[go: up one dir, main page]
More Web Proxy on the site http://driver.im/

JP3863042B2 - 燃料電池の再活性化処理方法およびそのシステム - Google Patents

燃料電池の再活性化処理方法およびそのシステム Download PDF

Info

Publication number
JP3863042B2
JP3863042B2 JP2002078168A JP2002078168A JP3863042B2 JP 3863042 B2 JP3863042 B2 JP 3863042B2 JP 2002078168 A JP2002078168 A JP 2002078168A JP 2002078168 A JP2002078168 A JP 2002078168A JP 3863042 B2 JP3863042 B2 JP 3863042B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
fuel cell
fuel
electrode
oxidant
hydrogen
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
JP2002078168A
Other languages
English (en)
Other versions
JP2003272686A (ja
Inventor
洋 知沢
洋三 伊東
隆之 金子
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Original Assignee
Toshiba Fuel Cell Power Systems Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toshiba Fuel Cell Power Systems Corp filed Critical Toshiba Fuel Cell Power Systems Corp
Priority to JP2002078168A priority Critical patent/JP3863042B2/ja
Publication of JP2003272686A publication Critical patent/JP2003272686A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP3863042B2 publication Critical patent/JP3863042B2/ja
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Landscapes

  • Fuel Cell (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は固体高分子型燃料電池の技術に係り、特に発電効率の向上やシステムの長寿命化を可能にした固体高分子燃料電池システムにおける燃料電池の再活性化処理方法およびそのシステムに関する。
【0002】
【従来の技術】
燃料電池システムにおける発電効率の低下を促す主な原因は、経時的な活性化分極、拡散分極、抵抗分極の増大による燃料電池の電圧低下にある。活性化分極、拡散分極の増大は、電極反応に伴う生成水や燃料極からのプロトン(H)の移動に付随する移動水による酸化剤極の濡れの進行によって、実際に電極反応が生じている触媒の活性サイト近傍の気孔が徐々に水で閉塞されることに起因している。
【0003】
金属イオンで電池が汚染されると、電解質膜のプロトン交換基が金属イオンに置き換わるため、電池電圧が低下する。金属イオンで汚染された燃料電池の起電力を回復させる場合、特開2001−85037公報のように、燃料極と酸化剤極に供給していた燃料および酸化剤を、それぞれ酸化剤および燃料に切替えて発電を行うことにより、プロトン交換基を置き換えていた金属イオンが移動することで燃料電池の起電力を回復させる再活性化処理方法が報告されている。
【0004】
燃料電池システムにおいて、電圧低下の原因となっている酸化剤極側の活性化分極、拡散分極、抵抗分極の増大を診断する技術として、触媒の電気化学的白金表面積や酸化剤極に供給する酸化剤を空気から酸素に切替えた場合の電位差(酸素ゲイン)を測定することなどがある。
【0005】
また、燃料電池の燃料としては、予め合成された純水素を使用する方法や、改質装置を用いて炭化水素系の原燃料から水素含有ガスを製造して使用する方法がある。ただし、炭化水素系の原燃料を改質して製造した水素含有ガスにはCOやCO等も含まれるため、燃料極にPt−Ru系の合金触媒を用いる方法や、燃料電池に供給される前の燃料ガスに酸素を添加してCOを酸化させてCO濃度を低下させる方法(米国特許第4,910,099号明細書)等を採用し、COによる電極触媒の被毒、触媒活性の低下、電池性能の劣化を防止している。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
燃料電池システムにおいて、酸化剤極側の活性化分極、拡散分極、抵抗分極の増大による電圧低下が起きた場合、燃料極と酸化剤極に供給していた燃料および酸化剤をそれぞれ酸化剤および燃料に切替えて発電中に再活性化処理を行うと、酸化剤極を閉塞していた気孔中の水の一部が燃料極へ移動するため、一旦は電圧が回復する。
【0007】
しかし、発電(逆の極性)では元燃料極(逆の極性時は酸化剤極)に空気を供給することになり、元燃料極に生成水が生じ酸化剤極のミクロポアから十分に水を取り除くことができず、比較的短時間で電池電圧は低下していく。然るに、燃料電池システムにおいて、酸化剤極側の活性化分極、拡散分極、抵抗分極の増大による電圧低下が起きた場合、燃料電池の極性を逆にして発電中に再活性化処理を行っても、電圧の回復は初期的なものに限定され燃料電池の長寿命化は実現できない。
【0008】
また、燃料ガスにCOを含む場合に対応して燃料極に合金触媒を用いた場合には、酸化剤極の触媒として十分には機能しないので満足な電池性能が得られない。したがって、燃料電池の長寿命化を実現するにあたってはCOによるカーボン腐食を防ぐことも大きな課題となる。
【0009】
本発明は、このような問題を解決するために提案されたものであり、固体高分子型燃料電池の発電効率の向上やシステムの長寿命化を可能にする燃料電池の再活性化処理方法およびそのシステムを提供することを目的とする。
【0014】
【課題を解決するための手段】
発明の燃料電池の再活性化処理方法は、請求項1に記載したように、固体高分子電解質膜とこの固体高分子電解質膜を挟んで配置された燃料極および酸化剤極とからなり、前記燃料極および前記酸化剤極にそれぞれ燃料および酸化剤を供給して発生した起電力を電気的出力として外部に取り出す燃料電池にて、発電の停止状態で、前記燃料電池の酸化剤極に水素含有ガスを供給し、かつ燃料極および酸化剤極に電源を接続し、この電源により燃料極から電源を介して酸化剤極に電流を流す燃料電池の再活性化処理方法において、前記燃料電池の再活性化処理時に、前記燃料電池の酸化剤極から排気される水素含有ガスを燃料極に供給し、この燃料極から排気される水素含有ガスを再び酸化剤極に供給することで、水素含有ガスを酸化剤極と燃料極とに循環させて利用することを特徴とする。
【0017】
また、本発明の燃料電池の再活性化処理システムは、請求項2に記載したように、燃料電池は固体高分子電解質膜を挟んで配置された燃料極と酸化剤極とを備え、前記燃料電池の燃料極に燃料供給ラインを、前記燃料電池の酸化剤極に酸化剤供給ラインをそれぞれ接続する一方、前記燃料電池の燃料極および酸化剤極から燃料排気ラインおよび酸化剤排気ラインをそれぞれ接続し、前記燃料供給ラインを分岐させたガス配管を酸化剤供給ラインに接続する一方、前記酸化剤排気ラインから分岐されたガス配管を燃料排気ラインに接続し、発電の停止状態で、前記燃料電池の酸化剤極に水素含有ガスを供給し、かつ燃料極および酸化剤極に電源を接続し、この電源により燃料極から電源を介して酸化剤極に電流を流す手段を有することを特徴とする。
【0018】
さらに、本発明の燃料電池の再活性化処理システムは、請求項3に記載したように、前記燃料電池の燃料供給ラインから分岐させるガス配管が酸化剤供給ラインに接続させる分岐部あるいは結合部に切替弁を設ける一方、前記酸化剤排気ラインから分岐させるガス配管が燃料排気ラインに接続される分岐部あるいは結合部に切替弁を設け、燃料電池の発電時には燃料極で使用される水素含有ガスを再活性化時には酸化剤極に供給し、酸化剤極からの水素含有ガスを燃料極排気ラインから排出するように設定したことを特徴とする。
【0019】
また、本発明の燃料電池の再活性化処理システムは、請求項4に記載したように、前記燃料電池の燃料供給ラインに炭化水素系の原燃料を改質して水素含有ガスを製造する改質装置が具備される一方、酸化剤極に供給される水素含有ガスを、前記燃料電池発電開始前または発電停止後に前記改質装置で製造するようにしたことを特徴とする。
【0022】
さらに、本発明の燃料電池の再活性化処理システムは、請求項5に記載したように、前記燃料電池の発電時に、前記燃料電池の燃料極および酸化剤極に、それぞれ燃料および酸化剤を供給して発生した起電力を電気的出力として外部に取り出す電気制御装置には逆電流モードが備えられ、この電気制御装置としてインバータが具備されていることを特徴とする。
【0023】
また、本発明の燃料電池の再活性化処理システムは、請求項6に記載したように、前記電気制御装置として直流コンバータが具備されていることを特徴とする。
【0024】
さらに、本発明の燃料電池の再活性化処理システムは、請求項7に記載したように、燃料電池は固体高分子電解質膜を挟んで配置された燃料極と酸化剤極とを備え、前記燃料電池の酸化剤供給ラインに水素供給源を設ける一方、燃料排気ラインと水素含有ガス処理器を備え、酸化剤極と燃料極とに電流を流すための電源を酸化剤極と燃料極とに接続される燃料電池において、酸化剤排気ラインと燃料供給ラインとを接続し、燃料排気ラインから分岐させたガス配管を酸化剤供給ラインに切替弁を介して接続することを特徴とする。
【0025】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る燃料電池の再活性化処理方法およびそのシステムの実施の形態について、添付図面を参照して説明する。
【0026】
図1(a)は固体高分子型燃料電池システムにおける燃料電池の発電システムの概略的な一実施形態を示すものである。
【0027】
固体高分子型燃料電池1には燃料電池スタック2が備えられ、この燃料電池スタック2は燃料極3と酸化剤極4とが配置される。燃料電池スタック2の燃料極3には燃料供給ライン6が接続される一方、燃料極3に供給されて反応したガスを排気する燃料排気ライン7が接続される。
【0028】
燃料供給ライン6には燃料供給源としての水素供給源8が備えられる一方、燃料排気ライン7には水素含有ガス処理装置9が備えられる。さらに、燃料電池スタック2の酸化剤極4には酸化剤供給ライン10が接続される一方、酸化剤極4に供給されて反応した水素含有ガスを排気する酸化剤排気ライン11が接続される。加えて、酸化剤供給ライン10には酸化剤供給源12が備えられる。また、燃料電池スタック2の燃料極3と酸化剤極4に電気制御装置13を介して電気配線14が接続される。
【0029】
図1(a)において実線矢印a、bは固体高分子型燃料電池1の発電時のガスの流れをそれぞれ示す。また、破線矢印cは固体高分子型燃料電池1の発電時の電流の流れを示す。
【0030】
固体高分子型燃料電池1の発電では、燃料電池スタック2の燃料極3に水素供給源8から燃料ガスとして水素含有ガスを、および酸化剤極4に酸化剤供給源12から酸素含有ガスをそれぞれ供給し、発生した起電力を電気制御装置13にて回収し出力させる設計である。
【0031】
図1(b)は固体高分子型燃料電池システムにおける燃料電池スタックの一例を示すものである。
【0032】
図1(b)は図1(a)に示す燃料電池スタック2のA−A矢視方向から切断した断面図である。
【0033】
図1(b)において、燃料電池スタック2は、単電池15が複数積層された構成を持ち、単電池15には燃料極3と酸化剤極4とが備わっており、その燃料極3と酸化剤極4に固体高分子電解質膜16が挟持される。その燃料極3および酸化剤極4には、ガス拡散層17と触媒層18とがそれぞれ備わっている。
【0034】
さらに、単電池15の燃料極3には燃料ガス流路19が備えられる一方、酸化剤極4には酸化剤ガス流路20が備えられる。
【0035】
なお、燃料電池スタック2を構成する複数積層された単電池15は、燃料極3と酸化剤極4とが交互に積層され、燃料極3と酸化剤極4とにそれぞれ供給されるガスを分離するために、個々の単電池15間にセパレータ21が挟持される。
【0036】
図1(a)にて燃料供給ライン6から燃料電池スタック2に水素含有ガスが供給されると、図2に示す燃料電池スタック2を構成する個々の単電池15の燃料極3に備えられる燃料ガス流路19に水素含有ガスが供給される。
【0037】
同時に、図1(a)にて酸化剤供給ライン10から燃料電池スタック2に酸素供給ガスが供給されると、図2に示す燃料電池スタック2を構成する個々の単電池15の酸化剤極4に備えられる酸化剤ガス流路20に酸素含有ガスが供給される。これにより、固体高分子型燃料電池1の発電が行われる。
【0038】
図2は固体高分子型燃料電池システムにおける燃料電池の再活性化システムの一実施形態を示すものである。
【0039】
この実施形態に示された固体高分子型燃料電池1の再活性化システム22は、図1(b)に示す燃料電池スタック2が備えられ、この燃料電池スタック2は燃料極3と酸化剤極4とが配置される。燃料電池スタック2の燃料極3には燃料供給ライン6が接続される一方、燃料極3に供給されて反応したガスを排気する燃料排気ライン7が接続される。
【0040】
燃料極3に接続された燃料供給ライン6には不活性ガス供給源23が備えられる。さらに、燃料電池スタック2の酸化剤極4には酸化剤供給ライン10が接続される一方、酸化剤極4に供給されて反応した水素含有ガスを排気する酸化剤排気ライン11が接続される。加えて、酸化剤供給ライン10には水素供給源8が備えられる一方、酸化剤排気ライン11には水素含有ガス処理装置9が備えられる。
【0041】
すなわち、燃料供給ライン6を不活性ガス供給ラインとして利用し、燃料排気ライン7を不活性ガス排気ラインとして利用する一方、酸化剤供給ライン10を燃料供給ラインとして利用し、酸化剤排気ライン11を燃料排気ラインとして利用するものである。
【0042】
また、燃料電池スタック2の燃料極3と酸化剤極4に電源24を介して電気配線25が接続される。
【0043】
図2において実線矢印d、eは固体高分子型燃料電池1の再活性化処理時のガスの流れをそれぞれ示す。また、破線矢印fは固体高分子型燃料電池1の再活性化処理時の電流の流れを示す。
【0044】
この固体高分子型燃料電池1の再活性化システム22は、図1(a)に示す発電を行った固体高分子型燃料電池1において、図2に示すように再活性化処理を行う。
【0045】
固体高分子型燃料電池1の再活性化システム22では、燃料電池スタック2の燃料極3に不活性ガス供給源23から不活性ガスを燃料供給ライン6を介して供給し、同時に酸化剤極4に水素供給源8から燃料ガスとして水素含有ガスを酸化剤供給ライン10を介して供給し、電源24から電気配線25を介して燃料電池スタック2の燃料極3と酸化剤極4とに電流を流せるものとし、これにより再活性化処理が実施される。
【0046】
例えば25cmの固体高分子型燃料電池1を所定時間、例えば7000時間発電させた後、この固体高分子型燃料電池1について、発電の停止状態で再活性化処理が行われる。この再活性化処理時には、電池温度が25℃となるような条件下にて、図2に示すように、酸化剤極4に例えば水素利用率70%の水素を供給し、燃料極3から電源24を介して酸化剤極4に流す電流密度を例えば0.35A/cmとして1時間、固体高分子型燃料電池1の再活性化処理を行う。
【0047】
図3に固体高分子型燃料電池1の再活性化処理前後の電気化学的な活性度の比較を示す。例えば7000時間発電した燃料電池について再活性化処理前と処理後の固体高分子型燃料電池1の酸化剤極4に供給する空気を酸素に切替た場合の電圧差(酸素ゲイン)と、酸化剤極の触媒層についての電気化学的白金表面積を示したものである。さらに燃料電池の再活性化処理前後の比較のために運転初期のデータも示す。
【0048】
この再活性化処理によって酸化剤極4のガス拡散性の改善を示す酸素ゲインの減少と、酸化剤極4の触媒活性の改善を示す電気化学的白金表面積の増加が確認できる。酸素ゲインに関しては運転(発電)初期のデータに迫るほど回復する。すなわち、酸化剤極4の触媒層の一次粒子で形成されるミクロポアを閉塞している水を十分取り除くことができることを示している。
【0049】
図4は燃料電池の電圧降下と再活性化処理の効果を示すデータ図である。所要時間、例えば7000時間発電した固体高分子型燃料電池1に再活性化処理を行った後さらに、所要時間、例えば15000時間まで発電し、固体高分子型燃料電池1における電圧の経時変化を示したものである。
【0050】
7000時間後の再活性化処理によって固体高分子型燃料電池1の電圧は、ほぼ運転(発電)初期の電圧まで回復し、元の劣化電圧に戻るまでに同様に約7000時間程度経過している。すなわち再活性化処理により、酸化剤極のガス拡散性の改善を示す酸素ゲインの減少と、電気化学的白金表面積の増加の増加を促し、燃料電池の電圧の低下を防止または回復させることによって、固体高分子型燃料電池システムの発電効率の向上やシステムの長寿命化を可能にすることができる。
【0051】
図5は固体高分子型燃料電池システムにおける燃料電池の再活性化システムの他の実施形態を示すものである。
【0052】
図5において破線矢印cは固体高分子型燃料電池1の発電時の電流の流れ、破線矢印fは固体高分子型燃料電池1の再活性化処理時の電流の流れをそれぞれ示す。なお、図1(a)に付される固体高分子型燃料電池1の再活性化システムに用いられる部材と同じ部材には同一の符号を付して説明を省略する。
【0053】
燃料電池スタック2の燃料極3および酸化剤極4には燃料供給ライン6および酸化剤供給ライン10がそれぞれ接続される。燃料供給ライン6からバイパスライン29、切替弁30を介して酸化剤供給ライン10に接続される。
【0054】
さらに、燃料電池スタック2の燃料極3および酸化剤極4には燃料排気ライン7および酸化剤排気ライン11がそれぞれ接続される。酸化剤排気ライン11の途中に切替弁31が設けられ、酸化剤排気ライン11は切替弁31およびバイパスライン32を介して燃料排気ライン7に接続される。
【0055】
また、燃料電池スタック2の燃料極3と酸化剤極4に電源24を介して電気配線25が接続される。
【0056】
固体高分子型燃料電池1の再活性化システム22Aにおいて、再活性化時に酸化剤極4に供給される水素含有ガスは、水素供給源8から水素供給ライン6から分岐し、切替弁30から酸化剤極4へ供給される。一方、酸化剤極4から排気された水素含有ガスは、酸化剤排気ライン11の切替弁31を介して燃料排気ライン7へ合流し、水素含有ガス処理装置9へ送られ処理される。
【0057】
なお、電源24から電気配線25を介して燃料電池スタック2の燃料極3と酸化剤極4とに電流を流せるものとし、これにより再活性化処理が実施される。
【0058】
その際、酸化剤極4に供給する水素含有ガスは固体高分子型燃料電池1の発電時に使用する水素供給源8を利用でき、さらに、酸化剤極4から排気される水素含有ガスの処理は固体高分子型燃料電池1の発電時に使用する水素含有ガス処理装置9を利用できる。
【0059】
このため、固体高分子型燃料電池1の発電システムのガス配管と再活性化システムのガス配管を同一のシステム内に納めることができ、燃料電池の活性化処理のための燃料電池発電システム以外の水素供給源8および水素含有ガス処理装置9を準備することなく、酸化剤極4のガス拡散性の改善を示す酸素ゲインの減少と、電気化学的白金表面積の増加の増加を促し、燃料電池の電圧の低下を防止または回復させることによって、固体高分子型燃料電池システムの発電効率の向上やシステムの長寿命化を可能にすることができる。
【0060】
なお、図5に示された固体高分子型燃料電池1の再活性化処理システム22Aに、燃料ガス供給源としての水素供給源8から供給される燃料を改質する改質装置33を備えてもよい。改質装置33は燃料ガスを触媒を用いて改質するもので、構成する触媒は高温で改質性能を効果的に発揮する。一方、改質装置33の起動、すなわち昇温に時間を費やすことに配慮し、改質装置33の各触媒は適切な温度条件に維持されている。然るに固体高分子型燃料電池1の発電開始直前、または発電停止直後に固体高分子型燃料電池1の再活性化処理を実施することが望ましい。
【0061】
この場合、燃料電池発電開始直前または発電停止直後のタイミングで酸化剤極4に水素含有ガスを供給するので、改質装置33の各触媒の設定温度、流量等が最適条件で維持されており、通常再活性化処理システム起動時に触媒の昇温等に必要な起動時間を待たずに、酸化剤極4に水素含有ガスを供給することができる。
【0062】
図6は固体高分子型燃料電池システムにおける燃料電池の再活性化システムの第3実施形態を示すものである。
【0063】
この実施形態に示された固体高分子型燃料電池1の再活性化システム22Bは、水素含有ガスの流量を計測する流量計34と電源電流の制御装置35とを備えた場合の系統図である。
【0064】
図6において破線矢印fは固体高分子型燃料電池1の再活性化処理の際の電流の流れを示す。なお、図2に付される固体高分子型燃料電池1の再活性化システムに用いられる部材と同じ部材には同一の符号を付して説明を省略する。
【0065】
さらに、水素供給源8の下流側には流量計34が設置され、この流量計34で水素含有ガスの流量値を計測する。その流量計34から電気配線36を介して制御装置35が接続される。
【0066】
この固体高分子型燃料電池1の再活性化システム22Bは、図1(a)に示す発電を行った固体高分子型燃料電池1において、図6に示すように再活性化処理を行う。
【0067】
固体高分子型燃料電池1の再活性化システム22Bにおいて、燃料電池スタック2の酸化剤極4に水素含有ガスが供給される。この酸化剤極4に供給される水素含有ガスは、水素供給源8から供給され、反応した後、さらにその酸化剤極4から排気される。この水素含有ガスは水素含有ガス処理装置9に送られ処理される。また、酸化剤供給ライン10に備えられた流量計34で水素含有ガスの流量を計測しており、この流量計34の指示流量値によって、燃料電池スタック2の燃料極3から電源24を介して酸化剤極4へ流す電源24からの電流値を、制御装置35により制御できるように構成され、この制御装置35により再活性化処理が実施される。
【0068】
図7に燃料電池の再活性化処理有無による発電時間と燃料電池スタックの平均電圧の関係を示す。
【0069】
ここで双方の燃料電池スタックとも約700時間毎に発電停止を行い、本実施の形態の燃料電池スタック2には停止時に酸化剤極4に供給した水素の利用率が例えば70%となるように、燃料極3から電源24を介して酸化剤極4に電流を流す上述の再活性化処理を20分間実施する。
【0070】
図7に示すように従来の燃料電池スタック2と比較して固体高分子型燃料電池1の電圧の低下を抑制できる。
【0071】
すなわち、固体高分子型燃料電池1の再活性化システム22Bによれば、電池性能を経時的に低下させる原因となっている酸化剤極4のガス拡散性の悪化および触媒有効表面積の低下を防止し、固体高分子型燃料電池1の電圧の低下を防止させることによって、発電効率の向上やシステムの長寿命化を可能にできる。
【0072】
図8は固体高分子型燃料電池システムにおける燃料電池の再活性化システムの第4実施形態を示すものである。
【0073】
この実施形態に示された固体高分子型燃料電池1の再活性化システム22Cは、電源電流を計測する電流計37と水素含有ガスの流量制御装置38とを備えた場合の系統図である。
【0074】
図8において破線矢印fは固体高分子型燃料電池1の再活性化処理の際の電流の流れを示す。なお、図2に付される固体高分子型燃料電池1の再活性化システムに用いられる部材と同じ部材には同一の符号を付して説明を省略する。
【0075】
さらに、電源24には電流計37が設置され、この電流計37で燃料極3から電源24を介して酸化剤極4に流れる電流値を計測する。その電流計37から電気配線39を介して流量制御装置38が接続される。
【0076】
この固体高分子型燃料電池1の再活性化システム22Cは、図1(a)に示す発電を行った固体高分子型燃料電池1において、図8に示すように再活性化処理を行う。
【0077】
固体高分子型燃料電池1の再活性化システム22Cにおいて、電源24には、燃料極3から電源24を介して酸化剤極4に流す電流値を計測する電流計37が備えられ、電流計37はその指示電流値によって、燃料ガス供給源としての水素供給源8から酸化剤極4に供給される水素流量を制御できる流量制御器38が接続される。これにより再活性化処理を実施する。
【0078】
図6および図8の何れの場合でも酸化剤極4に供給される水素含有ガスを所定の水素利用率に維持することが可能なので、C+2HO→CO+4H+4eという反応によるカーボン腐食を防ぐことができ、固体高分子型燃料電池システムの長寿化を実現できる。
【0079】
図9は、固体高分子型燃料電池システムにおける燃料電池の再活性化システムの第5の実施形態を示すものである。
【0080】
この実施形態に示された固体高分子型燃料電池1の再活性化システム22Dは電気制御装置40を備えた場合の系統図を示す。
【0081】
図9において破線矢印cは固体高分子型燃料電池1の発電時の電流の流れ、破線矢印fは固体高分子型燃料電池1の再活性化処理時の電流の流れをそれぞれ示す。なお、図5に付される固体高分子型燃料電池1の再活性化システムの部材と同じ部材には同一符号を付して説明を省略する。
【0082】
この固体高分子型燃料電池1の再活性化システム22Dは、図9および図10(a)に示すように、電気制御装置40を構成するインバータ41を燃料電池スタック2に電気的に接続し、さらにインバータ41の交流側には系統交流電源42が接続され、燃料電池の発電時には系統交流電源42との連系運転が行われている。
【0083】
ここでインバータ41に燃料電池スタック2からの直流電力を交流電力に変換する機能、および系統交流電源42からの交流電力を直流電力に変換する機能を持たせると、電気制御装置40を逆電流モードにして系統交流電源42からの交流電力をインバータ41で変換することで、再活性化処理に必要な直流電力の電源を得ることができる。
【0084】
また、図10(a)の変形例として図10(b)に示すように、直流コンバータ43を備えてもよい。図10(b)は電気制御装置40として直流コンバータ43を具備した場合の系統図である。固体高分子型燃料電池1の基本的な構成は、図9に示される固体高分子型燃料電池1と同様であるので説明を省略する。
【0085】
電気制御装置40を構成する直流コンバータ43を介して24Vの二次電池44を燃料電池スタック2に電気的に接続する。ここで直流コンバータ43には燃料電池スタック2の発電によって得られる直流電力を所定の電圧に変換し、二次電池44を充電する機能と、二次電池44の放電により得られる直流電力を所定の電圧に変換する機能を有する。これらの機能を持たせると、逆電流モードにして直流コンバータ43で変換することで、再活性化処理に必要な直流電力の電源を得ることができる。
【0086】
図9の電気制御装置40として例に挙げた、図10(a)および図10(b)何れの場合も、固体高分子型燃料電池1における発電システムの電気配線と再活性化システムの電気配線を同一のシステム内に納めることができ、固体高分子型燃料電池1の再活性化処理のための燃料電池システム以外の電源を準備することなく、酸化剤極4のガス拡散性の改善を示す酸素ゲインの減少と、電気化学的白金表面積の増加の増加を促し、燃料電池の電圧の低下を防止または回復させることによって、固体高分子型燃料電池システムの発電効率の向上やシステムの長寿命化を可能にすることができる。
【0087】
図11は、固体高分子型燃料電池システムにおける燃料電池の再活性化システムの第6の実施形態を示すものである。
【0088】
図11において破線矢印fは固体高分子型燃料電池1の再活性化処理時の電流の流れを示す。
【0089】
この実施形態に示される固体高分子型燃料電池1の再活性化システム22Eは、図1(b)に示す燃料電池スタック2を備えており、この燃料電池スタック2は燃料極3と酸化剤極4とが配置される。燃料電池スタック2の燃料極3には燃料供給ライン6が接続される一方、燃料極3に供給されて反応したガスを排気する燃料排気ライン7が接続される。さらに、燃料電池スタック2の酸化剤極4には酸化剤供給ライン10が接続される一方、酸化剤極4に供給されて反応したガスを排気する酸化剤排気ライン11が接続される。加えて、酸化剤供給ライン10には水素供給源8が備えられる一方、燃料排気ライン7には水素含有ガス処理装置9が備えられる。
【0090】
さらに、酸化剤排気ライン11は燃料供給ライン6と接続される一方、燃料排気ライン7は切替弁45、バイパスライン46、切替弁30を介し酸化剤供給ライン10に接続される。なお、バイパスライン46には昇圧ブロア47が具備されている。
【0091】
また、燃料電池スタック2の燃料極3と酸化剤極4に電源24を介して電気配線25が接続される。
【0092】
この固体高分子型燃料電池1の再活性化システム22Eは、図1(a)に示す発電を行った固体高分子型燃料電池1において、図11に示すように再活性化処理を行う。
【0093】
この固体高分子型燃料電池1の再活性化システム22Eは、図11に示すように、水素含有ガスが水素供給源8から切替弁30を介して酸化剤極4に供給されてここで反応する。
【0094】
一方、酸化剤極4から排気された水素含有ガスは、酸化剤排気ライン11から燃料供給ライン6を経て燃料極3に供給される。さらに、燃料極3から排気される水素含有ガスは燃料排気ライン7から分岐して、切替弁45を介して水素含有ガス処理装置9で処理される。
【0095】
また、燃料電池スタック2の燃料極3から排気された水素含有ガスは、切替弁45から接続されたバイパスライン46を経て切替弁30を介して再び酸化剤極4に供給され、電源24から電気配線25を介して燃料電池スタック2の燃料極3と酸化剤極4とに電流を流せるものとし、これにより再活性化処理が実施される。
【0096】
さらに、昇圧ブロワ47を駆動することによって、再活性化処理に酸化剤極4で必要な水素含有ガスが循環され、過剰な水素含有ガスを使用することなく、酸化剤極4のガス拡散性の改善を示す酸素ゲインの減少と、電気化学的白金表面積の増加の増加を促し、燃料電池の電圧の低下を防止または回復させることによって、固体高分子型燃料電池システムの発電効率の向上やシステムの長寿命化を可能にすることができる。
【0097】
図12は固体高分子型燃料電池システムにおける燃料電池の再活性化システムの第7の実施形態を示すものである。
【0098】
この実施形態に示される固体高分子型燃料電池1の再活性化システム22Fは、図11に示す固体高分子型燃料電池1の再活性化システム22Eを複数並列に接続した構成であるので、図11に付される固体高分子型燃料電池1の再活性化システムに用いられる部材と同じ部材には同一符号を付して説明を省略する。
【0099】
このような構成においても同様な効果が確認できる。
【0100】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、固体高分子型燃料電池システムの燃料電池の性能を経時的に低下させる原因となっている酸化剤極のガス拡散性の悪化および触媒有効表面積の低下を防止または改善することができ、カーボン腐食を防ぐことも可能なので、燃料電池の発電効率の向上やシステムの長寿命化を実現する燃料電池システムを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a)は本発明に係る固体高分子型燃料電池システムにおける燃料電池の発電システムの一例を示す概略的な系統図、(b)は固体高分子型燃料電池システムにおける燃料電池スタックの一例を示す図。
【図2】本発明に係る固体高分子型燃料電池システムにおける燃料電池の再活性化システムの一実施形態を示す概略的な系統図。
【図3】再活性化処理前後における燃料電池の電気化学的な活性度の比較を示す図。
【図4】燃料電池の電圧降下と再活性化処理の効果を示す図。
【図5】本発明に係る固体高分子型燃料電池システムにおける燃料電池の再活性化システムの他の実施形態を示す概略的な系統図。
【図6】本発明に係る固体高分子型燃料電池システムにおける燃料電池の再活性化システムの第3実施形態を示す概略的な系統図。
【図7】再活性化処理有無による発電時間と燃料電池スタックの平均電圧の関係を示す図。
【図8】本発明に係る固体高分子型燃料電池システムにおける燃料電池の再活性化システムの第4実施形態を示す概略的な系統図。
【図9】本発明に係る固体高分子型燃料電池システムにおける燃料電池の再活性化システムの第5実施形態を示す概略的な系統図。
【図10】(a)は電気制御装置としてインバータを具備した場合、(b)は電気制御装置として直流コンバータを具備した場合をそれぞれ示す系統図。
【図11】本発明に係る固体高分子型燃料電池システムにおける燃料電池の再活性化システムの第6実施形態を示す概略的な系統図。
【図12】本発明に係る固体高分子型燃料電池システムにおける燃料電池の再活性化システムの第7実施形態を示す概略的な系統図。
【符号の説明】
1 燃料電池
2 燃料電池スタック
3 燃料極
4 酸化剤極
6 燃料供給ライン
7 燃料排気ライン
8 水素供給源
9 水素含有ガス処理装置
10 酸化剤供給ライン
11 酸化剤排気ライン
12 酸化剤供給源
13 電気制御装置
14 電気配線
15 単電池
16 固体高分子電解質膜
17 ガス拡散層
18 触媒層
19 燃料ガス流路
20 酸化剤ガス流路
21 セパレータ
22 一実施形態における固体高分子型燃料電池の再活性化システム
22A その他の実施形態における固体高分子型燃料電池の再活性化システム
22B 第3実施形態における固体高分子型燃料電池の再活性化システム
22C 第4実施形態における固体高分子型燃料電池の再活性化システム
22D 第5実施形態における固体高分子型燃料電池の再活性化システム
22E 第6実施形態における固体高分子型燃料電池の再活性化システム
22F 第7実施形態における固体高分子型燃料電池の再活性化システム
23 不活性ガス供給源
24 電源
25 電気配線
29 バイパスライン
30 切替弁
31 切替弁
32 バイパスライン
33 改質装置
34 流量計
35 制御装置
36 電気配線
37 電流計
38 流量制御装置
39 電気配線
40 電気制御装置
41 インバータ
42 系統交流電源
43 直流コンバータ
44 二次電池
45 切替弁
46 バイパスライン
47 昇圧ブロア
a 燃料電池の発電時のガスの流れ
b 燃料電池の発電時のガスの流れ
c 燃料電池の発電時の電流の流れ
d 燃料電池の再活性化時のガスの流れ
e 燃料電池の再活性化時のガスの流れ
f 燃料電池の再活性化時の電流の流れ

Claims (7)

  1. 固体高分子電解質膜とこの固体高分子電解質膜を挟んで配置された燃料極および酸化剤極とからなり、前記燃料極および前記酸化剤極にそれぞれ燃料および酸化剤を供給して発生した起電力を電気的出力として外部に取り出す燃料電池にて、発電の停止状態で、前記燃料電池の酸化剤極に水素含有ガスを供給し、かつ燃料極および酸化剤極に電源を接続し、この電源により燃料極から電源を介して酸化剤極に電流を流す燃料電池の再活性化処理方法において、
    前記燃料電池の再活性化処理時に、前記燃料電池の酸化剤極から排気される水素含有ガスを燃料極に供給し、この燃料極から排気される水素含有ガスを再び酸化剤極に供給することで、水素含有ガスを酸化剤極と燃料極とに循環させて利用することを特徴とする燃料電池の再活性化処理方法。
  2. 燃料電池は固体高分子電解質膜を挟んで配置された燃料極と酸化剤極とを備え、前記燃料電池の燃料極に燃料供給ラインを、前記燃料電池の酸化剤極に酸化剤供給ラインをそれぞれ接続する一方、前記燃料電池の燃料極および酸化剤極から燃料排気ラインおよび酸化剤排気ラインをそれぞれ接続し、前記燃料供給ラインを分岐させたガス配管を酸化剤供給ラインに接続する一方、前記酸化剤排気ラインから分岐されたガス配管を燃料排気ラインに接続し、発電の停止状態で、前記燃料電池の酸化剤極に水素含有ガスを供給し、かつ燃料極および酸化剤極に電源を接続し、この電源により燃料極から電源を介して酸化剤極に電流を流す手段を有することを特徴とする燃料電池の再活性化処理システム。
  3. 前記燃料電池の燃料供給ラインから分岐させるガス配管が酸化剤供給ラインに接続させる分岐部あるいは結合部に切替弁を設ける一方、前記酸化剤排気ラインから分岐させるガス配管が燃料排気ラインに接続される分岐部あるいは結合部に切替弁を設け、燃料電池の発電時には燃料極で使用される水素含有ガスを再活性化時には酸化剤極に供給し、酸化剤極からの水素含有ガスを燃料極排気ラインから排出するように設定したことを特徴とする請求項記載の燃料電池の再活性化処理システム。
  4. 前記燃料電池の燃料供給ラインに炭化水素系の原燃料を改質して水素含有ガスを製造する改質装置が具備される一方、酸化剤極に供給される水素含有ガスを、前記燃料電池発電開始前または発電停止後に前記改質装置で製造するようにしたことを特徴とする請求項記載の燃料電池の再活性化処理システム。
  5. 前記燃料電池の発電時に、前記燃料電池の燃料極および酸化剤極に、それぞれ燃料および酸化剤を供給して発生した起電力を電気的出力として外部に取り出す電気制御装置には逆電流モードが備えられ、この電気制御装置としてインバータが具備されていることを特徴とする請求項記載の燃料電池の再活性化処理システム。
  6. 前記電気制御装置として直流コンバータが具備されていることを特徴とする請求項記載の燃料電池の再活性化処理システム。
  7. 料電池は固体高分子電解質膜を挟んで配置された燃料極と酸化剤極とを備え、前記燃料電池の酸化剤供給ラインに水素供給源を設ける一方、燃料排気ラインと水素含有ガス処理器を備え、酸化剤極と燃料極とに電流を流すための電源を酸化剤極と燃料極とに接続される燃料電池において、酸化剤排気ラインと燃料供給ラインとを接続し、燃料排気ラインから分岐させたガス配管を酸化剤供給ラインに切替弁を介して接続することを特徴とする燃料電池の再活性化処理システム。
JP2002078168A 2002-03-20 2002-03-20 燃料電池の再活性化処理方法およびそのシステム Expired - Lifetime JP3863042B2 (ja)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2002078168A JP3863042B2 (ja) 2002-03-20 2002-03-20 燃料電池の再活性化処理方法およびそのシステム

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2002078168A JP3863042B2 (ja) 2002-03-20 2002-03-20 燃料電池の再活性化処理方法およびそのシステム

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2003272686A JP2003272686A (ja) 2003-09-26
JP3863042B2 true JP3863042B2 (ja) 2006-12-27

Family

ID=29205967

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2002078168A Expired - Lifetime JP3863042B2 (ja) 2002-03-20 2002-03-20 燃料電池の再活性化処理方法およびそのシステム

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP3863042B2 (ja)

Families Citing this family (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4951847B2 (ja) * 2004-07-23 2012-06-13 パナソニック株式会社 燃料電池の活性化方法
JP4907861B2 (ja) 2004-11-17 2012-04-04 東芝燃料電池システム株式会社 燃料電池発電システムとその停止保管方法、停止保管プログラム
JP4852241B2 (ja) * 2004-12-27 2012-01-11 東芝燃料電池システム株式会社 燃料電池発電システムの運転方法
JP5151035B2 (ja) * 2006-02-03 2013-02-27 日産自動車株式会社 燃料電池システム
JP2008021558A (ja) * 2006-07-13 2008-01-31 Toshiba Fuel Cell Power Systems Corp 燃料電池システムの性能回復方法、燃料電池システム及び性能回復用外部ユニット
JP2009070691A (ja) * 2007-09-13 2009-04-02 Toshiba Fuel Cell Power Systems Corp 燃料電池システムおよび燃料電池の運転方法
JP2009093916A (ja) * 2007-10-09 2009-04-30 Toyota Motor Corp 燃料電池システム
JP5207230B2 (ja) * 2007-11-15 2013-06-12 独立行政法人産業技術総合研究所 固体高分子形燃料電池の性能回復方法を実施するためのシステム
JP4789018B2 (ja) * 2008-01-28 2011-10-05 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP5166907B2 (ja) * 2008-02-15 2013-03-21 本田技研工業株式会社 固体高分子型燃料電池の運転方法及び燃料電池エージングシステム
WO2010073962A1 (ja) * 2008-12-26 2010-07-01 株式会社 東芝 燃料電池システム及び燃料電池
EP2487740B1 (en) * 2009-10-07 2016-01-06 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Fuel cell system and method for stopping fuel cell system
US9368817B2 (en) 2009-10-16 2016-06-14 GL Global Technology Operations LLC In-situ fuel cell stack reconditioning
KR101450246B1 (ko) * 2012-12-12 2014-10-14 자동차부품연구원 연료전지 스택 활성화장치
DE102014216856A1 (de) * 2014-08-25 2016-02-25 Volkswagen Aktiengesellschaft Verfahren zum Starten einer Brennstoffzelle sowie Brennstoffzellensystem
US10158128B2 (en) * 2017-03-07 2018-12-18 GM Global Technology Operations LLC Fuel cell stack break-in procedures and break-in conditioning systems

Also Published As

Publication number Publication date
JP2003272686A (ja) 2003-09-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP3863042B2 (ja) 燃料電池の再活性化処理方法およびそのシステム
TWI298957B (en) Fuel cell apparatus
JP4589925B2 (ja) 燃料電池−イオンポンプ結合体、その使用方法及びそれを用いる基礎施設
JP2006216555A (ja) 燃料電池システム
CN100388546C (zh) 燃料电池的运转方法
JP5303419B2 (ja) 燃料電池発電システムおよびその運転方法
JP5418800B2 (ja) 燃料電池システムの起動方法及び起動プログラム
JPH11345624A (ja) 燃料電池の作動方法
JP7572363B2 (ja) レドックスフロー電池
JP5127212B2 (ja) 燃料電池発電システム及びその運転方法
JP4824455B2 (ja) 直接メタノール型燃料電池システム,および直接メタノール型燃料電池システムの運転方法
WO2005069420A1 (ja) 燃料電池システム
CN103682375A (zh) 燃料电池电极污染物的氧化
US8927167B2 (en) Fuel cell system and driving method thereof
JP2008021558A (ja) 燃料電池システムの性能回復方法、燃料電池システム及び性能回復用外部ユニット
US20020122963A1 (en) Fuel cell installation with integrated gas cleaning and method of cleaning a reformer gas
JP6728006B2 (ja) 燃料電池の運転方法、燃料電池システム及び車両
JP4416503B2 (ja) 燃料電池への水素の供給装置及び方法並びに車両の電気駆動のための燃料電池の使用
JP4969955B2 (ja) 燃料電池システム及びその発電停止方法
JP4617648B2 (ja) 水素抽出装置
CN114243053A (zh) 一种延长燃料电池寿命的测试方法及装置
JPH06260197A (ja) 固体高分子電解質燃料電池システム
JP2004265692A (ja) 燃料電池システム
JPH03194863A (ja) 燃料電池の停止方法
JP5850982B2 (ja) 燃料電池発電システムと性能回復方法及び性能回復プログラム

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20040525

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20060116

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20060620

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20060821

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20060926

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20060927

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 3863042

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20091006

Year of fee payment: 3

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20101006

Year of fee payment: 4

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20111006

Year of fee payment: 5

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20111006

Year of fee payment: 5

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20121006

Year of fee payment: 6

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20121006

Year of fee payment: 6

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20131006

Year of fee payment: 7

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

S111 Request for change of ownership or part of ownership

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313114

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313111

R350 Written notification of registration of transfer

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350

EXPY Cancellation because of completion of term