JP2009104919A - Method for operating solid polymer fuel cell - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To allow the economical aging to be achieved by performing the excellent aging treatment in a short time, while reducing consumption of hydrogen as much as possible. <P>SOLUTION: The method has a first aging step to perform the hydrogen pump operation that the humidified hydrogen permeates a solid polymer electrolyte membrane 14 to be transferred to a cathode side of a fuel cell 10 with the maximum usable current density by feeding the humidified hydrogen to an anode side of the fuel cell 10 without feeding oxidizer gas to the cathode side of the fuel cell 10 while applying the positive pole potential to the anode side of the fuel cell 10 and applying the negative pole potential to the cathode side of the fuel cell 10, and a second aging step to perform power generation of the fuel cell 10 with the maximum usable current density after the first aging step. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、電解質膜の両側に一対の電極が配設される電解質膜・電極構造体を有する固体高分子型燃料電池の運転方法に関する。   The present invention relates to a method for operating a polymer electrolyte fuel cell having an electrolyte membrane / electrode structure in which a pair of electrodes are disposed on both sides of an electrolyte membrane.

燃料電池は、燃料ガス(主に水素を含有するガス)及び酸化剤ガス(主に酸素を含有するガス)をアノード側電極及びカソード側電極に供給して電気化学的に反応させることにより、直流の電気エネルギを得るシステムである。   A fuel cell supplies a fuel gas (mainly hydrogen-containing gas) and an oxidant gas (mainly oxygen-containing gas) to the anode-side electrode and the cathode-side electrode and causes them to react electrochemically. It is a system that obtains electrical energy.

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を設けた電解質膜・電極構造体(MEA)を、セパレータによって挟持した発電セルを備えている。この種の発電セルは、通常、電解質膜・電極構造体とセパレータとを所定数だけ積層することにより、燃料電池スタックとして、例えば、自動車等の車両に搭載して使用されている。   For example, in a polymer electrolyte fuel cell, an electrolyte membrane / electrode structure (MEA) provided with an anode electrode and a cathode electrode on both sides of an electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane is sandwiched by separators. Has a cell. This type of power generation cell is normally used as a fuel cell stack mounted on a vehicle such as an automobile, for example, by laminating a predetermined number of electrolyte membrane / electrode structures and separators.

この種の固体高分子型燃料電池では、組み立て直後の電解質膜の含水量が十分でないため、初期発電性能が低くなっている。従って、通常、燃料電池の組み立て後に所望の発電性能を引き出すため、前記燃料電池のエージング運転が行われている。   In this type of polymer electrolyte fuel cell, the initial power generation performance is low because the water content of the electrolyte membrane immediately after assembly is not sufficient. Therefore, usually, the aging operation of the fuel cell is performed in order to obtain a desired power generation performance after the assembly of the fuel cell.

例えば、特許文献1に開示されている燃料電池の運転方法では、燃料電池の予備運転(エージング運転)時に、前記燃料電池のセル内にフラッディングが発生するように、消費されるガスの利用率を向上させることを特徴としている。   For example, in the method of operating a fuel cell disclosed in Patent Document 1, the utilization rate of consumed gas is set so that flooding occurs in the fuel cell when the fuel cell is preliminarily operated (aging operation). It is characterized by improving.

しかしながら、上記の運転方法では、急激なフラッディングを伴うために、電池性能の劣化を抑制させるための制御が煩雑化するとともに、特に、MEAを構成する電解質膜の性能に悪影響を与えるおそれがある。   However, in the above operating method, since rapid flooding is involved, the control for suppressing the deterioration of the battery performance becomes complicated, and in particular, the performance of the electrolyte membrane constituting the MEA may be adversely affected.

さらに、MEAを構成する電解質膜として、フッ素系材料に代えて、例えば、炭化水素系材料が用いられる場合、前記フッ素系材料に比べて疎水性が高く、前記電解質膜内に十分に水を浸透させるまでに時間がかかるという問題がある。   Further, when a hydrocarbon material, for example, is used as the electrolyte membrane constituting the MEA instead of the fluorine-based material, the hydrophobicity is higher than that of the fluorine-based material, and water sufficiently penetrates into the electrolyte membrane. There is a problem that it takes time to make it happen.

そこで、特許文献2に開示されている固体高分子型燃料電池のエージング装置では、予備運転時に固体高分子型燃料電池からの負荷電流を消費させる負荷器と、前記固体高分子型燃料電池と前記負荷器との間に接続され、前記負荷電流の大きさを時間の経過と共に周期的に変動させる制御手段とを備えている。   Therefore, in the solid polymer fuel cell aging device disclosed in Patent Document 2, a loader that consumes a load current from the polymer electrolyte fuel cell during preliminary operation, the polymer electrolyte fuel cell, Control means connected between the loader and periodically changing the magnitude of the load current with time.

これにより、負荷電流の大きさを、時間の経過と共に周期的に変動させるため、MEAへの水の浸透促進効果が増し、エージング運転に要する時間の短縮化を図ることができる、としている。   Thereby, since the magnitude | size of load current is fluctuate | varied periodically with progress of time, the penetration | invasion promotion effect of the water to MEA increases, and it is supposed that the time required for an aging driving | operation can be shortened.

特開2003−217622号公報JP 2003-217622 A 特開2007−66666号公報JP 2007-66666 A

上記の特許文献2では、カソードにカソードガスを供給するとともに、アノードにアノードガスを供給し、燃料電池スタックから負荷器に時間の経過と共にその大きさが周期的に変動する負荷電流を流すことにより、エージング運転を開始している。   In the above-mentioned Patent Document 2, the cathode gas is supplied to the cathode, the anode gas is supplied to the anode, and a load current whose magnitude varies periodically with the passage of time from the fuel cell stack to the loader is supplied. Aging operation has started.

しかしながら、組み立て後に始めて使用されるMEAでは、高電流密度による発電を行うことができない。このため、低電流密度から徐々に電流印加量を増やしたり、負荷印加中の保持時間を短くしてOCV(開回路電圧)に戻す操作が必要となっている。   However, the MEA that is used for the first time after assembly cannot generate power with a high current density. For this reason, it is necessary to gradually increase the amount of applied current from a low current density or shorten the holding time during load application to return to OCV (open circuit voltage).

これにより、燃料電池の発電性能が飽和するまでに相当な時間を要してしまい、エージング運転に時間がかかるという問題がある。しかも、エージング運転中には、カソードガス及びアノードガスが消費されており、特に、水素使用量が過大となって極めて不経済であるという問題がある。   As a result, a considerable time is required until the power generation performance of the fuel cell is saturated, and there is a problem that it takes time for the aging operation. Moreover, during the aging operation, the cathode gas and the anode gas are consumed, and there is a problem that the amount of hydrogen used is excessive and extremely uneconomical.

本発明はこの種の問題を解決するものであり、エージング処理を短時間で良好に行うとともに、水素の消費を可及的に阻止し、経済的なエージングが遂行可能な固体高分子型燃料電池の運転方法を提供することを目的とする。   The present invention solves this type of problem, and is a solid polymer fuel cell capable of performing aging treatment satisfactorily in a short period of time while preventing hydrogen consumption as much as possible and performing economic aging. The purpose is to provide a driving method.

本発明は、電解質膜の両側に一対の電極が配設される電解質膜・電極構造体を有する固体高分子型燃料電池をエージングするための固体高分子型燃料電池の運転方法に関するものである。   The present invention relates to a method for operating a polymer electrolyte fuel cell for aging a polymer electrolyte fuel cell having an electrolyte membrane / electrode structure in which a pair of electrodes are disposed on both sides of the electrolyte membrane.

この運転方法では、固体高分子型燃料電池に電位を印加した状態で、一方の電極側への酸化剤ガスの供給を行うことなく、他方の電極側に加湿された水素を供給することにより、前記水素が電解質膜を透過して前記一方の電極側に移送される水素ポンプ運転を、使用時の最大電流密度以上で行う第1エージング工程と、前記第1エージング工程の後、前記固体高分子型燃料電池の発電を、前記最大電流密度以上で行う第2エージング工程とを有している。   In this operation method, in a state where a potential is applied to the polymer electrolyte fuel cell, without supplying the oxidant gas to one electrode side, by supplying humidified hydrogen to the other electrode side, A first aging step in which a hydrogen pump operation in which the hydrogen permeates through the electrolyte membrane and is transferred to the one electrode side is performed at a maximum current density or more during use; and after the first aging step, the solid polymer And a second aging step for generating electric power of the fuel cell at the maximum current density or higher.

また、電解質膜は、炭化水素系の電解質膜で構成されることが好ましい。   The electrolyte membrane is preferably composed of a hydrocarbon-based electrolyte membrane.

さらに、一方の電極であるカソード側にマイナス極の電位を印加するとともに、他方の電極であるアノード側にプラス極の電位を印加することが好ましい。   Furthermore, it is preferable to apply a negative potential to the cathode, which is one electrode, and to apply a positive potential to the anode, which is the other electrode.

本発明では、先ず、外部から電圧を印加して電解質膜中を水素イオンを移動させる、所謂、水素ポンプ運転による第1エージング工程が行われるため、過電圧の少ない水素のみが反応に関与しており、腐食電位以下で連続的に大電流(使用時の最大電流密度以上)を印加させることができる。従って、性能劣化の抑制及び時間の短縮が容易に図られる。しかも、水素ポンプでは、一方の電極側に移送された水素が、酸化剤ガスと反応することはない。このため、第1エージング工程中に水素が消費されることはなく、極めて経済的である。   In the present invention, first, a first aging process is carried out by so-called hydrogen pump operation in which a voltage is applied from the outside to move hydrogen ions in the electrolyte membrane, so that only hydrogen with low overvoltage is involved in the reaction. A large current (above the maximum current density during use) can be applied continuously below the corrosion potential. Therefore, it is possible to easily suppress the performance deterioration and shorten the time. In addition, in the hydrogen pump, hydrogen transferred to one electrode side does not react with the oxidant gas. For this reason, hydrogen is not consumed during the first aging step, which is extremely economical.

さらに、水素ポンプ運転による第1エージング工程が行われた後、発電による第2エージング運転が行われるため、高負荷(大電流)による発電が可能になる。これにより、エージング完了までの時間が一挙に短縮され、水素の消費を可及的に阻止して経済的なエージングが遂行可能になるとともに、燃料電池の触媒活性を良好に引き出すことができる。   Furthermore, since the second aging operation by power generation is performed after the first aging step by the hydrogen pump operation is performed, power generation with a high load (large current) is possible. As a result, the time until the completion of aging is shortened at once, hydrogen consumption can be prevented as much as possible, economical aging can be performed, and the catalytic activity of the fuel cell can be satisfactorily extracted.

図1は、本発明の実施形態に係る固体高分子型燃料電池10の運転方法において、水素ポンプ運転による第1エージング工程を行うためのエージング装置12の概略構成図である。   FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an aging device 12 for performing a first aging process by a hydrogen pump operation in an operation method of a polymer electrolyte fuel cell 10 according to an embodiment of the present invention.

図2に示すように、燃料電池10は、例えば、炭化水素系の固体高分子電解質膜14をアノード側電極16とカソード側電極18とで挟持した電解質膜・電極構造体20を備え、前記電解質膜・電極構造体20がアノード側セパレータ22とカソード側セパレータ24とにより挟持される。アノード側セパレータ22及びカソード側セパレータ24は、カーボンプレート又は金属プレートにより構成され、図示しないシール部材を設けている。なお、固体高分子電解質膜14は、例えば、パーフルオロカーボン等のフッ素系の膜を使用してもよい。   As shown in FIG. 2, the fuel cell 10 includes, for example, an electrolyte membrane / electrode structure 20 in which a hydrocarbon-based solid polymer electrolyte membrane 14 is sandwiched between an anode-side electrode 16 and a cathode-side electrode 18, and the electrolyte The membrane / electrode structure 20 is sandwiched between the anode side separator 22 and the cathode side separator 24. The anode-side separator 22 and the cathode-side separator 24 are constituted by a carbon plate or a metal plate, and are provided with a seal member (not shown). The solid polymer electrolyte membrane 14 may be a fluorine-based membrane such as perfluorocarbon, for example.

電解質膜・電極構造体20とアノード側セパレータ22との間には、燃料ガス流路26が形成されるとともに、前記電解質膜・電極構造体20とカソード側セパレータ24との間には、酸化剤ガス流路28が形成される。   A fuel gas channel 26 is formed between the electrolyte membrane / electrode structure 20 and the anode side separator 22, and an oxidant is provided between the electrolyte membrane / electrode structure 20 and the cathode side separator 24. A gas flow path 28 is formed.

燃料電池10は、図1に示すように、一端側に水素含有ガス等の燃料ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔30aと、空気(酸素含有ガス)等の酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔32aとが形成される。燃料電池10の他端側には、燃料ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔30bと、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔32bとが形成される。   As shown in FIG. 1, the fuel cell 10 supplies a fuel gas inlet communication hole 30 a for supplying a fuel gas such as a hydrogen-containing gas to one end side and an oxidant gas such as air (oxygen-containing gas). The oxidant gas inlet communication hole 32a is formed. On the other end side of the fuel cell 10, a fuel gas outlet communication hole 30b for discharging the fuel gas and an oxidant gas outlet communication hole 32b for discharging the oxidant gas are formed.

エージング装置12は、燃料電池10のアノード側(燃料ガス流路26側)に加湿された水素を供給するアノード側配管系34と、前記燃料電池10のカソード側(酸化剤ガス流路28側)に接続されるカソード側配管系36と、前記燃料電池10のアノード側にプラス極の電位を印加するとともに、前記燃料電池10のカソード側にマイナス極の電位を印加する直流電源38と、前記エージング装置12全体の制御を行うコントローラ40とを備える。   The aging device 12 includes an anode side piping system 34 that supplies humidified hydrogen to the anode side (fuel gas flow path 26 side) of the fuel cell 10, and the cathode side (oxidant gas flow path 28 side) of the fuel cell 10. A direct-current power supply 38 that applies a negative electrode potential to the cathode side of the fuel cell 10, and a aging power source that applies a positive electrode potential to the anode side of the fuel cell 10. And a controller 40 that controls the entire apparatus 12.

アノード側配管系34は、水素を貯留する水素ボンベ42を備え、この水素ボンベ42は、アノード供給配管44を介して燃料電池10の燃料ガス入口連通孔30aに連通する。アノード供給配管44には、水素ボンベ42側から下流に向かって開閉弁46aと加湿器48とが配設されるとともに、前記加湿器48には、不活性ガス、例えば、窒素ガス(N2ガス)を供給するための窒素ボンベ50が、開閉弁46bを介して接続される。 The anode side piping system 34 includes a hydrogen cylinder 42 that stores hydrogen, and the hydrogen cylinder 42 communicates with the fuel gas inlet communication hole 30 a of the fuel cell 10 via the anode supply pipe 44. The anode supply pipe 44 is provided with an on-off valve 46a and a humidifier 48 from the hydrogen cylinder 42 side toward the downstream side. The humidifier 48 has an inert gas such as nitrogen gas (N 2 gas). ) Is connected via an on-off valve 46b.

アノード側配管系34は、燃料電池10の燃料ガス出口連通孔30bに連通するアノード排出配管52を備える。このアノード排出配管52には、開閉弁46cが配設されるとともに、前記アノード排出配管52とアノード供給配管44とには、バイパスライン54の両端が接続される。このバイパスライン54には、開閉弁46dが配設される。   The anode side piping system 34 includes an anode discharge piping 52 that communicates with the fuel gas outlet communication hole 30 b of the fuel cell 10. The anode discharge pipe 52 is provided with an on-off valve 46 c, and both ends of a bypass line 54 are connected to the anode discharge pipe 52 and the anode supply pipe 44. The bypass line 54 is provided with an on-off valve 46d.

カソード側配管系36は、カソード供給配管58を備え、このカソード供給配管58の一端は、開閉弁46eを介してアノード供給配管44に接続自在である。カソード供給配管58の他端は、燃料電池10の酸化剤ガス入口連通孔32aに連通する。   The cathode side piping system 36 includes a cathode supply pipe 58, and one end of the cathode supply pipe 58 can be connected to the anode supply pipe 44 via an on-off valve 46e. The other end of the cathode supply pipe 58 communicates with the oxidant gas inlet communication hole 32 a of the fuel cell 10.

カソード側配管系36は、燃料電池10の酸化剤ガス出口連通孔32bに連通するカソード排出配管60を設け、このカソード排出配管60は、アノード排出配管52に対して開閉弁46cの上流側に接続される。   The cathode side piping system 36 is provided with a cathode discharge pipe 60 that communicates with the oxidant gas outlet communication hole 32 b of the fuel cell 10, and this cathode discharge pipe 60 is connected to the upstream side of the on-off valve 46 c with respect to the anode discharge pipe 52. Is done.

図3は、エージング装置12による第1エージング工程の後、燃料電池10に対し第2エージング工程を行うための発電エージング装置70の概略構成図である。なお、発電エージング装置70は、発電エージングのために用いられる専用機として構成されていてもよく、又は車載用として燃料電池10を組み込む燃料電池システムにより、発電エージングを行うように構成してもよい。   FIG. 3 is a schematic configuration diagram of a power generation aging device 70 for performing the second aging process on the fuel cell 10 after the first aging process by the aging device 12. The power generation aging device 70 may be configured as a dedicated machine used for power generation aging, or may be configured to perform power generation aging by a fuel cell system incorporating the fuel cell 10 for in-vehicle use. .

発電エージング装置70は、燃料電池10に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給系72と、前記燃料電池10に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給系74と、前記燃料電池10に接続される電子負荷76とを備える。   The power generation aging device 70 includes a fuel gas supply system 72 for supplying fuel gas to the fuel cell 10, an oxidant gas supply system 74 for supplying oxidant gas to the fuel cell 10, and the fuel cell 10. And an electronic load 76 to be connected.

燃料ガス供給系72は、水素タンク78を備え、この水素タンク78から水素供給管80を介して燃料ガス入口連通孔30aに水素ガスが供給されるとともに、この水素供給管80には、可変バルブ82aが配設される。   The fuel gas supply system 72 includes a hydrogen tank 78, and hydrogen gas is supplied from the hydrogen tank 78 through the hydrogen supply pipe 80 to the fuel gas inlet communication hole 30 a, and a variable valve is provided in the hydrogen supply pipe 80. 82a is disposed.

燃料ガス供給系72は、燃料ガス出口連通孔30bに連通する水素排出管84を有し、この水素排出管84と水素供給管80とにバイパスライン86が接続される。水素排出管84及びバイパスライン86には、開閉弁88a、88bが配設される。   The fuel gas supply system 72 has a hydrogen discharge pipe 84 that communicates with the fuel gas outlet communication hole 30 b, and a bypass line 86 is connected to the hydrogen discharge pipe 84 and the hydrogen supply pipe 80. On-off valves 88 a and 88 b are disposed in the hydrogen discharge pipe 84 and the bypass line 86.

酸化剤ガス供給系74は、エアポンプ(エアコンプレッサ)90を備え、このエアポンプ90に接続される空気供給管92は、酸化剤ガス入口連通孔32aに接続される。この空気供給管92には、可変バルブ82bが配設される。   The oxidant gas supply system 74 includes an air pump (air compressor) 90, and an air supply pipe 92 connected to the air pump 90 is connected to the oxidant gas inlet communication hole 32a. The air supply pipe 92 is provided with a variable valve 82b.

酸化剤ガス供給系74は、酸化剤ガス出口連通孔32bに接続される空気排出管94を備え、この空気排出管94と空気供給管92とにバイパスライン96が接続される。空気排出管94及びバイパスライン96には、開閉弁88c、88dが配設される。   The oxidant gas supply system 74 includes an air discharge pipe 94 connected to the oxidant gas outlet communication hole 32 b, and a bypass line 96 is connected to the air discharge pipe 94 and the air supply pipe 92. The air discharge pipe 94 and the bypass line 96 are provided with on-off valves 88c and 88d.

電子負荷76は、可変抵抗機能を有しており、燃料電池10の出力電流が0〜使用時の最大電流密度以上になるように抵抗値が設定可能である。最大電流密度とは、発熱により固体高分子電解質膜14に劣化が発生しない程度であり、最大200%、好ましくは、150%以下(より好ましくは、125%)である。   The electronic load 76 has a variable resistance function, and the resistance value can be set so that the output current of the fuel cell 10 is 0 or more than the maximum current density at the time of use. The maximum current density is a level at which the solid polymer electrolyte membrane 14 is not deteriorated by heat generation, and is a maximum of 200%, preferably 150% or less (more preferably 125%).

このように構成されるエージング装置12及び発電エージング装置70による運転方法について、図4に示すフローチャートに沿って、以下に説明する。   The operation method by the aging device 12 and the power generation aging device 70 configured as described above will be described below along the flowchart shown in FIG.

先ず、図1に示すように、燃料電池10は、エージング装置12に取り付けられた後、所謂、水素ポンプ運転を開始する前に、窒素ガスによるパージ処理が行われる(ステップS1)。窒素ボンベ50は、アノード側配管系34に設けられており、開閉弁46b、46c及び46eが開放される一方、開閉弁46a、46dが閉塞される。   First, as shown in FIG. 1, after the fuel cell 10 is attached to the aging device 12, before the so-called hydrogen pump operation is started, a purge process with nitrogen gas is performed (step S <b> 1). The nitrogen cylinder 50 is provided in the anode side piping system 34, and the on / off valves 46b, 46c and 46e are opened, and the on / off valves 46a and 46d are closed.

このため、窒素ボンベ50から導出される窒素ガスは、加湿器48を通って加湿された後、アノード供給配管44とカソード供給配管58とに分流される。この加湿された窒素ガスは、燃料電池10の燃料ガス入口連通孔30aと、酸化剤ガス入口連通孔32aとに供給される。   For this reason, the nitrogen gas led out from the nitrogen cylinder 50 is humidified through the humidifier 48 and then is divided into the anode supply pipe 44 and the cathode supply pipe 58. The humidified nitrogen gas is supplied to the fuel gas inlet communication hole 30a and the oxidant gas inlet communication hole 32a of the fuel cell 10.

燃料電池10内では、図2に示すように、燃料ガス流路26及び酸化剤ガス流路28に加湿された窒素ガスが導入される。そして、所定の時間だけ掃気されることによって、燃料ガス流路26及び酸化剤ガス流路28に残存する空気等が窒素ガスに置換される。   In the fuel cell 10, as shown in FIG. 2, humidified nitrogen gas is introduced into the fuel gas channel 26 and the oxidant gas channel 28. The air remaining in the fuel gas channel 26 and the oxidant gas channel 28 is replaced with nitrogen gas by scavenging for a predetermined time.

次いで、開閉弁46bが閉塞されるとともに、開閉弁46aが開放される。従って、水素ボンベ42から水素ガスが導出され、この水素ガスは、加湿器48によって加湿された後、アノード供給配管44とカソード供給配管58とに分流される。このため、燃料電池10では、燃料ガス流路26及び酸化剤ガス流路28が水素ガスによって掃気される(ステップS2)。   Next, the on-off valve 46b is closed and the on-off valve 46a is opened. Accordingly, hydrogen gas is led out from the hydrogen cylinder 42, and after being humidified by the humidifier 48, the hydrogen gas is divided into the anode supply pipe 44 and the cathode supply pipe 58. Therefore, in the fuel cell 10, the fuel gas channel 26 and the oxidant gas channel 28 are scavenged with hydrogen gas (step S2).

さらに、ステップS3に進んで、水素ポンプ運転による第1エージング工程が開始される。この水素ポンプ運転では、図1に示すように、アノード側(アノード側電極16)にプラス極の電位が印加されるとともに、カソード側(カソード側電極18)にマイナス極の電位が印加されている。   Furthermore, it progresses to step S3 and the 1st aging process by a hydrogen pump driving | operation is started. In this hydrogen pump operation, as shown in FIG. 1, a positive potential is applied to the anode side (anode side electrode 16) and a negative potential is applied to the cathode side (cathode side electrode 18). .

この状態で、カソード側配管系36では、開閉弁46eが閉塞されている。一方、アノード側配管系34では、開閉弁46b、46dが閉塞されるとともに、開閉弁46a、46cが開放されている。従って、水素ボンベ42からアノード供給配管44に水素ガスが供給され、この水素ガスは、加湿器48によって加湿された後、燃料電池10の燃料ガス入口連通孔30aを通って燃料ガス流路26に供給される。   In this state, in the cathode side piping system 36, the on-off valve 46e is closed. On the other hand, in the anode side piping system 34, the on-off valves 46b and 46d are closed and the on-off valves 46a and 46c are opened. Accordingly, hydrogen gas is supplied from the hydrogen cylinder 42 to the anode supply pipe 44, and this hydrogen gas is humidified by the humidifier 48 and then passes through the fuel gas inlet communication hole 30 a of the fuel cell 10 to the fuel gas flow path 26. Supplied.

ここで、燃料電池10では、直流電源38を介してアノード側にプラス極の電位が印加されるとともに、カソード側にマイナス極の電位が印加されている。このため、図5に示すように、アノード側電極16では、H2→2H++2e-の反応が起こり、水素イオン(H+)は、固体高分子電解質膜14を透過してカソード側電極18に移動する。このカソード側電極18で、2H++2e-→H2の反応が惹起する。 Here, in the fuel cell 10, a positive electrode potential is applied to the anode side via the DC power supply 38, and a negative electrode potential is applied to the cathode side. Therefore, as shown in FIG. 5, the reaction of H 2 → 2H + + 2e occurs in the anode side electrode 16, and hydrogen ions (H + ) permeate the solid polymer electrolyte membrane 14 and become the cathode side electrode 18. Move to. The cathode side electrode 18 causes a reaction of 2H + + 2e → H 2 .

従って、アノード側電極16からカソード側電極18には、プロトン(水素イオン)が移動するとともに、同伴水が固体高分子電解質膜14に供給され、この固体高分子電解質膜14の含水率が増加する。   Accordingly, protons (hydrogen ions) move from the anode side electrode 16 to the cathode side electrode 18 and entrained water is supplied to the solid polymer electrolyte membrane 14, and the water content of the solid polymer electrolyte membrane 14 increases. .

燃料電池10の燃料ガス流路26に供給された水素ガスは、未反応部分が燃料ガス出口連通孔30bからアノード排出配管52に排出される。一方、酸化剤ガス流路28の水素ガスは、この酸化剤ガス流路28から酸化剤ガス出口連通孔32bを通ってカソード排出配管60からアノード排出配管52に排出される。   The unreacted portion of the hydrogen gas supplied to the fuel gas flow path 26 of the fuel cell 10 is discharged from the fuel gas outlet communication hole 30b to the anode discharge pipe 52. On the other hand, the hydrogen gas in the oxidant gas passage 28 is discharged from the oxidant gas passage 28 through the oxidant gas outlet communication hole 32 b to the anode discharge pipe 52 from the cathode discharge pipe 60.

この場合、上記の水素ポンプ運転では、水素ボンベ42から導入される水素のストイキが、比較的高く設定されており、導入される水分量を増加させることができる。   In this case, in the above-described hydrogen pump operation, the stoichiometry of hydrogen introduced from the hydrogen cylinder 42 is set to be relatively high, and the amount of moisture introduced can be increased.

しかも、直流電源38による印加電流密度は、使用時の最大電流密度に設定されている。水素ポンプ運転では、過電圧の少ない水素のみが反応に関与するため、エージング初期の段階で大電流を引くことが可能となるからである。これにより、エージング時間が短縮される。   Moreover, the current density applied by the DC power supply 38 is set to the maximum current density during use. This is because in the hydrogen pump operation, only hydrogen with a small overvoltage is involved in the reaction, so that a large current can be drawn at the early stage of aging. This shortens the aging time.

さらに、カソード側電極18側は、反応ガスの拡散抵抗による濃度過電圧の影響を受けないため、電極面の局所的な反応集中による劣化やエージング状態の分布を低減することが可能になる。従って、電極面を均一にエージングすることができる。   Further, since the cathode side electrode 18 side is not affected by the concentration overvoltage due to the diffusion resistance of the reaction gas, it is possible to reduce deterioration due to local reaction concentration on the electrode surface and the distribution of the aging state. Therefore, the electrode surface can be aged uniformly.

さらにまた、通常の発電によるエージングの場合には、エージング途上で一定電流を保持することができないため、負荷電流をサイクルさせてエージングを行っている。このため、高電位サイクルを繰り返すことになり、触媒単体の腐食を誘発するおそれがある。   Furthermore, in the case of aging by normal power generation, since a constant current cannot be maintained during aging, the aging is performed by cycling the load current. For this reason, the high potential cycle is repeated, which may induce corrosion of the catalyst alone.

これに対して、水素ポンプ運転によるエージングでは、腐食電位以下で、連続的に大電流を印加することができるため、性能劣化の抑制及びエージング時間の短縮が容易に可能になる。その際、水素ポンプ運転では、カソード側電極18に移送された水素は、酸化剤ガスと反応することがなく、水素ガスとしてアノード排出配管52に排出されている。これにより、水素が消費されることがなく、極めて経済的であるという効果がある。   On the other hand, in aging by hydrogen pump operation, since a large current can be continuously applied at a corrosion potential or lower, it is possible to easily suppress performance deterioration and shorten the aging time. At that time, in the hydrogen pump operation, the hydrogen transferred to the cathode side electrode 18 does not react with the oxidant gas and is discharged to the anode discharge pipe 52 as hydrogen gas. Thereby, there is an effect that hydrogen is not consumed and is extremely economical.

さらに、水素ポンプ運転によるエージングでは、過電圧損失による発熱量も小さくなるため、固体高分子電解質膜14の温度劣化等を有効に抑制することができる。   Further, in the aging by the hydrogen pump operation, the heat generation amount due to the overvoltage loss is reduced, so that the temperature degradation of the solid polymer electrolyte membrane 14 can be effectively suppressed.

ところで、水素ポンプ運転のみによるエージングでは、触媒活性を十分に引き出すことができないおそれがある。従って、本実施形態では、水素ポンプ運転による第1エージング工程の後に、発電エージングによる第2エージング工程が行われる(ステップS4、及び図6参照)。   By the way, there is a possibility that the catalyst activity cannot be sufficiently extracted by aging only by the hydrogen pump operation. Therefore, in this embodiment, the 2nd aging process by power generation aging is performed after the 1st aging process by hydrogen pump operation (refer to Step S4 and Drawing 6).

先ず、図3に示すように、第1エージング工程が終了した燃料電池10は、発電エージング装置70に取り付けられる。そこで、燃料ガス供給系72を構成する水素タンク78は、水素供給管80を介して燃料ガス入口連通孔30aに燃料ガスを供給する。一方、酸化剤ガス供給系74を構成するエアポンプ90を介して、空気供給管92から酸化剤ガス入口連通孔32aに空気が供給される。   First, as shown in FIG. 3, the fuel cell 10 after the first aging process is attached to the power generation aging device 70. Therefore, the hydrogen tank 78 constituting the fuel gas supply system 72 supplies the fuel gas to the fuel gas inlet communication hole 30 a via the hydrogen supply pipe 80. On the other hand, air is supplied from the air supply pipe 92 to the oxidant gas inlet communication hole 32 a via the air pump 90 constituting the oxidant gas supply system 74.

このため、図2に示すように、燃料ガス流路26に水素ガスが供給されるとともに、酸化剤ガス流路28に空気が供給され、電解質膜・電極構造体20により電気化学反応が発生する。具体的には、図7に示すように、アノード側電極16で発生したプロトン(水素イオン)が、固体高分子電解質膜14を透過してカソード側電極18に移動し、このカソード側電極18で水が生成される。   Therefore, as shown in FIG. 2, hydrogen gas is supplied to the fuel gas passage 26 and air is supplied to the oxidant gas passage 28, and an electrochemical reaction is generated by the electrolyte membrane / electrode structure 20. . Specifically, as shown in FIG. 7, protons (hydrogen ions) generated at the anode side electrode 16 pass through the solid polymer electrolyte membrane 14 and move to the cathode side electrode 18. Water is produced.

従って、燃料電池10による発電が開始され、電子負荷76を介してこの燃料電池10から出力される電流は、図6に示すように、増減制御される。これにより、発電エージングが行われ、例えば、所定時間が経過することにより(ステップS5中、YES)、燃料電池10のエージング運転が終了する。   Therefore, power generation by the fuel cell 10 is started, and the current output from the fuel cell 10 via the electronic load 76 is controlled to increase or decrease as shown in FIG. Thus, power generation aging is performed. For example, when a predetermined time has elapsed (YES in step S5), the aging operation of the fuel cell 10 is completed.

このように、本実施形態では、新たに組み立てられた燃料電池10のエージング処理が、先ず、水素ポンプ運転による第1エージング工程と、発電エージングによる第2エージング工程とにより行われている。   Thus, in the present embodiment, the aging process of the newly assembled fuel cell 10 is first performed by the first aging process by the hydrogen pump operation and the second aging process by the power generation aging.

水素ポンプ運転によるエージングでは、大電流を印加することによるプロトンチャンネルへの水の引き込みが確実に行われるとともに、過電圧の減少による電極面内での均一なエージング処理が遂行される。   In the aging by the hydrogen pump operation, water is surely drawn into the proton channel by applying a large current, and uniform aging treatment is performed in the electrode surface by reducing the overvoltage.

しかも、カソード側電極18の触媒が水素還元されるため、酸化膜の除去が図られる他、触媒界面との接合性が向上する。その上、固体高分子電解質膜14と触媒層中の電解質界面の接合性の向上によるプロトンの授受促進が図られるという利点がある。   In addition, since the catalyst of the cathode side electrode 18 is reduced with hydrogen, the oxide film is removed and the bonding property with the catalyst interface is improved. In addition, there is an advantage that the exchange of protons can be promoted by improving the bondability between the solid polymer electrolyte membrane 14 and the electrolyte interface in the catalyst layer.

この水素ポンプ運転によるエージングを行った後、発電エージングを行うことにより、この発電エージングでは、高負荷発電が可能になる。このため、従来の発電エージングのみを行う際のように、出力電流を低電流から徐々に上げていく必要がなく、エージング完了までの時間が一挙に短縮される。   By performing power generation aging after performing aging by this hydrogen pump operation, this power generation aging enables high-load power generation. For this reason, it is not necessary to gradually increase the output current from a low current as in the case of performing only the conventional power generation aging, and the time until the aging is completed is shortened at once.

これにより、水素の消費を可及的に阻止することができ、経済的なエージング処理が遂行可能になるとともに、燃料電池10の触媒活性を良好に引き出すことができるという効果が得られる。   As a result, the consumption of hydrogen can be prevented as much as possible, an economic aging process can be performed, and the catalyst activity of the fuel cell 10 can be satisfactorily brought out.

図8は、水素ポンプ運転のみによるエージングと、水素ポンプ運転によるエージングと発電エージングとを組み合わせた本実施形態と、における発電性能を比較した結果である。これにより、水素ポンプ運転のみによるエージングに比べ、本実施形態では、正常のエージング完了品と同等に、燃料電池10の触媒活性を完全に引き出すことができるという結果が得られた。   FIG. 8 is a result of comparison of power generation performance in the aging by only the hydrogen pump operation and the present embodiment in which the aging by the hydrogen pump operation and the power generation aging are combined. Thereby, compared with the aging only by hydrogen pump operation, in this embodiment, the result that the catalyst activity of the fuel cell 10 can be fully drawn out like a normal aging completion product was obtained.

なお、本実施形態では、アノード側にプラス極の電位を印加するとともに、カソード側にマイナス極の電位を印加し、前記カソード側への酸化剤ガスの供給を行うことなく、前記アノード側に加湿された水素を供給して水素ポンプ運転を行っている。これに対して、カソード側にプラス極の電位を印加するとともに、アノード側にマイナス極の電位を印加し、前記アノード側への酸化剤ガスの供給を行うことなく、前記カソード側に加湿された水素を供給して水素ポンプ運転を行うこともできる。   In this embodiment, a positive electrode potential is applied to the anode side, a negative electrode potential is applied to the cathode side, and humidification is applied to the anode side without supplying an oxidant gas to the cathode side. The supplied hydrogen is supplied to operate the hydrogen pump. On the other hand, a positive electrode potential was applied to the cathode side, a negative electrode potential was applied to the anode side, and the cathode side was humidified without supplying an oxidant gas to the anode side. Hydrogen pump operation can also be performed by supplying hydrogen.

本発明の実施形態に係る固体高分子型燃料電池の運転方法において、水素ポンプ運転による第1エージング工程を行うためのエージング装置の概略構成図である。1 is a schematic configuration diagram of an aging device for performing a first aging step by a hydrogen pump operation in a method for operating a polymer electrolyte fuel cell according to an embodiment of the present invention. 前記燃料電池の断面説明図である。2 is a cross-sectional explanatory view of the fuel cell. FIG. 前記燃料電池に対し第2エージング工程を行うための発電エージング装置の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the electric power generation aging apparatus for performing a 2nd aging process with respect to the said fuel cell. 前記運転方法を説明するフローチャートである。It is a flowchart explaining the said driving | running method. 水素ポンプ運転によるエージングの説明図である。It is explanatory drawing of the aging by a hydrogen pump driving | operation. 前記運転方法の説明図である。It is explanatory drawing of the said operating method. 発電エージングの説明図である。It is explanatory drawing of electric power generation aging. 各種エージングによる性能の比較説明図である。It is comparison explanatory drawing of the performance by various aging.

符号の説明Explanation of symbols

10…燃料電池 12…エージング装置
14…固体高分子電解質膜 16…アノード側電極
18…カソード側電極 20…電解質膜・電極構造体
26…燃料ガス流路 28…酸化剤ガス流路
30a…燃料ガス入口連通孔 30b…燃料ガス出口連通孔
32a…酸化剤ガス入口連通孔 32b…酸化剤ガス出口連通孔
34…アノード側配管系 36…カソード側配管系
38…直流電源 40…コントローラ
42…水素ボンベ 44…アノード供給配管
48…加湿器 50…窒素ボンベ
52…アノード排出配管 58…カソード供給配管
70…発電エージング装置 72…燃料ガス供給系
74…酸化剤ガス供給系 76…電子負荷
78…水素タンク 80…水素供給管
84…水素排出管 90…エアポンプ
92…空気供給管 94…空気排出管
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Fuel cell 12 ... Aging apparatus 14 ... Solid polymer electrolyte membrane 16 ... Anode side electrode 18 ... Cathode side electrode 20 ... Electrolyte membrane and electrode structure 26 ... Fuel gas flow path 28 ... Oxidant gas flow path 30a ... Fuel gas Inlet communication hole 30b ... Fuel gas outlet communication hole 32a ... Oxidant gas inlet communication hole 32b ... Oxidant gas outlet communication hole 34 ... Anode side piping system 36 ... Cathode side piping system 38 ... DC power supply 40 ... Controller 42 ... Hydrogen cylinder 44 Anode supply pipe 48 Humidifier 50 Nitrogen cylinder 52 Anode discharge pipe 58 Cathode supply pipe 70 Power generation aging device 72 Fuel gas supply system 74 Oxidant gas supply system 76 Electronic load 78 Hydrogen tank 80 Hydrogen supply pipe 84 ... Hydrogen discharge pipe 90 ... Air pump 92 ... Air supply pipe 94 ... Air discharge pipe

Claims (3)

電解質膜の両側に一対の電極が配設される電解質膜・電極構造体を有する固体高分子型燃料電池をエージングするための固体高分子型燃料電池の運転方法であって、
前記固体高分子型燃料電池に電位を印加した状態で、一方の電極側への酸化剤ガスの供給を行うことなく、他方の電極側に加湿された水素を供給することにより、前記水素が前記電解質膜を透過して前記一方の電極側に移送される水素ポンプ運転を、使用時の最大電流密度以上で行う第1エージング工程と、
前記第1エージング工程の後、前記固体高分子型燃料電池の発電を、前記最大電流密度以上で行う第2エージング工程と、
を有することを特徴とする固体高分子型燃料電池の運転方法。
A method for operating a polymer electrolyte fuel cell for aging a polymer electrolyte fuel cell having an electrolyte membrane / electrode structure in which a pair of electrodes are disposed on both sides of the electrolyte membrane,
By supplying humidified hydrogen to the other electrode side without supplying an oxidant gas to one electrode side in a state where a potential is applied to the polymer electrolyte fuel cell, the hydrogen is A first aging step of performing a hydrogen pump operation that passes through the electrolyte membrane and is transferred to the one electrode side at a current density greater than or equal to the maximum current density during use;
After the first aging step, a second aging step in which power generation of the polymer electrolyte fuel cell is performed at the maximum current density or more,
A method for operating a polymer electrolyte fuel cell, comprising:
請求項1記載の運転方法において、前記電解質膜は、炭化水素系の電解質膜で構成されることを特徴とする固体高分子型燃料電池の運転方法。   2. The method for operating a solid polymer fuel cell according to claim 1, wherein the electrolyte membrane is composed of a hydrocarbon-based electrolyte membrane. 請求項1又は2記載の運転方法において、前記一方の電極であるカソード側にマイナス極の電位を印加するとともに、前記他方の電極であるアノード側にプラス極の電位を印加することを特徴とする固体高分子型燃料電池の運転方法。   3. The operation method according to claim 1, wherein a negative electrode potential is applied to the cathode which is the one electrode, and a positive electrode potential is applied to the anode which is the other electrode. A method for operating a polymer electrolyte fuel cell.
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