(57)【要約】      （修正有）【課題】電極層の劣化による電池性能の低下を抑制した燃料電池を提供するとともに、劣化部を再生できる燃料電池のメンテナンス方法を提供する。【解決手段】電解質膜と、電解質膜上に配置され、触媒層を備えた燃料電池であって、触媒層１２ａには他の部分より水が残留し易い構造を採用することにより劣化が生じやすい劣化部を形成させた電極層を備えるとともに、劣化部に対しては劣化箇所を再生する再生溶液を導入する工程からなるメンテナンス方法。【選択図】図５
2010092675.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池であって、
電解質膜と、
前記電解質膜上に配置され、触媒層を備え、前記触媒層に劣化が生じやすい劣化部と前記劣化部より劣化が生じにくい非劣化部とを有する電極層と、
を備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池において、
前記電極層の前記劣化部の近傍に配置される導入口を有し、前記導入口を介して、前記燃料電池の外部から前記劣化部へ、前記劣化部の劣化箇所を再生する再生溶液を導入するための再生溶液導入部を備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池において、
前記再生溶液導入部は、
前記電極層に供給された反応ガスを排出するための排出マニホールドであることを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の燃料電池において、
前記電極層の前記触媒層において、
前記劣化部は、
前記触媒層における他の部分より水が残留し易い構造であることを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
請求項４に記載の燃料電池において、
前記電極層は、
前記触媒層上に配置されるガス拡散層を備え、
前記ガス拡散層は、
前記触媒層の前記劣化部に対応する部分が、前記ガス拡散層における他の部分より撥水性が低いことを特徴とする燃料電池。
【請求項６】
請求項５に記載の燃料電池において、
前記ガス拡散層において、
前記触媒層の前記劣化部に対応する前記部分に近づくにつれ、撥水性が低くなることを特徴とする燃料電池。
【請求項７】
請求項４ないし請求項６のいずれかに記載の燃料電池において、
前記電極層の前記触媒層において、
前記劣化部は、
前記触媒層における他の部分より空隙率が高いことを特徴とする燃料電池。
【請求項８】
請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の燃料電池において、
前記電極層の前記触媒層は、電解質、担持担体を備え、
前記再生溶液は、ＤＭＳＯ溶液であることを特徴とする燃料電池。
【請求項９】
燃料電池のメンテナンス方法であって、
前記燃料電池は、
電解質膜と、
前記電解質膜上に配置され、劣化が生じやすい劣化部と前記劣化部より劣化が生じにくい非劣化部とを有する電極層と、
前記電極層の前記劣化部の近傍に配置される連通口を有し、前記連通口を介して、前記燃料電池の外部と前記劣化部とを連通する連通部と、を備え、
前記燃料電池の外部から、前記連通部を介して、前記劣化部へ、前記劣化部の劣化箇所を再生する再生溶液を導入する導入工程を備えることを特徴とする燃料電池のメンテナンス方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の燃料電池のメンテナンス方法において、
導入工程後、
前記燃料電池に対して、前記電極層の厚さ方向に、所定の荷重を付加する荷重付加工程を備えることを特徴とする燃料電池のメンテナンス方法。
【請求項１１】
請求項９または請求項１０に記載の燃料電池のメンテナンス方法において、
荷重付加工程後、
前記燃料電池内部を乾燥させる乾燥工程を備えることを特徴とする燃料電池のメンテナンス方法。
【請求項１２】
請求項９ないし請求項１１のいずれかに記載の燃料電池のメンテナンス方法において、
前記燃料電池の前記連通部は、
前記電極層に供給された反応ガスを排出するための排出マニホールドであることを特徴とする燃料電池のメンテナンス方法。
【請求項１３】
請求項９ないし請求項１２のいずれかに記載の燃料電池のメンテナンス方法において、
前記電極層の前記触媒層において、
前記劣化部は、
前記触媒層における他の部分より水が残留し易い構造であることを特徴とする燃料電池のメンテナンス方法。
【請求項１４】
請求項１３に記載の燃料電池のメンテナンス方法において、
前記電極層は、
前記触媒層上に配置されるガス拡散層を備え、
前記ガス拡散層は、
前記触媒層の前記劣化部に対応する部分が、前記ガス拡散層における他の部分より撥水性が低いことを特徴とする燃料電池のメンテナンス。
【請求項１５】
請求項１４に記載の燃料電池のメンテナンス方法において、
前記ガス拡散層において、
前記触媒層の前記劣化部に対応する前記部分に近づくにつれ、撥水性が低くなることを特徴とする燃料電池のメンテナンス。
【請求項１６】
請求項１３ないし請求項１５のいずれかに記載の燃料電池のメンテナンスにおいて、
前記電極層の前記触媒層において、
前記劣化部は、
前記触媒層における他の部分より空隙率が高いことを特徴とする燃料電池のメンテナンス。
【請求項１７】
請求項９ないし請求項１６のいずれかに記載の燃料電池のメンテナンスにおいて、
前記電極層の前記触媒層は、電解質、担持担体を備え、
前記再生溶液は、ＤＭＳＯ溶液であることを特徴とする燃料電池のメンテナンス方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電極層を備えた燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
電解質膜上に電極層が配置された燃料電池が知られている（特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−１１７６１８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、上記燃料電池において、電極層が劣化（破壊）するおそれがあった。その結果、電極層で電気化学反応の活性が低下し、燃料電池の電池性能が低下するおそれがあった。
【０００５】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、燃料電池の電池性能の低下を抑制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]
燃料電池であって、電解質膜と、前記電解質膜上に配置され、触媒層を備え、前記触媒層に劣化が生じやすい劣化部と前記劣化部より劣化が生じにくい非劣化部とを有する電極層と、を備えることを要旨とする。
【０００８】
上記構成の燃料電池によれば、燃料電池の電池性能の低下を抑制することができる。
【０００９】
[適用例２]
適用例１に記載の燃料電池において、前記電極層の前記劣化部の近傍に配置される導入口を有し、前記導入口を介して、前記燃料電池の外部から前記劣化部へ、前記劣化部の劣化箇所を再生する再生溶液を導入するための再生溶液導入部を備えることを特徴とする燃料電池。
【００１０】
このようにすれば、劣化部に対して再生溶液を容易に導入することができる。
【００１１】
[適用例３]
適用例１または適用例２に記載の燃料電池において、前記再生溶液導入部は、前記電極層に供給された反応ガスを排出するための排出マニホールドであることを特徴とする燃料電池。
【００１２】
このようにすれば、劣化部に対して再生溶液を容易に導入することができる。
【００１３】
[適用例４]
適用例１ないし適用例３のいずれかに記載の燃料電池において、前記電極層の前記触媒層において、前記劣化部は、前記触媒層における他の部分より水が残留し易い構造であることを特徴とする燃料電池。
【００１４】
このようにすれば、劣化部において、劣化を促進させることができる。
【００１５】
[適用例５]
適用例４に記載の燃料電池において、前記電極層は、前記触媒層上に配置されるガス拡散層を備え、前記ガス拡散層は、前記触媒層の前記劣化部に対応する部分が、前記ガス拡散層における他の部分より撥水性が低いことを特徴とする燃料電池。
【００１６】
このようにすれば、劣化部において、水を残留し易くすることができる。
【００１７】
[適用例６]
適用例５に記載の燃料電池において、前記ガス拡散層において、前記触媒層の前記劣化部に対応する前記部分に近づくにつれ、撥水性が低くなることを特徴とする燃料電池。
【００１８】
このようにすれば、劣化部において、水を残留し易くすることができる。
【００１９】
[適用例７]
適用例４ないし適用例６のいずれかに記載の燃料電池において、前記電極層の前記触媒層において、前記劣化部は、前記触媒層における他の部分より空隙率が高いことを特徴とする燃料電池。
【００２０】
このようにすれば、劣化部において、水を残留し易くすることができる。
【００２１】
[適用例８]
適用例１ないし適用例７のいずれかに記載の燃料電池において、前記電極層の前記触媒層は、電解質、担持担体を備え、前記再生溶液は、ＤＭＳＯ溶液であることを特徴とする燃料電池。
【００２２】
このようにすれば、劣化部を再生することが可能となる。
【００２３】
[適用例９]
前記燃料電池は、電解質膜と、前記電解質膜上に配置され、劣化が生じやすい劣化部と前記劣化部より劣化が生じにくい非劣化部とを有する電極層と、前記電極層の前記劣化部の近傍に配置される連通口を有し、前記連通口を介して、前記燃料電池の外部と前記劣化部とを連通する連通部と、を備え、前記燃料電池の外部から、前記連通部を介して、前記劣化部へ、前記劣化部の劣化箇所を再生する再生溶液を導入する導入工程を備えることを特徴とする燃料電池のメンテナンス方法。
【００２４】
上記構成の燃料電池のメンテナンス方法によれば、燃料電池の電池性能の低下を抑制することができる。
【００２５】
[適用例１０]
適用例９に記載の燃料電池のメンテナンス方法において、導入工程後、前記燃料電池に対して、前記電極層の厚さ方向に、所定の荷重を付加する荷重付加工程を備えることを特徴とする燃料電池のメンテナンス方法。
【００２６】
このようにすれば、劣化部において、再生溶液を略均等に配分することができる。
[適用例１１]
適用例９または適用例１０に記載の燃料電池のメンテナンス方法において、荷重付加工程後、
前記燃料電池内部を乾燥させる乾燥工程を備えることを特徴とする燃料電池のメンテナンス方法。
【００２７】
このようにすれば、再生溶液を除去することができる。
[適用例１２]
適用例９ないし適用例１１に記載の燃料電池のメンテナンス方法において、前記燃料電池の前記連通部は、前記電極層に供給された反応ガスを排出するための排出マニホールドであることを特徴とする燃料電池のメンテナンス方法。
【００２８】
このようにすれば、劣化部に対して再生溶液を容易に導入することができる。
[適用例１３]
適用例９ないし適用例１２に記載の燃料電池のメンテナンス方法において、前記電極層の前記触媒層において、前記劣化部は、前記触媒層における他の部分より水が残留し易い構造であることを特徴とする燃料電池のメンテナンス方法。
【００２９】
このようにすれば、劣化部において、劣化を促進させることができる。
【００３０】
[適用例１４]
適用例１３に記載の燃料電池のメンテナンス方法において、前記電極層は、前記触媒層上に配置されるガス拡散層を備え、前記ガス拡散層は、前記触媒層の前記劣化部に対応する部分が、前記ガス拡散層における他の部分より撥水性が低いことを特徴とする燃料電池のメンテナンス。
【００３１】
このようにすれば、劣化部において、水を残留し易くすることができる。
【００３２】
[適用例１５]
適用例１４に記載の燃料電池のメンテナンス方法において、前記ガス拡散層において、前記触媒層の前記劣化部に対応する前記部分に近づくにつれ、撥水性が低くなることを特徴とする燃料電池のメンテナンス。
【００３３】
このようにすれば、劣化部において、水を残留し易くすることができる。
【００３４】
[適用例１６]
適用例１３ないし適用例１５のいずれかに記載の燃料電池のメンテナンス方法において、前記電極層の前記触媒層において、前記劣化部は、前記触媒層における他の部分より空隙率が高いことを特徴とする燃料電池のメンテナンス。
【００３５】
このようにすれば、劣化部において、水を残留し易くすることができる。
【００３６】
[適用例１７]
適用例９ないし適用例１６のいずれかに記載の燃料電池のメンテナンス方法において、前記電極層の前記触媒層は、電解質、担持担体を備え、前記再生溶液は、ＤＭＳＯ溶液であることを特徴とする燃料電池のメンテナンス方法。
【００３７】
このようにすれば、劣化部を再生することが可能となる。
【００３８】
なお、本発明は、上記した燃料電池の他、電極層など、他の装置発明の態様で実現することが可能である。また、上記した燃料電池のメンテナンス方法の他、電極層のメンテナンス方法など、他の方法発明の態様で実現することも可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
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。
Ａ．実施例：
Ａ１．燃料電池システム１０００の構成：
図１は、本発明の一実施例に係る燃料電池システム１０００の概略構成図を示す説明図である。この燃料電池システム１０００は、主に、燃料電池１００と、水素遮断弁２００と、水素タンク２１０と、レギュレータ弁２２０と、ブロワ２３０と、制御回路４００と、を備えている。図１において、図に示すように、ｘ方向、ｙ方向、および、ｚ方向を定義する。
【００４０】
水素タンク２１０は、高圧の水素を貯蔵するためのタンクである。水素遮断弁２００は、水素タンク２１０に取り付けられる。水素タンク２１０に貯蔵される水素は、水素遮断弁２００が開弁されると、水素供給流路２０４を介して、燃料電池１００に燃料ガスとして供給される。レギュレータ弁２２０は、水素供給流路２０４上に設けられ、燃料電池１００に供給する水素の圧力を調整する。
【００４１】
燃料電池１００で、電気化学反応に供された後の水素は、水素排出流路２０６を介して、燃料電池１００外部に排出される。
【００４２】
ブロワ２３０は、酸化ガスとしての空気を、空気供給流路２３４を介して、燃料電池１００に供給する。燃料電池１００で、電気化学反応に供された後の空気は、空気排出流路２３６を介して、燃料電池１００外部に排出される。
【００４３】
制御回路４００は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成され、詳しくは、予め設定された制御プログラムに従って所定の演算などを実行するＣＰＵ（図示せず）と、ＣＰＵで各種演算処理を実行するのに必要な制御プログラムや制御データ等が予め格納されたＲＯＭ（図示せず）と、同じくＣＰＵで各種演算処理をするのに必要な各種データが一時的に読み書きされるＲＡＭ（図示せず）と、各種信号を入出力する入出力ポート（図示せず）等を備える。そして、制御回路４００は、水素遮断弁２００、および、ブロワ２３０等と電気通信線を介して接続され、駆動信号を出力し、これらの制御を行う。
【００４４】
Ａ２．燃料電池１００の構成：
本実施例の燃料電池１００は、比較的小型で発電効率に優れる固体高分子型燃料電池である。燃料電池１００は、複数の燃料電池セルＣＬと、エンドプレートＥＰと、テンションプレートＴＳと、インシュレータＩＳと、ターミナルＴＭと、を備えている。複数の燃料電池セルＣＬは、インシュレータＩＳおよびターミナルＴＭを挟んで、２枚のエンドプレートＥＰによって挟持される。すなわち、燃料電池１００は、燃料電池セルＣＬが、複数個積層されたスタック構造である。また、燃料電池１００は、テンションプレートＴＳがボルトＢＴによって各エンドプレートＥＰに結合され、各燃料電池セルＣＬを、各部材を積層する方向（以下では、積層方向とも呼ぶ）に所定の力で締結する構造となっている。積層方向に直交する方向であって、燃料電池セルＣＬに沿った方向を面方向とも呼ぶ。
【００４５】
図２は、燃料電池１００における燃料電池セルＣＬの概略構成を表わす分解斜視図である。図３は、燃料電池セルＣＬの断面の様子を示す断面模式図である。具体的には、図３は、図２の燃料電池セルＣＬにおけるＡ−Ａ断面の一部を模式的に示した断面図である。燃料電池セルＣＬは、膜電極接合体５（以下では、ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）５と呼ぶ）と、セパレータ６，７と、を備える。燃料電池セルＣＬは、ＭＥＡ５を、セパレータ６，７で挟持して形成される。
【００４６】
ＭＥＡ５は、電解質膜１１と、空気が供給される電極層（以下では、カソードとも呼ぶ）１２と、水素が供給される電極層（以下では、アノードとも呼ぶ）１３と、を備え、電解質膜１１をカソード１２およびアノード１３で挟持して構成される。
【００４７】
電解質膜１１は、固体高分子材料であるフッ素系電解質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、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す。なお、電解質膜１１は、フッ素系電解質に限らず、例えば、炭化水素系電解質膜であってもよい。
【００４８】
アノード１３は、触媒層１３ａと、ガス拡散層１３ｂとを備えている。触媒層１３ａは、触媒金属である白金（Ｐｔ）を担持したカーボン（以下では、白金担持カーボンとも呼ぶ）（図示せず）と、フッ素系電解質（図示せず）と、を備えている。なお、触媒層１３ａにおいて、含有する電解質は、フッ素系電解質に限らず、炭化水素系電解質であってもよい。
【００４９】
ガス拡散層１３ｂは、導電性を有する多孔質部材であり、カーボンクロスから成る。なお、本発明はこれに限られることなく、ガス拡散層１３ｂは、例えば、カーボンペーパなどの炭素系多孔質体や、金属メッシュ、発泡金属などの金属多孔質体によって構成されていてもよい。
【００５０】
カソード１２は、触媒層１２ａと、ガス拡散層１２ｂとを備えている。触媒層１２ａは、白金担持カーボンと、フッ素系電解質と、備えている。なお、触媒層１２ａにおいて、含有する電解質は、フッ素系電解質に限らず、炭化水素系電解質であってもよい。
【００５１】
ガス拡散層１２ｂは、導電性を有する多孔質部材であり、カーボンクロスと、カーボンナノファイバ（ＶＧＣＦ：登録商標）と、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）とを備えており、撥水性を有している。具体的には、ガス拡散層１２ｂは、カーボンクロス上に、カーボンナノファイバ（ＶＧＣＦ：登録商標）と、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）とから成る撥水性の層が形成されている。この撥水性の層において、カーボンナノファイバと、ポリテトラフルオロエチレンとの質量比率は、例えば、２：８程度としてもよい。触媒層１２ａおよびばういくんルドＡる手いるロエチレン（ＰＴＦＥ）とから成る。ガス拡散層１２ｂは、複数の領域に区分されている。これについての詳細は、後述する。なお、本発明はこれに限られることなく、ガス拡散層１２ｂにおいて、カーボンクロスの代わりに、例えば、カーボンペーパなどの炭素系多孔質体や、金属メッシュ、発泡金属などの金属多孔質体を用いるようにしてもよい。
【００５２】
セパレータ６，７は、ガス不透過の導電性部材、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、プレス成形した金属板によって形成することができる。セパレータ６は、図２および図３に示すように、片面において凸部６ａと凹部６ｂとが交互に形成された凹凸形状を有している。そして、セパレータ６において、凸部６ａは、ガス拡散層１２ｂを押圧し、凹部６ｂは、ガス拡散層１２ｂとの間にガス拡散層１２ｂ（カソード１２）に対して空気を給排するため空気給排流路２０を形成する。また、セパレータ７において、凸部７ａは、ガス拡散層１３ｂを押圧し、凹部７ｂは、ガス拡散層１３ｂとの間にガス拡散層１３ｂ（アノード１３）に対して水素を給排するため水素給排流路３０を形成する。
【００５３】
図２に示すように、セパレータ６，７は、その外周近くの互いに対応する位置に、孔部５３〜５６を備えている。セパレータ６，７を、ＭＥＡ５およびガス拡散層１２ｂ，１５と共に積層して燃料電池１００を組み立てると、積層された各セパレータ６，７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、積層方向に燃料電池１００内部を貫通する流路を形成する。具体的には、孔部５３は、空気供給マニホールドＡＩを形成し、孔部５４は、空気排出マニホールドＡＯを形成し、孔部５５は、水素供給マニホールドＨＩを形成し、孔部５６は、水素排出マニホールドＨＯを形成する。空気供給マニホールドＡＩは、空気給排流路２０に空気を導入するための流路であり、空気排出マニホールドＡＯは、空気給排流路２０から空気を排出するための流路である。水素供給マニホールドＨＩは、水素給排流路３０に水素を導入するための流路であり、水素排出マニホールドＨＯは、水素給排流路３０から水素を排出すための流路である。空気排出マニホールドＡＯは、後述するガス拡散層１２ｂのＱ領域近傍に設けられる。
【００５４】
燃料電池セルＣＬは、上記各マニホールド、空気給排流路２０、および、水素給排流路３０におけるガスシール性を確保するための図示しないシール部材が配設されている。また、燃料電池１００において、燃料電池セルＣＬ間に、燃料電池セルＣＬを冷却するための冷却機構（図示せず）が配設されている。
【００５５】
Ａ３．カソード１２の詳細：
図４は、本実施例のガス拡散層１２ｂの正面図を示している。図５は、本実施例の触媒層１２ａの正面図を示している。具体的には、図４は、ガス拡散層１２ｂを図３の右側から見た図に該当し、言い換えれば、ガス拡散層１２ｂをｘ方向から見た図に該当する。図５は、触媒層１２ａを、図３の右側から見た図に該当し、言い換えれば、触媒層１２ａをｘ方向から見た図に該当する。図４および図５では、孔部５３（空気供給マニホールドＡＩ）、および、孔部５４（空気排出マニホールドＡＯ）を点線で示している。ガス拡散層１２ｂは、図４に示すように、空気排出マニホールドＡＯに近い順に、Ｏ領域、Ｐ領域、Ｑ領域の３つの領域に分けられている。触媒層１２ａは、図５に示すように、空気排出マニホールドＡＯに近い順に、ＯＯ領域、ＰＰ領域、ＱＱ領域の３つの領域に分けられている。ガス拡散層１２ｂにおいて、Ｑ領域、Ｐ領域、Ｏ領域の順に、撥水性が低くなっている。
【００５６】
ガス拡散層１２ｂの各領域において、撥水性の分布を、例えば、以下のようにして形成する。すなわち、ガス拡散層１２ｂのＱ領域を、温度Ｔｐ（例えば、１４０℃程度）で、ｔ１時間（例えば、２７時間）熱水含浸処理する。また、Ｐ領域を、温度Ｔｐでｔ１より短いｔ２時間（例えば、５時間）熱水含浸処理する。Ｏ領域は、熱水含浸処理しない。このようにすれば、熱水含浸処理をしなかったＯ領域では、撥水性を最も高くすることができ、ある程度長い時間（ｔ２時間）熱水含浸処理したＰ領域では、水との接触角をやや小さくし、撥水性をＯ領域より低くすることができ、比較的長い時間（ｔ１時間）熱水含浸処理したＱ領域では、水との接触角を小さくし、撥水性をＰ領域より低くすることができる。
【００５７】
図６は、燃料電池１００の燃料電池セルＣＬを用いた冷熱サイクル試験の実験結果を示すグラフである。このグラフは、縦軸にセル電圧低下量［ｍＶ］、横軸に膜抵抗値［ｍΩ］を示している。冷熱サイクルの実験は、以下の（ａ）〜（ｈ）工程を繰り返し実行する。
【００５８】
（ａ）燃料電池セルＣＬに、燃料ガスとして高純度水素を、酸化ガスとして空気を、それぞれ大過剰量流し、燃料電池セル温度を８０℃とし、発電させ、電流密度を０．８Ａ／ｃｍ2としてセル電圧を測定する。
（ｂ）燃料電池セルＣＬのアノード１３およびカソード１２に露点温度が所定温度であり、０．５Ｌ／ｍｉｎの窒素を１０分間流す。
（ｃ）電解質膜１１の膜抵抗値を検出する。
（ｄ）燃料電池セルを−２０℃の雰囲気下に１時間配置する。
（ｅ）燃料電池セルを８０℃の雰囲気下に１時間配置する。
（ｆ）上記（ｃ）、（ｄ）工程を２００回繰り返す。
（ｇ）燃料電池セルＣＬに、燃料ガスとして高純度水素を、酸化ガスとして空気を、それぞれ大過剰量流し、燃料電池セル温度を８０℃とし、発電させ、電流密度を０．８Ａ／ｃｍ2としてセル電圧を測定する。
（ｈ）（ａ）工程で測定したセル電圧に対して、（ｆ）工程で測定したセル電圧がどのくらい低下したかを示すセル電圧低下量を検出する。
（ｉ）（ｂ）工程で流す窒素の露点温度を変更して、（ｂ）〜（ｈ）工程を繰り返す。
【００５９】
図６に示すように、冷熱サイクル試験において、膜抵抗値が低い程、言い換えれば、燃料電池セルＣＬ内に残水量が多いほど、セル電圧低下量が大きくなっている。このことは、燃料電池セルＣＬ内の残水量が多いほど、電極層で破壊が生じていると考えることができる。カソード１２の触媒層１２ａにおいて、撥水性が低く形成されている、ガス拡散層１２ｂのＱ領域に対応するＱＱ領域では、残水が貯まり易く、その残水が零下時に凍ることにより、特に劣化が促進されると考えられる。以下では、カソード１２におけるＱＱ領域を、劣化部とも呼ぶ。一方、ＯＯ領域とＰＰ領域では、残水量が少なく劣化が生じにくい。
【００６０】
Ａ４．燃料電池１００のメンテナンス方法：
図７は、本実施例における燃料電池１００のメンテナンス方法のフローチャートである。この燃料電池１００のメンテナンス方法は、主に、燃料電池１００におけるカソード１２（劣化部）のメンテナンスを行う方法である。このメンテナンス方法では、まず、メンテナンス時期が来たか否かを判断する（ステップＳ１０）。具体的には、燃料電池１００に交流インピーダンス装置（図示せず）を接続し、定期的に交流インピーダンスをモニタリングし、交流インピーダンスに基づく電極層（特に、カソード１２）の抵抗値が所定値より高くなった場合に、電極層（劣化部）の劣化が激しくメンテナンス時期が来たと判断し、電極層（特に、カソード１２）の抵抗が所定値以下の場合には、電極層（劣化部）の劣化がそれ程でなくメンテナンス時期はまだ来てないと判断する。
【００６１】
次に、燃料電池システム１０００から燃料電池１００を取り出す（ステップＳ２０）。具体的には、燃料電池システム１０００において、燃料電池１００に接続される部材、例えば、空気供給流路２３４、空気排出流路２３６、水素供給流路２０４、および、水素排出流路２０６等の配管類を取り外し、燃料電池１００だけを取り出す。
【００６２】
続いて、燃料電池１００において、各燃料電池セルＣＬの触媒層１２ａのＱＱ領域に、空気排出マニホールドＡＯ（孔部５４）を介してＤＭＳＯ水溶液を導入する（ステップＳ３０）。このステップの処理について、以下に具体的に説明する。
【００６３】
図８は、ＤＭＳＯ水溶液の導入時における燃料電池１００と補機部材の配置関係図である。具体的には、図８は、燃料電池１００の空気排出マニホールドＡＯと、ＤＭＳＯ貯留容器５００とをＤＭＳＯ供給流路５０５を介して接続した状態を示す図である。各燃料電池セルＣＬの触媒層１２ａにＤＭＳＯ水溶液を導入する際には、図８に示すように、空気排出マニホールドＡＯと、ＤＭＳＯ（ジメチルスルホキシド）水溶液が貯留されているＤＭＳＯ貯留容器５００とを、ＤＭＳＯ供給流路５０５を介して接続する。そして、ＤＭＳＯ供給流路５０５上に配置されるＤＭＳＯ供給ポンプ５１０を駆動させて、ＤＭＳＯ貯留容器５００内のＤＭＳＯ水溶液を空気排出マニホールドＡＯ（孔部５４）を介して、各燃料電池セルＣＬの触媒層１２ａにおけるＱＱ領域に導入する。この場合、ＤＭＳＯ供給ポンプ５１０において、回転数は、各燃料電池セルＣＬにおけるＱＱ領域に、ＤＭＳＯ水溶液が分配できる程度に調整される。
【００６４】
触媒層１２ａのＱＱ領域に導入されたＤＭＳＯ水溶液は、ＱＱ領域に存在する電解質を溶解する。
【００６５】
次に、燃料電池１００の積層方向（電極層の厚さ方向）に、荷重付加装置（図示せず）を用いて、所定荷重を付加する（ステップＳ４０）。このようにすれば、各触媒層１２ａのＱＱ領域において、ＤＭＳＯ水溶液に溶解した電解質を、ＱＱ領域に略均等に配分することができる。なお、荷重は、例えば、０．６ＭＰａ程度を付加する。
【００６６】
続いて、燃料電池１００を、真空乾燥装置（図示せず）に配置し、真空乾燥する（ステップＳ５０）。このようにすれば、各触媒層１２ａのＱＱ領域に導入したＤＭＳＯ水溶液を除去することができる。
【００６７】
以上のように、本実施例の燃料電池１００では、各カソード１２の触媒層１２ａにおいて、劣化し易いＱＱ領域を有している。このようにすれば、カソード１２（触媒層１２ａ）において、劣化箇所を一領域（ＱＱ領域）に集約することができる。従って、その劣化箇所が、カソード１２において分散することを抑制することができ、劣化箇所の修復を容易に行うことができる。その結果、燃料電池１００の電池性能の低下を抑制することができる。
【００６８】
本実施例の燃料電池１００では、各カソード１２（触媒層１２ａ）において、劣化し易いＱＱ領域が、空気排出マニホールドＡＯ（孔部５４）の近傍に配置されている。このようにすれば、メンテナンス方法において、ＤＭＳＯ溶液を各カソード１２（触媒層１２ａ）のＱＱ領域に容易に導入することができる。
【００６９】
本実施例の燃料電池１００では、各カソード１２（ガス拡散層１２ｂ）において、空気排出マニホールドＡＯ（孔部５４）に近づくにつれ、言い換えれば、Ｑ領域に近づくにつれ、撥水性を低くするような撥水性分布を形成するようにしている。このようにすれば、Ｑ領域において、他の領域（Ｏ領域またはＰ領域）よりも残水を生じやすくして、Ｑ領域に対応する触媒層１２ａのＱＱ領域の劣化を促進させることができる。その結果、カソード１２（触媒層１２ａ）において、劣化箇所を一領域（ＱＱ領域）に集約することができると共に、ＱＱ領域以外の領域で、劣化が生じることを抑制することができる。
【００７０】
本実施例の燃料電池１００のメンテナンス方法では、各カソード１２（触媒層１２ａ）のＱＱ領域にＤＭＳＯ水溶液を導入し、燃料電池１００に荷重を付加すると共に、真空乾燥処理を行うようにしている。このようにすれば、各カソード１２（触媒層１２ａ）のＱＱ領域において、電解質を略均等に配分させることができ、すなわち、ＱＱ領域における劣化箇所に電解質を再配置させることができる。また、ＱＱ領域において、劣化箇所の白金担持カーボン間、および、白金担持カーボンと電解質間の連結を強めることができる。その結果、ＱＱ領域における劣化箇所を再生させることができる。
【００７１】
本実施例において、触媒層１２ａのＱＱ領域は、特許請求の範囲における劣化部に該当し、触媒層１２ａのＯＯ領域は、特許請求の範囲における非劣化部に該当し、孔部５４は、特許請求の範囲における導入口または連通口に該当し、空気排出マニホールドＡＯは、特許請求の範囲における再生溶液導入部、連通部、または、排出マニホールドに該当し、ＤＭＳＯ水溶液は、特許請求の範囲における再生溶液に該当する。
【００７２】
Ｂ．変形例：
なお、上記各実施例における構成要素の中の、独立クレームでクレーム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、例えば以下のような変形も可能である。
【００７３】
Ｂ１．変形例１：
上記実施例において、燃料電池１００のメンテナンス処理では、カソード１２（触媒層１２ａ）の再生を行うようにしているが、本発明は、これに限られるものではない。例えば、アノード１３（触媒層１３ａ）の再生を行うようにしてもよい。この場合、燃料電池１００において、アノード１３のガス拡散層１３ｂをガス拡散層１２ｂと同様の構成とすると共に、水素排出マニホールドＨＯに近い領域（以下では、水素排出マニホールド近傍領域とも呼ぶ）に対し熱水含浸処理を行って撥水性を低くし、水素供給マニホールドＨＩに近い領域に対し熱水含浸処理を行わずに撥水性を高くすることにより、触媒層１３ａの面方向に撥水性分布を形成し、水素排出マニホールド近傍領域の劣化を促進させるようにする。このようにすれば、アノード１３（触媒層１３ａ）において、劣化箇所を一領域に集約することができる。従って、その劣化箇所が、アノード１３において分散することを抑制することができ、劣化箇所の修復を容易に行うことができる。その結果、燃料電池１００の電池性能の低下を抑制することができる。また、後述するメンテナンス方法において、ＤＭＳＯ溶液を、水素排出マニホールドＨＯを介して、各アノード１３（触媒層１３ａ）の劣化箇所に、容易に導入することができる。
【００７４】
また、この場合、燃料電池１００のメンテナンス方法で、水素排出マニホールドＨＯと、ＤＭＳＯ水溶液が貯留されているＤＭＳＯ貯留容器５００とを、ＤＭＳＯ供給流路５０５を介して接続する。その後、ＤＭＳＯ供給ポンプ５１０を用いて、ＤＭＳＯ水溶液を、水素排出マニホールドＨＯ（孔部５６）を介して、各アノード１３（触媒層１３ａ）における水素排出マニホールド近傍領域に導入し、燃料電池１００に荷重を付加すると共に、真空乾燥処理を行う。このようにすれば、各アノード１３（触媒層１３ａ）の水素排出マニホールド近傍領域において、電解質を略均等に配分させることができ、すなわち、水素排出マニホールド近傍領域における劣化箇所に電解質を再配置させることができる。また、水素排出マニホールド近傍領域において、劣化箇所の白金担持カーボン間、および、白金担持カーボンと電解質間の連結を強めることができる。その結果、水素排出マニホールド近傍領域における劣化箇所を再生させることができる。
【００７５】
Ｂ２．変形例２：
上記実施例の燃料電池１００では、ガス拡散層１２ｂにおいて、空気排出マニホールドＡＯに近づくにつれて撥水性を低くするようにして、空気排出マニホールドＡＯに近いＱ領域に残水が生じ易いようにしているが、本発明は、これに限られるものではない。例えば、ガス拡散層１２ｂのＱ領域において、空隙率を他の領域（Ｏ領域またはＰ領域）よりも高くして、残水が生じ易いようにしてもよい。また、ガス拡散層１２ｂにおいて、Ｑ領域のカーボンクロスの撥水性を低くし、Ｐ領域およびＯ領域のカーボンクロスの撥水性を高くするようにして、Ｑ領域に残水が生じ易いようにしてもよい。このようにしても上記実施例の効果を奏することができる。
【００７６】
Ｂ３．変形例３：
上記実施例の燃料電池１００では、ガス拡散層１２ｂにおいて、熱水含浸処理により、Ｏ領域、Ｐ領域、および、Ｑ領域の３つの領域において、撥水性を変化させるようにしているが、本発明は、これに限られるものではない。例えば、ガス拡散層１２ｂに対して、熱水含浸処理を連続的に行うことにより、ガス拡散層１２ｂにおいて、空気排出マニホールドＡＯに近くなるにつれて、撥水性が低くなる要に形成してもよい。このようにすれば、ガス拡散層１２ｂにおいて、面方向において、水の移動を生じやすくすることができる。
【００７７】
Ｂ４．変形例４：
上記実施例の燃料電池１００では、ガス拡散層１２ｂにおいて、撥水性の分布を設け、触媒層１２ａのＱＱ領域に残水を生じやすくしているが、本発明は、これに限られるものではない。例えば、触媒層１２ａにおいて、白金を担持するカーボンの撥水性を変化させ、ＯＯ領域、ＰＰ領域、ＱＱ領域の順に、撥水性を低くし、ＱＱ領域に残水を生じやすくするようにしてもよい。また、触媒層１２ａにおいて、ＯＯ領域、ＰＰ領域、ＱＱ領域の順に、空隙率を高くすることで、ＱＱ領域に残水を生じやすくするようにしてもよい。このようにすれば、触媒層１２ａのＱＱ領域の劣化を促進させることができる。その結果、カソード１２（触媒層１２ａ）において、劣化箇所を一領域（ＱＱ領域）に集約することができる。
【００７８】
Ｂ５．変形例５：
上記実施例の燃料電池１００のメンテナンス方法において、定期的に交流インピーダンスをモニタリングし、交流インピーダンスに応じた電極層（特に、カソード１２）の抵抗値に基づいて、メンテナンス時期が来たか否かを判断するようにしているが、本発明は、これに限られるものではない。例えば、燃料電池セルＣＬに板状の感圧センサを取り付け、積層方向（電極層の厚さ方向）の荷重変化を測定し、その測定値に基づいて、メンテナンス時期が来たか否かを判断するようにしてもよい。また、燃料電池セルＣＬ内部が低加湿状態である場合において、燃料電池セルＣＬのセル電圧を測定し、そのセル電圧に基づいて、メンテナンス時期が来たか否かを判断するようにしてもよい。さらに、燃料電池セルＣＬ内部が低加湿状態である場合において、ＣＶ（サイクリックボルタムメトリ）測定を行い、白金表面積から間接的に、プロトン抵抗値を予測して、そのプロトン抵抗値に基づいて、メンテナンス時期が来たか否かを判断するようにしてもよい。このようにしても上記実施例と同様の効果を奏することができる。
【００７９】
Ｂ６．変形例６：
上記実施例の燃料電池１００のメンテナンス方法において、触媒層１２ａのＱＱ領域を再生するための溶液として、ＤＭＳＯ水溶液を用いるようにしているが、本発明は、これに限られるものではない。触媒層１２ａを再生可能な溶液であればよく、例えば、触媒層１２ａの電解質を溶解するような所定の有機溶媒を用いることができる。
【００８０】
Ｂ７．変形例７：
上記実施例では、燃料電池１００として、固体高分子型燃料電池を用いているが、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を用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】本発明の一実施例に係る燃料電池システム１０００の概略構成図を示す説明図である。
【図２】燃料電池１００における燃料電池セルＣＬの概略構成を表わす分解斜視図である。
【図３】燃料電池セルＣＬの断面の様子を示す断面模式図である。
【図４】上記実施例のガス拡散層１２ｂの正面図を示している。
【図５】上記実施例の触媒層１２ａの正面図を示している。
【図６】燃料電池１００の燃料電池セルＣＬを用いた冷熱サイクル試験の実験結果を示すグラフである。
【図７】上記実施例における燃料電池１００のメンテナンス方法のフローチャートである。
【図８】ＤＭＳＯ水溶液の導入時における燃料電池１００と補機部材の配置関係図である。
【符号の説明】
【００８２】
５…ＭＥＡ
６…セパレータ
６ａ…凸部
６ｂ…凹部
７…セパレータ
７ａ…凸部
７ｂ…凹部
１１…電解質膜
１２…カソード
１２ａ…触媒層
１２ｂ…ガス拡散層
１３…アノード
１３ａ…触媒層
１３ｂ…ガス拡散層
２０…空気給排流路
３０…水素給排流路
５３〜５６…孔部
１００…燃料電池
２００…水素遮断弁
２０４…水素供給流路
２０６…水素排出流路
２１０…水素タンク
２２０…レギュレータ弁
２３０…ブロワ
２３４…空気供給流路
２３６…空気排出流路
４００…制御回路
５００…ＤＭＳＯ貯留容器
５０５…ＤＭＳＯ供給流路
５１０…ＤＭＳＯ供給ポンプ
１０００…燃料電池システム
ＡＩ…空気供給マニホールド
ＨＩ…水素供給マニホールド
ＣＬ…燃料電池セル
ＴＭ…ターミナル
ＡＯ…空気排出マニホールド
ＨＯ…水素排出マニホールド
ＥＰ…エンドプレート
ＩＳ…インシュレータ
ＴＳ…テンションプレート
【図１】
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【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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【図７】
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【図８】
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