JP2024051870A - 活性化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】フラッディングが生じることを回避しつつ、複数個の電解質膜・電極構造体に対し適切に湿分を付与して活性化を施すことができる燃料電池用の電解質膜・電極構造体の活性化装置を提供する。
【解決手段】活性化装置は、複数個の治具（４２）を備える。２個の治具の間に、１個の電解質膜・電極構造体（１０）が挟まれる。１個の治具には、第１流路（６４）及び第２流路（７２）が形成される。第１流路には、電解質膜・電極構造体のアノード電極（１６）に供給される第１活性化ガスが流通する。第２流路には、別の電解質膜・電極構造体のカソード電極（１４）に供給される第２活性化ガスが流通する。１個の治具は、ヒートパイプ（５２）を有する。ヒートパイプと、第１活性化ガス及び第２活性化ガスとの間で熱が授受される。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池用の電解質膜・電極構造体を活性化する活性化装置に関する。

従来、気候変動の緩和又は影響軽減を目的とした取り組みが継続され、この実現に向けてＣＯ₂削減に関する研究開発が行われている。この観点から、燃料電池を搭載した燃料電池車（ＦＣＶ／Fuel Cell Vehicle）が注目されている。燃料電池車は水蒸気を排出するのみであり、ＣＯ₂、ＮＯ_x及びＳＯ_x等を排出することがないからである。

燃料電池は、電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を備える。ＭＥＡは、第１端面及び第２端面を有する固体高分子からなる電解質膜と、電解質膜の第１端面に設けられたアノード電極と、電解質膜の第２端面に設けられたカソード電極とを備える。すなわち、ＭＥＡは、アノード電極とカソード電極との間に電解質膜を挟んで構成される。ＭＥＡが１組のセパレータで挟まれることで、燃料電池の単位セルが組み立てられる。

組み立てられた直後の単位セルでは、電解質膜の含水量が十分ではない。従って、該単位セルでは十分な発電性能が得られない。これを回避するため、初回の運転前に燃料電池に対して活性化が行われる。一般的には、複数個の単位セルを積層した燃料電池スタックが活性化される。これに対し、特許文献１において、個々の単位セルに対して活性化を行うことが開示されている。この場合、活性化された単位セルを積層して燃料電池スタックが組み立てられる。

特開２０１４－７００６号公報

１組のセパレータのうち一方には、第１ガス流路が形成される。１組のセパレータのうち他方には、第２ガス流路が形成される。電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を活性化する過程で、第１ガス流路及び第２ガス流路に湿潤ガスが流通される場合がある。湿潤ガスがアノード電極及びカソード電極にそれぞれ接触することにより、アノード電極及びカソード電極に湿分が付与される。

アノード電極又はカソード電極に湿分が過度に付与されると、アノード電極又はカソード電極に液膜が形成される。すなわち、いわゆるフラッディングが起こる。このような状況下では、アノード電極又はカソード電極の各々の電極触媒に湿潤ガスが浸透し難い。この場合、電極触媒の活性化の進行が妨げられる。

また、高い電流密度で活性化を実施すると、特に第２ガス流路のガス出口の近傍において、活性化ガスの分圧が低下して水蒸気の分圧が上昇する。このため、第２ガス流路のガス出口の近傍では、フラッディングが起こり易い。これを回避するには、例えば、湿潤ガスに付与する湿分を少なくし、これにより該湿潤ガスの相対湿度を低くする。しかしながら、この場合、ＭＥＡの活性化効率が低くなる。

本発明は、上述した課題を解決することを目的とする。

本発明の一実施形態によれば、燃料電池を構成するアノード電極及びカソード電極の間に電解質膜が挟まれた電解質膜・電極構造体を活性化するための活性化装置において、互いの間に前記電解質膜・電極構造体を挟んだ状態で積層される複数個の治具と、前記複数個の治具の各々に設けられたヒートパイプと、前記ヒートパイプに熱を付与する熱供給部と、前記熱供給部から前記ヒートパイプに付与される熱を制御する制御部と、第１活性化ガスを供給する第１活性化ガス供給源と、第２活性化ガスを供給する第２活性化ガス供給源と、を備え、前記複数個の治具の各々は、前記アノード電極を向く第１面と、前記カソード電極を向く第２面と、該複数個の治具の積層方向に沿って延び且つ前記第１活性化ガスが流入する第１入口と、前記第１面に沿って延び且つ前記第１入口に連通する第１流路と、前記積層方向に沿って延び且つ前記第１流路を流通した前記第１活性化ガスが流出する第１出口と、前記積層方向に沿って延び且つ前記第２活性化ガスが流入する第２入口と、前記第２面に沿って延び且つ前記第２入口に連通する第２流路と、前記積層方向に沿って延び且つ前記第２流路を流通した前記第２活性化ガスが流出する第２出口と、を有し、前記第１流路及び前記第２流路は、前記ヒートパイプに対して平行又は交差する方向に延び、前記複数個の治具の各々の前記第１面又は前記第２面を見たとき、前記第１入口、前記第１出口、前記第２入口及び前記第２出口は、前記ヒートパイプの延在方向において互いに離間し、且つ前記延在方向に直交する方向において互いに離間する、活性化装置が提供される。

上記から理解されるように、第１入口、第１出口、第２入口及び第２出口は、治具において互いに個別に形成される。すなわち、第１入口、第１出口、第２入口及び第２出口の形成箇所は、互いに一致しない。また、第１流路及び第２流路は互いに独立したガス流路であり、互いに連通していない。

本発明においては、第１活性化ガス及び第２活性化ガスの温度を調節するために、治具にヒートパイプを設けている。ヒートパイプは、入熱又は出熱に対する応答速度が大きい。従って、ヒートパイプと、第１活性化ガス及び第２活性化ガスとの間で熱を授受することで、第１活性化ガス及び第２活性化ガスの各々の温度を迅速に調節することができる。すなわち、第１活性化ガス及び第２活性化ガスの各々の温度が所定の範囲内に調節される。

これにより、治具における第１流路及び第２流路の液水量が適切な範囲に保たれる。従って、本発明によれば、第１流路及び第２流路においてフラッディングが生じることを回避しつつ、複数個の電解質膜・電極構造体に対し適切に湿分を付与して活性化を施すことができる。

しかも、第１入口、第１出口、第２入口及び第２出口が治具の第１面内及び第２面内において、互いに離間して配置される。このため、治具の小型化を図ることができる。

図１は、本実施形態に係る活性化装置の概略システム図である。 図２は、活性化装置の要部断面拡大図である。 図３は、活性化装置を構成する治具を、電解質膜・電極構造体のアノード電極を向く面から見た概略全体正面図である。 図４は、活性化装置を構成する治具を、電解質膜・電極構造体のカソード電極を向く面から見た概略全体正面図である。 図５は、図４中のＶ－Ｖ線断面図である。 図６は、別の態様における治具を、電解質膜・電極構造体のアノード電極を向く面から見た概略全体正面図である。 図７は、別の態様における治具を、電解質膜・電極構造体のカソード電極を向く面から見た概略全体正面図である。

図１は、本実施形態に係る活性化装置４０の概略システム図である。活性化装置４０は、電解質膜・電極構造体１０を挟む複数個の治具４２を備える。先ず、電解質膜・電極構造体１０について、図２を参照して概略説明する。なお、以下では、電解質膜・電極構造体を「ＭＥＡ」と表記することもある。

ＭＥＡ１０は、固体高分子からなる電解質膜１２を備える。固体高分子としては、パーフルオロスルホン酸等が例示される。電解質膜１２は、カソード電極１４とアノード電極１６との間に挟まれる。カソード電極１４は、電極触媒を含む第１電極触媒層１８と、第１電極触媒層１８にガスを供給するための第１ガス拡散層２０とを有する。アノード電極１６は、電極触媒を含む第２電極触媒層２２と、第２電極触媒層２２にガスを供給するための第２ガス拡散層２４とを有する。ＭＥＡ１０は、薄膜である。

次に、図１～図６を参照し、活性化装置４０につき説明する。図１及び図２に示すように、活性化装置４０は複数個の治具４２を備える。治具４２は略プレート形状であり、薄肉である。１個の治具４２と１個のＭＥＡ１０とが交互に積層されることにより、２個の治具４２の間にＭＥＡ１０が挟まれた積層体４４が形成される。従って、積層体４４においては、１個の治具４２の両端面に対して２個のＭＥＡ１０が当接する。

以下、便宜的に、図２において治具４２の下方に位置するＭＥＡ１０を第１ＭＥＡ１０ａと呼び、図２において治具４２の上方に位置するＭＥＡ１０を第２ＭＥＡ１０ｂと呼ぶ。治具４２は、第１ＭＥＡ１０ａのアノード電極１６を向く第１面４６と、第２ＭＥＡ１０ｂのカソード電極１４を向く第２面４８とを有する。なお、他のＭＥＡ１０も、第１ＭＥＡ１０ａ及び第２ＭＥＡ１０ｂと同様に、カソード電極１４が図２における下方を向き、且つアノード電極１６が図２における上方を向くようにして、２個の治具４２の間に配置されている。

図３は、治具４２を第１面４６から見たときの概略全体正面図である。図４は、治具４２を第２面４８から見たときの概略全体正面図である。図１～図４に示すように、治具４２は、２枚のベースプレート５０ａ、５０ｂを有する。２枚のベースプレート５０ａ、５０ｂの間には、複数個のヒートパイプ５２が挟まれている。ヒートパイプ５２は、積層体４４の積層方向に対して直交する方向に延びている。

ヒートパイプ５２には、ヒータ又はペルチェ素子等からなる熱供給部５４が接続される。この態様では、熱供給部５４は、ヒートパイプ５２の延在方向の端部に配置されている。熱供給部５４は、ヒートパイプ５２に対して熱を付与する。

２枚のベースプレート５０ａ、５０ｂには、四方の隅部に第１入口５６、第１出口５８、第２入口６０及び第２出口６２がそれぞれ形成される。第１入口５６、第１出口５８、第２入口６０及び第２出口６２は、ヒートパイプ５２の延在方向において互いに離間する。第１入口５６、第１出口５８、第２入口６０及び第２出口６２は、ヒートパイプ５２の延在方向に直交する方向においても互いに離間する。典型的には、第１入口５６及び第１出口５８は、互いに対角の位置関係にある。第２入口６０及び第２出口６２も同様に、互いに対角の位置関係にある。

積層体４４においては、複数個の治具４２の第１入口５６が積層方向に沿って互いに連なる。これにより、複数個の第１入口５６が連通した第１入口連通路５６ａが形成される。同様に、複数個の治具４２の第１出口５８も、積層体４４の積層方向に沿って互いに連なる。その結果、図５に示すように、複数個の第１出口５８が連通した第１出口連通路５８ａが形成される。さらに、第２入口６０及び第２出口６２も、積層体４４の積層方向に沿って互いに連なる。その結果、複数個の第２入口６０が連通した第２入口連通路６０ａと、複数個の第２出口６２が連通した第２出口連通路６２ａとが形成される。

第１入口連通路５６ａ及び第１出口連通路５８ａは、第１活性化ガスを積層体４４の積層方向に沿って流すための流通路である。第１入口連通路５６ａ（第１入口５６）及び第１出口連通路５８ａ（第１出口５８）は、図３に示す第１流路６４を介して連通する。第２入口連通路６０ａ及び第２出口連通路６２ａは、第２活性化ガスを積層体４４の積層方向に沿って流すための流通路である。第２入口連通路６０ａ（第２入口６０）及び第２出口連通路６２ａ（第２出口６２）は、図４に示す第２流路７２を介して連通する。第１入口連通路５６ａは、第２入口連通路６０ａ及び第２出口連通路６２ａに連通していない。同様に、第２入口連通路６０ａは、第１入口連通路５６ａ及び第１出口連通路５８ａに連通していない。

図２から理解されるように、ベースプレート５０ａは、第１ＭＥＡ１０ａのアノード電極１６（第２電極触媒層２２）を向く第１面４６を形成する。図３に示すように、第１面４６には、積層方向に沿って凹み、且つ該第１面４６の面方向に沿って延びる第１流路６４が形成される。第１流路６４は、１個の第１分配路６６と、複数個の第１分岐路６８と、１個の第１集合路７０とを有する。第１分配路６６は、第１入口５６（第１入口連通路５６ａ）に連なる。複数個の第１分岐路６８は、第１分配路６６から分岐している。複数個の第１分岐路６８は、第１集合路７０に集まっている。第１集合路７０は、第１出口５８（第１出口連通路５８ａ）に連なる。このように、第１入口５６及び第１出口５８は、第１流路６４を介して連通する。

図２から理解されるように、ベースプレート５０ｂは、第２ＭＥＡ１０ｂのカソード電極１４（第１電極触媒層１８）を向く第２面４８を形成する。図４に示すように、第２面４８には、積層方向に沿って凹み、且つ該第２面４８の面方向に沿って延びる第２流路７２が形成される。第２流路７２は、複数個の第２分岐路７４を有する。複数個の第２分岐路７４は、例えば、第２入口６０（第２入口連通路６０ａ）にそれぞれ連なる。又は、図示例のように、第２入口６０と２個以上の第２分岐路７４との間に第２分配路７６を介在させてもよい。複数個の第２分岐路７４は、例えば、第２出口６２（第２出口連通路６２ａ）にそれぞれ連なる。又は、図示例のように、２個以上の第２分岐路７４と第２出口６２との間に第２集合路７８を介在させてもよい。

図３及び図４に示すように、本実施形態では、第１分岐路６８及び第２分岐路７４がヒートパイプ５２に対して直交する。

複数個の第２分岐路７４には、第１蓄熱部８０及び第２蓄熱部８２がそれぞれ設けられる。この場合、第１蓄熱部８０及び第２蓄熱部８２は、それぞれ、第２分岐路７４を起点とし、且つ積層体４４の積層方向に沿って凹んだ凹部からなる。すなわち、この場合、第１蓄熱部８０及び第２蓄熱部８２は、第２分岐路７４から積層体４４の積層方向に向かって延びる空間である。

第２蓄熱部８２の容積は、第１蓄熱部８０の容積よりも大きい。すなわち、蓄熱部は、第２入口６０から第２出口６２に向かって容積が大きくなる順に並ぶ。第２蓄熱部８２は、第１蓄熱部８０よりも多量の第２湿潤ガスを捕捉する。

なお、１個の第２分岐路７４に設けられる蓄熱部の個数は、図示例の２個に特に限定されない。第２分岐路７４に蓄熱部を設けることも必須ではない。また、第１分岐路６８に蓄熱部を設けてもよい。

ベースプレート５０ａ、５０ｂには、第１電気端子８４及び第２電気端子８６がそれぞれ設けられる。

図１に示すように、活性化装置４０は第１ガスライン９０を備える。第１ガスライン９０の一端には、水素ガス供給部９２と、窒素ガス供給部９４とが第１三方バルブ９６を介して接続される。水素ガス供給部９２は、例えば、水素ガスタンクである。窒素ガス供給部９４は、例えば、窒素ガスタンクである。第１ガスライン９０には第１加湿器９８が設けられる。水素ガス供給部９２及び第１加湿器９８は第１湿潤ガス供給部であり、第１加湿器９８にて湿分が付与された水素ガスは、第１活性化ガスとしての第１湿潤ガスである。

第１ガスライン９０の他端は、管継手を介して第１入口連通路５６ａに接続される。第１ガスライン９０の他端から第１入口連通路５６ａ（積層体４４の内部）に流入した第１湿潤ガス（湿潤水素ガス）は、個々の治具４２に形成された第１流路６４を流通する。

活性化装置４０は、第２ガスライン１００を備える。第２ガスライン１００の一端は、管継手を介して第１出口連通路５８ａに接続される。第２ガスライン１００の他端には、第１排気バルブ１０２を介して第１排気ライン１０４が設けられる。第１流路６４を流通した余剰の第１湿潤ガスは、第２ガスライン１００及び第１排気バルブ１０２を経て、第１排気ライン１０４から排出される。又は、第１排気ライン１０４に図示しない回収装置を設け、第１湿潤ガスを回収してもよい。

活性化装置４０は、第３ガスライン１１０を備える。第３ガスライン１１０の一端には、窒素ガス供給部１１２及び酸化剤ガス供給部１１４が第２三方バルブ１１６を介して接続される。窒素ガス供給部１１２は、例えば、上記と同様に窒素ガスタンクである。窒素ガスは不活性な第２ガスとして供給される。本実施形態では、第１ガスライン９０に接続される窒素ガス供給部９４と、第３ガスライン１１０に接続される窒素ガス供給部１１２とを別個に設けている。しかしながら、１個の窒素ガス供給部を第１ガスライン９０及び第３ガスライン１１０の双方に接続してもよい。

酸化剤ガス供給部１１４は、例えば、大気を圧縮するコンプレッサである。又は、酸化剤ガス供給部１１４は、酸素ガスボンベであってもよい。第３ガスライン１１０には、第２加湿器１１８が設けられる。酸化剤ガス供給部１１４及び第２加湿器１１８は、第２湿潤ガス供給部を構成する。第２加湿器１１８にて湿分を付与された酸化剤ガスは、第２活性化ガスとしての第２湿潤ガスである。

第３ガスライン１１０の他端は、管継手を介して第２入口連通路６０ａに接続される。第３ガスライン１１０の他端から第２入口連通路６０ａ（積層体４４の内部）に流入した第２湿潤ガス（湿潤酸化剤ガス）は、個々の治具４２に形成された第２流路７２を流通する。

活性化装置４０は、第４ガスライン１２０を備える。第４ガスライン１２０の一端は、管継手を介して第２出口連通路６２ａに接続される。第４ガスライン１２０の他端には、第２排気バルブ１２２を介して第２排気ライン１２４が設けられる。第２流路７２を流通した余剰の第２湿潤ガスは、第４ガスライン１２０及び第２排気バルブ１２２を経て、第２排気ライン１２４から排出される。又は、第２排気ライン１２４に図示しない回収装置を設け、第２湿潤ガスを回収してもよい。

活性化装置４０は、電気パラメータ検出部１３０と、制御部１３４とを有する。電気パラメータ検出部１３０は、例えば、電圧測定器１３６とを有する。１個の電圧測定器１３６は、１個の治具４２の第１電気端子８４と、別の１個の治具４２の第２電気端子８６とに対して電気的に接続され、これにより１個のＭＥＡ１０の電圧を測定する。以下、この電圧を便宜的に「セル電圧」と呼ぶ。電気パラメータ検出部１３０は、抵抗測定器、電流測定器又はインピーダンス測定器であってもよい。電気パラメータ検出部１３０は、これらの測定器を全て有してもよい。

活性化装置４０は、圧力パラメータ検出部１４０をさらに有する。圧力パラメータ検出部１４０は、アノード差圧計１４２とカソード差圧計１４４とを含む。

アノード差圧計１４２は、第１ガスライン９０のガス圧と第２ガスライン１００のガス圧との差圧を検出する。この差圧は、第１流路６４におけるアノード電極１６への入口と、第１流路６４におけるアノード電極１６からの出口との差圧に等しい。カソード差圧計１４４は、第３ガスライン１１０のガス圧と第４ガスライン１２０のガス圧との差圧を検出する。この差圧は、第２分岐路７４におけるカソード電極１４への入口と、第２分岐路７４におけるカソード電極１４からの出口との差圧に等しい。

制御部１３４は、熱供給部５４、電圧測定器１３６、アノード差圧計１４２及びカソード差圧計１４４に対して電気的に接続されている。電圧測定器１３６によって測定されたセル電圧に関する情報は、情報信号として制御部１３４に送信される。制御部１３４には、アノード差圧計１４２及びカソード差圧計１４４のそれぞれによって測定されたガス差圧に関する情報信号も入力される。

後述するように、本実施形態では発電エージングを行う。このため、積層体４４には、第１外部接続端子１５０及び第２外部接続端子１５２を介して、外部負荷１５４が電気的に接続される。

本実施形態に係る活性化装置４０は、基本的には以上のように構成される。次に、本実施形態に係る活性化装置４０の効果について説明する。

ＭＥＡ１０を活性化する場合、はじめに、作業者は、単位セルに組み上げられる前のＭＥＡ１０と治具４２とを交互に積層する。これにより積層体４４が形成される。積層体４４は、第１入口連通路５６ａ、第１出口連通路５８ａ、第２入口連通路６０ａ及び第２出口連通路６２ａを有する。第１入口連通路５６ａ、第１出口連通路５８ａ、第２入口連通路６０ａ及び第２出口連通路６２ａは、積層方向に沿って延びる。

作業者は、第１入口連通路５６ａに第１ガスライン９０を接続し、且つ第１出口連通路５８ａに第２ガスライン１００を接続する。同様に、作業者は、第２入口連通路６０ａに第３ガスライン１１０を接続し、且つ第２出口連通路６２ａに第４ガスライン１２０を接続する。

この状態で、作業者は、制御部１３４に対して「活性化を開始する」との指令信号を付与する。この指令信号に基づき、制御部１３４は、先ず、第１流路６４及び第２分岐路７４内の空気を湿潤窒素ガスに置換する。

指令信号が付与された制御部１３４は、第１三方バルブ９６を、窒素ガス供給部９４が第１ガスライン９０に連通する方向に動作させる。且つ制御部１３４は、第２三方バルブ１１６を、窒素ガス供給部１１２が第３ガスライン１１０に連通する方向に動作させる。また、制御部１３４は、第１排気バルブ１０２及び第２排気バルブ１２２を開く。

窒素ガス供給部９４から供給された窒素ガスは、第１加湿器９８を通過して湿潤窒素ガスとなった後、第１ガスライン９０を流通する。湿潤窒素ガスは、治具４２の第１入口連通路５６ａ（第１入口５６）を経て、第１流路６４に流入する。湿潤窒素ガスは、第１入口５６から第１分配路６６に移動し、次に、第１分配路６６から第１分岐路６８に分配される。湿潤窒素ガスの一部は、第１分岐路６８を流通する最中、第１ＭＥＡ１０ａのアノード電極１６の第２ガス拡散層２４を経て第２電極触媒層２２に到達する。これにより、アノード電極１６及び電解質膜１２に湿分が付与される。

第１分岐路６８を流通した余剰の湿潤窒素ガスは、第１集合路７０で合流する。合流した湿潤窒素ガスは、第１集合路７０から第１出口５８（第１出口連通路５８ａ）に移動する。湿潤窒素ガスは、さらに、第２ガスライン１００に流入した後、第１排気バルブ１０２を通過して第１排気ライン１０４から排出される。

窒素ガス供給部１１２から供給された窒素ガスは、第２加湿器１１８を通過して湿潤窒素ガスとなった後、第３ガスライン１１０を流通する。湿潤窒素ガスは、治具４２の第２入口連通路６０ａ（第２入口６０）を経て、第２流路７２（第２分岐路７４）に流入する。湿潤窒素ガスの一部は、第２分岐路７４を流通する最中、第２ＭＥＡ１０ｂのカソード電極１４の第１ガス拡散層２０を経て第１電極触媒層１８に到達する。これにより、カソード電極１４及び電解質膜１２に湿分が付与される。

第２分岐路７４を流通した余剰の湿潤窒素ガスは、例えば、第２出口６２（第２出口連通路６２ａ）で合流する。合流した湿潤窒素ガスは、第４ガスライン１２０に流入した後、第２排気バルブ１２２を通過して第２排気ライン１２４から排出される。

以上により、第１流路６４及び第２流路７２から空気が排出されて湿潤窒素ガスに置換される。所定時間の経過後、制御部１３４は、第１三方バルブ９６を、水素ガス供給部９２が第１ガスライン９０に連通する方向に動作させる。

水素ガス供給部９２から供給された水素ガスは、第１加湿器９８を通過して湿潤水素ガス（第１湿潤ガス）となった後、治具４２の第１入口連通路５６ａ（第１入口５６）を経て、第１流路６４に流入する。第１湿潤ガスが第１流路６４を流通する最中、第１湿潤ガスの一部が、第１ＭＥＡ１０ａのアノード電極１６の第２ガス拡散層２４を経て第２電極触媒層２２に到達する。従って、アノード電極１６及び電解質膜１２への湿分の付与が継続される。第１流路６４を流通した余剰の第１湿潤ガスは、第１出口連通路５８ａから第２ガスライン１００に移動した後、第１排気バルブ１０２を通過して第１排気ライン１０４から排出される。この第１湿潤ガスを、図示しない回収機構で回収してもよい。

また、制御部１３４は、第２三方バルブ１１６を切り替え、窒素ガス供給部１１２と第３ガスライン１１０との連通を遮断し、且つ酸化剤ガス供給部１１４と第３ガスライン１１０とを連通させる。これにより、酸素ガスを含んだ酸化剤ガス（典型的には圧縮空気）が供給される。酸化剤ガスは、第２加湿器１１８を通過して湿潤酸化剤ガス（第２湿潤ガス）となった後、治具４２の第２入口連通路６０ａを経て、第２流路７２（第２分岐路７４）に流入する。

第２湿潤ガスの一部は、第２分岐路７４を流通する最中、第２ＭＥＡ１０ｂのカソード電極１４の第１ガス拡散層２０を経て第１電極触媒層１８に到達する。従って、カソード電極１４及び電解質膜１２への湿分の付与が継続される。第２分岐路７４を流通した余剰の第２湿潤ガスは、第２出口連通路６２ａを経て第４ガスライン１２０に流入する。その後、第２湿潤ガスは、第２排気バルブ１２２を通過して第２排気ライン１２４から排出される。

第２湿潤ガスが第２分岐路７４を流通する最中、第２湿潤ガスの別の一部が、第１蓄熱部８０及び第２蓄熱部８２に個別に進入する。第２湿潤ガスの温度が数十℃～百数十℃であるので、この進入に伴い、第１蓄熱部８０及び第２蓄熱部８２が熱をそれぞれ蓄える。上記したように、第２蓄熱部８２の蓄熱容量は、第１蓄熱部８０の蓄熱容量よりも大きい。なお、第１蓄熱部８０及び第２蓄熱部８２に進入した第２湿潤ガスは、これら蓄熱部の内部に一時的に滞留する。

この場合、アノード電極１６の第２電極触媒層２２では、水素が電離してプロトン及び電子が生じる。プロトンは、電解質膜１２内を伝導し、カソード電極１４の第１電極触媒層１８に到達する。電子は、外部負荷１５４を経由してカソード電極１４の第１電極触媒層１８に到達する。該第１電極触媒層１８では、酸素、プロトン及び電子が化学的に結合し、水が生成される。

上記した電気化学反応は、発熱反応である。すなわち、ＭＥＡ１０が熱を帯びる。この熱が第１湿潤ガス及び第２湿潤ガスに伝達されると、第１湿潤ガス及び第２湿潤ガスの温度が上昇する。このとき、ヒートパイプ５２は、第１湿潤ガス及び第２湿潤ガスから熱を奪う。このように、ヒートパイプ５２は、通常、第１湿潤ガス及び第２湿潤ガスをそれぞれ冷却する。

制御部１３４は、ＭＥＡ１０のセル電圧に関する情報信号を常時受信している。制御部１３４は、セル電圧に基づいて濃度過電圧を求める。ＭＥＡ１０内の湿度の上昇に基づいて濃度過電圧が所定の上限値に到達したことを認識した制御部１３４は、「ＭＥＡ１０の加湿状態は、適正の上限である」と判断する。

制御部１３４には、アノード差圧計１４２によって測定された差圧と、カソード差圧計１４４によって測定された差圧とがさらに入力される。上記したように、アノード差圧計１４２によって測定された差圧は、第１流路６４におけるアノード電極１６への入口と、第１流路６４におけるアノード電極１６からの出口との差圧に等しい。カソード差圧計１４４によって測定された差圧は、第２分岐路７４におけるカソード電極１４への入口と、第２分岐路７４におけるカソード電極１４からの出口との差圧に等しい。どちらかの差圧が所定の上限値に到達した場合にも、制御部１３４は、「ＭＥＡ１０の加湿状態は、適正の上限である」と判断する。

上記のように判断した制御部１３４は、ヒートパイプ５２の温度を上昇させる。具体的に、制御部１３４は、熱供給部５４の発熱量を増加させることで、熱供給部５４からヒートパイプ５２に伝達される熱量を増加させる。

この制御により、ヒートパイプ５２から第１湿潤ガス及び第２湿潤ガスに付与される熱量が増加する。従って、第１湿潤ガスにおける実質的な露点温度及び第２湿潤ガスにおける実質的な露点温度が高くなる。その結果、第１湿潤ガス及び第２湿潤ガスにおいて、凝縮が起こり難くなる。これにより、第１流路６４及び第２流路７２内の各々の液水量が徐々に低減する。液水量が低減することに伴い、セル電圧に基づいて求められる濃度過電圧が小さくなる。

ここで、第１湿潤ガスにおける実質的な露点温度とは、第１流路６４の各箇所における第１湿潤ガスの局所的な露点温度である。同様に、第２湿潤ガスにおける実質的な露点温度とは、第２流路７２の各箇所における第２湿潤ガスの局所的な露点温度である。第１湿潤ガス及び第２湿潤ガスの各々の実質的な露点温度は、ヒートパイプ５２から第１湿潤ガス及び第２湿潤ガスの各々に付与される熱量によって定まる。

第１流路６４及び第２分岐路７４内の各々の液水量が過度に低減した場合、電解質膜１２が乾燥する懸念がある。そこで、制御部１３４は、濃度過電圧が所定の下限値に到達したとき、「ＭＥＡ１０の加湿状態は、適正の下限である」と判断する。なお、制御部１３４は、第１ガスライン９０と第２ガスライン１００との差圧が所定の下限値に達したときにも上記と同様に判断する。

上記のように判断した制御部１３４は、ヒートパイプ５２の温度を低下させる。具体的に、制御部１３４は、熱供給部５４の発熱量を減少させることで、熱供給部５４からヒートパイプ５２に伝達される熱量を減少させる。

この制御により、ヒートパイプ５２から第１湿潤ガス及び第２湿潤ガスに付与される熱量が減少する。従って、第１湿潤ガスにおける実質的な露点温度及び第２湿潤ガスにおける実質的な露点温度が低くなる。その結果、第１湿潤ガス及び第２湿潤ガスにおいて、凝縮が起こり易くなる。これにより、第１流路６４及び第２流路７２内の各々の液水量が徐々に増加する。液水量が増加することに伴い、セル電圧に基づいて求められる濃度過電圧が大きくなる。また、第１ガスライン９０と第２ガスライン１００との差圧が増大する。

ヒートパイプ５２は、熱付与又は熱付与停止に対する応答速度が大きい。従って、熱供給部５４からヒートパイプ５２に熱が付与されたとき、第１流路６４内の第１湿潤ガスの温度と、第２流路７２内の第２湿潤ガスの温度とが迅速に上昇する。これとは逆に、熱供給部５４からヒートパイプ５２への熱の付与が停止されたとき、第１流路６４内の第１湿潤ガスの温度と、第２流路７２内の第２湿潤ガスの温度とが迅速に下降する。

以上のようにして、第１湿潤ガス及び第２湿潤ガスの各温度が迅速に調節される。すなわち、第１湿潤ガス及び第２湿潤ガスの各々の温度を略一定に維持することができる。従って、第１流路６４及び第２流路７２の各々における液水量を適正量に保つことができるので、フラッディングが起こることが回避される。このように、本実施形態によれば、複数個のＭＥＡ１０を同時に活性化する場合において、治具４２の第１流路６４及び第２流路７２にフラッディングが起こることを防止することができる。

その結果、アノード電極１６の第２電極触媒層２２に十分な量の第１湿潤ガスが到達し、且つカソード電極１４の第１電極触媒層１８に十分な量の第２湿潤ガスが到達する。これにより、ＭＥＡ１０を十分に活性化することができる。

加えて、第２分岐路７４の途中には、第１蓄熱部８０及び第２蓄熱部８２が形成されている。第１蓄熱部８０及び第２蓄熱部８２には、第２湿潤ガスが進入することに伴って熱が蓄えられている。従って、第２分岐路７４を流通する第２湿潤ガスに対し、第１蓄熱部８０及び第２蓄熱部８２から熱が伝達される。第２蓄熱部８２の蓄熱容量が第１蓄熱部８０の蓄熱容量よりも大きいので、第２湿潤ガスには、第２出口６２に接近するにつれて大きな熱量が付与される。

従って、この態様では、第２湿潤ガスが第２出口６２に近接するにつれて該第２湿潤ガスに大きな熱量が付与される。従って、第２流路７２において、ヒートパイプ５２からの熱の付与量が急速に低減した場合であっても、特に第２出口６２の近傍で、実質的な露点温度が低下することが回避される。従って、第２流路７２においてフラッディングが起こることが抑制される。すなわち、複数個のＭＥＡ１０を同時に活性化する場合においても、フラッディングを防止することが容易である。

また、この態様では、第２出口６２に近接するにつれて蓄熱部の蓄熱容量を大きくしている。このため、第２流路７２では、第２入口６０から第２出口６２に向かって露点温度が高くなる。すなわち、第２流路７２では、第２湿潤ガスの上流から下流となるにつれて、実質的な露点温度に正の勾配が形成される。このため、第２流路７２において第２湿潤ガスの実質的な露点温度が低下したときであっても、第２流路７２の全体にわたって凝縮水（液水）が生じることが抑制される。

さらに、この態様においては、第２流路７２では第２出口６２の近傍で実質的な露点温度が最も高くなる。従って、第２出口６２では凝縮水が生じ難い。このため、第２出口６２が凝縮水で閉塞されることが回避される。従って、第２流路７２の途中で生じた凝縮水を、第２出口６２から速やかに排出することができる。

以上のようにしてＭＥＡ１０の活性化が終了した後、制御部１３４は、第１三方バルブ９６を制御することで、水素ガス供給部９２と第１ガスライン９０との連通を遮断し、且つ窒素ガス供給部９４と第１ガスライン９０とを連通させる。また、制御部１３４は第２三方バルブ１１６を制御し、第３ガスライン１１０と酸化剤ガス供給部１１４との連通を遮断し、且つ第３ガスライン１１０と窒素ガス供給部１１２とを連通させる。

この状態で、窒素ガス供給部９４から第１流路６４に窒素ガスが供給され、且つ窒素ガス供給部１１２から第２流路７２に窒素ガスが供給される。窒素ガスは湿潤窒素ガスとなり、アノード電極１６及びカソード電極１４に供給される。湿潤窒素ガスは、第２ガスライン１００及び第４ガスライン１２０を経て第１排気バルブ１０２及び第２排気バルブ１２２からそれぞれ排出される。以上により、第１流路６４及び第２流路７２が湿潤窒素ガスで置換される。

本実施形態では、ヒートパイプ５２が第１分岐路６８及び第２分岐路７４に対して直交する方向に延びる態様を例示している。しかしながら、ヒートパイプ５２の延びる方向はこれに特に限定されない。例えば、図６及び図７に示すように、ヒートパイプ５２は、第１分岐路６８及び第２分岐路７４に対して平行に延びていてもよい。なお、図６及び図７において、図１～図５に示される構成要素と同一の構成要素には同一の参照符号を付している。

この態様では、熱供給部５４を、例えば、第１入口５６と第２出口６２との間に配置することが可能である。この場合、熱供給部５４の少なくとも一部（好ましくは全部）が治具４２内に収まる。このため、活性化装置４０の小型化を図ることができる。

以上説明したように、本実施形態は、燃料電池を構成するアノード電極（１６）及びカソード電極（１４）の間に電解質膜（１２）が挟まれた電解質膜・電極構造体（１０）を活性化するための活性化装置（４０）において、互いの間に前記電解質膜・電極構造体を挟んだ状態で積層される複数個の治具（４２）と、前記複数個の治具の各々に設けられたヒートパイプ（５２）と、前記ヒートパイプに熱を付与する熱供給部（５４）と、前記熱供給部から前記ヒートパイプに付与される熱を制御する制御部（１３４）と、第１活性化ガスを供給する第１活性化ガス供給源と、第２活性化ガスを供給する第２活性化ガス供給源と、を備え、前記複数個の治具の各々は、前記アノード電極を向く第１面（４６）と、前記カソード電極を向く第２面（４８）と、該複数個の治具の積層方向に沿って延び且つ前記第１活性化ガスが流入する第１入口（５６）と、前記第１面に沿って延び且つ前記第１入口に連通する第１流路（６４）と、前記積層方向に沿って延び且つ前記第１流路を流通した前記第１活性化ガスが流出する第１出口（５８）と、前記積層方向に沿って延び且つ前記第２活性化ガスが流入する第２入口（６０）と、前記第２面に沿って延び且つ前記第２入口に連通する第２流路（７２）と、前記積層方向に沿って延び且つ前記第２流路を流通した前記第２活性化ガスが流出する第２出口（６２）と、を有し、前記第１流路及び前記第２流路は、前記ヒートパイプに対して平行又は交差する方向に延び、前記複数個の治具の各々の前記第１面又は前記第２面を見たとき、前記第１入口、前記第１出口、前記第２入口及び前記第２出口は、前記ヒートパイプの延在方向において互いに離間し、且つ前記延在方向に直交する方向において互いに離間する、活性化装置を開示する。

ヒートパイプは、入熱又は出熱に対する応答速度が大きい。従って、ヒートパイプと、第１活性化ガス及び第２活性化ガスとの間で熱を授受することで、第１活性化ガス及び第２活性化ガスの各々の温度を迅速に調節することができる。すなわち、第１活性化ガス及び第２活性化ガスの各々の温度が所定の範囲内に調節される。

これにより、第１活性化ガス及び第２活性化ガスの実質的な露点温度が適切な温度範囲に調整される。その結果、治具における第１流路及び第２流路の液水量が適切な範囲に保たれる。従って、第１流路及び第２流路においてフラッディングが生じることを回避しつつ、複数個の電解質膜・電極構造体に対して適切に湿分を付与することが可能である。このようにして、複数個の電解質膜・電極構造体を同時に活性化することができる。

本実施形態は、前記第１流路は複数個の第１分岐路（６８）を有し、前記複数個の第１分岐路は、前記第１入口又は第１分配路（６６）から分岐し且つ第１集合路（７０）又は前記第１出口で集合し、前記第２流路は複数個の第２分岐路（７４）を有し、前記複数個の第２分岐路は、前記第２入口又は第２分配路（７６）から分岐し且つ第２集合路（７８）又は前記第２出口で集合する、活性化装置を開示する。

第１分岐路及び第２分岐路により、電解質膜・電極構造体における広範囲に第１活性化ガス及び第２活性化ガスを到達させることができる。すなわち、電解質膜・電極構造体を広範囲にわたって活性化することができる。また、第１分岐路を集合させることで、第１活性化ガスが流入する第１入口が１箇所に集約される。第１活性化ガスが流出する第１出口も１箇所に集約される。第２分岐路についても同様である。従って、治具の小型化を図ることができる。

しかも、複数個の治具を積層したとき、第１入口、第１出口、第２入口及び第２出口の位置を揃えることで、治具の積層方向に延びる第１入口連通路、第１出口連通路、第２入口連通路及び第２出口連通路を容易に形成することができる。

本実施形態は、前記第１流路又は前記第２流路の少なくともいずれかに設けられた蓄熱部（８０、８２）を有する、活性化装置を開示する。

ヒートパイプは、熱付与又は熱付与停止に対する応答速度が大きい。従って、活性化装置のガス流路を流通する活性化ガスの温度をヒートパイプで制御した場合、活性化ガスの局所的な温度（実質的な露点温度）が略均一となると推測される。この場合において、ヒートパイプから活性化ガスに付与される熱量が急速に低下したとき、ガス流路内における活性化ガスの実質的な露点温度が一斉に低下して、ガス流路の全体にわたって凝縮水が発生することがあり得る。この現象に起因して、熱の入出に対するヒートパイプの応答速度が大きいにも拘わらず、フラッディングが起こることが想定される。特に、トラック等の大型車両に搭載される燃料電池スタックでは、ＭＥＡが大型化する。このようなＭＥＡを活性化する場合、活性化装置におけるガス流路の流路長が比較的長くなる。流路長が長いガス流路において凝縮水が発生すると、その発生量が多いのでフラッディングが発生し易くなる懸念がある。

これに対し、蓄熱部を設けた態様においては、ガス流路を流通する活性化ガスに対し、蓄熱部の熱が伝達される。この熱伝達に伴い、活性化ガスの実質的な露点温度が上昇する。その結果、ガス流路内で水蒸気が凝縮することが一層抑制される。従って、フラッディングを防止することが一層容易である。

本実施形態は、前記蓄熱部は、前記第１流路又は前記第２流路を起点として該第１流路又は該第２流路から離間するように凹んだ１個以上の凹部である、活性化装置を開示する。

この場合、凹部に活性化ガスが進入する。活性化ガスは数十℃～百数十℃であるので、蓄熱部が熱を蓄える。このように、この構成によれば、蓄熱部を構成することが容易である。

本実施形態は、前記蓄熱部は、前記第１流路又は前記第２流路を起点として該第１流路又は前記第２流路から離間するように凹んだ２個以上の凹部であり、前記２個以上の凹部の蓄熱容量が互いに相違し、前記２個以上の凹部は、前記第１流路において前記第１入口から前記第１出口に向かって、蓄熱容量が小さい凹部から蓄熱容量が大きい凹部の順で並ぶか、又は、前記第２流路において前記第２入口から前記第２出口に向かって、蓄熱容量が小さい凹部から蓄熱容量が大きい凹部の順で並ぶ、活性化装置を開示する。

この場合、第１流路又は前記第２流路（ガス流路）の上流から下流となるにつれて実質的な露点温度が高くなる。すなわち、実質的な露点温度に正の温度勾配が形成される。このため、ガス流路の入口から出口に向かうに従って、活性化ガスから凝縮水が発生し難くなる。このような理由から、ガス流路の全体にわたって一斉に凝縮水が発生することが回避される。しかも、ガス流路の出口近傍で実質的な露点温度を高くすることができるので、ガス流路の出口において凝縮水の発生が抑制される。従って、ガス流路の出口が凝縮水で閉塞されることが回避される。このため、ガス流路の途中で活性化ガスから凝縮水が発生する状況であっても、該凝縮水を速やかに出口から排出することができる。

特に、発電エージングでは、活性化の進行に伴って、カソード電極において水が生成される。このため、フラッディングは、カソード電極を向く第２流路の第２出口近傍で発生し易い。しかしながら、上記の構成においては、第１流路又は第２流路を流通して第１出口近傍又は第２出口近傍に到達した活性化ガスに対し、第１出口近傍又は第２出口近傍に位置する蓄熱部から大きな熱量を付与することが可能である。このため、出口近傍で活性化ガスの実質的な露点温度が低下することを回避することができる。これにより、フラッディングが発生することが一層抑制される。

本実施形態は、前記第１流路及び前記第２流路と前記ヒートパイプとが交差するように延び、且つ前記熱供給部が前記ヒートパイプの前記延在方向の端部に配置される、活性化装置を開示する。

本実施形態は、前記第１流路及び前記第２流路と前記ヒートパイプとが平行に延び、且つ前記熱供給部が前記第１入口、前記第１出口、前記第２入口、前記第２出口のうち２個の間に配置される、活性化装置を開示する。

いずれの場合においても、治具からの熱供給部の突出量を小さくすることが可能である。従って、治具及び活性化装置の小型化を図ることができる。

典型的には、第１入口及び第１出口は、互いに対角となる位置に形成される。第２入口及び第２出口も同様に、互いの対角となる位置に形成される。すなわち、本実施形態は、前記第１入口と前記第１出口とが対角の位置関係にあり、且つ前記第２入口と前記第２出口とが対角の位置関係にある、活性化装置を開示する。

この場合、アノード電極の全体にわたって第１活性化ガスを万遍なく接触させることが容易である。同様に、カソード電極の全体にわたって第２活性化ガスを万遍なく接触させることが容易である。従って、ＭＥＡを全体にわたって略均等に活性化することができる。

なお、本発明は、上述した開示に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得る。

１０、１０ａ、１０ｂ…電解質膜・電極構造体 １２…電解質膜
１４…カソード電極 １６…アノード電極
４０…活性化装置 ４２…治具
４４…積層体 ４６…第１面
４８…第２面 ５２…ヒートパイプ
５４…熱供給部 ５６…第１入口
５６ａ…第１入口連通路 ５８…第１出口
５８ａ…第１出口連通路 ６０…第２入口
６０ａ…第２入口連通路 ６２…第２出口
６２ａ…第２出口連通路 ６４…第１流路
６６…第１分配路 ６８…第１分岐路
７０…第１集合路 ７２…第２流路
７４…第２分岐路 ７６…第２分配路
７８…第２集合路 ８０…第１蓄熱部
８２…第２蓄熱部 ９０…第１ガスライン
９２…水素ガス供給部 ９８…第１加湿器
１００…第２ガスライン １１０…第３ガスライン
１１４…酸化剤ガス供給部 １１８…第２加湿器
１２０…第４ガスライン １３０…電気パラメータ検出部
１３４…制御部 １３６…電圧測定器
１４０…圧力パラメータ検出部 １４２…アノード差圧計
１４４…カソード差圧計 １５４…外部負荷

Claims (8)

1. 燃料電池を構成するアノード電極及びカソード電極の間に電解質膜が挟まれた電解質膜・電極構造体を活性化するための活性化装置において、
   互いの間に前記電解質膜・電極構造体を挟んだ状態で積層される複数個の治具と、
   前記複数個の治具の各々に設けられたヒートパイプと、
   前記ヒートパイプに熱を付与する熱供給部と、
   前記熱供給部から前記ヒートパイプに付与される熱を制御する制御部と、
   第１活性化ガスを供給する第１活性化ガス供給源と、
   第２活性化ガスを供給する第２活性化ガス供給源と、
   を備え、
   前記複数個の治具の各々は、前記アノード電極を向く第１面と、
   前記カソード電極を向く第２面と、
   該複数個の治具の積層方向に沿って延び且つ前記第１活性化ガスが流入する第１入口と、
   前記第１面に沿って延び且つ前記第１入口に連通する第１流路と、
   前記積層方向に沿って延び且つ前記第１流路を流通した前記第１活性化ガスが流出する第１出口と、
   前記積層方向に沿って延び且つ前記第２活性化ガスが流入する第２入口と、
   前記第２面に沿って延び且つ前記第２入口に連通する第２流路と、
   前記積層方向に沿って延び且つ前記第２流路を流通した前記第２活性化ガスが流出する第２出口と、
   を有し、
   前記第１流路及び前記第２流路は、前記ヒートパイプに対して平行又は交差する方向に延び、
   前記複数個の治具の各々の前記第１面又は前記第２面を見たとき、前記第１入口、前記第１出口、前記第２入口及び前記第２出口は、前記ヒートパイプの延在方向において互いに離間し、且つ前記延在方向に直交する方向において互いに離間する、活性化装置。
2. 請求項１記載の活性化装置において、前記第１流路は複数個の第１分岐路を有し、前記複数個の第１分岐路は、前記第１入口又は第１分配路から分岐し且つ第１集合路又は前記第１出口で集合し、前記第２流路は複数個の第２分岐路を有し、前記複数個の第２分岐路は、前記第２入口又は第２分配路から分岐し且つ第２集合路又は前記第２出口で集合する、活性化装置。
3. 請求項１又は２記載の活性化装置において、前記第１流路又は前記第２流路の少なくともいずれかに設けられた蓄熱部を有する、活性化装置。
4. 請求項３記載の活性化装置において、前記蓄熱部は、前記第１流路又は前記第２流路を起点として該第１流路又は該第２流路から離間するように凹んだ１個以上の凹部である、活性化装置。
5. 請求項３記載の活性化装置において、前記蓄熱部は、前記第１流路又は前記第２流路を起点として該第１流路又は前記第２流路から離間するように凹んだ２個以上の凹部であり、
   前記２個以上の凹部の蓄熱容量が互いに相違し、
   前記２個以上の凹部は、前記第１流路において前記第１入口から前記第１出口に向かって、蓄熱容量が小さい凹部から蓄熱容量が大きい凹部の順で並ぶか、又は、前記第２流路において前記第２入口から前記第２出口に向かって、蓄熱容量が小さい凹部から蓄熱容量が大きい凹部の順で並ぶ、活性化装置。
6. 請求項１記載の活性化装置において、前記第１流路及び前記第２流路と前記ヒートパイプとが交差するように延び、且つ前記熱供給部が前記ヒートパイプの前記延在方向の端部に配置される、活性化装置。
7. 請求項１記載の活性化装置において、前記第１流路及び前記第２流路と前記ヒートパイプとが平行に延び、且つ前記熱供給部が前記第１入口、前記第１出口、前記第２入口、前記第２出口のうち２個の間に配置される、活性化装置。
8. 請求項１記載の活性化装置において、前記第１入口と前記第１出口とが対角の位置関係にあり、且つ前記第２入口と前記第２出口とが対角の位置関係にある、活性化装置。

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