燃料電池からの触媒回収方法
【課題】特別な設備を用いることなく、燃料電池から簡便に触媒を回収する。
【解決手段】燃料電池から、電極を構成する触媒を回収する方法は、電極に反応ガスを供給するために燃料電池内に形成されたガス流路に対して、上記触媒を溶解可能な触媒溶解液を供給する第１の工程（ステップＳ１１０およびステップＳ１２０）を備える。さらに、ガス流路内を通過させた前記触媒溶解液を回収する第２の工程（ステップＳ１３０）を備える。
【解決手段】燃料電池から、電極を構成する触媒を回収する方法は、電極に反応ガスを供給するために燃料電池内に形成されたガス流路に対して、上記触媒を溶解可能な触媒溶解液を供給する第１の工程（ステップＳ１１０およびステップＳ１２０）を備える。さらに、ガス流路内を通過させた前記触媒溶解液を回収する第２の工程（ステップＳ１３０）を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池からの触媒の回収方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、一般に、電解質層の両側に、貴金属などの金属を含有する触媒層を備え、アノード側に水素が供給されると共に、カソード側に酸素が供給されて、電気化学反応を進行することにより起電力を得る。このような燃料電池は、燃料の有する化学エネルギを直接電気エネルギに変換する高効率な発電装置であって、環境汚染物質を排出しない発電装置として、普及が期待されている。ここで、燃料電池の普及のためには、触媒などの燃料電池の構成要素の再利用を図ることが重要であると考えられている。再利用のために燃料電池から触媒を回収する方法としては、燃料電池を分解して得られる廃材であって、電極部分を含む電極廃材から、この電極廃材に含まれる貴金属を王水等を用いて溶解させる酸抽出法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開昭６３−２１０２４６号公報
【特許文献２】特開２００５−２０９６２４号公報
【特許文献３】特開平８−１７１９２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、電極廃材等から王水等を用いて貴金属を溶解させる場合には、燃料電池を分解して得られる電極廃材等を王水に浸漬するための溶液槽などの特別な設備が必要になる。また、燃料電池を分解して電極廃材等を取り出す作業を人手に頼る場合には、分解作業の処理量に限界があるため、効率良く触媒を回収することが困難になる場合がある。
【０００５】
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、特別な設備を用いることなく、燃料電池から簡便に触媒を回収することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明は、燃料電池から、電極を構成する触媒を回収する方法であって、
前記電極に反応ガスを供給するために前記燃料電池内に形成されたガス流路に対して、前記触媒を溶解可能な触媒溶解液を供給する第１の工程と、
前記ガス流路内を通過させた前記触媒溶解液を回収する第２の工程と
を備えることを要旨とする。
【０００７】
以上のように構成された本発明の燃料電池からの触媒回収方法によれば、燃料電池内に形成されたガス流路に触媒溶解液を供給することにより、電極内の触媒を触媒溶解液中に溶解させて回収することができる。そのため、燃料電池を構成する部材を浸漬させる等するための特別な設備を用意する必要がなく、触媒回収のための設備を簡素化できると共に、簡便な操作により触媒を回収できる。また、このようにして触媒を回収する際には、燃料電池を分解する操作も不要であり、触媒回収の工程を、より簡素化できる。
【０００８】
本発明の燃料電池からの触媒回収方法において、
前記燃料電池は、複数の単セルを積層したスタックから成り、
前記ガス流路は、各々の前記単セル内に形成されたガス流路である単セル内ガス流路と、各々の前記単セル内ガス流路に対して前記反応ガスを供給・排出するガス流路である給排ガス流路と、を備え、
前記第１の工程は、前記給排ガス流路に対して前記触媒溶解液を供給する工程であることとしても良い。
【０００９】
このような構成とすれば、第１の工程において、積層された複数の単セルの各々へと反応ガスを供給・排出するための給排ガス流路に対して触媒溶解液を供給すればよいため、積層された複数の単セルからの触媒回収を、既存のガス流路を利用して効率良く行なうことができる。また、既存のガス流路を利用することによって触媒回収のための設備を簡素化できる効果を、より顕著に得ることができる。さらに、燃料電池を分解することなく触媒を回収可能になることによって触媒回収の動作を簡素化できる効果を、より顕著に得ることができる。
【００１０】
本発明の燃料電池からの触媒回収方法において、
前記第１の工程は、前記ガス流路に対して、所定量の前記触媒溶解液を供給した後に、該触媒溶解液を循環させる工程であり、
前記第２の工程は、前記ガス流路を循環させた前記触媒溶解液を回収する工程であることとしても良い。
【００１１】
このような構成とすれば、一定量の触媒溶解液を用いて、より多くの触媒を燃料電池から回収することが可能になる。
【００１２】
本発明の燃料電池からの触媒回収方法において、
前記触媒溶解液は、前記燃料電池において前記ガス流路の周囲に配置される部材の内、実質的に前記触媒のみを溶解させる溶液であることとしても良い。
【００１３】
このような構成とすれば、触媒以外の成分がより少ない状態で触媒を触媒溶解液に溶解させて回収することができる。
【００１４】
本発明の燃料電池からの触媒回収方法において、前記触媒は、貴金属を含有することとしても良い。希少な貴金属を簡便な方法により回収可能とすることで、触媒として貴金属を用いる燃料電池の普及を促進することができる。
【００１５】
このような本発明の燃料電池からの触媒回収方法において、
前記燃料電池は、さらに、前記燃料電池を構成する単セル内における前記反応ガスの流路の壁面を構成するカーボン製のガスセパレータと、前記電極と前記ガスセパレータとの間に配置されて、前記単セル内における前記反応ガスの流路を形成するカーボン製のガス流路形成部材と、を備えると共に、電解質層として固体高分子電解質膜を備え、
前記触媒溶解液は、酸溶液であることとしても良い。
【００１６】
このような構成とすれば、酸溶液は、固体高分子電解質膜およびカーボンを溶解しないため、貴金属を含有する触媒を、効率良く回収することができる。
【００１７】
本発明の燃料電池からの触媒回収方法において、さらに、
回収された前記触媒溶解液から、前記触媒を分離・精製する第３の工程を備えることとしても良い。
【００１８】
このような構成とすれば、燃料電池から分離した触媒を、容易に再利用可能となる。
【００１９】
本発明は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、燃料電池の構成部材の再利用方法などの形態で実現することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．燃料電池の構成：
Ｂ．触媒回収の動作：
Ｃ．変形例：
【００２１】
Ａ．燃料電池の構成：
最初に、実施例としての燃料電池からの触媒回収方法を適用する燃料電池の構成について説明する。図１は、触媒回収の対象となる固体高分子型燃料電池の構成の概要を表わす断面模式図であり、図２は、分解斜視図である。この燃料電池は、単セルを複数積層したスタック構造を有しているが、図１および図２では、スタックの構成単位である単セル１０を中心にして、燃料電池の構成を表わしている。なお、図２では、図１に示す断面の位置を、１−１断面として示している。
【００２２】
燃料電池を構成する単セル１０は、電解質膜２０と、カソード２１およびアノード２２と、ガス拡散層２３，２４と、ガスセパレータ２５，２６と、を備えている。ここで、電極であるカソード２１およびアノード２２は、電解質膜２０上に形成されており、表面に電極が形成された電解質膜２０は、ガス拡散層２３，２４によって挟持されている。そして、このサンドイッチ構造は、さらに両側からガスセパレータ２５，２６によって挟持されている（ただし、ガス拡散層２３は、電解質膜２０の裏面に配設されるため、図２では図示せず）。
【００２３】
電解質膜２０は、固体高分子材料、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。
【００２４】
カソード２１およびアノード２２は、触媒として、例えば白金、あるいは白金合金を備えており、これらの触媒を、導電性を有する担体上に担持させることによって形成されている。より具体的には、カソード２１およびアノード２２は、例えば、上記触媒を担持したカーボン粒子と、電解質膜２０を構成する高分子電解質と同様の電解質と、を備えている。このような触媒を作製するには、例えば、上記触媒担持カーボンおよび高分子電解質を含有する電極ペーストを作製し、この電極ペーストを、電解質膜２０上、あるいはガス拡散層２３，２４上に塗布し、乾燥・固着させればよい。なお、電極は、上記した高分子電解質を備えないなど、異なる構成とすることもできる。
【００２５】
ガス拡散層２３，２４は、ガス透過性を有する導電性部材、例えば、カーボンペーパやカーボンクロスによって形成することができる。本実施例のガス拡散層２３，２４は、いずれも、全体として平坦な形状の板状部材である。このようなガス拡散層２４は、電気化学反応に供されるガスの流路になると共に、集電を行なう。
【００２６】
ガスセパレータ２５，２６は、ガス不透過な導電性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンや、焼成カーボンにより形成されている。ガスセパレータ２５，２６は、単セル１０内に形成されて反応ガス（水素を含有する燃料ガスあるいは酸素を含有する酸化ガス）が流れるガス流路の壁面を成す部材であって、その表面には、単セル１０内のガス流路を形成するための凹凸形状が形成されている。単セル１０内では、表面に溝６２が形成されたガスセパレータ２５とカソード２１との間には、酸化ガスの流路である単セル内酸化ガス流路２７が形成される（図１参照）。また、表面に溝６３が形成されたガスセパレータ２６とアノード２２との間には、燃料ガスの流路である単セル内燃料ガス流路２８が形成される（図１参照）。ガスセパレータ２６においては、単セル内燃料ガス流路２８を形成するための溝６３が形成された面の裏面には、単セル内酸化ガス流路２７を形成するための溝６２が形成されており、その両面で単セル１０を形成する。
【００２７】
また、燃料電池は、ガスセパレータ２５，２６以外に、さらにガスセパレータ２９を備えている。ガスセパレータ２９には、ガスセパレータ２５と接する側の表面に、セル間冷媒流路を形成するための溝８７が形成されている。このように、燃料電池内においては、所定数のセルを積層する毎に、隣り合う単セル間に、冷媒が流通するセル間冷媒流路が形成されている。セル間冷媒流路は、隣り合う単セル間の全てにおいて設けることとしても良い。なお、ガスセパレータ２９においては、冷媒流路を形成するための溝８７が形成された面の裏面には、単セル内酸化ガス流路２８を形成するための溝６３が形成されている。
【００２８】
ガスセパレータ２５，２６，２９は、その外周近くの互いに対応する位置に、複数の孔部を備えている。ガスセパレータ２５，２６，２９を、電解質膜２０およびガス拡散層２３，２４と共に積層して燃料電池を組み立てると、各セパレータの対応する位置に設けられた孔部は、互いに重なり合って、ガスセパレータの積層方向に燃料電池内部を貫通する流路を形成する。すなわち、孔部８３〜８６は、単セル内ガス流路に対して反応ガスを供給・排出する給排ガス流路であるガスマニホールドを形成し、孔部８１，８２は、冷媒マニホールドを形成する。
【００２９】
具体的には、溝６２と連通する孔部８３および孔部８４は、それぞれ、各単セル内酸化ガス流路２７に酸化ガスを分配する燃料ガス供給マニホールドと、各単セル内酸化ガス流路２７から排出されるカソード排ガスが集合する酸化ガス排出マニホールドを形成する。同様に、溝６３と連通する孔部８５および孔部８６は、それぞれ、燃料ガス供給マニホールドと、燃料ガス排出マニホールドを形成する。また、溝８７と連通する孔部８１および孔部８２は、それぞれ、各セル間冷媒流路に冷媒を分配する冷媒供給マニホールドと、各セル間冷媒流路から排出される冷媒が集合する冷媒排出マニホールドを形成する。
【００３０】
図３は、上記各部材を積層して成るスタック１５によって形成される燃料電池の外観の概略を表わす斜視図である。上記各部材を備える燃料電池を組み立てるときには、図２に示す順序で各部材を重ね合わせ、所定の数の単セル１０を積層した後、その両端に、集電板３０，３１、絶縁板３４，３５、エンドプレート３６，３７を順次配置して、スタック１５を完成する。なお、単セル１０を積層する際には、電解質膜２０の周辺部において、ガスセパレータとの間に、シール材（例えば、フッ素樹脂、ブチルゴム、クロロスルホン化ポリエチレン（パイパロン）、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＲ）等を用いたシール材）が配置されて、単セル内ガス流路におけるシール性が確保される。
【００３１】
集電板３０，３１は緻密質カーボンなどのガス不透過な導電性部材によって形成され、絶縁板３４，３５はゴムや樹脂等の絶縁性部材によって形成され、エンドプレート３６，３７は剛性を備えた鋼等の金属によって形成されている。また、集電板３０，３１にはそれぞれ出力端子３２，３３が設けられており、燃料電池で生じた起電力を出力可能となっている。
【００３２】
ここで、スタック１５の一方の端部側に配設される集電板３０、絶縁板３４、およびエンドプレート３６には、それぞれ、６つの孔部が設けられている。すなわち、各ガスセパレータに設けられた孔部８１〜８６の各々に対応する位置に、孔部が設けられている。そして、エンドプレート３６には、流路を接続するための構造である流路接続部４１〜４６が、上記６つの孔部の各々に連続して設けられている（図３参照）。
【００３３】
燃料電池による発電を行なうときには、孔部８５に連続して設けられた流路接続部４５と、図示しない燃料ガス供給装置とが接続され、水素リッチな燃料ガスが燃料電池内部に供給される。同様に、孔部８３に連続して設けられた流路接続部４３と、図示しない酸化ガス供給装置とが接続され、酸素を含有する酸化ガス（空気）が燃料電池内部に供給される。ここで、燃料ガス供給装置と酸化ガス供給装置は、それぞれのガスに対して所定量の加湿および／または加圧を行なって燃料電池に供給する装置である。また、燃料電池による発電を行なうときには、孔部８６に連続して設けられた流路接続部４６と、図示しない燃料ガス排出装置とが接続され、孔部８４に連続して設けられた流路接続部４４と、図示しない酸化ガス排出装置とが接続される。また、孔部８１に連続して設けられた流路接続部４１と、図示しない冷媒供給装置とが接続されると共に、孔部８２に連続して設けられた流路接続部４２と、図示しない冷媒排出装置とが接続される。
【００３４】
なお、スタック１５は、その積層方向に所定の押圧力がかかった状態で保持される。図３では、スタック１５に対して押圧力を加える構成については図示を省略している。
【００３５】
Ｂ．触媒回収の動作：
以上説明した燃料電池が廃棄処分される際には、燃料電池から触媒の回収が行なわれる。図４は、燃料電池からの触媒回収工程を表わす説明図である。燃料電池から触媒を回収する際には、まず、触媒回収の対象となるスタック１５を用意する（ステップＳ１００）。このステップＳ１００で用意するスタック１５は、既述した酸化ガス供給装置、酸化ガス排出装置、燃料ガス供給装置、燃料ガス排出装置、冷媒供給装置および冷媒排出装置が取り外されたものである。そして、積層方向には所定の押圧力がかかっており、内部の流路におけるシール性は保持されている。
【００３６】
スタック１５を用意した後は、触媒溶解液供給部５０と燃料電池のガス流路とを接続する（ステップＳ１１０）。そして、ガス流路内で触媒溶解液を循環させる（ステップＳ１２０）。
【００３７】
ここで、触媒溶解液とは、電極が備える触媒を溶解可能であって、少なくとも燃料電池内のガス流路の周囲に配置された触媒以外の他の構成要素を形成する材料を実質的に溶解しない溶液である。すなわち、触媒を構成する貴金属などの金属は溶解するが、電解質膜２０を構成する固体高分子電解質や、ガス拡散層２３，２４あるいはガスセパレータ２５，２６を構成するカーボンは溶解しない溶液である。このような触媒溶解液としては、例えば、王水や混酸などの酸溶液を用いることができる。用いる触媒溶解液の組成は、溶解の対象となる触媒を構成する金属の種類によって適宜選択すればよいが、本実施例のように電極触媒が白金を含有する場合には、王水を用いることが望ましい。本実施例の触媒溶解液供給部５０は、上記のような触媒溶解液を、燃料電池に対して所定量供給すると共に、供給した触媒溶解液を燃料電池内で循環させることができる装置である。このような触媒溶解液供給部５０は、例えば所定の加圧手段を備えることとして、この加圧手段によって、触媒溶解液を循環させると共に触媒溶解液の加圧供給を可能にしても良い。加圧手段としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン等の樹脂によりコートしたポンプを用いることができる。
【００３８】
図５は、触媒溶解液供給部５０とスタック１５内の酸化ガスの流路とを接続した様子を模式的に表わす説明図である。触媒溶解液供給部５０は、触媒溶解液貯蔵タンク５６と、触媒溶解液の吐出用配管５２と、触媒溶解液の回収用配管５４とを備えている。ステップＳ１１０において触媒溶解液供給部５０と燃料電池のガス供給路とを接続する際には、スタック１５のエンドプレート３６に設けられた流路接続部４３と吐出用配管５２とを接続すると共に、エンドプレート３６に設けられた流路接続部４４と回収用配管５４とを接続する。
【００３９】
同様に、ステップＳ１１０では、触媒溶解液供給部５０と、スタック１５内の燃料ガスの流路との接続も行なう。すなわち、触媒溶解液供給部５０が備える図示しない他の吐出用配管と、エンドプレート３６に設けられた流路接続部４５とを接続すると共に、触媒溶解液供給部５０が備える図示しない他の回収用配管と、エンドプレート３６に設けられた流路接続部４６とを接続する。
【００４０】
そして、スタックＳ１１０では、触媒溶解液貯蔵タンク５６から吐出用配管を介してスタック１５内へと所定量の触媒溶解液を供給すると共に、触媒溶解液供給部５０内の流路とスタック１５内のガス流路との間で、この触媒溶解液を循環させる。このとき、スタック１５内では、酸化ガス供給マニホールドおよび単セル内酸化ガス流路２７を経由して、酸化ガス排出マニホールドへと触媒溶解液が流れる。また、同様に、燃料ガス供給マニホールドおよび単セル内燃料ガス流路２８を経由して、燃料ガス排出マニホールドへと触媒溶解液が流れる。
【００４１】
このように、スタック１５内のガス流路内に触媒溶解液を流すことで、触媒溶解液内へと触媒が次第に溶解する。すなわち、カソード２１を構成するカーボン粒子上に担持される触媒は、単セル内酸化ガス流路２７を流れる触媒溶解液に溶解し、アノード２２を構成するカーボン粒子上に担持される触媒は、単セル内燃料ガス流路２８を流れる触媒溶解液に溶解する。このように単セル内ガス流路に触媒溶解液を流す際には、触媒溶解液を加圧することにより、触媒担持カーボン粒子によって構成される電極の内部にまで触媒溶解液を行き渡らせることが容易となり、触媒が溶解する効率を向上させることができる。
【００４２】
燃料電池のガス流路において、触媒溶解液を、例えば所定時間循環させた後は、循環させた触媒溶解液の回収を行なう（ステップＳ１３０）。具体的には、触媒溶解液が循環する流路の所定の箇所において、循環する触媒溶解液を循環流路内から排出させればよい。図６は、スタック１５内を循環させた触媒溶解液を回収する様子を模式的に表わす説明図であり、回収用配管５４と触媒溶解液供給部５０との接続部を外して、回収用配管５４から触媒溶解液を回収する様子を示している。これにより、燃料電池からの触媒の回収を、触媒を触媒溶解液中に溶解させた状態で完了することができる。
【００４３】
以上のように構成された本実施例の燃料電池からの触媒回収方法によれば、燃料電池内に形成されるガス流路、すなわち燃料電池内の既存の流路に触媒溶解液を循環させることにより、電極内の触媒を触媒溶解液中に溶解させて回収するため、燃料電池を構成する部材を浸漬させる等するための特別な設備を用意する必要がなく、触媒回収のための設備を簡素化できると共に、簡便な操作により触媒を回収できる。また、このようにして触媒を回収する際には、燃料電池を分解する操作も不要であり、触媒回収の工程を簡素化できる。
【００４４】
なお、本実施例のように、単セルを複数積層したスタックによって燃料電池を構成する場合には、各単セルへと反応ガスを供給・排出する流路（単セル内ガス流路に連通するガスマニホールド）に対して触媒溶解液を供給することによって、積層された単セルの各々から容易に触媒を回収することができる。したがって、触媒回収のための設備および触媒回収の操作を簡素化する効果を、特に顕著に得ることができる。ただし、単セルから成る燃料電池であっても良く、本実施例と同様に、既存のガス流路に対して触媒溶解液を供給して触媒を回収することで、同様の効果を得ることができる。
【００４５】
また、本実施例によれば、触媒溶解液には高分子電解質膜が実質的に溶解しないため、触媒と高分子電解質とを分離するために、焼成（熱分解の工程）を行なう必要がない。焼成は、触媒と他の材料との混合物を焼成することによって、他の材料を熱分解させ、触媒から触媒以外の他の材料を除去することができる工程であり、触媒を分離する際に広く行なわれる方法である。しかしながら、本実施例の電解質膜２０のようなフッ素系樹脂が触媒と混合されている場合には、焼成を行なうとフッ素系樹脂の熱分解に伴って有害ガスが発生し、このガスの処理が必要となる。本実施例では、触媒溶解液に触媒を溶解させることによって触媒と高分子電解質とが分離されるため、焼成に伴い発生するガス処理の問題が生じることがない。
【００４６】
また、本実施例によれば、触媒と固体高分子電解質とを分離するために焼成を行なわず、触媒を燃料電池から回収した後にも電解質膜２０はスタック１５内に残存しているため、この電解質膜２０を別途再利用することも可能になる。
【００４７】
さらに、本実施例では、燃料電池から触媒を回収する際に、スタック１５内のガス流路において触媒溶解液を循環させているため、一定量の触媒溶解液を用いて、より多くの触媒を取り出すことが可能となっている。ここで、例えば触媒として白金を用いており、触媒溶解液として王水を用いている場合には、白金が王水に溶解することによって、橙色の塩化白金酸を生じる。このような、触媒が触媒溶解液に溶解する際の色変化を利用して、スタック１５内を循環させる触媒溶解液の吸光度を測定することにより、触媒溶解液に溶解した触媒量、すなわち触媒の回収量を算出しても良い。このようにスタック１５内に触媒溶解液を循環させて触媒を回収する際に、より多くの触媒を回収するには、上記のようにスタック１５内に触媒溶解液を供給して循環させ、その後に触媒が溶解した触媒溶解液を回収する動作を、複数回繰り返して行なえば良い。
【００４８】
なお、触媒溶解液に溶解させることによって燃料電池から触媒を回収する際には、触媒溶解液を循環させないこととしても良い。すなわち、スタック１５内のガス流路へと触媒溶解液を供給すると共に、触媒を溶解してスタック１５から排出された触媒溶解液を、そのまま回収しても良い。触媒溶解液の循環を行なわない場合には、例えば、スタック１５への触媒溶解液の供給に先立って、ガス流路の出口部である流路接続部４４，４６を閉鎖してもよい。この場合には、流路接続部４４，４６の閉鎖の後にスタック１５内へと触媒溶解液を供給し、スタック１５内のガス流路内に触媒溶解液を保持した状態で所定時間経過後に、触媒を溶解した触媒溶解液を回収すればよい。あるいは、スタック１５内のガス流路への触媒溶解液の供給を開始して、ガス流路から内部の空気を放出させた後に、流路接続部４４，４６の閉鎖を行ない、その後、ガス流路内に滞留する触媒溶解液への触媒の溶解を行なわせても良い。
【００４９】
また、触媒溶解液が、金属以外のカーボンや固体高分子電解質を溶解させないものであっても、例えば触媒が溶解して消失することにより、電極におけるカーボン粒子の結着力が弱まり、カーボン粒子が剥がれ落ちて触媒溶解液中に混入する場合がある。このように、触媒溶解液に他の材料が混入する場合であっても、例えば濾過や遠心分離行なうことにより、回収した触媒溶解液から上記他の材料を容易に除去することができる。
【００５０】
触媒溶解液に溶解する状態で触媒を回収した後には、触媒を溶解した触媒溶解液を、例えば、低温・低圧条件下で蒸留を行なう減圧蒸留によって濃縮すればよい。そして、触媒を溶解した触媒溶解液を、不溶性の塩にして回収するなどして、周知の貴金属の分離・精製工程に供すればよい。
【００５１】
Ｃ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００５２】
Ｃ１．変形例１：
スタック１５内のガス流路に触媒溶解液を流して触媒溶解液中に触媒を溶解させる際に、さらに、スタック１５内の冷媒流路に温水を流しても良い。具体的には、流路接続部４１および４２に温水循環装置を接続し、燃料電池内の冷媒供給マニホールドとセル間冷媒流路と冷媒排出マニホールドとの間に、温水を流すこととしても良い。これにより、スタック１５の内部温度を上昇させることができる。このように温度を上昇させることにより、触媒溶解液への触媒の溶解を促進することができる。触媒溶解液の温度を上昇させるには、スタック１５への触媒溶解液の供給に先立って予め触媒溶解液を加熱しても良いが、触媒溶解液の加熱に代えて、あるいは触媒溶解液の加熱に加えて、冷媒流路に温水を流すことにより、容易に触媒溶解液への触媒の溶解を促進することができる。
【００５３】
Ｃ２．変形例２：
触媒回収の対象とする燃料電池は、実施例とは異なる形状であっても良い。例えば、ガスセパレータの形状を、単セル内ガス流路となる空間を形成するための凹凸が表面に形成された形状とする代わりに、単セル内ガス流路の壁面を形成する表面が平坦面である形状としても良い。この場合には、燃料電池の電極とガスセパレータとの間に、ガス拡散層２３，２４に代えて、あるいはガス拡散層２３，２４に加えて、カーボン製の多孔質体である流路形成部を配置して、この流路形成部の内部に形成される細孔によって、単セル内ガス流路を形成すればよい。このように、燃料電池において反応ガスの流路の周囲に配置される電解質膜および触媒以外の部材を、触媒溶解液によって実質的に溶解されない材料、例えばカーボンによって形成し、触媒溶解液として例えば王水などの酸溶液を用いれば、実施例と同様の効果が得られる。
【００５４】
Ｃ３．変形例３：
実施例では、フッ素系の固体高分子電解質膜から成る電解質膜２０を備える燃料電池から触媒の回収を行なったが、異なる種類の燃料電池からの触媒回収において、本発明を適用しても良い。例えば、炭化水素系の固体高分子電解質膜を備える燃料電池からの触媒回収方法とすることができる。あるいは、リン酸型燃料電池であっても本発明を適用可能できる。ガス流路の周囲に配置された触媒以外の他の構成要素を実質的に溶解しない触媒溶解液をガス流路に流し、金属から成る触媒を、触媒溶解液に溶解させることができれば良い。これにより、燃料電池を分解することなく、触媒を燃料電池から容易に分離回収可能となり、特に触媒が貴金属を含有する場合には、回収の意義が大きい。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】触媒回収の対象となる燃料電池の構成の概要を表わす断面模式図である。
【図２】燃料電池の概略構成を表わす分解斜視図である。
【図３】燃料電池の外観の概略を表わす斜視図である。
【図４】燃料電池からの触媒回収工程を表わす説明図である。
【図５】触媒溶解液供給部と酸化ガス流路との接続の様子を表わす説明図である。
【図６】スタックから触媒溶解液を回収する様子を模式的に表わす説明図である。
【符号の説明】
【００５６】
１０…単セル
１５…スタック
２０…電解質膜
２１…カソード
２２…アノード
２３，２４…ガス拡散層
２５，２６，２９…ガスセパレータ
２７…単セル内酸化ガス流路
２８…単セル内酸化ガス流路
２８…単セル内燃料ガス流路
３０，３１…集電板
３２，３３…出力端子
３４，３５…絶縁板
３６，３７…エンドプレート
４１〜４６…流路接続部
５０…触媒溶解液供給部
５２…吐出用配管
５４…回収用配管
５６…触媒溶解液貯蔵タンク
６２，６３…溝
８１〜８６…孔部
８７…溝
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池からの触媒の回収方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、一般に、電解質層の両側に、貴金属などの金属を含有する触媒層を備え、アノード側に水素が供給されると共に、カソード側に酸素が供給されて、電気化学反応を進行することにより起電力を得る。このような燃料電池は、燃料の有する化学エネルギを直接電気エネルギに変換する高効率な発電装置であって、環境汚染物質を排出しない発電装置として、普及が期待されている。ここで、燃料電池の普及のためには、触媒などの燃料電池の構成要素の再利用を図ることが重要であると考えられている。再利用のために燃料電池から触媒を回収する方法としては、燃料電池を分解して得られる廃材であって、電極部分を含む電極廃材から、この電極廃材に含まれる貴金属を王水等を用いて溶解させる酸抽出法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開昭６３−２１０２４６号公報
【特許文献２】特開２００５−２０９６２４号公報
【特許文献３】特開平８−１７１９２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、電極廃材等から王水等を用いて貴金属を溶解させる場合には、燃料電池を分解して得られる電極廃材等を王水に浸漬するための溶液槽などの特別な設備が必要になる。また、燃料電池を分解して電極廃材等を取り出す作業を人手に頼る場合には、分解作業の処理量に限界があるため、効率良く触媒を回収することが困難になる場合がある。
【０００５】
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、特別な設備を用いることなく、燃料電池から簡便に触媒を回収することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明は、燃料電池から、電極を構成する触媒を回収する方法であって、
前記電極に反応ガスを供給するために前記燃料電池内に形成されたガス流路に対して、前記触媒を溶解可能な触媒溶解液を供給する第１の工程と、
前記ガス流路内を通過させた前記触媒溶解液を回収する第２の工程と
を備えることを要旨とする。
【０００７】
以上のように構成された本発明の燃料電池からの触媒回収方法によれば、燃料電池内に形成されたガス流路に触媒溶解液を供給することにより、電極内の触媒を触媒溶解液中に溶解させて回収することができる。そのため、燃料電池を構成する部材を浸漬させる等するための特別な設備を用意する必要がなく、触媒回収のための設備を簡素化できると共に、簡便な操作により触媒を回収できる。また、このようにして触媒を回収する際には、燃料電池を分解する操作も不要であり、触媒回収の工程を、より簡素化できる。
【０００８】
本発明の燃料電池からの触媒回収方法において、
前記燃料電池は、複数の単セルを積層したスタックから成り、
前記ガス流路は、各々の前記単セル内に形成されたガス流路である単セル内ガス流路と、各々の前記単セル内ガス流路に対して前記反応ガスを供給・排出するガス流路である給排ガス流路と、を備え、
前記第１の工程は、前記給排ガス流路に対して前記触媒溶解液を供給する工程であることとしても良い。
【０００９】
このような構成とすれば、第１の工程において、積層された複数の単セルの各々へと反応ガスを供給・排出するための給排ガス流路に対して触媒溶解液を供給すればよいため、積層された複数の単セルからの触媒回収を、既存のガス流路を利用して効率良く行なうことができる。また、既存のガス流路を利用することによって触媒回収のための設備を簡素化できる効果を、より顕著に得ることができる。さらに、燃料電池を分解することなく触媒を回収可能になることによって触媒回収の動作を簡素化できる効果を、より顕著に得ることができる。
【００１０】
本発明の燃料電池からの触媒回収方法において、
前記第１の工程は、前記ガス流路に対して、所定量の前記触媒溶解液を供給した後に、該触媒溶解液を循環させる工程であり、
前記第２の工程は、前記ガス流路を循環させた前記触媒溶解液を回収する工程であることとしても良い。
【００１１】
このような構成とすれば、一定量の触媒溶解液を用いて、より多くの触媒を燃料電池から回収することが可能になる。
【００１２】
本発明の燃料電池からの触媒回収方法において、
前記触媒溶解液は、前記燃料電池において前記ガス流路の周囲に配置される部材の内、実質的に前記触媒のみを溶解させる溶液であることとしても良い。
【００１３】
このような構成とすれば、触媒以外の成分がより少ない状態で触媒を触媒溶解液に溶解させて回収することができる。
【００１４】
本発明の燃料電池からの触媒回収方法において、前記触媒は、貴金属を含有することとしても良い。希少な貴金属を簡便な方法により回収可能とすることで、触媒として貴金属を用いる燃料電池の普及を促進することができる。
【００１５】
このような本発明の燃料電池からの触媒回収方法において、
前記燃料電池は、さらに、前記燃料電池を構成する単セル内における前記反応ガスの流路の壁面を構成するカーボン製のガスセパレータと、前記電極と前記ガスセパレータとの間に配置されて、前記単セル内における前記反応ガスの流路を形成するカーボン製のガス流路形成部材と、を備えると共に、電解質層として固体高分子電解質膜を備え、
前記触媒溶解液は、酸溶液であることとしても良い。
【００１６】
このような構成とすれば、酸溶液は、固体高分子電解質膜およびカーボンを溶解しないため、貴金属を含有する触媒を、効率良く回収することができる。
【００１７】
本発明の燃料電池からの触媒回収方法において、さらに、
回収された前記触媒溶解液から、前記触媒を分離・精製する第３の工程を備えることとしても良い。
【００１８】
このような構成とすれば、燃料電池から分離した触媒を、容易に再利用可能となる。
【００１９】
本発明は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、燃料電池の構成部材の再利用方法などの形態で実現することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．燃料電池の構成：
Ｂ．触媒回収の動作：
Ｃ．変形例：
【００２１】
Ａ．燃料電池の構成：
最初に、実施例としての燃料電池からの触媒回収方法を適用する燃料電池の構成について説明する。図１は、触媒回収の対象となる固体高分子型燃料電池の構成の概要を表わす断面模式図であり、図２は、分解斜視図である。この燃料電池は、単セルを複数積層したスタック構造を有しているが、図１および図２では、スタックの構成単位である単セル１０を中心にして、燃料電池の構成を表わしている。なお、図２では、図１に示す断面の位置を、１−１断面として示している。
【００２２】
燃料電池を構成する単セル１０は、電解質膜２０と、カソード２１およびアノード２２と、ガス拡散層２３，２４と、ガスセパレータ２５，２６と、を備えている。ここで、電極であるカソード２１およびアノード２２は、電解質膜２０上に形成されており、表面に電極が形成された電解質膜２０は、ガス拡散層２３，２４によって挟持されている。そして、このサンドイッチ構造は、さらに両側からガスセパレータ２５，２６によって挟持されている（ただし、ガス拡散層２３は、電解質膜２０の裏面に配設されるため、図２では図示せず）。
【００２３】
電解質膜２０は、固体高分子材料、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。
【００２４】
カソード２１およびアノード２２は、触媒として、例えば白金、あるいは白金合金を備えており、これらの触媒を、導電性を有する担体上に担持させることによって形成されている。より具体的には、カソード２１およびアノード２２は、例えば、上記触媒を担持したカーボン粒子と、電解質膜２０を構成する高分子電解質と同様の電解質と、を備えている。このような触媒を作製するには、例えば、上記触媒担持カーボンおよび高分子電解質を含有する電極ペーストを作製し、この電極ペーストを、電解質膜２０上、あるいはガス拡散層２３，２４上に塗布し、乾燥・固着させればよい。なお、電極は、上記した高分子電解質を備えないなど、異なる構成とすることもできる。
【００２５】
ガス拡散層２３，２４は、ガス透過性を有する導電性部材、例えば、カーボンペーパやカーボンクロスによって形成することができる。本実施例のガス拡散層２３，２４は、いずれも、全体として平坦な形状の板状部材である。このようなガス拡散層２４は、電気化学反応に供されるガスの流路になると共に、集電を行なう。
【００２６】
ガスセパレータ２５，２６は、ガス不透過な導電性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンや、焼成カーボンにより形成されている。ガスセパレータ２５，２６は、単セル１０内に形成されて反応ガス（水素を含有する燃料ガスあるいは酸素を含有する酸化ガス）が流れるガス流路の壁面を成す部材であって、その表面には、単セル１０内のガス流路を形成するための凹凸形状が形成されている。単セル１０内では、表面に溝６２が形成されたガスセパレータ２５とカソード２１との間には、酸化ガスの流路である単セル内酸化ガス流路２７が形成される（図１参照）。また、表面に溝６３が形成されたガスセパレータ２６とアノード２２との間には、燃料ガスの流路である単セル内燃料ガス流路２８が形成される（図１参照）。ガスセパレータ２６においては、単セル内燃料ガス流路２８を形成するための溝６３が形成された面の裏面には、単セル内酸化ガス流路２７を形成するための溝６２が形成されており、その両面で単セル１０を形成する。
【００２７】
また、燃料電池は、ガスセパレータ２５，２６以外に、さらにガスセパレータ２９を備えている。ガスセパレータ２９には、ガスセパレータ２５と接する側の表面に、セル間冷媒流路を形成するための溝８７が形成されている。このように、燃料電池内においては、所定数のセルを積層する毎に、隣り合う単セル間に、冷媒が流通するセル間冷媒流路が形成されている。セル間冷媒流路は、隣り合う単セル間の全てにおいて設けることとしても良い。なお、ガスセパレータ２９においては、冷媒流路を形成するための溝８７が形成された面の裏面には、単セル内酸化ガス流路２８を形成するための溝６３が形成されている。
【００２８】
ガスセパレータ２５，２６，２９は、その外周近くの互いに対応する位置に、複数の孔部を備えている。ガスセパレータ２５，２６，２９を、電解質膜２０およびガス拡散層２３，２４と共に積層して燃料電池を組み立てると、各セパレータの対応する位置に設けられた孔部は、互いに重なり合って、ガスセパレータの積層方向に燃料電池内部を貫通する流路を形成する。すなわち、孔部８３〜８６は、単セル内ガス流路に対して反応ガスを供給・排出する給排ガス流路であるガスマニホールドを形成し、孔部８１，８２は、冷媒マニホールドを形成する。
【００２９】
具体的には、溝６２と連通する孔部８３および孔部８４は、それぞれ、各単セル内酸化ガス流路２７に酸化ガスを分配する燃料ガス供給マニホールドと、各単セル内酸化ガス流路２７から排出されるカソード排ガスが集合する酸化ガス排出マニホールドを形成する。同様に、溝６３と連通する孔部８５および孔部８６は、それぞれ、燃料ガス供給マニホールドと、燃料ガス排出マニホールドを形成する。また、溝８７と連通する孔部８１および孔部８２は、それぞれ、各セル間冷媒流路に冷媒を分配する冷媒供給マニホールドと、各セル間冷媒流路から排出される冷媒が集合する冷媒排出マニホールドを形成する。
【００３０】
図３は、上記各部材を積層して成るスタック１５によって形成される燃料電池の外観の概略を表わす斜視図である。上記各部材を備える燃料電池を組み立てるときには、図２に示す順序で各部材を重ね合わせ、所定の数の単セル１０を積層した後、その両端に、集電板３０，３１、絶縁板３４，３５、エンドプレート３６，３７を順次配置して、スタック１５を完成する。なお、単セル１０を積層する際には、電解質膜２０の周辺部において、ガスセパレータとの間に、シール材（例えば、フッ素樹脂、ブチルゴム、クロロスルホン化ポリエチレン（パイパロン）、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＲ）等を用いたシール材）が配置されて、単セル内ガス流路におけるシール性が確保される。
【００３１】
集電板３０，３１は緻密質カーボンなどのガス不透過な導電性部材によって形成され、絶縁板３４，３５はゴムや樹脂等の絶縁性部材によって形成され、エンドプレート３６，３７は剛性を備えた鋼等の金属によって形成されている。また、集電板３０，３１にはそれぞれ出力端子３２，３３が設けられており、燃料電池で生じた起電力を出力可能となっている。
【００３２】
ここで、スタック１５の一方の端部側に配設される集電板３０、絶縁板３４、およびエンドプレート３６には、それぞれ、６つの孔部が設けられている。すなわち、各ガスセパレータに設けられた孔部８１〜８６の各々に対応する位置に、孔部が設けられている。そして、エンドプレート３６には、流路を接続するための構造である流路接続部４１〜４６が、上記６つの孔部の各々に連続して設けられている（図３参照）。
【００３３】
燃料電池による発電を行なうときには、孔部８５に連続して設けられた流路接続部４５と、図示しない燃料ガス供給装置とが接続され、水素リッチな燃料ガスが燃料電池内部に供給される。同様に、孔部８３に連続して設けられた流路接続部４３と、図示しない酸化ガス供給装置とが接続され、酸素を含有する酸化ガス（空気）が燃料電池内部に供給される。ここで、燃料ガス供給装置と酸化ガス供給装置は、それぞれのガスに対して所定量の加湿および／または加圧を行なって燃料電池に供給する装置である。また、燃料電池による発電を行なうときには、孔部８６に連続して設けられた流路接続部４６と、図示しない燃料ガス排出装置とが接続され、孔部８４に連続して設けられた流路接続部４４と、図示しない酸化ガス排出装置とが接続される。また、孔部８１に連続して設けられた流路接続部４１と、図示しない冷媒供給装置とが接続されると共に、孔部８２に連続して設けられた流路接続部４２と、図示しない冷媒排出装置とが接続される。
【００３４】
なお、スタック１５は、その積層方向に所定の押圧力がかかった状態で保持される。図３では、スタック１５に対して押圧力を加える構成については図示を省略している。
【００３５】
Ｂ．触媒回収の動作：
以上説明した燃料電池が廃棄処分される際には、燃料電池から触媒の回収が行なわれる。図４は、燃料電池からの触媒回収工程を表わす説明図である。燃料電池から触媒を回収する際には、まず、触媒回収の対象となるスタック１５を用意する（ステップＳ１００）。このステップＳ１００で用意するスタック１５は、既述した酸化ガス供給装置、酸化ガス排出装置、燃料ガス供給装置、燃料ガス排出装置、冷媒供給装置および冷媒排出装置が取り外されたものである。そして、積層方向には所定の押圧力がかかっており、内部の流路におけるシール性は保持されている。
【００３６】
スタック１５を用意した後は、触媒溶解液供給部５０と燃料電池のガス流路とを接続する（ステップＳ１１０）。そして、ガス流路内で触媒溶解液を循環させる（ステップＳ１２０）。
【００３７】
ここで、触媒溶解液とは、電極が備える触媒を溶解可能であって、少なくとも燃料電池内のガス流路の周囲に配置された触媒以外の他の構成要素を形成する材料を実質的に溶解しない溶液である。すなわち、触媒を構成する貴金属などの金属は溶解するが、電解質膜２０を構成する固体高分子電解質や、ガス拡散層２３，２４あるいはガスセパレータ２５，２６を構成するカーボンは溶解しない溶液である。このような触媒溶解液としては、例えば、王水や混酸などの酸溶液を用いることができる。用いる触媒溶解液の組成は、溶解の対象となる触媒を構成する金属の種類によって適宜選択すればよいが、本実施例のように電極触媒が白金を含有する場合には、王水を用いることが望ましい。本実施例の触媒溶解液供給部５０は、上記のような触媒溶解液を、燃料電池に対して所定量供給すると共に、供給した触媒溶解液を燃料電池内で循環させることができる装置である。このような触媒溶解液供給部５０は、例えば所定の加圧手段を備えることとして、この加圧手段によって、触媒溶解液を循環させると共に触媒溶解液の加圧供給を可能にしても良い。加圧手段としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン等の樹脂によりコートしたポンプを用いることができる。
【００３８】
図５は、触媒溶解液供給部５０とスタック１５内の酸化ガスの流路とを接続した様子を模式的に表わす説明図である。触媒溶解液供給部５０は、触媒溶解液貯蔵タンク５６と、触媒溶解液の吐出用配管５２と、触媒溶解液の回収用配管５４とを備えている。ステップＳ１１０において触媒溶解液供給部５０と燃料電池のガス供給路とを接続する際には、スタック１５のエンドプレート３６に設けられた流路接続部４３と吐出用配管５２とを接続すると共に、エンドプレート３６に設けられた流路接続部４４と回収用配管５４とを接続する。
【００３９】
同様に、ステップＳ１１０では、触媒溶解液供給部５０と、スタック１５内の燃料ガスの流路との接続も行なう。すなわち、触媒溶解液供給部５０が備える図示しない他の吐出用配管と、エンドプレート３６に設けられた流路接続部４５とを接続すると共に、触媒溶解液供給部５０が備える図示しない他の回収用配管と、エンドプレート３６に設けられた流路接続部４６とを接続する。
【００４０】
そして、スタックＳ１１０では、触媒溶解液貯蔵タンク５６から吐出用配管を介してスタック１５内へと所定量の触媒溶解液を供給すると共に、触媒溶解液供給部５０内の流路とスタック１５内のガス流路との間で、この触媒溶解液を循環させる。このとき、スタック１５内では、酸化ガス供給マニホールドおよび単セル内酸化ガス流路２７を経由して、酸化ガス排出マニホールドへと触媒溶解液が流れる。また、同様に、燃料ガス供給マニホールドおよび単セル内燃料ガス流路２８を経由して、燃料ガス排出マニホールドへと触媒溶解液が流れる。
【００４１】
このように、スタック１５内のガス流路内に触媒溶解液を流すことで、触媒溶解液内へと触媒が次第に溶解する。すなわち、カソード２１を構成するカーボン粒子上に担持される触媒は、単セル内酸化ガス流路２７を流れる触媒溶解液に溶解し、アノード２２を構成するカーボン粒子上に担持される触媒は、単セル内燃料ガス流路２８を流れる触媒溶解液に溶解する。このように単セル内ガス流路に触媒溶解液を流す際には、触媒溶解液を加圧することにより、触媒担持カーボン粒子によって構成される電極の内部にまで触媒溶解液を行き渡らせることが容易となり、触媒が溶解する効率を向上させることができる。
【００４２】
燃料電池のガス流路において、触媒溶解液を、例えば所定時間循環させた後は、循環させた触媒溶解液の回収を行なう（ステップＳ１３０）。具体的には、触媒溶解液が循環する流路の所定の箇所において、循環する触媒溶解液を循環流路内から排出させればよい。図６は、スタック１５内を循環させた触媒溶解液を回収する様子を模式的に表わす説明図であり、回収用配管５４と触媒溶解液供給部５０との接続部を外して、回収用配管５４から触媒溶解液を回収する様子を示している。これにより、燃料電池からの触媒の回収を、触媒を触媒溶解液中に溶解させた状態で完了することができる。
【００４３】
以上のように構成された本実施例の燃料電池からの触媒回収方法によれば、燃料電池内に形成されるガス流路、すなわち燃料電池内の既存の流路に触媒溶解液を循環させることにより、電極内の触媒を触媒溶解液中に溶解させて回収するため、燃料電池を構成する部材を浸漬させる等するための特別な設備を用意する必要がなく、触媒回収のための設備を簡素化できると共に、簡便な操作により触媒を回収できる。また、このようにして触媒を回収する際には、燃料電池を分解する操作も不要であり、触媒回収の工程を簡素化できる。
【００４４】
なお、本実施例のように、単セルを複数積層したスタックによって燃料電池を構成する場合には、各単セルへと反応ガスを供給・排出する流路（単セル内ガス流路に連通するガスマニホールド）に対して触媒溶解液を供給することによって、積層された単セルの各々から容易に触媒を回収することができる。したがって、触媒回収のための設備および触媒回収の操作を簡素化する効果を、特に顕著に得ることができる。ただし、単セルから成る燃料電池であっても良く、本実施例と同様に、既存のガス流路に対して触媒溶解液を供給して触媒を回収することで、同様の効果を得ることができる。
【００４５】
また、本実施例によれば、触媒溶解液には高分子電解質膜が実質的に溶解しないため、触媒と高分子電解質とを分離するために、焼成（熱分解の工程）を行なう必要がない。焼成は、触媒と他の材料との混合物を焼成することによって、他の材料を熱分解させ、触媒から触媒以外の他の材料を除去することができる工程であり、触媒を分離する際に広く行なわれる方法である。しかしながら、本実施例の電解質膜２０のようなフッ素系樹脂が触媒と混合されている場合には、焼成を行なうとフッ素系樹脂の熱分解に伴って有害ガスが発生し、このガスの処理が必要となる。本実施例では、触媒溶解液に触媒を溶解させることによって触媒と高分子電解質とが分離されるため、焼成に伴い発生するガス処理の問題が生じることがない。
【００４６】
また、本実施例によれば、触媒と固体高分子電解質とを分離するために焼成を行なわず、触媒を燃料電池から回収した後にも電解質膜２０はスタック１５内に残存しているため、この電解質膜２０を別途再利用することも可能になる。
【００４７】
さらに、本実施例では、燃料電池から触媒を回収する際に、スタック１５内のガス流路において触媒溶解液を循環させているため、一定量の触媒溶解液を用いて、より多くの触媒を取り出すことが可能となっている。ここで、例えば触媒として白金を用いており、触媒溶解液として王水を用いている場合には、白金が王水に溶解することによって、橙色の塩化白金酸を生じる。このような、触媒が触媒溶解液に溶解する際の色変化を利用して、スタック１５内を循環させる触媒溶解液の吸光度を測定することにより、触媒溶解液に溶解した触媒量、すなわち触媒の回収量を算出しても良い。このようにスタック１５内に触媒溶解液を循環させて触媒を回収する際に、より多くの触媒を回収するには、上記のようにスタック１５内に触媒溶解液を供給して循環させ、その後に触媒が溶解した触媒溶解液を回収する動作を、複数回繰り返して行なえば良い。
【００４８】
なお、触媒溶解液に溶解させることによって燃料電池から触媒を回収する際には、触媒溶解液を循環させないこととしても良い。すなわち、スタック１５内のガス流路へと触媒溶解液を供給すると共に、触媒を溶解してスタック１５から排出された触媒溶解液を、そのまま回収しても良い。触媒溶解液の循環を行なわない場合には、例えば、スタック１５への触媒溶解液の供給に先立って、ガス流路の出口部である流路接続部４４，４６を閉鎖してもよい。この場合には、流路接続部４４，４６の閉鎖の後にスタック１５内へと触媒溶解液を供給し、スタック１５内のガス流路内に触媒溶解液を保持した状態で所定時間経過後に、触媒を溶解した触媒溶解液を回収すればよい。あるいは、スタック１５内のガス流路への触媒溶解液の供給を開始して、ガス流路から内部の空気を放出させた後に、流路接続部４４，４６の閉鎖を行ない、その後、ガス流路内に滞留する触媒溶解液への触媒の溶解を行なわせても良い。
【００４９】
また、触媒溶解液が、金属以外のカーボンや固体高分子電解質を溶解させないものであっても、例えば触媒が溶解して消失することにより、電極におけるカーボン粒子の結着力が弱まり、カーボン粒子が剥がれ落ちて触媒溶解液中に混入する場合がある。このように、触媒溶解液に他の材料が混入する場合であっても、例えば濾過や遠心分離行なうことにより、回収した触媒溶解液から上記他の材料を容易に除去することができる。
【００５０】
触媒溶解液に溶解する状態で触媒を回収した後には、触媒を溶解した触媒溶解液を、例えば、低温・低圧条件下で蒸留を行なう減圧蒸留によって濃縮すればよい。そして、触媒を溶解した触媒溶解液を、不溶性の塩にして回収するなどして、周知の貴金属の分離・精製工程に供すればよい。
【００５１】
Ｃ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００５２】
Ｃ１．変形例１：
スタック１５内のガス流路に触媒溶解液を流して触媒溶解液中に触媒を溶解させる際に、さらに、スタック１５内の冷媒流路に温水を流しても良い。具体的には、流路接続部４１および４２に温水循環装置を接続し、燃料電池内の冷媒供給マニホールドとセル間冷媒流路と冷媒排出マニホールドとの間に、温水を流すこととしても良い。これにより、スタック１５の内部温度を上昇させることができる。このように温度を上昇させることにより、触媒溶解液への触媒の溶解を促進することができる。触媒溶解液の温度を上昇させるには、スタック１５への触媒溶解液の供給に先立って予め触媒溶解液を加熱しても良いが、触媒溶解液の加熱に代えて、あるいは触媒溶解液の加熱に加えて、冷媒流路に温水を流すことにより、容易に触媒溶解液への触媒の溶解を促進することができる。
【００５３】
Ｃ２．変形例２：
触媒回収の対象とする燃料電池は、実施例とは異なる形状であっても良い。例えば、ガスセパレータの形状を、単セル内ガス流路となる空間を形成するための凹凸が表面に形成された形状とする代わりに、単セル内ガス流路の壁面を形成する表面が平坦面である形状としても良い。この場合には、燃料電池の電極とガスセパレータとの間に、ガス拡散層２３，２４に代えて、あるいはガス拡散層２３，２４に加えて、カーボン製の多孔質体である流路形成部を配置して、この流路形成部の内部に形成される細孔によって、単セル内ガス流路を形成すればよい。このように、燃料電池において反応ガスの流路の周囲に配置される電解質膜および触媒以外の部材を、触媒溶解液によって実質的に溶解されない材料、例えばカーボンによって形成し、触媒溶解液として例えば王水などの酸溶液を用いれば、実施例と同様の効果が得られる。
【００５４】
Ｃ３．変形例３：
実施例では、フッ素系の固体高分子電解質膜から成る電解質膜２０を備える燃料電池から触媒の回収を行なったが、異なる種類の燃料電池からの触媒回収において、本発明を適用しても良い。例えば、炭化水素系の固体高分子電解質膜を備える燃料電池からの触媒回収方法とすることができる。あるいは、リン酸型燃料電池であっても本発明を適用可能できる。ガス流路の周囲に配置された触媒以外の他の構成要素を実質的に溶解しない触媒溶解液をガス流路に流し、金属から成る触媒を、触媒溶解液に溶解させることができれば良い。これにより、燃料電池を分解することなく、触媒を燃料電池から容易に分離回収可能となり、特に触媒が貴金属を含有する場合には、回収の意義が大きい。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】触媒回収の対象となる燃料電池の構成の概要を表わす断面模式図である。
【図２】燃料電池の概略構成を表わす分解斜視図である。
【図３】燃料電池の外観の概略を表わす斜視図である。
【図４】燃料電池からの触媒回収工程を表わす説明図である。
【図５】触媒溶解液供給部と酸化ガス流路との接続の様子を表わす説明図である。
【図６】スタックから触媒溶解液を回収する様子を模式的に表わす説明図である。
【符号の説明】
【００５６】
１０…単セル
１５…スタック
２０…電解質膜
２１…カソード
２２…アノード
２３，２４…ガス拡散層
２５，２６，２９…ガスセパレータ
２７…単セル内酸化ガス流路
２８…単セル内酸化ガス流路
２８…単セル内燃料ガス流路
３０，３１…集電板
３２，３３…出力端子
３４，３５…絶縁板
３６，３７…エンドプレート
４１〜４６…流路接続部
５０…触媒溶解液供給部
５２…吐出用配管
５４…回収用配管
５６…触媒溶解液貯蔵タンク
６２，６３…溝
８１〜８６…孔部
８７…溝
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池から、電極を構成する触媒を回収する方法であって、
前記電極に反応ガスを供給するために前記燃料電池内に形成されたガス流路に対して、前記触媒を溶解可能な触媒溶解液を供給する第１の工程と、
前記ガス流路内を通過させた前記触媒溶解液を回収する第２の工程と
を備える触媒回収方法。
【請求項２】
請求項１記載の触媒回収方法であって、
前記燃料電池は、複数の単セルを積層したスタックから成り、
前記ガス流路は、各々の前記単セル内に形成されたガス流路である単セル内ガス流路と、各々の前記単セル内ガス流路に対して前記反応ガスを供給・排出するガス流路である給排ガス流路と、を備え、
前記第１の工程は、前記給排ガス流路に対して前記触媒溶解液を供給する工程である
触媒回収方法。
【請求項３】
請求項１または２記載の触媒回収方法であって、
前記第１の工程は、前記ガス流路に対して、所定量の前記触媒溶解液を供給した後に、該触媒溶解液を循環させる工程であり、
前記第２の工程は、前記ガス流路を循環させた前記触媒溶解液を回収する工程である
触媒回収方法。
【請求項４】
請求項１ないし３いずれか記載の触媒回収方法であって、
前記触媒溶解液は、前記燃料電池において前記ガス流路の周囲に配置される部材の内、実質的に前記触媒のみを溶解させる溶液である
触媒回収方法。
【請求項５】
請求項１ないし４いずれか記載の触媒回収方法であって、
前記触媒は、貴金属を含有する
触媒回収方法。
【請求項６】
請求項５記載の触媒回収方法であって、
前記燃料電池は、さらに、前記燃料電池を構成する単セル内における前記反応ガスの流路の壁面を構成するカーボン製のガスセパレータと、前記電極と前記ガスセパレータとの間に配置されて、前記単セル内における前記反応ガスの流路を形成するカーボン製のガス流路形成部材と、を備えると共に、電解質層として固体高分子電解質膜を備え、
前記触媒溶解液は、酸溶液である
触媒回収方法。
【請求項７】
請求項１ないし６いずれか記載の触媒回収方法であって、さらに、
回収された前記触媒溶解液から、前記触媒を分離・精製する第３の工程を備える
触媒回収方法。
【請求項１】
燃料電池から、電極を構成する触媒を回収する方法であって、
前記電極に反応ガスを供給するために前記燃料電池内に形成されたガス流路に対して、前記触媒を溶解可能な触媒溶解液を供給する第１の工程と、
前記ガス流路内を通過させた前記触媒溶解液を回収する第２の工程と
を備える触媒回収方法。
【請求項２】
請求項１記載の触媒回収方法であって、
前記燃料電池は、複数の単セルを積層したスタックから成り、
前記ガス流路は、各々の前記単セル内に形成されたガス流路である単セル内ガス流路と、各々の前記単セル内ガス流路に対して前記反応ガスを供給・排出するガス流路である給排ガス流路と、を備え、
前記第１の工程は、前記給排ガス流路に対して前記触媒溶解液を供給する工程である
触媒回収方法。
【請求項３】
請求項１または２記載の触媒回収方法であって、
前記第１の工程は、前記ガス流路に対して、所定量の前記触媒溶解液を供給した後に、該触媒溶解液を循環させる工程であり、
前記第２の工程は、前記ガス流路を循環させた前記触媒溶解液を回収する工程である
触媒回収方法。
【請求項４】
請求項１ないし３いずれか記載の触媒回収方法であって、
前記触媒溶解液は、前記燃料電池において前記ガス流路の周囲に配置される部材の内、実質的に前記触媒のみを溶解させる溶液である
触媒回収方法。
【請求項５】
請求項１ないし４いずれか記載の触媒回収方法であって、
前記触媒は、貴金属を含有する
触媒回収方法。
【請求項６】
請求項５記載の触媒回収方法であって、
前記燃料電池は、さらに、前記燃料電池を構成する単セル内における前記反応ガスの流路の壁面を構成するカーボン製のガスセパレータと、前記電極と前記ガスセパレータとの間に配置されて、前記単セル内における前記反応ガスの流路を形成するカーボン製のガス流路形成部材と、を備えると共に、電解質層として固体高分子電解質膜を備え、
前記触媒溶解液は、酸溶液である
触媒回収方法。
【請求項７】
請求項１ないし６いずれか記載の触媒回収方法であって、さらに、
回収された前記触媒溶解液から、前記触媒を分離・精製する第３の工程を備える
触媒回収方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００８−２７７００（Ｐ２００８−２７７００Ａ）
【公開日】平成２０年２月７日（２００８．２．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１９８０５５（Ｐ２００６−１９８０５５）
【出願日】平成１８年７月２０日（２００６．７．２０）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年２月７日（２００８．２．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年７月２０日（２００６．７．２０）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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