JP2010192221A - Conditioning method and conditioning system of fuel cell - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a conditioning method of a fuel cell to further improve an output voltage from the fuel cell, and to provide a conditioning system. <P>SOLUTION: This system has a voltage variation stage S1101 in which oxidation and reduction of electrode catalyst are repeated by varying voltages between electrodes of the fuel cell 1, and a temperature/humidity control stage S1102 in which specific activity of the catalyst is improved by controlling the temperature of the fuel cell and the humidity of a gas supplied into the fuel cell during the voltage variation stage. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は燃料電池のコンディショニング方法およびコンディショニングシステムに関する。   The present invention relates to a fuel cell conditioning method and a conditioning system.

近年、環境問題を背景とした社会的要求や動向と呼応して、燃料電池が注目されている。特に、イオン導電性の高分子電解質膜を用いた固体高分子型燃料電池（以下、「ＰＥＦＣ」と称する）は、１００℃以下の低い温度で作動可能なことから、車両用駆動源や定置型電源として期待され、実用化に向けて開発が進められている。   In recent years, fuel cells have attracted attention in response to social demands and trends against the background of environmental problems. In particular, a polymer electrolyte fuel cell (hereinafter referred to as “PEFC”) using an ion conductive polymer electrolyte membrane can be operated at a low temperature of 100 ° C. or lower. It is expected as a power source and is being developed for practical use.

従来、燃料電池の出力電圧を向上させる技術として、燃料電池のアノード電極とカソード電極との間に順方向または逆方向に１．０Ｖ〜１．５Ｖの電圧を印加する方法が知られている（特許文献１）。   Conventionally, as a technique for improving the output voltage of a fuel cell, a method of applying a voltage of 1.0 V to 1.5 V in the forward direction or the reverse direction between the anode electrode and the cathode electrode of the fuel cell is known ( Patent Document 1).

特開２００８−２０４７９９号公報JP 2008-204799 A

しかし、上記の従来技術では、電極触媒自体の比活性を向上させるための最適化をしていないため、電極触媒の性能を十分引き出せておらず、燃料電池の出力電圧を十分向上させていない可能性がある。   However, in the above-described conventional technology, since the optimization for improving the specific activity of the electrode catalyst itself is not performed, the performance of the electrode catalyst cannot be sufficiently obtained, and the output voltage of the fuel cell may not be sufficiently improved. There is sex.

上記課題を解決するために、本発明に係る燃料電池のコンディショニング方法は、電圧変動段階と温度／湿度制御段階とを有する。電圧変動段階は、燃料電池の電極間の電圧を変動させて電極の触媒の酸化および還元を繰り返す。温度／湿度制御段階は、電圧変動段階中に燃料電池の温度および燃料電池内のガスの湿度を制御して触媒の比活性を向上させる。   In order to solve the above problems, a fuel cell conditioning method according to the present invention includes a voltage fluctuation stage and a temperature / humidity control stage. In the voltage variation stage, the voltage between the electrodes of the fuel cell is varied to repeat oxidation and reduction of the electrode catalyst. The temperature / humidity control phase controls the temperature of the fuel cell and the humidity of the gas in the fuel cell during the voltage fluctuation phase to improve the specific activity of the catalyst.

また、本発明に係る燃料電池のコンディショニングシステムは、電圧変動手段と温度／湿度制御手段とを有する。電圧変動手段は、燃料電池の電極間の電圧を変動させて電極の触媒の酸化および還元を繰り返す。温度／湿度制御手段は、電圧変動手段が電極間の電圧を変動させている間に燃料電池の温度および燃料電池内のガスの湿度を制御して触媒の比活性を向上させる。   In addition, the fuel cell conditioning system according to the present invention includes voltage fluctuation means and temperature / humidity control means. The voltage variation means varies the voltage between the electrodes of the fuel cell to repeat oxidation and reduction of the electrode catalyst. The temperature / humidity control means improves the specific activity of the catalyst by controlling the temperature of the fuel cell and the humidity of the gas in the fuel cell while the voltage changing means changes the voltage between the electrodes.

本発明に係る燃料電池のコンディショニング方法によれば、最適化した条件のもとで電極触媒自体を活性化するとともに電池内の不純物を除去することで、電極触媒の性能をより向上させ、燃料電池の出力電圧をより向上させることができる。   According to the fuel cell conditioning method of the present invention, the performance of the electrode catalyst is further improved by activating the electrode catalyst itself and removing impurities in the cell under optimized conditions. Output voltage can be further improved.

燃料電池スタックの全体構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the whole structure of a fuel cell stack. 燃料電池スタックのセル構造を示す要部拡大断面図である。It is a principal part expanded sectional view which shows the cell structure of a fuel cell stack. 本発明の実施形態に係る燃料電池のコンディショニングシステムの構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the structure of the conditioning system of the fuel cell which concerns on embodiment of this invention. 燃料電池のコンディショニングによる出力電圧増大の原因を調査するための実験の条件を示す図である。It is a figure which shows the conditions of the experiment for investigating the cause of the output voltage increase by the conditioning of a fuel cell. 実験１の結果をグラフ化した図である。FIG. 6 is a graph showing the results of Experiment 1. 燃料電池セルのサイクリックボルタモグラムを示す図である。It is a figure which shows the cyclic voltammogram of a fuel cell. 燃料電池セルのサイクリックボルタモグラムを示す図である。It is a figure which shows the cyclic voltammogram of a fuel cell. 燃料電池セルのサイクリックボルタモグラムを示す図である。It is a figure which shows the cyclic voltammogram of a fuel cell. 燃料電池セルのコンディショニングのサイクル数とＥＣＡとの関係の温度依存性および湿度依存性の測定結果を示す図である。It is a figure which shows the measurement result of the temperature dependence of the relationship between the cycle number of conditioning of a fuel cell, and ECA, and humidity dependence. 燃料電池セルのコンディショニングのサイクル数とＥＣＡとの関係の測定結果を示す図であり、電位変動させるカソード電極の上側電位依存性（下側電位は６００ｍＶに固定）と、下側電位依存性（上側電位は９５０ｍＶに固定）を示す。It is a figure which shows the measurement result of the cycle number of the conditioning of a fuel cell, and the relationship of ECA, The upper potential dependence (lower potential is fixed to 600 mV) of the cathode electrode to which electric potential is changed, and lower potential dependence (upper side) The potential is fixed at 950 mV). 本実施形態に係る燃料電池のコンディショニング方法のフローチャートを示す図である。It is a figure which shows the flowchart of the conditioning method of the fuel cell which concerns on this embodiment. 本実施形態を実施したときのコンディショニング後の燃料電池セルの分極曲線と、コンディショニング後の質量活性を、比較例とともに示す図である。It is a figure which shows the polarization curve of the fuel cell after conditioning when implementing this embodiment, and the mass activity after conditioning with a comparative example.

以下に、本発明に係る燃料電池コンディショニング方法およびコンディショニングシステムについて、実施形態により詳細に説明する。   Hereinafter, a fuel cell conditioning method and a conditioning system according to the present invention will be described in detail by embodiments.

まず、本発明の理解を容易なものとするために、燃料電池スタックの全体構成について簡単に説明する。図１は燃料電池スタックの全体構成を示す斜視図であり、図２は、燃料電池スタックのセル構造を示す要部拡大断面図である。   First, in order to facilitate understanding of the present invention, the overall configuration of the fuel cell stack will be briefly described. FIG. 1 is a perspective view showing the overall configuration of the fuel cell stack, and FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of the main part showing the cell structure of the fuel cell stack.

図１に示すように、燃料電池スタック１は、アノードガス（例えば、水素）とカソードガス（例えば、酸素）の反応により起電力を生じる単位電池セル（以下、「燃料電池セル」と称する）２を所定数だけ積層した積層体３を有する。その積層体３の両端に集電板４、絶縁板５およびエンドプレート６を配置し、該積層体３の内部に貫通した貫通孔（図示は省略する）にタイロッド７を貫通させ、そのタイロッド７の端部にナット（図示は省略する）を螺合させることで燃料電池スタック１を構成している。   As shown in FIG. 1, a fuel cell stack 1 includes a unit battery cell (hereinafter referred to as “fuel cell”) 2 that generates an electromotive force by a reaction between an anode gas (for example, hydrogen) and a cathode gas (for example, oxygen). A laminate 3 in which a predetermined number of layers are stacked. The current collector plate 4, the insulating plate 5, and the end plate 6 are disposed at both ends of the laminated body 3, and a tie rod 7 is passed through a through hole (not shown) penetrating through the laminated body 3. A fuel cell stack 1 is configured by screwing a nut (not shown) into the end of the screw.

この燃料電池スタック１においては、アノードガス、カソードガスおよび液状媒体（具体的には冷却水又は温水）をそれぞれ各燃料電池セル２のセパレータ（図示は省略する）に形成された流路溝に流通させる。そのためアノードガス供給口８、アノードガス排出口９、カソードガス供給口１０、カソードガス排出口１１、媒体供給口１２および媒体排出口１３を、一方のエンドプレート６に形成している。   In this fuel cell stack 1, anode gas, cathode gas, and liquid medium (specifically, cooling water or hot water) are circulated through flow channel grooves formed in separators (not shown) of each fuel cell 2. Let Therefore, an anode gas supply port 8, an anode gas discharge port 9, a cathode gas supply port 10, a cathode gas discharge port 11, a medium supply port 12 and a medium discharge port 13 are formed in one end plate 6.

アノードガスは、アノードガス供給口８より供給されてセパレータに形成されたアノードガス供給用の流路溝を流れ、アノードガス排出口９より排出される。カソードガスは、カソードガス供給口１０より供給されてセパレータに形成されたカソードガス供給用の流路溝を流れ、カソードガス排出口１１より排出される。液状媒体は、媒体供給口１２より供給されてセパレータに形成された媒体供給用の流路溝を流れ、媒体排出口１３より排出される。   The anode gas is supplied from the anode gas supply port 8, flows through the anode gas supply channel groove formed in the separator, and is discharged from the anode gas discharge port 9. The cathode gas is supplied from the cathode gas supply port 10, flows through the cathode gas supply channel groove formed in the separator, and is discharged from the cathode gas discharge port 11. The liquid medium is supplied from the medium supply port 12, flows through a medium supply channel groove formed in the separator, and is discharged from the medium discharge port 13.

燃料電池セル２は、図２に示すように、膜電極接合体（以下、ＭＥＡ（ｍｅｍｂｒａｎｅ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ａｓｓｅｍｂｌｙ）と称する）２００と、このＭＥＡ２００の両面にそれぞれ配置されるセパレータ２０３、２０４とから構成される。以下、ＭＥＡ２００のアノード側に配置されるセパレータ２０３を、アノードセパレータ２０３と称し、カソード側に配置されるセパレータ２０４をカソードセパレータ２０４と称する。   As shown in FIG. 2, the fuel battery cell 2 includes a membrane electrode assembly (hereinafter referred to as MEA (membrane electrode assembly)) 200 and separators 203 and 204 disposed on both sides of the MEA 200. . Hereinafter, the separator 203 disposed on the anode side of the MEA 200 is referred to as an anode separator 203, and the separator 204 disposed on the cathode side is referred to as a cathode separator 204.

ＭＥＡ２００は、例えば水素イオンを通す高分子電解質膜である固体高分子電解質膜２０５と、アノード触媒層２０１Ｂとガス拡散層２０１Ａからなるアノードとしてのアノード電極（燃料極）２０１と、電極触媒である触媒金属としてのカソード触媒層２０２Ｂとガス拡散層２０２Ａからなるカソードとしてのカソード電極（空気極）２０２とからなる。ＭＥＡ２００は、アノード電極２０１とカソード電極２０２によって、固体高分子電解質膜２０５をその両側から挟み込んだ積層構造とされている。   The MEA 200 includes, for example, a solid polymer electrolyte membrane 205 that is a polymer electrolyte membrane that allows hydrogen ions to pass through, an anode electrode (fuel electrode) 201 that is an anode composed of an anode catalyst layer 201B and a gas diffusion layer 201A, and a catalyst that is an electrode catalyst. It consists of a cathode catalyst layer 202B as a metal and a cathode electrode (air electrode) 202 as a cathode composed of a gas diffusion layer 202A. The MEA 200 has a laminated structure in which a solid polymer electrolyte membrane 205 is sandwiched from both sides by an anode electrode 201 and a cathode electrode 202.

セパレータ２０３、２０４は、板厚の薄い導電性金属板を金型で所定形状に成形することにより形成される。セパレータ２０３、２０４は、図に示すように、発電に寄与するアクティブ領域（ＭＥＡ２００と接する中央部分の領域）に、凸部と凹部を交互に形成した凹凸形状（いわゆるコルゲート形状）を有している。   The separators 203 and 204 are formed by forming a thin conductive metal plate into a predetermined shape using a mold. As shown in the figure, the separators 203 and 204 have an uneven shape (so-called corrugated shape) in which convex portions and concave portions are alternately formed in an active region contributing to power generation (a central portion region in contact with the MEA 200). .

ＭＥＡ２００のアノード電極２０１側に接して配置されるアノードセパレータ２０３の凸部と凹部は、ＭＥＡ１４との間にアノードガスを流通させる流路溝となりアノードガス流路を形成する。一方、ＭＥＡ２００のカソード電極２０２側に接して配置されるカソードセパレータ２０４の凸部と凹部は、ＭＥＡ２００との間にカソードガスを流通させる流路溝となりカソードガス流路を形成する。   The convex portions and concave portions of the anode separator 203 disposed in contact with the anode electrode 201 side of the MEA 200 serve as flow channel grooves for circulating the anode gas between the MEA 14 and form an anode gas flow channel. On the other hand, the convex part and the concave part of the cathode separator 204 arranged in contact with the cathode electrode 202 side of the MEA 200 serve as a channel groove for allowing the cathode gas to flow between the MEA 200 and form a cathode gas channel.

アノードガス流路に水素を、カソードガス流路に酸素を、それぞれ流通させると、水素はアノード触媒層２０１Ｂの触媒作用で水素イオンに変わり電子を放出する。電子を放出した水素イオンは固体高分子電解質膜２０５を通過する。カソード触媒層２０２Ｂでは固体高分子電解質膜２０５を通過してきた水素と外部回路（図示せず）を経由してきた電子が酸素と反応して水を生成する。この作用によってアノード電極２０１は負に帯電し、カソード電極２０２は正に帯電するため、アノード電極２０１とカソード電極２０２との間で直流電圧が発生する。   When hydrogen is passed through the anode gas flow path and oxygen is passed through the cathode gas flow path, the hydrogen is changed to hydrogen ions by the catalytic action of the anode catalyst layer 201B and releases electrons. The hydrogen ions that have released the electrons pass through the solid polymer electrolyte membrane 205. In the cathode catalyst layer 202B, hydrogen that has passed through the solid polymer electrolyte membrane 205 and electrons that have passed through an external circuit (not shown) react with oxygen to generate water. By this action, the anode electrode 201 is negatively charged and the cathode electrode 202 is positively charged, so that a DC voltage is generated between the anode electrode 201 and the cathode electrode 202.

以上、一般的な構造の燃料電池スタックおよび燃料電池セルについて説明したが、本実施形態に係る燃料電池コンディショニング方法およびコンディショニングシステムは、あらゆる構造の燃料電池に適用することができる。   The fuel cell stack and the fuel cell having a general structure have been described above. However, the fuel cell conditioning method and the conditioning system according to the present embodiment can be applied to fuel cells having any structure.

本明細書において、燃料電池と記載したときは、たとえば、燃料電池スタック、燃料電池セルといった、それ自体で一の燃料電池として機能するもののいずれをも含みうるものとする。   In the present specification, the term “fuel cell” may include any of those that function as a single fuel cell, such as a fuel cell stack and a fuel cell.

図３は、本発明の実施形態に係る燃料電池のコンディショニングシステムの構成を示す説明図である。   FIG. 3 is an explanatory diagram showing a configuration of a fuel cell conditioning system according to an embodiment of the present invention.

本実施形態に係る燃料電池のコンディショニングシステムは、燃料電池スタック１、電圧源３００、電圧計３０１、温度計３０２、温度調節器３０３、カソードガス湿度調節器３０４、アノードガス湿度調節器３０５、制御装置３０６、カソードガス流量センサ３０７、アノードガス流量センサ３０８、コンプレッサ３０９、カソードガス調圧弁３１０、アノードガス調圧弁３１１、により構成する。   The fuel cell conditioning system according to this embodiment includes a fuel cell stack 1, a voltage source 300, a voltmeter 301, a thermometer 302, a temperature regulator 303, a cathode gas humidity regulator 304, an anode gas humidity regulator 305, and a control device. 306, a cathode gas flow sensor 307, an anode gas flow sensor 308, a compressor 309, a cathode gas pressure regulating valve 310, and an anode gas pressure regulating valve 311.

燃料電池スタック１には、アノードガス調圧弁３１１、アノードガス湿度調節器３０５を介してアノードガスを供給する。具体的には、アノードガスタンク（図示せず）から供給される圧縮されたアノードガスを、アノードガス調圧弁３１１で減圧した後、燃料電池スタック１のアノードガス供給口に供給する。この際、アノードガス流量センサは、アノードガス供給口に供給されるアノードガスの流量を測定し、制御部３０６は、該流量が所望の値となるようにアノードガス調圧弁３１１を制御する。   Anode gas is supplied to the fuel cell stack 1 through an anode gas pressure regulating valve 311 and an anode gas humidity controller 305. Specifically, the compressed anode gas supplied from an anode gas tank (not shown) is depressurized by the anode gas pressure regulating valve 311 and then supplied to the anode gas supply port of the fuel cell stack 1. At this time, the anode gas flow rate sensor measures the flow rate of the anode gas supplied to the anode gas supply port, and the control unit 306 controls the anode gas pressure regulating valve 311 so that the flow rate becomes a desired value.

アノードガス湿度調節器３０５は、燃料電池スタック１におけるアノードガスの湿度を調節する。たとえば、アノードガス湿度調節器３０５は、燃料電池スタック１に供給される前のアノードガスの温度および湿度を測定し、該温度を調節して該温度と燃料電池スタック１内におけるアノードガスの温度との差を生じさせることにより、燃料電池スタック１内におけるアノードガスの湿度を調節してもよい。制御部３０６は、アノードガス湿度調節器３０５を制御する。燃料電池スタック１におけるアノードガスの湿度を調節することは、燃料電池セル内のアノードガスの湿度を調節することにもなる。   The anode gas humidity controller 305 adjusts the humidity of the anode gas in the fuel cell stack 1. For example, the anode gas humidity controller 305 measures the temperature and humidity of the anode gas before being supplied to the fuel cell stack 1, adjusts the temperature, and the temperature of the anode gas in the fuel cell stack 1. The humidity of the anode gas in the fuel cell stack 1 may be adjusted by causing the difference. The control unit 306 controls the anode gas humidity controller 305. Adjusting the humidity of the anode gas in the fuel cell stack 1 also adjusts the humidity of the anode gas in the fuel cell.

また、燃料電池スタック１には、コンプレッサ３０９、カソードガス湿度調節器３０４を介してカソードガスを供給する。具体的には、カソードガスは、コンプレーサ３０９によって加圧した後、燃料電池スタック１のカソードガス供給口に供給する。この際、カソードガス流量センサは、カソードガス供給口に供給されるアノードガスの流量を測定し、制御部３０６は、該流量が所望の値となるように、コンプレーサ３０９と、燃料電池スタック１のカソードガス排出管３１２に設けられたカソードガス調圧弁３１０と、を制御する。   The fuel cell stack 1 is supplied with cathode gas via a compressor 309 and a cathode gas humidity controller 304. Specifically, the cathode gas is pressurized by the compressor 309 and then supplied to the cathode gas supply port of the fuel cell stack 1. At this time, the cathode gas flow rate sensor measures the flow rate of the anode gas supplied to the cathode gas supply port, and the control unit 306 controls the compressor 309 and the fuel cell stack 1 so that the flow rate becomes a desired value. The cathode gas pressure regulating valve 310 provided in the cathode gas discharge pipe 312 is controlled.

カソードガス湿度調節器３０４は、燃料電池スタック１におけるカソードガスの湿度を調節する。たとえば、カソードガス湿度調節器３０４は、燃料電池スタック１に供給される前のカソードガスの温度および湿度を測定し、該温度を調節して該温度と燃料電池スタック１内におけるカソードガスの温度との差を生じさせることにより、燃料電池スタック１内におけるカソードガスの湿度を調節してもよい。制御部３０６は、カソードガス湿度調節器３０４を制御する。燃料電池スタック１におけるカソードガスの湿度を調節することは、燃料電池セル内のカソードガスの湿度を調節することにもなる。   The cathode gas humidity controller 304 adjusts the humidity of the cathode gas in the fuel cell stack 1. For example, the cathode gas humidity controller 304 measures the temperature and humidity of the cathode gas before being supplied to the fuel cell stack 1, adjusts the temperature, and the temperature of the cathode gas in the fuel cell stack 1. The humidity of the cathode gas in the fuel cell stack 1 may be adjusted by causing the difference. The control unit 306 controls the cathode gas humidity controller 304. Adjusting the humidity of the cathode gas in the fuel cell stack 1 also adjusts the humidity of the cathode gas in the fuel cell.

一般的に、燃料電池を動作させる場合は、カソードガスとして酸素（Ｏ２）または空気を使用する。しかし、本実施形態においては、燃料電池を電池動作させなくてもよいため、カソードガスとして不活性ガスである窒素（Ｎ２）を用いる。カソードガスとして窒素（Ｎ２）を用いることで、酸素（Ｏ２）または空気を用いる場合よりコスト低減を実現できる。ただし、カソードガスとして酸素（Ｏ２）または空気を使用してもよいことは勿論である。 Generally, when operating a fuel cell, oxygen (O 2 ) or air is used as a cathode gas. However, in this embodiment, since the fuel cell need not be operated, nitrogen (N 2 ), which is an inert gas, is used as the cathode gas. By using nitrogen (N 2 ) as the cathode gas, cost reduction can be realized as compared with the case of using oxygen (O 2 ) or air. However, it goes without saying that oxygen (O 2 ) or air may be used as the cathode gas.

本実施形態は、燃料電池の出荷前および出荷後のいずれにおいても実施することができる。燃料電池の出荷前においては、前述したように、カソードガスとして窒素を用いることが望ましい。一方、燃料電池出荷後、車両内に実装した燃料電池において本実施形態を実施する場合は、カソードガスとして酸素または空気を用いることが望ましい。窒素を用いる場合は車両内に窒素貯蔵用タンクを用意する必要があり、コスト面で不利になるからである。   This embodiment can be implemented both before shipment of the fuel cell and after shipment. Prior to shipment of the fuel cell, as described above, it is desirable to use nitrogen as the cathode gas. On the other hand, when the present embodiment is implemented in a fuel cell mounted in a vehicle after the shipment of the fuel cell, it is desirable to use oxygen or air as the cathode gas. This is because when nitrogen is used, it is necessary to prepare a tank for storing nitrogen in the vehicle, which is disadvantageous in terms of cost.

温度調節器３０３は、燃料電池スタック１の温度を調節する。温度調節器３０３はヒータであってもよいがこれに限定されない。たとえば、燃料電池スタック１内を循環させる冷媒の流量を調節することで燃料電池スタック１の温度を調節するポンプであってもよい。   The temperature controller 303 adjusts the temperature of the fuel cell stack 1. The temperature controller 303 may be a heater, but is not limited thereto. For example, a pump that adjusts the temperature of the fuel cell stack 1 by adjusting the flow rate of the refrigerant circulating in the fuel cell stack 1 may be used.

温度計３０２は、燃料電池スタック１の温度を計測する。燃料電池セルの温度は、各燃料電池セルの温度を測定してその平均値としてもよいし、複数の燃料電池セルからなるセルユニットを検出単位として温度を測定してその平均値としてもよい。また、燃料電池スタック１内の一箇所の温度を燃料電池セルの温度としてもよい。制御部３０６は、温度計３０２が測定した温度をモニタし、モニタした温度に基づいて温度調節器３０３を制御し、温度調節にフィードバックすることで温度調節を高精度に行いうる。   The thermometer 302 measures the temperature of the fuel cell stack 1. The temperature of the fuel cell may be an average value obtained by measuring the temperature of each fuel cell, or may be an average value obtained by measuring the temperature using a cell unit composed of a plurality of fuel cells as a detection unit. Further, the temperature of one location in the fuel cell stack 1 may be the temperature of the fuel cell. The control unit 306 can monitor the temperature measured by the thermometer 302, control the temperature controller 303 based on the monitored temperature, and perform temperature adjustment with high accuracy by feeding back to the temperature adjustment.

電圧源３００は、燃料電池スタック１の電圧出力端子であるカソード電極とアノード電極の電極間に交流電圧を印加することで該電極間の電圧（以下、「電極間電圧」と称する）を変動させる。これにより、燃料電池セルの電極間電圧も変動する。電圧源３００としては、たとえばＰＧＳ（Ｐｏｔｅｎｔｉｏｇａｌｖａｎｏｓｔａｔ）を用いてもよい。   The voltage source 300 varies the voltage between the electrodes (hereinafter referred to as “interelectrode voltage”) by applying an AC voltage between the cathode electrode and the anode electrode which are voltage output terminals of the fuel cell stack 1. . Thereby, the voltage between the electrodes of the fuel cell also varies. As the voltage source 300, for example, PGS (potentiogalvanostat) may be used.

電圧源３００は、燃料電池セルのアノード電極の電位に対するカソード電極の電位（以下、「カソード電位」と称する）を変動させることで、カソード電極およびアノード電極の各触媒層の触媒（Ｐｔ）の酸化と還元を繰り返す。カソード電位を高い電位（第一電位）にすることで触媒層の触媒を酸化することができ、触媒は酸化されることによりイオン化（Ｐｔ２＋）し、溶解する。逆に、カソード電位を低い電位（第二電位）にすることで触媒層の触媒を還元することができ、イオン化により溶解した触媒を還元することにより、触媒は再析出する。 The voltage source 300 varies the potential of the cathode electrode with respect to the potential of the anode electrode of the fuel cell (hereinafter referred to as “cathode potential”), thereby oxidizing the catalyst (Pt) of each catalyst layer of the cathode electrode and the anode electrode. Repeat the reduction. By setting the cathode potential to a high potential (first potential), the catalyst in the catalyst layer can be oxidized, and the catalyst is ionized (Pt 2+ ) and dissolved by being oxidized. Conversely, the catalyst in the catalyst layer can be reduced by setting the cathode potential to a low potential (second potential), and the catalyst is reprecipitated by reducing the catalyst dissolved by ionization.

電圧計３０１は、燃料電池スタック１を構成する各燃料電池セルの出力電圧（すなわち、電極間電圧）を測定する。ただし、電圧計３０１は、複数の燃料電池セルからなるセルユニットを検出単位として出力電圧を測定してもよいし、燃料電池スタック１全体の出力電圧を測定してもよい。制御部３０６は、電圧計３０１が測定した電圧をモニタし、モニタした電圧に基づいて電圧源３００を制御し、発生電圧にフィードバックすることで電極間電圧を高精度に制御しうる。   The voltmeter 301 measures the output voltage (that is, the interelectrode voltage) of each fuel cell constituting the fuel cell stack 1. However, the voltmeter 301 may measure the output voltage using a cell unit composed of a plurality of fuel cells as a detection unit, or may measure the output voltage of the entire fuel cell stack 1. The control unit 306 can monitor the voltage measured by the voltmeter 301, control the voltage source 300 based on the monitored voltage, and control the voltage between the electrodes with high accuracy by feeding back to the generated voltage.

燃料電池スタック１のアノードガス排出口からは、燃料電池スタック１を構成する各燃料電池セルのアノード電極から排出されるアノードガス（未使用のアノードガスを含む排出ガス）を排出する。   From the anode gas discharge port of the fuel cell stack 1, anode gas (exhaust gas including unused anode gas) discharged from the anode electrode of each fuel cell constituting the fuel cell stack 1 is discharged.

燃料電池スタック１のカソードガス排出口からは、燃料電池スタック１を構成する各燃料電池セルのカソード電極から排出されるカソードガス（未使用のカソードガスを含む排出ガス）を排出する。   From the cathode gas discharge port of the fuel cell stack 1, the cathode gas (exhaust gas including unused cathode gas) discharged from the cathode electrode of each fuel cell constituting the fuel cell stack 1 is discharged.

制御部３０６は、本実施形態に係る燃料電池のコンディショニングシステムを構成する各要素を制御する。なお、簡単のために、制御３０６の制御対象となっている各要素への制御信号線は図示を省略した。制御部３０６は、計算機能を有し、たとえば、温度計３０２が測定した各燃料電池セルの温度の平均値を計算し、内蔵するメモリ３０６Ａに記憶させ、記憶させた該平均値に基づいて電圧源３００を制御してもよい。制御部３０６はあらかじめメモリ３０６Ａに記憶させたプログラムに従って制御を行ってもよい。   The control unit 306 controls each element constituting the fuel cell conditioning system according to the present embodiment. For the sake of simplicity, the illustration of control signal lines to the respective elements that are controlled by the control 306 is omitted. The control unit 306 has a calculation function, for example, calculates an average value of the temperature of each fuel cell measured by the thermometer 302, stores the average value in the built-in memory 306A, and voltage based on the stored average value. The source 300 may be controlled. The control unit 306 may perform control according to a program stored in the memory 306A in advance.

本実施形態は、燃料電池セルのカソード電位を変動させて触媒層の触媒の酸化および還元を繰り返させている状態で、燃料電池セルの温度および燃料電池セル内に供給されたカソードガスおよびアノードガスの湿度を調整する。これにより、触媒の比活性を向上させるとともに電池内の不純物を除去する。すなわち、電極触媒自体を活性化させ（すなわち、触媒の比活性を向上させ）、かつ、電池内の不純物を凝縮水とともに除去することで、電極触媒の性能を向上させ、燃料電池の出力電圧を向上させる。   In this embodiment, in the state where the cathode potential of the fuel cell is fluctuated and the oxidation and reduction of the catalyst in the catalyst layer are repeated, the temperature of the fuel cell and the cathode gas and anode gas supplied into the fuel cell Adjust the humidity. This improves the specific activity of the catalyst and removes impurities in the battery. That is, the electrode catalyst itself is activated (that is, the specific activity of the catalyst is improved), and impurities in the battery are removed together with the condensed water, thereby improving the performance of the electrode catalyst and increasing the output voltage of the fuel cell. Improve.

本実施形態においては、電極触媒自体を活性化させるために、まず、燃料電池セルの電極間電圧（すなわち、カソード電位）を変動させて、カソード電極およびアノード電極の各触媒層の触媒の酸化と還元を繰り返す。そして、触媒が酸化と還元を繰り返している状態で、燃料電池セルの温度および燃料電池セル内のガスの湿度を電極触媒自体が活性化するのに最も適した値に制御する。また、同時に、燃料電池セルの湿度を上昇させる制御をして燃料電池セル内で凝縮水を発生させ、凝縮水で燃料電池セル内の不純物を凝縮水とともに除去する。   In this embodiment, in order to activate the electrode catalyst itself, first, the voltage between the electrodes of the fuel cell (that is, the cathode potential) is varied to oxidize the catalyst in each catalyst layer of the cathode electrode and the anode electrode. Repeat the reduction. Then, in a state where the catalyst repeats oxidation and reduction, the temperature of the fuel cell and the humidity of the gas in the fuel cell are controlled to values most suitable for the activation of the electrode catalyst itself. At the same time, control is performed to increase the humidity of the fuel battery cell to generate condensed water in the fuel battery cell, and impurities in the fuel battery cell are removed together with the condensed water by the condensed water.

燃料電池セルの電極間電圧を変動させるために、電圧源３００により電極間に交流電圧を印加する。ただし、燃料電池セルの電極間電圧を変動させることができればこれに限定されない。すなわち、電圧源３００の代わりに電流源を使用して、カソード電極とアノード電極のいずれか一方または双方に交流電流を印加することで電極間電圧を変動させてもよい。また、電極間に接続する負荷抵抗器の数を、スイッチを切替えて変化させることにより電極間電圧を変動させてもよい。   In order to vary the voltage between the electrodes of the fuel cell, an AC voltage is applied between the electrodes by the voltage source 300. However, the present invention is not limited to this as long as the voltage between the electrodes of the fuel cell can be varied. In other words, the voltage between the electrodes may be changed by using an electric current source instead of the voltage source 300 and applying an alternating current to one or both of the cathode electrode and the anode electrode. Further, the voltage between the electrodes may be varied by changing the number of load resistors connected between the electrodes by switching the switch.

燃料電池セルのカソード電位は、上述した第一電位と第二電位との間で変動させるが、第一電位は９００ｍＶ以上で第二電位は７００ｍＶ以下とすることが望ましい。後述するように、このような条件でカソード電位を変動させることで、電極触媒の溶解および再析出反応を促進することができるので、電極触媒自体の比活性をより向上させることができる。   The cathode potential of the fuel cell is varied between the first potential and the second potential described above, and it is desirable that the first potential is 900 mV or more and the second potential is 700 mV or less. As will be described later, by changing the cathode potential under such conditions, the dissolution and reprecipitation reaction of the electrode catalyst can be promoted, so that the specific activity of the electrode catalyst itself can be further improved.

燃料電池セルの温度の制御は、上述したように、温度調節器３０３で行う。燃料電池セル内のガスの湿度の制御は、上述したように、アノードガス湿度調節器３０５およびカソードガス湿度調節器３０４で行う。燃料電池セルの温度は６０℃以上とし、燃料電池セルに供給するガスの相対湿度は７０％以上とすることが望ましい。後述するように、このような温度および湿度条件とすることで、触媒の溶解・再析出反応を促進させることができ、触媒自体の活性化の条件が最適化される。そのため、電極触媒自体の比活性をより向上させることができ、燃料電池の出力電圧をより効果的に向上させることができる。   The temperature of the fuel cell is controlled by the temperature controller 303 as described above. Control of the humidity of the gas in the fuel cell is performed by the anode gas humidity controller 305 and the cathode gas humidity controller 304 as described above. The temperature of the fuel cell is preferably 60 ° C. or higher, and the relative humidity of the gas supplied to the fuel cell is preferably 70% or higher. As described later, by setting such temperature and humidity conditions, the dissolution / reprecipitation reaction of the catalyst can be promoted, and the activation conditions of the catalyst itself are optimized. Therefore, the specific activity of the electrode catalyst itself can be further improved, and the output voltage of the fuel cell can be more effectively improved.

以上、本実施形態に係る燃料電池のコンディショニングシステムについて説明したが、本実施形態は、カソード電位を変動させて触媒層の触媒の酸化および還元を繰り返させた状態で、燃料電池セル内の温度および湿度を最適値となるように調整する。これにより、触媒の比活性を向上させるとともに電池内の不純物を除去する。すなわち、電極触媒自体を活性化するとともに電池内の不純物を凝結水とともに除去することで、電極触媒の性能を十分に向上させ、燃料電池の出力電圧を十分に向上させるというものである。   As described above, the fuel cell conditioning system according to the present embodiment has been described. However, in the present embodiment, in the state where the oxidation and reduction of the catalyst in the catalyst layer are repeated by changing the cathode potential, Adjust the humidity to the optimum value. This improves the specific activity of the catalyst and removes impurities in the battery. That is, by activating the electrode catalyst itself and removing impurities in the battery together with the condensed water, the performance of the electrode catalyst is sufficiently improved and the output voltage of the fuel cell is sufficiently improved.

そこで、次に、本実施形態に係る燃料電池のコンディションシステムでコンディショニングすることにより触媒の比活性を向上させ、燃料電池の出力電圧を向上させることができる理由および条件について、実験結果とともに説明する。   Then, next, the reason and conditions which can improve the specific activity of a catalyst by conditioning with the conditioning system of the fuel cell concerning this embodiment, and can improve the output voltage of a fuel cell are explained with an experimental result.

＜実験１＞
本実験では、燃料電池のコンディショニングによる出力電圧増大の原因について考察した。 <Experiment 1>
In this experiment, the cause of the increase in the output voltage due to the conditioning of the fuel cell was considered.

図４は、燃料電池のコンディショニングによる出力電圧増大の原因を調査するための実験の条件を示す図である。図４に示すように、実験は、燃料電池セルのカソード電極からアノード電極に強制的に流す電流（以下、「負荷電流」と称する）と、カソードガスと、を切り替えることで行った。具体的には、（１）負荷電流：２．５Ａ、カソードガス：Ｏ２、（２）負荷電流：２５Ａ、カソードガス：Ｏ２、（３）負荷電流：２５Ａ、カソードガス：空気、（４）負荷電流：２．５Ａ、カソードガス：空気、の４つの条件を１５分ごとに順次切り替えた。カソードガスは、相対湿度を７０％、ガス流量を１５リットル／分とした。アノードガスは水素（Ｈ２）を用い、相対湿度を１００％、ガス流量を４リットル／分とした。実験１では、上記４つの条件における燃料電池セルの出力電圧を測定した。 FIG. 4 is a diagram showing experimental conditions for investigating the cause of an increase in output voltage due to conditioning of the fuel cell. As shown in FIG. 4, the experiment was performed by switching between a current forcibly flowing from the cathode electrode of the fuel cell to the anode electrode (hereinafter referred to as “load current”) and the cathode gas. Specifically, (1) load current: 2.5 A, cathode gas: O 2 , (2) load current: 25 A, cathode gas: O 2 , (3) load current: 25 A, cathode gas: air, (4 ) Four conditions of load current: 2.5 A and cathode gas: air were sequentially switched every 15 minutes. The cathode gas had a relative humidity of 70% and a gas flow rate of 15 liters / minute. The anode gas was hydrogen (H 2 ), the relative humidity was 100%, and the gas flow rate was 4 liters / minute. In Experiment 1, the output voltage of the fuel cell under the above four conditions was measured.

図５は、実験１の結果をグラフ化した図である。条件（１）の実験結果は白い四角のプロット、条件（２）は黒い四角のプロット、条件（３）は黒い三角のプロット、条件（４）は白い三角のプロット、で示した。それぞれの実験結果は燃料電池セルのｉＲ−Ｆｒｅｅ出力電圧で示している。ここで、ｉＲ−Ｆｒｅｅ出力電圧とは、燃料電池セルの内部抵抗（周波数１ｋＨｚのときの交流抵抗）による電圧降下を差し引いた出力電圧である。実験１においてｉＲ−Ｆｒｅｅ出力電圧を用いるのは、内部抵抗による電圧降下は負荷電流により変化し燃料電池セルの出力電圧に影響を与えるため、あらかじめ内部抵抗による該影響を除外するためである。   FIG. 5 is a graph of the results of Experiment 1. The experimental results of condition (1) are shown as white square plots, condition (2) as black square plots, condition (3) as black triangle plots, and condition (4) as white triangle plots. Each experimental result is shown by the iR-Free output voltage of the fuel cell. Here, the iR-Free output voltage is an output voltage obtained by subtracting the voltage drop due to the internal resistance of the fuel cell (AC resistance at a frequency of 1 kHz). The reason why the iR-Free output voltage is used in Experiment 1 is that the voltage drop due to the internal resistance changes depending on the load current and affects the output voltage of the fuel cell, so that the influence due to the internal resistance is excluded in advance.

図５に示すグラフから、燃料電池セルのコンディショニングによる出力電圧向上に寄与する原因について検討した。   From the graph shown in FIG. 5, the cause contributing to the output voltage improvement by the conditioning of the fuel cell was examined.

条件（１）の結果を参照すると、コンディショニングにより燃料電池セルの出力電圧が４５ｍＶ向上した。条件（１）は、カソードガスとして酸素（Ｏ２）を供給していたため、触媒層には常に十分な酸素が存在していたはずである。したがって、条件（１）においては、酸素が拡散により触媒層に達するのに要する時間の効果による電圧降下（すなわち、酸素の拡散による出力電圧の向上）は発生していないと考えられる。そうすると、条件（１）による出力電圧の向上幅４５ｍＶには、酸素の拡散による効果は寄与しておらず、触媒層の活性化による効果のみが寄与していると考えられる。 Referring to the result of the condition (1), the output voltage of the fuel cell increased by 45 mV by conditioning. In condition (1), oxygen (O 2 ) was supplied as the cathode gas, so that there should always be sufficient oxygen in the catalyst layer. Therefore, under the condition (1), it is considered that a voltage drop due to the effect of the time required for oxygen to reach the catalyst layer by diffusion (that is, an increase in output voltage due to oxygen diffusion) does not occur. Then, it is considered that only the effect due to the activation of the catalyst layer contributes to the improvement width 45 mV of the output voltage due to the condition (1), without the effect due to the diffusion of oxygen.

次に、酸素の拡散による出力電圧の向上幅を求めるために、条件（３）と条件（４）とにおけるコンディショニングによる出力電圧の向上幅の差（以下、「Ｏ２ゲイン」と称する）を求めた。Ｏ２ゲインは、空気から酸素（Ｏ２）に供給するカソードガスを切り替えたときにどれだけ出力電圧が向上するかを示すものである。すなわち、Ｏ２ゲインを求めることで、拡散による出力電圧の向上幅を推定することができる。実験結果から、Ｏ２ゲインは１０〜１６ｍＶと算出された。 Next, in order to obtain the improvement width of the output voltage due to oxygen diffusion, the difference (hereinafter referred to as “O 2 gain”) of the improvement width of the output voltage due to the conditioning between the condition (3) and the condition (4) is obtained. It was. The O 2 gain indicates how much the output voltage is improved when the cathode gas supplied from the air to oxygen (O 2 ) is switched. That is, by obtaining the O 2 gain, the improvement width of the output voltage due to diffusion can be estimated. From the experimental results, the O 2 gain was calculated to be 10 to 16 mV.

本実験の結果によれば、燃料電池セルのコンディショニングによる出力電圧の向上（向上幅５５〜６１ｍＶ）には、酸素の拡散による効果が１０〜１６ｍＶ寄与し、触媒層の活性化による効果が４５ｍＶ寄与していると考えられる。そうすると、燃料電池セルのコンディショニングによる出力電圧の向上の７０％が、触媒層の活性化に起因するものであると考えられる。   According to the result of this experiment, the effect of diffusion of oxygen contributes 10 to 16 mV and the effect of activation of the catalyst layer contributes 45 mV to the output voltage improvement (improvement range 55 to 61 mV) by conditioning the fuel cell. it seems to do. Then, it is considered that 70% of the increase in the output voltage due to the conditioning of the fuel cell is due to the activation of the catalyst layer.

以上、本実験により、コンディショニングによる燃料電池の出力電圧の向上は、その７０％が触媒層の活性化に起因することが実証された。   As described above, it was proved by this experiment that 70% of the improvement in the output voltage of the fuel cell due to the conditioning was caused by the activation of the catalyst layer.

＜実験２＞
本実験では、コンディショニングによる触媒層の活性化の要因分析と、該活性化に与える燃料電池セルの温度の影響について考察した。 <Experiment 2>
In this experiment, factor analysis of the activation of the catalyst layer by conditioning and the influence of the temperature of the fuel cell on the activation were considered.

図６は、燃料電池セルのサイクリックボルタモグラム（Ｃｙｃｌｉｃ Ｖｏｌｔａｍｍｏｇｒａｍｓ、以下、「ＣＶ」と称する）を示す図である。ＣＶの測定条件は、温度：３０℃（図６のＡ）および８０℃（図６のＢ）、カソードガス：窒素（Ｎ２）、アノードガス：水素（Ｈ２）であり、コンディショニング前後のカソード電極およびアノード電極について測定した。 FIG. 6 is a diagram showing a cyclic voltammogram (hereinafter referred to as “CV”) of the fuel battery cell. The measurement conditions of CV are: temperature: 30 ° C. (A in FIG. 6) and 80 ° C. (B in FIG. 6), cathode gas: nitrogen (N 2 ), anode gas: hydrogen (H 2 ), and cathode before and after conditioning Measurements were made on the electrode and the anode electrode.

図７および図８も同様に燃料電池セルのＣＶを示す図である。測定条件は、温度：２５℃（図７）および６０℃（図８）、カソードガス：Ｎ２、アノードガス：Ｈ２であり、カソード電極およびアノード電極についてのコンディショニングサイクル数依存性を測定したものである。 7 and 8 are also diagrams showing the CV of the fuel cell. The measurement conditions were temperature: 25 ° C. (FIG. 7) and 60 ° C. (FIG. 8), cathode gas: N 2 , and anode gas: H 2 , and the dependence of the number of conditioning cycles on the cathode and anode electrodes was measured. It is.

図６のＣＶの実線の楕円で囲んだ部分に注目すると、触媒（Ｐｔ）の還元電流がコンディショニング後で減少したことが判る。このことは、コンディショニングにより有効触媒表面積（ＥｌｅｃｔｒｏＣｈｅｍｉｃａｌ Ａｒｅａ、以下、「ＥＣＡ」と称する）が減少したことを意味する。そうすると、コンディショニングによって燃料電池セルの出力電圧が向上するのは、触媒層の濡れ（すなわち、三層界面の拡大）が原因ではなく、触媒自体の活性化（すなわち、触媒の活性比の向上）が原因であると考えられる。   When attention is paid to the portion surrounded by the solid-line ellipse of CV in FIG. 6, it can be seen that the reduction current of the catalyst (Pt) decreased after conditioning. This means that the effective catalyst surface area (hereinafter referred to as “ECA”) has been reduced by conditioning. In this case, the output voltage of the fuel cell is improved by conditioning not due to wetting of the catalyst layer (that is, expansion of the three-layer interface) but activation of the catalyst itself (that is, improvement of the catalyst activity ratio). It is thought to be the cause.

したがって、実験１においてコンディショニングによる出力電圧の向上の原因の７０％が触媒層の活性化によるものであることを実証したが、その触媒層の活性化は、具体的には、触媒自体の活性化が原因であることが本実験により実証されたことになる。   Therefore, in Experiment 1, it was proved that 70% of the cause of the improvement of the output voltage by the conditioning was due to the activation of the catalyst layer. Specifically, the activation of the catalyst layer is specifically the activation of the catalyst itself. It is proved by this experiment that this is the cause.

次に、図６のサイクリックボルタモグラムを触媒自体の活性化の要因を考察した。   Next, the cyclic voltammogram of FIG. 6 considered the factor of activation of the catalyst itself.

図６のＢのＣＶ（温度：８０℃）の点線の楕円で囲んだ部分に注目すると、ＣＶの形状（以下、「ＣＶ形状」と称する）がコンディショニング前と比較してコンディショング後の方が高電位側（図６のＢの点線の楕円内の矢印で示す方向）にずれていることが判った。このようなＣＶ形状の変化は、触媒の粒子径、触媒の結晶配向、触媒の表面構造、の変化により生じることが報告されている（Ａ．Ｇａｍｅｚ ｅｔ ａｌ．， Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｉｍ．Ａｃｔａ, ４１， ３０７（１９９６）、Ｎ．Ｍ．Ｍａｒｋｏｖｉｃ ｅｔ ａｌ．， Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｃｈｅｍ．Ｂ １９９７，１０１， ５４０５−５４１３、Ｖ．Ｒ．Ｓｔａｍｅｎｋｏｖｉｃ ｅｔ ａｌ．， Ｎａｔｕｒｅ ２００７， ６， ２４１−２４７）。そうすると、コンディショニングにより触媒の粒子径、触媒の結晶配向、触媒の表面構造、が変化したことが原因で触媒自体が活性化したものと推定された。   When attention is paid to the portion surrounded by the dotted ellipse of CV (temperature: 80 ° C.) in FIG. 6B, the shape of CV (hereinafter referred to as “CV shape”) is better after conditioning than before conditioning. It was found that there was a shift to the high potential side (the direction indicated by the arrow in the dotted ellipse in FIG. 6B). It has been reported that such a change in CV shape is caused by changes in catalyst particle diameter, catalyst crystal orientation, and catalyst surface structure (A. Gamez et al., Electrochim. Acta, 41, 307 ( 1996), NM Markovic et al., J. Phys.Chem.B 1997, 101, 5405-5413, VR Stamenkovic et al., Nature 2007, 6, 241-247). Then, it was estimated that the catalyst itself was activated due to changes in the particle size of the catalyst, the crystal orientation of the catalyst, and the surface structure of the catalyst due to conditioning.

このような触媒の粒子径、触媒の結晶配向、触媒の表面構造、の変化は次のような過程で生じると推定された。すなわち、触媒が酸化／還元を繰り返すことで触媒が溶解／再析出し、この過程を繰り返すことで、触媒の粒子径が増大し、多結晶の触媒が一定の結晶方位に再結晶化し、触媒の表面が平滑化するという過程である。   Such changes in catalyst particle size, catalyst crystal orientation, and catalyst surface structure were estimated to occur in the following process. That is, when the catalyst repeats oxidation / reduction, the catalyst dissolves / reprecipitates. By repeating this process, the particle size of the catalyst increases, and the polycrystalline catalyst recrystallizes in a certain crystal orientation. This is the process of smoothing the surface.

次に、触媒自体を活性化させやすい条件の観点から図６〜図８に示すＣＶのＣＶ形状を考察した。   Next, CV shapes of CVs shown in FIGS. 6 to 8 were considered from the viewpoint of conditions that facilitate activation of the catalyst itself.

本実験においては、触媒自体の活性化に与える燃料電池セルの温度の影響について考察した。   In this experiment, the influence of the temperature of the fuel cell on the activation of the catalyst itself was considered.

図６のＡ（温度：３０℃）とＢ（温度：８０℃）のＣＶ形状を比較すると、図６のＢの方は、前述したように、コンディション前後で高電位側へのずれが顕著であるのに対し、図６のＢの方はこのようなＣＶ形状の変化は見られない。そうすると、図６の結果からは、コンディショニングの条件は高温とした方が触媒自体を活性化することができると考えられた。   Comparing the CV shapes of A (temperature: 30 ° C.) and B (temperature: 80 ° C.) in FIG. 6, B in FIG. 6 has a significant shift to the high potential side before and after the condition as described above. In contrast, FIG. 6B shows no such change in CV shape. Then, from the results of FIG. 6, it was considered that the catalyst itself could be activated when the conditioning conditions were high.

図７のＡ、Ｂはそれぞれ図７の左図に示すＣＶの一部であって点線で囲んだ部分（Ａ）、部分（Ｂ）を拡大した図である。図８のＡ、Ｂはそれぞれ図８の左図に示すＣＶの一部であって点線で囲んだ部分（Ａ）、部分（Ｂ）を拡大した図である。図７のＡ（温度：２５℃）と図８のＡ（温度：６０℃）とを比較すると、ＣＶ形状のコンディショニングサイクル数依存性が図８のＡの方が大きいことが判る（図の矢印はサイクル数増大に伴いＣＶ形状が変化する方向を示す）。また、図７のＢ（温度：２５℃）と図８のＢ（温度：６０℃）とを比較すると、同様に、ＣＶ形状のコンディショニングサイクル数依存性が図８のＡの方が大きいことが判る。そうすると、図７および図８の結果からも、コンディショニングの条件は高温（望ましくは、燃料電池セルの温度を６０℃以上）とした方が触媒自体を活性化することができると考えられた。   FIGS. 7A and 7B are enlarged views of a portion (A) and a portion (B), which are part of the CV shown in the left diagram of FIG. 8A and 8B are enlarged views of a part (A) and a part (B), which are part of the CV shown in the left figure of FIG. Comparing A (temperature: 25 ° C.) in FIG. 7 and A (temperature: 60 ° C.) in FIG. 8 shows that the dependency of the CV shape on the number of conditioning cycles is larger in FIG. Indicates the direction in which the CV shape changes as the number of cycles increases). Further, comparing B (temperature: 25 ° C.) in FIG. 7 and B (temperature: 60 ° C.) in FIG. 8, similarly, the dependency of the CV shape on the number of conditioning cycles is larger in FIG. 8A. I understand. Then, from the results of FIG. 7 and FIG. 8, it was considered that the catalyst itself could be activated when the conditioning conditions were high (desirably, the temperature of the fuel cell was 60 ° C. or higher).

以上、本実験により、触媒自体の活性化の原因がコンディショニングによる触媒の粒子径、触媒の結晶配向、触媒の表面構造、の変化であり、コンディショニングの条件は高温とした方が触媒自体を活性化することができることが実証された。   As described above, according to this experiment, the cause of activation of the catalyst itself is the change in the particle diameter of the catalyst, the crystal orientation of the catalyst, and the surface structure of the catalyst due to conditioning. The catalyst itself is activated when the conditioning conditions are high. Proven to be able to.

＜実験３＞
本実験においては、触媒自体の活性化に与える燃料電池セルの温度および湿度の影響について考察した。 <Experiment 3>
In this experiment, the influence of the temperature and humidity of the fuel cell on the activation of the catalyst itself was considered.

図９のＡは、燃料電池セルのコンディショニングのサイクル数とＥＣＡとの関係の温度依存性の測定結果を示す図である。ここで、温度は燃料電池セルの温度を示し、ＥＣＡはコンディショニング前のＥＣＡを１００％とする正規化をしている。図９のＢは、燃料電池セルのコンディショニングのサイクル数とＥＣＡとの関係の湿度依存性の測定結果を示す図である。ここで、湿度は燃料電池セル内のガスの湿度を示し、ＥＣＡはコンディショニング前のＥＣＡを１００％とする正規化をしている。   FIG. 9A is a diagram showing the measurement result of the temperature dependence of the relationship between the number of conditioning cycles of the fuel cell and the ECA. Here, the temperature indicates the temperature of the fuel cell, and the ECA is normalized with the ECA before conditioning as 100%. FIG. 9B is a diagram showing a measurement result of the humidity dependence of the relationship between the number of conditioning cycles of the fuel cell and the ECA. Here, the humidity indicates the humidity of the gas in the fuel cell, and the ECA is normalized with the ECA before conditioning as 100%.

図９のＡに示すように、燃料電池セルの温度を上げた方が、ＥＣＡが減少することが判った。先の実験２によれば、コンディショニングによりＥＣＡが減少し、電池の出力電圧が向上することが判った。そうすると、燃料電池セルの温度を上げた方が、コンディショニングによる燃料電池セルの出力電圧向上効果、すなわち、触媒自体の活性化効果が大きいと考えられた。   As shown in FIG. 9A, it was found that the ECA decreased as the temperature of the fuel cell increased. According to the previous experiment 2, it was found that ECA was reduced by conditioning and the output voltage of the battery was improved. Then, it was considered that the effect of improving the output voltage of the fuel cell by conditioning, that is, the effect of activating the catalyst itself, was increased when the temperature of the fuel cell was increased.

さらに、図９のＢに示すように、燃料電池セル内のガスの湿度を上げた方が、ＥＣＡが減少することが判った。そうすると、燃料電池セル内のガスの湿度を上げた方が、コンディショニングによる燃料電池セルの出力電圧向上効果、すなわち、触媒自体の活性化効果が大きいと考えられた。   Furthermore, as shown in FIG. 9B, it was found that the ECA decreases when the humidity of the gas in the fuel cell is increased. Then, it was considered that the effect of improving the output voltage of the fuel cell by conditioning, that is, the effect of activating the catalyst itself, was increased when the humidity of the gas in the fuel cell was increased.

以上、本実験により、コンディショニングの条件は高温、高湿とした方が燃料電池セルの出力電圧向上効果、すなわち、触媒自体の活性化効果が大きいことが実証された。   As described above, this experiment proved that the effect of improving the output voltage of the fuel cell, that is, the activation effect of the catalyst itself, was greater when the conditioning conditions were high temperature and high humidity.

＜実験４＞
本実験においては、カソード電位を変動させたときの、カソード電位が触媒自体の活性化に与える影響について考察した。 <Experiment 4>
In this experiment, the influence of the cathode potential on the activation of the catalyst itself when the cathode potential was varied was considered.

図１０のＡは、燃料電池セルのコンディショニングのサイクル数とＥＣＡとの関係の測定結果を示す図であり、電位変動させるカソード電極の上側電位依存性（下側電位は６００ｍＶに固定）を示す。図１０のＢは、燃料電池セルのコンディショニングのサイクル数とＥＣＡとの関係の測定結果を示す図であり、電位変動させるカソード電極の下側電位依存性（上側電位は９５０ｍＶに固定）を示す。ここで、ＥＣＡはコンディショニング前のＥＣＡを１００％とする正規化をした。   FIG. 10A is a diagram showing a measurement result of the relationship between the number of conditioning cycles of the fuel cell and the ECA, and shows the dependence of the cathode electrode on the upper potential (lower potential is fixed at 600 mV). FIG. 10B is a diagram showing the measurement result of the relationship between the number of conditioning cycles of the fuel cell and the ECA, and shows the lower potential dependency of the cathode electrode for changing the potential (the upper potential is fixed at 950 mV). Here, the ECA was normalized so that the ECA before conditioning was 100%.

図１０のＡに示すように、カソード電極の上側電位を９００ｍＶ以上で電位変動させると、ＥＣＡを減少させる効果が大きいことが判った。   As shown in FIG. 10A, it was found that the effect of decreasing the ECA is large when the upper electrode potential of the cathode electrode is changed at 900 mV or more.

また、図１０のＢに示すように、カソード電極の下側電位を７００ｍＶ以下で電位変動させると、ＥＣＡを減少させる効果が大きいことが判った。   Further, as shown in FIG. 10B, it has been found that when the lower potential of the cathode electrode is changed to 700 mV or less, the effect of reducing ECA is great.

以上、本実験により、コンディショニングの条件は、カソード電極の上側電位を９００ｍＶ以上、カソード電極の下側電位を７００ｍＶ以下で電位変動させると、燃料電池セルの出力電圧向上効果、すなわち、触媒自体の活性化効果が大きいことが実証された。   As described above, according to this experiment, the conditioning condition is that if the upper potential of the cathode electrode is 900 mV or more and the lower potential of the cathode electrode is 700 mV or less, the output voltage of the fuel cell is improved, that is, the activity of the catalyst itself. It was proved that the effect of crystallization was great.

＜実験５＞
本実験においては、コンディショニング中に燃料電池の素材から排出される不純物について考察した。 <Experiment 5>
In this experiment, the impurities discharged from the fuel cell material during conditioning were considered.

表１は、燃料電池セル素材である（１）電解質膜−電極接合体と、（２）電解質膜のみと、をそれぞれ８０℃の水で４時間熱したときに検出された主な不純物とその量を示す。表１によれば、電解質膜からは不純物がほとんど検出されず、電解質膜−電極接合体から不純物である硫酸イオン（ＳＯ４ ２−）が検出された。これにより、不純物である硫酸イオンは電極である触媒層から排出されることが判った。 Table 1 shows the main impurities detected when the fuel cell material (1) electrolyte membrane-electrode assembly and (2) only the electrolyte membrane were heated with water at 80 ° C. for 4 hours, respectively. Indicates the amount. According to Table 1, almost no impurities were detected from the electrolyte membrane, and sulfate ions (SO 4 2− ) as impurities were detected from the electrolyte membrane-electrode assembly. Thereby, it turned out that the sulfate ion which is an impurity is discharged | emitted from the catalyst layer which is an electrode.

以上、本実験により、燃料電池のコンディショニング中に、不純物である硫酸イオンが触媒層から排出されることが実証された。不純物の存在により触媒の機能が劣化することは従来から知られている。そのため、燃料電池セル内のガスの湿度を上げて凝縮水を発生させ、触媒層から発生した不純物を凝縮水で洗い流すことで、触媒活性を向上させることができる。なお、触媒層は通常多孔質であるため、多孔質の性質上、供給されるガスの湿度が必ずしも１００％でなくても、ある程度高湿であれば触媒層において凝縮水が発生しうる。上述したように、燃料電池セル内のガスの湿度を上げることは、触媒自体の比活性を向上させるが、同時に、触媒層に凝縮水を発生させうるため、触媒層から発生した不純物が凝縮水で除去されることによる触媒活性の向上効果も生じさせうる。   As described above, it was demonstrated by this experiment that sulfate ions as impurities are discharged from the catalyst layer during the conditioning of the fuel cell. It has been conventionally known that the function of a catalyst deteriorates due to the presence of impurities. Therefore, the catalytic activity can be improved by raising the humidity of the gas in the fuel battery cell to generate condensed water and washing away impurities generated from the catalyst layer with the condensed water. In addition, since the catalyst layer is usually porous, condensed water can be generated in the catalyst layer even if the humidity of the supplied gas is not necessarily 100% due to the porous nature. As described above, increasing the humidity of the gas in the fuel cell improves the specific activity of the catalyst itself, but at the same time, since condensed water can be generated in the catalyst layer, impurities generated from the catalyst layer are condensed water. It is also possible to produce an effect of improving the catalytic activity due to the removal by.

以上、実験１〜５の結果、次のことが実証された。すなわち、コンディショニングによる燃料電池の出力電圧の向上は、その７０％が触媒自体の活性化が原因である。また、コンディショニング条件は、燃料電池セルを高温・高湿（望ましくは、温度を６０℃以上、湿度を７０％以上）の状態とし、カソード電位を上側電位が９００ｍＶ以上、下側電位が７００ｍＶ以下で変動させると、触媒自体の活性化効果が大きい。また、コンディショニング中に触媒層から不純物である硫酸イオンが排出される。   As described above, as a result of Experiments 1 to 5, the following was demonstrated. That is, 70% of the improvement in the output voltage of the fuel cell due to conditioning is due to the activation of the catalyst itself. The conditioning condition is that the fuel cell is in a high temperature and high humidity state (preferably, the temperature is 60 ° C. or more and the humidity is 70% or more), the cathode potential is 900 mV or more and the lower potential is 700 mV or less. If it is varied, the activation effect of the catalyst itself is large. Also, sulfate ions as impurities are discharged from the catalyst layer during conditioning.

本実施形態は、上述した実証内容に基づいて、燃料電池のコンディショニング条件について電極触媒自体の比活性を向上させるための最適化をし、同時に、触媒層から排出される不純物を凝縮水で水洗除去する。これにより、電極触媒自体を活性化するとともに電池内の不純物を除去することで電極触媒の性能を向上させ、燃料電池の出力電圧を向上させることができる。   In the present embodiment, based on the above-described verification contents, optimization for improving the specific activity of the electrode catalyst itself with respect to the conditioning conditions of the fuel cell is performed, and at the same time, impurities discharged from the catalyst layer are removed by washing with condensed water. To do. Thus, the performance of the electrode catalyst can be improved by activating the electrode catalyst itself and removing impurities in the battery, and the output voltage of the fuel cell can be improved.

次に、本実施形態に係る燃料電池のコンディショニング方法をフローチャートにしたがって説明する。   Next, a fuel cell conditioning method according to this embodiment will be described with reference to a flowchart.

図１１は本実施形態に係る燃料電池のコンディショニング方法のフローチャートを示す図である。以下、ステップ番号を明示してステップ番号ごとに説明する。   FIG. 11 is a view showing a flowchart of the fuel cell conditioning method according to the present embodiment. In the following, step numbers are specified and explained for each step number.

[Ｓ１１００]
燃料電池セルのアノード電極に水素を、カソード電極に窒素を供給する。 [S1100]
Hydrogen is supplied to the anode electrode of the fuel cell and nitrogen is supplied to the cathode electrode.

本実施形態は、カソード電極に窒素を供給するため、コンディショニングにおいて燃料電池を電池動作させない。ただし、カソード電極に酸素または空気を供給し、コンディショニングにおいて燃料電池を電池動作させてもよい。カソード電極に窒素を供給することで、酸素または空気を供給する場合よりも低コストでコンディショニングが可能となる。   In this embodiment, since nitrogen is supplied to the cathode electrode, the fuel cell is not operated in the conditioning. However, oxygen or air may be supplied to the cathode electrode, and the fuel cell may be operated as a battery during conditioning. By supplying nitrogen to the cathode electrode, conditioning becomes possible at a lower cost than when oxygen or air is supplied.

なお、本実施形態は、燃料電池の出荷前および出荷後のいずれにおいても実施することができる。燃料電池の出荷前においては、カソードガスとして窒素を用いることが望ましい。一方、燃料電池出荷後、車両内に実装した燃料電池において本実施形態を実施する場合は、カソードガスとして酸素または空気を用いることが望ましい。窒素を用いる場合は車両内に窒素貯蔵用タンクを用意する必要があり、コスト面で不利になるからである。   This embodiment can be implemented both before and after shipment of the fuel cell. Prior to shipment of the fuel cell, it is desirable to use nitrogen as the cathode gas. On the other hand, when the present embodiment is implemented in a fuel cell mounted in a vehicle after the shipment of the fuel cell, it is desirable to use oxygen or air as the cathode gas. This is because when nitrogen is used, it is necessary to prepare a tank for storing nitrogen in the vehicle, which is disadvantageous in terms of cost.

[Ｓ１１０１]
燃料電池セルのカソード電位を周期的に変動させる。 [S1101]
The cathode potential of the fuel cell is periodically changed.

カソード電位を周期的に変動させて（すなわち、電極間の電圧を変動させて）、電極触媒の酸化および還元を繰り返す。カソード電位を高い電位（第一電位）にすることで触媒層の触媒を酸化することができ、触媒は酸化されてイオン化し溶解する。逆に、カソード電位を低い電位（第二電位）にすることで触媒層の触媒を還元することができる。イオン化して溶解した触媒を還元すると、触媒は再析出する。このような触媒の溶解／再析出により、触媒の粒子径、触媒の結晶配向、触媒の表面構造、が変化し、これにより触媒自体の活性化を実現できる。第一電位は９００ｍＶ以上、第二電位は７００ｍＶ以下とすることが望ましい。第一電位は９００ｍＶ以上、第二電位は７００ｍＶ以下とすることで、触媒の溶解・再析出反応を促進させることができるので、より効果的に触媒自体の活性化が促進され、燃料電池の出力電圧をより効果的に向上させることができる。   The cathodic potential is periodically changed (that is, the voltage between the electrodes is changed), and oxidation and reduction of the electrode catalyst are repeated. By setting the cathode potential to a high potential (first potential), the catalyst in the catalyst layer can be oxidized, and the catalyst is oxidized and ionized and dissolved. Conversely, the catalyst in the catalyst layer can be reduced by setting the cathode potential to a low potential (second potential). When the ionized and dissolved catalyst is reduced, the catalyst is reprecipitated. Such dissolution / reprecipitation of the catalyst changes the particle size of the catalyst, the crystal orientation of the catalyst, and the surface structure of the catalyst, thereby realizing activation of the catalyst itself. It is desirable that the first potential is 900 mV or more and the second potential is 700 mV or less. Since the first potential is 900 mV or more and the second potential is 700 mV or less, the dissolution / reprecipitation reaction of the catalyst can be promoted, so that the activation of the catalyst itself is more effectively promoted and the output of the fuel cell is increased. The voltage can be improved more effectively.

[Ｓ１１０２]
燃料電池セルの温度および燃料電池内のガスの湿度を制御する。 [S1102]
The temperature of the fuel cell and the humidity of the gas in the fuel cell are controlled.

燃料電池セルの温度を６０℃以上に、燃料電池に供給するカソードガスとアノードガスの相対湿度を７０％以上に制御する。このように、燃料電池セルの温度を６０℃以上に、燃料電池セルに供給するガスの相対湿度を７０％以上として燃料電池セルを高温高湿とすることで、触媒の溶解・再析出反応を促進させることができ、触媒自体の活性化の条件が最適化される。そのため、燃料電池の出力電圧をより効果的に向上させることができる。触媒自体の活性化が促進されるのは、触媒の溶解・再析出反応を繰り返すことで、触媒の粒子径が増大し、多結晶の触媒が一定の結晶方位に再結晶化し、触媒の表面が平滑化されるためである。   The temperature of the fuel cell is controlled to 60 ° C. or higher, and the relative humidity of the cathode gas and anode gas supplied to the fuel cell is controlled to 70% or higher. In this way, the temperature and temperature of the fuel battery cell is set to 60 ° C. or higher, the relative humidity of the gas supplied to the fuel battery cell is set to 70% or higher, and the fuel battery cell is heated to high temperature and high humidity. And the conditions for activation of the catalyst itself are optimized. Therefore, the output voltage of the fuel cell can be improved more effectively. The activation of the catalyst itself is promoted by repeating the dissolution and reprecipitation reaction of the catalyst, the catalyst particle size increases, the polycrystalline catalyst recrystallizes in a certain crystal orientation, and the surface of the catalyst becomes This is because it is smoothed.

また、燃料電池セル内のガスをより高湿にすることで、触媒層から排出される不純物を凝縮水で水洗除去することができるため、触媒活性を向上させ、燃料電池の出力電圧をより向上させることができる。なお、触媒層は通常多孔質であるため、多孔質の性質上、供給されるガスの湿度が必ずしも１００％でなくても、ある程度高湿であれば触媒層において凝縮水が発生しうる。燃料電池セルに供給するガスの相対湿度を７０％以上とすることで、触媒層において凝縮水を発生させることができうる。   In addition, by making the gas in the fuel cell more humid, impurities discharged from the catalyst layer can be washed away with condensed water, improving the catalytic activity and further improving the output voltage of the fuel cell Can be made. In addition, since the catalyst layer is usually porous, condensed water can be generated in the catalyst layer even if the humidity of the supplied gas is not necessarily 100% due to the porous nature. By setting the relative humidity of the gas supplied to the fuel battery cell to 70% or more, condensed water can be generated in the catalyst layer.

[Ｓ１１０３]
所定時間経過したかどうか判断する。 [S1103]
It is determined whether a predetermined time has elapsed.

コンディショニングを行う時間をあらかじめ設定し、設定された時間を経過するまでコンディショニングを継続する。コンディショニングを行う時間は、たとえば、変動させるカソード電位、燃料電池の温度、燃料電池内のガスの湿度、に基づき、燃料電池の出力電圧を十分向上させることができる時間に設定することができる。   The time for conditioning is set in advance, and the conditioning is continued until the set time elapses. The time for conditioning can be set to a time at which the output voltage of the fuel cell can be sufficiently improved based on, for example, the varying cathode potential, the temperature of the fuel cell, and the humidity of the gas in the fuel cell.

[Ｓ１１０４]
燃料電池セルのカソード電位の変動を停止する。 [S1104]
Stop the fluctuation of the cathode potential of the fuel cell.

ステップＳ１１０３で所定時間を経過したと判断したときは、カソード電位の変動を停止させ、コンディショニングを終了する。   When it is determined in step S1103 that the predetermined time has elapsed, the cathode potential fluctuation is stopped and the conditioning is terminated.

図１２は、本実施形態を実施したときのコンディショニング後の燃料電池セルの分極曲線と、コンディショニング後の質量活性を、比較例とともに示す図である。ここで、質量活性とは、燃料電池セルのｉＲ−Ｆｒｅｅ電圧が０．９Ｖのときの単位触媒重量当たりの電流密度をいう。   FIG. 12 is a diagram showing a polarization curve of a fuel cell after conditioning and a mass activity after conditioning together with a comparative example when the present embodiment is implemented. Here, mass activity refers to the current density per unit catalyst weight when the iR-Free voltage of the fuel cell is 0.9V.

図１２のＡは、コンディショニング後の分極曲線を示す図であり、図１２のＢはコンディショニング条件を示す図である。図１２のＢの条件Ａ、Ｂ、Ｅは本実施形態を実施するための条件であり、条件Ｃ、Ｄは比較例の条件である。すなわち、条件Ａ、Ｂ、Ｅは、触媒自体の比活性を向上させるために、カソード電極の変動電位、燃料電池セルの温度、燃料電池セル内のガスの湿度を最適化したときのコンディショニング条件である。一方、条件Ｃは温度の最適化をしておらず、条件Ｄはガスの供給をしていないコンディショニング条件である。   A in FIG. 12 is a diagram showing a polarization curve after conditioning, and B in FIG. 12 is a diagram showing conditioning conditions. Conditions A, B, and E in FIG. 12B are conditions for carrying out this embodiment, and conditions C and D are conditions for the comparative example. That is, the conditions A, B, and E are the conditioning conditions when the fluctuation potential of the cathode electrode, the temperature of the fuel cell, and the humidity of the gas in the fuel cell are optimized to improve the specific activity of the catalyst itself. is there. On the other hand, the condition C does not optimize the temperature, and the condition D is a conditioning condition in which no gas is supplied.

図１２のＡを参照すると、単位触媒重量当たりの電流密度に対する燃料電池セルのｉＲ−Ｆｒｅｅ電圧が、条件Ａ、Ｂ、Ｅのものは向上しているが、条件Ｃ、Ｄのものは十分向上していないことが判る。また、条件Ｂと条件Ａ、Ｅとの比較により、本実施形態においては、カソードガスとして窒素を用いても空気を用いても同様の触媒活性化効果が得られることが判る。   Referring to FIG. 12A, the iR-Free voltage of the fuel cell with respect to the current density per unit catalyst weight is improved in conditions A, B, and E, but sufficiently improved in conditions C and D. You can see that they are not. Further, by comparing the condition B with the conditions A and E, it can be seen that in this embodiment, the same catalyst activation effect can be obtained by using nitrogen or air as the cathode gas.

図１２のＣを参照すると、燃料電池セルの温度を４０℃の低温制御（条件Ｃ）から８０℃の高温制御（条件Ｂ）とすることで、触媒の質量活性が５０％程度向上させることができることが判る。   Referring to FIG. 12C, the mass activity of the catalyst can be improved by about 50% by changing the temperature of the fuel cell from 40 ° C. low temperature control (condition C) to 80 ° C. high temperature control (condition B). I understand that I can do it.

以上の結果から、コンディショニングによる十分な燃料電池セルの出力電圧向上効果を得るためには、本実施形態のように、カソード電極の変動電位、燃料電池セルの温度、燃料電池セル内のガスの湿度を最適化したコンディショニングが必要があることが実証された。   From the above results, in order to obtain a sufficient effect of improving the output voltage of the fuel cell by conditioning, as in this embodiment, the fluctuation potential of the cathode electrode, the temperature of the fuel cell, the humidity of the gas in the fuel cell It has been demonstrated that there is a need for optimized conditioning.

ここで、本実施形態における燃料電池スタック１、燃料電池セル２は本発明の燃料電池に、アノード電極２０１およびカソード電極２０２は電極に、電圧源３００は電圧変動手段に相当する。また、本実施形態における電圧計３０１、温度計３０２、温度調節器３０３、カソードガス湿度調節器３０４、アノードガス湿度調節器３０５、制御装置３０６、カソードガス流量センサ３０７、アノードガス流量センサ３０８、コンプレッサ３０９、カソードガス調圧弁３１０、アノードガス調圧弁３１１、は本発明の温度／湿度制御手段に相当する。   Here, the fuel cell stack 1 and the fuel cell 2 in the present embodiment correspond to the fuel cell of the present invention, the anode electrode 201 and the cathode electrode 202 correspond to electrodes, and the voltage source 300 corresponds to voltage fluctuation means. In addition, the voltmeter 301, the thermometer 302, the temperature controller 303, the cathode gas humidity controller 304, the anode gas humidity controller 305, the control device 306, the cathode gas flow sensor 307, the anode gas flow sensor 308, and the compressor in this embodiment. 309, the cathode gas pressure regulating valve 310, and the anode gas pressure regulating valve 311 correspond to the temperature / humidity control means of the present invention.

また、本実施形態におけるステップＳ１１０１は本発明の電圧変動段階に、ステップ１１０２は温度／湿度制御段階に相当する。   Further, step S1101 in this embodiment corresponds to the voltage fluctuation stage of the present invention, and step 1102 corresponds to the temperature / humidity control stage.

本実施形態に係る燃料電池のコンディショニング方法およびコンディショニングシステムは、次の効果を有する。すなわち、最適化条件のもとで電極触媒自体を活性化するとともに電池内の不純物を除去することで、電極触媒の性能をより向上させ、燃料電池の出力電圧をより向上させることができる。   The fuel cell conditioning method and conditioning system according to the present embodiment have the following effects. That is, by activating the electrode catalyst itself under the optimized conditions and removing impurities in the battery, the performance of the electrode catalyst can be further improved and the output voltage of the fuel cell can be further improved.

１ 燃料電池スタック（燃料電池）、
２ 燃料電池セル（燃料電池）、
３ 積層体、
４ 集電板、
５ 絶縁板、
６ エンドプレート、
７ タイロッド、
８ アノードガス供給口、
９ アノードガス排出口、
１０ カソードガス供給口、
１１ カソードガス排出口、
１２ 媒体供給口、
１３ 媒体排出口、
２００ ＭＥＡ、
２０１ アノード電極（電極）、
２０１Ａ ガス拡散層、
２０１Ｂ アノード触媒層（触媒）、
２０２ カソード電極（電極）、
２０２Ａ ガス拡散層、
２０２Ｂ カソード触媒層（触媒）、
２０３、２０４ セパレータ、
２０５ 固体高分子電解質膜、
３００ 電圧源（電圧変動手段）、
３０１ 電圧計（温度／湿度制御手段）、
３０２ 温度計（温度／湿度制御手段）、
３０３ 温度調節器（温度／湿度制御手段）、
３０４ カソードガス湿度調節器（温度／湿度制御手段）、
３０５ アノードガス湿度調節器（温度／湿度制御手段）、
３０６ 制御装置（温度／湿度制御手段）、
３０６Ａ メモリ（温度／湿度制御手段）、
３０７ カソードガス流量センサ（温度／湿度制御手段）、
３０８ アノードガス流量センサ（温度／湿度制御手段）、
３０９ コンプレッサ（温度／湿度制御手段）、
３１０ カソードガス調圧弁（温度／湿度制御手段）、
３１１ アノードガス調圧弁（温度／湿度制御手段）、
３１２ カソードガス排出管。 1 Fuel cell stack (fuel cell),
2 fuel cell (fuel cell),
3 laminates,
4 current collector,
5 Insulating plate,
6 End plate,
7 Tie rods
8 Anode gas supply port,
9 Anode gas outlet,
10 Cathode gas supply port,
11 Cathode gas outlet,
12 Medium supply port,
13 Medium outlet,
200 MEA,
201 anode electrode (electrode),
201A gas diffusion layer,
201B Anode catalyst layer (catalyst),
202 cathode electrode (electrode),
202A gas diffusion layer,
202B cathode catalyst layer (catalyst),
203, 204 separator,
205 solid polymer electrolyte membrane,
300 voltage source (voltage fluctuation means),
301 Voltmeter (temperature / humidity control means),
302 thermometer (temperature / humidity control means),
303 temperature controller (temperature / humidity control means),
304 cathode gas humidity controller (temperature / humidity control means),
305 Anode gas humidity controller (temperature / humidity control means),
306 control device (temperature / humidity control means),
306A memory (temperature / humidity control means),
307 cathode gas flow sensor (temperature / humidity control means),
308 Anode gas flow sensor (temperature / humidity control means),
309 Compressor (temperature / humidity control means),
310 cathode gas pressure regulating valve (temperature / humidity control means),
311 anode gas pressure regulating valve (temperature / humidity control means),
312 Cathode gas discharge pipe.

Claims (10)

燃料電池の電極間の電圧を変動させて前記電極の触媒の酸化および還元を繰り返す電圧変動段階と、
前記電圧変動段階中に前記燃料電池の温度および前記燃料電池内のガスの湿度を制御して前記触媒の比活性を向上させる温度／湿度制御段階と、
を有することを特徴とする燃料電池のコンディショニング方法。 A voltage fluctuation stage in which the voltage between the electrodes of the fuel cell is changed to repeat oxidation and reduction of the catalyst of the electrode; and
A temperature / humidity control step for controlling the temperature of the fuel cell and the humidity of the gas in the fuel cell to improve the specific activity of the catalyst during the voltage variation step;
A method for conditioning a fuel cell, comprising: 前記温度／湿度制御段階は、前記燃料電池の温度を６０℃以上２００℃以下の範囲に制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池のコンディショニング方法。   The method of claim 1, wherein the temperature / humidity control step controls the temperature of the fuel cell to a range of 60 ° C. or more and 200 ° C. or less. 前記温度／湿度制御段階は、前記燃料電池に供給する前記ガスの相対湿度を７０％以上１００％以下の範囲に制御して前記燃料電池内のガスの湿度を制御することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池のコンディショニング方法。   The temperature / humidity control step controls the humidity of the gas in the fuel cell by controlling the relative humidity of the gas supplied to the fuel cell in a range of 70% to 100%. 3. A method for conditioning a fuel cell according to 1 or 2. 前記電圧変動段階は、前記アノード電極の電位に対する前記カソード電極の電位を高電位側の第一電位と低電位側の第二電位との間で変動させ、前記第一電位は９００ｍＶ以上１３００ｍＶ以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池のコンディショニング方法。   The voltage variation step varies the potential of the cathode electrode with respect to the potential of the anode electrode between a first potential on a high potential side and a second potential on a low potential side, and the first potential is 900 mV to 1300 mV. The fuel cell conditioning method according to claim 1, wherein the fuel cell is conditioned. 前記第二電位は、７００ｍＶ以下０ｍＶ以上であることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池のコンディショニング方法。   5. The fuel cell conditioning method according to claim 4, wherein the second potential is 700 mV or less and 0 mV or more. 燃料電池の電極間の電圧を変動させて前記電極の触媒の酸化および還元を繰り返す電圧変動手段と、
前記電圧変動手段が前記電極間の電圧を変動させている間に前記燃料電池の温度および前記燃料電池内のガスの湿度を制御して前記触媒の比活性を向上させる温度／湿度制御手段と、
を有することを特徴とする燃料電池のコンディショニングシステム。 Voltage fluctuation means for repeating the oxidation and reduction of the catalyst of the electrode by changing the voltage between the electrodes of the fuel cell;
Temperature / humidity control means for controlling the temperature of the fuel cell and the humidity of the gas in the fuel cell to improve the specific activity of the catalyst while the voltage changing means changes the voltage between the electrodes;
A fuel cell conditioning system comprising: 前記温度／湿度制御手段は、前記燃料電池の温度を６０℃以上２００℃以下の範囲に制御することを特徴とする請求項６に記載の燃料電池のコンディショニングシステム。   7. The fuel cell conditioning system according to claim 6, wherein the temperature / humidity control means controls the temperature of the fuel cell in a range of 60 [deg.] C. or more and 200 [deg.] C. or less. 前記温度／湿度制御手段は、前記燃料電池に供給する前記ガスの相対湿度を７０％以上１００％以下の範囲に制御して前記燃料電池内のガスの湿度を制御することを特徴とする請求項６または７に記載の燃料電池のコンディショニングシステム。   The temperature / humidity control means controls the humidity of the gas in the fuel cell by controlling the relative humidity of the gas supplied to the fuel cell in a range of 70% to 100%. 8. A fuel cell conditioning system according to 6 or 7. 前記電圧変動手段は、前記アノード電極の電位に対する前記カソード電極の電位を高電位側の第一電位と低電位側の第二電位との間で変動させ、前記第一電位は９００ｍＶ以上１３００ｍＶ以下であることを特徴とする請求項６〜８のいずれかに記載の燃料電池のコンディショニングシステム。   The voltage variation means varies the potential of the cathode electrode with respect to the potential of the anode electrode between a first potential on a high potential side and a second potential on a low potential side, and the first potential is 900 mV to 1300 mV. The fuel cell conditioning system according to any one of claims 6 to 8, wherein the fuel cell conditioning system is provided. 前記第二電位は、７００ｍＶ以下０ｍＶ以上であることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池のコンディショニングシステム。   The fuel cell conditioning system according to claim 9, wherein the second potential is 700 mV or less and 0 mV or more.
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