(57)【要約】【課題】電解質膜から金属不純物を効率よく除去する。【解決手段】膜電極接合体に含まれる電解質膜から金属不純物を除去する方法は、（ａ）電解質膜中の金属原子をイオン化する工程と、（ｂ）膜電極接合体を洗浄液に曝すことによって、工程（ａ）でイオン化された金属イオンを電解質膜から除去する工程と、を備える。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜電極接合体に含まれる電解質膜から金属不純物を除去する方法であって、
（ａ）前記電解質膜中の金属原子をイオン化する工程と、
（ｂ）前記膜電極接合体を洗浄液に曝すことによって、前記工程（ａ）でイオン化された金属イオンを前記電解質膜から除去する工程と、
を備える、方法。
【請求項２】
請求項１記載の方法であって、
前記工程（ａ）は、
前記膜電極接合体を還元性のガスに曝さず、前記膜電極接合体を酸化性のガスに曝す工程を含む、方法。
【請求項３】
請求項２記載の方法であって、
前記工程（ａ）は、前記膜電極接合体の両面を酸化性のガスに曝す工程を含む、方法。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の方法であって、
前記工程（ａ）および前記工程（ｂ）は、前記膜電極接合体が燃料電池内部に設けられた状態で実行される、方法。
【請求項５】
請求項４記載の方法であって、さらに、
（ｃ）前記工程（ａ）および前記工程（ｂ）を実行するか否かを決定する工程を備え、
前記工程（ｃ）は、
前記燃料電池の運転期間が所定の時間に達する毎に、前記工程（ａ）および前記工程（ｂ）の実行を決定する工程を含む、方法。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれかに記載の方法であって、
前記電解質膜は、炭化水素系の電解質膜である、方法。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれかに記載の方法であって、
前記金属原子は、白金原子を含む、方法。
【請求項８】
燃料電池用の電解質膜から金属不純物を除去する方法であって、
（ａ）前記電解質膜中の金属原子をイオン化する工程と、
（ｂ）前記膜電極接合体を洗浄液に曝すことによって、前記工程（ａ）でイオン化された金属イオンを前記電解質膜から除去する工程と、
を備える、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池のための膜電極接合体に関し、特に、電解質膜から金属不純物を除去する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、膜電極接合体を含んでおり、膜電極接合体は、電解質膜と、電解質膜の両側に設けられた電極触媒層と、を含んでいる。
【０００３】
ところで、電解質膜中には、金属不純物が侵入し得る。電解質膜中に侵入した金属不純物に起因して、電解質膜は次第に劣化し得る。例えば、電解質膜が破損し、クロスリークが発生し得る。
【０００４】
なお、特許文献１では、燃料電池の発電性能を改善させるために、高分子膜（ナフィオン（商標）等のフッ素系樹脂）に付着した金属イオン（鉄イオン，ニッケルイオン等）をキレート剤水溶液および洗浄水を用いて除去する技術が開示されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−２６０４５５号公報
【特許文献２】特開２００６−２６０８２８号公報
【特許文献３】特開２００３−１６３０２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来の手法では、電解質膜中の金属不純物イオンを除去することは可能であるが、電解質膜中のイオン化していない金属不純物を除去することは困難であった。
【０００７】
この発明は、従来技術における上述の課題を解決するためになされたものであり、電解質膜から金属不純物を除去することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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。
【０００９】
［適用例１］  膜電極接合体に含まれる電解質膜から金属不純物を除去する方法であって、
（ａ）前記電解質膜中の金属原子をイオン化する工程と、
（ｂ）前記膜電極接合体を洗浄液に曝すことによって、前記工程（ａ）でイオン化された金属イオンを前記電解質膜から除去する工程と、
を備える、方法。
【００１０】
この方法では、電解質膜中の金属原子がイオン化されるため、電解質膜中の金属原子（金属不純物）を電解質膜から効率よく除去することができる。
【００１１】
［適用例２］  適用例１記載の方法であって、
前記工程（ａ）は、
前記膜電極接合体を還元性のガスに曝さず、前記膜電極接合体を酸化性のガスに曝す工程を含む、方法。
【００１２】
こうすれば、電解質膜中の金属原子をイオン化することができる。
【００１３】
［適用例３］  適用例２記載の方法であって、
前記工程（ａ）は、前記膜電極接合体の両面を酸化性のガスに曝す工程を含む、方法。
【００１４】
［適用例４］  適用例１ないし３のいずれかに記載の方法であって、
前記工程（ａ）および前記工程（ｂ）は、前記膜電極接合体が燃料電池内部に設けられた状態で実行される、方法。
【００１５】
こうすれば、電解質膜の劣化を抑制し、この結果、燃料電池の劣化を抑制することができる。
【００１６】
［適用例５］  適用例４記載の方法であって、さらに、
（ｃ）前記工程（ａ）および前記工程（ｂ）を実行するか否かを決定する工程を備え、
前記工程（ｃ）は、
前記燃料電池の運転期間が所定の時間に達する毎に、前記工程（ａ）および前記工程（ｂ）の実行を決定する工程を含む、方法。
【００１７】
こうすれば、工程（ａ）および工程（ｂ）を適切なタイミングで実行することができ、工程（ａ）および工程（ｂ）の実行の頻度を低減することができる。
【００１８】
［適用例６］  適用例１ないし５のいずれかに記載の方法であって、
前記電解質膜は、炭化水素系の電解質膜である、方法。
【００１９】
炭化水素系の電解質膜が利用される場合には、電解質膜中に金属原子が析出するまでに比較的長い時間を要する。このため、炭化水素系の電解質膜が採用される場合には、フッ素系の電解質膜が採用される場合と比較して、電解質膜の劣化を低減することができると共に、工程（ａ）および工程（ｂ）の実行の頻度を低減することができる。
【００２０】
［適用例７］  適用例１ないし６のいずれかに記載の方法であって、
前記金属原子は、白金原子を含む、方法。
【００２１】
［適用例８］  燃料電池用の電解質膜から金属不純物を除去する方法であって、
（ａ）前記電解質膜中の金属原子をイオン化する工程と、
（ｂ）前記膜電極接合体を洗浄液に曝すことによって、前記工程（ａ）でイオン化された金属イオンを前記電解質膜から除去する工程と、
を備える、方法。
【００２２】
［他の適用例１］  適用例２記載の方法であって、
前記工程（ａ）は、前記膜電極接合体の一方の面を酸化性のガスに曝し、他方の面を不活性ガスに曝す工程を含む、方法。
【００２３】
［他の適用例２］  膜電極接合体に含まれる電解質膜から金属不純物を除去する除去装置であって、
前記電解質膜中の金属原子をイオン化する第１の手段と、
前記膜電極接合体を洗浄液に曝すことによって、前記第１の手段によってイオン化された金属イオンを前記電解質膜から除去する第２の手段と、
を備える、除去装置。
【００２４】
この発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、電解質膜からの金属不純物の除去方法、電解質膜からの金属不純物の回収方法、燃料電池のメンテナンス方法、これらの方法を実行する燃料電池システムなどの除去装置等の形態で実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
Ａ．燃料電池システムの構成：
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づき説明する。図１は、燃料電池システムの構成を模式的に示す説明図である。なお、この燃料電池システムは、車両に搭載されている。
【００２６】
燃料電池システムは、固体高分子型の燃料電池１００と、燃料電池１００に燃料ガス（水素ガス）を供給するための燃料ガス供給部２００と、燃料電池１００に酸化ガス（酸素ガスを含む空気）を供給するための酸化ガス供給部３００と、燃料電池１００に接続される負荷装置５００と、燃料電池システム全体の動作を制御する制御回路６００と、を備えている。
【００２７】
特に、本実施例の燃料電池システムは、燃料電池１００内部の金属不純物を除去するための除去系４００を備えている。除去系４００は、燃料電池システムの運転期間には利用されず、燃料電池システムの運転を停止する際に実行される除去処理の期間（除去処理期間）に利用される。
【００２８】
燃料電池１００は、膜電極接合体とセパレータとが交互に積層された積層体である。各膜電極接合体は、電解質膜と、電解質膜の一方の側に設けられたアノードとして機能する第１の電極触媒層と、電解質膜の他方の側に設けられたカソードとして機能する第２の電極触媒層と、を含んでいる。各膜電極接合体のアノード側には、燃料ガスが通るアノード側通路が形成されており、カソード側には、酸化ガスが通るカソード側通路が形成されている。各膜電極接合体は、燃料ガスと酸化ガスとを利用して発電する。
【００２９】
燃料電池１００は、負荷装置５００に接続され、電力を負荷装置５００に供給する。燃料電池１００と負荷装置５００との間には、スイッチ５１０が設けられている。なお、スイッチ５１０は、運転期間にはオン状態またはオフ状態に設定され、除去処理期間にはオフ状態に設定される。
【００３０】
本明細書では、燃料電池１００と負荷装置５００とが接続されているか否かに関わらず、燃料電池１００内部の各膜電極接合体のアノードが燃料ガスに曝されると共に、カソードが酸化ガスに曝されている期間を、「運転期間」と呼んでいる。特に、運転期間のうち、燃料電池１００が負荷装置５００に接続され、燃料電池１００が実際に発電している期間を「発電期間」と呼んでいる。すなわち、運転期間は、燃料電池１００が実際に発電している発電期間と、燃料電池１００が負荷装置５００に接続されておらず燃料電池１００が実際に発電していない非発電期間と、を含んでいる。なお、非発電期間は、例えば、車両のアイドリング時に、燃料電池１００が負荷装置５００から切り離されている期間を含む。
【００３１】
燃料ガス供給部２００は、水素ガスタンク２２０と、減圧弁２３２と、流量制御弁２３４と、遮断弁２３６と、を備えている。減圧弁２３２と流量制御弁２３４と遮断弁２３６とは、燃料電池１００に供給される燃料ガスが通る燃料ガス通路２０１に設けられている。水素ガスタンク２２０は、水素ガス（燃料ガス）を比較的高い圧力で貯蔵する。減圧弁２３２は、水素ガスタンク２２０から排出された燃料ガスを所定の圧力に減圧する。流量制御弁２３４は、燃料ガスの流量を調整する。なお、遮断弁２３６は、運転期間には開状態に設定され、除去処理期間には閉状態に設定される。
【００３２】
燃料ガス供給部２００は、さらに、遮断弁２３８と、気液分離器２４０と、循環ポンプ２５０と、遮断弁２６０と、を備えている。遮断弁２３８と気液分離器２４０と遮断弁２６０とは、燃料電池１００から排出された燃料ガス（燃料オフガス）が通る燃料オフガス通路２０２に設けられている。循環ポンプ２５０は、燃料オフガス通路２０２と燃料ガス通路２０１とを接続する循環通路２０３に設けられている。なお、循環通路２０３の上流側は、気液分離器２４０と遮断弁２６０との間で燃料オフガス通路２０２に接続されており、循環通路２０３の下流側は、流量制御弁２３４と遮断弁２３６との間で燃料ガス通路２０１に接続されている。なお、遮断弁２３８は、運転期間には開状態に設定され、除去処理期間には閉状態に設定される。
【００３３】
気液分離器２４０は、燃料オフガス中に含まれる過剰な水蒸気を除去する。なお、気液分離器２４０によって除去された水は、貯蔵部４２２に蓄えられる。
【００３４】
循環ポンプ２５０は、燃料電池１００から排出された水素ガス濃度の比較的低い燃料オフガスを、燃料ガスとして燃料ガス通路２０１内に戻す。すなわち、循環ポンプ２５０は、燃料ガスを環状通路内で循環させる。ただし、燃料電池１００における電気化学反応が進むに連れて、環状通路内の燃料ガスに含まれる水素ガス量（ｍｏｌ数）は低減する。また、燃料ガス中の水素ガス濃度（体積百分率）は次第に低下する。そこで、本実施例では、流量制御弁２３４と遮断弁２６０とが間欠的に開状態に設定され、水素ガス濃度の高い燃料ガスが燃料電池１００に供給されると共に、水素ガス濃度の低い燃料オフガスが燃料電池１００から排出される。
【００３５】
酸化ガス供給部３００は、コンプレッサ３１０と２つの遮断弁３１２，３１４とを備えている。第１の遮断弁３１２は、燃料電池１００に供給される酸化ガスが通る酸化ガス通路３０１に設けられており、第２の遮断弁３１４は、燃料電池１００から排出された酸化ガス（酸化オフガス）が通る酸化オフガス通路３０２に設けられている。コンプレッサ３１０は、酸化ガス（空気）を送出する。なお、２つの遮断弁３１２，３１４は、運転期間には開状態に設定され、除去処理期間の一部の期間で開状態に設定される。
【００３６】
除去系４００は、図示するように、４つの通路４０１〜４０４を含んでいる。第１の通路４０１の上流側は、コンプレッサ３１０と遮断弁３１２との間で酸化ガス通路３０１に接続されており、第１の通路４０１の下流側は、遮断弁２３６と燃料電池１００との間で燃料ガス通路２０１に接続されている。第１の通路４０１には、遮断弁４１２が設けられている。遮断弁４１２が開状態に設定されると、コンプレッサ３１０から送出された酸化ガスは、第１の通路４０１を介して、燃料電池１００内部のアノード側通路に供給される。なお、遮断弁４１２は、運転期間には閉状態に設定され、除去処理期間の一部の期間で開状態に設定される。
【００３７】
第２の通路４０２の上流側は、貯蔵部４２２に接続されており、第２の通路４０２の下流側は、遮断弁２３６と燃料電池１００との間で燃料ガス通路２０１に接続されている。第２の通路４０２には、ポンプ４２４と、遮断弁４２６と、が設けられている。遮断弁４２６が開状態に設定され、ポンプ４２４が作動状態に設定されると、貯蔵部４２２に蓄えられた水（洗浄液）は、第２の通路４０２を介して、燃料電池１００内部のアノード側通路に供給される。なお、遮断弁４２６は、運転期間には閉状態に設定され、除去処理期間中の一部の期間で開状態に設定される。また、ポンプ４２４は、運転期間には停止状態に設定され、除去処理期間の一部の期間で作動状態に設定される。
【００３８】
第３の通路４０３の上流側は、燃料電池１００と遮断弁２３８との間で燃料オフガス通路２０２に接続されており、第３の通路４０３の下流側は、遮断弁２６０よりも下流側で燃料オフガス通路２０２に接続されている。第３の通路４０３には、遮断弁４３２が設けられている。遮断弁４３２が開状態に設定されると、燃料電池１００内部のアノード側通路から排出された流体（酸化ガス）は、第３の通路４０３を介して、外部に排出される。なお、遮断弁４３２は、運転期間には閉状態に設定され、除去処理期間の一部の期間で開状態に設定される。
【００３９】
第４の通路４０４の上流側は、燃料電池１００と遮断弁３１４との間で酸化オフガス通路３０２に接続されており、第４の通路４０４の下流側は、遮断弁３１４よりも下流側で酸化オフガス通路３０２に接続されている。第４の通路４０４には、遮断弁４４２と回収部４４４とが設けられている。遮断弁４４２が開状態に設定されると、燃料電池１００内部のカソード側通路から排出された流体（洗浄液）は、第４の通路４０４を介して、外部に排出される。回収部４４４は、イオン交換機を含んでおり、該流体（洗浄液）に含まれる金属不純物イオンを回収する。なお、遮断弁４４２は、運転期間には閉状態に設定され、除去処理期間の一部で開状態に設定される。
【００４０】
Ｂ．電解質膜の劣化の原因：
以下では、実施例における処理の説明に先行して、電解質膜の劣化の原因について説明する。
【００４１】
前述したように、燃料電池は、複数の膜電極接合体を含んでおり、各膜電極接合体は、電解質膜と、電解質膜の両側に設けられた電極触媒層と、を含んでいる。燃料電池システムが運転を継続すると、燃料電池が次第に劣化する。具体的には、電極触媒層に含まれる貴金属触媒としての白金が電解質膜に侵入する。電解質膜中に白金が含まれていると、電解質膜が次第に劣化する。電解質膜が劣化すると、電解質膜が破損してクロスリークが発生し、この結果、電極触媒層１１４ａ，１１４ｃが劣化する。
【００４２】
近年、電解質膜の劣化の原因は、電解質と水素分子と酸素分子と白金粒子との共存状態であることが分かってきた。この共存状態は、電解質膜がフッ素系樹脂で形成されている場合には、燃料電池システムの運転開始後、比較的短い時間（具体的には、十数時間）で形成され得る。
【００４３】
図２は、比較例において膜電極接合体内部で生じる現象を模式的に示す説明図である。図示するように、比較例の膜電極接合体１１０は、電解質膜１１２と、アノード（電極触媒層）１１４ａと、カソード（電極触媒層）１１４ｃと、を備えている。また、膜電極接合体１１０のアノード側には、アノード側通路１３０ａが形成されており、カソード側には、カソード側通路１３０ｃが形成されている。
【００４４】
比較例では、電解質膜１１２として、フッ素系樹脂（例えばナフィオン（商標））で形成された膜が用いられている。各電極触媒層１１４ａ，１１４ｃは、電解質と貴金属触媒を担持するカーボンとを含んでおり、電解質としては、フッ素系樹脂が用いられており、貴金属触媒としては、白金が用いられている。
【００４５】
図２（Ａ）〜（Ｄ）は、運転期間中に膜電極接合体１１０内部で生じる現象を示している。
【００４６】
運転期間中には、カソード１１４ｃは高電位（例えば、約０．９５Ｖ以上）となる。このように、カソード１１４ｃが高電位となる場合には、図２（Ａ）に示すように、カソード１１４ｃ内の白金（Ｐｔ）触媒が溶解し、電解質膜１１２中に侵入する。
【００４７】
また、運転期間中には、図２（Ｂ）に示すように、アノード１１４ａは燃料ガスに曝され、水素分子（Ｈ2）は、アノード１１４ａを介して、電解質膜１１２中に侵入する。
【００４８】
電解質膜１１２内部において、白金イオン（Ｐｔ2+）は、水素分子（Ｈ2）と反応して、図２（Ｃ）に示すように、白金（Ｐｔ）原子となる。具体的には、以下の式（１）に示す反応が進行する。
【００４９】
Ｐｔ2+  ＋  Ｈ2  →  Ｐｔ  ＋  ２Ｈ+      ・・・式（１）
【００５０】
運転時間の経過と共に、図２（Ｄ）に示すように、白金（Ｐｔ）原子は、電解質膜１１２中で成長する。具体的には、多数の白金（Ｐｔ）原子が集合して、白金（Ｐｔ）粒子が形成される。これは、白金（Ｐｔ）粒子は、白金（Ｐｔ）原子よりも化学的に安定なためである。
【００５１】
白金（Ｐｔ）粒子が形成されると、前述の共存状態、すなわち、電解質と水素分子（Ｈ2）と酸素分子（Ｏ2）と白金（Ｐｔ）粒子とが共存する状態が形成される。この結果、前述のように、電解質膜１１２および２つの電極触媒層１１４ａ，１１４ｃが劣化する。
【００５２】
なお、電解質膜１１２の劣化は、燃料電池が負荷装置に接続されて燃料電池が実際に発電している発電期間のみでなく、燃料電池が負荷装置から切り離されて燃料電池が実際に発電していない非発電期間でも、進行する。これは、非発電期間中には、各膜電極接合体１１０の電圧（セル電圧）は開回路電圧（ＯＣＶ）に設定され、カソード１１４ｃが高電位となるためである。また、非発電期間中には、各膜電極接合体１１０は、燃料ガスと酸化ガスとに曝されているためである。したがって、電解質膜１１２の劣化は、発電期間と非発電期間とを含む運転期間で進行する。
【００５３】
前述した従来の手法では、電解質膜中に存在する金属不純物イオンを除去することは可能である。しかしながら、従来の手法では、電解質膜中に存在するイオン化していない金属不純物を除去することは困難である。
【００５４】
そこで、本実施例では、電解質膜から白金（Ｐｔ）原子を除去することができるように、工夫している。
【００５５】
Ｃ．白金原子の除去処理：
図３は、電解質膜から白金原子を除去する手順を示すフローチャートである。なお、図３の処理は、例えば、車両のユーザがイグニションスイッチをオン状態からオフ状態に変更したときに開始される。具体的には、イグニションスイッチがオフ状態に変更されると、制御回路６００は、燃料電池システムの運転を停止するための処理を開始する。この際、制御回路６００は、スイッチ５１０をオフ状態に設定し、燃料電池１００を負荷装置５００から切り離す。また、制御回路６００は、図３の処理を開始する。なお、図３の処理のうち、ステップＳ１２０，１３０の処理が前述の除去処理であり、ステップＳ１２０，１３０の処理が実行される期間が、前述の除去処理期間である。
【００５６】
ステップＳ１１０では、制御回路６００は、累積の運転期間が所定期間を超えたか否かを判断する。ここで、累積の運転期間は、前回実行された除去処理（図３のステップＳ１２０，Ｓ１３０の処理）後の運転期間を積算した期間である。なお、本実施例では、運転期間として、イグニションスイッチがオン状態に設定されている期間が利用されている。
【００５７】
図４は、実施例において膜電極接合体内部で生じる現象を模式的に示す説明図である。図示するように、膜電極接合体１２０は、電解質膜１２２と、アノード（電極触媒層）１２４ａと、カソード（電極触媒層）１２４ｃと、を備えている。図４の膜電極接合体１２０は、図２の膜電極接合体１１０とほぼ同様であるが、電解質膜１２２と２つの電極触媒層１２４ａ，１２４ｃとが変更されている。具体的には、本実施例では、電解質膜１２２として、炭化水素系樹脂で形成された膜が利用されている。また、２つの電極触媒層１２４ａ，１２４ｃの電解質として、炭化水素系樹脂が利用されている。
【００５８】
図４（Ａ）〜（Ｃ）は、運転期間中に膜電極接合体１２０内部で生じる現象を示しており、図４（Ｄ）は、除去処理期間（より具体的には、ステップＳ１２０の処理期間）中に膜電極接合体１２０内部で生じる現象を示している。図４（Ａ）〜（Ｃ）に示す白金（Ｐｔ）原子の析出過程は、図２（Ａ）〜（Ｃ）に示す白金（Ｐｔ）原子の析出過程と同様であるため、詳細な説明は省略する。
【００５９】
ただし、炭化水素系の電解質膜１２２のガス遮断性は、フッ素系の電解質膜１１２のガス遮断性よりも高い。すなわち、水素分子（Ｈ2）が電解質膜１２２中に侵入し難く、前述の式（１）の反応の進行が遅い。したがって、本実施例では、電解質膜１２２中に白金（Ｐｔ）原子が析出して白金（Ｐｔ）粒子が形成されるのに比較的長い時間を要する。
【００６０】
このため、本実施例では、ステップＳ１１０（図３）の所定期間は、白金（Ｐｔ）粒子（図２（Ｄ）参照）が形成されない程度の比較的長い期間（例えば２〜３日間（すなわち４８〜７２時間）に設定されている。
【００６１】
図３のステップＳ１１０で累積の運転期間が所定期間を超えたと判断される場合には、ステップＳ１２０に進む。一方、ステップＳ１１０で累積の運転期間が所定期間を超えていないと判断された場合には、図３の処理は終了する。
【００６２】
図３のステップＳ１２０では、電解質膜１２２中の白金（Ｐｔ）原子のイオン化処理が実行される。ステップＳ１２０では、各膜電極接合体１２０の２つの電極触媒層１２４ａ，１２４ｃの双方が酸化ガスに曝される。
【００６３】
まず、制御回路６００は、燃料ガス供給部２００を制御して、燃料電池１００への燃料ガスの供給を停止させる。具体的には、制御回路６００は、燃料ガス通路２０１に設けられた遮断弁２３６と、燃料オフガス通路２０２に設けられた遮断弁２３８と、を閉状態に設定する。
【００６４】
次に、制御回路６００は、除去系４００を制御して、燃料電池１００内部のアノード側通路に酸化ガスを供給する。具体的には、制御回路６００は、第１の通路４０１に設けられた遮断弁４１２と、第３の通路４０３に設けられた遮断弁４３２と、を開状態に設定する。このとき、コンプレッサ３１０から送出された酸化ガスは、第１の通路４０１を介して、燃料電池１００内部のアノード側通路１３０ａに供給される。そして、アノード側通路１３０ａに供給された酸化ガスは、第３の通路４０３を介して、外部に排出される。なお、この際、酸化ガス通路３０１に設けられた遮断弁３１２と、酸化オフガス通路３０２に設けられた遮断弁３１４とは、開状態に設定されている。このため、コンプレッサ３１０から送出された酸化ガスは、酸化ガス通路３０１を介して、燃料電池１００内部のカソード側通路１３０ｃに供給される。そして、カソード側通路１３０ｃに供給された酸化ガスは、酸化オフガス通路３０２を介して、外部に排出される。
【００６５】
上記のように、燃料電池１００内部のアノード側通路１３０ａおよびカソード側通路１３０ｃに酸化ガスが供給されると、各膜電極接合体１１０のアノード１２４ａおよびカソード１２４ｃは、共に、酸化ガスに曝される（図４（Ｄ）参照）。すなわち、アノード１２４ａは、燃料ガスに代えて、酸化ガスに曝される。
【００６６】
このとき、電解質膜１２２中には、水素分子（Ｈ2）は存在せず、前述の共存状態は形成されていない。したがって、新たな白金（Ｐｔ）原子の析出（図２（Ｃ），図４（Ｃ）参照）および新たな白金（Ｐｔ）粒子の形成（図２（Ｄ）参照）が抑制される。
【００６７】
また、各膜電極接合体１１０の電圧（セル電圧）は０（ゼロ）Ｖとなるが、アノード１２４ａと電解質膜１２２（より具体的には電解質溶液）との間、および、カソード１２４ｃと電解質膜１２２との間には、それぞれ、開回路電圧（ＯＣＶ）に相当する電位差（例えば約１．２Ｖ）が生じている。このとき、電解質膜１２２中の白金（Ｐｔ）原子は、高電位となる。このため、電解質膜１２２中の白金（Ｐｔ）原子は、図４（Ｄ）に示すようにイオン化されて、白金イオン（Ｐｔ2+）となる。具体的には、以下の式（２）に示す反応が進行する。
【００６８】
２Ｐｔ  ＋  Ｏ2  →  ２ＰｔＯ
２Ｈ+  ＋  ＰｔＯ  →  Ｈ2Ｏ  ＋  Ｐｔ2+      ・・・式（２）
【００６９】
なお、式（２）に含まれる水素イオン（Ｈ+）は、電解質膜１１２中の電解質（炭化水素系樹脂）に由来する。
【００７０】
このように、電解質膜１２２中に化学的に安定な白金（Ｐｔ）粒子が形成される前にステップＳ１２０のイオン化処理が実行される場合には、化学的に安定な白金（Ｐｔ）粒子が形成された後にステップＳ１２０のイオン化処理が実行される場合と比較して、式（２）の反応が速やかに進行する。このため、本実施例では、白金（Ｐｔ）粒子が形成される前にイオン化処理が実行されている。
【００７１】
図３のステップＳ１３０では、電解質膜１２２中の白金イオン（Ｐｔ2+）の洗浄処理が実行される。ステップＳ１３０では、各膜電極接合体１２０が洗浄液（水）に曝される。
【００７２】
まず、制御回路６００は、除去系４００を制御して、燃料電池１００への酸化ガスの供給を停止させる。具体的には、制御回路６００は、４つの遮断弁３１２，３１４，４１２，４３２を閉状態に設定すると共に、コンプレッサ３１０を停止状態に設定する。
【００７３】
次に、制御回路６００は、除去系４００を制御して、燃料電池１００内部のアノード側通路１３０ａに水を供給する。具体的には、制御回路６００は、２つの遮断弁４２６，４４２を開状態に設定すると共に、ポンプ４２４を作動状態に設定する。このとき、貯蔵部４２２に蓄えられた水は、燃料電池１００内部のアノード側通路１３０ａに供給される。そして、アノード側通路１３０ａに供給された水は、電解質膜１２２を介して、カソード側通路１３０ｃに侵入する。この際、電解質膜１１２中の白金イオン（Ｐｔ2+）は、水と共にカソード側通路１３０ｃに排出される。そして、カソード側通路１３０ｃ内の水は、第４の通路４０４を介して、外部に排出される。
【００７４】
第４の通路４０４には、回収部４４４が設けられている。回収部４４４は、水に含まれる白金イオン（Ｐｔ2+）を回収する。したがって、回収部４４４からは、白金イオン（Ｐｔ2+）を含まない水が排出される。なお、回収部４４４によって回収された白金は、再利用される。
【００７５】
以上説明したように、本実施例では、電解質膜１２２中の白金原子がイオン化されるため、膜電極接合体１１０を洗浄液としての水に曝すことによって、白金イオンを電解質膜１２２から効率よく除去することができる。これにより、電解質膜１２２の劣化を抑制することができ、この結果、燃料電池１００の劣化を抑制することができる。換言すれば、電解質膜１２２の性能および燃料電池１００の性能の維持を図ることができる。
【００７６】
特に、本実施例では、炭化水素系の電解質膜１２２が利用されている。前述したように、炭化水素系の電解質膜１２２が利用される場合には、電解質膜１２２中で白金原子が析出して白金粒子が形成されるまでに比較的長い時間を要する。このため、炭化水素系の電解質膜１２２が採用される場合には、フッ素系の電解質膜が採用される場合と比較して、電解質膜１２２の劣化を低減することができると共に、ステップＳ１２０，Ｓ１３０の除去処理の実行の頻度を低減することができるという利点がある。
【００７７】
なお、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、例えば次のような変形も可能である。
【００７８】
（１）上記実施例では、炭化水素系の電解質膜が利用されているが、フッ素系の電解質膜が利用される場合には、ステップＳ１１０の所定期間は、比較的短い期間（例えば約１０時間）に設定されることが好ましい。これは、前述したように、フッ素系の電解質膜のガス遮断性は、炭化水素系の電解質膜のガス遮断性よりも低いためである。こうすれば、フッ素系の電解質膜が利用される場合にも、該電解質膜の劣化を抑制することができる。
【００７９】
（２）上記実施例では、ステップＳ１２０，Ｓ１３０の除去処理は、ステップＳ１１０において、燃料電池システムの累積の運転期間が所定期間を超えると判断される場合に実行されているが、ステップＳ１１０の処理は省略可能である。この場合には、例えば、ステップＳ１２０，Ｓ１３０の除去処理は、燃料電池システムの運転が停止される毎に、実行されればよい。
【００８０】
ただし、上記実施例のように、ステップＳ１１０の処理を実行すれば、ステップＳ１２０，Ｓ１３０の除去処理を適切なタイミングで実行することができ、この結果、ステップＳ１２０，Ｓ１３０の除去処理の実行の頻度を低減することができるという利点がある。
【００８１】
（３）上記実施例では、ステップＳ１２０のイオン化処理において、膜電極接合体１２０の２つの電極触媒層１２４ａ，１２４ｃの双方が酸化ガスに曝されているが、これに代えて、一方の電極触媒層（例えば第１の電極触媒層）が酸化ガスに曝され、他方の電極触媒層（例えば第２の電極触媒層）が窒素ガスなどの不活性ガスに曝されるようにしてもよい。この場合にも、膜電極接合体１２０は酸化ガスに曝されるため、前述の式（２）に示す反応が進行し、白金原子をイオン化することができる。ただし、上記実施例のように、膜電極接合体１２０の２つの電極触媒層１２４ａ，１２４ｃの双方を酸化ガス（空気）に曝せば、不活性ガスを準備せずに済むため、電解質膜中の金属原子を容易にイオン化することができる。
【００８２】
一般には、イオン化処理は、膜電極接合体を還元性のガス（例えば燃料ガス）に曝さず、膜電極接合体を酸化性のガス（例えば酸化ガス）に曝す処理を含んでいればよい。
【００８３】
（４）上記実施例では、ステップＳ１３０の洗浄処理において、第３の通路４０３に設けられた遮断弁４３２は閉状態に設定されているが、これに代えて、開状態に設定されてもよい。
【００８４】
また、上記実施例では、ステップＳ１３０の洗浄処理において、洗浄液として貯蔵部４２２に蓄えられた水が利用されているが、貯蔵部４２２に蓄えられる水は、イオン交換機等によって不純物イオンが除去されたものであることが好ましい。
【００８５】
さらに、上記実施例では、ステップＳ１３０の洗浄処理において、洗浄液として貯蔵部４２２に蓄えられた水が利用されているが、これに代えて、別途他の液体が準備されていてもよい。洗浄液としては、例えば、前述の特許文献１（特開２０００−２６０４５５号公報）と同様にキレート剤水溶液と水とを利用可能である。
【００８６】
また、上記実施例では、ステップＳ１３０の洗浄処理において、洗浄液は、燃料電池内部のアノード側通路に供給されているが、これに代えて、あるいは、これと共に、カソード側通路に供給されてもよい。
【００８７】
一般には、膜電極接合体を洗浄液に曝すことによって、金属イオンが電解質膜から除去されればよい。
【００８８】
（５）上記実施例では、電解質膜内で白金原子が大きな塊（白金粒子）となる前に、図３のステップＳ１２０，Ｓ１３０の除去処理が実行されているが、電解質膜内で白金粒子が形成された後にも、本発明を適用可能である。ただし、大きな白金粒子が形成される前に、図３のステップＳ１２０，Ｓ１３０の除去処理が実行されれば、除去処理を効率よく行うことができる。具体的には、白金原子（および白金粒子）のイオン化処理に要する期間を短縮することができる。
【００８９】
（６）上記実施例では、本発明を適用することによって、電解質膜中の白金（Ｐｔ）原子が除去されているが、電解質膜中の他の貴金属原子も除去可能である。他の貴金属原子としては、銀（Ａｇ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、オスミウム（Ｏｓ）、イリジウム（Ｉｒ）などの金（Ａｕ）を除くすべての貴金属原子が挙げられる。なお、金（Ａｕ）は、酸素によって酸化できないため、本発明の適用は困難である（式（２）参照）。また、銅（Ｃｕ）などの金属原子も除去可能である。
【００９０】
すなわち、本発明を適用すれば、酸素によって酸化され、水素によって還元される金属原子（貴金属原子を含む）を除去可能である。特に、本発明は、イオン化傾向が低く、イオンになり難い金属原子の除去に好適である。
【００９１】
なお、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、白金の６つの元素は、白金族元素と呼ばれる。また、金，銀，銅は、銅族元素と呼ばれる。白金族元素と銅族元素とを併せて、貴金属と呼ばれることもある。
【００９２】
（７）上記実施例では、図３のステップＳ１２０，Ｓ１３０の除去処理は、膜電極接合体が燃料電池内部に設けられた状態で実行されているため、電解質膜の劣化を抑制し、この結果、燃料電池の劣化を抑制することができる。
【００９３】
しかしながら、除去処理は、使用済みの燃料電池から膜電極接合体が取り出された状態で実行されてもよい。あるいは、除去処理は、使用済みの燃料電池から膜電極接合体が取り出され、さらに、膜電極接合体から電極触媒層が剥がされた状態で実行されてもよい。これらの場合にも、電解質膜中の金属原子を抽出することができる。すなわち、本発明は、再利用や分別などのために、電解質膜中の金属原子を抽出して回収する方法にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００９４】
【図１】燃料電池システムの構成を模式的に示す説明図である。
【図２】比較例において膜電極接合体内部で生じる現象を模式的に示す説明図である。
【図３】電解質膜から白金原子を除去する手順を示すフローチャートである。
【図４】実施例において膜電極接合体内部で生じる現象を模式的に示す説明図である。
【符号の説明】
【００９５】
１００…燃料電池
１１０…膜電極接合体
１１２…電解質膜
１１４ａ…アノード（電極触媒層）
１１４ｃ…カソード（電極触媒層）
１２０…膜電極接合体
１２２…電解質膜
１２４ａ…アノード（電極触媒層）
１２４ｃ…カソード（電極触媒層）
１３０ａ…アノード側通路
１３０ｃ…カソード側通路
２００…燃料ガス供給部
２０１…燃料ガス通路
２０２…燃料オフガス通路
２０３…循環通路
２２０…水素ガスタンク
２３２…減圧弁
２３４…流量制御弁
２３６…遮断弁
２３８…遮断弁
２４０…気液分離器
２５０…循環ポンプ
２６０…遮断弁
３００…酸化ガス供給部
３０１…酸化ガス通路
３０２…酸化オフガス通路
３１０…コンプレッサ
３１２…遮断弁
３１４…遮断弁
４００…除去系
４０１…第１の通路
４０２…第２の通路
４０３…第３の通路
４０４…第４の通路
４１２…遮断弁
４２２…貯蔵部
４２４…ポンプ
４２６…遮断弁
４３２…遮断弁
４４２…遮断弁
４４４…回収部
５００…負荷装置
５１０…スイッチ
６００…制御回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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