JP2006260828A - 燃料電池の洗浄方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池の流路内に付着している飽和脂肪酸を含む汚染物質を除去し、かつ、オフガスが発生することがない燃料電池の洗浄方法を提供する。
【解決手段】 電解質層の一方の面に空気極を備え、他方の面に燃料極を備えた燃料電池の洗浄方法であって、水に不溶又は難溶で、かつ、燃料電池の流路内に存在する飽和炭化水素よりも低い沸点を有する飽和炭化水素を、該燃料電池の流路を介して該燃料電池内に供給し、該燃料電池の流路内に存在する飽和炭化水素を含む汚染物質を除去又は減少させる、燃料電池の洗浄方法により解決する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池の洗浄方法に関し、詳しくは、燃料電池の流路の内部に付着した飽和炭化水素を除去又は減少させる方法に関する。

従来より、電解質層の一方の面に空気極を備え、他方の面に燃料極を備えた燃料電池が知られている。近年、燃料電池の性能が向上し、長期間の稼動も可能になりつつあるが、燃料電池システムを長期間継続して稼動すると、電気化学反応に伴って発生した不純物又は外部から進入した汚染物質などが燃料電池内に徐々に付着する。燃料電池内に不純物や汚染物質などが蓄積すると、燃料電池の劣化を誘引する。そのため、燃料電池内部に付着したこれらの不純物や汚染物質等を除去し、燃料電池の劣化を回復するための洗浄方法が種々提案されている。

例えば、特許文献１には、燃料電池システムを継続して使用することにより、燃料極側に滞留した一酸化炭素、ホルムアルデヒド、ギ酸、未反応物質（水、その他の不純物）を除去するため、水、メタノール溶液等を用いて洗浄する旨が開示されている。また、特許文献２には、鉄、ニッケル等の金属イオンが付着した電解質層に対し、燃料極側流路を介してキレート剤の水溶液を導入し、電解質層を洗浄することにより、発電性能の劣化を回復する方法が開示されている。
特開２００４−１６４９２４号公報 特開２０００−２６０４５５号公報

燃料電池の発電中、空気極側には空気が供給されている。空気中のホコリその他汚染物質は、空気極に供給する前段階でフィルター等により除去されるが、空気中にはフィルター等を通過するほど微小な粒径を有する油状物質も存在する。また、空気極側に空気を供給するためのポンプの潤滑油なども空気とともにセル内に供給される場合もある。そのため、燃料電池を長期間稼動することにより、空気極側のガス供給路には徐々に飽和炭化水素を含む油状物質等の汚染物質が付着する。

図２に、燃料電池の空気極Ｃ側のガス供給路としての空気（酸素）供給路３８に飽和炭化水素を含む油状物質等の汚染物質Ｗが付着した様子を示す部分断面図を示す。図２に示すように、燃料電池は、電解質層３０の一方の面に空気極Ｃを備え、他方の面に燃料極Ａを備えている。そして、空気極Ｃは、電解質層３０に隣接する触媒層３２と、触媒層３２に隣接する拡散層３４と、これら触媒層３２と拡散層３４をカバーし、空気（酸素）供給路３８を形成するセパレータ３６から構成される。

上記のように、燃料電池を長期間稼動することにより、空気（酸素）供給路３８に、徐々に飽和炭化水素を含む油状物質等の汚染物質Ｗが付着する。汚染物質Ｗの付着量が増加すると、セル電圧の低下、空気極Ｃ側で生成した水の排出不良、空気の拡散性の低下等の問題が生じる。

空気極Ｃ側の空気（酸素）供給路３８に付着している汚染物質Ｗのうち、水溶性の物質は空気極で生成された水に溶解し、生成水とともに外部に排出される場合もあるが、水不溶性の物質は外部に排出されず、そのまま空気（酸素）供給路３８に残存してしまう。特に、飽和炭化水素を含む油状物質は生成水によっては外部に排出することはできない。

なお、洗浄溶液として希硫酸水溶液や過酸化水素水等の弱酸性水溶液を用いた場合でも、付着したリノール酸やオレイン酸などの不飽和脂肪酸（植物油）を溶解し、空気（酸素）供給路３８から除去できる。しかしながら、これらは工業用油などの飽和脂肪酸は溶解することができない。また、アルコールを用いた場合は飽和炭化水素を溶解することはできるが、アルコールがセル内に残留すると、酸化して臭気（オフガス）が発生するという問題がある。

一方、燃料極側の流路及び冷媒の流路においても、流体ポンプの潤滑油や、製造過程で配管内に付着した工業油などが混入し、燃料電池の流路内に飽和炭化水素を含む油状物質が付着する恐れがあり、酸素極側と同様の問題を引き起こす恐れがある。

従って、本発明は、燃料電池の流路内に付着している飽和炭化水素を含む油状物質等の汚染物質を除去又は減少させ、かつ、オフガスが発生することがない燃料電池の洗浄方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は、電解質層の一方の面に空気極を備え、他方の面に燃料極を備えた燃料電池の洗浄方法であって、水に不溶又は難溶で、かつ、燃料電池内に存在する飽和炭化水素よりも低い沸点を有する飽和炭化水素を、該燃料電池の流路を介して該燃料電池内に供給し、該燃料電池の流路内に存在する飽和炭化水素を含む汚染物質を除去又は減少させる、燃料電池の洗浄方法を提供するものである。

即ち、飽和炭化水素の沸点の差を利用することにより、燃料電池の流路内に付着している飽和炭化水素を含む汚染物質を、該飽和炭化水素よりも低い沸点を有する飽和炭化水素に溶解させるものである。これにより、燃料電池の流路内に存在する飽和炭化水素を除去又は減少させることができ、かつ、オフガスが発生することがない燃料電池の洗浄方法を提供することができる。

なお、本発明において「燃料電池の流路」とは、アノードガス、カソードガス、冷媒など、燃料電池内に供給される流体を行き渡らせることが可能な領域をいい、空気極及び燃料極の拡散層の内部なども含む。

上記発明の好ましい態様は、以下の通りである前記飽和炭化水素は、その沸点が、前記燃料電池の駆動温度の上限値よりも低いものであることが好ましい。

飽和炭化水素はエタノールの数倍の油状成分分解能を有するため、効率よく燃料電池の流路内を洗浄できる。また、エタノールと比較して蒸発速度が速いため、洗浄後の再発電までの時間を短縮することができる。更に、燃料電池の駆動温度の上限値よりも低い沸点を有する飽和炭化水素を用いれば、仮に洗浄後の飽和炭化水素が燃料電池内に残存していた場合であっても燃料電池の駆動温度によって気化され、燃料電池の系外に排出することができるため、オフガスが発生することがない。

また、前記燃料電池システムに存在する飽和炭化水素よりも低い沸点を有する飽和炭化水素は、ヘキサン又はその異性体であることが好ましい。ヘキサンはアルコールの約５倍の飽和脂肪酸分解能を有しているため、効率よくセルを洗浄することができる。また、エタノールと比較して揮発性が大きいため、セル内にヘキサンが残存しにくい。

本発明に係る燃料電池の洗浄方法によれば、飽和炭化水素を含む流体を用いるため、効率よくセル内を洗浄でき、洗浄後の再発電までの時間を短縮することができる。また、仮に燃料電池内に前記流体が残存してもオフガスが発生することがない。

本発明の付随的な効果としては次の通りである。前記流体は水不溶性であるため、水と混合しても分離が可能である。そのため、洗浄後の廃液を処理する際、前記流体を分離することが容易である（アルコールは水に溶解するため、分離が困難である）。アルコールが河川等に流出した場合、環境負荷が大きいが、前記流体はそれに比べて環境中に放出した場合の負荷が小さい。

次に、図１及び図２を参照しつつ、本発明の好ましい実施形態を説明する。図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池の洗浄方法の概要を説明するための図である。

燃料電池システムの空気極Ｃ側は、酸素極側供給路１０中に、空気（図中、Ａｉｒと表記する）中のホコリその他汚染物質を除去するフィルター２と、空気を圧縮するコンプレッサー４と、空気極Ｃに供給する空気量を調整するガス量調整器６と、空気の加湿と加温が行われる加湿加熱器８を備えている。そして、加湿加熱器８の下流の酸素極側流路１０には、ｎ−ヘキサンＨｅｘを収容したタンク１２が接続されている。

空気極Ｃのガス供給路としての空気（酸素）供給路３８の洗浄を行う際は、切替弁１４により加湿加熱器８からの空気の供給を遮断し、ヘキサン供給路１６との流路を開放する。ｎ−ヘキサンＨｅｘは、ポンプ１８により流量を適宜調整されながら、ヘキサン供給路１６を介して燃料電池内へ供給される。

空気（酸素）供給路３８に供給されたｎ−ヘキサンＨｅｘは、図２に示す空気（酸素）供給路３８内を流通し、拡散層３４の表面やセパレータ３６の内壁に接触しながら、付着している油状物質等の汚染物質Ｗを溶解する。同時に、汚染物質Ｗに含まれる飽和炭化水素も、ｎ−ヘキサンＨｅｘにより溶解される。即ち、飽和炭化水素の沸点の差を利用することにより、燃料電池のガス供給路に付着している飽和炭化水素を含む汚染物質Ｗを、該飽和炭化水素よりも低い沸点を有する飽和炭化水素（本実施形態の場合はｎ−ヘキサン）に溶解させる。なお、本実施形態において、「溶解」とは、完全に除去する場合を意味するほか、減少させることも含む。その後、ｎ−ヘキサンＨｅｘは酸素極側排出路２０を介して燃料電池の外部に排出される。

以上は連続式で燃料電池を洗浄する場合であるが、側路を設けて循環式で燃料電池を洗浄することもできる。かかる場合、図１に示すように、空気の導入口側と排出口側にそれぞれ切替弁２２，２４を設ける。そして各切替弁２２，２４の間に循環流路２６を形成する。

循環式で燃料電池を洗浄する場合は、所定量のｎ−ヘキサンＨｅｘを空気極Ｃ側の空気（酸素）供給路３８に供給し、燃料電池の排出口側に設置された切替弁２４により、燃料電池の排出口側から排出されたｎ−ヘキサンＨｅｘを循環流路２６に導入する。そして、燃料電池の導入口側に設置された切替弁２２により、ｎ−ヘキサンＨｅｘを再び燃料電池の空気極Ｃ側に供給する。この間、ｎ−ヘキサンＨｅｘは循環流路２６中に設置されたポンプ２８によって循環される。

所定時間循環させた後、ｎ−ヘキサンＨｅｘを燃料電池の外部に排出する。この際、燃料電池の排出口側の切替弁２４を切り替え、ｎ−ヘキサンＨｅｘを酸素極側排出路２０に導いて排出する。

洗浄後は、残留したｎ−ヘキサンがある場合、自然放置することによって気化させることもできるが、燃料電池を加熱して残留したｎ−ヘキサンを気化させてもよい。例えば、燃料電池を駆動させれば、燃料電池の駆動温度によって燃料電池内の温度が上昇するため、仮に洗浄後のｎ−ヘキサンが燃料電池の流路内に残存していた場合であっても燃料電池の駆動温度の上限値よりも低い沸点を有するｎ−ヘキサンは気化され、燃料電池の系外に排出することができる。

なお、洗浄時期については、例えば、最後の洗浄を行ってからの経過時間、セル電圧の低下率等を基準に判断する。

以上、水に不溶又は難溶で、かつ、飽和脂肪酸を除去できる物質としてｎ−ヘキサンを用いた例を説明したが、水に不溶又は難溶で、かつ、燃料電池の流路内に付着している飽和炭化水素の沸点よりも低い飽和炭化水素を適宜選択することが可能である。

なお、上記実施形態では空気極側に残存している飽和炭化水素を含む油状物質等の汚染物質を除去又は減少させる例を示したが、本発明を燃料極側の流路及び冷媒の流路においても適用することが可能である。かかる場合、流路に形成されたガス拡散層にも適用することが可能である。一般に、ガス拡散層に不純物（飽和炭化水素）が付着すると、これを洗浄することが困難であるが、本発明によれば、ガス拡散層に対しても高い洗浄力を発揮することができ、特に有効である。

また、上記実施形態では燃料電池の流路内の洗浄について説明したが、これに限定されず、例えば、燃料電池システムの流体配管内の洗浄にも本発明を適用することが可能である。燃料電池システムの流体配管内には、燃料電池と同様、飽和炭化水素を含む汚染物質が付着している可能性があるため、このような流路内に飽和炭化水素を循環させれば、効果的に配管内を洗浄することができる。

本発明は、燃料電池の分野で利用することができる。

本発明の実施形態に係る燃料電池の洗浄方法の概要を説明するための図である。 燃料電池の空気極Ｃ側の空気（酸素）供給路２８に油状物質等の汚染物質Ｗが付着した様子を示す部分断面図である。

符号の説明

１０…酸素極側供給路、１２…タンク、１４，２２，２４…切替弁、１６…ヘキサン供給路、２０…酸素極側排出路、２６…循環流路、３０…電解質層、３２…触媒層、３４…拡散層、３６…セパレータ、３８…空気（酸素）供給路、Ａ…燃料極、Ｃ…空気極、Ｗ…汚染物質

Claims (3)

1. 電解質層の一方の面に空気極を備え、他方の面に燃料極を備えた燃料電池の洗浄方法であって、
   水に不溶又は難溶で、かつ、燃料電池の流路内に存在する飽和炭化水素よりも低い沸点を有する飽和炭化水素を、該燃料電池の流路を介して該燃料電池内に供給し、該燃料電池の流路内に存在する飽和炭化水素を含む汚染物質を除去又は減少させる、燃料電池の洗浄方法。
2. 前記飽和炭化水素は、その沸点が、前記燃料電池の駆動温度の上限値よりも低いものである請求項１記載の燃料電池の洗浄方法。
3. 前記燃料電池システムに存在する飽和炭化水素よりも低い沸点を有する飽和炭化水素が、ヘキサン又はその異性体である請求項１又は２記載の燃料電池の洗浄方法。

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