JPH04141960A - 燃料電池発電装置 - Google Patents

Abstract

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

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、燃料電池を主電源とする燃料電池発電装置に
関する。

（従来の技術） 燃料電池は燃料の有している化学的エネルギーを直接電
気的エネルギーに変換する装置である。

燃料電池は通常電解質を挟んで一対の多孔質電極を配置
すると共に一方の電極の背面に水素などの気体燃料を接
触させ、また他方の電極の背面に酸素などの酸化剤を接
触させ、この時に起こる電気化学的反応により発生する
電気エネルギーを上記一対の電極から取り出すように構
成したものである。電解質としては、溶融炭酸塩、アル
カリ溶液、酸性溶液などがある。

次に、燃料電池として代表的なリン酸を電解質とする燃
料電池を第４図を参照して説明する。

第４図において、電解質層１はマトリックス層を形成す
る繊維質シート又は鉱物質粉末にリン酸を含浸して形成
したものである。アノード２およびカソード３は炭素質
の多孔性の電極であり、電解質層１に接する面に通常白
金触媒を塗布しである。４は水素を含むガスの流れる空
間、５は酸化剤気体で、普通は空気の流れる空間である
。

先ず、リン酸を電解質としたリン酸型燃料電池の発電原
理を説明する。

空間４に流入した水素は多孔性電極２の空孔に拡散して
触媒に達する。ここで水素ガスは触媒の作用で水素イオ
ンと電子に解離する。このときの反応式は次のとおりで
ある。

Ｈ２→２　Ｈ’　＋　２６ 上記反応式で生じた水素イオンは電解質層１に入り濃度
拡散及び電界作用によりカソード３に向かって泳動する
。一方、水素ガスの解離により分離した電子はアノード
２に流れ込む。カソード３ではアノード２から泳動して
きた水素イオンと、酸化剤として空間５に供給され更に
カソード３の空孔を拡散してきた酸素と、アノード２か
ら外部の電力負荷を通って仕事をし、電池のカソード３
に戻ってきた電子、の三者が触媒表面で次の反応を起こ
す。

４Ｈ”＋４ｅ＋０２→２Ｈ２０ かくして、水素が酸化されて水になる反応と、てのとき
の化学エネルギーが電気エネルギーとなって外部の電気
負荷中で電気エネルギーを与える電池としての全反応が
完成す−る。

燃料電池は電池の発電効率を上げるために運転温度を上
げるかまたは加圧するという条件下て運転される。代表
例としてあげたリン酸型燃料電池の場合、２００℃前後
で運転され、発電装置によれば、４から８ｋｇ／ｃｆｆ
ｌＧに加圧されるものもある。

従来、この種の発電装置では、これらの運転条件は燃料
電池にかかる負荷などとは無関係に、−点に固定されて
いた。

次に、従来の燃料電池発電装置の水冷式冷却系の概略を
第７図のブロック図を参照して説明する。

燃料電池の原理を第４図に示したが、このような原理に
基づいて作動する電池を複数積層してなる電池をセルス
タック１１と呼ぶ。セルスタック１１には、アノード１
４およびカソード１３に燃料および酸化剤（空気）を取
り入れて発電する電池の他に、発電反応に伴って出る熱
を除去するための冷却板１２が一定間隔で電池と一緒に
積層されている。電池の温度制御は、セルスタック１１
内に備え付けられた冷却板１２へ冷却水を循環させるこ
とによって行う。セルスタック１１を出た高温の冷却水
１８は、改質器１７に入る前の燃料の予備加熱等に使用
された後、冷却水温度制御用熱交換器１６に入る。冷却
水の温度は冷却水温度制御用熱交換器１６出口に取り付
けられた温度計−１５で測定される。そして、負荷に応
じてこの冷却水温度を冷却水温度制御用熱交換器１６の
冷却能力を変化させ〜電池温度が一定となるようにする
。また、水処理系１９はセルスタック１１が高負荷とな
り、大量の熱除去が必要になる場合に、冷却水の追加を
行ったり、循環している冷却水の純度を上げるためにあ
る。

一方、冷却水は負荷が低く、反応熱で電池温度を維持す
る事のできない場合には、電池の温度を維持するための
加熱機能を有する。このとき、電池温度が定格発電時の
温度になるように冷却水を冷却水温度制御用熱交換器１
６で加熱したり、燃料電池システム内に具備されている
図示しないヒーター又はガスバーナーで加熱する。この
ように、従来の燃料電池発電装置では、冷却水を使って
電池温度を一定に保つようにしており、発生した電気エ
ネルギーはインバータ２０を経て電気負荷に供給してい
る。

（発明が解決しようとする課題） ところで、燃料電池材料は主として黒鉛化カーボンが使
われている。この種のカーボンを使用しでも電池運転中
には電食による腐食が進行し、電池特性の低下、クロス
オーバーによる発熱等のトラブルを引起こすことがある
。

そこで、この電食による腐食を防止するために、電池を
運転する時に電池電圧を０．８ボルト以下に押さえる工
夫が施されている。即ち、電池電圧がオープン電位（０
，９ボルト以上）にならない様にダミー抵抗を入れて電
池電圧を抑制している。

また低負荷では、反応ガスの濃度を下げて電圧を下げる
工夫がなされている。これは、電池の起電圧が、ネルン
ストの式 ％式％ で示される効果により、下がることを利用している。　
　しかし、反応ガスの濃度を下げると、反応ガスの利用
率を維持するために、濃度を小さくした分だけ電池への
流入ガス量を増やす必要がある。

一方、燃料電池内に蓄えられた電解質は、電池ガス流路
を流れる反応ガスと共に電池外へ搬出される。搬出され
る電解質はガス流路を流れるガスの容積に比例している
。従って、電池の発電状態を安定化させるために、反応
ガスを希釈して電池流入ガス量を増加させると、その分
電池内からの電解質の搬出も増加する。

通常、燃料電池の運転においては、予め電池の定格負荷
を得る温度まで昇温した後、発電運転へ移る。これは、
昇温俊速やかに定格負荷の取れる事を念頭に置くと共に
、定格負荷時の温度に電池を維持する事によって低い負
荷でも廃熱を有効に利用し、エネルギー効率を上げるた
めでもあった。

しかし、本来の燃料電池の目的である発電を考慮すると
、電解質の損失を大きくして寿命を低下させる事よりも
、発電機能の存続を優先させる運転方法をとる事が望ま
しい。すなわち、従来の運転方法では、負荷の大小に係
わらず定格負荷時の温度で運転されるため電池からの電
解質搬出は、この温度で行われる。これにより電池の寿
命を必要以上に低下させている。また、運転温度を一定
にすることにより、上記ネルンストの式に示される温度
の効果を利用した電圧抑制方法を利用することができな
かった。

本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目
的は、電池内に蓄えられた電解質のガスによる搬出を抑
制し、長時間安定した発電を維持できる燃料電池発電装
置を提供することにある。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明は、上記目的を達成するために、電解質を保持し
た層を挟んで一対の多孔質体からなるアノード電極およ
びカソード電極からなる燃料電池を用いた燃料電池発電
装置において、燃料電池にかかる負荷が定格負荷より小
さいときには、定格出力時の電池運転設計温度より低い
温度で運転する温度制御装置を備えたことを特徴とする
。

（作　用） 反応ガスによる電解質の搬出と電池の運転温度に関して
、リン酸電解質を使った燃料電池の場合で説明する。

リン酸型燃料電池の場合における電池運転温度と電池排
ガス中のＰ２Ｏ，、、濃度の関係を第５図に示す。図の
１００ｗｆ％リン酸濃度は、電池内の水蒸気分圧からリ
ン酸型燃料電池の多くの運転状態てなっているであろう
と推定されるリン酸濃度である。これによると、リン酸
電解質の搬出は温度の影響を大きく受け、温度上昇と共
に電池排ガス中のＰ４０１ｏ濃度が上がり、電池外への
リン酸搬出が大きくなることが分かる。一方、負荷を取
った時の電池電圧と運転温度にも第６図に示す関係があ
り、温度低下と共に、電池電圧も低下する。

これは、ネルンストの式に示される電圧の温度依存性に
よるものである。従って、第５図および第６図に示す燃
料電池の特質を利用して、燃料電池にかかる負荷が定格
負荷より小さいときには電池運転温度を低下させること
により、電池電圧の抑制と電解質の搬出抑制の作用を持
たせることができる。

（実施例） 本発明の実施例を図面を参照して説明する。

第１図は本発明の一実施例のブロック構成図である。な
お、既に説明した従来例と同一部分には同一符号を付し
て説明する。

図に示すように、セルスタック１１には、アノード１４
およびカソード１３に燃料および酸化剤（空気）を取り
入れて発電する電池の他に、発電反応に伴って出る熱を
除去するための冷却板１２が、一定間隔で電池と一緒に
積層されている。電池の温度制御は、セルスタック１１
内に備え付けられた冷却板１２へ、冷却水を循環させる
ことによって行う。セルスタック１１を出た高温の冷却
水１８は、改質器１７に入る前の燃料の予備加熱等に使
用された後、冷却水温度制御用熱交換器１６に入る。冷
却水の温度は冷却水温度制御用熱交換器１６出口に取り
付けられた温度計１５で測定される。そして、セルスタ
ック１１で発生した電気エネルギーはインバータ２０を
経て電気負荷に供給している。電池温度制御装置２１は
、インバータ２０から電池電力を読取り、電池の負荷に
応じて冷却水温度１５を冷却水温度制御用熱交換器１６
を使って制御することによって、電池温度を負荷に見合
った温度に制御させる装置である。なお、水処理系１９
はセルスタックが高負荷となり大量の熱除去が必要にな
る場合に、冷却水の追加を行ったり、循環している冷却
水の純度を上げるためにある。

上述したように、従来、燃料電池発電運転において、通
常の定格出力を得るための温度、またはこの温度に近い
温度まで、セルスタック１１を昇温してから発電が行わ
れていたが、本実施例では負荷に応じて単位電池当たり
の電池電圧が０．８ボルトを越えない温度でかつ水の電
池内凝縮が発生しない１００℃以上の温度にセルスタッ
クを冷却水で維持して運転できる電池温度制御装ｆｆ１
２１を発電装置に具備させたことである。

次に、電池温度制御装置２１による電池温度の制御の一
例を第２図を参照して説明する。

無負荷から３０％負荷まで、電池温度が１５０℃となる
様に冷却水温度制御用熱交換器１６によって冷却水温度
を制御する。１５０℃はリン酸蒸気の極めて少ない温度
で、かつ電池電圧を０．８ボルト以下に押さえるのに十
分な温度である。従って、リン酸蒸発量を低減できるば
かりでは無く、反応ガス濃度を下げてガス流量を上げる
ような電池寿命低下となる操作を行う必要がな（なる。

また、同様に負荷を上げた場合、すなわち、３０から５
０％負荷までセルスタック１１が１８０℃となる様に制
御する。負荷が上がっているため、１８０℃でも十分電
池電圧を０．８ボルト以下に押さえる事が可能で、かつ
エネルギー効率も定格温度のものに近付ける事が可能と
なる。また、この例では、５０％以上の負荷では、定格
負荷時の温度で運転するように冷却水温度制御用熱交換
器１６を制御させることとした。

以上の説明から分かるように、第２図は電池の負荷範囲
において、電池の運転温度をステップ状に変えて運転す
る電池温度制御装置２１の機能を示すもので、運転モー
ドを表していることになる。

ところで、上記実施例では燃料電池発電運転において、
通常の定格時の運転温度における一定温度運転と併用さ
せて、定格以下の負荷で運転する場合として、定格運転
における運転温度よりも低い運転温度で運転できるよう
に、負荷に応じて電池運転温度を制御する電池温度制御
装置２１を用いた場合について説明したが、負荷に対応
させて電池温度が第３図に示すように、連続的に変化す
るよう冷却水温度制御用熱交換器１６を制御させてもよ
い。電池の発電は、負荷が高くなるにつれて大きくなる
ので、冷却水のセルスタック１１出口温度は高くなる。

従って、低負荷における電池温度を定格運転時に比して
低（とり、負荷上昇に応じて自動的にセルスタック１１
の温度の上昇するのを補助的に電池温度制御装ａ２１に
よって冷却水温度制御用熱交換器１６を用いて電池温度
を制御させる。この方法は前記実施例の様に、ステップ
状に温度を固定する事に拘っていないので、電池の温度
制御も前記実施例に比べ容易になるという利点を有する
。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によると、燃料電池発電装
置に電池温度制御装置を具備させたことにより、電圧抑
制作用、電解質搬出抑制作用を運転温度に自由度を与え
ることで可能とすることができる。すなわち、低負荷に
おいて、定格負荷時の電池運転温度より低い温度で運転
することにより、電池内から排ガスと共に持ち出される
電解質を極力小さく押さえて、電解質損失で発生する電
池特性低下を防止し、長寿命化を図った燃料電池発電装
置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例のブロック図、第２図は本発
明の温度制御方法の一例を示す図、第３図は本発明の温
度制御方法の他の例を示す図、第４図は燃料電池の原理
説明図、第５図は電池排ガス中のＰ４０１ｏ濃度の温度
依存性を示す図、第６図は電池電圧の温度依存性を示す
図、第７図は従来の燃料電池発電設備の冷却水システム
を示すブロック図である。 １１・・・セルスタック １２・・・冷却板 １３・・・アノード １４・・・カソード １５・・・温度計 １６・・・冷却水温度制御用熱交換器 １７・・・改質器 １８・・・冷却水 １９・・・水処理装置 ２０・・・インバータ ２１・・・電池温度制御装置 （７３］７）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　電解質を保持した層を挟んで一対の多孔質体からなる
   アノード電極およびカソード電極からなる燃料電池を用
   いた燃料電池発電装置において、前記燃料電池にかかる
   負荷が定格負荷より小さいときには、定格出力時の電池
   運転設計温度より低い濃度で運転する温度制御装置を備
   えたことを特徴とする燃料電池発電装置。