JPS60112262A - 燃料電池およびそれを用いる方法 - 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】 ［発明の分野］ 本発明は、電解質容量の損失を軽減した燃料電池および
燃料電池の作動方法に関する。

［発明の枝体１的背景］ 燃料電池は、電気化学的な手段により化学エネルギーを
電気エネルギーに直接に変換する装置である。この変換
は一般に、燃料を陽極で酸化し、酸化剤を陰極で還元し
、そして電解質を介して両電極間に流れる電流を取り出
すことにより行なわれる。電解質は、酸性あるいはアル
カリ性の固体高分子物質もしくは液体である。燃料電池
は電極、電極に結合された電解質室、並びに燃料および
酸化剤をそれぞれ電極に供給する区画室から構成され、
通常は複数個の独立した電池（セル）が一つに集められ
、電気的に連結されて有効な出力電圧を与えるものであ
る。このような集合を一般に、燃料電池集合体（ｓｔａ
ｃｋ）という。

電解質液を用いる燃料電池の場合に、長時間、時には数
千時間作動させるにあたり、燃料電池集合体から電解液
量が失われることが一つの問題となっているにの結果、
時々電解液を補充する必要かあり、電池の維持上めんど
うな仕事となっている。゛電解液の損失は液滴として電
解液が搬出されたり、電極の周囲からまたはそれを通し
て物理的に漏出したり、あるいは水蒸気が失われるなど
耳々の原因によって生じる。しかしながら、根本的な原
因は、酸化剤として大気を利用して電池を作動させる場
合に生じ、陰極槽から水蒸気と痕跡量の電解液とを含む
酸素不合（あるいは低減）空気を刊出することにある。

それほど重大ではな０が同様の損失は、陽極槽からの排
気によっても起こる。これら電解液の損失は、燃料電池
の作動環境、たとえば高温および／または低湿によって
悪化する。

［本発明の要旨］ 本発明者は、伴出された電解液を排気から分離するため
の分離器に排気を送り、１ノ１気に含まれる水蒸気の少
なくとも一部を凝縮し、そして分離された電解液および
復水を燃料電池に戻すことにより、電解液量の損失を低
減することかできることを見い出した。

従って、本発明は、少なくとも一個の陽極、少なくとも
一個の陰極、少なくとも一個の電解液室、並びに燃料お
よび酸化剤のそれぞれを供給する少な−くとも一個の区
画室からなる電解質液を用いる燃ｔ（電池であって、該
電池がさらに、１）１気中に伴出された電解液をＩＡ気
ガスから分離し、該排気中の水蒸気の少なくとも一部を
凝縮して電解液を含む液相を生成させるための手段と、
該液相の少なくとも一部を該燃料電池に返却するだめの
手段とを有することを特徴とする燃料電池を提供するも
のである。

また本発明は、電解質液を有する燃料電池を作動させる
方法において、伴出された電解液を排気から分離し、排
気中の水蒸気の少なくとも一部を凝縮するための排気性
１！９凝縮手段に、該燃料電池からの排気を送って液相
な生成させ、そしてこの液相の少なくとも一部を該燃料
電池に返却することを特徴とする方法を提供するもので
ある。

分離された電解液および復水を含む液相は、電解液の補
給として燃料電池集合体の電解液に返却される。これは
燃料電池と一体化された電解液返却手段によって行なわ
れるのが好ましい。従って、本発明の燃料電池において
は、燃料電池集合体の電解液に液相を返却するための手
段が燃料電池の要素を成しているのが好ましい。

排気分離凝縮手段（以下において、便宜上「分離器」と
呼ぶ）は、液相をその底部に蓄積する液だめ（トラップ
）を含み、液相はこの液だめから燃料電池に返却される
のが好ましい。

［発明の実施の態様］ 電解質液を有する燃料電池において、電解液だめを備え
ることは実用上一般に行なわれている。

このような液だめは、燃料電池集合体からりＪり離され
ているか、あるいはたとえば燃料電池集合体の端部のプ
レート内に設けられて一体化されてし）る。電解液は液
だめに蓄えられ、ポンプによってまたは熱的循環によっ
て燃料電池集合体の間を循環する。通當、電解液量の補
給分が時々液だめに加えられる。

本発明によれば分離された電解液および復水は燃料電池
に戻されるので、電解液だめを介して返却されるのが都
合がよい。安全性の点から、電解液だめは燃料電池集合
体と同じかそれより高い位置にあるのが望ましく、これ
により、電池集合体は電解液循環ポンプが故障しても漏
出を起さないように保証される。同様に本発明によれば
、υト気を電池集合体から分離器へ下降させるためには
分離器を電池集合体に隣接して（たとえば、それより低
い位置に）置くことが都合かよく、これにより排気の液
体成分の上昇あるいは逆流を防ぐことができる。

本発明によれば胡気分離器および電解液だめの機能を結
合することも可能であるが、電池集合体については電解
液だめ部と分離器部とを別々にして異なる位置に置くこ
とが好ましい。操作上および／または機械的な便利さの
点から、別々の液だめ部と分離器部゛とを共通にするこ
とも、場合によってはもちろん許容されうる。さらに液
だめと分離器との間には排水装置が設けられていてもよ
い。しかしながら、燃料電池が電解液だめを備えず、代
りに一定量の電解液を含む場合には、液相は燃料および
酸化剤供給ライン内に導入されて加湿液の役割を果すこ
ともできる。

本発明は、電池が酸化剤として大気を利用して作動し、
陰極槽からの排気が分離器に送られる場合に、電解液量
を維持するのに特に有効である。

また、陽極槽の排気についても有効に同様の処理を施す
ことができるが、陰極槽の排気および陽極槽の抽気は少
なくとも伴出された電解液の分離後までは隔離されてい
るのか好ましい。

一般に排気は、陰極槽あるいは陽極槽のそれぞれへの入
口と、場合により分離器への出口とを有する多岐管によ
り分離器に送られる。後者の分離器が液だめ（トラップ
）である場合には化記出口は上部領域に設けられており
、この結果、排気中に液滴として伴出された電解液は液
相として液だめの底部に復水と一緒に蓄えられる。従っ
て、液相を燃料電池に返却するための手段は、電解液だ
めを介して液相を吸い」二げ燃料電池にｙす補助ポンプ
であることが好ましい。ポンプは連続的にあるいは非連
続的に作動させることができ、後者の場合、たとえば、
液だめに取り（マｊけられた液量の高さを感知するセン
サー（液高センサー）によって制御されるようにしても
よい。

分離器内の排気の気体分、すなわち未凝縮の水蒸気と酸
素不合（あるいは低減）空気とからなる気体分は、直接
大気中に出すか、あるいはひれ利き金属管のような凝縮
器に送り水蒸気を凝縮して、副生成物として水分源を得
てもよい。得られる水は、不純物が除去されれば飲用可
能である。

気体分は、蒸気室（ドーム）のような装置を通って凝縮
器に送られるのか好ましく、これにより分離器からのい
かなる液体をも上記飲用可能水の水蒸気に混入するのを
防ぐことができる。分離器からの熱損失の速度を制御す
ることもでき、分離器内の凝縮量を調節し、従って補給
の目的で電解液だめに返却するのに有効な液量を調節す
ることができる。所望により、閉鎖したときに分離器内
に過圧を生じさせるような隔離弁を排出管に取り伺けて
もよい。この圧力は分離器内の液体を電解液だめに戻す
のに利用することができ、これにより補助返却ポンプが
不要とすることができる。

陽極から排気が本発明に従って処理される場合には、こ
の排気も伴出された電解槽をためる分離器に送られる。

陽極からの排気のうちの気体分は水素、不活性カスおよ
び不純物からなり、気体分はポンプで燃料供給器に返却
されるか、または大気中に出される。あるいはこの気体
を、所望により逆火防止装置を介して、触媒燃焼器に通
すことによって、大気中に放出する前に水素を除去して
もよい。

本発明に従って陽極および陰極両方からの排気か処理さ
れる場合には、陽極の排気分離器は、その気体出口が封
止され、一方の出口からのみ実質的に分離器の全内容物
が送り出されるようにされているのが好ましい。たとえ
ば、分離器が液だめである場合には、陽極の排気分離器
の出口は指針弁、電磁弁などからなる流出弁または排出
弁を介して、陰極の排気分離器の開口部に連結されてい
てもよい。燃料ガスの圧力が酸化剤（気体）よりも高い
ときには、上記の弁が開いて陽極の排気分離器の内容物
を陰極の抽気分離器に送り出すこととなる。このことに
は、陽極からの排気中の水素が大気中に出される前に酸
素不合（低減）空気で冷釈されるという利点があり、操
作上の安全性を改善することができる。さらに安全性の
点から、触媒燃焼器および逆火アレスターを気体の陰極
出口ラインに、数句は可能であれば蒸気室および凝縮器
の下流紅とに、設けることもできる。

公知の触媒燃焼器および逆火防止装置であればいかなる
ものでも、排気から水素を除去するために用いることが
できる。たとえば、触媒燃焼器は触媒活性の白金族金属
が蒸着された、耐火性のまたは金属性の蜂の巣構造を有
していてもよく、また逆火防止装置は触媒作用のないハ
ニカム構造あるいは金網のものであってもよい。

以下に、本発明の実施態様を、陰極および陽極の両方用
の排気分離器を有する本発明に係る燃料電池の例を概略
的に示す添刊図面を参照しながら説明する。

図面において、燃料電池集合体は通常ｉｏで示される。

電池集合体１０には水素の導入口１１および空気の導入
口１２が設けられ、さらに電解液だめ１３が備え付けら
れており、電解液の流入管１４および返却管１５のそれ
ぞれにより結ばれている。電池集合体の近くには排気分
離器１６が取り（ｑけられており、この分離器は陰極用
の排気分離器１７と陽極用の排気分離器１８とから構成
された分離槽からなる。電池集合体の陰極槽からは酸素
が消耗された空気が管１９により陰極の排気分離器に送
られる。また、陽極からの排気も同様に管２０により陽
極の排気分離器に送られる。管２１と電磁弁２２は分離
器１８の内容物を分離器１７に送り出すために設けられ
ている。分離器１７にたまった電解液および復水は補給
の要請に応じて時々、管２４に取り（１けられた補助ポ
ンプ。

２３により吸い上げられて電解液だめ１３に返却される
。分離器１７の気体分および未凝縮の蒸気は蒸気室（ド
ーム）２５を通って凝縮器２６に送られ、飲用可能な副
生成水となる。

陰極用の排気分離器１７における水蒸気の凝縮速度は種
々の手段（図示なし）により変えることができ、これに
より、電解液だめ１３の補給のために蓄えられた電解液
と復水の量を加減することができる。補給必要量は、少
なくとも部分的には電池が作動される環境の影響によっ
て変動するため、凝縮速度と補給の必要量とを関連させ
ておくのが望ましい。適切な補給のために必要な分を凝
縮した後の排気中に水蒸気が存在している場合には、そ
れは、副生成物として得られる飲用可能水とバランスし
ている。

本発明者は、温暖な気候における通常の作動下で、本発
明に従う燃料電池が電解液量を自己補給するのに充分で
あり、かつ水分供給のために水蒸気の予備的容量を有す
ることを見い出したものである。

【図面の簡単な説明】

添付図面は、本発明に従う燃料電池の例を概略的に示す
ものである。 １０：燃料電池集合体、１１：水素導入口、１２：空気
導入口、１３：電解液だめ、１４：電解液流入管、１５
：電解液返却管、１６：排気分離器、１７：陰極の排気
分離器、１８：陽極の排気分離器、 １９．２０．２１．２４：管、２２：電磁弁、２３：補
助ポンプ、２５：蒸気室、 ２６：凝縮器 特許出願人　ジョンソン・マッセイ・パブリック・リミ
テッド・カンパニー 代　理　人　弁　理　士　柳　川　泰　男図面の浄書（
内容に変更なし） 手続補正書 昭和５９年１１月２９日 特許庁長官　志賀　学　殿 ２゜発明の名称 燃料電池およびそれを用いる方法 ３゜補正をする者 事件との関係　特許出願人 名称　ジョンソン・マッセイ争パブリック・リミテンド
拳カンパニー ４゜代理人 住所　東京都新宿区四谷２−１４ミッヤ四谷ビル８隅６
゜補正により増加する発明の数　なし７゜補正の対象　
図面 ８゜補正の内容　正式図面を提出する。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ■。少なくとも一個の陽極、少なくとも一個の陰極、少
   なくとも一個の電解液室、並びに燃料および酸化剤のそ
   れぞれを供給する少なくとも一個の区画室からなる電解
   質液を用いる燃料電池であって、該電池がさらに、排気
   中に伴出された電解液を排気ガスから分離し、該排気中
   の水蒸気の少なくとも一部を凝縮して電解液を含む液相
   を生成させるための手段と、該液相の少なくとも一部を
   該燃料電池に返却するための手段とを有することを特徴
   とする燃料電池。 ２゜υＦ気分＃Ｉ凝縮手段が、その底部に上記液相を蓄
   積しうる液だめからなることを特徴とする第１項記載の
   燃料電池。 ３゜燃料電池が電解液だめを有し、この電解液だめを通
   して上記液相を該燃料電池に返却しうろことを特徴とす
   る第１項記載の燃料電池。 ４゜燃料電池がさらに、排気分子ａ凝縮手段からの熱損
   失の速度を制御する手段を有し、これにより凝縮量が調
   節できるようにされていることを特徴とする第１項記載
   の燃料電池。 ５゜燃料電池がさらに、排出水蒸気を凝縮して水分源を
   与える補助凝縮器を有することを特徴とする第１項記載
   の燃料電池。 ６゜排出電解液分離手段が、陽極排気周分ｇ！凝縮手段
   と陰極排気周分１１１１１凝縮手段とを有することを特
   徴とする第１項記載の燃料電池。 ７゜陽極用および陰極用の排気分離凝縮手段が、陽極排
   気分離凝縮手段の全内容物が陰極の排気分離凝縮手段に
   送り出され得るように連絡していることを特徴とする第
   ６項記載の燃料電池。 ８゜電解質液を有する燃料電池を作動させる方法におい
   て、伴出された電解液を排気から分離し、排気中の水蒸
   気の少なくとも一部を凝縮するための排気分ｔｉｌｌ凝
   縮手段に、該燃料電池からの排気を送って液相を生成さ
   せ、そしてこの液相の少なくとも一部を該燃料電池に返
   却することを特徴とする方法。 ９゜排出水蒸気が凝縮されて水分源となることを特徴と
   する第８項記載の方法。