JPS585993B2 - デンカイセルシステム - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は電解セルに係り、特にコンパクトな電解セルシ
ステムに係る。

電池を逆に働かせ、水と電力が供給される時、水素と酸
素を発生するようにすることが可能であることが知られ
ている。

かかる要領にて作動するセルは電解セルと称される。

電解セルの一つの一般的な形式に於ては、例えばニッケ
ルより成る二つの固体電極が自由な液体電解質内に隔置
して配置され、これら電極を横切って電圧がかけられる
。

電解質中の水は電解されて水素と酸素を遊離し、これら
は電解質中に泡を発生する。

消費された水は液状電解質内に水を直接加えることによ
って補給される。

一般に電解質はセルを冷却する作用をもなし、例えば電
解質の再循環ループがセルより排熱を取り去り、これを
セル外に放出し、セルへ再び戻るようになっている。

補給水はループの途中のどこかへ供給されて良い。

ベーコン七ｌしくＢａｃｏｎＣｅｌｌ）と称される他の
形式のセルはシールされた区画内に閉じ込められた自由
な液状電無質を囲む二つの隔置された多孔性電極を用い
てＧ゛る。

これらの電極は例えば焼結ニッケルより成てでいて良い
。

しかし、かかる電極の両側は金属相であるので、電気分
解は電極内及び電極のガス仰に於ても生ずる。

かかるセルが宇宙船に於ける如く無重力の環境にて作動
すべき時には、電解質中のガスは気液渦流分離機等を用
いて除去されなければならず、従って設計が複雑となる
。

これらの電極は、電解質内にてガスが発生することを防
ぐため、電解質に曝される微細な多孔性を有する側にて
不活性の材料より成るように修正されても良いが、この
種のセルは比較的高温にて作動しなければならないであ
ろう。

電解質が電極の間或はその周りに配置された循環する自
由な液体或は循環しない自由な液体であってマトリック
ス内に保持されていないような前述のシステムのいずれ
に於ても、−重ねのセル内にある各セルは電解質が流れ
るのを許すか或は電極が接触するのを防ぐためにかなり
熱くされなければならない。

電解セルは多くの場合できるだけコンパクトであること
が望まれる。

かくして電解セルとしては米国特許第３５０７７０２号
の第２図或は米国特許第３７７９８１１号に示されてい
る型に類似の燃料電池を用いることが望まれる。

米国特許第３５０７７０２号に示されている型のセルに
於ては、電解質は一部分疎水性であり一部分親水性であ
るガス拡散電極の間に捕捉されたマ１−ＩＪツクス内に
保持される。

各電極の非電解質側には酸化剤と燃料とを担持するため
のガススペースが形成される。

マトリックスは通常電解質内に泡を形成するすることに
対し高い抵抗を有する非常に微細な孔構造を有している
。

この型のセルは、電解質がシステムを通ってポンプ送り
される必要がないことから、前述の先の型のものに比し
て非常に薄ぐ従って電極は互に非常に密に近接して隔置
されて良い。

米国特許第３５０７７０２号の燃料セルシステムに於て
は、燃料電池を通って液状冷媒を流し、これによって排
熱を除去するための別個の冷却ループが設けられている
。

又予想される周囲温度及び湿度の範囲にわたって燃料電
池の水平衡を積極的に制御する装置を与えるべく、燃料
電池の陰極側にいる空気に湿度が加えられる。

ある電解セルに於ては、水が連続的に消費され、従って
連続的に供給されなければならない。

勿論、もし電解セルシステムが米国特許第３５０７７０
２号の第２図のセルに等しいセル構造を用いているなら
ば、通常の循環する電解質には水を加える必要はない。

米国特許第３５０７７０２号に於ては、水は流入する空
気流によってセル内にもたらされる。

しかし、ある電解セルシステムに於ては、電解セルは酸
素と水素を生じ、米国特許第３５０７７０２号に於ける
如く、セル内へ水蒸気を持ち込むような反応性ガス流の
流入はない。

いずれにしても、米国特許第３５０７７０２号に於ては
、水は電解質マトリックスの乾燥を防ぐためだけにその
入口に近接して補給され、これによってより均一な水の
除去を行うようになっている。

もし米国特許第３５０７７０２号に記述されたシステム
が水を用いる電解システムであったならば、正しい量の
水を与える手段が存在しない。

本発明の一つの目的は、コンパクトな設計による電解セ
ルを用いた改良された電解セルシステムを提供すること
である。

本発明の他の一つの目的は、セルに水を導入し又その水
の量を制御する簡単化され且改良された装置を備えた電
解セルシステムを提供することである。

かくして、本発明は、一対のガス多孔性電極の間に狭ま
れた電解質マＩ−ＩＪツクスを含む電解セルシステムに
あり、この場合電解生成物の一つはセルを通って再循環
され、水蒸気の形による水がこれに供給され、セルによ
って消費された水を補給する。

補給される水の量はセルに供給される電流の量によって
制御される。

一つの好ましい実施例に於ては、水はセルからの排熱に
よって気化され、セルを横切る温度勾配を維持する装置
が設けられており、この場合セルは湿った再循環ガス流
がセルに入る位置にてより高温であり、それがセルを去
る位置にてより冷温であり（即ちガスと冷却流体の流れ
がカウンタフローである）、これによってセルを横切っ
て可能な限り小さい電解質濃度勾配を維持することがで
きる。

又一つの好ましい実施例に於ては、液状冷却流体はセル
の熱交換部を通って循環され、これを横切る温度勾配を
形成し、セルより排熱を取り去る。

セルに流入する冷却流体の温度は熱をヒートシンクへ放
出する装置を嘗むバイパス導管によって制御される。

高温の冷去流体はセルに添加される水と直接熱交換関係
に消され、これによって水を再循環生成ガス流中にμ発
させる。

ファラデイの法則によれば、セルへの電流人丈と水素及
び酸素を生成すべくセルによって消費される水の量との
間には線型的比例関係がある。

ガくして、添加された反応水の量はセルに加えらねる電
流入力によってのみ制御され、これによってセルを流れ
るガス流中に正しい水の分圧を維持するために温度セン
サ及び露点センサを用いる必接がなくなる。

本発明の以上の目的及びその他の目的、特徴及び利点は
以下に添付の図を参照しつつ行われる本発明の好ましい
実施例についての説明より明らかとなるであろう。

添付の図は本発明による電解セルを示す概略図である。

第１図に於て、本発明による電解セルシステムの一つの
好ましい実施例が１０により全体的に示されている。

システム１０は電解セル１２を含んでいる。

ただ一つのセルのみが示されているが、任意の数のセル
が結合されて本システムに及て用いられ得る多数のセル
の積み重ね体を形成して良い。

セル１２は陰極１４、陽極１６、これらの間に挟まれて
水性電解質によって満たされた多孔性マトリックス１８
、□陽極１６に近接する多孔性裏当て板２０、及び熱交
換部２２を含んでいる。

このセルは又陰極及び陽極の非電解質側にそれぞれガス
スペース２４．２６を含んでいる。

熱交換部２２はセル１２より熱を除去するため、それを
通って冷却流体を流すための任意の周知の構造であって
良い。

例えば、それはそれを通る冷却流体通路を有する板であ
って良い。

板及びそれに付属する通路は作動中セルに於て生じた熱
が該通路を通る流体に周知の要領にて伝達される如き構
成を有していて良い。

多孔性の裏当て板２０はこの分野に於て周知の要領によ
り電解質貯蔵部として作用し、これによって電極を電解
質にて過剰に溢れさせることなく或はこれを乾燥させる
ことのないように電解質容積の大きな変化を許す。

もし電解セルシステム１０がある狭い出力範囲のみにて
作動することが要求されるときには、多孔性の裏当て板
２０（これは又しばしば電解質貯蔵マ１−ＩＪツクスと
して知られる）は必要とされない。

この実施例に於ては、ＫＯＨの如き基本電解質が考えら
れているが、本発明のシステムが酸性セルにも同様に適
用可能であることは当業者にとって明らかであろう。

又電極はガス多孔性のものであり、例えば触媒と疎水性
ポリマーバインダーの混合物より成る触媒層と密に接触
した金属支持型スクリーン或はメツシュであって良い。

電極を構成する材料及びその構造は本発明にとって決定
的な要件ではないが、発生したガスの泡が電解液中に捕
捉されることがないよう、又電極の電解質側から上記の
形によって水が添加されるよう、電極はガス多孔性であ
るのが望ましい。

この型の電極はガス拡散電極として一般に知られており
、重力場での作動或は無重力状態での作動のいずれにも
適しているものである。

上に記述し本発明のシステム１０に用いられて良い型の
セルは米国特許第３７７９８１１号の第１図に示されて
おり、本発明はこれに限られるものではないが、ここで
はそれを参照するものとする。

作動中、電圧は電源３０により加えられ、マトリックス
１８内の電解質の水都を電気分解し、セルの電極側に於
けるガススペース２６から酸素を遊離せしめ、又セルの
陰極側のガススペース２４の出口３２から水素を遊離せ
しめる。

この実施例に於ては、酸素の全て及び水素の一部はセル
から除去されて貯蔵され或は導管３４．３６を経て直ち
に使用される。

これらの生成ガスはガススペース２４及び２６内に実質
的に等しい圧力を維持すべく圧力調整装置３７を経て導
かれる。

かかる圧力を保持することは、この技術の分野に於て周
知の通り、セルの正しい運転を維持するために一般に必
要とされることである。

生成された水素の一部はポンプ３９によりセルを通って
再循環される。

水素のこの再循環された部分はガススペース２４へその
入口３８より入る。

この実施例に於ては、水素が再循環されているが、これ
に代えて酸素が再循環されても良いことは当業者にとっ
て明らかであろう。

熱は熱交換部２２を通る冷却流体の再循環ループ４０に
よって取り去られる。

この実施例に於ては、冷却流体は液状のシリコンオイル
であるが、かかる特定の冷却流体は本発明にとって必須
のものではない。

冷却流体は熱交換部２２の入口４２へ入り、それがセル
を通って流れるにつれてセルによって生じた熱を吸収す
る。

該冷却流体は出口４４より出てポンプ４６によりループ
を迂回してポンプ送りされる。

ループ４０は又パイパスル・−プ４８、バイパス制御弁
５０、熱感知要素５２を含んでいる。

バイパスループ４８は熱放出装置５４を含んでいる。

熱感知装置５２は入口４２より熱交換部２２へ入る冷却
流体の温度を測定すべく配置されている。

バイパス制御弁５０は熱感知要素５２に応答して開閉し
、入口４２へ入る冷却流体の予め定められた温度を維持
すべく冷却流体の適当な部分を熱放出装置５４を通って
流すようにする。

以下に説明される如く、セルを横切っである温度勾配を
維持するのが好ましく、この場合入口３８を有するセル
の側の温度が出口３２を有するセルの側の温度より高い
のが好ましい。

このことは図示の実施例に於ける基本である。

何故ならば熱交換部２２の出口４４はガススペース２４
に対し入口３８と共にセルの同じ側にあるからである。

かくして冷却流体はセル１２を通って再循環する水素ガ
スと対向して流れる。

湿った水素ガス流が入口３８に入り、陰極を通過して移
動するにつれて、より多くの水が電流れより除去され、
高温の入口３８より冷温の出口３２へ向けてガス流中に
於ける水蒸気分圧の低下を生ずる。

電解質状に於ける水蒸気の平衡分圧とガス流中に於ける
水蒸気の分圧がいずれも入口３８より出口３２へ向けて
減少するということは、最も効率の良いセルの作動を行
わせるべく、セルを横切って電解質の一様な濃度をでき
るだけ正確に維持することを助ける。

以下に説明される如く、電解セルは水と電力から酸素と
水素を生成する。

このシステム１０は水貯蔵区画５６を含み、これに水計
量装置５８が連通している。

水計量装置５８はセルによって消費された水を補給し、
又導管３４．３６を経て流れるガスと共に流出する水を
補給するに十分な量の水を再循環水素流に供給する。

この実施例に於ては、液状の水が水蒸発器６０へ供給さ
れている。

水は蒸発器６０へ入り、蒸気に変えられ、再循環水素流
中へ送られる。

この水を蒸発させる熱は熱交換部２２を出る高温の液状
冷却流体によって与えられる。

この冷却流体は水蒸発器６０を通り、その熱の幾分かを
与えて水を蒸発させる。

本発明の第２図に示すシステム１０に用いられている水
蒸発器は、無重力状態に於ても又地上に於ても作動する
に適したものである。

蒸発器６０は板６５によってガス区画６６と冷却流体区
画６８に分けられた外側ケーシング６４を有する。

板６５のガス区画側はウィック（ガーゼ状体）により覆
れており、冷却流体区画６８は複数個のフィン６９を含
んでいる。

冷却流体は冷却流体区画６８の入口Ｔ４より入り、フィ
ン６９上を通過し、出口アロより該区画６８を出る。

フィン６９は冷却流体より熱を取り去り、これを板６５
へ伝えるように設計されている。

従って板６５は熱くなる。湿った再循環水素流はガス区
画６６の入ロア８より入り、ウィック７２上を通り、出
口８０から区画６６を出る。

水計量装置５８からの水は入口導管８４を経て蒸発器６
０に入る。

毛細管作用によりウィック７２は水を吸収し、これを板
７０の高温の表面に対し直接保持し、かくして最高温度
を与え、ウィック７２上を流れる湿った水素ガス流に水
の質量移動のための最大の分圧勾配を与える。

フィン６９は例えば銅より作られていて良く、又ウィッ
クは高蒸発率表面温度を維持すべく多孔性のニッケルよ
り作られていて良い。

このシステムに於ては、再循環する水素流中へ添加され
る水は全て蒸気状態であることが必要である。

何故ならば、液状の水を多量セルに対し分配することは
困難であり、又液状の水は電極を水浸しにする恐れがあ
るからである。

かかる理由から、又電極の乾燥を防ぐためにも、蒸発器
６０は計量装置５８から水が供給されるにつれて少なく
ともその供給される量を速やかに蒸発させることができ
るように設計されていなければならない。

本発明の一つの重要な特徴は、適当な量の水が再循環す
る水素ガス流中へ添加される要領である。

ファラデイの法則によれば、電解セルはそれに供給され
る９６５００クーロンの電流ごとに１ｇ相当の水を消費
することがわかる。

導管３４．３６を経て酸素及び水素流と共に去っていく
水の量はセルが運転される温度に依存し、セルに供給さ
れる電流によっては変わらない。

システム１０に於ては電流計或は電流感知要素６２がセ
ル１２と電源３０の回路中に設けられており、セル１２
を通る電流の量を感知するようになっている。

水計量装置５８は電流感知要素６２によって感知された
電流に応答し、ガス流中に混じって流出する水と電解プ
ロセス中に消費される水を補給すべくセルの温度によっ
て修正されたファラデイの法則に応じた電流に比例する
水を添加する。

このシステムはセル１２へ供給される電流の量の変化に
対し自動的に補償を行う。

以上に於ては本発明を好ましい実施例について説明した
が、本発明がかかる実施例にのみ限られるものではなく
、本発明の範囲内にて種々の修正が可能であることは当
業者にとって明らかであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による電解セルシステムの概略図である
。 第２図は本発明のシステムに用いられて良い水蒸発器を
簡略化して示す図である。 １０〜電解セルシステム、１２〜セル、１４〜陰極、１
６〜陽極、１８〜マトリツクス、２０〜裏当て板、２２
〜熱交換部、２４．２６〜ガススペース、３０〜電源、
３２〜出口、３４．３６〜導管、３７〜圧力制御装置、
３８〜入口、３９〜ポンプ、４０〜循環ループ、４２〜
入口、４４〜出口、４６〜ポンプ、５０〜バイパス制御
弁、５２〜熱感知要素、５４〜熱放出装置、５６〜水貯
蔵区画、５８〜水計量装置、６０〜蒸発器、６４〜外側
ケーシング、６５〜板、６６〜ガス区画、６８〜冷却流
体区画、６９〜フイン、７０〜板、７２〜ウイツク、７
４〜入口、７６〜出口。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １水素及び酸素を生成する電解セルシステムに於て、一
   対の隔置されたガス拡散電極と、前記電極の間に配置さ
   れ水性電解質を保持するマトリックス装置と、各電極の
   非電解質側にガススペースを形成する装置とを含む少な
   くとも一つの電解セルを有し、前記ガススペースの一つ
   は入口装置と出口装置とを含んでおり、前記電解セルは
   又入口装置及び出口装置とを有する熱交換部を含んでお
   り、前記セルへ供給される電流を測定する電流測定装置
   と、前記ガススペースの出口装置から出る生成ガスの一
   部を前記ガススペースを経て前記ガススペースの入口装
   置へ再循環させる装置と、前記セルの前記熱交換部を通
   って循環する液状冷却流体を含み前記セルより熱を除去
   し前記セルを横切って一つの温度勾配を維持する冷却流
   体ループ装置とが設けられており、前記ガススペースの
   入口装置は前記セルの高温側に又前記ガススペースの出
   口装置は前記セルの低温側に配置されており、前記再循
   環される生成ガス流中へ水を蒸気状態にて供給する水計
   量装置が設けられており、前記水計量装置は前記電流計
   量装置に応答して前記システムによって必要とされる率
   にて前記蒸発器へ水を供給するようになっており、前記
   蒸発器は前記再循環する生成ガス流中へ供給された水の
   全てをそれが蒸発器へ供給される率と同じ率にて蒸発す
   る装置を含んでいることを特徴とする電解セルシステム
   。