JP6164751B2 - 液体電解質燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、液体電解質燃料電池システムに関し、好ましくは、排他的に組み入れる訳ではないが、アルカリ燃料電池に関する。

燃料電池は、比較的クリーンで、効率的な電力源として認められている。アルカリ燃料電池は比較的低温で動作し、効率的、並びに、機械的および電気化学的に耐久性があるので、特に興味深い。酸燃料電池、および、他の液体電解質を採用する燃料電池も興味深い。該燃料電池は、一般に、燃料ガスチャンバー（典型的には水素である燃料ガスを含む）および別のガスチャンバー（通常空気である酸化剤ガスを含む）から分離される電解液チャンバーを含む。該電解液チャンバーは電極を使用して該ガスチャンバーから分離される。アルカリ燃料電池のための一般的な電極は、電極に機械的強度を付与する伝導性金属、典型的にはニッケルを含み、および、該電極は、活性炭および触媒金属、典型的には白金を含んでいてもよい触媒コーティングを含む。
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。

本発明の燃料電池システムは、従来技術の１つまたは複数の問題に取り組み、低減する。

したがって本発明は、少なくとも一つの燃料電池を含む液体電解質燃料電池システムを提供し、各燃料電池は、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、電極に隣接する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、該システムは液体電解質貯蔵タンク、並びに、液体電解質貯蔵タンクと各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む。システムは、液体電解質貯蔵タンクに隣接する水貯蔵タンク、並びに、使用済みガス流から水蒸気を液化させ、および、液化した水蒸気を水貯蔵タンクに供給するための手段を含み；オーバーフロー排気口を持つ水貯蔵タンク；および、オーバーフロー排気口の液位（ｌｅｖｅｌ）未満で、液体電解質貯蔵タンクと水貯蔵タンクとを連通させるダクトを含む。

オーバーフロー排気口は、水貯蔵タンクの水位が実質的に一定になることを確実にする。オーバーフロー排気口の高さは調節可能であるが、いずれにしても、電解液貯蔵タンクの電解液が所望の液位になると、連通ダクトの液位での圧力が電解液貯蔵タンクと水貯蔵タンクの両方で同じになるように好ましくは設定される。
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。

一実施形態では水貯蔵タンクは、流入する水によるすべての乱流を抑制する複数のバッフルを含む。
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。

本発明の燃料電池システムの流体の流れを示す概略図である。

図１を参照すると、燃料電池システム１０は、電解液１２として、たとえば６モル濃度の水酸化カリウム水溶液を使用する、燃料電池スタック２０（概略的に示される）を含む。燃料電池スタック２０は、燃料として水素ガス、酸化剤として空気、および、電解液１２が供給され、並びに、約６５℃または７０℃の電解液温度で動作する。水素ガスは、水素貯蔵シリンダー２２から調整器２４および制御バルブ２６を介して燃料電池スタック２０へ供給され、並びに、排気ガス流は第１のガス排出ダクト２８を通じて排出される。空気はブロワー３０によって供給され、および、燃料電池スタック２０に到達する前に、スクラバー３２およびフィルター３４を通過することで清浄され、並びに、使用済み空気は、第２のガス排出ダクト３８を介して排出される。
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。

燃料電池スタック２０の動作によって、電気が生じ、および、上述の化学反応によって水も生成される。さらに水は蒸発し、並びに、排気ガス流および使用済み空気の両方とも水蒸気を含む。全体として、結果は電解液１２からの水の定常的な損失となる。
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。

第１のガス排出ダクト２８は、排出排気ガス流の水蒸気を液化する熱交換器５０およびガス／液体分離器５１を含むので、冷却された排気ガス流は排気口５２から排出され、水流は排気口５３から排出される。同様に、第２のガス排出ダクト３８は、使用済み空気の水蒸気を液化する熱交換器５０およびガス／液体分離器５１を含むので、冷却された使用済み空気は排気口５４から排出され、および、水流は排気口５５から排出される。
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。

水貯蔵タンク６０の底部近くには、水貯蔵タンク６０と電解液貯蔵タンク４０とを流体連結する短い結合ダクト６８があり、および、結合ダクト６８は逆止めバルブ７０を含む。電解液貯蔵タンク４０の電解液１２の液位が所望の液位になると、結合ダクト６８の位置で電解液１２による静水圧と、水６６による静水圧とが等しくなるようにオーバーフロー６４の高さが選択される。当然のことながら、電解液１２と水６６の密度は異なるので、該液体の液位は同一ではない。それ故に、動作中に、過剰な水はオーバーフロー６４から排水パイプ６５に流れ出すが、水は結合ダクト６８から電解液貯蔵タンク４０にも流れ出すので、電解液からの蒸発による水の損失を補う。結合ダクト６８の直径は、たとえば３ｍｍまたは４ｍｍであってもよいが、いずれにしても、水酸化カリウムのいかなる逆拡散をも防ぐことが可能な十分な流速で、結合ダクト６８を介して水が絶え間なく流れる直径であるべきである。
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。

当然のことながら、上述の燃料電池システム１０は、本発明の範囲内でさまざまな方法で修正可能である。たとえば結合ダクト６８は、共通の壁を通過する直管ダクトとして示されているが、その代わりに、貯蔵タンク４０および貯蔵タンク６０の底部分に結合し、および、貯蔵タンク４０および貯蔵タンク６０の底部の下に突出するＵ字形のダクトであってもよい。逆止めバルブ７０は、別の代替実施形態では、手動バルブで置き換えてもよい。手動バルブは、最初の設置中は閉められ、電解液１２が流入されると、一旦開放されて水貯蔵タンク６０に適切な液位の水が入り、および、セルスタック２０は定常状態の動作に達する。別の変形形態では、オーバーフロー６４は、過剰な水がその上を通過するシル（ｓｉｌｌ）またはせき（ｗｅｉｒ）で置き換えてもよく、該シルまたはせきは高さが調節可能である。
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)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。

Images