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JP6981883B2 - Fuel cell aging method - Google Patents

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JP6981883B2 JP2018007534A JP2018007534A JP6981883B2 JP 6981883 B2 JP6981883 B2 JP 6981883B2 JP 2018007534 A JP2018007534 A JP 2018007534A JP 2018007534 A JP2018007534 A JP 2018007534A JP 6981883 B2 JP6981883 B2 JP 6981883B2
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Description

本発明は、燃料電池のエージング方法に関する。 The present invention relates to a method for aging a fuel cell.

燃料電池は、燃料ガス(例えば水素)および酸化剤ガス(例えば空気)をアノード側電極(以下、単にアノードということがある)およびカソード側電極(以下、単にカソードということがある)に供給して電気化学的に反応させることにより、電気エネルギー(起電力)を得るシステムである。 The fuel cell supplies fuel gas (for example, hydrogen) and oxidant gas (for example, air) to the anode-side electrode (hereinafter, may be simply referred to as an anode) and the cathode-side electrode (hereinafter, which may be simply referred to as a cathode). It is a system that obtains electrical energy (electronode) by electrochemically reacting.

例えば、固体高分子型燃料電池のセル(燃料電池セルや単セルということもある)は、イオン伝導性の電解質膜と、該電解質膜を挟持するアノード側触媒層(電極層)およびカソード側触媒層(電極層)とからなる膜電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)を備えている。MEAの両側には、燃料ガスもしくは酸化剤ガスを提供するとともに電気化学反応によって生じた電気を集電するためのガス拡散層(GDL:Gas Diffusion Layer)が形成されている。GDLが両側に配置されたMEAは、MEGA(Membrane Electrode & Gas Diffusion Layer Assembly)と称され、MEGAは、一対のセパレータにより挟持されている。ここで、MEGAが燃料電池の発電部であり、ガス拡散層がない場合には、MEAが燃料電池の発電部となる。 For example, a cell of a solid polymer fuel cell (sometimes referred to as a fuel cell or a single cell) has an ionic conductive electrolyte membrane, an anode-side catalyst layer (electrode layer) sandwiching the electrolyte membrane, and a cathode-side catalyst. A membrane electrode assembly (MEA) composed of a layer (electrode layer) is provided. Gas diffusion layers (GDL) are formed on both sides of the MEA to provide fuel gas or oxidant gas and to collect electricity generated by an electrochemical reaction. MEA in which GDL is arranged on both sides is called MEGA (Membrane Electrode & Gas Diffusion Layer Assembly), and MEGA is sandwiched by a pair of separators. Here, MEGA is the power generation unit of the fuel cell, and when there is no gas diffusion layer, MEA is the power generation unit of the fuel cell.

燃料電池(燃料電池スタックということもある)は、前記した如くの構成を有するセルを複数枚重ね合わせて積層し、例えば、自動車等の車両に搭載して使用されている。 A fuel cell (sometimes referred to as a fuel cell stack) is used by stacking a plurality of cells having the above-mentioned configurations on top of each other and mounting them on a vehicle such as an automobile, for example.

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等の理由により、初期発電性能が低くなっている。そこで、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、燃料電池のエージング運転(単に、エージングともいうこともある)と称される予備運転(ならし運転)が行われている。このエージング運転は、燃料電池の組み立て後に予備的に発電することで、セルの性能が所望の能力を発揮できるようにするものである。また、製造した後だけではなく、例えば、燃料電池を休止した後(特に、長期間休止した後)に再発電させる際(再起動時)や、長期間の発電によって起電力などの出力特性が低下した際などにも、前記したエージング運転を行うことによって、燃料電池の出力特性を回復する場合もある。 In this type of polymer electrolyte fuel cell, the initial power generation performance is low due to reasons such as insufficient water content of the electrolyte membrane immediately after assembly. Therefore, in order to bring out the desired power generation performance after assembling the fuel cell, a preliminary operation (break-in operation) called an aging operation (simply also referred to as aging) of the fuel cell is usually performed. This aging operation is such that the performance of the cell can exhibit the desired ability by preliminarily generating power after assembling the fuel cell. In addition, not only after manufacturing, but also when regenerating power (at the time of restarting) after the fuel cell is paused (particularly after a long-term pause), or when the fuel cell is generated for a long period of time, the output characteristics such as electromotive force are affected. Even when the fuel cell is lowered, the output characteristics of the fuel cell may be restored by performing the aging operation described above.

このような固体高分子型燃料電池のエージング(ならし運転)においてエージング時間を短縮させるための方法として、燃料電池に強制通電したり、周期的に変動する電気的負荷を印加したり、あるいは、負荷電流を周期的に変動させる方法などが知られている(例えば、下記特許文献1〜3参照)。 As a method for shortening the aging time in the aging (break-in operation) of such a solid polymer fuel cell, the fuel cell is forcibly energized, a periodically fluctuating electric load is applied, or the fuel cell is subjected to a periodic electric load. A method of periodically varying the load current is known (see, for example, Patent Documents 1 to 3 below).

特開2006−040869号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2006-040869 特開2005−340022号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2005-340022 特開2007−066666号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2007-066666

ところで、エージング時間短縮に繋がるエージング促進に必要な要件としては、膜電極接合体の触媒表面の被毒物(コンタミ物質)の除去、触媒表面の酸化被膜の除去、電解質膜や触媒層中の電解質樹脂の湿潤が挙げられる。ここで、一般に、触媒表面の酸化被膜除去や電解質樹脂の湿潤は、被毒物除去よりも短い時間で行われるため、エージング時間短縮(エージング促進)のためには、被毒物を如何に効率的に除去するかが重要である。 By the way, as requirements necessary for promoting aging leading to shortening of aging time, removal of toxic substances (contaminated substances) on the catalyst surface of the membrane electrode assembly, removal of the oxide film on the catalyst surface, and electrolyte resin in the electrolyte membrane and the catalyst layer. Wetness is mentioned. Here, in general, the removal of the oxide film on the catalyst surface and the wetting of the electrolyte resin are performed in a shorter time than the removal of the poisonous substance. Therefore, in order to shorten the aging time (promote aging), how efficiently the poisonous substance can be used. It is important to remove it.

しかしながら、例えば上記特許文献3に所載の従来技術では、負荷電流により低電位を実現するために、高電流(高電流密度)を掃引する必要がある。この場合、高電流の掃引によって生成水量は多くなるが、一方で、発熱量が多くなるため、液水量(触媒表面の被毒物を洗い流して排出するための液水量)が減少してしまい、エージング促進に対して必要な湿潤を阻害する恐れがある。すなわち、前記のように負荷電流を制御することは、エージングに対して背反する作用をもたらすことになる。 However, for example, in the prior art described in Patent Document 3, it is necessary to sweep a high current (high current density) in order to realize a low potential by a load current. In this case, the amount of generated water increases due to the high current sweep, but on the other hand, the amount of heat generated increases, so the amount of liquid water (the amount of liquid water for washing away and discharging the toxic substance on the catalyst surface) decreases, and aging. May interfere with the necessary wetting for promotion. That is, controlling the load current as described above has a contradictory effect on aging.

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、エージング時間を効果的に短縮することのできる燃料電池のエージング方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a fuel cell aging method capable of effectively shortening the aging time.

前記課題を解決すべく、本発明による燃料電池のエージング方法は、アノードと、カソードと、前記アノードおよび前記カソードに挟持される電解質膜とを含む燃料電池のエージング方法であって、前記カソードに供給する酸化剤ガスに混合される不活性ガスの流量を周期的に変化させることによって、前記燃料電池の電位を0.4V以下の範囲で周期的に変化させることを特徴としている。 In order to solve the above problems, the fuel cell aging method according to the present invention is a fuel cell aging method including an anode, a cathode, and an anode and an electrolyte membrane sandwiched between the cathodes, and is supplied to the cathode. It is characterized in that the potential of the fuel cell is periodically changed in the range of 0.4 V or less by periodically changing the flow rate of the inert gas mixed with the oxidizing agent gas.

前記不活性ガスの流量を鋸歯状の流量パターンで周期的に変化させることによって、前記燃料電池の電位を波状の電位パターンで周期的に変化させることが好ましい。 It is preferable to periodically change the potential of the fuel cell in a wavy potential pattern by periodically changing the flow rate of the inert gas in a serrated flow pattern.

本発明によれば、燃料電池の電位を0.4V以下の範囲とすることで、エージング中で最も時間の要する被毒物除去を効率的に行うことができるとともに、不活性ガスの流量調整による燃料電池の電位制御を行うことで、液水量の低減を防止し、エージング促進に対して必要な湿潤を確保できるので、エージング時間を効果的に短縮することができる。 According to the present invention, by setting the potential of the fuel cell in the range of 0.4 V or less, it is possible to efficiently remove the poisonous substance that takes the longest time during aging, and the fuel cell by adjusting the flow rate of the inert gas. By controlling the potential of the fuel cell, it is possible to prevent a decrease in the amount of liquid water and secure the wetting required for promoting aging, so that the aging time can be effectively shortened.

本発明による燃焼電池のエージング方法の適用対象となる燃料電池(燃料電池スタック)の一例を示す図であり、(A)は要部断面図、(B)は全体外観図である。It is a figure which shows an example of the fuel cell (fuel cell stack) to which the aging method of the combustion battery by this invention is applied, (A) is the main part sectional view, (B) is an overall external view. エージングメカニズムを説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining the aging mechanism. エージング時の窒素ガスの流量と燃料電池の電位との関係を示すタイムチャートである。It is a time chart which shows the relationship between the flow rate of nitrogen gas at the time of aging, and the potential of a fuel cell. (A)は実施例の発電パターン、(B)は比較例の発電パターンを示すタイムチャートである。(A) is a power generation pattern of an example, and (B) is a time chart showing a power generation pattern of a comparative example.

以下、本発明の構成を図面に示す実施形態の一例に基づいて詳細に説明する。以下では、一例として、燃料電池車に搭載される燃料電池またはこれを含む燃料電池システムに本発明を適用した場合を例示して説明するが、適用範囲がこのような例に限られることはない。 Hereinafter, the configuration of the present invention will be described in detail based on an example of an embodiment shown in the drawings. In the following, as an example, a case where the present invention is applied to a fuel cell mounted on a fuel cell vehicle or a fuel cell system including the present invention will be described as an example, but the scope of application is not limited to such an example. ..

[燃料電池(燃料電池スタック)の構成]
図1は、本発明による燃焼電池のエージング方法の適用対象となる燃料電池(燃料電池スタック)の一例を示す図であり、図1(A)は要部断面図、図1(B)は全体外観図である。
[Fuel cell (fuel cell stack) configuration]
FIG. 1 is a diagram showing an example of a fuel cell (fuel cell stack) to which the aging method for a combustion battery according to the present invention is applied. FIG. 1 (A) is a cross-sectional view of a main part, and FIG. 1 (B) is an overall view. It is an external view.

まず、図1(A)を参照して燃料電池(固体高分子型燃料電池)の内部構成を概説すると、燃料電池(燃料電池スタック)10には、基本単位であるセル(単電池)1が複数積層されている。各セル1は、酸化剤ガス(例えば空気)と、燃料ガス(例えば水素)と、の電気化学反応により起電力を発生する固体高分子型燃料電池である。セル1は、MEGA2と、MEGA2を区画するように、MEGA2に接触するセパレータ(燃料電池用セパレータ)3とを備えている。なお、本実施形態では、MEGA2は、一対のセパレータ3、3により、挟持されている。 First, to outline the internal configuration of a fuel cell (solid polymer fuel cell) with reference to FIG. 1A, the fuel cell (fuel cell stack) 10 contains a cell (single cell) 1 which is a basic unit. Multiple layers are stacked. Each cell 1 is a solid polymer fuel cell that generates an electromotive force by an electrochemical reaction between an oxidant gas (for example, air) and a fuel gas (for example, hydrogen). The cell 1 includes a MEGA 2 and a separator (fuel cell separator) 3 that contacts the MEGA 2 so as to partition the MEGA 2. In this embodiment, MEGA2 is sandwiched by a pair of separators 3 and 3.

MEGA2は、膜電極接合体(MEA)4と、この両面に配置されたガス拡散層7、7とが、一体化されたものである。膜電極接合体4は、電解質膜5と、電解質膜5を挟むように接合された一対の電極6、6と、からなる。電解質膜5は、固体高分子材料で形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜からなり、電極6は、たとえば、白金などの触媒を担持した例えば多孔質のカーボン素材により形成される。電解質膜5の一方側に配置された電極6がアノードとなり、他方側の電極6がカソードとなる。ガス拡散層7は、例えばカーボンペーパ若しくはカーボンクロス等のカーボン多孔質体、または、金属メッシュ若しくは発泡金属等の金属多孔質体などのガス透過性を有する導電性部材によって形成される。 The MEGA 2 is a combination of a membrane electrode assembly (MEA) 4 and gas diffusion layers 7 and 7 arranged on both sides thereof. The membrane electrode assembly 4 includes an electrolyte membrane 5 and a pair of electrodes 6 and 6 bonded so as to sandwich the electrolyte membrane 5. The electrolyte membrane 5 is made of a proton-conducting ion exchange membrane made of a solid polymer material, and the electrode 6 is made of, for example, a porous carbon material carrying a catalyst such as platinum. The electrode 6 arranged on one side of the electrolyte membrane 5 serves as an anode, and the electrode 6 on the other side serves as a cathode. The gas diffusion layer 7 is formed of a gas-permeable conductive member such as a carbon porous body such as carbon paper or carbon cloth, or a metal porous body such as a metal mesh or foamed metal.

本実施形態では、MEGA2が、燃料電池10の発電部であり、セパレータ3は、MEGA2のガス拡散層7に接触している。また、ガス拡散層7が省略されている場合には、膜電極接合体4が発電部であり、この場合には、セパレータ3は、膜電極接合体4に接触している。したがって、燃料電池10の発電部は、膜電極接合体4を含むものであり、セパレータ3に接触する。 In the present embodiment, the MEGA 2 is the power generation unit of the fuel cell 10, and the separator 3 is in contact with the gas diffusion layer 7 of the MEGA 2. When the gas diffusion layer 7 is omitted, the membrane electrode assembly 4 is the power generation unit, and in this case, the separator 3 is in contact with the membrane electrode assembly 4. Therefore, the power generation unit of the fuel cell 10 includes the membrane electrode assembly 4 and comes into contact with the separator 3.

セパレータ3は、導電性やガス不透過性などに優れた金属を基材とする板状の部材であって、その一面側がMEGA2のガス拡散層7と当接し、他面側が隣接する他のセパレータ3の他面側と当接している。 The separator 3 is a plate-shaped member based on a metal having excellent conductivity and gas impermeableness, and one side thereof is in contact with the gas diffusion layer 7 of MEGA2, and the other side is adjacent to another separator. It is in contact with the other surface side of 3.

本実施形態では、各セパレータ3は、波形状ないし凹凸状に形成されている。セパレータ3の形状は、波の形状が等脚台形をなし、かつ波の頂部が平坦で、この頂部の両端が等しい角度をなして角張っている。つまり、各セパレータ3は、表側から見ても裏側から見ても、ほぼ同じ形状である。MEGA2の一方のガス拡散層7には、セパレータ3の頂部が面接触し、MEGA2の他方のガス拡散層7には、セパレータ3の頂部が面接触している。 In the present embodiment, each separator 3 is formed in a wavy or uneven shape. The shape of the separator 3 is such that the shape of the wave is an isosceles trapezoid, the top of the wave is flat, and both ends of the top are angular at equal angles. That is, each separator 3 has substantially the same shape when viewed from the front side and the back side. The top of the separator 3 is in surface contact with one gas diffusion layer 7 of MEGA 2, and the top of the separator 3 is in surface contact with the other gas diffusion layer 7 of MEGA 2.

一方の電極(すなわちアノード)6側のガス拡散層7とセパレータ3との間に画成されるガス流路21は、燃料ガスが流通する流路であり、他方の電極(すなわちカソード)6側のガス拡散層7とセパレータ3との間に画成されるガス流路22は、酸化剤ガスが流通する流路である。セル1を介して対向する一方のガス流路21に燃料ガスが供給され、ガス流路22に酸化剤ガスが供給されると、セル1内で電気化学反応が生じて起電力が生じる。 The gas flow path 21 defined between the gas diffusion layer 7 on the one electrode (that is, the anode) 6 side and the separator 3 is a flow path through which the fuel gas flows, and is on the other electrode (that is, the cathode) 6 side. The gas flow path 22 defined between the gas diffusion layer 7 and the separator 3 is a flow path through which the oxidizing agent gas flows. When the fuel gas is supplied to one of the gas flow paths 21 facing each other via the cell 1 and the oxidant gas is supplied to the gas flow path 22, an electrochemical reaction occurs in the cell 1 to generate an electromotive force.

さらに、あるセル1と、それに隣接するもうひとつのセル1とは、アノードとなる電極6とカソードとなる電極6とを向き合わせて配置されている。また、あるセル1のアノードとなる電極6に沿って配置されたセパレータ3の背面側の頂部と、もうひとつのセル1のカソードとなる電極6に沿って配置されたセパレータ3の背面側の頂部とが、面接触している。隣接する2つのセル1間で面接触するセパレータ3、3の間に画成される空間23には、セル1を冷却する冷媒としての水が流通する。 Further, one cell 1 and another cell 1 adjacent thereto are arranged so that the electrode 6 serving as an anode and the electrode 6 serving as a cathode face each other. Further, the top of the back side of the separator 3 arranged along the electrode 6 which is the anode of a certain cell 1 and the top of the back side of the separator 3 arranged along the electrode 6 which is the cathode of another cell 1. And are in surface contact. Water as a refrigerant for cooling the cell 1 flows through the space 23 defined between the separators 3 and 3 that are in surface contact with each other between the two adjacent cells 1.

また、隣接する2つのセル1の端部間には、燃料ガス(例えば水素)または酸化剤ガス(例えば空気)や冷却用の水をシールするシール部材としてのガスケット(図示省略)が挟圧保持されている。 Further, a gasket (not shown) as a sealing member for sealing a fuel gas (for example, hydrogen) or an oxidant gas (for example, air) or cooling water is held between the ends of two adjacent cells 1. Has been done.

また、前記した燃料電池10は、図1(B)に示すように、各1セル間の電圧(セル電圧)を監視するためのセルモニタ用ケーブル(図示省略)、電極(アノード)6側のガス流路21に燃料ガスを供給・排出するためのガス配管11、電極(カソード)6側のガス流路22に酸化剤ガスを供給・排出するためのガス配管12、空間23に冷媒としての水(冷却水)を供給・排出するための冷却水配管13等が接続されて構成されている。 Further, as shown in FIG. 1 (B), the above-mentioned fuel cell 10 includes a cell monitor cable (not shown) for monitoring the voltage (cell voltage) between each cell, and a gas on the electrode (anode) 6 side. A gas pipe 11 for supplying / discharging fuel gas to the flow path 21, a gas pipe 12 for supplying / discharging oxidant gas to the gas flow path 22 on the electrode (cathode) 6 side, and water as a refrigerant in the space 23. A cooling water pipe 13 or the like for supplying / discharging (cooling water) is connected and configured.

[燃料電池(燃料電池スタック)のエージング方法]
前記した如くの構成を有する燃料電池10では、発電性能(出力特性)を安定させるために、例えば当該燃料電池10の組み立て後などにエージング(ならし運転)が行われる。
[Aging method for fuel cell (fuel cell stack)]
In the fuel cell 10 having the above-described configuration, in order to stabilize the power generation performance (output characteristics), for example, aging (break-in operation) is performed after the fuel cell 10 is assembled.

ここで、前記したエージングでは、主に、図2に示す過程1〜3を経て膜電極接合体4の触媒表面が洗浄(被毒物(コンタミ物質)除去)される。
<過程1>:触媒表面に被毒物が付着した状態。
<過程2>:触媒表面に付着している被毒物を触媒表面から浮かせる(離す)。
<過程3>:触媒表面から浮かせた被毒物を燃料電池の電気化学的反応で生成した液水などで洗い流し、セル内部から排出させる。
Here, in the above-mentioned aging, the catalyst surface of the membrane electrode assembly 4 is mainly washed (removal of toxic substances (contamination substances)) through steps 1 to 3 shown in FIG.
<Process 1>: A state in which a poisonous substance adheres to the surface of the catalyst.
<Process 2>: Toxic substances adhering to the catalyst surface are floated (separated) from the catalyst surface.
<Process 3>: The toxic substance floating from the surface of the catalyst is washed away with liquid water or the like generated by the electrochemical reaction of the fuel cell, and discharged from the inside of the cell.

触媒表面に付着している被毒物は、電極工程やセル化工程などで使用した低分子量から高分子量までを有する様々な種類の有機物であり、これらの有機物を効率よく除去する必要がある。つまり、液水で洗い流す過程3より前の過程2を効率よく行うことが必要不可欠である。 The poisonous substances adhering to the catalyst surface are various kinds of organic substances having a low molecular weight to a high molecular weight used in the electrode process, the cellification process, and the like, and it is necessary to efficiently remove these organic substances. That is, it is indispensable to efficiently perform the process 2 before the process 3 of rinsing with liquid water.

そこで、本実施形態では、前記エージングを促進・加速する0V〜0.4Vの間で燃料電池の電位を変動させることで、様々な種類の被毒物を短時間で除去する。具体的には、例えばガス配管12に配設された流量調整弁などを用いて、ガス配管12から電極(カソード)6に供給する酸化剤ガスに混合される不活性ガス(例えば、窒素N2ガス)の流量を周期的に変化させることによって、燃料電池10の電位を0.4V以下の範囲で周期的に変化させて、前記エージングを実施する。 Therefore, in the present embodiment, various types of poisonous substances are removed in a short time by varying the potential of the fuel cell between 0V and 0.4V, which promotes and accelerates the aging. Specifically, an inert gas (for example, nitrogen N 2 ) mixed with the oxidizing agent gas supplied from the gas pipe 12 to the electrode (cathode) 6 by using, for example, a flow control valve arranged in the gas pipe 12. By periodically changing the flow rate of the gas), the potential of the fuel cell 10 is periodically changed in the range of 0.4 V or less, and the aging is carried out.

より詳しくは、図3に示すように、電極(カソード)6に供給する酸化剤ガスに混合される不活性ガス(例えば、窒素N2ガス)の流量を鋸歯状の流量パターンで周期的に変化させることによって、燃料電池10の電位(セル平均電圧)を0.1V〜0.4Vの範囲内の波状(サイン波状)の電位パターンで周期的に変化させて、前記エージングを実施する。 More specifically, as shown in FIG. 3, the flow rate of the inert gas (for example, nitrogen N 2 gas) mixed with the oxidizing agent gas supplied to the electrode (cathode) 6 is periodically changed in a serrated flow pattern. The aging is carried out by periodically changing the potential (cell average voltage) of the fuel cell 10 in a wavy (sine wavy) potential pattern within the range of 0.1 V to 0.4 V.

以下、前記した本実施形態のエージング(における電位制御)の作用効果について説明する。 Hereinafter, the action and effect of the aging (potential control in) of the present embodiment described above will be described.

<燃料電池のエージング時間短縮のための発電を行う作用効果>
例えば、非発電で温水等を流して洗浄する手法では、触媒表面に付着している被毒物を除去する効果が小さく、十分なエージング効果を得ることはできない。
<Effect of generating electricity to shorten the aging time of the fuel cell>
For example, in the method of washing by flowing hot water or the like without power generation, the effect of removing the toxic substance adhering to the catalyst surface is small, and a sufficient aging effect cannot be obtained.

発電での電位付与や電極内環境によって、触媒種特有の表面電位(表面エネルギー)を有し、表面エネルギーと被毒物の相互作用によって、被毒物を乖離したり、結合させたりすることができるため、触媒表面の被毒物を効果的に除去できるようになる。 It has a surface potential (surface energy) peculiar to the catalyst species depending on the potential applied in power generation and the environment inside the electrode, and the toxic substance can be separated or combined by the interaction between the surface energy and the toxic substance. , The poisonous substance on the surface of the catalyst can be effectively removed.

<燃料電池を構成する各セルの電位を0〜0.4Vの間で(0.4V→0V→0.4Vのサイクルとなるように)サイクリックに変動させる作用効果>
触媒表面に付着している被毒物はアニオン系が多く、電位を0V〜0.4Vにすることで、触媒表面から効果的に被毒物を乖離させることができる。
<Effect of cyclically changing the potential of each cell constituting the fuel cell between 0 and 0.4V (so that the cycle is 0.4V → 0V → 0.4V)>
Most of the poisonous substances adhering to the catalyst surface are anionic, and by setting the potential to 0V to 0.4V, the poisonous substances can be effectively separated from the catalyst surface.

さらに、被毒物種(被毒物の種類)は複数種あることが多く、被毒物種によって効果的に触媒表面から乖離させられる電位は異なるため、電位を0.4V→0V→0.4Vでサイクル変動させることによって、あらゆる被毒物種を効率よく除去することができる。 Furthermore, there are often multiple types of poisonous substances (types of poisonous substances), and the potential that can be effectively deviated from the catalyst surface differs depending on the poisonous substance species, so the potential is cycle-variable from 0.4V → 0V → 0.4V. This makes it possible to efficiently remove all poisonous species.

また、電位をサイクル変動させることによって、被毒物が触媒表面から乖離しやすくなる作用が増大する。なお、この場合、一定電位と組み合わせても良い。 In addition, by changing the potential cycle, the action of the poisonous substance to easily deviate from the surface of the catalyst increases. In this case, it may be combined with a constant potential.

<燃料電池の電位の変動制御を、カソードへの不活性ガス(例えば、窒素N2ガス)の混合流量を変化させることによって行う作用効果>
各セル内の発電環境(温度や生成水量)によってエージング効果に違いが生じるが、不活性ガスを混合することは、各セル内の発電環境にほとんど変化をもたらすことなく、エージングを促進させることができる。
<Action and effect of controlling the fluctuation of the potential of the fuel cell by changing the mixed flow rate of the inert gas (for example, nitrogen N 2 gas) to the cathode>
The aging effect differs depending on the power generation environment (temperature and amount of water produced) in each cell, but mixing the inert gas can promote aging with almost no change in the power generation environment in each cell. can.

以上で説明したように、本実施形態では、燃料電池10の電位を0.4V以下の範囲とすることで、エージング中で最も時間の要する被毒物除去を効率的に行うことができるとともに、不活性ガスの流量調整による燃料電池10の電位制御を行うことで、液水量の低減を防止し、エージング促進に対して必要な湿潤を確保できるので、エージング時間を効果的に短縮することができる。 As described above, in the present embodiment, by setting the potential of the fuel cell 10 in the range of 0.4 V or less, it is possible to efficiently remove the poisonous substance, which takes the longest time during aging, and it is inactive. By controlling the potential of the fuel cell 10 by adjusting the flow rate of the gas, it is possible to prevent a decrease in the amount of liquid water and secure the wetting required for promoting aging, so that the aging time can be effectively shortened.

[燃料電池(燃料電池スタック)の発電性能およびエージング時間を評価した実験とその結果]
本発明者等は、図1に基づき説明した如くの燃料電池(燃料電池スタック)を作製し、燃料ガス用のガス配管および酸化剤ガス用のガス配管を介して、燃料ガスとしての水素および酸化剤ガスとしての空気をアノード側電極およびカソード側電極に供給してエージング発電を実施し(実施例、比較例)、そのときの発電性能(出力特性)およびエージング時間を評価した。
[Experiments and results evaluating the power generation performance and aging time of fuel cells (fuel cell stack)]
The present inventors have produced a fuel cell (fuel cell stack) as described with reference to FIG. 1, and have hydrogen and oxidation as fuel gas via a gas pipe for fuel gas and a gas pipe for oxidant gas. Air as an agent gas was supplied to the anode side electrode and the cathode side electrode to perform aging power generation (Examples and Comparative Examples), and the power generation performance (output characteristics) and aging time at that time were evaluated.

<実施例および比較例のエージング方法>
エージング発電中の実施例および比較例のそれぞれの発電パターンは、図4(A)、(B)に示すように、0→600Aまでの階段状パターン(詳しくは、電流が0→150A→300A→450A→600Aとステップ状に漸次増加するパターン)で同じであるが、実施例では、600Aに到達後、一定時間後に酸化剤ガスとしての空気に窒素ガスを混合し始めた。実施例の窒素ガス量は、電圧がほぼ0Vに達するときの量を上限として、ゼロ(このときの電位は約0.4Vに相当)から上限の間を複数回変動させた。
<Aging method of Examples and Comparative Examples>
As shown in FIGS. 4A and 4B, the power generation patterns of the examples and comparative examples during aging power generation are stepped patterns from 0 to 600A (specifically, the current is 0 → 150A → 300A →). The pattern is the same as 450A → 600A, which gradually increases in steps), but in the example, nitrogen gas was started to be mixed with air as an oxidant gas after a certain period of time after reaching 600A. The amount of nitrogen gas in the examples was varied several times from zero (the potential at this time corresponds to about 0.4 V) to the upper limit, with the amount when the voltage reached almost 0 V as the upper limit.

一方、比較例では、窒素ガスを混合しなかった。 On the other hand, in the comparative example, nitrogen gas was not mixed.

なお、実施例および比較例において、酸化剤ガスとしての空気の流量は、それぞれの電流値に対してストイキ1.2で実施した。 In the examples and comparative examples, the flow rate of air as the oxidant gas was set to 1.2 for each current value.

また、ここでは、実施例および比較例のエージング時間は同じ(エージング時間T)とした。 Further, here, the aging times of the examples and the comparative examples are the same (aging time T).

<エージング後の出力の評価結果>
前記したエージング後の実施例および比較例の出力を測定した結果、以下の表1で示すように、実施例および比較例の出力はそれぞれ、エージングを十分に実施した後の燃料電池の出力(つまり、目標となる出力)に対して、96%および93%であった。
〈表1〉

Figure 0006981883
<Evaluation result of output after aging>
As a result of measuring the outputs of the examples and the comparative examples after the above-mentioned aging, as shown in Table 1 below, the outputs of the examples and the comparative examples are the outputs of the fuel cells after the aging is sufficiently carried out (that is, each of them). , Target output), 96% and 93%.
<Table 1>
Figure 0006981883

この実験結果より、実施例では、比較例よりも短いエージング時間で同等の発電性能を得ることができる、言い換えれば、エージング時間を短縮できることが実証された。 From this experimental result, it was demonstrated that in the example, the same power generation performance can be obtained in a shorter aging time than in the comparative example, in other words, the aging time can be shortened.

以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。 Although the embodiment of the present invention has been described in detail with reference to the drawings, the specific configuration is not limited to this embodiment, and there are design changes and the like within a range that does not deviate from the gist of the present invention. Also, they are included in the present invention.

1…セル(燃料電池セル)、2…MEGA、3…セパレータ、4…膜電極接合体(MEA)、5…電解質膜、6…電極(アノード、カソード)、7…ガス拡散層、10…燃料電池(燃料電池スタック)、11,12…ガス配管、13…冷却水配管、21,22…ガス流路、23…水が流通する空間 1 ... cell (fuel cell), 2 ... MEGA, 3 ... separator, 4 ... membrane electrode junction (MEA), 5 ... electrolyte membrane, 6 ... electrode (anode, cathode), 7 ... gas diffusion layer, 10 ... fuel Battery (fuel cell stack), 11, 12 ... gas pipe, 13 ... cooling water pipe, 21,22 ... gas flow path, 23 ... space for water to flow

Claims (2)

アノードと、カソードと、前記アノードおよび前記カソードに挟持される電解質膜とを含む燃料電池のエージング方法であって、
前記カソードに供給する酸化剤ガスに混合される不活性ガスの流量を周期的に変化させることによって、前記燃料電池の電位を0.4V以下の範囲で周期的に変化させることを特徴とする燃料電池のエージング方法。
A method for aging a fuel cell including an anode, a cathode, and the anode and an electrolyte membrane sandwiched between the cathodes.
A fuel cell characterized in that the potential of the fuel cell is periodically changed in the range of 0.4 V or less by periodically changing the flow rate of the inert gas mixed with the oxidant gas supplied to the cathode. Aging method.
前記不活性ガスの流量を鋸歯状の流量パターンで周期的に変化させることによって、前記燃料電池の電位を波状の電位パターンで周期的に変化させる、請求項1に記載の燃料電池のエージング方法。 The method for aging a fuel cell according to claim 1, wherein the potential of the fuel cell is periodically changed in a wavy potential pattern by periodically changing the flow rate of the inert gas in a serrated flow pattern.
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