JPH04308662A - 小型リン酸型燃料電池の運転方法 - Google Patents
小型リン酸型燃料電池の運転方法Info
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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
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、小型のリン酸型燃料電
池の運転方法に関するものである。
池の運転方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来のリン酸型燃料電池は、燃料電池本
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、一般にその作動温度を１５０〜２１０℃として運
転している。また、リン酸型燃料電池は発電所で利用さ
れるような大型のものが一般的であり、数千時間という
長期間の連続運転が行われる。
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、一般にその作動温度を１５０〜２１０℃として運
転している。また、リン酸型燃料電池は発電所で利用さ
れるような大型のものが一般的であり、数千時間という
長期間の連続運転が行われる。
【０００３】これに対して、最近になって、小型で可搬
式の燃料電池が注目されるようになっている。この小型
可搬式の燃料電池は、従来に見られる発電のように長時
間の連続運転は行わず、必要な時に必要な時間だけ作動
させるため、運転、停止の回数が大型のものに比較して
非常に多くなる。したがって、この運転、停止の繰り返
しによる悪影響を小さく抑える必要がある。
式の燃料電池が注目されるようになっている。この小型
可搬式の燃料電池は、従来に見られる発電のように長時
間の連続運転は行わず、必要な時に必要な時間だけ作動
させるため、運転、停止の回数が大型のものに比較して
非常に多くなる。したがって、この運転、停止の繰り返
しによる悪影響を小さく抑える必要がある。
【０００４】燃料電池の運転を停止した場合に生じる問
題点としては、電池温度の低下によって、リン酸電解質
が液体状態から固体状態に変化して体積変化を起こすこ
とがあげられる。高温で運転する大型の燃料電池では、
電解質に用いるリン酸が非常に高い濃度となっており、
このような高濃度の状態では、リン酸は室温において氷
結し完全な固体状態になる。電解質が完全な固体状態と
なると、この状態変化によって電解質に体積変化が生じ
、燃料電池を構成するセルスタックに応力が加わり、セ
ルスタックが劣化するという問題が生じる。また、電解
質が完全に固体化すると、電解質抵抗が非常に大きくな
り、この状態では燃料電池を起動することもできない。
題点としては、電池温度の低下によって、リン酸電解質
が液体状態から固体状態に変化して体積変化を起こすこ
とがあげられる。高温で運転する大型の燃料電池では、
電解質に用いるリン酸が非常に高い濃度となっており、
このような高濃度の状態では、リン酸は室温において氷
結し完全な固体状態になる。電解質が完全な固体状態と
なると、この状態変化によって電解質に体積変化が生じ
、燃料電池を構成するセルスタックに応力が加わり、セ
ルスタックが劣化するという問題が生じる。また、電解
質が完全に固体化すると、電解質抵抗が非常に大きくな
り、この状態では燃料電池を起動することもできない。
【０００５】このため、大型の燃料電池においては、こ
の運転停止時に、保温装置により燃料電池をリン酸の氷
結温度以上に保つように構成され、例えば、１００℃程
度の温度に保たれる。これにより、リン酸電解質が液体
から固体に変化することを防止し、電解質の固体化によ
る前記悪影響を極力抑えるている。
の運転停止時に、保温装置により燃料電池をリン酸の氷
結温度以上に保つように構成され、例えば、１００℃程
度の温度に保たれる。これにより、リン酸電解質が液体
から固体に変化することを防止し、電解質の固体化によ
る前記悪影響を極力抑えるている。
【０００６】また、仮に、大型の燃料電池の温度を室温
まで低下させたとしても、燃料電池を起動させようとす
ると、電解質が抵抗の高い固体状態であるため、電池を
ある程度まで昇温させて電解質抵抗の低い液体状態にす
る必要がある。ところが、装置自体が大型の燃料電池で
は熱容量も非常に大きくなっており、電池の昇温には加
熱媒体に大きなエネルギーを供給する装置が必要となる
。
まで低下させたとしても、燃料電池を起動させようとす
ると、電解質が抵抗の高い固体状態であるため、電池を
ある程度まで昇温させて電解質抵抗の低い液体状態にす
る必要がある。ところが、装置自体が大型の燃料電池で
は熱容量も非常に大きくなっており、電池の昇温には加
熱媒体に大きなエネルギーを供給する装置が必要となる
。
【０００７】これに対して、小型の燃料電池では、運転
停止時に燃料電池を高温に保とうとすると、装置が大型
化し装置自体の重量も重たくなると共に、その保温装置
のエネルギー源も別途必要になるため、このような保温
装置を設けることは難しい。このため、運転停止時には
燃料電池の温度が周囲の温度まで下がることになる。し
たがって、このようなタイプのリン酸型燃料電池では保
温装置以外の方法で上記問題を解決する必要がある。
停止時に燃料電池を高温に保とうとすると、装置が大型
化し装置自体の重量も重たくなると共に、その保温装置
のエネルギー源も別途必要になるため、このような保温
装置を設けることは難しい。このため、運転停止時には
燃料電池の温度が周囲の温度まで下がることになる。し
たがって、このようなタイプのリン酸型燃料電池では保
温装置以外の方法で上記問題を解決する必要がある。
【０００８】また、燃料電池の運転停止時における固体
化を防止する方法として、特公平３−１５３０５号公報
では、運転停止時に燃料電池の酸化剤ガス系統側または
燃料ガス系統側の少なくとも一方から、燃料電池に湿潤
ガスを供給することによって、電解質のリン酸濃度を低
下させることが提案されている。
化を防止する方法として、特公平３−１５３０５号公報
では、運転停止時に燃料電池の酸化剤ガス系統側または
燃料ガス系統側の少なくとも一方から、燃料電池に湿潤
ガスを供給することによって、電解質のリン酸濃度を低
下させることが提案されている。
【０００９】リン酸濃度が低下するとその氷結温度も低
くなるため、上記方法によって、リン酸電解質の固体化
を防止することが可能となるが、湿潤ガスを供給する装
置が別途必要となる。また、小型の燃料電池にこのよう
な装置を付加すると、前述したように装置自体の重量が
重たくなり、小型という利点を利用して燃料電池に可搬
機能を付与するすることが難しくなる。更に、リン酸電
解質は濃度変化による体積の増減が大きいため、特公平
３−１５３０５号公報に示されるように、燃料電池の運
転時におけるリン酸濃度１０５ｗｔ％を、運転停止時に
７５ｗｔ％にまで低下させると、このリン酸電解質の体
積変化も大きくなり、この体積変化による応力がセルス
タックに加わるという問題がある。
くなるため、上記方法によって、リン酸電解質の固体化
を防止することが可能となるが、湿潤ガスを供給する装
置が別途必要となる。また、小型の燃料電池にこのよう
な装置を付加すると、前述したように装置自体の重量が
重たくなり、小型という利点を利用して燃料電池に可搬
機能を付与するすることが難しくなる。更に、リン酸電
解質は濃度変化による体積の増減が大きいため、特公平
３−１５３０５号公報に示されるように、燃料電池の運
転時におけるリン酸濃度１０５ｗｔ％を、運転停止時に
７５ｗｔ％にまで低下させると、このリン酸電解質の体
積変化も大きくなり、この体積変化による応力がセルス
タックに加わるという問題がある。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、リン酸型燃
料電池の運転を停止し、電池温度が室温まで低下した場
合に、電池内のリン酸電解質が完全に固体化することを
防止することにより、電解質の体積変化による悪影響を
抑えると共に、液体状態の電解質を残存させておくこと
で、電解質抵抗の低い部分を形成し、低温でも起動でき
る小型のリン酸型燃料電池を提供しようとするものであ
る。
料電池の運転を停止し、電池温度が室温まで低下した場
合に、電池内のリン酸電解質が完全に固体化することを
防止することにより、電解質の体積変化による悪影響を
抑えると共に、液体状態の電解質を残存させておくこと
で、電解質抵抗の低い部分を形成し、低温でも起動でき
る小型のリン酸型燃料電池を提供しようとするものであ
る。
【００１１】
【課題を解決するための手段】本発明のリン酸型燃料電
池は、正極、負極、及びこれらの電極の間に介在する電
解質マトリックス中にリン酸電解質を保持した燃料電池
の運転時に、前記電解質マトリックス中に前記リン酸電
解質の濃度が９１．６ｗｔ％未満の部分を少なくとも部
分的に存在せることを特徴とするものである。
池は、正極、負極、及びこれらの電極の間に介在する電
解質マトリックス中にリン酸電解質を保持した燃料電池
の運転時に、前記電解質マトリックス中に前記リン酸電
解質の濃度が９１．６ｗｔ％未満の部分を少なくとも部
分的に存在せることを特徴とするものである。
【００１２】
【作用】燃料電池は、電池温度を一定に保ち性能を安定
させるために、電池内に冷却空気を送り込んでいる。そ
して、この冷却空気の温度と燃料電池の温度の温度差に
よって、燃料電池の冷却空気の入口から出口に向かって
、電池内に温度勾配が生じる。例えば、冷却剤である空
気温度が低温（０〜５０℃）の場合には、電池内の空気
の入口から出口側にかけて図４に示すように、温度勾配
が発生する。
させるために、電池内に冷却空気を送り込んでいる。そ
して、この冷却空気の温度と燃料電池の温度の温度差に
よって、燃料電池の冷却空気の入口から出口に向かって
、電池内に温度勾配が生じる。例えば、冷却剤である空
気温度が低温（０〜５０℃）の場合には、電池内の空気
の入口から出口側にかけて図４に示すように、温度勾配
が発生する。
【００１３】また、図５に示すように、電解質に用いる
リン酸の平衡濃度は、電池温度の低下に伴い低くなる傾
向がある。つまり、前記電池内の温度勾配によって、燃
料電池内部において電解質のリン酸濃度の異なる部分が
存在することになる。
リン酸の平衡濃度は、電池温度の低下に伴い低くなる傾
向がある。つまり、前記電池内の温度勾配によって、燃
料電池内部において電解質のリン酸濃度の異なる部分が
存在することになる。
【００１４】そして、実際の燃料電池では、正負極を構
成する電極触媒層及び電解質マトリックスが厚さ０．３
〜０．４ｍｍ程度であり、この領域の空隙部にリン酸電
解質が保持されるために、電解質の拡散経路は非常に狭
いものとなり、更に、高濃度のリン酸は低温では非常に
粘性が高いことから、電解質の拡散は起こりにくくなる
。 このため、燃料電池の運転停止時においても、電池内に
リン酸電解質の濃度の異なる部分が存在することになる
。
成する電極触媒層及び電解質マトリックスが厚さ０．３
〜０．４ｍｍ程度であり、この領域の空隙部にリン酸電
解質が保持されるために、電解質の拡散経路は非常に狭
いものとなり、更に、高濃度のリン酸は低温では非常に
粘性が高いことから、電解質の拡散は起こりにくくなる
。 このため、燃料電池の運転停止時においても、電池内に
リン酸電解質の濃度の異なる部分が存在することになる
。
【００１５】一方、燃料電池の電解質として用いるリン
酸水溶液の氷結温度は図６［Ｗ．Ｈ．Ｒｏｓｓ， Ｈ．
Ｍ．Ｊｏｎｅｓ： Ｊ．ｏｆ Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ
．，４７，２１６５（１９２５）］に示すようになる。 つまり、リン酸濃度が９１．６ｗｔ％以上になると２３
．５℃以下の温度で完全に固体化し、それ未満の濃度で
は−８５℃以下にならなければ完全な固体状態にはなら
ない。したがって、リン酸濃度が９１．６ｗｔ％以上で
運転した場合には、運転停止によって電池が外気温まで
下がると、電解質であるリン酸水溶液が完全に固体状態
になる可能性が非常に高くなる。これに対して、９１．
６ｗｔ％未満の濃度では、２９．３℃以下の温度でリン
酸水溶液が固体と液体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温度が非常時に低いため、液体
状態の部分が必ず残存することになる。
酸水溶液の氷結温度は図６［Ｗ．Ｈ．Ｒｏｓｓ， Ｈ．
Ｍ．Ｊｏｎｅｓ： Ｊ．ｏｆ Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ
．，４７，２１６５（１９２５）］に示すようになる。 つまり、リン酸濃度が９１．６ｗｔ％以上になると２３
．５℃以下の温度で完全に固体化し、それ未満の濃度で
は−８５℃以下にならなければ完全な固体状態にはなら
ない。したがって、リン酸濃度が９１．６ｗｔ％以上で
運転した場合には、運転停止によって電池が外気温まで
下がると、電解質であるリン酸水溶液が完全に固体状態
になる可能性が非常に高くなる。これに対して、９１．
６ｗｔ％未満の濃度では、２９．３℃以下の温度でリン
酸水溶液が固体と液体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温度が非常時に低いため、液体
状態の部分が必ず残存することになる。
【００１６】このため、電解質であるリン酸の濃度が９
１．６ｗｔ％未満の部分を電池内に存在させておくこと
により、運転停止時において、少なくとも正負極の間に
部分的に電解質を液体状態で存在させることが可能とな
り、抵抗が大きい固体状態の電解質で電池内が完全に満
たされることを防止できる。
１．６ｗｔ％未満の部分を電池内に存在させておくこと
により、運転停止時において、少なくとも正負極の間に
部分的に電解質を液体状態で存在させることが可能とな
り、抵抗が大きい固体状態の電解質で電池内が完全に満
たされることを防止できる。
【００１７】また、リン酸型燃料電池を起動すると、反
応部の電極において過電圧に相当する熱が発生し、電極
自信が加熱されることによって電池温度が上昇するため
、前述のように正負極の間に液体状態の電解質を存在さ
せると、低抵抗の液体状態の部分において電池を起動さ
せ、この起動時の発電によって生じる前記過電圧に相当
する熱で電池の温度を上昇させることができ、電解質の
固体部分を溶解し液体状態に変化させることによって、
低温から燃料電池を起動させることが可能となる。
応部の電極において過電圧に相当する熱が発生し、電極
自信が加熱されることによって電池温度が上昇するため
、前述のように正負極の間に液体状態の電解質を存在さ
せると、低抵抗の液体状態の部分において電池を起動さ
せ、この起動時の発電によって生じる前記過電圧に相当
する熱で電池の温度を上昇させることができ、電解質の
固体部分を溶解し液体状態に変化させることによって、
低温から燃料電池を起動させることが可能となる。
【００１８】他方、大型の燃料電池では、装置自体の熱
容量が非常に大きいため、前記過電圧に相当する熱によ
って電池温度を昇温させるには、非常に時間がかかり実
用的ではないが、小型燃料電池においては、適当な負荷
の設定及び、燃料電池に送り込む空気量の調整によって
温度の上昇速度は２０〜３０℃／分にも達する。それゆ
え従来の大型の燃料電池と比較し、短時間で温度を上昇
させることが可能となる。
容量が非常に大きいため、前記過電圧に相当する熱によ
って電池温度を昇温させるには、非常に時間がかかり実
用的ではないが、小型燃料電池においては、適当な負荷
の設定及び、燃料電池に送り込む空気量の調整によって
温度の上昇速度は２０〜３０℃／分にも達する。それゆ
え従来の大型の燃料電池と比較し、短時間で温度を上昇
させることが可能となる。
【００１９】また、図５に示したリン酸濃度曲線から分
かるように、燃料電池は低温で作動させると電解質のリ
ン酸の濃度が低くなるが、このように燃料電池の温度上
昇を短時間で行うことができることから、燃料電池の運
転開始時におけるリン酸濃度の低下を小さく抑えること
も可能となる。
かるように、燃料電池は低温で作動させると電解質のリ
ン酸の濃度が低くなるが、このように燃料電池の温度上
昇を短時間で行うことができることから、燃料電池の運
転開始時におけるリン酸濃度の低下を小さく抑えること
も可能となる。
【００２０】加えて、従来から用いられている加熱方法
、即ち、燃料電池を冷却する冷却剤を加熱するといった
間接的に温度上昇をはかる方法、及び外部から加熱媒体
に熱を供給し、加熱媒体により電池を加熱する方法など
を、前記過電圧に相当する熱と併用して燃料電池を昇温
する場合においても、これらの加熱装置を極小化でき、
システム全体の小型軽量化が可能となる。また、これら
の加熱装置が故障した場合においても、前記過電圧に相
当する熱のみで燃料電池を起動することが可能であり、
信頼性が高いものとなる。
、即ち、燃料電池を冷却する冷却剤を加熱するといった
間接的に温度上昇をはかる方法、及び外部から加熱媒体
に熱を供給し、加熱媒体により電池を加熱する方法など
を、前記過電圧に相当する熱と併用して燃料電池を昇温
する場合においても、これらの加熱装置を極小化でき、
システム全体の小型軽量化が可能となる。また、これら
の加熱装置が故障した場合においても、前記過電圧に相
当する熱のみで燃料電池を起動することが可能であり、
信頼性が高いものとなる。
【００２１】尚、上記のように電池内に液体状態の電解
質を上記のように液体状態の電解質を存在させる方法と
しては、運転温度の電池内の平均温度を１１０℃以下程
度の低温にすることが有効である。
質を上記のように液体状態の電解質を存在させる方法と
しては、運転温度の電池内の平均温度を１１０℃以下程
度の低温にすることが有効である。
【００２２】これは、従来の高温で作動させる燃料電池
では、電池内のリン酸濃度は１００ｗｔ％前後の濃度に
制御されるが、電池の平均温度が１１０℃以下程度の低
温では、リン酸の平衡濃度は低濃度側にシフトし、更に
、電池内の温度勾配によって、より低濃度の部分が存在
することになるからである。電解質であるリン酸の平衡
濃度は、供給される空気の温度及び湿度、量、そして電
池に流れる電流によって変化するが、電池の平均温度を
低温にすることによって、電池内で約８５〜１００ｗｔ
％の範囲で濃度の異なる部分が常に存在することになり
、室温放置しても電解質が完全に固体状態になる可能性
は非常に低くなるからである。
では、電池内のリン酸濃度は１００ｗｔ％前後の濃度に
制御されるが、電池の平均温度が１１０℃以下程度の低
温では、リン酸の平衡濃度は低濃度側にシフトし、更に
、電池内の温度勾配によって、より低濃度の部分が存在
することになるからである。電解質であるリン酸の平衡
濃度は、供給される空気の温度及び湿度、量、そして電
池に流れる電流によって変化するが、電池の平均温度を
低温にすることによって、電池内で約８５〜１００ｗｔ
％の範囲で濃度の異なる部分が常に存在することになり
、室温放置しても電解質が完全に固体状態になる可能性
は非常に低くなるからである。
【００２３】一方、作動温度が低温の場合には、反応で
生成した水が蒸発し難くくなり、電池スタック内部に滞
留する可能性が高くなるが、これは反応空気チャンネル
に大量の空気を流すことにより、強制的に蒸発除去させ
ることができる。
生成した水が蒸発し難くくなり、電池スタック内部に滞
留する可能性が高くなるが、これは反応空気チャンネル
に大量の空気を流すことにより、強制的に蒸発除去させ
ることができる。
【００２４】
【実施例】以下に、本発明の一実施例を図面に基づいて
説明する。
説明する。
【００２５】図１及び図２は何れも本発明にかかり、図
１は、燃料として純水素を使用した発電システムフロー
図であり、図２は、燃料電池の要部分解斜視図である。
１は、燃料として純水素を使用した発電システムフロー
図であり、図２は、燃料電池の要部分解斜視図である。
【００２６】これらの図面に示すように、本システムは
、燃料電池１、水素貯蔵装置４、未反応燃料処理装置５
、空気供給ファン６、７、システム制御回路８、熱交換
機９並びにそれらを連結する弁、配管を有している。 また、燃料電池１は、カーボンペーパーに白金などの触
媒を担持させた正極３及び負極２の間に、ＳｉＣからな
る電解質マトリックス２４を介在させた単電池２５を、
表裏に夫々水素供給溝２６及び空気供給溝２７を形成し
た黒鉛からなるバイポーラプレート２８、２８の間に挟
持させ、前記単位電池２５を多数積層すると共に、この
積重体を上下端板により締め付けて構成されている。そ
して、前記正負極３、２及び電解質マトリックス２４に
はリン酸電解質が含浸され、この燃料電池の冷却は過剰
に供給された反応空気により行われる。また、燃料電池
１の上下端板並びにガス供給用のマニホールドはいずれ
も耐熱耐酸性に優れたＰＥＥＫ樹脂を使用することによ
り軽量化が計られている。尚、図１では、燃料電池１は
、便宜上負極２及び正極３のみで示している。
、燃料電池１、水素貯蔵装置４、未反応燃料処理装置５
、空気供給ファン６、７、システム制御回路８、熱交換
機９並びにそれらを連結する弁、配管を有している。 また、燃料電池１は、カーボンペーパーに白金などの触
媒を担持させた正極３及び負極２の間に、ＳｉＣからな
る電解質マトリックス２４を介在させた単電池２５を、
表裏に夫々水素供給溝２６及び空気供給溝２７を形成し
た黒鉛からなるバイポーラプレート２８、２８の間に挟
持させ、前記単位電池２５を多数積層すると共に、この
積重体を上下端板により締め付けて構成されている。そ
して、前記正負極３、２及び電解質マトリックス２４に
はリン酸電解質が含浸され、この燃料電池の冷却は過剰
に供給された反応空気により行われる。また、燃料電池
１の上下端板並びにガス供給用のマニホールドはいずれ
も耐熱耐酸性に優れたＰＥＥＫ樹脂を使用することによ
り軽量化が計られている。尚、図１では、燃料電池１は
、便宜上負極２及び正極３のみで示している。
【００２７】水素貯蔵装置４は、−２０℃〜室温程度で
大気圧以上の乖離圧力を有する水素吸蔵合金が使用され
ており、上記燃料電池１に水素を供給する。本装置は連
結経路１１でシステムと連結されており、必要に応じて
この部分より取り外しが容易に行われる。尚、水素吸蔵
合金としては、希土類−Ｎｉ系、Ｔｉ−Ｆｅ系あるいは
Ｔｉ−Ｇｒ系のものが用いられる。
大気圧以上の乖離圧力を有する水素吸蔵合金が使用され
ており、上記燃料電池１に水素を供給する。本装置は連
結経路１１でシステムと連結されており、必要に応じて
この部分より取り外しが容易に行われる。尚、水素吸蔵
合金としては、希土類−Ｎｉ系、Ｔｉ−Ｆｅ系あるいは
Ｔｉ−Ｇｒ系のものが用いられる。
【００２８】未反応燃料処理装置５は、排燃料通路１８
を通して供給される未反応水素と空気供給ファン７より
燃焼空気供給通路２１を通して供給される空気を触媒燃
焼により処理するものである。また、未反応処理装置５
より排出された排ガスは、燃焼排ガス熱交換器供給弁１
５あるいは燃焼排ガス排出弁１６を介して水素貯蔵装置
への熱交換を行った後の大気へ放出、あるいは、燃焼排
ガス通路２３通して直接大気への放出が行われる。
を通して供給される未反応水素と空気供給ファン７より
燃焼空気供給通路２１を通して供給される空気を触媒燃
焼により処理するものである。また、未反応処理装置５
より排出された排ガスは、燃焼排ガス熱交換器供給弁１
５あるいは燃焼排ガス排出弁１６を介して水素貯蔵装置
への熱交換を行った後の大気へ放出、あるいは、燃焼排
ガス通路２３通して直接大気への放出が行われる。
【００２９】システム制御回路８は、燃料電池１の温度
、電流を検知して空気量の調節、水素吸蔵装置４の温度
を検知しての熱交換器９への燃焼排ガスの供給調節、並
びに起動用に設けた二次電池、及び燃料電池間の電力調
節、昇温用ヒータの回路開閉等をつかさどる。
、電流を検知して空気量の調節、水素吸蔵装置４の温度
を検知しての熱交換器９への燃焼排ガスの供給調節、並
びに起動用に設けた二次電池、及び燃料電池間の電力調
節、昇温用ヒータの回路開閉等をつかさどる。
【００３０】燃料ガス供給弁１０、１２及び減圧弁１３
は燃料ガス供給通路１７に設けられており、減圧弁１３
は負極２の内部の圧力を一定にするように働く。具体的
には、負極の内圧変化により開口度が変化し、負荷の変
化に伴う流量調節を行う。さらに燃料ガス排出弁１４は
、排燃料通路１８に設けられており、燃料の流量を調節
する役割を果たす。
は燃料ガス供給通路１７に設けられており、減圧弁１３
は負極２の内部の圧力を一定にするように働く。具体的
には、負極の内圧変化により開口度が変化し、負荷の変
化に伴う流量調節を行う。さらに燃料ガス排出弁１４は
、排燃料通路１８に設けられており、燃料の流量を調節
する役割を果たす。
【００３１】上記の構成において本発電システムの作動
を以下に説明する。
を以下に説明する。
【００３２】本システムの作動に際して、まず電池の昇
温過程が行われる。即ち、燃料供給通路１７を通して、
水素貯蔵装置４より燃料電池１に水素が供給される。そ
れに引き続き燃料ガス排出弁１４が開の状態になり負極
内を水素置換すると共に、未反応燃料処理装置用空気フ
ァン７、空気供給ファン６が起動用に設けた二次電池か
らの電力供給により起動し、未反応燃料処理装置５内で
水素の触媒燃焼が開始される。その結果生じた反応熱が
空気ファン６より電池に供給される空気と熱交換されて
電池の昇温が行われる。同時に燃料電池１は負極２内が
水素で置換され、且つ正極３には空気供給ファン６によ
り空気供給通路１９及び未反応燃料処理装置５を介して
空気が供給されるため、開路電圧が発生する。燃料電池
の電圧が基準電圧以上に到達すれば、即時に負荷昇温が
開始される。尚、正極３における未反応空気は排空気通
路を通して大気へ放出される。
温過程が行われる。即ち、燃料供給通路１７を通して、
水素貯蔵装置４より燃料電池１に水素が供給される。そ
れに引き続き燃料ガス排出弁１４が開の状態になり負極
内を水素置換すると共に、未反応燃料処理装置用空気フ
ァン７、空気供給ファン６が起動用に設けた二次電池か
らの電力供給により起動し、未反応燃料処理装置５内で
水素の触媒燃焼が開始される。その結果生じた反応熱が
空気ファン６より電池に供給される空気と熱交換されて
電池の昇温が行われる。同時に燃料電池１は負極２内が
水素で置換され、且つ正極３には空気供給ファン６によ
り空気供給通路１９及び未反応燃料処理装置５を介して
空気が供給されるため、開路電圧が発生する。燃料電池
の電圧が基準電圧以上に到達すれば、即時に負荷昇温が
開始される。尚、正極３における未反応空気は排空気通
路を通して大気へ放出される。
【００３３】負荷昇温は電池昇温のための負荷として、
燃料電池上下端板の内部に設けた電気ヒータ、二次電池
の充電、空気供給ファン６、７及びシステム制御装置が
当てられる。電池の温度上昇に伴い電池性能は上昇して
いく為、上記負荷において空気供給ファン及びシステム
制御装置、二次電池充電、電気ヒータの順で電池電圧が
基準値以下とならないように負荷が継続される。そして
電池温度が８０℃以上に到達した時点で定格の出力が得
られるようになる。この時点で電池上下端板の電気ヒー
タへの電力供給は停止され、その後はシステム制御器８
により電池温度、負荷に応じて空気ファン６の回転数を
制御し、電池温度のコントロールを行う。燃料供給系に
おいては電池負荷の変化に伴い、負極２での水素消費量
が変化し、燃料減圧弁１３によって電池への水素供給量
が調整される。また排出燃料量は燃料排ガス排出弁の開
口度により調整される。
燃料電池上下端板の内部に設けた電気ヒータ、二次電池
の充電、空気供給ファン６、７及びシステム制御装置が
当てられる。電池の温度上昇に伴い電池性能は上昇して
いく為、上記負荷において空気供給ファン及びシステム
制御装置、二次電池充電、電気ヒータの順で電池電圧が
基準値以下とならないように負荷が継続される。そして
電池温度が８０℃以上に到達した時点で定格の出力が得
られるようになる。この時点で電池上下端板の電気ヒー
タへの電力供給は停止され、その後はシステム制御器８
により電池温度、負荷に応じて空気ファン６の回転数を
制御し、電池温度のコントロールを行う。燃料供給系に
おいては電池負荷の変化に伴い、負極２での水素消費量
が変化し、燃料減圧弁１３によって電池への水素供給量
が調整される。また排出燃料量は燃料排ガス排出弁の開
口度により調整される。
【００３４】一方水素貯蔵装置４は水素吸蔵合金を使用
しているため、水素の放出に伴い合金温度が低下し、放
出圧力が低下してくる。それを抑えるために未反応燃料
処理装置５で触媒燃焼により処理された排ガスを、燃焼
排ガス経路２２を通して水素貯蔵装置に設けられた熱交
換器に通過させ、燃料貯蔵装置４との間の熱交換を行っ
ている。尚、熱交換器９に流れる排ガスの持つ熱量が過
剰で燃料貯蔵装置４の温度が規定温度を越えた場合には
二つの弁１５、１６の開閉調節により熱交換器９を通過
させる排ガス量を調節し、燃料貯蔵装置４の温度過上昇
を抑えるようになっている。
しているため、水素の放出に伴い合金温度が低下し、放
出圧力が低下してくる。それを抑えるために未反応燃料
処理装置５で触媒燃焼により処理された排ガスを、燃焼
排ガス経路２２を通して水素貯蔵装置に設けられた熱交
換器に通過させ、燃料貯蔵装置４との間の熱交換を行っ
ている。尚、熱交換器９に流れる排ガスの持つ熱量が過
剰で燃料貯蔵装置４の温度が規定温度を越えた場合には
二つの弁１５、１６の開閉調節により熱交換器９を通過
させる排ガス量を調節し、燃料貯蔵装置４の温度過上昇
を抑えるようになっている。
【００３５】このような方法により本発電システムは、
従来の発電システムと比較し、短時間で電力の供給が可
能となり（例えば停止時の電池温度が２０℃の場合には
、約５分で定格負荷が可能となる）、かつ安定な作動が
行われる。
従来の発電システムと比較し、短時間で電力の供給が可
能となり（例えば停止時の電池温度が２０℃の場合には
、約５分で定格負荷が可能となる）、かつ安定な作動が
行われる。
【００３６】また、このシステムを１日１回６時間運転
した後停止するサイクル条件でサイクル試験を行い、こ
の結果を図３に示す。図３から明らかなように、２００
回以上の起動停止に於ても、電池性能の劣化が抑えられ
ている。
した後停止するサイクル条件でサイクル試験を行い、こ
の結果を図３に示す。図３から明らかなように、２００
回以上の起動停止に於ても、電池性能の劣化が抑えられ
ている。
【００３７】
【発明の効果】本発明の小型リン酸型燃料電池は、正極
、負極、及びこれらの電極の間に介在する電解質マトリ
ックス中に保持したリン酸電解質の濃度が９１．６ｗｔ
％未満の部分を、少なくとも部分的に存在せることによ
り、燃料電池の運転を停止し、電池温度が室温まで低下
した場合においても、電池内のリン酸電解質が完全に固
体化することを防止し、電解質の体積変化による悪影響
を抑えると共に、液体状態の電解質を残存させておくこ
とで、電解質抵抗の低い部分を形成し、低温でも起動す
ることが可能となる。また、これにより、電池の起動時
に電池を昇温するヒータなどの昇温装置が故障した場合
においても、燃料電池を起動することも可能となる。
、負極、及びこれらの電極の間に介在する電解質マトリ
ックス中に保持したリン酸電解質の濃度が９１．６ｗｔ
％未満の部分を、少なくとも部分的に存在せることによ
り、燃料電池の運転を停止し、電池温度が室温まで低下
した場合においても、電池内のリン酸電解質が完全に固
体化することを防止し、電解質の体積変化による悪影響
を抑えると共に、液体状態の電解質を残存させておくこ
とで、電解質抵抗の低い部分を形成し、低温でも起動す
ることが可能となる。また、これにより、電池の起動時
に電池を昇温するヒータなどの昇温装置が故障した場合
においても、燃料電池を起動することも可能となる。
【図１】リン酸型燃料電池と水素吸蔵合金ボンベを組み
合わせた小型可搬式燃料電池発電システムのフロー図
合わせた小型可搬式燃料電池発電システムのフロー図
【
図２】燃料電池の要部分解斜視図
図２】燃料電池の要部分解斜視図
【図３】本システムのサイクル特性図
【図４】電池内の温度分布図
【図５】電池運転時の電池内リン酸の平衡濃度曲線
【図
６】リン酸水溶液の氷結温度を示す図面
６】リン酸水溶液の氷結温度を示す図面
１ 燃料電池
２ 負極
３ 正極
４ 水素貯蔵装置
５ 未反応燃料処理装置
６ 空気供給ファン
１７ 燃料供給通路
１８ 排燃料通路
１９ 空気供給通路
２４ 電解質マトリックス
２５ バイポーラプレート
Claims (1)
- 【請求項１】正極、負極、及びこれらの電極の間に介在
する電解質マトリックス中にリン酸電解質を保持した燃
料電池の運転時に、前記リン酸電解質の濃度が９１．６
ｗｔ％未満の部分を少なくとも部分的に存在せることを
特徴とする小型リン酸型燃料電池の運転方法。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3075180A JP2951025B2 (ja) | 1991-04-08 | 1991-04-08 | 小型リン酸型燃料電池の運転方法 |
| US07/864,763 US5302471A (en) | 1991-04-08 | 1992-04-07 | Compact phosphoric acid fuel cell system and operating method thereof |
| JP10353224A JPH11238521A (ja) | 1991-04-08 | 1998-12-11 | 燃料電池発電装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3075180A JP2951025B2 (ja) | 1991-04-08 | 1991-04-08 | 小型リン酸型燃料電池の運転方法 |
Related Child Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10353224A Division JPH11238521A (ja) | 1991-04-08 | 1998-12-11 | 燃料電池発電装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04308662A true JPH04308662A (ja) | 1992-10-30 |
| JP2951025B2 JP2951025B2 (ja) | 1999-09-20 |
Family
ID=13568752
Family Applications (2)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3075180A Expired - Fee Related JP2951025B2 (ja) | 1991-04-08 | 1991-04-08 | 小型リン酸型燃料電池の運転方法 |
| JP10353224A Pending JPH11238521A (ja) | 1991-04-08 | 1998-12-11 | 燃料電池発電装置 |
Family Applications After (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10353224A Pending JPH11238521A (ja) | 1991-04-08 | 1998-12-11 | 燃料電池発電装置 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5302471A (ja) |
| JP (2) | JP2951025B2 (ja) |
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| US6194092B1 (en) | 1997-11-07 | 2001-02-27 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Fuel cell apparatus |
| US6797419B2 (en) | 2001-09-03 | 2004-09-28 | Fujitsu Limited | Electronic apparatus powered by fuel cell having oxygen density detector |
| WO2006019027A1 (ja) * | 2004-08-20 | 2006-02-23 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | 燃料電池システム及びその液体排出方法 |
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| US7883811B2 (en) | 2002-09-18 | 2011-02-08 | Honda Giken Koygo Kabushiki Kaisha | Control apparatus for fuel cell stack |
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| EP1029380A4 (en) * | 1997-10-29 | 2007-10-17 | Blacklight Power Inc | HYDROGEN CATALYSIS ENERGY CELL FOR ENERGY CONVERSION SYSTEMS |
| CN1345471A (zh) * | 1999-03-29 | 2002-04-17 | 西门子公司 | 高温膜燃料电池电解质,htm－燃料电池操作法和htm－燃料电池组 |
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