JP2006120520A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の分解時に分解を容易とする金属セパレータを有する燃料電池を提供する。
【解決手段】燃料電池２０で金属セパレータであるアノードセパレータ６とカソードセパレータ７を反り形状を記憶させた形状記憶合金で構成し、燃料電池２０の分解時にアノードセパレータ６とカソードセパレータ７の反り形状を回復させることにより、ＭＥＡ２とアノードセパレータ６とカソードセパレータ７を分解する。
【選択図】 図８

Description

本発明は燃料電池に関するものであり、特に燃料電池の分解を容易に行うことが可能なセパレータに関するものである。

燃料電池は高価な材料を含む複数の材料から構成を組み合わせて構成されており、リサイクルを行う場合などには燃料電池を分解し、材料の分離または分別を行う必要がある。

しかし、燃料電池は例えば１００〜２００枚程度の単位セルを積層して構成されており、各単位セルを分離するのが困難であり、さらに電解質膜と電極から構成される膜電極複合体（以下、ＭＥＡとする）と、セパレータの間にはシール材によって流体の漏れを防止しているので、セパレータとＭＥＡを分離するのが困難であるといった問題点がある。

本発明ではこのような問題点を解決するために発明されたもので、燃料電池を分解する際にセパレータとＭＥＡを容易に分解可能とすることを目的とする。

本発明では、電解質膜と、電解質膜を挟持するアノードとカソードの外側に設けた金属セパレータを有する単位セルを積層して構成する燃料電池において、金属セパレータは反り形状を記憶した形状記憶合金であり、所定温度になると反り形状に戻る。

また、電解質膜と、電解質膜を挟持するアノードとカソードの外側に設けた金属セパレータを有する単位セルを積層して構成する燃料電池の分解方法において、金属セパレータは反り形状を記憶し、燃料電池の通常の運転時には到達しない所定温度となると反り形状に戻る形状記憶合金で構成され、燃料電池を所定温度まで加熱し、金属セパレータの形状を金属セパレータが記憶した反り形状に戻して、燃料電池を分解する。

本発明によると、燃料電池を分解する際に、セパレータを容易に分解することができる。

本発明の実施形態の単位セル１の構成を図１を用いて説明する。単位セル１は電解質膜３と、電解質膜３に水素を拡散させるガス拡散層４と、電解質膜３の空気を拡散させるガス拡散層５と、ガス拡散層４、ガス拡散層５の外側に隣り合う単位セル１を分離する金属セパレータであるアノードセパレータ６、カソードセパレータ７を備える。

ガス拡散層４、５は電解質膜３との間に白金などの触媒を担持しており、以下では電解質膜３とガス拡散層４とガス拡散層５をＭＥＡ２とする。

ＭＥＡ２を図２を用いて説明する。図２はＭＥＡ２を単位セル１積層方向から見た正面図である。ＭＥＡ２は水素が流れる水素マニホールド１０と、空気が流れる空気マニホールド１１と、冷却水が流れる冷却水マニホールド１２を有する。また、ＭＥＡ２の電解質膜３は側面の一部、つまり端部に凸部２ａを設け、凸部２ａにはＭＥＡ２を貫通する穴２ｂを有している。穴２ｂは後述する燃料電池２０の分解時に使用される。

アノードセパレータ６を図３を用いて説明する。図３はアノードセパレータ６をＭＥＡ２と接する方向から見た正面図である。アノードセパレータ６はＮｉ−Ｔｉ系の形状記憶合金から構成され、反り形状を記憶した後にプレスによって略平面形状となっている。アノードセパレータ６は、燃料電池２０の通常の運転時には達しない所定温度になると記憶した反り形状に戻る。なお、この実施形態の燃料電池２０は固体高分子型燃料電池であり、その動作温度は約８０℃から９０℃であり、所定温度をここでは水の沸点（約１００℃）とする。

アノードセパレータ６はＭＥＡ２と同様に水素マニホールド１０と、空気マニホールド１１と、冷却水マニホールド１２を備える。また、ガス拡散層４に水素を供給するための水素流路１３を備える。また、水素、空気、冷却水が漏れないように各マニホールド間にシール材１４を備える。シール材１４の耐熱温度は水の沸点よりも高く、約１２０℃から１５０℃のシール材を用いることが望ましい。なお、水素マニホールド１０、空気マニホールド１１、冷却水マニホールド１２は図３中において一方のマニホールドから水素などが供給され、もう一方のマニホールドから排出される。

カソードセパレータ７を図４を用いて説明する。図４はカソードセパレータ７をＭＥＡ２と接する方向から見た正面図である。カソードセパレータ７はＮｉ−Ｔｉ系の形状記憶合金から構成され、反り形状を記憶した後にプレスによって略平面形状となっている。カソードセパレータ７はアノードセパレータ６と同様に燃料電池２０の通常の運転時には達しない所定温度になると記憶した反り形状に戻る。

カソードセパレータ７はＭＥＡ２と同様に水素マニホールド１０と、空気マニホールド１１と、冷却水マニホールド１２を備える。また、ガス拡散層５に空気を供給するための空気流路１５を備える。また、水素、空気、冷却水が漏れないように各マニホールド間にシール材１６を備える。シール材１６の耐熱温度は水の沸点よりも高く、約１２０℃から１５０℃のシール材を用いることが望ましい。なお、水素マニホールド１０、空気マニホールド１１、冷却水マニホールド１２は図４中において一方のマニホールドから水素などが供給され、もう一方のマニホールドから排出される。

次にアノードセパレータ６とカソードセパレータ７とＭＥＡ２との配置について図５を用いて説明する。なお、図５はアノードセパレータ６とカソードセパレータ７に記憶した反り形状を略平面形状にプレスする前の状態であり、説明のために略平面形状ではなく反り形状とする。アノードセパレータ６とカソードセパレータ７の反り形状は、それぞれ中心部６ａ、７ａから端部６ｂ、７ｂにかけて反った形状であり、この反り形状は例えばアーチ型、またはすり鉢状である。反り形状を記憶したアノードセパレータ６とカソードセパレータ７はＭＥＡ２に対して、反り形状の中央部６ａ、７ａが接するように配置される。つまり単位セル１のアノードセパレータ６とカソードセパレータ７は端部６ｂ、７ｂが反対方向へ反るように配置される。なお、反り形状はこの形状以外でも良く、分解時にアノードセパレータ６とカソードセパレータ７とＭＥＡ２の摩擦力を小さくし、容易に分解できる形状であれば良い。

ここではアノードセパレータ６とカソードセパレータ７にＮｉ−Ｔｉ系の形状記憶合金を使用したが、その他の形状記憶合金を使用してもよい。また、アノードセパレータ６とカソードセパレータ７は、約１００℃程度に再び加熱されると略平面形状から反り形状に戻る。

この実施形態の燃料電池２０の概略構成を図６を用いて説明する。燃料電池２０は単位セル２を例えば１００〜２００枚程度を積層した積層体９の両側にエンドプレート８を設け、エンドプレート８によって積層した単位セル２を加圧し、図示しないボルトやナットによって締結する。

次に燃料電池２０におけるアノードセパレータ６とカソードセパレータ７とＭＥＡ２の分解処理について図７のフローチャート、及び図８の工程図を用いて説明する。

ステップＳ１００では、ＭＥＡ２の穴２ｂに棒１７を通し、棒１７とＭＥＡ２を連結する（図８（ａ））。

ステップＳ１０１では、図示しないボルトなどを外し、燃料電池２０からエンドプレート６を取り外す。

ステップＳ１０２では、エンドプレート６を取り外した燃料電池２０を沸騰した純水（約１００℃）が入った容器１８の中に入れ、燃料電池２０を加熱する。約１００℃に加熱されると、略平面形状であったアノードセパレータ６とカソードセパレータ７は記憶された反り形状に戻り、ＭＥＡ２と分離する（図８（ｂ））。

ステップＳ１０３では、棒１７を単位セル２の積層方向に直交する方向へ移動させ、ＭＥＡ２を抜くことにより、燃料電池２０においてアノードセパレータ６とカソードセパレータ７とＭＥＡ２の分解処理を終了する（図８（ｃ））。

以上の処理によってアノードセパレータ６とカソードセパレータ７とＭＥＡ２を容易に分離させることができる。

なお、この実施形態ではアノードセパレータ６とカソードセパレータ７の単位セル１に組み込まれた時の形状を略平面形状としたが、この形状に限られるものではなく、水素流路、空気流路を形成した屈曲形状でもよい。この場合でも端部６ｂ、７ｂが中央部６ａ、７ａから反る形状に記憶されていればよい。

また、反り形状に戻る温度についても、燃料電池２０の通常の運転時には到達しない温度よりも高く、分解時にＭＥＡ２などを劣化させずに燃料電池２０を分解可能な温度であれば良い。

本発明の実施形態の効果について説明する。

この実施形態では、燃料電池２０に使用する金属セパレータであるアノードセパレータ６とカソードセパレータ７を形状記憶合金で構成し、反り形状を記憶し、その後プレスなどによって略平面形状とし、燃料電池２０で使用するセパレータの形状とする。そして、アノードセパレータ６とカソードセパレータ７は燃料電池２０が通常の運転時には到達しない所定温度となると記憶した反り形状に戻る。これによって、燃料電池２０を分解する場合に燃料電池２０を例えば沸騰した純水中に入れることにより、アノードセパレータ６とカソードセパレータ７は所定温度まで加熱し、記憶した反り形状に戻すことでアノードセパレータ６とカソードセパレータ７をＭＥＡ２から剥がし、燃料電池２０の分解を容易に行うことができる。

アノードセパレータ６とカソードセパレータ７は単位セル１として組み立てる場合に、記憶された反り形状の中央部６ａ、７ａがＭＥＡ２を挟んで対峙するように配置されるために、分解時にアノードセパレータ６とカソードセパレータ７は燃料電池２０を分解する場合に、端部６ｂ、７ｂがＭＥＡ２から離れるように反り、ＭＥＡ２との摩擦力を小さくし、燃料電池２０の分解を容易に行うことができる。

ＭＥＡ２（電解質膜３）の側面に穴２ｂを有する凸部２ａを設け、分解時に穴２ｂに棒１７を挿入し、ＭＥＡ２をアノードセパレータ６とカソードセパレータ７から分離させ、燃料電池２０を分解する。これによって例えばアノードセパレータ６とカソードセパレータ７に棒１７を通す箇所を絶縁材によって設けなければならず、装置を複雑するが、絶縁材である電解質膜３に棒１７を通すことにより、装置を複雑にすることなく燃料電池２０を分解することができる。

アノードセパレータ６とカソードセパレータ７が反り形状に戻る温度を約１００℃とし、燃料電池２０の運転温度（約８０℃から９０℃）よりも高くすることで、通常の運転時にはアノードセパレータ６とカソードセパレータ７が反り形状に戻ることがなく、更に分解時に沸騰した水の中に入れることで容易に燃料電池２０を分解することができる。また、シール材１６の温度を水の沸点よりも高くすることで、燃料電池２０の分解時にシール材１６の材料を変質させることなく、再度他の燃料電池２０に使用することができる
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内でなしうるさまざまな変更、改良が含まれることは言うまでもない。

金属セパレータを用いた燃料電池に利用することができる。

本発明の単位セルの構成を示す概略図である。 本発明のＭＥＡの積層方向正面図である。 本発明のアノードセパレータの正面図である。 本発明のカソードセパレータの正面図である。 本発明のＭＥＡとアノードセパレータとカソードセパレータの配置を示す図である。 本発明の燃料電池の構成を示す概略図である。 本発明の燃料電池の分解行程を示すフローチャートである。 本発明の燃料電池の分解工程図である。

符号の説明

１ 単位セル
２ 膜電極複合体（ＭＥＡ）
２ａ 凸部
２ｂ 穴
３ 電解質膜
６ アノードセパレータ（金属セパレータ）
６ａ 中央部
６ｂ 端部
７ カソードセパレータ（金属セパレータ）
７ａ 中央部
７ｂ 端部
１４ シール材
１６ シール材
２０ 燃料電池

Claims (7)

1. 電解質膜と、前記電解質膜を挟持するアノードとカソードの外側に設けた金属セパレータを有する単位セルを積層して構成する燃料電池において、
   前記金属セパレータは反り形状を記憶した形状記憶合金であり、前記燃料電池の通常の運転時には到達しない所定温度になると前記反り形状に戻ることを特徴とする燃料電池。
2. 前記単位セルの前記アノードの外側に設けた前記金属セパレータと、前記単位セルの前記カソードの外側に設けた前記金属セパレータは、前記電解質膜を挟んで反対側に反ることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記反り形状は、前記金属セパレータの中心部から端部にかけて反る形状であることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
4. 前記電解質膜の外周端部に、穴を有する凸部を備えることを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の燃料電池。
5. 前記所定温度は、水の沸点であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の燃料電池。
6. 電解質膜と、前記電解質膜を挟持するアノードとカソードの外側に設けた金属セパレータを有する単位セルを積層して構成する燃料電池の分解方法において、
   前記金属セパレータは反り形状を記憶し、前記燃料電池の通常の運転時には到達しない所定温度となると反り形状に戻る形状記憶合金で構成され、
   前記燃料電池を前記所定温度まで加熱し、
   前記金属セパレータの形状を前記金属セパレータが記憶した反り形状に戻して、前記燃料電池を分解することを特徴とする燃料電池の分解方法。
7. 前記燃料電池を沸騰した水の中に入れることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池の分解方法。

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