JP6728006B2 - 燃料電池の運転方法、燃料電池システム及び車両 - Google Patents
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Description
(第1実施形態)
第1実施形態は、燃料電池の運転方法とかかる燃料電池の運転方法を行う燃料電池システムに関する。実施形態の燃料電池の運転方法は、燃料極、電解質膜と酸化極を有する膜電極接合体の燃料極と酸化極に接続した電源を用い、低電位と高電位の繰り返しを含む電位サイクルを有する運転工程を有し、低電位は燃料極の電位を基準電位として、酸化剤極に対し0.85V以下であり、高電位は燃料極の電位を基準電位として、酸化剤極に対し1.10V以上である。実施形態の燃料電池システムは、燃料極、酸化極と電解質膜を有し、燃料及び酸化剤が供給されて発電する膜電極接合体と、燃料極と酸化極と接続し、両極間に電位サイクルを有する電圧を印加する電源を有するものである。
膜電極接合体1は、燃料極(アノード)1Aと酸化極(カソード)1B、これらの間に配置された電解質膜1Cとを含む。さらに、燃料極1Aの拡散層として第1拡散層1Dと、酸化極1Bの拡散層として第2拡散層2Eが膜電極接合体1に含まれる。
電源2は、燃料極1Aと酸化極1Bに接続し、両極間に電位サイクルを有する電圧を印加する手段である。電源2は、例えば、バッテリー(二次電池)や発電機と、インバータ回路やコンバータ回路を組み合わせた構成である。インバータ回路やコンバータ回路がバッテリーや発電機からの電力を電位サイクルを有する波形に変換する。かかる電源2が燃料極1Aと酸化極1Bに印加する電圧は、制御ユニット3で制御される。電位サイクルについては、後述する。
制御ユニット3は、電源2と接続し、電源2からの出力を制御する。より具体的には、電源2のインバータ回路やコンバータ回路を制御して、電源から供給される電力を電位サイクルを有する波形に変換する。制御ユニット3は、ソフトウェア制御又はハードウェア制御されている。制御ユニット3は、マイコンやSoC(System on Chip)などの集積回路を有し、集積回路を用いて電源2の制御を行うことができる。また、他の形態としては、制御ユニット3はコンピュータを有し、コンピュータを用いて電源2を制御してもよい。制御ユニット3は、電源2以外にも、燃料供給ユニット4、酸化剤供給ユニット5、負荷制御ユニット6などとも接続し、これらを制御する構成にしてもよい。電位サイクルについては、後述する。
燃料供給ユニット4は、第1拡散層1Dと接続し、第1拡散層1Dを介して燃料極1Aへ燃料を供給する。燃料供給ユニット4は、ポンプやブロアーとバルブの制御によって、燃料極1Aへの燃料供給量を調整することができる。燃料供給ユニット4は、制御ユニット3からの制御によって燃料供給量が制御されることが好ましい。
酸化剤供給ユニット5は、第2拡散層1Eと接続し、第2拡散層1Eを介して酸化極1Bへ酸化剤を供給する。酸化剤供給ユニット5は、ポンプやブロアーとバルブの制御によって、酸化極1Bへの酸化剤供給量を調整することができる。酸化剤供給ユニット5は、制御ユニット3からの制御によって酸化剤供給量が制御されることが好ましい。
負荷制御ユニット6は、膜電極接合体1と図示しない負荷の間に存在する。図中では、負荷と接続する端子を示している。負荷制御ユニット6は、膜電極接合体1で発電した電力を変換するインバータ回路を備えることが好ましい。負荷制御ユニット6は、制御ユニット3と接続し、負荷への電力供給を制御する。
次に、実施形態の燃料電池の運転方法について説明する。かかる運転方法は、触媒層のクリーニング又はエージング(活性化)処理を行う運転方法である。機能回復又はエージング(活性化)処理を行う運転方法は、燃料極1Aと酸化極1Bに接続した電源を用いて電位サイクルを有する電圧を印加する運転工程を有する。
第2実施形態は、第1実施形態の燃料電池システム100を有する車両に関する。図4に実施形態の車両200の模式図を示す。図4の模式図に示す車両は、燃料電池システム100、車体201、モーター202、車軸203と車輪204を有する。燃料電池システムの燃料極1Aと酸化極1Bは、負荷制御ユニット6を介して、負荷であるモーター202とつながっている。モーターは車輪204とつながった車軸203を回転させて車輪を回転させる。
以下、実施例および比較例を説明する。
<担体レス触媒層を有する電極及び膜電極複合体の作製>
基板として、厚みが30μmの炭素層を有するカーボンペーパーToray060(東レ社製)を用意した。この基板上に、スパッタリング法により多孔体構造を持つユニットから構成する触媒層を形成し、担体レス多孔質触媒層を有する電極を得た。燃料極(アノード)と酸化極(カソード)におけるPt触媒のローディング密度はそれぞれ0.05mg/cm2と0.15mg/cm2である。
得られた単セルに対して、70℃に維持し、アノードに燃料として水素を供給するとともにカソードに空気を供給し、1A/cm2以上の電流密度において2時間〜一日発電させ、コンディショニングを行った。その後、0.8A/cm2の電流密度において発電させた。20時間発電させた後の電圧をV0として記録した。次に、50ppbのSO2、100ppbのNO2、1ppmのCOと1000ppmのCO2を含有する空気を供給し、0.8A/cm2の電流密度において発電させ、20時間発電後の電圧をV1として記録した。その後、負荷を遮断し、燃料極と酸化極間に接続した電源を用い、表1に示される各種電位サイクル操作を行った後、再度0.8A/cm2の電流密度において発電させ、20時間発電後の電圧をV2として記録した。なお、実施例11は三角波、実施例12はサイン波であり、他の実施例及び比較例は矩形波である。(V2−V1)/(V0−V1)の値を特性回復率として計算し、記録した。上記試験を5回繰り返して行い、平均の特性回復率を表1にまとめる。
以上説明した少なくとも一つの実施形態によれば、本発明の運転方法により、少ない量の貴金属で高い燃料電池特性を有する燃料電池を提供することが可能である。
なお、本発明は燃料極のエージング処理などに対して行い、特性向上効果が得られる場合はある。燃料極に対して本発明の電位サイクルを行う場合は、酸化極に水素を供給し、酸化極の電位を基準電位として、燃料極1Aと酸化極1B間に電位サイクルを有する電圧を印加する。
明細書中、元素の一部は元素記号のみで表している。
Claims (11)
- 燃料極、電解質膜と酸化極を有する膜電極接合体の前記燃料極と前記酸化極に接続した電源を用い、低電位と高電位の繰り返しを含む電位サイクルを有する電圧を印加する運転工程を有し、
前記低電位は燃料極の電位を基準電位として、酸化剤極に対し0.85V以下であり、
前記高電位は燃料極の電位を基準電位として、酸化剤極に対し1.10V以上であり、
前記酸化極及び燃料極は、貴金属多孔体またはシート状貴金属を含む多孔質触媒層を有し、
前記低電位の1サイクル中の−0.10V以上0.85V以下である時間は、0.05秒以上100秒以下であり、
前記高電位の1サイクル中の1.35Vより大で1.45V以下の時間は0.1秒以上10秒以下である燃料電池の運転方法。 - 前記電位サイクルを3回以上繰り返しを行う請求項1に記載の燃料電池の運転方法。
- 前記低電位は、燃料極の電位を基準電位として、酸化剤極に対し−0.10V以上0.85V以下である請求項1又は2に記載の燃料電池の運転方法。
- 前記高電位は、燃料極の電位を基準電位として、酸化剤極に対し1.10V以上1.45V以下である請求項1又は2に記載の燃料電池の運転方法。
- 前記多孔質触媒層は、担体を含まない貴金属多孔体または担体を含まないシート状貴金属を含む多孔質触媒層を有する請求項1ないし4のいずれか1項に記載の燃料電池の運転方法。
- 前記酸化極と前記燃料極は負荷と接続し、
前記電位サイクルを印加する運転工程の前に、前記負荷を遮断する工程を有する請求項1ないし5のいずれか1項に記載の燃料電池の運転方法。 - 前記電位サイクルを印加する運転工程の前に、前記酸化極に供給する酸化剤の流量を低減する、又は、停止する工程を有する請求項1ないし6のいずれか1項に記載の燃料電池の運転方法。
- 前記低電位の1サイクル中の0.05Vより大で0.5V以下の時間は1秒以上10秒以下であり、
前記高電位の1サイクル中の1.10V以上1.35V以下の時間は1秒以上30秒以下である請求項1ないし7のいずれか1項に記載の燃料電池の運転方法。 - 前記燃料極は水素存在条件下で前記電位サイクルを印可する運転工程を行なう請求項1ないし8のいずれか1項に記載の燃料電池の運転方法。
- 膜電極接合体と、
前記膜電極接合体と接続した電源と、
請求項1ないし9のいずれか1項に記載の運転方法で燃料電池が運転されるように制御する制御ユニットを有する燃料電池システム。 - 請求項10の燃料電池システムを有する車両。
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