(57)【要約】  【課題】  エージング時間の短縮が可能であり、かつ、エージング後に得られた燃料電池の出力特性がより安定した燃料電池のエージング方法を提供する。また、エージング処理に必要な時間が短縮され、製造コストが低減された燃料電池の製造方法を提供する。  【解決手段】  アノードと、カソードと、アノードおよびカソードに狭持される高分子電解質とを含む燃料電池のエージング方法であって、  （ｉ）アノードに燃料を供給し、かつ、カソードに酸化剤を供給することによって、燃料電池の発電を開始する工程と、  （ii）発電を開始した燃料電池に、周期的に変動する電気的な負荷を印加することによって、燃料電池の出力特性を安定させる工程とを含むことを特徴とする燃料電池のエージング方法とする。【選択図】  図１
2005340022.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードと、カソードと、前記アノードおよび前記カソードに狭持される高分子電解質とを含む燃料電池のエージング方法であって、
（ｉ）アノードに燃料を供給し、かつ、カソードに酸化剤を供給することによって、燃料電池の発電を開始する工程と、
（ii）前記発電を開始した燃料電池に、周期的に変動する電気的な負荷を印加することによって、前記燃料電池の出力特性を安定させる工程とを含むことを特徴とする燃料電池のエージング方法。
【請求項２】
前記工程（ii）において、
前記燃料電池の出力電圧が予め設定した出力電圧の閾値以上の値を保持するように、前記周期的に変動する負荷を印加する請求項１に記載の燃料電池のエージング方法。
【請求項３】
前記工程（ii）において、
前記燃料電池がフラッディングを起こしたときに、前記燃料の利用率および前記酸化剤の利用率から選ばれる少なくとも１つの利用率を減少させる請求項１に記載の燃料電池のエージング方法。
【請求項４】
前記工程（ii）において、
前記燃料電池の出力電圧が予め設定したエージング終了条件を満たすまで、前記周期的に変動する負荷を印加する請求項１に記載の燃料電池のエージング方法。
【請求項５】
前記工程（ｉ）と前記工程（ii）との間に、
（Ａ）前記アノードへの前記燃料の供給量を維持したまま前記カソードへの前記酸化剤の供給量を減少させることによって、前記燃料電池の出力電圧を低下させる工程と、
（Ｂ）前記カソードへの前記酸化剤の供給量を増加させることによって、前記燃料電池の出力電圧を復帰させる工程とをさらに含む請求項１に記載の燃料電池のエージング方法。
【請求項６】
アノードと、カソードと、前記アノードおよび前記カソードに狭持される電解質とを含む燃料電池のエージング方法であって、
（Ｉ）アノードに燃料を供給し、かつ、カソードに酸化剤を供給することによって、燃料電池の発電を開始する工程と、
（II）前記アノードへの前記燃料の供給量を維持したまま前記カソードへの前記酸化剤の供給量を減少させることによって前記燃料電池の出力電圧を低下させる工程と、
（III）前記カソードへの前記酸化剤の供給量を増加させることによって、前記燃料電池の出力電圧を復帰させる工程とを含むことを特徴とする燃料電池のエージング方法。
【請求項７】
前記燃料が水素およびメタノールから選ばれる少なくとも１つであり、前記酸化剤が酸素を含む気体である請求項１〜６のいずれかに記載の燃料電池のエージング方法。
【請求項８】
アノードと、カソードと、前記アノードおよび前記カソードに狭持される高分子電解質とを含む燃料電池の製造方法であって、
請求項１〜６のいずれかに記載の燃料電池のエージング方法を含むことを特徴とする燃料電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解質とアノードとカソードとを含む燃料電池のエージング方法とその製造方法とに関する。より具体的には、電解質が高分子電解質である高分子電解質型燃料電池のエージング方法とその製造方法とに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、発電効率や対環境特性に優れる電源として、燃料電池の開発が盛んに進められている。燃料電池は、一般的な電池と同様に、負極（アノード）と、正極（カソード）と、アノードおよびカソードによって狭持された電解質とを備えている。ただし、一般的な電池とは異なり、電気化学反応種は外部から供給される。燃料電池は、電解質の種類によって、固体酸化物型（ＳＯＦＣ）、溶融炭酸塩型（ＭＣＦＣ）、燐酸型（ＰＡＦＣ）、アルカリ型（ＡＦＣ）、高分子電解質型（ＰＥＦＣ）などに大別され、各々の型によって、発電に適する温度領域や、適する触媒、燃料などが異なっている。なかでも、ＰＥＦＣおよびＰＥＦＣの１種であるダイレクトメタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）は、動作可能温度が−４０℃〜１００℃程度（好ましくは５０℃〜１００℃）と他の燃料電池に比べて低く、家庭用電力供給システムなどの定置型電源、電気自動車などの移動体用電源、パソコンや携帯電話などの小型携帯機器用電源などへの応用が期待されている。
【０００３】
ＰＥＦＣでは、アノードに供給された水素などの燃料は、アノードに含まれる白金などの触媒によって電子と水素イオン（プロトン）とに解離される。発生した水素イオンは電解質（一般に、膜状の電解質である）を介してカソード側に移動し、カソードにおいて、カソードに供給された酸素などの酸化剤および電子と電気化学的に反応して水となる。アノードで発生した電子は、カソードにおける電子の消費に伴って外部回路を介してカソード側に移動する。このように、燃料電池では、電気化学反応から電気エネルギーを直接取り出すことができる。
【０００４】
一般に、燃料電池は製造後、電池特性として設計された所定の出力電圧になるまでエージング運転（以下、「エージング処理」あるいは単に「エージング」ともいう）を行う必要がある。製造直後の燃料電池の性能は設計性能よりも低い場合が多く、燃料電池の初期性能を確保するための処理としてエージングが行われる。このため、製造後、燃料電池の品質評価を迅速に行うことが難しく、エージング処理に要するコスト（特に、設備投資）は非常に大きい。このため、エージング時間の短縮は大きな課題である。
【０００５】
エージング時間を決定する要因として、高分子電解質の含水率や、高分子電解質中の水素イオン移動速度、あるいは、ガス拡散層におけるガス拡散速度、触媒表面における電気化学反応速度の大小が考えられる。これらの値は製造直後には低く、エージング処理によって初めて発電に適した値になると考えられている。
【０００６】
高分子電解質中の含水率に着目することにより、エージング時間の短縮を実現する方法が、例えば、特許文献１などに開示されている。特許文献１に記載のエージング方法では、フラッディングが生じるように発電することによって、燃料電池内の高分子電解質の含水率を発電によって生じた生成水、凝縮水によって向上させている。また、フラッディングによる発電性能の低下を抑制するために、燃料電池内の各セルの出力電圧（セル電圧）が所定の下限値を下回った場合には、カソードに供給する空気の流量を増加させることによって、過剰なフラッディングを抑制している。さらに下限値だけではなく、セル電圧が下限値を次に下回るまでの時間が所定の時間間隔（インターバル）より短い場合には、セル電圧の回復を促進するためにガス圧力をセル電圧の下限値を上回るまで増加調整するといった制御がなされている。
【特許文献１】特開２００３−２１７６２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、現実には、一度フラッディングを生じた燃料電池は、フラッディングの程度にもよるが、不安定なセル電圧挙動を示すことが多く、エージング運転を数１０時間以上、場合によっては数１００時間以上行わないとセル電圧が安定しない（例えば、突発的、瞬間的な電圧低下が観察される）ことがわかっている。従って、特許文献１に開示されている方法は、エージング時間の短縮の観点からは優れているものの、エージングによって得られた燃料電池の出力特性の観点からは改善するべき余地が多いと考えられる。このように、エージング時間の短縮が可能であり、かつ、得られた燃料電池の出力特性が安定した燃料電池のエージング方法が求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の燃料電池のエージング方法は、アノードと、カソードと、前記アノードおよび前記カソードに狭持される高分子電解質とを含む燃料電池のエージング方法であって、
（ｉ）アノードに燃料を供給し、かつ、カソードに酸化剤を供給することによって、燃料電池の発電を開始する工程と、
（ii）前記発電を開始した燃料電池に、周期的に変動する電気的な負荷を印加することによって、前記燃料電池の出力特性を安定させる工程とを含むことを特徴としている。
【０００９】
また、本発明の燃料電池のエージング方法は、アノードと、カソードと、前記アノードおよび前記カソードに狭持される電解質とを含む燃料電池のエージング方法であって、
（Ｉ）アノードに燃料を供給し、かつ、カソードに酸化剤を供給することによって、燃料電池の発電を開始する工程と、
（II）前記アノードへの前記燃料の供給量を維持したまま前記カソードへの前記酸化剤の供給量を減少させることによって前記燃料電池の出力電圧を低下させる工程と、
（III）前記カソードへの前記酸化剤の供給量を増加させることによって、前記燃料電池の出力電圧を復帰させる工程とを含むことを特徴としていてもよい。
【００１０】
次に、本発明の燃料電池の製造方法は、アノードと、カソードと、前記アノードおよび前記カソードに狭持される高分子電解質とを含む燃料電池の製造方法であって、上述した本発明の燃料電池のエージング方法を含むことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、エージング時間の短縮が可能であり、かつ、エージング後に得られた燃料電池の出力特性が安定した燃料電池のエージング方法を提供することができる。また、本発明の燃料電池のエージング方法を用いることによって、エージング処理に必要な時間が短縮され、製造コストが低減された燃料電池の製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施の形態の説明において、同一の部材には同一の符号を付して重複する説明を省略する場合がある。
【００１３】
本発明の燃料電池のエージング方法（以下、単に「エージング方法」ともいう）は、アノードと、カソードと、アノードおよびカソードに狭持される高分子電解質とを含む燃料電池（即ち、高分子電解質型燃料電池：ＰＥＦＣ）のエージング方法である。ここで、本発明のエージング方法は、（ｉ）アノードに燃料を供給し、かつ、カソードに燃料を供給することによって、燃料電池の発電を開始する工程と、（ii）発電を開始した燃料電池に周期的に変動する電気的な負荷を印加することによって、燃料電池の出力特性を安定させる工程とを含んでいる。
【００１４】
このようなエージング方法とすることによって、エージングに要する時間を短縮することができる。このため、燃料電池の製造工程において最も投資が必要であると考えられるエージング工程への投資を小さくすることができ、より製造コストが低減された燃料電池を得ることができる。また、フラッディングを発生させることなくエージングを行うことが可能であるため、特許文献１に開示されている方法を用いた場合よりも、エージング後に得られた燃料電池の出力特性がより安定したエージング方法とすることができる。
【００１５】
また、例えば、燃料電池を休止した後（特に、長期間休止した後）に再発電させる際（再起動時）や、長期間の発電によって起電力などの出力特性が低下した際などにも、エージング処理を行うことによって燃料電池の出力特性が回復する場合があることがわかっている。このとき、エージング処理に必要な時間を短縮することができれば、保守に関するコストが低減された燃料電池とすることができる。
【００１６】
本発明のエージング方法によってエージング時間が短縮できる理由は明確ではないが、例えば、以下に示すような理由が考えられる。本発明のエージング方法では、燃料電池内の各セルに、周期的かつ電気的な負荷変動が印加される。燃料電池が発電しているとき、各セル内部では電気化学反応が進行している。ここに上記負荷変動が印加されると、各セルの内部において、部分的な電気化学反応の非平衡状態が形成されると考えられる。非平衡状態が形成されると、高分子電解質膜や触媒層の内部において、水素や酸素、水、水素イオンなど電気化学反応に関わる反応種のミクロ的な脈動、拡散効果が得られると考えられる。このため、例えば、高分子電解質膜の含水率をより短い時間で上昇させるなどの効果が得られると考えられる。
【００１７】
なお、エージングとは、上述したように、例えば、燃料電池を製造した後、その出力特性が設計された所定の出力特性に達するまで行われる発電をいう。このとき、例えば、ＰＥＦＣでは、電解質である高分子電解質膜が十分に加湿状態となり、水素イオンを伝導するチャネルが十分に形成されるなどの現象が生じると考えられている。また、製造した後だけではなく、燃料電池を保存後に再起動した場合や、長期間発電を続けることによって出力特性が低下した場合など、随時、出力特性を回復させる目的で行う発電も含まれる。
【００１８】
本発明のエージング方法を適用できるＰＥＦＣの構造、構成などは特に限定されない。電解質が高分子電解質膜である燃料電池であれば、どのような燃料電池であっても適用することができる。具体的な燃料電池の一例については後述する。
【００１９】
工程（ｉ）において、アノードに燃料を供給し、かつ、カソードに酸化剤を供給することによって燃料電池の発電を開始する方法は特に限定されない。一般的な方法を用いて発電を開始すればよい。例えば、燃料電池をエージング装置に接続し、燃料電池に燃料および酸化剤を供給することによって、発電を開始してもよい。また、例えば、エージング後の燃料電池が設置されるシステム自体に燃料電池を予め接続し、接続した燃料電池に燃料および酸化剤を供給することによって発電を開始してもよい。その他、必要に応じて、燃料電池に冷却水を供給してもよい。
【００２０】
燃料電池に供給する燃料は特に限定されず、例えば、水素およびメタノールから選ばれる少なくとも１つであればよい。燃料電池に供給する酸化剤は特に限定されず、例えば、酸素を含む気体であればよい。
【００２１】
工程（ii）において、発電を開始した燃料電池に、周期的に変動する電気的な負荷を印加する方法は特に限定されない。例えば、燃料電池に負荷を接続し、負荷の大きさを周期的に変動させればよい。より具体的には、例えば、燃料電池を固定抵抗や可変抵抗などの抵抗（あるいは、上記抵抗の集合体）に接続し、上記抵抗の大きさを周期的に変動させればよい。
【００２２】
このとき、可変抵抗が、例えば、電子負荷装置であってもよい。電子負荷装置を用いた場合、燃料電池に対する周期的に変動する電気的な負荷の印加をより容易に行うことができる。例えば、燃料電池に加える負荷パターンを予め設定した制御部と、上記制御部から負荷パターンの信号を送付可能なように接続した電子負荷装置とを準備し、電子負荷装置と燃料電池とを電気的に接続した後に、予め設定した負荷パターンを実行すればよい。また、このとき制御部に、燃料電池の出力電圧や、出力電流、燃料の流量や酸化剤の流量などの任意のパラメータをモニターさせ、これらパラメータの値に応じて負荷の印加を停止したり、燃料および／または酸化剤の流量を変更したり、さらにまた別の負荷パターンを実行したりしてもよい。なお、電子負荷装置に限らず、制御部から送付された負荷パターンを実行できる負荷である限り、同様の効果を得ることができる。
【００２３】
例えば、工程（ii）において、燃料電池の出力電圧が予め設定した出力電圧の閾値以上の値を保持するように、周期的に変動する負荷を燃料電池に印加してもよい。燃料電池のエージング時において、燃料電池の出力電圧が余りに小さくなると燃料電池にダメージを与える可能性がある。燃料電池の出力電圧が、予め設定した出力電圧の閾値以下とならないように負荷を印加することによって、エージング時におけるこのようなダメージを抑制することができる。上記閾値は任意に設定すればよい。
【００２４】
また、例えば、工程（ii）において、燃料電池がフラッディングを起こしたときに、燃料の利用率および酸化剤の利用率から選ばれる少なくとも１つの利用率を減少させてもよい。換言すれば、工程（ii）を、燃料電池がフラッディングをできるだけ起こさない条件（好ましくは、フラッディングを起こさない条件）で行ってもよい。フラッディングとは、燃料電池の発電条件によって、燃料電池の内部（例えば、セパレータにおける燃料の流路や酸化剤の流路など。セパレータについては後述する）に液体の水が滞留する現象をいう。上述したように、フラッディングが発生した場合、フラッディングの程度にもよるが、エージング後の燃料電池の出力特性が低下する可能性がある。このため、工程（ii）において、燃料電池がフラッディングを起こしたときに、燃料の利用率および酸化剤の利用率から選ばれる少なくとも１つの利用率を減少させれば、エージング後の燃料電池の出力特性がより安定したエージング方法とすることができる。
【００２５】
また、例えば、工程（ii）において、燃料電池がフラッディングを起こしたときに、燃料電池に印加する負荷の大きさを減少させてもよい。換言すれば、工程（ii）を、燃料電池がフラッディングをできるだけ起こさない条件（好ましくは、フラッディングを起こさない条件）で行ってもよい。同様に、エージング後の燃料電池の出力特性がより安定したエージング方法とすることができる。
【００２６】
また、例えば、工程（ii）において、燃料電池の出力電圧が予め設定したエージング終了条件を満たすまで、周期的に変動する負荷を印加してもよい。エージング終了条件は特に限定されず、任意に設定すればよい。具体的には、例えば、燃料電池の出力電圧が予め設定した出力電圧に達することをエージング終了条件に設定すればよい。
【００２７】
工程（ii）において、燃料電池に印加する周期的に変動する電気的な負荷のパターン（負荷パターン）は特に限定されない。例えば、図１（ａ）に示すような方形波状の負荷パターン５１を燃料電池に印加すればよい。その他、図１（ｂ）に示すようなノコギリ波状の負荷パターン５２を燃料電池に印加してもよいし、図１（ｃ）に示すような波状の負荷パターン５３（例えば、サイン波状の負荷パターン）を燃料電池に印加してもよい。その他、コンデンサーの充放電特性に対応する波形を有する負荷パターンを燃料電池に印加してもよい。また、例えば、複数の異なる形状を有する負荷パターンを混合した負荷パターンを燃料電池に印加してもよい。また、例えば、ある一つの負荷パターンを燃料電池に印加した後に、異なる負荷パターンを続けて（あるいは間隔を置いて）印加してもよい。なお、図１（ａ）〜図１（ｂ）における縦軸は特に限定されず、例えば、電流密度である。
【００２８】
燃料電池に印加する電気的な負荷の最大値は、燃料電池に供給する燃料および酸化剤の量から化学量論に基づいて計算した最大負荷値を超えない限り、任意に設定すればよい。例えば、燃料電池の各セルあたりの出力電圧（セル電圧）が、０．１Ｖ〜１．２Ｖ程度の範囲となるように設定すればよい。また、燃料電池に印加する電気的な負荷の最大値と最小値との際は特に限定されず、例えば、燃料電池のセル電圧が、０．３Ｖ〜０．９Ｖ程度の範囲を変動するように設定すればよい。負荷の変動の周期は特に限定されず、例えば、５秒〜３００秒程度の範囲であればよい。
【００２９】
なお、工程（ii）において、周期的に変動する負荷を燃料電池に印加する前に、上記変動する負荷よりも小さい負荷を段階的に印加してもよい。発電の初期においては、いきなり大きな負荷を印加すると燃料電池の出力電圧が大きく低下する場合がある。このため、最初は段階的に小さい負荷を印加し、その後ある程度出力特性が安定した段階で、燃料電池に周期的に変動する負荷を印加すれば、このような出力電圧の低下を抑制することができる。
【００３０】
本発明のエージング方法では、工程（ｉ）と工程（ii）との間に、
（Ａ）アノードへの燃料の供給量を維持したままカソードへの酸化剤の供給量を減少させることによって、燃料電池の出力電圧を低下させる工程と、
（Ｂ）カソードへの酸化剤の供給量を増加させることによって、燃料電池の出力電圧を復帰させる（回復させる）工程とをさらに含んでいてもよい。なお、工程（Ｂ）における「出力電圧を復帰させる」とは、工程（Ａ）においてカソードへの酸化剤の供給量を減少させる前の程度にまで出力電圧を上昇させることをいう。
【００３１】
このようなエージング方法とすることによって、エージングに要する時間をより短縮することができる。このため、より製造コストが低減された燃料電池を得ることができる。また、エージング後に得られた燃料電池の出力特性がより安定したエージング方法とすることができる。
【００３２】
工程（Ａ）において、カソードへの酸化剤の供給量は、燃料電池の出力電圧が低下する程度に減少させればよい。例えば、燃料電池のセル電圧が、０．１Ｖ〜０．３Ｖ程度の範囲となるように酸化剤の供給量を減少させればよい。このとき、燃料電池に負荷を印加していても印加していなくてもよい。安全性の観点からは、負荷は印加しないことが好ましい。また、アノードへの燃料の供給量は、カソードへの酸化剤の供給量を減少させる前と全く同一である必要はなく、増加させても、多少減少させてもよい。
【００３３】
工程（Ｂ）において、カソードへの酸化剤の供給量は、燃料電池の出力電圧が復帰する程度に増加させればよい。例えば、工程（Ａ）を行う前のレベルに酸化剤の供給量を増加させればよい。
【００３４】
工程（Ａ）および工程（Ｂ）を行うことによって、エージングに要する時間が短縮できる理由は明確ではないが、例えば、以下に示すような理由が考えられる。
【００３５】
燃料電池内の各セルを構成する部材の一つである触媒層（アノード触媒層およびカソード触媒層）には、触媒を担持する母材および導電材として炭素粒子が広く用いられている。一般に、炭素粒子は、化学物質などを吸着しやすい多孔質構造を有している。このため、触媒層に用いる炭素粒子が、製造前の保管時あるいは製造時の雰囲気などによっては、多種多様な化学物質を吸着、保持している可能性がある。即ち、燃料電池が組み立てられた時点で、燃料電池の各セルの内部に多くの不純物が残留している可能性がある。これら残留不純物によって、燃料電池の出力特性が低下する可能性がある。また、燃料電池を長期に渡って発電し続けると、燃料や酸化剤を供給する配管などからの不純物が次第に触媒層や高分子電解質膜に蓄積し、残留不純物の場合と同様に、燃料電池の出力特性が低下する可能性がある。その他、燃料電池の長期発電や長期休止では、微生物や有機物などの蓄積によって燃料電池の出力特性が低下する可能性も指摘されている。
【００３６】
これら不純物は、上述した本発明のエージング方法に基づくエージングを行うことによって、例えば、生成水などによって燃料電池外に排出されていくと考えられる。このとき、さらに工程（Ａ）および工程（Ｂ）を行えば、触媒層および高分子電解質膜の内部に水素イオンがより多く含まれることによって不純物の排出が促進されると考えられる。このため、エージングに要する時間がより短縮できると考えられる。
【００３７】
なお、本発明のエージング方法において、工程（Ａ）および工程（Ｂ）は、工程（ｉ）および工程（ii）とは独立して行ってもよい。工程（Ａ）および工程（Ｂ）を独立して行った場合においても、エージングに要する時間を短縮することができる。
【００３８】
即ち、本発明のエージング方法は、アノードと、カソードと、アノードおよびカソードに狭持される電解質とを含む燃料電池のエージング方法であって、
（Ｉ）アノードに燃料を供給し、かつ、カソードに酸化剤を供給することによって、燃料電池の発電を開始する工程と、
（II）アノードへの燃料の供給量を維持したままカソードへの酸化剤の供給量を減少させることによって、燃料電池の出力電圧を低下させる工程と、
（III）カソードへの酸化剤の供給量を増加させることによって、燃料電池の出力電圧を復帰させる（回復させる）工程とを含んでいてもよい。このようなエージング方法とすることによって、エージングに要する時間を短縮することができる。
【００３９】
次に、本発明の製造方法について説明する。
【００４０】
本発明の製造方法は、アノードと、カソードと、アノードおよびカソードに狭持される高分子電解質とを含む燃料電池の製造方法であって、上述した本発明の燃料電池のエージング方法を含むことを特徴としている。上述したように、本発明のエージング方法では、エージングに要する時間を短縮することができる。このため、このような製造方法とすることによって、より製造コストが低減された、および／または、出力特性が安定した燃料電池を製造することができる。
【００４１】
本発明の製造方法において、エージング以外の他の工程については特に限定されない。一般的な燃料電池の製造方法に用いられる工程を含んでいればよい。例えば、高分子電解質膜上にアノード触媒層およびカソード触媒層を積層して膜電極接合体（ＭＥＡ）を形成する工程や、ＭＥＡと一対のセパレータとを積層してセルを形成する工程や、複数のセルを積層して燃料電池スタックを形成する工程などの工程を、任意の組み合わせで含んでいればよい。なお、燃料電池を製造するためにはエージング工程が必ず必要であると考えられるため、本発明のエージング方法のみを含む場合においても、燃料電池の製造方法であるとすることができる。
【００４２】
本発明のエージング方法を用いる燃料電池、および、本発明の製造方法によって製造される燃料電池の具体的な構造および構成は特に限定されない。一般的な高分子電解質型燃料電池（ダイレクトメタノール型燃料電池を含む）に本発明のエージング方法を適用することができる。
【００４３】
図２に燃料電池の一例を示す。なお、図２では、説明を分かりやすくするために、一部を分解した状態で燃料電池を示す。
【００４４】
図２に示す燃料電池２は、一般的な高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ）であり、セル１５が複数積層された構造を有している。このような燃料電池２を、一般に、燃料電池スタックと呼ぶ場合がある。セル１５は、高分子電解質膜の一方の主面にアノードが、他方の主面にカソードが形成されたＭＥＡ（膜電極接合体）１１を含んでいる。高分子電解質膜は、水素イオン伝導性を有する限り特に限定されず、例えば、ポリパーフルオロカーボンスルホン酸からなる膜（ＰＦＳＡ膜）を用いればよい。より具体的には、例えば、ＤｕＰｏｎｔ社製のＮａｆｉｏｎ（登録商標）が挙げられる。アノードおよびカソードは、一般的に、ＰＥＦＣに用いられる構造や構成であればよい。例えば、アノードがアノード触媒層や拡散層などによって構成されており、カソードがカソード触媒層や拡散層などによって構成されていればよい。また、アノード触媒およびカソード触媒としては、例えば、Ｐｔ（白金）、Ｒｕ（ルテニウム）などを、触媒を担持する母材および導電材としては、例えば、カーボンなどの炭素材料を、イオン伝導体としては、例えば、上述したポリパーフルオロカーボンスルホン酸などを含めばよい。
【００４５】
ＭＥＡ１１は、ＭＥＡ１１に供給する燃料および酸化剤の漏洩を防ぐガスケット１２を介して、アノードセパレータ１３およびカソードセパレータ１４によって狭持されている。アノードセパレータ１３はＭＥＡ１１のアノード側に、カソードセパレータ１４はＭＥＡ１１のカソード側に配置されている。アノードセパレータ１３およびカソードセパレータ１４におけるＭＥＡ１１に面した主面には、それぞれ、燃料の流路および酸化剤の流路が形成されている。また、カソードセパレータ１４におけるＭＥＡに面した主面とは反対側の主面には、冷却水の流路が形成されている。このように、一対のセパレータ１３および１４によってＭＥＡ１１を狭持した構造をセル１５という。セル１５は、燃料電池２の最小単位であり、セル１５を電気的に直列接続となるように複数積層することによって燃料電池２の出力電圧を大きくすることができる。アノードセパレータ１３およびカソードセパレータ１４は、例えば、ステンレスなどの金属や炭素材料などの導電性を有する材料によって形成されていればよい。
【００４６】
また、図２に示す燃料電池２では、複数のセル１５が、セル１５間における燃料および酸化剤の漏洩を防ぐためのシール１６を介して積層されている。セル１５の積層体の両端には、セル１５において発生した電力を集めるためのカソード側集電体１７およびアノード側集電体１８が配置されている。カソード側集電体１７およびアノード側集電体１８は、金属などの導電性材料を用いて形成されていればよい。それぞれの集電体には、カソード端子１９およびアノード端子２０が配置されており、両端子を介して燃料電池２で発生した電力を燃料電池２の外部に取り出すことができる。また、セル１５、カソード側集電体１７およびアノード側集電体１８の積層体は、絶縁性を有する絶縁板２１によって狭持されており、さらにこれら全体が、エンドプレート２２を介して、ボルト２９、ワッシャー３２およびナット３０によって締結され、燃料電池２が構成される。
【００４７】
図２に示す燃料電池２では、絶縁板２１に、燃料入口２３、酸化剤入口２４、燃料出口２５、酸化剤出口２６、冷却水入口２７および冷却水出口２８が形成されている。また、各セパレータには、セパレータの主面に垂直な方向に貫通孔（燃料用貫通孔、酸化剤用貫通孔および冷却水用貫通孔）が形成されており、上記各入口を介して、燃料、酸化剤および冷却水をセル１５に供給することができる。また、セル１５を通過した未使用の燃料および酸化剤と、セルを冷却した冷却水とは、上記各出口を介して燃料電池２より排出することができる。エンドプレート２２と絶縁板２１との間にバネ３１が配置されており、セル１５を積層する圧力を調整することができる。燃料電池２における上述した各部材には、一般的にＰＥＦＣに用いられる材料を用いればよい。なお、図２に示す燃料電池２はあくまで一例であり、本発明のエージング方法を適用する燃料電池、あるいは、本発明の製造方法によって製造される燃料電池が図２に示す燃料電池とはまた別の構成を有していてもよい。
【００４８】
本発明のエージング方法は、例えば、図３に示すような燃料電池システムに適用してもよい。
【００４９】
図３に示す燃料電池システム１は、アノードと、カソードと、アノードおよびカソードに狭持された電解質とを含む燃料電池２を備えている。燃料電池２は、燃料電池２におけるアノードに燃料を供給し、かつ、カソードに酸化剤を供給することによって電力を発生することができる。燃料電池システム１は、上記燃料電池２の他に、上記発生した電力を燃料電池システム１の外部（例えば、図３に示す外部回路６）に取り出すための接続部３と、燃料電池２と電気的に接続された負荷部４と、負荷部４における負荷の大きさを制御する制御部５とを備えている。燃料電池システム１では、負荷部４が、上記発生した電力の少なくとも一部を制御部５の制御に応じて消費することによって、燃料電池２に電気的な負荷を印加することができる。即ち、負荷部４によって、燃料電池２に周期的に変動する負荷を印加すれば、本発明のエージング方法に基づくエージングを行うことができる。また、燃料電池システム１では、燃料電池２に電気的な負荷を印加する負荷部４が燃料電池システム１自体に内蔵されている。このため、エージングのための外部装置を用いることなくエージングを行うことができる。図３に示す燃料電池システム１に限られず、負荷部４を内蔵する燃料電池システムであれば、同様の効果を得ることができる。
【００５０】
なお、図３に示す燃料電池システム１における燃料電池２では、燃料入口２３、酸化剤入口２４、燃料出口２５および酸化剤出口２６のそれぞれに対応して配管３７および接続口３８が配置されている。このため、上記それぞれの接続口３８を介して、燃料電池システム１の外部から燃料および酸化剤を燃料電池２に供給することができる。また、上記それぞれの接続口３８を介して、燃料電池システム１の外部へ未使用の燃料および酸化剤を排出することができる。
【００５１】
接続部３は、燃料電池で発生した電力を外部に取り出すことができる限り、その構成、構造などは特に限定されない。図３に示す例では、接続部３は、燃料電池２におけるアノード端子２０およびカソード端子１９と配線４３を介して電気的に接続された、−（マイナス）端子４１と、＋（プラス）端子４２とを含む端子部を含んでいる。−端子４１および＋端子４２を介して、外部回路６に燃料電池２で発生した電力を供給することができる。
【００５２】
外部回路６は、燃料電池システム１が家庭や工場などに用いる定置型燃料電池システムである場合、例えば、家庭や工場内の電気機器群である。燃料電池システム１がパーソナルコンピュータや携帯電話などの携帯機器に用いる携帯型燃料電池システムである場合、外部回路６は、例えば、上記携帯機器内の電気回路やメモリ機器、ストレージ機器などである。燃料電池システム１が自動車などの移動体に用いる移動体積載型燃料電池システムである場合、外部回路６は、例えば、自動車に搭載されている電子機器群や各種駆動用モータなどである。
【００５３】
負荷部４の構造や構成などは特に限定されない。例えば、固定抵抗を含んでいてもよいし、可変抵抗を含んでいてもよい。可変抵抗が、例えば、電子負荷装置などである場合、制御部５による負荷パターンの制御をより容易に行うことができる。
【００５４】
負荷部４と燃料電池２との電気的な接続方法は特に限定されない。例えば、図３に示すように、燃料電池２のカソード端子１９およびアノード端子２０と負荷部４とが配線４４によって電気的に接続されていればよい。燃料電池２と接続部３とを電気的に接続する配線４３を分岐させて、燃料電池２と負荷部４とを電気的に接続してもよい。
【００５５】
制御部５は、負荷部４における負荷パターンを制御できる限り、その構造、構成などは特に限定されない。例えば、制御部５が予め制御プログラムを内蔵した制御部（例えば、プログラム制御装置）であり、上記プログラムからの指令に基づいて負荷部４が負荷パターンを実行できればよい。図３に示す例では、制御部５と負荷部４とが、上記指令を伝える情報線４５によって接続されている。
【実施例】
【００５６】
以下、実施例を用いて本発明をより詳細に説明する。なお、本発明は以下に示す実施例に限定されない。
【００５７】
本実施例では、未発電の燃料電池に、図１（ａ）に示したような周期的に変動する方形波状の負荷パターンを印加してエージング試験を行い、エージング終了後の燃料電池の出力特性を評価した。
【００５８】
−サンプル１−
最初に、エージング試験に用いる燃料電池を準備した。燃料電池は、図２に示すような燃料電池とした。具体的には、電解質膜にＮａｆｉｏｎ膜を用い、電解質膜上にＰｔ触媒＋ケッチェンブラック＋Ｎａｆｉｏｎ溶液の混合スラリーを塗布し、乾燥させることによって多孔質のアノード触媒層およびカソード触媒層を形成してＭＥＡを作製した。作製したＭＥＡを一対のカーボンセパレータ（ＭＥＡ側の主面に燃料または酸化剤の流路が形成されている）で狭持し、セルを作製した。その後、作製したセルを積層してセルの積層数が１０セルの燃料電池（燃料電池スタック）を作製した。なお、ＭＥＡの有効膜面積は、４００ｃｍ2とした。
【００５９】
このように準備した燃料電池に対して、図４に示すようなエージング処理を行った。具体的には、最初に、燃料電池に、燃料として純度９９．９９％の水素をセルあたり３ＳＬＭ（ＳＬＭ：２０℃標準体積）、および、酸化剤として空気をセルあたり１０ＳＬＭ供給して発電を開始した。発電を開始した後、燃料電池に接続した電子負荷装置を用いて、燃料電池に段階的に負荷を印加した。その後、発電開始から５分経過した時点で、燃料電池に対して、周期的に変動する方形波状の負荷の印加を開始した。負荷パターンは、図４に示すように、燃料電池内の各セルに加わる電流密度換算で、最大０．３ｍＡ／ｃｍ2、最小０．２ｍＡ／ｃｍ2とした。また、１サイクルを１分とし、１５サイクル行った。このとき、燃料電池における１セルあたりの電圧（セル電圧）は、０．７５Ｖから０．９Ｖの範囲で周期的に変動した。方形波状の負荷の印加は１５分間行い、その後、電流密度換算で０．１５ｍＡ／ｃｍ2の負荷を印加し続ける定常発電の状態にした。なお、エージング処理中にフラッディングは観察されなかった。
【００６０】
−サンプル２−
サンプル１と同様に準備した燃料電池に対して、図５に示すようなエージング処理を行った。具体的には、最初に、燃料電池に、燃料として純度９９．９９％の水素をセルあたり３ＳＬＭ、および、酸化剤として酸素濃度が２１体積％の酸素−窒素混合気体をセルあたり１０ＳＬＭ供給して発電を開始した。次に、セル電圧が１．０Ｖに到達したときに、酸化剤中の酸素濃度を２体積％にまで減少させ、セル電圧を下降させた。続いて、セル電圧が０．１Ｖにまで低下した際に、酸化剤中の酸素濃度を２１体積％にまで上昇させ、セル電圧を約１．０Ｖにまで復帰させた。このステップを２回繰り返し行い（即ち、上述の工程（Ａ）および工程（Ｂ）を２セット行い）、サンプル１と同様に、周期的に変動する方形波状の負荷を燃料電池に印加した。なお、方形波状の負荷は、サンプル１と同様に、発電開始から５分後に印加を始めた。また、サンプル１と同様に、方形波状の負荷の印加は１５分間行い、その後、電流密度換算で０．１５ｍＡ／ｃｍ2の負荷を印加し続ける定常発電の状態にした。エージング処理中にフラッディングは観察されなかった。
【００６１】
−比較サンプル−
サンプル１と同様に準備した燃料電池に対して、周期的に変動する負荷を印加することなくエージングを行った。具体的には、最初に、燃料電池に、燃料として純度９９．９９％の水素をセルあたり３ＳＬＭ、および、酸化剤として空気をセルあたり１０ＳＬＭ供給して発電を開始した。発電を開始した後、燃料電池に接続した電子負荷装置を用いて、一定の負荷（電流密度に換算して、０．２ｍＡ／ｃｍ2）を８時間印加した。負荷は、サンプル１と同様に、発電開始から５分後に印加を始めた。また、８時間の印加の後、電流密度換算で０．１５ｍＡ／ｃｍ2の負荷を印加し続ける定常発電の状態にした。
【００６２】
このようにしてエージング処理を行った３つのサンプルに対して、エージング処理に続いて行った定常発電の状態におけるセル電圧の低下度を評価した。その結果、サンプル１におけるセル電圧の低下度は−１．３ｍＶ／ｈ、サンプル２におけるセル電圧の低下度は−０．７ｍＶ／ｈ、比較サンプルにおけるセル電圧の低下度は−５．３ｍＶ／ｈであった。比較サンプルに対して、サンプル１およびサンプル２では、エージングに要する時間が短縮でき、また、エージング後の出力特性が安定した燃料電池が得られたことがわかる。また、サンプル１よりもサンプル２の方が、より出力特性が安定した燃料電池となった。
【００６３】
また、サンプル１および比較サンプルについて、エージング処理中におけるカソード排出水中の有機物質の濃度（全有機系炭素物質濃度：ＴＯＣ）を評価した。このとき、同時に、サンプル１と同様に準備した燃料電池に、サンプル１と同様の周期的に変動する負荷を印加してエージングを行った２種類のサンプル（サンプル３および４）についても、エージング処理中におけるカソード排出水中の有機物質の濃度を評価した。ただし、サンプル３では、負荷の値を電流密度換算で０．１ｍＡ／ｃｍ2〜０．２ｍＡ／ｃｍ2の範囲で変動させた（セル電圧の変動幅は、サンプル１と同様に０．１５Ｖ）。サンプル４では、負荷の値を電流密度換算で０．１ｍＡ／ｃｍ2〜０．３ｍＡ／ｃｍ2の範囲で変動させ、セル電圧の変動幅を０．２５Ｖとした。結果を図６に示す。
【００６４】
図６に示すように、比較サンプルに比べてサンプル１では、より早い段階でカソード排出水中におけるＴＯＣが上昇することがわかった。また、比較サンプルではＴＯＣが上昇し続けるのに対して、サンプル１では、エージング開始８分後にはＴＯＣが減少を始めた。このことから、比較サンプルに比べてサンプル１では、燃料電池内に含まれる不純物の排出が促進されていると考えられる。また、サンプル１に対して、サンプル３およびサンプル４ではその傾向がより大きい結果となった。
【産業上の利用可能性】
【００６５】
以上説明したように、本発明によれば、エージング時間の短縮が可能であり、かつ、エージング後に得られた燃料電池の出力特性が安定した燃料電池のエージング方法を提供することができる。また、本発明の燃料電池のエージング方法を用いることによって、エージング処理に必要な時間が短縮され、製造コストが低減された燃料電池の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明の燃料電池のエージング方法に用いることができる、周期的に変動する負荷の一例を示す模式図である。
【図２】本発明の燃料電池のエージング方法を適用できる燃料電池の一例を示す模式図である。
【図３】本発明の燃料電池のエージング方法を適用できる燃料電池を備えた燃料電池システムの一例を示す模式図である。
【図４】実施例において実施した燃料電池のエージング方法の一例を説明するための図である。
【図５】実施例において実施した燃料電池のエージング方法の一例を説明するための図である。
【図６】実施例の各サンプルにおけるエージング時間と排出水中の全有機系炭素物質濃度との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００６７】
１  燃料電池システム
２  燃料電池
３  接続部
４  負荷部
５  制御部
６  外部回路
１１  ＭＥＡ
１２  シール
１３  アノードセパレータ
１４  カソードセパレータ
１５  セル
１６  ガスケット
１７  カソード側集電体
１８  アノード側集電体
１９  カソード端子
２０  アノード端子
２１  絶縁板
２２  エンドプレート
２３  燃料入口
２４  酸化剤入口
２５  燃料出口
２６  酸化剤出口
２７  冷却水入口
２８  冷却水出口
２９  ボルト
３０  ナット
３１  バネ
３２  ワッシャー
３７  配管
３８  接続口
５１、５２、５３  負荷パターン
【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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