JP2011146245A - Pre-processing method for fuel cell - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a technique by which a fuel cell having an oxide-based catalyst is aged without impairing its power generation performance. <P>SOLUTION: When a fuel cell stack 300 is started, a raw fuel is supplied to a reforming part 40 to generate a hydrogen-rich reformed gas. A CO denaturing part 46 and a CO eliminating part 48 reduce the CO concentration of the reformed gas generated by the reforming part 40, and then a fuel moisture-heat exchanger 60 puts the reformed gas in an excessively humidified state. The reformed gas in the excessively humidified state is then supplied to the anode 322 of the fuel cell stack 300. Meanwhile, air put in an excessively humidified state by an oxidizer moisture-heat exchanger 70 is supplied to the cathode 324 of the fuel cell stack 300. In this condition, a voltage between the anode 322 and the cathode 324 is kept constant, and the reformed gas and air are kept supplied until a current flows between the anode 322 and the cathode 324 converge. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、水素と酸素の電気化学反応により発電する燃料電池に関する。特に、本発明は、燃料電池の起動時に行う前処理方法に関する。   The present invention relates to a fuel cell that generates electricity by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. In particular, the present invention relates to a pretreatment method that is performed when a fuel cell is started.

近年、エネルギー変換効率が高く、かつ、発電反応により有害物質を発生しない燃料電池が注目を浴びている。こうした燃料電池の一つとして、100℃以下の低温で作動する固体高分子形燃料電池が知られている。   In recent years, fuel cells that have high energy conversion efficiency and do not generate harmful substances due to power generation reactions have attracted attention. As one of such fuel cells, a polymer electrolyte fuel cell that operates at a low temperature of 100 ° C. or lower is known.

固体高分子形燃料電池は、電解質膜である固体高分子膜をアノード(燃料極)とカソード(空気極)との間に配した基本構造を有し、アノードに水素を含む燃料ガス、カソードに酸素を含む酸化剤ガスを供給し、以下の電気化学反応により発電する装置である。
アノード:H→2H+2e ・・・(1)
カソード:1/2O+2H+2e→HO ・・・(2)
A polymer electrolyte fuel cell has a basic structure in which a polymer electrolyte membrane, which is an electrolyte membrane, is disposed between an anode (fuel electrode) and a cathode (air electrode). A fuel gas containing hydrogen at the anode and a cathode It is an apparatus that supplies an oxidant gas containing oxygen and generates electricity by the following electrochemical reaction.
Anode: H 2 → 2H + + 2e (1)
Cathode: 1 / 2O 2 + 2H + + 2e - → H 2 O ··· (2)

アノードおよびカソードは、それぞれ触媒層とガス拡散層が積層した構造からなる。各電極の触媒層が固体高分子膜を挟んで対向配置され、膜電極接合体が構成される。触媒層は、触媒を担持した炭素粒子がイオノマーにより結着されてなる層である。ガス拡散層は酸化剤ガスや燃料ガスの通過経路となる。   The anode and cathode each have a structure in which a catalyst layer and a gas diffusion layer are laminated. The catalyst layers of the electrodes are arranged to face each other with the solid polymer membrane interposed therebetween, thereby forming a membrane electrode assembly. The catalyst layer is a layer formed by binding carbon particles carrying a catalyst with an ionomer. The gas diffusion layer becomes a passage for the oxidant gas and the fuel gas.

アノードにおいては、供給された燃料中に含まれる水素が上記式(1)に示されるように水素イオンと電子に分解される。このうち水素イオンは固体高分子電解質膜の内部を空気極に向かって移動し、電子は外部回路を通って空気極に移動する。一方、カソードにおいては、カソードに供給された酸化剤ガスに含まれる酸素が燃料極から移動してきた水素イオンおよび電子と反応し、上記式(2)に示されるように水が生成する。このように、外部回路では燃料極から空気極に向かって電子が移動するため、電力が取り出される(特許文献1参照)。   At the anode, hydrogen contained in the supplied fuel is decomposed into hydrogen ions and electrons as shown in the above formula (1). Among these, hydrogen ions move inside the solid polymer electrolyte membrane toward the air electrode, and electrons move to the air electrode through an external circuit. On the other hand, in the cathode, oxygen contained in the oxidant gas supplied to the cathode reacts with hydrogen ions and electrons that have moved from the fuel electrode, and water is generated as shown in the above formula (2). Thus, in the external circuit, electrons move from the fuel electrode toward the air electrode, so that electric power is taken out (see Patent Document 1).

触媒層に用いられる触媒として白金触媒が知られている。触媒層に白金触媒を含む燃料電池では、発電時の膜電極接合体の抵抗を下げるために、アノード(燃料極)およびカソード(空気極)にそれぞれ加湿ガスが起動時に供給され、慣らし運転(エージング)が行われている。具体的には、アノードからカソードにプロトン伝導、水移動を引き起こすことで、膜電極接合体の発電性能の向上が図られている。   A platinum catalyst is known as a catalyst used in the catalyst layer. In a fuel cell containing a platinum catalyst in the catalyst layer, humidified gas is supplied to the anode (fuel electrode) and cathode (air electrode) at the start-up to reduce the resistance of the membrane electrode assembly during power generation. ) Is done. Specifically, the power generation performance of the membrane electrode assembly is improved by causing proton conduction and water movement from the anode to the cathode.

一方、近年、TaCNOなどの酸化物系触媒を触媒層に用いる技術の開発が進められている。酸化物系触媒は白金触媒に比べて安価であるため、燃料電池の製造コストの低減を図ることができる。なお、本発明における酸化物系触媒とは、少なくとも、Ta、Nb、Zr、Ti等のIV族又はV族の金属を含む炭化物、窒化物、炭窒化物を部分酸化した触媒をいう。   On the other hand, in recent years, development of a technique using an oxide-based catalyst such as TaCNO for a catalyst layer has been advanced. Since the oxide-based catalyst is less expensive than the platinum catalyst, the manufacturing cost of the fuel cell can be reduced. The oxide-based catalyst in the present invention refers to a catalyst obtained by partially oxidizing a carbide, nitride, or carbonitride containing at least a group IV or group V metal such as Ta, Nb, Zr, or Ti.

特開2002−203569号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2002-20369 特開平06−196187公報Japanese Patent Laid-Open No. 06-196187 特開2004−349050号公報JP 2004-349050 A

酸化物系触媒は、還元雰囲気下では部分酸化の状態が変化する傾向にあり、酸化物系触媒を有する燃料電池において、白金触媒を有する燃料電池と同様な手法でエージングを行うと、酸化物系触媒は還元雰囲気下に晒されることになり、十分な発電性能を得ることができないという問題が生じる。   Oxide catalysts tend to change the state of partial oxidation under a reducing atmosphere. When aging is performed in a fuel cell having an oxide catalyst in the same manner as a fuel cell having a platinum catalyst, the oxide catalyst The catalyst is exposed to a reducing atmosphere, which causes a problem that sufficient power generation performance cannot be obtained.

本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、酸化物系触媒を有する燃料電池において発電性能を損なうことなくエージングを行うことができる技術の提供にある。   The present invention has been made in view of these problems, and an object thereof is to provide a technique capable of performing aging without impairing power generation performance in a fuel cell having an oxide-based catalyst.

本発明のある態様は、電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に形成され、プロトン伝導体および酸化物系触媒を含むカソード触媒層と、前記電解質膜の他方の面に形成されたアノード触媒層とを含む膜電極接合体を有する燃料電池の前処理方法であって、アノード触媒層に過加湿状態の水素含有ガスを供給し、カソード触媒層に過加湿状態の酸化剤ガスを供給することを特徴とする。   An embodiment of the present invention includes an electrolyte membrane, a cathode catalyst layer formed on one surface of the electrolyte membrane and including a proton conductor and an oxide catalyst, and an anode catalyst formed on the other surface of the electrolyte membrane. A pretreatment method for a fuel cell having a membrane electrode assembly including a layer, wherein a hydrogen-containing gas in an excessively humid state is supplied to an anode catalyst layer, and an oxidant gas in an excessively humid state is supplied to a cathode catalyst layer It is characterized by.

本発明の他の態様は、電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に形成され、プロトン伝導体および酸化物系触媒を含むカソード触媒層と、電解質膜の他方の面に形成されたアノード触媒層とを含む膜電極接合体を有する燃料電池の前処理方法であって、アノード触媒層に飽和加湿状態の水素含有ガスを供給し、カソード触媒層に飽和加湿状態の酸化剤ガスを供給することを特徴とする。   Another aspect of the present invention includes an electrolyte membrane, a cathode catalyst layer formed on one surface of the electrolyte membrane and containing a proton conductor and an oxide catalyst, and an anode catalyst formed on the other surface of the electrolyte membrane. A fuel cell pretreatment method having a membrane electrode assembly including a layer, wherein a saturated humidified hydrogen-containing gas is supplied to an anode catalyst layer, and a saturated humidified oxidant gas is supplied to a cathode catalyst layer It is characterized by.

上述したいずれかの態様の燃料電池の前処理方法によれば、酸化物系触媒を触媒層に有する燃料電池において発電性能を損なうことなくエージングを行うことができる。   According to the fuel cell pretreatment method of any one of the aspects described above, aging can be performed in a fuel cell having an oxide-based catalyst in the catalyst layer without impairing power generation performance.

上記態様の燃料電池の前処理方法において、水素含有ガスおよび酸化剤ガスの露点温度が、セル温度以上であってもよい。また、水素含有ガスの水素含有量が50質量%以上であってもよく、前記酸化剤ガスの酸素含有量が10質量%以上であってもよい。燃料電池の出力電圧を一定に保持した状態で、燃料電池に流れる電流密度の上昇率が10mA/(cm・30分)になるまで、水素含有ガスおよび酸化剤ガスを供給してもよい。 In the fuel cell pretreatment method of the above aspect, the dew point temperature of the hydrogen-containing gas and the oxidant gas may be equal to or higher than the cell temperature. Further, the hydrogen content of the hydrogen-containing gas may be 50% by mass or more, and the oxygen content of the oxidant gas may be 10% by mass or more. In a state where the output voltage of the fuel cell is kept constant, the hydrogen-containing gas and the oxidant gas may be supplied until the increase rate of the current density flowing through the fuel cell reaches 10 mA / (cm 2 · 30 minutes).

本発明によれば、酸化物系触媒を触媒層に有する燃料電池において発電性能を損なうことなくエージングを行うことのできる。   According to the present invention, aging can be performed without impairing power generation performance in a fuel cell having an oxide-based catalyst in a catalyst layer.

実施の形態に係る燃料電池システムの全体構成を示す概略図である。1 is a schematic diagram showing an overall configuration of a fuel cell system according to an embodiment. 実施の形態に係る燃料電池の構造を模式的に示す斜視図である。1 is a perspective view schematically showing the structure of a fuel cell according to an embodiment. 図2のA−A線上の断面図である。It is sectional drawing on the AA line of FIG. 実施例の前処理方法を実施した際の電流密度の時間変化を示すグラフである。It is a graph which shows the time change of the current density at the time of implementing the pre-processing method of an Example. エージング時間とセルインピーダンスの関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between aging time and cell impedance. 比較例に係るエージング方法を実施した場合の電圧の時間変化を示すグラフである。It is a graph which shows the time change of the voltage at the time of implementing the aging method which concerns on a comparative example.

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。なお、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.

(実施の形態)
図1は、第1の実施の形態に係る燃料電池システム10の全体構成を示す概略図である。なお、図1の概略図は、主に各構成の機能やつながりを模式的に示した図であり、各構成の位置関係または配置を限定するものではない。
(Embodiment)
FIG. 1 is a schematic diagram showing the overall configuration of a fuel cell system 10 according to the first embodiment. Note that the schematic diagram of FIG. 1 is a diagram schematically showing mainly the functions and connections of each component, and does not limit the positional relationship or arrangement of each component.

燃料電池システム10は、主な構成として、改質部40、CO変成部46、CO除去部48、燃料電池スタック300、燃料用湿熱交換器60、酸化剤用湿熱交換器70、コンバータ90、インバータ92、制御部200を有する。   The fuel cell system 10 mainly includes a reforming unit 40, a CO conversion unit 46, a CO removal unit 48, a fuel cell stack 300, a wet heat exchanger for fuel 60, a wet heat exchanger for oxidant 70, a converter 90, and an inverter. 92 and a control unit 200.

改質部40には、水処理装置42で水処理が施された上水が改質用水として供給される。水処理装置42は、逆浸透膜とイオン交換樹脂を用いて上水からの水を水処理する。水処理装置42で水処理が施された水は、改質部40における水蒸気改質に用いられる。   The reforming unit 40 is supplied with clean water that has been subjected to water treatment by the water treatment device 42 as reforming water. The water treatment device 42 treats water from the clean water using a reverse osmosis membrane and an ion exchange resin. The water that has been subjected to water treatment by the water treatment device 42 is used for steam reforming in the reforming unit 40.

燃料電池スタック300で未反応のまま排出される改質ガスである電池オフガスは、気液分離装置44を経由して改質部40に送られる。気液分離装置44において、電池オフガスの気体成分のみが取り出されて改質部40に送られ、バーナの燃料に用いられる。また、気液分離装置44は、電池オフガスと改質用水とが熱交換可能な熱交換機能を兼ね備え、電池オフガスの熱により改質用水が加熱される。   The battery off-gas that is the reformed gas discharged without being reacted in the fuel cell stack 300 is sent to the reforming unit 40 via the gas-liquid separator 44. In the gas-liquid separator 44, only the gas component of the battery off-gas is taken out and sent to the reforming unit 40 and used as fuel for the burner. The gas-liquid separator 44 also has a heat exchange function that allows the battery off gas and the reforming water to exchange heat, and the reforming water is heated by the heat of the battery off gas.

改質部40によって生成された改質ガスはCO変成部46に供給される。CO変成部46では、シフト反応により一酸化炭素が水素に変成される。これにより、水素濃度が高められるとともに、CO濃度が1%程度まで低減される。   The reformed gas generated by the reforming unit 40 is supplied to the CO conversion unit 46. In the CO conversion unit 46, carbon monoxide is converted to hydrogen by a shift reaction. Thereby, the hydrogen concentration is increased and the CO concentration is reduced to about 1%.

CO変成部46によりCO濃度が低減された改質ガスは、CO除去部48に供給される。CO除去部48では、CO選択酸化触媒を用いたCO酸化反応によりCO濃度が10ppm以下に低減される。なお、CO変成部46によりCO濃度が低減された改質ガスには、CO酸化反応に必要な空気が供給される。   The reformed gas whose CO concentration has been reduced by the CO conversion unit 46 is supplied to the CO removal unit 48. In the CO removing unit 48, the CO concentration is reduced to 10 ppm or less by the CO oxidation reaction using the CO selective oxidation catalyst. Note that air necessary for the CO oxidation reaction is supplied to the reformed gas whose CO concentration has been reduced by the CO shifter 46.

CO除去部48によりCO濃度がさらに低下した改質ガスは、燃料用湿熱交換器60に送られる。燃料用湿熱交換器60は、制御部200の指示にしたがって、タンクに貯留された水を用いて改質ガスをバブリングすることにより、改質ガスの湿度および温度を調節する。燃料用湿熱交換器60によって加湿および加温された改質ガスは、燃料電池スタック300のアノード322に供給される。   The reformed gas whose CO concentration is further reduced by the CO removing unit 48 is sent to the wet heat exchanger 60 for fuel. The fuel wet heat exchanger 60 adjusts the humidity and temperature of the reformed gas by bubbling the reformed gas using the water stored in the tank according to the instruction of the control unit 200. The reformed gas humidified and heated by the fuel wet heat exchanger 60 is supplied to the anode 322 of the fuel cell stack 300.

一方、外部からとりこまれた空気は、まず、酸化剤用湿熱交換器70に送られる。酸化剤用湿熱交換器70は、制御部200の指示にしたがって、タンクに貯留された水を用いて空気をバブリングすることにより、空気の湿度および温度を調節する。酸化剤用湿熱交換器70によって加湿および加温された空気ガスは、燃料電池スタック300のカソード324に供給される。   On the other hand, the air taken in from the outside is first sent to the oxidant wet heat exchanger 70. The oxidant wet heat exchanger 70 adjusts the humidity and temperature of the air by bubbling air using the water stored in the tank in accordance with an instruction from the control unit 200. The air gas humidified and heated by the oxidant wet heat exchanger 70 is supplied to the cathode 324 of the fuel cell stack 300.

燃料電池システム10には、燃料電池スタック300を冷却するための冷却水を循環させる冷却水循環系210が設けられている。燃料電池スタック300の各セルに設けられた冷却水プレート390を冷却水が流通することにより、燃料電池スタック300が冷却される。燃料電池スタック300から排出された冷却水の一部は燃料用湿熱交換器60のタンクに貯留された後、酸化剤用湿熱交換器70のタンクに貯留され、燃料電池スタック300から排出された冷却水の残りは、酸化剤用湿熱交換器70に直接送られ、酸化剤用湿熱交換器70のタンクに貯留される。   The fuel cell system 10 is provided with a cooling water circulation system 210 that circulates cooling water for cooling the fuel cell stack 300. As the cooling water flows through the cooling water plate 390 provided in each cell of the fuel cell stack 300, the fuel cell stack 300 is cooled. A part of the cooling water discharged from the fuel cell stack 300 is stored in the tank of the fuel wet heat exchanger 60 and then stored in the tank of the oxidant wet heat exchanger 70 and is discharged from the fuel cell stack 300. The remaining water is sent directly to the oxidant wet heat exchanger 70 and stored in the tank of the oxidant wet heat exchanger 70.

燃料電池スタック300は、改質ガスに含まれる水素と、空気に含まれる酸素を用いて発電を行う。具体的には、燃料電池スタック300を構成する各セル(単電池)において、固体高分子電解質膜320の一方の面に接するアノード322では、式(1)で示す電極反応が起きる。一方、固体高分子電解質膜320の他方の面に接するカソード324では、式(2)で示す電極反応が起きる。各セルは、冷却水プレート390を流通する冷却水によって冷却され、約70〜80℃の適温に調節される。
アノード:H→2H+2e ・・・(1)
カソード:1/2O+2H+2e→HO ・・・(2)
The fuel cell stack 300 generates power using hydrogen contained in the reformed gas and oxygen contained in the air. Specifically, in each cell (unit cell) constituting the fuel cell stack 300, an electrode reaction represented by the formula (1) occurs at the anode 322 in contact with one surface of the solid polymer electrolyte membrane 320. On the other hand, at the cathode 324 in contact with the other surface of the solid polymer electrolyte membrane 320, an electrode reaction represented by the formula (2) occurs. Each cell is cooled by cooling water flowing through the cooling water plate 390 and adjusted to an appropriate temperature of about 70 to 80 ° C.
Anode: H 2 → 2H + + 2e (1)
Cathode: 1 / 2O 2 + 2H + + 2e - → H 2 O ··· (2)

燃料電池スタック300にて発生した直流電力は、コンバータ90により所定電圧(たとえば24V)の直流電力に変換された後、インバータ92によって交流電力(たとえば100V)に変換される。インバータ92で変換された交流電力は系統94へ出力される。また、コンバータ90で変換された所定電圧の直流電力は、制御部200などの電源として利用される。   The DC power generated in the fuel cell stack 300 is converted into DC power having a predetermined voltage (for example, 24V) by the converter 90, and then converted to AC power (for example, 100V) by the inverter 92. The AC power converted by the inverter 92 is output to the system 94. Further, the DC power of a predetermined voltage converted by the converter 90 is used as a power source for the control unit 200 and the like.

燃料電池スタック300には、セル温度を計測する温度センサ392が設置されており、温度センサ392で計測されたセル温度は、制御部200に伝送される。   The fuel cell stack 300 is provided with a temperature sensor 392 that measures the cell temperature, and the cell temperature measured by the temperature sensor 392 is transmitted to the control unit 200.

制御部200は、改質部40から供給される燃料の供給量および外部から取り込まれる空気の供給量を調節して、燃料電池スタック300による発電量を制御する。この他に、制御部200は、冷却水用の配管に設けられた制御バルブの開度や、循環ポンプを調節して冷却水の水量を制御する。また、制御部200は、温度センサ392で計測されたセル温度に応じて、燃料用湿熱交換器60および酸化剤用湿熱交換器70を用いて燃料電池スタック300に供給される改質ガス、空気の温度・湿度をそれぞれ調節する。さらに、制御部200は、コンバータ90およびインバータ92等との間で電気信号を送受信して、これらの各種機器を制御する。制御部200はリモートコントローラ96と赤外線通信が可能である。ユーザは、リモートコントローラ96を用いて、燃料電池システム10の動作設定をすることができる。   The controller 200 controls the amount of power generated by the fuel cell stack 300 by adjusting the amount of fuel supplied from the reforming unit 40 and the amount of air supplied from the outside. In addition, the control unit 200 controls the amount of cooling water by adjusting the opening of a control valve provided in the piping for cooling water and the circulation pump. In addition, the control unit 200 uses the fuel wet heat exchanger 60 and the oxidant wet heat exchanger 70 according to the cell temperature measured by the temperature sensor 392 to supply the reformed gas, air, and the like. Adjust the temperature and humidity respectively. Furthermore, the control unit 200 transmits and receives electrical signals to and from the converter 90 and the inverter 92 and controls these various devices. The control unit 200 can perform infrared communication with the remote controller 96. The user can set the operation of the fuel cell system 10 using the remote controller 96.

図2は、燃料電池スタック300を構成する燃料電池(セル)310の構造を模式的に示す斜視図である。図3は、図2のA−A線上の断面図である。燃料電池310は、平板状の膜電極接合体350を備え、この膜電極接合体350の両側にはセパレータ334およびセパレータ336が設けられている。セパレータ334やセパレータ336を介して複数の燃料電池310が積層されることにより積層体が構成される。   FIG. 2 is a perspective view schematically showing the structure of the fuel cell (cell) 310 constituting the fuel cell stack 300. 3 is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. The fuel cell 310 includes a flat membrane electrode assembly 350, and a separator 334 and a separator 336 are provided on both sides of the membrane electrode assembly 350. A stacked body is configured by stacking a plurality of fuel cells 310 via the separator 334 and the separator 336.

膜電極接合体350は、固体高分子電解質膜320、アノード322、およびカソード324を有する。アノード322は、アノード触媒層326とアノードガス拡散層328とからなる積層体を有する。一方、カソード324は、カソード触媒層330とカソードガス拡散層332とからなる積層体を有する。アノード触媒層326とカソード触媒層330は、固体高分子電解質膜320を挟んで対向するように設けられている。アノードガス拡散層328は、固体高分子電解質膜320とは反対側のアノード触媒層326の面に設けられている。また、カソードガス拡散層332は、固体高分子電解質膜320とは反対側のカソード触媒層330の面に設けられている。   The membrane electrode assembly 350 includes a solid polymer electrolyte membrane 320, an anode 322, and a cathode 324. The anode 322 has a laminate composed of an anode catalyst layer 326 and an anode gas diffusion layer 328. On the other hand, the cathode 324 has a laminate composed of a cathode catalyst layer 330 and a cathode gas diffusion layer 332. The anode catalyst layer 326 and the cathode catalyst layer 330 are provided so as to face each other with the solid polymer electrolyte membrane 320 interposed therebetween. The anode gas diffusion layer 328 is provided on the surface of the anode catalyst layer 326 opposite to the solid polymer electrolyte membrane 320. The cathode gas diffusion layer 332 is provided on the surface of the cathode catalyst layer 330 opposite to the solid polymer electrolyte membrane 320.

アノード322側に設けられるセパレータ334にはガス流路338が設けられている。燃料供給用のマニホールド(図示せず)から改質ガスがガス流路338に分配され、ガス流路338を通じて膜電極接合体350に改質ガスが供給される。同様に、カソード324側に設けられるセパレータ336にはガス流路340が設けられている。酸化剤供給用のマニホールド(図示せず)から酸化剤として空気がガス流路340に分配され、ガス流路340を通じて膜電極接合体350に空気が供給される。   A gas flow path 338 is provided in the separator 334 provided on the anode 322 side. The reformed gas is distributed to the gas flow path 338 from a fuel supply manifold (not shown), and the reformed gas is supplied to the membrane electrode assembly 350 through the gas flow path 338. Similarly, a gas flow path 340 is provided in the separator 336 provided on the cathode 324 side. Air as an oxidant is distributed to the gas flow path 340 from an oxidant supply manifold (not shown), and air is supplied to the membrane electrode assembly 350 through the gas flow path 340.

固体高分子電解質膜320は、湿潤状態において良好なイオン伝導性を示し、アノード322およびカソード324の間でプロトンを移動させるイオン交換膜として機能する。固体高分子電解質膜320は、含フッ素重合体や非フッ素重合体等の固体高分子材料によって形成され、例えば、スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体、ポリサルホン樹脂、ホスホン酸基又はカルボン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体等を用いることができる。スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体の例として、ナフィオン(デュポン社製:登録商標)などが挙げられる。また、非フッ素重合体の例として、スルホン化された、芳香族ポリエーテルエーテルケトン、ポリスルホンなどが挙げられる。   The solid polymer electrolyte membrane 320 exhibits good ionic conductivity in a wet state and functions as an ion exchange membrane that moves protons between the anode 322 and the cathode 324. The solid polymer electrolyte membrane 320 is formed of a solid polymer material such as a fluorine-containing polymer or a non-fluorine polymer. For example, the polymer electrolyte membrane 320 is a sulfonic acid type perfluorocarbon polymer, a polysulfone resin, a perfluorocarbon group, or a perfluorocarbon group. A fluorocarbon polymer or the like can be used. Examples of the sulfonic acid type perfluorocarbon polymer include Nafion (manufactured by DuPont: registered trademark). Examples of non-fluorine polymers include sulfonated aromatic polyetheretherketone and polysulfone.

本実施の形態のカソード触媒層330は、イオノマーと、導電性材料と、酸化物系触媒とから構成される。イオノマーは、酸化物系触媒と固体高分子電解質膜20を接続し、両者間においてプロトンを伝達する役割を持つ。イオノマーは、固体高分子電解質膜20と同様の高分子材料から形成されてよい。導電性材料として、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、フラーレン、カーボンナノチューブ、カーボンナノオニオンなどの炭素粒子が挙げられる。酸化物系触媒として、Ta-C-N-O、Ta-O-N、Zr-C-N-O、Zr-O-N、Zr-N、Co-C-N、Ba-Nb-O-N、Ba-Nb-O-N、Nb-Fe-O-N、Ti-La-O-N、Ba-Ti-O-Nなどが挙げられる。   The cathode catalyst layer 330 of this embodiment is composed of an ionomer, a conductive material, and an oxide catalyst. The ionomer connects the oxide catalyst and the solid polymer electrolyte membrane 20, and has a role of transmitting protons between the two. The ionomer may be formed from the same polymer material as the solid polymer electrolyte membrane 20. Examples of the conductive material include carbon particles such as acetylene black, ketjen black, fullerene, carbon nanotube, and carbon nano-onion. As oxide-based catalysts, Ta—C—N—O, Ta—O—N, Zr—C—N—O, Zr—O—N, Zr—N, Co—C—N, Ba—Nb—O— N, Ba—Nb—O—N, Nb—Fe—O—N, Ti—La—O—N, Ba—Ti—O—N, and the like.

カソードガス拡散層332は、カソードガス拡散基材により形成される。カソードガス拡散基材は、電子伝導性を有する多孔体で構成されることが好ましく、たとえば、金属板、金属フィルム、導電性高分子、カーボンペーパー、カーボンの織布または不織布などを用いることができる。   The cathode gas diffusion layer 332 is formed of a cathode gas diffusion base material. The cathode gas diffusion base material is preferably composed of a porous body having electron conductivity. For example, a metal plate, a metal film, a conductive polymer, carbon paper, a carbon woven fabric or a non-woven fabric can be used. .

一方、アノード触媒層326は、イオノマーと、導電性材料と、白金触媒や酸化物系触媒などから構成される。イオノマーは、触媒と固体高分子電解質膜20を接続し、両者間においてプロトンを伝達する役割を持つ。イオノマーは、固体高分子電解質膜20と同様の高分子材料から形成されてよい。導電性材料として、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、フラーレン、カーボンナノチューブ、カーボンナノオニオンなどの炭素粒子が挙げられる。   On the other hand, the anode catalyst layer 326 includes an ionomer, a conductive material, a platinum catalyst, an oxide catalyst, and the like. The ionomer connects the catalyst and the solid polymer electrolyte membrane 20, and has a role of transmitting protons between the two. The ionomer may be formed from the same polymer material as the solid polymer electrolyte membrane 20. Examples of the conductive material include carbon particles such as acetylene black, ketjen black, fullerene, carbon nanotube, and carbon nano-onion.

アノードガス拡散層328は、アノードガス拡散基材により形成される。アノードガス拡散基材は、電子伝導性を有する多孔体で構成されることが好ましく、たとえば金属板、金属フィルム、導電性高分子、カーボンペーパー、カーボンの織布または不織布などを用いることができる。   The anode gas diffusion layer 328 is formed of an anode gas diffusion base material. The anode gas diffusion base material is preferably composed of a porous body having electronic conductivity. For example, a metal plate, a metal film, a conductive polymer, carbon paper, a carbon woven fabric or a nonwoven fabric can be used.

以上説明した燃料電池によれば、触媒として酸化物系触媒が用いられているため、白金系触媒を用いた場合に比べて製造コストを抑制することができる。   According to the fuel cell described above, an oxide-based catalyst is used as the catalyst, so that the manufacturing cost can be reduced compared to the case where a platinum-based catalyst is used.

(膜電極接合体の作製方法)
ここで、本実施の形態の膜電極接合体の作製方法について説明する。
(Production method of membrane electrode assembly)
Here, a manufacturing method of the membrane electrode assembly of the present embodiment will be described.

<カソード触媒インク調整>
まず、Ta酸化物などを原料とする酸化物系触媒と、イオノマー、溶媒を混合し、触媒インクを作製する。このときの各比率は酸化物触媒によって異なる。酸化物触媒、イオノマー、炭素粉末、溶媒をそれぞれ、TaCNO、Nafion、ケッチェンブラック、1−プロパノールとしたとき、酸化物触媒、イオノマー、炭素粉末の重量比は、1:1:1である。
<Cathode catalyst ink adjustment>
First, an oxide catalyst using Ta oxide or the like as a raw material, an ionomer, and a solvent are mixed to prepare a catalyst ink. Each ratio at this time varies depending on the oxide catalyst. When the oxide catalyst, ionomer, carbon powder, and solvent are TaCNO, Nafion, Ketjen Black, and 1-propanol, respectively, the weight ratio of the oxide catalyst, ionomer, and carbon powder is 1: 1: 1.

<アノード触媒インク調整>
白金系触媒と、イオノマー、溶媒を混合し、アノード触媒インクを作製する。このときの各比率は白金系触媒によって異なる。白金系触媒、イオノマー、炭素粉末、溶媒をそれぞれ、Pt−Ru/C、Nafion、ケッチェンブラック、1−プロパノールとしたとき、白金系触媒、イオノマー、炭素粉末の重量比は、1:1:1である。
<Anode catalyst ink adjustment>
A platinum-based catalyst, an ionomer and a solvent are mixed to prepare an anode catalyst ink. Each ratio at this time varies depending on the platinum-based catalyst. When platinum-based catalyst, ionomer, carbon powder, and solvent are Pt-Ru / C, Nafion, Ketjen black, and 1-propanol, respectively, the weight ratio of platinum-based catalyst, ionomer, and carbon powder is 1: 1: 1. It is.

なお、触媒インクの組成及び調整方法は、前記組成及び調整方法に限定されるものではなく、膜電極接合体に求める特性に応じて変更することができる。   The composition and adjustment method of the catalyst ink are not limited to the above composition and adjustment method, and can be changed according to the characteristics required for the membrane electrode assembly.

<触媒層形成>
上述したカソード触媒インクおよびアノード触媒インクを用いてそれぞれカソード触媒層、アノード触媒層を形成する際には、固体高分子電解質膜に対して、直接形成する直接塗布方法であっても間接的に形成する間接塗布方法のいずれを採用することも可能である。塗布方法としては、スクリーン印刷、ダイコート法、インクジェット法、スプレー塗布法等を用いることができる。スプレー塗布法を採用する場合には、スプレー塗布装置を用いて所望の触媒重量になるように固体高分子電解質膜に繰り返し触媒インクを塗布することにより形成される。スプレー塗布の条件は、たとえば、スプレー圧15kPa、霧化エアー150kPa、スプレー台温度60℃である。
<Catalyst layer formation>
When the cathode catalyst ink and the anode catalyst layer are formed using the cathode catalyst ink and the anode catalyst ink, respectively, even if the direct coating method is directly applied to the solid polymer electrolyte membrane, it is indirectly formed. Any of the indirect application methods can be employed. As a coating method, screen printing, a die coating method, an inkjet method, a spray coating method, or the like can be used. In the case of employing the spray coating method, it is formed by repeatedly applying the catalyst ink to the solid polymer electrolyte membrane so as to obtain a desired catalyst weight using a spray coating apparatus. The spray application conditions are, for example, a spray pressure of 15 kPa, an atomizing air of 150 kPa, and a spray table temperature of 60 ° C.

<固体高分子電解質膜とガス拡散層の接合>
固体高分子電解質膜をアノード側ガス拡散層の触媒塗布面とカソード側ガス拡散層の触媒塗布面で挟み、さらにその両側からガス拡散層で挟み、ホットプレス機を用いて接合する。ホットプレス時の条件は、たとえば、圧力1MPa、温度120℃、2分間実施である。なお、ホットプレス機による接合の温度、時間、圧力は触媒層に応じて任意で変更することができる。
<Bonding of solid polymer electrolyte membrane and gas diffusion layer>
The solid polymer electrolyte membrane is sandwiched between the catalyst-coated surface of the anode-side gas diffusion layer and the catalyst-coated surface of the cathode-side gas diffusion layer, further sandwiched between the gas diffusion layers from both sides, and bonded using a hot press machine. The conditions at the time of hot pressing are, for example, a pressure of 1 MPa, a temperature of 120 ° C., and 2 minutes. In addition, the temperature, time, and pressure of joining by a hot press machine can be arbitrarily changed according to the catalyst layer.

(前処理方法)
実施の形態に係る燃料電池システムの起動時に実施される前処理方法(エージング方法)について説明する。前処理方法として、下記の飽和加湿エージング、過加湿エージングが挙げられる。
(Pre-processing method)
A pretreatment method (aging method) performed at the time of starting the fuel cell system according to the embodiment will be described. Examples of the pretreatment method include the following saturated humid aging and over humidification aging.

(飽和加湿エージング)
まず、改質部40に原燃料を供給し、水素リッチな改質ガスを生成する。CO変成部46およびCO除去部48により、改質部40で生成した改質ガスのCO濃度を低下させた後、燃料用湿熱交換器60を用いて改質ガスを飽和湿状態とする。なお、飽和加湿状態とは、燃料電池スタック300のセル温度において相対湿度が100%の状態をいう。飽和加湿状態の改質ガスは、燃料電池スタック300のアノード322に供給される。燃料電池スタック300のアノード322に供給される改質ガスの露点温度は、燃料用湿熱交換器60を用いて温度センサ392で計測されたセル温度と等しくなるように設定される。なお、アノード322に供給される改質ガス中の水素濃度は50質量%以上であることがより好ましい。
(Saturated humidification aging)
First, raw fuel is supplied to the reforming unit 40 to generate a hydrogen-rich reformed gas. After the CO concentration of the reformed gas generated in the reforming unit 40 is reduced by the CO conversion unit 46 and the CO removing unit 48, the reformed gas is brought into a saturated wet state using the fuel wet heat exchanger 60. The saturated humidified state refers to a state where the relative humidity is 100% at the cell temperature of the fuel cell stack 300. The reformed gas in the saturated humid state is supplied to the anode 322 of the fuel cell stack 300. The dew point temperature of the reformed gas supplied to the anode 322 of the fuel cell stack 300 is set to be equal to the cell temperature measured by the temperature sensor 392 using the fuel wet heat exchanger 60. The hydrogen concentration in the reformed gas supplied to the anode 322 is more preferably 50% by mass or more.

一方、酸化剤用湿熱交換器70を用いて飽和加湿状態とした空気が燃料電池スタック300のカソード324に供給される。燃料電池スタック300のカソード324に供給される空気の露点温度は、酸化剤用湿熱交換器70を用いて温度センサ392で計測されたセル温度と等しくなるように設定される。なお、カソード324に供給される空気中の酸素濃度は10質量%以上であることがより好ましい。   On the other hand, air that has been saturated and humidified using the oxidant wet heat exchanger 70 is supplied to the cathode 324 of the fuel cell stack 300. The dew point temperature of the air supplied to the cathode 324 of the fuel cell stack 300 is set to be equal to the cell temperature measured by the temperature sensor 392 using the oxidant wet heat exchanger 70. The oxygen concentration in the air supplied to the cathode 324 is more preferably 10% by mass or more.

アノード322とカソード324との間を一定電圧(たとえば、5mV)に保持し、アノード322とカソード324との間に流れる電流が収束するまで改質ガスおよび空気の供給を続ける。電流の収束は、基準となる時刻をT1としたとき、T1の30分前の時刻T0からT1までにおけるアノード322とカソード324との間に流れる電流の電流密度の上昇率が10mA/(cm・30分)以下になることをいう。なお、電流密度の上昇率は3mA/(cm・30分)であることが好ましく、1mA/(cm・30分)であるとより好ましい。 A constant voltage (for example, 5 mV) is maintained between the anode 322 and the cathode 324, and the supply of the reformed gas and air is continued until the current flowing between the anode 322 and the cathode 324 converges. Concerning the convergence of the current, when the reference time is T1, the rate of increase in the current density of the current flowing between the anode 322 and the cathode 324 from time T0 to T1 30 minutes before T1 is 10 mA / (cm 2・ 30 minutes) means less than Incidentally, the rate of increase in current density is preferably from 3mA / (cm 2 · 30 min), more preferably a 1mA / (cm 2 · 30 min).

(過加湿エージング) (Over humidified aging)

まず、改質部40に原燃料を供給し、水素リッチな改質ガスを生成する。CO変成部46およびCO除去部48により、改質部40で生成した改質ガスのCO濃度を低下させた後、燃料用湿熱交換器60を用いて改質ガスを過加湿状態とする。なお、過加湿状態とは、燃料電池スタック300のセル温度よりも露点が高い状態をいう。過加湿状態の改質ガスは、燃料電池スタック300のアノード322に供給される。燃料電池スタック300のアノード322に供給される改質ガスの露点温度は、燃料用湿熱交換器60を用いて温度センサ392で計測されたセル温度より高くなるように設定される。アノード322に供給される改質ガスの露点温度は、燃料電池スタック300のセル温度に対して10℃高いことが好ましい。なお、アノード322に供給される改質ガス中の水素濃度は50質量%以上であることが好ましい。   First, raw fuel is supplied to the reforming unit 40 to generate a hydrogen-rich reformed gas. After the CO concentration of the reformed gas generated in the reforming unit 40 is reduced by the CO conversion unit 46 and the CO removing unit 48, the reformed gas is brought into an excessively humidified state using the wet heat exchanger 60 for fuel. The overhumidified state refers to a state where the dew point is higher than the cell temperature of the fuel cell stack 300. The overhumidified reformed gas is supplied to the anode 322 of the fuel cell stack 300. The dew point temperature of the reformed gas supplied to the anode 322 of the fuel cell stack 300 is set to be higher than the cell temperature measured by the temperature sensor 392 using the fuel wet heat exchanger 60. The dew point temperature of the reformed gas supplied to the anode 322 is preferably 10 ° C. higher than the cell temperature of the fuel cell stack 300. Note that the hydrogen concentration in the reformed gas supplied to the anode 322 is preferably 50% by mass or more.

一方、酸化剤用湿熱交換器70を用いて過加湿状態とした空気が燃料電池スタック300のカソード324に供給される。燃料電池スタック300のカソード324に供給される空気の温度は、酸化剤用湿熱交換器70を用いて温度センサ392で計測されたセル温度より高くなるように設定される。カソード324に供給される空気の温度は、燃料電池スタック300のセル温度に対して10℃高いことが好ましい。なお、カソード324に供給される空気中の酸素濃度は10質量%以上であることが好ましい。   On the other hand, air that has been excessively humidified using the oxidant wet heat exchanger 70 is supplied to the cathode 324 of the fuel cell stack 300. The temperature of the air supplied to the cathode 324 of the fuel cell stack 300 is set to be higher than the cell temperature measured by the temperature sensor 392 using the oxidant wet heat exchanger 70. The temperature of the air supplied to the cathode 324 is preferably 10 ° C. higher than the cell temperature of the fuel cell stack 300. Note that the oxygen concentration in the air supplied to the cathode 324 is preferably 10% by mass or more.

アノード322とカソード324との間を一定電圧(たとえば、5mV)に保持し、アノード322とカソード324との間に流れる電流が収束するまで改質ガスおよび空気の供給を続ける。電流の収束は、基準となる時刻をT1としたとき、T1の30分前の時刻T0からT1までにおけるアノード322とカソード324との間に流れる電流の電流密度の上昇率が10mA/(cm・30分)以下になることをいう。なお、電流密度の上昇率は3mA/(cm・30分)であることが好ましく、1mA/(cm・30分)であるとより好ましい。 A constant voltage (for example, 5 mV) is maintained between the anode 322 and the cathode 324, and the supply of the reformed gas and air is continued until the current flowing between the anode 322 and the cathode 324 converges. Concerning the convergence of the current, when the reference time is T1, the rate of increase in the current density of the current flowing between the anode 322 and the cathode 324 from time T0 to T1 30 minutes before T1 is 10 mA / (cm 2・ 30 minutes) means less than Incidentally, the rate of increase in current density is preferably from 3mA / (cm 2 · 30 min), more preferably a 1mA / (cm 2 · 30 min).

本前処理方法によれば、触媒層に十分な水を供給しつつ、アノードとカソードとの間に電流を流すことにより、膜電極接合体の発電性能を向上させることができる。これは、酸化雰囲気環境は触媒比活性の維持又は向上に寄与し、十分な水分量と電流走引は触媒活性点へのプロトン輸送パスの形成に寄与していると推察される。   According to this pretreatment method, the power generation performance of the membrane electrode assembly can be improved by supplying a current between the anode and the cathode while supplying sufficient water to the catalyst layer. This is presumed that the oxidizing atmosphere environment contributes to the maintenance or improvement of the specific activity of the catalyst, and the sufficient amount of water and current running contribute to the formation of a proton transport path to the catalytic activity point.

(実施例1)
実施例の前処理方法に使用した膜電極接合体の層構成を下記に示す。
<固体高分子電解質膜>
材料:DuPont社製 Nafion(登録商標) NRE−212
膜厚:50μm
<アノード触媒層およびカソード触媒層>
イオノマー:DuPont社製 Nafion 20質量%溶液
酸化物系触媒:TaCNO
導電性材料:ケッチェンブラック
膜厚:15μm
<アノードガス拡散層およびカソードガス拡散層>
材料:TEC 10E50E
膜厚:20μm
Example 1
The layer structure of the membrane electrode assembly used in the pretreatment method of the example is shown below.
<Solid polymer electrolyte membrane>
Material: Napon (registered trademark) NRE-212 manufactured by DuPont
Film thickness: 50 μm
<Anode catalyst layer and cathode catalyst layer>
Ionomer: Nafion 20% by mass solution oxide catalyst manufactured by DuPont: TaCNO
Conductive material: Ketjen Black Film thickness: 15μm
<Anode gas diffusion layer and cathode gas diffusion layer>
Material: TEC 10E50E
Film thickness: 20 μm

燃料電池スタック(温度80℃)のアノードに温度90℃の過加湿状態の改質ガス(水素)を供給し、カソードに温度90℃の過加湿状態の窒素ガスを供給し、アノードとカソードとの間の電圧を一定(5mV)に保持した状態でアノードとカソードとの間に流れる電流の電流密度を計測した。   An over humidified reformed gas (hydrogen) at a temperature of 90 ° C. is supplied to the anode of the fuel cell stack (temperature 80 ° C.), and an over humidified nitrogen gas at a temperature of 90 ° C. is supplied to the cathode. The current density of the current flowing between the anode and the cathode was measured with the voltage between them held constant (5 mV).

図4は、実施例1の前処理方法を実施した際の電流密度の時間変化を示すグラフである。図5は、エージング時間とセルインピーダンスの関係を示すグラフである。エージング時間が30分、1時間、2.5時間、4時間のときの電流密度の上昇率は、それぞれ、15、10、3、1mA/(cm・30分)である。電流密度の上昇率が10mA/(cm・30分)以下になると、実抵抗が顕著に減少することが確認された。 FIG. 4 is a graph showing a change with time of current density when the pretreatment method of Example 1 is performed. FIG. 5 is a graph showing the relationship between aging time and cell impedance. The rate of increase in current density when the aging time is 30 minutes, 1 hour, 2.5 hours, and 4 hours is 15, 10, 3, 1 mA / (cm 2 · 30 minutes), respectively. It was confirmed that when the rate of increase in current density was 10 mA / (cm 2 · 30 minutes) or less, the actual resistance was significantly reduced.

(比較例1)
比較例1に係る前処理方法では、実施例1の前処理方法と同じ層構成の膜電極接合体に対して、白金触媒を有する燃料電池で用いられているエージング方法を適用した。具体的には、燃料電池スタック(温度80℃)のアノードに温度90℃の過加湿状態の改質ガス(水素ガス)を供給し、カソードに温度90℃の過加湿状態の窒素ガスを供給し、電圧が収束するまでアノードとカソードとを短絡させた。
(Comparative Example 1)
In the pretreatment method according to Comparative Example 1, the aging method used in the fuel cell having a platinum catalyst was applied to the membrane electrode assembly having the same layer configuration as the pretreatment method of Example 1. Specifically, an over humidified reformed gas (hydrogen gas) at a temperature of 90 ° C. is supplied to the anode of the fuel cell stack (temperature 80 ° C.), and an over humidified nitrogen gas at a temperature of 90 ° C. is supplied to the cathode. The anode and cathode were shorted until the voltage converged.

図6は、比較例1に係るエージング方法を実施した場合の電圧の時間変化を示すグラフである。電圧の時間変化が±3mVに収束するまでアノードとカソードとを短絡させた   FIG. 6 is a graph showing a change in voltage over time when the aging method according to Comparative Example 1 is performed. The anode and cathode were short-circuited until the time change in voltage converged to ± 3 mV.

(評価結果1)
実施例1に係る前処理方法(エージング時間:4時間)を施した燃料電池、と比較例1に係る前処理方法を施した燃料電池について電流密度を計測した。表1にその結果を示す。表1に示すように、実施例1に係る前処理方法を施した場合の電流密度は、比較例1に係る前処理方法を施した場合の電流密度に比べて高くなっており、実施例1に係る前処理方法により、酸化物系触媒を有する燃料電池において発電性能を損なうことなくエージングが可能であることが確認された。
(Evaluation result 1)
The current density was measured for the fuel cell subjected to the pretreatment method according to Example 1 (aging time: 4 hours) and the fuel cell subjected to the pretreatment method according to Comparative Example 1. Table 1 shows the results. As shown in Table 1, the current density when the pretreatment method according to Example 1 is performed is higher than the current density when the pretreatment method according to Comparative Example 1 is performed. With the pretreatment method according to the present invention, it was confirmed that aging is possible without impairing power generation performance in a fuel cell having an oxide-based catalyst.

Figure 2011146245
Figure 2011146245

(実施例2)
実施例2に係る前処理方法では、実施例1の前処理方法と同じ層構成の膜電極接合体に対して、燃料電池スタック(温度80℃)のアノードに温度80℃の飽和加湿状態の改質ガス(水素)を供給し、カソードに温度80℃の飽和加湿状態の空気(酸化剤)を供給し、アノードとカソードとの間の電圧を一定(5mV)にして1時間保持した後、アノードとカソードとの間に流れる電流の電流密度を計測した。
(Example 2)
In the pretreatment method according to the second embodiment, the saturated humidified state at a temperature of 80 ° C. is modified on the anode of the fuel cell stack (temperature of 80 ° C.) with respect to the membrane electrode assembly having the same layer configuration as the pretreatment method of the first embodiment. After supplying gas (hydrogen) and supplying the cathode with saturated humidified air (oxidant) at a temperature of 80 ° C., keeping the voltage between the anode and the cathode constant (5 mV) for 1 hour, The current density of the current flowing between the cathode and the cathode was measured.

(比較例2)
比較例2に係る前処理方法では、実施例2の前処理方法と同じ層構成の膜電極接合体に対して、燃料電池スタック(温度80℃)のアノードに温度60℃の飽和加湿状態の改質ガス(水素)を供給し、カソードに温度60℃の低い加湿状態の空気(酸化剤)を供給し、アノードとカソードとの間の電圧を一定(5mV)にして1時間保持した後、アノードとカソードとの間に流れる電流の電流密度を計測した。
(Comparative Example 2)
In the pretreatment method according to Comparative Example 2, the saturation humidification state at a temperature of 60 ° C. was improved on the anode of the fuel cell stack (temperature of 80 ° C.) with respect to the membrane electrode assembly having the same layer configuration as the pretreatment method of Example 2. After supplying a gas (hydrogen), supplying air with a low humidity of 60 ° C. (oxidant) to the cathode, keeping the voltage between the anode and the cathode constant (5 mV) and holding it for 1 hour, The current density of the current flowing between the cathode and the cathode was measured.

(評価結果2)
実施例2に係る前処理方法(アノード:飽和加湿、カソード:飽和加湿)を施した燃料電池と比較例2に係る前処理方法(アノード:低加湿、カソード低加湿)を施した燃料電池について電流密度を計測した。表2にその結果を示す。表2に示すように、実施例2に係る前処理方法を施した場合の電流密度は、比較例2に係る前処理方法を施した場合の電流密度に比べて高くなっており、実施例2に係る前処理方法により、酸化物系触媒を有する燃料電池において発電性能を損なうことなくエージングが可能であることが確認された。
(Evaluation result 2)
A fuel cell subjected to the pretreatment method according to Example 2 (anode: saturated humidification, cathode: saturation humidification) and a fuel cell subjected to the pretreatment method according to Comparative Example 2 (anode: low humidification, cathode low humidification) Density was measured. Table 2 shows the results. As shown in Table 2, the current density when the pretreatment method according to Example 2 is performed is higher than the current density when the pretreatment method according to Comparative Example 2 is performed. With the pretreatment method according to the present invention, it was confirmed that aging is possible without impairing power generation performance in a fuel cell having an oxide-based catalyst.

Figure 2011146245
Figure 2011146245

(実施例3)
実施例3に係る前処理方法では、実施例1の前処理方法と同じ層構成の膜電極接合体に対して、燃料電池スタック(温度80℃)のアノードに温度80℃の飽和加湿状態の改質ガス(水素)を供給し、カソードに温度80℃の飽和加湿状態の空気(酸化剤)を供給し、アノードとカソードとの間の電圧を一定(5mV)にした状態で、電流密度の上昇率が10mA/(cm・30分)になるまで保持した後、アノードとカソードとの間に流れる電流の電流密度を計測した。
(Example 3)
In the pretreatment method according to Example 3, the saturated humidified state at a temperature of 80 ° C. is modified on the anode of the fuel cell stack (temperature of 80 ° C.) with respect to the membrane electrode assembly having the same layer configuration as that of the pretreatment method of Example 1. The gas density (hydrogen) is supplied, and the cathode is supplied with saturated humidified air (oxidant) at a temperature of 80 ° C., and the voltage between the anode and cathode is kept constant (5 mV), and the current density increases. After maintaining the rate until 10 mA / (cm 2 · 30 minutes), the current density of the current flowing between the anode and the cathode was measured.

(比較例3)
比較例3に係る前処理方法では、実施例3の前処理方法と同じ層構成の膜電極接合体に対して、燃料電池スタック(温度80℃)のアノードに温度80度の飽和加湿状態の改質ガス(水素)を供給し、カソードに温度80度の飽和加湿状態の空気(酸化剤)を供給し、アノードとカソードとの間の電圧を一定(5mV)にした状態で、電流密度の上昇率が12mA/(cm・30分)になるまで保持した後、アノードとカソードとの間に流れる電流の電流密度を計測した。
(Comparative Example 3)
In the pretreatment method according to Comparative Example 3, the saturated humidified state at a temperature of 80 degrees is modified on the anode of the fuel cell stack (temperature of 80 ° C.) with respect to the membrane electrode assembly having the same layer configuration as the pretreatment method of Example 3. The gas density (hydrogen) is supplied, the saturated humidified air (oxidant) at a temperature of 80 degrees is supplied to the cathode, and the voltage between the anode and the cathode is kept constant (5 mV), and the current density increases. After maintaining the rate until it reached 12 mA / (cm 2 · 30 minutes), the current density of the current flowing between the anode and the cathode was measured.

(評価結果3)
実施例3に係る前処理方法(電流密度の上昇率:10mA/(cm・30分))を施した燃料電池、と比較例3に係る前処理方法(電流密度の上昇率:12mA/(cm・30分))を施した燃料電池について電流密度を計測した。表3にその結果を示す。表2に示すように、実施例3に係る前処理方法を施した場合の電流密度は、比較例3に係る前処理方法を施した場合の電流密度に比べて高くなっており、実施例3に係る前処理方法により、酸化物系触媒を有する燃料電池において発電性能を損なうことなくエージングが可能であることが確認された。
(Evaluation result 3)
A fuel cell subjected to the pretreatment method according to Example 3 (current density increase rate: 10 mA / (cm 2 .30 minutes)) and the pretreatment method according to Comparative Example 3 (current density increase rate: 12 mA / ( The current density of the fuel cell subjected to cm 2 · 30 minutes) was measured. Table 3 shows the results. As shown in Table 2, the current density when the pretreatment method according to Example 3 is performed is higher than the current density when the pretreatment method according to Comparative Example 3 is performed. With the pretreatment method according to the present invention, it was confirmed that aging is possible without impairing power generation performance in a fuel cell having an oxide-based catalyst.

Figure 2011146245
Figure 2011146245

10 燃料電池システム、320 固体高分子電解質膜、300 燃料電池スタック、322 アノード、324 カソード、326 アノード触媒層、328 アノードガス拡散層、330 カソード触媒層、332 カソードガス拡散層、350 膜電極接合体 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Fuel cell system, 320 Solid polymer electrolyte membrane, 300 Fuel cell stack, 322 Anode, 324 Cathode, 326 Anode catalyst layer, 328 Anode gas diffusion layer, 330 Cathode catalyst layer, 332 Cathode gas diffusion layer, 350 Membrane electrode assembly

Claims (8)

電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に形成され、プロトン伝導体および酸化物系触媒を含むカソード触媒層と、前記電解質膜の他方の面に形成されたアノード触媒層とを含む膜電極接合体を有する燃料電池の前処理方法であって、
アノード触媒層に過加湿状態の水素含有ガスを供給し、カソード触媒層に過加湿状態の酸化剤ガスを供給することを特徴とする燃料電池の前処理方法。
Membrane electrode junction comprising an electrolyte membrane, a cathode catalyst layer formed on one surface of the electrolyte membrane and containing a proton conductor and an oxide catalyst, and an anode catalyst layer formed on the other surface of the electrolyte membrane A pretreatment method for a fuel cell having a body,
A pretreatment method for a fuel cell, comprising supplying an over-humidified hydrogen-containing gas to an anode catalyst layer and supplying an over-humidified oxidant gas to a cathode catalyst layer.
電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に形成され、プロトン伝導体および酸化物系触媒を含むカソード触媒層と、前記電解質膜の他方の面に形成されたアノード触媒層とを含む膜電極接合体を有する燃料電池の前処理方法であって、
アノード触媒層に飽和加湿状態の水素含有ガスを供給し、カソード触媒層に飽和加湿状態の酸化剤ガスを供給することを特徴とする燃料電池の前処理方法。
Membrane electrode junction comprising an electrolyte membrane, a cathode catalyst layer formed on one surface of the electrolyte membrane and containing a proton conductor and an oxide catalyst, and an anode catalyst layer formed on the other surface of the electrolyte membrane A pretreatment method for a fuel cell having a body,
A fuel cell pretreatment method, wherein a saturated humidified hydrogen-containing gas is supplied to an anode catalyst layer, and a saturated humidified oxidant gas is supplied to a cathode catalyst layer.
前記水素含有ガスおよび前記酸化剤ガスの露点温度のうち少なくとも一方が、セル温度より高い請求項1に記載の燃料電池の前処理方法。   The fuel cell pretreatment method according to claim 1, wherein at least one of dew point temperatures of the hydrogen-containing gas and the oxidant gas is higher than a cell temperature. 前記水素含有ガスおよび前記酸化剤ガスの露点温度のうち少なくとも一方が、セル温度と等しい請求項2に記載の燃料電池の前処理方法。   The fuel cell pretreatment method according to claim 2, wherein at least one of dew point temperatures of the hydrogen-containing gas and the oxidant gas is equal to a cell temperature. 前記水素含有ガスの水素含有量が50質量%以上である請求項1乃至4のいずれか1項に記載の燃料電池の前処理方法。   The fuel cell pretreatment method according to any one of claims 1 to 4, wherein a hydrogen content of the hydrogen-containing gas is 50 mass% or more. 前記酸化剤ガスの酸素含有量が10質量%以上である請求項1乃至5のいずれか1項に記載の燃料電池の前処理方法。   The pretreatment method for a fuel cell according to any one of claims 1 to 5, wherein an oxygen content of the oxidant gas is 10% by mass or more. 前記燃料電池の出力電圧を一定に保持した状態で、前記燃料電池に流れる電流密度の変化が収束するまで、前記水素含有ガスおよび前記酸化剤ガスを供給する請求項1乃至6のいずれか1項に記載の燃料電池の前処理方法。   7. The hydrogen-containing gas and the oxidant gas are supplied until the change in the current density flowing through the fuel cell converges while the output voltage of the fuel cell is kept constant. A pretreatment method for a fuel cell as described in 1). 前記燃料電池の出力電圧を一定に保持した状態で、前記燃料電池に流れる電流密度の上昇率が10mA/(cm・30分)になるまで、前記水素含有ガスおよび前記酸化剤ガスを供給する請求項1乃至7のいずれか1項に記載の燃料電池の前処理方法。 With the output voltage of the fuel cell kept constant, the hydrogen-containing gas and the oxidant gas are supplied until the rate of increase in the current density flowing through the fuel cell reaches 10 mA / (cm 2 .30 minutes). The fuel cell pretreatment method according to any one of claims 1 to 7.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011210636A (en) * 2010-03-30 2011-10-20 Jx Nippon Oil & Energy Corp Domestic stationary fuel-cell system
JP2018085308A (en) * 2016-11-25 2018-05-31 三菱自動車工業株式会社 Fuel cell device for electric vehicle

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