JPH06111840A

JPH06111840A - 燃料電池

Info

Publication number: JPH06111840A
Application number: JP4259506A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Aoki; 努青木
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1992-09-29
Filing date: 1992-09-29
Publication date: 1994-04-22

Abstract

(57)【要約】【目的】圧力調整のために燃料電池の上流側で放出さ
れた反応ガスを、再度電池の下流側で反応ガスラインに
戻すことができるようにする。【構成】燃料電池のアノード及びカソードの各反応ガ
スラインには、その上流側から分岐し、下流側で再び各
反応ガスラインに合流するアノード側バイパスライン４
及びカソード側バイパスライン５が設けられている。ま
た、これらのバイパスライン４，５にはそれぞれストッ
プバルブ６，７が設けられ、バイパスライン４，５の開
閉を行えるように構成されている。さらに、前記ストッ
プバルブ６，７は、燃料電池の下流側の各反応ガスライ
ンとの間に設けられた圧力センサー１０，１１によって
その開閉が調整されるように構成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、燃料電池本体の下流側
の改質器に燃料を安定供給できるように改良を施した燃
料電池に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池は、燃料の有している化学的エ
ネルギーを直接電気エネルギーに変換する装置である。
この燃料電池は、通常、電解質を挟んで燃料極（アノー
ド）及び酸化剤極（カソード）の一対の多孔質電極を配
置すると共に、アノードの背面に水素などの燃料ガスを
接触させ、また、カソードの背面に酸素等の酸化剤ガス
を接触させ、この時に起こる電気化学的反応により発生
する電気エネルギーを、上記一対の電極から取り出すよ
うにしたものである。

【０００３】また、この電解質としては、溶融炭酸塩、
アルカリ溶液、酸性溶液等が用いられるが、以下に、代
表的な燃料電池としてリン酸を電解質とする燃料電池に
ついて説明する。

【０００４】即ち、図２に示した様に、対向して配置さ
れたアノード１３及びカソード１４の間に電解質層（以
下、マトリックスと称する）１２が設けられている。こ
のマトリックス１２は、繊維質シートまたは鉱物質粉末
にリン酸を含浸して形成されている。また、前記アノー
ド１３及びカソード１４は炭素質の多孔性の電極であ
り、通常、マトリックス１２に接する面に白金触媒１５
が塗布されている。さらに、アノード１３の背面側に
は、水素を含む燃料ガスが流れる燃料ガス流路１６が、
また、カソード１４の背面側には、酸化剤ガス（普通は
空気）が流れる酸化剤ガス流路１７が形成されている。

【０００５】この様に構成されたリン酸型燃料電池は、
以下に述べる様に作用する。即ち、燃料ガス流路１６を
流れる水素ガスは、アノード１３の空孔に拡散して触媒
層に達する。ここで、水素ガスは次式の様に触媒の作用
によって水素イオンと電子に解離する。

【０００６】

【化１】Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅこの水素イオンはリン酸を蓄えたマトリックス中を移動
し、カソード１４の白金触媒に達する。一方、水素ガス
の解離によって分離した電子は、アノードから外部回路
を流れ、電力負荷を通って仕事をし、カソード１４の白
金触媒に到達する。カソード１４ではアノード１３か
ら泳動してきた水素イオンと、酸化剤ガスとして酸化剤
ガス流路１７供給され、カソード１４の空孔を拡散して
きた酸素と、アノード１３から外部の電力負荷を通って
仕事をし、カソード１４に戻ってきた電子の３つが触媒
表面で次式の反応を起こす。

【０００７】

【化２】４Ｈ⁺＋４ｅ＋Ｏ₂→２Ｈ₂Ｏこの様にして、水素が酸化されて水になる反応と、この
時の化学的エネルギーが電気エネルギーとなって、外部
の電気負荷中で電気エネルギーを与える電池としての全
反応が完了する。

【０００８】なお、通常燃料電池は、上記アノード１
３、カソード１４、マトリックス１２から成る単位セル
を複数個積層して構成されている。これをスタックと呼
んでいる。また、積層するに際して、単位電池は各単位
電池間の電気的接続経路を確保すると同時に、アノー
ド、カソードの各反応ガス流路を分離するためのセパレ
ータを必要とする。さらに、アノード、カソードの各反
応ガス流路に反応ガスを供給するためのガスマニホール
ドが必要である。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記の様な
燃料電池スタックに反応ガスを供給する系統は、図３に
示したように構成されている。即ち、アノード、カソー
ドの上流側には各反応ガスの流量を調整する流量調整弁
１，２が設けられ、下流側には圧力調整弁８，９が設け
られている。また、アノード及びカソードの圧力差を検
出するために、両極間には差圧センサー３が設けられて
いる。さらに、アノード、カソードの上流側には、ライ
ンの圧力上昇が過大になった場合に、各反応ガスをライ
ン外部に放出するためのブリード弁１８が設けられてい
る。

【００１０】一般に、電池に反応ガスを供給する駆動力
は、電池の上流側を昇圧することによって得られる圧力
差である。しかし、アノードとカソードの間に配設され
るマトリックス１２は多孔質体でできた層に電解質を含
浸したもので、両電極間の圧力差に対して大きな耐圧を
有していない。そのため、両電極間の差圧を常に差圧セ
ンサー３で監視すると共に、差圧がマトリックスの耐圧
の範囲以上に大きくならないように、差圧センサー３と
前記圧力調整弁８，９によって制御している。もし、両
電極間の差圧が調整可能な範囲を越える場合には、前記
ブリード弁１８が作動してラインの圧力を下げるように
構成されている。

【００１１】ところで、燃料電池プラントでは、燃料電
池を運転するための種々の機器が備えられている。その
一つに、天然ガスなどの化学燃料を水素リッチなガスに
転換する改質器がある。この改質器における改質反応は
次式の通りである。

【００１２】

【化３】ＣＨ₄＋２Ｈ₂Ｏ→Ｈ₂＋ＣＯ₂ この反応は吸熱反応であるため外部からの熱の供給が必
要である。この熱源としては、一般に、電池から排出さ
れる余剰水素が使われる。

【００１３】また、燃料電池の上流側には、上記の改質
器の他に、改質反応が完全に進行しないことによって発
生するＣＯを、再度水蒸気と反応させて水素に転換する
シフトコンバーターも配設される。このシフトコンバー
ターにおける反応は次式の通りである。

【００１４】

【化４】ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→Ｈ₂＋ＣＯ₂ この様に、空気系に比べて複雑な経路をたどる燃料系
は、圧力の維持が難しく、時として差圧制御の範囲を越
える圧力になる場合もある。この様な場合にも、前記ブ
リード弁１８が作動して、アノード系の圧力を電池に入
る前に下げ、過剰圧力が電池に加わらないようにしてい
る。

【００１５】しかしながら、ブリード弁１８を作動させ
て電池の外部に燃料ガスを放出すると、圧力調整は可能
となるものの、電池の下流側で必要とされる改質器の燃
料が不足するといった欠点があった。また、ビルの地下
室等に置くオンサイト型と称する燃料電池プラントで
は、設置場所によっては燃料ガスの様な可燃性ガスを放
出することができない場合があり、燃料ガスを危険性の
ない方法で放出する手段の開発が切望されていた。

【００１６】本発明は、上記の様な従来技術の欠点を解
消するために提案されたもので、その目的は、燃料電池
の上流側で放出された反応ガスを再度電池の下流側でラ
インに戻すことができる、高効率の燃料電池を提供する
ことにある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明は、電解質を保持
したマトリックス層を挟んで、一対の多孔質電極を配置
し、これに燃料ガス及び酸化剤ガスを供給して電気出力
を得る燃料電池において、各電極に上記反応ガスを供給
する反応ガスラインに、電池上流側から分岐し下流側で
再び各反応ガスラインに合流するバイパスラインを設
け、また、前記バイパスラインに、各反応ガスラインの
圧力上昇を抑えるためのバルブを設けたことを特徴とす
るものである。

【００１８】

【作用】本発明の燃料電池によれば、反応ガスラインの
圧力上昇によって、バイパスラインに設けられたバルブ
が作動して反応ガスが放出された場合であっても、バイ
パスラインが燃料電池の下流側に接続されているため、
放出燃料を再度反応ガスラインに戻すことができる。

【００１９】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図１に基づいて具
体的に説明する。なお、図２及び図３に示した従来型と
同一の部材には同一の符号を付して、説明は省略する。

【００２０】本実施例においては、図１に示した様に、
燃料電池のアノード及びカソードの各反応ガスラインに
は、その上流側から分岐し、下流側で再び各反応ガスラ
インに合流するアノード側バイパスライン４及びカソー
ド側バイパスライン５が設けられている。また、これら
のバイパスライン４，５にはそれぞれストップバルブ
６，７が設けられ、バイパスライン４，５の開閉を行え
るように構成されている。さらに、前記ストップバルブ
６，７は、燃料電池の下流側の各反応ガスラインとの間
に設けられた圧力センサー１０，１１によってその開閉
が調整されるように構成されている。

【００２１】一方、燃料電池の上流側には、燃料電池に
供給される各反応ガスの流量を監視するための流量計８
ａ，８ｂが設けられ、この信号によって流量調整弁１，
２の開閉が制御されるように構成されている。また、ア
ノード及びカソードの圧力差を検出するために、両電極
間に差圧センサー３が設けられ、その信号によってカソ
ードの反応ガスラインの下流側に設けられた圧力調整弁
９が制御されるように構成されている。

【００２２】この様な構成を有する本実施例の燃料電池
は、以下に述べる様に作用する。即ち、通常反応ガス
は、アノード、カソードとも流量調整弁１，２で調整さ
れて電池へ供給される。また、アノード及びカソードの
差圧を差圧センサー３によって測定し、マトリックス層
の有する耐圧範囲に収まるように、圧力調整弁９によっ
てアノードの圧力を基準に制御している。なお、アノー
ドの圧力を基準に制御する理由は、アノードにおける反
応ガスの欠乏は、電池へ致命的なダメージを与えるため
で、極力燃料の流れを妨げるものを入れたくないためで
ある。

【００２３】これにより、差圧制御が働き、空気系も燃
料系の圧力と同期して変化する。空気系の圧力調整は前
記圧力制御弁９で行っているからである。したがって、
図１において、燃料系の圧力が上昇すると、空気系の圧
力調整弁９が閉まり、空気系の圧力を上げる動きが生じ
る。

【００２４】一方、アノード及びカソードの反応ガス量
は流量計８ａ，８ｃによって監視されているが、カソー
ドの圧力調整弁９が閉じることにより、必要な反応ガス
量を確保できなくなる傾向がある。これは、流量計８ｂ
で測定される流量を所定の量にするために流量調整弁２
を開いても、圧力調整弁９が閉じているため電池にガス
を流すための十分な圧力差が得られなくなり、流量調整
弁２を全開しても流量が確保できなくなるためである。

【００２５】本実施例においては、上述した事態になる
前に、アノード圧力を下げるためにストップバルブ６が
開かれ、アノード側の流量計８ａを所定量に確保しなが
ら圧力の放出が行われる。また、ストップバルブ６から
放出された燃料ガスは、アノード側バイパスライン４を
通って、電池の下流側で反応ガスラインに戻されるよう
に構成されている。さらに、本実施例においては、カソ
ード側にも同様のバイパスライン５を設け、カソード系
の圧力上昇がアノード系の燃料流量に影響を与える前に
圧力を放出できるように構成されている。

【００２６】この様に、本実施例によれば、電池の入口
において圧力調整のために放出された反応ガスを、バイ
パスラインを介して再び反応ガスラインに戻すことがで
きるので、電池下流で必要とされる改質器の燃料が不足
することを防止できる。また、オンサイト型の燃料電池
プラントにおいても、可燃性ガスを外部に放出しなくて
も良くなるため、安全性が確保される。

【００２７】なお、上述した実施例においては、ストッ
プバルブ６，７の開閉制御を電池出口に接続した圧力計
１０，１１によって行っているが、上述した実施例に限
定されるものではなく、反応ガス流量を測定することに
よって、所定の流量を得るための圧力差を検出してスト
ップバルブを制御するように構成することもできる。ま
た、上述した実施例においては、放出された反応ガスを
反応ガスラインに戻しているが、燃料電池プラント内に
ある補助バーナー、リフォーマーバーナーなどの燃料消
費を果たせるバーナーに直接放出させ、放出燃料を消費
して外部に出さないように構成することも可能である。

【００２８】

【発明の効果】以上述べた通り、本発明によれば、アノ
ード及びカソードの各電極に反応ガスを供給する反応ガ
スラインに、電池上流側から分岐し下流側で再び各反応
ガスラインに合流するバイパスラインを設け、これらバ
イパスラインに各反応ガスラインの圧力上昇を抑えるた
めのバルブを設けることにより、燃料電池の上流側で放
出された反応ガスを再度電池の下流側でラインに戻すこ
とができる、高効率の燃料電池を提供することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の燃料電池の一実施例を示す構成図

【図２】一般的な燃料電池の構成を示す概略図

【図３】従来の燃料電池の反応ガスラインを示す図

【符号の説明】

１，２…流量調整弁３…差圧センサー４…アノード側バイパスライン５…カソード側バイパスライン６，７…ストップバルブ８，９…圧力調整弁１０，１１…圧力センサー１２…マトリックス１３…アノード１４…カソード１５…白金触媒１６…燃料ガス流路１７…酸化剤ガス流路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電解質を保持したマトリックス層を挟ん
で、一対の多孔質電極を配置し、これに燃料ガス及び酸
化剤ガスを供給して電気出力を得る燃料電池において、各電極に上記反応ガスを供給する反応ガスラインに、電
池上流側から分岐し下流側で再び各反応ガスラインに合
流するバイパスラインを設け、また、前記バイパスライ
ンに、各反応ガスラインの圧力上昇を抑えるためのバル
ブを設けたことを特徴とする燃料電池。