JP2877653B2 - リン酸型燃料電池の運転方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、リン酸型燃料電池の運
転方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池は天然ガス，メタノール，石炭
ガス等の燃料を改質して得られる水素と，空気中の酸素
とから電気エネルギーを得る装置であり、高い発電効率
を得ることができる。したがって、宇宙用から自動車用
まで、大規模発電から小規模発電まで、種々の用途に使
用できる将来有望な新しい発電システムとして注目され
ている。

【０００３】特に、近年では小型のリン酸型燃料電池
が、移動通信用，建築・土木工事用等の数１００Ｗ程度
の小規模電源として注目されている。リン酸型燃料電池
は、電池本体の性能及び電池構成材料の耐久性，寿命等
の兼ね合いから、通常１５０℃〜２００℃の運転温度で
運転を行っている。この場合、電池温度を一定に保つた
めに電池内に冷却空気を送り込んでいるが、冷却空気の
供給側は温度が低く、冷却空気の排出側は温度が高いた
め、空気の供給側から排出側にかけて電池内に温度勾配
が生じる。例えば、運転温度１８０℃の場合には、図４
に示すように電池内に１５０℃〜１９０℃の温度勾配が
生じることになる。

【０００４】ところで、電池温度（運転温度）とリン酸
濃度との間には図６に示すような関係があるので、例え
ば電池温度１５０℃の領域のリン酸濃度は９８ｗｔ％程
度であり、電池温度１９０℃の領域のリン酸濃度は１０
０ｗｔ％程度である。したがって、運転温度１８０℃の
場合には、電池内には９８ｗｔ％〜１００ｗｔ％のリン
酸の濃度勾配が生じる。ここで、リン酸電解質は電極を
構成する電極触媒層と電解質マトリックスとの空隙部に
保持されており、しかもこれらの厚さは0.３〜0.４mm程
度であるので、リン酸電解質の拡散径路は非常に狭い。
したがって、このようにリン酸電解質が高濃度の状態で
はリン酸の拡散が起こりにくいため、電池の運転を停止
した場合でも、電池内には運転中と略同様の濃度勾配が
残存する。

【０００５】一方、リン酸濃度とリン酸の氷結温度とは
図７〔W.H.Ross, R.M.Jones: J.ofAm.Chem.Soc., 47,21
65 (1925)〕に示すような関係があるので、例えばリン
酸濃度が１００ｗｔ％，９1.６ｗｔ％であると、それぞ
れ４2.３℃（Ｅ点），２9.３℃（Ｃ点）以下の温度でリ
ン酸が固体化しはじめ、やがて２3.５℃（Ｄ点）以下の
温度で完全な固体になる。したがって、上記のように電
池内におけるリン酸濃度が９８ｗｔ％〜１００ｗｔ％で
あれば、電池運転停止時（保存中）の外気温度が２3.５
℃以下になると、電池内のすべてのリン酸が完全な固体
状態になり、電解質抵抗が非常に大きくなるため、電池
を起動させることができないという問題がある。

【０００６】この問題を解決するため、以下の２つの方
法が提案されている。第１の方法は、電池運転停止後、
再起動させるまでの間（即ち、電池保存中）におけるリ
ン酸の氷結を防止する方法であり、電池保存中に保温装
置等によって電池をリン酸の氷結温度よりも高い温度、
例えば８０℃程度に保温し続ける方法である。

【０００７】第２の方法は、電池運転停止後、電池温度
が外気温度まで低下しリン酸が氷結した場合に電池を再
起動させる方法であり、加熱装置等によって電池をある
温度まで昇温させることにより、リン酸を抵抗の高い固
体状態から抵抗の低い液体状態へと融解させる方法であ
る。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記方法は
いずれも発電所等で使用する大型のリン酸型燃料電池に
おいては有効であるが、移動通信用，土木工事用等に使
用する小型のリン酸型燃料電池においては、実現性に乏
しい。即ち、保温装置や加熱装置等を設けることは装置
が大型化し重量も重たくなるので小型化には不向きであ
るし、また保温装置等を駆動するためのエネルギー源を
確保するのも困難である。

【０００９】その結果、小型のリン酸型燃料電池におい
ては、運転停止後電池温度が外気温まで低下しリン酸が
氷結した場合に電池の再起動ができなくなるという問題
が依然として残されている。本発明は上記課題に鑑みて
なされたものであり、電池の保存中におけるリン酸の氷
結を抑制することによって、運転停止後電池温度が外気
温度まで低下しても、起動可能であるリン酸型燃料電池
の運転方法を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
するため、以下のことを特徴とする。 正極と負極との間にリン酸電解質を保持した電解質
マトリックスを介在させた単電池を複数積層させて成る
リン酸型燃料電池の運転方法において、外気温度に応じ
て電池の運転温度を変化させることを特徴とする。 正極と負極との間にリン酸電解質を保持した電解質
マトリックスを介在させた単電池を複数積層させて成る
リン酸型燃料電池の運転方法において、前記電池の運転
停止後、電池内のリン酸電解質が少なくとも液相領域を
有するように、外気温度に応じて電池の運転温度を変化
させることを特徴とする。 所定濃度のリン酸電解質が、液体から完全な固体に
変化する温度に対して、外気温度が高い場合にはリン酸
電解質が所定濃度よりも高い濃度となる第１の運転温度
で運転し、外気温度が低い場合にはリン酸電解質が所定
濃度よりも低い濃度となる第２の運転温度で運転するこ
とを特徴とする。

【００１１】

【作用】電池温度（運転温度）はリン酸濃度と密接に関
係しており、例えば図６に示すように、電池温度（運転
温度）が高くなるとリン酸濃度も高くなり、電池温度
（運転温度）が低くなるとリン酸濃度も低くなる。した
がって、運転温度を下げるとリン酸の濃度勾配も低濃度
側にシフトし、運転温度を上げるとリン酸の濃度勾配も
高濃度側にシフトする。例えば、運転温度１８０℃の場
合には、図４に示すように電池内に１５０℃〜１９０℃
の温度勾配が生じるため、電池内には９８ｗｔ％〜１０
０ｗｔ％程度のリン酸の濃度勾配が生じる。一方、運転
温度を１８０℃から１００℃に下げると、電池内の温度
勾配も図５に示すように７０℃〜１１０℃と低温側にシ
フトするので、電池内のリン酸の濃度勾配も８３ｗｔ％
〜９５ｗｔ％程度と低濃度側にシフトする。

【００１２】一方、リン酸濃度は外気温度とも密接に関
係しており、例えば図７に示すように、リン酸濃度が９
1.６ｗｔ％以上であれば２3.５℃以下の温度でリン酸が
完全な固体状態になるが、リン酸濃度が９1.６ｗｔ％未
満であれば２3.５℃以下の温度でリン酸が固体と液体と
の混合状態になることはあっても、−８５℃以下になる
までは完全な固体状態になることはない。

【００１３】これらを考慮して、外気温度が２3.５℃以
下の場合には、リン酸濃度が９1.６％未満の領域が電池
内に少なくとも存在するような運転温度で運転を行え
ば、運転停止時に電池温度が外気温度まで低下したとし
ても、電池内のリン酸が固体と液体との混合状態になる
ことはあっても、−８５℃以下になるまでは完全な固体
状態になることはない。したがって、電池内のすべての
リン酸が抵抗の大きい固体状態になるのを抑制できるの
で、抵抗の小さい液相領域において発電を行うことがで
きる。この場合、発電によって反応の過電圧に相当する
熱が発生するので、この熱によって電池を昇温すること
ができる。その結果、固体化したリン酸領域を融解させ
て液相領域にすることができるので、電池を起動させる
ことができる。一方、外気温度が２3.５℃よりも高い場
合には、リン酸濃度が９1.６％以上の領域が電池内に少
なくとも存在するような運転温度で運転を行えば、前記
と同様に、運転停止時に電池温度が外気温度まで低下し
たとしても、電池内のリン酸が固体と液体との混合状態
になることはあっても、完全な固体状態になることはな
い。ここで、電池特性は電池の運転温度に依存し、運転
温度の低下と共に電池特性も低下するため、運転温度は
電池温度が運転停止後外気温度まで低下しても、起動が
可能な範囲で高く設定することが望ましい。本願発明に
よれば、起動可能な範囲で高い運転温度で運転を行うこ
とが可能である。

【００１４】具体的には、外気温度が２3.５℃よりも高
い場合には、電池内に１８０℃以下の領域が存在するよ
うな運転温度で運転を行い、外気温度が２3.５℃以下の
場合には、電池内に１００℃以下の領域が存在するよう
に運転を行わせることができる。

【００１５】

【実施例】図１は本発明の一実施例に係るリン酸型燃料
電池を用いたポータブル電源の斜視図（一部断面）、図
２は図１のポータブル電源のＸ−Ｘ線断面図であり、ア
ルミニウムやジュラルミン等の軽金属製であって、上方
に行くにつれて先細り状の角錐体をなしたケース１内に
は、リン酸型の燃料電池本体２が配置され、この燃料電
池本体２から排出される排ガスの通路である排気側側方
には、前記燃料電池本体２に燃料である水素を供給する
水素吸蔵合金を充填した複数本（図示例では５本）の水
素吸蔵合金ボンベ３を備えた水素貯蔵装置４が配置され
ている。ここで、前記水素貯蔵装置４を燃料電池本体２
の排気側側方に配置したのは、燃料電池本体２から排出
される高温の排ガスを有効利用して各ボンベ３内に充填
されている水素吸蔵合金を加熱するためであり、この加
熱によって水素貯蔵装置４から燃料電池本体２への水素
の供給が円滑に行われることになる。尚、前記燃料電池
本体２の温度が最も高くなる部分（即ち、燃料電池本体
２の空気排出側側面の中央部）には、後述する温度セン
サが設けられている。

【００１６】前記ケース１内であって、燃料電池本体２
への空気通路である空気供給側側方（即ち、前記水素貯
蔵装置４と反対側の側方）には、種々の制御系やその他
の設備類が配置されている。例えば、後述する空気供給
孔５の近傍には、燃料電池本体２の発電によって駆動さ
れ燃料電池本体２に空気を供給する空気供給ファン６が
配置され、この空気供給ファン６の下方であって空気供
給ファン６によってケース１内に取り入れられた空気の
通路には、この空気を加熱して供給し燃料電池本体２を
運転温度まで上昇させる起動用ヒータ７が配置されてお
り、この起動用ヒータ７は燃料電池本体２の発電によっ
て駆動する。この起動用ヒータ７の下方には、水素貯蔵
装置４から燃料電池本体２に供給された水素のうち反応
に寄与しなかった未反応水素と、後述する空気供給ファ
ン８から供給される空気とを触媒燃焼により処理し、ケ
ース１外に水素が排出されるのを防止する触媒燃焼器９
が配置され、この触媒燃焼器９には例えば、白金等の触
媒が充填されている。この触媒燃焼器９によって燃焼処
理された燃焼排ガス（即ち、水蒸気）は燃料電池本体２
を加熱した後、排ガス排気孔１３からケース１外に排出
される。また、この触媒燃焼器９の側方には、触媒燃焼
の際に必要な空気を供給する空気供給ファン８が配置さ
れ、この空気供給ファン８の側方には電源の出力電圧が
一定になるように制御するＤＣ−ＤＣコンバータ１０が
配置されている。このＤＣ−ＤＣコンバータ１０の側方
には、空気供給ファン６の回転数を制御して運転温度を
上下させたり，空気供給ファン８の回転数を制御して触
媒燃焼器９に供給する空気量を調整したり，燃料電池本
体２が運転温度まで達した時に起動用ヒータ７を停止さ
せる等の制御を司る制御装置１１が配置されており、こ
の制御装置１１には、燃料電池本体２に設けた温度セン
サからの運転温度検出信号や，電源の外部に設けた外気
温度センサからの外気温度検出信号等が入力される。ま
た、この制御装置１１の上方にはヒューズリレーボック
ス１２が配置されている。

【００１７】前記ケース１上方の角錐体の側面傾斜部の
一方には、燃料電池本体２からの排ガス等を排出する排
ガス排気孔１３が設けられ、この排ガス排気孔１３と反
対側の側面傾斜部には燃料電池本体２にて発電された電
力を取り出す数個のコネクタ１４が設けられている。ま
た、前記ケース１上方の角錐体の正面傾斜部，及び背面
傾斜部であって、前記排ガス排気孔１３から遠い位置に
は、ケース１内に空気を取り入れる空気吸入孔５（図で
は正面傾斜部側のみを示す）がそれぞれ設けられてい
る。

【００１８】前記ケース１上方の角錐体上面の平坦部分
には、水素吸蔵合金ボンベ３内の水素残圧を表示するラ
ンプや，前記水素吸蔵合金ボンベ３内の水素圧力を調整
する圧力スイッチや，水素供給弁等の弁の開閉を行う弁
開閉スイッチ等（いずれも図示せず）を備えた操作パネ
ル１５が設けられている。前記空気吸入孔５，排ガス排
気孔１３，コネクタ１４，操作パネル１５等が設けられ
るケース１上方の角錐体部分は、ケース１と同様の材料
で構成された蓋体１６で覆蓋される構成となっており、
蓋体１６でケース１の上面を覆蓋後、止め具１７によっ
て蓋体１６とケース１とを固定できる構成となってい
る。尚、図中１８は蓋体１６の上部に取り付けた把手
で、ケース１を覆蓋して電源を持ち運ぶ際に用いられ
る。また、前記ケース１と蓋体１６とが接する部分に
は、ケース１内の密閉性を高めるため、パッキン１９が
設けられている。

【００１９】上記空気供給ファン６の駆動によって空気
吸入孔５からケース１内に取り込まれた空気は、大部分
が発電用として燃料電池本体２に直接供給される一方、
残余の空気は制御装置１１やＤＣ−ＤＣコンバータ１０
等の周辺を経由してこれら制御装置１１やＤＣ−ＤＣコ
ンバータ１０等を冷却した後、燃料電池本体２に供給さ
れる。そして、燃料電池本体２での発電によって加熱さ
れた高温の排ガスは、水素貯蔵装置４の周辺を経由して
水素貯蔵装置４を加熱した後、排ガス排出孔１３からケ
ース１外に排出される。尚、前記空気吸入孔５から取り
込まれた空気は燃料電池本体２に供給されるが、空気吸
入孔５から燃料電池本体２までの吸入空気が通過する吸
気ダクトの一部は、上記ケース１の内周面の一部が構成
している。また、反応後の排ガスは水素貯蔵装置４の周
辺を経由して排ガス排出孔１３から排出されるが、この
燃料電池本体２から排ガス排出孔１３までの排ガスが通
過する排気ダクトの一部も、上記ケース１の内周面の一
部が構成している。

【００２０】図３は本発明の一実施例に係るポータブル
電源の概略構成を示すブロック図であり、ケース１外部
に設けられた外気温度センサ２１，及び燃料電池本体２
の内部に設けられた温度センサ２０からの温度検出信号
はともに制御装置１１に送信される。そして、制御装置
１１が、これら温度検出信号に基づいて、運転温度を設
定する。燃料電池本体２の運転温度は空気供給ファン６
の回転数を変えることにより制御される。

【００２１】以下、上記の如く構成されたポータブル電
源の運転方法について、具体的に説明する。起動時に外
気温度が２3.５℃よりも高い場合は、例えば運転温度を
１８０℃にして運転すると電池内では、図４に示すよう
に１５０℃〜１９０℃の温度分布を示す。図６からこの
時の電池内のリン酸濃度は９８ｗｔ％〜１００ｗｔ％程
度となる。この場合、外気温が２3.５℃よりも高いた
め、運転停止後電池温度が外気温度まで低下しても、電
池内にリン酸濃度が９1.６ｗｔ％以上の領域が存在す
る。したがって、電池内のリン酸が完全に固体状態にな
ることはないので、起動が可能である。

【００２２】一方、外気温度が２3.５℃以下の場合は、
運転温度を１８０℃にして運転すると運転停止後電池温
度が外気温度まで低下した時に、リン酸が完全に固体状
態になる可能性が非常に高まり起動が困難になる。よっ
て、この場合は、例えば運転温度を１００℃にして運転
すると電池内の温度分布は低温側にシフトして７０℃〜
１１０℃となる。電池内のリン酸濃度も低濃度側にシフ
トし図７から８３ｗｔ％〜９５ｗｔ％程度となることが
わかる。したがって、運転停止後電池温度が外気温度ま
で低下しても、電池内にリン酸濃度が９1.６％未満の領
域が存在するため、この領域のリン酸は完全に固体状態
になることはなく、液体状態の部分が存在する。よっ
て、この部分において発電し起動を行うことが可能であ
る。

【００２３】尚、リン酸の抵抗は液体状態においても温
度と共に上昇し、電池の起動性が低下するため、外気温
度が２3.５℃以下の場合において、外気温度に応じて運
転温度を変え、例えば外気温度が１０℃よりも低い場合
は運転温度を９０℃としてリン酸濃度を更に低濃度側に
シフトさせ、リン酸濃度９1.６％未満の領域を広げるこ
とにより液体状態で存在するリン酸の比率を高めること
により起動性を向上させることも可能である。また、当
然のことながら、外気温度が２3.５℃以上の場合でも、
運転温度を１８０℃以上に設定しても何ら問題はない。

【００２４】以上の例では電源の起動時の外気温度に応
じて予め運転温度を設定した。このようにした場合は、
外気温度によって運転温度も変化するため、特に外気温
度が低く運転温度が低い場合には電池の発電効率が低下
する。そこで、例えば以下のように起動後は定められた
運転温度で運転し、運転停止直前の外気温度に応じて運
転温度を変化させることも勿論可能である。

【００２５】先ず、電源の運転を停止したい場合にスト
ップボタン（図示せず）をＯＮにすると、外気温度セン
サ２１によってその時の外気温度が検出されると共に、
燃料電池本体２に設けた温度センサ２０によって、電源
の運転温度が検出される。そして、この外気温度に応じ
た運転温度に制御され、一定時間運転した後停止するこ
とにより、リン酸の濃度を下げ電池温度が外気温度まで
低下しても、リン酸氷結による起動性の低下を抑制可能
である。尚、運転温度を下げる方法としては、空気供給
ファン６の回転数を増加し、燃料電池本体２に供給する
空気の量を増加させる等の方法が採られている。

【００２６】また、運転時に電源がおかれる環境と、運
転停止時から再度運転する時までに電源がおかれる環境
とが異なる場合は、その環境の温度に応じた運転温度で
運転するよう人為的に設定することができる。例えば、
現在の運転時における外気温度よりも、低い温度の環境
で次回に運転させる場合には、現在の運転停止時から次
回に運転するまでの間で、最も外気温度が低くなる温度
を予想して、この温度の下で電池を起動することができ
る範囲でできるだけ高い温度に設定して電池の運転を行
わせることもできる。

【００２７】以上説明したように、外気温度に応じて運
転温度を変化させれば、運転停止後、電池温度が外気温
度まで低下しても、リン酸の少なくとも一部は液体状態
で存在するため、電源の起動性が向上する。尚、運転温
度を下げると電圧が低下するため、当然出力も低下する
ことになるが、水素の消費量を増大させて電流値を上げ
ることにより、運転温度を下げる前と略同等の出力を得
ることができる。 〔実験〕従来のように外気温度の変化に係わらず常に運
転温度を１８０℃として運転する場合（運転方法Ｘ）
と、外気温度に応じて運転温度を変化させる、即ち起動
時の外気温度が２3.５℃以下の場合は運転温度１１０℃
で運転を行い，また外気温度が２3.５℃よりも高い場合
は運転温度１８０℃で運転を行う場合（運転方法Ａ）と
において、一旦運転を停止した後、２４時間電源を保存
し、再び電源を起動させる実験を行った。

【００２８】その結果は、外気温度２５℃の場合は運転
方法Ａ，運転方法Ｘともに起動可能であったが、外気温
度１０℃の場合は運転方法Ａでは起動可能であったが、
運転方法Ｘでは電池に負荷を接続すると電池電圧が急激
に低下してしまい起動することができなかった。これ
は、本発明の運転方法Ａでは、電源の運転停止後、保存
中にリン酸の少なくとも一部は液体状態で存在するのに
対して、従来の運転方法Ｘでは、電源の運転停止後、保
存中にすべてのリン酸が氷結し固体状態となるためであ
ると思われる。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように外気温度に応じて電
池運転温度を変化させれば、外気温度が２3.５℃以下の
場合は電池スタックを構成するすべての単電池において
リン酸濃度が９1.６ｗｔ％未満の部分を有するように運
転温度を制御して運転すれば、電池の運転停止後、電池
温度が外気温度まで低下してもリン酸の少なくとも一部
は液体状態で存在する。その結果、電解質抵抗の増大を
抑制することができるため、起動が可能となるといった
優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係るリン酸型燃料電池を用
いたポータブル電源の概略斜視図である。

【図２】本発明の一実施例に係るポータブル電源のＸ−
Ｘ線断面図である。

【図３】本発明の一実施例に係るポータブル電源の概略
構成を示すブロック図である。

【図４】運転温度１８０℃における電池面内温度分布を
示す図である。

【図５】運転温度１００℃における電池面内温度分布を
示す図である。

【図６】電池温度と平衡リン酸濃度との関係を示すグラ
フである。

【図７】リン酸濃度と温度との関係を示すグラフであ
る。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小川 忠継 守口市京阪本通２丁目18番地 三洋電機 株式会社内 (56)参考文献 特開 平４−308662（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01M 8/00 - 8/24

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 正極と負極との間にリン酸電解質を保持
   した電解質マトリックスを介在させた単電池を複数積層
   させて成るリン酸型燃料電池の運転方法において、 外気温度に応じて電池の運転温度を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。
2. 【請求項２】 正極と負極との間にリン酸電解質を保持
   した電解質マトリックスを介在させた単電池を複数積層
   させて成るリン酸型燃料電池の運転方法において、 前記電池の運転停止後、電池内のリン酸電解質が少なく
   とも液相領域を有するように、外気温度に応じて電池の
   運転温度を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。
3. 【請求項３】 所定濃度のリン酸電解質が、液体から完
   全な固体に変化する温度に対して、外気温度が高い場合
   にはリン酸電解質が所定濃度よりも高い濃度となる第１
   の運転温度で運転し、外気温度が低い場合にはリン酸電
   解質が所定濃度よりも低い濃度となる第２の運転温度で
   運転することを特徴とするリン酸型燃料電池の運転方
   法。