JPS61116763A - 燃料電池システムの運転方法 - 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】 産業上の利 本発明は、電池の運転中は液体である電解質を用いる電
気化学的電池に係る。

リン酸電解質を用いる電気化学的電池では、反応物ガス
流内への、特に水素（燃料）流よりも著しく大きな流量
率で流れる空気（酸化剤）流内への電解質の蒸発が生ず
る。この蒸発はわずかではあるが、長時間に屋る運転中
には少ながらざる量になる。電池の運転温度が高くなる
につれて、問題は一層深刻になる。、電解質はシールを
通じての漏洩によっても失われる。また、使用可能な電
解質体積は、隣合う電池を隔てる板肉への吸収によって
も長時間に屋る運転中に減少する。従って、運転時間を
延長するためには、失われた電解質が電解質の別の源か
ら間歇的又は；ＬｊＦＥ的に補充され、若しくは回収さ
れて電池に戻される必要がある。

この問題の一つの解決策は、本願の譲受人と同一の譲受
人に譲渡された米国特許第４．３４５゜００８号明１ｉ
ｌｌに示されている。この特許では、反応物ガス流内へ
蒸発した電解質は、ガス流が電池を去る直前に反応物ガ
スを冷却することにより凝縮されて電池の電極部分へ戻
される。電極内の毛管作用及び電解質濃度勾配の結果と
して、電極内のバルクフロー及び（又は）拡散により電
池内の電解質の再配分が行われる。

米国特許第４，３４５．００８号の発明の欠点は、特殊
に設計された燃料電池構成要素、例えば電極及びおそら
くは電池間冷回器を必要とすることである。このような
欠点を伴わずに電解質喪失の問題を解決する代替的な方
法の開発が要望されている。

発明が解決しようとする 本発明の目的は、反応物ガス流内への電解質の蒸発によ
り惹起される電池からの電解質の喪失を減するための方
法及び装置を提供することである。

本発明の他の目的は、電池内の電解質の量を実質的に一
定に維持するための方法を提供することである。

本発明の別の目的は、燃料電池から失われた電解質を補
充するための装置及び方法を提供することである。

問題点を解　するための 従って、本発明の方法では、燃料電池から失われた電解
質が電解質の外部源から、燃料電池内へ供給されている
反応物ガス内へ外部源から電解質を供給することと、反
応物ガス流が電池に入るにつれてその電解質が反応物ガ
ス流内に蒸気又は小滴として分散されるように、その電
解質を気化又は噴霧化することとにより補充される。

電解質は反応物ガス流内ヘミストとしてスプレーされ、
また電池内へ細かい小滴として運ばれる。

又は、もしガス流が十分に高温であれば、小滴はそのガ
ス流内で気化して、蒸気として又は部分的に蒸気として
電池に入る。代替的に、ガス流は、電解質を気化させ、
更にはガス流を過飽和状態にするため、電解質がガス流
内に導入された後に加熱され得る。又は、電解質がガス
流内への導入に先立って予熱され得る。燃料ガス流か酸
化剤ガス流か何れかが電解質を運ぶガスとして用いられ
得る。

もし電解質が蒸気として電池に入れば、電解質蒸気圧力
により反応物ガス圧力が高くなり、燃料電池からの電解
質の蒸発を減する。もし電池に入る反応物ガスの電解質
蒸気圧力が十分に高ければ、電池からの蒸発は完全に無
くなる。更に高い蒸気圧力では、ガス流は過飽和状態と
なり、電解質はガス流から電池へ追加される。

電解質がガス流内の細かい小滴として電池に入る時には
、小滴は電池温度により少なくとも部分的に蒸発し、ま
たこの蒸気が１記と同一の作用をする。加えて、小滴の
一部は多孔質の電池椙成要ｆ？（例えば電極）に衝突し
て吸収されて、失われた電ＰＩ？　１１を補充する。こ
うして電池内の然気及びミストの双方の導入は燃Ｆｌ電
池からの電解質の喪失を無くすため、また燃料電池に電
解質を追加するための手段を成す。

補充の目的の電解質の源は単に容器からの新鮮電解質で
あってよいし、燃料電池排出ガスから回収された電解質
であってよいし、又は双方の組合せであってよい。電解
質は凝縮器を用いて排出ガスから回収され得る。凝縮さ
れた電解質は次いで排出ガス流から分離され得る。分離
された電解質はアキュムレータ又は貯蔵タンクに供給さ
れ、また上記の方法により電池に戻される。

本発明の上記及び他の目的、特徴及び利点は、以下に図
面に示されている好ましい実施例を詳細に説明するなか
で一層明らかになろう。

えＵＬ 図面を参照すると、燃料電池スタック１０は不通気性板
１４により隔てられた複数個の個々の燃料電池１２を含
むものとして解図的に示されている。スタックの個々の
電池は電気的に直列に接続されている。スタック１０の
各電池１２は通気性の多孔質ノ正極（ｃａｔｈｏｄｅ　
ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ　）　１８から間隔をおかれた通気
性の多孔質の負極（ａｎｏｄｅ　ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ　
）　１６を含んでいる。間隔をおかれた電極１６．１８
の各対の間に挟まれて、電解質で飽和されたマトリック
ス２０が設けられている。マトリックスはスポンジのよ
うに電解質を保持している。電極も電解質の一部を保持
していてよい。

この＄ｌＩ！型的な実施例では、限定する意図はな０が
、電解質はリン酸であり、またマトリックスは本願の譲
受人と同一の譲受人に譲渡された米国特許第４．０１７
．６６４号明ｌ１り書の開示に従って炭化ケイ素から製
作されている。電極１６．１８Ｇよ周知のガス拡散形式
である。このような電極の例は本願の譲受人と同一の譲
受人に譲渡された米国特許第４．０３５．５５５１号、
第４．１８５．１４５号及び第４．３７４，９０６号明
細書に示されている。

電極１６．１８及びセパレータ板１４は負極１６の電解
質と面する側と反対の側に燃料ガス空間を、また正極１
８の電解質と面する側と反対の側に酸化剤ガス空間を郭
定するように構成且配置されている。例えば、本願の譲
受人と同一の譲受人に譲渡された米国特許第４．１１５
．６２７号明細書に示されているように、電極１６．１
８各々はその電解質と面する側と反対の側に複数個の間
隔をおかれた平行リプを含んでいてよく、これらのリプ
はセパレータ板１４と接触する位置まで延びている。反
応物ガスを運ぶチャネルは隣合う一ノブの間に郭定され
ている。

この実施例の電池に対する燃料は水素含有ガスであり、
また酸化剤は空気である。示されてはいないが、これら
の反応物ガスは例えば４，１ｂａｒの圧力のもとにスタ
ック１０内へ導入されることが好ましい。これは当業者
によく知られて６％る。

（例えば本願の譲受人と同一の譲受人に譲渡された米国
特許第４，００４，９４７号明細！参照）図面を参照す
ると、水素製造用の蒸気改質反応器であってよい源２６
からの燃料はコンジット３０を経て燃料入口マニホルド
２８に導入される。

燃料ガスは燃料ガス空間２２の入口３２に入り、電池１
２を通過し、また燃料ガス空間出口３４から燃料出口マ
ニホルド３６内へ排出される。電気化学的反応が電池内
で行われるにつれて、水及び熱が副生物として生ずる。

電解質の一部は電池から流れている燃料ガス内へ蒸発し
、それにより飛末同伴されて、反応済みの燃料ガスと共
にスタック１０を去る。

燃料ガス排出流は次いで出口マニホルド３６７１３’ら
凝縮器／分離器ユニット３８を通じてコンジット４ｏを
経て供給される。ユニット３８内でガス流は電解質蒸気
を凝縮するべく冷却され、また凝縮された電解質がガス
流から分１！１１される。分離された１解質は廃棄され
てよく、又はこの実施例中に示されているようにコンジ
ット４３により電解質アキュムレータ４２に供給される
。実質的に電解質を含まない燃料ガス排出流はコンジッ
ト４４を経て凝縮器／分離器ユニット３８を去る。その
中の未使用燃料は当業者によく知られているように、シ
ステム内のどこかで消費されてよいし、またこの未使用
燃料の一部分はスタック１０の電池を通じて再循環され
てよい。

源４５からの圧縮空気のような酸化剤はコンジット４８
を経Ｃ酸化剤入ロマニホルド４６内へ導入され、またマ
ニホルド４６から電池１２の酸化剤ガス空間入口５０内
へ送られる。燃料ガスの場合と同様に、酸化剤が電池を
通過するにつれて、電解質は酸化剤ガス流内へ蒸発する
。酸化剤の体積流量率は典型的に燃料の流量率よりも遥
かに大きいので、燃料ガス流へ蒸発する電解質は酸化剤
ガス流内へ蒸発する電解質よりも多聞である。使用済み
酸化剤は、それにより飛末同伴される電解質と共に、酸
化剤ガス空間出口５２を経て電池を去り、また酸化剤排
出マニホルド５４に入る。マニホルド５４から酸化剤排
出流は、凝縮器／分離器ユニット３８と類似又は同一で
あってよい凝縮器／分離器ユニット５６内へ供給され且
それを通過する。凝縮器／分離器ユニット５６内で電解
質蒸気は凝縮され、且使用済み酸化剤ガスから分離され
る。燃料排出流から回収された電解質と同様に、分離さ
れた電解質はコンジッ１〜４３を経て電解質アキュムレ
ータ４２へ供給される。電解質を含まない酸化剤排出ガ
ス流はコンジット５８を経て凝縮器／分離器ユニット５
６を去り、また場合によっては大気中に放出される。本
発明のシステム内に使用するにの適した凝縮器／分離器
ユニットは本願の譲受人と同一の譲受人に譲渡された米
国特許第４，３７２．７５９号明細書に示されている。

本発明によれば、分離電解質及び（又は）新鮮電解質が
閤歇的若しくは連続的に電池に返送又は追加され得る。

図面に示されている典型的な実施例では、燃料供給源２
６からの気体状水素は気化器６１のチャンバ６０を通っ
て燃料マニホルド２８の上流のコンジット３０に入る。

アキュムレータ４２からの電解質は、電解質の細かいミ
ストを作るノズル又は噴霧器６２を通じて気化器６１の
チャンバ６０内へ供給される。電解質の細かい小滴は、
流れる水素ガス中に分散され且それにより飛末同伴され
る。バーナ６４は、電解質を気化するべく、燃料及び電
解質ミストを加熱する。電解質をロードされた燃料は次
いでチャンバ６０から燃料マニホルド２８内へ供給され
、また次いでスタック１０の燃料ガス空間へ供給されて
、そこを通過する。この実施例では燃料及び電解質小滴
がチャンバ６０内で一緒に加熱されるものとして示され
ているが、もしチャンバ６０に入る燃料が、電解質が高
温燃料流内ヘスプレーされる際に電解質のかなりの部分
を気化するのに十分に高い温度であれば、必要とされな
い。同様に、電解質は一つの位置で燃料流内へ分散され
てよく、また混合物はその下流で別の位置で加熱されて
よい。また、その代わりに、電解質がガス流に入る以前
にその後にガス流の実質的な加熱が必要とされないよう
に、電解質を加熱又は気化するヒータが使用されてよい
。

図面に示されているシステムでは、凝縮器／分離器ユニ
ット３８．５６内で回収された電解質は場合によっては
電池に戻される。しかし、これは本発明の一部分として
は必要とされない。アキュムレータ４２は単に新鮮（未
使用）電解質の供給源であってよい。何れの場合にも、
電池から失われた電解質を１００％回収することは可能
でないので、失われた電解質を補充するため新鮮電解質
が７キユムレータに追加されなければならない。

もし電解質蒸気が連続的に電池に追加されるべきであれ
ば、電池に入る電解質／燃料混合物（場合によっては電
解質／酸化剤混合物）は電解質で飽和若しくはほぼ飽和
されなければならない。完全な飽和は電池入口で必要と
されない。何故ならば、燃料（及び酸化剤）の一部分が
電池内で電気化学的反応によりｍｖｔされるからである
。こうして、排出ガス内の各反応物ガスの体積流量率は
入口ガス内のそれよりも小さく、また完全な飽和が適当
な条件のちとに入口と出口との間のどこかで生ずる。完
全飽和の条件のもとでは、電解質蒸気圧力は電池の内部
の平衡蒸気圧力と同一であり、または蒸発は止まる。定
常状態条件が迅速に電池内に生ずるので、電池内部の電
解質体積は一定に留まる。

もし電池内部の電解質が間歇的に補充されるべきであれ
ば、電解質は、電池内部の電解質体積が予め定められた
レベルに減少するまで、又は特定の運転時間が経過する
まで、燃料流に追加されない。電解質追加が望ましい時
点を決定するためには種々の手法が用いられ得る。電解
質を補充するためには、反応物ガス流内の電解質蒸気圧
力が電池内部の平衡電解質蒸気圧力よりも高くなるよう
に、入って来る電解質をロードされた反応物ガス流が電
解質で過飽和される。これは、入って来る電解質をロー
ドされた反応物ガスを電池の温度よりも高い！！度に加
熱することを必要とする。一旦電池の内部で電解質がガ
ス流から通気性多孔質電極の上に凝縮すれば、電解質は
毛管作用により電池１２の適当な範囲に行き渡る。

図面に示されている燃料電池システムでは、電解質は、
電池に入る燃料ガス流内へそれを分散させることにより
補充される。電解質は、入って来る酸化剤ガス流を経て
も追加され得る。又は両反応物ガスが電解質を電池に戻
すための媒体として用いられ得る。燃料ガス流を用いる
ことが好ましい。何故ならば、その質酊流衝率は酸化剤
ガス流のそれよりも遥かに小さく、従ってまた必要に応
じて電解質を気化するために蒸気を加熱するのに必要な
エネルギーが少なくて済むからである。他方、本発明は
、電解質が反応物ガスと一緒に電池に入る時に電解質が
蒸気の形態であることを必要としない。もし十分に細か
い小滴の形態でガス流内ヘスプレーされるならば、小滴
自体が反応物ガスにより心池内へ運ばれる。しかし、こ
れらの小滴の一部分は単に電池温度により電池への流入
時に気化され、小滴の他の部分が多孔質電池構成要素と
接触してそれにより吸収されてよい。反応物ガス内へ電
解質をスプレーする一つの方法は、反応物ガスマニホル
ド内の複数個のノズルによりスプレーする方法である。

。 前記のように、リン酸電解質燃料電池として本発明を説
明してきたが、それに限定する意図はない。概念的には
本発明は、電解質が通気性多孔質電極の間のマトリック
スの中に保持されており、また電池の運転中に蒸発等に
より失われる任意の燃料電池システムに用いられ得る。

本発明は、例えば、溶融炭酸塩電解質燃料電池に用いら
れ得よう。

以上に於ては本発明を特定の好ましい実施例について説
明してきたが、本発明はこれらの実施例に限定されるも
のではなく、本発明の範囲内にて種々の実施例が可能で
あることは当業者にと９て明らかであろう。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の特徴を組入れた燃料電池システムの概要
図である。 １０・・・燃料電池スタック、１２・・・燃料電池、１
４・・・不通気性板、１６・・・多孔質負極、１８・・
・多孔質正極、２０・・・マトリックス、２２・・・燃
料ガス空間、２４・・・酸化剤ガス空間、２６・・・燃
料源、２８・・・燃料入口マニホルド、３０・・・コン
ジット、３２・・・入０．３４・・・出口、３６・・・
燃料比ロマニボルド。 ３８・・・凝縮器／分離器ユニット、４０・・・コンジ
ット、４２・・・電解質アキュムレータ、４３．４４・
・・コンジット、４５・・・酸化剤源、４６・・・酸化
剤入口７ニホルド、４８・・・コンジット、５０・・・
酸化剤ガス空間入口、５２・・・酸化剤ガス空間出口、
５４・・・酸化剤排出マニホルド、５６・−・凝縮器７
分ｍ器］。 ニット、５８・・・コンジット、６０・・・ヂＶンバ、
６１・・・気化器、６２・・・ノズル、６４・・・バー
ナ特許出願人　　ユナイテッド・デクノロシーズ・コー
ポレイション

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 多孔質正極と、多孔質負極と、前記正極と前記負極との
   間に挟まれた電解質保持マトリックスとを有する少なく
   とも一つの燃料電池を含んでおり、電解質が運転中に前
   記燃料電池から失われる燃料電池システムの運転方法で
   あって、 燃料ガスを前記負極に、また酸化剤ガスを前記正極に供
   給する過程と、 電流を発生するべく前記燃料電池内で前記ガスを電気化
   学的に反応させる過程と、 使用済み反応物ガスを前記燃料電池から排出する過程と
   を含んでいる運転方法に於て、 前記燃料電池から失われた電解質が、補充電解質の源を
   用意することと、前記燃料電池内へ供給されている前記
   反応物ガス内へ前記源から電解質を供給することと、前
   記電解質を前記ガスに分散させることとにより補充され
   、前記分散の過程は、前記燃料電池内へ供給されている
   前記反応物ガスにより飛末同伴されて前記電解質が前記
   燃料電池内へ入るように前記電解質を気化又は噴霧化す
   ることを含んでいることを特徴とする燃料電池システム
   の運転方法。