CN113228360A - 燃料电池的活性化方法和活性化装置 - Google Patents

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Abstract

燃料电池堆的活性化方法是一种对燃料电池堆进行活性化的方法，所述燃料电池堆具备包含固体高分子的电解质膜、设置在该电解质膜的一个面上的阳极电极、及设置在电解质膜的另一个面上的阴极电极，所述燃料电池堆的活性化方法包括以下工序：第一通电工序，向阳极电极供给作为阳极侧气体的氢气，并向阴极电极供给作为阴极侧气体的空气，由此，使两电极之间产生电位差，在该状态下，利用外部电气负载将两电极电连接而通电；及，第二通电工序，向阳极电极供给作为阳极侧气体的氢气，并向阴极电极供给作为阴极侧气体的氮气，由此，使两电极之间产生电位差，在该状态下，利用外部电气负载将两电极电连接而通电。

Description

燃料电池的活性化方法和活性化装置
技术领域
本发明涉及一种燃料电池的活性化方法和活性化装置。更详细来说，涉及一种具备包含固体高分子的电解质层、设置在该电解质层的两侧的面上的阳极电极及阴极电极的燃料电池的活性化方法和活性化装置。
背景技术
燃料电池单体是利用一对隔膜夹持电解质膜-电极结构体(所谓膜电极组件(Membrane Electrode Assembly；MEA))而形成，所述电解质膜-电极结构体是在阳极电极与阴极电极之间配置包含固体高分子的电解质层而形成。另外，燃料电池堆是将此种多个燃料电池单体层叠而构成，例如搭载其作为车辆的电源。
如上所述的燃料电池单体或燃料电池堆(以下，只要无需区分单体与堆，也将它们简称为“燃料电池”)组装后，紧接着发电性能会降低。因此，在组装燃料电池后，为了提高其发电性能，会进行各种活性化处理(老化)。
例如，在专利文献1所记载的燃料电池的活性化方法中，在经由开关元件及电阻元件连接燃料电池的阳极电极与阴极电极的活性化装置中，交替地反复进行第一工序与第二工序，所述第一工序是在打开开关元件的状态下向阳极电极供给氢气并且向阴极电极供给空气，所述第二工序是关闭开关元件且停止向阴极电极供给空气。
[先前技术文献]
(专利文献)
专利文献1：日本特开2010-267455号公报
发明内容
[发明所要解决的问题]
在专利文献1所记载的活性化方法中，虽然可以利用简易的活性化装置将燃料电池活性化，但当在第二工序中停止空气的供给时，由于氢从阳极电极向阴极电极交叉泄漏，阳极电极与阴极电极之间的电位差会变小，因此，老化效果较低，活性化可能会较花费时间。另外，当从第二工序转移至第一工序，再次开始向阴极电极供给空气时，阴极电极中残留的氢与新供给至阴极电极的空气中的氧直接反应，可能因发热而使燃料电池劣化。
本发明的目的在于提供一种活性化方法和活性化装置，可以抑制燃料电池的劣化，并且在短时间内进行活性化。
[解决问题的技术手段]
(1)本发明的燃料电池(例如，后述的燃料电池单体2和燃料电池堆1)的活性化方法是一种对燃料电池进行活性化的方法，所述燃料电池具备包含固体高分子的电解质层(例如，后述的电解质膜24)、设置在该电解质层的一个面上的阳极电极(例如，后述的阳极电极25)、及设置在前述电解质层的另一个面上的阴极电极(例如，后述的阴极电极26)，所述燃料电池的活性化方法包括以下工序：第一通电工序，向前述阳极电极供给作为阳极侧气体的氢气，并向前述阴极电极供给作为阴极侧气体的氧化剂气体，由此，使前述阳极电极与前述阴极电极之间产生电位差，在该状态下，利用外部电气负载(例如，后述的外部电气负载6)将前述阳极电极与前述阴极电极电连接而通电；及，第二通电工序，向前述阳极电极供给作为阳极侧气体的氢气，并向前述阴极电极供给作为阴极侧气体的惰性气体，由此，使前述阳极电极与前述阴极电极之间产生电位差，在该状态下，利用前述外部电气负载将前述阳极电极与前述阴极电极电连接而通电。
(2)此时优选的是，交替地多次反复进行前述第一通电工序与前述第二通电工序。
(3)此时优选的是，在前述第一通电工序中，将氧化剂气体与惰性气体的混合气体作为阴极侧气体供给至前述阴极电极，在从前述第一通电工序转移至前述第二通电工序时，继续供给惰性气体，并断开氧化剂气体的供给。
(4)此时优选的是，在进行前述第二通电工序期间，在前述阳极电极与前述阴极电极之间的电位差为规定电压以下的状态持续规定时间后，从前述第二通电工序转移至前述第一通电工序。
(5)本发明的燃料电池(例如，后述的燃料电池单体2和燃料电池堆1)的活性化装置(例如，后述的活性化装置3)是一种对燃料电池进行活性化的装置，所述燃料电池具备包含固体高分子的电解质层(例如，后述的电解质膜24)、设置在该电解质层的一个面上的阳极电极(例如，后述的阳极电极25)、及设置在前述电解质层的另一个面上的阴极电极(例如，后述的阴极电极26)，所述燃料电池的活性化装置具备：外部电气负载(例如，后述的外部电气负载6)，用于将前述阳极电极与前述阴极电极电连接；氢气供给源(例如，后述的氢气供给源41)，用于供给氢气；阳极侧气体供给通道(例如，后述的氢气供给通道42)，用于将前述阳极电极与前述氢气供给源连接；氧化剂气体供给源(例如，后述的空气泵51)，用于供给氧化剂气体；惰性气体供给源(例如，后述的氮气供给源52)，用于供给惰性气体；阴极侧气体供给通道(例如，后述的阴极侧气体供给通道54)，用于将前述阴极电极与前述氧化剂气体供给源及前述惰性气体供给源连接；及，控制单元(例如，后述的控制装置53)，用于交替地接通或断开从前述氧化剂气体供给源向前述阴极电极的氧化剂气体的供给。
(6)此时优选的是，前述活性化装置还具备电压传感器(例如，后述的单体电压传感器7)，所述电压传感器检测前述阳极电极与前述阴极电极之间的电位差，在断开前述氧化剂气体的供给时，在前述电位差下降至规定电压以下的状态持续规定时间后，前述控制单元接通前述氧化剂气体的供给。
(发明的效果)
(1)在本发明的活性化方法中，藉由执行第一通电工序与第二通电工序来对燃料电池进行活性化，所述第一通电工序是向阳极电极供给氢气，并向阴极电极供给氧化剂气体，由此，使两电极之间产生电位差，在该状态下，利用外部电气负载将两电极电连接而通电；所述第二通电工序是向阳极电极供给氢气，并向阴极电极供给惰性气体，由此，使两电极之间产生电位差，在该状态下，利用外部电气负载将两电极电连接而通电。由此，根据本发明的活性化方法，与向阴极电极间断地供给空气的专利文献1所记载的活性化方法(以下，也称为“以往的活性化方法”)相比，可以抑制燃料电池的劣化，并且在短时间内将燃料电池活性化。
此处，在第二通电工序中，可以利用供给氢气的阳极电极与供给惰性气体的阴极电极的氢浓度差来使两电极间产生电位差，另外，这样，藉由在产生电位差的状态下利用外部电气负载将两电极电连接，能够以比常规发电时更小的电流及更少的阳极侧气体与阴极侧气体的供给量来进行两电极的通电。另外，在第二通电工序中，可以将由氢浓度差引起的电极反应产生的生成水供给至阳极电极与阴极电极中所包含的电极催化剂或电解质层，所以可以使电解质层成为湿润状态而产生良好的质子传导性，或向在燃料电池发电时成为反应位点的电极催化剂、电解质层与氢气或氧化剂气体的三相界面供给水，进而可以高效地将燃料电池进行活性化。
此处，在以往的活性化方法中，当停止向阴极电极供给氧化剂气体时，会在两电极间产生氢浓度差，所以也可以将燃料电池活性化。然而，在以往的活性化方法中，当停止向阴极电极供给氧化剂气体时，由于从阳极电极交叉泄漏的氢会滞留在阴极电极中，两电极之间的电位差变小，因此活性化效果逐渐减小。另外，当停止供给氧化剂气体后，再次供给氧化剂气体时，由于阴极电极中残留的氢与氧化剂气体会直接反应，因此会发热，燃料电池可能劣化。相对于此，在本发明的活性化方法中，藉由在第二通电工序中供给惰性气体，可以抑制从阳极电极的交叉泄漏，所以氢浓度差可以维持较高，进而可以维持较高的活性化效果。另外，在本发明的活性化方法中，可以利用这种方式抑制交叉泄漏，所以可以抑制氧化剂气体与氢的直接反应，进而也可以抑制燃料电池的劣化。由此，根据本发明的活性化方法，抑制燃料电池的劣化的同时，与以往的活性化方法相比，可以利用更短的时间将燃料电池活性化。
(2)在本发明的活性化方法中，藉由交替地多次反复进行第一通电工序与第二通电工序，与两工序各进行一次的情况相比，可以迅速地将燃料电池活性化。
(3)在本发明的活性化方法中，在第一通电工序中，将氧化剂气体与惰性气体的混合气体作为阴极侧气体供给至阴极电极，在从第一通电工序转移至第二通电工序时，继续供给惰性气体，并断开氧化剂气体的供给。因此，在本发明的活性化方法中，仅凭藉交替地反复将氧化剂气体的供给接通与断开，便可以交替地多次反复进行第一通电工序与第二通电工序，所以可以凭藉简易的构造将燃料电池活性化。
(4)当从第一通电工序转移至第二通电工序时，转移后，紧接着阴极电极中残留的氧化剂气体逐渐减少，因此阳极电极与阴极电极之间的电位差逐渐下降。之后，如果阴极电极中残留的氧化剂气体消失时，燃料电池成为氢浓差电池，两电极间的电位差被维持为比0更大的规定电压。相对于此，在本发明的活性化方法中，藉由在进行第二通电工序期间，在两电极间的电位差为规定电压以下的状态持续规定时间后，从第二通电工序转移至第一通电工序，可以在合适的时间内使燃料电池成为氢浓差电池，所以可以高效地将燃料电池活性化。
(5)本发明的活性化装置具备：外部电气负载，将阳极电极与阴极电极电连接；及，控制单元，交替地接通或断开从连接阴极电极与氧化剂气体供给源及惰性气体供给源的阴极侧气体供给通道和氧化剂气体供给源向阴极电极供给氧化剂气体的供给。由此，根据本发明的活性化装置，藉由利用控制单元来交替地接通或断开氧化剂气体的供给，可以交替地多次反复进行上述第一通电工序与第二通电工序，所以如上所述，抑制燃料电池的劣化的同时，可以高效地将燃料电池活性化。
(6)在本发明的活性化装置中，在断开氧化剂气体的供给时，在电位差下降至规定电压以下的状态持续规定时间后，控制单元接通氧化剂气体的供给。由此，可以在合适的时间内使燃料电池成为氢浓差电池，所以可以高效地将燃料电池活性化。
附图说明
图1是绘示本发明的一实施方式的燃料电池堆及其活性化装置的构造的图。
图2是绘示本发明的一实施方式的活性化方法的具体流程的流程图。
图3是绘示执行第二通电工序后再执行了第一通电工序时的燃料电池堆的单体平均电压的变化的一例的图。
具体实施方式
以下，参照附图来详细地说明本发明的一实施方式的燃料电池堆1的活性化装置3的构造、及使用此活性化装置3来对燃料电池堆1进行活性化的活性化方法的流程。
图1是绘示燃料电池堆1及其活性化装置3的构造的图。燃料电池堆1是藉由将多个燃料电池单体2层叠而构成。在图1中仅图示多个燃料电池单体2的一部分。此外，以下，虽然针对燃料电池堆1进行活性化的情况进行说明，但本发明并不限于此。本发明也可以对构成燃料电池堆1的各个燃料电池单体2进行活性化。
燃料电池单体2具备电解质膜-电极结构体21(以下，称为“MEA 21”)及夹持此MEA21的第一隔膜22与第二隔膜23。MEA 21例如具备作为包含全氟磺酸薄膜等的固体高分子的电解质层的电解质膜24、设置在此电解质膜24的一个面上的阳极电极25及设置在电解质膜25的另一个面上的阴极电极26。
阳极电极25是一种多孔体，具备面对电解质膜24的一个面的第一电极催化剂层25a及层叠在第一电极催化剂层25a上的第一气体扩散层25b。阴极电极26是一种多孔体，具备面对电解质膜24的另一个面的第二电极催化剂层26a及层叠在第二电极催化剂层26a上的第二气体扩散层26b。
第一电极催化剂层25a及第二电极催化剂层26a包含催化剂粒子(电极催化剂)及离子传导性高分子粘合剂，所述催化剂粒子是在例如碳黑等的碳制的催化剂载体上担载铂等的催化剂金属而构成。此外，上述电极催化剂也可以仅由例如铂黑等的催化剂金属组成，而不包含催化剂载体。
在电极催化剂由铂组成的情况下，在此电极催化剂的表面，例如发生2Pt+H2O+1/2O2+e-→2Pt(OH-)、Pt(OH-)+H3O+→Pt+2H2O等的电极反应。藉由向电极催化剂的表面供给水，使三相界面存在水而促进此电极反应。三相界面是指在燃料电池堆1实际的发电时，成为反应位点的电极催化剂、电解质膜24与氢气或氧化剂气体的界面。此外，燃料电池堆1实际的发电时是指，向阳极电极25供给包含氢气的阳极侧气体，并向阴极电极26供给包含氧化剂气体的阴极侧气体，而从燃料电池堆1实际获得电力的时间。
第一气体扩散层25b及第二气体扩散层26b例如由碳纸或碳布等构成。第一气体扩散层25b以面对第一隔膜22的方式配置，第二气体扩散层26b以面对第二隔膜23的方式配置。例如使用碳隔膜来作为第一隔膜22及第二隔膜23，但也可以使用金属隔膜来代替。
在第一隔膜22的面对第一气体扩散层25b的面上，形成阳极侧气体流路27，所述阳极侧气体流路27与用于供给阳极侧气体的阳极侧气体入口连通孔(未图示)及用于排出所述阳极侧气体的阳极侧气体出口连通孔(未图示)连通。
在第二隔膜23的面对第二气体扩散层26b的面上，形成阴极侧气体流路28，所述阴极侧气体流路28与用于供给阴极侧气体的阴极侧气体入口连通孔(未图示)及用于排出所述阴极侧气体的阴极侧气体出口连通孔(未图示)连通。
另外，在燃料电池堆1中，在各燃料电池单体2的第一隔膜22与第二隔膜23彼此相对的面之间一体化形成冷却介质流路29，所述冷却介质流路29与用于供给冷却介质的冷却介质入口连通孔(未图示)及用于排出此冷却介质的冷却介质出口连通孔(未图示)连通。
活性化装置3具备：阳极侧气体供给装置4，用于向燃料电池堆1的阳极侧气体流路27供给阳极侧气体；阴极侧气体供给装置5，用于向燃料电池堆1的阴极侧气体流路28供给阴极侧气体；外部电气负载6，用于将燃料电池堆1的阳极电极25与阴极电极26电连接；单体电压传感器7；及，温度调整装置8，用于调整燃料电池堆1的温度。
外部电气负载6将燃料电池堆1的阳极电极25与阴极电极26电连接，而在两电极25，26间进行通电。当藉由从阳极侧气体供给装置4向阳极电极25供给阳极侧气体的同时从阴极侧气体供给装置5向阴极电极26供给阴极侧气体，而在这些阳极电极25与阴极电极26之间产生电位差时，外部电气负载6使电流从阴极电极26流向阳极电极25。在此外部电气负载6中，能够将两电极25，26间通电的电流维持在规定的大小。
单体电压传感器7对每个燃料电池单体2检测在阳极电极25与阴极电极26之间产生的单体电压，并将与此单体电压的大小相应的检测信号发送至阴极侧气体供给装置5的后述的控制装置53。各燃料电池单体2的单体电压的平均值也就是单体平均电压是基于来自此单体电压传感器7的检测信号而由控制装置53计算出的。
温度调整装置8藉由向燃料电池堆1的冷却介质流路29供给调整为规定的温度的传热介质，来调整燃料电池堆1的温度。
阳极侧气体供给装置4将包含氢气的阳极侧气体供给至阳极侧气体流路27。阳极侧气体供给装置4具备：供给氢气的氢气供给源41、将氢气供给源41与阳极侧气体流路27予以连接的氢气供给通道42、及设置在此氢气供给通道42上的阳极侧加湿器43。氢气供给源41由在高压下贮存氢气的氢气罐(未图示)和调整从该氢气罐供给至氢气供给通道42的氢气的流量的流量调整阀(未图示)等构成。氢气供给通道42是将氢气供给源41与阳极侧气体流路27连接的配管，将从氢气供给源41供给的氢气引导至阳极侧气体流路27。阳极侧加湿器43将从氢气供给源41供给的氢气与水蒸气混合，调整阳极侧气体的露点。阳极侧气体供给装置4藉由使用这些氢气供给源41、氢气供给通道42及阳极侧加湿器43，而将调整为规定的露点的阳极侧气体以规定的流量供给至阳极侧气体流路27。
阴极侧气体供给装置5将包含作为氧化剂气体的空气或作为惰性气体的氮气的阴极侧气体供给至阴极侧气体流路28。阴极侧气体供给装置5具备：供给空气的空气泵51、供给氮气的氮气供给源52、控制该空气泵51的控制装置53、将这些空气泵51及氮气供给源52与阴极侧气体流路28连接的阴极侧气体供给通道54、及设置在此阴极侧气体供给通道54上的阴极侧加湿器55与混合器56。
阴极侧气体供给通道54具备：将空气泵51与阴极侧气体流路28连接的第一流路54a、及将氮气供给源52与第一流路54a连接的第二流路54b。
空气泵51根据来自控制装置53的指令将空气压缩，并将压缩后的空气经由第一流路54a供给至阴极侧气体流路28。控制装置53藉由控制空气泵51的转速，来调整供给至第一流路54a的空气的流量。控制装置53能够交替地接通或断开从空气泵51向阴极侧气体流路28的空气的供给。此外，在本实施方式中，针对藉由利用控制装置53控制空气泵51的转速，来交替地接通或断开从空气的供给源向阴极侧气体流路28的空气的供给的情况进行说明，但本发明并不限于此。当在将空气的供给源与阴极侧气体流路28连接的空气的流路上设置流量控制阀时，也可以藉由控制此流量控制阀的开度，来交替地接通或断开从空气的供给源向阴极侧气体流路28的空气的供给。
氮气供给源52由在高压下贮存氮气的氮气罐(未图示)和调整从该氮气罐供给至第二流路54b的氮气的流量的流量调整阀(未图示)等构成。
阴极侧加湿器55设置在第一流路54a上，将从空气泵51供给的空气与水蒸气混合，调整在第一流路54a中流动的空气的露点。混合器56设置在第一流路54a中的比阴极侧加湿器55更靠阴极侧气体流路28侧的位置。混合器56将经由第一流路54a从空气泵51供给的空气与经由第二流路54b从氮气供给源52供给的氮气混合，并供给至阴极侧气体流路28。阴极侧气体供给装置5藉由使用这些空气泵51、氮气供给源52、控制装置53、阴极侧气体供给通道54、阴极侧加湿器55及混合器56，将调整为规定的露点的阴极侧气体以规定的流量供给至阴极侧气体流路28。
接下来，针对使用如上所述的活性化装置3对燃料电池堆1进行活性化的活性化方法的具体流程进行说明。
图2是绘示本实施方式的活性化方法的具体流程的流程图。
首先，在S1中，利用外部电气负载6将燃料电池堆1的阳极电极25与阴极电极26电连接。接下来，在S2中，藉由利用温度调整装置8向燃料电池堆1的冷却介质流路29供给调整为规定的温度的传热介质，将燃料电池堆1维持在规定的温度。
在S3中，在规定时间内执行第一通电工序。在此第一通电工序中，藉由从阳极侧气体供给装置4向阳极侧气体流路27供给阳极侧气体的同时从阴极侧气体供给装置5向阴极侧气体流路28供给阴极侧气体，使阳极电极25与阴极电极26之间产生电位差，而利用外部电气负载6在这些电极25，26之间进行通电。在此第一通电工序中，阳极侧气体供给装置4以规定的流量将藉由混合氢气与水蒸气调整为规定的露点的阳极侧气体来供给至阳极侧气体流路27。另外，在此第一通电工序中，阴极侧气体供给装置5将调整为规定的露点与规定的流量的空气和调整为规定的流量的氮气的混合气体作为阴极侧气体来供给至阴极侧气体流路28。此外，在此第一通电工序中，阳极侧气体供给装置4与阴极侧供给装置5供给阳极侧气体与阴极侧气体，以使得阳极侧气体流路27与阴极侧气体流路28之间的压力差被维持在规定值。
如上所述，第一通电工序是所谓的常规发电老化工序，也就是：向阳极电极25供给包含氢气的阳极侧气体，并向阴极电极26供给包含氧化剂气体的阴极侧气体，在燃料电池堆1中进行常规的发电，由此促进燃料电池堆1的活性化。
接下来，在S4中，在规定时间内执行第二通电工序。在此第二通电工序中，藉由从阳极侧气体供给装置4向阳极侧气体流路27供给阳极侧气体的同时从阴极侧气体供给装置5向阴极侧气体流路28供给与上述第一通电工序不同的成分的阴极侧气体，使阳极电极25与阴极电极26之间产生电位差，并利用外部电气负载6在这些电极25，26之间进行通电。
此处，供给至阴极侧气体流路28的阴极侧气体中的空气与氮气的流量比(空气的流量/氮气的流量)设定为第二通电工序比第一通电工序更小。如后续参照实施例4说明所述，越减小第二通电工序中的阴极侧气体的空气与氮气的流量比，越可以实现高效的活性化。因此，以下，针对将第二通电工序中供给至阴极侧气体流路28的阴极侧气体的空气与氮气的流量比设为0的情况(亦即，断开第二通电工序中的空气的供给的情况)进行说明，但本发明并不限于此。
在此第二通电工序中，阳极侧气体供给装置4以规定的流量将藉由混合氢气与水蒸气调整为规定的露点的阳极侧气体来供给至阳极侧气体流路27。此外，第二通电工序中的阳极侧气体的流量或露点优选设为与第一通电工序相等。因此，在交替地反复执行第一通电工序与第二通电工序时，优选以固定的流量向阳极侧气体流路27持续供给调整为规定的露点的阳极侧气体。
另外，在第二通电工序中，阴极侧气体供给装置5将调整为规定的流量的氮气作为阴极侧气体供给至阴极侧气体流路28。此外，第二通电工序中的氮气的流量优选设为与第一通电工序中的氮气的流量相等。因此，在交替地反复执行第一通电工序与第二通电工序时，优选以固定的流量从氮气供给源52向阴极侧气体流路28持续供给氮气。另外，在从第一通电工序向第二通电工序转移时，优选如上所述，在以固定的流量持续供给氮气的同时，利用控制装置53断开来自空气泵51的空气的供给。另外，在从第二通电工序向第一通电工序转移时，优选利用控制装置53接通来自空气泵51的空气的供给。此外，在此第二通电工序中，与第一通电工序同理，阳极侧气体供给装置4与阴极侧供给装置5供给阳极侧气体与阴极侧气体，以使得阳极侧气体流路27与阴极侧气体流路28之间的压力差被维持在规定值。
如上所述，第二通电工序是所谓的氢浓差电池老化工序，也就是：向阳极电极25供给包含氢气的阳极侧气体，并向阴极电极26供给包含惰性气体且不包含氧化剂气体的阴极侧气体，使两电极25，26之间产生氢浓度差，将燃料电池堆1用作氢浓差电池，由此促进燃料电池堆1的活性化。
接下来，在S5中，判定是否以规定的设定次数反复执行第一通电工序与第二通电工序。在S5的判定结果为否的情况下，返回S3，再次执行第一通电工序与第二通电工序。在S6的判定结果为是的情况下，结束图2的活性化方法。此外，为了将燃料电池堆1高效地活性化，优选将设定次数设为2以上的整数，交替地多次反复进行第一通电工序与第二通电工序。
图3是绘示执行第二通电工序后再执行了第一通电工序时的燃料电池堆1的单体平均电压的变化的一例的图。更具体来说，图3是绘示藉由后述的实施例1将燃料电池堆1进行了活性化时的单体平均电压的变化的一例的图。在图3中绘示出如下情况，亦即：执行第一通电工序直至时刻t0，之后，在时刻t0，从第一通电工序转移至第二通电工序，之后，在时刻t2，从第二通电工序转移至第一通电工序，在时刻t3，结束第一通电工序。此时，控制装置53也可按照以如下方式进行变更，亦即：在进行第二通电工序期间，由单体电压传感器7检测出的单体平均电压成为规定的判定电压以下时，减少为比由第一通电工序的外部电气负载产生的电流消耗更小的值(更具体来说，比0稍大的值)。
如图3所示，当在时刻t0，从第一通电工序转移至第二通电工序，伴随于此，断开向燃料电池堆1的空气的供给时，阴极电极26中的氧浓度下降，以及单体平均电压逐渐下降。当之后在时刻t1前后，阴极侧气体流路28中残留的氧由于发电而被使用殆尽，阴极侧气体流路28内的气体被氮气置换时，燃料电池堆1成为氢浓差电池。因此，在时刻t1以后，单体平均电压仍维持高于0[V]的状态。当之后在时刻t2，从第二通电工序转移至第一通电工序，伴随于此，接通向燃料电池堆1的空气的供给时，由于在燃料电池堆1中，进行常规的发电，因此单体平均电压恢复。此时，控制装置53也可以按照如下方式进行变更，亦即：在进行第二通电工序期间，由单体电压传感器7检测出的单体平均电压成为规定的判定电压以下时，在以减少为比由第一通电工序的外部电气负载产生的电流消耗更小的值(更具体来说，比0稍大的值)的方式进行了变更的情况下，增大电流消耗。
在本实施方式的活性化方法中，藉由交替地多次反复执行如上所述的第一通电工序与第二通电工序，来对燃料电池堆1进行活性化。此时，为了将燃料电池堆1在短时间内高效地活性化，优选确保在执行第二通电工序的过程中，燃料电池堆1成为氢浓差电池的状态在规定时间以上。因此，优选在进行第二通电工序期间，由单体电压传感器7检测出的单体平均电压为规定的判定电压以下的状态持续规定时间后，控制装置53将向阴极侧气体流路28的空气的供给从断开切换为接通，从第二通电工序转移至第一通电工序。此处，判定电压是为了判定燃料电池堆1成为氢浓差电池而对单体平均电压设定的阈值，其被设定为比0稍大的值。
根据本实施方式的活性化方法与活性化装置3，起到以下效果。
(1)在本实施方式的活性化方法中，藉由执行第一通电工序与第二通电工序来对燃料电池堆1进行活性化，所述第一通电工序是向阳极电极25供给氢气，并向阴极电极26供给空气，由此，使两电极25，26之间产生电位差，在该状态下，利用外部电气负载6将两电极25，26电连接而通电；所述第二通电工序是向阳极电极25供给氢气，并向阴极电极26供给氮气，由此，使两电极25，26之间产生电位差，在该状态下，利用外部电气负载6将两电极电连接而通电。由此，根据本实施方式的活性化方法，与向阴极电极26间断地供给空气的以往的活性化方法相比，可以抑制燃料电池堆1的劣化，并且在短时间内将燃料电池堆1活性化。
此处，在第二通电工序中，可以利用供给氢气的阳极电极25与供给氮气的阴极电极26的氢浓度差来使两电极25，26间产生电位差，另外，这样，藉由在产生电位差的状态下利用外部电气负载6将两电极25，26电连接，能够以比常规发电时更小的电流及更少的阳极侧气体和阴极侧气体的供给量来进行两电极25，26的通电。另外，在第二通电工序中，可以将由氢浓度差引起的电极反应产生的生成水供给至阳极电极25与阴极电极26中所包含的电极催化剂或电解质层，所以可以使电解质膜24成为湿润状态而产生良好的质子传导性，或向在燃料电池堆1发电时成为反应位点的电极催化剂、电解质膜24与氢气或空气的三相界面供给水，进而可以高效地将燃料电池堆1活性化。
另外，在本实施方式的活性化方法中，藉由在第二通电工序中供给氮气，可以抑制从阳极电极25的交叉泄漏，所以氢浓度差可以维持较高，进而可以维持较高的活性化效果。另外，在本实施方式的活性化方法中，可以利用这种方式抑制交叉泄漏，所以可以抑制空气与氢的直接反应，进而也可以抑制燃料电池堆1的劣化。由此，根据本实施方式的活性化方法，抑制燃料电池堆1的劣化的同时，与以往的活性化方法相比，可以利用更短的时间将燃料电池堆1活性化。
(2)在本实施方式的活性化方法中，藉由交替地多次反复进行第一通电工序与第二通电工序，与两工序各进行一次的情况相比，可以迅速地将燃料电池活性化。
(3)在本实施方式的活性化方法中，在第一通电工序中，将空气与氮气的混合气体作为阴极侧气体供给至阴极电极26，在从第一通电工序转移至第二通电工序时，继续供给氮气，并断开空气的供给。因此，在本实施方式的活性化方法中，仅凭藉交替地反复将空气的供给接通与断开，便可以交替地多次反复进行第一通电工序与第二通电工序，所以可以凭藉简易的构造来将燃料电池堆1活性化。
(4)在本实施方式的活性化方法中，藉由在进行第二通电工序期间，在两电极25，26间的电位差为规定的判定电压以下的状态持续规定时间后，从第二通电工序转移至第一通电工序，可以在合适的时间内使燃料电池堆1成为氢浓差电池，所以可以高效地将燃料电池堆1活性化。
(5)本实施方式的活性化装置3具备：外部电气负载6，将阳极电极25与阴极电极26电连接；及，控制装置53，交替地接通或断开空气从连接阴极电极26与空气泵51及氮气供给源52的阴极侧气体供给通道54和空气泵51向阴极电极26的供给。由此，根据本实施方式的活性化装置3，藉由利用控制装置53来交替地接通或断开空气的供给，可以交替地多次反复进行第一通电工序与第二通电工序，所以如上所述，抑制燃料电池堆1的劣化的同时，可以高效地将燃料电池堆1活性化。
(6)在本实施方式的活性化装置3中，在断开空气的供给时，在使用单体电压传感器7检测出的单体平均电压下降至规定的判定电压以下的状态持续规定时间后，控制装置53接通空气的供给。由此，可以在合适的时间内使燃料电池堆1成为氢浓差电池，所以可以高效地将燃料电池堆1活性化。
以上，对本发明的一实施方式进行了说明，但本发明并不限定于此。可以在本发明的主旨范围内对细节的构造进行适当变更。
实施例
接下来，针对活性化方法的实施例与比较例来进行说明。在以下的实施例与比较例中，将藉由层叠10个燃料电池单体2组装成的燃料电池堆1作为对象来进行活性化。另外，燃料电池单体2使用具备发电有效面积为100[cm2]的MEA 21的单体。
[实施例1]
在实施例1中，将活性化装置3连接于上述10个单体的燃料电池堆1，基于图2的活性化方法交替地反复执行第一通电工序与第二通电工序。此时，燃料电池堆1的温度使用温度调整装置8而保持在70℃。另外，在实施例1中，藉由使用阳极侧气体供给装置4，将以露点成为70℃的方式进行了加湿的氢气作为阳极侧气体供给至阳极侧气体流路27。此处，氢气的流量设为0.3[NL/min]。另外，在实施例1中，藉由使用阴极侧气体供给装置5，将以露点成为70℃的方式进行了加湿的空气与氮气的混合气体作为阴极侧气体供给至阴极侧气体流路28。此处，空气的流量设为0.7[NL/min]，氮气的流量设为1.4[NL/min]。另外，在实施例1中，以上述所述的流量持续供给氮气的同时，每隔一分钟将空气的供给从接通切换为断开或者从断开切换为接通，由此以一分钟间隔交替地分别执行第一通电工序与第二通电工序各30次。亦即，实施例1的活性化所花费的时间共计1小时。另外，在第一通电工序与第二通电工序中，如上述所述供给气体的同时，在两电极25，26间继续流通2[A]的电流。此时，阳极侧气体供给装置4与阴极侧气体供给装置5以在进行第一通电工序与第二通电工序期间的阳极侧气体流路27与阴极侧气体流路28之间的压力差被维持为规定值的方式，供给阳极侧气体与阴极侧气体。
[比较例1]
在比较例1中，将活性化装置3连接于上述10个单体的燃料电池堆1，仅执行了图2的活性化方法中的第一通电工序。此时，燃料电池堆1的温度使用温度调整装置8而保持在70℃。在比较例1中，藉由使用阳极侧气体供给装置4，将以露点成为70℃的方式进行了加湿的氢气作为阳极侧气体供给至阳极侧气体流路27。另外，在比较例1中，藉由使用阴极侧气体供给装置5，将以露点成为70℃的方式进行了加湿的空气作为阴极侧气体供给至阴极侧气体流路28。此处，氢气的流量设为20[NL/min]，空气的流量设为50[NL/min]，在共计1小时内，在两电极25，26间继续流通150[A]的电流。如上所述，在比较例1与实施例1中进行活性化的时间相同，但是比较例1的氢气的使用量和电流比实施例1更大。另外，比较例1与实施例1的不同点在于，不包含第二通电工序。
[比较例2]
在比较例2中，将活性化装置3连接于上述10个单体的燃料电池堆1，仅执行了图2的活性化方法中的第一通电工序。此时，燃料电池堆1的温度使用温度调整装置8而保持在70℃。在比较例2中，藉由使用阳极侧气体供给装置4，将以露点成为70℃的方式进行了加湿的氢气作为阳极侧气体供给至阳极侧气体流路27。另外，在比较例2中，藉由使用阴极侧气体供给装置5，将以露点成为70℃的方式进行了加湿的空气作为阴极侧气体供给至阴极侧气体流路28。此处，氢气的流量设为0.3[NL/min]，空气的流量设为0.7[NL/min]，在共计1小时内，在两电极25，26间继续流通2[A]的电流。如上所述，在比较例2与实施例1中的进行活性化的时间、氢气的使用量及电流相同。另外，比较例2与实施例1的不同点在于，不包含第二通电工序。
[比较例3]
在比较例3中，将活性化装置3连接于上述10个单体的燃料电池堆1，再现了日本特开2010-267455号公报中所记载的活性化方法。此时，燃料电池堆1的温度使用温度调整装置8而保持在70℃。在比较例3中，藉由使用阳极侧气体供给装置4，将以露点成为70℃的方式进行了加湿的氢气作为阳极侧气体供给至阳极侧气体流路27。此处，氢气的流量设为0.3[NL/min]。另外，在比较例3中，藉由使用阴极侧气体供给装置5，将以露点成为70℃的方式进行了加湿的空气作为阴极侧气体供给至阴极侧气体流路28。另外，在比较例3中，每隔一分钟将空气的供给从接通切换为断开或者从断开切换为接通。此处，接通空气的供给的期间的空气的流量设为0.7[NL/min]。另外，在比较例3中，这样以一分钟间隔交替地分别执行接通空气的供给的工序与断开空气的供给的工序各30次。亦即，比较例3的活性化所花费的时间共计1小时。另外，在比较例3中，如上述所述供给气体的同时，在两电极25，26间继续流通2[A]的电流。如上所述，在比较例3与实施例1中的进行活性化的时间、氢气的使用量及电流相同。另外，比较例3与实施例1的不同点在于，在断开空气的供给的期间未供给氮气。
接下来，针对藉由如上所述的实施例1及比较例1～比较例3的活性化方法被活性化的燃料电池堆的性能，参照下表1来进行说明。表1是比较电压的大小的图，所述电压的大小是从藉由实施例1及比较例1～比较例3的活性化方法被活性化的燃料电池堆引出150[A]的电流时的电压的大小。另外，在下表1中，绘示出将藉由比较例2的活性化方法进行了活性化后的燃料电池堆的电压设为“1”的情况。
[表1]
电压@150[A]
实施例1 1.64
比较例1 1.49
比较例2 1.00
比较例3 1.10
如上表1中所记载，活性化后的燃料电池堆的电压按照比较例2、比较例3、比较例1、实施例1的顺序依次升高。如上所述，在实施例1及比较例1～比较例3中，进行活性化的时间相同。因此，可以说，相较于比较例1～3的活性化方法，实施例1的活性化方法可以在更短的时间内高效地将燃料电池堆活性化。另外，如上所述，在比较比较例1与实施例1时，比较例1的氢气的使用量及电流更大。因此，可以说，根据实施例1的活性化方法，相较于比较例1～比较例3，可以利用更少的成本高效地将燃料电池堆活性化。
另外，如上所述，在比较比较例3与实施例1时，比较例3的活性化方法与实施例1的活性化方法的不同点在于，在断开空气的供给的期间未供给氮气。因此，在比较例3的活性化方法中，在断开空气的供给的期间，氢从阳极电极向阴极电极交叉泄漏，两电极间的电位差减小。因此，根据实施例1的活性化方法，相较于比较例3的活性化方法，可以在更短的时间内高效地将燃料电池堆活性化。另外，在比较例3的活性化方法中，在将空气的供给从断开切换成了接通时，阴极电极中残留的氢与新供给的空气中的氧直接反应，可能因发热而使燃料电池堆劣化。相对于此，在实施例1的活性化方法中，在断开空气的供给的期间也持续供给氮气，因此氢的交叉泄漏较少，由此，也可以抑制燃料电池堆的劣化。
[实施例2]
在实施例2中，将进行活性化的时间设为与实施例1相同的1小时，并按照下表2改变交替地反复进行第一通电工序与第二通电工序的次数(反复次数)以及执行第一通电工序或第二通电工序的时间(间隔时间)。在实施例2-1中，将反复次数设为2[次]，将间隔时间设为15[分钟]，在实施例2-2中，将反复次数设为5[次]，将间隔时间设为5[分钟]，在实施例2-3中，将反复次数设为10[次]，将间隔时间设为3[分钟]，在实施例2-4中，将反复次数设为60[次]，将间隔时间设为0.5[分钟]。
[表2]
Figure BDA0003126233370000171
如上表2中所记载，活性化后的燃料电池堆的电压按照比较例3、实施例2-1、实施例2-2、实施例2-4、实施例2-3、实施例1的顺序依次升高。亦即，就此次采用的10个单体的燃料电池堆1来说，可以说藉由将反复次数设为30，可以最高效地将燃料电池堆活性化。根据以上内容，本发明的活性化方法藉由根据要进行活性化的燃料电池堆的规格来调整反复次数，可以在短时间内高效地将燃料电池堆活性化。
[实施例3]
在实施例3中，将执行第一通电工序或第二通电工序的时间(间隔时间)设为与实施例1相同的1[分钟]，并按照下表3改变进行活性化的时间以及交替地反复进行第一通电工序与第二通电工序的次数(反复次数)。在实施例3-1中，将反复次数设为10[次]，将活性化时间设为1/3[小时]，在实施例3-2中，将反复次数设为20[次]，将活性化时间设为2/3[小时]，在实施例3-3中，将反复次数设为60[次]，将活性化时间设为2[小时]，在实施例3-4中，将反复次数设为90[次]，将活性化时间设为3[小时]。
[表3]
Figure BDA0003126233370000181
如上表3中所记载，活性化后的燃料电池堆的电压按照实施例3-1、实施例3-2、实施例1、实施例3-3、实施例3-4的顺序依次升高。亦即，可以说，本发明的活性化方法随着增多反复次数且加长活性化时间，越可以将燃料电池堆活性化，但随着增多反复次数且加长活性化时间，其效率反而下降。
[实施例4]
在实施例4中，将活性化时间、反复次数及间隔时间设为与实施例1相同，并按照下表4改变第二通电工序中的空气的流量。在实施例4-1中，将第二通电工序中的空气的流量设为0.20[NL/min]，在实施例4-2中，将第二通电工序中的空气的流量设为0.37[NL/min]，在实施例4-3中，将第二通电工序中的空气的流量设为0.40[NL/min]，在实施例4-4中，将第二通电工序中的空气的流量设为0.50[NL/min]。此外，第二通电工序中的空气的流量以外的氢气或氮气等气体的流量均与实施例1相同。另外，第二通电工序中的空气的化学计量比在实施例4-1中为0.6，在实施例4-2中为1.12，在实施例4-3中为1.21，在实施例4-4中为1.51。此处，第二通电工序中的空气的化学计量比是指，第二通电工序中的空气的流量相对于向阳极侧气体流路27供给氢气的同时在燃料电池堆1中进行常规发电所需的理论空气流量的比(第二通电工序中的空气的流量/理论空气流量)。
[表4]
Figure BDA0003126233370000182
Figure BDA0003126233370000191
如上表4中所记载，活性化后的燃料电池堆的电压按照实施例4-4、实施例4-3、实施例4-2、实施例4-1、实施例1的顺序依次升高。亦即，可以说，本发明的活性化方法中，越减少第二通电工序中的空气的流量，换言之，越减小在第二通电工序中供给至阴极侧气体流路28的阴极侧气体中的空气与氮气的流量比(空气的流量/氮气的流量)，越可以在短时间内高效地进行活性化。特别地，根据上表4的结果，可以发现在实施例4-2与实施例4-3之间活性化的效果存在较大的差异。因此，可以说，优选使在第二通电工序中供给至阴极侧气体流路28的空气的流量比在第一通电工序中供给至阴极侧气体流路28的空气的流量更少，并且将化学计量比设为1.12以下。
[实施例5]
在实施例5中，将活性化时间、反复次数、间隔时间及各种气体的流量设为与实施例1相同，并按照下表5改变燃料电池堆的温度(堆温度)、阳极侧气体的露点(阳极露点)及阴极侧气体的露点(阴极露点)的组合。在实施例5-1中，将堆温度设为50[℃]，将阳极露点设为50[℃]，并将阴极露点设为50[℃]，在实施例5-2中，将堆温度设为50[℃]，将阳极露点设为70[℃]，并将阴极露点设为70[℃]，在实施例5-3中，将堆温度设为70[℃]，将阳极露点设为60[℃]，并将阴极露点设为70[℃]，在实施例5-4中，将堆温度设为70[℃]，将阳极露点设为70[℃]，并将阴极露点设为60[℃]，在实施例5-5中，将堆温度设为70[℃]，将阳极露点设为80[℃]，并将阴极露点设为80[℃]，在实施例5-6中，将堆温度设为80[℃]，将阳极露点设为80[℃]，并将阴极露点设为80[℃]，在实施例5-7中，将堆温度设为80[℃]，将阳极露点设为70[℃]，并将阴极露点设为70[℃]。
[表5]
Figure BDA0003126233370000192
Figure BDA0003126233370000201
如上表5中所记载，活性化后的燃料电池堆的电压按照实施例5-1、实施例5-2、实施例5-7、实施例5-3、实施例1、实施例5-4、实施例5-6及实施例5-5的顺序依次升高。特别地，根据上表5的结果，可以发现在实施例5-1与实施例5-2之间活性化的效果存在较大的差异。因此，可以说，优选使阳极侧气体的露点高于50[℃]，且使阴极侧气体的露点高于50[℃]。根据以上内容，本发明的活性化方法藉由根据要进行活性化的燃料电池堆的规格来调整堆温度、阳极露点及阴极露点，可以在短时间内高效地将燃料电池堆活性化。
附图标记
1 燃料电池堆(燃料电池)
2 燃料电池单体(燃料电池)
24 电解质膜(电解质层)
25 阳极电极
26 阴极电极
3 活性化装置
4 阳极侧气体供给装置
41 氢气供给源
42 氢气供给通道(阳极侧气体供给通道)
5 阴极侧气体供给装置
51 空气泵(氧化剂气体供给源)
52 氮气供给源(惰性气体供给源)
53 控制装置(切换单元)
54 阴极侧气体供给通道(阴极侧气体供给通道)
6 外部电气负载(外部电气负载)
7 单体电压传感器(电压传感器)

Claims (6)

1.一种燃料电池的活性化方法，所述燃料电池具备包含固体高分子的电解质层、设置在该电解质层的一个面上的阳极电极、及设置在前述电解质层的另一个面上的阴极电极，
所述燃料电池的活性化方法包括以下工序：
第一通电工序，向前述阳极电极供给作为阳极侧气体的氢气，并向前述阴极电极供给作为阴极侧气体的氧化剂气体，由此，使前述阳极电极与前述阴极电极之间产生电位差，在该状态下，利用外部电气负载将前述阳极电极与前述阴极电极电连接而通电；及，
第二通电工序，向前述阳极电极供给作为阳极侧气体的氢气，并向前述阴极电极供给作为阴极侧气体的惰性气体，由此，使前述阳极电极与前述阴极电极之间产生电位差，在该状态下，利用前述外部电气负载将前述阳极电极与前述阴极电极电连接而通电。
2.根据权利要求1所述的燃料电池的活性化方法，其中，交替地多次反复进行前述第一通电工序与前述第二通电工序。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池的活性化方法，其中，在前述第一通电工序中，将氧化剂气体与惰性气体的混合气体作为阴极侧气体供给至前述阴极电极，
在从前述第一通电工序转移至前述第二通电工序时，继续供给惰性气体，并断开氧化剂气体的供给。
4.根据权利要求1至3所述的燃料电池的活性化方法，其中，在进行前述第二通电工序期间，在前述阳极电极与前述阴极电极之间的电位差为规定电压以下的状态持续规定时间后，从前述第二通电工序转移至前述第一通电工序。
5.一种燃料电池的活性化装置，所述燃料电池具备包含固体高分子的电解质层、设置在该电解质层的一个面上的阳极电极、及设置在前述电解质层的另一个面上的阴极电极，
所述燃料电池的活性化装置具备：
外部电气负载，用于将前述阳极电极与前述阴极电极电连接；
氢气供给源，用于供给氢气；
阳极侧气体供给通道，用于将前述阳极电极与前述氢气供给源连接；
氧化剂气体供给源，用于供给氧化剂气体；
惰性气体供给源，用于供给惰性气体；
阴极侧气体供给通道，用于将前述阴极电极与前述氧化剂气体供给源及前述惰性气体供给源连接；及，
控制单元，用于交替地接通或断开从前述氧化剂气体供给源向前述阴极电极的氧化剂气体的供给。
6.根据权利要求5所述的燃料电池的活性化装置，其中，还具备电压传感器，所述电压传感器检测前述阳极电极与前述阴极电极之间的电位差，
在断开前述氧化剂气体的供给时，在前述电位差下降至规定电压以下的状态持续规定时间后，前述控制单元接通前述氧化剂气体的供给。
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