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JP7500862B2 - Method for aging a fuel cell - Google Patents
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Description

本発明は、燃料電池のエージング方法に関する。 The present invention relates to a method for aging a fuel cell.

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。A fuel cell comprises a membrane electrode assembly (MEA) having an electrolyte membrane and a pair of electrodes laminated on each side of the electrolyte membrane, and a pair of separators (bipolar plates) installed on each of the electrode surfaces of the MEA. A number of such fuel cells are stacked together to assemble into a fuel cell stack. In the manufacture of a fuel cell stack (or fuel cell), aging is carried out after assembly to bring out the power generation performance of the fuel cell.

例えば、特開2020-57572号公報には、製造された燃料電池スタックをエージング用のブースに収容し、エージング装置(発電装置)を用いて発電を行うエージングが開示されている。For example, JP 2020-57572 A discloses aging in which a manufactured fuel cell stack is placed in an aging booth and electricity is generated using an aging device (power generation device).

この種のエージングは、発電時に加湿した水素ガスを供給して、水素から電子が電離したプロトンを電解質膜に透過させることで、電解質膜内の加湿を行う。しかしながら、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。 This type of aging humidifies the electrolyte membrane by supplying humidified hydrogen gas during power generation and allowing protons, which are formed when electrons are ionized from hydrogen, to pass through the electrolyte membrane. However, there is a trade-off between the supply of hydrogen gas and humidification; if the amount of water accompanying the hydrogen gas is increased, a liquid water film will form on the electrode, reducing gas diffusivity and reducing the amount of protons generated. Conversely, if the amount of water accompanying the hydrogen gas is reduced, the electrolyte membrane will not be sufficiently humidified.

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を提供することを目的とする。The present invention has been made in consideration of the above-mentioned situation, and aims to provide a method for aging a fuel cell that can further promote humidification of the electrolyte membrane, thereby making aging more efficient.

前記の目的を達成するために、本発明の一態様は、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、プロトンに分離可能な水素をウルトラファインバブルとして有する水素ウルトラファインバブル水を、前記燃料電池の一方の電極に供給し、前記一方の電極から前記電解質膜を通して他方の電極に前記プロトンを移動させるウルトラファインバブルエージングを行う。In order to achieve the above-mentioned objective, one aspect of the present invention is a method for aging a fuel cell having an electrolyte membrane and a pair of electrodes provided on both sides of the electrolyte membrane, in which ultra-fine hydrogen bubble water containing hydrogen that can be separated into protons as ultra-fine bubbles is supplied to one electrode of the fuel cell, and ultra-fine bubble aging is performed in which the protons are transferred from the one electrode to the other electrode through the electrolyte membrane.

上記の燃料電池のエージング方法は、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。The above-mentioned fuel cell aging method can further promote humidification of the electrolyte membrane, thereby making aging more efficient.

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。1 is an explanatory diagram showing the overall configuration of an aging device that performs an aging method for a fuel cell according to an embodiment of the present invention; 燃料電池の構成を示す斜視図である。FIG. 2 is a perspective view showing the configuration of a fuel cell. 図3Aは、UFB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、UFB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。3A and 3B are explanatory diagrams showing a first and second pattern of UFB aging (concentration cell), respectively. 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。FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view showing the operation of a fuel cell in a first pattern of concentration cells. 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。FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view showing the operation of a fuel cell in a second pattern of concentration cells. 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、UFBエージングの処理フローを示すフローチャートである。Fig. 6A is a flowchart showing the aging method for a fuel cell according to the first embodiment, and Fig. 6B is a flowchart showing the process flow of UFB aging. 変形例に係るエージング装置を示す部分説明図である。FIG. 13 is a partial explanatory diagram showing an aging device according to a modified example. 図8Aは、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8Bは、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。Fig. 8A is an explanatory diagram showing the configuration of a first supply processing unit of the aging device, and Fig. 8B is an explanatory diagram showing the configuration of a second supply processing unit of the aging device. 図9Aは、第2実施形態に係る燃料電池のエージング方法(UFB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9Bは、UFB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。9A and 9B are explanatory diagrams showing a first and second patterns of the aging method (UFB aging: hydrogen pump) for a fuel cell according to the second embodiment, respectively. 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。FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view showing the operation of a fuel cell in a first pattern of the hydrogen pump. 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。10 is a flowchart showing an aging method for a fuel cell according to a third embodiment.

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。A preferred embodiment of the present invention will now be described in detail with reference to the accompanying drawings.

〔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、燃料電池スタック12に対して、ウルトラファインバブル(以下、UFBと略す場合もある)を有する液体を供給するウルトラファインバブル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。
First Embodiment
The aging method for a fuel cell 10 according to a first embodiment of the present invention uses an aging device 50 shown in Figure 1. A fuel cell stack 12, in which a plurality of fuel cells 10, which are unit power generation cells, are stacked, is set in the aging device 50. The aging device 50 performs ultra-fine bubble aging, in which a liquid containing ultra-fine bubbles (hereinafter sometimes abbreviated as UFB) is supplied to the fuel cell stack 12, thereby improving the power generation performance of the fuel cell stack 12. To facilitate understanding of the invention, the configuration of the fuel cell stack 12 will be first described below.

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。The fuel cell stack 12 is constructed by housing a stack 14 in which a plurality of fuel cells 10 are stacked in a stack case (not shown). As shown in FIG. 2, the fuel cell 10 has an electrolyte membrane electrode assembly 18 (hereinafter referred to as MEA 18) having a resin frame 19 on the outer periphery, and a first separator 20a and a second separator 20b stacked on both sides of the MEA 18. The fuel cell 10 generates electricity by an electrochemical reaction between the anode gas and the cathode gas by passing an anode gas (fuel gas) such as hydrogen between the first separator 20a and the MEA 18, while passing a cathode gas (oxidant gas) such as oxygen between the second separator 20b and the MEA 18.

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。The MEA 18 has an electrolyte membrane 22, an anode electrode 24 provided on one side of the electrolyte membrane 22, and a cathode electrode 26 provided on the other side of the electrolyte membrane 22. The electrolyte membrane 22 is, for example, a solid polymer electrolyte membrane (cation exchange membrane) that is a thin film of perfluorosulfonic acid containing moisture. In addition to a fluorine-based electrolyte, the electrolyte membrane 22 can also be an HC (hydrocarbon)-based electrolyte.

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30~50×10nm前後となっている。 Each of the anode electrode 24 and the cathode electrode 26 has a catalyst layer 24a, 26a bonded to the electrolyte membrane 22, a dense carbon layer 24b, 26b laminated on the catalyst layer 24a, 26a, and a gas diffusion layer 24c, 26c laminated on the dense carbon layer 24b, 26b (see FIG. 4). The catalyst layer 24a, 26a is formed, for example, by uniformly applying porous carbon particles having a platinum alloy supported on the surface thereof together with an ion-conductive polymer binder onto the surface of carbon paper, carbon cloth, or the like. The catalyst layer 24a, 26a has a plurality of pores with an average diameter (average pore diameter) of about 50 to 80 nm. The dense carbon layer 24b, 26b is formed from carbon paper, carbon cloth, or the like, and has an average pore diameter of about 400 to 600 nm. The gas diffusion layer 24c is made of carbon paper or carbon cloth, and has an average pore size of about 30 to 50×10 3 nm.

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。The first separator 20a and the second separator 20b are formed by pressing, for example, a steel plate, a stainless steel plate, an aluminum plate, a plated steel plate, or a metal plate with a corrosion-resistant surface treatment applied to the metal surface, to form an uneven cross section. In manufacturing the fuel cell stack 12, a joined separator is formed by joining the outer peripheries of the first separator 20a of one fuel cell 10 and the second separator 20b of another fuel cell 10, and the joined separator and the MEA 18 are stacked to construct the stack 14.

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。The first separator 20a has an anode flow path 30, which allows the anode gas to flow, on the surface facing the anode electrode 24 of the MEA 18. The anode flow path 30 is composed of linear flow grooves (or wavy flow grooves) formed between a plurality of protrusions 31 extending in the longitudinal direction of the first separator 20a.

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。The second separator 20b has a cathode flow path 32, through which the cathode gas flows, on the surface facing the cathode electrode 26 of the MEA 18 (for convenience, in FIG. 2, the flow direction of the cathode gas is illustrated on the cathode electrode 26). The cathode flow path 32 is composed of a linear flow groove (or a wavy flow groove) formed between a plurality of protrusions 33 extending in the longitudinal direction of the second separator 20b.

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。In addition, a refrigerant flow path 34 for circulating a refrigerant (e.g., water) is formed between the contacting surfaces of the first separator 20a and the second separator 20b. The refrigerant flow path 34 is formed by overlapping the back surface shape of the anode flow path 30 of the first separator 20a with the back surface shape of the cathode flow path 32 of the second separator 20b.

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。 Furthermore, the fuel cell 10 has a plurality of fluid communication holes 36 that allow the anode gas, cathode gas and refrigerant to flow in the stacking direction of the stack 14.

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。At one end edge of the long side of the fuel cell 10, one anode gas inlet communication hole 38a, two cathode gas outlet communication holes 40b, and a refrigerant inlet communication hole 42a are provided as fluid communication holes 36. The anode gas inlet communication hole 38a communicates with the anode flow path 30 of the first separator 20a, and allows anode gas to flow into the anode flow path 30. The two refrigerant inlet communication holes 42a communicate with the refrigerant flow path 34 between the first and second separators 20a and 20b, and allow refrigerant to flow into the refrigerant flow path 34. The two cathode gas outlet communication holes 40b communicate with the cathode flow path 32 of the second separator 20b, and allow cathode gas to flow out from the cathode flow path 32.

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。At the other end edge of the long side of the fuel cell 10, one cathode gas inlet communication hole 40a, two anode gas outlet communication holes 38b, and two refrigerant outlet communication holes 42b are provided as fluid communication holes 36. The cathode gas inlet communication hole 40a communicates with the cathode flow path 32 of the second separator 20b, and allows the cathode gas to flow into the cathode flow path 32. The two refrigerant outlet communication holes 42b communicate with the refrigerant flow path 34 between the first and second separators 20a and 20b, and allow the refrigerant to flow out of the refrigerant flow path 34. The two anode gas outlet communication holes 38b communicate with the anode flow path 30 of the first separator 20a, and allow the anode gas to flow out of the anode flow path 30. The position, number, shape, etc. of the fluid communication holes 36 may be appropriately set according to the required specifications.

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。 As shown in FIG. 1, at one end of the stack 14 in the stacking direction, a terminal plate 44a, an insulator 46a, and an end plate 48a are stacked outward in this order. At the other end of the stack 14 in the stacking direction, a terminal plate 44b, an insulator 46b, and an end plate 48b are stacked outward in this order. Each end plate 48a, 48b forms part of a stack case. Each of the fluid communication holes 36 described above is also formed through one end (or both ends) of the stack 14 in the stacking direction, and communicates with each pipe (not shown) attached to the outer surface of the end plate 48a.

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、燃料電池スタック12に液体を流通させる第1流通部60及び第2流通部70と、燃料電池スタック12に電位を印加する電圧印加部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。Next, the aging device 50 according to this embodiment will be described. The aging device 50 has a placement section 52 for placing the fuel cell stack 12, a first circulation section 60 and a second circulation section 70 for circulating liquid through the fuel cell stack 12, and a voltage application section 80 for applying a potential to the fuel cell stack 12. The aging device 50 also has a control section 54 for controlling the operation of the entire device.

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、電圧印加部80と、を一対のハーネス56により接続している。The arrangement section 52 has a space in which the fuel cell stack 12 can be set, and has a number of pipes (not shown) that can be connected to each of the fluid communication holes 36 of the set fuel cell stack 12 (end plate 48a). The aging device 50 also connects a pair of terminal plates 44a, 44b of the fuel cell stack 12 set in the arrangement section 52 to the voltage application section 80 via a pair of harnesses 56.

第1流通部60は、配置部52の所定の配管に接続される液体の第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循環経路61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に液体を流通させる。The first circulation section 60 has a first circulation path 61 for liquid that is connected to a specific pipe in the arrangement section 52. The first circulation path 61 is composed of a metal pipe or the like having a flow path on the inside, and is connected to the anode gas inlet communication hole 38a and the anode gas outlet communication hole 38b of the fuel cell stack 12 set in the arrangement section 52. In other words, the first circulation path 61 circulates liquid to the anode electrode 24 of the fuel cell 10 in the fuel cell stack 12.

また、第1流通部60は、液体として、ウルトラファインバブル(UFB)を水に混合させたウルトラファインバブル水(UFB水)を、アノード電極24に流通させる。このため、第1流通部60は、第1ウルトラファインバブル生成部(第1UFB生成部62)を第1循環経路61の所定位置に備える。The first circulation section 60 also circulates ultra-fine bubble water (UFB water), which is a liquid obtained by mixing ultra-fine bubbles (UFB) with water, to the anode electrode 24. For this reason, the first circulation section 60 includes a first ultra-fine bubble generating section (first UFB generating section 62) at a predetermined position on the first circulation path 61.

UFBは、バブル径がマイクロバブルよりも小さいバブル(例えば、バブル径が10nmよりも小さいバブル)を言う。本実施形態に係る第1UFB生成部62は、平均的なバブル径が約100nm~150nmのUFBを生成する。UFBは、液体中でも負コロイドとしてマイナスに帯電しており、UFB同士の結合がなく、また浮上し難いので、気泡数密度が減らずに液体中に長期滞在することが可能である。 UFB refers to bubbles with a smaller bubble diameter than microbubbles (for example, bubbles with a bubble diameter smaller than 10 3 nm). The first UFB generating unit 62 according to this embodiment generates UFB with an average bubble diameter of about 100 nm to 150 nm. UFB are negatively charged as negative colloids even in liquid, do not bond with each other, and are difficult to float, so they can remain in liquid for a long time without decreasing the bubble number density.

具体的には、第1UFB生成部62は、第1循環経路61を循環する水にUFBを混合する混合部63と、混合部63に接続される2種類のガス源(Hガス源64、Nガス源65)と、を有する。第1UFB生成部62は、2種類のガス源のいずれか一方のガスを混合部63に供給し、混合部63にて、供給されたガスのUFBを有するUFB水を生成する。すなわち、第1UFB生成部62は、水素のUFB(HUFB)を有する水素ウルトラファインバブル水(HUFB水)、及び窒素のUFB(NUFB)を有する窒素ウルトラファインバブル水(NUFB水)を選択的に生成することが可能である。 Specifically, the first UFB generating unit 62 has a mixing unit 63 that mixes UFB with the water circulating through the first circulation path 61, and two types of gas sources (H 2 gas source 64, N 2 gas source 65) connected to the mixing unit 63. The first UFB generating unit 62 supplies one of the two types of gas sources to the mixing unit 63, and generates UFB water having the UFB of the supplied gas in the mixing unit 63. That is, the first UFB generating unit 62 can selectively generate hydrogen ultra-fine bubble water (H 2 UFB water) having hydrogen UFB (H 2 UFB) and nitrogen ultra-fine bubble water (N 2 UFB water) having nitrogen UFB (N 2 UFB).

第1UFB生成部62の混合部63は、配置部52にUFB水を供給する供給口52aの近傍位置に設けられ、制御部54の制御下に適宜動作する。混合部63の構成は、特に限定されず、供給されるガス及び水からUFB水を生成可能な周知の装置を適用し得る。例えば、混合部63は、ガスを水に加圧溶解させた溶解液を、低圧下に噴出及び循環させる処理を繰り返す加圧溶解方式を適用することができる。The mixing section 63 of the first UFB generating section 62 is provided in the vicinity of the supply port 52a that supplies UFB water to the placement section 52, and operates appropriately under the control of the control section 54. The configuration of the mixing section 63 is not particularly limited, and any well-known device capable of generating UFB water from the supplied gas and water may be applied. For example, the mixing section 63 may apply a pressurized dissolution method in which a solution in which gas is pressurized and dissolved in water is repeatedly sprayed and circulated under low pressure.

第1流通部60は、上記の第1UFB生成部62の他に、液体を循環させる第1ポンプ66と、第1循環経路61の流路を開閉する第1弁67と、を第1循環経路61に備える。第1ポンプ66は、制御部54により回転速度が制御されることで、適宜の流速で液体を循環させる。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、第1循環経路61内の液体の圧力を調整すると共に、閉塞状態で液体の流通を遮断する。In addition to the first UFB generation unit 62, the first circulation unit 60 includes a first pump 66 that circulates the liquid, and a first valve 67 that opens and closes the flow path of the first circulation path 61. The first pump 66 circulates the liquid at an appropriate flow rate by having its rotation speed controlled by the control unit 54. The first valve 67 has its opening changed under the control of the control unit 54 to adjust the pressure of the liquid in the first circulation path 61 and to block the flow of the liquid in a closed state.

また、第1循環経路61には、液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、液体の流量を検出する流量センサ、UFBの量を検出する気泡センサ又は濃度センサ等があげられる。In addition, the first circulation path 61 is provided with a number of sensors (not shown) that detect information related to the circulation state of the liquid, and each sensor is connected to the control unit 54 so as to be able to communicate information. For example, the multiple sensors may include a pressure sensor that detects the pressure within the first circulation path 61, a flow sensor that detects the flow rate of the liquid, and an air bubble sensor or concentration sensor that detects the amount of UFB.

さらに、第1循環経路61には、当該第1循環経路61に水を供給する第1水供給部68、及び当該第1循環経路61から液体を排出する第1排出経路69が接続されている。第1水供給部68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、第1循環経路61に水を供給する。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の液体の排出を遮断し、第1排出弁69aの開弁状態で第1循環経路61の液体を排出する。Furthermore, a first water supply unit 68 that supplies water to the first circulation path 61 and a first discharge path 69 that discharges liquid from the first circulation path 61 are connected to the first circulation path 61. The first water supply unit 68 is connected to city water, for example, and has a configuration of a water treatment unit that removes impurities, a tank, and a valve (both not shown), and supplies water to the first circulation path 61 under the control of the control unit 54. The first discharge path 69 has a first discharge valve 69a that opens and closes under the control of the control unit 54, and when the first discharge valve 69a is in a closed state, it blocks the discharge of liquid from the first circulation path 61, and when the first discharge valve 69a is in an open state, it discharges liquid from the first circulation path 61.

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液体の第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循環経路71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に液体を流通させる。On the other hand, the second circulation section 70 has a second circulation path 71 for liquid that is connected to a specific pipe in the arrangement section 52. The second circulation path 71 is composed of a metal pipe or the like having a flow path on the inside, and is connected to the cathode gas inlet communication hole 40a and the cathode gas outlet communication hole 40b of the fuel cell stack 12 set in the arrangement section 52. In other words, the second circulation path 71 circulates liquid to the cathode electrode 26 of the fuel cell 10 in the fuel cell stack 12.

この第2循環経路71には、第1循環経路61と同様に、混合部73、Hガス源74及びNガス源75を有する第2UFB生成部72と、第2ポンプ76と、第2弁77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水供給部78、及び第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。 In the second circulation path 71, similar to the first circulation path 61, a mixing section 73, a second UFB generating section 72 having an H2 gas source 74 and an N2 gas source 75, a second pump 76, a second valve 77, and a plurality of sensors (not shown) are provided. In addition, a second water supply section 78 and a second discharge path 79 having a second discharge valve 79a are connected to the second circulation path 71. The second circulation section 70 may be configured in the same manner as the first circulation section 60, and operates under the control of the control section 54. Therefore, a detailed description will be omitted.

また、エージング装置50の電圧印加部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。電圧印加部80は、制御部54の制御下に、各燃料電池10のアノード電極24及びカソード電極26に適宜の電位を印加する。In addition, the voltage application unit 80 of the aging device 50 is electrically connected to a pair of terminal plates 44a, 44b of the fuel cell stack 12 arranged in the arrangement unit 52 via a harness 56, and is communicatively connected to the control unit 54. Under the control of the control unit 54, the voltage application unit 80 applies an appropriate potential to the anode electrode 24 and the cathode electrode 26 of each fuel cell 10.

具体的には、電圧印加部80は、電源部82、スイッチ部84及び電圧制御部86を有する。電源部82及びスイッチ部84は、並列接続した2つの電源82a、82bの正極と負極が相互に逆向きになっており、且つ各電源の通電及び遮断を切り替え可能な等価回路を構成している。従って、電圧印加部80は、制御部54によるスイッチ部84の切り替え下に、一方の電源82aが燃料電池10のアノード電極24に、他極と比べてマイナス電位を印加し、カソード電極26にプラス電位を印加する。逆に、電圧印加部80は、制御部54によるスイッチ部84の切り替え下に、他方の電源82bがアノード電極24にプラス電位、及びカソード電極26に他極と比べてマイナス電位を印加する。Specifically, the voltage application unit 80 has a power supply unit 82, a switch unit 84, and a voltage control unit 86. The power supply unit 82 and the switch unit 84 configure an equivalent circuit in which the positive and negative poles of the two power supplies 82a and 82b connected in parallel are in the opposite directions, and each power supply can be switched between energized and cut off. Therefore, in the voltage application unit 80, when the switch unit 84 is switched by the control unit 54, one power supply 82a applies a negative potential to the anode electrode 24 of the fuel cell 10 compared to the other pole, and applies a positive potential to the cathode electrode 26. Conversely, in the voltage application unit 80, when the switch unit 84 is switched by the control unit 54, the other power supply 82b applies a positive potential to the anode electrode 24 and a negative potential to the cathode electrode 26 compared to the other pole.

電圧印加部80の電圧制御部86は、電源部82の通電状態で、燃料電池スタック12に出力する電圧を調整する。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。The voltage control unit 86 of the voltage application unit 80 adjusts the voltage output to the fuel cell stack 12 when the power supply unit 82 is energized. The voltage value may be set to an appropriate value according to the number of stacked fuel cells 10, and is set so that the voltage per unit fuel cell (one cell) is in the range of several mV to approximately 1V, for example.

さらに、エージング装置50は、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部(電子負荷装置:不図示)を有する。電子負荷部は、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-カソード間の大電流を流すために使用され、制御部54の制御下に、各燃料電池10のアノード電極24及びカソード電極26に適宜の電流を流す
Furthermore, the aging device 50 has an electronic load section (electronic load device: not shown) that is electrically connected to the pair of terminal plates 44a, 44b of the fuel cell stack 12 via a harness 56 and is communicatively connected to the control section 54. The electronic load section is used to pass a large current between the anode and cathode particularly during power generation (power generation aging or power generation for characteristic evaluation), and passes an appropriate current between the anode electrode 24 and the cathode electrode 26 of each fuel cell 10 under the control of the control section 54.

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。Although not shown in the figure, the aging device 50 may be provided with a refrigerant circulation section that circulates refrigerant (water) through the refrigerant outlet communication hole 42b, the refrigerant inlet communication hole 42a, and the refrigerant flow path 34 of the fuel cell stack 12 arranged in the arrangement section 52.

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。またメモリは、プロセッサや集積回路等に付随してもよい。The control unit 54 of the aging device 50 has one or more processors, a memory, an input/output interface, and an electronic circuit (all not shown). The one or more processors execute a program (not shown) stored in the memory, forming multiple functional blocks in the control unit 54 for controlling each component of the fuel cell system. At least a portion of each functional block may be formed by an integrated circuit such as an ASIC (Application Specific Integrated Circuit) or an FPGA (Field-Programmable Gate Array), or an electronic circuit including a discrete device. The memory may also be associated with the processor, integrated circuit, etc.

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、UFB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HUFB水によって、MEA18のアノード電極24とカソード電極26に水素(H)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。 Here, the aging method for the fuel cell 10 according to the first embodiment utilizes the principle of a concentration cell in order to pass protons (H + ) through the MEA 18 during UFB aging. The concentration cell creates a hydrogen (H 2 ) concentration difference between the anode electrode 24 and the cathode electrode 26 of the MEA 18 by using H 2 UFB water supplied to the fuel cell 10, and promotes concentration equilibration within the MEA 18, thereby moving the protons.

制御部54は、上記の第1流通部60、第2流通部70及び電圧印加部80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UFBエージング(濃淡電池)を実施することができる。第1パターンは、アノード電極24に、HUFB水を供給すると共に、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、NUFB水を供給すると共に、プラス電位を印加する供給印加パターンである。第2パターンは、アノード電極24に、NUFB水を供給すると共に、プラス電位を印加する一方で、カソード電極26に、HUFB水を供給すると共に、他極と比べてマイナス電位を印加する逆供給印加パターンである。 The control unit 54 controls the operation of the first circulating unit 60, the second circulating unit 70, and the voltage applying unit 80, thereby enabling two patterns of UFB aging (concentration cell) to be performed, as shown in Figures 3A and 3B. The first pattern is a supply application pattern in which H2UFB water is supplied to the anode electrode 24 and a negative potential is applied to it compared to the other electrode, while N2UFB water is supplied to the cathode electrode 26 and a positive potential is applied to it. The second pattern is a reverse supply application pattern in which N2UFB water is supplied to the anode electrode 24 and a positive potential is applied to it, while H2UFB water is supplied to the cathode electrode 26 and a negative potential is applied to it compared to the other electrode.

なお、エージング装置50は、電圧印加部80の代わりに図示しない電子負荷部を使用して、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80と同様の電位差をかけることも可能である。
In addition, the aging device 50 can also apply a potential difference similar to that of the voltage application unit 80 by using an electronic load unit (not shown) instead of the voltage application unit 80 and passing a current to either the anode or cathode side (or alternately).

制御部54は、UFBエージング(濃淡電池)において、第1パターン又は第2パターンを単独で実施してもよく、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UFB水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。In UFB aging (concentration cell), the control unit 54 may implement the first pattern or the second pattern alone, or may implement the first and second patterns alternately at predetermined intervals. Below, we will explain the action of the fuel cell 10 by supplying UFB water in the first and second patterns.

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HUFB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NUFBを供給する。これにより、MEA18は、アノード電極24側においてH濃度が高濃度になり、カソード電極26側においてH濃度が低濃度になる。従って、H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。また上記したように、HUFBの表面電位がマイナスに帯電しているため、アノード電極24内のHUFBが、電圧印加部80からターミナルプレート44a、44bへの電力供給によりプラスに印加されたカソード電極26側に向かうように移動を促すことができる。 In the first pattern, as shown in FIG. 4, the aging device 50 supplies H 2 UFB to the anode flow path 30 and the anode electrode 24 through the first circulating portion 60, and supplies N 2 UFB to the cathode flow path 32 and the cathode electrode 26 through the second circulating portion 70. As a result, the MEA 18 has a high H 2 concentration on the anode electrode 24 side and a low H 2 concentration on the cathode electrode 26 side. Therefore, in the MEA 18, a movement of protons flowing from the anode electrode 24 to the cathode electrode 26 through the electrolyte membrane 22 is created so that the H 2 concentration difference is balanced. Also, as described above, since the surface potential of the H 2 UFB is negatively charged, the H 2 UFB in the anode electrode 24 can be promoted to move toward the cathode electrode 26 side to which a positive voltage is applied by the power supply from the voltage application portion 80 to the terminal plates 44a, 44b.

この際、アノード流路30に供給されたHUFBは、ガス拡散層24c及び緻密カーボン層24bの平均細孔径よりも小さいバブル径となっている。このため、HUFBは、ガス拡散層24c及び緻密カーボン層24bにおいて、バブルが壊れることなく移動する。そして触媒層24aでは、その平均細孔径がHUFBのバブル径よりも小さいことで、HUFBが容易に破裂して、H分子となる。すなわち、UFBエージングは、H分子及び水分子(HO)の両方を触媒層24aに充分に行き渡らせることができる。 At this time, the H 2 UFB supplied to the anode flow path 30 has a bubble diameter smaller than the average pore diameter of the gas diffusion layer 24c and the dense carbon layer 24b. Therefore, the H 2 UFB moves in the gas diffusion layer 24c and the dense carbon layer 24b without breaking the bubbles. In the catalyst layer 24a, the average pore diameter is smaller than the bubble diameter of the H 2 UFB, so that the H 2 UFB easily bursts and becomes H 2 molecules. That is, UFB aging can sufficiently distribute both H 2 molecules and water molecules (H 2 O) in the catalyst layer 24a.

触媒層24aに移動したH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及び電圧印加部80を介して第2セパレータ20bに移動する。 The H2 that has moved to the catalyst layer 24a reacts with the platinum catalyst and is ionized into protons (H + ) and electrons ( e- ). The ionized protons move from the anode side to the cathode side within the MEA 18 together with the electroosmotic water. Meanwhile, the electrons move to the first separator 20a in contact with the anode electrode 24, and then move to the second separator 20b via the harness 56 and the voltage application unit 80.

一方、カソード電極26に供給されたNUFB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NUFB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、H分子となる。カソード電極26で生成されたH分子は、NUFB水と共に燃料電池10から排出される。 On the other hand, the N 2 UFB supplied to the cathode electrode 26 is dispersed in the gas diffusion layer 26c, the dense carbon layer 26b, and the catalyst layer 26a. This N 2 UFB does not react with the platinum catalyst, thereby suppressing unnecessary reactions (reactions with oxygen, protons, and electrons) in the catalyst layer 26a. As a result, the protons that have moved through the MEA 18 and the electrons of the cathode electrode 26 react with the platinum catalyst in the catalyst layer 26a to become H 2 molecules. The H 2 molecules generated at the cathode electrode 26 are discharged from the fuel cell 10 together with the N 2 UFB water.

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水供給部68の水の供給量及び第1ポンプ66の回転速度を、第2水供給部78の水の供給量及び第2ポンプ76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)の水圧を、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)の水圧よりも高くすることができる。In addition, the aging device 50 may control the pressure on the anode electrode 24 side to be higher than the pressure on the cathode electrode 26 side when the first pattern is implemented. Specifically, the control unit 54 reduces the opening of the first valve 67 to be smaller than the opening of the second valve 77, and increases the water supply amount of the first water supply unit 68 and the rotation speed of the first pump 66 to be higher than the water supply amount of the second water supply unit 78 and the rotation speed of the second pump 76. This allows the aging device 50 to make the water pressure in the first circulation path 61 and the fuel cell stack 12 (anode flow path 30) higher than the water pressure in the second circulation path 71 and the fuel cell stack 12 (cathode flow path 32).

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、HUFB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HUFB水のHUFB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。 For example, the aging device 50 increases the pressure (differential pressure) on the anode electrode 24 side by about 50 kPa to 150 kPa relative to the pressure on the cathode electrode 26 side. In this way, by increasing the pressure on the side supplying H 2 UFB, the H 2 UFB in the H 2 UFB water supplied to the anode electrode 24 side can move more easily to the catalyst layer 24a, making it possible to efficiently generate protons in the catalyst layer 24a.

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NUFB水を供給する一方で、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HUFB水を供給する。これにより、MEA18では、H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。 5, the aging device 50 supplies N2 UFB water to the anode flow path 30 and the anode electrode 24 through the first circulating part 60, while supplying H2 UFB water to the cathode flow path 32 and the cathode electrode 26 through the second circulating part 70. This creates a flow of protons from the cathode electrode 26 to the anode electrode 24 through the electrolyte membrane 22 in the MEA 18 so that the H2 concentration difference is balanced.

この際、カソード流路32に供給されたHUFBは、ガス拡散層26c及び緻密カーボン層26bを通って触媒層26aに移動し、触媒層26aにて破裂することで、触媒層26aにH分子が容易に拡散する。触媒層26aのH分子は、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及び電圧印加部80を介して第1セパレータ20aに移動する。 At this time, the H 2 UFB supplied to the cathode flow path 32 moves to the catalyst layer 26a through the gas diffusion layer 26c and the dense carbon layer 26b, and is ruptured at the catalyst layer 26a, so that the H 2 molecules are easily diffused into the catalyst layer 26a. The H 2 molecules in the catalyst layer 26a react with the platinum catalyst and are ionized into protons (H + ) and electrons (e - ). The ionized protons move from the cathode side to the anode side in the MEA 18 together with the electroosmotic water. Meanwhile, the electrons move to the second separator 20b in contact with the cathode electrode 26, and move to the first separator 20a via the harness 56 and the voltage application unit 80.

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、H分子となる。アノード電極24で生成されたH分子は、NUFB水と共に排出される。 As a result, in the anode electrode 24, the protons that have migrated through the MEA 18 and the electrons of the anode electrode 24 react with the platinum catalyst of the catalyst layer 24a to become H2 molecules. The H2 molecules generated in the anode electrode 24 are discharged together with the N2 UFB water.

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水供給部78の水の供給量及び第2ポンプ76の回転速度を、第1水供給部68の水の供給量及び第1ポンプ66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から電解質膜22に、プロトンを効率よく向かわせることができる。Also, when implementing the second pattern, the aging device 50 may control the pressure on the cathode electrode 26 side to be higher than the pressure on the anode electrode 24 side. That is, the control unit 54 makes the opening of the second valve 77 smaller than the opening of the first valve 67, and increases the water supply amount of the second water supply unit 78 and the rotation speed of the second pump 76 higher than the water supply amount of the first water supply unit 68 and the rotation speed of the first pump 66. As a result, the aging device 50 can efficiently direct protons from the catalyst layer 26a of the cathode electrode 26 to the electrolyte membrane 22 by sufficiently increasing the pressure (differential pressure) on the cathode electrode 26 side relative to the pressure on the anode electrode 24 side.

なお、制御部54は、第1パターンと第2パターンを交互に実施し、且つ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HUFB水の供給側の循環経路からHUFB水を排出するパージ制御を行う。 When the control unit 54 alternately performs the first pattern and the second pattern and performs control to apply a pressure difference between the pair of electrodes, it is preferable to perform a conditioning process when switching between the first pattern and the second pattern in order to prevent overload of the electrolyte membrane 22. In this conditioning process, a purge control is performed to discharge H 2 UFB water from the circulation path on the supply side of the high-pressure H 2 UFB water in order to reduce (or make zero) the pressure difference between the pair of electrodes.

また、HUFB水を供給していた電極にはH分子が残存し易い。このため第1パターンと第2パターンの切り替え時に、コンディショニング工程として、HUFB水の供給側だった電極に、NUFB水を供給するN供給制御を行うことが好ましい。 In addition, H2 molecules tend to remain in the electrode to which H2 UFB water was supplied. For this reason, when switching between the first and second patterns, it is preferable to perform N2 supply control to supply N2 UFB water to the electrode that was previously supplied with H2 UFB water as a conditioning step.

例えば、コンディショニング工程において、制御部54は、パージ制御を実施しつつ、N供給制御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。 For example, in the conditioning step, the control unit 54 can efficiently eliminate the pressure difference and remove the remaining hydrogen from the electrodes by simultaneously carrying out the purge control and the N 2 supply control.

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、UFBエージング(ステップS1)、N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。 The aging device 50 according to this embodiment is basically configured as described above, and the aging method for the fuel cell 10 will be described below with reference to Fig. 6A. Specifically, the aging method for the fuel cell 10 sequentially performs UFB aging (step S1), N2 purging (step S2), CV aging (step S3), and performance evaluation (step S4).

ステップS1のUFB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UFBエージングにおいて、上記したエージング装置50を適用することで、製造後の燃料電池スタック12にUFB水(HUFB、NUFB)を供給する。これにより、アノード電極24及びカソード電極26におけるガス拡散性が向上し、電解質膜22の湿潤を効率的に高めることが可能となる。 The UFB aging in step S1 is a process for facilitating the movement of protons by mainly increasing the wetness of the electrolyte membrane 22. In this UFB aging, the aging device 50 described above is used to supply UFB water (H 2 UFB, N 2 UFB) to the manufactured fuel cell stack 12. This improves gas diffusion in the anode electrode 24 and the cathode electrode 26, making it possible to efficiently increase the wetness of the electrolyte membrane 22.

例えば、UFB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(供給印加パターン)と、第2パターン(逆供給印加パターン)とを交互に実施する。この場合、図6Bに示すように、制御部54は、第1パターンの実施(ステップS1-1)、第1パターンの終了判定(ステップS1-2)、コンディショニング工程(ステップS1-3)、第2パターンの実施(ステップS1-4)、第2パターンの終了判定(ステップS1-5)、コンディショニング工程(ステップS1-6)を、UFBエージングが終了するまで繰り返して行う。For example, in UFB aging, the aging device 50 alternates between the first pattern (supply application pattern) and the second pattern (reverse supply application pattern). In this case, as shown in FIG. 6B, the control unit 54 repeats the following steps until UFB aging is completed: implementation of the first pattern (step S1-1), determination of the end of the first pattern (step S1-2), conditioning process (step S1-3), implementation of the second pattern (step S1-4), determination of the end of the second pattern (step S1-5), and conditioning process (step S1-6).

第1パターンの実施において、制御部54は、第1流通部60の第1ポンプ66、第1水供給部68、及び第2流通部70の第2ポンプ76、第2水供給部78を制御して、アノード電極24及びカソード電極26に水を循環させる。そして、制御部54は、第1UFB生成部62を制御してHガス源64からHを供給することで混合部63にてHUFBを生成し、第2UFB生成部72を制御してNガス源75からNを供給することで混合部73にてNUFB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HUFB水を供給し、カソード電極26にNUFB水を供給する。 In carrying out the first pattern, the control unit 54 controls the first pump 66 and the first water supply unit 68 of the first circulation unit 60, and the second pump 76 and the second water supply unit 78 of the second circulation unit 70 to circulate water to the anode electrode 24 and the cathode electrode 26. The control unit 54 controls the first UFB generation unit 62 to supply H 2 from the H 2 gas source 64 to generate H 2 UFB in the mixing unit 63, and controls the second UFB generation unit 72 to supply N 2 from the N 2 gas source 75 to generate N 2 UFB in the mixing unit 73. As a result, the aging device 50 supplies H 2 UFB water to the anode electrode 24, and supplies N 2 UFB water to the cathode electrode 26.

この際、制御部54は、第1流通部60の第1ポンプ66、第1水供給部68、第1弁67を制御して、HUFB水を供給するアノード電極24側の圧力を、NUFB水を供給するカソード電極26側の圧力よりも高くする。これにより、多量のHUFBがアノード電極24の触媒層24aに円滑に移動するようになる。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66を停止すると共に第1弁67を閉じることで、HUFB水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HUFB水を確実に留めることができる。 At this time, the control unit 54 controls the first pump 66, the first water supply unit 68, and the first valve 67 of the first circulation unit 60 to make the pressure on the anode electrode 24 side, which supplies the H 2 UFB water, higher than the pressure on the cathode electrode 26 side, which supplies the N 2 UFB water. This allows a large amount of H 2 UFB to move smoothly to the catalyst layer 24a of the anode electrode 24. Furthermore, the control unit 54 may stop the circulation of the H 2 UFB water by stopping the first pump 66 and closing the first valve 67 when the pressure on the anode electrode 24 side increases. This stopping ensures that the H 2 UFB water is retained at the anode electrode 24.

そして、制御部54は、アノード電極24にHUFB水が供給されている最中に、電圧印加部80により、アノード電極24に他極と比べてマイナス電位、カソード電極26にプラス電位を印加する。以上の制御により、図4に示すように、MEA18のアノード電極24の触媒層24a内では、多量のHUFBが破裂してH分子になる。そして、H分子は、白金触媒と反応してプロトン及び電子に電離し、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が白金触媒と反応してH分子となる。 Then, while the H 2 UFB water is being supplied to the anode electrode 24, the control unit 54 applies a negative potential to the anode electrode 24 and a positive potential to the cathode electrode 26 by the voltage application unit 80 compared to the other electrodes. By the above control, as shown in FIG. 4, a large amount of H 2 UFB is exploded and becomes H 2 molecules in the catalyst layer 24a of the anode electrode 24 of the MEA 18. Then, the H 2 molecules react with the platinum catalyst and are ionized into protons and electrons, and these protons move to the cathode electrode 26 by passing through the electrolyte membrane 22 together with the electro-osmotic water. In the catalyst layer 26a of the cathode electrode 26, the protons and electrons that have moved through the electrolyte membrane 22 react with the platinum catalyst and become H 2 molecules.

また第1パターンの実施中に、制御部54は、アノード電極24に対するHUFB水の供給を、所定の供給期間(循環停止の期間を含む)にわたって実施したか否かを判定し、供給期間が経過していない場合には、同じHUFB水の使用を維持する。つまり、制御部54は、燃料電池スタック12と第1循環経路61との間でHUFB水を継続的に循環させる。逆に、所定の供給期間が経過した場合には、第1循環経路61からHUFB水を排水して、新たなHUFB水を第1循環経路61に供給する。これにより、エージング装置50は、第1UFB生成部62により生成したHUFB水を充分に使い回した後に、第1循環経路61から排出することになり、Hの消費を低減することができる。 During the implementation of the first pattern, the control unit 54 judges whether the supply of H 2 UFB water to the anode electrode 24 has been performed for a predetermined supply period (including the period during which circulation is stopped), and if the supply period has not elapsed, the control unit 54 maintains the use of the same H 2 UFB water. That is, the control unit 54 continuously circulates the H 2 UFB water between the fuel cell stack 12 and the first circulation path 61. Conversely, if the predetermined supply period has elapsed, the control unit 54 drains the H 2 UFB water from the first circulation path 61 and supplies new H 2 UFB water to the first circulation path 61. As a result, the aging device 50 fully reuses the H 2 UFB water generated by the first UFB generation unit 62 before discharging it from the first circulation path 61, thereby reducing H 2 consumption.

図6Bに戻り、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し(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HUFB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。これにより、アノード電極24側のHUFB水の水圧が減少し、カソード電極26側との差圧が減少する。 Returning to FIG. 6B, the control unit 54 judges whether the first pattern has been performed for a predetermined period (step S1-2), and if it has not been performed for a predetermined period (step S1-2: NO), the control unit 54 continues the first pattern, whereas if it has been performed for a predetermined period (step S1-2: YES), the control unit 54 proceeds to the conditioning step (step S1-3). In the conditioning step, the control unit 54 fully opens the first valve 67 and opens the first discharge valve 69a of the first discharge path 69 to discharge the H 2 UFB on the anode electrode 24 side. On the other hand, the second discharge valve 79a on the cathode electrode 26 side is not opened to maintain circulation in the second circulation path 71 (or circulation is stopped due to the blockage of the second valve 77). This reduces the water pressure of the H 2 UFB water on the anode electrode 24 side, and reduces the pressure difference with the cathode electrode 26 side.

また、制御部54は、第1循環経路61からのHUFB水の排出を実施しつつ、第1流通部60の第1UFB生成部62、第1ポンプ66を動作して、アノード電極24側にNUFB水を供給する。このNUFB水の供給によって、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H分子が排出される。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。 Furthermore, the control unit 54 operates the first UFB generation unit 62 and the first pump 66 of the first circulation unit 60 to supply N2UFB water to the anode electrode 24 side while discharging H2UFB water from the first circulation path 61. This supply of N2UFB water maintains the wetness of the electrolyte membrane 22 and the catalyst layer 24a while discharging H2 molecules remaining in the anode electrode 24. Then, the control unit 54 ends the conditioning process after carrying out the above conditioning process for a set period of time (or until the pressure difference between the anode electrode 24 and the cathode electrode 26 becomes equal to or lower than a predetermined pressure).

その後、制御部54は、第2パターンを実施する(ステップS1-4)。第2パターンの実施において、制御部54は、第1UFB生成部62を制御してNガス源65からNを供給することで混合部63にてNUFBを生成し、第2UFB生成部72を制御してHガス源74からHを供給することで混合部73にてHUFB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NUFB水を供給し、カソード電極26にHUFB水を供給する。この際、制御部54は、HUFB水を供給するカソード電極26側の圧力を、NUFB水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76を停止すると共に第2弁77を閉じることで、HUFB水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HUFB水を確実に留めることができる。 Thereafter, the control unit 54 executes the second pattern (step S1-4). In executing the second pattern, the control unit 54 controls the first UFB generating unit 62 to supply N 2 from the N 2 gas source 65 to generate N 2 UFB in the mixing unit 63, and controls the second UFB generating unit 72 to supply H 2 from the H 2 gas source 74 to generate H 2 UFB in the mixing unit 73. As a result, the aging device 50 supplies N 2 UFB water to the anode electrode 24, and supplies H 2 UFB water to the cathode electrode 26. At this time, the control unit 54 makes the pressure on the cathode electrode 26 side where the H 2 UFB water is supplied higher than the pressure on the anode electrode 24 side where the N 2 UFB water is supplied. In addition, the control unit 54 may stop the circulation of the H 2 UFB water by stopping the second pump 76 and closing the second valve 77 at the stage where the pressure on the cathode electrode 26 side has increased. This shutdown ensures that the high pressure H 2 UFB water remains at the cathode electrode 26 .

さらに、制御部54は、カソード電極26にHUFB水が供給されている最中に、電圧印加部80によりカソード電極26に他極と比べてマイナス電位、アノード電極24にプラス電位を印加する。以上の制御により、図5に示すように、カソード電極26において白金触媒と反応した多量のプロトンが、電気浸透水を伴って電解質膜22を透過する。そしてアノード電極24において、プロトンと電子が白金触媒と反応することで、H分子となる。 Furthermore, while H2 UFB water is being supplied to the cathode electrode 26, the control unit 54 causes the voltage application unit 80 to apply a negative potential to the cathode electrode 26 compared to the other electrode, and a positive potential to the anode electrode 24. Through the above control, as shown in Fig. 5, a large amount of protons that have reacted with the platinum catalyst at the cathode electrode 26 pass through the electrolyte membrane 22 together with electroosmotic water. Then, at the anode electrode 24, the protons and electrons react with the platinum catalyst to become H2 molecules.

また第2パターンの実施中も、制御部54は、カソード電極26に対するHUFB水の供給を、所定の供給期間(循環停止の期間を含む)にわたって実施したか否かを判定し、供給期間が経過していない場合には、HUFB水の使用を継続する。逆に、所定の供給期間が経過した場合には、第2循環経路71からHUFB水を排水して、新たなHUFB水を第2循環経路71に供給する。 Also, during the second pattern, the control unit 54 determines whether the supply of H2UFB water to the cathode electrode 26 has been performed for a predetermined supply period (including the period when circulation is stopped), and if the supply period has not elapsed, continues to use the H2UFB water. Conversely, if the predetermined supply period has elapsed, drains the H2UFB water from the second circulation path 71 and supplies new H2UFB water to the second circulation path 71.

図6Bに戻り、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し(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。Returning to FIG. 6B, the control unit 54 determines whether the second pattern has been performed for a predetermined period of time (step S1-5), and if it has not been performed for the predetermined period of time (step S1-5: NO), the control unit 54 continues the second pattern, whereas if it has been performed for the predetermined period of time (step S1-5: YES), the control unit 54 performs a conditioning step (step S1-6). In this conditioning step, the control is reversed from that of the conditioning step in step S1-3.

すなわち、制御部54は、カソード電極26側のHUFBを排出してカソード電極26側のHUFB水の水圧を減少させ、カソード電極26側との差圧を減少させる。また、制御部54は、第2循環経路71からのHUFB水の排出を実施しつつ、カソード電極26側にNUFB水を供給する。このNUFB水の供給によって、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H分子を排出することが可能となる。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。 That is, the control unit 54 discharges H 2 UFB on the cathode electrode 26 side to reduce the water pressure of the H 2 UFB water on the cathode electrode 26 side, thereby reducing the pressure difference with the cathode electrode 26 side. The control unit 54 also supplies N 2 UFB water to the cathode electrode 26 side while discharging H 2 UFB water from the second circulation path 71. This supply of N 2 UFB water makes it possible to discharge H 2 molecules remaining in the cathode electrode 26 while maintaining the wetness of the electrolyte membrane 22 and the catalyst layer 26a. Then, the control unit 54 ends the conditioning process after carrying out the above conditioning process for a set period (or until the pressure difference between the cathode electrode 26 and the anode electrode 24 becomes equal to or less than a predetermined pressure).

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、UFBエージングを終了する。そしてUFB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Nパージを実施する(図6AのステップS2)。このNパージの処理は、UFB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。 The aging device 50 continues the above process flow for a set number of repetitions or for a set period of time to complete the UFB aging. After the UFB aging is completed, the aging method for the fuel cell 10 performs the next N2 purge (step S2 in FIG. 6A). This N2 purge process may be performed using the aging device 50 used in the UFB aging, or a different device may be used.

パージは、UFB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N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には、第1循環経路61及び第2循環経路71の水を排出した後に、第1UFB生成部62のNガス源65から第1循環経路61にNガスを供給し、第2UFB生成部72のNガス源75から第2循環経路71にN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、Nパージにおいて、N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、Nパージにおいて、Nガスを過加湿状態にした過加湿Nガスを供給してもよい。 The N2 purge is a process for discharging water, hydrogen, and the like remaining in the fuel cell stack 12 by supplying N2 gas, which is an inert gas, to the anode flow path 30 and the cathode flow path 32 of the fuel cell stack 12 after UFB aging. For example, when the same aging device 50 is used, after discharging water from the first circulation path 61 and the second circulation path 71, N2 gas is supplied from the N2 gas source 65 of the first UFB generation unit 62 to the first circulation path 61, and N2 gas is supplied from the N2 gas source 75 of the second UFB generation unit 72 to the second circulation path 71. As a result, the humidity of the electrolyte membrane 22 of the fuel cell stack 12 is adjusted, and flooding of the anode electrode 24 and the cathode electrode 26 is prevented. It is of course possible to apply an inert gas other than N2 gas in the N2 purge. In addition, the aging device 50 may supply overhumidified N2 gas obtained by overhumidifying N2 gas in the N2 purge.

次に、ステップS3のCVエージング(電圧変動エージング)は、上記のUFBエージングで使用したエージング装置50を使用する、又は図示しないCVエージング装置を使用することにより、N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H→2H+eの反応、O+4H+4e→2HOの反応が促進される。また、先にUFB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。 Next, in the CV aging (voltage fluctuation aging) of step S3, a fluctuating voltage is applied to the fuel cell stack 12 after N2 purging by using the aging device 50 used in the UFB aging described above, or by using a CV aging device not shown. This CV aging removes the oxidized film on the surface of the catalyst, and removes organic contaminants adhering to the catalyst, and increases the effective catalyst area of the MEA 18. As a result, the reactions H2 → 2H + + e- and O2 + 4H + + 4e-2H2O during power generation of the fuel cell 10 are promoted. In addition, since UFB aging has been performed first, protons move easily in the electrolyte membrane 22 during CV aging. Therefore, it is possible to shorten the time required for CV aging.

最後に、ステップS4の性能評価では、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、評価方法では、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、UFB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している。Finally, in the performance evaluation of step S4, the power generation performance of the fuel cell stack 12 (fuel cell 10) after CV aging is analyzed using an appropriate evaluation method. For example, the evaluation method detects the cell voltage and current during power generation by performing a power generation process on the fuel cell stack 12. Here, the fuel cell stack 12 that has undergone UFB aging and CV aging has a reduced concentration overvoltage in the IV curve as well as a reduced activation overvoltage. Therefore, the power generation performance of the fuel cell stack 12 is significantly improved.

以上のように、燃料電池10のエージング方法は、UFBエージング(濃淡電池)におけるUFB水(HUFB水、NUFB水)の供給によって、アノード電極24及びカソード電極26におけるH分子の移動性(拡散性)、及び濡れ性が向上する。つまり、UFBエージングの実施により、MEA18におけるプロトンの拡散係数が上昇して、これに伴い電解質膜22をプロトンが移動する際の電気浸透水量も上昇する。従って、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。 As described above, the aging method for the fuel cell 10 improves the mobility (diffusibility) and wettability of H2 molecules in the anode electrode 24 and the cathode electrode 26 by supplying UFB water ( H2 UFB water, N2 UFB water) in UFB aging (concentration cell). In other words, by carrying out UFB aging, the diffusion coefficient of protons in the MEA 18 increases, and accordingly the amount of electroosmotic water increases when protons move through the electrolyte membrane 22. Therefore, the water content of the MEA 18 (electrolyte membrane 22) can be efficiently increased.

本発明は、上記の実施形態に限定されず、発明の要旨に沿って種々の改変が可能である。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UFB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をUFB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、UFB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。The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications are possible in accordance with the gist of the invention. For example, the aging device 50 is not limited to UFB aging a fuel cell stack 12 having a plurality of fuel cells 10, and may be configured to UFB age a fuel cell 10, which is a unit power generation cell, by making appropriate modifications. Also, for example, the aging method of the fuel cell 10 may omit CV aging (step S3) if the power generation performance of the fuel cell 10 is sufficiently improved by implementing UFB aging.

さらに、UFBの供給は、燃料電池10に対してUFBエージングを実施する際のみに限定されず、燃料電池スタック12(燃料電池10)の発電時に適用することもできる。例えば、燃料電池スタック12を有する燃料電池システム(不図示)又はエージング装置50は、アノード電極24に対してHUFBを含むHUFB水を供給する一方で、カソード電極26に対してO分子のUFBを含むOUFB水を供給する。これにより、MEA18の各触媒層にH分子及びO分子の各々を効率的に移動させることができ、燃料電池スタック12は、充分な発電電力を出力することが可能となる。また、エージング装置50は、上記の実施形態では、第1UFB生成部62及び第2UFB生成部72の各々にHガス源64、74及びNガス源65、75を設けたが、これに限定されず、Hガス源64、74及びNガス源65、75を共有した構成でよい。以下、エージング方法において、OUFB水を供給する構成、Hガス源64、74及びNガス源65、75を共有した変形例について、図7、図8A及び図8Bに例示して説明する。 Furthermore, the supply of UFB is not limited to when UFB aging is performed on the fuel cell 10, but can also be applied during power generation of the fuel cell stack 12 (fuel cell 10). For example, a fuel cell system (not shown) having the fuel cell stack 12 or an aging device 50 supplies H 2 UFB water containing H 2 UFB to the anode electrode 24, while supplying O 2 UFB water containing UFB of O 2 molecules to the cathode electrode 26. This allows each of the H 2 molecules and the O 2 molecules to be efficiently transferred to each catalyst layer of the MEA 18, and the fuel cell stack 12 can output sufficient power generation. In addition, in the above embodiment, the aging device 50 is provided with H 2 gas sources 64, 74 and N 2 gas sources 65, 75 in each of the first UFB generating unit 62 and the second UFB generating unit 72, but is not limited thereto, and may be configured to share the H 2 gas sources 64, 74 and the N 2 gas sources 65, 75. Hereinafter, a configuration for supplying O 2 UFB water and a modified example in which the H 2 gas sources 64, 74 and the N 2 gas sources 65, 75 are shared in the aging method will be described with reference to FIGS. 7, 8A and 8B.

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(アノード電極24)、カソード流路32(カソード電極26)及び冷媒流路34(図2参照)に、選択した流体(HUFB水、NUFB水、OUFB水、加湿したHガス、加湿したNガス、加湿したOガス)を供給する供給処理部90と、燃料電池スタック12から排出された各流体を処理する排出処理部92と、を有する。供給処理部90は、O(本変形例ではエア)及びNを供給する第1供給処理部94と、H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、O及びNの排出を処理する第1排出処理部100と、H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。 The aging device 50A has a supply processing unit 90 that supplies selected fluids (H 2 UFB water, N 2 UFB water, O 2 UFB water, humidified H 2 gas, humidified N 2 gas, humidified O 2 gas) to the anode flow path 30 (anode electrode 24), the cathode flow path 32 (cathode electrode 26), and the coolant flow path 34 (see FIG . 2 ) of the fuel cell stack 12, and a discharge processing unit 92 that processes each fluid discharged from the fuel cell stack 12. The supply processing unit 90 includes a first supply processing unit 94 that supplies O 2 (air in this modification) and N 2 , a second supply processing unit 96 that supplies H 2 , and a supply flow path switching unit 98 that switches the flow path of the fluid between the fuel cell stack 12 and the first supply processing unit 94 and the second supply processing unit 96. The discharge treatment unit 92 includes a first discharge treatment unit 100 that treats the discharge of O 2 and N 2 , a second discharge treatment unit 102 that treats the discharge of H 2 , and a discharge flow path switching unit 104 that switches the flow path of the fluid between the fuel cell stack 12 and the first discharge treatment unit 100 and the second discharge treatment unit 102. A first circulation path 106 that circulates the fluid of the first discharge treatment unit 100 is connected between the first supply treatment unit 94 and the first discharge treatment unit 100. In addition, a second circulation path 108 that circulates the fluid of the second discharge treatment unit 102 is connected between the second supply treatment unit 96 and the second discharge treatment unit 102.

図8Aに示すように、第1供給処理部94は、エア源110と、エアUFB生成部112と、エアUFB用タンク114と、バブラータンク116と、Nガス源118と、NUFB生成部120と、NUFB用タンク122と、を備える。また、エアUFB生成部112、バブラータンク116、NUFB生成部120の各々には、水供給部124が接続されている。エアUFB生成部112は、エア源110から供給されたエアと、水供給部124から供給された水とを適宜混合してエアUFB水を生成する。エアUFB用タンク114は、生成されたエアUFB水を貯留すると共に、第1排出処理部100から循環したエアUFB水を貯留する。NUFB生成部120は、Nガス源118から供給されたNガスと、水供給部124から供給された水とを適宜混合してNUFB水を生成する。NUFB用タンク122は、生成されたNUFB水を貯留すると共に、第1排出処理部100から循環したNUFB水を貯留する。バブラータンク116は、エア源110、Nガス源118、水供給部124に接続され、タンク内に貯留された水に対してエア又はNガスを供給して発泡させることで、加湿したエア又は加湿したN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。 As shown in Fig. 8A, the first supply processing unit 94 includes an air source 110, an air UFB generating unit 112, an air UFB tank 114, a bubbler tank 116, an N2 gas source 118, an N2 UFB generating unit 120, and an N2 UFB tank 122. A water supply unit 124 is connected to each of the air UFB generating unit 112, the bubbler tank 116, and the N2 UFB generating unit 120. The air UFB generating unit 112 appropriately mixes air supplied from the air source 110 and water supplied from the water supply unit 124 to generate air UFB water. The air UFB tank 114 stores the generated air UFB water and also stores the air UFB water circulated from the first discharge processing unit 100. The N 2 UFB generating unit 120 appropriately mixes the N 2 gas supplied from the N 2 gas source 118 with the water supplied from the water supply unit 124 to generate N 2 UFB water. The N 2 UFB tank 122 stores the generated N 2 UFB water and stores the N 2 UFB water circulated from the first discharge processing unit 100. The bubbler tank 116 is connected to the air source 110, the N 2 gas source 118, and the water supply unit 124, and generates humidified air or humidified N 2 gas by supplying air or N 2 gas to the water stored in the tank to foam it. The bubbler tank 116 also controls the temperature and humidity of the gas by adjusting the temperature with a temperature adjustment unit (not shown).

第1供給処理部94は、エア源110のエアをエアUFB生成部112とバブラータンク116に選択的に供給し、且つNガス源118のNガスをNUFB生成部120とバブラータンク116に選択的に供給するためのバルブ126a、126b、126c、126dを有する。さらに、第1供給処理部94は、エアUFB用タンク114と第1供給処理部94の出力端子94aとの間にポンプ128a及びバルブ130aを有し、バブラータンク116と出力端子94aとの間にポンプ128b及びバルブ130bを有し、NUFB用タンク122と出力端子94aとの間にポンプ128c及びバルブ130cを有する。またさらに、第1供給処理部94は、NUFB水を冷媒として燃料電池スタック12に供給するための経路を有し、この経路にもポンプ128d、バルブ130dを備える。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NUFB水、OUFB水、加湿したNガス、加湿したO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。 The first supply processing unit 94 has valves 126a, 126b, 126c, and 126d for selectively supplying air from the air source 110 to the air UFB generating unit 112 and the bubbler tank 116, and selectively supplying N2 gas from the N2 gas source 118 to the N2 UFB generating unit 120 and the bubbler tank 116. Furthermore, the first supply processing unit 94 has a pump 128a and a valve 130a between the air UFB tank 114 and the output terminal 94a of the first supply processing unit 94, a pump 128b and a valve 130b between the bubbler tank 116 and the output terminal 94a, and a pump 128c and a valve 130c between the N2 UFB tank 122 and the output terminal 94a. Furthermore, the first supply processing unit 94 has a path for supplying N2UFB water as a coolant to the fuel cell stack 12, and this path also has a pump 128d and a valve 130d. The first supply processing unit 94 configured as above can output N2UFB water, O2UFB water, humidified N2 gas, and humidified O2 gas from the output terminal 94a to the downstream supply flow path switching unit 98.

一方、第2供給処理部96は、図8Bに示すように、Hガス源132と、HUFB生成部134と、HUFB用タンク136と、Hバブラータンク138と、を備える。また、HUFB生成部134、Hバブラータンク138の各々には、水供給部124が接続されている。HUFB生成部134は、Hガス源132から供給されたHガスと、水供給部124から供給された水とを適宜混合してHUFB水を生成する。HUFB用タンク136は、生成されたHUFB水を貯留すると共に、第2排出処理部102から循環したHUFB水を貯留する。Hバブラータンク138は、Hガス源132、水供給部124に接続され、タンク内に貯留された水に対してHガスを供給して発泡させることで、加湿したHガスを生成する。また、Hバブラータンク138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。 On the other hand, the second supply processing unit 96 includes an H2 gas source 132, an H2 UFB generating unit 134, an H2 UFB tank 136, and an H2 bubbler tank 138, as shown in Fig. 8B. The water supply unit 124 is connected to each of the H2 UFB generating unit 134 and the H2 bubbler tank 138. The H2 UFB generating unit 134 appropriately mixes the H2 gas supplied from the H2 gas source 132 with the water supplied from the water supply unit 124 to generate H2 UFB water. The H2 UFB tank 136 stores the generated H2 UFB water and also stores the H2 UFB water circulated from the second exhaust processing unit 102. The H2 bubbler tank 138 is connected to the H2 gas source 132 and the water supply unit 124, and generates humidified H2 gas by supplying H2 gas to the water stored in the tank and bubbling it. The H2 bubbler tank 138 also controls the temperature and humidity of the gas by adjusting the temperature with a temperature adjustment unit (not shown).

第2供給処理部96は、Hガス源132のHガスをHUFB生成部134とHバブラータンク138に選択的に供給するためのバルブ140a、140bを有し、さらにHUFB用タンク136と第2供給処理部96の出力端子96aとの間にポンプ142a及びバルブ144aを有すると共に、Hバブラータンク138と出力端子96aとの間にポンプ142b及びバルブ144b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HUFB水、加湿したH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。 The second supply processing unit 96 has valves 140a and 140b for selectively supplying H2 gas from the H2 gas source 132 to the H2 UFB generating unit 134 and the H2 bubbler tank 138, and further has a pump 142a and a valve 144a between the H2 UFB tank 136 and the output terminal 96a of the second supply processing unit 96, and has a pump 142b and a valve 144b between the H2 bubbler tank 138 and the output terminal 96a. The second supply processing unit 96 configured as above can output H2 UFB water and humidified H2 gas from the output terminal 96a to the downstream supply flow path switching unit 98.

図7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、複数のバルブ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。Returning to FIG. 7, the supply flow path switching unit 98 is provided with a plurality of pipes 150 between the first supply processing unit 94 and the fuel cell stack 12, and between the second supply processing unit 96 and the fuel cell stack 12. Each of the plurality of pipes 150 is provided with a plurality of valves 152 (valves 152a, 152b, 152c, 152d). The supply flow path switching unit 98 configured in this manner supplies the fluid of the first supply processing unit 94 to one of the anode electrode 24 and the cathode electrode 26, while supplying the fluid of the second supply processing unit 96 to the other of the anode electrode 24 and the cathode electrode 26, under switching of the plurality of valves 152.

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、複数のバルブ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。Similarly, the discharge flow path switching unit 104 includes a plurality of pipes 160 between the first discharge processing unit 100 and the fuel cell stack 12, and between the second discharge processing unit 102 and the fuel cell stack 12. Each of the plurality of pipes 160 is provided with a plurality of valves 162 (valves 162a, 162b, 162c, 162d). The discharge flow path switching unit 104 thus configured discharges fluid from one of the anode electrode 24 and the cathode electrode 26 to the first discharge processing unit 100 under switching of the plurality of valves 162, while discharging fluid from the other of the anode electrode 24 and the cathode electrode 26 to the second discharge processing unit 102.

第1排出処理部100は、NUFB水、OUFB水、Nガス、O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、NUFB水、OUFB水、Nガス、O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。 The first discharge processing unit 100 has a first recovery tank 170 that recovers N 2 UFB water, O 2 UFB water, N 2 gas, and O 2 gas. The first circulation path 106 is connected between the input terminal 100a of the first discharge processing unit 100 and the first recovery tank 170. A valve 172a is provided between the input terminal 100a and the first recovery tank 170, and a valve 172b is also provided on the first circulation path 106. The first discharge processing unit 100 configured in this manner can discharge N 2 UFB water, O 2 UFB water, N 2 gas, and O 2 gas into the first recovery tank 170 and circulate them through the first circulation path 106 under switching of the valves 172a and 172b.

同様に、第2排出処理部102は、HUFB水、H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、HUFB水、H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。 Similarly, the second discharge processing unit 102 has a second recovery tank 174 that recovers H 2 UFB water and H 2 gas. In addition, the second circulation path 108 is connected between the input terminal 102a of the second discharge processing unit 102 and the second recovery tank 174. A valve 176a is provided between the input terminal 102a and the second recovery tank 174, and a valve 176b is also provided on the second circulation path 108. The second discharge processing unit 102 configured in this manner can discharge H 2 UFB water and H 2 gas into the second recovery tank 174 and circulate them through the second circulation path 108 under switching of the valves 176a and 176b.

以上のように構成されたエージング装置50Aは、アノード電極24にHUFB水を供給しつつ、カソード電極26にNUFB水を供給し、また電圧印加部80(図1参照)により電位を印加することで、上記の第1パターンを実施することができる。さらに、エージング装置50Aは、アノード電極24にNUFB水を供給しつつ、カソード電極26にHUFB水を供給し、電圧印加部80により電位を印加することで第2パターンを実施することができる。第1パターンと第2パターンの間のコンディショニング工程においても、供給流路切換部98及び排出流路切換部104により配管150、160を適宜切り替えることにより、上記したパージ制御やN供給制御を行うことができる。特に、第1供給処理部94は、N供給制御において、加湿したNガスを燃料電池スタック12に簡単に供給することができる。 The aging device 50A configured as above can implement the above-mentioned first pattern by supplying H 2 UFB water to the anode electrode 24 while supplying N 2 UFB water to the cathode electrode 26 and applying a potential by the voltage application unit 80 (see FIG. 1). Furthermore, the aging device 50A can implement the second pattern by supplying H 2 UFB water to the anode electrode 24 while supplying H 2 UFB water to the cathode electrode 26 and applying a potential by the voltage application unit 80. Even in the conditioning step between the first pattern and the second pattern, the above-mentioned purge control and N 2 supply control can be performed by appropriately switching the pipes 150, 160 by the supply flow path switching unit 98 and the exhaust flow path switching unit 104. In particular, the first supply processing unit 94 can easily supply humidified N 2 gas to the fuel cell stack 12 in the N 2 supply control.

また、エージング装置50Aは、アノード電極24にHUFB水を供給し、カソード電極26にOUFB水を供給することで、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OUFB水を供給し、カソード電極26にHUFB水を供給することで、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、UFBエージングの実施中の第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、UFBエージング後に実施してもよい。 Furthermore, the aging device 50A can generate power in the fuel cell stack 12 by supplying H 2 UFB water to the anode electrode 24 and O 2 UFB water to the cathode electrode 26. Alternatively, during aging, the aging device 50A can generate power in the fuel cell stack 12 by supplying O 2 UFB water to the anode electrode 24 and H 2 UFB water to the cathode electrode 26. Power generation in the fuel cell stack 12 may be performed by combining the first pattern and the second pattern during UFB aging, or may be performed after UFB aging.

また、他の変形例として、燃料電池10を構成するセパレータ(第1セパレータ20a、第2セパレータ20b)は、相互に隣接するセパレータ同士の間に、流路から外部へのガス及び液体の漏れを防ぐシール部(不図示)を備えていてもよい。この場合、セパレータは、シール部の形成時に、シロキサン等の撥水性起因物質が飛散して発電部対向面に付着する恐れがある。よって、セパレータの製造時(UFBエージングの処理前又は処理中)に、UFB水によるセパレータの洗浄を実施することが好ましい。これにより、セパレータの微小な隙間にUFB水が入り込むことで、製造時に付着した撥水性起因物質を除去することができる。また、セパレータは、UFB水による洗浄で表面の親水性を高めることができ、このセパレータにより燃料電池10を構成することで、燃料電池10のエージング時間の短縮、又はセル電圧のばらつきの改善を期待することができる。In another modification, the separators (first separator 20a, second separator 20b) constituting the fuel cell 10 may have a seal portion (not shown) between adjacent separators to prevent leakage of gas and liquid from the flow path to the outside. In this case, when forming the seal portion of the separator, there is a risk that water-repellent substances such as siloxane will scatter and adhere to the surface facing the power generation unit. Therefore, it is preferable to wash the separator with UFB water during the manufacture of the separator (before or during the UFB aging process). This allows the UFB water to enter the minute gaps in the separator, thereby removing the water-repellent substances that adhered during the manufacture. In addition, the hydrophilicity of the surface of the separator can be increased by washing with UFB water, and by constructing the fuel cell 10 with this separator, it is expected that the aging time of the fuel cell 10 will be shortened or the variation in cell voltage will be improved.

〔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、UFB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、電流によりプロトンを動かす(ポンプする)方法である。
Second Embodiment
The aging method for the fuel cell 10 according to the second embodiment utilizes the principle of a hydrogen pump to pass protons (H + ) through the MEA 18 during UFB aging. In a hydrogen pump, a flow of electrons is created by a DC power supply connected to the fuel cell 10, and protons are moved in the direction where there are more electrons in the MEA 18. In other words, this is a method of moving (pumping) protons by electric current.

ただし、この水素ポンプの原理を利用したUFBエージングでも、第1実施形態に係るエージング装置50と同じ装置を適用できる。具体的にUFBエージング(水素ポンプ)において、エージング装置50の制御部54は、第1流通部60、第2流通部70及び電圧印加部80の動作を制御することで、図9A及び図9Bに示すように、2つのパターンを実施する。However, the same device as the aging device 50 according to the first embodiment can be applied to UFB aging that utilizes the principle of this hydrogen pump. Specifically, in UFB aging (hydrogen pump), the control unit 54 of the aging device 50 controls the operation of the first circulating unit 60, the second circulating unit 70, and the voltage application unit 80 to implement two patterns, as shown in Figures 9A and 9B.

図9Aに示す第1パターンは、アノード電極24に、HUFB水を供給すると共に、プラス電位を印加する一方で、カソード電極26に、NUFB水を供給すると共に、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9Bに示す第2パターンは、アノード電極24に、NUFB水を供給すると共に、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、HUFB水を供給すると共に、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パターンを単独で実施することが可能であり、或いは第1パターンと第2パターンを所定期間毎に交互に実施することができる。 The first pattern shown in Fig. 9A is a supply application pattern in which H2UFB water is supplied to the anode electrode 24 and a positive potential is applied, while N2UFB water is supplied to the cathode electrode 26 and a negative potential is applied compared to the other electrode. The second pattern shown in Fig. 9B is a reverse supply application pattern in which N2UFB water is supplied to the anode electrode 24 and a negative potential is applied compared to the other electrode, while H2UFB water is supplied to the cathode electrode 26 and a positive potential is applied. Note that even with this hydrogen pump principle, the control unit 54 can independently perform the first pattern or the second pattern, or can alternately perform the first pattern and the second pattern at predetermined intervals.

なお、水素ポンプを利用したエージング方法でも、エージング装置50は、電圧印加部80の代わりに図示しない電子負荷部を使用して、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80と同様の電位差をかけることも可能である。
Incidentally, even in the aging method using a hydrogen pump, the aging device 50 can use an electronic load unit (not shown) instead of the voltage application unit 80 to pass a current to either the anode or cathode side (or alternately), thereby applying a potential difference similar to that of the voltage application unit 80.

第1パターンにおいて、エージング装置50は、図10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HUFB水を供給し、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NUFB水を供給する。HUFBは、アノード電極24においてHUFB水の水圧(水流)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に移動し、触媒層24aにおいて破裂することでH分子となる。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、HUFBが触媒層24aに向かって移動し易くなる。そして、H分子は、白金触媒と反応し、プロトン(H)と電子(e)に電離する。 In the first pattern, as shown in FIG. 10, the aging device 50 supplies H 2 UFB water to the anode flow path 30 and the anode electrode 24 through the first circulating part 60, and supplies N 2 UFB water to the cathode flow path 32 and the cathode electrode 26 through the second circulating part 70. H 2 UFB moves to the catalyst layer 24a through the gas diffusion layer 24c and the dense carbon layer 24b by the water pressure (water flow) of the H 2 UFB water at the anode electrode 24, and becomes H 2 molecules by bursting at the catalyst layer 24a. In particular, the control unit 54 controls the pressure on the anode electrode 24 side to be higher than the pressure on the cathode electrode 26 side, which makes it easier for H 2 UFB to move toward the catalyst layer 24a. Then, the H 2 molecules react with the platinum catalyst and are ionized into protons (H + ) and electrons (e - ).

さらに、電圧印加部80は、アノード電極24にプラス電位、カソード電極26に、他極と比べてマイナス電位をそれぞれ印加する。これにより、電離した電子は、アノード電極24の第1セパレータ20aに移動して、ハーネス56及び電圧印加部80を介してカソード電極26の第2セパレータ20b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、H分子となり、このH分子は、NUFB水と共に燃料電池10から排出される。 Furthermore, the voltage application unit 80 applies a positive potential to the anode electrode 24 and a negative potential to the cathode electrode 26 compared to the other electrode. As a result, the ionized electrons move to the first separator 20a of the anode electrode 24, and then move to the second separator 20b of the cathode electrode 26 via the harness 56 and the voltage application unit 80. In other words, the cathode electrode 26 attracts protons due to the movement of many electrons. Therefore, the protons in the catalyst layer 24a of the anode electrode 24 move inside the MEA 18 together with the electroosmotic water. The protons and electrons that have moved to the catalyst layer 26a of the cathode electrode 26 react with the platinum catalyst to become H2 molecules, and these H2 molecules are discharged from the fuel cell 10 together with the N2 UFB water.

図9Bに戻り、エージング装置50は、第2パターンにおいて、UFB水(HUFB水、NUFB水)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)。 9B , in the second pattern, the aging device 50 reverses the electrodes to which UFB water (H 2 UFB water, N 2 UFB water) is supplied from the first pattern, and also reverses the electrodes to which voltage is applied from the first pattern. This allows the fuel cell 10 to move protons from the cathode electrode 26 to the anode electrode 24 via the electrolyte membrane 22, in the opposite manner to the above, and to humidify the cathode electrode 26 with electroosmotic water (a detailed description of the operation of the fuel cell 10 will be omitted).

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UFB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UFB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。As described above, the aging method of the fuel cell 10 can achieve the same effect as the first embodiment even with UFB aging using the principle of the hydrogen pump. That is, this aging method can efficiently increase the water content of the MEA 18 (electrolyte membrane 22) by increasing the diffusion coefficient of protons in the MEA 18 and increasing the amount of electroosmotic water associated with proton movement. In particular, UFB aging using the principle of the hydrogen pump can further increase the efficiency of proton movement by transferring electrons by applying a DC voltage.

〔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11に示すように、UFBエージングの実施時に、CVエージングを同時に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、UFBエージングを実施するエージング装置50は、第1及び第2実施形態と同様のエージング装置50を適用することができる。
Third Embodiment
The aging method for the fuel cell 10 according to the third embodiment differs from the aging methods for the fuel cell 10 according to the first and second embodiments in that CV aging is performed simultaneously when UFB aging is performed, as shown in Fig. 11. Note that the aging device 50 that performs UFB aging can be the same as the aging device 50 used in the first and second embodiments.

具体的には、エージング方法では、UFB+CVエージング(ステップS11)、N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。UFB+CVエージングでは、制御部54は、濃淡電池又は水素ポンプの原理を用いたUFBエージングを実施しつつ、電圧印加部80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、UFB+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。 Specifically, the aging method sequentially performs UFB+CV aging (step S11), N2 purging (step S12), CV aging (step S13), and performance evaluation (step S14). In UFB+CV aging, the control unit 54 performs UFB aging using the principle of a concentration cell or hydrogen pump, while varying the voltage applied to the anode electrode 24 and the cathode electrode 26 by the voltage application unit 80. As a result, the fuel cell 10 that has undergone UFB+CV aging has an increased water content in the electrolyte membrane 22 and an improved catalyst effective area.

従って、エージング方法は、N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UFB+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、UFB+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。 Therefore, the aging method can further shorten the time required for CV aging (step S13) after N2 purging (step S12). And, even if UFB+CV aging is performed in this way and the CV aging time is shortened, the power generation performance of the fuel cell stack 12 can be significantly improved. It goes without saying that, even in the aging method for the fuel cell 10 according to the third embodiment, CV aging may be omitted if the power generation performance of the fuel cell 10 is sufficiently improved by performing UFB+CV aging.

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。The technical ideas and effects that can be understood from the above embodiments are described below.

本発明の一態様は、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、プロトンに分離可能な水素をウルトラファインバブル(UFB)として有する水素ウルトラファインバブル水(HUFB水)を、燃料電池10の一方の電極に供給し、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ウルトラファインバブルエージングを行う。 One aspect of the present invention is a method for aging a fuel cell 10 having an electrolyte membrane 22 and a pair of electrodes (anode electrode 24, cathode electrode 26) provided on both sides of the electrolyte membrane 22, in which hydrogen ultra-fine bubble water ( H2 UFB water) containing hydrogen that can be separated into protons as ultra-fine bubbles (UFB) is supplied to one electrode of the fuel cell 10, and ultra-fine bubble aging is performed in which protons are transferred from one electrode to the other electrode through the electrolyte membrane 22.

上記によれば、燃料電池10のエージング方法は、燃料電池10に供給したHUFB水を、一方の電極の触媒層24a(又は触媒層26a)に良好に移動させることができる。これにより、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を移動することで、電解質膜22の加湿を一層促進することが可能となる。すなわち、HUFB水を利用したウルトラファインバブルエージングは、燃料電池10のエージングの効率化を図ることができる。 As described above, the aging method for the fuel cell 10 can effectively transfer the H 2 UFB water supplied to the fuel cell 10 to the catalyst layer 24a (or catalyst layer 26a) of one electrode. As a result, protons ionized from hydrogen in the catalyst layer 24a (or catalyst layer 26a) can move through the electrolyte membrane 22 together with electroosmotic water, thereby further promoting humidification of the electrolyte membrane 22. In other words, ultra-fine bubble aging using H 2 UFB water can improve the efficiency of aging of the fuel cell 10.

また、ウルトラファインバブルエージングの実施後に、一対の電極(アノード電極24、カソード電極26)に、所定の電圧幅で変動する電圧を印加する電圧変動エージング(CVエージング)を行う。これにより、燃料電池10のエージング方法は、電解質膜22の加湿によりガス拡散性が高まった燃料電池10に対してCVエージングを行うことができ、このCVエージングにより触媒有効面積を短時間に確保することが可能となる。In addition, after ultra-fine bubble aging is performed, voltage fluctuation aging (CV aging) is performed in which a voltage that fluctuates within a predetermined voltage range is applied to a pair of electrodes (anode electrode 24, cathode electrode 26). This allows the aging method of the fuel cell 10 to perform CV aging on the fuel cell 10 whose gas diffusivity has been increased by humidifying the electrolyte membrane 22, and this CV aging makes it possible to secure the effective catalyst area in a short period of time.

また、ウルトラファインバブルエージングでは、一対の電極であるアノード電極24に、水素ウルトラファインバブル水を供給すると共に、他極と比べてマイナス電位を印加する一方で、一対の電極であるカソード電極26に、窒素をウルトラファインバブルとして有する窒素ウルトラファインバブル水を供給すると共に、プラス電位を印加する供給印加パターンを行う。これにより、燃料電池10のエージング方法は、濃淡電池の原理を利用してプロトンを極間移動させることが可能となり、UFBエージングを良好に行うことができる。In ultra-fine bubble aging, a supply and application pattern is used in which hydrogen ultra-fine bubble water is supplied to the anode electrode 24, which is one of a pair of electrodes, and a negative potential is applied to the other electrode, while nitrogen ultra-fine bubble water containing nitrogen as ultra-fine bubbles is supplied to the cathode electrode 26, which is one of a pair of electrodes, and a positive potential is applied. This makes it possible for the aging method for the fuel cell 10 to move protons between the electrodes by utilizing the principle of a concentration cell, and enables good UFB aging.

また、ウルトラファインバブルエージングでは、供給印加パターンと、アノード電極24に、窒素ウルトラファインバブル水を供給すると共に、プラス電位を印加する一方で、カソード電極26に、水素ウルトラファインバブル水を供給すると共に、他極と比べてマイナス電位を印加する逆供給印加パターンと、を交互に行う。これにより、燃料電池10のエージング方法は、アノード電極24とカソード電極26の両方から電解質膜22の加湿を行うことができ、UFBエージングの効率化等が一層図られる。In addition, in ultra-fine bubble aging, a supply application pattern and a reverse supply application pattern are alternated, in which nitrogen ultra-fine bubble water is supplied to the anode electrode 24 and a positive potential is applied, while hydrogen ultra-fine bubble water is supplied to the cathode electrode 26 and a negative potential is applied compared to the other electrode. This allows the aging method of the fuel cell 10 to humidify the electrolyte membrane 22 from both the anode electrode 24 and the cathode electrode 26, further improving the efficiency of UFB aging.

また、一対の電極であるアノード電極24に、水素ウルトラファインバブル水を供給し、一対の電極であるカソード電極26に、酸素をウルトラファインバブルとして有する酸素ウルトラファインバブル水を供給することで発電を行う。この水素ウルトラファインバブル水及び酸素ウルトラファインバブル水の供給により、燃料電池10は、触媒層24a、26aに水素及び酸素を効率的に供給することが可能となり、発電を良好に行うことができる。In addition, electricity is generated by supplying hydrogen ultra-fine bubble water to the anode electrode 24, which is a pair of electrodes, and oxygen ultra-fine bubble water, which contains oxygen as ultra-fine bubbles, to the cathode electrode 26, which is also a pair of electrodes. By supplying this hydrogen ultra-fine bubble water and oxygen ultra-fine bubble water, the fuel cell 10 is able to efficiently supply hydrogen and oxygen to the catalyst layers 24a, 26a, enabling good electricity generation.

また、一対の電極であるアノード電極24に、水素ウルトラファインバブル水を供給すると共に、プラス電位を印加し、一対の電極であるカソード電極26に、窒素をウルトラファインバブルとして有する窒素ウルトラファインバブル水を供給すると共に、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を行う。この場合でも、燃料電池10のエージング方法は、水素ポンプの原理を利用してプロトンを極間移動させることが可能となり、UFBエージングを良好に行うことができる。In addition, a supply and application pattern is used in which hydrogen ultra-fine bubble water is supplied to the anode electrode 24, which is one of a pair of electrodes, and a positive potential is applied, and nitrogen ultra-fine bubble water containing nitrogen as ultra-fine bubbles is supplied to the cathode electrode 26, which is one of a pair of electrodes, and a negative potential is applied to the other electrode. Even in this case, the aging method for the fuel cell 10 makes it possible to move protons between the electrodes by utilizing the principle of a hydrogen pump, and UFB aging can be performed well.

また、ウルトラファインバブルエージングでは、供給印加パターンと、アノード電極24に、窒素ウルトラファインバブル水を供給すると共に、他極と比べてマイナス電位を印加し、カソード電極26に、水素ウルトラファインバブル水を供給すると共に、プラス電位を印加する逆供給印加パターンと、を交互に行う。このように水素ポンプの原理を利用した場合でも、アノード電極24とカソード電極26の両方から電解質膜22の加湿を行うことができ、UFBエージングの効率化等が一層図られる。In addition, in ultra-fine bubble aging, a supply application pattern and a reverse supply application pattern are alternated, in which nitrogen ultra-fine bubble water is supplied to the anode electrode 24 while a negative potential is applied compared to the other electrode, and hydrogen ultra-fine bubble water is supplied to the cathode electrode 26 while a positive potential is applied. Even when using the principle of a hydrogen pump in this way, the electrolyte membrane 22 can be humidified from both the anode electrode 24 and the cathode electrode 26, further improving the efficiency of UFB aging.

また、水素ウルトラファインバブル水を供給する側の圧力を、窒素ウルトラファインバブル水を供給する側の圧力よりも高くする。これにより、UFBエージングは、電極内での触媒層24a、26aへのHUFBの移動をより効率化することができる。 In addition, the pressure on the side supplying ultra-fine hydrogen bubble water is set higher than the pressure on the side supplying ultra-fine nitrogen bubble water, which allows the UFB aging process to more efficiently transfer H2UFB to the catalyst layers 24a and 26a in the electrodes.

また、供給印加パターン又は逆供給印加パターンの終了時に、水素ウルトラファインバブル水を供給する側の圧力を下げることで、窒素ウルトラファインバブル水を供給する側の圧力との差圧を低下させる。これにより、燃料電池10のエージング方法は、供給印加パターン又は逆供給印加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。In addition, at the end of the supply application pattern or reverse supply application pattern, the pressure on the side supplying hydrogen ultra-fine bubble water is lowered, thereby lowering the pressure difference with the side supplying nitrogen ultra-fine bubble water. This makes it possible for the aging method of the fuel cell 10 to suppress overloading of the electrolyte membrane 22 caused by a sudden change in pressure at the end of the supply application pattern or reverse supply application pattern.

また、供給印加パターン又は逆供給印加パターンの終了時に、水素ウルトラファインバブル水を供給する側の電極に窒素を供給して残存する水素を排出する。これにより、燃料電池10のエージング方法は、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。In addition, at the end of the supply application pattern or the reverse supply application pattern, nitrogen is supplied to the electrode supplying the hydrogen ultra-fine bubble water to discharge the remaining hydrogen. This makes it possible for the aging method of the fuel cell 10 to easily discharge the hydrogen remaining in the electrode.

また、ウルトラファインバブルエージングの実施時に、印加する電圧を所定の電圧幅で変動させる。これにより、燃料電池10のエージング方法は、UFB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、エージング時間の短縮化を一層促すことができる。In addition, when ultra-fine bubble aging is performed, the applied voltage is varied within a predetermined voltage range. This allows the aging method of the fuel cell 10 to combine UFB aging with CV aging, further shortening the aging time.

また、一方の電極に対して水素ウルトラファインバブル水を所定の供給期間循環させた後、水素ウルトラファインバブル水を排水する。これにより、燃料電池10のエージング方法は、水素ウルトラファインバブルを充分に使い切ることが可能となり、水素の消費を抑制できる。In addition, after circulating the ultra-fine hydrogen bubble water around one of the electrodes for a specified supply period, the ultra-fine hydrogen bubble water is discharged. This makes it possible for the aging method for the fuel cell 10 to fully use up the ultra-fine hydrogen bubbles, thereby suppressing hydrogen consumption.

また、一方の電極に対して水素ウルトラファインバブル水を所定量供給した後、水素ウルトラファインバブル水の供給を停止する。これにより、燃料電池10のエージング方法は、Hの消費を抑制することができる。 In addition, after a predetermined amount of ultra-fine hydrogen bubble water is supplied to one of the electrodes, the supply of ultra-fine hydrogen bubble water is stopped. This aging method for the fuel cell 10 can suppress H2 consumption.

また、燃料電池10は、一対の電極の電極面の各々に設置された一対のセパレータ(第1セパレータ20a、第2セパレータ20b)を有し、ウルトラファインバブルエージングの処理前又は処理中に、セパレータをウルトラファインバブル水で洗浄する。これにより、セパレータの表面の親水性を高めることができ、このセパレータにより燃料電池10を構成することで、燃料電池10のエージング時間の短縮、又はセル電圧のばらつきの改善を期待することができる。In addition, the fuel cell 10 has a pair of separators (first separator 20a, second separator 20b) installed on each of the electrode surfaces of the pair of electrodes, and the separators are washed with ultra-fine bubble water before or during the ultra-fine bubble aging process. This makes it possible to increase the hydrophilicity of the separator surface, and by configuring the fuel cell 10 with this separator, it is expected that the aging time of the fuel cell 10 can be shortened or the variation in cell voltage can be improved.

Claims (11)

電解質膜(22)と、前記電解質膜の両面に設けられた一対の電極(24、26)と、を有する燃料電池(10)のエージング方法であって、
プロトンに分離可能な水素をウルトラファインバブルとして有する水素ウルトラファインバブル水を、前記燃料電池の一方の電極に供給し、
前記一方の電極から前記電解質膜を通して他方の電極に前記プロトンを移動させるウルトラファインバブルエージングを行い、
前記ウルトラファインバブルエージングでは、
前記一対の電極であるアノード電極(24)に、前記水素ウルトラファインバブル水を供給すると共に、他極と比べてマイナス電位を印加する一方で、前記一対の電極であるカソード電極(26)に、窒素をウルトラファインバブルとして有する窒素ウルトラファインバブル水を供給すると共に、プラス電位を印加する供給印加パターンと、
前記アノード電極に、前記窒素ウルトラファインバブル水を供給すると共に、プラス電位を印加する一方で、前記カソード電極に、前記水素ウルトラファインバブル水を供給すると共に、他極と比べてマイナス電位を印加する逆供給印加パターンと、を交互に行う、
燃料電池のエージング方法。
A method for aging a fuel cell (10) having an electrolyte membrane (22) and a pair of electrodes (24, 26) provided on both sides of the electrolyte membrane, comprising the steps of:
supplying ultra-fine hydrogen bubble water, which contains hydrogen that can be separated into protons as ultra-fine bubbles, to one electrode of the fuel cell;
performing ultra-fine bubble aging to transfer the protons from the one electrode to the other electrode through the electrolyte membrane;
In the ultra-fine bubble aging,
a supply and application pattern in which the hydrogen ultra-fine bubble water is supplied to the anode electrode (24) of the pair of electrodes and a negative potential is applied to the other electrode, while nitrogen ultra-fine bubble water containing nitrogen as ultra-fine bubbles is supplied to the cathode electrode (26) of the pair of electrodes and a positive potential is applied;
The nitrogen ultra-fine bubble water is supplied to the anode electrode and a positive potential is applied to the anode electrode, while the hydrogen ultra-fine bubble water is supplied to the cathode electrode and a negative potential is applied to the cathode electrode compared to the other electrode. This reverse supply application pattern is performed alternately.
A method for aging a fuel cell.
請求項1記載の燃料電池のエージング方法において、
前記ウルトラファインバブルエージングの実施後に、
前記一対の電極に、所定の電圧幅で変動する電圧を印加する電圧変動エージングを行う
燃料電池のエージング方法。
The method for aging a fuel cell according to claim 1,
After carrying out the ultra-fine bubble aging,
a voltage fluctuation aging process for applying a voltage that fluctuates within a predetermined voltage range to the pair of electrodes;
請求項1又は2記載の燃料電池のエージング方法において、
前記アノード電極に、前記水素ウルトラファインバブル水を供給し、
前記カソード電極に、酸素をウルトラファインバブルとして有する酸素ウルトラファインバブル水を供給することで発電を行う
燃料電池のエージング方法。
The method for aging a fuel cell according to claim 1 or 2,
The ultra-fine hydrogen bubble water is supplied to the anode electrode,
The method for aging a fuel cell comprises supplying ultra-fine oxygen bubble water containing oxygen as ultra-fine bubbles to the cathode electrode to generate electricity.
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、
プロトンに分離可能な水素をウルトラファインバブルとして有する水素ウルトラファインバブル水を、前記燃料電池の一方の電極に供給し、
前記一方の電極から前記電解質膜を通して他方の電極に前記プロトンを移動させるウルトラファインバブルエージングを行い、
前記一対の電極であるアノード電極に、前記水素ウルトラファインバブル水を供給すると共に、プラス電位を印加し、
前記一対の電極であるカソード電極に、窒素をウルトラファインバブルとして有する窒素ウルトラファインバブル水を供給すると共に、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を行い、
前記ウルトラファインバブルエージングでは、前記供給印加パターンと、
前記アノード電極に、前記窒素ウルトラファインバブル水を供給すると共に、他極と比べてマイナス電位を印加し、
前記カソード電極に、前記水素ウルトラファインバブル水を供給すると共に、プラス電位を印加する逆供給印加パターンと、を交互に行う
燃料電池のエージング方法。
A method for aging a fuel cell having an electrolyte membrane and a pair of electrodes provided on both sides of the electrolyte membrane, comprising the steps of:
supplying ultra-fine hydrogen bubble water, which contains hydrogen that can be separated into protons as ultra-fine bubbles, to one electrode of the fuel cell;
performing ultra-fine bubble aging to transfer the protons from the one electrode to the other electrode through the electrolyte membrane;
The hydrogen ultra-fine bubble water is supplied to the anode electrodes, which are the pair of electrodes, and a positive potential is applied to the anode electrodes.
A supply and application pattern is performed in which ultra-fine nitrogen bubble water containing nitrogen as ultra-fine bubbles is supplied to the cathode electrode, which is one of the pair of electrodes, and a negative potential is applied to the cathode electrode compared to the other electrode.
In the ultra-fine bubble aging, the supply application pattern and
The ultra-fine nitrogen bubble water is supplied to the anode electrode, and a negative potential is applied to the anode electrode compared to the other electrode.
The method for aging a fuel cell comprises alternately supplying the ultra-fine hydrogen bubble water to the cathode electrode and applying a positive potential in a reverse supply application pattern.
請求項1又は4記載の燃料電池のエージング方法において、
前記水素ウルトラファインバブル水を供給する側の圧力を、前記窒素ウルトラファインバブル水を供給する側の圧力よりも高くする
燃料電池のエージング方法。
The method for aging a fuel cell according to claim 1 or 4 ,
a pressure on the side where the ultra-fine hydrogen bubble water is supplied is set higher than a pressure on the side where the ultra-fine nitrogen bubble water is supplied.
請求項記載の燃料電池のエージング方法において、
前記供給印加パターン又は前記逆供給印加パターンの終了時に、前記水素ウルトラファインバブル水を供給する側の圧力を下げることで、前記窒素ウルトラファインバブル水を供給する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。
The method for aging a fuel cell according to claim 5 ,
the pressure on the side supplying the ultra-fine hydrogen bubble water is lowered at the end of the supply application pattern or the reverse supply application pattern, thereby reducing the pressure difference with the pressure on the side supplying the ultra-fine nitrogen bubble water.
請求項1、4~6のいずれか1項に記載の燃料電池のエージング方法において、
前記供給印加パターン又は前記逆供給印加パターンの終了時に、前記水素ウルトラファインバブル水を供給する側の電極に窒素を供給して残存する水素を排出する
燃料電池のエージング方法。
The aging method for a fuel cell according to any one of claims 1 and 4 to 6 ,
and when the supply application pattern or the reverse supply application pattern is terminated, nitrogen is supplied to the electrode that supplies the ultra-fine hydrogen bubble water, thereby discharging remaining hydrogen.
請求項1~のいずれか1項に記載の燃料電池のエージング方法において、
前記ウルトラファインバブルエージングの実施時に、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。
The method for aging a fuel cell according to any one of claims 1 to 7 ,
the method for aging a fuel cell further comprising fluctuating the applied voltage within a predetermined voltage range during the ultra-fine bubble aging process.
請求項1~のいずれか1項に記載の燃料電池のエージング方法において、
前記一方の電極に対して前記水素ウルトラファインバブル水を所定の供給期間循環させた後、前記水素ウルトラファインバブル水を排水する
燃料電池のエージング方法。
The method for aging a fuel cell according to any one of claims 1 to 8 ,
the ultra-fine hydrogen bubble water is circulated around one of the electrodes for a predetermined period of time, and then the ultra-fine hydrogen bubble water is discharged.
請求項1~のいずれか1項に記載の燃料電池のエージング方法において、
前記一方の電極に対して前記水素ウルトラファインバブル水を所定量供給した後、前記水素ウルトラファインバブル水の供給を停止する
燃料電池のエージング方法。
The method for aging a fuel cell according to any one of claims 1 to 9 ,
a predetermined amount of ultra-fine hydrogen bubble water is supplied to one of the electrodes, and then the supply of the ultra-fine hydrogen bubble water is stopped.
請求項1~10のいずれか1項に記載の燃料電池のエージング方法において、
前記燃料電池は、前記一対の電極の電極面の各々に設置された一対のセパレータを有し、
前記ウルトラファインバブルエージングの処理前又は処理中に、前記セパレータをウルトラファインバブル水で洗浄する
燃料電池のエージング方法。
The method for aging a fuel cell according to any one of claims 1 to 10 ,
The fuel cell has a pair of separators disposed on each of the electrode surfaces of the pair of electrodes,
the separator is washed with ultra-fine bubble water before or during the ultra-fine bubble aging treatment.
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