JP2019012599A - 燃料電池の活性化方法及び活性化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池を効果的に活性化することが可能な燃料電池の活性化方法及び活性化装置を提供する。【解決手段】燃料電池１６の活性化方法は、電圧印加工程を行った後に、加湿工程を行う。電圧印加工程では、アノード電極２６に水素ガスを供給するとともに、カソード電極２８に不活性ガスを供給しつつ、燃料電池１６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。加湿工程では、電圧の印加を停止した状態で、アノード電極２６及びカソード電極２８の少なくとも何れか一方に、水蒸気を含有する加湿ガスを供給する。【選択図】図１

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活性化方法及び活性化装置に関する。

燃料電池を活性化する方法として、例えば、特許文献１には、アノード電極又はカソード電極の少なくとも一方に加湿ガスを供給することが提案されている。また、例えば、特許文献２には、上記と同様にして加湿ガスの供給を行った後、アノード電極に水素を供給するとともに、カソード電極に窒素を供給しつつ、燃料電池に０〜３Ｖの範囲内で電圧を循環させながら印加することが提案されている。

特開２００８−２３５０９３号公報 特開２００９−１４６８７６号公報

しかしながら、上記のようにして高温加湿ガスを供給するのみの方法や、高温加湿ガスを供給した後に電圧の印加等を行う方法では、燃料電池を十分に活性化することは困難である。

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、燃料電池を効果的に活性化することが可能な燃料電池の活性化方法及び活性化装置を提供する。

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活性化方法であって、前記アノード電極に水素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、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電圧印加工程と、前記電圧印加工程の後、前記電圧の印加を停止した状態で、前記アノード電極及び前記カソード電極の少なくとも何れか一方に、水蒸気を含有する加湿ガスを供給する加湿工程と、を有することを特徴とする。

この燃料電池の活性化方法では、電圧印加工程により、アノード電極及びカソード電極に含まれる電極触媒の表面に付着した付着物を除去した後に、加湿工程を行う。これによって、付着物に阻害されることなく電極触媒の表面に良好に水を供給できるため、燃料電池を効果的に活性化することができる。

上記の燃料電池の活性化方法において、前記加湿工程では、前記燃料電池の温度に比して、前記加湿ガスの露点を高くすることが好ましい。この場合、加湿工程において、加湿ガスに含まれる水蒸気を燃料電池内で容易に結露させることができる。これによって、電解質膜や電極触媒に良好に水を供給して、燃料電池を一層効果的に活性化することができる。

上記の燃料電池の活性化方法において、前記加湿工程の際の前記燃料電池の温度を、前記電圧印加工程の際の前記燃料電池の温度以下にすることが好ましい。この場合、アノード電極及びカソード電極に供給するガスの露点を高精度に調整することなく、電圧印加工程では、燃料電池内の結露を生じ難くし、且つ加湿工程では、燃料電池内の結露を生じ易くすることができる。これによって、電圧印加工程の際に燃料電池の全体で印加電圧がばらつくことを抑制しつつ、加湿工程の際に電解質膜や電極触媒に良好に水を供給することができる。その結果、燃料電池を一層効果的に活性化することができる。

上記の燃料電池の活性化方法において、前記燃料電池に設けられた冷媒流路に温度を調整した伝熱媒体を供給することによって、前記燃料電池の温度を調整することが好ましい。この場合、燃料電池の既存の構成を用いて、燃料電池全体の温度を効率的且つ容易に調整することができる。

上記の燃料電池の活性化方法において、前記電圧印加工程で前記アノード電極に供給した水素ガスと同じ露点の前記加湿ガスを前記加湿工程で前記アノード電極に供給すること、及び前記電圧印加工程で前記カソード電極に供給した不活性ガスと同じ露点の前記加湿ガスを前記加湿工程で前記カソード電極に供給することの少なくとも何れか一方を行うことが好ましい。なお、同じ露点には、略同じ露点も含まれる。この場合、電圧印加工程と加湿工程との間に、アノード電極又はカソード電極の少なくとも何れか一方に供給するガスの露点を調整する工程を設ける必要がない分、燃料電池の活性化を効率的に行うことができる。

上記の燃料電池の活性化方法において、前記加湿工程では、前記加湿ガスとして、前記アノード電極に水素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することが好ましい。この場合、電圧印加工程と加湿工程とで共通のガスを用いることができるため、燃料電池の活性化効率のさらなる向上を図ることができる。また、加湿工程においても、水素ガスを供給するアノード電極と、不活性ガスを供給するカソード電極との間に電位差を生じさせることができる。これによって、燃料電池の活性化を一層効果的に行うことが可能になる。

上記の燃料電池の活性化方法において、前記加湿工程では、前記加湿ガスとして、前記アノード電極に水素ガス及び不活性ガスの両方を供給することが好ましい。この場合、加湿工程の際に、アノード電極とカソード電極との間に電位差を生じさせつつ、アノード電極に供給する水素ガスの量を、不活性ガスが混入する分、少なくすることができる。その結果、燃料電池を効果的に活性化しつつ、該活性化に要するコストを低減することが可能になる。

上記の燃料電池の活性化方法において、前記燃料電池は、複数の発電セルを積層したスタックの形態であることが好ましい。この場合、複数の発電セルを一度に活性化して効率の向上を図ること、及び燃料電池を実際に実施する形態で効果的に活性化することが可能になる。

また、上記した燃料電池の活性化方法が適用された燃料電池の活性化装置もこの発明に含まれる。すなわち、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を活性化させる燃料電池の活性化装置であって、前記アノード電極にアノード側ガスを供給し、前記カソード電極にカソード側ガスを供給するガス供給部と、前記燃料電池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電圧印加部と、を備え、前記ガス供給部は、前記電圧印加部により前記電圧を印加する印加期間中に、前記アノード側ガスとして水素ガスを供給するとともに、前記カソード側ガスとして不活性ガスを供給することが可能であり、前記電圧の印加を停止した印加期間後に、前記アノード側ガス及び前記カソード側ガスの少なくとも一方として、水蒸気を含有する加湿ガスを供給することが可能であることを特徴とする。

この燃料電池の活性化装置によれば、電極触媒の表面に付着した付着物を印加期間中に除去することができる。このため、印加期間後に加湿ガスを供給することにより、電極触媒の表面に良好に水を供給することができる。その結果、燃料電池を効果的に活性化することができる。

上記の燃料電池の活性化装置において、前記ガス供給部は、前記燃料電池の温度よりも高い露点の前記加湿ガスを供給することが好ましい。この場合、加湿ガスに含まれる水蒸気を燃料電池内で容易に結露させることができるため、電解質膜や電極触媒に良好に水を供給して、燃料電池を一層効果的に活性化することができる。

上記の燃料電池の活性化装置において、前記燃料電池の温度を調整する温度調整部をさらに備え、前記温度調整部は、前記印加期間後の前記燃料電池の温度を、前記印加期間中の前記燃料電池の温度以下にすることが好ましい。この場合、温度調整部による燃料電池の温度調整によって、印加期間中には、結露を生じ難くして、燃料電池の全体で印加電圧がばらつくことを抑制できる。一方、印加期間後の加湿ガス供給中には、結露を生じ易くして、電解質膜や電極触媒に良好に水を供給することができる。その結果、アノード側ガス及びカソード側ガスの露点をガス供給部によって高精度に調整することなく、燃料電池を一層効果的に活性化することができる。

上記の燃料電池の活性化装置において、前記温度調整部は、前記燃料電池に設けられた冷媒流路に温度を調整した伝熱媒体を供給することによって、前記燃料電池の温度を調整することが好ましい。この場合、燃料電池の既存の構成を用いて、燃料電池全体の温度を効率的且つ容易に調整することができる。

上記の燃料電池の活性化装置において、前記ガス供給部は、前記印加期間中に前記アノード電極に供給した水素ガスと同じ露点の前記加湿ガスを、前記印加期間後に前記アノード電極に供給すること、及び前記印加期間中に前記カソード電極に供給した不活性ガスと同じ露点の前記加湿ガスを、前記印加期間後に前記カソード電極に供給することの少なくとも何れか一方が可能であることが好ましい。この場合、印加期間中と印加期間後とで、ガス供給部によって燃料電池に供給するガスの露点を調整する必要がない分、燃料電池の活性化を効率的に行うことができる。

上記の燃料電池の活性化装置において、前記ガス供給部は、前記加湿ガスとして、前記アノード電極に水素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することが好ましい。この場合、印加期間中と印加期間後とで共通のガスを用いることができるため、燃料電池の活性化効率を向上させることができる。また、加湿ガスを供給したアノード電極とカソード電極との間に電位差を生じさせることができるため、燃料電池の活性化を一層効果的に行うことが可能になる。

上記の燃料電池の活性化装置において、前記ガス供給部は、前記加湿ガスとして、水素ガス及び不活性ガスの両方を前記アノード電極に供給することが好ましい。この場合、印加期間後に加湿ガスを供給することにより、アノード電極とカソード電極との間に電位差を生じさせつつ、アノード電極に供給する水素ガスの量を、不活性ガスが混入する分、少なくすることができる。その結果、燃料電池を効果的に活性化しつつ、該活性化に要するコストを低減することが可能になる。

上記の燃料電池の活性化装置において、前記燃料電池は、複数の発電セルを積層したスタックの形態であることが好ましい。この場合、複数の発電セルを一度に活性化して効率の向上を図ること、及び燃料電池を実際に実施する形態で効果的に活性化することが可能になる。

本発明によれば、付着物を除去した電極触媒の表面に水を供給することができるため、燃料電池を効果的に活性化することができる。

本発明の実施形態に係る燃料電池の活性化装置の概略構成図である。 図２Ａは、実施例１−１〜１−７及び比較例１のスタックについて、加湿工程を行った時間と、電圧比とを示す図表であり、図２Ｂは、図２Ａの加湿工程を行った時間を横軸とし、図２Ａの電圧比を縦軸としたグラフである。 実施例２−１〜２−４及び比較例２のスタックについて、電圧印加工程を行った時間と、加湿工程を行った時間と、電圧比とを示す図表である。 実施例３−１〜３−９及び比較例３のスタックについて、電圧印加工程及び加湿工程のそれぞれにおけるスタック温度と、アノード側ガスの露点と、カソード側ガスの露点と、スタック内相対湿度と、電圧比とを示す図表である。 実施例４−１〜４−４のスタックについて、加湿工程におけるアノード側ガス及びカソード側ガスの各々の種類及び流量と、電圧比とを示す図表である。

本発明に係る燃料電池の活性化方法及び活性化装置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。

図１に示すように、本実施形態に係る燃料電池の活性化装置（以下、単に活性化装置ともいう）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を活性化する。なお、活性化装置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、同様にして活性化することができる。

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触媒粒子（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、上記の電極触媒は、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。

電極触媒が白金からなる場合、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。従って、電極触媒の表面に水を供給することによって、該表面で生じる反応を促進することが可能である。

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ガス拡散層２８ｂが第２セパレータ２２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。

次いで、活性化装置１０について説明する。活性化装置１０は、ガス供給部４０と、電圧印加部４２と、温度調整部４４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。

第１供給部４０ａは、アノード側ガスを供給する際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、カソード側ガスを供給する際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、後述するように、アノード側ガスとしては、水素ガス、窒素ガス等の不活性ガス、水素ガスと不活性ガスとの混合ガス、これらのガスに水蒸気を含ませた加湿ガス等が挙げられる。カソード側ガスとしては、窒素ガス等の不活性ガス、該不活性ガスに水蒸気を含ませた加湿ガス等が挙げられる。なお、加湿ガスのみならず、水素ガス、不活性ガス、混合ガスのそれぞれが水蒸気を含んでいてもよい。これらのアノード側ガス及びカソード側ガスを総称してガスともいう。

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。具体的には、電圧印加部４２は、スタック１４に対して電圧を印加するポテンショスタット４６と、該ポテンショスタット４６が印加する電圧を制御するポテンシャルスイーパ４８とを有する。

これらの構成によって、電圧印加部４２は、スタック１４に印加する電圧の範囲及び電圧を変化させる速度を任意に調整することができる。換言すれば、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。

温度調整部４４は、冷媒流路３４に、所定の温度に調整した伝熱媒体を供給することによって、スタック１４の温度を調整する。温度調整部４４を上記の構成とすることで、スタック１４の既存の構成を用いて、スタック１４全体の温度を効率的且つ容易に調整することができる。

なお、温度調整部４４は、上記の構成に限らず、スタック１４の温度を調整することが可能な構成を備えていればよく、例えば、スタック１４を加熱することが可能なヒータ（不図示）等を備えてもよい。

また、ガス供給部４０及び温度調整部４４は、アノード側ガス、カソード側ガス、伝熱媒体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。

本実施形態に係る活性化装置１０は、基本的には以上のように構成される。次いで、活性化装置１０を用いた、本実施形態に係る燃料電池の活性化方法（以下、単に活性化方法ともいう）について説明する。

本実施形態では、組立直後のスタック１４に対して活性化処理を施す。このために先ず、スタック１４に電圧印加部４２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を接続し、冷媒流路３４に温度調整部４４を接続して、スタック１４を活性化装置１０にセットする。

次に、電圧印加工程を行う。電圧印加工程では、第１供給部４０ａにより、アノード電極２６に水素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。また、電圧印加部４２により、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。

すなわち、ガス供給部４０は、電圧印加部４２により電圧を印加する印加期間中に、アノード側ガスとして水素ガスを供給するとともに、カソード側ガスとして不活性ガスを供給する。

これによって、カソード電極２８及びアノード電極２６に含まれる電極触媒の表面に付着した残留溶媒（カーボン官能基）や酸化皮膜等の付着物を除去して、該表面を清浄化することができる。この電圧印加工程は、例えば、特開２０１３−３８０３２号公報に記載の方法と同様に行うことができるため、詳細な説明は省略する。

上記のように、カソード電極２８に不活性ガスを供給する電圧印加工程では、発電反応を生じさせることなく、電極触媒の表面を清浄化することができる。このため、例えば、カソード電極２８に酸化剤ガスを供給して発電反応を生じさせることによりスタック１４の活性化を行うような場合に比して、消費するガスの量を低減したり、必要な設備を簡素化したりすることができる。

また、電圧印加工程では上記の発電反応が生じない分、スタック１４の発熱量が小さい。このため、電圧印加工程における上記の清浄化を促進可能な温度となるように、温度調整部４４によってスタック１４の温度を調整してもよい。また、発電反応による生成水も生じないため、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、水素ガス及び不活性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。

さらに、この際、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ことが好ましい。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。

ここで、（アノード側ガス又はカソード側ガスの露点での飽和水蒸気量）／（スタック１４の温度での飽和水蒸気量）×１００＝スタック内相対湿度（％）…（式１）と定義した場合、例えば、このスタック内相対湿度を約１００％とすることで、上記の関係を満たすことが可能になる。このようにスタック１４の温度とガスの露点とを調整して、フラッディングを抑制することにより、スタック１４の全体で印加電圧がばらつくことを回避できるため、スタック１４全体の電極触媒を良好に清浄化することが可能になる。また、電解質膜２４の乾燥を抑制することにより、該電解質膜２４に損傷等が生じる懸念を払拭できる。

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、電圧印加工程において、電極触媒（触媒金属）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。これによって、電極触媒の表面を一層効果的に清浄化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。

電圧印加部４２によりスタック１４に印加する電圧のサイクル数（電圧印加工程を行う時間）は、該電圧の印加により得られる電圧−電流変化曲線（不図示）において、電極触媒の表面が十分に清浄化されたと判断されるピークが出現することを目安に設定することが好ましい。このようなピークの一例としては、電圧を下降させる際に０．８〜０．６Ｖの間に出現する還元ピークが挙げられる。この還元ピークが出現した後に、一層好適には、該還元ピークが出現してから所定時間が経過した後に、電圧印加部４２による電圧の印加を停止することで、過不足なく電圧印加工程を行うことができる。

なお、電圧印加工程において、例えば、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場合、このサイクルを２０回以上繰り返すこと、換言すると、電圧印加工程を３０分（０．５０時間）以上行うことが好ましい。これによって、電極触媒の表面に付着した付着物が十分に除去され、電極触媒の有効面積を表す指標値であるＱ値（クーロン）を十分な大きさとすることが可能になる。

次に、電圧印加部４２による電圧の印加を停止して、ガス供給部４０により、アノード電極２６及びカソード電極２８の少なくとも何れか一方に、水蒸気を含有する加湿ガスを供給する加湿工程を行う。つまり、ガス供給部４０は、電圧印加部４２による電圧の印加を停止した印加期間後に、アノード側ガス及びカソード側ガスの少なくとも一方として加湿ガスを供給する。なお、加湿ガスの種類は、電極触媒を被毒させない性質であれば特に限定されるものではなく、種々のガスを適用することができる。

加湿工程を行う際、電極触媒の表面は、電圧印加工程によって清浄化されているため、付着物に阻害されることなく電極触媒の表面に良好に水を供給することができる。上記の通り、電極触媒の表面に水を供給することによって、該表面で生じる反応を促進できる。

また、多孔性のアノード電極２６及びカソード電極２８を介して電解質膜２４に加湿ガスが到達することにより、該電解質膜２４に水を供給して湿潤状態とすることができる。その結果、電解質膜２４に良好なプロトン伝導性を発現させることができるため、これによっても、スタック１４を効果的に活性化することが可能になる。

上記の作用効果を一層効果的に得るためには、加湿工程の際に、スタック１４の内部で加湿ガスに含まれる水蒸気を結露させて、電極触媒の表面や電解質膜２４に水を効果的に供給することが挙げられる。このように加湿工程において、スタック１４の内部で結露を生じさせ易くするために、温度調整部４４及びガス供給部４０によって、スタック１４の温度に比して、加湿ガスの露点が高くなるように調整することが好ましい。

また、温度調整部４４により、加湿工程の際のスタック１４の温度を、電圧印加工程の際のスタック１４の温度以下となるように調整してもよい。これによって、電圧印加工程におけるスタック内相対湿度よりも、加湿工程におけるスタック内相対湿度を容易に高くすることができる。その結果、ガス供給部４０によって加湿ガスの露点を高精度に調整することなく、電圧印加工程の際にスタック１４内での結露を生じ難くしてフラッディングを抑制できる。また、加湿工程の際にスタック１４内での結露を生じ易くして電極触媒等に水を効果的に供給することが可能になる。

第１供給部４０ａは、電圧印加工程でアノード電極２６に供給した水素ガスと同じ露点の加湿ガスを加湿工程でアノード電極２６に供給してもよい。同様に、第２供給部４０ｂは、電圧印加工程でカソード電極２８に供給した不活性ガスと同じ露点の加湿ガスを加湿工程でカソード電極２８に供給してもよい。ここでの同じ露点には、略同じ露点も含まれる。これによって、電圧印加工程と加湿工程との間に、アノード電極２６又はカソード電極２８の少なくとも何れか一方に供給するガスの露点を調整する工程を設ける必要がなくなる分、スタック１４の活性化を効率的に行うことができる。

また、加湿工程の際に、加湿ガスとして、アノード電極２６に水素ガスを供給するとともに、カソード電極２８に不活性ガスを供給すれば、電圧印加工程と加湿工程とで共通のガスを用いることができるため、スタック１４の活性化効率を一層向上させることができる。

さらに、この場合、加湿工程においても、水素ガスを供給するアノード電極２６と、不活性ガスを供給するカソード電極２８との間に電位差を生じさせることができる。これによっても、スタック１４の活性化を一層効果的に行うことが可能になる。このように、アノード電極２６とカソード電極２８との間に電位差を生じさせつつ、アノード電極２６に供給する水素ガスの量を減らして、スタック１４の活性化にかかるコストを低減するために、アノード電極２６に水素ガスと不活性ガスとの混合ガスを供給してもよい。

なお、加湿工程では、アノード側ガスの露点よりも、カソード側ガスの露点を高くすることが好ましい。上記のようにして活性化を終えたスタック１４は、内部の水がパージされた状態で取り扱われる。この水をパージするパージガスとして、アノード側ガス及びカソード側ガスを、その露点を小さくして用いることができる。

つまり、アノード電極２６には、水素ガスをパージガスとして供給し、カソード電極２８には、水素ガスに比して安価に取り扱い可能な不活性ガスをパージガスとして供給することができる。このため、カソード側ガスの露点を高くして、カソード電極２８側で多く結露させた水をスタック１４内に行き渡らせて活性化した後、該カソード電極２８側から大量のパージガスを供給してパージを行うことにより、コストの低減を図ることが可能になる。

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。

［実施例１］
（１） 電圧印加工程
ＭＥＡ１８の発電有効面積が１００ｃｍ²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。このスタック１４を活性化装置１０にセットして、電圧印加工程を行った。電圧印加工程では、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にアノード側ガスとして７５℃の露点の水素ガスを５ＮＬ／分の流量で供給し、第２供給部４０ｂにより、カソード電極２８にカソード側ガスとして８０℃の露点の窒素ガスを２０ＮＬ／分の流量で供給した。

その後、カソード電極２８の平均セル電位が０．１Ｖ付近で略一定となったことを確認してから、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、このサイクルを２０回繰り返した。１回のサイクルは９０秒であるため、電圧印加工程を行った時間は０．５０時間である。

（２） 加湿工程
上記（１）の電圧印加工程を行った後、電圧印加部４２による電圧の印加を停止した状態で、加湿工程を行った。加湿工程では、温度調整部４４によりスタック１４の温度を４０℃にした。また、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７５℃の露点の水素ガス（加湿ガス）を１０ＮＬ／分の流量で供給した。さらに、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８０℃の露点の窒素ガス（加湿ガス）を２０ＮＬ／分の流量で供給した。

これらの状態を維持した時間を、加湿工程を行った時間とした。この加湿工程を行った時間を異ならせて、複数の実施例１のスタック１４を作製した。具体的には、加湿工程を行った時間を、図２Ａに示す条件として、実施例１−１〜１−７のスタック１４を得た。

［比較例１］
比較のため、上記（１）の電圧印加工程のみを行って加湿工程を行わない、換言すると、加湿工程を行った時間を０．００時間としたスタック１４を作製して、比較例１とした。

実施例１−１〜１−７及び比較例１のスタック１４のそれぞれについて、水をパージした後に、スタック１４の平均セル電圧を求めた。この際の出力電流密度は１．０Ａ／ｃｍ²とした。そして、比較例１のスタック１４の平均セル電圧に対する、実施例１−１〜１−７のスタック１４の平均セル電圧の比を電圧比として算出した。つまり、比較例１のスタック１４の電圧比を１．０００とした。

その結果を図２Ａ及び図２Ｂに示す。なお、図２Ａは、実施例１−１〜１−７及び比較例１のスタック１４について、加湿工程を行った時間と電圧比との関係を示す図表であり、図２Ｂは、図２Ａの関係を、加湿工程を行った時間を横軸とし、電圧比を縦軸として示したグラフである。

図２Ａ及び図２Ｂに示す通り、電圧印加工程のみを行い加湿工程を行わない比較例１のスタック１４に比して、電圧印加工程の後に加湿工程を行った実施例１−１〜１−７のスタック１４は全て電圧比が大きくなっている。このことから、加湿工程を行うことによって、スタック１４の出力を向上させること、換言すると、スタック１４を効果的に活性化することが可能になるといえる。

また、加湿工程を行った時間が長くなるほど、電圧比を大きくできることが分かった。電圧比の上昇率は、図２Ｂに示すように、加湿工程を行った時間が１．５０時間に達するまでは高く、それ以降は、それ以前よりも低くなる。そして、４．５０時間に達すると以降の電圧比は略一定の大きさになることが分かった。

［実施例２］
上記（１）の電圧印加工程を行った時間と、上記（２）の加湿工程を行った時間を変更した以外は、実施例１と同様にして実施例２のスタック１４を作製した。具体的には、電圧印加工程を行った時間と加湿工程を行った時間を図３に示す条件として、実施例２−１〜２−４のスタック１４を得た。なお、実施例２では、電圧印加工程を行った時間と加湿工程を行った時間との合計が５．００時間となるように設定し、各工程の時間配分を変化させた。

［比較例２］
比較のため、電圧印加工程を行わずに、上記（２）の加湿工程のみを５．００時間行って比較例２のスタック１４を得た。

実施例２−１〜２−４及び比較例２のスタック１４のそれぞれについて、実施例１と同様にして電圧比を算出した。その結果を図３に併せて示す。

図３に示す通り、電圧印加工程を行わない比較例２のスタック１４に比して、電圧印加工程を行った後に、加湿工程を行った実施例２−１〜２−４の全てのスタック１４で電圧比が大きくなった。

このことから、スタック１４に加湿ガスを供給するのみの方法では、スタック１４を十分に活性化することが困難であるといえる。一方、電圧印加工程を行って、電極触媒の表面を清浄化した後に、加湿工程を行うことで、付着物に阻害されることなく該表面に良好に水を供給することができ、これによって、スタック１４を効果的に活性化できることが分かった。

［実施例３］
上記（１）の電圧印加工程のうち、カソード側ガスの流量を１０ＮＬ／分とし、カソード側ガスの流量を４０ＮＬ／分とするとともに、スタック１４の温度と、アノード側ガスの露点とを図４に示す条件で変化させた。また、上記（２）の加湿工程のうち、加湿工程を行う時間を１．５０時間とするとともに、スタック１４の温度と、アノード側ガスの露点と、カソード側ガスの露点とを図４に示す条件で変化させた。それ以外は、実施例１と同様にして実施例３−１〜３−９のスタック１４を作製した。これらの実施例３−１〜３−９を総称して実施例３とする。

［比較例３］
比較のため、加湿工程を行った後に電圧印加工程を行ったこと、換言すれば、加湿工程と電圧印加工程とを行う順序が異なることを除いて、実施例３−９と同様の条件で比較例３のスタック１４を得た。

実施例３−１〜３−９及び比較例３のスタック１４のそれぞれについて、アノード側ガス及びカソード側ガスのうち高い方の露点での飽和水蒸気量と、スタック１４の温度での飽和水蒸気量から、上記の（式１）に基づいてスタック内相対湿度を算出した。また、実施例１と同様にして電圧比を算出した。これらの結果を図４に併せて示す。

なお、実施例３−４、３−５では、他の実施例に比して、電圧印加工程の際のスタック内相対湿度を高くしているため、上記のフラッディングが生じることを回避するべく、電圧印加工程におけるアノード側ガス及びカソード側ガスの流量を増やした。

図４に示す通り、加湿工程の後に電圧印加工程を行った比較例３のスタック１４に比して、電圧印加工程を行った後に加湿工程を行った実施例３−１〜３−９の全てのスタック１４で電圧比が大きくなった。このことから、加湿工程の後に電圧印加工程を行う方法では、スタック１４を十分に活性化することが困難であるといえる。一方、電圧印加工程を行った後に加湿工程を行うことで、上記の通り、電極触媒の表面に良好に水を供給して、スタック１４を効果的に活性化できることが分かった。

図４の実施例３−９のスタック１４では、加湿工程において、スタック１４の温度に比して、アノード側ガス及びカソード側ガス（加湿ガス）の露点を低くした。この場合であっても、電圧比を１．０００以上とすることができ、スタック１４を効果的に活性化できるといえる。一方、実施例３−１〜３−８の全てのスタック１４は、加湿工程において、アノード側ガス及びカソード側ガスの少なくとも一方（加湿ガス）の露点を、スタック１４の温度以上とした。これによって、実施例３−９のスタック１４よりも電圧比を大きくすることができ、スタック１４を一層効果的に活性化できることが分かった。

図４の実施例３−１〜３−９の全てのスタック１４では、加湿工程の際のスタック１４の温度を、電圧印加工程の際のスタック１４の温度以下とした。これによって、電圧比を１．０００以上とすることができ、スタック１４を効果的に活性化できることが分かった。

ここで、実施例３−２のスタック１４と実施例３−６のスタック１４は、加湿工程の際のスタック１４の温度を除いて同じ条件で得たものである。つまり、電圧印加工程の際のスタック１４の温度は８０℃で共通とした。これらの実施例を比較した結果、加湿工程の際のスタック１４の温度を４０℃とした実施例３−６のスタック１４は、加湿工程の際のスタック１４の温度を７０℃とした実施例３−２のスタック１４に比して、約２％大きい電圧比が得られた。

このことから、加湿工程の際のスタック１４の温度を、電圧印加工程の際のスタック１４の温度よりも大幅に低下させることによって、加湿工程の際にスタック１４内で生じる結露の量を増大させて、スタック１４を一層効果的に活性化できることが分かった。

図４の実施例３−１のスタック１４と実施例３−４のスタック１４は、電圧印加工程におけるスタック１４の温度と、アノード側ガス及びカソード側ガスの流量とを除いて同じ条件で得たものである。また、実施例３−２のスタック１４と実施例３−５のスタック１４についても同様である。これらの実施例を比較した結果、実施例３−１、３−２のスタック１４に比して、電圧印加工程の際のスタック１４の温度が小さく且つアノード側ガス及びカソード側ガスの流量が大きい実施例３−４、３−５のスタック１４では、電圧比が約１％大きい。

このことから、電圧印加工程において、スタック１４の温度が小さい（スタック内相対湿度が高い）ことと、アノード側ガス及びカソード側ガスの流量が多いことの少なくとも何れか一方の条件を満たすことによって、スタック１４を効果的に活性化することが可能になることが分かった。

図４の実施例３−６と実施例３−７のスタック１４は、電圧印加工程及び加湿工程の各々におけるアノード側ガスの露点を除いて同じ条件で得たものである。これらを比較した結果、実施例３−６のスタック１４と実施例３−７のスタック１４との電圧比の差は０．５％程度であることが分かった。このことから、電圧印加工程及び加湿工程において、アノード側ガスの露点が実施例３−６よりも大幅に低い実施例３−７であっても、カソード側ガスの露点を十分に高くしてスタック内相対湿度を維持することにより、スタック１４を十分良好に活性化できることが分かった。

また、アノード側ガスの露点に代えてカソード側ガスの露点を大幅に低くしたスタック１４も、アノード側ガスの露点を高くしてスタック内相対湿度を維持することにより、上記のようにカソード側ガスの露点が低い場合と同様の結果が得られた。

従って、アノード電極２６及びカソード電極２８の何れか一方の電極に十分露点が大きい加湿ガスを供給することにより、他方の電極を加湿することも可能であるといえる。このため、電圧印加工程を行った後の、電圧印加工程において、アノード電極２６及びカソード電極２８の少なくとも何れか一方に、加湿ガスを供給することによって、スタック１４を良好に活性化することができる。

図４の実施例３−６と実施例３−８のスタック１４は、加湿工程におけるアノード側ガスの露点及びカソード側ガスの露点を除いて同じ条件で得たものである。これらを比較した結果から、加湿工程において、アノード側ガスの露点をカソード側ガスの露点より高くした場合と、カソード側ガスの露点をアノード側ガスの露点より高くした場合とで同等の電圧比が得られることが分かった。

［実施例４］
上記（２）の加湿工程において、アノード側ガスの種類、アノード側ガス及びカソード側ガスの各々の流量を変更した以外は、実施例１と同様にして実施例４のスタック１４を作製した。具体的には、図５に示す条件で、実施例４−１〜４−４のスタック１４を得た。これらのスタック１４のそれぞれについて、アノード側ガスが供給されたアノード電極２６と、カソード側ガスが供給されたカソード電極２８との電位差を求めた。また、実施例１と同様にして電圧比を算出した。これらの結果を図５に併せて示す。

図５から、カソード側ガスの流量が２０ＮＬ／分である実施例４−１に比して、カソード側ガスの流量が４０ＮＬ／分である実施例４−２では、電圧比が僅かに大きくなることが分かった。

図５から、アノード側ガスをカソード側ガスと同じ窒素ガスとした実施例４−３のスタック１４においても十分に高い電圧比とすることができることが分かった。このように、アノード側ガス及びカソード側ガスの両方に窒素ガスを用いることによって、スタック１４の活性化に要するコストを低減することができる。

また、図５に示すように、この実施例４−３のスタック１４では、アノード電極２６とカソード電極２８の電位差が０になる。一方、アノード側ガスを水素とし、カソード側ガスを窒素とした実施例４−１、４−２のスタック１４では、上記の電位差が０．６９８となる。これらの実施例を比較した結果、実施例４−１、４−２のスタック１４の電圧比は、実施例４−３のスタック１４の電圧比よりも僅かに大きくなることが分かった。このことから、加湿ガスとして、アノード電極２６に水素ガスを供給するとともに、カソード電極２８に不活性ガスを供給して、上記の電位差を設けることによって、スタック１４を一層効果的に活性化できることが分かった。

さらに、図５に示すように、アノード側ガスを水素ガスと窒素ガスとの混合ガスとした実施例４−４のスタック１４においても、上記の電位差は０．６９８となる。この実施例４−４のスタック１４の電圧比も、実施例４−３のスタック１４の電圧比よりも僅かに大きくなることが分かった。このことから、加湿ガスとして、アノード電極２６に水素ガス及び不活性ガスの両方を供給することによって、アノード電極２６に供給する水素ガスの量を減らして、低コスト化を図りつつ、スタック１４の活性化を効果的に行うことが可能になることが分かった。

１０…活性化装置 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
４０ａ…第１供給部 ４０ｂ…第２供給部
４２…電圧印加部 ４４…温度調整部

Claims (16)

1. 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活性化方法であって、
   前記アノード電極に水素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、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電圧印加工程と、
   前記電圧印加工程の後、前記電圧の印加を停止した状態で、前記アノード電極及び前記カソード電極の少なくとも何れか一方に、水蒸気を含有する加湿ガスを供給する加湿工程と、
   を有することを特徴とする燃料電池の活性化方法。
2. 請求項１記載の燃料電池の活性化方法において、
   前記加湿工程では、前記燃料電池の温度に比して、前記加湿ガスの露点を高くすることを特徴とする燃料電池の活性化方法。
3. 請求項１又は２記載の燃料電池の活性化方法において、
   前記加湿工程の際の前記燃料電池の温度を、前記電圧印加工程の際の前記燃料電池の温度以下にすることを特徴とする燃料電池の活性化方法。
4. 請求項３記載の燃料電池の活性化方法において、
   前記燃料電池に設けられた冷媒流路に温度を調整した伝熱媒体を供給することによって、前記燃料電池の温度を調整することを特徴とする燃料電池の活性化方法。
5. 請求項１〜４の何れか１項に記載の燃料電池の活性化方法において、
   前記電圧印加工程で前記アノード電極に供給した水素ガスと同じ露点の前記加湿ガスを前記加湿工程で前記アノード電極に供給すること、及び前記電圧印加工程で前記カソード電極に供給した不活性ガスと同じ露点の前記加湿ガスを前記加湿工程で前記カソード電極に供給することの少なくとも何れか一方を行うことを特徴とする燃料電池の活性化方法。
6. 請求項１〜５の何れか１項に記載の燃料電池の活性化方法において、
   前記加湿工程では、前記加湿ガスとして、前記アノード電極に水素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することを特徴とする燃料電池の活性化方法。
7. 請求項５記載の燃料電池の活性化方法において、
   前記加湿工程では、前記加湿ガスとして、前記アノード電極に水素ガス及び不活性ガスの両方を供給することを特徴とする燃料電池の活性化方法。
8. 請求項１〜７の何れか１項に記載の燃料電池の活性化方法において、
   前記燃料電池は、複数の発電セルを積層したスタックの形態であることを特徴とする燃料電池の活性化方法。
9. 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を活性化させる燃料電池の活性化装置であって、
   前記アノード電極にアノード側ガスを供給し、前記カソード電極にカソード側ガスを供給するガス供給部と、
   前記燃料電池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電圧印加部と、を備え、
   前記ガス供給部は、前記電圧印加部により前記電圧を印加する印加期間中に、前記アノード側ガスとして水素ガスを供給するとともに、前記カソード側ガスとして不活性ガスを供給することが可能であり、前記電圧の印加を停止した印加期間後に、前記アノード側ガス及び前記カソード側ガスの少なくとも一方として、水蒸気を含有する加湿ガスを供給することが可能であることを特徴とする燃料電池の活性化装置。
10. 請求項９記載の燃料電池の活性化装置において、
    前記ガス供給部は、前記燃料電池の温度よりも高い露点の前記加湿ガスを供給することを特徴とする燃料電池の活性化装置。
11. 請求項９又は１０記載の燃料電池の活性化装置において、
    前記燃料電池の温度を調整する温度調整部をさらに備え、
    前記温度調整部は、前記印加期間後の前記燃料電池の温度を、前記印加期間中の前記燃料電池の温度以下にすることを特徴とする燃料電池の活性化装置。
12. 請求項１１記載の燃料電池の活性化装置において、
    前記温度調整部は、前記燃料電池に設けられた冷媒流路に温度を調整した伝熱媒体を供給することによって、前記燃料電池の温度を調整することを特徴とする燃料電池の活性化装置。
13. 請求項９〜１２の何れか１項に記載の燃料電池の活性化装置において、
    前記ガス供給部は、前記印加期間中に前記アノード電極に供給した水素ガスと同じ露点の前記加湿ガスを、前記印加期間後に前記アノード電極に供給すること、及び前記印加期間中に前記カソード電極に供給した不活性ガスと同じ露点の前記加湿ガスを、前記印加期間後に前記カソード電極に供給することの少なくとも何れか一方が可能であることを特徴とする燃料電池の活性化装置。
14. 請求項９〜１３の何れか１項に記載の燃料電池の活性化装置において、
    前記ガス供給部は、前記加湿ガスとして、前記アノード電極に水素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することを特徴とする燃料電池の活性化装置。
15. 請求項９〜１４の何れか１項に記載の燃料電池の活性化装置において、
    前記ガス供給部は、前記加湿ガスとして、水素ガス及び不活性ガスの両方を前記アノード電極に供給することを特徴とする燃料電池の活性化装置。
16. 請求項９〜１５の何れか１項に記載の燃料電池の活性化装置において、
    前記燃料電池は、複数の発電セルを積層したスタックの形態であることを特徴とする燃料電池の活性化装置。

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