(57)【要約】  スタックのポートの少なくとも１つに酸化性酸性溶液を導入することにより、解体したり、燃焼させたり、電解したりすることなく、燃料電池スタックから白金金属を回収するための方法および装置を提供する。本方法は、酸化性酸性溶液から白金塩を沈澱させる後続工程をさらに含みうる。
2008527628.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
白金含有触媒を含み、かつ該白金含有触媒への接近を可能にする１つ以上のポートを含む燃料電池スタックから白金金属を回収する方法であって、該ポートの少なくとも１つに酸化性酸性溶液を導入する工程を含み、該白金含有触媒の電解を含まない、方法。
【請求項２】
前記スタックから酸化性酸性溶液を回収する後続工程と、回収された酸化性酸性溶液から白金塩を沈澱させる後続工程と、をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記白金塩を焼成する後続工程をさらに含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記酸化性酸性溶液が少なくとも１種の酸と少なくとも１種の酸化剤とを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記酸化性酸性溶液が少なくとも１種の酸と少なくとも１種の過酸化物とを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記酸化性酸性溶液が少なくとも１種の酸と過酸化水素とを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記酸化性酸性溶液が塩酸と過酸化水素とを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記酸化性酸性溶液が王水である、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記酸化性酸性溶液が少なくとも１種の酸と少なくとも１種の酸化剤とを含む、請求項３に記載の方法。
【請求項１０】
前記酸化性酸性溶液が少なくとも１種の酸と少なくとも１種の過酸化物とを含む、請求項３に記載の方法。
【請求項１１】
前記酸化性酸性溶液が少なくとも１種の酸と過酸化水素とを含む、請求項３に記載の方法。
【請求項１２】
前記酸化性酸性溶液が塩酸と過酸化水素とを含む、請求項３に記載の方法。
【請求項１３】
前記酸化性酸性溶液が王水である、請求項３に記載の方法。
【請求項１４】
前記酸化性酸性溶液を電気メッキ溶液として使用する後続工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
燃料電池触媒を製造するために、焼成された前記白金塩を使用する後続工程をさらに含む、請求項３に記載の方法。
【請求項１６】
燃料電池触媒を製造するために、前記電気メッキ溶液を使用する後続工程をさらに含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
前記ポートの少なくとも１つから前記酸化性酸性溶液を取り出す工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１８】
白金含有触媒を含み、かつ該白金含有触媒への接近を可能にする１つ以上のポートを含む燃料電池スタックから白金金属を回収するための装置であって、酸化性酸性溶液を第１のポートに導入しうるように、該第１のポートに取り付けるように構成された第１のコネクターと、該第１のコネクターに機能的に接続された酸化性酸性溶液用の第１のリザーバーと、を含む装置。
【請求項１９】
ポンプにより前記第１のリザーバーから前記第１のコネクターに酸化性酸性溶液を移動しうるように、前記第１のリザーバーと前記第１のコネクターとに機能的に接続された該ポンプをさらに含む、請求項１８に記載の装置。
【請求項２０】
第２のポートに取り付けるように構成された第２のコネクターをさらに含み、該第２のポートから前記第１のリザーバー中に前記酸化性酸性溶液を取り出しうるように、該第２のコネクターが前記リザーバーに機能的に接続される、請求項１８に記載の装置。
【請求項２１】
第２のポートに取り付けるように構成された第２のコネクターをさらに含み、該第２のポートから第２のリザーバー中に前記酸化性酸性溶液を取り出しうるように、該第２のコネクターが該第２のリザーバーに機能的に接続される、請求項１８に記載の装置。
【請求項２２】
酸化性酸性溶液の圧力を制御するための機器をさらに含む、請求項１８に記載の装置。
【請求項２３】
酸化性酸性溶液の温度を制御するための機器をさらに含む、請求項１８に記載の装置。
【請求項２４】
発生したガスを安全に排気するための機器をさらに含む、請求項１８に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＤＯＥにより認定された協力協定ＤＥ−ＦＣ３６−０２ＡＬ６７６２１の下で政府の支援を受けて行われた。政府は、本発明に関する一定の権利を有する。
【０００２】
本発明は、燃料電池機器で触媒として使用される白金の回収に関する。
【背景技術】
【０００３】
米国特許第５，８７９，８２７号明細書には、針状ナノスコピック触媒粒子を保有する針状マイクロ構造化担体ウィスカーを含んでなるナノ構造化要素が開示されている。触媒粒子は、組成、合金度、または結晶化度の異なりうるさまざまな触媒材料の交互層を含みうる。
【０００４】
米国特許出願公開第２００２／０００４４５３Ａ１号明細書には、白金含有層と第２の金属の亜酸化物を含有する層とを交互に含む燃料電池電極触媒が開示されている。この触媒は、ＣＯ酸化の早期開始を呈する。
【０００５】
米国特許第５，３３８，４３０号明細書、同第５，８７９，８２８号明細書、同第６，０４０，０７７号明細書、および同第６，３１９，２９３号明細書もまた、ナノ構造化薄膜触媒に関する。
【０００６】
米国特許第４，８１２，３５２号明細書、同第５，０３９，５６１号明細書、同第５，１７６，７８６号明細書、および同第５，３３６，５５８号明細書は、マイクロ構造体に関する。
【０００７】
米国特許出願第１０／６７４，５９４号明細書には、マイクロ構造担体上に白金の層と第２の層とを交互に堆積することにより形成されたナノ構造体を含んでなる燃料電池カソード触媒が開示されている。この触媒は、三成分触媒を形成しうる。
【０００８】
特開昭６０−１８４６４７号公報（英語抄録）には、その意図するところによれば、電極に供給された電解液中に貴金属を浸出させる電解または電解酸化の工程を含む特定の方法により燃料電池からある量の貴金属を回収することが記載されている。この電解液は、貴金属と錯イオンを形成して貴金属を可溶性にするイオンまたはリガンドを含有する。
【０００９】
欧州特許出願公開第１０６５７４２Ａ２号明細書には、その意図するところによれば、燃料電池から電解質膜を回収する特定の方法が記載されている。この方法は、燃料電池スタックから膜電極集合体を取り出す工程と、それをメタノール中に浸漬して電解質膜から電極を取り出す工程と、を含みうる。
【００１０】
米国特許第４，７７５，４５２号明細書には、その意図するところによれば、電解セル中で行われる特定の電解過程により微粒子形態の触媒からある量の貴金属を回収することが記載されている。
【００１１】
米国特許第５，１３３，８４３号明細書には、その意図するところによれば、電気化学電池の膜上またはその中に特定の形態で見いだされるある量の金属を回収する特定の方法が記載されている。この方法は、王水のような無機酸で処理する工程を含みうる。
【００１２】
燃料電池部分から白金を回収する標準的な一方法は、この部分を燃焼させて得られた灰から白金を回収することにより行われる。燃料電池スタックのようなより大きい部分は、燃焼前には細断されうるかまたは細断の必要がありうる。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１３】
簡潔に述べると、本発明は、白金含有触媒を含みかつ白金含有触媒への接近を可能にする１つ以上のポートを含む燃料電池スタックから白金金属を回収する方法を提供する。本方法は、ポートの少なくとも１つに酸化性酸性溶液を導入する工程を含む。本方法は、ポートの少なくとも１つから酸化性酸性溶液を取り出す工程をさらに含みうる。本方法は、酸化性酸性溶液から白金塩を沈澱させる後続工程をさらに含みうる。本方法は、白金塩を焼成する後続工程をさらに含みうる。酸化性酸性溶液は、典型的には、少なくとも１種の酸と、過酸化水素のような過酸化物でありうる少なくとも１種の酸化剤と、を含む。酸化性酸性溶液は、典型的には、塩酸のような少なくとも１種の強酸を含む。酸化性酸性溶液は、王水でありうる。本発明に係る方法の一実施形態は、電気メッキ溶液として酸化性酸性溶液を使用する後続工程をさらに含む。本発明に係る方法の一実施形態は、焼成された白金塩を使用して燃料電池触媒を作製する後続工程をさらに含む。
【００１４】
他の態様において、本発明は、白金含有触媒を含みかつ白金含有触媒への接近を可能にする１つ以上のポートを含む燃料電池スタックから白金金属を回収するための装置を提供する。本装置は、酸化性酸性溶液を第１のポートに導入しうるように、第１のポートに取り付けるように構成された第１のコネクターと、第１のコネクターに機能的に接続された酸化性酸性溶液用の第１のリザーバーと、を含む。装置は、ポンプにより酸化性酸性溶液を第１のリザーバーから第１のコネクターに移動しうるように、第１のリザーバーと第１のコネクターとに機能的に接続されたポンプをさらに含みうる。本装置は、第２のポートに取り付けるように構成された第２のコネクターをさらに含みうる。第２のコネクターは、酸化性酸性溶液を第２のポートから第１のリザーバー中に取り出しうるように、リザーバーに機能的に接続される。他の選択肢として、第２のコネクターは、酸化性酸性溶液を第２のポートから第２のリザーバー中に取り出しうるように、第２のリザーバーに機能的に接続される。
【００１５】
当技術分野で報告されておらず本発明により提供されるのは、解体することなく燃料電池スタックから白金を除去するための迅速かつ効率的な方法および装置である。
【００１６】
本出願では、
「膜電極集合体」とは、電解質、典型的にはポリマー電解質を含む膜と、膜に隣接する少なくとも１つ、ただしより典型的には２つ以上の電極と、を含む構造体を意味し、
「ナノ構造化要素」とは、表面の少なくとも一部分上に触媒材料を含む針状個別微細構造体を意味し、
「ナノスコピック触媒粒子」とは、約１５ｎｍ以下の少なくとも１つの寸法を有するかまたは標準的２θＸ線回折走査の回折ピーク半値幅から測定される約１５ｎｍ以下の結晶子サイズを有する触媒材料の粒子を意味し、
「針状」とは、長さと平均断面幅との比が３以上であることを意味し、
「個別」とは、異なるアイデンティティーを有する識別可能な要素を意味するが、互いに接触した状態にある要素を除外するものではなく、そして
「微細」とは、約１マイクロメートル以下の少なくとも１つの寸法を有することを意味する。
【００１７】
解体したり燃焼させたりすることなく燃料電池スタックから白金を取り出すための即時的、効率的、かつ選択的な方法および装置を提供することは、本発明の利点である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明は、触媒で被覆された膜を酸化性酸性溶液に暴露することを含むプロセスにより、触媒で被覆された膜（ナノ構造化要素を含む）から白金金属を回収する方法を提供する。
【００１９】
燃料電池触媒は、典型的には、有意量の白金を含有する。触媒は、典型的には、燃料電池の膜電極集合体（ＭＥＡ）中に見いだされる。ＭＥＡは、水素燃料電池のようなプロトン交換膜燃料電池の中心要素である。燃料電池とは、水素のような燃料と酸素のような酸化剤との触媒された組合せにより使用可能な電気を生成する電気化学電池のことである。典型的なＭＥＡは、固体電解質として機能するポリマー電解質膜（ＰＥＭ）（イオン伝導性膜（ＩＣＭ）としても知られる）を含む。ＰＥＭの一方の面は、アノード電極層に接触し、反対側の面は、カソード電極層に接触する。各電極層は、典型的には白金金属を含む電気化学的触媒を含んでなる。典型的な使用時、水素酸化を介してアノードでプロトンが形成され、それがＰＥＭを横切ってカソードに輸送されて酸素と反応することにより、電極を接続する外部回路に電流が流れる。ＰＥＭは、反応性ガス間で耐久性非ポーラス性電気非伝導性機械的バリヤーを形成するが、それはまた、Ｈ＋イオンを容易に通過する。ガス拡散層（ＧＤＬ）は、アノードおよびカソードの電極材料へのガス輸送および電極材料からのガス輸送を促進し、電流を伝導する。ＧＤＬは、ポーラス性および電気伝導性の両性質を備え、典型的には炭素繊維から構成される。ＧＤＬはまた、流体輸送層（ＦＴＬ）またはディフューザー／電流コレクター（ＤＣＣ）と呼ばれることもある。いくつかの実施形態では、アノード電極層およびカソード電極層をＧＤＬに適用し、こうして得られる触媒で被覆されたＧＤＬをＰＥＭと共にサンドイッチ状にして五層ＭＥＡを形成する。五層ＭＥＡの５つの層は、次の順次：アノードＧＤＬ、アノード電極層、ＰＥＭ、カソード電極層、およびカソードＧＤＬである。他の実施形態では、アノード電極層およびカソード電極をＰＥＭの両側に適用し、こうして得られる触媒で被覆された膜（ＣＣＭ）をＧＤＬ間に挟み込んで五層ＭＥＡを形成する。
【００２０】
種々の実施形態では、水素、改質油、メタノールなどをはじめとする種々の燃料で動作するように設計された燃料電池の燃料電池部分を用いて、本発明を実施することが可能である。
【００２１】
ＰＥＭは、典型的には、ポリマー電解質で構成される。ポリマー電解質は、典型的には、共通の主鎖に結合されたアニオン性官能基を保有し、アニオン性官能基は、典型的にはスルホン酸基であるが、カルボン酸基、イミド基、アミド基、または他の酸性官能基をも含みうる。ポリマー電解質は、典型的には高フッ素化型、最も典型的には過フッ素化型であるが、部分フッ素化型または非フッ素化型であってもよい。ポリマー電解質は、典型的には、テトラフルオロエチレンと１種以上のフッ素化酸官能性コモノマーとのコポリマーである。典型的なポリマー電解質としては、ナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ）（登録商標）（デラウェア州ウィルミントンのデュポン・ケミカル（ＤｕＰｏｎｔ  Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ，Ｗｉｌｍｉｎｇｔｏｎ  ＤＥ））およびフレミオン（Ｆｌｅｍｉｏｎ）（登録商標）（日本国東京の旭硝子株式会社（Ａｓａｈｉ  Ｇｌａｓｓ  Ｃｏ．Ｌｔｄ．，Ｔｏｋｙｏ，Ｊａｐａｎ））が挙げられる。ポリマー電解質は、米国特許出願第１０／３２２，２５４号明細書、同第１０／３２２，２２６号明細書、および同第１０／３２５，２７８号明細書に記載されている、テトラフルオロエチレン（ＴＦＥ）とＦＳＯ２−ＣＦ２ＣＦ２ＣＦ２ＣＦ２−Ｏ−ＣＦ＝ＣＦ２とのコポリマーでありうる。ポリマーは、典型的には１２００以下、より典型的には１１００以下、より典型的には１０００以下の当量（ＥＷ）を有する。フッ素化膜のほかに、膜は、芳香族ポリマーをはじめとする炭化水素ポリマーを含みうる。有用な炭化水素ポリマーの例としては、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン、スルホン化ポリスルホン、およびスルホン化ポリスチレンが挙げられる。
【００２２】
典型的な燃料電池では、触媒金属微粉を含む形態の触媒、従来の炭素担持触媒、およびナノ構造化要素やナノ構造化触媒粒子を含むナノ構造化薄膜触媒が使用される。
【００２３】
典型的な従来の炭素担持触媒粒子は、重量基準で５０〜９０％の炭素および１０〜５０％の触媒金属であり、触媒金属は、典型的には、カソード用としてＰｔを、アノード用として２：１の重量比でＰｔおよびＲｕを含む。典型的には、触媒は、触媒インクの形態でＰＥＭまたはＦＴＬに適用される。他の選択肢として、触媒インクは、転写基材に適用され、乾燥され、その後、デカールとしてＰＥＭまたはＦＴＬに適用される。触媒インクは、典型的には、ＰＥＭを構成するのと同一のポリマー電解質材料であってもなくてもよいポリマー電解質材料を含む。触媒インクは、典型的には、ポリマー電解質の分散体中に触媒粒子を分散して含む。インクは、典型的には５〜３０％の固体分（すなわちポリマーおよび触媒）、より典型的には１０〜２０％の固体分を含有する。電解質分散体は、典型的には、アルコールおよびポリアルコール、たとえば、グリセリンおよびエチレングリコールをさらに含有していてもよい水性分散体である。インクのレオロジー特性を変化させるために、水、アルコール、およびポリアルコールの含有量を調整することが可能である。インクは、典型的には、０〜５０％のアルコールおよび０〜２０％のポリアルコールを含有する。さらに、インクは、０〜２％の好適な分散剤を含有しうる。インクは、典型的には、加熱しながら攪拌した後で被覆可能な粘稠度に希釈することにより作製される。
【００２４】
ナノ構造化要素やナノ構造化触媒粒子を含むナノ構造化薄膜触媒については、米国特許第５，３３８，４３０号明細書、同第５，８７９，８２７号明細書、同第５，８７９，８２８号明細書、同第６，０４０，０７７号明細書、および、同第６，３１９，２９３号明細書、米国特許出願第１０／６７４，５９４号明細書、ならびに米国特許出願公開第２００２／０００４４５３Ａ１号明細書に記載されている。
【００２５】
使用時、燃料電池ＭＥＡは、セパレータープレートとして知られる、バイポーラープレート（ＢＰＰ）またはモノポーラープレートとしても知られる２枚の剛性プレートに挟まれる。ＧＤＬのように、セパレータープレートは、電気伝導性でなければならない。セパレータープレートは、典型的には、炭素複合材料、金属材料、またはメッキされた金属材料で作製される。セパレータープレートは、典型的には、エングレービング、ミリング、モールディング、またはスタンピングによりＭＥＡに対向する表面内に設けられた１つ以上の流体伝導性チャネルを介して、反応物流体または生成物流体をＭＥＡ電極表面からまたはＭＥＡ電極表面に分配する。これらのチャネルは、ときには流動領域と称される。セパレータープレートは、一方の面が第１のＭＥＡのアノードの方向に燃料を方向付け、他方の面が次のＭＥＡのカソードの方向に酸化剤を方向付ける（および生成水を除去する）ようにスタック中の２つの連続したＭＥＡにまたはＭＥＡから流体を分配することが可能であるので、「バイポーラープレート」という用語が用いられる。他の選択肢として、セパレータープレートは、一方の側にのみチャネルを有して、その一方の側でのみＭＥＡにまたはＭＥＡから流体を分配することが可能であり、これは、「モノポーラープレート」と称されることもある。当技術分野で使用されるバイポーラープレートという用語は、典型的には、モノポーラープレートを包含する。そのほか、バイポーラープレートまたはモノポーラープレートは、内部または外部の冷却チャネルを含みうる。
【００２６】
典型的な燃料電池スタックは、バイポーラープレートと交互にスタッキングされたいくつかのＭＥＡを含む。流体流路の完全性を保持するために、典型的には、シールおよびガスケットが提供される。このほか、流体流路の完全性を保持するために、全スタックは、典型的には、適切な機構により圧縮下で保持される。スタックは、典型的には、燃料、酸化剤（典型的には、酸素、空気、または酸素を含むガス混合物）、未使用燃料、未使用酸化剤、および生成水をスタックに送入したりスタックから送出したりすることが可能であるポートを含む。最も典型的には、スタックは、４つのポート：燃料入口ポート、燃料出口ポート、酸化剤入口ポート、および酸化剤出口ポートを含む。典型的には、所与の設計のスタックは、各ポートに取り付けるための指定のコネクターを必要とする。
【００２７】
本発明の一実施形態では、白金は、燃料電池ＣＣＭ中のナノ構造化要素から回収される。ＣＣＭは、ＭＥＡ中または燃料電池スタック中に組込み可能である。この方法では、ＣＣＭは、酸化性酸性溶液に暴露される。酸化性酸性溶液の状態および組成は、典型的には、ＣＣＭ中の大部分の白金が溶解されるように設定される。酸化性酸性溶液は、典型的には、少なくとも１種の酸と少なくとも１種の酸化剤とを含む。酸化剤は、過酸化水素、オゾンなどのような過酸化物、および硝酸、リン酸、硫酸などのような酸性酸化剤をはじめとする任意の好適な酸化剤でありうる。酸は、任意の好適な酸でありうるが、典型的にはＨＣｌなどのような強酸である。酸化性酸性溶液は、王水でありうる。酸化性酸性溶液は、ＨＣｌと過酸化水素との溶液でありうる。酸化性酸性溶液は、任意の好適な溶媒中の溶液でありうるが、典型的には、水を含む。酸化性酸性溶液は、ＧＤＬ中におよびＭＥＡまたは燃料電池スタックの流体流路全体にわたり溶液が浸透するのを支援しうる界面活性剤をさらに含みうる。酸化性酸性溶液は、溶液の状態を監視するための指示薬をさらに含みうる。指示薬としては、白金含有量、酸性度、および他の関連因子に対する指示薬が挙げられうる。酸化性酸性溶液は、キレート化剤をさらに含みうる。
【００２８】
典型的には、ＣＣＭを酸化性酸性溶液に暴露する工程は、１時間以下、より典型的には３０分間以下、より典型的には１０分間以下、より典型的には５分間以下の持続期間を有する。
【００２９】
本発明の一実施形態では、溶解された白金を含む酸化性酸性溶液は、白金の電気メッキに使用可能であるか、または白金は、電気メッキプロセスもしくは他の電気化学的プロセスにより溶液から取り出すことが可能である。
【００３０】
本発明の一実施形態では、溶解された白金を含む酸化性酸性溶液は、次に、酸化性酸性溶液から白金塩を沈澱させるように処理される。本発明の一実施形態では、白金と共に不溶性塩を形成する好適な対イオンを添加しうる。典型的には、選択される対イオンは、白金選択性である。他の選択肢として、沈殿前に、イオン交換、キレート化剤の使用、電気メッキ、他のイオンの沈殿のような方法および類似の方法により、白金イオンを他のイオンから分離することが可能である。
【００３１】
本発明の一実施形態では、沈澱した白金塩は、次に、典型的には５００℃以上、より典型的には７００℃以上、より典型的には９００℃以上の温度に加熱により焼成される。焼成の条件は、典型的には、比較的純粋な白金金属が典型的には「海綿」または「ケーキ」として得られるように設定される。回収された白金は、より多くの燃料電池触媒の製造をはじめとする任意の目的に使用可能である。
【００３２】
一実施形態では、ＣＣＭの残留物は、１つ以上の面に付着したＣ．Ｉ．ピグメントレッド１４９（ＰＲ−１４９ペリレンレッド）粒子と共にポリマー電解質膜を含み、本質的に残留白金金属を含まない。このＣＣＭは、ＭＥＡまたは燃料電池スタックの残留物を含みうる。処理されるＣＣＭがすでに燃料電池で使用されたものではなかった場合、すなわち、ＣＣＭ製造プロセスからの不合格材またはスクラップ材である場合、回収されたＰＥＭ材は、再使用可能であると予想される。膜として再被覆するためにＰＥＭを溶媒中に再溶解させて、濾過によりペリレンレッドウィスカーを除去することが可能である。
【００３３】
本発明の一実施形態では、白金は、スタックを解体することなく燃料電池スタックから回収される。スタック中に存在する白金は、従来の炭素担持触媒、ナノ構造化薄膜触媒、金属微粉などをはじめとする任意の好適な形態をとりうる。この方法では、上記に記載の酸化性酸性溶液は、スタックの１つ以上のポートを介してスタック中に導入される。典型的には、酸化性酸性溶液は、次に、スタックから回収される。いくつかの実施形態では、回収された溶液は、上記に述べたように処理される。この処理は、電気メッキプロセスもしくは電気化学的プロセスにおける溶液の使用、または回収された酸化性酸性溶液からの白金塩の沈殿、続いて、場合により白金塩の焼成を含みうる。典型的には、これらの工程は、スタックに電流を印加することなく行われる。
【００３４】
酸化性酸性溶液は、スタック中に導入するときに通過するポートと同一のまたは異なるポートを介してスタックから取り出すことが可能である。一実施形態では、酸化性酸性溶液は、燃料入口または燃料出口のうちの一方を介して導入され、他方を介して取り出される。一実施形態では、酸化性酸性溶液は、酸化剤入口または酸化剤出口のうちの一方を介して導入され、他方を介して取り出される。さらなる実施形態は、逐次的にまたはより典型的には同時に行われる上記の実施形態の両方を含む。
【００３５】
本発明の一実施形態では、燃料電池スタックから白金金属を回収するための装置が提供される。装置は、スタックのポートに取り付けるように構成された少なくとも１つのコネクターと、酸化性酸性溶液用の少なくとも１つのリザーバーと、を含む。リザーバーは、酸化性酸性溶液を第１のポート中に導入しうるようにコネクターに機能的に接続される。酸化性酸性溶液を第１のリザーバーから第１のコネクターに移動させるために、ポンプを提供しうる。そのほか、第２のポートに取り付けるべく、第２のコネクターを提供しうる。この場合、第２のコネクターは、接続されたリザーバー中に第２のポートから酸化性酸性溶液を取り出しうるように同一のまたは異なるリザーバーに機能的に接続される。一実施形態では、装置は、燃料入口、燃料出口、酸化剤入口、および酸化剤出口のそれぞれに接続するための４つのコネクターを含み、スタックの燃料流路および酸化剤流路の両方を介して酸化性酸性溶液を循環させることが可能である。この装置は、場合により、各通路に対してポンプを備えうる。この装置は、場合により、両通路に対して単一のポンプを備えうる。この装置は、場合により、１つ、２つ、３つ、もしくは４つのリザーバーを備えうる。この装置は、場合により、圧力ゲージおよびまたは制御機器を備えうる。この装置は、場合により、溶液の加熱、冷却、または温度調節を行うための機器を備えうる。この装置は、場合により、塩素ガスを含んでいる可能性のある発生ガスの安全な排気および／または処理を行うための機器を備えうる。この装置は、場合により、コンピュータ利用制御装置を備えうる。この装置は、場合により、所望の反応終点を決定するための装置、たとえばタイマー、Ｐｔイオンまたは他のイオンの濃度の検出器、上記に開示されるような任意の指示薬の検出器などを備えうる。
【００３６】
本発明は、燃料電池部分の再循環を行うのに有用である。
【００３７】
本発明の目的および利点について以下の実施例によりさらに説明するが、これらの実施例に記載の特定の材料およびその量ならびに他の条件および細目は、本発明を過度に限定するように解釈すべきものでない。
【実施例】
【００３８】
別段の記載がないかぎり、試薬はすべて、ウィスコンシン州ミルウォーキーのアルドリッチ・ケミカルＣｏ．（Ａｌｄｒｉｃｈ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｃｏ．，Ｍｉｌｗａｕｋｅｅ，ＷＩ）から入手したものもしくは入手可能なものまたは公知の方法により合成可能なものである。
【００３９】
触媒で被覆された膜（ＣＣＭ）
２つのタイプのＣＣＭのうちの１つを以下の実施例のそれぞれで使用した。
【００４０】
ナノ構造化ＣＣＭは、厚さ３０ミクロンのキャストされたナフィオン（ＮＡＦＩＯＮ）ＰＥＭと、アノード上に０．１５ｍｇ／ｃｍ２のＰｔおよびカソード上に０．１９ｍｇ／ｃｍ２のＰｔを有するナノ構造化薄膜触媒電極と、を備えたものであった。カソード触媒は、米国特許出願第１０／６７４，５９４号明細書に記載されるように０．１９ｍｇ／ｃｍ２のＰｔおよび０．０６７ｍｇ／ｃｍ２の８０：２０のＮｉ：Ｆｅ（約０．０５４ｍｇのＮｉ／ｃｍ２および０．０１３５ｍｇのＦｅ／ｃｍ２）を担持したＰｔＮｉＦｅ三成分触媒の形態をとるものであった。触媒コーティングは、米国特許第４，８１２，３５２号明細書、同第５，０３９，５６１号明細書、同第５，１７６，７８６号明細書、同第５，３３６，５５８号明細書、同第５，３３８，４３０号明細書、同第５，８７９，８２７号明細書、同第５，８７９，８２８号明細書、同第６，０４０，０７７号明細書、および同第６，３１９，２９３号明細書中に一般に教示されるように、Ｃ．Ｉ．ピグメントレッド１４９（ＰＲ−１４９ペリレンレッド）有機顔料（ロードアイランド州コベントリーのクラリアント（Ｃｌａｒｉａｎｔ，Ｃｏｖｅｎｔｒｙ，ＲＩ）から「１３−４０００ＰＶファストレッド１３（１３−４０００  ＰＶ  ＦＡＳＴ  ＲＥＤ  １３）」という商品名で入手可能）のウィスカーの薄膜上に担持される。被覆されたウィスカーは、乾式積層転写プロセスによりＰＥＭに適用される。
【００４１】
実施例１
３つの温度（３０℃、４０℃、および５０℃）で脱イオン水中の異なる濃度（２５％、５０％、および７５％の濃度）の王水（３ＨＣｌ＋ＨＮＯ３）にナノ構造化ＣＣＭの小さい試験ストリップを浸漬し、ＣＣＭからＰｔを取り出すのに必要な時間を記録した。ＰｔコーティングをＣ．Ｉ．ピグメントレッド１４９（ＰＲ−１４９ペリレンレッド）有機顔料ウィスカーから取り出した後でナノ構造化ＣＣＭが黒色から赤色に変化するので、終点は視覚的に容易に検出された。終点を完全な色変化であるとみなした。暴露時、サンプルを保持する試験管を軽く振盪した。結果を表Ｉおよび図１に示す。
【００４２】
【表１】
2008527628.tif 000003
【００４３】
結果から示唆されるように、濃度または温度のいずれかを増加させるとＰｔの取出しに必要な時間は減少する。１つの実験では、４０℃で７５％の王水を用いることにより、２分間程度の短い時間でナノ構造化ＣＣＭからＰｔが取り出された。しかしながら、高濃度の王水は塩素ガスを発生する傾向を有するので、約６０℃で５０％の王水／水の溶液を使用するほうが使いやすくもあり効果的でもあろう。
【００４４】
実施例２
この実施例では、６０℃で水中５０％の王水５００ｍｌを用いて、実施例１に記載のナノ構造化ＣＣＭ材料からＰｔを抽出した。次に、脱イオン水よりなる１リットルの洗浄液でＣＣＭを濯ぐ処理を逐次的に３回行った（洗浄液１、洗浄液２、および洗浄液３と記す）。誘導結合プラズマ発光分光測定（ＩＣＰ）を用いて種々の溶液のアリコート中の元素の濃度を決定した。酸性抽出剤溶液のＩＣＰから、２．１７ｇのＰｔ、０．０９ｇのＦｅ、および０．３７ｇのＮｉの全含有量であることが示された。それぞれのリンス浴についてもＩＣＰ分析を行った。各リンス液中のＰｔの量は、ＣＣＭから取り出された合計２．４５ｇのＰｔに対して０．２６３ｇのＰｔ（洗浄液１）、０．０１２ｇのＰｔ（洗浄液２）、および０．６ｍｇのＰｔ（洗浄液３）であった。酸性溶液中および洗浄溶液中における攪拌が原因で、王水溶液および３つの洗浄液のいずれにおいても、遊離したペリレンレッドウィスカーが認められた。白金を含有する王水溶液をガラスフィルターパッドに通して濾過し、遊離したペリレンレッドウィスカーを除去した。
【００４５】
煮沸することにより、濾液を１００ミリリットルの体積に減少させた。次に、塩化アンモニウムの５モル溶液９ミリリットル（１．５モル過剰）を添加することにより、クロロ白金酸を沈澱させた。反応は、以下のとおりである。
２ＮＨ４Ｃｌ  ＋  Ｈ２ＰｔＣｌ６  →  （ＮＨ４）２ＰｔＣｌ６↓  ＋  ２ＨＣｌ
【００４６】
クロロ白金酸アンモニウムの回収量は、４．１７２９ｇであった。残留する上澄み溶液は、ＩＣＰによる測定では、１．８ｍｇのＰｔ、５．３ｍｇのＦｅ、および２１ｍｇのＮｉを含有していた。したがって、沈殿工程により、クロロ白金酸中のＰｔの約９９．９％が回収された。
【００４７】
乾燥させたクロロ白金酸アンモニウム沈殿をマッフル炉中１０００℃で焼成してＰｔ海綿を得た。４．１７２９ｇの（ＮＨ４）２ＰｔＣｌ６からの白金海綿の理論回収量は、１．８３４８ｇである。白金海綿の実際の回収量は、１．８２００ｇであった。このことから、焼成プロセスの回収率は９７．７％であることが示される。これは、焼成プロセスで２．３％の白金が失われることを意味する。濃塩酸を用いて少量（０．０６５０７ｇ）のＰｔ海綿を溶解させ、過酸化水素で処理し、５０ｍｌに希釈し、そしてＩＣＰにより分析した。サンプルは、９９．２５％のＰｔ、０．５６％のＮｉ、および０．１９％のＦｅ、ならびに無視しうる量のＳｉ、Ｎａ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｋ、Ｚｎ、Ｍｇ、およびＺｒを含有することが判明した。このことから、Ｐｔを高純度で回収しうることが実証される。
【００４８】
Ｐｔの回収のほかに、触媒中に存在するＮｉやＦｅをはじめとする他の元素からＰｔが分離されることが実施例から実証される。ＣＣＭ上に含まれるＮｉおよびＦｅの初期量は、Ｎｉが０．３４３ｇおよびＦｅが０．０８５７ｇであった。わずか０．０２１ｇのＮｉおよび０．００５３ｇのＦｅが沈殿の濾液中に見いだされたにすぎないので、残分（９３．９％のＮｉおよび９３．８％のＦｅ）は、溶液中に残存した。多元素触媒からＰｔを容易に精製しうることがこのことから実証される。
【００４９】
実施例３
王水の代わりにＨ２Ｏ２と組み合わされたＨＣｌについて検討したところ、より低い温度でより短い時間でナノ構造化薄膜触媒電極からＰｔが回収され、しかもそれに加えてＰＲ１４９ウィスカー担体粒子が膜上に残存するという点で、より有効であることが判明した。
【００５０】
３つの温度（３０℃、３５℃、および４０℃）で脱イオン水中の異なる濃度（６０％、７０％、および８０％の酸濃度）のＨＣｌ／Ｈ２Ｏ２（１ｍｌの３０％Ｈ２Ｏ２に対して２．５ｍｌの濃ＨＣｌ）にナノ構造化ＣＣＭの小さい試験ストリップを浸漬し、ＣＣＭからＰｔを取り出すのに必要な時間を記録した。実施例１のときと同様に、ＰｔコーティングをＣ．Ｉ．ピグメントレッド１４９（ＰＲ−１４９ペリレンレッド）有機顔料ウィスカーから取り出した後でナノ構造化ＣＣＭが黒色から赤色に変化するので、終点は視覚的に容易に検出された。終点を完全な色変化であるとみなした。暴露時、サンプルを保持する試験管を軽く振盪した。結果を表ＩＩおよび図２に示す。
【００５１】
【表２】
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【００５２】
濃度または温度のいずれかを増加させることによりかつ王水の代わりにＨＣｌ／過酸化物を用いることによりＰｔの取出しに必要な時間を減少させうることが結果から示唆される。約２０℃でまたは周囲温度で８５％ＨＣｌ／過酸化物溶液を使用すれば、使いやすくもあり効果的でもあろう。これは、加熱するために追加のエネルギーを必要とすることはないであろう。実際上、反応は、わずかに発熱的であるので、自己加熱を伴う。
【００５３】
実施例４
８５％の濃ＨＣｌと１５％の水（ｖ／ｖ）とよりなる溶液２５０ｍｌに４０ｍｌのＨ２Ｏ２を添加することにより調製された酸化性酸性溶液で、１．８３６ｇの公称Ｐｔ含有量を有する合計５４００ｃｍ２の面積のナノ構造化ＣＣＭの部片を処理した。ＣＣＭ中のＰｔの全含有量は、公称１．３ｇであった。ＣＣＭをストリップの形態に切断し、周囲温度で回収試薬中に配置し、そして塩素臭を有する気体を頻繁に排気しながら数分間振盪した。反応は、いくらか発熱的であることが認められた。ＣＣＭストリップは黒色から赤色（膜上に残存するペリレンレッド顔料ウィスカーに由来する）に、酸化性酸性溶液は透明から暗赤褐色に色が変化することが、観測により確認された。
【００５４】
得られた帯褐色液体を反応槽から排出し、ＰＲ１４９ウィスカーで被覆されたナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ）のストリップを５回にわたり脱イオン水を用いる５０ｍｌ洗浄機にかけた。酸化性酸性試薬または後続の洗浄液のいずれかで、ごくわずかの遊離したＰＲ１４９ウィスカーが認められた。試薬および洗浄液を組み合わせて開放ビーカー中で加熱することにより、約１３２ｍｌの体積（重量で１４０ｇ）に減少させた。次に、この減少した溶液をろ過した。この形態の溶液は、たとえば、宝石類製造会社でＰｔ電気メッキに使用可能であろう。
【００５５】
塩化アンモニウムを３．５モル当量（１．５モル過剰）の量で軽く攪拌しながら室温でクロロ白金酸溶液に添加した。上澄み溶液から沈殿を濾過し、乾燥させた。黄色のクロロ白金酸アンモニウム沈澱粉末を無灰濾紙上に配置し、マッフル炉中１０００℃で焼成した。以下の反応により１．９３ｇの白金海綿を回収した。
（ＮＨ４）２ＰｔＣｌ６  →  ２ＮＨ４Ｃｌ↑  ＋  Ｐｔ０  ＋  ２Ｃｌ２↑
Ｘ線蛍光を用いてＰｔ海綿の純度を決定した。純度９９．４％のＰｔであることが判明した。したがって、１．９１８ｇ（公称含有量の１０４％）のＣＣＭが回収された。
【００５６】
実施例５（予測的）
この実施例では、スタックを解体することなく燃料電池スタックのＭＥＡからクロロ白金酸溶液としてＰｔを抽出する。これは、スタックのほとんどの価値ある要素を回収し再生利用するきわめて経済的な方法でありうる。この方法では、実施例１〜４で使用されるような酸化性酸性溶液を燃料電池スタックの通常のアノードおよびカソードのガス入口およびガス出口を介して循環させる。溶液を流動領域チャネルに満たし、ガス拡散層に浸透させ、ＧＤＬに隣接するＣＣＭの表面上に含まれるＰｔを溶解させて取り出す。場合により溶液を加圧する。場合により、電極バッキングおよびガス拡散層を介して酸性溶液を効率的に浸透させるために、適切な界面活性剤または他の添加剤を添加する。回収される貴金属を溶解するのに十分な所定の時間にわたり、ポンプおよびオプションの加熱システムによりスタックを介して溶液を循環させる。外部装置は、発生したＣｌ２ガスを排気し捕獲するのに適した排気設備を備える。ナノ構造化薄膜触媒からＰｔを抽出するのにわずか数分の暴露時間が必要とされるにすぎないことが、実施例３から示唆される。Ｐｔを取り出した後、場合により、スタックの細断、溶融、および／または燃焼を行う。
【００５７】
本発明の種々の修正形態および変更形態は、本発明の範囲および原理から逸脱することなく当業者に自明なものとなろう。また、当然のことながら、本発明は、上記に記載の例示的な実施形態に過度に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】実施例１に記載されるように３つの濃度の王水のそれぞれについて触媒で被覆された膜（ＣＣＭ）からＰｔを本発明に係る方法により完全に取り出すための時間を温度の関数として示したグラフである。
【図２】実施例３に記載されるように３つの濃度のＨＣｌ／過酸化物のそれぞれについて本発明に係る方法によりＣＣＭからＰｔを完全に取り出すための時間を温度の関数として示したグラフである。
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
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