JPH06196185A

JPH06196185A - 燃料電池発電プラント

Info

Publication number: JPH06196185A
Application number: JP4344431A
Authority: JP
Inventors: Taiji Kogami; 泰司小上; Sanji Ueno; 三司上野
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1992-12-24
Filing date: 1992-12-24
Publication date: 1994-07-15

Abstract

(57)【要約】【目的】電池スタックにおけるガス流通系の構成を改
良し、特に、電解質の外部搬出を防止することにより、
長期にわたって高い電池特性を維持することの可能な実
用性の高い燃料電池発電プラントを提供する。【構成】単位セルを、セパレータまたは冷却板を介し
て複数積層して構成した電池スタックＡ，Ｂを、複数本
有する。電池スタックＡ，Ｂに、それぞれ、燃料ガス流
通用のガス流通ライン（３１，Ａ，３３，Ｂ，３２）と
酸化剤ガス流通用のガス流通ライン（３４，Ａ，３６，
Ｂ，３５）を設ける。複数本の電池スタックのうち、少
なくとも２本以上の電池スタックＡ，Ｂのガス流通ライ
ンを直列に接続する。具体的には、一定時間ごとにガス
流の方向を逆転し、かつ、ガス流の方向に応じて、下流
側の電池スタックを上流側の電池スタックよりも低い温
度で運転する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、燃料電池発電プラント
に係り、特に、ガス流通系の改良に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】燃料の有しているエネルギーを直接電気
エネルギーに変換する装置として、燃料電池が知られて
いる。この燃料電池は、通常、電解質保持層を挟んで一
対の電極を配置すると共に、一方の電極の背面に水素な
どの燃料ガスを接触させ、他方の電極の背面に酸素など
の酸化剤ガスを接触させ、このときに起こる電気化学的
反応を利用して、一対の電極から電気エネルギーを取り
出すように構成したものである。

【０００３】また、この燃料電池において、電解質保持
層は、耐電解質性の微粒子または繊維質シートからなる
多孔質性のマトリックス基体中にリン酸などの電解質を
含浸、保持させて形成されている。この電解質保持層
は、電極の電気化学反応に伴なう電極間のイオン伝達の
役割を果たすことに加えて、各電極に供給される燃料ガ
スと酸化剤ガスが混合しないように、これらの反応ガス
を互いに分離する役割を果たすものである。

【０００４】以上のような構成を有する燃料電池におい
ては、燃料ガスおよび酸化剤ガスが供給されている限
り、高い変換効率で電気エネルギーを取り出すことがで
きるが、一般的に、一枚の電池（単位セル）の出力電圧
は小さい（０．８Ｖ程度）ため、実用機では、複数の単
位セルを直列に積層して電池スタックを形成しており、
近年の電力需要の増大に伴ない、２本以上の電池スタッ
クを使用する燃料電池発電プラントの開発・実用化が進
められている。

【０００５】図４は、このような２本以上の電池スタッ
クを有する燃料電池発電プラントについて従来提案され
ているガス流通ラインの構成の一例を示す配管図であ
る。すなわち、図中右と左に並べて配置された２本の電
池スタックＡ，Ｂの４方には、それぞれ、ガス流通用の
マニホールド１〜４，１１〜１４が設けられている。そ
して、これらの電池スタックＡ，Ｂの配列ライン方向の
片側（図中左側）に位置するマニホールド３，１３に、
燃料ガス供給配管５，１５がそれぞれ接続されるととも
に、マニホールド３，１３に対向するマニホールド１，
１１に、燃料ガス排出配管６，１６がそれぞれ接続され
ている。また、２本の電池スタックＡ，Ｂの配列ライン
を挟んで対向する両側のマニホールド（２，４），（１
２，１４）のうちの同じ側のマニホールド４，１４に、
酸化剤ガス供給配管７，１７がそれぞれ接続されるとと
もに、反対側のマニホールド２，１２に、酸化剤ガス排
出配管８，１８がそれぞれ接続されている。

【０００６】このような配管構成により、各電池スタッ
クＡ，Ｂに供給される燃料ガス流２１は、図中矢印で示
すように、各電池スタックＡ，Ｂごとに、これらの電池
スタックＡ，Ｂの配列ラインに沿って、図中左側から図
中右側に向かって個別に流れることになる。また、各電
池スタックＡ，Ｂに供給される酸化剤ガス流２２は、図
中矢印で示すように、各電池スタックＡ，Ｂごとに、こ
れらの電池スタックＡ，Ｂの配列ラインに直交する形
で、互いに平行かつ個別に流れることになる。なお、図
４に示すように、電池スタックＡ，Ｂは、例えば、約２
００℃程度で運転することが想定されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、図４に示し
たような従来の燃料電池発電プラントにおいては、数万
時間の長期運転を行った場合、単位セル内部の電解質が
大幅に消失し、電池特性が著しく低下するという問題が
生じる。この点について、以下に説明する。

【０００８】すなわち、燃料電池の電解質保持層は、前
述の通り、電極の電気化学反応に伴なう電極間のイオン
伝達の役割を果たすことに加えて、各電極に供給される
燃料ガスと酸化剤ガスが混合しないように、これらの反
応ガスを互いに分離する役割を果たすものである。この
電解質保持層の気孔に電解質が十分に含浸されていれば
問題はないが、含浸されている電解質の量が少なくなる
とイオン伝導の抵抗が大きくなり、反応ガスの対極への
リーク（クロスオーバ）が発生し、単位セルの電圧が大
きく低下する。最悪の場合には、爆発を生じる可能性も
ある。したがって、マトリックス層中の電解質の量を一
定以上に維持することは、電池の高性能を維持する上で
も、また、電池の安全運転を保証する上でも極めて重要
である。

【０００９】しかしながら、燃料電池の運転を行うと、
電池内部の電解質が蒸発し、燃料ガスまたは酸化剤ガス
の排ガスにより搬出されることが知られている。このこ
とは、例えば、文献「リン酸電解質燃料電池におけるリ
ン酸搬出量の運転条件依存性」（小上他、電気化学協
会大会５３回、昭和６１年４月）に記載されてい
る。すなわち、この文献においては、数千時間の短期運
転では、電解質の減少量は問題とならない程度である
が、数万時間の長期運転を行った場合には、単位セル内
部の電解質が大幅に消失し、電池特性を著しく低下させ
ることについて報告されている。また、本発明者の現在
までの検討結果によれば、単位セル内部の電解質の量が
あるレベル以下になると、反応ガスのクロスオーバが発
生し、発電が不可能になることがわかっている。

【００１０】図５は、図４に示した燃料電池発電プラン
トの電池スタックの寿命試験結果を示すグラフであり、
（ａ）は運転時間の経過に伴なうセル電圧の推移、
（ｂ）は運転時間の経過に伴なうセル内部抵抗の推移を
示している。この図５に示すように、セル内部抵抗は、
運転時間の経過に伴ない徐々に増加し、ある時期を境に
急激に増加し、セル電圧は急激に低下する。

【００１１】従来、このような問題を解決する方法とし
て、スタック内部に電解質をリザーブする方法（内部リ
ザーブ方式）、セルの反応ガス出口で電解質を回収する
方法（内部回収方式）、一定時間運転後に、電池スタッ
ク外部から電解質を補給する方法（外部補給方式）など
が提案されている。しかしながら、内部リザーブ方式で
はリザーブ量が限定されるという問題点があり、内部回
収方式、外部補給方式では、電池の構造が複雑となり、
電池スタックの製造コスト、メンテナンスコストが高く
なるなどの問題点があり、結果として、これらの方式を
燃料電池発電プラントの実用機に適用することは困難で
ある。

【００１２】本発明は、上記のような従来技術の課題を
解決するために提案されたものであり、その目的は、電
池スタックにおけるガス流通系の構成を改良し、特に、
電解質の外部搬出を防止することにより、長期にわたっ
て高い電池特性を維持することの可能な実用性の高い燃
料電池発電プラントを提供することである。より具体的
には、４万時間以上の長期にわたって高い電池特性を維
持することを目的としている。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は、導電性の多孔
質基体上に触媒層を有する一対の電極を、その間に電解
質保持層を介在させて対向配置し、前記電極のうち、一
方の電極に燃料ガスを、他方の電極に酸化剤ガスをそれ
ぞれ供給することにより電気エネルギーを得る単位セル
を、セパレータまたは冷却板を介して複数積層して構成
した電池スタックを有する燃料電池発電プラントにおい
て、ガス流通系の構成を改良したものである。

【００１４】すなわち、本発明の燃料電池発電プラント
は、電池スタックを複数本有し、この複数本の電池スタ
ックに、それぞれ、燃料ガス流通用のガス流通ラインと
酸化剤ガス流通用のガス流通ラインを設け、複数本の電
池スタックのうち、少なくとも２本以上の電池スタック
のガス流通ラインを直列に接続したことを特徴としてい
る。具体的には、直列のガス流通ラインを、一定時間ご
とにガス流の方向を逆転可能に構成し、かつ、前記複数
本の電池スタックを、ガス流の方向に応じて、下流側の
電池スタックが上流側の電池スタックよりも低い温度で
運転可能となるように構成する。

【００１５】

【作用】以上のように構成された本発明の作用は次の通
りである。すなわち、２本以上の電池スタックのガス流
通ラインを直列に接続しているため、運転温度制御手段
によって下流側の燃料電池スタックの運転温度を上流側
の運転温度よりも低くすることにより、ガス流通ライン
における上流側の電池スタックから搬出された電解質
を、下流側の電池スタックによって回収することがで
き、電池スタック外部への電解質の搬出を防止すること
ができる。これは、電解質の蒸気圧が温度に依存するた
めである。

【００１６】そして、このような運転を継続すると、ガ
ス流通ライン下流側の電池スタックほど電池スタック内
の電解質が多くなるため、一定時間ごとに、ガス流通系
制御手段によってガス流方向切換手段を動作させ、電池
スタックのガス流通ラインのガス流の方向を逆転するこ
とにより、複数本の電池スタック間の電解質の偏りを防
止することができる。この場合、ガス流の方向を切り換
えるための一定時間は、上流側の電池スタックの特性が
低下する時間よりも十分に短く設定する。また、ガス流
通ライン上流側の電池スタックでは、反応ガスの利用率
を低くすることができ、セル特性を向上できるという副
次的効果も得られる。

【００１７】

【実施例】以下には、本発明による燃料電池発電プラン
トの代表的な一実施例について、図１を参照して説明す
る。この場合、図１は、本発明に基づく燃料電池発電プ
ラントのガス流通ラインの構成を示す配管図である。な
お、図４に示した従来例と同一部分には、同一符号を付
し、説明を省略する。

【００１８】まず、図１に示すように、本実施例におい
ては、２本の電池スタックＡ，Ｂの配列ライン上におけ
る両端部に位置するマニホールド、すなわち、電池スタ
ックＡのマニホールド１と電池スタックＢのマニホール
ド１３に、燃料ガス供給・排出用の第１、第２燃料ガス
配管３１，３２がそれぞれ接続されるとともに、配列ラ
イン上において対向する内側のマニホールド、すなわ
ち、電池スタックＡのマニホールド３と電池スタックＢ
のマニホールド１１間は、第１の接続配管３３によって
接続されている。また、２本の電池スタック１１，１２
の配列ラインを挟んで対向する両側のマニホールド
（２，４），（１２，１４）のうちの同じ側のマニホー
ルド２，１２に、酸化剤ガス供給・排出用の第１、第２
酸化剤ガス配管３４，３５がそれぞれ接続されるととも
に、反対側のマニホールド４，１４間は、第２の接続配
管３６によって接続されている。

【００１９】そして、第１、第２燃料ガス配管３１，３
２は、そのいずれか一方に燃料ガスが供給されるととも
に、他方から燃料ガスが排出され、その供給側、排出側
が、予め設定された一定時間ごとに切り換えられ、それ
によって燃料ガス流の方向が逆転するように構成されて
いる。同様に、第１、第２酸化剤ガス配管３４，３５
は、そのいずれか一方に酸化剤ガスが供給されるととも
に、他方から酸化剤ガスが排出され、その供給側、排出
側が、予め設定された一定時間ごとに切り換えられ、そ
れによって酸化剤ガス流の方向が逆転するように構成さ
れている。

【００２０】さらに、２本の電池スタックＡ，Ｂの運転
温度は、適宜設定され、個別に制御可能に構成されてい
る。具体的には、ガス流の方向に応じて、その時点での
ガス流上流側の電池スタックの運転温度を２００℃と
し、下流側の電池スタックの運転温度を１８０℃とする
ように設定されている。なお、燃料ガスと酸化剤ガスの
供給側と排出側を切り換え、ガス流の方向を逆転させる
ために予め設定される一定時間は、少なくとも上流側の
電池スタックの特性が低下する時間よりも十分に短く設
定する必要があり、本実施例では、便宜上、５０００時
間とされている。

【００２１】以上のように構成してなる本実施例の燃料
電池発電プラントの作用は次の通りである。すなわち、
例えば、最初の５０００時間の間、電池スタックＡをガ
ス流の上流側とする場合には、第１燃料ガス配管３１を
供給側とし、第２燃料ガス配管３２を排出側とするとと
もに、第１酸化剤ガス配管３４を供給側とし、第２酸化
剤ガス配管３５を排出側とする。このようにガス流通ラ
インを設定することにより、図１に示すように、燃料ガ
ス流２１は、第１燃料ガス配管３１、電池スタックＡ、
第１の接続配管３３、電池スタックＢ、第２燃料ガス配
管３２の経路で流れ、酸化剤ガス流２２は、第１酸化剤
ガス配管３４、電池スタックＡ、第２の接続配管３６、
電池スタックＢ、第２酸化剤ガス配管３５の経路で流れ
る。この場合、２本の電池スタックＡ，Ｂの運転温度
は、個別に制御され、ガス流２１，２２の上流側である
電池スタックＡは２００℃で運転し、また、下流側の電
池スタックＢは１８０℃で運転する。なお、図１は、こ
の条件における電池スタックＡ，Ｂの運転状態を示して
いる。

【００２２】そして、以上のような運転状態において、
５０００時間が経過した時点で、２本の電池スタック
Ａ，Ｂの上流側と下流側を逆転すると同時に、２本の電
池スタックＡ，Ｂの運転温度を逆転する。すなわち、前
述の運転状態とは逆に、第１燃料ガス配管３１を排出側
とし、第２燃料ガス配管３２を供給側とするとともに、
第１酸化剤ガス配管３４を排出側とし、第２酸化剤ガス
配管３５を供給側とする。このようにガス流通ラインを
切り換えることにより、燃料ガス流２１は、前述の運転
状態とは逆に、第２燃料ガス配管３２、電池スタック
Ｂ、第１の接続配管３３、電池スタックＡ、第１燃料ガ
ス配管３１の経路で流れ、酸化剤ガス流２２は、第２酸
化剤ガス配管３５、電池スタックＢ、第２の接続配管３
６、電池スタックＡ、第１酸化剤ガス配管３４の経路で
流れる。また、新たにガス流の上流側となった電池スタ
ックＢの運転温度を２００℃に切り換え、下流側となっ
た電池スタックＡの運転温度を１８０℃に切り換える。
そして、このような運転状態において、さらに５０００
時間が経過すると、再びガス流通ラインの切り換えを行
い、前述した初期５０００時間と同じ運転状態に切り換
える。

【００２３】さらに、図２は、以上のような長時間運転
における第１、第２の電池スタックＡ，Ｂの経時特性試
験結果を示すグラフであり、（ａ）は運転時間の経過に
伴なうセル電圧の推移、（ｂ）は運転時間の経過に伴な
うセル内部抵抗の推移を示している。この図２に示すよ
うに、ガス流の上流側の電池スタックでは、セル内部抵
抗が徐々に増加するのに対して、下流側の電池スタック
では、セル内部抵抗が安定している。また、上流側の運
転でセル内部抵抗が大きくなっても、ガス流を逆転して
運転することにより、セル内部抵抗は徐々に低下し、再
度ガス流を逆転して運転する時点では、セル内部抵抗
は、ほぼ初期値程度まで低下している。この現象は、ガ
ス流の上流側の電池スタックが搬出したリン酸電解質を
下流側の電池スタックが回収していることを意味してい
る。１８０℃におけるリン酸（Ｐ₄Ｏ₁₀）の蒸気分圧は
２００℃における蒸気分圧の約１割程度であるため、理
論的には、上流側の電池スタックから搬出したリン酸の
９割を、下流側の電池スタックで回収できることにな
る。また、電池スタック間の運転温度差が大きいほどリ
ン酸回収効率は高くなる。

【００２４】なお、前記実施例においては、２本の電池
スタックＡ，Ｂを有する燃料電池発電プラントへの適用
について説明したが、本発明は、３本以上の電池スタッ
クを有する燃料電池発電プラントにも同様に適用可能で
あり、例えば、２本の電池スタックを１組として、複数
組の電池スタックについて、前記実施例と同様のガス流
通系を個別に構成することなどが可能である。

【００２５】また、反応ガス配管の構成は自由に変更可
能であり、例えば、図３に示すように、２本の電池スタ
ックＡ，Ｂ間の接続部分において、個別のマニホールド
を設ける代わりに、共通マニホールド４１，４２を使用
する構成などが可能である。このように構成した場合に
は、前記実施例における第１、第２の接続配管３３，３
６が不要になり、マニホールドの数を削減できるため、
装置全体の大幅な小型・簡略化が可能になる。

【００２６】さらに、ガス流の方向を切り換えるための
手段や、電池スタックの温度を制御する手段などの具体
的な構成は自由に選択可能である。そしてまた、カソー
ドガスによるリン酸の搬出量は、アノードガスによるリ
ン酸の搬出量よりも大きいため、カソードのガス配管の
みを直列に設ける構成も可能である。一方、前記実施例
においては、電解質としてリン酸を使用した場合につい
て説明したが、本発明は、リン酸以外の電解質を使用し
た場合にも同様に適用可能である。また、この技術分野
の当業者であれば、本発明に基づく多種多様の実施例を
さらに提案可能であるが、それらの実施例もまた本発明
の範囲に包含されるものである。

【００２７】

【発明の効果】以上述べたように、本発明においては、
２本以上の電池スタックのガス流通ラインを直列に接続
することにより、長期にわたって高い電池特性を維持す
ることの可能な燃料電池発電プラントを提供することが
できる。具体的には、４万時間以上の長期にわたって高
い電池特性を維持することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による燃料電池発電プラントの代表的な
一実施例におけるガス流通ラインの構成を示す配管図。

【図２】図１の燃料電池プラントの電池スタックの経時
特性試験結果を示すグラフであり、（ａ）は運転時間の
経過に伴なうセル電圧の推移を示すグラフ、（ｂ）は運
転時間の経過に伴なうセル内部抵抗の推移を示すグラ
フ。

【図３】本発明による燃料電池発電プラントの他の実施
例におけるガス流通ラインの構成を示す配管図。

【図４】従来の燃料電池発電プラントのガス流通ライン
の構成の一例を示す配管図。

【図５】図４の燃料電池発電プラントの電池スタックの
寿命試験結果を示すグラフであり、（ａ）は運転時間の
経過に伴なうセル電圧の推移を示すグラフ、（ｂ）は運
転時間の経過に伴なうセル内部抵抗の推移を示すグラ
フ。

【符号の説明】

Ａ，Ｂ…電池スタック１〜４，１１〜１４…マニホールド５，１５…燃料ガス供給配管６，１６…燃料ガス排出配管７，１７…酸化剤ガス供給配管８，１８…酸化剤ガス排出配管２１…燃料ガス流２２…酸化剤ガス流３１…第１燃料ガス配管３２…第２燃料ガス配管３３…第１の接続配管３４…第１酸化剤ガス配管３５…第２酸化剤ガス配管３６…第２の接続配管４１，４２…共通マニホールド

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】導電性の多孔質基体上に触媒層を有する
一対の電極を、その間に電解質保持層を介在させて対向
配置し、前記電極のうち、一方の電極に燃料ガスを、他
方の電極に酸化剤ガスをそれぞれ供給することにより電
気エネルギーを得る単位セルを、セパレータまたは冷却
板を介して複数積層して構成した電池スタックを有する
燃料電池発電プラントにおいて、前記電池スタックを複数本有し、この複数本の電池スタ
ックに、それぞれ、前記燃料ガス流通用のガス流通ライ
ンと前記酸化剤ガス流通用のガス流通ラインを設け、前
記複数本の電池スタックのうち、少なくとも２本以上の
電池スタックの前記ガス流通ラインを直列に接続したこ
とを特徴とする燃料電池発電プラント。
【請求項２】前記直列のガス流通ラインを、一定時間
ごとにガス流の方向を逆転可能に構成し、かつ、前記複
数本の電池スタックを、ガス流の方向に応じて、下流側
の電池スタックが上流側の電池スタックよりも低い温度
で運転可能となるように構成したことを特徴とする請求
項１に記載の燃料電池発電プラント。