JP2009277637A - 燃料電池の活性化方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】活性化時間を大幅に短縮して水素量を減少させることができ、しかも追加装置の必要がない燃料電池の活性化方法を提供する。
【解決手段】１）燃料電池の燃料極に水素を、空気極に空気を供給しながらセル電圧を一定水準の開回路電圧（ＯＣＶ）（またはＯＣＶより低い一定水準）に維持する第１段階と、２）燃料極への水素供給をそのまま維持しつつ、空気極への空気供給を遮断する第２段階と、３）セル電圧をＯＣＶから最低入力電圧まで下げる第３段階と、４）空気極に空気を再び供給しながら、セル電圧を一定水準のＯＣＶ（またはＯＣＶより低い一定水準）まで上げる第４段階と、５）燃料極に水素を、空気極に空気を十分に供給しながら、燃料電池を定電流または定電圧運転モードで運転する第５段階と、６）第１〜第５段階を複数回繰り返す第６段階を順次行うことから構成される。
【選択図】図１
【解決手段】１）燃料電池の燃料極に水素を、空気極に空気を供給しながらセル電圧を一定水準の開回路電圧（ＯＣＶ）（またはＯＣＶより低い一定水準）に維持する第１段階と、２）燃料極への水素供給をそのまま維持しつつ、空気極への空気供給を遮断する第２段階と、３）セル電圧をＯＣＶから最低入力電圧まで下げる第３段階と、４）空気極に空気を再び供給しながら、セル電圧を一定水準のＯＣＶ（またはＯＣＶより低い一定水準）まで上げる第４段階と、５）燃料極に水素を、空気極に空気を十分に供給しながら、燃料電池を定電流または定電圧運転モードで運転する第５段階と、６）第１〜第５段階を複数回繰り返す第６段階を順次行うことから構成される。
【選択図】図１
Description
本発明は燃料電池の活性化方法に関し、更に詳しくは、燃料電池の活性化時間を短縮させると共に、水素の使用量を少くする燃料電池の活性化方法に関する。
一般的に、燃料電池は、燃料極（負極）、固体高分子膜（電解質）、空気極（正極）が一体化された膜／電極接合体 （Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ，ＭＥＡ）の構成で、燃料極に水素（Ｈ２）、空気極に酸素（Ｏ２）をそれぞれ送って電気エネルギーを生成する装置である。すなわち、図６に示すように、膜／電極接合体は、水素イオン（Ｈ＋）が透過できる電解質膜１０を間に置き、一側に水素（Ｈ２）が供給される燃料極１２と、他側に空気が供給される空気極１４が配列され、触媒層を含む燃料極１２及び触媒層を含む空気極１４の外側にはガス拡散層１６が配置される構造で、このような膜／電極接合体と分離板が順に積層されたものを燃料電池スタックといっている。
燃料電池スタックの電気発生原理を図６を参照にして見てみると、燃料極１２には燃料である水素が供給され、空気極１４には酸化剤である空気が供給される。燃料極１２に供給された水素は、触媒層の作用で水素イオンと電子に分かれ、水素イオンは高分子電解質膜１０を透過して空気極１４に移行し、電子は外部回路を通して空気極１４に向かう。空気極１４では、供給された酸素が電子と出会い、触媒層の作用で酸素イオンを生成し、この酸素イオンが燃料極１２から移行した水素イオンと結合して水を生成する。このようにして、燃料極１２から外部回路を通して空気極１４に電子が流れることで電気を発生している。
このように構成された燃料電池スタックにおいて、燃料電池スタックが組み立てられた直後では、触媒の活性度が未だ低いなど、燃料電池として正常に機能する状況になく、通常、活性化という初期性能を上げる段階を行っている。
燃料電池の活性化は、前処理（Ｐｒｅ−ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ）または慣らし運転（ｂｒｅａｋ−ｉｎ）と呼ばれ、膜／電極接合体及びスタック製造過程で入った不純物を除去する、触媒金属を活性化させる、反応物の触媒までの移動通路を確保する、電解質膜及び電極内にある電解質内部の気孔に水分子を送り込んで水素イオンの移動を円滑に行える通路を確保して水素イオンの伝導度を向上させる、などを目的にしている。
このうちの触媒の活性化は、触媒金属表面の酸化膜除去にあり、例えば白金触媒では表面の酸化白金を還元して白金にすること（ＰｔｘＯｙ→Ｐｔ金属）であり、電圧走査法を利用した還元方法と、触媒を水素ガスに露出させて還元させる方法がある。
燃料電池を活性化するために、定電圧運転段階と休止段階を交互にサイクル運転する方法が一般的に行われるが、この方法は活性化時間が長く、水素使用量が多く、活性化のための装備が複雑であるという短所がある。このような従来の活性化方法を改善すべく多くの提案がなされている。例えば、（１）反応ガスを制御して流しつつ電圧印加する方法〔例えば、特許文献１参照〕があり、空気に代えて窒素を流して電圧印加しているが、プロセスの複雑さに加え、窒素ガスを供給するための追加装置が必要という不利がある。（２）定電流モードの運転による活性化方法〔例えば、特許文献２参照〕では、やはり追加的な窒素ガス供給装置／配管が必要であるという不利がある。
（３）空気極側の触媒を水素ガスと接触させて還元させる活性化方法〔例えば、特許文献３参照〕では、空気極側に水素ガスが完全に除去されていない状況で空気を供給すると、触媒に損傷を与える危険があり、残存水素ガスを完全になくすために窒素など不活性ガスを流さなければならないという不利がある。
（４）バッテリーを利用した電圧印加活性化方法〔例えば、特許文献４参照〕では、別途のバッテリーと共に、ガルバニ電池およびキャパシタを装備しなければならないなどシステムが複雑になるという不利がある。
（５）膜水和を利用した活性化方法〔例えば、特許文献５参照〕では、空気の代りに窒素など不活性ガスを使用しなければならないという点と、水和過程が終了した後、更に別途の活性化過程を経なければならず、従って、システムが複雑であることと共に、活性化時間が長いという問題点がある。
燃料電池の活性化に関して、本発明は従来技術にみられる問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、活性化時間を大幅に短縮させることができ、活性化時間の短縮により使用する水素量を減少させることができ、しかも追加装置の必要がなく、燃料電池を活性化する方法を提供することにある。
上記目的を達成すべく、本発明は燃料電池の活性化方法であり、１）燃料電池の燃料極に水素を、空気極に空気を供給しながらセル電圧を一定水準の開回路電圧（ＯＣＶ）〔以下、「ＯＣＶ」と記す。〕に維持する第１段階と、２）燃料極への水素供給をそのまま維持しつつ、空気極への空気供給を遮断する第２段階と、３）セル電圧をＯＣＶから最低入力電圧まで下げる第３段階と、４）空気極に空気を再び供給しながら、セル電圧を一定水準のＯＣＶまで上げる第４段階と、５）燃料極に水素を、空気極に空気を十分に供給しながら、燃料電池を定電流または定電圧運転モードで運転する第５段階と、６）前記した第１〜第５段階を複数回繰り返す第６段階を順次行うことから構成されている。
第１段階及び第４段階における一定水準のＯＣＶが、０．９５〜１．２Ｖであり、第１段階ではセル電圧をＯＣＶにして１０〜２０秒間維持し、第３段階における最低入力電圧が、０．２Ｖとするのが好ましい。また、第５段階における定電流または定電圧運転モードの運転電圧は、燃料電池のセル当り０．１〜０．８Ｖが好ましく、０．１〜０．６Ｖであるのがより好ましい。
第６段階においては、第１段階及び第５段階を、５５〜６０分間に５０〜６０回繰り返して行い、セル電圧に変化がなくなるまで行うのがよい。
上記目的を達成する本発明の別の実施形態では、１）燃料電池の燃料極に水素を、空気極に空気を供給しながら、電流負荷を印加して燃料電池のセル電圧をＯＣＶより低い一定水準に維持する第１段階と、２）燃料極への水素供給をそのまま維持しつつ、空気極への空気供給を遮断する第２段階と、３）セル電圧を最低入力電圧まで下げる第３段階と、４）空気極に空気を再び供給しながら、電流負荷を再び印加してセル電圧を開回路電圧（ＯＣＶ）より低い一定水準の電圧まで上げる第４段階と、５）燃料極に水素を、空気極に空気を十分に供給しながら、燃料電池を定電流または定電圧運転モードで運転する第５段階と、６）第１〜第５段階を複数回繰り返す第６段階と、を順次行うことから構成される。
第１段階及び第４段階におけるＯＣＶより低い一定水準が、０．８〜１．２３Ｖであり、第１段階では、セル電圧をＯＣＶより低い一定水準にして１０〜２０秒間維持し、また、第３段階における最低入力電圧が、０．２Ｖとするのが好ましい。第５段階における定電流または定電圧運転モードの運転電圧は、燃料電池のセル当り０．１〜０．８Ｖが好ましく、０．１〜０．６Ｖであるのがより好ましい。
そして、第６段階においては、第１段階及び第５段階を、５５〜６０分間に５０〜６０回繰り返して行い、セル電圧に変化がなくなるまで行うのがよい。
本発明による燃料電池の活性化方法によると、燃料極及び空気極に各々水素及び空気を提供するが、一定時点で空気極への空気のみ遮断するとともに、セル電圧を下げ、次いで再び空気極に空気を供給しながらセル電圧を本来の状態に上げるなどの電圧変化を与えた後、定電流または定電圧運転モードで燃料電池を運転することで、燃料電池の活性化時間を大きく短縮させることができる。さらに、活性化時間の短縮によって活性化のための水素の使用量を減少させることができる。
以下、添付図面を参照にし、本発明による燃料電池の活性化方法について説明する。図１は、本発明による燃料電池の活性化方法を説明する順序図であり、図２は、その活性化方法におけるＯＣＶの変化を説明するグラフである。本発明による燃料電池の活性化方法は、燃料電池に空気を供給または遮断しながらセル電圧に変化を与え、その後、定電流または定電圧運転モードで運転する方法である。
従来の定電圧および定電流運転による活性化方法を図３に、従来のサイクル運転による活性化方法を図４にそれぞれグラフで示している。
本発明の燃料電池の活性化方法は、約５５分間行われるが、従来の燃料電池に負荷を与えながらサイクル運転を行う方式（図４参照）による活性化では、約１２０〜２２０分要し、定電流または定電圧運転方式（図３参照）では約３時間要していた点を勘案すれば、本発明は、その活性化時間を大きく短縮させることができ、活性化時間の短縮によって水素使用量を減少させることができる。
本発明の方法と、従来の方法によって行われた活性化の結果を図５に示した。図５にみられるように、本発明の活性化方法は、活性化時間を短縮させているが、活性化された後の状態は従来の活性化方法によるのと同じである。
以下、本発明の好ましい実施例をより詳しく説明するが、下記実施例に限定されるものではない。
以下、本発明の好ましい実施例をより詳しく説明するが、下記実施例に限定されるものではない。
先ず、第１段階として、燃料電池の燃料極に水素を、空気極に空気を同時に供給しながらセル電圧を０．９５〜１．２Ｖ水準のＯＣＶに１０〜２０秒間維持させる。
次に、第２段階として、燃料極への水素供給をそのまま維持しつつ、空気極への空気供給のみを遮断し、第３段階として、空気極への空気供給を遮断した状態でセル電圧を０．９５〜１．２ＶのＯＣＶから０．２Ｖの最低入力電圧まで下げる。
第４段階として、空気極に空気を再び供給し、セル電圧を最低入力電圧の０．２Ｖまで落ちた状態から、０．９５〜１．２ＶのＯＣＶまで上昇させる。
次いで、第５段階として、燃料極に水素を、空気極に空気を十分に供給しつつ、燃料電池を定電流または定電圧運転モードで運転する。この時、定電流または定電圧運転モードの運転電圧は、燃料電池のセル当り０．１〜０．８Ｖである。ここで、０．８Ｖは最小限必要とする電流印加時の電圧であり、０．１Ｖは最大運転可能領域の電圧である。より好ましくは、定電流または定電圧運転モードの運転電圧を、燃料電池のセル当り０．１〜０．６Ｖにする。
次に、第６段階として、上記した第１段階〜第５段階を、セル電圧に変化がなくなるまで繰り返して行うが、これには５５〜６０分間に５０〜６０回行うことになる。
第１段階として、燃料電池の燃料極に水素を、空気極に空気を供給しながら、電流負荷を印加して燃料電池のセル電圧をＯＣＶより低い０．８〜１．２３Ｖ水準に維持させる。一般的なセルでは、１．２３Ｖは理論的な電圧で、ＯＣＶは０．９Ｖ付近であるので、電流を少し印加すれば電圧が０．８Ｖに維持することができる。
次いで、第２段階として、燃料極への水素供給をそのまま維持しつつ、空気極への空気供給のみを遮断し、第３段階として、空気極への空気供給を遮断したまま、セル電圧を最低入力電圧である０．２Ｖまで下げる。
第４段階として、空気極に空気を供給しながら、電流負荷を印加してセル電圧を０．８〜１．２３Ｖ水準まで上げる。
第５段階では、燃料極に水素を、空気極に空気を十分に供給しながら、燃料電池を定電圧または定電流運転モードで運転する。この時、定電流または定電圧運転モードの運転電圧は、燃料電池のセル当り０．１〜０．８Ｖに位置させる。ここで、０．８Ｖは最小限必要とする電流印加時の電圧であり、０．１Ｖは最大運転可能領域の電圧である。より好ましくは、定電流または定電圧運転モードの運転電圧を燃料電池のセル当り０．１〜０．６Ｖにする。
最後に、第６段階として、第１〜第５段階を、セル電圧に変化がなくなるまで繰り返して行うが、これには５５〜６０分間に５０〜６０回行うことになる。
このような本発明の実施例による活性化時間及び水素使用量を、従来の負荷サイクルを利用した活性化方法と比べた結果を、表１に示す。
以上のように、本発明は、燃料極に水素、空気極に空気を供給するが、一定時点で空気極への空気のみ遮断してセル電圧を下げ、再び空気極に空気を供給してセル電圧を本来の状態に上げるなどの電圧変化を与えた後、定電流または定電圧運転モードで燃料電池を運転しており、従来の負荷サイクルによる活性化方法に比べて燃料電池の活性化時間を大きく短縮させることができ、その結果、水素使用量を減少させることができることが分かった。
１０； 電解質膜
１２； 燃料極
１４； 空気極
１６； ガス拡散層
１２； 燃料極
１４； 空気極
１６； ガス拡散層
Claims (6)
- 燃料電池の燃料極に水素を、空気極に空気を供給しながらセル電圧を一定水準の開回路電圧（ＯＣＶ）に維持する第１段階と、
前記空気極への空気供給を遮断する第２段階と、
セル電圧を前記開回路電圧（ＯＣＶ）から最低入力電圧まで下げる第３段階と、
前記空気極に空気を再び供給しながら、セル電圧を前記一定水準の開回路電圧（ＯＣＶ）まで上昇させる第４段階と、
前記燃料極に水素を、前記空気極に空気を十分に供給しながら、燃料電池を定電流または定電圧運転モードで運転する第５段階と、
前記第１〜第５段階を複数回繰り返す第６段階と、を順次行うことを特徴とする燃料電池の活性化方法。 - 燃料電池の燃料極に水素を、空気極に空気を供給しながら、電流負荷を印加して燃料電池のセル電圧を開回路電圧（ＯＣＶ）より低い一定水準の電圧に維持する第１段階と、
前記空気極への空気供給を遮断する第２段階と、
セル電圧を最低入力電圧まで下げる第３段階と、
前記空気極に空気を再び供給しながら、電流負荷を再び印加してセル電圧を前記開回路電圧（ＯＣＶ）より低い一定水準まで上昇させる第４段階と、
前記燃料極に水素を、前記空気極に空気を十分に供給しながら、燃料電池を定電流または定電圧運転モードで運転する第５段階と、
前記第１〜第５段階を複数回繰り返す第６段階と、を順次行うことを特徴とする燃料電池の活性化方法。 - 前記第１段階及び前記第４段階における前記一定水準の開回路電圧（ＯＣＶ）が、０．９５〜１．２Ｖであり、前記第１段階では、セル電圧を前記開回路電圧（ＯＣＶ）にして１０〜２０秒間維持することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の活性化方法。
- 前記第１段階及び前記第４段階における前記開回路電圧（ＯＣＶ）より低い一定水準の電圧が、０．８〜１．２３Ｖであり、前記第１段階では、セル電圧を開回路電圧（ＯＣＶ）より低い一定水準の電圧にして１０〜２０秒間維持することを特徴とする請求項２記載の燃料電池の活性化方法。
- 前記第３段階における前記最低入力電圧が、０．２Ｖであることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池の活性化方法。
- 前記第５段階における前記定電流または定電圧運転モードの運転電圧は、燃料電池のセル当り０．１〜０．８Ｖであることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池の活性化方法。
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