JP2010267455A - Aging method and aging device of fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体高分子型の燃料電池のエイジング方法及び燃料電池エイジング装置に関する。 The present invention relates to a solid polymer fuel cell aging method and a fuel cell aging device.
固体高分子形の燃料電池セルは、固体高分子からなる電解質膜を、触媒層を有する燃料極と、触媒層を有する空気極で挟持した構成を有している。燃料極に供給される燃料ガスとしては、純水素や、都市ガスを改質器にて改質した改質ガスが用いられる。空気極に供給される酸化剤ガスとしては、純酸素や空気が用いられる。 A solid polymer fuel cell has a configuration in which an electrolyte membrane made of a solid polymer is sandwiched between a fuel electrode having a catalyst layer and an air electrode having a catalyst layer. As the fuel gas supplied to the fuel electrode, pure hydrogen or reformed gas obtained by reforming city gas with a reformer is used. Pure oxygen or air is used as the oxidant gas supplied to the air electrode.
固体高分子形の燃料電池セルは、製造直後は設計性能よりも低い場合が多く、燃料電池の初期特性を引き出すために、エイジングが行われる。また、燃料電池を長期間休止した後に再発電させるときや、長期間の運転によって起電力などの発電性能が低下した際などにも、エイジングと同様の運転を行う必要があることがある。 The polymer electrolyte fuel cell is often lower than the design performance immediately after production, and aging is performed to bring out the initial characteristics of the fuel cell. In addition, when the fuel cell is regenerated after being stopped for a long time, or when the power generation performance such as electromotive force is lowered due to the long-term operation, it is sometimes necessary to perform the same operation as aging.
特許文献1及び2には、燃料電池をエイジング装置に接続し、外部負荷装置により電流値を制御し、増減させることによってエイジングを行うことが記載されている。
しかし外部負荷装置により電流値を制御し、増減させることによってエイジングを行う場合、外部負荷装置のコストが高くなる。エイジングには一定の時間が必要であるため、一台のエイジング装置で単位時間に処理できる燃料電池セルの数は多くはない。このため、エイジング装置のコストが高くなると、燃料電池の製造コストが増大する。 However, when aging is performed by controlling and increasing / decreasing the current value with an external load device, the cost of the external load device increases. Since a certain time is required for aging, the number of fuel cells that can be processed per unit time with one aging device is not large. For this reason, when the cost of the aging device increases, the manufacturing cost of the fuel cell increases.
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、簡単な装置構成で固体高分子形の燃料電池セルのエイジングを行うことができる燃料電池のエイジング方法及び燃料電池エイジング装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a fuel cell aging method and fuel cell aging capable of aging solid polymer fuel cells with a simple apparatus configuration. To provide an apparatus.
本発明によれば、燃料極、固体高分子電解質層、及び空気極を積層した燃料電池セルの前記燃料極及び前記空気極を、スイッチ素子及び抵抗素子を介して互いに接続し、
前記スイッチ素子を開いたまま、前記燃料極に燃料ガスを供給すると共に前記空気極に酸化剤ガスを供給する第1工程と、
前記スイッチ素子を閉じ、かつ前記空気極への前記酸化剤ガスの供給を停止する第2工程と、
を備える前記燃料電池セルのエイジングを行う燃料電池のエイジング方法が提供される。
According to the present invention, the fuel electrode and the air electrode of the fuel cell in which the fuel electrode, the solid polymer electrolyte layer, and the air electrode are stacked are connected to each other through the switch element and the resistance element,
A first step of supplying a fuel gas to the fuel electrode and an oxidant gas to the air electrode while the switch element is open;
A second step of closing the switch element and stopping the supply of the oxidant gas to the air electrode;
There is provided a fuel cell aging method for aging the fuel cell.
本発明によれば、固体高分子型の燃料電池セルの燃料極及び空気極を相互に接続し、スイッチ素子及び抵抗素子を有する試験回路と、
前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、
前記空気極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部と、
前記スイッチ素子、前記燃料極への前記燃料ガスの供給、及び前記空気極への前記酸化剤ガスの供給を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記スイッチ素子を開いたまま、前記燃料極に前記燃料ガスを供給すると共に前記空気極に前記酸化剤ガスを供給する第1工程と、
前記スイッチ素子を閉じ、かつ前記空気極への前記酸化剤ガスの供給を停止する第2工程と、
を行わせる燃料電池エイジング装置が提供される。
According to the present invention, a test circuit that connects a fuel electrode and an air electrode of a polymer electrolyte fuel cell to each other and includes a switch element and a resistance element;
A fuel gas supply unit for supplying fuel gas to the fuel electrode;
An oxidant gas supply unit for supplying an oxidant gas to the air electrode;
A control unit for controlling the switch element, the supply of the fuel gas to the fuel electrode, and the supply of the oxidant gas to the air electrode;
With
The controller is
A first step of supplying the fuel gas to the fuel electrode and supplying the oxidant gas to the air electrode while the switch element is open;
A second step of closing the switch element and stopping the supply of the oxidant gas to the air electrode;
A fuel cell aging device is provided.
本発明によれば、試験回路としては、スイッチ素子及び抵抗素子があればよいため、簡単な装置構成で固体高分子形の燃料電池セルのエイジングを行うことができる。 According to the present invention, since it is sufficient that the test circuit has a switch element and a resistance element, aging of the polymer electrolyte fuel cell can be performed with a simple device configuration.
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In all the drawings, the same reference numerals are given to the same components, and the description will be omitted as appropriate.
図1は、実施形態に係るエイジング装置の構成を示す図である。このエイジング装置は、固体高分子形の燃料電池セル100にエイジングを行う装置であり、試験回路400、燃料ガス供給部200、酸化剤ガス供給部300、及び制御部10を備える。燃料電池セル100は、燃料極110、固体高分子電解質層120、及び空気極130をこの順に重ねた構成を有している。空気極130には、冷却部140が取り付けられている。試験回路400は、直列に接続されたスイッチ素子420及び抵抗素子410を有しており、燃料電池セル100の燃料極110及び空気極130を、スイッチ素子420及び抵抗素子410を介して相互に接続する。燃料ガス供給部200は、燃料極110に燃料ガスを供給する。酸化剤ガス供給部300は、空気極130に酸化剤ガスを供給する。制御部10は、スイッチ素子420、燃料極110への燃料ガスの供給、及び空気極130への酸化剤ガスの供給を制御する。そして制御部10は、スイッチ素子420を開いたまま、燃料極110に燃料ガスを供給すると共に空気極130に酸化剤ガスを供給する第1工程と、スイッチ素子を閉じ、かつ空気極130への酸化剤ガスの供給を停止する第2工程と、を行わせる。
FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of an aging device according to the embodiment. The aging apparatus is an apparatus for aging the polymer
本実施形態において、酸化剤ガス供給部300から空気極130に酸化剤ガスを供給する配管には、バルブ310が設けられており、空気極130から排気ガスを排気する排気管には、バルブ320が設けられている。制御部10は、バルブ310,320の開閉を制御することにより、空気極130への酸化剤ガスの供給を制御する。なお、燃料極110への燃料ガスの供給も、空気極130への酸化剤ガスの供給と同様の方法により制御されても良い。
In the present embodiment, a
また燃料ガス供給部200及び酸化剤ガス供給部300は、それぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスを加湿してから燃料極110及び空気極130に供給する。
The fuel
また燃料極110からの排気ガスであるオフガスは、排気管210を介して燃料極110から排気される。排気管210には、切替部215が設けられている。切替部215は、オフガスの排気ルートを切り替えることにより、オフガスをそのまま排気するか、燃料ガス供給部200に戻して燃料ガスとして再利用するかを切り替える。なお、切替部215も制御部10によって制御されている。
Further, off-gas which is exhaust gas from the
また試験回路400は、電圧計430及び電流計435を備えている。電圧計430は、抵抗素子410の両端に生じる電位差、すなわち燃料極110と空気極130の間の電圧Vを測定する。また電流計435は、抵抗素子410に流れる電流量を測定する。電圧計430及び電流計435の測定値は制御部10に出力される。制御部10は、電圧計430及び電流計435の測定値を、エイジング装置の各部分の制御に用いる。
The
なお、図1に示したエイジング装置は、燃料電池セル100を所定の温度に加熱する加熱部(図示せず)を有している。この加熱部による加熱も、制御部10によって制御される。
The aging apparatus shown in FIG. 1 has a heating unit (not shown) that heats the
図2は、制御部10が行う制御の一例を示すフローチャートである。まず制御部10は、燃料電池セル100を所定の温度(例えば30℃以上80℃以下)に加熱保持する。そして制御部10は、燃料ガス供給部200から燃料極110への燃料ガスの供給を開始する(ステップS10)とともに、スイッチ素子420を開いて酸化剤ガス供給部300から空気極130への酸化剤ガスの供給を開始する(ステップS20)。これにより、燃料電池セル100では燃料ガスの酸化反応が生じ、発電が行われる。またスイッチ素子420が開いており、燃料電池セル100は電気的に無負荷状態になるため、燃料極110と空気極130の間の電圧も上昇する。ステップS20の処理が行われている間、制御部10は切替部215を制御し、燃料極110からのオフガスを排気する。
FIG. 2 is a flowchart illustrating an example of control performed by the
そして一定時間(例えば130秒以上180秒以下)が経過した後、制御部10は、スイッチ素子420を閉じる。これにより、燃料極110と空気極130は、抵抗素子410を介して互いに導通した状態になり、抵抗素子410に電流が流れ始める。制御部10は、抵抗素子410に電流が流れ始めたことを検知すると、空気極130への酸化剤ガスの供給を停止する。これにより、燃料電池セル100における発電は中断される(ステップS30)。そして電圧計430の測定値すなわち燃料極110と空気極130の間の電圧は急速に低下する。
Then, after a predetermined time (for example, 130 seconds or more and 180 seconds or less) has elapsed, the
この状態において、燃料極110への燃料ガスの供給は引き続き行われる。そして制御部10は切替部215を制御し、燃料極110からのオフガスを燃料ガス供給部200に戻し、オフガスを回収して燃料ガスとして再利用させる。
In this state, the supply of the fuel gas to the
なお制御部10は、スイッチ素子420を閉じた直後(例えば1秒後)の電圧計430の測定値V1を記憶しておく(ステップS40)。そして制御部10は、1サイクル前におけるステップS40の測定値V2が記憶されているときには、今回のステップS40の測定値V1と、1サイクル前におけるステップS40の測定値V2の差分を算出する。そしてその差分が、V2に対して予め定められた割合以下、例えば0.4%以下である場合(ステップS50:Yes)に、エイジング処理を終了する。
The
エイジング処理を終了しない場合(ステップS50:No)、制御部10は、燃料極110と空気極130の間の電圧が予め定められた値、例えば0.1V以下になる(ステップS60:Yes)と、ステップS20に戻り、上記した工程を繰り返す。ステップS30〜ステップS50の処理に必要な時間は、例えば20秒以上70秒以下である。
When not ending the aging process (step S50: No), the
図3は、図2に示した処理を行ったときの、燃料電池セル100の電圧と、抵抗素子410を流れる電流と、空気極130に供給する酸化剤ガス(空気)の流量との経時変化の一例を示すチャートである。スイッチ素子420を開き、酸化剤ガスとしての空気の供給を開始すると、空気の流量が増加していき、かつ燃料電池セル100の電圧が上昇する。そしてしばらくたつと、空気の流量も一定になり、かつ燃料電池セル100の電圧も安定する。その後、スイッチ素子420を閉じ、かつ空気の供給を停止すると、抵抗素子410に電流が流れ始める。この電流量は、瞬間的に増大した後に急速に低下していく。これに伴って、燃料電池セル100の電圧が急速に低下する。そして燃料電池セル100の電圧が一定値以下になると、再びスイッチ素子420を開き、酸化剤ガスとしての空気の供給を開始する。
3 shows changes over time in the voltage of the
次に、本実施形態による作用及び効果について説明する。本実施形態によれば、カソードである空気極130では、電位の上昇及び降下が行われる。このため、空気極130の表面には、サイクリックボルタンメトリー法におけるパルスクリーニングと同様の作用が生じ、清浄化が行われる。このため、燃料電池のエイジングを行うことができる。
Next, the operation and effect of this embodiment will be described. According to the present embodiment, the potential is increased and decreased at the
また、酸化剤ガスの供給を中断している間にも燃料極110には燃料ガスが供給されている。燃料ガスの一部は、燃料極110を介して固体高分子電解質層120及び空気極130にもリークする。リークした燃料ガスは、固体高分子電解質層120及び空気極130と固体高分子電解質層120の界面近傍に残存している酸素と反応して水を生成する。生成した水は、固体高分子電解質層120に取り込まれ、これにより燃料電池セル100の抵抗が低下する。この作用によっても固体高分子形の燃料電池セル100のエイジングが行われる。また、1サイクルの処理に要する時間は短いため、エイジングに要する時間は短い。
Further, the fuel gas is supplied to the
また、本実施形態にかかるエイジング装置は、電流値を制御して増減させるための外部負荷装置を備える必要がなく、抵抗素子410、スイッチ素子420、並びにスイッチ素子及びバルブの開閉を制御する制御部10を備えていれば良い。従って、簡単な装置構成で固体高分子形の燃料電池セル100のエイジングを行うことができる。
Further, the aging device according to the present embodiment does not need to include an external load device for controlling and increasing / decreasing the current value, and the control unit that controls the opening / closing of the
なお、燃料電池セル100における発電を継続したまま、外部負荷装置を用いて本実施形態と同様の電圧挙動を実現することも考えられる。しかし、固体高分子形の燃料電池セル100にはフラッディングによってガスの不足が生じることがあり、これによって出力電圧(燃料極110と空気極130の間の電圧)が低下することがある。外部負荷装置によって燃料極110と空気極130の間の電圧を0に近づけたタイミングで燃料電池セル100にフラッディングが生じると、燃料極110と空気極130の間の電圧が逆転する可能性が出てくる。燃料極110と空気極130の間の電圧が逆転すると燃料電池セル100が劣化する。
It is also conceivable to realize the same voltage behavior as in the present embodiment using an external load device while continuing the power generation in the
これに対して本実施形態では、抵抗素子410を介して燃料電池セル100を放電させることにより燃料極110と空気極130の間の電圧を0に近づけているため、燃料極110と空気極130の間の電圧が逆転することを確実に防ぐことができる。
On the other hand, in this embodiment, since the voltage between the
また、ステップS30の間において、燃料極110からのオフガスを回収して燃料ガスとして再利用している。従って、エイジングに必要なコストを低くすることができる。
Further, during step S30, off-gas from the
なお、図1に示す例では燃料電池セル100は単セル構造であったが、複数のセルを積層させたもの(燃料電池スタック)を用いても良い。
In the example shown in FIG. 1, the
以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。 As mentioned above, although embodiment of this invention was described with reference to drawings, these are the illustrations of this invention, Various structures other than the above are also employable.
(実施例)
出力が1kWの固体高分子形の燃料電池を準備し、図1に示したエイジング装置に接続した。この燃料電池は、複数の燃料電池セル100を積層させたスタック構造を有している。そして、スイッチ素子420を開いた状態で、燃料極110に、露点が82℃になるまで加湿した純水素ガスを17L/分で導入し、空気極130に、露点が82℃になるまで加湿した空気を28L/分で導入した。このとき、燃料電池のスタックの中心温度を80℃に制御した。
(Example)
A solid polymer fuel cell with an output of 1 kW was prepared and connected to the aging apparatus shown in FIG. This fuel cell has a stack structure in which a plurality of
純水素ガス及び空気を導入してから3分後に、燃料極110と空気極130の間の電圧が0.9Vを越えた。その後、スイッチ素子420を閉じて、燃料極110と空気極130の間に500mΩの抵抗素子410をつないだ。これにより、抵抗素子410には電流が流れ始めた。また、抵抗素子410に電流が流れ始めたことを検知したときに、空気極130への空気の供給を中断した。これにより、燃料電池セル100における発電は中断され、燃料極110と空気極130の間の電圧は急速に低下した。そして、燃料極110と空気極130の間の電圧が0.1V以下になったときに、空気極130への空気の供給を再開した。
Three minutes after introducing pure hydrogen gas and air, the voltage between the
上記したサイクルを15サイクル繰り返すと、抵抗素子410を接続してから1秒後の電圧が、1サイクル前の電圧に対して0.4%以下の上昇にとどまった。これにより、エイジング処理を終了した。なお、エイジングに要した時間は、50分であった。
When the above-described cycle was repeated 15 times, the voltage after 1 second from the connection of the
10 制御部
100 燃料電池セル
110 燃料極
120 固体高分子電解質層
130 空気極
140 冷却部
200 燃料ガス供給部
210 排気管
215 切替部
300 酸化剤ガス供給部
310 バルブ
320 バルブ
400 試験回路
410 抵抗素子
420 スイッチ素子
430 電圧計
435 電流計
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記スイッチ素子を開いたまま、前記燃料極に燃料ガスを供給すると共に前記空気極に酸化剤ガスを供給する第1工程と、
前記スイッチ素子を閉じ、かつ前記空気極への前記酸化剤ガスの供給を停止する第2工程と、
を備える前記燃料電池セルのエイジングを行う燃料電池のエイジング方法。 Connecting the fuel electrode and the air electrode of the fuel cell in which the fuel electrode, the solid polymer electrolyte layer, and the air electrode are stacked, to each other via a switch element and a resistance element
A first step of supplying a fuel gas to the fuel electrode and an oxidant gas to the air electrode while the switch element is open;
A second step of closing the switch element and stopping the supply of the oxidant gas to the air electrode;
A fuel cell aging method for aging the fuel cell.
前記第2工程において前記燃料極へ前記燃料ガスを供給し続ける燃料電池のエイジング方法。 The fuel cell aging method according to claim 1,
A fuel cell aging method in which the fuel gas is continuously supplied to the fuel electrode in the second step.
前記第2工程における前記燃料極からのオフガスを回収して前記燃料ガスとして再利用する燃料電池のエイジング方法。 The fuel cell aging method according to claim 2,
A fuel cell aging method in which off-gas from the fuel electrode in the second step is recovered and reused as the fuel gas.
前記第1工程と前記第2工程を繰り返す燃料電池のエイジング方法。 In the aging method of the fuel cell as described in any one of Claims 1-3,
A fuel cell aging method in which the first step and the second step are repeated.
前記第2工程において、前記燃料極と前記空気極の間の電圧が0.1V以下になったときに、前記第1工程に戻る燃料電池のエイジング方法。 The fuel cell aging method according to claim 4,
The fuel cell aging method of returning to the first step when the voltage between the fuel electrode and the air electrode becomes 0.1 V or less in the second step.
前記第1工程はそれぞれ一定時間行われ、
前記第2工程の初期における前記燃料極と前記空気極の間の電圧V1と、1サイクル前の前記第2工程の初期における前記燃料極と前記空気極の間の電圧V2との差が、前記電圧V2に対して0.4%以下になったときに前記第1工程及び前記第2工程の繰り返しを終了する燃料電池のエイジング方法。 The fuel cell aging method according to claim 4 or 5,
Each of the first steps is performed for a certain period of time,
The difference between the voltage V1 between the fuel electrode and the air electrode at the initial stage of the second process and the voltage V2 between the fuel electrode and the air electrode at the initial stage of the second process one cycle before is A fuel cell aging method in which the repetition of the first step and the second step is terminated when the voltage becomes 0.4% or less with respect to the voltage V2.
前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、
前記空気極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部と、
前記スイッチ素子、前記燃料極への前記燃料ガスの供給、及び前記空気極への前記酸化剤ガスの供給を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記スイッチ素子を開いたまま、前記燃料極に前記燃料ガスを供給すると共に前記空気極に前記酸化剤ガスを供給する第1工程と、
前記スイッチ素子を閉じ、かつ前記空気極への前記酸化剤ガスの供給を停止する第2工程と、
を行わせるエイジング装置。 A test circuit for connecting the fuel electrode and the air electrode of the polymer electrolyte fuel cell to each other via a switch element and a resistance element;
A fuel gas supply unit for supplying fuel gas to the fuel electrode;
An oxidant gas supply unit for supplying an oxidant gas to the air electrode;
A control unit for controlling the switch element, the supply of the fuel gas to the fuel electrode, and the supply of the oxidant gas to the air electrode;
With
The controller is
A first step of supplying the fuel gas to the fuel electrode and supplying the oxidant gas to the air electrode while the switch element is open;
A second step of closing the switch element and stopping the supply of the oxidant gas to the air electrode;
An aging device that makes
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JP2009116958A JP2010267455A (en) | 2009-05-13 | 2009-05-13 | Aging method and aging device of fuel cell |
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JP2019197690A (en) * | 2018-05-11 | 2019-11-14 | トヨタ自動車株式会社 | Activating method for fuel cell |
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2009
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