JPS63110558A

JPS63110558A - 燃料電池の空気供給法

Info

Publication number: JPS63110558A
Application number: JP61255692A
Authority: JP
Inventors: Saburo Yasukawa; 安川　三郎; Ryota Doi; 良太土井; Tsutomu Tsukui; 津久井　勤
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1986-10-29
Filing date: 1986-10-29
Publication date: 1988-05-16

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は燃料電池の空気供給法に係り、特に。

メタノール燃料電池等の低温作動型燃料電池の排出空気
中生成水の結露を回避し、高電流密度下での電池性能、
寿命を向上するのに好適な燃料電池の空気供給法に関す
る。

〔従来の技術〕

メタノール燃料電池は第２図に示すように、電解質層（
イオン交換膜）２を空気極１および燃料極３で挟んだ単
セルを単位構成とし、燃料−空気を分離供給するセパレ
ータ４を介し数セル積層した構成をとる。セパレータに
は空気および燃料を流す溝、それぞれ空気流ダクト４１
および燃料流ダクト４２が設けられる。それぞれ空気極
触媒層１１および燃料極触媒［３１で次式で示す電気化
学反応が連続して進行するよう、空気および燃料が過不
足なく供給され、又、同時に生成される生成物ＣＯｘお
よびＨ２Ｏを迅速に除去してやることにより、安定な運
転が続行される。

ＣＨａＯＨ＋　Ｈｚ　Ｏ→Ｃｏｗ　＋６Ｈ＋　＋６ｅ−
−（１）３／２０ｚ　＋　６　Ｈ＋　＋　６　ｓ−−＋
　３　ＨｚＯ−（２）特に、メタノール燃料電池で空気
極側で生成する生成水を水蒸気（ガス状）のまま結露す
る事なく単セルの系外に出してやる必要がある。何故な
ら、生成水が電極に結露する場合には１反応物のＯｚの
拡散供給並びに生成水蒸気除去作用を阻害し一１限界電
流密度を低下させ、電池性能を低下させ、また、空気流
用ダクト内で結露する場合には、酸化剤である空気の偏
流の原因となり、積層電池スタックの性能が不安定とな
るからである。

最も簡単な結露フリーの方法は、酸化剤である空気を大
量に流してやる事である。しかし、過剰に空気を流すと
、触媒層中および、触媒層と電解質層界面の電解液が乾
燥して体積が収縮し、電池内部抵抗が増大して電池性能
を著しく低下させる。

特に、電池の寿命に対し、この電解液の乾燥。

体積収縮は極めて重要な因子となるため、電池性能から
は結露フリーとなる最少空気量近傍での運転が好ましい
、さらに、独立電源として使用されるメタノール燃料電
池では、生成水を回収する必要があり、また、補機動力
損も極力小とする必要があるため、この点からも空気流
量を大量に流す事は好ましくない。

従来、燃料電池に供給する空気流量は、負荷電流（生成
水量を反映する）と電池温度（排出ガスの相対湿度を決
定する）によってきまる一定風量を流していた。しかし
、電池温度の不均一分布や空気偏流による局所的な、不
可避な生成水の結露の問題については考慮さねていなか
った。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来技術は、積層電池スタックで起こる局所的な生
成水結露の点について考慮されておらず。

積層電池スタックの性能が不安定であるという問題があ
った。

第３図は、従来の空気流入法による積層電池性能の経時
変化を示したものである。空気流量が少なく、生成水回
収の良好な（回収率３０％以上）空気流量で連続発電す
ると、電池性能の低下率は比較的小さく押えられるが、
３（ｈｒ）以降で、急激に電池性能（単セル電圧）が低
下しており、好ましくない事が判る。これは、排出空気
の出口近傍で生成水が結露し、ダクトの目づまりを起こ
すためである。この様な目づまりは積層セルのほんの一
部で起こる現象であり、二九を回避するには、大量の空
気を流してやる必要がある。

空気流入量を大にし、結露が起こらない流量で連続発電
すると、電池性能は高いが時間的な低下率が大きく、好
ましくないことが判る。更に、この時、生成水の回収率
も１０％未満で好ましくない。

第４図は、第３図に示す空気流量大の場合におけるセル
インピーダンスの評価結果を示したものである。時間と
共に電気二重層容量が減少し、逆に、抵抗成分が増大し
ていくことが判る。この変化は、第３図に示す電池性能
の経時変化（劣化）に良く対応している。電気二重層容
量は触媒と電解液との接触面積を反映する量であり、又
、抵抗成分は界面のイオン伝導のしやすさを反映する量
である事は、一般に云われている事であるが、この事か
ら、上記の現象は流入空気によって触媒層が乾き、接触
面積が減少するために起こる性能低下であり、このため
、容量成分は減少し、抵抗成分は増大していくものであ
ると解釈できる。

即ち、生成水結露の無いように、空気を多大に流すと、
触媒層中の電解液が体積収縮し、このため、反応面積を
減少、また、イオン伝導を阻害から電池性能が劣化する
現象であると考えられる。

また、この様に多大の空気を流入させ、触媒層を一度乾
燥させてしまうと、性能回復が極めて難しい事が判って
おり、電池性能並びにその寿命の観点から空気流量は必
要最小限の流量であることが好ましい。

第５図は、メタノール燃料電池において、排出空気の相
対湿度を評価した結果を示す、運転条件は、電池温度６
０（”Ｃ）、電流密度６０　（＋＋＋Ａ／ｄ　）のもの
である、流入空気量を６　（ｃｃ／ｗｉｎ　、　ａｌ　
）以下にすると排出空気の相対湿度が１００（％）以上
の過飽和となり、排出ガス中の一部の水蒸気が凝結・結
露することが判る。メタノール燃料電池のように、低温
作動型の燃料電池は、可搬型の移動電源の用途が大であ
り、生成水の回収が不可欠である。

生成水の回収には、排出ガスをなるべく過飽和に近い状
態で、即ち、電池性能上の限度内で流入空気量を極力小
とし運転するのが好ましい、　第６図は、電池性能（単
セル電圧）の流入空気量依存性を示したものである。電
池性能は、五分位程の短時間性能とし、四十五分値程の
長時間性能を示している。図中には、流入空気量が少な
く排出空気が過飽和となる領域（第５図参照）、および
流入空気量が大で生成率回収率が１０（％）以下になっ
てしまう領域を併記した６図から判るように短時間性能
は、過飽和領域でも性能が極端に落ちることなく、広い
空気流量範囲で性能が安定しているが、長時間性能は流
入空気依存性が強く、高性能を維持できる流量範囲が極
めて狭い事が判る。

流量小の領域での性能低下は凝結水蓄積による拡散不良
に基づくものであり、逆に、流量大の領域での性能低下
は前述のように触媒層乾燥による抵抗損失増大に基づく
ものである。電池性能が最大となる流量は過飽和となる
流量の西ないし五倍程の流量と大きく、排出空気の相対
湿度は６０（％）以下となり、生成水回収率は５（％）
以下になってしまう。

本発明の目的は、少ない空気流量でも凝結水蓄積による
拡散不良に基づく電池の性能低下を回避でき、生成水回
収の良好な燃料電池の空気供給方法を提供することにあ
る。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、過飽和領域の空気流量（弱風）を定常的に
流入し、凝結水を蓄積させ、間欠的に流量を増大（強風
）させ、凝結水を飛散させることにより、達成される。

〔作用〕

定常的に流入させる弱風時に凝結水を蓄積させ、拡散不
良を起こす直前にこの貯まった凝結水を強風にて飛散さ
せる。この飛散水は水蒸気でなく、液状及至ミスト状で
あり、ガス冷却等の手段を必要とせず、簡単なトラップ
で回収することができ、回収率が向上する。

〔実施例〕

以下１本発明を第１図に示した実施例および第７図およ
び第８図を用いて詳細に説明する。

第１図は、本発明の一実施例の燃料電池の空気供給法を
示したものである。定常流の弱風時は、排ガス相対湿度
がほぼ１００（％）程、また、パルス的に流す強風時は
１弱風時の３．５倍程の流量である。また、パルス間隔
は、約１ｏ分で約２０秒間強風にしたものである。

従来例は、従来例−１および従来例−２の排出空気の相
対湿度がそれぞれ約９０並びに７０（％）の定常流の場
合を選んだ。

第７図は、第１図に示した空気供給法で試験した電池性
能の結果を示したものである。空気流量が定常的に少な
い従来例−１では、電池の性能は４０分程で凝結水蓄積
による拡散不良を起こしてしまうのに対して、本実施例
では、この従来例−１の流量より定常流が少ないにもか
かわらず、拡散不良が起こらず、長時間安定である事が
判る。

排出空気の相対湿度が約７０（％）の定常流である従来
例−２の場合も凝結水が完全に取り切れず、電池性能が
除々に低下している。また、この場合、排出ガス中の水
蒸気はほとんど水蒸気のまま系外に出てしまい、生成水
の回収率は１０（％）程で極めて低く、生成水回収の観
点からも好ましくなかった。

第８図は１本実施例で適用した間欠的に強風とする空気
供給を得る電気的な制御系を示したものである。

独立電源として使用される事を考慮し、空気供給の補機
は、直流のブロアを用い、これと直接されたパワートラ
ンジスタのベース電流をクロック信号で切り換えること
により、ブロア電流（風量に対応）を間欠的に変化させ
るようにしたものである。

〔発明の効果〕

本発明によれば、少ない空気流量でも凝結水による拡散
不良を起こすことが無いので、電池性能の安定化がはか
れ、生成水の回収率も従来法の二倍以上にできるという
効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の燃料電池の空気供給法の一実施例を示
すタイムチャート、第２図は燃料電池の構成図、第３図
は従来の電池性能の経時特性図、第４図は第３図のイン
ピーダンスの経時変化図、第５図は流入空気流量と排出
空気の相対湿度との関係を示す実験結果を示す図、第６
図は空気流量と電池性能との関係を示す実験結果図、第
７図は本実施例の空気供給法を用いた場合の電池性能の
経時変化の実験結果図、第８図は本実施例の空気供給法
を得る電気制御系を示す図である。１・・・空気極、２・・・電解質層、３・・・燃料極、
４・・・セパレータ、１１・・・空気極触媒層、３１・
・・燃料極触媒層、４１・・・空気流用ダクト、４２・
・・燃料流用ダクト。

Claims

【特許請求の範囲】１、空気を酸化剤とし空気極で水蒸気（及至水）を生成
し、電気化学反応により電気出力を得る燃料電池におい
て、前記空気極に供給する空気を強弱の脈動流とし、その強
弱比を１．５倍以上とする事を特徴とする燃料電池の空
気供給法。２、特許請求の範囲第１項において、弱風の流量領域を空気出口排出ガスの相対湿度を１００
（％）以上の過飽和となる流量領域とすることを特徴と
する燃料電池の空気供給法。