JP2007066666A

JP2007066666A - 固体高分子型燃料電池のエージング装置およびその方法

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Publication number: JP2007066666A
Application number: JP2005250100A
Authority: JP
Inventors: Noboru Yamauchi; 昇山内; Tsutomu Nasu; 勉那須
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2005-08-30
Filing date: 2005-08-30
Publication date: 2007-03-15

Abstract

【課題】エージング運転の制御が容易であり、しかも非フッ素系材料が用いられた電解質膜を持つ固体高分子型燃料電池であっても、短時間でエージング運転を完了させる事ができる固体高分子型燃料電池のエージング装置及びその方法を提供する。
【解決手段】固体高分子型燃料電池を予備運転させるためのエージング方法であって、予備運転の対象となる固体高分子型燃料電池スタック１を準備し（Ｓ１）、固体高分子型燃料電池に負荷器２１を接続し（Ｓ２）、固体高分子型燃料電池から負荷器に時間の経過と共にその大きさが周期的に変動する負荷電流を流す（Ｓ３）。
【選択図】図３

Description

本発明は、固体高分子型燃料電池、特に非フッ素系の電解質膜または触媒層接合材が用いられている固体高分子型燃料電池のエージング装置およびその方法に関する。

近年、エネルギー・環境問題を背景とした社会的要求や動向と呼応して、燃料電池が車両用駆動源および定置型電源として注目されている。燃料電池は、その燃料となる水素または水素リッチな改質ガス、および空気を供給することによって電気化学反応を引き起こし、化学エネルギーを電気エネルギーに変換するものである。燃料電池は、電解質の種類や電極の種類等により種々のタイプに分類され、代表的なものとしてはアルカリ型、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体電解質型、固体高分子型がある。この中でも自動車用低公害動力源としては、あまり温度を上げずに（通常１００℃以下）作動させることができるばかりでなく、他のタイプの燃料電池に比較して特に高い出力密度を有する固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）が注目を集めており、実用化に向けて開発が進められている。

固体高分子型燃料電池は、セルの組み立て後において、電池電圧が飽和値を示すまで、工場内でエージング運転と称される予備運転（慣らし運転）を行うのが通例である。エージング運転には、数時間から、場合によっては１０数時間といった時間が必要になる。このため、迅速なセル評価が行なえず、また、エージング運転用の発電ガスのコストが嵩むなどの問題がある。従って、固体高分子型燃料電池の場合、エージング運転の時間をいかに短縮するかが課題となる。この課題を解決するための１つの手法が下記特許文献１に記載されている。特許文献１では、ガス利用率１００％相当のエージング運転を行って故意にフラッディングを生じさせ、固体高分子膜の含水量をすばやく増加させて、エージング運転の時間を短縮させている。
特開２００３−２１７６２２号公報

ところが、従来のエージング運転では、急激なフラッディングを伴うために、電池性能の劣化を抑制させるための制御が非常に難しく、制御の遅れによって、固体高分子型燃料電池の性能、特に、膜電極接合体（以下、ＭＥＡ（ｍｅｍｂｒａｎｅｅｌｅｃｔｒｏｄｅａｓｓｅｍｂｌｙ）を構成する電解質層の性能に悪影響を与える可能性がある。

一方、従来の固体高分子型燃料電池におけるＭＥＡの電解質層には通常フッ素系材料が用いられているが、経済的な理由などから、フッ素系材料から非フッ素系材料（具体的には炭化水素系材料）に変更しようとする動きがある。非フッ素系材料を用いて電解質層を形成した燃料電池の場合、フッ素系材料とは水分の浸透特性が異なる（水分がなかなか浸透していかない）ため、従来のエージング運転では所望の出力が得られるようにはならないという恐れがある。

本発明は、以上のような従来の問題点を解消するためになされたものであり、エージング運転の制御が容易であり、しかも非フッ素系材料が用いられた電解質膜を持つ固体高分子型燃料電池であっても、短時間でエージング運転を完了させることができる固体高分子型燃料電池のエージング装置およびその方法の提供を目的とする。

上記目的を達成するための本発明にかかる固体高分子型燃料電池のエージング装置は、固体高分子型燃料電池を予備運転させるためのエージング装置であって、前記予備運転時に前記固体高分子型燃料電池からの負荷電流を消費させる負荷器と、前記固体高分子型燃料電池と前記負荷器との間に接続され前記負荷電流の大きさを時間の経過と共に周期的に変動させる制御手段と、を有することを特徴とする。

また、上記目的を達成するための本発明にかかる固体高分子型燃料電池のエージング方法は、固体高分子型燃料電池を予備運転させるためのエージング方法であって、予備運転の対象となる固体高分子型燃料電池を準備する段階と、前記固体高分子型燃料電池に負荷器を接続する段階と、前記固体高分子型燃料電池から前記負荷器に時間の経過と共にその大きさが周期的に変動する負荷電流を流す段階と、を含むことを特徴とする。

本発明にかかる固体高分子型燃料電池のエージング装置及びその方法によれば、負荷電流の大きさを時間の経過と共に周期的に変動させるようにしているので、ＭＡＥへの水の浸透促進効果が増し、その結果、エージング運転に要する時間の短縮化を図ることができるようになる。

以下に、本発明に係る固体高分子型燃料電池のエージング装置およびその方法について、図面を参照しながら詳細に説明する。

実施形態の説明をする前に、本発明の理解を容易なものとするために、固体高分子型燃料電池スタックの全体構成と固体高分子型燃料電池の発電原理を簡単に説明しておく。図１は固体高分子型燃料電池スタックの全体構成を示す斜視図であり、図２は、固体高分子型燃料電池スタックのセル構造を示す要部拡大断面図である。

図１に示すように、燃料電池スタック１は、アノードガスとカソードガスの反応により起電力を生じる単位電池としてのセル２を所定数だけ積層した積層体３とされ、その積層体３の両端に集電板４、絶縁板５およびエンドプレート６を配置し、該積層体３の内部に貫通した貫通孔（図示は省略する）にタイロッド７を貫通させ、そのタイロッド７の端部にナット（図示は省略する）を螺合させることで構成されている。

この燃料電池スタック１においては、アノードガス、カソードガスおよび冷却水をそれぞれ各セル２のセパレータ（図示は省略する）に形成された流路溝に流通させるためのアノードガス導入口８、アノードガス排出口９、カソードガス導入口１０、カソードガス排出口１１、冷却水導入口１２および冷却水排出口１３を、一方のエンドプレート６に形成している。

アノードガスは、アノードガス導入口８より導入されてセパレータに形成されたアノードガス供給用の流路溝を流れ、アノードガス排出口９より排出される。カソードガスは、カソードガス導入口１０より導入されてセパレータに形成されたカソードガス供給用の流路溝を流れ、カソードガス排出口１１より排出される。冷却水は、冷却水導入口１２より導入されてセパレータに形成された冷却水供給用の流路溝を流れ、冷却水排出口１３より排出される。

セル２は、図２に示すように、膜電極接合体（以下、ＭＥＡ（ｍｅｍｂｒａｎｅｅｌｅｃｔｒｏｄｅａｓｓｅｍｂｌｙ）とも称する。）１４と、このＭＥＡ１４の両面にそれぞれ配置されるセパレータ１５とから構成される。以下、ＭＥＡ１４のアノード側に配置されるセパレータ１５を、アノードセパレータ１５Ａと称し、カソード側に配置されるセパレータ１５をカソードセパレータ１５Ｂと称する。

ＭＥＡ１４は、例えば水素イオンを通す高分子電解質膜である固体高分子電解質膜１４１と、アノード触媒層１４２Ａとガス拡散層１４３Ａからなるアノードとしてのアノード電極１４４Ａと、電極触媒である触媒金属としてのカソード触媒層１４２Ｂとガス拡散層１４３Ｂからなるカソードとしてのカソード電極１４４Ｂとからなる。本実施形態では、固体高分子電解質膜１４１をたとえば炭化水素系のような非フッ素系の電解質膜で形成しているか、または、アノード触媒層１４２Ａやカソード触媒層１４２Ｂの触媒層接合材（バインダ）として非フッ素系の材料を用いている。ＭＥＡ１４は、アノード電極１４４Ａとカソード電極１４４Ｂによって、固体高分子電解質膜１４１をその両側から挟み込んだ積層構造とされている。

セパレータ１５は、板厚の薄い金属板を金型で所定形状に成形することにより形成される。セパレータ１５は、図に示すように、発電に寄与するアクティブ領域（ＭＥＡ１４と接する中央部分の領域）に、凸条部１６と凹条部１７を交互に形成した凹凸形状（いわゆるコルゲート形状）を有している。

ＭＥＡ１４のアノード電極１４４Ａ側に接して配置されるアノードセパレータ１５Ａの凸部１６Ａと凹部１７Ａは、ＭＥＡ１４との間にアノードガス（水素；Ｈ_２）を流通させる流路溝となりアノードガス流路１８を形成する。一方、ＭＥＡ１４のカソード電極１４４Ｂ側に接して配置されるカソードセパレータ１５Ｂの凸部１６Ｂと凹部１７Ｂは、ＭＥＡ１４との間にカソードガス（酸素；Ｏ_２）を流通させる流路溝となりカソードガス流路１９を形成する。アノードガス流路１８に水素を、カソードガス流路１９に酸素を、それぞれ流通させると、水素はアノード触媒層１４２Ａの触媒作用で水素イオンに変わり電子を放出する。電子を放出した水素イオンは固体高分子電解質膜１４１を通過する。カソード触媒層１４２Ｂでは固体高分子電解質膜１４１を通過してきた水素と外部回路（図示せず）を経由してきた電子が酸素と反応して水を生成する。この作用によってアノード電極１４４Ａがマイナスに、カソード電極１４４Ｂがプラスになり、図２に示すように、アノード電極１４４Ａとカソード電極１４４Ｂとの間で直流電圧が発生する。以上の固体高分子型燃料電池の動作は、エージングが完了し、通常の発電動作が可能になったものの動作である。

本明細書では、アノード電極１４４Ａとカソード電極１４４Ｂとの間に現れる電圧をセル電圧と称し、セル電圧は、セル電圧検出手段として機能するセル電圧計２０によって検出される。なお、セル電圧は、燃料電池スタック１を構成する全てのセルから検出するようにしても良いし、燃料電池スタック１を構成するセルの内の複数の代表的なセルのみから検出するようにしても良い。

工場では、図２に示したようなＭＥＡ１４、アノードセパレータ１５Ａ、カソードセパレータ１５Ｂを積層してセル２を形成し、図１に示したようにセル２を複数積層して燃料電池スタック１を形成する。この状態でアノードガス流路１８に水素を、そしてカソードガス流路１９に酸素を供給しても、固体高分子型燃料電池の発電は行われない。それは、ＭＥＡ１４を構成する固体高分子電解質膜１４１が発電に適した湿潤状態となっていないからである。

本実施形態の場合、前述のように、固体高分子電解質膜１４１を非フッ素系の電解質膜で形成しているか、または、アノード触媒層１４２Ａやカソード触媒層１４２Ｂのバインダとして非フッ素系の材料を用いている。一般的に用いられているフッ素系材料であれば、上記特許文献１に記載されているような手法で、固体高分子電解質膜１４１を比較的短時間で発電に適した湿潤状態にすることは容易であるが、非フッ素系材料はフッ素系材料に比較して水の浸透性が悪いため、通常の手法では固体高分子電解質膜１４１をなかなか発電に適した湿潤状態にすることはできない。そのため、本実施形態では次のような構成のエージング装置を用いて固体高分子電解質膜１４１の湿潤化を短時間で行えるようにしている。図３は本実施形態に係る固体高分子型燃料電池のエージング装置の概略構成を示すブロック図である。本実施形態に係る固体高分子型燃料電池のエージング装置は、図に示すように、アノードガス（水素）とカソードガス（酸素）との供給によって発電する燃料電池スタック１、燃料電池スタック１を構成する全セルのセル電圧を検出するセル電圧計２０、エージング運転するときに燃料電池スタック１からの負荷電流を消費させる負荷器２１、カソードガスの流量を調整する流量調整器２２、アノードガスの流量を調整する流量調整器２３、燃料電池スタック１と負荷器２１との間に接続されて、セル電圧計２０の検出電圧を参照しながら、負荷電流の大きさを時間の経過と共に周期的に変動させる制御手段としての制御部２４を備えている。

燃料電池スタック１の固体高分子電解質膜１４１は炭化水素系のような非フッ素系の電解質膜で形成している。本実施形態では、非フッ素系の電解質膜を用いた燃料電池スタック１を例示するが、これ以外にも、アノード触媒層１４２Ａやカソード触媒層１４２Ｂの触媒層接合材（バインダ）として非フッ素系の材料が用いられている燃料電池スタック１に対しても、本発明の適用は可能である。セル電圧計２０は、燃料電池スタック１を構成する全てのアノード電極１４４Ａとカソード電極１４４Ｂとの間のセル電圧を検出するものであって、セル電圧検出手段として機能する。

負荷器２１は、制御部２４によって調整された燃料電池スタック１からの電流を熱として消費するものであり、具体的には大型の抵抗器である。

流量調整器２２は、制御部２４の指示に従って、燃料電池スタック１のカソードにカソードガスを供給するものであり、カソードガスの供給量を調節する機能を有している。

流量調整器２３は、制御部２４の指示に従って、燃料電池スタック１のアノードにアノードガスを供給するものであり、アノードガスの供給量を調節する機能を有している。

制御部２４は、流量調整器２２、流量調整器２３の開閉および供給量制御を行ったり、燃料電池スタック１から負荷器２１に流す負荷電流の大きさを時間の経過と共に周期的に変動させたりする機能を有している。図４は図３に示した制御部２４の内部構成を示すブロック図である。図に示すように、制御部２４は、セル電圧によってリセット信号を出力するリセット信号出力部２５、任意の関数を発生させることができる関数発生器２６、関数発生器２６が発生した関数に基づいて負荷電流の大きさを調整する負荷電流調整部２７を備えている。

リセット信号出力部２５は、リセット信号出力手段として機能し、たとえば、燃料電池スタック１を構成する全てのアノード電極１４４Ａとカソード電極１４４Ｂとの間のセル電圧が所定値である０．４Ｖを下回ったときに関数発生器２６に向けてリセット信号を出力するものである。本実施形態では、全てのセルのセル電圧が所定値を下回ったときにリセット信号を出力するようにしたが、全てのセル電圧ではなく、達成割合を設けておき、任意の数のセル電圧が所定値を下回ったときに、セル電圧が所定値を下回ったと判断してリセット信号を出力するようにしてもよい。また、セル電圧も全てのセルについて検出するのではなく、任意のセルについてのみ検出するようにしても良い。

関数発生器２６は、たとえば、ステップ関数、ランプ関数、指数関数など任意の関数を発生させることができるものであり、発生した関数を負荷電流調整部２７に出力する。具体的には、時間の経過と共に出力信号の大きさを所定範囲内でステップ状に漸次増加または漸次減少させるための関数を発生させたり、時間の経過と共に出力信号の大きさを所定範囲内でランプ状に増加または減少させるための関数を発生させたりすることができる。

また、関数発生器２６は、リセット信号出力部２５から出力されたリセット信号を受けて、関数発生器２６から発生されている関数を初期化し、結果的に負荷電流の大きさを強制的に所定の大きさまで遷移させる機能も有している。

負荷電流調整部２７は、関数発生器２６からの関数を受けて、その大きさが時間の経過と共に周期的に変動する負荷電流を負荷器２１に流し、燃料電池スタック１のエージング運転を行う。

以上のように構成された本実施形態に係る固体高分子型燃料電池のエージング装置は、図５Ａ、図５Ｂに示すフローチャートのように動作して燃料電池スタック１のエージング運転を行う。なお、これらのフローチャートは本発明に係る固体高分子型燃料電池のエージング方法の手順に相当するものでもある。

図５Ａ、図５Ｂのフローチャートにしたがって固体高分子型燃料電池のエージング運転の手順を説明する。

エージング運転を開始する場合、図５Ａのフローチャートに示すように、まず作業者がエージング運転の対象となる燃料電池スタック１を準備する（Ｓ１）。次に、燃料電池スタック１に負荷器２１を接続する（Ｓ２）。そして、制御部２４は、流量調整器２２を開いて燃料電池スタック１のカソードにカソードガスを供給すると共に流量調整器２３を開いてそのアノードにアノードガスを供給する。そして、燃料電池スタック１から負荷器２１に、時間の経過と共にその大きさが周期的に変動する負荷電流を流し、エージング運転を開始する（Ｓ３）。

制御部２４によって予め定められたエージング運転時間が経過したか否かが判断され（Ｓ４）、エージング運転時間が経過していなければ（Ｓ４：ＮＯ）、エージング運転を継続し、エージング運転時間が経過していれば（Ｓ４：ＹＥＳ）エージング運転を終了する。

エージング運転中に燃料電池スタック１から負荷器２１に流される電流は、図５Ｂに示した図５ＡのＳ３のサブルーチンフローチャートにしたがって次のように動作する。

セル電圧計２０は燃料電池スタック１を構成する各セルの電圧を検出し、制御部２４に内蔵されているリセット信号出力部２５はこの検出された電圧を入力する（Ｓ１１）。リセット信号出力部２５は、検出されたセル電圧が所定値を超えたか（たとえば０．４Ｖを下回ったか）否かを判断する（Ｓ１２）。検出されたセル電圧が所定値を超えていなければ（Ｓ１２：ＮＯ）、負荷電流調整部２７は、関数発生器２６が発生する関数に基づき、たとえば図６から図８に示されているような、電流下限値からステップ状にまたはランプ状に上昇する負荷電流を燃料電池スタック１から負荷器２１に流す（Ｓ１３）。一方、検出されたセル電圧が所定値を超えていれば（Ｓ１２：ＹＥＳ）、リセット信号出力部２５は関数発生器２６にリセット信号を出力し（Ｓ１４）、関数発生器２６はリセット信号を受けて、発生している関数を強制的に初期化し、負荷電流の大きさを所定の大きさまで遷移させる。たとえば図６から図８に示されているように、負荷電流を現在の大きさから電流下限値まで低下させる（Ｓ１５）。

エージング運転中の負荷電流の変化を図６から図８を用いてさらに詳細に説明する。

図６では負荷電流が時間の経過にしたがってステップ状に上昇する形態を示している。この場合、関数発生器２６はステップ関数を発生させている。負荷電流調整部２７は関数発生器２６が発生するステップ関数を受けて、負荷電流を電流下限値で一定時間保持し、次に負荷電流を少しだけ上昇させてその状態を一定時間（たとえば１分間）保持するという処理を繰り返す。このとき、セル電圧を見ると、図に示すように、負荷電流とは異なって段階的に低下していく。セル電圧が所定値を越えると（電圧下限値を下回ると）、関数発生器２６はリセットされて、再度ステップ関数を発生する。リセットされたときには負荷電流が電流下限値まで強制的に低下される。

図７では負荷電流が時間の経過にしたがってランプ状に上昇する形態を示している。この場合、関数発生器２６はランプ関数を発生させている。負荷電流調整部２７は関数発生器２６が発生するランプ関数を受けて、セル電圧が所定値を越えるまで（電圧下限値を下回るまで）、負荷電流を時間の経過と共に電流下限値から直線的に上昇させている。セル電圧が所定値を越えると（電圧下限値を下回ると）、負荷電流の大きさを強制的に電流下限値まで低下させ再び時間の経過と共に電流下限値から直線的に上昇させる。このとき、セル電圧を見ると、図に示すように、負荷電流とは対照的に低下していく。

図８では負荷電流が時間の経過にしたがってランプ状に上昇及び下降する形態を示している。この場合、関数発生器２６は三角波を発生させるための関数を発生させている。負荷電流調整部２７は関数発生器２６が発生する関数を受けて、負荷電流を時間の経過と共に電流下限値から直線的に上昇及び下降させている。このとき、セル電圧を見ると、図に示すように、負荷電流とは対照的に低下及び上昇していく。

固体高分子型燃料電池におけるエージングとは、触媒層中のバインダとして使用されている高分子電解質の吸水過程と考えられている（高分子電解質が吸水することにより電極触媒との接触性がよくなり発電性能が向上する）。ＭＥＡに非フッ素系の材料が用いられている場合には、一般的に吸水速度が遅いため、従来のエージング方法ではエージングに非常に長い時間を要し、エージング後も充分な性能を得ることができない。ところが、上記のように、電流負荷を周期的に上下させると生成水量が変化し、その結果、触媒層中の高分子電解質が湿潤・乾燥サイクルを繰り返すこととなり、高分子電解質が動的な膨張・収縮を繰り返す結果、定常に近い状態では水分子が入り込めなかった高分子鎖間にも水分子が入り込めるようになる。本発明はこのような原理を利用するために、負荷電流の大きさを時間の経過と共に周期的に変化させているのである。

なお、本実施形態では、負荷電流に電流下限値を設けたが、電流下限値を設けずに０まで落とすことも可能である。

［実施例］
本実施例では、以下のようにして燃料電池スタック１のセル２を形成し、そのセル２に対して本発明のエージング方法を適用し、本発明の効果を検証した。

電解質溶液の準備
バインダ（接合材）として使用する炭化水素系固体電解質として、本実施例ではＳ−ＰＥＳ（スルホン化ポリアリーレンエーテルスルホン）を使用した。炭化水素系固体電解質としては他にも，ポリイミド，ＰＢＩ（ポリベンズイミダゾール），ＰＢＯ（ポリベンズオキサゾール），ＰＰＢＰ（ポリフェノキシベンゾイルフェニレン），ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）等のスルホン酸基付加体が開発されているが、本発明はＰＥＳに限定されることはなく、これらの炭化水素系固体電解質に適用可能である。１−プロパノール：Ｈ２Ｏ＝５：５の１−プロパノール／Ｈ_２Ｏ混合溶液に、Ｓ−ＰＥＳ（スルホン化ポリエーテルスルホン）の粉末を全体が３．０ｗｔ％になるように混合し、７０℃にて還流撹拌を行いながら粉末を完全に溶解させた。

触媒インクの調製
（カソード用触媒インク）
先に作成したＳ−ＰＥＳ溶液にＰｔ担持カーボンの微粒子を、カーボンとＰＥＳの重量比がカーボン：Ｓ−ＰＥＳ＝１：０．８となるように混合したのち、ホモジナイザー（粉砕器）に３時間ほどかけてカソード触媒インクを作成した。

（アノード用触媒インク）
市販されているＮａｆｉｏｎ溶液（アルドリッチ社製５ｗｔ％溶液）を使用し、カソード用触媒インクと同様の手順でアノード触媒インクを作成した。

触媒層転写シート作成
調整したインクを，スクリーンプリンタを使用して，台紙として使用するテフロンシート上に塗布して、カソード用およびアノード用触媒層転写シートを作成した．台紙としてはテフロンシートの他にＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）シートなどが優れている．Ｐｔ担持量が０．４ｍｇ／ｃｍ^２となるまで塗布、乾燥を繰り返すことで、所定白金量の触媒層転写シートを作成した。

触媒層の転写
作成したカソード用およびアノード用触媒層転写シートの触媒層面をスプレーにてエタノールで浸潤させ、触媒層表面が乾燥してきたところでＳ−ＰＥＳ電解質膜をカソード用およびアノード用転写シートで挟みこみ、１３０℃、７ＭＰａ、保持時間１０分にてホットプレスを行なった。エタノールで浸潤させるのは、触媒層および膜の電解質を柔軟にさせ、触媒層の転写を容易にするためである。冷却後、転写シートの台紙をはがし、膜−触媒層接合体を作成した。

本実施例ではカソードのバインダのみ炭化水素系電解質を使用し、アノードのバインダは通常のＮａｆｉｏｎとしたが、これはＣＶ（サイクリック・ボルタンメトリ）測定時の参照極とするのに、アノードのバインダをＮａｆｉｏｎとする方が好都合なためであり、両極とも炭化水素系電解質を使用したバインダにしても本質的に変わらないことは言うまでもない。

エージング
負荷電流を０Ａ／ｃｍ^２、０.０４Ａ／ｃｍ^２、０．２Ａ／ｃｍ^２、０．４Ａ／ｃｍ^２、０．６Ａ／ｃｍ^２、０．８Ａ／ｃｍ^２、１．０Ａ／ｃｍ^２の順に保持時間１０分でステップ状に上昇させた。途中でセル電圧が０．４Ｖ（電圧下限値）以下になったら負荷電流を０Ａ／ｃｍ^２（電流下限値）に戻し、再び同じ様にして負荷電流を上昇させた。負荷電流が１Ａ／ｃｍ^２に到達した後は、１Ａ／ｃｍ^２にて１０分間保持したのち、負荷電流を０Ａ／ｃｍ^２に戻し、再び同じ様に負荷電流を上昇させるという操作を２４時間繰り返した。エージング時の発電条件はセル温度９０℃、アノードガス（水素）相対湿度９０％、カソードガス（空気）相対湿度５０％、水素利用率３３％、空気利用率３３％で、供給ガス圧は大気圧で行なった。

［参考例］
セル２の作成は上記の実施例と同様に行なった。しかし、エージングはセル電圧が０．４Ｖに維持されるように負荷電流を調整しながら２４時間の連続運転することにより行なった。エージング時の発電条件は上記の実施例と同様である。

［実施例と参考例との比較］
２４時間のエージングを行った後のセル電圧０．６Ｖ時の電流密度を、同一条件下（発電条件は、セル温度が９０℃、アノードガス（水素）相対湿度が９０％、カソードガス（空気）相対湿度が５０％、水素利用率が６７％、空気利用率は４０％で、供給ガス圧は大気圧）で測定したところ、参考例が４０ｍＡ／ｃｍ^２であったのに対し実施例は２００ｍＡ／ｃｍ^２であり、セルの性能が大幅に向上したことが確認できた。

今回実施例にバインダとして使用したＳ−ＰＥＳに代表される炭化水素系電解質は一般的に吸水速度が遅いため、従来のエージング方法ではエージングに非常に長い時間を要し、今回使用したＳ−ＰＥＳのように、高分子の種類によってはエージング後も充分な性能を得ることができない。本発明の本質は、電流負荷を周期的に上下させることにより生成水量が変化する結果、触媒層中の高分子電解質が湿潤・乾燥サイクルを繰り返すことにある。この繰り返しによって、湿潤・乾燥サイクルにより高分子電解質が動的な膨張・収縮を繰り返し、定常に近い状態では水分子が入り込めなかった高分子鎖間にも水分子が入り込む。

本実施例では電流密度の保持時間を１０分としたが、本発明の本質を鑑みれば保持時間に限定されることはない。ただし、エージング時間の短縮とエージング時の電池の損傷防止（あまりサイクル回数が多くなると電極触媒が劣化する）を両立するには、保持時間を好ましくは１分以上２０分以内、より好ましくは３分以上１０分以内とするのがよい。

本発明は、非フッ素系材料が用いられた電解質膜を持つ固体高分子型燃料電池のエージングに利用することができる。

固体高分子型燃料電池スタックの全体構成を示す斜視図である。固体高分子型燃料電池スタックのセル構造を示す要部拡大断面図である。本実施の形態に係る固体高分子型燃料電池のエージング装置の概略構成を示すブロック図である。図３に示した制御部の内部構成を示すブロック図である。本発明に係るエージング方法の手順を示すフローチャーとである。本発明に係るエージング方法の手順を示すフローチャーとである。ステップ状に変化する負荷電流の経時変化を示す図である。ランプ状に変化する負荷電流の経時変化を示す図である。ランプ状に増減する負荷電流の経時変化を示す図である。

符号の説明

１燃料電池スタック、
２セル、
３積層体、
４集電板、
５絶縁板、
６エンドプレート、
７タイロッド、
８アノードガス導入口、
９アノードガス排出口、
１０カソードガス導入口、
１１カソードガス排出口、
１２冷却水導入口、
１３冷却水排出口、
１４ＭＥＡ、
１５セパレータ、
１５Ａアノードセパレータ、
１５Ｂカソードセパレータ、
１６凸条部、
１６Ａ凸部、
１６Ｂ凸部、
１７凹条部、
１７Ａ凹部、
１７Ｂ凹部、１８アノードガス流路、
１９カソードガス流路、
２０セル電圧計、
２１負荷器、
２２流量調整器、
２３流量調整器、
２４制御部、
２５リセット信号出力部、
２６関数発生器、
２７負荷電流調整部、
１４１固体高分子電解質膜、
１４２Ａアノード触媒層、
１４２Ｂカソード触媒層、

１４３Ａガス拡散層、
１４３Ｂガス拡散層、１４４Ａアノード電極、
１４４Ｂカソード電極。

Claims

固体高分子型燃料電池を予備運転させるためのエージング装置であって、
前記予備運転時に前記固体高分子型燃料電池からの負荷電流を消費させる負荷器と、
前記固体高分子型燃料電池と前記負荷器との間に接続され前記負荷電流の大きさを時間の経過と共に周期的に変動させる制御手段と、
を有することを特徴とする固体高分子型燃料電池のエージング装置。
前記制御手段は、
任意の関数を発生させることができる関数発生器と、
前記関数発生器が発生した関数に基づいて前記負荷電流の大きさを調整する負荷電流調整部と、

を備え、
時間の経過と共に周期的に変動する前記負荷電流の大きさは前記関数発生器が発生する関数に基づいて前記負荷電流調整部が制御することを特徴とする請求項１に記載の固体高分子型燃料電池のエージング装置。
前記制御手段は、
前記固体高分子型燃料電池を構成するスタックのセル電圧を検出するセル電圧検出手段と、
前記セル電圧検出手段で検出された電圧が所定値を超えたときに前記関数発生器にリセット信号を出力するリセット信号出力手段と、
をさらに備え、
前記関数発生器は、前記リセット信号出力手段から出力されたリセット信号によって、前記負荷電流の大きさを強制的に所定の大きさまで遷移させることを特徴とする請求項２に記載の固体高分子型燃料電池のエージング装置。
前記関数発生器は、時間の経過と共に出力信号の大きさを所定範囲内でステップ状に漸次増加または漸次減少させるための関数を発生させることを特徴とする請求項２または３に記載の固体高分子型燃料電池のエージング装置。
前記関数発生器は、時間の経過と共に出力信号の大きさを所定範囲内でランプ状に増加または減少させるための関数を発生させることを特徴とする請求項２または３に記載の固体高分子型燃料電池のエージング装置。
前記固体高分子型燃料電池は、非フッ素系の電解質膜または非フッ素系の触媒層接合材の少なくともいずれか一方が用いられた膜電極接合体（以下、ＭＥＡ（ｍｅｍｂｒａｎｅｅｌｅｃｔｒｏｄｅａｓｓｅｍｂｌｙ）で構成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の固体高分子型燃料電池のエージング装置。
固体高分子型燃料電池を予備運転させるためのエージング方法であって、
予備運転の対象となる固体高分子型燃料電池を準備する段階と、
前記固体高分子型燃料電池に負荷器を接続する段階と、
前記固体高分子型燃料電池から前記負荷器に時間の経過と共にその大きさが周期的に変動する負荷電流を流す段階と、
を含むことを特徴とする固体高分子型燃料電池のエージング方法。
時間の経過と共にその大きさが周期的に変動する負荷電流を流す段階は、
前記固体高分子型燃料電池を構成するスタックのセル電圧を検出する段階と、
検出された電圧が所定値を超えたときに前記負荷電流の大きさを強制的に所定の大きさまで遷移させる段階と、
を含むことを特徴とする請求項７に記載の固体高分子型燃料電池のエージング方法。
時間の経過と共にその大きさが周期的に変動する負荷電流は、所定範囲内でステップ状に漸次増加または漸次減少することを特徴とする請求項７または８に記載の固体高分子型燃料電池のエージング方法。
時間の経過と共にその大きさが周期的に変動する負荷電流は、所定範囲内でランプ状に増加または減少することを特徴とする請求項７または８に記載の固体高分子型燃料電池のエージング方法。
前記固体高分子型燃料電池は、非フッ素系の電解質膜または非フッ素系の触媒層接合材の少なくともいずれか一方が用いられたＭＥＡで構成されていることを特徴とする請求項７から１０のいずれかに記載の固体高分子型燃料電池のエージング装置。