JPH08111230A - 固体高分子型燃料電池の運転方法 - Google Patents
固体高分子型燃料電池の運転方法Info
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- JPH08111230A JPH08111230A JP6245813A JP24581394A JPH08111230A JP H08111230 A JPH08111230 A JP H08111230A JP 6245813 A JP6245813 A JP 6245813A JP 24581394 A JP24581394 A JP 24581394A JP H08111230 A JPH08111230 A JP H08111230A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】酸化剤ガス供給路中の酸化剤ガス水蒸気圧分布
と、触媒層反応部位飽和蒸気圧分布を、平衡状態にする
ようなセル面内温度分布を与える燃料電池運転方法を実
現して、長期間安定して高い発電性能を得る。 【構成】固体高分子型燃料電池では、電解質膜表面での
電気化学反応における乾燥および生成水凝縮を防ぐ必要
があり、セル面内温度分布を適切に与えることで、湿度
管理を行う。電流密度，反応ガス全圧，入口空気露点，
空気利用率，生成水排出率等の各運転条件における出力
電圧が最大となるセル面内最適温度分布は、セル面内上
部温度およびセル面内上下温度差をそれぞれ最適値また
はその近傍に制御することにより得る。セル面内温度分
布は、冷却媒体の温度および流量を調整することにより
制御する。
と、触媒層反応部位飽和蒸気圧分布を、平衡状態にする
ようなセル面内温度分布を与える燃料電池運転方法を実
現して、長期間安定して高い発電性能を得る。 【構成】固体高分子型燃料電池では、電解質膜表面での
電気化学反応における乾燥および生成水凝縮を防ぐ必要
があり、セル面内温度分布を適切に与えることで、湿度
管理を行う。電流密度，反応ガス全圧，入口空気露点，
空気利用率，生成水排出率等の各運転条件における出力
電圧が最大となるセル面内最適温度分布は、セル面内上
部温度およびセル面内上下温度差をそれぞれ最適値また
はその近傍に制御することにより得る。セル面内温度分
布は、冷却媒体の温度および流量を調整することにより
制御する。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、平板型の固体高分子
型燃料電池のセル面内温度分布を適切に制御して、固体
高分子電解質膜の乾燥及び過度の濡れを防止し、固体高
分子型燃料電池の安定した運転を行う方法に関する。
型燃料電池のセル面内温度分布を適切に制御して、固体
高分子電解質膜の乾燥及び過度の濡れを防止し、固体高
分子型燃料電池の安定した運転を行う方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】燃料電池は、これに使用される電解質の
種類や動作温度により、固体高分子型燃料電池，りん酸
型燃料電池，溶融炭酸塩型燃料電池，固体電解質型燃料
電池などに大別される。燃料電池は直流電気を発生させ
る電気化学的反応において熱が発生するので、温度を許
容される動作温度に維持するために、冷却手段が設けら
れている。
種類や動作温度により、固体高分子型燃料電池，りん酸
型燃料電池，溶融炭酸塩型燃料電池，固体電解質型燃料
電池などに大別される。燃料電池は直流電気を発生させ
る電気化学的反応において熱が発生するので、温度を許
容される動作温度に維持するために、冷却手段が設けら
れている。
【０００３】従来採用されている固体高分子型燃料電池
は、例えば特開平5 ─144451号公報に開示されているよ
うに、内部に冷却部を持ち、この冷却部に冷却媒体を循
環させ燃料電池を所定の温度に保つようにしている。図
７，図８に従来の固体高分子型燃料電池の構成の一例を
示す。図７(a) はスタックの側面図を示すもので、図７
(a) において、９はスタックでありセルとセパレータと
から成る単電池８を複数個積層し、さらにその両端部に
発生した直流電力をスタック９から取り出すための集電
板９１Ａ，９１Ｂと、単電池８，集電板９１Ａ，９１Ｂ
を構造体から電気的に絶縁するための電気絶縁板９２
Ａ，９２Ｂと、単電池８，集電板９１Ａ，９１Ｂ、電気
絶縁板９２Ａ，９２Ｂを積層したスタック９の両外端部
に配設される締付板９３Ａ，９３Ｂとを順次積層し、締
付板９３Ａ，９３Ｂにその両外側面側から締付けボルト
９４により適度の加圧力を与えるようにして構成されて
いる。
は、例えば特開平5 ─144451号公報に開示されているよ
うに、内部に冷却部を持ち、この冷却部に冷却媒体を循
環させ燃料電池を所定の温度に保つようにしている。図
７，図８に従来の固体高分子型燃料電池の構成の一例を
示す。図７(a) はスタックの側面図を示すもので、図７
(a) において、９はスタックでありセルとセパレータと
から成る単電池８を複数個積層し、さらにその両端部に
発生した直流電力をスタック９から取り出すための集電
板９１Ａ，９１Ｂと、単電池８，集電板９１Ａ，９１Ｂ
を構造体から電気的に絶縁するための電気絶縁板９２
Ａ，９２Ｂと、単電池８，集電板９１Ａ，９１Ｂ、電気
絶縁板９２Ａ，９２Ｂを積層したスタック９の両外端部
に配設される締付板９３Ａ，９３Ｂとを順次積層し、締
付板９３Ａ，９３Ｂにその両外側面側から締付けボルト
９４により適度の加圧力を与えるようにして構成されて
いる。
【０００４】図７(b) は単電池の側面断面図を示すもの
で、図７(b) において、それぞれの単電池８は、セル７
と、このセル７の一方の側面に配されて燃料ガス流路６
１ａを多数有し、ガスを透過せず熱および電気伝導性に
優れた材料からなるセパレータ６Ａと、セル７の他方の
側面に配されて酸化剤ガス流路６１ｂ（以下、燃料ガス
流路と酸化剤ガス流路を併せて反応ガス流路と呼ぶこと
がある）を多数有し、セパレータ６Ａと同様の材料から
なるセパレータ６Ｂとで構成されている。セル７は、薄
い矩形状をなしており、固体高分子電解質膜からなる電
解質層７１と、電解質層７１の一方の主面側に配設され
た燃料ガスの供給を受ける燃料電極膜７２と、電解質層
７１の他方の主面側に配設された酸化剤ガスの供給を受
ける酸化剤電極膜７３とで構成されている。燃料電極膜
７２および酸化剤電極膜７３は、共に触媒活物質を含む
触媒層７４ａ，７４ｂと、この触媒層７４ａ，７４ｂを
支持すると共に，反応ガスを触媒層に供給および触媒層
から排出し、しかも集電体としての機能を有する多孔質
の電極膜基材７５ａ，７５ｂからなり、それぞれの触媒
層７４ａ，７４ｂを電解質層７１と密着させている。電
解質層７１としては、パ−フルオロスルフォン酸樹脂膜
（例えば、米国のデュポン社製、商品名ナフィオン膜）
が用いられ、飽和に含水させることにより良好なプロト
ン導電性電解質として機能する。
で、図７(b) において、それぞれの単電池８は、セル７
と、このセル７の一方の側面に配されて燃料ガス流路６
１ａを多数有し、ガスを透過せず熱および電気伝導性に
優れた材料からなるセパレータ６Ａと、セル７の他方の
側面に配されて酸化剤ガス流路６１ｂ（以下、燃料ガス
流路と酸化剤ガス流路を併せて反応ガス流路と呼ぶこと
がある）を多数有し、セパレータ６Ａと同様の材料から
なるセパレータ６Ｂとで構成されている。セル７は、薄
い矩形状をなしており、固体高分子電解質膜からなる電
解質層７１と、電解質層７１の一方の主面側に配設され
た燃料ガスの供給を受ける燃料電極膜７２と、電解質層
７１の他方の主面側に配設された酸化剤ガスの供給を受
ける酸化剤電極膜７３とで構成されている。燃料電極膜
７２および酸化剤電極膜７３は、共に触媒活物質を含む
触媒層７４ａ，７４ｂと、この触媒層７４ａ，７４ｂを
支持すると共に，反応ガスを触媒層に供給および触媒層
から排出し、しかも集電体としての機能を有する多孔質
の電極膜基材７５ａ，７５ｂからなり、それぞれの触媒
層７４ａ，７４ｂを電解質層７１と密着させている。電
解質層７１としては、パ−フルオロスルフォン酸樹脂膜
（例えば、米国のデュポン社製、商品名ナフィオン膜）
が用いられ、飽和に含水させることにより良好なプロト
ン導電性電解質として機能する。
【０００５】図８(b) はセル面内冷却構成のうち、セパ
レータ６Ａについて示すもので、反応ガス流路６１ａが
設けられたセパレータ６Ａの他方の面には、冷却媒体５
を通流させる冷媒流路６５が形成されている。冷媒流路
６５は、反応ガス流路６１ａ，６１ｂ方向に平行に設け
られ複数冷媒流路が並列に配設された並行部分６５ａ
と、この平行部６５ａを一方の端部で一括する一方の冷
媒流路端末部６５ｂと、平行部６５ａを他方の端部で束
ねる冷媒流路端末部６５ｃとで構成されている。冷媒流
路６５のそれぞれの端末部６５ｂ，６５ｃは貫通孔６６
と６７とに連通し、該貫通孔６６，６７は、共にマニホ
ールドとして機能する。
レータ６Ａについて示すもので、反応ガス流路６１ａが
設けられたセパレータ６Ａの他方の面には、冷却媒体５
を通流させる冷媒流路６５が形成されている。冷媒流路
６５は、反応ガス流路６１ａ，６１ｂ方向に平行に設け
られ複数冷媒流路が並列に配設された並行部分６５ａ
と、この平行部６５ａを一方の端部で一括する一方の冷
媒流路端末部６５ｂと、平行部６５ａを他方の端部で束
ねる冷媒流路端末部６５ｃとで構成されている。冷媒流
路６５のそれぞれの端末部６５ｂ，６５ｃは貫通孔６６
と６７とに連通し、該貫通孔６６，６７は、共にマニホ
ールドとして機能する。
【０００６】スタック９の一方の端部にある単電池８で
は、貫通孔６６は、冷却媒体５の流入口９３ａに連通さ
せて形成された冷媒通流口に接続され、一方、貫通孔６
７は封じられる。また、他方の端部にある単電池８で
は、貫通孔６７は締付板９３Ｂが備える冷却媒体５の流
出口９３ｂに連通させて形成された冷媒通流口に接続さ
れ、一方、貫通孔６６は封じられる。スタック９では、
単電池８内に構成される冷却媒体５の通流路は互いに並
列に接続されることになるが、これはスタック９の積層
方向に配置された単電池８間での冷却媒体５の温度差を
少なくするためである。
は、貫通孔６６は、冷却媒体５の流入口９３ａに連通さ
せて形成された冷媒通流口に接続され、一方、貫通孔６
７は封じられる。また、他方の端部にある単電池８で
は、貫通孔６７は締付板９３Ｂが備える冷却媒体５の流
出口９３ｂに連通させて形成された冷媒通流口に接続さ
れ、一方、貫通孔６６は封じられる。スタック９では、
単電池８内に構成される冷却媒体５の通流路は互いに並
列に接続されることになるが、これはスタック９の積層
方向に配置された単電池８間での冷却媒体５の温度差を
少なくするためである。
【０００７】図８(a) は、スタック９の冷却構造の一例
をその主要な周辺装置と共に模式的に示したものであ
る。冷媒供給経路は、冷却媒体５を循環させるのに必要
な圧力を供給する加圧ポンプ９７と，冷却媒体５の流量
（以下、冷媒流量と呼ぶことがある）を制御する制御弁
９８と，放熱装置９６と，これらの間を接続する配管９
９とを備えている。流入口９３ａから導入されスタック
９において発生した熱を吸収することで高温となった冷
却媒体５は、流出口９３ｂから流出され、冷媒供給経路
中を放熱装置９６に循環され除熱されて、その温度（以
下、冷媒温度と呼ぶことがある）を所望の温度にまで降
下させ、再び流入口９３ａからスタック９に還流され
る。
をその主要な周辺装置と共に模式的に示したものであ
る。冷媒供給経路は、冷却媒体５を循環させるのに必要
な圧力を供給する加圧ポンプ９７と，冷却媒体５の流量
（以下、冷媒流量と呼ぶことがある）を制御する制御弁
９８と，放熱装置９６と，これらの間を接続する配管９
９とを備えている。流入口９３ａから導入されスタック
９において発生した熱を吸収することで高温となった冷
却媒体５は、流出口９３ｂから流出され、冷媒供給経路
中を放熱装置９６に循環され除熱されて、その温度（以
下、冷媒温度と呼ぶことがある）を所望の温度にまで降
下させ、再び流入口９３ａからスタック９に還流され
る。
【０００８】ところで、セル７に供給された燃料ガスお
よび酸化剤ガスは、それぞれの触媒層７４ａ，７４ｂ内
の触媒と固体高分子電解質とで形成された三相界面にお
いて、以下の電気化学反応で消費される。
よび酸化剤ガスは、それぞれの触媒層７４ａ，７４ｂ内
の触媒と固体高分子電解質とで形成された三相界面にお
いて、以下の電気化学反応で消費される。
【０００９】
【化１】 Ｈ2 → 2Ｈ+ ＋ 2ｅ- アノード
【００１０】
【化２】 (1/2)Ｏ2 ＋ 2Ｈ+ ＋ 2ｅ- → Ｈ2Ｏ カソード 上記のように、全体反応として水を生成する。発電効率
を高く維持するには、固体高分子電解質膜に飽和状態に
含水させてやることが必要であるため、反応ガスは予め
加湿してからセルに供給される。
を高く維持するには、固体高分子電解質膜に飽和状態に
含水させてやることが必要であるため、反応ガスは予め
加湿してからセルに供給される。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】固体高分子型燃料電池
において、電気化学反応はすなわち水の生成反応であ
り、その生成水は主にカソード側の酸化剤ガス流路へ排
出されるため、酸化剤ガス中の水蒸気流量はセルの入口
側が最も少なく、セルの出口側になるにつれ増加するこ
とになる。
において、電気化学反応はすなわち水の生成反応であ
り、その生成水は主にカソード側の酸化剤ガス流路へ排
出されるため、酸化剤ガス中の水蒸気流量はセルの入口
側が最も少なく、セルの出口側になるにつれ増加するこ
とになる。
【００１２】しかし、酸化剤電極基材内を透過した酸化
剤ガスを触媒層内に拡散させ、酸化剤ガスと，触媒と，
固体高分子電解質との三相界面を形成して電気化学反応
させるに当たり、水の凝縮によって触媒層が過度に濡れ
ることにより、多孔質酸化剤電極基材内の反応ガスの拡
散する毛管を塞いでしまうことは好ましくない。生成水
排出の駆動力となるのは反応ガスと固体高分子電解質膜
の水蒸気圧力差であるが、セル面内温度が均一であると
固体高分子電解質膜の水蒸気圧力は一定であるのに対
し、反応ガスの水蒸気圧分布がガス流路出口側へ行くほ
ど高圧になり生成水排出を妨げる。しかし、これを防ぐ
ために反応ガスの加湿量を減らすと、固体高分子電解質
膜が乾燥し電池特性が低下してしまう。
剤ガスを触媒層内に拡散させ、酸化剤ガスと，触媒と，
固体高分子電解質との三相界面を形成して電気化学反応
させるに当たり、水の凝縮によって触媒層が過度に濡れ
ることにより、多孔質酸化剤電極基材内の反応ガスの拡
散する毛管を塞いでしまうことは好ましくない。生成水
排出の駆動力となるのは反応ガスと固体高分子電解質膜
の水蒸気圧力差であるが、セル面内温度が均一であると
固体高分子電解質膜の水蒸気圧力は一定であるのに対
し、反応ガスの水蒸気圧分布がガス流路出口側へ行くほ
ど高圧になり生成水排出を妨げる。しかし、これを防ぐ
ために反応ガスの加湿量を減らすと、固体高分子電解質
膜が乾燥し電池特性が低下してしまう。
【００１３】この発明の目的は、前述の従来技術の問題
点に鑑み、固体高分子電解質膜表面における乾燥および
生成水凝縮を防ぐための、適切な固体高分子型燃料電池
の運転制御方法を提供することにある。
点に鑑み、固体高分子電解質膜表面における乾燥および
生成水凝縮を防ぐための、適切な固体高分子型燃料電池
の運転制御方法を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、この発明は、燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を受け
て直流電力を発生するセルが、セパレータを介して複数
積層されたスタックと、該スタック内に、前記セル毎あ
るいは複数のセル毎に設けられセルで発生した熱を除去
する冷却部とを備え、前記セルは、固体高分子膜からな
る電解質層と、該電解質層を挟んでそれぞれ配設された
燃料電極（アノード）と酸化剤電極（カソード）とを有
し、前記冷却部は、冷却媒体を通流させる冷媒流路を有
し、前記セル面内は、酸化剤ガス入口側温度（セル面内
上部温度）より、酸化剤ガス出口側温度（セル面内下部
温度）の方が高く形成されて成る固体高分子型燃料電池
の運転方法を、電流密度，反応ガス全圧，入口空気露
点，空気利用率，生成水排出率とから、セル出力電圧が
最大となる前記セル面内上部温度の最適値および該セル
面内上部温度とセル面内下部温度との差（セル面内上下
温度差）の最適値とを求め、前記冷却媒体の温度および
流量を調整することにより、前記最適セル面内上部温度
の最適値またはその近傍およびセル面内上下温度差の最
適値またはその近傍となるように制御することにより達
成される。
に、この発明は、燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を受け
て直流電力を発生するセルが、セパレータを介して複数
積層されたスタックと、該スタック内に、前記セル毎あ
るいは複数のセル毎に設けられセルで発生した熱を除去
する冷却部とを備え、前記セルは、固体高分子膜からな
る電解質層と、該電解質層を挟んでそれぞれ配設された
燃料電極（アノード）と酸化剤電極（カソード）とを有
し、前記冷却部は、冷却媒体を通流させる冷媒流路を有
し、前記セル面内は、酸化剤ガス入口側温度（セル面内
上部温度）より、酸化剤ガス出口側温度（セル面内下部
温度）の方が高く形成されて成る固体高分子型燃料電池
の運転方法を、電流密度，反応ガス全圧，入口空気露
点，空気利用率，生成水排出率とから、セル出力電圧が
最大となる前記セル面内上部温度の最適値および該セル
面内上部温度とセル面内下部温度との差（セル面内上下
温度差）の最適値とを求め、前記冷却媒体の温度および
流量を調整することにより、前記最適セル面内上部温度
の最適値またはその近傍およびセル面内上下温度差の最
適値またはその近傍となるように制御することにより達
成される。
【００１５】また、固体高分子型燃料電池の運転方法に
おいて、前記セル面内上部温度を該温度の最適値±３
℃，前記セル面内上下温度差を該温度差の最適値±１℃
の範囲内に制御することが好適である。さらに、固体高
分子型燃料電池の運転方法において、前記セル面内上部
温度を該温度の最適値±１℃，前記セル面内上下温度差
を該温度差の最適値±１℃の範囲内に制御することが最
も好適である。
おいて、前記セル面内上部温度を該温度の最適値±３
℃，前記セル面内上下温度差を該温度差の最適値±１℃
の範囲内に制御することが好適である。さらに、固体高
分子型燃料電池の運転方法において、前記セル面内上部
温度を該温度の最適値±１℃，前記セル面内上下温度差
を該温度差の最適値±１℃の範囲内に制御することが最
も好適である。
【００１６】
【作用】固体高分子型燃料電池において、反応ガス流路
を通流する反応ガス中には反応によって生成した水が水
蒸気として放出されるため、通流過程で反応ガス中の水
蒸気濃度が徐々に上昇する。このガス流通方向がセル面
内温度分布の低い部分側から反応ガス流路に流入し、セ
ル面内温度分布の高い部分側から排出されるように、冷
媒温度と冷媒流量を制御し最適セル面内温度分布を形成
することにより、反応ガスの水蒸気圧と触媒層反応部の
低温側で低く高温側で高い飽和水蒸気圧とが互いに適切
に平衡した状態となる。最適状態においては、セル面内
のどの部分においても、水の生成と排出のバランスが取
れた状態となるので、固体高分子電解質膜の乾燥，およ
び生成水の凝縮に起因する触媒層の過度の濡れによる反
応ガス拡散の阻害を防止することができ、また触媒層反
応部を飽和状態に保ちプロトン伝導性の低下も抑えら
れ、電池特性の低下を防止することができる。
を通流する反応ガス中には反応によって生成した水が水
蒸気として放出されるため、通流過程で反応ガス中の水
蒸気濃度が徐々に上昇する。このガス流通方向がセル面
内温度分布の低い部分側から反応ガス流路に流入し、セ
ル面内温度分布の高い部分側から排出されるように、冷
媒温度と冷媒流量を制御し最適セル面内温度分布を形成
することにより、反応ガスの水蒸気圧と触媒層反応部の
低温側で低く高温側で高い飽和水蒸気圧とが互いに適切
に平衡した状態となる。最適状態においては、セル面内
のどの部分においても、水の生成と排出のバランスが取
れた状態となるので、固体高分子電解質膜の乾燥，およ
び生成水の凝縮に起因する触媒層の過度の濡れによる反
応ガス拡散の阻害を防止することができ、また触媒層反
応部を飽和状態に保ちプロトン伝導性の低下も抑えら
れ、電池特性の低下を防止することができる。
【００１７】
【実施例】以下この発明の実施例を図面を参照して詳細
に説明する。 実施例１；図１(a),図１(b) は、この発明の固体高分子
型燃料電池の運転方法の一実施例を示したものである。
固体高分子型燃料電池のセル面内に適切な温度分布を形
成するに当たり、温度分布の状態は冷媒温度と冷媒流量
とから制御できる。すなわち、冷媒流量を増加させると
セル面内上下温度差は縮小し、逆に冷媒流量を減少させ
るとセル面内上下温度差は拡大する。
に説明する。 実施例１；図１(a),図１(b) は、この発明の固体高分子
型燃料電池の運転方法の一実施例を示したものである。
固体高分子型燃料電池のセル面内に適切な温度分布を形
成するに当たり、温度分布の状態は冷媒温度と冷媒流量
とから制御できる。すなわち、冷媒流量を増加させると
セル面内上下温度差は縮小し、逆に冷媒流量を減少させ
るとセル面内上下温度差は拡大する。
【００１８】本実施例における運転条件を表１に示す。
【００１９】
【表１】
【００２０】図１(a) は、上記表１の条件における運転
に際して冷媒温度と冷媒流量を制御し、セル面内上下温
度差を一定（５℃）に保ちながらセル面内上部温度を変
化させ、セル出力の電圧変化をプロットした実験結果で
ある。また、図１(b) は、上記表１の条件における運転
に際して冷媒温度と冷媒流量を制御し、セル面内上部温
度を一定（７１℃）に保ちながらセル面内上下温度差を
変化させ、セル出力の電圧変化をプロットした実験結果
である。これらの実験結果より、前記運転条件におい
て、セル出力電圧が最大となるセル面内上部温度の最適
値およびセル面内上下温度差の最適値が存在し、好まし
くは、セル面内上部温度71℃±3 ℃( 最も好ましくは±
1 ℃),セル面内上下温度差は5℃±1 ℃であることが認
められた。
に際して冷媒温度と冷媒流量を制御し、セル面内上下温
度差を一定（５℃）に保ちながらセル面内上部温度を変
化させ、セル出力の電圧変化をプロットした実験結果で
ある。また、図１(b) は、上記表１の条件における運転
に際して冷媒温度と冷媒流量を制御し、セル面内上部温
度を一定（７１℃）に保ちながらセル面内上下温度差を
変化させ、セル出力の電圧変化をプロットした実験結果
である。これらの実験結果より、前記運転条件におい
て、セル出力電圧が最大となるセル面内上部温度の最適
値およびセル面内上下温度差の最適値が存在し、好まし
くは、セル面内上部温度71℃±3 ℃( 最も好ましくは±
1 ℃),セル面内上下温度差は5℃±1 ℃であることが認
められた。
【００２１】なお、前述の運転条件を変えても同様の傾
向が得られている。また、セル面内温度分布の形成手段
としては、その冷却構成を特に選ばず、例えば後述の実
施例２〜５に示されるような構成を採用することができ
る。さらに、この実験結果の確証性を得るために、生成
水排出効率のよい温度分布のシュミレーションを行っ
た。以下に、その結果を述べる。
向が得られている。また、セル面内温度分布の形成手段
としては、その冷却構成を特に選ばず、例えば後述の実
施例２〜５に示されるような構成を採用することができ
る。さらに、この実験結果の確証性を得るために、生成
水排出効率のよい温度分布のシュミレーションを行っ
た。以下に、その結果を述べる。
【００２２】まず、生成水排出条件から次式が成り立
つ。
つ。
【００２３】
【数１】αj/2F = (De/Le)(Pe-Ps) = (Dg/Lg)(Ps-Pg) ただし、j:電流密度, α:生成水排出率, 酸化剤電極内
において De:拡散係数Le:拡散層厚さ, ガス流路内にお
いてDg: 拡散係数 Lg:拡散層厚さ, 水蒸気分圧(電極:P
e,電極/ガス界面Ps, ガス流路:Pg), F:ファラデー定数
とする。 ここで、Ke=De/Le,Kg=Dg/Lg,Pc=Pe-Pg
[Pc=Pc0(T0/T)m(P/P0)(j/j0)] とすると、前記数１から
下式が成り立つ。
において De:拡散係数Le:拡散層厚さ, ガス流路内にお
いてDg: 拡散係数 Lg:拡散層厚さ, 水蒸気分圧(電極:P
e,電極/ガス界面Ps, ガス流路:Pg), F:ファラデー定数
とする。 ここで、Ke=De/Le,Kg=Dg/Lg,Pc=Pe-Pg
[Pc=Pc0(T0/T)m(P/P0)(j/j0)] とすると、前記数１から
下式が成り立つ。
【００２４】
【数２】αj/2F = Pc/(1/Ke+1/Kg) また、水蒸気圧力について以下の式が成り立つ。
【００２５】
【数３】RnPn/Pall = Wn/(Vn+Wn) ただし、n:ガス流路分割部分, In:部分電流, Vn:空気流
量, Wn:水蒸気流量,Pn:飽和水蒸気圧(Antoine式より導
出), Tn:温度, Rn:相対湿度, Pall:全圧 Wn+1= Wn+In/2F, Vn+1= Vn-In/4F, Pg=RnPn さらに、Pe=Pnと仮定して、以上の数１〜数３を解くこ
とでセル面内最適温度分布を計算した。
量, Wn:水蒸気流量,Pn:飽和水蒸気圧(Antoine式より導
出), Tn:温度, Rn:相対湿度, Pall:全圧 Wn+1= Wn+In/2F, Vn+1= Vn-In/4F, Pg=RnPn さらに、Pe=Pnと仮定して、以上の数１〜数３を解くこ
とでセル面内最適温度分布を計算した。
【００２６】この結果と実験結果を比較したものが図２
である。図２において、シュミレーション結果と実験結
果は±１℃程度の誤差で一致していることから、前述に
おける実験結果の確証性が確かめられた。次に、所望の
セル面内温度分布を得るための手段について述べる。な
お、以下に述べる実施例２，３は、特願平5-269344号に
示された概念を実施例１のセル面内温度分布形成手段と
して適用したものである。また、実施例３，４は、前述
の特開平5-144451号公報に開示されている概念を実施例
１のセル面内温度分布形成手段として適用したものであ
る。
である。図２において、シュミレーション結果と実験結
果は±１℃程度の誤差で一致していることから、前述に
おける実験結果の確証性が確かめられた。次に、所望の
セル面内温度分布を得るための手段について述べる。な
お、以下に述べる実施例２，３は、特願平5-269344号に
示された概念を実施例１のセル面内温度分布形成手段と
して適用したものである。また、実施例３，４は、前述
の特開平5-144451号公報に開示されている概念を実施例
１のセル面内温度分布形成手段として適用したものであ
る。
【００２７】実施例２；図３(a) は、この発明の運転方
法を実施するための固体高分子型燃料電池のセル面内温
度分布の形成手段を模式的に示す側面図である。図３
(b) はセパレータの平面図である。図３(a),図３(b) に
おいて、図７〜図８に示した従来例の固体高分子型燃料
電池と同一部分には同じ符号を付し、その説明を省略す
る。
法を実施するための固体高分子型燃料電池のセル面内温
度分布の形成手段を模式的に示す側面図である。図３
(b) はセパレータの平面図である。図３(a),図３(b) に
おいて、図７〜図８に示した従来例の固体高分子型燃料
電池と同一部分には同じ符号を付し、その説明を省略す
る。
【００２８】図３(a),図３(b) において、８は、セパレ
ータ６Ｃを採用した単電池である。セパレータ６Ｃは、
４本の冷媒流路としての凹溝１１を並列的に備えてい
る。また、９Ａは、単電池８および締付板９３Ｃ，９３
Ｄとから成るスタックである。締付板９３Ｃ，９３Ｄ
は、締付板９３Ａ，９３Ｂに対して、それぞれの凹溝１
１の本数に対応する個数の冷却媒体５の流入口９３ａあ
るいは、冷却媒体５の流出口９３ｂが備えられている。
ータ６Ｃを採用した単電池である。セパレータ６Ｃは、
４本の冷媒流路としての凹溝１１を並列的に備えてい
る。また、９Ａは、単電池８および締付板９３Ｃ，９３
Ｄとから成るスタックである。締付板９３Ｃ，９３Ｄ
は、締付板９３Ａ，９３Ｂに対して、それぞれの凹溝１
１の本数に対応する個数の冷却媒体５の流入口９３ａあ
るいは、冷却媒体５の流出口９３ｂが備えられている。
【００２９】スタック９Ａに対する冷却媒体５の供給
は、図８(b) に示した冷媒流路と同一の構成を持つ冷媒
流路により行われる。ただし、スタック９Ａの備える流
入口９３ａと流出口９３ｂ間との接続は、以下のように
して行われる。すなわち、冷却媒体５は、まず反応ガス
がスタック９Ａに流入する最も上流側に位置する冷媒流
路の持つ流入口９３ａに供給される。最も上流側に位置
する冷媒流路の持つ流出口９３ｂから流出した冷却媒体
５は、次に上流側に位置する冷媒流路の持つ流出口９３
ｂに供給される。続いて、次に上流側に位置する冷媒流
路の持つ流入口９３ａから流出した冷却媒体５は、さら
に次に上流側に位置する冷媒流路の持つ流入口９３ａに
供給される。以降、流入口９３ａと流出口９３ｂ間との
接続は、順次上流側に位置する冷媒流路に冷却媒体５が
供給されるように互いに接続される。ここで、冷却媒体
５は、冷媒流路を流通する際反応熱を吸収するため、反
応ガスの流通方向に対して順次高くなるセル面内温度分
布が形成される。これにより、セル面内温度分布を、反
応ガスの入口付近では、反応ガスを乾燥させない比較的
低い値とし、しかも、反応ガスの出口付近では、生成水
が液化することの無い比較的高い値とすることが可能と
なっている。さらに、この際、冷媒流路への冷却媒体５
の通流方向が、互いに隣接する冷媒流路において反転す
るため、冷媒流路に沿ったセル７の温度分布状態が交互
に反転することになり、これにより、セル７の面垂直方
向における温度分布はほぼ一様にすることができる。
は、図８(b) に示した冷媒流路と同一の構成を持つ冷媒
流路により行われる。ただし、スタック９Ａの備える流
入口９３ａと流出口９３ｂ間との接続は、以下のように
して行われる。すなわち、冷却媒体５は、まず反応ガス
がスタック９Ａに流入する最も上流側に位置する冷媒流
路の持つ流入口９３ａに供給される。最も上流側に位置
する冷媒流路の持つ流出口９３ｂから流出した冷却媒体
５は、次に上流側に位置する冷媒流路の持つ流出口９３
ｂに供給される。続いて、次に上流側に位置する冷媒流
路の持つ流入口９３ａから流出した冷却媒体５は、さら
に次に上流側に位置する冷媒流路の持つ流入口９３ａに
供給される。以降、流入口９３ａと流出口９３ｂ間との
接続は、順次上流側に位置する冷媒流路に冷却媒体５が
供給されるように互いに接続される。ここで、冷却媒体
５は、冷媒流路を流通する際反応熱を吸収するため、反
応ガスの流通方向に対して順次高くなるセル面内温度分
布が形成される。これにより、セル面内温度分布を、反
応ガスの入口付近では、反応ガスを乾燥させない比較的
低い値とし、しかも、反応ガスの出口付近では、生成水
が液化することの無い比較的高い値とすることが可能と
なっている。さらに、この際、冷媒流路への冷却媒体５
の通流方向が、互いに隣接する冷媒流路において反転す
るため、冷媒流路に沿ったセル７の温度分布状態が交互
に反転することになり、これにより、セル７の面垂直方
向における温度分布はほぼ一様にすることができる。
【００３０】実施例３；図４(a) は、この発明の運転方
法を実施するための固体高分子型燃料電池のセル面内温
度分布の実施例２とは異なる形成手段を主要な周辺装置
と共に模式的に示したものである。図４(b) は、図４
(a) 中に示したスタックが備えるセパレータ平面図であ
る。図４(a) ，図４(b) において、図７〜図８に示した
従来例の固体高分子型燃料電池と同一部分には同じ符号
を付し、その説明を省略する。
法を実施するための固体高分子型燃料電池のセル面内温
度分布の実施例２とは異なる形成手段を主要な周辺装置
と共に模式的に示したものである。図４(b) は、図４
(a) 中に示したスタックが備えるセパレータ平面図であ
る。図４(a) ，図４(b) において、図７〜図８に示した
従来例の固体高分子型燃料電池と同一部分には同じ符号
を付し、その説明を省略する。
【００３１】図４(a),図４(b) において、８は、セパレ
ータ６Ｄを採用した単電池であり、セパレータ６Ｄは３
本の凹溝１１を備え、いずれも反応ガス流通方向に対し
て、それぞれほぼ直交する方向に形成されている。それ
ぞれの凹溝１１の両端部は、それぞれ貫通孔１２，１３
に連通されている。締付板９３Ｅ，９３Ｆには、それぞ
れの凹溝１１の本数に対応する個数の冷却媒体５の流入
口９３ａあるいは、冷却媒体５の流出口９３ｂが備えら
れ、それぞれの冷媒流路は互いに隔離されている。
ータ６Ｄを採用した単電池であり、セパレータ６Ｄは３
本の凹溝１１を備え、いずれも反応ガス流通方向に対し
て、それぞれほぼ直交する方向に形成されている。それ
ぞれの凹溝１１の両端部は、それぞれ貫通孔１２，１３
に連通されている。締付板９３Ｅ，９３Ｆには、それぞ
れの凹溝１１の本数に対応する個数の冷却媒体５の流入
口９３ａあるいは、冷却媒体５の流出口９３ｂが備えら
れ、それぞれの冷媒流路は互いに隔離されている。
【００３２】スタック９Ｂの冷媒流路５は、放熱装置２
３を用いると共に、凹溝１１の本数と同数の流量の制御
弁９８を備えている。放熱装置２３は、放熱能が互いに
異なる凹溝１１の本数と同数の単位放熱器２３ａ，２３
ｂおよび２３ｃを備えている。それぞれの単位放熱器
は、２３ｃ，２３ｂ，２３ａの順に順次大きくなる放熱
能を備えている。したがって、同一温度で放熱装置２３
に流入した冷却媒体５は、放熱装置２３の出口におい
て、単位放熱器２３ａに放熱した冷却媒体５ａの温度が
最も低く、単位放熱器２３ｂに放熱した冷却媒体５ｂの
温度は、冷却媒体５ａの温度よりも高く、単位放熱器２
３ｃに放熱した冷却媒体５ｃが、冷却媒体５ｂの温度よ
りもさらに高い。それぞれの流出口９３ｂから流出した
冷却媒体５ａ〜５ｃは、合流したうえで加圧ポンプ９７
に還流する。これにより、図７(b) におけるセル７の電
極膜７２，７３表面における温度分布を、反応ガスの入
口付近では、比較的低い値とし、反応ガスの出口付近で
は、比較的高い値とすることが可能となる。
３を用いると共に、凹溝１１の本数と同数の流量の制御
弁９８を備えている。放熱装置２３は、放熱能が互いに
異なる凹溝１１の本数と同数の単位放熱器２３ａ，２３
ｂおよび２３ｃを備えている。それぞれの単位放熱器
は、２３ｃ，２３ｂ，２３ａの順に順次大きくなる放熱
能を備えている。したがって、同一温度で放熱装置２３
に流入した冷却媒体５は、放熱装置２３の出口におい
て、単位放熱器２３ａに放熱した冷却媒体５ａの温度が
最も低く、単位放熱器２３ｂに放熱した冷却媒体５ｂの
温度は、冷却媒体５ａの温度よりも高く、単位放熱器２
３ｃに放熱した冷却媒体５ｃが、冷却媒体５ｂの温度よ
りもさらに高い。それぞれの流出口９３ｂから流出した
冷却媒体５ａ〜５ｃは、合流したうえで加圧ポンプ９７
に還流する。これにより、図７(b) におけるセル７の電
極膜７２，７３表面における温度分布を、反応ガスの入
口付近では、比較的低い値とし、反応ガスの出口付近で
は、比較的高い値とすることが可能となる。
【００３３】実施例４；図５は、この発明のさらに異な
る一実施例になる固体高分子型燃料電池のセル面内温度
分布の形成手段を示す断面図であり、従来技術と同一部
分には同じ符号を付し、その説明を省略する。図５にお
いて、セパレータ６には、反応ガス流路６１に並行して
複数の冷媒流路６５が設けられ、冷却媒体５と反応ガス
の流通方向を等しくすることにより、セパレータ６の一
端から流入した冷却媒体５がセルの発電生成熱を吸収し
温度上昇するため、セル面内方向に冷却媒体５入口側で
低く、出口側で高い温度分布が形成される。
る一実施例になる固体高分子型燃料電池のセル面内温度
分布の形成手段を示す断面図であり、従来技術と同一部
分には同じ符号を付し、その説明を省略する。図５にお
いて、セパレータ６には、反応ガス流路６１に並行して
複数の冷媒流路６５が設けられ、冷却媒体５と反応ガス
の流通方向を等しくすることにより、セパレータ６の一
端から流入した冷却媒体５がセルの発電生成熱を吸収し
温度上昇するため、セル面内方向に冷却媒体５入口側で
低く、出口側で高い温度分布が形成される。
【００３４】実施例５；図６は、この発明のさらに異な
る一実施例になる固体高分子型燃料電池のセル面内温度
分布の形成手段を示す反応ガスおよび冷却媒体流通構造
の要部を示す断面図であり、従来技術と同一部分には同
一符号を付し、重複説明を省略する。図６において、セ
パレータ６において、並列に形成された複数の冷媒流路
２２Ａ〜２２Ｚが反応ガス流路６１に対して直行する方
向に設けられ、冷媒流路２２の間隔がセル上部では密
に、セル下部では疎に分布して成るものとし、セル面内
方向に温度分布が形成される。
る一実施例になる固体高分子型燃料電池のセル面内温度
分布の形成手段を示す反応ガスおよび冷却媒体流通構造
の要部を示す断面図であり、従来技術と同一部分には同
一符号を付し、重複説明を省略する。図６において、セ
パレータ６において、並列に形成された複数の冷媒流路
２２Ａ〜２２Ｚが反応ガス流路６１に対して直行する方
向に設けられ、冷媒流路２２の間隔がセル上部では密
に、セル下部では疎に分布して成るものとし、セル面内
方向に温度分布が形成される。
【００３５】実施例２〜５における前述の説明では、ス
タックにおけるセル積層方向をセル面の法線方向が水平
になるようになされていたが、これに限定されるもので
はなく、セルの積層方向を鉛直方向に変えてもよい。
タックにおけるセル積層方向をセル面の法線方向が水平
になるようになされていたが、これに限定されるもので
はなく、セルの積層方向を鉛直方向に変えてもよい。
【００３６】
【発明の効果】この発明においては、前述のように、燃
料電池セルの酸化剤電極膜表面における温度分布を制御
して、セル面内上部温度およびセル面内上下温度差が最
適値またはその近傍になるように運転することにより、
最適値近傍にない運転状態に比べて、セル出力電圧を極
度に少なくとも８％以上に増大させることができる。こ
れにより、高い発電性能を得ると共に、固体高分子膜の
好適な加湿制御ができるので、セルの特性が長時間安定
して得られ、燃料電池の寿命が向上する効果が得られ
る。
料電池セルの酸化剤電極膜表面における温度分布を制御
して、セル面内上部温度およびセル面内上下温度差が最
適値またはその近傍になるように運転することにより、
最適値近傍にない運転状態に比べて、セル出力電圧を極
度に少なくとも８％以上に増大させることができる。こ
れにより、高い発電性能を得ると共に、固体高分子膜の
好適な加湿制御ができるので、セルの特性が長時間安定
して得られ、燃料電池の寿命が向上する効果が得られ
る。
【図１】この発明の一運転例を示す図で、図１(a) は固
体高分子型燃料電池のセル出力電圧とセル面内上部温度
との関係を示す図，図１(b) はセル出力電圧とセル面内
上下温度差との関係を示す図
体高分子型燃料電池のセル出力電圧とセル面内上部温度
との関係を示す図，図１(b) はセル出力電圧とセル面内
上下温度差との関係を示す図
【図２】図１にかかる、セル面内最適温度分布のシュミ
レーション結果と実験結果との関係を示す図
レーション結果と実験結果との関係を示す図
【図３】この発明の実施にかかるセル面内温度分布を形
成する冷却構成の一実施例を示し、図３(a) はセル面内
温度分布の形成手段を模式的に示す側面図，図３（b)は
セパレータの平面図
成する冷却構成の一実施例を示し、図３(a) はセル面内
温度分布の形成手段を模式的に示す側面図，図３（b)は
セパレータの平面図
【図４】この発明の実施にかかるセル面内温度分布を形
成する冷却構成の異なる実施例を示し、図４(a) はセル
面内温度分布の形成手段を模式的に示す側面図，図４
(b) はセパレータの平面図
成する冷却構成の異なる実施例を示し、図４(a) はセル
面内温度分布の形成手段を模式的に示す側面図，図４
(b) はセパレータの平面図
【図５】この発明の実施にかかるセル面内温度分布を形
成する冷却構成のさらに異なる実施例におけるセル断面
図
成する冷却構成のさらに異なる実施例におけるセル断面
図
【図６】この発明の実施にかかるセル面内温度分布を形
成する冷却構成のさらに異なる実施例におけるセル断面
図
成する冷却構成のさらに異なる実施例におけるセル断面
図
【図７】図７(a) は従来のスタックの側面図, 図７(b)
は従来の単電池の側面断面図
は従来の単電池の側面断面図
【図８】図８(a) は従来のスタックの冷却構成の一例を
示す図，図８(b) は従来のセル面内冷却構成の一例を示
す図
示す図，図８(b) は従来のセル面内冷却構成の一例を示
す図
8 単電池 7 セル 9, 9 A, 9 B スタック 93 A〜93 F 締付板 23 放熱装置 23 a〜23 c 単位放熱器 5, 5 a〜5 c 冷却媒体 93 a 冷却媒体流入口 93 b 冷却媒体流出口 61 a, 61 b 反応ガス流路 65, 65 a〜65 c 冷媒流路 6 A 〜6 D セパレータ 12 貫通孔 13 貫通孔
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 榎並 義晶 神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号 富士電機株式会社内
Claims (3)
- 【請求項１】燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を受けて直
流電力を発生するセルが、セパレータを介して複数積層
された単電池集積体（スタック）と、 該スタック内に、前記セル毎あるいは複数のセル毎に設
けられセルで発生した熱を除去する冷却部とを備え、 前記セルは、固体高分子膜からなる電解質層と、該電解
質層を挟んでそれぞれ配設された燃料電極（アノード）
と酸化剤電極（カソード）とを有し、 前記冷却部は、冷却媒体を通流させる冷媒流路を有し、 前記セル面内は、酸化剤ガス入口側温度（セル面内上部
温度）より、酸化剤ガス出口側温度（セル面内下部温
度）の方が高く形成されて成る固体高分子型燃料電池の
運転方法であって、 電流密度，反応ガス全圧，入口空気露点，空気利用率，
生成水排出率とから、セル出力電圧が最大となる前記セ
ル面内上部温度の最適値および該セル面内上部温度とセ
ル面内下部温度との差（セル面内上下温度差）の最適値
とを求め、前記冷却媒体の温度および流量を調整するこ
とにより、前記最適セル面内上部温度の最適値またはそ
の近傍およびセル面内上下温度差の最適値またはその近
傍となるように制御することを特徴とする固体高分子型
燃料電池の運転方法。 - 【請求項２】請求項１記載の固体高分子型燃料電池の運
転方法において、前記セル面内上部温度を該温度の最適
値±３℃，前記セル面内上下温度差を該温度差の最適値
±１℃の範囲内に制御することを特徴とする固体高分子
型燃料電池の運転方法。 - 【請求項３】請求項１記載の固体高分子型燃料電池の運
転方法において、前記セル面内上部温度を該温度の最適
値±１℃，前記セル面内上下温度差を該温度差の最適値
±１℃の範囲内に制御することを特徴とする固体高分子
型燃料電池の運転方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6245813A JPH08111230A (ja) | 1994-10-12 | 1994-10-12 | 固体高分子型燃料電池の運転方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6245813A JPH08111230A (ja) | 1994-10-12 | 1994-10-12 | 固体高分子型燃料電池の運転方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08111230A true JPH08111230A (ja) | 1996-04-30 |
Family
ID=17139237
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6245813A Pending JPH08111230A (ja) | 1994-10-12 | 1994-10-12 | 固体高分子型燃料電池の運転方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH08111230A (ja) |
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1994
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