JP4635448B2 - 燃料電池解体方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池解体方法に関する。

従来、燃料電池としては、電解質の両面に電極が配置された電極アセンブリと、この電極アセンブリの周囲に配設されたシール層と、電極アセンブリを両面から挟み込んだ状態で前記シール層を介して接着され一方の電極側に燃料ガス通路が他方の電極側に酸化ガス通路が形成された一対のセパレータと、を備えたものが知られている。この種の燃料電池では、燃料ガス通路に燃料ガスとして水素を供給すると共に酸化ガス通路に酸化ガスとしてエアを供給すると、燃料ガス通路に面する電極（アノード）で水素がプロトンと電子に分かれ、そのうちのプロトンが電解質を通ってもう一方の電極（カソード）へ移動し、電子は外部回路を通ってカソードへ移動し、カソードでエア中の酸素とプロトンと電子とが反応して水が生成する。この反応により起電力が生じる。ここで、シール層は、両セパレータを接着する接着剤の層であり、各電極の外周部分で酸素と水素が直接接触するのを防ぐ役割を果たしている。

ところで、使用済みの燃料電池から高価な電極アセンブリ（特に貴金属触媒を含む電極）を回収したり、使用済みの燃料電池を分別して廃棄したり、使用済みの燃料電池の電極アセンブリの性能を評価したりするために、燃料電池を解体したい場合がある。このため、例えば特許文献１では、燃料電池のシール層とセパレータとの間に線状部材を設けておき、燃料電池を解体するときにはこの線状部材を外方向へ引っ張ることで線状部材によりシール層とセパレータとを剥離させるものが提案されている。
特開２００２−１５１１１２号公報

しかしながら、特許文献１では、線状部材によりシール層とセパレータとの間に燃料電池の内側から外側へ向かう力が付与されてシール層とセパレータとが剥離するものの、この方向に大きな力を加えることは容易ではないため、例えば線状部材がシール層に固く接着されていて動かなかったり線状部材が切れてしまったりすることがあり、燃料電池を確実に解体するのが難しいという問題があった。

本発明は、燃料電池を解体する必要が生じたときに確実に解体することのできる燃料電池解体方法を提供することを目的とする。

本発明は、上述の目的の少なくとも一部を達成するために以下の手段を採った。

本発明は、電解質の両面に電極が配置された電極アセンブリの周囲にシール部が配設され該電極アセンブリを両面から挟み込む一対のセパレータが前記シール部を介して接着された燃料電池を解体する方法であって、
前記一対のセパレータの少なくとも一方のセパレータの外面又は前記一対のセパレータの間隙に前記燃料電池の外側から高エネルギ体を照射又は噴射することにより前記燃料電池の解体を助長する解体助長ステップ、
を含むものである。

この燃料電池解体方法によれば、一対のセパレータの少なくとも一方のセパレータの外面又は一対のセパレータの間隙に燃料電池の外側から高エネルギ体を照射又は噴射するため、比較的大きなエネルギをセパレータの外面又はセパレータの間隙に付与しすい。したがって、燃料電池を確実に解体することができる。

なお、本発明は、どのタイプの燃料電池でも適用可能であり、例えば固体電解質膜形（高分子電解質形）、固体酸化物形、溶融炭酸塩形、リン酸形、アルカリ水溶液形等の燃料電池に適用可能である。

本発明の燃料電池解体方法において、前記解体助長ステップでは、前記一対のセパレータの少なくとも一方のセパレータの外面のうち前記電極の外周の外側に対応する箇所（例えば前記電極の外周と前記シール部の内周との間に対応する箇所や前記シール部に対応する箇所）に前記高エネルギ体を照射又は噴射してもよい。こうすれば、照射又は噴射される高エネルギ体によって電極アセンブリの電極がダメージを受けるおそれが少ない。

本発明の燃料電池解体方法において、前記解体助長ステップでは、前記一対のセパレータの少なくとも一方のセパレータの外面のうち前記電極の外周と前記シール部の内周との間に対応する箇所に前記高エネルギ体を噴射又は照射してもよい。こうすれば、作業者が工具を使ってセパレータの外面やセパレータ同士の間隙に外力を付与するのに比べて、作業負担が軽くて済む。ここで、高エネルギ体を照射又は噴射するにあたり、レーザビームを照射してもよいし、高圧縮流体を噴射してもよいし、セパレータよりも高硬度の粒子を噴射してもよい。なお、レーザとしては、例えばＹＡＧレーザ、ルビーレーザなどの固体レーザ、ガリウムヒ素レーザなどの半導体レーザ、炭酸レーザ、ヘリウムネオンレーザ、アルゴンレーザ、エキシマレーザなどの気体レーザなどが挙げられるが、セパレータの材質に応じて適宜選択すればよい。高圧縮流体としては、例えば、圧縮空気などの圧縮気体や高圧水などの高圧液体のほか、硅砂、金属粒、ガラス粒、セラミック粒などの研磨材を加えた圧縮気体や高圧液体などが挙げられるが、これもセパレータの材質に応じて適宜選択すればよい。高硬度の粒子としては、例えば、アルミナセラミック粒や炭化珪素セラミック粒などのセラミック粒や鋼鉄粒などの金属粒が挙げられるが、これもセパレータの材質に応じて適宜選択すればよい。

次に、本発明を実施するための最良の形態を実施例を用いて以下に説明する。

［第１実施例］
図１は、第１実施例の燃料電池１０の概略構成を表す説明図で（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。

本実施例の燃料電池１０は、固体高分子型燃料電池であって、主として、固体電解質膜３の両面に電極４，５が配置された膜電極アセンブリ(Membrane Electrode Assembly、以下ＭＥＡという)２と、このＭＥＡ２の周囲に配設されたシール部８と、ＭＥＡ２を両面から挟み込んだ状態でシール部８と接着された一対のセパレータ６，７とを備えている。この燃料電池１０は、単セルと呼ばれるものであり起電力が０．６〜０．８Ｖ程度である。このため、例えば車両の駆動モータの供給電源として使用する場合には、多数の燃料電池１０を緊密に積層することで数百Ｖの直流電源とする。

ＭＥＡ２は、固体電解質膜３を二つの電極、つまり燃料極であるアノード４と酸素極であるカソード５とで挟みこんだものである。本実施例のＭＥＡ２は、固体電解質膜３の面積がアノード４やカソード５の面積よりも大きい。ここで、固体電解質膜３は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を有する固体高分子材料で作製された膜であり、具体的にはフッ素系樹脂により形成された膜（デュポン社製のナフィオン膜等）などが挙げられる。また、アノード４及びカソード５は、それぞれ触媒電極４ａ，５ａとガス拡散電極４ｂ，５ｂとによって構成されている。触媒電極４ａ，５ａは、固体電解質膜３に接触する側に位置し、白金微粒子を担持させた導電性カーボンブラックにより形成されている。一方、ガス拡散電極４ｂ，５ｂは、触媒電極４ａ，５ａに積層され、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスにより形成されている。なお、触媒電極４ａ，５ａに含まれる白金は、水素をプロトンと電子に分けるのを促進したり酸素とプロトンと電子から水を生成する反応を促進する作用を有するものであるが、同様の作用を有するものであれば白金以外のものを用いてもよい。また、ガス拡散電極４ｂ，５ｂは、カーボンクロスのほか、炭素繊維からなるカーボンペーパーまたはカーボンフェルトによって形成してもよく、十分なガス拡散性および導電性を有していればよい。

一対のセパレータ６，７は、それぞれガス不透過の発熱性導体、本実施例ではカーボンを圧縮してガス不透過とした成形カーボンにより形成されているが、ステンレス鋼などの金属により形成されていてもよい。両セパレータ６，７は、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給孔６ａ，７ａと、燃料ガスを排出するための燃料ガス排出孔６ｂ，７ｂと、酸化ガスを供給するための酸化ガス供給孔６ｃ，７ｃと、酸化ガスを排出するための酸化ガス排出孔６ｄ，７ｄと、冷媒（例えば冷却液）を供給するための冷媒供給孔６ｅ，７ｅと、冷媒を排出するための冷媒排出孔６ｆ，７ｆとを備えている。また、一方のセパレータ６には、ＭＥＡ２のアノード４と接触する面に燃料ガスを通過させる燃料ガス通路６ｇが形成され、他方の面に冷媒を通過させる冷媒通路（図示略）が形成されている。このうち、燃料ガス通路６ｇは複数の凹溝で構成され燃料ガス供給孔６ａや燃料ガス排出孔６ｂには通じているが他の孔には通じておらず、冷媒通路は冷媒供給孔６ｅや冷媒排出孔６ｆには通じているが他の孔には通じていない。もう一方のセパレータ７には、ＭＥＡ２のカソード５と接触する面に酸化ガスを通過させる酸化ガス通路７ｇが形成され、他方の面に冷媒を通過させる冷媒通路（図示略）が形成されている。このうち、酸化ガス通路７ｇは複数の凹溝で構成され酸化ガス供給孔７ｃや酸化ガス排出孔７ｄには通じているが他の孔には通じておらず、冷媒通路は冷媒供給孔７ｅと冷媒排出孔７ｆには通じているが他の孔には通じていない。

シール部８は、ＭＥＡ２の固体電解質膜３のうちアノード４やカソード５が設けられていない外周部分の全周にわたって接着剤（例えばエポキシ系接着剤）を固化することにより形成した層である。このシール部８は、固体電解質膜３とセパレータ６によって囲まれる燃料ガスが存在する空間をシールすると共に固体電解質膜３とセパレータ７によって囲まれる酸化ガスが存在する空間をシールしている。なお、シール部８には、セパレータ６，７に設けられた各孔６ａ〜６ｆ，７ａ〜７ｆの位置に合わせて貫通孔が設けられている。また、シール部８は、ガスケットで形成されていてもよい。

次に、燃料電池１０の発電について説明する。燃料電池１０を発電させるには、燃料電池１０の外部から、燃料ガス供給孔６ａ，７ａに燃料ガスとして加湿した水素を供給すると共に酸化ガス供給孔６ｃ，７ｃに酸化ガスとしてエアを供給する。すると、水素は燃料ガス供給孔６ａから燃料ガス通路６ｇを経て燃料ガス排出孔６ｂへと流れたあと外部へ排出され、エアは酸化ガス供給孔７ｃから酸化ガス通路７ｇを経て酸化ガス排出孔７ｄへと流れたあと外部へ排出される。そして、燃料ガス通路６ｇを通過する水素は、アノード４のガス拡散電極４ｂで拡散されて触媒電極４ａに至り、この触媒電極４ａでプロトンと電子に分かれる。このうちプロトンは湿潤状態の固体電解質膜３を伝導してカソード５に移動し、電子は図示しない外部回路を通ってカソードに移動する。また、酸化ガス通路７ｇを通過するエアは、カソード５のガス拡散電極５ｂで拡散されて触媒電極５ａに至る。そして、カソード５でプロトンと電子とエア中の酸素とが反応して水が生成し、この反応により起電力が生じる。また、燃料電池１０を発電に適した温度域（例えば７０〜８０℃）に維持するために、外部から冷媒供給孔６ｅ，７ｅへ冷媒を供給する。この冷媒は、セパレータ６，７に設けられた図示しない冷媒通路を経て冷媒排出孔６ｆ，７ｆから排出され、図示しない熱交換器で低温化されたあと再び冷媒供給孔６ｅ，７ｅへ供給される。なお、ＭＥＡ２の固体電解質膜３はプロトンを伝導する役割を果たすほか、燃料電池１０の内部でエアと水素とが直接接触するのを防ぐ隔離膜としての役割も果たしている。また、シール部８は、ＭＥＡ２の外周部分でエアと水素とが混合するのを防止すると共に、これらのガスが燃料電池１０の外部へ漏れ出すのを防止している。

次に、この燃料電池１０を解体する必要が生じたときの解体手順について図２及び図３に基づいて説明する。図２及び図３は、燃料電池１０にレーザ照射するときの様子を表す斜視図及び断面図である。ここでは、ＸＹ平面をなすテーブル面２１と、このテーブル面２１の上方をＸＹ方向に移動するキャリッジ２３と、このキャリッジ２３に取り付けられたレーザ照射装置２５とを備えたレーザ加工装置２０を用いて、燃料電池１０の解体を助長する。まず、テーブル面２１上に燃料電池１０を位置決めして固定する。このテーブル面２１には、燃料電池１０のアウトラインを囲むように４つの位置決めブロック２１ａが突設されているため、この４つの位置決めブロック２１ａに内接するように燃料電池１０を配置することにより位置決めして固定する。次に、図示しないレーザ発振器から発振されたレーザビームをレーザ照射装置２５から燃料電池１０のセパレータ６の外面に照射する。ここで、キャリッジ２３は、燃料電池１０のセパレータ６の外面のうちＭＥＡ２の電極４，５の外周ラインとシール部８の内周ラインとの間に対応する箇所をトレースラインＴとしこのトレースラインＴ上をレーザ照射装置２５がレーザ照射するように移動していく。なお、キャリッジ２３の移動制御は図示しないコントローラによって行われる。また、レーザ出力は、レーザビームの照射された部分が一対のセパレータ６，７及び固体電解質膜３を貫通するように調整されている。この結果、燃料電池１０の全周にわたってセパレータ６，７がＭＥＡ２の電極４，５の外周ラインとシール部８の内周ラインとの間で切断された状態となる。その後、作業者はセパレータ６を取り外してＭＥＡ２（電極４，５の外周ライン付近で切断されたもの）を取り出して回収する。

以上詳述した第１実施例によれば、燃料電池１０の外側からセパレータ６の外面にレーザビームを照射してエネルギを付与するため、例えば特許文献１のように燃料電池の内側から外側に向かう力を付与する場合に比べて、比較的大きなエネルギをセパレータ６の外面に付与しすい。したがって、燃料電池１０を確実に解体することができる。また、セパレータ６の外面のうちＭＥＡ２の電極４，５の外周ラインとシール部８の内周ラインとの間に対応するトレースラインＴに沿ってレーザビームを照射するため、レーザビームによってＭＥＡ２の電極４，５がダメージを受けるおそれが少ない。更に、レーザビームを利用するため、作業者が工具を使ってセパレータ６の外面に外力を付与するのに比べて作業負担が軽くて済むし作業騒音も小さい。

なお、上述した第１実施例では、燃料電池１０の外側からセパレータ６の外面にレーザビームを照射したが、レーザビームの代わりに高圧縮流体として高圧水を噴射してもよい。即ち、レーザ照射装置２５の代わりに高圧水噴射ノズルをキャリッジ２３に取り付け、セパレータ６の外面のトレースラインＴに沿って高圧水を噴射してセパレータ６，７及び固体電解質膜３を切断してもよい。この場合も第１実施例と同様の効果が得られる。ただし、セパレータ６，７の材質によっては高圧水だけでは切断できないこともあるので、そのときには高圧水に硅砂、金属粒、ガラス粒、セラミック粒などの研磨材を加えてもよい。

また、上述した第１実施例では、燃料電池１０を固定しておきレーザ照射装置２５をＸＹ方向に移動させたが、レーザ照射装置２５を固定しておき燃料電池１０をＸＹ方向に移動させてもよい。あるいは、レーザ照射装置２５を手動で移動させてもよい。

更に、上述した第１実施例では、レーザ出力をセパレータ６，７及び固体電解質膜３を貫通するように調整したが、セパレータ６と固体電解質膜３を貫通するがセパレータ７は貫通しないように調整してもよい。この場合も、セパレータ６を取り外してＭＥＡ２（電極４，５の外周ラインで切断されたもの）を回収することができる。

更にまた、上述した第１実施例では、セパレータ６の外面のうちＭＥＡ２の電極４，５の外周ラインとシール部８の内周ラインとの間に対応するトレースラインＴにレーザビームを照射したが、セパレータ６の外面のうちシール部８に対応する箇所をトレースラインとしてレーザビームを照射してもよい。この場合、レーザビームによる切断が終了したあとセパレータ６，７にシール部８の一部が付着していたとしても、シール部８の全体が付着している場合に比べて接着面積が小さいので接着力が低くなり、作業者が工具等を利用すれば容易且つ確実にセパレータ６を取り外すことができる。

そしてまた、上述した第１実施例では、燃料電池１０の上方からセパレータ６の外面にレーザビームを照射したが、燃料電池１０の側方から一対のセパレータ６，７の間隙つまりシール部８にレーザビームを照射してもよい。例えば、燃料電池１０の側方からセパレータ６と固体電解質膜３との間のシール部８に燃料電池１０の全周にわたってレーザビームを照射したあと、セパレータ７と固体電解質膜３との間のシール部８に燃料電池１０の全周にわたってレーザビームを照射してもよい。この場合も、第１実施例と同様の効果が得られる。なお、この場合、ＭＥＡ２の電極４，５にレーザビームが達しないように調整することが好ましい。

［第２実施例］
第２実施例は、第１実施例と同様の燃料電池１０を別の方法により解体を助長する一例である。ここでは、燃料電池１０の構成や発電動作についての説明は、第１実施例と同じであるため省略する。燃料電池１０を解体する必要が生じたときの解体手順について図４〜図６に基づいて説明する。図４は燃料電池１０にショットブラストを行うときの様子を表す断面図、図５はショットブラストを行ったあとの様子を表す断面図、図６はブラスト加工後にＭＥＡを取り出す様子を表す断面図である。まず、電極４，５と同じ面積の保護ブロック３１，３２で一対のセパレータ６，７を両面から挟み込む。これにより、保護ブロック３１，３２がセパレータ６，７のうち電極４，５に対応する面積部分を覆う。また、一対のセパレータ６，７の間隙を覆うことのできる厚さの保護ブロック３３，３４を燃料電池１０の全周に配置する。これにより、保護ブロック３３，３４がセパレータ６，７の間隙を全周にわたって覆う。これらの保護ブロック３１〜３４は、後述する高硬度粒子３０ａよりも硬度の高い材料で形成されている。次に、燃料電池１０のうち保護ブロック３１〜３４で覆われていない部分にブラストガン３０の噴射口を向けて、この噴射口から高硬度粒子３０ａを含む圧縮空気３０ｂを噴射する。このブラストガン３０は、カーボン製のセパレータ６，７よりも硬度の高い粒子（高硬度粒子）３０ａと図示しないエアコンプレッサからの圧縮空気３０ｂとが内部に供給されるように構成され、両者を混合した状態で噴射口から噴射する。そして、噴射された高硬度粒子３０ａは、圧縮空気３０ｂによって高速化され高いエネルギを持った状態でセパレータ６，７と衝突する。また、圧縮空気３０ｂの圧力は、高速化された高硬度粒子３０ａがセパレータ６，７と衝突したときにその衝突箇所を破壊することのできる値に設定されている。したがって、セパレータ６，７のうちブラストガン３０から噴射された高硬度粒子３０ａが衝突した箇所は次々と破壊されていく。そして、燃料電池１０のうち保護ブロック３１〜３４で覆われていない部分のすべてに高硬度粒子３０ａを噴射していく。すると、図５に示すようにセパレータ６，７は電極４，５に対応する面積部分を残して破壊された状態となる。その後、図６に示すように保護ブロック３１〜３４を除去し、セパレータ６，７を取り外してＭＥＡ２（固体電解質膜３の外周にシール部８が残存しているもの）を取り出して回収する。

以上詳述した第２実施例によれば、燃料電池１０の外側からセパレータ６，７の外面に高速化した高硬度粒子３０ａを高エネルギ体として噴射するため、例えば特許文献１のように燃料電池の内側から外側に向かう力を付与する場合に比べて、比較的大きなエネルギをセパレータ６，７の外面に付与しすい。したがって、燃料電池１０を確実に解体することができる。また、セパレータ６，７の外面のうちＭＥＡ２の電極４，５の外周ラインよりも外側に高硬度粒子３０ａを噴射するため、高硬度粒子３０ａによってＭＥＡ２の電極４，５がダメージを受けるおそれが少ないし、作業者が工具を使ってセパレータ６，７の外面に外力を付与するのに比べて作業負担が軽くて済む。

なお、上述した第１、第２実施例では固体電解質膜形（高分子電解質形）の燃料電池について説明したが、他のタイプの燃料電池、例えば固体酸化物形、溶融炭酸塩形、リン酸形、アルカリ水溶液形等の燃料電池についても同様にして本発明を適用することができる。また、シール部８やガスケット６０，７０の材質は、シール性が確保できるものであれば特に限定されないが、例えばエンジニアリングプラスチック、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂、フッ素樹脂（ＰＴＦＥやＰＦＡなど）、不飽和ポリエステル樹脂、ポリプロピレンなどが挙げられる。

本発明は上述した実施例に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。

燃料電池の概略構成を表す説明図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）はＡ−Ａ断面図である。 燃料電池にレーザ照射するときの様子を表す斜視図である。 燃料電池にレーザ照射するときの様子を表す断面図である。 燃料電池にショットブラストを行うときの様子を表す断面図である。 燃料電池にショットブラストを行ったあとの様子を表す断面図である。 ブラスト加工後にＭＥＡを取り出すときの様子を表す断面図である。

符号の説明

２…ＭＥＡ、３…固体電解質膜、４…アノード（電極）、４ａ…触媒電極、４ｂ…ガス拡散電極、５…カソード（電極）、５ａ…触媒電極、５ｂ…ガス拡散電極、６…セパレータ、６ａ…燃料ガス供給孔、６ｂ…燃料ガス排出孔、６ｃ…酸化ガス供給孔、６ｄ…酸化ガス排出孔、６ｅ…冷媒供給孔、６ｆ…冷媒排出孔、６ｇ…燃料ガス通路、６ｈ…突堤、６ｉ…ガスケット挿入溝、６ｋ…ガスケット挿入溝、７…セパレータ、７ａ…燃料ガス供給孔、７ｂ…燃料ガス排出孔、７ｃ…酸化ガス供給孔、７ｄ…酸化ガス排出孔、７ｅ…冷媒供給孔、７ｆ…冷媒排出孔、７ｇ…酸化ガス通路、８…シール部、１０…燃料電池、２０…レーザ加工装置、２１…テーブル面、２１ａ…位置決めブロック、２３…キャリッジ、２５…レーザ照射装置、３０…ブラストガン、３０ａ…高硬度粒子、３０ｂ…圧縮空気、３１〜３４…保護ブロック。

Claims (7)

1. 電解質の両面に電極が配置された電極アセンブリの周囲にシール部が配設され該電極アセンブリを両面から挟み込む一対のセパレータが前記シール部を介して接着された燃料電池を解体する方法であって、
   前記一対のセパレータの少なくとも一方のセパレータの外面又は前記一対のセパレータの間隙に前記燃料電池の外側からエネルギ体を照射又は噴射することにより前記燃料電池の解体を助長する解体助長ステップ、
   を含む燃料電池解体方法。
2. 前記解体助長ステップでは、前記一対のセパレータの少なくとも一方のセパレータの外面のうち前記電極の外周の外側に対応する箇所に前記エネルギ体を照射又は噴射する、請求項１記載の燃料電池解体方法。
3. 前記解体助長ステップでは、前記一対のセパレータの少なくとも一方のセパレータの外面のうち前記電極の外周と前記シール部の内周との間に対応する箇所に前記エネルギ体を噴射又は照射する、請求項１記載の燃料電池解体方法。
4. 前記解体助長ステップでは、前記一対のセパレータの少なくとも一方のセパレータの外面のうち前記シール部に対応する箇所に前記エネルギ体を噴射又は照射する、請求項１記載の燃料電池解体方法。
5. 前記解体助長ステップでは、前記一対のセパレータの少なくとも一方のセパレータの外面に前記燃料電池の外側からレーザビームを照射する、請求項１〜４のいずれか記載の燃料電池解体方法。
6. 前記解体助長ステップでは、前記一対のセパレータの少なくとも一方のセパレータの外面に前記燃料電池の外側から高圧縮流体を噴射する、請求項１〜４のいずれか記載の燃料電池解体方法。
7. 前記解体助長ステップでは、前記一対のセパレータの少なくとも一方のセパレータの外面に前記燃料電池の外側から該セパレータよりも高硬度の粒子を噴射する、請求項１〜４のいずれか記載の燃料電池解体方法。
   

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