(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜を挟んで一対の電極触媒層が設けられた膜電極接合体と、アノードガス流路を形成するアノード側セパレータと、カソードガス流路を形成するカソード側セパレータと、をそれぞれ含み、前記アノード側セパレータと前記カソード側セパレータにより前記膜電極接合体を挟持した複数の単セルを備えた燃料電池の性能回復方法であって、
前記複数の単セルの前記アノードガス流路及び前記カソードガス流路のうちの一方のガス流路を燃料ガスで満たすステップと、
前記複数の単セルを１又は隣接する２以上の単セルを含むように分けた複数のグループそれぞれに対して、両端に位置する前記アノード側セパレータ及び前記カソード側セパレータのうちの前記一方のガス流路を形成する一方のセパレータにプラス極が電気的に接続され他方のセパレータにマイナス極が電気的に接続されるように、複数の外部電源それぞれを接続するステップと、
前記複数の単セルの前記アノードガス流路及び前記カソードガス流路のうちの他方のガス流路に前記燃料電池の外部から導入する洗浄液を充満させて、前記他方のガス流路から前記一対の電極触媒層のうちの前記他方のガス流路側の電極触媒層まで前記洗浄液を浸入させるステップと、
前記一方のガス流路を燃料ガスで満たした後、前記複数の外部電源それぞれを接続し且つ前記洗浄液を前記他方のガス流路側の電極触媒層まで浸入させた状態を所定時間維持するステップと、
前記所定時間維持した後、前記膜電極接合体及び前記他方のガス流路から前記洗浄液を取り除くステップと、を備える燃料電池の性能回復方法。
【請求項２】
前記他方のガス流路に前記燃料電池の外部から加湿窒素ガスを導入して、前記複数の単セルの前記電解質膜を湿潤させるステップを備え、
前記所定時間維持するステップは、前記電解質膜を湿潤させ且つ前記一方のガス流路を燃料ガスで満たした後、前記複数の外部電源それぞれを接続し且つ前記洗浄液を前記他方のガス流路側の電極触媒層まで浸入させた状態を所定時間維持する、請求項１記載の燃料電池の性能回復方法。
【請求項３】
前記洗浄液は水よりも粘性及び表面張力が小さい、請求項１または２記載の燃料電池の性能回復方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の性能回復方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池は、プロトン伝導性を有する電解質膜を挟んで一対の触媒電極層が設けられた膜電極接合体を備える。膜電極接合体では電気化学反応が進行して水が生成されることから、燃料電池内には水が存在する。燃料電池を長時間運転すると、吸入する空気に含まれる陽イオン不純物が燃料電池内の水に混入したり、電解質膜及び触媒電極層を構成する材料に含まれる陽イオン不純物が燃料電池内の水に溶出したりする。陽イオン不純物が膜電極接合体に蓄積すると、発電性能の低下が生じてしまう。そこで、ガス流路に洗浄液を導入して燃料電池内部を洗浄液で洗浄することで、陽イオン不純物を外部に排出して発電性能を回復させることが知られている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−８５０３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１の方法では、洗浄液への陽イオン不純物の拡散効率が悪いために、陽イオン不純物を十分に外部に排出できず、発電性能を十分に回復できないことがある。本発明は、このような課題に鑑みなされたものであり、発電性能を回復させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、電解質膜を挟んで一対の電極触媒層が設けられた膜電極接合体と、アノードガス流路を形成するアノード側セパレータと、カソードガス流路を形成するカソード側セパレータと、をそれぞれ含み、前記アノード側セパレータと前記カソード側セパレータにより前記膜電極接合体を挟持した複数の単セルを備えた燃料電池の性能回復方法であって、前記複数の単セルの前記アノードガス流路及び前記カソードガス流路のうちの一方のガス流路を燃料ガスで満たすステップと、前記複数の単セルを１又は隣接する２以上の単セルを含むように分けた複数のグループそれぞれに対して、両端に位置する前記アノード側セパレータ及び前記カソード側セパレータのうちの前記一方のガス流路を形成する一方のセパレータにプラス極が電気的に接続され他方のセパレータにマイナス極が電気的に接続されるように、複数の外部電源それぞれを接続するステップと、前記複数の単セルの前記アノードガス流路及び前記カソードガス流路のうちの他方のガス流路に前記燃料電池の外部から導入する洗浄液を充満させて、前記他方のガス流路から前記一対の電極触媒層のうちの前記他方のガス流路側の電極触媒層まで前記洗浄液を浸入させるステップと、前記一方のガス流路を燃料ガスで満たした後、前記複数の外部電源それぞれを接続し且つ前記洗浄液を前記他方のガス流路側の電極触媒層まで浸入させた状態を所定時間維持するステップと、前記所定時間維持した後、前記膜電極接合体及び前記他方のガス流路から前記洗浄液を取り除くステップと、を備える燃料電池の性能回復方法である。上記構成において、前記他方のガス流路に前記燃料電池の外部から加湿窒素ガスを導入して、前記複数の単セルの前記電解質膜を湿潤させるステップを備え、前記所定時間維持するステップは、前記電解質膜を湿潤させ且つ前記一方のガス流路を燃料ガスで満たした後、前記複数の外部電源それぞれを接続し且つ前記洗浄液を前記他方のガス流路側の電極触媒層まで浸入させた状態を所定時間維持する構成とすることができる。また、上記構成において、前記洗浄液は水よりも粘性及び表面張力が小さい構成とすることができる。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、燃料電池の発電性能を回復させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】図１（ａ）は、燃料電池を構成する単セルを示す断面図、図１（ｂ）は、単セルを示す分解斜視図である。
【図２】図２は、燃料電池の性能回復方法を説明するための燃料電池の分解斜視図である。
【図３】図３は、燃料電池の性能回復方法を説明するための燃料電池の断面図である。
【図４】図４は、アノードガス流路を水素で満たした状態で、アノード側セパレータの突出部に外部電源を接続する理由を説明するための図である。
【図５】図５は、陽イオン不純物の洗浄液への拡散を説明するための図である。
【図６】図６は、燃料電池を構成する単セルの他の例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。
【実施例１】
【０００９】
図１（ａ）は、燃料電池を構成する単セルを示す断面図、図１（ｂ）は、単セルを示す分解斜視図である。燃料電池は、反応ガスとして燃料ガス（例えば水素）と酸化剤ガス（例えば空気）との供給を受けて発電する固体高分子型燃料電池であり、例えば燃料電池自動車や電気自動車などに搭載される。図１（ａ）のように、単セル１００は、電解質膜１２の一方の面にアノード触媒層１４ａが形成され、他方の面にカソード触媒層１４ｃが形成された膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）１０を備える。
【００１０】
電解質膜１２は、フッ素系樹脂材料又は炭素系樹脂材料で形成された固体高分子膜であり、湿潤状態において良好なプロトン伝導性を有する。アノード触媒層１４ａ及びカソード触媒層１４ｃは、電気化学反応を進行させる触媒（例えば白金や、白金−コバルト合金）を担持したカーボン粒子（例えばカーボンブラック）と、プロトン伝導性を有するアイオノマーと、を含む。
【００１１】
ＭＥＡ１０の両側には、一対の撥水層（アノード側撥水層１６ａとカソード側撥水層１６ｃ）と、一対のガス拡散層（アノードガス拡散層１８ａとカソードガス拡散層１８ｃ）と、が配置されている。一対の撥水層は、ＭＥＡ１０内に含まれる水分を適正量に保つために設けられている。ＭＥＡ１０、一対の撥水層、及び一対のガス拡散層を総称して膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ：Membrane Electrode Gas diffusion layer Assembly）３０と称す。
【００１２】
アノード側撥水層１６ａ、カソード側撥水層１６ｃ、アノードガス拡散層１８ａ、及びカソードガス拡散層１８ｃは、ガス透過性及び電子伝導性を有する部材によって形成されており、例えばカーボンクロスやカーボンペーパなどの多孔質カーボン製部材によって形成されている。アノード側撥水層１６ａ及びカソード側撥水層１６ｃは、アノードガス拡散層１８ａ及びカソードガス拡散層１８ｃと比べて、多孔質カーボン製部材の細孔が小さい。例えば、アノード側撥水層１６ａ及びカソード側撥水層１６ｃの細孔の大きさは直径０．１μｍ〜１μｍ程度であり、アノードガス拡散層１８ａ及びカソードガス拡散層１８ｃの細孔の大きさは直径１０μｍ〜１００μｍ程度である。このように、アノード側撥水層１６ａ及びカソード側撥水層１６ｃの細孔が小さいことから、アノード触媒層１４ａ及びカソード触媒層１４ｃから液水が流出することを抑制でき、ＭＥＡ１０内に含まれる水分を適正量に保つことができる。
【００１３】
ＭＥＧＡ３０の両側には、ＭＥＧＡ３０を挟持する一対のセパレータ（アノード側セパレータ２０ａとカソード側セパレータ２０ｃ）が配置されている。アノード側セパレータ２０ａ及びカソード側セパレータ２０ｃは、ガス遮断性及び電子伝導性を有する部材によって形成されており、例えばカーボンを圧縮してガス不透過とした緻密性カーボンなどのカーボン部材やプレス成型したステンレス鋼などの金属部材によって形成されている。アノード側セパレータ２０ａ及びカソード側セパレータ２０ｃは、表面にガスが流通するガス流路を形成するための凹凸を有する。アノード側セパレータ２０ａは、アノードガス拡散層１８ａとの間にアノードガス流路２２ａを形成する。カソード側セパレータ２０ｃは、カソードガス拡散層１８ｃとの間にカソードガス流路２２ｃを形成する。燃料電池の発電中においては、アノードガス流路２２ａを燃料ガスが流通し、カソードガス流路２２ｃを酸化剤ガスが流通する。なお、アノードとカソードの両方にガス拡散層を備える構成を例に示したが、これに限定されない。アノードとカソードの一方又は両方にガス拡散層を備えない構成であってもよい。ガス拡散層を備えない場合には、アノードガス流路又はカソードガス流路から直接撥水層を介して触媒層にガスが供給される。ガス拡散層を備えない構成においては、撥水層は撥水、ガス透過、及び導電の各機能を有するシート部材が使用されてもよい。
【００１４】
図１（ｂ）のように、ＭＥＧＡ３０は、例えば樹脂（エポキシ樹脂やフェノール樹脂など）からなる絶縁部材４０の内側に配置されている。言い換えると、ＭＥＧＡ３０の外周を覆って、枠状の絶縁部材４０が配置されている。絶縁部材４０は、アノード側セパレータ２０ａとカソード側セパレータ２０ｃとによって挟持されている。
【００１５】
アノード側セパレータ２０ａ及びカソード側セパレータ２０ｃには、それぞれ孔ａ１〜ａ３及び孔ｃ１〜ｃ３が設けられている。絶縁部材４０にも同様に、孔ｓ１〜ｓ３が設けられている。孔ａ１〜ａ３、孔ｓ１〜ｓ３、及び孔ｃ１〜ｃ３は、それぞれ連通し、孔ａ１、ｓ１、及びｃ１は燃料ガス供給マニホールドを、孔ａ２、ｓ２、及びｃ２は冷媒供給マニホールドを、孔ａ３、ｓ３、及びｃ３は酸化剤ガス排出マニホールドを画定する。
【００１６】
また、アノード側セパレータ２０ａ及びカソード側セパレータ２０ｃには、それぞれ孔ａ４〜ａ６及び孔ｃ４〜ｃ６が設けられている。絶縁部材４０にも同様に、孔ｓ４〜ｓ６が設けられている。孔ａ４〜ａ６、ｓ４〜ｓ６、及びｃ４〜ｃ６は、それぞれ連通し、孔ａ４、ｓ４、及びｃ４は酸化剤ガス供給マニホールドを、孔ａ５、ｓ５、及びｃ５は冷媒排出マニホールドを、孔ａ６、ｓ６、及びｃ６は燃料ガス排出マニホールドを画定する。
【００１７】
アノード側セパレータ２０ａのＭＥＧＡ３０に対向する面には、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とを連通し、発電中において燃料ガスが流れるアノードガス流路２２ａが形成されている。カソード側セパレータ２０ｃのＭＥＧＡ３０に対向する面には、酸化剤ガス供給マニホールドと酸化剤ガス排出マニホールドとを連通し、発電中において酸化剤ガスが流れるカソードガス流路２２ｃが形成されている。アノード側セパレータ２０ａのアノードガス流路２２ａが形成された面とは反対側の面、及び、カソード側セパレータ２０ｃのカソードガス流路２２ｃが形成された面とは反対側の面には、冷媒供給マニホールドと冷媒排出マニホールドとを連通し、冷媒が流れる冷媒流路２４が形成されている。
【００１８】
アノード側セパレータ２０ａには、突出部２６が形成されている。突出部２６は、ＭＥＧＡ３０をアノード側セパレータ２０ａ及びカソード側セパレータ２０ｃで挟持した際に、カソード側セパレータ２０ｃよりも突出している。突出部２６は、端子取付け部としての役割を担い、例えば発電時に電圧測定部が接続されたセルモニタ端子が取付けられる。これにより、発電時におけるセル電圧を電圧測定部で測定することができる。
【００１９】
図２は、燃料電池の性能回復方法を説明するための燃料電池の分解斜視図である。図３は、燃料電池の性能回復方法を説明するための燃料電池の断面図である。なお、図２及び図３では、図の明瞭化のために、単セル１００を簡略化して図示している。まず、燃料電池について説明する。図２のように、燃料電池２００は、複数の単セル１００と、一対のターミナルプレート５０、５２と、一対の絶縁プレート６０、６２と、一対のエンドプレート７０、７２と、を備える。燃料電池２００は、複数の単セル１００が一対のターミナルプレート５０、５２と一対の絶縁プレート６０、６２と一対のエンドプレート７０、７２とで挟持されたスタック構造をしている。ターミナルプレート５０、５２は、金属製である。エンドプレート７０、７２は、複数の単セル１００とターミナルプレート５０、５２と絶縁プレート６０、６２とを締結するために用いられる。
【００２０】
ターミナルプレート５０、絶縁プレート６０、及びエンドプレート７０には、それぞれ孔ｔ１〜ｔ６、孔ｉ１〜ｉ６、及び孔ｅ１〜ｅ６が設けられている。孔ｔ１、ｉ１、及びｅ１は燃料ガス供給マニホールドを、孔ｔ２、ｉ２、及びｅ２は冷媒供給マニホールドを、孔ｔ３、ｉ３、及びｅ３は酸化剤ガス排出マニホールドを画定する。孔ｔ４、ｉ４、及びｅ４は酸化剤ガス供給マニホールドを、孔ｔ５、ｉ５、及びｅ５は冷媒排出マニホールドを、孔ｔ６、ｉ６、及びｅ６は燃料ガス排出マニホールドを画定する。一方、ターミナルプレート５２、絶縁プレート６２、及びエンドプレート７２には、孔は設けられていない。これにより、孔ｅ１から導入された燃料ガスは、複数の単セル１００それぞれのアノードガス流路２２ａを流れた後、孔ｅ６から排出される。孔ｅ２から導入された冷媒は、複数の単セル１００それぞれの冷媒流路２４を流れた後、孔ｅ５から排出される。孔ｅ４から導入された酸化剤ガスは、複数の単セル１００それぞれのカソードガス流路２２ｃを流れた後、孔ｅ３から排出される。
【００２１】
次に、燃料電池の性能回復方法について説明する。なお、燃料電池の性能回復方法は、例えば燃料電池が燃料電池自動車や電気自動車に搭載されている場合には車両点検時などのメンテナンス時に作業者によって行われるものである。例えば燃料電池の運転時間や、自動車の走行距離、燃料電池の発電性能の低下量が所定値よりも大きい場合に性能回復処理を行うようにしてもよい。
【００２２】
燃料電池の性能回復方法は、まず、エンドプレート７０に設けられた孔ｅ３及びｅ４に接続されている配管を取り外した後、孔ｅ３及びｅ４に外付けの外部配管８０を接続する。そして、外部配管８０を介して孔ｅ４に加湿窒素ガスを供給し、複数の単セル１００のカソードガス流路２２ｃに加湿窒素ガスを流す。例えば、各単セル１００を相対湿度１００％ＲＨの窒素ガスが１．０Ｌ／ｍｉｎの流量で５ｍｉｎ以上流れるように、孔ｅ４に加湿窒素ガスを供給する。これにより、複数の単セル１００の電解質膜１２が湿潤される。電解質膜１２を湿潤状態にすることで、プロトン伝導性を良好にすることができる。
【００２３】
次いで、孔ｅ１に燃料ガスを供給して、複数の単セル１００のアノードガス流路２２ａを燃料ガスで満たす。例えば燃料電池自動車に備わる水素タンクから水素タンクと燃料電池２００との間に配置されたバルブなどを開くことで、燃料ガスとしての水素を孔ｅ１に供給することができる。水素は、性能回復処理を行っている間供給し続けてもよいし、後述するプロトンポンプ反応に必要な量の水素をアノードガス流路２２ａに供給した後、供給を停止して封止してもよい。また、燃料電池２００の発電停止時に、複数の単セル１００のアノードガス流路２２ａにプロトンポンプ反応に必要な量の水素がある場合には、改めて水素を供給しなくてもよい。このように、アノードガス流路２２ａを燃料ガスで満たすとは、プロトンポンプ反応に必要な量の燃料ガスでアノードガス流路２２ａの一部又は全部を満たすことをいう。
【００２４】
次いで、図３のように、複数の単セル１００それぞれのアノード側セパレータ２０ａの突出部２６に外部電源端子８２を取付け、隣接する単セル１００のアノード側セパレータ２０ａの間に抵抗８３を伴って外部電源８４を接続させる。これにより、隣接する単セル１００のアノード側セパレータ２０ａの間に電圧が印加される。隣接する単セル１００のアノード側セパレータ２０ａとカソード側セパレータ２０ｃとは電気的に接続され、同電位であるため、１つの単セル１００のアノード側セパレータ２０ａとカソード側セパレータ２０ｃとの間に電圧が印加されることとなる。複数の外部電源８４は、アノード側セパレータ２０ａから外部電源８４を介してカソード側セパレータ２０ｃに電子が流れるように外部電源端子８２に接続される。すなわち、図３では、複数の単セル１００を１つの単セル１００毎の複数のグループ８６に分け、複数のグループ８６の両端に位置するアノード側セパレータ２０ａにプラス極が電気的に接続され、カソード側セパレータ２０ｃにマイナス極が電気的に接続されるように、複数のグループ８６それぞれに複数の外部電源８４それぞれが接続されている。なお、外部電源８４によって電圧を印加するときには、スタック電圧は開放状態にする。
【００２５】
ここで、図４を用いて、アノードガス流路２２ａを水素で満たした状態で、アノード側セパレータ２０ａの突出部２６に外部電源８４を接続する理由を説明する。図４のように、アノードガス流路２２ａが水素で満たされていることで、アノード触媒層１４ａではＨ２→２Ｈ＋＋２ｅ−の化学反応が生じる。アノード触媒層１４ａで発生したプロトンＨ＋は、電解質膜１２を介して、カソード触媒層１４ｃに拡散する。初めのうちは、プロトンＨ＋はカソード触媒層１４ｃに濃度拡散する。一方、アノード側セパレータ２０ａに外部電源８４のプラス極が電気的に接続され、カソード側セパレータ２０ｃに外部電源８４のマイナス極が電気的に接続されていることから、アノード触媒層１４ａで発生した電子ｅ−は外部電源８４に向かって移動し、カソード触媒層１４ｃには外部電源８４から電子ｅ−が供給される。カソード触媒層１４ｃでは、アノード触媒層１４ａから拡散してきたプロトンＨ＋と外部電源８４から供給された電子ｅ−とによって、２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２の化学反応が生じる。カソード触媒層１４ｃではプロトンＨ＋が消費されることから、アノード触媒層１４ａからカソード触媒層１４ｃへのプロトンＨ＋の拡散が継続される。このような、アノード触媒層１４ａでプロトンＨ＋を発生させ、電解質膜１２を介してカソード触媒層１４ｃにプロトンＨ＋を移動させて、カソード触媒層１４ｃでＨ２を生成する反応を、プロトンポンプ反応と称す。
【００２６】
プロトンＨ＋及び電子ｅ−の移動によって、アノード側セパレータ２０ａとカソード側セパレータ２０ｃとの間で電流Ｉが流れ、アノード側セパレータ２０ａとカソード側セパレータ２０ｃとの間に電位差が生じる。すなわち、ＭＥＡ１０内に電位勾配が形成される。ＭＥＡ１０内に電位勾配が形成されると、ＭＥＡ１０内のプロトンＨ＋及び陽イオン不純物Ｍ＋は、電位勾配によってカソード触媒層１４ｃ側に移動する。電位勾配による移動は移動速度が速い。このように、アノードガス流路２２ａを水素で満たした状態で、アノード側セパレータ２０ａにプラス極が電気的に接続され、カソード側セパレータ２０ｃにマイナス極が電気的に接続されるように外部電源８４を接続するのは、ＭＥＡ１０内に混入した陽イオン不純物Ｍ＋をカソード触媒層１４ｃ側に集めるためである。なお、ＭＥＡ１０内に混入した陽イオン不純物Ｍ＋として、例えばＣａ２＋や、Ｍｇ２＋、Ｃｏ２＋などが挙げられる。
【００２７】
ここで、複数の単セル１００の間で電解質膜１２の湿潤状態が異なるとプロトンＨ＋の伝導性に差が生じてしまう。この場合、例えば一対のターミナルプレート５０、５２間に外部電源８４を接続して複数の単セル１００全体に電圧を印加すると、複数の単セル１００の間でＭＥＡ１０内の電位勾配に差が生じて、ＭＥＡ１０内に陽イオン不純物Ｍ＋を移動させるのに必要十分な電位勾配が形成されない単セル１００が生じるなど、意図しない電位勾配を有する単セル１００が生じることがある。これにより、カソード触媒層１４ｃ側に十分な量の陽イオン不純物Ｍ＋が集まらない単セル１００が生じる恐れがある。これに対し、実施例１では、複数の単セル１００それぞれに複数の外部電源８４それぞれを接続しているため、単セル１００毎に印加する電圧の大きさを制御することができる。このため、複数の単セル１００の間で電解質膜１２の湿潤状態が異なる場合でも、複数の単セル１００それぞれのＭＥＡ１０内に同程度の電位勾配を生じさせることができる。これにより、複数の単セル１００の間でカソード触媒層１４ｃ側に同程度の量の陽イオン不純物Ｍ＋を集めることができ、カソード触媒層１４ｃ側に十分な量の陽イオン不純物Ｍ＋が集まらない単セル１００が生じることを抑制できる。
【００２８】
次いで、図２のように、外部配管８０を介して孔ｅ３に洗浄液を導入して、カソードガス流路２２ｃを洗浄液で充満させると共にカソードガス流路２２ｃからカソード触媒層１４ｃまで洗浄液が浸入した状態とする。図１（ａ）のように、カソードガス流路２２ｃとカソード触媒層１４ｃとの間にはカソード側撥水層１６ｃが設けられているため、洗浄液の種類によっては、洗浄液がカソード側撥水層１６ｃを通過できない。そこで、カソード側撥水層１６ｃを通過できるような洗浄液を用いる。洗浄液として、例えばフッ素系不活性液体（例えばフロリナート（登録商標））などの粘性及び表面張力が水よりも小さい液体を用いることができ、金属イオンやプロトンＨ＋以外の他の陽イオンを含まない場合が好ましい。孔ｅ３に導入された洗浄液は、孔ｅ４から排出される。孔ｅ３には、新しい洗浄液を導入し続ける場合でもよいし、孔ｅ４から排出された洗浄液を孔ｅ３に再導入して、洗浄液を循環させる場合でもよい。なお、孔ｅ４から洗浄液を導入する場合でもよいが、内部にエア溜まりが生じることを抑制する点から、重力方向で低い位置にある孔ｅ３から洗浄液を導入することが好ましい。
【００２９】
図５のように、カソードガス流路２２ｃからカソード触媒層１４ｃまで洗浄液９０を浸入させることで、ＭＥＡ１０内の液水に混入していた陽イオン不純物Ｍ＋は洗浄液９０に拡散する。この際、陽イオン不純物Ｍ＋はカソード触媒層１４ｃ側に集まっているため、陽イオン不純物Ｍ＋の洗浄液９０への拡散が効率的に行われる。例えば、アノードガス流路２２ａを水素で満たさず且つアノード側セパレータ２０ａとカソード側セパレータ２０ｃとの間に外部電源８４を接続させない場合では、陽イオン不純物Ｍ＋はＭＥＡ１０内の液水全体に拡散しているため、洗浄液９０をカソードガス流路２２ｃからカソード触媒層１４ｃまで含ませたとしても、陽イオン不純物Ｍ＋の洗浄液９０への拡散効率が悪い。また、燃料電池２００の発電中のＭＥＡ１０内に電位勾配がある状態で陽イオン不純物Ｍ＋を生成水によって排出しようとしても、生成水は少ないために十分な量の陽イオン不純物Ｍ＋を排出することが難しく、反対に液水の多い状態では発電が難しくなってしまう。
【００３０】
次いで、複数の外部電源８４を接続させ且つカソードガス流路２２ｃからカソード触媒層１４ｃまで洗浄液９０を浸入させた状態を所定時間維持する。これは、ＭＥＡ１０内の液水に混入した陽イオン不純物Ｍ＋は洗浄液９０に濃度拡散で拡散するため拡散速度が遅く、洗浄液９０に多くの陽イオン不純物Ｍ＋が拡散するまでにはある程度の時間を要するためである。陽イオン不純物Ｍ＋の拡散速度や作業効率などを考慮すると、維持する時間は１分〜３０分程度であることが好ましい。
【００３１】
次いで、ＭＥＡ１０及びカソードガス流路２２ｃから洗浄液９０を取り除く。洗浄液９０には、陽イオン不純物Ｍ＋が拡散していることから、洗浄液９０と共に陽イオン不純物Ｍ＋も取り除かれて、その結果、燃料電池２００の発電性能を回復させることができる。
【００３２】
次いで、外部電源端子８２をアノード側セパレータ２０ａの突出部２６から離して、アノード側セパレータ２０ａとカソード側セパレータ２０ｃとの間に印加していた電圧を解除する。また、アノードガス流路２２ａに水素を供給し続けている場合には、水素の供給を解除する。
【００３３】
以上のように、燃料電池の性能回復方法は、複数の単セル１００のアノードガス流路２２ａを水素で満たし、複数の単セル１００それぞれに対して、アノード側セパレータ２０ａにプラス極が電気的に接続されカソード側セパレータ２０ｃにマイナス極が電気的に接続されるように、複数の外部電源８４それぞれを接続させる。これにより、図４で説明したように、複数の単セル１００においてカソード触媒層１４ｃに同程度の量の陽イオン不純物Ｍ＋を集めることができ、カソード触媒層１４ｃ側に陽イオン不純物Ｍ＋があまり集まらない単セル１００が生じることを抑制できる。そして、カソード触媒層１４ｃ側に陽イオン不純物Ｍ＋を集め且つカソードガス流路２２ｃからカソード触媒層１４ｃまで洗浄液９０を浸入させた状態を、所定時間維持する。これにより、ＭＥＡ１０内の液水に混入していた陽イオン不純物Ｍ＋を効率的に洗浄液９０に拡散させることができる。その後、ＭＥＡ１０及びカソードガス流路２２ｃから洗浄液９０を取り除くことで、洗浄液９０と共に陽イオン不純物Ｍ＋が外部に排出され、その結果、ＭＥＡ１０内の陽イオン不純物Ｍ＋が低減されて、燃料電池２００の発電性能を回復させることができる。
【００３４】
また、実施例１では、カソードガス流路２２ｃに加湿窒素ガスを流して電解質膜１２を湿潤させている。電解質膜１２が湿潤状態になることでプロトンＨ＋の伝導性が良好になることから、電解質膜１２を湿潤させることが好ましい。なお、電解質膜１２を湿潤させることは、カソードガス流路２２ｃに窒素ガスの代わりに希ガスなどの不活性ガスを流して行ってもよい。また、カソードガス流路２２ｃに導入する洗浄液９０によって電解質膜１２を湿潤させてもよいし、燃料電池２００を生成水が発生し易い条件で発電することで電解質膜１２を湿潤させてもよい。洗浄液９０によって電解質膜１２を湿潤させる場合は、カソードガス流路２２ｃに洗浄液９０を導入してから所定時間（例えば５分〜１時間）待つことが望ましい。
【００３５】
なお、実施例１では、複数の単セル１００を１つの単セル１００毎の複数のグループ８６に分けた場合を例に示したが、これに限られない。複数の単セル１００を１又は隣接する２以上の単セル１００を含む複数のグループに分けてもよい。この場合、複数のグループの両端に位置するアノード側セパレータ２０ａにプラス極が電気的に接続され、カソード側セパレータ２０ｃにマイナス極が電気的に接続されるように、複数の外部電源８４それぞれを接続させる。この場合でも、一対のターミナルプレート５０、５２間に外部電源８４を接続させる場合に比べて、各単セル１００のＭＥＡ１０内に形成される電位勾配を等しくすることができ、陽イオン不純物Ｍ＋を移動させるのに必要十分な電位勾配が形成されない単セル１００が生じることを抑制できる。
【００３６】
なお、実施例１では、発電時の単セル１００の電圧を測定する電圧測定部を接続するために突出部２６に取り付けられたセルモニタ端子を外して、その代わりに外部電源端子８２を取り付けて外部電源８４を接続させているが、セルモニタ端子を介して外部電源８４を接続させてもよい。
【００３７】
なお、実施例１では、孔ｅ３に洗浄液９０を導入し続け、孔ｅ４から洗浄液９０を排出し続ける場合を例に示したが、孔ｅ３から洗浄液９０を導入してカソードガス流路２２ｃからカソード触媒層１４ｃまで洗浄液９０を浸入させた後に洗浄液９０の導入を中止し、洗浄液９０が外部に漏れないように封止してもよい。しかしながら、孔ｅ３に新たな洗浄液９０を導入し続けることで、カソード触媒層１４ｃにおける洗浄液９０の陽イオン不純物Ｍ＋の濃度が低い状態を保つことができ、陽イオン不純物Ｍ＋の洗浄液９０への拡散を促進させることができる。
【００３８】
なお、実施例１においては、アノードガス流路２２ａを水素で満たすことと、複数の外部電源８４を接続することとの順序を入れ替えて行ってもよい。また、カソードガス流路２２ｃへの洗浄液９０の導入は、アノードガス流路２２ａを水素で満たす前に行ってもよいし、複数の外部電源８４を接続する前に行ってもよいし、電解質膜１２を湿潤させるとき、アノードガス流路２２ａを水素で満たすとき、又は複数の外部電源８４を接続するときと同時に行ってもよい。
【００３９】
なお、実施例１では、アノードガス流路２２ａを燃料ガスで満たし、カソードガス流路２２ｃに洗浄液９０を流す場合を例に示したが、カソードガス流路２２ｃを燃料ガスで満たし、アノードガス流路２２ａに洗浄液９０を流す場合でもよい。しかしながら、アノードガス流路２２ａに燃料ガスを供給することは発電時と同じであるため、配管の接続切替えなどを行わなくて済むことから、アノードガス流路２２ａに燃料ガスを供給する場合が作業性の観点から好ましい。
【００４０】
なお、実施例１では、孔ｅ３及びｅ４に接続されている配管を外して外部配管８０を接続させる場合を例に示したが、燃料電池２００に空気を供給するためのバルブなどに外部配管を接続させて加湿窒素ガスや洗浄液などを導入してもよい。また、アノードガス流路２２ａに加湿窒素ガスや洗浄液を流す場合も同様に、孔ｅ１及びｅ６に接続されている配管を外して外部配管を接続させて加湿窒素ガスや洗浄液を導入してもよいし、燃料電池２００に燃料ガスを供給するためのインジェクタなどに外部配管を接続させて加湿窒素ガスや洗浄液を導入してもよい。
【００４１】
図６は、燃料電池を構成する単セルの他の例を示す断面図である。図６のように、単セル１００ａは、カソード側撥水層１６ｃに、カソード触媒層１４ｃ側からカソードガス拡散層１８ｃ側にカソード側撥水層１６ｃを貫通する貫通孔２８が設けられている。貫通孔２８の断面形状は、円形や楕円形、矩形などどのような形状をしていてもよい。その他の構成は、図１（ａ）の単セル１００と同じであるため説明を省略する。
【００４２】
単セル１００ａの場合でも、上述した燃料電池の性能回復方法を用いることができる。ここで、単セル１００ａでは、カソード側撥水層１６ｃに貫通孔２８が設けられている。このため、フッ素系不活性液体などのカソード側撥水層１６ｃを通過する洗浄液以外の洗浄液を用いた場合でも、洗浄液は、貫通孔２８を介して、カソードガス流路２２ｃとカソード触媒層１４ｃとの間を行き来することができる。この場合、洗浄液として、フッ素系不活性液体の他にも、水や沸騰水、脱イオン水、過酸化水素水、希硝酸などを用いることができ、金属イオンやプロトンＨ＋以外の他の陽イオンを含まない液体を用いることが好ましい。希硝酸を用いる場合は、単セル間の短絡の影響を抑えるために、ｐＨ３以上の希硝酸を用いることが好ましい。貫通孔２８によって水も通過することが可能となることから、カソードガス流路２２ｃに水蒸気を導入し、水蒸気から変化した水がカソードガス流路２２ｃからカソード触媒層１４ｃまで浸入する場合でもよい。
【００４３】
なお、図６では、貫通孔２８はカソード側撥水層１６ｃにのみ設けられているが、カソード側撥水層１６ｃとカソードガス拡散層１８ｃとを貫通して設けられていてもよい。また、貫通孔２８に、親水性の部材が埋め込まれている場合でもよい。
【００４４】
なお、カソードガス流路２２ｃを燃料ガスで満たし、アノードガス流路２２ａに洗浄液を流す場合には、貫通孔２８はアノード側撥水層１６ａに設けられることになる。
【００４５】
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【符号の説明】
【００４６】
１０  膜電極接合体
１２  電解質膜
１４ａ  アノード触媒層
１４ｃ  カソード触媒層
１６ａ  アノード側撥水層
１６ｃ  カソード側撥水層
１８ａ  アノードガス拡散層
１８ｃ  カソードガス拡散層
２０ａ  アノード側セパレータ
２０ｃ  カソード側セパレータ
２２ａ  アノードガス流路
２２ｃ  カソードガス流路
２４  冷媒流路
２６  突出部
２８  貫通孔
３０  膜電極ガス拡散層接合体
４０  絶縁部材
５０、５２  ターミナルプレート
６０、６２  絶縁プレート
７０、７２  エンドプレート
８０  外部配管
８２  外部電源端子
８４  外部電源
８６  グループ
９０  洗浄液
１００、１００ａ  単セル
２００  燃料電池
【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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