JP2005251396A

JP2005251396A - 燃料電池の運転方法

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Publication number: JP2005251396A
Application number: JP2004055726A
Authority: JP
Inventors: Shinya Watanabe; 真也渡邉; Mitsuro Ichikawa; 充郎市川; Minoru Koshinuma; 実越沼; Yosuke Fujii; 洋介藤井; Masahiro Mouri; 昌弘毛里
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2004-03-01
Filing date: 2004-03-01
Publication date: 2005-09-15
Anticipated expiration: 2024-03-01
Also published as: JP4627145B2

Abstract

【課題】簡易な制御手法により、燃料電池のエージングに要する時間を短縮することができる運転方法を提供する。
【解決手段】燃料電池の出力電流Ｉfcを、０からＩh₁₁まで漸増させた後、再び０まで漸減させる工程を繰り返し実行する。そして、燃料電池の出力電圧が所定レベルまで上昇したｔ₁₅以降は、燃料電池の出力電流Ｉfcを、０からＩh₁₂（＞Ｉh₁₁）まで漸増させた後、再び０まで漸減させる工程を、燃料電池の出力電圧が所定のエージング終了レベルまで上昇するまで繰り返し実行する。
【選択図】図３

Description

本発明は、エージングを行う際の燃料電池の運転方法に関する。

図７に示したように、固体高分子型の燃料電池１００は、高分子電解質膜１０１と、その両側に設けられた触媒作用をもった水素極１０２及び酸素極１０３と、反応ガスである水素と酸素（空気中に含まれる）の供給路を形成するセパレータ１０４及び１０５とを備えている。

そして、セパレータ１０５の供給路に供給された水素ガスＨ₂は、水素電極１０２で電子ｅ^-を放出して水素イオンＨ⁺となり、該水素イオンＨ⁺が高分子電解質膜１０１中を伝導する。一方、酸素電極１０３においては、酸素ガスＯ₂と酸素電極１０３から供給される電子ｅ^-と水素イオンＨ⁺とにより、以下の反応によって水Ｈ₂Ｏが生成される。

１／２Ｏ₂＋２Ｈ⁺＋２ｅ^- → Ｈ₂Ｏ・・・・・（１）
ここで、高分子電解質膜１０１における水素イオンＨ⁺の伝導率は、高分子電解質膜１０１の含水率によって変化し、乾燥状態では水素イオンＨ⁺の伝導率が低く、含水率が高くなるに従って水素イオンＨ⁺の伝導率が高くなる。そして、燃料電池１００を組み立てたときには、高分子電解質膜１０１は乾燥状態にあるので、高分子電解質膜１０１に含水させて所望の出力能力を発揮し得る状態にする、いわゆるエージングを行う必要がある。

そこで、従来は、燃料電池１００に供給される反応ガスを加湿し、水蒸気により高分子電解質膜１０１に含水させる処理に加えて、燃料電池１００に電気負荷１１０を接続して一定電流を出力させることにより、上記式（１）の化学反応によって酸素電極１０３に水を生じさせて高分子電解質膜１０１に含水させるようにしていた。

さらに、エージングを行う際に、発電により消費される反応ガスの利用率を向上させて燃料電池１００内で生じる水を増加させ、これにより高分子電解質膜１０１の含水を促進させてエージングに要する時間を短縮させる方法が提案されている（例えば特許文献１参照）。

しかし、この場合には、フラッディング（高分子電解質膜付近の水分の過多）により反応ガスの供給が妨げられて燃料電池の性能が低下するおそれがあり、フラッディングに対処するために制御手法が複雑になるという不都合がある。
特開２００３−２１７６２２号公報

本発明は上記不都合を解消し、簡易な制御手法により燃料電池のエージング時間を短縮することができる運転方法を提供することを目的とする。

本願発明者らは、上記目的を達成するために各種検討を重ねた結果、燃料電池のエージングを行う際に、燃料電池の出力電流を増減させることにより、エージングに要する時間が短縮されることを知見した。

そこで、本発明は、保水により反応ガスイオンの伝導率が向上する高分子電解質膜を有する燃料電池のエージングを行う際の運転方法であって、燃料電池の出力電流を増減させる工程を、所定のエージング終了条件が成立するまで繰り返し実行することを特徴とする。

かかる本発明によれば、燃料電池の出力電流を増減するという簡易な制御により、燃料電池のエージング時間を短縮することができる。なお、このようにエージング時間が短縮される理由としては、燃料電池の出力電流を一定としてエージングを行った場合と比較して、出力電流を増減させた場合には、燃料電池の高分子電解質膜と電極間の界面における電流の挿印が変化して電荷の移動量が変動し、これにより、高分子電解質膜における反応ガスイオンの伝導経路の形成が促進されるためではないかと考えられる。

また、前記工程において、燃料電池の出力電流を、第１の電流値から該第１の電流値よりも大きい第２の電流値まで漸増させた後、該第１の電流値まで漸減させることを特徴とする。

かかる本発明によれば、燃料電池の出力電流を漸増、漸減させることにより、高分子電解質膜に与えるストレスを軽減させて、エージング時間の短縮を図ることができる。

また、前記工程において、燃料電池の出力電流を、第１の所定時間が経過するまで第１の電流値に維持した後、第２の所定時間が経過するまで該第１の電流値よりも大きい第２の電流値に維持することを特徴とする。

かかる本発明によれば、燃料電池の出力電流を前記第１の電流値から前記第２の電流値まで急激に増大させることにより、出力電流の変化率を高くすると共に、出力電流を第２の電流値にある程度の間維持することによって、エージング時間の短縮を図ることができる。

また、前記第２の電流値を、前記第２の電流値を出力したときに燃料電池の出力電圧が所定の下限電圧を超える範囲内で設定したことを特徴とする。

かかる本発明において、エージングが終了するまでは燃料電池の性能が低く、燃料電池が許容し得る出力電圧の下限は高くなる。そのため、エージング実行時における燃料電池の出力電流が大き過ぎると、燃料電池の出力電圧が許容し得る電圧の下限よりも低下して、燃料電池が劣化するおそれがある。

そこで、前記第２の電流値を、前記第２の電流値を出力したときに燃料電池の出力電圧が所定の下限電圧を超える範囲内で設定することにより、燃料電池の出力電圧が燃料電池の劣化が生じるレベルまで低下することを防止することができる。

また、前記第２の電流値を出力したときの燃料電池の出力電圧が、エージング途中での燃料電池の出力特性の変化に応じて設定された切替電圧を超えたときに、前記第２の電流値を増大させることを特徴とする。

かかる本発明において、エージングが進んで燃料電池の出力特性が変化し、燃料電池の性能が向上するに従って、前記第２の電流値を出力したときの燃料電池の出力電圧が次第に上昇し、前記下限電圧に対するマージンが大きくなる。そこで、前記第２の電流値を出力したときの燃料電池の出力電圧が前記切替電圧を超えたときには、前記燃料電池の出力電圧の低下を伴って前記第２の電流値を増加させることが可能となる。そして、これにより、前記高分子電解質膜を伝導する反応ガスイオンを増加させると共に、生成される水を増加させて、エージングに要する時間を更に短縮することができる。

本発明の実施の形態について、図１〜図６を参照して説明する。図１は燃料電池のシステム構成図、図２はエージング実行時の燃料電池の制御フローチャート、図３はエージング実行時の燃料電池の出力電流の推移を示した時系列グラフ、図４はエージング実行時の燃料電池の制御フローチャートの他の例、図５は図４に示した制御フローチャートによりエージングを行った場合の燃料電池の出力電圧と出力電流の変化を示したグラフ、図６はエージングに要する時間の比較グラフである。

図１に示したように、燃料電池１には、水素タンク２から水素供給管３を介して水素が供給されると共に、エアコンプレッサ４から空気供給管５を介して空気が供給される。また、水素供給管３には、水素の供給量を調節する可変バルブ６と水素に加湿する加湿器８が設けられ、空気供給管５には、空気の供給量を調節する可変バルブ７と空気に加湿する加湿器９が設けられている。

さらに、燃料電池１の出力電圧Ｖfcを検出する電圧検出器１０、燃料電池１の出力電流Ｉfcを検出する電流検出器１１、燃料電池１と接続された冷媒循環路１２内に冷媒を循環させて燃料電池１を冷却する温度調節器１５、及び燃料電池１の作動を制御するコントローラ２０が備えられている。

そして、電圧検出器１０の電圧検出信号と電流検出器１１の電流検出信号がコントローラ２０に入力され、コントローラ２０から出力される制御信号によって、可変バルブ６，７、加湿器８，９、及び温度調節器１５の設定、作動が制御される。

また、燃料電池１の組み立て時には、燃料電池１の各セルの高分子電解質膜は乾燥状態であり、水素イオンＨ⁺の伝導率が低い。そのため、高分子電解質膜の含水を促進させて水素イオンＨ⁺の伝導率を向上させ、燃料電池１に所望の性能を発揮させるためにエージングが実行される。エージングを実行する際には、可変抵抗２１が接続され、可変抵抗２１の抵抗値がコントローラ２０から出力される制御信号によって設定される。

以下、図２に示したフローチャートに従って、コントローラ２０によるエージング実行時の燃料電池１の運転方法について説明する。コントローラ２０は、先ず、ＳＴＥＰ１で燃料電池１の出力電流が０となるように（Ｉfc＝０）、可変抵抗２１の抵抗値を設定する。

そして、次のＳＴＥＰ２で、コントローラ２０は、燃料電池１の出力電流がΔＩfc₁だけ増加するように可変抵抗２１を設定し、続くＳＴＥＰ３で燃料電池１の出力電流が予め設定されたＩh₁₁（例えば０．８A/cm²，本発明の第２の電流値に相当する）以上となったときはＳＴＥＰ４に進み、ＩfcがＩh₁₁よりも小さいときにはＳＴＥＰ２に戻る。このＳＴＥＰ２とＳＴＥＰ３のループによって、ＳＴＥＰ３で燃料電池１の出力電流ＩfcがＩh₁₁以上となるまで、ＩfcがΔＩfc₁ずつ漸増する。

ＳＴＥＰ４で、コントローラ２０は、燃料電池１の出力電流ＩfcがΔＩfc₁だけ減少するように可変抵抗２１を設定し、続くＳＴＥＰ５でＩfcがＩl（例えば０A/cm²，本発明の第１の電流値に相当する）以下となったときはＳＴＥＰ６に進み、Ｉfcが第１の電流値Ｉlを超えているときにはＳＴＥＰ４に戻る。このＳＴＥＰ４とＳＴＥＰ５のループによって、ＳＴＥＰ５で燃料電池１の出力電流ＩfcがＩl以下となるまで、ＩfcがΔＩfc₁ずつ漸減する。

このように、ＳＴＥＰ２からＳＴＥＰ５の処理によって、燃料電池１の出力電流Ｉfcは、Ｉh₁₁まで漸増した後にＩlまで漸減する。そして、次のＳＴＥＰ６で、コントローラ２０は、燃料電池１の出力電圧Ｖfcが予め設定されたＶfc_lmt（本発明の切替電圧に相当する）以下であるときは、ＳＴＥＰ２に戻る。これにより、ＳＴＥＰ６で燃料電池１の出力電圧ＶfcがＶfc_lmt以下となるまで、ＳＴＥＰ２からＳＴＥＰ５の処理が繰り返し実行される。

なお、Ｉh₁₁は、Ｉh₁₁を出力したときの燃料電池１の出力電圧Ｖfcが、燃料電池１の許容電圧（例えば０．６Ｖ，本発明の下限電圧に相当する）を超える範囲内で設定される。

図３（ａ）はエージングを実行したときの燃料電池１の出力電流Ｉfcの推移を示した時系列グラフであり、縦軸が出力電流Ｉfcに設定され、横軸が時間ｔに設定されている。そして、処理が開始されたｔ₁₀からｔ₁₅まで、ＳＴＥＰ２からＳＴＥＰ６の処理により、Ｉfcが０からＩh₁₁まで漸増した後に０まで漸減する変化が繰り返されている（ｔ₁₀〜ｔ₁₁，ｔ₁₁〜ｔ₁₂，…，ｔ₁₄〜ｔ₁₅）。

このように、燃料電池１の出力電流Ｉfcを変化させてエージングを行うことにより、エージングに要する時間の短縮を図ることができる。そして、図２のＳＴＥＰ６で、燃料電池１の出力電圧ＶfcがＶfc_lmtを超えたときにＳＴＥＰ７に進む。

コントローラ２０は、ＳＴＥＰ７で燃料電池１の出力電流ＩfcがΔＩfc₂だけ増加するように可変抵抗２１を設定し、続くＳＴＥＰ８でＩfcが予め設定されたＩh₁₂（例えば１．０A/cm²，本発明の第２の電流値に相当する）以上となったときはＳＴＥＰ９に進み、ＩfcがＩh₁₂よりも小さいときにはＳＴＥＰ７に戻る。このＳＴＥＰ７とＳＴＥＰ８のループによって、ＳＴＥＰ８で燃料電池１の出力電流ＩfcがＩh₁₂以上となるまで、ＩfcがΔＩfc₂ずつ漸増する。

ＳＴＥＰ９で、コントローラ２０は、燃料電池１の出力電流ＩfcがΔＩfc₂だけ減少するように可変抵抗２１を設定し、続くＳＴＥＰ１０でＩfcがＩl（例えば０A/cm²，本発明の第１の電流値に相当する）以下となったときはＳＴＥＰ１１に進み、ＩfcがＩlを超えているときにはＳＴＥＰ９に戻る。このＳＴＥＰ９とＳＴＥＰ１０のループによって、ＳＴＥＰ１０で燃料電池１の出力電流ＩfcがＩl以下となるまで、ＩfcがΔＩfc₂ずつ漸減する。

このように、ＳＴＥＰ７からＳＴＥＰ１０の処理によって、燃料電池１の出力電流Ｉfcは、Ｉh₁₂まで漸増した後にＩlまで漸減する。そして、次のＳＴＥＰ１１で、コントローラ２０は、燃料電池１の出力電圧Ｖfcの上昇が止まって横ばいとなったとき（ΔＶfc≒０，本発明のエージング終了条件に相当する）に、コントローラ２０はエージングの運転を終了する。

図３（ａ）のｔ₁₅からｔ₁₈において、ＳＴＥＰ７からＳＴＥＰ１１の処理により、燃料電池１の出力電流Ｉfcが０からＩh₁₂まで漸増した後に０まで漸減する変化が繰り返されている（ｔ₁₅〜ｔ₁₆，ｔ₁₆〜ｔ₁₇，ｔ₁₇〜ｔ₁₈）。このように、ＳＴＥＰ６で燃料電池１の出力電圧ＶfcがＶfc_lmtを超え、燃料電池１の性能がある程度向上したと判断できるときに、出力電流Ｉfcを漸増させるときのピーク値を増加（Ｉh₁₁→Ｉh₁₂）させることにより、エージングに要する時間の一層の短縮を図ることができる。

なお、本実施の形態では、図２のＳＴＥＰ２で燃料電池１の出力電流Ｉfcを増加させる量とＳＴＥＰ４でＩfcを減少させる量をともにΔＩfc₁としたが、増加させる量と減少させる量を異なる値に設定してもよい。同様に、図２のＳＴＥＰ７で燃料電池１の出力電流Ｉfcを増加させる量とＳＴＥＰ９でＩfcを減少させる量をともにΔＩfc₂としたが、増加させる量と減少させる量を異なる値に設定してもよい。

また、本実施の形態では、図３（ａ）に示したように、燃料電池１の出力電流Ｉfcを三角波形状に漸増／漸減させたが、図３（ｂ）に示したようにステップ状にＩfcを増加／減少させてもよい。図３（ｂ）は、図３（ａ）のグラフと同様に、縦軸が燃料電池１の出力電流に設定され、横軸が時間に設定されている。

図３（ｂ）に示した例では、燃料電池１の出力電流ＩfcをＴa（本発明の第１の所定時間に相当する）の間Ｉl₂（例えば０A/cm²，本発明の第１の電流値に相当する）とした後、Ｔb（本発明の第２の所定時間に相当する）の間Ｉh₂₁（例えば０．８A/cm²，本発明の第２の電流値に相当する）とする工程を繰り返し（ｔ₂₀〜ｔ₂₁，ｔ₂₁〜ｔ₂₂，…，ｔ₂₄〜ｔ₂₅）ている。

そして、燃料電池１の出力電圧Ｖfcが切替電圧Ｖfc_lmtを超えたｔ₂₅からＶfcがエージング終了条件（ΔＶfc≒０）を満たすｔ₂₈までは、燃料電池１の出力電流ＩfcをＴaの間Ｉl₂とした後、Ｔbの間Ｉh₂₂（例えば１．０A/cm²，本発明の第２の電流値に相当する）とする工程を繰り返して、エージングに要する時間の一層の短縮を図っている。

なお、本実施の形態では、Ｉh₁₁，Ｉh₁₂を、Ｉh₁₁，Ｉh₁₂を出力したときの燃料電池１の出力電圧Ｖfcが下限電圧（０．６Ｖ）を超える範囲内で設定したが、かかる範囲以下に設定して場合であっても、本発明の効果を得ることができる。

また、本実施の形態では、図２のＳＴＥＰ６で燃料電池１の出力電圧Ｖfcが切替電圧Ｖfc_lmtを超えたときに、燃料電池１の出力電流Ｉfcを増加させるときのピーク値を増加させる（Ｉh₁₁→Ｉh₁₂）処理を行ったが、かかる処理を行わない場合であっても、本発明の効果を得ることができる。

また、本実施の形態では、図２に示したように、燃焼電池１の出力電流Ｉfcを、予め設定したＩh₁₁，Ｉh₁₂まで漸増させたが、燃料電池１の出力電流Ｉfcの上限値Ｉfc_lmtと出力電圧Ｖfcの下限値Ｖfc_lmtを予め設定し、燃料電池１の出力電流ＩfcをＩfc_lmtを超えず且つ出力電圧ＶfcがＶfc_lmtよりも低くならない範囲で、漸増させるようにしてもよい。

具体的には、図４に示したフローチャートに従って燃料電池１の出力電流Ｉfcを増減させる。ＳＴＥＰ５１〜ＳＴＥＰ５３のループがＩfcを漸増させる処理であり、ＳＴＥＰ５２でＩfcが上限値Ｉfc_lmtを超えていないことを確認し、また、ＳＴＥＰ５３でＶfcがＶfc_lmtよりも低くなっていないことを確認しながら、ＳＴＥＰ５１でＩfcをΔＩfcずつ漸増させる。

そして、ＳＴＥＰ５２でＩfcがＩfc_lmt以上となったとき、及びＳＴＥＰ５３でＶfcがＶfc_lmt以下となったときに、ＳＴＥＰ５４に進み、ＳＴＥＰ５４〜ＳＴＥＰ５５のループにより、ＩfcをΔＩfcずつＩlまで漸減させる。続くＳＴＥＰ５６で燃料電池１の出力電圧の増加率ΔＶfcがほぼ０となったときはＳＴＥＰ５７に進んでエージングを終了し、増加率ΔＶが０となっていなかったときには、ＳＴＥＰ５１に戻って再びＩfcを漸増させる。

図５は、以上説明した図４のフローチャートによりエージングを行った場合の燃料電池の出力電流Ｉfcと出力電圧Ｖfcの変化を示したグラフであり、上段のグラフの縦軸がＩfcに設定され、下段のグラフの縦軸がＶfcに設定されている。また、横軸は共通の時間軸ｔに設定されている。図５のグラフにおいては、エージングが開始されたｔ₃₀からｔ₃₂までは、Ｖfc_lmtの制限によりｔ₃₁，ｔ₃₂におけるＩfcのピーク値がＩfc_lmtよりも低く抑えられるが、ｔ₃₃以降は、ｔ₃₃，ｔ₃₄，ｔ₃₅，ｔ₃₆におけるＩfcのピーク値がＩfc_lmtまで増加している。

ここで、Ｉfc_lmtとＶfc_lmtは、燃料電池１の性能劣化等を生じ得る限界値付近に設定される。そのため、ＳＴＥＰ５１〜ＳＴＥＰ５３の処理により、燃料電池１の性能劣化を抑制しつつＩfcを極力増加させることで、エージングに要する時間の更なる短縮が期待できる。

また、図６は、縦軸がＶfcの増加率ΔＶfcに設定され、横軸が時間ｔに設定されたグラフである。そして、図中αは本発明により燃料電池の出力電流Ｉfcを１A/cm²と０A/cm²間で漸増／漸減させてエージングを行った場合のグラフであり、図中βは燃料電池の出力電流を段階的に１A/cm²まで増加させてエージングを行った場合における出力電流が１A/cm²に達した後のグラフである。

図６から明らかなように、燃料電池の電圧変化率ΔＶfcがエージング終了の判定値の設定例であるｌm1，ｌm2，ｌm3にそれぞれ達するまでに要する時間は、αにおける時間ｔ₀〜ｔ₁（ｌm1），ｔ₀〜ｔ₂（lm2），ｔ₀〜ｔ₅（lm3）の方が、βにおける時間ｔ₀〜ｔ₃（ｌm1），ｔ₀〜ｔ₄（ｌm2），ｔ₀〜ｔ₆（ｌm3）よりも短くなっており、本発明の適用により燃料電池のエージング時間を短縮する効果が大きいことがわかる。

燃料電池のシステム構成図。エージング実行時の燃料電池の制御フローチャート。エージング実行時の燃料電池の出力電流の推移を示した時系列グラフ。エージング実行時の燃料電池の制御フローチャート。図４に示した制御フローチャートによりエージングを行った場合の燃料電池の出力電圧と出力電流の変化を示したグラフ。エージングに要する時間の比較グラフ。燃料電池の構造図。

符号の説明

１…燃料電池（スタック）、２…水素タンク、３…水素供給管、４…エアコンプレッサ、５…空気供給管、６，７…可変バルブ、８，９…加湿器、１０…電圧検出器、１１…電流検出器、１２…冷媒循環路、１５…温度調節器、２０…コントローラ

Claims

保水により反応ガスイオンの伝導率が向上する高分子電解質膜を有する燃料電池のエージングを行う際の運転方法であって、
燃料電池の出力電流を増減させる工程を、所定のエージング終了条件が成立するまで繰り返し実行することを特徴とする燃料電池の運転方法。
前記工程において、
燃料電池の出力電流を、第１の電流値から該第１の電流値よりも大きい第２の電流値まで漸増させた後、該第１の電流値まで漸減させることを特徴とする請求項１記載の燃料電池の運転方法。
前記工程において、
燃料電池の出力電流を、第１の所定時間が経過するまで第１の電流値に維持した後、第２の所定時間が経過するまで該第１の電流値よりも大きい第２の電流値に維持することを特徴とする請求項１記載の燃料電池の運転方法。
前記第２の電流値を、前記第２の電流値を出力したときの燃料電池の出力電圧が所定の下限電圧を超える範囲内で設定したことを特徴とする請求項２又は請求項３記載の燃料電池の運転方法。
前記第２の電流値を出力したときの燃料電池の出力電圧が、エージング途中での燃料電池の出力特性の変化に応じて設定された切替電圧を超えたときに、前記第２の電流値を増大させることを特徴とする請求項１から請求項３のうちいずれか１項記載の燃料電池の運転方法。