JP6583038B2 - Fuel cell performance recovery method - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池の性能回復方法に関する。 The present invention relates to a fuel cell performance recovery method.
固体高分子型燃料電池は、プロトン伝導性を有する電解質膜を挟んで一対の触媒電極層が設けられた膜電極接合体を備える。膜電極接合体では電気化学反応が進行して水が生成されることから、燃料電池内には水が存在する。燃料電池を長時間運転すると、吸入する空気に含まれる陽イオン不純物が燃料電池内の水に混入したり、電解質膜及び触媒電極層を構成する材料に含まれる陽イオン不純物が燃料電池内の水に溶出したりする。陽イオン不純物が膜電極接合体に蓄積すると、発電性能の低下が生じてしまう。そこで、ガス流路に洗浄液を導入して燃料電池内部を洗浄液で洗浄することで、陽イオン不純物を外部に排出して発電性能を回復させることが知られている(例えば、特許文献1)。 A polymer electrolyte fuel cell includes a membrane electrode assembly in which a pair of catalyst electrode layers are provided with an electrolyte membrane having proton conductivity interposed therebetween. In the membrane / electrode assembly, an electrochemical reaction proceeds to generate water, so that water exists in the fuel cell. When the fuel cell is operated for a long time, the cation impurities contained in the inhaled air are mixed into the water in the fuel cell, or the cation impurities contained in the material constituting the electrolyte membrane and the catalyst electrode layer are mixed with the water in the fuel cell. Or elute. If cationic impurities accumulate in the membrane electrode assembly, the power generation performance is degraded. Therefore, it is known that a cleaning liquid is introduced into the gas flow path and the inside of the fuel cell is cleaned with the cleaning liquid, whereby cationic impurities are discharged to the outside and power generation performance is recovered (for example, Patent Document 1).
しかしながら、特許文献1の方法では、洗浄液への陽イオン不純物の拡散効率が悪いために、陽イオン不純物を十分に外部に排出できず、発電性能を十分に回復できないことがある。本発明は、このような課題に鑑みなされたものであり、発電性能を回復させることを目的とする。
However, in the method of
本発明は、電解質膜を挟んで一対の電極触媒層が設けられた膜電極接合体と、前記膜電極接合体を挟持し、アノードガス流路及びカソードガス流路を形成する一対のセパレータと、をそれぞれ含む複数の単セルが、一対のターミナルプレートで挟持された燃料電池の性能回復方法であって、前記複数の単セルの前記電解質膜を湿潤させるステップと、前記複数の単セルの前記アノードガス流路及び前記カソードガス流路のうちの一方のガス流路を燃料ガスで満たすステップと、前記一対のターミナルプレートのうちの前記一方のガス流路を形成するセパレータに接する一方のターミナルプレートにプラス極が接続され、他方のターミナルプレートにマイナス極が接続されるように、前記一対のターミナルプレート間に外部電源を接続するステップと、前記複数の単セルの前記アノードガス流路及び前記カソードガス流路のうちの他方のガス流路に前記燃料電池の外部から導入した洗浄液を充満させて、前記他方のガス流路から前記一対の電極触媒層のうちの前記他方のガス流路側の電極触媒層まで前記洗浄液を浸入させるステップと、前記電解質膜を湿潤させ且つ前記一方のガス流路を燃料ガスで満たした後、前記外部電源を接続し且つ前記洗浄液を前記他方のガス流路側の電極触媒層まで浸入させた状態を所定時間維持するステップと、前記所定時間維持した後、前記膜電極接合体及び前記他方のガス流路から前記洗浄液を取り除くステップと、を備える燃料電池の性能回復方法である。 The present invention includes a membrane electrode assembly provided with a pair of electrode catalyst layers with an electrolyte membrane interposed therebetween, a pair of separators sandwiching the membrane electrode assembly to form an anode gas channel and a cathode gas channel, A method of recovering the performance of a fuel cell in which a plurality of single cells each including a plurality of single cells are sandwiched between a pair of terminal plates, the step of wetting the electrolyte membrane of the plurality of single cells, and the anode of the plurality of single cells Filling one gas flow path of the gas flow path and the cathode gas flow path with fuel gas; and one terminal plate in contact with the separator forming the one gas flow path of the pair of terminal plates. Connect the external power supply between the pair of terminal plates so that the positive electrode is connected and the negative electrode is connected to the other terminal plate. And flop, the plurality of by filling the introduced washing liquid from the outside of the fuel cell to the other gas flow path of the anode gas passage and the cathode gas passage of the single cell, from the other gas channel The step of allowing the cleaning liquid to penetrate to the electrode catalyst layer on the other gas flow path side of the pair of electrode catalyst layers; after wetting the electrolyte membrane and filling the one gas flow path with fuel gas; Maintaining a state where an external power source is connected and the cleaning liquid has penetrated to the electrode catalyst layer on the other gas flow path side for a predetermined time; and after maintaining the predetermined time, the membrane electrode assembly and the other gas flow Removing the cleaning liquid from the road, and recovering the performance of the fuel cell.
本発明によれば、発電性能を回復させることができる。 According to the present invention, the power generation performance can be recovered.
以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1(a)は、燃料電池を構成する単セルを示す断面図、図1(b)は、単セルを示す分解斜視図である。燃料電池は、反応ガスとして燃料ガス(例えば水素)と酸化剤ガス(例えば空気)との供給を受けて発電する固体高分子型燃料電池であり、例えば燃料電池自動車や電気自動車などに搭載される。図1(a)のように、単セル100は、電解質膜12の一方の面にアノード触媒層14aが形成され、他方の面にカソード触媒層14cが形成された膜電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)10を備える。
FIG. 1A is a cross-sectional view showing a single cell constituting the fuel cell, and FIG. 1B is an exploded perspective view showing the single cell. A fuel cell is a polymer electrolyte fuel cell that generates power by receiving supply of a fuel gas (for example, hydrogen) and an oxidant gas (for example, air) as reaction gases, and is mounted on, for example, a fuel cell vehicle or an electric vehicle. . As shown in FIG. 1A, a
電解質膜12は、フッ素系樹脂材料又は炭素系樹脂材料で形成された固体高分子膜であり、湿潤状態において良好なプロトン伝導性を有する。アノード触媒層14a及びカソード触媒層14cは、電気化学反応を進行させる触媒(例えば白金や、白金−コバルト合金)を担持したカーボン粒子(例えばカーボンブラック)と、プロトン伝導性を有するアイオノマーと、を含む。
The
MEA10の両側には、一対の撥水層(アノード側撥水層16aとカソード側撥水層16c)と、一対のガス拡散層(アノードガス拡散層18aとカソードガス拡散層18c)と、が配置されている。一対の撥水層は、MEA10内に含まれる水分を適正量に保つために設けられている。MEA10、一対の撥水層、及び一対のガス拡散層を総称して膜電極ガス拡散層接合体(MEGA:Membrane Electrode Gas diffusion layer Assembly)30と称す。
A pair of water-repellent layers (anode-side water-
アノード側撥水層16a、カソード側撥水層16c、アノードガス拡散層18a、及びカソードガス拡散層18cは、ガス透過性及び電子伝導性を有する部材によって形成されており、例えばカーボンクロスやカーボンペーパなどの多孔質カーボン製部材によって形成されている。アノード側撥水層16a及びカソード側撥水層16cは、アノードガス拡散層18a及びカソードガス拡散層18cと比べて、多孔質カーボン製部材の細孔が小さい。例えば、アノード側撥水層16a及びカソード側撥水層16cの細孔の大きさは直径0.1μm〜1μm程度であり、アノードガス拡散層18a及びカソードガス拡散層18cの細孔の大きさは直径10μm〜100μm程度である。このように、アノード側撥水層16a及びカソード側撥水層16cの細孔が小さいことから、アノード触媒層14a及びカソード触媒層14cから液水が流出することを抑制でき、MEA10内に含まれる水分を適正量に保つことができる。
The anode-side water-
MEGA30の両側には、MEGA30を挟持する一対のセパレータ(アノード側セパレータ20aとカソード側セパレータ20c)が配置されている。アノード側セパレータ20a及びカソード側セパレータ20cは、ガス遮断性及び電子伝導性を有する部材によって形成されており、例えばカーボンを圧縮してガス不透過とした緻密性カーボンなどのカーボン部材やプレス成型したステンレス鋼などの金属部材によって形成されている。アノード側セパレータ20a及びカソード側セパレータ20cは、表面にガスが流通するガス流路を形成するための凹凸を有する。アノード側セパレータ20aは、アノードガス拡散層18aとの間にアノードガス流路22aを形成する。カソード側セパレータ20cは、カソードガス拡散層18cとの間にカソードガス流路22cを形成する。燃料電池の発電中においては、アノードガス流路22aを燃料ガスが流通し、カソードガス流路22cを酸化剤ガスが流通する。なお、アノードとカソードの両方にガス拡散層を備える構成を例に示したが、これに限定されない。アノードとカソードの一方又は両方にガス拡散層を備えない構成であってもよい。この場合には、アノードガス流路又はカソードガス流路から直接撥水層を介して触媒層にガスが供給される。ガス拡散層を備えない構成においては、撥水層は撥水、ガス透過、及び導電の各機能を有するシート部材が使用されてもよい。
A pair of separators (an
図1(b)のように、MEGA30は、例えば樹脂(エポキシ樹脂やフェノール樹脂など)からなる絶縁部材40の内側に配置されている。言い換えると、MEGA30の外周を覆って、枠状の絶縁部材40が配置されている。絶縁部材40は、アノード側セパレータ20aとカソード側セパレータ20cとによって挟持されている。
As shown in FIG. 1B, the
アノード側セパレータ20a及びカソード側セパレータ20cには、それぞれ孔a1〜a3及び孔c1〜c3が設けられている。絶縁部材40にも同様に、孔s1〜s3が設けられている。孔a1〜a3、孔s1〜s3、及び孔c1〜c3は、それぞれ連通し、孔a1、s1、及びc1は燃料ガス供給マニホールドを、孔a2、s2、及びc2は冷媒供給マニホールドを、孔a3、s3、及びc3は酸化剤ガス排出マニホールドを画定する。
The
また、アノード側セパレータ20a及びカソード側セパレータ20cには、それぞれ孔a4〜a6及び孔c4〜c6が設けられている。絶縁部材40にも同様に、孔s4〜s6が設けられている。孔a4〜a6、s4〜s6、及びc4〜c6は、それぞれ連通し、孔a4、s4、及びc4は酸化剤ガス供給マニホールドを、孔a5、s5、及びc5は冷媒排出マニホールドを、孔a6、s6、及びc6は燃料ガス排出マニホールドを画定する。
The
アノード側セパレータ20aのMEGA30に対向する面には、燃料ガス供給マニホールドと燃料ガス排出マニホールドとを連通し、発電中において燃料ガスが流れるアノードガス流路22aが形成されている。カソード側セパレータ20cのMEGA30に対向する面には、酸化剤ガス供給マニホールドと酸化剤ガス排出マニホールドとを連通し、発電中において酸化剤ガスが流れるカソードガス流路22cが形成されている。アノード側セパレータ20aのアノードガス流路22aが形成された面とは反対側の面、及び、カソード側セパレータ20cのカソードガス流路22cが形成された面とは反対側の面には、冷媒供給マニホールドと冷媒排出マニホールドとを連通し、冷媒が流れる冷媒流路24が形成されている。
An anode
図2は、燃料電池の性能回復方法を説明するための燃料電池の分解斜視図である。なお、図2では、図の明瞭化のために、単セル100を簡略化して図示している。まず、燃料電池について説明する。図2のように、燃料電池200は、複数の単セル100と、一対のターミナルプレート50、52と、一対の絶縁プレート60、62と、一対のエンドプレート70、72と、を備える。燃料電池200は、複数の単セル100が一対のターミナルプレート50、52と一対の絶縁プレート60、62と一対のエンドプレート70、72とで挟持されたスタック構造をしている。ターミナルプレート50、52は、金属製であり、複数の単セル100からの電圧及び電流を取り出すために用いられる。複数の単セル100からの電圧及び電流は、端子54a、54bを用いて外部に取り出される。エンドプレート70、72は、複数の単セル100とターミナルプレート50、52と絶縁プレート60、62とを締結するために用いられる。
FIG. 2 is an exploded perspective view of the fuel cell for explaining a method for recovering the performance of the fuel cell. In FIG. 2, the
ターミナルプレート50、絶縁プレート60、及びエンドプレート70には、それぞれ孔t1〜t6、孔i1〜i6、及び孔e1〜e6が設けられている。孔t1、i1、及びe1は燃料ガス供給マニホールドを、孔t2、i2、及びe2は冷媒供給マニホールドを、孔t3、i3、及びe3は酸化剤ガス排出マニホールドを画定する。孔t4、i4、及びe4は酸化剤ガス供給マニホールドを、孔t5、i5、及びe5は冷媒排出マニホールドを、孔t6、i6、及びe6は燃料ガス排出マニホールドを画定する。一方、ターミナルプレート52、絶縁プレート62、及びエンドプレート72には、孔は設けられていない。これにより、孔e1から導入された燃料ガスは、複数の単セル100それぞれのアノードガス流路22aを流れた後、孔e6から排出される。孔e2から導入された冷媒は、複数の単セル100それぞれの冷媒流路24を流れた後、孔e5から排出される。孔e4から導入された酸化剤ガスは、複数の単セル100それぞれのカソードガス流路22cを流れた後、孔e3から排出される。
The
次に、燃料電池の性能回復方法について説明する。なお、燃料電池の性能回復方法は、例えば燃料電池が燃料電池自動車や電気自動車に搭載されている場合には車両点検時などのメンテナンス時に作業者によって行われるものである。例えば燃料電池の運転時間や、自動車の走行距離、燃料電池の発電性能の低下量が所定値よりも大きい場合に性能回復処理を行うようにしてもよい。 Next, a fuel cell performance recovery method will be described. The fuel cell performance recovery method is performed by an operator during maintenance such as vehicle inspection when the fuel cell is mounted on a fuel cell vehicle or an electric vehicle. For example, the performance recovery process may be performed when the operating time of the fuel cell, the travel distance of the automobile, and the amount of decrease in the power generation performance of the fuel cell are larger than a predetermined value.
燃料電池の性能回復方法は、まず、エンドプレート70に設けられた孔e3及びe4に接続されている配管を取り外した後、孔e3及びe4に外付けの外部配管80を接続する。そして、外部配管80を介して孔e4に加湿窒素ガスを供給し、複数の単セル100のカソードガス流路22cに加湿窒素ガスを流す。例えば、各単セル100を相対湿度100%RHの窒素ガスが1.0L/minの流量で5min以上流れるように、孔e4に加湿窒素ガスを供給する。これにより、複数の単セル100の電解質膜12が湿潤される。電解質膜12を湿潤状態にすることで、プロトン伝導性を良好にすることができる。また、複数の単セル100の電解質膜12は同じ加湿窒素ガスによって湿潤されることから、複数の単セル100の電解質膜12は、同程度の湿潤状態となり、同程度のプロトン伝導性を有するようになる。
In the method of recovering the performance of the fuel cell, first, the pipes connected to the holes e3 and e4 provided in the
次いで、孔e1に燃料ガスを供給して、複数の単セル100のアノードガス流路22aを燃料ガスで満たす。例えば燃料電池自動車に備わる水素タンクから水素タンクと燃料電池200との間に配置されたバルブなどを開くことで、燃料ガスとしての水素を孔e1に供給することができる。水素は、性能回復処理を行っている間供給し続けてもよいし、後述するプロトンポンプ反応に必要な量の水素をアノードガス流路22aに供給した後、供給を停止して封止してもよい。また、燃料電池200の発電停止時に、複数の単セル100のアノードガス流路22aにプロトンポンプ反応に必要な量の水素がある場合には、改めて水素を供給しなくてもよい。このように、アノードガス流路22aを燃料ガスで満たすとは、プロトンポンプ反応に必要な量の燃料ガスでアノードガス流路22aの一部又は全部を満たすことをいう。
Next, the fuel gas is supplied to the hole e1, and the anode
次いで、ターミナルプレート50、52間に端子54a、54bを用いて外部電源82を接続する。このとき、水素で満たされたアノードガス流路22aを形成するアノード側セパレータ20aに接するターミナルプレートにプラス極が接続され、カソード側セパレータ20cに接するターミナルプレートにマイナス極が接続されるように、ターミナルプレート50、52間に外部電源82を接続する。
Next, the
ここで、図3を用いて、アノードガス流路22aを水素で満たした状態で、ターミナルプレート50、52間に抵抗83を伴って外部電源82を接続する理由を説明する。なお、図3では、図の明瞭化のために、アノード側撥水層16a、アノードガス拡散層18a、及びアノード側セパレータ20aをまとめてアノードAnとして図示し、カソード側撥水層16c、カソードガス拡散層18c、及びカソード側セパレータ20cをまとめてカソードCaとして図示している。
Here, the reason for connecting the
図3のように、複数の単セル100において、アノードガス流路22aが水素で満たされていることで、アノード触媒層14aでH2→2H++2e−の化学反応が生じる。アノード触媒層14aで発生したプロトンH+は、電解質膜12を介して、カソード触媒層14cに拡散する。初めのうちは、プロトンH+はカソード触媒層14cに濃度拡散する。一方、アノードAnに接するターミナルプレート50に外部電源82のプラス極が接続され、カソードCaに接するターミナルプレート52に外部電源82のマイナス極が接続されていることから、ターミナルプレート50に接する単セル100で発生した電子e−は外部電源82に向かって移動し、ターミナルプレート52に接する単セル100には外部電源82から電子e−が供給される。複数の単セル100のカソード触媒層14cでは、アノード触媒層14aから拡散してきたプロトンH+と、隣接する単セル100又は外部電源82から供給された電子e−によって、2H++2e−→H2の化学反応が生じる。カソード触媒層14cではプロトンH+が消費されることから、アノード触媒層14aからカソード触媒層14cへのプロトンH+の拡散が継続される。このような、アノード触媒層14aでプロトンH+を発生させ、電解質膜12を介してカソード触媒層14cにプロトンH+を移動させて、カソード触媒層14cでH2を生成する反応を、プロトンポンプ反応と称す。
As shown in FIG. 3, in the plurality of
プロトンH+及び電子e−の移動によって、ターミナルプレート50、52間に電流Iが流れ、ターミナルプレート50、52間に電位差が生じる。すなわち、MEA10内に電位勾配が形成される。MEA10内に電位勾配が形成されると、MEA10内のプロトンH+及び陽イオン不純物M+は、電位勾配によってカソード触媒層14c側に移動する。電位勾配による移動は移動速度が速い。このように、アノードガス流路22aを水素で満たした状態で、ターミナルプレート50、52間に外部電源82を接続するのは、複数の単セル100において、MEA10内に混入した陽イオン不純物M+をカソード触媒層14c側に集めるためである。なお、MEA10内に混入する陽イオン不純物M+として、例えばCa2+や、Mg2+、Co2+などが挙げられる。
Due to the movement of protons H + and electrons e − , a current I flows between the
ここで、実施例1では、上述したように、複数の単セル100の電解質膜12を湿潤させている。例えば電解質膜12を湿潤させない場合、複数の単セル100の間で電解質膜12の湿潤状態が異なりプロトンH+の伝導性に差が生じることがある。この場合、複数の単セル100の間でMEA10内の電位勾配に差が生じて、MEA10内に陽イオン不純物M+を移動させるのに必要十分な電位勾配が形成されない単セル100が生じるなど、意図しない電位勾配を有する単セル100が生じることがある。これにより、カソード触媒層14c側に十分な量の陽イオン不純物M+が集まらない単セル100が生じる恐れがある。しかしながら、実施例1のように、複数の単セル100の電解質膜12を湿潤させることで、複数の単セル100の間でプロトンH+の伝導性を同程度にすることができ、複数の単セル100それぞれのMEA10内に同程度の電位勾配を生じさせることができる。これにより、複数の単セル100の間でカソード触媒層14c側に同程度の量の陽イオン不純物M+を集めることができ、カソード触媒層14c側に十分な量の陽イオン不純物M+が集まらない単セル100が生じることを抑制できる。
Here, in Example 1, as described above, the
次いで、図2のように、外部配管80を介して孔e3に洗浄液を導入して、カソードガス流路22cを洗浄液で充満させると共にカソードガス流路22cからカソード触媒層14cまで洗浄液が浸入した状態とする。図1(a)のように、カソードガス流路22cとカソード触媒層14cとの間にはカソード側撥水層16cが設けられているため、洗浄液の種類によっては、洗浄液がカソード側撥水層16cを通過できない。そこで、カソード側撥水層16cを通過できるような洗浄液を用いる。洗浄液として、例えばフッ素系不活性液体(例えばフロリナート(登録商標))などの粘性及び表面張力が水よりも小さい液体を用いることができ、金属イオンやプロトンH+以外の他の陽イオンを含まない場合が好ましい。孔e3に導入された洗浄液は、孔e4から排出される。孔e3には、新しい洗浄液を導入し続ける場合でもよいし、孔e4から排出された洗浄液を孔e3に再導入して、洗浄液を循環させる場合でもよい。なお、孔e4から洗浄液を導入する場合でもよいが、内部にエア溜まりが生じることを抑制する点から、重力方向で低い位置にある孔e3から洗浄液を導入することが好ましい。
Next, as shown in FIG. 2, the cleaning liquid is introduced into the hole e3 through the
図4のように、カソードガス流路22cからカソード触媒層14cまで洗浄液90を浸入させることで、MEA10内の液水に混入していた陽イオン不純物M+は洗浄液90に拡散する。この際、陽イオン不純物M+はカソード触媒層14c側に集まっているため、陽イオン不純物M+の洗浄液90への拡散が効率的に行われる。例えば、アノードガス流路22aを水素で満たさず且つターミナルプレート50、52間に外部電源82を接続させない場合では、陽イオン不純物M+はMEA10内の液水全体に拡散しているため、洗浄液90をカソードガス流路22cからカソード触媒層14cまで浸入させたとしても、陽イオン不純物M+の洗浄液90への拡散効率が悪い。また、燃料電池200の発電中のMEA10内に電位勾配がある状態で陽イオン不純物M+を生成水によって排出しようとしても、生成水は少ないために十分な量の陽イオン不純物M+を排出することが難しく、反対に液水の多い状態では発電が難しくなってしまう。
As shown in FIG. 4, the cationic liquid M + mixed in the liquid water in the
次いで、ターミナルプレート50、52間に外部電源82を接続し且つカソードガス流路22cからカソード触媒層14cまで洗浄液90を浸入させた状態を所定時間維持する。これは、MEA10内の液水に混入した陽イオン不純物M+は洗浄液90に濃度拡散で拡散するため拡散速度が遅く、洗浄液90に多くの陽イオン不純物M+が拡散するまでにはある程度の時間を要するためである。陽イオン不純物M+の拡散速度や作業効率などを考慮すると、維持する時間は1分〜30分程度であることが好ましい。
Next, an
次いで、MEA10及びカソードガス流路22cから洗浄液90を取り除く。洗浄液90には、陽イオン不純物M+が拡散していることから、洗浄液90と共に陽イオン不純物M+も取り除かれ、その結果、燃料電池200の発電性能を回復させることができる。
Next, the cleaning
次いで、ターミナルプレート50、52から外部電源82を外し、ターミナルプレート50、52間に印加していた電圧を解除する。また、アノードガス流路22aに水素を供給し続けている場合には、水素の供給を解除する。
Next, the
以上のように、燃料電池の性能回復方法は、複数の単セル100の電解質膜12を湿潤させ、複数の単セル100のアノードガス流路22aを水素で満たし、アノード側セパレータ20aに接するターミナルプレート50にプラス極が接続され、カソード側セパレータ20cに接するターミナルプレート52にマイナス極が接続されるように、ターミナルプレート50、52間に外部電源82を接続する。これにより、図3で説明したように、複数の単セル100においてカソード触媒層14cに同程度の量の陽イオン不純物M+を集めることができ、カソード触媒層14c側に陽イオン不純物M+があまり集まらない単セル100が生じることを抑制できる。そして、カソード触媒層14c側に陽イオン不純物M+を集め且つカソードガス流路22cからカソード触媒層14cまで洗浄液90を浸入させた状態を、所定時間維持する。これにより、MEA10内の液水に混入した陽イオン不純物M+を効率的に洗浄液90に拡散させることができる。その後、MEA10及びカソードガス流路22cから洗浄液90を取り除くことで、洗浄液90と共に陽イオン不純物M+が外部に排出され、その結果、MEA10内の陽イオン不純物M+が低減されて、燃料電池200の発電性能を回復させることができる。
As described above, the method of recovering the performance of the fuel cell is a terminal plate that wets the
なお、実施例1において、複数の単セル100の電解質膜12を湿潤させることを、窒素ガスの代わりに希ガスなどの不活性ガスを用いて行ってもよい。また、カソードガス流路22cに導入する洗浄液90によって電解質膜12を湿潤させてもよいし、燃料電池200を生成水が発生し易い条件で発電することで電解質膜12を湿潤させてもよい。洗浄液90によって電解質膜12を湿潤させる場合は、カソードガス流路22cに洗浄液90を導入してから所定時間(例えば1時間)待つことが望ましい。
In Example 1, the
なお、実施例1では、孔e3に洗浄液90を導入し続け、孔e4から洗浄液90を排出し続ける場合を例に示したが、孔e3から洗浄液90を導入してカソードガス流路22cからカソード触媒層14cまで洗浄液90を浸入させた後に洗浄液90の導入を中止し、洗浄液90が外部に漏れないように封止してもよい。しかしながら、孔e3に新たな洗浄液90を導入し続けることで、カソード触媒層14cにおける洗浄液90の陽イオン不純物M+の濃度が低い状態を保つことができ、陽イオン不純物M+の洗浄液90への拡散を促進させることができる。
In the first embodiment, the case where the cleaning
なお、実施例1においては、アノードガス流路22aを水素で満たすことと、ターミナルプレート50、52間に外部電源82を接続させることとの順序を入れ替えて行ってもよい。また、カソードガス流路22cへの洗浄液90の導入は、アノードガス流路22aを水素で満たす前に行ってもよいし、ターミナルプレート50、52間に外部電源82を接続する前に行ってもよいし、電解質膜12を湿潤させるとき、アノードガス流路22aを水素で満たすとき、又はターミナルプレート50、52間に外部電源82を接続するときと同時に行ってもよい。
In the first embodiment, the order of filling the anode
なお、実施例1では、アノードガス流路22aを燃料ガスで満たし、カソードガス流路22cに洗浄液90を流す場合を例に示したが、カソードガス流路22cを燃料ガスで満たし、アノードガス流路22aに洗浄液90を流す場合でもよい。しかしながら、アノードガス流路22aに燃料ガスを供給することは発電時と同じであるため、配管の接続切替えなどを行わなくて済むことから、アノードガス流路22aに燃料ガスを供給する場合が作業性の観点から好ましい。
In the first embodiment, the anode
なお、実施例1では、孔e3及びe4に接続されている配管を外して外部配管80を接続させる場合を例に示したが、燃料電池200に空気を供給するためのバルブなどに外部配管を接続させて加湿窒素ガスや洗浄液を導入してもよい。また、アノードガス流路22aに加湿窒素ガスや洗浄液を流す場合も同様に、孔e1及びe6に接続されている配管を外して外部配管を接続させて加湿窒素ガスや洗浄液を導入してもよいし、燃料電池200に燃料ガスを供給するためのインジェクタなどに外部配管を接続させて加湿窒素ガスや洗浄液を導入してもよい。
In the first embodiment, the case where the pipes connected to the holes e3 and e4 are removed and the
図5は、燃料電池を構成する単セルの他の例を示す断面図である。図5のように、単セル100aは、カソード側撥水層16cに、カソード触媒層14c側からカソードガス拡散層18c側にカソード側撥水層16cを貫通する貫通孔26が設けられている。貫通孔26の断面形状は、円形や楕円形、矩形などどのような形状をしていてもよい。その他の構成は、図1(a)の単セル100と同じであるため説明を省略する。
FIG. 5 is a cross-sectional view showing another example of a single cell constituting a fuel cell. As shown in FIG. 5, the
単セル100aの場合でも、上述した燃料電池の性能回復方法を用いることができる。ここで、単セル100aでは、カソード側撥水層16cに貫通孔26が設けられている。このため、フッ素系不活性液体などのカソード側撥水層16cを通過する洗浄液以外の洗浄液を用いた場合でも、洗浄液は、貫通孔26を介して、カソードガス流路22cとカソード触媒層14cとの間を行き来することができる。この場合、洗浄液として、フッ素系不活性液体の他にも、水や沸騰水、脱イオン水、過酸化水素水、希硝酸などを用いることができ、金属イオンやプロトンH+以外の他の陽イオンを含まない液体を用いることが好ましい。希硝酸を用いる場合は、単セル間の短絡の影響を抑えるために、pH3以上の希硝酸を用いることが好ましい。貫通孔26によって水も通過することが可能となることから、カソードガス流路22cに水蒸気を導入し、水蒸気から変化した水がカソードガス流路22cからカソード触媒層14cまで浸入する場合でもよい。
Even in the case of the
なお、図5では、貫通孔26はカソード側撥水層16cにのみ設けられているが、カソード側撥水層16cとカソードガス拡散層18cとを貫通して設けられていてもよい。また、貫通孔26に、親水性の部材が埋め込まれている場合でもよい。
In FIG. 5, the through
なお、カソードガス流路22cを燃料ガスで満たし、アノードガス流路22aに洗浄液を流す場合には、貫通孔26はアノード側撥水層16aに設けられることになる。
When the cathode
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。 Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to such specific embodiments, and various modifications and changes can be made within the scope of the gist of the present invention described in the claims. It can be changed.
10 膜電極接合体
12 電解質膜
14a アノード触媒層
14c カソード触媒層
16a アノード側撥水層
16c カソード側撥水層
18a アノードガス拡散層
18c カソードガス拡散層
20a アノード側セパレータ
20c カソード側セパレータ
22a アノードガス流路
22c カソードガス流路
24 冷媒流路
26 貫通孔
30 膜電極ガス拡散層接合体
40 絶縁部材
50、52 ターミナルプレート
60、62 絶縁プレート
70、72 エンドプレート
80 外部配管
82 外部電源
90 洗浄液
100、100a 単セル
200 燃料電池
DESCRIPTION OF
Claims (1)
前記複数の単セルの前記電解質膜を湿潤させるステップと、
前記複数の単セルの前記アノードガス流路及び前記カソードガス流路のうちの一方のガス流路を燃料ガスで満たすステップと、
前記一対のターミナルプレートのうちの前記一方のガス流路を形成するセパレータに接する一方のターミナルプレートにプラス極が接続され、他方のターミナルプレートにマイナス極が接続されるように、前記一対のターミナルプレート間に外部電源を接続するステップと、
前記複数の単セルの前記アノードガス流路及び前記カソードガス流路のうちの他方のガス流路に前記燃料電池の外部から導入した洗浄液を充満させて、前記他方のガス流路から前記一対の電極触媒層のうちの前記他方のガス流路側の電極触媒層まで前記洗浄液を浸入させるステップと、
前記電解質膜を湿潤させ且つ前記一方のガス流路を燃料ガスで満たした後、前記外部電源を接続し且つ前記洗浄液を前記他方のガス流路側の電極触媒層まで浸入させた状態を所定時間維持するステップと、
前記所定時間維持した後、前記膜電極接合体及び前記他方のガス流路から前記洗浄液を取り除くステップと、を備える燃料電池の性能回復方法。 A plurality of membrane electrode assemblies each including a pair of electrode catalyst layers with an electrolyte membrane interposed therebetween, and a pair of separators sandwiching the membrane electrode assembly to form an anode gas channel and a cathode gas channel Is a method of recovering the performance of a fuel cell sandwiched between a pair of terminal plates,
Wetting the electrolyte membrane of the plurality of single cells;
Filling one gas passage of the anode gas passage and the cathode gas passage of the plurality of single cells with fuel gas;
The pair of terminal plates is connected such that a positive electrode is connected to one terminal plate in contact with a separator that forms the one gas flow path of the pair of terminal plates, and a negative electrode is connected to the other terminal plate. Connecting an external power supply in between,
The other gas flow path of the plurality of single cells is filled with the cleaning liquid introduced from the outside of the fuel cell, and the pair of the gas flows from the other gas flow path. Infiltrating the cleaning liquid up to the electrode catalyst layer on the other gas flow path side of the electrode catalyst layer;
After the electrolyte membrane is wetted and the one gas flow path is filled with the fuel gas, the state where the external power source is connected and the cleaning liquid enters the electrode catalyst layer on the other gas flow path side is maintained for a predetermined time. And steps to
Removing the cleaning liquid from the membrane electrode assembly and the other gas flow path after maintaining the predetermined time, and recovering the performance of the fuel cell.
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