JPH0244653A - 液体電解質型燃料電池の電解液濃度管理装置 - Google Patents

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】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、アルカリ電解液型燃料電池によって代表さ
れる液体１！Ｍ質型燃料電池、ことにその発電生成水に
よって変化する電解液濃度の管理装置ｌこ関する。

〔従来の技術〕

アルカリ！層液型燃料電池はその原理図を第２図ζこ示
すように、アルカリ電解液として通常加〜５０％水酸化
カリウム水ｍ液を包蔵した電解液室５を挾んで酸化剤電
極４および燃料電極６が配され。

各電極の反電解液室側にはそれぞれ酸化剤としての純酸
素（，１２（または空気）が流通する酸化剤ガス室３．
および燃料ガスとしての純水素Ｈ２（または改質ガス）
が流通する燃料ガス室２を配した構造となっており、酸
化剤電極４でｈ　０２　＋Ｈ２０＋２　ｅ→２０Ｈで示
される反応が、燃料電極６でＨ２＋２０Ｈ→２ｃ＋２Ｈ
２０で示される反応が生ずることにょリ、水素と酸素に
よる直接発電が行われるとともに、燃料電極６側に発電
生成水か生ずる。この発電生成水の半分は電解液室５を
介して酸化剤電極４でイオンキャリヤとしてのＯＨの生
成反応により消費されるが、残る１分子の水が電解液に
溶解してその濃度を希釈すると燃料電池の発電性能が低
下するので１発電生成水を燃料ガス室２を介して外部に
併出し、を層液ｆ！に度を一定範囲に保持する電解液濃
度の管理装置かｌ要祝されている。

この種の電解液濃度管理方法としては、あらかじめ最大
発電量の時の生成水量を算出し、この生成水′ｌを除去
するに必要な反応ガス魚よりも若干多めの反応ガスｋを
供給して生成水を蒸発させて除去し、除去しすきだ水分
を一定時間毎に′ｒｌＬ解液に層液する方式が知られて
いる。この方式による従来装置のシステムフロー図を第
３囚に示す。図において、燃料電池１の水素室２と岐累
箆３にはそれぞれ水素ガス（Ｈｈ）の供給系８および酸
素ガス（０２）の供給系９から水素ガスと酸素ガスが供
給され、液室５には電解液が満たされる。起電反応は水
素電極６と酸素電極４の内部で行われ、電気と熱と生成
水が発生する。発生熱により燃料電池の温度が上昇する
と、電池温度は温度センサー２１により検知され、セン
サ２１の出力信号で制御される電池冷却ファン乙によっ
て冷却を行う。このシステムでは、水素ガスが水素ポン
プ１１により強制循環され、その循環経路１０の途中に
は、下部に凝縮水溜り１２Ａを備えた凝縮器１２が設け
られ、凝縮器冷却ファン乙により冷却される。

燃料電池ｌの生成水は液室５内部の電解液５Ａに吸収さ
れる一方水素室２を通過する低温度の水素ガス中に水蒸
気として水素電極３を透過して排出され、水素ガスと共
に凝縮器９１こ於いて冷却されて過飽和分の水蒸気は凝
縮水１２Ｂとして下部の分岐開口８１２Ｃより落下し、
凝縮水溜り１２Ａに溜る。凝縮水１２Ｂが一定レベル以
上になると凝縮水レベルセンサー加が働き、生成水用を
磁弁１３が開き、三方ｔａ弁１４から外気側に排出され
る。

一方％電解液５Ａは常に過剰気味着こ水蒸気を持ち去ら
れるため全体としては保々に液量が減少して行く。この
液量変化を補償し複数個の液室５の液面５Ｂを一括管理
する為の電解液タンク１５が併設され、循環配管１６Ａ
　、　１６Ｂを介して液室５と連通しており電解液５人
は濃度を均一にする為、！層液ポンプ１７により強制循
還される。前述の如き液量減少が一定しペルｌこ達する
と、電解液タンク１５に設置された電解液レベルセンサ
ー５が働き、生成水ポンプ１８が始動し、三方電磁弁１
４が切り替わることにより凝縮水１２Ｂが′ｗＬ解液タ
ンク１５に補給される。こうして、貴び電解液量は増加
し始め。

一定レベルにて電解液レベルセンサー’ｒカｐ＋度ｍき
、生成水ポンプ１８が停止、三方電磁弁１４は外部排出
側に切り替る。このように％電解液レベルの上限と下限
を管理し、且つ、水蒸気としての排出量を生成水量より
も過剰に除去することによって電解液濃度を一定レベル
範囲に納めることが出来る。

〔発明が解決しようとする課題〕

アルカリ電解液型燃料電池は、その運転温度が１００℃
以下と他の燃料電池のそれに比べて低く、かつ常温でも
発電を開始できる特長があり、この特長を活かして移動
用または非常用等の小型電源装置への適用が注目されて
いる。したがっ°Ｃ１燃料電池の小型化やメンテナンス
の容易化がことに要求される。ところで従来装置におい
ては、Ｗ、層液汁度を管理するために燃料ガスの循環系
、電解液の循環系、および補給水の供給系を備え、かつ
三つの系統それぞれにポンプ等の補機を備えるために、
装置の構成が複雑化することにより小型化がＩ’１１害
されるとともに５発を量に対する補機損の割合が大きく
、その分発電蛍を増す必要があるために益々装置の小形
化が阻害されるという問題を生ずる。また、燃料ガス室
と凝縮器とを結ぶ配管８Ｂが凝縮水で閉塞するのを防ぐ
ために凝縮器１２を燃料電池１の下方に配置する必要が
あり、装置をコンパクトに１とめる際の障害になる。さ
らに、腐寅性の強い電解液の送液ポンプを必要とするた
めコスト面での不利益が生ずる欠点がある。

この発明の目的は、機器構成を簡素化することにより、
装置を小型化し、補機ｊＲを低減することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題を解決するために、この発明によれば、液室枠
、燃料電極、および酸化剤電極により画成された電解液
室と、前記両ｔ＆の反電解液室側にそれぞれ画成された
燃料ガス室および酸化剤ガス室とを有する単位電池の積
層体からなり、反応ガスとしての燃料ガスおよび酸化剤
ガスの供給により発電する燃料電池において、＠記燃料
電池温度を所定温度以上に保持して発電生成水をその発
生速度を超えて少量の前記反応ガスとともに電池外部に
排出する生成水の蒸発制御部と、前記燃料ガスの一部分
を燃胱触媒の存在下で燃焼させ燃焼生成水を所定量分離
回収する補給水の生成部と、前記電解液室の上方に突設
された緩衝室とその液面センサ、および液面センサの出
力信号により駆動される供給弁からなり、緩衝室の液面
か所定レベル以下に低下したとき前記補給水を前記供給
弁を介して緩衝室に補給する電解液ａ度の制御部とを備
えてなるものとする。

〔作用〕

上記手段において、生成水の蒸発制御部を電池ｃＡ度の
温度センサとＷ池冷却ファンとで構成して電１ｌｔ１２
温度を高め（１００’Ｃ前後）に制御して生成水の蒸発
をうながし、蒸発水分を少量の反応ガスとともにＷ池外
部に排出するよう構成したことにより１反応ガスの循環
系が不要になり、装置の小型化）・可能にし、かつ電池
冷却ファンの運転時間の短縮および水素ポンプの排除に
より補機損が減少する。蒸″Ｑ、制御部によって過剰に
放出された生成水５：補給するための補給水生成部とし
て、燃料ガスの一部を分岐するｔ＆Ｂ升、燃料ガスと空
気を混合するエセクタポンプ、混合ガスを燃焼させて水
を生成する触媒燃焼器、燃焼ガス中の水分を凝縮させて
凝縮水を分囁貯宙する＠縮器、および貯留涙縮水負を液
面レベルで検出して上記電磁弁を閉じるレベルセンサ８
新たに設け、補給に必要な量の凝縮水を生成するよう構
成したことにより、補給水生成部はどく小型なものでよ
く、かつ燃料電池の上方に配置できるとともに送液ホン
ブが不要になるので、装置を小型化、低損失化できる。

さらに、燃料電池の＠電解液室に緩衝室と液面センサ、
および補給水の供給弁からなる電解液濃度の制御部を設
け、液面レベルが所定レベルより下がったとき、＃綿密
中の凝縮水を補給水として必要針補給するよう構成した
ことにより、電解液貯蔵タンクを含む循環系が不要にな
り、装置を小形化できるとともに補機損が低減される。

〔実施例〕

以下この発明を実施例に基づいて説明する。

第１図はこの発明の実施例装置を示すシステムフロー図
であり５従来装置と同じ部分には同一参照符号を用いる
ことにより詳細な説明を省略する。

図において、生成水の蒸発制御部４０は燃料電池１の例
えば燃料電極６の温度を検出し、その温度が１００°Ｃ
前後の所定の温度に達したとき制御信号４１Ｓを発する
温度センサ４】と、制御信号４１８により駆動される電
池冷却ファン４２とで構成され、燃料ガス室２または酸
化剤ガス室３に放出され水蒸気は出口配管８Ｂまたは９
Ｂを介して少量の反応ガスとともに電池外部に排出され
る。なお、燃料電池が水蒸気改質器を備えた装置である
場合、排出された燃料ガスおよび酸化剤ガスはオフガス
として水蒸気改質器のバーナに送られ、その燃焼熱を吸
熱反応である水蒸気改質反応の反応熱として利用してよ
く、また反応ガスが純水累、純酸素等である場合にはパ
ージガスとして系外に放出されてもよい。

３ｏは補給水の生成部であり、燃料ガスの供給系８から
ｔｆＢ弁３１によって分岐した燃料ガスをエゼクタポン
プ３２で所定量の空気と混合し、触媒燃葉器おで燃焼触
媒の存在下で燃焼させて水蒸気を発生させ、これを縦縮
器あで凝縮させ、凝縮水３４Ａを分離して貯留するとと
もに、鍛縮水量をレベルセンサあで検出して電磁弁３１
を閉じ、かつ冷却ファン３６ヲ停止させる。この場合、
補給水の生成部３０は蒸発促進部４０が発電生成水をそ
の発生速度よりやや条目に蒸発させることによって生ず
る電解液５Ａの＃＃度上昇を設足値に戻すだけの僅かな
食の凝縮水３４Ａを生成すればよく、シたがつて触媒燃
焼器おで消費される燃料ガス量は僅かでよく。

補給水の生成部加を小型に形成でき、かつ冷却ファンあ
の稼動時間が短く補機損が低減される。

艶は電解液濃度の制御部であり、燃料電池１の各電解液
室５にはその上方に延出された電解液５Ａの緩衝室５１
が設けられ、温度変化および濃度変化に基づく電解液の
体積変化を吸収するとともに。

その液面５Ｂのレベルは液面センサ５２によって検出さ
れ、液面レベルが所定レベル以下に低下したとき出力さ
れる制御信号５２８により緩衝室５１と凝縮器あとの間
に設けられた供給弁５３が開き、液面レベルが所定レベ
ルに戻るまで補給水が供給されることにより、各電解液
室内の電解液濃度が所定管理幅に制御される。なお、液
面センサ５２は上下二つの液面レベルを検出できるもの
がよ（、下限レベル以下の液面低下で供給弁を開き、上
限レベルを超えたとき供給弁を閉じるよう構成しておけ
ば１発電開始時など燃料電池温度が低く、液面レベルが
低い状態でも液面レベルが下限レベルを下端らなければ
補給水が供給されｆ工いので、燃料電極温度が温度セン
サ４１の作動温度に到達するまでの間発電生成水によっ
て増加する電解液量を緩衝室で吸収することができる。

また、液面センサ５２としては、電解液の導電性を利用
して電極間の導ｔｕｇをオン・オフ制御する方式１元セ
ンサ方式などを用いることができる。電解液濃度の制御
部をこのように構成したことにより、第３図における電
解液タンク１５．ｖＬＮ液循還ポンプ１７を含む電解液
の循環回路１６Ａ　、　１６Ｂおよび生成水ポンプ１８
が不要になり、ｉｍが小型化されるとともｌこ、ポンプ
の補機損が低減され、かつ耐電解液性が要求されるポン
プや循環配管を必要としないので装置の信頼性および経
済性が改善される。また、補給水の生成装置間を燃料電
池１より高い位置に配置することができるので、移動用
発電装置などにおいては配置の自由度および配役スペー
スのコンパクト化などの利点が得られる。

〔発明の効果〕

この発明は前述のように、蒸発制御部により電池温度を
高めに制御して生成水の蒸発を促進し、かつ電池外部に
排出させ、補給水の生成部で補給に必要ｆｊ量の凝縮水
を別に生成し、電解液濃度制御部で緩衝室内液面レベル
の検出信号に基づいて補給水を必要量供給するよう構成
した。その結果。

従来装置における燃料ガスの循還糸、電解液の貯蔵およ
び循環系が不要になるので装置を小型かつ簡素に構成で
きるとともに、水素ポンプ、１！解液ポンプ、補給水ポ
ンプ等の補機も不要ｆこなり、かつ冷却ファンの稼動時
間も短縮されて補機損失を大幅に低減できるので、電解
液１１１度を所定範囲に保持するための電界液濃度の管
理装置が液体電解液型燃料ｔａ発電装置の小型化、低損
失化を阻害するという従来装置の問題点が排除され、小
型かつ低損失化された燃料電池を提供することができる
。また、蒸発制御部によるやや過度の生成水の排出制御
と、電解液濃度制御部の液面制御の仕方との兼ね合いに
よって電解液濃度の変化＠を電気負荷の変動に対応して
きめ細かく制御できる利点が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例を示すシステムフロー図、第
２図はアルカリ電解液型燃料電池の原理的説明図、第３
図は従来装置を示すシステムフロー図である。 １・・・燃料電池、２・・・燃料ガス室（水素室）％３
・・・酸化剤ガス室（酸素室）％　５・・・電解液室。 ８．９・・・反応ガス供給系、１０・・・燃料ガス循環
系、１１・・・水素ポンプ、１２．３４・・・凝縮器、
１２Ｂ、３４Ａ　・・・歳縮水、　１５・・・電解液タ
ンク、１６Ａ、１６Ｂ・・・電解液循環系、１７・・・
電解液ポンプ、１８・・・補給水ポンプ。 ｎ、乙、　３６　、４２・・・冷却ファン、２１．４１
・・・温度センサ、２４　、２５　、３５　、５２・・
・液面センサ（レベルセンサ）、力・・・補給水の生成
部、３１・・・′ｔＩＬ磁弁、３２・・・エゼクタポン
プ、３３・・・触媒燃焼器、４ｏ・・・蒸発制御部。 関・・・電解液濃度制御部、５１・・・緩衝室％お・・
・供給弁。 第３図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １）液室枠、燃料電極、および酸化剤電極により画成さ
   れた電解液室と、前記両電極の反電解液室側にそれぞれ
   画成された燃料ガス室および酸化剤ガス室とを有する単
   位電池の積層体からなり、反応ガスとしての燃料ガスお
   よび酸化剤ガスの供給により発電する燃料電池において
   、前記燃料電池温度を所定温度以上に保持して発電生成
   水をその発生速度を超えて少量の前記反応ガスとともに
   電池外部に排出する生成水の蒸発制御部と、前記燃料ガ
   スの一部分を燃焼触媒の存在下で燃焼させ、燃焼生成水
   を所定量分離回収する補給水の生成部と、前記電解液室
   の上方に突設された緩衝室とその液面センサ、および液
   面センサの出力信号により駆動される供給弁からなり、
   緩衝室の液面が所定レベル以下に低下したとき前記補給
   水を前記供給弁を介して緩衝室に補給する電解液濃度の
   制御部とを備えてなることを特徴とする液体電解質型燃
   料電池の電解液濃度管理装置。