JPS60264055A - 燃料電池装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は燃料電池装置（ｆｕｅｌ　ｃｅｌｌ　ｓｙｓｔ
ｅｍｓ）に関しそして特ＶＣ電解質の損失を防止するよ
うにされた燃料電池装置に関する。

〔従来の技術及び発明が解決するための問題点〕燃料電
池の操作に当って燃料電池の操業中電解質と接触する多
量のプロセスガスのため燃料電池が電解質を失うことが
普通生ずる。電解質は又他の機構例えば電池要素との反
応、腐蝕及びクリープ現象により失われよう。電解質損
失のこの発生は失った電解質を補給する種々の技法を生
じさせた。これらの技法において電解質は電解質の供給
源から新しい電解質を導入することにより通常燃料電池
に供給される。

米国特許第３，６３４，１３９号は外部の貯槽と組合さ
れる内部のプールが電解質供給源として働く一つの装置
を開示している。米国特許第４．０３８．４６３号にお
いて燃料電池の電極の触媒層に瞬接する層が電解質の貯
槽として用いられそして電解質の供給源を形成する。最
後に本出願人に譲渡された米国特許出願第３２７，９７
０号において電解質は燃料電池の電解質マトリックスに
隣接した電極チャンネルに貯えられそして電解質はチャ
ンネルを満すために周期的に電池に加えられよう。

これらの方法は燃料電池の電解質のレベルを保つのに成
程度の成功をもたらしたが別の技法を開発するための研
究を行った。

〔問題点を解決するための手段〕

電解質の損失全抑制又は防止するようにされた燃料電池
装置及び方法全提供するのが本発明の目的である。

電池による電解質の損失金補給するようにされた燃料電
池装置及び方法を提供するのが本発明の他の目的である
。

本発明の原理によれば上記及び他の目的は次の方法で実
現される。その方法ではガス伝達装置が燃料電池の電極
に隣接して配置されそしてプロセスガスがガス伝達装置
・＼もたらされ、プロセスガスに予め選択され九温度に
ありそして予め選択された量の予め選択された成分を含
み、温度、成分そして成分のＪｔｆ選択して電解質が燃
料電池から運ばれるのを防止又は妨げる及び／又はガス
がガス伝達装置を通過するとき電解質を燃料電池に加え
る。

以下に開示される本発明の一つの態様において他のガス
伝達装置（ａ　ｆｕｒｔｈｅｒ　ｇａｓ　ｐａｓｓａｇ
ｅ　ｍｅａｎｓ）が他の燃料電池電極に隣接して配置さ
れそして他のプロセスガスがこの他の伝達装置にもたら
されこの他のプロセスガスは又電解質が電池から運ばれ
るの全防止又は妨げる及び／又は電解質全電池に添加す
るような成分の量金倉みそして温度である。

本発明の上述した又は他の特徴及び態様は図面と関連し
て下記の記述を読めば一層明らかになるだろう。

第１図は本発明の原理に従う燃料電池装置の第一の態様
を示しそして 第２図は本発明の原理に従う燃料電池装置の第二の態様
を示す。

第１図において燃料電池装置１は負極（ａｎｏｄｅ　）
部分３及び正極（ｃａｔｈｏｄｅ）部分４を有する燃料
電池２よりなる。部分３及び４は一緒になって電解質５
をにはみ、後者は好ましくはマトリックス６に保持畑れ
る。

負極部分３（は負極電極３ａ（電解質マトリックス５Ｉ
／ｃ接している）及びガス伝達通路３ｂ（電極３ａに隣
接しそして電池中に負極又は燃料プロセスガスを運ぶ）
を含む。正１ｒＩｉ部分４Ｆｉ同様な要素即ち正極電極
４ａ及び電池中に酸化又は正極プロセスガスを運ぶ隣接
したガス伝達通路４ｈｋ含む。

酸化ガスｌ″を酸化物供給源７を経て伝達通路４ｂへ供
給されそして負極又は燃料ガスに燃料供給涛８を経て伝
達通路３ｂ−＼供給される。

冷却にプロセスガスの過剰な流れにより又は周知の他の
冷却技法により電池２にもたらされる。

伝達通路３ｂ及び４ｂのデザイン及び冷却装置のデザイ
ンに電池に予定された平均の操業温度をもたらすような
ものである。

電池を通過するとき燃料及び酸化プロセスガスは電解質
の蒸気を捉える。この電解質の蒸気はプロセスガスが電
池を出るとき電池から運ばれ電解質の損失を生ずる。

燃料電池を普通のやり方で通過するプロセスガスにより
通常捉えられる電解質のｆはそのガスの飽和温度Ｔｓを
規定する。飽和温度にガス中の電解質の蒸気がまζに凝
縮し始める温度である。それぞれ１４９℃（３００”Ｆ
）及び１７７℃（３５０下）の入口及び出口の温度を有
する典型的なりん酸燃料電池では排出される酸化プロセ
スガス及び排出される燃料プロセスガスの飽和温度は平
衡の度合に応じて１７４〜１７７；”Ｃ（３４５〜３５
０”Ｆ）であろう。：本発明によれば燃料電池装置１ｕ
ｌｌさらに上述の電解質の損失を減少するようにされる
。これは伝達通路３ｂ及び４ｂの少くとも一つにもたら
されるプロセスガスを予め選択された温度にしそして予
め選択され７’Ｃ量の予め選択された成分にすることに
より達成される。さらに詳しくは予め選択された温度、
成分及びその量は選択されて電解質が電池から電解質蒸
気を運ぶ傾向を防止する。第１図のこのケースでは伝達
通路３ｂ及び４ｂのそれぞれに提供されるプロセスガス
はこのやり方に適合される。

好ましくは供給源７及び８のそれぞれはそのガスについ
ての上述の飽和温度Ｔｓに等しい又はそれ以上の温度で
そのそれぞれのガスを供給するようにされる。その上ガ
ス飽和温度Ｔｓでガスを完全に飽和する量で供給ガ夏に
予め選択された成分を加えるために予備飽和器（ｐｒｅ
ｓａｔｕｒａｔｏｒ）　１１がそれぞれの供給源とその
それぞれの伝達通路との間に含まれる。予備飽和器１１
によシ供給される予め選択された成分及びガスを飽和す
るやり方は燃料電池２の性質に依存する。

さらに詳しくは成分に一般に電池に用いられる電解質の
型（即ちアルカリ性又は酸性）によりきめられよう。も
し電解質がアルカリ性、であれば成分はアルカリ性電解
質の陽イオン成分を含むべきである。従って例えば電解
質としてアルカリ炭酸塩（リチウム、カリウム及びナト
リウムの炭酸塩）の混合物を用いる溶融炭酸塩型電池で
ｒｒｉ成分はアルカリ金属蒸気、アルカリ金属炭酸塩、
アルカリ金属酸化物又はアルカリ金属水酸化物を含むだ
ろう。一方もし電解質が酸性であれば成分は酸電解質の
陰イオン成分を含むべきである。従って例えば電解質と
してりん酸を用いる電池では成分はりんの酸化物例えば
ＰｚＯｓ（３００ｔ、テ昇華）、Ｐ２Ｏ３（約１７５℃
で沸騰）、Ｐ２Ｏ４などを含むだろう。

上述のりん酸型電池では種々の予備飽和方法が用いられ
よう。従ってそれぞれの予備飽和器１１は働いてりん酸
浴を通してそれぞれの受容したガスを泡立てるだろう。

又受容されたガスけりん酸により飽和された床例えば炭
素紙の床を通過しよう。後者の場合では床は外部的に酸
を加えることにより周期的に活性化きれそしてそれが予
備飽和にとり大きな表面積を与える点で有オＵである。

予備飽和器１１が操業する他のやυ方は受容されたガス
流に直接りん酸を注入することである。

又操業の他の態様は五酸化りんの上をガスを通すことで
あろう。コントロール変数例えば温度、曝露した表面積
、蒸気を放す出口などにょジ後者の昇華速度全適当にコ
ントロールすることにより適当な飽和が実現されうる。

操業の他の態様はりんの他の酸化物（Ｐ２０３　、　Ｐ
２０４など）の上をガス全辿すことであろう。この場合
コントロール変数例えば温度、曝露した表面積、全熱供
給量などにより酸化物の煮沸速度又は蒸発速度を適切に
コントロールすることにより所望の飽和が達成されうる
。

他の酸又はアルカリ性の電解質の場合に上述と同様な技
法又は標準的な技法が用いられて予備飽和器１１を経て
所望の飽和が実現される。この点に関し予備飽和器は第
１図に示これたように位置する必要がないことは部分る
だろう。その代りそれらに例えば投入マニホルド壁土の
電池に働く管の内側に置かれてもよい。

第２図は本発明の第二の態様を示しそれでは正極部分４
−＼の供給源が冷却のためｖｃ　電池を通過することに
より加熱された酸化ゾロセスガスから誘導される。従っ
てこの場合電池２にさらに伝達通路４ｂＫｌ１４接する
冷却伝達通路４Ｃを設けられる。

伝達通路４ｃは再循環酸化ガス（再循環ラインに含まれ
る熱交換器１４により実質的ＶＣ温度を低下させられた
）とともに源１２からの新しい酸化ガスを受容する。室
４ｃからの加熱されたガスは後者のラインと導管１５（
加熱されたガスの一部を予備飽和器Ｊ１へ送り次に飽和
且加熱された酸化プロセスガスを伝達通路４ｂへ送る）
との間に分けられる。この配＃によりプロセスガスの加
熱及び電池の冷却は同時に生じそして加熱されたプロセ
スガスは実質的な温度の低下なしにそれ故実質的に電池
操業温度でプロセスガスチャンネルへ連絡される。分離
された加熱器への必要に従って避けられる。プロセスガ
スとして直接加熱された冷却ガスを用いる第２図の配置
に本出願人に譲渡これた出願第０６１５０７．０７１号
（１９８３年６月２３日出願）Ｋさらに開示されている
。

上述の好ましい配置において投入プロセスガスの一方又
は両者の全飽和に飽和温度で行われるが電解質成分によ
りガスの一つを飽和温度に関して過飽和にすることも本
発明の範囲内にある。これは例えばガスの温度を飽和温
度Ｔｓよりも高くしそして温度Ｔｓでガスを完全に飽和
するのに要求されるのよりも多い舞で成分を加えること
により達成される。この場合過飽和のガスが電池に入り
そしてその温度が飽和温度ＴｓＶＣ低下されるとき温度
Ｔｓでの全飽和に要求されるのを超えて添加される電解
質に電池内で凝縮する。その結果電解質は電池に加えら
れそして他のガス流により又は他の電池効果例えばクリ
ープ現象又は腐蝕により失われる電解質を一部分又は完
全に補償する。その上もし燃料の供給がリフォーム反応
により燃料ガスを製造しつつあるならばリフォームされ
た燃料ガスは通常燃料ガスの飽和温度よシも高くそのた
め燃料ガスに電解質成分により過飽和にされるものとな
る。充分な酸が過飽和の燃料ガスから凝縮して酸化ガス
及び他の電、池の効果からの電解質の損失を完全に相殺
することを確実にすることにより酸化ガスへの予め飽和
された電解質の供給はなしですましうる。

又溶融炭酸塩燃料電池でに投入される燃料ガスの高い温
度及び蒸気圧はこのガスが予め飽和されることのみ全必
要として電解質の損失の許容しうる防止を実現すること
を注意しておきたい。

すべての場合において、上述の配置は本発明の応用を示
す多くの可能な特定の態様の代表に過ぎないことは理解
されるべきである。多数のそして種々の他の配置が本発
明の要旨を離れることなく容易に考え出されうる。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は本発明の燃料電池装置の態様を示す
。 １・・・燃料電池装置、２・・・燃料電池、３・・・負
極部分、３ａ・・・電極、３ｂ・・・伝達通路、４・・
・正極部分、４ａ・・・電極、４ｂ・・・伝達通路、５
・・・電解質、６・・・マ）　ＩＪラックス７・・・酸
化物供給源、８・・・燃料供給源、１１・・・予備飽和
器、１２・・・酸化物源、１３・・・ライン、１４・・
・熱交換器、１５・・・導管代理人　弁理士　秋　沢　
政　光 他１名

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）予定された温度で操作する燃料電池よりなシ、そ
   して電解質と通ずるようにされた電極と該電極と通じて
   該電池を経てプロセスガスを運ぶ伝達装置と予め選択さ
   れた温度で該伝達装置へ該プロセスガスを提供する装置
   とを含み、該プロセスガスが予め選択された量の予め選
   択された成分を含みそして前記温度、成分及び成分のｔ
   ｔ−選択して該ガスが該伝達装置を経て該電池を通過す
   るとき電解質が該電池から運ばれるのを妨げる燃料電池
   装置。 （２）＃電、極が負極の電極であり、そして該プロセス
   ガスが燃料ガスである特許請求の範囲第（１）項記載の
   燃料電池装置。 （３）該電極が正極の電極であり、そして該プロセスガ
   スが酸化ガスである特許請求の範囲第（１）項記載の燃
   料電池装置。 （４）該電極が負極の電極であり、該プロセスガスが炉
   料ガスであり、そしてさらに該燃料電池が該電解質と通
   ずるようＫきれ友正鞭の電極と該正極の′ｉ！極と通じ
   て該電池を経て酸化プロセスガスを運ぶ他の伝達装置と
   よりなり、そして該燃料電池装置が他の予め選択され友
   温度で前記の他の伝達装置へ該酸化プロセスガスを提供
   する装置をさらに含み、該酸化プロセスガスが他の予め
   選択された量の前記の予め選択された成分を含み、前記
   の他の温度及び他の量に選択されて該酸化プロセスガス
   が前記の他の伝達装＠を通過するとき電解質が該電池か
   ら運ばれるのを妨げる特許請求の範囲第（１）項記載の
   燃料電池装置。 （５）　該成分が該電解質の要素よりなる特許請求の範
   囲第（１）項記載の燃料電池装置。 （６）該成分が蒸気の形である特許請求の範囲第（５）
   項記載の燃料電池装置。 （７）該電解質がアルカリ性電解質であり、そして該成
   分が該電解質の陽イオンを含む特許請求の範囲第（５）
   項記載の燃料電池装置。 （８）該電解質がアルカリ炭酸塩であシ、そして該成分
   がアルカリ金属、アルカリ水酸化物及びアルカリ炭酸塩
   の１種よシなる特許請求の範囲第（７）項記載の燃料電
   池装置。 （９）該電解質が酸電解質であり、そして該成分が該電
   解質の陰イオン金倉む特許請求の範囲第（５）項記載の
   燃料電池装置。 αＯ該電解質がりん酸であシ、そして該成分が）んの酸
   化物よりなる特許請求の範囲第（９）項記載の燃料電池
   装置。 Ｑ９　成分の前記温度及び量は該成分の一部が該電池を
   通過するとき該プロセスガスから凝縮する温度及び量で
   ある特許請求の範囲第（１）項記載の燃料電池装置。 Ｑ′４　凝縮された成分の前記の一部が該電池によシ失
   われる電解質の量に実質的に等しい特許請求の範囲第α
   υ項記載の燃料電池装置。 Ｑ３　前記の提供する装置が該プロセスガスを該ガスの
   飽和温度又はそれ以上で提供しそして前記の予め選択さ
   れた量の成分を添加する装置金倉む特許請求の範囲第（
   １）項記載の燃料電池装置。 ０４１　該プロセスガスの該温度が該飽和温度以上であ
   り、該添加装置が該飽和温度で該ガスを完全に飽和する
   と思われるのよシも多い量で該成分全添加する特許請求
   の範囲第Ｑ３項記載の燃料電池装置。 ０ね　前記の予め選択された量のプロセスガスが該飽和
   温度で該ガスを完全に飽和する特許請求の範囲第α騰項
   記載の燃料電池装置。 Ｑ６　該プロセスガスを受容するための該燃料電池の熱
   発生表面と通ずる他の伝達装置と前記の他の伝達装置を
   出るプロセスガスの一部を該添加装置−＼連絡する装置
   とを前記の提供装置がさらに含む特許請求の範囲第０４
   項記載の燃料電池装置。 αη　予定された温度で燃料電池を操作し：プロセスガ
   スを燃料電池の電極と通じている伝達装置へ提供し、該
   電極が電解質と通ずるようにされそして該プロセスガス
   が予め選択式れた温度であって予め選択された量の予め
   選択された成分金倉み、該温度、成分及び成分の量が選
   択さ°れて該ガスが該ガス伝達装置を経て該電池を通過
   するとき電解質が該電池から運ばれるのを妨げることよ
   シなる燃料電池装置を使用する方法。 ０８　該電極が負極の電極であり、そして該プロセスガ
   スが燃料ガスである特許請求の範囲第Ｑ９項記載の方法
   。　− ａ窃　該電極が正極の電極であり、そして該プロセスガ
   スが酸化ガスである特許請求の範囲第α力項記載の方法
   。 翰　該電極が負極の電極であり、該プロセスガスが燃料
   ガスであシ、そしてさらに該方法Ｆ′ｉ該燃料電池の正
   極の電極と通じている他の伝達装置・＼酸化プロセスガ
   スを提供することよりなり、そして該正極の電極は該電
   解質と通じるようにされそして該酸化プロセスガスは他
   の予め選択された温度にあシそして他の予め選択された
   量の該成分を含み、前記の他の温度及び他の量が選択さ
   れて該酸化ガスが前記の他のガス伝達装置を経て該電池
   を通過するとき電解質が該電池から運はれることを妨げ
   る特許請求の範囲第９９項記載の方法。 （２１）　該成分が該電解質の要素よりなる特許請求の
   範囲第翰項記載の方法。 （ハ）該成分が蒸気の形である特許請求の範囲第ｆ２１
   ）項記載の方法。 （ハ）該電解質がアルカリ性電解質であり、そして該成
   分が該電解質の陽イオンを含む特許請求の範囲第Ｑ１）
   項記載の方法。 （財）該電解質はアルカリ炭酸塩であシ、そして該成分
   がアルカリ金属、アルカリ水酸化物及びアルカリ炭酸塩
   の１種よりなる特許請求の範囲第Ｑ漕項記載の方法。 （イ））　該電解質が酸電解質であり、そして該成分は
   該電解質の陰イオンを含む特許請求の範囲第ａｔη項記
   載の方法。 に）該電解質がりん酸であり、そして該成分かりんの酸
   化物よシなる特許請求の範囲第Ｃ５１項記載の方法。 （ハ）前記の成分の温度及び量は＃成分の一部が該電池
   を通過するとき該プロミスガスから凝縮する温度及び量
   である特許請求の範囲第０９項記載の方法。 （イ）凝縮された成分の前記の部分が該電池により失わ
   れる電解質の素に実質的に等しい特許請求の範囲第（ハ
   ）項記載の方法。 翰　該プロセスガスが該ガスの飽和温度又にそれ以上で
   ありそして前記の量の成分が該飽和温度で該プロセスガ
   ス流全飽和する特許請求の範囲第０４項記載の方法。 （至）該プロセスガスが該ガスの飽和温度以上でありそ
   して前記の量の成分が該飽和温度で該ガスを完全に飽和
   するであろうのよシ多い特許請求の範囲第側項記載の方
   法。 ６１）該プロセスガスの該飽和が該電池の内部及び外部
   の一つで生ずる特許請求の範囲第ｔ２ω項記載の方法。 （財）該プロセスガスが該電池の熱発生表面と通じてい
   る他の伝達装置を経て先ず通過し、そして前記の他の伝
   達装置を出る該プロセスガスの一部が該伝達装置へ連絡
   される特許請求の範囲第（ハ）項記載の方法。