(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜と、前記電解質膜の両側に設けられる一対のセパレータと、前記電解質膜及び前記セパレータの一端部に貫通して設けられたガス供給口と、前記電解質膜及び前記セパレータの他端部に貫通して設けられたガス排出口と、前記電解質膜及び前記セパレータの間であって前記ガス供給口及び前記ガス排出口の間に設けられた一対の電極とを有する燃料電池を複数備え、
前記ガス供給口及び前記ガス排出口が夫々連通するように前記燃料電池が積層され、かつ積層方向両端に一対のエンドプレートが設けられるとともに、通常発電時に前記電極に対して前記ガス供給口が上方かつ前記ガス排出口が下方に設置される燃料電池スタックの活性化方法であって、
前記燃料電池の積層方向が水平方向に一致し、かつ前記ガス排出口が前記電極に対して下方に位置するように前記燃料電池スタックを設置する燃料電池スタック設置工程と、
前記電極に対して下方に設置された前記ガス排出口から前記電極へ加湿されたガスを導入する加湿ガス導入工程と、
前記加湿ガス導入工程後又は前記加湿ガス導入工程と同時に前記一対の電極の間に所定の電圧を印加する電圧印加工程と、を含むことを特徴とする燃料電池スタックの活性化方法。
【請求項２】
前記電圧印加工程を所定回数繰り返した後、前記電極に対して下方に設置された前記ガス排出口に滞留した水を抜く水抜き工程と、を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタックの活性化方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタックの活性化方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、固体高分子膜型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell:ＰＥＦＣ）は、高分子イオン交換膜から成る電解質膜の両側に、アノード電極及びカソード電極を設けた電解質膜・電極構造体を、一対のセパレータによって挟持した発電セルを備えている。そして、固体高分子膜型燃料電池は、複数の発電セルを積層すると共に、積層方向両端に一対のエンドプレートを設けることにより、例えば、車載用の燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
燃料電池スタックは、組み立て直後の電解質膜の含水量が十分でなかったり、アノード電極及びカソード電極の触媒の活性度が低かったりするため、初期時の発電性能が低くなってしまい、組み立て直後から十分な発電性能を発揮できなかった。
【０００４】
そこで、通常、燃料電池スタックの組み立て直後に十分な発電性能を引き出すため、燃料電池スタックの活性化処理（エージング処理）が行われている。
【０００５】
例えば、特許文献１には、燃料電池スタックの発電セル内へ加湿ガスを導入する加湿ガス導入工程と、アノード電極に水素ガス及びカソード電極に窒素ガスを供給しつつ、外部電源により一定幅の電圧を発電セルに印加する電圧印加工程（ＣＶ工程）と、を含む燃料電池スタックの活性化方法が開示されている。
【０００６】
そして、前記加湿ガス導入工程により電解質膜の含水量が増加し、かつ前記電圧印加工程によりアノード電極及びカソード電極の触媒の活性度が高まるため、燃料電池スタックの組み立て直後から十分な発電性能を発揮できるようになっている。
【０００７】
ここで、燃料電池スタックの発電時にはカソード電極側で水（水分）が生じるところ、この水が発電セル内に大量に滞留すると、ガス（酸化剤ガス・燃料ガス）の拡散を阻害してしまい、燃料電池スタックの出力低下を招くことになる。そのため、一般的に、各発電セルの上縁部にガス供給口を積層方向に貫通して設け、かつ下縁部にガス排出口を積層方向に貫通して設けて、ガスの流れを上方から下方に流れるように構成し、ガスの圧力及び重力（水の自重）により発電セル内の水を排出して、発電セル内の水の滞留を抑制している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００９−１４６８７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、前記特許文献１の加湿ガス導入工程において、各発電セルの上縁部に設けられたガス供給口から加湿ガスを導入すると、加湿ガスが積層方向に沿って通流するにつれて冷却されていき、加湿ガス中の水分がガス供給口下流側のエンドプレートで結露してしまい、水滴となって発電セル内（電極）に浸入して滞留する虞がある。その結果、電圧印加工程において、水素及び窒素等のガスの拡散が阻害されるため、発電時におけるガス供給口下流側の発電セルの電圧が他の発電セルの電圧よりも低下して、各発電セルの活性度にばらつきが生じる虞があった。
【００１０】
本発明は、このような観点から創案されたものであり、各燃料電池の活性度のばらつきを抑制できる燃料電池スタックの活性化方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記課題を解決するため本発明は、電解質膜と、前記電解質膜の両側に設けられる一対のセパレータと、前記電解質膜及び前記セパレータの一端部に貫通して設けられたガス供給口と、前記電解質膜及び前記セパレータの他端部に貫通して設けられたガス排出口と、前記電解質膜及び前記セパレータの間であって前記ガス供給口及び前記ガス排出口の間に設けられた一対の電極とを有する燃料電池を複数備え、前記ガス供給口及び前記ガス排出口が夫々連通するように前記燃料電池が積層され、かつ積層方向両端に一対のエンドプレートが設けられるとともに、通常発電時に前記電極に対して前記ガス供給口が上方かつ前記ガス排出口が下方に設置される燃料電池スタックの活性化方法であって、前記燃料電池の積層方向が水平方向に一致し、かつ前記ガス排出口が前記電極に対して下方に位置するように前記燃料電池スタックを設置する燃料電池スタック設置工程と、前記電極に対して下方に設置された前記ガス排出口から前記電極へ加湿されたガスを導入する加湿ガス導入工程と、前記加湿ガス導入工程後又は前記加湿ガス導入工程と同時に前記一対の電極の間に所定の電圧を印加する電圧印加工程と、を含むことを特徴とする。
【００１２】
本発明によれば、ガス排出口が、電極に対して下方に位置するように燃料電池スタックを設置し、かつ電極に対して下方に設置されたガス排出口から電極へ加湿されたガスを導入することにより、加湿ガスが積層方向に沿って通流するにつれて冷却されていき、加湿ガス中の水分がガス排出口下流側のエンドプレートで結露して水滴になった場合でも、その自重によりガス排出口に滞留するため、電極への浸入を防止できる。その結果、電圧印加工程を行った際に、水素及び窒素等のガスの拡散が阻害されないため、発電時におけるガス排出口下流側の燃料電池の電圧低下を回避して、各燃料電池の活性度のばらつきを抑制できる。
【００１３】
また、本発明は、前記電圧印加工程を所定回数繰り返した後、前記電極に対して下方に設置された前記ガス排出口に滞留した水を抜く水抜き工程と、を更に含むようにすることが好ましい。
【００１４】
このようにすると、電極に対して下方に設置されたガス排出口に滞留した水を除去して電極への浸入を確実に防止できるので、各燃料電池の活性度のばらつきをより一層抑制できる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、各燃料電池の活性度のばらつきを抑制できる燃料電池スタックの活性化方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池スタックの斜視図である。
【図２】燃料電池スタックを構成する燃料電池の分解斜視図である。
【図３】燃料電池スタックの部分拡大横断面図である。
【図４】加湿ガス導入工程時の燃料電池スタック内の加湿ガスの流れを説明するための縦断面模式図である。
【図５】（ａ）は、実施例及び比較例の酸化剤ガス排出通路及び燃料ガス排出通路下流端に位置する燃料電池の電位サイクル数に応じた電圧変化を示すグラフであり、（ｂ）は、実施例及び比較例の各燃料電池の電圧を示すグラフである。
【図６】（ａ）は、実施例１の電位サイクル数に応じた各燃料電池の電圧を示すグラフであり、（ｂ）は、実施例２の電位サイクル数に応じた各燃料電池の電圧を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。説明において、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００１８】
本発明の実施形態に係る燃料電池スタック１００の活性化方法の説明に先立って、図１−図４を適宜参照して、燃料電池スタック１００の構造について説明する。
なお、図１及び図２では発電時の酸化剤ガス、冷却媒体及び燃料ガスの流れを示し、図４では活性時（加湿ガス導入工程時）の酸化剤ガス及び燃料ガスの流れを示している。
図１に示すように、燃料電池スタック１００は、複数の燃料電池１０と、一対のエンドプレート２０ａ，２０ｂと、複数の連結部材３０と、を主に備える。本実施形態の燃料電池スタック１００は、燃料電池自動車の電源として使用されているが、家庭用電源として使用されてもよい。
【００１９】
＜燃料電池＞
複数の燃料電池１０は、図１に示すように、矢印Ａ方向（水平方向）に沿って積層されている。各燃料電池１０は、図２に示すように、電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）１１と、電解質膜・電極構造体１１を両側から挟持する一対の第１セパレータ１２及び第２セパレータ１３と、を有する。
【００２０】
＜電解質膜・電極構造体＞
電解質膜・電極構造体１１は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された板状の固体高分子電解質膜（電解質膜）１１ａと、固体高分子電解質膜１１ａの両側（両面）に設けられたカソード電極１１ｂ及びアノード電極１１ｃと、を有する。
【００２１】
電極たるカソード電極１１ｂ及びアノード電極１１ｃは、固体高分子電解質膜１１ａよりも一回り小さな幅寸法及び長さ寸法を有する矩形状の電極部材である。カソード電極１１ｂ及びアノード電極１１ｃは、固体高分子電解質膜１１ａの中央部に配設されており、外周部が固体高分子電解質膜１１ａの外周部よりも内方に位置している。カソード電極１１ｂ及びアノード電極１１ｃは、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子がガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成された電極触媒層と、から構成される。電極触媒層は、固体高分子電解質膜１１ａの両面に形成される。
【００２２】
この場合、アノード電極１１ｃに燃料ガス（例えば、水素を含有するガス）が供給されると、触媒反応（電極反応）により水素原子から電子が分離され、水素イオンを生じると共に、電子は、外部回路を通過してカソード電極１１ｂまで移動する。そして、電子が外部回路を通過してカソード電極１１ｂに電流として流れることで電気が発生する。一方、水素イオンは、固体高分子電解質膜１１ａを通過してカソード電極１１ｂまで移動する。このとき、カソード電極１１ｂでは、カソード電極１１ｂに供給された酸化剤ガス（例えば、酸素を含有するエア）と、カソード電極１１ｂまで移動してきた電子及び水素イオンとが反応して水が生成される。
【００２３】
＜第１セパレータ及び第２セパレータ＞
第１セパレータ１２及び第２セパレータ１３は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、その金属表面に防食用の表面処理を施した金属板等により構成されている。第１セパレータ１２及び第２セパレータ１３は、図２及び図３に示すように、矩形状を呈する一枚の金属板を波形状にプレス加工することにより、横断面視凹凸形状に形成されている。図３に示すように、第１セパレータ１２の外縁部の両面１２ａ，１２ｂには、シール部材１４が一体又は別体に設けられる一方、第２セパレータ１３の外縁部の両面１３ａ，１３ｂには、シール部材１５が一体又は別体に設けられている。
【００２４】
シール部材１４，１５は、例えば、シリコーンゴム、エチレン−プロピレンゴム、天然ゴム、フッ素ゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、スチレンゴム、クロロプレーン、アクリルゴム等から形成されている。
【００２５】
＜酸化剤ガス供給口、冷却媒体供給口、燃料ガス供給口＞
図２に示すように、固体高分子電解質膜１１ａ、第１セパレータ１２及び第２セパレータ１３の上縁部（一端部）には、矢印Ａ方向（積層方向）に貫通して形成された矩形状の酸化剤ガス供給口４０ａ、冷却媒体供給口４１ａ及び燃料ガス供給口４２ａが矢印Ｂ方向に沿って配列して設けられている。ガス供給口たる酸化剤ガス供給口４０ａは、酸化剤ガスが供給される部分であり、冷却媒体供給口４１ａは、冷却媒体が供給される部分であり、ガス供給口たる燃料ガス供給口４２ａは、燃料ガスが供給される部分である。冷却媒体としては、例えば、純水、エチレングリコール、オイル等が使用される。
【００２６】
＜酸化剤ガス排出口、冷却媒体排出口、燃料ガス排出口＞
固体高分子電解質膜１１ａ、第１セパレータ１２及び第２セパレータ１３の下縁部（他端部）には、矢印Ａ方向に貫通して形成された矩形状の酸化剤ガス排出口４０ｂ、冷却媒体排出口４１ｂ及び燃料ガス排出口４２ｂが矢印Ｂ方向に沿って配列して設けられている。ガス排出口たる酸化剤ガス排出口４０ｂは、酸化剤ガスが排出される部分であり、冷却媒体排出口４１ｂは、冷却媒体が排出される部分であり、ガス排出口たる燃料ガス排出口４２ｂは、燃料ガスが排出される部分である。
【００２７】
＜酸化剤ガス流路＞
図２及び図３に示すように、第１セパレータ１２のうち、電解質膜・電極構造体１１に対向する面１２ａには、酸化剤ガス供給口４０ａと酸化剤ガス排出口４０ｂを連通して酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路５０が設けられている。すなわち、図３に示すように、第１セパレータ１２の凸部が電解質膜・電極構造体１１に接触することにより、第１セパレータ１２の凹部が酸化剤ガス流路５０を構成している。この場合、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給口４０ａから複数の酸化剤ガス流路５０を鉛直下向きに流れた後、酸化剤ガス排出口４０ｂに流れることとなる。
【００２８】
＜燃料ガス流路＞
図２及び図３に示すように、第２セパレータ１３のうち、電解質膜・電極構造体１１に対向する面１３ａには、燃料ガス供給口４２ａと燃料ガス排出口４２ｂを連通して燃料ガスを流すための燃料ガス流路５２が設けられている。すなわち、図３に示すように、第２セパレータ１３の凸部が電解質膜・電極構造体１１に接触することにより、第２セパレータ１３の凹部が燃料ガス流路５２を構成している。この場合、燃料ガスは、燃料ガス供給口４２ａから複数の燃料ガス流路５２を鉛直下向きに流れた後、燃料ガス排出口４２ｂに流れることとなる。
【００２９】
＜冷却媒体流路＞
図２及び図３に示すように、隣り合う燃料電池１０，１０同士の間には、冷却媒体供給口４１ａと冷却媒体排出口４１ｂとを連通して冷却媒体を流すための冷却媒体流路５１が設けられている。詳しくは、図３に示すように、冷却媒体流路５１は、隣り合う燃料電池１０，１０のうち一方の燃料電池１０を構成する第１セパレータ１２の面１２ｂと、他方の燃料電池１０を構成する第２セパレータ１３の面１３ｂとの間に設けられている。この場合、冷却媒体は、冷却媒体供給口４１ａから複数の冷却媒体流路５１を鉛直下向きに流れた後、冷却媒体排出口４１ｂに流れることとなる。
【００３０】
＜酸化剤ガス供給通路、冷却媒体供給通路、燃料ガス供給通路＞
図４に示すように、燃料電池スタック１００には、各燃料電池１０の酸化剤ガス供給口４０ａ及び燃料ガス供給口４２ａが夫々連通するように積層されることにより、積層方向に酸化剤ガスを流通させる酸化剤ガス供給通路６０ａ及び積層方向に燃料ガスを流通させる燃料ガス供給通路６２ａが形成されている。
また、各燃料電池１０の冷却媒体供給口４１ａが夫々連通するように積層されることにより、積層方向に冷却媒体を流通させる図示しない冷却媒体供給通路が形成されている。
【００３１】
＜酸化剤ガス排出通路、冷却媒体排出通路、燃料ガス排出通路＞
一方、図４に示すように、燃料電池スタック１００には、各燃料電池１０の酸化剤ガス排出口４０ｂ及び燃料ガス排出口４２ｂが夫々連通するように積層されることにより、積層方向に酸化剤ガスを流通させる酸化剤ガス排出通路６０ｂ及び積層方向に燃料ガスを流通させる燃料ガス排出通路６２ｂが形成されている。
また、各燃料電池１０の冷却媒体排出口４１ｂが夫々連通するように積層されることにより、積層方向に冷却媒体を流通させる図示しない冷却媒体排出通路が形成されている。
【００３２】
＜エンドプレート＞
図１に戻り、一対のエンドプレート２０ａ，２０ｂは、燃料電池１０の積層方向両端に配設されており、燃料電池１０よりも一回り大きな幅寸法及び長さ寸法を有する矩形状の金属製部材である。一方のエンドプレート２０ａには、酸化剤ガス供給口４０ａ、燃料ガス供給口４２ａ、酸化剤ガス排出口４０ｂ及び燃料ガス排出口４２ｂに連通する円筒状の酸化剤ガス供給マニホールド（接続部）２１ａ、燃料ガス供給マニホールド２２ａ、酸化剤ガス排出マニホールド２１ｂ及び燃料ガス排出マニホールド２２ｂが設けられている。他方のエンドプレート２０ｂには、冷却媒体供給口４１ａ及び冷却媒体排出口４１ｂに連通する円筒状の冷却媒体供給マニホールド２３ａ及び冷却媒体排出マニホールド２３ｂが設けられている。なお、燃料電池１０の積層方向両端には、その他に図示しないターミナルプレート及び絶縁プレートが配設される。
【００３３】
＜連結部材＞
連結部材３０は、一対のエンドプレート２０ａ，２０ｂを連結し、かつ積層方向に所定の締め付け荷重を付与して複数の燃料電池１０及びエンドプレート２０ａ，２０ｂを一体的に保持する金属製部材である。連結部材３０は、長尺な板状を呈しており、燃料電池スタック１００の長さ方向側（長辺側）に２本ずつ配設される一方、幅方向側（短辺側）に１本ずつ配設されている。連結部材３０の積層方向両端は、エンドプレート２０ａ，２０ｂの側面（外周面）にボルト３１により固定されている。
【００３４】
本発明の実施形態に係る燃料電池スタック１００は、基本的には以上のように構成されるものであり、次に、図１、図２及び図４を適宜参照して、発電時の動作について説明する。なお、発電時は、通常、酸化剤ガス排出口４０ｂ等の排出口に対し酸化剤ガス供給口４０ａ等の供給口を上側に設置し、当該供給口から酸化剤ガス等を導入して、酸化剤ガス等の流れを上方から下方に流れるようにする。
【００３５】
図１及び図２に示すように、エンドプレート２０ａの酸化剤ガス供給マニホールド２１ａから酸化剤ガス供給通路６０ａ（図４参照）へ酸化剤ガスが供給されると、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給通路６０ａを通流しつつ、各燃料電池１０の酸化剤ガス供給口４０ａから酸化剤ガス流路５０へ導入される。そして、酸化剤ガスは、矢印Ｃ方向に（下方に）通流しながら、カソード電極１１ｂへ供給される。
【００３６】
また、図１及び図２に示すように、エンドプレート２０ａの燃料ガス供給マニホールド２２ａから燃料ガス供給通路６２ａ（図４参照）へ燃料ガスが供給されると、燃料ガスは、燃料ガス供給通路６２ａを通流しつつ、各燃料電池１０の燃料ガス供給口４２ａから燃料ガス流路５２へ導入される。そして、燃料ガスは、矢印Ｃ方向に（下方に）通流しながら、アノード電極１１ｃへ供給される。
【００３７】
アノード電極１１ｃに燃料ガスが供給されると、触媒反応により水素原子から電子が分離され、水素イオンを生じると共に、電子は、外部回路を通過してカソード電極１１ｂまで移動する。そして、電子が外部回路を通過してカソード電極１１ｂに電流として流れることで電気が発生する。一方、水素イオンは、固体高分子電解質膜１１ａを通過してカソード電極１１ｂまで移動する。このとき、カソード電極１１ｂでは、カソード電極１１ｂに供給された酸化剤ガスと、カソード電極１１ｂまで移動してきた電子及び水素イオンとが反応して水が生成される。
【００３８】
続いて、図２に示すように、カソード電極１１ｂで消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路５０から酸化剤ガス排出口４０ｂへ排出され、酸化剤ガス排出通路６０ｂを矢印Ａ方向に通流する。そして、図１に示すように、エンドプレート２０ａの酸化剤ガス排出マニホールド２１ｂへ排出される。
【００３９】
また、図２に示すように、アノード電極１１ｃで消費された燃料ガスは、燃料ガス流路５２から燃料ガス排出口４２ｂへ排出され、燃料ガス排出通路６２ｂを矢印Ａ方向に通流する。そして、図１に示すように、エンドプレート２０ａの燃料ガス排出マニホールド２２ｂへ排出される。
【００４０】
一方、図１及び図２に示すように、エンドプレート２０ｂの冷却媒体供給マニホールド２３ａから冷却媒体が供給されると、冷却媒体は、冷却媒体供給口４１ａから冷却媒体流路５１へ導入される。そして、冷却媒体は、図２に示すように、矢印Ｃ方向に（下方に）通流しながら、電解質膜・電極構造体１１を冷却した後、冷却媒体流路５１から冷却媒体排出口４１ｂへ排出され、矢印Ａ方向に通流する。続いて、冷却媒体は、図１に示すように、エンドプレート２０ｂの冷却媒体排出マニホールド２３ｂへ排出される。
【００４１】
次に、図４を参照して、本発明の実施形態に係る燃料電池スタック１００の活性化方法について説明する。図４は、加湿ガス導入工程時の燃料電池スタック内の加湿ガスの流れを説明するための縦断面模式図である。
なお、燃料電池スタック１００の活性化処理（エージング処理）は、例えば、燃料電池スタック１００を車体に搭載する前に行ってもよいし、後に行ってもよい。
【００４２】
実施形態に係る燃料電池スタック１００の活性化方法は、燃料電池スタック１００の組み立て直後の初期活性化方法に関するものであり、燃料電池スタック設置工程と、加湿ガス導入工程と、電圧印加工程と、を含む。
【００４３】
＜燃料電池スタック設置工程＞
はじめに、図１及び図２に示すように、燃料電池１０の積層方向が矢印Ａ方向（水平方向）に一致し、かつ酸化剤ガス排出口４０ｂ及び燃料ガス排出口４２ｂがカソード電極１１ｂ及びアノード電極１１ｃに対して下方に位置するように燃料電池スタック１００を設置する。
【００４４】
＜加湿ガス導入工程＞
続いて、図示しない加湿器を使用して、酸化剤ガス及び燃料ガスを加湿した後、図４に示すように、エンドプレート２０ａの酸化剤ガス排出マニホールド２１ｂから酸化剤ガス排出通路６０ｂへ加湿された酸化剤ガスを導入すると共に、燃料ガス排出マニホールド２２ｂから燃料ガス排出通路６２ｂへ加湿された燃料ガスを導入する。換言すると、下方から上方に向けて加湿された酸化剤ガス及び燃料ガスを導入する。
【００４５】
この場合、加湿された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出通路６０ｂを通流しつつ、各燃料電池１０の酸化剤ガス排出口４０ｂから酸化剤ガス流路５０へ導入される。そして、加湿された酸化剤ガスは、矢印Ｃ方向に（上方に）通流しながら、カソード電極１１ｂ（図２参照）へ導入される。このとき、加湿された酸化剤ガス中の水分が、カソード電極１１ｂを介して固体高分子電解質膜１１ａ（図２参照）へ導入されるため、固体高分子電解質膜１１ａを湿潤状態にして含水量を十分にすることができる。続いて、カソード電極１１ｂを通過した酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路５０から酸化剤ガス供給口４０ａへ排出され、酸化剤ガス供給通路６０ａを矢印Ａ方向に通流する。そして、エンドプレート２０ａの酸化剤ガス供給マニホールド２１ａへ排出される。
【００４６】
一方、加湿された燃料ガスは、燃料ガス排出通路６２ｂを通流しつつ、各燃料電池１０の燃料ガス排出口４２ｂから燃料ガス流路５２へ導入される。そして、加湿された燃料ガスは、矢印Ｃ方向に（上方に）通流しながら、アノード電極１１ｃ（図２参照）へ導入される。このとき、加湿された燃料ガス中の水分が、アノード電極１１ｃを介して固体高分子電解質膜１１ａ（図２参照）へ導入されるため、固体高分子電解質膜１１ａを湿潤状態にして含水量を十分にすることができる。続いて、アノード電極１１ｃを通過した燃料ガスは、燃料ガス流路５２から燃料ガス供給口４２ａへ排出され、燃料ガス供給通路６２ａを矢印Ａ方向に通流する。そして、エンドプレート２０ａの燃料ガス供給マニホールド２２ａへ排出される。
【００４７】
ちなみに、図４に示すように、加湿された酸化剤ガス及び燃料ガスは、酸化剤ガス排出通路６０ｂ及び燃料ガス排出通路６２ｂを通流するにつれて冷却されていき、加湿された酸化剤ガス及び燃料ガス中の水分が下流側のエンドプレート２０ｂで結露して水滴Ｗとなる。この水滴Ｗは、その自重により酸化剤ガス排出通路６０ｂ及び燃料ガス排出通路６２ｂに滞留するため、カソード電極１１ｂ及びアノード電極１１ｃへの水滴Ｗの浸入が防止される。
【００４８】
なお、加湿ガスの導入前に、加熱した冷却媒体を冷却媒体流路５１に通流させ、燃料電池スタック１００の温度を上げておく。これにより、加湿ガスが冷却されにくくなり、結露水の発生を軽減できる。燃料電池スタック１００の温度を上げる他の方法として、例えば、ヒータで燃料電池スタック１００を加温してもよい。
【００４９】
＜電圧印加工程＞
加湿ガス導入工程後、例えば、カソード電極１１ｂへ加湿された窒素ガス等の不活性ガス及びアノード電極１１ｃへ加湿された燃料ガスを導入しつつ、図示しない外部電源（安定化電源）により、カソード電極１１ｂとアノード電極１１ｃの間に、一定の電圧幅で周期的に変動する電圧を印加する。すなわち、電圧印加工程は、カソード電極１１ｂとアノード電極１１ｃの間に（燃料電池スタック１００全体に）、所定の電圧を所定の時間だけ印加する工程であり、所定の時間間隔を空けて複数サイクル（複数回）行われる。外部電源は、その＋（プラス；正）極がカソード電極１１ｂに接続され、その−（マイナス；負）極がアノード電極１１ｃに接続される。これにより、外部電源は、アノード電極１１ｃに対するカソード電極１１ｂの電位（カソード電位）を、設定することができる。なお、電圧印加工程（ＣＶ法）は、従来公知の方法の中から適宜選択して行うことが可能であり、例えば、一定電圧を印加するようにしてもよいし、段階的に電圧を昇圧又は降圧して印加するようにしてもよい。
【００５０】
以上説明した実施形態によれば、加湿ガス（加湿された酸化剤ガス及び燃料ガス）が積層方向に沿って通流するにつれて冷却されていき、加湿ガス中の水分が酸化剤ガス排出通路６０ｂ及び燃料ガス排出通路６２ｂ下流側のエンドプレート２０ｂで結露して水滴Ｗになった場合でも、カソード電極１１ｂ及びアノード電極１１ｃに対して下方に位置する酸化剤ガス排出口４０ｂ及び燃料ガス排出口４２ｂからカソード電極１１ｂ及びアノード電極１１ｃへ加湿ガスを夫々導入することにより、水滴Ｗがその自重により酸化剤ガス排出口４０ｂ及び燃料ガス排出口４２ｂに滞留する。そのため、カソード電極１１ｂ及びアノード電極１１ｃへの水滴Ｗの浸入を防止できる。その結果、電圧印加工程を行った際に、燃料ガス及び窒素ガス等のガスの拡散が阻害されないため、発電時における酸化剤ガス排出通路６０ｂ及び燃料ガス排出通路６２ｂ下流側の燃料電池１０の電圧低下を回避して、各燃料電池１０の活性度のばらつきを抑制できる。
【００５１】
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、発明の主旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
【００５３】
本実施形態では、加湿ガス導入工程において、カソード電極１１ｂへ加湿された酸化剤ガスを導入し、アノード電極１１ｃへ加湿された燃料ガスを導入したが、本発明はこれに限定されるものではなく、カソード電極１１ｂやアノード電極１１ｃへ加湿された窒素ガス等の不活性ガスを導入してもよい。
【００５４】
本実施形態では、加湿ガス導入工程において、カソード電極１１ｂへ加湿ガスを導入すると同時に、アノード電極１１ｃへ加湿ガスを導入したが、本発明はこれに限定されるものではなく、カソード電極１１ｂへの加湿ガスの導入と、アノード電極１１ｃへの加湿ガスの導入とを別々に（異時に）行ってもよい。
【００５５】
本実施形態では、加湿ガス導入工程の後に、電圧印加工程を行ったが、本発明はこれに限定されるものではなく、加湿ガス導入工程と同時に電圧印加工程を行ってもよい。この場合、例えば、カソード電極１１ｂへ加湿された窒素ガスを導入し、アノード電極１１ｃへ加湿された燃料ガスを導入することが好ましい。
【００５６】
次に、本発明の燃料電池スタック１００の活性化方法ついて、図５（ａ），（ｂ）を参照して、実施例及び比較例により更に詳細に説明する。
参照する図面において、図５（ａ）は、実施例及び比較例の酸化剤ガス排出通路及び燃料ガス排出通路下流端に位置する燃料電池の電位サイクル数に応じた電圧変化を示すグラフであり、（ｂ）は、実施例及び比較例の各燃料電池の電圧を示すグラフである。
【００５７】
実施例及び比較例では、後記する方法で加湿ガスの導入を行った後、カソード電極１１ｂへ加湿された窒素ガス等の不活性ガス及びアノード電極１１ｃへ加湿された燃料ガスを導入しつつ、図示しない外部電源を使用して、燃料電池スタック１００の燃料電池１０に電圧を印加した。そして、酸化剤ガス排出通路６０ｂ及び燃料ガス排出通路６２ｂ下流端に位置する燃料電池１０（エンドプレート２０ｂに最も近い燃料電池１０，以下「下流端の燃料電池１０」という。）の電位（電圧）サイクル数に応じた電圧変化及び各燃料電池１０の電圧を測定した。また、実施例及び比較例では、前記実施形態と同様の燃料電池スタック１００を使用した。
なお、図５（ａ），（ｂ）の縦軸は電圧[Ｖ]を示す。（ａ）の横軸は電位サイクル数を示す。（ｂ）の横軸は燃料電池１０の積層順を示しており、右側にいくほど（数字が大きいほど）酸化剤ガス排出通路６０ｂ及び燃料ガス排出通路６２ｂ下流側（エンドプレート２０ｂ側）に配置された燃料電池１０を示す。
【００５８】
＜実施例＞
実施例は、カソード電極１１ｂに対して下方に位置する酸化剤ガス排出口４０ｂからカソード電極１１ｂへ加湿された酸化剤ガスを導入すると共に、アノード電極１１ｃに対して下方に位置する燃料ガス排出口４２ｂからアノード電極１１ｃへ加湿された燃料ガスを導入した（図２、図４参照）。
【００５９】
＜比較例＞
比較例は、カソード電極１１ｂに対して上方に位置する酸化剤ガス供給口４０ａからカソード電極１１ｂへ加湿された酸化剤ガスを導入すると共に、アノード電極１１ｃに対して上方に位置する燃料ガス供給口４２ａからアノード電極１１ｃへ加湿された燃料ガスを導入した（図２、図４参照）。
【００６０】
そして、前記測定を行うと、実施例の下流端の燃料電池１０の電位サイクル数に応じた電圧変化と、比較例の下流端の燃料電池１０の電位サイクル数に応じた電圧変化は、図５（ａ）のグラフに示されるような結果となった。
すなわち、両者を比較すると、実施例では下流端の燃料電池１０の電圧が１．０Ｖ付近で略一定であるのに対し、比較例では下流端の燃料電池１０の電圧が２サイクル目に急激に低下して、その後０．４Ｖ付近で略一定であることが確認された。
【００６１】
また、前記測定を行うと、実施例の各燃料電池１０の電圧と、比較例の各燃料電池１０の電圧は、図５（ｂ）のグラフに示されるような結果となった。
すなわち、両者を比較すると、実施例では下流端の燃料電池１０の電圧が他の燃料電池１０の電圧と略同一であるのに対し、比較例では下流端の燃料電池１０の電圧が他の燃料電池１０の電圧よりも著しく低下することが確認された。
【００６２】
以上説明したように、実施例の加湿ガス導入方法が、比較例の加湿ガス導入方法に比べ、電位サイクルを繰り返し行っても下流端の燃料電池１０の電圧が略一定であり、かつ下流端の燃料電池１０の電圧が他の燃料電池１０の電圧と略同一になるということが実証された。つまり、燃料電池スタック１００の活性化時に下方から上方に向けて加湿ガスを導入すると、各燃料電池１０の電圧のばらつきを抑制できることが実証された。
【００６３】
次に、図４を参照して、本発明の変形例に係る燃料電池スタック１００の活性化方法について説明する。変形例に係る燃料電池スタック１００の活性化方法は、燃料電池スタック設置工程と、加湿ガス導入工程と、電圧印加工程と、水抜き工程と、を含む。
【００６４】
なお、変形例に係る燃料電池スタック１００の活性化方法のうち、燃料電池スタック設置工程、加湿ガス導入工程、及び、電圧印加工程は、前記実施形態のものと同様であるので、説明を省略する。
【００６５】
水抜き工程は、酸化剤ガス排出通路６０ｂ及び燃料ガス排出通路６２ｂに滞留した水を除去する工程である。水抜き工程は、電圧印加工程を複数サイクル行う毎に（例えば、合計８０サイクル行う場合には、２０サイクル行う毎に）実行するのが好ましい。なお、水抜き工程を実行するタイミングは、例えば、触媒の種類・大きさ、ガス通路の容積、燃料電池１０の積層数等に応じて適宜変更され、事前試験により求められる。また、水抜き工程は、少なくとも電圧印加工程を複数サイクル繰り返した後に行うが、加湿ガス導入工程後であって電圧印加工程前に更に行ってもよい。
【００６６】
水抜き工程では、加湿ガスの導入及び電圧の印加を停止した後、酸化剤ガス排出マニホールド２１ｂ及び燃料ガス排出マニホールド２２ｂに接続された配管（図示省略）を外す。酸化剤ガス排出マニホールド２１ｂ及び燃料ガス排出マニホールド２２ｂから配管を外すと、酸化剤ガス排出通路６０ｂ及び燃料ガス排出通路６２ｂに滞留していた水が、燃料電池スタック１００の外部へ排出される。このとき、酸化剤ガス排出マニホールド２１ｂ及び燃料ガス排出マニホールド２２ｂが冷却媒体排出マニホールド２３ｂに対し下方に位置するように燃料電池スタック１００を傾けると、燃料電池スタック１００の外部へ水が排出されやすくなる。
【００６７】
なお、水を除去する他の方法として、例えば、酸化剤ガス排出マニホールド２１ｂ及び燃料ガス排出マニホールド２２ｂ自体を燃料電池スタック１００から外して水を排出してもよい。また、図示は省略するが、酸化剤ガス排出マニホールド２１ｂ及び燃料ガス排出マニホールド２２ｂに配管の一端を繋いでおくとともに、配管の他端にバルブを接続し、かかるバルブを開けて水を排出してもよい。
【００６８】
更に、図示は省略するが、エンドプレート２０ｂのうち、酸化剤ガス排出通路６０ｂ及び燃料ガス排出通路６２ｂに対応する部分に排出孔を形成し、かかる排出孔から水を排出してもよい。この場合、エンドプレート２０ａの酸化剤ガス排出マニホールド２１ｂ及び燃料ガス排出マニホールド２２ｂから酸化剤ガス排出通路６０ｂ及び燃料ガス排出通路６２ｂへ加湿ガスを導入し、加湿ガスのガス圧を利用して排出孔から水を排出するのが好ましい。
【００６９】
以上説明した変形例によれば、酸化剤ガス排出通路６０ｂ及び燃料ガス排出通路６２ｂに滞留した水を除去してカソード電極１１ｂ及びアノード電極１１ｃへの浸入を確実に防止できるので、各燃料電池１０の活性度のばらつきをより一層抑制できる。
【００７０】
次に、本発明の燃料電池スタック１００の活性化方法ついて、図６（ａ），（ｂ）を参照して、実施例１及び実施例２により更に詳細に説明する。
参照する図面において、図６（ａ）は、実施例１の電位サイクル数に応じた各燃料電池の電圧を示すグラフであり、（ｂ）は、実施例２の電位サイクル数に応じた各燃料電池の電圧を示すグラフである。
【００７１】
実施例１及び実施例２では、前記実施形態と同様の方法で加湿ガスの導入を行った後、カソード電極１１ｂに対して下方に位置する酸化剤ガス排出口４０ｂからカソード電極１１ｂへ加湿された窒素ガス等の不活性ガスを導入すると共に、アノード電極１１ｃに対して下方に位置する燃料ガス排出口４２ｂからアノード電極１１ｃへ加湿された燃料ガスを導入しつつ、図示しない外部電源を使用して、燃料電池スタック１００の燃料電池１０に電圧を印加した。そして、この工程を８０サイクル行い、電位サイクル数に応じた各燃料電池１０の電圧を測定した。また、実施例１及び実施例２では、前記実施形態と同様の燃料電池スタック１００を使用した。
なお、図６（ａ），（ｂ）の縦軸は各燃料電池１０の電圧[Ｖ]を示し、横軸は燃料電池１０の積層順を示しており、右側にいくほど（数字が大きいほど）下流側（エンドプレート２０ｂ側）に配置された燃料電池１０を示す。
【００７２】
＜実施例１＞
実施例１は、電圧印加を２０サイクル行う毎に酸化剤ガス排出通路６０ｂ及び燃料ガス排出通路６２ｂ内の水抜きを行った。
【００７３】
＜実施例２＞
実施例２は、酸化剤ガス排出通路６０ｂ及び燃料ガス排出通路６２ｂ内の水抜きを行わなかった。
【００７４】
そして、前記測定を行うと、実施例１の電位サイクル数に応じた各燃料電池１０の電圧と、実施例２の電位サイクル数に応じた各燃料電池１０の電圧は、図６（ａ），（ｂ）のグラフに示されるような結果となった。
すなわち、両者を比較すると、実施例１では、１サイクル目から８０サイクル目まで各燃料電池１０の電圧が略同一であるのに対し、実施例２では、３５サイクル目以降、各燃料電池１０の電圧のばらつきが徐々に大きくなることが確認された。
【００７５】
以上説明したように、実施例１の燃料電池スタックの活性化方法が、実施例２の燃料電池スタックの活性化方法に比べ、電位サイクルを繰り返し行っても各燃料電池１０の電圧が略一定であることが実証された。つまり、燃料電池スタック１００の活性化時に水抜きを行うと、各燃料電池１０の電圧のばらつきをより一層抑制できることが実証された。
【符号の説明】
【００７６】
１００  燃料電池スタック
１０    燃料電池
１１    電解質膜・電極構造体
１１ａ  固体高分子電解質膜（電解質膜）
１１ｂ  カソード電極（電極）
１１ｃ  アノード電極（電極）
１２    第１セパレータ
１３    第２セパレータ
２０ａ  エンドプレート
２０ｂ  エンドプレート
４０ａ  酸化剤ガス供給口（ガス供給口）
４０ｂ  酸化剤ガス排出口（ガス排出口）
４２ａ  燃料ガス供給口（ガス供給口）
４２ｂ  燃料ガス排出口（ガス排出口）
Ｗ      水滴
【図１】
0005920721.tif 000002
【図２】
0005920721.tif 000003
【図３】
0005920721.tif 000004
【図４】
0005920721.tif 000005
【図５】
0005920721.tif 000006
【図６】
0005920721.tif 000007