(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両側に一対の電極が配設される電解質膜・電極構造体を有する固体高分子型燃料電池をエージングするための固体高分子型燃料電池の運転方法であって、
前記電解質膜・電極構造体に液状水を直接供給することによる水処理を施す工程と、
前記水処理の後、外部直流電源によって前記固体高分子型燃料電池に電位を印加した状態で、一方の電極側への酸化剤ガスの供給を行うことなく、他方の電極側に加湿された水素を供給することにより、前記水素が前記電解質膜を透過して前記一方の電極側に移送される水素ポンプ運転を行う工程と、
を有することを特徴とする固体高分子型燃料電池の運転方法。
【請求項２】
請求項１記載の運転方法において、前記固体高分子型燃料電池は、前記電解質膜・電極構造体を挟む一対のセパレータ中の一方に形成されて前記他方の電極に燃料ガスを供給する燃料ガス流路と、残余の一方のセパレータに形成されて前記一方の電極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路とを有し、
前記水処理を行う際、少なくとも前記燃料ガス流路又は前記酸化剤ガス流路のいずれかに、前記液状水を充填した状態で、前記固体高分子型燃料電池を保温することを特徴とする固体高分子型燃料電池の運転方法。
【請求項３】
請求項１又は２記載の運転方法において、前記水素ポンプ運転を、使用時の最大電流密度以上で運転した後、前記固体高分子型燃料電池の発電エージングを、使用時の最大電流密度以上で行う工程を有することを特徴とする固体高分子型燃料電池の運転方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の運転方法において、前記電解質膜は、炭化水素系の電解質膜で構成されることを特徴とする固体高分子型燃料電池の運転方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の運転方法において、前記液状水は、純水とし、４０℃〜１００℃の温水であることを特徴とする固体高分子型燃料電池の運転方法。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の運転方法において、前記一方の電極であるカソード側にマイナス極の電位を印加するとともに、前記他方の電極であるアノード側にプラス極の電位を印加することを特徴とする固体高分子型燃料電池の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解質膜の両側に一対の電極が配設される電解質膜・電極構造体を有する固体高分子型燃料電池の運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料ガス（主に水素を含有するガス）及び酸化剤ガス（主に酸素を含有するガス）をアノード側電極及びカソード側電極に供給して電気化学的に反応させることにより、直流の電気エネルギを得るシステムである。
【０００３】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を設けた電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、セパレータによって挟持した発電セルを備えている。この種の発電セルは、通常、電解質膜・電極構造体とセパレータとを所定数だけ積層することにより、燃料電池スタックとして、例えば、自動車等の車両に搭載して使用されている。
【０００４】
この種の固体高分子型燃料電池では、組み立て直後の電解質膜の含水量が十分でないため、初期発電性能が低くなっている。従って、通常、燃料電池の組み立て後に所望の発電性能を引き出すため、前記燃料電池のエージング運転が行われている。
【０００５】
例えば、特許文献１に開示されている燃料電池の運転方法では、燃料電池の予備運転（エージング運転）時に、前記燃料電池のセル内にフラッディングが発生するように、消費されるガスの利用率を向上させることを特徴としている。
【０００６】
しかしながら、上記の運転方法では、急激なフラッディングを伴うために、電池性能の劣化を抑制させるための制御が煩雑化するとともに、特に、ＭＥＡを構成する電解質膜の性能に悪影響を与えるおそれがある。
【０００７】
さらに、ＭＥＡを構成する電解質膜として、フッ素系材料に代えて、例えば、炭化水素系材料が用いられる場合、前記フッ素系材料に比べて疎水性が高く、前記電解質膜内に十分に水を浸透させるまでに時間がかかるという問題がある。
【０００８】
そこで、特許文献２に開示されている固体高分子型燃料電池のエージング装置では、予備運転時に固体高分子型燃料電池からの負荷電流を消費させる負荷器と、前記固体高分子型燃料電池と前記負荷器との間に接続され、前記負荷電流の大きさを時間の経過と共に周期的に変動させる制御手段とを備えている。
【０００９】
これにより、負荷電流の大きさを、時間の経過と共に周期的に変動させるため、ＭＥＡへの水の浸透促進効果が増し、エージング運転に要する時間の短縮化を図ることができる、としている。
【００１０】
【特許文献１】特開２００３−２１７６２２号公報
【特許文献２】特開２００７−６６６６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上記の特許文献２では、カソードにカソードガスを供給するとともに、アノードにアノードガスを供給し、燃料電池スタックから負荷器に時間の経過と共にその大きさが周期的に変動する負荷電流を流すことにより、エージング運転を開始している。
【００１２】
しかしながら、組立後に初めて使用されるＭＥＡでは、高電流密度による発電を行うことができない。このため、低電流密度から徐々に電流印加量を増やしたり、負荷印加中の保持時間を短くしてＯＣＶ（開回路電圧）に戻す操作が必要となっている。
【００１３】
これにより、燃料電池の発電性能が飽和するまでに相当な時間を要してしまい、エージング運転に時間がかかるという問題がある。しかも、エージング運転中には、カソードガス及びアノードガスが消費されており、特に、水素使用量が過大となって極めて不経済であるという問題がある。
【００１４】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、エージング処理を短時間で良好に行うとともに、水素の消費を可及的に阻止し、経済的なエージングが遂行可能な固体高分子型燃料電池の運転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】
【００１５】
本発明は、電解質膜の両側に一対の電極が配設される電解質膜・電極構造体を有する固体高分子型燃料電池をエージングするための固体高分子型燃料電池の運転方法に関するものである。
【００１６】
この運転方法では、電解質膜・電極構造体に液状水を直接供給することによる水処理を施す工程と、前記水処理の後、外部直流電源によって固体高分子型燃料電池に電位を印加した状態で、一方の電極側への酸化剤ガスの供給を行うことなく、他方の電極側に加湿された水素を供給することにより、前記水素が電解質膜を透過して前記一方の電極側に移送される水素ポンプ運転を行う工程とを有している。
【００１７】
また、固体高分子型燃料電池は、他方の電極に燃料ガスを供給する燃料ガス流路と、一方の電極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路とを有し、少なくとも前記燃料ガス流路又は前記酸化剤ガス流路のいずれかに、液状水を充填した状態で、前記固体高分子型燃料電池を保温することが好ましい。
【００１８】
さらに、水素ポンプ運転を、使用時の最大電流密度以上で運転した後、固体高分子型燃料電池の発電エージングを、使用時の最大電流密度以上で行う工程を有することが好ましい。
【００１９】
さらにまた、電解質膜は、炭化水素系の電解質膜で構成されることが好ましい。
【００２０】
また、液状水は、純水とし、４０℃〜１００℃の温水であることが好ましい。４０℃未満では、温度処理による発電性能向上の効果が低くなるからである。
【００２１】
さらに、一方の電極であるカソード側にマイナス極の電位を印加するとともに、他方の電極であるアノード側にプラス極の電位を印加することが好ましい。
【発明の効果】
【００２２】
本発明では、外部から電圧を印加して電解質膜中を水素イオンを移動させる、所謂、水素ポンプ運転によるエージング工程の前に、電解質膜・電極構造体に液状水が直接供給されるため、電解質膜中に水を効率的に導入することができる。これにより、抵抗過電圧が有効に低減可能になる。しかも、電解質膜・電極構造体中の残留溶媒や接着材成分等の不純物が除去され、清浄機能を有することが可能になる。さらに、電解質膜が膨潤することにより、触媒表面の反応領域が有効に拡大する。
【００２３】
また、液状水の供給後に行われる水素ポンプ運転によるエージングでは、過電圧の少ない水素のみが反応に関与しており、腐食電位以下で連続的に大電流（使用時の最大電流密度）を印加させることができる。従って、性能劣化の抑制及び時間の短縮が容易に図られる。しかも、水素ポンプでは、一方の電極側に移送された水素が、酸化剤ガスと反応することはない。このため、水素ポンプ運転によるエージング工程中に水素が消費されることはなく、極めて経済的である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
図１は、本発明の実施形態に係る固体高分子型燃料電池１０の運転方法において、後述する電解質膜・電極構造体に液状水である温水（純水）を供給するための温水処理装置１２の概略説明図である。
【００２５】
燃料電池１０は、例えば、炭化水素系の固体高分子電解質膜１４をアノード側電極１６とカソード側電極１８とで挟持した電解質膜・電極構造体２０を備え、前記電解質膜・電極構造体２０がアノード側セパレータ２２ａとカソード側セパレータ２２ｂとにより挟持される。アノード側セパレータ２２ａ及びカソード側セパレータ２２ｂは、カーボンプレート又は金属プレートにより構成され、図示しないシール部材を設けている。なお、固体高分子電解質膜１４は、例えば、パーフルオロカーボン等のフッ素系の膜を使用してもよい。
【００２６】
電解質膜・電極構造体２０とアノード側セパレータ２２ａとの間には、燃料ガス流路２４が形成されるとともに、前記電解質膜・電極構造体２０とカソード側セパレータ２２ｂとの間には、酸化剤ガス流路２６が形成される。アノード側セパレータ２２ａとカソード側セパレータ２２ｂとの間には、冷却媒体流路２８が形成される。
【００２７】
燃料電池１０は、一端側に水素含有ガス等の燃料ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔３０ａと、空気（酸素含有ガス）等の酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔３２ａと、前記燃料ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔３０ｂと、前記酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔３２ｂとが形成される。燃料電池１０の他端部には、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔３４ａと、前記冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔３４ｂが形成される。
【００２８】
温水処理装置１２は、燃料電池１０に温水を供給する温水供給系３６と、前記燃料電池１０を保温する保温媒体供給系３８とを備える。温水供給系３６は、例えば、燃料ガス入口連通孔３０ａ（及び／又は酸化剤ガス入口連通孔３２ａ）に連通する温水供給配管４０ａと、燃料ガス出口連通孔３０ｂ（及び／又は酸化剤ガス出口連通孔３２ｂ）に連通する温水排出配管４０ｂとを備え、前記温水排出配管４０ｂには、開閉弁４２が配設される。温水供給配管４０ａには、所定の温度、例えば、４０℃〜１００℃に維持された温水（純水）が供給される。
【００２９】
保温媒体供給系３８は、冷却媒体入口連通孔３４ａ及び冷却媒体出口連通孔３４ｂに連通する循環配管４４を備える。この循環配管４４には、ポンプ４６が配設され、前記循環配管４４内を所定の温度例えば、４０℃〜１００℃に維持された冷却媒体（液体又は気体）が循環される。
【００３０】
図２は、燃料電池１０の温水処理後に、水素ポンプ運転による第１エージング工程を行うためのエージング装置５０の概略構成図である。
【００３１】
エージング装置５０は、燃料電池１０のアノード側（燃料ガス流路２４側）に加湿された水素を供給するアノード側配管系５４と、前記燃料電池１０のカソード側（酸化剤ガス流路２６側）に接続されるカソード側配管系５６と、前記燃料電池１０のアノード側にプラス極の電位を印加するとともに、前記燃料電池１０のカソード側にマイナス極の電位を印加する直流電源５８と、前記エージング装置５０全体の制御を行うコントローラ６０とを備える。
【００３２】
アノード側配管系５４は、水素を貯留する水素ボンベ６２を備え、この水素ボンベ６２は、アノード供給配管６４を介して燃料電池１０の燃料ガス入口連通孔３０ａに連通する。アノード供給配管６４には、水素ボンベ６２側から下流に向かって開閉弁６６ａと加湿器６８とが配設されるとともに、前記加湿器６８には、不活性ガス、例えば、窒素ガス（Ｎ2ガス）を供給するための窒素ボンベ７０が、開閉弁６６ｂを介して接続される。
【００３３】
アノード側配管系５４は、燃料電池１０の燃料ガス出口連通孔３０ｂに連通するアノード排出配管７２を備える。このアノード排出配管７２には、開閉弁６６ｃが配設されるとともに、前記アノード排出配管７２とアノード供給配管６４とには、バイパスライン７４の両端が接続される。このバイパスライン７４には、開閉弁６６ｄが配設される。
【００３４】
カソード側配管系５６は、カソード供給配管７８を備え、このカソード供給配管７８の一端は、開閉弁６６ｅを介してアノード供給配管６４に接続自在である。カソード供給配管７８の他端は、燃料電池１０の酸化剤ガス入口連通孔３２ａに連通する。
【００３５】
カソード側配管系５６は、燃料電池１０の酸化剤ガス出口連通孔３２ｂに連通するカソード排出配管８０を設ける。このカソード排出配管８０は、アノード排出配管７２に対して開閉弁６６ｃの上流側に接続される。
【００３６】
図３は、エージング装置５０による第１エージング工程の後、燃料電池１０に対し第２エージング工程を行うための発電エージング装置９０の概略構成図である。なお、発電エージング装置９０は、発電エージングのために用いられる専用機として構成されていてもよく、又は車載用として燃料電池１０を組み込む燃料電池システムにより、発電エージングを行うように構成してもよい。
【００３７】
発電エージング装置９０は、燃料電池１０に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給系９２と、前記燃料電池１０に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給系９４と、前記燃料電池１０に接続される電子負荷９６とを備える。
【００３８】
燃料ガス供給系９２は、水素タンク９８を備え、この水素タンク９８から水素供給管１００を介して燃料ガス入口連通孔３０ａに水素ガスが供給されるとともに、この水素供給管１００には、可変バルブ１０２ａが配設される。
【００３９】
燃料ガス供給系９２は、燃料ガス出口連通孔３０ｂに連通する水素排出管１０４を有し、この水素排出管１０４と水素供給管１００とにバイパスライン１０６が接続される。水素排出管１０４及びバイパスライン１０６には、開閉弁１０８ａ、１０８ｂが配設される。
【００４０】
酸化剤ガス供給系９４は、エアポンプ（エアコンプレッサ）１１０を備え、このエアポンプ１１０に接続される空気供給管１１２は、酸化剤ガス入口連通孔３２ａに接続される。この空気供給管１１２には、可変バルブ１０２ｂが配設される。
【００４１】
酸化剤ガス供給系９４は、酸化剤ガス出口連通孔３２ｂに接続される空気排出管１１４を備え、この空気排出管１１４と空気供給管１１２とにバイパスライン１１６が接続される。空気排出管１１４及びバイパスライン１１６には、開閉弁１０８ｃ、１０８ｄが配設される。
【００４２】
電子負荷９６は、可変抵抗機能を有しており、燃料電池１０の出力電流が０〜使用時の最大電流密度以上になるように抵抗値が設定可能である。最大電流密度とは、発熱により固体高分子電解質膜１４に劣化が発生しない程度であり、最大２００％、好ましくは、１５０％以下（より好ましくは、１２５％）である。
【００４３】
このように構成される温水処理装置１２、エージング装置５０及び発電エージング装置９０による運転方法について、図４に示すフローチャートに沿って以下に説明する。
【００４４】
先ず、図１に示すように、燃料電池１０は、温水処理装置１２に取り付けられて温水処理が行われる（ステップＳ１）。具体的には、温水供給系３６では、温水供給配管４０ａを介して燃料ガス入口連通孔３０ａ及び／又は酸化剤ガス入口連通孔３２ａ、例えば、前記燃料ガス入口連通孔３０ａに、所定の温度に昇温された純水（温水）が供給される。
【００４５】
その際、開閉弁４２が閉塞されており、温水排出配管４０ｂが閉栓されるため、温水は、燃料ガス入口連通孔３０ａから燃料ガス流路２４内に充填される。従って、燃料電池１０内には、エージング処理前に温水が供給されており、電解質膜・電極構造体２０に液状水である純水が直接供給されている。
【００４６】
一方、保温媒体供給系３８では、ポンプ４６の作用下に、冷却媒体入口連通孔３４ａ及び冷却媒体出口連通孔３４ｂに連通する循環配管４４に所定の温度に維持された冷却媒体が循環されている。このため、冷却媒体は、冷却媒体流路２８に循環供給されて燃料電池１０が保温されている。
【００４７】
なお、温水処理を行う時間は、固体高分子電解質膜１４の親水性により変化しており、親水性が高い場合に短時間に設定される一方、親水性が低い場合に長時間に設定される。実際上、数時間〜数十時間の範囲である。
【００４８】
上記の温水処理が終了した後、燃料電池１０は、図２に示すように、エージング装置５０に取り付けられる。このエージング装置５０では、水素ポンプ運転を開始する前に、窒素ガスによるパージ処理が行われる（ステップＳ２）。窒素ボンベ７０は、アノード側配管系５４に設けられており、開閉弁６６ｂ、６６ｃ及び６６ｅが開放される一方、開閉弁６６ａ、６６ｄが閉塞される。
【００４９】
このため、窒素ボンベ７０から導出される窒素ガスは、加湿器６８を通って加湿された後、アノード供給配管６４とカソード供給配管７８とに分流される。この加湿された窒素ガスは、燃料電池１０の燃料ガス入口連通孔３０ａと酸化剤ガス入口連通孔３２ａとに供給される。
【００５０】
燃料電池１０内では、図１に示すように、燃料ガス流路２４及び酸化剤ガス流路２６に加湿された窒素ガスが導入される。そして、所定の時間だけ掃気されることによって、燃料ガス流路２４及び酸化剤ガス流路２６に残存する空気等が窒素ガスに置換される。
【００５１】
次いで、開閉弁６６ｂが閉塞されるとともに、開閉弁６６ａが開放される。従って、水素ボンベ６２から水素ガスが導出され、この水素ガスは、加湿器６８によって加湿された後、アノード供給配管６４とカソード供給配管７８とに分流される。このため、燃料電池１０では、燃料ガス流路２４及び酸化剤ガス流路２６が水素ガスによって掃気される（ステップＳ３）。
【００５２】
さらに、ステップＳ４に進んで、所謂、水素ポンプ運転による第１エージング工程が開始される。この水素ポンプ運転では、図２に示すように、アノード側（アノード側電極１６）にプラス極の電位が印加されるとともに、カソード側（カソード側電極１８）にマイナス極の電位が印加されている。
【００５３】
この状態で、カソード側配管系５６では、開閉弁６６ｅが閉塞されている。一方、アノード側配管系５４では、開閉弁６６ｂ、６６ｄが閉塞されるとともに、開閉弁６６ａ、６６ｃが開放されている。従って、水素ボンベ６２からアノード供給配管６４に水素ガスが供給され、この水素ガスは、加湿器６８によって加湿された後、燃料電池１０の燃料ガス入口連通孔３０ａを通って燃料ガス流路２４に供給される。
【００５４】
ここで、燃料電池１０では、直流電源５８を介してアノード側にプラス極の電位が印加されるとともに、カソード側にマイナス極の電位が印加されている。このため、図５に示すように、アノード側電極１６では、Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-の反応が起こり、水素イオン（Ｈ+）は、固体高分子電解質膜１４を透過してカソード側電極１８に移動する。このカソード側電極１８で、２Ｈ+＋２ｅ-→Ｈ2の反応が惹起する。
【００５５】
従って、アノード側電極１６からカソード側電極１８には、プロトン（水素イオン）が移動するとともに、同伴水が固体高分子電解質膜１４に供給され、この固体高分子電解質膜１４の含水率が増加する。
【００５６】
燃料電池１０の燃料ガス流路２４に供給された水素ガスは、未反応部分が燃料ガス出口連通孔３０ｂからアノード排出配管７２に排出される。一方、酸化剤ガス流路２６の水素ガスは、この酸化剤ガス流路２６から酸化剤ガス出口連通孔３２ｂを通ってカソード排出配管８０からアノード排出配管７２に排出される。
【００５７】
この場合、上記の水素ポンプ運転では、水素ボンベ６２から導入される水素のストイキが、比較的高く設定されており、導入される水分量を増加させることができる。
【００５８】
しかも、直流電源５８による印加電流密度は、使用時の最大電流密度に設定されている。水素ポンプ運転では、過電圧の少ない水素のみが反応に関与するため、エージング初期の段階で大電流を引くことが可能となるからである。これにより、エージング時間が短縮される。
【００５９】
さらに、カソード側電極１８側は、反応ガスの拡散抵抗による濃度過電圧の影響を受けないため、電極面の局所的な反応集中による劣化やエージング状態の分布を低減することが可能になる。従って、電極面を均一にエージングすることができる。
【００６０】
さらにまた、通常の発電によるエージングの場合には、エージング途上で一定電流を保持することができないため、負荷電流をサイクルさせてエージングを行っている。このため、高電位サイクルを繰り返すことになり、触媒単体の腐食を誘発するおそれがある。
【００６１】
これに対して、水素ポンプ運転によるエージングでは、腐食電位以下で、連続的に大電流を印加することができるため、性能劣化の抑制及びエージング時間の短縮が容易に可能になる。その際、水素ポンプ運転では、カソード側電極１８に移送された水素は、酸化剤ガスと反応することがなく、水素ガスとしてアノード排出配管７２に排出されている。これにより、水素が消費されることがなく、極めて経済的であるという効果がある。
【００６２】
さらに、水素ポンプ運転によるエージングでは、過電圧損失による発熱量も小さくなるため、固体高分子電解質膜１４の温度劣化等を有効に抑制することができる。
【００６３】
ところで、水素ポンプ運転のみによるエージングでは、触媒活性を十分に引き出すことができないおそれがある。従って、本実施形態では、水素ポンプ運転による第１エージング工程の後に、発電エージングによる第２エージング工程が行われる（ステップＳ５、及び図６参照）。
【００６４】
先ず、図３に示すように、第１エージング工程が終了した燃料電池１０は、発電エージング装置９０に取り付けられる。そこで、燃料ガス供給系９２を構成する水素タンク９８は、水素供給管１００を介して燃料ガス入口連通孔３０ａに燃料ガスを供給する。一方、酸化剤ガス供給系９４を構成するエアポンプ１１０を介して、空気供給管１１２から酸化剤ガス入口連通孔３２ａに空気が供給される。
【００６５】
このため、燃料ガス流路２４に水素ガスが供給されるとともに、酸化剤ガス流路２６に空気が供給され、電解質膜・電極構造体２０により電気化学反応が発生する。具体的には、図７に示すように、アノード側電極１６で発生したプロトン（水素イオン）が、固体高分子電解質膜１４を透過してカソード側電極１８に移動し、このカソード側電極１８で水が生成される。
【００６６】
従って、燃料電池１０による発電が開始され、電子負荷９６を介してこの燃料電池１０から出力される電流は、図６に示すように、増減制御される。これにより、発電エージングが行われ、例えば、所定時間が経過することにより（ステップＳ６中、ＹＥＳ）、燃料電池１０のエージング運転が終了する。
【００６７】
このように、本実施形態では、エージング装置５０による水素ポンプ運転によるエージング工程の前に、温水処理装置１２を介して燃料電池１０を構成する電解質膜・電極構造体２０に液状水を直接供給する工程が行われている。このため、固体高分子電解質膜１４中に水を効率的に導入することができ、抵抗過電圧が有効に低減可能になるとともに、エージングに要する時間が良好に短縮されるという効果が得られる。
【００６８】
しかも、電解質膜・電極構造体２０中の残留溶媒や接着材成分等の不純物が除去され、清浄機能を有することができる。さらに、固体高分子電解質膜１４が膨潤することにより、触媒表面の反応領域が有効に拡大するという利点がある。
【００６９】
また、温水処理された燃料電池１０のエージング処理が、先ず、水素ポンプ運転による第１エージング工程と、発電エージングによる第２エージング工程とにより行われている。
【００７０】
水素ポンプ運転によるエージングでは、大電流を印加することによるプロトンチャンネルへの水の引き込みが確実に行われるとともに、過電圧の減少による電極面内での均一なエージング処理が遂行される。
【００７１】
しかも、カソード側電極１８の触媒が水素還元されるため、酸化膜の除去が図られる他、触媒界面との接合性が向上する。その上、固体高分子電解質膜１４と触媒層中の電解質界面の接合性の向上によるプロトンの授受促進が図られるという利点がある。
【００７２】
この水素ポンプ運転によるエージングを行った後、発電エージングを行うことにより、この発電エージングでは、高負荷発電が可能になる。このため、従来の発電エージングのみを行う際のように、出力電流を低電流から徐々に上げていく必要がなく、エージング完了までの時間が一挙に短縮される。
【００７３】
これにより、水素の消費を可及的に阻止することができ、経済的なエージング処理が遂行可能になるとともに、燃料電池１０の触媒活性を良好に引き出すことができるという効果が得られる。
【００７４】
図８は、温水処理のみによるエージングと、水素ポンプ運転のみによるエージングと、温水処理と水素ポンプ運転とを組み合わせたエージングと、温水処理と水素ポンプ運転と発電エージングとを組み合わせた本実施形態と、における発電性能を比較した結果である。これにより、本実施形態では、燃料電池１０の触媒活性を完全に引き出すことができるという結果が得られた。
【００７５】
なお、本実施形態では、エージング装置５０による水素ポンプ運転によるエージング工程の前に、温水処理装置１２を介して電解質膜・電極構造体２０に温水を供給する工程が行われているが、これに限定されるものではない。例えば、燃料電池１０全体を温水槽中に浸漬することにより、電解質膜・電極構造体２０に温水を供給してもよい。また、燃料電池１０を保温する保温媒体供給系３８に代えて、前記燃料電池１０全体を保温する保温炉を使用することもできる。
【００７６】
さらに、本実施形態では、アノード側にプラス極の電位を印加するとともに、カソード側にマイナス極の電位を印加し、前記カソード側への酸化剤ガスの供給を行うことなく、前記アノード側に加湿された水素を供給して水素ポンプ運転を行っている。これに対して、カソード側にプラス極の電位を印加するとともに、アノード側にマイナス極の電位を印加し、前記アノード側への酸化剤ガスの供給を行うことなく、前記カソード側に加湿された水素を供給して水素ポンプ運転を行うこともできる。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】本発明の実施形態に係る固体高分子型燃料電池の運転方法において、電解質膜・電極構造体に液状水である温水を供給する温水処理装置の概略説明図である。
【図２】水素ポンプ運転による第１エージング工程を行うためのエージング装置の概略構成図である。
【図３】前記燃料電池に対し第２エージング工程を行うための発電エージング装置の概略構成図である。
【図４】前記運転方法を説明するフローチャートである。
【図５】水素ポンプ運転によるエージングの説明図である。
【図６】前記運転方法の説明図である。
【図７】発電エージングの説明図である。
【図８】各種エージングによる性能の比較説明図である。
【符号の説明】
【００７８】
１０…燃料電池                      １２…温水処理装置
１４…固体高分子電解質膜            １６…アノード側電極
１８…カソード側電極                ２０…電解質膜・電極構造体
２４…燃料ガス流路                  ２６…酸化剤ガス流路
２８…冷却媒体流路                  ３０ａ…燃料ガス入口連通孔
３０ｂ…燃料ガス出口連通孔          ３２ａ…酸化剤ガス入口連通孔
３２ｂ…酸化剤ガス出口連通孔        ３４ａ…冷却媒体入口連通孔
３４ｂ…冷却媒体出口連通孔          ３６…温水供給系
３８…保温媒体供給系                ４０ａ…温水供給配管
４０ｂ…温水排出配管                ４４…循環配管
４６…ポンプ                        ５０…エージング装置
５４…アノード側配管系              ５６…カソード側配管系
５８…直流電源                      ６０…コントローラ
６２…水素ボンベ                    ６４…アノード供給配管
６８…加湿器                        ７０…窒素ボンベ
７２…アノード排出配管              ７８…カソード供給配管
８０…カソード排出配管              ９０…発電エージング装置
９２…燃料ガス供給系                ９４…酸化剤ガス供給系
９６…電子負荷                      ９８…水素タンク
１００…水素供給管                  １０４…水素排出管
１１０…エアポンプ                  １１２…空気供給管
１１４…空気排出管
【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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