JPH02823B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の属する技術分野〕 本発明は電解液が電池を通して循環されるいわ
ゆる自由電解液形の燃料電池を用いた発電装置に
関する。

〔従来技術とその問題点〕

前述のような自由電解液形燃料電池は、例えば
苛性カリなどのアルカリ水溶液を電解質とし、燃
料ガスとして水素を、酸化ガスとして空気または
酸素をもちいる低温運転形の燃料電池に適してい
る。この種燃料電池を用いる発電装置としては、
この燃料電池本体のほかに電解液を循環させる循
環系や、燃料ガスと酸化ガスを供給する反応ガス
供給系が付属して設けられるが、かかる付属系の
果す機能としては前述の液の循環とガスの供給の
ほかに電池本体内で発電作用に伴つて発生する熱
量と反応生成水との除去がある。電池運転時の発
生熱を電池本体から除く手段としては、反応ガス
供給系を本来電池が反応に必要とする量よりも多
く反応ガスを電池本体内に通流させ、電解液中の
水を反応ガス中に蒸発させて蒸発潜熱の形に電池
外に持ち出すのが有利である。また、この手段は
発電作用に伴つて電池内で生じる反応生成水の除
去にも共用できる大きな利点がある。

第１図はかかる手段を用いた燃料電池発電装置
の構成を系統図で示すもので、燃料電池本体１０
は燃料ガス電極１１と酸化ガス電極１２とによつ
て、燃料ガス室１３と酸化ガス室１４と電解液室
１５との３室に仕切られた枠として模式的に示さ
れている。電解液循環系２０は電解液溜め２１と
電解液ポンプ２２を含み電解液Ｅを電解液室１５
に通流させる。反応ガス供給系中の燃料ガス供給
系３０は図の左方の図示しない燃料ガス源から燃
料ガスＦ例えば水素をエジエクタ３１を介して電
池内の燃料ガス室１３に送り、該燃料ガス室１３
から電池を出る燃料ガスを凝縮器３２を介して前
述のエジエクタ３１に吸い込んで再び電池に送
る。このようにして燃料ガス供給系３０は消費量
の数倍の燃料ガスを燃料ガス室１３に通流させる
ガス供給兼循環系として構成されており、電池内
で生じた発熱量を反応生成水とともに電池本体１
０外に導出する。凝縮器３２内では燃料ガス中の
水分は冷却水Ｗによつて冷却されて凝縮水とな
り、その際発生する顕熱は冷却水Ｗによつて持ち
去られる。

もう一方の反応ガス供給系である酸化ガス供給
系４０は図の左方から酸化ガスとしての空気Ａを
ブロワ４１に吸引して、電池本体１０内の酸化ガ
ス室１４に供給する。この場合空気Ａは酸化ガス
として有効な酸素を20％程度しか含まないので、
その全量が燃料電池本体１０内で消費されること
はなく、反応にあずからなかつた残りの窒素は消
費されなかつた酸素分とともに電池を出て、凝縮
器４２を介して大気に放出される。もつともこの
場合には、凝縮器により排出空気中に含まれる水
分を凝縮させる必要はとくになく、そのまま大気
放出してもよい。

さて、上述の系統では電池本体１０内で生じる
発熱量と反応生成水とを反応ガス中に蒸発される
水蒸気の形で電池外に取り出しているので、必要
なだけの熱量と生成量とが常に平衡して除去され
るわけにはゆかず、通常の電池の運転条件では必
要な熱量をとり出そうとすると発生量以上の反応
生成水を電池からとり出してしまうことになる。
従つて、そのままでは電解液の濃度が規定値より
も高くなつてしまうので、補給水を電解液に加え
る必要がある。第１図中の補給水供給系５０はこ
のためのもので、前述の凝縮器３２，４２中で凝
縮された凝縮水Ｃを凝縮水溜め５０で受け、補給
水として補給水ポンプ５２により電解液循環系２
０内の電解液溜め２１に供給する。なお、凝縮水
溜め５１にはオーバーフロー部５１ｂがあり水面
５１ａを越える所定量以上の凝縮水は排出され
る。

しかし、以上のように構成された燃料電池発電
装置には電池出力が時間的に変動しやすい欠点が
あり、その主な原因は前述の補給水供給系にある
ことがわかつた。すなわち、凝縮器３２，４２中
で凝縮される凝縮水の温度は冷却水Ｗにより電池
の運転温度よりもかなり低く、この比較的低温の
凝縮水Ｃを凝縮水溜め５１から補給水ポンプ５２
により補給水として電解液溜め２１に供給した
時、第２図に示す実測結果のａに示すように電解
液溜めの電解液温度Ｔが10℃程度一たん急激に低
下する。同図ａは横軸が時間（分）を縦軸が電解
液温度Ｔを示し、時刻tsは補給水の供給開始時、
時刻teは供給終了時である。このような、電解液
温度の一時低下に基づく電池出力Ｐの変動は同図
ｂに示すように予想外に大きく、補給水の供給終
了時において５％に達している。さらに電解液溜
め２１中の電解液Ｅが電池本体１０内に循環され
て正規の運転温度に再び上昇するまでに時間を要
するので、電池出力Ｐは一たん低下した後元の出
力に戻るまで10分以上を要している。

以上のような問題解決には、電解液溜めへの補
給水の供給を連続的にしてやればよいが、電解液
に補給水を加え過ぎると濃度が下がり電池出力に
も影響するので、運転操作上は補給水の供給は間
欠的な方がよい。また、冷却水Ｗの温度を上げれ
ば凝縮水温度従つて補給水温度を上げることはで
きるが、反応ガスとくに燃料ガスから水分凝縮が
不十分となつて、湿つた燃料ガスが電池本体に供
給される結果となり、電極の機能を損じるおそれ
がでてくる。燃料ガス中の湿分によつて電極のガ
ス拡散性が悪くなると電極の発電作用が低下する
からである。

〔発明の目的〕

上述の従来装置のもつ欠点に鑑み、本発明は電
解液循環系への補給水の供給が電池の出力に影響
を及ぼすことが少なく、安定した出力が得られる
ように燃料電池発電装置を構成することを目的と
する。

〔発明の要点〕

本発明によれば上記目的は、燃料電池発電装置
を、電解液が内部に通流され反応ガスの供給を受
けて発電作用を営む燃料電池本体と、電解液の総
液量を一定に調節する電解液溜めを含み、電池本
体を通して電解液を循環させる電解液循環系と、
電池本体に反応ガスを供給するとともに該本体内
で生じる反応生成水をその発生量よりも過剰に本
体外に排出しうる流量の反応ガスを電池本体に通
流させる反応ガス供給系と、該反応ガス供給系に
より電池本体から排出される反応生成水の前記過
剰排出量に相当する補給水を前記電解液溜めに供
給する補給水供給系と、電解液溜めに供給される
該補給水を電池本体から反応ガスとともに持ち出
される熱量により該反応ガスの電池本体からの吐
出温度と同温度に加熱する熱交換手段とにより構
成することにより達成される。

〔発明の実施例〕

以下図を参照しながら本発明の実施例を説明す
る。

第３図は本発明の第１実施例を示す系統図であ
つて、第１図と同一の部分には同一の符合が付さ
れているが、図を簡略化して要部を重点的に示す
ために、燃料ガス供給系はこの図から省略されて
いる。これは、酸化ガスとしてふつう用いられる
空気は酸化ガスとして有効な酸素のほかに多量の
窒素を含むので、電池本体１０への通流量が燃料
ガスとくに水素ガスの通流量が本質的に多く、従
つて電池本体から発熱量や反応生成水を除去する
上で燃料ガスより大きな役割りを果し、酸化ガス
供給系の方が本発明の要点の説明上も重要である
からである。

図示のように、この実施例における電解液循環
系２０は第１図の場合と大きく異なるところはな
いが、電解液溜め２１には液面２１ａを検出する
電極形の液面検出器２１ｂが示されている。この
液面検出器２１ｂはその図の下方に伸びた左右の
電極脚の先端に液面２１ａが来たとき検出信号を
発し、これによつて補給水供給系５０の補給水ポ
ンプ５２を起動，停止させて、液面２１ａが比較
的小範囲内にあるように制御することにより、電
解液溜め２１内の電解液Ｅの量を従つて電解液循
環系内の電解液の総液量を一定に調節する。これ
により電池本体１０の電解液室１５に送られる電
解液の濃度が所定値に保たれる。また電解液室１
５から電解液溜め２１への電解液の戻り配管の先
端は、電解液面２１ａの直上に開口しており、電
池本体内で電解液内に微量の反応ガスが混入して
いても、この部位で液から分離して大気に放散さ
れる。

酸化ガス供給系４０は、前と同様にブロワ４１
により空気Ａを大気から吸い込み、電池本体１０
の酸化ガス室１４に送るが、該酸化ガス室１４か
ら電池本体外に排出される空気は、補給水供給系
５０に追加された予熱槽５３のフインつき熱交換
チユーブ５３ａを経て凝縮器４２に入り、そのフ
インつき冷却管４２ａ内を流れる冷却水Ｗにより
冷却されて、その中に含まれる反応生成水分が凝
縮される。凝縮器を出た空気はその一部が大気
Atに放出されるが、残余のかなりの部分は再び
ブロワ４１に吸引され電池本体に再循環される。
この実施例のように酸化ガス供給系を循環系とす
ることにより、ブロワ４１が大気から吸い込む空
気よりも多量の空気が酸化ガス室１４に通流さ
れ、電池本体内で生じた発熱量が十分に除去され
て凝縮器４２内で冷却水Ｗに伝達される。また反
応生成水の除去についても同じであつて、酸化ガ
ス室１４内を通流する空気量を増すことにより、
酸化ガス供給系単独で、あるいは燃料ガス供給系
と合わせて、電池本体１０内で生じるよりも多量
の反応生成水分が電池本体１０内の電解液から取
り去られ、電極のガス拡散性が十分な状態で電池
が運転される。

このような反応ガス供給系により反応生成水が
発生量よりも過剰に電池本体１０から取り去られ
るので、補給水供給系５０はこの過剰分に相当す
る量の補給水を電解液循環系２０に供給しなけれ
ばならない。この補給水としては、従来と同様に
凝縮器４２中の不純物の少ない凝縮水Ｃを利用す
るのが望ましく、このため凝縮水Ｃは凝縮器４２
の底部から図の右下に示された凝縮水溜め５１に
導かれ、そのオーバーフロー５１ｂのレベルまで
一定量が貯留される。凝縮水溜め５１の側方には
前述の予熱槽５３が並べて設置されており、両者
の凝縮水貯留部が連通されているので、予熱槽５
３中にもその液面５３ｂが凝縮水溜め５１の液面
５１ａと同じになるだけの所定量の凝縮水が貯留
されている。この予熱槽５３内の凝縮水は前述の
熱交換チユーブ５３ａ内を流れる電池本体１０に
より温められた空気で加熱され、該温気は電池の
運転温度と実質上同温度であるので、凝縮水も電
池の運転温度と同温度に暖められる。もちろん、
電池本体１０から予熱槽５３に至る空気配管は、
熱絶縁で覆つて外気への熱の逸出を防止するのが
望ましい。このように電池温度まで予熱された予
熱槽５３中の凝縮水は、前述の電解液溜め２１の
液面検出器２１ｂからの指令により、補給水ポン
プ５２により付勢されて補給水として間欠的に電
解液溜め２１に供給される。

第４図ａ，ｂは以上のように構成された系統の
運転成績を示すもので、前の第２図に対応するも
のである。同図ａからわかるように電解液溜め内
の電解液温度Ｔは従来よりかなり減少し、その変
動は実測値で約３℃であつた。また、これに対応
して同図ｂに示す電池出力Ｐの変動も小さくな
り、実測値で1.5％程度であつた。もつとも、こ
の成績は予熱槽５３中で予熱された凝縮水の温度
が電池温度60℃に比し約10℃低い50℃の場合であ
つて、予熱をより十分にすることにより改善でき
る値であるが、それでも電池出力の変動率1.5％
の値は電池出力を受けるインバーター装置により
容易に補償しうる程度のものである。また図から
わかるように電解液温度Ｔと電池出力Ｐとが一た
ん低下してから正常値に戻るまでの時間も大幅に
減少している。

第５図は本発明の第２の実施例を示す統系図で
ある。この図には燃料ガス供給系３０が示されて
いる以外、前第３図と同一の部分には同一符号が
付されている。この実施例が前の実施例と異なる
点は、予熱槽５３中の凝縮水Ｃを加熱する媒体と
して、燃料ガス供給系３０の凝縮器３２と酸化ガ
ス供給系４０の凝縮器４２とを冷却して温められ
た冷却水Ｗが用いられている点であつて、予熱槽
５３への配管が液系になるので、前の実施例にお
けるガス系よりも施行しやすい利点がある。もつ
とも、電池本体１０から排出された反応ガスより
もこの冷却水温が低くなることは避けられない
が、各凝縮器中では反応ガス中に含まれていた水
蒸気分が凝縮する際多量の顕熱が発生されるの
で、これによつて温められた冷却水の凝縮器出口
温度は反応ガスの入口温度とあまり大差がない。
また予熱熱量が不足しないように、図示のように
２個の凝縮器３２，４２からの冷却水を予熱槽５
３に導入することができる。

以上説明した両実施例とも、補給水を予熱する
熱源として電池本体から出てくる電池と同温度の
反応ガスを用いているので、補給水はほぼ電池と
同温度に予熱され、予熱の過剰や不足により電解
液の温度に無用な変動を与えることがなく、本発
明を実施した系統は極めて安定な動作をする。ま
た、反応ガス供給系により電池本体には反応生成
水よりも過剰に水分を電池外に排出させうるだけ
の流量の反応ガスが送られるので、補給水を十分
に予熱しうる温められた反応ガスの量が得られる
点も、本発明の実施に当つて有利に働く。

〔発明の効果〕

以上説明したとおり、本発明の実施により電解
液循環系に供給される補給水は電池の運転温度と
ほぼ同温度に温められるので、電池に循環供給さ
れる電解液の温度が補給水の供給により変動する
ことが従来に比して非常に少なくなり、燃料電池
の発電出力が変動することがほとんどなくなる。
また本発明による燃料電池発電装置の系統は、前
述したように本質的に安定であつて、制御や調整
の行き過ぎによる系統内変動を生じるおそれがな
く、安心して運転を継続することができる。さら
には以上に付随して電解液循環系の総液量制御、
従つて電解液の濃度制御も信頼性が高く、反応ガ
ス供給系により電極のガス拡散性が良好な条件に
保たれることと相俟つて、燃料電池発電装置を高
い効率で長期運転することを保証しうるものであ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の燃料電池発電装置の構成を示す
系統図、第２図は当該従来装置の運転成績を示す
グラフ図、第３図は本発明による燃料電池装置の
第１の実施例の構成を示す系統図、第４図は当該
第１の実施例装置の運転成績を示すグラフ図、第
５図は本発明の第２の実施例による燃料電池発電
装置の構成を示す系統図である。図において、 １０：燃料電池本体、２０：電解液循環系、２
１：電解液溜め、２１ｂ：電解液の総液量調節手
段としての電解液の液面検出器、３０：反応ガス
供給系としての燃料ガス供給系、３２，４２：反
応生成水分を凝縮させる凝縮器、４０：反応ガス
供給系としての酸化ガス供給系、５０：補給水供
給系、５３：補給水用予熱槽、５３ａ，５３ｃ：
熱交換手段としてのフインつき熱交換チユーブ、
Ａ：反応ガスとしての空気、Ｃ：補給水として用
いられる凝縮水、Ｅ：電解質、Ｆ：反応ガスとし
ての燃料ガス、である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 電解液が内部に通流され反応ガスの供給を受
   けて発電作用を営む燃料電池本体と、電解液の総
   液量を一定に調節する電解液溜めを含み、電池本
   体を通して電解液を循環させる電解液循環系と、
   電池本体に反応ガスを供給するとともに該本体内
   で生じる反応生成水をその発生量よりも過剰に本
   体外に排出しうる流量の反応ガスを電池本体に通
   流させる反応ガス供給系と、該反応ガス供給系に
   より電池本体から排出される反応生成水の前記過
   剰排出量に相当する補給水を前記電解液溜めに供
   給する補給水供給系と、電解液溜めに供給される
   該補給水を電池本体から反応ガスとともに持ち出
   される熱量により該反応ガスの電池本体からの吐
   出温度と同温度に加熱する熱交換手段とを備えて
   なる燃料電池発電装置。 ２ 特許請求の範囲第１項記載の発電装置におい
   て、熱交換手段が電池から吐出される反応ガスと
   補給水とを直接熱交換する補給水予熱槽であるこ
   とを特徴とする燃料電池発電装置。 ３ 特許請求の範囲第１項記載の発電装置におい
   て、反応ガス供給系が反応ガスを冷却水により冷
   却して該反応ガスとともに電池本体から排出され
   る反応生成水分を凝縮させる凝縮器を含み、熱交
   換手段が該凝縮器からの出口側冷却水と補給水と
   を熱交換する補給水予熱槽であることを特徴とす
   る燃料電池発電装置。 ４ 特許請求の範囲第３項記載の発電装置におい
   て、補給水として凝縮器内で凝縮された反応生成
   水が用いられることを特徴とする燃料電池発電装
   置。 ５ 特許請求の範囲第１項記載の発電装置におい
   て、補給水と熱交換される反応ガスが電池本体に
   酸化ガスとして供給される空気であることを特徴
   とする燃料電池発電装置。