JP4733788B2 - Fuel cell system - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池システムに関し、さらに詳しくは、車載用動力源、定置型小型発電器、コジェネレーションシステム等として好適な燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly to a fuel cell system suitable as an in-vehicle power source, a stationary small power generator, a cogeneration system, and the like.

固体高分子型燃料電池は、固体高分子電解質膜の両面に電極が接合された膜電極接合体(MEA)を基本単位とする。また、固体高分子型燃料電池において、電極は、一般に、拡散層と触媒層の二層構造をとる。拡散層は、触媒層に反応ガス及び電子を供給するためのものであり、カーボンペーパー、カーボンクロス等が用いられる。また、触媒層は、電極反応の反応場となる部分であり、一般に、白金等の電極触媒を担持したカーボンと固体高分子電解質との複合体からなる。   A solid polymer fuel cell has a membrane electrode assembly (MEA) in which electrodes are bonded to both surfaces of a solid polymer electrolyte membrane as a basic unit. In the polymer electrolyte fuel cell, the electrode generally has a two-layer structure of a diffusion layer and a catalyst layer. The diffusion layer is for supplying reaction gas and electrons to the catalyst layer, and carbon paper, carbon cloth, or the like is used. The catalyst layer is a part that becomes a reaction field for electrode reaction, and generally comprises a composite of carbon carrying an electrode catalyst such as platinum and a solid polymer electrolyte.

このようなMEAを構成する電解質膜あるいは触媒層内電解質には、耐酸化性に優れた全フッ素系電解質(高分子鎖内にC−H結合を含まない電解質。例えば、ナフィオン(登録商標、デュポン社製)、アシプレックス(登録商標、旭化成(株)製)、フレミオン(登録商標、旭硝子(株)製)等。)を用いるのが一般的である。
また、全フッ素系電解質は、耐酸化性に優れるが、一般に極めて高価である。そのため、固体高分子型燃料電池の低コスト化を図るために、炭化水素系電解質(高分子鎖内にC−H結合を含み、C−F結合を含まない電解質)、又は、部分フッ素系電解質(高分子鎖内にC−H結合とC−F結合の双方を含む電解質)の使用も検討されている。
The electrolyte membrane or the catalyst layer electrolyte that constitutes such an MEA includes a perfluorinated electrolyte excellent in oxidation resistance (an electrolyte that does not contain a C—H bond in the polymer chain. For example, Nafion (registered trademark, DuPont). ), Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.), Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.), etc.) are generally used.
In addition, perfluorinated electrolytes are excellent in oxidation resistance but are generally very expensive. Therefore, in order to reduce the cost of the solid polymer fuel cell, a hydrocarbon electrolyte (an electrolyte that includes a C—H bond and does not include a C—F bond in a polymer chain) or a partial fluorine electrolyte The use of (electrolytes containing both C—H bonds and C—F bonds in the polymer chain) has also been studied.

しかしながら、固体高分子型燃料電池を車載用動力源等として実用化するためには、解決すべき課題が残されている。例えば、炭化水素系電解質は、全フッ素系電解質に比べて安価であるが、過酸化物ラジカルにより劣化しやすいという問題がある。また、固体高分子電解質は、一般に、電気伝導性を発現するには水を必要とする。そのため、固体高分子型燃料電池を高温低加湿条件下で作動させると、電解質膜の電気伝導度が低下し、高い出力は得られない。   However, in order to put the polymer electrolyte fuel cell into practical use as a vehicle-mounted power source, there remain problems to be solved. For example, hydrocarbon electrolytes are less expensive than perfluorinated electrolytes, but have a problem that they are easily degraded by peroxide radicals. In addition, solid polymer electrolytes generally require water to develop electrical conductivity. For this reason, when the polymer electrolyte fuel cell is operated under high temperature and low humidification conditions, the electrical conductivity of the electrolyte membrane decreases, and a high output cannot be obtained.

そこでこの問題を解決するために、従来から種々の提案がなされている。
例えば、特許文献1には、炭化水素系電解質に酸化マンガン、酸化ルテニウム、酸化イリジウム等の遷移金属酸化物微粒子を分散させた高耐久固体高分子電解質が開示されている。同文献には、炭化水素系電解質膜中に酸化ルテニウム等を分散させることによって、膜の耐酸化性が向上する点が記載されている。
In order to solve this problem, various proposals have heretofore been made.
For example, Patent Document 1 discloses a highly durable solid polymer electrolyte in which transition metal oxide fine particles such as manganese oxide, ruthenium oxide, and iridium oxide are dispersed in a hydrocarbon electrolyte. This document describes that the oxidation resistance of the membrane is improved by dispersing ruthenium oxide or the like in the hydrocarbon electrolyte membrane.

また、特許文献2には、炭化水素系固体高分子電解質膜に、酸化マンガン、酸化ルテニウム等の遷移金属酸化物触媒、あるいは、鉄フタロシアニン、銅フタロシアニン等の大環状金属錯体触媒を添加した固体高分子電解質膜が開示されている。同文献には、炭化水素系電解質に遷移金属酸化物触媒あるいは大環状金属錯体触媒を添加すると、電極反応の副反応により生じた過酸化水素が遷移金属酸化物触媒あるいは大環状金属錯体触媒によって分解され、炭化水素系電解質の耐酸化性が向上する点が記載されている。   Patent Document 2 discloses a solid polymer electrolyte membrane in which a transition metal oxide catalyst such as manganese oxide or ruthenium oxide or a macrocyclic metal complex catalyst such as iron phthalocyanine or copper phthalocyanine is added to a hydrocarbon solid polymer electrolyte membrane. A molecular electrolyte membrane is disclosed. In this document, when a transition metal oxide catalyst or a macrocyclic metal complex catalyst is added to a hydrocarbon-based electrolyte, hydrogen peroxide generated by the side reaction of the electrode reaction is decomposed by the transition metal oxide catalyst or the macrocyclic metal complex catalyst. The point that the oxidation resistance of the hydrocarbon electrolyte is improved is described.

また、特許文献3には、MEAに非水溶液(例えば、ギ酸+N−メチルアセトアミド)を含浸させた固体高分子型燃料電池が開示されている。同文献には、触媒層及び固体高分子電解質膜に非水溶液を含浸させることによって、無加湿条件下でもプロトン伝導性を示す点が記載されている。   Patent Document 3 discloses a polymer electrolyte fuel cell in which MEA is impregnated with a non-aqueous solution (for example, formic acid + N-methylacetamide). This document describes that proton conductivity is exhibited even under non-humidified conditions by impregnating a catalyst layer and a solid polymer electrolyte membrane with a non-aqueous solution.

また、特許文献4には、燃料ガス又は酸化剤ガスの少なくとも一方に、炭素−フッ素結合より小さい結合エネルギを有する分子を混合する高分子電解質型燃料電池が開示されている。同文献には、フッ素系電解質よりも酸化されやすい分子を燃料ガス又は酸化剤ガスに混合することによって、ラジカルによるフッ素系電解質の攻撃が抑制される点が記載されている。   Patent Document 4 discloses a polymer electrolyte fuel cell in which a molecule having a binding energy smaller than that of a carbon-fluorine bond is mixed in at least one of a fuel gas and an oxidant gas. This document describes that the attack of the fluorine-based electrolyte by radicals is suppressed by mixing molecules that are more easily oxidized than the fluorine-based electrolyte into the fuel gas or the oxidant gas.

さらに、特許文献5には、30〜70mol%のCOを含有したHをアノードに供給する固体高分子型燃料電池システムが開示されている。同文献には、水素ガスに多量のCOガスを混合することにより、静電気や摩擦による水素ガスの着火の危険性を減じることができる点が記載されている。 Further, Patent Document 5, a polymer electrolyte fuel cell system for supplying and H 2 in the anode containing 30~70Mol% of CO 2 have been disclosed. This document describes that the risk of ignition of hydrogen gas due to static electricity or friction can be reduced by mixing a large amount of CO 2 gas with hydrogen gas.

特開2001−118591号公報JP 2001-118591 A 特開2000−106203号公報JP 2000-106203 A 特開2002−110192号公報JP 2002-110192 A 特開2003−109623号公報JP 2003-109623 A 特開2004−095515号公報JP 2004-095515 A

Pt、Ru、Ir、Rh等の貴金属又はこれらの酸化物は、過酸化物を分解させる作用を有している。そのため、これらの粉末を炭化水素系電解質又は部分フッ素系電解質に添加すると、過酸化物ラジカルの発生が抑制され、耐酸化性を向上させることができる。しかしながら、貴金属は資源量が少なく、高価であるので、この方法は実用的ではない。
一方、大環状金属錯体や遷移金属酸化物は、過酸化水素を分解する作用があり、しかも、貴金属に比べて安価であるが、電子伝導性は低い。そのため、MEAの耐久性を向上させるためにこれらの化合物を電極に多量に添加すると、内部抵抗あるいは接触抵抗の上昇を招き、電池性能が低下するという問題がある。
Noble metals such as Pt, Ru, Ir, Rh or their oxides have an action of decomposing peroxides. Therefore, when these powders are added to a hydrocarbon-based electrolyte or a partial fluorine-based electrolyte, generation of peroxide radicals is suppressed, and oxidation resistance can be improved. However, this method is not practical because noble metals are low in resources and expensive.
On the other hand, macrocyclic metal complexes and transition metal oxides have an action of decomposing hydrogen peroxide and are cheaper than noble metals, but have low electron conductivity. Therefore, when a large amount of these compounds is added to the electrode in order to improve the durability of MEA, there is a problem that the internal resistance or the contact resistance is increased and the battery performance is lowered.

これに対し、燃料ガス又は酸化剤ガスにある種の有機物を添加すると、過酸化物ラジカルによる電解質の劣化をある程度抑制することができる。しかしながら、燃料電池の性能低下は、電解質の劣化だけでなく、触媒層や拡散層に含まれる炭素材料の劣化によっても起こりうる。また、このような炭素材料の劣化を積極的に抑制するための手段が提案された例は、従来にはない。   On the other hand, when a certain organic substance is added to the fuel gas or the oxidant gas, the deterioration of the electrolyte due to the peroxide radical can be suppressed to some extent. However, the performance deterioration of the fuel cell can be caused not only by the deterioration of the electrolyte but also by the deterioration of the carbon material contained in the catalyst layer and the diffusion layer. Further, there has never been an example in which means for positively suppressing such deterioration of the carbon material has been proposed.

本発明が解決しようとする課題は、炭素材料の劣化、及び、これに起因する燃料電池性能の低下を抑制することが可能な燃料電池システムを提供することにある。また、本発明が解決しようとする他の課題は、実用的であり、電池性能が高く、かつ、耐久性に優れた燃料電池システムを提供することにある。   The problem to be solved by the present invention is to provide a fuel cell system capable of suppressing the deterioration of the carbon material and the deterioration of the fuel cell performance resulting therefrom. Another object of the present invention is to provide a fuel cell system that is practical, has high battery performance, and is excellent in durability.

上記課題を解決するために、本発明に係る燃料電池システムは、燃料極及び空気極を備えた固体高分子型燃料電池と、前記空気極側のCO濃度を制御する第1CO濃度制御手段とを備えていることを要旨とする。
この場合、前記第1CO濃度制御手段は、前記固体高分子型燃料電池が開回路状態であり、かつ、作動温度が60℃以上である場合において、前記空気側にCOを供給するものが好ましい。
In order to solve the above problems, a fuel cell system according to the present invention includes a polymer electrolyte fuel cell having a fuel electrode and an air electrode, and first CO 2 concentration control means for controlling the CO 2 concentration on the air electrode side. And the gist of this.
In this case, the first CO 2 concentration control means supplies CO 2 to the air side when the polymer electrolyte fuel cell is in an open circuit state and the operating temperature is 60 ° C. or higher. preferable.

固体高分子型燃料電池の空気極側は、通常、高電位状態であるので、炭素材料が燃料電池内の水により酸化されやすい状態にある。そのため、少なくとも空気極側のCO濃度をある一定の値以上とすれば、炭素材料の酸化反応を抑制することができる。
また、この酸化反応は、固体高分子型燃料電池が開回路状態であり、かつ、作動温度が60℃以上である空気極において著しくなる。そのため、このような場合において、少なくとも空気極側にのみCOを供給すれば、多量のCOを用いることなく、炭素材料の消耗及びこれに起因する燃料電池の性能低下を効率よく抑制することができる。
Since the air electrode side of the polymer electrolyte fuel cell is usually in a high potential state, the carbon material is easily oxidized by water in the fuel cell. Therefore, if at least the CO 2 concentration on the air electrode side is set to a certain value or more, the oxidation reaction of the carbon material can be suppressed.
Further, this oxidation reaction becomes significant at the air electrode where the polymer electrolyte fuel cell is in an open circuit state and the operating temperature is 60 ° C. or higher. Therefore, in such a case, if CO 2 is supplied only to at least the air electrode side, the consumption of the carbon material and the resulting deterioration in the performance of the fuel cell can be efficiently suppressed without using a large amount of CO 2. Can do.

以下、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。図1に、燃料電池システムの一例を示す。図1において、燃料電池システム10は、固体高分子型燃料電池20と、燃料ガス供給装置30と、酸化剤ガス供給装置50と、加湿経路70とを備えている。   Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail. FIG. 1 shows an example of a fuel cell system. In FIG. 1, the fuel cell system 10 includes a polymer electrolyte fuel cell 20, a fuel gas supply device 30, an oxidant gas supply device 50, and a humidification path 70.

固体高分子型燃料電池20は、図示はしないが、固体高分子電解質膜の両面に電極(燃料極、空気極)が接合された膜電極接合体(MEA)と、MEAの両面を挟持するセパレータとを備えている。セパレータのMEA側表面には、燃料ガス又は酸化剤ガスを電極に供給するためのガス流路が設けられている。固体高分子型燃料電池20は、一般に、このようなMEAとセパレータからなるユニットセルが複数個積層されたものからなる。
燃料ガス供給装置30から供給される燃料ガス(例えば、水素ガス)は、吸気マニホールド(図示せず)を介して各MEAの燃料極側に分配され、各燃料極から排出されるガスは、排気マニホールド(図示せず)を介して排出されるようになっている。同様に、酸化剤ガス供給装置50から供給される酸化剤ガス(例えば、空気)は、吸気マニホールド(図示せず)を介して各MEAの空気極側に分配され、各空気極から排出されるガスは、排気マニホールド(図示せず)を介して排出されるようになっている。
さらに、固体高分子型燃料電池20には、その運転状態の監視・制御を行うための各種センサ(例えば、電圧測定装置22、温度測定装置24等)が設けられている。
Although not shown, the polymer electrolyte fuel cell 20 includes a membrane electrode assembly (MEA) in which electrodes (fuel electrode and air electrode) are bonded to both surfaces of a solid polymer electrolyte membrane, and a separator that holds both surfaces of the MEA. And. A gas flow path for supplying a fuel gas or an oxidant gas to the electrode is provided on the surface of the separator on the MEA side. The polymer electrolyte fuel cell 20 is generally formed by stacking a plurality of unit cells composed of such MEAs and separators.
The fuel gas (for example, hydrogen gas) supplied from the fuel gas supply device 30 is distributed to the fuel electrode side of each MEA via an intake manifold (not shown), and the gas discharged from each fuel electrode is exhausted. It is discharged through a manifold (not shown). Similarly, an oxidant gas (for example, air) supplied from the oxidant gas supply device 50 is distributed to the air electrode side of each MEA via an intake manifold (not shown), and is discharged from each air electrode. The gas is discharged through an exhaust manifold (not shown).
Furthermore, the polymer electrolyte fuel cell 20 is provided with various sensors (for example, a voltage measuring device 22, a temperature measuring device 24, etc.) for monitoring and controlling the operation state.

MEAを構成する固体高分子電解質膜には、ナフィオン(登録商標、デュポン社製)に代表されるパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマや、各種炭化水素系電解質が用いられる。電極は、一般に、固体高分子電解質膜の表面に接合された触媒層と、その外側に接合された拡散層の二層構造をとる。拡散層は、一般に、カーボンペーパ、カーボンクロス等からなり、触媒層は、一般に、白金等の電極触媒を担持したカーボンと固体高分子電解質(触媒層内電解質)との複合体からなる。触媒層内電解質は、一般に、固体高分子電解質膜と同一の材料が用いられるが、異なる材料を用いても良い。さらに、セパレータには、一般にカーボンが用いられるが、Ti、ステンレス鋼、Sn合金等の金属材料の使用も検討されている。   For the polymer electrolyte membrane constituting the MEA, perfluorocarbon sulfonic acid polymer represented by Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont) and various hydrocarbon electrolytes are used. The electrode generally has a two-layer structure of a catalyst layer bonded to the surface of the solid polymer electrolyte membrane and a diffusion layer bonded to the outside thereof. The diffusion layer is generally composed of carbon paper, carbon cloth or the like, and the catalyst layer is generally composed of a composite of carbon carrying an electrode catalyst such as platinum and a solid polymer electrolyte (electrolyte in the catalyst layer). The catalyst layer electrolyte is generally made of the same material as the solid polymer electrolyte membrane, but a different material may be used. Furthermore, although carbon is generally used for the separator, the use of metal materials such as Ti, stainless steel, and Sn alloys is also being studied.

燃料ガス供給装置30は、吸気系統と排気系統とを備えている。吸気系統は、燃料ガスである水素を貯蔵する水素ボンベ32と、水素ボンベ32と固体高分子型燃料電池20の燃料極側の吸気マニホールド(図示せず)とを繋ぐ水素吸気管34aとを備えている。水素吸気管34aには、水素ボンベ32から水素吸気管34aに流入する水素ガスの圧力を調整するための圧力調整バルブ34bと、燃料極側に供給される水素量を調節するための水素吸気バルブ34cが設けられている。   The fuel gas supply device 30 includes an intake system and an exhaust system. The intake system includes a hydrogen cylinder 32 that stores hydrogen as a fuel gas, and a hydrogen intake pipe 34 a that connects the hydrogen cylinder 32 and an intake manifold (not shown) on the fuel electrode side of the polymer electrolyte fuel cell 20. ing. The hydrogen intake pipe 34a includes a pressure adjustment valve 34b for adjusting the pressure of hydrogen gas flowing into the hydrogen intake pipe 34a from the hydrogen cylinder 32, and a hydrogen intake valve for adjusting the amount of hydrogen supplied to the fuel electrode side. 34c is provided.

燃料ガス供給装置30の排気系統は、固体高分子型燃料電池20の燃料極側の排気マニホールド(図示せず)に繋がれた水素排気管36aと、水素排気管36aを介して排出される排ガスに含まれる水を分離するための水素気液分離器38と、水素オフガスを再循環して使うために、オフガスを昇圧するための水素ポンプ40とを備えている。
水素ポンプ40の下流側には、背圧を調整するためのバルブ36bが設けられている。水素ポンプ40及びバルブ36bを介して排出された排ガスは、空気極側の排ガスによって希釈され、大気中に排出されるようになっている。
The exhaust system of the fuel gas supply device 30 includes a hydrogen exhaust pipe 36a connected to an exhaust manifold (not shown) on the fuel electrode side of the polymer electrolyte fuel cell 20, and an exhaust gas exhausted through the hydrogen exhaust pipe 36a. Are provided with a hydrogen gas-liquid separator 38 for separating water contained in the water and a hydrogen pump 40 for increasing the pressure of the off-gas in order to recycle and use the hydrogen off-gas.
A valve 36 b for adjusting the back pressure is provided on the downstream side of the hydrogen pump 40. The exhaust gas discharged through the hydrogen pump 40 and the valve 36b is diluted with the exhaust gas on the air electrode side and discharged into the atmosphere.

また、水素気液分離器38には配水管40aが繋がれ、配水管40aにはこれを開閉するための開閉バルブ40bが設けられている。水素気液分離器30は、排ガスから分離された水を配水管40aから系外に排出する構造になっている。
さらに、水素吸気管34aの圧力調整バルブ34b−水素吸気バルブ34c間と、水素排気管36aの水素ポンプ40−バルブ36b間とは、逆止弁42bを備えた連結管42aで繋がれている。SUS製の逆止弁42bは、排気側からの大気の混入を防止するためのものである。
Further, a water pipe 40a is connected to the hydrogen gas-liquid separator 38, and the water pipe 40a is provided with an opening / closing valve 40b for opening and closing the pipe. The hydrogen gas-liquid separator 30 is configured to discharge water separated from the exhaust gas from the water distribution pipe 40a to the outside of the system.
Further, the pressure adjusting valve 34b-hydrogen intake valve 34c of the hydrogen intake pipe 34a and the hydrogen pump 40-valve 36b of the hydrogen exhaust pipe 36a are connected by a connecting pipe 42a provided with a check valve 42b. The SUS check valve 42b is for preventing air from entering from the exhaust side.

酸化剤ガス供給装置50は、吸気系統と排気系統とを備えている。吸気系統は、固体高分子型燃料電池20の空気極側の吸気マニホールド(図示せず)に繋がれた空気吸気管52と、空気吸気管52に流入した空気を加湿するための加湿器54と、加湿された空気を所定の圧力に加圧するための空気圧縮機56とを備えている。
酸化剤ガス供給装置50の排気系統は、固体高分子型燃料電池20の空気極側の排気マニホールド(図示せず)に繋がれた空気排気管58と、空気排気管58を介して排出される排ガスに含まれる水分を分離する空気気液分離器60とを備えている。水分が分離された空気極側の排ガスは、希釈水素の排気系に導かれるようになっている。
空気気液分離器60には、回収管62aを介して加湿器54に繋がれている。空気気液分離器60は、排ガスから分離された水を回収管62aに排出する構造になっている。また、回収管62aには、空気気液分離器60の水を加湿器54側又は排水側に切り替えるための三方弁62bと、回収管62aを開閉するための開閉バルブ62cが設けられている。
The oxidant gas supply device 50 includes an intake system and an exhaust system. The intake system includes an air intake pipe 52 connected to an intake manifold (not shown) on the air electrode side of the polymer electrolyte fuel cell 20, and a humidifier 54 for humidifying the air flowing into the air intake pipe 52. And an air compressor 56 for pressurizing the humidified air to a predetermined pressure.
The exhaust system of the oxidant gas supply device 50 is exhausted through an air exhaust pipe 58 connected to an exhaust manifold (not shown) on the air electrode side of the polymer electrolyte fuel cell 20 and the air exhaust pipe 58. And an air-gas-liquid separator 60 for separating moisture contained in the exhaust gas. The exhaust gas on the air electrode side from which moisture has been separated is led to an exhaust system for diluted hydrogen.
The air / gas separator 60 is connected to the humidifier 54 via a recovery pipe 62a. The air-liquid separator 60 has a structure for discharging water separated from the exhaust gas to the recovery pipe 62a. The recovery pipe 62a is provided with a three-way valve 62b for switching the water of the air-gas / liquid separator 60 to the humidifier 54 side or the drain side, and an open / close valve 62c for opening and closing the recovery pipe 62a.

加湿経路70は、固体高分子型燃料電池20に水及び/若しくは水蒸気を供給し、並びに/又は、個体高分子型燃料電池20から排出される水及び/若しくは水蒸気を回収するためのものである。図1に例示する燃料電池システム10においては、加湿経路70は、空気吸気管52、加湿器54、空気圧縮機56、固体高分子型燃料電池20、空気排気管58、空気気液分離器60、回収管62a、三方弁62b、及び、開閉バルブ62cによって構成されている。   The humidification path 70 is for supplying water and / or water vapor to the polymer electrolyte fuel cell 20 and / or for collecting water and / or water vapor discharged from the solid polymer fuel cell 20. . In the fuel cell system 10 illustrated in FIG. 1, the humidification path 70 includes an air intake pipe 52, a humidifier 54, an air compressor 56, a polymer electrolyte fuel cell 20, an air exhaust pipe 58, and an air / liquid separator 60. , A recovery pipe 62a, a three-way valve 62b, and an on-off valve 62c.

なお、図1に示す燃料電池システムにおいて、回収管62a及び開閉バルブ62cを省略しても良い。この場合、加湿経路70は、酸化剤ガス供給装置50の吸気系統及び固体高分子型燃料電池20のみにより構成される。
また、図1に示す燃料電池システム10において、水素吸気管34aのいずれかに、燃料ガスを加湿するための加湿器を設けてもよい。この場合、水素吸気管34a及び燃料極側の加湿器、並びに、水素吸気管34aに設けられた各種バルブは、加湿経路70の構成要素となる。
また、図1に示す燃料電池システム10において、燃料極側から排出される水を回収し、固体高分子型燃料電池20の加湿に用いるための循環経路を設けてもよい。この場合、燃料ガス供給装置30の吸気系統に加えて、排気系統の一部(例えば、水素排気管36a、水素気液分離器38、開閉バルブ40b、水素ポンプ40など)も、加湿経路70の構成要素となる。
さらに、図1に示す燃料電池システム10において、燃料源として水素ボンベ32を用いているが、これに代えて改質器システムを用いても良い。また、酸化剤ガスとして、空気を用いているが、これに代えて酸素、あるいは、酸素+窒素の混合ガスなどを用いても良い。
In the fuel cell system shown in FIG. 1, the recovery pipe 62a and the opening / closing valve 62c may be omitted. In this case, the humidification path 70 is configured only by the intake system of the oxidant gas supply device 50 and the polymer electrolyte fuel cell 20.
In the fuel cell system 10 shown in FIG. 1, a humidifier for humidifying the fuel gas may be provided in any of the hydrogen intake pipes 34a. In this case, the hydrogen intake pipe 34a, the fuel electrode side humidifier, and various valves provided in the hydrogen intake pipe 34a are components of the humidification path 70.
Further, in the fuel cell system 10 shown in FIG. 1, a circulation path for collecting water discharged from the fuel electrode side and using it for humidification of the polymer electrolyte fuel cell 20 may be provided. In this case, in addition to the intake system of the fuel gas supply device 30, a part of the exhaust system (for example, the hydrogen exhaust pipe 36 a, the hydrogen gas-liquid separator 38, the open / close valve 40 b, the hydrogen pump 40) is also connected to the humidification path 70. It becomes a component.
Furthermore, in the fuel cell system 10 shown in FIG. 1, the hydrogen cylinder 32 is used as a fuel source, but a reformer system may be used instead. Further, air is used as the oxidant gas, but oxygen or a mixed gas of oxygen and nitrogen may be used instead.

加湿経路70の各構成要素には、目的に応じて、ステンレス鋼、Ti合金、Pb合金、セラミック材料、ガラス、耐熱エンジニアリングプラスチックス(例えば、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)樹脂など)、フッ素系樹脂(例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、PFA、エチレンテトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)など)等の各種の材料が用いられている。   For each component of the humidification path 70, stainless steel, Ti alloy, Pb alloy, ceramic material, glass, heat-resistant engineering plastics (for example, polyether ether ketone (PEEK) resin, etc.), fluorine-based resin are used depending on the purpose. Various materials such as polytetrafluoroethylene (PTFE), PFA, ethylenetetrafluoroethylene copolymer (ETFE) and the like are used.

本発明は、上述した燃料電池システム10において、空気極側のCO濃度を制御する第1CO濃度制御手段を備えていることを特徴とする。
空気極側のCO濃度は、10000ppm以下が好ましい。CO濃度が過剰になると、過剰のCOが電極反応を阻害する場合がある。また、必要以上のCOの添加は、多量のCOを必要とし、COの発生及び/又は貯蔵のために相対的に大きな装置が必要となるので、かえって効率を低下させる原因となる。最適なCO濃度は、燃料電池の作動条件により異なるが、炭素材料の劣化を抑制するためには、少なくとも500ppm以上とするのが好ましい。
The present invention is characterized in that the fuel cell system 10 described above includes first CO 2 concentration control means for controlling the CO 2 concentration on the air electrode side.
The CO 2 concentration on the air electrode side is preferably 10,000 ppm or less. When the CO 2 concentration becomes excessive, excessive CO 2 may inhibit the electrode reaction. Moreover, addition of CO 2 more than necessary requires a large amount of CO 2 , and a relatively large apparatus is required for generation and / or storage of CO 2 , which causes a decrease in efficiency. The optimum CO 2 concentration varies depending on the operating conditions of the fuel cell, but is preferably at least 500 ppm or more in order to suppress the deterioration of the carbon material.

空気極側のCO濃度を制御する方法には、種々の方法がある。中でも、第1CO濃度制御手段は、COガスを発生又は貯蔵するためのCO供給手段と、CO供給手段から供給されるCOガスを含む酸化剤ガス及び/又は加湿水を空気極に供給するCO添加手段とを備えているものが好ましい。このような構成を備えた第1CO濃度制御手段は、具体的には、以下のようなものがある。 There are various methods for controlling the CO 2 concentration on the air electrode side. Of these, the 1 CO 2 concentration control means, CO 2 and CO 2 supply means for generating or storing gas, CO 2 containing gas and / or humidification water an air electrode including CO 2 gas supplied from the supply means It is preferable to include a CO 2 addition means to be supplied to. Specifically, the first CO 2 concentration control means having such a configuration includes the following.

第1CO濃度制御手段の第1の具体例は、燃料ガス供給源として、上述した水素ボンベ32に代えて、ナフサ、天然ガス、石油コークスガス等を熱分解させることにより改質ガスを発生させる「改質ガス発生システム」を用いた場合において、大量に副生成するCOガスの一部を改質ガスから分離する分離手段(CO供給手段)と、分離されたCOを酸化剤ガス及び/又は加湿水に添加するCO添加手段とを備えている。 In the first specific example of the first CO 2 concentration control means, a reformed gas is generated by thermally decomposing naphtha, natural gas, petroleum coke gas or the like as a fuel gas supply source instead of the hydrogen cylinder 32 described above. In the case of using the “reformed gas generation system”, a separation means (CO 2 supply means) for separating a part of the CO 2 gas by-produced in large quantities from the reformed gas, and the separated CO 2 as an oxidant gas And / or CO 2 addition means for adding to the humidified water.

改質ガスに含まれるCOガスは、具体的には、
(1) リチウムシリケート等のガラスやゼオライト等のセラミックス膜あるいはグラフトポリマー膜(膜分離法)、
(2) 吸着剤を利用したPSA(圧力スウィング吸着方式)、
(3) 低温に冷却する深冷分離方式、
(4) アルカリ溶液やCaO等の酸化物にCOを吸収させ、加熱又は減圧により気化させる吸収/気化方式、
などにより分離することができる。分離されたCOガスは、直接、空気吸気管52に導入しても良く、あるいは、加湿器54内に設けられた、蒸気又はミストに変換される加湿水を保持するための第1の水槽(図示せず)又は加湿器54外に設けられ、加湿器54に補給する加湿水を滞留させるための第2の水槽(図示せず)に導入しても良い。また、COガスを空気吸気管52に導入すると同時に、第1の水槽及び/又は第2の水槽に導入しても良い。
水槽内にCOガスを導入する場合、その一部は、水槽内の水に溶解する。その他のCOガスは、加湿器54で発生させる水蒸気又はミストと共に、空気供給管52に導入される。酸化剤ガス及び/又は加湿水へのCOの添加量(すなわち、空気極側のCO濃度)は、分離手段から加湿系へのCOガスの流量を制御することにより、調節することができる。
Specifically, the CO 2 gas contained in the reformed gas is
(1) Glass such as lithium silicate, ceramic membrane such as zeolite or graft polymer membrane (membrane separation method),
(2) PSA (pressure swing adsorption method) using an adsorbent,
(3) Cryogenic separation system that cools to low temperature,
(4) An absorption / vaporization method in which CO 2 is absorbed by an oxide such as an alkaline solution or CaO, and vaporized by heating or decompression,
Etc. can be separated. The separated CO 2 gas may be directly introduced into the air intake pipe 52 or a first water tank provided in the humidifier 54 for holding humidified water converted into steam or mist. (Not shown) or provided outside the humidifier 54 and may be introduced into a second water tank (not shown) for retaining humidified water to be supplied to the humidifier 54. Further, the CO 2 gas may be introduced into the first water tank and / or the second water tank at the same time when the CO 2 gas is introduced into the air intake pipe 52.
When CO 2 gas is introduced into the water tank, a part thereof is dissolved in the water in the water tank. Other CO 2 gas is introduced into the air supply pipe 52 together with water vapor or mist generated by the humidifier 54. The amount of CO 2 added to the oxidant gas and / or humidified water (ie, the CO 2 concentration on the air electrode side) can be adjusted by controlling the flow rate of the CO 2 gas from the separation means to the humidification system. it can.

第1CO濃度制御手段の第2の具体例は、COボンベからなるCO供給手段と、COボンベから供給されるCOガスを酸化剤ガス及び/又は加湿水に添加するCO添加手段とを備えている。この場合、(1)COボンベから供給されるCOガスは、直接、空気吸気管52に導入しても良く、あるいは、これに代えて又はこれに加えて、第1の水槽及び/又は第2の水槽に導入しても良い点、並びに、(2)酸化剤ガス及び/又は加湿水へのCOの添加量は、ガスボンベから加湿系へのCOガスの流量を制御することにより調節することができる点は、第1の具体例と同様である。 A second specific example of the 1 CO 2 concentration control means, CO 2 and CO 2 supply means comprising a cylinder, CO 2 added the addition of CO 2 gas supplied from the CO 2 cylinder to the oxidizing gas and / or humidification water Means. In this case, (1) CO 2 gas supplied from the CO 2 cylinder directly, may be introduced into the air intake pipe 52, or, alternatively or additionally to this, the first water tank and / or The point that may be introduced into the second water tank, and (2) the amount of CO 2 added to the oxidant gas and / or humidified water is controlled by controlling the flow rate of CO 2 gas from the gas cylinder to the humidifying system. The points that can be adjusted are the same as in the first specific example.

第1CO濃度制御手段の第3の具体例は、予めCOガスを溶解させた水を貯蔵する貯蔵手段(CO供給手段)と、COガスを溶解させた水を加湿水に用いて、その蒸気又はミストを酸化剤ガスに添加するCO添加手段とを備えている。
この場合、酸化剤ガスへのCOガスの添加量は、加湿水に含まれるCOガスの溶解量及び/又は加湿量を制御することにより調節することができる。あるいは、COガスの溶解量の異なる複数種類の加湿水を用意し、燃料電池の出力に応じて、これらを使い分けても良い。
A third specific example of the 1 CO 2 concentration control means includes a storage means for storing a pre-dissolved CO 2 gas water (CO 2 supply means), with water to dissolve the CO 2 gas in the humidifying water And CO 2 addition means for adding the vapor or mist to the oxidant gas.
In this case, the amount of CO 2 gas added to the oxidant gas can be adjusted by controlling the amount of dissolved CO 2 gas and / or the amount of humidification contained in the humidified water. Alternatively, a plurality of types of humidified water having different amounts of dissolved CO 2 gas may be prepared and used depending on the output of the fuel cell.

第1CO濃度制御手段の第4の具体例は、炭素材料からなる陽極と、対極とを用いて、水を電気分解させることによりCOガスを発生させる電解溶入手段(CO供給手段)と、発生させたCOガスを含む酸化剤ガス及び/又は加湿水を空気極に供給するCO添加手段とを備えている。 A fourth specific example of the first CO 2 concentration control means is an electrolytic infusion means (CO 2 supply means) that generates CO 2 gas by electrolyzing water using an anode made of a carbon material and a counter electrode. And CO 2 addition means for supplying an oxidant gas containing the generated CO 2 gas and / or humidified water to the air electrode.

「電解溶入」とは、炭素材料を陽極として水を電気分解させることにより、COを発生させることをいう。発生したCOの一部は、水中に溶解し、他の一部は、COガスとなって気相中に放出される。炭素材料を陽極とした水の電気分解は、次の(1)式で表すことができる。
C+2HO → CO+4H+4e ・・・(1)
“Electrolytic penetration” refers to the generation of CO 2 by electrolyzing water with a carbon material as an anode. Part of the generated CO 2 is dissolved in water, and the other part is released as CO 2 gas into the gas phase. The electrolysis of water using a carbon material as an anode can be expressed by the following equation (1).
C + 2H 2 O → CO 2 + 4H + + 4e (1)

電解溶入のための水は、電解質膜を加湿するための加湿水であっても良く、あるいは、加湿水以外の水であっても良い。加湿水以外の水を用いて電解溶入を行う場合、気相中に放出されたCOガスのみを取り出し、これを酸化剤ガス及び/又は加湿水に添加することになる。一方、加湿水を用いて電解溶入を行う場合、気相中に放出されたCOガスだけでなく、加湿水中に溶解しているCOガスもまた空気極に供給することができる。従って、発生させたCOガスを効率よく利用するためには、加湿水を用いて電解溶入を行うのが好ましい。 The water for electrolytic welding may be humidified water for humidifying the electrolyte membrane, or water other than the humidified water. When performing electrolytic infusion using water other than humidified water, only the CO 2 gas released into the gas phase is taken out and added to the oxidant gas and / or humidified water. On the other hand, when performing electrolytic infusion using humidified water, not only CO 2 gas released into the gas phase but also CO 2 gas dissolved in the humidified water can be supplied to the air electrode. Therefore, in order to efficiently use the generated CO 2 gas, it is preferable to perform electrolytic infusion using humidified water.

通常の加湿において、一般に使用される水は、0.1〜1μScm程度の導電性の低いイオン交換水である。従って、加湿水を用いて電解溶入を行う場合、極間距離(陽極と対極の最短極)は、10mm以下とするのが好ましい。導電性の低いイオン交換水を電気分解する場合において、極間距離が10mmを超えると、電解電圧が高くなるので好ましくない。
また、加湿水を用いて電解溶入を行う場合、加湿水として予めCOガスで飽和させた水を用いても良い。COガスを飽和させた水は、イオン交換水に比べて電気伝導度が高くなるので、電解電圧を下げることができる。また、不純物カチオンを含まないので、これを空気極に供給しても燃料電池の電極及び電解質膜の耐久性を低下させることもない。
In normal humidification, generally used water is ion-exchanged water having a low conductivity of about 0.1 to 1 μScm. Accordingly, when electrolytic welding is performed using humidified water, the distance between the electrodes (the shortest electrode between the anode and the counter electrode) is preferably 10 mm or less. In the case of electrolyzing ion-exchanged water having low conductivity, it is not preferable that the distance between the electrodes exceeds 10 mm because the electrolytic voltage becomes high.
In addition, when electrolytic welding is performed using humidified water, water previously saturated with CO 2 gas may be used as the humidified water. Since water saturated with CO 2 gas has higher electrical conductivity than ion exchange water, the electrolysis voltage can be lowered. Further, since it does not contain impurity cations, even if it is supplied to the air electrode, the durability of the electrode of the fuel cell and the electrolyte membrane is not lowered.

陽極の炭素材料には、天然黒鉛、人造黒鉛、グラッシーカーボン、樹脂成形カーボン等を用いることができる。陽極の形状は、特に限定されるものではなく、種々の形状を取ることができる。例えば、陽極は、平板状、丸棒、あるいは、角柱状であっても良い。また、陽極は、球状や塊状の炭素材料であっても良い。
但し、球状又は塊状の炭素材料を用いる場合、導電性を確保するために、TiあるいはPt製のメッシュバスケットに炭素材料を入れる必要がある。
また、電解中に炭素電極微粉が脱落し、水中に微粉が浮遊することがある。このような場合において、この水を直接、燃料電池の加湿系に供給すると、微粉が燃料電池のガス流路等を閉塞させるおそれがある。従って、このような場合には、電極に微多孔性のバッグフィルタを装着しておくことが望ましい。
As the carbon material for the anode, natural graphite, artificial graphite, glassy carbon, resin-molded carbon, or the like can be used. The shape of the anode is not particularly limited, and can take various shapes. For example, the anode may be flat, round bar, or prismatic. The anode may be a spherical or massive carbon material.
However, when a spherical or massive carbon material is used, it is necessary to put the carbon material in a mesh basket made of Ti or Pt in order to ensure conductivity.
Moreover, the carbon electrode fine powder may fall off during electrolysis, and the fine powder may float in water. In such a case, if this water is supplied directly to the humidification system of the fuel cell, the fine powder may block the gas flow path of the fuel cell. Therefore, in such a case, it is desirable to attach a microporous bag filter to the electrode.

一方、対極(陰極)の材料は、特に限定されるものではなく、種々の材料を用いることができる。例えば、対極には、上述した各種の炭素材料を用いても良く、あるいは、不溶性の他の材料(例えば、Pt、Au、Ti、Nb、SUS等)を用いることができる。
対極の形状も特に限定されるものではなく、平板状、丸棒、角柱状等、種々の形状を取ることができる。また、水を貯留する電解槽(水槽)が導電性材料からなる場合、電解槽自身を対極に用いても良い。
On the other hand, the material of the counter electrode (cathode) is not particularly limited, and various materials can be used. For example, the various carbon materials described above may be used for the counter electrode, or other insoluble materials (for example, Pt, Au, Ti, Nb, SUS, etc.) may be used.
The shape of the counter electrode is not particularly limited, and various shapes such as a flat plate shape, a round bar, and a prismatic shape can be taken. Moreover, when the electrolytic cell (water tank) which stores water consists of an electroconductive material, you may use the electrolytic cell itself for a counter electrode.

電解溶入の際の電流密度は、1mA/cm以上10mA/cm以下が好ましい。電流密度が1mA/cm未満では、COの発生効率が低下する。一方、電流密度が10mA/cmを超えると、電流効率が低下したり、陽極が脱落して単寿命となる場合がある。 The current density at the time of electrolytic welding is preferably 1 mA / cm 2 or more and 10 mA / cm 2 or less. When the current density is less than 1 mA / cm 2 , CO 2 generation efficiency decreases. On the other hand, if the current density exceeds 10 mA / cm 2 , the current efficiency may be reduced, or the anode may fall off, resulting in a single life.

電解方法は、(1)炭素材料を陽極とする定電流あるいは定電圧の直流電解、(2)適時(例えば、30秒〜1分間毎に)、極性を変えるPR電解、(3)交流電解、のいずれであっても良い。特に、PR通電を行うと、水に含まれるFe2+、Ca2+、Mg2+等のイオンが陰極となった電極表面に水酸化物として沈着して除去されるため、極性を切り替えることなく電解を行った場合に問題となる電解効率の低下や、不純物カチオンを含む加湿水を燃料電池に供給した場合に生ずる電解質のプロトン交換を妨げることができる。
また、バッグフィルタを装着した電解槽自身を陰極とすると、通電時に、Ca2+、Mg2+等のイオン以外に、配管やセパレータ、拡散層、触媒層等から水中に溶出した不純物カチオン(例えば、Fe2+、Ni2+等)を陰極で回収でき、水の純度を上げることができるため、燃料電池の電極及び電解質膜の耐久性を増すことができる。
このようなカチオン除去システムを備えた溶解溶入システムを用いると、排水を再循環させる加湿系においても、長期間の耐久性を維持することができる。
Electrolysis methods are (1) DC electrolysis with a constant current or voltage using a carbon material as an anode, (2) PR electrolysis that changes polarity in a timely manner (for example, every 30 seconds to 1 minute), (3) AC electrolysis, Either may be sufficient. In particular, when PR energization is performed, ions such as Fe 2+ , Ca 2+ , and Mg 2+ contained in water are deposited and removed as hydroxides on the electrode surface serving as a cathode, so that electrolysis can be performed without switching the polarity. When this is done, it is possible to prevent a decrease in electrolytic efficiency, which is a problem when performed, and electrolyte proton exchange that occurs when humidified water containing impurity cations is supplied to the fuel cell.
Further, when the electrolytic cell itself equipped with a bag filter and a cathode, when energized, Ca 2+, in addition to ions of Mg 2+, etc., pipes and separators, the diffusion layer, an impurity cations leached from the catalyst layer or the like in water (e.g., Fe 2+ , Ni 2+ and the like) can be collected at the cathode, and the purity of the water can be increased, so that the durability of the electrode of the fuel cell and the electrolyte membrane can be increased.
When a dissolution and infusion system including such a cation removal system is used, long-term durability can be maintained even in a humidification system that recirculates wastewater.

加湿水を用いて電解溶入を行う場合、電解溶入は、加湿器54内部の第1の水槽内に電極を設け、第1の水槽内部で行っても良く、あるいは、加湿水を滞留させるための第2の水槽を別に設け、第2の水槽内で行っても良い。炭素材料を陽極として加湿水の電気分解を行うと、COガスが発生し、その一部は、加湿水中に溶解する。一般に、水中のCOガスの溶解度は、温度が高くなるほど低下するので、CO濃度の高い加湿水を生成させるためには、電解溶入は、相対的に低温で行うのが好ましい。例えば、中性近傍の水へのCOの溶解度は、10℃:2500ppm、20℃:1800ppm、40℃:1000ppm、60℃:700ppm、80℃:500ppmである。従って、電解溶入の際の水の温度は、具体的には、60℃以下が好ましく、さらに好ましくは、40℃以下、さらに好ましくは、20℃以下である。 When performing electrolytic welding using humidified water, the electrolytic welding may be performed in the first water tank by providing an electrode in the first water tank inside the humidifier 54, or the humidified water is retained. A second water tank may be provided separately for the second water tank. When electrolysis of humidified water is performed using the carbon material as an anode, CO 2 gas is generated, and a part of the gas is dissolved in the humidified water. In general, the solubility of CO 2 gas in water decreases as the temperature increases. Therefore, in order to generate humidified water having a high CO 2 concentration, it is preferable to perform electrolytic infusion at a relatively low temperature. For example, the solubility of CO 2 in water near neutrality is 10 ° C .: 2500 ppm, 20 ° C .: 1800 ppm, 40 ° C .: 1000 ppm, 60 ° C .: 700 ppm, 80 ° C .: 500 ppm. Therefore, specifically, the temperature of water at the time of electrolytic infusion is preferably 60 ° C. or less, more preferably 40 ° C. or less, and further preferably 20 ° C. or less.

例えば、加湿器54が蒸気発生器である場合、蒸気発生器内部で電解溶入を行うよりも、室温近傍に維持された加湿水を滞留させるための第2の水槽内で電解溶入を行うのが好ましい。この場合、加湿水中には、相対的に多量のCOガスを溶解させることができるので、気相中に放出されたCOガスを用いなくても、相対的に多量のCOガスを空気極に供給することができる。
一方、加湿器54がミスト発生器である場合、一般に、加湿水の温度は、蒸気発生器の場合に比べて低いので、加湿水を滞留させる第2の水槽内で電解溶入させる場合だけでなく、ミスト発生器内部の第1の水槽内で電解溶入を行った場合であっても、相対的に多量のCOガスを容易に空気極に供給することができる。
For example, when the humidifier 54 is a steam generator, the electrolytic welding is performed in the second water tank for retaining the humidified water maintained near the room temperature, rather than performing electrolytic welding inside the steam generator. Is preferred. In this case, the humidifying water, it is possible to dissolve a relatively large amount of CO 2 gas, without using a CO 2 gas released into the gas phase, a relatively large amount of CO 2 gas air Can be supplied to the pole.
On the other hand, when the humidifier 54 is a mist generator, the temperature of the humidified water is generally lower than that of the steam generator, so that only when electrolytically injecting in the second water tank in which the humidified water is retained. However, even when electrolytic welding is performed in the first water tank inside the mist generator, a relatively large amount of CO 2 gas can be easily supplied to the air electrode.

第1の水槽及び/又は第2の水槽内で発生させたCOガスの一部は、水槽内に溶解し、その他のCOガスは、加湿器54で発生させる水蒸気又はミストと共に空気供給管52に導入される。あるいは、気相に放出されたCOガスのみを取り出し、これを直接、空気供給管52に導入しても良い。さらに、加湿系とは独立した水槽内で電解溶入を行う場合は、気相に放出されたCOガスのみを取り出し、これを空気供給管52に、直接導入する。空気極側のCO濃度は、電解条件を制御することにより調整することができる。 Part of the CO 2 gas generated in the first water tank and / or the second water tank is dissolved in the water tank, and the other CO 2 gas is air supply pipe together with water vapor or mist generated in the humidifier 54. 52. Alternatively, only the CO 2 gas released into the gas phase may be taken out and directly introduced into the air supply pipe 52. Furthermore, when performing electrolysis in a water tank independent of the humidification system, only the CO 2 gas released to the gas phase is taken out and introduced directly into the air supply pipe 52. The CO 2 concentration on the air electrode side can be adjusted by controlling the electrolysis conditions.

これらの第1CO濃度制御手段による空気極へのCOの添加は、常時、行っても良く、あるいは、燃料電池内の炭素材料の消耗の激しい時にのみ行っても良い。(1)式に示す酸化反応は、燃料電池が開回路(発電休止)状態にあり、かつ、作動温度が60℃以上である場合において、著しくなる。従って、このような場合にのみ、空気極側にCOを供給すれば、多量のCOを常時発生させる必要が無くなり、システムの効率を向上させることができる。 The addition of CO 2 to the air electrode by these first CO 2 concentration control means may be performed at all times, or may be performed only when the carbon material in the fuel cell is heavily consumed. The oxidation reaction shown in the formula (1) becomes remarkable when the fuel cell is in an open circuit (power generation suspended) state and the operating temperature is 60 ° C. or higher. Therefore, only in such a case, if CO 2 is supplied to the air electrode side, it is not necessary to constantly generate a large amount of CO 2, and the efficiency of the system can be improved.

燃料極側においては、通常、炭素材料の消耗は無視できるので、必ずしも、燃料極側に所定量のCOを常時供給する必要はないが、燃料電池内で異常な反応が生じたときなどには、炭素材料の消耗が起こりうる。従って、燃料極側のCO濃度を所定の値に制御する手段(第2CO濃度制御手段)をさらに備えていても良い。
この場合、燃料極側のCO濃度は、10000ppm以下が好ましい。不必要なCOの添加は、燃料極上での燃料の酸化反応を阻害するおそれがあるので好ましくない。
On the fuel electrode side, consumption of the carbon material is normally negligible, so it is not always necessary to constantly supply a predetermined amount of CO 2 to the fuel electrode side, but when an abnormal reaction occurs in the fuel cell, etc. The carbon material can be consumed. Therefore, a means ( second CO 2 concentration control means) for controlling the CO 2 concentration on the fuel electrode side to a predetermined value may be further provided.
In this case, the CO 2 concentration on the fuel electrode side is preferably 10,000 ppm or less. Unnecessary addition of CO 2 is not preferable because it may hinder the oxidation reaction of the fuel on the fuel electrode.

燃料極側にCOを供給する方法としては、上述した各種の方法、すなわち、(1)改質ガスから分離されたCOを用いる方法、(2)COボンベを用いる方法、(3)加湿水に予めCOガスを溶解させておく方法などを用いることができる。
但し、電解溶入は、電解の副生成物として酸素が生成する場合があるので、第2CO濃度制御手段として用いるのは好ましくない。また、加湿水に予めCOガスを溶解させる方法を用いる場合において、燃料極側と空気極側とでCO濃度を変える場合には、燃料極側の加湿系と空気極側の加湿系とを分離し、それぞれ、CO濃度の異なる加湿水を用いるのが好ましい。
第2CO濃度制御手段のその他の点については、第1CO濃度制御手段と同様であるので、説明を省略する。
As a method for supplying CO 2 to the fuel electrode side, various methods described above, (1) a method using CO 2 separated from the reformed gas, (2) a method using a CO 2 cylinder, (3) For example, a method of dissolving CO 2 gas in humidified water in advance can be used.
However, the electrolytic welding is not preferable to use as the second CO 2 concentration control means because oxygen may be generated as a by-product of electrolysis. Further, in the case of using the method of dissolving CO 2 gas in humidified water in advance, when changing the CO 2 concentration between the fuel electrode side and the air electrode side, the fuel electrode side humidification system and the air electrode side humidification system It is preferable to use humidified water having different CO 2 concentrations.
Since the other points of the 2CO 2 density control means is the same as in 1 CO 2 concentration control means, and a description thereof will be omitted.

次に、本発明に係る燃料電池システムの作用について説明する。燃料電池で使用される電極の触媒担体としては、耐久性の観点から、一般に、アセチレンブラックやオイルファーネスブラック、活性炭、フラーレン類のような化学的に安定な炭素系の材料が用いられている。また、拡散層には、炭素繊維織物やカーボン繊維を紙漉技術で得たいわゆるペーパー拡散層が用いられている。   Next, the operation of the fuel cell system according to the present invention will be described. As a catalyst carrier for an electrode used in a fuel cell, a chemically stable carbon-based material such as acetylene black, oil furnace black, activated carbon, and fullerenes is generally used from the viewpoint of durability. As the diffusion layer, a so-called paper diffusion layer obtained by using a carbon fiber woven fabric or carbon fiber by a papermaking technique is used.

しかしながら、このような炭素系材料を用いた場合であっても、その耐久性は、要求されるレベルが高い場合には、決して十分なものではない。例えば、長期間の運転条件下では、炭素材料の表面が酸化され、親水化する。炭素材料の表面が親水化すると、電極内において三相界面を維持するのが困難となり、電池性能の低下に至る。また、炭素材料が酸化されると、COやCOにガス化して消耗する。炭素材料が消耗すると、触媒金属との接触状態が悪化し、電池電圧の低下に至る。 However, even when such a carbon-based material is used, its durability is never sufficient when the required level is high. For example, under long-term operating conditions, the surface of the carbon material is oxidized and becomes hydrophilic. When the surface of the carbon material becomes hydrophilic, it becomes difficult to maintain a three-phase interface in the electrode, leading to a decrease in battery performance. Further, when the carbon material is oxidized, it is gasified into CO or CO 2 and consumed. When the carbon material is consumed, the state of contact with the catalytic metal deteriorates, leading to a decrease in battery voltage.

これに対し、燃料電池の加湿系に積極的にCOを添加すると、炭素材料の消耗及びこれに起因する燃料電池性能の低下を抑制することができる。CO添加によってこのような効果が得られるのは、以下のような理由によると考えられる。 On the other hand, when CO 2 is positively added to the humidification system of the fuel cell, it is possible to suppress the consumption of the carbon material and the deterioration of the fuel cell performance due to this. The reason why such an effect is obtained by adding CO 2 is considered to be as follows.

本願発明者らは、加湿系の酸素極側に空気を用いた場合と、COを含まない酸素20vol%+窒素80vol%の混合ガスを用いた場合の耐久性を比較したところ、前者が後者よりやや良好であることを確認している。この劣化は、
(1) 炭素材料は、本来、高温の高電位状態では安定ではなく、COやCOガスとなって消耗する、
(2) 副生成する過酸化水素が炭素材料をアタックして、表面にC=OやC−OH、COOH等の親水性の官能基を生成し、撥水性を低下させる、
ためと考えられる。
The inventors of the present application compared the durability when using air on the oxygen electrode side of the humidifying system and when using a mixed gas of 20 vol% oxygen + 80 vol% nitrogen that does not contain CO 2. It is confirmed that it is slightly better. This deterioration is
(1) Carbon materials are not inherently stable at high temperature and high potential, and are consumed as CO or CO 2 gas.
(2) By-produced hydrogen peroxide attacks the carbon material to generate hydrophilic functional groups such as C═O, C—OH, and COOH on the surface, thereby reducing water repellency.
This is probably because of this.

高電位状態での炭素材料の酸化反応は、上述した(1)式で表すことができる。ここで、25℃における(1)式の熱力学的な平衡電位E25℃は、プールベダイアグラム(Pourbaix diagram)より、次の(2)式で表される。
25℃=0.207−0.0591pH+0.0148logP(CO)
・・・(2)
すなわち、COの分圧が10倍になることで、Cの酸化電位は、約15mV上昇する(酸化されにくくなる)。
The oxidation reaction of the carbon material in the high potential state can be expressed by the above-described formula (1). Here, the thermodynamic equilibrium potential E 25 ° C. of the equation (1) at 25 ° C. is expressed by the following equation (2) from the Pourbaix diagram.
E 25 ° C. = 0.207-0.0591 pH + 0.0148 log P (CO 2 )
... (2)
That is, when the partial pressure of CO 2 is increased 10 times, the oxidation potential of C increases by about 15 mV (it is difficult to be oxidized).

ここで、燃料極の電位は、通常、0V近傍であるので、異常な反応が起こらない限り、炭素材料の消耗は無視できるが、空気極側の電位は、高電流密度で発電している時を除き、0.9〜0.3V程度であり、炭素材料の消耗が起こりうる。実際には、過電圧の存在で、(1)式は、0.8V以上で起きることが知られている。そのため、少なくとも空気極側の加湿系にCOガスを積極的に導入すれば、炭素材料近傍のCO分圧が上がり、炭素材料の溶出速度を小さくすることができる。 Here, since the potential of the fuel electrode is usually around 0 V, the consumption of the carbon material can be ignored unless an abnormal reaction occurs, but the potential on the air electrode side is when generating electricity at a high current density. Is about 0.9 to 0.3 V, and the carbon material may be consumed. Actually, it is known that the expression (1) occurs at 0.8 V or more in the presence of overvoltage. Therefore, if CO 2 gas is positively introduced at least into the humidification system on the air electrode side, the CO 2 partial pressure in the vicinity of the carbon material increases, and the elution rate of the carbon material can be reduced.

また、この酸化反応の酸化速度は、室温〜60℃程度の低温では非常に小さい。すなわち、実質的に炭素材料の消耗が進行するのは、開回路(発電休止)状態で、しかも、60℃以上の空気極である。従って、少なくとも、このような状態にある空気極のみにCOを供給すれば、多量のCOを用いることなく、効率よく炭素材料の消耗を抑制することができる。また、空気極側に加えて、燃料極側の加湿系に所定量のCOガスを積極的に導入すれば、異常な反応が起こったときなどに生ずる炭素材料の消耗を未然に防ぐことができる。 Further, the oxidation rate of this oxidation reaction is very low at a low temperature of room temperature to about 60 ° C. That is, the carbon material is substantially exhausted in the open circuit (power generation halt) state and at the air electrode of 60 ° C. or higher. Therefore, at least if the CO 2 is supplied only to the air electrode in such a state, the consumption of the carbon material can be efficiently suppressed without using a large amount of CO 2 . In addition to the air electrode side, if a predetermined amount of CO 2 gas is positively introduced into the humidification system on the fuel electrode side, it is possible to prevent the carbon material from being consumed when an abnormal reaction occurs. it can.

さらに、上述した各種のCO添加方法の中でも、電解溶入は、CO供給源となる改質器システムやCOボンベを持つ必要がなく、かつ、純水素を燃料とする燃料電池システムに対しても容易に適用できるので、システムを軽量コンパクトにすることができる。 Furthermore, among the various CO 2 addition methods described above, electrolytic welding does not require a reformer system as a CO 2 supply source or a CO 2 cylinder, and is a fuel cell system using pure hydrogen as fuel. Since it can be easily applied to the system, the system can be made light and compact.

(実施例1〜3、比較例1)
60wt%Pt/C触媒0.5gに蒸留水2.0g、エタノール2.5g、プロピレングリコール1.0g、22wt%ナフィオン(登録商標)溶液(デュポン社製)0.9gをこの順で加え、超音波ホモジナイザーで分散させて触媒インクを作製した。これをポリテトラフルオロエチレンシート上に塗布、乾燥して転写電極を得た。Pt使用量は、空気極が0.5〜0.6mg/cm、燃料極が0.3〜0.4mg/cmの範囲で一定とした。これらの電極を36mm角に切り出し、F系電解質膜の片面に熱圧着(120℃、50kgf/cm(4.9MPa))して、膜電極接合体(MEA)を作製した。
(Examples 1 to 3, Comparative Example 1)
To 0.5 g of 60 wt% Pt / C catalyst, 2.0 g of distilled water, 2.5 g of ethanol, 1.0 g of propylene glycol, and 0.9 g of 22 wt% Nafion (registered trademark) solution (manufactured by DuPont) were added in this order. A catalyst ink was prepared by dispersing with a sonic homogenizer. This was applied onto a polytetrafluoroethylene sheet and dried to obtain a transfer electrode. The amount of Pt used was constant in the range of 0.5 to 0.6 mg / cm 2 for the air electrode and 0.3 to 0.4 mg / cm 2 for the fuel electrode. These electrodes were cut into 36 mm squares and thermocompression bonded (120 ° C., 50 kgf / cm 2 (4.9 MPa)) to one surface of the F-based electrolyte membrane to produce a membrane electrode assembly (MEA).

耐久試験は、燃料極ガス:H(100ml/min)、空気極ガス:空気(100ml/min)、セル温度:90℃、加湿器温度:90℃(燃料極側、空気極側ともに)で開回路1分、0.1A/cmを1分とするサイクル試験を150時間行い、耐久試験前後で0.8A/cmにおける電圧値の低下割合を比較した。 The endurance test was performed using fuel electrode gas: H 2 (100 ml / min), air electrode gas: air (100 ml / min), cell temperature: 90 ° C., humidifier temperature: 90 ° C. (both on the fuel electrode side and air electrode side). A cycle test with an open circuit of 1 minute and 0.1 A / cm 2 of 1 minute was conducted for 150 hours, and the voltage value reduction rate at 0.8 A / cm 2 before and after the durability test was compared.

加湿条件は、以下の通りである。
実施例1: 加湿水は、両極ともイオン交換水とし、COボンベを用いて空気極にCOガスを10000ppm添加した。
実施例2: 空気極側の加湿水を予め、室温においてCOで飽和(濃度:1500ppm)させ、燃料極の加湿水をイオン交換水とした。
実施例3: CO飽和水に電極面積100cmの炭素板2枚をポリプロピレン製のバッグフィルターで覆ったものを浸漬し、極間距離10mm、電流密度5A/cm、室温で定電流通電させて得たCOガスを空気極のCO飽和加湿水に供給した。また、燃料極の加湿水は、イオン交換水とした。
比較例1: 空気極と燃料極両方の加湿水ともにイオン交換水のままでCOガスを供給することなく耐久試験を行った。表1に、その結果を示す。
The humidification conditions are as follows.
Example 1: humidification water, both electrodes with the ion-exchange water, by using the CO 2 gas cylinder was 10000ppm added CO 2 gas to the air electrode.
Example 2: The humidified water on the air electrode side was previously saturated with CO 2 (concentration: 1500 ppm) at room temperature, and the humidified water on the fuel electrode was used as ion-exchanged water.
Example 3: Two carbon plates with an electrode area of 100 cm 2 covered with a bag filter made of polypropylene were immersed in CO 2 saturated water, and a constant current was passed at a room temperature of 10 mm, a current density of 5 A / cm 2 , and room temperature. The CO 2 gas thus obtained was supplied to CO 2 saturated humidified water at the air electrode. Moreover, the humidification water of the fuel electrode was ion exchange water.
Comparative Example 1: A durability test was performed without supplying CO 2 gas in the form of ion-exchanged water for both the air electrode and the humidified water of the fuel electrode. Table 1 shows the results.

Figure 0004733788
Figure 0004733788

COガスを空気極に加えた場合(実施例1)、COを飽和させた加湿水を空気極に供給した場合(実施例2)、及び、電解溶入したCOを空気極に供給した場合(実施例3)のいずれにおいても、通常の加湿条件(CO未添加:比較例1)の場合に対して電圧の低下が抑えられた。 When CO 2 gas is added to the air electrode (Example 1), when humidified water saturated with CO 2 is supplied to the air electrode (Example 2), and electrolytically injected CO 2 is supplied to the air electrode In any case (Example 3), a decrease in voltage was suppressed compared to the case of normal humidification conditions (CO 2 not added: Comparative Example 1).

以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。   Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.

本発明に係る燃料電池システムは、車載用動力源、定置型小型発電器、コジェネレーションシステム等に適用することができる。   The fuel cell system according to the present invention can be applied to an in-vehicle power source, a stationary small power generator, a cogeneration system, and the like.

燃料電池システムの一例を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows an example of a fuel cell system.

Claims (12)

燃料極及び空気極を備えた固体高分子型燃料電池と、
前記空気極側のCO濃度を制御する第1CO濃度制御手段とを備えた燃料電池システム。
A polymer electrolyte fuel cell having a fuel electrode and an air electrode;
A fuel cell system including a first 1 CO 2 concentration control means for controlling the CO 2 concentration of the air electrode side.
前記第1CO濃度制御手段は、前記空気極側のCO濃度を10000ppm以下に制御するものである請求項1に記載の燃料電池システム。 2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the first CO 2 concentration control means controls the CO 2 concentration on the air electrode side to 10000 ppm or less. 前記第1CO濃度制御手段は、
COガスを発生又は貯蔵するためのCO供給手段と、
該CO供給手段から供給される前記COガスを含む酸化剤ガス及び/又は加湿水を前記空気極に供給するCO添加手段とを備えている請求項1又は2に記載の燃料電池システム。
The first CO 2 concentration control means includes:
And CO 2 supply means for generating or storing a CO 2 gas,
3. The fuel cell system according to claim 1, further comprising a CO 2 addition unit configured to supply an oxidant gas including the CO 2 gas and / or humidified water supplied from the CO 2 supply unit to the air electrode. .
前記CO供給手段は、炭素材料からなる陽極と、対極とを用いて、前記加湿水を電気分解させることにより、COガスを発生させる電解溶入手段であり、
前記CO添加手段は、前記COガスを含む前記酸化剤ガス及び/又は前記加湿水を前記空気極に供給するものである請求項3に記載の燃料電池システム。
The CO 2 supply means is an electrolytic infusion means for generating CO 2 gas by electrolyzing the humidified water using an anode made of a carbon material and a counter electrode,
The fuel cell system according to claim 3, wherein the CO 2 addition means supplies the oxidant gas containing the CO 2 gas and / or the humidified water to the air electrode.
前記電解溶入手段は、前記陽極と前記対極との極間距離が10mm以下である請求項4に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 4, wherein the electrolytic welding means has a distance between the anode and the counter electrode of 10 mm or less. 前記電解溶入手段は、電流密度が1mA/cm以上10mA/cmの条件下で前記加湿水の電気分解を行うものである請求項4又は5に記載の燃料電池システム。 6. The fuel cell system according to claim 4, wherein the electrolytic infusion unit performs electrolysis of the humidified water under a current density of 1 mA / cm 2 or more and 10 mA / cm 2 . 前記電解溶入手段は、前記陽極と前記対極の極性を切り替える極性切替手段をさらに備えている請求項4から6までのいずれかに記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to any one of claims 4 to 6, wherein the electrolytic welding means further includes polarity switching means for switching the polarity between the anode and the counter electrode. 前記電解溶入手段は、予めCOガスで飽和させた前記水を用いて電気分解を行うものである請求項4から7までのいずれかに記載の燃料電池システム。 The fuel cell system according to any one of claims 4 to 7, wherein the electrolytic welding means performs electrolysis using the water previously saturated with CO 2 gas. 前記電解溶入手段は、40℃以下において前記水の電気分解を行うものである請求項4から8までのいずれかに記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to any one of claims 4 to 8, wherein the electrolytic welding means performs electrolysis of the water at 40 ° C or lower. 前記第1CO濃度制御手段は、前記固体高分子型燃料電池が開回路状態であり、かつ、作動温度が60℃以上である場合において、前記空気側にCOを供給するものである請求項1から9までのいずれかに記載の燃料電池システム。 The first CO 2 concentration control means supplies CO 2 to the air side when the polymer electrolyte fuel cell is in an open circuit state and an operating temperature is 60 ° C or higher. The fuel cell system according to any one of 1 to 9. 前記燃料極側のCO濃度を制御する第2CO濃度制御手段をさらに備えた請求項1から10までのいずれかに記載の燃料電池システム。 The fuel cell system according to any one of claims 1 to 10, further comprising a first 2CO 2 density control means for controlling the CO 2 concentration of the fuel electrode side. 前記第2CO濃度制御手段は、前記燃料極側のCO濃度を10000ppm以下に制御するものである請求項11に記載の燃料電池システム。
The fuel cell system according to claim 11, wherein the second CO 2 concentration control means controls the CO 2 concentration on the fuel electrode side to 10000 ppm or less.
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