JP4262586B2 - 燃料電池の分解方法 - Google Patents

Description

本発明は、電解質膜の両側にアノード側電極とカソード側電極を設けた電解質膜・電極構造体が、セパレータにより挟持された発電セルを設け、燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されることにより電力を外部回路に出力可能な燃料電池の分解方法に関する。

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる固体高分子電解質膜を採用している。この燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ電極触媒と多孔質カーボンからなるアノード側電極及びカソード側電極を対設して構成される電解質膜・電極構造体を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持している。なお、アノード側電極及びカソード側電極は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層を設けている。

この燃料電池において、アノード側電極に供給された燃料ガス（反応ガス）、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）は、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質膜を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子は外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。なお、カソード側電極には、酸化剤ガス（反応ガス）、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されているために、このカソード側電極において、水素イオン、電子及び酸素が反応して水が生成される。

ところで、燃料電池内の接触抵抗が増大すると、内部抵抗損失が増大して端子電圧が低下してしまう。このため、接触抵抗を低減させるべく、燃料電池に所望の締め付け荷重を付与する必要がある。そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池組立用治具が知られている。

この特許文献１では、後部にセル積み上げ位置、前部に組み立てられた燃料電池の搬出位置を有する固定の治具本体と、前記治具本体に取り付けられ燃料電池スタックを押圧する押圧手段と、燃料電池スタックを載置し、前記セル積み上げ位置と搬出位置との間にわたって移動可能とされたロアプレートとから構成されている。

これにより、ロアプレートをセル積み上げ位置から搬出位置に移動して製品を搬出するので、ホイストを使って燃料電池製品を治具から搬出することができ、作業が容易化され、安全性が向上される、としている。

特開２００２−２１６８３４号公報（図１）

ところで、上記のように組み付けられた燃料電池製品（燃料電池スタック）では、実際に発電が行われることによって、所望の電圧が得られない等の異常な発電セルの検出がなされている。従って、異常な発電セルを正常な発電セルと交換するために、例えば、特許文献１の燃料電池組立用治具を使用して燃料電池を分解する必要がある。

その際、燃料電池内では、発電に伴って加湿ガスや生成水により高加湿状態となっている。このため、電解質膜・電極構造体は、高加湿状態にあり、燃料電池の締め付け荷重を開放して前記電解質膜・電極構造体とセパレータとが分離されると、該電解質膜・電極構造体は、高加湿状態のまま前記締め付け荷重から開放される。

しかしながら、電解質膜・電極構造体が作業環境下に放置されると、前記電解質膜・電極構造体の湿度環境が変化する。これにより、固体高分子電解質膜の折れ曲がりによる亀裂や、カーボンペーパの折れ曲がりによる炭素繊維の前記固体高分子電解質膜への刺さり等が惹起し、該固体高分子電解質膜が損傷するという問題がある。さらに、電解質膜・電極構造体自体に曲がりが生じると、燃料電池を再度組み付ける際に正確に位置決めすることが困難となる。

しかも、燃料電池の分解時に、上記のように新たに異常な発電セルが発生すると、前記燃料電池を再度組み付ける際に前記異常な発電セルが積層されてしまう。このため、燃料電池の分解及び再組み付け作業では、工数が相当に増大するという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、運転が停止されて荷重を開放する際に、電解質膜・電極構造体に変形が惹起することを可及的に阻止し、燃料電池を迅速且つ確実に分解及び再組み付けすることが可能な燃料電池の分解方法を提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池の分解方法では、電解質膜の両側にアノード側電極とカソード側電極を設けた電解質膜・電極構造体が、セパレータにより挟持された発電セルを設け、燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されることにより電力を外部回路に出力可能な燃料電池において、前記燃料電池の運転時に前記発電セルに異常が発生した際、前記燃料電池の運転が停止されるとともに、少なくとも前記燃料ガスに代えて、分解作業雰囲気と同等の湿度に設定された不活性ガスによるパージが行われる。

次いで、燃料電池が所定の分解可能状態に至った際、不活性ガスによるパージが停止される。その後、燃料電池の締め付け荷重が開放され、電解質膜・電極構造体がセパレータから分離されることにより前記燃料電池が分解される。

また、燃料電池の電圧が所定値より低下した際、又は不活性ガスが燃料電池から排出される出口の露点が分解作業雰囲気と同等の露点に至る際、前記燃料電池が所定の分解可能状態に至ったと判定することが好ましい。さらに、酸化剤ガスによる又は該酸化剤ガスに代えて不活性ガスによるパージが行われることが好ましい。

本発明によれば、電解質膜・電極構造体に荷重が付与された状態で、分解作業雰囲気と同等の湿度に設定された不活性ガスによるパージが行われ、前記電解質膜・電極構造体が分解作業雰囲気と同等の湿度に調整される。このため、電解質膜・電極構造体から荷重が開放された際、この電解質膜・電極構造体には、湿度環境の相違によって変形が惹起されることがなく、簡単な工程で、前記電解質膜・電極構造体の損傷を可及的に阻止することができる。しかも、燃料電池を再度組み付ける際には、異常な発電セルが混在することがなく、前記燃料電池の分解及び再組み付け作業が簡単且つ迅速に遂行される。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１０の分解方法を実施するための設備１１の概略構成図であり、図２は、前記燃料電池１０の概略断面図である。

燃料電池１０は、発電セル１２を備え、複数の発電セル１２を矢印Ａ方向に積層して積層体（燃料電池スタック）１４が構成される。積層体１４の積層方向両端部には、負極側ターミナルプレート１６ａ及び正極側ターミナルプレート１６ｂと、絶縁プレート１８ａ、１８ｂと、エンドプレート２０ａ、２０ｂとが、順次、設けられる。エンドプレート２０ａ、２０ｂが図示しないタイロッド等によって締め付けられることにより、燃料電池１０が組み付けられる。

図３に示すように、発電セル１２は、電解質膜・電極構造体２２と、この電解質膜・電極構造体２２を挟持する第１及び第２金属セパレータ２４、２６とを備える。第１及び第２金属セパレータ２４、２６には、後述する連通孔の周囲及び電極面（発電面）の外周を覆って、シール材が一体成形されている。なお、第１及び第２金属セパレータ２４、２６に代替して、例えば、カーボンセパレータを使用してもよい。

発電セル１２の矢印Ｂ方向の一端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔３０ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔３２ｂ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔３４ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。

発電セル１２の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔３４ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔３２ａ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔３０ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。

電解質膜・電極構造体２２は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜３６と、該固体高分子電解質膜３６を挟持して保持するアノード電極３８及びカソード電極４０とを備える（図２及び図３参照）。

アノード電極３８及びカソード電極４０は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、白金合金が表面に支持された多孔質カーボン粒子を前記ガス拡散層の表面に一様に塗布した電極触媒層とをそれぞれ有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜３６の両面に接合されている。

図３に示すように、第１金属セパレータ２４の電解質膜・電極構造体２２に向かう面２４ａには、酸化剤ガス供給連通孔３０ａと酸化剤ガス排出連通孔３０ｂとに連通する酸化剤ガス流路４６が設けられる。酸化剤ガス流路４６は、例えば、矢印Ｂ方向に延びて存在する複数の溝部（図示せず）とカソード電極４０との間に形成される。

第２金属セパレータ２６の電解質膜・電極構造体２２に向かう面２６ａには、燃料ガス供給連通孔３４ａと燃料ガス排出連通孔３４ｂとに連通する燃料ガス流路４８が形成される。この燃料ガス流路４８は、例えば、矢印Ｂ方向に延びて存在する複数の溝部とアノード電極３８との間に形成される。

第１金属セパレータ２４の面２４ｂと第２金属セパレータ２６の面２６ｂとの間には、冷却媒体供給連通孔３２ａと冷却媒体排出連通孔３２ｂとに連通する冷却媒体流路５０が形成される。この冷却媒体流路５０は、第１金属セパレータ２４に設けられる複数の溝部と、第２金属セパレータ２６に設けられる複数の溝部とを重ね合わせることにより、矢印Ｂ方向に延びて一体的に構成される。

図１に示すように、設備１１は、燃料電池１０を構成する燃料ガス供給連通孔３４ａに燃料ガスに代えて不活性ガス、例えば、窒素ガスを供給するための不活性ガス供給部６０と、前記燃料電池１０を構成する酸化剤ガス供給連通孔３０ａに空気を供給するための空気供給部６２とを備える。

なお、酸化剤ガス供給連通孔３０ａには、空気に代えて不活性ガスを供給することができ、例えば、空気供給部６２に代替して不活性ガス供給部６０を共用してもよい。

不活性ガス供給部６０は、燃料ガス供給連通孔３４ａに連通する不活性ガス供給流路６４を備える。この不活性ガス供給流路６４には、高圧窒素を貯留する窒素タンク６６と、前記窒素タンク６６から供給される窒素ガスの圧力を減圧するレギュレータ６８と、前記窒素ガスを分解作業雰囲気と同等の湿度に調整する加湿器７０とが配設される。加湿器７０は、例えば、バブリング、加湿膜、中空糸膜、イジェクタ又は超音波等を用いた周知の構造を採用している。

空気供給部６２は、酸化剤ガス供給連通孔３０ａに連通する空気供給流路７２を備え、この空気供給流路７２には、コンプレッサ（又はスーパーチャージャ）７４と加湿器７５とが配設される。

設備１１は、不活性ガス供給部６０及び空気供給部６２を駆動制御するための制御部７６を備える。この制御部７６は、燃料電池１０の電圧低下を検出するための電圧検出器７８に接続される。電圧検出器７８は、燃料電池１０全体のスタック電圧を検出しているが、各発電セル１２のセル電圧を検出してもよい。

このように構成される燃料電池１０の動作について、以下に説明する。

図２に示すように、燃料電池１０内では、複数の発電セル１２が積層された積層体１４に対して、水素含有ガス等の燃料ガス、空気等の酸素含有ガスである酸化剤ガス、及び純水やエチレングリコールやオイル等の冷却媒体が供給される。

図３に示すように、各発電セル１２では、燃料ガス供給連通孔３４ａから第２金属セパレータ２６の燃料ガス流路４８に燃料ガスが導入され、電解質膜・電極構造体２２を構成するアノード電極３８に沿って移動する。一方、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔３０ａから第１金属セパレータ２４の酸化剤ガス流路４６に導入され、電解質膜・電極構造体２２を構成するカソード電極４０に沿って移動する。

従って、電解質膜・電極構造体２２では、アノード電極３８に供給される燃料ガスと、カソード電極４０に供給される酸化剤ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。

次いで、アノード電極３８に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔３４ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。同様に、カソード電極４０に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔３０ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。

さらに、冷却媒体供給連通孔３２ａに供給された冷却媒体は、第１及び第２金属セパレータ２４、２６間の冷却媒体流路５０に導入された後、矢印Ｂ方向に沿って流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体２２を冷却した後、冷却媒体排出連通孔３２ｂから排出される。

ところで、上記のように燃料電池１０が運転（発電）されている際に、例えば、電圧降下等が惹起して異常な発電セル１２の存在が確認されると、前記燃料電池１０の運転が停止される。そして、燃料電池１０は、設備１１に接続される（図１参照）。

設備１１では、燃料電池１０を構成する燃料ガス供給連通孔３４ａに不活性ガス供給部６０が連通するとともに、前記燃料電池１０を構成する酸化剤ガス供給連通孔３０ａに空気供給部６２が連通している。このため、不活性ガス供給部６０では、窒素タンク６６から不活性ガス供給流路６４に窒素ガスが供給され、この窒素ガスは、レギュレータ６８を介して所定の圧力に調整された後、加湿器７０に送られる。

この加湿器７０では、窒素ガスが分解作業雰囲気と同等の湿度に調整されており、前記窒素ガスは、湿度が調整された状態で燃料電池１０の燃料ガス供給連通孔３４ａに供給される。従って、窒素ガスは、燃料ガス供給連通孔３４ａから各発電セル１２の燃料ガス流路４８を通って燃料ガス排出連通孔３４ｂに排出され、残留する水分をパージするとともに、電解質膜・電極構造体２２の湿度を調整する。

一方、空気供給部６２では、コンプレッサ７４の作用下に空気供給流路７２に空気が供給されると、この空気は、燃料電池１０の酸化剤ガス供給連通孔３０ａに供給される。なお、コンプレッサ７４に吸引された空気は、分解作業雰囲気の湿度を有しており、加湿器７５で調湿する必要はないが、空気供給部６２側で不活性ガスを使用する際には、この加湿器７５で調湿する。

燃料電池１０の酸化剤ガス供給連通孔３０ａに供給された空気は、この酸化剤ガス供給連通孔３０ａから各発電セル１２の酸化剤ガス流路４６を通って酸化剤ガス排出連通孔３０ｂに排出される。これにより、空気は、残留する水分をパージするとともに、電解質膜・電極構造体２２の湿度を調整する。

上記のように、燃料ガス供給連通孔３４ａに窒素ガスを供給する一方、酸化剤ガス供給連通孔３０ａに空気が供給されると、燃料電池１０内に残留している燃料ガスと空気中の酸素とが反応し、発電が行われる。このため、燃料電池１０に発生する電圧は、電圧検出器７８により検出されてその検出信号が制御部７６に送られる。その際、発電により燃料ガスが減少するため、検出されるスタック電圧は、図４に示すように、時間の経過に伴って低下する。

制御部７６では、検出されるスタック電圧が所定の電圧Ｖ１に低下する（時間Ｔ１が経過する）と、燃料電池１０が所定の分解可能状態に至ったと判定し、不活性ガス供給部６０及び空気供給部６２の駆動を停止する。これにより、燃料電池１０に対する窒素ガス及び空気によるパージが停止される。

次いで、燃料電池１０は、図示しないタイロッド等が弛緩されることにより締め付け荷重を開放し、前記燃料電池１０の分解作業が行われる。ここで、発電セル１２を構成する電解質膜・電極構造体２２は、分解作業雰囲気と同等の湿度に調整されている。

従って、電解質膜・電極構造体２２から荷重が開放された際、この電解質膜・電極構造体２２には、湿度環境の相違によって変形が惹起されることがない。このため、第１の実施形態では、簡単な工程で、電解質膜・電極構造体２２の損傷を可及的に阻止することができるという効果が得られる。

しかも、燃料電池１０を再度組み付ける際には、電解質膜・電極構造体２２が損傷している異常な発電セル１２が混在することがない。これにより、燃料電池１０の分解及び再組み付け作業は、簡単且つ迅速に遂行可能になる。

図５は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池１０の分解方法を実施するための設備９０の概略構成図である。なお、第１の実施形態に係る設備１１と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。

設備９０は、燃料電池１０の窒素ガス出口（又は空気出口）に設置される露点計９２を備える。露点計９２は、燃料電池１０の燃料ガス供給連通孔３４ａに供給されてパージを行った窒素ガスの露点温度を検出し、その検出信号を制御部７６に送る機能を有する。

このように、第２の実施形態では、燃料電池１０から排出されるパージガス（窒素ガス）の露点温度を検出しており、この露点温度は、図６に示すように、時間の経過に伴って分解作業雰囲気（Ｈ１℃）と同等になる。制御部７６は、検出された露点温度が分解作業雰囲気（Ｈ１℃）と同等になる時間Ｔ２が経過することにより、燃料電池１０が所定の分解可能状態に至ったと判定する。

これにより、第２の実施形態では、発電セル１２を構成する電解質膜・電極構造体２２が、分解作業雰囲気と同等の湿度に調整されるため、簡単な工程で、前記電解質膜・電極構造体２２の損傷を可及的に阻止することができる等、第１の実施形態と同様の効果が得られる。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の分解方法を実施するための設備の概略構成図である。 前記燃料電池の概略断面図である。 前記燃料電池を構成する発電セルの分解斜視説明図である。 スタック電圧と時間との関係図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の分解方法を実施するための設備の概略構成図である。 パージガスの露点と時間との関係図である。

符号の説明

１０…燃料電池 １１、９０…設備
１２…発電セル １４…積層体
２０ａ、２０ｂ…エンドプレート ２２…電解質膜・電極構造体
２４、２６…金属セパレータ ３０ａ…酸化剤ガス供給連通孔
３０ｂ…酸化剤ガス排出連通孔 ３２ａ…冷却媒体供給連通孔
３２ｂ…冷却媒体排出連通孔 ３４ａ…燃料ガス供給連通孔
３４ｂ…燃料ガス排出連通孔 ３６…固体高分子電解質膜
３８…アノード電極 ４０…カソード電極
４６…酸化剤ガス流路 ４８…燃料ガス流路
５０…冷却媒体流路 ６０…不活性ガス供給部
６２…空気供給部 ６４…不活性ガス供給流路
６６…窒素タンク ７０、７５…加湿器
７２…空気供給流路 ７４…コンプレッサ
７６…制御部 ７８…電圧検出器
９２…露点計

Claims (3)

1. 電解質膜の両側にアノード側電極とカソード側電極を設けた電解質膜・電極構造体が、セパレータにより挟持された発電セルを設け、燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されることにより電力を外部回路に出力可能な燃料電池の分解方法であって、
   前記燃料電池の運転時に前記発電セルに異常が発生した際、前記燃料電池の運転が停止されるとともに、少なくとも前記燃料ガスに代えて、分解作業雰囲気と同等の湿度に設定された不活性ガスによるパージを行う工程と、
   前記燃料電池が所定の分解可能状態に至った際、前記不活性ガスによるパージを停止する工程と、
   前記パージ終了後に前記燃料電池の締め付け荷重を開放し、該燃料電池を分解する工程と、
   を有することを特徴とする燃料電池の分解方法。
2. 請求項１記載の分解方法において、前記燃料電池の電圧が所定値より低下した際、又は前記不活性ガスが燃料電池から排出される出口の露点が前記分解作業雰囲気と同等の露点に至る際、前記燃料電池が所定の分解可能状態に至ったと判定することを特徴とする燃料電池の分解方法。
3. 請求項１又は２記載の分解方法において、前記酸化剤ガスによる又は該酸化剤ガスに代えて前記不活性ガスによるパージが行われることを特徴とする燃料電池の分解方法。
   
   

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