JP5135784B2 - 燃料電池の電極内部に残留する不純物の除去方法 - Google Patents
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Description
このような燃料電池システムにおいて、燃料電池に供給されるガスには、塵埃や海塩、燃料電池システムの構成材料などから生じる金属イオンが含まれる。これらの金属イオンは、燃料電池内に進入し滞留すると、高分子電解質膜や電極を構成するイオン交換樹脂と結合してイオン伝導性を低下させ、燃料電池自体の発電性能を低下させてしまうといった問題がある。
このような問題を解決するために、従来では、特許文献1〜3に記載されているように、燃料電池スタックを分解して単位セルを取り出し、或いは電極を触媒層と電解質膜まで分解して酸性水溶液に浸漬させ金属イオンを取り除く方法や、金属イオンと錯体を形成するキレート剤を用いる方法、逆電位を印加する方法、或いは弱酸性雰囲気にさらすなどの方法が採られている。
(1)高分子電解質膜の一側に燃料極、他側に酸素極を有する燃料電池の電極内部に残留する不純物の除去方法であって、
前記燃料電池に供給される酸化ガス又は燃料ガスにNO 2 、HCl又はH 2 O 2 の内いずれか1の酸性ガスを加えながら、燃料電池を動作させ、燃料電池での酸化ガスと燃料ガスとの発電反応によって生じる生成水に酸性ガスを溶け込ますことにより生成水を酸性とし、該生成水によって不純物を洗い流すことを特徴とする燃料電池の電極内部に残留する不純物の除去方法。
請求項2記載の発明によれば、さらに酸性ガスに接触した水を加えることによって、金属イオンを外部に押し流す効果が増進される。
図2および図3に基づいて燃料電池スタック100の構成について説明する。図2は、燃料電池スタック10の部分断面側面図、図3は、燃料電池スタックの部分断面斜視図である。 燃料電池スタック100は、単位セル2と、セパレータ3とを備えている。単位セル2は、空気極である酸素極21と燃料極22とで固体高分子電解質膜23を挟持した膜・電極接合体となっている。
集電部材31は、導電性と耐蝕性を備えた材料で構成されている。集電部材31としては、例えば、カーボンや、金属等の材料で構成されている。金属で構成した場合には、例えば、ステンレス、ニッケル合金、チタン合金等の材料に耐蝕導電処理を施したものを用いることができる。ここで、耐蝕導電処理とは、例えば、金メッキ等が挙げられる。
凸部311の両端には、凸部311に直交する方向に溝314、314が形成され、この溝314と燃料極22の表面とによって、燃料ガス流路316が形成される。複数の燃料ガス流通路315は、両端部で燃料ガス流路316にそれぞれ連通した構成となっており、複数の燃料ガス流通路315と一対の燃料ガス流路316とによって、燃料極22へ水素ガスを供給する燃料ガス保持部30が構成される。
各燃料ガス保持部30の燃料ガス供給孔318は、燃料電池スタック100内の一方の端部において、集電部材31の積層方向に形成されている燃料ガス供給通路319aにそれぞれ連通しており、燃料ガス排出孔317は、燃料電池スタック100内の他方の端部において、集電部材31の積層方向に形成されている燃料ガス排出通路319bにそれぞれ連通している。燃料ガス供給通路319aと各燃料ガス供給孔318によって、燃料ガスを各燃料ガス保持部30に分配する燃料ガスマニホールド34が構成される。一対の燃料ガス排出通路319a、319bの一方は、燃料ガス供給流路201Bに接続され、他方は、ガス循環流路202に接続される。
空気導入路123内には、空気マニホールド54内の直前位置に、水を空気導入路123内へ向けて噴射するノズル55が設けられている。液体接触手段としての噴霧装置であるノズル55は、空気マニホールド54内に設けられていてもよい。ノズル55は、霧状にした水を噴射する。噴射された霧状水は、空気導入路123の横断面全域に渡って充満するように、噴射される。また、水は可能な限り細かい粒子となるように噴射される。このように構成することによって、酸性ガスと水とが接触する頻度が増え、水が酸性化することが容易となる。
次に、酸性ガスを燃料電池スタックへ供給するための酸性ガス供給手段の構成について説明する。図1に示されているように、本発明の燃料電池システム1には、酸性ガスを供給するためのガス配管が適宜接続される。燃料電池の電解質膜に不純物イオンが蓄積されると、燃料電池の出力低下を起こすため、燃料電池の出力をモニターし、出力が所定値以下に到達した場合(例えば、出力(低負荷領域)が10%程度下がた場合)に、不純物イオンを除去するために、酸性ガスを燃料電池に供給する。
生成されたHNO3は、直ちにH+及びNO3 −イオンを生成する(HNO3+H2O → H3O++NO3 −)。このH+(H3O+)イオンは、高分子電解質膜の有するイオン交換サイトであるスルホン酸基(−SO3 −)に結合している不純物イオンを(−SO3 −H+)にプロトン化することにより、イオン交換サイトを再生する。例えば、不純物イオンがCa2+である場合には、最終的に、排出される生成水中に不純物金属イオンが含まれ(Ca2++2NO3)、この不純物イオンは、Ca(NO3)2として回収される。回収される金属イオンは、Caの他、K, Na, Mg, Sr, Al, B, Si, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge, Sn, Pb, In, Ti, Y, Mo, Nb,Tc, Li, Cs, Baなどが挙げられる。
なお、上記酸性ガスとは、例えば、水などの無機溶媒に溶けた場合に酸性水となるガスであって、NO2の他、例ええば、SO2、HCl、H2O2等が挙げられる。
以上のように、酸性ガスを供給する方法としては、図1に示されているように、燃料電池システム1の配管に、酸性ガスを接続し、燃料電池システム1の有する構成を利用して、酸性ガスを供給する方式が採られる。
図5における想像線で示されるように、単位セルのIV性能が不純物イオンによって、通常より10%程度低下した場合(ステップS101)に、燃料電池スタック100を一旦停止し、取入部231、201Bcに、それぞれ酸性ガス供給手段7a、7bのコネクタ74a、74bを接続する(ステップS103)。これにより、酸性ガスを供給できる状態となる。
次に、再び燃料電池スタック100を起動する(ステップS105)。即ち、空気ファン122を駆動させて空気を燃料電池スタック100へ供給し、かつ、燃料ガス供給流路201Bを介して水素ガスを、燃料電池スタック100へ供給する。
IV特性が図5における実線の状態へ復帰した場合には、開閉弁72a、72bを閉じる(ステップS109)。所定時間、ノズル55からの噴射を維持して、燃料電池スタック100内から酸性水を洗い流す。その後、燃料電池スタックを停止する(ステップS111)。さらに、取入部231、201Bcから、それぞれ酸性ガス供給手段7a、7bのコネクタ74a、74bを取り外す(ステップS113)。トラップ24及び水タンク531に溜められた不純物を含んだ水を回収し、作業を終了する。
以上の通り、取入部に、酸性ガス供給手段の供給部を着脱自在に接続する構成することで、取入部に供給部を要時にのみ接続し、燃料電池の不純物を排出するための再生作業を行なうことができる。これにより、常時酸性ガス供給手段を設ける必要がなくなり、燃料電池システム全体の大型化を抑制することができる。さらに、燃料電池をシステムから取り外すことなく、通常の発電動作に用いられる構成要素を用いて燃料電池の再生作業をおこなうことができるので、システムから取り外す必要がなく、燃料電池の物理的な損傷を抑制しつつ、作業を容易に完了させることが可能となる。
尚、本実施形態にあっては、多数の燃料電池を積層した燃料電池スタックを備えた燃料電池システムに適用したが、燃料電池を面方向に接続した燃料電池集合体に適用しても良いことは言うまでもない。
2 単位セル
100 燃料電池スタック
122 空気ファン
123 空気導入路
531 水タンク
53 排気マニホールド
54 空気マニホールド
55 ノズル
61 供給ポンプ
Claims (3)
- 高分子電解質膜の一側に燃料極、他側に酸素極を有する燃料電池の電極内部に残留する不純物の除去方法であって、
前記燃料電池に供給される酸化ガス又は燃料ガスにNO 2 、HCl又はH 2 O 2 の内いずれか1の酸性ガスを加えながら、燃料電池を動作させ、燃料電池での酸化ガスと燃料ガスとの発電反応によって生じる生成水に酸性ガスを溶け込ますことにより生成水を酸性とし、該生成水によって不純物を洗い流すことを特徴とする燃料電池の電極内部に残留する不純物の除去方法。 - 前記酸性ガス中に水を霧状に噴射することを特徴とする請求項1に記載の燃料電池の電極内部に残留する不純物の除去方法。
- 要時にのみ酸性ガスを供給することを特徴とする請求項1又は2に記載の燃料電池の電極内部に残留する不純物の除去方法。
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