JP6164751B2 - 液体電解質燃料電池システム - Google Patents
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Description
動作中に、化学反応が各電極で発生すると、電気を生成する。たとえば、それぞれアノードチャンバーおよびカソードチャンバーに供給される水素ガスおよび空気が燃料電池に提供されると、化学反応は、以下の通りである。
アノード側では:
H2+2OH- →2H2O+2e-;
およびカソード側では:
1/2 O2+H2O+2e-→2OH-
したがって、全体の化学反応は、水素と酸素で水を生成する反応であるが、同時に電気を生成し、および、電解液を通ってカソードからアノードへ水酸化物イオンが拡散する。アノード側で発生する化学反応によって水が生成されるが、両電極で水が蒸発するので、電解質の濃度が変化して問題が生じる。
電解液は周囲温度よりも高いので、燃料電池システムの動作中に基本的に水が蒸発することがわかる。従って、システム中の電解液の量は徐々に減少し、および電解質濃度は徐々に増加する。本発明のシステムでは、水が水貯蔵タンクに供給されること、および、システム中の電解液量の低減があった場合には、水貯蔵タンクから水が自動的に流れるように導くので、電解液量が一定になることを確実にする。電解液への水の移動は、必要な場合には、唯一重力にだけ依存するので、いかなる能動的な制御も必要ない。
連通ダクトは、起動時に電解液が水貯蔵タンクに流れることを防止するための逆止めバルブ、または、手動バルブを含んでもよい。一旦、燃料電池システムが動作すると、すべての該手動バルブを開放状態に維持できる。連通ダクトを通過する動作中の水の流量によって、電解液の逆拡散が防止される態様の連通ダクト寸法が好ましい。
カソードに隣接するガスチャンバーからの使用済みガス流は、典型的にはアノードに隣接するチャンバーからのガス流よりも大きく、通常は、有意量の水蒸気を含むので、電極は好ましくはカソードである。システムは、アノードに隣接するガスチャンバーに燃料ガス流を供給し、および、アノードに隣接するガスチャンバーから排気ガス流を引き出す手段、並びに、排気ガス流から水蒸気を液化し、および、液化した水蒸気を水貯蔵タンクに供給する手段を含んでもよい。
本発明は、添付図面を参照して、および、単に例示する態様で、さらにより詳細に記載される。
燃料電池スタック20は、その詳細な構造は本発明の対象ではないので概略的に示すが、この実施例では燃料電池スタックは燃料電池のスタックからなり、各燃料電池は、対向する電極間に液体電解質チャンバーを含み、電極はアノーとカソードである。各セルでは、空気はカソードに隣接するガスチャンバーを介して流れ、使用済み空気として排出される。同様に、各セルでは、水素はアノードに隣接するガスチャンバーを介して流れ、および、パージ流と称してもよい排気ガス流として排出される。
電解液12は、ベント41を備える電解液貯蔵タンク40に貯蔵される。ポンプ42は、電解液を貯蔵タンク40からベント45を備えるヘッダータンク44へ循環させ、ヘッダータンク44は電解液が貯蔵タンク40に戻るようにオーバーフローパイプ46を備える。この構成によって、ヘッダータンク44中の電解液の液位が一定に確保される。電解液は、一定圧力でダクト47を介して燃料電池スタック20へ供給され、および、使用済み電解液が、余分な熱を除去する熱交換器49を含むリターンダクト48を介して貯蔵タンク40に戻る。
排気口53および排気口55からの水流は、共通供給パイプ56を介して、電解液貯蔵タンク40に直接隣接する水貯蔵タンク60に供給される。水貯蔵タンク60は、対向する壁から延在する、流入する水による乱流を抑制する多数の水平バッフル62を含み、および、排水パイプ65と連通するオーバーフロー64を備える。使用中は、水貯蔵タンク60は、オーバーフロー64の高さによって設定される液位まで水66を貯蔵する。水貯蔵タンク60は、電解液貯蔵タンク40と共通の壁を共有し、熱が共通の壁を通過するので、水66は電解液12によって温められる。
燃料電池システム10が最初に設置されると、電解液12が電解液貯蔵タンク40の中に入れられ、および、逆止めバルブ70によって、電解液12が水貯蔵タンク60に流入することを防ぐ。燃料電池システム10が連続して通常動作している間は、逆止めバルブ70は水流に対する影響はなく、および、逆方向に電解液12が流れる傾向はない。
さらに他の代替形態では、使用済み気流および排気ガス流は混合され、および、単一の熱交換器50およびその後の液体/ガス分離器51を通過し、供給パイプ56のための水流を生成する。
次に、本発明の好ましい態様を示す。
1. 液体電解質燃料電池システムであって、
少なくとも一つの燃料電池を含み、各前記燃料電池は、アノードおよびカソードである対向する電極の間に液体電解質チャンバーを含み、並びに、ガス流を前記電極に隣接するガスチャンバーに供給し、および、前記電極に隣接する前記ガスチャンバーから使用済みガス流を引き出す手段を含み、前記システムは、液体電解質貯蔵タンク、および、前記液体電解質貯蔵タンクおよび各前記液体電解液チャンバーの間で液体電解質を循環させる手段も含み、
前記システムは、前記液体電解質貯蔵タンクに隣接する水貯蔵タンク、並びに、前記使用済みガス流から水蒸気を液化させ、および、前記液化した水蒸気を前記水貯蔵タンクに供給するための手段;オーバーフロー排気口を持つ前記水貯蔵タンク;並びに、前記オーバーフロー排気口の液位未満で前記液体電解質貯蔵タンクと前記水貯蔵タンクとを連通させるダクトを含むシステム。
2. 上記1に記載の液体電解質燃料電池システムにおいて、
前記オーバーフロー排気口の高さは調節可能であるシステム。
3. 上記1または上記2に記載の液体電解質燃料電池システムにおいて、
前記オーバーフロー排気口の高さは、前記電解液貯蔵タンクの電解液が所望の液位になると、前記連通ダクトの液位での圧力が前記電解液貯蔵タンクと前記水貯蔵タンクの両方で同じになるように設定されるシステム。
4. 上記1乃至上記3のいずれか一項に記載の液体電解質燃料電池システムにおいて、 前記連通ダクトは、逆止めバルブを含むシステム。
5. 上記1乃至上記3のいずれか一項に記載の液体電解質燃料電池システムにおいて、 前記連通ダクトは、手動バルブを含むシステム。
6. 上記1乃至上記5のいずれか一項に記載の液体電解質燃料電池システムにおいて、 前記連通ダクトの断面領域は前記連通ダクトを通過する動作中の水の流速によって電解液の逆拡散を防ぐ領域であるシステム。
7. 上記1乃至上記6のいずれか一項に記載の液体電解質燃料電池システムにおいて、 前記水貯蔵タンクは、乱流を抑制する複数のバッフルを含むシステム。
8. 上記1乃至上記7のいずれか一項に記載の液体電解質燃料電池システムにおいて、 前記電極はカソードであるシステム。
9. 上記1乃至上記7のいずれか一項に記載の液体電解質燃料電池システムにおいて、 各ガス流は前記アノードおよび前記カソードに隣接するガスチャンバーに供給され、および、使用済みガス流は前記アノードおよび前記カソードに隣接する前記ガスチャンバーから排出され、および、水蒸気を液化し、前記液化した水蒸気を前記水貯蔵タンクに供給する手段が、各前記使用済みガス流のために設置されるシステム。
10. 添付図面を参照し、および、添付図面に示される実質的に前述された液体電解質燃料電池システム。
Claims (6)
- 液体電解質燃料電池システムであって、
電解質として水性液体電解質を使用し、周囲温度よりも高い電解質温度で動作する少なくとも一つの燃料電池を含み、
各前記燃料電池は、アノードおよびカソードである対向する電極の間に液体電解質チャンバーを含み、並びに、ガス流を電極に隣接するガスチャンバーに供給し、および、前記電極に隣接する前記ガスチャンバーから使用済みガス流を引き出す手段を含み、
前記システムは、液体電解質貯蔵タンクを含み、さらに、前記液体電解質貯蔵タンクと、ヘッダータンクと、各前記液体電解質チャンバーとの間で液体電解質を循環させる手段も含み、前記ヘッダータンクはオーバーフローパイプを備え、
前記システムは、水貯蔵タンクを含み、前記使用済みガス流から水蒸気を液化させ、かつ、前記液化した水蒸気を前記水貯蔵タンクに供給するための手段を含み、
前記水貯蔵タンクはオーバーフロー排気口を持ち、並びに、前記オーバーフロー排気口の液位未満で前記液体電解質貯蔵タンクと前記水貯蔵タンクとを連通させる連通ダクトを含み、
前記連通ダクトは逆止めバルブ又は手動バルブを含み、かつ、前記液体電解質の前記水貯蔵タンクへの逆拡散が防止できる寸法を有し、
前記水貯蔵タンクは前記液体電解質貯蔵タンクに隣接し、前記液体電解質貯蔵タンクと共通の壁を共有し、熱が前記共通の壁を通過するときに、前記水貯蔵タンク中の水が燃料電池システムの使用中に前記液体電解質貯蔵タンク中の前記液体電解質によって温められる、システム。 - 請求項1に記載の液体電解質燃料電池システムにおいて、
前記オーバーフロー排気口の高さは調節可能であるシステム。 - 請求項1または請求項2に記載の液体電解質燃料電池システムにおいて、
前記オーバーフロー排気口の高さは、前記液体電解質貯蔵タンクの前記液体電解質が所望の液位になると、前記連通ダクトの液位での圧力が前記液体電解質貯蔵タンクと前記水貯蔵タンクの両方で同じになるように設定されるシステム。 - 請求項1乃至請求項3のいずれか一項に記載の液体電解質燃料電池システムにおいて、 前記水貯蔵タンクは、乱流を抑制する複数のバッフルを含むシステム。
- 請求項1乃至請求項4のいずれか一項に記載の液体電解質燃料電池システムにおいて、 使用済みガス流は、カソードに隣接するガスチャンバーから引き出されるシステム。
- 請求項1乃至請求項5のいずれか一項に記載の液体電解質燃料電池システムにおいて、 各ガス流は前記アノードおよび前記カソードに隣接するガスチャンバーに供給され、および、使用済みガス流は前記アノードおよび前記カソードに隣接する前記ガスチャンバーから排出され、および、水蒸気を液化し、前記液化した水蒸気を前記水貯蔵タンクに供給する手段が、各前記使用済みガス流のために設置されるシステム。
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