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JP6907923B2 - Aging method for polymer electrolyte fuel cells - Google Patents
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Description

本発明は、電解質膜の両側に一対の電極が配設される膜電極接合体とセパレータとを有する固体高分子型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 polymer electrolyte fuel cell having a membrane electrode assembly in which a pair of electrodes are arranged on both sides of an electrolyte membrane and a separator.

燃料電池は、反応ガスである燃料ガス(例えば水素)および酸化剤ガス(例えば空気)をアノード側電極およびカソード側電極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。 A fuel cell supplies electrical energy (electromotive force) by supplying a fuel gas (for example, hydrogen) and an oxidizing agent gas (for example, air), which are reaction gases, to an anode side electrode and a cathode side electrode for an electrochemical reaction. It is a system to get.

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、イオン透過性の電解質膜と、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 ion-permeable 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-described configuration 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ため(詳しくは、電解質膜の乾燥やプロトン伝導パスが充分に形成されていなことから)、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 water content of the electrolyte membrane immediately after assembly is not sufficient (specifically, because the electrolyte membrane is not sufficiently dried and the proton conduction path is not sufficiently formed), so the initial power generation performance is poor. It's getting low. 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. In this aging operation, the performance of the cell can exhibit the desired capacity by preliminarily generating electricity after assembling the fuel cell. In addition, not only after manufacturing, but also when regenerating power (at the time of restarting) after suspending the fuel cell (particularly after suspending for a long period of time), or when power generation for a long period of time causes output characteristics such as electromotive force. Even when the value 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、負荷電流の周期変動、反応ガスの加湿、サイクリックボルタモグラフに基づく電位変動などの手法が採られてきた。しかし、これら従来のエージング方法では、依然としてエージングに要する時間が長く、燃料電池の生産性向上における課題となっている。 As a method for shortening the aging time in the aging (break-in operation) of such a polymer electrolyte fuel cell, methods such as periodic fluctuation of the load current, humidification of the reaction gas, and potential fluctuation based on the cyclic voltamograph are used. Has been taken. However, these conventional aging methods still require a long time for aging, which poses a problem in improving the productivity of fuel cells.

ところで、エージングにおいては、電解質膜の湿潤(プロトンパスの形成)、触媒表面積確保(酸化被膜除去)、触媒表面積確保(有機コンタミ除去)の3つの加工を実施する必要がある(図6(A)参照)。これらを3点とも同時に成立させることが必要となるが、なかでも、触媒表面積確保(有機コンタミ除去)にかかる時間が長い。 By the way, in aging, it is necessary to carry out three processes of wetting the electrolyte membrane (formation of proton path), securing the surface area of the catalyst (removing the oxide film), and securing the surface area of the catalyst (removing organic contamination) (FIG. 6 (A)). reference). It is necessary to establish all three points at the same time, but it takes a long time to secure the surface area of the catalyst (remove organic contamination).

ここでの「有機コンタミ」は、液体クロマトグラフィー質量分析(LC-MS)などの結果から、触媒を電解質膜に塗工する際の溶媒や、燃料電池のセル化工程において接着剤を使用する場合に、加熱接合時やUV照射による硬化時にその接着剤から揮発して付着することが多いことが確認されている(図6(B)参照)。 "Organic contamination" here refers to the case where a solvent is used when applying the catalyst to the electrolyte membrane or an adhesive is used in the cell formation process of the fuel cell based on the results of liquid chromatography-mass spectrometry (LC-MS). In addition, it has been confirmed that the adhesive often volatilizes and adheres during heat bonding or curing by UV irradiation (see FIG. 6 (B)).

上記した3点を同時に実施するためには、加湿燃料(加湿した反応ガス)を使用した、低電位での発電が必要となる。特に、時間を要する触媒表面積確保(有機コンタミ除去)、すなわち、セルの製造工程にて付着した有機コンタミを分解洗浄するためには、発電中のセル電圧を所定値以下に保つ必要がある。 In order to carry out the above three points at the same time, it is necessary to generate electricity at a low potential using a humidified fuel (humidified reaction gas). In particular, in order to secure the surface area of the catalyst (removal of organic contamination), which requires time, that is, to decompose and clean the organic contamination adhering in the cell manufacturing process, it is necessary to keep the cell voltage during power generation below a predetermined value.

このような要請に対し、例えば下記特許文献1には、負荷電流値を調整することによって、エージング中のセル電圧を所定値(0.3V)以下に維持させる技術が提案されている。 In response to such a request, for example, Patent Document 1 below proposes a technique for maintaining the cell voltage during aging at a predetermined value (0.3 V) or less by adjusting the load current value.

特開2016−035910号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2016-035910

しかしながら、エージング処理中は徐々にセルの性能が回復していくため、同一の方法のみでセル電圧を所定値以下に維持させることは困難である。また、負荷電流値を上昇させすぎると発熱量が多くなり、液水量が減少してしまうことから、エージング促進に必要な「湿潤」を阻害するおそれがある。 However, since the cell performance gradually recovers during the aging process, it is difficult to maintain the cell voltage below a predetermined value only by the same method. Further, if the load current value is increased too much, the amount of heat generated increases and the amount of liquid water decreases, which may hinder the "wetting" required for promoting 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、セルの損傷を抑制しつつ、エージング中のセル電圧を低電圧に維持することのできる固体高分子型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 a polymer electrolyte fuel cell capable of maintaining a low cell voltage during aging while suppressing cell damage. Is to provide a method of aging.

前記課題を解決すべく、本発明による固体高分子型燃料電池のエージング方法は、電解質膜の両側に一対の電極が配設される膜電極接合体とセパレータとを有する固体高分子型燃料電池をエージングするための固体高分子型燃料電池のエージング方法であって、負荷電流値を所定値まで上昇させる第一工程と、前記第一工程の後に、カソード燃料のストイキ比を所定比率まで変化させる第二工程と、前記第二工程の後に、前記カソード燃料への不活性ガス混合量を所定量まで上昇させる第三工程と、を含むことを特徴としている。 In order to solve the above problems, the polymer electrolyte fuel cell aging method according to the present invention comprises a polymer electrolyte fuel cell having a membrane electrode assembly in which a pair of electrodes are arranged on both sides of an electrolyte membrane and a separator. A method for aging a polymer electrolyte fuel cell for aging, wherein the load current value is raised to a predetermined value, and after the first step, the stoichiometric ratio of the cathode fuel is changed to a predetermined ratio. It is characterized by including two steps and, after the second step, a third step of increasing the amount of the inert gas mixed with the cathode fuel to a predetermined amount.

本発明によれば、最初に負荷電流値を調整することによって乾燥を防止し、電圧が安定せず負電圧となりやすい不活性ガス混合比率調整の前にストイキ比を調整することにより、不活性ガス混合比率調整時の電圧の変動幅を狭めることができるため、セルの損傷を抑制しつつ、エージング中のセル電圧を低電圧に維持することが可能となる。 According to the present invention, drying is prevented by first adjusting the load current value, and the inert gas is adjusted by adjusting the stoichiometric ratio before adjusting the inert gas mixing ratio, which tends to cause a negative voltage due to unstable voltage. Since the fluctuation range of the voltage at the time of adjusting the mixing ratio can be narrowed, it is possible to maintain the cell voltage during aging at a low voltage while suppressing cell damage.

本発明による固体高分子型燃焼電池のエージング方法の適用対象となる固体高分子型燃料電池(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 solid polymer type fuel cell (fuel cell stack) to which the aging method of the solid polymer type combustion battery by this invention is applied, (A) is the cross-sectional view of the main part, (B) is the whole. It is an external view. 本発明による固体高分子型燃焼電池のエージング方法を説明するフローチャートである。It is a flowchart explaining the aging method of the polymer electrolyte fuel cell according to this invention. 本実施形態のエージング時の発電パターンにおける、セル電圧と酸化剤ガス供給量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 cell voltage and the oxidant gas supply amount in the power generation pattern at the time of aging of this embodiment. 本実施形態のエージング時の発電パターンにおける、セル電圧と窒素混合量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 cell voltage and the nitrogen mixture amount in the power generation pattern at the time of aging of this embodiment. 従来のエージング時の発電パターンにおける、セル電圧を示すタイムチャートである。It is a time chart which shows the cell voltage in the power generation pattern at the time of the conventional aging. (A)は、セル構成の概要を示す模式図、(B)は、セル化工程と有機コンタミ発生工程を説明する図である。(A) is a schematic diagram showing an outline of a cell configuration, and (B) is a diagram for explaining a cell formation step and an organic contamination generation step.

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. ..

[固体高分子型燃料電池(燃料電池スタック)の構成]
図1は、本発明による固体高分子型燃焼電池のエージング方法の適用対象となる固体高分子型燃料電池(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。
[Structure of polymer electrolyte fuel cell (fuel cell stack)]
FIG. 1 is a diagram showing an example of a polymer electrolyte fuel cell (fuel cell stack) to which the aging method for a polymer electrolyte fuel cell according to the present invention is applied, and FIG. 1 (A) is a cross-sectional view of a main part. , FIG. 1 (B) is an overall external view.

図1(A)に示すように、固体高分子型燃料電池(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)(カソード燃料ということがある)と、燃料ガス(例えば水素)(アノード燃料ということがある)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。 As shown in FIG. 1A, a plurality of cells (cell cells) 1 which are basic units are stacked on the polymer electrolyte fuel cell (fuel cell stack) 10. Each cell 1 is a solid height that generates an electromotive force by an electrochemical reaction between an oxidant gas (for example, air) (sometimes called a cathode fuel) and a fuel gas (for example, hydrogen) (sometimes called an anode fuel). It is a molecular fuel cell. 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。 MEGA2 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 is composed of 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、固体高分子型燃料電池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、固体高分子型燃料電池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 polymer electrolyte 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 polymer electrolyte 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 whose base material is 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 an isosceles trapezoid in the shape of the wave, 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 MEGA2, and the top of the separator 3 is in surface contact with the other gas diffusion layer 7 of MEGA2.

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 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, a top of the back side of the separator 3 arranged along the electrode 6 which is the anode of a certain cell 1 and a top of the back side of the separator 3 arranged along the electrode 6 which is the cathode of another cell 1. Are in surface contact with each other. Water as a refrigerant for cooling the cell 1 flows through the space 23 defined between the separators 3 and 3 which 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、前記した固体高分子型燃料電池10は、図1(B)に示すように、各1セル間の電圧(セル電圧)を検査・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 solid polymer type fuel cell 10 described above includes a cell monitor cable (not shown) and electrodes (not shown) for inspecting and monitoring the voltage (cell voltage) between each cell. Gas pipe 11 for supplying / discharging fuel gas to the gas flow path 21 on the anode) 6 side, gas pipe 12 for supplying / discharging oxidizing agent gas to the gas flow path 22 on the electrode (cathode) 6 side, space A cooling water pipe 13 or the like for supplying / discharging water (cooling water) as a refrigerant is connected to the 23.

[固体高分子型燃料電池(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固体高分子型燃料電池10では、発電性能(出力特性)を安定させるために、例えば当該固体高分子型燃料電池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 polymer electrolyte fuel cell (fuel cell stack)]
In the polymer electrolyte fuel cell 10 having the above-described configuration, in order to stabilize the power generation performance (output characteristics), for example, after assembling the polymer electrolyte fuel cell 10, aging (break-in operation) is performed. Will be.

ここで、既に述べたように、前記したエージング(電解質膜の湿潤、触媒表面積の確保を目的とした発電)を短時間で実施すべく、セルの製造工程にて付着した有機コンタミを分解洗浄するためには、発電中のセル電圧を所定値(例えば、0.3V)以下に保つ必要があるが、エージングが進むにつれて徐々にセル電圧は上昇するため、同一の方法のみでセル電圧を所定値以下に維持させることは困難である。 Here, as described above, in order to carry out the above-mentioned aging (wetting of the electrolyte membrane, power generation for the purpose of securing the catalyst surface area) in a short time, organic contamination adhering in the cell manufacturing process is decomposed and washed. In order to do so, it is necessary to keep the cell voltage during power generation below a predetermined value (for example, 0.3V), but since the cell voltage gradually rises as aging progresses, the cell voltage can be kept below the predetermined value only by the same method. Is difficult to maintain.

そこで、本実施形態では、あえてセル電圧を落とす(低下させる)方策を順次追加していくことで、発電(エージング発電)中のセル電圧を常に低電圧に保持する。詳しくは、放電電流密度(負荷電流値)を上昇させる工程(第一工程)、電極(カソード)6のカソード燃料(酸化剤ガス)供給量を絞る工程(言い換えれば、酸素分圧を低下させる工程)(第二工程)、電極(カソード)6に不活性ガス(例えば、窒素N2)を混合する工程(第三工程)をその順で実施する。なお、ステップ切替の目安としては、例えば、セル電圧が0.3Vを上回る点とすることができる。 Therefore, in the present embodiment, the cell voltage during power generation (aging power generation) is always maintained at a low voltage by sequentially adding measures to reduce (decrease) the cell voltage. Specifically, a step of increasing the discharge current density (load current value) (first step), a step of reducing the amount of cathode fuel (oxidant gas) supplied to the electrode (cathode) 6 (in other words, a step of lowering the oxygen partial pressure). ) (Second step), and the step (third step) of mixing the inert gas (for example, nitrogen N 2) with the electrode (cathode) 6 is carried out in this order. As a guideline for step switching, for example, the cell voltage can be set to exceed 0.3 V.

以下、前記した本実施形態のエージング方法を、図2〜図4を参照しながら具体的に説明する。 Hereinafter, the aging method of the present embodiment described above will be specifically described with reference to FIGS. 2 to 4.

なお、本実施形態のエージング方法は、固体高分子型燃料電池であって、特に、セルの構成として電解質膜やセパレータの接合に接着剤を使用する場合に効果的となる(図6(B)参照)。 The aging method of the present embodiment is effective for a polymer electrolyte fuel cell, and is particularly effective when an adhesive is used for joining an electrolyte membrane or a separator as a cell configuration (FIG. 6B). reference).

また、前提として、発電時には電解質膜の湿潤を促進するために加湿燃料(加湿した反応ガス)を使用する。 As a premise, a humidifying fuel (humidified reaction gas) is used to promote the wetting of the electrolyte membrane during power generation.

図2は、本発明による固体高分子型燃焼電池のエージング方法を説明するフローチャートである。 FIG. 2 is a flowchart illustrating a method of aging the polymer electrolyte fuel cell according to the present invention.

まず、本実施形態のエージング方法では、触媒表面における反応ガスの反応を促進するために、冷却水配管13からセル1に供給する冷却水温度を車両における通常運転よりも上げる(ステップS11)。例えば、通常冷却水温度が55℃のところを、エージング時冷却水温度を70℃程度まで上昇させる。 First, in the aging method of the present embodiment, in order to promote the reaction of the reaction gas on the catalyst surface, the temperature of the cooling water supplied from the cooling water pipe 13 to the cell 1 is raised as compared with the normal operation in the vehicle (step S11). For example, when the normal cooling water temperature is 55 ° C, the cooling water temperature during aging is raised to about 70 ° C.

これにより、セル1内の反応確率を上昇させる。 This increases the reaction probability in cell 1.

次に、反応量を増やすために、放電電流密度を、例えば従来の2.2A/cm2から2.8A/cm2まで上昇させる(ステップS12)。ただし、このとき、瞬時に放電電流密度を上昇させると反応ガスの分配不足により電圧低下が生じ、設備が停止する可能性があるため、2.2A/cm2を所定回数(例えば、80秒×3回)実施した後に2.8A/cm2まで負荷を上げる。 Next, in order to increase the reaction amount, the discharge current density is increased from, for example, the conventional 2.2 A / cm 2 to 2.8 A / cm 2 (step S12). However, at this time, if the discharge current density is increased instantaneously, the voltage may drop due to insufficient distribution of the reaction gas, and the equipment may stop. Therefore, 2.2 A / cm 2 is set a predetermined number of times (for example, 80 seconds x 3). Time) After implementation, increase the load to 2.8 A / cm 2.

これにより、生成水の増加による電解質膜の湿潤、洗浄を促進する。 This promotes wetting and cleaning of the electrolyte membrane due to the increase in generated water.

次に、放電を続けると、触媒表面が徐々に酸化被膜に覆われるため、放電と未放電(開回路状態)を繰り返す。例えば、放電80秒、開回路10秒を繰り返す(図3参照)。さらに、触媒表面の有機コンタミを除くためには、発電中のセル電圧は0.3V以下に保つと効果的である。そこで、エージングが進につれてセル電圧が上昇するのを抑制するために、電極(カソード)6のカソード燃料(酸化剤ガス)供給量を絞る(ステップS13)。例えば、ストイキ比(酸化剤ガスストイキ比や正極燃料ストイキ比ということがある)Stが、時間割合1:1:1で、1.3→1.2→1.13と変化するように、電極(カソード)6のカソード燃料(酸化剤ガス)供給量を順次(段階的に)減少させる(図3参照)。 Next, when the discharge is continued, the catalyst surface is gradually covered with the oxide film, so that the discharge and the undischarged (open circuit state) are repeated. For example, the discharge is repeated for 80 seconds and the open circuit is repeated for 10 seconds (see FIG. 3). Furthermore, in order to remove organic contamination on the catalyst surface, it is effective to keep the cell voltage during power generation at 0.3 V or less. Therefore, in order to suppress an increase in the cell voltage as the aging progresses, the amount of cathode fuel (oxidizing agent gas) supplied to the electrode (cathode) 6 is reduced (step S13). For example, the cathode fuel of the electrode (cathode) 6 so that the stoichiometric ratio (sometimes referred to as the oxidant gas stoichiometric ratio or the positive electrode fuel stoichiometric ratio) St changes from 1.3 to 1.2 to 1.13 at a time ratio of 1: 1: 1. The amount of (oxidizing agent gas) supplied is gradually (stepwise) reduced (see FIG. 3).

これにより、セル電位を0.3V以下に保持し、有機コンタミ分解を促進する。 As a result, the cell potential is maintained at 0.3 V or less, and organic contamination decomposition is promoted.

このとき、一般には、燃料ガス欠によるカーボン酸化(電解質膜の破壊)を防ぐために、セル電圧下限を0.1V程度で停止するように閾値を決めるが、本実施形態では、電極(アノード)6の燃料ガスの供給量は一定に保つことで、カーボン酸化が起きない条件にて、-0.2Vまでの電圧低下を許容する。 At this time, in general, in order to prevent carbon oxidation (destruction of the electrolyte membrane) due to lack of fuel gas, the lower limit of the cell voltage is set to stop at about 0.1 V, but in the present embodiment, the electrode (anode) 6 By keeping the supply amount of fuel gas constant, a voltage drop of up to -0.2V is allowed under the condition that carbon oxidation does not occur.

一方で、前記したストイキ比Stが1.13の段階では、カソード燃料(酸化剤ガス)の量が絞られるため、生成水の詰まりが発生しやすくなる。水が詰まることで、電極面への反応ガスの分布が悪化し、セル電圧が-0.2Vを下回り、発電が継続できないレベルまで下降する可能性がある。 On the other hand, at the stage where the stoichiometric ratio St is 1.13, the amount of the cathode fuel (oxidizing agent gas) is reduced, so that the generated water is likely to be clogged. The clogging with water deteriorates the distribution of the reaction gas on the electrode surface, and the cell voltage may drop below -0.2V to a level where power generation cannot be continued.

これを防止するために、カソード燃料(酸化剤ガス)に不活性ガス(例えば、窒素N2)を混合し、セル1内の水の排水性を向上させる(ステップS14)。例えば、酸化剤ガスとして空気Air、不活性ガスとして窒素N2を使用する場合、その混合比をAir:N2=3:2とする(図3および図4参照)。なお、ここで、例えば図4に示されるように、(上述したストイキ比Stと同様に)空気Airと窒素N2との混合比をAir:N2=2:1→3:2等と段階的に変更してもよい。 In order to prevent this, an inert gas (for example, nitrogen N 2 ) is mixed with the cathode fuel (oxidizing agent gas) to improve the drainage of water in the cell 1 (step S14). For example, when air Air is used as the oxidant gas and nitrogen N 2 is used as the inert gas, the mixing ratio is Air: N 2 = 3: 2 (see FIGS. 3 and 4). Here, for example, as shown in FIG. 4, the mixing ratio of air Air and nitrogen N 2 (similar to the stoichiometric ratio St described above) is set to Air: N 2 = 2: 1 → 3: 2, etc. May be changed.

これにより、セル電位を0.3V以下に保持し、有機コンタミ分解を促進するとともに、過剰な生成水をセル1外に排水する。 As a result, the cell potential is maintained at 0.3 V or less, organic contamination decomposition is promoted, and excess generated water is drained to the outside of the cell 1.

なお、上述したエージング方法は、例えば、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成される制御装置(不図示)などを用いて実行することができる。 The above-mentioned aging method can be executed by using, for example, a control device (not shown) configured as a logic circuit centered on a microcomputer.

このように、本実施形態では、発電中の放電電流を上げ、カソード燃料(酸化剤ガス)供給量を絞り(つまり、カソード燃料のストイキ比Stを下げ)、カソード燃料に不活性ガスを混ぜることで、酸素分圧を下げるといった、セル電圧を低下させる複数の処理をあらかじめ定めた順序で行うことにより、発電(エージング発電)中のセル電圧を常に低電圧(例えば、0.3V以下)に保持し、固体高分子型燃料電池10のエージング(活性化)を短時間で実施することができる。 As described above, in the present embodiment, the discharge current during power generation is increased, the amount of cathode fuel (oxidant gas) supplied is reduced (that is, the stoichiometric ratio St of the cathode fuel is decreased), and the cathode fuel is mixed with the inert gas. By performing multiple processes to lower the cell voltage, such as lowering the oxygen partial pressure, in a predetermined order, the cell voltage during power generation (aging power generation) is always maintained at a low voltage (for example, 0.3 V or less). , The aging (activation) of the solid polymer fuel cell 10 can be carried out in a short time.

なお、燃料ガスとしての水素、酸化剤としての空気を45/85℃露点で加湿し、前記のように、ステップS11における冷却水温度を70℃とし、ステップS12における放電電流密度を2.2A/cm2→2.8A/cm2に上昇させ、ステップS13におけるストイキ比Stを1.3→1.2→1.13に変化させ、ステップS14における混合比をAir:N2=3:2としたとき、約30分以内の短時間でエージングを完了できることが本発明者等により確認されている(図3参照)。 Hydrogen as a fuel gas and air as an oxidant are humidified at a dew point of 45/85 ° C., and as described above, the cooling water temperature in step S11 is set to 70 ° C., and the discharge current density in step S12 is 2.2 A / cm. Increase to 2 → 2.8 A / cm 2 , change the stoichiometric ratio St in step S13 from 1.3 → 1.2 → 1.13, and set the mixing ratio in step S14 to Air: N 2 = 3: 2, within about 30 minutes. It has been confirmed by the present inventors that aging can be completed in a short time (see FIG. 3).

一方、燃料ガスとしての水素、酸化剤としての空気を45/60℃露点で加湿し、ステップS11における冷却水温度を通常の55℃とし、ステップS12における放電電流密度を2.2A/cm2で一定とし、ステップS13におけるストイキ比Stを1.5で一定とし、ステップS14における不活性ガス混合操作を無しとする従来のエージング(発電)パターンでは、セル電圧を低電圧に保持することができず、0.3Vを超えてしまい、エージング完了までに約130分必要となることが確認されている(図5参照)。 On the other hand, hydrogen as a fuel gas and air as an oxidant are humidified at a dew point of 45/60 ° C., the cooling water temperature in step S11 is set to the normal 55 ° C., and the discharge current density in step S12 is constant at 2.2 A / cm 2. In the conventional aging (power generation) pattern in which the stoichiometric ratio St in step S13 is constant at 1.5 and the inert gas mixing operation in step S14 is eliminated, the cell voltage cannot be maintained at a low voltage, and 0.3V. It has been confirmed that it takes about 130 minutes to complete the aging (see FIG. 5).

さらに、前記の各ステップの順序を入れ替えると、セル電圧の急激な低下が起こり、一般に0V付近で電圧低下異常のインターロックを設定するため、設備保護停止に至り、発電を継続できないことも本発明者等により確認されている。 Furthermore, if the order of each of the above steps is changed, the cell voltage drops sharply, and an interlock with a voltage drop abnormality is generally set near 0V, which leads to equipment protection stoppage and power generation cannot be continued. It has been confirmed by the person.

以上で説明したように、本実施形態のエージング方法では、最初に負荷電流値を調整することによって乾燥を防止し、電圧が安定せず負電圧となりやすい不活性ガス混合比率調整の前にストイキ比を調整することにより、不活性ガス混合比率調整時の電圧の変動幅を狭めることができるため、セル1の損傷を抑制しつつ、エージング中のセル電圧を低電圧に維持することが可能となり、もって、エージングを短時間で実施することができ、生産性を向上させることができる。 As described above, in the aging method of the present embodiment, drying is prevented by first adjusting the load current value, and the stoichiometric ratio is set before adjusting the inert gas mixing ratio, which tends to cause a negative voltage due to unstable voltage. By adjusting the above, the fluctuation range of the voltage when adjusting the inert gas mixing ratio can be narrowed, so that it is possible to maintain the cell voltage during aging at a low voltage while suppressing damage to the cell 1. Therefore, aging can be carried out in a short time, and productivity can be improved.

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…固体高分子型燃料電池(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 assembly (MEA), 5 ... electrolyte membrane, 6 ... electrode (anode, cathode), 7 ... gas diffusion layer, 10 ... solid Polymer fuel cell (fuel cell stack), 11, 12 ... gas piping, 13 ... cooling water piping, 21, 22 ... gas flow path, 23 ... space through which water flows

Claims (1)

電解質膜の両側に一対の電極が配設される膜電極接合体とセパレータとを有する固体高分子型燃料電池をエージングするための固体高分子型燃料電池のエージング方法であって、
負荷電流値を所定値まで上昇させる第一工程と、
前記第一工程の後に、カソード燃料のストイキ比を所定比率まで変化させる第二工程と、
前記第二工程の後に、前記カソード燃料への不活性ガス混合量を所定量まで上昇させる第三工程と、を含むことを特徴とする固体高分子型燃料電池のエージング方法。
An aging method for a polymer electrolyte fuel cell for aging a polymer electrolyte fuel cell having a membrane electrode assembly and a separator in which a pair of electrodes are arranged on both sides of an electrolyte membrane.
The first step to raise the load current value to a predetermined value,
After the first step, a second step of changing the stoichiometric ratio of the cathode fuel to a predetermined ratio, and
A method for aging a polymer electrolyte fuel cell, comprising: after the second step, a third step of increasing the amount of the inert gas mixed with the cathode fuel to a predetermined amount.
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