(57)【要約】【課題】  フラッディング時の急激な電圧低下による燃料電池劣化の虞を回避して効果的に固体高分子電解質に含水させる。【解決手段】  燃料電池スタック２は、コンディショニングのために恒温槽３の内部に設置される。燃料電池スタック２を通常の運転温度まで昇温した後、酸化剤ガス入口２ａには、加湿器６を介して加湿した空気、燃料ガス入口２ｃには加湿器１０を介して加湿した水素ガスを供給し、燃料電池スタック２を所定時間発電させる。発電停止後、加湿器６，１０を介さない乾燥した空気及び水素でドラーパージして水滴を除去する。ドラーパージ後、燃料電池スタック２の温度を零下まで降温し、スタックの水分を凝結させて固体高分子に含水させる。さらに、昇温、発電、発電停止、ドラーパージ、降温を繰り返す。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子電解質膜と該電解質膜を挟持する燃料極及び酸化剤極からなる膜電極接合体と、該膜電極接合体に燃料および酸化剤を供給する流路を形成されたセパレータとを備えた燃料電池セルを少なくとも一つ備えた燃料電池のコンディショニング方法において、
前記燃料電池を発電させた後に、前記燃料電池の降温及び昇温を行うことを特徴とする燃料電池のコンディショニング方法。
【請求項２】
前記燃料電池の降温時の温度は、０℃以下を含むことを特徴とする請求項１記載の燃料電池のコンディショニング方法。
【請求項３】
前記燃料電池の昇温は、前記燃料電池の通常の運転温度まで温度を上昇させることを特徴とする請求項１記載の燃料電池のコンディショニング方法。
【請求項４】
発電と降温−昇温とを少なくとも２回繰り返すことを特徴とする請求項１記載の燃料電池のコンディショニング方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子電解質を備えた燃料電池の状態をユーザが使用可能にする燃料電池のコンディショニング方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より固体高分子型燃料電池の組立後のコンディショニング（エージングとも呼ばれる）方法として、特許文献１に記載の燃料電池の運転方法および固体高分子型燃料電池が知られている。
【０００３】
この燃料電池の運転方法によれば、組立後の燃料電池のコンディショニングに際し、ガスの利用率を１００％付近まで高めて運転することで、生成水の水溢れ（フラッディング）を誘発し、電解質膜の含水量を速やかに飽和値まで高めようとしている。
【特許文献１】特開２００３−２１７６２２号公報（第３ページ、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら上記従来の燃料電池のエージング方法によれば、フラッディングにより燃料電池の電圧が低下した場合には、ガスの利用率を下げる制御を行っているが、急激な電圧低下には追いつかない可能性があり、燃料電池にダメージを与える虞があるという問題点があった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記問題点を解決するため、本発明は、高分子電解質膜と該電解質膜を挟持する燃料極及び酸化剤極からなる膜電極接合体と、該膜電極接合体に燃料および酸化剤を供給する流路を形成されたセパレータとを備えた燃料電池セルを少なくとも一つ備えた燃料電池のコンディショニング方法において、前記燃料電池を発電させた後に、前記燃料電池の降温及び昇温を行うことを要旨とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、燃料電池のコンディショニング方法において、発電の後に燃料電池の温度を下げることにより、燃料電池の酸化剤極で水分が結露するが、コンディショニング時には電解質膜は水分不足であるため、電解質膜に効果的に水分を含ませることができるという効果がある。
【０００７】
また、発電停止後に温度低下を行うことで、従来のような急激な電圧低下が発生する状況が起きず、燃料電池にダメージを与える虞が無い。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
次に図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。尚、特に限定されないが、以下の各実施例では、燃料電池車両用の固体高分子電解質型燃料電池スタックのコンディショニング方法について説明する。
【実施例１】
【０００９】
図４は、本発明が適用される固体高分子電解質型燃料電池における燃料電池セルの構造例を示す要部断面図である。図４において、燃料電池の一単位である燃料電池セル１０１は、膜電極接合体１０５と、この膜電極接合体１０５を両面から挟持する燃料極ガス拡散層１０６及び酸化剤極ガス拡散層１０７と，これらの外側から燃料ガス、酸化剤ガスをそれぞれ供給する燃料ガス流路１０９，酸化剤ガス流路１１１を備えたセパレータ１０８，１１０を備えている。
【００１０】
膜電極接合体１０５は、フッ素系樹脂等の水素イオン（プロトン）伝導性を有する固体高分子膜からなる高分子電解質膜１０２と、この高分子電解質膜１０２の両面に形成されたそれぞれ白金（Ｐｔ）等の反応触媒を有する燃料極１０３と酸化剤極１０４とから成る。
【００１１】
セパレータ１０８，１１０は、それぞれガス不透過である緻密性カーボン材等を用いて、その片面、または両面に多数のリブを配置することにより、それぞれ燃料ガス流路１０９，酸化剤ガス流路１１１を形成している。酸化剤ガス、燃料ガスはそれぞれ図示しないガス入口から供給され、ガス出口から排出される。
【００１２】
図１は、本発明に係る燃料電池のコンディショニング方法の実施例１を実施するための燃料電池コンディショニングシステムの概略図である。実施例１は、組み立て後の燃料電池スタックを恒温槽内に設置して、燃料電池スタックの温度を制御する。酸化剤及び燃料のガス供給系は、それぞれ加湿ユニットを備え、加湿ガスと乾燥ガスを切り替えて燃料電池スタックに供給できる構成となっている。
【００１３】
図１において、燃料電池コンディショニングシステム１は、コンディショニング対象の燃料電池スタック２と、燃料電池スタック２を収容する恒温槽３と、三方弁４，５，８，９，加湿器６，１０と，熱交換器７，１１と，燃料電池スタック２が発電した電力を消費する負荷装置１２と，燃料電池スタック２と負荷装置１２との間を断続する開閉器であるスイッチ１３と，燃料電池スタックの温度を検出する温度センサ１４と，恒温槽３及び各三方弁４，５，８，９並びにスイッチ１３を制御するコントローラ１６とを備えている。
【００１４】
恒温槽３の熱媒体は、不活性ガスや空気等の気体よりも不活性絶縁性液体を用いる方が伝熱性能に優れ目標温度に到達する速度が速いので好ましい。
【００１５】
燃料電池スタック２は酸化剤ガス入口２ａ、冷却水入口２ｂ、燃料ガス入口２ｃ、カソード２ｄ、アノード２ｅ、酸化剤ガス出口２ｆ、冷却水出口２ｇ、燃料ガス出口２ｈを備えていて、これらは、恒温槽３の外部に設置された各装置に接続されて、燃料電池が運転できるようになっている。
【００１６】
また図１には図示しないが、空気コンプレッサ等の酸化剤供給源、冷却水供給源、及び高圧水素タンク及び水素ガス圧力調整弁等からなる燃料供給源が配置されている。
【００１７】
酸化剤供給源から供給された空気は、三方弁４及び５の切替で選択された加湿器６または熱交換器７を通過して、加湿された空気または加湿されない乾燥空気が温度調整されて燃料電池スタック２の酸化剤ガス入口２ａに供給される。
【００１８】
同様に、燃料供給源から供給された水素は、三方弁８及び９の切替で選択された加湿器１０または熱交換器１１を通過して、加湿された水素ガスまたは加湿されない乾燥水素ガスが温度調整されて燃料電池スタック２の燃料ガス入口２ｃに供給される。
【００１９】
また、燃料電池スタック２の温度を検出する温度センサ１４がコントローラ１６に接続され、コントローラ１６が燃料電池スタック２の温度に基づいてコンディショニングを制御できるようになっている。
【００２０】
コントローラ１６の制御出力は、恒温槽３と、三方弁４，５，８，９と、スイッチ１３に接続され、恒温槽３の温度、燃料電池スタック２に供給する燃料ガス及び酸化剤ガスの加湿の有無、燃料電池スタック２への負荷装置１２の接続または遮断を制御可能となっている。
【００２１】
次に、図２のフローチャートを参照して、本実施例におけるコンディショニング方法の詳細を説明する。図２において、まずステップ（以下、ステップをＳと略す）１０において、準備として燃料電池スタック２を恒温槽３に内部に設置し、酸化剤ガス配管、冷却水配管、燃料ガス配管、温度センサコネクタ、アノードコネクタ、カソードコネクタをそれぞれ接続した後に、コントローラ１６によるコンディショニング制御を開始させる。
【００２２】
次いで、Ｓ１２において、コントローラ１６は、燃料電池の運転及び昇温降温の回数を計数するサイクルカウンタをリセットする。次いで、Ｓ１４でコントローラ１６は、恒温槽３により燃料電池スタック２を昇温する。Ｓ１６でコントローラ１６は、温度センサ１４の検出値を読み込み、燃料電池スタック２の温度が所定温度Ｔ１まで上昇したか否かを判定する。この所定温度Ｔ１は、燃料電池スタック２の通常の運転温度であり、例えば、７０〔℃〕である。
【００２３】
Ｓ１６の判定で、所定温度まで上昇していなければ、Ｓ１４に戻り燃料電池スタック２の昇温を続ける。Ｓ１６の判定で、所定温度まで上昇していれば、Ｓ１８へ進み、コントローラ１６は、三方弁４，５を加湿器６側へ、三方弁８，９を加湿器１０側へ、それぞれ切替える。本実施例によれば、燃料電池スタック２の昇温は、燃料電池スタックの通常の運転温度まで上昇させることで、供給される燃料および酸化剤により多くの水分を含ませることができるため、より効果的に固体高分子電解質膜に水分を含ませることができる。
【００２４】
次いで、Ｓ２０でコントローラ１６は、酸化剤供給源及び燃料供給源から空気及び水素の供給を開始して、加湿した空気及び加湿した水素を燃料電池スタック２へ供給する。燃料ガスおよび酸化剤ガスの流量と加湿量は、負荷に応じて最適な水バランスを保持するようにあらかじめ設定される。
【００２５】
次いで、Ｓ２２でコントローラ１６は、スイッチ１３をオンして燃料電池スタック２から負荷装置１２へ発電電力の取り出しを開始する。
【００２６】
次いで、Ｓ２４でコントローラ１６は、電力取り出しの開始からの経過時間が所定時間ｔ１を経過したか否かを判定し、経過していなければ、経過するまでＳ２４で待機する。ここで、所定時間ｔ１とは燃料電池スタック２の発電を継続させる時間であり、例えば、３０分間とする。
【００２７】
Ｓ２４で所定時間ｔ１が経過すれば、Ｓ２６へ進み、コントローラ１６は、スイッチ１３をオフして燃料電池スタック２から負荷取り出しを停止し、ステップＳ２８でコントローラ１６は、三方弁４，５，８，９を熱交換器７，１１側へ切り替え、Ｓ３０で加湿しない燃料ガス（水素ガス）及び加湿しない酸化剤ガス（空気）を燃料電池スタック２へ供給してドライパージを開始する。これにより、燃料電池スタック２の酸化剤ガス通路内及び燃料ガス通路内、燃料および酸化剤の供給・排出ライン内の液水がそれぞれ酸化剤ガス出口２ｆ、燃料ガス出口２ｈから燃料電池スタック２の外部へ排出される。
【００２８】
次いで、Ｓ３２で、コントローラ１６は、Ｓ３０の開始から所定時間ｔ２経過したか否かを判定する。ここで所定時間ｔ２とは、燃料電池スタック２の酸化剤ガス通路及び燃料ガス通路内の液水を十分排出する時間であり、例えば、数秒から数十秒の時間であるが、燃料電池スタックの大きさやガス流路の形状、ガス圧力ガス流量によって異なり、実験的に決定される時間である。
【００２９】
Ｓ３２の判定で所定時間ｔ２が経過していなければ、Ｓ３０へ戻りドライパージを継続する。Ｓ３２の判定で所定時間ｔ２が経過していれば、Ｓ３４へ進み、燃料供給源及び酸化剤供給源からの燃料ガス及び酸化剤ガス供給を停止する。
【００３０】
次いで、Ｓ３６でコントローラ１６は、恒温槽３を制御して燃料電池スタック２の温度を降温させる。Ｓ３８でコントローラ１６は、温度センサ１４の検出値を読み込み、燃料電池スタック２の温度が所定温度Ｔ２まで低下したか否かを判定する。ここで、所定温度Ｔ２とは、燃料電池スタック２内部のガス通路内の水分が十分凝結する温度、即ち０〔℃〕以下の温度であり、例えば、−１〔℃〕とする。このように本実施例によれば、燃料電池スタック２の温度を０〔℃〕以下まで低下させることで、結露する水分量が増大し、より多くの水分を固体高分子電解質膜に含ませることができる。
【００３１】
Ｓ３８の判定で、所定温度Ｔ２まで低下していなければ、Ｓ３６へ戻って燃料電池スタック２の降温を続ける。Ｓ３８の判定で、所定温度Ｔ２まで低下していれば、１サイクルのコンディショニングを終了したのでＳ４０へ進み、サイクルカウンタを１だけカウントアップする。
【００３２】
次いで、コントローラ１６は、Ｓ４２でサイクルカウンタの値が終了値ｎに達したか否かを判定する。ここで、終了値ｎは、好ましくは、２以上に設定される。このように燃料電池スタックの発電と降温−昇温とを少なくとも２回繰り返すことにより、固体高分子電解質膜の隅々まで効果的に含水させることができる。
【００３３】
発電と降温−昇温との回数が１回のみであれば、燃料電池スタック２を構成する固体高分子電解質膜に十分含水させることができない虞があり、あまり回数が多くても生産性が低下する。
【００３４】
Ｓ４２の判定で、終了値ｎに達していなければ、更にコンディショニングを続けるために、Ｓ１４へ分岐する。Ｓ４２の判定で、サイクルカウンタの値がｎであれば、コントローラ１６のよるコンディショニング制御を終了し、次いでＳ４４で、酸化剤ガス配管、冷却水配管、燃料ガス配管、温度センサコネクタ、アノードコネクタ、カソードコネクタをそれぞれ外した後に、燃料電池スタック２を恒温槽３から取り出して、全コンディショニング工程を終了する。
【００３５】
図５は、本実施例によるコンディショニング方法を施した燃料電池と従来の燃料電池との運転時間による燃料電池電圧の変化を示す図である。本実施例によれば、運転開始後速やかに燃料電池電圧が立ち上がるのに対して、従来例は、燃料電池電圧の立ち上がりが遅いことが示されている。
【実施例２】
【００３６】
図３は、本発明に係る燃料電池のコンディショニング方法の実施例２を実施するための燃料電池コンディショニングシステムの概略図である。
【００３７】
本実施例と図１に示した実施例１との相違は、本実施例においては、恒温槽を用いず、温度制御ユニット１５により、運転温度から零下の温度まで温度変化させられる不凍液を燃料電池スタックの冷却水通路に流して温度制御する点にある。このため、コントローラ１６は、実施例１の恒温槽に代えて、温度制御ユニット１５に対して温度指示を行う。
【００３８】
不凍液は、温度制御ユニット１５の出口から燃料電池スタック２の冷却水入口２ｂへ供給され、燃料電池スタック２の冷却水出口２ｇから温度制御ユニット１５へ戻る経路で循環する。不凍液の成分としては、純水にエチレングリコール等の凝固点降下剤を加えたものである。
【００３９】
また、温度制御ユニット１５は、冷凍機能と加熱機能とを備え、不凍液を冷却または加熱することにより、燃料電池スタック２の温度を通常の運転温度（例えば、７０〔℃〕）と純水の氷点温度を下回る温度（例えば、−１〔℃〕）との間で速やかに変化させることができる能力を有している。その他の構成は、図１に示した実施例１と同様である。
【００４０】
また、実施例２におけるコンディショニング方法の詳細は、図２に示した実施例１のフローチャートと大略同様である。実施例１との相違は、図２において、燃料電池スタック２を恒温槽３に設置・取出するＳ１０及びＳ４４が不要になり、温度の上昇・下降の指示を恒温槽３に代えて温度制御ユニット１５に対して行うように読み替えればよい。
【００４１】
この実施例２では、燃料電池スタックに供給する燃料および酸化剤の供給・排出ラインに残留する水分を排出する必要がなくなるので、実施例１より短時間でのパージが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明に係る燃料電池のコンディショニング方法の実施例１を実施するための燃料電池コンディショニングシステムの概略図である。
【図２】実施例１のコンディショニング方法のを説明するフローチャートである。
【図３】本発明に係る燃料電池のコンディショニング方法の実施例２を実施するための燃料電池コンディショニングシステムの概略図である。
【図４】本発明が適用される固体高分子電解質型燃料電池における燃料電池セルの構造例を示す要部断面図である。
【図５】本発明の効果を説明するための運転時間に対する燃料電池出力電圧の変化を示す図である。
【符号の説明】
【００４３】
１…燃料電池コンディショニングシステム
２…燃料電池スタック
３…恒温槽
４、５…三方弁
６…加湿器
７…熱交換器
８，９…三方弁
１０…加湿器
１１…熱交換器
１２…負荷装置
１３…スイッチ
１４…温度センサ
１５…温度制御ユニット
１６…コントローラ
【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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