JP2016062721A - 燃料電池の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】エージングを行った燃料電池のスタック出力が出荷後に低下してしまうことを抑止できる燃料電池の製造方法を提供する。【解決手段】燃料電池を組み付けた後に、定常発電を行わせる定常発電工程と、該定常発電時よりも高負荷領域にて発電を行わせる高負荷発電工程と、を繰り返し実行する出荷検査工程を設ける。定常発電工程は、燃料電池における水収支が0.05〜0.1g／min／セルとなる範囲で行う。【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池の製造方法に関する。

燃料電池の高分子電解質膜における水素イオンＨ⁺の伝導率は、当該高分子電解質膜の含水率によって変化する。具体的には、水素イオンＨ⁺の伝導率は、高分子電解質膜が乾燥した状態では低く、含水率が高くなるに従って高くなる傾向にある。

一般に、燃料電池を組み付けた際の高分子電解質膜は乾燥状態にある。このため、高分子電解質膜に含水させて所望の出力能力を発揮し得る状態にするべく、いわゆるエージングを行う必要がある。

従来、燃料電池のエージングを行う際の運転方法として、燃料電池の出力電流を増減させる工程を、所定のエージング終了条件が成立するまで繰り返し実行するという方法が提案されている（例えば特許文献１参照）。これによれば、燃料電池の出力電流を増減するという簡易な制御により、燃料電池のエージング時間を短縮することが可能である。

特開２００５−２５１３９６号公報

しかしながら、従来の運転方法によると、エージング時に出力が安定していても、燃料電池を出荷した後に高分子電解質におけるｐＨが変化し、電極構成材料（カチオン）が溶出してスタック出力が低下してしまうおそれがあった。これは、電極製造時に副生成物として発生した硫酸イオンが電極面内のｐＨを低下させ、電極構成材料（主に金属イオン系カチオン）を早期に溶出させ、ＭＥＡ（電解質膜および触媒層アイオノマー）に多くコンタミネーション（異物混入）することで触媒層中の物質移動が悪化する（すなわちプロトン抵抗およびガス拡散性が低下する）ことに起因するもので、発電出荷検査（定常のもの）をクリアした燃料電池スタックの出力が車両搭載後、早期に低下することもある。ところが、従来の出荷検査方法では上記のような電極構成材料の溶出を防止することはできない。

そこで、本発明は、エージングを行った燃料電池のスタック出力が出荷後に低下してしまうことを抑止できる燃料電池の製造方法を提供することを目的とする。

かかる課題を解決するべく、本発明は、燃料電池の製造方法であって、
前記燃料電池を組み付けた後に、
定常発電を行わせる定常発電工程と、
該定常発電時よりも高負荷領域にて発電を行わせる高負荷発電工程と、
を繰り返し実行し、
前記定常発電工程は、前記燃料電池における水収支が0.05〜0.1g／min／セルとなる範囲で行うものであることを特徴とする。

この製造方法においては、定常発電時にカチオンを溶出させ、ＷＯＴ（wide-open throttle：スロットル（絞り弁）を全開にした状態のことであり、燃料電池車でいえば最高に近い出力を出した状態の意）での発電時にカチオンを電解質にコンタミネーションさせることにより、出荷前にコンタミネーションを完了させることができる。これによれば、出荷後における燃料電池のスタック出力低下を抑止することができる。

本発明によれば、エージングを行った燃料電池のスタック出力が出荷後に低下してしまうことを抑止できる。

本発明に係る燃料電池の製造方法の一形態を示すフローである。 組み付け後の燃料電池に対する定常発電工程（初期出力確認）、出荷検査工程（ＷＯＴサイクル）、さらに検査後の出力確認工程における時間−ＦＣ出力の例を示す図である。 出荷検査工程におけるＷＯＴ回数とＦＣ出力の関係を概略的に示す図である。 定常発電工程（初期出力確認）、出荷検査工程（ＷＯＴサイクル）、検査後出力確認工程における各数値の具体的一例を表す図である。 出荷検査工程におけるＷＯＴサイクル試験の結果の一例を示す、ＷＯＴサイクル数−ＦＣ出力の図である。 従来の製造方法の一例を参考して示すフローである。

以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。

図１〜図３に、燃料電池の製造方法の一実施形態を示す。この製造方法では、燃料電池（ＦＣ）を組み付けた後に（ステップＳＰ１）、定常発電工程(A)（ステップＳＰ２）を行い、さらにその後、定常発電工程(B)と高負荷発電工程とを繰り返す出荷検査工程（ステップＳＰ３）を行い、それから当該燃料電池を車両に搭載する（ステップＳＰ４）。

すなわち、従来の製造方法においては、燃料電池（ＦＣ）のを組付け後、定常発電のみ行う定常発電工程(A)によって発電出荷検査を行い、この検査をパスすれば車両に搭載していたのに対し（図６参照）、本実施形態では、この定常発電工程(A)の後に、出荷検査工程（ステップＳＰ３）を挟み、当該出荷検査工程を終えてから車両に搭載することとする（図１参照）。

出荷検査工程（ステップＳＰ３）では、定常発電工程(B)→ＷＯＴのサイクル（例えば５サイクルのＷＯＴ（ＷＯＴ１〜ＷＯＴ５）を含むＷＯＴサイクル）を繰り返す（図２参照）。すなわち、定常発電を行わせる定常発電工程(B)と、該定常発電時よりも高負荷領域にて発電を行わせる高負荷発電工程（ＷＯＴ）と繰り返し実行する（図１、図２参照）。ＷＯＴによる高負荷発電工程は、溶出させた成分をＭＥＡ（電解質膜・触媒層中アイオノマ―）に早期に効率よくコンタミさせる（混入させる、溶け込ませる、といった意）ための手段として機能する。

また、出荷検査工程（ステップＳＰ３）中の定常発電工程(B)では、燃料電池における水収支が所定の範囲内となる範囲で工程を実施することが好適である。例えば本実施形態では、燃料電池における水収支が0.05 g／min／セル以上、0.1g／min／セル以下（場合によっては未満）となる範囲で行う。このような水収支の範囲で定常発電した場合、硫酸イオンを濃縮させ、ｐＨを下げることで、混入異物の成分（主にカチオン）をより早期に溶出させることが可能となる。

また、定常発電工程の時間に関して説明すると、出荷検査工程（ステップＳＰ３）前の定常発電工程(A)（ステップＳＰ２）の時間が、出荷検査工程（ステップＳＰ３）中に行う定常発電工程(B)のそれぞれの時間よりも長いことが好適である（図２参照）。具体例を示せば、定常発電工程(A)の時間が30min以上で、出荷検査工程（ステップＳＰ３）中に行う定常発電工程(B)のそれぞれの時間が定常発電工程(A)の時間×1/2（ただし15min以上）、とするごときである。初期（すなわち電極製造直後の段階）がもっとも多くの硫酸イオンが存在することに照らせば、例示したように定常発電工程(A)（ステップＳＰ２）の時間を長めに設定することが好適である（図２参照）。

また、出荷検査工程（ステップＳＰ３）においては、ＷＯＴ時のスタック出力がサチュレートするまで、定常発電工程(B)→ＷＯＴのサイクルを繰り返し実施することが好適である（図２、図３参照）。こうした場合、電極構成材料（主に金属イオン系カチオン）を溶出させて出し切ることが可能となる。

上述した燃料電池の製造方法によれば、従来手法にはない出荷検査工程（ステップＳＰ３）を設定し、定常発電工程(B)時にカチオンを溶出させ、ＷＯＴ発電時にカチオンを電解質にコンタミさせる（混入させる）ことにより、出荷前にコンタミ完了させることができる。このため、出荷後、燃料電池のスタック出力が早期に低下するのを抑止することができる。

また、当該燃料電池の出荷前にあらかじめコンタミの影響による出力低下をさせることで、出荷後にユーザーが覚えるかもしれない「使っている間に出力が低下してきた」との違和感を与えない。

なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。

＜ＷＯＴサイクル試験パターン例＞
出荷検査工程（ステップＳＰ３）におけるＷＯＴサイクル試験パターンの具体的一例を図に示す（図４参照）。なお、図中に示す数値はあくまでも好適な一例にすぎないことはいうまでもない。

＜ＷＯＴサイクル試験パターン例＞
出荷検査工程（ステップＳＰ３）におけるＷＯＴサイクル試験の結果の一例を図に示す（図５参照）。出荷検査工程（ステップＳＰ３）において、ＷＯＴ時のスタック出力が、ＷＯＴサイクル数の増加に伴いサチュレートする様子が確認できた。

本発明は、受電電極と給電電極を利用してワークの表面に膜材料を付着させるプラズマＣＶＤ装置に適用して好適である。

Claims (1)

1. 燃料電池の製造方法であって、
   前記燃料電池を組み付けた後に、
   定常発電を行わせる定常発電工程と、該定常発電時よりも高負荷領域にて発電を行わせる高負荷発電工程と、を繰り返し実行する出荷検査工程を設け、
   前記定常発電工程は、前記燃料電池における水収支が0.05〜0.1g／min／セルとなる範囲で行うものである、燃料電池の製造方法。