JP5646590B2 - 燃料電池発電システムの運転方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、燃料電池発電システムの運転方法に関する。

酸化剤（例えば空気）と燃料（例えば水素を含む混合ガス）とを電気化学的に反応させることで発電する燃料電池は、高効率でかつ環境負荷を低減可能な発電装置として近年脚光を浴びており、性能向上、コスト削減や高耐久化のための研究が行われている。この燃料電池の適用が検討される分野は多岐にわたるが、開発が特に活発化している分野の一つに家庭用コジェネレーションプラントが挙げられる。

家庭用コジェネレーションプラントは、一般に、発電ユニットと熱利用ユニットなどから構成され、これらのユニット間が排熱回収に用いる温水を流通させる温水循環ライン等により接続されている。

発電ユニットは、一般的に電解質、例えば固体高分子膜を、酸化剤極（カソード）と燃料極（アノード）で挟み込んで形成される単位セルが搭載されている燃料電池スタックを備えている。また、都市ガスやプロパンガス等の原燃料ガスを改質して水素リッチガスを生成し、水素リッチガスを燃料電池スタック内の燃料極に供給する燃料処理系などを備えている。

さらに、この発電ユニットは、空気を燃料電池スタック内の酸化剤極に供給する酸化剤供給系と、電池や燃料処理系からの排熱を回収し熱利用ユニットに熱入力する熱管理システムと、燃料電池スタックにおいて生成された直流出力を電力系統に連係可能な交流に変換する電力変換装置などを備えている。

燃料電池スタックで行われるエネルギー変換は、例えば固体高分子形では、下記の式（１）〜式（３）に示される単位セルにおける電気化学反応に基づいて行われる。なお、固体高分子形のように約１００℃以下で動作する燃料電池では、一般的に反応促進のために白金触媒または白金を主体とする合金触媒などが使用される。また、この燃料電池は、酸化剤極と燃料極のいずれもガスを透過する導電性の多孔質体を基材とし、その表面に触媒が多孔質層を成すよう保持されている。この触媒は他方で電解質と接触している。

燃料極での反応 ：２Ｈ_２→４Ｈ^＋＋４ｅ⁻ …(１）
酸化剤極での反応：Ｏ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ⁻ → ２Ｈ_２Ｏ …(２）
全反応 ：２Ｈ_２＋Ｏ_２→２Ｈ_２Ｏ …(３）
ここで、上記電気化学反応による単位セルの発生電圧は、動作条件での電極における酸化還元反応のギブスエネルギーに規制され、理論上の上限は１．２Ｖ程度である。さらに、反応に伴う活性化分極、濃度分極、および抵抗等の損失により、通常は１Ｖ以下のセル電圧しか得られない。

したがって、燃料電池スタックは、所要の電圧を得るために単位セルを電気的直列になるよう複数積層して両端から締付けて、積層電池として構成されている。この積層電池に反応ガス、冷却水の取合い、電力の取出しタップ、計装線などを取り付けたものを燃料電池スタックと称している。

なお、燃料電池スタックを構成する各単位セル間には、酸化剤と燃料との直接混合を防止するセパレータが挿入されている。このセパレータには、通常単位セルへ酸化剤と燃料を分配するための流路が設けられている。

単位セルは化学反応に伴うエネルギー落差（生成熱）を電気エネルギーに変換する変換デバイスであるため、電気エネルギーに変換されなかったエネルギー落差（例えば束縛エネルギー分、分極による損失エネルギー分）は、熱として放出される。

ここで、単位セルにおける過熱を防止し、放出される熱を回収してコジェネレーションプラント内で有効に活用するため、複数の単位セルには、それらの間に冷却板が挿入されている。つまり、冷却水が、燃料電池スタックを含む燃料電池発電システム内を冷却板を通じて循環することにより、セルで発生する熱を回収している。なお、この冷却板は通常セパレータと一体化されている。

ところで、単位セルで発生する電圧は、分極により低下する。分極は、活性化分極、抵抗分極、および拡散分極に大別される。これらの分極を制御して必要な電圧を確保することが、セル設計および運転制御の要諦である。特に固体高分子形燃料電池セルの場合には、電解質である固体高分子膜を湿潤状態に維持し、抵抗分極を低く維持するための加湿が重要である。

しかし、加湿の方法がセル内部での反応ガスの拡散状態に大きく影響する。電解質膜が湿潤状態にある場合には電圧低下における拡散分極の寄与率が相対的に大きくなる。この拡散分極は、電気化学反応による反応ガスの消費速度が拡散速度に近づくにつれて顕著となるため、反応ガスの拡散を阻害する要因の制御が重要となる。

固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、例えば特許文献１および特許文献２などに開示されているように、電解質である固体高分子膜の湿潤状態を維持することを目的として、燃料電池セルを様々な方式で燃料電池スタック外部、あるいはセル内部から加湿する方法が提案されている。

例えば、酸化剤供給系から供給される酸化剤ガスが、燃料電池スタックの入口付近に設けられた加湿器などにより加湿される方法が知られている。この例では、加湿された酸化剤ガスが、燃料電池スタックに導入される。また、燃料ガスには、燃料処理系における改質反応等の過程において、供給または生成された蒸気が混合されて燃料電池スタックに供給される。

なお、外部から加湿する方式は、セル温度の露点に相当する蒸気圧を得る為のエネルギーを確保する必要がある。よって、システム効率への影響を抑えながら加湿に必要なエネルギーを取得する。このため、燃料電池スタック出口付近には排気または電池入口ガスの熱交換を行う方式が採用されている。

しかしながら、加湿に必要なエネルギーをシステム効率への影響を抑えつつ取得することができても、外部から加湿する方式では、加湿後の加湿水の凝縮や積層セル間の配分の均一化等を配慮する必要がある。また、燃料電池セル内部には加湿水だけではなく、酸化剤極内で発電に伴い生成された水および燃料極から酸化剤極に向かう水素イオン等に伴って電解質膜内を通過する水（随伴水）の流れがある。さらに、含水率の勾配にしたがって拡散する水の流れなどが存在する。

さらに、セルに導入される反応ガスとの熱交換によりセルから気相への蒸発や気相からセルへの凝縮が生じる。そのため、セル自身の発熱を考慮すると、セル内の水と熱が相互に影響し合って複雑な挙動を示す。

セル内部の傾向は、セルの入口部では乾燥傾向に、出口部では水分過剰傾向となる。セルの触媒層またはセパレータと接する両電極のガス拡散層に対して、適切な範囲を超えて水が滞留した場合には、ガス拡散阻害が顕著となる。このガス拡散阻害の傾向は、生成水と随伴水により水分が潤沢になる酸化剤極で主に発生する。

また、酸素の拡散速度が水素の拡散速度よりも遅いことから酸素極の分極がセル全体の性能を左右する。

なお、セル内の凝縮に関して、加湿されたセル内の反応ガス中の水分はほぼ飽和湿度にあり、セル内の低温部分において反応ガス中の水分が凝縮する。この凝縮水がガス溝中に生じ、この凝縮水が排除できない場合には、溝が閉塞し、閉塞部分の下流において反応ガスの欠乏状態が発生する。

反応ガスの欠乏状態が発生したセルでは、特性の急激な低下が生じる。そのため、安定した運転が困難になるだけではなく、局所的な電流集中による局所過熱や炭素部材の腐食等によりセルやセパレータの永久的な損傷が生じる可能性がある。

上記の現象は酸化剤極および燃料極のいずれにおいても重大な問題である。直接内部加湿方式においてセル溝内への給水や蒸発のばらつきにより溝内に液滴が滞留した場合にも、同様な現象が発生することがある。

そこで、特許文献４に開示されているように、セル内の加湿不均一と水滴の滞留によるガス溝閉塞の対策として、単位セル間に多孔質セパレータを配置して、冷却水の一部を多孔質セパレータを流通させて反応ガスの加湿に用いる手段が、提案されている。

この方式によれば、冷却水を循環させる冷却系の圧力を反応ガスよりも低く（大気圧以下も含む）設定することにより、溝に滞留する水滴を当該冷却系に吸引することができ、溝閉塞に起因する諸問題を解決することが可能となる。さらに、本方式ではセル平面内の局所的な水のバランスに応じて自律的に加湿および吸湿が行われるため、セル平面内で均一な加湿状態を、溝閉塞のリスクを伴わずに実現することができる。

上記のようにセルの水管理や熱管理に重要な役割を果たすセパレータ上の流路パターンは流路に沿って温度分布、湿度分布、圧損、入口部または出口部の取り合い位置等を考慮して決められる。

特開２００１−１７６５２９号公報 特開２００３−１４２１３４号公報 特開２００１−１７６５２２号公報 特表平１１−５０８７２６号公報 特開２００４−１０３４５６号公報 特開平６−６８８８４号公報 特開２００９−１１５６４９号公報

ところで、家庭用燃料電池発電システムを実用化するためには、信頼性向上のため、燃料電池スタックは、安定した出力を長期間供給する必要がある。したがって、燃料電池スタック内のセルに対して、セル特性の劣化防止を目的とした開発が進められている。

セル特性劣化防止の対策の１つとして、潜熱冷却運転、すなわち冷却水の蒸発潜熱とセル発熱がバランスするように冷却水流量を減少させることで、燃料電池スタック温度を上昇させてセル内部での水凝縮を抑制し、長期的な電圧低下を抑制する方法が考えられている。

また、潜熱冷却を行うことにより、冷却に必要な水循環流量を従来の１／１０程度に削減することが可能である。この結果、冷却水ポンプの小型化および低動力化が可能になる。さらに、高温運転を行なうことにより排熱回収効率が向上し、システム全体としての総合熱効率（発電効率および排熱回収効率の和）向上にも寄与する。

潜熱冷却運転においても多孔質セパレータを採用することにより、セルの反応面内に均一に水分を供給して蒸発させることが可能となり、電池内部の温度および湿度分布を均一に維持することができる。

しかし、多孔質セパレータを冷却水流量が少ない条件で使用するためには、冷却水に混入するガスへの対策が必要となる。多孔質セパレータへは運転中に、多孔質部材内を貫通して反応ガス流路から冷却水流路にガスが混入する。冷却水流路に混入したガスは、水流により排出されれば問題ない。しかし、冷却水流路に混入したガスが、流路内部に堆積した場合には冷却水流路を閉塞してしまう可能性がある。冷却水流路の閉塞は、局所的な水供給不足による局所過熱や加湿不足の原因となり、燃料電池セルの運転を困難にする。さらに、冷却水流路の閉塞は、不可逆的な性能の低下や電解質膜の損傷等、製品寿命へ悪影響を及ぼす可能性が高い。

電池内部における冷却水流路内への気泡混入への主要な対策方針としては以下のようなものが挙げられる。

（１）冷却水流路の壁面から水流内へ気泡が排出される際の気泡サイズより溝の最小寸法を大きくする。

（２）冷却水内の気泡の浮力による排出を促すため、冷却水溝を鉛直方向に延びる直線状とし、冷却水の流れ方向を浮力と同じ方向、すなわち上昇流とする。

（３）気泡の合体を防ぐため、気泡と冷却水からなる冷却水流路内気液二相流の流動様式が気泡流になる様に、気泡混入量を抑制する。このため、セパレータ入口での冷却水と反応ガスの圧力差およびセパレータ内の冷却水圧損を小さくすることにより、ガス流路と冷却水流路内の圧力差、すなわち多孔質部材内を通過するガスの駆動力を小さくして混入ガス量を抑制する。

（４）周期的に冷却水流量を増加させて強制的な気泡排除を行う。

これらの対策方針を行うためには、特許文献５に開示されているようなサーペインタイン型流路、または特許文献６に開示されているような垂直溝流路などが知られている。

サーペインタイン流路の大部分が水平溝となるため、気泡は、水流によって押し出すことによって排除される。したがって、潜熱冷却を行うために流量を下げると気泡排除に必要な流速を確保できなくなる場合がある。また、流路の本数が少ないため、流路１本あたりの面積が大きく、流路一本あたりの気泡混入の頻度が大きくなる。さらに、一度流路に閉塞が生じると、その影響範囲が大きくなる。

また、長期の運転においては冷却水流路内に気泡が堆積する可能性が高まるため、周期的に冷却水流量を増加させて強制的な気泡排除を行うことが望ましい。しかし、この構成では流路の圧力損失が大きいため、流量を増加させたときの圧力損失の変化幅が大きくなる。したがって周期的な気泡排除運転を行う限り、冷却水循環ポンプの小型化には限界がある。また圧損が大きいことは気泡の流入量を増やしてしまうことにもなる。

一方、上記問題を解決する方法としては、鉛直流路を採用する手法もある。これは、比較的面積の小さいセルに使用され、水透過板と組み合わされることもある。この鉛直流路の構成は溝が鉛直方向に配置されていることから、流路内の流れが気泡流であれば、気泡を浮力で上昇させることが可能である。また、サーペインタイン型と比較して、流路長が短く並列流路数が多いため圧力損失が小さく、ポンプの小型化も可能となる。

しかし、この構成では流速が大きくなるにつれて鉛直流路間の流量配分の不均一が増加してしまう問題点がある。この問題はセルを大型化して、冷却水流路の数が多くなると顕著になる。この流量配分の不均一化は、分岐および合流に伴う静圧の変化と水平部での圧力損失の関係に起因している。さらに、この不均一化は、合流および分岐損失、並びに水平部での圧力損失と比較して、鉛直流路での圧力損失および重力（水頭）の影響が相対的に小さくなるほど、顕著になる。長期の運転においては冷却水流路内に気泡が堆積する可能性が高まるため、周期的に冷却水流量を増加させて強制的な気泡排除を行うことが望ましい。しかし、この構成では流量を増加させても一部の流路においては流量が増加しないため、当該部に気泡が堆積した場合にはその排除が困難になることがある。

さらに、プラントでの運転では上述したセパレータ内部での気泡混入の他に、電池スタック以外の部位で冷却水循環系に混入する気泡の対策も考慮する必要がある。多孔質セパレータは反応ガス圧力より冷却水圧力を下げて運転することで、その特徴を有効に活用することが可能である。しかし、常圧運転、すなわち反応ガスが大気圧近くで電池スタックに導入される場合においては、冷却水圧力を大気圧より低くする場合がある。よって、配管接続部などで大気が冷却水循環系内にリークインするリスクがある。

冷却水循環系内へのリークインは配管系の適切な施工と検査により抑制することは可能ではある。しかし、現地での長期間運転においては不測の事態に対するロバスト性を確保する等の要求もある。

前述した２つの構成のいずれも、燃料電池スタック入口の気泡の影響を抑制するための配慮がなされていない。

本発明は、上記課題を解決するために提案されたものであり、その目的は、多孔質セパレータによる内部加湿セルにおいて、潜熱冷却運転時における気泡流入の抑制および気泡の排除を行い、広範囲の冷却水量で運転可能にすることである。

上記目的を達成するために、本発明の実施形態に係る燃料電池発電システムの運転方法は、電解質を酸化剤極および燃料極により挟持して形成される単位セルと、冷却水を冷却水供給部から供給し冷却水排出部から排出するように形成される冷却水流路部を有し、この冷却水流路部は、流路面が多孔質材であって、複数の区画に分割されて、これらの区画それぞれには複数の第１溝が互いに平行に形成されており、これらの第１溝に前記冷却水が上方に向かって流通するように構成されている第１冷却水流路と、前記複数の区画それぞれに形成される前記第１溝に垂直な方向に延びて前記第１溝の両端部それぞれに形成される溝に前記冷却水が流通し、前記第１冷却水流路と連結するように構成される第２冷却水流路と、前記第２冷却水流路と前記冷却水供給部または前記冷却水排出部とを連結し、前記冷却水が流通するように構成される第３冷却水流路と、を有し、前記流路面を構成する多孔質材の平均気孔径をｄ_Ｐ、前記冷却水の表面張力をσ、前記冷却水と前記第１冷却水流路の接触面における前記冷却水の接触角をθ、重力加速度をｇ、前記冷却水の密度をρ_Ｌ、前記冷却水内に混入するガスの密度をρ_Ｇ、とするとき、前記第１冷却水流路の前記冷却水の流通方向に垂直な断面の最小寸法は、Ｄ_Ｂ＝［４ｄ_Ｐ σｓｉｎθ／ｇ（ρ_Ｌ−ρ_Ｇ）］^１／３で規定される値Ｄ_Ｂよりも大きい燃料電池セパレータと、を交互に積層して形成される燃料電池スタックを具備する燃料電池発電システムの運転方法において、前記燃料電池セパレータに一定の流量で冷却水を供給する冷却水供給工程と、前記燃料電池セパレータに、所定の時間間隔で冷却水の流量を増減させながら供給し、前記冷却水流路部内の気泡を排出する気泡排出工程と、を有することを特徴とする。

本発明の実施形態によれば、多孔質セパレータによる内部加湿セルにおいて、潜熱冷却運転時における気泡流入の抑制および気泡の排除を行い、広範囲の冷却水量で運転を可能とする。

本発明に係る燃料電池スタックの一実施形態を示す平面図である。 図１の燃料電池スタックのII−II矢視立断面図である。 図２の冷却水供給部付近の部分拡大立断面図である。 図２の冷却水流路の壁面を示す概略立断面図である。 図２の燃料電池セパレータにおける気泡直径と気泡上昇速度の関係を示すグラフである。 図１の燃料電池スタックの運転時間と冷却水流量の関係を示すグラフである。 図２の燃料電池セパレータの第１溝の番号と溝流量の関係を示すグラフである。 従来の冷却水流路部を示す立断面図である。 図８の冷却水流路部における冷却水溝の番号と溝流量の関係を数値解析により算出した結果を示すグラフである。 内部マニホールド方式の燃料電池スタックに図１の冷却水流路構造を適用した例を示す立断面図である。

以下、図面を用いて本発明に係る燃料電池スタックの一実施形態について説明する。図１は、本実施形態の燃料電池スタックの一部を示す平面図であって、２つの燃料電池セパレータ２によって、単位セル１が挟み込まれた状態を示すものである。

燃料電池スタックは、ほぼ鉛直に立てられた平板状の単位セル１と、これと同様にほぼ鉛直に立てられた平板状の燃料電池セパレータ２が、水平方向に交互に積層されて構成されている。単位セル１は、固体分子電解質膜３が酸化剤極４および燃料極５によって挟み込まれた構造を有している。

単位セル１を挟み込むように構成される燃料電池セパレータ２は、多孔質材で形成されており、燃料ガス流路部６、酸化剤ガス流路部７、および冷却水流路部８を有している。燃料ガス流路部６には、水素等の燃料ガスが流通する燃料ガス流路１１が形成されている。酸化剤ガス流路部７には、空気等の酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス流路１２が形成されている。冷却水流路部８は、冷却水が流通する冷却水流路１３が形成されている。冷却水流路１３が形成された燃料電池セパレータの表面を流路面と定義する。

この燃料電池セパレータ２は、冷却水流路部８が、燃料ガス流路部６と酸化剤ガス流路部７によって挟み込まれた構造を有している。なお、単位セル１の酸化剤極４側には酸化剤ガス流路部７が接しており、燃料極５側には、燃料ガス流路部６が接している。

燃料電池スタックで行われるエネルギー変換は、例えば固体高分子形では、式（１）〜式（３）に示される単位セル１における電気化学反応に基づいて行われる。このとき、冷却水流路１３を流通する冷却水の一部は、上記式（１）〜（３）の電気科学反応に使用されるため、図１に示す反応用冷却水流通方向４０に沿った経路を流通する。

図２は、図１の燃料電池スタックに配置された燃料電池セパレータ２の冷却水流路部８のII−II矢視立断面図である。

この冷却水流路部８には、燃料電池セパレータ２の外部から冷却水を供給する冷却水供給部１５、および冷却水を燃料電池セパレータ２の外部に排出する冷却水排出部１６が設けられている。燃料電池スタックが組み上がった状態では、下方に冷却水供給部１５、上方に冷却水排出部１６となるように配置される。

冷却水流路部８には、冷却水流路部８が形成される面上に沿ってほぼ全域に複数平行に配置された第１溝２１が形成されている。なお、この第１溝２１は、燃料電池スタックが組み上がった状態では、鉛直方向に延びるように形成されている。また、この第１溝２１には、冷却水が流通するように形成されている。これら複数の第１溝２１からなる流路群を第１冷却水流路２２と定義する。

第１冷却水流路２２は、４つの区画、例えば第１区画３１、第２区画３２、第３区画３３、第４区画３４に分割されている。４つの区画３１、３２、３３、３４それぞれには、ほぼ同数程度の第１溝２１が配置されている。

なお、冷却水供給部１５には、４つの区画３１、３２、３３、３４に冷却水を分配する連絡溝部１７が形成されている。

４つの区画３１、３２、３３、３４に分割された第１冷却水流路２２それぞれには、複数の第１溝２１の冷却水入口側の端部に、第１溝２１が延びる方向に垂直な方向、すなわち水平方向に冷却水が流れるように溝が形成されている。同様に冷却水出口側の端部にも、水平方向に冷却水が流れるように溝が形成されている。これらの溝を、入口側第２冷却水流路２３および出口側第２冷却水流路２４と定義する。なお、入口側第２冷却水流路２３および出口側第２冷却水流路２４は、４つの区画３１、３２、３３、３４それぞれに配置されている。

さらに、冷却水供給部１５に配置される連絡溝部１７と入口側第２冷却水流路２３を接続する流路が形成されており、この流路を入口側第３冷却水流路２５と定義する。一方、冷却水排出部１６と出口側第２冷却水流路２４を接続する流路が形成されており、この流路を出口側第３冷却水流路２６と定義する。

ここで、燃料電池セパレータ２内の冷却水の流れについて説明する。

冷却水は、冷却水供給部１５から燃料電池セパレータ２に供給される。冷却水供給部１５から供給される冷却水は、連絡溝部１７によって４つの区画３１、３２、３３、３４それぞれに配置される入口側第３冷却水流路２５に分配される。入口側第３冷却水流路２５を流通する冷却水は、入口側第２冷却水流路２３に流入し、複数の第１溝２１を有する第１冷却水流路２２に分配される。なお、入口側第２冷却水流路２３は、入口側第３冷却水流路２５から供給された冷却水を、第１冷却水流路２２に分配する分配ヘッダとして利用される。

第１冷却水流路２２を流通した冷却水は、出口側第２冷却水流路２４で合流して、出口側第３冷却水流路２６を流通して、冷却水排出部１６から排出される。なお、出口側第２冷却水流路２４は、第１冷却水流路２２から供給された冷却水を合流させて、出口側第３冷却水流路２６に供給する合流ヘッダとして利用されている。

第１冷却水流路２２に流入された冷却水の一部は、反応用冷却水流通方向４０に沿った経路を流通することでセパレータ内部を移動し、式（１）〜式（３）の反応によりセル内で生成された水とともに酸化剤ガス流路１２で蒸発する。

４つの区画３１、３２、３３、３４に配置された第１冷却水流路２２それぞれの長さおよび冷却水の流通方向に垂直な断面の断面寸法は等しくなるように形成されている。また入口側および出口側第２冷却水流路２３、２４についても同様に、その長さおよび断面寸法は等しい。

入口側および出口側第３冷却水流路２５、２６を構成する溝については、各区画の水流入部と水出口部の長さの合計値が流路面内で等しくなるように構成されている。

さらに、第１冷却水流路２２の断面の最小寸法は式（４）のＤ_Ｂで規定される値よりも大きく、さらに２倍以上であることが望ましい。

ここで、ｄ_Ｐは流路面を構成する多孔質材の平均気孔径、σは冷却水の表面張力、θは冷却水と冷却水流路１３の接触面における冷却水の接触角、ｇは重力加速度、ρ_Ｌは冷却水の密度、ρ_Gは冷却水内に混入するガスの密度である。

Ｄ_Ｂ＝［４ｄ_Ｐσsinθ／ｇ(ρ_Ｌ−ρ_G)］^１/３ …（４）
本実施形態では、Ｄ_Ｂは約０．３ｍｍ、第１冷却水流路２２の最小寸法は約０．７ｍｍである。また、入口側および出口側第２冷却水流路２３、２４の断面積は第１冷却水流路２２の断面積よりも大きい。本実施形態では、第１冷却水流路２２の断面積の約２倍を有している。一方、入口側および出口側第３冷却水流路２５、２６の断面積は、第１冷却水流路２２とほぼ等しい。

図３は、図２に示す燃料電池セパレータ２の冷却水供給部１５付近の部分拡大立断面図であり、燃料電池スタックの外部からの流入する気泡４２に対する、冷却水供給部１５における流路形状の作用を示したものである。

また、冷却水供給部１５は、連絡溝部１７を境に流路の幅とピッチを変えている。連絡溝部１７より上流側では流路の幅とピッチを第１冷却水流路２２と等しく、連絡溝部１７より下流側では流路の幅寸法を入口側第２冷却水流路２３と等しくしている。また、冷却水排出部１６では流路の幅を出口側第２冷却水流路２４と等しくしている。

燃料電池スタックの外部から、内部流路よりも大きな気泡４２が入ってきた場合、特に潜熱冷却運転時のように流速が小さい場合において、気泡４２冷却水供給部１５の流路の一部を塞いだまま滞留してしまう場合がある。このような場合でも連絡溝部１７があることで、塞がれていない流路から全ての内部流路に冷却水を流入することが可能である。

次に、図４および図５により、流路内部の多孔質壁面からの気泡４２の流入に対する、流路サイズの作用について説明する。

図４は、燃料電池セパレータ２の冷却水路における気泡４２を示す立断面図である。図５は、気泡直径に対する気泡上昇速度を示すグラフである。

多孔質の垂直壁を透過してきたガスは、液体と接する壁面で気泡４２となり、気泡４２が成長して、ある程度大きくなると浮力の作用により壁面から離れる。壁面から離れた気泡４２は、単独気泡として液体内を上昇していく。壁面、冷却水、およびガスの間の界面張力と浮力の関数として前述した式（４）で与えられる。

一度壁面を離れた気泡４２は、浮力により上昇していく。この浮力の大きさは上昇距離に相当する水頭分の圧力変化のみに依存する。このため、気泡４２同士が合体しなければ、気泡４２の大きさの変化はわずかである。通常の上昇管の場合には、気泡４２同士の合体が生ずる条件は、ボイド率が約２５％を超える場合である。本実施形態では、合体することなく単独の気泡４２として上昇する。

図５に示すように、垂直管内の単独気泡４２の上昇速度は、気泡４２の直径が大きくなると、これに伴い大きくなる傾向がある。しかし、気泡直径が流路断面寸法Ｄｐに近づくにしたがって、壁面の影響を受けて減速する。本実施形態では気泡径０．３ｍｍ〜０．４ｍｍに対して、第１冷却水流路の断面寸法Ｄｐを０．７ｍｍとしているため、浮力による気泡上昇速度は最大になり、気泡４２の排出効率は最も高くなる。

次に、第１冷却水流路２２、入口側および出口側第２冷却水流路２３、２４、および入口側および出口側第３冷却水流路２５、２６の組合せの作用について説明する。

気泡４２は第１冷却水流路２２を上昇し出口側第２冷却水流路２４に突き当たり、そのまま出口側第３冷却水流路２６を通過して燃料電池セパレータ２の外部に排出される。出口側第２冷却水流路２４および出口側第３冷却水流路２６は、水平流路である。しかし、第１冷却水流路２２の流れが合流するため、出口側第２冷却水流路２４および出口側第３冷却水流路２６の流速は、第１冷却水流路２２よりも速い。したがって、気泡４２を速やかに外部に排出することが可能である。

気泡４２を排出する速度は、出口側第２冷却水流路２４によって連通される第１冷却水流路２２に配置される第１溝２２の数、すなわち区画１つ当りの第１溝２２の数によって決定される。

入口側および出口側第２冷却水流路２３、２４と第１冷却水流路２２との寸法の組合せは、区画内での第１冷却水流路２２の第１溝２１間の流量配分に影響する。すなわち、第１冷却水流路２２での圧力損失が入口側および出口側第２冷却水流路２３、２４での圧力損失および第１冷却水流路２２と入口側および出口側第２冷却水流路２３、２４との間の分岐または合流時の圧力損失の効果に比べて小さくなるにしたがって、第１冷却水流路２２の第１溝２１間の流量配分の不均一が増大する。

第１冷却水流路２２の圧損は、上述の気泡上昇速度の観点からは、流路断面寸法Ｄｐを小さくするのに制限がある。また、入口側および出口側第２冷却水流路２３、２４の流速は、気泡排除の点からなるべく大きくとる必要がある。したがって、入口側および出口側第２冷却水流路２３、２４の断面寸法を大きくすること、および分岐数すなわち区画あたりの第１冷却水流路２２の第１溝２１の数を少なくすること、の双方を満足するように最適化する必要がある。

本実施形態では、入口側および出口側第２冷却水流路２３、２４の断面積は第１冷却水流路２２の断面積の約２倍としている。

流路面内の各区画３１、３２、３３、３４間の流量配分を均一化するためには、入口側および出口側第３冷却水流路２５、２６の寸法を最適化する必要がある。本実施形態では、各区画３１、３２、３３、３４の間で入口側および出口側第３冷却水流路２５、２６の長さを揃えること、および第１冷却水流路２２の圧損より入口側および出口側第３冷却水流路２５、２６の圧損をより大きく取ることによって、均一化が図られている。

図６は、本実施形態における燃料電池スタックの運転時間と冷却水流量の関係を示すグラフである。

上述のように燃料電池セパレータ２の設計を施策したにも関わらず、長期運転においては、冷却水流路１３内に気泡４２が堆積する場合もある。冷却水供給部１５に堆積した気泡４２の強制的に排除するためには、例えば図６に示すように、周期的に冷却水流量を流量Ｑ１から流量Ｑ３まで増加させて強制的な気泡排除を行ってもよい。

図７は、燃料電池セパレータ２の複数の第１溝２１それぞれに番号付けした番号と、その番号に対応する第１溝２１に流れる冷却水流量の関係を示すグラフである。また、図８および図９は、図１および図７の比較例である。

図８は従来型燃料電池セパレータの従来型冷却水流路部１１０を示す立断面図である。この従来型冷却水流路部１１０には、従来型燃料電池セパレータの外部から冷却水を供給する冷却水供給部１５、および冷却水を外部に排出する冷却水排出部１６が設けられている。

従来型冷却水流路部１１０が形成される面上には、冷却水が流通する冷却水溝１２０が、この面に沿ってほぼ全域に複数平行に配置されている。なお、この冷却水溝１２０は、燃料電池スタックが組み上がった状態では、鉛直方向に延びるように形成されている。この冷却水溝１２０に冷却水が流通するように形成されている。

図９は、図８に示した構成において流量を増加した場合に各冷却水溝１２０に流れる冷却水の量を数値解析によって示したものである。この従来の構成では流速が大きくなるにしたがって、冷却水溝１２０間の流量不均一が増加してしまう問題点がある。

図９に示すように、流量Ｑ１、流量Ｑ２、および流量Ｑ３は、セパレータ１枚当りの冷却水流量を示し、流量Ｑ２および流量Ｑ３は、それぞれ流量Ｑ１の２．５倍および５倍の流量である。図９に示すように流量の増加にともない冷却水溝１２０間の流量配分が著しく不均一化していることが分かる。

これに対して、図７に示すように、冷却水流量を増減させても第１冷却水流路２２の第１溝２１間の流量配分は、従来の構成に比べて均一化されていることから、気泡４２の排除を確実に行なうことが可能となる。

また、従来の例えばサーペインタイン型の流路に比較して圧損が小さくまた流量変化に対する圧損変化を小さくすることができるため、冷却水ポンプの小型化および小動力化にも寄与する。

よって、本実施形態の燃料電池のセパレータ２、およびそれを使用した燃料電池スタックによれば、均一加湿と溝閉塞の回避において特に優れている多孔質セパレータを用いながら、燃料電池スタック内への気泡４２の堆積を抑制することが可能となる。

したがって、潜熱冷却運転を安定して継続することが可能となり、製品価値の向上に大きく寄与する。

以上、本発明に係る実施形態について説明したが、これらは単なる例示であって、本発明はこれらに限定されるものではない。上記実施形態で例示した構成は図１の形状に限るものではなく、例えば図１０に示すように、内部マニホールド方式の燃料電池スタックに図１の冷却水流路構造を適用することも可能である。

また、上記実施形態では、燃料電池セパレータ２の冷却水流路１３を４つの区画３１、３２、３３、３４に分割したが、これに限らず、複数に分割することが可能である。

なお、上記実施形態の燃料電池セパレータ２の燃料ガス流路部６、酸化剤ガス流路部７、および冷却水流路部８は、それぞれが独立の層を形成して、３層構造となっているが、これに限らない。例えば、１つの平板の片面に燃料ガス流路１１を形成し、反対面に冷却水流路１３を形成してもよい。

１…単位セル、２…燃料電池セパレータ、３…固体分子電解質膜、４…酸化剤極、５…燃料極、６…燃料ガス流路部、７…酸化剤ガス流路部、８…冷却水流路部、１１…燃料ガス流路、１２…酸化剤ガス流路、１３…冷却水流路、１５…冷却水供給部、１６…冷却水排出部、１７…連絡溝部、２１…第１溝、２２…第１冷却水流路、２３…入口側第２冷却水流路、２４…出口側第２冷却水流路、２５…入口側第３冷却水流路、２６…出口側第３冷却水流路、３１…第１区画、３２…第２区画、３３…第３区画、３４…第４区画、４０…反応用冷却水流通方向、４２…気泡、１１０…従来型冷却水流路部、１２０…冷却水溝

Claims (1)

1. 電解質を酸化剤極および燃料極により挟持して形成される単位セルと、
   冷却水を冷却水供給部から供給し冷却水排出部から排出するように形成される冷却水流路部を有し、この冷却水流路部は、流路面が多孔質材であって、複数の区画に分割されて、これらの区画それぞれには複数の第１溝が互いに平行に形成されており、これらの第１溝に前記冷却水が上方に向かって流通するように構成されている第１冷却水流路と、前記複数の区画それぞれに形成される前記第１溝に垂直な方向に延びて前記第１溝の両端部それぞれに形成される溝に前記冷却水が流通し、前記第１冷却水流路と連結するように構成される第２冷却水流路と、前記第２冷却水流路と前記冷却水供給部または前記冷却水排出部とを連結し、前記冷却水が流通するように構成される第３冷却水流路と、を有し、前記流路面を構成する多孔質材の平均気孔径をｄ_Ｐ、前記冷却水の表面張力をσ、前記冷却水と前記第１冷却水流路の接触面における前記冷却水の接触角をθ、重力加速度をｇ、前記冷却水の密度をρ_Ｌ、前記冷却水内に混入するガスの密度をρ_Ｇ、とするとき、前記第１冷却水流路の前記冷却水の流通方向に垂直な断面の最小寸法は、Ｄ_Ｂ＝［４ｄ_Ｐ σｓｉｎθ／ｇ（ρ_Ｌ−ρ_Ｇ）］^１／３で規定される値Ｄ_Ｂよりも大きい燃料電池セパレータと、
   を交互に積層して形成される燃料電池スタックを具備する燃料電池発電システムの運転方法において、
   前記燃料電池セパレータに一定の流量で冷却水を供給する冷却水供給工程と、
   前記燃料電池セパレータに、所定の時間間隔で冷却水の流量を増減させながら供給し、前記冷却水流路部内の気泡を排出する気泡排出工程と、
   を有することを特徴とする燃料電池発電システムの運転方法。

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