JPH09134733A - 燃料電池の電解質保持量監視方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】スタックを分解することなく、容易にリブ付き
リザーバ板の電解質保持量を推定できる燃料電池の電解
質保持量監視方法を提供する。 【解決手段】スタック１の各単位セル２が単位セルとセ
パレート板６との間に積層されて電解質を保持するリブ
付きリザーバ板２３と、運転中マトリックス３で不足す
る電解質をリブ付きリザーバ板を介して外部から補給す
る電解質補給装置２０とを備えた燃料電池において、リ
ブ付きリザーバ板中の電解質保持量を監視する方法であ
って、リブ付きリザーバ板と同程度の毛管力を有し電解
質未含浸重量が既知の多孔質材片からなる電解質監視用
部材３１をリブ付きリザーバ板の反応ガス供給溝４Ａ等
を利用して着脱可能に密着して設け、運転休止時に取り
出した電解質管理用部材を秤量してその電解質保持率を
求め、得られた電解質保持率からリブ付きリザーバ板の
電解質保持率を推定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、外部の電解質補給装
置からの電解質補給量の過不足をリブ付きリザーバ板の
電解質保持率により監視する、燃料電池の電解質保持量
監視方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】マトリックス型燃料電池では、単位セル
を構成するマトリックスに電解質，例えばりん酸を保持
させる構造がとられ、発電運転中徐々に減少する電解質
を外部から常時補給する電解質補給装置を設けることに
より、電解質が不足することによる出力電力の低下を防
止するよう構成された燃料電池が知られており、この場
合、単位セルでの電解質の消失量に相応した電解質の補
給を燃料電池を分解することなく外部から行えることが
求められる。

【０００３】図４はこの発明の電解質保持量監視方法の
対象となる電解質補給装置を備えた燃料電池の要部を示
す断面図であり、燃料電池（スタック）１は、複数層の
単位セル２とガス不透過性のセパレ−ト板６との積層体
として構成される。単位セル２は、多孔質の絶縁材に電
解質としての例えばりん酸液９を含浸したマトリックス
３を挟んで、燃料電極４および空気電極５を積層したも
のからなり、単位セル２とセパレート板６との間には予
め電解質が含浸されたリブ付きリザーバ板２３が設けら
れ、その凹溝により両電極との間に互いに直交する方向
に反応ガス通路４Ａ，５Ａが形成され、４Ａ側に燃料ガ
ス，５Ａ側に反応空気を供給することにより、一対の電
極４，５間で電気化学的電極反応に基づく発電が行われ
る。

【０００４】燃料電池の電極反応は、水素と酸素が反応
して電子と水を生成する発熱反応であり、りん酸型燃料
電池の場合その温度を１９０°C 程度に保持して運転が
行われ、その際生ずる発電生成水は高温の水蒸気となっ
て電極を透過し、反応ガス通路を通って外部に排出され
る。また、電解質としてのりん酸は上記運転温度に相応
した蒸気圧を有するため、発電生成水が水蒸気となって
電極を透過する際、りん酸蒸気９が微量ながら水蒸気中
に溶解して反応ガス中に飛散するため、運転時間の経過
に伴ってマトリックス３中の電解質の保持量が徐々に減
少し、これが原因で燃料電池の発電性能が低下する事態
が予想される。また、温度の変化によってマトリックス
中の電解質が膨張し、余剰となった電解質が電極中に侵
出して反応ガスの透過を阻害する事態も予想される。リ
ブ付きリザーバ板２３はこのような事態の発生を回避す
るために設けられ、電極４および５の一部に親水性部分
を設けておくことにより、マトリックス３で生ずる電解
質量の不足分をリブ付きリザーバ板２３が保持する電解
質により補給する機能と、マトリックス３で過剰となっ
た電解質をリブ付きリザーバ板２３により吸収する役割
を果たす。

【０００５】しかしながら、運転時間の経過とともにリ
ブ付きリザーバ板２３が保持する電解質量が徐々に低下
し、マトリックス３への電解質の補給機能が低下する。
このため、スタック１には電解質補給装置２０を付加
し、リブ付きリザーバ板２３中で不足する電解質９を外
部から補給するよう構成される。電解質補給装置２０は
異なる高さ位置に電解質溜め１３Ａ，１３Ｂ等１３を有
する電解質の補給タンク１２と、リブ付きリザーバ板２
３と補給タンク１２とを連結する導液部２１とで構成さ
れ、補給タンク１２の上部から供給される電解質９が各
電解質溜めを１３Ａ，１３Ｂの順で満たして順次オ−バ
−フロ−することにより、各電解質溜めの液面高さと、
これに導液部を介して連通する単位セル２の高さとの間
に高さＨなるレベル差が保持される。

【０００６】したがって、このように構成された水頭差
方式の電解質補給装置２０によれば、導液部２１をサイ
ホン状に湾曲させ、高度差Ｈに相応する水頭差で決まる
流量の電解質９を電解質溜め１３から各単位セル２に定
量的に補給し、リブ付きリザーバ板２３およびマトリッ
クス３内で不足する電解質９を補給することができる。

【０００７】導液部２１としては、サイホン状に湾曲し
た補給管を用い、水頭差Ｈを利用して電解質溜め１３中
の電解質９をリブ付きリザーバ板２３側に移送するよう
構成された水頭差方式の電解質補給装置が知られてい
る。また、補給管の長さ方向の全域に渡って電解質に対
して親水性を有する繊維を充填し、その毛細管現象を利
用して電解質の移送を行うことにより、補給管内での電
解質９の液切れを防止した電解質補給装置も知られてい
る（特開昭６１−１０７６６７号公報）。

【０００８】また、補給管内の液切れ防止手段としての
親水性の繊維充填材を、電解質溜め１３の液面より低い
補給管吐出側の部分を残して補給管内に充填するよう構
成し、サイホン状の補給管の立ち上がり部分では充填さ
れた親水性の繊維質充填材の毛細管現象による吸い上げ
作用により液切れを生ずることなく補給管内に電解質を
移送させ、繊維質充填材が充填されていない補給管の吐
出端に近い立ち下がり部分ではこの部分を満たす電解質
の水頭差により低抵抗で電解質をリブ付きリザーバ板２
３内に移送するようにした電解質補給装置も提案されて
いる（特開平６−３６７８７号公報）。

【０００９】さらに、導液部２１にリブ付きリザーバ板
２３と同じ材質と製造条件で製作された多孔質カーボン
材を用いてリブ付きリザーバ板２３と導液部２１のりん
酸９に対する毛管力をほぼ等しくし、両者の電解質に対
する浸透圧が平衡状態を保持することを利用して、リブ
付きリザーバ板で不足する電解質量に相応した電解質を
供給するよう構成した電解質補給装置も提案されている
（特願平７−１７８３３４号）。

【００１０】しかしながら、上述のように構成された電
解質補給装置により、リブ付きリザーバ板がどの程度の
電解質保持量に保持されているかを監視する電解質保持
量監視方法については知られていない。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】多数の単位セルの積層
体からなるスタックは、その冷却方式により、単位セル
の運転温度に差があるため、単位セルからの電解質飛散
量にも差が発生する。水頭差方式の電解質補給装置を備
えた燃料電池では単位セル毎に水頭差を調整することが
困難であり、かつリブ付きリザーバ板中の電解質の過不
足を監視する機能を持たないために、実際の電解質飛散
量以上に電解質を供給してしまい、過剰となった電解質
が反応ガス通路に溢れ出て反応ガスが正常に流れること
を阻害し、燃料電池の発電性能を低下させてしまうとい
う問題があり、このような問題を回避するために、電解
質補給装置の電解質補給量の過多を判定する方法の開発
が求められている。

【００１２】また、導液部に毛管力がリブ付きリザーバ
板のそれとほぼ等しい多孔質材を用いることにより、リ
ブ付きリザーバ板への電解質の過剰供給を阻止できる
が、電解質補給装置が電解質補給量の過不足を監視する
機能を持たないために、電解質補給タンクの各電解質溜
めへの電解質の補充が遅れ、これが原因でマトリックス
中の電解質保持量が不足し、燃料電池の発電性能の低下
を招くという問題の発生も予想され、このような問題を
回避するために、電解質補給装置の電解質補給量の過多
を判定する方法の開発が求められている。

【００１３】この発明の課題は、スタックを分解するこ
となく、容易にリブ付きリザーバ板の電解質保持量を推
測できる燃料電池の電解質保持量監視方法を提供するこ
とにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】前述の目的を達成するた
めに、請求項１記載の発明は、燃料電極と酸化剤電極と
の間に電解質を保持するマトリックスを挟持した単位セ
ルとガス不透過性のセパレート板との積層体からなるス
タックと、前記単位セルとセパレート板との間に積層さ
れて電解質を保持する多孔質カーボン材からなるリブ付
きリザーバ板と、運転中前記マトリックスで不足する電
解質を前記リブ付きリザーバ板を介して外部から補給す
る電解質補給装置とを備えた燃料電池における、前記リ
ブ付きリザーバ板中の電解質保持量監視方法であって、
前記リブ付きリザーバ板と同程度の毛管力を有し電解質
未含浸重量が既知の多孔質材片からなる電解質監視用部
材を前記リブ付きリザーバ板に着脱可能に密着して設
け、運転休止時に取り外した前記電解質管理用部材を秤
量してその電解質保持率を求め、得られた電解質保持率
から前記リブ付きリザーバ板の電解質保持率を推定す
る。

【００１５】ここで、請求項２に記載の発明は、請求項
１に記載の燃料電池の電解質保持量監視方法において、
リブ付きリザーバ板および電解質監視用部材に、ともに
同じ材質，製法の多孔質カーボン材を用いるよう構成す
ると良い。また、請求項３に記載の発明は、請求項１に
記載の燃料電池の電解質保持量監視方法において、電解
質監視用部材をリブ付きリザーバ板の反応ガス供給溝に
着脱可能に密着して挿入するよう構成すると良い。

【００１６】一方、請求項４に記載の発明は、燃料電極
と酸化剤電極との間に電解質を保持するマトリックスを
挟持した単位セルとガス不透過性のセパレート板との積
層体からなるスタックと、前記単位セルとセパレート板
との間に積層されて電解質を保持する多孔質カーボン材
からなるリブ付きリザーバ板と、このリブ付きリザーバ
板と同程度の毛管力を有する多孔質材からなる導液部に
より前記リブ付きリザーバ板に連結された電解質補給装
置とを備えた燃料電池における、前記リブ付きリザーバ
板中の電解質保持量監視方法であって、前記リブ付きリ
ザーバ板と同程度の毛管力を有し電解質未含浸重量が既
知の多孔質材片からなる電解質監視用部材を前記導液部
に着脱可能に密着して設け、随時取り外した前記電解質
管理用部材を秤量してその電解質保持率を求め、得られ
た電解質保持率から前記リブ付きリザーバ板の電解質保
持率を推定する。

【００１７】ここで、請求項５に記載の発明は、請求項
４に記載の燃料電池の電解質保持量監視方法において、
単位セルからマニホールドを貫通して外部に引き出され
た導液部に電解質監視用部材を着脱可能に密着して設け
るよう構成すると良い。請求項１に記載の発明では、リ
ブ付きリザーバ板に着脱可能に密着して設けた電解質監
視用部材が、その毛管力がリブ付きリザーバ板のそれと
同程度であることにより、電解質の浸透圧が互いに平衡
状態を保持して電解質保持率が等しくなる。したがっ
て、電解質監視用部材の電解質未含浸重量を予め測定し
ておくことにより、燃料電池の運転休止時に取り出した
電解質管理用部材を秤量してその電解質保持率を容易に
求めることが可能であり、得られた電解質管理用部材の
電解質保持率からリブ付きリザーバ板の電解質保持率を
推定する電解質保持量の監視機能が得られる。

【００１８】ここで、請求項２に記載の発明のように、
リブ付きリザーバ板および電解質監視用部材に、ともに
同じ材質，製法の多孔質カーボン材を用いることによ
り、浸透圧の平衡状態を利用して精度の高い電解質保持
量の監視機能が得られる。また、請求項３に記載の発明
では、電解質監視用部材をリブ付きリザーバ板の反応ガ
ス供給溝を利用してリブ付きリザーバ板に装着すること
により、その着脱を容易にし、かつ密着性を高めて電解
質の移動が容易化される。

【００１９】一方、請求項４に記載の発明では、導液部
および電解質監視用部材にリブ付きリザーバ板と同程度
の毛管力を有する多孔質材を用い、電解質未含浸重量を
予め測定した電解質監視用部材を導液部に着脱可能に密
着して設けたことにより、電解質に対する３者の浸透圧
は等しくなり、電解質監視用部材を随時取り出して秤量
することにより、得られた電解質保持率からリブ付きリ
ザーバ板の電解質保持率を推定できる。

【００２０】ことに、請求項５に記載の発明のように、
単位セルからマニホールドを貫通して外部に引き出され
た導液部に電解質監視用部材を着脱可能に密着して設け
るよう構成すれば、マニホールドを取り外すことなく電
解質監視用部材を取り出して秤量できるので、電解質保
持量の監視機能が容易に得られる。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、この発明を実施例に基づい
て説明する。なお、従来例と同じ参照符号を付けた部材
は従来例のそれと同じ機能をもつので、その説明を省略
する。図１はこの発明の燃料電池の電解質保持量監視方
法を説明するための要部の斜視図である。図において、
スタック１の各単位セル２には、燃料電極４側および酸
化剤電極５側それぞれのリブ付きリザーバ板２３に図４
に示したと同様の電解質補給装置２０の導液部２１が例
えば燃料ガス通路４Ａおよび酸化剤通路５Ａを利用して
連結される。また、リブ付きリザーバ板２３と同程度の
毛管力を有する多孔質材片からなる電解質監視用部材３
１は、リブ付きリザーバ板２３と同じ材質と製造条件で
製作された一定長さの多孔質カーボン材片からなり、そ
の断面寸法が導液部２１と同様に反応ガス通路４Ａ，５
Ａに緊密に挿入可能な大きさに形成される。このように
形成された電解質監視用部材３１は、その電解質未含浸
重量を測定した後、電解質保持率がリブ付きリザーバ板
２３のそれとほぼ等しくなるよう電解質を含浸した状態
で、導液部２１とは異なる反応ガス通路（図では燃料ガ
スガス通路４Ａ）につまみ部分を残して大部分の長さが
緊密に挿入される。

【００２２】このように、リブ付きリザーバ板２３に着
脱可能に密着状態で装着された電解質監視用部材３１
は、燃料電池の運転中にリブ付きリザーバ板との浸透圧
が平衡を保つよう電解質が相互に移動し、互いに等しい
電解質保持量を保つ。そこで、燃料電池の運転休止時に
図示しない反応ガス給排用のマニホールドを取り外し、
電解質監視用部材３１を反応ガス通路から抜き取って秤
量することにより、スタック１を分解することなく容易
にリブ付きリザーバ板２３の電解質保持量を精度よく推
定することができる。

【００２３】ここで、電解質補給装置がその導液部２１
として補給管を用いた水頭差方式の電解質補給装置２０
である場合、燃料電池の運転休止を利用して定期的にリ
ブ付きリザーバ板２３の電解質保持量を監視し、その値
が電解質の補給を必要とするレベルにまで低下した時点
で、電解質補給タンク１２（図４参照）の各電解質溜め
１３に電解質を補充し、かつ水頭差を調整して電解質の
補給を開始するとともに、補給作業中に繰り返しリブ付
きリザーバ板２３の電解質保持量を監視し、その値が最
適値に到達した時点で水頭差を縮小するなどの方法で電
解質の補給を停止することにより、この発明の電解質保
持量監視方法を有効に利用して単位セル内の電解質保持
量を最適レベル領域にコントロールできる利点が得られ
る。

【００２４】このとき、補給開始時におけるリブ付きリ
ザーバ板２３の電解質保持量は単位セル相互の運転温度
差などの影響を受けて異なる値を示すので、この点を考
慮して電解質監視用部材３１を予め予想される低温単位
セルと高温単位セルの双方に装着しておくことにより、
より精度の高い電解質保持量のコントロールが可能にな
る。

【００２５】一方、電解質補給装置２０の導液部に毛管
力がリブ付きリザーバ板２３のそれとほぼ等しい多孔質
カーボン材を用いた場合、導液部がその毛管力によって
電解質の補給タンクから吸い出した電解質は、導液部の
電解質保持率がリブ付きリザーバ板の電解質保持率とほ
ぼ等しい値を保持した状態でリブ付きリザーバ板に向け
て移送されるので、水頭差を利用した従来の電解質補給
装置と異なり、導液部での液切れや、過剰供給による反
応ガスの通流障害などのトラブルを生ずることなく、各
単位セルのりん酸の飛散量に対応したりん酸を安定供給
して燃料電池の発電性能を安定して維持できる。しかし
ながら、この発明の電解質保持量監視方法を利用して各
単位セル，ことに高温単位セルの電解質保持量を定期的
に監視することにより、電解質補給タンクの各電解質溜
めへの電解質の補充時期を確実に把握できるので、電解
質の補充の遅れが原因でマトリックス中の電解質保持量
が不足し、燃料電池の発電性能の低下を招くという事態
を確実に回避できる利点が得られる。

【００２６】図２はこの発明の異なる実施例を示す要部
の断面図である。この実施例が図１に示す実施例と異な
るところは、導液部２３が毛管力がリブ付きリザーバ板
２３のそれとほぼ等しい多孔質カーボン材で構成され、
単位セル２のリブ付きリザーバ板２３からマニホールド
３２を貫通して外部に引き出された導液部２１に電解質
監視用部材３１を密着して設け、両者を例えばフッ素樹
脂テープからなる緊縛テープ層３２で緊縛固定するよう
構成した点にある。

【００２７】このように構成したことによって電解質に
対するリブ付きリザーバ板２３，導液部２１，および電
解質監視用部材３１の浸透圧は互いに等しくなり、ほぼ
等しい電解質保持率を示すので、電解質監視用部材３１
を随時取り外して秤量することにより、得られた電解質
保持率からリブ付きリザーバ板２３の電解質保持率を精
度よく推定できる。ことに、この方法ではスタックはも
とよりマニホールド３２さえも取り外すことなく電解質
監視用部材を取り外して秤量できるので、電解質保持量
の監視作業を大幅に省力化できる利点が得られる。

【００２８】図３はこの発明の燃料電池の電解質保持量
監視方法による監視結果を示す特性線図であり、実用規
模の単位セルを２０層積層したモデル燃料電池を用い、
一定時間運転する度にモデル燃料電池を分解してリブ付
きリザーバ板の重量を測定し、そのりん酸保持率（総重
量に占めるりん酸重量の割合）を求めるとともに、リブ
付きリザーバ板の反応ガス供給溝を利用して装着された
電解質監視用部材を秤量し、そのりん酸保持率を求めた
結果を示している。図から明らかなように、リブ付きリ
ザーバ板の電解質保持率は運転時間の経過に伴って徐々
に低下する傾向を示している。また、電解質監視用部材
の電解質保持率は、初期含浸率がリブ付きリザーバ板の
それと多少異なるために最初リブ付きリザーバ板のそれ
より低い値を示すが、運転時間の経過とともにその差が
縮まり、リブ付きリザーバ板の電解質保持率の低下に追
従して低下する傾向を示している。この結果から、電解
質監視用部材の電解質保持率を求めることにより、リブ
付きリザーバ板の電解質保持率を精度よく推定できるこ
とが実証された。

【００２９】

【発明の効果】この発明の燃料電池の電解質保持量監視
方法は前述のように、毛管力がリブ付きリザーバ板のそ
れにほぼ等しく未含浸重量が既知の電解質監視用部材を
リブ付きリザーバ板に着脱可能に密着して設け、その電
解質保持率を測定することによってリブ付きリザーバ板
の電解質保持量を推定するよう構成した。その結果、両
者の浸透圧が平衡して互いに等しい電解質保持率を保つ
ことを利用して、スタックを分解することなく容易かつ
精度よくリブ付きリザーバ板の電解質保持量を監視でき
る電解質保持量監視方法を提供できるとともに、この方
法を電解質補給装置の電解質補給量の監視に利用するこ
とにより、単位セルが保持する電解質量が最適領域にコ
ントロールされ、したがって電解質の過剰供給や供給不
足に起因して従来発生した燃料電池の発電性能の低下を
回避できる利点が得られる。

【００３０】また、電解質補給装置の導液部がリブ付き
リザーバ板とほぼ同じ毛管力を有する多孔質材からなる
場合、電解質監視用部材を導液部，ことにマニホールド
の外に引き出された部分に密着配置することにより、電
解質監視用部材の着脱が大幅に容易化され、電解質の監
視作業が大幅に省力化された燃料電池の電解質保持量監
視方法を提供できる利点が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の燃料電池の電解質保持量監視方法を
説明するための要部の斜視図

【図２】この発明の異なる実施例を示す要部の断面図

【図３】この発明の燃料電池の電解質保持量監視方法に
よる監視結果を示す特性線図

【図４】この発明の電解質保持量監視方法の対象となる
電解質補給装置を備えた燃料電池の要部を示す断面図

【符号の説明】

１ スタック ２ 単位セル ３ マトリックス ４ 燃料電極 ４Ａ 燃料ガス通路 ５ 酸化剤電極 ５Ａ 酸化剤通路 ６ セパレート板 ８ マニホールド ９ 電解質 １２ 補給タンク １３ 電解質溜め ２０ 電解質補給装置 ２１ 導液部 ２３ リブ付きリザーバ板 ３１ 電解質監視用部材 ３２ 緊縛テープ層

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】燃料電極と酸化剤電極との間に電解質を保
   持するマトリックスを挟持した単位セルとガス不透過性
   のセパレート板との積層体からなるスタックと、前記単
   位セルとセパレート板との間に積層されて電解質を保持
   する多孔質カーボン材からなるリブ付きリザーバ板と、
   運転中前記マトリックスで不足する電解質を前記リブ付
   きリザーバ板を介して外部から補給する電解質補給装置
   とを備えた燃料電池における、前記リブ付きリザーバ板
   中の電解質保持量監視方法であって、前記リブ付きリザ
   ーバ板と同程度の毛管力を有し電解質未含浸重量が既知
   の多孔質材片からなる電解質監視用部材を前記リブ付き
   リザーバ板に着脱可能に密着して設け、運転休止時に取
   り外した前記電解質監視用部材を秤量してその電解質保
   持率を求め、得られた電解質保持率から前記リブ付きリ
   ザーバ板の電解質保持率を推定することを特徴とする燃
   料電池の電解質保持量監視方法。
2. 【請求項２】請求項１に記載の燃料電池の電解質保持量
   監視方法において、リブ付きリザーバ板および電解質監
   視用部材に、ともに同じ材質，製法の多孔質カーボン材
   を用いることを特徴とする燃料電池の電解質保持量監視
   方法。
3. 【請求項３】請求項１に記載の燃料電池の電解質保持量
   監視方法において、電解質監視用部材をリブ付きリザー
   バ板の反応ガス供給溝に着脱可能に密着して挿入するこ
   とを特徴とする燃料電池の電解質保持量監視方法。
4. 【請求項４】燃料電極と酸化剤電極との間に電解質を保
   持するマトリックスを挟持した単位セルとガス不透過性
   のセパレート板との積層体からなるスタックと、前記単
   位セルとセパレート板との間に積層されて電解質を保持
   する多孔質カーボン材からなるリブ付きリザーバ板と、
   このリブ付きリザーバ板と同程度の毛管力を有する多孔
   質材からなる導液部により前記リブ付きリザーバ板に連
   結された電解質補給装置とを備えた燃料電池における、
   前記リブ付きリザーバ板中の電解質保持量監視方法であ
   って、前記リブ付きリザーバ板と同程度の毛管力を有し
   電解質未含浸重量が既知の多孔質材片からなる電解質監
   視用部材を前記導液部に着脱可能に密着して設け、随時
   取り外した前記電解質管理用部材を秤量してその電解質
   保持率を求め、得られた電解質保持率から前記リブ付き
   リザーバ板の電解質保持率を推定することを特徴とする
   燃料電池の電解質保持量監視方法。
5. 【請求項５】請求項４に記載の燃料電池の電解質保持量
   監視方法において、単位セルからマニホールドを貫通し
   て外部に引き出された導液部に電解質監視用部材を着脱
   可能に密着して設けたことを特徴とする燃料電池の電解
   質保持量監視方法。