JP2013218905A - Fuel cell system manufacturing method - Google Patents

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PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system manufacturing method which can improve durability without sacrificing power generation efficiency.SOLUTION: A manufacturing method for a fuel cell system comprising a fuel generation member and a fuel cell section is provided. The manufacturing method includes: a formation step of forming a space having a fuel electrode of the fuel cell section and the fuel generation member disposed therein and in which at least two gas circulation sections for letting gas circulate between the inside and the outside are formed; a replacement step in which, after the formation step, the gas in the space is replaced with a first gas of the same kind as fuel, a second gas of the same kind as an oxide of the fuel, and a mixed gas of the first and second gases by utilizing a gas passage, and the number of molecules of the gas present in the space is adjusted so that the total pressure of the gas present in the space when the space is at room temperature is smaller than the atmospheric pressure; and a closing step in which, after the replacement step, the gas passage is closed to make the space a close space.

Description

本発明は、化学反応により燃料を発生する燃料発生部材を備える燃料電池システムの製造方法に関する。   The present invention relates to a method for manufacturing a fuel cell system including a fuel generating member that generates fuel by a chemical reaction.

燃料電池は、典型的には、固体ポリマーイオン交換膜を用いた固体高分子電解質膜、イットリア安定化ジルコニア(YSZ)を用いた固体酸化物電解質膜等を、燃料極(アノード)と酸化剤極(カソード)とで両側から挟み込んだものを1つのセル構成としている。そして、燃料極に燃料ガス(例えば水素ガス)を供給する燃料ガス流路と、酸化剤極に酸化剤ガス(例えば酸素や空気)を供給する酸化剤ガス流路とが設けられ、これらの流路を介して燃料ガス、酸化剤ガスがそれぞれ燃料極、酸化剤極に供給されることにより発電が行われる。   A fuel cell typically includes a solid polymer electrolyte membrane using a solid polymer ion exchange membrane, a solid oxide electrolyte membrane using yttria-stabilized zirconia (YSZ), a fuel electrode (anode) and an oxidizer electrode. The one sandwiched from both sides by the (cathode) has a single cell configuration. A fuel gas flow path for supplying fuel gas (for example, hydrogen gas) to the fuel electrode and an oxidant gas flow path for supplying oxidant gas (for example, oxygen or air) to the oxidant electrode are provided. Power generation is performed by supplying fuel gas and oxidant gas to the fuel electrode and oxidant electrode through the passage.

燃料電池は、原理的に取り出せる電力エネルギーの効率が高いため、省エネルギーになるだけでなく、環境に優れた発電方式であり、地球規模でのエネルギーや環境問題解決の切り札として期待されている。   Fuel cells are not only energy-saving because of the high efficiency of the power energy that can be extracted in principle, but they are also a power generation system that excels in the environment, and are expected as a trump card for solving global energy and environmental problems.

国際公開第2011/030625号International Publication No. 2011/030625 特開2008−84849号公報JP 2008-84849 A 特開2010−103045号公報JP 2010-103045 A

特許文献1には、燃料電池部と、化学反応により還元性物質である燃料を発生し、前記化学反応の逆反応により再生可能な燃料発生部材とを備える2次電池型燃料電池システムが開示されている。特許文献1で開示されている2次電池型燃料電池システムでは、燃料電池部の燃料極と燃料発生部材とを封じた空間が閉空間になっており、その閉空間内に燃料ガスが存在する。   Patent Document 1 discloses a secondary battery type fuel cell system including a fuel cell unit and a fuel generating member that generates a fuel that is a reducing substance by a chemical reaction and can be regenerated by a reverse reaction of the chemical reaction. ing. In the secondary battery type fuel cell system disclosed in Patent Document 1, the space where the fuel electrode of the fuel cell portion and the fuel generating member are sealed is a closed space, and the fuel gas exists in the closed space. .

燃料電池部の動作温度、燃料発生部材において前記化学反応が起こるために必要な温度、及び燃料発生部材において前記化学反応の逆反応が起こるために必要な温度はそれぞれ常温より高いため、2次電池型燃料電池システムの発電動作時及び充電動作時は、動作停止時に比べて前記閉空間の温度が上昇し、その温度上昇に伴って前記閉空間内の圧力が高くなり、前記閉空間の内部と外部との圧力差が大きくなる。   The operating temperature of the fuel cell unit, the temperature required for the chemical reaction to occur in the fuel generating member, and the temperature required for the reverse reaction of the chemical reaction to occur in the fuel generating member are higher than room temperature, respectively. During the power generation operation and charging operation of the fuel cell system, the temperature of the closed space rises compared to when the operation is stopped, and as the temperature rises, the pressure in the closed space increases, The pressure difference with the outside increases.

そのため、前記閉空間を形成するための部材は上記圧力差に耐えうる強度を備えている必要があるが、前記閉空間を形成するための部材の一部である燃料電池部の電解質は、発電効率を向上させるために薄膜化されており、強度が弱く、破損が生じやすい。つまり、発電効率の向上と耐久性の向上との両立が課題となる。   Therefore, the member for forming the closed space needs to have a strength that can withstand the pressure difference. However, the electrolyte of the fuel cell part, which is a part of the member for forming the closed space, generates power. It is thinned to improve efficiency, has low strength, and is easily damaged. That is, it is a challenge to improve both power generation efficiency and durability.

ここで、燃料電池における圧力の調整方法について、例えば特許文献2では、燃料電池の運転停止時における燃料極と酸化剤極間の圧力差を抑えることを目的として、燃料電池の発電停止方法が燃料電池の燃料流路を大気に開放する大気開放段階を有するようにしている。しかしながら、特許文献1で開示されている2次電池型燃料電池システムのように、閉空間内に存在するガスを燃料電池部の燃料極と燃料発生部材との間で循環させて利用する場合は、閉空間を大気開放することはできない。また、特許文献1で開示されている2次電池型燃料電池システムのように、閉空間内に存在するガスを燃料電池部の燃料極と燃料発生部材との間で循環させて利用する場合は、運転停止時ではなく、発電動作時及び充電動作時に圧力差が生じている。   Here, with regard to a method for adjusting the pressure in the fuel cell, for example, in Patent Document 2, the power generation stop method of the fuel cell is a fuel for the purpose of suppressing the pressure difference between the fuel electrode and the oxidant electrode when the fuel cell is stopped. An open air stage for opening the fuel flow path of the battery to the atmosphere is provided. However, when the secondary battery type fuel cell system disclosed in Patent Document 1 is used by circulating the gas existing in the closed space between the fuel electrode of the fuel cell unit and the fuel generating member. The closed space cannot be opened to the atmosphere. In addition, when the secondary battery type fuel cell system disclosed in Patent Document 1 is used by circulating the gas existing in the closed space between the fuel electrode of the fuel cell unit and the fuel generating member, In addition, a pressure difference is generated during the power generation operation and the charging operation, not when the operation is stopped.

また、例えば特許文献3では、温度低下時の外気が改質装置に流入することを防止して、触媒の外気による劣化を防止することを目的として、燃料の改質装置を高圧封止するようにしている。しかしながら、特許文献1で開示されている2次電池型燃料電池システムのように、閉空間内に存在するガスを燃料電池部の燃料極と燃料発生部材との間で循環させて利用する場合は、閉空間に外気は流入しない。また、特許文献1で開示されている2次電池型燃料電池システムのように、閉空間内に存在するガスを燃料電池部の燃料極と燃料発生部材との間で循環させて利用する場合に、閉空間を高圧封止すると、閉空間の内部と外部との圧力差がより一層大きくなる。   Further, for example, in Patent Document 3, the fuel reformer is sealed at a high pressure for the purpose of preventing the outside air from flowing into the reformer when the temperature drops and preventing the catalyst from being deteriorated by the outside air. I have to. However, when the secondary battery type fuel cell system disclosed in Patent Document 1 is used by circulating the gas existing in the closed space between the fuel electrode of the fuel cell unit and the fuel generating member. Outside air does not flow into the closed space. In addition, when the secondary battery type fuel cell system disclosed in Patent Document 1 is used by circulating the gas existing in the closed space between the fuel electrode of the fuel cell unit and the fuel generating member. When the closed space is sealed with high pressure, the pressure difference between the inside and the outside of the closed space is further increased.

本発明は、上記の状況に鑑み、発電効率を犠牲にすることなく、耐久性を向上させることができる燃料電池システムの製造方法を提供することを目的とする。   In view of the above situation, an object of the present invention is to provide a method of manufacturing a fuel cell system capable of improving durability without sacrificing power generation efficiency.

上記目的を達成するために本発明に係る燃料電池システムの製造方法は、化学反応により燃料を発生する燃料発生部材と、酸素を含む酸化剤と前記燃料発生部材から供給される燃料との反応により発電を行う燃料電池部とを備える燃料電池システムの製造方法であって、前記燃料電池部の燃料極と前記燃料発生部材とが内部に配置され、内部と外部との間でガスを流通させることができるガス流通部が少なくとも二つ設けられる空間を形成する形成工程と、前記形成工程後に、前記ガス流通部を利用して、前記空間内のガスを前記燃料と同種の第1ガス、前記燃料の酸化物と同種の第2ガス、又は第1ガスと第2ガスの混合ガスに置換し、前記空間内に存在するガスの全分子数を前記空間が室温であるときに前記空間内に存在するガスの全圧が大気圧よりも小さくなるような数に調整する置換工程と、前記置換工程後に、前記ガス流通部を閉鎖して前記空間を閉空間にする閉鎖工程とを備える構成(第1の構成)とする。なお、室温とは、例えば25℃であり、具体的には0℃〜40℃程度の範囲において適宜選択される或る温度であり、常温ともいう。   In order to achieve the above object, a method of manufacturing a fuel cell system according to the present invention includes a fuel generating member that generates fuel by a chemical reaction, an oxidant containing oxygen, and a fuel supplied from the fuel generating member. A fuel cell system manufacturing method comprising a fuel cell unit for generating power, wherein a fuel electrode of the fuel cell unit and the fuel generating member are disposed inside, and gas is circulated between the inside and the outside. Forming a space in which at least two gas circulation portions capable of being formed are formed, and after the formation step, the gas circulation portion is used to convert the gas in the space into a first gas of the same type as the fuel, the fuel Substituting with a second gas of the same kind as the oxide of the above, or a mixed gas of the first gas and the second gas, the total number of molecules of the gas existing in the space is present in the space when the space is at room temperature. Total pressure of gas It is set as the structure (1st structure) provided with the substitution process adjusted to the number which becomes smaller than atmospheric pressure, and the closing process which closes the said gas distribution part and makes the said space closed after the said substitution process. . In addition, room temperature is 25 degreeC, for example, and is a certain temperature suitably selected in the range of about 0 degreeC-40 degreeC specifically, and is also called normal temperature.

上記第1の構成の製造方法によって得られる燃料電池システムは、燃料電池部の動作時に、燃料電池部の燃料極と燃料発生部材とが内部に配置される閉空間の内部と外部との圧力差が大きくなることを抑えることができる。したがって、発電効率を犠牲にすることなく、耐久性を向上させることができる。   In the fuel cell system obtained by the manufacturing method of the first configuration, the pressure difference between the inside and the outside of the closed space in which the fuel electrode and the fuel generating member of the fuel cell unit are arranged is the operating time of the fuel cell unit. Can be prevented from becoming large. Therefore, durability can be improved without sacrificing power generation efficiency.

また、上記第1の構成の製造方法において、前記置換工程が、前記空間内のガスを前記燃料と同種の第1ガス、前記燃料の酸化物と同種の第2ガス、又は第1ガスと第2ガスの混合ガスに置換し、前記空間を室温にした状態で、前記空間内に存在するガスの全圧を大気圧よりも小さくなるように調整することによって、前記空間内に存在するガスの全分子数を前記空間が室温であるときに前記空間内に存在するガスの全圧が大気圧よりも小さくなるような数に調整する工程である構成(第2の構成)としてもよい。   Further, in the manufacturing method of the first configuration, the replacement step includes the step of replacing the gas in the space with a first gas of the same type as the fuel, a second gas of the same type as the oxide of the fuel, or a first gas and the first gas. By substituting with a mixed gas of two gases and adjusting the total pressure of the gas existing in the space to be lower than the atmospheric pressure in a state where the space is at room temperature, the gas existing in the space is reduced. A configuration in which the total number of molecules is adjusted to a number such that the total pressure of the gas existing in the space is smaller than the atmospheric pressure when the space is at room temperature (second configuration) may be employed.

また、上記第1の構成の製造方法において、前記置換工程が、前記空間内のガスを前記燃料と同種の第1ガス、前記燃料の酸化物と同種の第2ガス、又は第1ガスと第2ガスの混合ガスに置換し、前記空間を室温よりも高温にした状態で、前記空間内に存在するガスの全圧を大気圧になるように調整することによって、前記空間内に存在するガスの全分子数を前記空間が室温であるときに前記空間内に存在するガスの全圧が大気圧よりも小さくなるような数に調整する工程である構成(第3の構成)としてもよい。   Further, in the manufacturing method of the first configuration, the replacement step includes the step of replacing the gas in the space with a first gas of the same type as the fuel, a second gas of the same type as the oxide of the fuel, or a first gas and the first gas. The gas existing in the space is replaced with a mixed gas of two gases, and the total pressure of the gas existing in the space is adjusted to atmospheric pressure in a state where the space is higher than room temperature. The total number of molecules may be adjusted to a number such that the total pressure of the gas existing in the space becomes smaller than atmospheric pressure when the space is at room temperature (third configuration).

また、上記第1〜第3のいずれかの構成の製造方法において、前記燃料が水素であり、前記閉鎖工程が、前記置換工程後に、前記ガス流通部それぞれに対して、複数の互いに異なる閉鎖手法を用いて前記ガス流通部を多重に閉鎖して前記空間を閉空間にする工程である構成(第4の構成)としてもよい。   Further, in the manufacturing method of any one of the first to third configurations, the fuel is hydrogen, and the closing step is a plurality of different closing methods for each of the gas circulation parts after the replacement step. It is good also as a structure (4th structure) which is the process of closing the said gas distribution | circulation part in multiples using this and making the said space closed.

本発明に係る製造方法によって得られる燃料電池システムは、燃料電池部の動作時に、燃料電池部の燃料極と燃料発生部材とが内部に配置される閉空間の内部と外部との圧力差が大きくなることを抑えることができる。したがって、発電効率を犠牲にすることなく、耐久性を向上させることができる。   The fuel cell system obtained by the manufacturing method according to the present invention has a large pressure difference between the inside and the outside of the closed space in which the fuel electrode of the fuel cell unit and the fuel generating member are disposed when the fuel cell unit operates. Can be suppressed. Therefore, durability can be improved without sacrificing power generation efficiency.

本発明の第1実施形態に係る製造方法によって得られる燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows schematic structure of the fuel cell system obtained by the manufacturing method which concerns on 1st Embodiment of this invention. 第1実施形態における形成工程前半の概要を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the outline | summary of the formation process first half in 1st Embodiment. 第1実施形態における形成工程前半の変形例の概要を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the outline | summary of the modification of the formation process first half in 1st Embodiment. 第1実施形態における形成工程後半の概要を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the outline | summary of the latter half of the formation process in 1st Embodiment. 第1実施形態における置換工程の概要を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the outline | summary of the substitution process in 1st Embodiment. 第1実施形態における置換工程の変形例の概要を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the outline | summary of the modification of the substitution process in 1st Embodiment. 第1実施形態における閉鎖工程の変形例の概要を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the outline | summary of the modification of the closing process in 1st Embodiment. 第1実施形態における閉鎖工程の変形例の概要を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the outline | summary of the modification of the closing process in 1st Embodiment. 第1実施形態における閉鎖工程の変形例の概要を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the outline | summary of the modification of the closing process in 1st Embodiment. 第2実施形態における置換工程の概要を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the outline | summary of the substitution process in 2nd Embodiment. 第2実施形態における置換工程の変形例の概要を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the outline | summary of the modification of the replacement process in 2nd Embodiment. 第3実施形態における置換工程の概要を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the outline | summary of the substitution process in 3rd Embodiment. 本発明に係る製造方法によって得られる燃料電池システムの他の概略構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the other schematic structure of the fuel cell system obtained by the manufacturing method which concerns on this invention.

本発明の実施形態について図面を参照して以下に説明する。尚、本発明は、後述する実施形態に限られない。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. The present invention is not limited to the embodiments described later.

<<第1実施形態>>
<燃料電池システム>
本発明の第1実施形態に係る製造方法によって得られる燃料電池システムの概略構成を図1に示す。図1に示す燃料システムは、燃料発生部材1と、燃料発生部材1及び燃料電池部2を収容する容器3と、第1の配管4と、第1のバルブ5と、第2の配管6と、第2のバルブ7とを備えている。また、必要に応じて、容器3内に燃料発生部材1や燃料電池部2の温度を調節するヒーター、ガスを強制的に循環させる循環器等を設けてもよい。
<< First Embodiment >>
<Fuel cell system>
FIG. 1 shows a schematic configuration of a fuel cell system obtained by the manufacturing method according to the first embodiment of the present invention. The fuel system shown in FIG. 1 includes a fuel generating member 1, a container 3 that accommodates the fuel generating member 1 and the fuel cell unit 2, a first pipe 4, a first valve 5, and a second pipe 6. The second valve 7 is provided. Moreover, you may provide the heater which adjusts the temperature of the fuel generation member 1 and the fuel cell part 2, the circulator which circulates gas compulsorily, etc. in the container 3 as needed.

第1のバルブ5及び第2のバルブ7が閉じられると、燃料電池部2の電解質膜2Aと、容器3と、第1の配管4と、第1のバルブ5と、第2の配管6と、第2のバルブ7とによって、燃料電池部2の燃料極2Bと燃料発生部材1とが内部に配置される閉空間が形成される。   When the first valve 5 and the second valve 7 are closed, the electrolyte membrane 2A of the fuel cell unit 2, the container 3, the first pipe 4, the first valve 5, and the second pipe 6 The second valve 7 forms a closed space in which the fuel electrode 2B of the fuel cell unit 2 and the fuel generating member 1 are disposed.

<燃料発生部材>
燃料発生部材1の材料としては、例えば、金属を母材として、その表面に金属または金属酸化物が添加されており、化学反応によって燃料を発生するものを用いることができる。母材の金属としては例えば、Ni、Fe、Pd、V、Mgやこれらを基材とする合金が挙げられ、特にFeは安価で、加工も容易なので好ましい。また、添加される金属としては、Al、Rd、Pd、Cr、Ni、Cu、Co、V、Moが挙げられ、添加される金属酸化物としてはSiO2、TiO2が挙げられる。ただし、母材となる金属と、添加される金属は同一の材料ではない。なお、本実施形態においては、燃料発生部材1として、Feを主体とする燃料発生部材を用いる。
<Fuel generating member>
As a material of the fuel generating member 1, for example, a material in which a metal is used as a base material, a metal or a metal oxide is added to the surface, and a fuel is generated by a chemical reaction can be used. Examples of the base metal include Ni, Fe, Pd, V, Mg, and alloys based on these, and Fe is particularly preferable because it is inexpensive and easy to process. Examples of the added metal include Al, Rd, Pd, Cr, Ni, Cu, Co, V, and Mo. Examples of the added metal oxide include SiO 2 and TiO 2 . However, the metal used as a base material and the added metal are not the same material. In this embodiment, a fuel generating member mainly composed of Fe is used as the fuel generating member 1.

また、燃料発生部材1においては、その反応性を上げるために単位体積当りの表面積を大きくすることが望ましい。燃料発生部材1の単位体積当りの表面積を増加させる方策としては、例えば、燃料発生部材1の主体を微粒子化し、その微粒子化したものを成型すればよい。微粒子化の方法は例えばボールミル等を用いた粉砕によって粒子を砕く方法が挙げられる。さらに、機械的な手法などにより微粒子にクラックを発生させることで微粒子の表面積をより一層増加させてもよく、酸処理、アルカリ処理、ブラスト加工などによって微粒子の表面を荒らして微粒子の表面積をより一層増加させてもよい。   In the fuel generating member 1, it is desirable to increase the surface area per unit volume in order to increase the reactivity. As a measure for increasing the surface area per unit volume of the fuel generating member 1, for example, the main body of the fuel generating member 1 may be made into fine particles, and the fine particles may be molded. Examples of the fine particles include a method of crushing particles by crushing using a ball mill or the like. Further, the surface area of the fine particles may be further increased by generating cracks in the fine particles by a mechanical method or the like, and the surface area of the fine particles is further increased by roughening the surface of the fine particles by acid treatment, alkali treatment, blasting, etc. It may be increased.

また、触媒としてTi、Zr、V、Nb、Cr、Mo、Al、Ga、Mg、Sc、Ni、Cu及びNdなどを添加してもよい。   Further, Ti, Zr, V, Nb, Cr, Mo, Al, Ga, Mg, Sc, Ni, Cu, Nd, or the like may be added as a catalyst.

<燃料電池部>
燃料電池部2は、図1に示す通り、電解質膜2Aの両面に燃料極2Bと酸化剤極である空気極2Cを接合したMEA構造(膜・電極接合体:Membrane Electrode Assembly)である。なお、図1では、MEAを1つだけ設けた構造を図示しているが、MEAを複数設けたり、さらに複数のMEAを積層構造にしたりしてもよい。
<Fuel cell part>
As shown in FIG. 1, the fuel cell unit 2 has an MEA structure (membrane / electrode assembly) in which a fuel electrode 2B and an air electrode 2C as an oxidant electrode are bonded to both surfaces of an electrolyte membrane 2A. Although FIG. 1 illustrates a structure in which only one MEA is provided, a plurality of MEAs may be provided, or a plurality of MEAs may be stacked.

電解質膜2Aの材料としては、例えば、イットリア安定化ジルコニア(YSZ)を用いた固体酸化物電解質を用いることができ、また例えば、ナフィオン(デュポン社の商標)、カチオン導電性ポリマー、アニオン導電性ポリマー等の固体高分子電解質を用いることができるが、これらに限定されることなく、水素イオンを通すものや酸素イオンを通すもの、また、水酸化物イオンを通すもの等、燃料電池の電解質としての特性を満たすものであればよい。なお、本実施形態においては、電解質膜2Aとして、酸素イオン又は水酸化物イオンを通す電解質、例えばイットリア安定化ジルコニア(YSZ)を用いた固体酸化物電解質を用いる。この場合、発電動作時に燃料極2B側に発生した水蒸気を用いた化学反応によって燃料発生部材1から水素を発生させることができる。   As a material of the electrolyte membrane 2A, for example, a solid oxide electrolyte using yttria-stabilized zirconia (YSZ) can be used. Solid polymer electrolytes such as, but not limited to, those that pass hydrogen ions, those that pass oxygen ions, and those that pass hydroxide ions can be used as fuel cell electrolytes. Any material satisfying the characteristics may be used. In the present embodiment, an electrolyte that passes oxygen ions or hydroxide ions, for example, a solid oxide electrolyte using yttria-stabilized zirconia (YSZ) is used as the electrolyte membrane 2A. In this case, hydrogen can be generated from the fuel generating member 1 by a chemical reaction using water vapor generated on the fuel electrode 2B side during the power generation operation.

電解質膜2Aは、固体酸化物電解質の場合であれば、電気化学蒸着法(CVD−EVD法;Chemical Vapor Deposition - Electrochemical Vapor Deposition)等を用いて形成することができ、固体高分子電解質の場合であれば、塗布法等を用いて形成することができる。   In the case of a solid oxide electrolyte, the electrolyte membrane 2A can be formed using an electrochemical vapor deposition method (CVD-EVD method; Chemical Vapor Deposition-Electrochemical Vapor Deposition) or the like, and in the case of a solid polymer electrolyte. If there is, it can be formed using a coating method or the like.

燃料極2B、空気極2Cはそれぞれ、例えば、電解質膜2Aに接する触媒層と、その触媒層に積層された拡散電極とからなる構成にすることができる。触媒層としては、例えば白金黒或いは白金合金をカーボンブラックに担持させたもの等を用いることができる。また、燃料極2Bの拡散電極の材料としては、例えばカーボンペーパ、Ni−Fe系サーメットやNi−YSZ系サーメット等を用いることができる。また、空気極2Cの拡散電極の材料としては、例えばカーボンペーパ、La−Mn−O系化合物やLa−Co−Ce系化合物等を用いることができる。燃料極2B、空気極2Cはそれぞれ、例えば蒸着法等を用いて形成することができる。   Each of the fuel electrode 2B and the air electrode 2C can be configured by, for example, a catalyst layer in contact with the electrolyte membrane 2A and a diffusion electrode laminated on the catalyst layer. As the catalyst layer, for example, platinum black or a platinum alloy supported on carbon black can be used. Further, as a material for the diffusion electrode of the fuel electrode 2B, for example, carbon paper, Ni—Fe cermet, Ni—YSZ cermet, or the like can be used. Moreover, as a material of the diffusion electrode of the air electrode 2C, for example, carbon paper, La—Mn—O-based compound, La—Co—Ce-based compound, or the like can be used. Each of the fuel electrode 2B and the air electrode 2C can be formed by using, for example, vapor deposition.

<動作時の化学反応>
次に、図1に示す燃料システムの動作時において起きる化学反応について説明する。
<Chemical reaction during operation>
Next, chemical reactions that occur during the operation of the fuel system shown in FIG. 1 will be described.

例えば燃料を水素にした場合、本実施形態では、発電動作時に、燃料極2Bにおいて下記の(1)式の反応が起こる。
2+O2-→H2O+2e- …(1)
For example, when the fuel is hydrogen, in the present embodiment, the following reaction (1) occurs in the fuel electrode 2B during the power generation operation.
H 2 + O 2− → H 2 O + 2e (1)

上記の(1)式の反応によって生成された電子は、燃料極2Bから外部負荷(不図示)を通って、空気極2Cに到達し、空気極2Cにおいて下記の(2)式の反応が起こる。
1/2O2+2e-→O2- …(2)
Electrons generated by the reaction of the above formula (1) reach the air electrode 2C from the fuel electrode 2B through an external load (not shown), and the reaction of the following formula (2) occurs in the air electrode 2C. .
1 / 2O 2 + 2e → O 2− (2)

そして、上記の(2)式の反応によって生成された酸素イオンは、電解質膜2Aを通って、燃料極2Bに到達する。上記の一連の反応を繰り返すことにより、燃料電池部2が発電動作を行うことになる。   And the oxygen ion produced | generated by reaction of said (2) Formula reaches | attains the fuel electrode 2B through 2 A of electrolyte membranes. By repeating the above series of reactions, the fuel cell unit 2 performs a power generation operation.

また、燃料発生部材1は、本実施形態では、下記の(3)式に示すFeの酸化反応により、燃料電池部2から供給される水蒸気を消費して、水素ガスを発生させ、水素ガスを燃料電池部2に供給する。
4H2O+3Fe→4H2+Fe34 …(3)
Further, in this embodiment, the fuel generating member 1 consumes water vapor supplied from the fuel cell unit 2 by the Fe oxidation reaction represented by the following formula (3) to generate hydrogen gas, The fuel cell unit 2 is supplied.
4H 2 O + 3Fe → 4H 2 + Fe 3 O 4 (3)

なお、図1に示す燃料電池システムは、発電動作のみならず充電動作も行うことができる2次電池型燃料電池システムである。充電動作時には、燃料電池部2が外部電源(不図示)に接続されて電気分解器として作動して、上記の(1)式及び(2)式の逆反応が起こり、燃料極2B側において水蒸気が消費され水素ガスが生成され、燃料発生部材1は、上記の(3)式の逆反応である還元反応により、酸化鉄から鉄への変化を進めて鉄残量を増やし、すなわち燃料発生部材1は再生されて、燃料電池部2から供給される水素ガスを消費して、水蒸気を発生させ、水蒸気を燃料電池部2に供給する。   The fuel cell system shown in FIG. 1 is a secondary battery type fuel cell system that can perform not only a power generation operation but also a charging operation. During the charging operation, the fuel cell unit 2 is connected to an external power source (not shown) and operates as an electrolyzer, and reverse reactions of the above formulas (1) and (2) occur, and water vapor is generated on the fuel electrode 2B side. Is generated and hydrogen gas is generated, and the fuel generating member 1 increases the remaining amount of iron by advancing the change from iron oxide to iron by the reduction reaction which is the reverse reaction of the above equation (3), that is, the fuel generating member 1 is regenerated, consumes the hydrogen gas supplied from the fuel cell unit 2 to generate water vapor, and supplies the water vapor to the fuel cell unit 2.

<形成工程>
図1に示す燃料電池システムの製造時の形成工程において、まず始めに、第1の開口部3A及び第2の開口部3Bが設けられている第1のパッケージ部材3_1の内部に燃料発生部材1及び燃料電池部2を配置して、セラミックボンドやガラスシールのような封止部材3_3を用いて第1のパッケージ部材3_1と電解質膜2Aとを気密に接続し、その後、第1のパッケージ部材3_1と第2のパッケージ部材3_2を組み合わせて、封止部材3_3を用いて第1のパッケージ部材3_1と第2のパッケージ部材3_2を接続する(図2参照)。第1のパッケージ部材3_1と第2のパッケージ部材3_2と封止部材3_3とによって容器3が構成される。
<Formation process>
In the formation process at the time of manufacturing the fuel cell system shown in FIG. 1, first, the fuel generating member 1 is provided inside the first package member 3_1 in which the first opening 3A and the second opening 3B are provided. In addition, the fuel cell unit 2 is disposed, and the first package member 3_1 and the electrolyte membrane 2A are hermetically connected using a sealing member 3_3 such as ceramic bond or glass seal, and then the first package member 3_1. And the second package member 3_2 are combined, and the first package member 3_1 and the second package member 3_2 are connected using the sealing member 3_3 (see FIG. 2). A container 3 is constituted by the first package member 3_1, the second package member 3_2, and the sealing member 3_3.

なお、上述した容器3の形成方法とは異なり、封止部材3_3を用いて第1のパッケージ部材3_1と第2のパッケージ部材3_2と電解質膜2Aとを同時に接続するようにしてもよい(図3参照)。   Unlike the method for forming the container 3 described above, the first package member 3_1, the second package member 3_2, and the electrolyte membrane 2A may be simultaneously connected using the sealing member 3_3 (FIG. 3). reference).

また、容器3を形成するときに燃料極2Bと空気極2Cのそれぞれから容器3の外部に接続端子を引き出すようにしてもよい。   Further, when the container 3 is formed, a connection terminal may be drawn out of the container 3 from each of the fuel electrode 2B and the air electrode 2C.

容器3を形成した後に、図4に示すように、容器3に設けている第1の開口部3Aに第1の配管4の一端を気密に接続し、容器3に設けている第2の開口部3Bに第2の配管6の一端を気密に接続する。なお、第1の配管4の経路上には第1のバルブ5を配置し、第2の配管6の経路上には第2のバルブ7を配置している。   After forming the container 3, as shown in FIG. 4, one end of the first pipe 4 is hermetically connected to the first opening 3 </ b> A provided in the container 3, and the second opening provided in the container 3. One end of the second pipe 6 is hermetically connected to the part 3B. A first valve 5 is disposed on the path of the first pipe 4, and a second valve 7 is disposed on the path of the second pipe 6.

第1のバルブ5を開くことで、第1の開口部3Aに気密に接続された第1の配管4が、容器3の内部と外部との間でガスを流通させることができる第1のガス流通部となる。同様に、第2のバルブ7を開くことで、第2の開口部3Bに気密に接続された第2の配管6が、容器3の内部と外部との間でガスを流通させることができる第2のガス流通部となる。   By opening the first valve 5, the first pipe 4 that is airtightly connected to the first opening 3 </ b> A allows the gas to flow between the inside and the outside of the container 3. Become a distribution department. Similarly, by opening the second valve 7, the second pipe 6 that is airtightly connected to the second opening 3 </ b> B can circulate gas between the inside and the outside of the container 3. 2 gas distribution part.

第1の配管4及び第2の配管6は、セラミクスクロス、SUS(ステンレス)、ガラス、樹脂などの気密性を有する材料で構成されている。また、配管自体が高温になる場合は、セラミクスクロス、SUS(ステンレス)、ガラスなどの耐熱性材料で構成されることが好ましい。容器3の第1の開口部3A及び第2の開口部3Bへの接続方法としては、溶接、陽極接合などの気密性の高い接合方法が好ましい。溶接の場合は、容器3に用いる材料の熱膨張係数と、第1の配管4及び第2の配管6に用いる材料の熱膨張係数とが互いに近いことが好ましい。また、陽極接合の場合は、容器3に用いる材料と第1の配管4及び第2の配管6に用いる材料の組み合わせを、接合可能なガラスと金属にすることが好ましい。金属材料としては、例えば、鉄、ステンレス鋼、シリコン、銅、アルミニウム又はこれらの合金等を挙げることができ、ガラス材料としては、例えば、硼珪酸ガラス、ソーダ石灰ガラス等を挙げることができる。   The 1st piping 4 and the 2nd piping 6 are comprised with the material which has airtightness, such as ceramic cloth, SUS (stainless steel), glass, resin. In addition, when the pipe itself becomes high temperature, it is preferable that the pipe is made of a heat-resistant material such as ceramic cloth, SUS (stainless steel), or glass. As a method for connecting the container 3 to the first opening 3A and the second opening 3B, a highly airtight joining method such as welding or anodic bonding is preferable. In the case of welding, it is preferable that the thermal expansion coefficient of the material used for the container 3 and the thermal expansion coefficient of the material used for the first pipe 4 and the second pipe 6 are close to each other. Moreover, in the case of anodic bonding, it is preferable that the combination of the material used for the container 3 and the material used for the first pipe 4 and the second pipe 6 is a bondable glass and metal. Examples of the metal material include iron, stainless steel, silicon, copper, aluminum, and alloys thereof. Examples of the glass material include borosilicate glass and soda lime glass.

<置換工程>
図1に示す燃料電池システムの製造時の置換工程において、図5に示すように第1の配管4と水素供給装置8側の配管9とをスウェージロック(登録商標)などの継ぎ手11を用いて気密に接続し、第2の配管6を排気装置14側の配管13とをスウェージロックなどの継ぎ手12を用いて気密に接続する。なお、配管9の経路上にはバルブやレギュレータなどの圧力調整器10を配置している。また、本実施形態では、配管同士を継ぎ手で接続しているが、接続チューブや溶接などで接続するようにしてもよい。
<Replacement process>
In the replacement process at the time of manufacturing the fuel cell system shown in FIG. 1, the first pipe 4 and the pipe 9 on the hydrogen supply device 8 side are hermetically sealed using a joint 11 such as Swagelok (registered trademark) as shown in FIG. And the second pipe 6 and the pipe 13 on the exhaust device 14 side are hermetically connected using a joint 12 such as a swage lock. A pressure regulator 10 such as a valve or a regulator is arranged on the path of the pipe 9. In the present embodiment, the pipes are connected by a joint, but may be connected by a connection tube or welding.

水素供給装置8としては、例えば、水素ボンベ、水素吸蔵合金などの高純度の水素を供給できるものを挙げることができる。排気装置14としては、例えば、ダクト、気体吸引用ポンプなどを挙げることができる。   Examples of the hydrogen supply device 8 include those capable of supplying high-purity hydrogen such as hydrogen cylinders and hydrogen storage alloys. Examples of the exhaust device 14 include a duct and a gas suction pump.

電解質膜2Aと容器3とで囲まれ燃料発生部材1及び燃料極2Bが内部に配置されている空間に水素供給装置8から水素を供給し、電解質膜2Aと容器3とで囲まれ燃料発生部材1及び燃料極2Bが内部に配置されている空間内部の気体を排気装置14が排気する。これにより、電解質膜2Aと容器3とで囲まれ燃料発生部材1及び燃料極2Bが内部に配置されている空間内のガスが水素ガスに置換される。   Hydrogen is supplied from the hydrogen supply device 8 to a space surrounded by the electrolyte membrane 2A and the container 3 and in which the fuel generating member 1 and the fuel electrode 2B are disposed, and the fuel generating member is surrounded by the electrolyte membrane 2A and the container 3 The exhaust device 14 exhausts the gas inside the space in which 1 and the fuel electrode 2B are disposed. Thereby, the gas in the space surrounded by the electrolyte membrane 2A and the container 3 and in which the fuel generating member 1 and the fuel electrode 2B are disposed is replaced with hydrogen gas.

このとき、電解質膜2Aと容器3とで囲まれ燃料発生部材1及び燃料極2Bが内部に配置されている空間を室温にした状態で、水素供給装置8からの供給量と排気装置14への排気量とを調節して、前記空間内に存在するガスの全圧を大気圧よりも小さくする。これにより、前記空間内に存在するガスの全分子数が、前記空間が室温であるときに前記空間内に存在するガスの全圧が大気圧よりも小さくなるような数になる。   At this time, in a state where the space surrounded by the electrolyte membrane 2A and the container 3 and in which the fuel generating member 1 and the fuel electrode 2B are disposed is at room temperature, the supply amount from the hydrogen supply device 8 and the exhaust device 14 The total pressure of the gas existing in the space is made smaller than the atmospheric pressure by adjusting the displacement. Thereby, the total number of molecules of the gas existing in the space becomes a number such that the total pressure of the gas existing in the space becomes smaller than the atmospheric pressure when the space is at room temperature.

前記空間内のガスが水素ガスに十分に置換され、尚且つ、前記空間内に存在するガスの全圧が大気圧よりも小さくなった時点で置換工程を終了する。図6に示すように、前記空間内に水素濃度検出センサーや酸素濃度検出センサーなどのガス濃度検出センサー15を設け、ガス濃度検出センサー15の検出結果に基づいて空間内のガス置換状況を把握するようにしてもよい。なお、本実施形態では、前記空間内のガスを燃料と同種のガスに置換しているが、燃料の酸化物と同種のガスに置換してもよく、前記2種類のガスの混合ガスに置換してもよい。   When the gas in the space is sufficiently replaced with hydrogen gas, and the total pressure of the gas existing in the space becomes smaller than the atmospheric pressure, the replacement process is finished. As shown in FIG. 6, a gas concentration detection sensor 15 such as a hydrogen concentration detection sensor or an oxygen concentration detection sensor is provided in the space, and the gas replacement status in the space is grasped based on the detection result of the gas concentration detection sensor 15. You may do it. In the present embodiment, the gas in the space is replaced with the same type of gas as the fuel. However, the gas may be replaced with the same type of gas as the fuel oxide, or may be replaced with a mixed gas of the two types of gas. May be.

<閉鎖工程>
置換工程の終了後に、第1のバルブ5及び第2のバルブ7を閉じて前記空間を閉空間にする閉鎖工程を実行し、継ぎ手11及び12を外すと、図1に示す燃料電池システムが完成する。なお、本実施形態では、第1のバルブ5及び第2のバルブ7を閉じることで、第1のガス流通部及び第2のガス流通部を閉鎖しているが、バルブの代わりに、例えば図7に示すような圧着、図8に示すような封着などを用いて第1のガス流通部及び第2のガス流通部を閉鎖してもよい。封着の場合、形状変化部材16は、最初はガスを流通するための空隙が確保された状態で第1の配管4及び第2の配管6内に固定されており、所定の温度以上になると、溶融して形状変化を起こし、図8に示すように第1の配管4及び第2の配管6を塞ぐ。形状変化部材16の材料としては、例えば、低融点ガラス(ホウ酸塩系、ケイ酸塩系、ゲルマネート系、バナデート系、リン酸塩系、砒酸塩系、テルライド系など)、低融点金属などの中から、燃料電池システムの作動温度(例えば600℃)より高い融点の材料を選ぶことができる。
<Closed process>
After the replacement process is completed, the first valve 5 and the second valve 7 are closed to close the space, and when the joints 11 and 12 are removed, the fuel cell system shown in FIG. 1 is completed. To do. In the present embodiment, the first gas flow part and the second gas flow part are closed by closing the first valve 5 and the second valve 7, but instead of the valve, for example, FIG. The first gas circulation part and the second gas circulation part may be closed using crimping as shown in FIG. 7, sealing as shown in FIG. In the case of sealing, the shape changing member 16 is fixed in the first pipe 4 and the second pipe 6 in a state where a gap for circulating gas is secured at first, and when the temperature changes to a predetermined temperature or higher. Then, it melts to cause a shape change and closes the first pipe 4 and the second pipe 6 as shown in FIG. Examples of the material of the shape changing member 16 include low melting glass (borate, silicate, germanate, vanadate, phosphate, arsenate, telluride, etc.), low melting point metal, and the like. Among them, a material having a melting point higher than the operating temperature of the fuel cell system (for example, 600 ° C.) can be selected.

また、上述した実施形態では、第1のガス流通部及び第2のガス流通部それぞれに対して単一の閉鎖手法を用いて第1のガス流通部及び第2のガス流通部を閉鎖したが、第1のガス流通部及び第2のガス流通部それぞれに対して複数の互いに異なる閉鎖手法を用いて第1のガス流通部及び第2のガス流通部を多重に閉鎖してもよい。例えば、バルブ、圧着、封着などを用いた閉鎖に加えて、耐熱シール材、耐熱無機接着剤、配管に嵌めこまれる穴埋め部材などを用いた閉鎖を実行するとよい。圧着と耐熱無機接着剤17を用いた多重閉鎖の例を図9に示す。燃料が水素である場合、分子量が小さいため燃料が閉鎖部分から漏れやすいので、多重に閉鎖することは特に有用である。   In the above-described embodiment, the first gas circulation part and the second gas circulation part are closed by using a single closing method for each of the first gas circulation part and the second gas circulation part. The first gas circulation part and the second gas circulation part may be closed in multiple ways by using a plurality of different closing methods for the first gas circulation part and the second gas circulation part, respectively. For example, in addition to closing using a valve, crimping, sealing, etc., closing using a heat-resistant sealing material, a heat-resistant inorganic adhesive, a hole-filling member fitted in a pipe, or the like may be performed. An example of multiple closure using crimping and the heat-resistant inorganic adhesive 17 is shown in FIG. When the fuel is hydrogen, multiple closures are particularly useful because the molecular weight is small and the fuel is likely to leak from the closure.

ここで、気体の状態方程式PV=nRT(P:空間内の圧力、V:空間の体積、n:空間内の気体分子数、R:気体定数、T:空間の絶対温度)を用いて、上述した製造方法によって得られる前記閉空間の内部と外部との圧力差の抑制効果について考察する。   Here, the gas equation of state PV = nRT (P: pressure in space, V: volume of space, n: number of gas molecules in space, R: gas constant, T: absolute temperature of space) The effect of suppressing the pressure difference between the inside and the outside of the closed space obtained by the manufacturing method described above will be considered.

上記(1)式とその逆反応及び上記(4)式とその逆反応から分かるように前記閉空間内の気体分子数は変化しないので、燃料電池システムを動作させるために前記閉空間の絶対温度Tを高くした場合、上記閉空間の体積Vが一定であるため、前記閉空間内の圧力Pinが増加する。よって、前記閉空間内の圧力Pinと前記閉空間の外部の圧力Pout(大気圧)との圧力差ΔPによって、燃料電池部2の電解質膜2Aに応力がかかる。   Since the number of gas molecules in the closed space does not change as can be seen from the above formula (1) and its reverse reaction and the above formula (4) and its reverse reaction, the absolute temperature of the closed space is required to operate the fuel cell system. When T is increased, the volume V of the closed space is constant, so that the pressure Pin in the closed space increases. Therefore, stress is applied to the electrolyte membrane 2A of the fuel cell portion 2 by the pressure difference ΔP between the pressure Pin in the closed space and the pressure Pout (atmospheric pressure) outside the closed space.

ところが、上述した製造方法では、前記空間内に存在するガスの全分子数が、前記空間が室温であるときに前記空間内に存在するガスの全圧が大気圧よりも小さくなるような数になっているので、温度上昇時(燃料電池システムの動作時)における前記閉空間内の圧力Pinの増加が抑制され、前記圧力差ΔPが小さくなり、燃料電池部2の電解質膜2Aに
かかる応力が小さくなる。したがって、発電効率を犠牲にすることなく、耐久性を向上させることができる。
However, in the manufacturing method described above, the total number of molecules of the gas existing in the space is such that the total pressure of the gas existing in the space is smaller than the atmospheric pressure when the space is at room temperature. Therefore, an increase in the pressure Pin in the closed space at the time of temperature rise (during operation of the fuel cell system) is suppressed, the pressure difference ΔP is reduced, and the stress applied to the electrolyte membrane 2A of the fuel cell unit 2 is reduced. Get smaller. Therefore, durability can be improved without sacrificing power generation efficiency.

前記圧力差ΔPは前記閉空間の絶対温度Tによって変化する。室温と燃料電池システム
の動作時温度との中間の温度における前記閉空間内の圧力Pinが大気圧と等しくなるように、置換工程において前記空間内に存在するガスの全圧を調整すると、前記圧力差ΔPの
最大値(室温時の前記圧力差ΔP又は燃料電池システムの動作時の前記圧力差ΔP)を最
小にすることができる。
The pressure difference ΔP varies depending on the absolute temperature T of the closed space. When the total pressure of the gas existing in the space is adjusted in the replacement step so that the pressure Pin in the closed space at a temperature intermediate between the room temperature and the operating temperature of the fuel cell system becomes equal to the atmospheric pressure, the pressure The maximum value of the difference ΔP (the pressure difference ΔP at room temperature or the pressure difference ΔP during operation of the fuel cell system) can be minimized.

<<第2実施形態>>
本発明の第2実施形態に係る製造方法は、本発明の第1実施形態に係る製造方法において置換工程を次のように変更する。
<< Second Embodiment >>
The manufacturing method according to the second embodiment of the present invention changes the replacement step as follows in the manufacturing method according to the first embodiment of the present invention.

図1に示す燃料電池システムの製造時の置換工程において、図10に示すように容器3を加熱炉18内に設置し、第1の配管4と水素供給装置8側の配管9とをスウェージロックなどの継ぎ手11を用いて気密に接続し、第2の配管6と排気装置14側の配管13とをスウェージロックなどの継ぎ手12を用いて気密に接続する。なお、配管9の経路上にはバルブやレギュレータなどの圧力調整器10を配置している。また、本実施形態では、配管同士を継ぎ手で接続しているが、接続チューブや溶接などで接続するようにしてもよい。また、本実施形態では、容器3全体を加熱炉18内に設置したが、前記閉空間の少なくとも一部が加熱炉18内に入っていればよい。また、1つの加熱炉18内に複数の容器3を入れて同時に加熱しても構わない。また、第2の配管6を排気装置14に接続せず、大気開放してもよい。   In the replacement process at the time of manufacturing the fuel cell system shown in FIG. 1, the container 3 is installed in the heating furnace 18 as shown in FIG. 10, and the first pipe 4 and the pipe 9 on the hydrogen supply device 8 side are swage locked or the like. The second pipe 6 and the exhaust device 14 side pipe 13 are connected airtightly using a joint 12 such as a swage lock. A pressure regulator 10 such as a valve or a regulator is arranged on the path of the pipe 9. In the present embodiment, the pipes are connected by a joint, but may be connected by a connection tube or welding. In the present embodiment, the entire container 3 is installed in the heating furnace 18, but it is sufficient that at least a part of the closed space is in the heating furnace 18. Further, a plurality of containers 3 may be put in one heating furnace 18 and heated at the same time. Further, the second pipe 6 may be opened to the atmosphere without being connected to the exhaust device 14.

水素供給装置8としては、例えば、水素ボンベ、水素吸蔵合金などの高純度の水素を供給できるものを挙げることができる。排気装置14としては、例えば、ダクト、気体吸引用ポンプなどを挙げることができる。   Examples of the hydrogen supply device 8 include those capable of supplying high-purity hydrogen such as hydrogen cylinders and hydrogen storage alloys. Examples of the exhaust device 14 include a duct and a gas suction pump.

電解質膜2Aと容器3とで囲まれ燃料発生部材1及び燃料極2Bが内部に配置されている空間に水素供給装置8から水素を供給し、電解質膜2Aと容器3とで囲まれ燃料発生部材1及び燃料極2Bが内部に配置されている空間内部の気体を排気装置14が排気する。これにより、電解質膜2Aと容器3とで囲まれ燃料発生部材1及び燃料極2Bが内部に配置されている空間内のガスが水素ガスに置換される。   Hydrogen is supplied from the hydrogen supply device 8 to a space surrounded by the electrolyte membrane 2A and the container 3 and in which the fuel generating member 1 and the fuel electrode 2B are disposed, and the fuel generating member is surrounded by the electrolyte membrane 2A and the container 3 The exhaust device 14 exhausts the gas inside the space in which 1 and the fuel electrode 2B are disposed. Thereby, the gas in the space surrounded by the electrolyte membrane 2A and the container 3 and in which the fuel generating member 1 and the fuel electrode 2B are disposed is replaced with hydrogen gas.

このとき、加熱炉18内の温度を室温よりも高い温度に保ち、より好ましくは加熱炉18内の温度を室温より高く、かつ、燃料電池部2の動作温度より低い状態に保ち、電解質膜2Aと容器3とで囲まれ燃料発生部材1及び燃料極2Bが内部に配置されている空間の温度を室温よりも高くした状態で、水素供給装置8からの供給量と排気装置14への排気量とを調節して、前記空間内に存在するガスの全圧を大気圧と等しくする。これにより、前記空間内に存在するガスの全分子数が、前記空間が室温であるときに前記空間内に存在するガスの全圧が大気圧よりも小さくなるような数になる。   At this time, the temperature in the heating furnace 18 is maintained at a temperature higher than room temperature, more preferably, the temperature in the heating furnace 18 is maintained at a temperature higher than room temperature and lower than the operating temperature of the fuel cell unit 2, and the electrolyte membrane 2A The amount of supply from the hydrogen supply device 8 and the amount of exhaust to the exhaust device 14 in a state where the temperature of the space surrounded by the container 3 and the fuel generating member 1 and the fuel electrode 2B is higher than room temperature And the total pressure of the gas existing in the space is made equal to the atmospheric pressure. Thereby, the total number of molecules of the gas existing in the space becomes a number such that the total pressure of the gas existing in the space becomes smaller than the atmospheric pressure when the space is at room temperature.

前記空間内のガスが水素ガスに十分に置換され、尚且つ、前記空間内に存在するガスの全圧が大気圧と等しくなった時点で置換工程を終了する。図11に示すように、前記空間内に水素濃度検出センサーや酸素濃度検出センサーなどのガス濃度検出センサー15を設け、ガス濃度検出センサー15の検出結果に基づいて空間内のガス置換状況を把握するようにしてもよい。なお、本実施形態では、前記空間内のガスを燃料と同種のガスに置換しているが、燃料の酸化物と同種のガスに置換してもよく、前記2種類のガスの混合ガスに置換してもよい。   When the gas in the space is sufficiently replaced with hydrogen gas and the total pressure of the gas existing in the space becomes equal to the atmospheric pressure, the replacement process is terminated. As shown in FIG. 11, a gas concentration detection sensor 15 such as a hydrogen concentration detection sensor or an oxygen concentration detection sensor is provided in the space, and the gas replacement status in the space is grasped based on the detection result of the gas concentration detection sensor 15. You may do it. In the present embodiment, the gas in the space is replaced with the same type of gas as the fuel. However, the gas may be replaced with the same type of gas as the fuel oxide, or may be replaced with a mixed gas of the two types of gas. May be.

<<第3実施形態>>
本発明の第3実施形態に係る製造方法は、本発明の第2実施形態に係る製造方法において置換工程を次のように変更する。
<< Third Embodiment >>
The manufacturing method according to the third embodiment of the present invention changes the replacement step as follows in the manufacturing method according to the second embodiment of the present invention.

図12に示すように、配管9の経路上に圧力調整器を配置しないようにし、それ以外は本発明の第2実施形態に係る製造方法の置換工程と同様にする。なお、本発明の第2実施形態に係る製造方法での変形例は本発明の第3実施形態に係る製造方法にも適用することができる。   As shown in FIG. 12, the pressure regulator is not arranged on the path of the pipe 9, and the rest is the same as the replacement process of the manufacturing method according to the second embodiment of the present invention. In addition, the modification in the manufacturing method which concerns on 2nd Embodiment of this invention is applicable also to the manufacturing method which concerns on 3rd Embodiment of this invention.

<<変形例>>
また、上述した各実施形態の製造方法で得られる燃料電池システムは、燃料発生部材1と燃料電池部2とを同一の容器3に収容した構造であるが、図13に示すように燃料発生部材1と燃料電池装置2とを別々の容器に収容した構造であってもよい。
<< Modification >>
Further, the fuel cell system obtained by the manufacturing method of each embodiment described above has a structure in which the fuel generating member 1 and the fuel cell unit 2 are accommodated in the same container 3, but the fuel generating member as shown in FIG. 1 and the fuel cell apparatus 2 may be stored in separate containers.

また、上述した各実施形態の製造方法で得られる燃料電池システムは、電解質膜2Aとして酸素イオンを伝導する電解質を用いて、発電の際に燃料極2B側で水を発生させるようにしている。この構成によれば、燃料を燃料発生部材1から燃料電池部2に供給するためのガス流路によって燃料発生部材1とつながっている電極側(燃料極2B側)で水を発生するため、装置の簡素化や小型化に有利である。一方、特開2009−99491号公報に開示された燃料電池のように、燃料電池部2の電解質として水素イオンを通す固体高分子電解質を用いることも可能である。但し、この場合には、発電の際空気極2C側で水が発生されることになるため、この水を燃料発生部材1に伝搬する流路を設ければよい。そして、前記流路が空気極2Cから燃料発生部材1への水の伝播のみを行う構成とし、燃料発生部材1及び燃料極2Bを内部に配置する閉空間(前記流路とつながっているが、ガスの流出がないため、広義の閉空間に含まれる)内に存在するガスの全分子数を一定に保つようにすればよい。   In the fuel cell system obtained by the manufacturing method of each embodiment described above, an electrolyte that conducts oxygen ions is used as the electrolyte membrane 2A, and water is generated on the fuel electrode 2B side during power generation. According to this configuration, since water is generated on the electrode side (fuel electrode 2B side) connected to the fuel generating member 1 by the gas flow path for supplying fuel from the fuel generating member 1 to the fuel cell unit 2, the apparatus This is advantageous for simplification and downsizing. On the other hand, as a fuel cell disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2009-99491, a solid polymer electrolyte that allows hydrogen ions to pass through can be used as the electrolyte of the fuel cell unit 2. However, in this case, since water is generated on the air electrode 2C side during power generation, a flow path for propagating this water to the fuel generating member 1 may be provided. The flow path is configured to only propagate water from the air electrode 2C to the fuel generating member 1, and a closed space in which the fuel generating member 1 and the fuel electrode 2B are disposed (connected to the flow path, Since there is no outflow of gas, the total number of molecules of gas existing in the closed space in a broad sense) may be kept constant.

また、上述した各実施形態の製造方法で得られる燃料電池システムでは、1つの燃料電池部2が発電も水の電気分解も行っているが、燃料発生部材1が、燃料電池(例えば発電専用の固体酸化物燃料電池)と水の電気分解器(例えば水の電気分解専用の固体酸化物燃料電池)それぞれにガス流路上並列に接続される構成にしてもよい。   In the fuel cell system obtained by the manufacturing method of each embodiment described above, one fuel cell unit 2 performs both power generation and electrolysis of water, but the fuel generating member 1 is a fuel cell (for example, dedicated to power generation). A solid oxide fuel cell) and a water electrolyzer (for example, a solid oxide fuel cell dedicated to water electrolysis) may be connected in parallel on the gas flow path.

1 燃料発生部材
2 燃料電池部
2A 電解質膜
2B 燃料極
2C 空気極
3 容器
3_1 第1のパッケージ部材
3_2 第2のパッケージ部材
3_3 封止部材
3A 第1の開口部
3B 第2の開口部
4 第1の配管
5 第1のバルブ
6 第2の配管
7 第2のバルブ
8 水素供給装置
9、13 配管
10 圧力調整器
11、12 継ぎ手
14 排気装置
15 ガス濃度検出センサー
16 形状変化部材
17 耐熱無機接着剤
18 加熱炉
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel generating member 2 Fuel cell part 2A Electrolyte membrane 2B Fuel electrode 2C Air electrode 3 Container 3_1 1st package member 3_2 2nd package member 3_3 Sealing member 3A 1st opening part 3B 2nd opening part 4 1st 5 First valve 6 Second pipe 7 Second valve 8 Hydrogen supply device 9, 13 Piping 10 Pressure regulator 11, 12 Fitting 14 Exhaust device 15 Gas concentration detection sensor 16 Shape change member 17 Heat resistant inorganic adhesive 18 Heating furnace

Claims (4)

化学反応により燃料を発生する燃料発生部材と、酸素を含む酸化剤と前記燃料発生部材から供給される燃料との反応により発電を行う燃料電池部とを備える燃料電池システムの製造方法であって、
前記燃料電池部の燃料極と前記燃料発生部材とが内部に配置され、内部と外部との間でガスを流通させることができるガス流通部が少なくとも二つ設けられる空間を形成する形成工程と、
前記形成工程後に、前記ガス流通部を利用して、前記空間内のガスを前記燃料と同種の第1ガス、前記燃料の酸化物と同種の第2ガス、又は第1ガスと第2ガスの混合ガスに置換し、前記空間内に存在するガスの全分子数を前記空間が室温であるときに前記空間内に存在するガスの全圧が大気圧よりも小さくなるような数に調整する置換工程と、
前記置換工程後に、前記ガス流通部を閉鎖して前記空間を閉空間にする閉鎖工程とを備えることを特徴とする燃料電池システムの製造方法。
A fuel cell system manufacturing method comprising: a fuel generating member that generates fuel by a chemical reaction; and a fuel cell unit that generates electric power by a reaction between an oxidant containing oxygen and fuel supplied from the fuel generating member,
A forming step of forming a space in which the fuel electrode of the fuel cell unit and the fuel generating member are disposed inside, and at least two gas circulation units capable of flowing gas between the inside and the outside are provided;
After the forming step, the gas in the space is made up of a first gas of the same kind as the fuel, a second gas of the same kind as the oxide of the fuel, or a first gas and a second gas using the gas circulation section. Replacement with a mixed gas, and the total number of molecules of the gas existing in the space is adjusted so that the total pressure of the gas existing in the space is smaller than the atmospheric pressure when the space is at room temperature Process,
A method of manufacturing a fuel cell system comprising: a closing step of closing the gas circulation part to make the space closed after the replacement step.
前記置換工程において、前記空間を室温にした状態で、前記空間内に存在するガスの全圧を大気圧よりも小さくなるように調整することによって、前記空間内に存在するガスの全分子数を調整することを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システムの製造方法。   In the replacement step, the total number of molecules of the gas existing in the space is adjusted by adjusting the total pressure of the gas existing in the space to be lower than the atmospheric pressure in a state where the space is at room temperature. The method of manufacturing a fuel cell system according to claim 1, wherein adjustment is performed. 前記置換工程において、前記空間を室温よりも高温にした状態で、前記空間内に存在するガスの全圧を大気圧になるように調整することによって、前記空間内に存在するガスの全分子数を調整することを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システムの製造方法。   In the replacement step, the total number of molecules of the gas existing in the space is adjusted by adjusting the total pressure of the gas existing in the space to atmospheric pressure in a state where the space is higher than room temperature. The method of manufacturing a fuel cell system according to claim 1, wherein: 前記燃料が水素であり、
前記閉鎖工程において、前記ガス流通部それぞれに対して、複数の互いに異なる閉鎖手法を用いて前記ガス流通部を多重に閉鎖することを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の燃料電池システムの製造方法。
The fuel is hydrogen;
The said closing process WHEREIN: The said gas distribution part is closed in multiple using a mutually different several closing method with respect to each of the said gas distribution part, The Claim 1 characterized by the above-mentioned. Manufacturing method of fuel cell system.
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