JP7208289B2 - 燃料電池のエージング方法、及びエージング装置 - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池のエージング方法、及びエージング装置に関する。
燃料電池は、電解質膜と、電解質膜の両面の各々に積層された一対の電極と、を有する電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）、及びＭＥＡの電極面の各々に設置された一対のセパレータ（バイポーラ板）を備える。この燃料電池は、複数積層されることで、燃料電池スタックに組み立てられる。燃料電池スタック（又は燃料電池）の製造では、組立後に、燃料電池の発電性能を引き出すためにエージングを行っている。
例えば、特許文献１には、燃料電池スタックのアノードに水素ガスを封じ込め、酸素剤ガスと不活性ガスとをカソードに交互に複数回に亘って供給し、その後にアノード及びカソードに温水を充満するエージング方法が開示されている。しかしながら、このエージング方法は、水素から電離したプロトンが電解質膜を移動する際に、電気浸透水を伴わないので、電解質膜を充分に加湿することができない。
特開２０１８－６７４９９号公報
すなわち、電解質膜内の加湿を行うために、エージング方法では、発電時に加湿した水素ガスを供給して、プロトンを電解質膜に透過させることが好ましい。ただし、水素ガスの供給と加湿とは、トレードオフの関係にあり、水素ガスに随伴する水を増やすと、電極に液水膜が生じてガス拡散性が低下してしまい、プロトンの発生量が減少することになる。逆に、水素ガスに随伴する水を減らすと、電解質膜の加湿が不充分になる。
本発明は、上記の実情を鑑みたものであり、電解質膜の加湿を一層促進することが可能となり、これによりエージングの効率化を図ることができる燃料電池のエージング方法、及びエージング装置を提供することを目的とする。
前記の目的を達成するために、本発明の第１の態様は、電解質膜と、前記電解質膜の両面に設けられた一対の電極と、を有する燃料電池のエージング方法であって、加湿した水素ガスを前記一対の電極のうち一方の電極に供給しつつ、加湿した不活性ガスを前記一対の電極のうち他方の電極に供給することで、前記一方の電極から前記電解質膜を通して前記他方の電極にプロトンを移動させる第１パターンと、前記加湿した不活性ガスを前記一方の電極に供給しつつ、前記加湿した水素ガスを前記他方の電極に供給することで、前記他方の電極から前記電解質膜を通して前記一方の電極にプロトンを移動させる第２パターンと、を有する。
また、前記の目的を達成するために、本発明の第２の態様は、電解質膜と、前記電解質膜の両面に設けられた一対の電極と、を有する燃料電池に対してエージングを行うエージング装置であって、加湿した水素ガスを前記燃料電池に供給可能な水素ガス供給部と、加湿した不活性ガスを前記燃料電池に供給可能な不活性ガス供給部と、前記水素ガス供給部及び前記不活性ガス供給部を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記加湿した水素ガスを前記一対の電極のうち一方の電極に供給しつつ、前記加湿した不活性ガスを前記一対の電極のうち他方の電極に供給することで、前記一方の電極から前記電解質膜を通して前記他方の電極にプロトンを移動させる第１パターンと、前記加湿した不活性ガスを前記一方の電極に供給しつつ、前記加湿した水素ガスを前記他方の電極に供給することで、前記他方の電極から前記電解質膜を通して前記一方の電極にプロトンを移動させる第２パターンと、を行う。
上記の燃料電池のエージング方法、及びエージング装置は、電解質膜の加湿を一層促進することが可能となり、これによりエージングの効率化を図ることができる。
本発明の一実施形態に係る燃料電池のエージング方法を行うエージング装置の全体構成を示す説明図である。 燃料電池の構成を示す斜視図である。 図３Ａは、過加湿ガスエージング（濃淡電池）の第１パターンを示す説明図である。図３Ｂは、過加湿ガスエージング（濃淡電池）の第２パターンを示す説明図である。 濃淡電池の第１パターンにおける燃料電池の作用を示す拡大断面図である。 濃淡電池の第２パターンにおける燃料電池の作用を示す拡大断面図である。 図６Ａは、第１実施形態に係る燃料電池のエージング方法を示すフローチャートである。図６Ｂは、過加湿ガスエージングの処理フローを示すフローチャートである。 図７Ａは、本発明の過加湿ガスエージングによる電解質膜の加湿状態を概略的に示す説明図である。図７Ｂは、従来のエージングによる電解質膜の加湿状態を概略的に示す説明図である。 変形例に係るエージング装置を示す部分説明図である。 図９Ａは、変形例に係るエージング装置の第１供給処理部の構成を示す説明図である。図９Ｂは、変形例に係るエージング装置の第２供給処理部の構成を示す説明図である。 図１０Ａは、変形例に係るエージング装置の第１パターンの動作を示す説明図である。図１０Ｂは、変形例に係るエージング装置の第１パターン後のコンディショニング工程を示す説明図である。 図１１Ａは、変形例に係るエージング装置の第２パターンの動作を示す説明図である。図１１Ｂは、変形例に係るエージング装置の第２パターン後のコンディショニング工程を示す説明図である。 図１２Ａは、第２実施形態に係る燃料電池のエージング方法（過加湿ガスエージング：水素ポンプ）の第１パターンを示す説明図である。図１２Ｂは、過加湿ガスエージング（水素ポンプ）の第２パターンを示す説明図である。 水素ポンプの第１パターンにおける燃料電池の作用を示す拡大断面図である。 第３実施形態に係る燃料電池のエージング方法を示すフローチャートである。
以下、本発明について好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。
〔第１実施形態〕
本発明の第１実施形態に係る燃料電池１０のエージング方法は、図１に示すエージング装置５０を使用する。エージング装置５０には、単位発電セルである燃料電池１０を複数積層した燃料電池スタック１２がセットされる。エージング装置５０は、加湿した水素ガス及び不活性ガスを燃料電池スタック１２に供給して燃料電池１０の活性化を促すエージングを実施することで、燃料電池スタック１２の発電性能を高める。以下、発明の理解の容易化のために、まず燃料電池スタック１２の構成について説明する。
燃料電池スタック１２は、複数の燃料電池１０を積層した積層体１４を、スタックケース（不図示）に収容して構成されている。図２に示すように、燃料電池１０は、外周部に樹脂枠１９を有する電解質膜・電極構造体１８（以下、ＭＥＡ１８という）と、ＭＥＡ１８の両面にそれぞれ積層される第１セパレータ２０ａ及び第２セパレータ２０ｂとを有する。燃料電池１０は、第１セパレータ２０ａとＭＥＡ１８の間に水素等のアノードガス（燃料ガス）が流通する一方で、第２セパレータ２０ｂとＭＥＡ１８の間に酸素等のカソードガス（酸化剤ガス）が流通することで、アノードガス及びカソードガスの電気化学反応により発電する。
ＭＥＡ１８は、電解質膜２２と、電解質膜２２の一方面に設けられるアノード電極２４と、電解質膜２２の他方面に設けられるカソード電極２６とを有する。電解質膜２２は、例えば、水分を含んだパーフルオロスルホン酸の薄膜である固体高分子電解質膜（陽イオン交換膜）が適用される。なお、電解質膜２２は、フッ素系電解質の他、ＨＣ（炭化水素）系電解質を使用することができる。
アノード電極２４及びカソード電極２６の各々は、電解質膜２２に接合される触媒層２４ａ、２６ａと、触媒層２４ａ、２６ａに積層される緻密カーボン層２４ｂ、２６ｂと、緻密カーボン層２４ｂ、２６ｂに積層されるガス拡散層２４ｃ、２６ｃと、を有する（図４参照）。触媒層２４ａ、２６ａは、例えば、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が、イオン導電性高分子バインダと共にカーボンペーパ又はカーボンクロス等の表面に一様に塗布されることで形成される。触媒層２４ａ、２６ａは、複数の細孔の平均的な径（平均細孔径）が５０～８０ｎｍ前後となっている。緻密カーボン層２４ｂ、２６ｂは、カーボンペーパ又はカーボンクロス等から形成され、その平均細孔径が４００～６００ｎｍ前後となっている。ガス拡散層２４ｃは、カーボンペーパ又はカーボンクロス等から形成され、その平均細孔径が３０～５０×１０３ｎｍ前後となっている。
第１セパレータ２０ａ及び第２セパレータ２０ｂ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、又はその金属表面に防食用の表面処理を施した金属プレートをプレスして断面を凹凸に形成して構成される。燃料電池スタック１２の製造では、一の燃料電池１０の第１セパレータ２０ａと、他の燃料電池１０の第２セパレータ２０ｂとの外周同士を接合した接合セパレータを形成し、この接合セパレータとＭＥＡ１８を積層することで、積層体１４を構築していく。
第１セパレータ２０ａは、アノードガスを流動させるアノード流路３０を、ＭＥＡ１８のアノード電極２４に対向する面に備える。アノード流路３０は、第１セパレータ２０ａの長手方向に延在する複数本の突条部３１間に形成された直線状流路溝（又は波状流路溝）によって構成される。
第２セパレータ２０ｂは、カソードガスを流動させるカソード流路３２を、ＭＥＡ１８のカソード電極２６に対向する面に備える（図２中では、便宜的にカソード電極２６上にカソードガスの流通方向を図示している）。カソード流路３２は、第２セパレータ２０ｂの長手方向に延在する複数本の突条部３３間に形成された直線状流路溝（又は波状流路溝）によって構成される。
また、第１セパレータ２０ａと第２セパレータ２０ｂとが接触し合う面の間には、冷媒（例えば、水）を流通させる冷媒流路３４が形成される。冷媒流路３４は、第１セパレータ２０ａのアノード流路３０の裏面形状と、第２セパレータ２０ｂのカソード流路３２の裏面形状とが重なり合うことで形成される。
さらに、燃料電池１０は、アノードガス、カソードガス及び冷媒を積層体１４の積層方向に流通させる流体連通孔３６を複数備える。
燃料電池１０の長辺方向の一端縁部には、流体連通孔３６として１つのアノードガス入口連通孔３８ａ、２つのカソードガス出口連通孔４０ｂ及び冷媒入口連通孔４２ａが設けられる。アノードガス入口連通孔３８ａは、第１セパレータ２０ａのアノード流路３０に連通し、アノード流路３０にアノードガスを流入させる。２つの冷媒入口連通孔４２ａは、第１及び第２セパレータ２０ａ、２０ｂ間の冷媒流路３４に連通し、冷媒流路３４に冷媒を流入させる。２つのカソードガス出口連通孔４０ｂは、第２セパレータ２０ｂのカソード流路３２に連通し、カソード流路３２からカソードガスを流出させる。
燃料電池１０の長辺方向の他端縁部には、流体連通孔３６として１つのカソードガス入口連通孔４０ａと、２つのアノードガス出口連通孔３８ｂと、２つの冷媒出口連通孔４２ｂとが設けられる。カソードガス入口連通孔４０ａは、第２セパレータ２０ｂのカソード流路３２に連通し、カソード流路３２にカソードガスを流入させる。２つの冷媒出口連通孔４２ｂは、第１及び第２セパレータ２０ａ、２０ｂ間の冷媒流路３４に連通し、冷媒流路３４から冷媒を流出させる。２つのアノードガス出口連通孔３８ｂは、第１セパレータ２０ａのアノード流路３０に連通し、アノード流路３０からアノードガスを流出させる。なお、流体連通孔３６の位置や数、形状等は、要求される仕様に応じて適宜設定されればよい。
また図１に示すように、積層体１４の積層方向の一端部には、ターミナルプレート４４ａ、インシュレータ４６ａ及びエンドプレート４８ａが外方に向かって順に積層される。積層体１４の積層方向の他端には、ターミナルプレート４４ｂ、インシュレータ４６ｂ及びエンドプレート４８ｂが外方に向かって順に積層される。各エンドプレート４８ａ、４８ｂは、スタックケースの一部を構成している。上記の各流体連通孔３６は、積層体１４の積層方向の一端部（又は両端部）にも貫通形成され、エンドプレート４８ａの外面に取り付けられる各配管（不図示）に連通している。
次に、本実施形態に係るエージング装置５０について説明する。エージング装置５０は、燃料電池スタック１２を配置する配置部５２と、加湿したガスを燃料電池スタック１２に流通させる第１流通部６０及び第２流通部７０と、燃料電池スタック１２に電気的に接続される電子負荷装置８０と、を有する。また、エージング装置５０は、装置全体の動作を制御する制御部５４を備える。
配置部５２は、燃料電池スタック１２をセット可能な空間を有し、セットされた燃料電池スタック１２（エンドプレート４８ａ）の各流体連通孔３６にそれぞれ接続可能な複数の配管（不図示）を有する。また、エージング装置５０は、配置部５２にセットされた燃料電池スタック１２の一対のターミナルプレート４４ａ、４４ｂと、電子負荷装置８０と、を一対のハーネス５６により接続している。
電子負荷装置８０は、特に発電時（発電エージング又は特性評価の発電）のアノード－カソード間に大電流が流れる際に使用される。
第１流通部６０は、配置部５２の所定の配管に接続される流体の第１循環経路６１を有する。第１循環経路６１は、流路を内側に有する金属管等により構成され、配置部５２にセットされた燃料電池スタック１２のアノードガス入口連通孔３８ａ及びアノードガス出口連通孔３８ｂに接続される。すなわち、第１流通部６０は、燃料電池スタック１２内の燃料電池１０のアノード電極２４に流体を流通させる。
また、第１流通部６０は、２種類の加湿したガスを選択的に第１循環経路６１に流通するために、第１加湿ガス生成部６２を備える。本実施形態において、２種類のガスは、Ｈ２ガス（水素ガス）とＮ２ガス（窒素ガス：不活性ガス）である。具体的には、第１加湿ガス生成部６２は、Ｈ２ガス又はＮ２ガスを加湿するバブラータンク６３と、バブラータンク６３に接続される２種類のガス源（Ｈ２ガス源６４、Ｎ２ガス源６５）と、バブラータンク６３に水（Ｈ２Ｏ）を供給する水供給部６６と、を有する。すなわち、第１加湿ガス生成部６２は、２種類のガス源のいずれか一方のガスと、水とをバブラータンク６３に供給し、バブラータンク６３にて加湿したガスを生成する。
Ｈ２ガス源６４は、制御部５４の制御下に図示しない封止弁が開弁されることで、Ｈ２ガスをバブラータンク６３に放出し、封止弁が閉弁されることでＨ２ガスの放出を遮断する。同様に、Ｎ２ガス源６５は、制御部５４の制御下に図示しない封止弁が開弁されることで、Ｎ２ガスをバブラータンク６３に放出し、封止弁が閉弁されることでＮ２ガスの放出を遮断する。水供給部６６は、例えば、市水に接続され、不純物を取り除く水処理部、タンク及び弁（共に不図示）等の構成を有し、制御部５４の制御下に、バブラータンク６３に水を供給する。
バブラータンク６３は、配置部５２にガスを供給する供給口５２ａの近傍位置に設けられる。バブラータンク６３は、貯留された水に対してＨ２ガス又はＮ２ガスが供給されることで、タンク内で発泡を生じさせて、加湿されたＨ２ガス又はＮ２ガスを生成する。Ｈ２ガス又はＮ２ガスを加湿した際の湿度は、特に限定されないが、７０％以上の過加湿状態とすることが好ましい。バブラータンク６３は、図示しない温度調整部によりタンク内の温度を調整することで、ガスの温度と湿度をコントロール可能に構成される。
第１流通部６０は、上記の第１加湿ガス生成部６２の他に、第１循環経路６１の流路を開閉する第１弁６７と、流体を循環させる第１ポンプ６８と、を第１循環経路６１に備える。第１弁６７は、配置部５２からガスを排出する排出口５２ｂの近傍位置に設けられる。第１弁６７は、制御部５４の制御下に開度が変更されることで、燃料電池スタック１２のアノード流路３０及び第１循環経路６１の内圧を調整すると共に、閉塞状態で流体の流通を遮断する。第１ポンプ６８は、制御部５４により回転速度が制御されることで、加湿されたガスを適宜の流速で循環させる。
また、第１循環経路６１には、流体の循環状態に関わる情報を検出する図示しない複数のセンサが設けられ、各センサは、制御部５４に情報通信可能に接続されている。例えば、複数のセンサとして第１循環経路６１内の圧力を検出する圧力センサ、第１循環経路６１の温度を検出する温度センサ、ガスの量を検出する濃度センサ等があげられる。
さらに、第１循環経路６１の第１弁６７の下流側には、当該第１循環経路６１からガスを排出する第１排出経路６９が接続されている。第１排出経路６９は、制御部５４の制御下に開閉する第１排出弁６９ａを備え、第１排出弁６９ａの閉弁状態で第１循環経路６１のガスの排出を遮断し、第１排出弁６９ａの開弁状態で第１循環経路６１のガスを排出する。
一方、第２流通部７０は、配置部５２の所定の配管に接続される流体の第２循環経路７１を有する。第２循環経路７１は、流路を内側に有する金属管等により構成され、配置部５２にセットされた燃料電池スタック１２のカソードガス入口連通孔４０ａ及びカソードガス出口連通孔４０ｂに接続される。すなわち、第２流通部７０は、燃料電池スタック１２内の燃料電池１０のカソード電極２６に流体を流通させる。
この第２循環経路７１には、第１循環経路６１と同様に、バブラータンク７３、Ｈ２ガス源７４、Ｎ２ガス源７５、水供給部７６を有する第２加湿ガス生成部７２と、第２弁７７と、第２ポンプ７８と、図示しない複数のセンサとが設けられている。また、第２循環経路７１には、第２排出弁７９ａを有する第２排出経路７９が接続されている。第２流通部７０の各構成も、第１流通部６０の各構成と同じものを適用可能であり、制御部５４の制御下に動作する。よって、具体的な説明については省略する。
また、エージング装置５０の電子負荷装置８０は、配置部５２に配置された燃料電池スタック１２の一対のターミナルプレート４４ａ、４４ｂに、ハーネス５６を介して電気的に接続されると共に、制御部５４に通信可能に接続される。電子負荷装置８０は、制御部５４の制御下に、抵抗値（負荷）が可変され、各燃料電池１０のアノード電極２４及びカソード電極２６から出力される電力量を調整する。
なお、図示は省略するが、エージング装置５０は、配置部５２に配置された燃料電池スタック１２の冷媒出口連通孔４２ｂ、冷媒入口連通孔４２ａ及び冷媒流路３４に対して、冷媒（水）を循環させる冷媒循環部を備えていてもよい。エージング装置５０は、冷媒の循環により燃料電池スタック１２の温度を調整することができる。
エージング装置５０の制御部５４は、１以上のプロセッサ、メモリ、入出力インタフェース及び電子回路を有する（共に不図示）。メモリに記憶された図示しないプログラムを１以上のプロセッサが実行することで、制御部５４内には、燃料電池システムの各構成を制御するための機能ブロックが複数形成される。なお、各機能ブロックの少なくとも一部が、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）等の集積回路、ディスクリートデバイスを含む電子回路により構成されてもよい。またメモリの一部は、プロセッサや集積回路等に付随してもよい。
ここで、第１実施形態に係る燃料電池１０のエージング方法は、加湿ガスエージングにおいてプロトン（Ｈ＋）をＭＥＡ１８内に通すために、濃淡電池の原理を利用する。濃淡電池は、燃料電池１０に供給するＨ２によって、ＭＥＡ１８のアノード電極２４とカソード電極２６に水素（Ｈ２）の濃度差を作り、ＭＥＡ１８内で濃度の平衡化を促すことで、プロトンを移動させる。
制御部５４は、上記の第１流通部６０及び第２流通部７０の動作を制御することで、図３Ａ及び図３Ｂに示すように、２つのパターンの過加湿ガスエージング（濃淡電池）を実施する。第１パターンは、アノード電極２４に過加湿Ｈ２ガスを供給する一方で、カソード電極２６に過加湿Ｎ２ガスを供給する供給パターンである。第２パターンは、アノード電極２４に過加湿Ｎ２ガスを供給する一方で、カソード電極２６に過加湿Ｈ２ガスを供給する逆供給パターンである。
制御部５４は、過加湿ガスエージング（濃淡電池）において、第１パターン又は第２パターンを順に１回ずつ実施してもよく、第１パターンと第２パターンを所定期間毎に交互に複数回実施してもよい。以下、第１パターン及び第２パターンにおいて過加湿ガスを供給することによる燃料電池１０の作用について説明していく。
第１パターンにおいて、エージング装置５０は、図４に示すように、第１流通部６０によりアノード流路３０及びアノード電極２４に過加湿Ｈ２ガスを供給し、第２流通部７０によりカソード流路３２及びカソード電極２６に過加湿Ｎ２ガスを供給する。これにより、ＭＥＡ１８は、アノード電極２４側においてＨ２濃度が高濃度になり、カソード電極２６側においてＨ２濃度が低濃度になる。従ってＨ２の濃度差が平衡になるように、ＭＥＡ１８では、電解質膜２２を通してアノード電極２４からカソード電極２６にプロトンが流れる動きが作られる。
アノード流路３０に供給されたガス状態のＨ２及びＨ２Ｏは、ガス拡散層２４ｃ及び緻密カーボン層２４ｂを容易に通過して、触媒層２４ａに拡散する。そして、触媒層２４ａに移動したＨ２は、白金触媒と反応し、プロトン（Ｈ＋）と電子（ｅ－）に電離する。電離したプロトンは、電気浸透水を伴ってＭＥＡ１８内をアノード側からカソード側に移動する。一方、電子は、アノード電極２４に接触する第１セパレータ２０ａに移動し、ハーネス５６及び電子負荷装置８０を介して第２セパレータ２０ｂに移動する。
これに対して、カソード電極２６に供給されたガス状態のＮ２及びＨ２Ｏは、ガス拡散層２６ｃ、緻密カーボン層２６ｂ及び触媒層２６ａに分散する。このＮ２ガスは、白金触媒と反応しないことで、触媒層２６ａでの不要な反応（酸素、プロトン、電子による反応）を抑制する。これにより、ＭＥＡ１８を介して移動したプロトンとカソード電極２６の電子が、触媒層２６ａの白金触媒と反応することで、Ｈ２となる。カソード電極２６で生成されたＨ２は、Ｎ２及びＨ２Ｏと共に燃料電池１０から排出される。
また、エージング装置５０は、第１パターンの実施時に、アノード電極２４側の圧力をカソード電極２６側の圧力よりも高くする制御を行ってもよい。具体的には、制御部５４は、第１弁６７の開度を第２弁７７の開度よりも小さくすると共に、第１ポンプ６８の回転速度を第２ポンプ７８の回転速度よりも増やす。これにより、エージング装置５０は、第１循環経路６１及び燃料電池スタック１２内（アノード流路３０）の圧力を、第２循環経路７１及び燃料電池スタック１２内（カソード流路３２）の圧力よりも高くすることができる。
例えば、エージング装置５０は、カソード電極２６側の圧力に対するアノード電極２４側の圧力（差圧）を、５０ｋＰａ～１５０ｋＰａ程度高くする。このように、過加湿Ｈ２ガスを供給する側の圧力が高いことで、アノード電極２４側に供給されるＨ２及びＨ２Ｏが触媒層２４ａに一層移動し易くなり、触媒層２４ａにてプロトンを効率よく生成することが可能となる。
一方、第２パターンにおいて、エージング装置５０は、図５に示すように、第１流通部６０によりアノード流路３０及びアノード電極２４に過加湿Ｎ２ガスを供給し、第２流通部７０によりカソード流路３２及びカソード電極２６に過加湿Ｈ２ガスを供給する。これにより、ＭＥＡ１８では、Ｈ２の濃度差が平衡になるように、電解質膜２２を通してカソード電極２６からアノード電極２４にプロトンが流れる動きが作られる。
カソード流路３２に供給されたガス状態のＨ２及びＨ２Ｏは、ガス拡散層２６ｃ及び緻密カーボン層２６ｂを容易に通過して、触媒層２６ａに拡散する。触媒層２６ａに移動したＨ２は、白金触媒と反応し、プロトン（Ｈ＋）と電子（ｅ－）に電離する。電離したプロトンは、電気浸透水を伴ってＭＥＡ１８内をカソード側からアノード側に移動する。一方、電子は、カソード電極２６に接触する第２セパレータ２０ｂに移動し、ハーネス５６及び電子負荷装置８０を介して第１セパレータ２０ａに移動する。
これにより、アノード電極２４において、ＭＥＡ１８を介して移動したプロトンとアノード電極２４の電子が、触媒層２４ａの白金触媒と反応することで、Ｈ２となる。アノード電極２４で生成されたＨ２は、Ｎ２及びＨ２Ｏと共に燃料電池１０から排出される。
また第２パターンの実施時にも、エージング装置５０は、カソード電極２６側の圧力をアノード電極２４側の圧力よりも高くする制御を行うとよい。つまり、制御部５４は、第２弁７７の開度を第１弁６７の開度よりも小さくすると共に、第２ポンプ７８の回転速度を第１ポンプ６８の回転速度よりも増やす。これにより、エージング装置５０は、アノード電極２４側の圧力に対するカソード電極２６側の圧力（差圧）が充分に高くなって、カソード電極２６の触媒層２６ａにおいてプロトンを効率よく生成することができる。
なお、制御部５４は、一対の電極間で差圧をつける制御を行う場合に、第１パターンと第２パターンの切り替え時に、電解質膜２２の過負荷を抑えるため、コンディショニング工程を実施することが好ましい。このコンディショニング工程では、一対の電極間の差圧を小さくする（又はゼロにする）ために、圧力が高い過加湿Ｈ２ガスの供給側の循環経路から過加湿Ｈ２ガスを排出するパージ制御を行う。例えばパージ制御において、制御部５４は、過加湿Ｈ２ガスの供給側の弁（第１弁６７又は第２弁７７）を全開にしつつ、同側の排出弁（第１排出弁６９ａ、第２排出弁７９ａ）を開弁して過加湿Ｈ２ガスを排出する。
また、過加湿Ｈ２ガスを供給していた電極にはＨ２やプロトンが残存している。このため、コンディショニング工程として、ガス状態のＨ２及びＨ２Ｏの供給側だった電極に、Ｎ２ガスを供給するＮ２供給制御を行うことが好ましい。
例えば、コンディショニング工程において、制御部５４は、パージ制御とＮ２供給制御とを合わせて実施することで、差圧の解消及び電極からの残水素の除去を効率的に行うことができる。
本実施形態に係るエージング装置５０は、基本的には以上のように構成されるものであり、以下、燃料電池１０のエージング方法について図６Ａを参照して説明する。具体的には、燃料電池１０のエージング方法は、過加湿ガスエージング（ステップＳ１）、Ｎ２パージ（ステップＳ２）、ＣＶエージング（ステップＳ３）、性能評価（ステップＳ４）を順に実施する。
ステップＳ１の過加湿ガスエージングは、主に、電解質膜２２の湿潤を高めることで、プロトンを移動し易くする処理である。この過加湿ガスエージングにおいて、上記したエージング装置５０を適用する。例えば、過加湿ガスエージングにおいて、エージング装置５０は、上記した第１パターンと、第２パターンとを交互に実施する。
第１パターンの実施（図６ＢのステップＳ１－１）において、図１に示すように、制御部５４は、第１加湿ガス生成部６２を制御してＨ２ガス源６４からＨ２を供給することでバブラータンク６３にて過加湿Ｈ２ガスを生成し、第２加湿ガス生成部７２を制御してＮ２ガス源７５からＮ２を供給することでバブラータンク７３にて過加湿Ｎ２ガスを生成する。
そして、制御部５４は、第１ポンプ６８を動作させ、バブラータンク６３から燃料電池スタック１２に過加湿Ｈ２ガスを供給すると共に、第２ポンプ７８を動作させ、バブラータンク７３から燃料電池スタック１２に過加湿Ｎ２ガスを供給する。この際、制御部５４は、第１ポンプ６８の回転速度を第２ポンプ７８の回転速度よりも大きくしつつ、第１弁６７の開度を第２弁７７の開度よりも小さくする。これにより、過加湿Ｈ２ガスを供給するアノード電極２４側の圧力が、過加湿Ｎ２ガスを供給するカソード電極２６側の圧力よりも高くなり、Ｈ２及びＨ２Ｏがアノード電極２４の触媒層２４ａに円滑に移動する。また、制御部５４は、アノード電極２４側の圧力が高まった段階で、第１ポンプ６８を停止すると共に第１弁６７を閉じることで、過加湿Ｈ２ガスの循環を停止してもよい。この停止によって、アノード電極２４に高圧のＨ２及びＨ２Ｏを確実に留めることができる。
以上の制御により、図４に示すように、アノード電極２４の触媒層２４ａ内において、Ｈ２は、白金触媒と反応してプロトン及び電子に電離する。このプロトンが電気浸透水を伴って電解質膜２２を透過することで、カソード電極２６に移動する。カソード電極２６の触媒層２６ａ内では、電解質膜２２を移動してきたプロトンと、電子負荷装置８０を通ってきた電子とが白金触媒と反応してＨ２となる。
次に、制御部５４は、第１パターンを所定期間実施したか否かを判定する（図６ＢのステップＳ１－２）。所定期間実施していない場合（ステップＳ１－２：ＮＯ）には、第１パターンを継続する一方で、所定期間実施した場合（ステップＳ１－２：ＹＥＳ）には、コンディショニング工程に移行する（ステップＳ１－３）。コンディショニング工程において、制御部５４は、第１弁６７を全開にすると共に、第１排出経路６９の第１排出弁６９ａを開放して、アノード電極２４側のＨ２及びＨ２Ｏを排出する。これに対し、カソード電極２６側は第２排出弁７９ａを開放しないことで、第２循環経路７１の循環（又は第２弁７７の閉塞による循環停止）を維持するパージ制御を行う。これにより、アノード電極２４側の過加湿Ｈ２ガスの圧力が減少し、カソード電極２６側との差圧が小さくなる。
また、制御部５４は、第１循環経路６１からＨ２及びＨ２Ｏを排出しつつ、第１加湿ガス生成部６２及び第１ポンプ６８を動作して、アノード電極２４側に過加湿Ｎ２ガスを供給するＮ２供給制御を行う。この過加湿Ｎ２ガスの供給によって、電解質膜２２や触媒層２４ａの湿潤を維持しつつ、アノード電極２４に残るＨ２が排出される。そして、制御部５４は、以上のコンディショニング工程を設定期間実施すると（又はアノード電極２４とカソード電極２６の差圧が所定圧力以下になるまで実施すると）、コンディショニング工程を終了する。
その後、制御部５４は、第２パターンを実施する（図６Ｂ中のステップＳ１－４）。第２パターンの実施において、図１に示すように、制御部５４は、第１加湿ガス生成部６２を制御してＮ２ガス源６５からＮ２を供給することでバブラータンク６３にて過加湿Ｎ２ガスを生成し、第２加湿ガス生成部７２を制御してＨ２ガス源７４からＨ２を供給することでバブラータンク７３にて過加湿Ｈ２ガスを生成する。これにより、エージング装置５０は、アノード電極２４に過加湿Ｎ２ガスを供給し、カソード電極２６に過加湿Ｈ２ガスを供給する。この際、制御部５４は、過加湿Ｈ２ガスを供給するカソード電極２６側の圧力を、過加湿Ｎ２ガスを供給するアノード電極２４側の圧力よりも高くする。また、制御部５４は、カソード電極２６側の圧力が高まった段階で、第２ポンプ７８を停止すると共に第２弁７７を閉じることで、過加湿Ｈ２ガスの循環を停止してもよい。この停止によって、カソード電極２６に高圧のＨ２及びＨ２Ｏを確実に留めることができる。
以上の制御により、図５に示すように、カソード電極２６において、白金触媒にてＨ２から電離したプロトンが、電気浸透水を伴って電解質膜２２を透過する。そして、アノード電極２４において、電解質膜２２を移動してきたプロトンと、電子負荷装置８０を通ってきた電子とが白金触媒と反応してＨ２となる。
そして、制御部５４は、第２パターンを所定期間実施したか否かを判定する（ステップＳ１－５）。所定期間実施していない場合（ステップＳ１－５：ＮＯ）には、第２パターンを継続する一方で、所定期間実施した場合（ステップＳ１－５：ＹＥＳ）には、コンディショニング工程を行う（ステップＳ１－６）。このコンディショニング工程では、ステップＳ１－３のコンディショニング工程と逆の制御を行う。
すなわち、制御部５４は、カソード電極２６側のＨ２及びＨ２Ｏを排出してカソード電極２６側の圧力を減少させ、アノード電極２４側との差圧を小さくする。また、制御部５４は、第２循環経路７１からの過加湿Ｈ２ガスを排出しつつ、カソード電極２６側に過加湿Ｎ２ガスを供給する。この過加湿Ｎ２ガスの供給によって、電解質膜２２や触媒層２６ａの湿潤を維持しつつ、カソード電極２６に残るＨ２が排出される。そして、制御部５４は、以上のコンディショニング工程を設定期間実施すると（又はカソード電極２６とアノード電極２４の差圧が所定圧力以下になるまで実施すると）、コンディショニング工程を終了する。
エージング装置５０は、以上の処理フローを設定した繰り返し回数又は設定期間にわたって継続することで、過加湿ガスエージングを終了する。以上の過加湿ガスエージング（濃淡電池）は、第１パターンと第２パターンを実施することで、アノード電極２４及びカソード電極２６におけるＨ２の移動性（拡散性）、及び電解質膜２２の濡れ性を向上させることができる。
ここで、従来のエージング方法では、一対の電極のうち一方（例えば、アノード電極２４）にＨ２及びＨ２Ｏを供給し続け、一対の電極のうち他方（例えば、カソード電極２６）にＮ２及びＨ２Ｏを供給し続けていた。この場合、図７Ｂに示すように、電解質膜２２内は、常に一方側からプロトン及び電気浸透水が移動することで、例えば、電解質膜２２の中央部分の含水状態（含水量）が高まる一方で、一方側とは反対側の周縁部分の含水状態が低いままになり易い。このため、従来のエージング方法は、エージングの実施時間を長くとる必要があり、効率性の低下及びコストの上昇等の不都合が生じていた。
これに対し、本実施形態に係るエージング方法は、図７Ａに示すように、アノード電極２４にＨ２及びＨ２Ｏを供給し、カソード電極２６にＮ２及びＨ２Ｏを供給する第１パターンにより、アノード電極２４側からプロトン及び電気浸透水が移動する。さらに、アノード電極２４にＮ２及びＨ２Ｏを供給し、カソード電極２６にＨ２及びＨ２Ｏを供給する第２パターンにより、カソード電極２６側からプロトン及び電気浸透水が移動する。このため、電解質膜２２内は、アノード電極２４とカソード電極２６の両方から含水状態が高められる。特に、電解質膜２２の周縁部分は、一方側と反対側とから電気浸透水を受けることで、含水量が効率的に上昇する。結果的に、本実施形態のエージング方法は、エージングの実施時間を短くすることが可能となり、またコストの低廉化を促すことができる。
過加湿ガスエージングの終了後に、燃料電池１０のエージング方法は、次のＮ２パージを実施する（図６ＡのステップＳ２）。このＮ２パージの処理は、過加湿ガスエージングで使用したエージング装置５０を用いてもよく、別の装置を適用してよい。Ｎ２パージは、過加湿ガスエージング後の燃料電池スタック１２のアノード流路３０及びカソード流路３２に、不活性ガスであるＮ２ガスを供給することで、燃料電池スタック１２内に残る水、水素等を排出する処理である。例えば、同じエージング装置５０を使用している場合は、第１加湿ガス生成部６２のＮ２ガス源６５からバブラータンク６３を介して第１循環経路６１に過加湿Ｎ２ガスを供給し、第２加湿ガス生成部７２のＮ２ガス源７５からバブラータンク７３を介して第２循環経路７１に過加湿Ｎ２ガスを供給する。これにより、燃料電池スタック１２は、電解質膜２２の湿度調整がなされると共に、アノード電極２４及びカソード電極２６のフラッディングが防止される。なお、Ｎ２パージにおいて、Ｎ２ガス以外の不活性ガスを適用してもよいことは勿論である。また、エージング装置５０は、Ｎ２パージにおいて、加湿していないＮ２ガスを供給してもよい。
次に、ステップＳ３のＣＶエージング（電圧変動エージング）は、図示しないＣＶエージング装置を使用することにより、Ｎ２パージ後の燃料電池スタック１２に変動電圧を印加する。このＣＶエージングによって、触媒の表面で酸化している被膜の除去、及び触媒に付着している有機コンタミ除去等がなされ、ＭＥＡ１８の触媒有効面積が増加する。その結果、燃料電池１０の発電時におけるＨ２→２Ｈ＋＋ｅ－の反応、Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ－→２Ｈ２Ｏの反応が促進される。また、先に過加湿ガスエージングを実施しているので、ＣＶエージングでは電解質膜２２においてプロトンが容易に移動するようになる。そのため、ＣＶエージングは、実施時間の短縮化を図ることが可能となる。
最後に、ステップＳ４の性能評価は、適宜の評価方法によって、ＣＶエージング後の燃料電池スタック１２（燃料電池１０）の発電性能を解析する。例えば、評価方法は、燃料電池スタック１２の発電処理を行うことで、発電時のセル電圧や電流を検出する。ここで、過加湿ガスエージング及びＣＶエージングを実施した燃料電池スタック１２は、ＩＶカーブの濃度過電圧が低減すると共に、活性化過電圧が低減されている。従って、燃料電池スタック１２の発電性能が大幅に向上する。
例えば、エージング装置５０は、複数の燃料電池１０を有する燃料電池スタック１２を過加湿ガスエージングするものに限定されず、適宜の改変を施すことで、単位発電セルである燃料電池１０の過加湿ガスエージングする構成であってもよい。また例えば、燃料電池１０のエージング方法は、過加湿ガスエージングの実施によって燃料電池１０の発電性能が充分に高められた場合には、ＣＶエージング（ステップＳ３）を省略してもよい。
また、上記のエージング装置５０は、第１加湿ガス生成部６２及び第２加湿ガス生成部７２の各々にＨ２ガス源６４、７４及びＮ２ガス源６５、７５を備えるが、これに限定されず、アノード電極２４とカソード電極２６とに供給するガス源を共有した構成でよい。以下、ガス源を共有した変形例に係るエージング装置５０Ａについて、図８、図９Ａ及び図９Ｂに例示して説明する。
エージング装置５０Ａは、燃料電池スタック１２のアノード流路３０、カソード流路３２及び冷媒流路３４に、加湿したＨ２ガス、加湿したＮ２ガス、加湿したＯ２ガスを供給する供給処理部９０と、燃料電池スタック１２から各ガスが排出される排出処理部９２と、を有する。供給処理部９０は、Ｏ２（本変形例ではエア）及びＮ２を供給する第１供給処理部９４と、Ｈ２を供給する第２供給処理部９６と、燃料電池スタック１２と第１供給処理部９４及び第２供給処理部９６との間で流体の流路を切り換える供給流路切換部９８と、を含む。排出処理部９２は、Ｏ２及びＮ２の排出を処理する第１排出処理部１００と、Ｈ２の排出を処理する第２排出処理部１０２と、燃料電池スタック１２と第１排出処理部１００及び第２排出処理部１０２との間で流体の流路を切り換える排出流路切換部１０４と、を含む。第１供給処理部９４と第１排出処理部１００の間には、第１排出処理部１００の流体を循環させる第１循環経路１０６が接続されている。また、第２供給処理部９６と第２排出処理部１０２の間には、第２排出処理部１０２の流体を循環させる第２循環経路１０８が接続されている。
図９Ａに示すように、第１供給処理部９４は、エア源１１０と、Ｎ２ガス源１１２と、水供給部１１４と、バブラータンク１１６と、を備える。エア源１１０とバブラータンク１１６の間には、エアの供給及び供給停止を切り換えるバルブ１１８ａが設けられる。Ｎ２ガス源１１２とバブラータンク１１６の間には、Ｎ２ガスの供給及び供給停止を切り換えるバルブ１１８ｂが設けられる。
バブラータンク１１６は、エア源１１０、Ｎ２ガス源１１２、水供給部１１４に接続され、貯留された水にエア又はＮ２ガスを供給して発泡させることで、加湿されたＯ２ガス又はＮ２ガスを生成する。また、バブラータンク１１６は、図示しない温度調整部により温度を調整することで、ガスの温度と湿度をコントロールする。第１循環経路１０６は、このバブラータンク１１６に接続され、第１排出処理部１００の過加湿Ｏ２ガス又は過加湿Ｎ２ガスをバブラータンク１１６内に循環させる。
第１供給処理部９４は、バブラータンク１１６と第１供給処理部９４の出力端子９４ａとの間にポンプ１２０ａ及びバルブ１２２ａを有する。以上のように構成された第１供給処理部９４は、出力端子９４ａから過加湿Ｏ２ガス、又は過加湿Ｎ２ガスを、下流側の供給流路切換部９８に出力することができる。
一方、図９Ｂに示すように、第２供給処理部９６は、Ｈ２ガス源１３０と、水供給部１３２と、Ｈ２バブラータンク１３４と、を備える。Ｈ２ガス源１３０とＨ２バブラータンク１３４の間には、Ｈ２ガスの供給及び供給停止を切り換えるバルブ１３６が設けられる。
Ｈ２バブラータンク１３４は、貯留された水にＨ２ガスを供給して発泡させることで、加湿されたＨ２ガスを生成する。また、Ｈ２バブラータンク１３４も、図示しない温度調整部により温度を調整することで、ガスの温度と湿度をコントロールする。第２循環経路１０８は、このＨ２バブラータンク１３４に接続され、第２排出処理部１０２の過加湿Ｈ２ガスをＨ２バブラータンク１３４内に循環させる。
第２供給処理部９６は、Ｈ２バブラータンク１３４と第２供給処理部９６の出力端子９６ａとの間にポンプ１３８及びバルブ１４０を有する。以上のように構成された第２供給処理部９６は、出力端子９６ａから過加湿Ｈ２ガスを、下流側の供給流路切換部９８に出力することができる。
図８に戻り、供給流路切換部９８は、第１供給処理部９４と燃料電池スタック１２との間、第２供給処理部９６と燃料電池スタック１２との間に複数の配管１５０を備える。また、複数の配管１５０の各々には、複数のバルブ１５２（バルブ１５２ａ、１５２ｂ、１５２ｃ、１５２ｄ）が設けられている。このように構成された供給流路切換部９８は、個々のバルブ１５２の切換下に、アノード電極２４及びカソード電極２６の一方に第１供給処理部９４の流体を供給しつつ、アノード電極２４及びカソード電極２６の他方に第２供給処理部９６の流体を供給する。
同様に、排出流路切換部１０４は、第１排出処理部１００と燃料電池スタック１２との間、第２排出処理部１０２と燃料電池スタック１２との間に複数の配管１６０を備える。また、複数の配管１６０の各々には、複数のバルブ１６２（バルブ１６２ａ、１６２ｂ、１６２ｃ、１６２ｄ）が設けられている。このように構成された排出流路切換部１０４は、個々のバルブ１６２の切換下に、アノード電極２４及びカソード電極２６の一方から第１排出処理部１００に流体を排出しつつ、アノード電極２４及びカソード電極２６の他方から第２排出処理部１０２に流体を排出する。
第１排出処理部１００は、過加湿Ｎ２ガス、過加湿Ｏ２ガスを回収する第１回収タンク１７０を有する。また、第１循環経路１０６は、第１排出処理部１００の入力端子１００ａと第１回収タンク１７０との間に接続されている。入力端子１００ａと第１回収タンク１７０の間にはバルブ１７２ａが設けられ、第１循環経路１０６にもバルブ１７２ｂが設けられる。このように構成された第１排出処理部１００は、バルブ１７２ａ、１７２ｂの切換下に、過加湿Ｎ２ガス、過加湿Ｏ２ガスを、第１回収タンク１７０に排出させ、また第１循環経路１０６に流通させることができる。
同様に、第２排出処理部１０２は、過加湿Ｈ２ガスを回収する第２回収タンク１７４を有する。また、第２循環経路１０８は、第２排出処理部１０２の入力端子１０２ａと第２回収タンク１７４との間に接続されている。入力端子１０２ａと第２回収タンク１７４の間にはバルブ１７６ａが設けられ、第２循環経路１０８にもバルブ１７６ｂが設けられる。このように構成された第２排出処理部１０２は、バルブ１７６ａ、１７６ｂの切換下に、過加湿Ｈ２ガスを、第２回収タンク１７４に排出させ、また第２循環経路１０８に流通させることができる。
以上のエージング装置５０Ａの制御部５４（図１参照）は、図１０Ａに示すように、第１パターンの実施において、バルブ１５２ａ、１５２ｄ、１６２ａ、１６２ｄを開放する一方で、バルブ１５２ｂ、１５２ｃ、１６２ｂ、１６２ｃを閉塞する。これにより、エージング装置５０Ａは、アノード電極２４に過加湿Ｈ２ガスを供給しつつ、カソード電極２６に過加湿Ｎ２ガスを供給することができる。
また、第１パターンの実施後のコンディショニング工程において、制御部５４は、図１０Ｂに示すように、バルブ１５２ｃ、１６２ｃを開放する一方で、バルブ１５２ａ、１５２ｂ、１５２ｄ、１６２ａ、１６２ｂ、１６２ｄを閉塞する。これにより、エージング装置５０Ａは、アノード電極２４から過加湿Ｈ２ガスを排出して内圧を下げるパージ制御を行うと共に、アノード電極２４に過加湿Ｎ２ガスを供給して残水素を排出するＮ２供給制御を行うことができる。
さらに、制御部５４は、図１１Ａに示すように、第２パターンの実施において、バルブ１５２ｂ、１５２ｃ、１６２ｂ、１６２ｃを開放する一方で、バルブ１５２ａ、１５２ｄ、１６２ａ、１６２ｄを閉塞する。これにより、エージング装置５０Ａは、アノード電極２４に過加湿Ｎ２ガスを供給しつつ、カソード電極２６に過加湿Ｈ２ガスを供給することができる。
また、第２パターンの実施後のコンディショニング工程において、制御部５４は、図１１Ｂに示すように、バルブ１５２ａ、１６２ａを開放する一方で、バルブ１５２ｂ、１５２ｃ、１５２ｄ、１６２ｂ、１６２ｃ、１６２ｄを閉塞する。これにより、エージング装置５０Ａは、カソード電極２６から過加湿Ｈ２ガスを排出して内圧を下げるパージ制御を行うと共に、カソード電極２６に過加湿Ｎ２ガスを供給して残水素を排出するＮ２供給制御を行うことができる。
また、エージング装置５０Ａは、アノード電極２４に過加湿Ｈ２ガスを供給し、カソード電極２６に過加湿Ｏ２ガスを供給することで、燃料電池スタック１２の発電を行うことができる。或いはエージングにおいて、エージング装置５０Ａは、アノード電極２４に過加湿Ｏ２ガスを供給し、カソード電極２６に過加湿Ｈ２ガスを供給することで、燃料電池スタック１２の発電を行うこともできる。燃料電池スタック１２の発電は、第１パターンと第２パターンとを組み合わせて行ってもよく、過加湿ガスエージング後に実施してもよい。
〔第２実施形態〕
第２実施形態に係る燃料電池１０のエージング方法は、過加湿ガスエージングにおいてプロトン（Ｈ＋）をＭＥＡ１８内に通すために、水素ポンプの原理を利用する。水素ポンプでは、燃料電池１０に接続した直流電源によって電子の流れを形成することにより、ＭＥＡ１８内で電子が多く存在する方向にプロトンを移動させる。すなわち、第２実施形態に係る過加湿ガスエージングは、電流によりプロトンを動かす（ポンプする）方法である。
このため、第２実施形態に係るエージング装置５０Ｂは、電子負荷装置８０に加えて、燃料電池スタック１２に接続される電位印加部８２を有する。エージング装置５０Ｂの制御部５４は、過加湿ガスエージング（水素ポンプ）において、第１流通部６０、第２流通部７０の制御に加えて、電位印加部８２の動作を制御することで、図１２Ａ及び図１２Ｂに示すように、２つのパターンを実施する。
電位印加部８２が燃料電池スタック１２に出力する電圧値は、燃料電池１０の積層数に応じて適切な値に設定されればよく、例えば単位燃料電池（１セル）当たりの電圧が、数ｍＶ～約１Ｖの範囲となるように設定される。
図１２Ａに示す第１パターンは、アノード電極２４に、過加湿Ｈ２ガスを供給すると共に、プラス電位を印加する一方で、カソード電極２６に、過加湿Ｎ２ガスを供給すると共に、他極と比べてマイナス電位を印加する供給印加パターンである。図１２Ｂに示す第２パターンは、アノード電極２４に、過加湿Ｎ２ガスを供給すると共に、他極と比べてマイナス電位を印加する一方で、カソード電極２６に、過加湿Ｈ２ガスを供給すると共に、プラス電位を印加する逆供給印加パターンである。なお、この水素ポンプの原理でも、制御部５４は、第１パターン又は第２パターンを順に１回ずつ実施してもよく、第１パターンと第２パターンを所定期間毎に交互に複数回実施してもよい。
なお、エージング装置５０Ｂは、電圧印加部８２の代わりに電子負荷装置８０（図１参照）を使用して、アノード又はカソード側のどちらか片側に（又は交互に）電流を流すことにより、電圧印加部８２と同様の電位差をかけることも可能である。
第１パターンにおいて、エージング装置５０Ｂは、図１３に示すように、第１流通部６０によりアノード流路３０及びアノード電極２４に過加湿Ｈ２ガスを供給し、第２流通部７０によりカソード流路３２及びカソード電極２６に過加湿Ｎ２ガスを供給する。Ｈ２及びＨ２Ｏは、アノード電極２４において過加湿Ｈ２ガスの圧力によって、ガス拡散層２４ｃ及び緻密カーボン層２４ｂを介して触媒層２４ａに移動する。特に、制御部５４は、アノード電極２４側の圧力をカソード電極２６側の圧力よりも高くする制御を行うことで、Ｈ２及びＨ２Ｏを触媒層２４ａに一層容易に移動させることができる。そして、Ｈ２は、白金触媒と反応し、プロトン（Ｈ＋）と電子（ｅ－）に電離する。
さらに、電位印加部８２は、プラス電位をアノード電極２４に印加し、他極と比べてマイナス電位をカソード電極２６にそれぞれ印加する。これにより、電離した電子は、アノード電極２４のセパレータに移動して、ハーネス５６、電子負荷装置８０及び電位印加部８２を介してカソード電極２６のセパレータに移動する。つまり、カソード電極２６は、多くの電子が移動してくることで、プロトンを引き寄せるようになる。従って、アノード電極２４の触媒層２４ａのプロトンは、電気浸透水を伴ってＭＥＡ１８内を移動する。カソード電極２６の触媒層２６ａに移動したプロトンと電子は、白金触媒と反応することで、Ｈ２となり、このＨ２は、過加湿Ｎ２ガスと共に燃料電池１０から排出される。
図１２Ｂに戻り、エージング装置５０Ｂは、第２パターンにおいて、過加湿ガス（過加湿Ｈ２ガス、過加湿Ｎ２ガス）の供給対象電極を第１パターンと逆にすると共に、電圧の印加対象電極も第１パターンと逆にする。これにより、燃料電池１０は、上記と逆に、電解質膜２２を介してカソード電極２６からアノード電極２４に向かってプロトンを移動させ、電気浸透水による加湿をカソード電極２６側から行うことができる（具体的な、燃料電池１０の作用については説明を省略する）。
以上のように、燃料電池１０のエージング方法は、水素ポンプの原理を用いた過加湿ガスエージングでも第１実施形態と同様の効果を得ることができる。すなわち、このエージング方法は、ＭＥＡ１８におけるプロトンの拡散係数が上昇し、プロトン移動に伴う電気浸透水量も上昇することで、ＭＥＡ１８（電解質膜２２）の含水量を効率的に増大させることができる。特に、水素ポンプの原理を用いた過加湿ガスエージングは、直流電圧の印加によって電子を移動させることで、プロトンの移動効率をより高めることが可能となる。
〔第３実施形態〕
第３実施形態に係る燃料電池１０のエージング方法は、図１４に示すように、過加湿ガスエージングの実施時に、ＣＶエージングを合わせて行う構成としている点で、第１及び第２実施形態に係る燃料電池１０のエージング方法と異なる。なお、過加湿ガスエージングを実施する装置は、第２実施形態と同様のエージング装置５０Ｂを適用することができる。すなわち、過加湿ガスエージングとＣＶエージングを同時に行う場合は、水素ポンプの原理を利用した過加湿ガスエージングを実施する。
具体的には、エージング方法は、過加湿ガス＋ＣＶエージング（ステップＳ１１）、Ｎ２パージ（ステップＳ１２）、ＣＶエージング（ステップＳ１３）、性能評価（ステップＳ１４）を順に実施する。過加湿ガス＋ＣＶエージングにおいて、制御部５４は、過加湿Ｈ２ガス及び過加湿Ｎ２ガスを一対の電極の各々に供給しつつ、電位印加部８２によりアノード電極２４及びカソード電極２６に印加する電圧を変動させる。これにより、過加湿ガス＋ＣＶエージングを実施した燃料電池１０は、電解質膜２２の含水量が増大し、しかも触媒有効面積が向上する。
従って、エージング方法は、Ｎ２パージ（ステップＳ１２）後のＣＶエージング（ステップＳ１３）における実施時間を一層短縮化することができる。そして、このように過加湿ガス＋ＣＶエージングを実施し、ＣＶエージングを短縮化しても、燃料電池スタック１２の発電性能を大幅に向上させることができる。なお、第３実施形態に係る燃料電池１０のエージング方法でも、過加湿ガス＋ＣＶエージングの実施によって燃料電池１０の発電性能が充分に高められた場合には、ＣＶエージングを省略してもよいことは勿論である。
上記の実施形態から把握し得る技術的思想及び効果について以下に記載する。
本発明の第１の態様は、電解質膜２２と、電解質膜２２の両面に設けられた一対の電極（アノード電極２４、カソード電極２６）と、を有する燃料電池１０のエージング方法であって、加湿した水素ガスを一対の電極のうち一方の電極に供給しつつ、加湿した不活性ガス記一対の電極のうち他方の電極に供給することで、一方の電極から電解質膜２２を通して他方の電極にプロトンを移動させる第１パターンと、加湿した不活性ガスを一方の電極に供給しつつ、加湿した水素ガスを他方の電極に供給することで、他方の電極から電解質膜２２を通して一方の電極にプロトンを移動させる第２パターンと、を有する。
上記によれば、燃料電池１０のエージング方法は、加湿した水素ガスを、燃料電池１０の電解質膜２２の両側から当該電解質膜２２の加湿を行うことができる。すなわち、触媒層２４ａ（又は触媒層２６ａ）において水素から電離したプロトンは、電気浸透水を伴って電解質膜２２の一方から他方へ移動し、また他方から一方へ移動することで、電解質膜２２の加湿を一層促進することが可能となる。これにより、エージング方法は、燃料電池１０のエージングの効率化を図ることができる。
また、第１パターンと第２パターンとを、交互に複数回繰り返す。これにより、エージング方法は、電解質膜２２の加湿をより均等的に行うことができ、エージングの効率化を一層促すことができる。
また、第１パターン及び第２パターンは、一対の電極（アノード電極２４、カソード電極２６）に対して電気的に負荷（電子負荷装置８０）を接続した状態で実施し、一対の電極のいずれかに供給した水素ガスの濃度差に基づき、プロトンの移動を促す。これにより、エージング方法は、電力消費量を抑制して、電解質膜２２の加湿を効果的に実施することができる。
また、第１パターン及び第２パターンは、一対の電極（アノード電極２４、カソード電極２６）に対して電位を印加する電位印加部８２を接続した状態で実施し、電位印加部８２は、第１パターンにおいて、一方の電極にプラス電位を印加する一方で、他方の電極に他極に比べてマイナス電位を印加し、第２パターンにおいて、一方の電極に他極に比べてマイナス電位を印加する一方で、他方の電極にプラス電位を印加することで、電位差に基づきプロトンの移動を促す。これにより、エージング方法は、水素から電離した電子によりプロトンを電解質膜２２に向かわせることができ、エージングを一層効率的に行うことができる。
また、水素ガスの供給側の圧力を、不活性ガスの供給側の圧力よりも高くする。これにより、エージング方法は、電極内での触媒層２４ａ、２６ａへ加湿したＨ２ガスをより効率的に移動させることができる。
また、第１パターンと第２パターンとを切り替えるパターン移行時に、水素ガスの供給側の圧力を下げることで、不活性ガスの供給側の圧力との差圧を低下させる。これにより、エージング方法は、第１パターン又は第２パターンの終了時に、急に圧力が変わることによる電解質膜２２への過負荷等を抑制することができる。
また、第１パターンと第２パターンとを切り替えるパターン移行時に、水素ガスの供給側に不活性ガスを供給することで電極から当該水素ガスを掃気する。これにより、エージング方法は、電極に残存する水素を簡単に排出することが可能となる。
また、第１パターン及び第２パターンの実施時に、印加する電圧を所定の電圧幅で変動させる。これにより、エージング方法は、過加湿ガスエージングでもＣＶエージングを合わせて行うことができ、エージングの実施時間の短縮化を一層促すことができる。
また、本発明の第２の態様は、電解質膜２２と、電解質膜２２の両面に設けられた一対の電極（アノード電極２４、カソード電極２６）と、を有する燃料電池１０に対してエージングを行うエージング装置５０、５０Ａ、５０Ｂであって、加湿した水素ガスを燃料電池１０に供給可能な水素ガス供給部（Ｈ２ガス源６４、７４、１３０、バブラータンク６３、７３、Ｈ２バブラータンク１３４）と、加湿した不活性ガスを燃料電池１０に供給可能な不活性ガス供給部（Ｎ２ガス源６５、７５、１１２、バブラータンク６３、７３、１１６）と、水素ガス供給部及び不活性ガス供給部を制御する制御部５４と、を備え、制御部５４は、加湿した水素ガスを一対の電極のうち一方の電極に供給しつつ、加湿した不活性ガスを一対の電極のうち他方の電極に供給することで、一方の電極から電解質膜２２を通して他方の電極にプロトンを移動させる第１パターンと、加湿した不活性ガスを一方の電極に供給しつつ、加湿した水素ガスを他方の電極に供給することで、他方の電極から電解質膜２２を通して一方の電極にプロトンを移動させる第２パターンと、を行う。これにより、エージング装置５０、５０Ａ、５０Ｂは、電解質膜２２の加湿を一層促進することが可能となり、エージングの効率化を図ることができる。
１０…燃料電池 １２…燃料電池スタック
１８…ＭＥＡ ２２…電解質膜
２４…アノード電極 ２６…カソード電極
５０、５０Ａ、５０Ｂ…エージング装置 ５４…制御部
６３、７３、１１６…バブラータンク ６４、７４、１３０…Ｈ２ガス源
６５、７５、１１２…Ｎ２ガス源 ８０…電子負荷装置
８２…電位印加部 １３４…Ｈ２バブラータンク

Claims (10)

  1. 電解質膜と、前記電解質膜の両面に設けられた一対の電極と、を有する燃料電池のエージング方法であって、
    加湿した水素ガスを前記一対の電極のうち一方の電極に供給しつつ、加湿した不活性ガスを前記一対の電極のうち他方の電極に供給することで、前記一方の電極から前記電解質膜を通して前記他方の電極にプロトンを移動させる第１パターンと、
    前記加湿した不活性ガスを前記一方の電極に供給しつつ、前記加湿した水素ガスを前記他方の電極に供給することで、前記他方の電極から前記電解質膜を通して前記一方の電極にプロトンを移動させる第２パターンと、を有し、
    前記第１パターン及び前記第２パターンは、前記一対の電極に対して電気的に負荷を接続した状態で実施し、
    前記一対の電極のいずれかに供給した前記水素ガスの濃度差に基づき、前記プロトンの移動を促す、
    燃料電池のエージング方法。
  2. 請求項１記載の燃料電池のエージング方法であって、
    前記第１パターンと前記第２パターンとを、交互に複数回繰り返す
    燃料電池のエージング方法。
  3. 電解質膜と、前記電解質膜の両面に設けられた一対の電極と、を有する燃料電池のエージング方法であって、
    加湿した水素ガスを前記一対の電極のうち一方の電極に供給しつつ、加湿した不活性ガスを前記一対の電極のうち他方の電極に供給することで、前記一方の電極から前記電解質膜を通して前記他方の電極にプロトンを移動させる第１パターンと、
    前記加湿した不活性ガスを前記一方の電極に供給しつつ、前記加湿した水素ガスを前記他方の電極に供給することで、前記他方の電極から前記電解質膜を通して前記一方の電極にプロトンを移動させる第２パターンと、を有し、
    前記第１パターン及び前記第２パターンは、前記一対の電極に対して電位を印加する電位印加部を接続した状態で実施し、
    前記電位印加部は、前記第１パターンにおいて、前記一方の電極にプラス電位を印加する一方で、前記他方の電極に他極に比べてマイナス電位を印加し、前記第２パターンにおいて、前記一方の電極に他極に比べてマイナス電位を印加する一方で、前記他方の電極にプラス電位を印加することで、電位差に基づき前記プロトンの移動を促す、
    燃料電池のエージング方法。
  4. 請求項３記載の燃料電池のエージング方法であって、
    前記第１パターンと前記第２パターンとを、交互に複数回繰り返す、
    燃料電池のエージング方法。
  5. 請求項１～４のいずれか１項に記載の燃料電池のエージング方法であって、
    前記水素ガスの供給側の圧力を、前記不活性ガスの供給側の圧力よりも高くする
    燃料電池のエージング方法。
  6. 請求項５記載の燃料電池のエージング方法であって、
    前記第１パターンと前記第２パターンとを切り替えるパターン移行時に、前記水素ガスの供給側の圧力を下げることで、前記不活性ガスの供給側の圧力との差圧を低下させる
    燃料電池のエージング方法。
  7. 請求項１～６のいずれか１項に記載の燃料電池のエージング方法であって、
    前記第１パターンと前記第２パターンとを切り替えるパターン移行時に、前記水素ガスの供給側に前記不活性ガスを供給することで前記電極から当該水素ガスを掃気する
    燃料電池のエージング方法。
  8. 請求項１～７のいずれか１項に記載の燃料電池のエージング方法であって、
    前記第１パターン及び前記第２パターンの実施時に、印加する電圧を所定の電圧幅で変動させる
    燃料電池のエージング方法。
  9. 電解質膜と、前記電解質膜の両面に設けられた一対の電極と、を有する燃料電池に対してエージングを行うエージング装置であって、
    加湿した水素ガスを前記燃料電池に供給可能な水素ガス供給部と、
    加湿した不活性ガスを前記燃料電池に供給可能な不活性ガス供給部と、
    前記水素ガス供給部及び前記不活性ガス供給部を制御する制御部と、を備え、
    前記制御部は、
    前記加湿した水素ガスを前記一対の電極のうち一方の電極に供給しつつ、前記加湿した不活性ガスを前記一対の電極のうち他方の電極に供給することで、前記一方の電極から前記電解質膜を通して前記他方の電極にプロトンを移動させる第１パターンと、
    前記加湿した不活性ガスを前記一方の電極に供給しつつ、前記加湿した水素ガスを前記他方の電極に供給することで、前記他方の電極から前記電解質膜を通して前記一方の電極にプロトンを移動させる第２パターンと、を行い、
    さらに、前記制御部は、
    前記第１パターン及び前記第２パターンを、前記一対の電極に対して電気的に負荷を接続した状態で実施し、
    前記一対の電極のいずれかに供給した前記水素ガスの濃度差に基づき、前記プロトンの移動を促す、
    エージング装置。
  10. 電解質膜と、前記電解質膜の両面に設けられた一対の電極と、を有する燃料電池に対してエージングを行うエージング装置であって、
    加湿した水素ガスを前記燃料電池に供給可能な水素ガス供給部と、
    加湿した不活性ガスを前記燃料電池に供給可能な不活性ガス供給部と、
    前記水素ガス供給部及び前記不活性ガス供給部を制御する制御部と、
    前記一対の電極に対して電位を印加する電位印加部と、を備え、
    前記制御部は、
    前記加湿した水素ガスを前記一対の電極のうち一方の電極に供給しつつ、前記加湿した不活性ガスを前記一対の電極のうち他方の電極に供給することで、前記一方の電極から前記電解質膜を通して前記他方の電極にプロトンを移動させる第１パターンと、
    前記加湿した不活性ガスを前記一方の電極に供給しつつ、前記加湿した水素ガスを前記他方の電極に供給することで、前記他方の電極から前記電解質膜を通して前記一方の電極にプロトンを移動させる第２パターンと、を行い、
    さらに、前記制御部は、
    前記第１パターン及び前記第２パターンを、前記一対の電極に対して電位を印加する前記電位印加部を接続した状態で実施し、
    前記電位印加部は、前記第１パターンにおいて、前記一方の電極にプラス電位を印加する一方で、前記他方の電極に他極に比べてマイナス電位を印加し、前記第２パターンにおいて、前記一方の電極に他極に比べてマイナス電位を印加する一方で、前記他方の電極にプラス電位を印加することで、電位差に基づき前記プロトンの移動を促す、
    エージング装置。
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