JP2010140767A - 燃料電池のエージング方法 - Google Patents

Abstract

【課題】初期の触媒活性を十分に行いつつ短時間にてエージングを行うことが可能な燃料電池のエージング方法を提供する。
【解決手段】反応ガスの電気化学反応によって発電する燃料電池１０のエージング方法であって、燃料電池１０の理論起電圧以上の電圧に維持して発電させることにより、触媒活性能力を一様に安定化させることができ、初期の触媒エージングを短時間で行える。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに用いられる燃料電池のエージング方法に関する。

近年、反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）の電気化学反応によって発電する燃料電池をエネルギ源とする燃料電池システムが注目されている。燃料電池システムは、燃料電池のアノードに燃料タンクから高圧の燃料ガスを供給するとともに、カソードに酸化ガスとしての空気を供給し、これら燃料ガスと酸化ガスとを電気化学反応させ、起電力を発生させるものである。
ところで、燃料電池では、セルの組み立て後の発電特性を安定化させるため、ならし運転であるエージングが必要である。
そして、このエージングの方法として、燃料電池に強制通電したり、負荷電流を変動させたり、あるいは、周期的に電気的負荷を加えることにより、エージングの時間を短縮させることが行われている（例えば、特許文献１〜３参照）。
特開２００６−４０８６９号公報 特開２００７−６６６６６号公報 特開２００５−３４００２２号公報

ところで、上記燃料電池は、初期の触媒活性が不十分であると、出力が不安定となり、不安定な電圧挙動により、同一セル内における電流密度分布の劣化を生じ、耐久性が低下するおそれがある。
このため、初期の触媒活性を十分に行いつつエージング時間を短縮させることが可能なエージング方法が要求されている。

そこで、本発明は、初期の触媒活性を十分に行いつつ短時間にてエージングを行うことが可能な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。

本発明の燃料電池のエージング方法は、反応ガスの電気化学反応によって発電する燃料電池のエージング方法であって、前記燃料電池を理論起電圧以上の電圧に維持して発電させ、触媒活性能力を安定化させる。

かかる方法によれば、エージング時の電圧を論理起電圧以上とすることにより、触媒活性能力が一様となって出力が安定するまでの時間を大幅に短縮させることができる。

本発明の燃料電池のエージング方法によれば、初期の触媒活性を十分に行いつつ短時間にてエージングを行うことが可能となる。

以下、本発明に係る実施の形態について図面を参照しながら説明する。

本実施形態では、燃料電池自動車（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）、電気自動車、ハイブリッド自動車などの車両に搭載される燃料電池を想定するが、車両のみならず各種移動体（例えば、二輪車や船舶、飛行機、ロボットなど）にも適用可能である。さらに、移動体に搭載された燃料電池に限らず、定置型の燃料電池や携帯型の燃料電池にも適用可能である。

図１に示す燃料電池１０は、供給される反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）から電力を発生する手段であり、固体高分子型、燐酸型、溶融炭酸塩型など種々のタイプの燃料電池を利用することができる。燃料電池１０は、フッ素系樹脂などで形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜などから成る高分子電解質膜を備え、高分子電解質膜の表面にはＰｔ触媒（電極触媒）が塗布されている。
なお、高分子電解質膜に塗布する触媒は白金触媒に限らず、白金コバルト触媒（以下、単に触媒という）などにも適用可能である。燃料電池１０を構成する各セルは、高分子電解質膜の両面にアノード極とカソード極とを例えばスクリーン印刷などで形成した膜・電極接合体を備えている。燃料電池１０は、複数の単セルを直列に積層したスタック構造を有している。

上記の燃料電池１０では、アノード極側に燃料タンクから高圧の燃料ガスを供給するとともに、カソード極側に酸化ガスとしての空気を供給することにより、これら燃料ガスと酸化ガスとが高分子電解質膜にて電気化学反応し、起電力が発生される。

このような燃料電池１０では、単セルの組み立て後の発電特性を安定化させるため、ならし運転であるエージングが必要である。
このエージングを行うと、図２（ａ）に示すように、担持カーボン２１の周囲に担持された触媒２２の粒子径が揃い、粒子の間隔も略均等とされる。

エージングでの初期の触媒活性が不十分であると、触媒活性能力が一様でないため、反応過渡な状態となり、したがって、出力電圧が不安定な挙動となり、同一セル内における電流密度分布の劣化を生じ、耐久性が低下する。

ここで、図２（ｂ）は、触媒活性能力が一様でない場合の触媒を示している。図２（ｂ）に示すように、担持カーボン２１の周囲に担持された触媒２２は、その粒子径にバラツキがあり、また、粒子の間隔にもバラツキが生じている。

つまり、このような状態では、発電分布を生じ、独立的な均一で安定した生成水排水路が形成されていないため、フラッディングによる異常電圧や面内電流分布による局所劣化が生じる。
したがって、触媒活性能力を一様化するためには、長時間のエージングが必要とされていた。

本実施形態では、図１に示すように、所定の負荷１２を設けた状態にて、電圧印加法にてエージングを行う。その際、電圧計１３によって電圧を監視し、理論起電圧以上の電圧に維持して発電させてエージングを行う。
このようにすると、触媒安定状態への遷移が加速され、触媒活性能力が安定するまでの時間を大幅に短縮させることができる。これにより、短時間にて、図２（ａ）に示したように、担持カーボン２１の周囲に担持された触媒２２の粒子径を揃え、粒子の間隔も略均等化させ、出力のバラツキの少ない安定した燃料電池１０とすることができる。

ここで、図３はエージング時の電圧を示し、図４はエージング時間と出力との関係を示している。
図３中の破線にて示すように、エージング時の電圧を最高負荷ポイントとした場合では、図４中の破線にて示すように、触媒活性能力が一様となって出力が安定するまでの時間が長時間のＴ１となる。

これに対して、図３中の実線にて示すように、エージング時の電圧を論理起電圧以上（例えば、理論起電圧が１．２３Ｖである場合は１．５Ｖ程度）とした場合では、図４中実線にて示すように、触媒活性能力が一様となって出力が安定するまでの時間が大幅に短縮されたＴ２となる。

以上、説明したように、本実施形態にかかる燃料電池のエージング方法によれば、エージング時の電圧を論理起電圧以上とすることにより、触媒活性能力が一様となって出力が安定するまでの時間を大幅に短縮させることができる。
つまり、初期の触媒活性を十分に行いつつ短時間にてエージングを行うことができ、出荷までの期間の短縮及びエージングにかかる燃料の削減を図ることができる。

本実施形態に係る燃料電池のエージング方法を説明する図である。 （ａ）及び（ｂ）はそれぞれ触媒の状態を示す模式図である。 エージング時の電圧を示すグラフ図である。 エージング時間と出力との関係を示すグラフ図である。

符号の説明

１０・・・燃料電池、２２…触媒。

Claims (1)

1. 反応ガスの電気化学反応によって発電する燃料電池のエージング方法であって、
   前記燃料電池を理論起電圧以上の電圧に維持して発電させ、触媒活性能力を安定化させる燃料電池のエージング方法。

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