JPS6070671A - マトリツクス形燃料電池の電解液制御装置 - 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】

〔発明の屈する技術分野〕 本発明は、多孔質のマトリックス層内に電解液が保有さ
れ、該マ）　ＩＪツクス層を挾んで配設されたガス拡散
性電極として構成された燃料ガス電極および酸化ガス電
極の反マトリックス側の面にそれぞれ反応ガスとして燃
料ガスおよび酸化ガスか通流されるようにしてなる燃料
を池の前記マトリックス層内の％、電解質角”を所定値
に制御する制御装置ｈ１に関する。 〔従来技術とその問題点〕 頭記のような形式のいわゆるマトリックス形燃料電池に
おいては、電解液の循狙系を備えたいわゆる自由電解液
形燃料電池を較べて、付ゎ１の循σにし 系を有へない点で電池の全体植成が簡単でかつ比較的高
温下で運転される燃料電池に適する利点がある反面、長
期の運転中に電解液中の電解質が次第に失なわれて電解
液濃度が、従ってそのｍ電性が下がり、電池の発電機能
が阻害されるに至るおそれがある。周知のように短、池
の発電作用はガス拡散性の電極内で生じ、該電極内に岐
マ）　ＩＪソック層から電解液が滲出しているので、電
解液中の電解質が水分とともに電極表面に通流されてい
る燃料ガスまたは酸化ガス中に拡散しゃすく、微ｈ：ず
つではあるがミストあるいは蒸発ガスの形でこれら反応
ガスとともに電池外に排出されて行く傾向があシ、かか
る電解質の損失は霜１池の運転温１襄を高めて運転効率
を上げようとするにつれて多くなる。 さらに、このようにして反応ガスとともに電池外に持ち
出された電解質は電池の付属排管系統類に深刻な鹿角問
題を発生する。電池から排出された高温の反応ガス力・
らは、その温度が漸次丁がるとともに含有水分が凝縮１
−１て水となり、この中に電解質が溶解するので電解質
が酸性霜、解質の場合はかなシ腐食性の強い酸性液とな
り全屈配管類を腐食させやすい。霜、池内の電気化学反
応により生じた反応生成水幻、ふつう蒸気の形で反応ガ
スとともに矩：他外に排出され、配管系統内で凝縮させ
た上で系外に取り出されるので、かかる腐食性の酸性液
の発生は３＋Ｌけるととができない。まだ、電池に伺紡
（７て燃料改質装置が用いられる場合には、電池から排
出された燃料ガスや酸化ガスは改質装ｆｆｉ内で燃焼さ
れることが多いので、この装置”内で発生した燃焼水分
と電解質とが高温下で高い昌食性を呈して改η装信を４
１ＦＡ傷するおそれもなしとし。 ない。 このような問題点に対しては、′ｔＬｊ、池から失なわ
れて行く箱、解質の茄、かさほど多くないこともあって
、従来ｔ、１あまシ根本的な対策がなされていなかつた
が、近時燃料電池が大容量化されとくに酸性電解質を用
いる燃料電池の実用化時期に入るに従って決（７て無視
できない技術上の問題点となって来ている。 〔発明の目的〕 本発明は前述のような間にへ点を解決して長期の運転に
際しても燃料電池を高い信頼度で運転できるマトリック
ス形熔料電池の市解液制征Ｉ装Ｐを捉供することを目的
とする〇 〔発明の璧点〕 上述の目的は本発明により、電解液制御装置１″を、燃
料ガスおよび酸化ガスの燃料電池からの排出路ごとに設
けられ両ガス中に含有されるｘ＝、　＊°ｉ！ｉｔ　ｔ
ぞれぞれ水溶液の形で捕集する霜７納質回収器と、燃刺
市、池内部に前記マ）　ＩＪツクス層に連通し、て設け
られ和、池本体の側面に開口する知１解液補給路と、を
解質回収器によって捕集された電解質を含む水＠沿を前
記電解液補給路に前記開口を介して注入する霜５解液注
入手段とにより構成することによって達成される。 〔発明の実施例〕 以−１図面を参照しながら本発明の実施例ケ詳しく説り
］する。 本発明にかかる電解液制御装置の説明に先立って、捷ず
その対象となるマ）　ＩＪラックス形料電池の構造の概
要を第１図により説明する０図はいわゆるリブ伺きセパ
レータを用いたマトリックス形燃料市、池の単電池ｌの
構造を示すもので、図ではリブ伺きセパレータは符号２
で示されており、互いに直交する複数個の満２ａ、２ｂ
をその両面に備えている。電解液を保有するマトリック
ス層３は電ｊ９’ｌ　ｆｔ＝とじて使用される例えばシ
ん酸に而ｊえる多孔質の板状またはシート状の拐料によ
って構成され、それぞれガス拡散性電極として構成され
た燃料ガス■う、極４と酸化ガス電極５との間に挾まれ
ているＯ燃料ガス、例えは水素を主成分とする改質ガス
Ｆは

【＾２ａの中を図の矢印の方向に通流され燃料ガス
電極４内に拡散して、マトリックス層３から同電極内に
滲出して米ている電解液と箱、気化学反応をする。同様
に酸化ガス、例えばＡｉｊ：海２ｂの中金図示のように
通流され、酸化ガス電極５内に拡散して電解液との間に
電気化学反応を生じる。もっとも、本発明にかかる電解
液制御装置の対象は、リプ付きセパレータを用いた電池
に限らず、リブなしセパレータを用いた電池にも適用で
きる。この場合の電極はそれぞれ溝をＩｆａえたガス拡
散性の１ｉ□。 極基利の溝とは反対側の面にル１１１、層をイで、１り
たものか用いられるが、反応カスが１ｔｊ内に通ｆｉｉ
″、さ１１．て１１】。 極内に拡散されて行くのは１ム」林であるがら、’Ａ３
’ｌ（を避けるために詳細構迅の４３２すｊｌｒＪ省陥
する。 第２図は本発明の実施例を示すもので、図の右方には前
述の単′１１・、池１が多数個上下方向にイ、ｒ：砂、
６（ねられた電池４ｆｔ！ｊ闇体１ｏが一部破１ｔ〕１
されたｒ１勿１．１シ１からのぞくように模式的に示さ
れている。また、前述の反応ガスＦ、Ａが通流される清
２ａ　、　２ｂが、電池積層体１０の側面にＧ１う日し
でいる状態かし１示されている。該知、池ｆＡ／會体１
ｏの四つの１ＩｌＩ面にｔ」、マニホールド１１〜１４
がル′シイ」けられておシ、灯・狛ガスＦはマニホール
ド１１がらｒｊ’ｊ２ａ内をｅｉｃれ゛Ｃマニホールド
１２に入シ、その出口％４１２ａがらノ男出される。一
方、酸化ガスＡはマニホールド１３から溝２１〕内を流
れてマニホールド１４に入り、その出口’１’１ｉ４ａ
から排出される。 まだ、この図には本発明にかかる電ｉＩＩ液制御装％に
関連する反応ガスの供給排出用配管系統の概曳が示され
ている。図示のように燃料ガスＦは、例えば天然ガスの
形で脱ｔ１．°装櫛１５を経て燃第１改賀装置ＦＪ１６
の燃料改質部１６ａに入り、そこでそのメタンガスか水
素を主成分とする改質された灼和ガスＦに亥換され、−
配化炭素の改ＪＪｊ器１７を経て行１［述ので二ボール
ド１１に供給される。なお改Ｙ１器１１：Ｊ、改質燃料
ガスＦ中に含まれる一酸化炭萌費の水素ガスは炭酸ガス
等とともに前述の出口管１２ｇから？１）池外に出て、
和、解質回収器２１に入りそこから燃料改質装置Ｖ、１
６のバーナ部に入シ燃Ｌ“１１部１６Ｉ）−内で燃焼さ
ｉｔて改ａ部１６ａを加熱する。 一方、酸化ガスとしての空気は、前述の燃焼部１６ｂか
らの燃焼ガスによって回転されるガスタービン１８によ
シ駆動される圧縮機１９によシ大りＬから吸引され、そ
こで圧縮されて前述の酸化ガス用のマニホールド１３に
供給される。該空気中に含まれる酸素は電池ＪＯ内で一
部が消費された後、窒素とともに出口管１４ａから電池
外に出て、ｌ′ｉ（化ガス側の電解質回収器２２を経て
燃料改質装置１６の燃焼部１６ｂに入シ、燃焼用酸素と
して使用される◇ さて、本発明にかかる電解液制御装置２０は図の一点鎖
線で囲まれた範囲で示されておシ、前述のＴｉ、解液回
収器２１．２２のほか、ポンプ２４を含む電解液注入手
段としての注入母％゛２３が示されている。％解液回収
器２１，２２の訃細措造は第３図および第４図に示され
ている。第３図はこの電解質回収器２１ないし２２の一
つの実施例構迄を示すもので、密閉箱３０内にｂＩＪ述
の出口管１２ａないし１４ａから排出される反応ガスｔ
Ｓ人するガス導入管３１が気密に取付けられており、そ
の密閉箱３０内に配された多数の小開口３１ａから反応
カスＦないしＡが密閉箱３０内に収納された液りに、気
泡の形で放出され、該反応ガス中に自首れる電飴質が液
りに吸収された上導出管３０ａから出る。 燃料電池内での反応ガスＡ、Ｆの圧力はふつう互いに平
衡しかつ大気圧よりは高いから、このａ１触質回収器も
大気圧よりは高い圧力下で運転される０１だ、この電解
質回収器の運転過度にＭｌ、脂質をできるだけ完全に吸
収するためには低温２例えば５０度Ｃ以下とすることが
望ましく、このための冷却水配管３０ｃが密閉箱３０の
外側面に取り付けられている０もっとも、この冷却水配
省３０ｃは液叛りを冷却するためのものであるから、密
閉箱３０の内部に配設してもよい。なお、出口’１Ｊ１
２ａないし１４ａから排出される反応ガスＡ、ＦＫはか
なり大ｈ：の反応生成水が蒸気の形で含オれているから
、かかる反応ガスを％、＃質回収器に導入する前に水分
凝稔ｉ器をル、８′ｌ質回収器の前段に設けて、あらか
じめ過剰水分を除去しておくことが望ましい。密閉箱３
０の下部には電解液管３０ｂが接続されており、％ｗｆ
質を吸収した液りを第２図のポンプ２４に尋く。また密
閉箱３０の上部に導入されている液注入管３０ｄは、液
りの補給が必要なときの液補給用である。 第４図は電解質回収器の異なる実施態様を示し、この例
では密閉箱３２はケース３２ａとＨａ２ｂとからなる二
つ割シ構造となっておシ、両者はフランジ部３２ｃにお
いてパツキン等の手段を介して気密に結合される。電池
からの反応ガスＦないしＡは下部の導入管３２ｄから回
収器内に入り、多孔板３２ｆ上に配された多孔性の吸収
羽３３の間を辿って上部の導出％１３２ｃから出る。吸
収月３３としては、ｔ、解質を吸’ＲＴ３Ｊ能な多孔性
の月利であれはよく、例えば目の細かい不織布が適する
。回収器内の上部には液導入臂３４が配設されており、
その小Ｕｉ」口３４ａから液りを間欠的にあるいは連続
的に吸収月３３の上に注入ないし、は滴下して吸収＋４
３３に吸着された％、電解質溶解させ、下部の′？ｔ、
解液渭層液部３３ｈＫ電解液として貯留させる。この市
１解液の取シ出しは底部に設りられた知、層液龜３３ｃ
か・ら行なう。なお、この実施例の場合には吸着作用を
利用しているので前の場合はど冷却を８俊とじないが、
吸収拐からの蒸気の匍飛散を極力防止する意味もあって
密閉箱３２の外面の′Ｊｆｉ所に冷却フィン３２ｇが取
シ伺けられている。 以上説明したようなＩＫＭ質回収器２１．２２は反応ガ
スごとに、すなわち燃料ガス用と酸化ガス用とを分離し
て設ける必要があるが、これら回収器により電解液の形
で捕集された電解質の市、池への還流は回収器ごとの独
立配管によシ行なってもよいし、共通配管によシ行なっ
ても差支えない。第２図は後者の例を示すもので、両回
収缶２１．２２からの市、角了液はポンプ２４により何
部され注入母賀２３を介して１ｉ池１０に戻される〇第
５図は補給用電解液の電池への注入熱手段を示すもので
、上記の注入母管２３が図の右方に示されている。一方
、電池の方は早霜１池が破断図で示されており、溝２ａ
、２ｂを備えた１対の溝つきセパレータ板２，２の間に
マトリックス層２．燃料ガス？し、極４および酸化ガス
箱１極５が示されている。 マトリックス層２の図の右方に示された周縁部は薄いシ
ール層６で囲まれておシ、マトリックス層２内に保有さ
れた電解液の電池の側面からの漏液が防止されている。 該シール層６の図の上面には電解液補給路７の一部を形
成する連通孔７ａがＥＩＩＪりられていて、その上方に
設けられている電解液溜まシフ器内に一時貯留された電
解液が該連通孔７ａを通じ”Ｃマトリックス層３内に滲
出するように構成されている。また、電解液溜まシフｂ
からは釦、池の側面に向けて開ロアＣが設りられており
、該開ロアＣを通じて注入器ｙ　２３からの％層液が電
解液補給路７を構成する電解液溜まシフｂおよび連通孔
７ａを介してマトリックス層３に補給される。また開ロ
アｃには注入母管２３から分岐された注入分岐管２６が
液密に挿入されており、さらに該注入分岐償２６の中間
部には細孔を有する絞シ部月２７が介装されていて、注
入母管内の電解液を均匂に各単１８．池に分配、注入す
る役目を果しているＯなお、この実施例では１＠、層液
補給路７ｅ１にｔ角−Ｃ液溜まシフｂを設けた例を示し
たが、セパレータ板２等の内部にがかる液溜まシを設け
る余裕がない場合には、連通孔７ａと開ロアＣとを結ぶ
細孔を補給路として設けてもよいことはもちろんである
。また、注入分岐管を細いキャピラリーチューブとして
構成すれば、前述の絞シ部相７を設けなくともル１層液
の均等な分配をはかることができる。 前述の電解液注入手段を介しての補給用軍１解液の注入
は必ずしも連続的に行なう８渋はなく、箪ＭＨｉｔの電
池からの逸出速度が小さいのでむしろ間欠的にｋＮ”Ｆ
液を注入する方が有利な場合が多い。 棟だ、長期の運転期間中には電解質回収器を設けていて
もなお回収もれが若干あり、次第に電解質が電池系から
失なわれて行く可能性もあるので、第２図を示すように
弁２５を介して注入母管２３に電解液源と接続しておき
、必要な時期にメークアップ用電解質を補充できるよう
にしておくと便利である。なお、霜、層液回収器から電
解液注入手段を介して電池に注入される補給用電解液の
濃度は往々電池内に保有されている規定の電解液の白人
する必要は全くなく、実際の運転結果でもかなり（１１
１釈された状態の電Ｍ′Ｉ−液を電池に補給しても、電
池の運転温度により反応生成水とともに余分の水分は速
やかに蒸発するので、電池の運転に悪影響を及はすおそ
れはない。 〔発明の効果〕 以上説明のとおり、本発明ｆ：＠成する？ｂ、デ■質回
収器と、電池内に設けられた％４ル［液補給路と、電相
液注入手段とによシ％層液を制御することによシ、従来
を池から排出される反応ガスとともに１６池外に逸出し
ていた知、解質を自動的に回収とし１１゜池に再補給す
ることがｏＪ能になシ、１に池内の％負１賀の１１グは
一足に保ってマ）　ＩＪツクス形燃イ′ト↑）１池を長
期間高信頼度で運転することかｎ］能になる。 またかかる逸出１Ｌ解質に基づく電池のイτ」属配官類
やさらには燃料改質装部の賜食問題かｅｌは完全にＰｉ
ｔ決でき、この面からもち、池の運転侶４り１度か向上
する。１だ、この発明を実施することにより、υ１−米
あまり良い方法かなかった箪側液の自動補給の１１１題
も同時に触法することができ、電力［液の補給のために
電池の運転を−たん停止しｙ”ｃ上電池本体を分解した
りなどして電解液を補給するようなむだな手間を一切省
くことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明装置の対象となるマトリックス形燃料電
池の楢造を示す斜視図、第２図は本発明による電解液制
御装置をマトリックス形燃料電池本体と付属ガス供給系
とともに示す系統図、第３図は本発明装置を構成する％
、解銭回収器の一実施態様を示す障１面図、第４図は同
翫解質回収器の異なる実施態様を示す〜１面図、第５図
は本発明装置ｆ：構成する燃料市池内に設けられた一１
解液補給路の一実施例と１程解液注入手段の一部の実施
例を示す′ｒ（ｒ、池の断面図である０図において、ｌ
：マトリックス形燃刺ル、池の単電池、３：マトリック
ス層、４：ガス拡散電極としての燃料ガスＴ４．　（ｉ
、５：ガス拡散電極としての酸化ガス電極、７：看１解
質補給路、７ａ：連通孔、７ｂ：電解液溜まシ、７ｃ：
電解質補給路の電池側面への開口、１０：マトリックス
形燃料電池、２１．２２　：電解質回収器、２３：電解
液注入手段を構成する注入母管、２４：％＃液注入手段
を構成するボンダ、２６：電解液注入手段を構成する注
入分岐管、２７：電解液注入手段を構成する絞シ部栃、
Ａ：酸化ガス、Ｅ　Ｓ　ｔｆｌｉ給月Ｊ　％　片を質源
、Ｆ：燃オー１ガス、である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）多孔質のマトリックス層内に電解液が保有され、該
   マトリックス層を挾んで配設されたガス拡散性電極の反
   マ）　ＩＪラック層側に燃料ガスおよび酸化ガスを通流
   させるようにしてなる燃料電池の電解液制御装置であっ
   て、前記燃料ガスおよび酸化ガスの燃料電池からの排出
   路ごとに設けられ該両ガス中に含有される’ＵＷ質をそ
   れぞれ水溶液の形で捕集する電解質回収器と、燃料電池
   内部に前記マトリックス層に連通して設けられ市、池の
   側面に開口する電解液補給路と、前記電解質回収器によ
   って捕集された電解質を含む水溶液を前記知、力１液補
   給路に前記開口を介して注入する電解液注入２、特許請
   求の範囲第１項記載の装置において、％解液補給路内に
   電解液溜ま９が設けられたことを特徴とするマトリック
   ス形燃料電池の電解液制御装置。 ３）％許請求の範囲第１項または第２項記載の装置にお
   いて、電解液注入手段が間欠的に動作するようにしたこ
   とを特徴とするマトリックス形燃制和１池の電解液制御
   装置。 ４）特許請求の範囲第１項記載の装す、において、電解
   液注入手段が注入する電解液に補給用電解質が添加され
   ることを特徴とするマトリックス形燃料１Ｌ、池の和４
   Ｍ液制御装置。