JPH0963610A - りん酸型燃料電池の運転方法およびその装置 - Google Patents
りん酸型燃料電池の運転方法およびその装置Info
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- JPH0963610A JPH0963610A JP7210322A JP21032295A JPH0963610A JP H0963610 A JPH0963610 A JP H0963610A JP 7210322 A JP7210322 A JP 7210322A JP 21032295 A JP21032295 A JP 21032295A JP H0963610 A JPH0963610 A JP H0963610A
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- fuel
- air
- gas
- unit cell
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- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】マトリックス中のりん酸の不足状態を的確に検
出し、適量のりん酸を補給できるりん酸型燃料電池を提
供する。 【構成】単位セル２とセパレータ８との積層体からなる
スタックが、単位セルとセパレータとの間にマトリック
スで不足するりん酸を補給するりん酸リザーバー６Ａ，
６Ｆと、燃料通路７Ｆおよび空気通路７Ａに燃料ガス９
Ｆおよび反応空気９Ａを給排出する燃料側マニホールド
および空気側マニホールド１２Ａin，１２Ａout とを備
えたりん酸型燃料電池１の運転方法であって、空気オフ
ガス９Ａoff 中に含まれる水素のモル分率を水素濃度検
出器２４により監視し、検出したモル分率が設定器２６
に予め設定した値を越えたとき、判断部２５がりん酸リ
ザーバーにりん酸量の不足が生じたものと判断し、指令
信号２５Ｓを外部の補給装置１０に向けて出力する。
出し、適量のりん酸を補給できるりん酸型燃料電池を提
供する。 【構成】単位セル２とセパレータ８との積層体からなる
スタックが、単位セルとセパレータとの間にマトリック
スで不足するりん酸を補給するりん酸リザーバー６Ａ，
６Ｆと、燃料通路７Ｆおよび空気通路７Ａに燃料ガス９
Ｆおよび反応空気９Ａを給排出する燃料側マニホールド
および空気側マニホールド１２Ａin，１２Ａout とを備
えたりん酸型燃料電池１の運転方法であって、空気オフ
ガス９Ａoff 中に含まれる水素のモル分率を水素濃度検
出器２４により監視し、検出したモル分率が設定器２６
に予め設定した値を越えたとき、判断部２５がりん酸リ
ザーバーにりん酸量の不足が生じたものと判断し、指令
信号２５Ｓを外部の補給装置１０に向けて出力する。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、りん酸リザーバーを
備えたりん酸型燃料電池の運転中、りん酸リザーバーに
生ずるりん酸の過不足状態を防止するための運転方法、
およびその装置に関する。
備えたりん酸型燃料電池の運転中、りん酸リザーバーに
生ずるりん酸の過不足状態を防止するための運転方法、
およびその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】図２はりん酸リザーバーを備えた従来の
りん酸型燃料電池を模式化して示す斜視図であり、単位
セル２は非電子導電性材料である炭化けい素粉末を主材
とする厚み０．１ｍｍ程度の多孔質膜に電解質としての
りん酸を含浸したマトリックス３と、これを挟持する燃
料電極４および空気電極５の積層体として構成される。
また、この単位セル２を挟んでその両側に多孔質カーボ
ン材にりん酸を含浸したリブ付きのりん酸リザーバー６
Ｆ（燃料電極側），および６Ａ（空気電極側）が設けら
れ、これを一つのユニットとしてその両側にガス不透過
性のカーボン板からなるセパレータ８を介在させて複数
層積層することにより、りん酸型積層燃料電池（スタッ
ク）１が構成される。また、りん酸リザーバー６Ｆが燃
料電極４と接する面側にはコ字状の凹溝として形成され
た複数条の燃料通路７Ｆが形成されて燃料電極４に水素
を供給するとともに、りん酸リザーバー６Ａが空気電極
５と接する面側にはコ字状の凹溝として形成された複数
条の空気通路７Ａが形成されて空気電極４に酸素を供給
することにより発電が行われる。
りん酸型燃料電池を模式化して示す斜視図であり、単位
セル２は非電子導電性材料である炭化けい素粉末を主材
とする厚み０．１ｍｍ程度の多孔質膜に電解質としての
りん酸を含浸したマトリックス３と、これを挟持する燃
料電極４および空気電極５の積層体として構成される。
また、この単位セル２を挟んでその両側に多孔質カーボ
ン材にりん酸を含浸したリブ付きのりん酸リザーバー６
Ｆ（燃料電極側），および６Ａ（空気電極側）が設けら
れ、これを一つのユニットとしてその両側にガス不透過
性のカーボン板からなるセパレータ８を介在させて複数
層積層することにより、りん酸型積層燃料電池（スタッ
ク）１が構成される。また、りん酸リザーバー６Ｆが燃
料電極４と接する面側にはコ字状の凹溝として形成され
た複数条の燃料通路７Ｆが形成されて燃料電極４に水素
を供給するとともに、りん酸リザーバー６Ａが空気電極
５と接する面側にはコ字状の凹溝として形成された複数
条の空気通路７Ａが形成されて空気電極４に酸素を供給
することにより発電が行われる。
【０００３】図３はクロスフロー方式の従来のりん酸型
燃料電池を模式化して示す図である。図において、クロ
スフロー方式では、単位セルを挟持する一対のりん酸リ
ザーバー６Ｆ，６Ａが燃料通路７Ｆと空気通路７Ａが互
いに直交するよう積層され、りん酸型燃料電池１の側壁
に気密に結合した燃料ガス入口マニホールド１１Ｆinか
ら燃料通路７Ｆに流入した燃料ガス９Ｆが出口マニホー
ルド１１Ｆout を介して燃料オフガス９Ｆoff として外
部に排出され、これと直交する側壁に気密に結合した空
気入口マニホールド１２Ａinから空気通路７Ａに流入し
た反応空気９Ａが出口マニホールド１２Ａout を介して
空気オフガス９Ａoff として外部に排出される。なお、
他のフロー方式としてリターンフロー方式，シリアルフ
ロー方式なども知られている。
燃料電池を模式化して示す図である。図において、クロ
スフロー方式では、単位セルを挟持する一対のりん酸リ
ザーバー６Ｆ，６Ａが燃料通路７Ｆと空気通路７Ａが互
いに直交するよう積層され、りん酸型燃料電池１の側壁
に気密に結合した燃料ガス入口マニホールド１１Ｆinか
ら燃料通路７Ｆに流入した燃料ガス９Ｆが出口マニホー
ルド１１Ｆout を介して燃料オフガス９Ｆoff として外
部に排出され、これと直交する側壁に気密に結合した空
気入口マニホールド１２Ａinから空気通路７Ａに流入し
た反応空気９Ａが出口マニホールド１２Ａout を介して
空気オフガス９Ａoff として外部に排出される。なお、
他のフロー方式としてリターンフロー方式，シリアルフ
ロー方式なども知られている。
【０００４】ところで、発電反応により空気電極４側に
生成した発電生成水が水蒸気となって主に反応ガス通路
（７Ａ，７Ｆ）に放出される際、マトリックス３中のり
ん酸が微量ながら反応ガス通路に飛散（蒸散とも呼ぶ）
するが、飛散することによりマトリックス３内で不足す
るりん酸はリブ付きのりん酸リザーバー６Ａ，６Ｆを設
けることにより電極４および５の非はっ水性部分を透過
して補給される。したがって、運転時間の経過に伴って
りん酸リザーバー６Ａ，６Ｆが保持するりん酸量が徐々
に減少する。このため、りん酸リザーバー６Ａ，６Ｆで
不足するりん酸を外部から補給するため、りん酸補給装
置１０が設けられる。りん酸補給装置１０としては、外
部に設けた補給タンクとりん酸リザーバーとをサイフォ
ンを介して連結し、両者の水頭差を利用して適量のりん
酸を補給する方式が知られている。また、りん酸の供給
量の制御方法としては、水頭差を一定に保持して連続的
にりん酸を供給する方式、および水頭差を可変にして間
欠的にりん酸を補給するか、あるいは補給タンクに一定
量のりん酸を間欠的に補給する方法が知られている。
生成した発電生成水が水蒸気となって主に反応ガス通路
（７Ａ，７Ｆ）に放出される際、マトリックス３中のり
ん酸が微量ながら反応ガス通路に飛散（蒸散とも呼ぶ）
するが、飛散することによりマトリックス３内で不足す
るりん酸はリブ付きのりん酸リザーバー６Ａ，６Ｆを設
けることにより電極４および５の非はっ水性部分を透過
して補給される。したがって、運転時間の経過に伴って
りん酸リザーバー６Ａ，６Ｆが保持するりん酸量が徐々
に減少する。このため、りん酸リザーバー６Ａ，６Ｆで
不足するりん酸を外部から補給するため、りん酸補給装
置１０が設けられる。りん酸補給装置１０としては、外
部に設けた補給タンクとりん酸リザーバーとをサイフォ
ンを介して連結し、両者の水頭差を利用して適量のりん
酸を補給する方式が知られている。また、りん酸の供給
量の制御方法としては、水頭差を一定に保持して連続的
にりん酸を供給する方式、および水頭差を可変にして間
欠的にりん酸を補給するか、あるいは補給タンクに一定
量のりん酸を間欠的に補給する方法が知られている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】りん酸型燃料電池の運
転中マトリックスから飛散するりん酸量は運転温度，単
位電極面積当たりの電流密度，反応ガス流量などの燃料
電池の運転条件に依存して変化するため、飛散量を一様
に決めることは難しい。このため、連続的にりん酸を供
給する方式では供給量の過不足を生じやすく、例えば過
剰供給した場合にはりん酸リザーバーから溢れたりん酸
が反応ガス通路を塞ぐため、反応ガスの供給障害を招く
ことが懸念される。また、供給不足を生じた場合にはり
ん酸リザーバーからマトリックスへのりん酸の補給量が
減少してマトリックス中のりん酸保持量が減り、電気化
学反応に支障が生ずるとともに、ガス不透過性であるべ
きマトリックスのガス透過性が増し、両反応ガス通路間
の差圧による漏れガス量が増加するため、水素と酸素が
混合して直接反応（燃焼）する事態の発生が懸念され
る。
転中マトリックスから飛散するりん酸量は運転温度，単
位電極面積当たりの電流密度，反応ガス流量などの燃料
電池の運転条件に依存して変化するため、飛散量を一様
に決めることは難しい。このため、連続的にりん酸を供
給する方式では供給量の過不足を生じやすく、例えば過
剰供給した場合にはりん酸リザーバーから溢れたりん酸
が反応ガス通路を塞ぐため、反応ガスの供給障害を招く
ことが懸念される。また、供給不足を生じた場合にはり
ん酸リザーバーからマトリックスへのりん酸の補給量が
減少してマトリックス中のりん酸保持量が減り、電気化
学反応に支障が生ずるとともに、ガス不透過性であるべ
きマトリックスのガス透過性が増し、両反応ガス通路間
の差圧による漏れガス量が増加するため、水素と酸素が
混合して直接反応（燃焼）する事態の発生が懸念され
る。
【０００６】一方、りん酸を間欠的に補給する方式に
は、燃料電池の発電総量からりん酸の飛散量を推定し、
りん酸の補給時期を決める方法と、燃料電池の運転開始
時などの無電流状態で燃料電池の発生電圧を求め、その
値から経験的にりん酸の補給時期を決める方法とが知ら
れている。しかしながら、前者の方法では補給時期の推
定精度が低く、供給量の過不足に起因する反応ガスの供
給障害や水素と酸素の混触を十分には回避できないとい
う問題がある。また、後者の方法では、りん酸型燃料電
池の負荷を遮断した状態でないと補給時期の判定を行え
ないため、長期連続運転中にりん酸不足が生じた場合に
は、これを回避できないという問題がある。
は、燃料電池の発電総量からりん酸の飛散量を推定し、
りん酸の補給時期を決める方法と、燃料電池の運転開始
時などの無電流状態で燃料電池の発生電圧を求め、その
値から経験的にりん酸の補給時期を決める方法とが知ら
れている。しかしながら、前者の方法では補給時期の推
定精度が低く、供給量の過不足に起因する反応ガスの供
給障害や水素と酸素の混触を十分には回避できないとい
う問題がある。また、後者の方法では、りん酸型燃料電
池の負荷を遮断した状態でないと補給時期の判定を行え
ないため、長期連続運転中にりん酸不足が生じた場合に
は、これを回避できないという問題がある。
【０００７】この発明の目的は、マトリックス中のりん
酸の不足状態を的確に検出し、適量のりん酸を補給でき
るりん酸型燃料電池を提供することにある。
酸の不足状態を的確に検出し、適量のりん酸を補給でき
るりん酸型燃料電池を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】前述の目的を達成するた
めに、請求項１に記載の発明は、燃料電極，空気電極お
よびその間に挟持されてりん酸を保持するマトリックス
からなる単位セルとガス不透過性のセパレータとの積層
体からなるスタックが、前記単位セルとセパレータとの
間に介装されて単位セルとの間に互いに直交する方向の
燃料通路および空気通路を保持し，かつマトリックスで
不足するりん酸を補給する一対のりん酸リザーバーと、
前記燃料通路および空気通路に燃料ガスおよび反応空気
をそれぞれ給排出する燃料側マニホールドおよび空気側
マニホールドとを備えたりん酸型燃料電池の運転方法で
あって、前記燃料側マニホールド，空気側マニホールド
のいずれか一方から排出される排ガス中に含まれる他方
のガス成分のモル分率を監視し、検出したモル分率が一
定レベルを越えたとき、前記りん酸リザーバーが保持す
るりん酸量が不足したものと判断し、このりん酸リザー
バーへのりん酸の補給を外部の補給装置に指令する。
めに、請求項１に記載の発明は、燃料電極，空気電極お
よびその間に挟持されてりん酸を保持するマトリックス
からなる単位セルとガス不透過性のセパレータとの積層
体からなるスタックが、前記単位セルとセパレータとの
間に介装されて単位セルとの間に互いに直交する方向の
燃料通路および空気通路を保持し，かつマトリックスで
不足するりん酸を補給する一対のりん酸リザーバーと、
前記燃料通路および空気通路に燃料ガスおよび反応空気
をそれぞれ給排出する燃料側マニホールドおよび空気側
マニホールドとを備えたりん酸型燃料電池の運転方法で
あって、前記燃料側マニホールド，空気側マニホールド
のいずれか一方から排出される排ガス中に含まれる他方
のガス成分のモル分率を監視し、検出したモル分率が一
定レベルを越えたとき、前記りん酸リザーバーが保持す
るりん酸量が不足したものと判断し、このりん酸リザー
バーへのりん酸の補給を外部の補給装置に指令する。
【０００９】ここで、請求項２記載の発明は、請求項１
記載のりん酸型燃料電池の運転方法において、検出モル
分率の一定レベルを０．５％から２％の範囲とするよう
構成すると良い。また、請求項３記載の発明は、燃料電
極，空気電極およびその間に挟持されてりん酸を保持す
るマトリックスからなる単位セルとガス不透過性のセパ
レータとの積層体からなるスタックが、前記単位セルと
セパレータとの間に介装されて単位セルとの間に互いに
直交する方向の燃料通路および空気通路を保持し，かつ
マトリックスで不足するりん酸を補給する一対のりん酸
リザーバーと、前記燃料通路および空気通路に燃料ガス
および反応空気をそれぞれ給排出する燃料側マニホール
ドおよび空気側マニホールドとを備えたりん酸型燃料電
池において、前記空気側マニホールドから排出される空
気オフガス中に含まれる水素のモル分率を検出する水素
濃度検出器と、この水素濃度検出器の検出モル分率が一
定レベルを越えたとき前記りん酸リザーバーへのりん酸
補給を指令する信号を外部の補給装置に向けて出力する
判断部とを備える。
記載のりん酸型燃料電池の運転方法において、検出モル
分率の一定レベルを０．５％から２％の範囲とするよう
構成すると良い。また、請求項３記載の発明は、燃料電
極，空気電極およびその間に挟持されてりん酸を保持す
るマトリックスからなる単位セルとガス不透過性のセパ
レータとの積層体からなるスタックが、前記単位セルと
セパレータとの間に介装されて単位セルとの間に互いに
直交する方向の燃料通路および空気通路を保持し，かつ
マトリックスで不足するりん酸を補給する一対のりん酸
リザーバーと、前記燃料通路および空気通路に燃料ガス
および反応空気をそれぞれ給排出する燃料側マニホール
ドおよび空気側マニホールドとを備えたりん酸型燃料電
池において、前記空気側マニホールドから排出される空
気オフガス中に含まれる水素のモル分率を検出する水素
濃度検出器と、この水素濃度検出器の検出モル分率が一
定レベルを越えたとき前記りん酸リザーバーへのりん酸
補給を指令する信号を外部の補給装置に向けて出力する
判断部とを備える。
【００１０】さらに、請求項４記載の発明は、燃料電
極，空気電極およびその間に挟持されてりん酸を保持す
るマトリックスからなる単位セルとガス不透過性のセパ
レータとの積層体からなるスタックが、前記単位セルと
セパレータとの間に介装されて単位セルとの間に互いに
直交する方向の燃料通路および空気通路を保持し，かつ
マトリックスで不足するりん酸を補給する一対のりん酸
リザーバーと、前記燃料通路および空気通路に燃料ガス
および反応空気をそれぞれ給排出する燃料側マニホール
ドおよび空気側マニホールドとを備えたりん酸型燃料電
池において、前記燃料側マニホールドから排出される燃
料オフガス中に含まれる酸素のモル分率を検出する酸素
濃度検出器と、この酸素濃度検出器の検出モル分率が一
定レベルを越えたとき前記りん酸リザーバーへのりん酸
補給を指令する信号を外部の補給装置に向けて出力する
判断部とを備える。
極，空気電極およびその間に挟持されてりん酸を保持す
るマトリックスからなる単位セルとガス不透過性のセパ
レータとの積層体からなるスタックが、前記単位セルと
セパレータとの間に介装されて単位セルとの間に互いに
直交する方向の燃料通路および空気通路を保持し，かつ
マトリックスで不足するりん酸を補給する一対のりん酸
リザーバーと、前記燃料通路および空気通路に燃料ガス
および反応空気をそれぞれ給排出する燃料側マニホール
ドおよび空気側マニホールドとを備えたりん酸型燃料電
池において、前記燃料側マニホールドから排出される燃
料オフガス中に含まれる酸素のモル分率を検出する酸素
濃度検出器と、この酸素濃度検出器の検出モル分率が一
定レベルを越えたとき前記りん酸リザーバーへのりん酸
補給を指令する信号を外部の補給装置に向けて出力する
判断部とを備える。
【００１１】
【作用】請求項１に記載の発明では、燃料側マニホール
ド，空気側マニホールドのいずれか一方から排出される
排ガス中に含まれる他方のガス成分のモル分率を監視す
ることにより、例えばマトリックスを透過して空気オフ
ガス中に漏れる水素濃度，あるいはマトリックスを透過
して燃料オフガス中に漏れる酸素濃度を早期に検知する
ことが可能になる。したがって、検出したモル分率が一
定レベルを越えたとき、りん酸リザーバーが保持するり
ん酸量の不足が原因でマトリックスのガス不透過性の低
下が生じたものと容易に判断することができる。そこ
で、りん酸リザーバーに外部の補給装置からりん酸を補
給する指令を発することにより、りん酸の補給時期を的
確にりん酸補給装置に伝達してりん酸の不足状態の発生
を回避できる。
ド，空気側マニホールドのいずれか一方から排出される
排ガス中に含まれる他方のガス成分のモル分率を監視す
ることにより、例えばマトリックスを透過して空気オフ
ガス中に漏れる水素濃度，あるいはマトリックスを透過
して燃料オフガス中に漏れる酸素濃度を早期に検知する
ことが可能になる。したがって、検出したモル分率が一
定レベルを越えたとき、りん酸リザーバーが保持するり
ん酸量の不足が原因でマトリックスのガス不透過性の低
下が生じたものと容易に判断することができる。そこ
で、りん酸リザーバーに外部の補給装置からりん酸を補
給する指令を発することにより、りん酸の補給時期を的
確にりん酸補給装置に伝達してりん酸の不足状態の発生
を回避できる。
【００１２】ここで、水素の燃焼条件は、燃焼極限，ま
たは爆発範囲に依存することが知られており、例えば空
気中での水素の燃焼極限は水素濃度で４．１〜７５％、
酸素中での水素の燃焼極限は水素濃度で５．０〜９５％
であることが知られている。したがって、空気通路側に
水素が漏れた場合、水素濃度（モル分率）がほぼ４％以
下であれば直接反応を回避できる。また、燃料通路側に
酸素が漏れた場合には窒素の存在を無視した厳しい側の
条件を採っても酸素濃度がほぼ５％以下であれば直接反
応を回避できる。そこで、請求項２記載の発明のよう
に、検出モル分率の一定レベルの上限を２％としても、
水素と酸素の直接反応の危険性を余裕を持って回避でき
るとともに、その下限を０．５％とすることにより、反
応ガスの供給量が少ない軽負荷運転状態においてりん酸
補給時期を早期に判定し過ぎることを防ぎ、かつ外部雑
音などの影響を受けずにマトリックス中りん酸の不足状
態を的確に検知してりん酸補給時期を決定することがで
きる。
たは爆発範囲に依存することが知られており、例えば空
気中での水素の燃焼極限は水素濃度で４．１〜７５％、
酸素中での水素の燃焼極限は水素濃度で５．０〜９５％
であることが知られている。したがって、空気通路側に
水素が漏れた場合、水素濃度（モル分率）がほぼ４％以
下であれば直接反応を回避できる。また、燃料通路側に
酸素が漏れた場合には窒素の存在を無視した厳しい側の
条件を採っても酸素濃度がほぼ５％以下であれば直接反
応を回避できる。そこで、請求項２記載の発明のよう
に、検出モル分率の一定レベルの上限を２％としても、
水素と酸素の直接反応の危険性を余裕を持って回避でき
るとともに、その下限を０．５％とすることにより、反
応ガスの供給量が少ない軽負荷運転状態においてりん酸
補給時期を早期に判定し過ぎることを防ぎ、かつ外部雑
音などの影響を受けずにマトリックス中りん酸の不足状
態を的確に検知してりん酸補給時期を決定することがで
きる。
【００１３】また、請求項３記載の発明では、りん酸型
燃料電池が、空気側マニホールドから排出される空気オ
フガス中に含まれる水素のモル分率を検出する水素濃度
検出器と、この水素濃度検出器の検出モル分率が一定レ
ベルを越えたとき、りん酸リザーバーへのりん酸補給を
指令する信号を外部の補給装置に向けて出力する判断部
とを備えることにより、運転状態のりん酸型燃料電池の
マトリックス中りん酸の不足状態を空気オフガス側で的
確に検知してりん酸補給時期を決定することができる。
燃料電池が、空気側マニホールドから排出される空気オ
フガス中に含まれる水素のモル分率を検出する水素濃度
検出器と、この水素濃度検出器の検出モル分率が一定レ
ベルを越えたとき、りん酸リザーバーへのりん酸補給を
指令する信号を外部の補給装置に向けて出力する判断部
とを備えることにより、運転状態のりん酸型燃料電池の
マトリックス中りん酸の不足状態を空気オフガス側で的
確に検知してりん酸補給時期を決定することができる。
【００１４】さらに、請求項４記載の発明では、りん酸
型燃料電池が、燃料側マニホールドから排出される燃料
オフガス中に含まれる酸素のモル分率を検出する酸素濃
度検出器と、この酸素濃度検出器の検出モル分率が一定
レベルを越えたとき、りん酸リザーバーへのりん酸補給
を指令する信号を外部の補給装置に向けて出力する判断
部とを備えることにより、運転状態のりん酸型燃料電池
のマトリックス中りん酸の不足状態を燃料オフガス側で
的確に検知してりん酸補給時期を決定することができ
る。
型燃料電池が、燃料側マニホールドから排出される燃料
オフガス中に含まれる酸素のモル分率を検出する酸素濃
度検出器と、この酸素濃度検出器の検出モル分率が一定
レベルを越えたとき、りん酸リザーバーへのりん酸補給
を指令する信号を外部の補給装置に向けて出力する判断
部とを備えることにより、運転状態のりん酸型燃料電池
のマトリックス中りん酸の不足状態を燃料オフガス側で
的確に検知してりん酸補給時期を決定することができ
る。
【００１５】
【実施例】以下この発明を実施例に基づいて説明する。
なお、従来例と同じ参照符号を付けた部材は従来例のそ
れと同じ機能をもつので、その説明を省略する。図１は
この発明の一実施例になるりん酸型燃料電池の要部を模
式化して示す構成図であり、図を参照しつつりん酸型燃
料電池の運転方法およびその装置を併せて説明する。図
において、燃料電極４，空気電極５およびその間に挟持
されてりん酸を保持するマトリックス３からなる単位セ
ル２と、ガス不透過性のセパレータ８との積層体からな
るスタックは、単位セル２とセパレータ８との間に介装
されて単位セルとの間に互いに直交する方向の燃料通路
７Ｆおよび空気通路７Ａを保持し，かつマトリックス３
で不足するりん酸を補給する一対のリブ付きのりん酸リ
ザーバー６Ｆ，６Ａと、燃料通路７Ｆおよび空気通路７
Ａに燃料ガス９Ｆおよび反応空気９Ａをそれぞれ給排出
する図示しない燃料側マニホールド１１と、空気側マニ
ホールド１２Ａin，１２Ａout とを備える。また、空気
オフガス９Ａoff の排気配管２２には、分岐した採取配
管２３を介してリークガス濃度検出器としての水素濃度
検出器２４が連結され、この水素濃度検出器の検出モル
分率が、その出力側に接続された判断部２５で、設定器
２６に予め設定された一定レベルの設定モル分率と比較
される。
なお、従来例と同じ参照符号を付けた部材は従来例のそ
れと同じ機能をもつので、その説明を省略する。図１は
この発明の一実施例になるりん酸型燃料電池の要部を模
式化して示す構成図であり、図を参照しつつりん酸型燃
料電池の運転方法およびその装置を併せて説明する。図
において、燃料電極４，空気電極５およびその間に挟持
されてりん酸を保持するマトリックス３からなる単位セ
ル２と、ガス不透過性のセパレータ８との積層体からな
るスタックは、単位セル２とセパレータ８との間に介装
されて単位セルとの間に互いに直交する方向の燃料通路
７Ｆおよび空気通路７Ａを保持し，かつマトリックス３
で不足するりん酸を補給する一対のリブ付きのりん酸リ
ザーバー６Ｆ，６Ａと、燃料通路７Ｆおよび空気通路７
Ａに燃料ガス９Ｆおよび反応空気９Ａをそれぞれ給排出
する図示しない燃料側マニホールド１１と、空気側マニ
ホールド１２Ａin，１２Ａout とを備える。また、空気
オフガス９Ａoff の排気配管２２には、分岐した採取配
管２３を介してリークガス濃度検出器としての水素濃度
検出器２４が連結され、この水素濃度検出器の検出モル
分率が、その出力側に接続された判断部２５で、設定器
２６に予め設定された一定レベルの設定モル分率と比較
される。
【００１６】水素濃度検出器２４には、水素ガス分析
計，半導体式水素検知器，接触燃焼式水素検知器，ガス
透過膜式水素検知器などが用いられ、水素濃度のモル分
率に相応した電気信号が出力される。設定器２６の設定
モル分率は、例えば１％に予め設定される。このように
構成されたりん酸型燃料電池１が運転中、空気オフガス
９Ａoff 中の水素のモル分率は水素濃度検出器２４によ
って監視され、その検出モル分率値が設定モル分率であ
る１％を越えると判断部２５がりん酸リザーバー６Ｆ，
６Ａへのりん酸補給を指令する信号２５Ｓを外部の補給
装置１０に向けて出力することにより、りん酸の補給時
期が決定される。また、指令信号２５Ｓを受けた例えば
サイフォン式のりん酸補給装置１０は、零状態の水頭差
を一定時間所定の水頭差に上げるよう構成することによ
り、りん酸型燃料電池の運転を停止することなくりん酸
リザーバーに不足したりん酸量を過不足なく補給するこ
とができる。さらに、水頭差を一定に保持した状態で、
補給タンクに補給量に見合う一定量のりん酸を供給する
よう構成しても良い。
計，半導体式水素検知器，接触燃焼式水素検知器，ガス
透過膜式水素検知器などが用いられ、水素濃度のモル分
率に相応した電気信号が出力される。設定器２６の設定
モル分率は、例えば１％に予め設定される。このように
構成されたりん酸型燃料電池１が運転中、空気オフガス
９Ａoff 中の水素のモル分率は水素濃度検出器２４によ
って監視され、その検出モル分率値が設定モル分率であ
る１％を越えると判断部２５がりん酸リザーバー６Ｆ，
６Ａへのりん酸補給を指令する信号２５Ｓを外部の補給
装置１０に向けて出力することにより、りん酸の補給時
期が決定される。また、指令信号２５Ｓを受けた例えば
サイフォン式のりん酸補給装置１０は、零状態の水頭差
を一定時間所定の水頭差に上げるよう構成することによ
り、りん酸型燃料電池の運転を停止することなくりん酸
リザーバーに不足したりん酸量を過不足なく補給するこ
とができる。さらに、水頭差を一定に保持した状態で、
補給タンクに補給量に見合う一定量のりん酸を供給する
よう構成しても良い。
【００１７】上述のように構成されたりん酸型燃料電池
のりん酸リザーバーに十分な量のりん酸を補給した後一
定出力で連続運転を開始し、りん酸の補給動作を監視す
るとともに、連続運転中定期的に反応ガス供給量および
出力電流を一定時間絞り、低出力状態でのりん酸の補給
動作も監視した。これは、一定量の水素透過量に対する
モル分率が空気オフガスの流量に依存し、空気オフガス
流量が少ない状態では高めの値を示し、高い検出感度が
得られるためである。実験の結果、連続運転中相当回数
の低負荷運転を経過した時点でりん酸補給動作が開始さ
れ、りん酸不足状態に起因するマトリックスのガス不透
過性の低下を的確に検出してりん酸リザーバーへのりん
酸補給を確実に行えることが判明した。
のりん酸リザーバーに十分な量のりん酸を補給した後一
定出力で連続運転を開始し、りん酸の補給動作を監視す
るとともに、連続運転中定期的に反応ガス供給量および
出力電流を一定時間絞り、低出力状態でのりん酸の補給
動作も監視した。これは、一定量の水素透過量に対する
モル分率が空気オフガスの流量に依存し、空気オフガス
流量が少ない状態では高めの値を示し、高い検出感度が
得られるためである。実験の結果、連続運転中相当回数
の低負荷運転を経過した時点でりん酸補給動作が開始さ
れ、りん酸不足状態に起因するマトリックスのガス不透
過性の低下を的確に検出してりん酸リザーバーへのりん
酸補給を確実に行えることが判明した。
【００１８】一方、燃料オフガス中の酸素を検出する場
合には、燃料出口マニホールド１１ＦOUT 側に酸素ガス
分析計，酸素ガスセンサなどの酸素濃度検出器を連結す
ることにより、前述の実施例におけると同様にりん酸不
足状態に起因するマトリックスのガス不透過性の低下を
早期に検出してりん酸リザーバーへのりん酸補給時期を
的確に検知できる。
合には、燃料出口マニホールド１１ＦOUT 側に酸素ガス
分析計，酸素ガスセンサなどの酸素濃度検出器を連結す
ることにより、前述の実施例におけると同様にりん酸不
足状態に起因するマトリックスのガス不透過性の低下を
早期に検出してりん酸リザーバーへのりん酸補給時期を
的確に検知できる。
【００１９】
【発明の効果】この発明のりん酸型燃料電池は前述のよ
うに、空気オフガス中の水素濃度，または燃料オフガス
中の酸素濃度を検出し、その検出濃度が水素の爆発限界
を基準にしてこれより低い一定判定レベルに達したと
き、りん酸リザーバーへのりん酸の補給を開始するよう
構成した。その結果、従来発電総量からりん酸の飛散量
を推定してりん酸の補給時期を決める方法、または無電
流状態で求めた燃料電池の発生電圧からりん酸の補給時
期を決める方法などに比べ、りん酸型燃料電池の運転
中，りん酸の補給時期を的確に検知することが可能にな
り、かつりん酸の補給も容易に自動化できるので、従来
技術で補給時期の判定が不正確なために問題になったり
ん酸の過剰供給による反応ガス通路の閉塞とこれに起因
する反応ガスの供給障害や、供給不足による電気化学反
応への支障や水素と酸素の直接反応などの問題点が排除
され、したがって保守が容易で、長期安定運転性能に優
れたりん酸型燃料電池を提供することができる。
うに、空気オフガス中の水素濃度，または燃料オフガス
中の酸素濃度を検出し、その検出濃度が水素の爆発限界
を基準にしてこれより低い一定判定レベルに達したと
き、りん酸リザーバーへのりん酸の補給を開始するよう
構成した。その結果、従来発電総量からりん酸の飛散量
を推定してりん酸の補給時期を決める方法、または無電
流状態で求めた燃料電池の発生電圧からりん酸の補給時
期を決める方法などに比べ、りん酸型燃料電池の運転
中，りん酸の補給時期を的確に検知することが可能にな
り、かつりん酸の補給も容易に自動化できるので、従来
技術で補給時期の判定が不正確なために問題になったり
ん酸の過剰供給による反応ガス通路の閉塞とこれに起因
する反応ガスの供給障害や、供給不足による電気化学反
応への支障や水素と酸素の直接反応などの問題点が排除
され、したがって保守が容易で、長期安定運転性能に優
れたりん酸型燃料電池を提供することができる。
【図１】この発明の一実施例になるりん酸型燃料電池の
要部を模式化して示す構成図
要部を模式化して示す構成図
【図２】りん酸リザーバーを備えた従来のりん酸型燃料
電池を模式化して示す斜視図
電池を模式化して示す斜視図
【図３】クロスフロー方式の従来のりん酸型燃料電池を
模式化して示す図
模式化して示す図
１ りん酸型燃料電池（スタック） ２ 単位セル ３ マトリックス ４ 燃料電極 ５ 空気電極 ６Ａ りん酸リザーバー（空気電極側） ６Ｆ りん酸リザーバー（燃料電極側） ７Ａ 空気通路 ７Ｆ 燃料通路 ８ セパレータ ９Ａ 反応空気 ９Ｆ 燃料ガス ９Ａoff 空気オフガス ９Ｆoff 燃料オフガス １０ りん酸補給装置 １１Ｆ 燃料マニホールド １２Ａ 空気マニホールド ２２ 排気配管 ２３ 採取配管 ２４ リークガス検出器（水素濃度検出器） ２５ 判断部 ２５Ｓ 指令信号 ２６ 設定器
Claims (4)
- 【請求項１】燃料電極，空気電極およびその間に挟持さ
れてりん酸を保持するマトリックスからなる単位セルと
ガス不透過性のセパレータとの積層体からなるスタック
が、前記単位セルとセパレータとの間に介装されて単位
セルとの間に互いに直交する方向の燃料通路および空気
通路を保持し，かつマトリックスで不足するりん酸を補
給する一対のりん酸リザーバーと、前記燃料通路および
空気通路に燃料ガスおよび反応空気をそれぞれ給排出す
る燃料側マニホールドおよび空気側マニホールドとを備
えたりん酸型燃料電池の運転方法であって、前記燃料側
マニホールド，空気側マニホールドのいずれか一方から
排出される排ガス中に含まれる他方のガス成分のモル分
率を監視し、検出したモル分率が一定レベルを越えたと
き、前記りん酸リザーバーが保持するりん酸量が不足し
たものと判断し、このりん酸リザーバーへのりん酸の補
給を外部の補給装置に指令することを特徴とするりん酸
型燃料電池の運転方法。 - 【請求項２】請求項１記載のりん酸型燃料電池の運転方
法において、検出モル分率の一定レベルが０．５％から
２％の範囲にあることを特徴とするりん酸型燃料電池の
運転方法。 - 【請求項３】燃料電極，空気電極およびその間に挟持さ
れてりん酸を保持するマトリックスからなる単位セルと
ガス不透過性のセパレータとの積層体からなるスタック
が、前記単位セルとセパレータとの間に介装されて単位
セルとの間に互いに直交する方向の燃料通路および空気
通路を保持し，かつマトリックスで不足するりん酸を補
給する一対のりん酸リザーバーと、前記燃料通路および
空気通路に燃料ガスおよび反応空気をそれぞれ給排出す
る燃料側マニホールドおよび空気側マニホールドとを備
えたりん酸型燃料電池において、前記空気側マニホール
ドから排出される空気オフガス中に含まれる水素のモル
分率を検出する水素濃度検出器と、この水素濃度検出器
の検出モル分率が一定レベルを越えたとき前記りん酸リ
ザーバーへのりん酸補給を指令する信号を外部の補給装
置に向けて出力する判断部とを備えたことを特徴とする
りん酸型燃料電池。 - 【請求項４】燃料電極，空気電極およびその間に挟持さ
れてりん酸を保持するマトリックスからなる単位セルと
ガス不透過性のセパレータとの積層体からなるスタック
が、前記単位セルとセパレータとの間に介装されて単位
セルとの間に互いに直交する方向の燃料通路および空気
通路を保持し，かつマトリックスで不足するりん酸を補
給する一対のりん酸リザーバーと、前記燃料通路および
空気通路に燃料ガスおよび反応空気をそれぞれ給排出す
る燃料側マニホールドおよび空気側マニホールドとを備
えたりん酸型燃料電池において、前記燃料側マニホール
ドから排出される燃料オフガス中に含まれる酸素のモル
分率を検出する酸素濃度検出器と、この酸素濃度検出器
の検出モル分率が一定レベルを越えたとき前記りん酸リ
ザーバーへのりん酸補給を指令する信号を外部の補給装
置に向けて出力する判断部とを備えたことを特徴とする
りん酸型燃料電池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7210322A JPH0963610A (ja) | 1995-08-18 | 1995-08-18 | りん酸型燃料電池の運転方法およびその装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7210322A JPH0963610A (ja) | 1995-08-18 | 1995-08-18 | りん酸型燃料電池の運転方法およびその装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0963610A true JPH0963610A (ja) | 1997-03-07 |
Family
ID=16587512
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7210322A Pending JPH0963610A (ja) | 1995-08-18 | 1995-08-18 | りん酸型燃料電池の運転方法およびその装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0963610A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2003042678A1 (fr) * | 2001-11-15 | 2003-05-22 | Riken Keiki Co., Ltd. | Capteur de gaz |
| JP2006120408A (ja) * | 2004-10-20 | 2006-05-11 | Toyota Motor Corp | 燃料電池システム |
-
1995
- 1995-08-18 JP JP7210322A patent/JPH0963610A/ja active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2003042678A1 (fr) * | 2001-11-15 | 2003-05-22 | Riken Keiki Co., Ltd. | Capteur de gaz |
| US7479255B2 (en) | 2001-11-15 | 2009-01-20 | Riken Keiki Co., Ltd. | Gas sensor |
| JP2006120408A (ja) * | 2004-10-20 | 2006-05-11 | Toyota Motor Corp | 燃料電池システム |
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