JPS59149663A

JPS59149663A - 燃料電池発電装置

Info

Publication number: JPS59149663A
Application number: JP58015144A
Authority: JP
Inventors: Hideomi Takahashi; 秀臣高橋
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1983-02-01
Filing date: 1983-02-01
Publication date: 1984-08-27

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、複数の燃料電池スタックからなる燃料電池発
電装置に関する。

〔発明の技術的背景〕

燃料の崩している化学エネルギーを面接電気工ネルキー
に変換するものとして、燃料電池が知られている。この
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ｌこ水素等の燃料ガ
スを接触させ、また他方の電極の背面に酸化剤カスとし
て空気に含まれる酸素を接触させ、このときζこ起こる
電気化学反応により発生する電気エネルギーを、上記一
対の電極から取出すよう（こしたものである。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ｌこ代表的なものさしてはリン酸が用
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て用い
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、Ｉ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Ｊには、アノード
としての１極２に、カソードとしての電極２Ｂが対向し
て設置されている。この電極２Ａ　、２Ｂは、多孔の炭
素質からなり、電解質Ｉ（こ接する一方の面には触媒と
して白金が塗布されている。また電極２に、２Ｂの他方
の面には、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、酸化剤ガスとしての空気が流入する部
屋であ・る突気供給室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においては、燃料ガス供給室
３に流入した燃料ガスとしての水素ガスが多孔状の電極
２Ａの空隙部位に拡散し、電極２人の触媒に達する。こ
こで水素ガスは触媒の作用により水素イオンと電子ζこ
電離する。

これを反応式で表わすさＨ２→２Ｈ＋２ｅとなる。水素イオン２Ｈ＋は電解質１
に入り、起電圧の作用とＡ４度拡散０こより電極、？Ｂ
ｌこ向って泳動する。一方、成子２ｅは電極２８１こ到
達し、電極２Ｂｆ負電位ζこ課電する。電極２Ｂの触媒
面では、上記水素イオン２Ｈと、燃料カス供給室４ｒこ
供給され多孔性の電極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。こｆ′Ｌを反応式でここで水素
か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する反応さが発生し、上記電
気工ネルキーは電力負荷ＲＪこて消費される。このとき
、電気工ネルキーの一部は、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１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水素ガス及
び突気は、通常において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
組成は約水索Ｈ２；８０％。

二酸化炭素ＣＯ２；２０％である。一方酸化剤としては
、通常ζこおいては空気を用いるので約酸素０．；２０
％、窒素Ｎ２・；８０％である。また燃料電池において
は、燃料カスとしての水素ガスと、酸化剤カスとしての
酸素カスとの供給ガスの利用率、即ち出口カス濃度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）ζこ示すように、通常の運転にお
いては、水素利用率が８０％、酸素オＩＪ用率が７０％
にて運転される。

一方、ｆ和′イ池は最終的には、（１）式（こ示すよう
　に２Ｈ２＋ｏ、、−２Ｈ２０＋［流′祇カ十熱　　−−−
（］、）水素Ｈ２と酸素ｏ２さが反応して、水Ｈ２０と
直流電力と熱とを生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１００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カスと酸化剤ガスと
しての全体との組成、及び上記供給ガスの利用率を考慮
すると、第１表のよう（こ表わされる。

第　　１　　表（注１）；生成水を除いた場合であり、生成水を含んだ
場合は０内の数値である。

第１表（こ示されるようｃ乙突気は入口側から出口側Ｏ
こて２００から１７２に若干減少する。

この場合、生成水の大部分が突気とともに流出すること
を考慮すると、２００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３６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９転さ
れる場合は、入口側流量は半分となり、才た出口側流量
は２０％以下に低下する。従って燃料カス側の電極２Ａ
に形成された流路溝における＃、貴分布に差が生じる。

以下上記について、第３図を参照して詳細（こ説明する
。第３図は、第１図に示した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図ことおい
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（こより加圧されて、突気入ロマニホールド
６に入り、図示矢印方向ζこ流通溝が形成された電極７
Ａを通って突気出ロマニホールド８に至り、タービンコ
ンプレッサ（Ｔ／Ｃ）のタービン部９に戻る。また燃料
ガスは、改質器１０４こより改質され、燃料カス入口マ
ニホールド））に入り、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に全り
、改質器バーナへと戻る。

上記において空気系は、タービンコンプレッサーにより
流量は十分であるが、燃料ノｊスは、短絡運転時（こ、
入口にて半分の浦、葦であり、出口にて２０％以下の流
量であるので、電極６Ａ。

６Ｂに形成された流通溝により圧力が変化し、第３図Ｏ
こ示すようζこ燃料ガスの通流方向が一方側に寄ってし
まう。従って燃料ガスの通流の片寄りのため、電極６Ａ
、６Ｂの面積は実質的に減少したことになり、燃料電池
発電装置としての特性低下を招くことになる。

〔発明の目的〕

本発明は、上記事情ζこ基づいてなされたもので、・燃
料ガス及び酸化剤カスの通流の片寄りを無くし、もって
良好な発電特性を発揮することが可能な燃料電池発電装
置を提供することを目的とする。

〔発明の概要〕

本発明による燃料電池発電装置は上記目的を達成するた
めに以下の如く構成したことを特徴としている。即ち、
複数の燃料電池スタック全′ト気的ζこ直列接続してな
る電池本体に対し、燃料ガス及び酸化剤カスを供給・排
出する燃料ガス供給・排出部及び酸化剤ガス供給・排出
部のうち少なくとも一方を、前記各燃料電池スタック相
互間に接続した構成としている。

〔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、本発明をこよる燃料電池発電装置の一実施例を
示す構成図である。第４図１こおいて、１４Ａ、１４Ｂ
、１４Ｃ，１４Ｄ。

１４Ｅは夫々、電気的Ｑこ直列接続された燃料電池スタ
ック（以下スタックと称する）であり、夫々空気流通溝
と燃料流通溝とが直交する如く形成された電極ｌｓＡ、
ｘｓ５１５ｃ、ｚｓＤ。

１５Ｅを有している。そして、夫々の突気入ロマニホー
ルド１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃ，１６Ｄ。

１６Ｅは空気供給管１７ζこより並列に連系され、ター
ビンコンプレッサ１８のコンプレッサ部１８Ａｌこ接続
されている。また、突気出ロマニホールド１９ｆｉ、、
１９Ｂ、１９Ｃ，１９Ｄ。

１９Ｅは夫々空気排出管２０＋こより並列に連系され、
混合器２１ｆ介してタービンコンブｌ／フサ１８のター
ビン部１８　Ｂｌこ接続されている。

更に、各スタック７５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃ。

１５Ｄ、１５Ｅの燃料ガス入口マニホールド２２１．２
２Ｂ、２２Ｃ，２２Ｄ、２２Ｅと燃料ガス出口マニホー
ルド２３Ａ　、　２３　Ｂ、２３Ｃ。

２３Ｄ、２３Ｅとは、互いに隣り合ったものどうしが直
列をこ連系されている。

第１のスタックＺ４Ａの燃料カス入口マニホールド２１
Ａ＆こは燃料ガス供給管２４がシフトコンバータ２５を
介して改質器２６の触媒部（Ｇａｔｅ）　２　（ｌｉＡ
＃こ接続されている。また、＄５のスタック１４Ｅの燃
料カス出口マニホールド２３Ｅは、燃料ガス排出管２７
により改質器２６のバーナ部２６Ｂに接続されている。

そして、改質６２６からの排出ガスは混合器２１に排出
されるように配管２８が設けられている。

上記において、燃料電池スタック１４Ａ。

１４Ｂ、１４Ｃ，１４Ｄ、１４Ｅ、は全体で電池本体を
構成している。また上記において、タービンコンプレッ
サ１８のコンプレッサ部１８１→空気供給管１７→電池
本体へと至る酸化剤ガスとしての空気の通流は酸化剤ガ
ス供給部をなし、電池本体→突気排出管２０→混合器２
）−→タービンフンプレツヤ１８のタービン部１８Ｉ３
へ♂至る酸化剤ガスとしての空気通流は酸化剤ガス排出
部をなしている。更に、改質器２６の触媒部２６Ａ→燃
料カス供給管２４→シフトコンバータ２５→燃料カス供
給管２４→電池本体へと至る燃料ガスの通流は燃料ガス
供給部をなし、電池本体→改質器２６のバーナ部２６Ｂ
→配管２８→混合器２１→タービンコンプレッサ１８の
タービン部１８Ｂへと至る燃料ガスの通流は燃料ガス排
出部をなしている。

次に、上記のように構成さ扛た本実施例の動作について
述べる。先ず酸化剤カス供給−排出部においては、ター
ビンコンプレッサ１８のコンプレッサ部１８Ａから供給
さｎた圧高空気は、空気供給管１７を介して、各スタッ
ク２４Ａ。

１４Ｂ、１４Ｃ，１４Ｄ、１４Ｅの窒気入ロマニホール
ド１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃ，１６Ｄ。

ｘ６Ｅ？こ入り、各電極７５Ａ、７５Ｂ、？５Ｃ。

１５Ｄ、１５Ｅの空気流通溝を図示矢印方向ζこ流れ、
空気出口マニホールド１９Ａ、ｌ’９Ｂ。

１９Ｃ，１９Ｄ、１　！９Ｅに至り、空気排出管２０を
介して、混合器２１に送られる。

一方燃料ガス供給・排出部においては、外部から天然ガ
スと水蒸気とが、改質器２６の触媒部２６ｋに供給され
、この触媒部２６Ａにて高濃度の水素ガスが生成され、
更（こシフトコンバータ２５＆こより一酸化炭素が二酸
化炭素に変生され、水素が８０％で、二酸化炭素が２０
％の燃料ガスが、本実施例の場合スタック５台分量が燃
料ガス供給管２４を介して、第１のスタック７４Ａの燃
料ガス人口マニホールド２２ｋに入る。そして、電極Ｚ
５Ａの燃料流通溝（前記空気流通溝とは、立体的に直交
している。）に沿って流れ、燃料ガス出口マニホールド
２３Ａに流れる。そして、第１のスタック１４にの燃料
ガス出口マニホールド２３Ａから流れ出た燃料カスは、
第２のスタック１４Ｂの燃料ガス入口マニホールド１６
Ｂに入る。このように第１のスタック１４ｋから第２．
第３．第４．第５のスタック１４’ｐＤｌこ入った燃料
ガスは、各スタックにて化学反応で消費され、排ガスは
第５のスタック１４Ｅの燃料ガス出口マニホールド２３
Ｅから、燃料ガス排出管２７を介して改質器２６のバー
ナ部２６Ｂに送られる。この場合、燃料ガス排出管２７
から出る排ガスには、前述したように水素の利用率は８
０％であるので、水素が２０％含治している。この２０
％含有の水素を改質器２６のバーナ部で・燃焼し２、改
質をこ必要な熱エネルキーを触媒部（こ与える。そして
バーナ部２６Ｂを出た排ガスは排空気とともに混合器２
１（こ入る。混合器２〕では排ガスと排空気とを混合し
た後、タービンコンプレッサ１８のタービン部ＩＢＢに
て、上記ツトガスと排空気が未だ有している熱エネルキ
ー〃ひ圧力エネルギーにてタービンを回し、大気中に排
出される。

また、１台のスタックへの燃料の供給量を１００とする
と、上記第１乃主第５のスタック１４に乃至１４Ｆ、へ
の燃料カスの流量は、燃オ・１ガス入ロマニホールド（
入口）２２Ａ乃至２２Ｅ及び燃料ガス出口マニホールド
（出口）２３Ａ乃至２３Ｆ、にて第２表に示されるよう
になる。

ただし、説明を簡単ζこするためＯこ、ここでは各スタ
ックＪ４Ａ乃至Ｊ、　４　Ｅの電流分担には差が無いも
のとする。

第　　２　　表第２表に示される如く、第５のスタック１４Ｅの出口側
流量は、燃料ガス供給・排出部を並列接続した場合と同
様に、１台分の流量１００と同一となる。従って、各ス
タック１４Ａ乃至１４Ｅには十分な流量の燃料ガスが供
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作用をこつい
て第５図を参照して説明する。第５図は、各スタックＺ
　４Ａ、７４Ｂ、Ｚ　４Ｃ，１４Ｄ。

１４Ｅｌこ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ＱこおいてＰは、スタック１
４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ，１４Ｄ。

１４Ｅ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図をこ示すように、スタック２４Ａは、燃料ガス供
給管２４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Ｐ１となる。才だス
タック１４Ｂは、上記スタック１４Ａの下流側に設けら
れているので水素利用率ｎ２はｎ、、＞ｎ、であり、そ
の特性点はｆ２　（ｆ２＜ｆ＋　　）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ｎ、　（ｎ２　＜ｎ３　＜ｎｔ　＜ｎｔ（８０
％）に対応し、特性点ｆ、＞ｆ２＞ｆ３＞ｆ、）ｆ、と
なり、成気出Ｐ　ｌ＞　Ｐ　２　＞　Ｐ　ｓ　＞Ｐ４＞
ｐＨとなる。従って各スタック１４Ａ。

１４Ｂ、１４Ｃ，１４Ｄ、１４Ｅを集合してなる燃料電
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。

尚、本発明は上記実施例に限定されるものではない。即
ち、各スタックＱこ対して酸化剤ガス及び燃料ガス供給
・排出部を共に直列接続した構成であってもよく、この
場合の実施例全第６図に示す。第６図においては、第４
図と同一部分には同一符号を付してその説明は省略し異
なる部分のみを説明する。第６図において、第１のスタ
ックＺ４Ａの空気入口マニホールド（以下入口と称す）
１６Ａには、タービンフンプレツサＩ″８のコンプレッ
サ部ＺｌｌｉＡからの空気供給管ノアが接続されている
。そして上記第１のスタックＺ４Ａの窒気出ロマニホー
ルド（以下出口）１９Ａは、第２のスタック１４Ｂの入
口１６Ｂに接続されている。このように各スタック１４
に乃至１４Ｅ４ｉ人口と出口とが直列接続され、第５の
スタック１４Ｅの出口１９Ｅは空気排出管２θが接続さ
れている。

上記の構成によれば、第２図（ｂ）　ｌこ示す酸素利用
率、即ち空気利用率の上昇をこ伴い、電池特性が急激に
低下する（化学反応速度の上昇による）事は解消される
。その理由は第４図及び第５図に示したのと同様に空気
の流量及び濃度の十分な確保が保証されるからである。

第７図は、燃料ガス及び酸化剤ガス供給・排出部を直列
接続した場合Ｍと、燃料ガス及び゛酸化剤ガス供給−排
出部を並列接続した場合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Ｉ、ｆｆｉ
出力するに、直列接続の場合は■２、並列接続の場合は
Ｖｌ　　（Ｖ２　＞Ｖｌ　　）となり特性の向上が図ら
扛るこさがわかる。

また上記実施例の他ζこ、本発明では、酸化剤ガス及び
燃料ガス供給・排出部０こ冷却装置を介挿し、燃料ガス
及び空気を冷却して、各スタックの冷却板を間接的に冷
却させることも可能である。更に、各スタック間に、燃
料ガス及び空気を補助的ｌこ供給するようにして、後段
の特性を向上させるようζこしてもよい。ゝまた二酸化
炭素除去装置等の補助装置を介挿させて、各スタックに
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Ｑこしてもよい。この信奉発明は、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、複数の燃料電池スタ
ックを電気的に直列接続した電池本体に対し、各燃料電
池スタックには、燃料ガス及び酸化剤ガス供給・排出部
のうち少なくとも一方を接続したので、燃料ガス及び酸
化剤ガスの通流の片寄りは解消され、化学反応が良好と
なり、極めて発電特性の優れた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全説明するための図、第２図（
ａ）　、　（ｂ）は、燃料電池の燃料及び空気の利用率
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
施例の作用を示す特性図、第６図は本発明の他の実施例
を示す構成図、第７図は同実施例の作用を示す特性図で
ある。Ｚ４Ａ乃至１４Ｅ・・・燃料電池スタック、１５Ａ乃至
７５Ｅ・・・電極、１６Ａ乃至１６Ｅ・・・空気入口マ
ニホールド、Ｉ７・・・空気供給管、１８・・・タービ
ンコンプレツザ、１９Ａ乃至１９Ｅ・・・突気出ロマニ
ホールド、２ｏ・・・空気排出管、２１・・・混合器、
２２Ａ乃至２２Ｅ・・・燃料ガス入口マニホールド、２
３Ａ乃至２３Ｅ・・・燃料ガス出口マニホールド、２４
・・・燃料ガス供給管、２５・・・シフトコンバータ、
２６・・・改質器、２７・・・燃料カス排出管。

Claims

【特許請求の範囲】

燃料ガス及び酸化剤カスとの電気化学反応により直流電
力を発生する燃料電池スタック複数を電気的に直列接続
した電池本体と、この・成孔本体の各燃料電池スタック
夫々に対し燃料ガス及び酸化剤ガス全供給・排出する燃
料カス供給・排出部及び酸化剤ガス供給・排出部とを備
え、この燃料ガス供給−排出部及び酸化剤ガス供給・排
出部のうち少なくとも一方は、前記′直池本体ヲナす各
燃料電池スタック相互間に接続し／ヒことを特徴とする
燃料電池発電装置。