JPS6010566A

JPS6010566A - 燃料電池の運転方法

Info

Publication number: JPS6010566A
Application number: JP58119321A
Authority: JP
Inventors: Taichi Takechi; 武知　太一
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1983-06-30
Filing date: 1983-06-30
Publication date: 1985-01-19

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。

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の技術分野〕本発明は電極の電気化学的反応による劣化を防止するよ
うにした燃料電池の運転方法に関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

従来、燃料電池は燃料の有している化学的エネルギーを
、直接電気エネルギーに変換する装置である。この燃料
電池は、通常電解質を挾んで一対の多孔質電極を配置し
、一方の電極の背面に水素等の燃料ガスを接触させると
共に、他方の電極の背面に酸素等の酸化剤がスを接触さ
せ、このときに起る電気化学的反応によ多発生する電気
エネルギーを、上記一対の電極から取出すようにしたも
のである。この場合、電解質としては溶融塩、アルカリ
溶液、酸性溶液等があるが、ここでは燃料電池として代
表的なリン酸を電解質とするリン酸型燃料電池を例とし
てその原理について説明する。

第１図は、この種の燃料電池の原理構成を示すものであ
る。図において、電解質層１は繊維質シートや鉱物質粉
末にリン酸を含浸したものである。また、２および３は
この電解質層１を挾んで配置されたアノードおよびカソ
ードの一対の多孔質（炭素質）電極で、電解質層１との
間にはコロイド状白金を炭素質０末に担持ぜしめたもの
を塗布してなる融媒層４，５を夫々配置している。さら
に、６は水ゑく等の燃料がスの、流ｉれる部屋であシ、
７は１１ぽ素（通常は空気）等の酸化剤がスのｂｉコれ
る部屋である。

かかる燃料電池において、部屋６に流入した水素はアノ
ード電極２の空所を拡散して触媒層４に達する。ここで
、水素がスは触媒の作用によシ水素イオンと７’＋ｌ子
と１・て解離する。その反応式はＨ２−＋　２　Ｈ”　＋　２　ｅ　−−・（１１となる
・そして、水素イオンは電解質ｉ・５ｚに入り、起電圧
による作用と濃度拡散によシカソード電極３に向って泳
動する。一方、水素ガスの解離により分離した電子はア
ノード電極２に流れ込み、電極２は負に割〒１【シたこ
とになる。またカソード電極３では、アノード電極２側
から泳動してきた水素イオンと、酸化剤として部屋７に
供給されさらにカソード電極３の空所を拡散してきた酸
素と、アノード電極２から外部の電力負荷を通って仕事
をし電池のカソード９３に戻ってきた電子の３者が、触
媒層５表面で次の反応を起こす。

４　Ｈ＋　４　ｇ　＋０２　→２　Ｈ２Ｏ・叩曲（２１
この両電極２，３での還元と酸化の過程で起電力と熱を
発生するが、その合計は水素が酸化するときのエネルギ
ーに等しい。そして、もしこのエネルギーが全て電気エ
ネルギーに変換されるならば、理論上略１．２３ｒｖ＞
の電圧を発生するが、実際に外部に電気エネルギーとし
て取出される分は、電池の内部抵抗による電圧降下を差
し引いたものとなる。この損失となるものは、触媒の活
性により支配される活性化分極、電極の反応点近傍の水
素濃度および酸素濃度（Ｃより決まる濃度分極、゛電解
質１中をイオンが流れるときの電圧降下、電極や接触部
等電子の流れる経路での抵抗による電圧降下の合計が、
電池内部の損失つまシミ圧降下となる。この場合、電解
質１を挾んで配置されている触媒層４，５間の電圧を直
接測定することはむずかしいが、〃（部で測定される電
圧に上記電極２　、．３：間の電圧降下を加えたものに
略等しいと考えられる。

ところで、触媒層４．５間の電圧が高くなった場合には
、電気化学的作用によシ白金の溶解や白金相持体の炭素
粒子が電気化学的に酸化す□る現象が生じ、電極２．３
は急激に劣化することが知られている。特に、燃料電池
技術の進歩や供給ガスの高圧化が可能となり、発生電圧
の上昇が軽負荷時の過電圧で上記劣化を促進させる結果
となっている。

そこで、かかる過電圧を防止するために、軽負荷時には
負荷抵抗を接続してこれに電力を消費させたり、あるい
は酸化剤ガスの供給量をしぼって電圧を抑えたりする等
の対策が考えられている。しかし乍ら、前者の方法では
電力を無駄に消費することになり、後者の方法は多数の
電池を積層して使用する実用電池では、各電池に供給す
る酸化剤がス量にアンバランスを生じ、各電池に発生す
る電圧に大きなばらつきを生じて、全ての電池゛を必要
な限度内の電圧に抑えられず、目的を達成することがで
きないと旨う問題がある。

〔発明の目的〕

本発明は上記のような事情を考慮して成されたもので、
その目的は装置の複雑化や無駄なエネルギーの消費を抑
えつつ電気化学的作用姉よる電極の劣化を防止して長寿
命を保持することが可能な燃料電池の運転方法を提供す
ることにある。

〔発明の概要〕

上記目的を達成するために本発明では、燃料電池を運転
する場合、負荷が増大したときは供給する燃料ガス、酸
化剤がスの圧力を増大させて高電圧を得ることによって
効率のよい発電を行ない、また負荷が減少するときは上
記供給する各ガスの圧力を減少させて、発生電圧を前述
した電気化学的劣化が生じない電圧以下に抑えるように
したことを特徴とする。

〔発明の実施例〕以下、本発明を図面に示す一実施例について説明する。

第２図は、本発明を適用するがス供給装置を備えた燃料
電池発電システムの構成例を示したものである。なお、
燃料電池の燃料ガスは水素であ之が、一般の電力用途の
燃料電池では天然ガスやナフサやメタノール等を改質し
たものを供給するシステムが多いことから、ここでは天
然がスが燃料ガスの場合について述べる。

図において、８は触媒管９および燃焼室１０から成るリ
フオーマ−で、その触媒管９１Ｃは燃料がスＡを燃料が
ス調節弁１１を介してｆｉ量の水蒸気Ｂと共に導入し、
これより燃料電池１２のアノード電極２のがス流通部屋
６へ供給する。

そして、このがス流通部屋６からの未反応燃料がスを含
むアノード排ガスを、上記リフオーマ−８の燃焼室１０
へ後述する酸化剤がスＣと共に供給して燃焼させる。

一方、１３は後述する混合器からの排ガスＤのエネルギ
ーで回転するタービンで、これによりコンプレッサ１４
を駆動して吸入空気Ｅを圧縮し、酸化剤がスＣとして上
記燃料電池１２のカソード電極３のガス流通部屋７へ酸
化剤がス調節弁１５を介して供給する。また、ノロは上
記リフオーマ−８の燃焼室１０からの排ガスと、調圧弁
１２を介して得られる上記がス流通部屋７からのカソー
ド排がスを混合する混合器で、その混合がスを上記排ガ
スＤとしてタービン１３へ供給する。さらに、１８は調
節弁１９を介して得られる上記燃料がスＡと、調節弁２
０を介して得られる上記酸化剤がスＣとを夫々導入して
燃焼させる補助燃焼器で、その燃焼排ガスを上記混合器
１６へ付加的に供給する。つまシ、この補助燃焼器１８
は上記燃焼室１０の排ガスとカンーＰ排がスのみでりτ
ビン１３を駆動するエネルギーが不足している場合に、
調節弁１９．２０を作動させて運転を行なうものである
。さらに、上記リフオーマ−８の燃焼室１０と混合器１
６との間の排ガス供給管の途中に１放出弁２１を分岐さ
せて設けている。

なお、燃料電池発電システムは上記要素以外に、電池の
冷却・加熱装置、電気出力調整器、燃料がスおよび酸化
剤ガスの予熱や熱回収のための熱交換器、蒸気発生装置
を備えているが、これらは本発明と直接関係ないためこ
こではその図示説明を省略する。また、上記でリフオー
マ−８の触媒管９はその触媒としてはニッケル／アルミ
ナ系を用い、燃料がスＡとしてのメタン等の天然ガスを
水素と二酸化炭素と一酸化炭素とに転化する。

次に１かかる構成に基づく本発明の燃料電池の運転方法
について説明する。

まず、燃料電池の端子電圧つまシミ極間電圧は理論値が
１．２３（Ｖ）になることは前述したが、活性化分極、
濃度分極、電気抵抗による電圧降下によシ、実用的運転
条件である２　００　ＣｍＡＡｒＩ？）付近の電流密度
では０．７　ＣＶ）前後の値となる。この場合、本発明
に直接関係があるのは濃度分極で、アノード電極の反応
点近傍では水素ガスの濃度が高い穆反応が活発とな勺、
一方力ソート９電極では酸素濃度が高い程反応が活発と
なって高い電圧が発生する。虻って、燃料電池に供給す
る燃料がスおよび酸化剤ガスの圧力を高めると、同一成
分のがス゛を供給するならば当然水素および酸素の濃度
が高くなるため、反応が活発となって高い電圧が発生し
、逆にガスの圧力を低くすることによシ発生電圧を低く
することが可能となる。

本発明では、上記の現象に着目し燃料電池を運転する場
合、負荷が増大したときは供給する燃料がス、酸化剤ガ
スの圧力を増大させ、逆に負荷が減少したときはこれら
のガス圧力を減少させるようにして運転を行なうもので
あシ、以下その具体的な方法について第２図を基に述べ
る。

ます嬉２図において、タービン１３にて駆動されるコン
プレッサ１４によシ圧縮された吸入空気Ｅは、酸化剤が
ス調節弁１５を介し酸化剤ｊスＣとして、リフオーマ−
８の燃焼室１０に分岐導入されると共に、燃料電池１２
のカソード電極３のがス流通部屋７に供給され、これよ
シそのカソード排ガスが混合器１６へ導入される。

一方、燃料がスＡは燃料ガス調節弁１１を介し、適量の
水蒸気Ｂと共姉リフオーマ−８の触媒管９に導入されて
水素化して、上記燃料電池１２のアノード電極２のがス
流通部屋６に供給される。そして、この大半の水素を燃
料電池１２内で消費して、その未反応燃料ガスは上記リ
フオーマ−８の燃焼室１０内へ導入され、ここで燃焼し
て触媒管９を加熱し、これよシ上記混合器１６へ導入さ
れる。これＫよシ、混合器１６ではこの燃焼室１０から
の排ガスと上記カソード排ガスとを混合し、その混合排
ガスを上記タービン１３へ供給してそのエネルギーによ
シこれを回転させる。ここで、燃焼室１０からの排ガス
と上記カソード排がスでは、タービン１３を駆動するの
に充分なエネルギーが不足するような場合には、調節弁
１９　、２０によシ燃料がスＡ、酸化剤がスＣを補助燃
焼器１８へ導入し、燃焼したその排ガスを上記混合器１
６へ付加的に導入して所定のエネルギーを得るようにす
る。

また、上記燃料電池１２内ではアノード電極２に供給さ
れた水素と、カソード電極３に供給された空気との前述
した電気化学的反応によって、各電極２，３間忙所定の
大きさの電圧が発生し、これが図示しない負荷へ供給さ
れることになる。

さて、かような状態からいま例えば負荷が減少して軽負
荷となった場合には、まず燃料がス調節弁１１を閉方向
に制御することによ如、リフオーマ−８の燃焼室９へ供
給する燃料がスＡを燃料電池１２で消費する水素量とリ
フオーマ−８の触媒管９の温度を維持するに必要な量に
絞夛、且つ調節弁１９を閉方向に制御することによシ補
助燃焼器１８へ供給する燃料がスＡの量を絞る。これに
よシ、混合器１６からタービン１３へ供給される排がス
量とその温度が低下し、タービン１３の回転数が低下し
てコンプレッサ１４の吐出圧が低下し同時に吐出酸化剤
ｆスＣｉも低下する。さらに、この酸化剤ガスＣ量を絞
る場合には、酸化剤ガス調節弁１５を閉方向に制御する
か、若しくは放出弁２１を開放する。

その結果、燃料電池１２内のアノード電極２のがス流通
室６に供給される燃料ガスの圧力と、同じくカソード゛
電極３のガス流通室７に供給される酸化剤がスの圧力が
夫々減少して、それらのガス濃度が低くなる。これによ
り、前述己た電気化学的反応が不活発となるため、各電
極２゜３間に発生する電圧つまシミ池電圧を低くして軽
負荷運転に対処することができる。

一方、上記で負荷が増大した場合には、上記と全く逆の
制御を行なうことによシ、燃料電池１２へ供給する各ガ
スの圧力を増大させてその濃度を高くして、各な極２，
３間に所望の高電圧を発生させて重負荷運転に対処する
ことができる。

第３図は、上記燃料電池Ｊ２における電流密度と発生電
圧の関係を、供給ガスの圧力側に夫夫示したものである
。図において、４２口、−・は供給ガス圧力が絶対圧力
で夫々６　（ｋ〆））。

２．５　（ｋｙ’ｃｍ２）　、　１．５　（喰−）の場
合の特性を示すものである。またその他の運転茶件は、
動作温度が１９５　（℃）、空気の酸素利用率（供給し
た空気中の酸素量に対する電池１２内で消費する酸素量
の比）が５０（（６）、燃料がスの水素利用率が６０（
＠であシ、供給する空気と燃料ガスの圧力は電池１２の
構成上略同一圧力に維持している第４図は、上記燃料電
池１２における発生電圧と供給ガス圧力の関係を示した
ものである。

図において、二は軽負荷時の電流密度５０　（ｍｋＡ八
ホへ略定格負荷時の電流密度２００　（ｍＡ／ｃｒｙ？
’）　Ｋおける特性を夫々示すものである。。

本特性から、無負荷時の１．０　（Ｖ）で運転すると短
時間で劣化するが、０．８（Ｖ）以下で運転すれば殆ん
ど劣化しないことがわかる。また、第３図の供給がス圧
力が６（ψ−）の特性イから電流密度が６５　（ｍＡ／
ｃｍ’　）で危険電圧が０．８閏になるのに対し、それ
が１．５（ψ−）の特性−・から危険電圧０．８　（Ｖ
）に達するのは、電流密度が４０（ｍｆｉｖ’＝：ｒｒ
？　）と低くなシ、運転可能な負荷範囲を拡大すること
ができることがわかる・上述したように、電解質１を挾んで一対の多孔質電極２
，３を触媒層４．５を介して配置し、一方の電極２の背
面のがス流通部屋θに燃料ガスを通過させると共に他方
の電極３の背面のがス流通部屋７に酸化剤ガスを通過さ
せ、このときの電気化学的反応によシ発生する電気エネ
ルギーを前記一対の電で２，３から取出する燃料電池１
２の運転を行なうに際し、負荷が増大したときには前記
燃料電池１２に供給する燃料がス、酸化剤ガスの圧力を
増大させ、また負荷が減少する時には前記燃料ガス、酸
化剤がスの圧力を減少させるようにしたものである。

従って、燃料電池１２が重負荷のときには供給する燃料
がス、酸化剤ガスの圧力を高くして高電圧を得ることに
よって効率のよい発電を行なうことができる。゛また、
軽負荷のときには各がスの圧力を低くして低電圧を得る
ことによって、軽負荷時に電池電圧が過度に高くなって
電池１２の電極２，３を電気化学的反応により劣化させ
るということを防止することができる。

これによシ、燃料電池１２の長寿命化を図りつつ、広い
負荷範囲にわたって燃料電池の運転を行なうことが可能
となる。さらに、軽負荷運転時には上述したようにター
ビン１３の動力が小さくてよいので、リフオーマ−８の
燃焼排がスおよび補助燃焼器１８へ供給する燃料ガスの
分だけ、使用燃料の節約を図ることが可能となシ総合的
な発電効率が高まる等、種々の優れた効果が得られるも
のである。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によ、れば、燃料電池を運転
する場合、負荷が増大したときは供給する燃料がス、酸
化剤ガスの圧力を増大させて高電圧を得ることによって
効率のよい発電を行ない、また負荷が減少するときは上
記供給する各ガスの圧力を減少させて、発生電圧を前述
した電気化学的劣化が生じない電圧以下に抑えるように
したので、装置の複雑化や無駄なエネルギーの消費を抑
えつつ電気化学的反応による電極の劣化を防止して長寿
命化を図りかつ発電効率の高い燃料電池の運転方法が提
供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は燃料電池の原理構成を示す構成図、第２図は本
発明の一実施例を示す構成図、第３図および第４図は本
発明の詳細な説明するための特性図を示すものである。１・・・電解質、２・・・アノード電極、３・・・カソ
ード電極、４，５・・・触媒層、６，７・・・ガス流通
部屋、８・・・リフオーマ−１９・・・触媒管、１０・
・・燃焼室、１１・・・燃料ガス調節弁、１２・・・燃
料電池、１３・・・タービン、１４・・・コンプレッサ
、１５・・・酸化剤がス調節弁、１６・・・混合器、１
７・・・調圧弁、１８・・・補助燃焼器、１９．２０・
・・調節弁、２１・・・放出弁、Ａ・・・燃料ｆス、Ｂ
・・・水蒸気、Ｃ・・・酸化剤がス、Ｄ・・・排ガス、
Ｅ・・・吸入空気。出願人代理人　弁理士　細　江　武　彦第　１Ｌ、１Ｈ２０２第２図第３ｎ −電ｉ！、ｉ　（ｍ　Ａ／ｃｍ２） □万力（１９７ｃｍ２）

Claims

【特許請求の範囲】

電解質を挾んで一対の多孔質電極を配置し、一方の電極
の背面に燃料がスを通過させると共に他方の電極の背面
に酸化剤がスを通過させ、このときの電気化学的反応に
より発生する電気エネルギーを前記一対の電極から取出
する燃料電池の運転方法において、負荷の増減に対応し
て、負荷が増大したときは前記燃料電池に供給する燃料
がス、酸化剤ブスの圧力を増大さぜ、また負荷が減少す
るときは前記燃料ガス、酸化剤がスの圧力を減少させる
ようにしたことを特徴とする燃料電池の運転方法。