JP5794179B2 - Fuel cell system and fuel cell control method - Google Patents
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Description
この発明は、燃料電池に関し、特に、燃料電池のエージング運転(慣らし運転)の制御に関する。 The present invention relates to a fuel cell, and more particularly to control of an aging operation (break-in operation) of a fuel cell.
燃料電池セル中の高分子膜や触媒層のあらゆる物質移動を上昇させるために、通常、エージング運転(慣らし運転)をする。一方、既知の技術として、ガス利用率100%相当のエージング運転を行い、フラッディングを生じさせる技術が知られている(特許文献1)。 An aging operation (break-in operation) is usually performed in order to increase all the mass transfer of the polymer membrane and the catalyst layer in the fuel cell. On the other hand, as a known technique, a technique for performing aging operation corresponding to a gas utilization rate of 100% to cause flooding is known (Patent Document 1).
しかし、ガス利用率を上げると、膜電極接合体において部分的に水素や酸素が欠乏する部分が生じ、膜電極接合体を劣化させる虞があった。 However, when the gas utilization rate is increased, a part of the membrane / electrode assembly that is partially deficient in hydrogen or oxygen is generated, which may cause deterioration of the membrane / electrode assembly.
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、膜電極接合体を劣化させることなく、且つ、膜電極接合体の最大限の発電性能を得るためのエージング運転を行うことを目的とする。 The present invention has been made to solve at least a part of the above-described problems, and is an aging operation for obtaining the maximum power generation performance of the membrane electrode assembly without deteriorating the membrane electrode assembly. The purpose is to do.
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。本発明の一形態によれば、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、電解質膜と、前記電解質膜の両面に配置された電極と、を有する燃料電池と、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、前記燃料電池に酸化ガスを供給する酸化ガス供給部と、前記燃料電池に冷媒を供給する冷媒供給部と、前記燃料ガス、酸化ガスの少なくとも一方の背圧を調整する背圧調整部と、前記燃料電池のセル温度に相当する温度を検知する温度計と、前記燃料電池の動作を制御する制御部と、を備える。前記制御部は、前記燃料電池のエージング運転時に、前記セル温度が前記燃料電池内の露点以下の温度となるように、前記冷媒供給部と前記背圧調整部の少なくとも一方を制御する。この形態によれば、燃料電池は、エージング運転時にセル温度が燃料電池内の露点以下の温度となるように制御されるので、電極周囲の水蒸気が凝集し、膜電極接合体を湿潤させることができる。その結果、膜電極接合体を劣化させることなく、且つ、膜電極接合体の最大限の発電性能を得ることができる。 SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following forms or application examples. According to one aspect of the present invention, a fuel cell system is provided. The fuel cell system includes a fuel cell having an electrolyte membrane and electrodes disposed on both sides of the electrolyte membrane, a fuel gas supply unit that supplies fuel gas to the fuel cell, and an oxidizing gas to the fuel cell. Corresponding to the cell temperature of the fuel cell, an oxidizing gas supply unit for supplying, a refrigerant supplying unit for supplying refrigerant to the fuel cell, a back pressure adjusting unit for adjusting a back pressure of at least one of the fuel gas and oxidizing gas A thermometer that detects the temperature of the fuel cell, and a controller that controls the operation of the fuel cell. The control unit controls at least one of the refrigerant supply unit and the back pressure adjustment unit so that the cell temperature is equal to or lower than a dew point in the fuel cell during the aging operation of the fuel cell. According to this embodiment, the fuel cell is controlled so that the cell temperature becomes a temperature equal to or lower than the dew point in the fuel cell during the aging operation, so that water vapor around the electrode aggregates and wets the membrane electrode assembly. it can. As a result, the maximum power generation performance of the membrane electrode assembly can be obtained without deteriorating the membrane electrode assembly.
[適用例1]
燃料電池システムであって、電解質膜と、前記電解質膜の両面に配置された電極と、を有する燃料電池と、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、前記燃料電池に酸化ガスを供給する酸化ガス供給部と、前記燃料電池に冷媒を供給する冷媒供給部と、前記燃料ガス酸化ガスの少なくとも一方の背圧を調整する背圧調整部と、前記燃料電池のセル温度に相当する温度を検知する温度計と、前記燃料電池の動作を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記燃料電池のエージング運転時に、前記セル温度、前記燃料ガスまたは前記酸化ガスの流量、前記背圧、前記燃料電池の電流密度のうちの少なくとも一つを制御して、前記燃料電池の内部の水を液相として存在させることを特徴とする、燃料電池システム。
この適用例によれば、燃料電池は、エージング運転時に電極周囲の水蒸気が凝集し、膜電極接合体を湿潤させることができる。その結果、膜電極接合体を劣化させることなく、且つ、膜電極接合体の最大限の発電性能を得ることができる。
[Application Example 1]
A fuel cell system, comprising a fuel cell having an electrolyte membrane and electrodes disposed on both sides of the electrolyte membrane, a fuel gas supply unit for supplying fuel gas to the fuel cell, and an oxidizing gas for the fuel cell An oxidant gas supply unit that supplies a refrigerant, a refrigerant supply unit that supplies a refrigerant to the fuel cell, a back pressure adjustment unit that adjusts a back pressure of at least one of the fuel gas oxidant gas, and a cell temperature of the fuel cell A thermometer that detects the temperature of the fuel cell, and a control unit that controls the operation of the fuel cell, the control unit during the aging operation of the fuel cell, the flow rate of the cell temperature, the fuel gas or the oxidizing gas The fuel cell system is characterized in that at least one of the back pressure and the current density of the fuel cell is controlled so that water inside the fuel cell exists as a liquid phase.
According to this application example, in the fuel cell, water vapor around the electrode aggregates during the aging operation, and the membrane electrode assembly can be wetted. As a result, the maximum power generation performance of the membrane electrode assembly can be obtained without deteriorating the membrane electrode assembly.
[適用例2]
適用例1に記載の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記燃料電池のエージング運転時に、前記燃料電池のセル温度が60℃以下の温度となるように、前記冷媒供給部を制御する、燃料電池システム。
エージング運転時の冷媒の温度は、60℃以下が好ましい。飽和水蒸気圧は、温度が低いほど小さいので、燃料電池をより冷やした方が膜電極接合体をより湿潤させることができる。なお、エージング運転時の冷媒の温度は、20℃以上、60℃以下がより好ましい。ここで、20℃以上としたのは、20℃以下は、常温よりも低く、20℃以下に冷却するための冷却機構が必要になるためである。
[Application Example 2]
The fuel cell system according to Application Example 1, wherein the control unit controls the refrigerant supply unit so that a cell temperature of the fuel cell becomes a temperature of 60 ° C. or less during an aging operation of the fuel cell. Battery system.
The temperature of the refrigerant during the aging operation is preferably 60 ° C. or less. Since the saturated water vapor pressure is smaller as the temperature is lower, the membrane electrode assembly can be wetted more by cooling the fuel cell. In addition, the temperature of the refrigerant during the aging operation is more preferably 20 ° C. or higher and 60 ° C. or lower. Here, the reason why the temperature is set to 20 ° C. or higher is that the temperature of 20 ° C. or lower is lower than the normal temperature and a cooling mechanism for cooling to 20 ° C. or lower is required.
[適用例3]
燃料電池の制御方法であって、前記燃料電池のエージング運転時に、前記セル温度、前記燃料ガスまたは前記酸化ガスの流量、前記背圧、前記燃料電池の電流密度のうちの少なくとも一つを制御して、前記燃料電池の内部の水を液相として存在させることを特徴とする、燃料電池の制御方法。
[Application Example 3]
A method for controlling a fuel cell, wherein at least one of the cell temperature, the flow rate of the fuel gas or the oxidizing gas, the back pressure, and the current density of the fuel cell is controlled during the aging operation of the fuel cell. Then, the fuel cell control method is characterized in that water inside the fuel cell exists as a liquid phase.
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池システムの他、燃料電池の制御方法、移動体等の形態で実現することができる。 It should be noted that the present invention can be realized in various forms, for example, in the form of a fuel cell control method, a moving body, etc. in addition to a fuel cell system.
A.実施形態:
図1は、本発明の実施形態に係る燃料電池の構成を示す説明図である。燃料電池システム20は、燃料電池10と、燃料タンク300と、エアポンプ400と、冷却水ポンプ500と、負荷600と、制御部700と、を備える。燃料電池10は、燃料電池スタック100と、集電板200、201と、絶縁板210、211と、エンドプレート230、231と、テンションロッド240と、ナット250と、を備える。
A. Embodiment:
FIG. 1 is an explanatory diagram showing a configuration of a fuel cell according to an embodiment of the present invention. The
燃料電池スタック100は、複数の発電ユニット110を備えている。各発電ユニット110は、それぞれが1個の単電池である。発電ユニット110は、積層されて直列に接続されており、燃料電池スタック100として高電圧を発生させる。集電板200、201は、燃料電池スタック100の両側にそれぞれ配置されており、燃料電池スタック100が発生した電圧、電流を負荷600に供給するに用いられる。負荷600には、燃料電池車両のモーター、エアコンなどの付加機器が含まれる。絶縁板210、211は、それぞれ集電板200、201のさらに外側に配置されており、集電板200、201と、他の部材、例えばエンドプレート230、231やテンションロッド240と、の間に電流が流れないように、絶縁する。絶縁板210、211のさらに外側には、それぞれエンドプレート230、231が配置されている。エンドプレート231は、テンションロッド240とナット250により、エンドプレート230から所定の間隔となるように配置される。
The
燃料タンク300は、燃料ガス供給管310により燃料電池10に接続されている。燃料ガス供給管310には、燃料ガスの流量を調整するためのバルブ320が設けられている。燃料電池10の下流側には、燃料ガス排気管330が接続され、燃料ガス排気管330には、燃料ガス排気バルブ340と、圧力計350と、が配置されている。燃料ガス排気バルブ340は、燃料排気ガスの背圧を調整する。燃料ガス排気管330は、燃料ガス回収管360により、燃料ガス供給管310に接続されている。なお、燃料ガス回収管360には、燃料排気ガスを燃料ガス供給管310に送るためのポンプ370が配置されている。
The
エアポンプ400は、酸化ガス供給管410により、燃料電池10に接続されている、酸化ガス供給管410には、酸化ガスの流量を調整するためのバルブ420が設けられている。燃料電池10の下流側には、酸化ガス排気管430が接続され、酸化ガス排気管430には、酸化ガス排気バルブ440と、圧力計450と、が配置されている。酸化ガス排気バルブ440は、酸化排気ガスの背圧を調整する。
The
冷却水ポンプ500は、冷却水配管510により、燃料電池10に接続されている。冷却水配管510には、ラジエーター520と、温度計530とが設けられている。ラジエーター520は、燃料電池10から排出された冷却水を冷却する。温度計530は、燃料電池10から排出される冷却水の温度を測定する。
The
制御部700は、燃料電池10の発電量、負荷600における消費電力量、燃料電池10の温度、背圧に基づいて、バルブ320、420、燃料ガス排気バルブ340、酸化ガス排気バルブ440の開閉並びにそれらの開度を制御し、燃料電池10の動作を制御する。
The
図2は、発電ユニット110の構成を模式的に示す説明図である。発電ユニット110は、膜電極接合体120と、ガス拡散層132、133と、多孔体ガス流路142、143と、セパレータプレート152、153と、シールガスケット160と、を備える。膜電極接合体120は、電解質膜121と、触媒層122、123を備える。
FIG. 2 is an explanatory diagram schematically showing the configuration of the
本実施形態では、電解質膜121として、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸ポリマなどのフッ素系樹脂や炭化水素系樹脂からなるプロトン伝導性のイオン交換膜を用いている。触媒層122、123は、電解質膜121の各面にそれぞれ形成されている。本実施形態では、触媒層122、123は、例えば、白金触媒、あるいは白金と他の金属とからなる白金合金触媒を担持した触媒担持粒子(例えばカーボン粒子)と電解質(アイオノマ)によって形成されている。
In the present embodiment, as the
ガス拡散層132、133は、それぞれ触媒層122、123の外面に配置されている。本実施形態では、ガス拡散層132、133として、カーボン不織布を用いたカーボンクロスやカーボンペーパーを用いることが可能である。多孔体ガス流路142、143は、それぞれガス拡散層132、133の外面に配置されている。セパレータプレート152、153は、それぞれ多孔体ガス流路142、143の外面に配置されている。セパレータプレート152と、隣の発電ユニット110のセパレータプレート153との間には、冷却水流路155が形成されている。シールガスケット160は、膜電極接合体120、ガス拡散層132、133、多孔体ガス流路142、143の外縁を囲うように形成されている。シールガスケット160は、たとえば射出成形により、膜電極接合体120と一体に成形される。その後、膜電極接合体120の両面に、ガス拡散層132、133、多孔体ガス流路142、143が順次配置される。
The gas diffusion layers 132 and 133 are disposed on the outer surfaces of the catalyst layers 122 and 123, respectively. In this embodiment, as the gas diffusion layers 132 and 133, carbon cloth or carbon paper using a carbon nonwoven fabric can be used. The
図3は、エージング前後の膜電極接合体近傍を拡大して模式的に示す説明図である。図3では、電解質膜121と、触媒層122とを図示している。触媒層122は、白金触媒122Ptを担持したカーボン粒子122Cと、電解質液122ISとを含んでいる。これらの要素は、図示の便宜上誇張して描いている。電解質液122ISは、水と、パーフルオロカーボンスルホン酸アイオノマを含んでいる。
FIG. 3 is an explanatory diagram schematically showing an enlarged view of the vicinity of the membrane electrode assembly before and after aging. In FIG. 3, the
燃料電池10が組み立てられる工程では、電解質膜121に触媒層122を形成するための触媒インクが塗工される。触媒インクは、溶媒(水とエタノール)に電解質(パーフルオロカーボンスルホン酸アイオノマ)と、白金触媒122Ptを担持したカーボン粒子122Cと、を縣濁させた溶液である。触媒インクは、余分な溶媒(エタノールや水)を含んでいるため、触媒インクの塗工後、乾燥される。その後、燃料電池10が組み立てられる。燃料電池10が組み立てられた直後では、触媒層122中の電解質液122ISは、水分が少なくなっており、プロトンなどの移動性が低い。そのため、組み立て後において、燃料電池10のエージング運転(慣らし運転)が行われる。エージング運転を行うと、プロトンなどの移動性が高くなり、燃料電池10の出力電圧を上昇させることができる。
In the process of assembling the
B.実施例:
B−1.膜電極接合体の作製:
パーフルオロ系電解質膜(デュポン社製Nafion膜(Nafionは登録商標))に、Ptを含む電極触媒とプロトン伝導性を有する電解質とを含む触媒インクを、スプレーを用いて塗工し、アノード電極とカソード電極とを形成した。次いで、両極にカーボンペーパーからなる拡散層を熱圧着し、膜電極接合体を作製した。
B. Example:
B-1. Production of membrane electrode assembly:
A catalyst ink containing an electrode catalyst containing Pt and an electrolyte having proton conductivity was applied to a perfluoro-based electrolyte membrane (Dafon Nafion membrane (Nafion is a registered trademark)) using a spray, and an anode electrode A cathode electrode was formed. Next, a diffusion layer made of carbon paper was thermocompression bonded to both electrodes to produce a membrane electrode assembly.
B−2.実施例1:
作製した膜電極接合体の温度(以下「セル温度」と呼ぶ。)を40℃、アノードガス(水素)とカソードガス(空気)の露点をいずれも0℃、反応ガスのストイキ比をアノードガス/カソードガス=1.2/1.5、背圧1気圧の条件で電流1.0A/cm2の電流を流す発電を15分間継続するエージング運転を実施した。なお、ストイキ比とは、ある電流を流すために必要なガス流量に対する実際のガス流量の比を意味する。実施例1では、アノードガスの流量は、電流1.0A/cm2の電流を流すのに必要なガス量の1.2倍のガス流量であり、カソードガスの流量は電流1.0A/cm2の電流を流すのに必要なガス流量の1.5倍である。
B-2. Example 1:
The temperature of the fabricated membrane electrode assembly (hereinafter referred to as “cell temperature”) is 40 ° C., the dew points of the anode gas (hydrogen) and cathode gas (air) are both 0 ° C., and the stoichiometric ratio of the reaction gas is anode gas / An aging operation was performed in which power generation in which a current of 1.0 A / cm 2 was passed under conditions of cathode gas = 1.2 / 1.5 and back pressure of 1 atm was continued for 15 minutes. Note that the stoichiometric ratio means a ratio of an actual gas flow rate to a gas flow rate necessary for flowing a certain current. In Example 1, the flow rate of the anode gas is a gas flow rate that is 1.2 times the amount of gas required to flow a current of 1.0 A / cm 2 , and the flow rate of the cathode gas is 1.0 A / cm. This is 1.5 times the gas flow rate required to pass a current of 2 .
B−3.実施例2:
セル温度を50℃、アノードガスとカソードガスの露点をいずれも0℃、反応ガスのストイキ比をアノードガス/カソードガス=1.2/1.5、背圧1気圧の条件で電流1.0A/cm2の電流を流す発電を15分間継続するエージング運転を実施した。
B-3. Example 2:
Current is 1.0 A at a cell temperature of 50 ° C., a dew point of anode gas and cathode gas of 0 ° C., a stoichiometric ratio of reaction gas of anode gas / cathode gas = 1.2 / 1.5, and a back pressure of 1 atm. Aging operation was performed in which power generation at a current of / cm 2 was continued for 15 minutes.
B−4.実施例3:
セル温度を60℃、アノードガスとカソードガスの露点をいずれも0℃、反応ガスのストイキ比をアノードガス/カソードガス=1.2/1.5、背圧1気圧の条件で電流1.0A/cm2の電流を流す発電を15分間継続するエージング運転を実施した。発電特性を上述の条件で評価した。
B-4. Example 3:
Current is 1.0 A at a cell temperature of 60 ° C., a dew point of anode gas and cathode gas of 0 ° C., a stoichiometric ratio of reaction gas of anode gas / cathode gas = 1.2 / 1.5, and a back pressure of 1 atm. Aging operation was performed in which power generation at a current of / cm 2 was continued for 15 minutes. The power generation characteristics were evaluated under the above conditions.
B−5.比較例1(従来)のエージング運転:
比較例1として、セル温度を80℃、アノードガスの露点を80℃、カソードガスの露点を80℃、アノードガス及びカソードガスのストイキ比をいずれも5以上の大流量条件とした。そして、背圧1気圧の条件で電流1.0A/cm2の電流を流す発電を3時間継続するエージング運転を実施した。
B-5. Aging operation of Comparative Example 1 (conventional):
In Comparative Example 1, the cell temperature was 80 ° C., the dew point of the anode gas was 80 ° C., the dew point of the cathode gas was 80 ° C., and the stoichiometric ratio of the anode gas and the cathode gas was 5 or more. And the aging operation | movement which continues the electric power generation which supplies the electric current of 1.0 A / cm < 2 > electric current on the conditions of 1 atmosphere of back pressure for 3 hours was implemented.
B−6.比較例2:
セル温度を70℃、アノードガスとカソードガスの露点をいずれも0℃、反応ガスのストイキ比をアノードガス/カソードガス=1.2/1.5、背圧1気圧の条件で電流1.0A/cm2の電流を流す発電を15分間継続するエージング運転を実施した。
B-6. Comparative Example 2:
Current is 1.0 A at a cell temperature of 70 ° C., a dew point of anode gas and cathode gas of 0 ° C., a stoichiometric ratio of reaction gas of anode gas / cathode gas = 1.2 / 1.5, and a back pressure of 1 atm. Aging operation was performed in which power generation at a current of / cm 2 was continued for 15 minutes.
B−7.湿度:
実施例1〜3及び比較例2の触媒層122の湿度を以下のように算出した。まず、エージング運転における発電量から、生成水の量を算出した。触媒層122では、電気化学反応により温度が上昇しているので、温度上昇分を5℃と仮定して、各温度(セル温度+5℃)における飽和水蒸気量を算出した。生成水の量と飽和水蒸気量から、相対湿度を算出した。実施例1(セル温度40℃)では相対湿度355.5%、実施例2(セル温度50℃)では、相対湿度216.8%、実施例3(セル温度60℃)では、相対湿度136.2%、比較例2(セル温度70℃)では、相対湿度88.3%となった。なお、この湿度の値は計算上の値であり、湿度100%以上の場合には、越えた分の水蒸気は水滴となる。したがって、実施例1〜3の場合には、液相の水が生成していると判断される。セル温度と湿度との関係から相対湿度100%となるセル温度を求めると、67.5℃となった。
B-7. Humidity:
The humidity of the
B−8.発電特性評価:
セル温度を70℃、アノードガスの露点を45℃、カソードガスの露点を55℃、反応ガスのストイキ比を、アノードガス/カソードガス=1.2/1.5の条件とし、膜電極接合体の電流密度が0.2A/cm2、0.5A/cm 2 のときの膜電極接合体の電圧を測定した。比較例1における測定電圧を基準値とし、実施例1〜3及び比較例2では、この電圧に対してどの程度電圧が変化(上昇)したかを判定した。なお、セル温度は、燃料電池10より排出される冷却水の温度(冷媒の出口温度)と等しいとみなして、冷却水の温度、流量を制御することにより、冷却水の排出温度が70℃となるように制御した。
B-8. Power generation characteristics evaluation:
A membrane electrode assembly under the conditions of a cell temperature of 70 ° C., an anode gas dew point of 45 ° C., a cathode gas dew point of 55 ° C. and a reaction gas stoichiometric ratio of anode gas / cathode gas = 1.2 / 1.5 current density was measured voltages of the membrane electrode assembly when the 0.2A / cm 2, 0.5A / cm 2. The measured voltage in Comparative Example 1 was used as a reference value, and in Examples 1 to 3 and Comparative Example 2, it was determined how much the voltage changed (increased) with respect to this voltage. The cell temperature is assumed to be equal to the temperature of the cooling water discharged from the fuel cell 10 (refrigerant outlet temperature), and the cooling water discharge temperature is set to 70 ° C. by controlling the cooling water temperature and flow rate. Controlled to be.
B−9.発電特性:
図4は、エージング運転におけるセル温度とエージング運転後の発電特性との関係を示すグラフである。ここで縦軸は、比較例1のエージング運転後の発電特性の電圧に対する電圧の変化量である。実施例1では、電流密度0.2A/cm2、0.5A/cm 2 のときの膜電極接合体の電圧の変化量は、それぞれ、3.3mV、10.9mVであった。同様に、実施例2では、それぞれ、3.1mV、8.5mVであり、実施例3では、それぞれ、3.8mV、7.1mVであった。なお、比較例2では、比較例1のエージング運転後の発電特性の電圧と変化が無かった。
B-9. Power generation characteristics:
FIG. 4 is a graph showing the relationship between the cell temperature in the aging operation and the power generation characteristics after the aging operation. Here, the vertical axis represents the amount of change in voltage with respect to the voltage of the power generation characteristics after the aging operation of Comparative Example 1. In Example 1, the amount of change in the voltage of the membrane electrode assembly at a current density of 0.2A / cm 2, 0.5A / cm 2 , respectively, 3.3 MV, was 10.9m V. Similarly, in Example 2, respectively, 3.1MV, a 8.5 m V, in Example 3, respectively, 3.8MV, was 7.1 m V. In Comparative Example 2, there was no change in voltage and power generation characteristics after the aging operation of Comparative Example 1.
上記結果によれば、エージング運転におけるセル温度が低いほどエージング運転後の発電特性が良いことが分かる。また、相対湿度が100%を越える実施例1〜3において電圧が上昇し、相対湿度が100%を越えない比較例において電圧が変化していないことから、触媒層の相対湿度が100%を越えると、膜電極接合体120が湿潤され、電圧上昇の効果が現れると考えられる。すなわち、エージング運転時のセル温度は、相対湿度が100%を越える温度(露点)であればよく、さらに低い温度(60℃、50℃、40℃)ほど好ましいといえる。なお、セル温度は20℃より低くても良い。この場合、常温より低いので、別途設けられた冷却機構により冷却することができる。セル温度が20℃であれば、別途冷却機構を設けることなく冷却することができる。本実施例では、ガス利用率100%相当のエージング運転を行わないので、膜電極接合体において部分的に水素や酸素が欠乏する部分が生じ、膜電極接合体120を劣化させることが起こりにくい。
From the above results, it can be seen that the lower the cell temperature in the aging operation, the better the power generation characteristics after the aging operation. Further, the voltage increased in Examples 1 to 3 in which the relative humidity exceeded 100%, and the voltage did not change in the comparative example in which the relative humidity did not exceed 100%. Therefore, the relative humidity of the catalyst layer exceeded 100%. Then, it is considered that the
なお、本実施例では、エージング運転時のセル温度を変えているが、燃料電池スタックのアノードガスとカソードガスの両方又は一方の背圧を上げてもよい。背圧を上げると、燃料電池スタック内の水蒸気分圧も上昇する。一方、飽和水蒸気圧は温度だけで決まり、背圧には関係がない。すなわち、背圧が上がれば水蒸気分圧も上がり、相対湿度を上昇させる。したがって、背圧を上げることにより、燃料電池スタック内のガスの相対湿度が100%を越えるようにし、水蒸気を凝集させることができる。このように、エージング運転時のセル温度を下げる他、エージング運転時の背圧を上げても良い。 In the present embodiment, the cell temperature during the aging operation is changed, but the back pressure of both or one of the anode gas and the cathode gas of the fuel cell stack may be increased. Increasing the back pressure also increases the water vapor partial pressure in the fuel cell stack. On the other hand, saturated water vapor pressure is determined only by temperature, and is not related to back pressure. That is, if the back pressure increases, the water vapor partial pressure also increases and the relative humidity increases. Therefore, by increasing the back pressure, the relative humidity of the gas in the fuel cell stack can exceed 100%, and water vapor can be condensed. Thus, in addition to lowering the cell temperature during aging operation, the back pressure during aging operation may be increased.
エージング運転を行う時期は、例えば燃料電池10の出荷時期である。ただし、出荷時期に限られず、燃料電池10を起動したときに、エージング運転を毎回行っても良く、あるいは、前回の燃料電池10の停止時から一定期間経過した後に燃料電池10を始動するときに、エージング運転が行われても良い。なお、燃料電池10を再起動するときは、燃料電池10や冷却水の温度は常温(5℃〜35℃)であるので、実施例3の冷却水温度40℃よりも低い。したがって、エージング運転中の電気化学反応により燃料電池10の温度が上昇しても、露点よりも低い温度は十分に満たすと考えられる。
The time when the aging operation is performed is, for example, the shipping time of the
エージング運転終了は、例えばタイマを用いて時間により判断することができる。本実施例では、エージング運転時間を15分としたが、実際の燃料電池を用いて実験によりエージング時間を決めてもよい。また、燃料電池10を起動したときにエージング運転を行う場合には、前回の燃料電池10の停止時からの経過時間により、エージング運転時間を変えても良い。
The end of the aging operation can be determined by time using a timer, for example. In this embodiment, the aging operation time is 15 minutes, but the aging time may be determined by experiment using an actual fuel cell. When the aging operation is performed when the
上記実施例では、燃焼電池10の温度を、燃料電池10から排出される冷却水の温度を用いて測定していたが、燃料電池10の発電ユニット110等に温度計を設けて、燃料電池10の温度を測定しても良い。
In the above embodiment, the temperature of the
以上、いくつかの実施例に基づいて本発明の実施の形態について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。 The embodiments of the present invention have been described above based on some examples. However, the above-described embodiments of the present invention are for facilitating the understanding of the present invention and limit the present invention. It is not a thing. The present invention can be changed and improved without departing from the spirit and scope of the claims, and it is needless to say that the present invention includes equivalents thereof.
10…燃料電池
20…燃料電池システム
100…燃料電池スタック
110…発電ユニット
120…膜電極接合体
121…電解質膜
122、123…触媒層
122C…カーボン粒子
122IS…電解質液
122Pt…白金触媒
132、133…ガス拡散層
142、143…多孔体ガス流路
152、153…セパレータプレート
155…冷却水流路
160…シールガスケット
200、201…集電板
210、211…絶縁板
230、231…エンドプレート
240…テンションロッド
250…ナット
300…燃料タンク
310…燃料ガス供給管
320…バルブ
330…燃料ガス排気管
340…燃料ガス排気バルブ
350…圧力計
360…燃料ガス回収管
370…ポンプ
400…エアポンプ
410…酸化ガス供給管
420…バルブ
430…酸化ガス排気管
440…酸化ガス排気バルブ
450…圧力計
500…冷却水ポンプ
510…冷却水配管
520…ラジエーター
530…温度計
600…負荷
700…制御部
DESCRIPTION OF
Claims (3)
電解質膜と、前記電解質膜の両面に配置された電極と、を有する燃料電池と、
前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、
前記燃料電池に酸化ガスを供給する酸化ガス供給部と、
前記燃料電池に冷媒を供給する冷媒供給部と、
前記燃料ガス、酸化ガスの少なくとも一方の背圧を調整する背圧調整部と、
前記燃料電池のセル温度に相当する温度を検知する温度計と、
前記燃料電池の動作を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記燃料電池のエージング運転時に、前記セル温度が前記燃料電池内の露点以下の温度となるように、前記冷媒供給部と前記背圧調整部の少なくとも一方を制御する、燃料電池システム。 A fuel cell system,
A fuel cell having an electrolyte membrane and electrodes disposed on both sides of the electrolyte membrane;
A fuel gas supply unit for supplying fuel gas to the fuel cell;
An oxidizing gas supply unit for supplying an oxidizing gas to the fuel cell;
A refrigerant supply unit for supplying a refrigerant to the fuel cell;
A back pressure adjusting unit for adjusting a back pressure of at least one of the fuel gas and the oxidizing gas;
A thermometer for detecting a temperature corresponding to a cell temperature of the fuel cell;
A control unit for controlling the operation of the fuel cell;
With
The control unit controls at least one of the refrigerant supply unit and the back pressure adjustment unit so that the cell temperature is equal to or lower than a dew point in the fuel cell during the aging operation of the fuel cell. system.
前記制御部は、前記燃料電池のエージング運転時に、前記燃料電池のセル温度が前記露点温度以下であって、かつ、20℃以上50℃未満の温度となるように、前記冷媒供給部を制御する、燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1, wherein
The control unit controls the refrigerant supply unit so that a cell temperature of the fuel cell is equal to or lower than the dew point temperature and is equal to or higher than 20 ° C. and lower than 50 ° C. during the aging operation of the fuel cell. , Fuel cell system.
前記燃料電池のエージング運転時に、前記セル温度が前記燃料電池内の露点以下の温度となるように、前記冷媒供給部と前記背圧調整部の少なくとも一方を制御する、燃料電池の制御方法。 A fuel cell control method comprising:
A method for controlling a fuel cell, comprising: controlling at least one of the refrigerant supply unit and the back pressure adjusting unit so that the cell temperature is equal to or lower than a dew point in the fuel cell during the aging operation of the fuel cell.
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