JP2017033922A - 燃料電池スタック活性化工法 - Google Patents
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Abstract
【課題】燃料電池スタック初期活性化において、活性化に費やされる時間、及び水素の使用量を削減すること。【解決手段】燃料電池スタックに酸素と水素を供給して開放回路電圧（OCV）状態において、酸素と水素の供給を中止するＳ１０。スタックを形成する複数のセルの中で隣接するセルの間を電気的に接続させ、隣接セルの間をショートさせてセル電圧をOVにさせるＳ２０。スタックに水素と酸素を再度供給し、所定の電流密度を所定時間の間印加する前処理過程を行うＳ３０。開放回路電圧状態を経て、所定の電流密度を超過する電流密度を、所定時間を超過する時間印加し、再度セル間をショートさせて電圧をOVに下降させ、スタック内部の残存酸素を取り除くＳ４０。残存酸素を取り除いた後、所定時間、休止させてから酸素と水素を再度供給するＳ５０。【選択図】図２
Description
本発明は、燃料電池スタック活性化工法に関し、特に、燃料電池の隣接セルの間を、電気的ショート現象を利用してスタック電圧を速やかに下降させ、スタック内部の残存酸素を取り除いて工程時間と水素消耗量を低減させるための燃料電池スタック活性化工法に関する。
一般に、燃料電池スタックが組み立てられて製作された後、初期運転時には電気化学反応でその活性度が低下するので、正常な初期性能を最大限に確保するために必ずスタック活性化（Activation）という工程を進めなければならない。
プリコンディショニング（Pre-conditioning）またはブレークイン（break-in）とも呼ばれる燃料電池の活性化の目的は、反応に参加できない触媒を活性化させ、電解質膜及び電極内に含まれている電解質を十分に水和させて水素イオン通路を確保することにある。
さらに詳しくは、燃料電池スタックの組立ての後、正常状態の性能を発揮するためには、3相の電極反応面積の確保、高分子電解質膜または電極の不純物の除去、高分子電解質膜のイオン伝導性の向上を目的にスタック活性化工程が進められる。
このような従来のスタック活性化方法は、高電流密度放電とシャットダウン（shutdown）状態でなるパルス放電を数回から数十回繰り返し実施しており、220セルサブモジュールを基準に約1時間30分から2時間程度の工程時間が必要となる。
さらに具体的に、従来のスタック活性化方法は、高電流密度（1.2または1.4A/cm2）を3分間放電する過程と、シャットダウン状態で5分間パルス放電が行われる過程とを11回程度繰り返し実施してなる。
しかし、このようなパルス放電を通じた従来の活性化工程では、その工程時間だけでなく、用いられる水素の量も増加するという欠点がある。
つまり、シャットダウン（Shut-Down）状態でパルス放電を利用する既存のスタック活性化方法は、燃料電池内部の水の流動に変化を与えて活性化速度が増加する利点があるが、220セルサブモジュールを基準に活性化に必要となる時間は約105分、水素の使用量は約2.9kgが必要となって、工程時間が長くなり、水素の消耗量が多くなるという問題点があった。
本発明は、前記の問題点を解消するための燃料電池スタック活性化工法に関し、特に、燃料電池の隣接セルの間を、電気的ショート現象を利用してスタック電圧を速やかに下降させ、スタック内部の残存酸素を取り除いて工程時間と水素消耗量を低減させることを目的とする。
このような本発明は、燃料電池活性化工程で活性化工程の開始後、前記燃料電池を形成するスタックに酸素と水素を供給して開放回路電圧（OCV、Open Circuit Voltage）状態にし、酸素と水素の供給を中止する第1段階と；前記スタックを形成する複数のセルの中で隣接するセルの間をセル電圧感知端子台を介して電気的に接続させ、前記隣接セルの間をショートさせて前記セル電圧をOVにさせる第2段階と；前記第2段階以後に前記スタックに水素と酸素を再度供給し、所定の電流密度を所定時間の間印加する前処理過程を行う第3段階と；前記第3段階以後に開放回路電圧状態を経て、前記所定の電流密度を超過する電流密度を、前記所定時間を超過する時間の間印加し、ショートを介して電圧を再度下降させてOVにさせ、前記スタック内部の残存酸素を取り除く第4段階と；前記第4段階で残存酸素を取り除いた後、所定時間の間の休止期を持ってから酸素と水素を再度供給する第5段階と；を含むことにより達成される。
前記第3段階で所定の電流密度は0.6〜1.0A/cm2に設定し、所定時間は10〜60秒に設定するようにすることが好ましい。
前記第4段階で前記所定の電流密度を超過する電流密度は1.0〜1.4A/cm2に設定し、前記所定時間を超過する時間は30〜180秒に設定するようにすることが好ましい。
前記第5段階の所定時間は30〜300秒に設定するようにすることが好ましい。
前記第2段階と前記第4段階で、前記セル電圧がOVになるようにショートさせる時間は5秒未満になるよう設定するようにすることが好ましい。
前記第4段階と前記第5段階を11回繰り返して活性化工程時間は75分になるようにし、水素の消耗量は1.7kgに低減させるようにすることが好ましい。
前記セル電圧感知端子台は、前記隣接セルを接続することができるよう、中央から両端に接続部が形成されるようにすることが好ましい。
さらに、本発明は、燃料電池活性化工程で活性化工程の開始後、前記燃料電池を形成するスタックに酸素と水素を供給して開放回路電圧（OCV、Open Circuit Voltage）状態にし、酸素と水素の供給を中止する第1段階と；前記スタックを形成する複数のセルの中で隣接するセルの間を、セル電圧感知端子台に形成されている接続部を介して電気的に接続させ、前記隣接セルの間をショートさせて前記セル電圧がOVになるようにする第2段階と；前記第2段階以後に前記スタックに水素と酸素を再度供給し、0.6〜1.0A/cm2の電流密度を10〜60秒間印加する前処理過程を行う第3段階と；前記第3段階以後に開放回路電圧状態を経て1.0〜1.4A/cm2の電流密度を30〜180秒間印加し、ショートを介して電圧を再度下降させてOVにさせ、前記スタック内部の残存酸素を取り除く第4段階と；前記第4段階で残存酸素を取り除いた後、30〜300秒間の休止期を持ってから酸素と水素を再度供給する第5段階と；を含むことにより達成される。
前記第2段階と前記第4段階で、前記セル電圧がOVになるようにショートさせる時間は5秒未満になるように設定するのが好ましい。
以上のような本発明は、燃料電池の隣接セルをショートさせる技法で開放回路電圧状態のセル電圧を0V近くに下降させた後再度活性化を進め、活性化工程中にショートを利用して電圧を速やかに下降させ、スタック内部の残存酸素を完璧に取り除くようにして活性化工程を加速化させることにより、固定に費やされる時間を低減させ、活性化に費やされる水素の使用量を減少させることに効果がある。
本発明の実施形態を、図を参照しながら詳しく説明する。
本発明の燃料電池スタック活性化工法は、図1に示す通り、燃料電池活性化工程で燃料電池のスタックに酸素と水素を供給及び供給中止を実施する第1段階（S10）と、スタックの隣接セルの間を電気的に接続させてショートさせる第2段階（S20）と、スタックに酸素と水素を再供給して電流を印加する第3段階（S30）と、ショートを介し電圧を下降させてスタック内部の残存酸素を取り除く第4段階（S40）と、酸素と水素を再供給する第5段階（S50）とを含む。
図1及び図2に示す通り、第1段階（S10）は、本発明である燃料電池スタック活性化工法の開始段階であって、燃料電池活性化工程で活性化工程の開始後、燃料電池を形成するスタックに酸素と水素を供給して開放回路電圧（OCV、Open Circuit Voltage）状態にする。
スタックが開放回路電圧状態になれば、酸素と水素の供給を中止してショートを準備させる。
第2段階（S20）は、ショートを介して電圧を下降させる段階であって、スタックを形成する複数のセルの中で隣接するセルの間をセル電圧感知端子台を介して電気的に接続させ、互いに接続されている隣接セルの間をショートさせてセル電圧がOVに近いように下降させる。
このとき、セルとセルの間を接続するセル電圧感知端子台は、隣接セルを互いに接続できるよう、中央から両端に接続部（図示省略）が形成されるようにすることが好ましい。
第3段階（S30）は、前処理過程を行う段階であって、セル電圧を0Vに近く下降させた第2段階（S20）以後にスタックに水素と酸素を再度供給し、所定の電流密度を所定時間の間印加して前処理過程を行うようにする。
このとき、第3段階（S30）で所定の電流密度は、低電流密度と高電流密度の何れでも不良セルの検出及び電圧安定性の確認ができるよう0.6〜1.0A/cm2に設定し、所定時間は、時間に応じた電圧安定性の確認のため10〜60秒に設定するようにすることが好ましい。
より好ましくは、第3段階（S30）で所定電流は360Aに設定し、所定時間は30秒に設定するようにする。
第4段階（S40）は、スタック内部の残存酸素を取り除く段階であって、前処理過程を行った第3段階（S30）以後に開放回路電圧状態を経て、所定の電流密度（0.6〜1.0A/cm2）を超過する電流密度を、所定時間（10〜60秒）を超過する時間の間印加し、ショートを介して電圧を再度下降させてOVにさせ、スタック内部の残存酸素を取り除く。
このとき、第4段階（S40）で所定の電流密度を超過する電流密度は、高電流パルス運転を介して触媒周辺のナフィオンをスウェリングさせ、電極の構造的変化をもたらしてクローズドポア（Closed Pore）をオープンポア（Open Pore）に変化させることにより、物質伝達抵抗減少の効果を得るために1.0〜1.4A/cm2に設定し、所定時間を超過する時間は、十分な物質伝達抵抗減少の効果を得るために30〜180秒に設定するようにすることが好ましい。
より好ましくは、第4段階（S40）で360Aの所定電流を超過する電流は432Aに設定し、30秒の所定時間を超過する時間は120秒に設定するようにする。
さらに、第2段階（S20）と第4段階（S40）でセル電圧がOVになるようにショートさせるショート維持時間は、速やかな電圧降下を介してスタック内部の残存酸素を速やかに取り除き、Pt-Ox還元及び白金/バインダー界面最適化のため、水素量論比（stoichiometry）1.5を基準にして5秒未満（電圧降下時間が5秒を超過しないように設定）に設定し、活性化時に用いる水素量論比の量が変化しない限り5秒未満が維持できるようにする。
一方、外部ショート方式に代え、負荷印加を介して強制的に電圧を急降下させる場合は20Aの電流を印加させ、但し、ここで電流の印加は、活性化面積360A/cm2を基準に活性化面積に比例して増加されるようにすることが好ましい。
第5段階（S50）は、酸素と水素を再度供給する段階であって、第4段階（S40）で残存酸素を取り除いた後、所定時間の間の休止期を持ってから酸素と水素を再度供給してスタックを活性化させる。
このとき、第5段階（S50）の所定時間は、休止期の間、電極の製作中に混入された不純物または形成された表面酸化物、残存有機溶媒（IPA アルコール類、プロパン来るなど）を表面から取り除くことにより、触媒活性を増加させるための十分な効果を得るために30秒〜300秒に設定するようにすることが好ましい。
より好ましくは、第5段階（S50）の所定時間は180秒に設定する。
このように、本発明は、ショートを介し電圧を再度下降させてスタック内部の残存酸素を取り除く第4段階（S40）と、休止期以後に酸素と水素を再度供給する第5段階（S50）とを、燃料電池スタックが基準性能を満たすことができるよう、最少11回繰り返して活性化工程を加速化させることができるようにする。
ここで、活性化の加速化は、セル内部の電極分離盤の製作中に形成されたPt触媒表面の酸化物の還元速度がカソード過電圧の低下によって上昇し、カソード内の残余酸素がPt-Ox還元及び白金/バインダー界面の最適化によって完全に取り除かれることにより可能である。
つまり、本発明は、従来に比べて消耗時間及び中間工程の反復回数を低減させて、活性化工程時間が75分で相当な時間が短縮されるようにし、水素の消耗量（水素の消耗量は、活性化工程時間及び反復回数に従って変化）を1.7kgまで減少させて商品性を向上させることができるようにする。
このように、本発明は、燃料電池活性化工程で活性化工程の開始後、燃料電池を形成するスタックに酸素と水素を供給して開放回路電圧（OCV、Open Circuit Voltage）状態にし、酸素と水素の供給を中止する第1段階（S10）と、スタックを形成する複数のセルの中で隣接するセルの間をセル電圧感知端子台を介して電気的に接続させ、隣接セルの間をショートさせてセル電圧がOVになるようにする第2段階（S20）と、第2段階（S20）以後にスタックに水素と酸素を再度供給し、所定電流を所定時間の間印加する前処理過程を行う第3段階（S30）と、第3段階（S30）以後に開放回路電圧状態を経て、所定電流を超過する電流を、所定時間を超過する時間の間印加し、ショートを介して電圧を再度下降させてOVにさせ、スタック内部の残存酸素を取り除く第4段階（S40）と、第4段階（S40）で残存酸素を取り除いた後、所定時間の間の休止期を持ってから酸素と水素を再度供給する第5段階（S50）とからなって、燃料電池の隣接セルをショートさせる技法で開放回路電圧状態のセル電圧を0V近くに下降させた後再度活性化を進め、活性化工程中にショートを利用して電圧を速やかに下降させ、スタック内部の残存酸素を完璧に取り除くようにして活性化工程を加速化させることにより、固定に費やされる時間を低減させ、活性化に費やされる水素の使用量を減少させる効果がある。
以上のように、本発明は、たとえ限定された実施形態と図面によって説明されたものの、本発明はこれによって限定されず、本発明の属する技術分野で通常の知識を有する者によって、本発明の技術思想と特許請求の範囲内で多様な修正及び変形が可能であるのは勿論である。
S10 第1段階
S20 第2段階
S30 第3段階
S40 第4段階
S50 第5段階
S20 第2段階
S30 第3段階
S40 第4段階
S50 第5段階
Claims (9)
- 燃料電池活性化工程で活性化工程の開始後、前記燃料電池を形成するスタックに酸素と水素を供給して開放回路電圧（OCV、Open Circuit Voltage）状態にし、酸素と水素の供給を中止する第1段階と；
前記スタックを形成する複数のセルの中で隣接するセルの間をセル電圧感知端子台を介して電気的に接続させ、前記隣接セルの間をショートさせて前記セル電圧をOVにさせる第2段階と；
前記第2段階以後に前記スタックに水素と酸素を再度供給し、所定の電流密度を所定時間の間印加する前処理過程を行う第3段階と；
前記第3段階以後に開放回路電圧状態を経て、前記所定の電流密度を超過する電流密度を、前記所定時間を超過する時間の間印加し、ショートを介して電圧を再度下降させてOVにさせ、前記スタック内部の残存酸素を取り除く第4段階と；
前記第4段階で残存酸素を取り除いた後、所定時間の間の休止期を持ってから酸素と水素を再度供給する第5段階と；を含むことを特徴とする燃料電池スタック活性化工法。 - 前記第3段階で所定の電流密度は0.6〜1.0A/cm2に設定し、所定時間は10〜60秒に設定することを特徴とする請求項1に記載の燃料電池スタック活性化工法。
- 前記第4段階で前記所定の電流密度を超過する電流密度は1.0〜1.4A/cm2に設定し、前記所定時間を超過する時間は30〜180秒に設定することを特徴とする請求項2に記載の燃料電池スタック活性化工法。
- 前記第5段階の所定時間は30〜300秒に設定することを特徴とする請求項3に記載の燃料電池スタック活性化工法。
- 前記第2段階と前記第4段階で、前記セル電圧がOVになるようにショートさせる時間は5秒未満になるよう設定することを特徴とする請求項1に記載の燃料電池スタック活性化工法。
- 前記第4段階と前記第5段階を11回繰り返して活性化工程時間は75分になるようにし、水素の消耗量は1.7kgに低減させることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池スタック活性化工法。
- 前記セル電圧感知端子台は、前記隣接セルを接続することができるよう、中央から両端に接続部が形成されることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池スタック活性化工法。
- 燃料電池活性化工程で活性化工程の開始後、前記燃料電池を形成するスタックに酸素と水素を供給して開放回路電圧（OCV、Open Circuit Voltage）状態にし、酸素と水素の供給を中止する第1段階と；
前記スタックを形成する複数のセルの中で隣接するセルの間を、セル電圧感知端子台に形成されている接続部を介して電気的に接続させ、前記隣接セルの間をショートさせて前記セル電圧がOVになるようにする第2段階と；
前記第2段階以後に前記スタックに水素と酸素を再度供給し、0.6〜1.0A/cm2の電流密度を10〜60秒間印加する前処理過程を行う第3段階と；
前記第3段階以後に開放回路電圧状態を経て1.0〜1.4A/cm2の電流密度を30〜180秒間印加し、ショートを介して電圧を再度下降させてOVにさせ、前記スタック内部の残存酸素を取り除く第4段階と；
前記第4段階で残存酸素を取り除いた後、30〜300秒間の休止期を持ってから酸素と水素を再度供給する第5段階と；を含むことを特徴とする燃料電池スタック活性化工法。 - 前記第2段階と前記第4段階で、前記セル電圧がOVになるようにショートさせる時間は5秒未満になるように設定することを特徴とする請求項8に記載の燃料電池スタック活性化工法。
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