(57)【要約】燃料極電極（１４）と空気極電極（１６）電位を、第１の電位から第２の電位まで、次いで、その電位を第２の電位から第１の電位へ戻すようサイクリングすることと、そのサイクリングを、各電極（１４，１６）に対して少なくとも２つの電極サイクルの間繰り返すことを含む、陽子交換膜型（「ＰＥＭ」）燃料電池（１２）のための性能を向上するならし運転方法。その電位のサイクリングは、プログラム可能な直流電源（８０）から電極に直流電流を印加することによる第１の実施態様によって達成することができる。あるいは、燃料極と空気極の電極（１４，１６）がさらされる反応物を変えることによっても、電位のサイクリングは達成することができる。
2007517359.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
陽子交換膜電解質（１８）の対向する両側に固定された燃料極電極（１４）と空気極電極（１６）を有する、陽子交換膜型燃料電池（１２）のための性能を向上するならし運転方法であって、この方法は、
ａ．燃料極電極（１４）と空気極電極（１６）からなる群から選択される電極の電位を、選択された電極（１４，１６）の電位を、０．００ボルトから１．２０ボルトの電位範囲内で、その範囲内における第１の電位から第２の電位まで変え、次いで、選択された電極（１４，１６）のその電位を、第２の電位から第１の電位へ戻すように変えることによって第１の電極サイクルの間サイクリングするステップと、
ｂ．選択された電極（１４，１６）の電位のサイクリングを、少なくとも第２の電極サイクルの間繰り返すステップと、
を含んでなること特徴とする、陽子交換膜型燃料電池（１２）のための性能を向上するならし運転方法。
【請求項２】
前記選択された電極（１４，１６）の電位をサイクリングする前記ステップが、前記電極（１４，１６）の電位を前記第１の電位から前記第２の電位へ変え、次いで、前記電極（１４，１６）の電位を前記第１の電位へ戻すよう変えるために、プログラム可能な直流電源（８０）から、前記電極（１４，１６）に直流電流を印加することをさらに含むことを特徴とする、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記電極の群から空気極電極（１６）を選択することと、空気極電極（１６）の電位を、前記電位範囲内において、前記空気極電極（１６）を不活性ガスにさらし、燃料極電極（１４）を還元流体反応物にさらすことによって前記空気電極（１６）の電位を低下させることと、前記電位範囲内において、前記空気極電極（１６）を酸化剤反応物にさらし、前記燃料極電極（１４）を還元流体反応物に継続してさらすことによって、前記空気極電極（１６）の電位を上げることをさらに含むことを特徴とする、請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記電極の群から燃料極電極（１４）を選択することと、燃料極電極（１４）の電位を、前記電位範囲内において、前記燃料極電極（１４）を還元流体反応物にさらし、空気極電極（１６）を酸化剤反応物にさらすことによって前記燃料電極（１４）の電位を低下させることと、前記電位範囲内において、前記燃料極電極（１４）を不活性ガスにさらし、前記空気極電極（１６）を酸化剤反応物に継続してさらすことによって、前記燃料極電極（１４）の電位を上げることをさらに含むことを特徴とする、請求項１記載の方法。
【請求項５】
陽子交換膜電解質（１８）の対向する両側に固定された燃料極電極（１４）と空気極電極（１６）を有する、陽子交換膜型燃料電池（１２）のための性能を向上するならし運転方法であって、この方法は、
ａ．空気極電極（１６）の電位を、その電位を、０．００ボルトから１．２０ボルトの電位範囲内で、その範囲内における第１の空気極電位から第２の空気極電位まで変え、次いで、空気極電極（１６）の電位を、第２の空気極電位から第１の空気極電位へ戻すように変えることによって第１の空気極サイクルの間サイクリングするステップと、
ｂ．空気電極（１６）の電位のサイクリングを、少なくとも第２の空気極電極サイクルの間繰り返すステップと、
ｃ．燃料極電極（１４）の電位を、その電位を、０．００ボルトから１．２０ボルトの電位範囲内で、その範囲内における第１の燃料極電位から第２の燃料極電位まで変え、次いで、燃料極電極（１４）の電位を、第２の燃料極電位から第１の燃料極電位へ戻すように変えることによって第１の燃料極サイクルの間サイクリングするステップと、
ｄ．燃料電極（１４）の電位のサイクリングを、少なくとも第２の燃料極電極サイクルの間繰り返すステップと、
を含んでなることを特徴とする、陽子交換膜型燃料電池（１２）のための性能を向上するならし運転方法。
【請求項６】
前記空気極電極（１６）の電位をサイクリングする前記ステップが、前記空気極電極（１６）の電位を前記第１の空気極電位から前記第２の空気極電位へ変え、次いで、前記空気極電極（１６）の電位を前記第１の空気極電位へ戻すよう変えるために、プログラム可能な直流電源（８０）から、前記空気極電極（１６）に直流電流を印加することと、前記燃料極電極（１４）の電位をサイクリングする前記ステップが、前記燃料極電極（１４）の電位を前記第１の燃料極電位から前記第２の燃料極電位へ変え、次いで、前記燃料極電極（１４）の電位を前記第１の燃料極電位へ戻すよう変えるために、プログラム可能な直流電源（８０）から、前記燃料極電極（１４）に直流電流を印加することをさらに含むことを特徴とする、請求項５記載の方法。
【請求項７】
前記空気極電極（１６）の電位をサイクリングするステップが、前記空気極電極（１６）の電位を、前記電位範囲内において、前記空気極電極（１６）を不活性ガスにさらし、燃料極電極（１４）を還元流体反応物にさらすことによって前記空気電極（１６）の電位を低下させることと、前記電位範囲内において、前記空気極電極（１６）を酸化剤反応物にさらし、前記燃料極電極（１４）を還元流体反応物に継続してさらすことによって、前記空気極電極（１６）の電位を上げることをさらに含むことを特徴とする、請求項５記載の方法。
【請求項８】
前記燃料極電極（１４）の電位をサイクリングするステップが、前記燃料極電極（１４）を還元流体反応物にさらし、空気極電極（１６）を酸化剤反応物にさらすことによって、前記電位範囲内において前記燃料電極（１４）の電位を低下させることと、前記燃料極電極（１６）を不活性ガスにさらし、前記空気極電極（１６）を酸化剤反応物に継続してさらすことによって、前記電位範囲内において前記燃料極電極（１４）の電位を上げることをさらに含むことを特徴とする、請求項５記載の方法。
【請求項９】
前記燃料電池（１２）の性能を校正するステップをさらに含み、その性能を校正するステップは、前記空気極電極（１６）の電位をサイクリングするステップと前記燃料極電極（１４）の電位をサイクリングするステップ後に、前記燃料極電極（１４）を還元流体反応物にさらし、かつ、前記空気極電極（１６）を酸化剤反応物にさらすことと、次に主抵抗スイッチ（７８）を閉じることによって主抵抗（７４）を、所定の時間燃料極及び空気極電極（１４，１６）に接続することと、次いで、その時間後に主抵抗スイッチ（７８）を開くことと、さらに、その性能を校正するステップを所定の反復数だけ繰り返すことからなることを特徴とする、請求項５記載の方法。
【請求項１０】
陽子交換膜型燃料電池（１２）のならし運転を向上するための燃料電池装置（１０）であって、装置は、
ａ．陽子交換膜電解質（１８）の対向する両側に固定される燃料極電極（１４）と空気極電極（１６）を備える少なくとも１つの燃料電池（１２）と、
ｂ．プログラム可能な直流電源（８０）であって、燃料極電極（１４）と空気極電極（１６）に電気的に連絡するよう固定された、電源回路（７０）に接続された極性反転手段（８２）を備えることにより、電源（８０）の正端子（８４）を燃料極電極（１４）又は空気極電極（１６）のいずれか一方に選択的に接続する、プログラム可能な直流電源（８０）と、
ｃ．燃料極電極（１４）に隣接する燃料極流域（２０）と空気極電極（１６）に隣接する空気極流域（２２）とに流体的に連通する還元流体源（３４，５２）と不活性ガス（４０，５８）、及び、燃料極流域（２０）に、還元流体と、不活性ガスと、還元流体と不活性ガスの混合物からなる流体の群から選択される流体の源からの流れを選択的に送るためと、空気極流域（２２）に、上記流体の群から選択される流体の源からの流れを選択的に送るための弁手段、
を含んでなることを特徴とする、燃料電池装置（１０）。
【請求項１１】
陽子交換膜型燃料電池（１２）のならし運転を向上するための燃料電池装置（１０）であって、装置は、
ａ．陽子交換膜電解質（１８）の対向する両側に固定される燃料極電極（１４）と空気極電極（１６）を備える少なくとも１つの燃料電池（１２）と、
ｂ．燃料極電極（１４）に隣接する燃料極流域（２０）と空気極電極（１６）に隣接する空気極流域（２２）とに流体的に連通する還元流体源（３４，５２）と、不活性ガス源（４０，５８）と、酸化剤源（４６，４４）、及び、燃料極流域（２０）に、還元流体と、不活性ガスと、還元流体と不活性ガスの混合物からなる流体の群から選択される流体の源からの流れを選択的に送るためと、空気極流域（２２）に、上記流体の群から選択される流体の源からの流れを選択的に送るための弁手段、
を含んでなることを特徴とする、燃料電池装置（１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、輸送用乗り物、携帯用発電設備や据置型発電設備に適した燃料電池に関し、特に、既知のならし運転方法の時間を短縮し、燃料電池の性能を向上させる、燃料電池のためのならし運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は周知であり、反応物流体を還元及び酸化することによって、装置搭載の航空宇宙機、輸送用乗り物、あるいは建造物のオンサイト発電機に電力を供給するための電気エネルギーを生成するのに通常使用されている。通常、燃料電池発電設備の構成部分として、複数の平板な燃料電池をセルスタックに配置して、その周囲を、還元流体、酸化流体、冷媒流体及び生成物流体の流れを方向付けるマニホルドを画定する電気絶縁フレーム体で覆う。個々の燃料電池は、周知のように、通常、陽子交換膜（「ＰＥＭ」）電解質などの電解質で分離された燃料極と空気極を備える。
【０００３】
ＰＥＭ型燃料電池の製造には、特定の電圧において最大で安定した電流出力である燃料電池の最大性能を達成するために、燃料電池を組み立てた後に、実質的なならし運転期間が含まれることも又知られている。そのようなならし運転期間は、１００時間を超えて燃料電池の運転するものである場合が多い。ＰＥＭ型燃料電池では、ＰＥＭ電解質は典型的には燃料極触媒層と空気極触媒層の間に固定されている。そのような触媒層は、反応物ストリームと接触可能な触媒の表面積を最大化し、反応物流と生成物流の流れを供給、あるいは触媒層から排出するために、炭素支持材料で支持されている。そのような支持材料に固定された触媒層は、空気極電極又は燃料極電極として特徴づけられることが多い。電極は、ＰＥＭ電解質の両側に固定されて、周知のように膜電極アッセンブリ（「ＭＥＡ）を形成する。ＰＥＭ電解質はイオノマーであり、電極も又、燃料電池の運転中にＭＥＡを介したイオンの移動を促進するためにイオノマーを備えるものであってよい。
【０００４】
電極と、電極内のイオノマーと、ＰＥＭ電解質は、ならし運転期間中にゆっくりと加湿されるものと理論上想定される。完全に加湿することにより、ＭＥＡのイオン耐性が低減し、燃料電池の電気化学反応に利用可能な触媒の有効表面積が増大するため、燃料電池の性能を向上することができる。しかしながら、燃料電池が輸送要求に合わせた大容量の生成を開始する際、そのような長時間のならし運転期間は、非常に大きな、許容できないほどの費用負担となる。
【０００５】
従って、燃料電池を最大性能に到達させるのに必要な全時間を低減する、時間短縮されたならし運転方法の必要性が存在する。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、陽子交換膜（「ＰＥＭ」）電解質の両側に固定された空気極と燃料極を具備する陽子交換膜燃料電池のための、性能を向上するならし運転方法である。本発明の方法は、まず、空気極電極の電位を、所定の期間又は所定の速度で、第１の空気極電位から第２の空気極電位へ変えることによって、第１の空気極サイクルの間、空気極電極の電位を周期変動させることと、第２の空気極電位から第１の空気極電位へ戻すよう、空気極電極の電位を変えることを含む。次いで、第２の空気極電位を第１の空気極電位に戻す。次に、空気極電位の周期変動を、少なくとも第２の空気極サイクルの間繰り返す。
【０００７】
本発明の方法は又、燃料極電極の電位を、所定の期間又は所定の速度で、第１の燃料極電位から第２の燃料極電位へ変えることによって、第１の燃料極サイクルの間、燃料極電極の電位を周期変動させることと、第２の燃料極電位から第１の燃料極電位へ戻すよう、燃料極電極の電位を変えることを含む。次いで、第２の燃料極電位を第１の燃料極電位に戻す。従って、空気極電極と燃料極電極の電位の周期変動において、電極の電位は、０．００Ｖ〜１．２０Ｖの範囲内で周期的に変動する。
【０００８】
空気極電極と燃料極電極の電位の周期変動は、本発明による第１又は第２の実施態様によって達成できる。電位の周期変動（サイクリング）は、プログラム可能な直流電流（「ＤＣ」）電源を電極に適用することによって第１の実施態様において達成される。第１の実施態様は、便宜上、本明細書においては印加電圧実施態様とも称される。ＤＣ電源からの電流は電子を輸送又は排除して、電極の電位を制御された方法で変える。例えば、第１の空気極サイクルの間に空気極電極の電位を周期変動させるには、ＤＣ電源の正端子を空気極電極に接続し、かつ、負端子を燃料極電極に接続する。燃料極電極は、水素含有反応物流体にさらされ、空気極電極は窒素などの不活性ガスにさらされる。ＤＣ電源により、各空気極サイクルの間の特定の期間、空気極の電位は特定の変化量で変わる。同様のプロセスを、燃料極サイクルを実行するため、逆流した上述のパージガスを用いて、燃料極電極に接続された正端子、並びに空気極電極に接続された負端子で実施する。
【０００９】
空気極電極と燃料極電極の電位のサイクリングは、電極がさらされる反応物ストリームを変更することによって、本発明の第２の実施態様において達成することができる。第２の実施態様は、便宜上、本明細書中で可変反応物実施態様とも称す。本発明は又、上記方法を実施するための装置も包含する。
【００１０】
従って、本発明の概略的な目的は、従来技術の欠点を克服した、ＰＥＭ型燃料電池のための、性能を向上するならし運転方法と装置を提供することである。
【００１１】
より詳細には、本発明の目的は、燃料電池のならし運転期間を低減し、燃料電池のならし運転の性能を増強する、ＰＥＭ型燃料電池のための性能を向上するならし運転方法と装置を提供することである。
【００１２】
本発明のＰＥＭ型燃料電池のための性能を向上するならし運転方法と装置の上記及びその他の目的並びに利点は、以下の説明を関連する図面とともに理解することにより容易に明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図を詳細に参照すると、図１は、本発明の陽子交換膜（「ＰＥＭ」）電解質型燃料電池のための性能を向上するならし運転方法を適用するのに適した構成要素を有する、燃料電池のならし運転装置１０を示している。装置１０は、周知の膜電極アッセンブリ（「ＭＥＡ」）を形成する、ＰＥＭ電解質１８に隣接してその両側に固定された燃料極電極１４と空気極電極１６とを有する燃料電池１２を備える。燃料極流域２０は、燃料極電極１４に隣接して固定され、電極１４に隣接して反応物ストリームの流れを方向付ける。また、空気極流域２２は、空気極電極１６に隣接して固定され、電極１６に隣接して反応物ストリームの流れを方向付ける。水輸送、又は分離板２４を、従来知られるように、電池１２を冷却及び／又は生成水を除去して反応物ストリームを加湿するなどのために、空気極流域２２に隣接して固定することもできる。
【００１４】
燃料極入口弁２７を備える燃料極入口２６は、反応物ストリームを燃料極流域２０内へ方向付け、燃料極排気口２８は燃料極排気ストリームを燃料電池１２から出るよう方向付ける。空気極入口弁３１を備える空気極入口３０は、反応物ストリームを空気極流域２２内へ方向付け、空気極排気口３２は、空気極排気ストリームを燃料電池１２から出るよう方向付ける。燃料極の水素含有還元流体反応物源３４は、還元流体が燃料極流域２０を通って流れるよう選択的に方向付けるため、弁３６とライン３８を介して燃料極入口２６と流体的に連通するよう固定される。燃料極の不活性ガス源４０は、不活性ガスが燃料極流域２０を通って流れるよう選択的に方向付けるため、弁４２とライン４４を介して流体的に連通するよう固定される。また、燃料極の酸化剤反応物源４６は、酸化剤反応物が、燃料極流域２０を通って流れるよう選択的に方向付けるため、弁４８とライン５０を介して燃料極入口２６と流体的に連通するよう固定される。同様に、空気極の水素含有還元流体源５２は、還元流体を空気極流域２２を通って流れるよう選択的に方向付けるため、弁５４とライン５６を介して空気極入口と流体的に連通するよう固定される。空気極の不活性ガス貯蔵源５８は、不活性ガスを空気極流域２２を通って流れるよう選択的に方向付けるため、弁６０とライン６２を介して空気極入口３０と流体的に連通するよう固定される。また、空気極の酸化剤源６４は、酸化剤を空気極流域２２を通って流れるよう選択的に方向付けるため、弁６６とライン６８を介して空気極入口３０と流体的に連通するよう固定される。
【００１５】
燃料極流域２０と空気極流域２２の異なる燃料極源と空気極源を有するものとして説明した装置１０の上記説明は、本発明の方法を簡単に解説することを第一とする方法で示されており、別々の弁、ラインや源よりも、上述の性能を実行させる適当な単一又は多数弁手段並びにラインを有する反応物及び／又は不活性ガスの単一源も又、本発明の方法を実施するのに設けてよい。
【００１６】
装置１０は又、電極１４，１６と電気的に連絡するよう固定された電源回路７０を備える。燃料電池１２は、（図示しない）複数の同様の燃料電池と一体的に組み立てて、既知の燃料電池スタックアッセンブリとしてもよい。この場合、電源回路７０を、セルスタックアッセンブリの外部へ電流を案内するよう既知の方法で全ての燃料電池と電気的に連絡するよう固定することで、本発明の方法により、スタックの全燃料電池は同時にならし運転される。電圧計７２は、電源回路７０に平行して固定され、第１の電気抵抗７４も同様に電源回路７０に平行して、かつ、アンペア計７６と抵抗スイッチ７８に直列して固定される。既知の極性反転スイッチ８２などの極性反転手段を備えるプログラム可能な直流電流（「ＤＣ」）電源８０を、電気回路７０に固定することによって、スイッチ８２は電源８０の正端子８４かあるいは負端子８６のいずれか一方を、燃料極電極１４又は空気極電極１６のいずれか一方に選択的に接続することができる。
【００１７】
前述の例示的な燃料電池装置１０の使用を、以下の２つの表に要約する。これらの内「表１」は、燃料電池装置１０を第１の実施態様として、即ち、本発明の方法の印加電圧実施態様としての使用を示している。「表２」は、燃料電池装置１０を第２の実施態様、即ち、本発明の方法の可変反応物実施態様としての使用を示している。表２は又、従来技術におけるならし運転方法も示している。
【００１８】
【表１】
2007517359.tif 000003
【００１９】
【表２】
2007517359.tif 000004
【００２０】
表１に示されるように、第１の、即ち、印加電圧実施態様において、空気極サイクルに関して、そのステップ１として、ＤＣ電源８０は空気極電極１６に接続されたその正端子８４を有し、空気極電極１６の電位を約０．０４ボルト（「Ｖ」）から約１．０４Ｖまで上げる。次いで、ステップ２では、電位を約０．０４Ｖへ戻すよう変える。これら電位は電圧計７２で測定可能である。（本発明における「電位」の基準は、全て従来技術において既知の標準水素電極（「ＳＨＥ」）を基準とするものである。）ステップ３〜６では上述の手順が繰り返され、さらに２回の空気極サイクルが行われる。燃料極サイクルに関しては、ステップ７として、ＤＣ電源８０は、極性反転スイッチ８２でスイッチを切り替えられて燃料極電極１４に接続された正端子を有し、燃料極電極１４の電位を約０．０４ボルト（「Ｖ」）から約１．０４Ｖへ上げる。次いで、ステップ８として、電位を約０．０４Ｖへ戻すように変える。この手順が表１のステップ９〜１２で繰り返され、さらに２回の燃料極サイクルが行われる。
【００２１】
空気極サイクルの間、空気極電極１６は、空気極の不活性ガス源５８から流れてくる窒素ガスなどの不活性ガスにさらされる。一方、燃料極電極１４は、燃料極の水素源３４から送られてくる水素含有ガスか、又は、還元燃料と図１に示される燃料極の不活性ガス源４０から送られてくる不活性ガスとの混合物にさらされる。燃料極サイクルの間、空気極電極１６は、燃料極の還元流体源５２から送られてくる水素ガスなどの純粋な還元流体反応物か、又は還元流体と空気極の不活性ガス源５８からの不活性ガスの混合物にさらされる。また、燃料極電極１４は、燃料極の不活性ガス源４０からの不活性ガスにさらされる。水素含有還元燃料にさらされた電極は、燃料電池１２中の基準電極として機能する。電極の電位は、燃料が１００％水素であった場合、「ＳＨＥ」に対しておおよそ０．００ボルトであり、また、燃料ストリームが約４％水素−不活性ガス混合物、例えば、４％水素と９６％Ｎ2であった場合、おおよそ０．０４Ｖである。電極の電位は、酸化剤反応物が２１％酸素含有の空気であった場合におおよそ０．９５ボルトであり、また、酸化剤反応物が１００％酸素であった場合に約１．００ボルトである。窒素などの不活性ガスは、空気極サイクル、即ち、空気極充填サイクルの間、空気極に配置され、燃料極サイクル、即ち、燃料極充填サイクルの間、燃料極に配置される。これは、電極電位における所望の変化を有効にして燃料電池１２を通って流れなければならない電流を最小にするためである。
【００２２】
本発明の第１の、印加電圧実施態様のより好ましい方法において、表１のステップ１３と１４に示されるような性能の校正を実施してもよい。そのような性能を校正するステップでは、燃料電池１２を、主抵抗スイッチ７８に近接した抵抗上に配置して、一連の性能の校正サイクルを行う。性能の校正において、ＤＣ電源８０は接続を解除され、燃料極電極１４は、燃料極の還元流体源３４から送られてくる水素ガスなどの還元流体にさらされ、空気極電極１６は、空気極の酸化剤源６４からの空気などの酸化剤反応物にさらされる。また、燃料電池１２は、アンペア計７６で測定した際、０から始まり、約１，６００ミリアンペア／ｃｍ2（「ｍＡＳＣ」）まで、約１００ｍＡＳＣ単位で上昇する開回路密度から閉回路密度まで所定の期間サイクルする。上記所定の期間は約５分間である。性能の校正サイクルは、電流密度の上昇とともに１０サイクルまで繰り返されるか、あるいは、燃料電池１２の最大性能が達成されて、燃料電池１２の最大予定電流密度が生じるまで繰り返される。
【００２３】
空気極電極１６と燃料極電極１４の電位の周期変動（サイクリング）は、第２、即ち、本発明の可変反応物実施態様において、表２で要約したように電極１４，１６の反応物を変えることによって達成することができる。可変反応物実施態様については、ＤＣ電源８０を利用せず、また、空気極サイクルの実施において、表２に示されるステップ１の間、燃料極電極１４は、１００％水素などの還元流体にさらされ、一方、空気極電極１６はまず、窒素などの不活性ガスにさらされる。この手順により、空気極電極の電位は第１の空気極電位である約０．９５Ｖから約０．００Ｖへと変化する。次いで、空気極サイクルのステップ２では、空気極電極１６は空気などの酸化剤にさらされ、一方、燃料極電極１４は還元流体に継続してさらされる。これにより、空気極電極１６の電位は約０．９５Ｖへと戻る。表２は又、ステップ１と２に要する時間はそれぞれ約２分、約１．５分であることと示している。表２のステップ３では、反復される空気極サイクルがステップ１とステップ２を、例えば１０回まで繰り返すことによって行うことができることがわかる。
【００２４】
通常、印加電圧実施態様と可変反応物実施態様の両方に対して、最大性能を達成するのに１０回の充填サイクルが必要とされる。充填サイクル数を実験的に決定することができ、かつ、燃料電池の製造に使用される形式並びに処理条件に依存することは当業者であれば理解するであろう。また、電極の形態並びに処理条件は、４０，０００時間以上の作動期間を超える電池の寿命を最大限にするよう選択できることも当業者であれば理解するであろう。そのような電極は、本発明の印加電圧実施態様又可変反応物実施態様のいずれかを使用することで有利にならし運転させることができる。印加電圧実施態様の表１は、１．０４ボルト（「Ｖ」）である最大空気極電位を示している。１．２０Ｖまでの空気極電位で印加電圧実施態様をテストした結果、表１で説明した手順で得られたのと同様の結果が得られた。
【００２５】
表２のステップ４とステップ５で示すように、第２の可変反応物実施態様による燃料極サイクルの実施において、空気極電極１６は、１００％水素などの還元流体にさらされ、一方、燃料極電極１４はまず、窒素などの不活性ガスにさらされ、それにより燃料極電極の電位は、第１の燃料極電位である０．９５Ｖから０．００Ｖへ変化する。次いで、ステップ５において、燃料極電極１４は酸化剤にさらされ、空気極電極１６は還元流体に継続してさらされる。それにより、燃料極電極１４の電位は約０．９５Ｖに戻るよう変化する。
【００２６】
可変反応物実施態様に対しても、燃料極電極１４を還元流体にさらし、空気極電極１６を酸化剤にさらすことにより、表２のステップ７とステップ８で示すように性能を校正するステップを適用してよい。燃料電池１２は、アンペア計７６で測定した際、０から始まり、約１，６００ｍＡＳＣまで、約１００ｍＡＳＣ単位で上昇する開回路密度から閉回路密度まで所定の期間サイクルする。性能の校正ステップによって、最大性能に到達するのに要する時間が低減されることにより、燃料電池１２のならし運転時間がさらに短縮される。
【００２７】
表２は、燃料極電極１４に対する還元流体と空気極電極１６に対する酸化剤、ＤＣ電源８０の不使用、及び予定する最大性能を得るまで、第１の抵抗を徐々に印加することを１０回反復することを含む、普通の「従来の」ならし運転工程も示している。
【００２８】
さらに、表１と表２に開示される第１と第２の実施態様を適用する際、酸化剤は空気であってよく、あるいは対照的に、酸化剤は純粋な酸素であってよく、ならし運転方法を向上させる。使用する還元流体は、約４パーセント（「％」）という低濃度の水素、又は純粋程度高濃度の水素であってよい。純粋な水素は又、ならし運転方法を向上させる。
【００２９】
ある設計の燃料電池１２について、燃料極又は空気極電極１４，１６のいずれかに対して本発明の性能を向上するならし運転法を利用することだけが必要とされる。そのような環境において、本発明及び燃料電池装置１０は、燃料極電極１４と空気極電極１６からなる群から選択される電極の電位を、第１の電極サイクルとしてその電極の電位を第１の電位から第２の電位へ、所定の時間変えること、次いで、電極の電位を第２の電位から第１の電位へ戻すよう変えること、そして、少なくとも第２の電極サイクルの間、電位のサイクリングを繰り返すことによりサイクリングするものと特徴付けられる。
【００３０】
図２は、従来技術のならし運転手順とは異なり、本発明の第１と第２の実施態様の試験から得られた結果である、例示的な燃料電池の電圧が時間に経つにつれて増大するデータのグラフを示している。符号９０で示されるデータのラインは、従来技術によるならし運転手順が、約９５％の最大電圧を得るまでに約７０時間要することを示している。これとは対照的に、符号９２に示すデータのラインは、本発明の第１、即ち、印加電圧実施態様を利用することによって、約５時間で最大電圧が得られることを示している。符号９４で示すデータのラインは、本発明の第２の、即ち、可変反応物実施態様を利用することによって、約５時間で最大燃料電池電圧の約９５％が得られることを示している。図２に示すデータを与える例示的な燃料電池は約６５℃で運転され、反応物の排気圧は約１４．７ｐｓｉａ（１００ｋＰａ）であった。３つのデータのライン上にプロットされたデータ点は、電圧を１，０００ｍＡＳＣ増加ごとに測定したものである。上述のように、時間を短縮されたならし運転法の両方の実施態様の使用において、電極１４，１６の電位は、０．００ボルト〜１．２０ボルトの電位範囲内で周期変動する。本発明の時間を短縮されたならし運転方法の使用は、ならし運転期間の全時間を低減するだけではない。本発明のならし運転方法は又、燃料電池の性能を向上させるものであることも確認された。例示的な燃料電池に対する本発明の方法のさらなる試験の結果を図３に示す。符号９６で示すデータのラインは、本発明のならし運転方法を受けた例示的な燃料電池を示しており、一方、符号９８で示すデータのラインは、従来技術によるならし運転方法に関するデータを示している。図３のグラフから明らかなように、約１，２００ｍＡＳＣの電流密度においては、従来技術の燃料電池は約０．６００Ｖで作動し、一方、時間短縮されたならし運転を受けた例示的燃料電池は約０．６４０Ｖという高い電圧で作動した。図３のデータを与えた例示的な燃料電池は、約４００ｃｍ2の活動領域を有する形態のセルを有し、約１４．７ｐｓｉａ（１００ｋＰａ）の反応物排気圧、及び約６５℃の温度で作動するものであった。
【００３１】
本発明は又、上述したＰＥＭ型燃料電池のための性能を向上するならし運転方法を容易にする、図１の燃料電池装置１０、又はそれらの必要な部分を備える。
【００３２】
本発明を、性能を向上するならし運転方法並びにＰＥＭ型燃料電池のための装置に関するいくつかの実施態様を参照して、例示並びに説明してきたが、本発明が例示並びに説明した実施態様に限定されるものではないことは理解すべきである。従って、本発明の範囲を特定するためには、前述の説明ではなく、主として特許請求項の範囲を参照すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】簡略化した、本発明のＰＥＭ型燃料電池のための性能を向上するならし運転方法を適用するのに適した構成要素を有する、燃料電池ならし運転装置の好ましい実施態様を示す概略的な図。
【図２】従来技術による慣らし運転方法と、本発明のＰＥＭ型燃料電池のための性能を向上するならし運転方法とについて、セル電圧と負荷時間データを比較してプロットしたグラフ。
【図３】従来技術による慣らし運転方法と、本発明のＰＥＭ型燃料電池のための性能を向上するならし運転方法とについて、セル電圧と電流密度データを比較してプロットしたグラフ。
【図１】
2007517359.tif 000005
【図２】
2007517359.tif 000006
【図３】
2007517359.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】平成18年2月2日(2006.2.2)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
陽子交換膜電解質（１８）の対向する両側に固定された燃料極電極（１４）と空気極電極（１６）を有する、陽子交換膜型燃料電池（１２）のための性能を向上するならし運転方法であって、この方法は、
ａ．燃料極電極（１４）の電位を、選択された電極（１４，１６）の電位を０．００ボルトから１．２０ボルトの電位範囲内で、燃料極電極（１４）を不活性ガスにさらし、かつ、空気極電極（１６）を、水素含有ガス、還元流体反応物、及び還元流体と不活性ガスの混合物からなる群から選択されるガスにさらしながら、その範囲内における第１の電位から第２の電位まで変え、次いで、選択された電極（１４，１６）のその電位を、第２の電位から第１の電位へ戻すように変えることと、燃料極電極（１４）をまず、不活性ガスにさらす一方で、空気極電極（１６）を還元流体反応物にさらすことによって、その電位範囲内において、燃料極電極（１４）の電位を低下させることと、次いで、燃料極電極（１４）を酸化剤反応物にさらす一方で、空気極電極（１６）を還元流体反応物にさらすことによって、その電位範囲内において、燃料極電極（１４）の電位を上げることにより、第１の電極サイクルの間サイクリングするステップと、
ｂ．燃料極電極（１４）の電位のサイクリングを、少なくとも第２の電極サイクルの間繰り返すステップと、
を含んでなること特徴とする、陽子交換膜型燃料電池（１２）のための性能を向上するならし運転方法。
【請求項２】
陽子交換膜電解質（１８）の対向する両側に固定された燃料極電極（１４）と空気極電極（１６）を有する、陽子交換膜型燃料電池（１２）のための性能を向上するならし運転方法であって、この方法は、
ａ．空気極電極（１６）の電位を、０．００ボルトから１．２０ボルトの電位範囲内で、空気極電極（１６）を不活性ガスにさらし、かつ、燃料極電極（１４）を、水素含有ガス、還元流体反応物、及び還元流体と不活性ガスの混合物からなる群から選択されるガスにさらしながら、その範囲内における第１の空気極電位から第２の空気極電位まで変え、次いで、空気極電極（１６）の電位を、第２の空気極電位から第１の空気極電位へ戻すように変えることによって第１の空気極サイクルの間サイクリングするステップと、
ｂ．空気電極（１６）の電位のサイクリングを、少なくとも第２の空気極電極サイクルの間繰り返すステップと、
ｃ．燃料極電極（１４）の電位を、０．００ボルトから１．２０ボルトの電位範囲内で、燃料極電極（１４）を不活性ガスにさらし、かつ、空気極電極（１６）を、水素含有ガス、還元流体反応物、及び還元流体と不活性ガスの混合物からなる群から選択されるガスにさらしながら、その範囲内における第１の燃料極電位から第２の燃料極電位まで変え、次いで、燃料極電極（１４）の電位を、第２の燃料極電位から第１の燃料極電位へ戻すように変えることによって第１の燃料極サイクルの間サイクリングするステップと、
ｄ．燃料電極（１４）の電位のサイクリングを、少なくとも第２の燃料極電極サイクルの間繰り返すステップと、
を含んでなることを特徴とする、陽子交換膜型燃料電池（１２）のための性能を向上するならし運転方法。
【請求項３】
前記空気極電極（１６）の電位をサイクリングする前記ステップが、前記空気極電極（１６）の電位を前記第１の空気極電位から前記第２の空気極電位へ変え、次いで、前記空気極電極（１６）の電位を前記第１の空気極電位へ戻すよう変えるために、プログラム可能な直流電源（８０）から、前記空気極電極（１６）に直流電流を印加することと、前記燃料極電極（１４）の電位をサイクリングする前記ステップが、前記燃料極電極（１４）の電位を前記第１の燃料極電位から前記第２の燃料極電位へ変え、次いで、前記燃料極電極（１４）の電位を前記第１の燃料極電位へ戻すよう変えるために、プログラム可能な直流電源（８０）から、前記燃料極電極（１４）に直流電流を印加することをさらに含むことを特徴とする、請求項２記載の方法。
【請求項４】
前記空気極電極（１６）の電位をサイクリングするステップが、前記空気極電極（１６）の電位を、前記電位範囲内において、前記空気極電極（１６）を不活性ガスにさらし、燃料極電極（１４）を還元流体反応物にさらすことによって前記空気電極（１６）の電位を低下させることと、前記電位範囲内において、前記空気極電極（１６）を酸化剤反応物にさらし、前記燃料極電極（１４）を還元流体反応物に継続してさらすことによって、前記空気極電極（１６）の電位を上げることをさらに含むことを特徴とする、請求項２記載の方法。
【請求項５】
前記燃料極電極（１４）の電位をサイクリングするステップが、前記燃料極電極（１４）を不活性ガスにさらし、空気極電極（１６）を還元流体反応物にさらすことによって前記燃料電極（１４）の電位を前記電位範囲内において低下させることと、前記燃料極電極（１４）を酸化剤反応物にさらし、前記空気極電極（１６）を還元流体反応物に継続してさらすことによって、前記電位範囲内において前記燃料極電極（１４）の電位を上げることをさらに含むことを特徴とする、請求項２記載の方法。
【請求項６】
前記燃料電池（１２）の性能を校正するステップをさらに含み、その性能を校正するステップは、前記空気極電極（１６）の電位をサイクリングするステップと前記燃料極電極（１４）の電位をサイクリングするステップ後に、前記燃料極電極（１４）を還元流体反応物にさらし、かつ、前記空気極電極（１６）を酸化剤反応物にさらすことと、次に主抵抗スイッチ（７８）を閉じることによって主抵抗（７４）を、所定の時間燃料極及び空気極電極（１４，１６）に接続することと、次いで、その時間後に主抵抗スイッチ（７８）を開くことと、さらに、その性能を校正するステップを所定の反復数だけ繰り返すことからなることを特徴とする、請求項２記載の方法。
【請求項７】
陽子交換膜型燃料電池（１２）のならし運転を向上するための燃料電池装置（１０）であって、装置は、
ａ．陽子交換膜電解質（１８）の対向する両側に固定される燃料極電極（１４）と空気極電極（１６）を備える少なくとも１つの燃料電池（１２）と、
ｂ．プログラム可能な直流電源（８０）であって、燃料極電極（１４）と空気極電極（１６）に電気的に連絡するよう固定された、電源回路（７０）に接続された極性反転手段（８２）を備えることにより、電源（８０）の正端子（８４）を燃料極電極（１４）又は空気極電極（１６）のいずれか一方に選択的に接続する、プログラム可能な直流電源（８０）と、
ｃ．燃料極電極（１４）に隣接する燃料極流域（２０）と空気極電極（１６）に隣接する空気極流域（２２）とに流体的に連通する還元流体源（３４，５２）と不活性ガス（４０，５８）、及び、燃料極流域（２０）に、還元流体と、不活性ガスと、還元流体と不活性ガスの混合物からなる流体の群から選択される流体の源からの流れを選択的に送るためと、空気極流域（２２）に不活性ガスの流れを選択的に送るための弁手段、
を含んでなることを特徴とする、燃料電池装置（１０）。
【請求項８】
陽子交換膜型燃料電池（１２）のならし運転を向上するための燃料電池装置（１０）であって、装置は、
ａ．陽子交換膜電解質（１８）の対向する両側に固定される燃料極電極（１４）と空気極電極（１６）を備える少なくとも１つの燃料電池（１２）と、
ｂ．燃料極電極（１４）に隣接する燃料極流域（２０）と空気極電極（１６）に隣接する空気極流域（２２）とに流体的に連通する還元流体源（３４，５２）と、不活性ガス源（４０，５８）と、酸化剤源（４６，４４）、及び、空気極流域（２２）に、還元流体と、不活性ガスと、還元流体と不活性ガスの混合物からなる流体の群から選択される流体の源からの流れを選択的に送るためと、燃料極流域（２０）に不活性ガスの流れを選択的に送るための弁手段、
を含んでなることを特徴とする、燃料電池装置（１０）。
【国際調査報告】
2007517359.tif 000008