(57)【要約】【課題】本発明は、運転中にカソード側の触媒電極層に含まれる金属触媒がイオン化されて発生する触媒金属イオンが、固体電解質膜中に溶出することによって、発電効率が低下すること長期間に渡って防止し、長期間の耐久性に優れた燃料電池を提供することを主目的とする。【解決手段】上記目的を達成するために、本発明は、固体電解質膜と、上記固体電解質膜の一方の面上に形成され、導電性材料、上記導電性材料に担持された金属触媒、およびイオン交換性高分子を含有するカソード側触媒電極層と、上記固体電解質膜の他方の面上に形成されたアノード側触媒電極層とを有する燃料電池であって、上記カソード側触媒電極層に、導電性を有し、水素放出温度が上記固体電解質膜のガラス転位温度あるいは熱分解温度未満であり、かつ燃料電池の運転温度よりも高い水素吸蔵材料が含有されることを特徴とする燃料電池を提供することにより、上記課題を解決する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体電解質膜と、前記固体電解質膜の一方の面上に形成され、導電性材料、前記導電性材料に担持された金属触媒、およびイオン交換性高分子を含有するカソード側触媒電極層と、前記固体電解質膜の他方の面上に形成されたアノード側触媒電極層とを有する燃料電池であって、
前記カソード側触媒電極層に、導電性を有し、水素放出温度が前記固体電解質膜のガラス転位温度あるいは熱分解温度未満であり、かつ燃料電池の運転温度より高い水素吸蔵材料が含有されることを特徴とする、燃料電池。
【請求項２】
前記カソード側触媒電極層が、前記固体電解質膜上に形成され前記水素吸蔵材料を含有する水素吸蔵層と、前記水素吸蔵層上に形成され導電性材料、前記導電性材料に担持された金属触媒、およびイオン交換性高分子を含有する触媒層とからなることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の燃料電池と、前記燃料電池のカソード側触媒電極層に水素を流入させるカソード側水素流入装置と、前記カソード側触媒電極層から流出される水素ガス量を検出するカソード側水素検出装置と、前記燃料電池を前記カソード側触媒電極層に含まれる水素吸蔵材料の水素放出温度に加熱する燃料電池加熱装置と、を有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池システムを用い、
前記燃料電池の運転を停止する燃料電池運転停止工程と、
前記燃料電池加熱装置により、運転が停止された前記燃料電池を、前記カソード側触媒電極層に含まれる水素吸蔵材料の水素放出温度に加熱する燃料電池加熱工程と、
前記カソード側水素検出装置による水素ガスの検出量に基づいて、前記燃料電池の加熱を停止する燃料電池加熱停止工程と、
前記燃料電池を冷却する燃料電池冷却工程と、を有することを特徴とする、燃料電池の再生方法。
【請求項５】
前記燃料電池加熱停止工程後、前記カソード側水素流入装置により運転が停止された前記燃料電池の前記カソード側触媒電極層に水素を流入させることにより、前記水素吸蔵材料に水素を吸蔵させる水素流入工程を有することを特徴とする、請求項４に記載の燃料電池の再生方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、耐久性に優れた燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電解質と、当該電解質の両側に配設される電極（アノード及びカソード）とを備える膜電極複合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）における電気化学反応により発生した電気エネルギーを、膜電極複合体の両側に配設されるセパレータを介して外部に取り出している。燃料電池の中でも、家庭用コージェネレーション・システムや自動車等に使用される固体高分子型燃料電池（以下、単に燃料電池と称する場合がある。）は、低温領域での運転が可能である。また、高いエネルギー変換効率を示し、起動時間が短く、かつシステムが小型軽量であることから、電気自動車や携帯用電源の最適な動力源として注目されている。
【０００３】
固体高分子電解質型燃料電池の最小発電単位である単位セルは、一般に固体電解質膜（電解質膜）の両側に触媒電極層（アノード側触媒電極層およびカソード側触媒電極層）が接合されている膜電極複合体を有し、この膜電極複合体の両側にはガス拡散層が配されている。さらに、その外側にはガス流路を備えたセパレータが配されており、ガス拡散層を介して膜電極複合体の触媒電極層へと供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスを通流させるとともに、発電により得られた電流を外部に伝える働きをしている。
【０００４】
このような燃料電池においては、運転時に水素（Ｈ２）と酸素（Ｏ２）とが反応し、燃料電池内に生成水（Ｈ２Ｏ）が生じるとともに、アノード側触媒電極層において生成されたプロトン（Ｈ＋）が、固体電解質膜を通じてカソード側触媒電極層に移動する現象が生じる。このため、カソード側触媒電極層が強酸性状態になり、金属触媒が固体電解質膜へ溶出する結果、燃料電池の発電効率が損なわれるということが問題となっていた。
【０００５】
このような問題点に対し、特許文献１にはカソード側触媒電極層に電極触媒から溶出した触媒粒子成分を還元析出させる作用を有するトラップ材を用いる例が開示されており、そのトラップ材の例として、イオン交換性高分子で被覆されたトラップ材（１）、担体表面に還元性化合物を有し、イオン交換性高分子で被覆されたトラップ材（２）、イオン交換性高分子で被覆されてなる水素吸蔵性を有する材料からなるトラップ材（３）等が開示されている。このようなトラップ材が用いられた燃料電池は、確かに溶出された触媒粒子成分を還元析出させ、再度触媒として作用させることにより、燃料電池の耐久性を向上させることができる点において有用であるといえる。しかしながら、特許文献１に記載されたトラップ材の使用方法は次の点において問題点があるといえる。
すなわち、上記特許文献１に記載された燃料電池においては、確かに溶出された触媒粒子成分を還元析出させ、再度触媒として作用させることができるが、上記トラップ材は永久に上記還元析出作用を維持できるものではなく、還元析出させることができる性質には時的限界がある。特に、上記トラップ材として水素吸蔵材料を用いた場合は、当該水素吸蔵材料に吸蔵された水素がすべて放出された後は、還元析出機能を全く果たすことができなくなってしまう。
【０００６】
このようなことから、上記特許文献１に記載された方法では、一時的に燃料電池の耐久性を向上させることができるが、長期間に当たって燃料電池の性能を維持することができないという問題点があった。
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−３１７４６７号公報
【特許文献２】特開２００６−２５２９６７号公報
【特許文献３】特開２００６−３５１３２１号公報
【特許文献４】特開平０９−２７０２６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、運転中にカソード側の触媒電極層に含まれる金属触媒がイオン化されて発生する触媒金属イオンが、固体電解質膜中に溶出することによって、発電効率が低下すること長期間に渡って防止し、長期間の耐久性に優れた燃料電池を提供することを主目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために本発明は、固体電解質膜と、上記固体電解質膜の一方の面上に形成され、導電性材料、上記導電性材料に担持された金属触媒、およびイオン交換性高分子を含有するカソード側触媒電極層と、上記固体電解質膜の他方の面上に形成されたアノード側触媒電極層とを有する燃料電池であって、上記カソード側触媒電極層に、導電性を有し、水素放出温度が上記固体電解質膜のガラス転位温度あるいは熱分解温度未満であり、かつ燃料電池の運転温度よりも高い水素吸蔵材料が含有されることを特徴とする燃料電池を提供する。
【００１０】
本発明によれば、上記カソード側触媒電極層に上記水素吸蔵材料が含まれ、かつ、当該水素吸蔵材料の水素放出温度が上記固体電解質膜のガラス転位温度あるいは熱分解温度未満であり、かつ燃料電池の運転温度よりも高いことにより、本発明の燃料電池の運転中には上記水素吸蔵材料から水素が放出されることがなく、運転停止後に上記水素吸蔵材料を加熱する等によって水素を放出させることができるようになる。また、このように運転停止中に水素を放出させた後に、上記水素吸蔵材料に再度水素を吸蔵させることも可能になる。
したがって、本発明によれば、本発明の燃料電池の運転中に、上記金属触媒がイオン化されることにより発生した触媒金属イオンを、燃料電池の運転停止後に、上記水素吸蔵材料から水素を放出して電極中に還元析出させ、上記触媒金属イオンが固体電解質膜内に溶出するのを防止することができる。さらにその後、上記水素吸蔵材料に改めて水素を吸蔵させることにより、上記水素吸蔵材料に金属触媒の還元析出機能を回復することができる。そして、このようなことを繰り返し実施することにより、長期間にわたって上記触媒金属イオンが上記固体電解質膜中に溶出することによって、発電効率が低下することを防止することができる。
このようなことから、本発明によれば運転中にカソード側の触媒電極層に含まれる金属触媒がイオン化されて発生する触媒金属イオンが、固体電解質膜中に溶出することによって、発電効率が低下すること長期間に渡って防止し、長期間の耐久性に優れた燃料電池を得ることができる。
【００１１】
本発明においては、上記カソード側触媒電極層が、上記固体電解質膜上に形成され上記水素吸蔵材料を含有する水素吸蔵層と、上記水素吸蔵層上に形成され導電性材料、上記導電性材料に担持された金属触媒、およびイオン交換性高分子を含有する触媒層とからなることが好ましい。上記カソード側触媒電極層において、上記水素吸蔵材料がこのような態様で含有されることにより、上記金属触媒から発生された触媒金属イオンが上記固体電解質膜中に溶出することを、より効果的に防止することができるため、さらに耐久性に優れた燃料電池を得ることができるからである。
【００１２】
また本発明は、上記本発明に係る燃料電池と、上記燃料電池のカソード側触媒電極層に水素を流入させるカソード側水素流入装置と、上記カソード側触媒電極層から流出される水素ガス量を検出するカソード側水素検出装置と、上記燃料電池を、上記カソード側触媒電極層に含まれる水素吸蔵材料の水素放出温度に加熱する燃料電池加熱装置とを有することを特徴とする燃料電池システムを提供する。
【００１３】
本発明によれば、上記カソード側水素検出装置によって検出される水素ガス量を基準として、上記燃料電池加熱装置によって上記燃料電池を加温することにより、上記燃料電池のカソード側触媒電極層に含まれる水素吸蔵材料から水素を放出させ、運転中に発生した触媒金属イオンを還元析出させることができる。したがって、本発明の燃料電池システムによれば、上記カソード側触媒電極層において発生した触媒金属イオンが上記固体電解質膜中に溶出することを防止できる。
また、本発明によれば上記カソード側水素流入装置を用いて、上記カソード側触媒電極層に水素を流入させることにより、一旦水素放出させた水素吸蔵材料に、再度水素を吸蔵させることができることから、繰り返し上記触媒金属イオンの還元析出を行うことができる。
このようなことから、本発明によれば長期間にわたって燃料電池の性能を維持することができ、耐久性に優れた燃料電池システムを得ることができる。
【００１４】
さらに本発明は、上記本発明に係る燃料電池システムを用い、上記燃料電池の運転を停止する燃料電池運転停止工程と、上記燃料電池加熱装置により、運転が停止された上記燃料電池を、上記カソード側触媒電極層に含まれる水素吸蔵材料の水素放出温度に加熱する燃料電池加熱工程と、上記カソード側水素検出装置による水素ガスの検出量に基づいて、上記燃料電池の加熱を停止する燃料電池加熱停止工程と、上記燃料電池を冷却する燃料電池冷却工程と、を有することを特徴とする燃料電池の再生方法を提供する。
【００１５】
本発明によれば、上記燃料電池加熱工程において上記水素吸蔵材料から水素を放出し、燃料電池の運転中に発生した触媒金属イオンを析出させることができるため、上記カソード側触媒電極層において発生した触媒金属イオンが上記固体電解質膜中に溶出することを防止できる。このため、本発明によれば金属触媒が溶出することによって劣化しかけた触媒電極層を再生することができる。
【００１６】
本発明の燃料電池の再生方法は、上記燃料電池加熱停止工程後、上記カソード側水素流入装置により運転が停止された上記燃料電池の上記カソード側触媒電極層に水素を流入させることにより、上記水素吸蔵材料に水素を吸蔵させる水素流入工程を有することが好ましい。これにより、一旦水素放出させた水素吸蔵材料に、再度水素を吸蔵させることができることから、繰り返し上記触媒金属イオンの還元析出を行うことができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明は、運転中にカソード側の触媒電極層に含まれる金属触媒がイオン化されて発生する触媒金属イオンが、固体電解質膜中に溶出することによって、発電効率が低下すること長期間に渡って防止し、長期間の耐久性に優れた燃料電池を提供することができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明は、燃料電池、燃料電池システムおよび燃料電池の再生方法に関するものである。以下、これらについて順に説明する。
【００１９】
Ａ．燃料電池
まず、本発明の燃料電池について説明する。本発明の燃料電池は、固体電解質膜と、上記固体電解質膜の一方の面上に形成され、導電性材料、上記導電性材料に担持された金属触媒、およびイオン交換性高分子を含有するカソード側触媒電極層と、上記固体電解質膜の他方の面上に形成されたアノード側触媒電極層とを有するものであって、上記カソード側触媒電極層に、導電性を有し、水素放出温度が上記固体電解質膜のガラス転位温度あるいは熱分解温度未満であり、かつ燃料電池の運転温度より高い水素吸蔵材料が含有されることを特徴とするものである。
【００２０】
このような本発明の燃料電池について図を参照しながら説明する。図１は本発明の燃料電池に用いられるＭＥＡ（膜−電極複合体）の一例を示す概略断面図である。図１に例示するように本発明の燃料電池１０は、固体電解質膜１と、上記固体電解質膜１の一方の面上に形成され、導電性材料、上記導電性材料に担持された金属触媒、およびイオン交換性高分子を含有するカソード側触媒電極層２と、上記固体電解質膜１の他方の面上に形成されたアノード側触媒電極層３とを有するＭＥＡ（膜−電極複合体）が用いられたものである。このような例において本発明の燃料電池１０は、上記カソード側触媒電極層２に導電性を有する水素吸蔵材料Ａが含有され、当該水素吸蔵材料の水素放出温度が上記固体電解質膜のガラス転位温度あるいは熱分解温度未満であり、かつ燃料電池の運転温度より高いことを特徴とするものである。
【００２１】
本発明によれば、上記カソード側触媒電極層に上記水素吸蔵材料が含まれ、かつ、当該水素吸蔵材料の水素放出温度が上記固体電解質膜のガラス転位温度あるいは熱分解温度未満であり、かつ燃料電池の運転温度よりも高いことにより、本発明の燃料電池の運転中には上記水素吸蔵材料から水素が放出されることがなく、運転停止後に上記水素吸蔵材料を加熱する等によって水素を放出させることができるようになる。また、このように運転停止中に水素を放出させた後に、上記水素吸蔵材料に再度水素を吸蔵させることも可能になる。
したがって、本発明によれば、本発明の燃料電池の運転中に、上記金属触媒がイオン化されることにより発生した触媒金属イオンを、燃料電池の運転停止後に、上記水素吸蔵材料から水素を放出して電極中に還元析出させ、上記触媒金属イオンが固体電解質膜内に溶出するのを防止する。その後、上記水素吸蔵材料に改めて水素を吸蔵させることにより、上記水素吸蔵材料に金属触媒の還元析出機能を回復することができる。そして、このようなことを繰り返し実施することにより、長期間にわたって上記触媒金属イオンが上記固体電解質膜中に溶出することによって、発電効率が低下することを防止することができる。
このようなことから、本発明によれば運転中にカソード側の触媒電極層に含まれる金属触媒がイオン化されて発生する触媒金属イオンが、固体電解質膜中に溶出することによって、発電効率が低下することを長期間に渡って防止し、長期間の耐久性に優れた燃料電池を得ることができる。
【００２２】
本発明の燃料電池は、少なくとも固体電荷質膜、カソード側触媒電極層、およびアノード側触媒電極層とを有するものであり、必要に応じて他の構成を有してもよいものである。
以下、本発明に用いられる各構成について順に説明する。
【００２３】
１．カソード側触媒電極層
まず、本発明に用いられるカソード側触媒電極層について説明する。本発明に用いられるカソード側触媒電極層は、後述する固体電解質膜の一方の面上に形成され、導電性材料、上記導電性材料に担持された金属触媒、イオン交換性高分子、および導電性を有する水素吸蔵材料を含有し、当該水素吸蔵材料の水素放出温度が上記固体電解質膜のガラス転位温度あるいは熱分解温度未満であり、かつ燃料電池の運転温度よりも高いことを特徴とするものである。
【００２４】
（１）水素吸蔵材料
本発明に用いられる水素吸蔵材料としては、所定の導電性を有し、水素放出温度が上記固体電解質膜のガラス転位温度あるいは熱分解温度未満であり、かつ燃料電池の運転温度より高いものであれば特に限定されるものではない。上記水素吸蔵材料が有する導電性の程度としては、本発明の燃料電池の用途等に応じて適宜決定することができるものである。
【００２５】
本発明に用いられる水素吸蔵材料は、水素放出温度が後述する固体電解質膜のガラス転位温度あるいは熱分解温度未満であり、かつ燃料電池の運転温度より高いことを特徴とするものである。水素吸蔵材料の水素放出温度がこのような範囲内であることにより、本発明の燃料電池の運転中に水素吸蔵材料から水素が放出されることを抑制し、かつ運転停止後に固体電解質膜の性質を損なうことなく水素を放出させることが可能になるのである。本発明に用いられる水素吸蔵材料の水素放出温度は、上記運転温度および固体電解質膜のガラス転位温度あるいは熱分解温度に応じて決定されるものであり、特に限定されるものではないが、中でも本発明においては、６０℃〜２００℃の範囲内であることが好ましく、８５℃〜１５０℃の範囲内であることがより好ましく、９０℃〜１３０℃の範囲内であることがさらに好ましい。
【００２６】
本発明に用いられる水素吸蔵材料としては、所望の導電性を備え、水素放出温度が上記範囲内であるものであれば特に限定されるものではない。本発明に用いられる水素吸蔵材料としては、例えば、カーボンナノチューブ、フラーレン、カーボンナノファイバーなどの炭素系水素吸蔵材料、ＬａＮｉ５に代表されるＡＢ５型合金系水素吸蔵材料、およびＴｉ−Ｍｎ系、Ｔｉ−Ｃｒ系、Ｚｒ−Ｍｎ系のＡＢ２型合金系水素吸蔵材料等を挙げることができる。本発明においてはこれらのいずれの水素吸蔵材料であっても好適に用いることができるが、なかでも炭素系水素吸蔵材料を用いることが好ましい。炭素系水素吸蔵材料は、導電性に優れることに加え、耐酸性に優れることから、燃料電池の運転中に強酸性状態に晒されるカソード側触媒電極層に含有させる材料として好適だからである。
【００２７】
なお、本発明に用いられる水素吸蔵材料は１種類のみであってもよく、あるいは２種類以上であってもよい。
【００２８】
本発明におけるカソード側触媒電極層に水素吸蔵材料が含有される態様は、本発明の燃料電池を停止した後、上記水素吸蔵材料から水素を放出することによって、イオン交換性高分子中に溶出された触媒金属イオンを還元析出することができる態様であれば特に限定されるものではない。このような態様としては、例えば、上記水素吸蔵材料が上記カソード側触媒電極層中に均一に含有される態様や、上記カソード側触媒電極層が、上記固体電解質膜上に形成され上記水素吸蔵材料を含有する水素吸蔵層と、上記水素吸蔵層上に形成され導電性材料、上記導電性材料に担持された金属触媒、およびイオン交換性高分子を含有する触媒層との２層からなる態様とを挙げることができる。本発明においては、これらのいずれの態様であっても好適に用いることができるが、なかでも上記カソード側触媒電極層が、上記水素吸蔵層および上記触媒層の２層からなる態様が好ましい。上記カソード側触媒電極層において、上記水素吸蔵材料がこのような態様で含有されることにより、上記金属触媒から発生された触媒金属イオンが上記固体電解質膜中に溶出することを、より効果的に防止することができるため、さらに耐久性に優れた燃料電池を得ることができるからである。
【００２９】
本発明において、上記カソード側触媒電極層が上記水素吸蔵層および上記触媒層の２層からなる態様で、上記水素吸蔵材料が用いられる態様について図を参照しながら説明する。図２は、カソード側触媒電極層が上記水素吸蔵層および上記触媒層の２層からなる場合の一例を示す概略断面図である。図２に例示するように、本発明の燃料電池１０は、カソード側触媒電極層が、上記固体電解質膜１上に形成され上記水素吸蔵材料Ａを含有する水素吸蔵層２ａと、上記水素吸蔵層２ａ上に形成され導電性材料、上記導電性材料に担持された金属触媒、およびイオン交換性高分子含有する触媒層２ｂとの２層からなるＭＥＡ（膜−電極複合体）が用いられたものであることが好ましい。
【００３０】
本発明におけるカソード側触媒電極層が上記水素吸蔵層および上記触媒層の２層からなる場合、上記水素吸蔵層の厚みは、当該水素吸蔵層に用いられる水素吸蔵材料の種類等に応じて、所望量の水素を水素吸蔵層に吸蔵させることができる範囲であれば特に限定されるものではない。なかでも、本発明における上記水素吸蔵層の厚みは、０．２μｍ〜１０μｍの範囲内であることが好ましく、０．５μｍ〜５μｍの範囲内であることがより好ましく、１μｍ〜２μｍの範囲内であることがさらに好ましい。
【００３１】
（２）導電性材料
本発明に用いられる導電性材料としては、集電体として十分な導電性を有し、後述する金属触媒を高分散担持させるために十分な比表面積を有するものであれ特に限定されるものではなく、一般的に燃料電池の触媒電極層に用いられる導電性材料を使用することができる。このような導電性材料の例としては、例えば、主成分がカーボンである材料を挙げることができる。
【００３２】
（３）金属触媒
本発明に用いられる金属触媒は酸素還元反応に対して活性を示すものであれば特に限定されるものではなく、一般的に燃料電池の触媒電極層に用いられる金属触媒を使用することができる。このような金属触媒の例としては、例えば、白金、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、タングステン、鉛、鉄、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウム等の金属、及びそれらの合金等などを挙げることができる。本発明においてはこれらのいずれの金属触媒であっても好適に用いることができるが、なかでも白金を用いることが好ましい。
【００３３】
（４）イオン交換性高分子
本発明に用いられるイオン交換性子分子としては、所望のプロトン伝導性を有するものであれば特に限定されるものではなく、一般的に燃料電池の触媒電極層や固体電解質膜に用いられるイオン交換性高分子を使用することができる。このようなイオン交換性高分子の例としては、例えば、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標  デュポン社製）などのスルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体、リン酸などの無機酸を炭化水素系高分子化合物にドープさせたもの、一部がプロトン伝導性の官能基で置換された有機／無機ハイブリッドポリマー、高分子マトリックスにリン酸溶液や硫酸溶液を含浸させたプロトン伝導体等を挙げることができる。
【００３４】
２．アノード側触媒電極層
次に、本発明に用いられるアノード側触媒電極層について説明する。本発明に用いられるアノード側触媒電極層は、後述する固体電解質膜の、上記カソード側触媒電極層が形成された面とは反対側の面上に形成されるものである。
【００３５】
本発明に用いられるアノード側触媒電極層としては、一般的に燃料電池に用いられている触媒電極層を用いることができ、特に限定されるものではない。したがって、本発明に用いられるアノード側触媒電極層としては、水素吸蔵材料が含まれないこと以外は、本発明に用いられるカソード側触媒電極層と同様のものを用いることができる。このようなアノード側触媒電極層の具体例としては、例えば、パーフルオロスルホン酸系ポリマー（商品名：Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）、デュポン社製）等のプロトン伝導材、カーボンブラック等の導電性材料、および上記導電性材料に担持された金属等の触媒を含むものを挙げることができる。
【００３６】
３．固体電解質膜
次に、本発明に用いられる固体電解質膜について説明する。本発明に用いられる固体電解質膜は、プロトン伝導性に優れ且つ電流を流さない材料からなるものであれば特に限定されるものではない。現在汎用されている材料としてはパーフルオロスルホン酸系ポリマー（商品名：Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）、デュポン社製）等のフッ素系樹脂や、プロトン伝導基を有するポリイミド等の炭化水素系樹脂等を挙げることができる。
【００３７】
４．他の構成
本発明の燃料電池は、少なくとも上記固体電荷質膜、カソード側触媒電極層、およびアノード側触媒電極層を有するものであるが、必要に応じて他の構成を有するものであってもよい。本発明に用いられる他の構成としては、本発明の燃料電池の具体的な用途等に応じて、本発明の燃料電池に所望の機能を付与することができる構成を適宜選択して用いることができる。なお、本発明の燃料電池には、通常、上記他の構成としてセパレータ、ガス拡散層等が用いられる。これらの構成については、一般的に燃料電池に用いられるものとして公知のものを用いることができるため、ここでの詳しい説明は省略する。
【００３８】
５．燃料電池の製造方法
本発明の燃料電池の製造方法としては、上記カソード側触媒電極層に上述した水素吸蔵材料を含有させることができる方法であれば特に限定されるものではなく、一般的に燃料電池を製造する方法として公知の方法を用いることができる。このような方法としては、例えば固体電解質膜の一方の面上にカソード側触媒電極層を形成するカソード側触媒電極層形成工程と、上記固体電解質膜の他方の面上にアノード側触媒電極層を形成する、アノード側触媒電極層形成工程を用いる方法を挙げることができる。このような各工程については、一般に燃料電池の製造において行われる工程と同様とすることができるので、ここでの説明は省略する。
【００３９】
Ｂ．燃料電池システム
次に、本発明の燃料電池システムについて説明する。本発明の燃料電池システムは、上記本発明に係る燃料電池と、上記燃料電池のカソード側触媒電極層に水素を流入させるカソード側水素流入装置と、上記カソード側触媒電極層から流出される水素ガス量を検出するカソード側水素検出装置と、上記燃料電池を、上記カソード側触媒電極層に含まれる水素吸蔵材料の水素放出温度に加熱する燃料電池加熱装置とを有することを特徴とするものである。
【００４０】
このような本発明の燃料電池システムについて図を参照しながら説明する。図３は本発明の燃料電池システムの一例を示す概略図である。図３に例示するように本発明の燃料電池システム２０は、燃料電池１０と、上記燃料電池１０のカソード側触媒電極層に水素を流入させるカソード側水素流入装置２１と、上記カソード側触媒電極層から流出される水素ガス量を検出するカソード側水素検出装置２２と、上記燃料電池１０を、上記カソード側触媒電極層に含まれる水素吸蔵材料の水素放出温度以上に加熱する燃料電池加熱装置２３とを有するものである。また、本発明の燃料電池システム２０は、上記燃料電池１０として、上記本発明に係る燃料電池が用いられたものである。
なお、図３に示す例においては、上記カソード側水素流入装置２１が、アノード側水素流入装置としても用いることができる例を示した。このようなカソード側水素流入装置によれば、単一の水素流入装置を水素ガスの流路切り替えて用いることにより、カソード側に水素を流入することもでき（図中、点線の水素フロー）、かつ、アノード側にも水素を流入することができる（図中、実線の水素フロー）。もっとも、本発明の実施態様はこのような態様に限定されるものではない。
【００４１】
本発明によれば、上記カソード側水素検出装置によって検出される水素ガス量を基準として、上記燃料電池加熱装置によって上記燃料電池を加温することにより、上記燃料電池のカソード側触媒電極層に含まれる水素吸蔵材料から水素を放出させることができ、これにより運転中に発生した触媒金属イオンを還元析出させることができる。したがって、本発明の燃料電池システムによれば、上記カソード側触媒電極層において発生した触媒金属イオンが上記固体電解質膜中に溶出することを防止できる。
また、本発明によれば上記カソード側水素流入装置を用いて、上記カソード側触媒電極層に水素を流入させることにより、一旦水素放出させた水素吸蔵材料に、再度水素を吸蔵させることができることから、繰り返し上記触媒金属イオンの還元析出を行うことができる。
このようなことから、本発明によれば燃料電池の耐久性を向上させることが可能な、燃料電池システムを得ることができる。
【００４２】
本発明の燃料電池システムは、少なくとも上記燃料電池、カソード側水素流入装置、カソード側水素検出装置、および燃料電池加熱装置を有するものであり、必要に応じて他の任意の構成を有してもよいものである。
以下、本発明の燃料電池システムに用いられる各構成について順に説明する。
【００４３】
１．燃料電池
まず、本発明に用いられる燃料電池について説明する。本発明に用いられる燃料電池は、上記本発明に係る燃料電池である。すなわち、本発明に用いられる燃料電池は、カソード側触媒電極層に所定の水素吸蔵材料が含有されることを特徴とするものである。このような本発明に係る燃料電池が用いられることにより、本発明の燃料電池システムは燃料電池の耐久性を向上させることができる。本発明に用いられる燃料電池は、上記本発明に係る燃料電池が用いられているものであれば特に限定されるものではない。したがって、単一の燃料電池が用いられていてもよく、あるいは複数の燃料電池からなる燃料電池スタックが用いられていてもよい。
ここで、本発明に用いられる燃料電池については、上記「Ａ．燃料電池」の項において説明したものと同様であるため、ここでの説明は省略する。
【００４４】
２．カソード側水素流入装置
次に、本発明に用いられるカソード側水素流入装置について説明する。本発明に用いられるカソード側水素流入装置としては、上記燃料電池のカソード側触媒電極層に所望量の水素ガスを流入させることができるものであれば特に限定されるものではない。したがって、本発明に用いられるカソード側水素流入装置としては、燃料電池に用いられる水素流入装置として一般的に公知のものを用いることができ、例えば、一般的な燃料電池を運転する際に、アノードに水素ガスを流入させる装置を用いることができる。
【００４５】
ここで、本発明の燃料電池システムには、通常、上記燃料電池のアノード側に水素ガスを流入させるアノード側水素流入装置が用いられることになるが、本発明に用いられるカソード側水素流入装置は、上記アノード側水素流入装置と別個独立のものであってもよく、あるいは、上記アノード側水素流入装置と共用されるものであってもよい。なかでも本発明に用いられるカソード側水素流入装置は、アノード側水素流入装置と共用されることが好ましい。単一の水素流入装置を水素ガスの流路切り替えて用いることにより、システムを簡略化することができるからである。
【００４６】
３．カソード側水素検出装置
次に、本発明に用いられるカソード側水素検出装置について説明する。本発明に用いられるカソード側水素検出装置としては、上記カソード側水素流入装置によって流入され、上記燃料電池のカソード側触媒電極層を通じて、流出される水素ガスの量を検出できるものであれば特に限定されるものではない。このようなカソード側水素検出装置としては、一般的に燃料電池に用いられる水素検出装置を使用することができるため、ここでの詳しい説明は省略する。
【００４７】
４．燃料電池加熱装置
次に、本発明に用いられる燃料電池加熱装置について説明する。本発明に用いられる燃料電池加熱装置としては、上記燃料電池を、上記カソード側触媒電極層に含まれる水素吸蔵材料の水素放出温度以上に加熱することができるものであれば特に限定されるものではない。本発明に用いられる燃料電池加熱装置は燃料電池を冷却できるものであってもよい。このような装置を用いることにより、単一の装置で後述する燃料電池冷却工程において燃料電池を冷却することも可能になるからである。このようなカソード側水素検出装置としては、燃料電池を加熱する装置として一般的に公知の装置を使用することができるため、ここでの詳しい説明は省略する。
なお、本発明に用いられる燃料電池加熱装置は、上述したカソード側水素検出装置の検出結果に応じて燃料電池の温度調整ができるよう、上記カソード側水素検出装置と連動されていることが好ましい。
【００４８】
５．任意の構成
本発明の燃料電池システムは、少なくとも上記燃料電池、カソード側水素流入装置、カソード側水素検出装置、および燃料電池加熱装置を有するものであるが、必要に応じて他の任意の構成を有してもよい。本発明に用いられる任意の構成としては、本発明の燃料電池システムの具体的な用途等に応じて、本発明の燃料電池システムに所望の機能を付与することができる構成を適宜選択して用いることができる。このような任意の構成としては、例えば、上記燃料電池のカソード側触媒電極層が存在する雰囲気の圧力を調整する、カソード側圧力調整装置等を挙げることができる。
【００４９】
Ｃ．燃料電池の再生方法
次に、本発明の燃料電池の再生方法について説明する。本発明の燃料電池の再生方法は、上記本発明に係る燃料電池システムを用い、上記燃料電池の運転を停止する燃料電池運転停止工程と、上記燃料電池加熱装置により、運転が停止された上記燃料電池を、上記カソード側触媒電極層に含まれる水素吸蔵材料の水素放出温度に加熱する燃料電池加熱工程と、上記カソード側水素検出装置による水素ガスの検出量に基づいて、上記燃料電池の加熱を停止する燃料電池加熱停止工程と、上記燃料電池を冷却する燃料電池冷却工程と、を有することを特徴とするものである。
【００５０】
本発明によれば、上記燃料電池加熱工程において上記水素吸蔵材料から水素を放出し、燃料電池の運転中に発生した触媒金属イオンを還元析出させることができるため、上記カソード側触媒電極層において発生した触媒金属イオンが上記固体電解質膜中に溶出することを防止できる。このため、本発明によれば金属触媒が溶解することによって劣化しかけた触媒電極層を再生することができる。
【００５１】
本発明の燃料電池の再生方法は、少なくとも上記燃料電池停止工程、燃料電池加熱工程、燃料電池加熱停止工程、および燃料電池冷却工程とを有するものであり、必要に応じて他の任意の工程を有してもよいものである。
以下、本発明の燃料電池の再生方法に用いられる各工程について順に説明する。
【００５２】
１．燃料電池停止工程
まず、本発明に用いられる燃料電池停止工程について説明する。本工程は燃料電池の運転を停止する工程である。本工程において燃料電池の運転を停止する方法としては、少なくとも燃料電池のカソード側触媒電極層に空気（酸素）が流入されることを停止する手段を含むもの方法であれば特に限定されるものではなく、上記燃料電池システムの構成に応じて適宜適切な方法を選択して用いることができる。
【００５３】
２．燃料電池加熱工程
次に、本発明に用いられる燃料電池加熱工程について説明する。本工程は上記燃料電池加熱装置により、運転が停止された上記燃料電池を、上記カソード側触媒電極層に含まれる水素吸蔵材料の水素放出温度に加熱する工程である。本工程において燃料電池を加熱する時間としては、上記水素吸蔵材料から水素を放出させ、カソード側触媒電極層におけるイオン交換性高分子中に溶出された触媒金属イオンを十分に析出させることができる時間であれば特に限定されるものではない。本工程における加熱時間は、上記水素吸蔵材料の種類等に応じて、適宜決定されるものであり特に好ましい範囲として特定できるものではないが、通常、１分〜３時間の範囲内とされる。
【００５４】
３．燃料電池加熱停止工程
次に、本発明における燃料電池加熱停止工程について説明する。本工程は、上記カソード側水素検出装置による水素ガスの検出量に基づいて、上記燃料電池の加熱を停止する工程である。より具体的には、上記燃料電池加熱工程は燃料電池を上記水素吸蔵材料の水素放出温度に加熱することにより、当該水素吸蔵材料から水素を放出させ、これにより触媒金属イオンを還元析出させることを目的とした工程である。したがって、カソード側触媒電極層内に溶存する触媒金属イオンをすべて還元析出させることによって、上記燃料電池加熱工程の目的を達することができるものである。本工程は、上記燃料電池加熱工程がその目的を達成した時点で、上記燃料電池の加熱を停止する工程であり、その加熱の停止を行うタイミングを上記カソード側水素検出装置によって検出される水素ガス量を基準とするものである。
すなわち、上記燃料電池加熱工程においては、上記水素吸蔵材料から放出された水素が、上記触媒金属イオンの析出に消費されている間は上記カソード側水素検出装置によって検出される水素ガス量に顕著な変化は生じないが、すべての触媒金属イオンが析出された以後、水素吸蔵材料から放出された水素ガスは消費されずに上記カソード側水素検出装置によって検出されることになる。このため、すべての触媒金属イオンが還元析出された時点は、上記カソード側水素検出装置によって検出される水素ガス量が顕著に増加することを確認することによって判断することができ、本工程はこのような水素ガス検出量の変化に伴って、上記燃料電池の加熱を停止するものである。
【００５５】
本工程において、上記燃料電池の加熱を停止する方法としては上記燃料電池加熱装置を停止する方法が用いられる。
【００５６】
４．燃料電池冷却工程
次に、本発明における燃料電池冷却工程について説明する。本工程は上記燃料電池加熱停止工程により、加熱が停止された燃料電池を冷却する工程である。本工程において、上記燃料電池を冷却する温度としては、上記燃料電池を上記水素吸蔵材料の水素放出温度未満の温度であれば特に限定されるものではない。また、本工程において燃料電池を冷却する方法としては、所望の時間内に燃料電池を上記水素吸蔵材料の水素放出温度以下に冷却できる方法であれば特に限定されるものではなく、一般的に燃料電池を冷却する方法として公知の方法を用いることができる。このような方法としては、たとえば、燃料電池の温度を調整できる温度調整装置を用い、上記燃料電池加熱工程における燃料電池の加熱と、本工程における燃料電池の冷却とを、当該温度調整装置を通じて行う方法を挙げることができるが、これに限られるものではない。
【００５７】
５．任意の工程
本発明の燃料電池の再生方法は、少なくとも上記燃料電池停止工程、燃料電池加熱工程、燃料電池加熱停止工程、および燃料電池冷却工程を有するものであるが、必要に応じて他の任意の工程を有するものであってもよい。本発明に用いられる他の工程としては、本発明の燃料電池の再生方法の具体的な実施態様に応じて、任意の工程を用いることができ、特に限定されるものではない。なかでも本発明においては任意の工程として、上記燃料電池加熱停止工程後に実施され、上記カソード側水素流入装置により、運転が停止された上記燃料電池の上記カソード側触媒電極層に水素を流入させることにより、上記水素吸蔵材料に水素を吸蔵させる水素流入工程を有することが好ましい。これにより、一旦水素を放出させた水素吸蔵材料に、再度水素を吸蔵させることができるため、本発明の燃料電池の再生方法を繰り返し実施することが可能になるからである。
【００５８】
本発明において上記水素流入工程が用いられる場合、上記水素流入工程においては、上記カソード側触媒電極層に水素が流入される際に、上記カソード側触媒電極層が存在する雰囲気が加圧されることが好ましい。これにより上記水素流入工程において、上記水素吸蔵材料への水素の再吸蔵を促進することができるからである。
【００５９】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
【実施例】
【００６０】
以下に実施例および比較例を示し、本発明をさらに具体的に説明する。
【００６１】
[実施例]
図３は本発明の燃料電池システムの構成を示す系統図である。図３で用いられる燃料電池１０は、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標  デュポン社製）アイオノマー、水素吸蔵合金（ＬａＣｏ５Ｈ６）およびＰｔ／Ｃ（ケッチェンブラック（商品名、ライオン社製））より構成された水素吸蔵層を第１層目に配置し、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標  デュポン社製）アイオノマーおよびＰｔ／Ｃ（ケッチェンブラック（商品名、ライオン社製））よりなる触媒層を第２層目に配置した２層構造のカソード電極を有する膜電極複合体の外側にガス拡散層を配置し、さらにその外側にセパレータを配置して構成される燃料電池セルの積層体である。
【００６２】
図４に、図３の構成を用いたＰｔイオン還元処理の制御プロセスを示す。Ｐｔイオン還元処理は、発電終了後に行う。図４のＦＣスタック加熱はＨ２濃度２％を超えると加熱を停止し、ＦＣシステムを停止させる。
【００６３】
図５に、図３の構成を用いたＰｔイオントラップ層再生処理の制御プロセスを示す。Ｐｔイオントラップ層再生処理は、図４で示すＦＣスタック加熱時にＨ２濃度上昇低下を確認した後、実施する。ＦＣスタックを冷却（加熱中止）後、ガスラインをアノードライン：Ｈ２、カソードライン：Ｈ２とする。次にＨ２ガスを供給し、ガス圧を上昇させ０．２ＭＰａで封止する。その後、ガス圧変化量が０．０５ＭＰａを超えた時点で、ガスを放出してＦＣシステムを停止させる。
【００６４】
この様な構成と制御プロセスに従えば、長時間にわたり性能を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明の燃料電池の一例を示す概略断面図である。
【図２】本発明の燃料電池の他の例を示す概略断面図である。
【図３】本発明の燃料電池システムの一例を示す概略図である。
【図４】本発明におけるＰｔイオン還元処理の制御プロセスの説明図である。
【図５】本発明におけるＰｔイオントラップ層（水素吸蔵層）再生処理の制御プロセスの説明図である。
【符号の説明】
【００６６】
１    …固体電解質膜
２    …カソード側触媒電極層
３    …アノード側触媒電極層
１０  …燃料電池
２０  …燃料電池システム
２１  …カソード側水素流入装置
２２  …カソード側水素検出装置
２３  …燃料電池加熱装置
Ａ    …水素吸蔵材料
【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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