WO2020138338A1 - 燃料電池の活性化方法及び活性化装置 - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell activation method and an activation device. More specifically, the present invention relates to a method and an apparatus for activating a fuel cell including an electrolyte layer containing a solid polymer and an anode electrode and a cathode electrode provided on both sides of the electrolyte layer.
  • a fuel cell is formed by sandwiching an electrolyte membrane/electrode structure (so-called MEA) formed by disposing an electrolyte layer containing a solid polymer between an anode electrode and a cathode electrode with a pair of separators. .. Further, the fuel cell stack is configured by stacking a plurality of such fuel cells, and is mounted, for example, as a power source of a vehicle.
  • MEA electrolyte membrane/electrode structure
  • the power generation performance immediately after assembling the fuel cell or the fuel cell stack (hereinafter, these are also simply referred to as "fuel cell” unless it is necessary to distinguish between the cell and the stack) is low. Therefore, after the fuel cell is assembled, various activation treatments (aging) are performed in order to enhance its power generation performance.
  • the fuel cell can be activated by a simple activation device
  • hydrogen cross- leaks from the anode electrode to the cathode electrode and the anode electrode Since the potential difference between the cathode electrode and the cathode electrode becomes small, the aging effect is low, and activation may take time.
  • hydrogen remaining on the cathode electrode directly reacts with oxygen in the air newly supplied to the cathode electrode, The heat generation may deteriorate the fuel cell.
  • An object of the present invention is to provide an activation method and an activation device that can activate the fuel cell in a short time while suppressing deterioration of the fuel cell.
  • a method for activating a fuel cell is an electrolyte layer containing a solid polymer (for example, an electrolyte membrane 24 described below) and the electrolyte.
  • a fuel cell including an anode electrode (for example, an anode electrode 25 described later) provided on one surface of the layer and a cathode electrode (for example, a cathode electrode 26 described below) provided on the other surface of the electrolyte layer.
  • a cathode electrode for example, a cathode electrode 26 described below
  • a first energizing step of electrically connecting and energizing the anode electrode and the cathode electrode via an external electric load for example, an external electric load 6 described later
  • an external electric load for example, an external electric load 6 described later
  • a potential difference is generated between the anode electrode and the cathode electrode.
  • a mixture of an oxidant gas and an inert gas is supplied to the cathode electrode as a gas on the cathode side, and the first energizing step transitions to the second energizing step. In doing so, it is preferable to turn off the supply of the oxidant gas while continuing the supply of the inert gas.
  • the second energization step is performed, after the state in which the potential difference between the anode electrode and the cathode electrode is equal to or less than the predetermined voltage continues for a predetermined time, the second energization step is performed. It is preferable to shift to the first energization step.
  • the activation device (for example, the activation device 3 described later) of the fuel cell (for example, the fuel cell 2 and the fuel cell stack 1 described later) according to the present invention has an electrolyte layer (for example, an activation device 3 described below) containing a solid polymer.
  • a cathode electrode 26 for activating a fuel cell, the external electrical load (for example, an external electrical load 6 described later) electrically connecting the anode electrode and the cathode electrode, and hydrogen gas.
  • a hydrogen gas supply source for example, a hydrogen gas supply source 41 described later for supplying the gas, and an anode-side gas supply path (for example, a hydrogen gas supply path 42 described later) that connects the anode electrode and the hydrogen gas supply source.
  • An oxidant gas supply source for example, an air pump 51 described below
  • an inert gas supply source for example, a nitrogen gas supply source 52 described below
  • a cathode-side gas supply path (for example, a cathode-side gas supply path 54 described later) that connects the oxidant gas supply source and the inert gas supply source, and an oxidant from the oxidant gas supply source to the cathode electrode.
  • a control means for example, a control device 53 described later for alternately turning on or off the supply of gas.
  • the activation device further includes a voltage sensor (for example, a cell voltage sensor 7 described later) that detects a potential difference between the anode electrode and the cathode electrode, and the control unit includes the oxidation unit. It is preferable that the supply of the oxidant gas is turned on after the state in which the potential difference is lowered to the predetermined voltage or lower continues for a predetermined time while the supply of the agent gas is turned off.
  • a voltage sensor for example, a cell voltage sensor 7 described later
  • both electrodes are supplied with an external electric load in a state where a potential difference is generated between the two electrodes by supplying hydrogen gas to the anode electrode and oxidizing gas to the cathode electrode.
  • a second energizing step of electrically connecting and energizing via the external electric load, thereby activating the fuel cell.
  • the activation method of the present invention as compared with the activation method described in Patent Document 1 (hereinafter, also referred to as "conventional activation method") that intermittently supplies air to the cathode electrode,
  • the fuel cell can be activated in a short time while suppressing the deterioration of the fuel cell.
  • a potential difference can be generated between the two electrodes by utilizing the difference in hydrogen concentration between the anode electrode supplied with hydrogen gas and the cathode electrode supplied with inert gas.
  • both electrodes are electrically connected via an external electric load in the state where the current occurs, both electrodes are energized with a smaller current and a smaller amount of supplied anode gas and cathode gas than in normal power generation. It will be possible.
  • the water produced by the electrode reaction due to the difference in hydrogen concentration can be supplied to the electrode catalyst and the electrolyte layer included in the anode electrode and the cathode electrode, so that the electrolyte layer can be kept in a wet state and good protons can be obtained. It is possible to generate conductivity and to supply water to the three-phase interface of the electrode catalyst, the electrolyte layer, and the hydrogen gas or the oxidant gas, which become the reaction site during power generation of the fuel cell, and thus, to make the fuel cell efficient. Can be activated.
  • the activation method of the present invention since the cross leak from the anode electrode can be suppressed by supplying the inert gas in the second energization step, the hydrogen concentration difference can be kept high, and the high activation effect can be obtained. Can be maintained. Further, in the activation method of the present invention, since the cross leak can be suppressed in this way, the direct reaction between the oxidant gas and hydrogen can be suppressed, and consequently the deterioration of the fuel cell can also be suppressed. Therefore, according to the activation method of the present invention, it is possible to activate the fuel cell in a shorter time than the conventional activation method while suppressing the deterioration of the fuel cell.
  • the first energizing step and the second energizing step are alternately repeated a plurality of times, so that the fuel cell is activated more quickly than when both steps are performed once. Can be converted.
  • the first energization step a mixture of an oxidant gas and an inert gas is supplied to the cathode electrode as a gas on the cathode side, and the first energization step to the second energization step.
  • the first energizing step and the second energizing step can be alternately repeated a plurality of times only by alternately turning on and off the supply of the oxidant gas, so that a simple configuration is achieved.
  • the fuel cell can be activated with.
  • the activation method of the present invention during the second energizing step, the state in which the potential difference between both electrodes is equal to or lower than the predetermined voltage continues for a predetermined time, and then the second energizing step transitions to the first energizing step.
  • the fuel cell can be made into a hydrogen concentration cell for an appropriate time, so that the fuel cell can be efficiently activated.
  • an external electric load that electrically connects the anode electrode and the cathode electrode, and a cathode-side gas supply that connects the cathode electrode to the oxidant gas supply source and the inert gas supply source
  • a control means for alternately turning on and off the supply of the oxidant gas from the oxidant gas supply source to the cathode electrode.
  • the control means turns on the supply of the oxidant gas after the state in which the potential difference has dropped to the predetermined voltage or less continues for a predetermined time when the supply of the oxidant gas is turned off.
  • the fuel cell can be a hydrogen concentration cell for an appropriate period of time, so that the fuel cell can be efficiently activated.
  • FIG. 6 is a flowchart showing a specific procedure of an activation method according to an embodiment of the present invention. It is a figure which shows an example of a change of the cell average voltage of a fuel cell stack at the time of performing a 1st electricity supply process after performing a 2nd electricity supply process.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration of the fuel cell stack 1 and its activation device 3.
  • the fuel cell stack 1 is configured by stacking a plurality of fuel battery cells 2.
  • FIG. 1 shows only a part of the plurality of fuel cells 2. In the following, the case of activating the fuel cell stack 1 will be described, but the present invention is not limited to this.
  • the present invention may activate the individual fuel cells 2 that make up the fuel cell stack 1.
  • the fuel cell 2 includes an electrolyte membrane/electrode structure 21 (hereinafter, referred to as “MEA 21”), and a first separator 22 and a second separator 23 that sandwich the MEA 21.
  • the MEA 21 includes, for example, an electrolyte membrane 24 as an electrolyte layer containing a solid polymer such as a perfluorosulfonic acid thin film, an anode electrode 25 provided on one surface of the electrolyte membrane 24, and the other surface of the electrolyte membrane 25. And a cathode electrode 26 provided in the.
  • the anode electrode 25 is a porous body including a first electrode catalyst layer 25a facing one surface of the electrolyte membrane 24 and a first gas diffusion layer 25b laminated on the first electrode catalyst layer 25a.
  • the cathode electrode 26 is a porous body including a second electrode catalyst layer 26a facing the other surface of the electrolyte membrane 24 and a second gas diffusion layer 26b laminated on the second electrode catalyst layer 26a.
  • the first electrode catalyst layer 25a and the second electrode catalyst layer 26a include, for example, catalyst particles (electrode catalyst) configured by supporting a catalyst metal such as platinum on a carbon catalyst carrier such as carbon black (electrode catalyst), and high ion conductivity. And a molecular binder.
  • the electrode catalyst may be made of only a catalyst metal such as platinum black and may not include a catalyst carrier.
  • Electrodes such as 2Pt+H 2 O+1/2O 2 +e ⁇ ⁇ 2Pt(OH ⁇ ), Pt(OH ⁇ )+H 3 O + ⁇ Pt+2H 2 O, etc. Occurs.
  • This electrode reaction is promoted by supplying water to the surface of the electrode catalyst and allowing water to exist at the three-phase interface.
  • the three-phase interface is the interface between the electrode catalyst serving as a reaction site, the electrolyte membrane 24, and the hydrogen gas or the oxidant gas during the actual power generation of the fuel cell stack 1.
  • the anode side gas containing hydrogen gas is supplied to the anode electrode 25 and the cathode side gas containing oxidant gas is supplied to the cathode electrode 26. The time to actually get power from.
  • the first gas diffusion layer 25b and the second gas diffusion layer 26b are made of, for example, carbon paper or carbon cloth.
  • the first gas diffusion layer 25b is arranged so as to face the first separator 22, and the second gas diffusion layer 26b is arranged so as to face the second separator 23.
  • carbon separators are used as the first separator 22 and the second separator 23, for example, metal separators may be used instead.
  • An anode side gas inlet communication hole (not shown) for supplying the anode side gas and an anode side gas for discharging the anode side gas are formed on the surface of the first separator 22 facing the first gas diffusion layer 25b.
  • An anode-side gas flow channel 27 that communicates with the outlet communication hole (not shown) is formed.
  • a cathode-side gas inlet communication hole (not shown) for supplying the cathode-side gas and a cathode-side gas for discharging the cathode-side gas are formed on the surface of the second separator 23 facing the second gas diffusion layer 26b.
  • a cathode-side gas flow channel 28 that communicates with the outlet communication hole (not shown) is formed.
  • a cooling medium inlet communication hole for supplying a cooling medium is provided between the surfaces of the first separator 22 and the second separator 23 of each fuel cell 2 that face each other.
  • a cooling medium outlet communication hole for discharging this cooling medium are integrally formed with a coolant passage 29.
  • the activation device 3 supplies the anode gas to the anode gas passage 27 of the fuel cell stack 1 and the cathode gas to the cathode gas passage 28 of the fuel cell stack 1.
  • the device 8 is provided.
  • the external electric load 6 electrically connects the anode electrode 25 and the cathode electrode 26 of the fuel cell stack 1 and energizes between the electrodes 25, 26.
  • the external electric load 6 supplies the anode-side gas from the anode-side gas supply device 4 to the anode electrode 25 and the cathode-side gas from the cathode-side gas supply device 5 to the cathode electrode 26.
  • a potential difference occurs between the cathode electrode 26 and the anode electrode 26
  • a current flows from the cathode electrode 26 to the anode electrode 25.
  • this external electric load 6 it is possible to maintain the current flowing between the electrodes 25 and 26 at a predetermined magnitude.
  • the cell voltage sensor 7 detects a cell voltage generated between the anode electrode 25 and the cathode electrode 26 for each fuel battery cell 2, and outputs a detection signal corresponding to the magnitude of the cell voltage to the cathode side gas supply device 5. To a control device 53, which will be described later.
  • the cell average voltage which is the average of the cell voltages of the fuel cells 2, is calculated by the control device 53 based on the detection signal from the cell voltage sensor 7.
  • the temperature adjusting device 8 adjusts the temperature of the fuel cell stack 1 by supplying the heat transfer medium adjusted to a predetermined temperature to the refrigerant passage 29 of the fuel cell stack 1.
  • the anode-side gas supply device 4 supplies the anode-side gas containing hydrogen gas to the anode-side gas flow path 27.
  • the anode-side gas supply device 4 includes a hydrogen gas supply source 41 that supplies hydrogen gas, a hydrogen gas supply path 42 that connects the hydrogen gas supply source 41 and the anode-side gas flow path 27, and the hydrogen gas supply path 42.
  • the provided anode side humidifier 43 is provided.
  • the hydrogen gas supply source 41 includes a hydrogen gas tank (not shown) that stores hydrogen gas at a high pressure, and a flow rate adjusting valve (not shown) that adjusts the flow rate of the hydrogen gas supplied from the hydrogen gas tank to the hydrogen gas supply passage 42. ) Etc.
  • the hydrogen gas supply path 42 is a pipe connecting the hydrogen gas supply source 41 and the anode gas flow path 27, and guides the hydrogen gas supplied from the hydrogen gas supply source 41 to the anode gas flow path 27.
  • the anode side humidifier 43 mixes the hydrogen gas supplied from the hydrogen gas supply source 41 and water vapor, and adjusts the dew point of the anode side gas.
  • the anode-side gas supply device 4 uses the hydrogen gas supply source 41, the hydrogen gas supply path 42, and the anode-side humidifier 43 to discharge the anode-side gas adjusted to a predetermined dew point at a predetermined flow rate. Supply to the gas flow path 27.
  • the cathode-side gas supply device 5 supplies the cathode-side gas including air as an oxidant gas and nitrogen gas as an inert gas to the cathode-side gas flow path 28.
  • the cathode side gas supply device 5 includes an air pump 51 for supplying air, a nitrogen gas supply source 52 for supplying nitrogen gas, a control device 53 for controlling the air pump 51, the air pump 51, the nitrogen gas supply source 52, and the cathode.
  • the cathode-side gas supply path 54 that connects the side-side gas flow path 28, and the cathode-side humidifier 55 and the mixer 56 provided in the cathode-side gas supply path 54 are provided.
  • the cathode-side gas supply passage 54 has a first passage 54a that connects the air pump 51 and the cathode-side gas passage 28, and a second passage 54b that connects the nitrogen gas supply source 52 and the first passage 54a. Equipped with.
  • the air pump 51 compresses air according to a command from the control device 53, and supplies the compressed air to the cathode-side gas passage 28 via the first passage 54a.
  • the control device 53 adjusts the flow rate of the air supplied to the first flow path 54a by controlling the rotation speed of the air pump 51.
  • the control device 53 can alternately turn on or off the supply of air from the air pump 51 to the cathode-side gas passage 28. Note that, in the present embodiment, a case will be described in which the control device 53 controls the rotation speed of the air pump 51 to alternately turn on or off the supply of air from the air supply source to the cathode-side gas flow channel 28.
  • the present invention is not limited to this.
  • a flow rate control valve When a flow rate control valve is provided in the air flow path that connects the air supply source and the cathode side gas flow path 28, the opening of the flow rate control valve is controlled so that the air supply source moves to the cathode side.
  • the supply of air to the gas passage 28 may be alternately turned on or off.
  • the nitrogen gas supply source 52 includes a nitrogen gas tank (not shown) that stores nitrogen gas at a high pressure, and a flow rate adjusting valve (not shown) that adjusts the flow rate of the nitrogen gas supplied from the nitrogen gas tank to the second flow path 54b. ) Etc.
  • the cathode-side humidifier 55 is provided in the first flow path 54a, mixes the air supplied from the air pump 51 with water vapor, and adjusts the dew point of the air flowing through the first flow path 54a.
  • the mixer 56 is provided on the cathode-side gas passage 28 side of the first passage 54a with respect to the cathode-side humidifier 55.
  • the mixer 56 mixes the air supplied from the air pump 51 via the first flow path 54a and the nitrogen gas supplied from the nitrogen gas supply source 52 via the second flow path 54b, and the cathode side gas flow. Supply to the path 28.
  • the cathode side gas supply device 5 is adjusted to a predetermined dew point by using the air pump 51, the nitrogen gas supply source 52, the control device 53, the cathode side gas supply passage 54, the cathode side humidifier 55, and the mixer 56.
  • the cathode side gas is supplied to the cathode side gas passage 28 at a predetermined flow rate.
  • FIG. 2 is a flowchart showing a specific procedure of the activation method according to this embodiment.
  • the anode electrode 25 and the cathode electrode 26 of the fuel cell stack 1 are electrically connected by the external electric load 6.
  • the fuel cell stack 1 is maintained at a predetermined temperature by supplying the heat transfer medium adjusted to a predetermined temperature to the refrigerant passage 29 of the fuel cell stack 1 by the temperature adjusting device 8.
  • the first energization process is executed for a predetermined time.
  • the anode gas is supplied from the anode gas supply device 4 to the anode gas flow path 27, and the cathode gas is supplied from the cathode gas supply device 5 to the cathode gas flow path 28.
  • a potential difference is generated between the anode electrode 25 and the cathode electrode 26, and the electrodes 25, 26 are energized via the external electric load 6.
  • the anode gas supply device 4 supplies the anode gas, which has a predetermined dew point by mixing hydrogen gas and water vapor, to the anode gas flow passage 27 at a predetermined flow rate. ..
  • the cathode-side gas supply device 5 uses the mixture of air adjusted to a predetermined dew point and a predetermined flow rate and nitrogen gas adjusted to a predetermined flow rate as the cathode-side gas. Supply to the gas flow path 28.
  • the anode side gas supply device 4 and the cathode side supply device 5 are arranged so that the pressure difference between the anode side gas flow passage 27 and the cathode side gas flow passage 28 is maintained at a predetermined value. Anode side gas and cathode side gas are supplied.
  • the anode side gas containing hydrogen gas is supplied to the anode electrode 25, and the cathode side gas containing the oxidant gas is supplied to the cathode electrode 26, so that the fuel cell stack 1 performs normal power generation.
  • This is a so-called normal power generation aging step that promotes activation of the fuel cell stack 1 by performing it.
  • the second energization process is executed for a predetermined time.
  • the anode side gas is supplied from the anode side gas supply apparatus 4 to the anode side gas flow path 27, and at the same time as the above-described first energization step from the cathode side gas supply apparatus 5 to the cathode side gas flow path 28.
  • the cathode side gas of different components By supplying the cathode side gas of different components, a potential difference is generated between the anode electrode 25 and the cathode electrode 26, and the electrodes 25, 26 are energized via the external electric load 6.
  • the flow rate ratio of air and nitrogen gas (flow rate of air/flow rate of nitrogen gas) in the cathode side gas supplied to the cathode side gas flow path 28 is smaller in the second energizing step than in the first energizing step. Is set to. As will be described later with reference to Example 4, more efficient activation can be realized as the flow rate ratio between the air of the cathode side gas and the nitrogen gas in the second energization step is reduced. Therefore, in the following, when the flow rate ratio of the air of the cathode side gas and the nitrogen gas supplied to the cathode side gas flow path 28 in the second energization step is set to 0 (that is, the air supply in the second energization step is turned off. However, the present invention is not limited to this.
  • the anode gas supply device 4 supplies the anode gas, which has a predetermined dew point by mixing hydrogen gas and water vapor, to the anode gas flow passage 27 at a predetermined flow rate. ..
  • the flow rate and dew point of the anode gas in the second energizing step are preferably the same as those in the first energizing step. Therefore, when the first energization process and the second energization process are alternately repeated, it is preferable to continue supplying the anode gas, which has a predetermined dew point, to the anode gas passage 27 at a constant flow rate. ..
  • the cathode side gas supply device 5 supplies the nitrogen gas adjusted to a predetermined flow rate to the cathode side gas passage 28 as the cathode side gas.
  • the flow rate of nitrogen gas in the second energizing step is preferably equal to the flow rate of nitrogen gas in the first energizing step. Therefore, when the first energization process and the second energization process are alternately repeated, it is preferable to continue supplying the nitrogen gas from the nitrogen gas supply source 52 to the cathode side gas passage 28 at a constant flow rate.
  • the air supply from the air pump 51 can be turned off by the control device 53 while continuously supplying the nitrogen gas at a constant flow rate as described above. preferable. Further, when the second energization process is transitioned to the first energization process, it is preferable that the controller 53 turn on the air supply from the air pump 51.
  • the anode side gas supply device 4 and the cathode side supply device 5 have the same pressure difference between the anode side gas passage 27 and the cathode side gas passage 28 as in the first energization step. The anode side gas and the cathode side gas are supplied so as to be maintained at a predetermined value.
  • the anode side gas containing hydrogen gas is supplied to the anode electrode 25, and the cathode side gas containing the inert gas but not the oxidant gas is supplied to the cathode electrode 26, so that both electrodes 25 , 26, a hydrogen concentration difference is generated, and the fuel cell stack 1 is used as a hydrogen concentration cell to promote activation of the fuel cell stack 1.
  • This is a so-called hydrogen concentration cell aging step.
  • S5 it is determined whether or not the first energization process and the second energization process have been repeatedly executed a predetermined number of times. If the determination result in S5 is NO, the process returns to S3 and the first energization process and the second energization process are executed again. If the determination result in S6 is YES, the activation method of FIG. 2 ends.
  • the set number of times is an integer of 2 or more and the first energization process and the second energization process are alternately repeated a plurality of times.
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of changes in the cell average voltage of the fuel cell stack 1 when the first energization process is executed after the second energization process is executed. More specifically, FIG. 3 is a diagram showing an example of changes in the cell average voltage when the fuel cell stack 1 is activated according to Example 1 described later.
  • the first energizing step is executed until time t0
  • the first energizing step is shifted to the second energizing step at time t0
  • the second energizing step is shifted to the first energizing step at time t2.
  • the case where the first energization process is completed at time t3 is shown.
  • the control device 53 uses the external electrical load in the first energization process. It may be changed to a value smaller than the current consumption (more specifically, a value slightly larger than 0).
  • the control device 53 uses the external electrical load in the first energization process. If the value is changed to a value smaller than the current consumption (more specifically, a value slightly larger than 0), the current consumption may be increased.
  • the fuel cell stack 1 is activated by alternately and repeatedly executing the first energization process and the second energization process as described above a plurality of times.
  • the control device 53 causes the cathode-side gas flow path 28 after the state in which the cell average voltage detected by the cell voltage sensor 7 is equal to or lower than the predetermined determination voltage continues for the predetermined time during the second energization process.
  • the determination voltage is a threshold value set for the cell average voltage to determine that the fuel cell stack 1 has become a hydrogen concentration cell, and is set to a value slightly larger than 0.
  • the activation method and the activation device 3 according to the present embodiment have the following effects.
  • (1) in the activation method according to the present embodiment, by supplying hydrogen gas to the anode electrode 25 and supplying air to the cathode electrode 26, a potential difference is generated between the electrodes 25, 26.
  • the first energization step of electrically connecting 25 and 26 through the external electric load 6 and energizing them, and by supplying hydrogen gas to the anode electrode 25 and nitrogen gas to the cathode electrode 26, both electrodes 25, 26
  • the fuel cell stack 1 is activated by executing a second energization step of electrically connecting both electrodes through the external electric load 6 and energizing them while a potential difference is generated between the electrodes 26.
  • the fuel cell stack 1 is prevented from deteriorating while the fuel is consumed in a short time.
  • the battery stack 1 can be activated.
  • a potential difference can be generated between the electrodes 25 and 26 by utilizing the hydrogen concentration difference between the anode electrode 25 supplied with hydrogen gas and the cathode electrode 26 supplied with nitrogen gas.
  • the water produced by the electrode reaction due to the difference in hydrogen concentration can be supplied to the electrode catalyst and the electrolyte layer included in the anode electrode 25 and the cathode electrode 26, so that the electrolyte membrane 24 is kept in a wet state. It is possible to generate good proton conductivity, and to supply water to the three-phase interface between the electrode catalyst, which serves as a reaction site during the power generation of the fuel cell stack 1, the electrolyte membrane 24, and hydrogen gas or air, and thus the fuel cell.
  • the stack 1 can be efficiently activated.
  • the hydrogen concentration difference can be maintained at a high level and, as a result, a high activation effect can be obtained. Can be maintained.
  • the cross leak can be suppressed as described above, the direct reaction between air and hydrogen can be suppressed, and thus the deterioration of the fuel cell stack 1 can be suppressed. Therefore, according to the activation method according to the present embodiment, the fuel cell stack 1 can be activated in a shorter time than the conventional activation method while suppressing the deterioration of the fuel cell stack 1.
  • the first energization process and the second energization process are alternately repeated a plurality of times, so that the fuel cell can be swiftly compared with the case where both processes are performed once. Can be activated.
  • the first energization step a mixture of air and nitrogen gas is supplied to the cathode electrode 26 as the cathode side gas, and the first energization step to the second energization step.
  • the air supply is turned off while continuing the nitrogen gas supply. Therefore, in the activation method according to the present embodiment, the first energizing step and the second energizing step can be alternately repeated a plurality of times only by alternately repeating the air supply on and off, so that a simple configuration is achieved.
  • the fuel cell stack 1 can be activated.
  • the second energization step is performed after the state in which the potential difference between the electrodes 25 and 26 is equal to or less than the predetermined determination voltage continues for a predetermined time.
  • the fuel cell stack 1 can be made into a hydrogen concentration cell for an appropriate time, so that the fuel cell stack 1 can be efficiently activated.
  • the activation device 3 connects the external electric load 6 that electrically connects the anode electrode 25 and the cathode electrode 26, the cathode electrode 26, the air pump 51, and the nitrogen gas supply source 52.
  • a cathode side gas supply passage 54 and a controller 53 for alternately turning on and off the supply of air from the air pump 51 to the cathode electrode 26 are provided.
  • the control device 53 alternately turns on or off the supply of air, so that the first energization process and the second energization process are alternately repeated a plurality of times. Therefore, the fuel cell stack 1 can be efficiently activated while suppressing the deterioration of the fuel cell stack 1 as described above.
  • the control device 53 reduces the cell average voltage detected using the cell voltage sensor 7 when the air supply is turned off to be equal to or lower than a predetermined determination voltage. After the state continues for a predetermined time, the air supply is turned on. As a result, the fuel cell stack 1 can be used as a hydrogen concentration cell for an appropriate time, so that the fuel cell stack 1 can be efficiently activated.
  • Example 1 In Example 1, the activation device 3 was connected to the fuel cell stack 1 of 10 cells, and the first energization process and the second energization process were alternately repeated based on the activation method of FIG. At this time, the temperature of the fuel cell stack 1 was maintained at 70° C. by using the temperature adjusting device 8. Further, in Example 1, by using the anode side gas supply device 4, hydrogen gas humidified to have a dew point of 70° C. was supplied to the anode side gas passage 27 as the anode side gas. Here, the flow rate of hydrogen gas was set to 0.3 [NL/min].
  • Example 1 by using the cathode side gas supply device 5, a mixture of air and nitrogen gas humidified to have a dew point of 70° C. was supplied to the cathode side gas passage 28 as the cathode side gas. ..
  • the flow rate of air was 0.7 [NL/min]
  • the flow rate of nitrogen gas was 1.4 [NL/min].
  • the first energization step and the second energization step are performed by switching the supply of air from on to off or from off to on every minute while continuously supplying the nitrogen gas at the above flow rate. Alternating 1 minute each, 30 times each. That is, the time required for activation in Example 1 was 1 hour in total.
  • the anode-side gas supply device 4 and the cathode-side gas supply device 5 are connected between the anode-side gas passage 27 and the cathode-side gas passage 28 during the first energization process and the second energization process.
  • the anode side gas and the cathode side gas were supplied so that the pressure difference was maintained at a predetermined value.
  • Comparative Example 1 In Comparative Example 1, the activation device 3 was connected to the fuel cell stack 1 of 10 cells, and only the first energization step in the activation method of FIG. 2 was executed. At this time, the temperature of the fuel cell stack 1 was maintained at 70° C. by using the temperature adjusting device 8.
  • the anode-side gas supply device 4 hydrogen gas humidified to have a dew point of 70° C. was supplied to the anode-side gas flow channel 27 as the anode-side gas. Further, in Comparative Example 1, by using the cathode side gas supply device 5, air humidified to have a dew point of 70° C. was supplied to the cathode side gas passage 28 as the cathode side gas.
  • the flow rate of hydrogen gas was 20 [NL/min] and the flow rate of air was 50 [NL/min], and a current of 150 [A] was continuously drawn between the electrodes 25 and 26 for a total of 1 hour.
  • the activation time is the same in Comparative Example 1 and Example 1, but the amount of hydrogen gas used and the current are larger in Comparative Example 1 than in Example 1.
  • Comparative Example 1 is different from Example 1 in that the second energization step is not included.
  • Comparative example 2 In Comparative Example 2, the activation device 3 was connected to the fuel cell stack 1 of 10 cells, and only the first energization step in the activation method of FIG. 2 was executed. At this time, the temperature of the fuel cell stack 1 was maintained at 70° C. by using the temperature adjusting device 8.
  • the anode-side gas supply device 4 hydrogen gas humidified to have a dew point of 70° C. was supplied to the anode-side gas flow channel 27 as the anode-side gas. Further, in Comparative Example 2, by using the cathode side gas supply device 5, air humidified to have a dew point of 70° C. was supplied to the cathode side gas passage 28 as the cathode side gas.
  • Comparative Example 2 is different from Example 1 in that the second energization step is not included.
  • Comparative Example 3 In Comparative Example 3, the activation device 3 was connected to the fuel cell stack 1 of 10 cells, and the activation method described in JP 2010-267455 A was reproduced. At this time, the temperature of the fuel cell stack 1 was maintained at 70° C. by using the temperature adjusting device 8. In Comparative Example 3, by using the anode gas supply device 4, hydrogen gas humidified to have a dew point of 70° C. was supplied to the anode gas flow channel 27 as the anode gas. Here, the flow rate of hydrogen gas was set to 0.3 [NL/min]. Further, in Comparative Example 3, by using the cathode side gas supply device 5, air humidified to have a dew point of 70° C.
  • Comparative Example 3 was supplied to the cathode side gas passage 28 as the cathode side gas. Further, in Comparative Example 3, the air supply was switched from on to off or from off to on every one minute. Here, the flow rate of the air while the air supply was turned on was 0.7 [NL/min]. Further, in Comparative Example 3, the step of turning on the air supply and the step of turning off the air supply were alternately performed for 1 minute, and each step was performed 30 times. That is, the activation time of Comparative Example 3 is 1 hour in total. In Comparative Example 3, the current of 2 [A] was continuously drawn between the electrodes 25 and 26 while supplying the gas as described above. As described above, the activation time, the amount of hydrogen gas used, and the current are the same in Comparative Example 3 and Example 1. Comparative Example 3 is different from Example 1 in that nitrogen gas is not supplied while the air supply is off.
  • Table 1 is a diagram comparing the magnitude of voltage when a current of 150 [A] is drawn from the fuel cell stacks activated by the activation methods of Example 1 and Comparative Examples 1 to 3. Further, Table 1 below shows the case where the voltage of the fuel cell stack after activation by the activation method of Comparative Example 2 was set to "1".
  • the voltage of the fuel cell stack after activation is higher in the order of Comparative Example 2, Comparative Example 3, Comparative Example 1, and Example 1.
  • the time of activation as described above is the same in Example 1 and Comparative Examples 1 to 3. Therefore, it can be said that the activation method of Example 1 can activate the fuel cell stack more efficiently in a shorter time than the activation methods of Comparative Examples 1 to 3.
  • the comparative example 1 and the example 1 are compared as described above, the amount of hydrogen gas used and the current are larger in the comparative example 1. Therefore, according to the activation method of Example 1, it can be said that the fuel cell stack can be efficiently activated at a cost lower than that of Comparative Examples 1 to 3.
  • the activation method of the comparative example 3 is the same as the example 1 in that the nitrogen gas is not supplied while the air supply is turned off. Different from the conversion method. Therefore, in the activation method of Comparative Example 3, hydrogen cross- leaks from the anode electrode to the cathode electrode while the air supply is turned off, and the potential difference between both electrodes becomes small. Therefore, according to the activation method of Example 1, the fuel cell stack can be activated more efficiently in a shorter time than the activation method of Comparative Example 3.
  • the activation time is set to the same one hour as in the first embodiment, and the first energizing step and the second energizing step are alternately repeated (the number of repetitions) and the first energizing step or the second energizing step.
  • the execution time (interval time) was changed as shown in Table 2 below.
  • Example 2-1 the number of repetitions was 2 [times] and the interval time was 15 [minutes]
  • Example 2-2 the number of repetitions was 5 [times] and the interval time was 5 [minutes].
  • Example 2-3 the number of repetitions was 10 [times] and the interval time was 3 [minutes].
  • Example 2-4 the number of repetitions was 60 [times] and the interval time was 0.5 [minutes].
  • the voltage of the fuel cell stack after activation was set to Comparative Example 3, Example 2-1, Example 2-2, Example 2-4, Example 2-3, Example 1. Is higher in that order. That is, regarding the 10-cell fuel cell stack 1 adopted this time, it can be said that the fuel cell stack can be activated most efficiently by setting the number of repetitions to 30. As described above, the activation method of the present invention can efficiently activate the fuel cell stack in a short time by adjusting the number of repetitions according to the specifications of the fuel cell stack to be activated.
  • the time (interval time) for executing the first energization process or the second energization process is set to 1 [minutes], which is the same as in the first embodiment, and the activation time and the first energization process and the second energization process are set.
  • the number of times of repeating alternately was changed as shown in Table 3 below. In Example 3-1, the number of repetitions was 10 [times] and the activation time was 1/3 [hours].
  • Example 3-2 the number of repetitions was 20 [times] and the activation time was 2/ 3 [hours], the number of repetitions is 60 [times] in the embodiment 3-3, the activation time is 2 [hours], and the number of repetitions is 90 [times] in the embodiment 3-4.
  • the time was set to 3 [hours].
  • the activation method according to the present invention can activate the fuel cell stack as the number of repetitions increases and the activation time increases, but its efficiency decreases as the number of repetitions increases and the activation time increases. It can be said that.
  • Example 4 In Example 4, the activation time, the number of repetitions, and the interval time were the same as in Example 1, and the flow rate of air in the second energization process was changed as shown in Table 4 below.
  • the air flow rate in the second energization step was 0.20 [NL/min]
  • Example 4-2 the air flow rate in the second energization step was 0.37 [NL/min].
  • Example 4-3 the flow rate of air in the second energization process was 0.40 [NL/min]
  • Example 4-4 the flow rate of air in the second energization process was 0.50 [NL/min]. min].
  • the flow rates of gases such as hydrogen gas and nitrogen gas other than the flow rate of air in the second energization step are the same as those in the first embodiment.
  • the stoichiometric ratio of air in the second energization step is 0.6 in Example 4-1, 1.12 in Example 4-2, 1.21 in Example 4-3, and Example 4-4. Became 1.51.
  • the stoichiometric ratio of the air in the second energization step means the ratio to the theoretical air flow rate required for performing normal power generation in the fuel cell stack 1 while supplying hydrogen gas to the anode gas flow channel 27. It refers to the ratio of the flow rate of air in the two energizing steps (flow rate of air in the second energizing step/theoretical air flow rate).
  • the voltage of the fuel cell stack after activation is higher in the order of Example 4-4, Example 4-3, Example 4-2, Example 4-1, and Example 1. .. That is, in the activation method according to the present invention, as the flow rate of air in the second energizing step is decreased, in other words, the flow rate of air and nitrogen gas in the cathode side gas supplied to the cathode side gas passage 28 in the second energizing step. It can be said that the smaller the ratio (flow rate of air/flow rate of nitrogen gas), the more efficiently the activation can be performed in a shorter time. In particular, according to the results of Table 4 above, a large difference in the effect of activation is recognized between Example 4-2 and Example 4-3.
  • the flow rate of the air supplied to the cathode side gas passage 28 in the second energization step is set to be smaller than the flow rate of the air supplied to the cathode side gas passage 28 in the first energization step, and the stoichiometric ratio is set to 1.12. It can be said that the following is preferable.
  • Example 5 In Example 5, the activation time, the number of repetitions, the interval time, and the flow rates of various gases were the same as in Example 1, and the temperature of the fuel cell stack (stack temperature), the dew point of the anode gas (anode dew point), and the cathode were used.
  • the combination of side gas dew points (cathode dew points) was changed as shown in Table 5 below.
  • the stack temperature was 50[° C.]
  • the anode dew point was 50[° C.]
  • the cathode dew point was 50[° C.]
  • Example 5-2 the stack temperature was 50[° C.], the anode dew point.
  • Example 5-3 the stack temperature is 70[° C.], the anode dew point is 60[° C.], and the cathode dew point is 70[° C.].
  • Example 5-4 the stack temperature was 70 [°C], the anode dew point was 70 [°C], and the cathode dew point was 60 [°C].
  • Example 5-5 the stack temperature was 70 [°C] and the anode dewpoint was
  • Example 5-6 the stack temperature was 80 [° C.], the anode dew point was 80 [° C.], and the cathode dew point was 80 [° C.].
  • the stack temperature was 80 [° C.], the anode dew point was 70 [° C.], and the cathode dew point was 70 [° C.].
  • Example 5-1 the voltage of the fuel cell stack after activation was determined as follows: Example 5-1, Example 5-2, Example 5-7, Example 5-3, Example 1, Example 5 -4, Example 5-6, and Example 5-5 in this order.
  • Example 5-1 a large difference in the effect of activation is recognized between Example 5-1 and Example 5-2. Therefore, it can be said that it is preferable that the dew point of the anode gas is higher than 50 [°C] and the dew point of the cathode gas is higher than 50 [°C].
  • the activation method of the present invention efficiently activates the fuel cell stack in a short time by adjusting the stack temperature, the anode dew point, and the cathode dew point according to the specifications of the fuel cell stack to be activated. it can.
  • Fuel cell stack fuel cell
  • Fuel cell fuel cell
  • Fuel cell fuel cell
  • Electrolyte membrane electrolyte layer
  • Anode electrode 26
  • Activation device 4 Anode side gas supply device 41
  • Hydrogen gas supply source 42
  • Hydrogen gas supply path 5
  • Cathode side gas supply device 51 Air pump (oxidant gas supply source)
  • Nitrogen gas supply source inert gas supply source
  • Control device (switching means) 54
  • Cathode side gas supply path cathode side gas supply path
  • 6 External electrical load (external electrical load) 7
  • Cell voltage sensor voltage sensor

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Abstract

燃料電池スタックの活性化方法は、固体高分子を含む電解質膜と、この電解質膜の一方の面に設けられたアノード電極と、電解質膜の他方の面に設けられたカソード電極と、を備える燃料電池スタックを活性化する方法であって、アノード電極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電極にカソード側ガスとして空気を供給することにより、両電極の間に電位差を生じさせた状態で、両電極を、外部電気負荷を介して電気的に接続し通電する第１通電工程と、アノード電極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電極にカソード側ガスとして窒素ガスを供給することにより、両電極の間に電位差を生じさせた状態で、両電極を、外部電気負荷を介して電気的に接続し通電する第２通電工程と、を備える。

Description

燃料電池の活性化方法及び活性化装置
　本発明は、燃料電池の活性化方法及び活性化装置に関する。より詳しくは、固体高分子を含む電解質層とこの電解質層の両側の面に設けられたアノード電極及びカソード電極とを備える燃料電池の活性化方法及び活性化装置に関する。
　燃料電池セルは、アノード電極及びカソード電極の間に固体高分子を含む電解質層を配置して形成された電解質膜・電極構造体（所謂、ＭＥＡ）を、一対のセパレータで挟持して形成される。また燃料電池スタックは、このような複数の燃料電池セルを積層することによって構成され、例えば車両の電源として搭載される。
　以上のような燃料電池セルや燃料電池スタック（以下、セルとスタックとを区別する必要がない限り、これらを単に「燃料電池」ともいう）の組み立て直後の発電性能は低い。このため、燃料電池を組み立てた後には、その発電性能を高めるために各種活性化処理（エージング）が行われる。
　例えば特許文献１に記載の燃料電池の活性化方法では、燃料電池のアノード電極とカソード電極とがスイッチ素子及び抵抗素子を介して接続された活性化装置において、スイッチ素子を開いたままアノード電極に水素ガスを供給するとともにカソード電極に空気を供給する第１工程と、スイッチ素子を閉じかつカソード電極への空気の供給を停止する第２工程と、を交互に繰り返す。
特開２０１０－２６７４５５号公報
　特許文献１に記載の活性化方法では、簡易な活性化装置で燃料電池を活性化できるものの、第２工程において空気の供給を停止すると、アノード電極からカソード電極へ水素がクロスリークし、アノード電極とカソード電極との間の電位差が小さくなってしまうので、エージング効果が低く、活性化に時間がかかるおそれがある。また第２工程から第１工程に移行し、カソード電極への空気の供給を再開すると、カソード電極に残留する水素と新たにカソード電極に供給される空気中の酸素とが直接反応してしまい、発熱によって燃料電池が劣化するおそれがある。
　本発明は、燃料電池の劣化を抑制しながら短時間で活性化できる活性化方法及び活性化装置を提供することを目的とする。
　（１）本発明に係る燃料電池（例えば、後述の燃料電池セル２及び燃料電池スタック１）の活性化方法は、固体高分子を含む電解質層（例えば、後述の電解質膜２４）と、当該電解質層の一方の面に設けられたアノード電極（例えば、後述のアノード電極２５）と、前記電解質層の他方の面に設けられたカソード電極（例えば、後述のカソード電極２６）と、を備える燃料電池を活性化する方法であって、前記アノード電極に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電極にカソード側ガスとして酸化剤ガスを供給することにより、前記アノード電極と前記カソード電極との間に電位差を生じさせた状態で、前記アノード電極と前記カソード電極とを外部電気負荷（例えば、後述の外部電気負荷６）を介して電気的に接続し通電する第１通電工程と、前記アノード電極に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電極にカソード側ガスとして不活性ガスを供給することにより、前記アノード電極と前記カソード電極との間に電位差を生じさせた状態で、前記アノード電極と前記カソード電極とを前記外部電気負荷を介して電気的に接続し通電する第２通電工程と、を備えることを特徴とする。
　（２）この場合、前記第１通電工程と前記第２通電工程とを交互に複数回繰り返し行うことが好ましい。
　（３）この場合、前記第１通電工程では、酸化剤ガスと不活性ガスとを混合したものをカソード側ガスとして前記カソード電極に供給し、前記第１通電工程から前記第２通電工程に移行する際には、不活性ガスの供給を継続しながら酸化剤ガスの供給をオフにすることが好ましい。
　（４）この場合、前記第２通電工程を行っている間に前記アノード電極と前記カソード電極との間の電位差が所定電圧以下である状態が所定時間継続した後に、前記第２通電工程から前記第１通電工程に移行することが好ましい。
　（５）本発明に係る燃料電池（例えば、後述の燃料電池セル２及び燃料電池スタック１）の活性化装置（例えば、後述の活性化装置３）は、固体高分子を含む電解質層（例えば、後述の電解質膜２４）と、当該電解質層の一方の面に設けられたアノード電極（例えば、後述のアノード電極２５）と、前記電解質層の他方の面に設けられたカソード電極（例えば、後述のカソード電極２６）と、を備える燃料電池を活性化するものであって、前記アノード電極と前記カソード電極とを電気的に接続する外部電気負荷（例えば、後述の外部電気負荷６）と、水素ガスを供給する水素ガス供給源（例えば、後述の水素ガス供給源４１）と、前記アノード電極と前記水素ガス供給源とを接続するアノード側ガス供給路（例えば、後述の水素ガス供給路４２）と、酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給源（例えば、後述のエアポンプ５１）と、不活性ガスを供給する不活性ガス供給源（例えば、後述の窒素ガス供給源５２）と、前記カソード電極と前記酸化剤ガス供給源及び前記不活性ガス供給源とを接続するカソード側ガス供給路（例えば、後述のカソード側ガス供給路５４）と、前記酸化剤ガス供給源から前記カソード電極への酸化剤ガスの供給を交互にオン又はオフにする制御手段（例えば、後述の制御装置５３）と、を備えることを特徴とする。
　（６）この場合、前記活性化装置は、前記アノード電極と前記カソード電極との間の電位差を検出する電圧センサ（例えば、後述のセル電圧センサ７）をさらに備え、前記制御手段は、前記酸化剤ガスの供給をオフにしているときに前記電位差が所定電圧以下に低下した状態が所定時間継続した後に、前記酸化剤ガスの供給をオンにすることが好ましい。
　（１）本発明の活性化方法では、アノード電極に水素ガスを供給するとともにカソード電極に酸化剤ガスを供給することにより両電極の間に電位差を生じさせた状態で両電極を、外部電気負荷を介して電気的に接続し通電する第１通電工程と、アノード電極に水素ガスを供給するとともにカソード電極に不活性ガスを供給することにより両電極の間に電位差を生じさせた状態で両電極を、外部電気負荷を介して電気的に接続し通電する第２通電工程と、を実行することにより燃料電池を活性化する。これにより、本発明の活性化方法によれば、カソード電極へ空気を断続的に供給する特許文献１に記載の活性化方法（以下、「従来の活性化方法」ともいう）と比較して、燃料電池の劣化を抑制しながら短い時間で燃料電池を活性化できる。
　ここで第２通電工程では、水素ガスを供給したアノード電極と不活性ガスを供給したカソード電極との水素濃度差を利用して両電極間に電位差を生じさせることができ、またこのように電位差が生じた状態で両電極を、外部電気負荷を介して電気的に接続することにより、通常の発電時よりも小さな電流及び少ないアノード側ガス及びカソード側ガスの供給量で両電極の通電を行うことが可能になる。また第２通電工程では、水素濃度差による電極反応によって生じた生成水を、アノード電極及びカソード電極に含まれる電極触媒や電解質層に供給することができるので、電解質層を湿潤状態として良好なプロトン伝導性を発生させることや、燃料電池の発電時に反応サイトとなる電極触媒と電解質層と水素ガス又は酸化剤ガスとの３相界面に水を供給することができ、ひいては燃料電池を効率的に活性化することができる。
　ここで従来の活性化方法においても、カソード電極への酸化剤ガスの供給を停止すると両電極間で水素濃度差が生じるので、燃料電池を活性化することができる。しかしながら従来の活性化方法では、カソード電極への酸化剤ガスの供給を停止すると、アノード電極からクロスリークした水素がカソード電極に溜まり、両電極の間の電位差が小さくなるので、活性化効果が徐々に減少する。また酸化剤ガスの供給を停止した後、再び酸化剤ガスを供給すると、カソード電極に残留する水素と酸化剤ガスとが直接反応するので、発熱し、燃料電池が劣化するおそれがある。これに対し本発明の活性化方法では、第２通電工程において不活性ガスを供給することにより、アノード電極からのクロスリークを抑制できるので、水素濃度差を高く維持でき、ひいては高い活性化効果を維持することができる。また本発明の活性化方法ではこのようにクロスリークを抑制できるので、酸化剤ガスと水素との直接反応を抑制でき、ひいては燃料電池の劣化も抑制できる。よって本発明の活性化方法によれば、燃料電池の劣化を抑制しながら、従来の活性化方法と比較して短い時間で燃料電池を活性化できる。
　（２）本発明の活性化方法では、第１通電工程と第２通電工程とを交互に複数回繰り返し行うことにより、両工程を１回ずつ行った場合と比較して速やかに燃料電池を活性化することができる。
　（３）本発明の活性化方法において、第１通電工程では、酸化剤ガスと不活性ガスとを混合したものをカソード側ガスとしてカソード電極に供給し、第１通電工程から第２通電工程に移行する際には、不活性ガスの供給を継続しながら酸化剤ガスの供給をオフにする。したがって本発明の活性化方法では、酸化剤ガスの供給をオンとオフとで交互に繰り返すだけで第１通電工程と第２通電工程とを交互に複数回繰り返し行うことができるので、簡易な構成で燃料電池を活性化できる。
　（４）第１通電工程から第２通電工程に移行すると、移行直後は、カソード電極に残留する酸化剤ガスが徐々に減少するため、アノード電極とカソード電極との間の電位差は徐々に低下する。その後カソード電極に残留する酸化剤ガスが無くなると、燃料電池は水素濃淡電池となり、両電極間の電位差は０より大きな所定電圧で維持される。これに対し本発明の活性化方法では、第２通電工程を行っている間に両電極間の電位差が所定電圧以下である状態が所定時間継続した後に第２通電工程から第１通電工程に移行することにより、適切な時間にわたり燃料電池を水素濃淡電池とすることができるので、効率的に燃料電池を活性化できる。
　（５）本発明の活性化装置は、アノード電極とカソード電極とを電気的に接続する外部電気負荷と、カソード電極と酸化剤ガス供給源及び不活性ガス供給源とを接続するカソード側ガス供給路と酸化剤ガス供給源からカソード電極への酸化剤ガスの供給を交互にオン又はオフにする制御手段と、を備える。これにより本発明の活性化装置によれば、制御手段によって酸化剤ガスの供給を交互にオン又はオフにすることにより、上述の第１通電工程と第２通電工程とを交互に複数回にわたり繰り返し行うことができるので、上述のように燃料電池の劣化を抑制しながら燃料電池を効率的に活性化できる。
　（６）本発明の活性化装置において制御手段は、酸化剤ガスの供給をオフにしているときに電位差が所定電圧以下に低下した状態が所定時間継続した後に、酸化剤ガスの供給をオンにする。これにより適切な時間にわたり燃料電池を水素濃淡電池とすることができるので、効率的に燃料電池を活性化できる。
本発明の一実施形態に係る燃料電池スタック及びその活性化装置の構成を示す図である。 本発明の一実施形態に係る活性化方法の具体的な手順を示すフローチャートである。 第２通電工程を実行してから第１通電工程を実行した場合における燃料電池スタックのセル平均電圧の変化の一例を示す図である。
　以下、本発明の一実施形態に係る燃料電池スタック１の活性化装置３の構成と、この活性化装置３を用いて燃料電池スタック１を活性化する活性化方法の手順とを、図面を参照しながら詳細に説明する。
　図１は、燃料電池スタック１及びその活性化装置３の構成を示す図である。燃料電池スタック１は、複数の燃料電池セル２を積層することによって構成される。図１には、複数の燃料電池セル２の一部のみを図示する。なお以下では、燃料電池スタック１を活性化する場合について説明するが本発明はこれに限らない。本発明は燃料電池スタック１を構成する個々の燃料電池セル２を活性化してもよい。
　燃料電池セル２は、電解質膜・電極構造体２１（以下、「ＭＥＡ２１」という）と、このＭＥＡ２１を挟持する第１セパレータ２２及び第２セパレータ２３と、を備える。ＭＥＡ２１は、例えば、パーフルオロスルホン酸薄膜等の固体高分子を含む電解質層としての電解質膜２４と、この電解質膜２４の一方の面に設けられたアノード電極２５と、電解質膜２５の他方の面に設けられたカソード電極２６と、を備える。
　アノード電極２５は、電解質膜２４の一方の面に臨む第１電極触媒層２５ａと、第１電極触媒層２５ａに積層される第１ガス拡散層２５ｂと、を備える多孔質体である。カソード電極２６は、電解質膜２４の他方の面に臨む第２電極触媒層２６ａと、第２電極触媒層２６ａに積層される第２ガス拡散層２６ｂと、を備える多孔質体である。
　第１電極触媒層２５ａ及び第２電極触媒層２６ａ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構成される触媒粒子（電極触媒）と、イオン伝導性高分子バインダと、を含む。なお上記電極触媒は、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、この電極触媒の表面では、例えば、２Ｐｔ＋Ｈ２Ｏ＋１／２Ｏ２＋ｅ－→２Ｐｔ（ＯＨ－）、Ｐｔ（ＯＨ－）＋Ｈ３Ｏ＋→Ｐｔ＋２Ｈ２Ｏ等の電極反応が生じる。この電極反応は、電極触媒の表面に水を供給して、３相界面に水を存在させることにより促進される。３相界面とは、燃料電池スタック１の実際の発電時に、反応サイトとなる電極触媒と電解質膜２４と水素ガス又は酸化剤ガスとの界面である。なお、燃料電池スタック１の実際の発電時とは、アノード電極２５に水素ガスを含むアノード側ガスを供給するとともに、カソード電極２６に酸化剤ガスを含むカソード側ガスを供給し、燃料電池スタック１から実際に電力を得る時を指す。
　第１ガス拡散層２５ｂ及び第２ガス拡散層２６ｂは、例えば、カーボンペーパやカーボンクロス等からなる。第１ガス拡散層２５ｂは第１セパレータ２２に臨むように配置され、第２ガス拡散層２６ｂは第２セパレータ２３に臨むように配置される。第１セパレータ２２及び第２セパレータ２３としては、例えばカーボンセパレータが使用されるが、これに替えて金属セパレータを用いてもよい。
　第１セパレータ２２の第１ガス拡散層２５ｂに臨む面には、アノード側ガスを供給するためのアノード側ガス入口連通孔（図示せず）と、このアノード側ガスを排出するためのアノード側ガス出口連通孔（図示せず）と、に連通するアノード側ガス流路２７が形成される。
　第２セパレータ２３の第２ガス拡散層２６ｂに臨む面には、カソード側ガスを供給するためのカソード側ガス入口連通孔（図示せず）と、このカソード側ガスを排出するためのカソード側ガス出口連通孔（図示せず）と、に連通するカソード側ガス流路２８が形成される。
　また燃料電池スタック１において、各燃料電池セル２の第１セパレータ２２と第２セパレータ２３との互いに対向する面の間には、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔（図示せず）と、この冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔（図示せず）と、に連通する冷媒流路２９が一体的に形成されている。
　活性化装置３は、燃料電池スタック１のアノード側ガス流路２７にアノード側ガスを供給するアノード側ガス供給装置４と、燃料電池スタック１のカソード側ガス流路２８にカソード側ガスを供給するカソード側ガス供給装置５と、燃料電池スタック１のアノード電極２５とカソード電極２６とを電気的に接続する外部電気負荷６と、セル電圧センサ７と、燃料電池スタック１の温度を調整する温度調整装置８と、を備える。
　外部電気負荷６は、燃料電池スタック１のアノード電極２５とカソード電極２６とを電気的に接続し、両電極２５，２６間で通電する。外部電気負荷６は、アノード側ガス供給装置４からアノード電極２５にアノード側ガスを供給するとともにカソード側ガス供給装置５からカソード電極２６にカソード側ガスを供給することによってこれらアノード電極２５とカソード電極２６との間で電位差が生じると、カソード電極２６からアノード電極２５へ電流を流す。この外部電気負荷６では、両電極２５，２６間で通電する電流を所定の大きさで維持することが可能となっている。
　セル電圧センサ７は、アノード電極２５とカソード電極２６との間で発生するセル電圧を燃料電池セル２ごとに検出し、このセル電圧の大きさに応じた検出信号を、カソード側ガス供給装置５の後述の制御装置５３へ送信する。各燃料電池セル２のセル電圧の平均であるセル平均電圧は、このセル電圧センサ７からの検出信号に基づいて制御装置５３によって算出される。
　温度調整装置８は、燃料電池スタック１の冷媒流路２９に、所定の温度に調整した伝熱媒体を供給することにより、燃料電池スタック１の温度を調整する。
　アノード側ガス供給装置４は、水素ガスを含むアノード側ガスをアノード側ガス流路２７に供給する。アノード側ガス供給装置４は、水素ガスを供給する水素ガス供給源４１と、水素ガス供給源４１とアノード側ガス流路２７とを接続する水素ガス供給路４２と、この水素ガス供給路４２に設けられたアノード側加湿器４３と、を備える。水素ガス供給源４１は、水素ガスを高圧で貯留する水素ガスタンク（図示せず）や、この水素ガスタンクから水素ガス供給路４２に供給される水素ガスの流量を調整する流量調整弁（図示せず）等によって構成される。水素ガス供給路４２は、水素ガス供給源４１とアノード側ガス流路２７とを接続する配管であり、水素ガス供給源４１から供給される水素ガスをアノード側ガス流路２７へ導く。アノード側加湿器４３は、水素ガス供給源４１から供給される水素ガスと水蒸気とを混合し、アノード側ガスの露点を調整する。アノード側ガス供給装置４は、これら水素ガス供給源４１、水素ガス供給路４２、及びアノード側加湿器４３を用いることにより、所定の露点に調整されたアノード側ガスを、所定の流量でアノード側ガス流路２７に供給する。
　カソード側ガス供給装置５は、酸化剤ガスとしての空気や不活性ガスとしての窒素ガスを含むカソード側ガスをカソード側ガス流路２８に供給する。カソード側ガス供給装置５は、空気を供給するエアポンプ５１と、窒素ガスを供給する窒素ガス供給源５２と、このエアポンプ５１を制御する制御装置５３と、これらエアポンプ５１及び窒素ガス供給源５２とカソード側ガス流路２８とを接続するカソード側ガス供給路５４と、このカソード側ガス供給路５４に設けられたカソード側加湿器５５及び混合器５６と、を備える。
　カソード側ガス供給路５４は、エアポンプ５１とカソード側ガス流路２８とを接続する第１流路５４ａと、窒素ガス供給源５２と第１流路５４ａとを接続する第２流路５４ｂと、を備える。
　エアポンプ５１は、制御装置５３からの指令に応じて空気を圧縮し、圧縮した空気を、第１流路５４ａを介してカソード側ガス流路２８に供給する。制御装置５３は、エアポンプ５１の回転数を制御することにより、第１流路５４ａに供給される空気の流量を調整する。制御装置５３は、エアポンプ５１からカソード側ガス流路２８への空気の供給を交互にオン又はオフにすることが可能となっている。なお本実施形態では、制御装置５３によってエアポンプ５１の回転数を制御することにより、空気の供給源からカソード側ガス流路２８への空気の供給を交互にオン又はオフにする場合について説明するが、本発明はこれに限らない。空気の供給源とカソード側ガス流路２８とを接続する空気の流路に流量制御弁が設けられている場合、この流量制御弁の開度を制御することにより、空気の供給源からカソード側ガス流路２８への空気の供給を交互にオン又はオフにしてもよい。
　窒素ガス供給源５２は、窒素ガスを高圧で貯留する窒素ガスタンク（図示せず）や、この窒素ガスタンクから第２流路５４ｂに供給される窒素ガスの流量を調整する流量調整弁（図示せず）等によって構成される。
　カソード側加湿器５５は、第１流路５４ａに設けられ、エアポンプ５１から供給される空気と水蒸気とを混合し、第１流路５４ａを流れる空気の露点を調整する。混合器５６は、第１流路５４ａのうちカソード側加湿器５５よりカソード側ガス流路２８側に設けられる。混合器５６は、第１流路５４ａを介してエアポンプ５１から供給される空気と、第２流路５４ｂを介して窒素ガス供給源５２から供給される窒素ガスとを混合し、カソード側ガス流路２８へ供給する。カソード側ガス供給装置５は、これらエアポンプ５１、窒素ガス供給源５２、制御装置５３、カソード側ガス供給路５４、カソード側加湿器５５、及び混合器５６を用いることにより、所定の露点に調整されたカソード側ガスを、所定の流量でカソード側ガス流路２８に供給する。
　次に、以上のような活性化装置３を用いて燃料電池スタック１を活性化する活性化方法の具体的な手順について説明する。
　図２は、本実施形態に係る活性化方法の具体的な手順を示すフローチャートである。
　始めにＳ１では、燃料電池スタック１のアノード電極２５とカソード電極２６とを外部電気負荷６によって電気的に接続する。次にＳ２では、温度調整装置８によって燃料電池スタック１の冷媒流路２９へ所定の温度に調整した伝熱媒体を供給することにより、燃料電池スタック１を所定の温度に維持する。
　Ｓ３では、所定時間にわたり第１通電工程を実行する。この第１通電工程では、アノード側ガス供給装置４からアノード側ガス流路２７にアノード側ガスを供給するとともに、カソード側ガス供給装置５からカソード側ガス流路２８にカソード側ガスを供給することにより、アノード電極２５とカソード電極２６との間に電位差を生じさせ、これら電極２５，２６の間で外部電気負荷６を介して通電する。この第１通電工程では、アノード側ガス供給装置４は、水素ガスと水蒸気とを混合することによって所定の露点に調整されたアノード側ガスを、所定の流量でアノード側ガス流路２７へ供給する。またこの第１通電工程では、カソード側ガス供給装置５は、所定の露点及び所定の流量に調整された空気と所定の流量に調整された窒素ガスとを混合したものをカソード側ガスとしてカソード側ガス流路２８へ供給する。なおこの第１通電工程では、アノード側ガス供給装置４及びカソード側供給装置５は、アノード側ガス流路２７とカソード側ガス流路２８との間の圧力差が所定値で維持されるようにアノード側ガス及びカソード側ガスを供給する。
　以上のように第１通電工程は、アノード電極２５に水素ガスを含むアノード側ガスを供給するとともにカソード電極２６に酸化剤ガスを含むカソード側ガスを供給し、燃料電池スタック１で通常の発電を行わせることによって燃料電池スタック１の活性化を促す所謂通常発電エージング工程である。
　次にＳ４では、所定時間にわたり第２通電工程を実行する。この第２通電工程では、アノード側ガス供給装置４からアノード側ガス流路２７にアノード側ガスを供給するとともに、カソード側ガス供給装置５からカソード側ガス流路２８に上述の第１通電工程とは異なる成分のカソード側ガスを供給することにより、アノード電極２５とカソード電極２６との間に電位差を生じさせ、これら電極２５，２６の間で外部電気負荷６を介して通電する。
　ここでカソード側ガス流路２８に供給するカソード側ガスにおける空気と窒素ガスの流量比（空気の流量／窒素ガスの流量）は、第１通電工程よりも第２通電工程の方が小さくなるように設定される。後に実施例４を参照して説明するように、第２通電工程におけるカソード側ガスの空気と窒素ガスの流量比を小さくするほど効率的な活性化を実現できる。このため以下では、第２通電工程においてカソード側ガス流路２８に供給するカソード側ガスの空気と窒素ガスの流量比は、０とした場合（すなわち、第２通電工程における空気の供給をオフにする場合）について説明するが、本発明はこれに限らない。
　この第２通電工程では、アノード側ガス供給装置４は、水素ガスと水蒸気とを混合することによって所定の露点に調整されたアノード側ガスを、所定の流量でアノード側ガス流路２７へ供給する。なお第２通電工程におけるアノード側ガスの流量や露点は、第１通電工程と等しくすることが好ましい。このため交互に第１通電工程と第２通電工程とを繰り返し実行するにあたり、アノード側ガス流路２７には、所定の露点に調整されたアノード側ガスを一定の流量で供給し続けることが好ましい。
　また第２通電工程では、カソード側ガス供給装置５は、所定の流量に調整された窒素ガスをカソード側ガスとしてカソード側ガス流路２８へ供給する。なお第２通電工程における窒素ガスの流量は、第１通電工程における窒素ガスの流量と等しくすることが好ましい。このため交互に第１通電工程と第２通電工程とを繰り返し実行するにあたり、窒素ガス供給源５２からカソード側ガス流路２８には、窒素ガスを一定の流量で供給し続けることが好ましい。また第１通電工程から第２通電工程へ移行する際には、上述のように窒素ガスを一定の流量で供給し続けながら、制御装置５３によってエアポンプ５１からの空気の供給をオフにすることが好ましい。また第２通電工程から第１通電工程へ移行する際には、制御装置５３によってエアポンプ５１からの空気の供給をオンにすることが好ましい。なおこの第２通電工程では、アノード側ガス供給装置４及びカソード側供給装置５は、第１通電工程と同様に、アノード側ガス流路２７とカソード側ガス流路２８との間の圧力差が所定値で維持されるようにアノード側ガス及びカソード側ガスを供給する。
　以上のように第２通電工程は、アノード電極２５に水素ガスを含むアノード側ガスを供給するとともにカソード電極２６に不活性ガスを含み酸化剤ガスを含まないカソード側ガスを供給し、両電極２５，２６の間に水素濃度差を発生させ、燃料電池スタック１を水素濃淡電池として利用することによって燃料電池スタック１の活性化を促す所謂水素濃淡電池エージング工程である。
　次にＳ５では、所定の設定回数にわたり第１通電工程と第２通電工程とを繰り返し実行したか否かを判定する。Ｓ５の判定結果がＮＯである場合には、Ｓ３に戻り再び第１通電工程及び第２通電工程を実行する。Ｓ６の判定結果がＹＥＳである場合には、図２の活性化方法を終了する。なお燃料電池スタック１を効率的に活性化するため、設定回数は２以上の整数とし、第１通電工程と第２通電工程とを交互に複数回繰り返し行うことが好ましい。
　図３は、第２通電工程を実行してから第１通電工程を実行した場合における燃料電池スタック１のセル平均電圧の変化の一例を示す図である。より具体的には、図３は、後述の実施例１によって燃料電池スタック１を活性化した場合におけるセル平均電圧の変化の一例を示す図である。図３には、時刻ｔ０まで第１通電工程を実行した後、時刻ｔ０において第１通電工程から第２通電工程に移行した後、時刻ｔ２において第２通電工程から第１通電工程に移行し、時刻ｔ３において第１通電工程を終了した場合を示す。このとき、制御装置５３は、第２通電工程を行っている間にセル電圧センサ７によって検出されるセル平均電圧が所定の判定電圧以下になったときに、第１通電工程の外部電気負荷による電流消費よりも小さい値（より具体的には、０よりもやや大きな値）に減少するように変更してもよい。
　図３に示すように、時刻ｔ０において第１通電工程から第２通電工程に移行するに伴って燃料電池スタック１への空気の供給をオフにすると、カソード電極２６における酸素濃度が低下し、セル平均電圧が徐々に低下する。その後時刻ｔ１ごろにおいてカソード側ガス流路２８に残留する酸素が発電によって使い切られ、カソード側ガス流路２８内のガスが窒素ガスで置換されると、燃料電池スタック１は水素濃淡電池となる。このため時刻ｔ１以降においてもセル平均電圧は０［Ｖ］よりも高い状態が維持される。その後時刻ｔ２において第２通電工程から第１通電工程に移行するに伴って燃料電池スタック１への空気の供給をオンにすると、燃料電池スタック１では通常の発電が行われるため、セル平均電圧は回復する。このとき、制御装置５３は、第２通電工程を行っている間にセル電圧センサ７によって検出されるセル平均電圧が所定の判定電圧以下になったときに、第１通電工程の外部電気負荷による電流消費よりも小さい値（より具体的には、０よりもやや大きな値）に減少するように変更した場合は、電流消費を増大するように変更してもよい。
　本実施形態に係る活性化方法では、以上のような第１通電工程と第２通電工程とを交互に複数回繰り返し実行することによって燃料電池スタック１を活性化する。この際、燃料電池スタック１を短時間で効率的に活性化するためには、第２通電工程の実行中に燃料電池スタック１が水素濃淡電池となっている状態を所定時間以上確保することが好ましい。このため制御装置５３は、第２通電工程を行っている間にセル電圧センサ７によって検出されるセル平均電圧が所定の判定電圧以下である状態が所定時間継続した後に、カソード側ガス流路２８への空気の供給をオフからオンに切り替え、第２通電工程から第１通電工程に移行することが好ましい。ここで判定電圧は、燃料電池スタック１が水素濃淡電池となったことを判定するためにセル平均電圧に対して設定される閾値であり、０よりもやや大きな値に設定される。
　本実施形態に係る活性化方法及び活性化装置３によれば、以下の効果を奏する。
　（１）本実施形態に係る活性化方法では、アノード電極２５に水素ガスを供給するとともにカソード電極２６に空気を供給することにより両電極２５，２６の間に電位差を生じさせた状態で両電極２５，２６を、外部電気負荷６を介して電気的に接続し通電する第１通電工程と、アノード電極２５に水素ガスを供給するとともにカソード電極２６に窒素ガスを供給することにより両電極２５，２６の間に電位差を生じさせた状態で両電極を、外部電気負荷６を介して電気的に接続し通電する第２通電工程と、を実行することにより燃料電池スタック１を活性化する。これにより、本実施形態に係る活性化方法によれば、カソード電極２６へ空気を断続的に供給する従来の活性化方法と比較して、燃料電池スタック１の劣化を抑制しながら短い時間で燃料電池スタック１を活性化できる。
　ここで第２通電工程では、水素ガスを供給したアノード電極２５と窒素ガスを供給したカソード電極２６との水素濃度差を利用して両電極２５，２６間に電位差を生じさせることができ、またこのように電位差が生じた状態で両電極２５，２６を、外部電気負荷６を介して電気的に接続することにより、通常の発電時よりも小さな電流及び少ないアノード側ガス及びカソード側ガスの供給量で両電極２５，２６の通電を行うことが可能になる。また第２通電工程では、水素濃度差による電極反応によって生じた生成水を、アノード電極２５及びカソード電極２６に含まれる電極触媒や電解質層に供給することができるので、電解質膜２４を湿潤状態として良好なプロトン伝導性を発生させることや、燃料電池スタック１の発電時に反応サイトとなる電極触媒と電解質膜２４と水素ガス又は空気との３相界面に水を供給することができ、ひいては燃料電池スタック１を効率的に活性化することができる。
　また本実施形態に係る活性化方法では、第２通電工程において窒素ガスを供給することにより、アノード電極２５からのクロスリークを抑制できるので、水素濃度差を高く維持でき、ひいては高い活性化効果を維持することができる。また本実施形態に係る活性化方法ではこのようにクロスリークを抑制できるので、空気と水素との直接反応を抑制でき、ひいては燃料電池スタック１の劣化も抑制できる。よって本実施形態に係る活性化方法によれば、燃料電池スタック１の劣化を抑制しながら、従来の活性化方法と比較して短い時間で燃料電池スタック１を活性化できる。
　（２）本実施形態に係る活性化方法では、第１通電工程と第２通電工程とを交互に複数回繰り返し行うことにより、両工程を１回ずつ行った場合と比較して速やかに燃料電池を活性化することができる。
　（３）本実施形態に係る活性化方法において、第１通電工程では、空気と窒素ガスとを混合したものをカソード側ガスとしてカソード電極２６に供給し、第１通電工程から第２通電工程に移行する際には、窒素ガスの供給を継続しながら空気の供給をオフにする。したがって本実施形態に係る活性化方法では、空気の供給をオンとオフとで交互に繰り返すだけで第１通電工程と第２通電工程とを交互に複数回繰り返し行うことができるので、簡易な構成で燃料電池スタック１を活性化できる。
　（４）本実施形態に係る活性化方法では、第２通電工程を行っている間に両電極２５，２６間の電位差が所定の判定電圧以下である状態が所定時間継続した後に第２通電工程から第１通電工程に移行することにより、適切な時間にわたり燃料電池スタック１を水素濃淡電池とすることができるので、効率的に燃料電池スタック１を活性化できる。
　（５）本実施形態に係る活性化装置３は、アノード電極２５とカソード電極２６とを電気的に接続する外部電気負荷６と、カソード電極２６とエアポンプ５１及び窒素ガス供給源５２とを接続するカソード側ガス供給路５４とエアポンプ５１からカソード電極２６への空気の供給を交互にオン又はオフにする制御装置５３と、を備える。これにより本実施形態に係る活性化装置３によれば、制御装置５３によって空気の供給を交互にオン又はオフにすることにより、第１通電工程と第２通電工程とを交互に複数回にわたり繰り返し行うことができるので、上述のように燃料電池スタック１の劣化を抑制しながら燃料電池スタック１を効率的に活性化できる。
　（６）本実施形態に係る活性化装置３において制御装置５３は、空気の供給をオフにしているときにセル電圧センサ７を用いて検出されるセル平均電圧が所定の判定電圧以下に低下した状態が所定時間継続した後に、空気の供給をオンにする。これにより適切な時間にわたり燃料電池スタック１を水素濃淡電池とすることができるので、効率的に燃料電池スタック１を活性化できる。
　以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限らない。本発明の趣旨の範囲内で、細部の構成を適宜変更してもよい。
　次に活性化方法の実施例及び比較例について説明する。以下の実施例及び比較例では、燃料電池セル２を１０個積層することによって組み立てられた燃料電池スタック１を対象として活性化を行った。また燃料電池セル２には、発電有効面積が１００［ｃｍ２］であるＭＥＡ２１を備えるものを用いた。
［実施例１］
　実施例１では、上記１０セルの燃料電池スタック１に活性化装置３を接続し、図２の活性化方法に基づいて第１通電工程と第２通電工程とを交互に繰り返し実行した。この際、燃料電池スタック１の温度は、温度調整装置８を用いて７０℃に保った。また実施例１では、アノード側ガス供給装置４を用いることにより、露点が７０℃となるように加湿した水素ガスをアノード側ガスとしてアノード側ガス流路２７に供給した。ここで水素ガスの流量は０．３［ＮＬ／ｍｉｎ］とした。また実施例１では、カソード側ガス供給装置５を用いることにより、露点が７０℃となるように加湿した空気と窒素ガスとを混合したものをカソード側ガスとしてカソード側ガス流路２８に供給した。ここで空気の流量は０．７［ＮＬ／ｍｉｎ］とし、窒素ガスの流量は１．４［ＮＬ／ｍｉｎ］とした。また実施例１では、上記のような流量で窒素ガスを供給し続けながら、１分毎に空気の供給をオンからオフ又はオフからオンに切り替えることにより、第１通電工程及び第２通電工程を１分間ずつ交互に、それぞれ３０回ずつ実行した。すなわち実施例１の活性化にかかった時間は計１時間である。また第１及び第２通電工程では、上記のようにガスを供給しながら、両電極２５，２６間で２［Ａ］の電流を引き続けた。このとき、アノード側ガス供給装置４及びカソード側ガス供給装置５は、第１通電工程及び第２通電工程を行っている間、アノード側ガス流路２７とカソード側ガス流路２８との間の圧力差が所定値で維持されるようにアノード側ガス及びカソード側ガスを供給した。
［比較例１］
　比較例１では、上記１０セルの燃料電池スタック１に活性化装置３を接続し、図２の活性化方法のうち第１通電工程のみを実行した。この際、燃料電池スタック１の温度は、温度調整装置８を用いて７０℃に保った。比較例１では、アノード側ガス供給装置４を用いることにより、露点が７０℃となるように加湿した水素ガスをアノード側ガスとしてアノード側ガス流路２７に供給した。また比較例１では、カソード側ガス供給装置５を用いることにより、露点が７０℃となるように加湿した空気をカソード側ガスとしてカソード側ガス流路２８に供給した。ここで水素ガスの流量は２０［ＮＬ／ｍｉｎ］とし、空気の流量は５０［ＮＬ／ｍｉｎ］とし、計１時間にわたり、両電極２５，２６間で１５０［Ａ］の電流を引き続けた。以上のように、活性化を行った時間は、比較例１と実施例１とで同じであるが、水素ガスの使用量や電流は、実施例１よりも比較例１の方が大きい。また比較例１は、第２通電工程を含まない点において実施例１と異なる。
［比較例２］
　比較例２では、上記１０セルの燃料電池スタック１に活性化装置３を接続し、図２の活性化方法のうち第１通電工程のみを実行した。この際、燃料電池スタック１の温度は、温度調整装置８を用いて７０℃に保った。比較例２では、アノード側ガス供給装置４を用いることにより、露点が７０℃となるように加湿した水素ガスをアノード側ガスとしてアノード側ガス流路２７に供給した。また比較例２では、カソード側ガス供給装置５を用いることにより、露点が７０℃となるように加湿した空気をカソード側ガスとしてカソード側ガス流路２８に供給した。ここで水素ガスの流量は０．３［ＮＬ／ｍｉｎ］とし、空気の流量は０．７［ＮＬ／ｍｉｎ］とし、計１時間にわたり、両電極２５，２６間で２［Ａ］の電流を引き続けた。以上のように活性化を行った時間、水素ガスの使用量、及び電流は、比較例２と実施例１とで同じである。また比較例２は、第２通電工程を含まない点において実施例１と異なる。
［比較例３］
　比較例３では、上記１０セルの燃料電池スタック１に活性化装置３を接続し、特開２０１０－２６７４５５号公報に記載の活性化方法を再現した。この際、燃料電池スタック１の温度は、温度調整装置８を用いて７０℃に保った。比較例３では、アノード側ガス供給装置４を用いることにより、露点が７０℃となるように加湿した水素ガスをアノード側ガスとしてアノード側ガス流路２７に供給した。ここで水素ガスの流量は０．３［ＮＬ／ｍｉｎ］とした。また比較例３では、カソード側ガス供給装置５を用いることにより、露点が７０℃となるように加湿した空気をカソード側ガスとしてカソード側ガス流路２８に供給した。また比較例３では、１分毎に空気の供給をオンからオフ又はオフからオンに切り替えた。ここで空気の供給をオンにしている間における空気の流量は、０．７［ＮＬ／ｍｉｎ］とした。また比較例３では、このように空気の供給をオンとする工程と空気の供給をオフとする工程とを、１分間ずつ交互に、それぞれ３０回ずつ実行した。すなわち比較例３の活性化にかかった時間は計１時間である。また比較例３では、上記のようにガスを供給しながら、両電極２５，２６間で２［Ａ］の電流を引き続けた。以上のように、活性化を行った時間、水素ガスの使用量、及び電流は、比較例３と実施例１とで同じである。また比較例３は、空気の供給をオフとしている間に窒素ガスを供給していない点において、実施例１と異なる。
　次に、以上のような実施例１及び比較例１～３の活性化方法によって活性化された燃料電池スタックの性能について、下記表１を参照しながら説明する。表１は、実施例１及び比較例１～３の活性化方法によって活性化された燃料電池スタックから１５０［Ａ］の電流を引き出した時における電圧の大きさを比較した図である。また下記表１には、比較例２の活性化方法によって活性化した後の燃料電池スタックの電圧を“１”とした場合を示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　上記表１に記載の通り、活性化後の燃料電池スタックの電圧は、比較例２、比較例３、比較例１、実施例１の順で高い。上述のように活性化を行った時間は、実施例１及び比較例１～３で同じである。したがって実施例１の活性化方法は、比較例１～３の活性化方法よりも短時間で効率的に燃料電池スタックを活性化できるといえる。また上述のように比較例１と実施例１とを比較した場合、水素ガスの使用量及び電流は比較例１の方が大きい。したがって実施例１の活性化方法によれば、比較例１～３よりも少ないコストで効率的に燃料電池スタックを活性化できるといえる。
　また上述のように比較例３と実施例１とを比較した場合、比較例３の活性化方法は空気の供給をオフにしている間に窒素ガスを供給していない点において実施例１の活性化方法と異なる。このため比較例３の活性化方法では、空気の供給をオフにしている間に、アノード電極からカソード電極へ水素がクロスリークし、両電極間の電位差が小さくなってしまう。このため実施例１の活性化方法によれば、比較例３の活性化方法よりも短時間で効率的に燃料電池スタックを活性化できる。また比較例３の活性化方法では、空気の供給をオフからオンに切り替えたときに、カソード電極に残留する水素と新たに供給される空気中の酸素とが直接反応してしまい、発熱によって燃料電池スタックが劣化するおそれがある。これに対し実施例１の活性化方法では、空気の供給をオフにしている間も窒素ガスを供給し続けるため、水素のクロスリークが少なく、よって燃料電池スタックの劣化も抑制できる。
［実施例２］
　実施例２では、活性化を行う時間を実施例１と同じ１時間とし、第１通電工程及び第２通電工程を交互に繰り返し行う回数（繰り返し回数）並びに第１通電工程又は第２通電工程を実行する時間（インターバル時間）を下記表２に記載のように変化させた。実施例２－１では、繰り返し回数を２［回］とし、インターバル時間を１５［分］とし、実施例２－２では、繰り返し回数を５［回］とし、インターバル時間を５［分］とし、実施例２－３では、繰り返し回数を１０［回］とし、インターバル時間を３［分］とし、実施例２－４では、繰り返し回数を６０［回］とし、インターバル時間を０．５［分］とした。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　上記表２に記載の通り、活性化後の燃料電池スタックの電圧は、比較例３、実施例２－１、実施例２－２、実施例２－４、実施例２－３、実施例１の順で高い。すなわち、今回採用した１０セルの燃料電池スタック１に関していえば、繰り返し回数を３０とすることによって最も効率的に燃料電池スタックを活性化できるといえる。以上より本発明の活性化方法は、活性化しようとする燃料電池スタックの仕様に応じて繰り返し回数を調整することにより、短時間で効率的に燃料電池スタックを活性化できる。
［実施例３］
　実施例３では、第１通電工程又は第２通電工程を実行する時間（インターバル時間）を実施例１と同じ１［分］とし、活性化を行う時間並びに第１通電工程及び第２通電工程を交互に繰り返し行う回数（繰り返し回数）を下記表３のように変化させた。実施例３－１では、繰り返し回数を１０［回］とし、活性化時間を１／３［時間］とし、実施例３－２では、繰り返し回数を２０［回］とし、活性化時間を２／３［時間］とし、実施例３－３では、繰り返し回数を６０［回］とし、活性化時間を２［時間］とし、実施例３－４では、繰り返し回数を９０［回］とし、活性化時間を３［時間］とした。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　上記表３に記載の通り、活性化後の燃料電池スタックの電圧は、実施例３－１、実施例３－２、実施例１、実施例３－３、実施例３－４の順で高い。すなわち本発明に係る活性化方法は、繰り返し回数を多くしかつ活性化時間を長くするほど燃料電池スタックを活性化できるが、その効率は、繰り返し回数を多くしかつ活性化時間を長くするほど低下するといえる。
［実施例４］
　実施例４では、活性化時間、繰り返し回数、及びインターバル時間を実施例１と同じとし、第２通電工程における空気の流量を下記表４のように変化させた。実施例４－１では、第２通電工程における空気の流量を０．２０［ＮＬ／ｍｉｎ］とし、実施例４－２では、第２通電工程における空気の流量を０．３７［ＮＬ／ｍｉｎ］とし、実施例４－３では、第２通電工程における空気の流量を０．４０［ＮＬ／ｍｉｎ］とし、実施例４－４では、第２通電工程における空気の流量を０．５０［ＮＬ／ｍｉｎ］とした。なお第２通電工程における空気の流量以外の水素ガスや窒素ガス等のガスの流量は、何れも実施例１と同じである。また第２通電工程における空気のストイキ比は、実施例４－１では０．６となり、実施例４－２では１．１２となり、実施例４－３では１．２１となり、実施例４－４では１．５１となった。ここで第２通電工程における空気のストイキ比とは、アノード側ガス流路２７に水素ガスを供給しながら燃料電池スタック１において通常の発電を行うために必要となる理論上の空気の流量に対する第２通電工程における空気の流量の比（第２通電工程における空気の流量／理論上の空気の流量）をいう。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
　上記表４に記載の通り、活性化後の燃料電池スタックの電圧は、実施例４－４、実施例４－３、実施例４－２、実施例４－１、実施例１の順で高い。すなわち本発明に係る活性化方法は、第２通電工程における空気の流量を少なくするほど、換言すれば第２通電工程においてカソード側ガス流路２８に供給するカソード側ガスにおける空気と窒素ガスの流量比（空気の流量／窒素ガスの流量）を小さくするほど短時間で効率的に活性化できるといえる。特に上記表４の結果によれば、実施例４－２と実施例４－３との間において、活性化の効果に大きな差が認められる。このため第２通電工程においてカソード側ガス流路２８に供給する空気の流量は、第１通電工程においてカソード側ガス流路２８に供給する空気の流量よりも少なくするとともに、ストイキ比を１．１２以下とすることが好ましいといえる。
［実施例５］
　実施例５では、活性化時間、繰り返し回数、インターバル時間、及び各種ガスの流量を実施例１と同じとし、燃料電池スタックの温度（スタック温度）、アノード側ガスの露点（アノード露点）、及びカソード側ガスの露点（カソード露点）の組み合わせを下記表５に記載のように変化させた。実施例５－１では、スタック温度を５０［℃］、アノード露点を５０［℃］、及びカソード露点を５０［℃］とし、実施例５－２では、スタック温度を５０［℃］、アノード露点を７０［℃］、及びカソード露点を７０［℃］とし、実施例５－３では、スタック温度を７０［℃］、アノード露点を６０［℃］、及びカソード露点を７０［℃］とし、実施例５－４では、スタック温度を７０［℃］、アノード露点を７０［℃］、及びカソード露点を６０［℃］とし、実施例５－５では、スタック温度を７０［℃］、アノード露点を８０［℃］、及びカソード露点を８０［℃］とし、実施例５－６では、スタック温度を８０［℃］、アノード露点を８０［℃］、及びカソード露点を８０［℃］とし、実施例５－７では、スタック温度を８０［℃］、アノード露点を７０［℃］、及びカソード露点を７０［℃］とした。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
　上記表５に記載の通り、活性化後の燃料電池スタックの電圧は、実施例５－１、実施例５－２、実施例５－７、実施例５－３、実施例１、実施例５－４、実施例５－６、及び実施例５－５の順で高い。特に上記表５の結果によれば、実施例５－１と実施例５－２との間において、活性化の効果に大きな差が認められる。このためアノード側ガスの露点は５０［℃］より高くし、かつカソード側ガスの露点は５０［℃］より高くすることが好ましいといえる。以上より本発明の活性化方法は、活性化しようとする燃料電池スタックの仕様に応じてスタック温度、アノード露点、及びカソード露点を調整することにより、短時間で効率的に燃料電池スタックを活性化できる。
　１…燃料電池スタック（燃料電池）
　２…燃料電池セル（燃料電池）
　２４…電解質膜（電解質層）
　２５…アノード電極
　２６…カソード電極
　３…活性化装置
　４…アノード側ガス供給装置
　４１…水素ガス供給源
　４２…水素ガス供給路（アノード側ガス供給路）
　５…カソード側ガス供給装置
　５１…エアポンプ（酸化剤ガス供給源）
　５２…窒素ガス供給源（不活性ガス供給源）
　５３…制御装置（切替手段）
　５４…カソード側ガス供給路（カソード側ガス供給路）
　６…外部電気負荷（外部電気負荷）
　７…セル電圧センサ（電圧センサ）

Claims (6)

  1. 　固体高分子を含む電解質層と、当該電解質層の一方の面に設けられたアノード電極と、前記電解質層の他方の面に設けられたカソード電極と、を備える燃料電池の活性化方法であって、
    　前記アノード電極に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電極にカソード側ガスとして酸化剤ガスを供給することにより、前記アノード電極と前記カソード電極との間に電位差を生じさせた状態で、前記アノード電極と前記カソード電極とを外部電気負荷を介して電気的に接続し通電する第１通電工程と、
    　前記アノード電極に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電極にカソード側ガスとして不活性ガスを供給することにより、前記アノード電極と前記カソード電極との間に電位差を生じさせた状態で、前記アノード電極と前記カソード電極とを前記外部電気負荷を介して電気的に接続し通電する第２通電工程と、を備えることを特徴とする燃料電池の活性化方法。
  2. 　前記第１通電工程と前記第２通電工程とを交互に複数回繰り返し行うことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の活性化方法。
  3. 　前記第１通電工程では、酸化剤ガスと不活性ガスとを混合したものをカソード側ガスとして前記カソード電極に供給し、
    　前記第１通電工程から前記第２通電工程に移行する際には、不活性ガスの供給を継続しながら酸化剤ガスの供給をオフにすることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池の活性化方法。
  4. 　前記第２通電工程を行っている間に前記アノード電極と前記カソード電極との間の電位差が所定電圧以下である状態が所定時間継続した後に、前記第２通電工程から前記第１通電工程に移行することを特徴とする請求項１から３に記載の燃料電池の活性化方法。
  5. 　固体高分子を含む電解質層と、当該電解質層の一方の面に設けられたアノード電極と、前記電解質層の他方の面に設けられたカソード電極と、を備える燃料電池の活性化装置であって、
    　前記アノード電極と前記カソード電極とを電気的に接続する外部電気負荷と、
    　水素ガスを供給する水素ガス供給源と、
    　前記アノード電極と前記水素ガス供給源とを接続するアノード側ガス供給路と、
    　酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給源と、
    　不活性ガスを供給する不活性ガス供給源と、
    　前記カソード電極と前記酸化剤ガス供給源及び前記不活性ガス供給源とを接続するカソード側ガス供給路と、
    　前記酸化剤ガス供給源から前記カソード電極への酸化剤ガスの供給を交互にオン又はオフにする制御手段と、を備えることを特徴とする燃料電池の活性化装置。
  6. 　前記アノード電極と前記カソード電極との間の電位差を検出する電圧センサをさらに備え、
    　前記制御手段は、前記酸化剤ガスの供給をオフにしているときに前記電位差が所定電圧以下に低下した状態が所定時間継続した後に、前記酸化剤ガスの供給をオンにすることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池の活性化装置。
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