JP4757450B2

JP4757450B2 - 燃料電池の運転方法

Info

Publication number: JP4757450B2
Application number: JP2004047219A
Authority: JP
Inventors: 真也渡邉; 昌弘毛里; 洋介藤井; 実越沼; 充郎市川
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2004-02-24
Filing date: 2004-02-24
Publication date: 2011-08-24
Anticipated expiration: 2024-02-24
Also published as: JP2005243245A

Description

本発明は、エージングを行う際の燃料電池の運転方法に関する。

図７（ａ）に示したように、固体高分子型の燃料電池セル１００には、高分子電解質膜１０１と、その両側に設けられた触媒作用をもった水素電極１０２及び酸素電極１０３と、各電極１０２，１０３との間で反応ガスである水素と酸素（空気中に含まれる）の供給路を形成するセパレータ１０４及び１０５とが備えられている。

そして、セパレータ１０４により形成された供給路１０６に供給された水素ガスＨ₂は、水素電極１０２で電子ｅ^-を放出して水素イオンＨ⁺となり、該水素イオンＨ⁺が高分子電解質膜１０１中を伝導する。一方、酸素電極１０３においては、セパレータ１０５により形成された供給路１０７に供給された空気中の酸素ガスＯ₂と酸素電極１０３から供給される電子ｅ^-と水素イオンＨ⁺とにより、以下の式（１）の反応が生じて水Ｈ₂Ｏが生成される。

１／２Ｏ₂＋２Ｈ⁺＋２ｅ^- → Ｈ₂Ｏ・・・・・（１）
ここで、高分子電解質膜１０１における水素イオンＨ⁺の伝導率は、高分子電解質膜１０１の含水率によって変化し、乾燥状態では水素イオンＨ⁺の伝導率が低く、含水率が高くなるに従って水素イオンＨ⁺の伝導率が高くなる。そして、燃料電池セル１００を組み立てたときには、高分子電解質膜１０１は乾燥状態にあるので、高分子電解質膜１０１に含水させて所望の出力能力を発揮し得る状態にする、いわゆるエージングを行う必要がある。

そこで、従来は、燃料電池１００に供給される反応ガスを加湿し、水蒸気により高分子電解質膜１０１に含水させる処理に加えて、燃料電池１００に電気負荷１１０を接続して一定電流を出力させることにより、上記式（１）の化学反応によって酸素電極１０３に水を生じさせて高分子電解質膜１０１に含水させるようにしていた。

さらに、エージングを行う際に、発電により消費される反応ガスの利用率を向上させて燃料電池セル１００内で生じる水を増加させ、これにより高分子電解質膜１０１の含水を促進させてエージングに要する時間を短縮させる方法が提案されている（例えば特許文献１参照）。
特開２００３−２１７６２２号公報

図７（ａ）に示したように、燃料電池１００に電気負荷１１０を接続して一定電流を出力させ、これにより酸素電極１０３に水を生じさせて高分子電解質膜１０１に含水させる場合、出力電流が大きいほど生成される水量が多くなるため、エージングに要する時間が短くなる。

しかし、本願発明者らは、燃料電池の出力電流を大きく設定してエージングを開始した場合、図７（ｂ）に示したように、高分子電解質膜１０１が含水により急激に膨張することを知見した。この場合、膨張により水素電極１０２が近接するセパレータ１０４の方向に押し出される共に、酸素電極１０３が近接するセパレータ１０５の方向に押し出される。

その結果、水素電極１０２がセパレータ１０４に挫屈して変形し、同様に、酸素電極１０３がセパレータ１０５に挫屈して変形するおそれがある。そして、このような水素電極１０２と酸素電極１０３の変形により、燃料電池１００の性能が低下するという不都合がある。

そこで、本発明は、かかる不都合を解消し、エージングを行う際に、高分子電解質膜の急激な膨張が生じることを防止した燃料電池の運転方法を提供することを目的とする。

本発明は上記目的を達成するためになされたものであり、電極間に保水により反応ガスイオンの伝導率が向上する高分子電解質膜を備え、各電極に近接して設けられたセパレータにより反応ガスの流通路が形成された燃料電池のエージングを行う際の運転方法であって、燃料電池の出力電流を、所定レベル減少させた後に該所定レベル減少させる直前のレベル以上まで増加させる処理を伴って、所定の初期電流値から所定の上限電流値まで漸増させる第１の工程と、該第１の工程に続いて、所定のエージング終了条件が成立するまで、燃料電池の出力電流を前記上限電流値に維持する第２の工程とからなることを特徴とする。

かかる本発明によれば、燃料電池のエージングを行う際に、前記第１の工程により燃料電池の出力電流が漸増される。これにより、燃料電池の電極で生成される水の量の増加が緩やかなものとなり、高分子電解質膜の急激な膨張を抑制することができる。そのため、高分子電解質膜の急激な膨張により、電極がセパレータに向かって急速に変位してセパレータとの接触面で偏荷重が発生し、該偏荷重による電極の変形によって燃料電池の性能が低下することを防止することができる。さらに、燃料電池の出力電流を一時的に所定レベル減少させて、燃料電池の出力電流を増減させることによって、燃料電池のエージングに要する時間を短縮することができる。なお、このようにエージング時間が短縮される理由としては、燃料電池の出力電流を増減させることによって、高分子電解質膜と電極間の界面における電流の挿印が変化して電荷の移動量が変動し、これにより、高分子電解質膜における反応ガスイオンの伝導経路の形成が促進されるためではないかと考えられる。

また、前記第１の工程において、燃料電池の出力電流を、第１の所定時間が経過するまで第１の電流値に維持した後、第２の所定時間が経過するまで該第１の電流値よりも大きい第２の電流値に維持する処理を所定回数繰り返す処理を、該処理の開始時に該第２の電流値を増加させて繰り返し実行することにより、単位時間あたりの燃料電池の出力電流を漸増させることを特徴とする。

かかる本発明によれば、前記第１の工程において、燃料電池の出力電流を第１の電流値と第２の電流値との間で増減させることにより、燃料電池のエージングに要する時間を短縮することができる。

また、前記第２の工程において、燃料電池の出力電流を、第３の所定時間が経過するまで第３の電流値に維持した後、第４の所定時間が経過するまで該第３の電流値よりも大きい第４の電流値に維持する処理を繰り返すことにより、単位時間あたりの燃料電池の出力電流を前記上限電流値に維持することを特徴とする。

かかる本発明によれば、前記第２の工程において、燃料電池の出力電流を第３の電流値と第４の電流値との間で増減させることにより、燃料電池のエージングに要する時間を短縮することができる。

また、前記燃料電池の出力電流を、燃料電池の出力電圧が燃料電池の特性に応じて決定された許容電圧以上となる範囲内で設定することを特徴とする。

かかる本発明によれば、燃料電池のエージングを行う際に、燃料電池の出力電圧が前記許容電圧よりも低下して、燃料電池の性能劣化が生じることを防止することができる。

本発明の実施の形態について、図１〜図６を参照して説明する。図１は燃料電池のシステム構成図、図２は燃料電池セルの構造図、図３，図４はエージング実行時の燃料電池の制御フローチャート、図５はエージング実行時の燃料電池の出力電流の推移を示した時系列グラフ、図６はエージングに要する時間の比較グラフである。

図１に示したように、燃料電池１（燃料電池スタック）には、水素タンク２から水素供給管３を介して水素が供給されると共に、エアコンプレッサ４から空気供給管５を介して空気が供給される。また、水素供給管３には、水素の供給量を調節する可変バルブ６と水素に加湿する加湿器８が設けられ、空気供給管５には、空気の供給量を調節する可変バルブ７と空気に加湿する加湿器９が設けられている。

さらに、燃料電池１の出力電圧Ｖfcを検出する電圧検出器１０、燃料電池１の出力電流Ｉfcを検出する電流検出器１１、燃料電池１と接続された冷媒循環路１２内に冷媒を循環させて燃料電池１を冷却する温度調節器１５、及び燃料電池１の作動を制御するコントローラ２０が備えられている。

そして、電圧検出器１０の電圧検出信号と電流検出器１１の電流検出信号がコントローラ２０に入力され、コントローラ２０から出力される制御信号によって、可変バルブ６，７、加湿器８，９、及び温度調節器１５の設定、作動が制御される。

次に、燃料電池１は、図２に示した燃料電池セル５０を複数個積層して構成される。燃料電池セル５０は、高分子電解質膜５１と、その両側に設けられた触媒作用をもった水素電極５２及び酸素電極５３と、各電極５２，５３との間で反応ガスである水素と酸素（空気中に含まれる）の流通路を形成するセパレータ５４及び５５とが備えられている。

そして、セパレータ５４により形成された流通路５６は水素供給管３と連通し、セパレータ５５により形成された流通路５７は空気供給管５と連通している。これにより、水素電極５２に供給される水素と、酸素電極５３に供給される酸素との間で化学反応が生じ、電気負荷６０に電流が供給される。また、該化学反応に伴って水が生成される。

ここで、燃料電池セル５０の発電時には、水素イオンＨ⁺が高分子電解質膜５１を透過して水素電極５２から酸素電極５３へと伝導するが、燃料電池１の組み立て時には、各燃料電池セル５０の高分子電解質膜５１は乾燥状態であり、水素イオンＨ⁺の伝導率が低い。そのため、高分子電解質膜５１の含水を促進させて水素イオンＨ⁺の伝導率を向上させ、燃料電池１に所望の性能を発揮させるためにエージングが行われる。エージングを実行する際には、図１に示したように可変抵抗２１が接続され、可変抵抗２１の抵抗値がコントローラ２０から出力される制御信号によって設定される。

以下、図２，図３に示したフローチャートに従って、コントローラ２０によるエージング実行時の燃料電池１の運転方法について説明する。コントローラ２０は、先ず、ＳＴＥＰ１〜ＳＴＥＰ１１及びＳＴＥＰ３０により、燃料電池１の出力電流Ｉfcを漸増させる第１の工程を実行する。なお、コントローラ２０は、エージングを行う際の燃料電池１の出力電流Ｉfcを、Ｉfcを出力したときの燃料電池１の出力電圧Ｖfcが、燃料電池１の特性に応じて決定された許容電圧以上となるように制御する。

コントローラ２０は、ＳＴＥＰ１で出力電流の設定変数Ｉh（本発明の第２の電流値に相当する）の初期値を０．１A/cm²に設定し、ＳＴＥＰ２でカウンタ変数ＣＮＴをリセット（ＣＮＴ＝０）する。そして、続くＳＴＥＰ３で、コントローラ２０は、燃料電池１の出力電流ＩfcがＩl（例えば０A/cm²，本発明の第１の電流値に相当する）となるように、可変抵抗２１の抵抗値を設定し、ＳＴＥＰ４でＴ₁（本発明の第１の所定時間に相当する）を設定時間とするＴ₁タイマをスタートさせ、ＳＴＥＰ５でＴ₁タイマのタイムアップを待つ。これにより、Ｔ₁の間、燃料電池１の出力電流ＩfcがＩlに維持される。

ＳＴＥＰ５でＴ₁タイマがタイムアップしたときにＳＴＥＰ６に進み、コントローラ２０は、燃料電池１の出力電流ＩfcがＩhとなるように、可変抵抗２１の抵抗値を設定する。そして、続くＳＴＥＰ７でＴ₂（本発明の第２の所定時間に相当する）を設定時間とするＴ₂タイマをスタートさせ、ＳＴＥＰ８でＴ₂タイマのタイムアップを待つ。これにより、Ｔ₂の間、燃料電池１の出力電流ＩfcがＩhに維持される。

ＳＴＥＰ８でＴ₂タイマがタイムアップしたときに、ＳＴＥＰ９に進んで、コントローラ２０はカウンタ変数ＣＮＴをカウントアップする。そして、次のＳＴＥＰ１０でカウンタ変数ＣＮＴが３となったときは図４のＳＴＥＰ１１に進み、カウンタ変数ＣＮＴが３未満であるときにはＳＴＥＰ３に戻る。

ＳＴＥＰ１０の判断部により、ＳＴＥＰ３〜ＳＴＥＰ９の処理が３回繰り返される。そして、ＳＴＥＰ１０でカウンタ変数ＣＮＴが３となったときにＳＴＥＰ１１に進み、コントローラ２０は、ＩhにΔＩh（例えば０．１A/cm²）を加算した電流値が１．０A/cm²以上であるかを判断し、Ｉh＋ΔＩhが１．０A/cm²以上であったときはＳＴＥＰ１２に進んでＩhを１．０A/cm²に設定する。一方、Ｉh＋ΔＩhが１．０A/cm²よりも小さいときには、ＳＴＥＰ３０に分岐し、コントローラ２０は、ＩhをΔＩhだけ増大させて（Ｉh←Ｉh＋ΔＩh）図３のＳＴＥＰ３に戻る。

このＳＴＥＰ１１とＳＴＥＰ３０の処理により、Ｉh＋ΔＩhが１．０A/cm²以上となるまで、燃料電池１の出力電流ＩfcをＴ₁の間Ｉlに維持した後にＴ₂の間Ｉhに維持するＳＴＥＰ３〜ＳＴＥＰ９のループが、３回毎にＩhがΔＩhずつ増加されながら繰り返し実行される。

次に、図４のＳＴＥＰ１２〜ＳＴＥＰ１９により、コントローラ２０は第２の工程を実行する。コントローラ２０は、ＳＴＥＰ１２でＩhを１．０A/cm²に設定する。そして、ＳＴＥＰ１３で燃料電池１の出力電流ＩfcがＩlとなるように、可変抵抗２１の抵抗値を設定し、ＳＴＥＰ１４でＴ₃（本発明の第３の所定時間に相当する）を設定時間とするＴ₃タイマをスタートさせ、ＳＴＥＰ１５でＴ₃タイマのタイムアップを待つ。これにより、Ｔ₃の間、燃料電池１の出力電流ＩfcがＩl（例えば０A/cm²，本発明の第３の電流値に相当する）に維持される。

ＳＴＥＰ１５でＴ₃タイマがタイムアップしたときにＳＴＥＰ１６に進み、コントローラ２０は、燃料電池１の出力電流ＩfcがＩh（＝１．０A/cm²，本発明の第４の電流値に相当する）となるように、可変抵抗２１の抵抗値を設定する。そして、続くＳＴＥＰ１７でＴ₄（本発明の第４の所定時間に相当する）を設定時間とするＴ₄タイマをスタートさせ、ＳＴＥＰ１８でＴ₄タイマのタイムアップを待つ。これにより、Ｔ₄の間、燃料電池１の出力電流ＩfcがＩhに維持される。

ＳＴＥＰ１８でＴ₄タイマがタイムアップしたときにＳＴＥＰ１９に進み、コントローラ２０は、燃料電池１の出力電圧Ｖfcの上昇が止まって横ばいとなったとき（ΔＶfc≒０，本発明のエージング終了条件に相当する）に、コントローラ２０はエージングの運転を終了する。一方、ＳＴＥＰ１９で燃料電池１の出力電圧Ｖfcの上昇が続いているときにはＳＴＥＰ１３に戻り、ＳＴＥＰ１３〜ＳＴＥＰ１８が再度実行される。

図５（ａ）は、以上説明した図３，図４のフローチャートを、Ｉl＝０A/cm²、ΔＩh＝０．１A/cm²として実行したときの燃料電池１の出力電流Ｉfcの推移を示した時系列グラフであり、縦軸がＩfc（A/cm²）に設定され、横軸が時間ｔに設定されている。

ｔ₁₀〜ｔ₁₆が第１の工程であり、Ｉfcは、ＩlとＩhの間で３回増減（ＯＮ／ＯＦＦ）される毎に、ΔＩhずつ増加する（ｔ₁₀〜ｔ₁₁，ｔ₁₁〜ｔ₁₂，…，ｔ₁₅〜ｔ₁₆，ｔ₁₆〜ｔ₁₇）。これにより、Ｉfcの単位時間あたりの電流値が緩やかに増加し、燃料電池セル５０の高分子電解質膜５１（図２参照）の急激な膨張が抑制される。そのため、高分子電解質膜５１の急激な膨張により、水素電極５２がセパレータ５４に挫屈して変形し、また、酸素電極５３がセパレータ５５に挫屈して変形して、燃料電池１の性能が劣化することを防止することができる。

また、燃料電池１の出力電流ＩfcをＩlとＩhの間で増減させながら単位時間あたりの電流値を増加させることによって、Ｉfcを連続的に出力させる場合に比べて、エージングに要する時間を短縮することができる。

ｔ₁₇〜ｔ₁₈は第２の工程であり、燃料電池１の出力電流Ｉfcが１．０A/cm²と０A/cm²との間で増減（ＯＮ／ＯＦＦ）される。このように、Ｉfcを増減させることにより、第２の工程においてもエージングに要する時間を短縮することができる。

なお、本実施の形態では、図５（ａ）に示したように、第１の工程と第２の工程の双方において、燃料電池１の出力電流Ｉfcを増減させる処理を行ったが、いずれか一方の工程においてのみＩfcを増減させることによってもエージングに要する時間を短縮する効果を得ることができる。

また、図５（ｂ）に示したように、Ｉfcを減少させずに、０A/cm²（本発明の初期電流値に相当する）から１．０A/cm²（本発明の上限電流値に相当する）まで漸増させる場合にも、燃料電池セル５０の高分子電解質膜５１（図２参照）の急激な膨張を抑制するという本発明の効果を得ることができる。

また、図５（ｃ）に示したように、Ｉfcを減少させずに、０A/cm²（本発明の初期電流値に相当する）から１．０A/cm²（本発明の上限電流値に相当する）まで、所定レベルずつ段階的に漸増させる場合にも、燃料電池セル５０の高分子電解質膜５１（図２参照）の急激な膨張を抑制するという本発明の効果を得ることができる。この場合、各段階においてＩfcを一定に維持する時間が本発明の所定時間に相当する。

また、本実施の形態では、図３のＳＴＥＰ３〜ＳＴＥＰ８の処理を３回繰り返したが、１回以上行うことにより本発明の効果を得ることができる。

また、図６は、縦軸がＶfcの増加率ΔＶfcに設定され、横軸が時間ｔに設定されたグラフである。そして、図中αは図５（ａ）に示したように、燃料電池の出力電流Ｉfcを増減させながらＩfcの単位時間当たりの電流値を増加させてエージングを行った場合のグラフであり、図中βは図５（ｃ）に示したように、燃料電池の出力電流を段階的に１A/cm²まで増加させてエージングを行った場合における出力電流が１A/cm²に達した後のグラフである。

図６から明らかなように、燃料電池の電圧変化率ΔＶfcがエージング終了の判定値の設定例であるｌm1，ｌm2，ｌm3にそれぞれ達するまでに要する時間は、αにおける時間ｔ₀〜ｔ₁（ｌm1），ｔ₀〜ｔ₂（lm2），ｔ₀〜ｔ₅（lm3）の方が、βにおける時間ｔ₀〜ｔ₃（ｌm1），ｔ₀〜ｔ₄（ｌm2），ｔ₀〜ｔ₆（ｌm3）よりも短くなっている。これから、図５（ａ）に示したように、燃料電池の出力電流Ｉfcを増減させてエージンングを行うことによって、燃料電池のエージング時間を短縮する効果が得られることがわかる。

燃料電池のシステム構成図。燃料電池セルの構造図。エージング実行時の燃料電池の制御フローチャート。エージング実行時の燃料電池の制御フローチャート。エージング実行時の燃料電池の出力電流の推移を示した時系列グラフ。エージングに要する時間の比較グラフ。燃料電池セルの劣化の説明図。

符号の説明

１…燃料電池（スタック）、２…水素タンク、３…水素供給管、４…エアコンプレッサ、５…空気供給管、６，７…可変バルブ、８，９…加湿器、１０…電圧検出器、１１…電流検出器、１２…冷媒循環路、１５…温度調節器、２０…コントローラ、２１…可変抵抗、５０…燃料電池セル、５１…高分子電解質膜、５２…水素電極、５３…酸素電極、５４，５５…セパレータ

Claims

電極間に保水により反応ガスイオンの伝導率が向上する高分子電解質膜を備え、各電極に近接して設けられたセパレータにより反応ガスの流通路が形成された燃料電池のエージングを行う際の運転方法であって、
燃料電池の出力電流を、所定レベル減少させた後に該所定レベル減少させる直前のレベル以上まで増加させる処理を伴って、所定の初期電流値から所定の上限電流値まで漸増させる第１の工程と、
該第１の工程に続いて、所定のエージング終了条件が成立するまで、燃料電池の出力電流を前記上限電流値に維持する第２の工程とからなることを特徴とする燃料電池の運転方法。
前記第１の工程において、
燃料電池の出力電流を、第１の所定時間が経過するまで第１の電流値に維持した後、第２の所定時間が経過するまで該第１の電流値よりも大きい第２の電流値に維持する処理を所定回数繰り返す処理を、該処理の開始時に該第２の電流値を増加させて繰り返し実行することにより、単位時間あたりの燃料電池の出力電流を漸増させることを特徴とする請求項１記載の燃料電池の運転方法。
前記第２の工程において、燃料電池の出力電流を、第３の所定時間が経過するまで第３の電流値に維持した後、第４の所定時間が経過するまで該第３の電流値よりも大きい第４の電流値に維持する処理を繰り返すことにより、単位時間あたりの燃料電池の出力電流を前記上限電流値に維持することを特徴とする請求項１または請求項２記載の燃料電池の運転方法。
前記燃料電池の出力電流を、燃料電池の出力電圧が燃料電池の特性に応じて決定された許容電圧以上となる範囲内で設定することを特徴とする請求項１から請求項３のうちいずれか１項記載の燃料電池の運転方法。