JPH0467575A

JPH0467575A - 燃料電池

Info

Publication number: JPH0467575A
Application number: JP2178862A
Authority: JP
Inventors: Toshio Matsushima; 敏雄松島; Kazuo Oshima; 大島　一夫; Toshio Kameyama; 亀山　寿雄; Takashi Hasegawa; 崇長谷川
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1990-07-06
Filing date: 1990-07-06
Publication date: 1992-03-03

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】［産業上の利用分野］本発明は、燃料と酸化剤を用い、これらの反応によって
発電する燃料電池の構造に関するものである。

［従来の技術］燃料電池は、燃料と酸化剤を用い、これらの反応によっ
て発電するものの総称であり、現在様々な種類がある。

これらの中で、実用的な見地からは、リン酸を上記反応
に介在する電解質に使用したリン酸形燃料電池か、技術
的に完成された領域にある。

このリン酸形燃料電池の従来例の全体の系統図を第４図
に示す。この従来例は、発電部１と、その発電部１に供
給する水素を主成分とする燃料ガスを都市ガスから作製
する改質器２と、この改質器２を高温で動作させるため
のバーナ３と、このバーナ３に空気を送り込むとともに
前記の発電部１に対し酸化剤ガスとして空気を送り込む
ブロワ−４と、上記燃料ガスを作製する際に都市ガスへ
混入する水蒸気を供給する水蒸気発生装置５とを有して
成る。

発電部１は、電解質を挾んで燃料極１１と酸化開極１３
から成るセルがセパレータを介しテ多数積層されて成り
、一定数のセル毎に冷却板１２が設けられるとともに各
種１１，１３の群には電気出力部１４が設けられている
。冷却板１２に対しては、水の補給ライン５１から供給
された水が、冷却水として水蒸気発生装置５を介し冷却
水ライン５２を通して供給され、冷却板１２を通過した
後、一部が水蒸気発生装置５で水蒸気となる。その際、
ここでの集熱は水蒸気発生に必要な熱としテ利用すレる
。改質器２へは、都市ガス供給ライン２１を通して都市
ガスが供給され、この都市ガスに水蒸気発生装置５から
の水蒸気が水蒸気供給ライン５３を通して混入される。

これらにより、改質器２て都市ガス中のメタンガス等が
水素を主成分とするガスに改質され、このように作製さ
れた燃料ガスは、燃料供給ライン２２を通して各セルの
燃料極１１に均等に送られる。各セルの燃料極１１から
の排出ガスは、燃料ガス排出ライン３１を通してバーナ
３に燃料として供給され、ブロワ−４からの空気で排出
ガス中の未反応の水素が燃焼される。発電部１の各セル
の酸化剤極１３に対しては、ブロワ−４からの空気が空
気供給ライン４１を通して供給され、反応後の空気は空
気排出ライン１５を通して排出される。

以上述べたように、従来例のリン酸型燃料電池において
は、燃料として都市ガスを改質した水素を使用し、酸化
剤に酸素を用いているが、酸素源としては、最も身近な
空気が使用されている。この型の燃料電池においては、
発電部１の温度は１９０℃前後とされ、このような高温
下で水素と酸素の反応が、電解質を介して燃焼を伴なう
ことなく行われ、燃料の持っているエネルギーから電気
エネルギーが得られている。この時の、燃料としての水
素の利用率は約８０％、酸素の利用率は５０％が一般的
に設定されている。この状態で、燃料の持っているエネ
ルギーから電気エネルギーへの変換効率は、現状では約
４０％程度となっている。

［発明が解決しようとする課題］ところで、上記従来の技術における燃料電池では、燃料
の持っているエネルギーから電気エネルギーへの変換効
率が向上すれば、発電単価の低減をもたらし、結果的に
はコストの低減につながるので、その燃料電池の変換効
率向上は重要な検討課題の１つとなっていた。

このような効率の向上に効果のある項目としては、（ａ
）反応温度を高めること、（ｂ）反応圧力を高めること
、が従来より言われてきた。（ａ）については、例えば
、 △Ｖ　［ｍＶ］＝（〜０，８）Ｘ（Ｔ２−Ｔ、）−（１
）の式（１）が得られており、運転温度をＴ１からＴ、
に上昇させると、１組の燃料極１１と酸化剤極１３から
なる単セルの発電電圧は△■だけ高められる。しかし、
発電部１に使用されている種々の材料には耐食性等の観
点から使用温度に上限があり、その値は２００°Ｃ程度
と言われており、現状の運転温度が１９０℃であること
を考えると、１０℃の温度上昇で得られる効果は少ない
。

一方、（ｂ）の圧力の効果については、圧力をＰ、から
Ｐ、に高めた時の電圧上昇を表すものとして下記の経験
式（２）があり、圧力の上昇によりやはり単セルの電圧
が上昇することが知られている。

これは、加圧により各種１１．１３の酸素と水素の分圧
が高められることによる効果である。しかし、このよう
な圧力による電圧上昇の効果を得るには、発電部１全体
を圧力容器内に収納し、全体を加圧する必要がある。ま
た、供給ガスそのものを加圧するためのコンプレ・７す
の設置も必要になる。従って、装置か大形になりコスト
か上がるので発電出力か大きい極めて大形の燃料電池に
適用されているだけで、数１００ｋＷクラスの機種への
適用は実用性の観点からは困難であった。

このような発電部１全体を加圧容器内に収納する方法以
外で酸素分圧を高める手段としては、酸化剤ガス中の酸
素濃度そのものを高める方法がある。この場合、酸素の
分圧が、Ｐ、からＰ、に上昇した際の単セルの発電電圧
の上昇は、下記の（３）式によって表されることが知ら
れている。

しかし、従来の燃料電池の方式では、全ての酸化剤極１
３に酸化剤ガスか一括して供給されるような構造なので
、高濃度の酸化剤ガスを使用すると、酸素利用率の大小
に応じて次に述べるような問題がある。

第５図（ａ）、　　（ｂ）、　　（ｃ）は、このような
酸化剤ガス中の酸素濃度と利用率と極板内の平均酸素濃
度の関係を示したものである。なお、図の中の数字は供
給時におけるガス中の各成分（Ｎ。

は窒素、Ｏ３は酸素、Ｈ，Ｏは水蒸気）の濃度（入口を
基準にした値）を示し、Ｐｏ、は酸素の分圧を表してい
る（ただし、ここでの濃度計算では入口のガスは乾ガス
としている）。第５図の（ａ）は、大気をそのまま使用
し、利用率（（（入口酸素濃度−出口酸素濃度）／入口
酸素濃度）Ｘ１００）が５０％における入口と出口の酸
素分圧の関係を示したもので、これは第４図の従来例の
燃料電池における特性を示している。この場合、出口の
酸素量は入口換算で１０．５％、出口における酸素分圧
は、生成水蒸気の分圧を考慮すると０．０９５気圧とな
り、極板内の平均酸素分圧は０．１５３気圧である。一
方、（ｂ）、　　（Ｃ）は入口の酸素濃度を５０％、利
用率を各々２０％と５０％と想定した場合の酸素濃度の
分布を示したものである。利用率がＰｏ％の場合、出口
の酸素量は入口換算で４０％、濃度分圧は０．３６３気
圧となり、極板内の平均酸素分圧は０．４３気圧となる
。また、利用率を５０％とした場合には、出口の酸素量
は入口換算で２５％、濃度分圧は０．２気圧となり、極
板内の平均酸素分圧は０．３５気圧となる。この時の単
位セル当たりの電圧上昇値を（３）式から求めると、酸
素濃度を高めたことによる電圧上昇率は以下のように求
められる。なお、通常に使用する状態において、リン酸
形燃料電池のセル１組あたりの電圧は、概ね０６５ｖで
あるので計算にはこの値を使用している。

（以下、余白）〈利用率２０％の場合〉電圧上昇値（セル１組あたり）く利用率５０％の場合〉電圧上昇値（セル１組あたり）この結果から明らかなように、酸素利用率は小さく抑え
た方が、入口と出口間の平均酸素分圧は高（なり、酸素
濃度を高めた効果は太き（なる。

しかし、利用率が低いために多くの酸素は未反応のまま
（周囲の大気よりも高濃度の酸素の状態で）外部に排出
されてしまい、供給した高濃度の酸素の有効利用か図れ
ないことになる。なお、入口の酸素濃度が５０％で、利
用率が２０％の場合、ある発電ｉｉ流における酸素の消
費量は、酸素濃度２０％のガスを使用し利用率が５０％
の場合と全く同一である。つまり、入口の酸素濃度を高
（しても利用率が低いと、酸化剤ガスの流量は通常の大
気をそのまま使用している時とあまり変わらないことに
なり、高濃度の酸素を含んだガスを調製するために大規
模な装置が必要になる。一方、利用率を高くすると酸化
剤ガスの流量は減少するのでガスの調製装置は小形化さ
れるが、極板のガス供給入口と出口間の平均酸素分圧が
低下し、高濃度の酸化剤ガスを供給したことによる効果
が減少する。また、酸化剤極の入口部で反応が選択的に
進行し易くなる結果、極板内での反応に偏りが生じ、入
口と出口の酸素濃度に非常に大きな分布が生じたり、温
度・電圧の分布が発生する。一般的に燃料電池の運転温
度は１９０°Ｃに設定されているが、この理由は温度が
上昇すると触媒として使用されている金属の劣化速度か
極端に早まるためである。

従って、極板に温度分布が生じ局部的にこのような限界
温度を超えるようになる条件下では、燃料電池本体の寿
命が低下する危険性がある。このように、高濃度の酸素
を含んだ酸化剤ガスを使用して利用率を高くすることは
困難である。なお、酸素利用率を小さくした場合には、
酸化剤極の入口と出口の酸素濃度の大きな差や反応の偏
りや、極板内の温度分布が生じるおそれは少ない。

以上のように、従来のようなガス供給方式では、高濃度
の酸素を含んだガスを供給しても、酸素の有効利用を図
るため利用率を大きくすると、性能上に問題が生じたり
、逆にこのような性能上の問題を抑えようとして利用率
を小さくすると、高濃度の酸素を調製するための装置が
大型化し経済性の点で劣るという重大な欠点があった。

本発明は、上記問題点や欠点を解決するために創案され
たもので、効率向上を図り、さらに、高濃度に調製した
酸素の有効利用と高濃度酸素の調製装置の小形化や運転
時の動力費の低減を図ることを可能にする燃料電池を提
供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］上記の目的を達成するための本発明の燃料電池の構成は
、セパレータを介して燃料極と酸化剤極か交互に配置され
、該燃料極には燃料ガスが供給され、該酸化剤極には酸
化剤ガスが供給されて成る発電部を有する燃料電池にお
いて、前記酸化剤極に通常の大気より高い酸素濃度の酸化剤ガ
スを供給するための酸素富化装置を具備するとともに、前記酸化剤極への酸化剤ガスの流路を複数部分に分割し
、前記分割した流路の部分を任意に多段に接続してその流
路の一端を前記発電郡全体の酸化剤カス供給口とし、そ
の流路の他端を該発電郡全体の酸化剤ガス排出口とする
ことを特徴とする。

［作用］本発明は、酸素濃度を高めた酸化剤ガスを用いるととも
に、発電部への酸化剤カスの供給法を、酸化剤極全体に
同時に供給するのではなく、酸化剤極への酸化剤ガスの
流路を複数の部分に分割し、酸化剤ガスが各分割部分を
直列に流れるようその分割した流路を接続し、酸素濃度
を高めた酸化剤ガスをこの流路に流入させるように供給
することで、各分割部分の酸素使用率を小さく抑えて酸
素分圧を高めることにより、出力電圧を増加させ、効率
の向上を図る。それと同時に、各分割部分の直列多段構
成によって、全体として供給した酸化剤ガス中の高濃度
の酸素の有効利用を図り、酸化剤ガスの流量を低減して
酸素濃度を高める装置の小形化と運転費の大幅な削減を
可能にする。

［実施例］以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する
。

第１図は本発明の一実施例の構成を示す燃料電池の全体
の系統図である。本実施例は、発電部１と、水素を主成
分としてその発電部１へ供給する燃料ガスを都市ガスか
ら作製する改質器２と、この改質器２を高温で動作させ
るためのバーナ３と、このバーナ３にのみ空気を送り込
むブロワ−４と、上記燃料ガスを作製する際に都市ガス
へ混入する水蒸気を供給する水蒸気発生装置５と、高濃
度酸素の酸化剤ガスを空気より作製する酸素富化装置６
とを有して成る。

発電部１は、電解質を挟んで燃料極１１と酸化剤極１３
から成るセルがセパレータを介して多数積層されて成り
、一定数のセル毎に冷却板１２か設けられるとともに各
種１１．１３の群には電気出力部１４が設けらる。セパ
レータは各セルの燃料極１１への燃料カスの流路と、酸
化剤極１３への酸化剤ガスの流路とを分離する。本実施
例では、各セルの酸化剤極１３への酸化剤ガスの流路を
２つの群に例えば２等分に分割する。冷却板１２に対し
ては、水の補給ライン５１から供給された水か、冷却水
として水蒸気発生装置５を介し冷却水ライン５２を通し
て供給され、冷却板１２を通過した後、一部が水蒸気発
生装置５で水蒸気となる。

その際、ここでの集熱は水蒸気発生に必要な熱として利
用される。改質器２へは、都市ガス供給ライン２１を通
して都市ガスか供給され、この都市ガスに水蒸気供給ラ
イン５３を通して水蒸気が水蒸気発生装置５から混入さ
れる。これらにより、改質器２で都市ガス中のメタンが
水素を主成分とするガスに改質され、このようにして作
製された燃料ガスは、燃料供給ライン２２を通して各セ
ルの燃料極１１に均等に送られる。各セルの燃料極１１
からの排出ガスは、燃料ガス排出ライン３１を通してバ
ーナ３に燃料として供給され、ブロワ−４からの空気で
排出ガス中の未反応の水素が燃焼される。分割された一
方の流路部分の酸化剤極１３群に対しては、酸素富化装
置６に空気供給ライン６１を通して供給された空気が酸
素濃度を高められて酸化剤ガスとして供給され、その一
方の酸化剤極１３群から排出された酸化剤ガスは分割さ
れた流路部分の酸化剤極１３群に供給され、その他方の
酸化剤極１３群から排出された反応後のガスは空気排出
ライン１５を通して排出される。

酸素富化装置６としては、例えば気体分離膜の適用によ
って実現可能であるが、この方式だけに限定するもので
はなく、所定の濃度の酸化剤ガスが得られるものであれ
ば良い。

第２図は、上記実施例における酸化剤ガスと燃料ガスの
供給方法の説明図である。１は燃料電池であり、酸化剤
ガスの流路は上下に２等分されている。上下の各分割部
分は発電部１の任意の一方の側面の開口部を酸化剤ガス
供給口１６ａ、１６ｂとし、その反対側の側面の開口部
を酸化剤ガス排出口１７ａ、１７ｂとする。ここで、任
意の一方の側面において上下の開口部同士を連結し、例
えば上側を酸化剤ガス排出口１７ａとし下側を酸化剤ガ
ス供給口１６ｂとして、酸化剤ガス７の流路を形成する
。これにより、他方の側面の上側開口部は酸化剤ガス供
給口１６ａとなり、その下側開口部は酸化剤ガス排出口
１７ｂとなって、酸素富化装置６からの空気中の酸素濃
度を高めた酸化剤ガス７が、先ず発電部１の上側分割部
分に上側の酸化剤ガス供給口１６ａから供給され、ここ
を通過したのち上下の流路を通して下側分割部分に送ら
れ、その後下側の酸化剤ガス排出口１７ｂから排出され
る。これらの酸化剤ガス７の流路に直交する発電部１の
側面の一方には燃料ガス供給口１８が設けられ、その反
対側の側面には燃料ガス排出口１９が設けられて、燃料
ガス８である水素は、燃料ガス供給口１８から全てのセ
・ルの燃料極に均等に送り込まれる。

以上のように構成した実施例の動作および作用を述べる
。

本実施例は、酸素富化装置６で酸素濃度を高めた空気を
酸化剤ガスとして用い、発電部１を２等分し、発電部１
を構成する酸化剤極１３群を上下部分に分割して、酸化
剤ガスの流路を２分割し、それらの流路を多段に接続し
て上記酸化剤ガスが各分割部分を直列に流れるようにす
る。この際、酸化剤ガスとして通常の大気よりも酸素を
多量に含むガスを使用しているので、各分割部分におけ
る酸素の利用率を従来の燃料電池の場合よりも低く抑え
ることができ、これにより酸素の平均分圧が高く保たれ
て、大きな電圧上昇率が得られる。

このようにして、発電部の出力電圧が高くなると、一定
の出力電力を得る場合の発電電流は小くても済むように
なる。燃料電池の発電電流と使用する燃料の使用量の関
係をみると、電流が大きくなるにつれて燃料使用量が増
す。従って、出力電圧が高くなることによって、付随的
に燃料の使用量の減少し、燃料電池の運転経費も低減さ
せることができる。また、酸化剤極１３への酸化剤ガス
の供給を直列に多段に行うことによって、各分割部分で
の利用率は小さくとも、総合的には酸化剤ガス排出口１
７ｂにおける利用率を従来と同様とすることができ、高
濃度の酸素の有効利用が図られる。

このように高酸素濃度の酸化剤ガスの利用率が全体とし
て向上することから、発電部１に流入する酸化剤ガスの
流量を減少させることかでき、酸素富化装置６の大きさ
や運転費を減らすことができる。

なお、発電部１への酸化剤ガスの供給にあたって、発電
部ｌを余り多くの部分に分割すると各部分での平均酸素
分圧が低下し電圧上昇の効果が小さくなるので分割数は
多くない方が良い。一方、酸素の利用率は従来よりも低
く抑えることとしたが、その条件を満たしつつ、できる
限り大きくした方が、さらに酸化剤ガスの流量が減少し
、酸素富化装置６の大きさや運転費がより一層削減され
るので有利となる。

次に、このような実施例の効果を具体例で示す。

第３図は、酸化剤極の入口（酸化剤ガス供給口）から出
口（酸化剤ガス排出口）までの酸素濃度分布と平均酸素
分圧の関係を示す説明図である。図中の数字は、ガス中
の各成分（Ｎ、は窒素、Ｏ２は酸素、Ｈ，Ｏは水蒸気）
濃度を示し、Ｐ　ｏｘは酸素分圧を表している。この具
体例において、発電部に供給される酸化剤ガスの酸素濃
度は５０％とし、酸素の利用率は３０％とする。

まず、１段目（上側分割部分）の酸化剤極板群を通過し
た後の酸素量は入口換算で３５％となり、この時の酸素
分圧Ｐ　ｏｘは０．３気圧となっている。

従って、１段目の酸化剤極板内の平均酸素分圧は０．４
気圧となる。次に、このガスを２段目の酸化剤極板群に
送ると、出口での酸素量は入口換算で２４，５％と通常
の大気に近い濃度にまで低下させることができる。この
時の２段目の出口における酸素分圧Ｐｏｔは０．１９５
気圧となり、２段目（下側分割部分）の酸化剤極板内の
平均酸素分圧は０．２１５気圧となる。この状態におけ
るセル当たりの電圧上昇値を、前述の（３）式によって
計算すると下記のとおりである。

５０％酸素供給、２段構成（酸素利用率＝３０％）１段
目（セル１組あたり）０．４ △Ｖ＝　１０３・ｌｏｇ　　　　　　　＝４２．９９ｍ
Ｖ０．１５３２段目（セル１組あたり）Ｏ２１５ △Ｖ＝１０３・ｌｏｇ　　　　　　　＝１５．２２ｍＶ
０．１５３従って、この状態における発電郡全体の電圧上昇率を通
常の状態における電圧を基準に求めると以下のとおりで
ある。

すなわち、出力電圧は、通常の場合に比へ、１．０４５
倍に高めることかできる。この時の、電圧上昇の割合は
、従来の方式で酸素濃度５０％のガスを使用し、酸素利
用率を２０％とした場合に比べ２％程度小さいだけでほ
ぼ同等の効果を得ることができる。しかも、酸素利用率
を３０％に従来よりも上げることによって、燃料電池に
送る酸化剤ガスの流量は従来例の場合（第５図（Ｃ））
に比ベロア％に低減させることができ、第１図の酸素富
化装置６の小形化や運転費の大幅な削減を図ることがで
きる。また、この程度の酸素利用率では極板内での酸素
濃度の分布や電圧分布は小さく抑えられて局部的な反応
の発生が抑えられ、酸化剤ガス中の酸素濃度を高めた効
果を十分に得ることが出来る。

なお、上記実施例では、高濃度の酸素を含んた酸化剤ガ
スの作製方法として酸素富化装置を使用することを例に
述べたが、小形の燃料電池においては、例えば酸素ボン
ベ等を用いてこのような酸化剤ガスを得ることも可能で
あり、ガスの調製手段は特に限定するものではない。ま
た、燃料としては、メタノールや水素を用いることも可
能であり、都市ガスのバックアップとすることかできる
。

特に水素は、小形の燃料電池の燃料として好適である。

このように、本発明はその主旨に沿って種々に応用され
、種々の実施態様を取り得るものである。

［発明の効果］以上の説明で明らかなように、本発明の燃料電池によれ
ば、酸化剤極に流れる酸化剤ガスの流路を幾つかの部分
に分割しこれらの各部分を直列にその酸化剤ガスが流れ
る様な構造とし、この流路に通常の大気よりも酸素を多
量に含むように調製した酸化剤ガスを送入することで、
各部分における酸素の利用率を従来の燃料電池の場合よ
りも低くし、酸素の平均分圧を高く保つことができ、大
きな電圧上昇率を得ることができる。このように各部分
での酸素利用率を低く抑えることができ、これによって
極板内での局部的な反応の発生が抑えられ、また、各部
分での酸素利用率は小さいが、酸化剤へのガスの供給を
多段としているので、総合的には出口における酸素利用
率が従来と同様になり、高濃度の酸素を有効に利用する
ことができる。さらに、上記した出力電圧の上昇により
、燃料電池の発電効率を高めることができる。また、出
力電圧が高くなることによって、一定の出力電力を得る
場合の発電電流は小さくても済むようになり、付随的に
燃料の使用量も減少し、燃料電池の運転経費そのものも
低減させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の構成を示す系統図、第２図
は上記実施例における酸化剤ガスと燃料ガスの供給方法
を説明する模式図、第３図は上記実施例の酸化剤極の入
口から出口までの酸素濃度分布と平均酸素分圧の関係を
示す説明図、第４図は従来例の構成を示す系統図、第５
図（ａ）、（ｂ）。（Ｃ）は上記従来例における酸素濃度の分布を示す説明
図である。１・・発電部、２・改質器、６・・・酸素富化装置、７
・酸化剤ガス、８・・・燃料ガス、１１　・燃料極、１
３・・・酸化剤極、　１４・・・電気出力部、　１６ａ
１６ｂ・・・酸化剤ガス供給口、１７ａ、１７ｂ・・・
酸化剤ガス排出口、１８・・・燃料ガス供給口、１９・
・・燃料ガス排出口、２１・・・都市ガス供給ライン、
２２・・燃料ガス供給ライン、６１・・・空気供給ライ
ン。１１１陵目ｈ）瓶群第２Ｌ＆８ル杖襲Ｐｏ２：０．５Ｐｏ７＝　０．３０４第３図ＰＯ２”０１９５

Claims

【特許請求の範囲】

（１）セパレータを介して燃料極と酸化剤極が交互に配
置され、該燃料極には燃料ガスが供給され、該酸化剤極
には酸化剤ガスが供給されて成る発電部を有する燃料電
池において、前記酸化剤極に通常の大気より高い酸素濃度の酸化剤ガ
スを供給するための酸素富化装置を具備するとともに、前記酸化剤極への酸化剤ガスの流路を複数部分に分割し
、前記分割した流路の部分を任意に多段に接続してその流
路の一端を前記発電部全体の酸化剤ガス供給口とし、そ
の流路の他端を該発電部全体の酸化剤ガス排出口とする
ことを特徴とする燃料電池。