JPH0652876A - Fuel cell power generating plant - Google Patents

Fuel cell power generating plant

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Publication number
JPH0652876A
JPH0652876A JP4205691A JP20569192A JPH0652876A JP H0652876 A JPH0652876 A JP H0652876A JP 4205691 A JP4205691 A JP 4205691A JP 20569192 A JP20569192 A JP 20569192A JP H0652876 A JPH0652876 A JP H0652876A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
fuel cell
electrolyte
amount
phosphoric acid
drain
Prior art date
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Pending
Application number
JP4205691A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Katsunori Sakai
勝則 酒井
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Filing date
Publication date
Application filed by Toshiba Corp filed Critical Toshiba Corp
Priority to JP4205691A priority Critical patent/JPH0652876A/en
Publication of JPH0652876A publication Critical patent/JPH0652876A/en
Pending legal-status Critical Current

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    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

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Abstract

PURPOSE:To extend the life of a fuel cell by measuring the amount of electrolyte held in the fuel cell, and determining the proper time and amount of supply of electrolyte when necessary. CONSTITUTION:The fuel supply line and oxidizer discharge line of a cell main body 1 are provided with respective condensors 13, 17. An anode drain tank 31 and a cathode drain tank 41 are connected to the respective condensors 13, 17. Mounted in both the anode drain tank 31 and the cathode drain tank 41 are level gauges 32, 42 for measuring the amount of drain remaining in the tanks 31, 41 and phosphoric acid concentration meters 33, 43 for measuring the concentration of phosphoric acid in the drain. Further, an arithmetic unit 39 is provided for computing the amount of conveyed phosphoric acid from the output values of the level gauges 32, 42 and the phosphoric acid concentration meters 33, 43.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、燃料電池を用いる燃料
電池発電プラントに関するものであり、特に燃料電池に
対して電解質を補給する時期及びその補給量を決定する
燃料電池発電プラントに関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a fuel cell power plant using a fuel cell, and more particularly to a fuel cell power plant for determining when and how much electrolyte is replenished to a fuel cell. .

【0002】[0002]

【従来の技術】一般に燃料電池は、燃料のもつ化学エネ
ルギーを、気化学プロセスで酸化させることにより、酸
化反応に伴って放出されるエネルギーを、直接電気エネ
ルギーに変換する装置である。この燃料電池は比較的小
さな規模であっても発電の熱効率が40〜50%に達す
る。そのため、燃料電池を用いる燃料電池発電プラント
の熱効率は、新鋭火力発電プラントのそれをはるかに凌
ぐと期待されており、大いに注目を集めている。
2. Description of the Related Art Generally, a fuel cell is a device for directly converting the energy released by an oxidation reaction into electrical energy by oxidizing the chemical energy of the fuel in a gas chemical process. The thermal efficiency of power generation of this fuel cell reaches 40 to 50% even on a relatively small scale. Therefore, the thermal efficiency of a fuel cell power plant using a fuel cell is expected to be far higher than that of a new thermal power plant, and it has attracted much attention.

【0003】また、燃料電池発電プラントは、環境破壊
要因であるSOx 、NOx の排出が極めて少なく、また
発電プラント内に燃料サイクルを含まないため、大量の
冷却水を必要としない。しかも振動も小さいので騒音が
少ない。さらに、負荷変動に対して応答性が良く、原理
的に高い変換効率が期待できると共に、発電と同時に熱
も利用するコジェネシステムに向いている。以上のよう
な利点を有することから、燃料電池発電プラントは近
年、益々研究が進められている。
Further, the fuel cell power plant does not need a large amount of cooling water because it emits very little SO x and NO x which are environmental factors and does not include a fuel cycle in the power plant. Moreover, since the vibration is small, there is little noise. Furthermore, it is suitable for a cogeneration system that has good responsiveness to load fluctuations, can theoretically expect high conversion efficiency, and uses heat as well as power generation. Due to the advantages described above, fuel cell power generation plants have been increasingly researched in recent years.

【0004】ここで、燃料電池の構成及び動作原理に関
して説明する。燃料電池は、触媒層を形成する一対の多
孔質電極と、その間に配設される電解質層とから成る単
電池を、セパレータを介して複数個積層して構成され
る。このうち触媒層を形成する多孔質電極は、アノード
電極(燃料電極)及びカソード電極(酸化剤電極)から
構成され、多孔質体(サブストレート)中に電解質が蓄
えられている。アノード電極の背面には水素などの燃料
ガスを接触させ、また、カソード電極の背面には酸素等
の酸化剤ガスを接触させ、この時に起こる電気化学的反
応により発生する電気エネルギーを上記一対の電極から
取り出すことができる。
The structure and operating principle of the fuel cell will be described below. A fuel cell is configured by stacking a plurality of unit cells each having a pair of porous electrodes forming a catalyst layer and an electrolyte layer arranged between the porous electrodes with a separator interposed therebetween. Among them, the porous electrode forming the catalyst layer is composed of an anode electrode (fuel electrode) and a cathode electrode (oxidizer electrode), and an electrolyte is stored in a porous body (substrate). A fuel gas such as hydrogen is brought into contact with the back surface of the anode electrode, and an oxidant gas such as oxygen is brought into contact with the back surface of the cathode electrode, and electric energy generated by an electrochemical reaction occurring at this time is applied to the pair of electrodes. Can be taken from.

【0005】一方、電解質層は、耐電解質性の微粒子を
主原料とした多孔質層に電解質を含浸して形成される。
また、電解質層はアノード電極及びカソード電極の電気
化学反応に伴なう、それら電極間のイオン伝達の機能を
果たす。と同時に燃料ガスと酸化剤ガスとが混触しない
ように2つの反応ガスを互いに分離する機能も兼ねてい
る。
On the other hand, the electrolyte layer is formed by impregnating a porous layer containing electrolyte-resistant fine particles as a main raw material with an electrolyte.
Further, the electrolyte layer plays a role of ion transfer between the anode electrode and the cathode electrode, which accompanies the electrochemical reaction. At the same time, it also has a function of separating the two reaction gases from each other so that the fuel gas and the oxidant gas do not come into contact with each other.

【0006】燃料電池において、電解質層に電解質が十
分に含浸されていれば、電解質層における上記の機能に
問題はない。ところが、含浸される電解質の量が少なく
なると、イオン伝達の抵抗(電池内部抵抗)が大きくな
る。また反応ガスの対極へのリーク(クロスリーク)が
発生し、セル電圧が大きく低下する。また、最悪の場合
は爆発を生じる可能性もある。このことから、電解質層
中の電解質の残量管理は、燃料電池の高性能を維持する
上でも、電池の安全運転を保証する上でも極めて重要で
ある。
In the fuel cell, if the electrolyte layer is sufficiently impregnated with the electrolyte, there is no problem in the above function of the electrolyte layer. However, when the amount of the impregnated electrolyte decreases, the resistance of ion transfer (battery internal resistance) increases. In addition, a leak (cross leak) of the reaction gas to the counter electrode occurs, and the cell voltage greatly decreases. In the worst case, it may cause an explosion. For this reason, the management of the remaining amount of the electrolyte in the electrolyte layer is extremely important for maintaining the high performance of the fuel cell and ensuring the safe operation of the cell.

【0007】また、燃料電池の運転を行なう際、電解質
層に含浸した電解質が微量ではあるが反応ガス中に蒸発
し、電池本体外へ搬出されることが知られている。この
様な反応ガスに蒸発する電解質は微量であっても、燃料
電池の運転を長期間行っていると、電解質層内の電解質
は徐々に低減する。この電解質層における電解質の低減
は電池内部抵抗の増加及びクロスリークの発生をもたら
し、電池としての性能は大きく低下する。その結果、燃
料電池の寿命が短くなる。
It is also known that when the fuel cell is operated, the electrolyte impregnated in the electrolyte layer evaporates into the reaction gas, though in a small amount, and is carried out to the outside of the cell body. Even if the amount of the electrolyte evaporated in such a reaction gas is very small, the amount of the electrolyte in the electrolyte layer gradually decreases when the fuel cell is operated for a long period of time. The reduction of the electrolyte in the electrolyte layer causes an increase in the internal resistance of the battery and the occurrence of cross leak, and the performance of the battery is significantly reduced. As a result, the life of the fuel cell is shortened.

【0008】図2に本出願人が実施した寿命試験の結果
を示す。電池内部抵抗は運転時間経過に伴なって徐々に
増加し、ある時期を境に急激に増加する。又、この時燃
料電池の電圧が急激に低下することが明らかである。
FIG. 2 shows the result of a life test conducted by the applicant. The internal resistance of the battery gradually increases with the lapse of operating time, and sharply increases after a certain period. It is also clear that the voltage of the fuel cell drops sharply at this time.

【0009】ところが、図2に示したように電池特性が
急激に低下したにせよ、適切な量の電解質を補給すれ
ば、電池特性は回復することができる。その例を図3に
示す。すなわち、燃料電池では燃料ガス、酸化剤ガス及
び電解質が適度な量で供給されている限り、高い変換効
率で電気エネルギーを連続的に取出すことができる。そ
のため、燃料電池発電プラントには、電池本体に燃料ガ
ス及び酸化剤ガスを供給・排出する供給・排出ライン及
び電解質の補給構造を配置している。
However, even if the battery characteristics are drastically lowered as shown in FIG. 2, the battery characteristics can be recovered by supplying an appropriate amount of electrolyte. An example thereof is shown in FIG. That is, in the fuel cell, as long as the fuel gas, the oxidant gas and the electrolyte are supplied in appropriate amounts, the electric energy can be continuously extracted with high conversion efficiency. Therefore, in the fuel cell power plant, a supply / discharge line for supplying / discharging the fuel gas and the oxidant gas to the cell body and an electrolyte replenishing structure are arranged.

【0010】[0010]

【発明が解決しようとする課題】ところで、燃料電池発
電プラントに配置される電解質の補給構造において、特
に問題となるのは電解質の補給時期及びその補給量であ
る。補給時期について考えると、電解質の量が燃料電池
の電圧に影響を及ぼす時期が過ぎた後であれば、単電池
には既にクロスオーバーが発生している。そのため、解
媒層を形成する一対の多孔質電極は、かなりのダメージ
を受けることになる。この場合、仮に適量の電解質を補
給しても、燃料電池の電圧が十分に回復することができ
なくなる。
By the way, in the electrolyte replenishment structure arranged in the fuel cell power generation plant, particularly problematic is the electrolyte replenishment timing and the amount of electrolyte replenishment. Considering the replenishment timing, the crossover has already occurred in the unit cell after the time when the amount of the electrolyte affects the voltage of the fuel cell has passed. Therefore, the pair of porous electrodes forming the dissolution medium layer are considerably damaged. In this case, the voltage of the fuel cell cannot be sufficiently recovered even if an appropriate amount of electrolyte is replenished.

【0011】一方、電解質の補給量について考えると、
必要かつ十分な量を補給しなければ、ブロッキング等の
不具合が生じる。従来では、燃料電池の運転時間により
補給量を決定していたが、運転条件等により電解質層内
の電解質の量は異なるため、補給量が少なすぎたり、逆
に多くなり過ぎたりすることがある。補給量が少ないと
次の補給までの時間が短くなり、補給回数が増える。一
方、電解質の多くなり過ぎると、触媒層の多孔質体(サ
ブストレート)中のガス拡散性が低下し、拡散分極が大
きくなるため、燃料電池の電圧が十分回復することがで
きなくなる。
On the other hand, considering the amount of electrolyte replenishment,
If a necessary and sufficient amount is not supplied, problems such as blocking will occur. In the past, the amount of replenishment was determined by the operating time of the fuel cell, but the amount of electrolyte in the electrolyte layer differs depending on the operating conditions, etc., so the amount of replenishment may be too small or conversely too large. . When the replenishment amount is small, the time until the next replenishment becomes short and the number of replenishment times increases. On the other hand, when the amount of the electrolyte is too much, the gas diffusivity in the porous body (substrate) of the catalyst layer is lowered and the diffusion polarization becomes large, so that the voltage of the fuel cell cannot be sufficiently recovered.

【0012】以上のように、電解質層の電解質量を管理
することは極めて重要であるにも関わらず、従来の燃料
電池発電プラントには、電解質層中に含浸される電解質
の量を正確に測定する手段がなく、適切な電解質補給時
期・補給量を判断することができなかった。
As described above, although it is extremely important to control the electrolytic mass of the electrolyte layer, the conventional fuel cell power plant accurately measures the amount of electrolyte impregnated in the electrolyte layer. There was no means to do so, and it was not possible to determine the appropriate electrolyte replenishment timing / replenishment amount.

【0013】本発明は、上記問題点を解決するためにな
されたものであり、その目的は燃料電池に保持される電
解質の量を測定して、適切な電解質の補給時期及びその
補給量を適宜決定し、燃料電池の寿命を大幅に延長する
ことができる燃料電池発電プラントを提供することであ
る。
The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and its purpose is to measure the amount of electrolyte retained in a fuel cell and appropriately determine the time and amount of electrolyte replenishment. It is an object of the present invention to provide a fuel cell power plant that can determine and prolong the life of the fuel cell significantly.

【0014】[0014]

【課題を解決するための手段】以上の目的を達成するた
めに、本発明の燃料電池発電プラントは、触媒層を形成
する一対の多孔質電極と、その間に配設した電解質層と
から成る単電池を複数個積層して構成した燃料電池本体
を備え、前記電池本体に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給
・排出する供給・排出ライン及び前記電解質の補給構造
を配置して成る燃料電池発電プラントにおいて、燃料ガ
ス及び酸化剤ガスの排出ラインに各々凝縮器を配置し、
凝縮器にアノードドレンタンク及びカソードドレンタン
クを接続して配置し、アノードドレンタンク及びカソー
ドドレンタンク内に滞留するドレン量及び該ドレン中の
電解質濃度を測定するセンサを配備すると共に、センサ
の出力値より電解質の搬出量を算出する演算装置を備え
たことを特徴とするものである。
In order to achieve the above object, a fuel cell power plant of the present invention comprises a pair of porous electrodes forming a catalyst layer and an electrolyte layer arranged between them. A fuel cell power plant comprising a fuel cell main body formed by stacking a plurality of cells, and arranging a supply / exhaust line for supplying / exhausting a fuel gas and an oxidant gas to the cell main body and a structure for replenishing the electrolyte. , A condenser is arranged in each of the fuel gas and oxidant gas discharge lines,
An anode drain tank and a cathode drain tank are connected to the condenser and arranged, and a sensor for measuring the amount of drain staying in the anode drain tank and the cathode drain tank and the electrolyte concentration in the drain is provided, and the output value of the sensor is also provided. It is characterized by further comprising an arithmetic unit for calculating the amount of electrolyte carried out.

【0015】[0015]

【作用】本発明の燃料電池発電プラントにおいては、排
出ラインに配置された凝縮器にドレン量及び該ドレン中
の含有電解質濃度の測定センサを配置し、排出ガスによ
る電池外部への電解質の搬出量を検出することで連続的
に燃料電池内の残留電解質量を測定・監視することがで
きる。従って、電池に電解質補給を実施して電池性能の
回復可能な所定の電池内の残留電解質量状態を把握で
き、電解質の補給タイミングを知ることができる。ま
た、電池外部への搬出量も明確であるので、適切な電解
質補給量も正確に知ることができる。
In the fuel cell power plant of the present invention, the condenser disposed in the discharge line is provided with a sensor for measuring the amount of drain and the concentration of the electrolyte contained in the drain, and the amount of the electrolyte discharged to the outside of the cell by the exhaust gas. The residual electrolytic mass in the fuel cell can be continuously measured and monitored by detecting Therefore, it is possible to grasp the state of the residual electrolytic mass in the predetermined battery in which the battery performance can be recovered by carrying out the electrolyte replenishment, and to know the electrolyte replenishment timing. In addition, since the amount to be carried out to the outside of the battery is clear, it is possible to accurately know the appropriate amount of electrolyte replenishment.

【0016】[0016]

【実施例】以下、本発明の一実施例を図1に基づいて具
体的に説明する。図1は、この発明の実施例による燃料
電池発電プラントの系統図を示すものである。なお、本
実施例における燃料電池は、電解質としてリン酸を用い
ている。リン酸を用いる燃料電池は高温で作動するた
め、電極反応上有利であり、反応抵抗が少ない等の長所
がある反面、リン酸が蒸発して低減し易く、電池外部へ
の搬出量を検知することが求められている。従って、本
発明の作用効果が極めて有効である。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An embodiment of the present invention will be specifically described below with reference to FIG. FIG. 1 shows a system diagram of a fuel cell power plant according to an embodiment of the present invention. The fuel cell in this example uses phosphoric acid as the electrolyte. Fuel cells that use phosphoric acid operate at high temperatures, which is advantageous for electrode reactions and has the advantage of low reaction resistance. On the other hand, phosphoric acid is easily evaporated and reduced, and the amount of phosphoric acid carried out to the outside of the cell can be detected. Is required. Therefore, the effects of the present invention are extremely effective.

【0017】図に示すように、燃料電池本体1は、リン
酸を含浸したマトリックス層を挟んで両側にアノード電
極2とカソード電極3とを配置して単電池とし、この単
電池をセパレータを介して複数個積層して構成する。ア
ノード電極2には燃料ガス供給ラインを配置する。燃料
ガス供給ラインは改質装置10、アノードガス供給弁2
0及びアノードサイクルブロワー18から成る。改質装
置10は天然ガス8と水蒸気9との混合ガスを水蒸気改
質反応により水素リッチガス22にする装置である。ア
ノードガス供給弁20は燃料制御を行うように改質装置
10とアノード電極2のガス入口側と間に設置してい
る。また、アノードサイクルブロワー18はアノード電
極2内のガスを循環させるものである。
As shown in the figure, the fuel cell main body 1 is a unit cell in which an anode electrode 2 and a cathode electrode 3 are arranged on both sides of a matrix layer impregnated with phosphoric acid so as to form a unit cell. It is configured by stacking a plurality of layers. A fuel gas supply line is arranged in the anode electrode 2. The fuel gas supply line includes the reformer 10 and the anode gas supply valve 2.
0 and anode cycle blower 18. The reformer 10 is a device that converts a mixed gas of natural gas 8 and steam 9 into a hydrogen-rich gas 22 by a steam reforming reaction. The anode gas supply valve 20 is installed between the reformer 10 and the gas inlet side of the anode electrode 2 so as to control the fuel. The anode cycle blower 18 circulates the gas inside the anode electrode 2.

【0018】また、アノード電極2のガス出口側には燃
料ガス排出ラインを配置する。燃料ガス排出ラインはア
ノード出口流量計12及びアノード出口凝縮器13から
成る。アノード出口凝縮器13の入出口には、それぞれ
温度センサー35,36を設置する。温度センサー3
5,36の出力はアノード出口流量計12の出力と共に
演算装置39に接続して配置する。
Further, a fuel gas discharge line is arranged on the gas outlet side of the anode electrode 2. The fuel gas discharge line comprises an anode outlet flow meter 12 and an anode outlet condenser 13. Temperature sensors 35 and 36 are installed at the inlet and outlet of the anode outlet condenser 13, respectively. Temperature sensor 3
The outputs of 5, 36 and the output of the anode outlet flow meter 12 are connected to the arithmetic unit 39 and arranged.

【0019】また、アノード出口凝縮器13には発生ド
レンを溜めるドレンタンク31を接続する。このドレタ
ンク31には、ドレン液位を測定する液位計32と、ド
レン中の含まれるリン酸濃度を測定するためのリン酸濃
度計33とを設置する。さらにこの液位計32及びリン
酸濃度計33の出力側に演算装置39を接続する。
Further, a drain tank 31 for storing the generated drain is connected to the anode outlet condenser 13. A liquid level meter 32 for measuring the drain liquid level and a phosphoric acid concentration meter 33 for measuring the concentration of phosphoric acid contained in the drain are installed in the drain tank 31. Further, an arithmetic unit 39 is connected to the output side of the liquid level meter 32 and the phosphoric acid concentration meter 33.

【0020】他方、カソード電極3には酸化剤ガス供給
ラインを配置する。酸化剤ガス供給ラインは酸化剤とし
て圧縮空気11を供給するカソード空気供給弁21と、
カソード電極3内ガスを循環させるカソードリサイクル
ブロワ19から成る。また、カソード電極3のガス出口
側には酸化剤ガス排出ラインを接続する。酸化剤ガス排
出ラインはカソード出口流量計16,カソード出口凝縮
器17から成る。更に、前記アノード出口凝縮器13及
びカソード出口凝縮器17には改質器バーナー14を接
続し、更に、改質器バーナー14には排出ガスを大気1
5へ放出する大気遮断弁22を接続する。
On the other hand, the cathode electrode 3 is provided with an oxidant gas supply line. The oxidant gas supply line includes a cathode air supply valve 21 for supplying compressed air 11 as an oxidant,
It is composed of a cathode recycle blower 19 that circulates the gas inside the cathode electrode 3. Further, an oxidant gas discharge line is connected to the gas outlet side of the cathode electrode 3. The oxidant gas discharge line includes a cathode outlet flow meter 16 and a cathode outlet condenser 17. Further, a reformer burner 14 is connected to the anode outlet condenser 13 and the cathode outlet condenser 17, and the exhaust gas is fed to the reformer burner 14 to the atmosphere 1
The atmosphere shutoff valve 22 for discharging to 5 is connected.

【0021】前記カソード出口凝縮器17の入出口に
は、それぞれ温度センサー45,46を設置する。温度
センサー45,46の出力はカソード出口流量計16の
出力と共に演算装置39に接続する。また、カソード出
口凝縮器17には発生ドレンを溜めるドレンタンク41
を接続して配置する。このドレンタンク41には、ドレ
ン液位を測定する液位計42と、ドレン中の含まれるリ
ン酸濃度を測定するためのリン酸濃度計43とを設置す
る。さらに、この液位計42及びリン酸濃度計43の出
力側に演算装置39を接続する。
Temperature sensors 45 and 46 are installed at the inlet and outlet of the cathode outlet condenser 17, respectively. The outputs of the temperature sensors 45 and 46 are connected to the arithmetic unit 39 together with the output of the cathode outlet flow meter 16. Further, the cathode outlet condenser 17 has a drain tank 41 for storing the generated drain.
Connect and place. A liquid level gauge 42 for measuring the drain liquid level and a phosphoric acid concentration meter 43 for measuring the concentration of phosphoric acid contained in the drain are installed in the drain tank 41. Further, the arithmetic unit 39 is connected to the output side of the liquid level meter 42 and the phosphoric acid concentration meter 43.

【0022】次に、以上のような構成を有する本実施例
における作用について説明する。
Next, the operation of this embodiment having the above construction will be described.

【0023】リン酸型燃料電池発電プラントに運転状態
においては、改質装置10がアノードガス供給弁20を
介して、天然ガス8と水蒸気9との混合ガスを改質され
た水素リッチガス22(約75%)をアノード電極2に
供給する。他方、カソード空気供給弁21が圧縮空気1
1をカソード電極3に供給する。そして、アノード電極
2に供給された水素リッチガス22と、カソード電極3
に供給された圧縮空気11とが電気化学的に反応して所
定の電力を得ることができる。
In the operating state of the phosphoric acid fuel cell power plant, the reformer 10 reforms the mixed gas of the natural gas 8 and the steam 9 through the anode gas supply valve 20 to obtain the hydrogen rich gas 22 (about 75%) is supplied to the anode electrode 2. On the other hand, the cathode air supply valve 21 is compressed air 1
1 is supplied to the cathode electrode 3. Then, the hydrogen-rich gas 22 supplied to the anode electrode 2 and the cathode electrode 3
A predetermined electric power can be obtained by electrochemically reacting with the compressed air 11 supplied to the.

【0024】ところで、電解質としてリン酸を用いた燃
料電池本体1の運転温度は通常、200℃前後であるの
で、反応ガスである水素リッチガス22及び圧縮空気1
1中にリン酸が蒸発する。この結果、アノード電極2に
供給された水素リッチガス22は、発電反応により水素
を消費すると共にリン酸を取り込み、アノード排出ガス
としてアノード電極2出口に設けられたアノード出口凝
縮器13に排出する。アノード出口凝縮器13は、熱交
換器構造によりアノード排出ガス中の蒸気分を凝縮する
と共に、アノード排出ガス中に蒸発したリン酸も同様に
凝縮する。更にアノード出口凝縮器13は、この凝縮し
たリン酸を含むドレン水をアノードドレンタンク31に
排出し、アノードドレンタンク31はこれを保持する。
By the way, since the operating temperature of the fuel cell main body 1 using phosphoric acid as an electrolyte is usually around 200 ° C., the hydrogen-rich gas 22 and the compressed air 1 which are reaction gases.
During 1 the phosphoric acid evaporates. As a result, the hydrogen-rich gas 22 supplied to the anode electrode 2 consumes hydrogen by a power generation reaction and takes in phosphoric acid, and discharges it as an anode exhaust gas to the anode outlet condenser 13 provided at the outlet of the anode electrode 2. The anode outlet condenser 13 condenses the vapor component in the anode exhaust gas by the heat exchanger structure and also condenses the phosphoric acid evaporated in the anode exhaust gas. Further, the anode outlet condenser 13 discharges the condensed drain water containing phosphoric acid to the anode drain tank 31, and the anode drain tank 31 holds it.

【0025】ここで、アノードドレンタンク31に設置
された液位計32とリン酸濃度計33とは、それぞれア
ノードドレンタンク液位及びアノードドレンタンク中リ
ン酸濃度を検出し、その出力値を演算装置39に送信す
る。演算装置39では、アノードドレンタンク液位出力
値よりドレン量を算出し、また、得られたドレン濃度の
関係よりアノードドレンタンクに回収されたトータルの
リン酸量“X”を求める。一方、アノード出口流量計1
2及びアノード出口凝縮器入り出口温度センサー35,
36は、その検出出力値を演算装置39に送信し、演算
装置39はこれら検出値の関係よりアノード凝縮器ドレ
ン回収率“r1”を算出する。
Here, the liquid level meter 32 and the phosphoric acid concentration meter 33 installed in the anode drain tank 31 respectively detect the liquid level of the anode drain tank and the phosphoric acid concentration in the anode drain tank, and calculate the output values thereof. To the device 39. The arithmetic unit 39 calculates the drain amount from the anode drain tank liquid level output value, and also obtains the total phosphoric acid amount “X” recovered in the anode drain tank from the relationship of the obtained drain concentration. On the other hand, the anode outlet flow meter 1
2 and the outlet temperature sensor 35 entering the anode outlet condenser,
36 transmits the detected output value to the arithmetic unit 39, and the arithmetic unit 39 calculates the anode condenser drain recovery rate "r1" from the relation of these detected values.

【0026】他方、カソード電極3に供給された圧縮空
気11は、発電反応により酸素を消費すると共にリン酸
を取り込み、カソード排出ガスとしてカソード電極3出
口に設けられたカソード出口凝縮器17に排出する。カ
ソード出口凝縮器17は、熱交換器構造によりカソード
排出ガス中の蒸気分を凝縮すると共に、カソード排出ガ
ス中に発生したリン酸も同様に凝縮する。更にカソード
出口凝縮器17は、この凝縮したリン酸を含むドレン水
をカソードドレンタンク41に排出し、カソードドレン
タンク41はこれを保持する。
On the other hand, the compressed air 11 supplied to the cathode electrode 3 consumes oxygen by the power generation reaction and takes in phosphoric acid, and discharges it as cathode exhaust gas to the cathode outlet condenser 17 provided at the outlet of the cathode electrode 3. . The cathode outlet condenser 17 condenses the vapor component in the cathode exhaust gas by the heat exchanger structure and also condenses the phosphoric acid generated in the cathode exhaust gas. Further, the cathode outlet condenser 17 discharges the condensed drain water containing phosphoric acid to the cathode drain tank 41, and the cathode drain tank 41 holds it.

【0027】ここで、カソードドレンタンク41に設置
された液位計42とリン酸濃度計43とは、それぞれカ
ソードドレンタンク液位及びカソードドレンタンク中リ
ン酸濃度を検出し、その出力値を演算装置39に送信す
る。演算装置39では、カソードドレンタンク液位出力
値よりドレン量を算出し、また、得られたドレン濃度の
関係よりカソードドレンタンクに回収されたトータルの
リン酸量“Y”を求める。一方、カソード出口流量計1
6及びカソード出口凝縮器入り出口温度センサー45,
46は、その検出出力値を演算装置39に送信し、演算
装置39はこれらの検出値の関係よりカソード凝縮器ド
レン回収率“r2”を算出する。
Here, the liquid level meter 42 and the phosphoric acid concentration meter 43 installed in the cathode drain tank 41 detect the cathode drain tank liquid level and the phosphoric acid concentration in the cathode drain tank, respectively, and calculate the output values thereof. To the device 39. The arithmetic unit 39 calculates the drain amount from the cathode drain tank liquid level output value, and also obtains the total phosphoric acid amount “Y” recovered in the cathode drain tank from the relationship of the obtained drain concentration. On the other hand, cathode outlet flow meter 1
6 and an outlet temperature sensor 45 for entering the cathode outlet condenser,
46 transmits the detected output value to the arithmetic unit 39, and the arithmetic unit 39 calculates the cathode condenser drain recovery rate "r2" from the relation of these detected values.

【0028】以上の結果、演算装置39は、得られた算
出結果より次式を用いてセル中リン酸残留量を算出す
る。ここで、電池内リン酸残留量算出値を“Z”、燃料
電池本体1に対するリン酸仕込み量を“W”とする。
As a result of the above, the arithmetic unit 39 calculates the residual amount of phosphoric acid in the cell using the following formula from the obtained calculation result. Here, the calculated phosphoric acid residual amount in the cell is “Z”, and the phosphoric acid charging amount for the fuel cell body 1 is “W”.

【0029】[0029]

【数1】Z=W−(X×1/r1−Y×1/r2) 上記式が、「補給可能限界リン酸残留量<電池内リン酸
残留量算出値」という条件を満足したとき、演算装置3
9はリン酸補給タイミングを判断し、運転員に適確なリ
ン酸補給タイミング信号を発することができる。
## EQU1 ## Z = W- (X * 1 / r1-Y * 1 / r2) When the above equation satisfies the condition "replenishable limit phosphoric acid residual amount <calculated phosphoric acid residual amount in battery", Arithmetic unit 3
9 can judge the phosphoric acid replenishment timing and issue an appropriate phosphoric acid replenishment timing signal to the operator.

【0030】この様に、本実施例によれば、発電運転中
に生じる燃料電池本体1の外部へのリン酸搬出分をアノ
ード出口及びカソード出口に設けた凝縮器13,17に
てドレンとして回収し、かつ連続的にドレン中リン酸量
を測定・監視するようにしたので、演算装置39にて電
池内リン酸残留量が算出でき、同時に、この値が補給可
能限界リン酸残留量に到達しだい運転員に信号を発する
ようにしたので、運転員は自動的に適確なリン酸補給タ
イミングを知ることができる。しかも、且つリン酸残留
量も算出してあるので、過不足ないリン酸補給量を供給
することができる。
As described above, according to this embodiment, the phosphoric acid carried out to the outside of the fuel cell body 1 generated during the power generation operation is recovered as drain in the condensers 13 and 17 provided at the anode outlet and the cathode outlet. In addition, since the amount of phosphoric acid in the drain is continuously measured and monitored, the residual amount of phosphoric acid in the battery can be calculated by the arithmetic unit 39, and at the same time, this value reaches the replenishable limit phosphoric acid residual amount. Since a signal is issued to the operator as soon as possible, the operator can automatically know the proper phosphoric acid supply timing. Moreover, since the residual amount of phosphoric acid is also calculated, it is possible to supply a sufficient amount of supplemented phosphoric acid.

【0031】この結果、燃料電池本体1中の単電池にク
ロスオーバー等のダメージを与えることなく適切な補給
タイミングを判断できると共に、ブロッキング等をもた
らすリン酸の補給量の間違いを起こすことなく、適確な
補給量を判断することができる。よって、燃料電池の寿
命を大幅に延長することができる。
As a result, it is possible to determine an appropriate replenishment timing without causing damage such as crossover to the unit cells in the fuel cell main body 1, and to make sure that the replenishment amount of phosphoric acid that causes blocking or the like does not occur. It is possible to determine the exact replenishment amount. Therefore, the life of the fuel cell can be significantly extended.

【0032】[0032]

【発明の効果】以上説明したように本発明の燃料電池発
電プラントによれば、電池本体出口排出ガスラインに設
置した凝縮器に接続するドレンタンク内に滞留するドレ
ン量及びドレン中の電解質濃度を測定して、排出ガスに
よる電解質搬出量を算出するようにしたので、燃料電池
内に残留する電解質量を連続的に測定・監視できるの
で、電池本体中のセルにクロスオーバー等のダメージを
与えることなく適切な補給タイミングを判断できると共
に、ブロッキング等をもたらす補給量の間違いを起こす
ことなく適確な補給量を判断することができる。よっ
て、燃料電池の寿命を大幅に延長することができる。
As described above, according to the fuel cell power generation plant of the present invention, the amount of drain staying in the drain tank connected to the condenser installed in the exhaust gas line at the outlet of the cell body and the electrolyte concentration in the drain can be determined. Since the amount of electrolyte carried out by the exhaust gas is calculated and calculated, the mass of electrolysis remaining in the fuel cell can be continuously measured and monitored, so damage to the cells in the cell body such as crossover can be prevented. Therefore, it is possible to determine an appropriate replenishment timing, and also to determine an appropriate replenishment amount without causing an error in the replenishment amount that causes blocking or the like. Therefore, the life of the fuel cell can be significantly extended.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の一実施例を示す燃料電池発電プラント
の概略構成図。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a fuel cell power plant showing an embodiment of the present invention.

【図2】電解質を補給しない場合の電池寿命特性例を示
すグラフ。
FIG. 2 is a graph showing an example of battery life characteristics when electrolyte is not replenished.

【図3】電解質を補給した場合の電池特性変化例を示す
グラフ。
FIG. 3 is a graph showing an example of changes in battery characteristics when electrolyte is replenished.

【符号の説明】 1 電池本体 2 アノード電極 3 カソード電極 13 アノード出口凝縮器 17 カソード出口凝縮器 31 アノードドレンタンク 32 アノードドレン液位計 33 アノードドレンリン酸濃度計 39 演算装置 41 カソードドレンタンク 42 カソードドレン液位計 43 カソードドレンリン酸濃度計[Explanation of reference numerals] 1 battery main body 2 anode electrode 3 cathode electrode 13 anode outlet condenser 17 cathode outlet condenser 31 anode drain tank 32 anode drain liquid level meter 33 anode drain phosphoric acid concentration meter 39 arithmetic unit 41 cathode drain tank 42 cathode Drain liquid level meter 43 Cathode drain phosphoric acid concentration meter

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 触媒層を形成する一対の多孔質電極と、
その間に配設した電解質層とから成る単電池を、セパレ
ータを介して複数個積層して構成した燃料電池本体を備
え、前記電池本体に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給・排
出する供給・排出ライン及び前記電解質の補給構造を配
置して成る燃料電池発電プラントにおいて、 前記燃料ガス及び酸化剤ガスの排出ラインに各々凝縮器
を配置し、 前記凝縮器にアノードドレンタンク及びカソードドレン
タンクを接続して配置し、 前記アノードドレンタンク及びカソードドレンタンク内
に滞留するドレン量及び該ドレン中の電解質濃度を測定
するセンサを配備すると共に、 前記センサの出力値より電解質の搬出量を算出する演算
装置を備えたことを特徴とする燃料電池発電プラント。
1. A pair of porous electrodes forming a catalyst layer,
A supply / exhaust line for supplying / discharging fuel gas and oxidant gas to / from the fuel cell main body, which is formed by stacking a plurality of unit cells each having an electrolyte layer disposed therebetween with a separator interposed therebetween. And a fuel cell power plant comprising the electrolyte replenishment structure, wherein condensers are respectively arranged in the discharge lines of the fuel gas and the oxidant gas, and an anode drain tank and a cathode drain tank are connected to the condenser. A sensor for measuring the amount of drain staying in the anode drain tank and the cathode drain tank and the electrolyte concentration in the drain is provided, and an arithmetic unit for calculating the amount of electrolyte carried out from the output value of the sensor is provided. A fuel cell power plant characterized by the above.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009238392A (en) * 2008-03-25 2009-10-15 Equos Research Co Ltd Fuel cell system

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2009238392A (en) * 2008-03-25 2009-10-15 Equos Research Co Ltd Fuel cell system

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