(57)【要約】【課題】燃料電池の運転方法に関し、水バランスの均一化に必要な温度差を電極間に確実に生じさせることを可能にする。【解決手段】アノード側のセパレータの温度をカソード側のセパレータの温度よりも５℃以上低くして運転を行う。【選択図】図２
2008186782.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜を挟んでアノード側とカソード側との間に温度差を生じさせる手段を備えた燃料電池において、
前記アノードに隣接するセパレータの温度を前記カソードに隣接するセパレータの温度よりも５℃以上低くして運転を行うことを特徴とする燃料電池の運転方法。
【請求項２】
前記の温度差を生じさせる手段は、前記アノードに供給されるアノードガスの温度と前記カソードに供給されるカソードガスの温度との間に差を設けることであり、
アノードガスの温度をカソードガスの温度よりも低くすることによって、前記アノードに隣接するセパレータの温度を前記カソードに隣接するセパレータの温度よりも５℃以上低くすることを特徴とする請求項１記載の燃料電池の運転方法。
【請求項３】
前記の温度差を生じさせる手段は、前記アノードを冷却する冷媒と前記カソードを冷却する冷媒とを別々の流路で流し、前記アノードを冷却する冷媒の温度と前記カソードを冷却する冷媒の温度との間に差を設けることであり、
前記アノードを冷却する冷媒の温度を前記カソードを冷却する冷媒の温度よりも低くすることによって、前記アノードに隣接するセパレータの温度を前記カソードに隣接するセパレータの温度よりも５℃以上低くすることを特徴とする請求項１記載の燃料電池の運転方法。
【請求項４】
電解質膜の両側をアノードとカソードで挟み、さらにその両側をセパレータで挟んでなる燃料電池を複数積層してなり、積層された各燃料電池は隣り合う燃料電池と絶縁体及び冷媒流路を挟んで同極同士が対面するように配置され、各燃料電池のセパレータは他の燃料電池のセパレータに外部回路で直列に接続されている燃料電池スタックにおいて、
前記アノードに隣接するセパレータ間を流れる冷媒の温度を前記カソードに隣接するセパレータ間を流れる冷媒の温度よりも低くすることによって、前記アノードに隣接するセパレータの温度を前記カソードに隣接するセパレータの温度よりも５℃以上低くして運転を行うことを特徴とする燃料電池スタックの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の運転方法に関し、詳しくは、電解質膜を挟んでアノード側とカソード側との間に温度差を生じさせることが可能な燃料電池の運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池で用いられる電解質膜は、その内部における水素イオンの移動に水分子が必要とされ、水分を含んだ状態でのみ高い水素イオン導電性を示す。このため、燃料電池内の水分が不足して電解質膜が乾燥してしまうと、水素イオンの導電性の低下に伴い燃料電池の発電性能は大きく低下してしまう。逆に、電解質膜近傍に余剰の水分が存在する場合、反応ガスの供給が水によって妨げられるため、やはり燃料電池の発電性能は低下してしまう。特にカソードでは水素と酸素との反応によって水が生成されるため、カソード近傍には余剰の水分が発生しやすい。
【０００３】
したがって、燃料電池において高い発電性能を維持するためには、燃料電池内の余剰水の排水と電解質膜の保湿とを両立させることが重要である。その手段としては、燃料電池内部での水輸送、具体的には、電解質膜中の水分のカソード側からアノード側への輸送を促進してカソード側とアノード側との水バランスを是正することが有効と考えられる。
【０００４】
燃料電池内の水バランスを是正するための技術として、従来、特許文献１に開示された技術が知られている。この従来技術は、電解質膜は高温ほど多くの水を含水できるという電解質膜の特徴を利用している。具体的には、カソードの温度をアノードの温度よりも高くすることによって電解質膜内に水の濃度勾配を生じさせることで、カソードからアノードへの水の拡散を容易にして燃料電池内の水バランスを均一化するようにしている。
【特許文献１】特開２００１−１５１３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、燃料電池の発電性能を高めるためには、単にカソードの温度をアノードの温度よりも高くすればよいというのではなく、所望の効果を得るためには適切な温度差の範囲が存在するものと考えられる。その一方で、各電極の温度を精度良く管理することは実際には容易ではない。金属やカーボンを材料とするセパレータは熱伝導率が高く、セパレータを介して電極の熱が拡散するからである。
【０００６】
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、水バランスの均一化に必要な温度差を電極間に確実に生じさせることが可能な燃料電池の運転方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、電解質膜を挟んでアノード側とカソード側との間に温度差を生じさせる手段を備えた燃料電池において、
前記アノードに隣接するセパレータの温度を前記カソードに隣接するセパレータの温度よりも５℃以上低くして運転を行うことを特徴としている。
【０００８】
第２の発明は、第１の発明において、
前記の温度差を生じさせる手段は、前記アノードに供給されるアノードガスの温度と前記カソードに供給されるカソードガスの温度との間に差を設けることであり、
アノードガスの温度をカソードガスの温度よりも低くすることによって、前記アノードに隣接するセパレータの温度を前記カソードに隣接するセパレータの温度よりも５℃以上低くすることを特徴としている。
【０００９】
第３の発明は、第１の発明において、
前記の温度差を生じさせる手段は、前記アノードを冷却する冷媒と前記カソードを冷却する冷媒とを別々の流路で流し、前記アノードを冷却する冷媒の温度と前記カソードを冷却する冷媒の温度との間に差を設けることであり、
前記アノードを冷却する冷媒の温度を前記カソードを冷却する冷媒の温度よりも低くすることによって、前記アノードに隣接するセパレータの温度を前記カソードに隣接するセパレータの温度よりも５℃以上低くすることを特徴としている。
【００１０】
また、第４の発明は、電解質膜の両側をアノードとカソードで挟み、さらにその両側をセパレータで挟んでなる燃料電池を複数積層してなり、積層された各燃料電池は隣り合う燃料電池と絶縁体及び冷媒流路を挟んで同極同士が対面するように配置され、各燃料電池のセパレータは他の燃料電池のセパレータに外部回路で直列に接続されている燃料電池スタックにおいて、
前記アノードに隣接するセパレータ間を流れる冷媒の温度を前記カソードに隣接するセパレータ間を流れる冷媒の温度よりも低くすることによって、前記アノードに隣接するセパレータの温度を前記カソードに隣接するセパレータの温度よりも５℃以上低くして運転を行うことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、アノードに隣接するセパレータの温度をカソードに隣接するセパレータの温度よりも５℃以上低くすることで、水バランスの均一化に必要な温度差を電極間に確実に生じさせることができ、燃料電池の発電性能を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
【００１３】
［本実施の形態の特徴］
図１は、本発明が適用される燃料電池の概略構成を示す図である。燃料電池８は、膜電極接合体２をその両側から導電性のセパレータ４、６で挟むことによって構成されている。膜電極接合体２は、図示は省略するが、固体高分子電解質膜の一方の面にアノードが接合され、もう一方の面にカソードが接合された構造を有している。各電極の表面には、さらに、多孔質体からなるガス拡散層が積層されている。膜電極接合体２とそのアノードに隣接するセパレータ４との間には、水素ガスが流れるガス流路４ａが形成されている。膜電極接合体２とそのカソードに隣接するセパレータ６との間には、空気が流れるガス流路６ａが形成されている。なお、図１では、セパレータ４、６を加工してガス流路４ａ、６ａを形成しているが、膜電極接合体２と各セパレータ４、６との間に多孔質体の層を設けてそれをガス流路としてもよい。また、各セパレータ４、６の外側面には冷媒流路が設けられている。燃料電池８は、冷媒流路を流れる冷媒によってその外側面から冷却されるようになっている。
【００１４】
本実施の形態の燃料電池の運転方法は、燃料電池８の運転時、アノード側のセパレータ４の温度をカソード側のセパレータ６の温度よりも５℃以上低くすることに特徴がある。セパレータ４、６は金属やカーボンを材料とするために熱伝導率が高い。このため、複数の燃料電池８を積層して燃料電池スタックとして使用する場合、隣接する燃料電池８間においてセパレータ４、６を介してカソード側からアノード側への熱拡散が発生する。したがって、各電極の温度を精度良く管理することは容易ではないが、温度管理の対象をセパレータ４、６とし、アノード側のセパレータ４の温度をカソード側のセパレータ６の温度よりも５℃以上低くすれば、水バランスの均一化に必要な温度差を電極間に確実に生じさせることができる。
【００１５】
図２は、電極間の温度差が燃料電池８の発電性能に与える影響を調べた実験の結果を示す図である。実験では、燃料電池８の負荷、すなわち、電流密度（A/cm2）を運転域内で複数値選択し、選択した電流密度（A/cm2）の各値においてセル電圧（V）及びセル抵抗（Ohm・cm2）を計測している。
【００１６】
図２に示す実験では、カソード側のセパレータ６の温度は８０℃に固定し、アノード側のセパレータ４の温度を８０℃（比較例１）、７５℃（実施例１）、７０℃（実施例２）、６０℃（実施例３）と異ならせて各データを取っている。実験では、アノード側の冷媒の温度をカソード側の冷媒の温度よりも低くすることで、セパレータ４、６間に温度差を生じさせている。なお、アノードに供給する水素ガスは、燃料電池８の入口において温度５３℃で相対湿度１００％になるように調整されている。カソードに供給する空気も、燃料電池８の入口において温度５３℃で相対湿度１００％になるように調整されている。
【００１７】
図２に示す実験結果によれば、比較例１よりも実施例１乃至３のほうが明らかに高い発電性能を得られている。また、実験では、セパレータ４、６間の温度差を０〜５℃の範囲で調整しようともした。しかし、そのような微小な温度差を実現するように各冷媒の温度調整を行うことは容易ではなく、実質的に比較例１と同じ結果になってしまった。これらの結果から、アノード側のセパレータ４の温度をカソード側６のセパレータの温度よりも５℃以上低くすることで、高い発電性能を得られることが確認できた。
【００１８】
さらに、運転温度８０℃での実験に加え、運転温度９０℃の高温条件での実験も行った。この実験でも、燃料電池８の負荷、すなわち、電流密度（A/cm2）を運転域内で複数値選択し、選択した電流密度（A/cm2）の各値においてセル電圧（V）及びセル抵抗（Ohm・cm2）を計測した。図３は、高温条件において電極間の温度差が燃料電池８の発電性能に与える影響を調べた実験の結果を示す図である。
【００１９】
図３に示す実験では、カソード側のセパレータ６の温度は９０℃に固定し、アノード側のセパレータ４の温度を９０℃（比較例２）、８０℃（実施例４）、７０℃（実施例５）と異ならせて各データを取っている。実験では、アノード側の冷媒の温度をカソード側の冷媒の温度よりも低くすることで、セパレータ４、６間に温度差を生じさせている。なお、アノードに供給する水素ガスは、燃料電池８の入口において温度５３℃で相対湿度１００％になるように調整されている。カソードに供給する空気も、燃料電池８の入口において温度５３℃で相対湿度１００％になるように調整されている。
【００２０】
図３に示す実験結果によれば、比較例２よりも実施例４及び５のほうが明らかに高い発電性能を得られている。つまり、高温条件であっても、セパレータ４、６間に明確な温度差をつけることで高い発電性能を得られることが確認できた。なお、実験では、セパレータ４、６間の温度差を１０℃にしているが、前述のように、この温度差は５℃以上であればよい。ただし、運転温度が高ければそれに応じてセパレータ４、６間の温度差も大きくすることで、電極間により明確に温度差を生じさせることができる。
【００２１】
［燃料電池スタックの具体的な構成例］
以下では、アノード側のセパレータの温度をカソード側のセパレータの温度よりも５℃以上低くすることを容易にするための燃料電池スタックの構成について具体的に説明する。図４は、本発明を適用する上で好適な燃料電池スタックの構成を示す分解図である。図４では、燃料電池スタックを構成する各部材がそれらの積層方向に分解して示されている。ただし、図４に示す燃料電池スタックの構成は、本発明を適用しうる燃料電池スタックの一構成例であって、本発明の適用がこのような構成のものに限定されることはない。
【００２２】
燃料電池スタックは、複数の燃料電池（以下、セルという）８が積層されて構成されている。図４に示す構成は、セル８の並びに特徴がある。各セル８は隣り合うセル８と同極同士が対面するように配置されている。つまり、この燃料電池スタックは、積層方向にアノード側セパレータ４を向けて配置されたセル８Ａと、積層方向にカソード側セパレータ６を向けて配置されたセル８Ｂとが交互に積層されて構成されている。以下、これら向きの異なるセルを区別する場合には符号８Ａ、８Ｂを用いて表記し、区別しない場合には符号８を用いて表記するものとする。
【００２３】
隣り合うセル８Ａ、８Ｂの間には、絶縁体１０或いは２０が配置されている。隣り合うセル８Ａ、８Ｂを直接に積層すると、アノード極同士或いはカソード極同士を接続することになるためである。セル８Ａ、８Ｂのアノード側セパレータ４間に配置される絶縁体１０の内部には、冷媒が流れる冷媒流路１２が形成されている。セル８Ａ、８Ｂのカソード側セパレータ６間に配置される絶縁体２０の内部にも、冷媒が流れる冷媒流路２２が形成されている。このように冷媒流路１２、２２を絶縁体１０、２０内に形成することによって、セパレータ４、６の形状を単純化することができ、また、冷媒のシールのための構造を簡略化することができる。
【００２４】
間に絶縁体１０、１２が配置されることで、積層された複数のセル８はそれぞれがばらばらの存在になる。しかし、これらのセル８の集合体が燃料電池スタックとして機能するためには、各セル８が直列に接続されている必要がある。そこで、この燃料電池スタックは、各セル８を直列接続するための手段として外部回路３０を備えている。外部回路３０は、セル８Ｂのアノード側セパレータ４をセル８Ａのカソード側セパレータ６に外部から電気的に接続し、セル８Ｂのカソード側セパレータ６を逆側のセル８Ａのアノード側セパレータ４に外部から電気的に接続している。
【００２５】
図４に示す構成によれば、各セル８は隣り合うセル８と同極同士が対面するように積層されているので、アノードとカソードとがセパレータ４、６を挟んで隣り合うことがない。両電極はセパレータ４、６よりも熱伝導率が格段に低い電解質膜を挟んで隣り合うのみとなる。このような構成によれば、電極間の熱拡散を抑えることができ、電極間の温度差の管理が容易になる。また、隣り合うセル８Ａ、８Ｂの間に絶縁体１０或いは１２を配置することで、隣り合うセル８Ａ、８Ｂの同極同士を電気的に絶縁しつつ、温度管理は一体的に行うことができる。
【００２６】
なお、図４に示す構成において、アノード側セパレータ４とカソード側セパレータ６との間に５℃以上の温度差をつける方法としては、例えば、次のような方法が考えられる。その方法は、アノード側の冷媒流路１２に流れる冷媒とカソード側の冷媒流路２２に流れる冷媒との間に温度差をつけることである。図４に示す構成によれば電極間の熱拡散を抑えることができるので、冷媒の温度差を略そのままセパレータ４、６の温度差とすることができるからである。
【００２７】
アノード側の冷媒流路１２に流れる冷媒と、カソード側の冷媒流路２２に流れる冷媒とが別々の系統であれば、各冷媒流路１２、２２に流れる冷媒の温度を個別に設定することができる。その場合は、燃料電池スタックの運転温度に応じて冷媒の温度差を制御する。例えば、運転温度が８０℃のときには５℃以上の度差がセパレータ４、６間に生じるように冷媒の温度差を制御し、運転温度が９０℃のときには１０℃以上の温度差がセパレータ４、６間に生じるように冷媒の温度差を制御する。これによれば、燃料電池スタックの運転温度が変化した場合であっても、燃料電池の発電性能を常に最も高い状態に維持することが可能になる。
【００２８】
アノードに供給される水素ガスと、カソードに供給される空気との間に温度差をつけることも、セパレータ４、６間に５℃以上の温度差をつける上では有効である。カソードに供給される空気よりも低温の水素ガスを空気に供給すれば、その分、アノード側セパレータ４の温度をカソード側セパレータ６の温度よりも低くする上で有利に作用する。
【００２９】
また、カソード側セパレータ６の厚さをアノード側セパレータ４の厚さよりも厚くすることも、セパレータ４、６間に５℃以上の温度差をつける上では有効である。これによれば、カソード側の熱容量はアノード側の熱容量よりも大きくなるので、カソード側はアノード側よりも冷媒によって冷却され難くなり、その結果、セパレータ４、６間に明確な温度差が生じることになる。カソード側絶縁体２０の厚さとアノード側絶縁体１０の厚さとの間に差をつけることでも、同様の効果を得ることができる。
【００３０】
カソード側セパレータ６とアノード側セパレータ４とを熱伝導率の異なる別の材料で作成することも、セパレータ４、６間に５℃以上の温度差をつける上では有効である。カソード側セパレータ６の熱伝導率をアノード側セパレータ４の熱伝導率よりも小さくすれば、カソード側はアノード側よりも冷媒によって冷却され難くなるので、結果としてセパレータ４、６間に温度差を生じさせることができる。カソード側絶縁体２０とアノード側絶縁体１０とを熱伝導率の異なる別の材料で作成することでも、同様の効果を得ることができる。
【００３１】
カソード側の拡散層の厚さをアノード側の拡散層の厚さよりも厚くすることも、セパレータ４、６間に５℃以上の温度差をつける上では有効である。拡散層の厚さが厚くなれば、その分、熱容量が大きくなるので内部に熱が篭りやすくなるからである。また、内部抵抗が大きくなる結果、抵抗で発生する熱が大きくなることも、セパレータ４、６間に温度差を生じさせる上で有利に作用する。
【００３２】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明が適用される燃料電池の概略構成を示す図である。
【図２】電極間の温度差が燃料電池の発電性能に与える影響を調べた実験の結果を示す図である。
【図３】高温条件において電極間の温度差が燃料電池の発電性能に与える影響を調べた実験の結果を示す図である。
【図４】本発明を適用する上で好適な燃料電池スタックの構成を示す分解図である。
【符号の説明】
【００３４】
２  膜電極接合体
４  アノード側セパレータ
４ａ  ガス流路
６  カソード側セパレータ
６ａ  ガス流路
８、８Ａ，８Ｂ  燃料電池（セル）
１０  アノード側絶縁体
１２  アノード側冷媒流路
２０  カソード側絶縁体
２２  カソード側冷媒流路
３０  外部回路
【図１】
2008186782.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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