(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の燃料電池セルを積層した燃料電池スタックの前記燃料電池セルの積層方向に最大荷重と最小荷重との間で周期的に荷重を変動させるサイクルを複数回行い、前記スタックの初期クリープを進行させる燃料電池のエージング方法であって、
前記サイクルにおいて最小荷重から最大荷重まで荷重する際、荷重の増加速度を第１速度として荷重し、所定の荷重値に到達後、最大荷重に到達するまでの荷重の増加速度を前記第１速度よりも低速の第２速度として荷重することを特徴とする燃料電池のエージング方法。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池のエージング方法において、前記第２速度は前記第１速度の１／５以下であることを特徴とする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、燃料電池のスタックに対し初期クリープを進行させるエージング方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、燃料電池は所望の電圧を得るため複数の燃料電池セルを積層してなるスタックの形態で利用される。燃料電池製造時において、スタックは燃料ガスや冷媒などの漏洩を防ぐためセルの積層方向に締結荷重が加えられた状態で締結される。しかし、この状態では、積層時から時間が経過により荷重によってセルが潰されていく経時的クリープが生じてしまい、締結荷重（圧）が低下してしまうという問題がある。そして、締結荷重が低下するとガス等の漏洩やセルの電気抵抗の増加による性能低下のおそれが生じる。
【０００３】
そこで、複数のセルを積層してスタックを製造する際に初期クリープを進行させるエージング処理を施すことが提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１においては、セルを積層してスタックを仮組みした後、荷重を周期的に変動させる振動荷重を加えることが記載されている。このように周期的に変動する荷重を複数サイクル行うことで、短時間で初期クリープを進行させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−１８５９２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載されるように周期的に変動する荷重をかけることで初期クリープをある程度は進行させることができるが、さらに短時間で初期クリープを進行させることが好ましい。そのためには、変動周期を短くする（荷重速度を速くする）ことも考えられるが、荷重速度を必要以上に速くすると、セルの損傷が発生するおそれがあった。
【０００６】
本発明は、以上の従来の問題に鑑みなされたものであり、セルの損傷を抑えつつ、燃料電池スタックの初期クリープを短時間で進行させることが可能な燃料電池のエージング方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者らは、鋭意検討の結果、最小荷重から最大荷重に増加させる際に荷重速度が速いほど最大荷重負荷後の荷重抜け量が増大する傾向にあることを見出した。このときのクリープ量は負荷時のセルの状態に関連するものと考えられ、荷重抜け量が過度に大きいものはスタック中のセルの損傷によるものと考えられる。つまり、荷重速度を一定以上の速度とするとセルが損傷すると考えられる。また、本発明者らは、スタックへの負荷荷重が小さいときには荷重速度の影響は殆どなく、ある負荷荷重に到達後においてのみ荷重速度が影響することをも見出した。以上のことから、上記のように最小荷重から荷重速度の影響がない荷重までを速い速度で実行し、それ以降の荷重を遅い速度で実行することにより、セルの損傷を抑えつつ、初期クリープを短時間で進行させることができる。
【０００８】
すなわち、本発明の燃料電池のエージング方法は、複数の燃料電池セルを積層した燃料電池スタックの前記燃料電池セルの積層方向に最大荷重と最小荷重との間で周期的に荷重を変動させるサイクルを複数回行い、前記スタックの初期クリープを進行させる燃料電池のエージング方法であって、前記サイクルにおいて最小荷重から最大荷重まで荷重する際、荷重の増加速度を第１速度として荷重し、所定の荷重値に到達後、最大荷重に到達するまでの荷重の増加速度を前記第１速度よりも低速の第２速度として荷重することを特徴とする。
【０００９】
本発明の燃料電池のエージング方法においては、前記サイクル中の最小荷重から最大荷重において、最小荷重からの荷重の増加速度を比較的高速の第１速度で荷重することで所望の荷重に短時間で到達し、最大荷重に到達する前に荷重の増加速度を第１速度よりも低速の第２速度で荷重することで、セルの損傷を抑えつつ、初期クリープを短時間で進行させることができる。
【００１０】
本発明の燃料電池のエージング方法において、前記第２速度は前記第１速度の１／５以下とすることが好ましい。つまり、荷重増加時の当初の荷重増加速度を比較的高速とすることによってサイクル時間を短縮し、セルへの荷重速度の影響が出る前に速度を１／５以下とすることで、セルへの損傷を回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】燃料電池スタックの模式図。
【図２】燃料電池スタックへの荷重プロファイルを示すグラフ。
【図３】最小荷重から最大荷重まで荷重速度を一定とした場合において、最大荷重後のスタックの荷重抜け量を荷重速度別に示すグラフ。
【図４】約２６ｋＮまでは１８５０Ｎ／ｓｅｃの速度で荷重し、その後荷重速度を異ならせて行った荷重プロファイルを示すグラフ。
【図５】図４における各荷重プロファイルに対応する燃料電池スタックにおいて、最大荷重後のスタックの荷重抜け量を示すグラフ。
【図６】荷重速度を第１速度から第２速度に変化させる荷重値を異ならせた場合の荷重プロファイルを示すグラフ。
【図７】図６における各荷重プロファイルに対応する燃料電池スタックおいて、最大荷重後のスタックの荷重抜け量を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の燃料電池のエージング方法は、複数の燃料電池セルを積層した燃料電池スタックの前記燃料電池セルの積層方向に最大荷重と最小荷重との間で周期的に荷重を変動させるサイクルを複数回行い、前記スタックの初期クリープを進行させる燃料電池のエージング方法であって、前記サイクルにおいて最小荷重から最大荷重まで荷重する際、荷重の増加速度を第１速度として荷重し、所定の荷重値に到達後、最大荷重に到達するまでの荷重の増加速度を前記第１速度よりも低速の第２速度として荷重することを特徴とする。以下に、本発明の燃料電池のエージング方法について詳述する。
【００１３】
図１は、燃料電池スタックを模式的に示す正面図である。図１に示す燃料電池スタック１０は、複数の燃料電池セル１２（以下、「セル１２」と称する。）が積層された積層体１４を備えてなり、積層体１４は仮組付されている。本実施形態においては、この状態で燃料電池スタック１０へのエージングを行うのであるが、燃料電池スタック１０への荷重負荷は図１の積層方向にプレス機（図示せず）を用いて行う。すなわち、プレス機に燃料電池スタック１０をセットし、燃料電池スタック１０のセル１２の積層方向にプレス機のラムに取り付けられた押圧板で前記スタックに荷重を負荷する（押圧する）。
【００１４】
燃料電池スタック１０へのエージングに際し、上記のようにプレス機に電池スタック１０をセットした後、まず１サイクル目として、所定の最小荷重値まで荷重し、その後、荷重の増加速度を所定の第１速度で荷重する。予め決定した所定の荷重値に到達したら、荷重の増加速度を第１速度よりも低速の第２速度でさらに荷重し、所定の最大荷重値まで到達させる。最大荷重値に到達したら荷重の負荷を停止し、抜重して最小荷重値まで減少させる。この工程を１サイクルとし、１０サイクル程度繰り返し行う。
【００１５】
図２に、本実施形態の燃料電池スタック１０への荷重プロファイルの一部（ｎ〜ｎ＋１サイクル目、ここでｎは１以上の自然数）を示す。図２においては、最大荷重値を２９ｋＮ（圧力換算で２．５Ｍｐａ）、最小荷重値を４．０ｋＮ（同０．３５Ｍｐａ）としてこれら値の間で周期的に荷重を変動させている。具体的には、最小荷重が４．０ｋＮの状態から所定の速度（第１速度）で荷重を増大し、２９ｋＮに到達する直前に第１速度よりも低速の速度（第２速度）に変化させ２９ｋＮになるまで荷重する。その後は４ｋＮの荷重となるまで抜重する。
【００１６】
本実施形態では最大荷重負荷時と最小荷重負荷時に一定時間（３０秒間）、プレス機のラムの動作を停止して燃料電池スタック１０に対して荷重を負荷する。この際、負荷する荷重はクリープ現象により低下する。その後、プレス機の荷重を最小荷重まで抜いていく。なお、最大荷重は燃料電池スタック１０のクリープ現象を促進するとともにセル１２への損傷がないような値に設定され、最小荷重は燃料電池スタック１０中のセル１２の位置ずれがおきない程度の値に設定される。
【００１７】
本実施形態におけるエージングにおいては、上述のように、１サイクルにおける最小荷重から最大荷重までの荷重の増加速度を第１速度から第２速度に変化させ、それにより、セルを損傷させることなく短時間でエージングを行うことができるのであるが、それについて以下に順次説明する。
【００１８】
図３に、燃料電池スタック１０に対して最小荷重から最大荷重まで荷重の増加速度を一定にして荷重を負荷したときの、最大荷重負荷後にラム動作を停止したときのスタックの荷重抜け量を示す。ここで、「荷重抜け量」とは最大荷重負荷後にラム動作を停止している間に生じる前記最大荷重からの荷重の低下量を示す。図３に示すように荷重速度を速くして荷重をかけたものほど、荷重抜け量が大きいことが分かる。これは、荷重の増加速度がセルの状態に影響しているものと考えられ、特に８５０Ｎ／ｓｅｃ以上ではセルへの損傷が生じているものと考えられる。すなわち、短時間でエージングを行うため、単に荷重の増加速度を高速にしたのではセルに損傷が発生させることとなる。
【００１９】
ところで、発明者らは、荷重の増加速度の影響は荷重増加時全体に及ぶものではなく、ある程度の荷重までは影響が及ばないことを見出した。それについて、図４及び図５を参照して説明する。図４は、約２６ｋＮまでは１８５０Ｎ／ｓｅｃの増加速度で荷重を負荷した後、その後そのままの速度で荷重した場合と、速度を変化させて行った場合の荷重プロファイルを示すものであり、図５はそれぞれの荷重プロファイルで荷重を負荷した後の荷重抜け量を示す。図５に示すように、途中までそれぞれ荷重の増加速度は同じであったにも関わらず、途中で速度を変化させることで荷重抜け量が図３と同様、荷重の増加速度が速いほど荷重抜け量が大きくなっている。換言すると、荷重の増加速度はセルへの影響が生じる値より低い点で変えることによりセルの損傷を抑えることができ、かつそれまでの荷重の増加速度を高く保つことでサイクル時間を短縮できること分かる。
【００２０】
以上より、各サイクルにおいて、最小荷重から、荷重の増加速度を第１速度で荷重し、所定の荷重値に到達した後、最大荷重に到達する前に、荷重の増加速度を前記第１速度よりも低速の第２速度で荷重することにより、セルの損傷を抑えつつサイクル時間を短縮することができることが分かる。
【００２１】
次いで、第１速度から第２速度への変化させる分岐点となる所定の荷重値について説明する。前記分岐点となる所定の荷重値は、上記の知見に基づいて実験的に決定することができる。例えば、所定の第１速度と第２速度を設定し、分岐点の荷重値を変化させてテストを行い、それらの荷重抜け量を測定する。それら測定結果において、荷重抜け量が設定した基準値内となる荷重値を分岐点の荷重値とすることができる。
【００２２】
図６及び図７に、最初の荷重の増加速度（第１速度）を１８５０Ｎ／ｓｅｃとし、変化後の荷重の増加速度（第２速度）を１８０Ｎ／ｓｅｃとしたサイクルで、速度変化点を変化させた例を示す。図６は荷重プロファイルを示し、図７にそれぞれの荷重プロファイル後の荷重抜け量を示す。図７に示すように最大荷重値に対して速度変化点が０．５ｋＮ手前（２８．５ｋＮ）でも荷重抜け量に差異は見られない。従って、荷重値が２８．５ｋＮに到達した時点で、荷重の増加速度を第１速度を第２速度に変更することができ、荷重の増加速度の大部分を高速の第１速度で実行することができる。
【００２３】
上記の通り、荷重の増加速度について、第２速度は第１速度よりも低速とするが、より具体的には、第２速度は第１速度の１／５以下であることが好ましい。第２速度を第１速度の１／５以下とする、すなわち第１速度を第２速度の５倍とすると、セルを損傷させることなくサイクル時間をより短縮することができる。
【００２４】
以上の実施形態では、最小荷重値を４ｋＮ、最大荷重値は２９ｋＮとしたが、本発明はこれに限定されるものではなく、発明の趣旨を変更しない範囲で適宜設定可能である。
【符号の説明】
【００２５】
１０  燃料電池スタック
１２  燃料電池セル
１４  積層体
【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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【図６】
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【図７】
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