JPS62276764A - 燃料電池の運転法 - Google Patents
燃料電池の運転法Info
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- JPS62276764A JPS62276764A JP61119335A JP11933586A JPS62276764A JP S62276764 A JPS62276764 A JP S62276764A JP 61119335 A JP61119335 A JP 61119335A JP 11933586 A JP11933586 A JP 11933586A JP S62276764 A JPS62276764 A JP S62276764A
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- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
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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】
３、発明の詳細な説明
〔産業上の利用分野〕
本発明は燃料電池の運転法に係り、特に電池寿命を増大
し、かつ、高出力を得るのに好適な運転法に関する。
し、かつ、高出力を得るのに好適な運転法に関する。
一般的な燃料電池は正極と負極を持ち、それらを積層し
て燃料電池積層体を成し、積層体内の各電池は直列に接
続されている。これらの電池は通常空気を使用してその
正極へ酸素を供給し、また水素を使用してその負極へ燃
料を供給することによって発電する。
て燃料電池積層体を成し、積層体内の各電池は直列に接
続されている。これらの電池は通常空気を使用してその
正極へ酸素を供給し、また水素を使用してその負極へ燃
料を供給することによって発電する。
ここでは溶融炭酸塩型燃料電池の例についてその構造を
詳細に述べる。まず電池構成要素としては、酸化ニッケ
ル多孔質板からなる正極と、ニッケル多孔質板から成る
負極があり、それらに挟持されて電解質を含浸した電解
質タイルがある。電解質は一般に炭酸カリウムと炭酸リ
チウムの混合から成りその融点は約５００℃である。ま
た、電解質タイルはりチウムアルミネート粉末を焼結し
たものであり、電解質を含むための微細な空孔が体積の
約５０％をしめる。また、電池は積層されるため、正極
に通る空気と、負極に通る水素ガスを分離するためのガ
ス分離板が各電池間にある。溶融塩型燃料電池は一般に
６５０℃の高温で運転され、炭酸塩はアルカリであるた
め、電極材や分離板の腐食が問題になる。そのため、耐
食性材料が一般に使用され分離板にはオーステナイト系
ステンレス鋼が広（使用されている。
詳細に述べる。まず電池構成要素としては、酸化ニッケ
ル多孔質板からなる正極と、ニッケル多孔質板から成る
負極があり、それらに挟持されて電解質を含浸した電解
質タイルがある。電解質は一般に炭酸カリウムと炭酸リ
チウムの混合から成りその融点は約５００℃である。ま
た、電解質タイルはりチウムアルミネート粉末を焼結し
たものであり、電解質を含むための微細な空孔が体積の
約５０％をしめる。また、電池は積層されるため、正極
に通る空気と、負極に通る水素ガスを分離するためのガ
ス分離板が各電池間にある。溶融塩型燃料電池は一般に
６５０℃の高温で運転され、炭酸塩はアルカリであるた
め、電極材や分離板の腐食が問題になる。そのため、耐
食性材料が一般に使用され分離板にはオーステナイト系
ステンレス鋼が広（使用されている。
積層された燃料電池は、その接触抵抗を少なくするため
と電池内部に通ったガスの外部への漏洩を防ぐために一
般に一定の力で締付けられている。
と電池内部に通ったガスの外部への漏洩を防ぐために一
般に一定の力で締付けられている。
しかしながら、電池は高温であることから長時間的に電
解質タイルの空孔をつぶし、また、多孔質電極の空孔を
も無くしてしまう。これをクリープ現象と称する。この
結果前者は、電解質タイル中の空孔に含まれていた電解
質が外部へ押出されてしまい電解質不足となる。また、
後者は電極の空孔がつぶれてしまうことによって電極反
応の低下を招き、この結果電池性能が低下してしまう。
解質タイルの空孔をつぶし、また、多孔質電極の空孔を
も無くしてしまう。これをクリープ現象と称する。この
結果前者は、電解質タイル中の空孔に含まれていた電解
質が外部へ押出されてしまい電解質不足となる。また、
後者は電極の空孔がつぶれてしまうことによって電極反
応の低下を招き、この結果電池性能が低下してしまう。
また、電池作動温度を下げることは、電解質の蒸発を防
止し、電解質タイル中のイオンの移動をおさえて電池の
出力を下げると共に、電池の寿命を大幅に延ばすことに
なる。
止し、電解質タイル中のイオンの移動をおさえて電池の
出力を下げると共に、電池の寿命を大幅に延ばすことに
なる。
電池出力は電池電圧と電池電流の積で計算される。電池
の電圧は単セルにおいて無負荷特約１■であり、負荷時
はそれ以下となる。従って積層された電池の電圧はその
積層数によってほぼ決定されているが、電池へ導入され
るガスの量や組成を変えることによっても電圧は制御可
能である。
の電圧は単セルにおいて無負荷特約１■であり、負荷時
はそれ以下となる。従って積層された電池の電圧はその
積層数によってほぼ決定されているが、電池へ導入され
るガスの量や組成を変えることによっても電圧は制御可
能である。
一方、電流は、電池へ導入されるガス量や組成を変える
ことにより制御することが一般的であるが、系統内の負
荷抵抗を変化させることによっても可能である。以上の
ように電圧電流を変えることにより負荷を変えることが
できる。
ことにより制御することが一般的であるが、系統内の負
荷抵抗を変化させることによっても可能である。以上の
ように電圧電流を変えることにより負荷を変えることが
できる。
なお、燃料電池の電池出力制御方法としては、特開昭５
５−５３８７６号に記載されているような方法が′ある
が、これは、電池の作動温度を下げ、酸化剤ガス組成や
流量を制御することにより出力を低下させる方法である
。
５−５３８７６号に記載されているような方法が′ある
が、これは、電池の作動温度を下げ、酸化剤ガス組成や
流量を制御することにより出力を低下させる方法である
。
前述のように、燃料電池においては、電池の作動温度を
下げ、電池寿命をのばしながら、高出力を達成する方法
はこれまで知られていなかった。
下げ、電池寿命をのばしながら、高出力を達成する方法
はこれまで知られていなかった。
本発明の目的は、電池寿命を増大し、かつ高出力を得る
燃料電池の運転法を提供することにある。
燃料電池の運転法を提供することにある。
上記目的は燃料電池の運転において、電池温度を制御し
、かつ、電流密度をその電池温度における最高出力点に
制御することにより達成される。
、かつ、電流密度をその電池温度における最高出力点に
制御することにより達成される。
電池温度を制御する方法について最も効率的な方法は、
電池入口側の燃料及び酸化剤ガスの温度を制御する方法
である。具体的には例えば入口ガス導管に温度調節器を
設けて供給ガス温度を制御する。一方、電池からの温度
、電圧、電流の信号は演算器に受けとり、出力を算出す
る。この時の電池温度と出力を対比する。一方、演算器
は外部からの作動温度に運転されるようにガス温度調節
器に指令し温度制御する。
電池入口側の燃料及び酸化剤ガスの温度を制御する方法
である。具体的には例えば入口ガス導管に温度調節器を
設けて供給ガス温度を制御する。一方、電池からの温度
、電圧、電流の信号は演算器に受けとり、出力を算出す
る。この時の電池温度と出力を対比する。一方、演算器
は外部からの作動温度に運転されるようにガス温度調節
器に指令し温度制御する。
また、電流密度は、入口ガスの流量又はガス組成を変え
ること、また系統内の負荷抵抗を変化させることにより
制御され、作動温度におけるＲ高出力になるように設定
される。
ること、また系統内の負荷抵抗を変化させることにより
制御され、作動温度におけるＲ高出力になるように設定
される。
よって、各温度における最高出力が得られるため出力効
率はきわめて高い。
率はきわめて高い。
本発明の燃料電池の運転法において、燃料電池の運転温
度を下げることにより、電池内部部材の腐食及びクリー
プ現象が防止され、時間の経過による電池性能の低下が
防がれる。しかも、電池密度の制御により各温度におけ
る最高出力が得られるため、高い出力効率が得られる。
度を下げることにより、電池内部部材の腐食及びクリー
プ現象が防止され、時間の経過による電池性能の低下が
防がれる。しかも、電池密度の制御により各温度におけ
る最高出力が得られるため、高い出力効率が得られる。
以下に添付の図を参照しながら本発明の実施例について
詳細に説明する。
詳細に説明する。
第１図は燃料電池発電プラントの一部を示しである。電
気的に直列に接続された複数個の電池を′含む燃料電池
積層体が符号１にて示されているが簡単のために電池の
正極２と負極３により概略図で示しである。各電池は溶
融炭酸塩電解質にて浸漬されたりチウムアルミネートマ
トリックスを含んでいる。このマトリックスは酸素電極
即ち工種電極２と燃料電極即ち負極電極３との間にサン
ドイッチ状に挟持されている。各電池間にはガス分離板
が配設され、隣接する電池を分離している。
気的に直列に接続された複数個の電池を′含む燃料電池
積層体が符号１にて示されているが簡単のために電池の
正極２と負極３により概略図で示しである。各電池は溶
融炭酸塩電解質にて浸漬されたりチウムアルミネートマ
トリックスを含んでいる。このマトリックスは酸素電極
即ち工種電極２と燃料電極即ち負極電極３との間にサン
ドイッチ状に挟持されている。各電池間にはガス分離板
が配設され、隣接する電池を分離している。
電池に供給されるガス導管は負極側導管４により燃料が
供給され、電池入口側に位置する温度調節器５にてガス
温度を昇温する。しかる後、ガスは負極３へ導入される
。電池内部では発電によりガスが昇温されて排出される
。排出ガスの組成は入口ガスの組成と異なり水素が消費
された後であるため水素割合は減少しているが、電池内
部で１００％消費されないで排出される。入口供給ガス
量と発電に利用されたガス量の比を利用率と称する。
供給され、電池入口側に位置する温度調節器５にてガス
温度を昇温する。しかる後、ガスは負極３へ導入される
。電池内部では発電によりガスが昇温されて排出される
。排出ガスの組成は入口ガスの組成と異なり水素が消費
された後であるため水素割合は減少しているが、電池内
部で１００％消費されないで排出される。入口供給ガス
量と発電に利用されたガス量の比を利用率と称する。
一般に負極のガス利用率Ｕｆ＝２０〜８０％であるので
残りの８０〜２０％の水素は発電に利用されないで排出
されることになる。この排出ガスの水素の熱量を再利用
するため、図中に示す送風機６によりガス入口側に循環
される。また、その途中において入口ガス導管４と熱交
換器７にて熱交換される。
残りの８０〜２０％の水素は発電に利用されないで排出
されることになる。この排出ガスの水素の熱量を再利用
するため、図中に示す送風機６によりガス入口側に循環
される。また、その途中において入口ガス導管４と熱交
換器７にて熱交換される。
一方、正極側導管８からは酸化剤ガス（主として空気と
二酸化炭素）が供給され正極２に導入される。電池排気
後は入口ガスと熱交換器９にて熱交換された後排気され
る。ここで電池からの排気ガスは電池内部の発熱により
入口ガスよりも高温であるため熱交換器を介して入口ガ
ス温度を高くする効果は十分にある。また、負極からの
排気ガスの一部には二酸化炭素が電池内部の反応により
生成す−るため析出する。これを温度調節器９にて温度
を調節した後、送風機１０により正極入口導管に導（こ
とにすれば更に効率的である。前記説明の温度調節器５
及び９は燃料器、電気的加熱器及び熱交換器のいずれで
あってもよい。但し、それぞれの温度は調節できるよう
な機構にしておく必要がある。ここでは燃焼器と考えて
、その温度を調節するために燃料制御弁１１及び１２を
持つことにする。また電池本体に関しては、電池出力計
１３を持ち、それから電圧■と電流Ａを検出する機能を
持ち出力演算器１４において出力を計算し表示記録する
装置を持つ。また、電池本体の温度Ｔは検出され演算器
１５に送られる。ここで電池本体の温度として電池積層
体ｌの中央部の温度か、もしくは、ガス出口付近の温度
がよい。これは電池内部の発熱反応によって温度分布が
異なる。一般に温度が高過ぎると電池を損傷する危険性
があるため、ガス出口部の温度を監視することがよりよ
い。しかし、電池内において温度検出器を数多く取りつ
ける経済的余裕が有るならば各電池内部の温度を数点測
定し、また積層方向にも数セル分測定し、各温度の平均
値か、もしくは最高点を検出する方法がより望ましい。
二酸化炭素）が供給され正極２に導入される。電池排気
後は入口ガスと熱交換器９にて熱交換された後排気され
る。ここで電池からの排気ガスは電池内部の発熱により
入口ガスよりも高温であるため熱交換器を介して入口ガ
ス温度を高くする効果は十分にある。また、負極からの
排気ガスの一部には二酸化炭素が電池内部の反応により
生成す−るため析出する。これを温度調節器９にて温度
を調節した後、送風機１０により正極入口導管に導（こ
とにすれば更に効率的である。前記説明の温度調節器５
及び９は燃料器、電気的加熱器及び熱交換器のいずれで
あってもよい。但し、それぞれの温度は調節できるよう
な機構にしておく必要がある。ここでは燃焼器と考えて
、その温度を調節するために燃料制御弁１１及び１２を
持つことにする。また電池本体に関しては、電池出力計
１３を持ち、それから電圧■と電流Ａを検出する機能を
持ち出力演算器１４において出力を計算し表示記録する
装置を持つ。また、電池本体の温度Ｔは検出され演算器
１５に送られる。ここで電池本体の温度として電池積層
体ｌの中央部の温度か、もしくは、ガス出口付近の温度
がよい。これは電池内部の発熱反応によって温度分布が
異なる。一般に温度が高過ぎると電池を損傷する危険性
があるため、ガス出口部の温度を監視することがよりよ
い。しかし、電池内において温度検出器を数多く取りつ
ける経済的余裕が有るならば各電池内部の温度を数点測
定し、また積層方向にも数セル分測定し、各温度の平均
値か、もしくは最高点を検出する方法がより望ましい。
演算器１５には、作動温度Ｔと出力と電流■の関係が前
もって入力されているか、又は外部入力信号１６にて与
えられる。
もって入力されているか、又は外部入力信号１６にて与
えられる。
いま、負荷を変更する信号が与えられると、演算器１５
にて、現状負荷との関係より温度を変更する信号１７を
出し、ガス温度調節器の制御弁１１及び１２を制御する
。
にて、現状負荷との関係より温度を変更する信号１７を
出し、ガス温度調節器の制御弁１１及び１２を制御する
。
ここで、この制御弁の変化率、すなわち、温度変化率は
、演算器１５の中に前もって組込まれているか、もしく
は、外部信号１６と同時に入力される。
、演算器１５の中に前もって組込まれているか、もしく
は、外部信号１６と同時に入力される。
温度変化率が大きいと、電池のガス通路とそうでない部
分とに大きな伸び差が生じる。特にセラミックスから成
る電解質タイルと、オーステナイト鋼から成る分離板と
の熱膨張係数の差が太きいため、電解質仮に亀裂が生じ
る危険性があることから注意して制御する必要がある。
分とに大きな伸び差が生じる。特にセラミックスから成
る電解質タイルと、オーステナイト鋼から成る分離板と
の熱膨張係数の差が太きいため、電解質仮に亀裂が生じ
る危険性があることから注意して制御する必要がある。
以上電池温度の制御方法として電池への供給ガス温度を
制御する方法を述べたが、小規模発電プラントにおいて
はガス導入管に温度調節器を設けることは経済的に不利
益になる恐れがある。この場合は、ガスによる電池加熱
制御法によらず、電池本体をその廻りから加熱する方法
の方がよい。
制御する方法を述べたが、小規模発電プラントにおいて
はガス導入管に温度調節器を設けることは経済的に不利
益になる恐れがある。この場合は、ガスによる電池加熱
制御法によらず、電池本体をその廻りから加熱する方法
の方がよい。
その時の温度調節システムも前記大規模発電プラントと
同様に設ける。
同様に設ける。
次に、温度と電池性能特性の関係について詳細に述べる
。第２図は、電池温度と電圧、電流密度との関係を示す
。ここで電流密度は１セルの平均電池電流密度を示す。
。第２図は、電池温度と電圧、電流密度との関係を示す
。ここで電流密度は１セルの平均電池電流密度を示す。
これに電池の発電面積を乗すると電池電流になる。更に
これに電圧を乗すると電池出力となる。
これに電圧を乗すると電池出力となる。
本図において、例えば６５０ ”Ｃの作動温度において
は、電流密度を増加すると電圧がほぼそれに比例して低
下する。この特性は、各温度において同じ傾向にある。
は、電流密度を増加すると電圧がほぼそれに比例して低
下する。この特性は、各温度において同じ傾向にある。
また、電池の作動温度を変化させると、電流密度がＯ又
は５０ｍＡ／ｃｎｌと低い場合には低温側の電圧の低下
量は少ないが、電流密度を１５０〜２００ｍＡ／ｃａｌ
と高くすると低温側の電圧低下量が太き（なる。これは
低温では電解質タイル中の炭酸イオンの伝導性が低下す
ること、また電極の分極が上昇するためといわれている
。
は５０ｍＡ／ｃｎｌと低い場合には低温側の電圧の低下
量は少ないが、電流密度を１５０〜２００ｍＡ／ｃａｌ
と高くすると低温側の電圧低下量が太き（なる。これは
低温では電解質タイル中の炭酸イオンの伝導性が低下す
ること、また電極の分極が上昇するためといわれている
。
第２図に示す電池温度、電池電圧、電流密度の関係を、
電池出力と電流密度及び電池作動温度との関係にすると
第３図となる。
電池出力と電流密度及び電池作動温度との関係にすると
第３図となる。
電池出力は各温度において常に極大点を持つ。
この極大点での運転は電流密度を調節することにより可
能であり、電流密度は電池へ導入されるガス量及び組成
により反応状態を変えること又は負荷抵抗を変えること
により可能である。
能であり、電流密度は電池へ導入されるガス量及び組成
により反応状態を変えること又は負荷抵抗を変えること
により可能である。
第４図は第３図に示す出力極大点をとり、各温度と電池
出力の関係でまとめた図である。図中点１日は電池作動
温度６５０℃の定格出力の位置を示す。
出力の関係でまとめた図である。図中点１日は電池作動
温度６５０℃の定格出力の位置を示す。
叉点１９は部分負荷時の温度と出力を示す。一方高負荷
時には点２０の作動温度と出力を示す。これらの点を包
絡するｖｉ２１を求める。これにそって電池の温度を制
御することにより目標の出力を得ることができる。従っ
て前記第１図に示した演算器１５には、この曲線が入力
されているか、もしくは外部入力１６にて必要出力に見
合った電池温度信号を入力することにより電池出力を制
御することができる。
時には点２０の作動温度と出力を示す。これらの点を包
絡するｖｉ２１を求める。これにそって電池の温度を制
御することにより目標の出力を得ることができる。従っ
て前記第１図に示した演算器１５には、この曲線が入力
されているか、もしくは外部入力１６にて必要出力に見
合った電池温度信号を入力することにより電池出力を制
御することができる。
本発明によれば電池の温度を下げかつ高出力運転ができ
る。従って、電池内部部材の腐食やクリープ現象を防止
でき、又、電解質の消耗を抑制できるため、電池寿命の
大幅な増大となるとともに、出力効率が高いという効果
を奏する。
る。従って、電池内部部材の腐食やクリープ現象を防止
でき、又、電解質の消耗を抑制できるため、電池寿命の
大幅な増大となるとともに、出力効率が高いという効果
を奏する。
第１図は本発明の一実施例の発電プラント部分系統図、
第２図は電池特性説明図、第３図は電池出力特性説明図
、第４図は電池出力と温度の相関説明図である。 １・・・燃料電池、２・・・正極電極、３・・・負極電
極、４・・・燃料導管、５・・・燃料ガス温度調節器、
６，１０・・・送風機、７．９・・・熱交換器、８・・
・酸化ガス導管、ＩＬ １２・・・温度調節器制御弁、
１３・・・負荷装置、１４・・・出力演算器、１５・・
・演算器、１６・・・外部負荷信号、１７・・・温度信
号、】８・・・定格出力点、１９・・・低負荷出力点、
２０・・・高負荷出力点、２１・・・出力包絡線。 代理人 弁理士 平 木 祐 輔 ３′同楔電換８二酸化剤導管 １５：演算器第２
図 電池温度じＣ） 第３図 １８、定格出力点 １９：低負荷出力点 ２０：高負荷出力点
第２図は電池特性説明図、第３図は電池出力特性説明図
、第４図は電池出力と温度の相関説明図である。 １・・・燃料電池、２・・・正極電極、３・・・負極電
極、４・・・燃料導管、５・・・燃料ガス温度調節器、
６，１０・・・送風機、７．９・・・熱交換器、８・・
・酸化ガス導管、ＩＬ １２・・・温度調節器制御弁、
１３・・・負荷装置、１４・・・出力演算器、１５・・
・演算器、１６・・・外部負荷信号、１７・・・温度信
号、】８・・・定格出力点、１９・・・低負荷出力点、
２０・・・高負荷出力点、２１・・・出力包絡線。 代理人 弁理士 平 木 祐 輔 ３′同楔電換８二酸化剤導管 １５：演算器第２
図 電池温度じＣ） 第３図 １８、定格出力点 １９：低負荷出力点 ２０：高負荷出力点
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １、正極と負極とを有する燃料電池が電気的に直列に接
続された積層体を成し、酸化剤ガスが燃料電池の正極に
接する空気通路へ供給され、燃料ガスがその負極に接す
る燃料通路へ供給される導管を持ち、電池出力装置を持
つ燃料電池において、電池温度を制御し、その温度にお
ける最高出力点を得られるように電流密度を制御するこ
とを特徴とする燃料電池の運転法。 ２、酸化剤ガスが空気であり、燃料ガスが水素である特
許請求の範囲第１項記載の燃料電池の運転法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61119335A JPS62276764A (ja) | 1986-05-26 | 1986-05-26 | 燃料電池の運転法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61119335A JPS62276764A (ja) | 1986-05-26 | 1986-05-26 | 燃料電池の運転法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS62276764A true JPS62276764A (ja) | 1987-12-01 |
Family
ID=14758933
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP61119335A Pending JPS62276764A (ja) | 1986-05-26 | 1986-05-26 | 燃料電池の運転法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS62276764A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2013191572A (ja) * | 2008-11-18 | 2013-09-26 | Tokyo Gas Co Ltd | Ｍｃｆｃ発電システムとその運転方法 |
| WO2025132171A1 (de) * | 2023-12-20 | 2025-06-26 | Robert Bosch Gmbh | Verfahren zum betreiben eines brennstoffzellensystems |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5553876A (en) * | 1978-10-13 | 1980-04-19 | United Technologies Corp | Method of lowering output power of fuel battery |
-
1986
- 1986-05-26 JP JP61119335A patent/JPS62276764A/ja active Pending
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5553876A (en) * | 1978-10-13 | 1980-04-19 | United Technologies Corp | Method of lowering output power of fuel battery |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2013191572A (ja) * | 2008-11-18 | 2013-09-26 | Tokyo Gas Co Ltd | Ｍｃｆｃ発電システムとその運転方法 |
| WO2025132171A1 (de) * | 2023-12-20 | 2025-06-26 | Robert Bosch Gmbh | Verfahren zum betreiben eines brennstoffzellensystems |
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