JP2006095367A - 触媒回収方法と触媒回収装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 電解質膜や拡散層の表面に形成された触媒層から、触媒を効率良く回収可能な技術を提供する。
【解決手段】 触媒回収方法は、燃料電池用の電解質膜１８または拡散層の表面に触媒層２０が形成されている対象物１７から触媒を回収する。その方法は、電解質膜１８または拡散層の表面に形成されている触媒層２０に固体粒子２３群を衝突させることによって電解質膜１８または拡散層から触媒２５を剥離する工程と、剥離した触媒２５を回収する工程とを備えている。
この触媒回収方法は、固体粒子２３群を触媒層２０に衝突させ、触媒層２０から機械的に触媒２５を剥離する。このため、効率良く触媒２５を回収することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電解質膜または拡散層の表面に触媒層が形成された対象物から、触媒を回収する技術に関するものである。

燃料電池の電解質膜や拡散層の表面には、触媒層が形成されている。触媒には、白金等の貴金属が含まれている。従って、資源リサイクルのために、廃棄された燃料電池から触媒を回収する必要がある。
特許文献１には、触媒層が形成された電解質膜を、加熱メタノール溶媒中で溶解処理することで、触媒を回収する技術が記載されている。回収した触媒を燃焼処理すると、貴金属が回収される。

特開２００４−１７１９２１号公報

しかしながら、溶解処理のような化学的反応を利用して触媒を回収するのには、多大な時間と費用がかかる。
本発明は、その問題を解決するためになされたものであり、電解質膜や拡散層の表面に形成された触媒層から、触媒を効率良く回収可能な技術を提供することを課題とする。

本発明の触媒回収方法は、燃料電池用の電解質膜または拡散層の表面に触媒層が形成されている対象物から触媒を回収する。その方法は、電解質膜または拡散層の表面に形成されている触媒層に固体粒子群を衝突させることによって電解質膜または拡散層から触媒を剥離する工程と、剥離した触媒を回収する工程とを備えている。
この触媒回収方法は、固体粒子群を触媒層に衝突させ、触媒層から機械的に触媒を剥離する。このため、効率良く触媒を回収することができる。

上記の触媒回収方法において、固体粒子は、ドライアイス粒子であることが好ましい。
ドライアイス粒子は、触媒層に衝突して触媒を剥離させてから気化する。従って、剥離した触媒と固体粒子を分離する必要がない。

上記の触媒回収方法において、固体粒子は、氷粒子であることが好ましい。
氷粒子は、触媒層に衝突して触媒を剥離させてから水になる。触媒と水は、例えば、ざるを使用して容易に分離することができる。

上記の触媒回収方法において、前記回収工程では、氷粒子と剥離した触媒を、水または水溶性溶媒が入った容器で受けることが好ましい。
このように、氷粒子と剥離した触媒を、水または水溶性溶媒が入った容器で受けると、氷粒子が早く水になる。

上記の触媒回収方法において、固体粒子群を、断続的に衝突させることが好ましい。
固体粒子群を断続的に衝突させると、触媒層は繰り返し冷却される。繰り返し冷却された触媒層は脆くなる。よって、触媒層から触媒が剥離しやすくなる。

上記の触媒回収方法において、固体粒子は、カーボン粒子であることが好ましい。
触媒層の主成分はカーボンであるのが一般的である。固体粒子がカーボン粒子であると、剥離した触媒層とカーボン粒子を分離する必要がない。

上記の触媒回収方法において、触媒層に固体粒子群を衝突させる工程に先だって、対象物に水分を含浸してから凍結させる工程を実施することが好ましい。
対象物は、水分を含浸すると膨潤する。電解質膜および拡散層と、触媒層は、膨潤率と凍結した場合の収縮率が異なる。このため、触媒が剥がれやすくなる。

上記の触媒回収方法において、対象物の凍結工程と前記衝突工程の間に、凍結した対象物を厚さ方向に圧縮する工程を実施することが好ましい。
凍結した対象物を厚さ方向に圧縮すると、触媒がより剥がれやすくなる。

本発明の触媒回収装置は、電解質膜または拡散層の表面に触媒層が形成されている対象物を固定する手段と、固定されている対象物に向けて固体粒子群を噴射するノズルとを備えている。
この触媒回収装置によれば、ノズルが噴射した固体粒子を対象物の触媒層に衝突させて触媒を剥離することで、触媒を効率良く回収することができる。

本発明の好適な実施形態を例示する。
（１）ノズルの固体粒子群の噴射速度が、電解質膜または拡散層から触媒を剥離するには十分であり、電解質膜または拡散層を破壊するには不十分な速度に設定されていることを特徴とする請求項９の触媒回収装置。

後述する実施例の主要な特徴を記載する。
（１）触媒回収装置は、固定具、ノズル、固体粒子生成機、ノズル移動機、回収容器を備えている。固定具は、ＭＥＡを固定する。ＭＥＡの電解質膜の両面には、触媒層が形成されている。ノズルには、噴射孔が形成されている。固体粒子生成機は、ドライアイスの粒子を生成する。ノズルは、固体粒子生成機で生成されたドライアイスの粒子を噴射孔から噴射する。
（２）ノズルから噴射した粒子は、触媒層に衝突する。ノズル移動機は、ノズルを移動させる。ノズルから噴射した粒子が触媒層に衝突すると、触媒層から触媒が剥離する。剥離した触媒は回収容器に落下して回収される。
（３）ノズルから噴射する粒子は、氷粒子やカーボン粒子であってもよい。
（４）ノズルから氷粒子を噴射する場合、回収容器に水を入れておく。
（５）ノズルは、ノズル移動機によって、触媒層と平行な面内を走査する。

（第１実施例）
本発明の第１実施例に係る触媒回収装置について、図面を参照しながら説明する。触媒回収装置は、燃料電池のＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）の電解質膜表面に形成された触媒層や、燃料電池の拡散層表面に形成された触媒層から触媒を回収するのに用いられる。ＭＥＡの触媒層からの触媒回収と、拡散層の触媒層からの触媒回収は同様に行われるので、以下においては、ＭＥＡから触媒を回収する場合で代表して説明する。
図１に示すように、触媒回収装置１０は、固定具１２、ノズル２１、固体粒子生成機２６、ノズル移動機２９、回収容器２４を備えている。固定具１２は、平板状の基台１４とクランプ１５、１６を有している。固定具１２は、クランプ１５、１６によってＭＥＡ１７を固定する。ＭＥＡ１７の電解質膜１８の両面には、触媒層２０が形成されている。電解質膜１８には、例えば、含フッ素ポリマーを用いる。触媒層２０は、例えば、カーボンを主成分としており、貴金属（例えば、白金）を含有している。
ノズル２１には、噴射孔２２が形成されている。固体粒子生成機２６は、ドライアイスの粒子を生成する。ノズル２１は、固体粒子生成機２６で生成されたドライアイスの粒子２３を噴射孔２２から噴射する。図１に図示されているノズル２１や粒子２３は、模式的に描かれている。図９は、写真として、ノズル２１と、ノズルから噴射する粒子２３を示している。
ノズル２１から噴射された粒子２３は、触媒層２０に衝突する。ノズル移動機２９は、ノズル２１と触媒層２０との距離を一定に維持しながら、ノズル２１を移動させる。回収容器２４は、上部が開放されている。固定具１２とノズル２１は、回収容器２４の上方に配置されている。

ノズル２１から噴射された粒子２３が触媒層２０に衝突すると、触媒層２０から触媒２５が破片状に剥離する。ノズル移動機２９がノズル２１を移動させると、ノズル２１から噴射した粒子２３が触媒層２０に衝突する範囲も移動する。粒子２３の衝突範囲が触媒層２０の全面に亘って移動して触媒２５を剥離することで、電解質膜１８から触媒層２０が完全に除去される。剥離した触媒２５は回収容器２４に落下して回収される。粒子２３はドライアイスなので、触媒２５を剥離してから気化する。このため、図２に示すように、回収容器２４には、触媒２５のみが回収される。
ドライアイスの粒子２３は低温なので、粒子２３が衝突した触媒層２０は低温になる。すると、触媒層２０が脆くなり、触媒２５を効率良く剥離することができる。
ドライアイスの粒子２３をノズル２１から断続的に噴射することもできる。このため、ノズル２１から粒子２３が噴射して触媒層２０と衝突している間は、触媒層２０は冷却される。ノズル２１から粒子２３が噴射していない間は、触媒層２０の温度は上昇する。すなわち、ノズル２１から粒子２３を断続的に噴射すると、触媒層２０は繰り返し急冷される。このため、触媒層２０は収縮と膨張を繰り返して脆くなる。よって、触媒２５を効率良く剥離することが可能になる。

粒子２３の好ましい粒子径は、１（μｍ）〜５０（μｍ）である。ノズル２１の噴射孔２２と触媒層２０との距離は、１０（ｃｍ）以内であることが好ましい。ノズル２１の噴射速度（噴射孔２２から噴射される速度）は、５０（ｍ／ｓ）〜２００（ｍ／ｓ）であることが好ましい。触媒層２０の面直角方向に対するノズル２１の噴射軸３３の傾斜角α（図１参照）は、４５度以内であることが好ましい。図３は、触媒層２０の面直角方向に対して噴射軸３３が傾斜した状態の触媒回収装置１０を図示している。粒子２３の大きさ、ノズル２１の噴射孔２２と触媒層２０との距離、ノズル２１の噴射速度、噴射軸３３の傾斜角αを、触媒層２０の組成や、厚さや、電解質膜１８の材質に対応して適宜好ましく組み合わせることによって、触媒２５を効率的に剥離するには十分であり、電解質膜１８を破壊するには不十分な条件を設定することができる。
固定具１２の基台１４に厚さ方向に貫通する切欠きを設け、その切欠きから露出する基台１４側の触媒層２０に向けてノズル２１から粒子２３を噴射することもできる。このようにすると、ＭＥＡ１７の片面の触媒層２０から触媒２５を回収後に、ＭＥＡ１７を固定具１２から外して裏返し、再度固定具１２に固定するという手間が不要になる。

図４は、触媒２５を剥離する前の触媒層２０の表面を示している。図５は、ノズル２１からドライアイスの粒子２３を断続的に噴射して触媒層２０に衝突させ、触媒層２０から触媒２５を剥離している途中の状態を示している。粒子２３の粒径は１００（μｍ）未満である。図５から明らかなように、触媒層２０は部分的に剥離しており、その剥離部分に電解質膜１８が露出している。図６は、電解質膜１８から触媒層２０が完全に剥離された状態を示している。このように、触媒回収装置１０を用いることで、ＭＥＡ１７の電解質膜１８に形成された触媒層２０から、触媒２５を確実に回収することができる。
ノズル２１からカーボン粒子を噴射して触媒層２０に衝突させ、触媒層２０から触媒２５を剥離することもできる。触媒層２０の主成分はカーボンである場合、ノズル２１からカーボン粒子を噴射して触媒２５を回収すると、回収した触媒２５とカーボン粒子を、分離する必要がない。

（第２実施例）
上述した第１実施例と重複する内容は省略し、本第２実施例として特徴的な部分のみを説明する。
図７に示すように、ノズル２１は氷の粒子２７を噴射孔２２から噴射する。回収容器２４には、水２８が入れられている。
ノズル２１から噴射された粒子２７が触媒層２０に衝突すると、触媒層２０から触媒２５が破片状に剥離する。剥離した触媒２５と粒子２７は、回収容器２４に落下する。回収容器２４に落下した粒子２７は、水に温められ、融けて水になる。そして、図８に示すように、回収容器２４内の触媒２５と水２８をざる３０に移すことによって、触媒２５のみを回収する。
回収容器２４には、温水を入れておくことが好ましい。回収容器２４に温水を入れておくと、落下した粒子２７が融けて水になるまでの時間が短くなる。
回収容器２４内に水を入れておかなくてもよい。回収容器２４内に水を入れておかなくても、時間が経過すれば粒子２７は融けて水２８になる。その後に回収容器２４内の触媒２５と水２８をざる３０に移せば、触媒２５を回収できる。
水の代わりに、水溶性溶媒（例えば、エタノール）を用いることもできる。水溶性溶媒を用いると、剥離した触媒が固まるのを防止することができる。
ノズル２１から氷の粒子２７を断続的に噴射することもできる。

触媒回収装置１０にセットする前のＭＥＡ１７に、前処理を施すこともできる。具体的には、前処理として、ＭＥＡ１７を水中に浸漬して膨潤させ、さらに凍結させる。ＭＥＡ１７の電解質膜１８と触媒層２０は、膨潤率と凍結した場合の収縮率か異なる。このため、電解質膜１８と触媒層２０との間に剪断力が作用し、電解質膜１８から触媒２５が剥がれやすくなる。また、膨潤させてから凍結したＭＥＡ１７を、厚さ方向に圧縮してもよい。ＭＥＡ１７の圧縮は、例えば、回転する一対のローラ間にＭＥＡ１７を送り込んで行う。ＭＥＡ１７を圧縮すると、触媒２５がより剥がれやすくなる。

本発明の技術を用いて回収した触媒成分は、貴金属等の触媒とカーボン等の触媒担体とが混合した状態で回収されるが、触媒成分は、そのまま混合状態で再利用しても良いし、さらに触媒と触媒担体とに分離しそれぞれを再利用しても良い。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

触媒回収装置の模式図。 回収容器に触媒が回収された状態の説明図。 触媒回収装置の模式図（ノズルの噴射軸が傾斜した状態）。 触媒層の写真。 触媒層から触媒が部分的に剥離された状態の写真。 触媒層から触媒が完全に剥離され、電解質膜が露出した状態の写真。 触媒回収装置の模式図。 ざるに触媒が回収された状態の説明図。 ノズルから粒子が噴射している状態の写真。

符号の説明

１０：触媒回収装置
１２：固定具
１４：基台
１５、１６：クランプ
１７：ＭＥＡ
１８：電解質膜
２０：触媒層
２１：ノズル
２２：噴射孔
２３：粒子
２４：回収容器
２５：触媒
２６：固体粒子生成機
２７：粒子
２８：水
２９：ノズル移動機
３０：ざる
３３：噴射軸

Claims (9)

1. 燃料電池用の電解質膜または拡散層の表面に触媒層が形成されている対象物から触媒を回収する方法であり、
   電解質膜または拡散層の表面に形成されている触媒層に固体粒子群を衝突させることによって電解質膜または拡散層から触媒を剥離する工程と、
   剥離した触媒を回収する工程と、
   を備えていることを特徴とする触媒回収方法。
2. その固体粒子は、ドライアイス粒子であることを特徴とする請求項１の触媒回収方法。
3. その固体粒子は、氷粒子であることを特徴とする請求項１の触媒回収方法。
4. 前記回収工程では、氷粒子と剥離した触媒を、水または水溶性溶媒が入った容器で受けることを特徴とする請求項３の触媒回収方法。
5. その固体粒子群を、断続的に衝突させることを特徴とする請求項２または３の触媒回収方法。
6. その固体粒子は、カーボン粒子であることを特徴とする請求項１の触媒回収方法。
7. 触媒層に固体粒子群を衝突させる工程に先だって、対象物に水分を含浸してから凍結させる工程を実施することを特徴とする請求項１〜６のいずれかの触媒回収方法。
8. 対象物の凍結工程と前記衝突工程の間に、凍結した対象物を厚さ方向に圧縮する工程を実施することを特徴とする請求項７の触媒回収方法。
9. 電解質膜または拡散層の表面に触媒層が形成されている対象物を固定する手段と、
   固定されている対象物に向けて固体粒子群を噴射するノズルと、
   を備えることを特徴とする触媒回収装置。