JP2009123534A - Performance recovery method of solid polymer fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体高分子形燃料電池の性能回復方法に関するものである。 The present invention relates to a method for recovering the performance of a polymer electrolyte fuel cell.
固体高分子形燃料電池は、長期的な運転により供給ガスや加湿水に含まれる不純物や、電池システムを構成する各基材から溶出する無機・有機成分が汚染物質として電池内部に蓄積していく。その結果反応場の減少が発生し、電池の性能が低下していく。 In polymer electrolyte fuel cells, impurities contained in supply gas and humidified water and inorganic and organic components eluted from each base material constituting the battery system accumulate in the battery as pollutants during long-term operation. . As a result, the reaction field decreases, and the performance of the battery decreases.
より詳述すると、固体高分子形燃料電池の性能を低下させる内部抵抗(過電圧)には、抵抗過電圧、活性化過電圧、拡散過電圧があるが、長期的な運転により、電池内部の膜電極接合体へ前記汚染物質が蓄積したり、基材の濡れに伴うガス拡散性の低下により、これらの過電圧が徐々に上昇し、燃料電池の性能が低下する。 More specifically, the internal resistance (overvoltage) that lowers the performance of the polymer electrolyte fuel cell includes a resistance overvoltage, an activation overvoltage, and a diffusion overvoltage. Due to the accumulation of the pollutants and the decrease in gas diffusibility associated with the wetting of the base material, these overvoltages gradually increase and the performance of the fuel cell deteriorates.
このような固体高分子形燃料電池の性能低下を回復させる技術として、燃料電池運転時の酸化剤極側に、直接あるいは膜電極接合体を介して燃料を供給し、その後元の燃料電池運転時とは逆方向に電流が流れるように燃料電池運転をしたり、燃料極側に燃料を導入して、酸化剤極から燃料極へ外部電源から電流を流すようにして燃料電池性能を回復する方法が提案されている(特許文献1〜3)。
As a technique for recovering the performance degradation of such a polymer electrolyte fuel cell, the fuel is supplied to the oxidant electrode side during the fuel cell operation directly or via the membrane electrode assembly, and then the original fuel cell operation is performed. To restore the fuel cell performance by operating the fuel cell so that the current flows in the opposite direction, or by introducing the fuel to the fuel electrode side and flowing the current from the external power source from the oxidizer electrode to the fuel electrode Has been proposed (
しかしながら燃料である水素と酸化剤である酸素が混合した状態で電極触媒に接触すると、触媒上で激しい反応が起こる。これによって発電効率の低下を招くばかりでなく、水素、酸素の濃度によっては膜の破損が発生し、それが本来果たすべき燃料極と酸化剤極のシール性を失うため、電池の破損につながる危険がある。このため燃料と酸化剤が混合する可能性を完全に排除する必要がある。また特許文献1、2の方法では、燃料電池に対して外部から加える電流値や、供給する水素流量等、複数のパラメータを厳密に監視する必要があり、制御も複雑なものとなってしまうという問題があった。
However, when the electrode catalyst is brought into contact with hydrogen as a fuel and oxygen as an oxidant, a vigorous reaction occurs on the catalyst. This not only reduces power generation efficiency, but also damages the membrane depending on the concentration of hydrogen and oxygen, which can lead to damage to the battery because it loses the seal between the fuel electrode and oxidant electrode that should be fulfilled. There is. For this reason, it is necessary to completely eliminate the possibility of mixing fuel and oxidant. Further, in the methods of
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、酸化剤極への燃料導入や各種の厳密な制御を行なうことなく、安全にかつ簡単、確実に燃料電池性能の回復を実現することを目的としている。 The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to safely, easily, and reliably recover the fuel cell performance without introducing fuel into the oxidizer electrode and performing various strict controls. It is said.
上記目的を達成するため、本発明は、固体高分子形燃料電池における、燃料電池運転時の酸化剤極側に対して純水を供給するとともに、前記固体高分子形燃料電池の集電体に対して、燃料電池運転時とは逆方向の電流を流すように外部電源から電力を供給して前記純水を電気分解させる水電解運転を行なう事で、固体高分子形燃料電池の性能を回復させることを特徴としている。 In order to achieve the above object, the present invention provides pure water to the oxidant electrode side during operation of a fuel cell in a polymer electrolyte fuel cell, and to the current collector of the polymer electrolyte fuel cell. On the other hand, the performance of the polymer electrolyte fuel cell is restored by performing the water electrolysis operation that electrolyzes the pure water by supplying power from the external power supply so that the current in the direction opposite to that in the fuel cell operation flows. It is characterized by letting.
本発明において、水電解運転においては、燃料電池運転時の酸化剤極側に純水を供給し、外部から電気を加えることにより行う。このとき燃料電池運転時の酸化剤極側の電極界面では、次の式に示す化学反応が起こる。
2H2O→O2+4H++4e−
In the present invention, the water electrolysis operation is performed by supplying pure water to the oxidant electrode side during fuel cell operation and applying electricity from the outside. At this time, a chemical reaction represented by the following formula occurs at the electrode interface on the oxidant electrode side during fuel cell operation.
2H 2 O → O 2 + 4H + + 4e−
前記式からわかるように、水電解運転では燃料電池運転時の酸化剤極側での電極界面で水素が発生することはない。したがって燃料と酸化剤が混合する可能性は全くない。なおこの反応で発生した水素イオン(プロトン)は、反応の時点で電解質膜内に取り込まれ、燃料電池運転時の燃料極側(水素側)に向かって移動していき、燃料電池運転時の燃料極側(水素側)の電極界面で外部電源から供給される電子と結合してはじめて水素分子となる。 As can be seen from the above equation, in the water electrolysis operation, hydrogen is not generated at the electrode interface on the oxidant electrode side during the fuel cell operation. Therefore, there is no possibility of mixing fuel and oxidant. The hydrogen ions (protons) generated by this reaction are taken into the electrolyte membrane at the time of the reaction and move toward the fuel electrode side (hydrogen side) during fuel cell operation, and the fuel during fuel cell operation Hydrogen molecules are not formed until they are combined with electrons supplied from an external power source at the electrode interface on the pole side (hydrogen side).
ここで膜内のプロトンの輸送現象を簡略的に示すと図1のようになる。プロトンは数個の水分子を随伴しながら、スルホン酸基を伝って膜内を移動する。そのためスルホン酸基が他のイオン(ここでいう不純物)に置換されると、イオン交換基として機能しなくなるため、水素イオンの伝導性が低下し、結果的に出力電圧が低下する。置換された不純物は水素イオンよりも結合力が強いため、通常の運転では排除できないが、膜内を移動するプロトンの量を数倍に増やし、さらにプロトンの流れ方向を反対にすることでも排除されやすくなる。 Here, the proton transport phenomenon in the membrane is simply shown in FIG. The proton moves through the membrane through the sulfonic acid group while accompanying several water molecules. For this reason, when the sulfonic acid group is substituted with other ions (impurities here), the ion does not function as an ion exchange group, so that the conductivity of hydrogen ions is lowered, and as a result, the output voltage is lowered. The substituted impurities are stronger than hydrogen ions and cannot be eliminated in normal operation, but they can also be eliminated by increasing the amount of protons moving through the membrane several times and reversing the proton flow direction. It becomes easy.
一般的に燃料電池運転では、電流密度の上昇に伴いガスの拡散性に起因する拡散過電圧が発生する。この状態からさらに電流密度を上昇させると、電圧の急低下が起こり、運転自体が不可能となる。 In general, in a fuel cell operation, a diffusion overvoltage caused by gas diffusibility is generated with an increase in current density. If the current density is further increased from this state, the voltage suddenly drops, and the operation itself becomes impossible.
それに比べて水電解運転では、一般的に燃料電池運転時の数倍に相当する数A/cm2の電流密度においても上記の問題を起こすことはなく、安定的な運転が可能である。つまり本発明では、燃料電池運転時とは逆方向の電流を、一般的な燃料運転時の数倍、また従来の技術と比べても数10倍程度の電流を流す事が可能である。これにより、プロトンが膜電極接合体を移動するときの汚染物資の排出、すなわち膜内から膜外への移動が促進され、燃料電池性能を回復させることができる。 In contrast, in the water electrolysis operation, the above problem is not caused even at a current density of several A / cm 2 , which is generally several times that during fuel cell operation, and stable operation is possible. In other words, in the present invention, it is possible to pass a current in the direction opposite to that during fuel cell operation, several times that during general fuel operation, and several tens times as much as that in the conventional technology. Thereby, discharge of contaminants when protons move through the membrane electrode assembly, that is, movement from the inside of the membrane to the outside of the membrane is promoted, and the fuel cell performance can be recovered.
なお水電解運転時に生成した水素、酸素を貯蔵タンクに貯蔵しておき、燃料電池運転時には、当該貯蔵したガスを用いるようにすれば、効率のよい運転が行なえる。 If hydrogen and oxygen generated during the water electrolysis operation are stored in a storage tank and the stored gas is used during the fuel cell operation, efficient operation can be performed.
燃料電池運転時の酸化剤極側に対して純水を供給する際には、燃料電池運転時の燃料極側に対しても純水を供給するようにしてもよい。これによって、固体高分子形燃料電池の膜内から排出された不純物をセル外まで確実に排出することができ、また水電解運転時の安全性も高まる。 When pure water is supplied to the oxidant electrode side during fuel cell operation, pure water may also be supplied to the fuel electrode side during fuel cell operation. As a result, impurities discharged from inside the membrane of the polymer electrolyte fuel cell can be reliably discharged to the outside of the cell, and safety during water electrolysis operation is also increased.
また電気分解に供する純水は、導電率が1μS/cm以下、TOC(Total Organic Carbon:総有機炭素)が1ppm以下であることが好ましい。濃度平衡(濃度差があると同一濃度になろうとして物質移動が発生)によって、膜内の不純物イオンが純水中のプロトンと置換されるので、このような高純度の純水を供給すること自体にも膜の洗浄効果がある。 Moreover, it is preferable that the pure water used for electrolysis has a conductivity of 1 μS / cm or less and a TOC (Total Organic Carbon) of 1 ppm or less. Impurity ions in the membrane are replaced with protons in pure water due to concentration equilibrium (if there is a concentration difference, mass transfer occurs to reach the same concentration), so supplying such pure water with high purity The film itself also has a membrane cleaning effect.
ところで膜内の不純物を効率的に排出するためには、不純物が膜表面近傍にある時点で性能回復運転を行うのが理想的である。これは不純物の移動行程が短ければ短いほど、膜外への排出が容易となるからである。しかしながら、不純物が膜表面近傍に存在しているかどうかは直接的には測定しがたい。この点に関し、発明者らの知見によれば評価指標となるのは電圧値であり、さらに発明者らが調べた結果、初期電圧に対して20mV低下した時点で回復運転を行うことが理想的であると考えられる。 By the way, in order to efficiently discharge impurities in the film, it is ideal to perform performance recovery operation when the impurities are in the vicinity of the film surface. This is because the shorter the migration process of impurities, the easier the discharge out of the film. However, it is difficult to directly measure whether impurities are present near the film surface. In this regard, according to the inventors' knowledge, the evaluation index is the voltage value. Further, as a result of investigations by the inventors, it is ideal to perform the recovery operation when the voltage drops by 20 mV with respect to the initial voltage. It is thought that.
そこで実際の本方法の実施にあたっては、たとえば固体高分子形燃料電池の運転中の電圧値を監視し、初期の電圧値に対して20mV以上の電圧低下を検知した時点で固体高分子形燃料電池の運転を停止し、その後前記した本発明の固体高分子形燃料電池の性能回復方法を実施することが提案できる。 Therefore, in the actual implementation of this method, for example, the voltage value during operation of the polymer electrolyte fuel cell is monitored, and when a voltage drop of 20 mV or more is detected with respect to the initial voltage value, the polymer electrolyte fuel cell is detected. It can be proposed that the operation of the solid polymer fuel cell according to the present invention is performed after the operation is stopped.
本発明によれば、酸化剤極への燃料導入や各種の厳密な制御を行なうことなく、安全にかつ簡単、確実に燃料電池性能の回復を実現することができる。 According to the present invention, fuel cell performance can be safely, easily and reliably recovered without introducing fuel into the oxidizer electrode and performing various strict controls.
図2に実施の形態にかかるシステムの基本的な構成を示す。燃料電池FCに対して、配管1、2、3、4が接続されている。配管1は、水電解運転時に生成した水素の排出経路として機能し、配管2は水電解運転時に生成した酸素の排出経路として機能する。また配管3は、燃料電池運転時の燃料排出経路として機能し、配管4は燃料電池運転時の酸化剤排出経路として機能するものである。また配管4は、燃料電池FCの水電解運転時には、純水供給経路として使用される。
FIG. 2 shows a basic configuration of a system according to the embodiment.
燃料電池FCに対しては、さらに電池内部のパージや乾燥を行なう、不活性ガス供給経路となる、配管5、6が接続されている。
The fuel cell FC is connected with
配管1には、タンク11が設けられ、配管2には、タンク12が設けられている。これらタンク11、12は純水を貯蔵しており、燃料電池運転時の加湿タンクとして機能し、また水電解運転時には、純水貯蔵タンクとして機能するものである。すなわち水電解運転時には、タンク12に貯蔵されている純水が、ポンプ13を介して配管7から配管4を経由して燃料電池FCの酸化剤極側に供給される。
The
配管5、6、7、4には、各々対応するバルブV1〜V4が設けられている。これらV1〜V4は、制御装置14によって開閉制御されている。
Corresponding valves V1 to V4 are provided in the
また水電解運転時には、外部電源15から燃料電池FCに対して電流を供給して、水の電気分解が行われるようになっている。より詳述すれば、後述の集電体25、26に対して、燃料電池運転時とは逆向きの電流が流れるように、電流が供給される。なお燃料電池FCの乾燥状態は、抵抗計16によって計測される抵抗値によって測定される。外部電源15、抵抗計16も制御装置14によって制御される。
Further, during the water electrolysis operation, an electric current is supplied from the
タンク11には、タンク11の上部に接続された配管17a、17bを介してガス貯蔵タンク17が設けられ、タンク12には、タンク12の上部に接続された配管18a、18bを介してガス貯蔵タンク18が設けられている。これらガス貯蔵タンク17、18は後述の性能回復運転である水電解運転時に発生する水素、酸素を貯蔵するものである。なお各配管17a、17b、18a、18bには、各々対応するバルブV11、V12、V13、V14が設けられている。
The
図3に、固体高分子形の燃料電池FCの内部断面形状を示した。この燃料電池FCは、一般的な固体高分子形燃料電池と同様の構成を有している。すなわち、反応を担うプロトン伝導性固体高分子膜21と、このプロトン伝導性固体高分子膜21の両面に接合された電極部となる白金電極の触媒22、23とによって膜電極接合体24が構成されている。膜電極接合体24の両面には、電子の授受とガス拡散を担う集電体25、26が配置されており、さらに内部に反応流体の流路27a、28aを形成するセパレータ27、28が集電体25、26の両面に配置されている。以上の構成で、最小単位のセル(単セル)が構成される。
FIG. 3 shows the internal cross-sectional shape of the solid polymer fuel cell FC. The fuel cell FC has the same configuration as a general polymer electrolyte fuel cell. That is, the
なおセパレータ27、28には電圧を測定するための電圧測定用の端子29、30が取付けられている。
The
かかる構成を有する燃料電池FCに水電解の機能を具備させるには、燃料電池時の酸化剤極側の基材を水電解の運転状態に耐えられる仕様に変更する必要がある。その一例としては、たとえば特開2004−134134号公報や、特開2007−12315号公報に開示されているように、白金電極の触媒23に少量のイリジウム(黒)を混入し、基材の撥水性を調整し、集電体26とセパレータ27、28を、Ptでメッキする方法がある。なお、その他の構造については特段変更する必要はない。
In order for the fuel cell FC having such a configuration to have a water electrolysis function, it is necessary to change the base on the oxidizer electrode side in the fuel cell to a specification that can withstand the operation state of water electrolysis. For example, as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-134134 and Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-12315, for example, a small amount of iridium (black) is mixed in the
燃料電池FCは以上の構成を有しており、次のその運転例について説明する。
燃料電池運転時は、バルブV1〜バルブV3は閉鎖、バルブV4は開放し、図4に示したように、配管1へ燃料を、配管2へ酸化剤を導入し、タンク11、12で加湿を行った後に燃料電池FCに供給する。そうすると、集電体25、26間で電位差が生じるため、負荷31を接続することで発電ができる。
The fuel cell FC has the above configuration, and the following operation example will be described.
During the fuel cell operation, the valves V1 to V3 are closed and the valve V4 is opened. As shown in FIG. 4, the fuel is introduced into the
このとき燃料電池FCでは外部の負荷31に応じた量のガスが消費され、反応に使われなかったガスは配管3、4を介して系外に排出される。なお、消費されなかったガスは別途ルートを設けて再循環させてもよい。たとえば、ガス貯蔵タンク17、18に回収してもよい。
At this time, an amount of gas corresponding to the
次に性能回復運転である水電解運転時について説明する。水電解運転時においては、まずバルブV1、V2は閉鎖し、バルブV3は開放、バルブV4は閉鎖する。そしてタンク12に貯蔵した純水をポンプ13で吸込み、配管4を通じて燃料電池FCにおける燃料電池運転時の酸化剤極側、すなわち流路28aの集電体26側に純水を供給する。なおこのとき供給する純水の流量は、電気分解される水の100倍以上の量が好ましい。そして外部電源15の陰極を集電体25に、陽極を集電体26に接続して、集電体25、26に対して電流を供給する。
Next, the water electrolysis operation that is the performance recovery operation will be described. During the water electrolysis operation, the valves V1 and V2 are first closed, the valve V3 is opened, and the valve V4 is closed. The pure water stored in the
そうすると、燃料電池FCでは外部電源15から与える電流に応じた量のガスである水素、酸素が発生する。発生した水素は配管1を通じて排出され、一旦タンク11に導入され、そこで気液分離を行った後に系外に排出される。一方、発生した酸素は配管2を通じて排出され、タンク12に導入され、そこで気液分離を行った後に系外に排出される。
Then, in the fuel cell FC, hydrogen and oxygen, which are gases corresponding to the current supplied from the
なおこれら生成したガスは、ガス貯蔵タンク17、18に各々貯蔵される。すなわち、水電解運転時には、バルブV11、V13は開放、バルブV12、V14は閉鎖しておく。これによって、水電解運転時に発生した水素は、タンク11、配管17aを経て、ガス貯蔵タンク17に貯蔵され、水電解運転時に発生した酸素は、タンク12、配管18aを経て、ガス貯蔵タンク18に貯蔵される。このようにしておくことで、次の燃料電池運転時の燃料、酸化剤として、これら再利用することができる。
These generated gases are stored in
なお水電解運転時で発生した水素、酸素を貯蔵する場合には、燃料電池運転時の運転圧力に対して、50kPa以上の圧力で貯蔵することが好ましい。ただし、水電解運転時は、発明者らの知見では1MPaで運転することができるので、そのような高圧で貯蔵する際に、格別昇圧機は不要である。 In addition, when storing hydrogen and oxygen generated during the water electrolysis operation, it is preferable to store at a pressure of 50 kPa or more with respect to the operation pressure during the fuel cell operation. However, since the inventors can operate at 1 MPa during water electrolysis operation, a special booster is not necessary when storing at such a high pressure.
そして燃料電池運転時の際には、バルブV11、V13は閉鎖、バルブV12、V14は開放して、各々ガス貯蔵タンク17からは水素を配管17b、配管1を通じて燃料電池FCに供給し、ガス貯蔵タンク18からは酸化剤としての酸素を各々配管18b、配管2を通じて各々燃料電池FCに供給することになるが、この場合、燃料電池FCで必要なガス量に応じて、バルブV12、V14の開度を制御する。たとえば燃料電池FCの出口圧力、すなわち配管3、4での圧力が一定の圧力となるように、これらバルブV12、V14の開度を調整することが提案できる。
When the fuel cell is operated, the valves V11 and V13 are closed and the valves V12 and V14 are opened, and hydrogen is supplied from the
なお水電解運転時で発生した水素、酸素を貯蔵する場合、図2の例のように各々専用のガス貯蔵タンク17、18を設けなくとも、タンク11、12の容量を大きく設定し、これらタンク11、12内の上部にて、水電解運転時で発生した水素、酸素を貯蔵するようにしてもよい。なおかかる場合には、燃料電池運転時に燃料電池FCに、各々水素、酸素を供給するため、配管1、2におけるタンク11、12と燃料電池FCとの間に、供給流量を調節するための流量調整バルブが必要である。
When storing hydrogen and oxygen generated during the water electrolysis operation, the capacities of the
ここで、水電解運転から燃料電池運転に切替えるときには、特開2006−127807号公報に開示されているように、配管5、6から不活性の乾燥ガスを導入し、燃料電池FCの内部基材を適度に乾燥させることでこの切替を安全かつ円滑に繰返し行うことができる。このとき、内部基材が適度に乾燥したかを判断する指標として抵抗計16の値を用い、そこからのセパレータ27、28間の導体抵抗の出力信号を制御装置17に取込み、予め組込んだシーケンスで切替が行われる。
Here, when switching from the water electrolysis operation to the fuel cell operation, as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-127807, an inert dry gas is introduced from the
図5に示したように、本実施の形態によれば、燃料電池運転時の酸化剤極側に水素を混入させる必要が無い。また水電解反応に十分な量の純水を循環させることで、性能回復過程において特段の制御が一切不要であり、任意の電流密度で任意の時間運転しても燃料電池FCにダメージを与えることは無い。このとき循環させる純水の純度(導電率、有機成分等)は高純度であればあるほど望ましいが、導電率で1μS/cm以下、TOCで1ppm以下であれば、燃料電池性能は十分に回復する。 As shown in FIG. 5, according to the present embodiment, it is not necessary to mix hydrogen into the oxidant electrode side during fuel cell operation. In addition, by circulating a sufficient amount of pure water for the water electrolysis reaction, no special control is required in the performance recovery process, and the fuel cell FC is damaged even if it is operated at any current density for any time. There is no. At this time, the purity (conductivity, organic components, etc.) of the pure water to be circulated is preferably as high as possible. However, if the conductivity is 1 μS / cm or less and the TOC is 1 ppm or less, the fuel cell performance is sufficiently recovered. To do.
次に電極面積250cm2の燃料電池を用いて本発明の効果を検証した。今回は近年の研究で明らかになった性能低下を加速させる2通りの条件で運転することで燃料電池性能を一旦低下させ、その状態から本方法によってどの程度まで性能が回復するかを検証した。なお、各セル間はセパレータで仕切られており、汚染物質が直接的に他のセルに移動することは無いため、ここでは単セルで検証した。 Next, the effect of the present invention was verified using a fuel cell having an electrode area of 250 cm 2 . This time, the fuel cell performance was temporarily reduced by operating under two conditions that accelerate the performance degradation revealed in recent research, and the extent to which the performance was recovered from this state by this method was verified. In addition, since each cell is partitioned off by a separator and the pollutant does not move directly to another cell, the verification was performed using a single cell here.
まずは起動停止サイクル運転について調べた。すなわち起動停止のサイクルを4h、膜が不純物で汚染され易いようにTOCで3ppmの純水を加湿用の純水として供給し、運転温度80℃、電流密度0.6A/cm2の繰返し運転を実施した。 First, the start / stop cycle operation was examined. In other words, the start / stop cycle is 4 h, and 3 ppm of pure water is supplied as humidifying pure water by TOC so that the membrane is easily contaminated with impurities, and the operation temperature is 80 ° C. and the current density is 0.6 A / cm 2. Carried out.
その結果の一例を図6における左側の棒グラフ群に示す。同図に見られるように延べ運転時間で100h、起動停止回数で25回の時点で、初期の電圧値700mVに対して682mVまで低下した。この状態で発電を中止し、性能回復運転(水電解運転)を実施した。その後所定の方法で運転切替を行い、再度燃料電池運転をした結果、電圧値は698mVまで回復した。その後も継続して同様の起動停止サイクル運転を繰返し、電圧値が680mVまで低下するたびに性能回復運転を行った。その結果、延べ運転時間で約1000h、起動停止回数で約250回に渡り性能回復運転後の電圧値は698〜701mVまで回復し続けた。 An example of the result is shown in the left bar graph group in FIG. As seen in the figure, the voltage dropped to 682 mV with respect to the initial voltage value of 700 mV when the total operation time was 100 h and the number of start and stop times was 25. In this state, power generation was stopped and performance recovery operation (water electrolysis operation) was performed. Thereafter, the operation was switched by a predetermined method, and the fuel cell operation was performed again. As a result, the voltage value recovered to 698 mV. Thereafter, the same start / stop cycle operation was repeated, and the performance recovery operation was performed each time the voltage value decreased to 680 mV. As a result, the voltage value after the performance recovery operation continued to recover to 698 to 701 mV for about 1000 hours in total operation time and about 250 times in starting and stopping.
ここで、より直接的に性能回復運転の効果を確認するために、発電中の燃料電池の内部抵抗を交流インピーダンス法で測定した。その結果を図7に示した。図7は実軸−虚軸座標に測定結果をプロットした複素インピーダンスプロットを示しており、これによれば、性能低下した状態では低下する前に比べ触媒の有効面積を表わす指標の一つである活性化過電圧成分(半円の直径)が増大しているが(図7中の黒い三角プロット)、性能回復運転によりその値がほぼ元に戻っていることがわかる(図7中の白抜きの四角プロット)。したがって本発明の性能回復運転により触媒の有効表面積が回復したことがわかる。なおこのときの今回の水電解の運転条件は、運転温度80℃、電流密度1.0A/cm2、循環水量0.5L/min、運転時間1hとした。 Here, in order to confirm the effect of performance recovery operation more directly, the internal resistance of the fuel cell during power generation was measured by the AC impedance method. The results are shown in FIG. FIG. 7 shows a complex impedance plot in which the measurement results are plotted on the real axis-imaginary axis coordinates, and according to this, it is one of the indexes representing the effective area of the catalyst in the state where the performance is lowered as compared with before being lowered. Although the activated overvoltage component (diameter of the semicircle) is increasing (black triangle plot in FIG. 7), it can be seen that the value is almost restored to the original value by the performance recovery operation (the white outline in FIG. 7). Square plot). Therefore, it can be seen that the effective surface area of the catalyst was recovered by the performance recovery operation of the present invention. The operating conditions for water electrolysis at this time were an operating temperature of 80 ° C., a current density of 1.0 A / cm 2 , an amount of circulating water of 0.5 L / min, and an operating time of 1 h.
次は酸素側電位が、800mV以上になるような低負荷での起動停止サイクル運転について調べた。すなわち、電流密度を0.1A/cm2とし、起動停止サイクルを4h、運転温度80℃の繰返し運転を実施した。本条件にて延べ運転時間で120h、起動停止回数で30回の運転を行った後に電流密度が0.6A/cm2の運転を実施し、低負荷運転を実施する前後の電圧値を比較した。 Next, the start / stop cycle operation at a low load in which the oxygen side potential is 800 mV or more was examined. That is, repeated operation was performed at a current density of 0.1 A / cm 2 , a start / stop cycle of 4 h, and an operating temperature of 80 ° C. Under this condition, the operation was performed for 120 hours in total operation time and 30 operations for starting and stopping, and then the operation was performed with a current density of 0.6 A / cm 2 , and the voltage values before and after the low load operation were compared. .
その結果、図6における右側の棒グラフ群に見られるように、低負荷運転前は699mVであったものが、低負荷運転後は652mVまで急激に低下した。その状態から性能回復運転をした結果、697mVとほぼ最初の性能まで回復した。なお、性能回復運転を実施する前に、特開2001−85037号公報に開示されているような、純水を循環させることによる性能回復も試みた。 As a result, as can be seen in the bar graph group on the right side in FIG. 6, it was 699 mV before the low load operation, but rapidly decreased to 652 mV after the low load operation. As a result of performance recovery operation from this state, it recovered to the initial performance of 697 mV. Prior to performing the performance recovery operation, an attempt was made to recover the performance by circulating pure water as disclosed in JP-A-2001-85037.
その結果、80℃の純水を酸化剤極側のみに2h循環させた後の電圧値は681mVであり、水電解運転のほうがより性能回復効果があることを確認した。なお、特開2001−85037号公報には、洗浄液を循環させた後燃料電池運転をするまでの操作についての記述はないが、本方法では前述のように、特開2006−127807号公報に開示されているような、乾燥運転を伴う操作を用いた。 As a result, the voltage value after circulating pure water at 80 ° C. only to the oxidant electrode side for 2 h was 681 mV, and it was confirmed that the water electrolysis operation had a performance recovery effect. Although JP 2001-85037A does not describe the operation until the fuel cell is operated after circulating the cleaning liquid, this method is disclosed in JP 2006-127807 A as described above. An operation with a drying operation as used was used.
この場合でも、先の例と同様に交流インピーダンス法で発電中の燃料電池の内部抵抗値を測定した。図8に見られるように、この場合でも性能低下した状態では活性化過電圧成分が増大し、性能回復運転によりその値が減少することから、性能回復運転に触媒有効表面積の回復効果があることを再確認した。 Even in this case, the internal resistance value of the fuel cell during power generation was measured by the AC impedance method as in the previous example. As shown in FIG. 8, even in this case, the activated overvoltage component increases in the state where the performance is lowered, and the value is decreased by the performance recovery operation. Therefore, the performance recovery operation has a recovery effect on the catalyst effective surface area. Reconfirmed.
以上の結果から、燃料電池運転と水電解運転を交互に行うことにより燃料電池性能を長期に渡りに維持できることがわかる。その運用方法の一例として、前述したように性能回復運転時に生成した水素、酸素をガス貯蔵タンク17、18に貯蔵しておき、燃料電池運転時にその貯蔵したガスを利用することにより本システムのより効率的な運用が可能となる。
From the above results, it can be seen that the fuel cell performance can be maintained for a long time by alternately performing the fuel cell operation and the water electrolysis operation. As an example of the operation method, as described above, the hydrogen and oxygen generated during the performance recovery operation are stored in the
以上説明したように、本発明の回復方法を実施すれば、燃料電池運転時の燃料極→酸化剤極へのプロトンの移動量に比べて、数〜10数倍ものプロトンを逆方向に流すことができ、従来技術よりも汚染物質を強力かつ速やかに排出することが可能となる。このため、本方法は従来技術以上に耐久性を向上させる効果を有している。 As described above, when the recovery method of the present invention is carried out, several to several tens of times more protons are allowed to flow in the reverse direction than the amount of proton movement from the fuel electrode to the oxidant electrode during fuel cell operation. It is possible to discharge pollutants more powerfully and more quickly than in the prior art. For this reason, this method has the effect which improves durability rather than a prior art.
前記した実施の形態は、性能回復運転である水電解運転時において、燃料電池FCにおける燃料電池運転時の酸化剤極側、すなわち流路28aの集電体26側に純水を供給するようにしていたが、水電解運転時において酸化剤極側のみならず燃料極側に純水を供給するようにしてもよい。
In the above-described embodiment, pure water is supplied to the oxidant electrode side in the fuel cell operation of the fuel cell FC, that is, the
これを図に基づいて具体的に説明すれば、図9に示した例においては、図2に示したシステム例に対して、タンク11と配管3との間に配管41を接続し、この配管41にポンプ42、バルブV6を設け、配管3にバルブV7を設けたものである。かかる構成により、タンク11内の純水を、ポンプ42によって配管41、配管3を経由して燃料電池FCの燃料極側、すなわち図3に示した、流路27aの集電体25側に純水が供給できるようになっている。
This will be specifically described with reference to the drawings. In the example shown in FIG. 9, a
そして水電解運転時においては、まずバルブV1、V2は閉鎖し、バルブV3、V6は開放、バルブV4、V7は閉鎖する。そしてタンク12に貯蔵した純水をポンプ13によって、配管4を通じて燃料電池FCにおける燃料電池運転時の酸化剤極側、すなわち流路28aの集電体26側に供給すると共に、タンク11に貯蔵した純水をポンプ42によって、配管3を通じて燃料電池FCにおける燃電池運転時の燃料極側、すなわち流路27aの集電体25側に供給する。このとき既述したように、外部電源15の陰極を集電体25に、陽極を集電体26に接続して、集電体25、26に対して電流を供給する。
During the water electrolysis operation, the valves V1 and V2 are first closed, the valves V3 and V6 are opened, and the valves V4 and V7 are closed. The pure water stored in the
このように水電解運転時に、酸化剤極側のみならず燃料極側にも純水を供給することで、より確実に不純物をセル外に排出することが可能である。すなわち水電解運転で膜内から排出された不純物は、まず燃料極側の集電体25を通って流路27aへ排出され、次にセル外に排出されるが、もしこの不純物がセル外に排出されずセル内部に残留した状態で燃料電池運転を開始すると、一度膜内から排出した不純物が再度膜内に侵入する可能性がある。したがって、燃料極側にも純水を循環することで、膜表面を洗い流す作用が加わり、膜内から排出された不純物をセル外まで確実に排出することが可能である。
As described above, by supplying pure water not only to the oxidant electrode side but also to the fuel electrode side during the water electrolysis operation, impurities can be more reliably discharged out of the cell. That is, the impurities discharged from the membrane in the water electrolysis operation are first discharged to the
またこのように酸化剤極側のみならず燃料極側にも純水を供給すると、水電解運転(回復運転)の安全性が高まるものである。すなわち水電解運転では、電気分解するための純水が必要であるが、この純水は、電気分解反応時に発生する熱をセル外へ除去(冷却)する役目も果たしている。ここでもしポンプ13等の故障により酸化剤極側への純水の供給が停止してしまうと、電気分解するものがなくなるため、膜内の水を分解し始める。膜の抵抗値は、膜の湿潤状態に依存するため、乾燥するほど抵抗が高くなりジュール熱が増加する。しかし、純水がないためセル外へ熱を除去できず内部に熱がこもってしまう。膜の耐熱温度は100℃前後と言われており、それを超えると膜が溶け始める。すると膜が本来果たすべき燃料極側−酸化剤極側のシール性が失われ、両極のガスが混合し短絡状態(=電池の破損)となる。この点図9に示したように、燃料極側に対しても純水を供給することで、燃料極側の流路27a内の純水が電気分解に供され、そのような事態は発生しない。したがってより安全に水電解運転(回復運転)を実施することができる。
In addition, when pure water is supplied not only to the oxidant electrode side but also to the fuel electrode side, the safety of the water electrolysis operation (recovery operation) is enhanced. That is, in the water electrolysis operation, pure water for electrolysis is required, but this pure water also serves to remove (cool) the heat generated during the electrolysis reaction to the outside of the cell. Here, if the supply of pure water to the oxidant electrode side is stopped due to a failure of the
なお燃料電池運転から水電解運転に切り替える際には、たとえば燃料電池FCの運転中の電圧値を監視し、初期の電圧値に対して20mV以上の電圧低下を検知した時点で性能回復運転待機状態とし、その後燃料電池FCの燃料電池運転を停止した後に、水電解運転に切り替えるようにすれば、効率よくかつ適切に性能回復運転を実施することができる。なおこのような切り替え制御は、燃料電池FCの電圧値を検出、監視する適宜の電圧センサからの検出信号に基づいて、制御装置14で自動的に切り替え制御することが容易である。
When switching from the fuel cell operation to the water electrolysis operation, for example, the voltage value during operation of the fuel cell FC is monitored, and the performance recovery operation standby state is detected when a voltage drop of 20 mV or more is detected with respect to the initial voltage value. Then, after stopping the fuel cell operation of the fuel cell FC, switching to the water electrolysis operation makes it possible to efficiently and appropriately perform the performance recovery operation. Such switching control can be easily performed automatically by the
さらにまた、性能回復運転である水電解運転から再び燃料電池運転に戻す場合には、たとえば導電率が1μS/cm以下、TOCが1ppm以下の純水を供給して水電解運転を行なう場合、燃料電池運転時の2倍の電流密度で1時間程度運転した後、燃料電池運転に戻すようにすることが提案できる。このように水電解運転時には、燃料電池運転時よりも大きい電流密度で水電解を実施することが好ましい。 Furthermore, when returning from the water electrolysis operation which is the performance recovery operation to the fuel cell operation again, for example, when performing the water electrolysis operation by supplying pure water having a conductivity of 1 μS / cm or less and a TOC of 1 ppm or less, It can be proposed to return to fuel cell operation after operating for about 1 hour at twice the current density during battery operation. Thus, during water electrolysis operation, it is preferable to perform water electrolysis with a larger current density than during fuel cell operation.
本発明は、固体高分子形燃料電池の性能を回復させる際に有用である。 The present invention is useful in restoring the performance of a polymer electrolyte fuel cell.
1、2、3、4、5、6、7、17a、17b、18a、18b、41
配管
11、12 タンク
13、42 ポンプ
14 制御装置
15 外部電源
16 抵抗計
17、18 ガス貯蔵タンク
21 プロトン伝導性固体高分子膜
22、23 触媒
24 膜電極接合体
25、26集電体
27、28 セパレータ
27a、28a 流路
31 負荷
FC 燃料電池
1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 17a, 17b, 18a, 18b, 41
Claims (5)
前記固体高分子形燃料電池における、燃料電池運転時の酸化剤極側に対して、純水を供給するとともに、
前記固体高分子形燃料電池の集電体に対して、燃料電池運転時とは逆方向の電流を流すように外部電源から電力を供給して前記純水を電気分解させる水電解運転を行なう事で、固体高分子形燃料電池の性能を回復させることを特徴とする、固体高分子形燃料電池の性能回復方法。 A method for recovering the performance of a polymer electrolyte fuel cell, comprising:
In the polymer electrolyte fuel cell, supplying pure water to the oxidant electrode side during fuel cell operation,
A water electrolysis operation in which power is supplied from an external power source to electrolyze the pure water so that a current in a direction opposite to that during fuel cell operation flows is applied to the current collector of the polymer electrolyte fuel cell. A method for recovering the performance of a polymer electrolyte fuel cell, comprising recovering the performance of the polymer electrolyte fuel cell.
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