JPH0451464A - 燃料電池発電システム - Google Patents

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】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、リン酸燃料電池発電システムの信頼性・コス
トダウン・環境性を向上しえる燃料電池発電システムに
関するものである。

（従来の技術） 近年、公害要因が少なくエネルギー変換効率が高い発電
装置として、燃料電池の実用化が大きな期待を集めてお
り、官民による燃料電池の開発が強力に推進されてきて
いる。

この燃料電池は通常電解質を含浸したマトリックスを挟
んで一対の多孔質電極を配置するとともに、一方の電極
の背面に水素等の燃料を接触させ、また他方の電極の背
面に酸素等の酸化剤を接触させ、このとき起こる電気化
学的反応を利用して、上記電極間から電気エネルギーを
取り出すようにしたものである。

この燃料電池においては、前記燃料と酸化剤が供給され
ている限り高い変換効率で電気エネルギを取り出すこと
ができるものである。

第５図は、水素・酸素型燃料電池プラントのシステム例
を表わした系統図である。燃料電池本体１は燃料極２と
酸素極３とからなる。燃料極２へは燃料として改質水素
４が、酸素極３は酸化剤としＣ圧縮空気５が導入され電
気化学反応により電気エネルギーが得られる。

燃料である改質水素４は、天然ガス６（主成分はメタン
（ＣＨ４））と水蒸気７を改質器８に導入し下記の化学
反応式■で表わされる改質反応を行なうことにより得ら
れる。

ＣＨ，＋Ｈ２Ｏ−３Ｈ２＋Ｃｏ　−４９ｋｃａＩｌａ）
改質反応は吸熱反応であり、ニッケル系触媒存在下で約
７００〜８００℃において進行する。

改質器８の出口ガスは高温シフトコンバータ９、さらに
低温シフトコンバータ１０へ導入され、下記の化学反応
式（２）で表わされるシフト反応が行なわれる。シフト
反応では改質反応で生成した一酸化炭素（ＧＯ）を水蒸
気７　（）１２０）と反応させ、さらに改質水素４を生
成する。シフト反応は発熱反応であり、高温シフ１−コ
ンバータ９では鉄・クロム系触媒の存在下で約３８０〜
４１０℃で、また低温シフトコンバータ１０では銅・亜
鉛系触媒の存在下で約２００〜２５０℃において進行す
る。

Ｃ０４＋Ｈ２０，ｌ＋２十Ｃ０２＋９．８ｋｃａρ　　
　　　　０以上の改質反応及びシフト反応により天然ガ
ス６は、主に改質水素４及び二酸化炭素（ＣＯ２）とな
る。

第６図は、リブ付き電極型の燃料電池における単位セル
の構成例を縦断面斜視図にて示したものである。即ち、
電解質としてのリン酸をマトリックスに含浸して成る電
解質層１１を挟んで、多孔質炭素材から成るアノード電
極１３ａ、　カソード電極１３ｂが配設され、その電解
質層１１と接する側には、触媒１．２ａ、　１２ｂがそ
れぞれ塗布され、且つ背面側にはリブ１４ａ、　］、４
ｂ及び燃料ガス、酸化剤ガスの流通する溝１５ａ、　１
．５ｂが形成されている。

ここで、燃料ガスの流通する溝１５ａと酸化剤ガスの流
通する溝１５ｂとは、互いに直交する方向に規則的に複
数本平行に形成されている。この様にして単位セルが形
成され、この単位セルを緻密な炭素質で作られたセパレ
ータ１６を挟んで複数個積層することにより、単位セル
積層体が構成されている。

また、」１記単位セル積層体は、第７図に示した様に、
その上下端側に集電極１７、絶縁板１８、締付板１９、
端子２０をそれぞれ取付け、適当な締付は圧で上下方向
から締付けるようにしている。さらに、この様な単位セ
ル積層体の側面側には、電気絶縁性を有するガスケット
２１を介して、燃料ガス、酸化剤ガスを管２６を通して
供給及び排出する為の一対の燃料ガス供給用マニホール
ド２２、排出用マニホールド２３、及び酸化剤ガス供給
用マニホールド２４、排出用マニホールド２５がそれぞ
れ対向して配設され、適当な圧力で締付は固定すること
によって燃料電池が構成されている。

しかし、」１記の様な燃料電池においては、消費される
のは水素のみであるため、電極入口から出口まで燃料ガ
スが移動していくにつれて燃料中の水素ガス分圧は漸減
する。すなわち、燃料マニホールド２２．２３の供給側
と排出側における燃料ガスの組成が異なる為、その燃料
ガスの密度も異なっている。

ところで、電池の発電負荷を示す指標として、水素利用
率というものがあるが、これは、燃料ガス中の水素ガス
成分が電池の中を通過する際に、発電によってどれだけ
利用されたかを示すものであり、水素利用率が高ければ
発電負荷も高くなる。

例えば、水素利用率８０％という状態は、燃料ガス供給
用マニホールド２２内の燃料ガス中に、水素ガスが１０
０　［ｍｏｆｆ／Ｈｏｕｒ］含まれていたとすれば、電
池内部でこの８０％、即ち８０　［ｍｏｆｆ／）ｆｏｕ
ｒコが酸素との化学反応に利用されて発電を行ない、排
出用マニホールド２３の燃料ガス中には、残りの２０［
ｍｏｆｉ／Ｈｏｕｒ］の水素ガスが未利用のまま排出さ
れる運転を指し示す。

燃料ガス中で、水素以外のガス成分は、炭素ガス、メタ
ン等、水素に比べて比重の大きいガスばかりなので、燃
料ガス中に占める水素の割合が減れば、燃料ガスの密度
は大きくなる。従って、供給用マニホールド２２の燃料
ガスが同一である場合、水素利用率が大きい程、排出用
マニホールド２３の燃料ガスの密度は大きくなる。

この様に燃料ガス供給用マニホールド２２と燃料ガス排
出用マニホールド２３間の密度が違うと、各単位電池へ
の燃料ガスの供給が不均一となるとい６一 う問題が生じていた。

この点を以下に説明する。第８図に示した様な従来の燃
料電池における、燃料ガス供給用マニホールド２２及び
排出用マニホールド２３の電池高さ方向の圧力分布を、
アノード電極の入口部の圧力及び出口部の圧力を測定す
ることにより、第９図に示したが、アノード電極の入口
部及び出口部とも、燃料ガスの静水圧力、即ち（ガス密
度ρ）Ｘ（重力加速度ｇ）×（高さｈ）の影響の為に、
圧力分布は直線的であり、電池下部程圧力が高くなる。

しかし、燃料ガス供給用マニホールド２２は排出用マニ
ホールド２３における燃料ガスの密度の違いから、ガス
密度の大きい排出用マニホールド２３の方が、電池の上
部と下部における圧力の差が大きくなっており、アノー
ド電極の入口部と出口部間の圧力差ΔＰは、電池上部に
おける圧力差△ｐ１の方が、電池下部における圧力差Δ
ｐ２より大きくなる。また、電池セル溝内の燃料ガスの
流れは、流速が低い為に層流となり、燃料ガス流量と、
アノード電極入口部、出口部間の圧力差はほぼ比例する
。（但し、燃料ガスは流れていく途中で水素が利用され
る為、物性値が刻々と変化していくので、完全な比例関
係ではない。） その結果、電池高さ方向の燃料ガス流量分布は、第１０
図に示した様に、電池上方に多くの燃料ガスが流れ、下
方には平均流量以下の燃料ガスしか流れないという不均
一が生じる。

そのため、高負荷運転の様な、水素利用率の高い運転で
は、燃料ガス流量の少ない電池下部において水素が不足
し、転極を起こす恐れがある。この転極によって、カソ
ード電極において、電気分解反応により水素が発生し、
その水素が空気と燃焼することにより、局部的に過熱状
態となる為、リン酸電解質が蒸発を開始し、クロスオー
バーの増加、電池特性の低下、さらに電池の焼損等を引
き起こしていた。

（発明が解決しようとする課題） 」１記の様に、従来の燃料電池においては、電気化学反
応による燃料ガスの組成変化の為、アノード電極の入口
部２２と出口部２３とで燃料ガスの密度が変化し、静水
圧力の影響から、電池積層体下部への燃料ガス流量が少
なくなり、高水素利用率運転時、下部単位セルが転極し
、電池特性の低下、電池の焼損等を引き起こしていた。

そこで、本発明の目的は、燃料電池の内部における燃料
ガスの流量分布を均一化し、転極を防止して、優れた電
池特性を維持できる長寿命化及び高性能化を可能とした
信頼性の高い燃料電池を提供することにある。

さらに、近年大気中の二酸化炭素濃度の上昇が温室効果
をもたらし、大気温度の上昇につながると考えられ、地
球規模の環境問題として盛んに議論が行われている。燃
料電池発電システムは、窒素酸化物・硫黄酸化物・ばい
えん等の環境汚染物質の発生量が少なく、騒音・震動が
少ないクリーンな発電システムであり、上記の二酸化炭
素の排出量に関しても他の発電方式に比べても多くはな
い。本発明では燃料電池発電システムからの二酸化炭素
発生量を減少することにより、燃料電池発電システムの
環境性をさらに改善することも目的としている。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 本発明の燃料電池発電プラントは、燃料極入口に二酸化
炭素吸収装置系を設置したものである。

（作用） 本発明の燃料電池発電プラントは、燃料極入口に二酸化
炭素吸収装置系を設置することにより、燃料極ガス中の
二酸化炭素を除去し、水素ガス濃度を約７５％から約９
２％に上昇させ、水素ガス以外の密度の大きいガスの、
燃料極ガスに占める割合いを減少させ、このことにより
、電池での電気化学反応により水素ガスが消費された時
、燃料ガス供給用マニホールドと燃料ガス排出用マニホ
ールド間の密度差が小さくなり、従って燃料ガス供給用
マニホールドと排出用マニホールドの圧力差を積層電池
の上部及び下部において等しくなるようにして、燃料電
池の内部における燃料ガスの流量分布を均一化したもの
である。

また、二酸化炭素吸収装置系を設置することにより燃料
極に高濃度の水素ガス供給が可能となり、電池電圧特性
が約１．０ｍＶ向上し、同一の燃料電池の出力容量が約
１２％増加するようにしたものである。

さらに二酸化炭素ガスの排出量を減少し、燃料電池発電
プラントの環境性をより改善したものである。

（実施例） 以下、本発明の実施例を第１図乃至第４図にもとづいて
具体的に説明する。なお、第１図乃至第４図に示した従
来型と同一の部材は同一の符号を付して説明は省略する
。

本実施例において第１図に示したように、低温シフ１ヘ
コンバータ１０と燃料極２との間に図示しない炭素ガス
吸収装置、再生器、熱交換器からなる炭素ガス吸収装置
系２８が設置されている。

この様な構成を有する本実施例の燃料電池発電システム
においては、以下の組成を持つ低温シフトコンバータ出
口ガスから炭酸ガスを除去するため、 ｖｏｆｌ、　　％ 燃料極ガス組成は以下の様になる。

Ｈ，９２ｖｏＬ　　％ ＣＨ４５ ＣＯ０，５ Ｃ０２約Ｏ １１□０　　　　　　　　　２．５ 燃料極ガス中の水素ガスの割合いが増加し、炭素ガスの
割合いが減少したため、燃料極ガスの密度は減少する。

従って燃料ガス供給用マニホールド内における電池高さ
方向の圧力分布は、第２図に示したように、第９図に比
べより均一となる同様に燃料ガス排出用マニホールド内
における電池高さ方向の圧力分布も、ガス密度が減少す
るため、第９図に比べより均一となる。

このため燃料ガス供給用マニホールドと排出用マニホー
ルドの圧力差は、積層電池の上部及び下部においてほぼ
均一となるので、積層されたアノード電極の上部及び下
部における燃料ガスの流量分布は、第３図に示したよう
にほぼ均一となる。

この結果、積層されたアノード電極の内、電池のいずれ
の部分においても、水素ガスが欠乏することはなく、転
極を防止できるので、電池の長寿命化を実現することが
できる。

次に、燃料極ガス中の水素ガスの割合い増加による電池
電圧特性の向上について述べる。電池内の水素分圧ＰＨ
□が、　１の状態から２の状態に変化した場合の電池の
電圧変化分△Ｖｌ（＋は、次の方法で概算することがで
きる。

注：出典　サイエンスフォーラム社出版「燃料電池設計
技術Ｊ　Ｐ、　１５８ Ｂｅｎｊａｍｉｎ、　Ｆ、　Ｇ、　。

Ｃａｍｅｖａ、　Ｅ、　Ｈ，。

Ｍａｒｉａｎｏｗｓｋｉ、　Ｌ、　Ｇ。

１１ａｎｄｂｏｏｋ　　ｏｆ　　ＦｕｅｌＣｅｌ、ｌ　
　ＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅＩＧＴ、１９８０ まず炭酸ガス吸収装置を設置していない時の電池内水素
分圧（Ｐ１１□）１は以下の通り。水素利用率を８５％
とすると、前述の様に燃料極ガス中の水素ガス濃度は７
５％で、残りの２５％のガスは反応に関与せずそのまま
で燃料極出口へ流れてくる。一方燃料極入口から入った
７５％の水素は、８５％が消費され残りの１５％が出口
へ流れる。

従って、出口側の水素ガス濃度は、 ０．７５　Ｘ　Ｏ，１５＋　０．２５ となり、電池全体の平均水素濃度（ＰＨ２）□は、０．
７５　＋　０．３１ （Ｐｕ＝）□＝　　　　　　＝０．５３となる。

炭酸ガス吸収装置を設置した場合の電池内水素分圧（Ｐ
Ｈ２）２は以下の通り。水素利用率を同様に８５％とす
ると、燃料極ガス中の水素ガス濃度はとなる。従って出
口側の水素ガス濃度はとなり、電池全体の平均水素濃度
（Ｐ１１□）２は以上のことから、炭酸ガス吸収器の設
置による電池電圧の変化△ＶＨｚは ０．５８ となる。従って約１０ｍＶは上昇する。

ここで、第４図はリン酸型燃料電池の単電池特性図であ
る。同一運転条件で、電流密度を２００ｍＡ／ｃｍ２か
ら３００Ａ／ｃｍ２に上昇すると、電池電圧は約４０ｍ
Ｖ低下する。ＰｋＷと１．５倍の１．５Ｐｋｌｌの等出
力曲線に示した様に、３００ｍＡ／ｃｍ２における電池
電圧が約４０ｍＶ上昇すると、電池出力は１．５倍とな
る。

前述のように、炭酸ガス吸収装置を設置し燃料極ガス中
の水素ガス濃度を上昇することにより、電池電圧は約１
．０ｍＶ上昇するため、約２２５ｍＡ　／　ｃｍ２の電
流密度でも同じ電圧で運転可能となる。従って、燃料電
池の出力容量は約１２％増加する。

これにより、同一出力の燃料電池発電プラントに必要な
燃料電池の本数は、約１１％減少する。燃料電池発電プ
ラン１−コストにおける燃料電池コストの比率は約４５
％であるから、燃料電池数の約１１％減少により燃料電
池発電プラントコスＩ−を、約５％減少させることが可
能である。なお、再生装置で再生された二酸化炭素は、
他の用途に有効利用可能である。

さらに、燃料電池発電プラントから排出される炭酸ガス
量は、改質器８用バーナからの排出に限定されるため減
少し、燃料電池発電プラントの環境性は、より改善され
る。

（注）第４図の出典は以下の通り。

Ｆｉｃｋｅｔｔ、　Ａ、Ｐ、　：　Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎ
ｇ　ｏｆ　ｔｈｅＳｙｍｐｏｓｉｕｍ　ｏｎ　Ｅｌｅｃ
ｔｒｏｄｅ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ａｎｄ一１６＝ Ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ　　ｆｏｒ　　Ｅｎｅｒｇｙ　　Ｃ
ｏｎｖｅｒｓｉｏｎ　　ａｎｄＳｔｏｒａｇｅ（Ｍｃｌ
、ｎｔｙｒｅ、Ｊ、Ｄ、Ｅ、ｅｔ　ａｌ、ｅｄｓ、）。

Ｔｈｅ　　Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ、Ｓｏｃ＋、Ｐｒ１
ｎｃｅｔｏｎ。

Ｎｅｖ　　Ｊｅｒｓｅｙ、７７−６．５４６，１９７７
゜〔発明の効果〕 以上述べたように、本発明によれば、燃料極入口に二酸
化炭素吸収装置系を設置することにより、燃料ガス供給
用マニホールドと排出用マニホールドの圧力差を積層電
池の」二部及び下部において等しくなるようにして、燃
料電池の内部における燃料ガスの流量分布を均一化し、
転極を防止して優れた電池特性を維持できる、長寿命化
及び高性能化を可能とした、信頼性の高い燃料電池を提
供することができる。

また、二酸化炭素吸収装置系を設置することにより燃料
極に高濃度の水素ガス供給が可能となり、電池特性が向
上し、同一の燃料電池の出力容量が約１２％増加する。

これにより、同一出力の燃料電池発電プラントに必要な
燃料電池の数は約１１％減少する。燃料電池発電プラン
トコストにおける燃料電池コス１〜の比率は約４５％で
あることから、燃料電池数の約１１％減少により燃料電
池発電ブランｌ−コストを、約５％減少させることが可
能である。

なお再生装置で再生された二酸化炭素は、他の用途に有
効利用可能である。

さらに、燃料電池発電プラントから排出される二酸化炭
素ガス量が減少するため、大気中の二酸化炭素ガス濃度
の上昇により大気温度が上昇するという地球規模の環境
問題に関しても問題が無くなり、燃料電池発電プラント
の環境性がより改善される。

【図面の簡単な説明】

第」−図は、本発明による燃料電池発電システムの実施
例を示す系統図、第２図は燃料ガス供給用マニホールド
および排出用マニホールド内の電池高さ方向の圧力分布
図、第３図は第２図に示した燃料電池のアノード電極内
における燃料ガスの流量分布図、第４図はＵＴ社リす酸
型燃料電池の単電池特性図、第５図は従来の燃料電池発
電システムの系統図、第６図は従来の燃料電池の単位セ
ルを示す断面斜視図、第７図は従来の燃料電池の構成を
示す分解斜視図、第８図は従来の燃料マニホールドの構
成図、第９図は従来の燃料マニホールド内の電池高さ方
向の圧力分布図、第１０図は従来の燃料電池のアノード
電極内における燃料ガスの流量分布図である。 １・・・燃料電池本体　　　　２・・・燃料極３・・酸
素極　　　　　　　４・・改質水素５・・・圧縮空気　
　　　　　６・・・天然ガス７・・・水蒸気　　　　　
　　８・・・改質器９・・・高温シフトコンバータ １０・・・低温シフトコンバータ １１・・・電解質層　　　　　　１２ａ、　１２ｂ・・
・触媒層１３ａ・・・アノード電極　　　１３ｂ・・・
カソード電極＋４ａ、　１４ｂ−リブ　　　　　１５ａ
、　１５ｂ・−溝１６・・・セパレータ　　　　　１７
・・・集電板】８・・・絶縁板　　　　　　　１９・・
・締付板２０・・端子　　　　　　　　２１・・・ガス
ケラ１−２２・・・燃料ガス供給用マニホールド２３・
・・燃料ガス排出用マニホールド２４・・酸化剤ガス供
給用マニホールド２５・・・酸化剤ガス排出用マニホー
ルド２６・・ガス配管　　　　　　２７・・・積層電池
２８・・炭酸ガス吸収装置系 代理人　弁理士　則　近　憲　佑 Ｈ２−’％ｉ（３−日）、＋９Ｑ’（４屯ｑｉＱ、７５
　ｍ９／ｃ　ｍ２第 図 第 図 第 図 第 図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 圧縮空気が導入される酸素極と、天然ガスと水蒸気とを
   改質器に導いて得られた出口ガスを高温シフトコンバー
   タおよび低温シフトコンバータに導入して得られた改質
   水素が供給される燃料極とを有する燃料電池本体を具備
   し、前記燃料電池本体の燃料極と低温シフトコンバータ
   との間にその低温シフトコンバータから出た改質水素に
   含む二酸化炭素を除去する二酸化炭素吸収装置系を設置
   したことを特徴とする燃料電池発電システム。