电解质膜-电极结构体的活化方法及其装置与流程

1.本发明涉及一种用于对电解质膜-电极结构体进行活化的活化方法，该电解质膜-电极结构体通过在构成燃料电池的阳极电极与阴极电极之间夹持电解质膜而构成。另外，本发明涉及一种用于对电解质膜-电极结构体进行活化的活化装置。


背景技术：

2.近年来，装有燃料电池的燃料电池车辆(fcv/fuel cell vehicle)作为环境负荷小的汽车受到关注。燃料电池基于含有氧的氧化剂气体与含有氢的燃料气体发生的电化学反应来发电。由此可知，这是因为燃料电池车辆仅排出水蒸汽，不会排出二氧化碳(co2)、nox和sox等。在燃料电池车辆中，利用通过燃料电池得到的电功率来驱动电动机。据此，燃料电池车辆行驶。
3.燃料电池具有电解质膜-电极结构体(mea)。mea具有：电解质膜，其由具有第1端面和第2端面的固体高分子构成；阳极电极，其被设置于电解质膜的第1端面；和阴极电极，其被设置于电解质膜的第2端面。即，mea通过在阳极电极与阴极电极之间夹持电解质膜而构成。mea被1组隔膜夹持，据此组装成燃料电池的单体电池。
4.在刚刚组装好的单体电池中，电解质膜的含水量不足。因此，该单体电池无法得到充分的发电性能。为了避免这种情况，在初次运行之前对燃料电池进行活化。一般而言，活化层叠多个单体电池的燃料电池堆。与此相对，在日本发明专利公开公报特开2014-7006号中公开了对各个单体电池进行活化的方案。在此情况下，层叠被活化的单体电池来组装燃料电池堆。


技术实现要素：

5.在1组隔膜中的一方形成有阳极侧流路。在1组隔膜中的另一方形成阴极侧流路。在对电解质膜-电极结构体进行活化的过程中，有时在阳极侧流路和阴极侧流路中流通有湿润气体。通过湿润气体分别与阳极电极及阴极电极接触来给予阳极电极和阴极电极水分(moisture)。
6.当过度给予阳极电极或者阴极电极水分时，在阳极电极或者阴极电极形成液膜。即发生所谓的溢流(flooding)。在这种状况下，气体不渗透阳极电极或者阴极电极各自的电极催化剂。在此情况下，阻碍电极催化剂的活化的进行。
7.本发明的目的在于解决上述的技术问题。
8.根据本发明的一实施方式，提供一种电解质膜-电极结构体的活化方法，其用于对电解质膜-电极结构体进行活化，所述电解质膜-电极结构体由在构成燃料电池的阳极电极与阴极电极之间夹持电解质膜而成，具有夹持工序和活化工序，在所述夹持工序中，通过第1治具和第2治具夹持所述电解质膜-电极结构体，其中，所述第1治具形成有用于向所述阳极电极供给第1湿润气体的阳极侧流路且设置有与所述第1湿润气体授受热量的第1热管(the first heat pipe)；所
述第2治具形成有用于向所述阴极电极供给第2湿润气体的阴极侧流路且设置有与所述第2湿润气体授受热量的第2热管；在所述活化工序中，一边使所述第1湿润气体在所述阳极侧流路内流通且使所述第2湿润气体在所述阴极侧流路内流通，一边对夹在所述第1治具与所述第2治具之间的所述电解质膜-电极结构体进行老化(aging)，在所述活化工序中，通过在所述第1湿润气体与所述第1热管之间授受热量来将所述第1湿润气体的温度保持在规定范围内，且通过在所述第2湿润气体与所述第2热管之间授受热量来将所述第2湿润气体的温度保持在规定范围内。
9.根据本发明的另一实施方式，提供一种活化装置，其用于对电解质膜-电极结构体进行活化，所述电解质膜-电极结构体由在构成燃料电池的阳极电极与阴极电极之间夹持电解质膜而成，具有第1治具、第2治具、第1湿润气体供给部、第2湿润气体供给部、热量供给部和控制部，其中，所述第1治具形成有用于向所述阳极电极供给第1湿润气体的阳极侧流路且设置有与所述第1湿润气体授受热量的第1热管；所述第2治具形成有用于向所述阴极电极供给第2湿润气体的阴极侧流路且设置有与所述第2湿润气体授受热量的第2热管；所述第1湿润气体供给部用于向所述阳极侧流路供给所述第1湿润气体；所述第2湿润气体供给部用于向所述阴极侧流路供给所述第2湿润气体；所述热量供给部用于给予所述第1热管和所述第2热管热量；所述控制部控制由所述热量供给部给予所述第1热管和所述第2热管的热量。
10.在本发明中，通过在第1热管与第1湿润气体之间授受热量，且在第2热管与第2湿润气体之间授受热量，据此，将第1湿润气体和第2湿润气体的各温度调节成规定的范围内。据此，阳极侧流路和阴极侧流路的液态水量被保持在适当的范围。因此，能够一边避免发生溢流一边给予电解质膜-电极结构体水分。即，根据本发明，能够充分地对电解质膜-电极结构体进行活化。
11.第1热管和第2热管对吸热或者放热的响应速度快。因此，能够迅速调节第1湿润气体和第2湿润气体的各温度。
12.根据参照附图对以下实施方式进行的说明，上述的目的、特征和优点应易于被理解。
附图说明
13.图1是表示夹在第1治具与第2治具之间的电解质膜-电极结构体的主要部分的剖视放大图。
14.图2是本发明的实施方式的活化装置的概略系统图。
15.图3是第2治具的概略纵剖视图。
16.图4是第1热管的示意性剖视图。
17.图5是本发明的实施方式的活化方法的概略流程图。
18.图6是表示发生溢流时的电池电压的经时变化和未发生溢流时的电池电压的经时
变化的曲线图。
19.图7是表示阳极侧流路的液态水量的变化、阳极侧的压差的变化、伴随着液态水量的变化的电池的浓度过电压、和湿润氢气的温度的变化的曲线图。
20.图8是本发明的另一实施方式的活化装置的概略系统图。
具体实施方式
21.首先，参照图1概略地说明电解质膜-电极结构体(下面还记作“mea”)10。在本实施方式中，mea10具有由固体高分子构成的电解质膜12。作为固体高分子而示例出全氟磺酸等。
22.mea10具有阳极电极14和阴极电极16。电解质膜12被夹在阳极电极14与阴极电极16之间。阳极电极14具有：第1电极催化剂层18，其包含电极催化剂；和第1气体扩散层20，其用于向第1电极催化剂层18供给气体。阴极电极16具有：第2电极催化剂层22，其包含电极催化剂；和第2气体扩散层24，其用于向第2电极催化剂层22供给气体。在此情况下，mea10具有保持电解质膜12的树脂制的树脂框部件26。但是，树脂框部件26不是必须的。
23.在本实施方式中，mea10不被1组隔膜夹持。即，在本实施方式中，不是对单体电池进行活化，而是对mea10进行活化。
24.接着，参照图2对本实施方式的活化装置40进行说明。活化装置40具有第1治具42、第2治具44和收容箱46。mea10被夹在第1治具42与第2治具44之间。mea10、第1治具42和第2治具44在该状态下被收容于收容箱46。收容箱46具有：第1配管50及第2配管52，二者与第1治具42的阳极侧流路48(参照图1)连通；第3配管56及第4配管58，二者与第2治具44的阴极侧流路54(参照图1)连通。收容箱46的内部是密闭空间，相对于大气未开放。
25.如图1详细所示，第1治具42具有第1波状部64，第1波状部64通过第1凸部60和第1凹部62交替连续相连而成。在第1凹部62与阳极电极14之间形成有相对于阳极电极14凹进的凹进空间。该凹进空间是阳极侧流路48。在阳极侧流路48中流通的第1湿润气体与阳极电极14相接触。在第1凸部60与收容箱46之间形成有相对于阳极电极14突出的第1凸起空间66。在该第1凸起空间66设置有第1热管70。如图2和图3所示，在第1治具42设置有第1电极端子72。
26.同样，第2治具44具有第2波状部78，第2波状部78通过第2凸部74和第2凹部76交替连续相连而成(参照图1)。在第2凹部76与阴极电极16之间形成有相对于阴极电极16凹进的凹进空间。该凹进空间是阴极侧流路54。在阴极侧流路54中流通的第2湿润气体与阴极电极16相接触。在第2凸部74与收容箱46之间形成有相对于阴极电极16突出的第2凸起空间80。在该第2凸起空间80设置有第2热管82。如图2和图3所示，在第2治具44设置有第2电极端子84。
27.如图2和图3所示，在收容箱46设置有加热器或者珀尔帖元件等热量供给部86。热量供给部86给予第1热管70和第2热管82热量。在此，参照图4中示意性所示的第1热管70概略地对第1热管70和第2热管82的结构进行说明。如图4所示，在第1热管70的内部，沿第1热管70的长度方向形成有密闭空间90。在该密闭空间90收容作为热媒的工作液92。工作液92一般是水，但也可以是水以外的液体。工作液92以适量的量被封入密闭空间90，并没有充满该密闭空间90。
28.在第1热管70的内部，沿长度方向设置有芯体(wick)94。通过由该芯体94划分密闭空间90来形成主通路96。
29.在图4中示出由热量供给部86对第1热管70的第1端70a给予热量的状态。被给予热量的工作液92气化而成为蒸汽100。蒸汽100沿着主通路96从比较高温的第1端70a向比较低温的第2端70b移动。在第2端70b，蒸汽100的热量被释放。其结果，蒸汽100冷凝而返回液相的工作液92。工作液92通过毛细管作用，从芯体94的内部通过而返回第1端70a。即，发生回流。
30.第2热管82与第1热管70同样地构成。在第2热管82的内部，工作液92或者蒸汽100也与第1热管70中的工作液92或者蒸汽100同样地移动。
31.如图2所示，活化装置40具有第1输气管道(the first gas line)110。氢气供给部112和氮气供给部114通过第1三通阀116连接于第1输气管道110的一端。氢气供给部112例如是氢气储罐。氮气供给部114例如是氮气储罐。在本实施方式中，氮气被作为惰性的第1气体来使用。氢气供给部112和氮气供给部114是第1气体供给部，氢气或者氮气作为第1气体被选择性地供给。
32.在第1输气管道110设置有构成第1湿润气体供给部的第1加湿部118。第1加湿部118对第1气体(氢气或者氮气)给予水蒸汽。据此，第1气体成为第1湿润气体。
33.第1输气管道110的另一端连接于收容箱46的第1配管50。从第1输气管道110的另一端流入第1配管50的第1湿润气体(湿润氢气或者湿润氮气)在形成于第1治具42的阳极侧流路48内流通。
34.活化装置40具有第2输气管道120。第2输气管道120的一端连接于收容箱46的第2配管52。在第2输气管道120的另一端，通过第1排气阀122而设置有第1排气管道124。在阳极侧流路48内流通的第1湿润气体经过收容箱46的第2配管52、第2输气管道120和第1排气阀122，被从第1排气管道124排出。或者，也可以在第1排气管道124设置未图示的回收容置来回收第1湿润气体。
35.活化装置40具有第3输气管道130。氮气供给部132和氧化剂气体供给部134通过第2三通阀136而连接于第3输气管道130的一端。氮气供给部132例如与上述同样是氮气储罐。氮气作为惰性的第2气体来供给。在本实施方式中，单独设置连接于第1输气管道110的氮气供给部114和连接于第3输气管道130的氮气供给部132。然而，也可以将1个氮气供给部连接于第1输气管道110和第3输气管道130的双方。
36.氧化剂气体供给部134例如是压缩大气的压缩机。或者，氧化剂气体供给部134也可以是氧气瓶。氮气供给部132和氧化剂气体供给部134是第2气体供给部，氮气或者氧化剂气体作为第2气体而被选择性地供给。
37.在第3输气管道130上设置有构成第2湿润气体供给部的第2加湿部138。第2加湿部138对第2气体(氮气或者氧化剂气体)给予水蒸汽。据此，第2气体成为第2湿润气体(湿润氮气或者湿润氧化剂气体)。
38.第3输气管道130的另一端连接于收容箱46的第3配管56。从第3输气管道130的另一端流入第3配管56的第2湿润气体在形成于第2治具44的阴极侧流路54内流通。
39.活化装置40具有第4输气管道140。第4输气管道140的一端连接于收容箱46的第4配管58。在第4输气管道140的另一端，通过第2排气阀142设置有第2排气管道144。在阴极侧
流路54内流通的第2湿润气体经过收容箱46的第4配管58、第4输气管道140和第2排气阀142被从第2排气管道144排出。或者，也可以在第2排气管道144设置未图示的回收容置来回收第2湿润气体。
40.活化装置40具有加湿状态获取部150。在本实施方式中，加湿状态获取部150具有电气参数检测部152和控制部154。电气参数检测部152例如具有第1电极端子72、第2电极端子84和mea电压测量仪160。下面，将通过mea电压测量仪160求得的mea10的电压简称为电池电压。电池电压根据阳极电极14与阴极电极16的电位差来求得。此外，电气参数检测部152也可以是mea电阻测量仪、mea电流测量仪或者mea阻抗测量仪。电气参数检测部152也可以全部具有这些测量仪器。
41.加湿状态获取部150还具有压力参数检测部161。压力参数检测部161包含阳极压差计162和阴极压差计164。
42.阳极压差计162检测第1输气管道110的气压与第2输气管道120的气压的压差。即，该压差表示从阳极侧流路48去往阳极电极14的阳极侧流路48入口与从阳极电极14去往阳极侧流路48的阳极侧流路48出口的压差。阴极压差计164检测第3输气管道130的气压与第4输气管道140的气压的压差。即，该压差表示从阴极侧流路54去往阴极电极16的阴极侧流路54入口与从阴极电极16去往阴极侧流路54的阴极侧流路54出口的压差。
43.控制部154电连接于mea电压测量仪160、热量供给部86、阳极压差计162和阴极压差计164。通过mea电压测量仪160(电气参数检测部152)测量到的与电池电压相关的信息作为信息信号被发送给控制部154。还向控制部154输入分别通过阳极压差计162和阴极压差计164测量到的与气压差相关的信息信号。
44.如后述那样，在本实施方式中进行发电老化(power generation aging)。因此，通过第1治具42和第2治具44在mea10电连接外部负载170。
45.接着，对本实施方式的mea10的活化方法进行说明。图5是活化方法的概略流程图。活化方法具有夹持工序s1、扫气工序s2、准备工序s3、活化工序s4和再扫气工序s5。此外，图5中的“an”表示阳极电极14，图5中的“ca”表示阴极电极16。
46.首先，作业者将组装成单体电池之前的mea10夹在第1治具42与第2治具44之间。据此，实施夹持工序s1。接着，作业者将mea10、第1治具42和第2治具44收容于收容箱46。在此，收容箱46的第1配管50、第2配管52、第3配管56和第4配管58分别预连接于第1输气管道110、第2输气管道120、第3输气管道130和第4输气管道140。另外，第1治具42的第1电极端子72和第2治具44的第2电极端子84电连接于外部负载170。尽管在图2中未特别地示出，但mea电压测量仪160也电连接于第1电极端子72和第2电极端子84。
47.在该状态下，作业者对控制部154给予“开始活化”的指令信号。基于该指令信号，控制部154首先执行扫气工序s2。
48.被给予指令信号的控制部154进行扫气工序s2，因此，使第1三通阀116向氮气供给部114与第1输气管道110连通的方向进行动作。且控制部154使第2三通阀136向氮气供给部132与第3输气管道130连通的方向进行动作。另外，控制部154打开第1排气阀122和第2排气阀142。
49.由氮气供给部114供给的氮气通过第1加湿部118成为湿润氮气之后，在第1输气管道110内流通。湿润氮气经过第1配管50流入第1治具42的阳极侧流路48。湿润氮气在流经阳
极侧流路48的过程中与阳极电极14的第1电极催化剂层18相接触。据此，给予阳极电极14和电解质膜12水分。在阳极侧流路48内流通的湿润氮气经过第2配管52流入第2输气管道120。在此之后，湿润氮气通过第1排气阀122而被从第1排气管道124排出。
50.由氮气供给部132供给的氮气通过第2加湿部138而变成湿润氮气之后，在第3输气管道130内流通。湿润氮气经过第3配管56而流入第2治具44的阴极侧流路54。湿润氮气在流经阴极侧流路54的过程中与阴极电极16的第2电极催化剂层22相接触。据此，给予阴极电极16和电解质膜12水分。在阴极侧流路54内流通的湿润氮气经过第4配管58流入第4输气管道140。在此之后，湿润氮气通过第2排气阀142而被从第2排气管道144排出。
51.据此，空气由阳极侧流路48和阴极侧流路54排出而被置换为湿润氮气。当控制部154识别到扫气工序s2开始且经过规定时间时，转移到准备工序s3。具体而言，控制部154使第1三通阀116向氢气供给部112与第1输气管道110连通的方向进行动作。
52.由氢气供给部112供给的氢气通过第1加湿部118而变成湿润氢气之后，在第1输气管道110内流通。湿润氢气经过第1配管50而流入第1治具42的阳极侧流路48。湿润氢气在流经阳极侧流路48的过程中与阳极电极14的第1电极催化剂层18相接触。因此，继续对阳极电极14和电解质膜12给予水分。在阳极侧流路48内流通的湿润氢气经过第2配管52而流入第2输气管道120。在此之后，湿润氢气通过第1排气阀122而被从第1排气管道124排出。还可以通过未图示的回收机构来回收该湿润氢气。
53.在准备工序s3中，也可以通过超声波喷射喷嘴向第1输气管道110和第3输气管道130分别喷射包含空穴(cavitation)的蒸汽(气液两相流)。在此情况下，第1电极催化剂层18和第2电极催化剂层22被蒸汽良好地湿润。即，第1电极催化剂层18和第2电极催化剂层22的湿润状态提高。
54.当控制部154识别到准备工序s3开始且已经过规定时间时，转移到活化工序s4。具体而言，控制部154切换第2三通阀136，阻断氮气供给部132与第3输气管道130的连通，且使氧化剂气体供给部134与第3输气管道130相连通。据此，含有氧气的氧化剂气体(典型的情况为压缩空气)流入第3输气管道130。氧化剂气体通过第2加湿部138而变成湿润氧化剂气体之后，经过第3配管56而流入第2治具44的阴极侧流路54。湿润氧化剂气体在流经阴极侧流路54的过程中与阴极电极16的第2电极催化剂层22相接触。据此，继续对阴极电极16和电解质膜12给予水分。在阴极侧流路54内流通的湿润氧化剂气体经过第4配管58而流入第4输气管道140。在此之后，湿润氧化剂气体通过第2排气阀142而被从第2排气管道144排出。
55.在此情况下，在阳极电极14的第1电极催化剂层18，氢发生电离而产生质子和电子。质子在电解质膜12内传导，到达阴极电极16的第2电极催化剂层22。电子经由外部负载170而到达阴极电极16的第2电极催化剂层22。在该第2电极催化剂层22，氧、质子及电子化学性键合，从而生成水。
56.上述的电化学反应为发热反应。即，mea10带有热量。当该热量被传递给湿润氢气和湿润氧化剂气体时，湿润氢气和湿润氧化剂气体的温度上升。此时，第1热管70从湿润氢气吸收热量。同样，第2热管82从湿润氧化剂气体吸收热量。这样一来，第1热管70和第2热管82通常分别对湿润氢气和湿润氧化剂气体进行冷却。
57.在图6中用虚线表示未发生溢流时的电池电压的经时变化。如由图6理解的那样，未发生溢流时的电池电压呈平缓的曲线状变化。另外，实线表示发生溢流的情况下的电池
电压的经时变化。发生溢流的理由在于，在阳极电极14或者阴极电极16中的任一方或者在阳极电极14和阴极电极16的双方，由于水分(水蒸汽的浓度)大而过电压变大。下面，将该过电压简记为“电池的浓度过电压”。
58.图7中的曲线图a表示阳极侧流路48中的液态水量随着时间的经过而增加的状态。在此情况下，如图7中的曲线图b所示，伴随着液态水量的增加，第1输气管道110与第2输气管道120的压差增大。此外，在图7中表示为“阳极侧的压差”。另外，如图7中的曲线图c所示，电池的浓度过电压上升。另一方面，第1热管70内的工作液92从湿润氢气吸收潜热。因此，如图7中的曲线图d所示，工作液92的温度降低。尽管未特别地图示，但即使在阴极侧流路54中的液态水量随着时间的经过而增加的情况下，也能够得到与上述同样的曲线图a～曲线图d。
59.曲线图c中的点tp是预先设定的上限值。即，点tp表示电池的浓度过电压达到规定的上限值。此时，阳极侧流路48中的液态水量到达允许范围的上限。在液态水量进一步增加的情况下，氢不易到达第1电极催化剂层18。因此，存在阳极电极14不被充分活化的担忧。
60.在本实施方式中，始终向控制部154发送与电池的浓度过电压有关的信息信号。识别到电池的浓度过电压达到规定的上限值的控制部154判断为“mea10的加湿状态处于合适的上限”。这样一来，电池电压是掌握mea10的加湿状态的指标。
61.还向控制部154输入通过阳极压差计162测量到的压差和通过阴极压差计164测量到的压差。如上所述，通过阳极压差计162测量到的压差是指从阳极侧流路48去往阳极电极14的阳极侧流路48入口与从阳极电极14去往阳极侧流路48的阳极侧流路48出口的压差。通过阴极压差计164测量到的压差是指从阴极侧流路54去往阴极电极16的阴极侧流路54入口与从阴极电极16去往阴极侧流路54的阴极侧流路54出口的压差。识别到任一压差达到规定的上限值的控制部154判断为“mea10的加湿状态处于合适的上限”。这样，上述的压差也是掌握mea10的加湿状态的指标。
62.作出上述那样的判断的控制部154使第1热管70和第2热管82的温度上升。具体而言，控制部154通过增加热量供给部86的发热量来增加由热量供给部86传递到第1热管70和第2热管82的热量。
63.通过该控制，由第1热管70给予湿润氢气的热量增加。同样，由第2热管82给予湿润氧化剂气体的热量增加。因此，如图7中的曲线图d所示，湿润氢气(和湿润氧化剂气体)的露点变高。其结果，湿润氢气和湿润氧化剂气体不易发生冷凝。据此，如图7中的曲线图a所示，阳极侧流路48和阴极侧流路54内各自的液态水量逐渐减少。伴随着液态水量减少，如图7中的曲线图c所示，电池的浓度过电压降低。除此以外，如图7中的曲线图b所示，第1输气管道110与第2输气管道120的压差降低。
64.在阳极侧流路48和阴极侧流路54内各自的液态水量过度减少的情况下，存在电解质膜12干燥的担忧。因此，控制部154在电池的浓度过电压达到规定的下限值时判断为“mea10的加湿状态处于合适的下限”。规定的下限值在图7中的曲线图c中表示为点dw。此外，控制部154在第1输气管道110与第2输气管道120的压差达到规定的下限值时也以与上述同样的方式进行判断。
65.如上述那样进行判断的控制部154使第1热管70和第2热管82的温度降低。具体而言，控制部154通过减少热量供给部86的发热量来减少由热量供给部86向第1热管70和第2
热管82传递的热量。
66.通过该控制，由第1热管70给予湿润氢气的热量减少。同样，由第2热管82给予湿润氧化剂气体的热量减少。因此，如图7中的曲线图d所示，湿润氢气(和湿润氧化剂气体)中的露点降低。其结果，湿润氢气和湿润氧化剂气体易于发生冷凝。据此，如图7中的曲线图a所示，阳极侧流路48和阴极侧流路54内各自的液态水量逐渐增加。伴随着液态水量增加，如图7中的曲线图c所示，电池的浓度过电压增加。另外，如图7中的曲线图b所示，第1输气管道110与第2输气管道120的压差增大。
67.第1热管70和第2热管82对给予热量或者停止给予热量的响应速度快。因此，当由热量供给部86对第1热管70给予热量时，阳极侧流路48内的湿润氢气的温度迅速上升。同样，当由热量供给部86对第2热管82给予热量时，阴极侧流路54内的湿润氧化剂气体的温度迅速上升。与此相反，当停止由热量供给部86对第1热管70给予热量时，阳极侧流路48内的湿润氢气的温度迅速下降。同样，当停止由热量供给部86对第2热管82给予热量时，阴极侧流路54内的湿润氧化剂气体的温度迅速下降。
68.如以上那样，湿润氢气和湿润氧化剂气体的各温度被迅速调节。即，能够将湿润氢气和湿润氧化剂气体各自的温度保持大致一定。因此，能够将阳极侧流路48和阴极侧流路54各自中的液态水量保持在合适量，因此避免发生溢流。其结果，足够量的湿润氢气到达阳极电极14的第1电极催化剂层18，且足够量的湿润氧化剂气体到达阴极电极16的第2电极催化剂层22。据此，能够充分对mea10进行活化。
69.识别到开始活化工序s4且经过规定时间的控制部154转移到再扫气工序s5，因此控制第1三通阀116和第2三通阀136。具体而言，控制部154控制第1三通阀116，阻断氢气供给部112与第1输气管道110的连通，且使氮气供给部114与第1输气管道110相连通。另外，控制部154控制第2三通阀136，阻断第3输气管道130与氧化剂气体供给部134的连通，且使第3输气管道130与氮气供给部132相连通。
70.在该状态下，由氮气供给部114向阳极侧流路48供给氮气，且由氮气供给部132向阴极侧流路54供给氮气。氮气通过与扫气工序s2中的氮气的流通路径相同的流通路径变成湿润氮气，且被向阳极电极14和阴极电极16供给。湿润氮气经过第2输气管道120和第4输气管道140被分别从第1排气阀122和第2排气阀142排出。即，阳极侧流路48和阴极侧流路54被湿润氮气置换。
71.据此，再扫气工序s5结束。在此之后，第1三通阀116、第2三通阀136、第1排气阀122和第2排气阀142闭合，mea10从活化装置40脱离。
72.如以上说明的那样，本实施方式公开一种电解质膜-电极结构体的活化方法，其用于对电解质膜-电极结构体(10)进行活化，所述电解质膜-电极结构体(10)由在构成燃料电池的阳极电极(14)与阴极电极(16)之间夹持电解质膜(12)而成，具有夹持工序(s1)和活化工序(s4)，在所述夹持工序(s1)中，通过第1治具(42)和第2治具(44)夹持所述电解质膜-电极结构体，其中，所述第1治具(42)形成有用于向所述阳极电极供给第1湿润气体的阳极侧流路(48)且设置有与所述第1湿润气体授受热量的第1热管(70)；所述第2治具(44)形成有用于向所述阴极电极供给第2湿润气体的阴极侧流路(54)且设置有与所述第2湿润气体授受热量的第2热管(82)；
在所述活化工序(s4)中，一边在所述阳极侧流路内流通所述第1湿润气体且在所述阴极侧流路内流通所述第2湿润气体，一边对夹在所述第1治具与所述第2治具之间的所述电解质膜-电极结构体进行老化，在所述活化工序中，通过在所述第1湿润气体与所述第1热管之间授受热量来将所述第1湿润气体的温度保持在规定范围内，且通过在所述第2湿润气体与所述第2热管之间授受热量来将所述第2湿润气体的温度保持在规定范围内。
73.在本实施方式中，通过在第1热管与第1湿润气体之间授受热量，且在第2热管与第2湿润气体之间授受热量，据此，将第1湿润气体和第2湿润气体的各温度调节成规定的范围内。据此，阳极侧流路和阴极侧流路的液态水量被保持在适当的范围。因此，能够一边避免发生溢流一边给予电解质膜-电极结构体水分。即，能够充分对电解质膜-电极结构体进行活化。
74.第1热管和第2热管对吸热或者放热的响应速度快。因此，能够迅速调节第1湿润气体和第2湿润气体的各温度。
75.本实施方式公开一种电解质膜-电极结构体的活化方法，在所述活化工序中，通过加湿状态获取部(150)获取与所述电解质膜-电极结构体的加湿状态有关的指标，当所述指标达到规定的阈值时使所述第1热管和所述第2热管的温度上升。
76.在此情况下，根据指标来确定是否在第1热管及第2热管与第1湿润气体及第2湿润气体之间分别给予热量。即，通过获取指标，能够容易地调节第1湿润气体和第2湿润气体的各温度。
77.本实施方式公开一种电解质膜-电极结构体的活化方法，根据电气参数的变化或者压力参数的变化来获取所述指标。在此，电气参数是指电解质膜-电极结构体的电压值、电阻值、电流值或者阻抗值。压力参数是指被供给到阳极电极的第1湿润气体与由阳极电极排出的第1湿润气体的压差。或者，压力参数是被供给到阴极电极的第2湿润气体与由阴极电极排出的第2湿润气体的压差。
78.例如，当电解质膜-电极结构体的电压值降低时、电解质膜-电极结构体的电阻值或者阻抗值上升时、或者所述压差上升时，判断为在阳极侧流路和阴极侧流路中液态水量增加。因此，能够通过将电解质膜-电极结构体的电气参数或者所述压差作为指标来判断电解质膜-电极结构体的加湿状态。在电解质膜-电极结构体的电压值降低的情况下、或者电解质膜-电极结构体的电阻值或阻抗值上升的情况下，由第1热管对第1湿润气体给予热量。另外，由第2热管对第2湿润气体给予热量。其结果，阳极侧流路和阴极侧流路中的液态水量开始减少。
79.本实施方式公开一种电解质膜-电极结构体的活化方法，当所述指标达到另一规定的阈值时分别停止由所述第1热管和所述第2热管对所述第1湿润气体和所述第2湿润气体给予热量。
80.通过进行这种控制，避免阳极侧流路和阴极侧流路内的液态水量过度减少。因此，能够对电解质膜-电极结构体给予足够的水分。
81.本实施方式公开一种活化装置(40)，其用于对电解质膜-电极结构体(10)进行活化，所述电解质膜-电极结构体(10)由在构成燃料电池的阳极电极(14)与阴极电极(16)之间夹持电解质膜(12)而成，
具有第1治具(42)、第2治具(44)、第1湿润气体供给部、第2湿润气体供给部、热量供给部(86)和控制部(154)，其中，所述第1治具(42)形成有用于向所述阳极电极供给第1湿润气体的阳极侧流路(48)且设置有与所述第1湿润气体授受热量的第1热管(70)；所述第2治具(44)形成有用于向所述阴极电极供给第2湿润气体的阴极侧流路(54)且设置与所述第2湿润气体授受热量的第2热管(82)；所述第1湿润气体供给部用于向所述阳极侧流路供给所述第1湿润气体；所述第2湿润气体供给部用于向所述阴极侧流路供给所述第2湿润气体；所述热量供给部(86)用于给予所述第1热管和所述第2热管热量；所述控制部(154)控制由所述热量供给部给予所述第1热管和所述第2热管的热量。
82.根据这种结构，能够将第1湿润气体和第2湿润气体的各温度迅速地调节到规定的范围内。
83.本实施方式公开一种活化装置，具有加湿状态获取部(150)，所述加湿状态获取部(150)获取与所述电解质膜-电极结构体的加湿状态有关的指标。
84.在此情况下，控制部根据指标来确定是否在第1热管及第2热管与第1湿润气体及第2湿润气体之间给予热量。这样一来，能够通过获取指标来容易地调节第1湿润气体和第2湿润气体的各温度。
85.本实施方式公开一种活化装置，所述加湿状态获取部根据电气参数的变化或者压力参数的变化来获取所述指标。如上所述，电气参数是指电解质膜-电极结构体的电压值、电阻值、电流值或者阻抗值。压力参数是指被供给到阳极电极的第1湿润气体与由阳极电极排出的第1湿润气体的压差。或者，压力参数是指被供给到阴极电极的第2湿润气体与由阴极电极排出的第2湿润气体的压差。
86.如上所述，通过将电解质膜-电极结构体的电气参数或者所述压差作为指标，能够判断电解质膜-电极结构体的加湿状态。
87.本实施方式公开一种活化装置，具有收容箱(46)，所述收容箱(46)收容处于在彼此之间夹着所述电解质膜-电极结构体的状态的所述第1治具和所述第2治具。
88.通过将夹着电解质膜-电极结构体的第1治具和第2治具收容于收容箱，能够避免第1湿润气体从第1治具的阳极侧流路泄漏、和第2湿润气体从第2治具的阴极侧流路泄漏。
89.本实施方式公开一种活化装置，具有电压施加部(180)，所述电压施加部(180)用于对所述电解质膜-电极结构体施加电压。
90.根据该结构，能够对电解质膜-电极结构体实施由cv老化或者氢泵运行等实现的活化。
91.另外，本发明并不限定于上述的实施方式，在没有脱离本发明的主旨的范围内能够采用各种结构。
92.例如，还能够代替发电老化而进行cv老化、氢泵运行、浓差电池运行等。
93.在进行cv老化或者氢泵运行等的情况下，如图8所示，代替外部负载170(参照图2)而使用电压施加部180。在此情况下，活化装置40a构成为包含电压施加部180。尽管未特别地图示，但典型的情况为，电压施加部180具有与mea10电连接的稳压器、和控制该稳压器的
电压扫频仪。
94.在进行cv老化的情况下，优选为，测定输出电压相对于施加电压的比例(输出/输入比)的变化作为电气参数。
95.也可以代替热量供给部86而设置冷却部。也可以将热量供给部86或者冷却部单独地设置于阳极电极14和阴极电极16。在任一情况下，均能够并设热量供给部86和冷却部。
96.此外，本发明并不限定于上述的公开内容，在没有脱离本发明的主旨的范围内能够采用各种结构。

技术特征：
1.一种电解质膜-电极结构体的活化方法，其用于对电解质膜-电极结构体(10)进行活化，其中所述电解质膜-电极结构体(10)通过在构成燃料电池的阳极电极(14)与阴极电极(16)之间夹持电解质膜(12)而构成，其特征在于，具有夹持工序(s1)和活化工序(s4)，在所述夹持工序(s1)中，通过第1治具(42)和第2治具(44)来夹持所述电解质膜-电极结构体，其中，所述第1治具(42)形成有用于向所述阳极电极供给第1湿润气体的阳极侧流路(48)且设置有与所述第1湿润气体授受热量的第1热管(70)；所述第2治具(44)形成有用于向所述阴极电极供给第2湿润气体的阴极侧流路(54)且设置有与所述第2湿润气体授受热量的第2热管(82)；在所述活化工序(s4)中，一边使所述第1湿润气体在所述阳极侧流路内流通且使所述第2湿润气体在所述阴极侧流路内流通，一边对夹在所述第1治具与所述第2治具之间的所述电解质膜-电极结构体进行老化，在所述活化工序中，通过在所述第1湿润气体与所述第1热管之间授受热量来将所述第1湿润气体的温度保持在规定范围内，并且通过在所述第2湿润气体与所述第2热管之间授受热量来将所述第2湿润气体的温度保持在规定范围内。2.根据权利要求1所述的活化方法，其特征在于，在所述活化工序中，通过加湿状态获取部(150)来获取与所述电解质膜-电极结构体的加湿状态有关的指标，且当所述指标达到规定的阈值时使所述第1热管和所述第2热管的温度上升。3.根据权利要求2所述的活化方法，其特征在于，根据电气参数的变化或者压力参数的变化来获取所述指标，所述电气参数是指所述电解质膜-电极结构体的电压值、电阻值、电流值或者阻抗值，所述压力参数是指被供给到所述阳极电极的所述第1湿润气体与由所述阳极电极所排出的所述第1湿润气体的压差、或者被供给到所述阴极电极的所述第2湿润气体与由所述阴极电极所排出的所述第2湿润气体的压差。4.根据权利要求2或3所述的活化方法，其特征在于，当所述指标达到另一规定的阈值时分别停止由所述第1热管和所述第2热管对所述第1湿润气体和所述第2湿润气体给予热量。5.一种活化装置(40)，其用于对电解质膜-电极结构体(10)进行活化，其中所述电解质膜-电极结构体(10)通过在构成燃料电池的阳极电极(14)与阴极电极(16)之间夹持电解质膜(12)而构成，其特征在于，具有第1治具(42)、第2治具(44)、第1湿润气体供给部、第2湿润气体供给部、热量供给部(86)和控制部(154)，其中，所述第1治具(42)形成有用于向所述阳极电极供给第1湿润气体的阳极侧流路(48)且设置有与所述第1湿润气体授受热量的第1热管(70)；所述第2治具(44)形成有用于向所述阴极电极供给第2湿润气体的阴极侧流路(54)且设置有与所述第2湿润气体授受热量的第2热管(82)；
所述第1湿润气体供给部用于向所述阳极侧流路供给所述第1湿润气体；所述第2湿润气体供给部用于向所述阴极侧流路供给所述第2湿润气体；所述热量供给部(86)用于给予所述第1热管和所述第2热管热量；所述控制部(154)控制由所述热量供给部给予所述第1热管和所述第2热管的热量。6.根据权利要求5所述的活化装置，其特征在于，具有加湿状态获取部(150)，所述加湿状态获取部(150)获取与所述电解质膜-电极结构体的加湿状态有关的指标。7.根据权利要求6所述的活化装置，其特征在于，所述加湿状态获取部根据电气参数的变化或者压力参数的变化来获取所述指标，所述电气参数是指所述电解质膜-电极结构体的电压值、电阻值、电流值或者阻抗值，所述压力参数是指被供给到所述阳极电极的所述第1湿润气体与由所述阳极电极所排出的所述第1湿润气体的压差、或者被供给到所述阴极电极的所述第2湿润气体与由所述阴极电极所排出的所述第2湿润气体的压差。8.根据权利要求5所述的活化装置，其特征在于，具有收容箱(46)，所述收容箱(46)收容处于在彼此之间夹着所述电解质膜-电极结构体的状态的所述第1治具和所述第2治具。9.根据权利要求5～8中任一项所述的活化装置，其特征在于，具有电压施加部(180)，所述电压施加部(180)用于对所述电解质膜-电极结构体施加电压。

技术总结
本发明涉及一种电解质膜-电极结构体的活化方法及其装置。电解质膜-电极结构体(10)被夹在第1治具(42)与第2治具(44)之间。在形成有阳极侧流路(48)的第1治具设置有第1热管(70)。第1热管与在阳极侧流路内流通的第1湿润气体授受热量。在形成有阴极侧流路的第2治具设置有第2热管(82)。第2热管与在阴极侧流路内流通的第2湿润气体授受热量。能够由热量供给部(86)向第1热管和第2热管供给热量。据此，能够充分地对电解质膜-电极结构体进行活化。电极结构体进行活化。电极结构体进行活化。


技术研发人员：佐藤浩一郎
受保护的技术使用者：本田技研工业株式会社
技术研发日：2023.02.28
技术公布日：2023/9/13