JP2010027430A - 固体高分子型燃料電池のエージング方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】電解質膜中に水を効率的に導入するとともに、電解質膜・電極構造体中の不純物を除去することができ、エージング処理の効率化を図ることを可能にする。
【解決手段】温水循環系36を介して燃料電池10を構成する電解質膜・電極構造体20のアノード側電極16側及びカソード側電極18側に温水を流通させるとともに、冷却媒体循環系40を介して燃料電池10の冷却媒体流路28に加温された冷却媒体を循環供給することにより、前記冷却媒体を介して所定温度に加温された温水が得られる。温水処理の後、燃料電池10に酸化剤ガス及び燃料ガスを供給するとともに、負荷電流を設定することにより、前記燃料電池10の発電エージングを行う。
【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・電極構造体とセパレータと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固体高分子型燃料電池のエージング方法に関する。
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、電解質膜中に水を効率的に導入するとともに、電解質膜・電極構造体中の不純物を除去することができ、エージング処理の効率化を図ることが可能な固体高分子型燃料電池のエージング方法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・電極構造体とセパレータと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固体高分子型燃料電池のエージング方法に関するものである。
このエージング方法は、電解質膜・電極構造体の少なくとも一方の電極側に温水を流通させる工程と、固体高分子型燃料電池に酸化剤ガス及び燃料ガスを供給するとともに、負荷電流を設定することにより、発電エージングを行う工程とを有している。
また、このエージング方法は、負荷電流を固体高分子型燃料電池の最大電流密度の30%以上に設定して発電エージングを行うことが好ましい。
さらに、このエージング方法は、負荷電流を固体高分子型燃料電池の最大電流密度以上に設定して発電エージングを行うことが好ましい。
さらにまた、このエージング方法は、固体高分子型燃料電池に設けられた冷却媒体流路に、加温された冷却媒体を流通させることにより、少なくとも一方の電極側に流通される純水を加温して温水を得る工程を有することが好ましい。
また、このエージング方法は、固体高分子型燃料電池に設けられた冷却媒体流路に、加温された冷却媒体を流通させるとともに、加温された前記冷却媒体を、温水として少なくとも一方の電極側に流通させる工程を有することが好ましい。
さらに、このエージング方法は、温水が、30℃〜55℃の純水であることが好ましい。
本発明では、電解質膜・電極構造体の少なくとも一方の電極側に温水が流通されるため、例えば、常温水や水蒸気等を使用する場合に比べ、前記電解質膜中に水を効率的に導入することができる。これにより、抵抗過電圧、濃度過電圧及び活性過電圧の各過電圧が有効に低減可能になる。従って、発電エージングの初期から高負荷運転が可能になり、エージング時間が良好に短縮されるとともに、エージング時の水素使用量が削減され、経済的である。
しかも、電解質膜・電極構造体中の残留溶媒や接着材成分等の不純物が除去され、清浄機能を有することが可能になる。さらに、電解質膜が膨潤することにより、触媒表面の反応領域が有効に拡大する。
図1は、本発明の第1の実施形態に係る固体高分子型燃料電池10のエージング方法を実施するための温水処理装置12の概略説明図である。
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22aとカソード側セパレータ22bとにより挟持されて単位セル23が構成される。
単位セル23は、所定数だけ矢印A方向に積層されるとともに、積層方向両端には、図示しないターミナルプレート及び絶縁プレートを介装してエンドプレート25a、25bが配設される。エンドプレート25a、25bは、図示しないタイロッドを介して複数の単位セル23を積層方向(矢印A方向)に締め付け保持し、あるいは、箱状ケーシングの端板を構成して前記単位セル23を前記積層方向に締め付け保持する。
アノード側セパレータ22a及びカソード側セパレータ22b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22aとの間には、燃料ガス流路24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22bとの間には、酸化剤ガス流路26が形成される。アノード側セパレータ22aとカソード側セパレータ22bとの間には、冷却媒体流路28が形成される。
燃料電池10は、一端部側に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、前記燃料ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔30bと、前記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。燃料電池10の他端部には、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔34aと、前記冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔34bとが形成される。
温水処理装置12は、電解質膜・電極構造体20の少なくとも一方の電極側に、第1の実施形態では、両方の電極側であるアノード側電極16側及びカソード側電極18側に、温水を流通させるための温水循環系36と、冷却媒体流路28に加温された冷却媒体を循環流通させるための冷却媒体循環系40とを備える。
温水循環系36は、純水42が貯留されるタンク44を備え、このタンク44内には、導電率計46が前記純水42内に浸漬されて配置される。タンク44内には、温水供給配管48の一端部と温水排出配管50の一端部とが配置される。温水供給配管48には、ポンプ52が配置されるとともに、前記温水供給配管48の他端部側は、第1供給配管48a及び第2供給配管48bに分岐する。第1供給配管48aは、燃料電池10の燃料ガス入口連通孔30aに連結される一方、第2供給配管48bは、前記燃料電池10の酸化剤ガス入口連通孔32aに連結される。
温水排出配管50の他端部側は、第1排出配管50a及び第2排出配管50bに分岐する。第1排出配管50aは、燃料電池10の燃料ガス出口連通孔30bに連結される一方、第2排出配管50bは、前記燃料電池10の酸化剤ガス出口連通孔32bに連結される。
冷却媒体循環系40は、冷媒循環用ポンプ62を備え、このポンプ62が冷媒循環配管64に配設される。冷媒循環配管64の両端部は、燃料電池10の冷却媒体入口連通孔34aと冷却媒体出口連通孔34bとに連結されるとともに、ポンプ62の下流側にヒータ66が配設される。燃料電池10は、コントローラ68を介して制御される。
図2は、燃料電池10の温水処理後に、前記燃料電池10に対して発電エージング工程を行うための発電エージング装置70の概略構成図である。なお、発電エージング装置70は、発電エージングのために用いられる専用機として構成されていてもよく、又は車載用として燃料電池10を組み込む燃料電池システムにより、発電エージングを行うように構成してもよい。
発電エージング装置70は、燃料電池10に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給系72と、前記燃料電池10に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給系74と、前記燃料電池10に接続される電子負荷76とを備える。
燃料ガス供給系72は、水素タンク78を備え、この水素タンク78から水素供給管80を介して燃料ガス入口連通孔30aに水素ガスが供給されるとともに、この水素供給管80には、可変バルブ82aが配設される。
燃料ガス供給系72は、燃料ガス出口連通孔30bに連通する水素排出管84を有し、この水素排出管84と水素供給管80とにバイパスライン86が接続される。水素排出管84及びバイパスライン86には、開閉弁88a、88bが配設される。
酸化剤ガス供給系74は、エアポンプ(エアコンプレッサ)90を備え、このエアポンプ90に接続される空気供給管92は、酸化剤ガス入口連通孔32aに接続される。この空気供給管92には、可変バルブ82bが配設される。
酸化剤ガス供給系74は、酸化剤ガス出口連通孔32bに接続される空気排出管94を備え、この空気排出管94と空気供給管92とにバイパスライン96が接続される。空気排出管94及びバイパスライン96には、開閉弁88c、88dが配設される。
電子負荷76は、可変抵抗機能を有しており、燃料電池10の出力電流が零から使用時の最大電流密度以上になるように抵抗値が設定可能である。最大電流密度とは、発熱により固体高分子電解質膜14に劣化が発生しない程度の電流密度であり、設定する出力電流は、最大電流密度の200%、好ましくは、150%以下、より好ましくは、125%以下である。さらに、電流密度が極度に大きくなると、面内の発電分布が大きくなり、好ましくない。
このように構成される温水処理装置12及び発電エージング装置70による運転方法について、図3に示すフローチャートに沿って以下に説明する。
先ず、燃料電池10は、所定数の単位セル23が、図1中、矢印A方向に積層されるとともに、積層方向両端には、図示しないが、ターミナルプレート、絶縁プレート及びエンドプレート25a、25bが配置される。エンドプレート25a、25b間は、図示しないタイロッドにより締め付け保持され、あるいは、ボックス状ケーシングにより積層方向に締め付け保持されて、スタックが組み付けられる(ステップS1)。
上記のスタック化された燃料電池10は、温水処理装置12に取り付けられる。具体的には、温水循環系36では、温水供給配管48から分岐する第1供給配管48aは、燃料電池10の燃料ガス入口連通孔30aに連結される一方、前記温水供給配管48から分岐する第2供給配管48bは、前記燃料電池10の酸化剤ガス入口連通孔32aに連結される。
さらに、温水排出配管50から分岐する第1排出配管50aは、燃料電池10の燃料ガス出口連通孔30bに連結される一方、前記温水排出配管50から分岐する第2排出配管50bは、前記燃料電池10の酸化剤ガス出口連通孔32bに連結される。
また、冷却媒体循環系40では、冷媒循環配管64の両端部は、燃料電池10の冷却媒体入口連通孔34aと冷却媒体出口連通孔34bとに連結される。
次いで、ステップS2に進んで、温水処理装置12が駆動されて、温水エージングが開始される。この温水エージングでは、冷却媒体循環系40を構成するポンプ62の作用下に、冷媒循環配管64内を冷却媒体が循環するとともに、この冷却媒体は、ヒータ66を介して後述する温水を所定の温度に加温するために必要な温度に加温される。
この加温された冷却媒体は、冷却媒体入口連通孔34aから燃料電池10内の冷却媒体流路28内に供給された後、冷却媒体出口連通孔34bから冷媒循環配管64に戻される。このため、燃料電池10内では、各冷却媒体流路28に所定の温度に加温された冷却媒体が循環している。
一方、温水循環系36を構成するポンプ52の駆動作用下に、タンク44に貯留されている純水(タンク44内では、常温水)42が、温水供給配管48に送られる。純水42は、温水供給配管48から分岐する第1及び第2供給配管48a、48bを介して、燃料電池10の燃料ガス入口連通孔30a及び酸化剤ガス入口連通孔32aに導入される。
これにより、純水42は、燃料電池10内の各燃料ガス流路24及び各酸化剤ガス流路26に流通された後、燃料ガス出口連通孔30b及び酸化剤ガス出口連通孔32bから第1及び第2排出配管50a、50bに排出される。従って、純水42は、温水排出配管50を介してタンク44に戻されるため、温水循環系36では、タンク44内の前記純水42が循環供給されている。
その際、燃料ガス流路24及び酸化剤ガス流路26に供給される純水42は、冷却媒体流路28に循環供給される冷却媒体により加温されている。このため、純水42は、例えば、50℃に加温され、温水として燃料ガス流路24及び酸化剤ガス流路26に供給されている。従って、各電解質膜・電極構造体20には、温水が直接供給されるため、固体高分子電解質膜14中に、純水42を効率的且つ迅速に導入することができる。
なお、温水の温度は、例えば、30℃〜55℃の範囲内に設定される。温水温度が30℃未満になると、温水の効果が得られず、固体高分子電解質膜14に水を迅速且つ効率的に導入することができないとともに、前記温水の洗浄効果が十分に得られず、固体高分子電解質膜14の洗浄作業の効率化が図られない。一方、温水温度が55℃を超えると、単位セル23の膨張によって、燃料電池10の締め付け荷重が許容荷重を超えるからである。
そこで、上記の温水エージング処理が、例えば、所定の時間だけ行われると、エージング運転が完了する(ステップS3中、YES)。なお、上記の温水エージング中に、導電率計46により検出された温水の導電率が、所定値以上である場合には、タンク44内の温水の入れ替えが行われる。
エージング完了後、ステップS4に進んで、空気パージが行われる。先ず、温水循環系36を構成するポンプ52の駆動が停止されるとともに、冷却媒体循環系40を構成するポンプ62の駆動が停止される。これにより、燃料電池10内への温水及び冷却媒体の循環が停止される。
次いで、図示しない空気供給系を介して、燃料ガス流路24及び酸化剤ガス流路26に、順次、又は、同時に、空気が供給される。これにより、燃料ガス流路24及び前記酸化剤ガス流路26が空気パージされる。上記の空気パージ処理が終了すると、又は、空気パージ処理の前に、燃料電池10が温水処理装置12から取り外される。
温水エージング工程が終了した燃料電池10は、図2に示すように、発電エージング装置70に取り付けられる。燃料ガス供給系72では、水素供給管80が燃料ガス入口連通孔30aに接続されるとともに、水素排出管84が燃料ガス出口連通孔30bに接続される。酸化剤ガス供給系74では、空気供給管92が酸化剤ガス入口連通孔32aに接続されるとともに、空気排出管94が酸化剤ガス出口連通孔32bに接続される。また、燃料電池10には、電子負荷76が電気的に接続される。
そして、燃料ガス供給系72を構成する水素タンク78は、水素供給管80を介して燃料ガス入口連通孔30aに燃料ガスを供給する。一方、酸化剤ガス供給系74を構成するエアポンプ90を介して、空気供給管92から酸化剤ガス入口連通孔32aに空気が供給される。
このため、燃料ガス流路24に水素ガスが供給されるとともに、酸化剤ガス流路26に空気が供給され、電解質膜・電極構造体20により電気化学反応が発生する。従って、燃料電池10による発電が開始され、電子負荷76を介してこの燃料電池10から出力される電流は、図4に示すように、段階的に増加制御される。
電子負荷76では、燃料電池10の出力電流が使用時の最大電流密度の30%以上〜前記最大電流密度以上に設定される。これにより、発電エージングが行われ、例えば、所定時間が経過することにより(ステップS6中、YES)、燃料電池10のエージング運転が終了する。
この場合、第1の実施形態では、発電エージング工程の前に、温水処理装置12を介して燃料電池10を構成する電解質膜・電極構造体20に温水を直接供給する工程が行われている。このため、例えば、常温水や水蒸気等を使用する場合に比べ、固体高分子電解質膜14中に水を迅速且つ効率的に導入することができる。
従って、抵抗過電圧、濃度過電圧及び活性過電圧の各過電圧が有効に低減可能になり、発電エージング処理時に、短時間で大電流を印加することが可能になる。すなわち、最大電流密度の30%以上、場合によっては、前記最大電流密度以上に設定することができ、発電エージングに要する時間が良好に短縮され、しかも発電エージング時の水素使用量が削減されて経済的であるという効果が得られる。
さらに、電解質膜・電極構造体20中の残留溶媒や接着材成分等の不純物が除去され、清浄機能を有することができる。その上、固体高分子電解質膜14が膨潤することにより、触媒表面の反応領域が有効に拡大するという利点がある。
また、燃料電池10内では、燃料ガス流路24及び酸化剤ガス流路26に温水が供給される一方、冷却媒体流路28には、加温された冷却媒体が供給されるため、前記燃料電池10内での圧力バランスを良好に維持することができる。
なお、第1の実施形態では、燃料ガス流路24及び酸化剤ガス流路26に温水を供給することにより温水エージングを行っているが、これに限定されるものではない。例えば、燃料ガス流路24のみ、又は酸化剤ガス流路26のみに温水を供給して温水エージングを行ってもよい。
図5は、本発明の第2の実施形態に係る固体高分子型燃料電池のエージング方法を実施するための温水処理装置100の概略説明図である。なお、第1の実施形態に係る温水処理装置12と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
温水処理装置100は、温水循環系36と冷却媒体循環系40とを駆動するためのポンプとして、単一のポンプ62のみが用いられる。第1及び第2供給配管48a、48bと冷媒循環配管64とは、温水供給バイパス配管102により連通するとともに、第1及び第2排出配管50a、50bと前記冷媒循環配管64とは、温水排出バイパス配管104を介して連通する。冷媒循環配管64には、タンク44が配設される。
このように構成される温水処理装置100による温水エージング工程では、ポンプ62が駆動されることにより、冷媒循環配管64を介して冷却媒体流路28に加温された冷却媒体が循環されるとともに、温水供給バイパス配管102から第1及び第2供給配管48a、48bに温水(冷却媒体)が供給される。
この温水は、燃料ガス流路24及び酸化剤ガス流路26に供給されて、各電解質膜・電極構造体20の両面に直接供給された後、第1及び第2排出配管50a、50bから温水排出バイパス配管104を通って、タンク44に戻される。このため、温水の循環供給が遂行される。
その際、第2の実施形態では、単一のポンプ62を介して温水循環系36及び冷却媒体循環系40にそれぞれ温水及び冷却媒体を供給している。従って、温水処理装置100全体の構成の簡素化が図られるという効果が得られる。
本発明の第1の実施形態に係る固体高分子型燃料電池のエージング方法を実施するための温水処理装置の概略説明図である。 前記エージング方法を実施するための発電エージング装置の概略説明図である。 前記エージング方法を説明するフローチャートである。 発電エージング工程の負荷電流説明図である。 本発明の第2の実施形態に係る固体高分子型燃料電池のエージング方法を実施するための温水処理装置の概略説明図である。
符号の説明
10…燃料電池 12、100…温水処理装置
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
23…単位セル 24…燃料ガス流路
26…酸化剤ガス流路 28…冷却媒体流路
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
34a…冷却媒体入口連通孔 34b…冷却媒体出口連通孔
36…温水循環系 40…冷却媒体循環系
42…純水 44…タンク
46…導電率計 48…温水供給配管
48a、48b…供給配管 50…温水排出配管
50a、50b…排出配管 52、62…ポンプ
70…発電エージング装置 72…燃料ガス供給系
74…酸化剤ガス供給系 76…電子負荷
78…水素タンク 90…エアポンプ
102…温水供給バイパス配管 104…温水排出バイパス配管

Claims (6)

  1. 電解質膜の両側に一対の電極が配設される電解質膜・電極構造体とセパレータと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固体高分子型燃料電池のエージング方法であって、
    前記電解質膜・電極構造体の少なくとも一方の電極側に温水を流通させる工程と、
    前記固体高分子型燃料電池に酸化剤ガス及び燃料ガスを供給するとともに、負荷電流を設定することにより、発電エージングを行う工程と、
    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方法。
  2. 請求項1記載のエージング方法において、前記負荷電流を前記固体高分子型燃料電池の最大電流密度の30%以上に設定して前記発電エージングを行う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。
  3. 請求項1又は2記載のエージング方法において、前記負荷電流を前記固体高分子型燃料電池の最大電流密度以上に設定して前記発電エージングを行う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。
  4. 請求項1〜3のいずれか1項に記載のエージング方法において、前記固体高分子型燃料電池に設けられた冷却媒体流路に、加温された冷却媒体を流通させることにより、少なくとも前記一方の電極側に流通される純水を加温して前記温水を得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エージング方法。
  5. 請求項1〜3のいずれか1項に記載のエージング方法において、前記固体高分子型燃料電池に設けられた冷却媒体流路に、加温された冷却媒体を流通させるとともに、加温された前記冷却媒体を、前記温水として少なくとも前記一方の電極側に流通させ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エージング方法。
  6. 請求項1〜5のいずれか1項に記載のエージング方法において、前記温水は、30℃〜55℃の純水であ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方法。
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