JP2009054387A - 燃料電池スタックの初期化方法及び初期化装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】電解質膜を挟んでアノード及びカソードを配設した単電池が複数積層された燃料電池スタック10を初期化するために、カソードに燃料ガスを導入して、アノードに酸化剤ガスを導入することにより、所定の電流値で発電する。これにより、通常発電とは逆向きに電流が流れ、アノードにおいて反応生成水を発生させて、アノード触媒の界面を効率的に形成できる。
【選択図】図1
Description
H2 → 2H+ + 2e− …(1)
O2 + 4H+ + 4e− → 2H2O …(2)
[初期化操作の手順]
本発明の燃料電池スタックの初期化方法の第1の実施形態を、図1のフローチャートを参照して説明する。初期化操作の概要は、次の通りである。
(1) 不活性ガスにより両極をパージする
(2) カソードに燃料ガスを導入する
(3) アノードに酸化剤ガスを導入する
(4) 負荷を接続して所定の電流値で発電する
以上のような本実施形態によれば、カソードに燃料ガス、アノードに酸化剤ガスを導入して発電することにより、通常発電とは逆向きに電流が流れるため、アノードにおいて反応生成水を発生させることができる。したがって、アノード触媒の界面を効率的に形成することができ、電池性能を向上させることが可能となる。
[初期化操作の手順]
本発明の燃料電池スタックの初期化方法の第2の実施形態を、図2のフローチャート、図3のグラフを参照して説明する。まず、カソードに水素を導入、アノードに空気を導入して発電する点は、上記の実施形態と同様である。但し、本実施形態においては、負荷の接続と遮断を数回繰り返し、負荷サイクルをかけることが特徴である。
以上のような本実施形態によれば、負荷サイクル操作を行うことによって、定電流保持運転よりも高い電池電圧が得られ、界面を効率良く形成することができるので、電池性能の向上に繋がる。
[初期化操作の手順]
本発明の燃料電池スタックの初期化方法の第3の実施形態を、図6のフローチャート、図7のグラフを参照して説明する。まず、両極を窒素などの不活性ガスでパージした後、アノードに水素、カソードに空気を導入することにより、カソードを初期化する点は、従来技術と同様である。但し、本実施形態においては、前記の発電後に、両極を窒素パージし、カソードに水素、アノードに空気を導入して、負荷の極性を切り換えて発電を行い、アノード触媒を初期化することが特徴である。
以上のような本実施形態の効果は、以下の通りである。すなわち、カソードの初期化操作によって、カソード触媒で発生した生成水は、極性を逆にして発電する過程において、アノードへと移動する。燃料電池の発電時には、外部から加湿するため、本来は十分に水が存在する。しかし、このように最初にカソードに生成水を発生させることによって、触媒層内の全領域に渡って十分に水が供給されるため、反応面の全面が反応に寄与し、効率的に広い範囲を初期化することができる。また、カソードの界面を形成した後に、アノードの界面も形成することができるので、アノードだけを初期化するよりも、良好な電池性能を得ることができる。
[構成]
本発明の燃料電池スタックの初期化装置の第4の実施形態を、図8及び図9を参照して説明する。本実施形態は、第1〜3の実施形態の初期化方法を実現することができる初期化装置であり、図8は初期化装置の構成図、図9は初期化操作時の弁の開閉状態を示すテーブルである。なお、図11に示した従来技術と同様の部材は、説明を簡略化する。
電磁弁11,15(A,A´)
電磁弁12,16(B,B´)
電磁弁13,17(C,C´)
電磁弁14,18(D,D´)
このように、燃料電池スタック10への反応ガス供給ラインのみならず、燃料電池スタック10からの可燃ガス排気23、空気排気24の排気ラインも、電磁弁15〜18により切り替え可能に構成されている。
以上のような本実施形態の作用効果は、以下の通りである。すなわち、本実施形態は、上記の実施形態におけるカソード初期化操作時及びアノード初期化操作時において、制御装置32における供給弁制御部321及び排気弁制御部322が、電磁弁11〜19を開閉することによって、それぞれの電極に導入されるガス種を制御することができる。同時に、制御装置32における切り替え制御部323が、切り替えスイッチ31によって、電子負荷装置30の極性を制御することができる。
第5の実施形態である燃料電池スタックの初期化装置を、図10を参照して説明する。なお、第4の実施形態と同様の部位については、説明を省略する。すなわち、本実施形態においては、図10に示すように、従来と同様に水素ガス21の供給ラインと空気22のラインを、それぞれ1系統として両極で共有させているが、途中で分岐して再び1系統に合流する配管に、電磁弁11〜14を設けている。かかる構成により、第4の実施形態と同様に、図9に示すような電磁弁11〜18の開閉によって、導入ガス種を切り替えることができる。
本発明は、上記のような実施形態に限定されるものではない。例えば、電流、電位、設定時間等の具体的な数値は、上記の実施形態で例示したものには限定されない。また、上記の第4及び第5の実施形態で示した初期化装置は、本発明の初期化方法を実現するための装置の一例に過ぎない。したがって、例えば、ラインの配管の数や構成、弁の数等についても、他の態様により実現可能である。また、本発明は、固体高分子形燃料電池には限定されず、初期化を必要とする燃料電池に広く適用可能である。
11〜14…電磁弁A〜D
15〜18…電磁弁A’〜D’
19…電磁弁
21…水素ガス
22…空気
23…可燃ガス排気
24…空気排気
25…窒素ガス
30…電子負荷装置
31…切り替えスイッチ
32…制御装置
41…逆止弁
42…マスフローコントローラー
43…加湿器
44…水タンク
45…調節弁
46…流量計
47…ヒーター
48…ポンプ
321…供給弁制御部
322…排気弁制御部
323…切り替え制御部
Claims (5)
- 電解質膜を挟んでアノード及びカソードを配設した単電池が複数積層された燃料電池スタックの初期化方法において、
前記カソードに燃料ガスを導入して、前記アノードに酸化剤ガスを導入することにより、所定の電流値で発電することを特徴とする燃料電池スタックの初期化方法。 - 電解質膜を挟んでアノード及びカソードを配設した単電池が複数積層された燃料電池スタックの初期化方法において、
前記アノードに燃料ガスを導入して、前記カソードに酸化剤ガスを導入することにより、所定の電流値で発電し、
前記アノード及び前記カソードに不活性ガスを導入してパージした後に、
前記カソードに燃料ガスを導入して、前記アノードに酸化剤ガスを導入することにより、所定の電流値で発電することを特徴とする燃料電池スタックの初期化方法。 - 前記所定の電流値を周期的に変動させることを特徴とする請求項1又は請求項2記載の燃料電池スタックの初期化方法。
- 前記燃料ガスとして水素を導入することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の燃料電池スタックの初期化方法。
- 電解質膜を挟んでアノード及びカソードを配設した単電池が複数積層された燃料電池スタックに、燃料ガス及び酸化剤ガスを導入する反応ガス導入手段、前記燃料電池スタックの発電電流を消費する負荷手段及び発電電流を制御する制御手段を有する燃料電池スタックの初期化装置において、
前記反応ガス導入手段は、アノードに燃料ガス及び酸化剤ガスを導入する手段と、カソードに燃料ガス及び酸化剤ガスを導入する手段とを有し、
前記負荷手段に流れる電流の極性を切り替える切り替え手段を有することを特徴とする燃料電池スタックの初期化装置。
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