JP2002015759A

JP2002015759A - リン酸型燃料電池の運転方法

Info

Publication number: JP2002015759A
Application number: JP2000197091A
Authority: JP
Inventors: Teruaki Komiya; 輝亮小宮; Masaru Iguchi; 勝井口; Masahiro Ise; 昌弘伊勢
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2000-06-29
Filing date: 2000-06-29
Publication date: 2002-01-18
Also published as: EP1168474B1; DE60136889D1; EP1168474A2; US6703152B2; EP1168474A3; US20020012823A1

Abstract

(57)【要約】【課題】追加設備を用いることがなく、リン酸型燃料電
池を低温下で良好に運転することを可能にする。【解決手段】リン酸型燃料電池１０を反応生成水が液状
水として存在する条件下で運転する際に、リン酸濃度を
低下させる前記反応生成水の量とリン酸中から蒸発する
水の量とが平衡する際のリン酸濃度が、所望の性能を維
持し得る基準リン酸濃度以上になるように運転条件を設
定する。具体的には、平衡リン酸濃度設定システム９２
によりガス流量制御システム８４、８４ａ、ガス温度制
御システム８６、８６ａおよび圧力制御システム９０、
９０ａが必要に応じて制御され、リン酸型燃料電池１０
の性能劣化や発電性能の低下を有効に回避する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、リン酸を含浸させ
た電解質をアノード側電極とカソード側電極とで挟んで
構成される接合体を有し、燃料ガス供給系を介して前記
アノード側電極に燃料ガスを供給する一方、酸化剤ガス
供給系を介して前記カソード側電極に酸化剤ガスを供給
するリン酸型燃料電池の運転方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池の一形態であるリン酸型燃料電
池（ＰＡＦＣ）は、例えば、液体電解質であるリン酸を
ポリベンズイミダゾール等の高分子膜に含浸させた電解
質マトリックス層の両側に、それぞれカーボンを主体と
するアノード側電極およびカソード側電極を対設して構
成される電解質・電極接合体を、セパレータ（バイポー
ラ板）によって挟持することにより構成される発電セル
（単位燃料電池セル）を備えており、通常、この発電セ
ルを所定数だけ積層して燃料電池スタックとして使用し
ている。

【０００３】この種の燃料電池において、アノード側電
極に供給された燃料ガス、例えば、主に水素を含有する
ガス（水素含有ガス）は、触媒電極上で水素がイオン化
され、電解質を介してカソード側電極側へと移動する。
その間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電
気エネルギとして利用される。なお、カソード側電極に
は、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスある
いは空気（酸素含有ガス）が供給されているために、こ
のカソード側電極において、水素イオン、電子および酸
素が反応して水が生成される。

【０００４】上記のリン酸型燃料電池では、運転温度が
比較的高温（１２０℃〜１９０℃前後）に設定されてお
り、一般的には、定常運転に至るまでの間、ヒータ等の
加熱手段を使用して前記リン酸型燃料電池を加温する。
そして、このリン酸型燃料電池が、略１００℃以上まで
昇温された後、前記リン酸型燃料電池を作動させること
により、発電に伴う自己発熱を利用して１２０℃〜１９
０℃まで昇温させている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、運転開始時
のように、１００℃未満の比較的低い温度下において
は、リン酸型燃料電池の発電に伴う反応生成水が液状水
として存在する比率が高くなるとともに、この液状水が
水蒸気化し難くなっている。このため、液状水がリン酸
の濃度を低下させてリン酸量を増加させ、アノード側電
極およびカソード側電極に蓄積可能な量を超える液状水
が存在してしまう。

【０００６】このように、アノード側電極およびカソー
ド側電極中にリン酸が溢れてしまうと、電解質マトリッ
クス層中に保持されているリン酸が流出してしまい、こ
の流出したリン酸が燃料ガス流路および酸化剤ガス流路
を通ってリン酸型燃料電池本体の外部に排出されてしま
う。これにより、リン酸型燃料電池の運転を停止した後
に再起動させた際、電池性能は初期性能を維持すること
ができず、性能低下が惹起されるという問題が指摘され
ている。

【０００７】さらに、アノード側電極中およびカソード
側電極中にリン酸が溢れると、発電に必要な反応を促進
させる機能を有する触媒の活性が低下し、あるいは燃料
ガス流路や酸化剤ガス流路が閉塞されて反応ガス（燃料
ガスおよび／または酸化剤ガス）が流通し難くなり、発
電性能が低下するという問題がある。

【０００８】そこで、リン酸の流出に伴う性能劣化を改
善するために、個別のリン酸補給装置を用いることが考
えられるが、燃料電池システム全体が大型化してしまう
という問題がある。

【０００９】また、リン酸型燃料電池を１００℃以上ま
で迅速に昇温させるために、大型ヒータを用いることが
考えられるが、同様に、燃料電池システム全体が大型化
するとともに、経済的ではないという問題が指摘されて
いる。

【００１０】本発明はこの種の問題を解決するものであ
り、設備が大型化することがなく、簡単な構成および制
御で、反応生成水による性能低下を確実に阻止すること
が可能なリン酸型燃料電池の運転方法を提供することを
目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明に係るリン酸型燃
料電池の運転方法では、反応生成水が液状水として存在
する条件下で運転する際に、リン酸濃度を低下させる前
記反応生成水の量とリン酸中から蒸発する水の量とが平
衡する際のリン酸濃度が、所望の性能を維持し得る基準
リン酸濃度以上になるように、運転条件を設定してい
る。

【００１２】通常、リン酸型燃料電池に用いられるリン
酸は、５酸化２リンを水に溶融させたものであり、特
に、リン酸型燃料電池に使用される高濃度のリン酸は吸
湿性が高く、水と極めて混合し易い。この場合、リン酸
の蒸気成分は、５酸化２リン（正確には２量体）と水で
あるが、５酸化２リンの蒸気圧は２００℃付近まで非常
に低くなっている。このため、リン酸の蒸気成分が略水
であるものの、リン酸の蒸気圧は水の蒸気圧とは異なっ
ている。

【００１３】具体的には、リン酸濃度におけるリン酸の
温度と飽和蒸気圧の関係は、図１の線図に示されてお
り、図１中のリン酸濃度０％の線図が、水の飽和蒸気圧
線図に相当している。これにより、リン酸の飽和蒸気圧
はリン酸濃度により大きく変化しており、リン酸中の水
はリン酸濃度が低いほど蒸発し易くなる一方、リン酸濃
度が高いほど蒸発し難くなっている。

【００１４】リン酸型燃料電池では、起動時のような低
温時や低出力運転状態において、前記リン酸型燃料電池
の温度が通常作動温度（１２０℃〜１９０℃前後）より
も低下した際に、リン酸中の水の蒸発速度が遅くなり、
蒸発する水の量よりも生成水の量が多い状態となる。従
って、電解質・電極接合体中のリン酸濃度が低くなる一
方、リン酸の飽和蒸気圧が高くなって水が蒸発し易くな
る。

【００１５】このため、生成水の量に応じてリン酸濃度
が低下され、ある時点で、リン酸濃度を低下させる生成
水の量とリン酸中から蒸発する水の量とが平衡に達す
る。この状態では、リン酸量が増加しており、このリン
酸量が電解質・電極接合体に蓄えられるリン酸量よりも
多くなってしまうと、リン酸が燃料ガス流路および酸化
剤ガス流路からリン酸型燃料電池の外部に排出されて性
能劣化が生じるおそれがある。

【００１６】これにより、リン酸濃度を低下させる反応
生成水の量とリン酸中から蒸発する水の量とが平衡する
際のリン酸濃度が、発電性能を含む性能の劣化が生じな
い基準リン酸濃度以上になるように運転条件を設定すれ
ば、リン酸型燃料電池の温度が低い場合であっても性能
劣化を惹起することがなく、効率的な発電が遂行可能に
なる。

【００１７】また、性能劣化が生じないリン酸濃度は、
電解質・電極接合体内の内部構成や寸法等に影響され、
そのリン酸型燃料電池に固有のものである。従って、所
望の性能を維持し得るリン酸濃度を、予め実験的に設定
しておく必要がある。

【００１８】運転条件の設定電流密度がＩ（Ａ／ｃｍ²）で電極有効面積がＳ（ｃ
ｍ²）のとき、単位時間あたりに生成される水の量、す
なわち、リン酸の濃度を低下させる水の量ｍ（ｍｏｌ／
ｍｉｎ）は、燃料ガス利用率ｒａ（％）および酸化剤ガ
ス利用率ｒｃ（％）に関係なく一定であり、下記の
（１）式により求められる。

【００１９】

【数１】

【００２０】次に、運転温度がＴ℃、燃料ガス温度がＴ
ａ℃、酸化剤ガス温度がＴｃ℃、燃料ガス側運転圧力が
Ｐａ（ｋＰａ）、酸化剤側運転圧力がＰｃ（ｋＰａ）、
燃料ガスの供給流量（燃料ガス流量）がｆａ（ｎｏｒｍ
ａｌｌ／ｍｉｎ）（但し、ｎｏｒｍａｌｌ／ｍｉｎ
は標準状態である０℃、１ａｔｍに換算した流量であ
る）、酸化剤ガスの供給流量（酸化剤ガス流量）がｆｃ
（ｎｏｒｍａｌｌ／ｍｉｎ）、燃料ガス側から排出さ
れるガス流量がｆｅａ（ｎｏｒｍａｌｌ／ｍｉｎ）、
酸化剤ガス側から排出されるガス流量がｆｅｃ（ｎｏｒ
ｍａｌｌ／ｍｉｎ）、リン酸の濃度を低下させる水の
量の中、燃料ガス側から蒸発する比率をａ（％）、およ
び酸化剤ガス側から蒸発する比率を１−ａ（％）とす
る。

【００２１】燃料ガス側から排出されるガス流量ｆｅａ
は、発電により消費されなかった燃料ガスの流量と、リ
ン酸の濃度を低下させる水の量の中、燃料ガス側から蒸
発する水蒸気量との和である（下記の（２）式より求め
られる）。

【００２２】

【数２】

【００２３】そこで、燃料ガス温度Ｔａ℃と酸化剤ガス
温度Ｔｃ℃が運転温度Ｔ℃と等しいとき、リン酸濃度を
低下させる生成水の量とリン酸中から蒸発する水の量と
が平衡となった時点での排出燃料ガス中のリン酸の飽和
蒸気圧Ｐｓ，ａは、下記の（３）式により求められる。

【００２４】

【数３】

【００２５】一方、酸化剤ガス（空気であり、酸素が２
１ｗｔ％で、窒素が７９ｗｔ％）側から排出されるガス
流量ｆｅｃは、下記の（４）式より求められる。

【００２６】

【数４】

【００２７】さらに、排出酸化剤ガス中のリン酸の飽和
蒸気圧Ｐｓ，ｃは同様に、下記の（５）式から求められ
る。

【００２８】

【数５】

【００２９】また、リン酸の飽和蒸気圧とリン酸濃度の
関係は、図２の線図に示されており、温度Ｔ℃における
リン酸濃度は、リン酸の飽和蒸気圧の関数として求めら
れる。図２から諒解されるように、一定の運転温度Ｔ℃
において、リン酸の飽和蒸気圧が低いほどリン酸濃度は
高くなっている。従って、排出燃料ガス中のリン酸の飽
和蒸気圧Ｐｓ，ａおよび酸化剤ガス中のリン酸の飽和蒸
気圧Ｐｓ，ｃを用い、運転温度Ｔ℃においてリン酸濃度
を低下させる生成水の量とリン酸中から蒸発する水の量
とが平衡となるリン酸濃度を、それぞれ求めることがで
きる。

【００３０】具体的には、排出燃料ガス中のリン酸の飽
和蒸気圧Ｐｓ，ａは、燃料ガス側の運転圧力Ｐａ、燃料
ガス側から排出されるガス流量ｆｅａの関数である。上
記の排出燃料ガス流量ｆｅａは、リン酸の濃度を低下さ
せる水の量ｍおよび燃料ガス利用率ｒａの関数であり、
ｍが一定のときに燃料ガス利用率ｒａが低いほど前記排
出燃料ガス流量ｆｅａが多くなる。従って、排出燃料ガ
ス中のリン酸の飽和蒸気圧Ｐｓ，ａは、燃料ガス側の運
転圧力Ｐａが低いとき、または燃料ガス利用率ｒａが低
いときに低くなり、この結果、リン酸濃度が高くなる。

【００３１】同様に、排出酸化剤ガス中のリン酸の飽和
蒸気圧Ｐｓ，ｃは、酸化剤ガス側の運転圧力Ｐｃ、酸化
剤ガス利用率ｒｃおよび標準状態である０℃、１ａｔｍ
に換算した酸化剤ガス流量ｆｃの関数である。従って、
排出酸化剤ガス中のリン酸の飽和蒸気圧Ｐｓ，ｃは、酸
化剤ガス側の運転圧力Ｐｃが低いとき、または酸化剤ガ
ス利用率ｒｃが低いときに低くなり、この結果、リン酸
濃度が高くなる。

【００３２】これにより、燃料ガス利用率ｒａと酸化剤
ガス利用率ｒｃおよび／または燃料ガス側の運転圧力Ｐ
ａと酸化剤ガス側の運転圧力Ｐｃを設定することによ
り、リン酸濃度を低下させる生成水の量とリン酸中から
蒸発する水の量とが平衡となるリン酸濃度が、性能劣化
を起こさない、すなわち、所望の性能を維持し得る基準
リン酸濃度以上となり、低温運転時でも性能低下を確実
に阻止することができる。

【００３３】一方、リン酸濃度は、リン酸の飽和蒸気圧
と温度との関数として求められる（図２参照）。このた
め、リン酸の飽和蒸気圧が一定の場合、リン酸濃度を低
下させる生成水の量とリン酸中から蒸発する水の量とが
平衡となる温度を高く設定すれば、平衡時のリン酸濃度
を高くすることが可能になる。

【００３４】すなわち、燃料ガス温度Ｔａ℃および酸化
剤ガス温度Ｔｃ℃を運転温度Ｔ℃よりも高くすることに
より、リン酸濃度を低下させる生成水の量とリン酸中か
ら蒸発する水の量とが平衡となる際の平衡界面でのリン
酸温度Ｔ′℃を運転温度Ｔ℃よりも高くし、平衡時のリ
ン酸濃度を高くすることができる。なお、燃料ガス温度
Ｔａ℃および酸化剤ガス温度Ｔｃ℃と平衡界面でのリン
酸温度Ｔ′℃の関係は、そのリン酸型燃料電池に固有の
ものであり、実験的に求めておくことが望ましい。

【００３５】

【発明の実施の形態】図３は、本発明の実施形態に係る
運転方法を実施するためのリン酸型燃料電池１０の構成
説明図であり、図４は、前記リン酸型燃料電池１０が組
み込まれる燃料電池システム１２の概略構成図である。

【００３６】リン酸型燃料電池１０は、図３に示すよう
に、電解質・電極接合体１４と、この電解質・電極接合
体１４の両面に配置されるバイポーラ板であるセパレー
タ１６ａ、１６ｂと、前記セパレータ１６ａ、１６ｂの
外側に配置される集電用電極１８ａ、１８ｂとを備え
る。集電用電極１８ａ、１８ｂの外側には、エンドプレ
ート２０ａ、２０ｂが配置され、前記エンドプレート２
０ａ、２０ｂが図示しないボルトにより締め付けらるこ
とにより、リン酸型燃料電池１０が一体的に構成され
る。

【００３７】電解質・電極接合体１４は、塩基性ポリマ
ー、例えば、ポリベンズイミダゾール膜等の高分子膜に
リン酸を含浸させた電解質マトリックス層２２と、前記
電解質マトリックス層２２の両面に額縁状スペーサ２４
を介して対設されるアノード側電極２６およびカソード
側電極２８とを備える。

【００３８】セパレータ１６ａ、１６ｂには、アノード
側電極２６およびカソード側電極２８に対向する面に燃
料ガス流路３０と酸化剤ガス流路３２とが形成されてい
る。セパレータ１６ａ、１６ｂには、アノード側電極２
６とカソード側電極２８との境界面に対応して複数の温
度センサ３４が配置されている。

【００３９】図４に示すように、リン酸型燃料電池１０
を構成する集電用電極１８ａ、１８ｂには、モータ等の
負荷３６が接続されている。リン酸型燃料電池１０に
は、燃料ガス流路３０に連通する燃料ガス供給経路４４
ａおよび燃料ガス排出経路４４ｂと、酸化剤ガス流路３
２に連通する酸化剤ガス供給経路４６ａおよび酸化剤ガ
ス排出経路４６ｂとが接続される。

【００４０】燃料ガス供給経路４４ａには、上流側から
リン酸型燃料電池１０の入口側に向かって燃料ガスであ
る水素含有ガスを高圧で供給するための水素貯蔵源４８
と、電磁弁５０と、減圧弁５２と、圧力センサ５４と、
ガス流量制御器５６と、遮断弁５８と、逆止弁６０と、
加熱ヒータ６２と、入口側圧力センサ６４とが配置され
ている。燃料ガス排出経路４４ｂには、出口側圧力セン
サ６６と、露点センサ６７と、熱交換器６８と、気液分
離器７０と、背圧弁７２とが配置されるとともに、この
気液分離器７０の出口側に電磁弁７４が設けられてい
る。

【００４１】酸化剤ガス供給経路４６ａおよび酸化剤ガ
ス排出経路４６ｂは、上記の燃料ガス供給経路４４ａお
よび燃料ガス排出経路４４ｂと同様に構成されており、
同一の構成要素には同一の参照数字に符号ａを付して、
その詳細な説明は省略する。この酸化剤ガス供給経路４
６ａの上流側には、酸化剤ガスとして空気を供給するた
めのコンプレッサ７６が配置されている。

【００４２】負荷３６には、出力制御システム８０が接
続されるとともに、リン酸型燃料電池１０に組み込まれ
ている複数の温度センサ３４が温度測定システム８２に
接続される。ガス流量制御器５６、５６ａにガス流量制
御システム８４、８４ａが接続されるとともに、加熱ヒ
ータ６２、６２ａにガス温度制御システム８６、８６ａ
が接続される。露点センサ６７、６７ａに排出ガス中水
蒸気量算出システム８８が接続され、入口側圧力センサ
６４、６４ａ、出口側圧力センサ６６、６６ａおよび背
圧弁７２、７２ａに圧力制御システム９０、９０ａが接
続される。

【００４３】温度測定システム８２は平衡リン酸濃度設
定システム９２に接続されるとともに、この平衡リン酸
濃度設定システム９２には、負荷３６、ガス流量制御シ
ステム８４、８４ａ、ガス温度制御システム８６、８６
ａ、排出ガス中水蒸気量算出システム８８、圧力制御シ
ステム９０、９０ａおよび温度制御システム９４が接続
される。

【００４４】このように構成されるリン酸型燃料電池１
０を組み込む燃料電池システム１２の動作について、以
下に説明する。

【００４５】燃料ガス供給経路４４ａ側では、水素貯蔵
源４８から高圧の水素含有ガスが供給され、減圧弁５２
を介して運転圧力の最大値の圧力に減圧された後、ガス
流量制御器５６によりガス利用率が制御される。この水
素含有ガスは、加熱ヒータ６２により所定温度まで昇温
された後、背圧弁７２が制御されることによって所定の
運転圧力に調整され、リン酸型燃料電池１０を構成する
アノード側電極２６側のセパレータ１６ａに設けられて
いる燃料ガス流路３０に導入される。

【００４６】燃料ガス流路３０に供給された水素含有ガ
スは、ガス利用率で規定される量の水素ガスをアノード
側電極２６中に拡散し、触媒層内で触媒反応により消費
されて発電に寄与する。水素含有ガスの残りの部分は、
リン酸濃度を低下させる生成水の中、燃料ガス側から排
出される量を含んで燃料ガス排出経路４４ｂ側に排出さ
れる。

【００４７】一方、酸化剤ガス供給経路４６ａ側では、
酸素含有ガス、例えば、空気がコンプレッサ７６を介し
て高圧化された後、減圧弁５２ａにより運転圧力の最大
値の圧力に減圧される。この空気は、ガス流量制御器５
６ａを通ってガス利用率が制御された後、加熱ヒータ６
２ａで設定温度まで昇温される。

【００４８】さらに、空気は背圧弁７２ａが制御される
ことによって所定の運転圧力に調整され、リン酸型燃料
電池１０のカソード側電極２８側のセパレータ１６ｂに
形成されている酸化剤ガス流路３２に導入される。酸化
剤ガス流路３２に供給された空気は、ガス利用率で規定
される量がカソード側電極２８中に拡散して触媒層内で
触媒反応により消費され、発電に寄与する。この空気の
残りの部分は、リン酸濃度を低下させる生成水の中、酸
化剤ガス側から排出される量を含んで酸化剤ガス流路３
２を通って酸化剤ガス排出経路４６ｂに排出される。

【００４９】この場合、出力制御システム８０により、
その時点での要求出力から必要な電流値が設定され、こ
の電流値に基づいてリン酸型燃料電池１０と負荷３６と
からなる閉回路に流す電子量が決定される。そして、閉
回路に流す電子量に応じて消費される燃料ガスおよび酸
化剤ガスの量が決定され、リン酸濃度を低下させる生成
水の量ｍ（ｍｏｌ／ｍｉｎ）が決定される。

【００５０】次に、排出される燃料ガスおよび酸化剤ガ
スの露点が、リン酸型燃料電池１０の出口側に接続され
た露点センサ６７、６７ａを介して検出される。この露
点データは、排出ガス中水蒸気量算出システム８８に送
られ、この排出ガス中水蒸気量算出システム８８におい
て、燃料ガス側に排出されるリン酸からの水分および酸
化剤ガス側に排出されるリン酸からの水分が算出され
る。さらに、リン酸の濃度を低下させる水の量の中、燃
料ガス側から蒸発する比率ａ（％）が算出され、この比
率ａ（％）が平衡リン酸濃度設定システム９２に送られ
る。

【００５１】一方、リン酸型燃料電池１０の運転温度
は、このリン酸型燃料電池１０内に配置された複数の温
度センサ３４を介して温度測定システム８２により検出
され、この検出された温度の最低値が、前記リン酸型燃
料電池１０の運転温度Ｔ℃として平衡リン酸濃度設定シ
ステム９２に送られる。

【００５２】平衡リン酸濃度設定システム９２では、リ
ン酸濃度を低下させる生成水の量ｍ（ｍｏｌ／ｍｉ
ｎ）、リン酸濃度を低下させる水の量の中、燃料ガス側
から蒸発する比率ａ（％）が入力されており、リン酸型
燃料電池１０の運転温度Ｔ℃のときに、リン酸濃度を低
下させる生成水の量とリン酸中から蒸発する水の量とが
平衡となるリン酸濃度が、前記リン酸型燃料電池１０に
固有の性能劣化が生じない基準リン酸濃度以上となるよ
うに、燃料ガス利用率ｒａ、酸化剤ガス利用率ｒｃ、燃
料ガス側の運転圧力Ｐａ、酸化剤ガス側の運転圧力Ｐ
ｃ、燃料ガス温度Ｔａ℃および酸化剤ガス温度Ｔｃ℃が
必要に応じて設定される。

【００５３】ここで、設定された燃料ガス利用率ｒａ
は、燃料ガス側のガス流量制御システム８４に送られ
る。このガス流量制御システム８４では、燃料ガス利用
率ｒａと、反応により消費される燃料ガス量とから必要
な燃料ガス流量を設定し、ガス流量制御器５６を介して
燃料ガス流量が制御される。設定された酸化剤ガス利用
率ｒｃは、同様に酸化剤ガス側のガス流量制御システム
８４ａに送られる。このガス流量制御システム８４ａで
は、酸化剤ガス利用率ｒｃと反応により消費される酸化
剤ガス量とから必要な酸化剤ガス流量が設定され、ガス
流量制御器５６ａを介して酸化剤ガス流量が制御され
る。

【００５４】また、設定された燃料ガス側の運転圧力Ｐ
ａは、燃料ガス側の圧力制御システム９０に送られ、背
圧弁７２を調整することによってリン酸型燃料電池１０
の入口側圧力または出口側圧力が設定値に制御される。
設定された酸化剤ガス側の運転圧力Ｐｃは、同様に酸化
剤ガス側の圧力制御システム９０ａに送られ、背圧弁７
２ａが調整されることによって、リン酸型燃料電池１０
の入口側圧力または出口側圧力が設定値に制御される。

【００５５】さらにまた、設定された燃料ガス温度Ｔａ
℃は、燃料ガス側のガス温度制御システム８６に送ら
れ、加熱ヒータ６２により燃料ガスを設定値に制御す
る。同様に設定された酸化剤ガス温度Ｔｃ℃は、酸化剤
ガス側のガス温度制御システム８６ａに送られ、加熱ヒ
ータ６２ａにより酸化剤ガスが設定値に制御される。

【００５６】なお、リン酸型燃料電池１０において、性
能劣化が生じない最低運転温度での運転条件、すなわ
ち、電流密度、リン酸型燃料電池運転温度、燃料ガス温
度、酸化剤ガス温度、燃料ガス利用率、酸化剤ガス利用
率およびリン酸濃度を低下させる水の量の中、燃料ガス
側から蒸発する比率を記憶させておく。そして、運転開
始時には、上記の性能劣化を生じない最低運転温度まで
昇温させた後、上記の記憶された条件に基づいて運転が
開始される。

【００５７】このように、本実施形態では、リン酸型燃
料電池１０を１２０℃未満の温度範囲や低出力運転状態
で作動させる際、反応生成水が液状水として存在する比
率が高く、リン酸の濃度を低下させてリン酸量を増加さ
せる場合であっても、リン酸濃度を低下させる生成水の
量とリン酸中から蒸発する水の量とが平衡する際のリン
酸濃度が、性能劣化が生じない（すなわち、所望の性能
を維持し得る）基準リン酸濃度以上になるように運転条
件が設定されている。従って、大型のヒータや個別のリ
ン酸補給装置等の追加設備が不要となり、簡単かつ経済
的な構成で、発電性能の低下や性能劣化を確実に阻止し
て、低温時での良好な発電が遂行可能になるという効果
が得られる。

【００５８】［実施例］リン酸型燃料電池１０に固有の性能低下が生じないリン
酸濃度の決定リン酸型燃料電池１０では、一旦、リン酸が流出してし
まうと、電池性能は初期性能に戻らない。このため、生
成水が生じてリン酸濃度を低下させるような運転条件で
運転した後に、初期性能に戻すことができる運転温度の
下限時のリン酸濃度が、リン酸型燃料電池１０に固有の
性能劣化が生じない基準リン酸濃度となる。

【００５９】そこで、リン酸の流出に伴う性能劣化がな
い条件、すなわち、リン酸型燃料電池１０の運転温度が
１６０℃、燃料ガス側の運転圧力が２０１．３ｋＰａ、
酸化剤ガス側の運転圧力が２０１．３ｋＰａ、燃料ガス
利用率が５０％および酸化剤ガス利用率が５０％の条件
下で、前記リン酸型燃料電池１０の性能（電流密度〜電
圧特性）を評価し、電流密度が１Ａ／ｃｍ²のときの電
圧を初期性能の基準とした。

【００６０】次に、リン酸型燃料電池１０の運転温度を
１６０℃よりも低い運転温度Ｔ℃とし、他の条件は上記
と同一の条件により、０．２Ａ／ｃｍ²の一定電流密度
で発電を３時間継続して行った。そして、電流密度と有
効電極面積からリン酸の濃度を低下させる水の量を、さ
らに露点センサ６７、６７ａの測定値からリン酸の濃度
を低下させる水の量の中、燃料ガス側から蒸発する比率
ａを求めた。その後、再度、運転温度を１６０℃とし、
リン酸型燃料電池１０の性能を評価して電流密度１Ａ／
ｃｍ²時の電圧を測定した。

【００６１】次いで、運転温度Ｔ℃の条件を変えて上記
の測定を繰り返し行い、低温発電前後の電流密度１Ａ／
ｃｍ²時の電圧が初期性能よりも低下しない運転温度を
求めたところ、１２０℃であった。リン酸濃度を低下さ
せる水の量の中、燃料ガス側から蒸発する比率ａは２０
％であった。そして、運転温度Ｔ℃が１２０℃、電流密
度Ｉが０．２Ａ／ｃｍ²、有効電極面積Ｓが１９６ｃ
ｍ²、リン酸の濃度を低下させる水の量の中、燃料ガス
側から蒸発する比率ａが２０％、燃料ガス利用率ｒａが
５０％、酸化剤ガス利用率ｒｃが５０％、標準状態であ
る０℃、１ａｔｍに換算した燃料ガス流量ｆａが０．５
４ｌ／ｍｉｎ、標準状態である０℃、１ａｔｍに換算し
た酸化剤ガス流量ｆｃが１．３３ｌ／ｍｉｎ、燃料ガス
側の運転圧力Ｐａが２０１．３ｋＰａおよび酸化剤ガス
側の運転圧力Ｐｃが２０１．３ｋＰａであった。

【００６２】これらから、リン酸濃度を低下させる生成
水の量とリン酸中から蒸発する水の量とが平衡となった
時点で、燃料ガス中のリン酸の飽和蒸気圧Ｐｓ，ａが３
３．６ｋＰａであり、酸化剤ガス中のリン酸の飽和蒸気
圧Ｐｓ，ｃが３１．８ｋＰａとなった。このとき、燃料
ガス側のリン酸濃度は８４．９％であり、酸化剤ガス側
のリン酸濃度は８６．６％となった。従って、リン酸型
燃料電池１０に固有の性能劣化を生じないリン酸濃度の
下限は、８４．９％となった。

【００６３】運転温度８０℃の場合まず、燃料ガス利用率ｒａ、酸化剤ガス利用率ｒｃ、燃
料ガス側の運転圧力Ｐａ、酸化剤ガス側の運転圧力Ｐｃ
を通常運転時と同一条件にし、性能低下の度合いを測定
した。そこで、性能劣化のないリン酸型燃料電池１０の
運転温度を１６０℃、燃料ガス側の運転圧力を２０１．
３ｋＰａ、酸化剤ガス側の運転圧力を２０１．３ｋＰ
ａ、燃料ガス利用率を５０％、酸化剤ガス利用率を５０
％に設定し、この条件（以下、基準運転条件という）下
で、リン酸型燃料電池１０（電極有効面積が１９６ｃｍ
²）の性能（電流密度〜電圧特性）を評価し、電流密度
が１Ａ／ｃｍ²時の電圧を初期性能基準値とした。

【００６４】続いて、酸化剤ガス側の運転圧力（２０
１．３ｋＰａ）、燃料ガス利用率（５０％）および酸化
剤ガス利用率（５０％）の条件を同一にし、電流密度を
０．２Ａ／ｃｍ²の条件で発電しつつ運転温度を８０℃
まで低下させ、この状態で、発電を３時間継続して行っ
た。なお、リン酸の濃度を低下させる水の量の中、燃料
ガス側から蒸発する比率は５０％であった。

【００６５】３時間の発電後に、上記の初期性能を基準
とした基準運転条件下でリン酸型燃料電池１０の性能を
評価し、電流密度が１Ａ／ｃｍ²時の電圧を測定し、こ
の値を初期性能基準値と比較したところ、その電圧保持
率は７８％であり、初期性能に復帰できずに性能劣化が
生じていた。

【００６６】次に、燃料ガス利用率ｒａ、酸化剤ガス利
用率ｒｃ、燃料ガス側の運転圧力Ｐａおよび酸化剤ガス
側の運転圧力Ｐｃを、通常運転時よりも低下させた場合
の性能劣化の有無を検証した。具体的には、リン酸型燃
料電池１０の運転温度を８０℃、電流密度を０．２Ａ／
ｃｍ²、電極有効面積を１９６ｃｍ²および初期のリン酸
濃度を低下させる水の量の中、燃料ガス側から蒸発する
比率を５０％とし、リン酸濃度が性能劣化を生じない基
準リン酸濃度の下限である８４．９％以上となるよう
に、燃料ガス利用率ｒａ、酸化剤ガス利用率ｒｃ、燃料
ガス側の運転圧力Ｐａおよび酸化剤ガス側の運転圧力Ｐ
ｃの組み合わせを求めた。

【００６７】リン酸濃度が８４．９％のリン酸におい
て、８０℃における飽和蒸気圧は６．１０ｋＰａであ
り、燃料ガス側および酸化剤ガス側のリン酸の飽和蒸気
圧を６．１０ｋＰａ以下とする条件を設定した。すなわ
ち、燃料ガス側の運転圧力Ｐａおよび酸化剤ガス側の運
転圧力Ｐｃをそれぞれ出口側圧力の最低値（大気圧）で
ある１０１．３ｋＰａとすると、燃料ガス利用率ｒａを
１１％以下、および酸化剤ガス利用率ｒｃを１４％以下
にすればよく、例えば、燃料ガス利用率ｒａを１０％、
酸化剤ガス利用率ｒｃを１０％に設定した。

【００６８】そこで、上記と同様に、性能劣化のない基
準運転条件に基づいて、初期性能基準値を得た後、燃料
ガス側の運転圧力Ｐａおよび酸化剤ガス側の運転圧力Ｐ
ｃをそれぞれ出口側圧力である１０１．３ｋＰａとし、
燃料ガス利用率ｒａが１０％、酸化剤ガス利用率ｒｃが
１０％および電流密度が０．２Ａ／ｃｍ²の条件で発電
を行い、運転温度を８０℃まで低下させた。

【００６９】運転条件を変えずに発電を３時間継続して
行った後、初期性能の基準である基準運転条件下でリン
酸型燃料電池１０の性能（電流密度〜電圧特性）を評価
し、電流密度が１Ａ／ｃｍ²時の電圧を測定した。この
値を初期性能基準値と比較したところ、その電圧保持率
は１００％であって、性能劣化は認められなかった。

【００７０】運転温度６５℃の場合燃料ガス利用率ｒａ、酸化剤ガス利用率ｒｃ、燃料ガス
側の運転圧力Ｐａおよび酸化剤ガス側の運転圧力Ｐｃ
を、通常運転時よりも低下させた場合の性能劣化の有無
を検証した。リン酸型燃料電池１０の運転温度を６５
℃、電流密度を０．２Ａ／ｃｍ²、電極有効面積を１９
６ｃｍ²、および初期のリン酸の濃度を低下させる水の
量の中、燃料ガス側から蒸発する比率を５０％とし、リ
ン酸濃度が性能劣化を生じないリン酸濃度の下限である
８４．９％以上となるように、燃料ガス利用率ｒａ、酸
化剤ガス利用率ｒｃ、燃料ガス側の運転圧力Ｐａおよび
酸化剤ガス側の運転圧力Ｐｃの組み合わせを求めた。

【００７１】この場合、リン酸濃度８４．９％のリン酸
において、６５℃での飽和蒸気圧は２．８ｋＰａであ
る。そこで、燃料ガス側および酸化剤ガス側のリン酸の
飽和蒸気圧を２．８ｋＰａ以下とするためには、燃料ガ
ス側の運転圧力Ｐａおよび酸化剤ガス側の運転圧力Ｐｃ
をそれぞれ出口側圧力の最低値（大気圧）である１０
１．３ｋＰａまで低下させた場合に、燃料ガス利用率ｒ
ａを５％以下および酸化剤ガス利用率ｒｃを１３％以下
にすればよく、例えば、燃料ガス利用率ｒａおよび酸化
剤ガス利用率ｒｃをそれぞれ５％とした。

【００７２】次に、性能劣化のない基準運転条件による
性能を評価し、電流密度１Ａ／ｃｍ ²時の電圧を初期性
能基準値とした。続いて、燃料ガス側の運転圧力Ｐａお
よび酸化剤ガス側の運転圧力Ｐｃを出口側圧力である１
０１．３ｋＰａ、燃料ガス利用率ｒａを５％、酸化剤ガ
ス利用率ｒｃを５％、および電流密度を０．２Ａ／ｃｍ
²の条件で発電を行いながら、運転温度を６５℃まで低
下させた。そして、運転条件を変えずに、発電を３時間
継続して行った後、引き続いて基準運転条件下でリン酸
型燃料電池１０の性能（電流密度〜電圧特性）を評価
し、電流密度が１Ａ／ｃｍ²時の電圧を測定した。この
値を初期性能基準値と比較したところ、その電圧保持率
は１００％であって、性能劣化は認められなかった。

【００７３】運転温度６０℃の場合燃料ガス利用率ｒａ、酸化剤ガス利用率ｒｃ、燃料ガス
側の運転圧力Ｐａおよび酸化剤ガス側の運転圧力Ｐｃ
を、通常運転時よりも低下させた場合の性能劣化の有無
を検証した。リン酸型燃料電池１０の運転温度を６０
℃、電流密度を０．２Ａ／ｃｍ²、電極有効面積を１９
６ｃｍ²および初期のリン酸濃度を低下させる水の量の
中、燃料ガス側から蒸発する比率を５０％とし、リン酸
濃度が性能劣化を生じないリン酸濃度の下限である８
４．９％以上となるように、燃料ガス利用率ｒａ、酸化
剤ガス利用率ｒｃ、燃料ガス側の運転圧力Ｐａおよび酸
化剤ガス側の運転圧力Ｐｃの組み合わせを求めた。

【００７４】リン酸濃度８４．９％のリン酸において、
６０℃での飽和蒸気圧は２．２ｋＰａとなる。燃料ガス
側および酸化剤ガス側のリン酸の飽和蒸気圧を２．２ｋ
Ｐａ以下とするためには、燃料ガス側の運転圧力Ｐａお
よび酸化剤ガス側の運転圧力Ｐｃをそれぞれ出口側圧力
の最低値（大気圧）である１０１．３ｋＰａまで低下さ
せた場合、燃料ガス利用率ｒａを４％以下および酸化剤
ガス利用率ｒｃを１０％以下に低下させればよい。

【００７５】上記の場合、ガス利用率があまり低いと実
用的ではなく、燃料ガスおよび酸化剤ガス側の温度を運
転温度よりも高く、例えば、１２０℃に設定し、性能劣
化が生じないかを検証した。まず、性能劣化のない基準
運転条件下で初期性能基準値を得た後、燃料ガス側の運
転圧力および酸化剤ガス側の運転圧力を出口側圧力であ
る１０１．３ｋＰａ、燃料ガス利用率ｒａを５％、酸化
剤ガス利用率ｒｃを５％、電流密度を０．２Ａ／ｃ
ｍ²、燃料ガス温度を１２０℃および酸化剤ガス温度を
１２０℃の条件で発電しながら、運転温度を６０℃まで
低下させた。

【００７６】そして、運転条件を変えずに、発電を３時
間継続して行った後、引き続き、基準運転条件下でリン
酸型燃料電池１０の性能（電流密度〜電圧特性）を評価
し、電流密度１Ａ／ｃｍ²時の電圧を測定した。この値
を初期性能基準値と比較したところ、その電圧保持率は
１００％であり、性能劣化は認められなかった。

【００７７】

【発明の効果】本発明に係るリン酸型燃料電池の運転方
法では、反応生成水が液状水として存在する条件下で運
転する際に、リン酸濃度を低下させる前記反応生成水の
量とリン酸中から蒸発する水の量とが平衡する際のリン
酸濃度が、所望の性能を維持し得る基準リン酸濃度以上
になるように運転条件を設定することにより、発電性能
の低下を確実に回避するとともに、再起動時に初期性能
を確実に維持することができる。これにより、大型ヒー
タやリン酸補給装置等の追加設備が不要になり、構成が
有効に簡素化するとともに、経済的なものとなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】各リン酸濃度におけるリン酸の温度と飽和蒸気
圧の関係を示す線図である。

【図２】リン酸の飽和蒸気圧とリン酸濃度の関係を示す
線図である。

【図３】本発明に係る運転方法を実施するためのリン酸
型燃料電池の構成説明図である。

【図４】前記リン型燃料電池が組み込まれる燃料電池シ
ステムの概略構成図である。

【符号の説明】

１０…リン酸型燃料電池１２…燃料電池シ
ステム１４…電解質・電極接合体１６ａ、１６ｂ…
セパレータ１８ａ、１８ｂ…集電用電極３０…燃料ガス流
路３２…酸化剤ガス流路３４…温度センサ３６…負荷４４ａ…燃料ガス
供給経路４４ｂ…燃料ガス排出経路４６ａ…酸化剤ガ
ス供給経路４６ｂ…酸化剤ガス排出経路８０…出力制御シ
ステム８２…温度測定システム８４、８４ａ…ガ
ス流量制御システム８６、８６ａ…ガス温度制御システム８８…排出ガス中水蒸気量算出システム９０、９０ａ…圧力制御システム９２…平衡リン酸
濃度設定システム９４…温度制御システム

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者伊勢昌弘埼玉県和光市中央１丁目４番１号株式会社本田技術研究所内Ｆターム(参考） 5H026 AA04 5H027 AA04 KK00 KK02 KK05 KK33 KK44

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】リン酸を含浸させた電解質をアノード側電
極とカソード側電極とで挟んで構成される接合体を有
し、燃料ガス流路を介して前記アノード側電極に燃料ガ
スを供給する一方、酸化剤ガス流路を介して前記カソー
ド側電極に酸化剤ガスを供給するリン酸型燃料電池の運
転方法であって、反応生成水が液状水として存在する条件下で運転する際
に、リン酸濃度を低下させる前記反応生成水の量とリン
酸中から蒸発する水の量とが平衡する際のリン酸濃度
が、所望の性能を維持し得る基準リン酸濃度以上になる
ように、運転条件を設定することを特徴とするリン酸型
燃料電池の運転方法。
【請求項２】請求項１記載の運転方法において、燃料ガ
ス利用率および酸化剤ガス利用率を設定することによ
り、前記リン酸濃度を前記基準リン酸濃度以上に制御す
ることを特徴とするリン酸型燃料電池の運転方法。
【請求項３】請求項１または２記載の運転方法におい
て、前記燃料ガス側の運転圧力および前記酸化剤ガス側
の運転圧力を設定することにより、前記リン酸濃度を前
記基準リン酸濃度以上に制御することを特徴とするリン
酸型燃料電池の運転方法。
【請求項４】請求項１乃至３のいずれか１項に記載の運
転方法において、前記燃料ガス側の温度および前記酸化
剤ガス側の温度を運転温度よりも高温に設定することに
より、前記リン酸濃度を前記基準リン酸濃度以上に制御
することを特徴とするリン酸型燃料電池の運転方法。