JP5111783B2 - 高分子膜の寿命予測試験方法、試験装置および試験プログラム - Google Patents
高分子膜の寿命予測試験方法、試験装置および試験プログラム Download PDFInfo
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Description
[本発明の概要]
本発明は、膜の寿命に至るまでに排出されるフッ素の積算量を寿命の指標にする点で、特許文献1の発明と共通している。しかし、本発明では、膜の寿命の定義をクロスオーバー量の上限とし、特許文献1では電池電圧で規定している。これにより、本発明では、膜の寿命に至るまでに排出されるフッ素の積算量を、より膜の化学的、物理的状態を反映した特性で規定しているのである。
A = ∫Rdt t = 0〜T … 式(1)
T:高分子膜の寿命予測値
A:開回路放置試験により求められる高分子膜が寿命に到るまでに当該燃料電池から排出されるフッ素の積算値
R:実運転条件におけるフッ素の排出速度
まず、本実施形態の高分子膜の寿命予測試験装置の構成を、図1を参照して説明する。なお、本発明は、かかる試験装置としても、また、後述する手順で試験を行う試験方法としても把握できるとともに、かかる手順でコンピュータを動作させるコンピュータプログラムおよびこれを記録した記録媒体として把握することもできる。
本実施形態は、試験装置10、水素検出部20、フッ素検出部30、出力部40、入力部50、制御装置60を有している。試験装置10は、コンピュータをプログラムで制御することにより実現されるものであり、演算処理部100、測定値記憶部11、設定記憶部12を有している。水素検出部20は、燃料極から酸化剤極への水素の透過量を検出する手段である。例えば、ガスクロマトグラフ等により水素濃度を検出する装置を用いることができる。フッ素検出部30は、フッ素の排出量を検出する手段である。例えば、イオンクロマトグラフ等により、排ガスの凝縮水中のフッ素濃度を測定する装置を用いることができる。
試験装置10を構成する演算処理部100は、クロスオーバー量算出部101、フッ素量算出部102、排出速度算出部103、膜寿命算出部104として機能する。クロスオーバー量算出部101は、水素検出部20による検出値に基づいて、水素クロスオーバー量を算出する手段である。フッ素量算出部102は、フッ素検出部30による検出値に基づいて、排出されたフッ素の積算値を算出する手段である。
以上のような装置による試験方法について、図2〜7を参照して説明する。なお、図2は、本試験の全体の流れを示すフローチャートである。まず、評価対象である高分子膜を用いて、従来技術で説明したような構成で、単電池を作製する。そして、作製した単電池(サンプル)を用いて、制御装置60により発電試験と開回路放置試験を行う。
制御装置60により開回路放置試験を開始する(ステップ201)。試験時間は、50時間以下とする。この開回路放置試験の間に、排出される排ガスの凝縮水を回収する。次に、酸化剤極への空気供給を停止し、開回路放置試験における空気流量と同流量の不活性ガス(例えば、窒素)を供給することにより、一旦試験を停止する(ステップ202)。そして、水素検出部20の検出値に基づいて、クロスオーバー量算出部101が、燃料極から酸化剤極への水素クロスオーバー量を求める(ステップ203)。
次に、発電試験におけるフッ素の排出速度の測定手順を説明する。サンプルとしては、上記の回路放置試験と同一仕様の高分子膜を用いた電池を使用する。発電試験条件(あらかじめ設定された試験条件に含まれる)として考慮するのは、高分子膜の寿命に影響する要因である。例えば、温度、湿度、反応ガス流量、反応ガス組成等である。
上記のように求めたフッ素の積算量Aと、フッ素の排出速度Rを用いて、膜寿命算出部104が、上記の式(1)により、高分子膜の予測寿命を計算することができる(ステップ214)。計算結果は、出力部40に出力され、オペレータが確認できる(ステップ215)。なお、本実施形態では、Rの時間関数を求めるのではなく、積算量の経時変化を求めた。これらを用いて発電試験によるフッ素の積算値がAに到達するまでの予測時間Tは、図6から、約14,000から19,000時間の範囲内と見積もられる。
従来技術では、高分子膜の寿命を予測するためには、基準となる膜を用いて加速試験条件等により高分子膜の寿命を測定する必要があり、その試験時間に数千、数万時間の長時間を要していた。本実施形態によれば、開回路放置試験により高分子膜の寿命に至るまでに排出されるフッ素量を、数100時間の短時間で求めることができる。
本発明は、上記のような実施形態には限定されない。例えば、製作する単電池は、製品と同じサイズであっても、それよりも小さい小型のサイズであってもよい。ただし、通常は、小型の単電池で実施することにより、試験設備のコスト低減が可能となる。
2,3…触媒層
4,5…多孔質層
6,7…セパレータ
10…試験装置
11…測定値記憶部
20…水素検出部
30…フッ素検出部
40…出力部
50…入力部
60…制御装置
100…演算処理部
101…クロスオーバー量算出部
102…フッ素量算出部
103…排出速度算出部
104…膜寿命算出部
Claims (5)
- 燃料電池のフッ素を含む高分子膜の寿命予測試験方法において、
開回路放置試験とクロスオーバー量測定とを交互に繰り返す工程と、
クロスオーバー量が、あらかじめ定めた上限値に達するまでに、燃料電池から排出された凝縮水中のフッ化物イオン濃度に基づいて、フッ素の積算量を求める工程と、
所定時間におけるフッ素の積算量に基づいて、発電試験において排出されるフッ素の排出速度を求める工程と、
前記フッ素の積算量と排出速度とに基づいて、高分子膜の寿命を算出する工程と、
を含むことを特徴とする高分子膜の寿命予測試験方法。 - 前記開回路放置試験においては、燃料極に水素、水素を含む混合ガスのいずれかを供給し、酸化剤極に空気、酸素、酸素を含む混合ガスのいずれかを供給することを特徴とする請求項1記載の高分子膜の寿命予測試験方法。
- 前記発電試験における試験条件は、燃料電池の各運転時間における電流、電圧、燃料流量、酸化剤流量を模擬した条件であることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の高分子膜の寿命予測試験方法。
- 燃料電池の高分子膜の寿命予測試験装置において、
燃料電池に開回路放置試験、発電試験を実施させるための試験条件を記憶する試験条件記憶部と、
開回路放置試験を一旦停止してから、クロスオーバーする水素または酸素を検出するガス検出部と、
前記ガス検出部により検出される水素または酸素のクロスオーバー量を算出するクロスオーバー量算出部と、
燃料電池から排出される凝縮水中のフッ化物イオン濃度に基づいて、フッ素を検出するフッ素検出部と、
クロスオーバー量の上限値を設定する設定記憶部と、
前記フッ素検出部により検出された値に基づいて、クロスオーバー量が前記設定記憶部に設定された前記上限値に達するまでに、排出されたフッ素の積算量を算出するフッ素量算出部と、
発電試験において、前記フッ素検出部により検出されたフッ素の所定時間における積算量に基づいて、フッ素の排出速度を算出する排出速度算出部と、
前記フッ素の積算量および排出速度に基づいて、高分子膜の寿命を算出する膜寿命算出部と、
を有することを特徴とする高分子膜の寿命予測試験装置。 - コンピュータに、燃料電池の高分子膜の寿命予測試験を実行させるプログラムにおいて、
前記コンピュータに、
燃料電池に開回路放置試験、発電試験を実施させる試験条件を記憶させる処理と、
開回路放置試験を一旦停止してから、クロスオーバーする水素または酸素を検出させる処理と、
検出される水素または酸素のクロスオーバー量を算出させる処理と、
燃料電池から排出されるフッ素を検出させる処理と、
クロスオーバー量の上限値を設定させる処理と、
算出されるクロスオーバー量が、前記上限値に達するまでに、燃料電池から排出された凝縮水中のフッ化物イオン濃度に基づいて、フッ素の積算量を算出させる処理と、
発電試験において、前記フッ素検出部により検出されたフッ素の所定時間における積算量に基づいて、フッ素の排出速度を算出させる処理と、
前記フッ素の積算量および排出速度に基づいて、高分子膜の寿命を算出させる処理と、
を実行させることを特徴とする高分子膜の寿命予測試験プログラム。
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