JPS6020473A

JPS6020473A - 燃料電池発電装置

Info

Publication number: JPS6020473A
Application number: JP58128231A
Authority: JP
Inventors: Taichi Takechi; 武知　太一
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1983-07-14
Filing date: 1983-07-14
Publication date: 1985-02-01
Anticipated expiration: 2009-07-20
Also published as: JPH0654674B2

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〕本発明は電極の電気化学的反応による劣化を防止して長
寿命化を図ｐ得るようにした燃料電池発電装置に関する
。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

従来、燃料電池は燃料の有している化学的エネルギーを
、直接電気エネルギーに変換する装置である。この燃料
電池は、通常電解質を挾んで一対の多孔質電極を配置し
、一方の電極の背面に水素等の燃料ガスを接触させると
共に、他方の電極の背面に酸素等の酸化剤ガ゛スを接触
させ１このときに起る電気化学的反応にょ多発生する電
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。この場合、電解質としては溶融塩、アルカ
リ溶液、酸性溶液等があるが、ここでは燃料電池として
代表的なリン酸を電解質とするリン酸型燃料電池を例と
してその原理について説明する。

第１図は、この種の燃料電池の原理格成を示すものであ
る。図において、電解質層１は繊維質シートや鉱物質粉
末にリン酸を含浸したものである。また、２および３は
この電解質層ｌを挾んで配置されたアノードおよびカソ
ードの−対の多孔質（炭素質）電極で、電解質層１との
間にはコロイド状白金を炭素質粉末に担持せしめたもの
を塗布してなる触媒層４，５を夫々配置している。さら
に、６は水素等の燃料力スの流れる部屋であシ、７は酸
素（通常は空気）等の酸化剤ガスの流れる部屋である。

かかる燃料電池において、部屋６に流入し、た水素はア
ノード電極２の空所を拡散して触媒層４に達する。ここ
で、水素ガスは触媒の作用によシ水素イオンと電子とに
解離する。その反応式はＨ２→２Ｈ＋＋２　ｅ　−（１）となる。そして、水素イオンは電解質層１に入り、起電
圧による作用と濃度拡散によりカソード電極３に向って
泳動する。一方、水素ガスの解離によシ分離した電子は
アノード電極２に流れ込み、電極２は負に課電しまたこ
とになる。またカソード電極３では、アノード電極２側
がら泳動してきた水素イオンと、酸化剤として部屋７に
供給されさらにカソード電極３の空所を拡散してきた酸
素と、アノード電極２から外部の電力負荷を通って仕事
をし電池のカソード３に戻ってきた電子の３者が、触媒
層５表面で次の反応を起こす。

４Ｈ＋４９　＋０２−＋　２Ｈ２０・＝・（２）この両
電極２，３での還元と酸化の過程で起電力と熱を発生ず
るが、その合計は水素が酸化するときのエネルギ°−に
等［、い。そして、もし２このエネルギーが全て電気エ
ネルギーに変換されるならば、理論上略に゛３関の電圧
を発生う′るが、実際に外部に電気ごネルギーとし、で
取出される分は、電池の内部抵抗による電圧降下を差し
引いたものとなる。この世失となるものは、触媒の活性
により支配される活性化分極、電極の反応点近傍の水素
濃ｒＩｆｔニーよび酸素濃度により決まる濃度分極、電
解質１中をイオンが流れるときの電圧降下、電極や接触
部等電子の流れる経路での抵抗による電圧降下の合計が
、電池内部の損失つまシミ圧降下となる。この場合、電
解質１を挾んで配置されている触媒層４，５間の電圧を
直接測定することはむずかしいが、夕１部で測定される
電圧に上記電極２，３間の電圧降下を加えたものに略等
しいと考えられる０ところで、触媒層４，５間の電圧が
高く゛なった場合には、電気化学的作用によシ白金の溶
解や白金担持体の炭素粒子が電気化学的に酸化する現象
が生じ、電極２，３は急激に劣化することが知られてい
る。

第２図は、運転条件によシミ極２，３の劣化が生じるこ
とを説明するための図で、横軸は累計運転時間、縦軸は
温度１８０（ト）、電流密度２００　（ｍＡ／ｍ２）、
大気圧下で運転したときの電池１個当シの電圧を夫々示
している０図において、イは電流密度２００（ｍＡ／Ｃ
Ｉｎ〕、電圧０．６５（至）で連続運転した場合、また
口は電流密度２００（ｍ紛ｊ２）、電圧０．９（７）で
連続運転した場合で、数時間毎に電流密度２００　（ｍ
〜ｊ２）、にしたときの電圧の経過を夫々示したもので
ある０この曲線イと口の差は、電気化学的反応による劣
化によるものと考えられる。

特に、燃料電池に関する技術の進歩や供給ガスの高圧化
が可能となシ、発生電圧の上昇が軽負荷時の過電圧で上
記劣化を促進させる結果となっている。

そこで、かかる過電圧を防止するために、軽負荷時には
負荷抵抗を接続してこれに電力を消費させたシ、あるい
は酸化剤ガスの供給量をし埋って電圧を抑えだシする等
の対策が考えられている。しかし乍ら、前者の方法では
電力を無駄に消費することになシ、後者の方法は多数の
電池を積層して使用する実用電池では、各電池に供給す
る酸化剤ガス量にアンバランスを生じ、各電池に発生す
る電圧に大きなばらつきを生じて、全ての電池を必要表
限度内の電圧に抑えられず、目的を達成することができ
ないという間Ｍがある。

〔発明の目的〕

本発明は上記のような事情を考慮して成されたもので、
その目的は装置の複雑化や無駄なエネルギーの消費を抑
えつつ電気化学的反応による電極の劣化を防止１−で長
寿命を保持することが可能な燃料電池発電装置を提供す
るととにある。

〔発明の概要〕

上記目的を達成するために本発明では、負荷が減少した
ときの運転時に、燃料電池に供給する酸化剤ガスに所定
の割合で排ガスを混合して、その中の酸素濃度を低下さ
せるようにして過電圧の発生を抑制することを特徴とす
る。

〔発明の実施例〕

以下、本発明を図面に示す一実施例について説明する。

第３図は、本発明を適用したガス供給装置を備えだ燃料
電池発電装置の構成例を示したものである。なお、−燃
料電池の燃料ガスは水素であるが、一般の電力用途の燃
料電池では天燃ガスやナフサやメタノール等を改質した
ものを供給するシステムが多いことから、ここでは天然
ガスが燃料ガスの場合について述べる。

図において、８は触媒管９および燃焼室１０かも成るリ
フオーマ−で、その触媒管９には燃料がスＡを燃料ガス
調節弁１１を介して適量の水蒸気Ｂと共に導入し、これ
よ多燃料電池１２のアノード電極２のガス流通部屋６へ
供給する。

そして、このガス流通部屋６からの未反応燃料ガスを含
むアノード排ガスを、上記す７オーマ＝８の燃焼室１０
へ後述する酸化剤ガスＣと共に供給して燃焼させる。

一方、１３は後述する混合器からの排ガスＤのエネルギ
ーで回転するタービンて、これによりコンプレッサ１４
を駆動して吸入空気Ｅを圧縮し、酸化剤ガスＣとして上
記燃料電池１２のカソード電極３のガス流通部屋７へ酸
化剤ガス調節弁１５を介して供給する。また、１６は上
記リフオーマ−８の燃焼室１０からの排ガスと、調圧弁
１７を介して得られる上記ガス流通部屋７からのカソー
ド排ガスを混合する混合器で、その混合ガスを上記排ガ
スＤとしてタービン１３へ供給する。さらに、１８は調
節弁１９を介して得られる上記燃料ガスＡと、調節弁２
０を介して得られる上記酸化剤ガスＣとを夫々導入して
燃焼させる補助燃焼器で、その燃焼ｙトガスを上記混合
器１６へ付加的に供給する。つまシ、この補助燃焼器１
８は上記燃焼室１０の杉トガヌとカソード排ガスのみで
タービン１３を駆動するエネルギーが不足している場合
に、調節弁１９．２０を作動させて運転を行なうもので
ある。さらにまた、上記コンブレラツー１４への吸入空
気Ｅの供給管路に弁と１７でのダン・や−２１を設け、
且つこの供給管路と上記タービン１３からの排ガスＦの
排出管路との間には夕゛ン、ｅ　−、？　２ヲ設置ｒｊ
て、このタービンｔ３ｃＤＭｔ４スＦを上記吸入空気Ｅ
へ混合ｎ」能にしている。また、２３は上記汐゛ン・ｆ
−２７，２２を制御する制御器で、前記燃料電池１２の
出力電圧と基準電圧を比較し゛、出力電圧の方が高い時
（軽負荷運転時）にはダンノぐ−２２を開制御し、逆に
出力電圧の方が低い時にはダンノや−２２を閉＄＋１１
御するように制御し、且つ必要に応じてダンノ４−２１
の開度を制御するようにしている。とこで、基準電圧は
負荷状態に応じて決められるもので、ｌセル当ｊ９Ｑ、
８（Ｖ）　〜０．９（Ｖ）が適当である。０９（Ｖ）に
設定すれば効率の良い発電ができるが電気化学的反応に
よる劣化を起とす電圧に近いことから、寿命を重視する
ならば０．８　（Ｖ）の方が好ましい。

なお、上記で制御器２３は燃料電池１２の出力電流と基
準電流を比較し、出力電流が基準電流よシ小さいときに
ダンパー２２を開制御するように構成してもよい。

なお、燃料電池発電システムは上記要素以外に、′電池
の冷却・加熱装置、電気出力訓整器、燃料ガスおよび酸
化剤ガスの予熱や熱回収のだめの熱交換器、蒸気発生装
置を備えているが、これらは本発明と直接関係ないため
ここではその図示説明を省略する。才だ、上記でリフオ
ーマ−８の触媒管９はその触媒としてはニッケル／アル
ミナ系を用い、燃料ガスＡとしてのメタン等の天然ガス
を水素と二酸化炭素と一酸化炭素とに転化する。

次に、かかる構成に基づく本発明の燃料電池発電装置の
作用について説明する。

まず、燃料電池の端子電圧つまシミ極間電圧は理論値が
１．２３（財）になることは前述しだが、活性化分極、
濃度分極、電気抵抗による電圧降下により、実用的運転
条件である２　００　（ｍＡ／ｃｍ２）伺近の電流密度
では０．７Ｍ前後の電圧となる。この場合、本発明に直
接関係があるのは濃度分極で、アノード電極の反応点近
傍では水素の濃度が高い程、またカソード電極の反応点
近傍では酸素濃度が高い程、反応が夫々活発となって高
い電圧が発生する。従って、燃料電池に純水素、純酸素
を夫々供給する場合に最も高い電圧が得られ、逆に不活
性な室床や二酸化炭素が混合して反応成分が薄くなる程
発生電圧が低くなる。寸たこの場合、水素よりも酸素の
濃度が低下した場合の方が、電圧降下の顕著であること
が判明しており、その濃度を低くすることによシ発生電
圧を低くすることが可能となる。

本発明では上記の現象に着目し′、燃料電池の出力電圧
が過大となる負荷が減少したときの運転時には、燃料電
池に供給する酸化剤力スに所定の割合で排ガスを混合す
るようにして運転を行なうものであシ、以下これを第３
図を基に具体的に述べる。

まず第３図において、ダン・′Ｐ−２１を介して供給さ
れる吸入空気Ｅは、タービン１３にて駆動されるコンプ
レツサ１４によって圧縮され、酸化剤ガス調節弁１５を
介し酸化剤ガスＣとして、リフオーマ−８の燃焼室１０
に分岐導入されると共に、燃料電池１２のカソード電極
３のガス流通部屋７に供給され、これよりそのカソード
排ガスが混合器１６へ導入される。

一方、燃料ガスＡは燃料ガス調節弁１ノを介し、適量の
水蒸気Ｂと共にリフオーマ−８の触媒管９に導入されて
水素化して、上記燃料電池１２のアノード電極２のガス
流通部屋６に供給される。そして、この大半の水素を燃
料電池１２内で消費して、その未反応燃料ガスは上記リ
フオーマ−８の燃焼室１０内へ導入され、ことで燃焼し
て触媒管９を加熱し、これよシ上記混合器１６へ導入さ
れる。これによシ、混合器１６ではこの燃焼室１０から
の排ガスと上記カソード排ガスとを混合し、その混合排
ガスを上記タービン１３．へ供給してそのエネルギーに
よシこれを回転させる。ここで、燃焼室１０からの排ガ
スと上記カソード排ガス−では、タービン１３を駆動す
るのに充分なエネルギーが不足するような場合には、調
節弁１９．２０によシ燃料ガスＡ１酸化剤力゛スＣを補
助燃焼器１８へ導入し、燃焼したその排ガスを上記混合
器１６へ伺加的に導入して所定のエネルギーを得るよう
にする。

また、上記燃料電池１２内ではアノード電極２に供給さ
れた水素と、カソード電極３に供給された空気との前述
した電気化学的反応によって、各電極２，３間に所定の
大きさの電圧が発生し、これが図示しない負荷へ供給さ
れることになる。

さて、かような状態からいま例えば負荷が減少して軽負
荷状態となって、燃料電池１２の出力電圧が基準電圧よ
シも高くなると、これを制御器２３が検出して動作しそ
の出力によってダン／４’−２２を開方向に制御するこ
とによシ、上記吸入空気Ｅ中にタービン１３からの排ガ
スＦを混合し、この混合ガスが燃料電池１２のカソード
電極３側のガス流通室７へ供給されることになる。その
結果、このガス流通室７へ供給される酸化剤力スとして
の空気Ｅ中の酸素濃度が低くなシ、これによシ前述した
電気化学的反応が不活発となるため、各電極２．３間に
発生する電圧つｔｂ電池電圧を、前述した電気化学的劣
化が生じない電圧以下に低くして軽負荷運転に対処する
ことができる。この場合、本例では吸入空気Ｅが排ガス
Ｆを混入することで吸入空気Ｅの酸素濃度を下げ流量（
圧力）は極度に下けないため、多数の電池を積層した電
池スタックにおいても、各電池とも略均−に電圧を低減
することができる。

なお、上記においてダンパー２２を全開状態としても所
定値以下の酸素濃度が得られない場合には、ダンノ４−
２：ｌを全開としたま寸ダンノ９−２１の開度を絞シ込
むことにより、吸入空気Ｅ中への排ガスＦの混合割合を
多くして、上記効果を達成することができる。

第４図は、上記燃料電池１２における出力電流密度と発
生電圧の関係を示したものである。

図において、ハは電池の運転温度が平均１９５（ト）、
燃料ガ゛ス・空気の供給圧力が３．５　（Ｋｇ／ｃｍ）
り゛ンパー２２が全閉、ダンノ＃−２１が全開で、カソ
ード電極３側に吸入空気Ｅのみを供給した場合のもので
ある。また、燃料電池１２における酸素利用率（電池１
２に供給する窒気Ｅ中の酸素量に対する、電池１２内で
実際に消費する酸素の割合〕は６０（％ｌ、同じく水素
利用率は７０（憐である。この運転条件では、負荷電流
が電流密度で８０　（ｍＡ／（Ｂ２）相当よシ小さくな
ると、ｌセル当シの電圧が０．８　（Ｖ）よシも高くな
シミ気化学的劣化の危険域に入る。

一方、二は同じくダンパー２２を開き吸入空気Ｅ中に排
ガスＦを混入し、た場合のもので、その運転榮件はカソ
ード供給ガスの排ガス混合割合が４９〜５０（＠、酸素
濃度が１１〜１２（＠、酸素利用率が４０〜４５（％）
である。−１だ、その図示は省略しているが、更に排ガ
ス混合割合を大きくすると曲線二をさらに下回るものと
なり、軽負荷時の運転に適したものであることは容易に
推察できる。

尚、本発明は上記夕る雄側に限られるものではなく、次
のようにしても実施することができるものである。

（ａ）上記実施例では第３図に示すように、コンプレッ
サ１４からの酸化剤ガスＣをリフオーマ−８の燃焼室１
０へ直接導入せず、第５図に示すようにその途中に熱交
換器２４を設け、リフオーマ−８から排出される高温の
改質ガスと供給する混合空気とをこれによシ熱交換し、
酸化剤ガスＣを予熱して燃焼室１０へ供給するようにし
てもよい。本構成とすることによシ、排ガスを混入して
酸素濃度が低下した酸化剤ガスＣによって、安定した燃
焼ができず失火してし１うという心配が全くなくなる。

（ｂ）また第６図に示すように、混合空気をリフオーマ
−８からの燃焼排ガスと熱交換器２６によシ熱交換して
その燃焼室１０へ導入するようにしても、（ａ）項と同
様の効果が得られることはもちろんのこと、燃料ガスを
も予熱することになり全体の熱効率を上げることが可能
となる。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、負荷が減少した時
の運転時に、燃料電池に供給する酸化剤ガスに所定の割
合で排ガスを混合し、て酸素濃度を低下させ、発生電圧
を前述した電気化学的劣化が生じない電圧以下に抑える
ようにしたので、製餡の複雑化や無駄なエネルギーの消
費を抑えつつ電気化学的反応による電極の劣化を防止し
て長寿命化を図シかつ発電効率の高い燃料電池発電装置
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構成を示す構成図、第２図は従
来の問題点を説明するだめの特性図、第３図は本発明の
一実施例を示す構成図、第４図は本発明の詳細な説明す
るだめのＩｈ性図、悴本第５図および第６図は本発明の
他の実が１３例を示す図である。１・・・電解質、２・・・アノード電極、３・・・カソ
ード電極、４，５・・・触媒層、６．７・・・ガス流通
部屋、８・・・リフオーマ−１９・・・触媒管、１０・
・・燃焼室、１１・・・燃料ガス１５節弁、１２・・・
燃料電池、１３・・・タービン、１４・・・コンプレッ
サ、１５・・・酸化剤ガス調節弁、１６・・・混合器、
１７・・・調圧弁、１８・・・補助燃焼器、１９．２０
・・・調節弁、２ノ、２２・・・ダンノぐ−、２３・・
・制御器、２４゜２５・・・熱交換器、Ａ・・・燃料ガ
ス、Ｂ・・・水蒸気、Ｃ・・・酸化剤ガス、Ｄ　ｒ　Ｆ
・・・排ガス、Ｅ・・・吸入空気Ｏ

Claims

【特許請求の範囲】

電解質を挾んで一対の多孔質電極を配置し、一方の電極
の背面に燃料ガスを通過させると共に他方の電極の背面
に酸化剤ガスを通過させ、このときの電気化学的反応に
よ多発生する電気エネルギーを前記一対の電極から取出
す燃料電池と、この燃料電池へ前記燃料ガス、酸化剤ガ
スを供給するガス供給装置とから成る燃料電池発電装置
において、前記酸化剤ガスの供給路に排ガスを混入ｎ］
能に設けられた弁体と、前記燃料電池の出力電気量の大
きさに応じて前記弁体の弁開度を制御する制御器とを備
えたことを特徴とする燃料電池発電装置。