(57)【要約】【課題】燃料電池の大型化も携帯用電子機器の大型化も招くことなく、装填した燃料電池から直ちに高い起電力を出力させて電子機器を直ちに利用できる燃料電池の活性化装置を提供する。【解決手段】燃料電池１０からも携帯用電子機器からも独立した商用電源で作動する活性化装置２０を準備する。活性化装置２０は、携帯用電子機器へ装填する前の燃料電池を１分間装着して、加湿した水素ガスを発電セル１２に供給しつつ定電圧負荷２１を接続して通常の使用状態よりも格段に大きな電流を発電セル１２から出力させる。電流値に相当する水分が生成されて膜電極接合体の湿潤度が急速に高まり、燃料電池１０を機器へ装填すると、直ちに高い起電力で大電流を出力できる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子電解質層を備えた燃料電池の起動特性を改善させる活性化装置であって、
前記燃料電池を着脱可能に保持して運転可能にする保持手段と、
前記保持手段に保持させた前記燃料電池の発電セルに接続されて、前記燃料電池に電流を流す運転手段と、
前記高分子電解質層の発電機能を活性化させる運転補助手段と、を備え、
前記運転補助手段を作動させた状態で前記運転手段を作動させることにより、前記運転補助手段を作動させない初期状態の前記高分子電解質層では不可能な電流−電圧条件による発電を強制することを特徴とする活性化装置。
【請求項２】
前記燃料電池は、前記高分子電解質層の一方の面側に大気中の酸素を拡散させる酸素拡散空間を備え、
前記運転補助手段は、前記酸素拡散空間に強制的に大気を送り込む大気供給手段であることを特徴とする請求項１記載の活性化装置。
【請求項３】
前記燃料電池は、前記高分子電解質層の一方の面側に配置されて大気中の酸素を拡散させる酸素拡散空間と、前記高分子電解質層の他方の面側に配置されて水素ガスを供給する水素ガス供給空間と、を備え、
前記運転補助手段は、前記酸素拡散空間と前記水素ガス供給空間との少なくとも一方に水分を強制的に拡散させる加湿手段であることを特徴とする請求項１乃至２いずれか１項記載の活性化装置。
【請求項４】
前記燃料電池を外側から加熱する加熱手段を備えたことを特徴とする請求項３記載の活性化装置。
【請求項５】
前記運転手段は、前記高分子電解質層に発電させる電圧を一定に保って、前記運転補助手段を作動させない初期状態の前記高分子電解質層では不可能な過大な電流を取り出し続ける電気的負荷を備えたことを特徴とする請求項１乃至４いずれか１項記載の活性化装置。
【請求項６】
前記運転手段は、前記高分子電解質層が発電する電圧と逆極性の電圧を前記高分子電解質層に印加して、定格電流以上の電流を前記燃料電池から取り出し続ける電圧印加手段を備えたことを特徴とする請求項１乃至４いずれか１項記載の活性化装置。
【請求項７】
前記電圧印加手段は、逆極性の前記電圧を変化させることにより、前記運転補助手段を作動させない初期状態の前記高分子電解質層では不可能な過大な一定電流を取り出し続ける定電流電源であることを特徴とする請求項６記載の活性化装置。
【請求項８】
高分子電解質層を備えた燃料電池の組み立て後に、請求項１乃至７いずれか１項記載の活性化装置に装着して、前記高分子電解質層が初期状態で出力可能な電流値よりも過大な電流での発電を強制させることにより、前記燃料電池の起動特性を改善することを特徴とする燃料電池の製造方法。
【請求項９】
高分子電解質層を備えた燃料電池を機器に装着する直前に、請求項１乃至７いずれか１項記載の活性化装置に装着して、前記高分子電解質層が初期状態で出力可能な電流値よりも過大な電流での発電を強制させることにより、前記機器における前記燃料電池の起動特性を改善することを特徴とする燃料電池の使用方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高分子電解質膜を用いて水素ガスと大気中の酸素とを反応させる燃料電池の活性化装置、詳しくは高分子電解質膜の発電機能を速やかに高めて実際の発電開始の直後から高い起電力を利用可能にする、機器や燃料電池から独立した活性化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、体積当たり重量当たりで取り出し可能な電力量が従来の二次電池に比較して格段に大きく、燃料を供給すれば電池本体は繰り返し使用できる。従って、据え置き型の発電設備に止まらず、デジタルカメラ、携帯電話、ノートパソコンと言った携帯用電子機器の電源として期待されている。
【０００３】
携帯用の電源としては、小型軽量なものが適しているため、高分子電解質膜を使用して大気中の酸素と水素ガスとを反応させるエアブリージング型燃料電池が提案されている。エアブリージング型燃料電池の発電セルは、通常、高分子電解質膜の両面に触媒層を配置している。そして、高分子電解質膜の一方の面側に水素ガスを供給する水素ガス供給空間を、他方の面側に大気中の酸素を拡散させる酸素拡散空間をそれぞれ配置している。
【０００４】
水素ガス供給空間は、大気中への水素ガスの漏れ出しを回避すべく、大気および酸素拡散空間から隔離され、発電セルに水素ガスを供給するための燃料タンクや改質装置に接続されている。酸素拡散空間は、その一部が大気に開放されており、大気中の酸素を高分子電解質膜側へ拡散させるとともに、高分子電解質膜側で生成された水蒸気を大気中へ拡散させる。発電セルは、１段当たりの起電力が１Ｖ以下なので、通常は、複数段を積み重ねて直列に接続してある（図１参照）。
【０００５】
高分子電解質膜は、その材料中に電解質とともに大量の水分を含み、電解質が十分に含水した状態（水分子との共存状態）で、水素イオンを水素供給空間側から酸素拡散空間側へ円滑に移動させ得る。高分子電解質膜および触媒層は、未使用状態（または発電を停止して長期間放置した後）では、含有する水分の一部が蒸発で失われてイオン伝導抵抗が高まり、発電開始時の起電力が低下する。
【０００６】
しかし、燃料電池に負荷を接続して発電を開始させると、負荷に取り出した電流に相当する水分子が生成されて高分子電解質膜の含水量が回復し、発電セルの起電力が次第に高まる（図３参照）。この現象を利用して、燃料電池の起動特性を改善する方法は、コンディショニング、リフレッシュ、起動処理と言った名称で種々提案されている。
【０００７】
特許文献１には、高分子電解質膜を用いた燃料電池の起動特性の改善方法が示される。ここでは、実際の発電開始に先立たせて燃料電池を定電圧負荷に接続し、通常の負荷よりも過大な出力電流を燃料電池から取り出すことにより、高分子電解質膜の含水状態を早期に通常状態へと回復させている。また、定電圧負荷に接続する際に並行して、水素ガス供給空間に供給される水素ガスを加湿すること、酸素拡散空間に供給される空気を加湿すること、ヒータを通電して強制加熱することが提案されている。
【０００８】
特許文献１には、また、高分子電解質膜を用いた燃料電池の組み立て後に、燃料電池から過大な出力電流を取り出す工程を付加した燃料電池の製造方法が示される。起動特性の改善方法と同様に、組み立てられた高分子電解質膜の含水状態を改善して燃料電池の発電特性が高められる。
【０００９】
特許文献２には、高分子電解質膜を用いた燃料電池の運転制御方法が示される。ここでは、高分子電解質膜を定常状態に加水し、８０度Ｃに加温することで、発電セルの運転状態が最適化されることが示される。発電セルの起電力を検知して、定格の起電力に満たない場合には、燃料電池をインピーダンス負荷に接続する。通常負荷よりも過大な出力電流を燃料電池から取り出すことにより、高分子電解質膜の加水、加温を促進して、発電状態を通常状態へと回復させている。
【００１０】
特許文献３には、高分子電解質膜を用いた携帯型の燃料電池が示される。ここでは、燃料電池の筐体にファンを内蔵させて、発電セルの酸素拡散層に強制通風させることにより、発電セルの発電能力を高めている。
【００１１】
特許文献４には、高分子電解質膜を用いた燃料電池を着脱可能に装備した電子機器が示される。ここでは、燃料電池を装着する空間に隣接させて電子機器側にファンを配置して、発電セルの酸素拡散層に強制通風させることにより、発電セルの起電力を高めている。
【００１２】
【特許文献１】特開２００２−３１９４２１号公報
【特許文献２】特開２００３−１３２９２２号公報
【特許文献３】特開平９−２２７１９号公報
【特許文献４】特開２００２−１６９６２５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
起動特性を改善するために、特許文献１〜３に示される機構や装置を燃料電池の筐体に組み込むと、燃料電池が大型化して、携帯用電子機器への搭載が困難になる。起動特性を改善するために、特許文献４に示される機構や装置を携帯用電子機器に組み込むと、燃料電池は小型、低コストに実現できるが、携帯用電子機器の大型化や重量増を招いてしまう。
【００１４】
そもそも、加熱装置、加湿装置、ファン、コンプレッサ、水タンク等は、携帯用電子機器への内蔵にそぐわない。無理に内蔵させると、給水、さび、騒音、振動、接触不良、素子寿命の短縮等の新たな問題を引き起こす。電子機器の本来の機能とは無関係な定電圧負荷を内蔵することすらも、発熱や機器の軽量化を考えると現実的とは言えない。
【００１５】
また、燃料電池は、携帯用電子機器の電源として使用されるため、起動特性を改善するために追加される機構や装置は、起動時の燃料電池の不安定な出力に頼る他ない。従って、大きな電力を必要とする機構や装置、安定した連続的な電力供給を要するマイコン回路等は採用できない。従って、大きな安全率（＝小さな出力電流）を確保した単純な制御を用いることとなり、発電性能を通常状態まで高めるのに長時間を要する。
【００１６】
また、電子機器へ装着した後に起動特性の改善動作を開始していたのでは、起動特性の改善動作の終了を待って電子機器の利用を開始する他なく、燃料電池を装填した電子機器を直ちに利用することができない。
【００１７】
本発明は、燃料電池の大型化も携帯用電子機器の大型化も招くことなく、装填した燃料電池から直ちに高い起電力を出力させて電子機器を直ちに利用できる燃料電池の活性化装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明の活性化装置は、高分子電解質層を備えた燃料電池の起動特性を改善させる活性化装置である。前記燃料電池を着脱可能に保持して運転可能にする保持手段と、前記保持手段に保持させた前記燃料電池の発電セルに接続されて、前記燃料電池に電流を流す運転手段と、前記高分子電解質層の発電機能を活性化させる運転補助手段とを備える。そして、前記運転補助手段を作動させた状態で前記運転手段を作動させることにより、前記運転補助手段を作動させない初期状態の前記高分子電解質層では不可能な電流−電圧条件による発電を強制するものである。
【発明の効果】
【００１９】
本発明では、機器に装填する前に活性化装置に燃料電池を装着して、燃料電池の起動特性を高めてあるので、燃料電池を機器に装填すると、燃料電池は直ちに高い起電力を出力できる。
【００２０】
また、活性化装置は、機器からも燃料電池からも独立した装置なので、燃料電池への内蔵や機器への内蔵を無視して機能最優先の設計を行うことができる。燃料電池へも機器へも内蔵されないので、活性化装置に起因して、燃料電池や機器が大型化、部品増、高コスト化等を招くことがない。
【００２１】
また、初期状態の燃料電池の出力に頼ることなく、燃料電池の起動特性の改善を最優先して、運転手段や運転補助手段を選択できるので、十分な安全率を確保しつつも極めて短時間で燃料電池の起動特性を改善できる。つまり、発電セルに発電と逆極性の電圧を外から印加して短絡させた以上の電流を通じたり、マイコン制御装置を用いて燃料電池の発電セルごとの状態を刻々と検知して、運転状態や運転補助状態を制御したりも可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の一実施形態である活性化装置について、図面を参照して詳細に説明する。本発明は、以下に説明する活性化装置の限定的な構成には限定されず、機器へ装填前に燃料電池を短時間装着してその起動特性を改善する限りにおいて、活性化装置の構成の一部または全部を、その代替的な構成で置き換えた別の実施形態でも実現可能である。
【００２３】
本発明の活性化装置は、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ、小型プロジェクタ、小型プリンタ、ノート型パソコン等の持ち運び可能な電子機器に着脱可能に装備される小型の燃料電池に適用できる。また、燃料電池は、少なくともその発電部が機器から取り外して活性化装置に装着可能である限りにおいて、燃料タンクと発電部とは、一体不分離型、着脱交換型のいずれでもよい。燃料タンクの代わりに改質装置を利用してメタノール等の液体燃料、その他の気体燃料、固体燃料から水素ガスを発生させる燃料電池でもよい。
【００２４】
燃料供給系が発電部と一体に構成された燃料電池の場合、起動特性を改善するための運転に使用する水素ガスは、自身の燃料供給系から供給してもよく、また、活性化装置から供給してもよい。
【００２５】
なお、特許文献１〜４に示される燃料電池の構造、発電セルの材料と組み立て構造、動作原理、製造方法、高分子電解質膜の活性化方法等については、本発明の趣旨と隔たりがあるので、一部図示を省略して詳細な説明も省略する。
【００２６】
＜第１実施形態＞
図１は第１実施形態の活性化装置の構成を説明する斜視図、図２は燃料電池を負荷に接続した状態の説明図、図３は初期状態の燃料電池の起動特性の線図、図４は活性化装置に燃料電池を装着した状態の模式図である。図５は加湿器を用いて水素ガスを加湿する活性化装置の説明図、図６は加湿による活性化を説明する線図である。図７は給水器を用いて酸素拡散電極に給水する活性化装置の説明図、図８は給水による活性化を説明する線図である。図９は加湿と給水とによる活性過程を比較する線図である。
【００２７】
図１に示すように、燃料電池１０は、複数の発電セル１２を積み重ねて直列に接続したセルスタック１０Ｓを備える。発電セル１２は、燃料極集電体１７と酸素極集電体１６とに挟み込んで積み重ねられ、圧板１９Ａ、１９Ｂを用いて全体を積み重ね方向に加圧して組み立てられている。
【００２８】
発電セル１２は、膜電極接合体１２Ｍの一方の面に燃料拡散電極１５、他方の面に酸素拡散電極１４を接触させている。膜電極接合体１２Ｍは、高分子電解質膜の両面に触媒層を形成してある。燃料拡散電極１５に接する触媒層では、水素ガスが触媒反応によって水素原子に分解されてイオン化し、水素イオンが高分子電解質膜に供給される。酸素拡散電極１４に接する触媒層では、触媒反応によって酸素が、発電セル１２の起電力に打ち勝って高分子電解質膜から拾い上げた水素イオンに化合して水分子を生成する。高分子電解質膜は、燃料拡散電極１５側から酸素拡散電極１４側へ水素イオンを移動させる。
【００２９】
発電セル１２の高分子電解質膜には、デュポン社製のＮａｆｉｏｎ１１２（商標）膜を使用した。また、触媒層を形成するための触媒粉末として、ジョンソン＆マッセイ社のＨｉＳＰＥＣ１０００（商標）を使用し、電解質溶液としてはデュポン社のＮａｆｉｏｎ（商標）溶液を使用した。
【００３０】
触媒粉末と電解質溶液との混合分散液を作製してドクターブレード法を用いてフッ素樹脂（ＰＴＦＥ）シート上に成膜し、触媒シートとした。次に、作製した触媒シートをデカール法によって、１５０度Ｃ、１０ＭＰａ（１００ｋｇｆ／ｃｍ２）で高分子電解質膜上にホットプレス転写して膜電極接合体１２Ｍを製作した。
【００３１】
燃料拡散電極１５は、燃料極集電体１７に形成された凹所に配置され、セルスタック１０Ｓを貫通する燃料主流路１３Ａに連通している。燃料拡散電極１５の外周は密封されているので、水素ガスが大気中および酸素拡散電極１４へ漏れ出さない。酸素拡散電極１４は、酸素極集電体１６に形成された凹所に格納され、酸素極集電体１６の空気取り入れ口１１を通じて側面の一部が大気に開放されている。
【００３２】
燃料拡散電極１５および酸素拡散電極１４には導電性のあるカーボンクロス電極（Ｅ−ＴＥＫ社製）を採用した。上述のように製作した膜電極接合体１２Ｍを燃料拡散電極１５および酸素拡散電極１４で挟持し、その外側を燃料極集電体１７および酸素極集電体１６で挟んでセルスタック１０Ｓの各段を製作した。各段を積み重ねて圧板１９Ａ、１９Ｂで締結して燃料電池１０を組み立てた。
【００３３】
各段の酸素極集電体１６、発電セル１２（膜電極接合体１２Ｍ）、燃料極集電体１７、および圧板１９Ａには、平面位置を合わせて燃料主流路１３Ａおよび給水主流路１３Ｂの貫通孔が形成されている。圧板１９Ａの下面に位置する燃料主流路１３Ａの末端には、燃料主流路１３Ａの気密性を保って管路の接続／切り離しが可能な接続ポートが配置されている。このような接続ポートは、コネクタとプラグとの接続によって双方の封止用のボールが移動してそれぞれ隙間を形成するフィッティングコネクタとしてもよい。燃料主流路１３Ａの接続ポートには、通常、水素吸蔵合金を用いて水素ガスを高圧貯蔵する燃料タンク（不図示）が接続されている。
【００３４】
活性化装置２０は、不図示の位置決め機構に案内させて、燃料電池１０を上方から装着することにより、燃料電池１０を保持機構２０Ａに位置決め保持する。保持機構２０Ａの床面には、燃料主流路１３Ａ、および給水主流路１３Ｂの接続ポートに対してそれぞれ着脱可能で、燃料電池１０の装着と同時に接続される燃料供給コネクタ２０Ｂと給水コネクタ２０Ｃとが配置される。また、保持機構２０Ａの起立面には、燃料電池１０の装着と同時に各段の燃料極集電体１７と酸素極集電体１６とにそれぞれ接触して電流を取り出し可能となる接続電極２０Ｄ、２０Ｅが配置される。
【００３５】
燃料電池１０は、図２に示すように、模式的に図示される。図２に示すように、燃料タンク１０Ｇを燃料電池１０に接続し、大気圧よりも少し高い圧力に調圧された水素ガスを、燃料主流路１３Ａを通じて燃料拡散電極１５に供給する。大気中の酸素は、空気取り入れ口１１から取り込ませて、自然拡散によって酸素拡散電極１４に供給する。このような通常の運転状態で、酸素極集電体１６と燃料極集電体１７とを定電圧負荷２１に接続して、発電を開始させた。水素および空気は、無加湿状態で供給され、室温は２５℃、相対湿度は５０％であった。
【００３６】
初期状態の発電特性と５分間発電後の発電特性との比較を図３に示す。５分間の発電は、セル電圧を０．６Ｖに保って行った。図３に示すように、５分間の運転によって燃料電池１０の起電力が上昇し、０．６Ｖ出力での電流値は２倍近くに達している。以下に説明する各種の活性化処理に対し、本発電を「通常発電」とし、比較例として用いる。
【００３７】
図４に示すように、活性化装置２０は、定電圧負荷２１と運転補助機構３０とを備える。定電圧負荷２１は、定電圧負荷２１の端子電圧を検知して端子電圧を一定に保つように消費電力を刻々と変化させる電子負荷である。定電圧負荷２１は、例えば、ヒートシンクに取り付けたパワートランジスタのベース電圧をツェナーダイオードの定電圧で制御する一般的な定電圧回路で実現される。
【００３８】
活性化装置２０は、燃料供給コネクタ２０Ｂから燃料主流路１３Ａを通じて燃料電池１０に水素ガスを供給する。活性化装置２０に内蔵された不図示の燃料タンクから取り出された水素ガスは、通常の運転状態と同じ圧力に調圧され、加湿器２２（図５）を用いて加湿される。
【００３９】
活性化装置２０は、不図示の水タンクとポンプとを内蔵している。水タンクから取り出した水をポンプで送り出し、給水コネクタ２０Ｃから給水主流路１３Ｂを通じて燃料電池１０の酸素拡散電極１４に注水して、発電セル１２の酸素供給側に給水可能である。
【００４０】
図５に示すように、活性化装置２０は、運転補助機構３０として、水素ガスの加湿器２２を備えている。加湿器２２は、水素ガスの供給系に配置された外部から給水可能な保水空間と、保水空間の外側に配置したヒータとを有しており、ヒータに通電して保水空間の水を水蒸気化することにより、保水空間を通過する水素ガスを加湿する。
【００４１】
水素ガスを加湿して燃料拡散電極１５に供給しながら定電圧負荷２１を作動させた。図６に示すように、セル電圧を０．６Ｖに保ち、５分間発電を行った後の発電特性を測定したところ、加湿を伴わない通常発電の場合よりも速やかな特性向上が見られた。
【００４２】
図７に示すように、活性化装置２０は、運転補助機構３０として、酸素拡散電極１４に水を注入して発電セル１２の酸素供給側に給水する給水器２３を備えている。酸素拡散電極１４に水を注入して発電セル１２の酸素供給側へ拡散させた後に定電圧負荷２１を作動させた。図８に示すように、セル電圧を０．６Ｖに保ち、５分間発電を行った後の発電特性を測定したところ、給水を伴わない通常発電の場合よりも速やかな特性向上が見られた。
【００４３】
加湿器２２を用いて水素ガスの加湿を行った場合と、給水器２３を用いて発電セル１２に給水した場合とで、定電圧負荷２１に取り出された電流値の変化、すなわち発電性能の回復過程を比較した。図９に示すように、加湿の場合は、発電開始直後から通常発電に比較して大きな電流を電流を取り出せるが、給水の場合は次第に大きな電流を取り出せる。しかし、いずれの場合でも、通常発電に比較して速やかで高い特性回復、すなわち、５分程度を要する通常発電に対して、１分以下で通常発電以上の特性回復が得られた。
【００４４】
また、発電後の燃料電池１０の内部抵抗の変化を比較すると、初期状態で８Ω程度だった抵抗が、通常発電後には０．６Ω程度まで下がったのに対し、給水を行った場合には０．３Ω、加湿を行った場合には０．２Ωにまで大きく下げることができた。燃料電池１０（発電セル１２）の初期状態からの定電圧発電における電流値の変化の様子は図９に示すとおりである。活性化装置２０に燃料電池１０を装着して、加湿と給水との少なくとも一方、好ましくは両方を行うことで、通常発電を行う場合よりもはるかに短時間で、はるかに高い発電性能への回復が実現される。電流値の向上が大きく見られる。
【００４５】
発電セル１２の膜電極接合体１２Ｍの水素供給側は、密封空間で外部からの給水が困難で、酸素供給側で生成された水分子が濃度拡散するのを待って湿潤してイオン伝導性が回復する。加湿の場合は、このような時間のかかる濃度拡散を待たずに膜電極接合体１２Ｍの水素供給側に直接水分補給できるため、発電開始の直後から通常発電に比較して大きな電流を電流を取り出せる。給水の場合は、発電による水分子の生成を待たずに膜電極接合体１２Ｍの膜厚方向の濃度拡散が促進されるため、次第に大きな電流を取り出せる。
【００４６】
尚、水素ガスではなく、大気を加湿した場合にも同様の結果が得られる。大気の加湿は、燃料電池を、所定の温湿度状態に保った恒温恒湿槽中に設置して運転を行うことで、実現できる。
【００４７】
＜第２実施形態＞
図１０はヒータ加熱を行う活性化装置の構成の説明図、図１１は第２実施形態の活性化装置の構成の説明図である。第２実施形態の活性化装置４０は、加湿を伴ってヒータ加熱を行う以外は第１実施形態と同様に構成される。従って、図１〜図９を併せて参照して説明を行い、図４、図５と共通する構成には共通の符号を付して詳細な説明を省略する。
【００４８】
運転補助機構３０（図４）として、図１０に示すように、ヒータ２４を用い、燃料電池１０を加熱した状態で定電圧負荷２１を作動させて発電を行わせた場合、通常発電の場合に比較した電流値の低下、および、発電セル１２の内部抵抗の増加が見られた。これは、加熱によって水分がさらに失われて膜電極接合体１２Ｍが乾燥し、高分子電解質膜のイオン伝導度が低下してしまったためと考えられる。
【００４９】
図１１に示すように、第２実施形態の活性化装置４０では、運転補助機構３０（図４）として、ヒータ２４と加湿器２２とを搭載している。ヒータ２４は、図１に示す燃料電池１０の外周を筒状に囲んで保持機構２０Ａに配置され、商用電源を用いて通電されることにより、セルスタック１０Ｓを外側から強制的に８０度Ｃまで加熱する。
【００５０】
第１実施形態と同様に加湿器２２による水素ガスの加湿供給と並行してヒータ２４による加熱を行いつつ、定電圧負荷２１を作動させて発電を開始させたところ、図６、図９に示すよりも起動特性の向上が見られた。すなわち、０．６Ｖ出力における電流値が発電開始直後から上昇して、水生成量が増し、加熱に打ち勝って膜電極接合体１２Ｍの湿潤度の回復が早められた。
【００５１】
＜第３実施形態＞
図１２は第３実施形態の活性化装置の構成の説明図、図１３はブロワーを用いた場合と用いなかった場合とで発電性能を比較した線図である。第３実施形態の活性化装置５０は、ブロワー２５を用いて活性化を行う以外は第１実施形態と同様に構成される。従って、図１〜図９を併せて参照して説明を行い、図４、図５と共通する構成には共通の符号を付して詳細な説明を省略する。
【００５２】
図１２に示すように、第３実施形態の活性化装置５０では、運転補助機構３０（図４）として、ブロワー２５を設けた。ブロワー２５は、図１に示すセルスタック１０Ｓの空気取り入れ口１１に対向させて保持機構２０Ａに配置され、セルスタック１０Ｓを貫通する空気取り入れ口１１に強制的に大気を送り込む。これにより、発電開始後も空気取り入れ口１１の空間内の酸素濃度が高く維持されて酸素拡散電極１４に対する酸素供給量が増大する。
【００５３】
活性化装置５０のブロワー２５を作動させた状態で定電圧負荷２１を作動させて発電を開始させたところ、図１３に示すように、ブロワーを用いなかった場合に比べて、最大電流が３０％向上した。これにより、燃料電池１０の活性化を行う際の電流量を大きくすることができ、水生成を促進して膜電極接合体１２Ｍの湿潤度を速やかに高め、活性化時間を早めることができた。
【００５４】
特に、定格電流の小さな燃料電池１０においては、定格電流では、活性化処理が困難であったのに対し、ブロワー２５によって、活性化に十分な電流を流せるようになるとともに、活性化時間を短縮することができた。
【００５５】
なお、図１２に示すブロワー２５は、コンプレッサを使用した空気の吹き付けに置き換えてもよい。空気取り入れ口１１を通じた酸素の拡散と余分な水蒸気の排出とを促進する機能において等しく、同様に速やかな活性化の効果が得られる。
【００５６】
＜第４実施形態＞
図１４は第４実施形態の活性化装置の構成の説明図、図１５は運転補助機構として直流電源と給水器とを併用した構成の説明図、図１６は直流電源と給水器とを併用した活性化効果を説明する線図である。第４実施形態の活性化装置６０は、直流電源２６を用いて発電セル１２から出力される電流を強制的に高める以外は第１実施形態と同様に構成される。従って、図１〜図９を併せて参照して説明を行い、図４、図５と共通する構成には共通の符号を付して詳細な説明を省略する。
【００５７】
図１４に示すように、第４実施形態の活性化装置６０は、発電セル１２の両極間に起電力と逆極性の電圧を印加して、水生成量を意図的に高めることにより、発電セル１２の活性化処理を行う。すなわち、膜電極接合体１２Ｍの燃料拡散電極１５側に＋の電圧を印加し、酸素拡散電極１４側に−の電圧を印加する。これにより、膜電極接合体１２Ｍの燃料拡散電極１５側と酸素拡散電極１４側とを短絡させた以上の電流を強制的に流して膜電極接合体１２Ｍの酸素拡散電極１４での水生成量を急速に増加させる。
【００５８】
燃料電池１０は、第１実施形態と同様に作製した。活性化装置６０は、直流電源２６と運転補助機構３０とを有する。直流電源２６は、商用電源を用いて作動する定電流電源であって、限界電圧と出力電流とを設定できる。直流電源２６は、設定された限界電圧を上回らない範囲で出力電圧を変化させて出力電流を設定された値に維持する。
【００５９】
図１５に示すように、運転補助機構３０は、第１実施形態と同じ給水器２３である。給水器２３は、活性化装置６０に内蔵された不図示の水タンクから取り出した水を、活性化装置６０に内蔵された不図示のポンプで押し出して給水主流路１３Ｂに送り込む（図１参照）。給水主流路１３Ｂを通じて酸素拡散電極１４に注水された水は、膜電極接合体１２Ｍの酸素拡散電極１４側を濡らして膜電極接合体１２Ｍを湿潤させる。
【００６０】
燃料電池１０を活性化装置６０の保持機構２０Ａにセットして（図１参照）、接続電極２０Ｄ、２０Ｅに接続された直流電源２６により、酸素拡散電極１４を陰極とし、燃料拡散電極１５を陽極として直流電圧を２分間印加した。
【００６１】
発電セル１２に給水しつつ定電圧負荷を接続して活性化させた場合（第１実施形態）と、発電セル１２に給水しつつ強制的に定電流を流して活性化させた場合との比較結果を図１６に示す。定電流値を０．５Ａに設定した場合と１．０Ａに設定した場合とが活性化後の電圧−電流特性で示される。直流電圧を印加して定電流を流すことで、湿潤度の低い初期状態でも大量の水を生成させて、膜電極接合体１２Ｍの湿潤度を急速に高めることができ、発電特性が大きく向上している。
【００６２】
なお、給水器２３を用いて発電セル１２に水を注入するかわりに、加湿器２２を用いて水素ガスを加湿しても、直流電源２６と併用することにより第１実施形態よりも速やかな発電特性の向上が見られた。
【００６３】
また、給水器２３は、活性化装置６０に内蔵された不図示の水タンクから取り出した水を加熱し、水蒸気化して給水主流路１３Ｂに送り込む（図１参照）水蒸気供給装置に置き換えてもよい。活性化装置６０にポンプを不要にでき、膜電極接合体１２Ｍの加湿と加熱とを同時に達成して、直流電源２６は、より低い電圧で同じ定電流を実現できる。液体水が膜電極接合体１２Ｍの表面を覆って酸素の拡散を阻害することが無いので、直流電源２６は、給水器２３よりも確実に定電流を実現できる。
【００６４】
また、第２実施形態と同様にセルスタック１０Ｓを外部から加熱するヒータ２４を併用しても、直流電源２６によって直流電圧を印加することで、さらなる活性化を行うことができる。
【００６５】
一方、燃料電池１０の初期状態（乾燥状態）に、加湿や給水を伴わないで直流電源２６を接続して同様に定電流を流した場合、発電セル１２の内部抵抗が増大して、かえって発電特性が低下した。これは、電圧印加に伴う発熱で膜電極接合体１２Ｍの材料中の水分が蒸発して、高分子電解質膜がさらに乾燥状態となり、イオン伝導度が低下したためと考えられる。
【００６６】
＜第５実施形態＞
図１７はセルスタックの発電セルにおける転極現象の説明図である。図中、（ａ）は正常な発電状態、（ｂ）は転極が発生した状態である。
【００６７】
図１７の（ａ）に示すように、複数の発電セル１２を直列に接続したセルスタック１０Ｓでの発電においては、大電流を流した際に、そのうちの１つの発電セル１２の電圧が大幅に低下し、さらには、図１７の（ｂ）に示すように、１つの発電セル１２に逆の電圧がかかる現象が見られる。
【００６８】
この現象は、以下のように説明される。図１７の（ａ）に示すように、６段の発電セル１２を積層した燃料電池を考える。定電圧負荷２１をセルスタック１０Ｓの出力電圧が３．０Ｖになるように調節すると、発電セル１２にばらつきがなければ、各段の発電セル１２の電圧は全て０．５Ｖとなる。
【００６９】
しかし、各段の発電セル１２の状態にばらつきがあると、図１７の（ｂ）に示すように、特性の悪い発電セル１２に大きな負荷がかかり、場合によっては、他の発電セル１２によって逆起電力が印加される。この現象は転極と呼ばれる。
【００７０】
従って、機器に燃料電池１０を装填して電力を取り出すセルスタック１０Ｓの通常発電では、安全率を高く確保して、単独の発電セル１２の状態よりもさらに小さな電流しか取り出させない。特に、大気中の酸素を自然拡散によって発電セル１２に取り入れる条件下や、水素ガスの加湿を行わない条件下では、酸素供給不足や膜電極接合体１２Ｍの乾燥によるイオン伝導度の低下により、転極が起こり易い。
【００７１】
しかし、第１実施形態〜第４実施形態では、環境条件が不定な機器から燃料電池１０を取り出して、環境条件を一定に確保した単独の活性化装置２０、４０、５０、６０に装着し、加湿器２２、給水器２３、ヒータ２４、ブロワー２５等を用いる。これにより、発電セル１２が転極するのを避けて、安定した活性化処理を行うことができる。
【００７２】
運転補助機構３０は、図１に示すように、各段の燃料極集電体１７と酸素極集電体１６とに対応させた接続電極２０Ｄ、２０Ｅを用いて、各段の発電セル１２ごとに燃料電池１０の発電性能を回復させている。しかし、第１実施形態〜第４実施形態の運転補助機構３０は、セルスタック１０Ｓから電力を取り出す取り出し電極１８Ａ、１８ｂを用いて定電圧負荷２１や直流電源２６を接続し、セルスタック１０Ｓを構成する複数の発電セル１２を一体に活性化させてもよい。
【００７３】
活性化装置２０、４０、５０、６０では、セルスタック１０Ｓの各段の発電セル１２に対して酸素がほぼ均等に供給される。このため、発電セル１２では、酸素供給に起因した異常な分極現象が発生しにくい。
【００７４】
従って、膜電極接合体１２Ｍの湿潤状態を保つことさえできれば、取り出し電極１８Ａ、１８ｂを用いて定電圧負荷２１や直流電源２６を接続した際に、図１７の（ｂ）に示すような転極が発生しない。転極により燃料電池セルが劣化してしまう現象も起こりにくい。
【００７５】
また、活性化処理中の燃料拡散電極１５および酸素拡散電極１４中の雰囲気は、燃料電池１０の通常運転における発電状態のまま、それぞれ、水素、および空気（あるいは酸素）としても良いし、窒素などの不活性ガス雰囲気としても良い。また、燃料主流路１３Ａは出口を閉じた状態としておいても、開いた状態としておいても良い。
【００７６】
また、第１実施形態〜第４実施形態で説明した運転補助機構３０は、複数の発電セル１２を直列に接続したセルスタック１０Ｓを備えた燃料電池１０のみならず、発電セル１２を単独で扱う燃料電池に対しても有効である。
【００７７】
また、小型燃料電池は、燃料供給路の出口を塞ぎ、消費された量の燃料のみを供給する場合が多いが、本発明の活性化方法は、燃料流路の出口を所定量開き、燃料を消費量以上供給した状態で行うことが好ましい。
【００７８】
＜第６実施形態＞
図１８は第６実施形態の活性化装置に装着される燃料電池の構成の説明図、図１９は第６実施形態の活性化装置の構成の説明図である。第１実施形態〜第５実施形態の活性化装置は、複数の発電セルを積み重ねて直列に接続した燃料電池の活性化を説明した。これに対して第６実施形態の活性化装置７０は、発電セル１１２を平面的に複数配置した燃料電池１１０を装着して活性化を行って起動時の発電性能を改善する。
【００７９】
図１８に示すように、平面的に配列された複数の発電セル１１２は、共通の燃料極集電体１１７と酸素極集電体１１６とによって並列に接続されて並列に電力を取り出される。発電セル１１２は、膜電極接合体１１２Ｍの一方の面に燃料拡散電極１１５、他方の面に酸素拡散電極１１４を接触させている。膜電極接合体１１２Ｍは、高分子電解質膜の両面に触媒層を形成してある。
【００８０】
燃料拡散電極１１５、酸素拡散電極１１４は、それぞれ燃料極スペーサ１０３、酸素極スペーサ１０４の独立した開口に収められている。燃料極スペーサ１０３、酸素極スペーサ１０４は、発電セル１１２とともに、燃料極集電体１１７と酸素極集電体１１６との間隔に挟み込んで組み立てられる。
【００８１】
燃料極集電体１１７、酸素極集電体１１６は、導電性の多孔性材料を発電セル１１２ごとに独立して配置しており、隣接する発電セル１１２間で水素ガス、酸素がそれぞれ拡散しないようにしてある。発電セル１１２への水素ガスの供給は、燃料極集電体１１７の下面に配置された流路基板１０２を通じて行われる。燃料極集電体１１７および燃料極スペーサ１０３の仕切り枠と、膜電極接続体１１２Ｍと、流路基板１０２とで囲まれた空間は、燃料極拡散電極１１５を収納して外気から密封された燃料空間となっている。
【００８２】
酸素拡散電極１１４は、酸素極スペーサ１０４の仕切り枠に格納されて酸素極集電体１１６を通じて表面が大気に開放されている。燃料電池１１０は、発電セル１１２を平面的に配列しているので、図１に示すセルスタック１０Ｓに積み重ねた形式に比較して、酸素の取り入れ面積、水蒸気の排出面積を広く確保できる。
【００８３】
流路基板１０２には、複数の発電セル１１２へ水素ガスを分配する流路１０６が形成されている。燃料極集電体１１７に接する部分の流路１０６は、浅く形成して流路抵抗を高めてあるので、水素ガスが素通りしない。流路１０６には、不図示の燃料タンクから取り出して大気圧より少しだけ高い圧力に調圧された水素ガスが供給され、流路１−６から燃料極集電体１１７を通じて燃料拡散電極１１５へ流れ込む。
【００８４】
燃料拡散電極１１５に接する膜電極接合体１１２Ｍの触媒層では、水素ガスが触媒反応によって水素原子に分解されてイオン化し、水素イオンが高分子電解質膜に供給される。酸素拡散電極１１４に接する膜電極接合体１１２Ｍの触媒層では、触媒反応によって酸素が高分子電解質膜から拾い上げた水素イオンに化合して水分子を生成する。膜電極接合体１１２Ｍの高分子電解質膜は、燃料拡散電極１１５側から酸素拡散電極１１４側へ水素イオンを移動させる。
【００８５】
図１９に示すように、第６実施形態の活性化装置７０は、本体７０Ａの上面に形成された凹所に燃料電池１１０を嵌め込み、押さえ板７０Ｂで燃料電池１１０を本体７０Ａに押え付けて固定する。固定と同時に、燃料電池１１０の流路１０６が本体７０Ａ側の水素ガス供給部に位置決め接続され、取り出し電極１１８Ａ、１１８Ｂが定電圧負荷２１に接続される。
【００８６】
本体７０Ａ側の水素ガス供給部には、水素ガスを貯蔵する燃料タンク７１から取り出した水素ガスが保水空間７２を通じて供給される。保水空間７２は、外部から給水可能な密封空間で外側にヒータ７３を備えている。保水空間７２に給水した水をヒータ７３で加熱蒸発させて水素ガスが加湿される。
【００８７】
第１実施形態と同様に、燃料電池１１０を活性化装置７０に装着して、加湿した水素ガスを供給しつつ定電圧負荷２１を作動させる。そして、機器に装着して取り出される通常の電流よりもはるかに大きな電流を短時間（１分間以内）強制的に出力させることにより、乾燥した初期状態の膜電極接合体１１２Ｍの湿潤度を急速に高める。これにより、燃料電池１１０の発電性能が速やかに回復して、活性化装置７０から取り出して機器に装着すると、直ちに高い起電力で大きな電流を出力できる。
【００８８】
＜第７実施形態＞
第１実施形態〜第６実施形態では、機器へ装着する前の燃料電池１０、１１０を単独の活性化装置２０、４０、５０、６０、７０に装着して活性化している。しかし、燃料電池１０、１１０の製作過程で、燃料電池１０、１１０を組み立てた後に、活性化装置２０、４０、５０、６０、７０に装着して、低格電流よりもはるかに大きな電流を短時間強制的に出力させて、燃料電池１０、１１０の発電性能を高めてもよい。その後、燃料電池１０、１１０を水蒸気パックすることで、パックから取り出して機器に装着された燃料電池１０、１１０は、直ちに高い起電力で大きな電流を出力できる。
【００８９】
＜比較例の活性化装置＞
従来、小型の電気機器を持ち運んで使用するためには、種々の一次電池、二次電池が使用されてきた。しかし、最近の小型電気機器の高性能化に伴い、消費電力が大きくなり、一次電池では、小型軽量で、十分なエネルギーを供給できなくなっている。一方、二次電池においては、繰り返し充電して使用できるという利点はあるものの、一回の充電で使用できるエネルギーは一次電池よりも更に少ない。そして、二次電池の充電の為には、別の電源が必要である上、充電には、通常、数十分から数時間かかり、いつでもどこでもすぐに使用できる様にするということは困難である。今後、電気機器のますますの小型、軽量化が進み、ワイヤレスのネットワーク環境が整うことにより、機器を持ち運んで使用する傾向が高まる中で、従来の一次電池、二次電池では機器の駆動に十分なエネルギーを供給することは困難である。
【００９０】
このような問題の解決策として、小型の燃料電池が注目されている。燃料電池は従来、大型の発電機、自動車用の駆動源として開発が進められてきた。これは、燃料電池が、従来の発電システムに比べて、発電効率が高く、しかも廃棄物がクリーンであることが主な理由である。一方、燃料電池が小型電気機器の駆動源として有用な理由に体積当たり、重量当たりの供給可能なエネルギー量が従来の電池に比べて、数倍から十倍近くであることが挙げられる。さらに、燃料のみを交換すれば連続して使用が可能であるため、他の二次電池の様に充電に時間がかかることもない。
【００９１】
燃料電池には、様々な方式のものが発明されているが、小型電気機器、とりわけ持ち運びして使用する機器に対しては、高分子電解質膜を用いた燃料電池が適している。これは、常温に近い温度で使用でき、また、電解質が液体ではなく固体であるので、安全に持ち運べるという利点を有しているためである。
【００９２】
高分子電解質膜を用いた燃料電池の発電の反応場である膜電極接合体は、高分子電解質膜の両面に触媒層を配置した構造を有する。触媒層は、触媒および電解質の混合物からなる。さらに、触媒層には、撥水性や導電性を付与するために、種々の物質を添加する場合もある。膜電極接合体を多孔質電極で挟持して発電セルとする。発電セルは、燃料拡散電極に燃料（水素）、酸素拡散電極に酸化剤（酸素または空気）を供給することより、触媒反応が起こり、発電する。その際、生成物として水が発生する。燃料拡散電極、および、酸素拡散電極での反応式は、以下の通りである。
【００９３】
燃料拡散電極
【数１】
2007200726.tif 000003
【００９４】
酸素拡散電極
【数２】
2007200726.tif 000004
【００９５】
燃料拡散電極で生成したプロトンは高分子電解質膜中を通って酸素拡散電極に伝わり、酸素拡散電極側の触媒層で酸素および電子と反応して水が生成する。プロトンは高分子電解質膜、燃料拡散電極、および酸素拡散電極の電解質中の水で満たされたクラスター部分を通って移動する。そのため、発電に際しては、高分子電解質膜、燃料拡散電極、および酸素拡散電極の電解質が十分に含水している必要がある。これにより、イオン伝導抵抗が低減され、また、触媒表面にプロトンが到達しやすくなることで事実上の反応サイトが多くなり、燃料電池の出力特性が向上する。
【００９６】
特に、作製後、未発電の膜電極接合体は、作製プロセスにより、含水率が低下している場合が多い。また、プロトンを伝導するクラスター形状も最適化されていない。このような低活性状態の膜電極接合体は、一定量以上の電流を流した発電を行うことで、電解質膜が含水し、また、クラスター構造の最適化が行なわれ、活性化される。固体高分子形燃料電池の反応は８０℃程度で特に活性化される。
【００９７】
そこで、特許文献１においては、固体高分子形燃料電池を発電状態にする前にコンディショニングすることにより、高い電池出力で迅速に起動することができる燃料電池の起動方法および製造方法を開示している。コンディショニングとは、燃料電池を外部回路に接続し、燃料電池および外部回路に、発電時において外部負荷要求に基づき要求される所定の出力電流密度の設定値よりも高い電流密度の電流を予め流すことである。
【００９８】
また、特許文献２においては、燃料電池の起動時において、燃料電池の出力電圧を検出し、十分な出力電圧が得られておらず、燃料電池が定格運転状態でないと判断すると、燃料電池の両極への接続を外部出力からインピーダンスに切り替える。これにより、発電によって燃料電池が加熱され、定格運転可能状態へと移行する方法を開示している。
【００９９】
燃料電池を高出力で運転する方法として、空気をブロワーなどにより、強制的に供給する方法がある。例えば、特許文献３においては、燃料電池の定格発電時に空気を燃料電池セルに強制的に供給する手段を開示する。また、特許文献４においては送風機構を燃料電池本体ではなく、燃料電池を搭載する機器内に備えた燃料電池システムを開示している。
【０１００】
ところで、発電セルに水が供給された状態で、両極間に電圧を印加すると、燃料電池と逆の反応によって、水の電気分解が起こる。すなわち陽極、陰極間の通電により、陰極の触媒層で、酸素が発生し、陽極の触媒層で水素が発生する。高分子電解質膜を用いた水の電気分解は、エネルギー効率が９０％と高く、また、電流密度が１〜３Ａ／ｃｍ２と高いため、コンパクトで高効率な水素生成装置として実用化されている。さらに、高分子電解質膜は、固体であり、また反応温度が数十℃であることから、手軽で安全であるという利点も有している。
【０１０１】
しかし、小型電気機器に搭載される燃料電池は、システムの小型化のため、加湿器やヒータ、ポンプやブロワーなどを用いない場合が多い。このような燃料電池では、加湿は発電の際に生成する水により、加熱は発電熱によって行なわれる。また、反応に必要な空気は自然拡散によって取り入れられる。このような燃料電池に対して、従来の活性化・起動方法を用いても、取り入れられる燃料や空気の量に限界があり、また、初期の電解質の抵抗が大きいため、運転温度や電解質の含水状態を最適な状態にまで高めるのに十分な出力を得ることは難しかった。
【０１０２】
特に、複数の発電セルを直列に接続して用いる場合においては、燃料電池の発電性能限界に近い状態での運転は、１組の燃料電池セルに他の燃料電池セルの電圧が強制的に印加される転極現象が起きる。転極現象が起きると、システムが非常に不安定な状態になるとともに、燃料電池の劣化を引き起こす恐れがあった。また、小型電気機器用の燃料電池においても、ブロワーなどを搭載する場合もあったが、これは、定格出力時に出力を高めるために使用され、燃料電池の使用中に取り外すことはできなかった。このようなポンプやブロワ−は、使用時のシステムの大型化を招く恐れがあった。
【０１０３】
これに対して、第１実施形態〜第６実施形態では、活性化装置が、外部負荷機構と運転補助機構とを有するので、高分子電解質膜のイオン伝導抵抗を十分に低くした状態にすることができる。そのため、固体高分子形燃料電池を、高い出力で運転することができる。また、高出力の燃料電池を製造することができる。
【０１０４】
＜発明との対応＞
第１実施形態の活性化装置２０は、膜電極接合体１２Ｍを備えた燃料電池１０の起動特性を改善させる。燃料電池１０を着脱可能に保持する保持機構２０Ａと、保持機構２０Ａに保持させた燃料電池１０に接続されて前記燃料電池１０から電流を取り出して発電を継続させる定電圧負荷２１と、膜電極接合体１２Ｍの発電機能を活性化させる運転補助機構３０とを備える。そして、運転補助機構３０を作動させた状態で定電圧負荷２１を作動させることにより、運転補助機構３０を作動させない初期状態の膜電極接合体１２Ｍでは不可能な電流−電圧条件による発電を強制する。
【０１０５】
第１実施形態では、機器に装填する前に活性化装置２０に燃料電池１０を装着して、燃料電池１０の起動特性を高めてあるので、燃料電池１０を機器に装填すると、燃料電池１０は直ちに高い起電力を出力できる。
【０１０６】
また、活性化装置１０は、機器からも燃料電池１０からも独立した装置なので、燃料電池１０への内蔵や機器への内蔵を無視して機能最優先の設計を行うことができる。燃料電池１０へも機器へも内蔵されないので、活性化装置２０に起因して、燃料電池１０や機器が大型化、部品増、高コスト化等を招くことがない。
【０１０７】
また、初期状態の燃料電池１０の出力に頼ることなく、燃料電池１０の起動特性の改善を最優先して、定電圧負荷２１（直流電源２６）や運転補助機構３０を選択できるので、十分な安全率を確保しつつも極めて短時間で燃料電池１０の起動特性を改善できる。つまり、発電セル１２に発電と逆極性の電圧を外から印加して短絡させた以上の電流を通じたり、マイコン制御装置を用いて燃料電池１０の発電セル１２ごとの状態を刻々と検知して、運転状態や運転補助状態を制御したりも可能となる。
【０１０８】
燃料電池１０は、膜電極接合体１２Ｍの一方の面側に大気中の酸素を拡散させる酸素拡散電極１４を備え、第３実施形態の活性化装置５０の運転補助機構３０は、酸素拡散電極１４に強制的に大気を送り込むブロワー２５である。
【０１０９】
燃料電池１０は、膜電極接合体１２Ｍの一方の面側に大気中の酸素を拡散させる酸素拡散電極１４と、膜電極接合体１２Ｍの他方の面側に水素ガスを供給する燃料拡散電極１５とを備える。第１実施形態の運転補助機構３０は、酸素拡散電極１４と燃料拡散電極１５との少なくとも一方に水分を強制的に拡散させる加湿器２２（または給水器２３）である。
【０１１０】
第２実施形態の活性化装置４０は、燃料電池１０を外側から加熱するヒータ２４を備える。
【０１１１】
第１実施形態の活性化装置２０は、膜電極接合体１２Ｍに発電させる電圧を一定に保って、運転補助機構３０を作動させない初期状態の膜電極接合体１２Ｍでは不可能な過大な電流を取り出し続ける定電圧負荷２１を備える。
【０１１２】
第４実施形態の活性化装置６０は、膜電極接合体１２Ｍが発電する電圧と逆極性の電圧を膜電極接合体１２Ｍに印加して、発電出力を短絡させた以上の電流を燃料電池１０から取り出し続ける直流電源２６を備える。
【０１１３】
直流電源２６は、逆極性の電圧を変化させることにより、運転補助補助機構３０を作動させない初期状態の膜電極接合体１２Ｍでは不可能な過大な一定電流を取り出し続ける定電流電源である。
【０１１４】
第７実施形態の燃料電池の製造方法は、膜電極接合体１２Ｍを備えた燃料電池１０の組み立て後に、活性化装置２０、４０、５０、６０のいずれかに装着して、膜電極接合体１２Ｍが初期状態で出力可能な電流値よりも過大な電流での発電を強制させる。これにより、燃料電池１０の起動特性を改善する。
【０１１５】
第１実施形態の活性化装置２０は、膜電極接合体１２Ｍを備えた燃料電池１０を機器に装着する直前に、装着して、膜電極接合体１２Ｍが初期状態では出力可能な電流値よりも過大な電流での発電を強制させる。これにより、機器における燃料電池１０の起動特性を改善する。
【図面の簡単な説明】
【０１１６】
【図１】第１実施形態の活性化装置の構成を説明する斜視図である。
【図２】燃料電池を負荷に接続した状態の説明図である。
【図３】初期状態の燃料電池の起動特性の線図である。
【図４】活性化装置に燃料電池を装着した状態の模式図である。
【図５】加湿器を用いて水素ガスを加湿する活性化装置の説明図である。
【図６】加湿による活性化を説明する線図である。
【図７】給水器を用いて酸素拡散電極に給水する活性化装置の説明図である。
【図８】給水による活性化を説明する線図である。
【図９】加湿と給水とによる活性過程を比較する線図である。
【図１０】ヒータ加熱を行う活性化装置の構成の説明図である。
【図１１】第２実施形態の活性化装置の構成の説明図である。
【図１２】第３実施形態の活性化装置の構成の説明図である。
【図１３】ブロワーを用いた場合と用いなかった場合とで発電性能を比較した線図である。
【図１４】第４実施形態の活性化装置の構成の説明図である。
【図１５】運転補助機構として直流電源と給水器とを併用した構成の説明図である。
【図１６】直流電源と給水器とを併用した活性化効果を説明する線図である。
【図１７】セルスタックの発電セルにおける転極現象の説明図である。
【図１８】第６実施形態の活性化装置に装着される燃料電池の構成の説明図である。
【図１９】第６実施形態の活性化装置の構成の説明図である。
【符号の説明】
【０１１７】
１０、１１０  燃料電池
１１  空気取り入れ口
１２  発電セル
１２Ｍ  高分子電解質層（膜電極接合体）
１３Ａ  燃料主流路
１３Ｂ  給水主流路
１４  酸素拡散電極
１５  燃料拡散電極
１６  酸素極集電体
１７  燃料極集電体
１８Ａ、１８Ｂ  取り出し電極
１９Ａ、１９Ｂ  圧板
２０、４０、５０、６０、７０  活性化装置
２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｄ、２０Ｅ  保持手段（保持機構、燃料供給コネクタ、接続電極）
２０Ｃ  給水コネクタ
２１、２６  運転手段（定電圧負荷、直流電源）
２２、２３  加湿手段（加湿器、給水器）
２４  加熱手段（ヒータ）
２５  大気供給手段（ブロワー）
３０  運転補助手段（運転補助機構）
【図１】
2007200726.tif 000005
【図２】
2007200726.tif 000006
【図３】
2007200726.tif 000007
【図４】
2007200726.tif 000008
【図５】
2007200726.tif 000009
【図６】
2007200726.tif 000010
【図７】
2007200726.tif 000011
【図８】
2007200726.tif 000012
【図９】
2007200726.tif 000013
【図１０】
2007200726.tif 000014
【図１１】
2007200726.tif 000015
【図１２】
2007200726.tif 000016
【図１３】
2007200726.tif 000017
【図１４】
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【図１５】
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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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