JP4249563B2 - 燃料電池およびその運転方法 - Google Patents
燃料電池およびその運転方法 Download PDFInfo
- Publication number
- JP4249563B2 JP4249563B2 JP2003285024A JP2003285024A JP4249563B2 JP 4249563 B2 JP4249563 B2 JP 4249563B2 JP 2003285024 A JP2003285024 A JP 2003285024A JP 2003285024 A JP2003285024 A JP 2003285024A JP 4249563 B2 JP4249563 B2 JP 4249563B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- gas
- groove
- fuel cell
- gas flow
- fuel
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Lifetime
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
Description
ること、およびそのような燃料電池の好ましい運転方法を提供することを目的とする。
7mm以上1.1mm以下であることが好ましい。
前記燃料電池の運転は、前記燃料ガス流通溝を流れる燃料ガスおよび前記酸化剤ガス流
通溝を流れる酸化剤ガスの少なくとも一方の圧力損失が、1.5kPa以上25kPa以
下である条件で行うことが好ましい(1kPa=100mmAq)。
流れる伏流ガス流量fとの比が、0.05≦f/e≦0.43を満たす条件で行うことが
好ましい。
ドを流れる伏流ガス流量fとの比が、0.05≦f/e≦0.43を満たす条件で行うこ
とが好ましい。
冷却媒体流通溝の入口温度が45〜75℃であり、前記燃料電池に供給される燃料ガスお
よび酸化剤ガスの少なくとも一方の露点が、前記入口温度に対して−5℃以上+5℃以下
であり、酸化剤ガスの利用率が、30%以上70%以下であり、前記燃料電池の発電電流
密度が、0.05A/cm2以上0.3A/cm2以下である条件で行うことが好ましい。
ス拡散層を流れるガスを言う。
しくは100%以上にまで加湿した燃料ガスや酸化剤ガスを燃料電池に供給する場合に発
生する上記問題を解決し、もしくは抑制することが可能である。
張力と、ガス流通溝の等価直径が、水の停滞(フラッディング)に大きな影響を及ぼすと
考えられる。特に、ガス流通溝の壁面を構成する材料としてカーボンを用いた場合には、
水とカーボンとの接触角が限定されることから、ガス流通溝の等価直径が水の停滞を大き
く左右する。なお、等価直径とは、溝空間の断面積と同じ面積を有する等価円の直径を言
う。
等価直径=2×(溝深さ×溝幅/π)1/2
のように算出される。
リブの頂面を含む平面と溝壁面とで囲まれた空間の断面積から、等価直径を求めることが
できる。
流通溝の溝幅としては、リブの頂面を含む平面と溝底面を含む平面との最短距離を表す線
の中間点における溝幅を採用することができる。
0mm以下であることが望ましい。溝の等価直径が0.79mm未満になると、結露水を
排出するために極端に大きな圧力損失が必要となり、1.30mmを超えると、電極とセ
パレータとの間隙が広くなり、接触抵抗が増大する。
0.7mm以上、1.1mm以下とすることが望ましい。溝深さが0.7mm未満では、
結露水を排出するために極端に大きな圧力損失が必要となり、1.1mmを超えると、セ
パレータの板厚が厚くなり、スタックの体積効率が現実的でなくなる。一方、ガス流通溝
の溝幅は1.5mm未満であることが好ましい。溝幅が1.5mm以上になると、電池特
性が低下しやすい。
とすると、ガス流通溝での水の停滞をほぼ防止できる。しかし、圧力損失が同じく1.5
kPa以上の場合でも、一本当たりの溝の等価直径が0.79未満の場合には、水の停滞
が発生しやすい。また、等価直径が同じく0.79mm以上であっても、溝幅が広く、溝
深さが0.7mm未満と浅い場合には、水の停滞が希に発生することがある。
料ガス流通溝およびカソード側導電性セパレータが有する酸化剤ガス流通溝の少なくとも
一方が、上流から下流に向かって蛇行しながら伸びるサーペンタイン状を有する。前記溝
は、互いに平行で実質的に同じ長さaを有する複数の直線部を有する。
スムーズに行われる。ガス拡散層を伏流するガス流量が増えると、水の排出性が悪くなる
。リブ幅を広くすると、伏流が抑制されるため、水の排出性が向上する。
配される。ガス拡散層は、比較的大きなガス透過率を有し、可能な範囲で薄い方が好まし
い。しかしながら、ガス拡散層は、電極の集電効果を兼ね備えているため、面積方向の導
電性を損なうほど薄く(100μm未満)なると、電池特性が低下する。また、ガス拡散
層の厚さが400μmを超えると、ガス拡散層内の水の排出性が悪くなると同時に、伏流
ガス量が大きくなり過ぎる。従って、ガス拡散層の厚さは、100〜400μmであるこ
とが好ましい。また、セパレータのリブ部で押されたガス拡散層の厚さは、100〜25
0μmであることが好ましい。さらに、ガス拡散層の面方向のドライガスベースのガス透
過率は、2×10-6〜2×10-8m2/(Pa・sec)であることが好ましい。ガス透
過率が2×10-6m2/(Pa・sec)未満では、電極の触媒層へのガスの供給が阻害
される傾向があり、2×10-8m2/(Pa・sec)を超えると、ガス拡散層内の伏流
ガス量が大きくなり過ぎる。
においては、ガス流通溝を流れるガス流量が支配的であることが好ましい。両者の関係を
特に良好に保持するためには、0.05≦f/e≦0.43を満たすことが好ましい。f
/eが0.05未満では、電極の触媒層へのガスの供給が阻害される傾向があり、0.4
3を超えると、ガス拡散層内の伏流ガス量が大き過ぎる。
緻密でガス透過性のないカーボン板の表面に切削加工によりガス流通溝を形成すること
により、導電性セパレータを作製した。ガス流通溝の溝幅、溝深さ、および溝断面積から
算出した溝の等価直径をパラメータとして、これらを変化させて各種のセパレータを試作
した。なお、ガスの流路形状は、溝幅等を変更したこと以外、実施例1の図2とほぼ同様
である。
mm以上とした。また、溝幅が1.5mmをこえると燃料電池の性能が低下することを確
認したため、溝幅は0.5〜1.5mmの範囲で変化させた。溝深さが1.2mmをこえ
ると、セパレータの板厚が厚くなり、実用的ではない上、燃料電池の性能が低下すること
も確認したため、溝深さは1.2mm以下とした。
クリル板を乗せて、ガス流通溝をガスが流れる状態を観察できるようにした。セパレータ
のガス流通溝には、水滴を均一に注入した。そして、1kPa(100mmAq)、1.
5kPa(150mmAq)、2kPa(200mmAq)、5kPa(500mmAq
)、または10kPa(1000mmAq)の圧力損失で窒素ガスまたは空気をガス流通
溝に注入した。そして、ガス流通溝内の水滴が素早く除去可能かどうかを目視で確認した
。結果を表1〜表7に示す。
実験例1において良好な結果が得られた試作セパレータのなかで、最も小さな等価直径
0.79mm(溝幅:0.7mm、溝深さ:0.7mm、表3参照)を有するセパレータ
と同じセパレータを用意した。
価直径1.30mm(溝幅:1.2mm、溝深さ:1.1mm、表6参照)を有するセパ
レータと同じセパレータを用意した。なお、溝幅が1.2mmを超えると十分な電池性能
が得られないと考えられたため、ここでは溝幅が1.2mmで最も大きな等価直径を有す
るセパレータを選択した。
径1.13mm(溝幅:1mm、溝深さ:1mm、表5参照)を有するセパレータと同じ
セパレータを用意した。
意した。カーボンペーパおよびカーボンクロスのいずれを用いた場合にも、ガス拡散層の
厚さが90μm以下では、燃料電池の製造工程時のハンドリングが悪くなった。その上、
ガス拡散層の面方向の導電性が充分でなく、電池特性が低下することから、100μm以
上の厚さのガス拡散層が好ましいことを確認した。
通溝側の表面にガス拡散層を配した。さらに、ガス拡散層上に透明なアクリル板を乗せて
、ガス流通溝をオイルミストを添加した窒素または空気が流れる状態を観察できるように
した。次いで、ガス拡散層とセパレータとの接触部分に、面積当たり7kg/cm2の圧
力がかかるように、アクリル板とセパレータとを締結した。ガス拡散層のガス透過率は、
締結圧によって変化し、締結圧が高くなるほどガス透過率は低下する。本実験例では、締
結圧が7kg/cm2の場合に1.2×10-7m2/(Pa・sec)のガス透過率を有するカーボンクロスを用いた。
した。そして、ガスの圧力損失を測定した。一方、ガス拡散層を用いずに、実験例1と同
様に、周縁部にガスケットを配したセパレータ表面に透明なアクリル板を乗せて、ガス流
通溝にガスを注入し、ガスの圧力損失を測定した。ここでは、ガス拡散層を配したセパレ
ータの場合と同じ流量でガス流通溝にガスを注入した。そして、ガス拡散層を用いた場合
と用いなかった場合の両方における圧力損失から、セパレータのガス流通溝を流れるガス
量と、ガス拡散層を流れる伏流ガス量との比を求めた。また、ガスの伏流状態を観察した
。結果を表8から表10に示す。
がガス流通溝間のリブ部分を越えて伏流(以下、ショートカット伏流という。)する状態
では、ガスが流れる状態の経時変化が激しく、初期の電池特性ならびに電池性能の耐久性
に悪影響を及ぼすことが見出された。
実験例1、2で用いた等価直径1.13mm(溝幅:1mm、溝深さ:1mm)のガス
流通溝を有するセパレータと同様のセパレータを用意した。また、ガス拡散層として、厚
さ200μm以上の種々のカーボンクロスを用意した。これらのカーボンクロスを用いた
こと以外、実験例2と同様の方法で、セパレータのガス流通溝を流れるガス量と、ガス拡
散層を流れる伏流ガス量との比を求めた。得られた比と、ガスの伏流状態と、カーボンク
ロスのガス透過率との関係を表11に示す。
散層をガスがショートカット伏流する状態では、ガスが流れる状態の経時変化が激しく、
初期の電池特性ならびに電池性能の耐久性に悪影響を及ぼすことが見出された。また、ガ
ス拡散層をガスがほとんど伏流しない状態でも、逆に電池性能が低下することが見出され
た。
アセチレンブラック粉末に、平均粒径約30Åの白金粒子を担持させて、触媒粉末を調
製した。白金量は、アセチレンブラック粉末100重量部あたり、25重量部とした。こ
の触媒粉末をイソプロパノールと混合して分散液Aとした。また、パーフルオロカーボン
スルホン酸の粉末をエチルアルコールと混合した分散液Bを用意した。そして、分散液A
と分散液Bとを混合して触媒ペーストを得た。
×12cm、厚さ200μm、ガス透過率1.2×10-7m2/(Pa・sec)のものを用いた。このカーボンクロスの触媒反応層を形成する側の面に、カーボンブラック粉末とポリテトラフルオロエチレン(PTFE)の水性分散液(ダイキン工業(株)製のD−1(商品名))との混合物を塗布し、400℃で30分間焼成して、カーボンクロス上に撥水層を付与した。この撥水層上に、上記の触媒ペーストをスクリーン印刷法を用いて塗布することで触媒反応層を形成した。このようにして、カーボンクロスとその上に撥水層を介して形成された触媒反応層からなる電極を得た。電極中に含まれる面積あたりの白金量は0.3mg/cm2、パーフルオロカーボンスルホン酸の量は1.0mg/cm2とした。
図1を参照しながら説明する。
外寸が20cm×20cmのプロトン伝導性高分子電解質膜11の裏表両面に、触媒反
応層12とガス拡散層13からなる一対の電極14を、触媒反応層12が電解質膜11に
接するようにホットプレスで接合した。プロトン伝導性高分子電解質膜11には、パーフ
ルオロカーボンスルホン酸を厚さ30μmの薄膜に成形したものを用いた。次いで、電解
質膜11の周縁部に、後述するセパレータに形成したものと同様の大きさのマニホルド穴
をセパレータと同じ配置で形成した。そして、電極の周囲とマニホルド穴の周囲の電解質
膜上に、バイトン社製のガスシール部材15を配して、電解質膜−電極接合体(MEA)
16を得た。
緻密でガス透過性のないカーボン板の表面に切削加工によりガス流通溝を形成すること
により、導電性セパレータを作製した。ここでは、カーボン板の一方の面に図2、他方の
面に図3に示すような溝を形成したセパレータ(X)と、カーボン板の一方の面に図2、
他方の面に図4に示すような溝を形成したセパレータ(Y)と、カーボン板の一方の面に
図3、他方の面に図4(ただしマニホルド穴の配置は異なる)に示すような溝を形成した
セパレータ(Z)の3種類を作製した。図2、図3および図4に示す溝は、それぞれ酸化
剤ガス流通溝、燃料ガス流通溝および冷却水流通溝とした。
ータの溝部21a、21bの溝幅は0.7mm、深さは0.7mmで、断面は凹形状とし
、溝一本当たりの等価直径は0.79mmとした。ガス流通溝の形状は、上流から下流に
向かって蛇行しながら伸びるサーペンタイン状であり、このガス流通溝は、互いに平行で
実質的に同じ長さaを有する複数の直線部を有し、最上流側の直線部と最下流側の直線部
との間の直線距離bに対する長さaの比:a/bは1.2とした。また、互いに隣接する
直線部間のリブ22a、22bの幅cは1.2mmであり、リブ幅cの長さaに対する比
:c/aは1/30とした。直線部は、上流から下流へ向かう方向と直交していた。
剤ガス出口23b、燃料ガス注入口24a、燃料ガス出口24b、冷却水注入口25a、
および冷却水出口25bを形成した。なお、全てのセパレータの同じ位置に同じ大きさの
マニホルド穴を形成した。また、各セパレータの四隅には締結ロッド孔26を形成した。
上記の所定のセパレータ2枚でMEAを挟持し、これを単セルとした。ただし、MEA
の一方の面にはセパレータ(X)の酸化剤ガス流通溝を対面させ、他方の面にはセパレー
タ(Z)の燃料ガス流通溝を対面させた。この単セルのセパレータ(X)の燃料ガス流通
溝に対面するように、別のMEAを配し、そのMEAの他方の面にはセパレータ(Y)の
酸化剤ガス流通溝を対面させた。このような2セル構造のパターンを繰り返して、100
セルからなる積層電池を作製した。そして、積層電池の両端部に、それぞれ表面を金メッ
キした銅製集電板と、PPS(ポリフェニレンスルフィド)製の絶縁板と、ステンレス鋼
からなる端板とを順次に配し、締結ロッドで端板を固定した。この時の締結圧は、電極の
面積当たり10kgf/cm2とした。
このように作製した本実施例の高分子電解質型燃料電池を、70℃に保持し、カソード
側に70℃の露点となるよう加湿・加温した水素ガスを、カソード側に70℃の露点とな
るように加湿・加温した空気を供給した。その結果、電流を外部に出力しない無負荷時に
は、98Vの電池開放電圧を得た。
条件で連続発電し、出力特性の時間変化を測定した。その結果、本実施例の燃料電池は、
8000時間後に3.11kW(72V−43.2A)の出力を維持することを確認した
。
で用いたセパレータは、溝部21a、21bの溝幅を1.0mm、溝深さを1.0mmで
、溝一本当たりの等価直径を1.13mmとしたこと以外、実施例1と同様の溝構造とし
た。
の長さaの比:a/b、互いに隣接する直線部間のリブ22a、22bの幅c、リブ幅c
の長さaに対する比:c/aは、実施例1と同じとした。
側に70℃の露点となるよう加湿・加温した水素ガスを、カソード側に70℃の露点とな
るように加湿・加温した空気を供給した。その結果、電流を外部に出力しない無負荷時に
は、97.5Vの電池開放電圧を得た。
条件で連続発電し、出力特性の時間変化を測定した。その結果、本実施例の燃料電池は、
8000時間後に3.132kW(72.5V−43.2A)の出力を維持することを確
認した。
で用いたセパレータは、溝部21a、21bの溝幅を1.2mm、溝深さを1.1mmで
、溝一本当たりの等価直径を1.30mmとしたこと以外、実施例1と同様の溝構造とし
た。
の長さaの比:a/b、互いに隣接する直線部間のリブ22a、22bの幅c、リブ幅c
の長さaに対する比:c/aは、実施例1と同じとした。
側に70℃の露点となるよう加湿・加温した水素ガスを、カソード側に70℃の露点とな
るように加湿・加温した空気を供給した。その結果、電流を外部に出力しない無負荷時に
は、98.5Vの電池開放電圧を得た。
条件で連続発電し、出力特性の時間変化を測定した。その結果、本実施例の燃料電池は、
8000時間後に3.123kW(72.3V−43.2A)の出力を維持することを確
認した。
で用いたセパレータは、溝部21a、21bの溝幅を1.0mm、溝深さを1.0mmで
、溝一本当たりの等価直径を1.13mmとし、互いに隣接する直線部間のリブ22a、
22bの幅cは1.0mm、リブ幅cの長さaに対する比:c/aは1/60としたこと
以外、実施例1と同様の溝構造とした。
の長さaの比:a/bは、実施例1と同じとした。
側に70℃の露点となるよう加湿・加温した水素ガスを、カソード側に70℃の露点とな
るように加湿・加温した空気を供給した。その結果、電流を外部に出力しない無負荷時に
は、98.5Vの電池開放電圧を得た。
条件で連続発電し、出力特性の時間変化を測定した。その結果、本実施例の燃料電池は、
8000時間後に3.132kW(72.5V−43.2A)の出力を維持することを確
認した。
で用いたセパレータは、溝部21a、21bの溝幅を1.0mm、溝深さを1.0mmで
、溝一本当たりの等価直径を1.13mmとし、互いに隣接する直線部間のリブ22a、
22bの幅cは0.8mm、リブ幅cの長さaに対する比:c/aは1/200としたこ
と以外、実施例1と同様の溝構造とした。
の長さaの比:a/bは、実施例1と同じとした。
このように作製した本実施例の高分子電解質型燃料電池を、70℃に保持し、アノード
側に70℃の露点となるよう加湿・加温した水素ガスを、カソード側に70℃の露点とな
るように加湿・加温した空気を供給した。その結果、電流を外部に出力しない無負荷時に
は、98.5Vの電池開放電圧を得た。
条件で連続発電し、出力特性の時間変化を測定した。その結果、本実施例の燃料電池は、
8000時間後に3.123kW(72.3V−43.2A)の出力を維持することを確
認した。
で用いたセパレータは、溝部21a、21bの溝幅を1.0mm、溝深さを1.0mmで
、溝一本当たりの等価直径を1.13mmとし、ガス流通溝の最上流側の直線部と最下流
側の直線部との間の直線距離bに対する直線部の長さaの比:a/bは0.8とし、互い
に隣接する直線部間のリブ22a、22bの幅cは1.0mm、リブ幅cの長さaに対す
る比:c/aは1/50としたこと以外、実施例1と同様の溝構造とした。
側に70℃の露点となるよう加湿・加温した水素ガスを、カソード側に70℃の露点とな
るように加湿・加温した空気を供給した。その結果、電流を外部に出力しない無負荷時に
は、99Vの電池開放電圧を得た。
条件で連続発電し、出力特性の時間変化を測定した。その結果、本実施例の燃料電池は、
8000時間後に3.154kW(73V−43.2A)の出力を維持することを確認し
た。
で用いたセパレータは、溝部21a、21bの溝幅を1.0mm、溝深さを1.0mmで
、溝一本当たりの等価直径を1.13mmとし、ガス流通溝の最上流側の直線部と最下流
側の直線部との間の直線距離bに対する直線部の長さaの比:a/bは0.6とし、互い
に隣接する直線部間のリブ22a、22bの幅cは1.0mm、リブ幅cの長さaに対す
る比:c/aは1/40としたこと以外、実施例1と同様の溝構造とした。
側に70℃の露点となるよう加湿・加温した水素ガスを、カソード側に70℃の露点とな
るように加湿・加温した空気を供給した。その結果、電流を外部に出力しない無負荷時に
は、98.5Vの電池開放電圧を得た。
条件で連続発電し、出力特性の時間変化を測定した。その結果、本実施例の燃料電池は、
8000時間後に3.11kW(72V−43.2A)の出力を維持することを確認した
。
で用いたセパレータは、溝部21a、21bの溝幅を0.6mm、溝深さを0.6mmで
、溝一本当たりの等価直径を0.68mmとし、ガス流通溝の最上流側の直線部と最下流
側の直線部との間の直線距離bに対する直線部の長さaの比:a/bは1.3とし、互い
に隣接する直線部間のリブ22a、22bの幅cは0.5mm、リブ幅cの長さaに対す
る比:c/aは1/220としたこと以外、実施例1と同様の溝構造とした。
側に70℃の露点となるよう加湿・加温した水素ガスを、カソード側に70℃の露点とな
るように加湿・加温した空気を供給した。その結果、電流を外部に出力しない無負荷時に
は、96Vの電池開放電圧を得た。
条件で連続発電し、出力特性の時間変化を測定した。本実施例の燃料電池の運転を200
0時間行った結果、初期の出力3.07kW(71V−43.2A)に対して、2000
時間後には出力が2.85kW(66V−43.2A)に低下していることを確認した。
で用いたセパレータは、溝部21a、21bの溝幅を1.2mm、溝深さを1.2mmで
、溝一本当たりの等価直径を1.35mmとし、ガス流通溝の最上流側の直線部と最下流
側の直線部との間の直線距離bに対する直線部の長さaの比:a/bは1.3とし、互い
に隣接する直線部間のリブ22a、22bの幅cは1.5mm、リブ幅cの長さaに対す
る比:c/aは1/19としたこと以外、実施例1と同様の溝構造とした。
側に70℃の露点となるよう加湿・加温した水素ガスを、カソード側に70℃の露点とな
るように加湿・加温した空気を供給した。その結果、電流を外部に出力しない無負荷時に
は、96Vの電池開放電圧を得た。
条件で連続発電し、出力特性の時間変化を測定した。本実施例の燃料電池の運転を200
0時間行った結果、初期の出力3.02kW(70V−43.2A)に対して、2000
時間後には出力が2.76kW(64V−43.2A)に低下していることを確認した。
セパレータは、実施例1と同じく、緻密でガス透過性のないカーボン板の表面に切削加工
によりガス流通溝を形成することにより、導電性セパレータを作製した。ここでは、カー
ボン板の一方の面に図5、他方の面に図6に示すような溝を形成したセパレータ(O)と
、カーボン板の一方の面に図5、他方の面に図4に示すような溝を形成したセパレータ(
P)と、カーボン板の一方の面に図6、他方の面に図4(ただしマニホルド穴の配置は異
なる)に示すような溝を形成したセパレータ(Q)の3種類を作製した。図5および図6
に示す溝は、それぞれ酸化剤ガス流通溝および燃料ガス流通溝とした。図4に示す溝は、
実施例1と同様に冷却水流通溝とした。
mとした。各セパレータの溝部31a、31bの溝幅は0.7mm、深さは0.7mmで
、断面は凹形状とし、溝一本当たりの等価直径は0.79mmとした。各ガス流通溝の形
状は、上流から下流に向かって蛇行しながら伸びるサーペンタイン状であり、各ガス流通
溝は、互いに平行で実質的に同じ長さaを有する複数の直線部を有し、最上流側の直線部
と最下流側の直線部との間の直線距離bに対する長さaの比:a/bは0.2とした。ま
た、互いに隣接する直線部間のリブ32a、32bの幅cは0.7mmであり、リブ幅c
の長さaに対する比:c/aは1/30とした。なお、サーペンタイン状流路の最上流部
および最下流部とマニホルド穴との間には、マトリックス状流路37を介在させた。
剤ガス出口33b、燃料ガス注入口34a、燃料ガス出口34b、冷却水注入口35a、
および冷却水出口35bを形成した。なお、全てのセパレータの同じ位置に同じ大きさの
マニホルド穴を形成した。また、各セパレータの四隅には締結ロッド孔36を形成した。
側に70℃の露点となるよう加湿・加温した水素ガスを、カソード側に70℃の露点とな
るように加湿・加温した空気を供給した。その結果、電流を外部に出力しない無負荷時に
は、98.5Vの電池開放電圧を得た。
条件で連続発電し、出力特性の時間変化を測定した。その結果、本実施例の燃料電池は、
8000時間後に3.11kW(72V−43.2A)の出力を維持することを確認した
。
で用いたセパレータは、溝部31a、31bの溝幅を1.0mm、溝深さを1.0mmで
、溝一本当たりの等価直径を1.13mmとし、ガス流通溝の互いに隣接する直線部間の
リブ32a、32bの幅cは1.0mm、リブ幅cの長さaに対する比:c/aは1/2
0としたこと以外、実施例8と同様の溝構造とした。
の長さaの比:a/bは、実施例8と同じとした。
このように作製した本実施例の高分子電解質型燃料電池を、70℃に保持し、アノード
側に70℃の露点となるよう加湿・加温した水素ガスを、カソード側に70℃の露点とな
るように加湿・加温した空気を供給した。その結果、電流を外部に出力しない無負荷時に
は、98Vの電池開放電圧を得た。
条件で連続発電し、出力特性の時間変化を測定した。その結果、本実施例の燃料電池は、
8000時間後に3.119kW(72.2V−43.2A)の出力を維持することを確
認した。
で用いたセパレータは、溝部31a、31bの溝幅を1.2mm、溝深さを1.1mmで
、溝一本当たりの等価直径を1.30mmとし、ガス流通溝の互いに隣接する直線部間の
リブ32a、32bの幅cは1.0mm、リブ幅cの長さaに対する比:c/aは1/2
0としたこと以外、実施例8と同様の溝構造とした。
の長さaの比:a/bは、実施例8と同じとした。
このように作製した本実施例の高分子電解質型燃料電池を、70℃に保持し、アノード
側に70℃の露点となるよう加湿・加温した水素ガスを、カソード側に70℃の露点とな
るように加湿・加温した空気を供給した。その結果、電流を外部に出力しない無負荷時に
は、98.5Vの電池開放電圧を得た。
条件で連続発電し、出力特性の時間変化を測定した。その結果、本実施例の燃料電池は、
8000時間後に3.136kW(72.6V−43.2A)の出力を維持することを確
認した。
で用いたセパレータは、溝部21a、21bの溝幅を1.0mm、溝深さを0.79mm
で、溝一本当たりの等価直径を1.0mmとしたこと以外、実施例1と同様の溝構造とし
た。
の長さaの比:a/bは1.0、リブ幅cの長さaに対する比:c/aは1/50とした
。
側に70℃の露点となるよう加湿・加温した水素ガスを、カソード側に70℃の露点とな
るように加湿・加温した空気を供給した。その結果、電流を外部に出力しない無負荷時に
は、98.5Vの電池開放電圧を得た。
条件で連続発電し、出力特性の時間変化を測定した。その結果、本実施例の燃料電池は、
8000時間後に3.162kW(73.2V−43.2A)の出力を維持することを確
認した。
で用いたセパレータは、溝部21a、21bの溝幅を1.0mm、溝深さを0.88mm
で、溝一本当たりの等価直径を1.06mmとしたこと以外、実施例1と同様の溝構造と
した。
の長さaの比:a/bは1.0、リブ幅cの長さaに対する比:c/aは1/50とした
。
側に70℃の露点となるよう加湿・加温した水素ガスを、カソード側に70℃の露点とな
るように加湿・加温した空気を供給した。その結果、電流を外部に出力しない無負荷時に
は、99.5Vの電池開放電圧を得た。
条件で連続発電し、出力特性の時間変化を測定した。その結果、本実施例の燃料電池は、
8000時間後に3.184kW(73.7V−43.2A)の出力を維持することを確
認した。
で用いたセパレータは、溝部21a、21bの溝幅を1.10mm、溝深さを1.03m
mで、溝一本当たりの等価直径を1.20mmとしたこと以外、実施例1と同様の溝構造
とした。
の長さaの比:a/bは1.0、リブ幅cの長さaに対する比:c/aは1/50とした
。
側に70℃の露点となるよう加湿・加温した水素ガスを、カソード側に70℃の露点とな
るように加湿・加温した空気を供給した。その結果、電流を外部に出力しない無負荷時に
は、99Vの電池開放電圧を得た。
条件で連続発電し、出力特性の時間変化を測定した。その結果、本実施例の燃料電池は、
8000時間後に3.171kW(73.4V−43.2A)の出力を維持することを確
認した。
で用いたセパレータは、溝部21a、21bの溝幅を1.0mm、溝深さを0.75mm
で、溝一本当たりの等価直径を0.98mmとしたこと以外、実施例1と同様の溝構造と
した。
の長さaの比:a/bは1.0、リブ幅cの長さaに対する比:c/aは1/50とした
。
側に70℃の露点となるよう加湿・加温した水素ガスを、カソード側に70℃の露点とな
るように加湿・加温した空気を供給した。その結果、電流を外部に出力しない無負荷時に
は、98Vの電池開放電圧を得た。
条件で連続発電し、出力特性の時間変化を測定した。その結果、本実施例の燃料電池は、
8000時間後に3.119kW(72.2V−43.2A)の出力を維持することを確
認した。
で用いたセパレータは、溝部21a、21bの溝幅を1.10mm、溝深さを1.06m
mで、溝一本当たりの等価直径を1.22mmとしたこと以外、実施例1と同様の溝構造
とした。
の長さaの比:a/bは1.0、リブ幅cの長さaに対する比:c/aは1/50とした
。
側に70℃の露点となるよう加湿・加温した水素ガスを、カソード側に70℃の露点とな
るように加湿・加温した空気を供給した。その結果、電流を外部に出力しない無負荷時に
は、98.5Vの電池開放電圧を得た。
条件で連続発電し、出力特性の時間変化を測定した。その結果、本実施例の燃料電池は、
8000時間後に3.128kW(72.4V−43.2A)の出力を維持することを確
認した。
で用いたセパレータは、溝部21a、21bの溝幅を0.7mm、溝深さを0.81mm
で、溝一本当たりの等価直径を0.85mmとしたこと以外、実施例1と同様の溝構造と
した。
の長さaの比:a/bは1.0、リブ幅cの長さaに対する比:c/aは1/50とした
。
側に70℃の露点となるよう加湿・加温した水素ガスを、カソード側に70℃の露点とな
るように加湿・加温した空気を供給した。その結果、電流を外部に出力しない無負荷時に
は、98Vの電池開放電圧を得た。
条件で連続発電し、出力特性の時間変化を測定した。その結果、本実施例の燃料電池は、
8000時間後に3.123kW(72.3V−43.2A)の出力を維持することを確
認した。
実験例1において、セパレータ流路の水滴が素早く除去可能かどうかを目視確認した結
果、表1に示されるように、溝深さ0.5mmの場合には、溝幅0.5mm、溝幅0.7
mm、溝幅1.0mmにおいて、1kPa(100mmAq)〜10kPa(1000m
mAq)の範囲では、素早く水滴を除去することを確認できなかった。
に注入したこと以外、実験例1と同様の操作を行い、セパレータ流路の水滴が素早く除去
可能かどうかを目視確認した。結果を表12に示す。
溝幅および溝深さにかかわらず、セパレータ流路の水滴が素早く除去可能であることを確
認した。従って、本発明の効果を有効に発揮可能な圧力損失の範囲は、1.5kPa(1
50mmAq)以上、25kPa以下(2500mmAq)であることが判明した。
した。そして、アノード側に、冷却水入口温度と同じ露点となるように加湿・加温した二
酸化炭素23%、水素76.5%、空気0.5%、一酸化炭素20ppmからなる混合ガ
スを供給した。また、カソード側には、冷却水入口温度と同じ露点となるように加湿・加
温した空気を供給した。
条件で連続発電し、出力特性の時間変化を測定した。また、電流密度0.3A/cm2の
条件で連続発電中には、冷却水出口温度が、冷却水入口温度に対して6℃高くなるように
、冷却水流量を制御した。
る100個の単セルの電圧バラツキの標準偏差(σ)と、連続発電開始後10000時間
における1時間あたりの平均電圧低下速度(劣化率)とを表13に示す。
のの、冷却水入口温度が40℃以下では、アノードガス中の一酸化炭素による電極触媒の
被毒により、初期特性のσ値および劣化率が大きくなることを見出した。また、冷却水入
口温度が80℃以上では、約8000時間後に、電池電圧の低下により運転不可能状態に
なることを見出した。以上より、冷却水入口温度の範囲は、45℃〜75℃が適当であり
、50℃〜70℃の範囲がさらに好ましいと言える。
して、アノード側に、冷却水入口温度に対して−10℃〜+10℃の露点となるように加
湿・加温した二酸化炭素23%、水素76.5%、空気0.5%、一酸化炭素20ppm
からなる混合ガスを供給した。また、カソード側には、冷却水入口温度に対して−10℃
〜+10℃の露点となるように加湿・加温した空気を供給した。
条件で連続発電し、出力特性の時間変化を測定した。また、電流密度0.3A/cm2の
条件で連続発電中には、冷却水出口温度が、冷却水入口温度に対して6℃高くなるように
、冷却水流量を制御した。
る100個の単セルの電圧バラツキの標準偏差(σ)と、連続発電開始後10000時間
における1時間あたりの平均電圧低下速度(劣化率)とを表14に示す。
露点が冷却水入口温度に対して10℃高い場合には、ガス流路に停滞する結露水の影響に
より、初期特性のσが大きくなることを見出した。また、劣化率は、冷却水入口温度に対
して供給ガス露点が10℃低い場合には、約7000時間後に、電池電圧の低下により運
転不可能状態になることを見出した。以上より、冷却水入口温度に対する供給ガス露点の
範囲は、−5℃〜+5℃が適当であると言える。
して、アノード側に、冷却水入口温度と同じ露点となるように加湿・加温した二酸化炭素
23%、水素76.5%、空気0.5%、一酸化炭素20ppmからなる混合ガスを供給
した。またカソード側には、冷却水入口温度と同じ露点となるように加湿・加温した空気
を供給した。
cm2の条件で連続発電し、出力特性の時間変化を測定した。また、電流密度0.3A/
cm2の条件で連続発電中には、冷却水出口温度が、冷却水入口温度に対して7℃高くな
るように、冷却水流量を制御した。
る100個の単セルの電圧バラツキの標準偏差(σ)と、連続発電開始後10000時間
における1時間あたりの平均電圧低下速度(劣化率)とを表15に示す。
が80%の場合には、ガス流路に停滞する結露水の影響により、初期特性のσが大きくな
ることを見出した。また、劣化率は、酸素利用率が20%の場合には、約9000時間後
に、電池電圧の低下により運転不可能状態になることを見出した。従って、酸素利用率の
範囲は、30%〜70%が適当であると言える。
して、アノード側に、冷却水入口温度と同じ露点となるように加湿・加温した二酸化炭素
23%、水素76.5%、空気0.5%、一酸化炭素20ppmからなる混合ガスを供給
した。また、カソード側には、冷却水入口温度と同じ露点となるように加湿・加温した空
気を供給した。
〜0.5A/cm2の条件で連続発電し、出力特性の時間変化を測定した。また、電流密
度0.1A/cm2以上の条件で連続発電中には、冷却水出口温度が、冷却水入口温度に
対して6℃高くなるように冷却水流量を制御した。電流密度0.1A/cm2未満の条件
では、0.1A/cm2の場合の冷却水流量と同じにして運転を行った。
る100個の単セルの電圧バラツキの標準偏差(σ)と、連続発電開始後10000時間
における1時間あたりの平均電圧低下速度(劣化率)とを表16に示した。
を0.7V以上に保つ必要がある。そのためには、電流密度が0.3A/cm2以下であ
る必要がある。
用するイオン伝導性電解質を具備する燃料電池、特に水素イオン伝導性高分子電解質膜を
用いた燃料電池に適用可能である。
12 触媒反応層
13 ガス拡散層
14 電極
15 ガスシール材
16 EMA
21a 酸化剤ガス流通溝
21b 燃料ガス流通溝
21c 冷却水流通溝
22a 酸化剤ガス流通溝間のリブ
22b 燃料ガス流通溝間のリブ
22c 冷却水流通溝間のリブ
23a 酸化剤ガス注入口
23b 酸化剤ガス出口
24a 燃料ガス注入口
24b 燃料ガス出口
25a 冷却水注入口
25b 冷却水出口
26 締結ロッド孔
31a 酸化剤ガス流通溝
31b 燃料ガス流通溝
32a 酸化剤ガス流通溝間のリブ
32b 燃料ガス流通溝間のリブ
33a 酸化剤ガス注入口
33b 酸化剤ガス出口
34a 燃料ガス注入口
34b 燃料ガス出口
35a 冷却水注入口
35b 冷却水出口
36 締結ロッド孔
37 マトリックス状流路
Claims (9)
- イオン伝導性電解質、前記イオン伝導性電解質を挟持するアノードとカソード、前記アノードに接するアノード側導電性セパレータ、および前記カソードに接するカソード側導電性セパレータからなる単セルを積層してなる燃料電池において、
前記アノード側導電性セパレータは、前記アノードと対面する部位に、前記アノードに燃料ガスを供給するための燃料ガス流通溝を有し、
前記カソード側導電性セパレータは、前記カソードと対面する部位に、前記カソードに酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流通溝を有し、
前記燃料ガス流通溝および前記酸化剤ガス流通溝の少なくとも一方は、一本当たりの溝の等価直径が0.79mm以上1.3mm以下であり、
前記アノードおよび前記カソードが、それぞれガス拡散層および前記ガス拡散層に接する触媒反応層からなり、前記ガス拡散層の少なくとも一方の面方向におけるドライガスベースのガス透過率が、2×10 -6 〜2×10 -8 m 2 /(Pa・sec)である燃料電池。 - 前記燃料ガス流通溝および前記酸化剤ガス流通溝の少なくとも一方は、溝の深さが0.7mm以上1.1mm以下である請求項1記載の燃料電池。
- 前記燃料ガス流通溝および前記酸化剤ガス流通溝の少なくとも一方は、上流から下流に向かって蛇行しながら伸びるサーペンタイン状であって、互いに平行で実質的に同じ長さaを有する複数の直線部を有し、前記直線部は、前記上流から前記下流へ向かう方向と直交しており、前記複数の直線部のうち、最上流側の直線部と最下流側の直線部との間の直線距離bに対する前記長さaの比が、a/b≦1.2を満たす請求項1記載の燃料電池。
- 前記燃料ガス流通溝および前記酸化剤ガス流通溝の少なくとも一方は、上流から下流に向かって蛇行しながら伸びるサーペンタイン状であって、互いに平行で実質的に同じ長さaを有する複数の直線部を有し、前記直線部は、前記上流から前記下流へ向かう方向と直交しており、互いに隣接する直線部間のリブ幅cの前記長さaに対する比が、1/200≦c/a≦1/20を満たす請求項1記載の燃料電池。
- 前記ガス拡散層の少なくとも一方の厚さが、100〜400μmである請求項1記載の燃料電池。
- 前記燃料ガス流通溝を流れる燃料ガスおよび前記酸化剤ガス流通溝を流れる酸化剤ガスの少なくとも一方の圧力損失が、1.5kPa以上25kPa以下である請求項1記載の燃料電池の運転方法。
- 前記燃料ガス流通溝を流れる燃料ガス流量eと前記アノードを流れる伏流ガス流量fとの比が、0.05≦f/e≦0.43を満たす請求項1記載の燃料電池の運転方法。
- 前記酸化剤ガス流通溝を流れる酸化剤ガス流量eと前記カソードを流れる伏流ガス流量fとの比が、0.05≦f/e≦0.43を満たす請求項1記載の燃料電池の運転方法。
- 前記燃料電池が、さらに、冷却媒体流通溝を有し、その入口温度が45〜75℃であり、前記燃料電池に供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスの少なくとも一方は、露点が前記入口温度に対して−5℃以上+5℃以下であり、酸化剤ガスの利用率が30%以上70%以下であり、前記燃料電池の発電電流密度が0.05A/cm 2 以上0.3A/cm 2 以下である請求項1記載の燃料電池の運転方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2003285024A JP4249563B2 (ja) | 2002-10-16 | 2003-08-01 | 燃料電池およびその運転方法 |
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2002301920 | 2002-10-16 | ||
JP2003285024A JP4249563B2 (ja) | 2002-10-16 | 2003-08-01 | 燃料電池およびその運転方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2004158435A JP2004158435A (ja) | 2004-06-03 |
JP4249563B2 true JP4249563B2 (ja) | 2009-04-02 |
Family
ID=32827930
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2003285024A Expired - Lifetime JP4249563B2 (ja) | 2002-10-16 | 2003-08-01 | 燃料電池およびその運転方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP4249563B2 (ja) |
Families Citing this family (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR100649204B1 (ko) | 2004-09-24 | 2006-11-24 | 삼성에스디아이 주식회사 | 연료 전지 시스템, 스택 및 세퍼레이터 |
JP4675757B2 (ja) * | 2005-11-16 | 2011-04-27 | 本田技研工業株式会社 | 燃料電池スタック |
JP6007163B2 (ja) * | 2012-11-22 | 2016-10-12 | 本田技研工業株式会社 | 電解質膜・電極構造体 |
JP6690503B2 (ja) | 2016-11-09 | 2020-04-28 | トヨタ自動車株式会社 | 燃料電池単セル |
-
2003
- 2003-08-01 JP JP2003285024A patent/JP4249563B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2004158435A (ja) | 2004-06-03 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US6884536B1 (en) | Polymer electrolyte fuel cell | |
KR100699659B1 (ko) | 고분자 전해질형 연료전지 | |
EP1734604B1 (en) | Fuel cell and fuel cell stack provided with this | |
US7014940B2 (en) | High-polymer electrolyte fuel cell | |
WO2002015312A1 (fr) | Pile a combustible a electrolyte polymere | |
CN107342429B (zh) | 燃料电池 | |
JP4549617B2 (ja) | 燃料電池 | |
JP4056550B2 (ja) | 燃料電池 | |
KR100529452B1 (ko) | 고분자 전해질형 연료전지와 그 운전방법 | |
JP4599300B2 (ja) | 高分子電解質型燃料電池 | |
US20110165493A1 (en) | Polymer electrolyte fuel cell and fuel cell stack comprising the same | |
US20040157111A1 (en) | Fuel cell | |
US20040110056A1 (en) | Fuel cell and operation method thereof | |
JP4249563B2 (ja) | 燃料電池およびその運転方法 | |
JP2005056671A (ja) | 燃料電池 | |
JP4340417B2 (ja) | 高分子電解質型燃料電池 | |
JP2005038845A (ja) | 高分子電解質型燃料電池 | |
JP2007005222A (ja) | 燃料電池および燃料電池用セパレータ | |
JP4659376B2 (ja) | 高分子電解質型燃料電池 | |
JP5518721B2 (ja) | 燃料電池及びこれを備える燃料電池スタック | |
JP5245232B2 (ja) | 固体高分子型燃料電池 | |
JP4397603B2 (ja) | 高分子電解質型燃料電池 | |
JP2006210212A (ja) | 高分子電解質型燃料電池 | |
JP4975982B2 (ja) | 燃料電池 | |
JP2004319165A (ja) | 高分子電解質型燃料電池 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20060208 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20080902 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20080911 |
|
A711 | Notification of change in applicant |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A711 Effective date: 20081028 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20081107 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20081218 |
|
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20090115 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120123 Year of fee payment: 3 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 Ref document number: 4249563 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120123 Year of fee payment: 3 |
|
S533 | Written request for registration of change of name |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313533 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120123 Year of fee payment: 3 |
|
R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120123 Year of fee payment: 3 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130123 Year of fee payment: 4 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130123 Year of fee payment: 4 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140123 Year of fee payment: 5 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
EXPY | Cancellation because of completion of term |