JP2005032561A - 固体高分子形燃料電池及び固体高分子形燃料電池の運転システム - Google Patents

Abstract

【課題】低加湿条件にかかわらず、性能及び耐久性の向上を図った固体高分子形燃料電池及びその運転システを提供する。
【解決手段】高分子膜を介して一方の側にカソードを配し、他方の側にアノードを配し、上記カソードに酸化剤ガスを、上記アノードに燃料ガスをそれぞれ供給し、水素と酸素から水を得る電池反応によって起電力を得る固体高分子形燃料電池において、少なくとも２系統の冷却水通路１２、１３を設け、各冷却水通路に温度の異なる冷却水を供給し、酸化剤ガス通路及び／又は燃料ガス通路の乾燥領域を低温冷却水通路に対応させた構造とした。
【選択図】 図４

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、固体高分子形燃料電池及びその運転システムに関する。
【０００２】
【従来技術】
燃料電池は、固体高分子からなる電解質膜（以下単に高分子膜ともいう）の一方の側にカソードである空気極を配し、他方の側にアノードである燃料極を配したセルを用い、カソードに空気等の酸化剤ガスを、アノードに水素リッチな燃料ガスをそれぞれ供給し、水素と酸素から水を得る以下の電池反応によって起電力を得ている。
【０００３】
Ｈ_２ → ２Ｈ^＋ ＋ ２ｅ⁻ （アノード反応）
２Ｈ^＋ ＋ １／２Ｏ_２ ＋ ２ｅ⁻ → Ｈ_２Ｏ （カソード反応）
【０００４】
この電池反応は、アノードに供給される水素が水素イオンとなり、この水素イオンが、高分子膜の内部をアノード側からカソード側に移動することを伴っている。ここで、水素イオンは高分子膜中に存在する水分の存在下で移動することにより酸素分子や水素分子のクロスオーバーが生じ難いが、燃料電池の操作に従って、高分子膜が乾燥してくる。高分子膜の乾燥が生ずると、イオン伝導性が低下して発電効率が低下するばかりでなく、高分子膜が破損・劣化しやすくなるため、燃料電池の耐久性においても問題である。したがって、燃料電池の操作時に、高分子膜の湿潤状態を保つことが必要であり、燃料電池セルの高分子膜中の含水量を適切に保つための技術が開発されてきた。
【０００５】
このような燃料電池の高分子膜の含水量を適切に保つための技術の一つとして、燃料電池の極に供給される、乾燥した燃料ガスまたは空気を加湿する方法や、そのための加湿装置が用いられてきた。
【０００６】
例えば、特許文献１には、高分子膜の露出部へ加湿を行うための加湿ポートを燃料極側セパレータ又は空気極セパレータに設けた燃料電池が記載されている。
しかし、この燃料電池では、加湿用の水蒸気を作製し、供給する必要があった。すなわち、蒸発熱量が増え、システムの効率が低下したり、熱交換器の数が不用意に増えてしまったりする等の不都合があった。また、このような燃料電池では、水が過剰に存在し、加湿が不要なセルの部分まで水が供給されてしまい、水滞留が発生し、発電電圧が不安定となるおそれがあった。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００２−１９８０７０明細書
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記事情に対して、低加湿条件にかかわらず、性能及び耐久性の向上を図った固体高分子形燃料電池及びその運転システムを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、高分子膜を介して一方の側にカソードを配し、他方の側にアノードを配し、上記カソードに酸化剤ガスを、上記アノードに燃料ガスをそれぞれ供給し、水素と酸素から水を得る電池反応によって起電力を得る固体高分子形燃料電池において、少なくとも２系統の冷却水通路を設け、各冷却水通路に温度の異なる冷却水を供給し、酸化剤ガス通路及び／又は燃料ガス通路の乾燥領域を低温冷却水通路に対応させた構造とし、乾燥領域の空気温度を露点以下に冷却するようにしたことを特徴とする。
【００１０】
「酸化剤ガス通路及び／又は燃料ガス通路の乾燥領域を低温冷却水通路に対応させた構造」とは、一般的には上記乾燥領域に関し、セパレータの反対側に低温冷却水通路が位置するように、セパレータを構成することをいう。また、「乾燥領域」とは、１系統の冷却水通路を設けたセル構造で、露点４０〜６５℃のガスを供給した場合に、７０℃の冷却水温度で乾燥する領域をいう。本発明は、酸化剤ガスの通路及び／又は燃料ガスの通路がセル内で蛇行する形態であるようなセパレータに好適である。「セル内で蛇行する形態」とは、例えば、セルに上方から酸化剤ガス又は燃料ガスが導入され、下方から排出される場合、一般に上下方向に対して垂直の方向に左右に往復しながら上方から下方に酸化剤ガス又は燃料ガスが流れることをいう。
【００１１】
本明細書中、「酸化剤ガス」として最も好適なものは空気である。しかしながら、燃料電池のカソード（空気極）へ供給される酸化剤ガスは空気のみには限定されず、電池反応に用いられる酸素を含むガスであれば使用することができる。また、アノード（燃料極）へ供給される燃料ガスは、水素リッチであれば、純粋水素はもとより燃料電池の性能を損ねない範囲での組成のガスを用いることができる。
【００１２】
上記冷却水通路は、少なくとも２系統、好ましくは２系統を設ける。２系統の場合は、通常用いられている温度の冷却水を導入する冷却水通路及び低温の冷却水を導入する低温冷却水通路とすることが好適である。「酸化剤ガス通路及び／又は燃料ガス通路の乾燥領域」は、通常、流路行程上セル入口より、３０％〜５０％の領域である。したがって、セルの通路を設けた面の前半３０％の領域が好適である。すなわち、セル面の前半３０％に相当する面積が好適である。なお、本明細書で「セル」というときは、後述する空気（酸化剤ガス）通路、水素（燃料ガス）通路といった内部空間を指称するために用いている。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明を実施の形態を示して、詳細に説明する。以下の説明は本発明を説明する目的であって、限定するものではない。
【００１４】
まず、図１〜図５に、本発明に係る固体高分子形燃料電池に用いられるセパレータの一実施の形態を示す。
本実施の形態に係るセパレータ１は、表裏にカソード面とアノード面とを一体に構成している。このセパレータ１のカソード面（図１に表示している）と高分子膜の一方の側面の間にカソード触媒層を挟み、別のセパレータ１のアノード面（図２に表示している）と同じ高分子膜の他方の側面の間にアノード触媒層を挟む。このようにして、セパレータ１、カソード触媒層、高分子膜、アノード触媒層、そしてセパレータ１が積層して一単位のセル構造を構成する。ガス通路、冷却水通路を構成するセル構造は、ガスケット等を設け、シール構造を保ち、流体の漏洩が起こらないようにしている。
そして、セパレータ１、高分子膜を交互に複数積層することにより、燃料電池スタックを構成する。
【００１５】
ここで、本実施の形態の説明にあたり、便宜上、酸化剤ガスを空気と表現し、燃料ガスを水素と表現する。これらの空気、水素として表現したガスは、電池反応を経た後、当然にセル入口側と出口側とでその組成を異にしている。
上記したように、セパレータ１は、表裏にカソード面とアノード面とを一体に構成している。すなわち、空気通路を設けた部分と水素通路を設けた部分とを表裏で一体化している。
【００１６】
図１は、セパレータ１をカソード面から見た立面図であり、図２はセパレータ１をカソード面の裏面のアノード面から見た立面図である。
図１、図２に示すように、高分子膜とセパレータ１とを貫いて、低温冷却水入口側管路２、冷却水入口側管路３、空気入口側管路４、水素入口側管路５、低温冷却水出口側管路６、冷却水出口側管路７、空気出口側管路８、水素出口側管路９が形成されている。低温冷却水入口側管路２、冷却水入口側管路３、空気入口側管路４、及び水素入口側管路５から、各セル内に冷却水通路、空気通路、水素通路が分岐している。こうして、マニホールド型の流路が構成されている。
なお、「管路」とは、単セルが複数積層することにより、孔部が連続することにより形成される冷却水、酸化剤ガス（空気）、燃料ガス（水素）の流路を指称するために用いる語である。
【００１７】
図１に示すカソード面上には、空気通路１０が設けられ、図２に示すアノード面上には、水素通路１１が設けられている。これらの空気通路１０及び水素通路１１は、図１、２では、大きな通路として概念的に描かれている。しかし、図３の断面図に示すように、各々の太い通路は、細い通路１０ａ又は１１ａが複数平行して走る形態として設けられている。
【００１８】
さらに、図４に、冷却水の通路を示す。冷却水の通路は、低温冷却水通路１２と通常の温度の冷却水通路１３とから構成されている。低温冷却水通路１２は、低温冷却水入口側管路２から、低温冷却水出口側管路６に至っている、冷却水通路１３は、冷却水入口側管路３から、冷却水出口側管路７に至っている。
図５に、空気通路１０、水素通路１１、低温冷却水通路１２を別の断面で示す。
【００１９】
次に、図１から図５の構成を備えたセパレータ１を用いて構成した燃料電池スタックを含む固体高分子形燃料電池の運転方法について、その一実施の形態を図６に示したシステムに沿って説明する。
燃料電池（ＰＥＦＣ）スタック１００には、圧縮器（又はブロア）１０２、加湿器１０４を経て空気が供給される。供給された空気は、燃料電池スタック１００内で、図１に示すようにセパレータ１の空気入口側管路４から空気通路１０を矢印に沿って流れ、空気出口側管路８から排出される。この間、上記したカソード反応がカソード触媒層で起こる。この間、空気は、低温冷却水と冷却水とにより冷却される。
【００２０】
空気は、セルに流入後、まず、低温冷却水通路１２（図３〜図５）を流れる低温冷却水により冷却される。この低温冷却水は、セパレータ１（燃料電池スタック１００）を冷却することによって間接的に空気を冷却する。低温冷却水は、セル入口で４０〜６５℃の温度、好適には４０℃である。低温用冷却水の出口での温度は、６０〜７０℃に達する。そして、セル内における流路上前半３０％〜５０％の行程、好ましくは３０％の乾燥領域を過ぎると、空気は、冷却水通路１３を流れる冷却水によって冷却される。この冷却水の温度は、セル入口で６０〜８０℃の温度、好適には７０℃である。７０℃で冷却水を供給した場合、冷却水の出口での温度は、７２〜７８℃に達する。
【００２１】
ここで、図７は、空気の温度変化を示している。図中点線は露点の変化を示し、太線は空気の温度変化を示し、細線は、セパレータ１（燃料電池スタック１００）の温度変化を示す。下側の線Ｈは、空気の相対湿度の変化を示す。
この図７に示すように、例えば、加湿器１０４の出口ａ（図６）では露点と空気温度を共に同じ６０℃に設定し、燃料電池スタック１００の入口ｂ（図６）では、空気温度を６５℃に制御して配管内で加湿水蒸気が結露するのを防止する。そして、セル入口ｃ（図１）を経過することにより初めて低温冷却水の効果により再び６０℃となり、露点に達する。図１から明らかなように空気の入口と、冷却水の入口とが離隔しており、セル内に入る前は、低温冷却水の冷却効果は及ばない。したがって、セル内に入る前は、空気は図７に示すように未飽和の状態を保つ。これに対し、セル内の乾燥領域では、低温冷却水の冷却効果により、図７の露点を空気の温度が超えることはない。これによって、従来乾燥領域とされていた領域が過飽和の領域となり、意図的に高分子膜を湿潤させることができる。セル出口では、露点、燃料電池スタック１００の温度、冷却水の温度は共に７５℃となる。
以上のようにして、本発明では、乾燥領域を解消できるので、添加する水分を少なくでき、すなわち未飽和の空気を導入することができ全体としてセル内の水分を少なくでき、システム効率を向上させることができる。
【００２２】
これに対し、従来の冷却構造では、図８に示すように、冷却水の温度が高く、セル乾燥領域で露点を空気温度が上回り、高分子膜を乾燥させて、その破損のおそれがあった。また、これを解消するために、水分を過剰に加えると、空気通路の後半で滞留水を多く生じてしまい、システム効率を悪化させるおそれがあった。すなわち、本発明では、空気（酸化剤ガス）の露点を４０〜６５℃（加湿後）の範囲で設定することができる。従来は、露点を、６５℃を超える温度で設定しないと、高分子膜の破損のおそれがあった。
燃料電池スタック１００を出た空気は、生成水により湿気を含んでいる。そこで、加湿器１０４に再循環する。加湿器１０４としては、中空糸膜を用いた水蒸気透過膜タイプのものが好適である。加湿器１０４を経た空気は、熱回収装置に送られる。
【００２３】
図６の運転システムでは、冷却水通路１３（図３、図４）への冷却水は、一般的な機器構成により供給されている。すなわち、供給源からの水を冷却水タンク１０６に貯留し、ポンプ１０８によりヒーター１１０を介して燃料電池スタック１００に供給している。ヒーター１１０は、運転立ち上げの時に使用する。定常運転では、７０℃で燃料電池スタック１００に供給するように調整することが好適である。なお、燃料電池スタック１００の入口で６０〜８０℃の範囲で調整することができる。冷却水は、冷却水入口側管路３（図４）から冷却水通路１３を通って、冷却水出口側管路７から排出される。排出された冷却水は、７５℃〜８０℃であり、熱交換器１１２で熱交換され、熱を得た水は、貯湯槽１１４に返送される。７０℃に冷却された水は、再び冷却水タンク１０６によって循環される。
【００２４】
低温冷却水は、４０〜６５℃好適には４０℃が良い。低温冷却水は、燃料電池スタック１００に導入した後、低温冷却水入口側管路２（図４）から低温冷却水通路１２を通って、低温冷却水出口側管路６から排出される。低温冷却水は、排出の後廃棄される。
なお、以上で言及した温度は、燃料電池スタックが適切に発電を行うことができる範囲で、適宜最適に制御するものであり、以上の温度の値は、温度自体を限定することを意図したものではない。
【００２５】
以上は、空気の流れ、冷却・加湿機序に関して説明した。しかし、水素に関しても実質上同様に冷却・加湿できるので、ここでは、燃料電池スタック１００に導入されるまでの点のみ説明する。水素は、改質器１１６から改質ガスとして加湿器又は凝縮器１１８に供給され、ここで加湿又は調湿される。そして、燃料電池スタック１００に４０〜７０℃、好適には７０℃で供給される。
【００２６】
ここで、図９は、低温冷却水通路１２及び冷却水通路１３の変形した形態を示す。図示のように、通路１２、１３の蛇行回数が少ない。これは、冷却水の圧損を下げて補機動力を低減できるという利点がある。
【００２７】
図１０に、本発明に係る固体高分子形燃料電池の運転システムの別の形態を示す。本実施の形態では、燃料電池スタック１００からの冷却水をポンプ１２０により、ラジェータ１１２に循環し、４０〜６５℃好適には４０℃で燃料電池スタック１００に循環している。この実施の形態では、図６の運転システムと、水を排出せずに循環させることができる。なお、その他の同一符号で示した要素は、図６と同一の作用・機能を果たす。
【００２８】
図１１に、本発明に係る固体高分子形燃料電池の運転システムのさらに別の形態を示す。本実施の形態では、熱交換器１１２からの循環系統に低い温度（６０〜６５℃）の水を循環し（実線）、一部をラジェータ１２４に取り出して冷却し、４０〜６５℃好適には４０℃で燃料電池スタック１００に循環している。高い温度（６５〜８０℃）の場合には、点線に切り替えて、熱交換器１１２で熱交換するラインに戻す。この形態では、冷却水のためのポンプ１０８を、低温冷却水のために兼用できる。
【００２９】
【実施例】
次に、本発明を、実施例を挙げてさらに詳細に説明する。以下の実施例は、本発明を例示するものであって、本発明を限定するものではない。
固体高分子形燃料電池として、図１〜図５について説明したセパレータを採用したものを用いて以下示す作動条件、構成で連続運転にて発電効率に関する試験を行った。
Ｈ_２ガス詳細 ：水素７５［％］，ＣＯ１０［ｐｐｍ］含有ガス
空気 ：大気中の空気をブロアで供給した。
Ｈ_２ガス利用率 ：８０［％］
空気利用率 ：４０［％］
Ｈ_２ガス相対湿度 ：１００［％］ （システム条件模擬，加湿ポットにて加湿）
空気相対湿度 ：１００［％］ （システム条件模擬，加湿ポットにて加湿）
電極面積 ：２００［ｃｍ^２］
電流密度 ：０．２５［Ａ／ｃｍ^２］
固体高分子膜 ：パーフルオロカーボンスルホン酸
アノード触媒 ：Ｐｔ−Ｒｕ担持カーボン
カソード触媒 ：Ｐｔ担持カーボン
セル積層数 ：４０［枚］
低温冷却水入口温度：４０℃
冷却水入口温度：７０℃
【００３０】
燃料電池のカソードに供給される空気としては、大気中の空気を取り込んで使用した。供給空気は、２５℃、５２ＮＬ／ｍｉｎでブロワから供給された。
また、実施例に係る燃料電池とは別に、従来例の燃料電池を準備し、全く同様の条件で試験を行った。
【００３１】
これらのような実施例について、燃料電池を運転した結果、従来の構造の燃料電池では、２，０００時間程度経過したところで発電効率が著しく悪化した。このセルを解体検査したところ、高分子膜の破損が見られた。
これに対して，本発明の構造の燃料電池では、３５００時間でも発電効率の低下は見られず、解体検査した結果、高分子膜の破損は見られず、本発明に係る燃料電池用セパレータが水はけ構造において優れていることが確認された。
【００３２】
【発明の効果】
上記したところから明らかなように、本発明によれば、低加湿条件にかかわらず、性能及び耐久性の向上を図った固体高分子形燃料電池及びその運転システムが提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明に係る固体高分子形燃料電池に用いられるセパレータの一実施の形態をカソード側から見た立面図である。
【図２】図２は、本発明に係る固体高分子形燃料電池に用いられるセパレータの一実施の形態をアノード側から見た立面図である。
【図３】図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線による断面図である。
【図４】図３のＩＶ−ＩＶ線による断面図である。
【図５】図１のＶ−Ｖ線による断面図である。
【図６】本発明に係る固体高分子形燃料電池の運転システムについて一実施の形態を説明する概念図である。
【図７】図６の運転システムについて、温度、湿度の変化を説明するグラフである。
【図８】従来の運転システムについて、温度、湿度の変化を説明するグラフである。
【図９】セパレータについて他の実施の形態を説明する図１のＶ−Ｖ線による断面図である。
【図１０】本発明に係る固体高分子形燃料電池の運転システムについて別の実施の形態を説明する概念図である。
【図１１】本発明に係る固体高分子形燃料電池の運転システムについてさらに別の実施の形態を説明する概念図である。
【符号の説明】
１ セパレータ
２ 低温冷却水入口側管路
３ 冷却水入口側管路
４ 空気入口側管路
５ 水素入口側管路
６ 低温冷却水出口側管路
７ 冷却水出口側管路
８ 空気出口側管路
９ 水素出口側管路
１０ 空気通路
１１ 水素通路
１２ 低温冷却水通路
１３ 冷却水通路
１００ 燃料電池スタック
１０２ 圧縮器
１０４ 加湿器
１０６ 冷却水タンク
１０８ ポンプ
１１０ ヒーター
１１２ 熱交換器
１１４ 貯湯槽
１１６ 改質器
１１８ 加湿器
１２０ ポンプ
１２２ ラジェータ
１２４ ラジェータ

Claims (5)

1. 高分子膜を介して一方の側にカソードを配し、他方の側にアノードを配し、上記カソードに酸化剤ガスを、上記アノードに燃料ガスをそれぞれ供給し、水素と酸素から水を得る電池反応によって起電力を得る固体高分子形燃料電池において、少なくとも２系統の冷却水通路を設け、各冷却水通路に温度の異なる冷却水を供給し、酸化剤ガス通路及び／又は燃料ガス通路の乾燥領域を低温冷却水通路に対応させた構造とし、乾燥領域の空気温度を露点以下に冷却するようにしたことを特徴とする固体高分子形燃料電池。
2. 上記低温冷却水通路を酸化剤ガス通路及び／又は燃料ガス通路の流路行程上セル入口より、３０〜５０％の領域に対応して設けたことを特徴とする請求項１の固体高分子形燃料電池。
3. 上記高分子膜と上記冷却水通路を設けたセパレータを積層することにより燃料電池スタックとして構成されることを特徴とする請求項１又は２の固体高分子形燃料電池。
4. 上記低温冷却水通路に４０〜６５℃の冷却水を供給し、その他の冷却水通路に６５〜７０℃の冷却水を供給する少なくとも２系統の冷却水供給系を備えることを特徴とする請求項３の固体高分子形燃料電池の運転システム。
5. 上記低温冷却水と、低温冷却水以外の冷却水の循環系を備えたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかの固体高分子形燃料電池の運転システム。

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