JPH04504928A - 燃料電池不活性化のための空気エゼクタ装置 - 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】 発明の名称　燃料電池不活性化のための空気エゼクタ装置発明の詳細な説明 技術分野 この発明は、燃料電池に関するもので、特に、燃料電池を不活性化するために燃 料電池の非動作モードにおける燃料電池スタックのカソード電位を調整するため にカソード流中の希釈酸素の使用に関するものである。本発明は、ざらの通常発 電プラントにおいて使用されているような複雑な制御または支持装置を使用せず に、電池を不活性化させるために、例えば窒素（Ｎｉ）ガス等の反応ガス中に酸 素（０，）を添加する空気エゼクタ装置に関するものである。

背景技術 例えば、りん酸燃料電池において、電位が所定限界をこえると電極が破損する場 合がある。例えば、燃料電池のカソードは、触媒溶解、触媒担体の溶解、触媒層 の浸水等を起こす。また、電位がアノード電位に近づくと、触媒の再酸化、再結 晶が生じて活性が損なわれる。アノードがカソード電位に近づくことが出来れば 、　［例えば、８／１０　（０，８）の電圧］アノード電極は浸水して電解を生 じる。

電位の制御は、燃料電池にとって、例えば発電プラント休止中、起動時及び待機 中等の非出力状態または非動作モード状態において最も必要なものとなる。

本発明は、特に逆電位状態における燃料電池の電位制御をより優れたものとする ことを意図するもので、特に反応ガス中の成分の一つを他方に添加する手段を提 供しようとするものである。

発明の説明 本発明は、有効な反応ガス成分の使用、特に例示的な実施例においては、カソー ド部において混合された窒素／酸素ガス（Ｎ、１０．）の使用を含み、好ましく は酸素の比較的小さなパーセンテージを使用し、こうした逆電位状態におけるア ノードの窒素ガス（Ｎ２）と空気エゼクタ装置を使用して、通常の発電プラント において使用されている複雑な制御または支持装置を使用せずに、混合するもの である。こうした逆電位状態は、上記したように例えば発電プラント休止中、起 動時及び待機中等の非出力状態、非動作モード状態を含んでいる。

本発明は、燃料電池の不活性化装置における小さく、固定された領域に使用する ことが好ましく、 −高圧窒素ガスを空気を遮断したオリフィスまたはベンチュリによって計量供給 し、 −オリフィスまたはベンチュリからのガスのエネルギを使用してカソード部に導 入される以前の窒素流の希釈酸素の供給源としての大気を吸引しする。

フィルタ及びオリフィスまたは計量バルブをエゼクタの入口に負荷して希釈酸素 の供給源として清浄な空気の制御された添加を確実とすることが出来る。市販の エゼクタまたはエダクタを本発明に使用することにより、開発及び製造コストを 節約することも可能である。

以下の説明的な一連の動作は、例えばプラントの停止時に起こる。

カソード部は、適当な例えば窒素ガス及び酸素ガスの混合ガスによってパージさ れる。この混合ガスは、−次ガスとして窒素ガスを使用して吸引するエゼクタか ら供給され、燃料ガスをパージして、置換された触媒からのニッケル（Ｎｉ）カ ルボニルの形成を防止する。このパージは、形成の可能性が無い場合または、他 の方法によりニッケル（Ｎｉ）カルボニルの形成が防止されまたは回避されてい る場合には、不要となる。

カソードの電位を急激に低下させる為に、パージ状態においてダミー負荷を使用 することが可能である。一旦電位が低下すると、ダミー負荷は、一般に必要とさ れることはない。

従って、本発明の主要な目的は、空気エゼクタを燃料電池に関連付けて本能ガス 成分を発生させて、電池の電位を制御して、主に非出力状態または非動作モード において、燃料電池の電位が所定の限界値を越えることによる電極の損傷を防止 することにある。

本発明のもう一つの目的は、通常の発電プラントにおいて使用されているような 複雑な制御または支持装置の使用を必要としないで、上記の目的を達成すること にある。

本発明の、さらにもう一つの目的は、好ましくは市販のエゼクタ装置を使用する ことによって、上記の目的をコスト的に有利に達成することにある。

本発明の他の要素及び利点は以下の説明及び関連する図面よりより明確となろう 。

図面の簡単な説明 茶１図は、例示的な燃料電池との関係における本発明の例示的な方法及び構造を 簡略化して示す図式的な図であり、所望の燃料電池の不活性化を達成するため燃 料電池のカソード部に所望の反応ガスを供給するために使用される好ましい空気 エゼクタ装置を示している、 第２図は、第１図の装置に使用する好適な空気エゼクタ装置の一般的な構成を示 す側面図である。

発明を実施するための好適な態様 冨１図は、本発明を使用することが出来る例示的な燃料電池１゜の藺略化した構 成を示しており、この電池は１例えば２００ｋｗの発電プラントに使用される。

周知のように（１９８７年７月７日にレヴイー及びリップマンニ付与されたアメ リカ特許藁４，７８０．　１８７号寮照：この特許の開示は、本明細書の開示の 一部として援用する。）燃料電池１ｏは電気化学電池であり、燃料及びオ牛ノダ ントを連続的に消費して電気的なエネルギを発生する。燃料は、γノード部１１ で消費され、オ＋ンダントはカソード部１２で消費される。アノード及びカソー ド部１１．１２は適当な電解質中で電気化学的に連通状態となっている。

代表的な燃料電池発電プラントは、−乃至複数の燃料電池スタックで形成され、 各スタックの電池は電気的に直列に接続されスタックの電圧を昇圧する。スタッ クは他のスタックと並列にせっぞくして、発電プラントの電流発生能力を増大さ せることが出来る。所望の発電プラントの大きさに応じて、燃料電池スタックは １７２ダースまたはそれ以下の電池で構成したり、数百の多数の電池で構成した りすることが出来る。空気及び燃料は、通常スタック毎に設けるー乃至複数のマ ニフオールドを介して供給される。

東１図に示すように、冷却部及び電気ヒータ邪１ｓは燃料電池１０とともに使用 することが出来る。

代表的なＭ料電池は、燐酸電解質を使用している。燐酸燃料電池は、オキ／ダン トとして酸素（０，）をカソード部１２に供給するために空気を使用し、水素（ Ｈ８）をカソードｆＪ１１の燃料として供給するために水素濃度の高い流れが使 用される。電池１ｏを通過した後、使用された空気及び燃料流は連続的に系外に 排出される。

上記したように、こうした燃料電池の電極は、電気的な電池が所定の限界値を越 えれる損傷を生じる。

これを防止するために、箪１図の例示的な燃料電池においては、窒素ガス（Ｎ、 ）がアノード部１２で使用され、窒素／酸素（Ｎｔｌｏｓ）の混合気体がカソー ド部で使用されて、特に非出力状態または非走査モード位において生じる逆電位 状態においてカソードの電位を許容電位、即ち、例えば８／１０　（０，８）ボ ルト、に維持している。上述したように、こうした非出力状態または非動作状態 は、例えば発電プラント休止時、起動時及び待機状態で生じる。

発電プラントの休止中において、カソード部１２は、−次ガスとしての窒素（Ｎ 、）を使用して空気を吸引するエゼクタ２１より供給される例えば０．５容量％ の酸素と９９．５容量％の窒素のガス状混合物によってパージされる。燃料ガス は、置換された触媒からニッケル（Ｎｉ）カルボニルが形成されないように、窒 素（Ｎ、）でパージされる。

茅１図に示すように、窒素ガス成分は、相互結合された一連の貯蔵タンク２０Ａ −Ｄから得られる。十分な数のタンク２０が、所要の量のガスを供給するために 設けられる。タンク２ｏの出口ラインは、調整器２５Ａを通るインターフェース ２５からインジェクタライン２７、アン−ドパ−シライン２９へと供給される。

圧力調整器２５Ｂは、窒素の７−スティン中に設けられる。

従って、第１図に示すように、”Ｔ”字ライン分岐”Ｔ″が比較的高圧の窒素ガ ス源Ｏと燃料電池１ｏの間に設けられる。一方のＴ字分岐のブランチ２７はエゼ クタ２１に接続され、必要に応じてカソード部１２に接続され、他方のブランチ ２９は燃料処理装置１３１を介してアノード部１２に接続されてパージガス源を 接続する。例えばバルブ等の適当な制御手段が設けられ、最初に窒素ガスｌ［ｉ ２０のライン２７への供給を制御しくバルブ２７Ａ）、次いで７ノードパージラ イン２９への供給を制御する〈後者は図示していないが２７Ａと同等のもの〉。

エゼクタに向かうブランチにおいて、窒素ガスはエゼクタ２１中の大気２４と、 大気がフィルタ２２により濾過された後に混合され、射出される空気の童はトリ ムバルブ２３によって適切に制御される。

フィルタ２２及びオリフィスまたは計量バルブ２３Ａが、エゼクタ２１の空気ラ イン２８付加されて窒素ガスに対する清浄空気の制御された添加を確実にしてい る。

エゼクタ２１は、商業的に入手可能なもので、例えば、第２図に示す、ニュージ 中−ノー州、イースト　ハノーバに所在するフォックス　バルブ　ディベｏ　’ ｙプメント　カンパニーの「フォクスーミニーエダクタ（Ｆａｘ−Ｍｉｎｔ−Ｅ ｄｕｃｔｏｒ）Ｊ　（Ｐ／Ｎ６１１２１０−０６０）である。このエゼクタは、 １／４インチのライン寸法の吐出部２６を有し、１／８インチの寸法の流体イン レフト（２７）及び吸入インレｙト（２８）を有している。周知のように、ベン チュリ部２１Ａを通過する流動性流体の流れ（例えば高圧窒素ガス）は、吸入さ れる流体（例えば空気）のエゼクタ２１への吸引を生じさせ、流動流体と混合し て共通に吐出ライン２６に供給する。

エゼクタ２１は、従って、好ましくは小さく固定した面積のエゼクタであり、さ らに好ましくは高圧窒素ガスを、空気を遮断したオリスイスまたはベンチュリに よって調整し、オリフィスまたはベンチュリからのガスのエネルギを利用して窒 素ガス流中に酸素源としての大気を、混合ガス吐出ライン２６がカッ〜ド部１２ 内に入る以前に、吸引する。

混合ガスの一次または主成分となるとともにアノード部１１のパージガス源とな る窒素の例示的な高圧は、約５０乃至１５０ｐｓ１ｇまたはそれ以上の範囲であ る。なお、法律的な規制により、圧力の最大値は、例えば１４０ｐｓｉｇの低い 値となる。比較的高圧の窒素ガスは、好ましくは、大気２４との関係において、 エゼクタ２１に導入されるときに少なくとも１１００ｐｓｉよりも高い圧力とす る事が好ましい。

窒素／酸素混合ガスは、電池スタックのカソードＨ１２に、混合ガス出口ライン ２６を経て導入される。

例えば、混合ガス中の酸素の割合は、約０．Ｏ１１容量乃至１゜００容量％の範 囲とすることが出来るが、より厳密な酸素の割合は、約０．０２容置％乃至Ｏ， ＳＯ容量％である。

正確なカソード電位を連成するために十分な酸素が使用されなければならないが 、過剰な酸素は触媒の担体の腐食を発生させる。酸素成分の適当な量は、電圧や 燃料電池系内の温度等の種々の因子に応じて変化する。

電気化学理論においては、ある割合の酸素（例えば０．０４％）で十分であると ざ゛れているが、現実的な状態における実験によれば、標準的な計算値により使 用される量よりも多いｊｌ（例えば０．５０％）が必要であることが判明した。

これは初期に射出された酸素が残留水素（ＩＩ）ガスとアノード１１において水 を形成して消費される為と考えられる。

例えばプラントの休止付随して以下の一連の例示的な現象が生じる。カソード部 １２は適当な窒素ガス及び酸素ガスの混合ガスでパーツされる。この混合ガスは 、−次ガスとしての窒素ガス及び希釈酸素源としての空気を使用する、空気の吸 引を行うエゼクタ２１より供給される。

燃料ガスは、アノードパージライン２９を通る窒素ガスによ・ンてパージされて 、例えば置換された触媒による二、ケル（Ｎｉ）カルボニルの生成を防止する。

このアノードのパージは、アノードのパージとともに、燃料処理装置３１のパー ジを含んでいる。一般的に第１図に示された燃料処理装置３１は、主に予備酸化 器（ｐｒｅ−ｏｘｉｄｉｚｅｒ）、流体式脱硫器（ｈｙｄｒｏｄｅｓｕｌｆｕｒ ｉｚｅｒ）、再生器（ｒｅｆｏｒｍｅｒ）、熱交換器及び低温置換コンバータを 含んでおり、燃料ラインによりアノード（出力発生部）に接続される。

その後に、カソード部１２が、単純で自動的な混合ガス源として機能するエゼク タ２１からライン２６の経て供給される窒素／酸素混合ガスによって再度パーツ される。追加的なパーツが、所定の比較的長い時間に亙り適当な混合ガスを保持 するために必要となる場合がある。

ダミー負荷３０のスイッチングは、パージの開始時にカソード電位を急速に低下 させる為に使用することが好ましい。好適な０．　５０％／９９．５％の混合比 の０２７Ｎ２混合ガスは、カソード電位を、例えば０．　３乃至０．７ボルトの 許容範囲内に維持し、この酸素ガス（０２）の濃度は、回路の開路状態において 例示的に電解質を充填した２ミルの厚さのマトリ、クス１３に水素（Ｈ２）が分 散されている場合にはカソード電位を０．３ボルトに維持し、分散されていない 場合には０．８ボルトの電圧を維持するのに十分なものである。

本発明は、例示的な実施例に関して詳細に説明したが、本発明の精神及び範囲を 逸脱することなく、当業者において形状、詳細、方法及び要領に関して種々の変 更が可能である。

上記のように本発明において特許を受けようとする新規な事項は、例示的な実施 例より明かである。

要約書 燃料電池（１，０）は、窒素（Ｎ１）ガスをアノード部（１２）に使用し、窒素 ／酸素（Ｎ２１０２）混合ガスをカソード部（１１）に使用して、特に、例えば 発電プラント休止時、起動時及び待機時等の非出力状態において生じる逆電位状 態におけるカソードを許容電圧に維持する。発電プラント休止中に、カソード部 は、−次及び主ガスとしての窒素（Ｎ２）の高圧流中に空気（２４／２８）を吸 引するエゼクタ（２１）により供給される例えば０．　５％の酸素（０，）と９ ９．５％の窒素（Ｎ、）の混合ガスによりパージされる。エゼクタは、高圧窒素 ガスを、空気から遮断されたオリフィスまたはベンチュリにより計量供給し、オ リフィスまたはベンチュリからのガスのエネルギを使用して、カソード部に導入 される以前の窒素流中に空気を吸引する。

国際調査報告 一一−噛＊ｔｌ１ｗ−ｅＭＩＡＩＩ両自＋ｍラー・ＰＣＴ／ＵＳ９０１０７１７ ０国際調査報告 ＵＳ　９００７１７０ Ｓ＾　４２８３９

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. １．アノード部と、 最大許容電圧限界値を有するカソード部と、前記アノード部とカソード部を電気 化学的に連通する電解質と、少なくとも所定の非出力状態において前記所定の最 大許容電圧限界値よりも低いカソード電位を発生させる混合ガスによりカソード 部をバージするとともに、前記混合ガスが希釈成分と主成分で構成されており、 混合ガスの希釈成分を構成する一方の成分を混合ガスの主成分中に射出する小さ く固定された面積のエゼクタを有する混合ガス源とによって構成したことを特徴 とする電池電位を所定の許容電圧限界値に制御する燃料電池装置。
2. ２．前記混合ガス源は、酸素（Ｏ２）及び窒素（Ｎ２）の混合ガス源であり、前 記混合ガスの希釈成分を構成する酸素は比較的少量であり、前記エゼクタは空気 を遮断した主成分を構成する窒素ガスを計量供給するオリフィスまたはベンチュ リを有し、前記オリフィスまたはべンチュリからのガスが、カソード部に導入さ れるる以前に酸素源としての空気を窒素硫中に吸引し、前記空気が前記混合ガス の希釈酸素供給源となる請求項第１項の燃料電池装置。
3. ３．希釈酸素を供給する大気源と、 前記大気源と前記エゼクタ間に介挿され前記エゼクタに清浄な空気を供給するフ ィルタを含んでいる請求項第２項の燃料電池装置。
4. ４．前記ガスの供給源が、主成分である相対的に高圧ガスの流れ中に希釈成分と しての希釈酸素供給源としての空気を吸引するエゼクタである請求項第１項の燃 料電池装置。
5. ５．前記混合ガス源を構成するエゼクタに導入する時点において前記相対的に高 圧のガスは、１００ｐｓｉｇを越える圧力であり、前記空気はほぼ体気圧である 請求項第４項の燃料電池装置。
6. ６．大気供給源とエゼクタ間に清浄空気をエゼクタに供給するフイルタを設けた 請求項第５項の燃料電池装置。
7. ７．大気供給源とエゼクタ間に前記エゼクタに接続されたトリムバルブ及び流量 計を設けた請求項第６項の燃料電池装置。
8. ８．前記混合ガス供給原は、酸素（Ｏ２）と窒素（Ｎ２）の混合ガスの供給源で あり、前記混合ガスの希釈成分を構成する酸素は比較的少量であり、 前記エゼクタは空気を遮断した主成分を構成する窒素ガスを計量供給するオリフ ィスまたはベンチュリを有し、前記オリフィスまたはベンチュリからのガスが、 カソード部に導入されるる以前に酸素源としての空気を窒素硫中に吸引し、前記 空気が前記混合ガスの希釈酸素供給源となる請求項第５項の燃料電池装置。
9. ９．主成分の供給源と燃料電池の間にＴ字状の分岐部を設け、Ｔ字状分岐部の一 方はエゼクタに接続されて前記主成分を供給するとともに必要に応じて前記カソ ード部に接続され、前記Ｔ字状分岐部の他方はアノード部に接続されてバージガ ス源を供給する請求項第１項の燃料電池装置。
10. １０．アノード部と、 最大許容電圧限界値を有するカソード部と、前記アノード部とカソード部を電気 化学的に連通する電解質とを含む燃料電池において、 （ａ）少なくとも所定の非出力状態において前記所定の最大許容電圧限界値より も低いカソード電位を発生させる希釈成分と主成分で構成された混合ガスにより カソード部をバージするとともに、（ｂ）小さく固定された面積のエゼクタを使 用して混合ガスの希釈成分を構成する一方の成分を混合ガスの主成分の流れ中に 放出することを特徴とする燃料電池における電池電位を所定の許容電圧限界値に 制御する方法。
11. １１．酸素（Ｏ２）及び窒素（Ｎ２）の混合ガスを使用し、酸素が希釈成分であ り窒素が主成分である請求項第１０項の方法。
12. １２．前記混合ガスの供給源とて一次及び主成分として高圧窒素ガス中に酸素供 給源としての空気を吸引するのエゼクタを使用する請求項第１１項の方法。
13. １３．前記エゼクタを空気を遮断したオリフィスまたはベンチュリにより高圧窒 素ガスの計量供給に使用し、窒素流がカソード部に導入される以前にオリフィス またはベンチュリからのガスのエネルギを使用して空気を吸引する請求項第１２ 項の方法。