JP2010135071A - 燃料電池及びその運転方法並びに燃料電池装置 - Google Patents

Abstract

【課題】水素供給源から無加湿の水素ガスを導入したとき、水素ガス流路の上流領域において燃料電池が乾燥状態となることを予防できる燃料電池を提供する。
【解決手段】水素ガス流路４０は水素極に当接するアノードセパレータ３０に蛇行して形成されており、水素ガスの第１の入口４５はアノードセパレータ３０の第１の辺３１の一端側に設けられ、水素ガスの出口４９は第１の辺３１に対向する第２の辺３５において第１の入口４５と対角の位置に設けられ、第２の入口４７は第２の辺３５において、第１の入口４５から導入された水素ガスが折り返す部位に形成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池の改良に関する。

燃料電池では、電解質の乾燥による出力低下を抑制するため、燃料ガス（水素ガス）や酸化剤ガス（空気）を加湿供給して発電を行う。しかし、ガスを加湿して供給するには、加湿装置が必要であり、装置が大型化するとともに、当該加湿装置を作動させるために出力が消費されて燃料電池システムの効率が低下するなどの問題があり、加湿装置を必要としない燃料電池電極が求められている。
燃料電池では、発電反応に伴い水が生成するため、この生成水を自己の加湿に利用することができる。
発電の際、水素極で発生したプロトンは、水を伴って電解質中を空気極へ移動するため、水素極では、含水量が低下する。
一方、空気極では、空気極触媒上でプロトンと酸素が反応して水を生成する。そのため、水素極と空気極では、電解質の含水状態に差が生じ、空気極の生成水が水素極に向かって移動（逆拡散）し、水素極での乾燥が抑制される。
本発明に関連する技術を開示する文献として特許文献１を参照されたい。
特開２００６−３４４４６０号公報

しかし、水素ガス及び／又は空気の湿度がともに低い場合や、燃料電池温度が高くなると、供給空気によって持去られる水量が増大するため、逆拡散水量が減少して、水素極の乾燥が進行し、イオン抵抗の増大、出力低下が引き起こされる。
また、水素供給源から無加湿の水素ガスを導入すると、この乾燥した水素ガスにより水素極の入口側（水素ガス流路の上流領域）では水分が持ち出される。よって、水素ガス流路の上流領域において燃料電池が乾燥状態となり、充分な発電性能を発揮できないおそれがある。

この発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その第１の局面は次のように規定される。即ち、
水素極の表面に沿って水素ガスを流通させて供給する水素ガス流路が形成された燃料電池であって、
前記水素ガス流路は、水素ガスの第１の入口と、水素ガスの出口を有し、該第１の入口と出口との間に他の水素ガスを導入するための第２の入口を有する、ことを特徴とする燃料電池。
このように規定される第１の局面の燃料電池によれば、水素ガス流路に第１の入口と第２の入口とを設けたので、第１の入口と第２の入口への水素ガス供給量を調節することにより、また、出口から排出された排出水素ガスを第１の入口又は第２の入口へ還流させ、かつその還流量を制御することにより、水素ガス流路の上流側で燃料電池がドライアップすることを効果的に予防できる。

この発明の第２の局面は次のように規定される。即ち、
第１の局面で規定される燃料電池において、前記水素ガス流路は前記水素極に当接するアノードセパレータに蛇行して形成されており、
前記第１の入口は前記アノードセパレータの第１の辺の一端側に設けられ、前記出口は前記第１の辺に対向する第２の辺において前記第１の入口と対角の位置に設けられ、
前記第２の入口は前記第２の辺において、前記第１の入口から導入された水素ガスが折り返す部位に形成される。
このように規定される燃料電池によれば、各入口及び出口が対向する第１の辺及び第２の辺に形成されるので、構造設計が容易になる。

この発明の第３の局面は次のように規定される。即ち、
第１の局面又は第２の局面に規定の燃料電池の運転方法であって、前記第１の入口から第１の流量で無加湿の水素ガスを導入し、前記第２の入口から第２の流量で無加湿の水素ガスを導入し、前記第１の流量は前記第２の流量より流量が小さい、ことを特徴とする燃料電池の運転方法。
このように規定される燃料電池の運転方法によれば、第１の入口からは比較的少流量の乾燥水素ガスが導入されるので、水素ガス流路おける上流側の乾燥が可能な限り抑制される。第１の入口から導入された水素ガスは、第２の入口に到達するころには、燃料電池本体（MEA (Membrane Electrode Assembly)）から水分を持ち出して加湿される。したがって、第２の入口から比較的多量の乾燥水素ガスを導入しても、加湿された水素ガスが混合されて、その部分においてドライアップの発生を未然に防止できる。
第１の入口へ導入する乾燥水素ガスの流量は、それ自体では水素極の全域へ供給すべき水素ガス量より少量であり、第２の入口から導入される乾燥水素ガスの流量とあいまって水素極の全体へ充分な量の水素ガスが供給されるものとする。

この発明の第４の局面は次のように規定される。即ち、
請求項１又２に記載の燃料電池と、
該燃料電池の前記水素ガスの出口から排出された排出水素ガスを前記第１の入口及び前記第２の入口へ循環させる循環装置と、
水素供給源より乾燥水素ガスを前記第１の入口及び第２の入口へ供給する水素ガス供給装置と、
前記第１の入口に対する前記排出水素ガス及び前記乾燥水素ガスの導入量を制御する第１の流量コントローラと、
前記第２の入口に対する前記排出水素ガス及び前記乾燥水素ガスの導入量を制御する第２の流量コントローラと、
を備える、ことを特徴とする燃料電池装置。

このように規定された燃料電池装置によれば、燃料電池の運転状況に応じて第１の入口及び／又は第２の入口へ供給する水素ガス（その湿潤状態を含めて）を制御可能となる。これにより、燃料電池に最適な水素ガス供給状態を維持できる。
例えば、通常運転においては、排出水素ガスの導入量を比較的多くして乾燥水素ガスと混合し、第１の入口及び第２の入口へ供給する。他方、外部環境が低温のときには、湿潤状態にある排出水素ガスの循環量を少なくし（若しくはゼロとし）、乾燥水素ガスと混合して第１の入口及び第２の入口へ供給する。排出水素ガスの流量を低減することにより凍結防止効果が得られる。
これらの場合に、第１の入口及び第２の入口への水素ガス供給量（排出水素ガス及び乾燥水素ガスのトータル量での）及び各入口での排出水素ガス及び乾燥水素ガスの混合比率は任意に選択できる。
燃料電池の起動時には、水素供給源からの乾燥水素ガスのみが第１の入口及び第２の入口へ供給されることとなるが、その場合は第１の入口に対する水素ガスの供給量を第２の入口に対する水素ガスの供給量より小さくすることが好ましい。水素ガス流路の上流領域でのドライアップを確実に予防するためである。

以下、この発明の実施例について説明をする。
図１はこの発明の燃料電池の水素極側セパレータの正面図であり、図２は燃料電池本体１の構成を示す。
燃料電池本体１は電解質膜−電極接合体（MEA (Membrane Electrode Assembly）であり、パーフルオロスルホン酸型のイオン交換樹脂（例えば、ナフィオン（登録商標、Nafion（Dupont社製））からなる固体高分子電解質膜３に水素極１０と空気極２０とを接合した構成である。
水素極１０及び空気極２０はそれぞれ触媒層と拡散層を備える。各触媒層は白金担持カーボンからなる。各拡散層マイクロ孔を有するカーボン織物、カーボン紙又はカーボン不織布等からなり、ガスは透過可能であるが水等の液体の透過を禁止する。
白金担持カーボンをペースト状にして水素極及び空気極の拡散層の一面に塗布して触媒層とし、この触媒層の間に電解質膜３を介在させて、加熱圧着により図２に示す構成が得られる。

この燃料電池本体１を一対のセパレータで挟持して燃料電池の単位セルが構成される。
アノードセパレータに形成された水素ガス流路を通って水素極１０に水素ガスが流通され、カソードセパレータに形成された空気流路を通って空気極２０に空気が流通される。補機削減の見地から加湿装置を省略するときは水素ガスと空気とを対向する方向へ流通させることが好ましい。燃料電池本体１は各ガスの入口側で乾燥され、出口側で加湿されるので、水素ガスと空気との流通方向を対向させることにより燃料電池本体１の含水状況が均一化されるからである。

各セパレータはカーボン等の導電性の材料で形成され、その燃料電池本体対向面にガス流路が形成される。
図１にこの実施例の燃料電池に用いられるアノードセパレータ３０の水素極側面の構造を示す。図１において水素ガスの流れを矢印で示している。このアノードセパレータ３０において水素極と対向する部分は中央の枠内部分であり、その短辺（第１の辺）３１の上端から約１／３の部分に、当該第１の辺３１より垂直方向に直線状の第１の堰部材３３が延設されている。他方、第１の辺３１に対向する第２の辺３５においてその下端から約１／３の部分に、当該第２の辺３５より垂直方向に直線状の第２の堰部材３７が延設されている。第１の堰部材３３と第２の堰部材３７との先端部分はそれぞれ第２の辺３５及び第１の辺３１から所定の距離離れている。この第１の堰部材３１及び第２の堰部材３５により、蛇行した水素ガス流路４０が形成される。

図中の符号４３は水素ガスの第１の入口であり、第１の辺３１の上縁側に形成されている。この第１の入口４５から水素ガスが水素ガス流路４０の第１の流路部分４１へ導入される。この流路部分４１は上辺３８と第１の堰部材３３とによって区画され、第１の入口４５から導入された水素ガスは第２の辺３５に向かって流れる。

第１の堰部材３３と第２の堰部材３７とで第２の流路部分４２が構成される。第２の辺３５においてこの第２の流路部分４２に対向するように第２の入口４７が配設されている。水素ガス流路４０において第１の入口４５から導入された水素ガスが最初に第２の辺３５において折り返す部分に第２の入口４７を設ける。これにより、第１の入口４５へ導入する乾燥水素ガスの量を必要最小限として最も乾燥しやすい水素ガス流路の上流領域（第１の流路部分４１）のドライアップを防止する。
第２の入口４７は第２の流路部分４２に対向することが好ましい。第２の入口４７から導入される水素ガスの流れが第２の流路部分４２におけるガス流通方向と順方向になり、水素ガスの流れが円滑になる。

第２の堰部材３７と下縁３９とで第３の流路部分４３が形成される。第３の流路部分４３の終端に出口４９が配設される。第２の流路部分４２を流れる水素ガスは第１の辺３１において折り返されて第３の流路４３を流れ、出口４９から排出される。

図３はアノード湿度０％の場合、即ち水素ガスとして乾燥水素ガスを用いたとき、その水素ガスの流量と燃料電池単位セルの電流密度との関係を示す。空気の湿度（カソード湿度）は２０％〜６０％まで１０％刻みで変化させている。
図４はカソード湿度０％の場合、即ち空気を乾燥させたとき、水素ガス（湿度は２５％〜１００％まで変化）の流量と燃料電池単位セルの電流密度との関係を示す。
図４より、水素ガスの湿度が燃料電池の出力性能に大きく関与し、湿潤状態の水素ガスを導入したときは、その導入量が多くなるにつれ電流密度（即ち燃料電池の出力）が増大している。他方、図３より、乾燥水素ガスを燃料電池へ導入したときには、その水素導入量が多くなると電流密度は減少傾向にある。これにより、燃料電池の水素極に対する乾燥水素ガスの導入量はミニマム量が良いことがわかる。

以上より、乾燥水素ガスの導入に際しては、第１の入口４５からの乾燥水素ガスの導入量を発電可能なミニマム量とする。これにより、発電性能を維持しつつ、水素ガス流路４０の上流領域（即ち、第１の流路部分４１）において燃料電池本体の乾燥が予防される。
他方、第１の流路部分４１を通過した水素ガスは加湿されているので、第２の入口４７から乾燥水素ガスを導入しても両者が混合され、第２の流路部分４２以降を流通する水素ガスは全体として加湿状態となり、図４の関係が成立する。よって、第２の入口４７から導入する乾燥水素ガスの流量は第１の入口４５から導入する乾燥水素ガスの流量より多くすることが好ましい。

図５の燃料電池装置５０は、図１の燃料電池を積層してスタック５１を構成している。符号５２は温度計を指す。
図５は、この燃料電池装置５０の水素ガス供給システムを専ら記載している。勿論この燃料電池装置５０は空気供給系、冷却装置、負荷接続部など、一般的な燃料電池装置が備える要素を備えている。ただし、この燃料電池装置５０は加湿機は備えていない。

図５において、燃料電池の水素極１０の水素ガスの出口４９には水素ガス循環系６０が接続され、この水素ガス循環系６０は分岐して水素ガスの第１の入口４５と第２の入口４７とに連通する。
水素ガス循環系６０において符号６１、６９は圧力計、符号６３はフィルタ、６５はポンプ、符号６７は湿度計、符号６８は温度形である。
水素ガスの第１の入口４５と第２の入口４７には乾燥水素ガスを供給する乾燥水素ガス供給系８０も連結されている。この乾燥水素ガス供給系８０において符号８１は水素ガスタンク、符号８２、８３は圧力計である。
水素ガス循環系６０及び乾燥水素ガス供給系８０においてＶ１はストップバルブを示し、Ｖ２は調圧バルブを示す。

水素ガス循環系６０及び乾燥水素ガス供給系８０から第１の入口４５及び第２の入口４９へ導入される水素ガス流量は流量コントローラ９１で調節される。切替バルブ９３は水素ガス循環系６０から供給される循環水素ガス（湿潤状態である）と乾燥水素ガス供給系８０から供給される乾燥水素ガスとを択一的に、若しくは両者を所望の混合比率で混合して第１の入口４５及び第２の入口４７へ導入する。
これら流量コントローラ９１及び切替バルブ９３により、第１の入口４５に対する排出水素ガス及び乾燥水素ガスの導入量を制御する第１の流量コントローラと、第２の入口４７に対する排出水素ガス及び乾燥水素ガスの導入量を制御する第２の流量コントローラとが構成される。

実施例の燃料電池装置５０の動作例を以下に説明する。
（１）通常運転
循環水素ガスの導入量を比較的多くして、湿度が高い循環水素ガスの必要量を第１の入口４５へ導入する。ここに必要量は、測定された電流値（負荷）、温度計６８による循環水素ガス温度、温度計５２によるスタック温度などをこれらについて予め定められているテーブル値と比較して求めることができる。残りの循環水素ガス及び乾燥水素ガスを第２の入口４７から導入する。このときの両者の混合比も予め定められたテーブル値に基づいて決めることができる。
（２）低温時運転
循環水素ガスの流量を少なくし（若しくはゼロとし）、乾燥水素ガス供給系からの水素ガスと混合して第１の入口４５及び第２の入口４７へ供給する。これは、乾燥水素ガスに含まれる水素が凍結することを防止するためである。循環水素ガスと乾燥水素ガスとの混合比、及び第１の入口４５及び第２の入口４７に対するガスの配分比は、測定された電流値（負荷）、温度計６８による循環水素ガス温度、温度計５２によるスタック温度などをこれらについて予め定められているテーブル値と比較して定めることができる。
（３）起動時
乾燥水素ガス供給系８０から水素ガスを第１の入口４５及び第２の入口４７へ供給する。第１の入口４５の水素ガス導入量は第２の入口４７の水素ガス導入量より少ないものとする。

このように構成された燃料電池装置５０によれば、加湿された循環水素ガスを第１の入口４５及び第２の入口４７へ適量供給するため、水素ガス流路４０の上流領域が乾燥により性能劣化することを防止できる。また、循環水素ガスの循環量を多くすることで水素ガス流路４０の下流領域の性能低下を防止できる。
（２） 低温時には水素ガス流路４０内へ導入する水素ガスの湿度を下げられるので、水素ガス流路や燃料電池本体の凍結を未然に防止できる。
（３） 水素ガスの入口が２つあるため、起動時の水素供給速度を高められる。また、高負荷運転時の水素供給不足を未然に防止できる。

この発明は、上記発明の実施形態の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。

図１はこの発明の燃料電池を水素極側からみた正面図である。 図２は燃料電池の燃料電池本体１の構造を説明する図である。 図３は実施例の燃料電池の特性（水素流量と電流密度との関係）を示すグラフ（水素ガス無加湿状態）である。 図４は実施例の燃料電池の特性（水素流量と電流密度との関係）を示すグラフ（空気無加湿状態）である。 図５は他の実施例の燃料電池装置の構成を示す模式図である。

符号の説明

１ … 燃料電池本体（ＭＥＡ）
３ … 電解質膜
１０ … 水素極
２０ … 空気極
３１ … 第１の辺
３５ … 第２の辺
４０ … 水素ガス流路
４５ … 水素ガスの第１の入口
４７ … 水素ガスの第２の入口
４８ … 水素ガスの出口
５０ … 燃料電池装置
６０ … 水素ガス循環系
８０ … 乾燥水素ガス供給系

Claims (4)

1. 水素極の表面に沿って水素ガスを流通させて供給する水素ガス流路が形成された燃料電池であって、
   前記水素ガス流路は、水素ガスの第１の入口と、水素ガスの出口を有し、該第１の入口と出口との間に他の水素ガスを導入するための第２の入口を有する、ことを特徴とする燃料電池。
2. 前記水素ガス流路は前記水素極に当接するアノードセパレータに蛇行して形成されており、
   前記第１の入口は前記アノードセパレータの第１の辺の一端側に設けられ、前記出口は前記第１の辺に対向する第２の辺において前記第１の入口と対角の位置に設けられ、
   前記第２の入口は前記第２の辺において、前記第１の入口から導入された水素ガスが折り返す部位に形成される、ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
3. 請求項１又は２に記載の燃料電池の運転方法であって、前記第１の入口から第１の流量で無加湿の水素ガスを導入し、前記第２の入口から第２の流量で無加湿の水素ガスを導入し、前記第１の流量は前記第２の流量より流量が小さい、ことを特徴とする燃料電池の運転方法。
4. 請求項１又２に記載の燃料電池と、
   該燃料電池の前記水素ガスの出口から排出された排出水素ガスを前記第１の入口及び前記第２の入口へ循環させる循環装置と、
   水素供給源より乾燥水素ガスを前記第１の入口及び第２の入口へ供給する水素ガス供給装置と、
   前記第１の入口に対する前記排出水素ガス及び前記乾燥水素ガスの導入量を制御する第１の流量コントローラと、
   前記第２の入口に対する前記排出水素ガス及び前記乾燥水素ガスの導入量を制御する第２の流量コントローラと、
   を備える、ことを特徴とする燃料電池装置。

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