JP6517898B2 - 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、出力検査の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還元処理を施す還元工程と、前記電極触媒に前記還元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、測定工程の前に還元工程を行って、アノード電極及びカソード電極に含まれる電極触媒に還元処理を施す。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、還元工程によって、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、前記還元工程の前に、前記電極触媒に酸化処理を施す酸化工程を有することが好ましい。このように、酸化工程を経た後に、還元工程を行うことで、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することができるため、その後に還元工程を行うことで、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還元処理を施す還元工程を行う。この還元工程では、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不活性ガスを供給する。
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。
また、還元工程では、上記のように、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。すなわち、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。
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、電圧印加部42によりスタック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、電圧印加部42は、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、電極触媒に良好に還元処理をすることが可能になる。上記のようにして還元工程を行うことで、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、電極触媒に還元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、電圧印加部42による電圧の印加を停止して、第1供給部40aによる燃料ガスの供給を維持するとともに、第2供給部40bにより供給するカソード側ガスを不活性ガスから酸化剤ガスへと切り換える。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た状態で、通電部41により両電極を電気的に接続して通電する。
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、上記の通り、測定工程の前に還元工程を行うことで、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、還元工程において、スタック14に印加するサイクルの電圧のサイクル数を少な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、還元工程の前に、電極触媒に酸化処理を施す酸化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に酸化剤ガスを供給する。これによって、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、酸化工程を行う。
この酸化工程を経た後に、還元工程を行うことで、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、還元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) 還元工程
上記のスタック14について、還元工程を行った。還元工程では、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窒素ガス(不活性ガス)を2.4NL/分の流量で供給した。
上記のスタック14について、還元工程を行った。還元工程では、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回のサイクルとした。このサイクル数を1回としたスタック14を実施例1−1とし、2回としたスタック14を実施例1−2とし、3回としたスタック14を実施例1−3とし、4回としたスタック14を実施例1−4とし、5回としたスタック14を実施例1−5とした。
(2)測定工程
実施例1−1〜1−5のスタック14のそれぞれについて、電圧印加部42による電圧の印加を停止した状態で、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(酸化剤ガス)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1−1〜1−5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1−1〜1−5のスタック14のそれぞれについて、電圧印加部42による電圧の印加を停止した状態で、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(酸化剤ガス)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1−1〜1−5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1−1〜1−5のスタック14のそれぞれについて、上記(1)の還元工程及び上記(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)の還元工程を行わずに、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1−1〜1−5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1−1〜1−5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)の還元工程を行わずに、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1−1〜1−5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1−1〜1−5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1−1〜1−5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1−1〜1−5と同様にして、実施例2−1〜2−5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1−1〜1−5と同様にして、実施例2−1〜2−5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2−1〜2−5及び比較例2の出力の測定結果についても、実施例1−1〜1−5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2−1〜2−5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2−1〜2−5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、還元工程を行った実施例1−1〜1−5、2−1〜2−5では、還元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、還元工程を行って、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1−1〜1−5では、還元工程において、サイクル数を1回(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、サイクル数を2回以上(実施例1−2〜1〜5)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、還元工程におけるサイクル数を2回以上とすることで、スタック14の出力を一層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2−1〜2−5では、還元工程において、サイクル数を1回(実施例2−1)とすることで、比較例2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。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未満とした場合、還元工程におけるサイクル数を1回としても、スタック14の出力を高精度に測定することができる。
すなわち、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、還元工程におけるサイクル数を少なくしても、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。
なお、図4及び図5から、出力の測定結果を電極触媒の還元電位未満とした場合であっても、還元工程におけるサイクル数を2回以上(実施例2−2〜2−5)とすることで、標準偏差を小さくできる傾向にあることが分かった。
また、実施例2−1〜2−5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]
実施例1−2について、上記(1)の還元工程で電圧印加部42によりスタック14に印加するサイクルの電圧の範囲を変化させた以外は、上記(1)の還元工程及び上記(2)の測定工程を同様に行って、実施例3−1〜3−3の出力の測定結果をそれぞれ得た。
実施例1−2について、上記(1)の還元工程で電圧印加部42によりスタック14に印加するサイクルの電圧の範囲を変化させた以外は、上記(1)の還元工程及び上記(2)の測定工程を同様に行って、実施例3−1〜3−3の出力の測定結果をそれぞれ得た。
具体的には、実施例3−1では、サイクルの電圧を0.08〜0.50Vの範囲とし、サイクル数を2回とした。また、実施例3−2では、サイクルの電圧を0.50〜1.00Vの範囲とし、サイクル数を2回とした。つまり、実施例3−1、3−2では、サイクルの電圧の最小値を電極触媒の還元電位未満とした。
実施例3−3では、サイクルの電圧を0.85〜1.00Vの範囲とし、サイクル数を2回とした。このため、サイクルの電圧の最小値を電極触媒の還元電位以上とした。
実施例3−1〜3−3の出力の測定結果についても上記と同様に、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1−2及び比較例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。また、実施例1−2、3−1〜3−3について求めた標準偏差を図7のグラフに示した。
[実施例4]
実施例2−2についても、実施例3−1〜3−3と同様に、上記(1)の還元工程で電圧印加部42によりスタック14に印加するサイクルの電圧の範囲を変化させて、実施例4−1〜4−3の出力の測定結果をそれぞれ得た。
実施例2−2についても、実施例3−1〜3−3と同様に、上記(1)の還元工程で電圧印加部42によりスタック14に印加するサイクルの電圧の範囲を変化させて、実施例4−1〜4−3の出力の測定結果をそれぞれ得た。
実施例4−1〜4−3の出力の測定結果についても上記と同様に、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8に示した。なお、比較のため、実施例2−2及び比較例2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8に併せて示した。また、実施例2−2、4−1〜4−3について求めた標準偏差を図9のグラフに示した。
図6〜図9に示す通り、還元工程を行った実施例1−2、2−2、3−1〜3−3、4−1〜4−3では、還元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。
また、図6〜図9から、サイクルの電圧の最小値を電極触媒の還元電位以上とした実施例3−3、4−3に比して、サイクルの電圧の最小値を電極触媒の還元電位未満とした実施例1−2、2−2、3−1、3−2、4−1、4−2の方が標準偏差を小さくできることが分かった。
さらに、サイクルの電圧の最小値を電極触媒の還元電位未満とし、且つサイクルの電圧の最大値を電極触媒の還元電位以上とした実施例1−2、2−2では、サイクルの電圧の最小値及び最大値の両方を電極触媒の還元電位未満とした実施例3−1、4−1に比して標準偏差を小さくできることが分かった。
以上から、サイクルの電圧を上記の範囲としても、還元工程を行うことで、還元工程を行わなかった比較例1、2に比べて、出力の測定結果がばらつくことを抑制できる。つまり、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、還元工程において、サイクルの電圧の最小値を電極触媒の還元電位未満とすることで、電極触媒を効果的に還元できる。その結果、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可能になるため、スタック14の出力を一層高精度に測定することが可能になる。
さらに、還元工程において、サイクルの電圧の最小値を電極触媒の還元電位未満とし、且つサイクルの電圧の最大値を電極触媒の還元電位以上とすることで、電極触媒を一層効果的に還元できる。その結果、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。
[実施例5]
上記(1)の還元工程を行う前に、酸化工程を行った以外、実施例1−2と同様にして、実施例5の出力の測定結果を得た。具体的には、酸化工程では、出力検査装置10にセットした還元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空気を2.4NL/分の流量で供給した。
上記(1)の還元工程を行う前に、酸化工程を行った以外、実施例1−2と同様にして、実施例5の出力の測定結果を得た。具体的には、酸化工程では、出力検査装置10にセットした還元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空気を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1.00V付近で略一定となったことを確認してから、そのままの状態を5分間保持した。すなわち、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した状態を、該電極触媒が酸化されるまで保持することで、酸化工程を行った。その後、実施例1−2と同様に、上記(1)の還元工程と、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。これらの酸化工程と、還元工程と、測定工程とを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10に示した。なお、比較のため、実施例1−2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10に併せて示した。
図10に示す通り、酸化工程を行った実施例5では、酸化工程を行わなかった実施例1−2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、酸化工程を経た後に、還元工程を行うことで、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還元処理を施す還元工程と、
前記電極触媒に前記還元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。 - 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、
前記還元工程の前に、前記電極触媒に酸化処理を施す酸化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。
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