JPS59149661A - 燃料電池発電装置 - 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】 〔発明の技術分野〕 本発明は、燃料電池発電装置に関する。

〔発明の技術的背景〕

燃料の有している化学エネルギーを直接電気エネルギー
に変換するものとして燃料電池が知られている。このよ
うな燃料電池は通常、電解質を挾んで一対の多孔質の電
極を配置すると共に一方の電極の背面に水素等の燃料ガ
スを接触させ、また他方の電極の背面に酸化剤として空
気に含まれる酸素を接触させ、このときに起こる電気化
学反応によシ発生する電気エネルギーを、上記一対の電
極から取出すようにしたものである。上記において電解
質としては、溶融塩・アルカリ溶液・酸性溶液等が用い
られ、特に代表的なものとしてはリン酸が用いられてい
る。

以下第１図を参照して上記リン酸を電解質としたリン酸
形の燃料電池の原理について説明する。第１図において
ｌは繊維質シート或いは鉱物質粉末にリン酸を含浸した
電解質である。この電解質ｌにはアノードとしての電極
２Ａ、カソードとしての電極２Ｂが対向して設置されて
して白金が塗布されている。また電極２Ａ。

２Ｂの他方面には、水素等の燃料ガスが流入する部屋で
ある燃料ガス供給室３と、酸化剤として空気が流入する
部屋である空気供給室４とが対向して設けられている。

このような構成の燃料電池は、燃料ガス供給室３に流入
した燃料ガスが多孔状の電極２人の肛 空隙部位に拡散し、電極２ＡのＷ媒に達する。

ここで燃料ガスに含まれる水素は触媒の作用により水素
イオンと電子に電離する。反応式で表わすと Ｈ２−）２１（＋＋２８でアル。

水素イオ７２Ｈ＋は電解質ｌに入り、起電圧の作用と濃
度拡散によシミ極２Ｂに向って泳動する。

一方、電子２ｅは電極２Ｂに到達し、電極２Ｂを負電位
に課電する。電極２Ｂの触媒面では、上記水素イオン２
Ｈ＋と、空気供給室４に供給され多孔状の電極２Ｂの空
隙部を通った酸素と、電極２Ａから外部の電力負荷Ｒを
通って、電極２Ｂに来た電子とが反応を起こす。反応式
で表わすと ４Ｈ＋４ｅ＋０→２Ｈ２０ となる。ここで水素が酸化されて水になる反応と、この
ときの化学エネルギーが電気エネルギーに変換反応とが
発生し、上記電気エネルギーは電力負荷Ｒにて消費され
る。このとき、電気エネルギーの一部は、電解質ｌの中
で、燃料電池の内部抵抗により消費される。従って燃料
電池の効率を高めるために、電解質ｌは極めて薄く設計
され、水素イオンの泳動距離を短かくし、内部抵抗を小
さくするようになっている。また原料として供給される
燃料ガス及び空気は、通常においては数気圧に加圧され
たものが用いられ、反応速度を速め、効率の向上を図っ
ている。

〔背景技術の問題点〕

上記燃料電池において燃料ガスとしては天然ガス（主成
分がメタン；ＣＨ４）等を改質したものを用い、その組
成は約水素Ｈ２１ｓ　ｏ　％　、二酸化炭素Ｃ０２；２
０％である。一方酸化剤ガスとしては、通常においては
空気を用いるので約酸素０２；２０チ、窒素Ｎ２；　８
０チである。また燃料電池においては、燃料ガスに含ま
れる水素と酸化剤ガスとして空気に含まれる酸素とから
なる供給ガスの利用率、即ち 供給、ｆ、、、’ｏ　ＮＩＪ　用”４−人口がス濃度−
出ロガス濃度−ロガス、 によって燃料電池の特性は変化する。これは例えば第２
図（ａ）　（ｂ）に示すように、通常の運転においては
、水素オリ用率が８０％、酸素利用率が７０９６にて運
転される。

一方、燃料電池は最終的には下記式に示すように、 ２Ｈ２＋０２→２Ｈ２０＋簡、流電力十熱が起る。即ち
水素Ｈ２と、酸素０２とが反応して、水Ｈ２０と直流電
力と熱とを構成する反応が行なわれる。従って第１図に
示した燃料ガス供給室３の入口での燃料ガスの流量を１
００としたときの燃料電池の各部の流量は、定格運転時
には上述した燃料ガスと空気との組成、及び上記供給ガ
スの利用率を考慮すると、第１表のように表わせる。

第　　１　　表 注１；生成水を除いた場合であシ、生成水を含んだ場合
は（）内の数値である。

第１表に示されるように、空気は入口側から出口側にて
２００から１７２に若干減少する。この場合、生成水の
大部分が空気とともに流出することを考慮すると、２０
０から２３６へとむしろ増加することになる。しかしな
がら、燃料ガスは、入口側から出口側にて１００から３
６へと約６０％減少する。

上記は定格運転の場合であるが、定格の半分で運転され
る場合は、入口側流量は半分となシ、また出口側流量は
２０チ以下に低下する。従って燃料ガス側の電極２Ａに
形成された流路溝における流量分布に差が生じる。

以下上記について第３図を参照して説明する。

第３図は第１図に示しだ燃料電池の原理に基づいた燃料
電池発電装置の概略を示している。第３図において、空
気は、タービンコンプレッサー　（Ｔ／Ｃ）のコンプレ
ッサ部５により加圧されて、空気入口マニホールド６に
入り、図示方向に流通溝が形成された電極７Ａを通って
空気出口マニホールド８に至シ、タービンコン７’Ｌ／
ツサ（Ｔ／Ｃ）のタービン部９に至る。また燃料ガスは
、改質器１０により改質され、燃料ガス入口マニホール
ド１１に入シ、図示方向に流通溝が形成された電極７Ｂ
を通って燃料ガス出口マニホールド１２に至シ、改質器
バーナ１３へと至る。

上記において空気供給部は、タービンコンプレッサーに
より流量は十分であるが、燃料ガス供給部は、定格運転
時に、入口にて半分の流量でアシ、出口にて２０チ以下
の流量であるので、電極６に、６Ｂに形成された流通溝
によシ圧力が変化し、第３図に示すように燃料ガスの通
流方向が一方側に寄ってしまう。従って燃料の片寄シの
ため、電極６に、６Ｂの面積は実質的に減少したことに
なシ、燃料電池発電装置としての特性低下を招くことに
なった。

〔発明の目的〕

本発明は上記事情に基づいてなされたもので、燃料ガス
及び酸化剤ガスの通流の片寄シを無くし、もって良好な
特性を発揮し得る燃料電池発電装置を提供することを目
的とする。

本発明による燃料電池発電装置は、単重池中複数個を積
層して々る電池本体を複数個の電池ブロックに分割する
とともに、燃料ガス入口・出口マニホールド及び酸化剤
ガス入口・出口マニホールドのうち少なくとも一方を、
前記電池本体の各電池ブロックに対応させて分割して、
前記燃料ガス或いは酸化剤ガスが前記電池本体の各電池
ブロックに順次流通して供給されるようにして、上記目
的を達成するようにしている。

〔発明の実施例〕

以下本発明の一実施例を図面を参照して説明する。第４
図は本発明による燃料電池発電装置の一実施例を示す部
分断面図である。第４図において、ノ４は、脚座１５に
よシ支持されたタンクである。このタンク１４内には、
燃料ガス入口マニホールド１６、燃料力゛ス出ロマニホ
ールドＪ７が両側に設置された電池本体１８が、支持碍
子１９により収納・支持されている。

上記燃料ガス入口マニホールド１６の下部には開口部２
０が設けられ、この開口部２０には燃料ガス供給管２ノ
の一端が接続され、その他端は、タンク１４の外部に導
出され、図示しない改質器に接続されている。一方、上
記燃料ガ゛ス出ロマニホールド１７の上端部には開口部
２２が設けられ、この開口部２２け燃料ガス排出管２３
の一端が接続され、その他端はタンク１４の外部に導出
され図示し々い改質器のバーナ燃料とするためのバーナ
部に接続されている。

上記電池本体１８は、第１図に示したような電解質１及
び電極、？Ａ、、？Ｂからなる単電池を複数個積層して
なるものであシ、積層部には、複数の絶縁材からなる分
割板２４ＡＩ２４Ｂｔ２４Ｃ，２４Ｄが単電池数個毎に
介挿され、第１乃至第５の電池ブロック２５に、２５Ｂ
。

２５Ｃ，２５Ｄ、２５Ｅが形成されている。そして電池
本体Ｊ８の下、上部には、下、上部端板２６に、２６Ｂ
が取付けられている。

壕だ電池本体Ｊ８の両側に設置された燃料ガス入口マニ
ホールド１６及び燃料ガス出口マニホールド１７は、燃
料ガス供給管２１から流した燃料ガスが、電池本体１８
の第１乃至第５の電池ブロック２５に乃至、？５Ｅに対
し、順に直列流通するように、夫々第１乃至第５の分割
部屋２６に乃至２６Ｅ及び２７Ａ乃至２７Ｅが形成され
ている。

上記燃料ガス入口マニホールド１６の第１乃至第５の分
割部屋２６に乃至２６Ｅは、燃料ガス入口マニホールド
１６の内部に、分離板２８としきい板２９とを、電池本
体１８の分割板２４に乃至２４Ｅの設置位置に対応して
下部の方から順に設けた構成である。

また燃料出口マニホールド１７の第１乃至第５の分割部
屋２７に乃至２７Ｅは、燃料ガス出ロマニホールドノ７
の内部に、しきい板２９と分離板２８とを、電池本体１
８の分割板２４ｆｉ。

乃至２４Ｅの設置位置に対応して、下部の方から順に設
けた構成である。

また第４図においては、電池本体１８に対し、紙面前後
方向側には、空気供給管が接続された空気入口マニホー
ルド及び空気排出管が接続された空気出口マニホールド
が設置されている。

ここで上記空気入口マニホールド及び空気出口マニホー
ルドは分割構造が形成されていないものとする。なお、
各電池ブロック２５に乃至２５Ｅの夫々の単電池は電気
的に直列接続されている。

次に上記のように構成された本災施例の作用について説
明する。即ち、図示しない改質器から流出した燃料ガス
は、燃料ガス供給管２ノを介して燃料ガス入口マニホー
ルド１６の第１の分割部屋２６ｋに流入する。このとき
第１の文割部屋２６ｋには、電池本体１８全体に対する
燃料ガスが流入するので、電池本体１８の各電池ブロッ
ク２５に乃至２５Ｅの１個に対し、５倍の流量で流入す
る。上記第１の分割部屋２６ｋから出た燃料ガスは電池
本体１８の第１の電池ブロック２５ｋを通って燃料ガス
出口マニホールドの第１の分割部屋２７Ａに流入する。

第１の分割部屋、？７Ａに流入した燃料ガスは、流速が
低下し、しきい板２９を越して燃料ガス出口マニホール
ド１７の第２の分割部屋２７Ｂに流入して、電池本体１
８の第２の電池ブロック２５Ｂに流通した後、燃料ガス
入口マニホールド１６の第２の分割部屋２６Ｂに流入す
る。

上記のように、燃料ガス入ロマニホールドノ６及び燃料
ガス出口マニホールド１２の各分割部屋２６に乃至２６
Ｆ、及び２７Ａ乃至２７Ｅによシ、電池本体ノ８の各゛
電池ブロック２５Ａ乃至２５Ｅに対し、順次燃料ガスは
直列流通し、燃料ガス出ロマニホールドノ７の第５の分
割部屋、？７Ｅから、燃料ガス排出管２３を介して図示
しない改質器のバーナ部に至っている。

また図示しないが、電池本体１８の各電池ブロック２５
Ａ乃至２５Ｅに対しては図示しない空気供給管、空気木
目マニホールド及び空気排出管、空気出口マニホールド
により必要量の空気が供給されている。

上記において電池本体Ｊ＆の各電池ブロック２５Ａ乃至
２５Ｅの１つの電池ブロック１つへの燃料ガスの供給量
を１００とすると、上記第１乃至第５の電池ブロック、
？５Ａ乃至２５Ｅへ（７）　燃料ｔ！スの流量は、燃料
ガス入ロマニボールド１６の第１乃至第５の分割部屋２
６Ａ乃至２６Ｅ及び燃料ガス出ロマニボールドｊ７の第
１乃至第５の分割部屋２７Ａ乃至２７Ｅにて、第２表に
示されるようになる。ただし、説明を簡単にするために
第１乃至第５の電池ブロック２５に乃至２５Ｅの電流分
担には差が無いものとする。

第２表 １ 第２表に示される如く、第５の電池ブロック２５Ｅの出
口側流量は、燃料ガス供給部を並列流通するように構成
した場合即ち、燃料ガス入口マニホールド１６及び燃料
ガス出ロマニボールド１７を分割構造としない場合と同
様に、１コ分の流ｆｆ１ｌｏｏと同一となる。従って各
電池ブロック、？５Ａ乃至２５Ｅには十分な流量の燃料
ガスが夫々流通の片寄シが無く、供給されることになる
。

次に第４図に示した燃料電池発電装置の電気出力につい
て第５図を参照して説明する。第５図は各電池ブロック
２５に乃至２５Ｅにおける水素利用率に対する電気出力
の特性を示す特性図である。第５図においてＰは、電池
ブロック２５Ａ乃至２５Ｅからなる燃料電池発電装置に
おける水素利用率に対する電気出力の特性曲線である。

第５図に示すように、第１の電池ブロック２５Ａは、燃
料ガス供給管２ノに最も近接して設けられているので、
供給される水素全体に対し、利用率はｎｌであるが、そ
の特性点はｆｌという高値となり電気出力ｐ、となる。

第２の電池ブロック２５Ｂは上記第°１の電池ブロック
２５Ａの下流側に設けられているので水素利用率ｎ２は
ｎｚ＞ｎｌであシ、その特性点はｆｚ（ｆｚ（ｆｌ）と
なり、電気出力Ｐ２（Ｐ２〈Ｐｌ　）となる。このよう
に順次水素利用率ｎ１＜ｎ２＜ｎｓ　（ｎ４（ｎ４　（
８０チ）に対応し、特性点ｆｘ　＞ｆｚ　〉ｆｓ　＞ｆ
４＞ｆｓとなシ、電気出力Ｐ　１＞　Ｐ　２＞　Ｐ　ｓ
　＞　Ｐ　４　＞　Ｐ　５となる。

従って各電池ブロック２５に乃至２５Ｅを積層して電池
本体ノ８を有した燃料電池発電装置は、全体の電気出力
は、特性点ｆ２〜ｆ３近傍の出力特性が得られる。

本発明は上記実施例に限定されるものではない。即ち、
空気入口マニホールド及び空気出口マニホールドも、第
４図に示すように分割構造を採用し１、各電池ブロック
２５に乃至２５Ｅに対して直列流通するようにして、空
気の流通に際しての片寄シを無くすよう構成してもよい
。

このように構成によれば、第２図（ｂ）に示す酸素利用
率、即ち空気利用率の上昇に伴い、流量及び温度の十分
な空気の確保が保証され、化学反応速度の上昇による電
池特性の急激な低下はぎ 解消される。第Ｖ図は電池ブロック２５に乃至２５Ｅに
対し燃料ガス供給部と酸化剤ガス供給部とを共に直列流
通するように、各マニホールドを分割構造とした場合Ｍ
と、燃料ガス供給部と酸化剤ガス供給部とを共に並列流
通するように、分割構造を採用しないマニホールドを用
いた場合Ｎとの電流、電圧特性を示したものである。図
に示されるように、定格電流Ｉｒを出力するに、直列流
通の場合は■２、並列流通の場合はＶｌ　（Ｖ２　＞Ｖ
ｌ　　）となシ、特性の向上が図られることがわかる。

更に上記実施例の他に、本発明では、鴫池本体ノ８の分
割数は、５段に限定されるものではなく、マニホールド
内部の分割部屋数に対応するならば、いくつであっても
よい。また、燃料力゛ス供給部及び酸化剤ｆス供給部に
冷却装置を介挿し、燃料ガス及び空気を冷却して、各電
池ブロック２５Ａ乃至２５Ｅに設けられている冷却板を
間接的に冷却させることも可能である。更　　４゜に電
池ブロック２５に乃至２５Ｅ間に、燃料ガス及び空気を
補助的に供給するようにして、後段の特性を向上させる
ようにしてもよい。また二酸化炭素除去装置等の補助装
置を介挿させて各電池ブロック２５に乃至２５Ｅに供給
される燃料ガス及び空気の改質及び濃度の調整を行なう
ようにしてもよい。この他本発明は、その要旨を変更し
ない範囲で種々変形して実施できる。

〔発明の効果〕

以上述べたように本発明によれば、電池本体を複数個の
電池ブロックに分割するとともに、燃料ガス及び酸化剤
ガス入口・出ロマニボールドのうち少なくとも一方を、
前記電池本体の各電池ブロックに対応させて分割して、
前記燃料ガス或いは酸化剤ガスが前記電池本体の各電池
ブロックに順次流通して供給するようにしたので、燃料
ガス及び酸化剤ガスの通流の片寄りを無くして、もって
良好な発電特性が発揮可能な燃料電池発電装置が提供で
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は燃料電池の原理を説明するだめの図、第２図（
、）　（ｂ）は、燃料電池の燃料ガス及び空気の利用率
と電池特性との関係を示す特性図、第３図は、従来の燃
料電池発電装置を示す構成図、第４図は本発明による燃
料電池発電装置の一実施例を示す構成図、第５図は同実
施例の作用を示す等性図、第６図は本発明の他の実施例
の作用を示す特性図である。 １４・１．タンク、Ｊ５・・・脚座、ｌ、６・・・燃料
ガス入口マニホールド、Ｊ７・・・燃料ガス出口マニホ
ールド、１８・・・電池本体、１９・・・支持碍子、２
０゜２２・・・開口部、２１・・・燃料ガス供給管、２
３・・・燃−”料ガス排出管、２４に乃至２５Ｅ・・・
分割板、２５Ａ乃至２５Ｅ・・・電池ブロック、２６Ａ
。 ２６Ｂ・・・下、上部端板、２６Ａ乃至２６Ｅ。 ２７Ａ乃至°２７Ｅ・・・分割部屋、２８川分離板、２
９・・・しきｈ板。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 燃料ガス入口・出口マニホールド及び酸化剤ガス人口喝
   出ロマニホールドにより、単電池複数個を積層してなる
   電池本体に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給し、この供給
   された燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により直
   流電力を発生させる燃料電池発電装置において、前記電
   池本体を複数個の電池ブロックに分割するとともに、前
   記燃料ガス入口・出口マニホールド及び酸化剤ガス入口
   ・出口マニホールドのうち少なくとも一方を、前記電池
   本体の各電池ブロックに対応させて分割して、前記燃料
   ガス或いは酸化剤ガスが前記電池本体の各電池ブロック
   に順次流通して供給されるようにしたことを特徴とする
   燃料電池発電装置。