WO2000065678A1 - Procede de fonctionnement d'une pile a combustible electrolytique a polymere - Google Patents

Procede de fonctionnement d'une pile a combustible electrolytique a polymere Download PDF

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Kazuhito Hatoh
Osamu Sakai
Hideo Ohara
Junji Niikura
Hisaaki Gyoten
Toshihiro Matsumoto
Teruhisa Kanbara
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Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.
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Definitions

  • the present invention relates to a room temperature operation type polymer electrolyte fuel cell used for a portable power supply, a power supply for an electric vehicle, a home cogeneration system, and the like.
  • a polymer electrolyte fuel cell generates electricity and heat simultaneously by electrochemically reacting a fuel gas containing hydrogen with an oxidizing gas containing oxygen such as air.
  • the fuel cell is manufactured as follows. First, a catalyst reaction layer composed mainly of carbon powder carrying a platinum-based metal catalyst is formed on both sides of a polymer electrolyte membrane that selectively transports hydrogen ions. Next, a diffusion layer having both permeability to fuel gas or oxidizing gas and electronic conductivity is formed on the outer surface of each catalytic reaction layer. The catalyst reaction layer and this diffusion layer function as an electrode as a body. The assembly of the electrode and the electrolyte membrane is called MEA (Membrane Electrolyte Assembly).
  • MEA Membrane Electrolyte Assembly
  • a gasket is arranged around the electrodes with a polymer electrolyte membrane interposed therebetween so that the supplied gas does not leak out of the fuel cell and the fuel gas and the oxidizing gas do not mix with each other.
  • This gasket is preliminarily integrated with the electrode and the polymer electrolyte membrane, and the integrated one is sometimes referred to as MEA.
  • a conductive separator for mechanically fixing the MEA and electrically connecting adjacent MEAs in series with each other. Place the board.
  • a gas flow path is formed to supply the reaction gas to the electrode surface and to carry away generated gas and surplus gas.
  • the gas flow path can be provided separately from the separation plate, it is common to form a groove on the surface of the separation plate to use as a gas flow path.
  • the cooling plate generally has a structure in which a heat medium such as cooling water flows through the inside of a thin metal plate.
  • a flow path is formed on the back of the separator that constitutes the cell, that is, on the surface where cooling water is to flow, and the separator plate also functions as a cooling plate.
  • a ring gasket for sealing a heat medium such as cooling water is also required. In this sealing method, it is necessary to secure sufficient conductivity between the upper and lower sides of the cooling plate by completely crushing the ⁇ _ring and the like.
  • Such a stacked battery requires a hole called a manifold for supplying and discharging fuel gas to each unit cell.
  • This manifold is generally of the so-called internal manifold type, in which cooling water supply and discharge holes are secured inside the stacked battery.
  • a plurality of cells including a cooling plate are stacked in one direction, and a pair of end plates are arranged at both ends of the obtained laminated battery. It is necessary to compress and fix the laminated battery from outside of the two end plates with the fastening pad. It is desirable to tighten the cells as uniformly as possible within the plane.
  • end plates and fastening rods are usually made of a metal material such as stainless steel. These end plates and fastening rods are The structure shall be electrically insulated by the insulating plate so that the current does not leak outside through the end plate.
  • a method has also been proposed in which a through-hole inside the separator is used, or the entire stacked battery including the end plate is fastened with a metal belt.
  • the electrolyte membrane functions as an electrolyte in a state containing moisture, it is necessary to humidify and supply the supplied fuel gas and oxidizing gas. Also, at least in the temperature range up to 100 ° C, the higher the water content, the higher the ionic conductivity of the polymer electrolyte membrane, the lower the internal resistance of the battery, and the higher the performance of the polymer electrolyte membrane. effective. Therefore, in order to increase the water content in the electrolyte membrane, it is necessary to supply the supplied gas with high humidification.
  • Gas humidification methods include bubbler-humidification, in which gas is supplied into deionized water maintained at a predetermined temperature and aerated (bubbling) to humidify the gas, or a membrane such as an electrolyte membrane that allows water to move easily.
  • a membrane humidification method is used in which deionized water maintained at a predetermined temperature is flowed on one surface, and gas is flowed on the other surface to humidify.
  • a gas obtained by steam-reforming fossil fuels such as methanol and methane is used as the fuel gas
  • humidification may not be necessary because the reformed gas contains steam.
  • the humidified fuel gas and oxidant gas are supplied to a polymer electrolyte fuel cell and used for power generation. At this time, in a single plane of any unit cell in the stacked battery Then, a current density distribution occurs.
  • the fuel gas is supplied after being humidified at a predetermined level at the gas supply inlet, but the hydrogen in the fuel gas is consumed by power generation.
  • a phenomenon occurs in which the hydrogen partial pressure is low and the steam partial pressure is high.
  • the oxidizing gas is also supplied after being humidified in a predetermined manner at the gas supply inlet, but oxygen in the oxidizing gas is consumed by power generation and water generated by the power generation is generated. Oxygen partial pressure is high, steam partial pressure is low, and a phenomenon occurs in which oxygen partial pressure is low and steam partial pressure is high downstream of the oxidant gas.
  • the temperature of the cooling water for cooling the cell is low at the inlet side of the fuel cell and high at the outlet side, so that a temperature distribution occurs in a single plane of the cell.
  • a current density distribution performance distribution occurs in a single plane of the battery.
  • the non-uniform partial pressures of hydrogen and water vapor in the fuel gas, the non-uniform partial pressures of oxygen and water vapor in the oxidizing gas, and the temperature distribution in a single plane of the battery occurred for the reasons described above.
  • a phenomenon in which overdrying and overflooding coexist in a single surface of a battery may occur.
  • the number of stacked cells is increased, if the above-mentioned problem occurs in a part of a large number of stacked cells, the operation of the entire Cause trouble. In other words, If part of the battery is overflooded, the pressure loss for gas supply will increase in the battery that has been overflooded.
  • the problem described above is that the partial pressure of water vapor in the gas at the gas outlet side is higher than that at the gas inlet side, both at the fuel electrode side supplying the fuel gas and at the air electrode side supplying the oxidizing gas. Is often caused by Therefore, as shown in Table 9-9, the flow direction of the oxidant gas and the flow direction of the cooling water are the same, and the downstream part of the oxidant gas is determined by the temperature distribution of the cooling water. Attempts have also been made to increase the temperature of the battery compared to the upstream to suppress overflooding in the downstream of the air electrode and reduce the current density distribution in a single plane of the battery.
  • the present invention provides a pair of electrodes sandwiching a polymer electrolyte membrane, a conductive separator, a means for supplying and discharging a fuel gas and an oxidizing gas to the electrodes,
  • a method for operating a polymer electrolyte fuel cell comprising: humidifying means for gas and Z or the oxidizing gas; and means for flowing cooling water in a surface direction parallel to the electrode.
  • Gas flow rate of the fuel gas, gas flow rate of the oxidizing gas, saturated steam pressure in the fuel gas, steam pressure in the fuel gas, saturated steam pressure in the oxidizing gas, steam in the oxidizing gas Measuring at least one physical quantity selected from the group consisting of a pressure, a temperature of the electrode, and an output current value; and a flow direction of the cooling water, a temperature of the cooling water, a flow rate of the cooling water, a fuel gas.
  • Gas flow rate of the fuel gas, gas flow rate of the oxidizing gas, saturated steam pressure in the fuel gas, steam pressure in the fuel gas, saturated steam pressure in the oxidizing gas, steam in the oxidizing gas A characteristic value calculated by a characteristic function having at least one physical quantity selected from a group consisting of a pressure, an electrode temperature, and an output current value as an independent variable is maintained at a predetermined value.
  • the outlets of the fuel gas and the oxidizing gas in the polymer electrolyte fuel cell are substantially changed except for the unavoidable pressure loss of a heat exchanger or a total heat exchanger provided at a stage subsequent to the outlet. It is effective to release to normal pressure, Further, the characteristic function is represented by the following equation (1):
  • a part of the electrode where the fuel gas or the oxidizing gas is introduced is an electrode starting point
  • a part of the electrode where the fuel gas or the oxidizing gas is discharged is an electrode exit point. It is effective to make the temperature lower than the electrode outlet point.
  • FIG. 1 is a top view showing a structure of a separator of a polymer electrolyte fuel cell according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a characteristic diagram of the polymer electrolyte fuel cell according to Example 1 of the present invention.
  • FIG. 3 is a characteristic diagram of the polymer electrolyte fuel cell according to Example 2 of the present invention.
  • FIG. 4 is a characteristic diagram of the polymer electrolyte fuel cell according to Example 3 of the present invention.
  • FIG. 5 is a characteristic diagram of the polymer electrolyte fuel cell according to Example 4 of the present invention.
  • FIG. 6 is a characteristic diagram of the polymer electrolyte fuel cell according to Example 5 of the present invention.
  • FIG. 7 is a characteristic diagram of the polymer electrolyte fuel cell according to Example 6 of the present invention. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
  • Embodiments of the present invention include a cooling water flow direction, a cooling water inlet temperature and an in-plane temperature distribution by adjusting a cooling water flow rate of a polymer electrolyte fuel cell, a gas supply amount, a supply humidification amount, and a current density.
  • the fuel cell is adjusted to an optimal operation state by a function expressed by the gas flow velocity and the difference between the saturated vapor pressure and the actual vapor pressure. I do.
  • the cooling water flow direction, the cooling water inlet temperature and the in-plane temperature distribution by adjusting the cooling water flow rate, the gas supply amount, the supply humidification amount, and the current density of the polymer electrolyte fuel cell, Operate the gas so that the absolute value of the product of the gas flow rate and the difference between the saturated vapor pressure and the actual vapor pressure is 2,000 to 70,000 kg ⁇ ⁇ / sec * m
  • the current density distribution in a single plane of the battery can be reduced.
  • the absolute value of the product of the gas flow velocity and the difference between the saturated vapor pressure and the actual vapor pressure near the gas outlet of the polymer electrolyte fuel cell is 2.0000 to 70, OOO kg'f / sec.
  • the polymer electrolyte type whose gas outlet is substantially released to normal pressure except for the unavoidable pressure loss of the heat exchanger (including the total heat exchanger) provided downstream of the gas outlet,
  • adjusting the in-plane temperature distribution, the gas supply amount, the supply humidification amount, and the current density of the polymer electrolyte fuel cell by adjusting the cooling water flow direction, the cooling water inlet temperature, and the cooling water flow rate.
  • the absolute value of the product of the gas flow velocity and the difference between the saturated vapor pressure and the actual vapor pressure in the vicinity of the gas outlet of the polymer electrolyte fuel cell is 2,000 to 700,000 kgf
  • the gas supply amount is reduced.
  • the absolute value of the product of the gas flow rate and the difference between the saturated vapor pressure and the actual vapor pressure near the gas inlet of the polymer electrolyte fuel cell becomes Adjust the gas flow velocity near the outlet to be greater than the absolute value of the product of the difference between the saturated vapor pressure and the actual vapor pressure.
  • the cooling water flow direction, the cooling water inlet temperature, and the cooling water of the polymer electrolyte fuel cell By adjusting the water flow rate, the in-plane temperature distribution of the polymer electrolyte fuel cell is set to be higher near the gas outlet than near the gas inlet, and the gas flow rate, saturated vapor pressure, and actual pressure near the gas outlet are set.
  • the product of the difference between the vapor pressure of and By adjusting the absolute value to be 2, 000 to 70, OOO kg 'f Z sec' m, the operation can reduce the non-uniformity of the current density distribution in a single plane of the battery. it can.
  • the gas supply amount, supply humidification amount, and current density to the polymer electrolyte fuel cell are adjusted.
  • the absolute value of the product of the difference from the actual vapor pressure is the gas flow rate near the gas outlet, and the product of the difference between the saturated vapor pressure and the actual vapor pressure.
  • the distribution of the in-plane temperature of the polymer electrolyte fuel cell is linear by adjusting the cooling water flow direction, cooling water inlet temperature, and cooling water flow rate of the polymer electrolyte fuel cell so that it is larger than the absolute value.
  • the absolute value of the product of the gas flow rate and the difference between the saturated vapor pressure and the actual vapor pressure in the vicinity of the gas outlet is set so that it is convex above the distribution.
  • the cooling water flow direction of the polymer electrolyte fuel cell, the in-plane temperature distribution by adjusting the cooling water inlet temperature and the cooling water flow rate, the oxidizing gas supply amount, and the humidifying amount supplied to the oxidizing gas are determined.
  • the non-uniformity of the current density distribution in a single plane of the battery is reduced by reducing the pressure loss at the inlet of the gas supplied to the polymer electrolyte fuel cell to 0.5 kg'cm 2 or less. Can be.
  • the cooling water flow direction, the cooling water inlet temperature and the in-plane temperature distribution by adjusting the cooling water flow rate, the gas supply amount, the supply humidification amount, and the current density of the polymer electrolyte fuel cell are adjusted. Therefore, if the current density is less than 0.5 A / cm 2 , the absolute value of the product of the gas flow rate and the difference between the saturated vapor pressure and the actual vapor pressure is 2,000 to 300,000. 0 kg - f / sec - and is driving adjusted to be m, the current density is 0.
  • the gas flow rate, the difference between the actual vapor pressure and the saturated vapor pressure Reduce the non-uniformity of the current density distribution in a single plane of the battery by adjusting the product so that the absolute value of the product is 8,000 to 40,000 kg 'f / sec'm. Can be done.
  • the direction of cooling water flow and cooling of the polymer electrolyte fuel cell By adjusting the in-plane temperature distribution by adjusting the water inlet temperature and cooling water flow rate, the gas supply amount, the supply humidification amount, and the current density, the gas flow rate and saturated steam over the entire gas flow surface
  • the distribution of the absolute value of the product of the difference between the pressure and the actual vapor pressure so that it is 10 or less, OOO kg'fZsec'm or less, the current density in a single plane of the battery Non-uniformity of distribution can be reduced.
  • the in-plane temperature distribution by adjusting the cooling water flow direction, the cooling water inlet temperature and the cooling water flow rate, and the gas supply amount
  • the absolute value of the product of the gas flow rate and the difference between the saturated vapor pressure and the actual vapor pressure is more than 200,000 kg-f / sec-m
  • the side of the polymer electrolyte fuel cell where the absolute value of the product of the gas flow rate and the difference between the saturated vapor pressure and the actual vapor pressure is larger is the cooling water inlet side.
  • the same direction as the cooling water outlet side is defined as the direction in which the absolute value of the product of the gas flow rate and the difference between the saturated vapor pressure and the actual vapor pressure is smaller.
  • the current density distribution in a single plane of the battery can be reduced.
  • the cells were divided into five within a single plane of the cell using a five-part separator as shown in Figure 1. Then, a laminated battery composed of 20 single cells capable of measuring the performance of each part individually was produced.
  • the production of MEA was performed as follows. Carbon powder having a particle size of several microns or less was immersed in an aqueous solution of chloroplatinic acid, and a platinum catalyst was supported on the surface of the carbon powder by a reduction treatment. At this time, the weight ratio of carbon to the supported platinum was 1: 1. Next, this platinum-supported carbon powder was dispersed in an alcohol solution of a polymer electrolyte to form a slurry.
  • carbon paper having a thickness of 250; am serving as an electrode is impregnated with an aqueous dispersion of fluororesin (Neoflon ND 1 manufactured by Daikin Industries, Ltd.), and then dried and dried at 400: 300. After a heat treatment for 5 minutes, water repellency was imparted to the carbon paper. Next, the slurry containing carbon powder was uniformly applied to one surface of the water-repellent carbon paper to form a catalyst layer, which was used as an electrode.
  • fluororesin Neoflon ND 1 manufactured by Daikin Industries, Ltd.
  • the two carbon paper electrodes produced by the above method were superposed with the polymer electrolyte membrane interposed therebetween with the surface on which the catalyst layer was formed facing inward, and then dried.
  • the dimensions of the above carbon paper electrode are 3.6 cm in length and 9 cm in width.Five carbon fibers are placed at a certain interval in the center of a polymer electrolyte membrane having a sufficiently large length and width. Paper electrodes were arranged, and electrodes divided into five in a single plane were fabricated. To prevent the supplied fuel gas from leaking and mixing with each other, place a sheet of silicone rubber with a thickness of about 250 ⁇ For 5 minutes to obtain MEA (e electrolyte membrane assembly).
  • the separator was 4 mm thick, and its surface was formed by cutting a gas flow channel 1 with a width of 2 mm and a depth of 1 mm. As shown in Fig. 1, a gas manifold hole 2 and a cooling water manifold hole 3 were arranged in the periphery of Separe. After stacking two such cells, a cooling section consisting of a separator having a cooling channel through which cooling water flows is stacked, and ⁇ was repeatedly laminated. O-rings for cooling section seals were not used.
  • pure hydrogen is supplied as a fuel gas through a deionized water bubbler maintained at 75 ° C, and air is supplied as an oxidant gas through a deionized water bubbler maintained at a predetermined temperature. Then, a power generation test was conducted through cooling water. At this time, fuel gas, oxidizing gas and cooling water were all introduced in the same direction, and the gas outlet was opened to normal pressure.
  • the battery operating temperature was set at 75, and a relatively large amount of cooling water at 20 L / min set at 75 ° C was passed to minimize the temperature distribution.
  • the consumption distribution was set at 80% and Uo (consumption rate of oxygen in the oxidizing gas) was set at 20%, and the performance distribution in the battery plane was examined.
  • FIG. 2 shows that when the module was operated at a constant current density of 0.3 A / cm 2 and 0.7 AZ cm 2 , 20 units in the module divided into five parts were obtained.
  • the dependence of the average voltage characteristics of the battery on the oxidant gas bubbler temperature was shown.
  • the module closest to the gas inlet side of the five-divided module is No. la, and sequentially No. lb. No. lc and No. 1 d, and the part closest to the gas outlet side is No. le.
  • FIG. 2 shows that at a current density of 0.3 AZ cm 2, at a relatively low temperature of the oxidizing gas bubbler, the characteristics are higher near the gas inlet. However, when the bubbler temperature was increased, the performance dropped rapidly from the module No.
  • a fuel cell module was fabricated in the same manner as in Example 1, pure hydrogen was supplied as fuel gas through a deionized water bubbler maintained at 75 ° C, and air was maintained at a predetermined temperature as air as an oxidant gas. Power was supplied through a water bubbler, and power generation tests were conducted through cooling water.
  • Pure hydrogen was supplied as a fuel gas to a fuel cell module manufactured in the same manner as in Example 1 through a deionized water bubbler maintained at 75 ° C, and air was maintained at a predetermined temperature as an oxidizing gas.
  • a power generation test was conducted through a water bubbler and cooling water.
  • Fig. 4 shows the oxidizer of the average voltage characteristics of the 20 cells in the partial module obtained by operating the module at a constant current density of 0.7 AZ cm2.
  • the gas bubbler showed a temperature dependence.
  • the partial module closest to the gas inlet side of the 5 divided partial modules is No. 3 a, and the partial modules closest to the gas outlet side are No. 3 b, No. 3 c, and No. 3 d in that order.
  • the cooling water flow rate was relatively small, a temperature distribution occurred between the cells of No. 3a to No. 3e.
  • the average temperature of the 20 battery constituent units in the partial module is 78.2 ° C for No.
  • No. 3c is 76.7 ° C
  • No. 3 d is 75.9
  • No. 3 e is 75.0.
  • the temperature was higher and the lower the downstream, the lower the temperature.
  • the average temperature of 20 battery constituent units in the partial module is 83.2 ° C for No. 3a and 8 2 ° C for No. 3 b. 1 ° C
  • No.3c is 79.8:
  • No.3d is 76.9 ° C
  • No.3e is 75.1 ° C
  • similarly to gas flow the temperature was higher in the upstream area and lower in the downstream area.
  • the temperature distribution from No. 3a to No. 3e is not a linear temperature distribution, but a temperature distribution that is more convex than linear.
  • the characteristics were higher near the gas inlet in both the case of 0.3 AZ cm 2 and the case of the current density of 0.7 A / cm 2 .
  • the bubbler temperature dependence showed the same tendency in all the submodules, and showed very stable characteristics in all the submodules.
  • a deionized water bubbler was supplied to a fuel cell module manufactured in the same manner as in Example 1 through a deionized water bubbler in which pure hydrogen was maintained at 75 as a fuel gas, and air was maintained at a predetermined temperature as an oxidant gas. Power supply test was conducted through cooling water.
  • the fuel gas, oxidizing gas, and cooling water were all introduced in the same direction, and the gas outlet was opened to normal pressure.
  • the battery operating temperature was set at 75, and a relatively large amount of cooling water of 2 O LZmin, set at 75 :, was passed to minimize the temperature distribution.
  • oxidant Gasubabura the average voltage characteristics of 2 0 of the cells in the sub-module obtained by dividing the module into five One temperature dependence was shown.
  • the partial module closest to the gas inlet side of the 5 divided partial modules is referred to as No. 4a, and sequentially referred to as No. 4b, No. 4c, and No. 4 d, the portion closest to the gas outlet side.
  • the module was No. 4 e.
  • Example 2 To a fuel cell module fabricated in the same manner as in Example 1, pure hydrogen was supplied as fuel gas through a deionized water bubbler maintained at 75, and deionized water was maintained at a predetermined temperature as air as an oxidant gas. Power was supplied through a bubbler and a power generation test was conducted through cooling water.
  • generated water is generated on the air electrode side, so that the partial pressure of water vapor increases nearer the gas outlet.
  • the gas inlet due to the pressure loss at the gas inlet, the gas inlet has a higher pressure than the gas outlet, so the relative humidity at the gas inlet increases.
  • the pressure loss at the gas inlet is relatively low at 0.2 kg * fZ cm 2, and the gas loss due to the pressure loss at the gas inlet is low. From the rise in relative humidity at the entrance, The effect of increasing the partial pressure of water vapor at the gas outlet due to the generation of generated water had a greater effect.
  • the gas outlet side was originally in an overflooding state, and the gas inlet side was in an overdry state.
  • the temperature distribution resulted in a relative increase in the temperature at the gas outlet, so that overflooding at the gas outlet was suppressed, overdrying at the gas inlet was also suppressed, and a stable This has the effect of obtaining battery characteristics.
  • Pure hydrogen was supplied as a fuel gas to a fuel cell module manufactured in the same manner as in Example 1 through a deionized water bubbler maintained at 75 ° C, and air was maintained at a predetermined temperature as an oxidizing gas. Supply through water bubbler, A power generation test was conducted through cooling water.
  • FIG. 7 shows, in the case of operating the module at a constant current density of 0. 7 AZ cm 2, Gasubabura oxidant average voltage characteristics of 2 0 of the battery structural units in sub-module obtained by dividing the module into five One temperature dependence was shown.
  • the module closest to the gas inlet side of the five divided modules is No. 6a, and the modules closest to the gas outlet side are No. 6b, No. 6c, and No. 6 d in that order.
  • the module was No. 6 e.
  • the pressure loss of the gas inlet portion of the case of 0 ° C is, 0. 1 kg ⁇ f Z cm 2 and relatively low, than increase of relative humidity at the gas inlet due to the pressure loss of the gas inlet, the product water generated
  • the effect of the increase in the partial pressure of water vapor at the gas outlet due to the gas had a greater effect. Therefore, the gas outlet side was originally in an over-flooding state, and the gas inlet side was in an over-dry state.
  • the temperature distribution resulted in a relative increase in the temperature at the gas outlet, so that overflooding at the gas outlet was suppressed, overdrying at the gas inlet was also suppressed, and a stable This has the effect of obtaining battery characteristics.
  • Example 10 Exactly the same test as in Example 5 was carried out, and at a current density of 0.7 AZ cm 2 , the bubbler temperature near the gas inlet and the gas outlet, the gas flow velocity (V), the saturated vapor pressure and the actual The absolute values (V 2 ⁇ ⁇ P and V ⁇ ⁇ P 2 ) of the function of the difference from the vapor pressure ( ⁇ P) were determined. Table 10 shows the relationship between these values.
  • Example 5 Exactly the same test as in Example 5 was performed, and at a current density of 0.3 AZ cm 2 , the bubbler temperature near the gas inlet and the gas outlet, the gas flow velocity (V), the saturated vapor pressure and the actual the absolute value of a function of the difference between the vapor pressure ( ⁇ P) (V 2. ⁇ P, And v ⁇ ⁇ ⁇ 2 ). Table 11 shows the relationship between these values.
  • the bubbler temperature near the gas inlet and the gas outlet, the gas flow velocity (V), the saturated vapor pressure and the actual vapor pressure at a current density of 0.3 AZ cm 2 optimal range of the difference between the absolute value of the function ( ⁇ ⁇ ) ( ⁇ 2 ⁇ ⁇ ⁇ ) with was about 1 5, 00 0 ⁇ 1 50, 000 kg 'f Zs 2.
  • the optimal range of the absolute value (V ⁇ ⁇ P 2 ) of the function of the gas flow velocity (V) and the difference between the saturated vapor pressure and the actual vapor pressure ( ⁇ ⁇ ) is about 0.8 X 10 6 1.1.4 ⁇ 10 8 (kg ⁇ f) 2 / m 3 ⁇ s.
  • the performance distribution (non-uniformity) in a single plane of the battery could be kept small.
  • the distribution direction of cooling water, the in-plane temperature distribution by adjusting the cooling water inlet temperature and the cooling water flow rate, the gas supply amount, the supply humidification amount, and the current density of the polymer electrolyte fuel cell are adjusted.
  • the gas flow rate and the function expressed by the difference between the saturated vapor pressure and the actual vapor pressure so that the optimum operation state is exhibited the polymer electrolyte fuel cell is operated. was found to be capable of stable operation with high performance.

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Description

明 細 書 高分子電解質型燃料電池の運転方法 技術分野
本発明は、 ポータブル電源、 電気自動車用電源および家庭内コージェ ネレーションシステム等に使用する常温作動型の高分子電解質型燃料電 池に関する。 背景技術
高分子電解質型燃料電池は、 水素を含有する燃料ガスと空気などの酸 素を含有する酸化剤ガスとを電気化学的に反応させることで、 電力と熱 とを同時に発生させるものである。 前記燃料電池は以下のように作製す る。 まず、 水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜の両面に、 白 金系の金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒反応層を形 成する。 次に、 それぞれの触媒反応層の外面に、 燃料ガスまたは酸化剤 ガスに対する透過性および電子導電性を併せ持つ拡散層を形成する。 触 媒反応層とこの拡散層とがー体となって電極として機能する。 そして、 電極と電解質膜の接合体を M E A (Membrane Electrolyte Assembly) と 呼ぶ。
次に、 供給されるガスが燃料電池外にリークしたり、 燃料ガスと酸化 剤ガスが互いに混合しないように、 電極の周囲には高分子電解質膜を挟 んでガスケッ トを配置する。 このガスケッ トを電極および高分子電解質 膜とあらかじめ一体化し、 一体化したものを ME Aと呼ぶ場合もある。
さらに MEAの外側には、 ME Aを機械的に固定するとともに、 隣接 した M E Aを互いに電気的に直列に接続するための導電性のセパレー夕 板を配置する。 セパレ一夕板の M E Aと接触する部分には、 電極面に反 応ガスを供給し、 かつ生成ガスや余剰ガスを運び去るためのガス流路を 形成する。 ガス流路はセパレ一夕板と別に設けることもできるが、 セパ レー夕の表面に溝を形成してガス流路とする方式が一般的である。
通常、 燃料電池を実際に使用するときは、 上述の単電池を数多く重ね た積層構造が採用されている。 燃料電池の運転時には電力が発生される と共に発熱が起こるが、 前記積層構造において、 単電池 1〜 2個毎に冷 却板を設け、 電池温度を一定に保つと同時に発生した熱エネルギーを温 水などの形で利用できるようにしている。 冷却板としては薄い金属板の 内部を冷却水などの熱媒体が貫流する構造が一般的である。 その他、 単 電池を構成するセパレー夕の背面、 すなわち冷却水を流したい面に流路 を形成し、 セパレ一夕板を冷却板としても機能させる構造もある。 その 際、 冷却水などの熱媒体をシールするための〇—リングゃガスケッ トも 必要となる。 このシール方法では、 〇_リング等を完全につぶすなどし て冷却板の上下間で充分な導電性を確保することが必要である。
また、 このような積層電池では、 マニホ一ルドと呼ばれる各単電池へ 燃料ガスを供給および排出するための孔が必要である。 このマ二ホール ドとしては、 冷却水の供給排出孔を積層電池内部に確保した、 いわゆる 内部マ二ホールド型が一般的である。
内部マ二ホールド型または外部マ二ホールド型のいずれを用いても、 冷却板を含む複数の単電池を一方向に積み重ね、 得られる積層電池の両 端に一対の端板を配し、 さらにその 2枚の端板の外側から積層電池を締 結口ッ ドで圧縮および固定することが必要である。 締め付けにおいては. 単電池を面内でできるだけ均一に締め付けることが望ましい。 また、 機 械的強度の観点から、 端板や締結ロッ ドには通常ステンレスなどの金属 材料からなるものを用いる。 これらの端板や締結ロッ ドと積層電池とを 絶縁板により電気的に絶縁し、 電流が端板を通して外部に漏れ出ること のない構造とする。 締結ロッ ドについても、 セパレー夕内部の貫通孔の 中を通したり、 端板を含む積層電池全体を金属製ベルトで締め上げる方 式も提案されている。
以上に示した高分子電解質型燃料電池は、 電解質膜が水分を含んだ状 態で電解質として機能するため、 供給する燃料ガスや酸化剤ガスを加湿 して供給する必要がある。 また、 高分子電解質膜は、 少なく とも 1 0 0 °cまでの温度範囲では、 含水率が高くなればなるほどイオン伝導度が増 大し、 電池の内部抵抗が低減し、 高性能を発揮するという効果がある。 そこで、 電解質膜中の含水率を高めるために、 供給されるガスを高加湿 にして供給する必要がある。
しかし、 電池運転温度において過度の高加湿ガスを供給すると、 電池 内部で結露水が発生し、 水滴がスムーズなガスの供給を阻害する。 また, 酸化剤ガスが供給される電極 （空気極） 側では、 発電によって水が生成 するため、 生成水の除去効率が低下し、 電池性能を低下させるという問 題が発生する。 そのため、 通常は電池運転温度より若干低めの露点を有 する加湿ガスを調製し、 電池内部に供給する。
ガスの加湿方法としては、 所定の温度に保った脱イオン水中にガスを 供給して通気 （パブリング） して加湿するバブラ一加湿方式や、 電解質 膜などの水分が容易に移動可能な膜の一方の面に所定の温度に保った脱 イオン水を流し、 他方の面にガスを流して加湿する膜加湿方式が一般的 である。 燃料ガスとして、 メタノールやメタンなどの化石燃料を水蒸気 改質したガスを用いる場合には、 改質ガス中に水蒸気が含まれているた め、 加湿の必要がない場合もある。
加湿された燃料ガスや酸化剤ガスは、 高分子電解質型燃料電池に供給 され、 発電に供する。 このとき、 積層電池中の任意の単電池の単一面内 では、 電流密度の分布が発生する。
すなわち、 燃料ガスはガス供給入り口部で所定の加湿がなされ供給さ れるが、 燃料ガス中の水素が発電によって消費されるため、 燃料ガス上 流側では水素分圧が高く水蒸気分圧が低く、 燃料ガス下流側では水素分 圧が低く水蒸気分圧が高くなるという現象が発生する。 また、 酸化剤ガ スもガス供給入り口部で所定の加湿がなされ供給されるが、 酸化剤ガス 中の酸素が発電によって消費され、 発電によって生成した水が発生する ため、 酸化剤ガス上流側では酸素分圧が高く水蒸気分圧が低く、 酸化剤 ガス下流側では酸素分圧が低く水蒸気分圧が高くなるという現象が発生 する。 さらに、 電池を冷却するための冷却水温度は、 燃料電池の入り口 側では低く出口側では高くなるため、 単電池の単一面内に温度分布が発 生する。 以上のような理由から、 電池の単一面内では電流密度分布 （性 能分布） が発生する。
また、 上述のような理由で発生した、 電池の単一面内での燃料ガス中 の水素および水蒸気分圧の不均一や、 酸化剤ガス中の酸素および水蒸気 分圧の不均一、 さらに温度分布などが、 極端に大きくなり最適な状態か ら逸脱すると、 極端な乾燥 （オーバ一ドライ） 状態や、 極端な濡れ （ォ 一バーフラッデイ ング） 状態を招来し、 電流密度分布の発生程度では収 まらず、 場合によっては電池として機能しなくなる。
さらに、 上述のような理由で発生した、 電池の単一面内での燃料ガス 中の水素および水蒸気分圧の不均一や、 酸化剤ガス中の酸素および水蒸 気分圧の不均一、 さらに温度分布などによって、 電池の単一面内でォー バードライとオーバーフラッデイ ングが共存する現象も発生しうる。 積層電池の積層数を増大させた場合、 積層した多数の単電池の一部に 上述のような問題が発生すると、 その性能が低下した一部の単電池のた めに、 積層電池全体の運転に支障を来す。 すなわち、 積層した単電池の 一部がオーバーフラッディ ングに陥った場合、 そのオーバーフラッディ ングに陥った電池では、 ガス供給のための圧力損失が増大してしまう。 ガス供給のマ二ホールドは、 積層電池内のすべての単電池が共有する ため、 オーバ一フラッデイングに陥った単電池があると、 他の単電池に もガスが流れにく くなり、 結果として積層電池全体にオーバーフラッデ イングを招来することになりかねない。
逆に、 積層電池の一部の単電池がオーバードライに陥った場合、 ォー バードライに陥った単電池においては、 ガス供給のための圧力損失が減 少する。 したがって、 オーバードライに陥った積層電池にはガスが流れ やすくなり、 結果として益々オーバ一ドライを招来する。
上述のような問題は、 燃料ガスを供給する燃料極側においても、 酸化 剤ガスを供給する空気極側においても、 ガス入り口側に比べてガス出口 側のガス中の水蒸気分圧が高くなることに起因する場合が多い。 そこで. 特表平 9— 5 1 1 3 5 6に示されているように、 酸化剤ガスの流れ方向 と冷却水の流れ方向を同方向とし、 冷却水の温度分布により酸化剤ガス の下流部の温度を上流部に比べて高くすることで、 空気極下流部のォ一 バ一フラッデイングを抑制し、 電池の単一面内の電流密度分布を低減さ せる試みもなされてきた。
しかし、 積層電池にガスを供給する場合、 ガス入り口部では必ず圧力 損失が存在するため、 積層電池内部では、 供給ガスの圧力分布も存在し. 必ず入り口側が高圧になる。 空気極側では、 水が生成するため、 水蒸気 の分圧は出口側ほど高くなるが、 圧力分布の影響で、 電池運転条件によ つては、 相対湿度は必ずしも出口側が高くなるとは限らない。 そのため. 入り口側ほど相対湿度が高くなる運転条件で電池を発電させ、 酸化剤ガ スの流れ方向と冷却水の流れ方向を同方向とし、 冷却水の温度分布によ り酸化剤ガスの下流部の温度を上流部に比べて高くすると、 ガス入り 口 側でのオーバーフラッディングが加速され逆効果となる。 発明の開示
本発明は、 上記問題点を解消すべく、 高分子電解質膜を挾む一対の電 極と、 導電性セパレー夕と、 前記電極に燃料ガスおよび酸化剤ガスを供 給排出する手段と、 前記燃料ガスおよび Zまたは前記酸化剤ガスの加湿 手段と、 前記電極と平行な面方向に冷却水を流通する手段とを具備する 高分子電解質型燃料電池の運転方法であって、
前記燃料ガスのガス流速、 前記酸化剤ガスのガス流速、 前記燃料ガス 中の飽和水蒸気圧、 前記燃料ガス中の水蒸気圧、 前記酸化剤ガス中の飽 和水蒸気圧、 前記酸化剤ガス中の水蒸気圧、 前記電極の温度、 および出 力電流値よりなる群から選択される少なくとも 1種の物理量を計測し、 前記冷却水の流通方向、 前記冷却水の温度、 前記冷却水の流量、 前記 燃料ガスの供給量、 前記酸化剤ガスの供給量、 前記燃料ガス中の湿分、 前記酸化剤ガス中の湿分、 前記電極の温度、 前記電極の温度分布、 およ び出力電流値よりなる群から選択される少なくとも 1種の物理量を調節 することにより、
前記燃料ガスのガス流速、 前記酸化剤ガスのガス流速、 前記燃料ガス 中の飽和水蒸気圧、 前記燃料ガス中の水蒸気圧、 前記酸化剤ガス中の飽 和水蒸気圧、 前記酸化剤ガス中の水蒸気圧、 前記電極の温度、 および出 力電流値よりなる群から選択される少なくとも 1種の物理量を独立変数 とする特性関数によって算出される特性値を、 所定値に維持することを 特徴とする高分子電解質型燃料電池の運転方法を提供する。
この場合、 高分子電解質型燃料電池における燃料ガスおよび酸化剤ガ スの排出口を、 前記排出口の後段に設けられた熱交換器や全熱交換器な どの不可避の圧力損失を除き、 実質的に常圧に解放するのが有効である, また、 前記特性関数が、 式 （ 1 ) ：
Y = V m X ( Δ P ) n ( 1 )
(式中、 Vは燃料ガスまたは酸化剤ガスの流速、 Δ Ρは燃料ガスまたは 酸化剤ガス中の飽和水蒸気圧と水蒸気圧との差、 mおよび nはあらかじ め定められた数値） で表され、 式 （ 1 ) より算出される特性値 Yを、 第 1所定値以上でかつ第 2所定値以下に維持するのが有効である。
また、 高分子電解質型燃料電池の運転時間または出力特性に対応し、 第 1所定値、 第 2所定値、 mおよび nよりなる群から選択される少なく とも 1種を規定するのが有効である。
また、 前記電極において燃料ガスまたは酸化剤ガスが導入される部分 を電極出発点、 前記電極において前記燃料ガスまたは前記酸化剤ガスが 排出される部分を電極出口点とし、 前記電極出発点の温度を前記電極出 口点の温度より低くするのが有効である。
前記電極出発点から電極出口点までの間における電極の温度を、 前記 電極出発点から電極出口点までの距離に対して、 上に凸となる曲線的に 変化させるのが有効である。 図面の簡単な説明
図 1は、 本発明の実施例に係る高分子電解質型燃料電池のセパレー夕 の構造を示す上面図である。
図 2は、 本発明の実施例 1に係る高分子電解質型燃料電池の特性図で ある。
図 3は、 本発明の実施例 2に係る高分子電解質型燃料電池の特性図で ある。
図 4は、 本発明の実施例 3に係る高分子電解質型燃料電池の特性図で ある。 図 5は、 本発明の実施例 4に係る高分子電解質型燃料電池の特性図で ある。
図 6は、 本発明の実施例 5に係る高分子電解質型燃料電池の特性図で ある。
図 7は、 本発明の実施例 6に係る高分子電解質型燃料電池の特性図で ある。 発明を実施するための最良の形態
本発明の実施の形態は、 高分子電解質型燃料電池の冷却水流通方向と 冷却水入り口温度と冷却水流量の調整による面内温度分布と、 ガス供給 量と、 供給加湿量と、 電流密度とを調整することによって、 ガス流速と、 飽和蒸気圧と実際の蒸気圧との差とで表される関数によって、 最適な運 転状態となるように燃料電池を調整して運転することを特徴とする。
また、 高分子電解質型燃料電池の冷却水流通方向と冷却水入り口温度 と冷却水流量の調整による面内温度分布と、 ガス供給量と、 供給加湿量 と、 電流密度とを調整することによって、 ガス流速と、 飽和蒸気圧と実 際の蒸気圧との差の積の絶対値が 2， 0 0 0〜 7 0， 0 0 0 k g · ί / s e c * mとなるように調整して運転することによって、 電池の単一面 内の電流密度分布を低減させることができる。
また、 高分子電解質型燃料電池の冷却水流通方向と冷却水入り口温度 と冷却水流量の調整による面内温度分布と、 ガス供給量と、 供給加湿量 と、 電流密度とを調整することによって、 高分子電解質型燃料電池のガ ス出口近傍の、 ガス流速と、 飽和蒸気圧と実際の蒸気圧との差の積の絶 対値が 2， 0 0 0〜 7 0 , O O O k g ' f / s e c ' mとなるように調 整して運転することによって、 電池の単一面内の電流密度分布の不均一 性を低減させることができる。 また、 ガス排出口が、 ガス排出口の後段に設けられた熱交換器 （全熱 交換器などを含む） の不可避の圧力損失を除いて実質的に常圧に解放さ れた高分子電解質型燃料電池において、 高分子電解質型燃料電池の冷却 水流通方向と冷却水入り口温度と冷却水流量の調整による面内温度分布 と、 ガス供給量と、 供給加湿量と、 電流密度とを調整することによって、 高分子電解質型燃料電池のガス出口近傍の、 ガス流速と、 飽和蒸気圧と 実際の蒸気圧との差の積の絶対値が 2， 0 0 0〜 7 0 , 0 0 0 k g · f / e c * mとなるように調整して運転することによって、 電池の単一 面内の電流密度分布の不均一性を低減させることができる。
また、 ガス排出口が、 ガス排出口の後段に設けられた熱交換器などの 不可避の圧力損失を除いて実質的に常圧に解放された高分子電解質型燃 料電池において、 ガス供給量と、 供給加湿量と、 電流密度とを調整する ことによって、 高分子電解質型燃料電池のガス入り口近傍の、 ガス流速 と、 飽和蒸気圧と実際の蒸気圧との差の積の絶対値が、 ガス出口近傍の， ガス流速と、 飽和蒸気圧と実際の蒸気圧との差の積の絶対値より大きく なるよう調整し、 かつ高分子電解質型燃料電池の冷却水流通方向と冷却 水入り口温度と冷却水流量の調整によって高分子電解質型燃料電池の面 内温度の分布を、 ガス入り口近傍よりガス出口近傍の方が高くなるよう 設定して、 ガス出口近傍の、 ガス流速と、 飽和蒸気圧と実際の蒸気圧と の差の積の絶対値が 2， 0 0 0〜 7 0 , O O O k g ' f Z s e c ' mと なるように調整して運転することによって、 電池の単一面内の電流密度 分布の不均一性を低減させることができる。
また、 高分子電解質型燃料電池へのガス供給量と、 供給加湿量と、 電 流密度とを調整することによって、 高分子電解質型燃料電池のガス入り 近傍の、 ガス流速と、 飽和蒸気圧と実際の蒸気圧との差の積の絶対値が ガス出口近傍の、 ガス流速と、 飽和蒸気圧と実際の蒸気圧との差の積の 絶対値より大きくなるよう調整し、 かつ高分子電解質型燃料電池の冷却 水流通方向と冷却水入り口温度と冷却水流量の調整によって高分子電解 質型燃料電池の面内温度の分布が直線的な分布より上に凸となるよう設 定して、 ガス出口近傍の、 ガス流速と、 飽和蒸気圧と実際の蒸気圧との 差の積の絶対値が 2， 0 0 0〜 7 0 , 0 0 0 k g ' f Z s e c ' mとな るように調整して運転することによって、 電池の単一面内の電流密度分 布の不均一性を低減させることができる。
さらに好ましくは、 高分子電解質型燃料電池の冷却水流通方向と冷却 水入り口温度と冷却水流量の調整による面内温度分布と、 酸化剤ガス供 給量と、 酸化剤ガスに供給する加湿量と、 電流密度とを調整して運転す ることによって、 電池の単一面内の電流密度分布の不均一性を低減させ ることができる。
さらに好ましくは、 高分子電解質型燃料電池に供給するガスの入り口 圧力損失を 0. 5 k g ' c m 2以下にすることによって、 電池の単一 面内の電流密度分布の不均一性を低減させることができる。
さらに好ましくは、 高分子電解質型燃料電池の冷却水流通方向と冷却 水入り口温度と冷却水流量の調整による面内温度分布と、 ガス供給量と、 供給加湿量と、 電流密度とを調整することによって、 電流密度が 0. 5 A/ c m2より小さい場合には、 ガス流速と、 飽和蒸気圧と実際の蒸気圧 との差の積の絶対値を 2， 0 0 0〜 3 0， 0 0 0 k g - f / s e c - m となるように調整して運転し、 電流密度が 0. 5 AZ c m2より大きい場 合には、 ガス流速と、 飽和蒸気圧と実際の蒸気圧との差の積の絶対値が 8 , 0 0 0〜 4 0 , O O O k g ' f / s e c ' mとなるように調整して 運転することによって、 電池の単一面内の電流密度分布の不均一性を低 減させることができる。
さらに好ましくは、 高分子電解質型燃料電池の冷却水流通方向と冷却 水入り口温度と冷却水流量の調整による面内温度分布と、 ガス供給量と, 供給加湿量と、 電流密度とを調整することによって、 ガス流通面全体に わたっての、 ガス流速と、 飽和蒸気圧と実際の蒸気圧との差の積の絶対 値の分布が、 1 0， O O O k g ' f Z s e c ' m以下となるように調整 して運転することによって、 電池の単一面内の電流密度分布の不均一性 を低減させることができる。
さらに好ましくは、 高分子電解質型燃料電池の性能が経時的に劣化し た場合には、 冷却水流通方向と冷却水入り口温度と冷却水流量の調整に よる面内温度分布と、 ガス供給量と、 供給加湿量と、 電流密度とを調整 することによって、 ガス流速と、 飽和蒸気圧と実際の蒸気圧との差の積 の絶対値が 2 0， 0 0 0 k g - f / s e c - m以上となるように調整し て運転することによって、 電池の単一面内の電流密度分布の不均一性を 低減させることができる。
さらに好ましくは、 高分子電解質型燃料電池のガス入り口側とガス出 口側の内、 ガス流速と、 飽和蒸気圧と実際の蒸気圧との差の積の絶対値 が大きい側を冷却水入り口側と同一方向とし、 ガス入り口側とガス出口 側の内、 ガス流速と、 飽和蒸気圧と実際の蒸気圧との差の積の絶対値が 小さい側を冷却水出口側と同一方向とすることによって、 電池の単一面 内の電流密度分布を低減させることができる。
以下、 本発明に好適の実施例を、 図面を参照しながら説明する。 実施例 1
高分子電解質型燃料電池の単一面内での電流密度分布 （性能分布） を 確認するため、 図 1に示すように 5分割したセパレー夕を用いて、 電池 の単一面内でセルを 5分割し、 それぞれの部位の性能を個別に測定でき る単電池 2 0個からなる積層電池を作製した。 M E Aの作製は以下のように行った。 粒径が数ミクロン以下のカーボ ン粉末を塩化白金酸水溶液に浸潰し、 還元処理によりカーボン粉末の表 面に白金触媒を担持させた。 このときのカーボンと担持した白金の重量 比は 1 ： 1 とした。 ついで、 この白金担持カーボン粉末を高分子電解質 のアルコール溶液中に分散させ、 スラリー化した。
一方、 電極となる厚さ 2 5 0 ;a mのカーボンペーパーを、 フッ素樹脂 の水性ディスパ一ジョン （ダイキン工業 （株） 製のネオフロン N D 1 ) に含浸した後、 乾燥および 4 0 0 :で 3 0分間の加熱処理をし、 カーボ ンペーパーに撥水性を付与した。 つぎに撥水処理を施した前記カーボン ペーパーの片面にカーボン粉末を含む前記スラリーを均一に塗布して触 媒層を形成し、 これを電極とした。
以上の方法で作製した 2枚のカーボンペーパー電極を、 触媒層を形成 した面を内側に向け、 高分子電解質膜を挟んで重ね合わせた後、 乾燥し た。
以上のカーボンペーパー電極の寸法は、 長さ 3 . 6 c m、 幅を 9 c m とし、 充分に大きい長さおよび幅を有する高分子電解質膜の中央に、 一 定の間隔を置いて 5枚のカーボンペーパー電極を配置し、 単一面内で 5 分割した電極を作製した。 供給する燃料ガスがリークしたり、 互いに混 合しないように、 電極の周囲に高分子電解質膜を挟んで、 約 2 5 0 ^ ΐΉ の厚みのシリコーンゴムのシートを配し、 1 2 0 °Cで 5分間ホッ トプレ スし、 M E A (電極電解質膜接合体） を得た。
セパレー夕は、 厚さが 4 m mで、 その表面には切削加工により幅 2 m m、 深さ 1 m mのガス流路 1を刻んで形成した。 そして、 図 1に示すよ うに、 セパレ一夕の周辺部にはガスのマ二ホルド孔 2と冷却水のマニホ ルド孔 3を配した。 このような単電池を 2セル積層した後、 冷却水が流 れる冷却流路を形成したセパレー夕からなる冷却部を積層し、 このパ夕 —ンを繰り返して積層した。 冷却部のシール用 O—リングは用いなかつ た。
このような単電池を 2 0個積層し、 両端部には金属製の集電板と電気 絶縁材料の絶縁板を配し、 さらに端板と端板の間を締結ロッ ドで固定し て燃料電池モジュールを得た。 このときの締結圧はセパレー夕の面積当 たり l O k g f Z c m2とした。
[評価]
上述のようにして得たモジュールに、 燃料ガスとして純水素を 7 5 °C に保った脱イオン水バブラ一を通じて供給し、 酸化剤ガスとして空気を 所定温度に保った脱イオン水バブラ一を通じて供給し、 冷却水を通じて、 発電試験を行った。 このとき、 燃料ガス、 酸化剤ガス、 冷却水ともに同 一方向に導入し、 ガス出口は常圧に開放した。
まず、 電池運転温度を 7 5 に設定し、 温度分布を極力抑えるため、 7 5 °Cに設定した 2 0 L /m i nと比較的大量の冷却水を流し、 U f (燃料ガス中の水素の消費率） = 8 0 %、 U o (酸化剤ガス中の酸素の 消費率） = 2 0 %に設定して電池面内の性能分布を調べた。
図 2には、 前記モジュールを 0. 3 A/ c m2と 0. 7 AZ c m2の定 電流密度で運転した場合の、 前記モジュールを 5つの部分に分割した部 分モジュールにおける 2 0個の単電池の平均電圧特性の酸化剤ガスバブ ラー温度依存性を示した。 5分割したモジュールの最もガス入り口側に 近い部分モジュールを N o . l aとし、 順次 N o . l b . N o . l c、 N o . 1 dとして、 最もガス出口側に近い部分を N o . l e とした。 図 2より、 0. 3 AZ c m2の電流密度では、 酸化剤ガスバブラ一温度 が比較的低い温度では、 ガス入り口に近い部位ほど特性が高いことがわ かる。 しかし、 バブラ一温度を高くすると、 ガス入り口に最も近い部分 モジュール N o . 1 aから順に性能が急激に低下した。 このとき、 部分 モジュール N o. l aは、 内部抵抗の測定からオーバ一フラッデイ ング 状態にあることがわかった。 また、 酸化剤ガスバブラー温度が 7 0 °Cの 場合のガス入り口部の圧損が、 0. 2 k g ' f Z c m2であった。 このと きの、 ガス入口近傍とガス出口近傍のバブラ一温度と、 ガス流速 （V) と （m= l ) 、 飽和蒸気圧と実際の蒸気圧との差 （Δ Ρ) の積 （n = 1 ) (V * A P) との関係を表 1 に示した。
ここで、 実際の蒸気圧 >飽和蒸気圧の場合、 Δ Ρが負となるため、 V • Δ Ρも負になる。 しかし、 実際の蒸気圧が飽和蒸気圧より極端に大き くなることは考えにくいため、 V · Δ Ρの絶対値を評価することで十分 である。 そこで、 以下においては、 絶対値を示した。
Figure imgf000016_0001
V · Δ P ( = Y) が、 約 2 , 0 0 0程度より小さい場合には、 オーバ ーフラッデイ ング状態、 V · Δ Pが約 3 0， 0 0 0より大きい場合には オーバードライ状態であり、 最適な運転状態における V · Δ Pは 2， 0 0 0〜 3 0， 0 0 0程度であった。
次に、 0. 7 AZ c m2の電流密度では、 酸化剤ガスバブラ一温度が比 較的低い温度では、 ガス入り口に近い部位ほど特性が高かった。 しかし ながら、 バブラ一温度を高くすると、 ガス入り口に最も近い部分モジュ ール N o . 1 aの性能が急激に低下した。 このとき、 部分モジュール N o . l aは、 内部抵抗の測定からオーバ一フラッデイング状態にあるこ とが分かった。 また、 酸化剤ガスバブラ一温度が 7 0 ：の場合のガス入 り口部の圧損が、 0. 4 k g ' f Z c m2であった。 このときの、 ガス入 口近傍とガス出口近傍のバブラ一温度と、 ガス流速 （V) と、 飽和蒸気 圧と実際の蒸気圧との差 （Δ P) の積の絶対値 （V · △ P) との関係を 表 2に示した。
表 2
Figure imgf000017_0001
ν · Δ Ρ力 、 約 2， 0 0 0程度より小さい場合には、 オーバーフラッ デイング状態、 ν · Δ Ρが約 7 0， 0 0 0の場合にはややオーバードラ ィ状態であり、 最適な運転状態における V · Δ Ρは 2 , 0 0 0〜 7 0， 0 0 0程度であった。 また、 上記条件下では、 電池の単一面内での性能 分布を小さく抑えることが可能であった。 また、 ν · Δ Ρが 2， 0 0 0 〜 7 0、 0 0 0の範囲外の条件では、 積層した電池構成単位の内、 極端 に性能の低下が観測される部分が発生した。 実施例 2
実施例 1 と同様にして燃料電池モジュールを作製し、 燃料ガスとして 純水素を 7 5 °Cに保った脱イオン水バブラ一を通じて供給し、 酸化剤ガ スとして空気を所定温度に保った脱イオン水バブラ一を通じて供給し、 冷却水を通じて、 発電試験を行った。
このとき、 燃料ガス、 酸化剤ガス、 冷却水ともに同一方向に導入し、 ガス出口は常圧に開放した。 1 5 °Cに設定した冷却水量を 2 L Zm i n 流し、 U f (燃料ガス中の水素の消費率） = 8 0 %、 U o (酸化剤ガス 中の酸素の消費率） = 2 0 %に設定して電池面内の性能分布を調べた。 図 3には、 前記モジュールを 0. 3 A/ c m2と 0. 7 AZ c m2の定 電流密度で運転した場合の、 前記モジュールを 5つに分割した部分モジ ユール中の 2 0個の単電池の平均電圧特性の酸化剤ガスバブラ一温度依 存性を示した。 5分割したモジュールの最もガス入り口側に部分モジュ —ルを N o . 2 aとし、 順次 N o . 2 b、 N o . 2 c、 N o . 2 dとし て、 最もガス出口側に近い部分モジュールを N o . 2 eとした。
このとき、 冷却水流量を比較的少なく したため、 N o . 2 aから N o . 2 eの部分モジュールの間で温度分布が発生した。 電流密度が 0. 3 A / c m2の場合の部分モジュールの単電池の平均温度は、 N o . 2 aが 7 4. 9 °C、 N o. 2 bが 7 5. 6 °C、 N o . 2 c力 7 6. 5 °C、 N o . 2 dが 7 7. 5 °C、 N o. 2 6が 7 8. 0でと、 ガスの流れに対して上 流部ほど温度が低く、 下流部ほど温度が高い分布となった。 また、 0. 7 AZ c m2の場合の部分モジュールの単電池の平均温度は、 N o . 2 a 力 S 7 5. 2 °C、 N o . 2 bが 7 7. 1 °C、 N o. 2 cが 7 9. 5 °C、 N o . 2 dが 8 1. 9 °C、 N o . 2 eが 8 3. 1 °Cと、 同様にガスの流れ に対して上流部ほど温度が低く、 下流部ほど温度が高い分布となった。 図 3より、 0. 3 AZ c m2の電流密度の場合にも、 0. 7 AZ c m 2の電流密度の場合においても、 ガス入口部に近い部分モジュール N o . 2 aおよび N o . 2 bにおいては、 温度が他の部分モジュールに比して 相対的に低いため、 激しいオーバーフラッディング現象による性能低下 が観測された。 逆に、 ガス出口部付近の部分モジュール N o . 2 dおよ び N o . 2 eにおいては、 温度が相対的に高いため、 激しいオーバード ライ現象による性能低下が観測された。
一般に、 空気極側では、 生成水の発生が起こるため、 ガス出口に近い 側ほど水蒸気分圧は増大する。 そこで、 特表平 9一 5 1 1 3 5 6に示さ れているように、 酸化剤ガスの流れ方向と冷却水の流れ方向を同方向と し、 冷却水の温度分布により酸化剤ガスの下流部の温度を上流部に比べ て高くすることで、 空気極下流部のオーバーフラッディングを抑制し、 電池の単一面内の電流密度分布を低減させる試みもなされてきた。 しか し、 本実施例においては、 U o = 2 0 %と、 比較的低い U oによる運転 であったため、 酸化剤ガスバブラ一温度が 7 0 °Cの場合のガス入り口部 の圧損が、 0. 4 k g · f Z c m2と比較的高く、 生成水の発生によるガ ス出口部の水蒸気分圧の増大の効果より、 ガス入口部の圧力損失による ガス入口部での相対湿度の上昇の方が大きく作用していた。 そのため、 本来ガス入口側の方がオーバーフラッディ ング状態にあり、 むしろガス 出口側の方がオーバードライ状態にあった。 さらにこれに対し、 温度分 布によってガス出口側の温度を相対的に上昇させる結果となったため、 ガス出口側のオーバーフドライを増幅させ、 ガス入口側のオーバーフラ ッディ ングを増幅させる逆効果となった。
0. 3 AZ c m2の電流密度の場合の、 ガス入口近傍とガス出口近傍の バブラ一温度と、 ガス流速 （V) と、 飽和蒸気圧と実際の蒸気圧との差 (Δ P ) の積の絶対値 （ν · Δ Ρ) との関係を表 3に示す （式 （ 1 ) に おいて m= l、 n = 1 ) 。
表 3
Figure imgf000019_0001
0. 7 AZ c m2の電流密度の場合の、 ガス入口近傍とガス出口近傍の バブラ一温度と、 ガス流速 （V) と、 飽和蒸気圧と実際の蒸気圧との差 (Δ P) の積の絶対値 （V · Δ Ρ) との関係を表 4に示す。 表 4
Figure imgf000020_0001
また、 ν · Δ Ρが 2 , 0 0 0〜 7 0、 0 0 0の範囲外では、 電池の単 一面内でオーバーフラッディングとオーバ一ドライが共存する部位が発 生し、 積層した 2 0個の電池構成単位の内、 極端に性能の低下が観測さ れ、 積層電池を安定的に運転することが困難であった。 実施例 3
実施例 1 と同様にして作製した燃料電池モジュールに、 燃料ガスとし て純水素を 7 5 °Cに保った脱イオン水バブラ一を通じて供給し、 酸化剤 ガスとして空気を所定温度に保った脱イオン水バブラ一を通じて供給し 冷却水を通じて、 発電試験を行った。
このとき、 燃料ガス、 酸化剤ガス、 は同一方向に導入し、 ガス出口は 常圧に開放した。 冷却水は、 ガス流れ方向と反対方向になるように導入 した。 7 5 °Cに設定した冷却水量を 2 LZm i n流し、 U f (燃料ガス 中の水素の消費率） = 8 0 %、 U o (酸化剤ガス中の酸素の消費率） = 2 0 %に設定して電池面内の性能分布を調べた。
図 4には、 前記モジュールを 0. 7 AZ c m 2の定電流密度で運転し た場合の、 前記モジュールを 5つに分割した部分モジュール中の 2 0個 の単電池の平均電圧特性の酸化剤ガスバブラ一温度依存性を示した。 5 分割した部分モジュールの最もガス入り口側に近い部分モジュールを N o . 3 aとし、 順次 N o . 3 b、 N o . 3 c、 N o . 3 dとして、 最も ガス出口側に近い部分モジュールを N o . 3 eとした。 このとき、 冷却水流量を比較的少なく したため、 N o . 3 aから N o . 3 eのセルの間で温度分布が発生した。 電流密度が 0. 3 AZ c m2の場 合の部分モジュール中の 2 0個の電池構成単位の平均温度は、 N o . 3 aが 7 8. 2 °C、 N o . 3 bが 7 7. 6で、 N o . 3 cが 7 6. 7 °C、 N o . 3 dが 7 5. 9 、 N o . 3 eが 7 5. 0 と、 ガスの流れに対 して上流部ほど温度が高く、 下流部ほど温度が低い分布となった。 また、 0. 7 A/ c m 2の場合の部分モジュール中の 2 0個の電池構成単位の平 均温度は、 N o . 3 aが 8 3. 2 °C , N o . 3 bが 8 2. 1 °C、 N o . 3 cが 7 9. 8 ：、 N o . 3 dが 7 6. 9 °C , N o . 3 eが 7 5. 1 °C と、 同様にガスの流れに対して上流部ほど温度が高く、 下流部ほど温度 が低い分布となった。 また、 このときの温度分布は N o . 3 aから N o . 3 eまでが直線的な温度分布ではなく、 直線的より上に凸な温度分布で めつ /こ。
図 4より、 0. 3 AZ c m2の場合にも、 0. 7 A/ c m2の電流密度 の場合においても、 ガス入り口に近い部位ほど特性が高かった。 しかし ながら、 バブラ一温度依存性は、 どの部分モジュールにおいても同様の 傾向を示し、 全ての部分モジュールにおいて非常に安定した特性を示し た。
一般に、 空気極側では、 生成水の発生が起こるため、 ガス出口に近い 側ほど水蒸気分圧は増大する。 しかし、 本実施例においては、 U o = 2 0 %と、 比較的低い U oによる運転であったため、 酸化剤ガスバブラ一 温度が 7 0 °Cの場合のガス入り口部の圧損が、 0. 4 k g * f / c m2と 比較的高く、 生成水の発生によるガス出口部の水蒸気分圧の増大の効果 より、 ガス入口部の圧力損失によるガス入口部での相対湿度の上昇の方 が大きく作用していた。 そのため、 本来ガス入口側の方がオーバ一フラ ッディ ング状態にあり、 むしろガス出口側の方がオーバ一ドライ状態に あった。 さらにこれに対し、 温度分布によってガス入口側の温度を相対 的に上昇させる結果となったため、 ガス入口側のオーバ一フラッディ ン グを抑制し、 ガス出口側のオーバ一ドライも抑制し、 安定な電池特性を 得る効果が得られた。
0. 3 AZ c m2の電流密度の場合の、 ガス入口近傍とガス出口近傍の バブラ一温度と、 ガス流速 （V) と、 飽和蒸気圧と実際の蒸気圧との差 (Δ P) の積の絶対値 （ν · Δ Ρ) との関係を表 5に示す。
表 5
Figure imgf000022_0001
0. 7 AZ c m2の電流密度の場合の、 ガス入口近傍とガス出口近傍の バブラ一温度と、 ガス流速 （V) と、 飽和蒸気圧と実際の蒸気圧との差 ( Δ P ) の積の絶対値 （ν · Δ Ρ) との関係を表 6に示す。
表 6
Figure imgf000022_0002
以上のことから、 0. 3 AZ c m2の電流密度の場合の、 ガス入口近傍 とガス出口近傍のバブラ一温度と、 ガス流速 （V) と、 飽和蒸気圧と実 際の蒸気圧との差 （Δ Ρ) の積の絶対値 （V · Δ Ρ) の最適な範囲は、 2， 0 0 0〜 30， O O O k g ' f Z s ' mであり、 0. 7 A/c m2の 電流密度の場合の、 ガス入口近傍とガス出口近傍のバブラ一温度と、 ガ ス流速 （V) と、 飽和蒸気圧と実際の蒸気圧との差 （Δ Ρ) の積の絶対 値 （ V · Δ P ) の最適な範囲は、 8， 0 0 0〜 4 0 , 0 0 0 k g · ί / s · πιであった。 また、 上記条件下では、 電池の単一面内での性能分布 を小さく抑えることが可能であった。 実施例 4
実施例 1 と同様にして作製した燃料電池モジュールに、 燃料ガスとし て純水素を 7 5 に保った脱イオン水バブラ一を通じて供給し、 酸化剤 ガスとして空気を所定温度に保った脱イオン水バブラ一を通じて供給し、 冷却水を通じて、 発電試験を行った。
このとき、 燃料ガス、 酸化剤ガス、 冷却水ともに同一方向に導入し、 ガス出口は常圧に開放した。 まず、 電池運転温度を 7 5でに設定し、 温 度分布を極力抑えるため、 7 5 :に設定した 2 O LZm i nの比較的大 量の冷却水を流し、 U f (燃料ガス中の水素の消費率） = 8 0 %、 U o (酸化剤ガス中の酸素の消費率） = 4 0 %に設定して電池面内の性能分 布を調べた。
図 5には、 前記モジュールを 0. 7 AZ c m2の定電流密度で運転した 場合の、 前記モジュールを 5つに分割した部分モジュール中の 2 0個の 単電池の平均電圧特性の酸化剤ガスバブラ一温度依存性を示した。 5分 割した部分モジュールの最もガス入り口側に近い部分モジュールを N o . 4 aとし、 順次 N o . 4 b、 N o . 4 c、 N o . 4 dとして、 最もガス 出口側に近い部分モジュールを N o . 4 eとした。
図 5より、 0. 7 A/ c m2の電流密度では、 ガス入り口に近い部位ほ ど特性が高かった。 しかしながら、 バブラ一温度を高くすると、 ガス出 口に最も近い部分モジュール N o . 4 eから順に性能が急激に低下した。 このとき、 N o. 4 eは、 内部抵抗の測定からオーバ一フラッデイ ング 状態にあることが分かった。 また、 酸化剤ガスバブラ一温度が 6 0 の 場合のガス入り口部の圧損が、 0. 2 k g · f / c m2であった。 このと きの、 ガス入口近傍とガス出口近傍のバブラ一温度と、 ガス流速 （V) と、 飽和蒸気圧と実際の蒸気圧との差 （Δ Ρ) の積の絶対値 （V · Δ P) との関係を表 7に示す。
表 7
Figure imgf000024_0001
ν · Δ Ρが、 約 7， 0 0 0程度より小さい場合には、 オーバ一フラッ デイング状態、 ' 厶？が、約 3 2， 0 0 0の場合にはややオーバードラ ィ状態であり、 最適な運転状態における V · Δ Ρは 8， 0 0 0〜 4 0， 0 0 0程度であった。 また、 上記条件下では、 電池の単一面内での性能 分布を小さく抑えることが可能であった。 また、 V · Δ Ρのガス入口部 とガス出口部の差が 1 2 , 0 0 0以上あり、 安定に運転できなかった。 さらに、 V · 厶 Ρが、 8， 0 0 0〜 4 0、 0 0 0の範囲外では、 部分モ ジュール中、 積層,した 2 0個の電池構成単位の内、 極端に性能の低下が 観測される電池構成単位が発生した。 実施例 5
実施例 1 と同様にして作製した燃料電池モジュールに、 燃料ガスとし て純水素を 7 5でに保った脱イオン水バブラ一を通じて供給し、 酸化剤 ガスとして空気を所定温度に保った脱イオン水バブラ一を通じて供給し、 冷却水を通じて、 発電試験を行った。
このとき、 燃料ガス、 酸化剤ガス、 冷却水ともに同一方向に導入し、 ガス出口は常圧に開放した。 7 5 °Cに設定した冷却水を 2 L Zm i n流 し、 U f (燃料ガス中の水素の消費率） = 8 0 %、 U o (酸化剤ガス中 の酸素の消費率） = 4 0 %に設定して電池面内の性能分布を調べた。 図 6には、 前記モジュールを 0. 7 AZ c m2の定電流密度で運転した 場合の、 前記モジュールを 5つに分割した部分モジュール中の 2 0個の 単電池の平均電圧特性の酸化剤ガスバブラ一温度依存性を示した。 5分 割した電池の最もガス入り口側に部分モジュールを N o . 5 aとし、 順 次 N o . 5 b、 N o. 5 c、 N o . 5 dとして、 最もガス出口側に近い 部分モジュールを N o . 5 eとした。 このとき、 冷却水流量を比較的少 なく したため、 N o . 5 a〜N o . 5 eの部分モジュールの間で温度分 布が発生した。 電流密度が 0. 7 AZ c m2の場合の部分モジュール中の 2 0個の電池構成単位の平均セル温度は、 N o . 5 aが 7 5. 1 °C、 N o . 5 bが 7 7. O , N o . 5 cが 7 9. 7。C、 N o . 5 dが 8 1. 8 ：、 N o . 5 eが 8 3. 0°Cと、 ガスの流れに対して上流部ほど温度 が低く、 下流部ほど温度が高い分布となった。 また、 このときの温度分 布は N o . 5 a〜N o . 5 eまでが直線的な温度分布ではなく、 直線的 より上に凸な温度分布であった。
図 6より、 0. 7 AZ c m2の電流密度の場合、 ガス入り口に近い部位 ほど特性が高かった。 しかし、 バブラ一温度依存性は、 どの部分モジュ ールにおいても同様の傾向を示し、 全ての部分モジュールにおいて非常 に安定した特性を示した。
一般に、 空気極側では、 生成水の発生が起こるため、 ガス出口に近い 側ほど水蒸気分圧は増大する。 一方、 ガス入口部の圧力損失により、 ガ ス出口部に比べてガス入口部が高圧となるため、 ガス入口部の相対湿度 が上昇する。 しかし、 本実施例においては、 酸化剤ガスバブラ一温度が 7 0 °Cの場合のガス入り口部の圧損が、 0. 2 k g * f Z c m2と比較的 低く、 ガス入口部の圧力損失によるガス入口部での相対湿度の上昇より、 生成水の発生によるガス出口部の水蒸気分圧の増大の効果の方が大きく 作用していた。 そのため、 本来ガス出口側の方がオーバーフラッディ ン グ状態にあり、 ガス入口側の方がオーバードライ状態にあった。 さらに これに対し、 温度分布によってガス出口側の温度を相対的に上昇させる 結果となったため、 ガス出口側のオーバーフラッデイ ングを抑制し、 ガ ス入口側のオーバ一ドライも抑制し、 安定な電池特性を得る効果となつ た。
0. 7 AZ c m2の電流密度の場合の、 ガス入口近傍とガス出口近傍の バブラ一温度と、 ガス流速 （V) と、 飽和蒸気圧と実際の蒸気圧との差 ( Δ P ) の積の絶対値 （ν · Δ Ρ) との関係を表 8に示す。
表 8
Figure imgf000026_0001
以上のことから、 0. 7 AZ c m2の電流密度の場合の、 ガス入口近傍 とガス出口近傍のバブラ一温度と、 ガス流速 （V ) と、 飽和蒸気圧と実 際の蒸気圧との差 （Δ P) の積の絶対値 （V · Δ P) の最適な範囲は、 1 0， 0 0 0〜 3 8， O O O k g ' f Z s ' mであった。 また、 上記条 件下では、 電池の単一面内での性能分布を小さく抑えることが可能であ つた。 実施例 6
実施例 1 と同様にして作製した燃料電池モジュールに、 燃料ガスとし て純水素を 7 5 °Cに保った脱イオン水バブラ一を通じて供給し、 酸化剤 ガスとして空気を所定温度に保った脱イオン水バブラ一を通じて供給し、 冷却水を通じて、 発電試験を行った。
このとき、 燃料ガス、 酸化剤ガス、 冷却水ともに同一方向に導入し、 ガス出口を絞って、 ガス出口部の圧力がゲージ圧で 2. 0 k g · f / c m2となるよう調整した。 7 5 °Cに設定した冷却水を 2 LZm i n流し、 U f (燃料ガス中の水素の消費率） = 8 0 %、 U o (酸化剤ガス中の酸 素の消費率） = 5 0 %に設定して電池面内の性能分布を調べた。
図 7には、 前記モジュールを 0. 7 AZ c m2の定電流密度で運転した 場合の、 前記モジュールを 5つに分割した部分モジュールにおける 2 0 個の電池構成単位の平均電圧特性の酸化剤ガスバブラ一温度依存性を示 した。 5分割したモジュールの最もガス入り口側に近い部分モジュ一ル を N o . 6 aとし、 順次 N o . 6 b、 N o . 6 c、 N o . 6 dとして、 最もガス出口側に近い部分モジュールを N o . 6 eとした。
このとき、 冷却水流量を比較的少なく したため、 N o . 6 a〜N o . 6 eの部分モジュールの間で温度分布が発生した。 電流密度が 0. 7 A / c m2の場合の部分モジュール中の 2 0個の電池構成単位の平均セル温 度は、 N o . 6 aが 7 5. 0 ：、 N o . 6 bが 7 6. 0 °C , N o . 6 c Ί Ί . 8 °C, N o . 6 d力 8 0. 8 °C、 N o . 6 eが 8 2. 0 °Cと、 ガスの流れに対して上流部ほど温度が低く、 下流部ほど温度が高い分布 となった。 また、 このときの温度分布は N o . 6 a〜N o . 6 e 5まで が直線的な温度分布ではなく、 直線的より上に凸な温度分布であった。 図 7より、 0. 7 AZ c m2の電流密度の場合、 ガス入り口に近い部分 モジュールほど特性が高かったことがわかる。 しかし、 バブラ一温度依 存性は、 どの部分モジュールにおいても同様の傾向を示し、 全ての部分 モジュールにおいて非常に安定した特性を示した。
一般に、 空気極側では、 生成水の発生が起こるため、 ガス出口に近い 側ほど水蒸気分圧は増大する。 一方、 ガス入口部の圧力損失により、 ガ ス出口部に比べてガス入口部が高圧となるため、 ガス入口部の相対湿度 が上昇する。 しかし、 本実施例においては、 酸化剤ガスバブラ一温度が
7 0 °Cの場合のガス入り口部の圧損が、 0. 1 k g · f Z c m2と比較的 低く、 ガス入口部の圧力損失によるガス入口部での相対湿度の上昇より、 生成水の発生によるガス出口部の水蒸気分圧の増大の効果の方が大きく 作用していた。 そのため、 本来ガス出口側の方がオーバ一フラッディ ン グ状態にあり、 ガス入口側の方がオーバードライ状態にあった。 さらに これに対し、 温度分布によってガス出口側の温度を相対的に上昇させる 結果となったため、 ガス出口側のオーバーフラッデイ ングを抑制し、 ガ ス入口側のオーバ一ドライも抑制し、 安定な電池特性を得る効果となつ た。
0. 7 AZ c m2の電流密度の場合の、 ガス入口近傍とガス出口近傍の バブラ一温度と、 ガス流速 （V) と、 飽和蒸気圧と実際の蒸気圧との差 ( Δ P ) の積の絶対値 （ν · Δ Ρ) との関係を表 9に示す。
表 9
Figure imgf000028_0001
以上のことから、 0. 7 AZ c m2の電流密度の場合の、 ガス入口近傍 とガス出口近傍のバブラ一温度と、 ガス流速 （V) と、 飽和蒸気圧と実 際の蒸気圧との差 （Δ Ρ) の積の絶対値 （ν · Δ Ρ) の最適な範囲は、 8， 0 0 0〜 3 0 , 0 0 0 k g · f Z s ' mであった。 また、 上記条件 下では、 電池の単一面内での性能分布を小さく抑えることが可能であつ た。 実施例 7
実施例 5と全く同一の試験を行い、 0. 7 AZ c m2の電流密度の場合 の、 ガス入口近傍とガス出口近傍のバブラ一温度と、 ガス流速 （V) と、 飽和蒸気圧と実際の蒸気圧との差 （△ P) の関数の絶対値 （ V2 · Δ P、 および V · Δ P 2) を求めた。 これらの数値の関係を表 1 0に示す。
表 1 0
Figure imgf000029_0001
表 1 0に示す結果から、 0. 7 AZ c m2の電流密度の場合の、 ガス入 口近傍とガス出口近傍のバブラ一温度と、 ガス流速 （V) と、 飽和蒸気 圧と実際の蒸気圧との差 （Δ P) の関数の絶対値 （V2 · Δ P) の最適な 範囲は、 約 1 4 0 , 0 0 0〜 4 7 0， 0 0 0 k g ' f / s 2であった。 ま た、 ガス流速 （V) と、 飽和蒸気圧と実際の蒸気圧との差 （Δ Ρ) の関 数の絶対値 （ V · △ P 2) の最適な範囲は、 約 7 X 1 0 6〜 1 . 2 X 1 0
(k g ) m sであった。 さらに、 上記条件下では、 電池の単 面内での性能分布 （不均一性） を小さく抑えることが可能であった。 実施例 8
実施例 5 と全く同一の試験を行い、 0. 3 AZ c m2の電流密度の場合 の、 ガス入口近傍とガス出口近傍のバブラ一温度と、 ガス流速 （V ) と、 飽和蒸気圧と実際の蒸気圧との差 （Δ P) の関数の絶対値 （ V 2 . Δ P、 および v · Δ Ρ2) を求めた。 これらの数値の関係を表 1 1に示す,
表 1 1
Figure imgf000030_0001
表 1 1に示す結果から、 0. 3 AZ c m2の電流密度の場合の、 ガス入 口近傍とガス出口近傍のバブラ一温度と、 ガス流速 （V ) と、 飽和蒸気 圧と実際の蒸気圧との差 （Δ Ρ) の関数の絶対値 （ν2 · Δ Ρ) の最適な 範囲は、 約 1 5， 00 0〜 1 50, 000 k g ' f Zs 2であった。 また. ガス流速 （V) と、 飽和蒸気圧と実際の蒸気圧との差 （Δ Ρ) の関数の 絶対値 （V · Δ P 2) の最適な範囲は、 約 0. 8 X 1 0 6〜 1. 4 X 1 0 8(k g · f ) 2/m3 · sであった。 さらに、 上記条件下では、 電池の単一 面内での性能分布 （不均一性） を小さく抑えることが可能であった。 産業上の利用の可能性
本発明によると、 高分子電解質型燃料電池の冷却水流通方向と冷却水 入り口温度と冷却水流量の調整による面内温度分布と、 ガス供給量と、 供給加湿量と、 電流密度とを調整することによって、 ガス流速と、 飽和 蒸気圧と実際の蒸気圧との差とで表される関数によって、 最適な運転状 態が表されるよう調整して運転することによって、 高分子電解質型燃料 電池を高性能で安定に運転可能であることが判明した。

Claims

請 求 の 範 囲 1 . 高分子電解質膜を挟む一対の電極と、 導電性セパレー夕と、 前記電 極に燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給排出する手段と、 前記燃料ガスお よび Zまたは前記酸化剤ガスの加湿手段と、 前記電極と平行な面方向に 冷却水を流通する手段とを具備する高分子電解質型燃料電池の運転方法 であって、 前記燃料ガスのガス流速、 前記酸化剤ガスのガス流速、 前記燃料ガス 中の飽和水蒸気圧、 前記燃料ガス中の水蒸気圧、 前記酸化剤ガス中の飽 和水蒸気圧、 前記酸化剤ガス中の水蒸気圧、 前記電極の温度、 および出 力電流値よりなる群から選択される少なくとも 1種の物理量を計測し、 前記冷却水の流通方向、 前記冷却水の温度、 前記冷却水の流量、 前記 燃料ガスの供給量、 前記酸化剤ガスの供給量、 前記燃料ガス中の湿分、 前記酸化剤ガス中の湿分、 前記電極の温度、 前記電極の温度分布、 およ び出力電流値よりなる群から選択される少なくとも 1種の物理量を調節 することにより、 前記燃料ガスのガス流速、 前記酸化剤ガスのガス流速、 前記燃料ガス 中の飽和水蒸気圧、 前記燃料ガス中の水蒸気圧、 前記酸化剤ガス中の飽 和水蒸気圧、 前記酸化剤ガス中の水蒸気圧、 前記電極の温度、 および出 力電流値よりなる群から選択される少なくとも 1種の物理量を独立変数 とする特性関数によって算出される特性値を、 所定値に維持することを 特徴とする高分子電解質型燃料電池の運転方法。 2 . 高分子電解質型燃料電池における燃料ガスおよび酸化剤ガスの排出 口を、 前記排出口の後段に設けられた熱交換器の不可避の圧力損失を除 き、 実質的に常圧に解放することを特徴とする請求の範囲第 1項記載の 高分子電解質型燃料電池の運転方法。 3 . 前記特性関数が、 式 （ 1 ) ： Y = V m X ( Δ P ) π ( 1 ) (式中、 Vは燃料ガスまたは酸化剤ガスの流速、 Δ Ρは燃料ガスまたは 酸化剤ガス中の飽和水蒸気圧と水蒸気圧との差、 mおよび ηはあらかじ め定められた数値） で表され、 式 （ 1 ) より算出される特性値 Υを、 第1所定値以上でかつ第 2所定値以下に維持することを特徴とする請求の 範囲第 1項記載の高分子電解質型燃料電池の運転方法。 4 . 高分子電解質型燃料電池の運転時間または出力特性に対応し、 第 1 所定値、 第 2所定値、 mおよび ηよりなる群から選択される少なくとも1種を規定することを特徴とする請求の範囲第 3項記載の高分子電解質 型燃料電池の運転方法。 5 . 前記電極において燃料ガスまたは酸化剤ガスが導入される部分を電 極出発点、 前記電極において前記燃料ガスまたは前記酸化剤ガスが排出 される部分を電極出口点とし、 前記電極出発点の温度を前記電極出口点 の温度より低くすることを特徴とする請求の範囲第 1項記載の高分子電 解質型燃料電池の運転方法。 6 . 前記電極出発点から電極出口点までの間における電極の温度 Υを、 前記電極出発点から電極出口点までの距離 Xに対して、 上に凸となる曲 線的に変化させること特徴とする請求の範囲第 5項記載の高分子電解質 型燃料電池の運転方法。 補正書の請求の範囲 [ 2 0 0 0年 9月 5日 （0 5 . 0 9 . 0 0 ) 国際事務局受理：出願当初の請求の範囲 3は取り 下げられた；出願当初の請求の範囲 1は捕正された；他の請求の範囲は変更なし。 （2頁）]
1 . (補正後） 高分子電解質膜を挟む一対の電極と、 導電性セパレー 夕と、 前記電極に燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給排出する手段と、 前 記燃料ガスおよび Zまたは前記酸化剤ガスの加湿手段と、 前記電極と平 行な面方向に冷却水を流通する手段とを具備する高分子電解質型燃料電 池の運転方法であって、
前記燃料ガスのガス流速、 前記酸化剤ガスのガス流速、 前記燃料ガス 中の飽和水蒸気圧、 前記燃料ガス中の水蒸気圧、 前記酸化剤ガス中の飽 和水蒸気圧、 前記酸化剤ガス中の水蒸気圧、 前記電極の温度、 および出 力電流値よりなる群から選択される少なくとも 1種の物理量を計測し、 前記冷却水の流通方向、 前記冷却水の温度、 前記冷却水の流量、 前記 燃料ガスの供給量、 前記酸化剤ガスの供給量、 前記燃料ガス中の湿分、 前記酸化剤ガス中の湿分、 前記電極の温度、 前記電極の温度分布、 およ び出力電流値よりなる群から選択される少なくとも 1種の物理量を調節 することにより、
式 （ 1 ) ： Y = V m X ( Δ P ) n ( 1 )
(式中、 Vは燃料ガスまたは酸化剤ガスの流速、 Δ Ρは燃料ガスまたは 酸化剤ガス中の飽和水蒸気圧と水蒸気圧との差、 mおよび nはあらかじ め定められた数値） で表される特性関数によって算出される特性値 Yを、 第 1所定値以上でかつ第 2所定値以下に維持することを特徴とする高分 子電解質型燃料電池の運転方法。
2 . 高分子電解質型燃料電池における燃料ガスおよび酸化剤ガスの排出 口を、 前記排出口の後段に設けられた熱交換器の不可避の圧力損失を除 き、 実質的に常圧に解放することを特徴とする請求の範囲第 1項記載の 高分子電解質型燃料電池の運転方法。
補正された用紙 （条約第 19条）
3 . (削除）
4 . 高分子電解質型燃料電池の運転時間または出力特性に対応し、 第 1 所定値、 第 2所定値、 mおよび nよりなる群から選択される少なくとも 1種を規定することを特徴とする請求の範囲第 3項記載の高分子電解質 型燃料電池の運転方法。
5 . 前記電極において燃料ガスまたは酸化剤ガスが導入される部分を電 極出発点、 前記電極において前記燃料ガスまたは前記酸化剤ガスが排出 される部分を電極出口点とし、 前記電極出発点の温度を前記電極出口点 の温度より低くすることを特徴とする請求の範囲第 1項記載の高分子電 解質型燃料電池の運転方法。
6 . 前記電極出発点から電極出口点までの間における電極の温度 Yを、 前記電極出発点から電極出口点までの距離 Xに対して、 上に凸となる曲 線的に変化させること特徴とする請求の範囲第 5項記載の高分子電解質 型燃料電池の運転方法。
補正された用紙 （条約第 19条) 条約 1 9条に基づく説明書 請求の範囲第 3項を第 1項に組み込むことにより、 本発明に係る高分 子電解質型燃料電池の運転方法に用いられる特性関数を明確にした。
いずれの引用例にも、 このような特性関数は開示されていない。
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Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004335444A (ja) * 2003-04-16 2004-11-25 Toyota Motor Corp 燃料電池の制御方法
WO2006077741A1 (ja) * 2004-12-28 2006-07-27 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. 高分子電解質型燃料電池発電システム
JP2006210334A (ja) * 2004-12-28 2006-08-10 Matsushita Electric Ind Co Ltd 高分子電解質型燃料電池発電システム
JP2007179973A (ja) * 2005-12-28 2007-07-12 Matsushita Electric Ind Co Ltd 高分子電解質型燃料電池
JP2007188893A (ja) * 1999-04-26 2007-07-26 Matsushita Electric Ind Co Ltd 高分子電解質型燃料電池の運転方法
JP2009009891A (ja) * 2007-06-29 2009-01-15 Toyota Motor Corp 燃料電池システムの制御装置

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2000065678A1 (fr) * 1999-04-26 2000-11-02 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Procede de fonctionnement d'une pile a combustible electrolytique a polymere
WO2001035477A1 (fr) * 1999-11-08 2001-05-17 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Pile a combustible electrolytique polymerique
CN1293661C (zh) * 2000-12-05 2007-01-03 松下电器产业株式会社 高分子电解质型燃料电池及其运行方法
JP4300346B2 (ja) * 2002-12-18 2009-07-22 日産自動車株式会社 燃料電池システム
KR100774465B1 (ko) * 2005-12-05 2007-11-08 엘지전자 주식회사 연료 전지 시스템의 열손실 방지장치
DE102006004395A1 (de) * 2006-01-31 2007-08-09 Sartorius Ag Brennstoffzellensystem, Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems und Computerprogrammprodukt zum Ausführen des Verfahrens
KR101240976B1 (ko) * 2010-11-12 2013-03-11 현대자동차주식회사 차량용 연료전지의 냉각 시스템
FR3076014B1 (fr) 2017-12-26 2020-09-25 Ledger Controle d'integrite d'un dispositif electronique

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07263010A (ja) 1994-03-24 1995-10-13 Mazda Motor Corp 燃料電池システムの供給ガス加湿装置
JPH08111230A (ja) 1994-10-12 1996-04-30 Kansai Electric Power Co Inc:The 固体高分子型燃料電池の運転方法
JPH103936A (ja) 1996-06-12 1998-01-06 Sanyo Electric Co Ltd 固体高分子型燃料電池発電システム
JPH10255828A (ja) 1997-03-13 1998-09-25 Honda Motor Co Ltd 燃料電池およびその制御方法

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5547776A (en) 1991-01-15 1996-08-20 Ballard Power Systems Inc. Electrochemical fuel cell stack with concurrently flowing coolant and oxidant streams
WO2000065678A1 (fr) * 1999-04-26 2000-11-02 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Procede de fonctionnement d'une pile a combustible electrolytique a polymere

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07263010A (ja) 1994-03-24 1995-10-13 Mazda Motor Corp 燃料電池システムの供給ガス加湿装置
JPH08111230A (ja) 1994-10-12 1996-04-30 Kansai Electric Power Co Inc:The 固体高分子型燃料電池の運転方法
JPH103936A (ja) 1996-06-12 1998-01-06 Sanyo Electric Co Ltd 固体高分子型燃料電池発電システム
JPH10255828A (ja) 1997-03-13 1998-09-25 Honda Motor Co Ltd 燃料電池およびその制御方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See also references of EP1187240A4

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007188893A (ja) * 1999-04-26 2007-07-26 Matsushita Electric Ind Co Ltd 高分子電解質型燃料電池の運転方法
JP2004335444A (ja) * 2003-04-16 2004-11-25 Toyota Motor Corp 燃料電池の制御方法
JP4522097B2 (ja) * 2003-04-16 2010-08-11 トヨタ自動車株式会社 燃料電池の制御方法
WO2006077741A1 (ja) * 2004-12-28 2006-07-27 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. 高分子電解質型燃料電池発電システム
JP2006210334A (ja) * 2004-12-28 2006-08-10 Matsushita Electric Ind Co Ltd 高分子電解質型燃料電池発電システム
US7611786B2 (en) 2004-12-28 2009-11-03 Panasonic Corporation Polymer electrolyte fuel cell power generation system
JP2007179973A (ja) * 2005-12-28 2007-07-12 Matsushita Electric Ind Co Ltd 高分子電解質型燃料電池
JP2009009891A (ja) * 2007-06-29 2009-01-15 Toyota Motor Corp 燃料電池システムの制御装置

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