JP6583039B2 - 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、アノードガス流路を形成するアノード側セパレータと、カソードガス流路を形成するカソード側セパレータと、をそれぞれ含み、前記アノード側セパレータと前記カソード側セパレータにより前記膜電極接合体を挟持した複数の単セルを備え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、前記複数の単セルを1又は隣接する2以上の単セルを含むように分けた複数のグループそれぞれに対して、両端に位置する前記アノード側セパレータ及び前記カソード側セパレータのうちの前記一方のガス流路を形成する一方のセパレータにプラス極が電気的に接続され他方のセパレータにマイナス極が電気的に接続されるように、複数の外部電源それぞれ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する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、前記一方のガス流路を燃料ガスで満たした後、前記複数の外部電源それぞれ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。上記構成において、前記他方のガス流路に前記燃料電池の外部から加湿窒素ガスを導入して、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を備え、前記所定時間維持するステップは、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、前記複数の外部電源それぞれ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構成とすることができる。また、上記構成において、前記洗浄液は水よりも粘性及び表面張力が小さい構成とすることができる。 The present invention includes a membrane electrode assembly in which a pair of electrode catalyst layers is provided with an electrolyte membrane interposed therebetween, an anode side separator that forms an anode gas flow path, and a cathode side separator that forms a cathode gas flow path. A method for recovering the performance of a fuel cell comprising a plurality of single cells sandwiching the membrane electrode assembly by the anode side separator and the cathode side separator, the anode gas flow paths of the plurality of single cells, and the Filling one gas flow path of the cathode gas flow path with fuel gas, and each of the plurality of single cells divided into one or two or more adjacent single cells, A positive electrode is electrically connected to one separator forming the one gas flow path among the anode side separator and the cathode side separator located at Connecting each of a plurality of external power sources so that the negative electrode is electrically connected to the other separator, and the other of the anode gas channel and the cathode gas channel of the plurality of single cells. The cleaning liquid introduced from the outside of the fuel cell is filled in the gas flow path, and the cleaning liquid enters from the other gas flow path to the electrode catalyst layer on the other gas flow path side of the pair of electrode catalyst layers. And maintaining the state where the plurality of external power sources are connected and the cleaning liquid is infiltrated into the electrode catalyst layer on the other gas flow path side after the one gas flow path is filled with fuel gas. steps and the after maintaining a predetermined time, the performance recovery method for a fuel cell comprising the steps of: removing the cleaning solution from the membrane electrode assembly and the other gas flow paths A. In the above configuration, the step of introducing humidified nitrogen gas into the other gas flow channel from the outside of the fuel cell to wet the electrolyte membrane of the plurality of single cells, and maintaining the predetermined time includes the step of: After the electrolyte membrane is wetted and the one gas flow path is filled with the fuel gas, a state in which each of the plurality of external power sources is connected and the cleaning liquid is infiltrated to the electrode catalyst layer on the other gas flow path side is predetermined. It can be configured to maintain time. In the above configuration, the cleaning liquid may have a viscosity and surface tension smaller than that of water.
本発明によれば、燃料電池の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 of the fuel cell 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。ガス拡散層を備えない場合には、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 MEGA 30 is disposed inside an
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
アノード側セパレータ20aには、突出部26が形成されている。突出部26は、MEGA30をアノード側セパレータ20a及びカソード側セパレータ20cで挟持した際に、カソード側セパレータ20cよりも突出している。突出部26は、端子取付け部としての役割を担い、例えば発電時に電圧測定部が接続されたセルモニタ端子が取付けられる。これにより、発電時におけるセル電圧を電圧測定部で測定することができる。
A
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。図3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断面図である。なお、図2及び図3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. FIG. 3 is a cross-sectional view of the fuel cell for explaining a method for recovering the performance of the fuel cell. 2 and 3, 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。
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、図3のように、複数の単セル100それぞれのアノード側セパレータ20aの突出部26に外部電源端子82を取付け、隣接する単セル100のアノード側セパレータ20aの間に抵抗83を伴って外部電源84を接続させる。これにより、隣接する単セル100のアノード側セパレータ20aの間に電圧が印加される。隣接する単セル100のアノード側セパレータ20aとカソード側セパレータ20cとは電気的に接続され、同電位であるため、1つの単セル100のアノード側セパレータ20aとカソード側セパレータ20cとの間に電圧が印加されることとなる。複数の外部電源84は、アノード側セパレータ20aから外部電源84を介してカソード側セパレータ20cに電子が流れるように外部電源端子82に接続される。すなわち、図3では、複数の単セル100を1つの単セル100毎の複数のグループ86に分け、複数のグループ86の両端に位置するアノード側セパレータ20aにプラス極が電気的に接続され、カソード側セパレータ20cにマイナス極が電気的に接続されるように、複数のグループ86それぞれに複数の外部電源84それぞれが接続されている。なお、外部電源84によって電圧を印加するときには、スタック電圧は開放状態にする。
Next, as shown in FIG. 3, an external
ここで、図4を用いて、アノードガス流路22aを水素で満たした状態で、アノード側セパレータ20aの突出部26に外部電源84を接続する理由を説明する。図4のように、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では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、アノード側セパレータ20aに外部電源84のプラス極が電気的に接続され、カソード側セパレータ20cに外部電源84のマイナス極が電気的に接続されていることから、アノード触媒層14aで発生した電子e−は外部電源84に向かって移動し、カソード触媒層14cには外部電源84から電子e−が供給される。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+と外部電源84から供給された電子e−とによって、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。
Here, the reason why the
プロトンH+及び電子e−の移動によって、アノード側セパレータ20aとカソード側セパレータ20cとの間で電流Iが流れ、アノード側セパレータ20aとカソード側セパレータ20cとの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、アノード側セパレータ20aにプラス極が電気的に接続され、カソード側セパレータ20cにマイナス極が電気的に接続されるように外部電源84を接続するのは、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内に混入した陽イオン不純物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、複数の単セル100の間で電解質膜12の湿潤状態が異なるとプロトンH+の伝導性に差が生じてしまう。この場合、例えば一対のターミナルプレート50、52間に外部電源84を接続して複数の単セル100全体に電圧を印加すると、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。これに対し、実施例1では、複数の単セル100それぞれに複数の外部電源84それぞれを接続しているため、単セル100毎に印加する電圧の大きさを制御することができる。このため、複数の単セル100の間で電解質膜12の湿潤状態が異なる場合でも、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, if the wet state of 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5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アノード側セパレータ20aとカソード側セパレータ20cとの間に外部電源84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まで含ませたとしても、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. 5, by allowing the cleaning
次いで、複数の外部電源84を接続させ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, the state in which the plurality of
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+も取り除かれて、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、外部電源端子82をアノード側セパレータ20aの突出部26から離して、アノード側セパレータ20aとカソード側セパレータ20cとの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 external
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のアノードガス流路22aを水素で満たし、複数の単セル100それぞれに対して、アノード側セパレータ20aにプラス極が電気的に接続されカソード側セパレータ20cにマイナス極が電気的に接続されるように、複数の外部電源84それぞれを接続させる。これにより、図4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内の液水に混入していた陽イオン不純物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, in the method of recovering the performance of the fuel cell, the anode
また、実施例1では、カソードガス流路22cに加湿窒素ガスを流して電解質膜12を湿潤させている。電解質膜12が湿潤状態になることでプロトンH+の伝導性が良好になることから、電解質膜12を湿潤させることが好ましい。なお、電解質膜12を湿潤させることは、カソードガス流路22cに窒素ガスの代わりに希ガスなどの不活性ガスを流して行ってもよい。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5分〜1時間)待つことが望ましい。
In Example 1, the
なお、実施例1では、複数の単セル100を1つの単セル100毎の複数のグループ86に分けた場合を例に示したが、これに限られない。複数の単セル100を1又は隣接する2以上の単セル100を含む複数のグループに分けてもよい。この場合、複数のグループの両端に位置するアノード側セパレータ20aにプラス極が電気的に接続され、カソード側セパレータ20cにマイナス極が電気的に接続されるように、複数の外部電源84それぞれを接続させる。この場合でも、一対のターミナルプレート50、52間に外部電源84を接続させる場合に比べて、各単セル100のMEA10内に形成される電位勾配を等しくすることができ、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が生じることを抑制できる。
In the first embodiment, a case where a plurality of
なお、実施例1では、発電時の単セル100の電圧を測定する電圧測定部を接続するために突出部26に取り付けられたセルモニタ端子を外して、その代わりに外部電源端子82を取り付けて外部電源84を接続させているが、セルモニタ端子を介して外部電源84を接続させてもよい。
In the first embodiment, the cell monitor terminal attached to the projecting
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、複数の外部電源84を接続す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、複数の外部電源84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、又は複数の外部電源84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などを導入してもよい。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6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6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28が設けられている。貫通孔28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. 6 is a cross-sectional view showing another example of a single cell constituting the fuel cell. As shown in FIG. 6, 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28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28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28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6では、貫通孔28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28に、親水性の部材が埋め込まれている場合でもよい。
In FIG. 6, 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28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 突出部
28 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 外部電源端子
84 外部電源
86 グループ
90 洗浄液
100、100a 単セル
200 燃料電池
DESCRIPTION OF
Claims (3)
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、
前記複数の単セルを1又は隣接する2以上の単セルを含むように分けた複数のグループそれぞれに対して、両端に位置する前記アノード側セパレータ及び前記カソード側セパレータのうちの前記一方のガス流路を形成する一方のセパレータにプラス極が電気的に接続され他方のセパレータにマイナス極が電気的に接続されるように、複数の外部電源それぞれ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する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、
前記一方のガス流路を燃料ガスで満たした後、前記複数の外部電源それぞれ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 membrane electrode assembly provided with a pair of electrode catalyst layers sandwiching an electrolyte membrane, an anode side separator that forms an anode gas flow path, and a cathode side separator that forms a cathode gas flow path, A fuel cell performance recovery method comprising a plurality of single cells sandwiching the membrane electrode assembly by a side separator and the cathode side separator,
Filling one gas passage of the anode gas passage and the cathode gas passage of the plurality of single cells with fuel gas;
The gas flow of one of the anode-side separator and the cathode-side separator located at both ends with respect to each of a plurality of groups obtained by dividing the plurality of single cells so as to include one or two or more adjacent single cells. Connecting each of a plurality of external power sources such that a positive electrode is electrically connected to one separator forming a path and a negative electrode is electrically connected to the other separator;
The other gas flow path of the plurality of single cells is filled with a 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;
Maintaining one of the plurality of external power sources connected to each other and supplying the cleaning liquid to the electrode catalyst layer on the other gas channel side for a predetermined time after filling the one gas channel with fuel gas;
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 .
前記所定時間維持するステップは、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、前記複数の外部電源それぞれ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、請求項1記載の燃料電池の性能回復方法。The step of maintaining the predetermined time includes wetting the electrolyte membrane and filling the one gas flow path with fuel gas, connecting each of the plurality of external power supplies, and supplying the cleaning liquid to the electrode on the other gas flow path side. The method for recovering the performance of a fuel cell according to claim 1, wherein the state in which the catalyst layer has been infiltrated is maintained for a predetermined time.
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