JP7500862B2 - 燃料電池のエージング方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池のエージング方法に関する。

燃料電池は、電解質膜と、電解質膜の両面の各々に積層された一対の電極と、を有する電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）、及びＭＥＡの電極面の各々に設置された一対のセパレータ（バイポーラ板）を備える。この燃料電池は、複数積層されることで、燃料電池スタックに組み立てられる。燃料電池スタック（又は燃料電池）の製造では、組立後に、燃料電池の発電性能を引き出すためにエージングを行っている。

例えば、特開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。

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。

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。

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。

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。

本発明の一実施形態に係る燃料電池のエージング方法を行うエージング装置の全体構成を示す説明図である。 燃料電池の構成を示す斜視図である。 図３Ａは、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。 濃淡電池の第１パターンにおける燃料電池の作用を示す拡大断面図である。 濃淡電池の第２パターンにおける燃料電池の作用を示す拡大断面図である。 図６Ａは、第１実施形態に係る燃料電池のエージング方法を示すフローチャートである。図６Ｂは、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。 変形例に係るエージング装置を示す部分説明図である。 図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。 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。 水素ポンプの第１パターンにおける燃料電池の作用を示す拡大断面図である。 第３実施形態に係る燃料電池のエージング方法を示すフローチャートである。

以下、本発明について好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。

〔第１実施形態〕
本発明の第１実施形態に係る燃料電池１０のエージング方法は、図１に示すエージング装置５０を使用する。エージング装置５０には、単位発電セルである燃料電池１０を複数積層した燃料電池スタック１２がセットされる。エージング装置５０は、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。

燃料電池スタック１２は、複数の燃料電池１０を積層した積層体１４を、スタックケース（不図示）に収容して構成されている。図２に示すように、燃料電池１０は、外周部に樹脂枠１９を有する電解質膜・電極構造体１８（以下、ＭＥＡ１８という）と、ＭＥＡ１８の両面にそれぞれ積層される第１セパレータ２０ａ及び第２セパレータ２０ｂとを有する。燃料電池１０は、第１セパレータ２０ａとＭＥＡ１８の間に水素等のアノードガス（燃料ガス）が流通する一方で、第２セパレータ２０ｂとＭＥＡ１８の間に酸素等のカソードガス（酸化剤ガス）が流通することで、アノードガス及びカソードガスの電気化学反応により発電する。

ＭＥＡ１８は、電解質膜２２と、電解質膜２２の一方面に設けられるアノード電極２４と、電解質膜２２の他方面に設けられるカソード電極２６とを有する。電解質膜２２は、例えば、水分を含んだパーフルオロスルホン酸の薄膜である固体高分子電解質膜（陽イオン交換膜）が適用される。なお、電解質膜２２は、フッ素系電解質の他、ＨＣ（炭化水素）系電解質を使用することができる。

アノード電極２４及びカソード電極２６の各々は、電解質膜２２に接合される触媒層２４ａ、２６ａと、触媒層２４ａ、２６ａに積層される緻密カーボン層２４ｂ、２６ｂと、緻密カーボン層２４ｂ、２６ｂに積層されるガス拡散層２４ｃ、２６ｃと、を有する（図４参照）。触媒層２４ａ、２６ａは、例えば、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が、イオン導電性高分子バインダと共にカーボンペーパ又はカーボンクロス等の表面に一様に塗布されることで形成される。触媒層２４ａ、２６ａは、複数の細孔の平均的な径（平均細孔径）が５０～８０ｎｍ前後となっている。緻密カーボン層２４ｂ、２６ｂは、カーボンペーパ又はカーボンクロス等から形成され、その平均細孔径が４００～６００ｎｍ前後となっている。ガス拡散層２４ｃは、カーボンペーパ又はカーボンクロス等から形成され、その平均細孔径が３０～５０×１０^３ｎｍ前後となっている。

第１セパレータ２０ａ及び第２セパレータ２０ｂは、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、又はその金属表面に防食用の表面処理を施した金属プレートをプレスして断面を凹凸に形成して構成される。燃料電池スタック１２の製造では、一の燃料電池１０の第１セパレータ２０ａと、他の燃料電池１０の第２セパレータ２０ｂとの外周同士を接合した接合セパレータを形成し、この接合セパレータとＭＥＡ１８を積層することで、積層体１４を構築していく。

第１セパレータ２０ａは、アノードガスを流動させるアノード流路３０を、ＭＥＡ１８のアノード電極２４に対向する面に備える。アノード流路３０は、第１セパレータ２０ａの長手方向に延在する複数本の突条部３１間に形成された直線状流路溝（又は波状流路溝）によって構成される。

第２セパレータ２０ｂは、カソードガスを流動させるカソード流路３２を、ＭＥＡ１８のカソード電極２６に対向する面に備える（図２中では、便宜的にカソード電極２６上にカソードガスの流通方向を図示している）。カソード流路３２は、第２セパレータ２０ｂの長手方向に延在する複数本の突条部３３間に形成された直線状流路溝（又は波状流路溝）によって構成される。

また、第１セパレータ２０ａと第２セパレータ２０ｂとが接触し合う面の間には、冷媒（例えば、水）を流通させる冷媒流路３４が形成される。冷媒流路３４は、第１セパレータ２０ａのアノード流路３０の裏面形状と、第２セパレータ２０ｂのカソード流路３２の裏面形状とが重なり合うことで形成される。

さらに、燃料電池１０は、アノードガス、カソードガス及び冷媒を積層体１４の積層方向に流通させる流体連通孔３６を複数備える。

燃料電池１０の長辺方向の一端縁部には、流体連通孔３６として１つのアノードガス入口連通孔３８ａ、２つのカソードガス出口連通孔４０ｂ及び冷媒入口連通孔４２ａが設けられる。アノードガス入口連通孔３８ａは、第１セパレータ２０ａのアノード流路３０に連通し、アノード流路３０にアノードガスを流入させる。２つの冷媒入口連通孔４２ａは、第１及び第２セパレータ２０ａ、２０ｂ間の冷媒流路３４に連通し、冷媒流路３４に冷媒を流入させる。２つのカソードガス出口連通孔４０ｂは、第２セパレータ２０ｂのカソード流路３２に連通し、カソード流路３２からカソードガスを流出させる。

燃料電池１０の長辺方向の他端縁部には、流体連通孔３６として１つのカソードガス入口連通孔４０ａと、２つのアノードガス出口連通孔３８ｂと、２つの冷媒出口連通孔４２ｂとが設けられる。カソードガス入口連通孔４０ａは、第２セパレータ２０ｂのカソード流路３２に連通し、カソード流路３２にカソードガスを流入させる。２つの冷媒出口連通孔４２ｂは、第１及び第２セパレータ２０ａ、２０ｂ間の冷媒流路３４に連通し、冷媒流路３４から冷媒を流出させる。２つのアノードガス出口連通孔３８ｂは、第１セパレータ２０ａのアノード流路３０に連通し、アノード流路３０からアノードガスを流出させる。なお、流体連通孔３６の位置や数、形状等は、要求される仕様に応じて適宜設定されればよい。

また図１に示すように、積層体１４の積層方向の一端部には、ターミナルプレート４４ａ、インシュレータ４６ａ及びエンドプレート４８ａが外方に向かって順に積層される。積層体１４の積層方向の他端には、ターミナルプレート４４ｂ、インシュレータ４６ｂ及びエンドプレート４８ｂが外方に向かって順に積層される。各エンドプレート４８ａ、４８ｂは、スタックケースの一部を構成している。上記の各流体連通孔３６は、積層体１４の積層方向の一端部（又は両端部）にも貫通形成され、エンドプレート４８ａの外面に取り付けられる各配管（不図示）に連通している。

次に、本実施形態に係るエージング装置５０について説明する。エージング装置５０は、燃料電池スタック１２を配置する配置部５２と、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。

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。

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。

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。

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１０^３ｎｍ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。

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_２ガス源６４、Ｎ_２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（Ｈ_２ＵＦＢ）を有する水素ウルトラファインバブル水（Ｈ_２ＵＦＢ水）、及び窒素のＵＦＢ（Ｎ_２ＵＦＢ）を有する窒素ウルトラファインバブル水（Ｎ_２ＵＦＢ水）を選択的に生成することが可能である。

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。

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。

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。

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。

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。

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_２ガス源７４及びＮ_２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。

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。

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。

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。

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。

なお、図示は省略するが、エージング装置５０は、配置部５２に配置された燃料電池スタック１２の冷媒出口連通孔４２ｂ、冷媒入口連通孔４２ａ及び冷媒流路３４に対して、冷媒（水）を循環させる冷媒循環部を備えていてもよい。

エージング装置５０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。

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Ｈ_２ＵＦＢ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_２）の濃度差を作り、ＭＥＡ１８内で濃度の平衡化を促すことで、プロトンを移動させる。

制御部５４は、上記の第１流通部６０、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、Ｈ_２ＵＦＢ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、Ｎ_２ＵＦＢ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、Ｎ_２ＵＦＢ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、Ｈ_２ＵＦＢ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。

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。

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。

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Ｈ_２ＵＦＢ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Ｎ_２ＵＦＢ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_２濃度が高濃度になり、カソード電極２６側においてＨ_２濃度が低濃度になる。従って、Ｈ_２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、Ｈ_２ＵＦＢ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Ｈ_２ＵＦＢ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。

この際、アノード流路３０に供給されたＨ_２ＵＦＢ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、Ｈ_２ＵＦＢ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Ｈ_２ＵＦＢのバブル径よりも小さいことで、Ｈ_２ＵＦＢが容易に破裂して、Ｈ_２分子となる。すなわち、ＵＦＢエージングは、Ｈ_２分子及び水分子（Ｈ_２Ｏ）の両方を触媒層２４ａに充分に行き渡らせることができる。

触媒層２４ａに移動したＨ_２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。

一方、カソード電極２６に供給されたＮ_２ＵＦＢ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Ｎ_２ＵＦＢ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_２分子となる。カソード電極２６で生成されたＨ_２分子は、Ｎ_２ＵＦＢ水と共に燃料電池１０から排出される。

また、エージング装置５０は、第１パターンの実施時に、アノード電極２４側の圧力をカソード電極２６側の圧力よりも高くする制御を行ってもよい。具体的には、制御部５４は、第１弁６７の開度を第２弁７７の開度よりも小さくすると共に、第１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。

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、Ｈ_２ＵＦＢ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Ｈ_２ＵＦＢ水のＨ_２ＵＦＢが触媒層２４ａに一層移動し易くなり、触媒層２４ａにてプロトンを効率よく生成することが可能となる。

一方、第２パターンにおいて、エージング装置５０は、図５に示すように、第１流通部６０によりアノード流路３０及びアノード電極２４にＮ_２ＵＦＢ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Ｈ_２ＵＦＢ水を供給する。これにより、ＭＥＡ１８では、Ｈ_２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。

この際、カソード流路３２に供給されたＨ_２ＵＦＢ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_２分子が容易に拡散する。触媒層２６ａのＨ_２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。

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_２分子となる。アノード電極２４で生成されたＨ_２分子は、Ｎ_２ＵＦＢ水と共に排出される。

また第２パターンの実施時にも、エージング装置５０は、カソード電極２６側の圧力をアノード電極２４側の圧力よりも高くする制御を行うとよい。つまり、制御部５４は、第２弁７７の開度を第１弁６７の開度よりも小さくすると共に、第２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。

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Ｈ_２ＵＦＢ水の供給側の循環経路からＨ_２ＵＦＢ水を排出するパージ制御を行う。

また、Ｈ_２ＵＦＢ水を供給していた電極にはＨ_２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、Ｈ_２ＵＦＢ水の供給側だった電極に、Ｎ_２ＵＦＢ水を供給するＮ_２供給制御を行うことが好ましい。

例えば、コンディショニング工程において、制御部５４は、パージ制御を実施しつつ、Ｎ_２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。

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_２パージ（ステップＳ２）、ＣＶエージング（ステップＳ３）、性能評価（ステップＳ４）を順に実施する。

ステップＳ１の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（Ｈ_２ＵＦＢ、Ｎ_２ＵＦＢ）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。

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。

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_２ガス源６４からＨ_２を供給することで混合部６３にてＨ_２ＵＦＢを生成し、第２ＵＦＢ生成部７２を制御してＮ_２ガス源７５からＮ_２を供給することで混合部７３にてＮ_２ＵＦＢ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Ｈ_２ＵＦＢ水を供給し、カソード電極２６にＮ_２ＵＦＢ水を供給する。

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、Ｈ_２ＵＦＢ水を供給するアノード電極２４側の圧力を、Ｎ_２ＵＦＢ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Ｈ_２ＵＦＢ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、Ｈ_２ＵＦＢ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Ｈ_２ＵＦＢ水を確実に留めることができる。

そして、制御部５４は、アノード電極２４にＨ_２ＵＦＢ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Ｈ_２ＵＦＢが破裂してＨ_２分子になる。そして、Ｈ_２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_２分子となる。

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Ｈ_２ＵＦＢ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Ｈ_２ＵＦＢ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Ｈ_２ＵＦＢ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Ｈ_２ＵＦＢ水を排水して、新たなＨ_２ＵＦＢ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Ｈ_２ＵＦＢ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_２の消費を低減することができる。

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Ｈ_２ＵＦＢ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Ｈ_２ＵＦＢ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。

また、制御部５４は、第１循環経路６１からのＨ_２ＵＦＢ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Ｎ_２ＵＦＢ水を供給する。このＮ_２ＵＦＢ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_２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。

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_２ガス源６５からＮ_２を供給することで混合部６３にてＮ_２ＵＦＢを生成し、第２ＵＦＢ生成部７２を制御してＨ_２ガス源７４からＨ_２を供給することで混合部７３にてＨ_２ＵＦＢ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Ｎ_２ＵＦＢ水を供給し、カソード電極２６にＨ_２ＵＦＢ水を供給する。この際、制御部５４は、Ｈ_２ＵＦＢ水を供給するカソード電極２６側の圧力を、Ｎ_２ＵＦＢ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、Ｈ_２ＵＦＢ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Ｈ_２ＵＦＢ水を確実に留めることができる。

さらに、制御部５４は、カソード電極２６にＨ_２ＵＦＢ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_２分子となる。

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Ｈ_２ＵＦＢ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、Ｈ_２ＵＦＢ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Ｈ_２ＵＦＢ水を排水して、新たなＨ_２ＵＦＢ水を第２循環経路７１に供給する。

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。

すなわち、制御部５４は、カソード電極２６側のＨ_２ＵＦＢを排出してカソード電極２６側のＨ_２ＵＦＢ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Ｈ_２ＵＦＢ水の排出を実施しつつ、カソード電極２６側にＮ_２ＵＦＢ水を供給する。このＮ_２ＵＦＢ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_２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。

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_２パージを実施する（図６ＡのステップＳ２）。このＮ_２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。

Ｎ_２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_２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_２ガス源６５から第１循環経路６１にＮ_２ガスを供給し、第２ＵＦＢ生成部７２のＮ_２ガス源７５から第２循環経路７１にＮ_２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_２パージにおいて、Ｎ_２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_２パージにおいて、Ｎ_２ガスを過加湿状態にした過加湿Ｎ_２ガスを供給してもよい。

次に、ステップＳ３のＣＶエージング（電圧変動エージング）は、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_２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_２→２Ｈ^＋＋ｅ^－の反応、Ｏ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ^－→２Ｈ^２Ｏ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。

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。

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（Ｈ_２ＵＦＢ水、Ｎ_２ＵＦＢ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_２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。

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。

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Ｈ_２ＵＦＢを含むＨ_２ＵＦＢ水を供給する一方で、カソード電極２６に対してＯ_２分子のＵＦＢを含むＯ_２ＵＦＢ水を供給する。これにより、ＭＥＡ１８の各触媒層にＨ_２分子及びＯ_２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_２ガス源６４、７４及びＮ_２ガス源６５、７５を設けたが、これに限定されず、Ｈ_２ガス源６４、７４及びＮ_２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、Ｏ_２ＵＦＢ水を供給する構成、Ｈ_２ガス源６４、７４及びＮ_２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。

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（Ｈ_２ＵＦＢ水、Ｎ_２ＵＦＢ水、Ｏ_２ＵＦＢ水、加湿したＨ_２ガス、加湿したＮ_２ガス、加湿したＯ_２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_２（本変形例ではエア）及びＮ_２を供給する第１供給処理部９４と、Ｈ_２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_２及びＮ_２の排出を処理する第１排出処理部１００と、Ｈ_２の排出を処理する第２排出処理部１０２と、燃料電池スタック１２と第１排出処理部１００及び第２排出処理部１０２との間で流体の流路を切り換える排出流路切換部１０４と、を含む。第１供給処理部９４と第１排出処理部１００の間には、第１排出処理部１００の流体を循環させる第１循環経路１０６が接続されている。また、第２供給処理部９６と第２排出処理部１０２の間には、第２排出処理部１０２の流体を循環させる第２循環経路１０８が接続されている。

図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_２ガス源１１８と、Ｎ_２ＵＦＢ生成部１２０と、Ｎ_２ＵＦＢ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、Ｎ_２ＵＦＢ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。Ｎ_２ＵＦＢ生成部１２０は、Ｎ_２ガス源１１８から供給されたＮ_２ガスと、水供給部１２４から供給された水とを適宜混合してＮ_２ＵＦＢ水を生成する。Ｎ_２ＵＦＢ用タンク１２２は、生成されたＮ_２ＵＦＢ水を貯留すると共に、第１排出処理部１００から循環したＮ_２ＵＦＢ水を貯留する。バブラータンク１１６は、エア源１１０、Ｎ_２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_２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_２ガスを生成する。また、バブラータンク１１６は、図示しない温度調整部により温度を調整することで、ガスの温度と湿度をコントロールする。

第１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_２ガス源１１８のＮ_２ガスをＮ_２ＵＦＢ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、Ｎ_２ＵＦＢ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、Ｎ_２ＵＦＢ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Ｎ_２ＵＦＢ水、Ｏ_２ＵＦＢ水、加湿したＮ_２ガス、加湿したＯ_２ガスを、下流側の供給流路切換部９８に出力することができる。

一方、第２供給処理部９６は、図８Ｂに示すように、Ｈ_２ガス源１３２と、Ｈ_２ＵＦＢ生成部１３４と、Ｈ_２ＵＦＢ用タンク１３６と、Ｈ_２バブラータンク１３８と、を備える。また、Ｈ_２ＵＦＢ生成部１３４、Ｈ_２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。Ｈ_２ＵＦＢ生成部１３４は、Ｈ_２ガス源１３２から供給されたＨ_２ガスと、水供給部１２４から供給された水とを適宜混合してＨ_２ＵＦＢ水を生成する。Ｈ_２ＵＦＢ用タンク１３６は、生成されたＨ_２ＵＦＢ水を貯留すると共に、第２排出処理部１０２から循環したＨ_２ＵＦＢ水を貯留する。Ｈ_２バブラータンク１３８は、Ｈ_２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_２ガスを供給して発泡させることで、加湿したＨ_２ガスを生成する。また、Ｈ_２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。

第２供給処理部９６は、Ｈ_２ガス源１３２のＨ_２ガスをＨ_２ＵＦＢ生成部１３４とＨ_２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Ｈ_２ＵＦＢ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_２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Ｈ_２ＵＦＢ水、加湿したＨ_２ガスを、下流側の供給流路切換部９８に出力することができる。

図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。

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。

第１排出処理部１００は、Ｎ_２ＵＦＢ水、Ｏ_２ＵＦＢ水、Ｎ_２ガス、Ｏ_２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、Ｎ_２ＵＦＢ水、Ｏ_２ＵＦＢ水、Ｎ_２ガス、Ｏ_２ガスを、第１回収タンク１７０に排出させ、また第１循環経路１０６に流通させることができる。

同様に、第２排出処理部１０２は、Ｈ_２ＵＦＢ水、Ｈ_２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、Ｈ_２ＵＦＢ水、Ｈ_２ガスを、第２回収タンク１７４に排出させ、また第２循環経路１０８に流通させることができる。

以上の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Ｈ_２ＵＦＢ水を供給しつつ、カソード電極２６にＮ_２ＵＦＢ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Ｎ_２ＵＦＢ水を供給しつつ、カソード電極２６にＨ_２ＵＦＢ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_２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_２供給制御において、加湿したＮ_２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。

また、エージング装置５０Ａは、アノード電極２４にＨ_２ＵＦＢ水を供給し、カソード電極２６にＯ_２ＵＦＢ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Ｏ_２ＵＦＢ水を供給し、カソード電極２６にＨ_２ＵＦＢ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。

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。

〔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。

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。

図９Ａに示す第１パターンは、アノード電極２４に、Ｈ_２ＵＦＢ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、Ｎ_２ＵＦＢ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、Ｎ_２ＵＦＢ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、Ｈ_２ＵＦＢ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。

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。

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Ｈ_２ＵＦＢ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Ｎ_２ＵＦＢ水を供給する。Ｈ_２ＵＦＢは、アノード電極２４においてＨ_２ＵＦＢ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_２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、Ｈ_２ＵＦＢが触媒層２４ａに向かって移動し易くなる。そして、Ｈ_２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。

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_２分子となり、このＨ_２分子は、Ｎ_２ＵＦＢ水と共に燃料電池１０から排出される。

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（Ｈ_２ＵＦＢ水、Ｎ_２ＵＦＢ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）。

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。

〔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。

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_２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。

従って、エージング方法は、Ｎ_２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。

上記の実施形態から把握し得る技術的思想及び効果について以下に記載する。

本発明の一態様は、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（Ｈ_２ＵＦＢ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。

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Ｈ_２ＵＦＢ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、Ｈ_２ＵＦＢ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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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Ｈ_２ＵＦＢの移動をより効率化することができる。

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。

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。

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。

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。

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_２の消費を抑制することができる。

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。

Claims (11)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 請求項５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。
7. 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。
8. 請求項１～７のいずれか１項に記載の燃料電池のエージング方法において、
   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。
9. 請求項１～８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。
10. 請求項１～９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。
11. 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。

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