(57)【要約】【課題】固体高分子電解質型燃料電池スタックを洗浄した際に、内部に残留する不純物を低減する。【解決手段】燃料極９０４、酸化剤極９０５、およびこれらで挟持された高分子電解質膜９０３を備えた膜電極接合体と、燃料極９０４に水素を含有する燃料ガスを供給する燃料ガス供給溝９１４および酸化剤極９０５に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給溝９１５が形成されたセパレータとを積層し、冷却材を通過させる冷却材流路が形成された固体高分子電解質型燃料電池スタックの洗浄において、燃料ガス供給溝９１４、酸化剤ガス供給溝９１５および冷却材流路に発泡成分を含有する洗浄液を供給する。発泡成分が不純物５０３の付着部位境界や周辺部で気化して気泡５０５を生成することにより、洗浄液に振動を加え攪拌し、燃料極９０４などの内部に浸透させるとともに、内部から表面に不純物５０３を押し出す作用が得られる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料極、酸化剤極、前記燃料極および前記酸化剤極で挟持された高分子電解質膜を備えた膜電極接合体と、前記燃料極に水素を含有する燃料ガスを供給する燃料ガス流路および前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路が形成されたセパレータと、を積層し、冷却材を通過させる冷却材流路が形成された固体高分子電解質型燃料電池スタックの洗浄方法において、
前記固体高分子電解質型燃料電池スタックの前記燃料ガス流路、前記酸化剤ガス流路および前記冷却材流路の少なくとも一つに発泡成分を含有する洗浄液を供給する洗浄工程を有することを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池スタックの洗浄方法。
【請求項２】
前記洗浄液は、イオン交換水および酸性溶液の少なくともひとつを含むことを特徴とする請求項１に記載の固体高分子電解質型燃料電池スタックの洗浄方法。
【請求項３】
前記洗浄液は、アルコールを含むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の固体高分子電解質型燃料電池スタックの洗浄方法。
【請求項４】
前記アルコールは、メタノールであることを特徴とする請求項３に記載の固体高分子電解質型燃料電池スタックの洗浄方法。
【請求項５】
前記発泡成分は、二酸化炭素であることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の固体高分子電解質型燃料電池スタックの洗浄方法。
【請求項６】
前記洗浄液は、前記燃料電池スタックの温度よりも低いことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の固体高分子電解質型燃料電池スタックの洗浄方法。
【請求項７】
前記固体高分子電解質型燃料電池スタックは、前記冷却材流路から前記燃料ガス流路および前記酸化剤ガス流路の少なくとも一方に連通して前記冷却材の一部を前記燃料ガスおよび前記酸化剤ガスの少なくとも一方を加湿するために供給する加湿水透過部を備えるものであり、前記洗浄工程は前記加湿水透過部にも前記洗浄液を供給することを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の固体高分子電解質型燃料電池スタックの洗浄方法。
【請求項８】
前記洗浄工程は、前記固体高分子電解質型燃料電池スタックを超音波振動子によって振動させる工程を含むことを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の固体高分子電解質型燃料電池スタックの洗浄方法。
【請求項９】
前記洗浄工程で前記固体高分子電解質型燃料電池スタックの洗浄に用いられた前記洗浄液の電導度を測定する工程を有し、前記洗浄工程はこの電導度が所定の値よりも小さくなるまで継続されることを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の固体高分子電解質型燃料電池スタックの洗浄方法。
【請求項１０】
前記洗浄工程で前記固体高分子電解質型燃料電池スタックの洗浄に用いられた前記洗浄液を、微細固形分粒子を除去するフィルターおよびイオン交換樹脂の少なくとも一方を備えた洗浄液浄化器に通過させる工程を有することを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載の固体高分子電解質型燃料電池スタックの洗浄方法。
【請求項１１】
前記洗浄工程で前記固体高分子電解質型燃料電池スタックの洗浄に用いられた前記洗浄液の電導度を測定する工程と、前記電導度が所定値よりも大きな値のまま所定の時間が経過した場合には前記洗浄液浄化器を交換する工程と、を有することを特徴とする請求項１ないし請求項１０のいずれか１項に記載の固体高分子電解質型燃料電池スタックの洗浄方法。
【請求項１２】
前記固体高分子電解質型燃料電池スタックは、複数の電池スタック構成部材単体を組み合わせて形成されるものであり、前記洗浄工程は、組み合わされていない状態の前記電池スタック構成部材単体を前記洗浄液の中に浸漬させるものであることを特徴とする請求項１ないし請求項１１のいずれか１項に記載の固体高分子電解質型燃料電池スタックの洗浄方法。
【請求項１３】
前記洗浄液を固体高分子電解質型燃料電池スタックから排出させる工程と、前記固体高分子電解質型燃料電池スタックから排出された前記洗浄液を、前記燃料ガス流路、前記酸化剤ガス流路および前記冷却材流路の少なくとも一つに再び供給する再供給工程と、を有することを特徴とする請求項１ないし請求項１２のいずれか１項に記載の固体高分子電解質型燃料電池スタックの洗浄方法。
【請求項１４】
前記再供給工程は、前記固体高分子電解質型燃料電池スタックから排出された前記洗浄液の流れの方向と逆方向に流れるように前記洗浄液を供給することを特徴とする請求項１３に記載の固体高分子電解質型燃料電池スタックの洗浄方法。
【請求項１５】
前記再供給工程は、前記固体高分子電解質型燃料電池スタックから排出された前記洗浄液が通過した流路とは異なる流路に供給されることを特徴とする請求項１３または請求項１４に記載の固体高分子電解質型燃料電池スタックの洗浄方法。
【請求項１６】
燃料極、酸化剤極、前記燃料極および前記酸化剤極で挟持された高分子電解質膜を備えた膜電極接合体と、前記燃料極に水素を含有する燃料ガスを供給する燃料ガス流路および前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路が形成されたセパレータと、を積層し、冷却材を通過させる冷却材流路が形成された固体高分子電解質型燃料電池スタックの洗浄装置において、
前記固体高分子電解質型燃料電池スタックの前記燃料ガス流路、前記酸化剤ガス流路および前記冷却材流路の少なくとも一つに発泡成分を含有する洗浄液を供給する洗浄系を有することを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池スタックの洗浄装置。
【請求項１７】
前記洗浄液を貯えて、この洗浄液中に分解された前記固体高分子電解質型燃料電池スタックを浸漬可能な浴槽、を有することを特徴とする請求項１６に記載の固体高分子電解質型燃料電池スタックの洗浄装置。
【請求項１８】
前記浴槽の内部に設けられたバブラー、を有することを特徴とする請求項１７に記載の固体高分子型燃料電池スタックの洗浄装置。
【請求項１９】
前記固体高分子電解質型燃料電池スタックを振動させる超音波振動子、を有することを特徴とする請求項１６ないし請求項１８のいずれか１項に記載の固体高分子電解質型燃料電池スタックの洗浄装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子電解質型燃料電池スタックの洗浄方法および洗浄装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
高効率のエネルギー変換装置として、燃料電池が注目を集めている。燃料電池は、電解質の相違により幾つかの種類に分類される。水素イオン伝導性を有する固体高分子を電解質とする固体高分子電解質型燃料電池は、コンパクトな構造で高出力密度を得ることができ、また、簡素なシステムによる運転が可能である。このため、固体高分子電解質型燃料電池は、宇宙用や車両用あるいは家庭用電源として大きく注目されている。高分子電解質としては、パーフルオロカーボンスルホン酸膜などが用いられる。
【０００３】
このような高分子電解質を電解質膜として用いる固体高分子電解質型燃料電池は、一般的に、単位セルを複数積層した積層体による電池スタック構造を有している。単位セルは、高分子電解質膜と、この高分子電解質膜を挟持するように配置された燃料極および酸化剤極で構成される膜電極接合体を有している。燃料極および酸化剤極の基板は、それぞれ導電性多孔質材料からなる。また、燃料極および酸化剤極の基板上には、ガス拡散層がそれぞれ形成されている。燃料極および酸化剤極は、触媒と電解質を備えた触媒層をそれぞれガス拡散層上に担持している。
【０００４】
単位セルは、膜電極接合体とセパレータとを備えている。セパレータの一方の面には、燃料ガスを分配供給する複数のガス流路として燃料ガス供給溝が形成されている。また、セパレータの他方の面には、酸化剤ガスを分配供給する複数のガス流路として酸化剤ガス供給溝が形成されている。膜電極接合体とセパレータとを交互に積層しながら単位セルを複数積層した積層体とし、燃料電池スタックが形成されている。
【０００５】
反応ガス、特に燃料ガスである水素は、燃料極においてガス拡散層を経由して触媒層中を拡散し、カーボン担持体上の白金などの触媒に到達すると反応して水素イオンと電子に分離される。電子は、燃料極側から外部回路を通り酸化剤極側へ移動する。また、水素イオンは、燃料極触媒層中の触媒に近接する電解質を伝達経路として電解質膜中へ移動し、酸化剤極に到達して酸化剤極触媒層中の電解質を伝達経路として拡散して触媒上で酸素と反応して生成水となる。生成水は触媒層およびガス拡散層中を移動し、あるいは蒸発して、ガス拡散層を通り基板の外部へ除去される。
【０００６】
燃料電池発電システムは、燃料電池スタック、反応ガス供給部、冷却材系などからなる。反応ガス供給部には、燃料電池スタックに対して水素を含む燃料ガスの供給および排出を行う燃料ガス系、ならびに、酸化剤ガスの供給および排出を行う酸化剤ガス系が含まれる。冷却材系は、水などの冷却材の供給および排出を行う。
【０００７】
燃料電池スタックには、単位セルの燃料ガス供給および排出流路、酸化剤ガス供給および排出流路、ならびに、冷却材の供給および排出流路に対して、それぞれ燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却材を分配または合流するマニホールドが、燃料ガス系、酸化剤ガス系および冷却材系の系統毎に連通して設置されている。このマニホールドには、燃料電池スタック外部に対して接続する供給口および排出口がそれぞれ系統毎に設置されている。
【０００８】
燃料ガス系では、たとえば天然ガスなどの原料ガスを燃料生成器に導入し、燃料生成器中の触媒作用などを利用した改質反応により水素を含む燃料ガスとして改質する。この際、改質する前後において改質反応や燃料電池スタックの電池反応が阻害されないように、原料ガスや燃料ガス中の不純物を除去するためのフィルターや変成器を設ける場合がある。また、燃料電池スタックに水分を供給する加湿器を燃料生成器に隣接して備えている場合もある。燃料ガスは燃料電池スタック内に導入された後、各単位セル面内の電池反応に使用されるとともに、余剰分は燃料排出ガスとして当該燃料電池スタックから排出される。
【０００９】
酸化剤ガス系では、酸化剤ガスとして大気中の空気が燃料電池スタックに供給される。この際、酸化剤ガス空気を燃料電池スタック導入前に加湿するための加湿器を設置する場合もある。酸化剤ガス空気は、燃料電池スタックに供給された後、各単位セル面内の電池反応に使用されるとともに、余剰分は酸化剤排出ガスとして燃料電池スタックから排出される。
【００１０】
冷却材系では、冷却材を燃料電池スタックに供給する。供給された冷却材は、加熱ヒーターにより昇温され燃料電池スタックを設定温度に保温するとともに、燃料電池スタック内で発生する熱を回収し、スタック温度を調節する。さらに、燃料電池スタック内で各単位セルを加湿するため、冷却材系から各単位セルに対する加湿水の供給経路が設置される場合がある。たとえば、セパレータ内に冷却材流路が併設されている場合には、冷却材の一部がセパレータの冷却材流路から燃料ガス流路あるいは酸化剤ガス流路に連通するようになっていて、単位セル面内の透過口を通過することにより加湿水として使用される。冷却材が燃料電池スタックに供給された後は、熱交換器やイオン交換器などを介して冷却材タンクに回収されて冷却材として再利用される。
【００１１】
このような、固体高分子電解質型燃料電池スタックでは、燃料電池発電システムを起動し連続的に発電する過程で、燃料ガスについては原料ガスから改質器を経由して供給される途中で金属酸化物が痕跡量混入する場合がある。また、酸化剤ガスとして大気中から空気を供給する場合には、窒素や硫黄の酸化物を含む微量大気汚染物質が空気中に含まれる場合がある。
【００１２】
これら反応ガス中の不純物は、供給配管を経由して燃料電池スタック内に飛来し、膜電極接合体を構成する燃料極や酸化剤極の電極基材の表面あるいは内部に付着し、燃料電池スタック内に蓄積される。また、単位セルおよび燃料電池発電システム内の配管を含む構成部材から溶出物が発生し、加湿水や凝縮水あるいは生成水と共に移動して、電極やセパレータを含む電池スタック内に滞留する場合がある。
【００１３】
不純物や溶出物の一部は、金属イオンなどのイオン性不純物として電解質膜のプロトン伝導を担う官能基に置換して吸着しイオン伝導性を低下させたり、電解質膜内の水分の移動を阻害し含水率を低下させることにより電池抵抗を増大させる。また、これら不純物中の無機物あるいは有機物は、電極内の触媒層中に侵入すると電解質成分の影響で酸化物を形成し触媒表面に付着して被覆する。あるいは硫黄酸化物のような触媒被毒物質を形成する。この結果、触媒反応表面積を減少させて反応活性を低下させ、電池反応を阻害する懸念がある。
【００１４】
そこで、固体高分子電解質型燃料電池スタックを洗浄する方法、すなわち、電池スタックの発電運転により電極内部の触媒層や電解質膜に付着した金属イオンや酸化物等の不純物を除去する方法が開示されている。特許文献１には、燃料電池スタック内を循環する冷却材回路の冷却材を、ガス流路に流入可能とすることにより、電解質膜を湿潤状態に維持しながらガス流路や電極触媒に吸着したカチオンなどの不純物を除去する方法が開示されている。
【００１５】
特許文献２ないし特許文献５には、電池スタック内のセパレータ板のガス流路を経て空気極および燃料極に水蒸気や脱イオン水、あるいは希硫酸や過酸化水素水などの酸性水溶液を洗浄液として導入する方法が開示されている。この方法により、電極に付着した酸化物等の不純物を溶出すると共に電解質膜や触媒層中に含まれる電解質内の不純物イオンを水素イオンに置換して外部に排出して除去しセル特性を回復する。また、特許文献６および特許文献７には、ガス供給路にアルコールを導入して電極の拡散層となじませた後、洗浄水を注入して洗浄する方法が開示されている。
【００１６】
特許文献８には、水に溶け易く酸化されて分解し易いキレート剤、たとえばシュウ酸をセルに供給することにより、高分子電解質膜中に存在する金属イオンを抽出してキレート錯体を形成し、洗浄水でキレート錯体およびキレート剤をセル外に洗い流す方法が開示されている。特許文献９には、セルに悪影響を与えることなく水素ガスよりも還元力の強い劣化回復用還元剤としてヒドラジンなどをセルに供給することにより、高分子電解質膜にトラップされている金属イオンを還元し金属として析出させて高分子電解質膜から取り除く方法が開示されている。
【特許文献１】特開２００３−１４２１３２号公報
【特許文献２】特開２００１−３３２２８２号公報
【特許文献３】特開２００１−８５０３７号公報
【特許文献４】特開２００３−１２３８１２号公報
【特許文献５】特開２００５−２１６５１０号公報
【特許文献６】特開２０００−３７１８号公報
【特許文献７】特開２００４−６４１６号公報
【特許文献８】特開２０００−２６０４５５号公報
【特許文献９】特開２０００−２６０４５３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
固体高分子電解質型燃料電池スタックで長期に亘り発電を継続すると、燃料ガスや酸化剤ガスの供給配管を通じて飛来する微細粒子状の無機物あるいは有機物の不純物の一部が、固形分として電極内のガス拡散層や触媒層中に付着して蓄積する場合がある。また、セルや燃料電池システム内の配管を含む構成部材から溶出物として発生した金属イオンの一部から形成されたイオン性不純物あるいは酸化物が、同様に蓄積する場合がある。
【００１８】
特許文献１ないし特許文献９に開示された洗浄方法では、洗浄水で金属イオンなどとして溶出できない固形不純物成分が、燃料電池スタック内に残留する場合がある。この場合、電極内部に付着残留した微細な固形不純物の一部は親水性物質として電極内で水和し、ガス拡散層や触媒層のガス拡散性を阻害する結果、フラッディング現象によるセル特性の低下を引き起こす懸念がある。
【００１９】
また燃料電池スタック内部で燃料ガスあるいは酸化剤ガスの反応ガス供給流路に冷却材を透過させて加湿を行う冷却材流路を併設したセパレータを用いる場合には、冷却材中に微量の固形不純物が混入した状態が長期に亘り継続すると、セパレータ面内で加湿水供給口となる細孔部位が閉塞し水の透過性が低下して加湿不足が発生するおそれがある。このため、電解質のイオン伝導度が低下して電池抵抗が増大することによりセル性能の低下が懸念される。
【００２０】
そこで、本発明は、固体高分子電解質型燃料電池スタックを洗浄した際に、内部に残留する不純物を低減することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
上述の目的を達成するため、本発明は、燃料極、酸化剤極、前記燃料極および前記酸化剤極で挟持された高分子電解質膜を備えた膜電極接合体と、前記燃料極に水素を含有する燃料ガスを供給する燃料ガス流路および前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路が形成されたセパレータと、を積層し、冷却材を通過させる冷却材流路が形成された固体高分子電解質型燃料電池スタックの洗浄方法において、前記固体高分子電解質型燃料電池スタックの前記燃料ガス流路、前記酸化剤ガス流路および前記冷却材流路の少なくとも一つに発泡成分を含有する洗浄液を供給する洗浄工程を有することを特徴とする。
【００２２】
また、本発明は、燃料極、酸化剤極、前記燃料極および前記酸化剤極で挟持された高分子電解質膜を備えた膜電極接合体と、前記燃料極に水素を含有する燃料ガスを供給する燃料ガス流路および前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路が形成されたセパレータと、を積層し、冷却材を通過させる冷却材流路が形成された固体高分子電解質型燃料電池スタックの洗浄装置において、前記固体高分子電解質型燃料電池スタックの前記燃料ガス流路、前記酸化剤ガス流路および前記冷却材流路の少なくとも一つに発泡成分を含有する洗浄液を供給する洗浄系を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、固体高分子電解質型燃料電池スタックを洗浄した際に、内部に残留する不純物を低減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
本発明に係る固体高分子電解質型燃料電池スタックの洗浄方法の実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、同一または類似の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００２５】
［第１の実施の形態］
図２は、本発明に係る固体高分子電解質型燃料電池スタックの洗浄方法の第１の実施の形態における洗浄対象の燃料電池スタックを含む燃料電池発電システムの運転中のブロック系統図である。図３は、本実施の形態における洗浄対象の燃料電池スタックに用いられる単位セルの断面図である。
【００２６】
本実施の形態の燃料電池発電システムは、固体高分子電解質型の燃料電池スタック１３を有している。燃料電池スタック１３には、単位セル９０１が複数積層されている。単位セル９０１は、膜電極接合体９０２、絶縁体９２０、セパレータ燃料極面９１２およびセパレータ酸化剤極面９１３を有している。
【００２７】
膜電極接合体９０２は、高分子電解質膜９０３と、その高分子電解質膜９０３の中央部を挟持する様に配置された一対の燃料極９０４および酸化剤極９０５を有している。
【００２８】
燃料極９０４は、燃料極基板９０６および燃料極触媒層９１０を有している。燃料極基板９０６と燃料極触媒層９１０との間には、燃料極ガス拡散層９０８が形成されている。また、酸化剤極９０５は、酸化剤極基板９０７および酸化剤極触媒層９１１を有している。酸化剤極基板９０７と酸化剤極触媒層９１１との間には、酸化剤極ガス拡散層９０９が形成されている。
【００２９】
高分子電解質膜９０３は、燃料極触媒層９１０と酸化剤極触媒層９１１との間に配置されている。また、高分子電解質膜９０３は、燃料極９０４および酸化剤極９０５と接触する部分の周囲にも広がっており、その周囲の部分には絶縁体９２０が高分子電解質膜９０３を挟むように配置されている。セパレータ燃料極面９１２は、高分子電解質膜９０３に対して燃料極９０４と同じ側に位置する絶縁体９２０と燃料極基板９０６に接触するように配置されている。また、セパレータ酸化剤極面９１３は、高分子電解質膜９０３に対して酸化剤極９０５と同じ側に位置する絶縁体９２０と酸化剤極基板９０７に接触するように配置されている。
【００３０】
セパレータ燃料極面９１２には、燃料ガスを分配供給する複数のガス流路として燃料ガス供給溝９１４が形成されている。セパレータ酸化剤極面９１３には、酸化剤ガスを分配供給する複数のガス流路として酸化剤ガス供給溝９１５が形成されている。
【００３１】
高分子電解質膜９０３は、たとえばパーフルオロカーボンスルホン酸膜である。燃料極基板９０６および酸化剤極基板９０７は、導電性多孔質材料で形成されている。燃料極ガス拡散層９０８および酸化剤極ガス拡散層９０９は、カーボン粉と撥水材を含む材料で形成されている。燃料極触媒層９１０および酸化剤極触媒層９１１は、触媒と電解質あるいはさらに撥水材も加えた材料で形成されている。
【００３２】
膜電極接合体９０２は、燃料極９０４および酸化剤極９０５を高分子電解質膜９０３に加熱圧着して接合し一体化する方法により形成されている。セパレータ燃料極面９１２およびセパレータ酸化剤極面９１３は、たとえば表裏一体となって一つのセパレータを形成している。膜電極接合体９０２とセパレータとは交互に積層され、単位セル９０１を複数積層した積層体、すなわち燃料電池スタック１３が形成されている。また、燃料電池スタック１３には、その内部で発生した熱を外部に排出するための水などの冷却材を流す冷却材流路が形成されている。
【００３３】
燃料電池発電システムは、反応ガス供給部、冷却材系を有している。反応ガス供給系には、燃料ガス系および酸化剤ガス系がある。燃料ガス系、酸化剤ガス系および冷却材系の系統にそれぞれ対応して、燃料電池スタック１３には、マニホールドがそれぞれ独立して設けられている。これらのマニホールドは、燃料ガス供給溝９１４、酸化剤ガス供給溝９１５および冷却材流路のそれぞれに対して、燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却材を分配し、または、合流させるものである。
【００３４】
さらに、燃料電池スタック１３には、燃料ガス供給口８１、燃料ガス排出口８２、酸化剤ガス供給口８３、酸化剤ガス排出口８４、冷却材供給口８５および冷却材排出口８６が設けられている。燃料ガス供給口８１および燃料ガス排出口８２は、それぞれマニホールドを介して燃料ガス供給溝９１４に接続されている。酸化剤ガス供給口８３および酸化剤ガス排出口８４は、それぞれマニホールドを介して酸化剤ガス供給溝９１５に接続されている。冷却材供給口８５および冷却材排出口８６は、それぞれマニホールドを介して冷却材流路に接続されている。
【００３５】
また、燃料ガス供給口８１および燃料ガス排出口８２には、燃料ガス供給弁２および燃料ガス排出弁５がそれぞれ接続されている。酸化剤ガス供給口８３および酸化剤ガス排出口８４には、酸化剤ガス供給弁３および酸化剤ガス排出弁６がそれぞれ接続されている。冷却材供給口８５および冷却材排出口８６には、冷却材供給弁４および冷却材排出弁７がそれぞれ接続されている。これらの弁は、流量の制御および遮断を行う。
【００３６】
燃料ガス供給弁２には燃料生成器９２２が接続されていて、燃料生成器９２２には原料ガス供給弁９２６を介して原料ガスが供給される。燃料ガス排出弁５には、燃料生成器中の燃焼部９２３が接続されている。酸化剤ガス供給弁３には、酸化剤ガス系ブロア９２４が接続されている。冷却材供給弁４には、冷却材ポンプ９２５が接続されている。
【００３７】
さらに、燃料電池システムは、燃料電池スタック１３と外部負荷を通電可能となる様に接続し電力を得る電力回路部、および、反応ガス供給部や電力回路部を含む付属機器の運転条件の設定や監視による運転状態の維持修正を行なう制御部などを備えている。
【００３８】
次に、この燃料電池システムによる発電方法について説明する。
【００３９】
燃料ガス系では、天然ガスなどの原料ガスを燃料生成器９２２に導入し、燃料生成器９２２中の触媒作用などを利用した改質反応により、水素を含む燃料ガスに改質して使用する。
【００４０】
なお、改質反応の前後において、改質反応や燃料電池スタック１３の電池反応が阻害されないように、原料ガスや燃料ガス中の不純物を除去するためのフィルターや変成器、あるいは燃料電池スタック１３に水分を供給する加湿器を燃料生成器９２２に隣接して設けてもよい。また、燃料電池システムに燃料生成器９２２を設けずに、外部で精製された水素を使用してもよい。
【００４１】
燃料ガスは燃料電池スタック１３内に導入された後、各単位セル９０１における電池反応に使用され、余剰分は燃料排出ガスとして当該燃料電池スタック１３から排出される。
【００４２】
酸化剤ガス系では、酸化剤ガスとして大気中の空気が酸化剤ガス系ブロア９２４によって燃料電池スタック１３に供給される。なお、燃料電池スタック１３への空気の導入前に、酸化剤ガスを加湿するために加湿器を設置してもよい。酸化剤ガスは、燃料電池スタック１３に供給された後、各単位セル９０１における電池反応に使用され、余剰分は酸化剤排出ガスとして燃料電池スタック１３から排出される。
【００４３】
燃料電池スタック１３に導入された燃料ガスである水素は、燃料極９０４において燃料極ガス拡散層９０８を経由して燃料極触媒層９１０中を拡散し、カーボン担持体上の白金などの触媒に到達すると反応して水素イオンと電子に分離される。この電子は、燃料極９０４から外部回路を通り酸化剤極９０５へ移動する。一方、水素イオンは、燃料極触媒層９１０の触媒に近接する電解質を伝達経路として高分子電解質膜９０３へ移動する。さらに移動して酸化剤極９０５に到達した水素イオンは、酸化剤極触媒層９１１の電解質を伝達経路として拡散し、触媒上で酸素と反応して生成水となる。生成水は、酸化剤極触媒層９１１および酸化剤極ガス拡散層９０９を移動し、あるいは蒸発して酸化剤極基板９０７の外部へ除去される。
【００４４】
冷却材系では、燃料電池発電システムの外部から導入し、あるいは、燃料電池発電システム内に設置された冷却材タンクを介して還流させた冷却材を、冷却材ポンプ９２５により燃料電池スタック１３に供給する。供給された冷却材は、加熱ヒーターにより昇温され燃料電池スタック１３を設定温度に保温するとともに、燃料電池スタック１３で発生する熱を回収し、スタック温度を調節する。
【００４５】
さらに、燃料電池スタック１３で各単位セル９０１に加湿を行うために、冷却材系から各単位セル９０１に対する加湿水の供給経路を設置してもよい。たとえば、セパレータ燃料極面９１２およびセパレータ酸化剤極面９１３に冷却材流路を併設する。この場合には、セパレータ燃料極面９１２およびセパレータ酸化剤極面９１３の冷却材流路から、冷却材の一部が燃料ガス流路あるいは酸化剤ガス流路に連通する単位セル９０１の内部の透過口を通過して、加湿水として使用される。冷却材が燃料電池スタック１３に供給された後は、熱交換器やイオン交換器などを介して冷却材タンクに回収され、冷却材として再利用してもよい。あるいは、回収した冷却材を、燃料電池発電システムの外部に排出してもよい。
【００４６】
次に、本実施の形態における燃料電池スタック１３の洗浄方法について説明する。
【００４７】
まず、発電を停止し、温度が室温まで低下した燃料電池スタック１３を、燃料ガス系、酸化剤ガス系および冷却材系のそれぞれの配管から切り離す。具体的には、図２の符号１００で囲まれた部分を、その外側の配管から切り離す。その後、洗浄系の機器配管を燃料電池スタック１３に接続する。
【００４８】
図４は、本実施の形態における燃料電池スタックを洗浄系に接続した状態のブロック系統図である。
【００４９】
洗浄系は、燃料ガス系水処理ライン１３１を有している。燃料ガス系水処理ライン１３１は、燃料ガス系循環用ポンプ２０１を介して燃料ガス供給弁２に接続される。また、燃料ガス系水処理ライン１３１は、燃料ガス排出弁５に接続される。これにより、燃料ガス系水処理ライン１３１と燃料電池スタック１３の燃料ガス流路とをつなぐ循環経路が形成される。
【００５０】
燃料ガス排出弁５から燃料ガス系水処理ライン１３１に延びる配管の途中には、燃料ガス系循環用ポンプ２０１が設けられている。燃料ガス系水処理ライン１３１と燃料ガス系循環用ポンプ２０１をつなぐ配管、および、燃料ガス系水処理ライン１３１と燃料ガス排出弁５をつなぐ配管の間には、燃料ガス系バイパスライン９１が延びている。燃料ガス系バイパスライン９１の途中には、燃料ガス系バイパスライン流量調節弁１６１が配設されている。
【００５１】
燃料ガス系水処理ライン１３１には、燃料ガス系洗浄液を貯える燃料ガス系洗浄液タンク１２１が設けられている。燃料ガス系洗浄液タンク１２１には、燃料ガス系洗浄液タンク気抜き口１９１が設けられている。さらに、燃料ガス系洗浄液タンク１２１には、燃料ガス系洗浄液タンク排出弁１８１が取り付けられている。
【００５２】
燃料ガス系洗浄液タンク１２１から燃料ガス系循環用ポンプ２０１に延びる配管の途中には、燃料ガス系フィルター１０１および燃料ガス系イオン交換樹脂１１１が挿入されている。また、燃料ガス系洗浄液タンク１２１には、燃料ガス排出弁５から延びる配管が接続されていて、その配管の途中には燃料ガス系水処理ライン流量調節弁１７１が挿入されている。
【００５３】
また、この洗浄系には、たとえばカーボネーター装置を併設した燃料ガス系洗浄液供給器１５１が設けられていて、燃料ガス系洗浄液供給弁１４１を介して、燃料ガス系循環用ポンプ２０１と燃料ガス供給弁２との間に接続されている。燃料ガス排出弁５と燃料ガス系水処理ライン流量調節弁１７１との間には、燃料ガス系電導度センサー２１１が取り付けられている。
【００５４】
洗浄に用いる洗浄液は、たとえば、８５ｗｔ％を占める主成分がイオン交換水で、残りの１５ｗｔ％をアルコール分が占める混合液である。アルコール分としてはメタノールを用いることができる。この混合液には、さらに発泡成分として二酸化炭素ガスが、たとえば約１０℃に保冷された状態で所定の加圧条件における溶解度まで溶解されている。なお、この混合液を酸性溶液として用いる場合には、希硫酸、硝酸、塩酸、あるいはシュウ酸を、混合液中の濃度が３ｗｔ％程度となるように少量添加してもよい。
【００５５】
このように調製された洗浄液は、燃料ガス系洗浄液供給弁１４１を開いて、電池スタック１３に供給される。この際、洗浄液の温度は、凍結しない温度の範囲内で燃料電池スタック１３の内部の温度よりも低くしておく。たとえば洗浄液の供給開始前の燃料電池スタック１３の内部の温度が、約２５℃程度の室温である場合には、燃料ガス系洗浄液供給器１５１に貯えられた洗浄液の温度を約１０℃としておく。
【００５６】
このような洗浄系を用いて、燃料ガス系水処理ライン１３１と燃料電池スタック１３とをつなぐ循環経路に、図４の一点鎖線の矢印２１で模式的に示すように洗浄液を還流させて燃料電池スタック１３を洗浄する。洗浄液を循環させる駆動力は、たとえば燃料ガス系洗浄液供給器１５１から順次洗浄液を送り出すことによって得ることができる。また、循環経路中に設けた燃料ガス系循環用ポンプ２０１によって駆動力を得てもよい。
【００５７】
燃料電池スタック１３を通過した後の洗浄液は、燃料ガス系バイパスライン流量調節弁１６１および燃料ガス系水処理ライン流量調節弁１７１によって流量を調節して、燃料ガス系水処理ライン１３１および燃料ガス系バイパスライン９１に分岐して流される。燃料ガス系バイパスライン９１を通過した洗浄液は、燃料ガス系水処理ライン１３１を通過した洗浄液と再び合流して燃料ガス系循環用ポンプ２０１に送られる。
【００５８】
燃料ガス系水処理ライン１３１に流れた洗浄液は、燃料ガス系フィルター１０１および燃料ガス系イオン交換樹脂１１１によって不純物が除去されて還流する。洗浄液は、燃料ガス系洗浄液タンク１２１に一旦回収して、しばらく保持した後に再利用してもよい。
【００５９】
燃料電池スタック１３を通過した洗浄液は、燃料ガス系電導度センサー２１１によって電導度を測定される。電導度が所定値となるまで、洗浄液の供給は継続される。さらに、洗浄が進行して洗浄液の電導度が所定値よりも低下した場合には、洗浄操作を終了する。あるいは、洗浄液の電導度が所定値よりも大きな値のまま所定の時間が経過した場合には、洗浄液、燃料ガス系フィルター１０１あるいは燃料ガス系イオン交換樹脂１１１のいずれかを交換し洗浄を再開する。
【００６０】
このように燃料電池スタック１３を洗浄液によって洗浄した後、さらに燃料電池スタック１３の燃料ガス流路に連通する系統に、イオン交換水のみを供給するために設置された純水供給ラインを接続してイオン交換水を所定の時間流す。これにより洗浄液の残留を抑制する。その後、窒素ガスなどの不活性ガスを、燃料ガス流路に供給して水抜きし、所定の温度によって乾燥させる。このような手順により、燃料電池スタック１３を発電可能な状態に復帰させて、一連の洗浄作業を終了する。
【００６１】
図１は、本実施の形態における燃料電池スタックの内部での洗浄液の流れを模式的に示す燃料電池スタックの一部拡大断面図である。
【００６２】
燃料電池スタック１３により発電を行った後には、微細粒子状の不純物固形分が燃料極９０４の燃料極ガス拡散層９０８や燃料極触媒層９１０を含む電極基材やセパレータ燃料極面９１２の表面あるいは内部に付着したり、金属イオンを含むイオン性不純物の溶出物質が残留する場合がある。図１における黒三角はこのような不純物５０３を示す。また、図１において矢印５０１は洗浄液の流れの方向を模式的に示すものである。
【００６３】
本実施の形態の洗浄方法により燃料電池スタック１３を洗浄すると、洗浄液に発泡成分が含まれているため、洗浄液中の発泡成分が不純物の付着部位境界や周辺部で気化して気泡５０５を生成する（発泡する）ことにより、洗浄液に振動を加え攪拌することになる。また、この発泡によって洗浄液を燃料極９０４の内部に浸透させるとともに、内部から表面に不純物５０３を押し出す作用が得られる。このため、洗浄液が電極基材やセパレータ燃料極面９１２の表面あるいは内部に付着し滞留した不純物５０３を剥離あるいは抽出して除去する効果を相乗的に促進することができる。
【００６４】
また、洗浄液は、イオン交換水またはアルコール、あるいはその双方を含んでいるため、イオン交換水成分は洗浄中の拡散作用によって燃料電池スタック１３の内部の不純物５０３を除去し、残留成分を低濃度まで抑制することができる。また、アルコール成分により洗浄液が燃料極９０４の内部に浸透した後に、洗浄液中の発泡成分が不純物５０３の付着部位境界や周辺部で気化し発泡する。このため、発泡成分が含まれない場合に比べて、燃料極９０４の内部から燃料ガス供給溝９１４に面する表面に不純物５０３を押し出すことが可能となり、効果的に洗浄を行うことができる。
【００６５】
本実施の形態では、洗浄液の発泡成分として、二酸化炭素を用いている。二酸化炭素は、たとえ燃料電池スタック１３の内部に残留したとしても、電池反応を阻害しない不活性ガスである。また、二酸化炭素は、たとえば窒素などに比べて水に対する溶解度が大きいため、洗浄液中に容易に溶解させることができ、発泡成分として多量のガスを発生させることができる。また、二酸化炭素は大気中に含まれる成分であり、多少漏出しても安全であり、また安価に入手可能である。
【００６６】
また、洗浄液を供給する前の燃料電池スタック１３の内部の温度を、洗浄液の温度よりも高くしている。このため、洗浄液が燃料電池スタック１３に接触する際に、洗浄液の温度が上昇する。洗浄液の温度が上昇すると、発泡成分の溶解度が変化し、温度差に相当する溶解度を超えたガス組成分が気化する。したがって、燃料電池スタック１３の内部の温度、および、洗浄液の温度の少なくとも一方の温度を調節することにより、洗浄液の発泡を調整することができる。
【００６７】
洗浄液のアルコール分として、メタノール以外のアルコール種、たとえばエタノールを用いた場合には、アセトアルデヒドや酢酸を含む中間生成物が電極内部に残留し、発電中の電池反応を阻害するおそれがある。一方、本実施の形態では、洗浄液のアルコール分として、メタノールを用いている。洗浄後に洗浄液を電池スタック内から除去する際には、イオン交換水の通水により洗浄液の除去を進めるとともに、場合により反応ガスなどの乾燥ガスのパージを行って洗浄液の溶媒成分の蒸発を進める。この過程においてアルコール成分の一部は、電極触媒層内の触媒作用により分解されて除去される。メタノールは、最終的に二酸化炭素まで分解されて気化して除去される。このため、中間生成物が電極内部に残留して、電池反応を阻害することを抑制することができる。
【００６８】
また、洗浄液として、たとえば希硫酸を含有する酸性溶液を用いる場合には、燃料極９０４の燃料極ガス拡散層９０８や燃料極触媒層９１０を含む電極基材や、セパレータ燃料極面９１２の表面あるいは内部に付着した金属イオンを含むイオン性不純物の溶出が促進される。
【００６９】
洗浄液の循環経路には、微細固形分粒子を除去する燃料ガス系フィルター１０１および燃料ガス系イオン交換樹脂１１１を備えた燃料ガス系水処理ライン１３１を設けている。これにより、洗浄により遊離した洗浄液中の微細不純物固形分粒子を燃料ガス系フィルター１０１でろ過することができる。また、金属イオンなどのイオン性不純物を燃料ガス系イオン交換樹脂１１１で吸着して除去することができる。よって、洗浄液中の不純物濃度の増加を抑制し、洗浄液を継続的に洗浄作用を発揮できる状態に保つことができ、洗浄液を還流して再使用することができる。これにより、洗浄液の廃液の量を削減することもできる。
【００７０】
また、洗浄液の循環経路には、燃料ガス系水処理ライン１３１と並行して、燃料ガス流路の供給配管と排出配管を接続して洗浄液を還流させる燃料ガス系バイパスライン９１が設けられている。これにより、洗浄中の不純物濃度の増加量に併せて、還流する洗浄液の流量と水処理量と電池スタックへの供給量との調整が可能となる。このため、燃料ガス系フィルター１０１および燃料ガス系イオン交換樹脂１１１の処理容量の制約を受けることなく、水処理と並行した洗浄操作が可能となる。
【００７１】
燃料ガス流路の循環経路から燃料電池スタック１３の外部に排出される洗浄液の電導度は、循環経路の燃料電池スタック１３の排出側となる部分に設けた燃料ガス系電導度センサー２１１により測定される。燃料電池スタック１３から排出される洗浄液中の不純物濃度が高いほど洗浄液の電導度は大きくなる。したがって、洗浄液が循環経路の容積に対して十分量用意されている場合には、洗浄が進むほど不純物濃度が低下して電導度の値は小さくなる。このため、洗浄が進行して電導度が低く安定した所定値に到達した状態を燃料ガス系電導度センサー２１１で検知することにより、不純物濃度の低下を把握することができ、燃料電池スタック１３の洗浄状態を把握することができる。さらに、この電導度に基づいて、洗浄終了を判定することができる。
【００７２】
洗浄液の循環経路にフィルターやイオン交換樹脂を併設しない場合には、燃料電池スタック１３から排出される洗浄液は、繰返し還流して使用されることにより徐々に不純物濃度が増加し、洗浄液の電導度は上昇する。洗浄液量が循環経路の容積に対して同程度に制限されている場合には、洗浄が進むほど不純物濃度が増加した結果として飽和状態に達し、洗浄効果が得られなくなる。不純物濃度の飽和状態を洗浄液の電導度の値が高く安定した所定値に到達した状態として燃料ガス系電導度センサー２１１で検知することで、洗浄液の交換時期を判定することができる。あるいは、フィルターやイオン交換樹脂を併設する場合には、洗浄液の電導度が、所定値よりも大きな値のまま所定の時間が経過した場合には洗浄液、燃料ガス系フィルター１０１および燃料ガス系イオン交換樹脂１１１のいずれか、あるいは両方を交換することにより、洗浄効果の高い洗浄液を絶えず使用することができる。これにより、燃料電池スタック１３を能率的に洗浄することができる。
【００７３】
また、洗浄液の流れの方向、すなわち供給方向と排出方向を、所定時間毎に交互に交替してもよい。微細な多孔質構造の電極基材内部や、局部的に凸凹形状をしたセパレータのガス流路には、洗浄液の流れ方向によっては不純物が付着して洗浄液が滞留するおそれがある。しかし、洗浄液の流れ方向を変更することにより、付着した不純物の剥離を促し、洗浄液の滞留を抑制することができる。
【００７４】
このように、本実施の形態によれば、所定の洗浄液を用いて燃料電池スタック１３を洗浄することにより、固形不純物成分を除去し、燃料電池スタック１３、あるいは、燃料電池スタック１３を構成する部材の内部での残留を抑制することができる。この結果、微細な固形不純物が親水性物質として電極内部に付着して水和することを抑制することができる。このため、ガス拡散層や触媒層のガス拡散性を確保してフラッディング現象に伴うセル特性の低下を抑制することができる。
【００７５】
［第２の実施の形態］
図５は、本発明に係る固体高分子電解質型燃料電池スタックの洗浄方法の第２の実施の形態における洗浄対象の燃料電池スタックを洗浄系に接続した状態のブロック系統図である。
【００７６】
本実施の形態でも、第１の実施の形態と同様に、燃料電池スタック１３を用いた発電を停止した後、温度が室温まで低下した燃料電池スタック１３を、燃料ガス系、酸化剤ガス系および冷却材系のそれぞれの配管から切り離す。その後、本実施の形態では、燃料ガス系だけではなく、酸化剤ガス系および冷却材系にも、同時に洗浄系を取り付けて、燃料電池スタック１３を洗浄する。酸化剤ガス系および冷却材系に取り付けられる洗浄系は、燃料ガス系に取り付けられる洗浄系と同様のものである。
【００７７】
酸化剤ガス系に取り付けられる洗浄系は、酸化剤ガス系水処理ライン１３２を有している。酸化剤ガス系水処理ライン１３２は、酸化剤ガス系循環用ポンプ２０２を介して酸化剤ガス供給弁３に接続される。また、酸化剤ガス系水処理ライン１３２は、酸化剤ガス排出弁６に接続される。これにより、酸化剤ガス系水処理ライン１３２と燃料電池スタック１３の酸化剤ガス流路とをつなぐ循環経路が形成される。
【００７８】
冷却材系に取り付けられる洗浄系は、冷却材系水処理ライン１３３を有している。冷却材系水処理ライン１３３は、冷却材系循環用ポンプ２０３を介して冷却材供給弁４に接続される。また、冷却材系水処理ライン１３３は、冷却材排出弁７に接続される。これにより、冷却材系水処理ライン１３３と燃料電池スタック１３の冷却材流路とをつなぐ循環経路が形成される。
【００７９】
また、燃料ガス系バイパスライン９１に対応して、酸化剤ガス系バイパスライン９２および冷却材系バイパスライン９３が設けられている。燃料ガス系バイパスライン流量調節弁１６１に対応して、酸化剤ガス系バイパスライン流量調節弁１６２および冷却材系バイパスライン流量調節弁１６３が設けられている。
【００８０】
燃料ガス系洗浄液タンク１２１に対応して、酸化剤ガス系洗浄液タンク１２２および冷却材系洗浄液タンク１２３が設けられている。燃料ガス系洗浄液タンク気抜き口１９１に対応して、酸化剤ガス系洗浄液タンク気抜き口１９２および冷却材系洗浄液タンク気抜き口１９３が設けられている。燃料ガス系洗浄液タンク排出弁１８１に対応して、酸化剤ガス系洗浄液タンク排出弁１８２および冷却材系洗浄液タンク排出弁１８３が設けられている。燃料ガス系フィルター１０１に対応して、酸化剤ガス系フィルター１０２および冷却材系フィルター１０３が設けられている。燃料ガス系イオン交換樹脂１１１に対応して、酸化剤ガス系イオン交換樹脂１１２および冷却材系イオン交換樹脂１１３が設けられている。燃料ガス系水処理ライン流量調節弁１７１に対応して、酸化剤ガス系水処理ライン流量調節弁１７２および冷却材系水処理ライン流量調節弁１７３が設けられている。
【００８１】
燃料ガス系洗浄液供給器１５１に対応して、酸化剤ガス系洗浄液供給器１５２および冷却材系洗浄液供給器１５３が設けられている。燃料ガス系洗浄液供給弁１４１に対応して、酸化剤ガス系洗浄液供給弁１４２および冷却材系洗浄液供給弁１４３が設けられている。また、燃料ガス系電導度センサー２１１に対応して、酸化剤ガス系電導度センサー２１２および冷却材系電導度センサー２１３が設けられている。
【００８２】
このような洗浄系を用いて、燃料ガス系水処理ライン１３１と燃料電池スタック１３とをつなぐ循環経路に、図５の一点鎖線の矢印２１で模式的に示すように洗浄液を還流させて燃料電池スタック１３の燃料ガス系を洗浄する。また、酸化剤ガス系水処理ライン１３２と燃料電池スタック１３とをつなぐ循環経路に、図５の二点鎖線の矢印２２で模式的に示すように洗浄液を還流させて燃料電池スタック１３の酸化剤ガス系を洗浄する。冷却材系水処理ライン１３３と燃料電池スタック１３とをつなぐ循環経路に、図５の点線の矢印２３で模式的に示すように洗浄液を還流させて燃料電池スタック１３の冷却材系を洗浄する。
【００８３】
このようにして、燃料電池スタック１３の燃料ガス系、酸化剤ガス系および冷却材系のそれぞれの流路に洗浄液を流し、燃料電池スタック１３を洗浄することができ、固体高分子電解質型燃料電池スタックを洗浄した際に、内部に残留する不純物を低減できる。また、燃料ガス系、酸化剤ガス系および冷却材系のすべてを同時に洗浄することができる。なお、第１の実施の形態の洗浄系を用いて、燃料ガス系、酸化剤ガス系および冷却材系を順次洗浄してもよい。
【００８４】
［第３の実施の形態］
図６は、本発明に係る固体高分子電解質型燃料電池スタックの洗浄方法の第３の実施の形態における洗浄対象の燃料電池スタックの一部拡大断面図である。図７は、本実施の形態における洗浄剤の流れを模式的に示すブロック図である。
【００８５】
本実施の形態では、セパレータ３１に冷却材流路３４から燃料ガス流路３２に連通する細孔状の加湿水透過部３６が形成された燃料電池スタック１３を洗浄対象とする。このような燃料電池スタック１３では、発電の際に、冷却材流路３４を流れる冷却材の一部は、加湿水透過部３６を通過して燃料ガス流路３２に至り、加湿水として用いられる。
【００８６】
このような燃料電池スタック１３を洗浄する場合には、第１の実施の形態のような洗浄系を用いて燃料ガス系に洗浄液を供給すると、図６に矢印５０１で示す洗浄液の流れの方向に、加湿水透過部３６を介して冷却材流路３４にも洗浄液が供給される。つまり、燃料ガス供給口８１から供給された洗浄液は、燃料ガス流路３２を通過して燃料ガス排出口８２から排出されるとともに、図７の一点鎖線の矢印２４で模式的に示すように加湿水透過部３６および冷却材流路３４を通過して冷却材排出口８６からも排出される。冷却材流路３４に供給された洗浄液は、冷却材排出口８６から排出されて、たとえば燃料ガス系水処理ライン１３１に還流される。加湿水透過部３６を流れる洗浄液の量は、それぞれの流路に供給する洗浄液の供給圧や流量を調整することにより変化させることができる。
【００８７】
このようにして、燃料電池スタック１３の燃料ガス系の流路に洗浄液を流し、燃料電池スタック１３を洗浄することができ、固体高分子電解質型燃料電池スタックを洗浄した際に、内部に残留する不純物を低減できる。また、燃料ガス系の流路とともに、冷却材系にも洗浄液を流すことができるため、燃料ガス系と冷却材系とを、一つの洗浄系によって同時に洗浄することができる。また、加湿水には、金属イオンなどの不純物が微量に含まれる場合があり、加湿水透過部３６にはこれらの不純物が付着し易い。しかし、本実施の形態では、細孔状の加湿水透過部３６も洗浄されるため、加湿水透過部３６の閉塞を抑制することができる。これにより、水の透過性を確保して加湿不足の発生を抑制できるため、電解質のイオン伝導度を維持してセル性能を回復し安定に保持することが可能となる。
【００８８】
なお、ここでは、加湿水透過部３６は、冷却材流路３４から燃料ガス流路３２に連通する場合について説明しているが、冷却材流路３４から酸化剤ガス流路に連通する加湿水透過部３６が設けられていてもよい。この場合には、酸化剤ガス系と冷却材系を同時に洗浄することができる。
【００８９】
［第４の実施の形態］
図８は、本発明に係る固体高分子電解質型燃料電池スタックの洗浄方法の第４の実施の形態における洗浄対象の燃料電池スタックの一部拡大断面図である。
【００９０】
本実施の形態における洗浄対象の燃料電池スタック１３は、第３の実施の形態の洗浄対象と同様に、セパレータに３１に冷却材流路３４から燃料ガス流路３２に連通する細孔状の加湿水透過部３６が形成されている。また、セパレータに３１には、冷却材流路３４から酸化剤ガス流路（図示せず）に連通する細孔状の加湿水透過部３６もあわせて形成されている。
【００９１】
このような燃料電池スタック１３を洗浄する場合には、第２の実施の形態のような冷却材系に取り付けられる洗浄系を用いて冷却材系に洗浄液を供給すると、図８に矢印５０１で示す洗浄液の流れの方向に、加湿水透過部３６を介して燃料ガス流路３２および酸化剤ガス流路にも洗浄液が供給される。燃料ガス流路３２に供給された洗浄液は、燃料ガス排出口８２から排出されて、たとえば冷却材系水処理ライン１３３に還流される。酸化剤ガス流路に供給された洗浄液は、酸化剤ガス排出口８４から排出されて、たとえば冷却材系水処理ライン１３３に還流される。
【００９２】
図９は、本実施の形態における洗浄液の流れを模式的に示すブロック図である。
【００９３】
本実施の形態では、たとえば、図９の一点鎖線の矢印２５で模式的に示すように、燃料ガス系、酸化剤ガス系および冷却材系に順次冷却材を流すことができる。酸化剤ガス供給口８３から供給された洗浄液は、酸化剤ガス排出口８４に排出されるとともに、加湿水透過部３６を通過して冷却材排出口８６から排出される。冷却材排出口８６から排出された洗浄液は、冷却材供給口８５から再び燃料電池スタック１３に供給されて、その一部は燃料ガス排出口８２から排出される。燃料ガス排出口８２から排出された洗浄液は、燃料ガス供給口８１から供給される。
【００９４】
このようにして、燃料電池スタック１３の燃料ガス系、酸化剤ガス系および冷却材系の流路に洗浄液を流し、燃料電池スタック１３を洗浄することができ、固体高分子電解質型燃料電池スタックを洗浄した際に、内部に残留する不純物を低減できる。また、冷却材系の流路とともに、燃料ガス系および酸化剤ガス系の流路にも洗浄液を流すことができるため、燃料ガス系、酸化剤ガス系および冷却材系を、一つの洗浄系によって同時に洗浄することもできる。また、細孔状の加湿水透過部３６も洗浄されるため、加湿水透過部３６の閉塞を抑制することができる。これにより、水の透過性を確保して加湿不足の発生を抑制できるため、電解質のイオン伝導度を維持してセル性能を回復し安定に保持することが可能となる。
【００９５】
［第５の実施の形態］
図１０は、本発明に係る固体高分子電解質型燃料電池スタックの洗浄方法の第５の実施の形態における洗浄時の状態を示す燃料電池スタックの斜視図である。
【００９６】
本実施の形態では、燃料電池スタック側面４１を開放し、その側面に超音波振動子を内蔵した振動板４２を接触させて、振動板４２を振動させながら燃料ガス、酸化剤ガスまたは冷却材のマニホールド４３を介して洗浄液を供給する。
【００９７】
このようにして、燃料電池スタック１３を洗浄することができ、固体高分子電解質型燃料電池スタックを洗浄した際に、内部に残留する不純物を低減できる。また、燃料電池スタック１３に振動を加えながら洗浄液を供給するため、燃料電池スタック１３の内部の電極基材やセパレータの表面あるいは内部に対する洗浄液の接触や浸透が促進される。これにより、発泡による洗浄液の攪拌作用とあわせて不純物の剥離や溶出が効果的に行われる。
【００９８】
［第６の実施の形態］
図１１は、本発明に係る固体高分子電解質型燃料電池スタックの洗浄方法の第６の実施の形態における洗浄装置の斜視図である。
【００９９】
本実施の形態における洗浄装置は、浴槽７４を備えている。浴槽７４には弁などを介して洗浄液供給器７５が接続されている。洗浄液供給器７５から洗浄液供給口８０２を介して供給される洗浄液７９は、浴槽７４に貯えられる。洗浄液７９は、洗浄液排出口８０３から排出される。浴槽７４には攪拌機７６１，７６２，７６３，７６４が取り付けられている。また、洗浄液排出口８０３と洗浄液供給口８０２との間の配管には、循環用ポンプ７７が接続されている。攪拌機７６１，７６２，７６３，７６４は、たとえばプロペラ回転式攪拌機などの市販されているものでよい。また、洗浄液の攪拌をさらに促進する目的で、空気供給ポンプあるいは窒素ボンベなどを用いたガス供給器７６５を接続して緻密な気泡を発生させるバブラー７６６を浴槽７４の内部に併設してもよい。
【０１００】
洗浄液７９は、攪拌機７６１，７６２，７６３，７６４および循環用ポンプ７７で攪拌されながら循環する。この洗浄液７９は、第１ないし第５の実施の形態と同様の洗浄液である。
【０１０１】
また、この洗浄装置は、浸漬用治具７２を備えている。浸漬用治具７２は、直方体の枠にメッシュ状の底面を持つ。また、浸漬用治具７２は、固定部品７３を備えている。浸漬用治具７２は、耐溶剤性および耐酸性を備えたたとえば樹脂で形成されている。
【０１０２】
本実施の形態では、燃料電池スタック１３の洗浄に際して、まず、燃料電池スタック１３を、単位セル９０１やセパレータなどの電池スタック構成部材単体７１に分解する。次に、この組み合わされていない状態の電池スタック構成部材単体７１を浸漬用治具７２に収めて、固定部品７３で固定する。その後、電池スタック構成部材単体７１を浸漬用治具７２とともに、浴槽７４に貯えられた洗浄液７９の中に所定の時間浸漬する。電池スタック構成部材単体７１は、固定部品７３で固定されているため、洗浄液７９から浮き上がり移動することがない。洗浄液７９に浸漬された電池スタック構成部材単体７１は、洗浄液７９の作用により洗浄される。
【０１０３】
このようにして、燃料電池スタック１３を洗浄することができ、固体高分子電解質型燃料電池スタックを洗浄した際に、内部に残留する不純物を低減できる。また、洗浄液７９は、攪拌機７６１，７６２，７６３，７６４および循環用ポンプ７７で攪拌されているため、電池スタック構成部材単体７１の全体から効率よく不純物を除去することができる。燃料電池スタック１３は、分解されているため、分解しない状態では洗浄液７９と直接接触しない部分にも洗浄液７９を接触させることができるため、このような部分からも不純物を効果的に除去することができる。また、燃料電池スタック１３の製造過程における組み立て積層前の電池スタック構成部材単体７１を、同様に洗浄することも可能である。
【０１０４】
［第７の実施の形態］
図１２は、本発明に係る固体高分子電解質型燃料電池スタックの洗浄方法の第７の実施の形態における洗浄装置の横断面図である。
【０１０５】
本実施の形態の洗浄装置は、浴槽７４の内面に超音波振動子を含む振動板７８が設けられている。また、隣り合う電池スタック構成部材単体７１の間にも、振動板７８が配置される。このような洗浄装置を用いて、電池スタック構成部材単体７１は、振動板７８によって振動が加えられた状態で、洗浄液に浸漬されて洗浄される。
【０１０６】
このようにして、燃料電池スタック１３を洗浄することができ、固体高分子電解質型燃料電池スタックを洗浄した際に、内部に残留する不純物を低減できる。また、電池スタック構成部材単体７１は、振動を加えられた状態で洗浄されるため、電池スタック構成部材単体７１の表面あるいは内部に対する洗浄液の接触や浸透が促進される。このため、洗浄液の発泡による攪拌作用と併せて不純物の剥離や溶出を効果的に行うことができる。
【０１０７】
［第８の実施の形態］
図１３は、本発明に係る固体高分子電解質型燃料電池スタックの洗浄方法の第８の実施の形態における洗浄装置のブロック系統図である。
【０１０８】
本実施の形態の洗浄装置は、第６の実施の形態の洗浄装置の浴槽７４を、第１の実施の形態の洗浄系に接続したものである。この洗浄装置を用いて、燃料電池スタック１３を洗浄する際には、第６の実施の形態と同様に、まず、燃料電池スタック１３を電池スタック構成部材単体７１に分解する。この電池スタック構成部材単体７１を浴槽７４に浸漬し、洗浄液７９を洗浄液供給口８０２から供給し、洗浄液排出口８０３から排出して、洗浄系を介して還流させて、洗浄する。
【０１０９】
このようにして、燃料電池スタック１３を洗浄することができ、固体高分子電解質型燃料電池スタックを洗浄した際に、内部に残留する不純物を低減できる。また、洗浄液の循環経路に配置されたフィルターやイオン交換樹脂により、洗浄液７９中の不純物濃度の増加を抑制し、洗浄液７９を継続的に洗浄作用を発揮できる状態に保つことができる。浴槽７４から排出された洗浄液７９の電導度は電導度センサーで測定され、電導度が所定の値に達した場合に洗浄を終了する。
【０１１０】
［他の実施の形態］
なお、以上の説明は単なる例示であり、本発明は上述の各実施の形態に限定されず、様々な形態で実施することができる。また、各実施の形態の特徴を組み合わせて実施することもできる。
【図面の簡単な説明】
【０１１１】
【図１】本発明に係る固体高分子電解質型燃料電池スタックの洗浄方法の第１の実施の形態における燃料電池スタックの内部での洗浄液の流れを模式的に示す燃料電池スタックの一部拡大断面図である。
【図２】本発明に係る固体高分子電解質型燃料電池スタックの洗浄方法の第１の実施の形態における洗浄対象の燃料電池スタックを含む燃料電池発電システムの運転中のブロック系統図である。
【図３】本発明に係る固体高分子電解質型燃料電池スタックの洗浄方法の第１の実施の形態における洗浄対象の燃料電池スタックに用いられる単位セルの断面図である。
【図４】本発明に係る固体高分子電解質型燃料電池スタックの洗浄方法の第１の実施の形態における燃料電池スタックを洗浄系に接続した状態のブロック系統図である。
【図５】本発明に係る固体高分子電解質型燃料電池スタックの洗浄方法の第２の実施の形態における洗浄対象の燃料電池スタックを洗浄系に接続した状態のブロック系統図である。
【図６】本発明に係る固体高分子電解質型燃料電池スタックの洗浄方法の第３の実施の形態における洗浄対象の燃料電池スタックの一部拡大断面図である。
【図７】本発明に係る固体高分子電解質型燃料電池スタックの洗浄方法の第３の実施の形態における洗浄剤の流れを模式的に示すブロック図である。
【図８】本発明に係る固体高分子電解質型燃料電池スタックの洗浄方法の第４の実施の形態における洗浄対象の燃料電池スタックの一部拡大断面図である。
【図９】本発明に係る固体高分子電解質型燃料電池スタックの洗浄方法の第４の実施の形態における洗浄液の流れを模式的に示すブロック図である。
【図１０】本発明に係る固体高分子電解質型燃料電池スタックの洗浄方法の第５の実施の形態における洗浄時の状態を示す燃料電池スタックの斜視図である。
【図１１】本発明に係る固体高分子電解質型燃料電池スタックの洗浄方法の第６の実施の形態における洗浄装置の斜視図である。
【図１２】本発明に係る固体高分子電解質型燃料電池スタックの洗浄方法の第７の実施の形態における洗浄装置の横断面図である。
【図１３】本発明に係る固体高分子電解質型燃料電池スタックの洗浄方法の第８の実施の形態における洗浄装置のブロック系統図である。
【符号の説明】
【０１１２】
２…燃料ガス供給弁、３…酸化剤ガス供給弁、４…冷却材供給弁、５…燃料ガス排出弁、６…酸化剤ガス排出弁、７…冷却材排出弁、１３…燃料電池スタック、３１…セパレータ、３２…燃料ガス流路、３４…冷却材流路、３６…加湿水透過部、４１…燃料電池スタック側面、４２…振動板、４３…マニホールド、７１…電池スタック構成部材単体、７２…浸漬用治具、７３…固定部品、７４…浴槽、７５…洗浄液供給器、７７…循環用ポンプ、７８…振動板、７９…洗浄液、８１…燃料ガス供給口、８２…燃料ガス排出口、８３…酸化剤ガス供給口、８４…酸化剤ガス排出口、８５…冷却材供給口、８６…冷却材排出口、９１…燃料ガス系バイパスライン、９２…酸化剤ガス系バイパスライン、９３…冷却材系バイパスライン、１０１…燃料ガス系フィルター、１０２…酸化剤ガス系フィルター、１０３…冷却材系フィルター、１１１…燃料ガス系イオン交換樹脂、１１２…酸化剤ガス系イオン交換樹脂、１１３…冷却材系イオン交換樹脂、１２１…燃料ガス系洗浄液タンク、１２２…酸化剤ガス系洗浄液タンク、１２３…冷却材系洗浄液タンク、１３１…燃料ガス系水処理ライン、１３２…酸化剤ガス系水処理ライン、１３３…冷却材系水処理ライン、１４１…燃料ガス系洗浄液供給弁、１４２…酸化剤ガス系洗浄液供給弁、１４３…冷却材系洗浄液供給弁、１５１…燃料ガス系洗浄液供給器、１５２…酸化剤ガス系洗浄液供給器、１５３…冷却材系洗浄液供給器、１６１…燃料ガス系バイパスライン流量調節弁、１６２…酸化剤ガス系バイパスライン流量調節弁、１６３…冷却材系バイパスライン流量調節弁、１７１…燃料ガス系水処理ライン流量調節弁、１７２…酸化剤ガス系水処理ライン流量調節弁、１７３…冷却材系水処理ライン流量調節弁、１８１…燃料ガス系洗浄液タンク排出弁、１８２…酸化剤ガス系洗浄液タンク排出弁、１８３…冷却材系洗浄液タンク排出弁、１９１…燃料ガス系洗浄液タンク気抜き口、１９２…酸化剤ガス系洗浄液タンク気抜き口、１９３…冷却材系洗浄液タンク気抜き口、２０１…燃料ガス系循環用ポンプ、２０２…酸化剤ガス系循環用ポンプ、２０３…冷却材系循環用ポンプ、２１１…燃料ガス系電導度センサー、２１２…酸化剤ガス系電導度センサー、２１３…冷却材系電導度センサー、５０３…不純物、５０５…気泡、７６１，７６２，７６３，７６４…攪拌機、７６５…ガス供給器、７６６…バブラー、８０２…洗浄液供給口、８０３…洗浄液排出口、９０１…単位セル、９０２…膜電極接合体、９０３…高分子電解質膜、９０４…燃料極、９０５…酸化剤極、９０６…燃料極基板、９０７…酸化剤極基板、９０８…燃料極ガス拡散層、９０９…酸化剤極ガス拡散層、９１０…燃料極触媒層、９１１…酸化剤極触媒層、９１２…セパレータ燃料極面、９１３…セパレータ酸化剤極面、９１４…燃料ガス供給溝、９１５…酸化剤ガス供給溝、９２０…絶縁体、９２２…燃料生成器、９２３…燃料生成器中の燃焼部、９２４…酸化剤ガス系ブロア、９２５…冷却材ポンプ、９２６…原料ガス供給弁
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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