JPH09153371A - リン酸型燃料電池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 単電池内の電解質量を一定値内に保持するこ
とにより、リン酸型燃料電池の長寿命化を可能とするリ
ン酸型燃料電池を提供する。 【解決手段】 ガス配管７内に、リン酸供給口１４を設
け、反応ガスＧ中にリン酸を気化させる。このとき、リ
ン酸供給口１４から供給するリン酸量は、燃料電池の排
出ガスに含まれるリン酸量を上回らない量とする。ま
た、反応ガスＧの温度を電気ヒータ１２によって加熱す
ることにより、供給されるリン酸がすべて気化するよう
にする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、リン酸型燃料電池
に係り、特にガス拡散電極に対するリン酸補給部分に関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、石炭、石油、天然ガス等の燃
料中の水素と酸素とから直接電気エネルギーを得る燃料
電池が知られている。この燃料電池は、通常、電解質を
含浸させた電解質層を挟んで、燃料極と空気極とからな
る一対の多孔質のガス拡散電極を配置することにより構
成される。そして、各電極の背面にガス溝を形成してお
き、燃料極の背面のガス溝に燃料ガスを流通して接触さ
せ、空気極の背面のガス溝に酸化剤ガスを流通して接触
させて、このときに起こる電気化学反応を利用して、両
電極間から電気エネルギーを取り出す。

【０００３】また、多孔質電極に含浸させる電解質とし
ては、溶融炭酸塩、アルカリ溶液、酸性溶液、固体高分
子、固体酸化物等があるが、リン酸を用いたリン酸型燃
料電池が実用化に向け特に開発が進んでいる。

【０００４】図３は、従来の燃料電池の一構成例を示す
断面図である。同図に示すように、積層体１は、単電池
２が複数個積層されて形成されている。これら数個の単
電池２ごとに、内部に冷却媒体を通すことにより単電池
２を冷却する冷却板３が介装されている。また、積層体
１の最上端及び最下端には、反応ガスをシールするため
に、表面が滑らかでガス不透過性の炭素板４が配置され
ている。これら炭素板４は、それぞれ締付板５によって
締付けられている。

【０００５】また、積層体１の側部には、単電池２に燃
料及び空気を供給するガスマニホールド６が設けられて
いる。このガスマニホールド６には、ガス配管７が接続
されており、このガス配管からの燃料ガスがガスマニホ
ールド６によって分散され、各単電池２に一括して燃料
を供給、排気するように構成されている。

【０００６】図４は、上記燃料電池における単電池２の
構成を示す斜視図である。同図に示すように、単電池２
は、空気極８と燃料極９、及びそれらの間に介装された
電解質層１０とからなる。空気極８及び燃料極９には、
空気及び燃料の流通路となる溝８ａ及び９ａが、互いに
直交して形成されている。また、空気極８及び燃料極９
には、電極反応を活性化するための触媒層１１が設けら
れている。更に、上記電解質層１０は、燃料極９の電極
反応で生成する水素イオンを通過させるための層であ
り、この場合、電解質はリン酸からなる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述した従
来のリン酸型燃料電池では、リン酸は電解質層１０のみ
ではなく単電池２内全体に存在し、空気極８と燃料極９
とに供給される反応ガスにも接している。そのため、燃
料電池の運転中には、各単電池２内のリン酸は反応ガス
中に拡散し、反応ガスとともに電池外へと搬出されてい
く。

【０００８】これにより、時間の経過と共に、電解質層
１０内のリン酸は徐々に減少していく。この結果、単電
池２内のリン酸がある下限値を下回ると、電解質層１０
中のリン酸占積率が急激に低下して、電池特性が極端に
低下すると共に電池の寿命劣化をきたす。このため、リ
ン酸を補給することにより電解質層１０中にリン酸を再
充填させ、電池寿命を延命する必要がある。

【０００９】リン酸を補給する方法として、例えば特開
昭６１−９６６７３号公報等記載の方法や、特願平６−
８４４６５号公報記載の燃料電池発電装置に用いられて
いる方法等が知られている。前者は、ガス状のリン酸を
含有させた不活性ガス等のキャリヤガスを電池内に補給
ないしは供給する方法である。また、後者は、反応ガス
を供給する反応ガス供給管の一部にリン酸貯蔵容器を有
するバイパス回路を設け、リン酸が枯渇し始めると、パ
イバス回路を介してリン酸蒸気を含んだ不活性ガスを電
池内に送り込む方法である。

【００１０】しかしながら、上記のように定期的または
定常的にリン酸を補給すると、リン酸量が過多となる場
合がある。このような場合は、かえって反応ガスの拡散
が阻害され、電池特性が悪化する。また、単電池の構成
部材、例えば単電池同士を接続させるためのセパレータ
等の炭素板が、腐食を起こすこととなる。

【００１１】本発明は、以上のような従来技術の欠点を
解決するために提案されたものであり、その目的は、単
電池内の電解質量を一定値内に保持することにより、長
寿命化を可能としたリン酸型燃料電池を提供することに
ある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明によ
るリン酸型燃料電池は、リン酸からなる電解質を含浸し
た電解質層を挟んで一対の多孔質電極を配置してなる単
電池を複数個積層し、その積層体の側面に反応ガスを供
給・排出するガスマニホールドを配設してなるリン酸型
燃料電池に前記リン酸を補給するものであって、前記ガ
スマニホールドによって供給される反応ガス中に、前記
リン酸を気化して定常的に供給するリン酸供給手段を具
備し、前記リン酸供給手段から前記反応ガス中に供給す
る前記リン酸の量を、当該燃料電池からの排出ガス中に
含まれるリン酸量を上回らないように制御する制御手段
を備えてなることを特徴としている。

【００１３】請求項１記載の発明によれば、ガスマニホ
ールドから供給される反応ガス中にリン酸を定常的に気
化させる。このとき、反応ガスに供給するリン酸量を、
燃料電池の排出ガスに含まれるリン酸量を上回らない量
とする。これにより、単電池内のリン酸量が常に一定値
に保たれるため、電池の長寿命化を図ることができる。

【００１４】請求項２記載の発明によるリン酸型燃料電
池は、請求項１記載の発明において、前記マニホールド
内に前記反応ガスを供給するガス配管と、前記ガス配管
から前記マニホールドへの入口近傍において、前記反応
ガスを加熱する加熱手段と、前記加熱手段によって加熱
される前記反応ガスの温度を検出する温度検出手段とを
具備し、前記温度検出手段によって検出される前記反応
ガスの温度に基づき、前記ガスマニホールドの入口近傍
における前記反応ガスの温度を、前記単電池における前
記反応ガスの最高温度以下であり、かつ、前記排出ガス
の温度以上となるように、前記加熱手段を制御すること
を特徴としている。

【００１５】請求項２記載の発明によれば、反応前の反
応ガスの温度を、単電池における最高温度以下であり、
かつ、排出ガスの温度以上となるように設定するため、
単電池の各部材の腐食の促進や触媒の劣化等の悪影響を
もたらすことなく、リン酸を反応ガス中に有効に気化さ
せることができる。

【００１６】請求項３記載の発明によるリン酸型燃料電
池は、請求項１または２記載の発明において、前記リン
酸供給手段から供給されるリン酸と前記反応ガスとが接
触する位置に、フッ素樹脂製の繊維状物質によって形成
されたフィルタを配置してなることを特徴としている。

【００１７】請求項４記載の発明によるリン酸型燃料電
池は、請求項１または２記載の発明において、前記リン
酸供給手段から供給されるリン酸と前記反応ガスとが接
触する位置に、セラミック製多孔質体によって形成され
たフィルタを配置してなることを特徴としている。

【００１８】請求項３及び４記載の発明によれば、フィ
ルタは、高温のリン酸に耐えることができるものであ
り、その表面積を十分に確保することにより、リン酸を
反応ガス中に全て気化させることができる。

【００１９】請求項５記載の発明によるリン酸型燃料電
池は、請求項１記載の発明において、前記マニホールド
内に前記反応ガスを供給するガス配管と、前記ガス配管
から前記ガスマニホールドへの入口近傍に配置され、前
記リン酸供給手段から供給されるリン酸を蓄えるリン酸
溜手段と、前記リン酸溜手段及び前記反応ガスを加熱す
る加熱手段と、前記加熱手段によって加熱される前記反
応ガスの温度を検出する温度検出手段とを具備し、前記
温度検出手段によって検出される前記反応ガスの温度に
基づき、前記ガスマニホールドの入口近傍における前記
反応ガスの温度を、前記単電池における最高温度以下で
あり、かつ、前記排出ガスの温度以上となるように、前
記加熱手段を制御することを特徴としている。

【００２０】請求項５記載の発明によれば、リン酸供給
手段から供給されるリン酸は、一旦リン酸溜手段に蓄え
られ、加熱手段によって加熱されることにより反応ガス
内で気化する。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して説明する。なお、上述した従来技術で
説明した部材と同一の部材については、同一の符号を付
しその説明は省略する。

【００２２】Ａ．第１の実施の形態 ＜構成＞図１は、本実施の形態によるリン酸型燃料電池
のリン酸補給部分の構成を示す断面図である。同図にお
いて、ガスマニホールド６に接続されたガス配管７内部
には、電気ヒータ１２及び熱電対１３が設けられてい
る。電気ヒータ１２は、ガス配管７内を通過する反応ガ
スＧを加熱する。また、熱電対１３は、図示しない制御
装置に接続されており、電気ヒータ１２によって加熱さ
れた反応ガスＧの温度を測定する。そして、制御装置
は、上記熱電対１３によって測定される反応ガスの温度
に基づき、電気ヒータ１２の加熱温度を制御する。電気
ヒータ１２による加熱温度は、電池から排出される排出
ガスの電池出口における温度よりも高い温度に設定され
ている。

【００２３】一方で、反応ガスＧの温度が高すぎると、
単電池等の構成部材が腐食したり、触媒が劣化したりす
る。そのため、予め単電池内の最高温度を測定してお
き、熱電対１３によって測定される反応ガスＧの温度が
上記最高温度以下となるように、電気ヒータ１２の出力
を調整する。

【００２４】一般的に、大型の燃料電池では、単電池平
面内で温度差が大きい。すなわち、ガスが供給される入
口では、ガス内の反応ガス成分の占める割合（分圧）が
高いために反応が活発であって、単電池の温度が高くな
る。一方、ガスが排出される出口では、反応ガス成分の
分圧が低くなるために単電池の温度が低くなる傾向があ
る。従って、上記最高温度とは、単電池のガスの入口に
おける温度をいう。

【００２５】また、図１において、ガス配管７には、リ
ン酸供給口１４が接続されている。リン酸供給口１４
は、リン酸を保持する図示しないタンク等に接続されて
おり、ガス配管７内の反応ガス内で気化させるためのリ
ン酸を供給する。

【００２６】ここで、予め、定常運転時における電池の
出口での排出ガス中のリン酸濃度を測定し、排出される
リン酸量を算出しておく。そして、供給するリン酸量が
上記排出ガス中のリン酸量を上回らないように設定す
る。また、予め単電池における反応ガスの反応温度を測
定しておき、その反応温度におけるリン酸の飽和蒸気圧
以下となるように、リン酸の供給量を設定する。すなわ
ち、反応ガスの温度が積層体１内で低下した場合であっ
ても、リン酸が結晶化しないようにリン酸量を設定す
る。これに合わせて、上記反応ガスＧの温度は、供給さ
れるリン酸が全て気化するような温度に調整する。

【００２７】また、リン酸の気化速度は極めて遅いた
め、短時間に大量供給すると反応ガス内で気化しない。
そのため、リン酸量を一的に供給するのではなく、定常
的に供給する。

【００２８】図１において、ガス配管７内のリン酸供給
口１４近傍であって、リン酸供給口１４から供給される
リン酸と反応ガスとの接触部には、フィルタ１６が設け
られている。このフィルタ１６は、高温のリン酸に耐え
得るフッ素樹脂製の繊維状物質、又はセラミック製の多
孔質体から形成される。このフィルタ１６の表面積は、
供給されたリン酸が全て気化するに十分な大きさに設定
しておく。

【００２９】また、図１において、ガスマニホールド６
内のガス配管７との接続部分近傍には、バッフル１５が
配置されている。このバッフル１５は、ガス配管７から
供給される反応ガスが電池本体に直接吹き付けないよう
に、反応ガスの流れる方向を変えるためのものである。
更に、ガスマニホールド６の下端部には、ガスマニホー
ルド６内で凝集したリン酸を排出するためのドレン１７
が設けられている。

【００３０】＜作用効果＞以上のような構成を有する第
１の実施の形態の作用効果は以下の通りである。すなわ
ち、ガス配管７から積層体１に供給される反応ガスＧ
は、ガス配管７を通過する途中で、電気ヒータ１２によ
って加熱される。加熱された反応ガスＧの温度は、熱電
対１３によって検出され、予め設定されている温度の範
囲、すなわち、電池出口における排出ガスの温度以上で
あって単電池等の耐熱温度以下でない場合、電気ヒータ
１２の加熱温度が調整される。

【００３１】そして、反応ガスＧがフィルタ１６を通過
する際に、リン酸供給口１４から供給されているリン酸
が反応ガスＧ内で気化する。これにより、リン酸蒸気を
含む反応ガスＧが、マニホールド６内に供給される。マ
ニホールド６内では、バッフル１５により流れの方向が
変更されて、分散されて各単電池（図示せず）に供給さ
れる。

【００３２】ところで、ガスマニホールド６、バッフル
１５、及び積層体１は、リン酸蒸気を含んだ反応ガスＧ
に接触するため、これらの部分においてリン酸が凝集す
る。しかしながら、そのリン酸凝集量は、以下の理由か
ら、問題となるほどの量とはならない。すなわち、ガス
マニホールド６の入口においては、出口におけるリン酸
濃度よりも低くなっており、積層体１内においても、反
応ガス温度におけるリン酸飽和蒸気圧以下となるように
設定されている。また、供給時の反応ガスＧ中の水蒸気
は排出ガス中の水蒸気に比較して微小であって、水蒸気
の存在によって析出されるリン酸量は微量である。ま
た、ガスマニホールド６には、凝集したリン酸を排出す
るためのドレン１７が設けられているため、凝集したリ
ン酸が容器外に排出される。

【００３３】以上のように、供給するリン酸の濃度を排
出ガスのリン酸濃度を上回らないように設定するため、
単電池２内のリン酸量が初期値よりも増加せず、リン酸
量を過不足なく維持することができる。また、反応ガス
Ｇの温度を、単電池等の耐熱温度よりも低く設定するた
め、単電池の部材の腐食もしくは劣化等が発生しない。

【００３４】更に、フィルタ１６の表面積、及び反応ガ
スＧの温度を、供給されるリン酸がすべて反応ガスＧ内
に気化するように設定しているため、リン酸過剰による
電池特性の劣化もしくは部材の腐食等を防止し、常に最
適なリン酸量を保持することができる。

【００３５】なお、リン酸を供給する反応ガスＧは、空
気及び燃料の両方からなることが望ましいが、いずれか
一方であっても同様の効果が得られる。

【００３６】Ｂ．第２の実施の形態 ＜構成＞次に、第２の実施の形態によるリン酸型燃料電
池のリン酸補給部分について、図２を参照して説明す
る。同図に示すように、本実施の形態では、ガス配管７
内部にリン酸溜１８が設けられている。このリン酸溜１
８は、リン酸供給口１４に近接して配置されており、リ
ン酸供給口１４から供給されたリン酸が一旦リン酸溜１
８に蓄えられるようになっている。また、リン酸溜１８
の内部に、電気ヒータ１２が配置されている。

【００３７】＜作用効果＞以上のような構成により、リ
ン酸供給口１４から供給されるリン酸は、一旦リン酸溜
１８に蓄えられる。供給されるリン酸量は、第１の実施
の形態と同様に、電池出口からのリン酸の排出量を上回
らない量とする。そして、リン酸溜１８内のリン酸は、
電気ヒータ１２によって反応ガスＧ中で気化される。こ
の反応ガスＧの温度は、熱電対１２によって測定され、
その結果により、電気ヒータ１２の温度が調整される。
電気ヒーター１２の出力は、供給された全てのリン酸を
気化すると共に、第１の実施の形態と同様に、反応ガス
Ｇの温度を一定の範囲に維持するように調整される。

【００３８】以上のことから、本実施の形態によって
も、第１の実施の形態における効果と同様の効果を得る
ことができる。なお、本実施の形態においては、リン酸
溜１８をガス配管７中に配置しているが、ガスマニホー
ルド６内に配置してもよい。

【００３９】

【発明の効果】以上に述べたように、本発明によれば、
単電池内のリン酸量を過不足なく補給することができる
ため、リン酸型燃料電池寿命の低下を防止すると共に、
リン酸過剰による電池特性の低下もしくは単電池の腐食
を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態によるリン酸型燃料
電池のリン酸補給部分の構成を示す側面図。

【図２】本発明の第２の実施の形態によるリン酸型燃料
電池のリン酸補給部分の構成を示す側面図。

【図３】従来のリン酸型燃料電池の構成を示す側面図。

【図４】単電池の構成を示す部分断面図。

【符号の説明】

１…積層体 ２…単電池 ３…冷却板 ４…炭素板 ５…締付板 ６…ガスマニホールド ７…ガス配管 ８…空気極 ９…燃料極 １０…電解質層 １１…触媒層 １２…電気ヒータ １３…熱電対 １４…リン酸供給口 １５…バッフル １６…フィルタ １７…ドレン １８…リン酸溜

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 リン酸からなる電解質を含浸した電解質
   層を挟んで一対の多孔質電極を配置してなる単電池を複
   数個積層し、その積層体の側面に反応ガスを供給・排出
   するガスマニホールドを配設してなるリン酸型燃料電池
   において、 前記ガスマニホールドによって供給される反応ガス中
   に、前記リン酸を気化して定常的に供給するリン酸供給
   手段を具備し、 前記リン酸供給手段から前記反応ガス中に供給する前記
   リン酸の量を、当該燃料電池からの排出ガス中に含まれ
   るリン酸量を上回らないように制御する制御手段を備え
   てなることを特徴とするリン酸型燃料電池。
2. 【請求項２】 前記マニホールド内に前記反応ガスを供
   給するガス配管と、 前記ガス配管から前記マニホールドへの入口近傍におい
   て、前記反応ガスを加熱する加熱手段と、 前記加熱手段によって加熱される前記反応ガスの温度を
   検出する温度検出手段とを具備し、 前記温度検出手段によって検出される前記反応ガスの温
   度に基づき、前記ガスマニホールドの入口近傍における
   前記反応ガスの温度を、前記単電池における前記反応ガ
   スの最高温度以下であり、かつ、前記排出ガスの温度以
   上となるように、前記加熱手段を制御することを特徴と
   する請求項１記載のリン酸型燃料電池。
3. 【請求項３】 前記リン酸供給手段から供給されるリン
   酸と前記反応ガスとが接触する位置に、フッ素樹脂製の
   繊維状物質によって形成されたフィルタを配置してなる
   ことを特徴とする請求項１または２記載のリン酸型燃料
   電池。
4. 【請求項４】 前記リン酸供給手段から供給されるリン
   酸と前記反応ガスとが接触する位置に、セラミック製多
   孔質体によって形成されたフィルタを配置してなること
   を特徴とする請求項１または２記載のリン酸型燃料電
   池。
5. 【請求項５】 前記マニホールド内に前記反応ガスを供
   給するガス配管と、 前記ガス配管から前記ガスマニホールドへの入口近傍に
   配置され、前記リン酸供給手段から供給されるリン酸を
   蓄えるリン酸溜手段と、 前記リン酸溜手段及び前記反応ガスを加熱する加熱手段
   と、 前記加熱手段によって加熱される前記反応ガスの温度を
   検出する温度検出手段とを具備し、 前記温度検出手段によって検出される前記反応ガスの温
   度に基づき、前記ガスマニホールドの入口近傍における
   前記反応ガスの温度を、前記単電池における最高温度以
   下であり、かつ、前記排出ガスの温度以上となるよう
   に、前記加熱手段を制御することを特徴とする請求項１
   記載のリン酸型燃料電池。