(57)【要約】【課題】簡単な装置構成で固体高分子形の燃料電池セルのエイジングを行うことができるようにする。【解決手段】試験回路４００は、直列に接続されたスイッチ素子４２０及び抵抗素子４１０を有しており、燃料電池セル１００の燃料極１１０及び空気極１３０を、スイッチ素子４２０及び抵抗素子４１０を介して相互に接続する。燃料ガス供給部２００は、燃料極１１０に燃料ガスを供給する。酸化剤ガス供給部３００は、空気極１３０に酸化剤ガスを供給する。制御部１０は、スイッチ素子４２０、燃料極１１０への燃料ガスの供給、及び空気極１３０への酸化剤ガスの供給を制御する。そして制御部１０は、スイッチ素子４２０を開いたまま、燃料極１１０に燃料ガスを供給すると共に空気極１３０に酸化剤ガスを供給する第１工程と、スイッチ素子を閉じ、かつ空気極１３０への酸化剤ガスの供給を停止する第２工程と、を行わせる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料極、固体高分子電解質層、及び空気極を積層した燃料電池セルの前記燃料極及び前記空気極を、スイッチ素子及び抵抗素子を介して互いに接続し、
前記スイッチ素子を開いたまま、前記燃料極に燃料ガスを供給すると共に前記空気極に酸化剤ガスを供給する第１工程と、
前記スイッチ素子を閉じ、かつ前記空気極への前記酸化剤ガスの供給を停止する第２工程と、
を備える前記燃料電池セルのエイジングを行う燃料電池のエイジング方法。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池のエイジング方法において、
前記第２工程において前記燃料極へ前記燃料ガスを供給し続ける燃料電池のエイジング方法。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池のエイジング方法において、
前記第２工程における前記燃料極からのオフガスを回収して前記燃料ガスとして再利用する燃料電池のエイジング方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一つに記載の燃料電池のエイジング方法において、
前記第１工程と前記第２工程を繰り返す燃料電池のエイジング方法。
【請求項５】
請求項４に記載の燃料電池のエイジング方法において、
前記第２工程において、前記燃料極と前記空気極の間の電圧が０．１Ｖ以下になったときに、前記第１工程に戻る燃料電池のエイジング方法。
【請求項６】
請求項４又は５に記載の燃料電池のエイジング方法において、
前記第１工程はそれぞれ一定時間行われ、
前記第２工程の初期における前記燃料極と前記空気極の間の電圧Ｖ１と、１サイクル前の前記第２工程の初期における前記燃料極と前記空気極の間の電圧Ｖ２との差が、前記電圧Ｖ２に対して０．４％以下になったときに前記第１工程及び前記第２工程の繰り返しを終了する燃料電池のエイジング方法。
【請求項７】
固体高分子型の燃料電池セルの燃料極及び空気極を、スイッチ素子及び抵抗素子を介して相互に接続する試験回路と、
前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、
前記空気極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部と、
前記スイッチ素子、前記燃料極への前記燃料ガスの供給、及び前記空気極への前記酸化剤ガスの供給を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記スイッチ素子を開いたまま、前記燃料極に前記燃料ガスを供給すると共に前記空気極に前記酸化剤ガスを供給する第１工程と、
前記スイッチ素子を閉じ、かつ前記空気極への前記酸化剤ガスの供給を停止する第２工程と、
を行わせるエイジング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子型の燃料電池のエイジング方法及び燃料電池エイジング装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子形の燃料電池セルは、固体高分子からなる電解質膜を、触媒層を有する燃料極と、触媒層を有する空気極で挟持した構成を有している。燃料極に供給される燃料ガスとしては、純水素や、都市ガスを改質器にて改質した改質ガスが用いられる。空気極に供給される酸化剤ガスとしては、純酸素や空気が用いられる。
【０００３】
固体高分子形の燃料電池セルは、製造直後は設計性能よりも低い場合が多く、燃料電池の初期特性を引き出すために、エイジングが行われる。また、燃料電池を長期間休止した後に再発電させるときや、長期間の運転によって起電力などの発電性能が低下した際などにも、エイジングと同様の運転を行う必要があることがある。
【０００４】
特許文献１及び２には、燃料電池をエイジング装置に接続し、外部負荷装置により電流値を制御し、増減させることによってエイジングを行うことが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−２５１３９６号公報
【特許文献２】特開２００７−６６６６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし外部負荷装置により電流値を制御し、増減させることによってエイジングを行う場合、外部負荷装置のコストが高くなる。エイジングには一定の時間が必要であるため、一台のエイジング装置で単位時間に処理できる燃料電池セルの数は多くはない。このため、エイジング装置のコストが高くなると、燃料電池の製造コストが増大する。
【０００７】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、簡単な装置構成で固体高分子形の燃料電池セルのエイジングを行うことができる燃料電池のエイジング方法及び燃料電池エイジング装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明によれば、燃料極、固体高分子電解質層、及び空気極を積層した燃料電池セルの前記燃料極及び前記空気極を、スイッチ素子及び抵抗素子を介して互いに接続し、
前記スイッチ素子を開いたまま、前記燃料極に燃料ガスを供給すると共に前記空気極に酸化剤ガスを供給する第１工程と、
前記スイッチ素子を閉じ、かつ前記空気極への前記酸化剤ガスの供給を停止する第２工程と、
を備える前記燃料電池セルのエイジングを行う燃料電池のエイジング方法が提供される。
【０００９】
本発明によれば、固体高分子型の燃料電池セルの燃料極及び空気極を相互に接続し、スイッチ素子及び抵抗素子を有する試験回路と、
前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、
前記空気極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部と、
前記スイッチ素子、前記燃料極への前記燃料ガスの供給、及び前記空気極への前記酸化剤ガスの供給を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記スイッチ素子を開いたまま、前記燃料極に前記燃料ガスを供給すると共に前記空気極に前記酸化剤ガスを供給する第１工程と、
前記スイッチ素子を閉じ、かつ前記空気極への前記酸化剤ガスの供給を停止する第２工程と、
を行わせる燃料電池エイジング装置が提供される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、試験回路としては、スイッチ素子及び抵抗素子があればよいため、簡単な装置構成で固体高分子形の燃料電池セルのエイジングを行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施形態に係るエイジング装置の構成を示す図である。
【図２】制御部１０が行う制御の一例を示すフローチャートである。
【図３】図２に示した処理を行ったときの、燃料電池セルの電圧と、抵抗素子を流れる電流と、空気極に供給する酸化剤ガスの流量との経時変化の一例を示すチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００１３】
図１は、実施形態に係るエイジング装置の構成を示す図である。このエイジング装置は、固体高分子形の燃料電池セル１００にエイジングを行う装置であり、試験回路４００、燃料ガス供給部２００、酸化剤ガス供給部３００、及び制御部１０を備える。燃料電池セル１００は、燃料極１１０、固体高分子電解質層１２０、及び空気極１３０をこの順に重ねた構成を有している。空気極１３０には、冷却部１４０が取り付けられている。試験回路４００は、直列に接続されたスイッチ素子４２０及び抵抗素子４１０を有しており、燃料電池セル１００の燃料極１１０及び空気極１３０を、スイッチ素子４２０及び抵抗素子４１０を介して相互に接続する。燃料ガス供給部２００は、燃料極１１０に燃料ガスを供給する。酸化剤ガス供給部３００は、空気極１３０に酸化剤ガスを供給する。制御部１０は、スイッチ素子４２０、燃料極１１０への燃料ガスの供給、及び空気極１３０への酸化剤ガスの供給を制御する。そして制御部１０は、スイッチ素子４２０を開いたまま、燃料極１１０に燃料ガスを供給すると共に空気極１３０に酸化剤ガスを供給する第１工程と、スイッチ素子を閉じ、かつ空気極１３０への酸化剤ガスの供給を停止する第２工程と、を行わせる。
【００１４】
本実施形態において、酸化剤ガス供給部３００から空気極１３０に酸化剤ガスを供給する配管には、バルブ３１０が設けられており、空気極１３０から排気ガスを排気する排気管には、バルブ３２０が設けられている。制御部１０は、バルブ３１０，３２０の開閉を制御することにより、空気極１３０への酸化剤ガスの供給を制御する。なお、燃料極１１０への燃料ガスの供給も、空気極１３０への酸化剤ガスの供給と同様の方法により制御されても良い。
【００１５】
また燃料ガス供給部２００及び酸化剤ガス供給部３００は、それぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスを加湿してから燃料極１１０及び空気極１３０に供給する。
【００１６】
また燃料極１１０からの排気ガスであるオフガスは、排気管２１０を介して燃料極１１０から排気される。排気管２１０には、切替部２１５が設けられている。切替部２１５は、オフガスの排気ルートを切り替えることにより、オフガスをそのまま排気するか、燃料ガス供給部２００に戻して燃料ガスとして再利用するかを切り替える。なお、切替部２１５も制御部１０によって制御されている。
【００１７】
また試験回路４００は、電圧計４３０及び電流計４３５を備えている。電圧計４３０は、抵抗素子４１０の両端に生じる電位差、すなわち燃料極１１０と空気極１３０の間の電圧Ｖを測定する。また電流計４３５は、抵抗素子４１０に流れる電流量を測定する。電圧計４３０及び電流計４３５の測定値は制御部１０に出力される。制御部１０は、電圧計４３０及び電流計４３５の測定値を、エイジング装置の各部分の制御に用いる。
【００１８】
なお、図１に示したエイジング装置は、燃料電池セル１００を所定の温度に加熱する加熱部（図示せず）を有している。この加熱部による加熱も、制御部１０によって制御される。
【００１９】
図２は、制御部１０が行う制御の一例を示すフローチャートである。まず制御部１０は、燃料電池セル１００を所定の温度（例えば３０℃以上８０℃以下）に加熱保持する。そして制御部１０は、燃料ガス供給部２００から燃料極１１０への燃料ガスの供給を開始する（ステップＳ１０）とともに、スイッチ素子４２０を開いて酸化剤ガス供給部３００から空気極１３０への酸化剤ガスの供給を開始する（ステップＳ２０）。これにより、燃料電池セル１００では燃料ガスの酸化反応が生じ、発電が行われる。またスイッチ素子４２０が開いており、燃料電池セル１００は電気的に無負荷状態になるため、燃料極１１０と空気極１３０の間の電圧も上昇する。ステップＳ２０の処理が行われている間、制御部１０は切替部２１５を制御し、燃料極１１０からのオフガスを排気する。
【００２０】
そして一定時間（例えば１３０秒以上１８０秒以下）が経過した後、制御部１０は、スイッチ素子４２０を閉じる。これにより、燃料極１１０と空気極１３０は、抵抗素子４１０を介して互いに導通した状態になり、抵抗素子４１０に電流が流れ始める。制御部１０は、抵抗素子４１０に電流が流れ始めたことを検知すると、空気極１３０への酸化剤ガスの供給を停止する。これにより、燃料電池セル１００における発電は中断される（ステップＳ３０）。そして電圧計４３０の測定値すなわち燃料極１１０と空気極１３０の間の電圧は急速に低下する。
【００２１】
この状態において、燃料極１１０への燃料ガスの供給は引き続き行われる。そして制御部１０は切替部２１５を制御し、燃料極１１０からのオフガスを燃料ガス供給部２００に戻し、オフガスを回収して燃料ガスとして再利用させる。
【００２２】
なお制御部１０は、スイッチ素子４２０を閉じた直後（例えば１秒後）の電圧計４３０の測定値Ｖ１を記憶しておく（ステップＳ４０）。そして制御部１０は、１サイクル前におけるステップＳ４０の測定値Ｖ２が記憶されているときには、今回のステップＳ４０の測定値Ｖ１と、１サイクル前におけるステップＳ４０の測定値Ｖ２の差分を算出する。そしてその差分が、Ｖ２に対して予め定められた割合以下、例えば０．４％以下である場合（ステップＳ５０：Ｙｅｓ）に、エイジング処理を終了する。
【００２３】
エイジング処理を終了しない場合（ステップＳ５０：Ｎｏ）、制御部１０は、燃料極１１０と空気極１３０の間の電圧が予め定められた値、例えば０．１Ｖ以下になる（ステップＳ６０：Ｙｅｓ）と、ステップＳ２０に戻り、上記した工程を繰り返す。ステップＳ３０〜ステップＳ５０の処理に必要な時間は、例えば２０秒以上７０秒以下である。
【００２４】
図３は、図２に示した処理を行ったときの、燃料電池セル１００の電圧と、抵抗素子４１０を流れる電流と、空気極１３０に供給する酸化剤ガス（空気）の流量との経時変化の一例を示すチャートである。スイッチ素子４２０を開き、酸化剤ガスとしての空気の供給を開始すると、空気の流量が増加していき、かつ燃料電池セル１００の電圧が上昇する。そしてしばらくたつと、空気の流量も一定になり、かつ燃料電池セル１００の電圧も安定する。その後、スイッチ素子４２０を閉じ、かつ空気の供給を停止すると、抵抗素子４１０に電流が流れ始める。この電流量は、瞬間的に増大した後に急速に低下していく。これに伴って、燃料電池セル１００の電圧が急速に低下する。そして燃料電池セル１００の電圧が一定値以下になると、再びスイッチ素子４２０を開き、酸化剤ガスとしての空気の供給を開始する。
【００２５】
次に、本実施形態による作用及び効果について説明する。本実施形態によれば、カソードである空気極１３０では、電位の上昇及び降下が行われる。このため、空気極１３０の表面には、サイクリックボルタンメトリー法におけるパルスクリーニングと同様の作用が生じ、清浄化が行われる。このため、燃料電池のエイジングを行うことができる。
【００２６】
また、酸化剤ガスの供給を中断している間にも燃料極１１０には燃料ガスが供給されている。燃料ガスの一部は、燃料極１１０を介して固体高分子電解質層１２０及び空気極１３０にもリークする。リークした燃料ガスは、固体高分子電解質層１２０及び空気極１３０と固体高分子電解質層１２０の界面近傍に残存している酸素と反応して水を生成する。生成した水は、固体高分子電解質層１２０に取り込まれ、これにより燃料電池セル１００の抵抗が低下する。この作用によっても固体高分子形の燃料電池セル１００のエイジングが行われる。また、１サイクルの処理に要する時間は短いため、エイジングに要する時間は短い。
【００２７】
また、本実施形態にかかるエイジング装置は、電流値を制御して増減させるための外部負荷装置を備える必要がなく、抵抗素子４１０、スイッチ素子４２０、並びにスイッチ素子及びバルブの開閉を制御する制御部１０を備えていれば良い。従って、簡単な装置構成で固体高分子形の燃料電池セル１００のエイジングを行うことができる。
【００２８】
なお、燃料電池セル１００における発電を継続したまま、外部負荷装置を用いて本実施形態と同様の電圧挙動を実現することも考えられる。しかし、固体高分子形の燃料電池セル１００にはフラッディングによってガスの不足が生じることがあり、これによって出力電圧（燃料極１１０と空気極１３０の間の電圧）が低下することがある。外部負荷装置によって燃料極１１０と空気極１３０の間の電圧を０に近づけたタイミングで燃料電池セル１００にフラッディングが生じると、燃料極１１０と空気極１３０の間の電圧が逆転する可能性が出てくる。燃料極１１０と空気極１３０の間の電圧が逆転すると燃料電池セル１００が劣化する。
【００２９】
これに対して本実施形態では、抵抗素子４１０を介して燃料電池セル１００を放電させることにより燃料極１１０と空気極１３０の間の電圧を０に近づけているため、燃料極１１０と空気極１３０の間の電圧が逆転することを確実に防ぐことができる。
【００３０】
また、ステップＳ３０の間において、燃料極１１０からのオフガスを回収して燃料ガスとして再利用している。従って、エイジングに必要なコストを低くすることができる。
【００３１】
なお、図１に示す例では燃料電池セル１００は単セル構造であったが、複数のセルを積層させたもの（燃料電池スタック）を用いても良い。
【００３２】
以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。
【００３３】
（実施例）
出力が１ｋＷの固体高分子形の燃料電池を準備し、図１に示したエイジング装置に接続した。この燃料電池は、複数の燃料電池セル１００を積層させたスタック構造を有している。そして、スイッチ素子４２０を開いた状態で、燃料極１１０に、露点が８２℃になるまで加湿した純水素ガスを１７Ｌ／分で導入し、空気極１３０に、露点が８２℃になるまで加湿した空気を２８Ｌ／分で導入した。このとき、燃料電池のスタックの中心温度を８０℃に制御した。
【００３４】
純水素ガス及び空気を導入してから３分後に、燃料極１１０と空気極１３０の間の電圧が０．９Ｖを越えた。その後、スイッチ素子４２０を閉じて、燃料極１１０と空気極１３０の間に５００ｍΩの抵抗素子４１０をつないだ。これにより、抵抗素子４１０には電流が流れ始めた。また、抵抗素子４１０に電流が流れ始めたことを検知したときに、空気極１３０への空気の供給を中断した。これにより、燃料電池セル１００における発電は中断され、燃料極１１０と空気極１３０の間の電圧は急速に低下した。そして、燃料極１１０と空気極１３０の間の電圧が０．１Ｖ以下になったときに、空気極１３０への空気の供給を再開した。
【００３５】
上記したサイクルを１５サイクル繰り返すと、抵抗素子４１０を接続してから１秒後の電圧が、１サイクル前の電圧に対して０．４％以下の上昇にとどまった。これにより、エイジング処理を終了した。なお、エイジングに要した時間は、５０分であった。
【符号の説明】
【００３６】
１０ 制御部
１００ 燃料電池セル
１１０ 燃料極
１２０ 固体高分子電解質層
１３０ 空気極
１４０ 冷却部
２００ 燃料ガス供給部
２１０ 排気管
２１５ 切替部
３００ 酸化剤ガス供給部
３１０ バルブ
３２０ バルブ
４００ 試験回路
４１０ 抵抗素子
４２０ スイッチ素子
４３０ 電圧計
４３５ 電流計
【図１】
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【図２】
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【図３】
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