JP2013069673A - Method for activating fuel cell stack - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池スタックの活性化方法に関するものである。 The present invention relates to a method for activating a fuel cell stack.
例えば、固体高分子膜型燃料電池(Polymer Electrolyte Fuel Cell:PEFC)は、高分子イオン交換膜から成る電解質膜の両側に、アノード電極及びカソード電極を設けた電解質膜・電極構造体を、一対のセパレータによって挟持した発電セルを備えている。そして、固体高分子膜型燃料電池は、複数の発電セルを積層すると共に、積層方向両端に一対のエンドプレートを設けることにより、例えば、車載用の燃料電池スタックとして使用されている。 For example, a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) is composed of an electrolyte membrane / electrode structure in which an anode electrode and a cathode electrode are provided on both sides of an electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane. A power generation cell sandwiched between separators is provided. The polymer electrolyte fuel cell is used as, for example, an in-vehicle fuel cell stack by stacking a plurality of power generation cells and providing a pair of end plates at both ends in the stacking direction.
燃料電池スタックは、組み立て直後の電解質膜の含水量が十分でなかったり、アノード電極及びカソード電極の触媒の活性度が低かったりするため、初期時の発電性能が低くなってしまい、組み立て直後から十分な発電性能を発揮できなかった。 In the fuel cell stack, the water content of the electrolyte membrane immediately after assembly is not sufficient, or the activity of the catalyst of the anode electrode and cathode electrode is low. Power generation performance could not be demonstrated.
そこで、通常、燃料電池スタックの組み立て直後に十分な発電性能を引き出すため、燃料電池スタックの活性化処理(エージング処理)が行われている。 Therefore, in order to draw out sufficient power generation performance immediately after assembly of the fuel cell stack, an activation process (aging process) of the fuel cell stack is usually performed.
例えば、特許文献1には、燃料電池スタックの発電セル内へ加湿ガスを導入する加湿ガス導入工程と、アノード電極に水素ガス及びカソード電極に窒素ガスを供給しつつ、外部電源により一定幅の電圧を発電セルに印加する電圧印加工程(CV工程)と、を含む燃料電池スタックの活性化方法が開示されている。 For example, Patent Document 1 discloses a humidified gas introduction process for introducing a humidified gas into a power generation cell of a fuel cell stack, and a voltage having a certain width by an external power source while supplying hydrogen gas to an anode electrode and nitrogen gas to a cathode electrode. A method for activating a fuel cell stack including a voltage application step (CV step) for applying a voltage to a power generation cell is disclosed.
そして、前記加湿ガス導入工程により電解質膜の含水量が増加し、かつ前記電圧印加工程によりアノード電極及びカソード電極の触媒の活性度が高まるため、燃料電池スタックの組み立て直後から十分な発電性能を発揮できるようになっている。 The humidified gas introduction step increases the water content of the electrolyte membrane, and the voltage application step increases the activity of the anode electrode and cathode electrode catalysts, so that sufficient power generation performance is exhibited immediately after assembly of the fuel cell stack. It can be done.
ここで、燃料電池スタックの発電時にはカソード電極側で水(水分)が生じるところ、この水が発電セル内に大量に滞留すると、ガス(酸化剤ガス・燃料ガス)の拡散を阻害してしまい、燃料電池スタックの出力低下を招くことになる。そのため、一般的に、各発電セルの上縁部にガス供給口を積層方向に貫通して設け、かつ下縁部にガス排出口を積層方向に貫通して設けて、ガスの流れを上方から下方に流れるように構成し、ガスの圧力及び重力(水の自重)により発電セル内の水を排出して、発電セル内の水の滞留を抑制している。 Here, water (moisture) is generated on the cathode electrode side during power generation of the fuel cell stack, and if this water stays in the power generation cell in a large amount, diffusion of gas (oxidant gas / fuel gas) is inhibited, The output of the fuel cell stack will be reduced. Therefore, in general, a gas supply port is provided at the upper edge of each power generation cell in the stacking direction, and a gas discharge port is provided at the lower edge of the power generation cell in the stacking direction so that the gas flows from above. It is configured to flow downward, and the water in the power generation cell is discharged by the pressure of the gas and gravity (self-weight of water) to suppress the retention of water in the power generation cell.
ところで、前記特許文献1の加湿ガス導入工程において、各発電セルの上縁部に設けられたガス供給口から加湿ガスを導入すると、加湿ガスが積層方向に沿って通流するにつれて冷却されていき、加湿ガス中の水分がガス供給口下流側のエンドプレートで結露してしまい、水滴となって発電セル内(電極)に浸入して滞留する虞がある。その結果、電圧印加工程において、水素及び窒素等のガスの拡散が阻害されるため、発電時におけるガス供給口下流側の発電セルの電圧が他の発電セルの電圧よりも低下して、各発電セルの活性度にばらつきが生じる虞があった。 By the way, in the humidified gas introduction process of Patent Document 1, when the humidified gas is introduced from the gas supply port provided at the upper edge of each power generation cell, the humidified gas is cooled as it flows along the stacking direction. The moisture in the humidified gas may condense on the end plate on the downstream side of the gas supply port, and may become water droplets and enter and stay in the power generation cell (electrode). As a result, diffusion of gases such as hydrogen and nitrogen is hindered in the voltage application step, so that the voltage of the power generation cell downstream of the gas supply port during power generation is lower than the voltage of other power generation cells. There was a risk that the cell activity would vary.
本発明は、このような観点から創案されたものであり、各燃料電池の活性度のばらつきを抑制できる燃料電池スタックの活性化方法を提供することを課題とする。 The present invention has been developed from such a viewpoint, and an object of the present invention is to provide a method for activating a fuel cell stack that can suppress variation in the activity of each fuel cell.
前記課題を解決するため本発明は、電解質膜と、前記電解質膜の両側に設けられる一対のセパレータと、前記電解質膜及び前記セパレータの一端部に貫通して設けられたガス供給口と、前記電解質膜及び前記セパレータの他端部に貫通して設けられたガス排出口と、前記電解質膜及び前記セパレータの間であって前記ガス供給口及び前記ガス排出口の間に設けられた一対の電極とを有する燃料電池を複数備え、前記ガス供給口及び前記ガス排出口が夫々連通するように前記燃料電池が積層され、かつ積層方向両端に一対のエンドプレートが設けられた燃料電池スタックの活性化方法であって、前記燃料電池の積層方向が水平方向に一致し、かつ前記ガス供給口及び前記ガス排出口のいずれか一方が前記電極に対して下方に位置するように前記燃料電池スタックを設置する燃料電池スタック設置工程と、前記電極に対して下方に設置された前記ガス供給口及び前記ガス排出口のいずれか一方から前記電極へ加湿されたガスを導入する加湿ガス導入工程と、前記加湿ガス導入工程後又は前記加湿ガス導入工程と同時に前記一対の電極の間に所定の電圧を印加する電圧印加工程と、を含むことを特徴とする。 In order to solve the above problems, the present invention provides an electrolyte membrane, a pair of separators provided on both sides of the electrolyte membrane, a gas supply port provided through one end of the electrolyte membrane and the separator, and the electrolyte A gas exhaust port provided through the other end of the membrane and the separator, and a pair of electrodes provided between the electrolyte membrane and the separator and between the gas supply port and the gas exhaust port. A method of activating a fuel cell stack comprising a plurality of fuel cells having a plurality of fuel cells, wherein the fuel cells are stacked such that the gas supply port and the gas discharge port communicate with each other, and a pair of end plates are provided at both ends in the stacking direction The stacking direction of the fuel cells coincides with the horizontal direction, and either the gas supply port or the gas discharge port is positioned below the electrode. A fuel cell stack installation step for installing a fuel cell stack, and a humidified gas introduction for introducing humidified gas to the electrode from one of the gas supply port and the gas discharge port installed below the electrode And a voltage applying step of applying a predetermined voltage between the pair of electrodes after the humidifying gas introducing step or simultaneously with the humidifying gas introducing step.
本発明によれば、ガス供給口及びガス排出口のいずれか一方が、電極に対して下方に位置するように燃料電池スタックを設置し、かつ電極に対して下方に設置されたガス供給口及びガス排出口のいずれか一方から電極へ加湿されたガスを導入することにより、加湿ガスが積層方向に沿って通流するにつれて冷却されていき、加湿ガス中の水分がガス供給口又はガス排出口下流側のエンドプレートで結露して水滴になった場合でも、その自重によりガス供給口及びガス排出口のいずれか一方に滞留するため、電極への浸入を防止できる。その結果、電圧印加工程を行った際に、水素及び窒素等のガスの拡散が阻害されないため、発電時におけるガス供給口又はガス排出口下流側の燃料電池の電圧低下を回避して、各燃料電池の活性度のばらつきを抑制できる。 According to the present invention, the fuel cell stack is installed so that either one of the gas supply port and the gas discharge port is positioned below the electrode, and the gas supply port installed below the electrode and By introducing the humidified gas from one of the gas discharge ports to the electrode, the humidified gas is cooled as it flows along the stacking direction, and the moisture in the humidified gas is supplied to the gas supply port or the gas discharge port. Even when condensation occurs on the downstream end plate to form water droplets, it stays in one of the gas supply port and the gas discharge port due to its own weight, so that it is possible to prevent entry into the electrode. As a result, when the voltage application step is performed, the diffusion of gas such as hydrogen and nitrogen is not hindered. Therefore, it is possible to avoid the voltage drop of the fuel cell on the downstream side of the gas supply port or the gas discharge port during power generation. Variations in battery activity can be suppressed.
また、本発明は、前記電圧印加工程を所定回数繰り返した後、前記電極に対して下方に設置された前記ガス供給口及び前記ガス排出口のいずれか一方に滞留した水を抜く水抜き工程と、を更に含むようにすることが好ましい。 Further, the present invention is a water draining step of draining water staying at either one of the gas supply port and the gas discharge port installed below the electrode after repeating the voltage application step a predetermined number of times. It is preferable to further include.
このようにすると、電極に対して下方に設置されたガス供給口及びガス排出口のいずれか一方に滞留した水を除去して電極への浸入を確実に防止できるので、各燃料電池の活性度のばらつきをより一層抑制できる。 In this way, the water staying at either the gas supply port or the gas discharge port installed below the electrode can be removed to reliably prevent entry into the electrode. The variation of can be further suppressed.
本発明によれば、各燃料電池の活性度のばらつきを抑制できる燃料電池スタックの活性化方法を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the activation method of the fuel cell stack which can suppress the dispersion | variation in the activity of each fuel cell can be provided.
本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。説明において、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。 Embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the description, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
本発明の実施形態に係る燃料電池スタック100の活性化方法の説明に先立って、図1−図4を適宜参照して、燃料電池スタック100の構造について説明する。
なお、図1及び図2では発電時の酸化剤ガス、冷却媒体及び燃料ガスの流れを示し、図4では活性時(加湿ガス導入工程時)の酸化剤ガス及び燃料ガスの流れを示している。
図1に示すように、燃料電池スタック100は、複数の燃料電池10と、一対のエンドプレート20a,20bと、複数の連結部材30と、を主に備える。本実施形態の燃料電池スタック100は、燃料電池自動車の電源として使用されているが、家庭用電源として使用されてもよい。
Prior to the description of the method for activating the
1 and 2 show the flow of the oxidant gas, the cooling medium, and the fuel gas during power generation, and FIG. 4 shows the flow of the oxidant gas and the fuel gas during activation (during the humidified gas introduction process). .
As shown in FIG. 1, the
<燃料電池>
複数の燃料電池10は、図1に示すように、矢印A方向(水平方向)に沿って積層されている。各燃料電池10は、図2に示すように、電解質膜・電極構造体(MEA)11と、電解質膜・電極構造体11を両側から挟持する一対の第1セパレータ12及び第2セパレータ13と、を有する。
<Fuel cell>
As shown in FIG. 1, the plurality of
<電解質膜・電極構造体>
電解質膜・電極構造体11は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された板状の固体高分子電解質膜(電解質膜)11aと、固体高分子電解質膜11aの両側(両面)に設けられたカソード電極11b及びアノード電極11cと、を有する。
<Electrolyte membrane / electrode structure>
The electrolyte membrane /
電極たるカソード電極11b及びアノード電極11cは、固体高分子電解質膜11aよりも一回り小さな幅寸法及び長さ寸法を有する矩形状の電極部材である。カソード電極11b及びアノード電極11cは、固体高分子電解質膜11aの中央部に配設されており、外周部が固体高分子電解質膜11aの外周部よりも内方に位置している。カソード電極11b及びアノード電極11cは、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子がガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成された電極触媒層と、から構成される。電極触媒層は、固体高分子電解質膜11aの両面に形成される。
The
この場合、アノード電極11cに燃料ガス(例えば、水素を含有するガス)が供給されると、触媒反応(電極反応)により水素原子から電子が分離され、水素イオンを生じると共に、電子は、外部回路を通過してカソード電極11bまで移動する。そして、電子が外部回路を通過してカソード電極11bに電流として流れることで電気が発生する。一方、水素イオンは、固体高分子電解質膜11aを通過してカソード電極11bまで移動する。このとき、カソード電極11bでは、カソード電極11bに供給された酸化剤ガス(例えば、酸素を含有するエア)と、カソード電極11bまで移動してきた電子及び水素イオンとが反応して水が生成される。
In this case, when fuel gas (for example, a gas containing hydrogen) is supplied to the
<第1セパレータ及び第2セパレータ>
第1セパレータ12及び第2セパレータ13は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、その金属表面に防食用の表面処理を施した金属板等により構成されている。第1セパレータ12及び第2セパレータ13は、図2及び図3に示すように、矩形状を呈する一枚の金属板を波形状にプレス加工することにより、横断面視凹凸形状に形成されている。図3に示すように、第1セパレータ12の外縁部の両面12a,12bには、シール部材14が一体又は別体に設けられる一方、第2セパレータ13の外縁部の両面13a,13bには、シール部材15が一体又は別体に設けられている。
<First separator and second separator>
The
シール部材14,15は、例えば、シリコーンゴム、エチレン−プロピレンゴム、天然ゴム、フッ素ゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、スチレンゴム、クロロプレーン、アクリルゴム等から形成されている。
The
<酸化剤ガス供給口、冷却媒体供給口、燃料ガス供給口>
図2に示すように、固体高分子電解質膜11a、第1セパレータ12及び第2セパレータ13の上縁部(一端部)には、矢印A方向(積層方向)に貫通して形成された矩形状の酸化剤ガス供給口40a、冷却媒体供給口41a及び燃料ガス供給口42aが矢印B方向に沿って配列して設けられている。ガス供給口たる酸化剤ガス供給口40aは、酸化剤ガスが供給される部分であり、冷却媒体供給口41aは、冷却媒体が供給される部分であり、ガス供給口たる燃料ガス供給口42aは、燃料ガスが供給される部分である。冷却媒体としては、例えば、純水、エチレングリコール、オイル等が使用される。
<Oxidant gas supply port, cooling medium supply port, fuel gas supply port>
As shown in FIG. 2, the rectangular shape formed in the upper edge part (one end part) of the solid
<酸化剤ガス排出口、冷却媒体排出口、燃料ガス排出口>
固体高分子電解質膜11a、第1セパレータ12及び第2セパレータ13の下縁部(他端部)には、矢印A方向に貫通して形成された矩形状の酸化剤ガス排出口40b、冷却媒体排出口41b及び燃料ガス排出口42bが矢印B方向に沿って配列して設けられている。ガス排出口たる酸化剤ガス排出口40bは、酸化剤ガスが排出される部分であり、冷却媒体排出口41bは、冷却媒体が排出される部分であり、ガス排出口たる燃料ガス排出口42bは、燃料ガスが排出される部分である。
<Oxidant gas outlet, cooling medium outlet, fuel gas outlet>
A rectangular oxidant
<酸化剤ガス流路>
図2及び図3に示すように、第1セパレータ12のうち、電解質膜・電極構造体11に対向する面12aには、酸化剤ガス供給口40aと酸化剤ガス排出口40bを連通して酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路50が設けられている。すなわち、図3に示すように、第1セパレータ12の凸部が電解質膜・電極構造体11に接触することにより、第1セパレータ12の凹部が酸化剤ガス流路50を構成している。この場合、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給口40aから複数の酸化剤ガス流路50を鉛直下向きに流れた後、酸化剤ガス排出口40bに流れることとなる。
<Oxidant gas flow path>
As shown in FIGS. 2 and 3, the
<燃料ガス流路>
図2及び図3に示すように、第2セパレータ13のうち、電解質膜・電極構造体11に対向する面13aには、燃料ガス供給口42aと燃料ガス排出口42bを連通して燃料ガスを流すための燃料ガス流路52が設けられている。すなわち、図3に示すように、第2セパレータ13の凸部が電解質膜・電極構造体11に接触することにより、第2セパレータ13の凹部が燃料ガス流路52を構成している。この場合、燃料ガスは、燃料ガス供給口42aから複数の燃料ガス流路52を鉛直下向きに流れた後、燃料ガス排出口42bに流れることとなる。
<Fuel gas flow path>
2 and 3, the
<冷却媒体流路>
図2及び図3に示すように、隣り合う燃料電池10,10同士の間には、冷却媒体供給口41aと冷却媒体排出口41bとを連通して冷却媒体を流すための冷却媒体流路51が設けられている。詳しくは、図3に示すように、冷却媒体流路51は、隣り合う燃料電池10,10のうち一方の燃料電池10を構成する第1セパレータ12の面12bと、他方の燃料電池10を構成する第2セパレータ13の面13bとの間に設けられている。この場合、冷却媒体は、冷却媒体供給口41aから複数の冷却媒体流路51を鉛直下向きに流れた後、冷却媒体排出口41bに流れることとなる。
<Cooling medium flow path>
As shown in FIGS. 2 and 3, a cooling
<酸化剤ガス供給通路、冷却媒体供給通路、燃料ガス供給通路>
図4に示すように、燃料電池スタック100には、各燃料電池10の酸化剤ガス供給口40a及び燃料ガス供給口42aが夫々連通するように積層されることにより、積層方向に酸化剤ガスを流通させる酸化剤ガス供給通路60a及び積層方向に燃料ガスを流通させる燃料ガス供給通路62aが形成されている。
また、各燃料電池10の冷却媒体供給口41aが夫々連通するように積層されることにより、積層方向に冷却媒体を流通させる図示しない冷却媒体供給通路が形成されている。
<Oxidant gas supply passage, cooling medium supply passage, fuel gas supply passage>
As shown in FIG. 4, the
Further, the cooling
<酸化剤ガス排出通路、冷却媒体排出通路、燃料ガス排出通路>
一方、図4に示すように、燃料電池スタック100には、各燃料電池10の酸化剤ガス排出口40b及び燃料ガス排出口42bが夫々連通するように積層されることにより、積層方向に酸化剤ガスを流通させる酸化剤ガス排出通路60b及び積層方向に燃料ガスを流通させる燃料ガス排出通路62bが形成されている。
また、各燃料電池10の冷却媒体排出口41bが夫々連通するように積層されることにより、積層方向に冷却媒体を流通させる図示しない冷却媒体排出通路が形成されている。
<Oxidant gas discharge passage, cooling medium discharge passage, fuel gas discharge passage>
On the other hand, as shown in FIG. 4, the
Further, the
<エンドプレート>
図1に戻り、一対のエンドプレート20a,20bは、燃料電池10の積層方向両端に配設されており、燃料電池10よりも一回り大きな幅寸法及び長さ寸法を有する矩形状の金属製部材である。一方のエンドプレート20aには、酸化剤ガス供給口40a、燃料ガス供給口42a、酸化剤ガス排出口40b及び燃料ガス排出口42bに連通する円筒状の酸化剤ガス供給マニホールド(接続部)21a、燃料ガス供給マニホールド22a、酸化剤ガス排出マニホールド21b及び燃料ガス排出マニホールド22bが設けられている。他方のエンドプレート20bには、冷却媒体供給口41a及び冷却媒体排出口41bに連通する円筒状の冷却媒体供給マニホールド23a及び冷却媒体排出マニホールド23bが設けられている。なお、燃料電池10の積層方向両端には、その他に図示しないターミナルプレート及び絶縁プレートが配設される。
<End plate>
Returning to FIG. 1, the pair of
<連結部材>
連結部材30は、一対のエンドプレート20a,20bを連結し、かつ積層方向に所定の締め付け荷重を付与して複数の燃料電池10及びエンドプレート20a,20bを一体的に保持する金属製部材である。連結部材30は、長尺な板状を呈しており、燃料電池スタック100の長さ方向側(長辺側)に2本ずつ配設される一方、幅方向側(短辺側)に1本ずつ配設されている。連結部材30の積層方向両端は、エンドプレート20a,20bの側面(外周面)にボルト31により固定されている。
<Connecting member>
The connecting
本発明の実施形態に係る燃料電池スタック100は、基本的には以上のように構成されるものであり、次に、図1、図2及び図4を適宜参照して、発電時の動作について説明する。なお、発電時は、通常、酸化剤ガス排出口40b等の排出口に対し酸化剤ガス供給口40a等の供給口を上側に設置し、当該供給口から酸化剤ガス等を導入して、酸化剤ガス等の流れを上方から下方に流れるようにする。
The
図1及び図2に示すように、エンドプレート20aの酸化剤ガス供給マニホールド21aから酸化剤ガス供給通路60a(図4参照)へ酸化剤ガスが供給されると、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給通路60aを通流しつつ、各燃料電池10の酸化剤ガス供給口40aから酸化剤ガス流路50へ導入される。そして、酸化剤ガスは、矢印C方向に(下方に)通流しながら、カソード電極11bへ供給される。
As shown in FIGS. 1 and 2, when the oxidant gas is supplied from the oxidant
また、図1及び図2に示すように、エンドプレート20aの燃料ガス供給マニホールド22aから燃料ガス供給通路62a(図4参照)へ燃料ガスが供給されると、燃料ガスは、燃料ガス供給通路62aを通流しつつ、各燃料電池10の燃料ガス供給口42aから燃料ガス流路52へ導入される。そして、燃料ガスは、矢印C方向に(下方に)通流しながら、アノード電極11cへ供給される。
As shown in FIGS. 1 and 2, when fuel gas is supplied from the fuel
アノード電極11cに燃料ガスが供給されると、触媒反応により水素原子から電子が分離され、水素イオンを生じると共に、電子は、外部回路を通過してカソード電極11bまで移動する。そして、電子が外部回路を通過してカソード電極11bに電流として流れることで電気が発生する。一方、水素イオンは、固体高分子電解質膜11aを通過してカソード電極11bまで移動する。このとき、カソード電極11bでは、カソード電極11bに供給された酸化剤ガスと、カソード電極11bまで移動してきた電子及び水素イオンとが反応して水が生成される。
When fuel gas is supplied to the
続いて、図2に示すように、カソード電極11bで消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路50から酸化剤ガス排出口40bへ排出され、酸化剤ガス排出通路60bを矢印A方向に通流する。そして、図1に示すように、エンドプレート20aの酸化剤ガス排出マニホールド21bへ排出される。
Subsequently, as shown in FIG. 2, the oxidant gas consumed at the
また、図2に示すように、アノード電極11cで消費された燃料ガスは、燃料ガス流路52から燃料ガス排出口42bへ排出され、燃料ガス排出通路62bを矢印A方向に通流する。そして、図1に示すように、エンドプレート20aの燃料ガス排出マニホールド22bへ排出される。
Further, as shown in FIG. 2, the fuel gas consumed in the
一方、図1及び図2に示すように、エンドプレート20bの冷却媒体供給マニホールド23aから冷却媒体が供給されると、冷却媒体は、冷却媒体供給口41aから冷却媒体流路51へ導入される。そして、冷却媒体は、図2に示すように、矢印C方向に(下方に)通流しながら、電解質膜・電極構造体11を冷却した後、冷却媒体流路51から冷却媒体排出口41bへ排出され、矢印A方向に通流する。続いて、冷却媒体は、図1に示すように、エンドプレート20bの冷却媒体排出マニホールド23bへ排出される。
On the other hand, as shown in FIGS. 1 and 2, when the cooling medium is supplied from the cooling
次に、図4を参照して、本発明の実施形態に係る燃料電池スタック100の活性化方法について説明する。図4は、加湿ガス導入工程時の燃料電池スタック内の加湿ガスの流れを説明するための縦断面模式図である。
なお、燃料電池スタック100の活性化処理(エージング処理)は、例えば、燃料電池スタック100を車体に搭載する前に行ってもよいし、後に行ってもよい。
Next, a method for activating the
The activation process (aging process) of the
実施形態に係る燃料電池スタック100の活性化方法は、燃料電池スタック100の組み立て直後の初期活性化方法に関するものであり、燃料電池スタック設置工程と、加湿ガス導入工程と、電圧印加工程と、を含む。
The activation method of the
<燃料電池スタック設置工程>
はじめに、図1及び図2に示すように、燃料電池10の積層方向が矢印A方向(水平方向)に一致し、かつ酸化剤ガス排出口40b及び燃料ガス排出口42bがカソード電極11b及びアノード電極11cに対して下方に位置するように燃料電池スタック100を設置する。
<Fuel cell stack installation process>
First, as shown in FIGS. 1 and 2, the stacking direction of the
<加湿ガス導入工程>
続いて、図示しない加湿器を使用して、酸化剤ガス及び燃料ガスを加湿した後、図4に示すように、エンドプレート20aの酸化剤ガス排出マニホールド21bから酸化剤ガス排出通路60bへ加湿された酸化剤ガスを導入すると共に、燃料ガス排出マニホールド22bから燃料ガス排出通路62bへ加湿された燃料ガスを導入する。換言すると、下方から上方に向けて加湿された酸化剤ガス及び燃料ガスを導入する。
<Humidification gas introduction process>
Subsequently, after humidifying the oxidant gas and the fuel gas using a humidifier (not shown), as shown in FIG. 4, it is humidified from the oxidant
この場合、加湿された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出通路60bを通流しつつ、各燃料電池10の酸化剤ガス排出口40bから酸化剤ガス流路50へ導入される。そして、加湿された酸化剤ガスは、矢印C方向に(上方に)通流しながら、カソード電極11b(図2参照)へ導入される。このとき、加湿された酸化剤ガス中の水分が、カソード電極11bを介して固体高分子電解質膜11a(図2参照)へ導入されるため、固体高分子電解質膜11aを湿潤状態にして含水量を十分にすることができる。続いて、カソード電極11bを通過した酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路50から酸化剤ガス供給口40aへ排出され、酸化剤ガス供給通路60aを矢印A方向に通流する。そして、エンドプレート20aの酸化剤ガス供給マニホールド21aへ排出される。
In this case, the humidified oxidant gas is introduced into the oxidant
一方、加湿された燃料ガスは、燃料ガス排出通路62bを通流しつつ、各燃料電池10の燃料ガス排出口42bから燃料ガス流路52へ導入される。そして、加湿された燃料ガスは、矢印C方向に(上方に)通流しながら、アノード電極11c(図2参照)へ導入される。このとき、加湿された燃料ガス中の水分が、アノード電極11cを介して固体高分子電解質膜11a(図2参照)へ導入されるため、固体高分子電解質膜11aを湿潤状態にして含水量を十分にすることができる。続いて、アノード電極11cを通過した燃料ガスは、燃料ガス流路52から燃料ガス供給口42aへ排出され、燃料ガス供給通路62aを矢印A方向に通流する。そして、エンドプレート20aの燃料ガス供給マニホールド22aへ排出される。
On the other hand, the humidified fuel gas is introduced into the
ちなみに、図4に示すように、加湿された酸化剤ガス及び燃料ガスは、酸化剤ガス排出通路60b及び燃料ガス排出通路62bを通流するにつれて冷却されていき、加湿された酸化剤ガス及び燃料ガス中の水分が下流側のエンドプレート20bで結露して水滴Wとなる。この水滴Wは、その自重により酸化剤ガス排出通路60b及び燃料ガス排出通路62bに滞留するため、カソード電極11b及びアノード電極11cへの水滴Wの浸入が防止される。
Incidentally, as shown in FIG. 4, the humidified oxidant gas and fuel gas are cooled as they flow through the oxidant
なお、加湿ガスの導入前に、加熱した冷却媒体を冷却媒体流路51に通流させ、燃料電池スタック100の温度を上げておく。これにより、加湿ガスが冷却されにくくなり、結露水の発生を軽減できる。燃料電池スタック100の温度を上げる他の方法として、例えば、ヒータで燃料電池スタック100を加温してもよい。
Before introducing the humidified gas, the heated cooling medium is passed through the cooling
<電圧印加工程>
加湿ガス導入工程後、例えば、カソード電極11bへ加湿された窒素ガス等の不活性ガス及びアノード電極11cへ加湿された燃料ガスを導入しつつ、図示しない外部電源(安定化電源)により、カソード電極11bとアノード電極11cの間に、一定の電圧幅で周期的に変動する電圧を印加する。すなわち、電圧印加工程は、カソード電極11bとアノード電極11cの間に(燃料電池スタック100全体に)、所定の電圧を所定の時間だけ印加する工程であり、所定の時間間隔を空けて複数サイクル(複数回)行われる。外部電源は、その+(プラス;正)極がカソード電極11bに接続され、その−(マイナス;負)極がアノード電極11cに接続される。これにより、外部電源は、アノード電極11cに対するカソード電極11bの電位(カソード電位)を、設定することができる。なお、電圧印加工程(CV法)は、従来公知の方法の中から適宜選択して行うことが可能であり、例えば、一定電圧を印加するようにしてもよいし、段階的に電圧を昇圧又は降圧して印加するようにしてもよい。
<Voltage application process>
After the humidified gas introduction step, for example, an inert gas such as nitrogen gas humidified to the
以上説明した実施形態によれば、加湿ガス(加湿された酸化剤ガス及び燃料ガス)が積層方向に沿って通流するにつれて冷却されていき、加湿ガス中の水分が酸化剤ガス排出通路60b及び燃料ガス排出通路62b下流側のエンドプレート20bで結露して水滴Wになった場合でも、カソード電極11b及びアノード電極11cに対して下方に位置する酸化剤ガス排出口40b及び燃料ガス排出口42bからカソード電極11b及びアノード電極11cへ加湿ガスを夫々導入することにより、水滴Wがその自重により酸化剤ガス排出口40b及び燃料ガス排出口42bに滞留する。そのため、カソード電極11b及びアノード電極11cへの水滴Wの浸入を防止できる。その結果、電圧印加工程を行った際に、燃料ガス及び窒素ガス等のガスの拡散が阻害されないため、発電時における酸化剤ガス排出通路60b及び燃料ガス排出通路62b下流側の燃料電池10の電圧低下を回避して、各燃料電池10の活性度のばらつきを抑制できる。
According to the embodiment described above, the humidified gas (humidified oxidant gas and fuel gas) is cooled as it flows along the stacking direction, and moisture in the humidified gas is oxidant
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、発明の主旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。 As mentioned above, although embodiment of this invention was described in detail with reference to drawings, this invention is not limited to this, In the range which does not deviate from the main point of invention, it can change suitably.
本実施形態では、カソード電極11b及びアノード電極11cに対して下方に位置する酸化剤ガス排出口40b及び燃料ガス排出口42bから加湿ガスを導入したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、酸化剤ガス供給口40a及び燃料ガス供給口42aがカソード電極11b及びアノード電極11cに対して下方に位置するように燃料電池スタック100を設置し、酸化剤ガス供給口40a及び燃料ガス供給口42aから加湿ガスを導入してもよい。換言すると、発電時の燃料電池スタック100の設置状態(図1参照)に対し、酸化剤ガス供給口40a及び燃料ガス供給口42aと、酸化剤ガス排出口40b及び燃料ガス排出口42bとを上下逆に設置して、酸化剤ガス供給口40a及び燃料ガス供給口42aから加湿ガスを導入してもよい。
In the present embodiment, the humidified gas is introduced from the oxidant
本実施形態では、加湿ガス導入工程において、カソード電極11bへ加湿された酸化剤ガスを導入し、アノード電極11cへ加湿された燃料ガスを導入したが、本発明はこれに限定されるものではなく、カソード電極11bやアノード電極11cへ加湿された窒素ガス等の不活性ガスを導入してもよい。
In the present embodiment, in the humidified gas introducing step, the humidified oxidant gas is introduced into the
本実施形態では、加湿ガス導入工程において、カソード電極11bへ加湿ガスを導入すると同時に、アノード電極11cへ加湿ガスを導入したが、本発明はこれに限定されるものではなく、カソード電極11bへの加湿ガスの導入と、アノード電極11cへの加湿ガスの導入とを別々に(異時に)行ってもよい。
In this embodiment, in the humidified gas introduction step, the humidified gas is introduced into the
本実施形態では、加湿ガス導入工程の後に、電圧印加工程を行ったが、本発明はこれに限定されるものではなく、加湿ガス導入工程と同時に電圧印加工程を行ってもよい。この場合、例えば、カソード電極11bへ加湿された窒素ガスを導入し、アノード電極11cへ加湿された燃料ガスを導入することが好ましい。
In this embodiment, the voltage application step is performed after the humidified gas introducing step. However, the present invention is not limited to this, and the voltage applying step may be performed simultaneously with the humidified gas introducing step. In this case, for example, it is preferable to introduce a humidified nitrogen gas into the
次に、本発明の燃料電池スタック100の活性化方法ついて、図5(a),(b)を参照して、実施例及び比較例により更に詳細に説明する。
参照する図面において、図5(a)は、実施例及び比較例の酸化剤ガス排出通路及び燃料ガス排出通路下流端に位置する燃料電池の電位サイクル数に応じた電圧変化を示すグラフであり、(b)は、実施例及び比較例の各燃料電池の電圧を示すグラフである。
Next, the method for activating the
In the drawings to be referred to, FIG. 5 (a) is a graph showing a voltage change according to the number of potential cycles of the fuel cell located at the downstream end of the oxidant gas discharge passage and the fuel gas discharge passage of the example and the comparative example, (B) is a graph which shows the voltage of each fuel cell of an Example and a comparative example.
実施例及び比較例では、後記する方法で加湿ガスの導入を行った後、カソード電極11bへ加湿された窒素ガス等の不活性ガス及びアノード電極11cへ加湿された燃料ガスを導入しつつ、図示しない外部電源を使用して、燃料電池スタック100の燃料電池10に電圧を印加した。そして、酸化剤ガス排出通路60b及び燃料ガス排出通路62b下流端に位置する燃料電池10(エンドプレート20bに最も近い燃料電池10,以下「下流端の燃料電池10」という。)の電位(電圧)サイクル数に応じた電圧変化及び各燃料電池10の電圧を測定した。また、実施例及び比較例では、前記実施形態と同様の燃料電池スタック100を使用した。
なお、図5(a),(b)の縦軸は電圧[V]を示す。(a)の横軸は電位サイクル数を示す。(b)の横軸は燃料電池10の積層順を示しており、右側にいくほど(数字が大きいほど)酸化剤ガス排出通路60b及び燃料ガス排出通路62b下流側(エンドプレート20b側)に配置された燃料電池10を示す。
In the examples and comparative examples, after introducing the humidified gas by the method described later, an inert gas such as nitrogen gas humidified to the
In addition, the vertical axis | shaft of Fig.5 (a), (b) shows voltage [V]. The horizontal axis of (a) shows the number of potential cycles. The horizontal axis of (b) indicates the stacking order of the
<実施例>
実施例は、カソード電極11bに対して下方に位置する酸化剤ガス排出口40bからカソード電極11bへ加湿された酸化剤ガスを導入すると共に、アノード電極11cに対して下方に位置する燃料ガス排出口42bからアノード電極11cへ加湿された燃料ガスを導入した(図2、図4参照)。
<Example>
In the embodiment, the humidified oxidant gas is introduced into the
<比較例>
比較例は、カソード電極11bに対して上方に位置する酸化剤ガス供給口40aからカソード電極11bへ加湿された酸化剤ガスを導入すると共に、アノード電極11cに対して上方に位置する燃料ガス供給口42aからアノード電極11cへ加湿された燃料ガスを導入した(図2、図4参照)。
<Comparative example>
In the comparative example, the humidified oxidant gas is introduced into the
そして、前記測定を行うと、実施例の下流端の燃料電池10の電位サイクル数に応じた電圧変化と、比較例の下流端の燃料電池10の電位サイクル数に応じた電圧変化は、図5(a)のグラフに示されるような結果となった。
すなわち、両者を比較すると、実施例では下流端の燃料電池10の電圧が1.0V付近で略一定であるのに対し、比較例では下流端の燃料電池10の電圧が2サイクル目に急激に低下して、その後0.4V付近で略一定であることが確認された。
When the measurement is performed, the voltage change according to the number of potential cycles of the downstream
That is, when comparing the two, in the embodiment, the voltage of the
また、前記測定を行うと、実施例の各燃料電池10の電圧と、比較例の各燃料電池10の電圧は、図5(b)のグラフに示されるような結果となった。
すなわち、両者を比較すると、実施例では下流端の燃料電池10の電圧が他の燃料電池10の電圧と略同一であるのに対し、比較例では下流端の燃料電池10の電圧が他の燃料電池10の電圧よりも著しく低下することが確認された。
Moreover, when the said measurement was performed, the voltage of each
That is, when the two are compared, the voltage of the
以上説明したように、実施例の加湿ガス導入方法が、比較例の加湿ガス導入方法に比べ、電位サイクルを繰り返し行っても下流端の燃料電池10の電圧が略一定であり、かつ下流端の燃料電池10の電圧が他の燃料電池10の電圧と略同一になるということが実証された。つまり、燃料電池スタック100の活性化時に下方から上方に向けて加湿ガスを導入すると、各燃料電池10の電圧のばらつきを抑制できることが実証された。
As described above, the humidified gas introduction method of the embodiment has a substantially constant voltage at the downstream
次に、図4を参照して、本発明の変形例に係る燃料電池スタック100の活性化方法について説明する。変形例に係る燃料電池スタック100の活性化方法は、燃料電池スタック設置工程と、加湿ガス導入工程と、電圧印加工程と、水抜き工程と、を含む。
Next, a method for activating the
なお、変形例に係る燃料電池スタック100の活性化方法のうち、燃料電池スタック設置工程、加湿ガス導入工程、及び、電圧印加工程は、前記実施形態のものと同様であるので、説明を省略する。
Note that, among the activation methods of the
水抜き工程は、酸化剤ガス排出通路60b及び燃料ガス排出通路62bに滞留した水を除去する工程である。水抜き工程は、電圧印加工程を複数サイクル行う毎に(例えば、合計80サイクル行う場合には、20サイクル行う毎に)実行するのが好ましい。なお、水抜き工程を実行するタイミングは、例えば、触媒の種類・大きさ、ガス通路の容積、燃料電池10の積層数等に応じて適宜変更され、事前試験により求められる。また、水抜き工程は、少なくとも電圧印加工程を複数サイクル繰り返した後に行うが、加湿ガス導入工程後であって電圧印加工程前に更に行ってもよい。
The water draining step is a step of removing water remaining in the oxidant
水抜き工程では、加湿ガスの導入及び電圧の印加を停止した後、酸化剤ガス排出マニホールド21b及び燃料ガス排出マニホールド22bに接続された配管(図示省略)を外す。酸化剤ガス排出マニホールド21b及び燃料ガス排出マニホールド22bから配管を外すと、酸化剤ガス排出通路60b及び燃料ガス排出通路62bに滞留していた水が、燃料電池スタック100の外部へ排出される。このとき、酸化剤ガス排出マニホールド21b及び燃料ガス排出マニホールド22bが冷却媒体排出マニホールド23bに対し下方に位置するように燃料電池スタック100を傾けると、燃料電池スタック100の外部へ水が排出されやすくなる。
In the draining process, after the introduction of the humidified gas and the application of voltage are stopped, the pipes (not shown) connected to the oxidant
なお、水を除去する他の方法として、例えば、酸化剤ガス排出マニホールド21b及び燃料ガス排出マニホールド22b自体を燃料電池スタック100から外して水を排出してもよい。また、図示は省略するが、酸化剤ガス排出マニホールド21b及び燃料ガス排出マニホールド22bに配管の一端を繋いでおくとともに、配管の他端にバルブを接続し、かかるバルブを開けて水を排出してもよい。
As another method for removing water, for example, the oxidant
更に、図示は省略するが、エンドプレート20bのうち、酸化剤ガス排出通路60b及び燃料ガス排出通路62bに対応する部分に排出孔を形成し、かかる排出孔から水を排出してもよい。この場合、エンドプレート20aの酸化剤ガス排出マニホールド21b及び燃料ガス排出マニホールド22bから酸化剤ガス排出通路60b及び燃料ガス排出通路62bへ加湿ガスを導入し、加湿ガスのガス圧を利用して排出孔から水を排出するのが好ましい。
Furthermore, although illustration is omitted, a discharge hole may be formed in a portion of the
以上説明した変形例によれば、酸化剤ガス排出通路60b及び燃料ガス排出通路62bに滞留した水を除去してカソード電極11b及びアノード電極11cへの浸入を確実に防止できるので、各燃料電池10の活性度のばらつきをより一層抑制できる。
According to the modification described above, the water staying in the oxidant
次に、本発明の燃料電池スタック100の活性化方法ついて、図6(a),(b)を参照して、実施例1及び実施例2により更に詳細に説明する。
参照する図面において、図6(a)は、実施例1の電位サイクル数に応じた各燃料電池の電圧を示すグラフであり、(b)は、実施例2の電位サイクル数に応じた各燃料電池の電圧を示すグラフである。
Next, the method for activating the
In the drawings to be referred to, FIG. 6A is a graph showing the voltage of each fuel cell in accordance with the number of potential cycles in Example 1, and FIG. 6B is each fuel in accordance with the number of potential cycles in Example 2. It is a graph which shows the voltage of a battery.
実施例1及び実施例2では、前記実施形態と同様の方法で加湿ガスの導入を行った後、カソード電極11bに対して下方に位置する酸化剤ガス排出口40bからカソード電極11bへ加湿された窒素ガス等の不活性ガスを導入すると共に、アノード電極11cに対して下方に位置する燃料ガス排出口42bからアノード電極11cへ加湿された燃料ガスを導入しつつ、図示しない外部電源を使用して、燃料電池スタック100の燃料電池10に電圧を印加した。そして、この工程を80サイクル行い、電位サイクル数に応じた各燃料電池10の電圧を測定した。また、実施例1及び実施例2では、前記実施形態と同様の燃料電池スタック100を使用した。
なお、図6(a),(b)の縦軸は各燃料電池10の電圧[V]を示し、横軸は燃料電池10の積層順を示しており、右側にいくほど(数字が大きいほど)下流側(エンドプレート20b側)に配置された燃料電池10を示す。
In Example 1 and Example 2, after the humidified gas was introduced in the same manner as in the above embodiment, the humidified gas was humidified from the oxidizing
6A and 6B, the vertical axis indicates the voltage [V] of each
<実施例1>
実施例1は、電圧印加を20サイクル行う毎に酸化剤ガス排出通路60b及び燃料ガス排出通路62b内の水抜きを行った。
<Example 1>
In Example 1, the oxidant
<実施例2>
実施例2は、酸化剤ガス排出通路60b及び燃料ガス排出通路62b内の水抜きを行わなかった。
<Example 2>
In Example 2, water was not drained from the oxidant
そして、前記測定を行うと、実施例1の電位サイクル数に応じた各燃料電池10の電圧と、実施例2の電位サイクル数に応じた各燃料電池10の電圧は、図6(a),(b)のグラフに示されるような結果となった。
すなわち、両者を比較すると、実施例1では、1サイクル目から80サイクル目まで各燃料電池10の電圧が略同一であるのに対し、実施例2では、35サイクル目以降、各燃料電池10の電圧のばらつきが徐々に大きくなることが確認された。
And when the said measurement is performed, the voltage of each
That is, when both are compared, in Example 1, the voltage of each
以上説明したように、実施例1の燃料電池スタックの活性化方法が、実施例2の燃料電池スタックの活性化方法に比べ、電位サイクルを繰り返し行っても各燃料電池10の電圧が略一定であることが実証された。つまり、燃料電池スタック100の活性化時に水抜きを行うと、各燃料電池10の電圧のばらつきをより一層抑制できることが実証された。
As described above, the voltage of each
100 燃料電池スタック
10 燃料電池
11 電解質膜・電極構造体
11a 固体高分子電解質膜(電解質膜)
11b カソード電極(電極)
11c アノード電極(電極)
12 第1セパレータ
13 第2セパレータ
20a エンドプレート
20b エンドプレート
40a 酸化剤ガス供給口(ガス供給口)
40b 酸化剤ガス排出口(ガス排出口)
42a 燃料ガス供給口(ガス供給口)
42b 燃料ガス排出口(ガス排出口)
W 水滴
DESCRIPTION OF
11b Cathode electrode (electrode)
11c Anode electrode (electrode)
12
40b Oxidant gas outlet (gas outlet)
42a Fuel gas supply port (gas supply port)
42b Fuel gas outlet (gas outlet)
W Water drop
Claims (2)
前記燃料電池の積層方向が水平方向に一致し、かつ前記ガス供給口及び前記ガス排出口のいずれか一方が前記電極に対して下方に位置するように前記燃料電池スタックを設置する燃料電池スタック設置工程と、
前記電極に対して下方に設置された前記ガス供給口及び前記ガス排出口のいずれか一方から前記電極へ加湿されたガスを導入する加湿ガス導入工程と、
前記加湿ガス導入工程後又は前記加湿ガス導入工程と同時に前記一対の電極の間に所定の電圧を印加する電圧印加工程と、を含むことを特徴とする燃料電池スタックの活性化方法。 An electrolyte membrane, a pair of separators provided on both sides of the electrolyte membrane, a gas supply port provided through one end of the electrolyte membrane and the separator, and a through hole through the other end of the electrolyte membrane and the separator A plurality of fuel cells each having a gas discharge port provided between the electrolyte membrane and the separator and between the gas supply port and the gas discharge port. A fuel cell stack activation method in which the fuel cells are stacked such that a supply port and the gas discharge port communicate with each other, and a pair of end plates are provided at both ends in the stacking direction,
The fuel cell stack is installed such that the stacking direction of the fuel cells coincides with the horizontal direction, and one of the gas supply port and the gas discharge port is positioned below the electrode. Process,
A humidified gas introduction step of introducing a humidified gas into the electrode from either the gas supply port or the gas discharge port installed below the electrode;
And a voltage applying step of applying a predetermined voltage between the pair of electrodes after the humidifying gas introducing step or simultaneously with the humidifying gas introducing step.
And a draining step of draining water staying at either one of the gas supply port and the gas discharge port installed below the electrode after repeating the voltage application step a predetermined number of times. The method for activating a fuel cell stack according to claim 1.
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