JPS607064A - 燃料電池の運転方法 - Google Patents
燃料電池の運転方法Info
- Publication number
- JPS607064A JPS607064A JP58112851A JP11285183A JPS607064A JP S607064 A JPS607064 A JP S607064A JP 58112851 A JP58112851 A JP 58112851A JP 11285183 A JP11285183 A JP 11285183A JP S607064 A JPS607064 A JP S607064A
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- JP
- Japan
- Prior art keywords
- fuel cell
- cathode
- carbon
- carbon dioxide
- phosphoric acid
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
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-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
- H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
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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。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
〔発明の技術分野〕
本発明は、りん酸型燃料電池忙おいて、’Ｉｉａ極上に
分散された触媒の担持体が酸化することにょる電池性能
の低下を減少させる燃料電池の運転方法に関する。
分散された触媒の担持体が酸化することにょる電池性能
の低下を減少させる燃料電池の運転方法に関する。
従来の燃料電池は、単セルとセパレータを交互に多数積
層して構成しているが、積層される単位である単セルと
セパレータの構成例をｉＪ図に示す。単セルは、多孔質
のカソード極１と、多孔質のアノード極２の間に電解液
を含むマトリックス層３をはさんで構成され、カソード
極１とアノード極２の外側には、そｉｔぞれ酸化剤ガス
と燃料ガスを流通させる溝を有するセパレータ４，４′
がある。カソード極１とアノード極２は、電極材料とし
て不可欠な高い導電性をもつことに加え、電解液である
りん酸の強い酸性に対する耐腐食性が要求てれるためカ
ーボンを原料とした材料が用いられ、カーボン繊維を紙
状にすいたものを基材とし、白金触媒を担持したカーボ
ン粉末を、フッ素樹脂の粉末などで結着して構成されて
いる。一方、りん酸型燃料電池の運転にあたっては、温
度が高い程りん酸′電解液の４覗度が高くなり、又触媒
上における反応も促進されるため、抵抗分極及び活性化
分極を小さくし、電池の性能を上げるためには、電池温
度を高くすることが望ましく、現在では２００°０程度
の電池温度で運転が行なわれている。
層して構成しているが、積層される単位である単セルと
セパレータの構成例をｉＪ図に示す。単セルは、多孔質
のカソード極１と、多孔質のアノード極２の間に電解液
を含むマトリックス層３をはさんで構成され、カソード
極１とアノード極２の外側には、そｉｔぞれ酸化剤ガス
と燃料ガスを流通させる溝を有するセパレータ４，４′
がある。カソード極１とアノード極２は、電極材料とし
て不可欠な高い導電性をもつことに加え、電解液である
りん酸の強い酸性に対する耐腐食性が要求てれるためカ
ーボンを原料とした材料が用いられ、カーボン繊維を紙
状にすいたものを基材とし、白金触媒を担持したカーボ
ン粉末を、フッ素樹脂の粉末などで結着して構成されて
いる。一方、りん酸型燃料電池の運転にあたっては、温
度が高い程りん酸′電解液の４覗度が高くなり、又触媒
上における反応も促進されるため、抵抗分極及び活性化
分極を小さくし、電池の性能を上げるためには、電池温
度を高くすることが望ましく、現在では２００°０程度
の電池温度で運転が行なわれている。
また、電解液として用いられるりん酸の濃度は、９５〜
１０５ｗｔ ％程度のものが用いられているが、このり
ん酸中には水が含まれており、特にカソード極付近にお
いては、電解液中の水素イオンとカソード極に供給され
る酸化剤ガスが反応して水が生成されるため、水分の多
い環境になっている。さらに電池の運転中には常に電極
に電位がかかった状態にあるが、以上のような環境下に
さらされると、電極の、特にカソード極の触媒の担持体
であるカーボンが酸化されてくることが知られている。
１０５ｗｔ ％程度のものが用いられているが、このり
ん酸中には水が含まれており、特にカソード極付近にお
いては、電解液中の水素イオンとカソード極に供給され
る酸化剤ガスが反応して水が生成されるため、水分の多
い環境になっている。さらに電池の運転中には常に電極
に電位がかかった状態にあるが、以上のような環境下に
さらされると、電極の、特にカソード極の触媒の担持体
であるカーボンが酸化されてくることが知られている。
この酸化反応のメカニズムは複雑であり、十分解明され
ているわけではないが、上記の燃料電池の運転状態の環
境下では、担持体のカーボンが電解液中の水と反応して
二酸化炭素を生成する、次式で示される反応過程が最も
重要であるとみられている。
ているわけではないが、上記の燃料電池の運転状態の環
境下では、担持体のカーボンが電解液中の水と反応して
二酸化炭素を生成する、次式で示される反応過程が最も
重要であるとみられている。
Ｃ＋ ２Ｈ，０−＋ＣＯ□＋４Ｈ＋ ＋ ４ｅ−（１）
このような反応により、触媒の担持体であるカーボンが
失なわれると、次のような影響が現ｔフれる。
このような反応により、触媒の担持体であるカーボンが
失なわれると、次のような影響が現ｔフれる。
ａ）担持体が失なわれると同時に触媒も担持体から分離
してしまい、その請来反応に寄与する表面積が少なくな
って活性化分極が大きくなる。
してしまい、その請来反応に寄与する表面積が少なくな
って活性化分極が大きくなる。
ｂ）担持体であるカーボンには、電極反応に必要な三相
界面を維持するために、ＰＴＦＥなどを塗付して撥水化
処理が施しである。ところがカーボンが酸化して担持体
の表面が失なわれると同時に、撥水性も失ない、電極が
反応生成水などで侵されてしまい、電極反応に必要なガ
スが拡散により反応面に到達する際の抵抗が大きくなる
。
界面を維持するために、ＰＴＦＥなどを塗付して撥水化
処理が施しである。ところがカーボンが酸化して担持体
の表面が失なわれると同時に、撥水性も失ない、電極が
反応生成水などで侵されてしまい、電極反応に必要なガ
スが拡散により反応面に到達する際の抵抗が大きくなる
。
このような結果、′電池の性能は大幅に低下する。
特に、りん酸型燃料電池は商用発電装置として長時間の
安定した性能が要求されるため、これは非常に重要な問
題である。
安定した性能が要求されるため、これは非常に重要な問
題である。
このような問題に対し、まず材料の面からは、担持体の
カーボンを熱処理するなどして、酸化されにくい黒鉛化
されたカーボンにする方法がとられている。しかしなが
ら黒鉛化されたカーボンにおいても、特に結晶面上の転
位などを中心として酸化が進行し、黒鉛化されていない
ものに比べ酸化の速度を低減させることはできても酸化
を防止することはできず、長時間の運転においてはやは
り問題となる。
カーボンを熱処理するなどして、酸化されにくい黒鉛化
されたカーボンにする方法がとられている。しかしなが
ら黒鉛化されたカーボンにおいても、特に結晶面上の転
位などを中心として酸化が進行し、黒鉛化されていない
ものに比べ酸化の速度を低減させることはできても酸化
を防止することはできず、長時間の運転においてはやは
り問題となる。
一方、電池の運転方法の面からは、この酸化反応が電極
電位に大きく影響を受け、特に電極間電位をある程度以
上にすると、酸化反応が急激に進行することから、電極
間電位をある程度以上にしないような運転方法がとられ
てきた。しかしながら電極間電位差を低く抑えることは
電池の持っている本来の性能を無駄にするばかシではな
く、電極電位を低く抑えてもカーボンの酸化はやはり進
行する。
電位に大きく影響を受け、特に電極間電位をある程度以
上にすると、酸化反応が急激に進行することから、電極
間電位をある程度以上にしないような運転方法がとられ
てきた。しかしながら電極間電位差を低く抑えることは
電池の持っている本来の性能を無駄にするばかシではな
く、電極電位を低く抑えてもカーボンの酸化はやはり進
行する。
この発明は、上記の問題点を解決し、シん酸型燃料′電
池の性能向上のだめに必要な高い電池温度と高い電極電
位のもとて問題となる触媒の担持体の酸化を低減するこ
とにより、高い電池性能ヲ長１υ］にわたって維持する
ことができるりん酸壓燃料電池の運転方法を提供するも
のである。
池の性能向上のだめに必要な高い電池温度と高い電極電
位のもとて問題となる触媒の担持体の酸化を低減するこ
とにより、高い電池性能ヲ長１υ］にわたって維持する
ことができるりん酸壓燃料電池の運転方法を提供するも
のである。
前述したように、担持体であるカーボンの酸化の主反応
は、主にカソード極で生じる（１）式の反応と与られＣ
いるが、この反応の右辺への進行は、（１）式かられか
るとうり、担持体近傍の二酸化炭素の分圧を高くするこ
とにより抑えられる。このような理由から、本発明では
、カソード極及びアノード極を有するりん酸型燃料゛電
池の運転方法において、カソード極に供給される気体に
、気体分圧の０１チ以上の分圧の二酸化炭素が含まれる
ことを特徴とする燃料電池の運転方法を提供する。
は、主にカソード極で生じる（１）式の反応と与られＣ
いるが、この反応の右辺への進行は、（１）式かられか
るとうり、担持体近傍の二酸化炭素の分圧を高くするこ
とにより抑えられる。このような理由から、本発明では
、カソード極及びアノード極を有するりん酸型燃料゛電
池の運転方法において、カソード極に供給される気体に
、気体分圧の０１チ以上の分圧の二酸化炭素が含まれる
ことを特徴とする燃料電池の運転方法を提供する。
本発明により担持体のカーボンの酸化による電池性能の
劣化が抑制されるため、従来より長期間高い性能を維持
することが可能となった。さらに、電極電位が比較的高
い条件下でも性能の経時劣化が少ないことから、従来、
担持体の酸化による性能の経時劣化を抑えるために低く
抑えられていた定格運転時の電極電位を高くすることが
でき、従つて同出力の燃料電池スタックでは、セルの積
層数が少なくてすみ、スタックがコンパクトかつ・安価
になる。さらに本発明で用いる二酸化炭素は、極めて容
易かつ安価に入手することができ、又燃料電池の構成要
素及び人体に対する有害性及び毒性もない。従って本発
明によシ容易に、シん酸型燃料電池の長期にわたシ高い
電池性能が得られ、有効である。
劣化が抑制されるため、従来より長期間高い性能を維持
することが可能となった。さらに、電極電位が比較的高
い条件下でも性能の経時劣化が少ないことから、従来、
担持体の酸化による性能の経時劣化を抑えるために低く
抑えられていた定格運転時の電極電位を高くすることが
でき、従つて同出力の燃料電池スタックでは、セルの積
層数が少なくてすみ、スタックがコンパクトかつ・安価
になる。さらに本発明で用いる二酸化炭素は、極めて容
易かつ安価に入手することができ、又燃料電池の構成要
素及び人体に対する有害性及び毒性もない。従って本発
明によシ容易に、シん酸型燃料電池の長期にわたシ高い
電池性能が得られ、有効である。
ＳＩＣと１０４ｗｔ％のりん酸を混ぜ合わせてペースト
状処した電解質マトリックス層を持ち、Ｖ−ＸＣ−７２
Ｒ（商品名）と称されるカーボンを白金触媒の担持体と
して用いた燃料電池を、電池温度２０５℃、ガス圧力４
Ｋｙ／ａｍ”の条件下で運転した。アノード極側には、
水素と１．５ ％の水蒸気を、カソード極側には４係の
水蒸気と、従来例では空気を、本発明の実施例では２０
係の二酸化炭素を混入した菫気をそれぞれ供給した。こ
こで上述の各気体の割合は、それぞれ燃料ガスと酸化剤
ガス中に占める各気体の分圧比を示す。第２図は従来例
と本発明の一実施例の二つの場合について、・毘極間電
位差が一定値（０，８５Ｖ）となるように負荷を設定し
て底流を取シ続げた際の′這流密度２２０ｍＡ、ｚＷに
おける単セルの過電圧の時間変化を示しだものである。
状処した電解質マトリックス層を持ち、Ｖ−ＸＣ−７２
Ｒ（商品名）と称されるカーボンを白金触媒の担持体と
して用いた燃料電池を、電池温度２０５℃、ガス圧力４
Ｋｙ／ａｍ”の条件下で運転した。アノード極側には、
水素と１．５ ％の水蒸気を、カソード極側には４係の
水蒸気と、従来例では空気を、本発明の実施例では２０
係の二酸化炭素を混入した菫気をそれぞれ供給した。こ
こで上述の各気体の割合は、それぞれ燃料ガスと酸化剤
ガス中に占める各気体の分圧比を示す。第２図は従来例
と本発明の一実施例の二つの場合について、・毘極間電
位差が一定値（０，８５Ｖ）となるように負荷を設定し
て底流を取シ続げた際の′這流密度２２０ｍＡ、ｚＷに
おける単セルの過電圧の時間変化を示しだものである。
なお５は従来例、６は本発明における過″礪圧の時間変
化を示す。
化を示す。
第１図は従来の燃料電池の単セルの構成図、第２図は燃
料電池単セルの過電圧の時間変化を示した特性図である
。 １ ・空気極 ２ ・燃料極 ３ ・電解液を含むマトリックス層 ４．４１ セパレータ ５・従来例による単セル過電圧の時間変化６ 本発明の
一実施例による単セル過電圧の時間変化
料電池単セルの過電圧の時間変化を示した特性図である
。 １ ・空気極 ２ ・燃料極 ３ ・電解液を含むマトリックス層 ４．４１ セパレータ ５・従来例による単セル過電圧の時間変化６ 本発明の
一実施例による単セル過電圧の時間変化
Claims (2)
- （１）カソード極及びアノード極を有するシん酸型燃料
電池の運転方法において、カソード極に供給される気体
に、この気体全圧の０．１１以上の分圧の二酸化炭素が
含まれていることを特徴とする燃料電池の運転方法。 - （２） カソード極に供給される気体が、空気に、通常
の草気に含まれるよシ多くの割合の二酸化炭素を含ませ
たガスを混入したものであることを特徴とする特許請求
の範囲第１項記載の燃料電池の運転方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP58112851A JPS607064A (ja) | 1983-06-24 | 1983-06-24 | 燃料電池の運転方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP58112851A JPS607064A (ja) | 1983-06-24 | 1983-06-24 | 燃料電池の運転方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS607064A true JPS607064A (ja) | 1985-01-14 |
Family
ID=14597110
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP58112851A Pending JPS607064A (ja) | 1983-06-24 | 1983-06-24 | 燃料電池の運転方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS607064A (ja) |
-
1983
- 1983-06-24 JP JP58112851A patent/JPS607064A/ja active Pending
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