JPS607067A - 燃料電池装置 - Google Patents
燃料電池装置Info
- Publication number
- JPS607067A JPS607067A JP58112852A JP11285283A JPS607067A JP S607067 A JPS607067 A JP S607067A JP 58112852 A JP58112852 A JP 58112852A JP 11285283 A JP11285283 A JP 11285283A JP S607067 A JPS607067 A JP S607067A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- carbon dioxide
- gas
- supply system
- fuel
- oxidizing gas
- 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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- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
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- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
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、りん酸のような強酸性の電解液を用いる燃料
電池において，電池性能の経時劣下な減少させる燃料電
池装置に関する。
電池において，電池性能の経時劣下な減少させる燃料電
池装置に関する。
ここでは，たとえば電解液としてりん酸を用いるりん酸
型燃料電池の場合について述べる。
型燃料電池の場合について述べる。
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第１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
質マトリックス層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，それ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。
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第１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
質マトリックス層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，それ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
な高い導電性をもっことに加え、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さ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
たものを基材に、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。−万
、りん酸型燃料電池の運転にあたっては、温度が高い程
りん酸電解液の導電度が高くなり、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℃程度の電池温度で運
転が行なわれている。また。
な高い導電性をもっことに加え、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さ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
たものを基材に、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。−万
、りん酸型燃料電池の運転にあたっては、温度が高い程
りん酸電解液の導電度が高くなり、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℃程度の電池温度で運
転が行なわれている。また。
電力′ｒ液として用いられるりん酸の濃度は９５〜１０
５ｗｔ％程度のもの、が用いられているが、とのりん酸
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、電力イ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、竹にカソード極の触媒担持体であ
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、ここで述べたような燃料電池の運転
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。
５ｗｔ％程度のもの、が用いられているが、とのりん酸
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、電力イ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、竹にカソード極の触媒担持体であ
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、ここで述べたような燃料電池の運転
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＋２Ｈ２０−＋ 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われる。
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われる。
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、その結果反応に寄与する表面積が少なく
なって活性化分極が太きくなる。
離してしまい、その結果反応に寄与する表面積が少なく
なって活性化分極が太きくなる。
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
化処理が処しである。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。
相界面を維持するために、ＰＴＦＥなどを塗付して撥水
化処理が処しである。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。
捩水性も失ない、電極が反応生成水などで浸されてしま
い、電極反応に心太なガスか拡散により発応面に到達す
る際の抵抗が大きくなる。
い、電極反応に心太なガスか拡散により発応面に到達す
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飯として長時間の
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
目り問題となる。
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
目り問題となる。
一方、電池の運転方法の面からは、との酸化反応が電極
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１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り
ではなく。
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１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り
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。
る。
この発明は、−ｈ記の間匙点を解決し、燃料電池の性能
向上のために必要な高い電池？Ｓｉ度と高い電極（：位
のもとて問題となる触媒のね特休の酸化を低減すること
により、高い電池性能を長期にわたって維持することが
できる燃料電池装置を提供するものである。
向上のために必要な高い電池？Ｓｉ度と高い電極（：位
のもとて問題となる触媒のね特休の酸化を低減すること
により、高い電池性能を長期にわたって維持することが
できる燃料電池装置を提供するものである。
前述したよう（−１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（１１式の反応とみられ
“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。とのような理由から、本発明
では、メタン、エタン等の気体撚料か、あるいは石油、
アルコール等の液体燃料と、空気等の酸化剤を、反応器
において、触媒により触媒譬焼させるか、バーナー等に
より燃説させることにより、二酸化炭素を含むガスを生
成し、この一部又は全部を、二酸化炭宛供給系統により
酸化剤ガス併給系統中をぴ１、れる酸化剤ガスに混入し
、カソード極側の二酸化炭素の分圧を高め、担持体の酸
化を低減させることができる燃料電池装置を提供するも
のである。
応は、主にカソード極で生じる（１１式の反応とみられ
“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。とのような理由から、本発明
では、メタン、エタン等の気体撚料か、あるいは石油、
アルコール等の液体燃料と、空気等の酸化剤を、反応器
において、触媒により触媒譬焼させるか、バーナー等に
より燃説させることにより、二酸化炭素を含むガスを生
成し、この一部又は全部を、二酸化炭宛供給系統により
酸化剤ガス併給系統中をぴ１、れる酸化剤ガスに混入し
、カソード極側の二酸化炭素の分圧を高め、担持体の酸
化を低減させることができる燃料電池装置を提供するも
のである。
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る。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下な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、従っ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
。さらに本発明において二酸化炭素を含む気体を生成す
るための反応器に供給される燃料は。
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る。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下な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、従っ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
。さらに本発明において二酸化炭素を含む気体を生成す
るための反応器に供給される燃料は。
現在一般的に使用されている都市ガスや天然ガステヨく
、容易かつ安価に供給することができ、さらにこれを燃
焼させて生成されたガス中には、二酸化炭素の他に水蒸
気が含まれるが、これは電解液が乾燥しないようにする
ために必要なものである。従って本発明により容易に燃
料電池の長期にわたる高い電池性能が得られ、有効であ
る。
、容易かつ安価に供給することができ、さらにこれを燃
焼させて生成されたガス中には、二酸化炭素の他に水蒸
気が含まれるが、これは電解液が乾燥しないようにする
ために必要なものである。従って本発明により容易に燃
料電池の長期にわたる高い電池性能が得られ、有効であ
る。
第２図に、本発明の一実施例の構成を示す。電池は、り
ん酸電解液を含むマトリックス層１２をはさんでカソー
ド極１１とアノード極１３からなり、それぞれの外側に
酸化剤ガス流路１０と燃料ガス流路１４がある。酸化剤
ガスは、酸化剤供給系統１５から燃料電池に供給され、
酸化剤排出系統１６から排出される。燃料ガスも同様に
燃料供給系統１７から燃料電池に供給され、燃料排出系
統１８から排出される。ここで、酸化剤供給系統１５中
を流れる酸化剤ガスの一部は、三方弁１９を通じてバー
ナー２１へ流れ、ここで酸化剤ガス中の酸素の大部丹参
り、バーナー用燃料供給系統２３により供給された都市
ガス、メタンなどのバーナー用燃料ガスと儲焼反応し、
二酸化炭素を生成する。
ん酸電解液を含むマトリックス層１２をはさんでカソー
ド極１１とアノード極１３からなり、それぞれの外側に
酸化剤ガス流路１０と燃料ガス流路１４がある。酸化剤
ガスは、酸化剤供給系統１５から燃料電池に供給され、
酸化剤排出系統１６から排出される。燃料ガスも同様に
燃料供給系統１７から燃料電池に供給され、燃料排出系
統１８から排出される。ここで、酸化剤供給系統１５中
を流れる酸化剤ガスの一部は、三方弁１９を通じてバー
ナー２１へ流れ、ここで酸化剤ガス中の酸素の大部丹参
り、バーナー用燃料供給系統２３により供給された都市
ガス、メタンなどのバーナー用燃料ガスと儲焼反応し、
二酸化炭素を生成する。
ここで生成された二酸化炭素を大量に含むガスは、三方
弁２０により大部分が酸化剤供給系統１５に戻され、残
りは酸化剤排出系統１６に流れ込む。この両者の割合は
、酸化剤供給系統１５中に設けられた二酸化炭素濃度検
出器２２の信号により、カソード極へ供給される酸化剤
ガス中の二酸化炭素が常に一定の割合になるように、三
方弁２０を調節することにより定められる。
弁２０により大部分が酸化剤供給系統１５に戻され、残
りは酸化剤排出系統１６に流れ込む。この両者の割合は
、酸化剤供給系統１５中に設けられた二酸化炭素濃度検
出器２２の信号により、カソード極へ供給される酸化剤
ガス中の二酸化炭素が常に一定の割合になるように、三
方弁２０を調節することにより定められる。
第１図は従来の燃料電池の単セルの構成を示す泉１視凶
、第２図は本発明の一実施例の構成を示す接続図である
。 】・・空気極、２）Ａ−電極、 ３１れ解液な含むマトリックス層。 ４．４ セパレーク、１０・・・酸化剤ガス流路。 １１・ カソード極、１２ りん酸電解液を含むマトリ
ックス層、１３・・アノード極、 １４・・・燃オ・４ガス流路、１５・・・酸化剤ガス供
給系統、１６・「け−化剤排出系統、１７ 燃料供給系
統、１８ 燃料排出系わｌ：、１９．２０・三方弁。 ２１・・バーナー、２２・・二酸化炭素濃度検出器、２
３ バーナー用燃料供給系統
、第２図は本発明の一実施例の構成を示す接続図である
。 】・・空気極、２）Ａ−電極、 ３１れ解液な含むマトリックス層。 ４．４ セパレーク、１０・・・酸化剤ガス流路。 １１・ カソード極、１２ りん酸電解液を含むマトリ
ックス層、１３・・アノード極、 １４・・・燃オ・４ガス流路、１５・・・酸化剤ガス供
給系統、１６・「け−化剤排出系統、１７ 燃料供給系
統、１８ 燃料排出系わｌ：、１９．２０・三方弁。 ２１・・バーナー、２２・・二酸化炭素濃度検出器、２
３ バーナー用燃料供給系統
Claims (3)
- （１） カソード極、アノード極およびこれら両極間に
介在する電解質マトリックス層から成る燃料電池と、前
記カソード極に酸化剤ガスを供給する酸化剤供給系統と
、前記アノード極に燃料ガスを供給する燃料供給系統を
有する燃料電池装置において、燃料と酸化剤を反応させ
て二酸化炭素を含む気体を生成する反応器と、前記反応
器と前記酸化剤供給系統をつなぐ二酸化炭素供給系統を
有することを％徴とする燃料電池装置。 - （２） 電解質マトリックス層にりん酸を含むととを特
徴とする特許請求の範ｔ＋＋ｑ第１項り記載の燃料■３
．池装置。 - （３）酸化剤供給系統と前記二酸化炭素供給系統の接合
部と、前記酸化剤供給系統と前記カソード極の接合部の
間の前記酸化剤供給系統上に、二酸化￥Ａ素素度度検出
器設けられているととを特徴とする特許
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP58112852A JPS607067A (ja) | 1983-06-24 | 1983-06-24 | 燃料電池装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP58112852A JPS607067A (ja) | 1983-06-24 | 1983-06-24 | 燃料電池装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS607067A true JPS607067A (ja) | 1985-01-14 |
Family
ID=14597136
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP58112852A Pending JPS607067A (ja) | 1983-06-24 | 1983-06-24 | 燃料電池装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS607067A (ja) |
-
1983
- 1983-06-24 JP JP58112852A patent/JPS607067A/ja active Pending
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