JPS5834574A - 燃料電池 - 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】 本発明は酸性電解質を電解質とする燃料電池に係り、特
に空気極で生成する水分の好適な排出を考慮した空気極
に送る空気流量に関する。

燃料電池１の原理図は第１図に示すようで、燃料極２と
酸化剤極例えば空気極３とその間に電解質４を介在させ
たものからなり、燃料極２に燃料を送るだめの燃料室５
と空気極３に酸化剤（酸素を含むガスで一般に空気が多
用されるので負極を空気極と呼んでいる）を送るだめの
空気室６が組み合わされている。

従来、常温付近の温度で運転される燃料電池は電解質に
アルカリを用いるもので、メタノールを燃料とした場合
を例にとると反応式が次式で示される。

空気極３では ２０□＋４Ｎ（２０＋８Ａ→８０Ｈ−・・・・・・・・
・（１）燃料極２では ＣＨｓ　ＯＨ＋　８０Ｈ−→ＣＯｓ’−＋　６Ｈ２０＋
　８　ｅ　−−（２１以上の電池反応であるため、空気
極３では（１）式であられされ、水を消費するので送風
される空気流量を酸化剤として必要な量に制限してむし
ろ水の蒸発を防ぐことが必要である。

また、酸性電解質（りん酸）の燃料電池では高温（１９
０ｔ：”以上）で運転される水素−空気の燃料電池があ
る。この反応式は次式で示される。

燃料極２では Ｈｚ→２Ｈ”＋２６　−−−−−・−・（３）空気極３
では したがって、空気極３では（４）式が示すように水が生
成する。

しかし、後述するように、温度が高いために酸化剤とし
て送る空気の飽和水蒸気圧が高く、酸化剤として必要な
空気を送ればよいものである。

以上述べたように、従来は空気極３における発電に必要
な酸化剤としての空気を送ればよかった。

しかし、酸性電解質を用いた燃料電池で常温付近で運転
するような場合には酸化剤として発電に必要よ空気はも
ちろん、それ以上に生成水排出に必要な空気を空気極に
送る必要がある。

もし、これの排出を行わないと、空気極３表面に水分が
たまり空気の侵入がそ害されるので酸化反応が進まなく
なる結果、電池特性の低下をきたす原因となる。

また、常温付近で使用する酸性電解質を用いた燃料電池
が検討された例はあるが、空気極３に送る空気量につい
て示された例はない。

本発明の目的は酸性電解質を用いる燃料電池において高
性能の状態で電池運転するだめの酸化剤極に送る最適空
気流量と調節手段をそなえた燃料電池を提供することに
ある。

本発明の特徴は、酸性電解質を含み、酸化剤極に酸素を
含むガスを供給して１００ｔ：”以下で電池反応を行わ
せるものにおいて、酸化剤極に供給する含酸素ガスの水
蒸気圧及び流量を、電池反応によって酸化剤極に生成す
る水分を酸化剤極から排出するのに充分であってかつ過
剰にならないように調節するようにした燃料電池にある
。

アルコールを燃料とする燃料電池、なかでもメタノール
を燃料とし、酸性電解質を用いる場合には第２図のよう
な原理図で示され、反応式は次式であられされる。

燃料極２では ＣＨ３０Ｈ十Ｈ２０→ＣＯ２＋６）（”　＋　５　ｅ　
−−−−（５）空気極３では ３／２０２＋６Ｈ”　＋６　ｅ−＋３ｌ−Ｉ２０　−　
（６）そこで、この空気極３で生成する水分を空気室６
に送る空気の水蒸気圧を利用して排出除去する必要があ
る。空気−極３で生成する水分Ｗはメタノール１モルに
対して３モル生成し、単電池当り、次式で示される量と
なる。Ｉ　（Ａ）は電池の出力電流である。

Ｗ＝５．６０Ｘ１０−３Ｉ（ｇ／ｍｉｎ　・セル）　、
、−・−（カ一方、空気極３で必要な酸素を供給するに
は次式で示される空気流量ＱＮｏ（標準状態における空
気流量）が必要である。

ＱＮＯ＝１．７３４Ｘ１０−２　Ｔ（ｔ／ｍ１ｎ−セｋ
　）　・（８）なお、（力、（８）式に示した電流■と
ＷやＱｏとの関係は（３）、　（４）式の場合にもあて
はまる式である。

そこで、（方式に示した生成水Ｗを空気室６に送る空気
の水蒸気圧を利用して排出する場合の空気流量ＱＮ１ｖ
について検討する。

温度Ｔ（摂氏Ｃ）において空気中の飽和水蒸気圧に於け
る水の密度ｇｗは文献（東京天文台編集、理科年表（１
９７９）、丸善株式会社）の引用から第３図の関係にあ
り（９）式の実験式が得られる。

ｇ、＝８．０５ｘ１０−’ｘｌＯ°・３１３ｔｇ、／ｌ
・・・・・・（９）したがって、（力、（９）式より空
気流量ＱＮｗ（標準状態における空気流量）は（１０）
式であられされる。

・・・・・・・・・（１０） ００）式で示される空気流量ＱＮＷ以上の空気を空気室
６に送ることにより空気極３で生成する水分を効果的に
除去排出できることになる。

ところで、実際には（８）式で示した空気が発電に必要
となる。そのだめ、高性能の状態で電池運転するだめの
空気室６に送る最適空気流量Ｑｓについて検討する。

温度Ｔが低い（８０，５ｔｒ以下）ときには、θ０）式
で示されるＱＮＷの他に酸化反応に必要な酸素が消費さ
れるためにこの分を追加して空気室６に供給する必要が
ある。この場合Ｑ、は次式であられされる。

ＱＮ：ＱＮｗ＋Ｑｓｏ１５　　・・・・・・・・・０１
）また、温度Ｔが高い（８０，５ｔＺ”以上）場合には
水蒸気圧が支配的となり、酸化反応に必要な空気を供給
すればよいので次式が与えられる。

Ｑ、　＝　ＱＮ、　　　・・・・・・・・・（１２）こ
れらの関係を図示すると第４図のようになる。

即ち、ＱＮ／Ｉ　　は実線で示される値である。

したがって、電池運転に必要な空気流量は０１）。

０２式で示されるＱＮ以上の流量ということになる。

以上の検討結果から、１００Ｃ以下の低温域で運転する
酸性電解質を電解質とする燃料電池では空気室６に供給
する空気流量を次式以上とすることによって高性能な運
転ができることになる。

ＱＮ＝＝５ｘｌＱ−０−３＋３Ｔ　　　Ｘ　■（４７ｍ
１ｎ−セル）　　・・−（１３１以下、本発明の一実施
例を第５図により説明する。同図は温度一定で燃料電池
を運転する場合を示す。負荷９に通ずる配線の一部から
取り出した電圧を送風機７の端子に接続することにより
、負荷電流に対応した送風機７の端子電圧が得られる。

この場合、０３）式に示した空気流量になるよう送風機
７の端子電圧を負荷電流にあわせて調節器８により調整
しておけば簡単に得られる。壕だ、直接調節器８より送
風機７の電圧端子に接続するのではなく、調節器８の電
圧信号によって作動する電圧回路をもうけてこれにより
送風機７を運転することもできる。この方式によって簡
単な回路で一定温度において負荷の変化にともなう空気
流量の制御が可能である。

第６図は本発明よりなる他の実施例で、電池の運転温度
Ｔと電池電流■が変わった場合にも対応して、α３）式
にしたがった風量ＱＮを制御できるようにした回路構成
を示す。

定電圧回路１０から負荷９に接続する一方、空気室６内
の温度（熱電対１２）と負荷電流の変化に対して送風機
７の端子電圧の制御可能な制御回路１１をもった構成よ
りなっている。

この方式を採用すれば、負荷の大幅な変化に対して最も
能率よく電池の運転が可能となる。もつとも制御回路が
増えるけれどもそれによるスペース等の増加は装置全体
からみれば極めて小さいものである。

なお、空気流量は０３）式で示した値以上であることに
より、きめ細かな制御は必要でなく実用的には送風機７
の端子電圧の数を数点にしぼってその間で制御すれば十
分目的が達せられる。

本発明によれば、空気極で生成する水分が効率よく排出
され、電極での酸化反応が効果的に進行し、電池特性が
高性能の状態で長時間運転可能となる。また、空気極に
おける水分排出に必要な空気流量の制御も簡単なもので
行える。

【図面の簡単な説明】

第１図は燃料電池の原理図を示す線図、第２図は酸性電
解質を用いた燃料電池の原理図を示す線図、第３図は空
気温度と空気中の飽和水蒸気の密度の関係を示すグラフ
、第４図は電池の空気室内空気温度と空気流量の関係を
示すグラフ、第５図及び第６図は本発明の実施例になる
燃料電池の空気流量調節構成図を示す線図である。 ７・・・送風機、８・・・調節器、９・・・負荷、１０
・・・定電第１　口 ￥、２■ Ｌ　％ｙ　　ラｊノｊ賑１じＣ） を気虹みｔ気１崖（・す

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、酸性電解質を含み、酸化剤極に酸素を含むガスを供
   給して、１００Ｃ以下で電池反応を行わせるものにおい
   て、酸化剤極に供給する含酸素ガスの水蒸気圧及び流量
   を、電池反応によって酸化剤極に生成する水分を酸化剤
   極から排出するのに充分でかつ過剰にならないように調
   節することを特徴とする燃料電池。 Ｚ　生成水排出に必要な含酸素ガスの流量ＱＮ（標準状
   態に換算）を燃料電池単セル当り電池の電流Ｉ　（Ａ）
   、空気室の温度Ｔ（摂氏Ｃ）に対して次式であられす量
   以上としたことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
   の燃料電池。 ｇ、、　＝５×１Ｏ−Ｊｊ１３Ｔ　　　×■（ｔ／ｍｉ
   ｎ　・セル）３、必要な含酸素ガスの流量を得るため、
   電池出力電流に応じて送風機の端子電圧を制御すること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の燃料電池。