JP2020177786A - Method for recovering sulfur poisoning of anode catalyst in fuel battery cell - Google Patents

Method for recovering sulfur poisoning of anode catalyst in fuel battery cell Download PDF

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Abstract

To provide a method capable of recovering poisoning of an anode catalyst in an anode catalyst layer while preventing deterioration of an anode catalyst layer.SOLUTION: Disclosed is a method for recovering sulfur poisoning of an anode catalyst in a fuel cell, which includes: a step (a) of reducing the amount of fuel gas supplied to an anode while continuing the supply of oxidant gas to a cathode, thereby reducing a potential of the cathode to the anode to be equal to or less than - 0.2 V; and a step (b) of recovering the supply amount of the fuel gas after the step (a) so that a period in which the potential is continuously - 0.2 V or less becomes equal to or less than a predetermined period.SELECTED DRAWING: Figure 5

Description

本開示は、燃料電池セルにおけるアノード触媒の硫黄被毒を回復する方法に関する。 The present disclosure relates to a method of recovering sulfur poisoning of an anode catalyst in a fuel cell.

燃料電池のうち、例えば固体高分子形燃料電池(PEFC)の構成単位である燃料電池セル(単セル)は、一対のセパレータの間に挟持されている膜電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)を有している。膜電極接合体は、アノードとカソードとの間に電解質膜が挟持された構造を有している発電体である。アノード及びカソードが、それぞれ触媒層を有している。触媒層が、例えば、触媒としての白金粒子を担持しているカーボン担体を有している。 Among the fuel cells, for example, the fuel cell (single cell), which is a constituent unit of a polymer electrolyte fuel cell (PEFC), is a membrane electrode assembly (MEA) sandwiched between a pair of separators (MEA: Membrane Electrode Assembly). have. The membrane electrode assembly is a power generator having a structure in which an electrolyte membrane is sandwiched between an anode and a cathode. The anode and the cathode each have a catalyst layer. The catalyst layer has, for example, a carbon carrier carrying platinum particles as a catalyst.

燃料電池は、電気的に接続されたアノード(燃料極)及びカソード(空気極)に、それぞれ、水素のような燃料ガス(アノード供給ガス)と酸素のような酸化剤ガス(カソード供給ガス)を供給し、電気化学的に燃料の酸化を起こさせることで、化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する。 In a fuel cell, a fuel gas such as hydrogen (anode supply gas) and an oxidizing agent gas such as oxygen (cathode supply gas) are applied to an electrically connected anode (anode) and a cathode (air electrode), respectively. By supplying and electrochemically oxidizing the fuel, chemical energy is directly converted into electrical energy.

燃料電池セルにおいて、水素が供給されたアノードでは下記(1)式の反応が進行する。
→ 2H + 2e ・・・(1)
In the fuel cell, the reaction of the following equation (1) proceeds at the anode to which hydrogen is supplied.
H 2 → 2H + + 2e - ··· (1)

上記(1)式で生じる電子(e)は、外部回路を経由し、外部の負荷で仕事をした後、カソードに到達する。他方で、上記(1)式で生じたプロトン(H)は、水と水和した状態で、電気浸透により電解質膜内をアノード側からカソード側に移動する。 The electrons (e ) generated by the above equation (1) reach the cathode after working with an external load via an external circuit. On the other hand, the proton (H + ) generated by the above equation (1) moves from the anode side to the cathode side in the electrolyte membrane by electroosmosis in a state of being hydrated with water.

一方、カソードでは下記(2)式の反応が進行する。
2H + 1/2O + 2e → HO ・・・(2)
On the other hand, at the cathode, the reaction of the following equation (2) proceeds.
2H + 1 / 2O 2 + 2e → H 2 O ・ ・ ・ (2)

したがって、電池全体では下記(3)に示す化学反応が進行し、起電力が生じて外部負荷に対して電気的仕事がなされる。
+ 1/2O → HO ・・・(3)
Therefore, the chemical reaction shown in (3) below proceeds in the entire battery, electromotive force is generated, and electrical work is performed on the external load.
H 2 + 1 / 2O 2 → H 2 O ・ ・ ・ (3)

アノードに供給される燃料ガスには、不純物、例えば一酸化炭素又は硫黄化合物が含まれている。このような不純物は、燃料電池の正常な運転を阻害しうる。例えば、水素ガスに含まれる硫化水素は、触媒層の白金と反応し、白金上に硫黄が蓄積する。 The fuel gas supplied to the anode contains impurities such as carbon monoxide or sulfur compounds. Such impurities can interfere with the normal operation of the fuel cell. For example, hydrogen sulfide contained in hydrogen gas reacts with platinum in the catalyst layer, and sulfur accumulates on platinum.

一般に認められている白金における硫化水素の解離吸収メカニズムは、下記のようなものである。
S + Pt → Pt−S + H
S +Pt−H → Pt−S + 3/2H
The generally accepted dissociation and absorption mechanism of hydrogen sulfide in platinum is as follows.
H 2 S + Pt → Pt-S + H 2
H 2 S + Pt-H → Pt-S + 3 / 2H 2

このような硫黄の蓄積による硫黄被毒は、水素の酸化反応を触媒する触媒部位を減少させ、結果として、燃料電池の発電性能の低下を引き起こす。 Sulfur poisoning due to such accumulation of sulfur reduces the catalytic sites that catalyze the hydrogen oxidation reaction, resulting in a decrease in the power generation performance of the fuel cell.

不純物による触媒の被毒を回復させるために、アノードに外部から電圧を付加する技術などが開発された。 In order to recover the poisoning of the catalyst by impurities, a technique for applying an external voltage to the anode has been developed.

特許文献1は、燃料セルの作動方法を開示している。当該方法によれば、燃料セルの外部に第2回路が設けられる。この第2回路が、アノード及びカソードに逆のDC電位を選択的に供給してアノードをカソードに対して正の電位にするための電気エネルギー供給手段を、備えている。 Patent Document 1 discloses a method of operating a fuel cell. According to this method, a second circuit is provided outside the fuel cell. This second circuit comprises an electrical energy supply means for selectively supplying opposite DC potentials to the anode and cathode to bring the anode to a positive potential with respect to the cathode.

特許文献2は、触媒における一酸化炭素の被毒を防止して、電池性能を回復する燃料電池システムに関する。当該文献には、この燃料電池システムが、複数の燃料電池スタックを備えていること、この燃料電池システムが、制御手段及び電圧印加手段を備えていること、及び制御手段によって任意の燃料電池スタックへの燃料ガスの供給を一時的に停止して発電を停止し、かつ電圧印加手段によって発電が停止した燃料電池スタックに電圧を印加することが、記載されている。 Patent Document 2 relates to a fuel cell system that restores battery performance by preventing carbon monoxide poisoning in a catalyst. The document states that the fuel cell system comprises a plurality of fuel cell stacks, that the fuel cell system comprises control means and voltage application means, and that the control means to any fuel cell stack. It is described that the supply of the fuel gas is temporarily stopped to stop the power generation, and the voltage is applied to the fuel cell stack whose power generation is stopped by the voltage applying means.

特許文献3は、発電中に、燃料極の電極電位を一時的に標準水素電極電位に対して+0.3V以上貴なる電位とする過程を含む、燃料電池の運転制御方法を開示している。当該文献には、電極触媒上に吸着した一酸化炭素(CO)を酸化除去したことが記載されている。 Patent Document 3 discloses an operation control method for a fuel cell, which includes a process of temporarily setting the electrode potential of the fuel electrode to a potential of +0.3 V or more noble with respect to the standard hydrogen electrode potential during power generation. The document describes that carbon monoxide (CO) adsorbed on the electrode catalyst was oxidatively removed.

特許文献4は、触媒燃料電池電極を汚染除去し再生する方法を開示している。当該文献には、この方法が、燃料流を減少させて燃料の化学量論係数(StH2)の値を1未満にする工程、電流をカットオフする工程、及び燃料流を増加させて再び1以上の化学量論係数の値にする工程を含むことが、記載されている。 Patent Document 4 discloses a method for decontaminating and regenerating a catalytic fuel cell electrode. The document states that this method reduces the fuel flow to reduce the value of the fuel stoichiometric coefficient (St H2 ) to less than 1, cuts off the current, and increases the fuel flow to 1 again. It is described that the step of making the value of the above stoichiometric coefficient is included.

特開平8−7905号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 8-7905 特開2004−265692号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2004-265692 特開平11−219715号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 11-219715 特表2014−527260号公報Special Table 2014-527260

アノードに供給される燃料ガス、例えば水素ガスは、硫化水素などの不純物を含有している。燃料電池自動車に関して水素ガス中の不純物の許容濃度を規定している水素品質規格ISO14687−2によれば、硫化水素などの硫黄化合物の許容濃度が、4ppbである。水素ガス中に存在するこのような硫黄化合物は、アノードの白金触媒と反応し、白金に結合した硫黄原子が、水素酸化触媒反応を阻害する。 The fuel gas supplied to the anode, for example, hydrogen gas, contains impurities such as hydrogen sulfide. According to the hydrogen quality standard ISO14687-2, which defines the permissible concentration of impurities in hydrogen gas for fuel cell vehicles, the permissible concentration of sulfur compounds such as hydrogen sulfide is 4 ppb. Such sulfur compounds present in hydrogen gas react with the platinum catalyst of the anode, and the sulfur atom bonded to platinum inhibits the hydrogen oxidation catalytic reaction.

白金に結合した硫黄を酸化脱離させるためには、電気化学的には1.25V(vs.RHE)以上の電位が必要であることが、実験的に知られている。一方で、燃料電池セルの運転中においては、アノードの電位は常に0V(vs.SHE)付近にある。したがって、通常の燃料電池の運転条件下では、白金に結合した硫黄原子は酸化脱離しないため、白金の被毒蓄積が進むにつれて、電池性能が低下する。 It is experimentally known that an electrochemical potential of 1.25 V (vs. RHE) or higher is required for oxidative elimination of sulfur bound to platinum. On the other hand, during the operation of the fuel cell, the potential of the anode is always near 0 V (vs. SHE). Therefore, under normal fuel cell operating conditions, sulfur atoms bonded to platinum are not oxidatively desorbed, and as the poisoning and accumulation of platinum progresses, the battery performance deteriorates.

燃料電池自動車の普及という観点からは、燃料電池の製造コストを抑制することが必要であり、特に、高価な白金の使用量を低減することが求められている。したがって、限られた量の白金で十分な触媒性能を確保するために、硫黄化合物による白金触媒の被毒を回復させることが、重要となる。 From the viewpoint of the widespread use of fuel cell vehicles, it is necessary to control the manufacturing cost of fuel cells, and in particular, it is required to reduce the amount of expensive platinum used. Therefore, it is important to recover the poisoning of the platinum catalyst by the sulfur compound in order to ensure sufficient catalytic performance with a limited amount of platinum.

白金の被毒を回復させる方法として、アノードの電位を一時的に上昇させる方法が知られている。しかし、アノードにおける電位の上昇は、触媒層において白金触媒を担持しているカーボンの酸化反応を生じ、触媒層の劣化を引き起こすおそれがある。 As a method of recovering the poisoning of platinum, a method of temporarily raising the potential of the anode is known. However, an increase in the potential at the anode may cause an oxidation reaction of the carbon carrying the platinum catalyst in the catalyst layer, resulting in deterioration of the catalyst layer.

また、例えば酸化剤(オゾンなど)を使用する方法又は燃料電池セルの外部からアノードに強制的に電圧を印加する方法では、被毒回復のための装置を追加的に設置する必要があり、コストが上昇するおそれがある。また、そのような追加的な装置は、実際のシステム、特には自動車においては、設置が困難な場合がある。 In addition, for example, in the method of using an oxidizing agent (ozone, etc.) or the method of forcibly applying a voltage to the anode from the outside of the fuel cell, it is necessary to additionally install a device for poison recovery, which is costly. May rise. Also, such additional devices can be difficult to install in real systems, especially in automobiles.

本開示は、このような観点から、アノード触媒層の劣化を防止しつつ、アノード触媒層におけるアノード触媒の被毒の回復を行うことができる方法を提供することを、目的とする。 From this point of view, it is an object of the present disclosure to provide a method capable of recovering poisoning of the anode catalyst in the anode catalyst layer while preventing deterioration of the anode catalyst layer.

本開示は、以下の手段によって上記の目的を達成するものである。 The present disclosure achieves the above object by the following means.

燃料電池セルにおけるアノード触媒の硫黄被毒を回復する方法であって、以下の工程を有している、方法:
(a)カソードへの酸化剤ガスの供給を続けたまま、アノードへの燃料ガスの供給量を減少させ、それにより、前記アノードに対する前記カソードの電位が、−0.2V以下にまで低下するようにすること、
(b)工程(a)の後で、前記燃料ガスの供給量を回復させて、前記電位が連続して−0.2V以下である期間が、所定期間以下であるようにすること。
A method of recovering sulfur poisoning of an anode catalyst in a fuel cell, which comprises the following steps:
(A) While continuing to supply the oxidant gas to the cathode, the amount of fuel gas supplied to the anode is reduced so that the potential of the cathode with respect to the anode is lowered to -0.2 V or less. To
(B) After the step (a), the supply amount of the fuel gas is restored so that the period during which the potential is continuously −0.2 V or less is the predetermined period or less.

本開示の方法によれば、アノード触媒層の劣化を防止しつつ、アノード触媒層におけるアノード触媒の被毒の回復を行うことができる。 According to the method of the present disclosure, it is possible to recover the poisoning of the anode catalyst in the anode catalyst layer while preventing the deterioration of the anode catalyst layer.

図1は、本開示に係る方法の実施態様の概略的なフローチャートである。FIG. 1 is a schematic flowchart of an embodiment of the method according to the present disclosure. 図2は、被毒回復実験のための評価装置の概略的な構成図である。FIG. 2 is a schematic configuration diagram of an evaluation device for a poison recovery experiment. 図3は、発電性能評価におけるアノードに対するカソード電位の計測値を示している。FIG. 3 shows the measured value of the cathode potential with respect to the anode in the power generation performance evaluation. 図4は、電気化学活性比表面積(ECSA)の評価結果を示している。FIG. 4 shows the evaluation result of the electrochemical active specific surface area (ECSA). 図5は、本開示の方法に従って燃料電池セルを被毒回復した場合の電位の経時変化を示している。FIG. 5 shows the time course of the potential when the fuel cell is recovered from poisoning according to the method of the present disclosure. 図6は、図5における3.0時間〜3.5時間の部分を拡大したものである。FIG. 6 is an enlargement of the portion of FIG. 5 from 3.0 hours to 3.5 hours.

以下、図面を参照して本開示に係る方法の実施形態について詳細に説明する。本開示は、以下の実施形態に限定されるものではなく、本開示の要旨の範囲内で種々変形して実施できる。図面に示されている形態は、本開示の例示であり、本開示を限定するものではない。なお、以下の説明では、同様な構成要素には同一の参照番号を付す。 Hereinafter, embodiments of the method according to the present disclosure will be described in detail with reference to the drawings. The present disclosure is not limited to the following embodiments, and can be variously modified and implemented within the scope of the gist of the present disclosure. The forms shown in the drawings are exemplary of the present disclosure and are not intended to limit the present disclosure. In the following description, similar components are given the same reference numbers.

≪硫黄被毒を回復する方法≫
本開示は、燃料電池セルにおけるアノード触媒の硫黄被毒を回復する方法に関し、この方法が、以下の工程を有している:
(a)カソードへの酸化剤ガスの供給を続けたまま、アノードへの燃料ガスの供給量を減少させ、それにより、アノードに対するカソードの電位が、−0.2V以下にまで低下するようにする、被毒回復工程、
(b)工程(a)の後で、燃料ガスの供給量を回復させて、アノードに対するカソードの電位が連続して−0.2V以下である期間が、所定期間以下であるようにする、復帰工程。
≪How to recover from sulfur poisoning≫
The present disclosure relates to a method of recovering sulfur poisoning of an anode catalyst in a fuel cell, which method comprises the following steps:
(A) While continuing to supply the oxidant gas to the cathode, the amount of fuel gas supplied to the anode is reduced so that the potential of the cathode with respect to the anode is lowered to -0.2 V or less. , Poison recovery process,
(B) After the step (a), the supply amount of the fuel gas is restored so that the period during which the potential of the cathode with respect to the anode is continuously −0.2 V or less is equal to or less than a predetermined period. Process.

以下において、図1を参照して、本開示の方法を説明する。 Hereinafter, the method of the present disclosure will be described with reference to FIG.

図1は、本開示に係る方法の実施態様の概略的なフローチャートである。図1に示す実施態様では、まず、通常の運転を行っている燃料電池セルにおいて、触媒が被毒状態にあるか否かの判定を行う。燃料電池セルの電圧低下の推移が、予測される推移の範囲内であれば、硫化水素による被毒が起こっていると判定する。予測される推移は、硫化水素の混入量と燃料電池セルの電圧低下の推移との関係をあらかじめ調べることによって得られる。硫化水素の混入量は、燃料中の硫化化合物の濃度及び水素消費量から推定される。 FIG. 1 is a schematic flowchart of an embodiment of the method according to the present disclosure. In the embodiment shown in FIG. 1, first, it is determined whether or not the catalyst is in a poisoned state in the fuel cell that is operating normally. If the transition of the voltage drop of the fuel cell is within the range of the predicted transition, it is determined that the poisoning by hydrogen sulfide has occurred. The predicted transition can be obtained by examining in advance the relationship between the amount of hydrogen sulfide mixed in and the transition of the voltage drop of the fuel cell. The amount of hydrogen sulfide mixed is estimated from the concentration of the sulfide compound in the fuel and the amount of hydrogen consumed.

そして、触媒が被毒状態にあると判定された場合に、カソードへの酸化剤ガスの供給を続けたまま、アノードへの燃料ガスの供給量を減少させる。具体的には、水素の化学量論係数(ストイキ)を下げる方向に掃引する。この操作により、アノードが水素欠乏状態となって、水電解反応が開始されるとともに、アノードの電位が上昇する。 Then, when it is determined that the catalyst is in a poisoned state, the amount of fuel gas supplied to the anode is reduced while continuing to supply the oxidant gas to the cathode. Specifically, it is swept in the direction of lowering the stoichiometric coefficient (stoichiometry) of hydrogen. By this operation, the anode becomes hydrogen-deficient, the water electrolysis reaction is started, and the potential of the anode rises.

本開示においては電位を、アノードに対するカソードの電位によって、すなわち「カソードの電位」−「アノードの電位」によって表す。したがって、アノードにおける電位の上昇が、アノードに対するカソードの電位の低下として表される。 In the present disclosure, the potential is expressed by the potential of the cathode with respect to the anode, that is, by "cathode potential"-"anode potential". Therefore, an increase in potential at the anode is represented as a decrease in the potential of the cathode with respect to the anode.

図1に係る方法では、アノードへの燃料ガスの供給量を減少させることによって、アノードに対するカソードの電位を−0.2V以下にまで低下させる。燃料電池セルの通常運転中におけるカソード電位は、標準水素電極電位を基準として0.6V〜1.0Vであるため、この操作によって、アノードに、標準水素電極電位を基準として0.8V以上の電位が印加されることとなる。結果として、アノードにおいて、白金触媒に結合している硫黄原子を酸化脱離させる反応が起こると考えられる。 In the method according to FIG. 1, the potential of the cathode with respect to the anode is lowered to −0.2 V or less by reducing the amount of fuel gas supplied to the anode. Since the cathode potential of the fuel cell during normal operation is 0.6V to 1.0V based on the standard hydrogen electrode potential, this operation causes the anode to have a potential of 0.8V or more based on the standard hydrogen electrode potential. Will be applied. As a result, it is considered that a reaction for oxidative elimination of the sulfur atom bonded to the platinum catalyst occurs at the anode.

ここで、アノードにおける電位の上昇は、アノードにおけるカーボン担体の酸化反応(C+HO→CO+2H+2e、及びC+2HO→CO+4H+4e)も引き起こしうる。したがって、アノードにおける電位の上昇は、アノード触媒層を劣化させるおそれがある。 Here, the increase in the potential at the anode can also cause the oxidation reaction of the carbon carrier at the anode (C + H 2 O → CO + 2H + + 2e and C + 2H 2 O → CO 2 + 4H + + 4e ). Therefore, an increase in the potential at the anode may deteriorate the anode catalyst layer.

図1に係る実施態様では、アノードの電位が所定の値に到達した場合に、水素ストイキを基準値に回復させることによって、アノードの電位を通常の値に回復させる。これにより、アノードに対するカソードの電位が連続して−0.2V以下である期間が所定期間以下になるようにして、電位の上昇によるカーボンの腐食が回避される。 In the embodiment according to FIG. 1, when the potential of the anode reaches a predetermined value, the potential of the anode is restored to a normal value by restoring the hydrogen stoichiometric value to a reference value. As a result, the period during which the cathode potential with respect to the anode is continuously −0.2 V or less is set to be equal to or less than a predetermined period, and carbon corrosion due to an increase in potential is avoided.

以上のように、本開示の方法によれば、アノード触媒層の劣化を防止しつつ、アノード触媒における触媒被毒回復を行うことができる。 As described above, according to the method of the present disclosure, it is possible to recover the catalyst poisoning in the anode catalyst while preventing the deterioration of the anode catalyst layer.

以下で、本開示の方法を詳細に説明する。 The method of the present disclosure will be described in detail below.

〈燃料電池セルにおけるアノード触媒の硫黄被毒の回復〉
本開示に係る方法は、燃料電池セルにおけるアノード触媒の硫黄被毒を回復する方法である。
<Recovery of sulfur poisoning of anode catalyst in fuel cell>
The method according to the present disclosure is a method for recovering sulfur poisoning of an anode catalyst in a fuel cell.

(燃料電池セル)
燃料電池セルは、公知のものを使用してよい。燃料電池セルのカソードに供給される酸化剤ガスは、例えば空気であってよい。燃料電池セルのアノードに供給される燃料ガスは、例えば水素ガスであってよい。燃料電池セルのアノードにおける触媒層が、例えば、カーボン担体に担持されている白金触媒を有している。
(Fuel cell)
As the fuel cell, a known fuel cell may be used. The oxidant gas supplied to the cathode of the fuel cell may be, for example, air. The fuel gas supplied to the anode of the fuel cell may be, for example, hydrogen gas. The catalyst layer at the anode of the fuel cell has, for example, a platinum catalyst supported on a carbon carrier.

(アノード触媒)
本開示に関して、アノード触媒は、具体的には、アノードの触媒層に含まれる触媒を意味しており、特には、アノードの触媒層において、カーボン担体に担持されている白金触媒を意味している。
(Anode catalyst)
With respect to the present disclosure, the anode catalyst specifically means a catalyst contained in the catalyst layer of the anode, and particularly means a platinum catalyst supported on a carbon carrier in the catalyst layer of the anode. ..

(硫黄被毒)
本開示に関して、アノード触媒の硫黄被毒は、アノードに供給される燃料ガスに含まれる硫黄化合物によって、アノードの触媒層に存在する白金に硫黄が蓄積することを指す。アノード触媒の硫黄被毒は、燃料電池セルの通常の運転時における出力を低下させる。
(Sulfur poisoning)
With respect to the present disclosure, sulfur poisoning of an anode catalyst refers to the accumulation of sulfur in platinum present in the catalyst layer of the anode by a sulfur compound contained in the fuel gas supplied to the anode. Sulfur poisoning of the anode catalyst reduces the output of the fuel cell during normal operation.

(硫黄被毒の回復)
本開示に関して、硫黄被毒の回復とは、硫黄被毒の状態にあるアノード触媒、特には白金触媒から、硫黄を除去することを意味している。
(Recovery of sulfur poisoning)
With respect to the present disclosure, recovery of sulfur poisoning means removing sulfur from an anode catalyst in a sulfur poisoned state, particularly a platinum catalyst.

〈被毒回復工程〉
本開示に係る方法の被毒回復工程では、カソードへの酸化剤ガスの供給を続けたまま、アノードへの燃料ガスの供給量を減少させ、それにより、アノードに対するカソードの電位が−0.2V以下にまで低下するようにする。
<Poison recovery process>
In the poisoning recovery step of the method according to the present disclosure, the amount of fuel gas supplied to the anode is reduced while continuing to supply the oxidant gas to the cathode, whereby the potential of the cathode with respect to the anode is -0.2 V. Try to reduce to:

(ガスの供給)
カソード及びアノードへのガスの供給、並びに供給量の調節は、公知の方法によって行ってよい。
(Gas supply)
The supply of gas to the cathode and the anode and the adjustment of the supply amount may be performed by a known method.

(供給量の減少)
アノードに対するカソードの電位を低下させるための燃料ガスの供給量の減少は、燃料ガスを、通常の運転時における供給量よりも低い供給量で供給することによって、行ってよい。具体的には、例えば、燃料ガスの化学量論係数(ストイキ)の値が1未満になるように、燃料ガスの供給量を調節する。
(Reduction in supply)
The decrease in the supply amount of the fuel gas for lowering the potential of the cathode with respect to the anode may be performed by supplying the fuel gas at a supply amount lower than the supply amount during normal operation. Specifically, for example, the supply amount of the fuel gas is adjusted so that the value of the stoichiometric coefficient (stoichiometry) of the fuel gas is less than 1.

本開示に係る方法では、カソードへの酸化剤ガスの供給を続けたまま、アノードへの燃料ガスの供給量を減少させる。すなわち、通常の運転を行っている状態で、燃料ガスの供給量を減少させる。 In the method according to the present disclosure, the amount of fuel gas supplied to the anode is reduced while the supply of the oxidant gas to the cathode is continued. That is, the amount of fuel gas supplied is reduced during normal operation.

一方で、従来の、燃料ガスの供給量を減少させている間に電流をカットオフすることを含む方法では、カソード側における酸素が消費されず、アノード側に透過するおそれがある。酸素がアノード側に存在すると、燃料電池セルを再起動させる際にアノードにおいて異常電位が発生し、カーボンの腐食が起こる。このような操作が繰り返し行われる結果として、触媒層が縮小し、燃料電池セルの性能低下に至るおそれがある。 On the other hand, in the conventional method including cutting off the current while reducing the supply amount of the fuel gas, oxygen on the cathode side is not consumed and may permeate to the anode side. If oxygen is present on the anode side, an abnormal potential is generated at the anode when the fuel cell is restarted, causing carbon corrosion. As a result of repeated such operations, the catalyst layer may shrink, leading to deterioration in the performance of the fuel cell.

本開示に係る方法では、通常の運転を行っている状態で燃料ガスの供給量を減少させるため、酸化剤ガスが消費されないことによる上記のような弊害は生じない。 In the method according to the present disclosure, since the supply amount of fuel gas is reduced during normal operation, the above-mentioned adverse effects due to the non-consumption of oxidant gas do not occur.

また、本開示に係る方法は、外部からの強制的な方法によってアノードに電圧を印加する方法とは異なり、追加的な装置を必要としない。したがって、例えば自動車用途においては、車両のシステムのみで電圧を印加することが可能となる。 Further, the method according to the present disclosure does not require an additional device, unlike the method of applying a voltage to the anode by a forced method from the outside. Therefore, for example, in automobile applications, it is possible to apply a voltage only in a vehicle system.

(アノードに対するカソードの電位)
本開示に係る方法の被毒回復工程では、アノードに対するカソードの電位を、−0.2V以下にまで低下させる。
(Cathode potential with respect to anode)
In the poisoning recovery step of the method according to the present disclosure, the potential of the cathode with respect to the anode is lowered to −0.2 V or less.

アノードに対するカソードの電位は、例えば、電圧計又は電圧センサによって、連続的に又は断続的に、計測してよい。 The potential of the cathode with respect to the anode may be measured continuously or intermittently, for example, by a voltmeter or voltage sensor.

被毒回復工程において、アノードに対するカソードの電位を、−0.2V以下、−0.4V以下、若しくは−0.5V以下にまで低下させてよく、かつ/又は、−1.0V以上、−0.8V以上、若しくは−0.6V以上にまで低下させてよい。 In the poisoning recovery step, the potential of the cathode with respect to the anode may be lowered to -0.2V or less, -0.4V or less, or -0.5V or less, and / or -1.0V or more, -0. It may be lowered to 8.8V or more, or -0.6V or more.

(燃料電池セル温度)
本開示に係る別の実施態様では、被毒回復工程における燃料電池セルの温度が、65℃以上である。被毒回復工程における燃料電池セルの温度は、60℃超、62℃以上、64℃以上、若しくは65℃以上であってよく、かつ/又は、75℃以下、70℃以下、68℃以下、若しくは67℃以下であってよい。燃料電池セルの温度が高い程、被毒回復工程におけるアノードに対するカソードの電位の変化量が抑制される。
(Fuel cell temperature)
In another embodiment according to the present disclosure, the temperature of the fuel cell in the poisoning recovery step is 65 ° C. or higher. The temperature of the fuel cell in the poison recovery step may be more than 60 ° C, 62 ° C or higher, 64 ° C or higher, or 65 ° C or higher, and / or 75 ° C or lower, 70 ° C or lower, 68 ° C or lower, or It may be 67 ° C. or lower. The higher the temperature of the fuel cell, the more the amount of change in the potential of the cathode with respect to the anode in the poisoning recovery step is suppressed.

(被毒判定)
なお、本開示に係る方法の別の実施態様では、被毒回復工程を行うか否かの判断をするために、触媒が被毒状態にあるか否かの判定を行ってよい。この判定は、例えば、燃料ガスにおける硫化水素の混入量と燃料電池セルの電圧低下との関係をあらかじめ調べておき、この情報を、実際の硫化水素濃度及び燃料電池セルの電圧低下の情報と照らし合わせることによって、行うことができる。燃料ガスにおける硫化水素濃度の情報から燃料電池セルに混入する硫化水素の絶対値を推定できるため、水素消費量に対する燃料電池セルの電圧低下の推移を高精度で予測できる。実際の燃料電池セルの電圧低下の推移が予測の範囲内であれば、硫化水素に起因する被毒が発生していると判断することができる。
(Poison judgment)
In another embodiment of the method according to the present disclosure, it may be determined whether or not the catalyst is in a poisoned state in order to determine whether or not to perform the poisoning recovery step. In this determination, for example, the relationship between the amount of hydrogen sulfide mixed in the fuel gas and the voltage drop of the fuel cell is investigated in advance, and this information is compared with the information of the actual hydrogen sulfide concentration and the voltage drop of the fuel cell. It can be done by matching. Since the absolute value of hydrogen sulfide mixed in the fuel cell can be estimated from the information on the hydrogen sulfide concentration in the fuel gas, the transition of the voltage decrease of the fuel cell with respect to the hydrogen consumption can be predicted with high accuracy. If the actual transition of the voltage drop of the fuel cell is within the predicted range, it can be determined that poisoning due to hydrogen sulfide has occurred.

本開示に係る1つの実施態様では、触媒が被毒状態にあると判定された場合に、アノードへの燃料ガスの供給量を減少させる。アノードへの燃料ガスの供給量を減少させる操作は、好ましくは、自動で行われる。 In one embodiment of the present disclosure, the supply of fuel gas to the anode is reduced when the catalyst is determined to be in a poisoned state. The operation of reducing the supply of fuel gas to the anode is preferably performed automatically.

〈復帰工程〉
本開示の方法に係る復帰工程では、被毒回復工程の後で、燃料ガスの供給量を回復させる。ここでは、アノードに対するカソードの電位が連続して−0.2V以下である期間が、所定期間以下であるようにする。
<Return process>
In the restoration step according to the method of the present disclosure, the supply amount of fuel gas is restored after the poisoning recovery step. Here, the period during which the potential of the cathode with respect to the anode is continuously −0.2 V or less is set to be equal to or less than a predetermined period.

燃料ガスの供給量を回復させることによって、アノードの電位が下がり、通常の運転時における電位に戻る。 By recovering the supply amount of fuel gas, the potential of the anode is lowered and returned to the potential during normal operation.

(供給量の回復)
燃料ガスの供給量を回復させる操作は、例えば、燃料ガスタンクと燃料電池セルとの間に設けられた電磁弁の開度を調節することによって行ってよい。燃料ガスの供給量の回復は、例えば、燃料ガスの供給を通常の運転時の供給量に戻すことによって、行われる。
(Recovery of supply)
The operation of recovering the supply amount of the fuel gas may be performed, for example, by adjusting the opening degree of the solenoid valve provided between the fuel gas tank and the fuel cell. The recovery of the fuel gas supply amount is performed, for example, by returning the fuel gas supply amount to the supply amount during normal operation.

(負電圧期間)
本開示に係る方法では、アノードに対するカソードの電位が連続して−0.2V以下である期間が、所定期間以下である。
(Negative voltage period)
In the method according to the present disclosure, the period during which the cathode potential with respect to the anode is continuously −0.2 V or less is a predetermined period or less.

アノードに対するカソードの電位が連続して−0.2V以下である期間は、0.1秒以上、1秒以上、5秒以上、10秒以上、若しくは30秒以上であってよく、かつ/又は、10分以下、5分以下、3分以下、2分以下、60秒以下、45秒以下、若しくは30秒以下であってよい。好ましくは、アノードに対するカソードの電位が連続して−0.2V以下である期間が、60秒以下である。 The period during which the potential of the cathode with respect to the anode is continuously −0.2 V or less may be 0.1 seconds or more, 1 second or more, 5 seconds or more, 10 seconds or more, or 30 seconds or more, and / or. It may be 10 minutes or less, 5 minutes or less, 3 minutes or less, 2 minutes or less, 60 seconds or less, 45 seconds or less, or 30 seconds or less. Preferably, the period during which the cathode potential with respect to the anode is continuously −0.2 V or less is 60 seconds or less.

アノードに対するカソードの電位が連続して−0.2V以下である期間の長さは、例えば、適切な負の値Vを設定し、かつアノードに対するカソードの電位が負の値Vになった場合に燃料ガスの供給量を回復させることによって、制御することができる。 The length of the period during which the cathode potential with respect to the anode is continuously below -0.2 V sets an appropriate negative value VA , and the cathode potential with respect to the anode becomes a negative value VA , for example. In some cases, it can be controlled by restoring the fuel gas supply.

この負の値Vは、触媒層におけるカーボンの劣化の影響を考慮して、許容可能な負電圧及びその積算時間をあらかじめ実験で確認することによって、決定することができる。燃料ガスの供給量の減少に伴って起こる水電解反応時の電圧及びその持続時間、並びに負電圧の印加による触媒層の劣化は、使用される触媒の種類、触媒の量、温度、及び湿度等の条件に応じて変化しうる。したがって、アノードへの負電圧の印加によってもたらされる燃料電池セルの電池性能の回復の程度と触媒層構造への影響との関係を、あらかじめ、種々の負電圧印加に関して調査し、その結果を参照した上で、最適な負の値Vを決定することが好ましい。 This negative value VA can be determined by confirming the allowable negative voltage and its integration time by experiments in advance in consideration of the influence of carbon deterioration in the catalyst layer. The voltage and duration of the water electrolysis reaction that occur as the supply of fuel gas decreases, and the deterioration of the catalyst layer due to the application of negative voltage, the type of catalyst used, the amount of catalyst, temperature, humidity, etc. It can change according to the conditions of. Therefore, the relationship between the degree of recovery of the battery performance of the fuel cell and the effect on the catalyst layer structure caused by the application of the negative voltage to the anode was investigated in advance with respect to the application of various negative voltages, and the results were referred to. Above, it is preferable to determine the optimum negative value VA .

本開示の1つの実施態様によれば、負の値Vが、−0.2V〜−1.0Vの範囲である。負の値Vが、−0.2V以下、−0.3V以下、−0.4V以下、若しくは−0.5V以下であってよく、かつ/又は、−1.0V以上、−0.9V以上、若しくは−0.8V以上であってよい。 According to one embodiment of the present disclosure, the negative value VA is in the range of -0.2V to -1.0V. The negative value VA may be -0.2V or less, -0.3V or less, -0.4V or less, or -0.5V or less, and / or -1.0V or more, -0.9V. It may be the above, or −0.8V or more.

本開示の別の実施態様では、アノードに対するカソードの電位が連続して−0.2V以下である期間が所定期間以下であるような負電圧印加を、繰り返し行うことによって、被毒回復を行う。すなわち、所定期間以下の負電圧の印加をアノードに対して行った後に、燃料電池セルの運転状態を通常に戻し、再び所定期間以下の負電圧の印加を行い、これを繰り返す。負電圧印加を連続で行って比較的大きい負電圧を印加する場合と比較して、短時間の負電荷印加を繰り返し行う場合には、電圧印加によるカーボン担体の腐食を、より良好に回避することができると考えられる。 In another embodiment of the present disclosure, poisoning recovery is performed by repeatedly applying a negative voltage such that the potential of the cathode with respect to the anode is continuously −0.2 V or less for a predetermined period or less. That is, after applying a negative voltage for a predetermined period or less to the anode, the operating state of the fuel cell is returned to normal, a negative voltage for a predetermined period or less is applied again, and this is repeated. Corrosion of the carbon carrier due to voltage application should be better avoided when negative charge is repeatedly applied for a short time as compared with the case where negative voltage is continuously applied and a relatively large negative voltage is applied. Is thought to be possible.

≪硫黄被毒回復実験及びその評価≫
燃料電池セルの評価装置によって、硫黄被毒回復の条件検討、硫黄被毒回復実験及びその評価を行った。
≪Sulfur poisoning recovery experiment and its evaluation≫
The conditions for recovery from sulfur poisoning, a sulfur poisoning recovery experiment, and its evaluation were conducted using a fuel cell cell evaluation device.

〈評価装置〉
図2は、被毒回復実験のための評価装置100の概略的な構成図である。酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガスタンク26が、連結管によって、加湿器266を介して、燃料電池セル200のカソード側に接続されている。燃料ガスを供給するための燃料ガスタンク22が、連結管によって、加湿器226を介して、燃料電池セル200のアノード側に接続されている。それぞれの連結管が、マスフローコントローラ(MFC)224、264を有している。未反応のガスが、ベント230、232を介して系外に排気される。燃料電池セルにおいて発生する水が、ドレン水容器228,268に送られる。
<Evaluation device>
FIG. 2 is a schematic configuration diagram of the evaluation device 100 for the poisoning recovery experiment. The oxidant gas tank 26 for supplying the oxidant gas is connected to the cathode side of the fuel cell 200 via a humidifier 266 by a connecting pipe. A fuel gas tank 22 for supplying fuel gas is connected to the anode side of the fuel cell 200 via a humidifier 226 by a connecting pipe. Each connecting pipe has a mass flow controller (MFC) 224, 264. The unreacted gas is exhausted to the outside of the system via the vents 230 and 232. The water generated in the fuel cell is sent to the drain water containers 228 and 268.

評価装置100が、さらに、燃料ガスに硫化水素を導入するためのラインを備えている。具体的には、硫化水素コンタミ用ガスタンク24が、連結管を介して、燃料ガスを供給するための連結管に接続されている。硫化水素用の連結管が、マスフローコントローラ244を有している。評価装置100が、アノードCVライン20を備えている。 The evaluation device 100 further includes a line for introducing hydrogen sulfide into the fuel gas. Specifically, the hydrogen sulfide contamination gas tank 24 is connected to the connecting pipe for supplying fuel gas via the connecting pipe. The connecting pipe for hydrogen sulfide has a mass flow controller 244. The evaluation device 100 includes an anode CV line 20.

評価装置100が、燃料電池セル200を備えている。燃料電池セルとして、JARI標準セルを使用した。燃料電池セル200は、25cmの膜電極接合体(MEA)及びガス拡散層(GDL)を有していた。アノード触媒としては、Ptをアセチレンブラック上に担持したものを使用した。カソード触媒としては、PtCo触媒をアセチレンブラック上に担持したものを使用した。電解質膜としては、ゴアセレクト(登録商標)(ダブリュー.エル.ゴア アンド アソシエーツ,インコーポレイテッド)メンブレンを使用した。ICP分析によって計測した白金目付が、アノードにおいて0.035mg/cm、カソードにおいて0.40mg/cmであった。 The evaluation device 100 includes a fuel cell 200. A JARI standard cell was used as the fuel cell. The fuel cell 200 had a 25 cm 2 membrane electrode assembly (MEA) and a gas diffusion layer (GDL). As the anode catalyst, a catalyst in which Pt was supported on acetylene black was used. As the cathode catalyst, a PtCo catalyst supported on acetylene black was used. As the electrolyte membrane, a Gore Select (registered trademark) (W. L. Gore and Associates, Incorporated) membrane was used. Platinum basis weight measured by ICP analysis, 0.035 mg / cm 2 in the anode was 0.40 mg / cm 2 at the cathode.

燃料ガスとして、水素ガスを使用した。超高純度水素(100ppm以下)に対してファインピュアラー(リキッドガス製)を使用し、不純物を公称値で1ppb以下とした。硫化水素/水素バランスガスは、5.35ppmのガスを200ppbになるように希釈して、導入した(希釈率:26.75倍)。硫化水素/水素バランスガスは、乾燥状態で導入するため、導入した状態で露点校正を実施した。 Hydrogen gas was used as the fuel gas. A fine purer (manufactured by liquid gas) was used for ultra-high purity hydrogen (100 ppm or less), and the impurities were set to 1 ppb or less in a nominal value. The hydrogen sulfide / hydrogen balance gas was introduced by diluting 5.35 ppm of gas to 200 ppb (dilution rate: 26.75 times). Since the hydrogen sulfide / hydrogen balance gas is introduced in a dry state, dew point calibration was performed in the introduced state.

実験の前に、まず、0.9V〜0.1Vの電圧印加を100回にわたって行い、かつアノード及びカソードにおいて水素ガス/窒素ガスパージを行った。その上で、2.0A/cmの定電流発電を行い、燃料電池セルの電圧が安定していることを確認した。 Prior to the experiment, first, a voltage of 0.9V to 0.1V was applied 100 times, and hydrogen gas / nitrogen gas purging was performed at the anode and cathode. Then, a constant current power generation of 2.0 A / cm 2 was performed, and it was confirmed that the voltage of the fuel cell was stable.

≪実験1:被毒回復のための印加電圧条件≫
どの程度の電圧をアノードに印加すれば被毒回復効果が得られるのかについて、条件検討を行った。具体的には、硫化水素コンタミ試験による硫黄被毒の後に、種々の値の電圧をアノードに印加し、電池性能が回復したかどうかを調べた。
≪Experiment 1: Applied voltage condition for poison recovery≫
The conditions were examined as to how much voltage should be applied to the anode to obtain the poisoning recovery effect. Specifically, after sulfur poisoning by the hydrogen sulfide contamination test, various values of voltages were applied to the anode, and it was investigated whether the battery performance was recovered.

〈硫化水素コンタミ試験〉
硫化水素によってアノードを被毒させるために、硫化水素コンタミ試験を行った。具体的には、アノードに供給される水素の化学量論係数(ストイキ)を2.2とし、かつ電流密度を一定の値2.0A/cmとして、3時間にわたって、硫化水素を導入しつつ、燃料電池セルの発電を行った。燃料電池セルの運転条件の詳細を、下記の表1に示す。
<Hydrogen sulfide contamination test>
A hydrogen sulfide contamination test was performed to poison the anode with hydrogen sulfide. Specifically, the stoichiometric coefficient (stoichiometry) of hydrogen supplied to the anode is set to 2.2, and the current density is set to a constant value of 2.0 A / cm 2 , while hydrogen sulfide is being introduced over 3 hours. , Generated electricity from the fuel cell. Details of the operating conditions of the fuel cell are shown in Table 1 below.

Figure 2020177786
Figure 2020177786

〈ポテンショガルバノスタット試験〉
続いて、下記の表2の条件に従って、ポテンショガルバノスタットにより、10分間にわたってアノードに電圧を印加した(比較例2、実施例1〜4)。
<Potentiometer galvanostat test>
Subsequently, a voltage was applied to the anode by potentiogalvanostat for 10 minutes according to the conditions in Table 2 below (Comparative Example 2, Examples 1 to 4).

Figure 2020177786
Figure 2020177786

アノードへの電圧の印加条件を、下記の表3に示す。ここで、表3における印加電圧は、標準水素電極電位に対する電位を表している。 The conditions for applying the voltage to the anode are shown in Table 3 below. Here, the applied voltage in Table 3 represents the potential with respect to the standard hydrogen electrode potential.

比較例1では、硫化水素コンタミ試験による硫黄被毒のみを行い、アノードへの電圧の印加は行わなかった。参考例1では、硫化水素コンタミ試験もアノードへの電圧の印加も行っていない。参考例1は、硫黄被毒していない燃料電池セルに相当する。 In Comparative Example 1, only sulfur poisoning by the hydrogen sulfide contamination test was performed, and no voltage was applied to the anode. In Reference Example 1, neither the hydrogen sulfide contamination test nor the application of the voltage to the anode was performed. Reference Example 1 corresponds to a fuel cell that is not poisoned with sulfur.

〈燃料電池セルの性能評価〉
上記試験に続いて、2.0A/cmでのアノードに対するカソードの電位を計測し、発電性能を評価した。発電性能評価におけるアノードに対するカソード電位の計測値を、図3に示す。
<Performance evaluation of fuel cell>
Following the above test, the potential of the cathode with respect to the anode at 2.0 A / cm 2 was measured to evaluate the power generation performance. FIG. 3 shows the measured values of the cathode potential with respect to the anode in the power generation performance evaluation.

図3に示す計測結果に基づいて、被毒回復後の燃料電池セルを評価した。具体的には、発電性能評価時におけるアノードに対するカソードの計測電位値が、比較例1と比較して比較的大きかった場合を「〇」とした。発電性能評価時におけるアノードに対するカソードの計測電位値が、比較例1と比較して変化していない場合を「×」とした。結果を表3に示す。 Based on the measurement results shown in FIG. 3, the fuel cell after recovery from poisoning was evaluated. Specifically, the case where the measured potential value of the cathode with respect to the anode at the time of power generation performance evaluation was relatively large as compared with Comparative Example 1 was set as “◯”. The case where the measured potential value of the cathode with respect to the anode at the time of power generation performance evaluation did not change as compared with Comparative Example 1 was designated as “x”. The results are shown in Table 3.

Figure 2020177786
Figure 2020177786

図3及び表3で見られるように、硫黄被毒後に、標準水素電極電位を基準として0.8V以上のアノードへの電圧印加を行った実施例1〜4では、燃料電池セルの性能が回復していた。一方で、硫黄被毒後に、標準水素電極電位を基準として0.6Vのアノードへの電圧印加を行った比較例2では、燃料電池セルの性能の回復は見られなかった。なお、カソードにおける標準水素電極電位を0.6Vであるとすると、0.6V、0.8V、1.0V、1.2V及び1.3Vのアノードへの印加電圧の付与は、アノードに対するカソードの電位をそれぞれ0V,−0.2V、−0.4V,−0.6V、及び−0.7Vにすることに対応している。 As can be seen in FIGS. 3 and 3, in Examples 1 to 4 in which a voltage of 0.8 V or higher was applied to the anode with reference to the standard hydrogen electrode potential after sulfur poisoning, the performance of the fuel cell was recovered. Was. On the other hand, in Comparative Example 2 in which a voltage of 0.6 V was applied to the anode with reference to the standard hydrogen electrode potential after sulfur poisoning, no recovery in the performance of the fuel cell was observed. Assuming that the standard hydrogen electrode potential at the cathode is 0.6V, the application of voltages of 0.6V, 0.8V, 1.0V, 1.2V and 1.3V to the anode is applied to the cathode by the anode. It corresponds to setting the potentials to 0V, -0.2V, -0.4V, -0.6V, and -0.7V, respectively.

〈電気化学活性比表面積の評価〉
上記の性能評価に加えて、電極の活性評価を行った。これは、アノードCV波形から、電気化学活性比表面積(ECSA)を算出することによって行った。
<Evaluation of electrochemically active specific surface area>
In addition to the above performance evaluation, the electrode activity was evaluated. This was done by calculating the electrochemical active specific surface area (ECSA) from the anode CV waveform.

結果を図4に示す。 The results are shown in FIG.

図4は、電気化学活性比表面積(ECSA)の評価結果を示している。図4で見られるように、硫黄被毒後に標準水素電極を基準として0.8V以上のアノードへの電圧印加を行った実施例1〜4、すなわちアノードに対するカソードの電位を−0.2V以下にした実施例1〜4では、硫黄被毒後に電圧印加を行っていない比較例1と比較して、アノードにおけるECSA値が、比較的高い値を示した。一方で、硫黄被毒後に標準水素電極を基準として0.6Vのアノードへの電圧印加を行った比較例2、すなわちアノードに対するカソードの電位を0Vにした比較例2では、比較例1と比較して、アノードにおけるECSA値の大きな変化は見られなかった。 FIG. 4 shows the evaluation result of the electrochemical active specific surface area (ECSA). As can be seen in FIG. 4, Examples 1 to 4 in which a voltage of 0.8 V or more was applied to the anode with reference to the standard hydrogen electrode after sulfur poisoning, that is, the potential of the cathode with respect to the anode was set to −0.2 V or less. In Examples 1 to 4, the ECSA value at the anode was relatively high as compared with Comparative Example 1 in which no voltage was applied after sulfur poisoning. On the other hand, in Comparative Example 2 in which a voltage of 0.6 V was applied to the anode with reference to the standard hydrogen electrode after sulfur poisoning, that is, in Comparative Example 2 in which the potential of the cathode with respect to the anode was set to 0 V, it was compared with Comparative Example 1. Therefore, no significant change in the ECSA value at the anode was observed.

以上の結果から、アノードに、標準水素電極を基準として0.8V以上の電圧を印加すること、すなわちアノードに対するカソードの電位を−0.2V以下にすることによって、硫黄被毒の回復効果が得られることがわかった。 From the above results, the recovery effect of sulfur poisoning can be obtained by applying a voltage of 0.8 V or more to the anode with reference to the standard hydrogen electrode, that is, by setting the potential of the cathode with respect to the anode to -0.2 V or less. It turned out to be.

≪実験2:被毒回復及び回復評価≫
硫黄被毒させた燃料電池セルに対して、本開示の方法に従って、被毒回復を行った。
≪Experiment 2: Poison recovery and recovery evaluation≫
The sulfur-poisoned fuel cell was recovered from poisoning according to the method of the present disclosure.

〈硫化水素コンタミ試験〉
まず、既述した硫化水素コンタミ試験を行って、硫化水素によるアノードの被毒を行った。
<Hydrogen sulfide contamination test>
First, the hydrogen sulfide contamination test described above was carried out to poison the anode with hydrogen sulfide.

〈回復試験〉
上記の硫化水素コンタミ試験に続いて、本開示の方法に従って、燃料電池セルの被毒回復を行った。具体的には、カソードへの酸化剤ガスの供給を続けたまま、2.0A/cmの負荷を保持した状態で、アノードに供給される水素のストイキ(StH2)を、通常の運転時の2.2から、−0.01StH2/秒の速度で掃引した。本実験では、アノードに対するカソードの電位が−1.0Vに達したときに、水素のストイキが2.2に戻るように、燃料電池セルを制御した。本実験では、アノードに対するカソードの電位が連続して−0.2V以下である期間が、43秒であった。
<Recovery test>
Following the hydrogen sulfide contamination test described above, the fuel cell was recovered from poisoning according to the method of the present disclosure. Specifically, the hydrogen stoichiometric (St H2 ) supplied to the anode is operated during normal operation while maintaining a load of 2.0 A / cm 2 while continuing to supply the oxidant gas to the cathode. It was swept from 2.2 of the above at a rate of −0.01 St H2 / sec. In this experiment, the fuel cell was controlled so that the hydrogen stoichiometric returned to 2.2 when the cathode potential with respect to the anode reached -1.0 V. In this experiment, the period during which the cathode potential with respect to the anode was continuously −0.2 V or less was 43 seconds.

上記の硫化水素コンタミ試験及び回復試験を行っている間に、アノードに対するカソードの電位を計測し、記録した。 During the hydrogen sulfide contamination test and recovery test described above, the potential of the cathode with respect to the anode was measured and recorded.

結果を、図5及び図6に示す。 The results are shown in FIGS. 5 and 6.

図5は、本開示の方法に従って燃料電池セルを被毒回復した場合の電位の経時変化を示している。実線が、電位を示しており、点線が、水素の化学量論係数(ストイキ)を示している。 FIG. 5 shows the time course of the potential when the fuel cell is recovered from poisoning according to the method of the present disclosure. The solid line shows the electric potential, and the dotted line shows the stoichiometric coefficient (stoichiometry) of hydrogen.

図6は、図5における3.0時間〜3.5時間の部分を拡大したものである。3.0時間の時点は、アノードにおける水素のストイキの減少を開始した時点に相当する。 FIG. 6 is an enlargement of the portion of FIG. 5 from 3.0 hours to 3.5 hours. The time point of 3.0 hours corresponds to the time point when the reduction of hydrogen stoichiometricity at the anode was started.

図6で見られるように、水素のストイキの減少を開始してから、0.2時間にわたって、アノードに対するカソードの電位が、0V近辺を推移した。これは、水電解反応(2HO→4H+O+4e)が進行していることによると考えられる。 As can be seen in FIG. 6, the potential of the cathode with respect to the anode changed around 0 V for 0.2 hours after the decrease of hydrogen stoichiometry was started. It is considered that this is because the water electrolysis reaction (2H 2 O → 4H + + O 2 + 4e ) is in progress.

水素のストイキの減少を開始してから0.2時間を過ぎた時点(3.2時間)付近で、急激な電位低下が発生した。その後、アノードに対するカソードの電位が−1.0Vに到達すると、水素のストイキが2.2に戻ったことに伴って、電位が比較的緩やかに上昇した。 A sharp decrease in potential occurred around 0.2 hours (3.2 hours) after the start of the decrease in hydrogen stoichiometricity. After that, when the potential of the cathode with respect to the anode reached −1.0 V, the potential increased relatively slowly as the hydrogen stoichiometric returned to 2.2.

図5及び図6において見られるように、水素のストイキを減少させる直前の電圧値と比較して、回復試験後の電圧値が、比較的高くなっていた。具体的には、水素のストイキを減少させる直前の平均電圧値168mVに対して、回復試験後の安定域における平均電圧値が、258mVであった。 As can be seen in FIGS. 5 and 6, the voltage value after the recovery test was relatively high as compared with the voltage value immediately before reducing the hydrogen stoichiometry. Specifically, the average voltage value in the stable region after the recovery test was 258 mV with respect to the average voltage value of 168 mV immediately before reducing the hydrogen stoichiometric value.

したがって、アノードへの燃料ガスの供給量を減少させ、それにより、アノードに所定期間以下の期間にわたって連続して−0.2V以下の電位を印加することによって、被毒した燃料電池セルの発電性能が回復することがわかった。 Therefore, the power generation performance of the poisoned fuel cell by reducing the supply of fuel gas to the anode and thereby continuously applying a potential of −0.2 V or less to the anode for a period of less than a predetermined period. Was found to recover.

≪実験3:被毒回復後のアノード触媒の評価≫
上述の実験2において被毒回復を行った燃料電池セルに関して、アノード触媒のカーボン担体が劣化したか否かを確認した。
≪Experiment 3: Evaluation of anode catalyst after recovery from poisoning≫
It was confirmed whether or not the carbon carrier of the anode catalyst was deteriorated in the fuel cell in which the poisoning was recovered in the above experiment 2.

具体的には、上述の実験2における硫化水素コンタミ試験の前、及び回復試験の後に、下記の表4の条件に従って、アノードCVを測定した。そして、カーボンの二重層容量を推定するために、CV波形の0.4Vにおける電流密度差を比較した。 Specifically, the anode CV was measured before the hydrogen sulfide contamination test in Experiment 2 described above and after the recovery test according to the conditions shown in Table 4 below. Then, in order to estimate the double layer capacitance of carbon, the current density difference at 0.4 V of the CV waveform was compared.

Figure 2020177786
Figure 2020177786

その結果、硫化水素コンタミ試験の前と負電圧印加の後で、電流密度差に変化が見られなかった。したがって、上記の回復試験では、アノード触媒におけるカーボン担体の劣化は、起こっていなかったことがわかった。 As a result, no change was observed in the current density difference before the hydrogen sulfide contamination test and after applying the negative voltage. Therefore, in the above recovery test, it was found that the deterioration of the carbon carrier in the anode catalyst did not occur.

100 評価装置
200 燃料電池セル
20 アノードCVライン
22 燃料ガスタンク
24 硫化水素コンタミ用ガスタンク
26 酸化剤ガスタンク
224,244,264 マスフローコントローラ
226,266 加湿器
228,268 ドレン水容器
230,232 ベント
100 Evaluation device 200 Fuel cell cell 20 Anode CV line 22 Fuel gas tank 24 Gas tank for hydrogen sulfide contamination 26 Oxidizing agent gas tank 224,244,264 Mass flow controller 226,266 Humidifier 228,268 Drain water container 230,232 Vent

Claims (1)

燃料電池セルにおけるアノード触媒の硫黄被毒を回復する方法であって、以下の工程を有している、方法:
(a)カソードへの酸化剤ガスの供給を続けたまま、アノードへの燃料ガスの供給量を減少させ、それにより、前記アノードに対する前記カソードの電位が、−0.2V以下にまで低下するようにすること、
(b)工程(a)の後で、前記燃料ガスの供給量を回復させて、前記電位が連続して−0.2V以下である期間が、所定期間以下であるようにすること。
A method of recovering sulfur poisoning of an anode catalyst in a fuel cell, which comprises the following steps:
(A) While continuing to supply the oxidant gas to the cathode, the amount of fuel gas supplied to the anode is reduced so that the potential of the cathode with respect to the anode is lowered to -0.2 V or less. To
(B) After the step (a), the supply amount of the fuel gas is restored so that the period during which the potential is continuously −0.2 V or less is the predetermined period or less.
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