(57)【要約】【課題】短時間でエージングを進めつつ、セル内の電解質膜のスルホン酸の分解、白金触媒自体の溶出による劣化を抑えて、耐久性能を確保することのできる燃料電池のエージング方法を提供する。【解決手段】複数のセル１が積層された燃料電池１０のエージング方法であって、相対的に低電位且つ高電流での発電と、相対的に高電位且つ低電流での発電とを繰り返すとともに、高電位発電（低電流発電）での各セル１の電位を0.82Vから0.9Vまでの範囲に設定する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のセルが積層された燃料電池のエージング方法であって、
相対的に低電位且つ高電流での発電と、各セルの電位が0.82Vから0.9Vまでの相対的に高電位且つ低電流での発電とを繰り返す燃料電池のエージング方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数のセルが積層された燃料電池のエージング方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
この種の燃料電池では、初期の乾燥した電解質膜の抵抗、製造工程で触媒に形成される酸化被膜、揮発有機物による触媒の被毒のため、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、電解質膜を湿潤させて電解質膜抵抗を低減し、触媒表面の酸化被膜と有機物を除去することにより、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。
【０００６】
しかし、前記のような燃料電池のエージング（ならし運転）に要する時間（エージング時間）は非常に長く、生産台数の増加、普及に伴い、製造工程上の大きな課題となっている。
【０００７】
そこで、エージングを短時間で行う（換言すれば、エージング時間を短縮化する）ために、従来から種々の提案がなされている。
【０００８】
例えば、特許文献１では、触媒被毒の有無を判断する触媒被毒判定用プログラム、及び燃料電池の出力を上げるための燃料電池エージング用プログラム、並びにこれらを実行するための手段を備えた燃料電池システムが提供されている。
【０００９】
また、特許文献２では、水素極と酸素極に各々水素のマイクロバブルと酸化ガスのマイクロバブルを溶在させた水を送ることでエージングする方法が提案されている。
【００１０】
また、特許文献３では、燃料電池用触媒を活性化するために、電位のみを上下させる方法が提案されている。
【００１１】
さらに、エージング時間短縮方法として、複数のセルを積層した状態で低電位、且つ高電流で発電させることで、各セルのばらつきを抑えて高速でエージングを進める方法なども既に提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２０１８−１２９１５５号公報
【特許文献２】特開２０１５−２０１３７９号公報
【特許文献３】特開２００９−２８３１６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
ところで、エージングを高速で行い、燃料電池（燃料電池スタック）の出力を短時間で向上させる高速エージング方法においては、低電位と高電位を交互に繰り返す必要があったが、従来は、高電位を作り出すときに、電流掃引を止めて開回路電圧（ＯＣＶ:Open Circuit Voltage）状態を作り出していた。すなわち、この種の従来技術では、低電位（0.1V程度）且つ高い電流密度（2.8A/cm2程度）での発電とＯＣＶでの発電とを交互に繰り返すことで、触媒表面に付着した有機物の洗浄と酸化被膜の除去を実施していた。
【００１４】
しかしながら、前記のようなエージングにおいて、ＯＣＶの時間を長くとり過ぎると、セル内の電解質膜のスルホン酸が分解して膜が痩せたり、白金触媒自体が溶出したりして、耐久性能を低下させる背反がある。
【００１５】
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、短時間でエージングを進めつつ、セル内の電解質膜のスルホン酸の分解、白金触媒自体の溶出による劣化を抑えて、耐久性能を確保することのできる燃料電池のエージング方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
前記課題を解決すべく、本発明による燃料電池のエージング方法は、複数のセルが積層された燃料電池のエージング方法であって、相対的に低電位且つ高電流での発電と、各セルの電位が0.82Vから0.9Vまでの相対的に高電位且つ低電流での発電とを繰り返すことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、相対的に低電位且つ高電流での発電と、各セルの電位が0.82Vから0.9Vまでの相対的に高電位且つ低電流での発電とを繰り返すことにより、短時間でエージングを進めつつ、セル内の電解質膜のスルホン酸の分解、白金触媒自体の溶出による劣化を抑えて、耐久性能を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明による燃焼電池のエージング方法の適用対象となる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。
【図２】本発明によるエージング方法の、電流密度と電位の関係を示す図である。
【図３】本発明によるエージング方法の、エージング中のセル電圧を示すタイムチャートである。
【図４】従来技術によるエージング方法の、電流密度と電位の関係を示す図である。
【図５】従来技術によるエージング方法の、エージング中のセル電圧を示すタイムチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
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。
【００２０】
［燃料電池（燃料電池スタック）の構成］
図１は、本発明による燃焼電池のエージング方法の適用対象となる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。
【００２１】
図１（Ａ）に示すように、燃料電池（燃料電池スタック）１０には、基本単位であるセル（単電池）１が複数積層されている。各セル１は、酸化剤ガス（例えば空気）と、燃料ガス（例えば水素）と、の電気化学反応により起電力を発生する固体高分子型燃料電池である。セル１は、ＭＥＧＡ２と、ＭＥＧＡ２を区画するように、ＭＥＧＡ２に接触するセパレータ（燃料電池用セパレータ）３とを備えている。なお、本実施形態では、ＭＥＧＡ２は、一対のセパレータ３、３により、挟持されている。
【００２２】
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。
【００２３】
本実施形態では、ＭＥＧＡ２が、燃料電池１０の発電部であり、セパレータ３は、ＭＥＧＡ２のガス拡散層７に接触している。また、ガス拡散層７が省略されている場合には、膜電極接合体４が発電部であり、この場合には、セパレータ３は、膜電極接合体４に接触している。したがって、燃料電池１０の発電部は、膜電極接合体４を含むものであり、セパレータ３に接触する。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
また、前記した燃料電池１０は、図１（Ｂ）に示すように、各１セル間の電圧（セル電圧）を検査・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。
【００３０】
［燃料電池（燃料電池スタック）のエージング方法］
前記した如くの構成を有する燃料電池１０では、発電性能（出力特性）を安定させるために、例えば当該燃料電池１０の組み立て後などにエージング（ならし運転）が行われる。
【００３１】
ここで、前述したように、従来技術では、低電位（0.1V程度）且つ高い電流密度（2.8A/cm2程度）での発電と電流掃引を止めたＯＣＶ（高電位ＯＣＶ）での発電とを交互に繰り返すことで、エージングを実施していた（図４及び図５参照）。しかし、本発明者等は、エージング中に各セルの電位が0.9Vを超えると、セル内の電解質膜のスルホン酸の分解、及び白金触媒自体の溶出により劣化する可能性があること、また、各セルの電位が0.82Vに満たないと、白金触媒に付着した酸化被膜が脱離しなくなり、エージングが進まなくなる可能性があることを確認している。
【００３２】
そこで、本実施形態では、燃料電池の高速エージング方法において、背反となっている耐久性能低下を防止するために、高電位ＯＣＶを止めて、低電流発電（0.1A/cm2以下）に置き換える。すなわち、燃料電池の出力を短時間で向上させるための高速エージング方法において、相対的に低電位且つ高電流での発電と、相対的に高電位且つ低電流での発電とを交互に繰り返すことで、エージングを実施する。
【００３３】
この場合、図２及び図３に示すように、低電位発電（高電流発電）においては、電位は0V〜0.3V/1セル、好ましくは0.1V付近/1セルとし、電流密度は2.8A/cm2付近とする。
【００３４】
また、高電位発電（低電流発電）においては、電位は0.82V〜0.9V/1セルとし、電流密度は0.1A/cm2以下、好ましくは0.03A/cm2〜0.1A/cm2とする。
【００３５】
また、低電位発電（高電流発電）と高電位発電（低電流発電）とを繰り返すに当たっては、低電位発電（高電流発電）の時間を高電位発電（低電流発電）の時間より相対的に長くする（特に図３参照）。
【００３６】
エージング中（特に、高電位発電（低電流発電）中）に各セルの電位を0.9V以下に抑えることで、セル内の電解質膜のスルホン酸の分解、及び白金触媒自体の溶出による劣化を抑えることができる。また、各セルの電位を0.82V以上に保つことで、白金触媒に付着した酸化被膜が脱離しやくなり、高速でエージングを進めることができる。
【００３７】
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、相対的に低電位且つ高電流での発電と、相対的に高電位且つ低電流での発電とを繰り返すとともに、高電位発電（低電流発電）での各セル１の電位を0.82Vから0.9Vまでの範囲に設定することにより、短時間でエージングを進めつつ、セル内の電解質膜のスルホン酸の分解、白金触媒自体の溶出による劣化を抑えて、耐久性能を確保することができる。すなわち、燃料電池（燃料電池スタック）の出力を短時間で向上させるための高速エージング方法において、背反として電解質膜や触媒の劣化により耐久性能が低下するという課題を解決でき、もって、生産性を向上させることができる。
【００３８】
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。
【符号の説明】
【００３９】
１…セル（燃料電池セル）、２…ＭＥＧＡ、３…セパレータ、４…膜電極接合体（ＭＥＡ）、５…電解質膜、６…電極（アノード、カソード）、７…ガス拡散層、１０…燃料電池（燃料電池スタック）、１１、１２…ガス配管、１３…冷却水配管、２１、２２…ガス流路、２３…水が流通する空間
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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