JP2000509882A - 電気化学電池積層体の各単電池内の反応物の流量を求める方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 燃料電池の陰極または陽極側での反応物の利用率を求める方法。測定側に流動性が低く利用率が高い反応物を供給し、反対側に流動性が高く利用率が低い反応物を供給する。温度などの出口条件下でのネルンスト電圧と、測定すべき反応物の利用率の関係を示す表を作成する。次に出口での電池電圧を測定し、ネルンスト電圧に一致させる。こうして表に基づき利用率を求めることができる。この方法は、電気化学電池積層体における流量や流れの分布を求めるのに用いることができる。

Description

【発明の詳細な説明】 電気化学電池積層体の各単電池内の反応物の流量を求める方法 本発明は、電気化学電池の陰極および陽極側での反応物の利用率の測定方法に 関する。 反応物の利用率を測定することによって、この反応物の流量を測定することが できる。これは様々な用途において重要である。 特にこの方法は、電池の積層体を構成している各電池の流量間の相互関係を知 るのに適している。 単電池の積層体の場合、各単電池が発生する電圧をほぼ等しくすることが重要 である。単電池の一つでも働きが悪いものがあれば、積層体全体に影響が及ぶ。 特に直列回路の場合は電流が問題であるため、全体に影響が及ぶ。 電気化学電池、特に燃料電池を大量生産する場合、製造誤差や、クリープや、 腐食などの要因により、分離板やその他の反応物を供給・排出する部品の流れ抵 抗が変動しやすい。反応物が電池の積層体に並列に供給される場合、分配多岐管 (manifolding)を用いて、全てのガスはまず第１の単電池に供給され、次に第１ の単電池内に流れ込んだガスを除いた分のガスが２番目の単電池に供給される。 こうしてガスは順番に下流側の単電池に送られる。同じことが出口側についても いえる。したがってガスの流量は各単電池毎に異なることになる。直列回路の場 合、各単電池を流れる電流は等しいので、流量が小さいほど単電池内の分極が大 きくなり、その結果電圧が低下する。 公知の流量計を用いて、各単電池毎に陰極および陽極の出口における流れ抵抗 を測定して、その測定値に基づき圧力低下を求めることによって、製造時あるい は使用中の単電池間の性能のばらつきを測定することは従来から行われている。 この方法は単体の電池の測定には適しているが、使用中の電池の積層体の測定 には向いていない。たとえばこの方法では、各電池に対するマニフォルディング の効果を測定することはできない。特に燃料電池の積層体を高温環境やその他の 周囲条件とは異なる環境下で測定することは尚更できない。すなわち使用中の電 池の測定は従来の方法では不可能であった。 さらにこの従来の方法は複雑であり、電池の大量生産時にこの方法で電池を一 個ずつ測定するのは非常に手間がかかるため、ほとんどこの方法は用いられてい なかった。 本発明の目的は、上記の問題を解決し、電池毎に反応物の流量を簡単に測定で きる方法を提供することである。 この目的を達成する手段は以下の通りである：組成が分かっている高流動性反 応物を陰極又は陽極側に供給する；組成が分かっている低流動性反応物を陽極又 は陰極側に供給する；単電池内の低平均電流密度を設定する；電池電圧を測定す る；電池の出口条件（たとえば温度）下でのネルンスト電圧と、低流動性のガス の利用率の関係を示す表を作成する；ネルンスト電圧と電池電圧を一致させる； 前記表に基づき利用率を求める。 電池に供給される低流動性反応物の流量は、利用率の逆数を求め、設定した電 流値を乗し、ファラデー定数（Ｆ＝９６４８５ Ｃ／ｍｏｌ）、全体の反応に関 わった電子の数、利用率の測定に用いた反応物内の分子のフラクション（frac-t ion）で除することによって求める。電池から流出する反応生成物の流量は、設 定電流の大きさに応じて電池内で起きる化学反応を考慮に入れて、上記と同じ方 法で求める。 本発明は、平均電流密度と局所的抵抗値の積が比較的低い場合は、電池密度は 電流密度や局所的抵抗値には左右されないという知見に基づいてなされたもので ある。このような条件下では、電池電圧は温度と供給されるガスの利用率によっ て略決まる。反応物の利用率が高い場合は、電流密度は電池の入口側で高く、出 口側で低くなり、電池内でネルンスト電圧が大きく変動することになる。出口側 で電流密度が極端に低いと、電池電圧とネルンスト電圧の差が、この反応物の出 口側のガス組成によるが、両者は実質的に同一であるといえる程小さくなってし まうことがわかった。 様々なアスペクツ(aspects)は、利用率が低く高流動性の反応物を電気化学電 池の他方側で用いることが条件である。その結果、電気化学電池の「他方側」で の測定されないこの反応物の寄与度が分かる。測定された電池電圧から、利用率 が低く高流動性の反応物の寄与度を差し引くことによって、出口側で測定すべき 反応物のガス組成をネルンスト等式を用いて求めることができる。様々なアスペ クツを単純化するために、この等式は一覧表にまとめて示すことができる。 高流動性反応物は、設定電流密度における利用率が２５％未満のもの、特に１ ０％未満のものがよい。 低流動性反応物は、設定電流密度における利用率が５０％以上、特に７５％以 上のものがよい。 平均電流密度と局所的電気抵抗値の積は、０．８Ｖ未満、特に０．０３Ｖ程度 であることが望ましく、上記条件下での出口における電流密度は１０Ａ／ｍ²以 下が望ましい。 上記数値は特に溶融カーボネート型の燃料電池（ＭＣＦＣ）に特に適している 。もちろんこの方法は、反応物を外部から供給して外部に排出するタイプの別の 種類の電気化学電池にも用いることができる。この場合は電池の種類に応じて上 記数値を調節しなければならない。 高流動性反応物の実際の利用率に応じて表を訂正することによって、本発明の 方法をより高精度に行うことができる。 利用率は電流に比例し、電流は全ての電池で同じで、反応物の流入流量に反比 例するので、流量は上記の方法で簡単に求めることができる。 上述の方法は、使用中の電池積層体のテストに用いるのに特に適している（上 記の条件に限定されるが）。各単電池の電圧を測定することによって、各単電池 に流入する反応物の流量を求めることができる。こうして電池の製造時に、電池 積層体のベンチテストと同時に、他の単電池に比べ性能が極端に劣っているもの がないかどうかを調べることができる。 また上記の結果に基づき、さらには電気化学反応による反応物の流量および流 動特性の変化を表わすモデルを用いて、他の作動条件における電池積層体のハイ ドロリック(hydraulic)挙動を計算することもできる。 次にグラフを参照しつつ本発明を詳細に説明する。グラフにおいて、図１は、 電池電圧と、平均電流密度と局所的抵抗値の積と、反応物の利用率との関係を示 し、図２は、出口におけるネルンスト電圧と、反応物の利用率との関係を示す。 ＭＣＦＣ燃料電池において、燃料側での電池毎の流量の相互関係を比較した場 合について、本願の方法を具体的に説明する。この場合、利用率が低く（具体的 には１０％未満）、酸化物の流量はかなりあることを意味する。平均電流密度は ２９５Ａ／ｍ²であり、出口での電流密度は１０Ａ／ｍ²以下である。また燃料の 組成はＨ₂；６４％、ＣＯ₂；１６％、Ｈ₂Ｏ；２０％であり、酸化物はＯ₂；６６ ％、ＣＯ₂；２８％、Ｈ₂；６％の組成であった。 上記方法を用いて酸化物サイドの流量を求めることが可能であり、またこの方 法は反応物を外部から供給して外部に排出するタイプの他の種類の電気化学電池 にも用いることができる。 図１において（ほぼ）水平な線は、上記のＭＣＦＣ燃料電池において、酸化物 の利用率が１０％で、燃料の利用率を変化させた場合の、平均電流密度と局所的 電気抵抗の積の関数である電池電圧を表している。また図１の３本の線は、それ ぞれのガス組成について、電池電圧のネルンスト電圧に対するずれを表している 。 この図から、燃料の利用率が比較的高いと出口における電池電圧とネルンスト 電圧の差は、平均電流密度と局所的電気抵抗値の積の広い範囲で、無視し得るほ ど小さいことがわかる。このことは電池電圧は、平均電流密度と局所的電気抵抗 値には影響を受けず、出口でのネルンスト電圧に一致させることができるという 上記の仮定を裏付けるものである。 図２は、上述の電池積層体において、酸化物の利用率が一定の場合（１０％） の、燃料の利用率に対するネルンスト電圧を示す。様々なパラメーターを求める ための温度は６３４℃である。この図から、燃料の利用率が高いほど、ネルンス ト電圧の変化に対する感度が高くなることがわかる。 図２において、各点は１０個の単電池からなる電池積層体の測定点である。こ の図から、燃料の利用率と反応物の流量のばらつきが大きいことがわかる。 このように本発明の方法を用いれば、燃料電池積層体に流入する反応物の流量 を非常に簡単に求めることができる。この方法は様々な測定に用いることができ ることは明らかであり、それらの測定も請求の範囲に含まれる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．電気化学電池の陰極または陽極側に流動性の高い反応物を供給し、前記陽極 または陰極側に流動性の低い反応物を供給し、電池内の低平均電流密度を設定し 、電池電圧を求め、前記電池の出口条件（たとえば温度）下でのネルンスト電圧 と、低流動性のガスの利用率の関係を示す表を作成し、ネルンスト電圧を電池電 圧を一致させ、前記表に基づき利用率を求める工程からなる電気化学電池の陰極 または陽極側における反応物の利用率を求める方法。 ２．流動性の高い反応物の設定電流密度における利用率が２５％未満、好ましく は１０％未満である請求項１に記載の方法。 ３．流動性の低い反応物の設定電流密度における利用率が２５％以上、好ましく は７５％以上である請求項１又は２に記載の方法。 ４．平均電流密度と局所的電気抵抗値の積が０．０８Ｖ未満、特に０．０３Ｖで あり、出口における電流密度が１０Ａ／ｍ²未満である請求項１乃至３のいずれ かに記載の方法。 ５．前記表は、流動性の高い反応物の利用率に応じてネルンスト電圧を補正して 作成する請求項１乃至４のいずれかに記載の方法。 ６．請求項１乃至５のいずれかの方法で反応物の利用率を求め、逆数比例利用率 を求める工程からなる、電気化学電池に流入する反応物の流量を求める方法。 ７．逆数比例利用率は、設定電流を乗じ、ファラデー定数（Ｆ＝９６４８５ Ｃ ／ｍｏｌ）、全体の反応に関わった電子の数、利用率の測定に用いた反応物内の 分子のフラクションで除することによって求める請求項６に記載の方法。 ８．陰極または陽極反応物の利用率を請求項１乃至７のいずれかに記載の方法で 求め、逆数比例利用率比を求める工程からなる、電池積層体の様々な陰極および ／または陽極チャネルに流入する反応物の分布を測定する方法。 ９．電気化学反応による反応物の流量および流動特性の変化を表わすモデルと組 み合わせることによって、他の作動条件における流動性および／または流量を計 算する請求項１乃至８の方法。 １０．請求項６の方法で反応物の流入流量を測定し、設定電流の関数である反応 物の変換の程度について補正を行う工程からなる反応物の流出流量を求める方法 。