JP2009193855A - 固体高分子型燃料電池の運転方法及び燃料電池エージングシステム - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な工程及び構成で、エージング処理を短時間で良好に行うとともに、経済的なエージングを遂行可能にする燃料電池エージングシステムを提供する。
【解決手段】燃料電池１０のアノード側にプラス極の電位を印加するとともに、前記燃料電池１０のカソード側にマイナス極の電位を印加した状態で、前記カソード側への酸化剤ガスの供給を行うことなく、前記アノード側に加湿された水素を供給することにより、前記水素が固体高分子電解質膜を介して前記カソード側に移送される水素ポンプ運転を行うエージング工程を有し、前記エージング工程では、少なくとも前記カソード側から排出される排出水素と、前記アノード側に供給される前の前記水素との間で、水分の交換が行われる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電解質膜の両側に一対の電極が配設される電解質膜・電極構造体を有する固体高分子型燃料電池の運転方法及び燃料電池エージングシステムに関する。

燃料電池は、燃料ガス（主に水素を含有するガス）及び酸化剤ガス（主に酸素を含有するガス）をアノード側電極及びカソード側電極に供給して電気化学的に反応させることにより、直流の電気エネルギを得るシステムである。

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を設けた電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、セパレータによって挟持した発電セルを備えている。この種の発電セルは、通常、電解質膜・電極構造体とセパレータとを所定数だけ積層することにより、燃料電池スタックとして、例えば、自動車等の車両に搭載して使用されている。

この種の固体高分子型燃料電池では、組み立て直後の電解質膜の含水量が十分でないため、初期発電性能が低くなっている。従って、通常、燃料電池の組み立て後に所望の発電性能を引き出すため、前記燃料電池のエージング運転が行われている。

例えば、特許文献１に開示されている燃料電池の運転方法では、燃料電池の予備運転（エージング運転）時に、前記燃料電池のセル内にフラッディングが発生するように、消費されるガスの利用率を向上させることを特徴としている。

しかしながら、上記の運転方法では、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煩雑化するとともに、特に、ＭＥＡを構成する電解質膜の性能に悪影響を与えるおそれがある。

さらに、ＭＥＡを構成する電解質膜として、フッ素系材料に代えて、例えば、炭化水素系材料が用いられる場合、前記フッ素系材料に比べて疎水性が高く、前記電解質膜内に十分に水を浸透させるまでに時間がかかるという問題がある。

そこで、特許文献２に開示されている固体高分子型燃料電池のエージング装置では、予備運転時に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備えている。

これにより、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ため、ＭＥＡへの水の浸透促進効果が増し、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、としている。

特開２００３−２１７６２２号公報 特開２００７−６６６６６号公報

上記の特許文献２では、カソードにカソードガスを供給するとともに、アノードにアノードガスを供給し、燃料電池スタック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ことにより、エージング運転を開始している。

しかしながら、組立後に始めて使用されるＭＥＡでは、高電流密度による発電を行うことができない。このため、低電流密度から徐々に電流印加量を増やしたり、負荷印加中の保持時間を短くしてＯＣＶ（開回路電圧）に戻す操作が必要となっている。

これにより、燃料電池の発電性能が飽和するまでに相当な時間を要してしまい、エージング運転に時間がかかるという問題がある。しかも、エージング運転中には、カソードガス及びアノードガスが消費されており、特に、水素使用量が過大となって極めて不経済であるという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単な工程及び構成で、エージング処理を短時間で良好に行うとともに、経済的なエージングが遂行可能な固体高分子型燃料電池の運転方法及び燃料電池エージングシステムを提供することを目的とする。

本発明は、電解質膜の両側に一対の電極が配設される電解質膜・電極構造体を有する固体高分子型燃料電池をエージングするための運転方法に関するものである。

この運転方法は、固体高分子型燃料電池に電位を印加した状態で、一方の電極側への酸化剤ガスの供給を行うことなく、他方の電極側に水素を供給することにより、前記水素が電解質膜を介して前記一方の電極側に移送される水素ポンプ運転を行うエージング工程を有している。

そして、水素ポンプ運転時には、少なくとも一方の電極側から排出される排出水素と、他方の電極側に供給される前の水素との間で、水分の交換を行っている。

また、水素ポンプ運転の前処理では、加湿されたガスを、他方の電極側にのみ供給する工程を有することが好ましい。

さらに、電解質膜は、炭化水素系の電解質膜で構成されることが好ましい。

さらにまた、一方の電極であるカソード側にマイナス極の電位を印加するとともに、他方の電極であるアノード側にプラス極の電位を印加することが好ましい。

また、本発明は、電解質膜の両側に一対の電極が配設される電解質膜・電極構造体を有する固体高分子型燃料電池をエージングするための燃料電池エージングシステムに関するものである。

この燃料電池エージングシステムは、固体高分子型燃料電池に電位を印加する電源装置と、一方の電極側への酸化剤ガスの供給を行うことなく、他方の電極側に水素を供給することにより、前記水素が電解質膜を介して前記一方の電極側に移送される水素ポンプ運転を行う水素供給装置と、少なくとも前記一方の電極側から排出される排出水素と、前記他方の電極側に供給される前の前記水素との間で、水分の交換を行う加湿装置とを備えている。

さらに、加湿装置は、排出水素に代えて加湿水を供給するための加湿水供給部を備えることが好ましい。

さらにまた、電解質膜は、炭化水素系の電解質膜で構成されることが好ましい。

また、電源装置は、一方の電極であるカソード側にマイナス極の電位を印加するとともに、他方の電極であるアノード側にプラス極の電位を印加する直流電源を備えることが好ましい。

本発明では、外部から電圧を印加して電解質膜中を水素イオンを移動させる、所謂、水素ポンプ運転によるエージング工程が行われるため、過電圧の少ない水素のみが反応に関与しており、腐食電位以下で連続的に大電流（使用時の最大電流密度）を印加させることができる。従って、性能劣化の抑制及び時間の短縮が容易に図られる。

しかも、少なくとも一方の電極側から排出される排出水素は、水分を含んでおり、この排出水素と、他方の電極側に供給される前の水素との間で、水分の交換を行うことにより、前記水素を良好に加湿することができる。このため、水素ポンプ運転によるエージング工程時に、水素を加湿するために新たな水分を供給する必要がなく、自己加湿による効率的な水分循環が可能になり、システム全体の簡略化が容易に図られる。

図１は、本発明の実施形態に係る固体高分子型燃料電池１０をエージングするための燃料電池エージングシステム１２の概略構成図である。

図２に示すように、燃料電池１０は、例えば、炭化水素系の固体高分子電解質膜１４をアノード側電極１６とカソード側電極１８とで挟持した電解質膜・電極構造体２０を備え、前記電解質膜・電極構造体２０がアノード側セパレータ２２とカソード側セパレータ２４とにより挟持される。アノード側セパレータ２２及びカソード側セパレータ２４は、カーボンプレート又は金属プレートにより構成され、図示しないシール部材を設けている。なお、固体高分子電解質膜１４は、例えば、パーフルオロカーボン等のフッ素系の膜を使用してもよい。

電解質膜・電極構造体２０とアノード側セパレータ２２との間には、燃料ガス流路２６が形成されるとともに、前記電解質膜・電極構造体２０とカソード側セパレータ２４との間には、酸化剤ガス流路２８が形成される。

図１に示すように、燃料電池１０の一端側には、水素含有ガス等の燃料ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔３０ａと、空気（酸素含有ガス）等の酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔３２ａとが形成される。燃料電池１０の他端側には、燃料ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔３０ｂと、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔３２ｂとが形成される。燃料ガス入口連通孔３０ａ及び燃料ガス出口連通孔３０ｂは、燃料ガス流路２６に連通する一方、酸化剤ガス入口連通孔３２ａ及び及び酸化剤ガス出口連通孔３２ｂは、酸化剤ガス流路２８に連通する。

燃料電池エージングシステム１２は、燃料電池１０に電位を印加する電源装置３４と、前記燃料電池１０のアノード側（燃料ガス流路２６側）に水素を供給して、前記燃料電池１０により水素ポンプ運転を行う水素供給装置３６と、水素ポンプ運転時に前記燃料電池１０から排出される排出水素と、前記燃料電池１０に供給される前の水素との間で水分の交換を行う加湿装置３８とを備える。

電源装置３４は、燃料電池１０のアノード側電極（他方の電極）１６にプラス極の電位を印加するとともに、前記燃料電池１０のカソード側電極（一方の電極）１８にマイナス極の電位を印加する直流電源４０を備える。この直流電源４０は、コントローラ４１を介して制御されるとともに、前記コントローラ４１は、燃料電池エージングシステム１２全体の制御を行う。

なお、燃料電池１０のカソード側に水素を供給するとともに、アノード側電極１６にマイナス極の電位を印加し、且つカソード側電極１８にプラス極の電位を印加して、水素ポンプ運転を行ってもよい。

水素供給装置３６は、水素を貯留する水素ボンベ４２を備え、この水素ボンベ４２は、アノード供給配管４４を介して燃料電池１０の燃料ガス入口連通孔３０ａに連通する。アノード供給配管４４には、不活性ガス、例えば、窒素ガス（Ｎ₂ガス）を供給するための窒素ボンベ４６が配設されるとともに、水素ボンベ４２及び前記窒素ボンベ４６の出口側には、それぞれ開閉弁４８ａ、４８ｂが配設される。アノード供給配管４４には、加湿装置３８を構成する加湿ユニット５０及び開閉弁４８ｃがガス流れ方向に沿って配設される。

加湿ユニット５０は、例えば、中空糸膜モジュールを構成しており、筒状のケース５２の一端側に被加湿ガス入口５４ａが設けられるとともに、他端側に被加湿ガス出口５４ｂが設けられる。被加湿ガス入口５４ａ及び被加湿ガス出口５４ｂは、アノード供給配管４４に連通する。ケース５２内には、複数本の中空糸膜を介して被加湿ガス入口５４ａ及び被加湿ガス出口５４ｂに連通する内側ライン５６ａが形成される。

ケース５２の側面部には、加湿源、例えば、温水を中空糸膜の外側に設けられる外側ライン５６ｂに供給するための第１加湿水入口５８ａ及び第１加湿水出口５８ｂと、第２加湿水入口６０ａ及び第２加湿水出口６０ｂとが設けられる。

第１加湿水入口５８ａ及び第１加湿水出口５８ｂには、加湿水供給部６２が連結される。加湿水供給部６２は、ヒータ６４により加温された温水を貯留する温水タンク６６を備え、この温水タンク６６が温水循環路６８を介して第１加湿水入口５８ａ及び第１加湿水出口５８ｂに連通する。温水循環路６８には、ポンプ７０と開閉弁４８ｄ、４８ｅとが配設される。

第２加湿水入口６０ａには、後述するリターン配管７８が接続されるとともに、第２加湿水出口６０ｂには、排気流路７２が接続される。リターン配管７８及び排気流路７２には、それぞれ開閉弁４８ｆ、４８ｇが配設される。

アノード供給配管４４には、加湿ユニット５０と開閉弁４８ｃとの間から分岐してカソード供給配管７４が設けられる。このカソード供給配管７４は、燃料電池１０の酸化剤ガス入口連通孔３２ａに連通するとともに、開閉弁４８ｈを配設する。

燃料電池１０の燃料ガス出口連通孔３０ｂには、アノード排出配管７６が連通し、アノード排出配管７６に開閉弁４８ｉ、４８ｊが配設される。アノード排出配管７６には、開閉弁４８ｉ、４８ｊ間からリターン配管７８が分岐するとともに、前記リターン配管７８は、加湿ユニット５０の第２加湿水入口６０ａに接続される。

燃料電池１０の酸化剤ガス出口連通孔３２ｂには、カソード排出配管８０が接続される。このカソード排出配管８０は、アノード排出配管７６に開閉弁４８ｉの上流に位置して合流する。

このように構成される燃料電池エージングシステム１２による運転方法について、図３に示すフローチャート及び図４に示すタイミングチャートに沿って、以下に説明する。

先ず、図１に示すように、燃料電池１０が、燃料電池エージングシステム１２に取り付けられた後（ステップＳ１）、ステップＳ２に進んで、水素ポンプ運転（エージング工程）の前処理として窒素パージ処理が行われる。この窒素パージ処理では、図４及び図５に示すように、開閉弁４８ｂ、４８ｃ、４８ｈ〜４８ｊが開放される一方、開閉弁４８ａ、４８ｄ〜４８ｇが閉塞される。

このため、窒素ボンベ４６から導出される窒素ガスは、アノード供給配管４４を通って燃料ガス入口連通孔３０ａから燃料ガス流路２６に供給される。このアノード供給配管４４に導入された窒素ガスの一部は、カソード供給配管７４に分流し、酸化剤ガス入口連通孔３２ａから燃料電池１０内の酸化剤ガス流路２８に供給される。

従って、燃料電池１０では、燃料ガス流路２６及び酸化剤ガス流路２８に窒素ガスが供給され、前記燃料ガス流路２６及び前記酸化剤ガス流路２８に残存する空気等は、窒素ガスと共にアノード排出配管７６に排出される。これにより、所定の時間だけ所定量の窒素ガスが、燃料電池１０に供給されるため、燃料ガス流路２６及び酸化剤ガス流路２８は、窒素ガスに置換される。

次に、ステップＳ３に進んで、燃料電池１０の加湿暖機処理が開始される。この加湿暖機処理では、図４及び図６に示すように、開閉弁４８ｈが閉塞される一方、開閉弁４８ｄ、４８ｅが開放される。そして、ポンプ７０が駆動されることにより、ヒータ６４を介して加温された温水タンク６６内の温水は、温水循環路６８を循環して加湿ユニット５０の第１加湿水入口５８ａから外側ライン５６ｂに供給される。

加湿ユニット５０では、窒素ガスが内側ライン５６ａに沿って移動しており、この窒素ガスは、外側ライン５６ｂに供給される温水を介して１００％ＲＨに加湿された後、燃料ガス入口連通孔３０ａから燃料ガス流路２６に供給される。このため、燃料ガス流路２６を流動する窒素ガスに含まれる温水により、電解質膜・電極構造体２０が加湿及び暖機される。そして、燃料電池１０から排出された窒素ガスは、アノード排出配管７６を介して外部に排気される。

上記の加湿暖機処理が終了した後、ステップＳ４に進んで、水素ガスパージ処理が開始される。この水素ガスパージ処理では、図４及び図７に示すように、開閉弁４８ｂが閉塞される一方、開閉弁４８ａが開放される。従って、窒素ボンベ４６からの窒素ガスの供給が停止されるとともに、水素ボンベ４２からアノード供給配管４４に水素ガスが供給される。

この水素ガスは、加湿ユニット５０の内側ライン５６ａを通過する際に、外側ライン５６ｂに供給される温水によって加湿された後、燃料ガス入口連通孔３０ａから燃料電池１０の燃料ガス流路２６に導入される。これにより、電解質膜・電極構造体２０は、燃料ガス流路２６側から加湿されるとともに、この燃料ガス流路２６に充填されている窒素ガスが水素ガスに置換される。

水素ガスパージ処理が終了した後、水素ポンプ運転に移行する（ステップＳ５）。この水素ポンプ運転では、図５及び図８に示すように、開閉弁４８ｄ、４８ｅ及び４８ｊが閉塞される一方、開閉弁４８ｆ、４８ｇが開放される。その際、電源装置３４では、燃料電池１０のアノード側（アノード側電極１６）にプラス極の電位が印加されるとともに、カソード側（カソード側電極１８）にマイナス極の電位が印加される。

このため、図９に示すように、アノード側電極１６では、Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^-の反応が起こり、水素イオン（Ｈ⁺）は、固体高分子電解質膜１４を介してカソード側電極１８に移動する。このカソード側電極１８で、２Ｈ⁺＋２ｅ^-→Ｈ₂の反応が惹起する。

従って、アノード側電極１６からカソード側電極１８には、プロトン（水素イオン）が移動するとともに、同伴水が固体高分子電解質膜１４に供給され、この固体高分子電解質膜１４の含水率が増加する。

燃料電池１０を構成する酸化剤ガス流路２８の水素ガスは、この酸化剤ガス流路２８から酸化剤ガス出口連通孔３２ｂを通ってカソード排出配管８０からアノード排出配管７６に排出される。アノード排出配管７６に排出された排出水素ガスは、このアノード排出配管７６から分岐するリターン配管７８に供給され、加湿ユニット５０の第２加湿水入口６０ａに導入される。

この場合、本実施形態では、水素ポンプ運転時に燃料電池１０から排出される排出水素ガスは、水分を含んでいる。そして、この排出水素ガスが、加湿ユニット５０の第２加湿水入口６０ａから外側ライン５６ｂに供給されることにより、前記排出水素ガスと、内側ライン５６ａを流動する燃料電池１０に供給される前の水素ガスとの間で、水分の交換が行われている。

従って、本実施形態では、水素ポンプ運転によるエージング工程時に、水素ガスを加温するために、例えば、加湿水供給部６２から加湿ユニット５０に温水を供給する必要がない。これにより、自己加湿による効率的な水分循環が可能になり、燃料電池エージングシステム１２全体の簡略化が容易に図られるという効果が得られる。

さらに、本実施形態では、燃料電池１０が燃料電池エージングシステム１２に接続された後、水素ポンプ運転の前処理として、燃料ガス流路２６にのみ湿度が１００％ＲＨの窒素ガスによるパージ処理を施した後、前記燃料ガス流路２６のみに加湿された水素ガスによるパージ処理が行われている。

このため、例えば、燃料ガス流路２６と酸化剤ガス流路２８とに、２系統の加湿ラインを用いるものに比べ、構成が有効に簡素化され、弁開閉制御の誤作動等を可及的に阻止することができる。しかも、消費エネルギの削減が図られ、低コスト化が遂行されるという利点がある。

上記の水素ポンプ運転が終了した後、ステップＳ６に進んで、窒素ガスパージ処理が開始される。この窒素ガスパージでは、上述したように、図４及び図５に示すように、開閉弁４８ａ、４８ｆ、４８ｇが閉塞される一方、開閉弁４８ｂ、４８ｈ及び４８ｊが開放される。従って、窒素ボンベ４６からアノード供給配管４４に供給される窒素ガスは、燃料ガス流路２６及び酸化剤ガス流路２８に供給される。これにより、燃料ガス流路２６及び酸化剤ガス流路２８に残存する水素ガスが排出され、窒素ガスと置換される。

この窒素ガスパージが行われた後、ステップＳ７に進んで、燃料電池１０の取り外し処理が行われる。この取り外し作業時には、図４及び図１０に示すように、全ての開閉弁４８ａ〜４８ｊが閉塞され、この燃料電池１０が燃料電池エージングシステム１２から取り外される。

本発明の実施形態に係る固体高分子型燃料電池をエージングするための燃料電池エージングシステムの概略構成図である。 前記燃料電池の断面説明図である。 前記燃料電池の運転方法を説明するフローチャートである。 前記運転方法のタイミングチャートである。 窒素ガスパージ処理の動作説明図である。 加湿暖機処理の動作説明図である。 水素ガスパージ処理の動作説明図である。 水素ポンプ運転処理の説明図である。 前記水素ポンプの説明図である。 前記燃料電池を取り外す際の説明図である。

符号の説明

１０…燃料電池 １２…燃料電池エージングシステム
１４…固体高分子電解質膜 １６…アノード側電極
１８…カソード側電極 ２０…電解質膜・電極構造体
２６…燃料ガス流路 ２８…酸化剤ガス流路
３０ａ…燃料ガス入口連通孔 ３０ｂ…燃料ガス出口連通孔
３２ａ…酸化剤ガス入口連通孔 ３２ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
３６…水素供給装置 ３８…加湿装置
４０…直流電源 ４１…コントローラ
４２…水素ボンベ ４４…アノード供給配管
４６…窒素ボンベ ４８ａ〜４８ｊ…開閉弁
５０…加湿ユニット ５６ａ…内側ライン
５６ｂ…外側ライン ６２…加湿水供給部
６６…温水タンク ６８…温水循環路
７０…ポンプ ７２…排気流路
７４…カソード供給配管 ７６…アノード排出配管
７８…リターン配管 ８０…アノード排出配管

Claims (8)

1. 電解質膜の両側に一対の電極が配設される電解質膜・電極構造体を有する固体高分子型燃料電池をエージングするための運転方法であって、
   前記固体高分子型燃料電池に電位を印加した状態で、一方の電極側への酸化剤ガスの供給を行うことなく、他方の電極側に水素を供給することにより、前記水素が前記電解質膜を介して前記一方の電極側に移送される水素ポンプ運転を行うエージング工程を有し、
   前記水素ポンプ運転時には、少なくとも前記一方の電極側から排出される排出水素と、前記他方の電極側に供給される前の前記水素との間で、水分の交換を行うことを特徴とする固体高分子型燃料電池の運転方法。
2. 請求項１記載の運転方法において、前記水素ポンプ運転の前処理では、加湿されたガスを、前記他方の電極側にのみ供給する工程を有することを特徴とする固体高分子型燃料電池の運転方法。
3. 請求項１又は２記載の運転方法において、前記電解質膜は、炭化水素系の電解質膜で構成されることを特徴とする固体高分子型燃料電池の運転方法。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の運転方法において、前記一方の電極であるカソード側にマイナス極の電位を印加するとともに、前記他方の電極であるアノード側にプラス極の電位を印加することを特徴とする固体高分子型燃料電池の運転方法。
5. 電解質膜の両側に一対の電極が配設される電解質膜・電極構造体を有する固体高分子型燃料電池をエージングするための燃料電池エージングシステムであって、
   前記固体高分子型燃料電池に電位を印加する電源装置と、
   一方の電極側への酸化剤ガスの供給を行うことなく、他方の電極側に水素を供給することにより、前記水素が前記電解質膜を介して前記一方の電極側に移送される水素ポンプ運転を行う水素供給装置と、
   少なくとも前記一方の電極側から排出される排出水素と、前記他方の電極側に供給される前の前記水素との間で、水分の交換を行う加湿装置と、
   を備えることを特徴とする燃料電池エージングシステム。
6. 請求項５記載の燃料電池エージングシステムにおいて、前記加湿装置は、前記排出水素に代えて加湿水を供給するための加湿水供給部を備えることを特徴とする燃料電池エージングシステム。
7. 請求項５又は６記載の燃料電池エージングシステムにおいて、前記電解質膜は、炭化水素系の電解質膜で構成されることを特徴とする燃料電池エージングシステム。
8. 請求項５〜７のいずれか１項に記載の燃料電池エージングシステムにおいて、前記電源装置は、前記一方の電極であるカソード側にマイナス極の電位を印加するとともに、前記他方の電極であるアノード側にプラス極の電位を印加する直流電源を備えることを特徴とする燃料電池エージングシステム。

Images