(57)【要約】【課題】電解質膜の強度、耐久性を向上させること。【解決手段】電解質膜１２を挟んで一対の電極触媒層１４ａ、１４ｃが設けられたＭＥＡ１０と、アノードガス流路２２ａを形成するアノード側セパレータ２０ａとカソードガス流路２２ｃを形成するカソード側セパレータ２０ｃと、を含み、アノード側セパレータ２０ａとカソード側セパレータ２０ｃとでＭＥＡ１０を挟持した単セル１００を備えた燃料電池のメンテナンス方法であって、アノードガス流路２２ａにカチオンを含む溶液を充満させて、アノードガス流路２２ａからＭＥＡ１０にカチオンを含む溶液を浸入させるステップと、カチオンを含む溶液を浸入させるステップの後、アノードガス流路２２ａを水素ガスで置換するステップと、水素ガスで置換するステップの後、アノードガス流路２２ａを水素ガスで満たした状態として、ＭＥＡ１０内に電位勾配を形成するステップと、を備える燃料電池のメンテナンス方法。【選択図】図３
2017174549.tif 000002
【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とで前記膜電極接合体を挟持した単セルを備えた燃料電池のメンテナンス方法であって、
前記アノードガス流路にカチオンを含む溶液を充満させて、前記アノードガス流路から前記膜電極接合体に前記カチオンを含む溶液を浸入させるステップと、
前記カチオンを含む溶液を浸入させるステップの後、前記アノードガス流路を水素ガスで置換するステップと、
前記水素ガスで置換するステップの後、前記アノードガス流路を水素ガスで満たした状態として、前記膜電極接合体内に電位勾配を形成するステップと、を備え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、燃料電池のメンテナンス方法に関する。
【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電極触媒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。電解質膜の強度及び耐久性を向上させるために、高分子を架橋構造にするカチオンを電解質膜に導入することが知られている。電解質膜のカチオン濃度は運転時間増加と共に低下していくことから、定期的に電解質膜にカチオンを導入することが望ましい。そこで、電解質膜に対して架橋が可能な金属イオンで形成されたタンクを設置してタンク内に金属イオンが溶出した生成水を溜め、当該生成水を電解質膜に添加することで、電解質膜にカチオンを導入する方法が知られている。（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２０１０−２０９３１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、金属イオンで形成されたタンク内の生成水への金属イオンの溶出は自然溶出であることから、生成水への金属イオンの溶出量を制御することが難しい。このため、金属イオンの溶出量が少ない状態の生成水を電解質膜に添加する場合が生じる。この場合、電解質膜に十分なカチオンが導入されず、電解質膜の強度及び耐久性を十分に向上させることができない。
【０００５】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、電解質膜の強度及び耐久性を向上させ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、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とで前記膜電極接合体を挟持した単セルを備えた燃料電池のメンテナンス方法であって、前記アノードガス流路にカチオンを含む溶液を充満させて、前記アノードガス流路から前記膜電極接合体に前記カチオンを含む溶液を浸入させるステップと、前記カチオンを含む溶液を浸入させるステップの後、前記アノードガス流路を水素ガスで置換するステップと、前記水素ガスで置換するステップの後、前記アノードガス流路を水素ガスで満たした状態として、前記膜電極接合体内に電位勾配を形成するステップと、を備える燃料電池のメンテナンス方法である。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、電解質膜の強度及び耐久性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【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は燃料電池の分解斜視図である。
【図３】図３は燃料電池のメンテナンス方法の一例を示すフローチャートである。
【図４】図４（ａ）は電解質膜の膜厚と開回路電圧との関係を示す図、図４（ｂ）は電解質膜のカチオン濃度とプロトンポンプ反応での電圧との関係を示す図、図４（ｃ）は電解質膜の膜厚とカチオン濃度との関係を示す図である。
【図５】図５は複数の単セルそれぞれに複数の外部電源それぞれを接続させた場合を示す断面図である。
【図６】図６（ａ）は図３のステップＳ２２を説明するための断面図、図６（ｂ）は図３のステップＳ２６を説明するための断面図である。
【図７】図７は複数の単セルそれぞれに抵抗のみを接続させた場合の断面図である。
【図８】図８はターミナルプレート間に外部電源を接続させた場合の断面図である。
【図９】図９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】
【０００９】
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】
【００１０】
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（例えば水素ガス）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。
【００１１】
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。
【００１２】
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と言う。
【００１３】
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。
【００１４】
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。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。この場合には、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。
【００１５】
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。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。アノード側セパレータ２０ａには、突出部２６が設けられている。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。
【００１６】
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は冷媒排出マニホールドを、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。
【００１７】
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は冷媒供給マニホールドを、孔ａ６、ｓ６、及びｃ６は燃料ガス排出マニホールドを画定する。
【００１８】
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。
【００１９】
図２は、燃料電池の分解斜視図である。なお、図２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。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、金属製であり、燃料電池２００から電圧及び電流を取り出すために用いられる。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は冷媒排出マニホールドを、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は冷媒供給マニホールドを、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ｅ５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ｅ２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】
図３は、燃料電池のメンテナンス方法の一例を示すフローチャートである。なお、燃料電池のメンテナンス方法は、例えば燃料電池が搭載された燃料電池自動車や電気自動車に対して行われる車両点検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。
【００２２】
図３のように、エンドプレート７０に設けられた孔ｅ１に加湿水素ガスを供給してアノードガス流路２２ａに加湿水素ガスを流し、孔ｅ４に加湿空気を供給してカソードガス流路２２ｃに加湿空気を流して、複数の単セル１００の電解質膜１２を湿潤させる（ステップＳ１０）。電解質膜１２を湿潤させることで、プロトン伝導性を良好にすることができる。
【００２３】
次いで、エンドプレート７０の孔ｅ１に水素ガスを供給してアノードガス流路２２ａに水素ガスを流し、孔ｅ４に空気を供給してカソードガス流路２２ｃに空気を流した状態で、複数の単セル１００の開回路電圧（ＯＣＶ）を測定し、当該測定結果から電解質膜１２の膜厚を推定する（ステップＳ１２）。図４（ａ）は、電解質膜の膜厚と開回路電圧との関係を示す図である。電解質膜が薄くなるとクロスリークが増大することから開回路電圧が低下するようになる。測定した開回路電圧と図４（ａ）とを用いて、電解質膜１２の膜厚を推定することができる。なお、ステップＳ１２において、アノードガス流路２２ａに加湿水素ガスを流し、カソードガス流路２２ｃに加湿空気を流すことで、ステップＳ１０を含めるようにしてもよい。
【００２４】
次いで、エンドプレート７０の孔ｅ４に供給するガスを空気から窒素ガスに変更して、カソードガス流路２２ｃに流すガスを空気から窒素ガスに変更する（ステップＳ１４）。これにより、アノードガス流路２２ａは水素ガスで満たされ、カソードガス流路２２ｃは窒素ガスで満たされた状態となる。
【００２５】
次いで、図５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。複数の外部電源８４は、１つの単セル１００のカソード側セパレータ２０ｃからアノード側セパレータ２０ａに電流が流れるように外部電源端子８２に接続される。すなわち、１つの外部電源８４は、１つの単セル１００の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。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。
【００２６】
アノードガス流路２２ａが水素ガスで満たされ、カソードガス流路２２ｃが窒素ガスで満たされているため、プロトンポンプ反応が発生する。プロトンポンプ反応による電圧を測定し、当該測定結果から電解質膜１２のカチオン濃度を推定する（ステップＳ１６）。プロトンポンプ反応とプロトンポンプ反応による電圧の測定の詳細については後述する。図４（ｂ）は、電解質膜のカチオン濃度とプロトンポンプ反応での電圧との関係を示す図である。電解質膜のカチオン濃度が高くなるとプロトンＨ＋の移動が阻害されることからプロトンポンプ反応での電圧が低下するようになる。測定したプロトンポンプ反応での電圧と図４（ｂ）とを用いて、電解質膜１２のカチオン濃度を推定することができる。
【００２７】
次いで、ステップＳ１２で推定した電解質膜１２の膜厚とステップＳ１６で推定した電解質膜１２のカチオン濃度とから、電解質膜１２に導入するカチオンの量を算出する（ステップＳ１８）。電解質膜１２に導入するカチオンは、高分子を架橋構造にして、電解質膜１２の強度及び耐久性の向上に寄与するカチオンである。このようなカチオンとして、例えば鉄（Ｆｅ）イオン、アルミニウム（Ａｌ）イオン、銅（Ｃｕ）イオン、カルシウム（Ｃａ）イオン、セリウム（Ｃｅ）イオン、及びマンガン（Ｍｎ）イオンなどが挙げられる。図４（ｃ）は、電解質膜の膜厚とカチオン濃度との関係を示す図である。電解質膜が薄いほど電解質膜の強度及び耐久性を高めるためにカチオン濃度を高くすることが望まれる。一方で、電解質膜のカチオン濃度が高くなるほど発電性能の低下を招いてしまう。このため、例えば電解質膜が極端に薄くなり、クロスリーク量が増大して、燃費が大幅に低下することをさけるためのカチオン濃度（以下、カチオン濃度の必要ラインと称す）は、電解質膜の膜厚に対して一定ではなく、膜厚が厚くなるに従い低下することが望まれる。図４（ｃ）では、カチオン濃度の必要ラインを実線で示している。また、ステップＳ１２、Ｓ１６での推定結果を丸印で示し、燃料電池の初期状態における電解質膜１２の膜厚及びカチオン濃度を三角印で示している。燃料電池の運転時間増加と共に電解質膜１２が薄くなり、電解質膜１２中のカチオンが溶出した場合に、三角印から丸印に変化する。丸印（ステップＳ１２、Ｓ１６での測定結果）とカチオン濃度の必要ラインとの差Ｘから、電解質膜１２に導入するカチオン量を算出することができる。
【００２８】
次いで、ステップＳ１８で算出したカチオン量から、電解質膜１２にカチオンを導入するための条件を決定する（ステップＳ２０）。例えば、カチオン導入のために用いられるカチオンを含む溶液（以下、カチオン溶液と称す）のカチオン濃度、カチオン溶液を流す時間、ＭＥＡ１０内の電位の傾き具合、電位勾配をかける時間などを決定する。
【００２９】
次いで、カソードガス流路２２ｃには窒素ガスを流したままにする。孔ｅ６に電解質膜１２の強度及び耐久性の向上に寄与するカチオンを含むカチオン溶液を供給してアノードガス流路２２ａにカチオン溶液を流して、アノードガス流路２２ａからＭＥＡ１０にカチオン溶液を浸入させる（ステップＳ２２）。図１（ａ）のように、アノードガス流路２２ａとＭＥＡ１０との間にはアノード側撥水層１６ａが設けられているため、溶液の種類によっては、溶液がアノード側撥水層１６ａを通過できない。そこで、アノード側撥水層１６ａを通過できる溶液を用いる。溶液として、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低い液体を用いることができる。
【００３０】
カチオン溶液の供給は、図２のように、エンドプレート７０の孔ｅ１、ｅ６に接続されている配管を取り外した後に外部配管８０を接続し、外部配管８０を介して孔６にカチオン溶液を供給することができる。なお、孔ｅ６に接続されている配管にあらかじめ分岐管及び分岐バルブを設けておき、分岐管に外部配管を接続して孔ｅ６にカチオン溶液を供給してもよい。分岐管に外部配管を接続する場合には、分岐管からカチオン溶液が導入されるように、分岐バルブを切り替えておく。なお、カチオン溶液は孔ｅ６に供給する場合に限られず、孔ｅ１に供給してもよい。
【００３１】
図６（ａ）は、図３のステップＳ２２を説明するための断面図である。図６（ａ）のように、ＭＥＡ１０内にカチオン溶液３２が浸入することで、カチオン溶液３２に含まれるカチオンＭ＋が、ＭＥＡ１０内に存在する液水（不図示）に濃度拡散で拡散する。カチオン溶液３２に含まれるカチオンＭ＋の濃度やアノードガス流路２２ａにカチオン溶液３２を流す時間によってＭＥＡ１０内の液水に拡散するカチオンＭ＋の量が変わることから、ステップＳ２０で決定した条件に基づいて行い、適正量のカチオンＭ＋がＭＥＡ１０内の液水に拡散するようにする。
【００３２】
次いで、エンドプレート７０の孔ｅ１に水素ガスを供給し、アノードガス流路２２ａを水素ガスで置換する（ステップＳ２４）。なお、カソードガス流路２２ｃは窒素ガスを流したままにする。これにより、アノードガス流路２２ａは水素ガスで満たされ、カソードガス流路２２ｃは窒素ガスで満たされる。アノードガス流路２２ａが水素ガスで満たされ、カソードガス流路２２ｃが窒素ガスで満たされることで、上述したようにプロトンポンプ反応が発生し、ＭＥＡ１０内に電位勾配が形成される（ステップＳ２６）。
【００３３】
図６（ｂ）は、図３のステップＳ２６を説明するための断面図である。図６（ｂ）のように、アノードガス流路２２ａが水素ガスで満たされていることで、アノード触媒層１４ａで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を通って、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。アノード触媒層１４ａで発生した電子ｅ−は、アノード側セパレータ２０ａ、外部電源８４が配置された外部経路５１、及びカソード側セパレータ２０ｃを通って、カソード触媒層１４ｃに移動する。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＋と外部経路５１を通って移動してきた電子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＋が発生し、電解質膜１２を介してカソード触媒層１４ｃにプロトンＨ＋が移動して、カソード触媒層１４ｃでＨ２が生成する反応を、プロトンポンプ反応という。
【００３４】
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との間に電流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。ＭＥＡ１０内のプロトンＨ＋及びカチオンＭ＋は、ＭＥＡ１０内に形成された電位勾配によって、アノード触媒層１４ａ側からカソード触媒層１４ｃ側に移動するようになる。電位勾配による移動は移動速度が速いことから、カチオンＭ＋はアノード触媒層１４ａ側からカソード触媒層１４ｃ側に素早く移動する。
【００３５】
アノード触媒層１４ａ側からカソード触媒層１４ｃ側へのカチオンＭ＋の移動速度が遅い場合、カチオンＭ＋がアノード触媒層１４ａ側に偏って存在する状態で架橋が進んでしまう。この場合、電解質膜１２のうちのカソード触媒層１４ｃ側が架橋構造にならない場合がある。これに対して、実施例１では、ＭＥＡ１０内に電位勾配を形成し、アノード触媒層１４ａ側からカソード触媒層１４ｃ側に素早くカチオンＭ＋を移動させているため、電解質膜１２全体を架橋構造にすることができる。ＭＥＡ１０内に形成される電位の傾き具合や電位勾配を保持する時間によって、カチオンＭ＋のアノード触媒層１４ａ側からカソード触媒層１４ｃ側への移動具合が変化して電解質膜１２へのカチオンＭ＋の導入量が変わることから、ステップＳ２０で決定した条件に基づいて行い、適正量のカチオンＭ＋が電解質膜１２に導入されるようにする。例えば、ＭＥＡ１０内の電位勾配が緩やかな場合や電位勾配の保持時間が短い場合はカチオンＭ＋が電解質膜１２まで移動しないことが起こり得るし、ＭＥＡ１０内の電位勾配が急である場合や電位勾配の保持時間が長い場合はカチオンＭ＋が電解質膜１２を通り越してしまうことが起こり得る。
【００３６】
次いで、プロトンポンプ反応による電圧を測定する（ステップＳ２８）。プロトンポンプ反応による電圧の測定は、例えば図６（ｂ）に示すような電圧計５６を用いることによって行うことができる。
【００３７】
次いで、ステップＳ２８で測定したプロトンポンプ反応による電圧と図４（ｂ）とを用いて電解質膜１２のカチオン濃度を推定し、推定したカチオン濃度から、電解質膜１２に必要量のカチオンＭ＋が導入されたかを確認する（ステップＳ３０）。なお、電解質膜１２へのカチオンＭ＋の導入量が足りていない場合は、ステップＳ２２〜Ｓ３０を再度行う。
【００３８】
以上のように、燃料電池のメンテナンス方法は、アノードガス流路２２ａにカチオン溶液３２を充満させて、アノードガス流路２２ａからＭＥＡ１０にカチオン溶液３２を浸入させる（図３のステップＳ２２）。これにより、電解質膜１２に導入する適正量のカチオンＭ＋をＭＥＡ１０内の液水に拡散させることができる。その後、アノードガス流路２２ａを水素ガスで置換した後（図３のステップＳ２４）、アノードガス流路２２ａを水素ガスで満たした状態として、ＭＥＡ１０内に電位勾配を形成する（図３のステップＳ２６）。これにより、カチオンＭ＋をアノード触媒層１４ａ側からカソード触媒層１４ｃ側に素早く移動させることができ、電解質膜１２に適正量のカチオンＭ＋を導入して、電解質膜１２全体を架橋構造にすることができる。よって、電解質膜１２の強度及び耐久性を向上させることができる。
【００３９】
また、実施例１によれば、図５のように、複数の単セル１００それぞれに対して複数の外部電源８４それぞれを接続させている。これにより、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。よって、複数の単セル１００の間でアノード触媒層１４ａ側からカソード触媒層１４ｃ側へのカチオンＭ＋の移動具合を同程度にすることができ、その結果、複数の単セル１００の電解質膜１２に導入されるカチオンＭ＋の量にばらつきが生じることを抑制できる。
【００４０】
また、実施例１によれば、図３のステップＳ１０のように、アノードガス流路２２ａに加湿水素ガスを流し、カソードガス流路２２ｃに加湿空気を流して、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、図３では、ステップＳ１２〜Ｓ１８を行うことから、アノードガス流路２２ａ及びカソードガス流路２２ｃに加湿ガスを流して電解質膜１２を湿潤させているが、ステップＳ１２〜Ｓ１８を行わない場合は、アノードガス流路２２ａに流すカチオン溶液３２によって電解質膜１２を湿潤させてもよい。
【００４１】
なお、実施例１では、複数の単セル１００それぞれに対して複数の外部電源８４それぞれを接続させているが、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、複数のグループそれぞれに対して複数の外部電源８４それぞれを接続させてもよい。
【００４２】
なお、実施例１では、図３のステップＳ１２〜Ｓ２０のように、電解質膜１２の膜厚及びカチオン濃度を推定し、その推定結果から、電解質膜１２に導入するカチオンの量を算出する場合を例に示したが、その他の方法によって、カチオンの導入量を算出してもよい。例えば、燃料電池２００を搭載する燃料電池自動車などの運転時間及び走行距離と電解質膜１２に導入するカチオンの量との関係を示すマップを予め準備し、当該マップに基づいて、カチオンの導入量を算出してもよい。
【００４３】
なお、実施例１では、図３のステップＳ２６において、プロトンポンプ反応によってＭＥＡ１０内に電位勾配を形成する場合を例に示したが、カソードガス流路２２ｃに酸化剤ガス（例えば空気）を流して燃料電池２００を発電させることでＭＥＡ１０内に電位勾配を形成してもよい。
【００４４】
なお、実施例１において、電解質膜１２の強度及び耐久性の向上に寄与するカチオンを電解質膜１２に導入する前に、電解質膜１２には様々なカチオンが含まれている場合がある。そこで、電解質膜１２に含まれているカチオンを例えばＭＥＡ１０内に洗浄液を導入して洗い流した後に、図３で説明した燃料電池のメンテナンス方法を行って、電解質膜１２の強度及び耐久性の向上に寄与するカチオンを電解質膜１２に導入する場合が好ましい。これにより、複数の単セル１００の間で電解質膜１２の強度及び耐久性に寄与するカチオン濃度にバラツキが生じることを抑制できる。
【００４５】
なお、実施例１では、複数の単セル１００それぞれに外部電源８４を接続させる場合を例に示したが、図７のように、複数の単セル１００それぞれに抵抗８３のみを接続させる場合でもよい。図７の場合でも、図３で説明した燃料電池のメンテナンス方法を用いることで、電解質膜１２に適正量のカチオンＭ＋を導入することができ、電解質膜１２の強度及び耐久性を向上させることができる。また、図８のように、ターミナルプレート５０、５２間に外部電源８４を接続させる場合でもよい。この場合、カソード側セパレータ２０ｃからアノード側セパレータ２０ａに電流が流れるように、外部電源８４のプラス極をアノード側セパレータ２０ａに接するターミナルプレートに接続し、マイナス極をカソード側セパレータ２０ｃに接するターミナルプレートに接続する。図８の場合でも、図３で説明した燃料電池のメンテナンス方法を用いることで、電解質膜１２に適正量のカチオンＭ＋を導入することができ、電解質膜１２の強度及び耐久性を向上させることができる。
【００４６】
なお、図８の場合では、複数の単セル１００の電解質膜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、ＭＥＡ１０内に形成される電位勾配に差が生じることがある。この場合、複数の単セル１００の電解質膜１２に導入されるカチオンの量にばらつきが生じて、例えば電解質膜１２に適正量のカチオンが導入されない単セル１００が生じる場合がある。しかしながら、図３で説明した燃料電池のメンテナンス方法では、ステップＳ１０において、複数の単セル１００の電解質膜１２をエンドプレート７０の孔ｅ１、ｅ４に加湿ガスを供給することで湿潤させている。これにより、複数の単セル１００の電解質膜１２の湿潤状態を同程度にすることができる。よって、複数の単セル１００のＭＥＡ１０内に形成される電位勾配を同程度にすることができ、複数の単セル１００の電解質膜１２に導入されるカチオンの量にばらつきが生じることを抑制できる。
【００４７】
図９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９のように、単セル１００ａは、アノード側撥水層１６ａに、アノード触媒層１４ａ側からアノードガス拡散層１８ａ側にアノード側撥水層１６ａ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。
【００４８】
単セル１００ａの場合でも、図３で説明した燃料電池のメンテナンス方法を用いることができる。ここで、単セル１００ａでは、アノード側撥水層１６ａ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アノード側撥水層１６ａを通過する溶液以外のカチオン溶液を用いた場合でも、カチオン溶液は貫通孔２８を介してアノードガス流路２２ａからＭＥＡ１０に浸入することができる。
【００４９】
なお、図９では、貫通孔２８はアノード側撥水層１６ａにのみ設けられているが、アノード側撥水層１６ａとアノードガス拡散層１８ａ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。
【００５０】
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】
【００５１】
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  膜電極ガス接合体
３２  カチオン溶液
４０  絶縁部材
５０、５２  ターミナルプレート
５１  外部経路
５６  電圧計
６０、６２  絶縁プレート
７０、７２  エンドプレート
８３  抵抗
８４  外部電源
Ｈ＋  プロトン
Ｍ＋  カチオン
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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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