JP2013191568A - Fuel cell system and activation method of fuel battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は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係る。 The present invention relates to a fuel cell having a fuel cell that generates electricity by supplying an oxidant to an oxidant electrode provided on one surface of a solid polymer electrolyte membrane and supplying a fuel to a fuel electrode provided on the other surface. Related to the system.
固体高分子型燃料電池は、基本的にはプロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜、及びその両面に配置された一対の電極からなる。電極は、主に白金あるいは白金族金属触媒からなる触媒層、触媒層の外面に形成されたガス供給と集電を担うガス拡散電極から構成される。この電極および固体高分子電解質膜を一体化させたものを膜電極接合体（ＭＥＡ）と言い、一方の電極に燃料（水素）を、他方に酸化剤（酸素）を供給することで発電が行われる。 A solid polymer fuel cell basically comprises a solid polymer electrolyte membrane having proton conductivity and a pair of electrodes disposed on both sides thereof. The electrode is composed of a catalyst layer mainly composed of platinum or a platinum group metal catalyst, a gas diffusion electrode formed on the outer surface of the catalyst layer and responsible for collecting and collecting current. This electrode and the solid polymer electrolyte membrane integrated together is called a membrane electrode assembly (MEA), and power is generated by supplying fuel (hydrogen) to one electrode and oxidant (oxygen) to the other. Is called.
燃料として水素が供給された燃料極では下記（式１）の反応が生じ、水素からプロトンと電子が生成される。また、酸化剤として酸素が供給された酸化剤極では下記（式２）の反応が生じ、酸素とプロトンと電子とから水が生成される。このとき、プロトンは固体高分子電解質膜中を通って燃料極から酸化剤極へと移動する。また、電子は外部負荷を通って燃料極から酸化剤極へと移動し、この過程で電力が得られる。
燃料極：Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ− （式１）
酸化剤極：１／２Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ （式２）
At the fuel electrode to which hydrogen is supplied as fuel, the following reaction (formula 1) occurs, and protons and electrons are generated from hydrogen. Further, at the oxidant electrode to which oxygen is supplied as the oxidant, the following reaction (formula 2) occurs, and water is generated from oxygen, protons and electrons. At this time, protons move from the fuel electrode to the oxidant electrode through the solid polymer electrolyte membrane. Further, electrons move from the fuel electrode to the oxidant electrode through an external load, and electric power is obtained in this process.
Fuel electrode: H 2 → 2H + + 2e − (Formula 1)
Oxidant electrode: 1 / 2O 2 + 2H + + 2e − → H 2 O (Formula 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。 Although the theoretical voltage of the fuel cell is about 1.23V, it is often used at about 0.7V in a normal operation state. This voltage drop is related to various losses (polarization) inside the battery.
固体高分子電解質膜には、Ｎａｆｉｏｎ（デュポン社の商標）に代表されるようなパーフルオロスルホン酸系の固体高分子電解質膜が広く使われている。これらパーフルオロスルホン酸系の固体高分子電解質膜においては、プロトンの伝導に際し、プロトンに同伴して移動する水が必要である。そのため、十分なプロトン伝導性を得るためには、固体高分子電解質膜の含水率を高める必要があり、含水率が低い状態で燃料電池を運転させれば燃料電池の電圧が低下することが知られている。 As the solid polymer electrolyte membrane, a perfluorosulfonic acid solid polymer electrolyte membrane represented by Nafion (trademark of DuPont) is widely used. In these perfluorosulfonic acid-based solid polymer electrolyte membranes, water that moves with protons is required for proton conduction. Therefore, in order to obtain sufficient proton conductivity, it is necessary to increase the water content of the solid polymer electrolyte membrane, and it is known that if the fuel cell is operated at a low water content, the voltage of the fuel cell will decrease. It has been.
また、燃料電池の燃料極の電位に対する酸化剤極の電位を０．８Ｖ以上の高い値に保持した場合には、酸化剤極に用いた白金触媒表面に酸化皮膜が形成され、触媒活性が低下することが知られている。 In addition, when the potential of the oxidant electrode with respect to the fuel electrode potential of the fuel cell is maintained at a high value of 0.8 V or more, an oxide film is formed on the surface of the platinum catalyst used for the oxidant electrode, and the catalytic activity is lowered. It is known to do.
これらの理由による燃料電池の電圧の低下を小さくし、燃料電池の特性を運転開始直後から高く安定な状態にするために、従来から燃料電池の活性化の方法が提案されている。 In order to reduce the decrease in the voltage of the fuel cell due to these reasons and to make the characteristics of the fuel cell high and stable immediately after the start of operation, methods for activating the fuel cell have been proposed.
ここで言う燃料電池の活性化とは、固体高分子電解質膜の含水率を高め、触媒表面に形成された酸化被膜を除去することによって損失（分極）を減らすことを指している。 The activation of the fuel cell here refers to reducing the loss (polarization) by increasing the water content of the solid polymer electrolyte membrane and removing the oxide film formed on the catalyst surface.
特許文献１では、燃料電池の両極間をショートさせることによって燃料電池を活性化させる方法が開示されている。
燃料電池の電圧を０Ｖ近傍に保持することで、白金触媒表面の酸化皮膜を還元除去する。また、燃料電池反応による電流を通電させることで水の発生を促し、固体高分子電解質膜を加湿させている。 By holding the voltage of the fuel cell in the vicinity of 0V, the oxide film on the surface of the platinum catalyst is reduced and removed. In addition, the generation of water is promoted by energizing a current from the fuel cell reaction, and the solid polymer electrolyte membrane is humidified.
このような活性化方法においては、定常運転時に流される最大電流（以下、限界電流と呼ぶ）以上の電流を燃料電池に通電させることはできない。 In such an activation method, a current exceeding the maximum current (hereinafter referred to as a limit current) that flows during steady operation cannot be supplied to the fuel cell.
特許文献２においては、メタノール等の有機燃料を燃料極に供給する燃料電池において、酸化剤極に不活性ガスを供給した状態で、燃料極と酸化剤極の電位が反転するように外部電源に接続して、固体高分子電解質膜を加湿する方法が開示されている。
In
この場合、酸化剤極では、燃料極から固体高分子電解質膜を通過して移動してきたプロトンと、外部電源から供給された電子により式３で見られるような水素の生成反応が生じている。
酸化剤極：２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２ （式３）
In this case, in the oxidizer electrode, a hydrogen generation reaction as seen in
Oxidant electrode: 2H + + 2e − → H 2 (Formula 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。 In the course of the reaction, humidification is performed by spreading water through the solid polymer electrolyte membrane as protons move. In addition, since the potentials of the fuel electrode and the oxidant electrode are reversed, the potential of the oxidant electrode is kept lower than that of the fuel electrode, which promotes the reduction and removal of the oxide film on the surface of the platinum catalyst.
しかし、特許文献２で述べる活性化は、固体高分子電解質膜の加湿を目的としたものであり、燃料電池の特性を定常運転時に使用される全電流領域に亘って向上させる点において未だ不十分である。
However, the activation described in
本発明は、限界電流よりも大きな電流を通電させるように活性化処理を行なうことで、燃料電池の特性を定常運転時に使用される全電流領域に亘って向上させることができる、燃料電池システムおよび燃料電池の活性化方法を提供することを目的とする。 The present invention provides a fuel cell system capable of improving the characteristics of a fuel cell over the entire current region used during steady operation by performing an activation process so that a current larger than a limit current is applied. An object of the present invention is to provide a method for activating a fuel cell.
本発明は、上記課題を解決するため、次のように構成した燃料電池システム及び燃料電池の活性化方法を提供するものである。 In order to solve the above-described problems, the present invention provides a fuel cell system and a fuel cell activation method configured as follows.
即ち、本発明の燃料電池システムは、
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く、かつ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。
That is, the fuel cell system of the present invention is
In a fuel cell system having a fuel cell that generates power by supplying an oxidant to an oxidant electrode provided on one surface of a solid polymer electrolyte membrane and supplying a fuel to a fuel electrode provided on the other surface,
A control device for controlling a potential difference between the oxidant electrode and the fuel electrode;
The control device is configured to be capable of controlling a potential difference between the oxidant electrode and the fuel electrode to a value at which a hydrogen generation reaction occurs at the oxidant electrode in a state where fuel is supplied to the fuel electrode.
The fuel cell accompanied by hydrogen generation reaction much larger than the current generated during the steady operation, and when the potential of the oxidant electrode with respect to the potential of the fuel electrode is in the range of -0.3V to -0.7V It is configured to energize a current that is less than or equal to the maximum value of the current flowing through the .
また、本発明の燃料電池の活性化方法は、
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く、かつ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電流を通電させる処理を行なうことを特徴とする。
The fuel cell activation method of the present invention includes:
In an activation method of a fuel cell for generating electricity by supplying an oxidant to an oxidant electrode provided on one surface of a solid polymer electrolyte membrane and supplying a fuel to a fuel electrode provided on the other surface,
With the fuel supplied to the fuel electrode, the potential difference between the oxidant electrode and the fuel electrode is controlled to a value at which a hydrogen generation reaction occurs at the oxidant electrode,
The fuel cell accompanied by hydrogen generation reaction much larger than the current generated during the steady operation, and when the potential of the oxidant electrode with respect to the potential of the fuel electrode is in the range of -0.3V to -0.7V A process of applying a current that is equal to or less than the maximum value of the current flowing through the capacitor is performed .
本発明の燃料電池の活性化方法によれば、限界電流よりも大きな電流を燃料電池に通電することで、定常運転時に使用される全電流領域に亘って発電特性を向上させることが可能である。 According to the method for activating a fuel cell of the present invention, it is possible to improve power generation characteristics over the entire current region used during steady operation by supplying a current larger than the limit current to the fuel cell. .
従来は、燃料電池を活性化させるためには、固体高分子電解質膜を十分に含水させるほど、また、燃料極の電位に対する酸化剤極の電位を低く保つほど有効であると考えられていた。 Conventionally, in order to activate the fuel cell, it has been considered that the solid polymer electrolyte membrane is sufficiently hydrated and the potential of the oxidant electrode is kept low with respect to the potential of the fuel electrode.
しかしながら、本発明者らが活性化処理の過程を検討した結果、燃料電池を更に活性化させるためには、通電させる電流の大きさが重要であることを見出した。 However, as a result of studying the activation process, the present inventors have found that the magnitude of the current to be energized is important in order to further activate the fuel cell.
即ち、活性化処理の際に燃料電池に通電させた電流の大きさと、活性化処理後における燃料電池の特性の向上の度合いとの間に相関があることがわかった。 That is, it has been found that there is a correlation between the magnitude of the current supplied to the fuel cell during the activation process and the degree of improvement in the characteristics of the fuel cell after the activation process.
この原因としては、活性化処理の際に固体高分子電解質膜中を通過させたプロトンが、固体高分子電解質膜のプロトンチャネルに与える何らかの影響によるものではないかと考えられている。 The cause of this is thought to be due to some influence that protons passed through the solid polymer electrolyte membrane during the activation treatment have on the proton channel of the solid polymer electrolyte membrane.
本発明者らは、燃料電池の特性、例えば定電流駆動時の電圧値を定常運転時に使用される全電流域に渡って向上させるには、定常運転時に流される最大電流以上の電流を通電させることが有効であることを見出した。 In order to improve the characteristics of the fuel cell, for example, the voltage value during constant current driving over the entire current range used during steady operation, the inventors apply a current equal to or greater than the maximum current flowing during steady operation. Found that it was effective.
従って、本発明における「活性化」とは、従来の固体高分子電解質膜の含水率を高め、触媒表面に形成された酸化被膜を除去することによって損失（分極）を減らすことに加え、プロトンの伝導性に関する特性の向上をも指している。 Therefore, the “activation” in the present invention means that the moisture content of the conventional solid polymer electrolyte membrane is increased, and the loss (polarization) is reduced by removing the oxide film formed on the catalyst surface. It also refers to improving the properties related to conductivity.
なお、本発明で言うところの「定常運転」とは、燃料電池から見た負荷のインピーダンスや酸化剤の供給量に代表される運転条件の変動幅を含み、発電が継続して行なわれている状況を指している。 The term “steady operation” as used in the present invention includes the fluctuation range of operating conditions represented by the load impedance and the amount of oxidant supplied as viewed from the fuel cell, and power generation is continuously performed. Refers to the situation.
一般に燃料電池が使用される際には、当該燃料電池が単独で、あるいは他の燃料電池と組み合わされ、様々な負荷が接続されて用いられる。また、稼動状況に応じて負荷の状況も様々に変わり得るものであり、結果として燃料電池から見た負荷のインピーダンスは一定ではなく、大きく変わり得るものである。従って、定常運転時に取り出す電流の値も状況に応じて大きく変わりうるものであり、その時点での電流値において、より効率よく電力を取り出すことが望ましい。 In general, when a fuel cell is used, the fuel cell is used alone or in combination with other fuel cells, and various loads are connected. In addition, the load status can vary depending on the operating status, and as a result, the impedance of the load viewed from the fuel cell is not constant and can vary greatly. Therefore, the value of current taken out during steady operation can vary greatly depending on the situation, and it is desirable to take out power more efficiently at the current value at that time.
本発明の燃料電池システムにおいては、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逆極性の電圧を印加する電圧印加回路を有することが望ましい。 In the fuel cell system according to the present invention, a hydrogen generating reaction occurs at the oxidant electrode in a state where fuel is supplied to the fuel electrode, and a reverse polarity voltage for applying a current larger than the maximum current generated during steady operation is applied. It is desirable to have a voltage application circuit to apply.
また、前記活性化処理工程を含む製造方法によって製造された燃料電池は、使用される全電流域で特性が向上するため、好ましいものである。 In addition, the fuel cell manufactured by the manufacturing method including the activation treatment step is preferable because the characteristics are improved in the entire current range to be used.
（実施形態１）
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。
(Embodiment 1)
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図１は、実施形態１の燃料電池の活性化方法で運転される燃料電池システムを示す概略図である。 FIG. 1 is a schematic diagram showing a fuel cell system operated by the fuel cell activation method of the first embodiment.
燃料電池システム１は、固体高分子電解質膜６の両側に燃料極７と酸化剤極８を設けた構造の膜電極接合体を有する燃料電池セル５、あるいは燃料電池セルを複数積層した燃料電池スタックを備えている。また、燃料極７に燃料を供給する燃料流路３と、酸化剤極８に酸化剤を供給する酸化剤流路４を備えている。また、燃料極７および酸化剤極８と接続される外部電源１０を備えている。
The
実施形態１の燃料電池セル５は、燃料として純水素やメタノール等、様々な燃料を用いることができるが、燃料極での分極が小さい水素を燃料に用いるものが好ましい。 In the fuel cell 5 of the first embodiment, various fuels such as pure hydrogen and methanol can be used as the fuel, but it is preferable to use hydrogen having a small polarization at the fuel electrode as the fuel.
燃料極７には例えば燃料タンク２から燃料流路を通じて水素燃料が供給される。燃料タンク７としては、水素燃料を燃料電池に供給できるものならばどのようなものを用いても良く、高圧充填した水素や水素吸蔵材料に吸蔵された水素を保持するものが好適に用いられ得る。また、燃料タンク２にメタノールやエタノールなどの液体燃料を保持しておき、該液体燃料を改質器に通すことで水素ガスの形にして燃料電池に供給する方式でも構わない。
For example, hydrogen fuel is supplied to the fuel electrode 7 from the
酸化剤極８には例えば空気が自然拡散により供給される。また、ファンなどの補器を使用して供給しても良い。また、別途タンクに充填保持した酸素ガスを供給しても良い。
For example, air is supplied to the
固体高分子電解質膜６としては、パーフルオロスルホン酸系のプロトン交換樹脂膜が好ましい。固体高分子電解質膜には、運転開始時に速やかに加湿される必要があるため、なるべく薄い膜であることが好ましいが、膜の機械的強度やガスバリアー性等を考えると、５０μｍ程度の厚みのものが好ましい。 The solid polymer electrolyte membrane 6 is preferably a perfluorosulfonic acid proton exchange resin membrane. Since the solid polymer electrolyte membrane needs to be quickly humidified at the start of operation, it is preferably a thin membrane as much as possible. However, considering the mechanical strength and gas barrier properties of the membrane, it has a thickness of about 50 μm. Those are preferred.
固体高分子型燃料電池の膜電極接合体は、例えば次のようにして作製される。 A membrane electrode assembly of a polymer electrolyte fuel cell is produced, for example, as follows.
まず、白金黒や白金担持カーボン等の触媒担持粒子と固体高分子電解質溶液とイソプロピルアルコール等の有機溶媒を混合することで触媒インクを作製する。次に、この触媒インクをスプレー塗工法やスクリーン印刷法、ドクターブレード法などでポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等の高分子フィルム、導電性多孔質体のカーボン電極基板上などに成膜することで触媒層が作製される。 First, catalyst ink is prepared by mixing catalyst-supporting particles such as platinum black and platinum-supporting carbon, a solid polymer electrolyte solution, and an organic solvent such as isopropyl alcohol. Next, this catalyst ink is deposited on a polymer film such as polytetrafluoroethylene (PTFE), a conductive porous carbon electrode substrate, etc. by spray coating, screen printing, doctor blade method, etc. A catalyst layer is produced.
次に、得られた触媒層を、固体高分子電解質膜の両面に触媒が担持された側を接するように、熱転写等で圧着することで膜電極接合体を得ることができる。 Next, a membrane electrode assembly can be obtained by pressure-bonding the obtained catalyst layer by thermal transfer or the like so that the sides on which the catalyst is supported are in contact with both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane.
また、触媒材料としては、白金以外にも貴金属触媒や、合金系触媒などを用いても良い。 In addition to platinum, a noble metal catalyst or an alloy catalyst may be used as the catalyst material.
また、触媒層作製には、めっき法やスパッタ法などの成膜プロセスを用いることも可能である。 The catalyst layer can also be formed by a film forming process such as a plating method or a sputtering method.
燃料流路３及び燃料極７は、燃料タンク２から供給された燃料を系外へリークさせることのないよう、部品間の接続部分や燃料極の外周縁にはシール部材が配置されている。
In the
燃料電池セル５は、発電による出力を供給する外部負荷である電子機器９とは別に、外部電源１０に接続されている。
The fuel cell 5 is connected to an
外部電源１０は、燃料電池の活性化処理時に、燃料電池の酸化剤極で水素の生成反応が生じるように負荷制御する。具体的には、燃料極の電位に対して酸化剤極の電位が負となるように制御する。
The
外部電源１０は二次電池やキャパシタのような電源であっても良く、該電源の正極を燃料極に、補助電源の負極を酸化剤極に接続することで負荷制御しても良い。
The
ここで、外部電源１０による制御について、詳細に説明する。
Here, the control by the
図２および図３は、燃料電池の特性に対して、活性化処理時に流した電流の大きさが如何に影響を与えるかを示すグラフである。 2 and 3 are graphs showing how the magnitude of the current passed during the activation process affects the characteristics of the fuel cell.
図２では、供給する酸化剤中の酸素濃度が異なる燃料電池に対して、各々の酸素濃度に対する燃料電池セルの両極間の電位差を０Ｖに制御したときに流れる電流の大きさの経時変化を示している。図中（ａ）の最も大きな電流が流れているものは、定常運転時と同様の条件で空気が供給された場合のデータである。酸化剤中の酸素濃度を次第に小さくした場合のデータを（ｂ）〜（ｅ）で表している。酸素の濃度が空気よりも小さくなるにつれて、燃料電池の限界電流は減少していくことから、酸化剤の不足によって限界電流が制限されることがわかる。 FIG. 2 shows changes over time in the magnitude of the current that flows when the potential difference between the two poles of the fuel cell is controlled to 0 V for fuel cells having different oxygen concentrations in the supplied oxidant. ing. In the figure, the largest current flowing in (a) is data when air is supplied under the same conditions as in steady operation. Data when the oxygen concentration in the oxidizing agent is gradually reduced are represented by (b) to (e). Since the limiting current of the fuel cell decreases as the oxygen concentration becomes smaller than that of air, it can be seen that the limiting current is limited by the lack of oxidant.
図３では、図２中の（ａ）〜（ｅ）と同様の処理を行なった後に、酸化剤極に空気を供給したときの燃料電池セルの電流−電圧特性を示している。活性化処理の際に流れた電流が大きかった燃料電池セルほど特性が良いことが分かる。また、活性化処理の際に最も電流が流れた（ａ）の燃料電池セルを基準とすると、特性に差が生じ始める電流値は、活性化処理の際に流れた電流の大きさにほぼ一致していることが分かる。 FIG. 3 shows the current-voltage characteristics of the fuel cell when air is supplied to the oxidizer electrode after the same processing as (a) to (e) in FIG. 2 is performed. It can be seen that the characteristics of the fuel cell having a larger current flowing during the activation process are better. Further, when the fuel cell (a) in which the current flows most during the activation process is used as a reference, the current value at which a difference in characteristics begins to occur is approximately equal to the magnitude of the current that flows during the activation process. You can see that you are doing it.
これらから、燃料電池の活性化処理の効果を、該燃料電池の定常運転時の全電流域に渡って得るためには、燃料電池の定常運転時の最大電流値以上の電流を流すことが必要であることが分かる。 From these, in order to obtain the effect of the activation process of the fuel cell over the entire current region during the steady operation of the fuel cell, it is necessary to flow a current equal to or greater than the maximum current value during the steady operation of the fuel cell. It turns out that it is.
また、図４は燃料電池の電圧を開回路電圧からマイナス側に５０ｍＶ／ｓｅｃの掃引速度で下げていった場合の電流値の変化を示すグラフである。図中（ａ）は燃料電池の燃料極に水素を、酸化剤極に空気を供給した場合の特性である。開回路電圧から０Ｖに到達するまでの間では、燃料極では下記（式１）の反応が、酸化剤極では下記（式２）の反応が生じている。これは、いわゆる燃料電池反応と呼ばれるものである。
燃料極：Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ− （式１）
酸化剤極：１／２Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ （式２）
FIG. 4 is a graph showing changes in the current value when the voltage of the fuel cell is lowered from the open circuit voltage to the minus side at a sweep rate of 50 mV / sec. In the figure, (a) shows the characteristics when hydrogen is supplied to the fuel electrode of the fuel cell and air is supplied to the oxidant electrode. Until the voltage reaches 0 V from the open circuit voltage, the following reaction (formula 1) occurs at the fuel electrode, and the following reaction (formula 2) occurs at the oxidizer electrode. This is a so-called fuel cell reaction.
Fuel electrode: H 2 → 2H + + 2e − (Formula 1)
Oxidant electrode: 1 / 2O 2 + 2H + + 2e − → H 2 O (Formula 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。 Further, the limit current when the cell voltage is 0 V is limited by the lack of the oxidizing agent.
燃料電池の電圧を０Ｖからさらにマイナス側に下げていくと、酸化剤極の電位と燃料極の電位の高さが反転する。このとき燃料極では前記の（式１）の反応が、酸化剤極では新たに下記（式３）の反応が生じ始める。
酸化剤極：２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２ （式３）
When the voltage of the fuel cell is further lowered from 0 V to the minus side, the potential of the oxidant electrode and the potential of the fuel electrode are reversed. At this time, the reaction of (Expression 1) starts to occur at the fuel electrode, and the following reaction of (Expression 3) starts to occur at the oxidizer electrode.
Oxidant electrode: 2H + + 2e − → H 2 (Formula 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。 In the hydrogen generation reaction represented by (Expression 3), a current corresponding to the amount of protons moving from the fuel electrode into the solid polymer electrolyte membrane flows. Therefore, in a fuel cell that reaches the diffusion limit current due to a shortage of oxidant, if the solid polymer electrolyte membrane is sufficiently hydrated, a current larger than the limit current of the fuel cell may be caused to flow by the hydrogen generation reaction. it can.
ここで、燃料電池（ａ）の酸化剤極には酸化剤が存在しているため、電位の反転後の酸化剤極では（式２）と（式３）の反応が同時に起こっていると考えられる。 Here, since the oxidant exists in the oxidant electrode of the fuel cell (a), it is considered that the reactions of (Equation 2) and (Equation 3) occur simultaneously in the oxidant electrode after the potential reversal. It is done.
一方、図中（ｂ）は燃料極に水素を、酸化剤極に高濃度の窒素を供給した場合の特性を示すグラフである。酸化剤の供給がほぼゼロであることから、開回路電圧から０Ｖの間で酸化剤極では前記（式２）の反応がほとんど生じていない。そのため、空気を供給した（ａ）に比べて限界電流が非常に小さい。しかし、０．１Ｖあたりから（式３）の反応が生じ始め、電位の反転後には、空気を供給した（ａ）の燃料電池反応による限界電流よりも大きな電流を流すことができている。 On the other hand, (b) in the figure is a graph showing characteristics when hydrogen is supplied to the fuel electrode and high-concentration nitrogen is supplied to the oxidant electrode. Since the supply of the oxidant is almost zero, the reaction of (Formula 2) hardly occurs at the oxidant electrode between the open circuit voltage and 0V. Therefore, the limit current is very small as compared with (a) in which air is supplied. However, the reaction of (Equation 3) starts to occur around 0.1 V, and after the potential inversion, a current larger than the limit current due to the fuel cell reaction of (a) supplied with air can be passed.
即ち、酸化剤の不足で限界電流が制限されている燃料電池であっても、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。 That is, even in a fuel cell in which the limiting current is limited due to lack of an oxidant, if the solid polymer electrolyte membrane is sufficiently hydrated, it is larger than the limiting current of the fuel cell due to the hydrogen generation reaction. Current can flow.
ここで、酸化剤を供給した（ａ）および酸化剤が供給されなかった（ｂ）のどちらでも、燃料電池の燃料極の電位に対する酸化剤極の電位が−０．５Ｖから−０．７Ｖの近傍で電流のピークを示している。燃料極において水の電気分解が生じる電位に近づいていること、また、プロトンの移動量が大きいために、固体高分子電解質膜内の同伴水が不足してきていることなどが理由として考えられる。 Here, the potential of the oxidant electrode with respect to the potential of the fuel electrode of the fuel cell is −0.5 V to −0.7 V in both cases where the oxidant is supplied (a) and the oxidant is not supplied (b). A current peak is shown in the vicinity. Possible reasons are that the fuel electrode is approaching a potential at which electrolysis of water occurs, and that the amount of proton transfer is large, so that the entrained water in the solid polymer electrolyte membrane is insufficient.
これから、水素の生成反応で流すことのできる電流の範囲は、水素生成により流れる電流が示すピークの最大値以下の範囲であることが分かる。 From this, it can be seen that the range of the current that can be flowed in the hydrogen generation reaction is a range that is equal to or less than the maximum value of the peak indicated by the current flowing through the hydrogen generation.
また、図中（ｃ）は燃料極に窒素を、酸化剤極に空気を供給した場合の特性である。水素即ちプロトンの供給が無いために、燃料電池反応も、水素の生成反応もほとんど生じず電流が流れていない。しかし、燃料電池の燃料極の電位に対する酸化剤極の電位を−０．７Ｖ近傍よりもさらにマイナス側にすると、燃料極では下記（式４）で示す水の電気分解反応が生じて電流が流れる。
燃料極：Ｈ２Ｏ→１／２Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ− （式４）
In the figure, (c) shows the characteristics when nitrogen is supplied to the fuel electrode and air is supplied to the oxidizer electrode. Since there is no supply of hydrogen, that is, protons, neither fuel cell reaction nor hydrogen generation reaction occurs and no current flows. However, when the potential of the oxidant electrode with respect to the potential of the fuel electrode of the fuel cell is made more negative than the vicinity of −0.7 V, the electrolysis reaction of water shown in the following (Equation 4) occurs in the fuel electrode and current flows. .
Fuel electrode: H 2 O → 1/2 O 2 + 2H + + 2e − (Formula 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。 The reaction of (Equation 4) at the fuel electrode also occurs in (a) and (b). When oxygen is generated in the fuel electrode by water electrolysis while the fuel is supplied to the fuel electrode, catalytic combustion occurs and the members constituting the fuel cell are deteriorated. Therefore, it is necessary to control the potential difference between the oxidant electrode and the fuel electrode during the activation treatment so that the potential difference is within a range until the water electrolysis reaction occurs at the fuel electrode.
図５は前記触媒燃焼が生起した履歴の有無に対する、燃料電池の定電流印加時の特性経時変化を示すグラフである。図中（ａ）は、０Ｖから−１．５Ｖまでの電圧の繰り返し印加によって、燃料極で水の電気分解を生じさせ、触媒燃焼を生起させた燃料電池の特性である。一方、図中（ｂ）は、燃料極で水の電気分解が生じないよう、０Ｖから−０．７Ｖまでの電圧の繰り返し印加を行なった燃料電池の特性を示すグラフである。 FIG. 5 is a graph showing changes in characteristics over time when a constant current is applied to the fuel cell with respect to the history of occurrence of the catalytic combustion. In the figure, (a) shows the characteristics of a fuel cell in which electrolysis of water is caused at the fuel electrode by repeated application of a voltage from 0 V to -1.5 V to cause catalytic combustion. On the other hand, (b) in the figure is a graph showing the characteristics of a fuel cell in which a voltage from 0 V to −0.7 V is repeatedly applied so that water electrolysis does not occur at the fuel electrode.
水の電気分解を生起させた（ａ）では、特性が大きく低下している。水素と水素雰囲気中に生成した酸素との触媒燃焼による劣化が原因と考えられる。一方、燃料極で水の電気分解が生じない程度の電圧を繰り返し印加した（ｂ）においては、酸化剤極で水素が生成し、空気中の酸素との触媒燃焼が生起しているはずであるが、（ｂ）の特性が示すように影響は小さいことが分かる。 In (a) where electrolysis of water is caused, the characteristics are greatly deteriorated. The cause is considered to be deterioration due to catalytic combustion of hydrogen and oxygen generated in a hydrogen atmosphere. On the other hand, in (b) in which a voltage that does not cause electrolysis of water at the fuel electrode is repeatedly applied, hydrogen is generated at the oxidant electrode and catalytic combustion with oxygen in the air should have occurred. However, as the characteristic of (b) shows, it turns out that an influence is small.
これから、水素の生成反応のために制御される好適な電圧の範囲は、燃料極で水の電気分解反応が生じるまでの範囲であることが分かる。 From this, it can be seen that the preferred voltage range controlled for the hydrogen production reaction is the range until the electrolysis reaction of water occurs at the fuel electrode.
外部電源１０による制御は、燃料電池セルの電圧を一定に保つ定電圧制御であっても良いし、燃料電池セルの電流を一定に保つ定電流制御であっても良い。また、燃料極と酸化剤極の電位の高さが反転するように、セル電圧を徐々にマイナス側に下げていくように制御しても良いし、セル電流を徐々に大きくして限界電流よりも大きくするよう制御しても良い。
The control by the
外部電源１０の制御によって燃料電池セルに印加される電圧の範囲は、０Ｖから燃料極で水の電気分解反応が生じるまでの電位差、セル電圧で言うと０Ｖから−１．２３Ｖまでの範囲である。図４の試験の結果から燃料極で水の電気分解が生じ始めるのが−０．７Ｖ近傍であることから、好ましくはセル電圧で０Ｖから−０．７Ｖの範囲である。また、図４の転極試験の結果から水素生成により流れる電流のピークは−０．５Ｖ付近であることから、より好ましくはセル電圧で０Ｖから−０．５Ｖの範囲である。また、外部電源１０の制御によって燃料電池セルに流される電流の範囲は、燃料電池が酸化剤の不足により示す（式２）の限界電流以上、（式３）の水素生成により流れる電流が示すピークの最大値以下の範囲である。
The range of the voltage applied to the fuel cell by the control of the
また、上記電圧の条件と電流の条件とは共に満たされる必要がある。 Further, both the voltage condition and the current condition must be satisfied.
また、外部電源１０が二次電池などの補助電源であって、これら補助電源の電圧が上記の範囲を越えているような場合には、例えばＤＣ／ＤＣコンバータのような電圧調整手段を用いることで制御が可能となる。
Further, when the
水素生成により流れる電流がピークを示す理由は、一つに、プロトンの移動量が大きいために、固体高分子電解質膜内の同伴水が不足した結果と考えられる。 The reason why the current flowing due to hydrogen generation shows a peak is considered to be the result of the lack of entrained water in the solid polymer electrolyte membrane due to the large amount of proton movement.
これから、水素生成により流れる電流の、初期からの低下量などを閾値として外部電源を制御することがより好ましい。 From this, it is more preferable to control the external power supply with a threshold value, for example, a reduction amount of the current flowing through the hydrogen generation from the initial stage.
また、水素の生成反応によって燃料電池セルに限界電流以上の電流を通電させるためには、固体高分子電解質膜が十分に含水している必要がある。 Further, in order to pass a current exceeding the limit current to the fuel cell by the hydrogen generation reaction, the solid polymer electrolyte membrane needs to be sufficiently hydrated.
図６は燃料電池セルの内部抵抗と水素生成により流れる電流のピーク値の関係を示したものである。内部抵抗は固体高分子電解質膜の含水が高いほど小さな値を示す。また、図から内部抵抗が小さいほど水素生成により流れる電流のピークの最大値は大きい。これは水素生成反応が主にプロトンの移動量で規定されていることを示している。また、定常運転時の酸化剤の供給量に対して、燃料電池が示す限界電流よりも大きな電流を水素生成反応により通電させるためには、固体高分子電解質膜がある程度含水している必要があることが分かる。固体高分子電解質膜の加湿のために、例えばバブラーなどを通して加湿した燃料ガスを供給するような加湿手段を用いても良い。 FIG. 6 shows the relationship between the internal resistance of the fuel cell and the peak value of the current that flows due to hydrogen generation. The internal resistance decreases as the water content of the solid polymer electrolyte membrane increases. Moreover, the maximum value of the peak of the electric current which flows by hydrogen production is so large that internal resistance is small from a figure. This indicates that the hydrogen generation reaction is mainly defined by the amount of proton transfer. Further, in order to supply a current larger than the limit current indicated by the fuel cell to the amount of oxidant supplied during steady operation by the hydrogen generation reaction, the solid polymer electrolyte membrane needs to contain some water. I understand that. In order to humidify the solid polymer electrolyte membrane, a humidifying means for supplying humidified fuel gas through a bubbler or the like may be used.
また、活性化処理に先立って燃料電池反応により酸化剤極に十分な水を生成させ、固体高分子電解質膜を十分に含水させた後に、活性化処理を行なうようにするとより好ましい。この場合、水素の生成反応により固体高分子電解質膜内の同伴水が減少しても、酸化剤極側の生成水が逆拡散して固体高分子電解質膜を湿潤させてくれる作用を併せ持つ。 It is more preferable that the activation treatment is performed after sufficient water is generated in the oxidizer electrode by the fuel cell reaction prior to the activation treatment and the solid polymer electrolyte membrane is sufficiently hydrated. In this case, even if the entrained water in the solid polymer electrolyte membrane decreases due to the hydrogen generation reaction, the generated water on the oxidant electrode side is back-diffused to wet the solid polymer electrolyte membrane.
また、酸化剤極に酸化剤が供給された状態で、活性化処理を行なうと酸化剤極では水の生成反応（式２）と水素の生成反応（式３）が同時に起こっていることになる。この場合、酸化剤極で生成した水の逆拡散で固体高分子電解質膜を湿潤させることが可能である。 Further, when the activation treatment is performed in a state where the oxidant is supplied to the oxidant electrode, the water generation reaction (Formula 2) and the hydrogen generation reaction (Formula 3) occur simultaneously at the oxidant electrode. . In this case, it is possible to wet the solid polymer electrolyte membrane by reverse diffusion of water generated at the oxidizer electrode.
また、活性化処理時に酸化剤の供給量を減少させることは、酸化剤極にて発生した水素と酸素の触媒燃焼による無用の発熱を低減できるため、好ましい。 Further, it is preferable to reduce the supply amount of the oxidant during the activation treatment because unnecessary heat generation due to catalytic combustion of hydrogen and oxygen generated at the oxidant electrode can be reduced.
また、図７は本実施の形態における燃料電池の活性化処理のルーチンを示すものである。 FIG. 7 shows a routine of the activation process of the fuel cell in the present embodiment.
（Ｓ７０１）
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。
(S701)
At the start of the activation process, the fuel cells are sufficiently supplied with fuel.
（Ｓ７０２）
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。
図６で見られるように本発明の活性化方法には固体高分子電解質膜が十分に加湿されていることが望ましい。そこで、例えば交流インピーダンスメータなどで燃料電池の内部抵抗を測定することで、固体高分子電解質膜の含水の状態を判断すると良い。
(S702)
Next, it is determined whether the solid polymer electrolyte membrane of the fuel cell needs to be humidified.
As seen in FIG. 6, it is desirable that the solid polymer electrolyte membrane is sufficiently humidified in the activation method of the present invention. Therefore, for example, the water content of the solid polymer electrolyte membrane may be determined by measuring the internal resistance of the fuel cell with an AC impedance meter or the like.
（Ｓ７０３）
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。
(S703)
If it is determined that the internal resistance is high and humidification is required, the fuel cell is caused to generate power and self-humidify by connection to an external load or the like. Then, the humidification may be terminated when the internal resistance decreases. Of course, if the internal resistance is sufficiently small from the beginning, it is not necessary to humidify. In addition, the determination of humidification is not performed, and a configuration may be employed in which the solid polymer electrolyte membrane is humidified with water generated by always connecting a constant load and performing a constant power generation. In this case, a certain amount of fuel and time for humidification are required regardless of the water content of the solid polymer electrolyte membrane, but a mechanism for measuring the internal resistance is not required, and thus a reduction in size is particularly required. This is preferable in a new fuel cell. The humidification method may be a method of supplying humidified gas through a bubbler or the like, or a method of directly humidifying the solid polymer electrolyte membrane by providing a separate water supply means.
（Ｓ７０４）
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。
(S704)
Restrict the supply of oxidant as necessary.
In the activation method of the present invention, it is not necessary to actively supply the oxidizing agent. In order to reduce the calorific value of the fuel cell, it is preferable to reduce the supply amount of the oxidant. Further, if the activation is performed in a state where the oxidant is supplied, the water generation reaction and the hydrogen generation reaction occur at the oxidant electrode at the same time, so that the generated water can be used for humidification.
（Ｓ７０５）
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。
活性化処理時の電圧制御には、外部電源が用いられる。用いられる外部電源は、二次電池やキャパシタとＤＣ／ＤＣコンバータのような電圧調整手段を備えた補助電源であっても構わない。これら、外部電源の正極が燃料極に、負極が酸化剤極に接続されることで、活性化処理が行なわれる。
(S705)
The cell voltage of the fuel cell is controlled so that a hydrogen generation reaction occurs at the oxidant electrode.
An external power supply is used for voltage control during the activation process. The external power source used may be an auxiliary power source provided with voltage adjusting means such as a secondary battery, a capacitor, and a DC / DC converter. The activation process is performed by connecting the positive electrode of the external power source to the fuel electrode and the negative electrode to the oxidizer electrode.
（Ｓ７０６）
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。
(S706)
When the supply amount of the oxidant is lowered during the activation process, the control is performed so that the amount of the oxidant during the steady operation is supplied.
（Ｓ７０７）
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。
(S707)
After the activation is completed, the fuel cell is released from the control from the external power source.
Thereafter, the fuel cell starts a steady operation.
（実施形態２）
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。
(Embodiment 2)
In the second embodiment, another example of an activation process for an open-air fuel cell in which hydrogen is supplied as a fuel and air is taken in as an oxidant by natural diffusion will be described. FIG. 11 shows a schematic diagram of the configuration of the fuel cell system in the present embodiment. The configuration of the fuel battery cell of this embodiment is the same as that of the first embodiment.
図１１において、２０は燃料電池セル、２１は燃料極、２２は固体高分子電解質膜、２３は酸化剤極、２４は燃料タンク、２６は外部負荷、２７はスイッチ、２８はＬｉイオン電池、２９はＤＣ／ＤＣコンバータである。 In FIG. 11, 20 is a fuel cell, 21 is a fuel electrode, 22 is a solid polymer electrolyte membrane, 23 is an oxidizer electrode, 24 is a fuel tank, 26 is an external load, 27 is a switch, 28 is a Li ion battery, 29 Is a DC / DC converter.
燃料電池セル２０とＬｉイオン電池２８とはＤＣ／ＤＣコンバータ２９を介して接続されている。Ｌｉイオン電池２８は燃料電池の活性化処理時には、正極を燃料極に、負極を酸化剤極に接続するように構成されている。
The fuel battery cell 20 and the Li ion battery 28 are connected via a DC /
燃料電池セル２０を、例えば温度２５℃、湿度５０％に制御された環境試験機内に設置する。酸化剤極２３には環境雰囲気下の空気が自然拡散により供給され、燃料極２１にはドライな水素が供給される。 The fuel battery cell 20 is installed in an environmental test machine controlled at a temperature of 25 ° C. and a humidity of 50%, for example. Air in an environmental atmosphere is supplied to the oxidizer electrode 23 by natural diffusion, and dry hydrogen is supplied to the fuel electrode 21.
まず燃料電池セル２０を外部負荷２６に接続して駆動させ、酸化剤極２３に生成した水の逆拡散を利用して固体高分子電解質膜２２を加湿させる。 First, the fuel cell 20 is connected to an external load 26 and driven, and the solid polymer electrolyte membrane 22 is humidified by using the reverse diffusion of water generated at the oxidant electrode 23.
次に活性化のために、スイッチ２７を燃料電池セル２０の酸化剤極２３がＬｉイオン電池２８の負極に、燃料電池セル２０の燃料極２１がＬｉイオン電池２８の正極に接続するように制御する。ＤＣ／ＤＣコンバータ２９は燃料電池セルの燃料極２１に対する酸化剤極２３の電位が−０．５Ｖになるよう制御される。このような低出力電圧の降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータとしては、例えば米Ａｉｖａｋａ社のＡＶ２１０２などがある。
Next, for activation, the
酸化剤極２３においては水の生成反応とともに水素の生成反応が生じてくる。このため、水素生成により燃料電池反応の限界電流以上の電流が流れる。 At the oxidizer electrode 23, a hydrogen generation reaction occurs together with a water generation reaction. For this reason, a current exceeding the limit current of the fuel cell reaction flows due to hydrogen generation.
活性化を１分間行なった後、燃料電池セル２０の電流−電圧特性を測定すると、活性化を行なわなかったものと比較して、燃料電池セルの特性を広い電流の範囲に渡って向上させることができる。 When the current-voltage characteristic of the fuel cell 20 is measured after the activation is performed for 1 minute, the characteristic of the fuel cell is improved over a wide current range as compared with the case where the activation is not performed. Can do.
また、図１１では、Ｌｉイオン電池２８とＤＣ／ＤＣコンバータ２９からなる補助電源を活性化のためのみに使用する構成をとっているが、もちろん、図１２で示すようなハイブリッドの構成であっても構わない。図１２において、２０は燃料電池セル、２１は燃料極、２２は固体高分子電解質膜、２３は酸化剤極、２４は燃料タンク、２６は外部負荷、２７はスイッチ、２８はＬｉイオン電池、３０は電圧調整器である。
In FIG. 11, the auxiliary power source composed of the Li ion battery 28 and the DC /
この場合、燃料電池セル２０とＬｉイオン電池２８は通常運転時にはスイッチ２７がＡの側に入ることで、並列に外部負荷２６に出力を供給する。Ｌｉイオン電池２８の電圧が燃料電池セル２０と異なる場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータなどの電圧調整器３０で降圧すれば良い。
In this case, the fuel cell 20 and the Li ion battery 28 supply output to the external load 26 in parallel by the
燃料電池セル２０の活性化処理時には、スイッチ２７がＢの側に入ることで、燃料電池セル２０の酸化剤極２３とＬｉイオン電池の負極が、燃料電池セルの燃料極２１とＬｉイオン電池２８の正極が接続される。また、燃料電池セル２０にかかる電圧の大きさは、電圧調整器３０で調整される。
During the activation process of the fuel cell 20, the
このとき、Ｌｉイオン電池２８と電圧調整器３０からなる補助電源と、外部負荷２６の間の接続はそのままでも良いし、解除されて良い。例えば補助電源と外部負荷２６の間にスイッチを挿入し、通常はスイッチはオンの状態で、両者は接続されているが、燃料電池の活性化処理時にはスイッチはオフの状態とされ、両者の接続が解除された状態となるような構成でも良い。 At this time, the connection between the auxiliary power source composed of the Li ion battery 28 and the voltage regulator 30 and the external load 26 may be left as it is or may be released. For example, a switch is inserted between the auxiliary power source 26 and the external load 26. Normally, the switch is in an on state and both are connected. However, during the activation process of the fuel cell, the switch is in an off state, and the two are connected. The configuration may be such that the state is released.
上記構成をとることにより、燃料電池セルの活性化が可能となる。 By taking the above configuration, the fuel cell can be activated.
（実施形態３）
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。
(Embodiment 3)
In the third embodiment, another example of an activation process for an open-air fuel cell that supplies hydrogen as a fuel and takes in air as an oxidant will be described. FIG. 13 shows a schematic diagram of the configuration of the fuel cell system in the present embodiment. The configuration of the fuel battery cell of this embodiment is the same as that of the first embodiment.
図１３において、２０は燃料電池セル、２１は燃料極、２２は固体高分子電解質膜、２３は酸化剤極、２４は燃料タンク、２６は外部負荷、２７はスイッチ、２８はＬｉイオン電池、２９はＤＣ／ＤＣコンバータ、３１は酸化剤量調整器である。 In FIG. 13, 20 is a fuel cell, 21 is a fuel electrode, 22 is a solid polymer electrolyte membrane, 23 is an oxidizer electrode, 24 is a fuel tank, 26 is an external load, 27 is a switch, 28 is a Li ion battery, 29 Is a DC / DC converter, and 31 is an oxidant amount regulator.
酸化剤量調整器３１は、燃料電池セル２０の活性化処理時に、酸化剤の供給量を定常運転時よりも少なくする機構を有する。このようなものとしては図１４または図１５のような構成が挙げられる。 The oxidant amount adjuster 31 has a mechanism for reducing the supply amount of the oxidant during the activation process of the fuel battery cell 20 than during the steady operation. An example of such a configuration is as shown in FIG. 14 or FIG.
図１４では、ファン３２が酸化剤量調整器３１の役割を果たす。ファン３２は燃料電池セル２０の空気取り入れ面である発泡金属４６の側面に取り付けられる。燃料電池セル２０の定常運転時は、酸化剤極２３にはファン３２の駆動によってファンが無い場合に比べて多くの空気が供給される。また、ファン３２が駆動しない時には空気の取り入れをファン３２が阻害することにより、空気の取り入れ量はファンが無い場合に比べて少なくなる。
In FIG. 14, the
また、図１５のように通気孔３５が開けられた２枚の通気板のうち、一方を固定された通気板３３、他方を可動される通気板３４としたものを発泡金属４６の側面に配置しても良い。可動通気板３４をスライドすることで、通気孔の開閉度を変化させ、空気取り入れ面の面積を変化させる。空気取り入れ面の面積変化によって、酸化剤の供給量が変化する。 Further, as shown in FIG. 15, of the two ventilation plates having the ventilation holes 35, one of which is a fixed ventilation plate 33 and the other of which is a movable ventilation plate 34 is arranged on the side surface of the metal foam 46. You may do it. By sliding the movable ventilation plate 34, the opening / closing degree of the ventilation hole is changed, and the area of the air intake surface is changed. The supply amount of the oxidant changes depending on the change in the area of the air intake surface.
実施形態２と同様に、燃料電池セル２０とＬｉイオン電池２８とはＤＣ／ＤＣコンバータ２９を介して接続されている。Ｌｉイオン電池２８は燃料電池の活性化処理時には、正極を燃料極に、負極を酸化剤極に接続するように構成されている。
Similarly to the second embodiment, the fuel battery cell 20 and the Li ion battery 28 are connected via a DC /
燃料電池セル２０を、例えば温度２５℃、湿度５０％に制御された環境試験機内に設置する。酸化剤極２３には環境雰囲気下の空気が自然拡散により供給され、燃料極２１にはドライな水素が供給される。 The fuel battery cell 20 is installed in an environmental test machine controlled at a temperature of 25 ° C. and a humidity of 50%, for example. Air in an environmental atmosphere is supplied to the oxidizer electrode 23 by natural diffusion, and dry hydrogen is supplied to the fuel electrode 21.
まず燃料電池セル２０を実施例１と同様にして駆動させ、酸化剤極２３に生成した水の逆拡散を利用して固体高分子電解質膜２２を加湿させる。このとき酸化剤量調整器３１としてのファンを駆動することによって酸化剤を多く取り入れるようにすれば、燃料電池反応による電流を大きくとることができるため、酸化剤極２３での生成水量は大きくなる。一方、酸化剤量調整器３１としてのファンの駆動を停止することによって、取り入れる酸化剤の量を少なくするように調整すれば、酸化剤極での発熱を抑制することができる。 First, the fuel cell 20 is driven in the same manner as in the first embodiment, and the solid polymer electrolyte membrane 22 is humidified by using the reverse diffusion of water generated in the oxidizer electrode 23. At this time, if a large amount of oxidant is taken in by driving the fan as the oxidant amount adjuster 31, it is possible to increase the current due to the fuel cell reaction, so the amount of water produced at the oxidant electrode 23 increases. . On the other hand, heat generation at the oxidant electrode can be suppressed by adjusting the amount of the oxidant to be taken in by reducing the driving of the fan as the oxidant amount adjuster 31.
燃料電池を加湿後、活性化のために、スイッチ２７を燃料電池セル２０の酸化剤極がＬｉイオン電池２８の負極に、燃料電池セル２０の燃料極がＬｉイオン電池２８の正極に接続するように制御した。ＤＣ／ＤＣコンバータ２９は燃料電池セル２０の燃料極２１に対する酸化剤極２３の電位が−０．５Ｖになるよう制御される。また、このとき酸化剤量調整器３１は酸化剤の供給量を少なくするよう駆動される。
After humidifying the fuel cell, the
燃料電池は酸化剤極の電位の高さと燃料極の電位の高さが反転するため、酸化剤極２３においては水の生成反応とともに水素の生成反応が生じてくる。酸化剤量調整器３１を駆動して空気の取り入れ量を少ない状態とした場合、水の生成反応で既存の酸素が消費されて、酸化剤の不足した状態となる。 In the fuel cell, the high potential of the oxidant electrode and the high potential of the fuel electrode are reversed. Therefore, in the oxidant electrode 23, a hydrogen generation reaction occurs together with a water generation reaction. When the oxidant amount adjuster 31 is driven to reduce the amount of air taken in, the existing oxygen is consumed in the water generation reaction, resulting in a state where the oxidant is insufficient.
このため、水の生成反応、即ち燃料電池反応で流れる限界電流は非常に小さくなっていく。一方、水素の生成反応で流れる電流は、燃料極２１から固体高分子電解質膜２２を移動してきたプロトン量に対応するため、酸化剤の供給量に関わらずに大電流を流すことが可能である。このため、水素生成により燃料電池反応の限界電流以上の電流が流れる。 For this reason, the limiting current flowing in the water generation reaction, that is, the fuel cell reaction becomes very small. On the other hand, the current that flows in the hydrogen generation reaction corresponds to the amount of protons that have moved from the fuel electrode 21 to the solid polymer electrolyte membrane 22, so that a large current can flow regardless of the amount of oxidant supplied. . For this reason, a current exceeding the limit current of the fuel cell reaction flows due to hydrogen generation.
上記のような活性化処理を行なえば、活性化を行なわない燃料電池セル２０と比較して、燃料電池セルの特性を広い電流の範囲に渡って向上させることができる。また、酸化剤である空気の量を減らしているため、空気がより多く供給されている場合と比べて、活性化処理時における発熱量を抑えることができる。出力の大きさに比べて放熱量が少ないような燃料電池セルのように、活性化処理時の発熱を抑えたい場合には好ましい実施形態である。 When the activation process as described above is performed, the characteristics of the fuel cell can be improved over a wide current range as compared with the fuel cell 20 that is not activated. In addition, since the amount of air that is an oxidant is reduced, the amount of heat generated during the activation process can be suppressed as compared with the case where more air is supplied. This is a preferred embodiment when it is desired to suppress heat generation during the activation process, such as a fuel battery cell in which the amount of heat released is smaller than the output.
（実施形態４）
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。
(Embodiment 4)
In the fourth embodiment, an example of activation processing for an open-air fuel cell stack in which hydrogen is supplied as a fuel and air is taken in as an oxidant by natural diffusion will be described. FIG. 16 shows a schematic diagram of the configuration of the fuel cell system in the present embodiment. In addition, the configuration of the fuel cell stack of the present embodiment is a configuration in which four fuel cells of the first embodiment are stacked.
図１６において、３６は燃料電池スタック、２０は燃料電池セル、２１は燃料極、２２は固体高分子電解質膜、２３は酸化剤極、２４は燃料タンク、２６は外部負荷、２７はスイッチ、２８はＬｉイオン電池、３０は電圧調整器である。 In FIG. 16, 36 is a fuel cell stack, 20 is a fuel cell, 21 is a fuel electrode, 22 is a solid polymer electrolyte membrane, 23 is an oxidizer electrode, 24 is a fuel tank, 26 is an external load, 27 is a switch, 28 Is a Li ion battery, and 30 is a voltage regulator.
燃料電池スタック３６は実施形態２と同様にＬｉイオン電池２８とは電圧調整器３０を介して接続されたハイブリッドな構成である。 As in the second embodiment, the fuel cell stack 36 has a hybrid configuration connected to the Li ion battery 28 via the voltage regulator 30.
この場合、燃料電池スタック３６とＬｉイオン電池２８は定常運転時にはスイッチ２７がＡの側に入ることで、並列に外部負荷２６に出力を供給する。Ｌｉイオン電池２８の電圧が燃料電池スタック３６と異なる場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータなどの電圧調整器３０で昇圧あるいは降圧すれば良い。
In this case, the fuel cell stack 36 and the Li ion battery 28 supply output to the external load 26 in parallel by the
燃料電池スタック３６の活性化処理時には、スイッチ２７がＢの側に入ることで、燃料電池スタック３６の出力端子のうち、酸化剤極側とＬｉイオン電池２８の負極が、燃料極側の２１とＬｉイオン電池２８の正極が接続される。また、燃料電池スタック３６にかかる電圧の大きさは、電圧調整器３０で調整される。
During the activation process of the fuel cell stack 36, the
この場合、活性化処理時には、燃料電池スタックの燃料電池セル一つあたりの電圧が−０．３Ｖになるように電圧調整器３０が制御される。即ち、４つの燃料電池セルが積層された燃料電池スタックの場合は、活性化処理時には燃料極の電位の高さと酸化剤の電位の高さが反転するようにして、燃料電池スタックの両端子間に１．２Ｖの電圧が印加される。 In this case, during the activation process, the voltage regulator 30 is controlled so that the voltage per fuel cell of the fuel cell stack becomes −0.3V. In other words, in the case of a fuel cell stack in which four fuel cells are stacked, the height of the potential of the fuel electrode and the potential of the oxidant are reversed during the activation process so that both terminals of the fuel cell stack are reversed. A voltage of 1.2V is applied.
このとき、Ｌｉイオン電池２８と電圧調整器３０からなる補助電源と、外部負荷２６の間の接続はそのままでも良いし、解除されて良い。例えば補助電源と外部負荷２６の間にスイッチを配置し、燃料電池の活性化処理時には両者の接続が解除された状態となるような構成でも良いし、活性化処理時にも両者を接続した状態として補助電源から外部負荷に電力を供給しても良い。 At this time, the connection between the auxiliary power source composed of the Li ion battery 28 and the voltage regulator 30 and the external load 26 may be left as it is or may be released. For example, a switch may be disposed between the auxiliary power supply and the external load 26 so that the connection between the two is released during the activation process of the fuel cell, or the both are connected during the activation process. Electric power may be supplied from the auxiliary power source to the external load.
燃料電池スタック３６を、例えば温度２５℃、湿度５０％に制御された環境試験機内に設置する。酸化剤極２３には環境雰囲気下の空気が自然拡散により供給され、燃料極２１にはドライな水素が供給される。 The fuel cell stack 36 is installed in an environmental test machine controlled at a temperature of 25 ° C. and a humidity of 50%, for example. Air in an environmental atmosphere is supplied to the oxidizer electrode 23 by natural diffusion, and dry hydrogen is supplied to the fuel electrode 21.
燃料電池スタック３６を加湿後に活性化処理を行なうと、燃料電池スタック３６の各燃料電池セルには、燃料電池反応の限界電流以上の電流が流れる。 When the activation process is performed after the fuel cell stack 36 is humidified, each fuel cell of the fuel cell stack 36 has a current greater than the limit current of the fuel cell reaction.
通常、燃料電池スタックにおいては、各セルの空気の取り込み量のばらつきなどで、限界電流にばらつきが生じ、活性化の条件が揃わないということが想定される。本実施形態においては、最も大きな限界電流値よりも大きな電流を流して活性化を行なう。 Normally, in the fuel cell stack, it is assumed that the limit current varies due to variations in the amount of air taken in each cell and the activation conditions are not uniform. In the present embodiment, activation is performed by flowing a current larger than the largest limit current value.
（実施形態５）
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。
(Embodiment 5)
In the fifth embodiment, another example of activation processing for an open-air fuel cell stack in which hydrogen is taken into the fuel and air is taken into the oxidizer by natural diffusion will be described. FIG. 17 shows a schematic diagram of the configuration of the fuel cell system in the present embodiment. In addition, the configuration of the fuel cell stack according to the present embodiment is a configuration in which a plurality of the fuel cells according to the first embodiment are stacked.
図１７において、３６は燃料電池スタック、２０は燃料電池セル、２１は燃料極、２２は固体高分子電解質膜、２３は酸化剤極、２４は燃料タンク、２６は外部負荷、２７はスイッチ、２８はＬｉイオン電池、２９はＤＣ／ＤＣコンバータである。 In FIG. 17, 36 is a fuel cell stack, 20 is a fuel cell, 21 is a fuel electrode, 22 is a solid polymer electrolyte membrane, 23 is an oxidizer electrode, 24 is a fuel tank, 26 is an external load, 27 is a switch, 28 Is a Li-ion battery, and 29 is a DC / DC converter.
燃料電池スタック３６は実施形態２と同様にＬｉイオン電池２８とはＤＣ／ＤＣコンバータ２９のような電圧調整器を介して接続される。実施形態４では燃料電池スタック３６の両端子間に電圧を印加したが、この場合、各燃料電池セル間で電圧の差が生じる可能性がある。そこで本実施形態では、燃料電池スタック３６の各燃料電池セルの両電極間に個別に電圧を印加する。この場合、活性化処理時には、燃料電池スタック３６の各燃料電池セルの燃料極の電位に対する酸化剤極の電位が−０．５ＶになるようにＤＣ／ＤＣコンバータ２９が制御される。
Similar to the second embodiment, the fuel cell stack 36 is connected to the Li ion battery 28 via a voltage regulator such as a DC /
燃料電池スタック３６を、例えば温度２５℃、湿度５０％に制御された環境試験機内に設置する。酸化剤極２３には環境雰囲気下の空気が自然拡散により供給され、燃料極２１にはドライな水素が供給される。 The fuel cell stack 36 is installed in an environmental test machine controlled at a temperature of 25 ° C. and a humidity of 50%, for example. Air in an environmental atmosphere is supplied to the oxidizer electrode 23 by natural diffusion, and dry hydrogen is supplied to the fuel electrode 21.
まず燃料電池スタック３６を外部負荷２６に接続して駆動させ、酸化剤極２３に生成した水の逆拡散を利用して固体高分子電解質膜２２を加湿させる。このとき、スイッチ２７のＡは接続が解除された状態であり、Ｂは接続された状態である。
First, the fuel cell stack 36 is driven by being connected to the external load 26, and the solid polymer electrolyte membrane 22 is humidified using the reverse diffusion of the water generated in the oxidizer electrode 23. At this time, A of the
次に活性化のために、スイッチ２７のＡを接続した状態とし、Ｂを接続解除した状態とした。活性化処理を行なうと、燃料電池スタック３６の各セルには燃料電池反応の限界電流以上の電流が流れる。
Next, for activation, A of
通常、燃料電池スタックにおいては、各燃料電池セルの空気の取り込み量のばらつきなどで、限界電流にばらつきが生じ、活性化の条件が揃わないということが想定される。本実施形態においては、各セルの限界電流がばらついていても、全てのセルに対して、限界電流よりも大きな電流を流すことができる。また、実施形態４と比較して、各燃料電池セル間でのばらつきの影響を受けない、より確実な活性化処理が可能である。 Usually, in a fuel cell stack, it is assumed that the limit current varies due to variations in the amount of air taken in each fuel cell, and the activation conditions are not uniform. In the present embodiment, even if the limit current of each cell varies, a current larger than the limit current can be supplied to all the cells. Further, as compared with the fourth embodiment, a more reliable activation process that is not affected by variations among the fuel cells can be performed.
以下に、本発明の実施例について説明する。 Examples of the present invention will be described below.
［実施例１］
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。
[Example 1]
In the first embodiment, an example of an activation process for an open-air fuel cell that supplies hydrogen as a fuel and incorporates air as an oxidant by natural diffusion will be described. FIG. 8 shows a schematic diagram of the configuration of the fuel cell system according to this embodiment, and FIG. 9 shows a schematic diagram of the configuration of the fuel cell unit according to this embodiment.
図８において、２０は燃料電池セル、２１は燃料極、２２は固体高分子電解質膜、２３は酸化剤極、２４は燃料タンク、２５は外部電源、２６は電子機器などの外部負荷、２７はスイッチである。 In FIG. 8, 20 is a fuel cell, 21 is a fuel electrode, 22 is a solid polymer electrolyte membrane, 23 is an oxidizer electrode, 24 is a fuel tank, 25 is an external power supply, 26 is an external load such as an electronic device, 27 is Switch.
図９において、４３は膜電極接合体、４１、４５はカーボンクロス、４０、４７は集電板、４２はシール材、４６は発泡金属、４４は支持部材である。 In FIG. 9, 43 is a membrane electrode assembly, 41 and 45 are carbon cloths, 40 and 47 are current collector plates, 42 is a sealing material, 46 is a foam metal, and 44 is a support member.
本実施例では次のような燃料電池セルが作製される。 In the present embodiment, the following fuel cell is produced.
まず、白金黒粉末１ｇに対してデュポン社製ナフィオンアルコール系溶液１．５ｃｃを加え、混合して触媒スラリーを作製する。これをＰＴＦＥシート上に展開・塗布させて触媒層を得る。このとき触媒層の単位面積あたりの白金担持量は約５ｍｇ／ｃｍ２であった。 First, 1.5 cc of Nafion alcohol-based solution manufactured by DuPont is added to 1 g of platinum black powder and mixed to prepare a catalyst slurry. This is spread and applied on a PTFE sheet to obtain a catalyst layer. At this time, the amount of platinum supported per unit area of the catalyst layer was about 5 mg / cm 2 .
次に、前記触媒層を固体高分子電解質膜ナフィオン１１２（デュポン社製）の両側にホットプレスにより転写し、ＰＴＦＥシートを剥離することで膜電極接合体を得た。作製した膜電極接合体の触媒層の面積は約２ｃｍ２である。 Next, the catalyst layer was transferred to both sides of the solid polymer electrolyte membrane Nafion 112 (manufactured by DuPont) by hot pressing, and the PTFE sheet was peeled off to obtain a membrane electrode assembly. The area of the catalyst layer of the produced membrane electrode assembly is about 2 cm 2 .
本実施の燃料電池セル２０は、膜電極接合体４３を間に挟む形で、燃料極側には集電板４０、カーボンクロス４１、シール材４２が、酸化剤極側にはカーボンクロス４５、発泡金属４６、支持部材４４、集電板４７が配置されている。ここで、カーボンクロス４１、４５はガス拡散層であり、発泡金属４６は空気を燃料電池セルの側面から取り入れるための流路形成部材である。また、支持部材４４はシール材４２に対向し、締結の圧力をシール材に均一にかけることで燃料極の封止をより確実にするものである。また、集電板４０、シール材４２、膜電極接合体４３、支持部材４４、集電板４７はボルト穴を有している。これらの部材を位置合わせしながら積み重ね、不図示のボルトおよび絶縁部材により両集電板４０、４７間を、絶縁した状態で締結する。
The fuel cell 20 of the present embodiment has a
作製した燃料電池セル２０を、温度２５℃、湿度５０％に制御された環境試験機内に設置した。酸化剤極２３には環境雰囲気の空気が自然拡散により供給され、燃料極２１にはドライな水素が供給される。 The produced fuel cell 20 was placed in an environmental test machine controlled at a temperature of 25 ° C. and a humidity of 50%. Air in the ambient atmosphere is supplied to the oxidizer electrode 23 by natural diffusion, and dry hydrogen is supplied to the fuel electrode 21.
まず燃料電池セル２０を次のように外部電源２５を制御することにより駆動させ、酸化剤極２３に生成した水の逆拡散を利用して固体高分子電解質膜２２を加湿させた。駆動は燃料電池の両極間の電圧を、開回路電圧から０Ｖまで１０ｍＶ／ｓｅｃのスピードで往復掃引させ、加湿とともに限界電流での通電を行なった。流れた限界電流の大きさは約７００ｍＡ／ｃｍ２であった。この駆動を４回繰り返した。 First, the fuel battery cell 20 was driven by controlling the external power supply 25 as follows, and the solid polymer electrolyte membrane 22 was humidified using the reverse diffusion of water generated in the oxidizer electrode 23. In driving, the voltage between both electrodes of the fuel cell was swept back and forth from the open circuit voltage to 0 V at a speed of 10 mV / sec. The magnitude of the limiting current that flowed was about 700 mA / cm 2 . This driving was repeated 4 times.
加湿後の燃料電池セル２０に対し、活性化処理として外部電源２５により燃料極２１に対する酸化剤極２３の電位として−０．３Ｖを１分間印加した。活性化処理時にはスイッチ２７によって、燃料電池セル２０は外部負荷２６との接続から外部電源２５への接続へと切り替えられている。
As an activation process, -0.3 V was applied to the fuel cell 20 after humidification as an electric potential of the oxidant electrode 23 with respect to the fuel electrode 21 by an external power source 25 for 1 minute. During the activation process, the fuel cell 20 is switched from the connection with the external load 26 to the connection with the external power source 25 by the
活性化処理時に酸化剤極２３では水の生成反応とは別に水素の生成反応が生じるため、燃料電池の限界電流以上の電流が流れた。流れた電流の大きさは約１６００ｍＡ／ｃｍ２で、限界電流の２倍近い電流を通電させることができた。 During the activation treatment, a hydrogen generation reaction occurs in the oxidizer electrode 23 in addition to the water generation reaction, and thus a current exceeding the limit current of the fuel cell flowed. The magnitude of the flowing current was about 1600 mA / cm 2 , and a current nearly twice the limit current could be applied.
図１０は、上記の活性化処理を行なった燃料電池セル２０の特性を、活性化処理を行なっていない燃料電池セル２０の特性と比較して示している。図中（ａ）は活性化処理を行なった燃料電池セル２０の電流−電圧特性であり、（ｂ）は活性化を行なっていない燃料電池セル２０の電流−電圧特性である。 FIG. 10 shows the characteristics of the fuel battery cell 20 that has been subjected to the activation process described above in comparison with the characteristics of the fuel battery cell 20 that has not been subjected to the activation process. In the figure, (a) shows the current-voltage characteristics of the fuel cell 20 that has been activated, and (b) shows the current-voltage characteristics of the fuel cell 20 that has not been activated.
活性化処理を行なうことで燃料電池セルの特性を広い電流の範囲に渡って向上させることができた。 By performing the activation treatment, the characteristics of the fuel cell could be improved over a wide current range.
１ 燃料電池システム
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）
DESCRIPTION OF
41 Carbon cloth 42
Claims (14)
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く、かつ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電流を通電させる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。 In a fuel cell system having a fuel cell that generates power by supplying an oxidant to an oxidant electrode provided on one surface of a solid polymer electrolyte membrane and supplying a fuel to a fuel electrode provided on the other surface,
Between the oxidant electrode and the fuel electrode,
While supplying fuel to the fuel electrode, the hydrogen generation reaction occurs in the oxidizer electrode, and the fuel cell is much larger than the maximum current that occurs during normal operation, and the oxidizing agent with respect to the potential of the fuel electrode A fuel cell comprising a voltage application circuit for applying a reverse polarity voltage for energizing a current that is equal to or less than a maximum value of a current that flows when the potential of the pole is in the range of -0.3V to -0.7V. system.
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。 When having a power source different from the fuel cell and energizing a current larger than the current generated during the steady operation,
The fuel cell system according to claim 1, wherein the positive electrode of the power source is connected to the fuel electrode, and the negative electrode is connected to the oxidant electrode.
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く、かつ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電流を通電させる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。 In an activation method of a fuel cell for generating electricity by supplying an oxidant to an oxidant electrode provided on one surface of a solid polymer electrolyte membrane and supplying a fuel to a fuel electrode provided on the other surface,
A hydrogen generation reaction occurs at the oxidant electrode in a state where fuel is supplied to the fuel electrode between the oxidant electrode and the fuel electrode, and is larger than the maximum current generated during steady operation of the fuel cell. When the potential of the oxidizer electrode with respect to the potential of the fuel electrode is in the range of -0.3V to -0.7V, a reverse polarity voltage is applied to pass a current that is equal to or less than the maximum value of the flowing current. A method for activating a fuel cell, comprising performing an activation process including a step.
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。 The potential difference between the oxidant electrode and the fuel electrode when performing the activation treatment,
6. The method for activating a fuel cell according to claim 5, wherein the control is performed so that the voltage falls within a range from 0 V to an electrolysis reaction of water at the fuel electrode.
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く、かつ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電流を通電させる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。With the fuel supplied to the fuel electrode between the oxidant electrode and the fuel electrode, a hydrogen generation reaction occurs in the oxidant electrode and is larger than the maximum current that the fuel cell generates during steady operation. And applying a reverse polarity voltage for applying a current that is equal to or less than the maximum value of the flowing current when the potential of the oxidant electrode with respect to the potential of the fuel electrode is in the range of -0.3V to -0.7V. A method for producing a fuel cell, comprising:
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