JP2005079076A - 燃料電池の評価装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 (1)電解質を挟持した一対の電極とガス流路が形成された燃料ガス側セパレータ11および酸化ガス側セパレータ10とを有する評価用単位燃料電池を備えた燃料電池の評価装置1であって、前記燃料ガス側セパレータおよび酸化ガス側セパレータの少なくとも一方のセパレータの、少なくとも一部を絶縁性の透明部材から形成した燃料電池の評価装置。(2)評価用単位燃料電池の運転条件を変更する変更手段50を設けた。(3) 絶縁性の透明部材と電極との間に集電手段13を設け、集電手段13に電流取り出し手段14を設けた。
【選択図】 図1
Description
各セルの、アノード側では、水素を水素イオン(プロトン)と電子にする反応が行われ、水素イオンは電解質膜中をカソード側に移動し、カソード側では酸素と水素イオンおよび電子(隣りのMEAのアノードで生成した電子がセパレータを通してくる、またはセル積層方向一端のセルのアノードで生成した電子が外部回路を通して他端のセルのカソードにくる)から水を生成するつぎの反応が行われる。
カソード側:2H+ +2e- +(1/2)O2 →H2 O
燃料電池は発電に伴いガス流路内に水が生成し、この生成水が発電性能に大きな影響を及ぼす。比較的乾燥しやすい酸化ガス流路の上流部では、膜が乾燥してプロトンの膜中の移動が円滑に行われなくなって電池性能が低下しやすく、生成水量の多い酸化ガス流路の下流部では、湿潤過多、いわゆるフラッディングが生じやすく、酸素のカソードへの供給が生成水で阻害されて電池性能が低下しやすい。そのため、水の生成状態を外部から観察することができたり、あるいはセル面内の水分布を定量的に把握することができることが望まれる。しかし、セパレータがカーボンやメタルから製作されているので、通常、流路内を外部から観察することはできない。その結果、ガス流路内のどこで水が多く生成し、実際にどのような水分布になっているのかを把握する手段、方法は未だ確立されていないのが現状である。
また、教材用レドックス電池の、膜によって隔てられた正極室と負極室に酸化還元反応で変色する正極液と負極液を通水し、透明壁を通して、正極液と負極液における通水(生成水ではない)の色の変化を視認することが特開平2−79374号公報に提案されている。しかし、固体高分子電解質型燃料電池では、セパレータの流路に流されるのは液ではなく、ガスであり、しかも、生成される水は純水であって酸化還元反応で変色する液ではいので、従来技術を適用して水の生成を把握することはできない。また、従来技術では、正極室と負極室の各室の全体が変色するので、セル面内での水の生成量の分布までを把握することはできない。さらに、教材用のため、環境条件が固定されているため、電池が使用される種々の使用条件(たとえば、温度、ガス圧力、ガス流量など)を変化させて電池の水分生成を評価することができず、従来技術を実際の燃料電池の水分生成評価に適用することは、不可能かまたは極めて困難である。
本発明が解決しようとするもう一つの問題点は、上記問題に加えて、従来の燃料電池の水分評価では、電池が使用される種々の使用条件を変化させて電池の水分を評価することができなかったという問題である。
本発明のもう一つの目的は、燃料電池の発電反応に伴う生成水の水分布を外部から視認でき、かつ、電池が使用される種々の使用条件を変化させて電池の水分を評価することができる燃料電池の評価装置を提供することにある。
(1) 電解質を挟持した一対の電極とガス流路が形成された燃料ガス側セパレータおよび酸化ガス側セパレータとを有する評価用単位燃料電池を備えた燃料電池の評価装置であって、前記燃料ガス側セパレータおよび酸化ガス側セパレータの少なくとも一方のセパレータの、少なくとも一部を絶縁性の透明部材から形成した燃料電池の評価装置。
(2) 前記評価用単位燃料電池の運転条件を変更する変更手段を設けた(1)記載の燃料電池の評価装置。
(3) 前記絶縁性の透明部材と前記電極との間に集電手段を設け、前記集電手段に電流取り出し手段を設けた(1)記載の燃料電池の評価装置。
(4) 前記集電手段に複数の前記電流取り出し手段を設けた(3)記載の燃料電池の評価装置。
(5) 前記集電手段を分割し、それぞれに前記電流取り出し手段を設けた(3)記載の燃料電池の評価装置。
(6) 前記評価用単位燃料電池を、燃料電池スタックと並列に接続した(1)ないし(5)の何れかに記載の燃料電池の評価装置。
(7) 前記評価用単位燃料電池を、燃料電池スタックの両端の単位燃料電池の少なくとも一方に組み込んだ(1)ないし(5)の何れかに記載の燃料電池の評価装置。
(8) 前記酸化ガス側セパレータを2以上の部材に分割し、そのうちの一部の第1の部材を透明樹脂で製作するとともに、残りの第2の部材を導電性材で製作し、さらに、前記第1の部材と前記電極との間に設けた集電手段を前記第1の部材よりも一回り大きくして前記第2の部材と接触させた(1)記載の燃料電池の評価装置。
(9) 前記評価用単位燃料電池を、燃料電池スタックの両端の単位燃料電池の少なくとも一方に組み込んだ(8)記載の燃料電池の評価装置。
(10) 前記評価用単位燃料電池を、燃料電池スタックの両端の単位燃料電池の少なくとも一方に組み込み、前記第1の部材の外部に水滴量を計測可能なセンサを設けた(8)記載の燃料電池の評価装置。
(11) 前記評価用単位燃料電池を組み込んだ燃料電池スタックをそのまま車両用燃料電池スタックとして用いる(7)、(9)、(10)の何れかに記載の燃料電池の評価装置。
上記(2)の燃料電池の評価装置によれば、燃料電池の運転条件を変更する変更手段を設けたので、変更手段によって評価運転条件を電池が実際に使用される環境条件に制御することができ、実際の運転状態に近い状態での水分評価を行うことができる。
上記(3)の燃料電池の評価装置によれば、透明部材と電極との間に集電手段を設け、集電手段に電流取り出し手段を設けたので、セパレータの透明部材が電気絶縁部材であるにもかかわらず、評価用単セルに発電を行わせることができるとともに、電極の電流を取り出し、水分布を定量的に評価することができる。
上記(4)の燃料電池の評価装置によれば、集電手段に複数の電流取り出し手段を設けたので、集電手段のセル面内方向の抵抗値を小さくでき、発電面積の大きなセルでも集電手段による電圧降下を低く抑えることができ、精度の高い評価を行うことができる。
上記(5)の燃料電池の評価装置によれば、集電手段を分割し、それぞれに電流取り出し手段を設けたので、セル面内の電流密度分布も同時に計測することが可能となる。
上記(7)の燃料電池の評価装置によれば、評価用単位燃料電池を、燃料電池スタックの両端の単位燃料電池の少なくとも一方に組み込んだので、スタック内部の水分状態を直接把握することができる。
上記(8)の燃料電池の評価装置によれば、第1の部材と電極との間に設けた集電手段を第1の部材よりも一回り大きくして第2の部材と接触させたので、電流取り出し手段を設けることなくセパレータの第1の部材の部分の水分を観察することができる。
上記(9)の燃料電池の評価装置によれば、上記(8)の評価用単位燃料電池を、燃料電池スタックの両端の単位燃料電池の少なくとも一方に組み込んだので、スタック内部の水分状態を直接把握することができる。
上記(10)の燃料電池の評価装置によれば、上記(8)の評価用単位燃料電池を、燃料電池スタックの両端の単位燃料電池の少なくとも一方に組み込み、第1の部材の外部に水滴量を計測可能なセンサを設けたので、スタック内部の水分状態を直接把握することができ、さらに、センサ出力に応じて内部の水滴量を外部からコントロールすることが可能となる。
上記(11)の燃料電池の評価装置によれば、車両用燃料電池スタックを分解することなくメンテナンスが可能となる。
本発明の何れの実施例にわたって共通する構成部分には、本発明の全実施例にわたって同じ符号が付してある。
本発明の燃料電池の評価装置は、評価用単位燃料電池1を備えている。
評価用単位燃料電池1は、固体高分子電解質型の評価用単位燃料電池であり、電解質20を挟持した一対の電極21、22(アノード21、カソード22)とを有するMEA12と、燃料ガス流路23が形成された燃料ガス側セパレータ11および酸化ガス流路24が形成された酸化ガス側セパレータ10とを有する。
評価用単位燃料電池1の燃料ガス側セパレータ11および酸化ガス側セパレータ10の少なくとも一方のセパレータの、少なくとも一部は、電気絶縁性の透明部材、たとえば透明樹脂(透明プラスチック)から形成されている。また、透明樹脂部分と電極21、23との間には導電性の集電手段13が設けられている。すなわち、通常のセパレータがもつ役割を、ガス流路を形成する部分と、発電した電流を導電する部分とに分け、前者は透明樹脂で製作可能であることから透明樹脂とし、後者を集電手段から構成した。
図1〜図3では、評価用単位燃料電池1の燃料ガス側セパレータ11および酸化ガス側セパレータ10は、その全部が透明樹脂から形成されているが、図10では、酸化ガス側セパレータ10の一部10aのみが透明樹脂から形成されている。
集電手段13は、触媒毒の無い(電極21、22の触媒層の触媒を被毒させない)ように、少なくとも表面がAu、Ptなどから構成されており、電流取り出し手段14も、金属メッシュ13同様、触媒毒の無い導電性の材料(たとえば、黄銅にAuメッキ)から製作されている。電流取り出し手段14は、図示しない負荷に接続されている。MEA12を挟んだセパレータ11、10は、中央部にくりぬきのあるフロントプレート16およびバックプレート17で挟み込み、これを図示しないボルトによって締結してある。MEA12の面積が小さいなどの理由で締結荷重が低い場合には、フロントプレート16およびバックプレート17は省略できる。
変更手段2が温度である場合、変更手段2は、燃料ガス側セパレータ11および酸化ガス側セパレータ10の少なくとも一方のセパレータのガス流路の背面側に形成された冷却水流路を含む。
変更手段2がガス流量である場合、変更手段2は、燃料ガス流路23に接続される燃料ガス供給配管に設けられた流量制御弁や、酸化ガス流路24接続される酸化ガス供給配管に設けられた流量制御弁などを含む。
また、透明部材と電極21、22との間に集電手段13を設けたので、セパレータの透明部材が電気絶縁部材であるにもかかわらず、評価用単セルに発電を行わせることができるとともに、電極21、22の電流を取り出すことができる。その結果、発電性能に大きな影響を及ぼすガス流路23、24内の水分布とその水生成量を、発電状態で、定量的に外部から把握することができ、評価することができる。
また、評価用燃料電池1の運転条件を変更する変更手段2を設けたので、変更手段2によって評価燃料電池の運転条件を、実際に車両に搭載される電池が実際に使用される環境条件に制御することができ、実際に車両に搭載される電池の実際の運転状態に近い状態での水分評価を行うことができる。
図4、図5の例では、片側のセパレータ(酸化ガス側セパレータ10)を透明樹脂で製作し、もう片方のセパレータ(燃料ガス側セパレータ11)を熱伝導率の高い金属で製作し、金属製セパレータのガス流路の背面に冷却水流路15を形成する。この冷却水流路15に冷水あるいは温水を流すことにより、セル面内の温度制御を可能にしている。
本発明の実施例2の作用、効果については、その冷却水流路15を流れる冷却水の温度、または量、または温度と量を、制御することによって、評価用単位燃料電池1の運転温度を、実際の燃料電池の運転温度に近づけることができる。
本発明の実施例3の作用、効果については、集電手段13に複数の電流取り出し手段14を設けたので、電流取り出し手段14間の、集電手段13のセル面内方向の抵抗値を小さくでき、発電面積の大きなセルでも集電手段13による電圧降下を低く抑えることができ、精度の高い評価を行うことができる。
本発明の実施例4の作用、効果については、集電手段13を分割し、それぞれに電流取り出し手段14を設けたので、セル面内の電流密度分布も同時に計測することが可能となる。したがって、それぞれの分割域における水分量も定量的に測定することができ、その測定データを基にして流路の最適化をはかることができる。
酸化ガスが、スタック100の酸化ガス入口41からスタックに流入し、スタックの酸化ガス出口42から流出する場合に、酸化ガスは、スタック100への流路から分流して、評価用単位燃料電池1の酸化ガス入口から酸化ガス流路24に流入し、評価用単位燃料電池1の酸化ガス出口を通って流出して、スタックの酸化ガス出口42から流出するガスに合流して、循環する。
燃料ガスが、スタック100の燃料ガス入口43からスタックに流入し、スタックの燃料ガス出口44から流出する場合に、燃料ガスは、スタック100への流路から分流して、評価用単位燃料電池1の燃料ガス入口から燃料ガス流路23に流入し、評価用単位燃料電池1の燃料ガス出口を通って流出して、スタックの燃料ガス出口44から流出するガスに合流して、循環する。
同様に、冷却水が、スタック100の冷却水入口45からスタックに流入し、スタックの冷却水出口46から流出する場合に、冷却水は、スタック100への流路から分流して、評価用単位燃料電池1の冷却水入口から冷却水流路15に流入し、評価用単位燃料電池1の冷却水出口を通って流出して、スタックの冷却水出口46から流出する冷却水に合流して、循環する。
酸化ガスが、スタック100の酸化ガス入口41からスタックに流入し、スタックの酸化ガス出口42から流出する場合に、スタック100の酸化ガス入口41からスタックに流入する酸化ガスの一部が、評価用単位燃料電池1の酸化ガス流路24に流入し、酸化ガス流路24を流れた後、スタックの酸化ガス出口42から流出するガスに合流して、循環する。
燃料ガスが、スタック100の燃料ガス入口43からスタックに流入し、スタックの燃料ガス出口44から流出する場合に、スタック100の燃料ガス入口43からスタックに流入する燃料ガスの一部が、評価用単位燃料電池1の燃料ガス流路23に流入し、燃料ガス流路23を流れた後、スタックの燃料ガス出口44から流出するガスに合流して、循環する。
同様に、冷却水が、スタック100の冷却水入口45からスタックに流入し、スタックの冷却水出口46から流出する場合に、スタック100の冷却水入口45からスタックに流入する冷却水の一部が、評価用単位燃料電池1の冷却水流路15に流入し、冷却水流路15を流れた後、スタックの冷却水出口46から流出する冷却水に合流して、循環する。
本発明の実施例7の作用、効果については、第1の部材10aと電極22との間に設けられた集電手段13が第1の部材10aよりも一回り大きく製作されていてまわりの第2の部材10bと接触しているので、第1の部材10aで発電した電流は金属網を通じ第2の部材10bで集電され、電流取り出し手段14を設けることなくセパレータの第1の部材10aの部分の水分を観察することができる。
酸化ガスがスタック100の酸化ガス入口41からスタック100に流入し、スタック100の酸化ガス出口42から流出する場合に、スタック100の酸化ガス入口41からスタック100に流入する酸化ガスの一部が評価用単位燃料電池1の酸化ガス流路24に流入し、酸化ガス流路24を通った後、スタックの酸化ガス出口42から流出するガスに合流し、循環する。
燃料ガスがスタック100の燃料ガス入口43からスタック100に流入し、スタック100の燃料ガス出口44から流出する場合に、スタック100の燃料ガス入口43からスタック100に流入する燃料ガスの一部が評価用単位燃料電池1の燃料ガス流路23に流入し、燃料ガス流路23を通った後、スタックの燃料ガス出口44から流出するガスに合流し、循環する。
同様に、冷却水がスタック100の冷却水入口45からスタック100に流入し、スタック100の冷却水出口46から流出する場合に、スタック100の冷却水入口45からスタック100に流入する冷却水の一部が評価用単位燃料電池1の冷却水流路15に流入し、冷却水流路15を通った後、スタックの冷却水出口46から流出する冷却水に合流し、循環する。
酸化ガスがスタック100の酸化ガス入口41からスタック100に流入し、スタック100の酸化ガス出口42から流出する場合に、スタック100の酸化ガス入口41からスタック100に流入する酸化ガスの一部が評価用単位燃料電池1の酸化ガス流路24に流入し、酸化ガス流路24を通った後、スタックの酸化ガス出口42から流出するガスに合流し、循環する。
燃料ガスがスタック100の燃料ガス入口43からスタック100に流入し、スタック100の燃料ガス出口44から流出する場合に、スタック100の燃料ガス入口43からスタック100に流入する燃料ガスの一部が評価用単位燃料電池1の燃料ガス流路23に流入し、燃料ガス流路23を通った後、スタックの燃料ガス出口44から流出するガスに合流し、循環する。
同様に、冷却水がスタック100の冷却水入口45からスタック100に流入し、スタック100の冷却水出口46から流出する場合に、スタック100の冷却水入口45からスタック100に流入する冷却水の一部が評価用単位燃料電池1の冷却水流路15に流入し、冷却水流路15を通った後、スタックの冷却水出口46から流出する冷却水に合流し、循環する。
2 変更手段
10 酸化ガス側セパレータ
10a 酸化ガス側セパレータ(可視化部)
10b 酸化ガス側セパレータ(非可視化部)
11 燃料ガス側セパレータ
12 MEA
13 集電手段
14 電流取り出し手段
15 冷却水流路
16 フロントプレート
17 バックプレート
20 電解質
21 電極(アノード)
22 電極(カソード)
23 燃料ガス流路
24 酸化ガス流路
30 水滴量センサ
41 酸化ガス入口
42 酸化ガス出口
43 燃料ガス入口
44 燃料ガス出口
45 冷却水入口
46 冷却水出口
100 燃料電池スタック
Claims (11)
- 電解質を挟持した一対の電極とガス流路が形成された燃料ガス側セパレータおよび酸化ガス側セパレータとを有する評価用単位燃料電池を備えた燃料電池の評価装置であって、前記燃料ガス側セパレータおよび酸化ガス側セパレータの少なくとも一方のセパレータの、少なくとも一部を絶縁性の透明部材から形成した燃料電池の評価装置。
- 前記評価用単位燃料電池の運転条件を変更する変更手段を設けた請求項1記載の燃料電池の評価装置。
- 前記絶縁性の透明部材と前記電極との間に集電手段を設け、前記集電手段に電流取り出し手段を設けた請求項1記載の燃料電池の評価装置。
- 前記集電手段に複数の前記電流取り出し手段を設けた請求項3記載の燃料電池の評価装置。
- 前記集電手段を分割し、それぞれに前記電流取り出し手段を設けた請求項3記載の燃料電池の評価装置。
- 前記評価用単位燃料電池を、燃料電池スタックと並列に接続した請求項1ないし請求項5の何れか一項記載の燃料電池の評価装置。
- 前記評価用単位燃料電池を、燃料電池スタックの両端の単位燃料電池の少なくとも一方に組み込んだ請求項1ないし請求項5の何れか一項記載の燃料電池の評価装置。
- 前記酸化ガス側セパレータを2以上の部材に分割し、そのうちの一部の第1の部材を透明樹脂で製作するとともに、残りの第2の部材を導電性材で製作し、さらに、前記第1の部材と前記電極との間に設けた集電手段を前記第1の部材よりも一回り大きくして前記第2の部材と接触させた請求項1記載の燃料電池の評価装置。
- 前記評価用単位燃料電池を、燃料電池スタックの両端の単位燃料電池の少なくとも一方に組み込んだ請求項8記載の燃料電池の評価装置。
- 前記評価用単位燃料電池を、燃料電池スタックの両端の単位燃料電池の少なくとも一方に組み込み、前記第1の部材の外部に水滴量を計測可能なセンサを設けた請求項8記載の燃料電池の評価装置。
- 前記評価用単位燃料電池を組み込んだ燃料電池スタックをそのまま車両用燃料電池スタックとして用いる請求項7、請求項9、請求項10の何れか一項記載の燃料電池の評価装置。
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