JP4328498B2

JP4328498B2 - リン酸型燃料電池の運転方法

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Publication number: JP4328498B2
Application number: JP2002174288A
Authority: JP
Inventors: 勝井口
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2002-06-14
Filing date: 2002-06-14
Publication date: 2009-09-09
Anticipated expiration: 2022-06-14
Also published as: US20040009377A1; US7125617B2; EP1372205B1; DE60324363D1; EP1372205A2; EP1372205A3; JP2004022283A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、リン酸を含浸させた電解質層をアノード側電極とカソード側電極とで挟んで構成される接合体を有するリン酸型燃料電池の運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池の一形態であるリン酸型燃料電池の単位セルは、リン酸が含浸された電解質層をアノード側電極とカソード側電極とで挟んで構成される電解質層・電極接合体を有する。リン酸を含浸させる母材（マトリックス）としては、炭化珪素多孔質体が一般的であるが、ポリベンズイミダゾール等の塩基性高分子膜を採用することも提案されている（米国特許第５５２５４３６号公報参照）。
【０００３】
リン酸型燃料電池は、通常、上記したような構成の単位セルが所定の数だけ積層され、かつ電気的に直列接続された積層体として構成されている。
【０００４】
このように構成されたリン酸型燃料電池を運転するに際しては、まず、アノード側電極に燃料ガス（水素含有ガス）が供給され、かつカソード側電極に酸素含有ガスが供給される。このうち、水素含有ガス中の水素は、アノード側電極において、以下の反応式（Ａ）に示されるように電離し、その結果、水素イオンおよび電子が生成する。
【０００５】
２Ｈ₂→４Ｈ⁺＋４ｅ…（Ａ）
【０００６】
生成した水素イオンは、電解質層を介してカソード側電極へ移動する。一方、電子は、アノード側電極およびカソード側電極に電気的に接続された外部回路に取り出され、該外部回路を付勢するための直流の電気エネルギとして利用された後、カソード側電極へと至る。
【０００７】
そして、カソード側電極に移動した水素イオンおよび前記外部回路を介してカソード側電極に到達した電子は、該カソード側電極に供給された酸素含有ガス中の酸素と以下の反応式（Ｂ）に示される反応を起こす。
【０００８】
Ｏ₂＋４Ｈ⁺＋４ｅ→２Ｈ₂Ｏ…（Ｂ）
【０００９】
以上の反応は、発熱反応である。換言すれば、燃料電池は、運転に伴って発熱する。
【００１０】
ところで、水の沸点である１００℃未満でリン酸型燃料電池を運転した場合、液体（水）として生成するＨ₂Ｏの比率が上昇し、この生成水がリン酸型燃料電池内に滞留するようになる。このような事態が生じると、電解質層中のリン酸が生成水中に溶出してしまい、生成水が最終的に燃料電池の系外へと排出される際に該生成水に同伴して排出されてしまう。その結果、電解質層中のリン酸の濃度が低くなり、リン酸型燃料電池の電池特性が低下してしまうという不具合が惹起される。
【００１１】
このような不具合を回避するために、リン酸型燃料電池は、通常、１４０℃〜１９０℃前後で運転される。すなわち、まず、ヒータ等の加熱手段を使用してリン酸型燃料電池を加温し、１００℃を超える温度まで該リン酸型燃料電池の温度を上昇させる。その後、燃料ガスおよび酸素含有ガスを上記のように供給して反応させ、この際の反応熱を利用してリン酸型燃料電池を１４０℃〜１９０℃まで昇温させるようにしている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のようにして昇温させると、運転温度に到達するまで長時間が必要であるという不具合がある。すなわち、リン酸型燃料電池には、安定した定常運転が可能となるまでに長時間を要してしまうので、発電させたいときに即座に発電させることができないという実使用上の問題がある。
【００１３】
これを解決する方策としては、発熱量が大きなヒータを使用することが想起される。しかしながら、このようなヒータは概して形状が大であり、したがって、燃料電池システム全体の大型化を引き起こし、体積および重量当たりのエネルギ効率を著しく低減させてしまうという不具合を招く。
【００１４】
なお、特開昭６３−２２５４７７号公報および米国特許第６１０３４１０号公報には、燃料ガスと酸素含有ガスとを同時にカソード側電極に供給し、次の反応式（Ｃ）に示される反応を起こさせ、この際の反応熱を利用してリン酸型燃料電池を昇温させる手法が開示されている。
【００１５】
２Ｈ₂＋Ｏ₂→２Ｈ₂Ｏ…（Ｃ）
【００１６】
しかしながら、この場合においても、リン酸型燃料電池の温度が１００℃未満であるときには液状水が生成する。したがって、電解質層中のリン酸は、生成水中に溶出して最終的に該生成水とともに燃料電池の系外へと排出されてしまう。すなわち、水素と酸素とを直接反応させるのみでは、リン酸型燃料電池の電池特性が低下してしまうという不具合を回避することができない。
【００１７】
本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、リン酸型燃料電池の電池特性が低下することを確実に阻止して運転温度まで昇温させることが可能であり、しかも、設備を大型化させることもないリン酸型燃料電池の運転方法を提供することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、本発明は、リン酸を含浸させた電解質層をアノード側電極とカソード側電極とで挟んで構成される接合体を有するリン酸型燃料電池の運転方法であって、
発電に先立ち、燃料ガスおよび酸素含有ガスを前記カソード側電極に供給し、該カソード側電極で前記燃料ガス中の水素と前記酸素含有ガス中の酸素とを反応させることによって発生した反応熱で前記接合体を運転温度まで昇温させるにあたり、
水素に対して酸素が過剰となるように前記燃料ガスと前記酸素含有ガスとを前記カソード側電極に供給して前記接合体の温度を上昇させるとともに、反応によって生じる生成水の量と、前記電解質層に含浸されたリン酸から蒸発する蒸発水の量とが平衡して前記電解質層中のリン酸濃度が一定に保たれるように、前記リン酸型燃料電池の温度上昇に伴って前記生成水および前記蒸発水の量が変化することに応じて、前記酸素含有ガスの供給流量を、該酸素含有ガスの供給流量とリン酸の飽和蒸気圧との間に所定の関係式が成立する流量に変化させることを特徴とする。なお、「所定の関係式」は、後述の式（４）として表される。
【００１９】
このように昇温することにより、リン酸が溶出することを抑制することができる。このため、リン酸型燃料電池の発電性能が低下することを確実に回避することができ、運転温度に昇温後は該リン酸型燃料電池を所望の性能で発電させることができる。したがって、リン酸補給装置等も必要としない。
【００２０】
また、上記から諒解されるように、本発明においては、水素と酸素とが反応する際に発生する熱で接合体を昇温させる。このため、大型ヒータ等が不要となるので、燃料電池システムを簡素かつ安価な構成とすることができる。
【００２１】
なお、安全を期すため、燃料ガスと酸素含有ガスを、水素と酸素とが爆発範囲を外れる割合でカソード側電極に供給することが好ましい。
【００２２】
そして、リン酸濃度を前記基準リン酸濃度以上に制御する具体的な方法としては、燃料ガスの流量を一定として該燃料ガスの燃焼効率を求め、燃焼効率が既知となった流量で燃料ガスを供給する一方で、酸素含有ガスの供給流量を変更する方法を挙げることができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るリン酸型燃料電池の運転方法につき好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。
【００２４】
まず、リン酸型燃料電池の概略縦断面図を図１に示す。このリン酸型燃料電池１０は、図１に示すように、電解質層・電極接合体１２と、該電解質層・電極接合体１２の両面に配置されるバイポーラ板であるセパレータ１４ａ、１４ｂと、前記セパレータ１４ａ、１４ｂの外側に配置される集電用電極１６ａ、１６ｂとを備える。
【００２５】
集電用電極１６ａ、１６ｂの外側には、エンドプレート１８ａ、１８ｂが配置され、前記エンドプレート１８ａ、１８ｂが図示しないボルトにより締め付けらることにより、リン酸型燃料電池１０が一体的に構成される。
【００２６】
電解質層・電極接合体１２は、例えば、ポリベンズイミダゾール膜等の塩基性高分子膜にリン酸を含浸させた電解質マトリックス層２０と、該電解質マトリックス層２０の両面に額縁状スペーサ２２を介して対設されるアノード側電極２４およびカソード側電極２６とを備える。
【００２７】
セパレータ１４ａにおけるアノード側電極２４に対向する面には、燃料ガスを流通させるための第１ガス流路２８が形成されており、一方、セパレータ１４ｂにおけるカソード側電極２６に対向する面には、酸素含有ガスを流通させるための第２ガス流路３０が形成されている。また、セパレータ１４ａ、１４ｂにおけるアノード側電極２４またはカソード側電極２６との境界面には、複数個の温度センサ３２が配置されている。
【００２８】
図２に、上記したような構成のリン酸型燃料電池１０が組み込まれた燃料電池システム４０の概略構成図を示す。本実施の形態に係る運転方法は、この燃料電池システム４０において遂行される。
【００２９】
図２に示すように、リン酸型燃料電池１０を構成する前記集電用電極１６ａ、１６ｂには、モータ等の負荷Ｗが接続されている。また、リン酸型燃料電池１０には、第１ガス流路２８に連通する水素ガス供給経路４２および水素ガス排出経路４４と、第２ガス流路３０に連通する空気供給経路４６および空気排出経路４８とが接続される。
【００３０】
水素ガス供給経路４２には、燃料ガスである水素ガスを高圧で供給するための高圧水素貯蔵源５０と、電磁弁５２ａと、減圧弁５４ａと、水素ガス流量制御器５６ａと、遮断弁５８ａと、逆止弁６０ａと、三方弁６２ａと、入口側圧力センサ６４ａとが上流側からこの順序で配置されている。一方、水素ガス排出経路４４には、出口側圧力センサ６６ａと、露点センサ６８ａと、熱交換器７０ａと、気液分離器７２ａと、背圧弁７４ａとが配置されるとともに、気液分離器７２ａの出口側に電磁弁７６ａが設けられている。
【００３１】
空気供給経路４６および空気排出経路４８は、上記の水素ガス供給経路４２および水素ガス排出経路４４と同様に構成されており、したがって、同一の構成要素には同一の参照数字を付し、かつａに代替してｂを添え、その詳細な説明を省略する。
【００３２】
なお、空気供給経路４６の上流側には、酸素含有ガスとしての空気を供給するためのコンプレッサ７８が配置されている。また、空気排出経路４８には、背圧弁７４ｂの下流側に水分除去器８０、ガスサンプラ８２、水素量分析システムとしてのガスクロマトグラフィ（ＧＣ）８４がこの順序で配置されている。
【００３３】
さらに、空気供給経路４６において、三方弁６２ｂと入口側圧力センサ６４ｂとの間には、ガス混合器８６と逆火防止器８８ａとが介装されており、三方弁６２ａと三方弁６２ｂとを橋架する送気管９０には、遮断弁９２および逆止弁９４が設置されている。そして、該逆止弁９４と三方弁６２ｂとの間にも逆火防止器８８ｂが介装されている。
【００３４】
リン酸型燃料電池１０に組み込まれている複数の温度センサ３２は、温度測定システム９６に電気的に接続されている。また、水素ガス流量制御器５６ａ、空気流量制御器５６ｂには水素ガス流量制御システム９８、空気流量演算システム１００がそれぞれ電気的に接続されており、温度測定システム９６にはリン酸飽和蒸気圧演算システム１０２が電気的に接続されている。このリン酸飽和蒸気圧演算システム１０２と前記ガスクロマトグラフィ８４は、空気流量演算システム１００に電気的に接続されている。
【００３５】
以上の構成において、空気流量演算システム１００、入口側圧力センサ６４ｂ、出口側圧力センサ６６ｂおよび背圧弁７４ｂは、圧力制御システム１０４に電気的に接続されている。
【００３６】
また、燃料電池システム４０の運転温度、換言すれば、電解質層・電極接合体１２の温度は、燃料電池温度制御器１０６によって制御される。
【００３７】
次に、本実施の形態に係る運転方法につき、上記のように構成された燃料電池システム４０の動作との関係で説明する。
【００３８】
電池特性が低下しない基準リン酸濃度は、電解質層・電極接合体１２内の内部構成や寸法等に影響され、そのリン酸型燃料電池に固有のものである。そこで、本実施の形態に係る運転方法を遂行するに当たっては、定常運転に先立ち、カソード側電極２６に供給される水素ガスおよび空気の流量をはじめとする各種パラメータが実験によって求められる。
【００３９】
水素ガスと空気とを含有する混合ガスは、水素ガスが４〜７５体積％存在する場合に爆発範囲となる。カソード側電極２６に供給される水素ガスおよび空気の割合は、安全のため、この爆発範囲を外れるように設定される。通常は、水素ガスの割合が４体積％未満となるように、空気の方が大過剰に供給される。コンプレッサ７８にて大気を圧縮することで、過剰量の空気を容易に確保することができるからである。
【００４０】
また、水素ガスが７５体積％より多く存在する混合ガスでリン酸型燃料電池１０を昇温させた場合には、昇温後に引き続いて定常運転（発電）を行う際、カソード側電極上や第２ガス流路３０に残留した水素ガスを窒素等の不活性ガスによってパージしなければならないが、上記のように空気を過剰に供給した場合、このような煩雑な操作を行う必要もない。
【００４１】
水素ガスおよび空気をカソード側電極２６に同時に供給した際、該カソード側電極２６では、上記反応式（Ｃ）に示される反応が起こる。空気の供給流量をｆｃ、水素ガスの供給流量をｆａ、燃焼効率をｒとすると、上記したように空気が大過剰で存在するのであるから、生成する水の量ｍは、下記の（１）式で求められる。
【００４２】
【数１】

【００４３】
ここで、ｆｃ、ｆａの単位はＮｌ／分であり、ｍの単位はｍｏｌ／分である。なお、Ｎｌ／分とは、０℃、１ａｔｍに換算した際の流量をリットル（ｌ）で表したものであり、以下の説明においても同様である。
【００４４】
一方、カソード側電極２６から排出されるガスの流量をｆｅｃ（Ｎｌ／分）とすると、ｆｅｃは、反応に関与することなくカソード側電極２６を流通した水素ガスおよび空気と、生成水の量との和であるから、下記の（２）式が成立する。
【００４５】
【数２】

【００４６】
そして、生成水の量と、蒸発するリン酸中の水の量とが平衡に達した際のリン酸の飽和蒸気圧Ｐｓａｔは、ｆｅｃ、ｍを用いて下記の（３）式で表される。なお、式（３）中、Ｐｍｉｘは、混合ガスが第２ガス流路３０内に導入される際の入口圧力であり、入口側圧力センサ６４ｂによって測定される。
【００４７】
【数３】

【００４８】
（２）式および（３）式から、ｆｃは、下記の（４）式で表される。
【００４９】
【数４】

【００５０】
この（４）式が成立するように、ｆｃ、ｆａ、ｒ、ＰｓａｔおよびＰｍｉｘを設定する。
【００５１】
このうち、Ｐｓａｔは、以下のようにして求めることができる。
【００５２】
まず、上記リン酸型燃料電池１０と同一寸法・構成の予備リン酸型燃料電池１０ｂを組み込んだ燃料電池システム４０ｂを、生成水が水蒸気として生成し、このためにリン酸が溶出することのない条件下、例えば、運転温度を１６０℃、水素ガスおよび空気の供給圧力をともに２０１．３ｋＰａとした上で、水素ガス利用率および空気利用率が５０％となる条件下で運転し、電流密度が１Ａ／ｃｍ²のときの電圧を基準電圧とする。
【００５３】
次に、予備リン酸型燃料電池１０ｂの運転温度を１６０℃よりも低温のＴ℃とし、他の条件は上記と同一にして、０．２Ａ／ｃｍ²の一定電流密度で３時間継続して発電させる。そして、電流密度と有効電極面積からリン酸の濃度を低下させる水の量を求める一方で、露点センサ６８ａ、６８ｂの測定値から、リン酸の濃度を低下させる水の量のうち、アノード側電極２４側から蒸発する比率ａを求める。その後、運転温度を１６０℃とし、リン酸型燃料電池１０の性能を評価して電流密度１Ａ／ｃｍ²時の電圧を測定し、この際の電圧が前記基準電圧以上となるか否かを確認する。
【００５４】
運転温度をさらに低下させながら上記の測定を繰り返し行い、低温発電させた後に１６０℃、電流密度１Ａ／ｃｍ²で定常運転させた際の電圧が基準電圧よりも低下した場合の低温発電時の温度を閾値とする。この閾値となる直前の低温発電時の運転温度を運転温度下限値とし、その際の運転条件を用いて、リン酸飽和蒸気圧を以下のようにして算出する。
【００５５】
電流密度がＩ（Ａ／ｃｍ²）で電極有効面積がＳ（ｃｍ²）のとき、単位時間あたりに生成される水の量、すなわち、リン酸の濃度を低下させる水の量ｍ（ｍｏｌ／分）は、水素ガス利用率ｒａ（％）および空気利用率ｒｃ（％）に関係なく一定であり、下記の（５）式により求められる。
【００５６】
【数５】

【００５７】
次に、運転温度をＴ℃、水素ガス温度をＴａ℃、空気温度をＴｃ℃、水素ガス側運転圧力をＰａ（ｋＰａ）、酸化剤側運転圧力をＰｃ（ｋＰａ）、水素ガスの供給流量（水素ガス流量）をｆａ（Ｎｌ／分）、空気の供給流量（空気流量）をｆｃ（Ｎｌ／分）、水素ガス側から排出されるガス流量をｆｅａ（Ｎｌ／分）、空気側から排出されるガス流量をｆｅｃ（Ｎｌ／分）、リン酸の濃度を低下させる水の量のうち、水素ガス側から蒸発する比率をａ（％）、および空気側から蒸発する比率を１−ａ（％）とする。
【００５８】
水素ガス側から排出されるガス流量ｆｅａは、発電に消費されなかった水素ガスの流量と、リン酸の濃度を低下させる水の量のうち、アノード側電極２４側から蒸発する水蒸気量との和であるから、下記の（６）式より求められる。
【００５９】
【数６】

【００６０】
水素ガス温度Ｔａ℃と空気温度Ｔｃ℃とがともに運転温度Ｔ℃と等しいとき、リン酸濃度を低下させる生成水の量とリン酸中から蒸発する水の量とが平衡となった時点での排出水素ガス中のリン酸の飽和蒸気圧Ｐｓ，ａは、下記の（７）式により求められる。
【００６１】
【数７】

【００６２】
一方、カソード電極側から排出される空気流量ｆｅｃは、下記の（８）式より求められる。
【００６３】
【数８】

【００６４】
排出された空気中におけるリン酸の飽和蒸気圧Ｐｓ，ｃは、下記の（９）式から求められる。
【００６５】
【数９】

【００６６】
したがって、例えば、運転温度下限値が１２０℃であり、その際の運転条件は、比率ａが２０％、電流密度Ｉが０．２Ａ／ｃｍ²、有効電極面積Ｓが１９６ｃｍ²、水素ガス利用率ｒａが５０％、空気利用率ｒｃが５０％、水素ガス流量ｆａが０．５４Ｎｌ／分、空気流量ｆｃが１．３３Ｎｌ／分、水素ガス、空気の供給圧力Ｐａ、Ｐｃがともに２０１．３ｋＰａであった場合、（７）式および（９）式から、リン酸濃度を低下させる生成水の量とリン酸中から蒸発する水の量とが平衡となった時点では、水素ガス中のリン酸の飽和蒸気圧Ｐｓ，ａは３３．６ｋＰａ、空気中のリン酸の飽和蒸気圧Ｐｓ，ｃは３１．８ｋＰａと算出される。
【００６７】
飽和蒸気圧がこの値を示すリン酸濃度は、図４を使用して求められる。なお、この図４は、１２０℃におけるリン酸濃度−飽和蒸気圧曲線のみを図３から抽出したものである。
【００６８】
図４において、点Ｂ１、Ｂ２で示すように、Ｐｓ，ｃ、Ｐｓ，ａの値である３１．８ｋＰａ、３３．６ｋＰａを横軸上にまずプロットする。次に、リン酸濃度−飽和蒸気圧曲線に向けて、点Ｂ１、Ｂ２を起点とする垂線Ｌ１、Ｌ２をそれぞれ引く。これら垂線Ｌ１、Ｌ２とリン酸濃度−飽和蒸気圧曲線との交点を、Ｃ１、Ｃ２とする。
【００６９】
さらに、交点Ｃ１、Ｃ２から、縦軸に向けて水平方向に直線Ｍ１、Ｍ２をそれぞれ引き、直線Ｍ１、Ｍ２が交わった点の縦軸の値を調べる。この縦軸の値が、リン酸濃度を低下させる生成水の量とリン酸中から蒸発する水の量とが平衡となる飽和蒸気圧が得られるリン酸濃度である。
【００７０】
図４を使用して求めると、上記した場合におけるリン酸濃度は、アノード側電極２４で８４．９％、カソード側電極２６で８６．６％となる。このうちの低い値、すなわち、８４．９％が、予備リン酸型燃料電池１０ｂ（リン酸型燃料電池１０）の性能劣化を生じないリン酸濃度の下限値となる。
【００７１】
Ｐｓａｔは、例えば、運転温度（電解質層・電極接合体１２の温度）を８０℃とする場合、上記のようにして求められたリン酸濃度に基づき、図５から以下のようにして求められる。なお、図５は、８０℃におけるリン酸濃度−飽和蒸気圧曲線のみを図３から抽出したものである。
【００７２】
図５中の縦軸における８４．９％の箇所を基点とし、リン酸濃度−飽和蒸気圧曲線に向けて水平方向に直線Ｍ３を引く。次に、この直線Ｍ３とリン酸濃度−飽和蒸気圧曲線との交点Ｃ３から横軸に向けて垂線Ｌ３を引き、該垂線Ｌ３と横軸との交点をＢ３とする。この交点Ｂ３が温度８０℃におけるＰｓａｔであり、その値は５．９ｋＰａである。
【００７３】
次に、Ｐｍｉｘは、入口側圧力センサ６４ｂによって実測される。なお、生成水を可能な限り蒸発させ易くするために、Ｐｍｉｘの値は小さい方が望ましい。具体的には、出口側通路を大気に開放することによって出口圧力が大気圧となるようにすればよい。
【００７４】
次に、ｆａおよびｒは、以下のようにして実験的に求められる。
【００７５】
まず、電解質層・電極接合体１２の比熱と、該電解質層・電極接合体１２の加熱開始から終了までの温度差とから、該電解質層・電極接合体１２を運転温度まで昇温させるために必要な熱容量を求め、この熱容量を加熱時間で除して単位時間当たりの必要熱容量Ｑ１（ｋＪ／分）を求める。
【００７６】
一方、初期の水素ガス流量をｆａ１（Ｎｌ／分）とすれば、水素ガス１ｍｏｌが燃焼した際の燃焼エネルギは、生成水が水蒸気として存在する場合、２２８．６ｋＪであるから、Ｑ１は、下記の（１０）式で表される。
【００７７】
【数１０】

【００７８】
なお、ｒは、（１）式で定義したとおり燃焼効率であり、単位は％である。
【００７９】
この式を変形すると、下記の（１１）式が得られる。
【００８０】
【数１１】

【００８１】
ここで、ｒが１００％であると仮定し、かつ上記のようにして求めたＱ１の値を（１１）式に代入してｆａ１を求める。このｆａ１の値を、水素ガス流量設定システムに入力する。
【００８２】
以上とは別に、上記のようにして求めた予備リン酸型燃料電池１０ｂ（リン酸型燃料電池１０）の性能劣化を生じないリン酸濃度の下限値、すなわち、８４．９％と、図３に示す各温度におけるリン酸濃度−飽和蒸気圧曲線とをリン酸飽和蒸気圧演算システム１０２に記憶させるとともに、温度センサ３２および温度測定システム９６にて、加熱を開始する時点での電解質層・電極接合体１２の温度ＴＭＥＡ１（℃）を測定する。温度測定システム９６は、この測定温度をリン酸飽和蒸気圧演算システム１０２に信号として送る。
【００８３】
この信号を受けたリン酸飽和蒸気圧演算システム１０２は、リン酸濃度−飽和蒸気圧曲線から、濃度８４．９％のリン酸のＴＭＥＡ１（℃）におけるリン酸飽和蒸気圧Ｐｓａｔ１を算出し、その値を信号として空気流量演算システム１００に送る。
【００８４】
次に、Ｐｍｉｘは、入口側圧力センサ６４ｂによって実測される。なお、生成水が蒸発し易くなるという理由から、Ｐｍｉｘの値は、可能な限り小さい方が望ましい。このため、圧力制御システム１０２は、カソード側出口圧力が大気圧近傍となるように、背圧弁７４ｂを全開とする。
【００８５】
以上のようにして求められたｆａ１、ｒ（＝１００％）、Ｐｓａｔ１、Ｐｍｉｘを式（４）に代入し、初期の空気流量ｆｃ１を算出する。
【００８６】
そして、三方弁６２ａを操作してアノード側電極２４に水素ガスが流通されない状態とした上で、水素ガスおよび空気をそれぞれ流量ｆｃ１、ｆａ１でカソード側電極２６の第２ガス流路３０に流通させ、上記反応式（Ｃ）に示される反応を該カソード側電極２６で進行させる。この反応は発熱反応であるので、反応が進行するにつれて電解質層・電極接合体１２の温度が上昇する。
【００８７】
ｔ１分後、図３（リン酸濃度−飽和蒸気圧曲線）を用いて、ＴＭＥＡ，ｔ１（℃）に昇温した電解質層・電極接合体１２における濃度８４．９％のリン酸のリン酸飽和蒸気圧Ｐｓａｔ１，ｔ１を求める。その一方で、カソード側電極２６に導入される混合ガスの圧力Ｐｍｉｘ，ｔ１を入口側圧力センサ６４ｂにて測定する。
【００８８】
カソード側電極２６から排出されたガスは、熱交換器７０ｂにて冷却される。これにより凝縮した生成水は、気液分離器７２ｂでガスと分離される。
【００８９】
生成水が分離されたガスは、背圧弁を通過した後、水分除去器８０にて残留した水分が除去されて乾性ガスとなる。この乾性ガスの一部がガスサンプラ８２に採取され、ガスクロマトグラフィ８４にて該乾性ガス中の水素ガス含有量が測定される。このようにして定量された水素ガス含有量が、反応に関与することなくカソード側電極２６から排出された水素ガス量である。実際の燃料効率ｒｒｅａ，ｔ１は、この水素ガス量から計算することができる。
【００９０】
以上のｆａ１、ｒｒｅａ，ｔ１、Ｐｓａｔ１，ｔ１、Ｐｍｉｘ，ｔ１を式（４）に代入し、２次空気流量ｆｃ１，ｔ１を算出する。
【００９１】
そして、水素ガスおよび空気をそれぞれ流量ｆａ１、ｆｃ１，ｔ１でカソード側電極２６に流通させることにより、上記反応式（Ｃ）に示される反応を該カソード側電極２６で進行させ、再度、電解質層・電極接合体１２の温度を上昇させる。
【００９２】
以下、上記と同様に、ｔ２分後における電解質層・電極接合体１２の温度ＴＭＥＡ，ｔ２（℃）を測定し、その場合における濃度８４．９％のリン酸のリン酸飽和蒸気圧Ｐｓａｔ１，ｔ２を求める。その一方で、カソード側電極２６に導入される混合ガスの圧力Ｐｍｉｘ，ｔ２を圧力センサにて測定する。
【００９３】
さらに、反応することなくカソード側電極２６から排出された水素ガスを定量し、実際の燃料効率ｒｒｅａ，ｔ２を求める。
【００９４】
以上のｆａ１、ｒｒｅａ，ｔ２、Ｐｓａｔ１，ｔ２、Ｐｍｉｘ，ｔ２を式（４）に代入し、３次空気流量ｆｃ１，ｔ２を算出する。
【００９５】
そして、水素ガスおよび空気をそれぞれ流量ｆａ１、ｆｃ１，ｔ２でカソード側電極２６に流通させることにより、上記反応式（Ｃ）に示される反応を該カソード側電極２６で進行させて、電解質層・電極接合体１２の温度を上昇させる。
【００９６】
このようにして電解質層・電極接合体１２の温度、混合ガスの供給圧力、未燃焼の水素ガス量をモニタリングするとともに、その値をフィードバックして空気流量を変化させながら電解質層・電極接合体１２を昇温させる。最終的に、燃料電池システムの運転温度に到達した際の燃焼効率をｒｒｅａ１とする。
【００９７】
以上のようにして得られた電解質層・電極接合体１２の昇温特性が所望の昇温特性よりも低い場合、水素ガス流量をｆａ１よりもやや大きいｆａ２として上記の操作を繰り返す。なお、空気流量の算出に際しては、ｒｒｅａ１の値を初期の燃焼効率とする。この場合における燃料電池システムの運転温度に到達した際の燃焼効率を、ｒｒｅａ２とする。
【００９８】
この場合においても電解質層・電極接合体１２の昇温特性が所望の昇温特性よりも低いようであれば、水素ガス流量をｆａ２よりもやや大きいｆａ３として、上記の操作を再度行う。空気流量の算出に際しては、ｒｒｅａ２の値を初期の燃焼効率とする。最終的に、電解質層・電極接合体１２の実昇温特性が所望の昇温特性に合致したときの水素ガス流量がｆａ、その際の燃焼効率がｒとなる。
【００９９】
燃料電池システム４０は、求められた各種パラメータに基づき、以下のようにして運転される。
【０１００】
まず、ｆａ、ｒの値を空気流量演算システム１００に入力する。その一方で、図３に示す各温度におけるリン酸濃度−飽和蒸気圧曲線をリン酸飽和蒸気圧演算システム１０２に記憶させる。
【０１０１】
そして、三方弁６２ａを操作し、水素ガスがカソード側電極２６のみに導入されるようにしておくとともに、温度センサ３２および温度測定システム９６にて、加熱を開始する時点での電解質層・電極接合体１２の温度ＴＭＥＡ１（℃）を測定する。温度測定システム９６は、この測定温度をリン酸飽和蒸気圧演算システム１０２に信号として送る。
【０１０２】
この信号を受けたリン酸飽和蒸気圧演算システム１０２は、リン酸濃度−飽和蒸気圧曲線から、濃度８４．９％のリン酸のＴＭＥＡ１（℃）におけるリン酸飽和蒸気圧Ｐｓａｔ１を算出し、その値を信号として空気流量演算システム１００に送る。
【０１０３】
次に、圧力制御システムは、カソード側出口圧力を可能な限り小さくするべく、背圧弁７４ｂを全開とする。この際のＰｍｉｘが入口側圧力センサ６４ｂによって実測され、信号として圧力制御システムに送られる。圧力制御システムは、この信号を空気流量演算システム１００に送る。
【０１０４】
空気流量演算システム１００は、入力されたｆａ、ｒ、リン酸飽和蒸気圧演算システム１０２が算出したＰｓａｔ１、圧力制御システムが検知したＰｍｉｘの各値から、上記（４）式に基づいて空気流量ｆｃ１を算出し、この値を信号として空気流量制御器に送る。すなわち、カソード側電極２６には、水素ガスが流量ｆａで供給され、かつ空気が流量ｆｃ１で供給される。
【０１０５】
カソード側電極２６に供給された水素ガスおよび空気が上記反応式（Ｃ）に示される化学反応を起こすことに伴って発生する熱により、電解質層・電極接合体１２が昇温される。同時に、Ｈ₂Ｏが生成する。
【０１０６】
以降、ｔ分後の電解質層・電極接合体１２の温度ＴＭＥＡ，ｔ、カソード側電極２６入口における混合ガスの供給圧力Ｐｍｉｘ，ｔをリアルタイムで検出する。リン酸飽和蒸気圧演算システム１０２は、このうちのＴＭＥＡ，ｔに基づき、ｔ分後におけるリン酸飽和蒸気圧Ｐｓａｔ，ｔを算出する。
【０１０７】
空気流量演算システム１００は、入力されたｆａ、ｒ、リン酸飽和蒸気圧演算システム１０２が算出したＰｓａｔ，ｔ、圧力制御システムが検知したＰｍｉｘ，ｔの各値から、上記（４）式に基づいて必要な空気流量ｆｃ，ｔを算出する。そして、空気流量演算システム１００は、空気流量制御器を介して空気流量がｆｃ，ｔとなるように制御する。
【０１０８】
要するに、本実施の形態に係る運転方法では、反応生成水が液状水として存在する比率が高く、このためにリン酸の濃度を低下させてリン酸量を増加させるような温度下で水素ガスと空気中の酸素とを反応させる場合であっても、リン酸濃度を低下させる生成水の量とリン酸中から蒸発する水の量とが平衡する際のリン酸濃度が、性能劣化が生じない（すなわち、所望の性能を維持し得る）基準リン酸濃度以上になるように空気流量が制御される。
【０１０９】
このため、本実施の形態によれば、発熱量が大きいヒータを使用することなくリン酸型燃料電池１０を昇温させることができる。したがって、大型のヒータや個別のリン酸補給装置等の追加設備が不要となり、簡単かつ経済的な構成で、発電性能の低下や性能劣化を確実に阻止しながら、燃料電池システム４０を運転温度まで昇温させることができる。
【０１１０】
以上のようにして電解質層・電極接合体１２が所定の温度（約１４０〜約１９０℃）まで昇温した後は、三方弁６２ａを操作し、カソード側電極２６への水素ガスの供給を停止するとともに、アノード側電極２４の第１ガス流路２８に水素ガスが供給されるように設定する。その一方で、カソード側電極２６には空気の供給を続行する。
【０１１１】
これに伴い、アノード側電極２４では、上記反応式（Ａ）に示される反応によって電子が生じる。この電子は、集電用電極１６ａ、１６ｂに電気的に接続されたモータ等の負荷Ｗを付勢する電気エネルギとして機能した後、カソード側電極２６に到達して、上記反応式（Ｂ）に示される反応に関与する。換言すれば、燃料電池システム４０が発電することに追従して、負荷Ｗが付勢される。
【０１１２】
リン酸型燃料電池１０は、上記したようにリン酸の濃度が基準リン酸濃度以上となるように運転温度まで昇温されている。このため、リン酸型燃料電池１０を所望の特性で発電させることができる。
【０１１３】
なお、上記した実施の形態においては、燃料ガスとして水素ガスを用いているが、特にこれに限定されるものではなく、水素を含有するガスであればどのようなガスであってもよい。同様に、酸素含有ガスとして空気を用いているが、酸素を含有するガスであればよく、酸素自体であってもよい。
【０１１４】
また、この実施の形態では、単位セルからリン酸型燃料電池１０を構成するようにしているが、単位セルを複数個積層した積層体としてもよいことはいうまでもない。
【０１１５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係るリン酸型燃料電池の運転方法によれば、カソード側電極に燃料ガスと酸素含有ガスとを供給して発熱反応を起こさせることにより電解質層・電極接合体を昇温させる際、該反応によって生成する水の量とリン酸中から蒸発する水の量とが平衡する際のリン酸濃度が、所望の性能を維持し得る基準リン酸濃度以上になるように運転条件を設定するようにしている。これにより、リン酸型燃料電池の発電性能が低下することを確実に回避することができるという効果が達成される。
【０１１６】
しかも、この場合、大型ヒータやリン酸補給装置等の追加設備が不要となるので、燃料電池システムを簡素かつ安価な構成とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態に係る運転方法を遂行するためのリン酸型燃料電池の概略縦断面図である。
【図２】図１に示すリン酸型燃料電池が組み込まれる燃料電池システムの概略構成図である。
【図３】リン酸の飽和蒸気圧とリン酸濃度の関係を示す線図である。
【図４】図３を使用してリン酸濃度を求める方法を説明する説明図である。
【図５】図３を使用してリン酸飽和蒸気圧を求める方法を説明する説明図である。
【符号の説明】
１０…リン酸型燃料電池１２…電解質層・電極接合体
１４ａ、１４ｂ…セパレータ１６ａ、１６ｂ…集電用電極
２０…電解質マトリックス層２４…アノード側電極
２６…カソード側電極２８、３０…ガス流路
３２…温度センサ４０…燃料電池システム
４２…水素ガス供給経路４４…水素ガス排出経路
４６…空気供給経路４８…空気排出経路
５６ａ、５６ｂ…ガス流量制御器９６…温度測定システム
９８…水素ガス流量制御システム１００…空気流量演算システム
１０２…リン酸飽和蒸気圧演算システム
１０４…圧力制御システム１０６…燃料電池温度制御器

Claims

リン酸を含浸させた電解質層をアノード側電極とカソード側電極とで挟んで構成される接合体を有するリン酸型燃料電池の運転方法であって、
発電に先立ち、燃料ガスおよび酸素含有ガスを前記カソード側電極に供給し、該カソード側電極で前記燃料ガス中の水素と前記酸素含有ガス中の酸素とを反応させることによって発生した反応熱で前記接合体を運転温度まで昇温させるにあたり、
水素に対して酸素が過剰となるように前記燃料ガスと前記酸素含有ガスとを前記カソード側電極に供給して前記接合体の温度を上昇させるとともに、反応によって生じる生成水の量と、前記電解質層に含浸されたリン酸から蒸発する蒸発水の量とが平衡して前記電解質層中のリン酸濃度が一定に保たれるように、前記リン酸型燃料電池の温度上昇に伴って前記生成水および前記蒸発水の量が変化することに応じて、前記酸素含有ガスの供給流量を、該酸素含有ガスの供給流量とリン酸の飽和蒸気圧との間に下記の式（１）の関係が成立する流量に変化させることを特徴とするリン酸型燃料電池の運転方法。

式（１）中のｆｃ、ｆａ、ｒ、ＰｓａｔおよびＰｍｉｘは、それぞれ、酸化剤ガスの供給流量、燃料ガスの供給流量、燃焼効率、飽和リン酸蒸気圧、カソード側電極における燃料ガスと酸素含有ガスとの合計入口圧力である。
請求項１記載の運転方法において、前記水素と前記酸素とが爆発範囲を外れる割合で前記燃料ガスと前記酸素含有ガスをカソード側電極に供給することを特徴とするリン酸型燃料電池の運転方法。