(57)【要約】【課題】燃料電池の損傷を抑えつつ、燃料電池の活性化を実現すること。【解決手段】プロトン伝導性を有する高分子膜である電解質膜１２をアノード電極であるアノード触媒層１３ａとカソード電極であるカソード触媒層１３ｃで挟持した燃料電池１０の活性化方法であって、アノード電極とカソード電極との間を電気的に非接続とした状態で、アノード電極に燃料ガスを供給し且つカソード電極に酸化剤ガスを供給して、燃料電池１０に開回路電圧を発生させる工程と、燃料電池１０の発電反応において酸化剤ガスが不足するようにカソード電極への酸化剤ガスの供給を停止する工程と、酸化剤ガスの供給を停止した後、アノード電極とカソード電極を短絡させて燃料電池１０に電流密度が２Ａ／ｃｍ２以上の電流を１秒以下の時間で流す工程と、を備える燃料電池の活性化方法。【選択図】図３
2019197690.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プロトン伝導性を有する高分子膜である電解質膜をアノード電極とカソード電極で挟持した燃料電池の活性化方法であって、
前記アノード電極と前記カソード電極との間を電気的に非接続とした状態で、前記アノード電極に燃料ガスを供給し且つ前記カソード電極に酸化剤ガスを供給して、前記燃料電池に開回路電圧を発生させる工程と、
前記燃料電池の発電反応において前記酸化剤ガスが不足するように前記カソード電極への前記酸化剤ガスの供給を停止する工程と、
前記酸化剤ガスの供給を停止した後、前記アノード電極と前記カソード電極を短絡させて前記燃料電池に電流密度が２Ａ／ｃｍ２以上の電流を１秒以下の時間で流す工程と、を備える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、燃料電池の活性化方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子形の燃料電池は、プロトン伝導性を有する高分子膜である電解質膜をアノード電極とカソード電極で挟持して製造される。製造直後においては電極触媒の活性度が低いことから、燃料電池の活性化が行われている。例えば、燃料電池のアノード電極とカソード電極を短絡させ、燃料電池に反応ガスを供給して活性化を開始した後、反応ガスの供給量を調整する燃料電池の活性化方法が知られている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−０１６３３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載の活性化方法では、アノード電極とカソード電極を短絡させる時間が長く、アノード電極とカソード電極間に電流が長時間流れることとなる。このため、活性化に要する時間が長くなるとともに、燃料電池の温度が上昇して燃料電池に損傷を与えることがある。
【０００５】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、アノード電極とカソード電極間の通電時間を短くしつつ活性化を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、プロトン伝導性を有する高分子膜である電解質膜をアノード電極とカソード電極で挟持した燃料電池の活性化方法であって、前記アノード電極と前記カソード電極との間を電気的に非接続とした状態で、前記アノード電極に燃料ガスを供給し且つ前記カソード電極に酸化剤ガスを供給して、前記燃料電池に開回路電圧を発生させる工程と、前記燃料電池の発電反応において前記酸化剤ガスが不足するように前記カソード電極への前記酸化剤ガスの供給を停止する工程と、前記酸化剤ガスの供給を停止した後、前記アノード電極と前記カソード電極を短絡させて前記燃料電池に電流密度が２Ａ／ｃｍ２以上の電流を１秒以下の時間で流す工程と、を備える燃料電池の活性化方法である。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、アノード電極とカソード電極間の通電時間を短くしつつ活性化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、実施例１に係る燃料電池活性化装置の構成を示す図である。
【図２】図２は、燃料電池を構成する単セルの断面図である。
【図３】図３は、実施例１における活性化処理の一例を示すフローチャートである。
【図４】図４は、図３のステップＳ１０からステップＳ２０におけるセル電圧、電流密度、ガス流量、及び温度の変化の一例を示す図である。
【図５】図５は、図４の時間間隔Ａの部分を拡大した図である。
【図６】図６は、燃料電池に反応ガスを供給したときのセル電圧の立ち上がりの一例を示す図である。
【図７】図７は、図３のステップＳ１０からＳ２０の処理を複数回繰り返して行ったときの、短絡回数とセル電圧及びＱ値との関係を示す図である。
【図８】図８は、短絡電流の大きさを変えた場合に活性化完了までに要した短絡回数を示す図である。
【図９】図９は、燃料電池が燃料電池車両に搭載された燃料電池システムの構成を示す図である。
【図１０】図１０は、実施例２における活性化処理の一例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。
【実施例１】
【００１０】
図１は、実施例１に係る燃料電池活性化装置の構成を示す図である。図１のように、実施例１の燃料電池活性化装置１００は、酸化剤ガス配管系３０、燃料ガス配管系４０、冷媒配管系６０、短絡装置７０、及び制御ユニット８０を備える。
【００１１】
酸化剤ガス配管系３０は、酸化剤ガス（例えば空気）を燃料電池１０に供給する。燃料ガス配管系４０は、燃料ガス（例えば水素ガス）を燃料電池１０に供給する。冷媒配管系６０は、燃料電池１０を冷却する冷媒を燃料電池１０に循環させる。短絡装置７０は、燃料電池１０のアノード電極とカソード電極の間を短絡させる。制御ユニット８０は、燃料電池活性化装置１００全体を統括制御する。燃料電池１０には、電圧センサ２が取り付けられている。電圧センサ２は、燃料電池１０の各単セル間に接続され、燃料電池１０の電圧を計測し、制御ユニット８０に送信する。
【００１２】
燃料電池１０は、燃料ガスと酸化剤ガスの供給を受けて発電する固体高分子形燃料電池である。燃料電池１０は、複数の単セルが積層されたスタック構造を有する。燃料電池１０は、通常運転において２Ａ／ｃｍ２以上の電流密度での運転が可能となるように設計されている。すなわち、２Ａ／ｃｍ２以上の電流密度での運転が可能となるような電解質膜及び触媒層が用いられている。
【００１３】
図２は、燃料電池を構成する単セルの断面図である。図２のように、単セル１１は、膜電極ガス拡散層接合体（以下、ＭＥＧＡ（Membrane Electrode Gas diffusion layer Assembly）と称す）１６と、ＭＥＧＡ１６を挟持するアノードセパレータ１７ａ及びカソードセパレータ１７ｃと、を含む。ＭＥＧＡ１６は、アノードガス拡散層１５ａ及びカソードガス拡散層１５ｃと、膜電極接合体（以下、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）と称す）１４と、を含む。
【００１４】
ＭＥＡ１４は、電解質膜１２と、電解質膜１２を挟持するアノード触媒層１３ａ及びカソード触媒層１３ｃと、を含む。電解質膜１２は、例えばスルホン酸基を有するフッ素系樹脂材料又は炭化水素系樹脂材料で形成された固体高分子膜であり、湿潤状態において良好なプロトン伝導性を有する。アノード触媒層１３ａ及びカソード触媒層１３ｃは、例えば電気化学反応を進行する触媒（白金又は白金−コバルト合金など）を担持したカーボン担体（カーボンブラックなど）と、スルホン酸基を有する固体高分子であって湿潤状態で良好なプロトン伝導性を有するアイオノマーと、を含む。アノード触媒層１３ａ及びカソード触媒層１３ｃはそれぞれ、アノードとカソードの正負の電極として機能する。
【００１５】
アノードガス拡散層１５ａ及びカソードガス拡散層１５ｃは、ガス透過性及び電子伝導性を有する部材によって形成され、例えば炭素繊維又は黒鉛繊維などの多孔質の繊維部材によって形成されている。
【００１６】
アノードセパレータ１７ａ及びカソードセパレータ１７ｃは、ガス遮断性及び電子伝導性を有する部材によって形成されている。例えば、アノードセパレータ１７ａ及びカソードセパレータ１７ｃは、プレス成型による曲げ加工によって凹凸形状が形成されたステンレス鋼、アルミニウム、又はチタンなどの金属部材、或いは、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密性カーボンなどのカーボン部材、によって形成されている。アノードセパレータ１７ａは、アノードガス拡散層１５ａと接する面にアノードガス拡散層１５ａ及びアノード触媒層１３ａに供給される燃料ガスが流れるアノードガス流路１８ａが形成されている。カソードセパレータ１７ｃは、カソードガス拡散層１５ｃと接する面にカソードガス拡散層１５ｃ及びカソード触媒層１３ｃに供給される酸化剤ガスが流れるカソードガス流路１８ｃが形成されている。また、カソードセパレータ１７ｃの隣接する単セル１１のアノードセパレータ１７ａと接する側の面には、冷媒が流れる冷媒流路１９が形成されている。
【００１７】
図１のように、酸化剤ガス配管系３０は、空気供給器３１、空気供給配管３２、開閉弁３３、空気排出配管３４、及び開閉弁３５を備える。空気供給配管３２は、燃料電池１０のカソードガス供給マニホールドの入口に接続される。空気排出配管３４は、燃料電池１０のカソードガス排出マニホールドの出口に接続される。空気供給器３１は、空気供給配管３２を介して燃料電池１０と接続され、制御ユニット８０の指令に基づき、燃料電池１０に空気を供給する。これにより、燃料電池１０のカソード触媒層１３ｃに、カソードガス流路１８ｃ及びカソードガス拡散層１５ｃを介して空気が導入される。開閉弁３３は、空気供給配管３２に設けられ、制御ユニット８０の指令に基づき、空気供給配管３２の開閉を行う。空気供給器３１によって燃料電池１０に供給された空気は、空気排出配管３４に設けられた開閉弁３５の開弁により、大気に放出される。開閉弁３５は、制御ユニット８０の指令に基づき、空気排出配管３４の開閉を行う。
【００１８】
燃料ガス配管系４０は、水素ガス供給器４１、水素ガス供給配管４２、開閉弁４３、水素ガス排出配管４４、及び開閉弁４５を備える。水素ガス供給配管４２は、燃料電池１０のアノードガス供給マニホールドの入口に接続される。水素ガス排出配管４４は、燃料電池１０のアノードガス排出マニホールドの出口に接続される。水素ガス供給器４１は、水素ガス供給配管４２を介して燃料電池１０と接続され、制御ユニット８０の指令に基づき、燃料電池１０に水素ガスを供給する。これにより、燃料電池１０のアノード触媒層１３ａに、アノードガス流路１８ａ及びアノードガス拡散層１５ａを介して水素ガスが導入される。開閉弁４３は、制御ユニット８０の指令に基づき、水素ガス供給配管４２の開閉を行う。水素ガス供給器４１によって燃料電池１０に供給された水素ガスは、水素ガス排出配管４４に設けられた開閉弁４５の開弁により、燃料電池活性化装置１００の図示しない回収機に回収される。なお、燃料電池１０から排出された水素ガスは、空気排出配管３４から放出される空気により希釈されつつ大気に排出されてもよい。
【００１９】
冷媒配管系６０は、冷却器６１、冷媒供給配管６２、冷媒排出配管６３、循環ポンプ６４、及び温度センサ３を備える。冷却器６１は、例えばチラー又は熱交換器であり、冷却器６１を流れる冷媒を冷却する。冷媒供給配管６２は、燃料電池１０の冷媒供給マニホールドの入口と冷却器６１の出口とを接続する。冷媒排出配管６３は、燃料電池１０の冷媒排出マニホールドの出口と冷却器６１の入口とを接続する。循環ポンプ６４は、例えば冷媒供給配管６２に設けられ、制御ユニット８０の指令に基づき駆動する。循環ポンプ６４が駆動することで、燃料電池１０を冷却する冷媒が、冷却器６１、冷媒供給配管６２、燃料電池１０の冷媒流路１９、及び冷媒排出配管６３の間を循環する。温度センサ３は、冷媒排出配管６３に設けられ、冷媒の温度を計測し、計測値を制御ユニット８０に送信する。制御ユニット８０は、温度センサ３の計測値から燃料電池１０の温度を検出し、検出した温度に基づき、循環ポンプ６４の回転数を制御して燃料電池１０の温度を調整する。
【００２０】
短絡装置７０は、燃料電池１０のアノード触媒層１３ａとカソード触媒層１３ｃとを短絡可能に接続されている。短絡装置７０は、例えば燃料電池１０の１対のターミナルプレート間に接続されている。短絡装置７０は、例えばリレー又はサイリスタなどを含む装置である。短絡装置７０は、制御ユニット８０の指令に基づき、燃料電池１０のアノード触媒層１３ａとカソード触媒層１３ｃとの間を短絡させる。
【００２１】
制御ユニット８０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、及びメモリなどを備えるマイクロコンピュータを含んで構成されている。メモリは、例えばＨＤＤ（Hard Disk Drive）又はフラッシュメモリなどの不揮発性メモリである。制御ユニット８０は、入力されるセンサ信号などに基づき、燃料電池活性化装置１００の各部を統合的に制御する。メモリには、燃料電池活性化装置１００の運転プログラム、並びに、燃料電池活性化装置１００の制御に用いられる各種マップ及び各種閾値などが記憶されている。制御ユニット８０は、ＣＰＵなどのハードウエアとメモリに記憶されたソフトウエアとの協働によって、後述する燃料電池１０の活性化処理を行う。
【００２２】
図３は、実施例１における活性化処理の一例を示すフローチャートである。図３のフローチャートは、例えば燃料電池１０が製造され、燃料電池車両などに搭載される前に行われる。図４は、図３のステップＳ１０からステップＳ２０におけるセル電圧、電流密度、ガス流量、及び温度の変化の一例を示す図である。図５は、図４の時間間隔Ａの部分を拡大した図である。図４及び図５の横軸は、経過時間である。左縦軸は、セル電圧、電流密度、水素ガス流量である。右縦軸は、空気流量、燃料電池の温度である。
【００２３】
図３のように、制御ユニット８０は、短絡装置７０を制御して燃料電池１０のアノード触媒層１３ａとカソード触媒層１３ｃが短絡していない状態とし、アノード触媒層１３ａとカソード触媒層１３ｃを電気的に非接続の状態にする（ステップＳ１０）。
【００２４】
次いで、制御ユニット８０は、燃料電池１０のアノード触媒層１３ａに水素ガスを供給し、カソード触媒層１３ｃに空気を供給して、燃料電池１０に開回路電圧を発生させる（ステップＳ１２）。具体的には、制御ユニット８０は、酸化剤ガス配管系３０の開閉弁３３及び３５を開弁し、空気供給器３１を制御してカソード触媒層１３ｃに空気を供給する。また、制御ユニット８０は、燃料ガス配管系４０の開閉弁４３及び４５を開弁し、水素ガス供給器４１を制御してアノード触媒層１３ａに水素ガスを供給する。なお、開閉弁３５及び４５を閉弁した状態で、酸化剤ガス及び燃料ガスを供給してもよい。
【００２５】
図４のように、アノード触媒層１３ａとカソード触媒層１３ｃを電気的に非接続の状態にしてアノード触媒層１３ａに水素ガス、カソード触媒層１３ｃに空気を供給することで、燃料電池１０にセル電圧（開回路電圧）が発生する（図４のＩの部分）。
【００２６】
図６は、燃料電池に反応ガスを供給したときのセル電圧の立ち上がりの一例を示す図である。図６の横軸は経過時間、左縦軸はセル電圧、空気流量、水素ガス流量、右縦軸は燃料電池の温度である。図６のように、燃料電池１０に発生するセル電圧（開回路電圧）は、アノード触媒層１３ａに水素ガスが供給され且つカソード触媒層１３ｃに空気が供給され始めてから４秒程度で最大値となる。
【００２７】
図３のように、制御ユニット８０は、セル電圧（開回路電圧）が所定の電圧値以上か否かを判断する（ステップＳ１４）。例えば、制御ユニット８０は、電圧センサ２で計測された燃料電池１０のセル電圧が所定の電圧値以上であるか否かを判断する。所定の電圧値は、例えば後述するアノード触媒層１３ａとカソード触媒層１３ｃの短絡において、燃料電池１０に２Ａ／ｃｍ２以上の電流密度の電流が流れることが可能となる電圧値とすることができる。開回路電圧が所定の電圧値未満である場合（ステップＳ１４：Ｎｏ）、ステップＳ１２に戻る。
【００２８】
開回路電圧が所定の電圧値以上となった場合（ステップＳ１４：Ｙｅｓ）、制御ユニット８０は、燃料電池１０の発電反応において空気が不足するようにカソード触媒層１３ｃへの空気の供給を停止する（ステップＳ１６）。具体的には、制御ユニット８０は、酸化剤ガス配管系３０の空気供給器３１を制御してカソード触媒層１３ｃへの空気の供給を停止し、開閉弁３３及び３５を閉弁して封止する。燃料電池１０の発電反応において水素ガスが不足すると燃料電池１０が劣化することがあるが、燃料電池１０の発電反応において空気が不足するように空気の供給を停止することで、燃料電池１０の劣化を抑制することができる。
【００２９】
図４のＩＩ部分が、カソード触媒層１３ｃへの空気の供給を停止したときを示している。カソード触媒層１３ｃへの空気の供給を停止した後でも、燃料電池１０に発生したセル電圧（開回路電圧）には大きな変化は生じない。
【００３０】
なお、カソード触媒層１３ｃへの空気の供給を停止する際、アノード触媒層１３ａへの水素ガスの供給は継続し続けてもよいし、停止してもよい。水素ガスの供給を停止する場合、水素ガス不足による燃料電池１０の損傷を抑える点から、燃料電池１０のアノード側を含む開閉弁４３と開閉弁４５の間のアノード空間の体積は、燃料電池１０のカソード側を含む開閉弁３３と開閉弁３５の間のカソード空間の体積の０．４２倍以上であることが好ましい。これは、燃料電池１０の発電反応は水素と酸素がモル比で２：１の割合で反応し、空気中に含まれる酸素のモル比は０．２１であることによるものである。また、水素ガスの供給を停止する際、水素ガスの圧力を上げた後に停止してもよい。この場合、制御ユニット８０は、燃料ガス配管系４０の開閉弁４５を閉弁して燃料電池１０内の水素ガスの圧力を上げた後、水素ガス供給器４１を制御してアノード触媒層１３ａへの水素ガスの供給を停止し、開閉弁４３を閉弁して封止する。アノード触媒層１３ａへの水素ガスの供給を停止する場合、燃料電池１０の損傷を抑える点から、燃料電池１０の開閉弁３３と開閉弁３５とで封止されたカソード空間の酸素が全て消費されるように、燃料電池１０の開閉弁４３と開閉弁４５とで封止されたアノード空間にカソード空間の酸素の物質量の２倍以上の水素が存在するようにすることが好ましい。
【００３１】
なお、図１では、酸化剤ガス配管系３０は開閉弁３３及び３５を備え、空気の供給を停止するときは開閉弁３３及び３５を閉弁して封止する場合を例に示したが、開閉弁３３及び３５を備えずに封止しない場合でもよい。
【００３２】
次いで、制御ユニット８０は、短絡装置７０に指令を与えて、燃料電池１０のアノード触媒層１３ａとカソード触媒層１３ｃを短絡させる（ステップＳ１８）。ここで、ステップＳ１４において、アノード触媒層１３ａとカソード触媒層１３ｃを短絡させたときに燃料電池１０に２Ａ／ｃｍ２以上の電流密度の電流が流れるような開回路電圧が燃料電池１０に発生している（例えば単セルの平均開回路電圧が０．９Ｖ以上）。また、ステップＳ１６において、カソード触媒層１３ｃへの空気の供給を停止している。このため、アノード触媒層１３ａとカソード触媒層１３ｃを短絡させることで、燃料電池１０に２Ａ／ｃｍ２以上の電流密度の電流が１秒以下の時間のみ流れるようになる。アノード触媒層１３ａとカソード触媒層１３ｃを短絡させるとき、燃料電池１０の温度が上昇し過ぎないように、制御ユニット８０は、冷媒配管系６０によって燃料電池１０に冷媒を循環させることが好ましい。なお、燃料電池１０の開閉弁３３と開閉弁３５の間の空気が存在するカソード空間の体積は、通常の燃料電池１０では、アノード触媒層１３ａとカソード触媒層１３ｃの短絡において２Ａ／ｃｍ２以上の電流密度の電流が流れる時間が１秒以下となるような空気量が残存する大きさとなっている。
【００３３】
図４及び図５のように、アノード触媒層１３ａとカソード触媒層１３ｃを短絡させることで、燃料電池１０に２Ａ／ｃｍ２以上の電流密度の短絡電流が１秒以下の短時間だけ流れる（図４及び図５のＩＩＩの部分）。例えば、図５では、２Ａ／ｃｍ２以上の電流密度の短絡電流が０．１秒程度流れている。燃料電池１０に短絡電流が流れることで、燃料電池１０のセル電圧は０Ｖ付近の値となる。図６のように、アノード触媒層１３ａに水素ガスを供給し且つカソード触媒層１３ｃに空気を供給し始めてから、カソード触媒層１３ｃへの空気の供給を停止し、アノード触媒層１３ａとカソード触媒層１３ｃを短絡させて短絡電流を流してセル電圧が０Ｖ付近になるまでの所要時間は３０秒程度とすることができる。
【００３４】
図３のように、制御ユニット８０は、燃料電池１０のセル電圧が０Ｖ付近となったことを確認した後、短絡装置７０に指令を与えて、燃料電池１０のアノード触媒層１３ａとカソード触媒層１３ｃとの短絡を解除してアノード触媒層１３ａとカソード触媒層１３ｃを電気的に非接続の状態にする（ステップＳ２０）。
【００３５】
次いで、制御ユニット８０は、活性化処理が完了したか否かを判断する（ステップＳ２２）。活性化処理の完了の判断は、例えばアノード触媒層１３ａとカソード触媒層１３ｃを短絡させた回数（短絡回数）が所定回数以上か、アノード触媒層１３ａとカソード触媒層１３ｃを短絡させたきの短絡電流の最大値が所定値以上か、燃料電池１０に発生させる開回路電圧が所定値以上となるか、燃料電池１０のＩ−Ｖ測定における所定電流密度でのセル電圧が所定値以上か、燃料電池１０のＩ−Ｖ測定における所定セル電圧での電流密度が所定値以上か、及び燃料電池１０のＩ−Ｖ測定でのセル電圧又は電流密度の前回の短絡をさせる前後での上昇幅が所定値以下か、の少なくとも１つを用いて行うことができる。
【００３６】
活性化処理が完了していないと判断した場合（ステップＳ２２：Ｎｏ）、制御ユニット８０は、ステップＳ１２に戻る。一方、活性化処理が完了したと判断した場合（ステップＳ２２：Ｙｅｓ）、制御ユニット８０は図３のフローを終了する。
【００３７】
図７は、図３のステップＳ１０からＳ２０の処理を複数回繰り返して行ったときの、短絡回数とセル電圧及びＱ値との関係を示す図である。図７及び後述する図８は、表１に示す材料で形成された単セル１１を用いて行った実験結果である。
【表１】
2019197690.tif 000003
表１のように、電解質膜１２には、厚さが１０μｍのフッ素系固体高分子電解質膜を用いた。アノード触媒層１３ａは、白金を担持したカーボンと、フッ素系固体高分子電解質であるアイオノマーと、を含む構成とした。カソード触媒層１３ｃは、白金合金を担持したカーボンと、フッ素系固体高分子電解質であるアイオノマーと、を含む構成とした。アノードガス拡散層１５ａ及びカソードガス拡散層１５ｃには、カーボンペーパーを用いた。アノードセパレータ１７ａにはサーペンタイン型のアノードガス流路１８ａが形成され、カソードセパレータ１７ｃには３Ｄファインメッシュによりカソードガス流路１８ｃが形成されているとした。
【００３８】
図７の横軸は、アノード触媒層１３ａとカソード触媒層１３ｃの間の短絡回数である。左縦軸は、電流密度が２Ａ／ｃｍ２のときのセル電圧である。右縦軸は、Ｑ値である。セル電圧は燃料電池１０へのＩ−Ｖ測定から求められ、Ｑ値は燃料電池１０へのＥＣＳＡ（Electrochemical surface area）測定から求められる。図７のように、燃料電池１０の製造直後の状態である短絡回数が０回のときに比べて、アノード触媒層１３ａとカソード触媒層１３ｃを短絡させて２Ａ／ｃｍ２以上の電流密度の短絡電流を１秒以下の短時間だけ流す活性化処理を行うことで、セル電圧及びＱ値が改善することが分かる。また、短絡回数がある回数まではセル電圧及びＱ値は向上するが、それ以上では改善効果が得られなくなることが分かる。
【００３９】
図８は、短絡電流の大きさを変えた場合に活性化完了までに要した短絡回数を示す図である。図８の横軸は、短絡電流の電流密度である。縦軸は、活性化完了までに要した短絡回数である。なお、活性化完了の判断は、図７におけるセル電圧が所定の電圧値以上となったときを活性化完了と判断した。図８のように、短絡電流の電流密度が２Ａ／ｃｍ２以上となることで、活性化完了までに要する短絡回数を減らせることが分かる。
【００４０】
以上のように、実施例１によれば、アノード触媒層１３ａとカソード触媒層１３ｃとの間を電気的に非接続とした状態で、アノード触媒層１３ａに水素ガス（燃料ガス）を供給し且つカソード触媒層１３ｃに空気（酸化剤ガス）を供給して、燃料電池１０に開回路電圧を発生させる（図３のステップＳ１２）。そして、燃料電池１０の発電反応において空気が不足するようにカソード触媒層１３ｃへの空気の供給を停止する（ステップＳ１６）。空気の供給を停止した後、アノード触媒層１３ａとカソード触媒層１３ｃを短絡させて燃料電池１０に電流密度が２Ａ／ｃｍ２以上の電流を１秒以下の時間で流す（ステップＳ１８）。燃料電池１０に２Ａ／ｃｍ２以上の電流密度の短絡電流を流すことで、図８のように、活性化完了までに要する短絡回数を減らせることができる。２Ａ／ｃｍ２以上の電流密度の短絡電流の流れる時間が１秒以下であっても、図７のように、燃料電池１０の活性化が実現できる。短絡電流の流れる時間が１秒以下で且つ短絡回数が減少するため、燃料電池１０の温度上昇が抑えられる。したがって、実施例１によれば、燃料電池１０のアノード電極とカソード電極の間の通電時間を短くしつつ活性化を実現することができ、燃料電池１０の損傷を抑えることができる。
【００４１】
燃料電池１０の損傷を抑制する点から、２Ａ／ｃｍ２以上の電流密度の短絡電流が流れる時間は０．８秒以下の場合が好ましく、０．６秒以下の場合が好ましく、０．４秒以下の場合がより好ましい。また、短絡電流の電流密度は、３Ａ／ｃｍ２以上の場合でもよいし、４Ａ／ｃｍ２以上の場合でもよいし、５Ａ／ｃｍ２以上の場合でもよい。短絡電流の電流密度は、燃料電池１０の設計上の最大電流密度以上の場合でもよい。短絡電流の電流密度が大きくなると燃料電池１０の温度が上昇し易くなることから、短絡電流の電流密度は、８Ａ／ｃｍ２以下の場合が好ましく、６Ａ／ｃｍ２以下の場合がより好ましく、４Ａ／ｃｍ２以下の場合が更に好ましい。
【００４２】
実施例１では、図３の活性化処理を制御ユニット８０が行う場合を例に示したが、作業者が行ってもよい。また、実施例１では、燃料電池１０を燃料電池車両などに搭載する前に燃料電池活性化装置１００に搭載して活性化処理を行う場合を例に示したが、燃料電池車両などに搭載した後に活性化処理を行ってもよい。
【００４３】
図９は、燃料電池が燃料電池車両に搭載された燃料電池システムの構成を示す図である。燃料電池システムは、運転者からの要求に応じて、駆動力として用いられる電力を出力する。図９のように、燃料電池システム２００は、燃料電池１０、酸化剤ガス配管系３０ａ、燃料ガス配管系４０ａ、冷媒配管系６０ａ、電力系９０、及び制御ユニット８０ａを備える。
【００４４】
酸化剤ガス配管系３０ａは、酸化剤ガスを燃料電池１０に供給し、燃料電池１０で消費されなかった酸化剤排ガスを排出する。燃料ガス配管系４０ａは、燃料ガスを燃料電池１０に供給し、燃料電池１０で消費されなかった燃料排ガスを排出する。冷媒配管系６０ａは、燃料電池１０を冷却する冷媒を燃料電池１０に循環させる。電力系９０は、システムの電力を充放電する。制御ユニット８０ａは、システム全体を統括制御する。燃料電池１０には、電流センサ１及び電圧センサ２が取り付けられている。電流センサ１は、燃料電池１０と直流配線で接続されていて、燃料電池１０の出力する電流値を計測し、制御ユニット８０ａに送信する。電圧センサ２は、燃料電池１０の各単セル間に接続されていて、燃料電池１０の電圧を計測し、制御ユニット８０ａに送信する。
【００４５】
酸化剤ガス配管系３０ａは、空気供給配管３２ａ、開閉弁３３ａ、エアコンプレッサ３６、エアフロメータ３７、空気排出配管３４ａ、調圧弁３８、及び圧力センサ４を備える。エアコンプレッサ３６は、空気供給配管３２ａを介して燃料電池１０のカソードガス供給マニホールドに接続され、外気を取り込んで圧縮した空気を燃料電池１０に供給する。開閉弁３３ａは、エアコンプレッサ３６と燃料電池１０との間に設けられている。エアフロメータ３７は、エアコンプレッサ３６よりも上流側で空気供給配管３２ａに取り付けられ、エアコンプレッサ３６が取り込む空気の量を計測し、制御ユニット８０ａに送信する。制御ユニット８０ａは、エアフロメータ３７の計測値に基づいてエアコンプレッサ３６の駆動を制御することにより、燃料電池１０への空気の供給量を制御する。
【００４６】
空気排出配管３４ａは、酸化剤排ガスを燃料電池システム２００の外部へと排出する。調圧弁３８は、空気排出配管３４ａにおける酸化剤排ガスの圧力を調整する。圧力センサ４は、調圧弁３８よりも上流側で空気排出配管３４ａに取り付けられ、酸化剤排ガスの圧力を計測し、制御ユニット８０ａに送信する。制御ユニット８０ａは、圧力センサ４の計測値に基づいて調圧弁３８の開度を調整する。
【００４７】
燃料ガス配管系４０ａは、水素ガス供給配管４２ａ、水素タンク４６、開閉弁４３ａ、レギュレータ４７、インジェクタ４８、圧力センサ５、水素ガス排出配管４４ａ、気液分離器４９、水素ガス循環配管５０、循環ポンプ５１、排水配管５２、及び排水弁５３を備える。水素タンク４６は、水素ガス供給配管４２ａを介して燃料電池１０のアノードガス供給マニホールドに接続されている。開閉弁４３ａ、レギュレータ４７、インジェクタ４８、及び圧力センサ５は、水素ガス供給配管４２ａにこの順序で上流側から設けられている。開閉弁４３ａは、制御ユニット８０ａからの指令により開閉し、水素タンク４６からインジェクタ４８の上流側への水素ガスの流入を制御する。レギュレータ４７は、インジェクタ４８の上流側における水素ガスの圧力を調整する減圧弁であり、その開度が制御ユニット８０ａによって制御される。インジェクタ４８は、水素タンク４６からの水素ガスを燃料電池１０に供給する。圧力センサ５は、インジェクタ４８の下流側の水素ガスの圧力を計測し、制御ユニット８０ａに送信する。制御ユニット８０ａは、圧力センサ５の計測値に基づいてインジェクタ４８を制御することで燃料電池１０への水素ガスの供給量を制御する。
【００４８】
水素ガス排出配管４４ａは、燃料電池１０のアノードガス排出マニホールドの出口と気液分離器４９とを接続する配管であり、発電反応に用いられることのなかった未反応ガスを含む燃料排ガスを気液分離器４９へと誘導する。気液分離器４９は、水素ガス循環配管５０と排水配管５２とに接続されている。気液分離器４９は、燃料排ガスに含まれる気体成分と水分とを分離し、気体成分については水素ガス循環配管５０へと誘導し、水分については排水配管５２へと誘導する。水素ガス循環配管５０は、水素ガス供給配管４２ａのインジェクタ４８よりも下流側に接続されている。水素ガス循環配管５０には循環ポンプ５１が設けられている。気液分離器４９において分離された気体成分に含まれる水素は、循環ポンプ５１によって、水素ガス供給配管４２ａへと送り出される。排水配管５２は、気液分離器４９において分離された水分を燃料電池システム２００の外部へと排出する配管である。排水弁５３は、排水配管５２に設けられていて、制御ユニット８０ａからの指令に応じて開閉する。
【００４９】
冷媒配管系６０ａは、冷却器６１ａ、冷媒供給配管６２ａ、冷媒排出配管６３ａ、循環ポンプ６４ａ、三方弁６５、バイパス配管６６、及び温度センサ３を備える。バイパス配管６６は、一端が三方弁６５を介して冷媒排出配管６３ａに接続され、他端が冷媒供給配管６２ａに接続されている。制御ユニット８０ａは、三方弁６５の開閉を制御することにより、バイパス配管６６への冷媒の流入量を調整して、冷却器６１ａへの冷媒の流入量を制御する。冷却器６１ａは、例えばラジエータである。循環ポンプ６４ａは、冷媒供給配管６２ａにおいてバイパス配管６６の接続箇所よりも下流側に設けられていて、制御ユニット８０ａの指令に基づき駆動する。制御ユニット８０ａは、温度センサ３の計測値から燃料電池１０の温度を検出し、検出した燃料電池１０の温度に基づき、三方弁６５の開閉及び循環ポンプ６４ａの回転数を制御して、燃料電池１０の温度を調整する。
【００５０】
電力系９０は、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ９１、バッテリ９２、トラクションインバータ９３、補機インバータ９４、短絡装置７０ａ、トラクションモータＭ３、及び補機モータＭ４を備える。高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ９１は、バッテリ９２からの直流電圧を調整してトラクションインバータ９３側に出力でき、燃料電池１０からの直流電圧又はトラクションインバータ９３により直流に変換されたトラクションモータＭ３からの電圧を調整してバッテリ９２に出力可能となっている。高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ９１により、燃料電池１０の出力電圧が制御される。
【００５１】
バッテリ９２は、充放電可能な二次電池であり、余剰電力の充電及び補助的な電力供給が可能である。燃料電池１０で発電された直流電力の一部は、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ９１により昇降圧され、バッテリ９２に充電される。トラクションインバータ９３及び補機インバータ９４は、燃料電池１０又はバッテリ９２から出力される直流電力を三相交流電力に変換してトラクションモータＭ３及び補機モータＭ４へと供給する。トラクションモータＭ３は、車輪を駆動する。補機モータＭ４は、各種補機類を駆動するためのモータである。
【００５２】
短絡装置７０ａは、燃料電池１０のアノード触媒層１３ａとカソード触媒層１３ｃを電気的に非接続状態にすること、及び、アノード触媒層１３ａとカソード触媒層１３ｃを短絡させること、が可能に接続されている。制御ユニット８０ａは、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、及び不揮発性のメモリなどを備えたマイクロコンピュータであり、ＣＰＵなどのハードウエアとメモリに記憶されたソフトウエアとの協働によって、図３の活性化処理を含む燃料電池システム２００の運転を制御する。
【実施例２】
【００５３】
実施例２では、図９のように燃料電池１０が燃料電池車両に搭載された燃料電池システム２００によって行われる活性化処理の一例を示す。図１０は、実施例２における活性化処理の一例を示すフローチャートである。図１０のように、制御ユニット８０ａは、イグニッションオフ信号を検出するまで待機する（ステップＳ３０：Ｎｏ）。制御ユニット８０ａは、イグニッションオフ信号を検出した後（ステップＳ３０：Ｙｅｓ）、燃料電池１０の活性化が完了しているか否かを判断する（ステップＳ３２）。例えば、制御ユニット８０ａは、メモリに活性化が完了したことを示す情報が記憶されているか否かにより、燃料電池１０の活性化が完了しているか否かを判断する。
【００５４】
制御ユニット８０ａは、活性化が完了していると判断した場合（ステップＳ３２：Ｙｅｓ）、図１０のフローを終了する。一方、制御ユニット８０ａは、活性化が完了していないと判断した場合（ステップＳ３２：Ｎｏ）、活性化処理を実施する（ステップＳ３４）。活性化処理は、図３で説明した方法によって行われる。
【００５５】
すなわち、制御ユニット８０ａは、短絡装置７０ａを制御してアノード触媒層１３ａとカソード触媒層１３ｃを電気的に非接続状態とした後、アノード触媒層１３ａに水素ガス、カソード触媒層１３ｃに空気を供給して、燃料電池１０に開回路電圧を発生させる。具体的には、制御ユニット８０ａは、エアコンプレッサ３６及び開閉弁３３ａを制御して、カソード触媒層１３ｃに空気を供給する。制御ユニット８０ａは、開閉弁４３ａ、レギュレータ４７、及びインジェクタ４８を制御して、アノード触媒層１３ａに水素ガスを供給する。その後、制御ユニット８０ａは、電圧センサ２を用いて、開回路電圧が所定の電圧値以上か否かを判断する。所定の電圧値以上となっている場合、制御ユニット８０ａは、燃料電池１０の発電反応において空気が不足するようにカソード触媒層１３ｃへの空気の供給を停止する。具体的には、制御ユニット８０ａは、エアコンプレッサ３６を停止し、開閉弁３３ａ及び調圧弁３８を閉弁して、カソード触媒層１３ｃへの空気の供給を停止する。次いで、制御ユニット８０ａは、冷媒配管系６０ａによって冷媒を循環させつつ、短絡装置７０ａを制御してアノード触媒層１３ａとカソード触媒層１３ｃを短絡させ、燃料電池１０に２Ａ／ｃｍ２以上の電流密度の電流を１秒以下の時間流す。次いで、制御ユニット８０ａは、アノード触媒層１３ａとカソード触媒層１３ｃを電気的に非接続の状態にした後、活性化が完了したか否かを判断し、完了するまで繰り返し行う。
【００５６】
図１０のように、制御ユニット８０ａは、ステップＳ３４における活性化処理が完了した後、燃料電池１０の活性化が完了したことをメモリに記録し（ステップＳ３６）、図１０のフローを終了する。
【００５７】
実施例２のように、制御ユニット８０ａは、活性化が完了しているか否かを判断し、活性化が完了していない場合に、活性化処理を実施するようにしてもよい。また、制御ユニット８０ａは、活性化処理を実施して活性化が完了した情報をメモリに記憶し、メモリに記憶された情報を基に、活性化が完了しているか否かを判断するようにしてもよい。
【００５８】
また、実施例２のように、制御ユニット８０ａは、イグニッションオフ信号を検出した後に活性化処理を行うようにしてもよい。燃料電池１０を燃料電池車両などに搭載してから燃料電池車両をユーザに納車するまでの間にイグニッションオフ信号を検出するタイミングは幾度かあるため、燃料電池車両をユーザに納車する前に燃料電池１０の活性化を完了させることができる。
【００５９】
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【符号の説明】
【００６０】
１０  燃料電池
１１  単セル
１２  電解質膜
１３ａ  アノード触媒層
１３ｃ  カソード触媒層
３０、３０ａ  酸化剤ガス配管系
３１  空気供給器
３２、３２ａ  空気供給配管
３３、３３ａ  開閉弁
３４、３４ａ  空気排出配管
３５  開閉弁
３６  エアコンプレッサ
３７  エアフロメータ
３８  調圧弁
４０、４０ａ  燃料ガス配管系
４１  水素ガス供給器
４２、４２ａ  水素ガス供給配管
４３、４３ａ  開閉弁
４４、４４ａ  水素ガス排出配管
４５  開閉弁
４６  水素タンク
４７  レギュレータ
４８  インジェクタ
４９  気液分離器
５０  水素ガス循環配管
５１  循環ポンプ
５２  排水配管
５３  排水弁
６０、６０ａ  冷媒配管系
６１、６１ａ  冷却器
６２、６２ａ  冷媒供給配管
６３、６３ａ  冷媒排出配管
６４、６４ａ  循環ポンプ
６５  三方弁
６６  バイパス配管
７０、７０ａ  短絡装置
８０、８０ａ  制御ユニット
９０  電力系
９１  高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ
９２  バッテリ
９３  トラクションインバータ
９４  補機インバータ
１００  燃料電池活性化装置
２００  燃料電池システム
【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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