JPH11238521A - 燃料電池発電装置 - Google Patents
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- JPH11238521A JPH11238521A JP10353224A JP35322498A JPH11238521A JP H11238521 A JPH11238521 A JP H11238521A JP 10353224 A JP10353224 A JP 10353224A JP 35322498 A JP35322498 A JP 35322498A JP H11238521 A JPH11238521 A JP H11238521A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 保温装置や湿潤ガス供給装置といった追加の
装置を必要とせず、停止時における電解質の完全な固体
化を防止することのできる燃料電池発電装置を提供す
る。 【構成】 正極３、負極２及びこれらの電極の間に介在
する電解質マトリックス２４中にリン酸電解質を保持し
たリン酸型燃料電池１を用いた燃料電池発電装置であっ
て、停止時に、前記電解質マトリックス２４中に前記リ
ン酸電解質の濃度が９１．６ｗｔ％未満の部分が少なく
とも部分的に存在するように、運転時の運転条件が制御
されることを特徴とする。
装置を必要とせず、停止時における電解質の完全な固体
化を防止することのできる燃料電池発電装置を提供す
る。 【構成】 正極３、負極２及びこれらの電極の間に介在
する電解質マトリックス２４中にリン酸電解質を保持し
たリン酸型燃料電池１を用いた燃料電池発電装置であっ
て、停止時に、前記電解質マトリックス２４中に前記リ
ン酸電解質の濃度が９１．６ｗｔ％未満の部分が少なく
とも部分的に存在するように、運転時の運転条件が制御
されることを特徴とする。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、リン酸型燃料電池
を用いた燃料電池発電装置に関する。
を用いた燃料電池発電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】リン酸型燃料電池を用いた燃料電池発電
装置は、燃料電池本体の性能及び電池構成材料の耐久
性、寿命等の兼ね合いから、一般に１５０℃〜２１０℃
の運転温度で運転されている。また、斯かる燃料電池発
電装置は発電所で利用されるような大型のものが一般的
であり、数千時間という長期間の連続運転が行なわれ
る。
装置は、燃料電池本体の性能及び電池構成材料の耐久
性、寿命等の兼ね合いから、一般に１５０℃〜２１０℃
の運転温度で運転されている。また、斯かる燃料電池発
電装置は発電所で利用されるような大型のものが一般的
であり、数千時間という長期間の連続運転が行なわれ
る。
【０００３】これに対し、最近になって小型で可搬式の
燃料電池発電装置が注目されている。この小型可搬式の
燃料電池発電装置は、一般に発電所で用いられた場合の
ように長時間連続して運転されることはなく、必要な時
に必要な時間だけ運転されるため、運転、停止の回数が
大型のものに比較して非常に多くなる。従って、小型可
搬式の燃料電池発電装置にあっては、この運転、停止の
繰り返しによる悪影響を小さく抑える必要がある。
燃料電池発電装置が注目されている。この小型可搬式の
燃料電池発電装置は、一般に発電所で用いられた場合の
ように長時間連続して運転されることはなく、必要な時
に必要な時間だけ運転されるため、運転、停止の回数が
大型のものに比較して非常に多くなる。従って、小型可
搬式の燃料電池発電装置にあっては、この運転、停止の
繰り返しによる悪影響を小さく抑える必要がある。
【０００４】運転停止の場合に生じる問題点としては、
電池温度の低下によって、リン酸電解質が液体状態から
固体状態に変化して体積変化を起こすことがあげられ
る。従来のリン酸型燃料電池では、リン酸濃度が１００
ｗｔ％前後と非常に高い濃度のリン酸電解質が用いられ
ており、このような高濃度の電解質ではリン酸は室温に
おいて氷結し、完全な固体状態となる。
電池温度の低下によって、リン酸電解質が液体状態から
固体状態に変化して体積変化を起こすことがあげられ
る。従来のリン酸型燃料電池では、リン酸濃度が１００
ｗｔ％前後と非常に高い濃度のリン酸電解質が用いられ
ており、このような高濃度の電解質ではリン酸は室温に
おいて氷結し、完全な固体状態となる。
【０００５】このように電解質が完全な固体状態となる
と、この状態変化によって電解質に体積変化が生じ、燃
料電池を構成する構成部材に応力が加わるために、構成
部材が劣化するという課題が生じる。また、電解質が完
全に固体化すると、電解質抵抗が非常に大きくなるため
にこの状態では燃料電池を起動することができず、一旦
昇温して電解質を電解質抵抗の低い液体状態にした後に
起動する必要がある。
と、この状態変化によって電解質に体積変化が生じ、燃
料電池を構成する構成部材に応力が加わるために、構成
部材が劣化するという課題が生じる。また、電解質が完
全に固体化すると、電解質抵抗が非常に大きくなるため
にこの状態では燃料電池を起動することができず、一旦
昇温して電解質を電解質抵抗の低い液体状態にした後に
起動する必要がある。
【０００６】このため、従来のリン酸型燃料電池を用い
た燃料電池発電装置においては保温装置を設け、そして
この保温装置を用いて運転停止時の燃料電池温度をリン
酸の氷結温度以上、例えば１００℃程度の温度に保つよ
うにすることで、リン酸が完全に固体化することを防止
している。
た燃料電池発電装置においては保温装置を設け、そして
この保温装置を用いて運転停止時の燃料電池温度をリン
酸の氷結温度以上、例えば１００℃程度の温度に保つよ
うにすることで、リン酸が完全に固体化することを防止
している。
【０００７】或いは、運転停止時に、燃料電池の酸化剤
ガス系統側または燃料ガス系統側の少なくとも一方から
燃料電池に湿潤ガスを供給することによって、電解質の
リン酸濃度を低下させることが提案されている。即ち、
リン酸濃度を低下させることで氷結温度を低くすること
ができ、室温において電解質が完全に固体化することを
防止できる（特公平３−１５３０５号公報）。
ガス系統側または燃料ガス系統側の少なくとも一方から
燃料電池に湿潤ガスを供給することによって、電解質の
リン酸濃度を低下させることが提案されている。即ち、
リン酸濃度を低下させることで氷結温度を低くすること
ができ、室温において電解質が完全に固体化することを
防止できる（特公平３−１５３０５号公報）。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】然し乍ら、上記従来の
方法ではいずれも保温のための保温装置や、燃料電池に
湿潤ガスを供給するための供給装置が別途必要となる。
ところが、このような保温装置や湿潤ガス供給装置を付
加すると、重量が重たくなり、また保温装置や湿潤ガス
供給装置のエネルギー源が必要となるために、装置のコ
ンパクト化を図ることができず、また装置コストも増大
する。この問題は、特に小型可搬式の燃料電池発電装置
にとって大きなものとなる。
方法ではいずれも保温のための保温装置や、燃料電池に
湿潤ガスを供給するための供給装置が別途必要となる。
ところが、このような保温装置や湿潤ガス供給装置を付
加すると、重量が重たくなり、また保温装置や湿潤ガス
供給装置のエネルギー源が必要となるために、装置のコ
ンパクト化を図ることができず、また装置コストも増大
する。この問題は、特に小型可搬式の燃料電池発電装置
にとって大きなものとなる。
【０００９】従って、本発明は上記の課題を解決するた
めに、保温装置や湿潤ガス供給装置といった追加の装置
を必要とせず、停止時における電解質の完全な固体化を
防止することのできる燃料電池発電装置を提供すること
を目的とする。
めに、保温装置や湿潤ガス供給装置といった追加の装置
を必要とせず、停止時における電解質の完全な固体化を
防止することのできる燃料電池発電装置を提供すること
を目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明は、正極、負極及
びこれらの電極の間に介在する電解質マトリックス中に
リン酸電解質を保持したリン酸型燃料電池を用いた燃料
電池発電装置であって、停止時に、前記電解質マトリッ
クス中に前記リン酸電解質の濃度が９１．６ｗｔ％未満
の部分が少なくとも部分的に存在するように、運転時の
運転条件が制御されることを特徴とする。
びこれらの電極の間に介在する電解質マトリックス中に
リン酸電解質を保持したリン酸型燃料電池を用いた燃料
電池発電装置であって、停止時に、前記電解質マトリッ
クス中に前記リン酸電解質の濃度が９１．６ｗｔ％未満
の部分が少なくとも部分的に存在するように、運転時の
運転条件が制御されることを特徴とする。
【００１１】また、運転時に、前記電界質マトリックス
中に前記リン酸電解質の濃度が９１．６ｗｔ％未満の部
分が少なくとも部分的に存在するように、運転時の運転
条件が制御されることを特徴とする。
中に前記リン酸電解質の濃度が９１．６ｗｔ％未満の部
分が少なくとも部分的に存在するように、運転時の運転
条件が制御されることを特徴とする。
【００１２】或いは、運転時に、電池内において８５℃
未満となる部分が少なくとも部分的に存在するように、
運転時の運転条件が制御されることを特徴とする。
未満となる部分が少なくとも部分的に存在するように、
運転時の運転条件が制御されることを特徴とする。
【００１３】さらには、運転時に、電池内の平均温度が
１１０℃以下となるように、運転時の運転条件が制御さ
れることを特徴とする。
１１０℃以下となるように、運転時の運転条件が制御さ
れることを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て説明する。
て説明する。
【００１５】図１は、本発明の実施の形態に係るリン酸
型燃料電池を備えた燃料電池発電装置のシステムフロー
図であり、図２は燃料電池本体の要部拡大断面図であ
る。
型燃料電池を備えた燃料電池発電装置のシステムフロー
図であり、図２は燃料電池本体の要部拡大断面図であ
る。
【００１６】図１を参照して、本発明に係る燃料電池発
電装置は、燃料電池本体１、水素貯蔵装置４、未反応燃
料処理装置５、空気供給ファン６，７、システム制御装
置８、熱交換器９、並びにそれらを連結する弁、配管を
有している。
電装置は、燃料電池本体１、水素貯蔵装置４、未反応燃
料処理装置５、空気供給ファン６，７、システム制御装
置８、熱交換器９、並びにそれらを連結する弁、配管を
有している。
【００１７】また、図２を参照して、燃料電池本体１
は、カーボンペーパーに白金などの触媒を担持させた正
極３及び負極２の間に、ＳｉＣからなる電解質マトリッ
クス２４を介在させた単電池を２５を、表裏に夫々水素
供給溝２６及び空気供給溝２７を形成した黒鉛からなる
バイポーラプレート２８，２８の間に挟持させた状態で
多数積層すると共に、この積層体を上下端版により締付
けて構成されている。そして、前記正負極３，２及び電
解質マトリックス２４にリン酸電解質が含浸されてい
る。尚、図１においては簡単のために負極２及び正極３
のみを示している。
は、カーボンペーパーに白金などの触媒を担持させた正
極３及び負極２の間に、ＳｉＣからなる電解質マトリッ
クス２４を介在させた単電池を２５を、表裏に夫々水素
供給溝２６及び空気供給溝２７を形成した黒鉛からなる
バイポーラプレート２８，２８の間に挟持させた状態で
多数積層すると共に、この積層体を上下端版により締付
けて構成されている。そして、前記正負極３，２及び電
解質マトリックス２４にリン酸電解質が含浸されてい
る。尚、図１においては簡単のために負極２及び正極３
のみを示している。
【００１８】水素貯蔵装置４には−２０℃〜室温程度で
大気圧以上の乖離圧力を有する水素吸蔵合金が使用され
ており、配管を通じて燃料電池１に水素を供給する。ま
た、本装置４は連結経路１１によりシステムと連結され
ており、必要に応じて取り外しが可能な構成とされてい
る。尚、上記水素吸蔵合金としては、例えば希土類−Ｎ
ｉ系、Ｔｉ−Ｆｅ系あるいはＴｉ−Ｃｒ系のものが用い
られる。
大気圧以上の乖離圧力を有する水素吸蔵合金が使用され
ており、配管を通じて燃料電池１に水素を供給する。ま
た、本装置４は連結経路１１によりシステムと連結され
ており、必要に応じて取り外しが可能な構成とされてい
る。尚、上記水素吸蔵合金としては、例えば希土類−Ｎ
ｉ系、Ｔｉ−Ｆｅ系あるいはＴｉ−Ｃｒ系のものが用い
られる。
【００１９】未反応燃料処理装置５は、排燃料通路１８
を通って排気された未反応水素を、空気供給ファン７に
より燃焼空気供給通路２１から供給された空気と混合
し、触媒燃焼により燃焼させて処理するものである。ま
た、この未反応燃料処理装置５より排出された排ガス
は、燃焼排ガス熱交換器供給弁１５或いは燃焼排ガス排
出弁１６を介して、水素貯蔵装置４との熱交換を行った
後、或いは燃焼排ガス通路２３を介して直接、大気へ放
出される。
を通って排気された未反応水素を、空気供給ファン７に
より燃焼空気供給通路２１から供給された空気と混合
し、触媒燃焼により燃焼させて処理するものである。ま
た、この未反応燃料処理装置５より排出された排ガス
は、燃焼排ガス熱交換器供給弁１５或いは燃焼排ガス排
出弁１６を介して、水素貯蔵装置４との熱交換を行った
後、或いは燃焼排ガス通路２３を介して直接、大気へ放
出される。
【００２０】システム制御装置８は、燃料電池１の温
度、電流を検知して空気量の調節、水素吸蔵装置４の温
度を検知して熱交換器９への燃焼排ガスの供給調節、並
びに起動用に設けた二次電池、及び燃料電池間の電力調
節、昇温用ヒータの回路開閉等の制御をつかさどる。
度、電流を検知して空気量の調節、水素吸蔵装置４の温
度を検知して熱交換器９への燃焼排ガスの供給調節、並
びに起動用に設けた二次電池、及び燃料電池間の電力調
節、昇温用ヒータの回路開閉等の制御をつかさどる。
【００２１】１０，１２は燃料ガス供給経路１７に設け
られた燃料ガス供給弁であり、また１３は減圧弁であ
る。減圧弁１３は負極２の内部の圧力を一定にするよう
に働く。具体的には、負極の内圧変化により減圧弁１３
の開口度が変化し、負荷の変化に伴って、供給する燃料
ガスの流量調節を行う。さらに、排燃料通路１８に設け
られた燃料ガス排出弁１４により、排燃料の流量が調節
される。
られた燃料ガス供給弁であり、また１３は減圧弁であ
る。減圧弁１３は負極２の内部の圧力を一定にするよう
に働く。具体的には、負極の内圧変化により減圧弁１３
の開口度が変化し、負荷の変化に伴って、供給する燃料
ガスの流量調節を行う。さらに、排燃料通路１８に設け
られた燃料ガス排出弁１４により、排燃料の流量が調節
される。
【００２２】斯かる構成の燃料電池発電装置は、例えば
以下の様にして運転される。
以下の様にして運転される。
【００２３】まず、水素貯蔵装置４から水素が、燃料供
給通路１７を通して燃料電池本体１に供給される。引き
続き、燃料ガス排出弁１４が開の状態になり負極２内を
水素で置換すると共に、未反応燃料処理装置用空気ファ
ン７、空気供給ファン６が起動用に設けた二次電池から
の電力供給により起動され、未反応燃料処理装置５内で
水素の触媒燃焼が開始される。そして、その結果生じた
反応熱が空気ファン６より電池に供給される空気と熱交
換され、加熱された空気が電池本体１に供給されて電池
本体１の昇温が行なわれる。
給通路１７を通して燃料電池本体１に供給される。引き
続き、燃料ガス排出弁１４が開の状態になり負極２内を
水素で置換すると共に、未反応燃料処理装置用空気ファ
ン７、空気供給ファン６が起動用に設けた二次電池から
の電力供給により起動され、未反応燃料処理装置５内で
水素の触媒燃焼が開始される。そして、その結果生じた
反応熱が空気ファン６より電池に供給される空気と熱交
換され、加熱された空気が電池本体１に供給されて電池
本体１の昇温が行なわれる。
【００２４】このように、燃料電池本体１は、負極２内
が水素で置換され、且つ正極３には空気供給ファン６に
より空気供給通路１９及び未反応燃料処理装置５を介し
て空気が供給されるために、開路電圧が発生する。燃料
電池の電圧が基準電圧以上に到達すれば、即時に負荷昇
温が開始される。尚、正極３から排出される未反応空気
は排空気通路を介して大気へ放出される。
が水素で置換され、且つ正極３には空気供給ファン６に
より空気供給通路１９及び未反応燃料処理装置５を介し
て空気が供給されるために、開路電圧が発生する。燃料
電池の電圧が基準電圧以上に到達すれば、即時に負荷昇
温が開始される。尚、正極３から排出される未反応空気
は排空気通路を介して大気へ放出される。
【００２５】負荷昇温は電池上昇のための負荷として、
燃料電池本体１の上下端版の内部に設けられた電気ヒー
タ、二次電池の充電、空気供給ファン６，７及びシステ
ム制御装置８が当てられる。上記各負荷において、電池
電圧が基準値以下とならないように、空気供給ファン及
びシステム制御装置、二次電池の充電、電気ヒータの順
で負荷が継続される。
燃料電池本体１の上下端版の内部に設けられた電気ヒー
タ、二次電池の充電、空気供給ファン６，７及びシステ
ム制御装置８が当てられる。上記各負荷において、電池
電圧が基準値以下とならないように、空気供給ファン及
びシステム制御装置、二次電池の充電、電気ヒータの順
で負荷が継続される。
【００２６】そして、電池温度が８０℃以上に到達した
時点で定格の出力が得られるようになる。この時点で電
池本体１の上下端版内部に設けられた電気ヒータへの電
力供給は停止され、その後はシステム制御装置８により
電池温度、負荷に応じて空気供給ファン６の回転数を制
御し、電池温度のコントロールを行う。
時点で定格の出力が得られるようになる。この時点で電
池本体１の上下端版内部に設けられた電気ヒータへの電
力供給は停止され、その後はシステム制御装置８により
電池温度、負荷に応じて空気供給ファン６の回転数を制
御し、電池温度のコントロールを行う。
【００２７】燃料供給系においては、負荷の変化に伴
い、負極２での水素消費量が変化することから、燃料減
圧弁１３によって電池への水素供給量が調整される。ま
た排出燃料量は燃料排ガス排出弁１６の開口度により調
整される。
い、負極２での水素消費量が変化することから、燃料減
圧弁１３によって電池への水素供給量が調整される。ま
た排出燃料量は燃料排ガス排出弁１６の開口度により調
整される。
【００２８】一方水素貯蔵装置４は水素吸蔵合金を使用
しているため、水素の放出に伴い合金温度が低下し、放
出圧力が低下してくる。この低下を抑えるために、未反
応燃料処理装置５で触媒燃焼により処理された排ガス
を、燃焼排ガス経路２２を通して水素貯蔵装置４内に設
けられた熱交換器９に通過させ、水素貯蔵装置４との間
の熱交換を行っている。
しているため、水素の放出に伴い合金温度が低下し、放
出圧力が低下してくる。この低下を抑えるために、未反
応燃料処理装置５で触媒燃焼により処理された排ガス
を、燃焼排ガス経路２２を通して水素貯蔵装置４内に設
けられた熱交換器９に通過させ、水素貯蔵装置４との間
の熱交換を行っている。
【００２９】尚、熱交換器９に流れる排ガスの持つ熱量
が過剰で、このため水素貯蔵装置４の温度が規定温度を
越えた場合には、二つの弁１５，１６の開閉調節により
熱交換器９を通過させる排ガス量を調節し、水素貯蔵装
置４の温度の過上昇を抑えるようにされている。
が過剰で、このため水素貯蔵装置４の温度が規定温度を
越えた場合には、二つの弁１５，１６の開閉調節により
熱交換器９を通過させる排ガス量を調節し、水素貯蔵装
置４の温度の過上昇を抑えるようにされている。
【００３０】以上の構成の燃料電池装置にあって、本発
明の特徴となるのは、運転停止時に、前記電解質マトリ
ックス中に前記リン酸電解質の濃度が９１．６ｗｔ％未
満の部分が少なくとも部分的に存在するように、運転時
の運転条件が制御されることにある。この点について、
以下に詳述する。
明の特徴となるのは、運転停止時に、前記電解質マトリ
ックス中に前記リン酸電解質の濃度が９１．６ｗｔ％未
満の部分が少なくとも部分的に存在するように、運転時
の運転条件が制御されることにある。この点について、
以下に詳述する。
【００３１】図３は、電解質として用いるリン酸水溶液
の氷結温度を示す特性図である[（W. H. Ross, H. M. J
ones: J. of Am. Chem. Soc.,47,2165(1925)]。
の氷結温度を示す特性図である[（W. H. Ross, H. M. J
ones: J. of Am. Chem. Soc.,47,2165(1925)]。
【００３２】同図に示すように、リン酸濃度が９１．６
ｗｔ％以上では２３．５℃以下の温度で完全に固体化す
るが、それ未満の濃度では固体＋液体、液体、或いは固
体（氷）＋液体の状態となり、−８５℃以下にならなけ
れば完全に固体の状態とはならない。
ｗｔ％以上では２３．５℃以下の温度で完全に固体化す
るが、それ未満の濃度では固体＋液体、液体、或いは固
体（氷）＋液体の状態となり、−８５℃以下にならなけ
れば完全に固体の状態とはならない。
【００３３】従って、運転停止時に、電解質マトリック
ス中にリン酸電解質の濃度が９１．６ｗｔ％未満の部分
が少なくとも部分的に存在するように、運転時の運転条
件が制御された本発明装置によれば、運転停止時に電池
温度が室温程度まで低下したとしても、リン酸電解質の
濃度が９１．６ｗｔ％未満である部分は完全に固体状態
とはならず、液体状態の部分が必ず残存することとな
る。
ス中にリン酸電解質の濃度が９１．６ｗｔ％未満の部分
が少なくとも部分的に存在するように、運転時の運転条
件が制御された本発明装置によれば、運転停止時に電池
温度が室温程度まで低下したとしても、リン酸電解質の
濃度が９１．６ｗｔ％未満である部分は完全に固体状態
とはならず、液体状態の部分が必ず残存することとな
る。
【００３４】このため、本発明によれば電解質が完全に
固体化することにより生じていた前述の課題、即ち電解
質が完全に固体化することにより生じる体積変化によ
り、燃料電池を構成する構成部材に応力が加わることを
防止でき、構成部材が劣化することを防止することがで
きる。
固体化することにより生じていた前述の課題、即ち電解
質が完全に固体化することにより生じる体積変化によ
り、燃料電池を構成する構成部材に応力が加わることを
防止でき、構成部材が劣化することを防止することがで
きる。
【００３５】また、電解質が完全に固体化されず、一部
に電解質抵抗の低い液体状態の部分が残存することか
ら、燃料電池の起動が可能となる。即ち、電解質抵抗の
低い液体状態の部分を介して燃料電池を起動させること
が可能となり、これに伴い電極において過電圧に相当す
る熱が発生し、この熱により電極自身が加熱され電池温
度が上昇する。そして、この電池温度の上昇により固体
状態の電解質を溶融して液体状態とすることによって、
低温から燃料電池を起動させることが可能となる。
に電解質抵抗の低い液体状態の部分が残存することか
ら、燃料電池の起動が可能となる。即ち、電解質抵抗の
低い液体状態の部分を介して燃料電池を起動させること
が可能となり、これに伴い電極において過電圧に相当す
る熱が発生し、この熱により電極自身が加熱され電池温
度が上昇する。そして、この電池温度の上昇により固体
状態の電解質を溶融して液体状態とすることによって、
低温から燃料電池を起動させることが可能となる。
【００３６】特に、小型の燃料電池発電装置の場合にあ
っては、適当な負荷の設定及び、燃料電池に送り込む空
気量の調整によって温度の上昇速度は２０〜３０℃／分
にも達し、短時間で起動させることが可能となる。
っては、適当な負荷の設定及び、燃料電池に送り込む空
気量の調整によって温度の上昇速度は２０〜３０℃／分
にも達し、短時間で起動させることが可能となる。
【００３７】加えて、本発明によれば従来必要としてい
た保温装置や湿潤ガス供給装置といった追加の装置が不
要となるので、装置のコンパクト化が可能となる。
た保温装置や湿潤ガス供給装置といった追加の装置が不
要となるので、装置のコンパクト化が可能となる。
【００３８】ところで、前述の通り、リン酸型燃料電池
においては通常１００ｗｔ％前後と非常に高い濃度のリ
ン酸電解質が用いられている。ところが、このように高
濃度のリン酸は低温での粘性が非常に大きいことから、
運転停止時においても運転時の状態が保持され、燃料電
池内部においてリン酸の濃度の分布が生じる。
においては通常１００ｗｔ％前後と非常に高い濃度のリ
ン酸電解質が用いられている。ところが、このように高
濃度のリン酸は低温での粘性が非常に大きいことから、
運転停止時においても運転時の状態が保持され、燃料電
池内部においてリン酸の濃度の分布が生じる。
【００３９】従って、運転時において、電界質マトリッ
クス中にリン酸電解質の濃度が９１．６ｗｔ％未満の部
分が少なくとも部分的に存在するように、運転時の運転
条件が制御される燃料電池発電装置にあっては、電解質
マトリックス中のリン酸電解質の濃度が前述の通り運転
停止時においても保存されるので、運転停止時に、電界
質マトリックス中にリン酸電解質の濃度が９１．６ｗｔ
％未満の部分を少なくとも部分的に存在させることがで
きる。
クス中にリン酸電解質の濃度が９１．６ｗｔ％未満の部
分が少なくとも部分的に存在するように、運転時の運転
条件が制御される燃料電池発電装置にあっては、電解質
マトリックス中のリン酸電解質の濃度が前述の通り運転
停止時においても保存されるので、運転停止時に、電界
質マトリックス中にリン酸電解質の濃度が９１．６ｗｔ
％未満の部分を少なくとも部分的に存在させることがで
きる。
【００４０】また、電解質として用いるリン酸の平衡濃
度は、図４の平衡濃度曲線に示すように、電池温度の低
下に伴い低くなる傾向があり、同図によれば電池温度が
８５℃未満のときにリン酸の平衡濃度が９１．６ｗｔ％
未満となる。
度は、図４の平衡濃度曲線に示すように、電池温度の低
下に伴い低くなる傾向があり、同図によれば電池温度が
８５℃未満のときにリン酸の平衡濃度が９１．６ｗｔ％
未満となる。
【００４１】従って、運転時に、電池内において８５℃
未満となる部分が少なくとも部分的に存在するように、
運転時の運転条件を制御することにより、運転時におい
て、電界質マトリックス中にリン酸電解質の濃度が９
１．６ｗｔ％未満の部分を少なくとも部分的に存在させ
ることができ、従って運転停止時に、電界質マトリック
ス中にリン酸電解質の濃度が９１．６ｗｔ％未満の部分
を少なくとも部分的に存在させることが可能となる。
未満となる部分が少なくとも部分的に存在するように、
運転時の運転条件を制御することにより、運転時におい
て、電界質マトリックス中にリン酸電解質の濃度が９
１．６ｗｔ％未満の部分を少なくとも部分的に存在させ
ることができ、従って運転停止時に、電界質マトリック
ス中にリン酸電解質の濃度が９１．６ｗｔ％未満の部分
を少なくとも部分的に存在させることが可能となる。
【００４２】さらに、一般に、燃料電池の性能を安定さ
せるためには電池温度を一定の温度に保つ必要があり、
従来は電池内に空気を供給し、電池温度が上昇しすぎな
い様に制御されている。このため、供給された空気の温
度と燃料電池の温度との温度差によって、空気の入口か
ら出口に向かって、電池内に温度勾配が生じる。例え
ば、供給する空気の温度が２０℃の場合、電池内には図
５の温度分布図に示すように１００℃程度の温度勾配が
発生する。
せるためには電池温度を一定の温度に保つ必要があり、
従来は電池内に空気を供給し、電池温度が上昇しすぎな
い様に制御されている。このため、供給された空気の温
度と燃料電池の温度との温度差によって、空気の入口か
ら出口に向かって、電池内に温度勾配が生じる。例え
ば、供給する空気の温度が２０℃の場合、電池内には図
５の温度分布図に示すように１００℃程度の温度勾配が
発生する。
【００４３】従って、電池内の平均温度を１１０℃程度
以下として運転することにより、電池内にはより低温の
部分が存在することとなり、電池内でのリン酸の濃度が
約８５〜１００ｗｔ％の範囲で分布することから、室温
放置しても電解質は完全に固体化されず、必ず液体状態
の部分が存在することとなる。従って、前述した如く、
電解質が完全に固体化することにより生じていた従来の
課題を防止することができる。加えて、従来必要として
いた保温装置や湿潤ガス供給装置といった追加の装置が
不要となるので、装置のコンパクト化が可能となる。
以下として運転することにより、電池内にはより低温の
部分が存在することとなり、電池内でのリン酸の濃度が
約８５〜１００ｗｔ％の範囲で分布することから、室温
放置しても電解質は完全に固体化されず、必ず液体状態
の部分が存在することとなる。従って、前述した如く、
電解質が完全に固体化することにより生じていた従来の
課題を防止することができる。加えて、従来必要として
いた保温装置や湿潤ガス供給装置といった追加の装置が
不要となるので、装置のコンパクト化が可能となる。
【００４４】以上のように、本発明燃料電池発電装置に
よれば、電解質が完全に固体化することにより生じてい
た従来の課題を防止することができ、室温状態から短時
間で電力を供給することが可能となり（例えば停止時の
電池温度が２０℃の場合には、約５分で定格出力が可能
となる）、且つ安定な作動が行なわれる。
よれば、電解質が完全に固体化することにより生じてい
た従来の課題を防止することができ、室温状態から短時
間で電力を供給することが可能となり（例えば停止時の
電池温度が２０℃の場合には、約５分で定格出力が可能
となる）、且つ安定な作動が行なわれる。
【００４５】また、この発電装置を１日１回６時間運転
した後停止するサイクル条件でサイクル試験を行ったと
ころ、図６の特性図に示すように、２００回以上の起動
・停止を繰り返しても、電池性能の低下が抑えられる。
した後停止するサイクル条件でサイクル試験を行ったと
ころ、図６の特性図に示すように、２００回以上の起動
・停止を繰り返しても、電池性能の低下が抑えられる。
【００４６】
【発明の効果】以上説明した如く、本発明燃料発電装置
によれば、正極、負極及びこれらの電極の間に介在する
電解質マトリックス中にリン酸電解質を保持したリン酸
型燃料電池を備えた燃料電池発電装置であって、停止時
に、前記電解質マトリックス中に前記リン酸電解質の濃
度が９１．６ｗｔ％未満の部分が少なくとも部分的に存
在するように、運転時の運転条件が制御されることか
ら、燃料電池の運転を停止し、電池温度が室温まで低下
した場合においても、電池内のリン酸電解質が完全に固
体化することがなく、電解質の体積変化による悪影響を
抑制することができる。加えて、電解質抵抗の低い液体
状態の部分が残存することから、低温でも起動すること
が可能となる。さらには従来必要としていた保温装置や
湿潤ガス供給装置といった追加の装置が不要となるの
で、装置のコンパクト化が可能となり、小型可搬性の燃
料電池発電装置を提供することができる
によれば、正極、負極及びこれらの電極の間に介在する
電解質マトリックス中にリン酸電解質を保持したリン酸
型燃料電池を備えた燃料電池発電装置であって、停止時
に、前記電解質マトリックス中に前記リン酸電解質の濃
度が９１．６ｗｔ％未満の部分が少なくとも部分的に存
在するように、運転時の運転条件が制御されることか
ら、燃料電池の運転を停止し、電池温度が室温まで低下
した場合においても、電池内のリン酸電解質が完全に固
体化することがなく、電解質の体積変化による悪影響を
抑制することができる。加えて、電解質抵抗の低い液体
状態の部分が残存することから、低温でも起動すること
が可能となる。さらには従来必要としていた保温装置や
湿潤ガス供給装置といった追加の装置が不要となるの
で、装置のコンパクト化が可能となり、小型可搬性の燃
料電池発電装置を提供することができる
【図１】本発明燃料電池発電装置のシステムフロー図で
ある。
ある。
【図２】本発明に係る燃料電池の要部拡大断面図であ
る。
る。
【図３】リン酸水溶液の氷結温度を示す特性図である。
【図４】電池温度に対する平衡リン酸濃度を示す平衡濃
度曲線である。
度曲線である。
【図５】電池内の温度分布図である。
【図６】本発明燃料電池発電装置のサイクル特性を示す
特性図である。
特性図である。
１…燃料電池本体、２…負極、３…正極、４…水素貯蔵
装置、５…未反応燃料処理装置、６…空気供給ファン、
１７…燃料供給通路、１８…排燃料通路、１９…空気供
給通路、２４…電解質マトリックス、２８…バイポーラ
プレート
装置、５…未反応燃料処理装置、６…空気供給ファン、
１７…燃料供給通路、１８…排燃料通路、１９…空気供
給通路、２４…電解質マトリックス、２８…バイポーラ
プレート
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 濱田 陽 大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号 三 洋電機株式会社内
Claims (4)
- 【請求項１】 正極、負極及びこれらの電極の間に介在
する電解質マトリックス中にリン酸電解質を保持したリ
ン酸型燃料電池を備えた燃料電池発電装置であって、停
止時に、前記電解質マトリックス中に前記リン酸電解質
の濃度が９１．６ｗｔ％未満の部分が少なくとも部分的
に存在するように、運転時の運転条件が制御されること
を特徴とする燃料電池発電装置。 - 【請求項２】 運転時に、前記電界質マトリックス中に
前記リン酸電解質の濃度が９１．６ｗｔ％未満の部分が
少なくとも部分的に存在するように、運転時の運転条件
が制御されることを特徴とする請求項１記載の燃料電池
発電装置。 - 【請求項３】 運転時に、電池内において８５℃未満と
なる部分が少なくとも部分的に存在するように、運転時
の運転条件が制御されることを特徴とする請求項１又は
２記載の燃料電池発電装置。 - 【請求項４】 運転時に、電池内の平均温度が１１０℃
以下となるように、運転時の運転条件が制御されること
を特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の燃料電
池発電装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10353224A JPH11238521A (ja) | 1991-04-08 | 1998-12-11 | 燃料電池発電装置 |
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3075180A JP2951025B2 (ja) | 1991-04-08 | 1991-04-08 | 小型リン酸型燃料電池の運転方法 |
| JP10353224A JPH11238521A (ja) | 1991-04-08 | 1998-12-11 | 燃料電池発電装置 |
Related Parent Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3075180A Division JP2951025B2 (ja) | 1991-04-08 | 1991-04-08 | 小型リン酸型燃料電池の運転方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11238521A true JPH11238521A (ja) | 1999-08-31 |
Family
ID=13568752
Family Applications (2)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3075180A Expired - Fee Related JP2951025B2 (ja) | 1991-04-08 | 1991-04-08 | 小型リン酸型燃料電池の運転方法 |
| JP10353224A Pending JPH11238521A (ja) | 1991-04-08 | 1998-12-11 | 燃料電池発電装置 |
Family Applications Before (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3075180A Expired - Fee Related JP2951025B2 (ja) | 1991-04-08 | 1991-04-08 | 小型リン酸型燃料電池の運転方法 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5302471A (ja) |
| JP (2) | JP2951025B2 (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| US8137852B2 (en) | 2004-11-09 | 2012-03-20 | Ube Industries, Ltd. | Liquid electrolyte |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| JP4058783B2 (ja) | 1997-11-07 | 2008-03-12 | 松下電器産業株式会社 | 燃料電池装置 |
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