JP5167007B2 - Aging method for 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・電極構造体とセパレータと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エージング方法に関する。   The present invention relates to an aging method for 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 an electrolyte membrane and a separator.

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 Patent Document 1, the utilization rate of consumed gas is set so that flooding occurs in the fuel cell when the fuel cell is preliminarily operated (aging operation). It is characterized by improving.

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 Patent Document 2, a loader that consumes a load current from the polymer electrolyte fuel cell during preliminary operation, the polymer electrolyte fuel cell, Control means connected between the loader and periodically changing the magnitude of the load current with time.

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.

特開2003−217622号公報JP 2003-217622 A 特開2007−66666号公報JP 2007-66666 A

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 Patent Document 2, the cathode gas is supplied to the cathode, the anode gas is supplied to the anode, and a load current whose magnitude varies periodically with the passage of time from the fuel cell stack to the loader is supplied. Aging operation has started.

しかしながら、組立後に始めて使用される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 that is used for the first time after assembly cannot generate power with a 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、電解質膜中に水を効率的に導入するとともに、電解質膜・電極構造体中の不純物を除去することができ、エージング処理の効率化を図ることが可能な固体高分子型燃料電池のエージング方法を提供することを目的とする。   The present invention solves this type of problem, and can efficiently introduce water into the electrolyte membrane and remove impurities in the electrolyte membrane / electrode structure, thereby improving the efficiency of the aging treatment. It is an object of the present invention to provide a aging method for a polymer electrolyte fuel cell.

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・電極構造体とセパレータと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エージング方法に関するものである。   The present invention relates to an aging method for 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 and a separator. It is.

このエージング方法は、電解質膜・電極構造体の少なくとも一方の電極側に温水を流通させる第1の工程と、前記第1の工程の後に行われ、固体高分子型燃料電池に酸化剤ガス及び燃料ガスを供給するとともに、前記固体高分子型燃料電池に接続された負荷に負荷電流を流すことにより、発電エージングを行う第2の工程とを有している。 The aging process includes a first step of circulating hot water through the at least one electrode side of the membrane electrode assembly is carried out after the first step, a polymer electrolyte fuel cell in the oxidant gas and fuel And a second step of performing power generation aging by supplying a gas and flowing a load current to a load connected to the polymer electrolyte fuel cell .

また、このエージング方法は、負荷電流を固体高分子型燃料電池の最大電流密度の30%以上に設定して発電エージングを行うことが好ましい。   In this aging method, it is preferable to perform power generation aging by setting the load current to 30% or more of the maximum current density of the polymer electrolyte fuel cell.

さらに、このエージング方法は、負荷電流を固体高分子型燃料電池の最大電流密度以上に設定して発電エージングを行うことが好ましい。   Furthermore, in this aging method, it is preferable to perform power generation aging by setting the load current to be equal to or higher than the maximum current density of the polymer electrolyte fuel cell.

さらにまた、このエージング方法は、固体高分子型燃料電池に設けられた冷却媒体流路に、加温された冷却媒体を流通させることにより、少なくとも一方の電極側に流通される純水を加温して温水を得る工程を有することが好ましい。   Furthermore, in this aging method, pure water circulated to at least one electrode side is heated by circulating a heated cooling medium through a cooling medium flow path provided in the polymer electrolyte fuel cell. It is preferable to have a step of obtaining warm water.

また、このエージング方法は、固体高分子型燃料電池に設けられた冷却媒体流路に、加温された冷却媒体を流通させるとともに、加温された前記冷却媒体を、温水として少なくとも一方の電極側に流通させる工程を有することが好ましい。   Further, the aging method distributes the heated cooling medium through the cooling medium flow path provided in the polymer electrolyte fuel cell, and uses the heated cooling medium as hot water as at least one electrode side. It is preferable to have a step of circulating the product.

さらに、このエージング方法は、温水が、30℃〜55℃の純水であることが好ましい。   Furthermore, in this aging method, it is preferable that the warm water is pure water of 30 ° C to 55 ° C.

本発明では、電解質膜・電極構造体の少なくとも一方の電極側に温水が流通されるため、例えば、常温水や水蒸気等を使用する場合に比べ、前記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、濃度過電圧及び活性過電圧の各過電圧が有効に低減可能になる。従って、発電エージングの初期から高負荷運転が可能になり、エージング時間が良好に短縮されるとともに、エージング時の水素使用量が削減され、経済的である。   In the present invention, since warm water is circulated to at least one electrode side of the electrolyte membrane / electrode structure, for example, water is efficiently introduced into the electrolyte membrane as compared with the case of using room temperature water or water vapor. be able to. Thereby, each overvoltage of resistance overvoltage, density | concentration overvoltage, and active overvoltage can be reduced effectively. Therefore, high-load operation is possible from the beginning of power generation aging, the aging time is shortened well, and the amount of hydrogen used during aging is reduced, which is economical.

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 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.

図1は、本発明の第1の実施形態に係る固体高分子型燃料電池10のエージング方法を実施するための温水処理装置12の概略説明図である。   FIG. 1 is a schematic explanatory diagram of a hot water treatment apparatus 12 for carrying out an aging method for a polymer electrolyte fuel cell 10 according to a first embodiment of the present invention.

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とにより挟持されて単位セル23が構成される。   The fuel cell 10 includes, for example, an electrolyte membrane / electrode structure 20 in which a hydrocarbon-based solid polymer electrolyte membrane 14 is sandwiched between an anode-side electrode 16 and a cathode-side electrode 18, and the electrolyte membrane / electrode structure 20 is The unit cell 23 is configured by being sandwiched between the anode side separator 22a and the cathode side separator 22b.

単位セル23は、所定数だけ矢印A方向に積層されるとともに、積層方向両端には、図示しないターミナルプレート及び絶縁プレートを介装してエンドプレート25a、25bが配設される。エンドプレート25a、25bは、図示しないタイロッドを介して複数の単位セル23を積層方向(矢印A方向)に締め付け保持し、あるいは、箱状ケーシングの端板を構成して前記単位セル23を前記積層方向に締め付け保持する。   A predetermined number of unit cells 23 are stacked in the direction of arrow A, and end plates 25a and 25b are disposed at both ends of the stacking direction via terminal plates and insulating plates (not shown). The end plates 25a and 25b clamp and hold a plurality of unit cells 23 in the stacking direction (arrow A direction) via a tie rod (not shown), or constitute an end plate of a box-shaped casing to stack the unit cells 23. Tighten and hold in the direction.

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 anode side separator 22a and the cathode side separator 22b are made of carbon plates or metal plates, and are provided with a seal member (not shown). The solid polymer electrolyte membrane 14 may be a fluorine-based membrane such as perfluorocarbon, for example.

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 gas flow path 24 is formed between the electrolyte membrane / electrode structure 20 and the anode side separator 22a, and an oxidant is provided between the electrolyte membrane / electrode structure 20 and the cathode side separator 22b. A gas flow path 26 is formed. A cooling medium flow path 28 is formed between the anode side separator 22a and the cathode side separator 22b.

燃料電池10は、一端部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とが形成される。   The fuel cell 10 includes a fuel gas inlet communication hole 30a for supplying a fuel gas such as a hydrogen-containing gas to one end side, and an oxidant gas inlet communication for supplying an oxidant gas such as air (oxygen-containing gas). A hole 32a, a fuel gas outlet communication hole 30b for discharging the fuel gas, and an oxidant gas outlet communication hole 32b for discharging the oxidant gas are formed. At the other end of the fuel cell 10, a cooling medium inlet communication hole 34a for supplying a cooling medium and a cooling medium outlet communication hole 34b for discharging the cooling medium are formed.

温水処理装置12は、電解質膜・電極構造体20の少なくとも一方の電極側に、第1の実施形態では、両方の電極側であるアノード側電極16側及びカソード側電極18側に、温水を流通させるための温水循環系36と、冷却媒体流路28に加温された冷却媒体を循環流通させるための冷却媒体循環系40とを備える。   The hot water treatment device 12 circulates hot water to at least one electrode side of the electrolyte membrane / electrode structure 20, and in the first embodiment, to both the anode side electrode 16 side and the cathode side electrode 18 side, which are both electrode sides. And a cooling medium circulation system 40 for circulating and circulating the cooling medium heated in the cooling medium flow path 28.

温水循環系36は、純水42が貯留されるタンク44を備え、このタンク44内には、導電率計46が前記純水42内に浸漬されて配置される。タンク44内には、温水供給配管48の一端部と温水排出配管50の一端部とが配置される。温水供給配管48には、ポンプ52が配置されるとともに、前記温水供給配管48の他端部側は、第1供給配管48a及び第2供給配管48bに分岐する。第1供給配管48aは、燃料電池10の燃料ガス入口連通孔30aに連結される一方、第2供給配管48bは、前記燃料電池10の酸化剤ガス入口連通孔32aに連結される。   The hot water circulation system 36 includes a tank 44 in which pure water 42 is stored, and a conductivity meter 46 is immersed in the pure water 42 and disposed in the tank 44. One end of the hot water supply pipe 48 and one end of the hot water discharge pipe 50 are arranged in the tank 44. A pump 52 is disposed in the hot water supply pipe 48, and the other end side of the hot water supply pipe 48 branches into a first supply pipe 48a and a second supply pipe 48b. The first supply pipe 48 a is connected to the fuel gas inlet communication hole 30 a of the fuel cell 10, while the second supply pipe 48 b is connected to the oxidant gas inlet communication hole 32 a of the fuel cell 10.

温水排出配管50の他端部側は、第1排出配管50a及び第2排出配管50bに分岐する。第1排出配管50aは、燃料電池10の燃料ガス出口連通孔30bに連結される一方、第2排出配管50bは、前記燃料電池10の酸化剤ガス出口連通孔32bに連結される。   The other end side of the hot water discharge pipe 50 branches into a first discharge pipe 50a and a second discharge pipe 50b. The first exhaust pipe 50 a is connected to the fuel gas outlet communication hole 30 b of the fuel cell 10, while the second exhaust pipe 50 b is connected to the oxidant gas outlet communication hole 32 b of the fuel cell 10.

冷却媒体循環系40は、冷媒循環用ポンプ62を備え、このポンプ62が冷媒循環配管64に配設される。冷媒循環配管64の両端部は、燃料電池10の冷却媒体入口連通孔34aと冷却媒体出口連通孔34bとに連結されるとともに、ポンプ62の下流側にヒータ66が配設される。燃料電池10は、コントローラ68を介して制御される。   The cooling medium circulation system 40 includes a refrigerant circulation pump 62, and this pump 62 is disposed in the refrigerant circulation pipe 64. Both ends of the refrigerant circulation pipe 64 are connected to the cooling medium inlet communication hole 34 a and the cooling medium outlet communication hole 34 b of the fuel cell 10, and a heater 66 is disposed on the downstream side of the pump 62. The fuel cell 10 is controlled via the controller 68.

図2は、燃料電池10の温水処理後に、前記燃料電池10に対して発電エージング工程を行うための発電エージング装置70の概略構成図である。なお、発電エージング装置70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. 2 is a schematic configuration diagram of a power generation aging device 70 for performing a power generation aging process on the fuel cell 10 after the hot water treatment of the fuel cell 10. The power generation aging device 70 may be configured as a dedicated machine used for power generation aging, or may be configured to perform power generation aging by a fuel cell system incorporating the fuel cell 10 for in-vehicle use. .

発電エージング装置70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72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74と、前記燃料電池10に接続される電子負荷76とを備える。   The power generation aging device 70 includes a fuel gas supply system 72 for supplying fuel gas to the fuel cell 10, an oxidant gas supply system 74 for supplying oxidant gas to the fuel cell 10, and the fuel cell 10. And an electronic load 76 to be connected.

燃料ガス供給系72は、水素タンク78を備え、この水素タンク78から水素供給管80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80には、可変バルブ82aが配設される。   The fuel gas supply system 72 includes a hydrogen tank 78, and hydrogen gas is supplied from the hydrogen tank 78 through the hydrogen supply pipe 80 to the fuel gas inlet communication hole 30 a, and a variable valve is provided in the hydrogen supply pipe 80. 82a is disposed.

燃料ガス供給系72は、燃料ガス出口連通孔30bに連通する水素排出管84を有し、この水素排出管84と水素供給管80とにバイパスライン86が接続される。水素排出管84及びバイパスライン86には、開閉弁88a、88bが配設される。   The fuel gas supply system 72 has a hydrogen discharge pipe 84 that communicates with the fuel gas outlet communication hole 30 b, and a bypass line 86 is connected to the hydrogen discharge pipe 84 and the hydrogen supply pipe 80. On-off valves 88 a and 88 b are disposed in the hydrogen discharge pipe 84 and the bypass line 86.

酸化剤ガス供給系74は、エアポンプ(エアコンプレッサ)90を備え、このエアポンプ90に接続される空気供給管92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92には、可変バルブ82bが配設される。   The oxidant gas supply system 74 includes an air pump (air compressor) 90, and an air supply pipe 92 connected to the air pump 90 is connected to the oxidant gas inlet communication hole 32a. The air supply pipe 92 is provided with a variable valve 82b.

酸化剤ガス供給系74は、酸化剤ガス出口連通孔32bに接続される空気排出管94を備え、この空気排出管94と空気供給管92とにバイパスライン96が接続される。空気排出管94及びバイパスライン96には、開閉弁88c、88dが配設される。   The oxidant gas supply system 74 includes an air discharge pipe 94 connected to the oxidant gas outlet communication hole 32 b, and a bypass line 96 is connected to the air discharge pipe 94 and the air supply pipe 92. The air discharge pipe 94 and the bypass line 96 are provided with on-off valves 88c and 88d.

電子負荷76は、可変抵抗機能を有しており、燃料電池10の出力電流が零から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の電流密度であり、設定する出力電流は、最大電流密度の200%、好ましくは、150%以下、より好ましくは、125%以下である。さらに、電流密度が極度に大きくなると、面内の発電分布が大きくなり、好ましくない。   The electronic load 76 has a variable resistance function, and the resistance value can be set so that the output current of the fuel cell 10 is zero or more than the maximum current density in use. The maximum current density is a current density that does not cause deterioration in the solid polymer electrolyte membrane 14 due to heat generation, and the set output current is 200% of the maximum current density, preferably 150% or less, more preferably, 125% or less. Furthermore, if the current density becomes extremely large, the in-plane power generation distribution becomes large, which is not preferable.

このように構成される温水処理装置12及び発電エージング装置70による運転方法について、図3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 water treatment device 12 and the power generation aging device 70 configured as described above will be described below along the flowchart shown in FIG.

先ず、燃料電池10は、所定数の単位セル23が、図1中、矢印A方向に積層されるとともに、積層方向両端には、図示しないが、ターミナルプレート、絶縁プレート及びエンドプレート25a、25bが配置される。エンドプレート25a、25b間は、図示しないタイロッドにより締め付け保持され、あるいは、ボックス状ケーシングにより積層方向に締め付け保持されて、スタックが組み付けられる(ステップS1)。   First, in the fuel cell 10, a predetermined number of unit cells 23 are stacked in the direction of arrow A in FIG. 1, and terminal plates, insulating plates and end plates 25a and 25b are provided at both ends in the stacking direction (not shown). Be placed. The end plates 25a and 25b are clamped and held by a tie rod (not shown), or clamped and held in a stacking direction by a box-shaped casing, and the stack is assembled (step S1).

上記のスタック化された燃料電池10は、温水処理装置12に取り付けられる。具体的には、温水循環系36では、温水供給配管48から分岐する第1供給配管48aは、燃料電池10の燃料ガス入口連通孔30aに連結される一方、前記温水供給配管48から分岐する第2供給配管48bは、前記燃料電池10の酸化剤ガス入口連通孔32aに連結される。   The stacked fuel cell 10 is attached to the hot water treatment device 12. Specifically, in the hot water circulation system 36, the first supply pipe 48 a branched from the hot water supply pipe 48 is connected to the fuel gas inlet communication hole 30 a of the fuel cell 10, while the first supply pipe 48 a branched from the hot water supply pipe 48. The two supply pipes 48 b are connected to the oxidant gas inlet communication hole 32 a of the fuel cell 10.

さらに、温水排出配管50から分岐する第1排出配管50aは、燃料電池10の燃料ガス出口連通孔30bに連結される一方、前記温水排出配管50から分岐する第2排出配管50bは、前記燃料電池10の酸化剤ガス出口連通孔32bに連結される。   Further, the first discharge pipe 50a branched from the hot water discharge pipe 50 is connected to the fuel gas outlet communication hole 30b of the fuel cell 10, while the second discharge pipe 50b branched from the hot water discharge pipe 50 is connected to the fuel cell. 10 oxidant gas outlet communication holes 32b.

また、冷却媒体循環系40では、冷媒循環配管64の両端部は、燃料電池10の冷却媒体入口連通孔34aと冷却媒体出口連通孔34bとに連結される。   In the cooling medium circulation system 40, both end portions of the refrigerant circulation pipe 64 are connected to the cooling medium inlet communication hole 34 a and the cooling medium outlet communication hole 34 b of the fuel cell 10.

次いで、ステップS2に進んで、温水処理装置12が駆動されて、温水エージングが開始される。この温水エージングでは、冷却媒体循環系40を構成するポンプ62の作用下に、冷媒循環配管64内を冷却媒体が循環するとともに、この冷却媒体は、ヒータ66を介して後述する温水を所定の温度に加温するために必要な温度に加温される。   Subsequently, it progresses to step S2, the warm water processing apparatus 12 is driven, and warm water aging is started. In this hot water aging, the cooling medium circulates in the refrigerant circulation pipe 64 under the action of the pump 62 constituting the cooling medium circulation system 40, and this cooling medium passes hot water, which will be described later, through a heater 66 to a predetermined temperature. It is heated to the temperature necessary for heating.

この加温された冷却媒体は、冷却媒体入口連通孔34aから燃料電池10内の冷却媒体流路28内に供給された後、冷却媒体出口連通孔34bから冷媒循環配管64に戻される。このため、燃料電池10内では、各冷却媒体流路28に所定の温度に加温された冷却媒体が循環している。   The heated cooling medium is supplied from the cooling medium inlet communication hole 34a into the cooling medium flow path 28 in the fuel cell 10, and then returned to the refrigerant circulation pipe 64 from the cooling medium outlet communication hole 34b. Therefore, in the fuel cell 10, the cooling medium heated to a predetermined temperature circulates in each cooling medium flow path 28.

一方、温水循環系36を構成するポンプ52の駆動作用下に、タンク44に貯留されている純水(タンク44内では、常温水)42が、温水供給配管48に送られる。純水42は、温水供給配管48から分岐する第1及び第2供給配管48a、48bを介して、燃料電池10の燃料ガス入口連通孔30a及び酸化剤ガス入口連通孔32aに導入される。   On the other hand, pure water (room temperature water in the tank 44) 42 stored in the tank 44 is sent to the hot water supply pipe 48 under the drive action of the pump 52 that constitutes the hot water circulation system 36. The pure water 42 is introduced into the fuel gas inlet communication hole 30a and the oxidant gas inlet communication hole 32a of the fuel cell 10 through the first and second supply pipes 48a and 48b branched from the hot water supply pipe 48.

これにより、純水42は、燃料電池10内の各燃料ガス流路24及び各酸化剤ガス流路26に流通された後、燃料ガス出口連通孔30b及び酸化剤ガス出口連通孔32bから第1及び第2排出配管50a、50bに排出される。従って、純水42は、温水排出配管50を介してタンク44に戻されるため、温水循環系36では、タンク44内の前記純水42が循環供給されている。   Thus, after the pure water 42 is circulated through the fuel gas passages 24 and the oxidant gas passages 26 in the fuel cell 10, the pure water 42 is first supplied from the fuel gas outlet communication hole 30b and the oxidant gas outlet communication hole 32b. And discharged to the second discharge pipes 50a and 50b. Accordingly, since the pure water 42 is returned to the tank 44 through the hot water discharge pipe 50, the pure water 42 in the tank 44 is circulated and supplied in the hot water circulation system 36.

その際、燃料ガス流路24及び酸化剤ガス流路26に供給される純水42は、冷却媒体流路28に循環供給される冷却媒体により加温されている。このため、純水42は、例えば、50℃に加温され、温水として燃料ガス流路24及び酸化剤ガス流路26に供給されている。従って、各電解質膜・電極構造体20には、温水が直接供給されるため、固体高分子電解質膜14中に、純水42を効率的且つ迅速に導入することができる。   At that time, the pure water 42 supplied to the fuel gas passage 24 and the oxidant gas passage 26 is heated by the cooling medium circulated and supplied to the cooling medium passage 28. For this reason, the pure water 42 is heated to, for example, 50 ° C., and is supplied to the fuel gas passage 24 and the oxidant gas passage 26 as hot water. Accordingly, since warm water is directly supplied to each electrolyte membrane / electrode structure 20, pure water 42 can be efficiently and rapidly introduced into the solid polymer electrolyte membrane 14.

なお、温水の温度は、例えば、30℃〜55℃の範囲内に設定される。温水温度が30℃未満になると、温水の効果が得られず、固体高分子電解質膜14に水を迅速且つ効率的に導入することができないとともに、前記温水の洗浄効果が十分に得られず、固体高分子電解質膜14の洗浄作業の効率化が図られない。一方、温水温度が55℃を超えると、単位セル23の膨張によって、燃料電池10の締め付け荷重が許容荷重を超えるからである。   In addition, the temperature of warm water is set in the range of 30 degreeC-55 degreeC, for example. When the warm water temperature is less than 30 ° C., the effect of warm water cannot be obtained, water cannot be quickly and efficiently introduced into the solid polymer electrolyte membrane 14, and the washing effect of the warm water cannot be sufficiently obtained. The efficiency of the cleaning operation of the solid polymer electrolyte membrane 14 cannot be achieved. On the other hand, when the hot water temperature exceeds 55 ° C., the tightening load of the fuel cell 10 exceeds the allowable load due to the expansion of the unit cell 23.

そこで、上記の温水エージング処理が、例えば、所定の時間だけ行われると、エージング運転が完了する(ステップS3中、YES)。なお、上記の温水エージング中に、導電率計46により検出された温水の導電率が、所定値以上である場合には、タンク44内の温水の入れ替えが行われる。   Therefore, when the hot water aging process is performed for a predetermined time, for example, the aging operation is completed (YES in step S3). If the conductivity of the hot water detected by the conductivity meter 46 is equal to or higher than a predetermined value during the hot water aging, the hot water in the tank 44 is replaced.

エージング完了後、ステップS4に進んで、空気パージが行われる。先ず、温水循環系36を構成するポンプ52の駆動が停止されるとともに、冷却媒体循環系40を構成するポンプ62の駆動が停止される。これにより、燃料電池10内への温水及び冷却媒体の循環が停止される。   After completion of aging, the process proceeds to step S4, where air purge is performed. First, the drive of the pump 52 constituting the hot water circulation system 36 is stopped and the drive of the pump 62 constituting the cooling medium circulation system 40 is stopped. Thereby, the circulation of the hot water and the cooling medium into the fuel cell 10 is stopped.

次いで、図示しない空気供給系を介して、燃料ガス流路24及び酸化剤ガス流路26に、順次、又は、同時に、空気が供給される。これにより、燃料ガス流路24及び前記酸化剤ガス流路26が空気パージされる。上記の空気パージ処理が終了すると、又は、空気パージ処理の前に、燃料電池10が温水処理装置12から取り外される。   Next, air is supplied to the fuel gas passage 24 and the oxidant gas passage 26 sequentially or simultaneously via an air supply system (not shown). As a result, the fuel gas passage 24 and the oxidant gas passage 26 are purged with air. When the air purge process is completed or before the air purge process, the fuel cell 10 is removed from the hot water treatment device 12.

温水エージング工程が終了した燃料電池10は、図2に示すように、発電エージング装置70に取り付けられる。燃料ガス供給系72では、水素供給管80が燃料ガス入口連通孔30aに接続されるとともに、水素排出管84が燃料ガス出口連通孔30bに接続される。酸化剤ガス供給系74では、空気供給管92が酸化剤ガス入口連通孔32aに接続されるとともに、空気排出管94が酸化剤ガス出口連通孔32bに接続される。また、燃料電池10には、電子負荷76が電気的に接続される。   The fuel cell 10 after the hot water aging process is attached to a power generation aging device 70 as shown in FIG. In the fuel gas supply system 72, the hydrogen supply pipe 80 is connected to the fuel gas inlet communication hole 30a, and the hydrogen discharge pipe 84 is connected to the fuel gas outlet communication hole 30b. In the oxidant gas supply system 74, the air supply pipe 92 is connected to the oxidant gas inlet communication hole 32a, and the air discharge pipe 94 is connected to the oxidant gas outlet communication hole 32b. In addition, an electronic load 76 is electrically connected to the fuel cell 10.

そして、燃料ガス供給系72を構成する水素タンク78は、水素供給管80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74を構成するエアポンプ90を介して、空気供給管92から酸化剤ガス入口連通孔32aに空気が供給される。   The hydrogen tank 78 constituting the fuel gas supply system 72 supplies the fuel gas to the fuel gas inlet communication hole 30 a via the hydrogen supply pipe 80. On the other hand, air is supplied from the air supply pipe 92 to the oxidant gas inlet communication hole 32 a via the air pump 90 constituting the oxidant gas supply system 74.

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。従って、燃料電池10による発電が開始され、電子負荷76を介してこの燃料電池10から出力される電流は、図4に示すように、段階的に増加制御される。   For this reason, hydrogen gas is supplied to the fuel gas passage 24 and air is supplied to the oxidant gas passage 26, and an electrochemical reaction is generated by the electrolyte membrane / electrode structure 20. Therefore, power generation by the fuel cell 10 is started, and the current output from the fuel cell 10 via the electronic load 76 is increased and controlled stepwise as shown in FIG.

電子負荷76では、燃料電池10の出力電流が使用時の最大電流密度の30%以上〜前記最大電流密度以上に設定される。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。   In the electronic load 76, the output current of the fuel cell 10 is set to 30% or more of the maximum current density during use to the maximum current density or more. Thus, power generation aging is performed. For example, when a predetermined time elapses (YES in step S6), the aging operation of the fuel cell 10 is completed.

この場合、第1の実施形態では、発電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に温水を直接供給する工程が行われている。このため、例えば、常温水や水蒸気等を使用する場合に比べ、固体高分子電解質膜14中に水を迅速且つ効率的に導入することができる。   In this case, in the first embodiment, a step of supplying hot water directly to the electrolyte membrane / electrode structure 20 constituting the fuel cell 10 via the hot water treatment device 12 is performed before the power generation aging step. For this reason, for example, compared with the case where normal temperature water, water vapor | steam, etc. are used, water can be introduce | transduced into the solid polymer electrolyte membrane 14 rapidly and efficiently.

従って、抵抗過電圧、濃度過電圧及び活性過電圧の各過電圧が有効に低減可能になり、発電エージング処理時に、短時間で大電流を印加することが可能になる。すなわち、最大電流密度の30%以上、場合によっては、前記最大電流密度以上に設定することができ、発電エージングに要する時間が良好に短縮され、しかも発電エージング時の水素使用量が削減されて経済的であるという効果が得られる。   Therefore, each of the resistance overvoltage, concentration overvoltage, and active overvoltage can be effectively reduced, and a large current can be applied in a short time during the power generation aging process. That is, it can be set to 30% or more of the maximum current density, and in some cases, to the above-mentioned maximum current density, the time required for power generation aging can be reduced well, and the amount of hydrogen used during power generation aging can be reduced. The effect that it is the target is acquired.

さらに、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。その上、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。   Furthermore, impurities such as residual solvent and adhesive component in the electrolyte membrane / electrode structure 20 are removed, and a cleaning function can be obtained. In addition, there is an advantage that the reaction region on the catalyst surface is effectively expanded by swelling the solid polymer electrolyte membrane 14.

また、燃料電池10内では、燃料ガス流路24及び酸化剤ガス流路26に温水が供給される一方、冷却媒体流路28には、加温された冷却媒体が供給されるため、前記燃料電池10内での圧力バランスを良好に維持することができる。   Further, in the fuel cell 10, warm water is supplied to the fuel gas flow path 24 and the oxidant gas flow path 26, while a warmed cooling medium is supplied to the cooling medium flow path 28. The pressure balance in the battery 10 can be maintained well.

なお、第1の実施形態では、燃料ガス流路24及び酸化剤ガス流路26に温水を供給することにより温水エージングを行っているが、これに限定されるものではない。例えば、燃料ガス流路24のみ、又は酸化剤ガス流路26のみに温水を供給して温水エージングを行ってもよい。   In the first embodiment, hot water aging is performed by supplying hot water to the fuel gas channel 24 and the oxidant gas channel 26, but the present invention is not limited to this. For example, warm water aging may be performed by supplying warm water only to the fuel gas channel 24 or only to the oxidant gas channel 26.

図5は、本発明の第2の実施形態に係る固体高分子型燃料電池のエージング方法を実施するための温水処理装置100の概略説明図である。なお、第1の実施形態に係る温水処理装置12と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。   FIG. 5 is a schematic explanatory diagram of a hot water treatment apparatus 100 for carrying out an aging method for a polymer electrolyte fuel cell according to a second embodiment of the present invention. In addition, the same referential mark is attached | subjected to the component same as the hot water treatment apparatus 12 which concerns on 1st Embodiment, and the detailed description is abbreviate | omitted.

温水処理装置100は、温水循環系36と冷却媒体循環系40とを駆動するためのポンプとして、単一のポンプ62のみが用いられる。第1及び第2供給配管48a、48bと冷媒循環配管64とは、温水供給バイパス配管102により連通するとともに、第1及び第2排出配管50a、50bと前記冷媒循環配管64とは、温水排出バイパス配管104を介して連通する。冷媒循環配管64には、タンク44が配設される。   In the hot water treatment apparatus 100, only a single pump 62 is used as a pump for driving the hot water circulation system 36 and the cooling medium circulation system 40. The first and second supply pipes 48a and 48b and the refrigerant circulation pipe 64 communicate with each other through the hot water supply bypass pipe 102, and the first and second discharge pipes 50a and 50b and the refrigerant circulation pipe 64 are connected to the hot water discharge bypass 64. It communicates via the pipe 104. A tank 44 is disposed in the refrigerant circulation pipe 64.

このように構成される温水処理装置100による温水エージング工程では、ポンプ62が駆動されることにより、冷媒循環配管64を介して冷却媒体流路28に加温された冷却媒体が循環されるとともに、温水供給バイパス配管102から第1及び第2供給配管48a、48bに温水(冷却媒体)が供給される。   In the hot water aging process by the hot water treatment apparatus 100 configured as described above, when the pump 62 is driven, the heated cooling medium is circulated in the cooling medium flow path 28 via the refrigerant circulation pipe 64, and Hot water (cooling medium) is supplied from the hot water supply bypass pipe 102 to the first and second supply pipes 48a and 48b.

この温水は、燃料ガス流路24及び酸化剤ガス流路26に供給されて、各電解質膜・電極構造体20の両面に直接供給された後、第1及び第2排出配管50a、50bから温水排出バイパス配管104を通って、タンク44に戻される。このため、温水の循環供給が遂行される。   This hot water is supplied to the fuel gas flow path 24 and the oxidant gas flow path 26 and directly supplied to both surfaces of each electrolyte membrane / electrode structure 20, and then the hot water is supplied from the first and second discharge pipes 50a, 50b. It returns to the tank 44 through the discharge bypass pipe 104. For this reason, circulating supply of warm water is performed.

その際、第2の実施形態では、単一のポンプ62を介して温水循環系36及び冷却媒体循環系40にそれぞれ温水及び冷却媒体を供給している。従って、温水処理装置100全体の構成の簡素化が図られるという効果が得られる。   At that time, in the second embodiment, the hot water and the cooling medium are respectively supplied to the hot water circulation system 36 and the cooling medium circulation system 40 through a single pump 62. Therefore, the effect that simplification of the structure of the whole warm water treatment apparatus 100 is achieved is obtained.

本発明の第1の実施形態に係る固体高分子型燃料電池のエージング方法を実施するための温水処理装置の概略説明図である。It is a schematic explanatory drawing of the hot water treatment apparatus for implementing the aging method of the polymer electrolyte fuel cell which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 前記エージング方法を実施するための発電エージング装置の概略説明図である。It is a schematic explanatory drawing of the electric power generation aging apparatus for implementing the said aging method. 前記エージング方法を説明するフローチャートである。It is a flowchart explaining the said aging method. 発電エージング工程の負荷電流説明図である。It is load current explanatory drawing of a power generation aging process. 本発明の第2の実施形態に係る固体高分子型燃料電池のエージング方法を実施するための温水処理装置の概略説明図である。It is a schematic explanatory drawing of the hot water treatment apparatus for enforcing the aging method of the polymer electrolyte fuel cell which concerns on the 2nd Embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

10…燃料電池 12、100…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
23…単位セル 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…温水循環系 40…冷却媒体循環系
42…純水 44…タンク
46…導電率計 48…温水供給配管
48a、48b…供給配管 50…温水排出配管
50a、50b…排出配管 52、62…ポンプ
70…発電エージング装置 72…燃料ガス供給系
74…酸化剤ガス供給系 76…電子負荷
78…水素タンク 90…エアポンプ
102…温水供給バイパス配管 104…温水排出バイパス配管
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Fuel cell 12, 100 ... Hot water processing apparatus 14 ... Solid polymer electrolyte membrane 16 ... Anode side electrode 18 ... Cathode side electrode 20 ... Electrolyte membrane and electrode structure 23 ... Unit cell 24 ... Fuel gas flow path 26 ... Oxidant Gas channel 28 ... cooling medium channel 30a ... fuel gas inlet communication hole 30b ... fuel gas outlet communication hole 32a ... oxidant gas inlet communication hole 32b ... oxidant gas outlet communication hole 34a ... cooling medium inlet communication hole 34b ... cooling medium Outlet communication hole 36 ... warm water circulation system 40 ... cooling medium circulation system 42 ... pure water 44 ... tank 46 ... conductivity meter 48 ... warm water supply piping 48a, 48b ... supply piping 50 ... warm water discharge piping 50a, 50b ... discharge piping 52, 62 ... Pump 70 ... Power generation aging device 72 ... Fuel gas supply system 74 ... Oxidant gas supply system 76 ... Electronic load 78 ... Hydrogen tank 90 ... Air pump 102 ... Warm Water supply bypass piping 104 ... Warm water discharge bypass piping

Claims (6)

電解質膜の両側に一対の電極が配設される電解質膜・電極構造体とセパレータと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エージング方法であって、
前記電解質膜・電極構造体の少なくとも一方の電極側に温水を流通させる第1の工程と、
前記第1の工程の後に行われ、前記固体高分子型燃料電池に酸化剤ガス及び燃料ガスを供給するとともに、前記固体高分子型燃料電池に接続された負荷に負荷電流を流すことにより、発電エージングを行う第2の工程と、
を有することを特徴とする固体高分子型燃料電池のエージング方法。
A solid polymer fuel cell aging method 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 and a separator,
A first step of circulating hot water to at least one electrode side of the electrolyte membrane / electrode structure;
Power generation is performed by supplying an oxidant gas and a fuel gas to the polymer electrolyte fuel cell and flowing a load current to a load connected to the polymer electrolyte fuel cell. A second step of aging;
A method for aging a polymer electrolyte fuel cell, comprising:
請求項1記載のエージング方法において、前記負荷電流を前記固体高分子型燃料電池の最大電流密度の30%以上に設定して前記発電エージングを行うことを特徴とする固体高分子型燃料電池のエージング方法。   The aging method according to claim 1, wherein the power generation aging is performed by setting the load current to 30% or more of the maximum current density of the polymer electrolyte fuel cell. Method. 請求項1又は2記載のエージング方法において、前記負荷電流を前記固体高分子型燃料電池の最大電流密度以上に設定して前記発電エージングを行うことを特徴とする固体高分子型燃料電池のエージング方法。   The aging method according to claim 1 or 2, wherein the power generation aging is performed by setting the load current to be equal to or higher than a maximum current density of the polymer electrolyte fuel cell. . 請求項1〜3のいずれか1項に記載のエージング方法において、前記固体高分子型燃料電池に設けられた冷却媒体流路に、加温された冷却媒体を流通させることにより、少なくとも前記一方の電極側に流通される純水を加温して前記温水を得る工程を有することを特徴とする固体高分子型燃料電池のエージング方法。   4. The aging method according to claim 1, wherein at least one of the aging methods is performed by circulating a heated cooling medium through a cooling medium flow path provided in the polymer electrolyte fuel cell. A solid polymer fuel cell aging method comprising a step of heating pure water distributed to the electrode side to obtain the warm water. 請求項1〜3のいずれか1項に記載のエージング方法において、前記固体高分子型燃料電池に設けられた冷却媒体流路に、加温された冷却媒体を流通させるとともに、加温された前記冷却媒体を、前記温水として少なくとも前記一方の電極側に流通させる工程を有することを特徴とする固体高分子型燃料電池のエージング方法。   The aging method according to any one of claims 1 to 3, wherein the heated cooling medium is circulated through the cooling medium flow path provided in the polymer electrolyte fuel cell, and the heated A solid polymer fuel cell aging method comprising a step of circulating a cooling medium as at least one of the electrodes as the warm water. 請求項1〜5のいずれか1項に記載のエージング方法において、前記温水は、30℃〜55℃の純水であることを特徴とする固体高分子型燃料電池のエージング方法。   6. The aging method according to claim 1, wherein the hot water is pure water at 30 ° C. to 55 ° C. 6.
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