JP2007335268A - Fuel cell system and operation method of fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池システム及び燃料電池の運転方法に関する。 The present invention relates to a fuel cell system and a fuel cell operating method.
燃料電池は、電気的に接続された2つの電極に燃料と酸化剤を供給し、電気化学的に燃料の酸化を起こさせることで、化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する。火力発電とは異なり、燃料電池はカルノーサイクルの制約を受けないので、高いエネルギー変換効率を示す。燃料電池は、通常、電解質膜を一対の電極で挟持した膜・電極接合体を基本構造とする単セルを複数積層して構成されている。中でも、電解質膜として固体高分子電解質膜を用いた固体高分子電解質型燃料電池は、小型化が容易であること、低い温度で作動すること、などの利点があることから、特に携帯用、移動体用電源として注目されている。 A fuel cell directly converts chemical energy into electrical energy by supplying fuel and an oxidant to two electrically connected electrodes and causing the fuel to be oxidized electrochemically. Unlike thermal power generation, fuel cells are not subject to the Carnot cycle, and thus exhibit high energy conversion efficiency. A fuel cell is usually formed by laminating a plurality of single cells having a basic structure of a membrane / electrode assembly in which an electrolyte membrane is sandwiched between a pair of electrodes. Among them, a solid polymer electrolyte fuel cell using a solid polymer electrolyte membrane as an electrolyte membrane has advantages such as easy miniaturization and operation at a low temperature. It is attracting attention as a power source for the body.
水素を燃料、酸素を酸化剤とする固体高分子電解質型燃料電池において、通常発電時、燃料極(アノード)では(1)式の反応が進行する。
2H2 → 4H+ + 4e− ・・・(1)
(1)式で生じる電子は、外部回路を経由し、外部の負荷で仕事をした後、酸化剤極(カソード)に到達する。そして、(1)式で生じたプロトンは、水と水和した状態で、固体高分子電解質膜内を燃料極から酸化剤極側に移動する。
In a solid polymer electrolyte fuel cell using hydrogen as a fuel and oxygen as an oxidant, the reaction of formula (1) proceeds at the fuel electrode (anode) during normal power generation.
2H 2 → 4H + + 4e − (1)
The electrons generated by the equation (1) reach the oxidant electrode (cathode) after working with an external load via an external circuit. The proton generated in the formula (1) moves from the fuel electrode to the oxidant electrode side in the solid polymer electrolyte membrane in a hydrated state with water.
一方、酸化剤極では(2)式の反応が進行する。
4H+ + O2 + 4e− → 2H2O ・・・(2)
すなわち、電池全体としては、
2H2 + O2 → 2H2O・・・・(3)
の反応が進行し、発電する。
On the other hand, the reaction of the formula (2) proceeds at the oxidant electrode.
4H + + O 2 + 4e − → 2H 2 O (2)
That is, as a whole battery,
2H 2 + O 2 → 2H 2 O (3)
The reaction proceeds to generate electricity.
しかしながら、燃料極において、何らかの原因、例えば、ガス流路の閉塞やフラッディング等により、水素等の燃料が欠乏する状態(以下、燃料欠という)が発生すると、電池特性が低下することが知られている。燃料の供給状態に異常が生じ、燃料欠が発生した単セルでは、燃料の酸化により生成するプロトンと電子が不足する。この不足したプロトンと電子を補給するため、当該単セルでは、燃料極に存在する水分、或いは、電解質膜や酸化剤極が保持している水分の電気分解(H2O → 2H+ + 2e− + 1/2O2)が進行する。このとき、当該単セルの燃料極の電位は、水の電気分解電位まで上昇し、その結果、燃料極(アノード)と酸化剤極(カソード)の電位が逆転する逆電位状態となる。 However, it is known that if the fuel electrode is deficient in fuel such as hydrogen (hereinafter referred to as fuel shortage) due to some cause, for example, gas channel blockage or flooding, the battery characteristics will deteriorate. Yes. In a single cell in which an abnormality occurs in the fuel supply state and fuel shortage occurs, protons and electrons generated by fuel oxidation are insufficient. In order to replenish these deficient protons and electrons, in the single cell, the water present in the fuel electrode or the water electrolysis of the electrolyte membrane and the oxidant electrode (H 2 O → 2H + + 2e − + 1 / 2O 2 ) proceeds. At this time, the potential of the fuel electrode of the single cell rises to the electrolysis potential of water, and as a result, the potential of the fuel electrode (anode) and the oxidant electrode (cathode) is reversed.
燃料極における水の電気分解によって、プロトンと電子を十分に補給することができている間は、燃料極の電位は安定しているが、水の電気分解だけではプロトンと電子が十分に確保されない場合、さらに燃料極の電位が上昇し、電極を構成している炭素材料(例えば、電極触媒を担持している炭素粒子など)の酸化反応(C + 2H2O → CO2 + 4H+ + 4e−)が進行し、電子とプロトンを補給する。この炭素材料の酸化腐食は、炭素材料の表面を酸化被膜が覆い、ひいては、炭素材料を分解、消失させる。 While the electrolysis of water in the fuel electrode can sufficiently supply protons and electrons, the potential of the fuel electrode is stable, but the electrolysis of water alone does not secure enough protons and electrons. In this case, the potential of the fuel electrode further increases, and the oxidation reaction (C + 2H 2 O → CO 2 + 4H + + 4e) of the carbon material constituting the electrode (for example, carbon particles supporting the electrode catalyst). - ) Progresses and replenishes electrons and protons. In this oxidative corrosion of the carbon material, the surface of the carbon material is covered with an oxide film, and as a result, the carbon material is decomposed and lost.
導電性材料である炭素材料の表面酸化や消失等は、セルの導電性を低下させ、接触不良による抵抗増大を生じさせる。また、撥水性材料である炭素材料の表面酸化や消失等は、セルの撥水性を低下させ、反応ガスの供給を阻害するフラッディングを発生しやすくする。また、電極触媒を担持している炭素材料の分解や消失によって、電極触媒が欠落又は移動し、有効な触媒表面積が減少する。このように炭素材料の酸化腐食により、燃料電池の発電性能は大きく低下し、安定した発電性能を発現することができなくなる。 Surface oxidation or disappearance of the carbon material, which is a conductive material, lowers the conductivity of the cell and causes an increase in resistance due to poor contact. In addition, the surface oxidation or disappearance of the carbon material, which is a water repellent material, reduces the water repellency of the cell and easily causes flooding that hinders the supply of the reaction gas. In addition, due to decomposition or disappearance of the carbon material carrying the electrode catalyst, the electrode catalyst is lost or moved, and the effective catalyst surface area is reduced. Thus, due to the oxidative corrosion of the carbon material, the power generation performance of the fuel cell is greatly reduced, and stable power generation performance cannot be expressed.
以上のような燃料極における炭素材料の酸化は、不可逆的な反応であるため、燃料欠が解消されても、燃料電池の性能は燃料欠前の状態に復活しない。このような燃料欠状態に起因する問題を解決するための技術としては、例えば、特許文献1や特許文献2に記載のものが挙げられる。
特許文献1には、電圧反転に対して改良された耐性を有する燃料電池において用いられるアノードであって、該アノードは、該アノード向けの燃料を電気化学的に酸化させるための第一の触媒組成物と、水から酸素を発生させるための第二の触媒組成物とを備えるアノードが開示されている。
Since the oxidation of the carbon material at the fuel electrode as described above is an irreversible reaction, the performance of the fuel cell does not return to the state before the fuel shortage even if the fuel shortage is eliminated. Examples of a technique for solving the problem caused by such a fuel shortage state include those described in
また、特許文献2には、拡散層を経て導入された燃料を酸化する燃料電池反応を進行させる高分子固体電解質形燃料電池の燃料極において、高分子固体電解質膜に接し、前記燃料電池反応を進行させる少なくとも1層の反応層と、前記拡散層に接し、燃料極中の水を電気分解する少なくとも1層の水分解層と、からなることを特徴とする高分子固体電解質形燃料電池の燃料極が開示されている。
特許文献1や特許文献2に記載の技術は、電極に水電解触媒を含有させて、燃料欠時に電極内での水の電気分解を促進することによって、炭素材料の酸化腐食を抑制しようとするものである。
The techniques described in
燃料欠状態が解消された後には、さらに、燃料極内の電極触媒表面や電極触媒を担持する導電性粒子表面等に残留する酸化物や水によって、発電性能が低下するという問題もある。燃料欠状態における燃料極の電位上昇(例えば、1.5〜1.7V)によって、燃料極は強い酸化雰囲気にさらされ、燃料極内の電極触媒表面や電極触媒を担持する導電性粒子の表面で酸化物が生成される。電極触媒表面での酸化物の生成は、電極触媒の活性を低下させ、また、電極触媒の担体である導電性粒子表面での酸化物の生成は、導電性粒子の導電性を低下させる。
さらに、燃料極が高電位状態に晒されると、電極触媒や導電性粒子の表面にカルボキシ基やキノン基等の親水性基が生じるため、電極触媒や導電性粒子の親水性が高くなる。その結果、燃料極内の電極触媒や導電性粒子の表面に水が強く吸着した状態となり、電極触媒への反応ガスの供給が妨げられ、発電性能の低下を招く。
After the fuel shortage state is eliminated, there is another problem that the power generation performance is lowered due to oxides or water remaining on the surface of the electrode catalyst in the fuel electrode, the surface of the conductive particles carrying the electrode catalyst, or the like. The fuel electrode is exposed to a strong oxidizing atmosphere due to an increase in the potential of the fuel electrode in the absence of fuel (for example, 1.5 to 1.7 V), and the surface of the electrode catalyst in the fuel electrode and the surface of the conductive particles carrying the electrode catalyst. As a result, an oxide is formed. Formation of an oxide on the surface of the electrode catalyst decreases the activity of the electrode catalyst, and generation of an oxide on the surface of the conductive particles that are the support of the electrode catalyst decreases the conductivity of the conductive particles.
Further, when the fuel electrode is exposed to a high potential state, hydrophilic groups such as a carboxy group and a quinone group are generated on the surfaces of the electrode catalyst and the conductive particles, so that the hydrophilicity of the electrode catalyst and the conductive particles is increased. As a result, water is strongly adsorbed on the surface of the electrode catalyst and conductive particles in the fuel electrode, and the supply of the reaction gas to the electrode catalyst is hindered, resulting in a decrease in power generation performance.
特許文献1や特許文献2のように燃料極に水電解触媒を配置すれば、炭素材料の酸化腐食を抑制することは可能であるが、上記のような電極触媒や導電性粒子表面での酸化物生成や水の吸着を防ぐことは困難であり、これらに起因する発電性能の低下を防止することができない。
If a water electrocatalyst is arranged on the fuel electrode as in
燃料電池内の水分を除去することが可能な燃料電池システムとして、特許文献3には、燃料極に供給される水素と酸化剤極に供給される酸素とを電気化学反応させて発電を行う固体高分子電解質型の燃料電池を備える燃料電池システムであって、前記燃料電池に電力を供給可能な電源装置を備え、前記燃料電池の発電運転停止後、前記電源装置から前記燃料電池に、前記酸化剤極側が前記燃料極側よりも高い電位になるように電圧を印加することを特徴とする燃料電池システムが開示されている。
特許文献3の燃料電池システムは、燃料電池停止時において電極内に残留する水分が凍結し、電池の再起動ができなくなるという問題を解決しようとするものである。しかしながら、特許文献3の燃料電池システムでは、電極内の水分を除去するのに充分な電圧を印加すると、燃料電池を構成する材料に悪影響を与える恐れがある。また、この燃料電池システムは、発電運転停止後において電極内の水を除去するものであり、燃料欠状態が解消された後の運転時に電極内の水を除去することや酸化物を除去することについては考慮されていない。
As a fuel cell system capable of removing moisture in the fuel cell,
The fuel cell system of
本発明は、上記実情を鑑みて成し遂げられたものであり、燃料欠状態での運転後、燃料極内に残留した水分や酸化物に起因する燃料電池の発電性能低下を抑制することを目的とするものである。 The present invention has been accomplished in view of the above circumstances, and aims to suppress a decrease in power generation performance of a fuel cell due to moisture and oxide remaining in the fuel electrode after operation in a fuel-deficient state. To do.
本発明の燃料電池システムは、電解質膜の一面側に設けられた燃料極に供給される燃料と、前記電解質膜の他面側に設けられた酸化剤極に供給される酸化剤と、を反応させて発電を行う燃料電池単セルを備える燃料電池システムであって、前記燃料電池単セルの少なくとも1つにおいて、燃料電池運転中、前記燃料が欠乏した状態から該燃料の供給が復帰する際に、該燃料電池単セルの前記燃料極で水素(H2)を発生させる手段を備えることを特徴とする。 The fuel cell system of the present invention reacts a fuel supplied to a fuel electrode provided on one side of an electrolyte membrane and an oxidant supplied to an oxidant electrode provided on the other side of the electrolyte membrane. A fuel cell system comprising a fuel cell unit cell for generating power, wherein at least one of the fuel cell unit cells returns when the fuel supply is restored from the fuel-deficient state during fuel cell operation. And a means for generating hydrogen (H 2 ) at the fuel electrode of the single fuel cell.
本発明の燃料電池システムは、燃料欠状態の運転の際に燃料極内に含有される電極触媒や該電極触媒を担持する触媒担体等の表面に生じた酸化物を、燃料欠状態での運転後、燃料極において水素を発生させることによって還元することができる。そのため、前記酸化物による触媒活性の低下や燃料極の導電性低下等を抑制することができる。
また、発生した水素ガスの還元作用により、電極触媒表面や触媒担体表面にて生じた親水性基が除去されるため、燃料極の親水性が低下し、水の吸着を抑制することができる。 さらには、燃料極にて水素を発生させることによって、単に燃料極に水素ガスを流通させる場合とは異なり、酸化物や水が水素ガスによって物理的に除去されるという効果もある。
In the fuel cell system of the present invention, the oxide generated on the surface of the electrode catalyst contained in the fuel electrode or the catalyst carrier supporting the electrode catalyst during the operation in the fuel shortage state is operated in the fuel shortage state. Thereafter, it can be reduced by generating hydrogen at the fuel electrode. Therefore, it is possible to suppress a decrease in catalyst activity due to the oxide, a decrease in conductivity of the fuel electrode, and the like.
Further, since the hydrophilic group generated on the surface of the electrode catalyst or the catalyst carrier is removed by the reducing action of the generated hydrogen gas, the hydrophilicity of the fuel electrode is lowered and water adsorption can be suppressed. Furthermore, by generating hydrogen at the fuel electrode, there is an effect that oxides and water are physically removed by hydrogen gas, unlike when hydrogen gas is simply circulated through the fuel electrode.
本発明の燃料電池システムの具体的な構成としては、前記酸化剤極に含有された水電解触媒と、前記燃料電池単セルの少なくとも1つにおいて、燃料電池運転中、前記燃料が欠乏した状態から該燃料の供給が復帰する際に、(1)前記酸化剤極内の水分量を制御する水供給手段と、(2)前記酸化剤極において水の電気分解が進行するように、該酸化剤極と前記燃料極との間に電圧を印加する電圧印加手段と、を備える第一の燃料電池システムが挙げられる。 As a specific configuration of the fuel cell system of the present invention, at least one of the water electrocatalyst contained in the oxidizer electrode and the single fuel cell cell is in a state where the fuel is deficient during the fuel cell operation. When the fuel supply returns, (1) water supply means for controlling the amount of water in the oxidant electrode, and (2) the oxidant so that water electrolysis proceeds in the oxidant electrode. There is a first fuel cell system provided with a voltage applying means for applying a voltage between the electrode and the fuel electrode.
第一の燃料電池システムでは、前記水電解触媒と電圧印加手段による電圧制御によって、酸化剤極において水の電気分解が進行し、生成したプロトンが電解質膜を通って燃料極へと移動する。そして、燃料極において、該プロトンと、上記酸化剤極における水の電気分解によって生成し、燃料極へと移動してきた電子とから、水素ガスが生成される。
第一の燃料電池システムにおいて、前記電圧印加手段により前記酸化剤極と前記燃料極との間に印加される電圧としては、+1.4〜+2.0V程度でよい。また、前記酸化剤極に含有される前記水電解触媒としては、IrO2、RuO2、Pt、TiO2、及びこれら2種以上を含む固溶体から選ばれる少なくとも1種が挙げられる。
In the first fuel cell system, electrolysis of water proceeds at the oxidizer electrode by voltage control by the water electrolysis catalyst and voltage applying means, and the generated protons move through the electrolyte membrane to the fuel electrode. In the fuel electrode, hydrogen gas is generated from the protons and electrons generated by electrolysis of water in the oxidant electrode and transferred to the fuel electrode.
In the first fuel cell system, the voltage applied between the oxidant electrode and the fuel electrode by the voltage applying means may be about +1.4 to + 2.0V. The water electrocatalyst contained in the oxidizer electrode includes at least one selected from IrO 2 , RuO 2 , Pt, TiO 2 , and a solid solution containing two or more of these.
本発明にかかる燃料電池システムの他の構成としては、前記燃料電池単セルの少なくとも1つにおいて、燃料電池運転中、前記燃料が欠乏した状態から該燃料の供給が復帰する際に、(1)前記酸化剤極に水素ガスを供給する手段と、(2)前記酸化剤極において水素の酸化反応(プロトン化反応)が進行するように、該酸化剤極と前記燃料極との間に電圧を印加する電圧印加手段と、を備える第二の燃料電池システムが挙げられる。 As another configuration of the fuel cell system according to the present invention, when at least one of the fuel cell single cells returns to the supply of the fuel from the fuel deficient state during the fuel cell operation, (1) Means for supplying hydrogen gas to the oxidant electrode; and (2) a voltage is applied between the oxidant electrode and the fuel electrode so that a hydrogen oxidation reaction (protonation reaction) proceeds in the oxidant electrode. And a voltage applying means for applying the second fuel cell system.
第二の燃料電池システムでは、酸化剤極に供給された水素ガスが、電圧印加手段による電圧制御によって酸化される。そして、生成したプロトンと電子が燃料極へと移動し、燃料極において水素ガスが生成する。
第二の燃料電池システムにおいて、前記電圧印加手段により前記酸化剤極と前記燃料極との間に印加される電圧は、−0.2〜+0.1V(但し、0Vは除く)程度でよい。
In the second fuel cell system, the hydrogen gas supplied to the oxidant electrode is oxidized by voltage control by the voltage application means. Then, the generated protons and electrons move to the fuel electrode, and hydrogen gas is generated at the fuel electrode.
In the second fuel cell system, the voltage applied between the oxidant electrode and the fuel electrode by the voltage applying means may be about −0.2 to +0.1 V (excluding 0 V).
さらに、本発明にかかる燃料電池システムの他の構成としては、前記燃料電池単セルの少なくとも1つにおいて、燃料電池運転中、前記燃料が欠乏した状態から該燃料の供給が復帰する際に、(1)前記酸化剤極に水素ガスを供給する手段と、(2)前記燃料極に不活性ガスを供給する手段と、(3)前記酸化剤極において水素の酸化反応(プロトン化反応)が進行するように、前記酸化剤極と前記燃料極とを電気的に接続して短絡させる短絡手段と、を備える第三の燃料電池システムが挙げられる。 Furthermore, as another configuration of the fuel cell system according to the present invention, when at least one of the fuel cell single cells returns from the state where the fuel is deficient during the fuel cell operation, 1) means for supplying hydrogen gas to the oxidant electrode; (2) means for supplying inert gas to the fuel electrode; and (3) a hydrogen oxidation reaction (protonation reaction) proceeds at the oxidant electrode. As described above, there is a third fuel cell system including short-circuit means for electrically connecting and short-circuiting the oxidant electrode and the fuel electrode.
第三の燃料電池システムにおいては、まず、燃料極に不活性ガスを供給することにより燃料極における水素ガス濃度を低下させ、且つ、酸化剤極に水素ガスを供給することで、電解質膜を挟んだ燃料極と酸化剤極との間に水素ガス濃度差が形成される。このとき、これら酸化剤極と燃料極とを電気的に接続して短絡させることによって、酸化剤極にて水素がプロトンと電子に分解する酸化反応が生じる。そして、この酸化剤極における水素の坂反応により生成したプロトンと電子が燃料極に移動し、燃料極で反応して水素ガスが発生する。 In the third fuel cell system, first, the inert gas is supplied to the fuel electrode to lower the hydrogen gas concentration in the fuel electrode, and the hydrogen gas is supplied to the oxidant electrode to sandwich the electrolyte membrane. A hydrogen gas concentration difference is formed between the fuel electrode and the oxidant electrode. At this time, the oxidant electrode and the fuel electrode are electrically connected and short-circuited to cause an oxidation reaction in which hydrogen is decomposed into protons and electrons at the oxidant electrode. Then, protons and electrons generated by the hydrogen slope reaction at the oxidant electrode move to the fuel electrode, and react with each other at the fuel electrode to generate hydrogen gas.
本発明の燃料電池システムにおいて、前記燃料極は、水の電気分解に対して触媒活性を有する水電解触媒を含有することが好ましい。燃料極に水電解触媒を含有させることによって、燃料欠時の燃料極における水の電気分解が促進され、水の電気分解により補給されるプロトンと電子が増加するため、触媒担体等の炭素材料の酸化腐食を抑制することが可能である。 In the fuel cell system of the present invention, the fuel electrode preferably contains a water electrocatalyst having catalytic activity for water electrolysis. By including a water electrocatalyst in the fuel electrode, the electrolysis of water at the fuel electrode when fuel runs out is promoted, and protons and electrons replenished by water electrolysis increase, so that the carbon material such as the catalyst carrier It is possible to suppress oxidative corrosion.
本発明の燃料電池の運転方法は、電解質膜の一面側に設けられた燃料極に供給される燃料と、前記電解質膜の他面側に設けられた酸化剤極に供給される酸化剤と、を反応させて発電を行う燃料電池単セルを備える燃料電池において、前記燃料電池単セルの少なくとも1つにおいて、燃料電池運転中、前記燃料が欠乏した状態から該燃料の供給が復帰する際に、該燃料電池単セルの前記燃料極で水素(H2)を発生させることを特徴とするものである。 The fuel cell operating method of the present invention includes a fuel supplied to a fuel electrode provided on one side of an electrolyte membrane, an oxidant supplied to an oxidant electrode provided on the other side of the electrolyte membrane, In a fuel cell comprising a fuel cell single cell that generates electricity by reacting with the fuel cell, when at least one of the fuel cell single cells is in operation of the fuel cell, when the supply of the fuel is restored from the fuel-deficient state, Hydrogen (H 2 ) is generated at the fuel electrode of the single fuel cell.
本発明にかかる燃料電池の運転方法の具体的一態様としては、前記酸化剤極に水の電気分解に対して触媒活性を有する水電解触媒を含有させ、前記燃料電池単セルの少なくとも1つにおいて、燃料電池運転中、前記燃料が欠乏した状態から該燃料の供給が復帰する際に、該酸化剤極内に存在する水の電気分解が進行するように、該酸化剤極と前記燃料極との間に電圧を印加する運転方法が挙げられる。
前記電圧印加手段により前記酸化剤極と前記燃料極との間に印加される電圧は、+1.4〜+2.0V程度でよい。また、前記水電解触媒としては、IrO2、RuO2、Pt、TiO2、及びこれら2種以上を含む固溶体から選ばれる少なくとも1種が挙げられる。
As a specific aspect of the method for operating a fuel cell according to the present invention, the oxidant electrode contains a water electrocatalyst having catalytic activity for water electrolysis, and at least one of the fuel cell single cells. The oxidant electrode and the fuel electrode so that the electrolysis of water present in the oxidant electrode proceeds when the fuel supply is restored from the fuel-deficient state during fuel cell operation. An operation method in which a voltage is applied between the two is mentioned.
The voltage applied between the oxidant electrode and the fuel electrode by the voltage applying means may be about +1.4 to + 2.0V. Examples of the water electrocatalyst include at least one selected from IrO 2 , RuO 2 , Pt, TiO 2 , and solid solutions containing two or more of these.
また、本発明にかかる燃料電池の運転方法の別態様としては、前記燃料電池単セルの少なくとも1つにおいて、燃料電池運転中、前記燃料が欠乏した状態から該燃料の供給が復帰する際に、前記酸化剤極に水素ガスを供給し、且つ、前記酸化剤極において水素の酸化反応(プロトン化反応)が進行するように、該酸化剤極と前記燃料極との間に電圧を印加する運転方法が挙げられる。
前記電圧印加手段により前記酸化剤極と前記燃料極との間に印加される電圧は、−0.2〜+0.1V(但し、0Vは除く)程度でよい。
Further, as another aspect of the method of operating the fuel cell according to the present invention, in at least one of the fuel cell single cells, when the fuel supply is restored from the fuel deficient state during the fuel cell operation, An operation in which a hydrogen gas is supplied to the oxidant electrode and a voltage is applied between the oxidant electrode and the fuel electrode so that a hydrogen oxidation reaction (protonation reaction) proceeds in the oxidant electrode. A method is mentioned.
The voltage applied between the oxidant electrode and the fuel electrode by the voltage applying means may be about −0.2 to +0.1 V (excluding 0 V).
さらに、本発明にかかる燃料電池の運転方法の別態様としては、前記燃料電池単セルの少なくとも1つにおいて、燃料電池運転中、前記燃料が欠乏した状態から該燃料の供給が復帰する際に、前記酸化剤極には水素ガスを供給し、前記燃料極には不活性ガスを供給し、且つ、前記酸化剤極と前記燃料極とを電気的に接続して短絡させる運転方法が挙げられる。 Furthermore, as another aspect of the method of operating the fuel cell according to the present invention, in at least one of the fuel cell single cells, when the supply of the fuel returns from the fuel-deficient state during the fuel cell operation, There is an operation method in which hydrogen gas is supplied to the oxidant electrode, an inert gas is supplied to the fuel electrode, and the oxidant electrode and the fuel electrode are electrically connected and short-circuited.
本発明の燃料電池の運転方法においては、前記燃料極が、水の電気分解に対して触媒活性を有する水電解触媒を含有することが好ましい。 In the fuel cell operation method of the present invention, the fuel electrode preferably contains a water electrocatalyst having catalytic activity for water electrolysis.
本発明の燃料電池システム及び燃料電池の運転方法は、燃料欠運転後、燃料極内に残留し、燃料極におけるガス拡散性や導電性、電極触媒の触媒活性を低下させる原因となる水分や酸化物を除去することが可能である。従って、本発明の燃料電池システム及び燃料電池の運転方法によれば、燃料欠状態での運転後においても、発電性能を保持することができる。 The fuel cell system and the fuel cell operation method of the present invention is a fuel cell system and a fuel cell operation method that remain in the fuel electrode after a fuel shortage operation and cause moisture or oxidation to cause a decrease in gas diffusibility and conductivity in the fuel electrode and catalytic activity of the electrode catalyst. Things can be removed. Therefore, according to the fuel cell system and the fuel cell operation method of the present invention, the power generation performance can be maintained even after the operation in the fuel-deficient state.
本発明の燃料電池システムは、電解質膜の一面側に設けられた燃料極に供給される燃料と、前記電解質膜の他面側に設けられた酸化剤極に供給される酸化剤と、を反応させて発電を行う燃料電池単セルを備える燃料電池システムであって、前記燃料電池単セルの少なくとも1つにおいて、燃料電池運転中、前記燃料が欠乏した状態から該燃料の供給が復帰する際に、該燃料電池単セルの前記燃料極で水素(H2)を発生させる手段を備えることを特徴とするものである。 The fuel cell system of the present invention reacts a fuel supplied to a fuel electrode provided on one side of an electrolyte membrane and an oxidant supplied to an oxidant electrode provided on the other side of the electrolyte membrane. A fuel cell system comprising a fuel cell unit cell for generating power, wherein at least one of the fuel cell unit cells returns when the fuel supply is restored from the fuel-deficient state during fuel cell operation. A means for generating hydrogen (H 2 ) at the fuel electrode of the fuel cell single cell is provided.
以下、図1〜図7を用いて、本発明の燃料電池システム及び燃料電池の運転方法について説明する。図1は、本発明の燃料電池システムに備えられる又は本発明の燃料電池の運転方法を適用することができる燃料電池単セルの一形態例を示す図である。 Hereinafter, the fuel cell system and the fuel cell operating method of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a diagram showing an embodiment of a fuel cell single cell that is provided in the fuel cell system of the present invention or to which the fuel cell operating method of the present invention can be applied.
図1において、燃料電池単セル(以下、単に単セルということがある)100は、電解質膜1の一方の面に燃料極(本実施形態においてはアノード)2、他方の面に酸化剤極(本実施形態においてはカソード)3が設けられた膜・電極接合体6を備えている。本実施形態において、燃料極2及び酸化剤極3は、それぞれ電解質膜側から順に、燃料極側触媒層4aと燃料極側ガス拡散層5a、酸化剤極側触媒層4bと酸化剤極側ガス拡散層5bとが積層した構造を有している。
各電極(燃料極、酸化剤極)の触媒層4a、4bは、電極反応に対して触媒活性を有する電極触媒(図示せず)が含有されており、電極反応の場となる。ガス拡散層5a、5bは、触媒層4への反応ガスの拡散性を高めるためのものである。
尚、本発明において、各電極の構造は、図1に示すものに限定されず、触媒層のみからなる構造でも、触媒層とガス拡散層以外の層を備える構造でもよい。
In FIG. 1, a fuel cell single cell (hereinafter sometimes simply referred to as a single cell) 100 includes a fuel electrode (an anode in this embodiment) 2 on one surface of an
The catalyst layers 4a and 4b of each electrode (fuel electrode and oxidant electrode) contain an electrode catalyst (not shown) having catalytic activity for the electrode reaction, and serve as an electrode reaction field. The
In the present invention, the structure of each electrode is not limited to that shown in FIG. 1, and may be a structure including only a catalyst layer or a structure including layers other than the catalyst layer and the gas diffusion layer.
膜・電極接合体6は、燃料極側セパレータ7a及び酸化剤極側セパレータ7bで挟持され、燃料電池単セル100を構成している。セパレータ7は、各電極2,3に反応ガス(燃料ガス、酸化剤ガス)を供給する流路8(8a、8b)を画成し、各単セル間をガスシールすると共に、集電体としても機能するものである。燃料極2には、流路8aから燃料ガス(水素を含む又は水素を発生させるガス。通常、水素ガス)が供給され、酸化剤極3には、流路8bから酸化剤ガス(酸素を含む又は酸素を発生させるガス。通常は空気。)が供給される。これら燃料と酸化剤との反応により、燃料電池は発電を行う。尚、燃料及び酸化剤は、ガスに限定されるものではなく、液状であってもよい。
燃料電池単セル100は、通常、複数積層されスタックとして燃料電池内に組み込まれる。
The membrane /
The fuel
電解質膜としては、一般的な燃料電池に用いられているものを使用することができ、例えば、ナフィオン(商品名、デュポン社製)、フレミオン(商品名、旭硝子社製)、アシプレックス(商品名、旭化成社製)等のパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂に代表されるフッ素系電解質樹脂膜や、ポリエーテルスルホン、ポリイミド、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリフェニレン等の炭化水素系樹脂に、スルホン酸基、ボロン酸基、ホスホン酸基、水酸基、カルボキシル基等のプロトン伝導性基を導入した炭化水素系高分子電解質膜等の電解質樹脂膜、ポリベンゾイミダゾール、ポリピリミジン、ポリベンゾオキサゾールなどの塩基性高分子に強酸をドープした塩基性高分子と強酸との複合電解質膜等が挙げられる。電解質膜の膜厚は特に限定されないが、通常、10〜100μm程度でよい。 As the electrolyte membrane, those used in general fuel cells can be used. For example, Nafion (trade name, manufactured by DuPont), Flemion (trade name, manufactured by Asahi Glass), Aciplex (trade name) (Manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.) and other fluorinated electrolyte resin membranes represented by perfluorocarbon sulfonic acid resins, and hydrocarbon resins such as polyethersulfone, polyimide, polyetherketone, polyetheretherketone, and polyphenylene. , Boronic acid groups, phosphonic acid groups, hydroxyl resin groups, electrolyte polymer membranes such as hydrocarbon polymer electrolyte membranes introduced with proton conductive groups, polybenzimidazole, polypyrimidine, polybenzoxazole, etc. Examples include a composite electrolyte membrane of a basic polymer in which a molecule is doped with a strong acid and a strong acid. Although the thickness of the electrolyte membrane is not particularly limited, it is usually about 10 to 100 μm.
電極を構成するガス拡散層は、触媒層に効率良くガスを供給することができるガス拡散性、導電性、及びガス拡散層を構成する材料として要求される強度を有するもの、例えば、カーボンペーパー、カーボンクロス、カーボンフェルト等の炭素質多孔質体や、チタン、アルミニウム、銅、ニッケル、ニッケル−クロム合金、銅及びその合金、銀、アルミ合金、亜鉛合金、鉛合金、チタン、ニオブ、タンタル、鉄、ステンレス、金、白金等の金属から構成される金属メッシュ又は金属多孔質体等の導電性多孔質体からなるガス拡散層シートを用いて形成することができる。導電性多孔質体の厚さは、50〜300μm程度であることが好ましい。 The gas diffusion layer that constitutes the electrode has gas diffusibility and conductivity that can efficiently supply gas to the catalyst layer, and has the strength required as a material constituting the gas diffusion layer, such as carbon paper, Carbon porous materials such as carbon cloth, carbon felt, titanium, aluminum, copper, nickel, nickel-chromium alloy, copper and its alloys, silver, aluminum alloy, zinc alloy, lead alloy, titanium, niobium, tantalum, iron Further, it can be formed using a gas diffusion layer sheet made of a conductive porous material such as a metal mesh made of metal such as stainless steel, gold or platinum, or a metal porous material. The thickness of the conductive porous body is preferably about 50 to 300 μm.
ガス拡散層シートは、上記したような導電性多孔質体の単層からなるものであってもよいが、触媒層に面する側に撥水層を設けることもできる。撥水層は、通常、炭素粒子や炭素繊維等の導電性粉粒体、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等の撥水性樹脂等を含む多孔質構造を有するものである。撥水層を導電性多孔質体上に形成する方法は特に限定されず、例えば、炭素粒子等の導電性粉粒体と撥水性樹脂、及び必要に応じてその他の成分を、エタノール、プロパノール、プロピレングリコール等の有機溶剤、水又はこれらの混合物等の溶剤と混合した撥水層インクを、導電性多孔質体の少なくとも触媒層に面する側に塗布し、その後、乾燥及び/又は焼成すればよい。また、導電性多孔質体は、触媒層と面する側に、ポリテトラフルオロエチレン等の撥水性樹脂をバーコーター等によって含浸塗布することによって、触媒層内の水分がガス拡散層の外へ効率良く排出されるように加工してもよい。 The gas diffusion layer sheet may be composed of a single layer of the conductive porous body as described above, but a water repellent layer may be provided on the side facing the catalyst layer. The water-repellent layer usually has a porous structure containing conductive particles such as carbon particles and carbon fibers, water-repellent resin such as polytetrafluoroethylene (PTFE), and the like. The method for forming the water-repellent layer on the conductive porous body is not particularly limited. For example, conductive particles such as carbon particles, a water-repellent resin, and other components as necessary, ethanol, propanol, A water-repellent layer ink mixed with an organic solvent such as propylene glycol, water or a solvent such as a mixture thereof is applied to at least the side facing the catalyst layer of the conductive porous body, and then dried and / or baked. Good. In addition, the conductive porous body is formed by impregnating and applying a water-repellent resin such as polytetrafluoroethylene to the side facing the catalyst layer with a bar coater or the like, so that the moisture in the catalyst layer is efficiently removed from the gas diffusion layer. You may process so that it may be discharged well.
触媒層は、通常、電極反応に対して触媒活性を有する電極触媒の他、電解質樹脂が含有される。電極触媒としては、電極反応に対して触媒活性を有するものであれば特に限定されず、電極触媒として一般的に用いられているものを用いることができる。通常は、白金、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、パラジウム、オスニウム、タングステン、鉛、鉄、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウム等の金属、又はそれらの合金等が挙げられる。好ましくは、白金、及び白金−ルテニウム合金等の白金合金である。電極触媒の使用量は、電極の単位面積当たり0.01〜10mg/cm2、特に0.01〜1mg/cm2とすることが好ましい。 The catalyst layer usually contains an electrolyte resin in addition to the electrode catalyst having catalytic activity for the electrode reaction. The electrode catalyst is not particularly limited as long as it has catalytic activity for the electrode reaction, and those generally used as electrode catalysts can be used. Usually, metals such as platinum, ruthenium, iridium, rhodium, palladium, osnium, tungsten, lead, iron, chromium, cobalt, nickel, manganese, vanadium, molybdenum, gallium, and aluminum, or alloys thereof can be used. Preferred are platinum alloys such as platinum and platinum-ruthenium alloys. The amount of the electrode catalyst per unit area 0.01 to 10 mg / cm 2 of electrode, particularly preferably a 0.01 to 1 mg / cm 2.
電極触媒は、該電極触媒での電極反応における電子の授受がスムーズに行われるように、また、電極内における電極触媒の分散性を確保するために、通常、実表面積が大きい導電性粒子に担持される。導電性粒子としては、グラファイト化カーボン等の炭素粒子や、酸化チタン(TiO2)、金属炭化物等の金属粒子等が挙げられる。導電性粒子は、球状に限定されず、繊維状のようなアスペクト比が比較的大きな形状のものも含まれる。 Electrocatalysts are usually supported on conductive particles with a large actual surface area so that electrons can be exchanged smoothly in electrode reactions with the electrode catalyst and to ensure dispersibility of the electrode catalyst in the electrode. Is done. Examples of the conductive particles include carbon particles such as graphitized carbon, and metal particles such as titanium oxide (TiO 2 ) and metal carbide. The conductive particles are not limited to spherical shapes, and include particles having a relatively large aspect ratio such as a fibrous shape.
電解質樹脂としては、特に限定されず、固体高分子型燃料電池において、一般的に用いられているものを使用することができる。例えば、ナフィオン(商品名、デュポン社製)に代表されるパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂のようなフッ素系電解質樹脂の他、ポリエーテルスルホン、ポリイミド、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリフェニレン等の炭化水素系樹脂に、スルホン酸基、ボロン酸基、ホスホン酸基、水酸基、カルボキシル基等のプロトン伝導性基を導入した炭化水素系電解質樹脂を用いることができる。尚、触媒層には、上記電極触媒を担持した導電性粒子と電解質樹脂の他、必要に応じて、撥水性高分子(例えば、ポリテトラフルオロエチレン等)や結着剤等、その他の成分を含有させてもよい。 The electrolyte resin is not particularly limited, and those commonly used in polymer electrolyte fuel cells can be used. For example, hydrocarbons such as polyethersulfone, polyimide, polyetherketone, polyetheretherketone, polyphenylene as well as fluorine-based electrolyte resins such as perfluorocarbonsulfonic acid resin represented by Nafion (trade name, manufactured by DuPont) A hydrocarbon electrolyte resin into which a proton conductive group such as a sulfonic acid group, a boronic acid group, a phosphonic acid group, a hydroxyl group, or a carboxyl group is introduced can be used. In addition to the conductive particles carrying the electrode catalyst and the electrolyte resin, the catalyst layer contains other components such as a water-repellent polymer (for example, polytetrafluoroethylene) and a binder as necessary. You may make it contain.
本発明の燃料電池システムは、以上のような燃料電池単セルを備えるものである。このような燃料電池単セルの少なくとも1つにおいて、燃料電池の運転中、燃料が欠乏した状態になると、当該燃料電池単セルの燃料極では、不足するプロトンと電子を補足しようと水の電気分解が進行する。このとき、当該燃料極の電位は、水の電気分解電位(例えば、1.5〜1.7V程度)まで上昇する。水の電気分解だけではプロトンと電子が十分に確保されない場合には、さらに燃料極の電位が上昇し、電極を構成している炭素材料(例えば、電極触媒を担持している炭素粒子など)の酸化反応(C + 2H2O → CO2 + 4H+ + 4e−)が起きて、電子とプロトンを補給する。電極触媒の担体である炭素材料の酸化腐食は、触媒活性の低下の他、電極の導電性や撥水性をも低下させ、燃料電池の発電性能を低下させる大きな要因の一つである。 The fuel cell system of the present invention comprises the above fuel cell single cell. In at least one of such fuel cell single cells, if the fuel becomes deficient during the operation of the fuel cell, the fuel electrode of the fuel cell single cell electrolyzes water to capture the insufficient protons and electrons. Progresses. At this time, the potential of the fuel electrode rises to the electrolysis potential of water (for example, about 1.5 to 1.7 V). If protons and electrons are not sufficiently ensured only by electrolysis of water, the potential of the fuel electrode further increases, and the carbon material constituting the electrode (for example, carbon particles carrying an electrode catalyst) Oxidation reaction (C + 2H 2 O → CO 2 + 4H + + 4e − ) occurs to replenish electrons and protons. The oxidative corrosion of the carbon material that is the electrode catalyst carrier is one of the major factors that reduce the electric power generation performance of the fuel cell by lowering the electroconductivity and water repellency of the electrode as well as lowering the catalytic activity.
さらに、燃料欠状態における燃料極の電位上昇は、燃料極を強い酸化雰囲気とし、燃料極内の電極触媒表面や電極触媒を担持する導電性粒子の表面に酸化物を生じさせる。電極触媒表面での酸化物の生成は電極触媒の活性を低下させる。また、電極触媒の担体である導電性粒子表面での酸化物の生成は、導電性粒子の導電性を低下させる。
しかも、燃料極の電位上昇は、電極触媒や導電性粒子の表面にカルボキシル基やキノン基等の親水性基を生じさせ、電極触媒や導電性粒子の親水性が高くなる。その結果、電極触媒や導電性粒子の表面に水が強く吸着しやすい状態となり、電極触媒への反応ガスの供給が妨げられ、発電性能の低下を招く。
Further, the increase in the potential of the fuel electrode in the fuel shortage state makes the fuel electrode a strong oxidizing atmosphere, and generates oxide on the surface of the electrode catalyst in the fuel electrode and the surface of the conductive particles carrying the electrode catalyst. Oxide formation on the electrode catalyst surface reduces the activity of the electrode catalyst. Moreover, the production | generation of the oxide on the electroconductive particle surface which is a support | carrier of an electrode catalyst reduces the electroconductivity of electroconductive particle.
In addition, the increase in the potential of the fuel electrode generates hydrophilic groups such as carboxyl groups and quinone groups on the surfaces of the electrode catalyst and conductive particles, and the hydrophilicity of the electrode catalyst and conductive particles becomes high. As a result, water is strongly adsorbed on the surfaces of the electrode catalyst and the conductive particles, the supply of the reaction gas to the electrode catalyst is hindered, and the power generation performance is reduced.
燃料欠状態の電池運転によって燃料極で生成した酸化物や燃料極内に吸着した水は、燃料の供給が復帰し、燃料欠状態が解消された後も、燃料極内に残留してしまう。従って、燃料欠状態が解消されても、燃料極に残留した酸化物や水分により引き起こされる性能低下の問題は解消されない。 Oxides generated at the fuel electrode due to battery operation in the fuel shortage state and water adsorbed in the fuel electrode remain in the fuel electrode even after the fuel supply is restored and the fuel shortage state is resolved. Therefore, even if the fuel shortage state is resolved, the problem of performance degradation caused by oxides and moisture remaining in the fuel electrode cannot be resolved.
そこで、本発明では、上記燃料欠状態での運転後に燃料極内に残留した酸化物や水分を除去することによって、これら酸化物や水分を原因とする燃料電池の性能低下を防止する。具体的には、燃料欠状態となった燃料電池単セルにおいて、燃料欠状態での運転後、燃料の供給が復帰した際に、燃料極で水素(H2)を発生させる。 Therefore, in the present invention, by removing the oxides and moisture remaining in the fuel electrode after the operation in the above-mentioned fuel shortage state, the performance deterioration of the fuel cell due to these oxides and moisture is prevented. Specifically, hydrogen (H 2 ) is generated at the fuel electrode when the fuel supply is restored in the fuel cell single cell in the fuel shortage state after operation in the fuel shortage state.
燃料極に水素ガスが流通することによって、燃料極内に残留した酸化物や親水性基は還元され、除去される。その結果、電極触媒の触媒活性低下や、導電性材料の導電性低下が抑制され、且つ、親水性基により電極触媒や触媒担体である導電性材料に強く吸着していた水分の吸着を弱めることができる。しかも、本発明においては、燃料極に単に水素ガスを流通させているのではなく、燃料極で水素ガスを発生させているため、上記のような水素ガスの流通による還元作用の他、物理的作用による除去効果を得ることができる。すなわち、燃料極に含有された電極触媒の表面において、水素ガスが生成(2H+ + 2e− → H2)することによって、当該電極触媒表面やさらには導電性粒子表面等に付着した酸化物や水分が、物理的作用により効果的に除去される。 By flowing hydrogen gas through the fuel electrode, oxides and hydrophilic groups remaining in the fuel electrode are reduced and removed. As a result, the decrease in the catalytic activity of the electrode catalyst and the decrease in the conductivity of the conductive material are suppressed, and the adsorption of moisture that has been strongly adsorbed on the conductive material as the electrode catalyst or catalyst carrier by the hydrophilic group is weakened. Can do. In addition, in the present invention, hydrogen gas is not circulated through the fuel electrode, but hydrogen gas is generated at the fuel electrode. A removal effect due to the action can be obtained. That is, when hydrogen gas is generated (2H + + 2e − → H 2 ) on the surface of the electrode catalyst contained in the fuel electrode, oxides attached to the surface of the electrode catalyst or the surface of the conductive particles, etc. Moisture is effectively removed by physical action.
以上のように、本発明の燃料電池システムは、燃料欠状態における運転後において、当該燃料欠状態が生じた単セルの燃料極で水素ガスを発生させる(以下、単に、水素ガス発生処理ということがある)ことによって、燃料欠状態における運転により燃料極に生じた酸化物や燃料極に吸着した水分を、効率的に除去することが可能である。
また、燃料として、水素ガスを供給する燃料電池システムの場合には、水素発生処理による燃料極での水素ガス発生により、水素発生処理後の当該燃料電池単セルにおける燃料供給状態の復帰効率がよいという効果もある。
As described above, the fuel cell system of the present invention generates hydrogen gas at the fuel electrode of the single cell in which the fuel shortage state occurs after operation in the fuel shortage state (hereinafter simply referred to as hydrogen gas generation processing). Therefore, it is possible to efficiently remove oxides generated in the fuel electrode due to operation in a fuel-deficient state and moisture adsorbed on the fuel electrode.
Also, in the case of a fuel cell system that supplies hydrogen gas as fuel, the efficiency of returning the fuel supply state in the single fuel cell after the hydrogen generation process is good due to the generation of hydrogen gas at the fuel electrode by the hydrogen generation process. There is also an effect.
尚、本発明の燃料電池システムは、複数の燃料電池単セルが設けられている場合、燃料欠状態となった単セルを、他の燃料電池単セルとの電気的接続を解除した状態で水素発生処理を行い、一方、上記水素発生処理を行う単セルを除く他の燃料電池単セルは、通常発電時とは異なる回路で接続して発電を行うようにすることが好ましい(図3の3B、図5の5B、図7の7B参照)。水素発生処理を行わない単セルで発電を行いつつ、水素発生処理が必要な単セルのみ水素発生処理を行うことができるからである。そして、水素発生処理後、水素発生処理を行った単セルと他の単セルとを、通常発電時の接続状態に戻して発電を行えばよい(図3の3C、図5の5C、図5の5C参照)。
また、水素発生処理は、1つの単セルのみに行ってもよいし、複数の単セルに同時に行ってもよい。水素発生処理を行う必要がある単セルが複数ある場合でも、水素発生処理時の燃料電池全体の発電性能を保持するため、水素発生処理を行う必要がある単セル群を複数に分割して、水素発生処理を行ってよい。
In the fuel cell system of the present invention, in the case where a plurality of fuel cell single cells are provided, the single cell that is in a fuel-deficient state is removed from the hydrogen cell in a state in which the electrical connection with other fuel cell single cells is released. On the other hand, it is preferable that other fuel cell single cells except for the single cell that performs the hydrogen generation treatment are connected by a circuit different from that during normal power generation to generate power (3B in FIG. 3). 5B in FIG. 5 and 7B in FIG. 7). This is because the hydrogen generation process can be performed only for the single cells that require the hydrogen generation process while generating power in the single cell that does not perform the hydrogen generation process. Then, after the hydrogen generation treatment, power generation may be performed by returning the single cell subjected to the hydrogen generation treatment and another single cell to the connection state during normal power generation (3C in FIG. 3, 5C in FIG. 5, FIG. 5). 5C).
Further, the hydrogen generation treatment may be performed on only one single cell, or may be performed simultaneously on a plurality of single cells. Even when there are multiple single cells that need to be subjected to hydrogen generation treatment, in order to maintain the power generation performance of the entire fuel cell during the hydrogen generation treatment, the single cell group that needs to undergo hydrogen generation treatment is divided into a plurality of Hydrogen generation treatment may be performed.
本発明の燃料電池システムには、燃料極における燃料欠状態から燃料の供給が復帰したことを感知する手段を設けられる。燃料の復帰を感知する手段としては、例えば、単セルに電圧センサを設け、電圧センサのE値、すなわち、セル電圧が0V<E(V)であれば、燃料が復帰したとみなすことができる。或いは、燃料極のガス排出口に酸素センサ及び/又はCO2センサを設け、O2、CO2が規定値以下の濃度値(該単セルの通常発電時におけるO2濃度、CO2濃度以下。理論上はゼロ)であれば復帰とみなすことができる。 The fuel cell system of the present invention is provided with means for sensing that the supply of fuel has recovered from a fuel shortage condition at the fuel electrode. As a means for detecting the return of fuel, for example, a voltage sensor is provided in a single cell, and if the E value of the voltage sensor, that is, the cell voltage is 0 V <E (V), it can be considered that the fuel has returned. . Alternatively, an oxygen sensor and / or a CO 2 sensor is provided at the gas discharge port of the fuel electrode, and O 2 and CO 2 are concentration values below a specified value (O 2 concentration and CO 2 concentration at normal power generation of the single cell). If it is theoretically zero), it can be regarded as a return.
以下、本発明の燃料電池システムの好ましい態様の一つである、第一の燃料電池システムについて、図2及び図3を参照しながら説明する。
第一の燃料電池システムは、酸化剤極に含有された水電解触媒と、燃料電池単セルの少なくとも1つにおいて、燃料電池運転中、燃料が欠乏した状態から該燃料の供給が復帰する際に、(1)前記酸化剤極内の水分量を制御する水供給手段と、(2)前記酸化剤極において水の電気分解が進行するように、該酸化剤極と前記燃料極との間に電圧を印加する電圧印加手段と、を備えるものである。
Hereinafter, a first fuel cell system, which is one of preferred embodiments of the fuel cell system of the present invention, will be described with reference to FIGS.
In the first fuel cell system, when at least one of the water electrocatalyst contained in the oxidizer electrode and the fuel cell unit cell returns to the fuel supply from the fuel-deficient state during the fuel cell operation. (1) water supply means for controlling the amount of water in the oxidant electrode; and (2) between the oxidant electrode and the fuel electrode so that electrolysis of water proceeds in the oxidant electrode. Voltage applying means for applying a voltage.
図2において、電解質膜1の一方の面に設けられた酸化剤極3には、水の電気分解に対して触媒活性を有する水電解触媒(図示せず)が含有されている。また、当該酸化剤極3は、酸化剤極3内の水分量を制御する水供給手段によって、燃料欠状態の運転から燃料が復帰した際に、必要に応じて水を供給することが可能となっている。さらに、電解質膜1の他方の面に設けられた燃料極2と酸化剤極3との間には、電圧印加手段(電源9)により、酸化剤極3での水の電気分解が進行するように電圧を印加することが可能となっている。
In FIG. 2, the
このような第一の燃料電池システムに備えられた燃料電池単セルにおいて、燃料欠状態が生じて燃料欠状態での運転が行われると、燃料の供給が復帰した際に、水電解触媒による触媒作用と、電圧印加手段による電圧印加と、水供給手段による水の供給により、酸化剤極3では、水の電気分解(H2O → 1/2O2 + 2H+ +2e−)が進行する。水の電気分解によって酸化剤極で生成したプロトンと電子は、それぞれ、電解質膜、外部回路を通って燃料極へと移動し、燃料極において水素を発生させる(2H+ + 2e− →H2)。すなわち、第一の燃料電池システムは、燃料極及び酸化剤極の各電極において、通常発電時とは逆の反応を起こし、燃料極で水素ガスを発生させる。
In the fuel cell single cell provided in the first fuel cell system, when the fuel shortage occurs and the operation in the fuel shortage state is performed, when the fuel supply is restored, the catalyst by the water electrolysis catalyst By the action, voltage application by the voltage application means, and water supply by the water supply means, electrolysis of water (H 2 O → 1 / 2O 2 + 2H + + 2e − ) proceeds at the
酸化剤極に含有される水電解触媒は、当該水電解触媒と共に電極(酸化剤極)内に含有される電極触媒と比較して、水の電気分解に対する触媒活性が大きいものである。水の電気分解に対する触媒活性の大きさは、25℃の硫酸水溶液中で、1.4V(vs.RHE)時の酸素発生電流値で規定することができ、水電解触媒は該酸素発生電流値が電極触媒よりも大きいものである。 The water electrocatalyst contained in the oxidant electrode has a higher catalytic activity for water electrolysis than the electrode catalyst contained in the electrode (oxidant electrode) together with the water electrocatalyst. The magnitude of the catalytic activity for electrolysis of water can be defined by an oxygen generation current value at 1.4 V (vs. RHE) in a sulfuric acid aqueous solution at 25 ° C. Is larger than the electrode catalyst.
上記したように、電極触媒としては、通常、白金や白金合金が好適に用いられることから、水電解触媒は、通常、白金や白金合金よりも水の電気分解に対して触媒活性が大きいものが用いられる。このような水電解触媒としては、例えば、RuO2、IrO2、Pt、TiO2、及びこれら2種以上を含む固溶体等が挙げられる。中でも、水分解活性、電気化学的安定性の観点から、IrO2、RuO2−IrO2の固溶体が好ましく用いられる。 As described above, since platinum or a platinum alloy is normally used as the electrode catalyst, the water electrocatalyst usually has a higher catalytic activity for electrolysis of water than platinum or a platinum alloy. Used. Examples of such a water electrocatalyst include RuO 2 , IrO 2 , Pt, TiO 2 , and solid solutions containing two or more of these. Among these, from the viewpoint of water splitting activity and electrochemical stability, solid solutions of IrO 2 and RuO 2 —IrO 2 are preferably used.
水電解触媒は、効率的な電子授受等の観点から、導電性粒子に担持させることが好ましい。水電解触媒を担持させる導電性粒子としては、グラファイト化カーボン等の炭素粒子や、酸化チタン(TiO2)、金属炭化物等の金属粒子等が挙げられる。導電性粒子は、球状に限定されず、繊維状のようなアスペクト比が比較的大きな形状のものも含まれる。 The water electrocatalyst is preferably supported on conductive particles from the viewpoint of efficient electron transfer. Examples of the conductive particles for supporting the water electrocatalyst include carbon particles such as graphitized carbon, metal particles such as titanium oxide (TiO 2 ), and metal carbide. The conductive particles are not limited to a spherical shape, and include particles having a relatively large aspect ratio such as a fibrous shape.
酸化剤極における水電解触媒の含有量は、酸化剤極の単位面積当たり0.01〜10mg/cm2、特に0.01〜1mg/cm2とすることが好ましい。酸化剤極の単位面積当たりの水電解触媒量が0.01mg/cm2より少ないと、水の電気分解により生成するプロトンと電子が少なく、燃料極で発生する水素ガスによる酸化物及び水の除去効果が低くなるおそれがある。一方、酸化剤極の単位面積当たりの水電解触媒量が10mg/cm2より多いと、酸化剤極中のガス拡散性が低下するおそれがある。 The content of water electrolysis catalyst in the oxidant electrode, per unit area 0.01 to 10 mg / cm 2 of the oxidant electrode, particularly preferably a 0.01 to 1 mg / cm 2. When the amount of the water electrocatalyst per unit area of the oxidizer electrode is less than 0.01 mg / cm 2 , there are few protons and electrons generated by water electrolysis, and oxide and water are removed by hydrogen gas generated at the fuel electrode. The effect may be reduced. On the other hand, when the amount of the water electrocatalyst per unit area of the oxidant electrode is more than 10 mg / cm 2 , the gas diffusibility in the oxidant electrode may be lowered.
水電解触媒は、酸化剤極内において、触媒層に含有されていてもよいし、ガス拡散層に含有されていてもよいし、触媒層及びガス拡散層の両方に含有されていてもよい。また、水電解触媒を含有する水電解層を付加的に設けてもよい。水電解によって生成する酸素ガスの抜けやすさの観点から、水電解触媒は水電解層に含有されることが好ましい。 The water electrocatalyst may be contained in the catalyst layer in the oxidizer electrode, may be contained in the gas diffusion layer, or may be contained in both the catalyst layer and the gas diffusion layer. Further, a water electrolysis layer containing a water electrolysis catalyst may be additionally provided. From the viewpoint of easy release of oxygen gas generated by water electrolysis, the water electrocatalyst is preferably contained in the water electrolysis layer.
水電解触媒を含有する水電解層を設ける位置は特に限定されず、電解質膜と酸化剤極との界面、触媒層とガス拡散層との界面等、任意の位置に設けることができる。水電解によって生成する酸素ガスの抜けやすさの観点から、水電解層は、触媒層とガス拡散層との界面に設けることが好ましい。
水電解層には、水電解触媒の他、例えば、電解質樹脂や、撥水性樹脂等の成分を含有させてもよい。水電解により生成したプロトンの燃料極側への伝導性の観点から、通常は、水電解層に電解質樹脂を含有させることが好ましい。水電解層に含有させる電解質樹脂としては、触媒層に含有させる電解質樹脂と同様のものを用いることができる。
The position at which the water electrolysis layer containing the water electrocatalyst is provided is not particularly limited, and the water electrolysis layer can be provided at any position such as the interface between the electrolyte membrane and the oxidant electrode and the interface between the catalyst layer and the gas diffusion layer. From the viewpoint of easy release of oxygen gas generated by water electrolysis, the water electrolysis layer is preferably provided at the interface between the catalyst layer and the gas diffusion layer.
In addition to the water electrocatalyst, the water electrolysis layer may contain components such as an electrolyte resin and a water repellent resin. From the viewpoint of the conductivity of protons generated by water electrolysis to the fuel electrode side, it is usually preferable to contain an electrolyte resin in the water electrolysis layer. As the electrolyte resin contained in the water electrolysis layer, the same electrolyte resin as that contained in the catalyst layer can be used.
水電解層の形成方法は特に限定されず、例えば、水電解触媒と電解質樹脂とを含む水電解触媒インクを用いて形成することができる。水電解触媒インクによる水電解層の形成は、触媒インクを用いて触媒層を形成する方法と同様にして行うことができる。
水電解層の厚さは特に限定されないが、通常、1〜20μm程度とすればよい。
The method for forming the water electrolysis layer is not particularly limited, and for example, the water electrolysis layer can be formed using a water electrolysis catalyst ink containing a water electrocatalyst and an electrolyte resin. The formation of the water electrolysis layer with the water electrolysis catalyst ink can be performed in the same manner as the method for forming the catalyst layer with the catalyst ink.
Although the thickness of a water electrolysis layer is not specifically limited, Usually, what is necessary is just to be about 1-20 micrometers.
触媒層内に水電解触媒を含有させる場合には、酸化剤極の触媒層を形成する触媒インク中に水電解触媒を混合させ、得られる水電解触媒含有触媒インクを用い、一般的な方法に準じて触媒層を形成すればよい。すなわち、触媒インクを、電解質膜やガス拡散層シートに直接塗布、乾燥したり、或いは、転写フィルムの基材フィルムに塗布、乾燥した後、電解質膜やガス拡散層シートに転写する方法等が挙げられる。 When the water electrocatalyst is contained in the catalyst layer, the water electrocatalyst is mixed in the catalyst ink forming the catalyst layer of the oxidizer electrode, and the resulting water electrocatalyst containing catalyst ink is used in a general method. A catalyst layer may be formed in accordance with this. That is, a method of directly applying the catalyst ink to the electrolyte membrane or the gas diffusion layer sheet and drying, or applying the catalyst ink to the base film of the transfer film and drying, and then transferring the catalyst ink to the electrolyte membrane or the gas diffusion layer sheet. It is done.
触媒インクの溶媒としては、例えば、メタノール、エタノール、プロパノール、プロピレングリコール等のアルコール類や、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジエチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジエチルアセトアミド等、或いは、これらの混合物や水との混合物を用いることができるが、これに限定されない。中でも触媒被毒防止、粘度安定性の観点から、エタノール、メタノールが好ましく用いられる。 Examples of the solvent for the catalyst ink include alcohols such as methanol, ethanol, propanol, and propylene glycol, N, N-dimethylformamide, N, N-diethylformamide, N, N-dimethylacetamide, and N, N-diethylacetamide. Etc., or a mixture thereof or a mixture with water can be used, but is not limited thereto. Of these, ethanol and methanol are preferably used from the viewpoint of catalyst poisoning prevention and viscosity stability.
ガス拡散層に水電解触媒を含有させる方法としては、上記したようなガス拡散層シートとなる導電性多孔質体を、エタノール、メタノール等の溶媒に水電解触媒を分散させた水電解触媒溶液中に含浸させる方法や、導電性多孔質体に水電解触媒溶液を塗布する方法が挙げられる。或いは、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂等の電解質樹脂を混合させた水電解触媒溶液を基材上に塗布、乾燥して水電解用触媒シートを作製し、該水電解用触媒シートとガス拡散層シートをホットプレスする方法等も挙げられる。また、上記撥水層インク中に水電解触媒を含有させたり、或いは、上記撥水性樹脂と共に水電解触媒を導電性多孔質体に含浸塗布する方法が挙げられる。 As a method for containing a water electrocatalyst in the gas diffusion layer, the conductive porous body that forms the gas diffusion layer sheet as described above is used in a water electrocatalyst solution in which the water electrocatalyst is dispersed in a solvent such as ethanol or methanol. And a method of applying a water electrocatalyst solution to a conductive porous body. Alternatively, a water electrocatalyst solution mixed with an electrolyte resin such as perfluorocarbon sulfonic acid resin is coated on a substrate and dried to produce a water electrolysis catalyst sheet. The water electrolysis catalyst sheet and the gas diffusion layer sheet are The method of hot pressing is also mentioned. Moreover, a method of impregnating and applying a water electrocatalyst to the conductive porous body together with the water repellent resin may be included in the water repellent layer ink.
酸化剤極の水分量を制御する水供給手段は、酸化剤極において、燃料極で充分量の水素ガスを発生させるためのプロトンと電子を生成させる水の電気分解が進行するように、酸化剤極に水を供給することができれば、その構成は特に限定されない。
例えば、酸化剤(一般的には空気)ガスを加湿して酸化剤極に供給するもの等が挙げられる。加湿ガスを供給する場合、加湿ガスとしては、H2ガスを発生させる量[H2O→1/2O2+2e−+2H+により発生したH+から発生する水素(2H++2e−→H2)の量]を補償する水量に基づいて温度や流量を制御する。
The water supply means for controlling the amount of water in the oxidant electrode is such that the electrolysis of water that generates protons and electrons for generating a sufficient amount of hydrogen gas at the fuel electrode proceeds at the oxidant electrode. The configuration is not particularly limited as long as water can be supplied to the electrode.
For example, the thing etc. which humidify oxidizing agent (generally air) gas and supply to an oxidizing agent electrode are mentioned. When supplying a humidified gas, the amount of H 2 gas generated [H 2 O → 1 / 2O 2 + 2e − + 2H + is generated from H + generated from H + (2H + + 2e − → H 2 ). The temperature and flow rate are controlled based on the amount of water to compensate for.
尚、水供給手段は、燃料欠状態で運転した単セルにおいて、必ずしも作動させる必要はなく、例えば、酸化剤極内に充分量の水分が存在し、これを利用しても燃料電池の性能低下が生じるおそれがない場合には、水供給手段による酸化剤極への水分供給を行わなくてもよい。 The water supply means does not necessarily need to be operated in a single cell operated in a fuel-deficient state. For example, a sufficient amount of water exists in the oxidizer electrode, and even if this is used, the performance of the fuel cell is reduced. If there is no possibility of occurrence of water, it is not necessary to supply water to the oxidizer electrode by the water supply means.
水供給手段による酸化剤極への水の供給の有無や供給量は、酸化剤の排出ガス湿度或いはセル抵抗値等により決定することができる。 Whether or not water is supplied to the oxidizer electrode by the water supply means and the supply amount can be determined by the exhaust gas humidity of the oxidizer or the cell resistance value.
酸化剤極において水の電気分解が進行するように、該酸化剤極と該酸化剤極と対を成す燃料極との間に電圧を印加する電圧印加手段としては、特に限定されず、外部電源を用いたり、或いは、本燃料電池システムを電圧印加手段の電源として利用してもよい。
電圧印加手段である電源は、燃料欠運転後、燃料供給復帰時に、燃料欠状態となった単セルと直列に接続する(図3の3B参照)ことで、当該単セルの燃料極と酸化剤極に所望の電圧を印加することができる。図3の3Bに示すように、複数の単セルを備える燃料電池においては、当該燃料欠状態となった単セルは、その他の単セルとの電気的接続を解除して、電圧印加手段である電源と接続し、当該単セル以外を除く単セルが電気的に接続されるようにすることで、燃料電池全体としての発電を行いつつ、燃料欠状態となった単セルの水素ガス発生処理を行うことができる。
The voltage application means for applying a voltage between the oxidant electrode and the fuel electrode paired with the oxidant electrode so that the electrolysis of water proceeds at the oxidant electrode is not particularly limited, and an external power source Alternatively, the fuel cell system may be used as a power source for the voltage applying means.
A power source as a voltage applying means is connected in series with a single cell that has become in a fuel-deficient state after fuel shortage operation (see 3B in FIG. 3), so that the fuel electrode and oxidant of the single cell are connected. A desired voltage can be applied to the pole. As shown in 3B of FIG. 3, in the fuel cell including a plurality of single cells, the single cell in the fuel shortage state is disconnected from the other single cells and serves as a voltage application unit. By connecting to a power source and electrically connecting the single cells except for the single cell, the hydrogen gas generation process of the single cell that has become fuel shortage while generating power as a whole fuel cell It can be carried out.
本発明においては、酸化剤極に水電解触媒を含有しているため、過度の電圧を印加しなくても、酸化剤極における水の電気分解は進行する。水電解触媒を含有させないと、高電位、例えば、1.6〜2.4Vの電位を印加する必要があり、単セルを構成する部材を劣化させるおそれがある。これに対して、本発明の燃料電池システムでは、通常、燃料極と酸化剤極との間に1.4〜2.0Vの電位を印加することで、酸化剤極における水の電気分解は進行する。印加電圧が1.4Vより低いと、酸化剤極で水の電気分解が進行しにくい。一方、印加電圧が2.0Vより高いと、単セルを構成する部材、特に、電解質膜や電解質樹脂、カーボン、触媒の劣化を招くおそれがある。燃料極と酸化剤極間の印加電圧は、特に1.5〜1.8Vであることが好ましい。 In the present invention, since the water electrocatalyst is contained in the oxidant electrode, the electrolysis of water in the oxidant electrode proceeds without applying an excessive voltage. If the water electrocatalyst is not contained, it is necessary to apply a high potential, for example, a potential of 1.6 to 2.4 V, and there is a risk of deteriorating members constituting the single cell. On the other hand, in the fuel cell system of the present invention, the electrolysis of water at the oxidant electrode usually proceeds by applying a potential of 1.4 to 2.0 V between the fuel electrode and the oxidant electrode. To do. When the applied voltage is lower than 1.4V, the electrolysis of water hardly proceeds at the oxidizer electrode. On the other hand, when the applied voltage is higher than 2.0 V, there is a possibility that the members constituting the single cell, in particular, the electrolyte membrane, the electrolyte resin, the carbon, and the catalyst may be deteriorated. The applied voltage between the fuel electrode and the oxidant electrode is particularly preferably 1.5 to 1.8V.
第一の燃料電池システムにおいて、水素発生処理を行う時間は、当該水素発生処理を行う燃料電池単セルの燃料欠状態による酸化物や水分の付着程度、当該水素発生処理条件、燃料電池単セルの構成等にもよるが、通常は、1〜30分間程度でよく、1〜15分間が好ましく、特に5〜10分間が好ましい。 In the first fuel cell system, the time for performing the hydrogen generation process is the degree of adhesion of oxides and moisture due to the lack of fuel in the fuel cell single cell performing the hydrogen generation process, the hydrogen generation process conditions, the fuel cell single cell Although it depends on the configuration and the like, usually, it may be about 1 to 30 minutes, preferably 1 to 15 minutes, particularly preferably 5 to 10 minutes.
次に、本発明の燃料電池システムの好ましい態様の一つである、第二の燃料電池システムについて、図4及び図5を参照しながら説明する。
第二の燃料電池システムは、燃料電池単セルの少なくとも1つにおいて、燃料電池運転中、前記燃料が欠乏した状態から該燃料の供給が復帰する際に、(1)酸化剤極に水素ガスを供給する手段と、(2)酸化剤極において水素の酸化反応(プロトン化反応)が進行するように、該酸化剤極と燃料極との間に電圧を印加する電圧印加手段と、を備えるものである。
Next, a second fuel cell system, which is one of the preferred embodiments of the fuel cell system of the present invention, will be described with reference to FIGS.
In the second fuel cell system, in at least one of the fuel cell single cells, when the fuel supply is restored from the fuel deficient state during the fuel cell operation, (1) hydrogen gas is supplied to the oxidant electrode. Means for supplying, and (2) voltage applying means for applying a voltage between the oxidant electrode and the fuel electrode so that an oxidation reaction (protonation reaction) of hydrogen proceeds at the oxidant electrode. It is.
第二の燃料電池システムでは、燃料欠状態の運転から燃料が復帰した際、電解質膜1の一方の面に設けられた酸化剤極3に、水素ガスを供給することが可能となっている(図4参照)。また、電解質膜1の他方の面に設けられた燃料極2と酸化剤極3との間には、電圧印加手段(電源9)により、酸化剤極3での水素の酸化反応(プロトン化反応:H2 → 2H+ + 2e−)が進行するように電圧を印加することが可能となっている。
In the second fuel cell system, it is possible to supply hydrogen gas to the
このような第二の燃料電池システムに備えられた燃料電池単セルにおいて、燃料欠状態での運転が行われると、燃料の供給が復帰した際、酸化剤極に水素ガスが供給されると共に、電圧印加手段による電圧印加により、酸化剤極3で水素の酸化反応が進行する。水素の酸化反応によって酸化剤極で生成したプロトンと電子は、それぞれ、電解質膜、外部回路を通って燃料極へと移動し、燃料極において水素を発生させる(2H+ + 2e− →H2)。すなわち、第二の燃料電池システムにおいては、H2の濃度差から生じる電気化学的水素ポンプ機能を利用して、燃料極で水素ガスを発生させるものである。
In the fuel cell single cell provided in such a second fuel cell system, when the operation in the fuel shortage state is performed, when the supply of fuel is restored, hydrogen gas is supplied to the oxidant electrode, By the voltage application by the voltage application means, the oxidation reaction of hydrogen proceeds at the
酸化剤極に水素ガスを供給する際、水素ガス濃度の確保及び水素ガスの燃焼による単セルの損傷防止等の観点から、当該酸化剤極への酸化剤の供給は停止させる。
酸化剤極に供給する水素ガスは、酸化剤極における水素の酸化反応を妨げず、また、酸化剤極への悪影響を及ぼさないものであれば、水素以外の成分を含有していてもよいが、通常は、水素濃度が50vol%以上であることが好ましく、特に80vol%以上であることが好ましい。
When supplying hydrogen gas to the oxidant electrode, the supply of the oxidant to the oxidant electrode is stopped from the viewpoint of securing the hydrogen gas concentration and preventing damage to the single cell due to the combustion of hydrogen gas.
The hydrogen gas supplied to the oxidant electrode may contain components other than hydrogen as long as it does not interfere with the hydrogen oxidation reaction at the oxidant electrode and does not adversely affect the oxidant electrode. Usually, the hydrogen concentration is preferably 50 vol% or more, particularly preferably 80 vol% or more.
水素ガスの酸化剤極への供給は、燃料電池単セルの構成(電極面積)や水素ガスの水素濃度等により異なるため、具体的には限定されないが、H2ガスを発生させる量[H2→2e−+2H+により発生したH+から発生する水素(2H++2e−→H2)の量]を補償する水素量に基づいて、水素供給量を決定する。 The supply of hydrogen gas to the oxidant electrode varies depending on the configuration (electrode area) of the fuel cell unit cell, the hydrogen concentration of the hydrogen gas, and the like, and is not specifically limited. However, the amount of H 2 gas generated [H 2 The hydrogen supply amount is determined based on the amount of hydrogen that compensates for the amount of hydrogen (2H + + 2e − → H 2 ) generated from H + generated by 2e − + 2H + .
酸化剤極において水素の酸化反応が進行するように、該酸化剤極と燃料極の間に電圧を印加する電圧印加手段としては、特に限定されず、外部電源を用いたり、或いは、本燃料電池システムを電圧印加手段の電源として利用してもよい。電圧印加手段である電源は、燃料欠運転後、水素発生処理時に、燃料欠状態となった単セルと直列に接続する(図5の5B参照)ことで、当該単セルの燃料極と酸化剤極に所望の電圧を印加することができる。
図5の5Bに示すように、複数の単セルを備える燃料電池においては、当該燃料欠状態となった単セルは、その他の単セルとの電気的接続を解除して、電圧印加手段である電源と接続し、当該単セル以外を除く単セルが電気的に接続されるようにすることで、燃料電池全体としての発電を行いつつ、燃料欠状態となった単セルの水素ガス発生処理を行うことができる。
The voltage application means for applying a voltage between the oxidant electrode and the fuel electrode so that the oxidation reaction of hydrogen proceeds at the oxidant electrode is not particularly limited, and an external power source is used or the present fuel cell is used. The system may be used as a power source for the voltage applying means. The power source as the voltage application means is connected in series with the unit cell that has become in a fuel-deficient state after hydrogen shortage operation (see 5B in FIG. 5), so that the fuel electrode and oxidant of the unit cell are connected. A desired voltage can be applied to the pole.
As shown in 5B of FIG. 5, in a fuel cell including a plurality of single cells, the single cells that have run out of fuel are disconnected from the other single cells and serve as voltage application means. By connecting to a power source and electrically connecting the single cells except for the single cell, the hydrogen gas generation process of the single cell that has become fuel shortage while generating power as a whole fuel cell It can be carried out.
水素発生処理を行う燃料電池単セルにおいて、燃料極と酸化剤極との間に印加される電圧は、該酸化剤極において水素の酸化反応が進行すれば特に限定されない。酸化剤極に含有される電極触媒は、通常、水素の酸化反応に対しても触媒活性を有しているものが多いため、通常は、−0.2〜+0.1V程度の電位を印加すれば、酸化剤極において水素の酸化反応を起こすことができる。印加電圧が+0.1Vより高いと、燃料極で水素ガス発生反応が進行しにくい。燃料極と酸化剤極間の印加電圧は、特に−0.2〜+0.05V、さらに−0.1〜+0.05Vの範囲であることが好ましい。 In a single fuel cell that performs hydrogen generation treatment, the voltage applied between the fuel electrode and the oxidant electrode is not particularly limited as long as the oxidation reaction of hydrogen proceeds at the oxidant electrode. Since many of the electrode catalysts contained in the oxidizer electrode usually have catalytic activity also for the oxidation reaction of hydrogen, a potential of about −0.2 to +0.1 V is usually applied. For example, an oxidation reaction of hydrogen can occur at the oxidant electrode. When the applied voltage is higher than +0.1 V, the hydrogen gas generation reaction hardly proceeds at the fuel electrode. The applied voltage between the fuel electrode and the oxidant electrode is particularly preferably in the range of −0.2 to +0.05 V, more preferably −0.1 to +0.05 V.
第二の燃料電池システムにおいて、水素発生処理を行う時間は、当該水素発生処理を行う燃料電池単セルの燃料欠状態による酸化物や水分の付着程度、当該水素発生処理条件、燃料電池単セルの構成等にもよるが、通常は、1〜30分間程度でよく、1〜15分間が好ましく、特に5〜10分間が好ましい。 In the second fuel cell system, the time for performing the hydrogen generation treatment is the degree of adhesion of oxides and moisture due to the lack of fuel in the fuel cell single cell performing the hydrogen generation treatment, the hydrogen generation treatment condition, the fuel cell single cell Although it depends on the configuration and the like, usually, it may be about 1 to 30 minutes, preferably 1 to 15 minutes, particularly preferably 5 to 10 minutes.
次に、本発明の燃料電池システムの好ましい態様の一つである、第三の燃料電池システムについて、図6及び図7を参照しながら説明する。
第三の燃料電池システムは、燃料電池単セルの少なくとも1つにおいて、燃料電池運転中、燃料が欠乏した状態から該燃料の供給が復帰する際に、(1)酸化剤極に水素ガスを供給する手段と、(2)燃料極に不活性ガスを供給する手段と、(3)前記酸化剤極において水素の酸化反応(プロトン化反応)が進行するように、前記酸化剤極と前記燃料極とを電気的に接続して短絡させる短絡手段と、を備えるものである。
Next, a third fuel cell system, which is one of the preferred embodiments of the fuel cell system of the present invention, will be described with reference to FIGS.
The third fuel cell system provides (1) supply of hydrogen gas to the oxidizer electrode when at least one of the fuel cell single cells returns from the fuel-deficient state during fuel cell operation. (2) a means for supplying an inert gas to the fuel electrode; (3) the oxidant electrode and the fuel electrode so that a hydrogen oxidation reaction (protonation reaction) proceeds in the oxidant electrode. And a short-circuit means for electrically connecting and short-circuiting each other.
第三の燃料電池システムでは、燃料欠状態の運転から燃料が復帰した際、電解質膜1の一方の面に設けられた酸化剤極3に水素ガスを供給すること、及び、電解質膜1の他方の面に設けられた燃料極2に不活性ガスを供給することが可能となっている(図6参照)。また、酸化剤極3と、電解質膜1を挟んで設けられた燃料極2は、燃料欠状態の運転から燃料が復帰した際に、短絡手段(外部回路10)により、これら電極間を電気的に接続して短絡させることが可能となっている。
In the third fuel cell system, when the fuel is recovered from the fuel-deficient operation, hydrogen gas is supplied to the
このような第三の燃料電池システムに備えられた燃料電池単セルにおいて、燃料欠状態での運転が行われると、燃料の供給が復帰した際に、酸化剤極に水素ガスが供給されると共に、燃料極に不活性ガスが供給される(図6参照)。その結果、燃料極2では、不活性ガスの供給により水素ガスの濃度が減少し、一方、電解質膜1を挟んで燃料極2と対峙する酸化剤極3では、水素ガスが供給されるため水素ガスの濃度が上昇し、燃料電池単セル内の燃料極2と酸化剤極3との間に水素ガス濃度分布が形成される。このとき、燃料極2と酸化剤極3とを短絡手段により電気的に接続させると、酸化剤極3において水素の酸化反応が進行する。この酸化剤極3における水素の酸化反応は、通常、酸化剤極3に含有された電極触媒によって促進される。そして、生成したプロトンは電解質膜を通って、また、電子は短絡手段により燃料極2へと移動し、燃料極において水素を発生させる(2H+ + 2e− →H2)。すなわち、第三の燃料電池システムにおいては、H2の濃度差から生じる電気化学的水素ポンプ機能を利用して、燃料極で水素ガスを発生させるものである。
In such a single fuel cell system provided in the third fuel cell system, when operation is performed in a fuel-deficient state, hydrogen gas is supplied to the oxidizer electrode when the fuel supply is restored. Then, an inert gas is supplied to the fuel electrode (see FIG. 6). As a result, in the
第三の燃料電池システムにおいても、第二の燃料電池システム同様、酸化剤極に水素ガスを供給する際、水素ガス濃度の確保及び水素ガスの燃焼による単セルの損傷防止、等の観点から、当該酸化剤極への酸化剤の供給は停止させる。
酸化剤極に供給する水素ガスは、酸化剤極における水素の酸化反応を妨げず、また、酸化剤極への悪影響を及ぼさないものであれば、水素以外の成分を含有していてもよいが、通常は、水素濃度が50vol%以上であることが好ましく、特に80vol%以上であることが好ましい。
Also in the third fuel cell system, as in the second fuel cell system, when supplying hydrogen gas to the oxidizer electrode, from the viewpoint of securing the hydrogen gas concentration and preventing damage to the single cell due to the combustion of hydrogen gas, etc. Supply of the oxidizing agent to the oxidizing agent electrode is stopped.
The hydrogen gas supplied to the oxidant electrode may contain components other than hydrogen as long as it does not interfere with the hydrogen oxidation reaction at the oxidant electrode and does not adversely affect the oxidant electrode. Usually, the hydrogen concentration is preferably 50 vol% or more, particularly preferably 80 vol% or more.
水素ガスの酸化剤極への供給は、燃料電池単セルの構成(電極面積)や水素ガスの水素濃度等により異なるため、具体的には限定されないが、H2ガスを発生させる量[H2→2e−+2H+により発生したH+から発生する水素(2H++2e−→H2)の量]を補償する水素量に基づいて、水素供給量を決定する。 The supply of hydrogen gas to the oxidant electrode varies depending on the configuration (electrode area) of the fuel cell unit cell, the hydrogen concentration of the hydrogen gas, and the like, and is not specifically limited. However, the amount of H 2 gas generated [H 2 The hydrogen supply amount is determined based on the amount of hydrogen that compensates for the amount of hydrogen (2H + + 2e − → H 2 ) generated from H + generated by 2e − + 2H + .
燃料極に供給する不活性ガスは特に限定されず、例えば、窒素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガス等を用いることができる。不活性ガス流量が少ないと、燃料極にて十分量のH2ガスが発生しないおそれがある。 The inert gas supplied to the fuel electrode is not particularly limited, and for example, nitrogen gas, argon gas, helium gas, or the like can be used. If the flow rate of the inert gas is small, there is a possibility that a sufficient amount of H 2 gas is not generated at the fuel electrode.
酸化剤極において水素の酸化反応が進行するように、該酸化剤極と燃料極との間を電気的に接続する短絡手段としては、酸化剤極と燃料極とを電気的に接続することができれば特に限定されない。
図7の7Bに示すように、複数の単セルを備える燃料電池においては、当該燃料欠状態となった単セルは、その他の単セルとの電気的接続を解除して、短絡手段である外部回路と接続し、当該単セル以外を除く単セルが電気的に接続されるようにすることで、燃料電池全体としての発電を行いつつ、燃料欠状態となった単セルの水素ガス発生処理を行うことができる。
As a short-circuit means for electrically connecting the oxidant electrode and the fuel electrode so that the oxidation reaction of hydrogen proceeds at the oxidant electrode, the oxidant electrode and the fuel electrode can be electrically connected. It is not particularly limited if possible.
As shown in 7B of FIG. 7, in a fuel cell including a plurality of single cells, the single cell that has become in a fuel-deficient state is disconnected from the other single cells and is externally connected as a short-circuit means. By connecting to the circuit, and the unit cells other than the unit cell are electrically connected, the power generation of the entire fuel cell is performed, and the hydrogen gas generation processing of the unit cell that is in a fuel-deficient state is performed. It can be carried out.
第三の燃料電池システムにおいて、水素発生処理を行う時間は、当該水素発生処理を行う燃料電池単セルの燃料欠状態による酸化物や水分の付着程度や、当該水素発生処理条件、燃料電池単セルの構成等にもよるが、通常は、1〜30分間程度でよく、1〜15分間が好ましく、特に5〜10分間が好ましい。 In the third fuel cell system, the time for performing the hydrogen generation treatment is the degree of adhesion of oxides and moisture due to the lack of fuel in the fuel cell single cell performing the hydrogen generation treatment, the hydrogen generation treatment condition, the fuel cell single cell Although it depends on the construction, etc., usually it may be about 1 to 30 minutes, preferably 1 to 15 minutes, particularly preferably 5 to 10 minutes.
本発明の燃料電池システムにおいて、燃料極には、水の電気分解に対して触媒作用を有する水電解触媒を含有させることが好ましい。燃料極に水電解触媒を配置することで、燃料欠時に水の電気分解が促進される。水の電気分解によってより多くのプロトンと電子が補給されるようにすることで、燃料欠時の炭素材料の酸化腐食反応の進行を抑制することができるからである。
燃料極に含有させる水電解触媒としては、上記第一の燃料電池システムにおける酸化剤極と同様のものを用いることができる。また、燃料極への水電解触媒の含有形態も、上記第一の燃料電池システムと同様にすることができる。
In the fuel cell system of the present invention, the fuel electrode preferably contains a water electrocatalyst having a catalytic action for electrolysis of water. By disposing the water electrocatalyst at the fuel electrode, the electrolysis of water is promoted when the fuel runs out. This is because by making more protons and electrons replenished by electrolysis of water, the progress of the oxidative corrosion reaction of the carbon material at the time of fuel shortage can be suppressed.
As the water electrocatalyst to be contained in the fuel electrode, the same one as the oxidant electrode in the first fuel cell system can be used. Further, the content of the water electrocatalyst in the fuel electrode can be made the same as in the first fuel cell system.
(燃料電池単セルの製造)
白金を担持したカーボンブラック(Pt/C触媒、Pt担持率:45wt%)1gと、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂(商品名:Nafion、Aldrich社製)0.55gと、エタノール、水を攪拌混合し、触媒インクを調製した。
(Manufacture of single fuel cell)
1 g of platinum-supported carbon black (Pt / C catalyst, Pt support ratio: 45 wt%), 0.55 g of perfluorocarbon sulfonic acid resin (trade name: Nafion, manufactured by Aldrich), ethanol, and water are mixed with stirring. A catalyst ink was prepared.
一方、水電解触媒RuO2を担持したカーボンブラック(RuO2/C触媒、RuO2担持率:30wt%)1gと、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂(商品名:Nafion、Aldrich社製)0.7gと、水、エタノールを攪拌混合し、水電解触媒インクを調製した。 On the other hand, 1 g of carbon black carrying a water electrocatalyst RuO 2 (RuO 2 / C catalyst, RuO 2 loading: 30 wt%), 0.7 g of perfluorocarbon sulfonic acid resin (trade name: Nafion, manufactured by Aldrich), Water and ethanol were mixed with stirring to prepare a water electrocatalyst ink.
フッ素系電解質膜(商品名ゴアセレクト膜、ジャパンゴアテクス社製、膜厚45μm、7cm×7cm)の両面に上記触媒インクをスプレー塗布した。このとき、触媒層の単位面積当たりのPt量が0.2mg/cm2となるように触媒インクを塗布した。該インクを乾燥させ、触媒層(3.6cm×3.6cm)を形成した。
次に、上記電解質膜の両面に形成した触媒層上に、上記水電解触媒インクをスプレー塗布した。このとき、水電解層の単位面積当たりのRuO2量が0.1mg/cm2となるように水電解触媒インクを塗布した。該インクを乾燥させ、水電解層(3.6cm×3.6cm)を形成した。
The catalyst ink was spray-coated on both sides of a fluorine-based electrolyte membrane (trade name: Gore Select membrane, manufactured by Japan Gore-Tex, Inc., film thickness: 45 μm, 7 cm × 7 cm). At this time, the catalyst ink was applied so that the amount of Pt per unit area of the catalyst layer was 0.2 mg / cm 2 . The ink was dried to form a catalyst layer (3.6 cm × 3.6 cm).
Next, the water electrolysis catalyst ink was spray-coated on the catalyst layers formed on both surfaces of the electrolyte membrane. At this time, the water electrolysis catalyst ink was applied so that the amount of RuO 2 per unit area of the water electrolysis layer was 0.1 mg / cm 2 . The ink was dried to form a water electrolysis layer (3.6 cm × 3.6 cm).
上記触媒層及び水電解層を形成した電解質膜を、ガス拡散層用カーボンペーパー(厚さ250μm)で挟持し、熱圧着(プレス圧:3MPa、プレス温度:140℃)して、膜・電極接合体を得た。
得られた膜電極接合体を、2枚のセパレータ(カーボン製)で挟持し、単セルを作製した。
The electrolyte membrane in which the catalyst layer and the water electrolysis layer are formed is sandwiched between carbon papers for gas diffusion layers (thickness: 250 μm) and thermocompression bonded (pressing pressure: 3 MPa, pressing temperature: 140 ° C.) to form a membrane / electrode joint Got the body.
The obtained membrane electrode assembly was sandwiched between two separators (made of carbon) to produce a single cell.
(参考実験例)
以上のようにして作製した単セルを、以下の条件の下、運転し、発電性能評価試験を行った。結果を、図8に示す。
(Reference experiment example)
The single cell produced as described above was operated under the following conditions, and a power generation performance evaluation test was performed. The results are shown in FIG.
<発電性能評価試験>
燃料極:水素ガス500cm3/min(1atm、25℃一定条件、湿度100%RH)
酸化剤極:空気1000cm3/min(1atm、25℃一定条件、湿度100%RH)
セル温度:80℃
<Power generation performance evaluation test>
Fuel electrode: hydrogen gas 500 cm 3 / min (1 atm, constant condition at 25 ° C.,
Oxidant electrode: Air 1000 cm 3 / min (1 atm, constant condition at 25 ° C.,
Cell temperature: 80 ° C
(実施例1)
上記同様にして作製した単セルを、以下の水素欠状態において1時間運転し、続いて、以下の水素発生処理条件によって、燃料極で水素を発生させた。その後、上記と同様にして、発電性能評価試験を行った。図8に結果を併せて示す。
Example 1
A single cell produced in the same manner as described above was operated for 1 hour in the following hydrogen deficient state, and then hydrogen was generated at the fuel electrode under the following hydrogen generation treatment conditions. Thereafter, a power generation performance evaluation test was performed in the same manner as described above. The results are also shown in FIG.
<水素欠状態>
燃料極:窒素ガス500cm3/min(1atm、25℃一定条件、湿度100%RH)
酸化剤極:空気500cm3/min(1atm、25℃一定条件、湿度100%RH)
電流密度:0.1A/cm2
セル温度:80℃
<水素発生処理条件>
燃料極:窒素ガス500cm3/min(1atm、25℃一定条件、湿度100%RH)
酸化剤極:水素ガス500cm3/min(1atm、25℃一定条件、湿度100%RH)
燃料極/酸化剤極間電圧:−0.02V制御
水素処理時間:10分間
<Histogenous state>
Fuel electrode: nitrogen gas 500 cm 3 / min (1 atm, 25 ° C. constant condition,
Oxidant electrode: Air 500 cm 3 / min (1 atm, constant condition at 25 ° C.,
Current density: 0.1 A / cm 2
Cell temperature: 80 ° C
<Hydrogen generation treatment conditions>
Fuel electrode: nitrogen gas 500 cm 3 / min (1 atm, 25 ° C. constant condition,
Oxidant electrode: hydrogen gas 500 cm 3 / min (1 atm, constant condition at 25 ° C.,
Fuel electrode / oxidant electrode voltage: -0.02 V control Hydrogen treatment time: 10 minutes
(比較例1)
上記と同様にして作製した単セルを、上記同様の水素欠状態において1時間運転した。その後、水素発生処理を行わずに、上記同様、発電性能評価試験を行った。結果を図8に示す。
(Comparative Example 1)
A single cell produced in the same manner as described above was operated for 1 hour in the same hydrogen deficient state as above. Thereafter, a power generation performance evaluation test was performed in the same manner as described above without performing the hydrogen generation treatment. The results are shown in FIG.
図8に示すように、水素欠状態の運転後に、燃料極で水素を発生させる水素発生処理を行った実施例1の燃料電池単セルは、水素欠状態前の発電性能には若干劣るものの、水素発生処理を行っていない比較例1の燃料電池単セルと比較して、電流密度の増加に伴う電圧低下が少なく、発電性能に優れるものであった。 As shown in FIG. 8, the fuel cell single cell of Example 1 in which hydrogen generation processing for generating hydrogen at the fuel electrode after operation in a hydrogen deficient state was slightly inferior to the power generation performance before the hydrogen deficient state, Compared with the fuel cell single cell of Comparative Example 1 in which the hydrogen generation treatment was not performed, the voltage drop accompanying the increase in current density was small, and the power generation performance was excellent.
1…電解質膜
2…燃料極
3…酸化剤極
4…触媒層(4a:燃料極側触媒層、4b:酸化剤極側触媒層)
5…ガス拡散層(5a:燃料極側ガス拡散層、5b:酸化剤極側ガス拡散層)
6…膜・電極接合体
7…セパレータ(7a:燃料極側セパレータ、7b:酸化剤極側セパレータ)
8(8a、8b)…ガス流路
9…電源(電圧印加手段)
10…外部回路(短絡手段)
100…燃料電池単セル
DESCRIPTION OF
5. Gas diffusion layer (5a: fuel electrode side gas diffusion layer, 5b: oxidant electrode side gas diffusion layer)
6 ... Membrane / electrode assembly 7 ... Separator (7a: fuel electrode side separator, 7b: oxidant electrode side separator)
8 (8a, 8b) ... gas flow path 9 ... power supply (voltage applying means)
10 ... External circuit (short-circuit means)
100 ... Fuel cell single cell
Claims (16)
前記燃料電池単セルの少なくとも1つにおいて、燃料電池運転中、前記燃料が欠乏した状態から該燃料の供給が復帰する際に、該燃料電池単セルの前記燃料極で水素(H2)を発生させる手段を備えることを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell unit that generates electricity by reacting a fuel supplied to a fuel electrode provided on one side of the electrolyte membrane with an oxidant supplied to an oxidant electrode provided on the other side of the electrolyte membrane. A fuel cell system comprising a cell,
At least one of the single fuel cell units generates hydrogen (H 2 ) at the fuel electrode of the single fuel cell unit when the fuel supply is restored from the fuel depleted state during fuel cell operation. A fuel cell system comprising means for causing
前記燃料電池単セルの少なくとも1つにおいて、燃料電池運転中、前記燃料が欠乏した状態から該燃料の供給が復帰する際に、
(1)前記酸化剤極内の水分量を制御する水供給手段と、
(2)前記酸化剤極において水の電気分解が進行するように、該酸化剤極と前記燃料極との間に電圧を印加する電圧印加手段と、
を備える、請求項1に記載の燃料電池システム。 A water electrocatalyst contained in the oxidant electrode;
In at least one of the fuel cell single cells, when the fuel supply is restored from the fuel deficient state during fuel cell operation,
(1) water supply means for controlling the amount of water in the oxidizer electrode;
(2) voltage applying means for applying a voltage between the oxidant electrode and the fuel electrode so that electrolysis of water proceeds at the oxidant electrode;
The fuel cell system according to claim 1, comprising:
(1)前記酸化剤極に水素ガスを供給する手段と、
(2)前記酸化剤極において水素の酸化反応(プロトン化反応)が進行するように、該酸化剤極と前記燃料極との間に電圧を印加する電圧印加手段と、
を備える、請求項1に記載の燃料電池システム。 In at least one of the fuel cell single cells, when the fuel supply is restored from the fuel deficient state during fuel cell operation,
(1) means for supplying hydrogen gas to the oxidant electrode;
(2) voltage applying means for applying a voltage between the oxidant electrode and the fuel electrode so that a hydrogen oxidation reaction (protonation reaction) proceeds in the oxidant electrode;
The fuel cell system according to claim 1, comprising:
(1)前記酸化剤極に水素ガスを供給する手段と、
(2)前記燃料極に不活性ガスを供給する手段と、
(3)前記酸化剤極と前記燃料極とを電気的に接続して短絡させる短絡手段と、
を備える、請求項1に記載の燃料電池システム。 In at least one of the fuel cell single cells, when the fuel supply is restored from the fuel deficient state during fuel cell operation,
(1) means for supplying hydrogen gas to the oxidant electrode;
(2) means for supplying an inert gas to the fuel electrode;
(3) short-circuit means for electrically connecting and short-circuiting the oxidant electrode and the fuel electrode;
The fuel cell system according to claim 1, comprising:
前記燃料電池単セルの少なくとも1つにおいて、燃料電池運転中、前記燃料が欠乏した状態から該燃料の供給が復帰する際に、該燃料電池単セルの前記燃料極で水素(H2)を発生させることを特徴とする、燃料電池の運転方法。 A fuel cell unit that generates electricity by reacting a fuel supplied to a fuel electrode provided on one side of the electrolyte membrane with an oxidant supplied to an oxidant electrode provided on the other side of the electrolyte membrane. In a fuel cell comprising a cell,
At least one of the single fuel cell units generates hydrogen (H 2 ) at the fuel electrode of the single fuel cell unit when the fuel supply is restored from the fuel depleted state during fuel cell operation. A method for operating a fuel cell, comprising:
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