JP2021064438A - 燃料電池のエージング方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池のエージング方法において、燃料電池セルの電解質膜の含水量を早期に増加させて、燃料電池セルの触媒に付着した不純物の除去を促進し、燃料電池のエージング期間を短縮することができる技術を提供する。【解決手段】燃料電池のエージング方法は、複数の燃料電池セルを積層される燃料電池スタックを準備し、燃料ガスを燃料電池スタックに供給し、酸化ガスを最大の供給圧力で燃料電池スタックに供給して燃料電池スタックを発電させ、燃料電池スタック内における酸化ガスの圧力を低下させて燃料電池スタックの発電を停止する。【選択図】図３

Description

本開示は、燃料電池のエージング方法に関する。

組み立て後の燃料電池スタックは、電解質膜の含水量の不足により発電性能が不十分なことがある。発電性能を引き上げるために、燃料電池スタックを組み立てた後に発電を行って電解質膜の含水を促進させる燃料電池のエージング方法が知られている（例えば、特許文献１）。

特開２０１０−０２７４３０号公報

従来のエージング方法では、燃料電池スタックの電圧が安定する程度まで電解質膜へ含水させるために大幅な時間を要するといった問題がある。

本開示は、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本開示の一形態によれば、燃料電池のエージング方法が提供される。この燃料電池のエージング方法は、複数の燃料電池セルを積層される燃料電池スタックを準備し、燃料ガスを前記燃料電池スタックに供給し、酸化ガスを最大の供給圧力で前記燃料電池スタックに供給して前記燃料電池スタックを発電させ、前記燃料電池スタック内における前記酸化ガスの圧力を低下させて前記燃料電池スタックの発電を停止する。この形態の燃料電池のエージング方法によれば、燃料電池スタックの発電時に、酸化ガスを最大の供給圧力で燃料電池スタックに供給する。燃料電池セルごとの出力電圧を高くすることができるとともに、燃料電池セルごとの圧力損失の差を小さくすることによって、燃料電池セルごとの酸化ガスの流量のばらつきを低減し、燃料電池セルごとの出力電圧のばらつきを低減することができる。したがって、燃料電池セルの電解質膜の含水量を早期に増加させることができ、燃料電池のエージング期間を短縮することができる。この形態の燃料電池のエージング方法によれば、酸化ガスの圧力を低下させて燃料電池スタックの発電を停止する。水蒸気の分圧を上昇させた状態で発電を停止させることより、燃料電池セルの温度の低下による酸化ガスの流路中の結露を促進させることができる。したがって、燃料電池セル内の電解質膜の含水量を早期に増加させることができ、エージング時間を短縮することができる。燃料電池セル内の含水量を通常時よりも増加させることにより、燃料電池セルの触媒に付着した不純物の除去を促進させることができる。
本開示は燃料電池のエージング方法以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、燃料電池のエージング装置、燃料電池の製造方法や燃料電池を搭載する車両の製造方法、燃料電池のエージング装置の制御方法、燃料電池システムの制御方法、車両の制御方法、その制御方法を実現するコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した一時的でない記録媒体等の形態で実現することができる。

燃料電池システムの構成を示す概略図。 燃料電池の構成を示す説明図。 燃料電池のエージング方法を表すフロー図。

Ａ．第１実施形態：
図１は、本実施形態の燃料電池のエージング方法を行う燃料電池システム１００の構成を示す概略図である。燃料電池システム１００は、例えば、燃料電池を駆動源とする燃料電池車両に搭載される。燃料電池システム１００は、燃料電池２００が発電する電力を、車両に搭載されている負荷に供給する。負荷には、例えば、車両の駆動力源である駆動モータや、車両の電装品、補機、外部給電に用いられる接続器が含まれる。燃料電池システム１００は、車両に搭載されず、燃料電池のエージングのために用いられる装置であってもよい。

燃料電池２００は、燃料と酸化剤との電気化学反応によって発電する固体高分子形燃料電池である。本実施形態において、燃料は水素であり、酸化剤は空気中の酸素であり、燃料ガスとしては水素ガスを、酸化ガスとしては空気を用いる。なお、燃料ガスおよび酸化ガスは共に電気化学反応に用いられる反応ガスであるから両者を区別することなく反応ガスと呼び、電気化学反応に供した後の反応ガスを反応排ガスと呼ぶことができる。本実施形態において、燃料電池２００の組み立て後の発電性能を引き上げるために、燃料電池システム１００を用いて、予め定められた期間において燃料電池２００を発電させる燃料電池２００のエージングが行われる。

燃料電池システム１００は、制御装置８０と、燃料電池２００に対する反応ガスの供給および排出を実行する構成部として、燃料ガス供給部３０と、燃料ガス循環排出部４０と、酸化ガス給排部５０と、を備える。

燃料ガス供給部３０は、燃料電池２００のアノードに燃料ガスを供給する。燃料ガス供給部３０は、高圧の燃料ガスを貯蔵するタンク３１と、タンク３１と燃料電池２００のアノード供給口とを接続する燃料ガス供給管３２と、主止弁３３と、レギュレータ３４と、インジェクタ３５と、を備える。主止弁３３とレギュレータ３４とインジェクタ３５は、燃料ガス供給管３２に、タンク３１側である上流側からこの順で設けられている。

主止弁３３は、制御装置８０の制御によって開閉する電磁弁である。レギュレータ３４は、減圧弁であり、制御装置８０の制御によって、インジェクタ３５の上流側における燃料ガス供給管３２内の圧力を調整する。インジェクタ３５は、例えば、制御装置８０の制御によって周期的に開閉して燃料電池２００に燃料ガスを送り出す。

燃料ガス循環排出部４０は、燃料電池２００のアノードから排出される反応排ガスに含まれる燃料ガスを燃料電池２００に循環させるとともに、反応排ガスに含まれる排水を燃料電池システム１００の外部に排出させる。燃料ガス循環排出部４０には、循環管４２と、排出弁４３と、放出管４４と、循環ポンプ４８とが含まれる。

循環管４２の一端は、燃料電池２００のアノード排出口に接続され、循環管４２の他端は、燃料ガス供給管３２に接続されている。循環ポンプ４８は、循環管４２に備えられる。循環ポンプ４８は、制御装置８０の制御によって駆動され、燃料電池２００から排出されたガスに含まれる未消費の水素ガスを燃料電池２００に循環させる。

循環管４２には、放出管４４が接続されている。放出管４４は、排出弁４３を備える。排出弁４３は、制御装置８０の制御によって駆動され、燃料電池２００から排出された排出ガスを、放出管４４を介して大気に放出する。

酸化ガス給排部５０は、車両のフロントグリル等を通じて取り込こまれる空気を、酸化ガスとして燃料電池２００に供給し、燃料電池２００のカソード排出口から排出された未消費の空気（カソードオフガスとも呼ばれる）を燃料電池システム１００の外部に排出する。酸化ガス給排部５０は、空気供給配管５１と、コンプレッサ５２と、開閉弁５３と、排ガス配管５６と、調圧弁５８と、を備える。

空気供給配管５１は、燃料電池２００のカソード供給口に接続されている。空気供給配管５１には、コンプレッサ５２と開閉弁５３とが設けられている。コンプレッサ５２は、取り込んだ外気を圧縮した酸化ガスを、空気供給配管５１を介して燃料電池２００のカソード供給口へと送り出す。開閉弁５３は、カソード供給口へと流れる空気の流量を、開度に応じて調節する。

排ガス配管５６は、燃料電池２００のカソード排出口に接続されており、カソード排出口から排出されるカソードオフガスを車両の外部へと導く。調圧弁５８は、排ガス配管５６に設けられており、制御装置８０の制御によって、燃料電池２００のカソード側の圧力を調整する。

制御装置８０は、論理演算を実行する少なくとも１つのプロセッサと主記憶装置とを備えるＥＣＵ（Electronic Control Unit）によって構成される。制御装置８０は、プロセッサが主記憶装置上に読み込んだプログラムや命令を実行することによってインジェクタ３５、コンプレッサ５２、調圧弁５８等の各種のバルブの開閉制御を含む燃料電池システム１００の種々の機能を発揮する。なお、制御装置８０の機能の少なくとも一部は、ハードウェア回路によって構成されてもよい。

図２は、燃料電池２００の構成を示す説明図である。燃料電池２００は、複数の燃料電池セル２０（以下、「セル２０」とも呼ぶ）が積層された燃料電池スタック２０Ｓを、一対のエンドプレート７０Ｅ，７０Ｆで挟持したスタック構造を有する。本実施形態では、燃料電池スタック２０Ｓは、３３０枚のセル２０を積層される。燃料電池スタック２０Ｓにおいてセル２０を積層する枚数は、必要な燃料電池２００の出力電力に応じて適宜定めてよい。

燃料電池スタック２０Ｓとエンドプレート７０Ｅ，７０Ｆとの間には、絶縁板６５Ｅ，６５Ｆを介在させてターミナルプレート６０Ｅ，６０Ｆが備えられる。各セル２０で発電された電力は、ターミナルプレート６０Ｅ，６０Ｆによって集電されて、昇圧回路やインバータなどの必要な回路を介して外部の負荷へと出力される。

各セル２０は、単体で発電可能な発電要素であり、電解質膜の両側にアノードとカソードの両電極を接合させた膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly／ＭＥＡ）と、膜電極接合体を挟む２枚のセパレータと、を有する。各セパレータには、反応ガスを流通させる流路が備えられる。電解質膜は、内部に水分を包含した湿潤状態のときに良好なプロトン伝導性を示す固体高分子薄膜によって構成される。電極には、反応ガスの電気化学反応を促進する触媒が配置されている。触媒は、例えば、白金（Ｐｔ）によって構成される。一酸化炭素（ＣＯ）等の不純物が触媒に付着すると、燃料電池２００の発電性能を低下させることがある。膜電極接合体のアノード側およびカソード側のそれぞれの表面上には、ガス透過性および電子伝導性を有するガス拡散層が配置されてもよい。

燃料電池２００は、エンドプレート７０Ｆ側に、カソードガス供給口２４とカソードガス排出口２８を備える。なお、技術の理解を容易にするため燃料ガスの供給口と排出口との図示は省略されている。カソードガス供給口２４とカソードガス排出口２８とは、燃料電池スタック２０Ｓの積層方向に貫通する直線状の流路である供給側マニホールド２５と排出側マニホールド２６とにそれぞれ接続される。酸化ガスは、カソードガス供給口２４から供給側マニホールド２５に送り込まれて各セル２０に分配され、各セル２０のセパレータの流路を流動し、排出側マニホールド２６を介してカソードガス排出口２８から排出される。

セル２０のセパレータに形成されるガス流路に、例えば製造上の加工精度に起因する寸法ばらつきが発生すると、ガス流動時の圧力損失が各セル２０間で相違することがある。圧力損失が大きいセル２０では、圧力損失が小さいセル２０よりもガスが流動されにくい。そのため、燃料電池２００内に酸化ガスが供給されると、燃料電池スタック２０Ｓ内の各セル２０において、酸化ガスの流量の差が生じることがある。

図３は、本実施形態の燃料電池２００のエージング方法を表すフロー図である。本実施形態の燃料電池２００のエージング方法は、例えば、燃料電池２００の製造工程の一部として実行される。

複数のセル２０を積層した燃料電池スタック２０Ｓを準備し、エンドプレート７０Ｅ，７０Ｆ等を組み付けて燃料電池２００を製造する（ステップＳ１０）。制御装置８０は、燃料電池システム１００の各部の制御により燃料ガスおよび酸化ガスを燃料電池２００に供給して燃料電池２００を始動し、燃料電池２００に接続された負荷を始動して燃料電池２００の発電を開始する（ステップＳ２０）。

制御装置８０は、燃料ガスを予め定められた流量で燃料電池２００に供給し、酸化ガスを最大の供給圧力で燃料電池２００に供給する。「最大の供給圧力」とは、燃料電池システム１００において、燃料電池スタック２０Ｓに異常をきたさない範囲内で設定可能な最大圧力を意味する。酸化ガスの最大の供給圧力は、調圧弁５８を全閉した状態で、コンプレッサ５２が酸化ガスを燃料電池２００に供給することで実現され、例えば、１５０ｋＰａ以上に設定される。燃料電池２００の発電により、各セル２０の温度は上昇する。

酸化ガスを最大の供給圧力で燃料電池２００に供給すると、各セル２０のセパレータの酸化ガス流路の圧力が上昇し、酸化ガスの流速は低下する。酸化ガスの流速が低下すると、酸化ガスの運動エネルギは低下し、各セル２０の流路を流動する酸化ガスの圧力損失が小さくなる。そのため、各セル２０に分配される酸化ガスの流量の差は小さくなる。

燃料電池２００の発電を予め定められた期間において継続させると、制御装置８０は、負荷を停止させ、燃料電池２００の発電を停止させる（ステップＳ３０）。制御装置８０は、調圧弁５８を全開まで開弁させて燃料電池２００の発電を停止させる。すなわち、制御装置８０は、燃料電池２００内の酸化ガスの流路の圧力を低下させて、燃料電池２００の発電を停止させる。燃料電池２００の発電を停止させると、各セル２０内の温度は低下する。制御装置８０が燃料電池２００の発電を停止させると、燃料電池２００のエージング方法は終了する。

燃料電池２００内の酸化ガスの流路では、酸化ガスの分圧の低下により水蒸気の分圧が上昇するため、酸化ガスの物質量に対する水蒸気の物質量の比率が大きくなる。そのため、燃料電池２００の発電停止によりセル２０の温度が低下すると、通常時よりもセル２０内の結露が促進され、セル２０内の含水量が通常時よりも増加する。

以上説明したように、本実施形態の燃料電池２００のエージング方法によれば、燃料電池２００の発電時に、酸化ガスを最大の供給圧力で燃料電池２００に供給する。セル２０ごとの出力電圧を高くすることができるとともに、セル２０ごとの圧力損失の差を小さくすることによって、セル２０ごとの酸化ガスの流量のばらつきを低減し、セル２０ごとの出力電圧のばらつきを低減することができる。したがって、各セル２０の電解質膜の含水量を早期に増加させることができ、燃料電池２００のエージング期間を短縮することができる。

本実施形態の燃料電池２００のエージング方法によれば、酸化ガスの圧力を低下させて燃料電池２００の発電を停止する。水蒸気の分圧を上昇させた状態で発電を停止させることより、セル２０の温度の低下による結露を促進させることができる。したがって、セル２０内の電解質膜の含水量を早期に増加させることができ、エージング時間を短縮することができる。セル２０内の含水量を通常時よりも増加させることにより、各セル２０の触媒に付着した不純物の除去を促進させることができる。

Ｂ．他の実施形態：
（Ｂ１）上記実施形態において、燃料電池２００は、エンドプレート７０Ｆ側に、酸化ガスである空気のカソードガス供給口２４とカソードガス排出口２８を備える。これに対して、燃料電池２００のカソードガス供給口２４とカソードガス排出口２８との位置は、例えば、エンドプレート７０Ｆとにカソードガス供給口２４を配置し、エンドプレート７０Ｅにカソードガス排出口２８を配置してもよい。

本開示は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

２０…燃料電池セル、２０Ｓ…燃料電池スタック、２４…カソードガス供給口、２５…供給側マニホールド、２６…排出側マニホールド、２８…カソードガス排出口、３０…燃料ガス供給部、３１…タンク、３２…燃料ガス供給管、３３…主止弁、３４…レギュレータ、３５…インジェクタ、４０…燃料ガス循環排出部、４２…循環管、４３…排出弁、４４…放出管、４８…循環ポンプ、５０…酸化ガス給排部、５１…空気供給配管、５２…コンプレッサ、５３…開閉弁、５６…排ガス配管、５８…調圧弁、６０Ｅ，６０Ｆ…ターミナルプレート、６５Ｅ，６５Ｆ…絶縁板、７０Ｅ，７０Ｆ…エンドプレート、８０…制御装置、１００…燃料電池システム、２００…燃料電池

Claims (1)

1. 燃料電池のエージング方法であって、
   複数の燃料電池セルを積層される燃料電池スタックを準備し、
   燃料ガスを前記燃料電池スタックに供給し、酸化ガスを最大の供給圧力で前記燃料電池スタックに供給して前記燃料電池スタックを発電させ、
   前記燃料電池スタック内における前記酸化ガスの圧力を低下させて前記燃料電池スタックの発電を停止する、
   燃料電池のエージング方法。

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