JP2009170272A - Maintenance method of fuel cell stack - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電極材料に高分子電解質材料を含む燃料電池スタックのメンテナンス方法に関するものである。 The present invention relates to a method for maintaining a fuel cell stack that includes a polymer electrolyte material in an electrode material.
近年、高分子電解質膜の両面に触媒層をそれぞれ配置することで水素極と酸素極とを構成し、水素極側に例えば水素ガス等の燃料ガスを供給する一方で、酸素極側に例えば空気等の酸化ガスを供給し、燃料ガス及び酸化ガス(以下、反応ガスともいう)の酸化還元反応による化学エネルギーを電気エネルギーとして直接取り出すことのできる燃料電池スタックの開発が進められている。 In recent years, a hydrogen electrode and an oxygen electrode are configured by disposing catalyst layers on both sides of the polymer electrolyte membrane, respectively, and a fuel gas such as hydrogen gas is supplied to the hydrogen electrode side while air is supplied to the oxygen electrode side, for example. Development of a fuel cell stack that can supply chemical gas by oxidation-reduction reaction of fuel gas and oxidant gas (hereinafter also referred to as reaction gas) directly as electric energy is being promoted.
このような燃料電池スタックにおいては、長期使用による電極の経時劣化が問題となる。例えば、特許文献1には、電位印加なしで高分子電解質膜を加温及び加湿することで、高分子電解質膜のイオン導電性を改質、再生させることが開示されている。
ここで、本発明者は燃料電池スタックの電極材料として含まれる高分子電解質が長時間の使用によって電極から溶出していってしまう現象を確認した。 Here, the present inventor has confirmed the phenomenon that the polymer electrolyte contained as the electrode material of the fuel cell stack is eluted from the electrode after a long period of use.
しかしながら、上記従来の方法では、このような高分子電解質の溶出による電極の経時劣化を防止することは困難である。そして、高分子電解質の溶出は、電極のプロトン運搬能力の低下を招き、結果として燃料電池スタックの出力を低下させてしまう。 However, in the conventional method, it is difficult to prevent deterioration of the electrode with time due to elution of the polymer electrolyte. The elution of the polymer electrolyte causes a decrease in the proton carrying capacity of the electrode, resulting in a decrease in the output of the fuel cell stack.
そこで、本発明は、上記従来技術の課題に鑑みてなされたものであり、電極からの高分子電解質の溶出を防止し、燃料電池スタックの出力低下を抑制する燃料電池スタックのメンテナンス方法を提供することを目的とする。 Accordingly, the present invention has been made in view of the above-described problems of the prior art, and provides a fuel cell stack maintenance method that prevents elution of a polymer electrolyte from an electrode and suppresses a decrease in output of the fuel cell stack. For the purpose.
本発明においては、上記課題を解決するために、以下の手段を採用した。すなわち、本発明は、電極材料に高分子電解質を含む燃料電池スタックのメンテナンス方法であって、前記燃料電池スタックの使用から所定期間経過毎に、前記電極を前記高分子電解質のガラス転移温度以上に加温するようになっている。 In the present invention, the following means are adopted in order to solve the above-mentioned problems. That is, the present invention is a maintenance method of a fuel cell stack that includes a polymer electrolyte in an electrode material, and the electrode is brought to a temperature equal to or higher than the glass transition temperature of the polymer electrolyte every time a predetermined period has elapsed since the use of the fuel cell stack. It is designed to warm up.
この構成により、長時間使用により分子鎖の絡み状態が弱くなった高分子電解質の分子鎖を再配列させ結合を強くすることができる。これにより電極からの高分子電解質の溶出を防止し、燃料電池スタックの出力低下を抑制することができ、ひいては燃料電池スタックの長寿命化を実現することができる。 With this configuration, the molecular chains of the polyelectrolyte in which the molecular chain entanglement has become weaker after long-term use can be rearranged to strengthen the bond. As a result, elution of the polymer electrolyte from the electrode can be prevented, a decrease in the output of the fuel cell stack can be suppressed, and as a result, the life of the fuel cell stack can be extended.
また、上記構成において、前記電極は、高分子電解質からなる膜を一対の電極用の触媒層で挟んで構成されているようにしてもよい。 In the above configuration, the electrode may be configured by sandwiching a membrane made of a polymer electrolyte between a pair of electrode catalyst layers.
上記構成により、電極のプロトン運搬能力に大きく寄与する膜からの高分子電解質の溶出を抑制することができる。 With the above configuration, elution of the polymer electrolyte from the membrane that greatly contributes to the proton carrying capacity of the electrode can be suppressed.
また、上記構成において、前記触媒層は、高分子電解質を含むようにしてもよい。 Moreover, the said structure WHEREIN: You may make it the said catalyst layer contain a polymer electrolyte.
触媒層中の高分子電解質は、溶液状態から形成されて分子鎖の絡み状態が低いことが多く、高分子電解質が溶出し易いため、高分子電解質の分子鎖を再配列させて結合を強くすることのできる本発明の構成の有用性が高い。 The polymer electrolyte in the catalyst layer is formed from a solution state and often has a low molecular chain entanglement state, and the polymer electrolyte is likely to elute, so the molecular chain of the polymer electrolyte is rearranged to strengthen the bond. The usefulness of the configuration of the present invention that can be performed is high.
また、上記構成において、前記所定期間は、1ヶ月から5年の間で設定されるようにしてもよい。 In the above configuration, the predetermined period may be set between one month and five years.
上記構成により、1ヶ月から5年という期間の度に高分子電解質の分子鎖を再配列させて結合を強くすることのできるので、長期にわたり高分子電解質の溶出を抑制でき、燃料電池スタックの長寿命化を実現できる。 With the above configuration, the molecular chains of the polymer electrolyte can be rearranged every time period from 1 month to 5 years to strengthen the bond, so that elution of the polymer electrolyte can be suppressed over a long period of time, and the length of the fuel cell stack Life expectancy can be realized.
また、上記構成において、前記加温は、100℃から180℃の間で行われるようにしてもよい。 Moreover, the said structure WHEREIN: You may make it the said heating be performed between 100 degreeC and 180 degreeC.
上記構成により、燃料電池スタックに一般に用いられる高分子電解質に対して、該高分子電解質膜のガラス転移温度以上かつ融解温度未満の加温が実現できる。 With the above configuration, the polymer electrolyte generally used in the fuel cell stack can be heated to a temperature higher than the glass transition temperature and lower than the melting temperature of the polymer electrolyte membrane.
また、上記構成において、前記加温は、前記燃料電池スタック全体に外部から熱を加えることで行うようにしてもよい。 In the above configuration, the heating may be performed by applying heat to the entire fuel cell stack from the outside.
上記構成により、燃料電池スタック全体に熱を加えることで加温が実現できるので、燃料電池スタックのメンテナンスが容易になる。 With the above configuration, since heating can be realized by applying heat to the entire fuel cell stack, maintenance of the fuel cell stack is facilitated.
本発明によれば、電極からの高分子電解質の溶出を防止し、燃料電池スタックの出力低下を抑制する燃料電池スタックのメンテナンス方法を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the elution of the polymer electrolyte from an electrode can be prevented, and the maintenance method of a fuel cell stack which suppresses the output fall of a fuel cell stack can be provided.
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る燃料電池スタックのメンテナンス方法について以下の順番で説明する。
1.燃料電池スタックの構成
2.燃料電池スタックの単セルの構造
3.燃料電池スタックのメンテナンス方法
4.変形例
Hereinafter, a maintenance method for a fuel cell stack according to an embodiment of the present invention will be described in the following order with reference to the drawings.
1. 1. Configuration of
本実施形態においては、車両に好適な固体高分子型の燃料電池スタックを例に説明する。もちろん、燃料電池スタックを備えた燃料電池システムは、車両のみならず、例えば、ロボット、船舶、航空機等といった自走式の移動体に搭載することもできるし、建物(住宅、ビル等)用の発電設備として用いられる定置用発電システムとしても用いることが可能である。尚、各図面において、同一の部品には同一の符号を付している。 In the present embodiment, a solid polymer fuel cell stack suitable for a vehicle will be described as an example. Of course, a fuel cell system including a fuel cell stack can be mounted not only on a vehicle but also on a self-propelled mobile body such as a robot, a ship, an aircraft, etc., and for a building (house, building, etc.) It can also be used as a stationary power generation system used as a power generation facility. In addition, in each drawing, the same code | symbol is attached | subjected to the same components.
1.燃料電池スタックの構成
はじめに、図1を用いて、本実施の形態にかかる燃料電池スタックの全体構成を示す。ここで、図1は、本発明の実施の形態に係る燃料電池の側面図である。
1. Configuration of Fuel Cell Stack First, the overall configuration of the fuel cell stack according to the present embodiment will be described with reference to FIG. Here, FIG. 1 is a side view of the fuel cell according to the embodiment of the present invention.
本実施形態における燃料電池スタック1は、複数の単セル2を積層してなるセル積層体3を備え、セル積層体3の両端に位置する単セルの積層方向外側に順次、出力端子4a付のターミナルプレート4、インシュレータ(絶縁板)5およびエンドプレート6をさらに備えた構成となっている。セル積層体3に対しては、両エンドプレート6をつなぐように架け渡されたテンションプレート7によって積層方向への所定の圧縮力が加えられている。
The fuel cell stack 1 in the present embodiment includes a
さらに、セル積層体3の一端側のエンドプレート6とインシュレータ5との間にはプレッシャプレート8とばね機構8aとが設けられており、単セル2に作用する荷重の変動が吸収されるようになっている。
Further, a
ターミナルプレート4は集電板として機能する部材であり、例えば鉄、ステンレス、銅、アルミニウム等の金属で板状に形成されている。ターミナルプレート4の剛性は、単セル2の剛性(特に、後述するようにセパレータ)よりも高い。
The
インシュレータ5は、ターミナルプレート4とエンドプレート6等とを電気的に絶縁する機能を果たす部材である。このような機能を果たすため、かかるインシュレータ5は例えばポリカーボネートなどの樹脂材料により板状に形成されている。
The
エンドプレート6は、ターミナルプレート4と同様、各種金属(鉄、ステンレス、銅、アルミニウム等)で板状に形成されている。例えば本実施形態では銅を用いてこのエンドプレート6を形成しているがこれは一例に過ぎず、他の金属で形成されていても構わない。
As with the
テンションプレート7は両エンドプレート6、6間を架け渡すようにして設けられているもので、例えば一対がセル積層体3の両側に対向するように配置される。テンションプレート7は、各エンドプレート6.6にボルト等で固定され、単セル2の積層方向に所定の締結力(圧縮力)を作用させた状態を維持する。このテンションプレート7の内側面(セル積層体3を向く面)には漏電やスパークが生じるのを防止すべく絶縁膜が形成されている。絶縁膜は、具体的には例えば当該テンションプレート7の内側面に貼り付けられた絶縁テープ、あるいは当該面を覆うように塗布された樹脂コーティングなどによって形成されている。
The
2.燃料電池スタックの単セルの構造
次に、図2を用いて上記単セル2の詳細な構造を説明する。ここで図2は、本発明の実施の形態に係る燃料電池スタックの単セルの断面図である。
2. Next, the detailed structure of the
図2に示すように、単セル2は、膜・電極・拡散層接合体(以下、「MEGA」ともいう)20及び一対のセパレータ22A、22Bを備える。MEGA20、セパレータ22A及びセパレータ22Bは、例えば接着により一体化される。
As shown in FIG. 2, the
MEGA20は、高分子電解質膜30、高分子電解質膜30を両面から挟むかたちで配置される触媒層36及び拡散層38で構成されている。
The MEGA 20 includes a
高分子電解質膜30は、高分子材料のイオン交換膜からなり、本実施の形態では、テフロン(登録商標)骨格にスルフォン酸基を末端につけた側鎖がぶら下がった構造のパーフルオロスルホン酸ポリマで構成されている。
The
触媒層36は、触媒担持炭素と高分子電解質が混合しマトリクス状になっている。そして、触媒担持炭素上の触媒と高分子電解質との界面において電極反応が行われ、触媒層30は、アノード(水素極)及びカソード(酸素極)として機能する。触媒としては、例えば白金が用いられる。触媒層36は、例えば、触媒担持炭素と高分子電解質溶液を適量ずつ混ぜてペースト状態にしたものを固めることにより形成される。
The
拡散層38は、例えば、カーボン布やカーボンペーパ等の多孔質の素材から構成され、セパレータ22A、22Bを介して供給された反応ガスを拡散させて触媒層30に流す機能を有している。また、拡散層38は、触媒層36とセパレータ22A、22Bとを導通させる導電機能をも有している。
The
セパレータ22A,22Bは、ガス不透過の導電性材料で構成される。導電性材料としては、例えばカーボンや導電性を有する硬質樹脂のほか、アルミニウムやステンレス等の金属(メタル)が挙げられる。セパレータ22Aは、表面に燃料ガス流路40を有し、裏面に冷媒流路44Aを有する。セパレータ22Bは、表面に酸化ガス流路42を有し、裏面に冷媒流路44Bを有する。
The
燃料ガス流路40が燃料ガスをMEGA20のアノード側に供給し、酸化ガス流路42が酸化ガスをMEGA20のカソード側に供給することにより、MEGA20内で電気化学反応が生じる。これにより、単セル2の起電力が得られる。また、この電気化学反応により、カソード側に水が生成される。冷媒は、電気化学反応で発生した単セル2の熱を低減し、燃料電池スタック1の温度上昇を抑制する。
The
3.燃料電池スタックのメンテナンス方法
次に、本発明の実施形態に係る燃料電池スタックのメンテナンス方法について説明する。
3. Fuel Cell Stack Maintenance Method Next, a fuel cell stack maintenance method according to an embodiment of the present invention will be described.
燃料電池スタック1は、使用にあたり経年劣化を起こすため、定期的にメンテナンスを行う必要がある。本実施の形態におけるメンテナンス方法は、特に電極材料の劣化のメカニズムに着目している。 Since the fuel cell stack 1 deteriorates over time in use, it is necessary to perform maintenance periodically. The maintenance method in the present embodiment pays particular attention to the deterioration mechanism of the electrode material.
このメカニズムについてより具体的に述べる。電極を構成する高分子電解質膜30や触媒層36に含まれる高分子電解質は、燃料電池スタック1の運転中に、膨張や収縮を繰り返す。そのため、長期間の使用によって高分子電解質を構成する分子間の鎖が徐々に弱くなってしまい、高分子電解質膜30や触媒層36から、徐々に抜け出ていってしまう。これにより、高分子電解質膜30や触媒層36のプロトン運搬能力が低下し、燃料電池スタック1の出力電圧が低下してしまう。
This mechanism will be described more specifically. The polymer electrolyte contained in the
本発明の実施の形態では、上記電極材料の劣化のメカニズムに基づき、次のようなメンテナンスを行う。 In the embodiment of the present invention, the following maintenance is performed based on the deterioration mechanism of the electrode material.
はじめに、燃料電池スタック1を当該燃料電池スタック1が搭載される車両等から取り出す。取り出すタイミングは、燃料電池スタック1を使用してから1ヶ月から5年、メンテナンス性を考慮してより好ましくは1から3年に一度である。 First, the fuel cell stack 1 is taken out from a vehicle or the like on which the fuel cell stack 1 is mounted. The timing of taking out is 1 month to 5 years after using the fuel cell stack 1, and more preferably once every 1 to 3 years in consideration of maintenance.
次に、外部のヒーター等の熱源で燃料電池スタック1全体に100℃以上180℃未満の熱を数分から1時間程度加える。この温度は、電極を構成する高分子電解質膜30や触媒層36に含まれる高分子電解質が、ガラス転移温度以上融解温度未満となるように設定されている。尚、このとき加湿は行わない。100℃以上で加湿を行う場合は、圧力を高める必要があるが、高圧化で加湿を行えば、高分子電解質の溶出がむしろ促進されてしまうからである。
Next, heat of 100 ° C. or more and less than 180 ° C. is applied to the entire fuel cell stack 1 with a heat source such as an external heater for about several minutes to one hour. This temperature is set so that the polymer electrolyte contained in the
次に、加温後の燃料電池スタック1を冷却し、車両に再度搭載する。これにより、メンテナンスを終了する。尚、加温前または加温後に必要に応じて他のメンテナンス作業を実施してもよい。 Next, the heated fuel cell stack 1 is cooled and mounted again on the vehicle. Thereby, the maintenance is completed. In addition, you may implement another maintenance work as needed before heating or after heating.
以上の加温及び冷却により、高分子電解質膜30や触媒層36に含まれる高分子電解質の分子鎖の再配列が生じ、分子鎖の絡みが増加する(結晶化が進む)。これにより高分子電解質膜30や触媒層36からの高分子電解質の溶出を防止し、燃料電池スタック1の出力低下を抑制することができ、ひいては燃料電池スタックの長寿命化を実現することができる。
Due to the above heating and cooling, rearrangement of the molecular chains of the polymer electrolyte contained in the
(実施例)
図3に、一定時間経過毎に電極材料の加温を行った場合と行わない場合との電圧低下量の経時変化を示す。実施例1は、100時間毎に130度の加温を行った場合の単セルあたりの電圧低下量(%)を示し、比較例1は、加温を行わない場合の単セルあたりの電圧低下量を示す。いずれも0.6A/cm2と無負荷(OCV)との交互の発電サイクルで燃料電池スタックを運転したものである。加温の間隔、温度等は、もちろん燃料電池スタック毎に異なるが、同図からも、定期的に加温した場合のほうが、単セルあたりの電圧低下量並びにその時間変化量が小さくなっていることが分かる。
(Example)
FIG. 3 shows the change over time in the amount of voltage drop when the electrode material is heated and when it is not heated every certain time. Example 1 shows the voltage drop amount (%) per unit cell when heating is performed at 130 degrees every 100 hours, and Comparative Example 1 is the voltage drop per unit cell when heating is not performed. Indicates the amount. In either case, the fuel cell stack was operated in an alternating power generation cycle of 0.6 A / cm 2 and no load (OCV). The heating interval, temperature, etc., of course, differ from fuel cell stack to fuel cell stack. However, the figure also shows that the amount of voltage drop per unit cell and the amount of change over time are smaller when heated regularly. I understand that.
4.変形例
以上本発明の実施形態を示したが、本発明はこの実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において様々な態様での実施が可能である。例えば以下のような変形例が可能である。
4). Although the embodiment of the present invention has been described above, the present invention is not limited to this embodiment, and can be implemented in various modes without departing from the scope of the present invention. For example, the following modifications are possible.
上記実施の形態では、膜・電極・拡散層接合体(MEGA)20を備えた単セル2を挙げたが、これに限定されるものではなく、例えば、拡散層がない膜・電極接合体(MEA)でもかまわない。本発明は、電極材料として高分子電解質を含んでいる燃料電池スタックに広く適用可能である。
In the above embodiment, the
また、上記実施の形態では、定期的に燃料電池スタック1を車両から取り出して、加温するようにしているが、これに限定されるものではない。例えば、車両内または燃料電池スタック内に熱源を準備して、定期的に燃料電池スタック1を加温するようにしてもよい。また、例えば、燃料電池スタック1内の冷媒流路44A、44B内に100℃から180℃未満に加熱した液体(例えば油)を流して、燃料電池スタック1の単セル2を直接加温するようにしてもよい。また、メンテナンスのタイミングに関しても、例えば、車両において燃料電池スタック1の使用時間や電圧低下量を検知して、ユーザに通知したりまたは自動的に上記メンテナンスを実行したりするようにしてもよい。
In the above embodiment, the fuel cell stack 1 is periodically removed from the vehicle and heated, but the present invention is not limited to this. For example, a heat source may be prepared in the vehicle or the fuel cell stack, and the fuel cell stack 1 may be periodically heated. Further, for example, a liquid (for example, oil) heated from 100 ° C. to less than 180 ° C. is allowed to flow through the
1 ……燃料電池スタック
2 ……単セル
3 ……セル積層体
4 ……ターミナルプレート
4a ……出力端子
5 ……インシュレータ
6 ……エンドプレート
7 ……テンションプレート
8 ……プレッシャプレート
8a ……ばね機構
20 ……MEGA
22A……セパレータ
22B……セパレータ
30 ……高分子電解質膜
36 ……触媒層
38 ……拡散層
40 ……燃料ガス流路
42 ……酸化ガス流路
44A……冷媒流路
44B……冷媒流路
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ...
22A ...
Claims (6)
所定期間経過毎に、前記電極を前記高分子電解質のガラス転移温度以上に加温する燃料電池スタックのメンテナンス方法。 A fuel cell stack maintenance method including a polymer electrolyte in an electrode material,
A fuel cell stack maintenance method in which the electrode is heated to a glass transition temperature or higher of the polymer electrolyte every predetermined period.
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