(57)【要約】【課題】  短時間で簡単に実施することができる固体高分子電解質形燃料電池の運転準備方法を提供する。【解決手段】  流量調整弁１３〜１５を調整して、窒素ガスボンベ１１から窒素ガス１を送給し、加湿温器１２により、窒素ガス１を７０℃以上に加温すると共に水２の蒸気を含むように略飽和状態にまで加湿した後、固体高分子電解質形燃料電池１００の燃料ガス供給口１０１及び酸化ガス供給口１０２に供給することにより、固体高分子電解質形燃料電池１００の固体高分子電解質膜に水２を供給して当該固体高分子電解質膜を７０℃以上に加温する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質形燃料電池の運転準備方法であって、
前記固体高分子電解質形燃料電池の固体高分子電解質膜に水を供給して当該固体高分子電解質膜を７０℃以上に加温する
ことを特徴とする固体高分子電解質形燃料電池の運転準備方法。
【請求項２】
請求項１において、
前記固体高分子電解質形燃料電池の燃料ガス供給口及び酸化ガス供給口の少なくとも一方に７０℃以上の加湿ガスを供給する
ことを特徴とする固体高分子電解質形燃料電池の運転準備方法。
【請求項３】
請求項２において、
前記固体高分子電解質形燃料電池の前記燃料ガス供給口に供給する前記加湿ガスが、窒素ガス及び二酸化炭素ガスの少なくとも一種からなるキャリアガスに水分を含有させたものである
ことを特徴とする固体高分子電解質形燃料電池の運転準備方法。
【請求項４】
請求項２において、
前記固体高分子電解質形燃料電池の前記酸化ガス供給口に供給する前記加湿ガスが、窒素ガス、二酸化炭素ガス、空気のうちの少なくとも一種からなるキャリアガスに水分を含有させたものである
ことを特徴とする固体高分子電解質形燃料電池の運転準備方法。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれかにおいて、
前記固体高分子電解質形燃料電池の実運転使用前の慣らし運転、又は、前記固体高分子電解質形燃料電池の長期間運転停止後の実運転再開前の準備運転である
ことを特徴とする固体高分子電解質形燃料電池の運転準備方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子電解質形燃料電池の実運転使用前の慣らし運転（エージング）や固体高分子電解質形燃料電池の長期間運転停止後の実運転再開前の準備運転等のような固体高分子電解質形燃料電池の運転準備方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
作製された固体高分子電解質形燃料電池は、発電特性を十分に発現できるようにするため、実運転使用前に慣らし運転（エージング）が行われている。
【０００３】
この固体高分子電解質形燃料電池の従来のエージング方法としては、例えば、製作後、酸化ガス（空気）に代えて窒素ガスを用いて、発電運転と同一の条件でしばらく作動させてから、窒素ガスを酸化ガス（空気）に戻して、目的とする発電性能を発現できるまで運転するようにしている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−３４９０５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、前述したような従来のエージング方法では、エージングを終えるのに約一週間前後要してしまい、時間及び手間がかかって、コストアップの一因となっていた。
【０００６】
このような問題は、上述したような実運転使用前の慣らし運転（エージング）の場合だけに限らず、長期間運転停止後の実運転再開前の準備運転等の場合であっても、上述した場合と同様に生じていた。
【０００７】
このようなことから、本発明は、短時間で簡単に実施することができる固体高分子電解質形燃料電池の運転準備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】
【０００８】
前述した課題を解決するための、第一番目の発明は、固体高分子電解質形燃料電池の運転準備方法であって、前記固体高分子電解質形燃料電池の固体高分子電解質膜に水を供給して当該固体高分子電解質膜を７０℃以上に加温することを特徴とする。
【０００９】
第二番目の発明は、第一番目の発明に係る固体高分子電解質形燃料電池の運転準備方法において、前記固体高分子電解質形燃料電池の燃料ガス供給口及び酸化ガス供給口の少なくとも一方に７０℃以上の加湿ガスを供給することを特徴とする。
【００１０】
第三番目の発明は、第二番目の発明に係る固体高分子電解質形燃料電池の運転準備方法において、前記固体高分子電解質形燃料電池の前記燃料ガス供給口に供給する前記加湿ガスが、窒素ガス及び二酸化炭素ガスの少なくとも一種からなるキャリアガスに水分を含有させたものであることを特徴とする。
【００１１】
第四番目の発明は、第二番目の発明に係る固体高分子電解質形燃料電池の運転準備方法において、前記固体高分子電解質形燃料電池の前記酸化ガス供給口に供給する前記加湿ガスが、窒素ガス、二酸化炭素ガス、空気のうちの少なくとも一種からなるキャリアガスに水分を含有させたものであることを特徴とする。
【００１２】
第五番目の発明は、第一番目から第四番目の発明のいずれかに係る固体高分子電解質形燃料電池の運転準備方法において、前記固体高分子電解質形燃料電池の実運転使用前の慣らし運転、又は、前記固体高分子電解質形燃料電池の長期間運転停止後の実運転再開前の準備運転であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る固体高分子電解質形燃料電池の運転準備方法によれば、運転準備を短時間で簡単に実施することができるので、時間及び手間を大幅に削減することができ、コストの削減を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明に係る固体高分子電解質形燃料電池の運転準備方法の実施形態を図１に基づいて説明する。図１は、固体高分子電解質形燃料電池の運転準備方法の説明図である。
【００１５】
図１に示すように、固体高分子電解質形燃料電池１００の燃料ガス供給口１０１及び酸化ガス供給口１０２には、キャリアガスである窒素ガス１を供給する窒素ガスボンベ１１のガス送出口が連絡している。この窒素ガスボンベ１１のガス送出口と固体高分子電解質形燃料電池１００の前記燃料ガス供給口１０１及び前記酸化ガス供給口１０２との間には、上記窒素ガスボンベ１１からの窒素ガス１を加温及び加湿する加湿温器１２が配設されている。
【００１６】
前記窒素ガスボンベ１１と加湿温器１２との間には、流量調整弁１３が配設されている。加湿温器１２と固体高分子電解質形燃料電池１００の燃料ガス供給口１０１との間には、流量調整弁１４が配設されている。加湿温器１２と固体高分子電解質形燃料電池１００の酸化ガス供給口１０２との間には、流量調整弁１５がそれぞれ配設されている。なお、図１中、１０３は燃料ガス排出口、１０４は酸化ガス排出口である。
【００１７】
次に、本実施形態に係る運転準備方法を説明する。
【００１８】
前記流量調整弁１３〜１５を調整して、窒素ガスボンベ１１から窒素ガス１を送給すると、窒素ガス１は、加湿温器１２により、７０℃以上（好ましくは８０〜９０℃）に加温されると共に水２の蒸気を含むように略飽和状態にまで加湿された後、固体高分子電解質形燃料電池１００の燃料ガス供給口１０１及び酸化ガス供給口１０２に供給され、当該固体高分子電解質形燃料電池１００の内部に形成された燃料ガス流路及び酸化ガス流路をそれぞれ流通し、当該固体高分子電解質形燃料電池の内部に配設されているセルの固体高分子電解質膜と接触して、当該固体高分子電解質膜を加温加湿した後に上記燃料ガス流路及び酸化ガス流路を再び流通し、当該固体高分子電解質形燃料電池１００の燃料ガス排出口１０３及び酸化ガス排出口１０４から外部に排出される。
【００１９】
つまり、従来は、酸化ガス（空気）に代えて窒素ガスを用いて、発電運転と同一の条件（約６０℃前後）でしばらく作動させてから、窒素ガスを酸化ガス（空気）に戻して、目的とする発電性能を発現できるまで運転するようにしていたが、本実施形態では、水２の蒸気を含んで７０℃以上（好ましくは８０〜９０℃）に加温された窒素ガス１を固体高分子電解質形燃料電池１００の燃料ガス供給口１０１及び酸化ガス供給口１０２に供給することにより、固体高分子電解質形燃料電池１００の固体高分子電解質膜に水２を供給して当該固体高分子電解質膜を７０℃以上（好ましくは８０〜９０℃）に加温するようにしたのである。
【００２０】
このため、従来は、エージング等の運転準備に長期間（約一週間前後）を要していたが、本実施形態においては、エージング等の運転準備を短期間（約一日前後）で終えることができる。この理由を以下に説明する。
【００２１】
固体高分子電解質形燃料電池が十分な発電性能を発現するためには、固体高分子電解質膜が十分なプロトン伝導性を発現する、すなわち、固体高分子電解質膜のポリマーに対して水分子が均一に分散している必要がある。従来は、発電運転を行うことにより、すなわち、作動に伴う固体高分子電解質膜中の水分子の自然な移動により、固体高分子電解質膜のポリマーに対して水分子を均一に分散させるようにしていた。このため、従来は、エージング等の運転準備に長期間（約一週間前後）を要してしまっていた。
【００２２】
そこで、本発明者らが鋭意検討を行ったところ、固体高分子電解質膜を７０℃以上に加熱すると、固体高分子電解質膜中の水分子が急速に均一に分散することが明らかとなった。この原因は定かではないが、固体高分子電解質膜を７０℃以上に加熱すると、固体高分子電解質膜のポリマー間やポリマー内の構造に変化が生じ、当該ポリマーの構造変化に伴って、当該ポリマー内に含まれている水分子が容易に移動するようになるからではないかと推察される。このために、本実施形態では、エージング等の運転準備を短期間（約一日前後）で終えることができたと推察される。
【００２３】
したがって、本実施形態によれば、エージング等の運転準備を短時間で簡単に実施することができるので、時間及び手間を大幅に削減することができ、コストの削減を図ることができる。
【００２４】
なお、本発明に係る固体高分子電解質形燃料電池の運転準備方法による処理時間は、固体高分子電解質膜の面積や厚さ等を始めとして、電極構造やセパレータ形状等の各種条件によって大きく違いを生じてしまうものの、ほとんどの場合、約一日前後行えば処理を終えることができる。そして、処理時間に影響を与える上述したような各種因子が無視できるような条件の場合には、１時間程度あれば、運転準備を終えることが可能である。
【００２５】
また、本実施形態では、固体高分子電解質形燃料電池１００の燃料ガス供給口１０１及び酸化ガス供給口１０２の両方に水２の蒸気を含む窒素ガス１を供給するようにしたが、本発明はこれに限らず、加湿ガスを構成するキャリアガスは、電極膜や触媒等に含まれている成分を極端に劣化させることがないものであればよく、他の実施形態として、例えば、二酸化炭素ガス又は二酸化炭素ガスと窒素ガスとの混合ガスからなるキャリアガスに水の蒸気を含ませた加湿ガスを固体高分子電解質形燃料電池１００の燃料ガス供給口１０１に供給することや、空気、二酸化炭素ガス、窒素ガスと二酸化炭素ガスとの混合ガスのいずれか等からなるキャリアガスに水の蒸気を含ませた加湿ガスを固体高分子電解質形燃料電池１００の酸化ガス供給口１０２に供給することも可能である。より具体的には、例えば、加熱等を行うために炭化水素系の燃料を燃焼させた燃焼排ガス（略飽和状態にまで水分を含有している窒素と二酸化炭素との混合ガス）を加湿ガスとして利用することが挙げられる。
【００２６】
また、本実施形態では、固体高分子電解質形燃料電池１００の燃料ガス供給口１０１及び酸化ガス供給口１０２の両方に供給するようにしたが、他の実施形態として、例えば、燃料ガス供給口１０１及び酸化ガス供給口１０２のいずれか一方のみに供給する場合も可能である。しかしながら、本実施形態の場合のように、固体高分子電解質形燃料電池１００の燃料ガス供給口１０１及び酸化ガス供給口１０２の両方に供給するようにすれば、最も効率よくエージング処理することができるので好ましい。
【００２７】
また、本実施形態では、７０℃以上の加湿窒素ガス１を供給することにより、エージング処理を行うようにしたが、本発明はこれに限らず、固体高分子電解質形燃料電池の固体高分子電解質膜に水を供給して当該固体高分子電解質膜を７０℃以上に加温する方法であれば、本実施形態の場合と同様な作用効果を得ることができる。しかしながら、本実施形態のようにして行うと、エージング処理を非常に簡単に行うことができるので好ましい。
【００２８】
また、本発明は、実運転使用前の慣らし運転（エージング）の場合だけに限らず、長期間運転停止後の実運転再開前の準備運転の場合等のように、固体高分子電解質形燃料電池の固体高分子電解質が乾燥している状態から発電運転を行う場合であれば、本実施形態の場合と同様にして適用することができる。
【実施例】
【００２９】
本発明に係る固体高分子電解質形燃料電池の運転準備方法の効果を確認するため、以下のような確認試験を行った。
【００３０】
［試験方法］
作製した固体高分子電解質形燃料電池（固体高分子電解質膜の種類：デュポン社製ナフィオン１１２（登録商標）、固体高分子電解質膜の厚さ：５０μｍ、固体高分子電解質膜のサイズ：５ｃｍ四方（２５ｃｍ2））に対して、前述した実施形態のようにして運転準備（エージング処理）を下記の条件で行った後、当該固体高分子電解質形燃料電池の電流電位（Ｉ−Ｖ）特性の測定を行う。そして、確認のためのサイクリックボルタンメトリ測定（ＣＶ）や交流インピーダンス測定（ＦＲＡ）等の電気化学的測定を行った後、Ｉ−Ｖ特性の測定を再び行う。これを複数回（３回）繰り返して、Ｉ−Ｖ特性の値の変化を調べた（試験例）。なお、比較のため、従来のエージング処理（比較例１：強制発電運転による）の場合（Ｉ−Ｖ特性の測定：２回）、及び、作製直後の場合（比較例２）、すなわち、エージング処理を行わなかった場合（Ｉ−Ｖ特性の測定：１回）も併せて測定した。
【００３１】
［試験条件］
〈試験例〉
・ガス：燃料ガス側及び酸化ガス側共に窒素ガス
・温度：８５℃
・処理時間：１時間
〈比較例１〉
・ガス：燃料ガス側−水素、酸化ガス側−当初５５分間窒素、その後５分間空気
・温度：６５℃
・処理時間：１時間（最後の５分間は０．８Ａ／ｃｍ2で発電運転）
〈比較例２〉
エージングなし
【００３２】
［試験結果］
上述した試験方法及び試験条件に基づいて行った試験結果を図２に示す。
図２からわかるように、エージングを行っていない比較例２においては、目的とする電流密度（０．５Ａ／ｃｍ2）の値近傍で電圧値が急激に小さくなってしまい、十分な発電特性を得ることができない。また、従来のエージング処理を行った比較例１においては、目的とする電流密度（０．５Ａ／ｃｍ2）の値近傍ほど、１回目の測定値と２回目の測定値とに差を生じていることから、最初のエージング処理だけで十分な発電特性を得られないことが明らかである。これに対し、本発明に係る試験例１においては、目的とする電流密度（０．５Ａ／ｃｍ2）の値近傍であっても、１〜３回目の測定値がほとんど同一であることから、最初のエージング処理だけで十分な発電特性を得られることが確認できた。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明に係る固体高分子電解質形燃料電池の運転準備方法は、運転準備を短時間で簡単に実施することができるので、時間及び手間を大幅に削減することができ、コストの削減を図ることができることから、産業上、極めて有益に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明に係る固体高分子電解質形燃料電池の運転準備方法の実施形態の説明図である。
【図２】本発明に係る固体高分子電解質形燃料電池の運転準備方法の効果を確認するために行った試験例及び比較例１，２の電流電位特性曲線を表わすグラフである。
【符号の説明】
【００３５】
１  窒素ガス
２  水
１１  窒素ガスボンベ
１２  加湿温器
１３〜１５  流量調整弁
１００  固体高分子電解質形燃料電池
１０１  燃料ガス供給口
１０２  酸化ガス供給口
１０３  燃料ガス排出口
１０４  酸化ガス排出口
【図１】
2007059069.tif 000003
【図２】
2007059069.tif 000004