JP5073448B2 - Operation method of polymer electrolyte fuel cell - Google Patents
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Description
本発明は、電解質膜の両側に一対の電極が配設される電解質膜・電極構造体を有する固体高分子型燃料電池の運転方法に関する。 The present invention relates to a method for operating a polymer electrolyte fuel cell having an electrolyte membrane / electrode structure in which a pair of electrodes are disposed on both sides of an electrolyte membrane.
燃料電池は、燃料ガス(主に水素を含有するガス)及び酸化剤ガス(主に酸素を含有するガス)をアノード側電極及びカソード側電極に供給して電気化学的に反応させることにより、直流の電気エネルギを得るシステムである。 A fuel cell supplies a fuel gas (mainly hydrogen-containing gas) and an oxidant gas (mainly oxygen-containing gas) to the anode-side electrode and the cathode-side electrode and causes them to react electrochemically. It is a system that obtains electrical energy.
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を設けた電解質膜・電極構造体(MEA)を、セパレータによって挟持した発電セルを備えている。この種の発電セルは、通常、電解質膜・電極構造体とセパレータとを所定数だけ積層することにより、燃料電池スタックとして、例えば、自動車等の車両に搭載して使用されている。 For example, in a polymer electrolyte fuel cell, an electrolyte membrane / electrode structure (MEA) provided with an anode electrode and a cathode electrode on both sides of an electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane is sandwiched by separators. Has a cell. This type of power generation cell is normally used as a fuel cell stack mounted on a vehicle such as an automobile, for example, by laminating a predetermined number of electrolyte membrane / electrode structures and separators.
この種の固体高分子型燃料電池では、組み立て直後の電解質膜の含水量が十分でないため、初期発電性能が低くなっている。従って、通常、燃料電池の組み立て後に所望の発電性能を引き出すため、前記燃料電池のエージング運転が行われている。 In this type of polymer electrolyte fuel cell, the initial power generation performance is low because the water content of the electrolyte membrane immediately after assembly is not sufficient. Therefore, usually, the aging operation of the fuel cell is performed in order to obtain a desired power generation performance after the assembly of the fuel cell.
例えば、特許文献1に開示されている燃料電池の運転方法では、燃料電池の予備運転(エージング運転)時に、前記燃料電池のセル内にフラッディングが発生するように、消費されるガスの利用率を向上させることを特徴としている。
For example, in the method of operating a fuel cell disclosed in
しかしながら、上記の運転方法では、急激なフラッディングを伴うために、電池性能の劣化を抑制させるための制御が煩雑化するとともに、特に、MEAを構成する電解質膜の性能に悪影響を与えるおそれがある。 However, in the above operating method, since rapid flooding is involved, the control for suppressing the deterioration of the battery performance becomes complicated, and in particular, the performance of the electrolyte membrane constituting the MEA may be adversely affected.
さらに、MEAを構成する電解質膜として、フッ素系材料に代えて、例えば、炭化水素系材料が用いられる場合、前記フッ素系材料に比べて疎水性が高く、前記電解質膜内に十分に水を浸透させるまでに時間がかかるという問題がある。 Further, when a hydrocarbon material, for example, is used as the electrolyte membrane constituting the MEA instead of the fluorine-based material, the hydrophobicity is higher than that of the fluorine-based material, and water sufficiently penetrates into the electrolyte membrane. There is a problem that it takes time to make it happen.
そこで、特許文献2に開示されている固体高分子型燃料電池のエージング装置では、予備運転時に固体高分子型燃料電池からの負荷電流を消費させる負荷器と、前記固体高分子型燃料電池と前記負荷器との間に接続され、前記負荷電流の大きさを時間の経過と共に周期的に変動させる制御手段とを備えている。
Therefore, in the solid polymer fuel cell aging device disclosed in
これにより、負荷電流の大きさを、時間の経過と共に周期的に変動させるため、MEAへの水の浸透促進効果が増し、エージング運転に要する時間の短縮化を図ることができる、としている。 Thereby, since the magnitude | size of load current is fluctuate | varied periodically with progress of time, the penetration | invasion promotion effect of the water to MEA increases, and it is supposed that the time required for an aging driving | operation can be shortened.
上記の特許文献2では、カソードにカソードガスを供給するとともに、アノードにアノードガスを供給し、燃料電池スタックから負荷器に時間の経過と共にその大きさが周期的に変動する負荷電流を流すことにより、エージング運転を開始している。
In the above-mentioned
しかしながら、組立後に初めて使用されるMEAでは、高電流密度による発電を行うことができない。このため、低電流密度から徐々に電流印加量を増やしたり、負荷印加中の保持時間を短くしてOCV(開回路電圧)に戻す操作が必要となっている。 However, the MEA is the first time used after assembly, it is impossible for generating power by the high current density. For this reason, it is necessary to gradually increase the amount of applied current from a low current density or shorten the holding time during load application to return to OCV (open circuit voltage).
これにより、燃料電池の発電性能が飽和するまでに相当な時間を要してしまい、エージング運転に時間がかかるという問題がある。しかも、エージング運転中には、カソードガス及びアノードガスが消費されており、特に、水素使用量が過大となって極めて不経済であるという問題がある。 As a result, a considerable time is required until the power generation performance of the fuel cell is saturated, and there is a problem that it takes time for the aging operation. Moreover, during the aging operation, the cathode gas and the anode gas are consumed, and there is a problem that the amount of hydrogen used is excessive and extremely uneconomical.
本発明はこの種の問題を解決するものであり、エージング処理を短時間で良好に行うとともに、水素の消費を可及的に阻止し、経済的なエージングが遂行可能な固体高分子型燃料電池の運転方法を提供することを目的とする。 The present invention solves this type of problem, and is a solid polymer fuel cell capable of performing aging treatment satisfactorily in a short period of time while preventing hydrogen consumption as much as possible and performing economic aging. The purpose is to provide a driving method.
本発明は、電解質膜の両側に一対の電極が配設される電解質膜・電極構造体を有する固体高分子型燃料電池をエージングするための固体高分子型燃料電池の運転方法に関するものである。 The present invention relates to a method for operating a polymer electrolyte fuel cell for aging a polymer electrolyte fuel cell having an electrolyte membrane / electrode structure in which a pair of electrodes are disposed on both sides of the electrolyte membrane.
この運転方法では、電解質膜・電極構造体に液状水を直接供給することによる水処理を施す工程と、前記水処理の後、外部直流電源によって固体高分子型燃料電池に電位を印加した状態で、一方の電極側への酸化剤ガスの供給を行うことなく、他方の電極側に加湿された水素を供給することにより、前記水素が電解質膜を透過して前記一方の電極側に移送される水素ポンプ運転を行う工程とを有している。 In this operation method, a step of performing water treatment by directly supplying liquid water to the electrolyte membrane / electrode structure, and after applying the water treatment , a potential is applied to the polymer electrolyte fuel cell by an external DC power source. By supplying humidified hydrogen to the other electrode side without supplying oxidant gas to one electrode side, the hydrogen is transferred to the one electrode side through the electrolyte membrane. A step of performing a hydrogen pump operation.
また、固体高分子型燃料電池は、他方の電極に燃料ガスを供給する燃料ガス流路と、一方の電極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路とを有し、少なくとも前記燃料ガス流路又は前記酸化剤ガス流路のいずれかに、液状水を充填した状態で、前記固体高分子型燃料電池を保温することが好ましい。 The polymer electrolyte fuel cell has a fuel gas flow path for supplying a fuel gas to the other electrode and an oxidant gas flow path for supplying an oxidant gas to one electrode, and at least the fuel gas flow path It is preferable that the polymer electrolyte fuel cell is kept warm in a state where either the channel or the oxidant gas channel is filled with liquid water.
さらに、水素ポンプ運転を、使用時の最大電流密度以上で運転した後、固体高分子型燃料電池の発電エージングを、使用時の最大電流密度以上で行う工程を有することが好ましい。 Furthermore, it is preferable to have a step of performing the power generation aging of the polymer electrolyte fuel cell at or above the maximum current density during use after operating the hydrogen pump at or above the maximum current density during use .
さらにまた、電解質膜は、炭化水素系の電解質膜で構成されることが好ましい。 Furthermore, the electrolyte membrane is preferably composed of a hydrocarbon-based electrolyte membrane.
また、液状水は、純水とし、40℃〜100℃の温水であることが好ましい。40℃未満では、温度処理による発電性能向上の効果が低くなるからである。 The liquid water is pure water and is preferably warm water of 40 ° C to 100 ° C. This is because if the temperature is lower than 40 ° C., the effect of improving the power generation performance by the temperature treatment is lowered.
さらに、一方の電極であるカソード側にマイナス極の電位を印加するとともに、他方の電極であるアノード側にプラス極の電位を印加することが好ましい。 Furthermore, it is preferable to apply a negative potential to the cathode, which is one electrode, and to apply a positive potential to the anode, which is the other electrode.
本発明では、外部から電圧を印加して電解質膜中を水素イオンを移動させる、所謂、水素ポンプ運転によるエージング工程の前に、電解質膜・電極構造体に液状水が直接供給されるため、電解質膜中に水を効率的に導入することができる。これにより、抵抗過電圧が有効に低減可能になる。しかも、電解質膜・電極構造体中の残留溶媒や接着材成分等の不純物が除去され、清浄機能を有することが可能になる。さらに、電解質膜が膨潤することにより、触媒表面の反応領域が有効に拡大する。 In the present invention, liquid water is directly supplied to the electrolyte membrane / electrode structure before the so-called aging step by so-called hydrogen pump operation in which a voltage is applied from the outside to move hydrogen ions in the electrolyte membrane. Water can be efficiently introduced into the membrane. Thereby, the resistance overvoltage can be effectively reduced. In addition, impurities such as residual solvents and adhesive components in the electrolyte membrane / electrode structure are removed, and a cleaning function can be provided. Furthermore, when the electrolyte membrane swells, the reaction area on the catalyst surface is effectively expanded.
また、液状水の供給後に行われる水素ポンプ運転によるエージングでは、過電圧の少ない水素のみが反応に関与しており、腐食電位以下で連続的に大電流(使用時の最大電流密度)を印加させることができる。従って、性能劣化の抑制及び時間の短縮が容易に図られる。しかも、水素ポンプでは、一方の電極側に移送された水素が、酸化剤ガスと反応することはない。このため、水素ポンプ運転によるエージング工程中に水素が消費されることはなく、極めて経済的である。 In addition, in the aging by the hydrogen pump operation that is performed after the supply of liquid water, only hydrogen with low overvoltage is involved in the reaction, and a large current (maximum current density in use) is continuously applied below the corrosion potential. Can do. Therefore, it is possible to easily suppress the performance deterioration and shorten the time. In addition, in the hydrogen pump, hydrogen transferred to one electrode side does not react with the oxidant gas. For this reason, hydrogen is not consumed during the aging process by the hydrogen pump operation, which is extremely economical.
図1は、本発明の実施形態に係る固体高分子型燃料電池10の運転方法において、後述する電解質膜・電極構造体に液状水である温水(純水)を供給するための温水処理装置12の概略説明図である。
FIG. 1 shows a hot
燃料電池10は、例えば、炭化水素系の固体高分子電解質膜14をアノード側電極16とカソード側電極18とで挟持した電解質膜・電極構造体20を備え、前記電解質膜・電極構造体20がアノード側セパレータ22aとカソード側セパレータ22bとにより挟持される。アノード側セパレータ22a及びカソード側セパレータ22bは、カーボンプレート又は金属プレートにより構成され、図示しないシール部材を設けている。なお、固体高分子電解質膜14は、例えば、パーフルオロカーボン等のフッ素系の膜を使用してもよい。
The
電解質膜・電極構造体20とアノード側セパレータ22aとの間には、燃料ガス流路24が形成されるとともに、前記電解質膜・電極構造体20とカソード側セパレータ22bとの間には、酸化剤ガス流路26が形成される。アノード側セパレータ22aとカソード側セパレータ22bとの間には、冷却媒体流路28が形成される。
A fuel
燃料電池10は、一端側に水素含有ガス等の燃料ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔30aと、空気(酸素含有ガス)等の酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔32aと、前記燃料ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔30bと、前記酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔32bとが形成される。燃料電池10の他端部には、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔34aと、前記冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔34bが形成される。
The
温水処理装置12は、燃料電池10に温水を供給する温水供給系36と、前記燃料電池10を保温する保温媒体供給系38とを備える。温水供給系36は、例えば、燃料ガス入口連通孔30a(及び/又は酸化剤ガス入口連通孔32a)に連通する温水供給配管40aと、燃料ガス出口連通孔30b(及び/又は酸化剤ガス出口連通孔32b)に連通する温水排出配管40bとを備え、前記温水排出配管40bには、開閉弁42が配設される。温水供給配管40aには、所定の温度、例えば、40℃〜100℃に維持された温水(純水)が供給される。
The hot
保温媒体供給系38は、冷却媒体入口連通孔34a及び冷却媒体出口連通孔34bに連通する循環配管44を備える。この循環配管44には、ポンプ46が配設され、前記循環配管44内を所定の温度例えば、40℃〜100℃に維持された冷却媒体(液体又は気体)が循環される。
The heat retaining
図2は、燃料電池10の温水処理後に、水素ポンプ運転による第1エージング工程を行うためのエージング装置50の概略構成図である。
FIG. 2 is a schematic configuration diagram of an
エージング装置50は、燃料電池10のアノード側(燃料ガス流路24側)に加湿された水素を供給するアノード側配管系54と、前記燃料電池10のカソード側(酸化剤ガス流路26側)に接続されるカソード側配管系56と、前記燃料電池10のアノード側にプラス極の電位を印加するとともに、前記燃料電池10のカソード側にマイナス極の電位を印加する直流電源58と、前記エージング装置50全体の制御を行うコントローラ60とを備える。
The
アノード側配管系54は、水素を貯留する水素ボンベ62を備え、この水素ボンベ62は、アノード供給配管64を介して燃料電池10の燃料ガス入口連通孔30aに連通する。アノード供給配管64には、水素ボンベ62側から下流に向かって開閉弁66aと加湿器68とが配設されるとともに、前記加湿器68には、不活性ガス、例えば、窒素ガス(N2ガス)を供給するための窒素ボンベ70が、開閉弁66bを介して接続される。
The anode
アノード側配管系54は、燃料電池10の燃料ガス出口連通孔30bに連通するアノード排出配管72を備える。このアノード排出配管72には、開閉弁66cが配設されるとともに、前記アノード排出配管72とアノード供給配管64とには、バイパスライン74の両端が接続される。このバイパスライン74には、開閉弁66dが配設される。
The anode
カソード側配管系56は、カソード供給配管78を備え、このカソード供給配管78の一端は、開閉弁66eを介してアノード供給配管64に接続自在である。カソード供給配管78の他端は、燃料電池10の酸化剤ガス入口連通孔32aに連通する。
The cathode
カソード側配管系56は、燃料電池10の酸化剤ガス出口連通孔32bに連通するカソード排出配管80を設ける。このカソード排出配管80は、アノード排出配管72に対して開閉弁66cの上流側に接続される。
The cathode
図3は、エージング装置50による第1エージング工程の後、燃料電池10に対し第2エージング工程を行うための発電エージング装置90の概略構成図である。なお、発電エージング装置90は、発電エージングのために用いられる専用機として構成されていてもよく、又は車載用として燃料電池10を組み込む燃料電池システムにより、発電エージングを行うように構成してもよい。
FIG. 3 is a schematic configuration diagram of a power
発電エージング装置90は、燃料電池10に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給系92と、前記燃料電池10に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給系94と、前記燃料電池10に接続される電子負荷96とを備える。
The power
燃料ガス供給系92は、水素タンク98を備え、この水素タンク98から水素供給管100を介して燃料ガス入口連通孔30aに水素ガスが供給されるとともに、この水素供給管100には、可変バルブ102aが配設される。
The fuel
燃料ガス供給系92は、燃料ガス出口連通孔30bに連通する水素排出管104を有し、この水素排出管104と水素供給管100とにバイパスライン106が接続される。水素排出管104及びバイパスライン106には、開閉弁108a、108bが配設される。
The fuel
酸化剤ガス供給系94は、エアポンプ(エアコンプレッサ)110を備え、このエアポンプ110に接続される空気供給管112は、酸化剤ガス入口連通孔32aに接続される。この空気供給管112には、可変バルブ102bが配設される。
The oxidant
酸化剤ガス供給系94は、酸化剤ガス出口連通孔32bに接続される空気排出管114を備え、この空気排出管114と空気供給管112とにバイパスライン116が接続される。空気排出管114及びバイパスライン116には、開閉弁108c、108dが配設される。
The oxidant
電子負荷96は、可変抵抗機能を有しており、燃料電池10の出力電流が0〜使用時の最大電流密度以上になるように抵抗値が設定可能である。最大電流密度とは、発熱により固体高分子電解質膜14に劣化が発生しない程度であり、最大200%、好ましくは、150%以下(より好ましくは、125%)である。
The
このように構成される温水処理装置12、エージング装置50及び発電エージング装置90による運転方法について、図4に示すフローチャートに沿って以下に説明する。
The operation method by the hot
先ず、図1に示すように、燃料電池10は、温水処理装置12に取り付けられて温水処理が行われる(ステップS1)。具体的には、温水供給系36では、温水供給配管40aを介して燃料ガス入口連通孔30a及び/又は酸化剤ガス入口連通孔32a、例えば、前記燃料ガス入口連通孔30aに、所定の温度に昇温された純水(温水)が供給される。
First, as shown in FIG. 1, the
その際、開閉弁42が閉塞されており、温水排出配管40bが閉栓されるため、温水は、燃料ガス入口連通孔30aから燃料ガス流路24内に充填される。従って、燃料電池10内には、エージング処理前に温水が供給されており、電解質膜・電極構造体20に液状水である純水が直接供給されている。
At that time, since the on-off
一方、保温媒体供給系38では、ポンプ46の作用下に、冷却媒体入口連通孔34a及び冷却媒体出口連通孔34bに連通する循環配管44に所定の温度に維持された冷却媒体が循環されている。このため、冷却媒体は、冷却媒体流路28に循環供給されて燃料電池10が保温されている。
On the other hand, in the heat retaining
なお、温水処理を行う時間は、固体高分子電解質膜14の親水性により変化しており、親水性が高い場合に短時間に設定される一方、親水性が低い場合に長時間に設定される。実際上、数時間〜数十時間の範囲である。
The time for performing the hot water treatment varies depending on the hydrophilicity of the solid
上記の温水処理が終了した後、燃料電池10は、図2に示すように、エージング装置50に取り付けられる。このエージング装置50では、水素ポンプ運転を開始する前に、窒素ガスによるパージ処理が行われる(ステップS2)。窒素ボンベ70は、アノード側配管系54に設けられており、開閉弁66b、66c及び66eが開放される一方、開閉弁66a、66dが閉塞される。
After the hot water treatment is finished, the
このため、窒素ボンベ70から導出される窒素ガスは、加湿器68を通って加湿された後、アノード供給配管64とカソード供給配管78とに分流される。この加湿された窒素ガスは、燃料電池10の燃料ガス入口連通孔30aと酸化剤ガス入口連通孔32aとに供給される。
For this reason, the nitrogen gas led out from the
燃料電池10内では、図1に示すように、燃料ガス流路24及び酸化剤ガス流路26に加湿された窒素ガスが導入される。そして、所定の時間だけ掃気されることによって、燃料ガス流路24及び酸化剤ガス流路26に残存する空気等が窒素ガスに置換される。
In the
次いで、開閉弁66bが閉塞されるとともに、開閉弁66aが開放される。従って、水素ボンベ62から水素ガスが導出され、この水素ガスは、加湿器68によって加湿された後、アノード供給配管64とカソード供給配管78とに分流される。このため、燃料電池10では、燃料ガス流路24及び酸化剤ガス流路26が水素ガスによって掃気される(ステップS3)。
Next, the on-off
さらに、ステップS4に進んで、所謂、水素ポンプ運転による第1エージング工程が開始される。この水素ポンプ運転では、図2に示すように、アノード側(アノード側電極16)にプラス極の電位が印加されるとともに、カソード側(カソード側電極18)にマイナス極の電位が印加されている。 Furthermore, it progresses to step S4 and the 1st aging process by what is called a hydrogen pump driving | operation is started. In this hydrogen pump operation, as shown in FIG. 2, a positive potential is applied to the anode side (anode side electrode 16) and a negative potential is applied to the cathode side (cathode side electrode 18). .
この状態で、カソード側配管系56では、開閉弁66eが閉塞されている。一方、アノード側配管系54では、開閉弁66b、66dが閉塞されるとともに、開閉弁66a、66cが開放されている。従って、水素ボンベ62からアノード供給配管64に水素ガスが供給され、この水素ガスは、加湿器68によって加湿された後、燃料電池10の燃料ガス入口連通孔30aを通って燃料ガス流路24に供給される。
In this state, in the cathode
ここで、燃料電池10では、直流電源58を介してアノード側にプラス極の電位が印加されるとともに、カソード側にマイナス極の電位が印加されている。このため、図5に示すように、アノード側電極16では、H2→2H++2e-の反応が起こり、水素イオン(H+)は、固体高分子電解質膜14を透過してカソード側電極18に移動する。このカソード側電極18で、2H++2e-→H2の反応が惹起する。
Here, in the
従って、アノード側電極16からカソード側電極18には、プロトン(水素イオン)が移動するとともに、同伴水が固体高分子電解質膜14に供給され、この固体高分子電解質膜14の含水率が増加する。
Accordingly, protons (hydrogen ions) move from the
燃料電池10の燃料ガス流路24に供給された水素ガスは、未反応部分が燃料ガス出口連通孔30bからアノード排出配管72に排出される。一方、酸化剤ガス流路26の水素ガスは、この酸化剤ガス流路26から酸化剤ガス出口連通孔32bを通ってカソード排出配管80からアノード排出配管72に排出される。
The unreacted portion of the hydrogen gas supplied to the fuel
この場合、上記の水素ポンプ運転では、水素ボンベ62から導入される水素のストイキが、比較的高く設定されており、導入される水分量を増加させることができる。
In this case, in the above-described hydrogen pump operation, the stoichiometry of hydrogen introduced from the
しかも、直流電源58による印加電流密度は、使用時の最大電流密度に設定されている。水素ポンプ運転では、過電圧の少ない水素のみが反応に関与するため、エージング初期の段階で大電流を引くことが可能となるからである。これにより、エージング時間が短縮される。
Moreover, the current density applied by the
さらに、カソード側電極18側は、反応ガスの拡散抵抗による濃度過電圧の影響を受けないため、電極面の局所的な反応集中による劣化やエージング状態の分布を低減することが可能になる。従って、電極面を均一にエージングすることができる。
Further, since the
さらにまた、通常の発電によるエージングの場合には、エージング途上で一定電流を保持することができないため、負荷電流をサイクルさせてエージングを行っている。このため、高電位サイクルを繰り返すことになり、触媒単体の腐食を誘発するおそれがある。 Furthermore, in the case of aging by normal power generation, since a constant current cannot be maintained during aging, the aging is performed by cycling the load current. For this reason, the high potential cycle is repeated, which may induce corrosion of the catalyst alone.
これに対して、水素ポンプ運転によるエージングでは、腐食電位以下で、連続的に大電流を印加することができるため、性能劣化の抑制及びエージング時間の短縮が容易に可能になる。その際、水素ポンプ運転では、カソード側電極18に移送された水素は、酸化剤ガスと反応することがなく、水素ガスとしてアノード排出配管72に排出されている。これにより、水素が消費されることがなく、極めて経済的であるという効果がある。
On the other hand, in aging by hydrogen pump operation, since a large current can be continuously applied at a corrosion potential or lower, it is possible to easily suppress performance deterioration and shorten the aging time. At that time, in the hydrogen pump operation, the hydrogen transferred to the
さらに、水素ポンプ運転によるエージングでは、過電圧損失による発熱量も小さくなるため、固体高分子電解質膜14の温度劣化等を有効に抑制することができる。
Further, in the aging by the hydrogen pump operation, the heat generation amount due to the overvoltage loss is reduced, so that the temperature degradation of the solid
ところで、水素ポンプ運転のみによるエージングでは、触媒活性を十分に引き出すことができないおそれがある。従って、本実施形態では、水素ポンプ運転による第1エージング工程の後に、発電エージングによる第2エージング工程が行われる(ステップS5、及び図6参照)。 By the way, there is a possibility that the catalyst activity cannot be sufficiently extracted by aging only by the hydrogen pump operation. Therefore, in this embodiment, the 2nd aging process by power generation aging is performed after the 1st aging process by hydrogen pump operation (refer to Step S5 and Drawing 6).
先ず、図3に示すように、第1エージング工程が終了した燃料電池10は、発電エージング装置90に取り付けられる。そこで、燃料ガス供給系92を構成する水素タンク98は、水素供給管100を介して燃料ガス入口連通孔30aに燃料ガスを供給する。一方、酸化剤ガス供給系94を構成するエアポンプ110を介して、空気供給管112から酸化剤ガス入口連通孔32aに空気が供給される。
First, as shown in FIG. 3, the
このため、燃料ガス流路24に水素ガスが供給されるとともに、酸化剤ガス流路26に空気が供給され、電解質膜・電極構造体20により電気化学反応が発生する。具体的には、図7に示すように、アノード側電極16で発生したプロトン(水素イオン)が、固体高分子電解質膜14を透過してカソード側電極18に移動し、このカソード側電極18で水が生成される。
For this reason, hydrogen gas is supplied to the
従って、燃料電池10による発電が開始され、電子負荷96を介してこの燃料電池10から出力される電流は、図6に示すように、増減制御される。これにより、発電エージングが行われ、例えば、所定時間が経過することにより(ステップS6中、YES)、燃料電池10のエージング運転が終了する。
Therefore, power generation by the
このように、本実施形態では、エージング装置50による水素ポンプ運転によるエージング工程の前に、温水処理装置12を介して燃料電池10を構成する電解質膜・電極構造体20に液状水を直接供給する工程が行われている。このため、固体高分子電解質膜14中に水を効率的に導入することができ、抵抗過電圧が有効に低減可能になるとともに、エージングに要する時間が良好に短縮されるという効果が得られる。
Thus, in the present embodiment, liquid water is directly supplied to the electrolyte membrane /
しかも、電解質膜・電極構造体20中の残留溶媒や接着材成分等の不純物が除去され、清浄機能を有することができる。さらに、固体高分子電解質膜14が膨潤することにより、触媒表面の反応領域が有効に拡大するという利点がある。
Moreover, impurities such as residual solvent and adhesive components in the electrolyte membrane /
また、温水処理された燃料電池10のエージング処理が、先ず、水素ポンプ運転による第1エージング工程と、発電エージングによる第2エージング工程とにより行われている。
In addition, the aging process of the
水素ポンプ運転によるエージングでは、大電流を印加することによるプロトンチャンネルへの水の引き込みが確実に行われるとともに、過電圧の減少による電極面内での均一なエージング処理が遂行される。 In the aging by the hydrogen pump operation, water is surely drawn into the proton channel by applying a large current, and uniform aging treatment is performed in the electrode surface by reducing the overvoltage.
しかも、カソード側電極18の触媒が水素還元されるため、酸化膜の除去が図られる他、触媒界面との接合性が向上する。その上、固体高分子電解質膜14と触媒層中の電解質界面の接合性の向上によるプロトンの授受促進が図られるという利点がある。
In addition, since the catalyst of the
この水素ポンプ運転によるエージングを行った後、発電エージングを行うことにより、この発電エージングでは、高負荷発電が可能になる。このため、従来の発電エージングのみを行う際のように、出力電流を低電流から徐々に上げていく必要がなく、エージング完了までの時間が一挙に短縮される。 By performing power generation aging after performing aging by this hydrogen pump operation, this power generation aging enables high-load power generation. For this reason, it is not necessary to gradually increase the output current from a low current as in the case of performing only the conventional power generation aging, and the time until the aging is completed is shortened at once.
これにより、水素の消費を可及的に阻止することができ、経済的なエージング処理が遂行可能になるとともに、燃料電池10の触媒活性を良好に引き出すことができるという効果が得られる。
As a result, the consumption of hydrogen can be prevented as much as possible, an economic aging process can be performed, and the catalyst activity of the
図8は、温水処理のみによるエージングと、水素ポンプ運転のみによるエージングと、温水処理と水素ポンプ運転とを組み合わせたエージングと、温水処理と水素ポンプ運転と発電エージングとを組み合わせた本実施形態と、における発電性能を比較した結果である。これにより、本実施形態では、燃料電池10の触媒活性を完全に引き出すことができるという結果が得られた。
FIG. 8 shows the present embodiment in which aging only by hot water treatment, aging only by hydrogen pump operation, aging combining hot water treatment and hydrogen pump operation, and combination of hot water treatment, hydrogen pump operation and power generation aging, It is the result of having compared the power generation performance in. Thereby, in this embodiment, the result that the catalyst activity of the
なお、本実施形態では、エージング装置50による水素ポンプ運転によるエージング工程の前に、温水処理装置12を介して電解質膜・電極構造体20に温水を供給する工程が行われているが、これに限定されるものではない。例えば、燃料電池10全体を温水槽中に浸漬することにより、電解質膜・電極構造体20に温水を供給してもよい。また、燃料電池10を保温する保温媒体供給系38に代えて、前記燃料電池10全体を保温する保温炉を使用することもできる。
In the present embodiment, a step of supplying hot water to the electrolyte membrane /
さらに、本実施形態では、アノード側にプラス極の電位を印加するとともに、カソード側にマイナス極の電位を印加し、前記カソード側への酸化剤ガスの供給を行うことなく、前記アノード側に加湿された水素を供給して水素ポンプ運転を行っている。これに対して、カソード側にプラス極の電位を印加するとともに、アノード側にマイナス極の電位を印加し、前記アノード側への酸化剤ガスの供給を行うことなく、前記カソード側に加湿された水素を供給して水素ポンプ運転を行うこともできる。 Furthermore, in the present embodiment, a positive electrode potential is applied to the anode side, a negative electrode potential is applied to the cathode side, and humidification is applied to the anode side without supplying an oxidant gas to the cathode side. The supplied hydrogen is supplied to operate the hydrogen pump. On the other hand, a positive electrode potential was applied to the cathode side, a negative electrode potential was applied to the anode side, and the cathode side was humidified without supplying an oxidant gas to the anode side. Hydrogen pump operation can also be performed by supplying hydrogen.
10…燃料電池 12…温水処理装置
14…固体高分子電解質膜 16…アノード側電極
18…カソード側電極 20…電解質膜・電極構造体
24…燃料ガス流路 26…酸化剤ガス流路
28…冷却媒体流路 30a…燃料ガス入口連通孔
30b…燃料ガス出口連通孔 32a…酸化剤ガス入口連通孔
32b…酸化剤ガス出口連通孔 34a…冷却媒体入口連通孔
34b…冷却媒体出口連通孔 36…温水供給系
38…保温媒体供給系 40a…温水供給配管
40b…温水排出配管 44…循環配管
46…ポンプ 50…エージング装置
54…アノード側配管系 56…カソード側配管系
58…直流電源 60…コントローラ
62…水素ボンベ 64…アノード供給配管
68…加湿器 70…窒素ボンベ
72…アノード排出配管 78…カソード供給配管
80…カソード排出配管 90…発電エージング装置
92…燃料ガス供給系 94…酸化剤ガス供給系
96…電子負荷 98…水素タンク
100…水素供給管 104…水素排出管
110…エアポンプ 112…空気供給管
114…空気排出管
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記電解質膜・電極構造体に液状水を直接供給することによる水処理を施す工程と、
前記水処理の後、外部直流電源によって前記固体高分子型燃料電池に電位を印加した状態で、一方の電極側への酸化剤ガスの供給を行うことなく、他方の電極側に加湿された水素を供給することにより、前記水素が前記電解質膜を透過して前記一方の電極側に移送される水素ポンプ運転を行う工程と、
を有することを特徴とする固体高分子型燃料電池の運転方法。 A method for operating a polymer electrolyte fuel cell for aging a polymer electrolyte fuel cell having an electrolyte membrane / electrode structure in which a pair of electrodes are disposed on both sides of the electrolyte membrane,
A step of performing water treatment by directly supplying liquid water to the electrolyte membrane / electrode structure;
After the water treatment, hydrogen is humidified on the other electrode side without supplying an oxidant gas to one electrode side with a potential applied to the polymer electrolyte fuel cell by an external DC power source. Performing a hydrogen pump operation in which the hydrogen passes through the electrolyte membrane and is transferred to the one electrode side,
A method for operating a polymer electrolyte fuel cell, comprising:
前記水処理を行う際、少なくとも前記燃料ガス流路又は前記酸化剤ガス流路のいずれかに、前記液状水を充填した状態で、前記固体高分子型燃料電池を保温することを特徴とする固体高分子型燃料電池の運転方法。 2. The operation method according to claim 1, wherein the polymer electrolyte fuel cell is formed on one of a pair of separators sandwiching the electrolyte membrane / electrode structure and supplies fuel gas to the other electrode. A channel, and an oxidant gas passage formed in the remaining one separator and supplying an oxidant gas to the one electrode,
When the water treatment is performed, the solid polymer fuel cell is kept warm with at least one of the fuel gas channel and the oxidant gas channel filled with the liquid water. Polymer fuel cell operation method.
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