(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子電解質燃料電池の初期活性化方法において、
燃料電池スタックを設定された５３〜５７℃の温度に到達するまで加湿する加湿段階、
加湿された前記燃料電池スタックに、開放回路の電位状態で、電流密度０．１Ａ／ｃｍ２での反応時に理論的に必要な量の１．５倍の水素、及び電流密度０．１Ａ／ｃｍ２での反応時に理論的に必要な量の２倍の空気を供給して運転する微小電流運転段階、及び
前記燃料電池スタックに電流密度１．０Ａ／ｃｍ２での反応時に理論的に必要な量の１．５倍の水素、及び電流密度１．０Ａ／ｃｍ２での反応時に理論的に必要な量の２倍の空気を供給しながら出力電圧が０．５９〜０．６１Ｖ／ｃｅｌｌとなるよう負荷をかけて運転する第１運転、開放回路の電位状態が無負荷である第１休止、電流密度２．０Ａ／ｃｍ２での反応時に理論的に必要な量の１．５倍の水素、及び電流密度２．０Ａ／ｃｍ２での反応時に理論的に必要な量の２倍の空気を供給しながら出力電圧が０．３９〜０．４１Ｖ／ｃｅｌｌとなるよう負荷をかけて運転する第２運転、開放回路の電位状態が無負荷である第２休止を、１サイクルとして繰り返す活性化運転段階からなり、
前記活性化運転段階は、１回前のサイクルにおける前記第１運転終了時の出力値と前記第２運転終了時の出力値が、いずれも最新のサイクルにおける前記第１運転終了時の出力値と前記第２運転終了時の出力値に対し、少なくとも９５％になるまで繰り返すことを特徴とする高分子電解質燃料電池の初期活性化方法。
【請求項２】
前記加湿段階以後に、前記高分子電解質燃料電池の開放回路の電位を測定する段階、及び前記開放回路の電位が設定された値未満であれば再検査に進む段階をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の高分子電解質燃料電池の初期活性化方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は高分子電解質燃料電池（Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ：ＰＥＦＣ）に係り、より詳しくは、燃料電池を製作した後の燃料電池の初期活性化方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、燃料電池は、燃料極に供給される水素及び空気極に供給される空気の電気化学反応によって電気を生産する。水素及び空気の電気化学反応は、空気極と燃料極との間に存在する電解質膜によって誘導され、前記電解質膜として固体形態の高分子膜を使用する場合には、固体高分子電解質燃料電池という。
【０００３】
高分子電解質燃料電池の電解質膜の材料としては、米国デュポン社のナフィオン（登録商標）を基本物質とする高分子膜が用いられている。前記高分子膜の正常運転条件は、常温〜８０℃、好ましくは５５〜６５℃であり、燃料及び酸化剤ガスの供給温度は、本体温度と類似した範囲で１０℃以内の偏差を有し、供給ガスの流量は、燃料気体である水素の場合、理論使用量の１．２〜１．５倍、酸化剤である空気の場合、理論使用量の１．７〜２．０倍の量を供給するのが好ましいとされている。
【０００４】
一方、固体高分子型燃料電池は、低電圧高電流の電力特性を有するエネルギー発生装置であり、理論的な単位電池の最高出力電圧は開放回路の状態で１．２３Ｖである。しかし、実際に車両に使用する場合には、複数の単位電池を積層して使用し、この時、燃料電池のエネルギー変換効率を考慮するとすれば、単位電池当り０．４〜０．９Ｖの電圧範囲で適正電力を利用するのが好ましい。
【０００５】
しかし、前記高分子電解質燃料電池の理想的な正常運転状態において、燃料電池の出力を左右するのは、燃料電池の電気化学的反応で発生した電子及びイオンが円滑に移動するかによる。これは、燃料電池の反応中にプロトンが移動する移動通路と関連する。したがって、燃料電池の製作が完了した後、正規の運転の前に、プロトンの移動通路を早期にかつ十分確保し、燃料電池を運転しない状態が長時間続いても性能を早く回復させることのできる、燃料電池の初期活性化が必要である。
【０００６】
従来の初期活性化技術としては、定電流状態で負荷変動曲線に沿って連続的に変化する負荷を加えるが、順方向の負荷変動曲線及び逆方向の負荷変動曲線からなる負荷サイクルを数回繰り返して負荷を加える方法が使用されてきた。しかし、従来の技術による高分子電解質燃料電池の初期活性化技術では、その運転時間が一日以上連続的に維持されなければならず、プロトンの移動通路を確保するのにも限界があった。
【特許文献１】特開２０００−３７１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、前記従来の技術による高分子電解質燃料電池の初期活性化技術を改善するためのものであって、本発明の目的は、初期活性化の所要時間を減少させ長時間の連続運転をなくすとともに、初期活性化後の正規の運転時に、その性能を向上させることができる、高分子電解質燃料電池の初期活性化方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記目的を達成するため、本発明による高分子電解質燃料電池の初期活性化方法は、燃料電池スタックを設定された５３〜５７℃の温度に到達するまで加湿する加湿段階、加湿する加湿段階、加湿された燃料電池スタックに、開放回路の電位状態で、電流密度０．１Ａ／ｃｍ２での反応時に理論的に必要な量の１．５倍の水素、及び電流密度０．１Ａ／ｃｍ２での反応時に理論的に必要な量の２倍の空気を供給して運転する微小電流運転段階、及び燃料電池スタックに電流密度１．０Ａ／ｃｍ２での反応時に理論的に必要な量の１．５倍の水素、及び電流密度１．０Ａ／ｃｍ２での反応時に理論的に必要な量の２倍の空気を供給しながら出力電圧が０．５９〜０．６１Ｖ／ｃｅｌｌとなるよう負荷をかけて運転する第１運転、開放回路の電位状態が無負荷である第１休止、電流密度２．０Ａ／ｃｍ２での反応時に理論的に必要な量の１．５倍の水素、及び電流密度２．０Ａ／ｃｍ２での反応時に理論的に必要な量の２倍の空気を供給しながら出力電圧が０．３９〜０．４１Ｖ／ｃｅｌｌとなるよう負荷をかけて運転する第２運転、開放回路の電位状態が無負荷である第２休止を、１サイクルとして繰り返す活性化運転段階からなり、この活性化運転段階は、１回前のサイクルにおける前記第１運転終了時の出力値と前記第２運転終了時の出力値が、いずれも最新のサイクルにおける前記第１運転終了時の出力値と前記第２運転終了時の出力値に対し、少なくとも９５％になるまで繰り返すことを特徴とする。
【０００９】
前記加湿段階以後に、前記高分子電解質燃料電池の開放回路の電位を測定する段階及び前記開放回路の電位が設定された値未満であれば再検査に進む段階をさらに含むことが好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明による高分子電解質燃料電池の初期活性化方法によれば、活性化に要求される所要時間を減少させることができる。すなわち、長時間の連続運転が必要ない。初期活性化後の正規の運転時に、その性能を早期に発揮できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、添付した図面を参照して、本発明の好ましい実施例について説明する。
【実施例１】
【００１２】
図１は、本発明による固体高分子燃料電池スタックの電圧初期活性化方法を遂行するための燃料電池活性化システム構成図である。状態情報収集部１１０は、供給される燃料電池システムの状態をモニタリングするための複数のセンサー及び検出部を備え、空気、水素、及び冷却水の温度、圧力及び流量に関する情報、湿度、スタックの出力電圧などの状態に関する情報に対する信号を制御部１２０に伝達し、モニタリングシステム１３０によって監視される。制御部１２０は、前記情報収集部１１０からの情報に基づいて流体供給サブシステム、加湿サブシステムなどの複数のサブシステム１４０及び燃料電池スタックの電気負荷１５０を制御することによって、活性化運転を遂行する。
【００１３】
図２は、前記システムを利用して遂行される活性化方法に関するフローチャートである。図２に示すように、完成した燃料電池を前記燃料電池活性化システムに装着した後、加湿及び冷却を開始して、水素及び空気を十分に供給した状態で初期加湿が遂行される（Ｓ２１０）。この時、供給される水素の流量は各々電流密度０．１Ａ／ｃｍ２での反応時に理論的に必要な量の１．５倍を供給するのが好ましく、空気の流量は電流密度０．１Ａ／ｃｍ２での反応時に理論的に必要な量の２倍を供給するのが好ましい。
【００１４】
燃料電池の性能を決定するイオンの移動は、大きく、膜・電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）の特性に基づいて決定される。膜・電極接合体は、その製造過程の高温圧着や乾燥などの工程によって接合体内の湿度が非常に低下した状態であり、また、イオン及び電子の移動通路を構成するための処理工程によって流入し得る化合物、例えばイソブチレンアルコールなどにより多少汚染されている状態であり、水素イオンの移動通路の役割を果たすスルホン酸基（ｓｕｌｆｏｎｉｃ  ａｃｉｄ  ｇｒｏｕｐ、−ＳＯ３Ｈ）がその役割を十分に発揮できない状態で存在する。
【００１５】
したがって、加湿段階（Ｓ２１０）において、十分に加湿された状態で供給される十分な流量の反応気体は、膜・電極接合体に弱い結合力で結合され得るイオン、例えばＮａ＋などを燃料電池の反応中にスルホン酸基から水素イオンに置換して除去すると同時に、イオンの水素極から空気極への移動通路に対する拡張を実施して、全体的なイオンの移動の効率を増加させる。
【００１６】
次に、開放回路の電位（Ｏｐｅｎ  Ｃｉｒｃｕｉｔ  Ｖｏｌｔａｇｅ：ＯＣＶ）の燃料電池スタックの単位セルに対する平均出力電圧を測定して、前記単位セルに対する平均電圧が設定された電圧、好ましくは０．８Ｖ／ｃｅｌｌより大きいかを判断する（Ｓ２２０）。燃料電池スタックの組立が正常に行われたかを判断する基準として、設定された電圧より小さな出力電圧を有する燃料電池スタックは不良品と判断し、それ以上の活性化段階を進めずに再検査段階に進む（Ｓ２３０）。
【００１７】
前記Ｓ２２０段階で、単位セルに対する平均電圧が設定された電圧より大きいと判断されれば、燃料電池スタックの加湿温度が設定された温度範囲に属しているかを判断する（Ｓ２４０）。設定された温度範囲は、好ましくは５３〜５７℃である。燃料電池スタックの加湿温度は５５℃であるのがより好ましい。加湿温度が前記設定された温度範囲に属する場合には、開放回路の電位状態で水素及び空気を供給して約２分間微小電流運転段階が遂行される（Ｓ２５０）。微小電流運転段階中に、水素の流量は各々電流密度０．１Ａ／ｃｍ２での反応時に理論的に必要な量の１．５倍を供給するのが好ましく、空気の流量は電流密度０．１Ａ／ｃｍ２での反応時に理論的に必要な量の２倍を供給するのが好ましい。
【００１８】
加湿段階（Ｓ２１０）で、一定時間以上の負荷の運転は、イオンの移動通路のうち一部だけを使用するため、全体的な燃料電池の活性化には好ましくない結果をもたらす。膜と電極の接合が初期化状態を有することができるように、設定された時間、好ましくは２分間、開放回路（ＯＣＶ）の電位状態で、微小電流運転段階を実行する。前記微小電流運転段階（Ｓ２５０）は、表２により特定できる。
【表２】
0004845081.tif 000002
【００１９】
前記微小電流運転段階（Ｓ２５０）後に、設定された範囲の第１電圧を出力するように前記燃料電池を運転する第１運転段階と、開放回路の電位状態が無負荷である第１休止段階と、設定された範囲の第２電圧を出力するように前記燃料電池を運転する第２運転段階と、開放回路の電位状態が無負荷である第２休止段階とを一つのサイクルとして設定された回数繰り返す活性化運転段階（Ｓ２６０）が進められる。
【００２０】
第１運転段階の負荷及び第２運転段階の負荷の大きさを異なるようにすることによって、負荷運転時にはイオンの移動通路に対する効率を増加させることができる。また、このような負荷運転の間に燃料電池を初期化する休止段階を介在させることによって、新たなイオンの移動通路の確保が促進される。活性化運転段階（Ｓ２６０）は、表３により特定できる。
【表３】
0004845081.tif 000003
【００２１】
図３は、活性化運転段階（Ｓ２６０）の詳細なフローチャートである。図３に示すように、まず、開放回路の電位状態で、水素の流量は電流密度１Ａ／ｃｍ２での反応時に理論的に必要な量の１．５倍を供給し、空気の流量は電流密度１Ａ／ｃｍ２での反応時に理論的に必要な量の２倍を供給する（Ｓ３０５）。この時、開放回路の電位を測定し保存した後（Ｓ３１０）、負荷をオンして電流を１０Ａ／ｓｅｃの比率で増加させる（Ｓ３１５）。電流の増加によって単位セルの平均出力電圧として定義される第１出力電圧（Ｖ１＿ｍｅａｎ）を測定し、前記第１出力電圧（Ｖ１＿ｍｅａｎ）が設定された範囲、好ましくは０．５９〜０．６１Ｖ／ｃｅｌｌの範囲に属しているかを判断する（Ｓ３２０）。
【００２２】
第１出力電圧が前記設定された範囲に属する場合、約３０分間運転状態を維持する（Ｓ３２５）。その後、前記第１出力（電圧、電流、パワー）を測定して保存し（Ｓ３３０）、負荷をオフして開放回路の電位状態で約２分間燃料電池の運転を中断する（Ｓ３３５）。次に、再び開放回路の電位状態で、水素の流量は電流密度２Ａ／ｃｍ２での反応時に理論的に必要な量の１．５倍を供給し、空気の流量は電流密度２Ａ／ｃｍ２での反応時に理論的に必要な量の２倍を供給する（Ｓ３４０）。この時、再び開放回路の電位を測定及び保存した後（Ｓ３４５）、負荷をオンして電流を１０Ａ／ｓｅｃの比率で増加させる（Ｓ３５０）。
【００２３】
電流の増加によって単位セルの平均出力電圧として定義される前記第２出力電圧（Ｖ２＿ｍｅａｎ）を測定し、前記第２出力電圧（Ｖ２＿ｍｅａｎ）が設定された範囲、好ましくは０．３９〜０．４１Ｖの範囲に属しているかを判断する（Ｓ３５５）。第２出力電圧が前記設定された範囲に属する場合、約３０分間運転状態を維持する（Ｓ３６０）。その後、前記第２出力（電圧、電流、パワー）を測定して保存し（Ｓ３６５）、負荷をオフして開放回路の電位状態で約２分間燃料電池の運転を中断する（Ｓ３７０）。
【００２４】
前記Ｓ３０５〜Ｓ３７０段階を一つのサイクルとして反復的に遂行し、各サイクルが終了した時に、保存されている前回のサイクル終了時の第１出力及び第２出力が、各々現在のサイクル終了時の第１出力及び第２出力の設定された比率、好ましくは９５％以上であるかを判断して（Ｓ３７５）、これが満たされた場合に活性化が完了したと判断する。
【００２５】
図４は、２５ＫＷ級の燃料電池スタックに対して、本発明の一実施例により初期活性化運転を遂行した場合の性能曲線と、従来の方法に基づいて初期活性化運転を遂行した場合の性能曲線を比較したグラフである。三角形の印をつけた性能曲線（＃３）が本発明の実施例による初期活性化方法に対するグラフであり、四角形の印及び円形の印をつけた性能曲線（＃１、＃２）が従来の方法に対するグラフである。同一な運転条件において、本発明による活性化方法の性能曲線が全体的に高効率で優れた性能を示していることが分かる。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
本発明は、高分子電解質燃料電池に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の一実施例による高分子電解質燃料電池の初期活性化方法を遂行するためのシステム構成図である。
【図２】本発明の一実施例による高分子電解質燃料電池の初期活性化方法を示したフローチャートである。
【図３】図２のフローチャートのうちの活性化運転段階を詳細に示したフローチャートである。
【図４】本発明の一実施例により初期活性化運転を遂行した場合と従来の方法に基づいて初期活性化運転を遂行した場合の性能曲線を比較したグラフである。
【符号の説明】
【００２８】
１１０    状態情報収集部
１２０    制御部
１３０    モニタリングシステム
１４０    サブシステム
１５０    電気負荷
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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