JPH10334930A - 溶融炭酸塩型燃料電池のカソード溶出による内部短絡防止方法 - Google Patents

溶融炭酸塩型燃料電池のカソード溶出による内部短絡防止方法

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JPH10334930A
JPH10334930A JP9153112A JP15311297A JPH10334930A JP H10334930 A JPH10334930 A JP H10334930A JP 9153112 A JP9153112 A JP 9153112A JP 15311297 A JP15311297 A JP 15311297A JP H10334930 A JPH10334930 A JP H10334930A
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JP
Japan
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cathode
anode
pressure
fuel cell
molten carbonate
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JP9153112A
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English (en)
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Shinji Mukai
新治 向井
Hidekazu Kasai
英一 河西
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YOYU TANSANENGATA NENRYO DENCHI HATSUDEN SYST GIJUTSU KENKYU KUMIAI
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YOYU TANSANENGATA NENRYO DENCHI HATSUDEN SYST GIJUTSU KENKYU KUMIAI
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 析出ニッケルによるカソードとアノード間の
内部短絡を防止する。 【解決手段】 アノード3の出口側に接続したアノード
排ガスライン4をカソード2の入口側に接続する。アノ
ード排ガスライン4の途中にリサイクルブロワ5を設け
る。アノード排ガスをリサイクルさせてカソード2に供
給することによりアノード3とカソード2の極間差圧を
アノード側が高くなるように制御して、電解質板中に析
出したニッケルをアノード側へ広がることを抑え、内部
短絡を防止する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は燃料の有する化学エ
ネルギーを直接電気エネルギーに変換するエネルギー部
門で用いる燃料電池のうち、特に溶融炭酸塩型燃料電池
のカソードから電解質板中へ溶出するNiによるカソー
ドとアノード間の内部短絡を防止するための方法に関す
るものである。
【0002】
【従来の技術】溶融炭酸塩型燃料電池は、電解質として
の溶融炭酸塩を多孔質物質にしみ込ませてなる電解質板
を、カソード(酸素極)とアノード(燃料極)の両電極
で両面から挟んで、カソード側に酸化ガスを供給すると
共にアノード側に燃料ガスを供給するようにしたものを
1セルとして、各セルをセパレータを介し多層に積層し
てスタックとするようにしてあるが、上記カソード材料
としては、一般に酸化ニッケルNiOが用いられてい
る。
【0003】上記溶融炭酸塩型燃料電池においては、カ
ソード材であるニッケルNiが電解質板中に溶出して析
出して行く性質がある。この溶出の主な反応は、 NiO+CO2 →Ni2++CO3 2- であり、溶出したNi2+イオンがアノード側から拡散し
て来た水素によって還元され電解質板中にNiの金属粒
子の形で析出する。このようなカソードから電解質板中
へのNiの析出は、長期発電の際にカソードとアノード
間の短絡を引き起す原因となる。すなわち、一般的な運
転条件の下、安定した状態においては、Niの析出は、
図6(イ)に示す如く電解質板1のカソード2側に寄っ
た位置(×印で示す)というように比較的限られた範囲
に限定されるが、図6(ロ)に示す如く、電解質板1に
小さな欠損aがある場合等不安定な状態になると、電解
質板1中のガス雰囲気の分布が変化するため、図6
(ロ)、更には図6(ハ)のように析出位置(×印)の
範囲が厚さ方向に広くなり、析出したNiがアノード3
側まで達してカソード2とアノード3間で短絡を引き起
す確率が高くなる。
【0004】更に、一般的には、溶融炭酸塩型燃料電池
では極間差圧を少なくする条件で発電試験が行われてお
り、カソード側の差圧PCとアノード側の差圧PAは通
常電池反応によりセル内部でガス流れ方向に減少する
が、上記カソード差圧PCとアノード差圧PAの大小関
係はセル内部でガス流れ方向に沿い図7に示す如く上下
してPA<PCとなる領域が必ず存在するため、セル全
体を通じては電解質板中のガス雰囲気分布が変化し、図
6(ニ)に示す如く電解質板1に貫通するような欠陥b
がある場合には、PC>PAになると、図6(ニ)に示
す如く析出Niの範囲がよりアノード3側へ移行し易
く、内部短絡を招き易くなる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】ところが、現在までの
ところでは、上記した内部短絡を防ぐための運転条件は
特に取り上げられて検討されていないのが実情であり、
又、上述したように電池発電において安定した運転時及
び不安定な運転時(何らかの異常時)でも、差圧制御や
運転条件(ガス供給の条件)は極間差圧が小さくなるよ
うに決めているのが一般的であるため、カソードとアノ
ード間での内部短絡の防止は図られていない。
【0006】そこで、本発明は、カソード溶出により析
出したニッケル位置を或る範囲に抑えることによって内
部短絡を防止するようにしようとするものである。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するために、電解質板の両側にカソードとアノードの
両電極を配し、カソード側に酸化ガスを供給すると共に
アノード側に燃料ガスを供給するようにしてあるセルを
積層してなる溶融炭酸塩型燃料電池の上記アノードから
排出されるアノード排ガスをカソード入口側にリサイク
ルさせてカソード側に供給するようにし、アノード側の
圧力をカソード側の圧力よりも高くするよう差圧制御を
行うようにする方法とする。
【0008】セルのガス流れ方向に対し、どこの個所で
もアノード側とカソード側の差圧がアノード側>カソー
ド側となるので、電解質板中のニッケル析出位置をカソ
ード側に抑えてアノード側へ広がることを防止できて、
内部短絡を防止できる。
【0009】又、アノード排ガスラインとカソード排ガ
スラインに圧力調整機構を設けて差圧制御を行わせた
り、アノード排ガスラインにオリフィスを設けて、圧力
損失による差圧制御を行わせるようにしても同様に内部
短絡を防止できる。
【0010】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。
【0011】本発明のカソード溶出による内部短絡防止
方法は、基本的にはセル内部でガス流れ方向のどの個所
においてもアノード差圧PA>カソード差圧PCとなる
ように差圧制御を行って、電解質板中のニッケル析出位
置をカソード側の限られた範囲に限定させることによ
り、内部短絡を防止するようにするものである。
【0012】図1は具体的な一実施の形態を原理的に示
すもので、電解質板1の両側にカソード2とアノード3
の両電極を配置して、カソード2側に酸化ガスOGを供
給すると共にアノード3側に燃料ガスFGを供給するよ
うにしたセルにおいて、アノード3から排出されたアノ
ード排ガスAGのライン4をカソード2の入口側に接続
し、リサイクルブロワ5によりアノード排ガスAGをカ
ソード2の入口側に導いてカソード2へ供給させるよう
にする。
【0013】なお、図1は本発明の原理を示すもので、
アノード排ガスAG中の水を気水分離器で除去する機構
や、リサイクルしたアノード排ガスを燃焼する燃焼器や
カソードの冷却部等は省略してある。
【0014】アノード3に供給された燃料ガスFGは、
アノード3で H2 +CO3 2-→CO2 +H2 O+2e の反応が行われてCO2 が生成される。このCO2 ガス
をカソード2の入口側へリサイクルブロワ5の運転によ
りライン4を経てリサイクルさせることにより、アノー
ド3側の圧力PAをカソード2側の圧力PCよりもやや
高くなるようにする。これにより図2に示す如く、セル
内のガス流れ方向に対してアノード3側とカソード2側
の差圧をどの時点においてもPA>PCとなるようにす
ることができ、電解質板中のニッケル析出位置を、アノ
ード3とカソード2間の厚さ方向に対しアノード3側へ
幅広くならないようにカソード側に寄ったところに限定
させることができる。
【0015】図3は図1におけるカソード排ガスライン
6の途中に圧力調整機構として圧力調整器7と圧力調整
弁8を設け、カソード2の出口側の圧力を調整すること
によって、カソード2側とアノード3側の差圧を或る範
囲内でPA>PCが実現できるようにしたものである。
【0016】次に、図4は本発明の他の実施の形態を示
すもので、図1に示すものと同様な構成のセルにおい
て、アノード3出口側のアノード排ガスライン4とカソ
ード2出口側のカソード排ガスライン6の各途中位置
に、圧力調整機構としての圧力調整器7と圧力調整弁8
をそれぞれ設置し、セル内のガス流れ方向に対しアノー
ド3側とカソード2側の差圧が常に図2に示す関係にあ
るようにアノード3側の圧力がカソード2側の圧力より
僅かに高く設定されるようにしたものである。
【0017】この実施の形態によれば、アノード排ガス
ライン4上の圧力調整弁8による値を、たとえば、3.
1〜3.2kg/cm2 とするとき、カソード排ガスライン
6上の圧力調整弁8による値を、たとえば、3kg/cm2
とする如く、アノード側圧力PAとカソード側圧力PC
が、PA>PCとなるようにする。これによりカソード
2から溶出して電解質板1中のカソード2寄りに析出し
たニッケル析出位置を、アノード3側へ広げることなく
カソード2側に抑えることができ、内部短絡を防止する
ことができる。
【0018】なお、図4において、二点鎖線の如くアノ
ード排ガスライン4を、図1に示す如くカソード2の入
口側に接続して、リサイクルブロワ5によりアノード排
ガスAGをリサイクルさせるようにすることもできる。
【0019】更に、図5は本発明の更に他の実施の形態
を示すもので、図1に示すものと同様な構成のセルにお
いて、アノード排ガスライン4の途中に、オリフィス9
を設け、該オリフィス9による圧力損失を利用してアノ
ード3側の圧力をカソード2側の圧力よりも高くしてお
くようにし、且つアノード排ガスAGとカソード排ガス
CGを燃焼器10に導入して燃焼させた後、カソード2
の入口側へライン11を接続して、リサイクルブロワ1
2により燃焼器10で生成されたCO2 ガスをカソード
2へリサイクルさせるようにすると共に、カソード排ガ
スライン6の途中よりカソード排ガスCGの一部をライ
ン13により取り出すようにしたものである。
【0020】この実施の形態においては、オリフィス9
により圧力損失を与えるようにすることによりアノード
3側とカソード2側の差圧をPA>PCとすることがで
き、上記各実施の形態の場合と同様に電解質板1中のニ
ッケル析出位置をカソード2側に抑えておくことができ
て、内部短絡を防止することができる。
【0021】
【発明の効果】以上述べた如く、本発明の溶融炭酸塩型
燃料電池のカソード溶出による内部短絡防止方法によれ
ば、セル内部でガス流れ方向に対してどこの個所でもア
ノード側の圧力がカソード側の圧力より高くなるように
極間差圧を制御することによって、電解質板中のニッケ
ル析出位置をカソード側からアノード側へ広がることが
ないようにするので、カソードから溶出して電解質板中
に析出するニッケルの分布範囲がカソード側近傍からア
ノード側へ広がることがなくて、カソードとアノード間
の内部短絡を防止できる、という優れた効果を奏し得
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の溶融炭酸塩型燃料電池のカソード溶出
による内部短絡防止方法を実施する一形態を原理的に示
す概要図である。
【図2】本発明によるセル内ガス流れ方向の極間差圧を
示す図である。
【図3】図1の応用例を示す概要図である。
【図4】本発明の他の実施の形態を示す概要図である。
【図5】本発明の更に他の実施の形態を示す概要図であ
る。
【図6】析出ニッケルが電解質板中をアノード側へ広が
って内部短絡に至る状況を示すもので、(イ)は通常の
場合の析出ニッケル位置を示す図、(ロ)は電解質板に
欠陥がある場合に析出範囲が広がる状態を示す図、
(ハ)は(ロ)の状態よりも更に析出範囲が広がった状
態を示す図、(ニ)は電解質板に貫通した欠陥がある状
態においてカソード側の圧力が高い時に内部短絡になる
状態を示す図である。
【図7】従来の燃料電池セル内でのガス流れ方向と極間
差圧の関係を示す図である。
【符号の説明】
1 電解質板 2 カソード 3 アノード 4 アノード排ガスライン 5 リサイクルブロワ 6 カソード排ガスライン 7 圧力調整器(圧力調整機構) 8 圧力調整弁(圧力調整機構) 9 オリフィス FG 燃料ガス OG 酸化ガス AG アノード排ガス CG カソード排ガス

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 電解質板の両側にカソードとアノードの
    両電極を配し、カソード側に酸化ガスを供給すると共に
    アノード側に燃料ガスを供給するようにしてあるセルを
    積層してなる溶融炭酸塩型燃料電池の上記アノードから
    排出されるアノード排ガスをカソード入口側にリサイク
    ルさせてカソード側に供給するようにし、アノード側の
    圧力をカソード側の圧力よりも高くするよう差圧制御を
    行うようにすることを特徴とする溶融炭酸塩型燃料電池
    のカソード溶出による内部短絡防止方法。
  2. 【請求項2】 電解質板の両側にカソードとアノードの
    両電極を配し、カソード側に酸化ガスを供給すると共に
    アノード側に燃料ガスを供給するようにしてあるセルを
    積層してなる溶融炭酸塩型燃料電池の上記アノードの出
    口側に接続されたアノード排ガスラインの途中と、上記
    カソードの出口側に接続されたカソード排ガスラインの
    途中に、各々圧力調整機構を備え、アノード側の圧力を
    カソード側の圧力より高くするよう差圧制御を行うよう
    にすることを特徴とする溶融炭酸塩型燃料電池のカソー
    ド溶出による内部短絡防止方法。
  3. 【請求項3】 電解質板の両側にカソードとアノードの
    両電極を配し、カソード側に酸化ガスを供給すると共に
    アノード側に燃料ガスを供給するようにしてあるセルを
    積層してなる溶融炭酸塩型燃料電池の上記アノード出口
    側に接続されたアノード排ガスラインの途中に、オリフ
    ィスを設け、該オリフィスによる圧力損失によりアノー
    ド側の圧力をカソード側の圧力より高くするよう差圧制
    御を行うようにすることを特徴とする溶融炭酸塩型燃料
    電池のカソード溶出による内部短絡防止方法。
JP9153112A 1997-05-28 1997-05-28 溶融炭酸塩型燃料電池のカソード溶出による内部短絡防止方法 Pending JPH10334930A (ja)

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