JPS61135064A - 燃料電池の排気ガス流より電解質蒸気を除去する方法 - 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】 技術分野 本発明はガス流より蒸気を除去することに係る。

背景技術 ガス流は下流側の領域に於て望ましからざる結果が生じ
ることを回避する等の理由から除去され分離される必要
のある蒸発成分を自存していることが多い。例えば電解
質としてリン酸を使用する電気化学的電池に於ては、反
応ガスが電池内を運流する際に電解質が反応ガス流中に
成る程度原発する。かかる蒸発は軽微ではあるが、反応
ガス流中に含まれた状態にて電池より流出するリン酸は
非常に腐食性の高いものであり、従ってそれが電池より
下流側の構成要素に損傷を及ぼす前に、特に排気ガスが
大気中に放出される前に電池の排気ガス流より除去され
る必要がある。

ガス流より液体を除去する装置は当技術分野に於てよく
知られている。多くの種類のがかる装置が、アール・エ
イチ・べり−（Ｒ，Ｈ，Ｐｅｒｒｙ）及びシー・エイチ
・チルトン（Ｃ，Ｈ，Ｃｈｉｌｔｏｎ）により編纂され
、マグロ−ヒル出版社（ＭＣＧｒａｗ　−Ｈｉｌｌ　Ｆ
３ｏｏｋ　ＣｏｍｏａｎＶ）より出版された「化学者用
ハンドブック（＠　＋３＋１ｉｃａｌ　　Ｅ　ｎＱｉｎ
ｅｅｒｓ’）−１ａｎｄｂｏｏｋ　）　Ｊ第５１ｉｉ（
１８−８２ページ乃至１８−９３ページ）に記載されて
いる。特にガス流より酸ミストを除去するに有用な装置
は、パッケージングされた１１８床に酸ミストを含むガ
ス流を通すことを含んでいる０Ｍミストの粒子は繊維の
表面に収集され、重力により繊維床の下流側に移動され
、ＩＭ維床より排出される（前記ハンドブックの１８−
８８ページ乃至１８−８９ページ参照）本願出願人と同
一の１受入に３渡された米国特許第４，３７２．７５９
号には、燃料電池のガス流より電解質を除去するシステ
ムが開示されている。電解質の蒸気を含有するガス流は
通常の熱交換器を使用して過冷却され、適冷Ｗされたガ
ス流は高表面積の受動的なプレート型コンデンサ上に通
される。凝縮された電解質は電解質蒸気除去装置より排
出され、電解質蒸気が除去されたガス流はそのまま通さ
れる。

かかるプレート型のコンデンサは良好に機能するが、か
かるコンデンサに於ては製造することが高価である非常
に大きい接触面積を必要とする。

間接熱交換器の効率も制限される。ガス流より好ましか
らざる蒸気を除去するａｔであってプレート型コンデン
サの欠点の幾つかを解消する一つの種類のａｔは接触型
スクラバーシステムである。

かかるシステムに於ては、新鮮な液体水の連続的な多量
の流れが処理されるべきガスと共に該ガスに接触した状
態にて高表面積のパッケージングされた床な経て通され
る。水がガス流中に蒸発し、ガス流を咳ガス流より除去
されるべき蒸気の露点以下の温度に冷却する。Ｎ気は凝
縮しパッケージングされた床を経て流れる多量の水に溶
解する。

装置より流出するこの多量の水はそれが周囲環境へ解放
される前に例えばストリッパにより処理されて凝縮液が
除去されなければならない。連続的に処理されなければ
ならない水の量が多量であるので、また水内の凝縮液の
濃度が低いので、使用されるストリッパ装置は大型で高
コストのものでなければならない（米国特許第４．０３
７．０２４号、同第４．０４０．４３５号、同第３，５
１１．７１５号、同第３，２２２．２２３号参照）、米
国特許第３．８６５．９２９号に於ては、再＠環される
液体フッ化水素の噴霧にてガス流を冷却することにより
フッ化水素ガス流より硫黄（Ｈ！＄０４の形態）が除去
されるようになっている。

硫黄は再循環される液体中に蓄積され、その一部は硫黄
を除去すべく連続的に吸引されて濾過され、再循環系へ
戻される。浄化されたフッ化水素ガス流は凝縮され、硫
黄を含むフッ化水素ガス流を冷却しそれより硫黄を除去
することを補助すべく、液体のフッ上水ｙ＃凝縮液も硫
黄を含む流入フッ化水素ガス流中に噴霧される。

発明の開示 本発明の一つの目的は、ガス流よりＭＲ酸成分除去する
方法を提供することである。

本発明の他の一つの目的は、燃料電池の排気ガスより電
解質蒸気を除去するコスト的に有効な方法及び装置を提
供することである。

本発明によれば、電解質蒸気を含有する高温の燃料電池
排気ガス流が、飽和器を貫通するループ内を循環する多
量の水と直接接触した状態にて飽和器内を還流し、高温
のガス流は水の一部を蒸発させ、ガス流は電解質の露点
以下に冷却され、これにより電解質が凝縮し、凝縮液は
循環する水に溶解し、蒸発した水はガス流中に含まれた
状態で飽和器より流出する。遁ｙ４する水の流れは電解
質の濃度がかなり高くなるまでそのままの状態に緒持さ
れ、しかる後新鮮な水に交換される。

反応ガスが燃ｎ電池を通過する際にごく少量の電解質が
反応ガス中に蒸発する。しかし大抵の電−質は非常に腐
食性が高いので、かかる少量の電解質も排気ガスが大気
中に解放される前に除去されなければならない。例えば
約２０４℃にて運転される大気圧リン酸燃料電池の排気
ガス流中の電解質蒸気の濃度は体積で１００万部当り１
〜２部である。燃料電池の温度が高くなればなるほど電
解質の蒸発量も多くなる。

本発明の方法に於ては、再循環水と高温のガス流とが飽
８］ａ内にて直接接触することにより少量の循環液体水
がガス流中に蒸発し、この場合の蒸発熱はガス流の冷却
により供給される。ガス流はかくして電解質蒸気の露点
よりも十分低い温度に冷却される。ガス流の温度が低下
すると、ガス流より電解質が凝縮し、１１環する液体水
ループ中に溶解する。ガス流はそれが水にて完全に飽和
されるまで（流路がこのことが行われるに十分なほど長
いものと仮定する〉温度低下し続ける。ガスは限度内に
て平衡飽和温度に近付く。再ｗｉ環水流は外部熱源によ
り加熱されたり冷却されたりしないことが好ましい。か
かる場合には平衡飽和温度は飽和器内へ流入するガスの
湿球温度であり、電解質除去プロセスは全体として実質
的に断熱的なものである。

本発明の方法によれば、排気ガス流中の９９％以上の電
解質蒸気を除去し得ることが解析により解っている。プ
ロセスの開始時には再ｔｆＨ１液体水のループは酸（′
Ｒ電解質を含有しておらず、二つの流れの間には最大の
酸濃度勾配が存在し、このことはプロセスの駆動を補助
する。液体水流よりガス流中へ蒸発する水が連続的に補
給される場合に於ても、時間の経過と共に再循環液体水
の酸濃度は高くなる。成る予め選定された濃度に於て、
又は成る予め選定された時間の軽過後に、この酸を含有
する成る量の水が除去されて廃東され、新鮮な水と交換
される。システムに応じてこの水交換は３ケ月毎又はそ
れ以下の周期、例えば年１回必要とされる。水は１００
万部当り５０万部の酸濃度に（即ち５０％のＭ濃度）に
到達しな時交換される。比較的少■の水中に存在する高
濃度の酸を５！棄することは、１００万部当り１０〜２
０部の酸しか含有しない水の流れを連続的に処理するこ
とを要する従来の酸除去プロセスよりもはるかに容易で
ある。

以下に添付゛の図を参照しつつ、本発明を実施例につい
て詳細に説明する。

発明を実施するための最良の形態 本発明の一つの例示的実施例として、添付の図に解図的
に示されたパワープラントについて考える。パワープラ
ントは符号１ｏにて全体的に示されており、符号１２に
て全体的に示された燃料電池８を液体と、符号１４にて
全体的に示された燃料調！１装置と、ｖｉ和器１８と、
再循環水ループ２２とを含んでいる。燃料電池積層体１
２は反応ガスにて作動する任意の型式の燃料電池を含ん
でいてよい。図示の実施例に於ては、酸化剤は空気であ
り、燃料は水素である。積層体１２は一投に負荷な介し
て電気的に直列に接続された複数個の燃料電池を含んで
いるが、図に於ては説明を容易にする目的で単一の燃料
電池２４しか含んでいないものとして示されている。各
燃料電池は負極電極２８より隔置された正極電極２６を
含んでおり、これらの電極の間にサンドインチ状に挟ま
れた電解質保持マトリックス３ｏを含んでいる。電極２
６及び２８は負荷３２を介して直列に接続されている。

各燃料電池２４は正極電極２６の電解質に面しない側に
正極ガス空間３４を含んでおり、負極電極２８の電解質
に面しない側に負極ガス空間３６を含んでいる。この実
施例に於ては電解質は液体リン酸であるが、本発明の方
法はリン酸燃料電池に適用されることに限定されるもの
ではない。

例えば溶融炭酸塩′Ｒ解質はかかる電解質が排気ガスよ
り除去されない場合には、燃料電池の下流側に於て種々
の問題を惹起こす程の量にて反応ガス流中へ蒸発するこ
とが知られている。

図示の如く、燃料Ｕ４！１装Ｗ１４はリアクタバーナ４
０と熱交換関係をなす蒸気改質ソ７クタ３８を含んでい
る。また燃料調整装置１４はシフトコンバータや硫黄除
去装置の如き他の装置を含んでいてよい。この燃料調整
装ηの必要性は一部には使用される原料燃料の種類に依
存しており、また燃料電池積層体内の燃料電池の特定の
仕様に依存している。本発明の有用性及び有効性は使用
される燃料ｙ４整ＶＲＭの種類には関係が無い。

ｌ！ｌ！和器１８は飽和されるべきガス流が飽和器、好
ましくは高表面積の不活性バッキング材料の床を通過し
て流れる水の流れと直接接触した状態にて流れる接触型
のものである。また飽和器１８内には該ｍ和器内にて生
成されガス流に捕捉される酸を含有する水滴を除去する
ミスト除去装置（デミスタ）が組込まれていてよい。本
発明に於て、ループ２２内の水はポンプ４２により飽和
器１８を経て循環される。ループ２２より飽和器内を流
れるガス流中へ蒸発される水はループ内の水の体積を一
定に維持すべく導管４４を経て補給される。

作動に於ては、空気が導管４６を経て正極ガス空間３４
内へ流入し、負極電極２８に於ける燃料の反応と共に工
種電極２６内に於て電気化学的に反応され、これにより
電気、熱、及び水が生成される。生成された水の一部は
正極ガス空間内を流れる空気流中へ蒸発される。少量の
電解質も不可避的にガス流中へ蒸発される。かかる湿っ
た正極排気ガスは導管４８を軽で正極ガス空間３４より
流出し、位１ｉｆ５０に於てバーナ４０よりの排気ガス
と混合される。

導管５４を経て蒸気の形態にて供給される水蒸気と共に
メタン（ＣＩ−Ｌ）、ナフサ（Ｃ，、Ｈ，、）、天然ガ
スの如きガス状の炭化水素燃料が、導管５２を経て蒸気
改質リアクタ３８内へ導かれる。水素ガス、炭素酸化物
、水及び他の不純物の形態をなす処理された燃料は導管
５６を経てリアクタ３８より流出し、−酸化炭素を追加
の水素及び水に転換する図には示されていないシフトコ
ンバータ内に於て更に処理さする。実質的に水素及び二
酸化炭素であるシフトコンバータよりの反応生成物は積
層体１２の負極ガス空間３６を経て導かれる。

水素は負極Ｎ極２８内にて電気化学的に反応し、導管５
８を経て負極ガス空間より流出する。この負極排気ガス
も水蒸気及びごく少量の＠解質蒸気を含有している。負
極排気ガスは燃料調整装置１４のバーナ４０内へ導かれ
る。また空気も導管６０を経てバーナ４０内へ導かれる
。負極排気ガス内の未使用の水素は空気と混合され、蒸
気改質反応用の熱を供給すべく燃焼される。バーナの生
成゛　　　　物は導管６２を経てバーナ４０より排出さ
れ、位置５ｏに於て正極排気生成物と混合される。

次いでかかる高温のガスは導管６６を経て飽和器１８内
へ導かれる。飽和器１８内に於ては、ループ２２内の水
と直接接触した状態にてガスが高表面積の不活性材料の
床を経て流れる。ループ２２内の水はガスの流れ方向と
同一の方向又は逆の方向ヘバッケージングされた床を経
て流れる。飽和器の高表面積の不活性材料はプラスチッ
ク、セラミック又は金属製のサドル、リング、又は他の
適当なバッキング材料又はトレーであってよい。

高温のガスは液体水の一部を蒸発させる。水蒸気はＳ管
６８を経て飽和器よりガスと共に流出する。

水が飽和器内にてガス流中へＭ発するにつれてガスの温
度が低下する。ガス流の温度がそのガス流中の電解質の
霜点に到達すると、電解質は１！縮し始め、ガス流の温
度が低下し続けると、電解質も凝縮し続ける。ガス流の
温度が低下し続けると、そのガス流中の電解質の露点も
低下し、追加の電解Ｖ！蒸気がガス流より凝縮する。飽
和器が適正な大きざにて設けられていれば、ガス流は完
全に水にて飽和された状態になる。かかる時点に於ては
、その水の分圧は循環水中の蒸気圧に等しくなり、それ
以上水が蒸発しなくなる。従ってそれ以降にはガス流の
温度は低下しなくなる。水がループ２２のｔｊ！和器外
の部分を移動する際の水の熱損失又はｆｉＡＫｉ変化を
無視し得るものと仮定すれば、また補給水を追加するこ
とに起因する水の温度変化を無視し得るものと仮定すれ
ば、再循環水ループは飽和器より流出するガス流の温度
と実質的に同一の平衡温度に到達する。限度内に於ては
、その温度は入口ガス流の湿球温度である。任意の与え
られた圧力に於ける水の飽和温度と大抵の電解ｒの飽和
４度との間の温度差が非常に大きいので、適度の大きさ
の飽和器を使用することにより、実質的に全ての電解質
をガス流より凝縮させ、循環する水ループ内へ溶解させ
ることができる。

大気圧燃料電池システムに於ては、発生され得る出口ガ
ス流の飽和ｆ、度（湿球）は杓７１℃である。かかる温
度に於ては、ガス流中の理論的に全ての酸が除去される
。１２７℃のガス出口温度にて作動する米国特許第４，
３７２．７５９号に開示された酸コンデンサに於ては、
燃ｎ電池排気中の最大限９９％の酸しか除去されない。

酸除去接触面積が同様であるものと仮定すれば、本発明
の飽和器はガス流中のごく中間の酸を除去する点に於て
前記米国特許の酸コンデンサよりも優れている。竹記米
国特許の酸コンデンサが７１℃のガス出口温度にて作動
されなければならない場合には、￥ｉ装置内液体水が生
じ、これにより連続的に処理され又は通かに頻繁な時間
的間隔にて除去されなければならない非常に希薄な酸が
収集されることになる。本発明の飽和器システムは装置
内の温度を最適温度に維持するためのＩＩ制御装胃が不
要である点に於ても優れている。米国特許第４，３７２
゜７５９号に開示された酸コンデンサが非常に低い温度
にて運転されると、液体水の凝縮が生じ、逆に非常に高
い温度にて運転されると酸除去効率が犠牲になる。本発
明の飽和器システムはガス流の湿球温度に近い安定な運
転温度にて作動する。

以上に於ては本発明を特定の実施例について詳細に説明
したが、本発明はかかる実施例に限定されるものではな
く、本発明の範囲内にて他の種々の実施例が可能である
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】

添付の図は本発明が組込まれた燃料電池パワープラント
を示す概略構成図である。 １０・・・パワープラント、１２・・・燃料電池積層体
。 １４・・・燃ｇ調整装置、１８・・・飽和器、２２・・
・再循環水ループ、１４・・・燃ｌｉｔ池、２６・・・
正極Ｍ極。 ２８・・・負極電極、３０・・・電解質保持マトリック
ス。 ３２・・・負荷、３４・・・正極ガス空間、３６・・・
負極ガス空間、３８・・・蒸気改質リアクタ、４０・・
・リアクタバーナ、４２・・・ポンプ１４４．４６．４
８．５２．５４．５６．５８．６０．６２．６６．６８
・・・導管 特許出願人　　ユナイテッド・テクノロジーズコーポレ
イション

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 一対の電極の間に配置された電解質を含む燃料電池であ
   って、酸化剤ガスが一方の電極の電解質に面にしない側
   にて前記燃料電池に通され、燃料ガスが他方の電極の電
   解質に面しない側にて前記燃料電池に通されるようにな
   っており、前記反応ガス流が前記燃料電池を通過する際
   に電解質が前記反応ガス流の一方若しくは両方へ蒸発す
   るよう構成された燃料電池を運転する方法に於て、電解
   質蒸気を含むガス流より電解質を除去する方法にして、 ループ内に多量の液体水を連続的に再循環させる過程で
   あって、前記多量の水を飽和器内に通すことを含む過程
   と、 前記飽和器内を還流する液体水と直接接触した状態にて
   前記飽和器内にて処理されるべき高温の排気ガス流を通
   す過程と、 を含み、前記循環水は前記ガス流より熱を吸収しかかる
   熱吸収の結果として蒸発し、これにより前記ガス流より
   除去されるべき電解質の露点以下の温度に前記ガス流を
   冷却し、前記電解質が凝縮して循環する前記液体水中へ
   溶解し、蒸発した水が前記ガス流により持ち去られ、前
   記循環する液体水中へ溶解した全ての電解質が前記液体
   水が循環する際にも前記液体水中に残存し、これにより
   前記電解質の濃度が連続的に増大することを特徴とする
   方法。