(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード極およびカソード極と、これらアノード極およびカソード極の間に配置された固体高分子膜と、を備える固体高分子型燃料電池の活性化方法であって、
前記カソード極に酸素を供給せず前記アノード極に水素を供給した状態で、外部電源により、前記カソード極を正として当該カソード極と前記アノード極との間に所定の幅内で変動する電圧を印加する工程を第１工程と定義し、
前記カソード極に酸素を供給せずかつ前記カソード極に連通するガス導入管の遮断弁を閉じ、前記アノード極に水素を供給した状態で、外部電源により、前記カソード極から前記アノード極へ電流を流すことにより、前記アノード極で生じた水素イオンを、前記固体高分子膜を通って前記カソード極側へ移動させ、前記カソード極で電子を受け取り再び水素とする工程を第２工程と定義し、
前記第１工程および前記第２工程の組み合わせを２回以上繰り返すことを特徴とする固体高分子型燃料電池の活性化方法。
【請求項２】
アノード極およびカソード極と、これらアノード極およびカソード極の間に配置された固体高分子膜とを備える固体高分子型燃料電池の活性化方法であって、
前記カソード極に酸素を供給せず前記アノード極に水素を供給した状態で、外部電源により、前記カソード極を正として当該カソード極と前記アノード極との間に所定の幅内で変動する電圧を印加する工程を第１工程と定義し、
前記アノード極および前記カソード極にそれぞれ水素および酸素を供給し前記燃料電池で発電させながら、その出力電流を所定の電流幅内で変動させる工程を第３工程と定義し、
前記第１工程および前記第３工程の組み合わせを２回以上繰り返すことを特徴とする固体高分子型燃料電池の活性化方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子型燃料電池の活性化方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型の燃料電池セルは、アノード極およびカソード極の間に固体高分子膜を配置して形成された電極膜構造体（ＭＥＡ）を、一対のセパレータで挟持して形成される。これらアノード極およびカソード極は、それぞれ固体高分子膜に接して酸化・還元反応を行う触媒層と、この触媒層に接するガス拡散層と、から形成される。燃料電池セルは、水素を含有する反応ガスをアノード極側に供給し、酸素を含有する酸化剤ガス（空気）をカソード極側に供給すると、電気化学反応により発電する。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り構成され、例えば車両の動力源として搭載される。【０００３】
以上のような固体高分子型の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」という）の組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。近年では多くの種類の活性化方法が提案されている。【０００４】
特許文献１には、燃料電池のアノード極とカソード極との間に、所定の幅で周期的に変動する電圧を印加することにより、組立て直後の燃料電池の発電性能を向上する燃料電池の活性化方法が示されている。【０００５】
特許文献２には、カソード極へガスを供給せずにアノード極にのみ反応ガスを供給しながら、外部電源によりカソード極とアノード極との間に電圧を印加するいわゆる水素ポンプ運転を行うことに、燃料電池を活性化させる技術が提案されている。【０００６】
特許文献３には、アノード極に反応ガスを供給しカソード極に酸化剤ガスを供給し実際に燃料電池で発電させることにより活性化させる技術が提案されている。より具体的には、この特許文献３には、燃料電池の出力電流を増減させる工程を繰り返すことにより、効率的に活性化できることが示されている。
【特許文献１】特開２００８−２０４７９９号公報
【特許文献２】特開２００９−１０４９１８号公報
【特許文献３】特開２００５−２５１３９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
以上のように、固体高分子型の燃料電池の活性化方法について、近年では様々な種類の方法が提案されているものの、従来の活性化方法では、燃料電池の発電性能が所定の目標に達するまで活性化させるのに長い時間がかかってしまうため、より短い時間で効率的に活性化させたいという要望があった。【０００８】
本発明は、短時間で効率的に活性化できる固体高分子型燃料電池の活性化方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため本発明は、アノード極およびカソード極と、これらアノード極およびカソード極の間に配置された固体高分子膜と、を備える固体高分子型燃料電池の活性化方法（第１実施形態の活性化方法）を提供する。前記活性化方法は、前記カソード極に酸素を供給せず前記アノード極に水素を供給した状態で、外部電源により、前記カソード極を正として当該カソード極と前記アノード極との間に所定の幅内で変動する電圧を印加する工程（例えば、後述のＣＶ運転）を第１工程と定義し、前記カソード極に酸素を供給せず前記アノード極に水素を供給した状態で、外部電源により、前記カソード極から前記アノード極へ電流を流すことにより、前記アノード極で生じた水素イオンを、前記固体高分子膜を通って前記カソード極側へ移動させ、前記カソード極で電子を受け取り再び水素とする工程を第２工程（例えば、後述の水素ポンプ運転）と定義し、前記第１工程および前記第２工程の組み合わせを２回以上繰り返すことを特徴とする。
【００１０】
本発明によれば、組み立てられた後の固体高分子型燃料電池に対し、カソード極に酸素を供給せずアノード極に水素を供給した状態で、外部電源によりカソード極を正としてこのカソード極とアノード極との間に所定の幅内で変動する電圧を印加する第１工程と、カソード極に酸素を供給せずアノード極に水素を供給した状態で、外部電源によりカソード極からアノード極へ電流を流す第２工程との組み合わせを、２回以上繰り返す。ここで、第１工程および第２工程の組み合わせとは、第１工程を実行した後に続けて第２工程を実行すること、又は、第２工程を実行した後に続けて第１工程を実行すること、を意味する。
これにより、例えば、第１工程のみを行った場合、第２工程のみを行った場合、および第１工程を行った後に続けて第２工程を行った場合などの従来の活性化方法と比較して、活性化にかかる時間を短くしながらより効率的に燃料電池を活性化することができる。
【００１３】
上記目的を達成するため本発明は、アノード極およびカソード極と、これらアノード極およびカソード極の間に配置された固体高分子膜とを備える固体高分子型燃料電池の活性化方法（第３実施形態の活性化方法）を提供する。前記活性化方法は、前記カソード極に酸素を供給せず前記アノード極に水素を供給した状態で、外部電源により、前記カソード極を正として当該カソード極と前記アノード極との間に所定の幅内で変動する電圧を印加する工程（例えば、後述のＣＶ運転）を第１工程と定義し、前記アノード極および前記カソード極にそれぞれ水素および酸素を供給し前記燃料電池で発電させる工程（例えば、後述の発電運転）を第３工程と定義し、前記第１工程および前記第３工程の組み合わせを２回以上繰り返すことを特徴とする。【００１４】
本発明によれば、組み立てられた後の固体高分子型燃料電池に対し、カソード極に酸素を供給せずアノード極に水素を供給した状態で、外部電源によりカソード極を正としてこのカソード極とアノード極との間に所定の幅内で変動する電圧を印加する第１工程と、アノード極およびカソード極にそれぞれ水素および酸素を供給し燃料電池で発電させる第２工程との組み合わせを、２回以上繰り返す。ここで、第１工程および第３工程の組み合わせとは、第１工程を実行した後に続けて第３工程を実行すること、又は、第３工程を実行した後に続けて第１工程を実行すること、を意味する。
これにより、例えば、第１工程のみを行った場合、第３工程のみを行った場合、および第１工程を行った後に続けて第３工程を行った場合などの従来の活性化方法と比較して、活性化にかかる時間を短くしながらより効率的に燃料電池を活性化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１実施形態に係る固体高分子型燃料電池の活性化方法を実行するための活性化装置の構成を模式的に示す図である。
【図２】上記実施形態に係る活性化方法の手順を示すフローチャートである。
【図３】ＣＶ運転における活性化装置の構成を模式的に示す図である。
【図４】ＣＶ運転を実行した後、水素ポンプ運転を実行した場合におけるカソード極およびアノード極間の電圧の変化、並びに、カソード極からアノード極へ流れる電流の電流密度の変化を示す図である。
【図５】水素ポンプ運転における活性化装置の構成を模式的に示す図である。
【図６】実験１の評価試験の結果を示す図である。
【図７】実験２の評価試験の結果を示す図である。
【図８】実験３の評価試験の結果を示す図である。
【図９】本発明の第１参考形態に係る固体高分子型燃料電池の活性化方法を実行するための活性化装置の構成を模式的に示す図である。
【図１０】上記参考形態に係る活性化方法の手順を示すフローチャートである。
【図１１】水素ポンプ運転における活性化装置の構成を模式的に示す図である。
【図１２】水素ポンプ運転を実行した後、発電運転を実行した場合におけるカソード極からアノード極へ流れる電流の電流密度の変化を示す図である。
【図１３】発電運転における活性化装置の構成を模式的に示す図である。
【図１４】実験４の評価試験を示す図である。
【図１５】実験５の評価試験を示す図である。
【図１６】本発明の第３実施形態に係る固体高分子型燃料電池の活性化方法を実行するための活性化装置の構成を模式的に示す図である。
【図１７】上記実施形態に係る活性化方法の手順を示すフローチャートである。
【図１８】ＣＶ運転における活性化装置の構成を模式的に示す図である。
【図１９】ＣＶ運転を実行した場合におけるカソード極およびアノード極間の電圧の変化を示す図である。
【図２０】発電運転における活性化装置の構成を模式的に示す図である。
【図２１】発電運転を実行した場合におけるカソード極からアノード極へ流れる電流の電流密度の変化を示す図である。
【図２２】実験６の評価試験を示す図である。
【図２３】実験７の評価試験を示す図である。
【図２４】本発明の第２参考形態に係る固体高分子型燃料電池の活性化方法を実行するための活性化装置の構成を模式的に示す図である。
【図２５】上記参考形態に係る活性化方法の手順を示すフローチャートである。
【図２６】水素ポンプ運転における活性化装置の構成を模式的に示す図である。
【図２７】発電運転における活性化装置の構成を模式的に示す図である。
【図２８】水素ポンプ運転を行っている間にカソード流路に酸化剤ガスを供給したときにおけるスタック電圧の変化を示すタイムチャートである。
【図２９】実験８の評価試験の結果を示す図である。
【図３０】本発明の第３参考形態に係る固体高分子型燃料電池の活性化方法を実行するための活性化装置の構成を模式的に示す図である。
【図３１】上記参考形態に係る活性化方法の手順を示すフローチャートである。
【図３２】発電運転および水素ポンプ運転を行っている間における電子負荷装置の電流およびスタック電圧の変化を示す図である。
【符号の説明】
【００１６】
１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ…活性化装置
２１…カソード側ガス供給装置
３１…アノード側ガス供給装置
４…安定化電源
ＦＣ…燃料電池
【発明を実施するための形態】
【００１７】
［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態を、図面を参照して説明する。
図１は、本実施形態に係る固体高分子型燃料電池ＦＣの活性化方法を実行するための活性化装置１の構成を模式的に示す図である。
【００１８】
燃料電池ＦＣは、組み立てられた後の燃料電池セル単体、又は、複数の燃料電池セルを積層して構成された燃料電池スタックである。より具体的には、この燃料電池ＦＣに含まれる燃料電池セルは、例えばアノード極およびカソード極の間に固体高分子膜を配置して形成された電極膜構造体（ＭＥＡ）を一対のセパレータで挟持して形成される。また、アノード極およびカソード極は、それぞれ固体高分子膜に接して酸化・還元反応を行う触媒層と、この触媒層に接するガス拡散層と、から形成される。
【００１９】
活性化装置１は、燃料電池ＦＣのカソード極に連通するカソード流路にガスを供給するカソード側ガス供給装置２１と、燃料電池ＦＣのアノード極に連通するアノード流路にガスを供給するアノード側ガス供給装置３１と、カソード側ガス供給装置２１およびアノード側ガス供給装置３１から供給されるガスを加湿する図示しない加湿器と、を備える。この他、活性化装置１は、燃料電池ＦＣのカソード極とアノード極との間に電圧を印加する安定化電源４を備える。
【００２０】
カソード側ガス供給装置２１は、窒素を多く含む窒素ガス、酸素を多く含む酸化剤ガス（空気）、および水素を多く含む反応ガスのうち何れかを燃料電池ＦＣのカソード流路に供給する。
アノード側ガス供給装置３１は、窒素ガス、および反応ガスのうち何れかを燃料電池ＦＣのアノード流路に供給する。
【００２１】
カソード側ガス供給装置２１によりカソード側導入管２２を介してカソード流路に供給されたガスは、カソード側排出管２３を介して装置外に排出される。このカソード側導入管２２には、カソード側ガス供給装置２１からのガスの供給を遮断する遮断弁（図示せず）が設けられている。アノード側ガス供給装置３１によりアノード側導入管３２を介してアノード流路に供給されたガスは、アノード側排出管３３を介して装置外に排出される。このアノード側排出管３３には、オフガスの排出を遮断する遮断弁（図示せず）が設けられている。
【００２２】
以下、図２を参照して、燃料電池ＦＣを活性化する手順を説明する。
図２は、活性化方法の手順を示すフローチャートである。
ステップＳ１では、燃料電池に水分を補給しステップＳ２に移る。より具体的には、アノード流路およびカソード流路に、加湿器で加湿した窒素ガスを供給することにより燃料電池のＭＥＡに水分を補給する。
【００２３】
ステップＳ２では、燃料電池のアノード流路およびカソード流路内のガスを置換し、ステップＳ３に移る。後に詳述するように、次ステップＳ３のＣＶ運転において燃料電池に供給するガスは、前ステップＳ２の水分の補給のために燃料電池に供給したガスと異なる。そこで、このステップＳ２では、燃料電池のアノード流路およびカソード流路内に残留するガスを次ステップＳ３で供給するガスで置換するべく、アノード流路には反応ガスを供給するとともにカソード流路には窒素ガスを供給する。
【００２４】
ステップＳ３では、後述の第１工程としてのＣＶ運転を所定の時間にわたって実行した後、ステップＳ４に移る。ステップＳ４では、後述の第２工程としての水素ポンプ運転を所定の時間にわたって実行した後、ステップＳ５に移る。ステップＳ５では、上記ステップＳ３でＣＶ運転を実行した後に続けてステップＳ４で水素ポンプ運転を実行すること１組として、この組み合わせを所定の設定回数以上、繰り返し実行したか否かを判別する。この判別がＮＯの場合には、ステップＳ３に移り、再びＣＶ運転および水素ポンプ運転の組み合わせを実行する。一方、この判別がＹＥＳの場合には、燃料電池の活性化処理を終了する。ここで、ステップＳ５の設定回数、すなわちＣＶ運転および水素ポンプ運転の組み合わせを繰り返し行う回数は、１回当りのＣＶ運転を行う時間、１回当りの水素ポンプ運転を行う時間、およびこの活性化処理により要求される燃料電池の性能の向上幅などに応じて、２回以上に設定される。
【００２５】
以下、上記ステップＳ３におけるＣＶ運転と、上記ステップＳ４における水素ポンプ運転とを、図３〜５を参照して詳細に説明する。
【００２６】
図３は、ＣＶ運転における活性化装置の構成を模式的に示す図である。
図４は、ＣＶ運転を実行した後、水素ポンプ運転を実行した場合におけるカソード極およびアノード極間の電圧の変化（図４の（ａ））、並びに、カソード極からアノード極へ流れる電流の電流密度の変化（図４の（ｂ））を示す図である。なお、本発明における電流密度とは、燃料電池のＭＥＡの単位反応面積（１［ｃｍ２］）当たりに流れる電流をいう。
【００２７】
ＣＶ運転では、アノード流路には水素を多く含有する反応ガスを供給し、同時にカソード流路には酸素を多く含有する酸化剤ガスを供給せずに窒素を多く含有する窒素ガスを供給する。このとき、アノード側排出管３３およびカソード側導入管２２に設けられた遮断弁は開いた状態にし、燃料電池ＦＣのアノード流路およびカソード流路には、アノード側ガス供給装置３１およびカソード側ガス供給装置２１から供給される新気が流通するようにする。
【００２８】
さらにＣＶ運転では、燃料電池ＦＣを安定化電源４に接続しておき、上述のように燃料電池ＦＣにガスを供給した状態で、安定化電源４により、カソード極を正としてカソード極とアノード極との間に所定の電圧幅内で周期的に変動する電圧を印加する（図４参照）。ここで、上記電圧幅の最小値は０［Ｖ］以上の所定値（例えば、０［Ｖ］）とし、最大値は上記最小値よりも大きな所定値（例えば、１［Ｖ］）とする。また、電圧の波形は、電圧の折り返し時に電流が急激に変動するのを防止するために図４に示すように正弦波とすることが好ましいが、これに限らずのこぎり波や矩形波であってもよい。
【００２９】
図５は、水素ポンプ運転における活性化装置の構成を模式的に示す図である。
水素ポンプ運転では、カソード側導入管２２に設けられた遮断弁を閉じカソード流路にはガスを供給せずに、アノード側排出管３３に設けられた遮断弁を閉じた状態でアノード流路に水素を多く含有する反応ガスを供給する。
さらに水素ポンプ運転では、燃料電池ＦＣを安定化電源４に接続しておき、上述のように燃料電池ＦＣのアノード極に反応ガスを供給した状態で、安定化電源４により、アノード極を正としてカソード極とアノード極との間に電圧を印加することにより、カソード極からアノード極へ所定量の電流を流す（図４参照）。このとき、安定化電源４で印加する電圧は、カソード極からアノード極へ流れる電流が燃料電池ＦＣのＭＥＡの反応面積に応じて予め設定された値になるように調整される。
【００３０】
以上のようにガスを供給しながらカソード極からアノード極へ電流を流すと、アノード極側で水素の触媒反応により水素イオンが発生する。この水素イオンは、ＭＥＡを通ってカソード極側へ移動し、カソード極側で電子を受けることにより再び水素となりカソード側排出管２３から排出される。
【００３１】
以下、本実施形態に係る燃料電池の活性化方法の効果を検証するために行った３つの実験結果について説明する。
【００３２】
［実験１］
実験１では、本実施形態の活性化方法と、従来の活性化方法との効果を比較する実験を行った。より具体的には、本実施形態の活性化方法で活性化した燃料電池セルを実施例１とし、従来の活性化方法で活性化した燃料電池セルを比較例１〜３とし、これら実施例１および比較例１〜３について評価試験を行った。
【００３３】
＜実施例１＞
本実施形態の活性化方法により活性化した燃料電池セルを実施例１とする。より具体的には、以下の手順で活性化した燃料電池セルを実施例１とする。
すなわち、実施例１の燃料電池は、先ず、燃料電池に水分を補給し（上述のステップＳ１参照）、燃料電池のガスを置換した後（上述のステップＳ２参照）、ＣＶ運転（上述のステップＳ３参照）と水素ポンプ運転（上述のステップＳ４参照）とを所定回数繰り返した。
より具体的には、ステップＳ１の燃料電池の水分補給では、温度が約７０℃で相対湿度が約１００％の窒素ガスを、燃料電池のアノード流路およびカソード流路に３０分間にわたって供給した。ここで、窒素ガスの流量は、ＭＥＡの単位反応面積当りの流量が４［ｍｌ／ｍｉｎ］となるように調整した。
ステップＳ２の燃料電池のガスの置換では、アノード流路に反応ガスを、カソード流路に窒素ガスを３分間にわたって供給した。ここで反応ガスおよび窒素ガスの流量は、ＭＥＡの単位反応面積当りの流量が８［ｍｌ／ｍｉｎ］となるように調整した。
ステップＳ３のＣＶ運転では、上述のステップＳ２と同じ流量でガスを供給しながら、最小電圧０［Ｖ］、最大電圧１［Ｖ］、および１周期が６分の正弦波形の電圧を５周期（３０分間）にわたって印加した。
ステップＳ４の水素ポンプ運転では、カソード側導入管およびアノード側排出管の遮断弁を閉じ、アノード流路に反応ガスを供給する。ここで、反応ガスの流量は、上述のステップＳ２の流量と同じとした。また、水素ポンプ運転では、アノード極を安定化電源の正極に、カソード極を安定化電源の負極に接続しておき、上述のように反応ガスを供給しながら、カソード極からアノード極へ電流密度が１［Ａ／ｃｍ２］の電流を、１０分間にわたって流し続けた。
また、ステップＳ５の繰り返し回数を４回とし、上述のようなＣＶ運転および水素ポンプ運転を合計１６０分間にわたり行った。
なお、以下では、活性化にかかった時間から、上述の水分補給およびガスの置換にかかった時間を差し引いた時間を、総エージング時間という。したがって、実施例１の燃料電池セルの総エージング時間は１６０分である。
【００３４】
＜比較例１＞
従来の活性化方法により活性化した燃料電池セルを比較例１とする。比較例１の燃料電池セルは、水素ポンプ運転を実行せずにＣＶ運転のみを実行して活性化した点と、総エージング時間とが、上述の実施例１の燃料電池セルと異なる。
より具体的には、先ず、実施例１と同じ手順により、燃料電池セルの水分補給およびガス置換を行った。次に、実施例１と同じ設定の下でＣＶ運転を２４０分間（４０周期）にわたり行った。したがって、比較例１の燃料電池セルの総エージング時間は２４０分である。
【００３５】
＜比較例２＞
従来の活性化方法により活性化した燃料電池セルを比較例２とする。比較例２の燃料電池セルは、ＣＶ運転を実行せずに水素ポンプ運転のみを実行して活性化した点と、総エージング時間とが、上述の実施例１の燃料電池セルと異なる。
より具体的には、先ず、実施例１と同じ手順により、燃料電池セルの水分補給およびガス置換を行った。次に、実施例１と同じ設定の下で水素ポンプ運転を２４０分間にわたり行った。したがって、比較例２の燃料電池セルの総エージング時間は２４０分である。
【００３６】
＜比較例３＞
従来の活性化方法により活性化した燃料電池セルを比較例３とする。比較例３の燃料電池セルは、ＣＶ運転および水素ポンプ運転ともに実行しなかった点と、総エージング時間とが、上述の実施例１の燃料電池と異なる。
より具体的には、実施例１と同じ手順により、燃料電池セルの水分補給およびガス置換のみを行った。したがって、比較例３の燃料電池セルの総エージング時間は０分である。
【００３７】
＜実験１の評価試験＞
実験１の評価試験では、以上のような実施例１および比較例１〜３の燃料電池セルで実際に発電させてその出力電圧を測定した。このとき、燃料電池セルの出力電流の電流密度が１［Ａ／ｃｍ２］となるように発電させたときにおける出力電圧を測定した。
【００３８】
図６は、実験１の評価試験の結果を示す図である。図６には、比較例３の燃料電池セルの出力電圧の測定値を１とした相対値を示す。
図６に示すように、実施例１の燃料電池セルは、比較例１，２の燃料電池セルよりも総エージング時間が短いにもかかわらず出力電圧が高い。したがって、本実施形態の活性化方法で活性化することにより、従来の活性化方法よりも短時間で効率的に活性化できることが検証された。
【００３９】
［実験２］
実験２では、本実施形態の活性化方法において、ＣＶ運転と水素ポンプ運転との組み合わせを繰り返し行うことによる効果を検証する実験を行った。より具体的には、本実施形態の活性化方法で活性化した燃料電池セルを実施例２〜５とし、従来の活性化方法で活性化した燃料電池セルを比較例４とし、これら実施例２〜５および比較例４について評価試験を行った。
【００４０】
なお、本実験２は、ＣＶ運転と水素ポンプ運転との組み合わせを繰り返し行うことによる効果を検証するための実験であるので、実施例２〜５および比較例４の燃料電池セルには、それぞれ、総エージング時間を一定にしながら、ＣＶ運転と水素ポンプ運転との組み合わせの繰り返し回数を変えて活性化したものを準備した。なお、実施例２〜５および比較例４のＣＶ運転時に燃料電池セルに印加する電圧の波形や水素ポンプ運転時に燃料電池セルに通電する電流の設定は、上記実施例１と同じであり、説明を省略する。
【００４１】
＜実施例２＞
本実施形態の活性化方法により活性化した燃料電池セルを実施例２とする。
より具体的には、１回当りのＣＶ運転を行う時間を６０分間（１０周期）とし、１回当りの水素ポンプ運転を行う時間を６０分間とし、ＣＶ運転と水素ポンプ運転との組み合わせの繰り返し回数を２回とし、合計２４０分間にわたりＣＶ運転と水素ポンプ運転とを行った。
【００４２】
＜実施例３＞
本実施形態の活性化方法により活性化した燃料電池セルを実施例３とする。
より具体的には、１回当りのＣＶ運転を行う時間を４２分間（７周期）とし、１回当りの水素ポンプ運転を行う時間を３８分間とし、ＣＶ運転と水素ポンプ運転との組み合わせの繰り返し回数を３回とし、合計２４０分間にわたりＣＶ運転と水素ポンプ運転とを行った。
【００４３】
＜実施例４＞
本実施形態の活性化方法により活性化した燃料電池セルを実施例４とする。
より具体的には、１回当りのＣＶ運転を行う時間を２４分間（４周期）とし、１回当りの水素ポンプ運転を行う時間を２４分間とし、ＣＶ運転と水素ポンプ運転との組み合わせの繰り返し回数を５回とし、合計２４０分間にわたりＣＶ運転と水素ポンプ運転とを行った。
【００４４】
＜実施例５＞
本実施形態の活性化方法により活性化した燃料電池セルを実施例５とする。
より具体的には、１回当りのＣＶ運転を行う時間を１２分間（２周期）とし、１回当りの水素ポンプ運転を行う時間を１２分間とし、ＣＶ運転と水素ポンプ運転との組み合わせの繰り返し回数を１０回とし、合計２４０分間にわたりＣＶ運転と水素ポンプ運転とを行った。
【００４５】
＜比較例４＞
従来の活性化方法により活性化した燃料電池セルを比較例４とする。
より具体的には、ＣＶ運転を１２０分間（２０周期）にわたり行った後、水素ポンプ運転を１２０分間にわたって行い、合計２４０分間にわたりＣＶ運転と水素ポンプ運転とを行った。
【００４６】
＜実験２の評価試験＞
実験２の評価試験では、以上のような実施例２〜５および比較例４の燃料電池セルで実際に発電させてその出力電圧を測定した。またこのとき、実験１の評価試験と同様に、燃料電池セルの出力電流の電流密度が１［Ａ／ｃｍ２］となるように発電させたときにおける出力電圧を測定した。
【００４７】
図７は、実験２の評価試験の結果を示す図である。図７において、縦軸は上記比較例３の燃料電池セルの出力電圧の測定値を１とした相対値であり、横軸はＣＶ運転と水素ポンプ運転との繰り返し回数である。また、図７には、参考値として上記実験１で準備した実施例１の燃料電池セルの出力電圧を白抜きの記号で示し、比較例１，３の燃料電池セルの出力電圧を一点鎖線で示す。
【００４８】
図７に示すように、繰り返し回数を１回とし、ＣＶ運転と水素ポンプ運転とを１回ずつしか行わなかった比較例４は、比較例１に対してやや出力電圧が高くなっているものの、顕著な差は無い。
一方、繰り返し回数を２回以上にした実施例２〜４は、比較例１，４に対して総エージング時間は同じ２４０分であるにもかかわらず出力電圧が大幅に高くなっている。したがって、ＣＶ運転と水素ポンプ運転との組み合わせを２回以上繰り返し行うことにより、短時間で効率的に活性化できることが検証された。
【００４９】
また、繰り返し回数を４回とした実施例１と、繰り返し回数を３回とした実施例３および繰り返し回数を２回とした実施例２とを比較すると、実施例１の総エージング時間（１６０分）は、これら実施例３，４の総エージング時間（２４０分）よりも短いにもかかわらず、出力電圧は高い。これにより、総エージング時間を長くするよりも、ＣＶ運転と水素ポンプ運転との組み合わせの繰り返し回数を増やした方が、より短時間で効率的に活性化できることが検証された。
【００５０】
［実験３］
実験３では、本実施形態の活性化方法において、ＣＶ運転と水素ポンプ運転との組み合わせを繰り返し行うことによる効果と、総エージング時間を長くすることによる効果とを比較する実験を行った。
【００５１】
＜実施例６＞
本実施形態の活性化方法により活性化した燃料電池セルを実施例６とする。実施例６の燃料電池セルは、１回当りのＣＶ運転を行う時間および水素ポンプ運転を行う時間と、これらの組み合わせの繰り返し回数とが上記実施例１の燃料電池セルと異なる。
より具体的には、実施例６の燃料電池セルは、実施例１の燃料電池セルに対して、１回当りのＣＶ運転を行う時間および水素ポンプ運転を行う時間を長くすることにより、総エージング時間を等しくしながらＣＶ運転と水素ポンプ運転との組み合わせの繰り返し回数を３回に減らした。
【００５２】
＜実施例７＞
本実施形態の活性化方法により活性化した燃料電池セルを実施例７とする。実施例７の燃料電池セルは、１回当りのＣＶ運転を行う時間および水素ポンプ運転を行う時間と、これらの組み合わせの繰り返し回数とが上記実施例１の燃料電池セル異なる。
より具体的には、実施例７の燃料電池セルは、実施例１の燃料電池セルに対して、１回当りのＣＶ運転を行う時間および水素ポンプ運転を行う時間を長くすることにより、総エージング時間を等しくしながらＣＶ運転と水素ポンプ運転との組み合わせの繰り返し回数を２回に減らした。
【００５３】
＜比較例５＞
従来の活性化方法により活性化した燃料電池セルを比較例５とする。比較例５の燃料電池セルは、１回当りのＣＶ運転を行う時間および水素ポンプ運転を行う時間と、これらの組み合わせの繰り返し回数とが上記実施例１の燃料電池セル異なる。
より具体的には、比較例５の燃料電池セルは、実施例１の燃料電池セルに対して、１回当りのＣＶ運転を行う時間および水素ポンプ運転を行う時間を長くすることにより、総エージング時間を等しくしながらＣＶ運転と水素ポンプ運転との組み合わせの繰り返し回数を１回に減らした。
【００５４】
＜実験３の評価試験＞
実験３の評価実験では、以上のような実施例１，２，３，６，７および比較例４，５の燃料電池セルで実際に発電させてその出力電圧を測定した。このとき、燃料電池セルの出力電流の電流密度が１［Ａ／ｃｍ２］となるように発電させたときにおける出力電圧を測定した。
【００５５】
図８は、実験３の評価試験の結果を示す図である。図８には、比較例３の燃料電池セルの出力電圧の測定値を１とした相対値を示す。上述のように、実施例１，６，７および比較例５の総エージング時間は１６０分であり、実施例２，３および比較例４の総エージング時間は２４０分である。図８に示すように、総エージング時間が異なっているにもかかわらず、繰り返し回数が同じである場合には、出力電圧はほぼ同じである。したがって、総エージング時間を長くするよりも、ＣＶ運転と水素ポンプ運転との繰り返し回数を多くした方が、より短時間で効率的に活性化できることが検証された。
【００５６】
なお、本発明は上記実施形態および上記実施例に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良などは本発明に含まれるものである。
例えば、上記実施形態では、ＣＶ運転（図２のステップＳ３参照）を実行した後に続けて水素ポンプ運転（図２のステップＳ４参照）を実行し、これを２回以上繰り返したが、本発明はこれに限らない。例えば、上記図２のステップＳ３とステップＳ４の実行の順序を逆にして、水素ポンプ運転を実行した後に続けてＣＶ運転を実行し、これを２回以上繰り返しても、ほぼ同様の効果を奏する。
【００５７】
また、本実施形態のＣＶ運転では、カソード側排出管２３およびアノード側排出管３３を開いた状態でガスを供給することにより、燃料電池ＦＣのアノード流路およびカソード流路に、アノード側ガス供給装置およびカソード側供給装置から供給される新気が流通するようにしたが、これに限らない。ＣＶ運転では、カソード側排出管およびアノード側排出管の何れか又は両方を閉じた状態で行ってもほぼ同様の効果を奏する。
【００５８】
また、本実施形態の水素ポンプ運転では、アノード側排出管３３に設けられた遮断弁を閉じた状態でアノード流路に水素を多く含有する反応ガスを供給したが、本発明はこれに限らず、上記遮断弁を開いた状態で反応ガスを供給してもよい。
また、本実施形態の水素ポンプ運転では、カソード側導入管２２に設けられた遮断弁を閉じたが、本発明はこれに限らない。例えば、上記遮断弁を開いた状態でカソード流路に窒素を多く含有する窒素ガスを供給してもよい。
【００５９】
また、上記実施例では単一の燃料電池セルに対して本発明の活性化方法を適用し、その効果を検証したが、本発明はこれに限るものではない。例えば、複数の燃料電池セルを積層して構成された燃料電池スタックに対して本発明の活性化方法を適用しても、同様の効果を奏する。
【００６０】
［第１参考形態］
次に、本発明の第１参考形態を、図面を参照して説明する。以下の説明において、上記第１実施形態と同じ構成については、同じ符号を付し、その詳細な説明を省略する。
図９は、本参考形態に係る固体高分子型燃料電池ＦＣの活性化方法を実行するための活性化装置１Ａの構成を模式的に示す図である。
【００６１】
活性化装置１Ａは、燃料電池ＦＣのカソード極に連通するカソード流路にガスを供給するカソード側ガス供給装置２１と、燃料電池ＦＣのアノード極に連通するアノード流路にガスを供給するアノード側ガス供給装置３１と、カソード側ガス供給装置２１およびアノード側ガス供給装置３１から供給されるガスを加湿する図示しない加湿器と、を備える。この他、活性化装置１Ａは、燃料電池ＦＣのカソード極とアノード極との間に電圧を印加する安定化電源４と、燃料電池ＦＣで発電した電力を消費する電子負荷装置などの可変抵抗器５と、これら安定化電源４と燃料電池ＦＣ又は可変抵抗器５と燃料電池ＦＣの接続を選択的に切り換える切換スイッチ６と、を備える。
【００６２】
以下、図１０を参照して、燃料電池ＦＣを活性化する手順を説明する。
図１０は、活性化方法の手順を示すフローチャートである。
ステップＳ１１では、燃料電池に水分を補給しステップＳ１２に移る。より具体的には、アノード流路およびカソード流路に、加湿器で加湿した窒素ガスを供給することにより燃料電池のＭＥＡに水分を補給する。
【００６３】
ステップＳ１２では、燃料電池のアノード流路およびカソード流路内のガスを置換し、ステップＳ１３に移る。後に詳述するように、次ステップＳ１３の水素ポンプ運転において燃料電池に供給するガスは、前ステップＳ１２の水分の補給のために燃料電池に供給したガスと異なる。そこで、このステップＳ１２では、燃料電池のアノード流路およびカソード流路内に残留するガスを次ステップＳ１３で供給するガスで置換するべく、アノード流路およびカソード流路に反応ガスを供給する。
【００６４】
ステップＳ１３では、後述の第２工程としての水素ポンプ運転を所定の時間にわたって実行した後、ステップＳ１４に移る。ステップＳ１４では、燃料電池のアノード流路およびカソード流路内のガスを置換し、ステップＳ１５に移る。後に詳述するように、次ステップＳ１５の発電運転において燃料電池に供給するガスは、前ステップＳ１３の水素ポンプ運転において燃料電池に供給したガスと異なる。そこで、このステップＳ１４では、燃料電池のアノード流路およびカソード流路内に残留するガスを次ステップＳ１５で供給するガスで置換するべく、アノード流路に反応ガスを供給し、カソード流路に酸化剤ガスを供給する。
【００６５】
ステップＳ１５では、後述の第３工程としての発電運転を所定の時間にわたって実行した後、ステップＳ１６に移る。ステップＳ１６では、上記ステップＳ１３で水素ポンプ運転を実行した後にステップＳ１５で発電運転を実行することを１組として、この組み合わせを所定の設定回数以上、繰り返し実行したか否かを判別する。この判別がＮＯの場合には、ステップＳ１３に移り、再び水素ポンプ運転および発電運転の組み合わせを実行する。一方、この判別がＹＥＳの場合には、燃料電池の活性化処理を終了する。ここで、ステップＳ１６の設定回数、すなわち水素ポンプ運転および発電運転の組み合わせを繰り返し行う回数は、１回当り水素ポンプ運転を行う時間、１回当り発電運転を行う時間、およびこの活性化処理により要求される燃料電池の性能の向上幅などに応じて、２回以上に設定される。
【００６６】
以下、上記ステップＳ１３における水素ポンプ運転と、上記ステップＳ１５における発電運転とを、図１１〜１３を参照して詳細に説明する。
【００６７】
図１１は、水素ポンプ運転における活性化装置の構成を模式的に示す図である。
図１２は、水素ポンプ運転を実行した後、発電運転を実行した場合におけるカソード極からアノード極へ流れる電流の電流密度の変化を示す図である。なお、本発明における電流密度とは、燃料電池のＭＥＡの単位反応面積（１［ｃｍ２］）当たりに流れる電流をいう。
【００６８】
水素ポンプ運転では、カソード側導入管２２に設けられた遮断弁を閉じカソード流路にはガスを供給せずに、アノード側排出管３３に設けられた遮断弁を閉じた状態でアノード流路に水素を多く含有する反応ガスを供給する。
さらに水素ポンプ運転では、燃料電池ＦＣを安定化電源４に接続しておき、上述のように燃料電池ＦＣのアノード極に反応ガスを供給した状態で、安定化電源４により、アノード極を正としてカソード極とアノード極との間に電圧を印加することにより、カソード極からアノード極へ所定量の電流を流す（図１２参照）。このとき、安定化電源４で印加する電圧は、カソード極からアノード極へ流れる電流が燃料電池ＦＣのＭＥＡの反応面積に応じて予め設定された値になるように調整される。
【００６９】
以上のようにガスを供給しながらカソード極からアノード極へ電流を流すと、アノード極側で水素の触媒反応により水素イオンが発生する。この水素イオンは、ＭＥＡを通ってカソード極側へ移動し、カソード極側で電子を受けることにより再び水素となりカソード側排出管２３から排出される。
【００７０】
図１３は、発電運転における活性化装置の構成を模式的に示す図である。
発電運転では、アノード流路には水素を多く含有する反応ガスを供給し、同時にカソード流路には酸素を多く含有する酸化剤ガスを供給し、燃料電池ＦＣで発電させる。このとき、アノード側排出管３３およびカソード側導入管に設けられた遮断弁は開いた状態にし、燃料電池ＦＣのアノード流路およびカソード流路には、アノード側ガス供給装置３１およびカソード側ガス供給装置２１から供給される新気が流通するようにする。
【００７１】
さらにこの発電運転では、燃料電池ＦＣを可変抵抗器５に接続しておき、上述のように燃料電池ＦＣにガスを供給し発電しながら可変抵抗器５の抵抗値を調整し、燃料電池ＦＣの出力電流を所定の電流幅内で周期的に変動させる。本参考形態では、燃料電池の出力電流を、例えば図１２に示すような矩形波状に変動させる。
【００７２】
以下、本参考形態に係る燃料電池の活性化方法の効果を検証するために行った２つの実験結果について説明する。
【００７３】
［実験４］
実験４では、本参考形態の活性化方法と、従来の活性化方法との効果を比較する実験を行った。より具体的には、本参考形態の活性化方法で活性化した燃料電池セルを参考例１とし、従来の活性化方法で活性化した燃料電池セルを比較例６〜９とし、これら参考例１および比較例６〜９について評価試験を行った。
【００７４】
＜参考例１＞
本参考形態の活性化方法により活性化した燃料電池セルを参考例１とする。より具体的には、以下の手順で活性化した燃料電池セルを参考例１とする。
すなわち、参考例１の燃料電池は、先ず、燃料電池に水分を補給し（上述のステップＳ１１参照）、燃料電池のガスを置換した後（上述のステップＳ１２参照）、水素ポンプ運転（上述のステップＳ１３参照）と発電運転（上述のステップＳ１５参照）とを所定回数繰り返した。
より具体的には、ステップＳ１１の燃料電池の水分補給では、温度が約７０℃で相対湿度が約１００％の窒素ガスを３０分間にわたって供給した。ここで、窒素ガスの流量は、ＭＥＡの単位反応面積当りの流量が４［ｍｌ／ｍｉｎ］となるように調整した。
ステップＳ１２の燃料電池のガスの置換では、アノード流路およびカソード流路に反応ガスを３分間にわたって供給した。ここで反応ガスの流量は、ＭＥＡの単位反応面積当りの流量が８［ｍｌ／ｍｉｎ］となるように調整した。
ステップＳ１３の水素ポンプ運転では、カソード側導入管およびアノード側排出管の遮断弁を閉じ、アノード流路に反応ガスを供給する。ここで、反応ガスの流量は、上述のステップＳ１２の流量と同じとした。また、水素ポンプ運転では、アノード極を安定化電源の正極に、カソード極を安定化電源の負極に接続しておき、上述のように反応ガスを供給しながら、カソード極からアノード極へ電流密度が１［Ａ／ｃｍ２］の電流を、９分間にわたって流し続けた。
ステップＳ１４の燃料電池のガスの置換では、カソード側導入管およびアノード側排出管の遮断弁を開き、アノード流路に反応ガスを、カソード流路に酸化剤ガスを３分間にわたって供給した。ここで、アノード流路に供給する反応ガスの流量は、ＭＥＡの単位反応面積当りの流量が１４［ｍｌ／ｍｉｎ］となるように調整し、カソード流路に供給する酸化剤ガスの流量は、ＭＥＡの単位反応面積当りの流量が３３［ｍｌ／ｍｉｎ］となるように調整した。
ステップＳ１５の発電運転では、燃料電池を可変抵抗器に接続し、上記ステップＳ１４と同じ流量で反応ガスおよび酸化剤ガスを供給し燃料電池で発電させながら、可変抵抗器の抵抗値を調整し燃料電池の出力電流を変動させる。燃料電池の出力電流は、以下の手順で変動させた。先ず、毎秒１００［ｍＡ／ｃｍ２］の速度で電流密度を０［Ａ／ｃｍ２］から１［Ａ／ｃｍ２］まで上昇させ、この状態を１分間にわたって保持する。次に、毎秒２００［ｍＡ／ｃｍ２］の速度で電流密度を１［Ａ／ｃｍ２］から０［Ａ／ｃｍ２］まで減少させ、この状態を１分間にわたって保持する。以上を１周期として、ステップＳ１５の発電運転では、４周期（合計９分間）にわたって燃料電池の出力電流を変化させた。
また、ステップＳ１６の繰り返し回数を１３回とした。したがって、参考例１の燃料電池セルの総エージング時間は２３４分である。
【００７５】
＜比較例６＞
従来の活性化方法により活性化した燃料電池セルを比較例６とする。比較例６の燃料電池セルは、水素ポンプ運転を実行せずに発電運転のみを実行して活性化した点と、総エージング時間とが、上述の参考例１の燃料電池セルと異なる。
より具体的には、先ず、参考例１と同じ手順により、燃料電池セルの水分補給およびガス置換を行った。次に、参考例１と同じ設定の下で発電運転を行い、燃料電池の出力電流を１０７周期（２４０分４５秒）にわたって変動させた。したがって、比較例６の燃料電池セルの総エージング時間は２４０分４５秒である。
【００７６】
＜比較例７＞
従来の活性化方法により活性化した燃料電池セルを比較例７とする。比較例７の燃料電池セルは、発電運転を実行せずに水素ポンプ運転のみを実行して活性化した点と、総エージング時間とが、上述の参考例１の燃料電池セルと異なる。
より具体的には、先ず、参考例１と同じ手順により、燃料電池セルの水分補給およびガス置換を行った。次に、参考例１と同じ設定の下で水素ポンプ運転を２４０分間にわたり行った。したがって、比較例７の燃料電池セルの総エージング時間は２４０分である。
【００７７】
＜比較例８＞
従来の活性化方法により活性化した燃料電池セルを比較例８とする。比較例７の燃料電池セルは、発電運転および水素ポンプ運転の組み合わせを２回以上繰り返し行わずに１回だけ行った点と、総エージング時間とが、上述の参考例１の燃料電池セルと異なる。
より具体的には、先ず、参考例１と同じ手順により、燃料電池セルの水分補給およびガス置換を行った。次に、参考例１と同じ設定の下で発電運転を行い、燃料電池の出力電流を１０７周期（２４０分４５秒）にわたって変動させた。次に、参考例１と同じ設定の下で燃料電池のガスを置換した後、参考例１と同じ設定の下で水素ポンプ運転を２４０分間にわたり行った。したがって、比較例８の燃料電池セルの総エージング時間は４８０分４５秒である。
【００７８】
＜比較例９＞
従来の活性化方法により活性化した燃料電池セルを比較例９とする。比較例９の燃料電池セルは、発電運転および水素ポンプ運転ともに実行しなかった点と、総エージング時間とが、上述の参考例１の燃料電池セルと異なる。
より具体的には、参考例１と同じ手順により、燃料電池セルの水分補給およびガス置換のみを行った。したがって、比較例９の燃料電池セルの総エージング時間は０分である。
【００７９】
＜実験４の評価試験＞
実験４の評価試験では、以上のような参考例１および比較例６〜９の燃料電池セルで実際に発電させてその出力電圧を測定した。このとき、燃料電池セルの出力電流の電流密度が１［Ａ／ｃｍ２］となるように発電させたときにおける出力電圧を測定した。
【００８０】
図１４は、実験４の評価試験の結果を示す図である。図１４には、比較例９の燃料電池セルの出力電圧の測定値を１とした相対値を示す。
図１４に示すように、参考例１の燃料電池セルは、比較例６，７よりも総エージング時間が短いにもかかわらず出力電圧が高い。したがって、本参考形態の活性化方法で活性化することにより、従来の活性化方法よりも短時間で効率的に活性化できることが検証された。また、水素ポンプ運転と発電運転の組み合わせを２回以上繰り返し実行して活性化した参考例１の燃料電池セルは、発電運転と水素ポンプ運転の組み合わせを１回だけ実行して活性化した比較例８の燃料電池セルよりも総エージング時間が短いにもかかわらず出力電圧が高い。したがって、水素ポンプ運転と発電運転の組み合わせを２回以上繰り返し行うことにより、短時間で効率的に活性化できることが検証された。
【００８１】
［実験５］
実験５では、本参考形態の活性化方法において、発電運転と水素ポンプ運転との組み合わせを繰り返し行うことによる効果を検証する実験を行った。より具体的には、本参考形態の活性化方法で活性化した燃料電池セルを参考例２〜５とし、従来の活性化方法で活性化した燃料電池セルを比較例１０とし、これら参考例２〜５および比較例１０について評価試験を行った。
【００８２】
なお、参考例２〜５および比較例１０の水素ポンプ運転時に燃料電池セルに通電する電流の設定や、発電運転時における燃料電池の出力電流の変動態様は、上記参考例１と同じであり、説明を省略する。
【００８３】
＜参考例２＞
本参考形態の活性化方法により活性化した燃料電池セルを参考例２とする。
より具体的には、１回当りの水素ポンプ運転を行う時間を６０分間とし、１回当りの発電運転を行う時間を６３分間（２８周期）とし、水素ポンプ運転と発電運転との組み合わせの繰り返し回数を２回とした。したがって、総エージング時間は２４６分である。
【００８４】
＜参考例３＞
本参考形態の活性化方法により活性化した燃料電池セルを参考例３とする。
より具体的には、１回当りの水素ポンプ運転を行う時間を４０分間とし、１回当りの発電運転を行う時間を３６分間（１６周期）とし、水素ポンプ運転と発電運転との組み合わせの繰り返し回数を３回とした。したがって、総エージング時間は２２８分である。
【００８５】
＜参考例４＞
本参考形態の活性化方法により活性化した燃料電池セルを参考例４とする。
より具体的には、１回当りの水素ポンプ運転を行う時間を２４分間とし、１回当りの発電運転を行う時間を２７分間（１２周期）とし、水素ポンプ運転と発電運転との組み合わせの繰り返し回数を５回とした。したがって、総エージング時間は２５５分である。
【００８６】
＜参考例５＞
本参考形態の活性化方法により活性化した燃料電池セルを参考例５とする。
より具体的には、１回当りの水素ポンプ運転を行う時間を１０分間とし、１回当りの発電運転を行う時間を１８分間（８周期）とし、水素ポンプ運転と発電運転との組み合わせの繰り返し回数を１０回とした。したがって、総エージング時間は２８０分である。
【００８７】
＜比較例１０＞
従来の活性化方法により活性化した燃料電池セルを比較例１０とする。
より具体的には、水素ポンプ運転を１２０分間にわたり行った後、発電運転を１１７分間（５２周期）にわたって行った。したがって、総エージング時間は２３７分である。
【００８８】
＜実験５の評価試験＞
実験５の評価試験では、以上のような参考例２〜５および比較例１０の燃料電池セルで実際に発電させてその出力電圧を測定した。またこのとき、実験４の評価試験と同様に、燃料電池セルの出力電流の電流密度が１［Ａ／ｃｍ２］となるように発電させたときにおける出力電圧を測定した。
【００８９】
図１５は、実験５の評価試験の結果を示す図である。図１５において、縦軸は上記比較例９の燃料電池セルの出力電圧の測定値を１とした相対値であり、横軸は発電運転と水素ポンプ運転との繰り返し回数である。
【００９０】
図１５に示すように、繰り返し回数を１回とし、水素ポンプ運転と発電運転とを１回ずつしか行わなかった比較例１０の燃料電池セルは、比較例９あるいは比較例６，７（図１４参照）に対してやや出力電圧が高くなっているものの、顕著な差は無い。
一方、繰り返し回数を２回以上にした参考例２〜５は、比較例６，１０に対して総エージング時間はほぼ同じであるにもかかわらず出力電圧が高くなっている。したがって、水素ポンプ運転と発電運転との組み合わせを２回以上繰り返し行うことにより、短時間で効率的に活性化できることが検証された。
【００９１】
なお、本発明は上記参考形態および上記参考例に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良などは本発明に含まれるものである。
例えば、本参考形態では、水素ポンプ運転（図１０のステップＳ１３参照）を実行した後に続けて発電運転（図１０のステップＳ１５参照）を実行し、これを２回以上繰り返したが、本発明はこれに限らない。例えば、上記図１０のステップＳ１３とステップＳ１５の実行の順序を逆にして、発電運転を実行した後に続けて水素ポンプ運転を実行し、これを２回以上繰り返しても、ほぼ同様の効果を奏する。
【００９２】
また、本参考形態の水素ポンプ運転では、アノード側排出管３３に設けられた遮断弁を閉じた状態でアノード流路に水素を多く含有する反応ガスを供給したが、本発明はこれに限らず、上記遮断弁を開いた状態で反応ガスを供給してもよい。
また、本参考形態の水素ポンプ運転では、カソード側導入管２２に設けられた遮断弁を閉じたが、本発明はこれに限らない。例えば、上記遮断弁を開いた状態でアノード流路に窒素を多く含有する窒素ガスを供給してもよい。
【００９３】
また、本参考形態の発電運転では、燃料電池ＦＣの出力電流を矩形波状に変動させたが、本発明はこれに限らない。燃料電池の出力電流の波形は、例えば正弦波やのこぎり波であってもよい。
【００９４】
また、上記参考例では単一の燃料電池セルに対して本発明の活性化方法を適用し、その効果を検証したが、本発明はこれに限るものではない。例えば、複数の燃料電池セルを積層して構成された燃料電池スタックに対して本発明の活性化方法を適用しても、同様の効果を奏する。
【００９５】
［第３実施形態］
以下、本発明の第３実施形態を、図面を参照して説明する。以下の説明において、上記第１実施形態と同じ構成については、同じ符号を付し、その詳細な説明を省略する。
図１６は、本実施形態に係る固体高分子型燃料電池ＦＣの活性化方法を実行するための活性化装置１Ｂの構成を模式的に示す図である。
【００９６】
活性化装置１Ｂは、燃料電池ＦＣのカソード極に連通するカソード流路にガスを供給するカソード側ガス供給装置２１と、燃料電池ＦＣのアノード極に連通するアノード流路にガスを供給するアノード側ガス供給装置３１と、カソード側ガス供給装置２１およびアノード側ガス供給装置３１から供給されるガスを加湿する図示しない加湿器と、を備える。この他、活性化装置１Ｂは、燃料電池ＦＣのカソード極とアノード極との間に電圧を印加する安定化電源４と、燃料電池ＦＣで発電した電力を消費する電子負荷装置などの可変抵抗器５と、これら安定化電源４と燃料電池ＦＣ又は可変抵抗器５と燃料電池ＦＣの接続を選択的に切り換える切換スイッチ６と、を備える。
【００９７】
以下、図１７を参照して、燃料電池ＦＣを活性化する手順を説明する。
図１７は、活性化方法の手順を示すフローチャートである。
ステップＳ２１では、燃料電池に水分を補給しステップＳ２２に移る。より具体的には、アノード流路およびカソード流路に、加湿器で加湿した窒素ガスを供給することにより燃料電池のＭＥＡに水分を補給する。
【００９８】
ステップＳ２２では、燃料電池のアノード流路およびカソード流路内のガスを置換し、ステップＳ２３に移る。後に詳述するように、次ステップＳ２３のＣＶ運転において燃料電池に供給するガスは、前ステップＳ２２の水分の補給のために燃料電池に供給したガスと異なる。そこで、このステップＳ２２では、燃料電池のアノード流路およびカソード流路内に残留するガスを次ステップＳ２３で供給するガスで置換するべく、アノード流路およびカソード流路に反応ガスを供給する。
【００９９】
ステップＳ２３では、後述の第１工程としてのＣＶ運転を所定の時間にわたって実行した後、ステップＳ２４に移る。ステップＳ２４では、燃料電池のアノード流路およびカソード流路内のガスを置換し、ステップＳ２５に移る。後に詳述するように、次ステップＳ２５の発電運転において燃料電池に供給するガスは、前ステップＳ２３のＣＶ運転において燃料電池に供給したガスと異なる。そこで、このステップＳ２４では、燃料電池のアノード流路およびカソード流路内に残留するガスを次ステップＳ２５で供給するガスで置換するべく、アノード流路に反応ガスを供給しカソード流路に酸化剤ガスを供給する。
【０１００】
ステップＳ２５では、後述の第３工程としての発電運転を所定の時間にわたって実行した後、ステップＳ２６に移る。ステップＳ２６では、上記ステップＳ２３でＣＶ運転を実行した後にステップＳ２５で発電運転を実行することを１組として、この組み合わせを所定の設定回数以上、繰り返し実行したか否かを判別する。この判別がＮＯの場合には、ステップＳ２３に移り、再びＣＶ運転および発電運転の組み合わせを実行する。一方、この判別がＹＥＳの場合には、燃料電池の活性化処理を終了する。ここで、ステップＳ２６の設定回数、すなわちＣＶ運転および発電運転の組み合わせを繰り返し行う回数は、１回当りＣＶ運転を行う時間、１回当り発電運転を行う時間、およびこの活性化処理により要求される燃料電池の性能の向上幅などに応じて、２回以上に設定される。
【０１０１】
以下、上記ステップＳ２３におけるＣＶ運転と、上記ステップＳ２５における発電運転とを、図１８〜２１を参照して詳細に説明する。
【０１０２】
図１８は、ＣＶ運転における活性化装置の構成を模式的に示す図である。
図１９は、ＣＶ運転を実行した場合におけるカソード極およびアノード極間の電圧の変化を示す図である。なお、本発明における電流密度とは、燃料電池のＭＥＡの単位反応面積（１［ｃｍ２］）当たりに流れる電流をいう。
【０１０３】
ＣＶ運転では、アノード流路には水素を多く含有する反応ガスを供給し、同時にカソード流路には酸素を多く含有する酸化剤ガスを供給せずに窒素を多く含有する窒素ガスを供給する。このとき、アノード側排出管３３およびカソード側導入管２２に設けられた遮断弁は開いた状態にし、燃料電池ＦＣのアノード流路およびカソード流路には、アノード側ガス供給装置３１およびカソード側ガス供給装置２１から供給される新気が流通するようにする。
【０１０４】
さらにＣＶ運転では、燃料電池ＦＣを安定化電源４に接続しておき、上述のように燃料電池ＦＣにガスを供給した状態で、安定化電源４により、カソード極を正としてカソード極とアノード極との間に所定の電圧幅内で周期的に変動する電圧を印加する（図１９参照）。ここで、上記電圧幅の最小値は０［Ｖ］以上の所定値（例えば、０［Ｖ］）とし、最大値は上記最小値よりも大きな所定値（例えば、１［Ｖ］）とする。また、電圧の波形は、電圧の折り返し時に電流が急激に変動するのを防止するために図１９に示すように正弦波とすることが好ましいが、これに限らずのこぎり波や矩形波であってもよい。
【０１０５】
図２０は、発電運転における活性化装置の構成を模式的に示す図である。
図２１は、発電運転を実行した場合におけるカソード極からアノード極へ流れる電流の電流密度の変化を示す図である。
【０１０６】
発電運転では、アノード流路には水素を多く含有する反応ガスを供給し、同時にカソード流路には酸素を多く含有する酸化剤ガスを供給し、燃料電池ＦＣで発電させる。このとき、アノード側排出管３３およびカソード側導入管に設けられた遮断弁は開いた状態にし、燃料電池ＦＣのアノード流路およびカソード流路には、アノード側ガス供給装置３１およびカソード側ガス供給装置２１から供給される新気が流通するようにする。
【０１０７】
さらにこの発電運転では、燃料電池ＦＣを可変抵抗器５に接続しておき、上述のように燃料電池ＦＣにガスを供給し発電しながら可変抵抗器５の抵抗値を調整し、燃料電池ＦＣの出力電流を所定の電流幅内で周期的に変動させる。本実施形態では、燃料電池の出力電流を、例えば図１９に示すような矩形波状に変動させる。
【０１０８】
以下、本実施形態に係る燃料電池の活性化方法の効果を検証するために行った２つの実験結果について説明する。
【０１０９】
［実験６］
実験６では、本実施形態の活性化方法と、従来の活性化方法との効果を比較する実験を行った。より具体的には、本実施形態の活性化方法で活性化した燃料電池セルを実施例１３とし、従来の活性化方法で活性化した燃料電池セルを比較例１１〜１３とし、これら実施例１３および比較例１１〜１３について評価試験を行った。
【０１１０】
＜実施例１３＞
本実施形態の活性化方法により活性化した燃料電池セルを実施例１３とする。より具体的には、以下の手順で活性化した燃料電池セルを実施例１３とする。
すなわち、実施例１３の燃料電池は、先ず、燃料電池に水分を補給し（上述のステップＳ２１参照）、燃料電池のガスを置換した後（上述のステップＳ２２参照）、ＣＶ運転（上述のステップＳ２３参照）と発電運転（上述のステップＳ２５参照）とを所定回数繰り返した。
より具体的には、ステップＳ２１の燃料電池の水分補給では、温度が約７０℃で相対湿度が約１００％の窒素ガスを３０分間にわたって供給した。ここで、窒素ガスの流量は、ＭＥＡの単位反応面積当りの流量が４［ｍｌ／ｍｉｎ］となるように調整した。
ステップＳ２２の燃料電池のガスの置換では、アノード流路に反応ガスを、カソード流路に窒素ガスを３分間にわたって供給した。ここで反応ガスおよび窒素ガスの流量は、ＭＥＡの単位反応面積当りの流量が８［ｍｌ／ｍｉｎ］となるように調整した。
ステップＳ２３のＣＶ運転では、上述のステップＳ２２と同じ流量でガスを供給しながら、最小電圧０［Ｖ］、最大電圧１［Ｖ］、および１周期が６分の正弦波形の電圧を５周期（３０分間）にわたって印加した。
ステップＳ２４の燃料電池のガスの置換では、アノード流路に反応ガスを、カソード流路に酸化剤ガスを３分間にわたって供給した。ここで、アノード流路に供給する反応ガスの流量は、ＭＥＡの単位反応面積当りの流量が１４［ｍｌ／ｍｉｎ］となるように調整し、カソード流路に供給する酸化剤ガスの流量は、ＭＥＡの単位反応面積当りの流量が３３［ｍｌ／ｍｉｎ］となるように調整した。
ステップＳ２５の発電運転では、燃料電池を可変抵抗器に接続し、上記ステップＳ２４と同じ流量で反応ガスおよび酸化剤ガスを供給し燃料電池で発電させながら、可変抵抗器の抵抗値を調整し燃料電池の出力電流を変動させる。燃料電池の出力電流は、以下の手順で変動させた。先ず、毎秒１００［ｍＡ／ｃｍ２］の速度で電流密度を０［Ａ／ｃｍ２］から１［Ａ／ｃｍ２］まで上昇させ、この状態を１分間にわたって保持する。次に、毎秒２００［ｍＡ／ｃｍ２］の速度で電流密度を１［Ａ／ｃｍ２］から０［Ａ／ｃｍ２］まで減少させ、この状態を１分間にわたって保持する。以上を１周期として、ステップＳ２５の発電運転では、５周期（合計１１分１５秒）にわたって燃料電池の出力電流を変化させた。
また、ステップＳ２５の繰り返し回数を４回とした。したがって、実施例１３の燃料電池セルの総エージング時間は１６５分である。
【０１１１】
＜比較例１１＞
従来の活性化方法により活性化した燃料電池セルを比較例１１とする。比較例１１の燃料電池セルは、ＣＶ運転を実行せずに発電運転のみを実行して活性化した点と、総エージング時間とが、上述の実施例１３の燃料電池セルと異なる。
より具体的には、先ず、実施例１３と同じ手順により、燃料電池セルの水分補給およびガス置換を行った。次に、実施例１３と同じ設定の下で発電運転を行い、燃料電池の出力電流を１０７周期（２４０分４５秒）にわたって変動させた。したがって、比較例１１の燃料電池セルの総エージング時間は２４０分４５秒である。
【０１１２】
＜比較例１２＞
従来の活性化方法により活性化した燃料電池セルを比較例１２とする。比較例１２の燃料電池セルは、発電運転を実行せずにＣＶ運転のみを実行して活性化した点と、総エージング時間とが、上述の実施例１３の燃料電池セルと異なる。
より具体的には、先ず、実施例１３と同じ手順により、燃料電池セルの水分補給およびガス置換を行った。次に、実施例１３と同じ設定の下でＣＶ運転を２４０分間（４０周期）にわたり行った。したがって、比較例１１の燃料電池セルの総エージング時間は２４０分である。
【０１１３】
＜比較例１３＞
従来の活性化方法により活性化した燃料電池セルを比較例１３とする。比較例１３の燃料電池セルは、ＣＶ運転および発電運転ともに実行しなかった点と、総エージング時間とが、上述の実施例１３の燃料電池と異なる。
より具体的には、実施例１３と同じ手順により、燃料電池セルの水分補給およびガス置換のみを行った。したがって、比較例１３の燃料電池セルの総エージング時間は０分である。
【０１１４】
＜実験６の評価試験＞
実験６の評価試験では、以上のような実施例１３および比較例１１〜１３の燃料電池セルで実際に発電させてその出力電圧を測定した。このとき、燃料電池セルの出力電流の電流密度が１［Ａ／ｃｍ２］となるように発電させたときにおける出力電圧を測定した。
【０１１５】
図２２は、実験６の評価試験の結果を示す図である。図２２には、比較例１３の燃料電池セルの出力電圧の測定値を１とした相対値を示す。
図２２に示すように、実施例１３の燃料電池セルは、比較例１１，１２よりも総エージング時間が短いにもかかわらず出力電圧が高い。したがって、本実施形態の活性化方法で活性化することにより、従来の活性化方法よりも短時間で効率的に活性化できることが検証された。
【０１１６】
［実験７］
実験７では、本実施形態の活性化方法において、ＣＶ運転と発電運転との組み合わせを繰り返し行うことによる効果を検証する実験を行った。より具体的には、本実施形態の活性化方法で活性化した燃料電池セルを実施例１４〜１６とし、従来の活性化方法で活性化した燃料電池セルを比較例１４とし、これら実施例１４〜１６および比較例１４について評価試験を行った。
【０１１７】
なお、実施例１４〜１６および比較例１４のＣＶ運転時に燃料電池セルに通電する電流の設定や、発電運転時における燃料電池の出力電流の変動態様は、上記実施例１３と同じであり、説明を省略する。
【０１１８】
＜実施例１４＞
本実施形態の活性化方法により活性化した燃料電池セルを実施例１４とする。
より具体的には、１回当りのＣＶ運転を行う時間を６０分間（１０周期）とし、１回当りの発電運転を行う時間を６３分間（２８周期）とし、ＣＶ運転と発電運転との組み合わせの繰り返し回数を２回とした。したがって、総エージング時間は２４６分である。
【０１１９】
＜実施例１５＞
本実施形態の活性化方法により活性化した燃料電池セルを実施例１５とする。
より具体的には、１回当りのＣＶ運転を行う時間を４２分間（７周期）とし、１回当りの発電運転を行う時間を３６分間（１６周期）とし、ＣＶ運転と発電運転との組み合わせの繰り返し回数を３回とした。したがって、総エージング時間は２３４分である。
【０１２０】
＜実施例１６＞
本実施形態の活性化方法により活性化した燃料電池セルを実施例１６とする。
より具体的には、１回当りのＣＶ運転を行う時間を２４分間（４周期）とし、１回当りの発電運転を行う時間を２７分間（１２周期）とし、ＣＶ運転と発電運転との組み合わせの繰り返し回数を５回とした。したがって、総エージング時間は２５５分である。
【０１２１】
＜比較例１４＞
従来の活性化方法により活性化した燃料電池セルを比較例１４とする。
より具体的には、ＣＶ運転を１２０分間（２０周期）にわたり行った後、発電運転を１１７分間（５２周期）にわたって行い、合計２３７分間にわたりＣＶ運転と発電運転とを行った。
【０１２２】
＜実験７の評価試験＞
実験７の評価試験では、以上のような実施例１４〜１６および比較例１４の燃料電池セルで実際に発電させてその出力電圧を測定した。またこのとき、実験６の評価試験と同様に、燃料電池セルの出力電流の電流密度が１［Ａ／ｃｍ２］となるように発電させたときにおける出力電圧を測定した。
【０１２３】
図２３は、実験７の評価試験の結果を示す図である。図２３において、縦軸は上記比較例１３の燃料電池セルの出力電圧の測定値を１とした相対値であり、横軸はＣＶ運転と発電運転との繰り返し回数である。
【０１２４】
図２３に示すように、繰り返し回数を２回以上に設定した実施例１４〜１６は、繰り返し回数を１回とし、ＣＶ運転と発電運転とを１回ずつしか行わなかった比較例１４に対して総エージング時間がほぼ同じであるにもかかわらず出力電圧が大幅に高くなっている。したがって、ＣＶ運転と発電運転との組み合わせの繰り返し回数を増やした方が、より短時間で効率的に活性化できることが検証された。
【０１２５】
なお、本発明は本実施形態および上記実施例に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良などは本発明に含まれるものである。
例えば、本実施形態では、ＣＶ運転（図１７のステップＳ２３参照）を実行した後に続けて発電運転（図１７のステップＳ２５参照）を実行し、これを２回以上繰り返したが、本発明はこれに限らない。例えば、上記図１７のステップＳ２３とステップＳ２５の実行の順序を逆にして、発電運転を実行した後に続けてＣＶ運転を実行し、これを２回以上繰り返しても、ほぼ同様の効果を奏する。
【０１２６】
また、本実施形態のＣＶ運転では、カソード側排出管２３およびアノード側排出管３３を開いた状態でガスを供給することにより、燃料電池ＦＣのアノード流路およびカソード流路に、アノード側ガス供給装置およびカソード側供給装置から供給される新気が流通するようにしたが、これに限らない。ＣＶ運転では、カソード側排出管およびアノード側排出管の何れか又は両方を閉じた状態で行ってもほぼ同様の効果を奏する。
【０１２７】
また、本実施形態の発電運転では、燃料電池ＦＣの出力電流を矩形波状に変動させたが、本発明はこれに限らない。燃料電池の出力電流の波形は、例えば正弦波やのこぎり波であってもよい。
【０１２８】
また、上記実施例では単一の燃料電池セルに対して本発明の活性化方法を適用し、その効果を検証したが、本発明はこれに限るものではない。例えば、複数の燃料電池セルを積層して構成された燃料電池スタックに対して本発明の活性化方法を適用しても、同様の効果を奏する。
【０１２９】
［第２参考形態］
次に、本発明の第２参考形態を、図面を参照して説明する。本参考形態は、発電運転の具体的な手順が第１参考形態と異なる。以下の説明において、上記第１参考形態と同じ構成については、同じ符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【０１３０】
図２４は、本参考形態に係る固体高分子型燃料電池ＦＣの活性化方法を実行するための活性化装置１Ｃの構成を模式的に示す図である。
活性化装置１Ｃは、カソード側ガス供給装置２１と、アノード側ガス供給装置３１と、図示しない加湿器と、燃料電池ＦＣのカソード極とアノード極との間に電圧を印加する安定化電源４と、この安定化電源４と燃料電池ＦＣとを断続するスイッチ７と、を備える。
【０１３１】
図２５は、活性化方法の手順を示すフローチャートである。
ステップＳ３１及びＳ３２は、それぞれ上記第１参考形態におけるステップＳ１１及びＳ１２と同じであるので、その説明を省略する。
ステップＳ３３では、後述の水素ポンプ運転を所定の時間にわたって実行した後、ステップＳ３５に移り、引き続き後述の発電運転を所定の時間にわたって実行した後、ステップＳ３６に移る。ステップＳ３６では、水素ポンプ運転（Ｓ３３）及び発電運転（Ｓ３５）の組み合わせを所定の設定回数以上、繰り返し実行したか否かを判別する。ここで、このステップＳ３６の設定回数は、上記第１参考形態と同様に、２回以上に設定される。
【０１３２】
次に、上記ステップＳ３３における水素ポンプ運転及び上記ステップＳ３５における発電運転の具体的な手順について、図２６〜２８を参照して詳細に説明する。
図２６は、水素ポンプ運転における活性化装置の構成を模式的に示す図である。
水素ポンプ運転の手順は、上記第１参考形態と同じである。すなわち、カソード側導入管２２に設けられた遮断弁を閉じカソード流路にはガスを供給せずに、アノード側排出管３３に設けられた遮断弁を閉じた状態でアノード流路に反応ガスを供給する。さらに、安定化電源４の正極を燃料電池ＦＣのアノード極に、安定化電源４の負極を燃料電池ＦＣのカソード極に接続し、上述のように燃料電池ＦＣのアノード極に反応ガスを供給した状態で、安定化電源４により所定の電圧を印加する。これにより、燃料電池ＦＣに電流が惹起されるとともに、カソード側排出管２３から水素が排出される。
【０１３３】
図２７は、発電運転における活性化装置の構成を模式的に示す図である。
発電運転では、上述の水素ポンプ運転に引き続き安定化電源４により燃料電池ＦＣに電圧を印加しかつアノード流路に反応ガスを供給したまま、カソード側導入管２２の遮断弁を開き、カソード流路に酸化剤ガスを供給する。このように、本参考形態における発電運転では、水素ポンプ反応を継続して行いつつ、部分的に発電反応も進行させる（一部発電）。
【０１３４】
図２８は、水素ポンプ運転を行っている間にカソード流路に酸化剤ガスを供給したときにおけるカソード極およびアノード極間の電圧（以下、スタック電圧という）の変化を示すタイムチャートである。図２８において、上段のタイムチャートは比較的小さな流量で酸化剤ガスを供給した場合を示し、下段のタイムチャートはそれよりも大きな流量で酸化剤ガスを供給した場合を示す。
図２８に示すように、水素ポンプ運転のみを行っている間、スタック電圧は安定化電源により負の所定値に保たれる。このような状態から、さらに酸化剤ガスの供給を開始すると、燃料電池では発電反応が進行するため、スタック電圧は正側へ上昇する。このように、水素ポンプ反応により惹起される電流に対して、小さな流量で酸化剤ガスを供給することにより、水素ポンプ反応と発電反応とを並行して行うことができる。
ただし、図２８の下段のタイムチャートに示すように、酸化剤ガスの流量を大きくすると、スタック電圧の極性は水素ポンプ運転中と発電運転中とで変わってしまうこととなる。したがって、上述のように水素ポンプ運転と発電運転とを繰り返し実行する場合、発電運転において供給する酸化剤ガスの流量を、燃料電池による発電効率などを考慮して、極性が変わらない量以下にすることにより、電源にかかるコストを低減することができる。
【０１３５】
次に、本参考形態に係る燃料電池の活性化方法の効果を検証するために行った実験結果について説明する。
【０１３６】
［実験８］
実験８では、本参考形態の活性化方法と、従来の活性化方法との効果を比較する実験を行った。より具体的には、本参考形態の活性化方法で活性化した燃料電池セルを参考例６とし、従来の活性化方法で活性化した燃料電池セルを比較例１５〜１７とし、これら参考例６および比較例１５〜１７について評価試験を行った。
【０１３７】
＜参考例６＞
本参考形態の活性化方法により活性化した燃料電池セルを参考例６とする。より具体的には、以下の手順で活性化した燃料電池セルを参考例６とする。
より具体的には、ステップＳ３１の燃料電池の水分補給では、温度が約７０℃で相対湿度が約１００％の窒素ガスを３０分間にわたって供給した。ここで、窒素ガスの流量は、ＭＥＡの単位反応面積当りの流量が４［ｍｌ／ｍｉｎ］となるように調整した。
ステップＳ３２の燃料電池のガスの置換では、アノード流路およびカソード流路に、それぞれ反応ガスおよび酸化剤ガスを３分間にわたって供給した。ここで反応ガスおよび酸化剤ガスの流量は、それぞれＭＥＡの単位反応面積当りの流量が８［ｍｌ／ｍｉｎ］となるように調整した。
ステップＳ３３の水素ポンプ運転では、カソード側導入管およびアノード側排出管の遮断弁を閉じ、アノード流路に反応ガスを供給する。ここで、反応ガスの流量は、上述のステップＳ３２の流量と同じとした。また、水素ポンプ運転では、アノード極を安定化電源の正極に、カソード極を安定化電源の負極に接続しておき、上述のように反応ガスを供給しながら、カソード極からアノード極へ密度が１［Ａ／ｃｍ２］の電流を、５分間にわたって流し続けた。
ステップＳ３５の発電運転では、水素ポンプ運転から引き続き、反応ガスを供給しかつ安定か電源を接続し、密度が１［Ａ／ｃｍ２］の電流を流し続けながら、カソード側導入管の遮断弁を開くとともにカソード流路に酸化剤ガスを所定の流量で５分間にわたり供給した。ここで、カソード流路に供給する酸化剤ガスの流量は、上述のように極性が変わらないように定められた量以下、より具体的には、ＭＥＡの単位面積当り８［ｍｌ／ｍｉｎ］となるように調整した。
また、ステップＳ３６の繰り返し回数を２４回とした。したがって、参考例６の燃料電池セルの総エージング時間は２４０分である。
【０１３８】
＜比較例１５＞
比較例１５の燃料電池セルは、参考例６と同じ手順により燃料電池セルの水分補給およびガス置換のみを行った。したがって、比較例１５の燃料電池セルの総エージング時間は０分である。
【０１３９】
＜比較例１６＞
従来の活性化方法により活性化した燃料電池セルを比較例１６とする。より具体的には、先ず、参考例６と同じ手順により、燃料電池セルの水分補給およびガス置換を行った後、参考例６と同じ設定の下で水素ポンプ運転を２４０分間にわたり行った。したがって、比較例１６の燃料電池セルの総エージング時間は２４０分である。
【０１４０】
＜比較例１７＞
従来の活性化方法により活性化した燃料電池セルを比較例１７とする。より具体的には、先ず、参考例６と同じ手順により、燃料電池セルの水分補給およびガス置換を行った後、参考例６と同じ設定の下で発電運転を２４０分間にわたり行った。したがって、比較例１７の燃料電池セルの総エージング時間は２４０分である。
【０１４１】
＜比較例１８＞
従来の活性化方法により活性化した燃料電池セルを比較例１８とする。より具体的には、比較例１６と同じ手順で活性化した後、さらに比較例１７と同じ手順で活性化した。したがって、比較例１８の燃料電池セルの総エージング時間は４８０分である。
【０１４２】
＜実験８の評価試験＞
実験８の評価試験では、以上のような参考例６および比較例１５〜１８の燃料電池セルで実際に発電させてその出力電圧を測定した。このとき、燃料電池セルの出力電流の電流密度が１［Ａ／ｃｍ２］となるように発電させたときにおける出力電圧を測定した。
【０１４３】
図２９は、実験８の評価試験の結果を示す図である。図２９には、比較例１５の燃料電池セルの出力電圧の測定値を１とした相対値を示す。
図２９に示すように、参考例６の燃料電池セルは、総エージング時間が同じである比較例１７，１８はもちろん、比較例１８と比較しても総エージング時間が短いにもかかわらず出力電圧が高い。したがって、本参考形態の活性化方法で活性化することにより、従来の活性化方法よりも短時間で効率的に活性化できることが検証された。また、水素ポンプ運転と発電運転の組み合わせを２回以上繰り返して実行して活性化した参考例６の燃料電池セルは、発煙運転と水素ポンプ運転の組み合わせを１回だけ実行して活性化した比較例１８の燃料電池セルよりも総エージング時間が短いにもかかわらず出力電圧が高い。したがって、水素ポンプ運転と発電運転の組み合わせを２回以上繰り返し行うことにより、短時間で効率的に活性化できることが検証された。
【０１４４】
また、本参考形態の活性化方法では、酸化剤ガスの供給を開始したり停止したりするだけで水素ポンプ運転と発電運転とを切り換えることができるので、上述の第１参考形態の活性化方法と比較して、容易に行うことができる。
【０１４５】
［第３参考形態］
次に、本発明の第３参考形態を、図面を参照して説明する。本参考形態は、発電運転及び水素ポンプ運転の具体的な手順が第１参考形態と異なる。以下の説明において、上記第１参考形態と同じ構成については、同じ符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【０１４６】
図３０は、本参考形態に係る固体高分子型燃料電池ＦＣの活性化方法を実行するための活性化装置１Ｄの構成を模式的に示す図である。
活性化装置１Ｄは、カソード側ガス供給装置２１と、アノード側ガス供給装置３１と、図示しない加湿器と、燃料電池ＦＣのカソード極とアノード極との間に電圧を印加する安定化電源４と、この安定化電源４と燃料電池ＦＣとの間に接続された電子負荷装置８と、を備える。
【０１４７】
図３１は、活性化方法の手順を示すフローチャートである。
ステップＳ４１およびＳ４２は、それぞれ上記第１参考形態におけるステップＳ１１およびＳ１２と同じであるので、その説明を省略する。
【０１４８】
ステップＳ４３では、発電運転（Ｓ４４）および水素ポンプ運転（Ｓ４５）を繰り返し実行するための準備として、安定化電源による電圧の印加と、アノード流路への反応ガスの供給およびカソード流路への酸化剤ガスの供給と、を開始した後、ステップＳ４４に移る。
【０１４９】
ステップＳ４４では、後述の発電運転を所定の時間にわたって実行した後、ステップＳ４５に移り、引き続き後述の水素ポンプ運転を所定の時間にわたって実行した後、ステップＳ４６に移る。ステップＳ４６では、発電運転（Ｓ４４）及び水素ポンプ運転（Ｓ４５）の組み合わせを所定の設定回数以上、繰り返し実行したか否かを判別する。ここで、このステップＳ４６の設定回数は、上記第１参考形態と同様に、２回以上に設定される。
【０１５０】
図３２は、発電運転および水素ポンプ運転を行っている間における電子負荷装置の電流（横軸）およびスタック電圧（縦軸）の変化を示す図である。
ステップＳ４４における発電運転では、安定化電源による電圧の印加、並びに反応ガスおよび酸化剤ガスのアノード流路およびカソード流路への供給を継続したまま、電子負荷装置の電流を所定値まで徐々に増加させる。
引き続きステップＳ４５における水素ポンプ運転では、先ず、酸化剤ガスのカソード流路への供給を停止し、燃料電池における発電反応を停止させる。すると、図３２に示すように、スタック電圧は０以下まで低下する。その後、電子負荷装置の電流を０に向けて徐々に低下させる。この間、燃料電池には安定化電源により電圧が印加されかつアノード流路には反応ガスが供給されているため、水素ポンプ反応が進行する。その後、酸化剤ガスの供給を再び開始し、燃料電池による発電を開始した後、ステップＳ４４の発電運転を再び開始する。
【０１５１】
＜参考例７＞
本参考形態の活性化方法により活性化した燃料電池セルを参考例７とする。より具体的には、以下の手順で活性化した燃料電池セルを参考例７とする。
より具体的には、ステップＳ４１の燃料電池の水分補給では、温度が約７０℃で相対湿度が約１００％の窒素ガスを３０分間にわたって供給した。ここで、窒素ガスの流量は、ＭＥＡの単位反応面積当りの流量が４［ｍｌ／ｍｉｎ］となるように調整した。
ステップＳ４２の燃料電池のガスの置換では、アノード流路およびカソード流路に反応ガスを３分間にわたって供給した。ここで反応ガスの流量は、ＭＥＡの単位反応面積当りの流量が８［ｍｌ／ｍｉｎ］となるように調整した。
ステップＳ４３の発電運転および水素ポンプ運転の準備では、安定化電源の電圧を１［Ｖ］にし、さらにカソード側導入管およびアノード側排出管の遮断弁を開き、アノード流路には反応ガスを供給し、カソード流路には酸化剤ガスを供給した。ここで、反応ガスの流量は、ＭＥＡの単位反応面積当りの流量が１４［ｍｌ／ｍｉｎ］となるように調整し、酸化剤ガスの流量は、ＭＥＡの単位反応面積当りの流量が３３［ｍｌ／ｍｉｎ］となるように調整した。
ステップＳ４４の発電運転では、安定化電源による電圧の印加、並びに反応ガスおよび酸化剤ガスの供給を継続したまま、電子負荷装置の電流を０［Ａ／ｃｍ２］から１［Ａ／ｃｍ２］まで、１００［ｍＡ／ｃｍ２／ｓｅｃ］の速度で上昇させた後、この状態を１分間保持した。
ステップＳ４５の水素ポンプ運転では、先ず、カソード側導入管の遮断弁を閉じ、燃料電池における発電反応を停止させることによりスタック電圧を０［Ｖ］以下にした後、この状態を１分間保持した。その後、電子負荷の電流を１［Ａ／ｃｍ２］から０［Ａ／ｃｍ２］まで、１００［ｍＡ／ｃｍ２／ｓｅｃ］の速度で低下させた後、この状態を１分間保持した。
また、ステップＳ４６の繰り返し回数を７２回とした。したがって、参考例７の燃料電池セルの総エージング時間は、約２４０分である。
【０１５２】
なお、以上のような参考例７の燃料電池に対し、上記第２参考形態における実験８と同様の実験を行ったところ、参考例６と同様に、水素ポンプ運転あるいは発電運転を１回だけ実行して活性化したものや水素ポンプ運転および発電運転の組み合わせを１回だけ実行して活性化したものと比較して短時間で効率的に活性化できることが検証された。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図１４】
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【図１５】
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【図２９】
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