JP2011243444A

JP2011243444A - 高分子電解質形燃料電池の活性化方法及び高分子電解質形燃料電池の活性化装置

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Publication number: JP2011243444A
Application number: JP2010115285A
Authority: JP
Inventors: Shigeyuki Unoki; 重幸鵜木
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2010-05-19
Filing date: 2010-05-19
Publication date: 2011-12-01

Abstract

【課題】高分子電解質形燃料電池を活性化する場合に、活性化に要する時間を従来例よりも短縮できる、高分子電解質形燃料電池の活性化方法を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明の高分子電解質形燃料電池の活性化方法は、反応ガスの露点が燃料電池スタック２００の運転温度以上となるように反応ガスを燃料電池スタック２００に供給して、第１の電流密度で燃料電池スタック２００を発電させる第１発電工程、前記第１の電流密度より大きい電流密度で燃料電池スタック２００を発電させる第２発電工程、及び無負荷で燃料電池スタック２００を運転する休止工程の順からなる活性化工程を繰り返す。
【選択図】図１

Description

本発明は、高分子電解質形燃料電池の活性化方法及び高分子電解質形燃料電池の活性化装置に関する。

燃料電池スタックは、一般に、セル（単電池）が複数積層された構造を有しており、各セルは、高分子電解質膜及び一対のガス拡散電極（アノード及びカソード）から構成されるＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と、アノードに接触しながら燃料ガスが流れるように形成された燃料ガス流路と、カソードに接触しながら酸化剤ガスが流れるように形成された酸化剤ガス流路とを備えている。

ところで、燃料電池スタック組み立て直後のＭＥＡでは、ＭＥＡの製造過程における高温圧着工程や乾燥工程の影響により、高分子電解質膜が乾燥状態にある。このため、組み立て直後の高分子電解質膜は、比抵抗が大きい状態にある。また、ＭＥＡ製造工程で使用されるイソブチレンアルコール等の不純物により、高分子電解質膜のプロトン導電パスの役割を果たすスルホン酸基が（−ＳＯ_３Ｈ）が多少汚染された状態になっているため、その役割を充分発揮できない状態にある。

したがって、電池特性として設計された所定の出力電圧を得るには、高分子電解質膜の含水率を飽和状態にすることによって、高分子電解質膜の比抵抗を小さくし、また、イソブチレンアルコール等の不純物を除去し、充分なプロトン導電パスを形成する、ＭＥＡの活性化（「エージング」ともいう）を行なう必要がある。そこで、従来は、燃料電池スタックに反応ガスを加湿して供給し、燃料電池スタックの電池電圧が飽和値を示すまで、一定電流密度で発電させることで、ＭＥＡを活性化させていた。

しかしながら、上記従来の方法によるＭＥＡ活性化に要する時間は、数日間に及ぶ場合もあり、燃料電池スタック製造のボトルネック工程になっていた。このため、ＭＥＡ活性化時間を短縮することが燃料電池スタックを量産する際の課題であった。

このような課題に対して、高分子電解質膜中の含水率に着目することにより、活性化時間の短縮を実現する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に開示されている燃料電池の運転方法では、フラッディングが生じるように発電し、フラッディングで生じた液水によって固体高分子膜の湿潤を速やかに行うことで、活性化時間を短縮している。また、特許文献１に開示されている燃料電池の運転方法では、フラッディングによるセル電圧の反転およびセルの損傷を抑制するために、セル電圧がある警戒電圧になると、ガスの利用率を低下させてセル電圧の反転を予防している。

特許第３８７９５１７号

しかしながら、特許文献１に開示されている燃料電池の運転方法は、活性化時間の短縮の観点からは優れているものの、フラッディング抑制のための制御が複雑であること、また、フラッディングが生じた際、ＭＥＡにダメージを与えてしまう可能性があることから、改善の余地があった。よって、活性化時間の短縮が可能であり、かつ、ＭＥＡへのダメージを抑制し、燃料電池スタックの出力特性が安定している、燃料電池スタックの活性化方法が求められている。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、ＭＥＡにダメージを与えることを抑制し、活性化時間を従来例よりも短縮することができる、高分子電解質形燃料電池の活性化方法及び高分子電解質形燃料電池の活性化装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は、反応ガスの露点が燃料電池スタックの運転温度以上となるように前記反応ガスを燃料電池スタックに供給して、第１の電流密度で前記燃料電池スタックを発電させる第１発電工程、前記第１の電流密度より大きい電流密度で前記燃料電池スタックを発電させる第２発電工程、及び無負荷で前記燃料電池スタックを運転する休止工程を順に行う活性化工程を繰り返す。

これにより、燃料電池スタックには、過加湿された反応ガスによる充分な水蒸気供給がなされ、燃料電池スタックから取り出す電流密度を二段階で上げることにより、フラッディングの抑制と、効率的なプロトン導電パスの形成を両立させ、休止工程において、カソード電極を高電位化することで不純物除去を行うことができる。そして、活性化工程を繰り返すことで、高分子電解質形燃料電池の活性化を従来技術よりも短時間で行うことができる。

また、本発明の高分子電解質形燃料電池の活性化方法では、前記第２の電流密度は、０．３Ａ／ｃｍ^２以上、かつ、０．８Ａ／ｃｍ^２以下であってもよい。

また、本発明の高分子電解質形燃料電池の活性化方法では、前記休止工程は、前記第１発電工程又は前記第２発電工程を行う時間よりも短い時間行われてもよい。

また、本発明の高分子電解質形燃料電池の活性化方法では、前記第１発電工程及び前記第２発電工程の少なくとも一方の発電工程においては、フラッディングが発生しない所定の高酸素利用率で前記燃料電池スタックを発電させてもよい。

これにより、カソード側セパレータに形成された反応ガス流路を通過するガス流体の流速が遅くなり、発電により生じる反応生成水や凝縮水が反応ガス流路内により多く存在させることができ、高分子電解質膜への含水を促進することができる。

さらに、本発明の高分子電解質形燃料電池の活性化方法では、前記第１発電工程及び前記第２発電工程を行う時間は、フラッディングが発生しない所定の時間であってもよい。

これにより、ＭＥＡにダメージを与えるのを抑制しながら、効率的に燃料電池スタックの活性化を行うことができる。

また、本発明の高分子電解質形燃料電池の活性化装置は、複数の高分子電解質形燃料電池が積層され、熱媒体により運転温度が制御される燃料電池スタックに反応ガスを加湿しながら供給するように構成された反応ガス供給器と、前記燃料電池スタックに前記熱媒体を供給する熱媒体供給器と、前記燃料電池スタックで発電された電力を取り出す出力制御器と、運転制御器と、を備え、前記運転制御器は、反応ガスの露点が燃料電池スタックの運転温度以上となるように、前記反応ガス供給器及び前記熱媒体供給器を制御し、第１の電流密度で電力を取り出す第１発電工程、前記第１の電流密度より大きい電流密度で電力を取り出す第２発電工程、及び電力を取り出さずに運転する休止工程を順に行う活性化工程を繰り返すように前記出力制御器を制御する。

本発明の高分子電解質形燃料電池の活性化方法及び高分子電解質形燃料電池の活性化装置によれば、ＭＥＡにダメージを与えるのを抑制し、かつ、従来例よりも短時間に、高分子電解質膜への含水を行い、高分子電解質形燃料電池の活性化を行うことが可能となる。

図１は、本発明の実施の形態１に係る高分子電解質形燃料電池の活性化装置の概略構成を示す模式図である。図２は、図１に示す高分子電解質形燃料電池の活性化装置における燃料電池スタックの概略構成を示す模式図である。図３は、図２に示す燃料電池スタックにおけるセル積層体の概略構成を模式的に示す断面図である。図４は、本実施の形態１に係る高分子電解質形燃料電池の活性化装置の動作を模式的に示すフローチャートである。図５は、実施例１の高分子電解質形燃料電池の活性化の運転条件及び高分子電解質形燃料電池の活性化を行った後に電圧判定を行ったときの運転条件を示す。図６は、実施例２の高分子電解質形燃料電池の活性化の運転条件及び高分子電解質形燃料電池の活性化を行った後に電圧判定を行ったときの運転条件を示す。図７は、実施例３の高分子電解質形燃料電池の活性化の運転条件及び高分子電解質形燃料電池の活性化を行った後に電圧判定を行ったときの運転条件を示す。図８は、比較例１の高分子電解質形燃料電池の活性化の運転条件及び高分子電解質形燃料電池の活性化を行った後に電圧判定を行ったときの運転条件を示す。図９は、比較例２の高分子電解質形燃料電池の活性化の運転条件及び高分子電解質形燃料電池の活性化を行った後に電圧判定を行ったときの運転条件を示す。図１０は、比較例３の高分子電解質形燃料電池の活性化の運転条件及び高分子電解質形燃料電池の活性化を行った後に電圧判定を行ったときの運転条件を示す。図１１は、比較例４の高分子電解質形燃料電池の活性化の運転条件及び高分子電解質形燃料電池の活性化を行った後に電圧判定を行ったときの運転条件を示す。図１２は、実施例１〜３及び比較例１〜４の電圧判定を行った結果を示す模式図である。

以下、本発明の実施の形態の具体例について、図面を参照しながら説明する。

なお、全ての図面を通じて、同一または相当する構成要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。また、全ての図面において、本発明を説明するために必要となる構成要素のみを抜粋して図示しており、その他の構成要素については図示を省略している。さらに、本発明は以下の実施の形態に限定されない。つまり、以下の具体的な説明は、本発明の高分子電解質形燃料電池の活性化方法及び高分子電解質形燃料電池の活性化装置の特徴を例示しているに過ぎない。よって、本発明の高分子電解質形燃料電池の活性化方法及び高分子電解質形燃料電池の活性化装置を特定した用語と同じ用語に適宜の参照符号を付して以下の具体例を説明する場合、当該具体的な装置は、これに対応する本発明の高分子電解質形燃料電池の活性化方法及び高分子電解質形燃料電池の活性化装置の構成要素の一例である。

（実施の形態１）
［高分子電解質形燃料電池の活性化装置の構成］
図１は、本発明の実施の形態１に係る高分子電解質形燃料電池の活性化装置の概略構成を示す模式図である。

図１に示すように、本発明の実施の形態１に係る高分子電解質形燃料電池の活性化装置１００は、燃料ガス供給器１０１、酸化剤ガス供給器１０２、熱媒体供給器１０３、出力制御器１０４、及び制御器１０５を備えていて、制御器（運転制御器）１０５が、燃料ガス及び酸化剤ガスの露点が燃料電池スタック２００の運転温度以上となるように、燃料ガス供給器１０１、酸化剤ガス供給器１０２、及び熱媒体供給器１０３を制御し、第１の電流密度で電力を取り出す第１発電工程、第１の電流密度より大きい電流密度で電力を取り出す第２発電工程、及び電力を取り出さずに運転する休止工程の順からなる活性化工程を繰り返すように出力制御器１０４を制御する。

燃料ガス供給器１０１は、燃料ガス供給経路１１１を介して燃料電池スタック２００の燃料ガス経路２０１に接続されていて、燃料ガス経路２０１に燃料ガスを加湿して供給する。燃料ガス供給器１０１としては、燃料電池スタック２００に燃料ガスを加湿して供給するように構成されていれば、どのような形態であってもよく、例えば、水素ガスを貯蔵したタンクと加湿器から構成されていてもよく、また、メタン等の原料ガスと水から改質反応により水素を生成する水素生成器と加湿器から構成されていてもよい。なお、水素生成器を用いる場合、改質反応により生じた一酸化炭素を低減するための変成触媒（例えば、銅−亜鉛系触媒）を有する変成器や、酸化触媒（例えば、ルテニウム系触媒）や、メタン化触媒（例えば、ルテニウム系触媒）を有する一酸化炭素除去器を備えることが好ましい。また、加湿器としては、例えば、水を気化して水蒸気を発生させて、該水蒸気を供給することで燃料ガスを加湿してもよく、また、例えば、高分子電解質膜等を介して通流する流体から水蒸気が高分子電解質膜を通過して、燃料ガスを加湿してもよい。

酸化剤ガス供給器１０２は、酸化剤ガス供給経路１１２を介して燃料電池スタック２００の酸化剤ガス経路２０２に接続されていて、酸化剤ガス経路２０２に酸化剤ガスを加湿して供給する。酸化剤ガス供給器１０２としては、燃料電池スタック２００に酸化剤ガスを加湿して供給するように構成されていれば、どのような形態であってもよく、例えば、シロッコファンやブロワ等のファン類と加湿器から構成されていてもよい。なお、燃料ガス供給器１０１及び酸化剤ガス供給器１０２から、反応ガス供給器が構成される。

熱媒体供給器１０３は、熱媒体供給経路１１３を介して燃料電池スタック２００の熱媒体経路２０３に接続されている。熱媒体供給器１０３としては、燃料電池スタック２００に供給する熱媒体の流量を調整し、かつ、その温度を調整することができるように構成されていれば、どのような形態であってもよく、流量調節が可能なポンプと加熱器で構成されていてもよく、また、ポンプと流量調整弁と加熱器から構成されていてもよい。また、熱媒体としては、例えば、水であってもよく、また、不凍液（例：エチレングリーコール含有液）等に例示される他の熱媒体であってもよい。さらに、加熱器としては、例えば、電気ヒーター等のヒーターで構成されていてもよく、熱交換器で構成されていてもよい。

燃料電池スタック２００は、アノード電極４Ａとカソード電極４Ｂ（図３参照）を有していて、燃料ガス経路２０１を通流する燃料ガスがアノード電極４Ａに供給され、酸化剤ガス経路２０２を通流する酸化剤ガスがカソード電極４Ｂに供給される。そして、アノード電極４Ａに供給された燃料ガスとカソード電極４Ｂに供給された酸化剤ガスとが電気化学的に反応して、電気と熱が発生する。発生した熱は熱媒体経路２０３を通流する熱媒体が回収することにより、燃料電池スタック２００内が所定の温度に保たれる。なお、燃料電池スタック２００の詳細な構成については、後述する。

アノード電極４Ａで未使用の燃料ガスは、オフ燃料ガスとして、燃料ガス排出経路１１４に排出され、カソード電極４Ｂで未使用の酸化剤ガスは、オフ酸化剤ガスとして酸化剤ガス排出経路１１５に排出される。また、熱媒体経路２０３を通流した熱媒体は、オフ熱媒体として、熱媒体排出経路１１６に排出される。そして、オフ燃料ガス、オフ酸化剤ガス、及びオフ熱媒体は、それぞれ、燃料ガス排出経路１１４、酸化剤ガス排出経路１１５、及び熱媒体排出経路１１６を通流して高分子電解質形燃料電池の活性化装置１００外に排出される。なお、燃料ガス排出経路１１４から排出されるオフ燃料ガスは、酸化剤ガス排出経路１１５から排出されるオフ酸化剤ガスで燃焼範囲以下になるまで希釈して、高分子電解質形燃料電池の活性化装置１００外に排出することが好ましい。また、燃料ガス供給器１０１が水素生成器を有している場合、オフ燃料ガスを水素生成器の改質触媒を過熱するための燃焼器の燃料として供給する形態を採用してもよい。

出力制御器１０４は、燃料電池スタック２００で発電した電力を任意の電流密度で取り出し、また、無負荷で運転することができるように構成されている。出力制御器１０４としては、例えば、公知の電子負荷器を用いることができる。なお、「無負荷で運転する」とは、燃料電池スタック２００に燃料ガス供給器１０１、酸化剤ガス供給器１０２、及び熱媒体供給器１０３から、燃料ガス、酸化剤ガス、及び熱媒体を供給させているが、燃料電池スタック２００から電力を取り出さずに、高分子電解質形燃料電池の活性化装置１００を運転することをいう。また、出力制御器１０４としては、ＤＣ／ＤＣコンバータと抵抗器を用いる形態を採用してもよい。

制御器１０５は、マイコン等のコンピュータによって構成されており、ＣＰＵ、半導体メモリから構成された内部メモリ、通信部、及びカレンダー機能を有する時計部（いずれも図示せず）を有している。そして、制御器１０５は、制御器１０５を構成する各機器を制御する。ここで、本発明において、制御器は、単独の制御器だけでなく、複数の制御器が協働して高分子電解質形燃料電池の活性化装置１００の制御を実行する制御器群をも意味する。このため、制御器１０５は、単独の制御器から構成される必要はなく、複数の制御器が分散配置され、それらが協働して高分子電解質形燃料電池の活性化装置１００を制御するように構成されていてもよい。

［燃料電池スタックの構成］
次に、図２を参照しながら本実施の形態１に係る高分子電解質形燃料電池の活性化装置１００の燃料電池スタック２００について詳細に説明する。

図２は、図１に示す高分子電解質形燃料電池の活性化装置１００における燃料電池スタック２００の概略構成を示す模式図である。なお、図２においては、燃料電池スタック２００における上下方向を図における上下方向として表している。

図２に示すように、燃料電池スタック２００は、複数の高分子電解質形燃料電池５０がその厚み方向に積層されたセル積層体７０と、該セル積層体７０の両端に配置された端板６１、６２と、セル積層体７０と端板６１、６２を高分子電解質形燃料電池５０の積層方向において締結する締結具（図示せず）と、を有する。また、端板６１とセル積層体７０の間には、絶縁板及び集電板（いずれも図示せず）が配置されていて、端板６２とセル積層体７０との間には、絶縁板及び集電板（いずれも図示せず）が配置されている。

セル積層体７０には、高分子電解質形燃料電池５０の積層方向に延びるように、燃料ガス供給マニホールド１３１、酸化剤ガス供給マニホールド１３３、熱媒体供給マニホールド１３５、燃料ガス排出マニホールド１３２、酸化剤ガス排出マニホールド１３４、及び熱媒体排出マニホールド１３６が設けられている。なお、燃料ガス供給マニホールド１３１には、燃料ガス供給経路１１１が接続されていて、燃料ガス排出マニホールド１３２には、燃料ガス排出経路１１４が接続されている（図１参照）。また、酸化剤ガス供給マニホールド１３３には、酸化剤ガス供給経路１１２が接続されていて、酸化剤ガス排出マニホールド１３４には、燃料ガス排出経路１１４が接続されている（図１参照）。さらに、熱媒体供給マニホールド１３５には、熱媒体供給経路１１３が接続されていて、熱媒体排出マニホールド１３６には、燃料ガス排出経路１１４が接続されている（図１参照）。

［高分子電解質形燃料電池の構成］
次に、本実施の形態１に係る高分子電解質形燃料電池の活性化装置１００における燃料電池スタック２００の高分子電解質形燃料電池５０について、図３を参照しながら説明する。

図３は、図２に示す燃料電池スタック２００におけるセル積層体７０の概略構成を模式的に示す断面図である。なお、図３においては、一部を省略している。

図３に示すように、高分子電解質形燃料電池５０は、ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ：膜−電極接合体）５と、ガスケット７と、アノードセパレータ６Ａと、カソードセパレータ６Ｂと、を備えている。

ＭＥＡ５は、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜１と、アノード電極４Ａと、カソード電極４Ｂと、を有している。高分子電解質膜１は、略４角形（ここでは、矩形）の形状を有しており、高分子電解質膜１の両面には、その周縁部より内方に位置するようにアノード電極４Ａとカソード電極４Ｂがそれぞれ設けられている。なお、高分子電解質膜１の周縁部には、燃料ガス供給マニホールド孔（図示せず）等の各マニホールド孔が厚み方向に貫通するように設けられている。

アノード電極４Ａは、高分子電解質膜１の一方の主面上に設けられ、白金系金属触媒（電極触媒）を担持したカーボン粉末（導電性炭素粒子）からなる触媒担持カーボンと触媒担持カーボンに付着した高分子電解質を含むアノード触媒層と、ガス通気性と導電性を兼ね備えたアノードガス拡散層と、を有している。アノード触媒層は、一方の主面が高分子電解質膜１と接触するように配置されていて、アノード触媒層の他方の主面には、アノードガス拡散層が配置されている。同様に、カソード電極４Ｂは、高分子電解質膜１の他方の主面上に設けられ、白金系金属触媒（電極触媒）を担持したカーボン粉末（導電性炭素粒子）からなる触媒担持カーボンと触媒担持カーボンに付着した高分子電解質を含むカソード触媒層と、カソード触媒層の上に設けられ、ガス通気性と導電性を兼ね備えたカソードガス拡散層と、を有している。カソード触媒層は、一方の主面が高分子電解質膜１と接触するように配置されていて、カソード触媒層の他方の主面には、カソードガス拡散層が配置されている。

また、ＭＥＡ５のアノード電極４Ａ及びカソード電極４Ｂの周囲には、高分子電解質膜１を挟んで一対のフッ素ゴム製でドーナツ状のガスケット７が配設されている。これにより、燃料ガスや酸化剤ガスが電池外にリークされることが防止され、また、高分子電解質形燃料電池５０内でこれらのガスが互いに混合されることが防止される。なお、ガスケット７の周縁部には、厚み方向の貫通孔からなる燃料ガス供給マニホールド孔（図示せず）等の各マニホールド孔が設けられている。

また、ＭＥＡ５とガスケット７を挟むように、導電性のアノードセパレータ６Ａとカソードセパレータ６Ｂが配設されている。これにより、ＭＥＡ５が機械的に固定され、複数の高分子電解質形燃料電池５０をその厚み方向に積層したときには、ＭＥＡ５が電気的に接続される。なお、これらのセパレータ６Ａ、６Ｂは、熱伝導性及び導電性に優れた金属、黒鉛、又は、黒鉛と樹脂を混合したものを使用することができ、例えば、カーボン粉末とバインダー（溶剤）との混合物を射出成形により作製したものやチタンやステンレス鋼製の板の表面に金メッキを施したものを使用することができる。

アノードセパレータ６Ａのアノード電極４Ａと接触する一方の主面（以下、内面という）には、燃料ガスが通流するための溝状の燃料ガス流路８が設けられており、また、他方の主面（以下、外面という）には、熱媒体が通流するための溝状の熱媒体流路１０が設けられている。同様に、カソードセパレータ６Ｂのカソード電極４Ｂと接触する一方の主面（以下、内面という）には、酸化剤ガスが通流するための溝状の酸化剤ガス流路９が設けられており、また、他方の主面（以下、外面という）には、熱媒体が通流するための溝状の熱媒体流路１０が設けられている。なお、アノードセパレータ６Ａ及びカソードセパレータ６Ｂのそれぞれの周縁部には、燃料ガス供給マニホールド孔（図示せず）等の各マニホールド孔が厚み方向に貫通するように設けられている。また、燃料ガス流路８、酸化剤ガス流路９、及び熱媒体流路１０の形状は任意であり、例えば、高分子電解質形燃料電池５０の厚み方向から見て、サーペンタイン状に形成されていてもよく、ストレート形状に形成されていてもよい。

これにより、アノード電極４Ａ及びカソード電極４Ｂには、それぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスが供給され、これらのガスが反応して電気と熱が発生する。また、水や不凍液（例えば、エチレングリーコール含有液）等の熱媒体を熱媒体流路１０に通流させることにより、発生した熱の回収が行われる。

そして、このように形成された高分子電解質形燃料電池５０がその厚み方向に積層されることにより、セル積層体７０が形成される。このとき、高分子電解質膜１等に設けられた燃料ガス供給マニホールド孔（図示せず）等の各マニホールド孔がつながって、燃料ガス供給マニホールド１３１等の各マニホールドが形成される（図２参照）。なお、燃料ガス供給マニホールド１３１、燃料ガス流路８、及び燃料ガス排出マニホールド１３２から燃料ガス経路２０１が構成される。また、酸化剤ガス供給マニホールド１３３、酸化剤ガス流路９、酸化剤ガス排出マニホールド１３４から酸化剤ガス経路２０２が構成される。さらに、熱媒体供給マニホールド１３５、熱媒体流路１０、及び熱媒体排出マニホールド１３６から熱媒体経路２０３が構成される。

なお、燃料電池スタック２００の組み立て作業（製造方法）については、一般的な燃料電池スタック２００と同様に行われるため、その詳細な説明は省略する。

［高分子電解質形燃料電池の活性化装置の動作］
次に、本実施の形態１に係る高分子電解質形燃料電池の活性化装置１００の動作（高分子電解質形燃料電池の活性化方法）について、図１乃至図４を参照しながら説明する。

図４は、本実施の形態１に係る高分子電解質形燃料電池の活性化装置１００の動作を模式的に示すフローチャートである。

図４に示すように、制御器１０５は、燃料ガス供給器１０１、酸化剤ガス供給器１０２、及び熱媒体供給器１０３を作動させ（ステップＳ１０１）、燃料電池スタック２００に燃料ガス、酸化剤ガス、及び熱媒体を供給する。そして、制御器１０５は、燃料電池スタック２００内の温度が、所定の温度になると（ステップＳ１０２でＹｅｓ）、ステップＳ１０３に進む。なお、燃料電池スタック２００の温度が、所定の温度になったか否かの判断は、燃料電池スタック２００内に温度検知器を設けて、該温度検知器で検知した温度に基づいて判断してもよく、また、予め実験等で、熱媒体を燃料電池スタック２００に供給してから、燃料電池スタック２００が所定の温度になる時間を計測し、当該時間に基づいて判断してもよい。また、所定の温度は、任意であり、例えば、５０℃〜８０℃の間で任意に設定することができる。

ステップＳ１０３では、制御器１０５は、該制御器１０５の記憶部（図示せず）に記憶されている活性化工程の繰り返し回数を０にリセットする。ついで、制御器１０５は、燃料電池スタック２００から取り出す電力を第１の電流密度となるように出力制御器１０４を制御する（第１の発電工程）（ステップＳ１０５）。ここで、第１の電流密度は、後述する第２の電流密度よりも小さい電流密度であり、特に、燃料電池スタック２００を組み立てた直後のＭＥＡ５は乾燥しているので、いきなり大きな電流密度で燃料電池スタック２００を発電させると、燃料電池スタック２００でフラッディングが生じやすいため、電流密度は小さい方が好ましく、０．１Ａ／ｃｍ^２以上、かつ、０．３Ａ／ｃｍ^２より小さいことが好ましい。

そして、制御器１０５は、ステップＳ１０５を開始してから所定の時間Ｔ１が経過すると（ステップＳ１０５でＹｅｓ）、ステップＳ１０６に進む。なお、所定の時間Ｔ１は、燃料電池スタック２００の構成（特に、燃料ガス流路８、酸化剤ガス流路９の幅寸法等の構成）、燃料電池スタック２００の温度、熱媒体の流量や温度によって異なるが、フラッディングの発生を抑制する観点から、５分以上、かつ、１５分以下であることが好ましい。

ステップＳ１０６では、制御器１０５は、燃料電池スタック２００から取り出す電力を第２の電流密度となるように出力制御器１０４を制御する（第２の発電工程）。ここで、第２の電流密度は、高分子電解質膜１内に効率的なプロトン伝導パスを形成する観点から、０．３Ａ／ｃｍ^２以上であることが好ましく、アノード電極４Ａ及びカソード電極４Ｂの面方向における局所的な発電を抑制する観点から、０．８Ａ／ｃｍ^２以下であることが好ましい。

そして、制御器１０５は、ステップＳ１０６を開始してから所定の時間Ｔ２が経過すると（ステップＳ１０７でＹｅｓ）、ステップＳ１０８に進む。なお、所定の時間Ｔ２は、燃料電池スタック２００の構成（特に、燃料ガス流路８、酸化剤ガス流路９の幅寸法等の構成）、燃料電池スタック２００の温度、熱媒体の流量や温度によって異なるが、フラッディングの発生を抑制する観点から、５分以上、かつ、１５分以下であることが好ましい。

ステップＳ１０８では、制御器１０５は、燃料電池スタック２００から電力取り出さないように（電流密度を０にするように）出力制御器１０４を制御する（休止工程）。これにより、燃料電池スタック２００（特に、カソード電極４Ｂ）を高電位化することで、燃料電池スタック２００内の不純物を除去することができる。なお、ステップＳ１０８では、燃料ガス供給器１０１、酸化剤ガス供給器１０２、及び熱媒体供給器１０３からの燃料電池スタック２００への燃料ガス、酸化剤ガス、及び熱媒体の供給は継続されている。

そして、制御器１０５は、ステップＳ１０８を開始してから所定の時間Ｔ３が経過すると（ステップＳ１０９でＹｅｓ）、ステップＳ１１０に進む。なお、所定の時間Ｔ３は、燃料電池スタック２００の高電位状態が長時間にわたると、触媒が劣化するおそれがあるため、所定の時間Ｔ１及びＴ２よりも短い時間であることが好ましく、３０秒以上、かつ、２分以内であることが好ましい。

ステップＳ１１１では、制御器１０５は、繰り返し回数Ｎを１インクリメントする。ここでは、Ｎ＝１となる。ついで、制御器１０５は、繰り返し回数Ｎが、所定の回数Ｋであるか否かを判断する（ステップＳ１１１）。ここで、所定の回数Ｋは、予め実験等で、燃料電池スタック２００が設計された所定の出力電圧が得られるまでの回数を求めておくことができる。

制御器１０５は、繰り返し回数Ｎが所定の回数Ｋでない場合（ステップＳ１１１でＮｏ）には、ステップＳ１０４に戻り、繰り返し回数Ｎが所定の回数Ｋになるまで、ステップＳ１０４〜ステップＳ１１１を繰り返す。すなわち、第１の発電工程、第２の発電工程、及び休止工程からなる活性化工程を繰り返す。一方、繰り返し回数Ｎが所定の回数Ｋになると（ステップＳ１１１でＹｅｓ）、ステップＳ１１２に進む。ステップＳ１１２では、制御器１０５は、燃料ガス供給器１０１、酸化剤ガス供給器１０２、及び熱媒体供給器１０３を停止させ、本プログラムを終了する。

このように、本実施の形態１に係る高分子電解質形燃料電池の活性化装置１００では、燃料電池スタック２００から取り出す電流密度を二段階で上げることにより、フラッディングの抑制と効率的なプロトン導電パスの形成を両立させることができる。また、休止工程において、カソード電極４Ｂを高電位化することで不純物を除去することができる。そして、このような活性化工程を繰り返すことで、高分子電解質形燃料電池の活性化を従来技術よりも短時間で行うことができる。

なお、燃料電池スタック２００での燃料ガス及び酸化剤ガスの利用率は、任意であるが、特に、酸化剤ガスの利用率は、発電による生成水や凝縮水を酸化剤ガス流路９内により多く存在させて、高分子電解質膜１に含水させる水量を多くさせる観点から、フラッディングが発生しない程度の高い利用率で運転することが好ましく、例えば、５０％〜８０％であることが好ましい。また、燃料ガス及び酸化剤ガスガスの利用率は、第１の発電工程、第２の発電工程、及び休止工程で、それぞれ、同じであってもよく、異なってもよい。

また、所定の時間Ｔ１及びＴ２は、高分子電解質膜１内にプロトン伝導パスを形成させる観点から、長い方が好ましいが、フラッディングが発生しない程度の時間であることが好ましい。

さらに、所定の回数Ｋは、工場における燃料電池スタック２００の製造工程において、燃料電池スタック２００の活性化時間を所定の時間で行うような場合には、その所定の時間内で、活性化工程の繰り返す回数（所定の回数Ｋ）を多くすることが好ましい。

次に、実施例及び比較例を挙げて、本発明の高分子電解質形燃料電池の活性化方法をさらに詳しく説明するが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではない。なお、下記に示す実施例及び比較例では、燃料ガスとして水素ガスを使用し、酸化剤ガスとして空気を使用している。また、熱媒体として水を使用している。さらに、図５〜図１１には、燃料電池スタック２００の温度として、燃料電池スタック２００に供給される熱媒体の温度と、燃料電池スタック２００から排出される熱媒体の温度を示す。

［実施例１］
まず、上記実施の形態１で説明した燃料電池スタック２００を組み立て、図５に示す運転条件で高分子電解質形燃料電池の活性化方法を行い、燃料電池スタック２００の評価を行った。

図５は、実施例１の高分子電解質形燃料電池の活性化の運転条件及び高分子電解質形燃料電池の活性化を行った後に電圧判定を行ったときの運転条件を示す。なお、休止工程における反応ガスの流量は第２発電工程と同量として、燃料電池スタック２００内の温度調整は行わなかった。また、電圧判定終了時の出力電圧を評価電圧とした。

［実施例２］
実施例１と同様に、上記実施の形態１で説明した燃料電池スタック２００を組み立て、図６に示す運転条件で高分子電解質形燃料電池の活性化方法を行い、燃料電池スタック２００の評価を行った。

図６は、実施例２の高分子電解質形燃料電池の活性化の運転条件及び高分子電解質形燃料電池の活性化を行った後に電圧判定を行ったときの運転条件を示す。なお、休止工程における反応ガスの流量は第２発電工程と同量として、燃料電池スタック２００内の温度調整は行わなかった。また、電圧判定終了時の出力電圧を評価電圧とした。

図６に示すように、実施例２では、実施例１と比べて、第２の電流密度を大きくして高分子電解質形燃料電池の活性化を行った。

［実施例３］
実施例１と同様に、上記実施の形態１で説明した燃料電池スタック２００を組み立て、図７に示す運転条件で高分子電解質形燃料電池の活性化方法を行い、燃料電池スタック２００の評価を行った。

図７は、実施例３の高分子電解質形燃料電池の活性化の運転条件及び高分子電解質形燃料電池の活性化を行った後に電圧判定を行ったときの運転条件を示す。なお、休止工程における反応ガスの流量は第２発電工程と同量として、燃料電池スタック２００内の温度調整は行わなかった。また、電圧判定終了時の出力電圧を評価電圧とした。

図７に示すように、実施例３では、実施例２と比べて、第１発電工程及び第２発電工程ともに、酸化剤ガスの利用率を大きく、すなわち、酸化剤ガスの供給量を小さくして、高分子電解質形燃料電池の活性化を行った。

［比較例１］
実施例１と同様に、上記実施の形態１で説明した燃料電池スタック２００を組み立て、図８に示す運転条件で高分子電解質形燃料電池の活性化方法を行い、燃料電池スタック２００の評価を行った。

図８は、比較例１の高分子電解質形燃料電池の活性化の運転条件及び高分子電解質形燃料電池の活性化を行った後に電圧判定を行ったときの運転条件を示す。なお、電圧判定終了時の出力電圧を評価電圧とした。

図８に示すように、比較例１では、所定の電流密度で発電を行う、従来の高分子電解質形燃料電池の活性化を行った。

［比較例２］
実施例１と同様に、上記実施の形態１で説明した燃料電池スタック２００を組み立て、図９に示す運転条件で高分子電解質形燃料電池の活性化方法を行い、燃料電池スタック２００の評価を行った。

図９は、比較例２の高分子電解質形燃料電池の活性化の運転条件及び高分子電解質形燃料電池の活性化を行った後に電圧判定を行ったときの運転条件を示す。なお、電圧判定終了時の出力電圧を評価電圧とした。

図９に示すように、比較例２では、実施例１と比べて、反応ガスの露点を燃料電池スタック２００よりも低くして、高分子電解質形燃料電池の活性化を行った。

［比較例３］
実施例１と同様に、上記実施の形態１で説明した燃料電池スタック２００を組み立て、図１０に示す運転条件で高分子電解質形燃料電池の活性化方法を行い、燃料電池スタック２００の評価を行った。

図１０は、比較例３の高分子電解質形燃料電池の活性化の運転条件及び高分子電解質形燃料電池の活性化を行った後に電圧判定を行ったときの運転条件を示す。なお、電圧判定終了時の出力電圧を評価電圧とした。

図１０に示すように、比較例３では、実施例１と比べて、休止工程を行わずに高分子電解質形燃料電池の活性化を行った。

［比較例４］
実施例１と同様に、上記実施の形態１で説明した燃料電池スタック２００を組み立て、図１１に示す運転条件で高分子電解質形燃料電池の活性化方法を行い、燃料電池スタック２００の評価を行った。

図１１は、比較例４の高分子電解質形燃料電池の活性化の運転条件及び高分子電解質形燃料電池の活性化を行った後に電圧判定を行ったときの運転条件を示す。なお、休止工程における反応ガスの流量は第２発電工程と同量として、燃料電池スタック２００内の温度調整は行わなかった。また、電圧判定終了時の出力電圧を評価電圧とした。

図１１に示すように、比較例４では、実施例１と比べて、第１の電流密度の方が第２の電流密度よりも大きくなるようにして、高分子電解質形燃料電池の活性化を行った。

上記実施例１〜３及び比較例１〜４の電圧判定を行った結果を図１２に示す。なお、書く実施例及び比較例においては、電圧判定時の反応ガスの露点及び運転時間が異なるが、これらの範囲においては、出力電圧への影響が小さいことを確認している。

図１２は、実施例１〜３及び比較例１〜４の電圧判定を行った結果を示す模式図である。なお、図１２では、比較例１を基準として、１セル当たりの電圧を示している。

図１２に示すように、実施例１〜３の高分子電解質形燃料電池の活性化方法は、従来の活性化方法である比較例１の高分子電解質形燃料電池の活性化方法（以下、単に活性化方法という）よりも評価電圧が高いため、高分子電解質形燃料電池の活性化時間を短縮できることが示された。

実施例１〜３の活性化方法は、比較例２の活性化方法よりも評価電圧が高いことから、燃料電池スタック２００に供給される反応ガスの露点は、燃料電池スタック２００の運転温度以上が好ましいことが示された。これは、反応ガスの露点を過加湿状態にすることで、反応ガス流路（燃料ガス流路８及び酸化剤ガス流路９）中に充分に凝縮水（生成水を含む）が存在し、高分子電解質膜１への含水が促進されたものと推察される。

また、実施例１〜３の活性化方法は、比較例３の活性化方法よりも評価電圧が高いことから、活性化工程に休止工程を設けるのが好ましいことが示された。これは、休止工程により、カソード電極４Ｂの電位が上昇することで、ＭＥＡ作製工程にて付着した不純物を除去されたものと推察される。

さらに、実施例１〜３の活性化方法は、比較例４の活性化方法よりも評価電圧が高いことから、第２発電工程における第２の電流密度の方が、第１発電工程における第１の電流密度よりも大きいことが好ましいことが示された。そして、比較例４の活性化方法では、休止工程から第１発電工程へ移行する際に電流密度が高すぎるとフラッディングが誘発されたことから、フラッディングが高分子電解質形燃料電池の活性化には有効ではないことが示唆された。

また、実施例１の活性化方法と実施例２の活性化方法を比較すると、実施例２の活性化方法の方が、評価電圧が高いことから、第２の電流密度は高い方が好ましいことが示唆された。実施例２の活性化方法では、第２の電流密度を、電圧判定を行ったときの電流密度よりも高くしていることから、第２の電流密度は、燃料電池スタック２００を実際に使用するときの電流密度よりも、高い電流密度にすることが好ましいことが示唆された。

さらに、実施例２の活性化方法と実施例３の活性化方法を比較すると、実施例３の活性化方法の方が、評価電圧が高いことから、酸化剤ガスの利用率は、フラッディングが発生しない程度の高い酸素利用率にすることが好ましいことが示唆された。

本発明の高分子電解質形燃料電池の活性化方法及び高分子電解質形燃料電池の活性化装置によれば、構文市電加湿方燃料電池の活性化に要する時間が、従来技術よりも短縮することが可能であり、燃料電池の分野で有用である。

１高分子電解質膜
４Ａアノード電極
４Ｂカソード電極
５ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ：膜−電極接合体）
６Ａアノードセパレータ
６Ｂカソードセパレータ
７ガスケット
８燃料ガス流路
９酸化剤ガス流路
１０熱媒体流路
５０高分子電解質形燃料電池
６１端板
６２端板
７０セル積層体
１００活性化装置
１０１燃料ガス供給器
１０２酸化剤ガス供給器
１０３熱媒体供給器
１０４出力制御器
１０５制御器（運転制御器）
１１１燃料ガス供給経路
１１２酸化剤ガス供給経路
１１３熱媒体供給経路
１１４燃料ガス排出経路
１１５酸化剤ガス排出経路
１１６熱媒体排出経路
１３１燃料ガス供給マニホールド
１３２燃料ガス排出マニホールド
１３３酸化剤ガス供給マニホールド
１３４酸化剤ガス排出マニホールド
１３５熱媒体供給マニホールド
１３６熱媒体排出マニホールド
２００燃料電池スタック
２０１燃料ガス経路
２０２酸化剤ガス経路
２０３熱媒体経路

Claims

反応ガスの露点が燃料電池スタックの運転温度以上となるように前記反応ガスを前記燃料電池スタックに供給して、第１の電流密度で前記燃料電池スタックを発電させる第１発電工程、前記第１の電流密度より大きい電流密度で前記燃料電池スタックを発電させる第２発電工程、及び無負荷で前記燃料電池スタックを運転する休止工程を順に行う活性化工程を繰り返す、高分子電解質形燃料電池の活性化方法。
前記第２の電流密度は、０．３Ａ／ｃｍ^２以上、かつ、０．８Ａ／ｃｍ^２以下である、請求項１に記載の高分子電解質形燃料電池の活性化方法。
前記休止工程は、前記第１発電工程又は前記第２発電工程を行う時間よりも短い時間行われる、請求項１に記載の高分子電解質形燃料電池の活性化方法。
前記第１発電工程及び前記第２発電工程の少なくとも一方の発電工程においては、フラッディングが発生しない所定の高酸素利用率で前記燃料電池スタックを発電させる、請求項１〜３のいずれかに記載の高分子電解質形燃料電池の活性化方法。
前記第１発電工程及び前記第２発電工程を行う時間は、フラッディングが発生しない所定の時間である、請求項１〜４のいずれかに記載の高分子電解質形燃料電池の活性化方法。
複数の高分子電解質形燃料電池が積層され、熱媒体により運転温度が制御される燃料電池スタックに反応ガスを加湿しながら供給するように構成された反応ガス供給器と、
前記燃料電池スタックに前記熱媒体を供給する熱媒体供給器と、
前記燃料電池スタックで発電された電力を取り出す出力制御器と、
運転制御器と、を備え、
前記運転制御器は、反応ガスの露点が前記燃料電池スタックの運転温度以上となるように、前記反応ガス供給器及び前記熱媒体供給器を制御し、
第１の電流密度で電力を取り出す第１発電工程、前記第１の電流密度より大きい電流密度で電力を取り出す第２発電工程、及び電力を取り出さずに運転する休止工程を順に行う活性化工程を繰り返すように前記出力制御器を制御する、高分子電解質形燃料電池の活性化装置。