% of protons are ion-exchanged by Ce ions. In addition, also when decomposition ions other than Ce ions are supplied to the single cell, from the same viewpoint, the amount of the decomposition ions is 0.1% or more and 95% of protons of the proton exchange group provided in the MEA of the single cell. The following are preferably ion exchanged amounts.

本発明の燃料電池システム100において、液体を供給すべきか否かを判断する際の指標としては、FCモジュール10の濃度過電圧の値を例示することができる。例えば、交流インピーダンス計測によりFCモジュール10の濃度過電圧を測定し、濃度過電圧の値が閾値を越えた場合に、単セル内でアイオノマーの劣化等が問題となる量の過酸化水素が発生、または、単セル内のCeイオン量が低下したと認識し、Ceイオンを供給すべき時期と判断することができる。このようにしてCeイオンを供給すべき時期と判断されたら、当該時期後、最初にFCモジュール10が停止し、減圧環境が形成された時等に、液体供給手段から単セルへ液体を供給すれば良い。このほか、予め、FCモジュール10の作動環境・作動時間に応じた発電性能を調査することにより、Ceイオンを供給すべき時期を把握し、当該時期が到来する毎に、液体供給手段から単セルへ液体を供給することも可能である。   In the fuel cell system 100 of the present invention, the concentration overvoltage value of the FC module 10 can be exemplified as an index for determining whether or not to supply liquid. For example, when the concentration overvoltage of the FC module 10 is measured by AC impedance measurement and the value of the concentration overvoltage exceeds a threshold value, an amount of hydrogen peroxide that causes degradation of ionomer in the single cell is generated, or Recognizing that the amount of Ce ions in the single cell has decreased, it can be determined that it is time to supply Ce ions. When it is determined that the Ce ion should be supplied in this way, the liquid is supplied from the liquid supply means to the single cell when the FC module 10 is stopped for the first time and a reduced pressure environment is formed. It ’s fine. In addition, by investigating the power generation performance according to the operating environment and operating time of the FC module 10 in advance, it is possible to grasp the time when Ce ions should be supplied, and from the liquid supply means to the single cell each time the time comes. It is also possible to supply liquid to

図4は、燃料電池システム100の動作手順を概略的に示すフローチャートである。以下、図1〜図4を参照しつつ、燃料電池システム100の動作手順について説明する。
本発明の燃料電池システム100では、FCモジュール10の停止後に、単セル9へ液体を供給するか否かが判断される(ステップS1)。ステップS1で肯定判断された場合には、バルブ31、32、33、及び34が閉じられ、閉鎖空間が形成される(ステップS2)。このようにして閉鎖空間が形成されると、当該閉鎖空間内に残留する水素と酸素とが電解質膜1を透過して反応することにより、単セル9の圧力が低下するので、その後、減圧環境が形成されたか否かが判断される(ステップS3)。ここで、減圧環境か否かを判断する方法としては、単セル9内の流体圧力を測定可能な圧力計の測定値が大気圧以下へ低減したか否かにより判断する方法のほか、予め設定した圧力以下となったか否か、あるいは、予め設定した時間が経過したか否かによって判断する方法等を例示できる。ステップS3で肯定判断された場合には、閉鎖空間が減圧され、液体を均一に供給可能な環境が形成されたと判断できるので、液体供給手段20から単セル9へ液体を供給すべく、バルブ37及びバルブ35が開かれ(ステップS4)、さらに、バルブ38及びバルブ36が開かれて(ステップS5)、液体の供給が開始される。その後、時間が経過すると、単セル9のMEA4が液体で満たされるので、液体の供給を終了すべきか否かが判断される(ステップS6)。ステップS6で肯定判断された場合には、MEA4が液体で満たされているので、バルブ37及びバルブ35が閉じられた後、バルブ36及びバルブ38が閉じられる(ステップS7)。その後、MEA4が液体で満たされた状態のまま一定時間放置することにより、MEA4のアイオノマーに備えられるプロトン交換基のプロトンがCeイオンによってイオン交換され、CeイオンがMEA4のアイオノマーへ取り込まれる(ステップS8)。CeイオンがMEA4に取り込まれたら、液体を液体供給手段20へ回収するため、バルブ38、36、及び31が開かれ、液体供給手段20の戻り液タンク21へ液体が回収される(ステップS9)。その後、液体の回収が終了したか否かが判断され(ステップS10)、ステップS10で肯定判断された場合には、バルブ31、36、及び38が閉じられ(ステップS11)、液体供給手段20による液体供給・回収プロセスが終了する。
FIG. 4 is a flowchart schematically showing an operation procedure of the fuel cell system 100. Hereinafter, the operation procedure of the fuel cell system 100 will be described with reference to FIGS.
In the fuel cell system 100 of the present invention, it is determined whether or not to supply liquid to the single cell 9 after the FC module 10 is stopped (step S1). When an affirmative determination is made in step S1, the valves 31, 32, 33, and 34 are closed to form a closed space (step S2). When the closed space is formed in this way, hydrogen and oxygen remaining in the closed space permeate through the electrolyte membrane 1 to react with each other, so that the pressure of the single cell 9 is lowered. Is determined (step S3). Here, as a method for determining whether or not the environment is a reduced pressure environment, in addition to a method for determining whether or not the measured value of the pressure gauge capable of measuring the fluid pressure in the single cell 9 is reduced to the atmospheric pressure or lower, it is set in advance. A method for determining whether or not the pressure has become lower than the predetermined pressure or whether or not a preset time has elapsed can be exemplified. If an affirmative determination is made in step S3, it can be determined that the closed space has been depressurized and an environment in which liquid can be supplied uniformly has been formed, so that the valve 37 is used to supply liquid from the liquid supply means 20 to the single cell 9. Then, the valve 35 is opened (step S4), the valve 38 and the valve 36 are opened (step S5), and the supply of liquid is started. Thereafter, when time elapses, the MEA 4 of the single cell 9 is filled with the liquid, and therefore it is determined whether or not the liquid supply should be terminated (step S6). If an affirmative determination is made in step S6, the MEA 4 is filled with the liquid, so that the valve 36 and the valve 38 are closed after the valve 37 and the valve 35 are closed (step S7). Thereafter, the MEA 4 is allowed to stand for a certain period of time while being filled with the liquid, whereby protons of proton exchange groups provided in the ionomer of the MEA 4 are ion-exchanged by Ce ions, and the Ce ions are taken into the ionomer of the MEA 4 (Step S8). ). When the Ce ions are taken into the MEA 4, the valves 38, 36, and 31 are opened to recover the liquid to the liquid supply means 20, and the liquid is recovered to the return liquid tank 21 of the liquid supply means 20 (step S9). . Thereafter, it is determined whether or not the liquid recovery has been completed (step S10). If an affirmative determination is made in step S10, the valves 31, 36 and 38 are closed (step S11), and the liquid supply means 20 The liquid supply / recovery process ends.

一方、ステップS1で否定判断された場合には、液体供給手段20から単セル9へ液体が供給されないので、液体供給手段20による液体供給・回収プロセスは行われない。また、ステップS3で否定判断された場合には、減圧環境の形成が終了していないため、減圧環境が形成されるまで、そのまま維持される。さらに、ステップS6で否定判断された場合には、未だMEA4が液体によって満たされておらず、液体の供給を継続する必要があるため、バルブ35、36、37、及び38を開いた状態が維持される。加えて、ステップS10で否定判断された場合には、未回収の液体が単セル9に残存している状態と考えられるので、液体の回収工程を継続すべく、バルブ31、36、及び38を開けた状態が維持される。   On the other hand, if a negative determination is made in step S1, no liquid is supplied from the liquid supply means 20 to the single cell 9, so that the liquid supply / recovery process by the liquid supply means 20 is not performed. If a negative determination is made in step S3, since the formation of the reduced pressure environment has not been completed, it is maintained until the reduced pressure environment is formed. Further, when a negative determination is made in step S6, the MEA 4 is not yet filled with the liquid and the supply of the liquid needs to be continued, so that the valves 35, 36, 37, and 38 are kept open. Is done. In addition, when a negative determination is made in step S10, it is considered that the unrecovered liquid remains in the single cell 9, so that the valves 31, 36, and 38 are set to continue the liquid recovery process. The open state is maintained.

図5は、燃料電池システム100に備えられる液体供給手段20の動作手順を概略的に示すフローチャートである。以下、図1〜図5を参照しつつ、液体供給手段20の動作手順について説明する。
液体供給手段20を作動させるには、まず、液体供給手段20から単セル9へ最初に供給される液体を用意する必要がある。ここで、発電性能を低下させる不純物イオンがFCモジュール10へ供給され難い形態とする等の観点から、上記液体は脱イオン水であることが好ましい。そこで、液体供給手段20の戻り液タンク21には、当該液体供給手段20の作動前に、脱イオン水が供給される(ステップS21)。そして、例えば、FCモジュール10の運転時に、送液ポンプ24が作動され(ステップS22)、電気透析セル25が作動される(ステップS23)。このようにして送液ポンプ24及び電気透析セル25が作動されると、送液ライン22内を流れる脱イオン水へ、電気透析セル25を介して、高濃度溶液タンク26内の高濃度Ceイオン溶液が供給されることにより、調整液が調整され、当該調整液が調整液タンク27に溜められる(ステップS23)。そして、調整液が溜められた後、上記ステップS4及びステップS5によりバルブ35、36、37、38が開けられると、液体の供給が開始される(ステップS24)。その後、上記ステップS6において肯定判断されると、単セル9への液体の供給が停止され(ステップS25)、単セル9へ供給する調整液を調整する必要がなくなる。そのため、電気透析セル25が停止され(ステップS26)、さらに、送液ポンプ24が停止される(ステップS27)。このようにして電気透析セル25及び送液ポンプ24が停止された後、上記ステップS8におけるイオン交換が終了すると、単セル9を満たしていた液体が戻り液タンク21へと回収され(ステップS28)、当該液体の回収が終了すると(ステップS29)、液体供給手段20による液体供給・回収プロセスが終了する。
FIG. 5 is a flowchart schematically showing an operation procedure of the liquid supply means 20 provided in the fuel cell system 100. Hereinafter, the operation procedure of the liquid supply means 20 will be described with reference to FIGS.
In order to operate the liquid supply means 20, first, it is necessary to prepare a liquid that is first supplied from the liquid supply means 20 to the single cell 9. Here, the liquid is preferably deionized water from the viewpoint of making it difficult for the impurity ions that reduce power generation performance to be supplied to the FC module 10. Therefore, deionized water is supplied to the return liquid tank 21 of the liquid supply means 20 before the operation of the liquid supply means 20 (step S21). For example, during operation of the FC module 10, the liquid feed pump 24 is activated (step S22), and the electrodialysis cell 25 is activated (step S23). When the liquid feed pump 24 and the electrodialysis cell 25 are operated in this way, the high concentration Ce ions in the high concentration solution tank 26 are passed through the electrodialysis cell 25 to the deionized water flowing in the liquid feed line 22. By supplying the solution, the adjustment liquid is adjusted, and the adjustment liquid is stored in the adjustment liquid tank 27 (step S23). Then, after the adjustment liquid is stored, when the valves 35, 36, 37, and 38 are opened by the steps S4 and S5, the supply of the liquid is started (step S24). Thereafter, when an affirmative determination is made in step S6, the supply of the liquid to the single cell 9 is stopped (step S25), and there is no need to adjust the adjustment liquid supplied to the single cell 9. Therefore, the electrodialysis cell 25 is stopped (step S26), and the liquid feed pump 24 is further stopped (step S27). After the electrodialysis cell 25 and the liquid feed pump 24 are stopped in this way, when the ion exchange in step S8 is completed, the liquid that has filled the single cell 9 is collected into the return liquid tank 21 (step S28). When the recovery of the liquid ends (step S29), the liquid supply / recovery process by the liquid supply means 20 ends.

2.第2実施形態
図6は、第2実施形態にかかる本発明の燃料電池システムを示す概略図であり、矢印は、空気又は水素の流れ方向を示している。図6において、図1に示す部位と同じ構成を採るものには、図1にて使用した符号と同符号を付し、その説明を適宜省略する。以下、図2及び図6を参照しつつ、第2実施形態にかかる本発明の燃料電池システムについて説明する。
2. Second Embodiment FIG. 6 is a schematic view showing a fuel cell system of the present invention according to a second embodiment, and arrows indicate the flow direction of air or hydrogen. In FIG. 6, the same reference numerals as those used in FIG. 1 are assigned to the same components as those shown in FIG. 1, and description thereof will be omitted as appropriate. Hereinafter, the fuel cell system according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 2 and 6.

図6に示すように、第2実施形態にかかる本発明の燃料電池システム200は、FCモジュール10と、当該FCモジュール10に備えられる単セル9へ液体を供給可能な液体供給手段20と、を備えている。FCモジュール10には、主に空気が流通する第1吸気ライン41及び第1排気ライン42と、水素が流通する水素供給ライン43及び水素回収ライン44と、が接続されている。一方、液体供給手段20には、単セル9へ供給される液体が流通すべき液体供給ライン45及び単セル9から回収される液体が流通すべき液体回収ライン46と、単セル9へ液体を供給する際に用いられる第2吸気ライン47及び第2排気ライン48と、が接続されている。そして、液体供給ライン45が第1吸気ライン41に接続され、液体回収ライン46が第1排気ライン42に接続されることにより、液体供給手段20から単セル9への液体供給、及び、単セル9から液体供給手段20への液体回収が可能なように構成されている。さらに、第1吸気ライン41、第1排気ライン42、水素供給ライン43、水素回収ライン44、液体供給ライン45、液体回収ライン46、第2吸気ライン47、及び、第2排気ライン48には、これらの中を流通する気体又は液体の流量を調整可能な、バルブ31、32、33、34、35、36、37、及び、38が、それぞれ設けられている。上記構成に加えて、燃料電池システム200の第1排気ライン42には、さらに、減圧ライン52及びバルブ51を介して、減圧ポンプ50が接続されている。燃料電池システム200に備えられる減圧ポンプ50の具体例としては、真空ポンプ等を挙げることができる。   As shown in FIG. 6, the fuel cell system 200 of the present invention according to the second embodiment includes an FC module 10 and a liquid supply means 20 that can supply a liquid to the single cell 9 provided in the FC module 10. I have. The FC module 10 is connected to a first intake line 41 and a first exhaust line 42 through which mainly air flows, and a hydrogen supply line 43 and a hydrogen recovery line 44 through which hydrogen flows. On the other hand, the liquid supply means 20 supplies the liquid to the single cell 9 with the liquid supply line 45 through which the liquid supplied to the single cell 9 should flow, the liquid recovery line 46 through which the liquid recovered from the single cell 9 should flow. A second intake line 47 and a second exhaust line 48 used when supplying are connected. The liquid supply line 45 is connected to the first intake line 41, and the liquid recovery line 46 is connected to the first exhaust line 42, so that the liquid supply from the liquid supply means 20 to the single cell 9 and the single cell The liquid can be recovered from 9 to the liquid supply means 20. Further, the first intake line 41, the first exhaust line 42, the hydrogen supply line 43, the hydrogen recovery line 44, the liquid supply line 45, the liquid recovery line 46, the second intake line 47, and the second exhaust line 48 include: Valves 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, and 38 that can adjust the flow rate of the gas or liquid flowing through these are provided. In addition to the above configuration, a decompression pump 50 is further connected to the first exhaust line 42 of the fuel cell system 200 via a decompression line 52 and a valve 51. Specific examples of the decompression pump 50 provided in the fuel cell system 200 include a vacuum pump.

このように、燃料電池システム200には、減圧ポンプ50が備えられている。そのため、FCモジュール10の停止後に、閉鎖空間内に残留する水素及び酸素が反応することで形成される減圧環境の圧力を、減圧ポンプ50を用いてより一層確実に低下させることができる。したがって、第2実施形態にかかる燃料電池システム200によれば、流路8、8、…、及びMEA4等の圧力を確実に低下させることができるので、液体を単セル9
へ均一に供給することが可能になり、発電性能を向上させることができる。
As described above, the fuel cell system 200 includes the decompression pump 50. Therefore, after the FC module 10 is stopped, the pressure in the reduced pressure environment formed by the reaction of hydrogen and oxygen remaining in the closed space can be more reliably reduced using the reduced pressure pump 50. Therefore, according to the fuel cell system 200 according to the second embodiment, the pressure of the flow paths 8, 8,...
It is possible to supply to the power source uniformly, and the power generation performance can be improved.

図7は、燃料電池システム200の動作手順を概略的に示すフローチャートである。以下、図2、図3、図6、及び図7を参照しつつ、単セル9へCeイオンを含む液体が供給される場合における、燃料電池システム200の動作手順について説明する。   FIG. 7 is a flowchart schematically showing an operation procedure of the fuel cell system 200. Hereinafter, an operation procedure of the fuel cell system 200 when a liquid containing Ce ions is supplied to the single cell 9 will be described with reference to FIGS. 2, 3, 6, and 7.

本発明の燃料電池システム200では、FCモジュール10の停止後に、単セル9へ液体を供給するか否かが判断される(ステップS31)。ステップS31で肯定判断された場合には、バルブ31、32、33、及び34が閉じられ、閉鎖空間が形成される(ステップS32)。このようにして閉鎖空間が形成されると、当該閉鎖空間内に残留する水素と酸素とが電解質膜1を透過して反応することにより、単セル9の圧力が低下する。ここで、燃料電池システム200では、閉鎖空間内の圧力をより一層確実に低減すべく、ステップS32後に、減圧ポンプ50が作動され(ステップS33)、引き続き、バルブ51が開けられることにより、減圧ポンプ50を用いて上記閉鎖空間の圧力がさらに低減される(ステップS34)。そして、減圧が完了したか否かが判断される(ステップS35)。ここで、減圧が完了したか否かを判断する方法としては、単セル9内の圧力を測定可能な圧力計の測定値が0.1[MPa(abs)]以下の圧力へ低下したか否かにより判断する方法のほか、減圧ポンプ50の作動を開始してから予め設定した時間が経過したか否か、あるいは、予め設定された圧力以下になったか否かによって判断する方法等が例示される。ステップS35で肯定判断された場合には、閉鎖空間が十分に減圧され、液体を均一に供給可能な環境が形成されたと判断できる。そのため、バルブ51が閉じられた後(ステップS36)、減圧ポンプ50の動作が停止される(ステップS37)。その後、液体供給手段20から単セル9へ液体を供給すべく、バルブ37及びバルブ35が開かれ(ステップS38)、さらに、バルブ38及びバルブ36が開かれて(ステップS39)、液体の供給が開始される。液体の供給が開始されて時間が経過すると、単セル9のMEA4が液体で満たされるので、液体の供給を終了すべきか否かが判断される(ステップS40)。ステップS40で肯定判断された場合には、MEA4が液体で満たされているので、バルブ37及びバルブ35が閉じられた後、バルブ36及びバルブ38が閉じられる(ステップS41)。その後、MEA4が液体で満たされた状態のまま一定時間放置することにより、MEA4のアイオノマーに備えられるプロトン交換基のプロトンがCeイオンによってイオン交換され、CeイオンがMEA4のアイオノマーへ取り込まれる(ステップS42)。CeイオンがMEA4に取り込まれたら、液体を液体供給手段20へ回収するため、バルブ38、36、及び31が開かれ、液体供給手段20の戻り液タンク21へ液体が回収される(ステップS43)。その後、液体の回収が終了したか否かが判断され(ステップS44)、ステップS44で肯定判断された場合には、バルブ31、36、及び38が閉じられ(ステップS45)、液体供給手段20による液体供給・回収プロセスが終了する。   In the fuel cell system 200 of the present invention, it is determined whether or not to supply liquid to the single cell 9 after the FC module 10 is stopped (step S31). If an affirmative determination is made in step S31, the valves 31, 32, 33, and 34 are closed to form a closed space (step S32). When the closed space is formed in this way, hydrogen and oxygen remaining in the closed space permeate through the electrolyte membrane 1 to react, thereby reducing the pressure of the single cell 9. Here, in the fuel cell system 200, the pressure reducing pump 50 is operated after step S32 in order to reduce the pressure in the closed space more reliably (step S33), and then the valve 51 is opened to thereby reduce the pressure reducing pump. 50 is used to further reduce the pressure in the closed space (step S34). Then, it is determined whether or not the decompression is completed (step S35). Here, as a method of determining whether or not the pressure reduction is completed, whether or not the measured value of the pressure gauge capable of measuring the pressure in the single cell 9 has decreased to a pressure of 0.1 [MPa (abs)] or less. In addition to the method of determining by the above, examples include a method of determining whether or not a preset time has elapsed since the start of the operation of the pressure reducing pump 50, or whether or not the pressure is lower than a preset pressure. The If an affirmative determination is made in step S35, it can be determined that the closed space has been sufficiently decompressed and an environment in which liquid can be supplied uniformly has been formed. Therefore, after the valve 51 is closed (step S36), the operation of the decompression pump 50 is stopped (step S37). Thereafter, in order to supply the liquid from the liquid supply means 20 to the single cell 9, the valve 37 and the valve 35 are opened (step S38), and further the valve 38 and the valve 36 are opened (step S39). Be started. When the supply of the liquid starts, the time elapses, and the MEA 4 of the single cell 9 is filled with the liquid. Therefore, it is determined whether or not the supply of the liquid should be terminated (step S40). If an affirmative determination is made in step S40, the MEA 4 is filled with the liquid, so that the valve 36 and the valve 38 are closed after the valve 37 and the valve 35 are closed (step S41). Thereafter, the MEA 4 is left for a certain period of time while being filled with the liquid, whereby protons of proton exchange groups provided in the ionomer of the MEA 4 are ion-exchanged by Ce ions, and the Ce ions are taken into the ionomer of the MEA 4 (Step S42). ). When the Ce ions are taken into the MEA 4, the valves 38, 36, and 31 are opened to recover the liquid to the liquid supply means 20, and the liquid is recovered to the return liquid tank 21 of the liquid supply means 20 (step S43). . Thereafter, it is determined whether or not the liquid recovery has been completed (step S44). If an affirmative determination is made in step S44, the valves 31, 36 and 38 are closed (step S45), and the liquid supply means 20 The liquid supply / recovery process ends.

一方、ステップS31で否定判断された場合には、液体供給手段20から単セル9へ液体が供給されないので、液体供給手段20による液体供給・回収プロセスは行われない。また、ステップS35で否定判断された場合には、閉鎖空間の圧力が十分に低下していないので、十分な減圧がなされるまで、そのまま維持される。さらに、ステップS40で否定判断された場合には、未だMEA4が液体によって満たされておらず、液体の供給を継続する必要があるため、バルブ35、36、37、及び38を開いた状態が維持される。加えて、ステップS44で否定判断された場合には、未回収の液体が単セル9に残存している状態と考えられるので、液体の回収工程を継続すべく、バルブ31、36、及び38を開けた状態が維持される。   On the other hand, if a negative determination is made in step S31, no liquid is supplied from the liquid supply means 20 to the single cell 9, so that the liquid supply / recovery process by the liquid supply means 20 is not performed. Further, when a negative determination is made in step S35, the pressure in the closed space has not been sufficiently lowered, and thus the pressure is maintained as it is until sufficient pressure reduction is performed. Further, when a negative determination is made in step S40, the MEA 4 is not yet filled with the liquid and it is necessary to continue the supply of the liquid, so that the valves 35, 36, 37, and 38 are kept open. Is done. In addition, when a negative determination is made in step S44, it is considered that the unrecovered liquid remains in the single cell 9, so that the valves 31, 36, and 38 are set to continue the liquid recovery process. The open state is maintained.

上記説明では、Ceイオンを含む液体が単セルへ供給される形態を例示したが、本発明において、単セルへ分解イオンを含有する液体が供給される場合、当該液体に備えられる分解イオンは、Ceイオンに限定されない。分解イオンとしては、C4+、Si4+、Sc3+、Ti4+、Mn2+、Co2+、Cu2+、Se2+、Rb、Y3+、Zr4+、Nb5+、Rh2+、Pd、Ag、Sn2+、La3+、Ce4+、Pr3+、Nd3+、Pm3+、Sm3+、Eu3+、Gd3+、Tb3+、Dy3+、Ho3+、Er3+、Tm3+、Yb3+、Lu3+、Hf4+、Ta5+、Os4+、Ir2+、Pt2+、Au等を例示できる。 In the above description, the form in which the liquid containing Ce ions is supplied to the single cell is exemplified, but in the present invention, when the liquid containing the decomposition ions is supplied to the single cell, the decomposition ions provided in the liquid are: It is not limited to Ce ions. As decomposition ions, C 4+ , Si 4+ , Sc 3+ , Ti 4+ , Mn 2+ , Co 2+ , Cu 2+ , Se 2+ , Rb + , Y 3+ , Zr 4+ , Nb 5+ , Rh 2+ , Pd + , Ag + , sn 2+, La 3+, Ce 4+ , Pr 3+, Nd 3+, Pm 3+, Sm 3+, Eu 3+, Gd 3+, Tb 3+, Dy 3+, Ho 3+, Er 3+, Tm 3+, Yb 3+, Lu 3+, Hf 4+ , Ta 5+ , Os 4+ , Ir 2+ , Pt 2+ , Au + and the like.

また、これまで、分解イオンを含有する液体が単セルへ供給される形態を中心に説明したが、本発明の燃料電池システムでは、凍結抑制機能を有する液体を、単セルへ供給しても良い。凍結抑制機能を有する液体としては、エチレングリコールを含む液体のほか、エタノール、メタノール、フッ素系不凍液等を例示できる。本発明によれば、FCモジュールの停止後に圧力が低下した単セルへ液体が供給される。そのため、圧力が低下した単セルへ空気を供給することにより掃気して水を排出する従来技術とは異なり、低温始動性を向上させるために停止後のFCモジュール内に残存する水を排出する必要はない。ここで、PEFCの単セルに備えられるアノード、電解質膜、及びカソードは、通気性を有する物質により構成され、多数の細孔等により通気性が確保されている。FCモジュール停止後の単セル内の水は、この細孔にも残存すると考えられるところ、従来技術では細孔に残存する水を単セル外へ排出することは困難であり、低温始動性向上効果が得られ難かった。ところが、本発明によれば、圧力が低下した単セルを掃気せず、当該単セルへ凍結抑制剤を供給できるので、上記細孔にも凍結抑制剤を拡散させることができる。したがって、圧力が低下した単セルへ凍結抑制剤が供給される形態とすれば、低温始動性を向上させ得る燃料電池システムを提供することが可能になる。   In the above description, the liquid containing the decomposition ions is mainly supplied to the single cell. However, in the fuel cell system of the present invention, the liquid having the freeze suppression function may be supplied to the single cell. . Examples of the liquid having a freeze-inhibiting function include ethanol, methanol, a fluorine-based antifreeze liquid, and the like in addition to a liquid containing ethylene glycol. According to the present invention, the liquid is supplied to the single cell whose pressure has decreased after the FC module is stopped. Therefore, it is necessary to discharge the water remaining in the FC module after stopping in order to improve the low temperature startability, unlike the conventional technology that scavenges and discharges water by supplying air to a single cell whose pressure has dropped. There is no. Here, the anode, the electrolyte membrane, and the cathode included in the single cell of PEFC are made of a material having air permeability, and the air permeability is ensured by a large number of pores. The water in the single cell after stopping the FC module is thought to remain in these pores. However, it is difficult to discharge the water remaining in the pores outside the single cell with the conventional technology, and the effect of improving low temperature startability It was difficult to obtain. However, according to the present invention, since the freezing inhibitor can be supplied to the single cell without scavenging the single cell whose pressure has decreased, the freezing inhibitor can be diffused into the pores. Therefore, if the freezing inhibitor is supplied to the single cell whose pressure has decreased, it is possible to provide a fuel cell system that can improve the cold startability.

なお、本発明において、減圧後に液体を供給する際、MEAが液体で満たされた時点等において、液体供給ライン及び第1吸気ラインを介して、単セル内の流路及びMEAへ圧力を加えても良い。このようにすれば、MEA内へ液体をより一層拡散させやすくなるため、発電性能及び耐久性、又は、低温始動性をより一層向上させることが可能になる。また、上記説明では、液体供給ラインが第1吸気ラインへ接続されるとともに、液体回収ラインが第1排気ラインへ接続される形態を例示したが、本発明は当該形態に限定されず、例えば、液体供給ラインが水素供給ラインへ接続されるとともに、液体回収ラインが水素回収ラインへ接続される形態とすることも可能である。   In the present invention, when supplying the liquid after decompression, when the MEA is filled with the liquid, the pressure is applied to the flow path in the single cell and the MEA via the liquid supply line and the first intake line. Also good. In this way, since it becomes easier to diffuse the liquid into the MEA, the power generation performance and durability, or the low-temperature startability can be further improved. In the above description, the liquid supply line is connected to the first intake line and the liquid recovery line is connected to the first exhaust line. However, the present invention is not limited to this form. The liquid supply line may be connected to the hydrogen supply line, and the liquid recovery line may be connected to the hydrogen recovery line.

上記説明では、アノード及びカソードに拡散層が備えられる形態の燃料電池を例示したが、本発明を適用可能な燃料電池は、当該形態に限定されず、アノード及び/又はカソードに拡散層が備えられない形態とすることも可能である。また、上記説明では、セパレータに流路が備えられる形態の単セルを例示したが、流路が備えられない形態のセパレータが備えられていても良い。この場合には、例えば、発泡金属や焼結金属等により構成される拡散層に水素や空気等を供給することができ、アノード及び/又はカソードに拡散層が備えられない場合には、アノード触媒層及び/又はカソード触媒層に水素や空気等が供給される形態とすることも可能である。   In the above description, the fuel cell in which the anode and the cathode are provided with the diffusion layer is illustrated, but the fuel cell to which the present invention is applicable is not limited to the embodiment, and the anode and / or the cathode is provided with the diffusion layer. It is also possible to have no form. Moreover, in the said description, although the single cell of the form with which a flow path is provided in a separator was illustrated, the separator of the form with which a flow path is not provided may be provided. In this case, for example, hydrogen or air can be supplied to the diffusion layer made of foam metal, sintered metal, or the like, and when the anode and / or the cathode is not provided with the diffusion layer, the anode catalyst It is also possible to adopt a form in which hydrogen, air, or the like is supplied to the layer and / or the cathode catalyst layer.

さらに、本発明の説明において、セパレータが備えられる形態の単セルを例示したが、本発明の燃料電池システムに備えられる単セルは、当該形態に限定されない。例えば、円筒状の電解質膜と、当該電解質膜の内周面側に配設される円筒状のアノード触媒層と、電解質膜の外周面側に配設される円筒状のカソード触媒層と、を備える円筒状のMEAと、当該円筒状のMEAの外周面側及び内周面側にそれぞれ配設される集電体と、を有する、円筒状の単セルが備えられていても良い。かかる形態の単セルが備えられていても、当該単セルの圧力が低下した後に、分解イオンを含有する液体や、凍結抑制剤が供給されれば、セパレータを有する上記形態の場合に得られる効果と同様の効果を奏することが可能になる。   Furthermore, in the description of the present invention, a single cell having a form in which a separator is provided is illustrated, but the single cell provided in the fuel cell system of the present invention is not limited to this form. For example, a cylindrical electrolyte membrane, a cylindrical anode catalyst layer disposed on the inner peripheral surface side of the electrolyte membrane, and a cylindrical cathode catalyst layer disposed on the outer peripheral surface side of the electrolyte membrane, A cylindrical single cell having a cylindrical MEA provided and current collectors respectively disposed on the outer peripheral surface side and the inner peripheral surface side of the cylindrical MEA may be provided. Even if such a single cell is provided, the effect obtained in the case of the above-described embodiment having a separator is provided if a liquid containing decomposition ions or a freeze inhibitor is supplied after the pressure of the single cell is reduced. It is possible to achieve the same effect as.

なお、これまで、PEFCに適用される本発明について説明したが、本発明を適用可能な燃料電池はPEFCに限定されない。本発明は、FCモジュールの停止後に形成された閉鎖空間内で、固体高分子膜を通過した物質が反応することにより、当該閉鎖空間の圧力を低減させることが可能な燃料電池に適用することができる。当該燃料電池としては、上記PEFCのほかに、DMFCが例示される。したがって、本発明は、DMFCにも適用可能である。   Although the present invention applied to PEFC has been described so far, the fuel cell to which the present invention can be applied is not limited to PEFC. The present invention can be applied to a fuel cell capable of reducing the pressure in the closed space by the reaction of the substance that has passed through the solid polymer membrane in the closed space formed after the FC module is stopped. it can. Examples of the fuel cell include DMFC in addition to the PEFC. Therefore, the present invention is also applicable to DMFC.

第1実施形態にかかる本発明の燃料電池システムを示す概略図である。It is the schematic which shows the fuel cell system of this invention concerning 1st Embodiment. 単セルの一部形態例を概略的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows the example of a partial form of a single cell roughly. 液体供給手段の形態例を示す概略図である。It is the schematic which shows the example of a form of a liquid supply means. 燃料電池システムの動作手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the operation | movement procedure of a fuel cell system. 液体供給手段の動作手順を概略的に示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the operation | movement procedure of a liquid supply means roughly. 第2実施形態にかかる本発明の燃料電池システムを示す概略図である。It is the schematic which shows the fuel cell system of this invention concerning 2nd Embodiment. 燃料電池システムの動作手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the operation | movement procedure of a fuel cell system.

符号の説明Explanation of symbols

1 電解質膜(電解質層)
2 アノード(電極層)
2a アノード触媒層
2b アノード拡散層
3 カソード(電極層)
3a カソード触媒層
3b カソード拡散層
4 MEA(電解質・電極構造体)
5、6 セパレータ(集電体)
7、8 流路
9 単セル
10 燃料電池モジュール
20 液体供給手段
21 戻り液タンク
22 調整液タンク
23 イオン検出手段
24 送液ポンプ
25 電気透析セル
26 高濃度溶液タンク
27 送液ライン
28 イオン除去手段
31、32、33、34 バルブ
35、36、37、38 バルブ
41 第1の吸気ライン
42 第1の排気ライン
43 水素供給ライン
44 水素回収ライン
45 液体供給ライン
46 液体回収ライン
47 第2の吸気ライン
48 第2の排気ライン
50 減圧ポンプ
51 バルブ
52 減圧ライン
100、200 燃料電池システム
1 Electrolyte membrane (electrolyte layer)
2 Anode (electrode layer)
2a Anode catalyst layer 2b Anode diffusion layer 3 Cathode (electrode layer)
3a Cathode catalyst layer 3b Cathode diffusion layer 4 MEA (electrolyte / electrode structure)
5, 6 Separator (current collector)
7, 8 Flow path 9 Single cell 10 Fuel cell module 20 Liquid supply means 21 Return liquid tank 22 Adjustment liquid tank 23 Ion detection means 24 Liquid feed pump 25 Electrodialysis cell 26 High concentration solution tank 27 Liquid feed line 28 Ion removal means 31 , 32, 33, 34 Valve 35, 36, 37, 38 Valve 41 First intake line 42 First exhaust line 43 Hydrogen supply line 44 Hydrogen recovery line 45 Liquid supply line 46 Liquid recovery line 47 Second intake line 48 Second exhaust line 50 Pressure reducing pump 51 Valve 52 Pressure reducing line 100, 200 Fuel cell system

Claims (3)

電解質層並びに該電解質層の一方の側へ配設される電極層及び他方の側へ配設される電極層を備える電解質・電極構造体と、該電解質・電極構造体の一方の側へ配設される集電体及び他方の側へ配設される集電体と、前記電解質・電極構造体へと供給される流体が流通可能な流路と、を備える単セルを有するモジュールを具備し、
前記モジュールの動作停止時に、圧力が低下した前記流路へ、液体が供給されることを特徴とする、燃料電池システム。
Electrolyte / electrode structure comprising an electrolyte layer, an electrode layer disposed on one side of the electrolyte layer, and an electrode layer disposed on the other side, and disposed on one side of the electrolyte / electrode structure And a current collector disposed on the other side, and a flow path through which a fluid supplied to the electrolyte / electrode structure can flow, and a module having a single cell,
The fuel cell system, wherein the liquid is supplied to the flow path where the pressure is reduced when the operation of the module is stopped.
前記液体に、過酸化水素分解性能を有するイオンが含まれることを特徴とする、請求項1に記載の燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1, wherein the liquid contains ions having hydrogen peroxide decomposition performance. 過酸化水素分解性能を有する前記イオンが、Ceイオンであることを特徴とする、請求項2に記載の燃料電池システム。 3. The fuel cell system according to claim 2, wherein the ions having hydrogen peroxide decomposition performance are Ce ions.
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