JP6517899B2 - 燃料電池の出力検査方法 - Google Patents
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Description
本発明は、固体高分子からなる電解質膜の一方の面にアノード電極が設けられ、他方の面にカソード電極が設けられた燃料電池の出力を検査する燃料電池の出力検査方法に関する。
固体高分子からなる電解質膜の一方の面にアノード電極が設けられ、他方の面にカソード電極が設けられた燃料電池が知られている。この種の燃料電池の出力検査方法として、例えば、特許文献１には、実際の発電時における定格電流と同等の電流をアノード電極及びカソード電極に通電して、基準値以上の出力が得られるか否かにより異常の有無を判定することが提案されている。
上記の出力検査方法では、定格電流と同等の大電流を電極間に通電するための大掛かりな装置や大量の燃料ガス及び酸化剤ガスが必要になる。このため、出力検査に要するコストが嵩むという問題がある。
しかしながら、出力検査に要するコストを低減するべく、単に、出力検査時に電極間に通電する電流を定格電流よりも小さくすると、出力検査の結果にばらつきが生じ易くなり、出力検査を精度が低下する場合がある。
本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、燃料電池の出力を低コストで且つ高精度に測定することが可能な燃料電池の出力検査方法を提供する。
本発明者らの鋭意検討によれば、出力検査時に電極間に通電する電流を小さくすると、出力検査の精度が低下することがある理由について、以下の知見が得られた。すなわち、電極間に定格電流と同等の大電流を通電する場合は、電極間の電圧を電極触媒の還元電位よりも大幅に小さくすることができる。このため、燃料電池の出力を測定する前の電極触媒の酸化還元状態がばらついていた場合であっても、燃料電池の出力を測定するべく上記の大電流を通電することで、酸化状態のばらつきを低減ないしは解消することができる。その結果、燃料電池の出力の測定結果が、電極触媒の酸化還元状態に影響されてばらつくことを抑制できる。
一方、電極間に通電する電流を小さくすると、電極間の電圧が大きくなるため、燃料電池の出力を測定する前の電極触媒の酸化還元状態がばらついていた場合、該酸化還元状態がばらついたままの状態で出力検査が行われることになる。その結果、電極触媒の酸化還元状態のばらつきの影響を受けて、燃料電池の出力の測定結果にもばらつきが生じ易くなるため、出力検査の精度が低下することがある。
そこで、上記の目的を達成するため、本発明は、固体高分子からなる電解質膜の一方の面にアノード電極が設けられ、前記電解質膜の他方の面にカソード電極が設けられた燃料電池の出力を検査する燃料電池の出力検査方法であって、前記アノード電極及び前記カソード電極に含まれる電極触媒に酸化処理を施す酸化工程と、前記電極触媒に前記酸化処理を施した前記アノード電極及びカソード電極に、前記燃料電池の定格電流より小さい測定電流を通電して前記燃料電池の出力を測定する測定工程と、を有することを特徴とする。
この燃料電池の出力検査方法では、測定工程の前に酸化工程を行って、アノード電極及びカソード電極に含まれる電極触媒に酸化処理を施す。これによって、電極触媒の酸化還元状態のばらつきを低減ないしは解消した状態で、測定工程を行うことができる。
測定工程では、アノード電極及びカソード電極間に定格電流より小さい測定電流を通電して、燃料電池の出力を測定する。これによって、定格電流と同等の大電流を通電するための大掛かりな装置や大量の燃料ガス等を不要とすることができる分、燃料電池の出力検査を簡素な構成により低コストで行うことが可能になる。
また、この測定工程では、上記の通り、酸化工程によって、電極触媒の酸化還元状態のばらつきが低減ないしは解消されている。このため、測定工程において、アノード電極及びカソード電極間に通電する電流を小さくすることで、電極触媒の酸化還元状態のばらつきを低減ないしは解消できるほど電極間の電圧が小さくならない場合であっても、燃料電池の出力の測定結果がばらつくことを抑制できる。その結果、燃料電池の出力の測定結果を高精度に得ることが可能になる。
上記の燃料電池の出力検査方法において、前記酸化工程では、前記アノード電極に燃料ガスを供給するとともに、前記カソード電極に酸化剤ガスを供給することで、前記アノード電極及び前記カソード電極の電圧を前記電極触媒の還元電位以上とすることが好ましい。この場合、酸化工程において、電極触媒を容易且つ効果的に酸化して、酸化還元状態のばらつきを低減ないしは解消することが可能になる。
上記の燃料電池の出力検査方法において、前記酸化工程の前に、前記電極触媒に還元処理を施す還元工程を有することが好ましい。このように、還元工程を経た後に、酸化工程を行うことで、電極触媒の酸化還元状態のばらつきを効果的に低減ないしは解消した状態で、測定工程を行うことができる。これによって、燃料電池の出力検査を一層高精度に行うことが可能になる。
上記の燃料電池の出力検査方法において、前記還元工程では、前記アノード電極に燃料ガスを供給するとともに、前記カソード電極に不活性ガスを供給しつつ、前記燃料電池に、最小電圧が前記電極触媒の還元電位未満である所定の範囲で上昇及び下降するサイクルの電圧を印加することが好ましい。この場合、還元工程において、電極触媒を容易且つ効果的に還元することができるため、その後に酸化工程を行うことで、電極触媒の酸化還元状態のばらつきを一層効果的に低減ないしは解消することができる。ひいては、燃料電池の出力の測定精度のさらなる向上を図ることが可能になる。
本発明によれば、燃料電池の出力を低コストで且つ高精度に測定することが可能になる。
本発明に係る燃料電池の出力検査方法について好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。
本実施形態に係る燃料電池の出力検査方法（以下、単に出力検査方法ともいう）は、図１に示す出力検査装置１０を用いて行うことができる。この出力検査装置１０は、複数の発電セル１２（単位燃料電池）を積層したスタック１４の形態の燃料電池１６の出力を測定する。なお、出力検査装置１０は、スタック１４の形態に限らず、１つの発電セル１２からなる形態の燃料電池（不図示）についても、同様にして出力を測定することができる。
発電セル１２は、電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）１８が、第１セパレータ２０と第２セパレータ２２とにより挟持されて構成される。ＭＥＡ１８は、例えば、パーフルオロスルホン酸薄膜等の固体高分子からなる電解質膜２４と、電解質膜２４の一方の面に設けられるアノード電極２６と、電解質膜２４の他方の面に設けられるカソード電極２８とを有する。
アノード電極２６は、電解質膜２４の一方の面に臨む第１電極触媒層２６ａと、第１電極触媒層２６ａに積層される第１ガス拡散層２６ｂとを有する多孔質体である。カソード電極２８は、電解質膜２４の他方の面に臨む第２電極触媒層２８ａと、第２電極触媒層２８ａに積層される第２ガス拡散層２８ｂとを有する多孔質体である。
第１電極触媒層２６ａ及び第２電極触媒層２８ａのそれぞれは、例えば、カーボンブラック等のカーボン製の触媒担体に白金等の触媒金属を担持してなる電極触媒と、イオン伝導性高分子バインダとを含んで構成されている。なお、電極触媒は、例えば、白金黒等の触媒金属のみからなり、触媒担体を含まなくてもよい。
電極触媒が白金を含む場合、該電極触媒の表面では、例えば、２Ｐｔ＋Ｈ2Ｏ＋１／２Ｏ2＋ｅ-→２Ｐｔ（ＯＨ-）、Ｐｔ（ＯＨ-）＋Ｈ3Ｏ+→Ｐｔ＋２Ｈ2Ｏ等の反応が生じる。また、この電極触媒の還元電位は約０．７５Ｖである。
第１ガス拡散層２６ｂ及び第２ガス拡散層２８ｂは、例えば、カーボンペーパ、カーボンクロス等の多孔質体からなり、第１ガス拡散層２６ｂが第１セパレータ２０に臨み、第２セパレータ２２が第２ガス拡散層２８ｂに臨むようにそれぞれ配設される。第１セパレータ２０及び第２セパレータ２２としては、例えば、カーボンセパレータが使用されるが、これに代えて金属セパレータを用いてもよい。
第１セパレータ２０の第１ガス拡散層２６ｂに臨む面には、水素含有ガス等の燃料ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔（不図示）と、該燃料ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔（不図示）とに連通する燃料ガス流路３０が設けられる。
第２セパレータ２２の第２ガス拡散層２８ｂに臨む面には、酸素含有ガス等の酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔（不図示）と、該酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔（不図示）とに連通する酸化剤ガス流路３２が設けられる。
発電セル１２を複数積層した際に第１セパレータ２０と第２セパレータ２２の互いに対向する面同士の間には、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔（不図示）と、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔（不図示）とに連通する冷媒流路３４が一体的に形成されている。
以下、出力検査装置１０について説明する。出力検査装置１０は、ガス供給部４０と、通電部４１と、電圧印加部４２とを主に備える。ガス供給部４０は、燃料ガス流路３０を介してアノード電極２６にアノード側ガスを供給する第１供給部４０ａと、酸化剤ガス流路３２を介してカソード電極２８にカソード側ガスを供給する第２供給部４０ｂとからなる。アノード側ガスとしては、上記の燃料ガス等が挙げられる。カソード側ガスとしては、窒素等の不活性ガス、上記の酸化剤ガス、不活性ガスと酸化剤ガスとの混合ガス等が挙げられる。
第１供給部４０ａは、アノード電極２６に供給するアノード側ガスの流量を調整することや、アノード側ガスに水蒸気を混合して、その露点を調整することが可能になっている。同様に、第２供給部４０ｂは、カソード電極２８に供給するカソード側ガスの流量を調整することや、カソード側ガスに水蒸気を混合して、その露点を調整することが可能になっている。なお、第１供給部４０ａ及び第２供給部４０ｂは、アノード側ガス及びカソード側ガスのそれぞれをスタック１４との間で循環させてもよく、スタック１４に封じ込めてもよく、かけ流ししてもよい。
通電部４１は、第１供給部４０ａによりアノード側ガスが供給されたアノード電極２６と、第２供給部４０ｂによりカソード側ガスが供給されたカソード電極２８とを電気的に接続して、電極間の通電を行う。この際、通電部４１は、電極間に通電する電流の大きさを調整することが可能になっている。
電圧印加部４２は、スタック１４の積層方向の一端に配置された第１セパレータ２０と、該積層方向の他端に配置された第２セパレータ２２とを介してスタック１４に所定の範囲で上昇及び下降するサイクルの電圧を印加する。つまり、電圧印加部４２は、サイクリックボルタンメトリにおいていう電位の掃引と同様の制御によって印加電圧を経時変化させることや、該経時変化を繰り返すことができる。
これらの通電部４１及び電圧印加部４２は、例えば、電極間の電流制御及び電位制御を行うことが可能なポテンショ／ガルバノスタット（Ｐ／Ｇスタット）４６や、該Ｐ／Ｇスタット４６の設定電流及び設定電位を時間とともに変化させることが可能なスイーパ４８等から構成することができる。
以下、出力検査装置１０を用いた、本実施形態に係る出力検査方法について説明する。先ず、組立後のスタック１４を出力検査装置１０にセットする。具体的には、スタック１４に通電部４１及び電圧印加部４２（Ｐ／Ｇスタット４６）を電気的に接続し、燃料ガス流路３０に第１供給部４０ａを接続し、酸化剤ガス流路３２に第２供給部４０ｂを接続する。
次に、アノード電極２６及びカソード電極２８に含まれる電極触媒に酸化処理を施す酸化工程を行う。この酸化工程では、第１供給部４０ａにより、アノード電極２６にアノード側ガスとして燃料ガスを供給するとともに、第２供給部４０ｂにより、カソード電極２８にカソード側ガスとして酸化剤ガスを供給する。
この際、電解質膜２４が乾燥すること等を回避するべく、ガス供給部４０によって、アノード側ガス及びカソード側ガスの少なくとも何れか一方に水蒸気を含有させることが好ましい。この場合、スタック１４内でフラッディングが生じることと、電解質膜２４が乾燥することとの両方を抑制できる関係となるように、スタック１４の温度とガスの露点とを調整する。なお、このフラッディングは、スタック１４内の液体の水の量が過剰となって、ガスの供給が妨げられること等をさす。
上記のように、アノード電極２６及びカソード電極２８に燃料ガス及び酸化剤ガスをそれぞれ供給することにより、アノード電極２６及びカソード電極２８の電圧を、電極触媒の還元電位以上の大きさとする。上記の通り、電極触媒が白金を含む場合、該電極触媒の還元電位は約０．７５Ｖであるため、カソード電極２８の平均セル電位を、例えば、約１．０Ｖとする。この状態を電極触媒が酸化されるまで保持することで、電極触媒に酸化処理を施すことができる。上記のようにして酸化工程を行うことで、電極触媒の酸化還元状態のばらつきを低減ないしは解消することができる。
次に、電極触媒に酸化処理を施したアノード電極２６及びカソード電極２８に、スタック１４の実際の発電時に通電する定格電流より小さい測定電流を通電して該スタック１４の出力を測定する測定工程を行う。
具体的には、測定工程では、第１供給部４０ａ及び第２供給部４０ｂによる燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を維持した状態で、通電部４１により両電極を電気的に接続する。つまり、測定工程では、Ｐ／Ｇスタット４６は、通電部４１として、アノード電極２６及びカソード電極２８間の電流制御を行う。この際、通電部４１は、例えば、スタック１４の定格電流が１．００Ａ／ｃｍ2である場合、その１／５０の大きさの０．０２Ａ／ｃｍ2の電流を測定電流としてカソード電極２８及びアノード電極２６に通電する。
このように、測定工程では、アノード電極２６及びカソード電極２８間に定格電流より小さい測定電流を通電して測定した電圧を、スタック１４の出力の測定結果として得ることができる。これによって、定格電流と同等の大電流を通電するための大掛かりな装置や大量の燃料ガス等を不要とすることができる分、スタック１４の出力検査を簡素な構成により低コストで行うことが可能になる。
また、この出力検査方法では、測定工程の前に酸化工程を行って、アノード電極２６及びカソード電極２８に含まれる電極触媒に酸化処理を施す。これによって、電極触媒の酸化還元状態のばらつきを低減ないしは解消した状態で、測定工程を行うことができる。このため、測定工程において、アノード電極２６及びカソード電極２８間に通電する電流を小さくすることで、電極触媒の酸化還元状態のばらつきを低減ないしは解消できるほど電極間の電圧が小さくならない場合であっても、スタック１４の出力の測定結果がばらつくことを抑制できる。その結果、スタック１４の出力検査を高精度に行うことが可能になる。
以上から、この出力検査方法によれば、スタック１４の出力を低コストで且つ高精度に測定することが可能になる。
なお、得られた出力の測定結果から、スタック１４の良否を検査する場合、例えば、以下の方法を適用することができる。すなわち、スタック１４と同型のスタックを用いて、定格電流を通電した際の出力と、測定電流を通電した際の出力との関係を予め求めておく。この関係から、定格電流を通電した際に良品と判断される出力の基準値に対応する測定電流を通電した際の出力を判定値として求める。そして、上記の測定工程で得られたスタック１４の測定結果と、前記判定値とを比較することにより、組み立てたスタック１４の良否を検査することができる。
本発明は、上記した実施形態に特に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。
例えば、上記の実施形態では、測定工程において、第２供給部４０ｂによりカソード電極２８に酸化剤ガスを供給することとしたが、カソード電極２８には、酸化剤ガスと不活性ガスとの混合ガスを供給してもよい。このように、カソード電極２８に混合ガスを供給することによって、スタック１４の出力の測定結果を、電極触媒の還元電位未満の大きさとすることができる。
これによって、測定工程の際に電極触媒が酸化されることを抑制できるため、該電極触媒の酸化還元状態がばらつくことを一層効果的に抑制した状態で、出力の測定結果を得ることができる。従って、例えば、酸化工程において、アノード電極２６及びカソード電極２８の電圧を電極触媒の還元電位以上の大きさにして保持する保持時間を短くした場合であっても、測定工程において、スタック１４の出力を高精度に測定することが可能になる。
しかも、カソード電極２８に混合ガスを供給する分、発電反応で消費される水素ガスの量を減らすことができるため、スタック１４の出力検査に必要なコストのさらなる低減を図ることが可能になる。
また、本実施形態に係る出力検査方法は、酸化工程の前に、電極触媒に還元処理を施す還元工程をさらに有してもよい。具体的には、例えば、上記のようにして組立後のスタック１４を出力検査装置１０にセットした後、第１供給部４０ａにより、アノード電極２６に燃料ガスを供給するとともに、第２供給部４０ｂにより、カソード電極２８に不活性ガスを供給する。このように、ガス供給部４０によるアノード側ガス及びカソード側ガスの供給を行いつつ、電圧印加部４２により、スタック１４に最小電圧が電極触媒の還元電位未満である所定の範囲で上昇及び下降するサイクルの電圧を印加する。
つまり、還元工程では、Ｐ／Ｇスタット４６は、電圧印加部４２として、アノード電極２６及びカソード電極２８間の電位制御を行う。従って、電極触媒が白金を含む場合には、電圧印加部４２は、スタック１４に印加するサイクルの電圧の最小値を０．７５Ｖ未満とする。この際、スタック１４に印加する電圧の範囲を０．０８〜１．００Ｖとすることが好ましい。０．０８Ｖ以上とすることで、電極触媒に水素の吸着脱離反応を繰り返させることが可能になるため、電極触媒の表面を一層効果的に還元することが可能になる。一方、１．００Ｖ以下とすることで、電極触媒がカーボン製の触媒担体を含んでいた場合であっても、該触媒担体の劣化を回避することが可能になる。
また、スタック１４に印加する電圧を、その最小値から最大値まで上昇させた後、最大値から最小値まで下降させることを１回のサイクルとした場合、このサイクルの繰り返し数を１回以上とすることが好ましく、２回以上とすることがさらに好ましい。これによって、アノード電極２６及びカソード電極２８に含まれる電極触媒を良好に還元することが可能になる。
上記のようにして、還元工程により、電極触媒に還元処理を施した後に、酸化工程を行うことで、電極触媒の酸化還元状態のばらつきを一層効果的に低減ないしは解消することができる。従って、酸化工程後の測定工程において、スタック１４の出力検査を一層高精度に行うことが可能になる。
［実施例１］
ＭＥＡ１８の発電有効面積が１００ｃｍ2であり、電極触媒が白金である発電セル１２を１０個積層することでスタック１４を組み立てた。そして、アノード電極２６及びカソード電極２８に含まれる電極触媒の酸化還元状態をばらつかせた状態とするため、スタック１４を１０時間使用したのち、出力検査装置１０にセットした。
ＭＥＡ１８の発電有効面積が１００ｃｍ2であり、電極触媒が白金である発電セル１２を１０個積層することでスタック１４を組み立てた。そして、アノード電極２６及びカソード電極２８に含まれる電極触媒の酸化還元状態をばらつかせた状態とするため、スタック１４を１０時間使用したのち、出力検査装置１０にセットした。
（１） 酸化工程
上記のスタック１４について、酸化工程を行った。酸化工程では、例えば、スタック１４に設けられた冷媒流路３４に温度を調整した伝熱媒体を供給することによって、スタック１４の温度を８０℃にした。また、第１供給部４０ａにより、アノード電極２６に露点が７５℃となるように加湿した水素ガス（燃料ガス）を０．３ＮＬ／分の流量で供給し、第２供給部４０ｂにより、カソード電極２８に露点が８０℃となるように加湿した空気（酸化剤ガス）を２．４ＮＬ／分の流量で供給した。
上記のスタック１４について、酸化工程を行った。酸化工程では、例えば、スタック１４に設けられた冷媒流路３４に温度を調整した伝熱媒体を供給することによって、スタック１４の温度を８０℃にした。また、第１供給部４０ａにより、アノード電極２６に露点が７５℃となるように加湿した水素ガス（燃料ガス）を０．３ＮＬ／分の流量で供給し、第２供給部４０ｂにより、カソード電極２８に露点が８０℃となるように加湿した空気（酸化剤ガス）を２．４ＮＬ／分の流量で供給した。
これによって、カソード電極２８の平均セル電位が１．０Ｖ付近で略一定となったことを確認してから、この状態を保持する保持時間を５分としたスタック１４を実施例１−１とし、保持時間を１０分としたスタック１４を実施例１−２とし、保持時間を２０分としたスタック１４を実施例１−３とした。
上記の状態で保持することによって、アノード電極２６及びカソード電極２８の電圧を電極触媒の還元電位以上の大きさに保持して、電極触媒に酸化処理を施すことができる。
（２）測定工程
実施例１−１〜１−３のスタック１４のそれぞれについて、測定工程を行った。測定工程では、温度調整部４４によりスタック１４の温度を８０℃にした。また、第１供給部４０ａにより、アノード電極２６に露点が８０℃となるように加湿した水素ガスを０．３ＮＬ／分の流量で供給し、第２供給部４０ｂにより、カソード電極２８に露点が８０℃となるように加湿した空気を２．４ＮＬ／分の流量で供給した。これによって、アノード電極２６及びカソード電極２８で発電反応を生じさせつつ、通電部４１により両電極を電気的に接続して、定格電流（１．００Ａ／ｃｍ２）よりも小さい０．００２Ａ／ｃｍ２の電流を測定電流として通電した。この際の実施例１−１〜１−３のスタック１４の電圧をそれぞれ測定することで、出力の測定結果を得た。
実施例１−１〜１−３のスタック１４のそれぞれについて、測定工程を行った。測定工程では、温度調整部４４によりスタック１４の温度を８０℃にした。また、第１供給部４０ａにより、アノード電極２６に露点が８０℃となるように加湿した水素ガスを０．３ＮＬ／分の流量で供給し、第２供給部４０ｂにより、カソード電極２８に露点が８０℃となるように加湿した空気を２．４ＮＬ／分の流量で供給した。これによって、アノード電極２６及びカソード電極２８で発電反応を生じさせつつ、通電部４１により両電極を電気的に接続して、定格電流（１．００Ａ／ｃｍ２）よりも小さい０．００２Ａ／ｃｍ２の電流を測定電流として通電した。この際の実施例１−１〜１−３のスタック１４の電圧をそれぞれ測定することで、出力の測定結果を得た。
実施例１−１〜１−３のスタック１４のそれぞれについて、上記（１）の酸化工程及び上記（２）の測定工程の組み合わせを１０回繰り返すことで、１０個ずつ出力の測定結果を得た。これら１０個の出力の測定結果について、平均値に対する比の値をそれぞれ求めて図２に示した。また、図２には、上記の１０個の出力の測定結果の標準偏差と、上記の１０個の比の値の平均値とを併せて示した。なお、図２に示す回数は、還元工程及び測定工程の組み合わせを繰り返した回数である。
［比較例１］
上記（１）の酸化工程を行わずに、上記（２）の測定工程のみを行って比較例１とした。比較例１のスタック１４について、上記（２）の測定工程を１０回繰り返すことで、１０個の出力の測定結果を得た。これら１０個の出力の測定結果についても、実施例１−１〜１−３と同様に、平均値に対する比の値と、標準偏差と、比の値の平均値とを求めて、図２に併せて示した。また、比較を容易にするため、実施例１−１〜１−３及び比較例１について求めた標準偏差を図３のグラフに示した。
上記（１）の酸化工程を行わずに、上記（２）の測定工程のみを行って比較例１とした。比較例１のスタック１４について、上記（２）の測定工程を１０回繰り返すことで、１０個の出力の測定結果を得た。これら１０個の出力の測定結果についても、実施例１−１〜１−３と同様に、平均値に対する比の値と、標準偏差と、比の値の平均値とを求めて、図２に併せて示した。また、比較を容易にするため、実施例１−１〜１−３及び比較例１について求めた標準偏差を図３のグラフに示した。
なお、測定工程において、カソード電極２８に空気を供給した実施例１−１〜１−３及び比較例１のスタック１４における出力の測定結果の平均値は全て電極触媒（白金）の還元電位０．７５Ｖ以上であった。
［実施例２］
上記（２）の測定工程において、第２供給部４０ｂによりカソード電極２８に供給するカソード側ガスを、０．６ＮＬ／分の流量の空気と、１．８ＮＬ／分の流量の窒素ガスとからなる混合ガスとした以外は、実施例１−１〜１−３と同様にして、実施例２−１〜２−３の出力の測定結果をそれぞれ得た。
上記（２）の測定工程において、第２供給部４０ｂによりカソード電極２８に供給するカソード側ガスを、０．６ＮＬ／分の流量の空気と、１．８ＮＬ／分の流量の窒素ガスとからなる混合ガスとした以外は、実施例１−１〜１−３と同様にして、実施例２−１〜２−３の出力の測定結果をそれぞれ得た。
［比較例２］
上記（２）の測定工程において、第２供給部４０ｂによりカソード電極２８に供給するカソード側ガスを、実施例２と同様の混合ガスとした以外は、比較例１と同様にして、比較例２の出力の測定結果を得た。
上記（２）の測定工程において、第２供給部４０ｂによりカソード電極２８に供給するカソード側ガスを、実施例２と同様の混合ガスとした以外は、比較例１と同様にして、比較例２の出力の測定結果を得た。
実施例２−１〜２−３及び比較例２の出力の測定結果についても、実施例１−１〜１−３及び比較例１と同様に、平均値に対する比の値と、標準偏差と、比の値の平均値とを求めて、図４に示した。また、比較を容易にするため、実施例２−１〜２−３及び比較例２について求めた標準偏差を図５のグラフに示した。
また、測定工程において、カソード電極２８に混合ガスを供給した実施例２−１〜２−３及び比較例２における出力の測定結果の平均値は全て電極触媒（白金）の還元電位０．７５Ｖ未満であった。
図２〜図５に示す通り、酸化工程を行った実施例１−１〜１−３、２−１〜２−３では、酸化工程を行わなかった比較例１、２に比べて、標準偏差を小さくできることが分かった。従って、酸化工程を行って、電極触媒の酸化還元状態のばらつきを低減ないしは解消した状態で測定工程を行うことで、該測定工程において、アノード電極２６及びカソード電極２８間に通電する電流を定格電流より小さくしても、出力の測定結果がばらつくことを抑制できるといえる。このため、出力の測定結果を高精度に得ることができるとともに、定格電流と同等の大電流を通電するための大掛かりな装置や大量の燃料ガス等を不要とすることができる分、スタック１４の出力検査を簡素な構成により低コストで行うことが可能になる。
また、図２及び図３から、実施例１−１〜１−３では、酸化工程において、保持時間を５分（実施例１−１）とすることで、比較例１に比べて標準偏差を十分に小さくできることが分かった。また、保持時間を１０分以上（実施例１−２、１−３）とすることで、標準偏差をさらに効果的に小さくできることが分かった。従って、測定工程で得られる出力の測定結果を電極触媒の還元電位以上とする場合、保持時間を５分以上とすること、一層好適には、１０分以上とすることで、スタック１４の出力を高精度に測定することが可能になる。
一方、図４及び図５から、実施例２−１〜２−３では、酸化工程において、保持時間を５分（実施例２−１）とすることで、実施例１−１〜１−３よりも標準偏差を小さくできることが分かった。従って、出力の測定結果を電極触媒の還元電位未満とすることにより、測定工程の際に電極触媒が酸化されることを抑制できるため、出力の測定結果が電極触媒の酸化還元状態のばらつきの影響を受けることを一層効果的に抑制できる。その結果、例えば、出力の測定結果を電極触媒の還元電位以上とする場合に比して、酸化工程における保持時間を短くしても、スタック１４の出力を高精度に測定することが可能になる。
また、実施例２−１〜２−３では、カソード電極２８に混合ガスを供給する分、発電反応で消費される水素ガスの量を減らすことができる。これによっても、スタック１４の出力検査に必要なコストを低減することが可能になる。
［実施例３］
上記（１）の酸化工程を行う前に、還元工程を行った以外、実施例１−１と同様にして、実施例３の出力の測定結果を得た。具体的には、還元工程では、出力検査装置１０にセットした酸化工程を行う前のスタック１４の温度を８０℃にした。また、第１供給部４０ａにより、アノード電極２６に露点が７５℃となるように加湿した水素ガスを０．３ＮＬ／分の流量で供給し、第２供給部４０ｂにより、カソード電極２８に露点が８０℃となるように加湿した窒素ガス（不活性ガス）を２．４ＮＬ／分の流量で供給した。
上記（１）の酸化工程を行う前に、還元工程を行った以外、実施例１−１と同様にして、実施例３の出力の測定結果を得た。具体的には、還元工程では、出力検査装置１０にセットした酸化工程を行う前のスタック１４の温度を８０℃にした。また、第１供給部４０ａにより、アノード電極２６に露点が７５℃となるように加湿した水素ガスを０．３ＮＬ／分の流量で供給し、第２供給部４０ｂにより、カソード電極２８に露点が８０℃となるように加湿した窒素ガス（不活性ガス）を２．４ＮＬ／分の流量で供給した。
これによって、カソード電極２８の平均セル電位が０．１０Ｖ付近で略一定となったことを確認してから、電圧印加部４２により、０．０８〜１．００Ｖの範囲で上昇及び下降するサイクルの電圧をスタック１４に印加して、電極触媒に還元処理を施した。この際、０．０８Ｖから１．００Ｖまで４５秒をかけて電圧を上昇させた後、１．００Ｖから０．０８Ｖまで４５秒をかけて電圧を下降させることを１回のサイクルとし、該サイクルを２回行った。
その後、実施例１−１と同様に、上記（１）の酸化工程と、上記（２）の測定工程とを行って、スタック１４の出力の測定結果を得た。これらの還元工程と、酸化工程と、測定工程との組み合わせを１０回繰り返すことで得られた実施例５のスタック１４の１０個の出力の測定結果について、上記と同様に、平均値に対する比の値と、標準偏差と、比の値の平均値とを求めて図６に示した。なお、比較のため、実施例１−１の平均値に対する比の値と、標準偏差と、比の値の平均値についても図６に併せて示した。
図６に示す通り、還元工程を行った実施例３では、還元工程を行わなかった実施例１−１に比べて、標準偏差をさらに小さくできることが分かった。従って、還元工程を経た後に、酸化工程を行うことで、電極触媒の酸化還元状態のばらつきを効果的に低減ないしは解消した状態で、測定工程を行うことができる。その結果、スタック１４の出力検査を一層高精度に行うことが可能になる。
１０…出力検査装置 １２…発電セル
１４…スタック １６…燃料電池
２４…電解質膜 ２６…アノード電極
２８…カソード電極 ４０…ガス供給部
４１…通電部 ４２…電圧印加部
１４…スタック １６…燃料電池
２４…電解質膜 ２６…アノード電極
２８…カソード電極 ４０…ガス供給部
４１…通電部 ４２…電圧印加部
Claims (4)
- 固体高分子からなる電解質膜の一方の面にアノード電極が設けられ、前記電解質膜の他方の面にカソード電極が設けられた燃料電池の出力を検査する燃料電池の出力検査方法であって、
前記アノード電極及び前記カソード電極に含まれる電極触媒に酸化処理を施す酸化工程と、
前記電極触媒に前記酸化処理を施した前記アノード電極及びカソード電極に、前記燃料電池の定格電流より小さい測定電流を通電して前記燃料電池の出力を測定する測定工程と、
を有することを特徴とする燃料電池の出力検査方法。 - 請求項１記載の燃料電池の出力検査方法において、
前記酸化工程では、前記アノード電極に燃料ガスを供給するとともに、前記カソード電極に酸化剤ガスを供給することで、前記アノード電極及び前記カソード電極の電圧を前記電極触媒の還元電位以上とすることを特徴とする燃料電池の出力検査方法。 - 請求項１又は２記載の燃料電池の出力検査方法において、
前記酸化工程の前に、前記電極触媒に還元処理を施す還元工程を有することを特徴とする燃料電池の出力検査方法。 - 請求項３記載の燃料電池の出力検査方法において、
前記還元工程では、前記アノード電極に燃料ガスを供給するとともに、前記カソード電極に不活性ガスを供給しつつ、前記燃料電池に、最小電圧が前記電極触媒の還元電位未満である所定の範囲で上昇及び下降するサイクルの電圧を印加することを特徴とする燃料電池の出力検査方法。
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