JP2008311064A - 燃料電池システム及び燃料電池の活性化方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】固体高分子電解質膜の一方の面に設けられた酸化剤極に酸化剤を、他方の面に設けられた燃料極に燃料をそれぞれ供給することによって発電を行なう燃料電池において、酸化剤極と燃料極の間に、燃料極に燃料を供給した状態で、酸化剤極で水素生成反応が生じ、且つ、定常運転時に発生する最大電流よりも大きな電流を通電させるに充分な逆極性の電圧を印加する電圧印加回路を配置する。
【選択図】図1
Description
燃料極:H2→2H++2e− (式1)
酸化剤極:1/2O2+2H++2e−→H2O (式2)
燃料電池の理論電圧は約1.23Vであるが、通常の運転状態では0.7V程度で使用されることが多い。この電圧の降下分には電池内部の様々な損失(分極)が関わっている。
酸化剤極:2H++2e−→H2 (式3)
上記反応の過程において、プロトンの移動に伴って、水を固体高分子電解質膜中に行き渡らせることで加湿を行っている。また、燃料極と酸化剤極の電位を反転させていることから、酸化剤極の電位が燃料極に比べて低く保持されるため、白金触媒表面の酸化皮膜の還元除去が促されている。
固体高分子電解質膜の一方の面に設けられた酸化剤極に酸化剤を、他方の面に設けられた燃料極に燃料をそれぞれ供給することによって発電を行なう燃料電池を有する燃料電池システムにおいて、
前記酸化剤極と前記燃料極の間の電位差を制御する制御装置を有し、
前記制御装置は、前記燃料極に燃料を供給した状態で、前記酸化剤極と前記燃料極の間の電位差を前記酸化剤極で水素生成反応が生じる値に制御可能に構成されており、
該水素生成反応を伴いながら前記燃料電池が定常運転時に発生する電流よりも大きな電流を通電させるように構成されていることを特徴とする。
固体高分子電解質膜の一方の面に設けられた酸化剤極に酸化剤を、他方の面に設けられた燃料極に燃料をそれぞれ供給することによって発電を行なう燃料電池の活性化方法において、
前記燃料極に燃料を供給した状態で、前記酸化剤極と前記燃料極の間の電位差を前記酸化剤極で水素生成反応が生じる値に制御し、
該水素生成反応を伴いながら前記燃料電池が定常運転時に発生する電流よりも大きな電流を通電させる処理を行なうことを特徴とする。
以下に、本発明の実施の形態について図面に基づいて説明する。
燃料極:H2→2H++2e− (式1)
酸化剤極:1/2O2+2H++2e−→H2O (式2)
また、セル電圧が0Vのときの限界電流は酸化剤の不足によって制限されている。
酸化剤極:2H++2e−→H2 (式3)
(式3)で示される水素の生成反応では、燃料極から固体高分子電解質膜中を移動してくるプロトンの量に対応する電流が流れる。そのため、酸化剤の不足で拡散限界電流に達する燃料電池では、固体高分子電解質膜が十分に含水しているならば、水素の生成反応によって、燃料電池の限界電流よりも大きな電流を流すことができる。
燃料極:H2O→1/2O2+2H++2e− (式4)
燃料極での(式4)の反応は(a)および(b)でも生じている。燃料極に燃料が供給された状態で、燃料極に水の電気分解反応による酸素が発生すると触媒燃焼が生じ、燃料電池を構成する部材の劣化を招いてしまう。従って、活性化処理を行なう際の酸化剤極と燃料極の間の電位差は、燃料極で水の電気分解反応が生じるまでの範囲内となるように制御する必要がある。
活性化処理の開始にあたって、燃料電池セルには燃料が十分に供給されている状態とする。
次に燃料電池セルの固体高分子電解質膜の加湿が必要かどうかを判断する。
内部抵抗が高くて加湿が必要であると判断されれば、外部負荷への接続などにより、燃料電池を発電させて自己加湿させる。そして、内部抵抗の低下をもって加湿の終了とすれば良い。勿論、はじめから内部抵抗が十分に小さければ、加湿しなくとも良い。また、加湿の判断は行なわず、必ず一定の負荷を接続して、一定の発電を行なわせることにより発生した水で固体高分子電解質膜を加湿するような構成にしても構わない。この場合は、固体高分子電解質膜の含水状態によらず一定の燃料と加湿のための時間を必要とするが、内部抵抗を測定する機構を必要としないため、特に小型化が要求されるような燃料電池においては好ましい。また、加湿方法はバブラーなどを通して加湿されたガスを供給するなどの方法でも構わないし、別途水供給手段を設けることにより固体高分子電解質膜を直接加湿する方法でも構わない。
必要に応じて酸化剤の供給制限を行なう。
本発明の活性化方法では、酸化剤を積極的に供給する必要は無い。燃料電池セルの発熱量を下げたい場合は、酸化剤の供給量を下げたほうが好ましい。また、酸化剤が供給された状態で活性化を行なえば、酸化剤極では水の生成反応と水素の生成反応が同時に生じるため、生成した水を加湿に使える効果も期待できる。
酸化剤極で水素の生成反応が生じるように燃料電池のセル電圧を制御する。
活性化処理時に酸化剤の供給量を下げた場合には、定常運転時の量の酸化剤を供給するように制御する。
活性化の終了後、燃料電池は外部電源からの制御が解除される。
その後、燃料電池は定常運転を開始される。
実施形態2においては、燃料として水素を供給し、酸化剤として空気を自然拡散により取り入れる、大気開放型の燃料電池セルに対する別の形態の活性化処理例を説明する。図11に本実施例における燃料電池システムの構成の概略図を示す。また、本実施形態の燃料電池セルの構成は実施形態1と同様である。
実施形態3においては、燃料として水素を供給し、酸化剤として空気を取り入れる、大気開放型の燃料電池セルに対する別の形態の活性化処理例を説明する。図13に本実施形態における燃料電池システムの構成の概略図を示す。また、本実施形態の燃料電池セルの構成は実施形態1と同様である。
実施形態4においては、燃料として水素を供給し、酸化剤として空気を自然拡散により取り入れる、大気開放型の燃料電池スタックに対する活性化処理例を説明する。図16に本実施例における燃料電池システムの構成の概略図を示す。また、本実施形態の燃料電池スタックの構成は実施形態1の燃料電池セルを4つ積層した構成である。
実施形態5においては、燃料に水素を、酸化剤に空気を自然拡散により取り入れる、大気開放型の燃料電池スタックに対する別の形態の活性化処理例を説明する。図17に本実施形態における燃料電池システムの構成の概略図を示す。また、本実施形態の燃料電池スタックの構成は実施形態1の燃料電池セルを複数積層した構成である。
実施例1においては、燃料として水素を供給し、酸化剤として空気を自然拡散により取り入れる、大気開放型の燃料電池セルに対する活性化処理例を説明する。図8に本実施例における燃料電池システムの構成の概略図を、図9に本実施例における燃料電池セルの構成の概略図を示す。
2 燃料タンク
3 燃料流路
4 酸化剤流路
5 燃料電池セル
6 固体高分子電解質膜
7 燃料極
8 酸化剤極
9 電子機器
10 外部電源
20 燃料電池セル
21 燃料極
22 固体高分子電解質膜
23 酸化剤極
24 燃料タンク
25 外部電源
26 外部負荷
27 スイッチ
28 Liイオン電池
29 DC/DCコンバータ
30 電圧調整器
31 酸化剤量調整器
32 ファン
33 固定通気板
34 可動通気板
35 通気孔
36 燃料電池スタック
40 集電板(燃料極)
41 カーボンクロス
42 シール材
43 膜電極接合体
44 支持部材
45 カーボンクロス
46 発泡金属
47 集電板(酸化剤極)
Claims (15)
- 固体高分子電解質膜の一方の面に設けられた酸化剤極に酸化剤を、他方の面に設けられた燃料極に燃料をそれぞれ供給することによって発電を行なう燃料電池を有する燃料電池システムにおいて、
前記酸化剤極と前記燃料極の間に、
前記燃料極に燃料を供給した状態で、前記酸化剤極で水素生成反応が生じ、且つ、前記燃料電池が定常運転時に発生する最大電流よりも大きな電流を通電させるに充分な逆極性の電圧を印加する電圧印加回路を有することを特徴とする燃料電池システム。 - 前記燃料として水素が供給されることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。
- 前記燃料電池が大気開放型の燃料電池であって、前記酸化剤として空気が供給されることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。
- 前記燃料電池とは別の電源を有し、前記定常運転時に発生する電流よりも大きな電流を通電させる際に、
前記電源の正極を燃料極に、負極を酸化剤極にそれぞれ接続するように構成されていることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。 - 固体高分子電解質膜の一方の面に設けられた酸化剤極に酸化剤を、他方の面に設けられた燃料極に燃料をそれぞれ供給することによって発電を行なう燃料電池の活性化方法において、
前記酸化剤極と前記燃料極の間に、前記燃料極に燃料を供給した状態で、前記酸化剤極で水素生成反応が生じ、且つ、前記燃料電池が定常運転時に発生する最大電流よりも大きな電流を通電させるに充分な逆極性の電圧を印加する工程を含む活性化処理を行なうことを特徴とする燃料電池の活性化方法。 - 前記活性化処理を行なう際の前記酸化剤極と前記燃料極の間の電位差を、
0Vから前記燃料極で水の電気分解反応が生じるまでの範囲内となるように制御することを特徴とする請求項5に記載の燃料電池の活性化方法。 - 前記活性化処理を行なう際の電流の大きさが、前記燃料極の電位に対する前記酸化剤極の電位が−0.3V乃至−0.7Vの範囲である場合に流れる電流の最大値以下であるように制御することを特徴とする請求項5に記載の燃料電池の活性化方法。
- 前記活性化処理を行なう際の前記酸化剤極において、燃料電池反応による水の生成と水素生成反応が同時に生じることを特徴とする請求項5に記載の燃料電池の活性化方法。
- 前記活性化処理を行なう前に前記固体高分子電解質膜を加湿することを特徴とする請求項5に記載の燃料電池の活性化方法。
- 前記固体高分子電解質膜の加湿が燃料電池反応に伴って生じる水による加湿であることを特徴とする請求項9に記載の燃料電池の活性化方法。
- 前記活性化処理を行なう際には、前記酸化剤の供給量を定常運転時よりも少なくすることを特徴とする請求項5に記載の燃料電池の活性化方法。
- 前記酸化剤の供給量を少なくするために、酸化剤量調整装置を停止することを特徴とする請求項11に記載の燃料電池の活性化方法。
- 前記酸化剤の供給量を少なくするために、酸化剤の取り入れ部の面積を変化させることを特徴とする請求項11に記載の燃料電池の活性化方法。
- 前記活性化処理を行なう際には、前記燃料電池とは別の電源の正極を前記燃料極に、負極を前記酸化剤極にそれぞれ接続することを特徴とする請求項5に記載の燃料電池の活性化方法。
- 固体高分子電解質膜の一方の面に設けられた酸化剤極に酸化剤を、他方の面に設けられた燃料極に燃料をそれぞれ供給することによって発電を行なう燃料電池の製造方法において、
前記酸化剤極と前記燃料極の間に、前記燃料極に燃料を供給した状態で、前記酸化剤極で水素生成反応が生じ、且つ、前記燃料電池が定常運転時に発生する最大電流よりも大きな電流を通電させるに充分な逆極性の電圧を印加する工程を含むことを特徴とする燃料電池の製造方法。
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