(57)【要約】      （修正有）【課題】燃料電池のセパレータからＩＶＢ族元素もしくはＶＢ族元素の金属材料を効率的に回収可能とする。【解決手段】燃料電池から、セパレータに使用されているＩＶＢ族元素もしくはＶＢ族元素の金属材料を回収する方法であって、前記燃料電池に備えられる水素ガス通路、エア通路、および冷却水通路のそれぞれに水素を供給することにより、前記セパレータを水素脆化させる工程と、前記水素脆化された前記セパレータを前記燃料電池から取り外す工程と、前記燃料電池から取り外された前記セパレータから水素を離脱させて、前記金属材料を回収する工程とを備えるセパレータの金属材料回収方法。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池から、セパレータの表面に存在する貴金属を回収する方法であって、
前記燃料電池の冷却水通路の酸濃度を高める工程と、
前記貴金属のイオン化傾向よりも高電位となる電圧を前記セパレータに印加する工程と
を備えるセパレータの金属材料回収方法。
【請求項２】
燃料電池から、セパレータに使用されているＩＶＢ族元素もしくはＶＢ族元素の金属材料を回収する方法であって、
前記燃料電池に備えられる水素ガス通路、エア通路、および冷却水通路のそれぞれに水素を供給することにより、前記セパレータを水素脆化させる工程と、
前記水素脆化された前記セパレータを前記燃料電池から取り外す工程と、
前記燃料電池から取り外された前記セパレータから水素を離脱させて、前記金属材料を回収する工程と
を備えるセパレータの金属材料回収方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池からセパレータの金属材料を回収する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池に用いられるセパレータは、使用環境から、電気特性や耐食性などが要求され、材料特性面では調整の難しい部品である。電気特性や耐食性などが要求されることは、例えば下記特許文献１に記載されている。そこで、上記要求を満たすものとして、ＩＶＢ族元素もしくはＶＢ族元素の金属材料を使用すること、あるいは、セパレータの表面を所定の金属材料で覆うことが考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−１６４２２８号公報
【０００４】
前記ＩＶＢ族元素やＶＢ族元素の金属材料や、表面処理に用いられる金属材料は貴重なものである。しかしながら、前記金属材料を効率的に回収する方法が、従来なかった。このために、前記金属材料をリサイクルすることが困難であった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、燃料電池のセパレータからＩＶＢ族元素もしくはＶＢ族元素の金属材料を効率的に回収可能とすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００７】
[適用例１]   燃料電池から、セパレータの表面に存在する貴金属を回収する方法であって、前記燃料電池の冷却水通路の酸濃度を高める工程と、前記貴金属のイオン化傾向よりも高電位となる電圧を前記セパレータに印加する工程とを備えるセパレータの金属材料回収方法。
【０００８】
上記構成のセパレータの金属材料回収方法によれば、セパレータの表面に存在する貴金属を溶解および電解（電気分解）により、効率的に回収することができる。
【０００９】
[適用例２]   燃料電池から、セパレータに使用されているＩＶＢ族元素もしくはＶＢ族元素の金属材料を回収する方法であって、前記燃料電池に備えられる水素ガス通路、エア通路、および冷却水通路のそれぞれに水素を供給することにより、前記セパレータを水素脆化させる工程と、前記水素脆化された前記セパレータを前記燃料電池から取り外す工程と、前記燃料電池から取り外された前記セパレータから水素を離脱させて、前記金属材料を回収する工程とを備えるセパレータの金属材料回収方法。
【００１０】
上記構成のセパレータの金属材料回収方法によれば、セパレータは水素脆化されて破壊され、セパレータからＩＶＢ族元素もしくはＶＢ族元素の金属材料を効率的に回収することができる。
【００１１】
なお、前記セパレータの金属材料回収方法は、装置発明としての態様で実現することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】リサイクル対象である燃料電池の単セル１０の構成を模式的に示す説明図である。
【図２】本発明の一実施例としてのセパレータの金属材料回収方法を示すフローチャートである。
【図３】ステップＳ２１０の処理後の燃料電池の単セル１０の構成を模式的に示す説明図である。
【図４】ステップＳ２５０で施される電析処理の様子を示す説明図である。
【図５】恒温槽ＲＭの様子を示す説明図である。
【図６】水素脆化金属の恒温槽への収容時間ｔと恒温槽内の水素濃度ＤＨとの関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき説明する。
【００１４】
Ａ．実施例：
Ａ−１．燃料電池の構成：
図１は、リサイクル対象である燃料電池の単セル１０の構成を模式的に示す説明図である。燃料電池は、固体高分子型燃料電池であって、図１に示す単セル１０を複数積層して直列に接続したスタック構造を有している。単セル１０は、膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）２０を、両側からセパレータ３０、４０によって挟持することによって構成されている。
【００１５】
ＭＥＡ２０は、固体高分子電解質膜２１の両面（両側）に触媒層２２、２３を形成し、さらに触媒層２２、２３の外側にガス拡散層２４、２５を形成した接合体である。狭義には、固体高分子電解質膜の両側に触媒層を形成した構成をＭＥＡと呼ぶことも多いが、ここでは、固体高分子電解質膜２１の両側に触媒層２２、２３を形成した構成にガス拡散層２４、２５を加えた構成をＭＥＡと呼ぶ。
【００１６】
固体高分子電解質膜２１は、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。触媒層２２、２３は、触媒としての白金または白金と他の金属からなる合金を有する層であり、アノード（水素極）とカソード（酸素極）の役割を果たす。また、ガス拡散層２４、２５は、ガス拡散性の導電性部材、例えば炭素繊維から構成したカーボンクロス、カーボンフェルト、またはカーボンペーパー等によって形成される。
【００１７】
各セパレータ３０、４０の両面には、直線状の溝（凹部）が複数形成されている。一方の面に形成された溝によって、ＭＥＡ２０との間に、電気化学反応に供される反応ガスの通路が形成される。すなわち、アノード側のセパレータ３０とＭＥＡ２０との間には、水素ガスが通過する水素ガス通路３２が形成され、カソード側のセパレータ４０とＭＥＡ２０との間には、酸素を含有する酸化ガス（ここでは空気）が通過するエア通路４２が形成される。また、各セパレータ３０、４０の他方の面に形成された溝によって、冷却水が通過する冷却水通路５０が形成される。
【００１８】
各セパレータ３０、４０は、電気特性や耐食性に優れた材料によって作製されている。例えば、チタン（Ｔｉ）製の基材に、表面処理としての金（Ａｕ）によるメッキを施すことがあげられる。図中の太線の部分がメッキ部３０ａ、４０ａである。なお、基材は、Ｔｉに換えて、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔｈ等の他のＩＶＢ族元素の金属材料や、Ｖ、Ｎｂ、ＴａなどのＶＢ族元素の金属材料等を用いてもよい。表面処理用の金属材料（一般的には、貴金属）は、Ａｕに換えて炭素（Ｃ）等としてもよい。
【００１９】
Ａ−２．セパレータの金属材料回収方法：
図２は、本発明の一実施例としてのセパレータの金属材料回収方法を示すフローチャートである。図示するように、作業者は、まず、前述した構成の燃料電池（使用済みの燃料電池）を用意する（ステップＳ１００）。
【００２０】
次いで、作業者は、ステップＳ１００で用意した燃料電池から、前記燃料電池に備えられるセパレータ３０、４０の表面処理に使用されているＡｕ等の耐食性に優れた貴金属を回収する表面処理貴金属回収工程を実行する（ステップＳ２００）。
【００２１】
ステップＳ２００の表面処理貴金属回収工程は次の通りのものである。すなわち、作業者は、まず、前記燃料電池の各セパレータ３０、４０に形成された直線状の溝に孔を開けることにより、水素ガス通路３２とエア通路４２を冷却水通路５０にそれぞれ連通させる（ステップＳ２１０）。
【００２２】
図３は、ステップＳ２１０の処理後の燃料電池の単セル１０の構成を模式的に示す説明図である。ステップＳ２１０の処理により、図示するように、アノード側のセパレータ３０の一方の面に形成された直線状の溝（水素ガス通路３２）の底面と、前記セパレータ３０の他方の面に形成された直線状の溝（冷却水通路５０）の底面との間には、水素ガス通路３２と冷却水通路５０を連通する連通孔３０ｈが形成される。また、カソード側のセパレータ４０の一方の面に形成された直線状の溝（エア通路４２）の底面と、前記セパレータ３０の他方の面に形成された直線状の溝（冷却水通路５０）の底面との間には、エア通路４２と冷却水通路５０とを連通する連通孔４０ｈが形成される。
【００２３】
図２に戻って、ステップＳ２１０の実行後、作業者は、冷却水通路５０に強酸を添加することにより、各セパレータ３０、４０のメッキ部３０ａ、４０ａを強酸により溶解させる（ステップＳ２２０）。ここで、強酸は、例えば、硫酸（Ｈ2Ｓ０3）、硝酸（ＨＮＯ3）、塩化水素（ＨＣｌ）等である。上記強酸は、詳しくは、各単セル１０の冷却水通路５０を集合する冷却水供給マニホールドから添加され、各単セル１０の冷却水通路５０から連通孔３０ｈ、４０ｈを介して水素ガス通路３２およびエア通路４２にも至る。これにより、各セパレータ３０、４０のメッキ部３０ａ、４０ａの全体が溶解可能となる。
【００２４】
続いて、作業者は、アノード側のセパレータ３０とカソード側のセパレータ４０との間に直流電源６０（図３参照）を電気的に接続して、両セパレータ３０、４０の間に所定の電圧を印加する（ステップＳ２３０）。ここで、所定の電圧とは、メッキ部３０ａ、４０ａを形成する貴金属（Ａｕ）のイオン化傾向よりも高い電位である。これにより、各セパレータ３０、４０のメッキ部３０ａ、４０ａが電解（電気分解）される。
【００２５】
本実施例では、ステップＳ２２０による溶解と、ステップＳ２３０による電解とによりメッキ分解を行なっているが、これに換えて、上記溶解と電解とのいずれか一方だけを行うことで上記分解を行う構成としてもよい。例えば、リサイクル対象となった燃料電池の使用期間が長い場合には、反応ガス（水素ガス）によって溶解が進んでいることから、ステップＳ２２０による溶解とステップＳ２３０による電解とのいずれか一方を行うだけで、十分に分解することが可能となるためである。
【００２６】
ステップＳ２３０の実行後、作業者は、冷却水通路に回収用通路を連結して、冷却水を容器に移す（ステップＳ２４０）。この結果、容器には、メッキ部３０ａ、４０ａを形成する貴金属が溶出した冷却水が貯溜されることになる。続いて、作業者は、容器に貯溜された冷却水に電析（電解析出）処理を施すことにより、冷却水に溶出した貴金属を回収する（ステップＳ２５０）。
【００２７】
図４は、ステップＳ２５０で施される電析処理の様子を示す説明図である。図示するように、容器Ｗ１中の冷却水ＣＬに電極Ｅ１，Ｅ２を差し込み、電極Ｅ１，Ｅ２間に直流電源ＢＴを電気的に接続することにより、冷却水ＣＬを電気分解する。この電気分解により電極表面に冷却水ＣＬに溶出された貴金属が析出する。
【００２８】
上記電析処理の結果、セパレータ３０、４０の表面処理に使用された貴金属（Ａｕ）が回収される。すなわち、上述したステップＳ２１０ないしＳ２５０で構成されるステップＳ２５０の表面処理貴金属回収工程により、上記貴金属の回収が可能となる。
【００２９】
なお、この実施例では、貴金属を電極表面に回収する構成としたが、電極をセパレータ用の基材に換えることで、貴金属を基材にメッキするメッキ処理を行う構成とすることもできる。
【００３０】
ステップＳ２００の実行後、すなわち、ステップＳ２５０の実行後、作業者は、基材金属回収工程を実行する（ステップＳ３００）。
【００３１】
ステップＳ３００の基材金属回収工程は次の通りのものである。すなわち、作業者は、まず、ステップＳ２４０で冷却水が抜き取られた後の燃料電池における冷却水通路５０に水素ガスを供給する（ステップＳ３１０）。水素ガスは、詳しくは、冷却水供給マニホールドから添加され、各単セル１０の冷却水通路５０から連通孔３０ｈ、４０ｈを介して水素ガス通路３２およびエア通路４２にも至る。なお、水素ガスは、冷却水通路５０、水素ガス通路３２、およびエア通路４２に封入されることが好ましいが、必ずしも封入された状態としなくてもよい。
【００３２】
冷却水通路５０、水素ガス通路３２、およびエア通路４２に至った水素ガスは、セパレータ３０、４０の基材を水素脆化させる。セパレータ３０、４０のメッキ部３０ａ、４０ａは除去されていることから基材が露出し、この基材に対して水素ガスが送られることになり、基材は水素脆化されることになる。
【００３３】
その後、作業者は、放置し（ステップＳ３２０）、燃料電池のセル抵抗を計測し、セル抵抗が所定値ＣＲ０を上回ったかを否かを判定する（ステップＳ３３０）。セパレータ３０、４０の基材の水素脆化の程度が大きくなるほど、セル抵抗は増大することから、作業者は、セル抵抗が所定値ＣＲ０以下であるときは、ステップＳ３２０の放置を継続し、セル抵抗が所定値ＣＲ０を上回るのを待つ。ステップＳ３３０でセル抵抗が所定値ＣＲ０を上回ったと判定されたときには、作業者は、基材の水素脆化が十分になされたとして、ステップＳ３４０に処理を進める。なお、この水素脆化が十分になされた基材を、以下「水素脆化金属」と呼ぶ。
【００３４】
ステップＳ３４０では、作業者は、燃料電池を解体して、燃料電池から水素脆化金属を取り外す。その後、作業者は、水素脆化金属を恒温槽に入れて、水素脆化金属を昇温させる（ステップＳ３５０）。
【００３５】
図５は、恒温槽ＲＭの様子を示す説明図である。図示するように、恒温槽ＲＭの内部には、水素脆化金属ＭＴが容器Ｗ２に収容された状態で、恒温槽ＲＭの内部に置かれている。恒温槽ＲＭは、内部の温度を一定に保つ装置で、水素脆化金属ＭＴの温度を高めている。恒温槽ＲＭは、図示しない吸気口から吸気し、排気口ＥＸから排気される。なお、排気口から排出される気体は、図示しない水素分離膜を通すことで、水素と分離され、水素は回収される。
【００３６】
水素脆化金属ＭＴは、水素脆化により微塵化がたやすい構成となっていることから、上記のように容器Ｗ２に収容されている。また、水素脆化金属ＭＴは温度が高くなると水素を離脱させる性質を備えている。したがって、ステップＳ３５０では、水素脆化金属ＭＴを上述したように恒温槽ＲＭ内に収容して、水素脆化金属ＭＴを昇温させる。
【００３７】
図６は、水素脆化金属ＭＴの恒温槽ＲＭへの収容時間ｔと恒温槽ＲＭ内の水素濃度ＤＨとの関係を示すグラフである。図示するように、収容時間ｔの経過に伴って、水素濃度ＤＨは指数関数的に低下する。すなわち、収容時間ｔの経過に伴って、水素脆化金属ＭＴから水素が指数関数的に離脱する。所定濃度ＤＨ０は、水素脆化金属ＭＴから十分な量の水素が離脱したときの恒温槽ＲＭ内の水素濃度ＤＨであり、例えば、約４００［ｐｐｍ］である。
【００３８】
図２に戻って、ステップＳ３５０の実行後は、作業者は、水素脆化金属ＭＴを恒温槽ＲＭに収容した状態で、放置し（ステップＳ３６０）、恒温槽ＲＭ内の水素濃度ＤＨを計測し、水素濃度ＤＨが所定濃度ＤＨ０を下回ったかを否かを判定する（ステップＳ３７０）。作業者は、水素濃度ＤＨが所定濃度ＤＨ０以上であるときは、ステップＳ３６０の放置を継続し、水素濃度ＤＨが所定濃度ＤＨ０を下回るのを待つ。ステップＳ３３０で水素濃度ＤＨが所定濃度ＤＨ０が所定値ＣＲ０を下回ったと判定されたときには、作業者は、水素脆化金属ＭＴから十分な量の水素が離脱したと判断して、このセパレータの金属材料回収方法を終了する。
【００３９】
この結果、恒温槽ＲＭ内の容器Ｗ２には、水素脆化金属の粒が残ることになる。この粒が、セパレータの基材を構成するＩＶＢ族元素もしくはＶＢ族元素の金属材料である。
【００４０】
Ａ−３．効果：
以上のように構成された本実施例のセパレータの金属材料回収方法によれば、セパレータ３０、４０に表面処理された貴金属を、溶解および電解により、効率的に回収することができる。また、セパレータの基材を構成するＩＶＢ族元素もしくはＶＢ族元素の金属材料を、効率的に回収することができる。これらの結果、前記貴金属、およびＩＶＢ族元素もしくはＶＢ族元素の金属材料をリサイクルすることができる。
【００４１】
Ｂ．変形例：
なお、前述した実施例および各変形例における構成要素の中の、独立請求項で記載された要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。また、この発明は上記の各実施例や各変形例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さらに種々の態様において実施することが可能であり、例えば以下のような変形も可能である。
【００４２】
（１）前記実施例では、セル抵抗の変化から基材の水素脆化が十分になされたか否かを判定していたが、これに換えて、水素脆化金属の応力による荷重やクリープ量の変化から前記判定を行う構成としてもよい。
【００４３】
（２）前記実施例では、セパレータの基材は、ＩＶＢ族元素もしくはＶＢ族元素の金属材料製であったが、必ずしも１００％、前記金属材料で製造されている必要はなく、前記金属材料と、ＩＶＢ族元素およびＶＢ族元素以外の他の金属材料とを含む合金製としてもよい。
【００４４】
（３）前記実施例では、セパレータの金属材料回収方法は、人である作業者が行うようにしていたが、これに換えて、作業者による作業をオートメーション装置により自動化する構成としてもよい。この構成によれば、より簡便に金属材料を回収することができる。
【００４５】
（４）前記実施例では、リサイクル対象を固体高分子型燃料電池としているが、本発明は、これに限られるものではなく、固体酸化物型燃料電池電解質型や溶融炭酸塩電解質型等、種々のタイプの燃料電池であってもよい。
【符号の説明】
【００４６】
１０…単セル
２１…固体高分子電解質膜
２２、２３…触媒層
２４、２５…ガス拡散層
３０…セパレータ
３０ａ…メッキ部
３０ｈ…連通孔
３２…水素ガス通路
４０…セパレータ
４０ａ…メッキ部
４０ｈ…連通孔
４２…エア通路
５０…冷却水通路
６０…直流電源
Ｅ１，Ｅ２…電極
Ｗ１、Ｗ２…容器
ＣＬ…冷却水
ＲＭ…恒温槽
ＢＴ…直流電源
ＭＴ…水素脆化金属
【図１】
2010267527.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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