JPS61290663A - 燃料電池発電プラント及びその燃料電池スタツクの作動方法 - 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、動作媒体として水性溶液を使用する燃料電池
発電プラントに係る。動作媒体は熱を構成要素から除去
するのに、又は原燃料を処理するための蒸気を発生する
のに使用され得る０本発明は燃料電池発電プラントの分
野で使用するために開発されたが、本発明は、導管の壁
に鉄基化合物を析出する水性溶液を使用する分野のいず
れにも応用され得る。

発明の背景 燃料電池発電プラントは一つ又はそれ以上の電気化学的
電池のなかで燃料及び酸化体を電気化学的に消費するこ
とにより電力を発生する。酸化体は純酸集又は空気のよ
うな酸素を含む気体の混合物であってよい。燃料は水素
であってよい、水素の一つの源は、炭化水素を分解する
べく熱及び蒸気を使用することにより天然ガス又は他の
任意の適当な炭化水素を改質する燃料処理装置である。

典型的に、燃料電池のスタックは電気化学的反応を行う
のに使用される。電気化学的反応の間、燃料電池スタッ
クは電力、反応生成物及び廃熱を発生ずる。冷却システ
ムはスタックから廃熱を除去する。冷却システムは燃料
処理装置に廃熱及び（蒸気としての）水の双方を供給す
るべく水性冷却材を有利に使用し得る。

冷却システムは導管により境されている水性冷却材に対
する流路を含んでいる。導管は蒸気分離器へ、また臨界
的位置へ冷却材を導くため燃料電池スタックへ延びてい
る。これら−の導管は冷却システムを通じて冷却材の分
配を制御するための小さいオリフィスを有し得る。

水性冷却材に係る一つの問題は導管の壁への粒子の累積
的な析出である０粒子はイオンとして又は物質の微小部
分として生じ得る。閉塞の点に累積し得る粒子は一般に
鉄基化合物である。これらの鉄基化合物は主に磁鉄鉱及
び赤鉄鉱のような鉄基酸化物と、リン酸鉄のような鉄基
塩と、特定の水酸化第二鉄粒子（以下ではＩ量水酸化第
二鉄と呼ぶ）を含む鉄の腐食から生ずる他の化合物とか
ら成っている。鉄基化合物は、冷却材が鉄を含む材料と
接触するにつれて生成し得る。このような接触は、冷却
材が発電プラント内の導管を通じて又は発電プラントへ
の供給導管を通じて流されるにつれて生じ得る。

問題は、小さいオリフィスを使用する冷却システムに対
して特に厄介である。なぜならば、粒子がオリフィスを
閉塞し得るからである。燃料電池スタック内のオリフィ
スの閉塞は、例えば、スタックの流れ抵抗を増大させ、
また燃料電池スタック内の臨界的位置への冷却材の不通
過な供給をも惹起し得る。

スタックの流れ抵抗へのこのような析出の効果を確立す
る一つの方法は、燃料電池スタックの供給導管を、あた
かもそれらが同数の同寸法の理想−的なオリフィスであ
るかのように扱う方法である、これらの同寸法のオリフ
ィスの直径は燃料電池スタックの等偏置径と呼ばれる０
等価直径は実験的に下記のようにして見出され得る。

■、燃料電池スタックを通る冷却材の一定の流量率を確
立する ２、燃料電池スタックの圧力降下を測定する。

３゜下式によりスタック（又は任意のシステム）に対す
る等偏置径を計算する。

Ｄｅ−２，８（Ｗ’／ΔＰＮ”ｄ）ｖ′　　１０−　７
ここで： Ｄｏ−有効直径〔インチ〕 Ｗ　−全冷却材流量〔ボンド／時間〕 ｄ　＝冷却材密度〔ボンド／立方フィート〕Ｎ　＝燃料
電池スタック内の導管の敗 ΔＰ−燃料電池スタックの両端の冷却材差圧〔ボンド／
平方インチ〕 第２図には、このような析出が実際の作動条件のもとに
燃料電池スタックの等偏置径に与え得る’Ａノ果の例が
示されている。２５００時間の作動の後に（曲線Ａ）、
実際の等偏置ｆ！　Ｄ　ｅ　ａは初期等価直径Ｄｅｌの
７０％よりも小さかった。サイズの減少およびその結果
としての冷却材の流量率の減少は清浄化のため燃料電池
スタックの遮断を必要とした。

燃料電池スタックはこの作動周期の後に導管を通じて加
圧された酸性溶液を流すことにより清浄化された。清浄
化は実際等価直径Ｄｅａを初期有効直径Ｄｅｉの９５％
に再生した（曲線Ｂ）、他の２２００時間の作動の後に
（曲線Ｂ）、実際等価直径は初期等価直径の７０％より
も小さい値に減少した。再び、サイズの減少及び冷却材
流量率の減少の双方が第２の清浄化のための燃料電池ス
タックの遮断を必要とした。燃料電池スタックは第２の
清浄化の前に３７００時間の作動時間で（曲線Ｂ）（１
ｌの理由からも遮断された０発電プラントの再始動後に
、等偏置径は再び減少する前に短い周期（約２５０時間
）の間に再生した。再生は、燃料電池スタックの遮断及
び始動の間に生ずる温度及び流量率の過渡的な条件と結
び付けらでいることが理論化されている。図示されてい
るように、効果は一時的である。

発電プラントは再び第２回の清浄化をされた。

１６００時間よりも短い作動時間の後に（曲線Ｃ）、有
効直径は初期等価直径のほぼ７０％に減少した。

粒子析出に起因するこれらの周期的な遮断・及び清浄化
作動は時間及び費用の双方を費やす。

水性冷却材からの粒子析出の問題を解決するため、いく
つかの方法が示唆されてきた。一つの示唆された方法は
、純化された水性冷却材を供給し、システムを構成する
のに使用されている材料と調和する高いレベルに冷却材
のｐｉ−１を高めることにより腐食を抑制し、また溶存
酸素のレベルを４０１）Ｉ）ｂ以下に減することにより
一粒子（イオンである粒子を含む）の量を減する方法で
ある。

システムから周期的に除去されるスラッジの生成を助長
するべく化学的添加物が高度に汚染された溶液内に使用
される。

粒子の量を減するための他の示唆された方法は、約６な
いし８のｐ　Ｈを有する水性冷却材を使用する方法であ
る０ｍ食を抑制するべく、適度なレベルの溶存酸素が水
のなかに許容される（４０〜４００ｐｐｂ）、化学的添
加物は一般に避けられる。

上記の方法の各々は、腐食が完全には消去され得す且つ
化学的清浄化が場合によっては必要とされるので必要で
ある、ブローダウンと呼ばれるシステムからの制御され
たフラッシュレートを利用する。失われる水性冷却材は
冷却材追加により置換される。追加される冷却材は一般
に給水と呼ばれる。

水性冷却材を有する冷却システム内の鉄基化合物の量を
制御するためのこれらの技術の存在にもかかわらず、科
学技術者は導管の壁への鉄基化合物の析出を直接に阻止
する追加的な方法を開発する努力をしている。

発明の開示 本発明によれば、燃料電池発電プラントの導管内に使用
するための水性溶液は本質的に、特定の仕様を満足し且
つ導管の内側への鉄基化合物の析出を遅らせる特性の成
る量の水酸化第二鉄（以下では■量水酸化第二鉄と呼ぶ
）を含んでいる。

本発明の特徴は、少なくとも５．５のｐＨを有し、１μ
Ｓ　／　ｃ　ｍよりも小さい又はそれと等しい導電率を
有し、■復水酸化第二鉄以外の成る量の鉄ぬ化合物を含
む１ｐｐｍよりも小さい固形物含有率を有する水を使用
することである。他の特徴は、導管の内側への鉄基化合
物の析出を遅らせる特性の水酸化第二鉄（■型水酸化第
二鉄）を水のなかにディスポーズすることである。

本発明の前記及び他の目的、特徴及び利点は以下にその
好ましい実施例を図面により詳細に説明するなかで一層
明らかになろう。

発明を実施するための最良の形態 第１図は燃料電池スタック１２、燃料処理システム１４
、冷却システム１６及び冷却材再生及び供給システム（
ＣＲ５）１８を含む燃料電池発電プラント１０の概要図
である。

冷却システム１６は、図示されている実施例では水性溶
液である冷却材に対する流路２０を有する。導管２２の
ように水性冷却材内に■量水酸化第二鉄をディスポーズ
するための手段が流路２０と連通している０図示されて
いるように、導管２２はラボラトリ条件のもとに発電プ
ラントに■量水酸化第二鉄を供給するための補助システ
ム２４の部分である。代替的に、導管２２が位置２６に
於いて冷却材再生及び供給システム１８と連通していて
もよい。

燃料電池スタック１２は二つの電気化学的電池２８によ
り示されているように複数個の電気化学的電池を含んで
いる。各電気化学的電池は陽極３０、陰極３２及び陽極
と陰極との間に配置された電解質３４を有する。電解質
は陽極を陰極とのイオン連通状態におく、空気が導管３
６を経て各陰極に供給される。処理された燃料は導管３
Ｂを経て陽極に供給される。燃料の一部分は電力を発生
するべく電解質を経て空気中の酸素の一部分と組み合わ
される。残りの処理された燃料は陽極から排出され、導
管４０を経て燃料処理システム１４に流され、そこで燃
料は燃焼される。残りの酸素は陰極から排出され、導管
４２を経て陽極排出物と併合される。

燃料処理システム１４は燃料処理装置４４を含んでいる
。燃料処理装置は導管４６を経て蒸気を、また導管４８
を経て天然ガスのような原燃料を受ける。燃料処理装置
は、水素のような処理された燃料を発生するべく、触媒
作用のもとに蒸気及び原燃料を化合させる。この反応は
吸熱性であるので、燃料処理装置は熱を発生するための
バーナー（図示せず）を有する。スタックからの未反応
の処理燃料はこのバーナー内で燃焼される。

冷却システムは加圧された水性冷却材を循環させるため
の冷却材ポンプ５０と、水性冷却材から熱を除去するた
めの熱交換器５２−と、蒸気を水性冷却材から分離する
ための蒸気分離器５４とを有する。

正常な作動条件のもとで、水性冷却材の温度は一般にほ
ぼ３５Ｇ’Ｆ　（１８０°Ｃ）に達し、また発電プラン
ト内では典型的に、２０〜４００ｐｐｂ、＠も典型的に
は４０〜ａｏｐｐｂの酸素濃度範囲で１６０〜２０５°
Ｃの範囲であってよい、蒸気分離！５４内の水性冷却材
から分離された蒸気は導管４６を経て燃料処理装置４４
へ流される。導管５６は、冷却材ポンプが蒸気分離器か
ら冷却材を吸引することを可能にするべく、蒸気分＃ｌ
ｔ器から冷却材ポンプ５０へ延びている。ブローダウン
導管５８が蒸気分離器の下流及び冷却材ポンプの上流の
点に於いて導管５６から延びている。ブローダウン導管
は、冷却材の一部分を排出導管４０．４２に排出するこ
とにより固形物含有率を制御するべく水性冷却材の一部
分を除去するためブローダウン制御部６０を有する。

冷却材ポンプ５０は加圧された冷却材を導管６４を経て
マニホルド６２へ供給する。導管６６により示されてい
るような水性冷却材に対する複数個の導管がマニホルド
６２から燃料電池スタックを通じて延びている。これら
の導管は、例えば１燃料電池冷却器組立体及びその縁シ
ール手段１という名称の米国特許第４．２３３，３６９
号明細書に示されてい・るように、燃料電池スタックの
長さに沿って規則的に間隔をおかれている。各導管はマ
ニホルドからスタックへの冷却材の分配を制御するため
のオリフィス６８を有する。導管６６を経てスタックを
通過した冷却材はマニホルド７０により集められる。導
管７２が、熱を冷却材から除去する熱交換器５２へ水性
冷却材を導くべくマニホルド７０から熱交換器５２へ延
びている。導管７４が熱交換器から蒸気分離器５４へ延
びることにより冷却ループを完成する。

冷却材再生及び供給システム１８は凝縮器７６、脱気器
７８、ブーストポンプ８０．水処理システム８２及び給
水ポンプ８４を含んでいる。

凝縮器は導管４２を経て燃料電池スタック１２から直接
に陰極排出物を受け、また導管４０を経て燃料処理装置
１４を通じて燃焼された陽極排出物を受ける。これらの
導管は燃料処理装置４４の下流のブローダウン導管５８
と一緒に接合し、また蒸気、陰極排出物及び陽極排出物
を凝縮器へ導（。

凝ｌ１ｉｆ器は蒸気、陰極排出物及び陽極排出物から熱
を除去する。その結果として、冷却システムからの蒸気
と陽極及び陰極排出物中の水蒸気とが水として凝縮され
る。凝縮した水は凝縮器から導管８６を経て脱気器７８
へ流される。

脱気器７８は凝縮した水を受けるべく逃し口８８により
適合されている。脱気器は、到来する水を脱気するべく
空気を逃し口を通して流すため、空気ポンプ９０により
示されているような加圧された空気の源を有する。

脱気された水は、ブーストポンプ８０と連通している位
置に於いて逃し口の下に集められる。ブーストポンプ８
０は導管９２を経て脱気器から水を吸引し、また高圧の
水を導管９４を通じて水処理システムに供給する。水処
理システムは、浮遊する溶存汚染物をそれぞれ濾過及び
イオン交換脱塩により水から除去する。酸素還元は、必
要であれば、熱蒸気脱気により達成され得るし、他方、
有機物除去は活性化木炭により一般に行われるような吸
収濾過により達成される。その結果としての水処理シス
テムからの流出水は純化された水である。導管９６が純
化された水を給水ポンプ８４に供給するべく水処理シス
テムから延びている。

再循環導管９Ｂがブーストポンプにより供給された流れ
の一部分を脱気器へ戻すため導管９６から脱気器へ延び
ている。再循環導管は導管９６を水処理システムと連通
ずる第一の部分９６ａと給水ポンプ８４と連通ずる第二
の部分９６ｂとに分割する。給水ポンプは冷却システム
に必要とされる水性冷却材を供給する。導管１００はこ
の目的で給水ポンプから止め弁１０２を通じて冷却シス
テムへ延びている。導管１００は代替的に、位置２６に
於いて水性冷却材のなかに■量水酸化第二鉄をディスポ
ーズするための手段と連通していてもよい。

図示されているように、導管２２は水性冷却材のなかに
■量水酸化第二鉄をディスポーズするための手段であり
、また補助的ラボラトリシステム２４の一部分である。

補助的ラボラトリシステムは水タンク１０４、供給水（
標準温度約２１２゜Ｆ（１００°Ｃ））を蓄えるための
水−蒸気脱気器１０６、熱交換！（標準温度ｔ４ｏ°Ｆ
（６０”Ｃ））、ブーストポンプ１ｌ２、水処理システ
ム１４（水処理システム８２と類似）、給水ポンプ１ｌ
６及び導管２２内の止め弁（図示せず）を含んでいる。

この特定の応用では、水タンク及び水−蒸気塩気器は単
一ユニットとして形成されている。補助システムは水処
理システムの上流で水タンク（Ｌ＋）に於いて又は注入
ボート（Ｌ２）に於いて、また水処理システムの下流で
例えば給水ポンプ（Ｌ３）に於いて■量水酸化第二鉄を
受けるべく構成されている。

第３ｒｙＪはオリフィス６８の拡大された側面図である
。オリフィスは最大直径Ｄ１の領域と、最小直径Ｄ２の
領域と、最大直径と最小直径との間の収斂する移行領域
１ｌ８とを有する０点刻されている範囲は、燃料電池発
電プラントの作動中の析出による粒子の増大に起因して
最小直径Ｄ３を有するオリフィスの輪郭を示す。認識さ
れるように、大量の粒子の析出は冷却材の通過に対する
オリ゛フィスの流れ抵抗、従ってまた燃料電池スタック
の流れ抵抗を増大させる。

第４図は、冷却材のなかに水酸化第二鉄をディスポーズ
するための手段１２２を有する、第１図に示されている
燃料電池発電プラントの代替的な実施例である０手１ｌ
１２２は発電プラント内に水酸化第二鉄を生成するため
の手段１２４を含んでいる。手段１２４はタンク１２６
、処理水の源及び熱の源を含んでいる０図示されている
実施例では、処理水の源は冷却材再生及び供給システム
１８である。熱の源は燃料電池スタック１２である。冷
却システム１６のように燃料電池スタックからタンクへ
熱を伝達するための手段は導管１２Ｂ及び流量制御部１
３２を経て加熱された冷却材と連通している。流量制御
部はタンク内の温度及びシステム流出物に対するブロー
ダウン要求に応答する。バイパス導管１３３が流れをバ
イパスさせるために設けられている。

第５図は発電プラント内で水酸化第二鉄を生成するため
の手段１２４の拡大された概要図である。タンク１２６
は第一のチャンバ１３４、第二のチャンバ１３６及び第
三のチャンバ１３８を有する。第三のチャンバは導管９
６ａ′を経て水処理システムから純化された水を受ける
。導管１２Ｂのコイルのような熱交換器１４２は熱を純
化された水に伝達し且つ蒸気を発生するべく第三のチャ
ンバ内に配置されている。第二及び第三のチャンバ１３
６．１３Ｂは第一のチャンバへの熱の喪失に対して絶縁
されていてよい。

第二のチャンバ１３６は導管９６ａ“を経て純化された
水を、また導管１４４を経て蒸気を受ける。代替的に、
蒸気は例えば破線で示されている導管１２Ｂ及び導管１
４６を通じて冷却材流路から水性冷却材を流すことによ
り第二のチャンバ１３６に直接に供給されてもよい。

第二のチャンバ１３６はノズル１４８により導管１４４
からの蒸気及び導管９６＃からの処理水を混合し、また
混合物をチャンバ内へ噴射するべく構成されている。こ
の目的の一つの適当なノズルはＮｏｒｔｈ　Ａｖｅｎｕ
ｅ＋　Ｗｈａｒｔｏｎ、　ＩＬＬ、　６０１８７のＳｐ
ｒａｙｉｎｇ　５ｙｓＬｅａ＋ｓ＋　Ｉｎｃ、から入手
可能な１／４Ｊサイホン噴射ノズルである。噴射後に、
水はタンク内に集まり、蒸気−水界面１５２を去る。チ
ャンバ１３６内の水のレベルは、導管９８を通じて脱気
器へ戻るように延びている導管１５３を通じてのあぶれ
を続けることにより制御されている。導管１５３の一部
分は図面を見易くするため切欠いて示されている。逃し
口１５４が、混合過程の間に放出されたガスを逃がすた
めに設けられている。

第二のチャンバ１３６はタンクの壁の鉄合金又は鉄含有
ライナ１５８から形成されたロンド１５６のようなタン
ク内に配置された鉄の源を有する、処理水を引き出すた
めの導管９６ａ＃が第二のチャンバからタンクの第三の
チャンバを通って給水ポンプ８４へ延びている。熱交換
器１６２が第一のチャンバ１３４のなかに配置されてい
る。この熱交換器は、導管９６ａ”内の処理水から熱を
除去するため導管１６４ａ及び１６４ｂを経て導管９６
の純化された水のような冷却材の源と連通している。

第１図に示されている燃料電池発電プラントの実際の作
動の間、鉄基化合物（すなわち磁鉄鉱、赤鉄鉱、鉄リン
酸塩及び他の鉄腐食から生ずる化合物を含む鉄基酸化物
又は塩）の析出は水性冷却材のなかに■型水酸化第二鉄
（すなわち鉄基化合物の析出を遅らせる特性のＦ６２０
３・ＸＨ２Ｏ又はＦｅ０ＯＨ）をディスポーズすること
により遅らせられる。実験によりこの結果が確認された
。この実験結果の一部分が第６図に示されている。

第６図の上側の曲線（曲線Ａ）は作動条件のもとての燃
料電池スタックの等偏置径Ｄｅａの時間的変化を示すグ
ラフである。約２０００時間で開始する下側の曲線（曲
線Ｂ）は、導管２２を通じて補助システムを経て供給さ
れる水性冷却材への給水中の水酸化第二鉄の存在又は不
存在を示す。

一般に、第６図は、曲線Ｂ中に報告されている黄色給水
フィルタスティンにより示されているように、給水中の
浮遊するた■型水酸化第二鉄の存在は少し先行し、また
一般に、曲線Ｂにより示されているように、等偏置径が
安定又は増大する周・期に相当する０例は時間周期■、
■及び■である、逆に、黄色給水フィルタスティンの欠
落により示されているように、給水中の水酸化第二鉄の
不存在は周期！及びＶのように等偏置径が減少する周期
に相当する。■型水酸化第二鉄の噴射の効果は瞬間的で
はなく、また燃料電池スタックの等偏置径への効果に短
時間先行する。

一層詳細には、第６図の曲線Ｂは、初期等価直径Ｄｅｉ
により割ることにより正規化された燃料電池スタックの
等偏置径Ｄｅａを示す、実際等価直径は［）ｅａであり
、また燃料電池スタックが作動を開始する時点に於ける
Ｄｅｉに等しい０曲線゛Ｂは、バブコック・アンド・ウ
ィルコックの膜フイルタ比較チャートにより記述される
技術に従って０．４５μｍ濾紙を通じて給水を濾過する
ことにより発生される強度及び色を示す、これらのチャ
ートは″膜フィルタ比較チャート（Ｆｅ２０３・ＸＨ２
Ｏ）　　”、”膜フイルタ比較チャート（Ｆｅ２０３　
・ＸＩ（２０−Ｆｅ３０４）１．５：　１″、“膜フイ
ルタ比較チャート（Ｆｅ２０３・ＸＨ２Ｏ−Ｆｅ３０４
）２ｊｌ”、“膜フイルタ比較チャート（Ｆｅ２０３　
・ＸＨ２Ｏ−Ｆｅ３０４）１　：ｌ”及び“膜フイルタ
比較チャート（Ｆｅ３０令）″という名称でニューヨー
ク州、ニューヨーク所在のバブコック・アンド・ウィル
コック・カンパニー、発電ディビジランにより発行され
ている（版権１９６４．１９７０）、これらのチャート
の材料を参照によりここに組み入れたものとする。

給水により置き去られるスティンと膜フイルタ比較チャ
ートとの比較は冷却システムへの給水中の水酸化第二鉄
の存在の推定を可能にする０例えば、給水フィルタステ
ィンは、水酸化第二鉄が約５０〜２００ｐｐｂの量で給
水中に存在したことを示す、同様に、水酸化第二鉄が不
存在であった時には、黒色酸化鉄が約ｔｏｏｐｐｂない
し１ＯｐＰｂ以下の量でしばしば存在した。

■型水酸化第二鉄の追加以前の周期Ｉ内の作動の最初の
２０００時間の間、鉄基化合物が冷却システムの壁に析
出されるにつれて、スタックの圧力降下が増大し、また
有効直径が減少した。

「型水酸化第二鉄の追加以前は、冷却システムに対する
冷却材は水性冷却材であり、また給水は水処理システム
からの純化された水であった。純化された水は、周知の
種々の過程により４０〜２００ｐｐｂのレベルに税イオ
ン及びａｍ素されて導管１００を経て供給される処理さ
れた凝縮水である。この純化された水は５．５よりも大
きい（好ましくは５．５〜８．０の範囲内の）ｐＨを有
し、ＩμＳ　／　ｃ　ｍよりも小さい導電率を有し、炭
酸塩カルシウムとして０．２　ｐ　ｐ　ｍよりも小さい
アルカリ度レベルを有し、２００ｐｐｂよりも小さい含
有率の水酸化第二鉄以外の鉄基化合物を含む１ｐｐｍよ
りも小さい固形物含有率を有する。

周期！ａは、給水が純化された水のみであった周期の間
に発電プラントの遮断及び始動を伴う効果を示す、ｉｌ
！断及び始動は共にそれぞれ時点Ｓ１及びＳ２で生じた
。始動と同時に、給水が導管２２を経て供給された。■
量水酸化第二鉄が、給水システム内へ■量水酸化第二鉄
及び純化された水の溶液を時点Ａ１から連続的に噴射す
ることにより給水のなかにディスポーズされた。この給
水溶液（又は給水）は１９１７分の定常的平均流量率を
有する水性冷却材に対する流路２０のなかへＯ９１ガロ
ン／分（ｇｐｍ）の定常的平均流量率で導管２２を経て
供給された。

時点へ１で給水は水処理システム１ｌ４の上流の水タン
ク（Ｌ＋）へ流された。水処理システムが水性冷却材か
ら水酸化第二鉄を除去したものと信ぜられている。この
ことは黄色給水フィルタスティンの不存在により明らか
である（曲線Ｂ）。

水酸化第二鉄の不存在の結果として、等偏置径は、遮断
及び始動の一時的効果を例外として、減少した。

時点Ａ２に於ける周期■の開始の直前に、■量水酸化第
二鉄を含む水が位置し３に於いて水処理システムの下流
の給水のなかへ噴射され、また水処理システムは非能動
状態にされた。黄色給水フィルタスティンが再出現し、
また等偏置径が回復し始めた。

時点Ａ３で始まる周期■の間、水酸化第二鉄に対する噴
射の点は水処理システムの下流から水処理システムの上
流の注入ボートＬ２に動かされ、また水処理システム１
よ非能動状態に保たれた。

黄色給水フィルタスティンは継続し、また等偏置径は安
定に留まった。

Ａ４で開始する周期■の間、水酸化第二鉄がなお水処理
システムの上流の位置し２に於いて追加されたが、水処
理システムは短い周期にわたり能動状態とされた。水処
理システムが能動状態とされた後に間もなく、黄色給水
フィルタスティンの不存在により示されているように水
酸化第二鉄が給水から消滅した。

周期■の開始の時点Ａ５で、噴射の点はさらに水処理シ
ステムの上流のタンクＬ、に動かされ、また水処理シス
テムは非能動状態とされた。給水黄色フィルタスティン
は周期■のすべてにわたり再出現した。

周期Ｖの開始の時点Ａ６で、噴射は水処理システムの上
流のタンクＬ＋？継続したが、いま水処理システムは能
動状態にされた０周期Ｖの間の黄色フィルタスティンの
不存在により示されているように水酸化第二鉄は給水か
ら再び消滅した。Ａ６のすぐ後に、６日の遮断が始動Ｓ
３により続かれた。有効直径は、（おそらく遮断及び始
動のため）水処理システムが能動状態にされた後に短い
周期にわたり増大し続けたが、黄色給水フィルタスティ
ンは決して再出現せず、また等偏置径は周期Ｖの残りの
時間にわたり減少した。これは、■量水酸化第二鉄の噴
射の点が下流の注入ボートＬ２　（ただしなお能動状態
の水処理システムの上流）に動かされた時点Ａ、の後の
時間である。

下流の水処理システムは周期■の開始の時点Ａ８で最後
に非能動状態にされた。黄色フィルタスティンはが再出
現し、また等偏置径が再生し始めた。

時点Ａ９で、発電プラントは遮断、始動サイクルＳ５を
終わった。遮断の間、冷却システムは排出され、また■
量水酸化第二鉄を含有する水を再注入された＠ＡＩＯの
後、下流水処理システムは非能動状態に保たれたが、■
量水酸化第二鉄を含有する水は注入ボートＬ２で連続的
に注入された。黄色給水フィル多スティンは継続し、ま
た等偏置径は安定に留まった。

下流の水処理システムは、水処理システムがバイパスさ
れる時点ＡＩ５まで、時点Ａｌｌで再び能動状態にされ
た。水処理システムはこの周期の間、黄色給水フィルタ
スティンの継続的存在により示され”Ｃいるように、も
はや水酸化第二鉄を除去しなかったので、非有効状態で
あったと思われる。

■量水酸化第二鉄は、水処理システム構成要素の置換に
より続かれる時点ＡＩ５及びＡｌ１で水処理システムの
上流に追加され続けた。新しい水処理システム構成要素
が、黄色給水フィルタスティンの不存在により示されて
いるーように、水酸化第二鉄を除去した。

こうして、鉄基化合物の析出が遅らされ、いくつかの場
合には消去され、また他の場合には給水内への、従って
また水性冷却材内への■復水酸化第二鉄の噴射により逆
転された。

その後のテストにより、位置２６で追加された冷却材再
生及び供給システムからの給水が鉄基化合物の析出特性
を、°もしそれが３部の純化された水に１部の割合の少
量で■復水酸化第二鉄を含んでいるならば、補正するこ
とが示された。

これらの鉄基化合物の析出の遅れが生ずる現象は良く理
解されていない、一つの仮説は下記の通りである。鉄基
化合物が荷電され（経験によれば負の荷電が示唆される
）、また電気二重層を形成するべく逆極性に荷電された
イオン雲により囲まれる。■型水酸化第二鉄の粒子が通
常析出する鉄基化合物と、二重層の収縮又は消去により
それらを非安定化するべく反応し、こうして鉄基化合物
上の電荷のレベルを変化させる。その結果として、鉄基
化合物が水酸化第二鉄により、水導管の壁へのそれらの
析出と干渉する程度に凝固又は凝集させられる。

析出を遅らせる特性の水酸化第二鉄の粒子が無機ポリマ
ーイオンとして生ずるか、コロイド粒子として生ずるか
は確かでない、一つの臨界的なパ゛ラメータは溶液中の
粒子のサイズであると信ぜられている。溶液中の粒子の
サイズは、給水を濾過することにより見出される粒子の
特性粒子寸法Ｐｄに関係付けられている０寸法Ｐｄは長
さの単位で表され、また粒子の二つの最も広く離れた点
の間を延びている線に沿って測定される。測定時点で１
μｍよりも大きい寸法Ｐｄを有するこれらの水酸化第二
鉄は有効であると信ぜられないが、約０、１　ｐ　ｍま
での寸法Ｐｄを有するこれらの水酸化第二鉄は有効であ
ることが知られている。詳細には、１００人までの粒子
寸法が好ましい特性粒子寸法Ｐｄである。

これらの水酸化第二鉄化合物はいくつかのプロセスのい
ずれか一つに−より作られ得る。一つの方法は二つのス
テップで懸濁形態で水酸化第二鉄粒子を作る方法である
。長い（１週間以上の）貯蔵寿命の濃縮された溶液が、
３ケ月までの周期にわ。

たり約１〜２のｐ　Ｈを有する０、　１〜０．６モルの
溶液内で鉄を徐々に水酸化することにより室温で作られ
る。使用前に、濃縮された溶液は、一層高いｐ　Ｈの実
際に使用される溶液を生成するべく所望の希釈度に蒸留
水により希釈される。希釈された溶液の有効寿命は他の
臨界的なパラメータであると信ぜられている。有効寿命
は濃縮された溶液の貯蔵寿命よりも短く、また１週間を
越えないと信ぜられている。

例 導管内の鉄基化合物の析出を遅らせる特性の水酸化第二
鉄粒子が下記の二つのステップで用意された。

１．２０．２ｇの硝酸第二鉄Ｆｅ　　（ＮＯ３）ｓ　・
９Ｈ２０が約１．５のｐＨを生ずるように室温で充分な
量の蒸留水のなかに熔解された。溶液は徐々に水酸化さ
れた硝酸第二鉄溶液を生成するべく使用に先だって１０
日にわたり室温に保たれた。これは水酸化第二鉄Ｆｅ０
ＯＨ（Ｆｅ２０３　・Ｈ２Ｏ）粒子の懸濁／溶液を生成
したと信ぜられている。試料から水の蒸発後に残された
残留物の透過電子回折スペクトロスコピーにより、α−
ＦｅＯＯＨ（針鉄鉱）化合物が残留物のなかに存在する
ことが示された。これらの針鉄鉱化合物の特性粒子寸法
Ｐｄは５ｏ−Ｌｔｏｏ人の範囲であった。針鉄鉱結晶は
溶液内に存在し得るし、又は水の蒸発の間のみ生成し得
る。もし冷却されるならば、この溶液は長時間（少なく
とも２力月）にわたり貯蔵され得ると信ぜられている。

２、第二のステップは使用に先だって行われる。

テストに先だって、ステップ１で作られた濃縮溶液のｐ
　Ｈが、濃縮溶液を蒸留水で希釈することにより約３．
５〜４．０に高められた。このｐ　Ｉ（に希釈された溶
液は少し不安定であり、また５又は６日の後に劣化する
と信ぜられているｅ　Ｆｅ０ＯＨ粒子のサイズは時間と
ともに増大する、また５〜６日の後に粒子のサイズは、
粒子を本発明の目的に有効ではなくするサイズに増大し
−ていると信ぜられている。

希釈溶液は上記のような装置のなかでテストされた。新
鮮な、（１週間以内の）希釈溶液の有効性が、１５０時
間の作動の間に生じた燃料電池スタックの等偏置径の減
少の少なくとも１／２を５０時間で逆転することにより
示された０等価直径は次いでその後の１５０時間の周期
にわたり一定に保たれた。この懸濁／溶液は５．５より
も大きいｐＨを有する前記のような純化された水のなか
で使用するのに有効であると信ぜられている。５．５よ
りも小さいｐＨの水は、発電プラントの腐食の増大と水
酸化第二鉄の有効性に及ぼし得る作用とのために、この
ような発電プラントの冷却システムに対して望ましいと
信ぜられていない。

水酸化第二鉄を用意するための他の方法が第４図及び第
５図に示されている装置と結び付けて使用され得る。こ
の実施例の作動の間、蒸気を生ずるべく熱が導管１２８
内の水性冷却材から第三のチャンバ内の純化された水へ
伝達される。蒸気は導管１４４を経てスプレィノズル１
４８へ流される。純化された水は水処理システムからス
プレィノズルへ導管９６＃を経て流される。純化された
水は１／ｊＳ／ｃｍよりも小さい（いまの実施例ではお
そらく０．５μ５　／　ｃ　ｍよりも小さい）導電率を
有し、はぼ中性（５，５〜８）のｐ　Ｈを有し、若干の
溶解された二酸化炭素を有し、また約７ｐｐｍの酸素濃
度を有する。加えて、水は典型的に約８０〜１００ｐｐ
ｂの量で鉄基化合物を含んでいる。

熔解された鉄（主としてＦｅ　＊　＊　）が冷却材再生
及び供給システム１８のなかの腐食のために第二のチャ
ンバに供給される純化された水のなかにも存在し、また
鉄ロッド１５６及び鉄含有ライナ１５８の腐食のために
第二のチャンバ１３６の底に含まれている水のなかに存
在する。

蒸気及び純化された水はスプレィノズル１４Ｂを通過し
た結果として乱流として混合され、また水の表面に向け
て第二のチャンバ１３６内ヘスプレイされる。第二のチ
ャンバは大気圧で作動し、またチャンバ内の水は、■型
水酸化第二鉄の生成を助長する温度にある。いまの実施
例では、水は約２１２°Ｆ（１００″Ｃ）の温度にある
。水の温度は約１８０°Ｆ（８２°Ｃ）ないし２５０゜
Ｆ（１２１“Ｃ）の範囲内にあるべきであると信ぜられ
ている。

混合物が第二のチャンバ内ヘスプレイされるにつれて、
溶存酸素及び溶存二酸化炭素の一部分が蒸気−水環界面
１５２の上に釈放される。これらのガスは逃げ口１５４
を経て逃がされる。第二のチャンバが逃がされているの
で、タンクの底は低い酸素レベルと鉄イオンを生成する
形式の鉄腐食を助長するｐＨとを有する。これらのイオ
ンは蒸気−水環界面に向けて移動すると考えられている
。

第二のチャンバ内ヘスプレイされた水から溶存二酸化炭
素の一部分を釈放することと逃げ口１５４を通じて二酸
化炭素を逃がすこととにより第二の重要な利点が得られ
る。二酸化炭素の釈放はスプレィ内及び水の表面に於け
るタンク内の水のｐｌｌを少し増大させるｅｌ）Ｈの増
大は熔解された鉄をスプレィと共に入る水から、またお
そらく蒸気−水環界面に於ける水から■型水酸化第二鉄
の形態で強制的に析出させる。この作用は、蒸気及び水
スプレィの乱流噴射を通じて水のなかに含有された鉄を
攪拌することにより助長されると考えられている。到来
する水の酸素含有量は、過大な酸素の存在を避けるべく
、逃がしにより制御される、もし過大な酸素が存在すれ
ば、酸化速度及びその後の析出が速過ぎ、また望ましい
結果である■型水酸化第二鉄の生成の代わりにＦｅ　２
０３を生成する望ましくない結果を生ずる。

■型水酸化第二鉄（析出を遅らせる特性のＦｅ００　Ｈ
又はＦｅ２Ｏ３・Ｈ２Ｏ）を含有する水を生成した後、
水は（６０ｐｐｂ以下の）低酸素雰囲気内で約１４０°
Ｆ（６０°Ｃ）の温度に冷却され、その後に発電プラン
ト内で給水として使用可能となる。

用意された溶液の寿命の間に使用されない■型水酸化第
二鉄を含有する水はｒｌＴ、循環導管９８を経て脱気器
タンクへ戻る。水は、老化した無効な酸化第二鉄及び他
の化合物を水から除去するべく、また追加的な純化され
た水を第５図に示されている装置に供給するべく、ポン
プにより水処理システムの床を通じて送られる。

水酸化第二鉄添加物は、冷却システムから除去された水
と燃料処理装置４４に対する蒸気を作るのに使用された
水との少なくとも゛−一部分置換するための必要に応じ
て給水ポンプを通じて冷却材ループに供給される。ブロ
ーダウン制御を経て除去された水性冷却材は加熱のため
水酸化第二鉄発生器へ流され、またそこから凝ｋＩ器へ
流され、そこで水が再生され、また脱気器へ送られる。

析出を遅らせることと組み合わされる新鮮さ及び特性粒
子寸法を決定する方法は下記のステップを含んでいる。

■、鉄基化合物の析出の問題を有するシステムを正確に
シミユレートする装置を作る。

２、純化された水で冷却システムを満たす。

３、システムの初期等価直径を確立する。

４、冷却システムを、有効直径の１０％の減少が生ずる
まで、また減少の速度が時間の関数として減少を測定す
ることにより確立されるまで作動させる。

５、オリフィスを通して流される水に成る量の水酸化第
二鉄を追加する。水酸化第二鉄の残留物は既知の特性粒
子寸法Ｐｄを有する。

６、等偏置径が同一の速度で減少する（析出が保たれな
い）か、はるかに減ぜられた速度で減少するか（析出の
阻止）、同一に留まるか（完全に析出を阻止する）、又
は増大するか（析出プロセスの逆転）を判定するべく圧
力降下及び流量率をモニタすることにより、鉄基化合物
の析出が阻止されたか否かを判定する。このプロセスは
、最終的に所望の効果が観測されるまで、量を変更して
、また新鮮さを変更して、サイズがますます小さい特性
粒子寸法を有する水酸化第二鉄粒子により繰り返される
。

水酸化第二鉄粒子の有効性を確立した後、粒子が水性冷
却材に追加され、こうして冷却システムの寿命を長くし
、また冷却システムの費用のかさむ遮断及びオーバーホ
ールの間の時間を長くする。

以上に於ては本発明を特定の好ましい実施偶について説
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って明らかであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は冷却材としてまた蒸気の源として水性溶液を使
用する冷却システムを有する実際の燃料発電プラントの
概要図であり、さらに作動条件のもとに発電プラントに
■量水酸化第二鉄を供給するための補助システムを示し
ている。 第２図は■量水酸化第二鉄の添加なしの作動条件のもと
て燃料電池スタックの等測置１Ｄｅａと運転時間との関
係を示すグラフであり、等偏置径は初期等価直径１）ｅ
ｉで割ることにより正規化されている。 第３図は第１図の冷却システム内に使用されるオリフィ
スの拡大された断面図である。 第４図は第１図中に示されている燃料発電プラントの代
替的な実施例の概要図である。 第５図は第４図中に示されている発電プラントの一部分
の拡大された概要図である。 第６図は■量水酸化第二鉄の添加ありの作動条件のもと
ての等偏置径Ｄｅａと運転時間との関係を示すグラフで
あり、等偏置径は初期等価直径Ｄｅｉで割ることにより
正規化されている。 １０・・・燃料発電プづント、１２・・・燃料電池スタ
ック、１４・・・燃料処理システム、１６・・・冷却シ
ステム、１日・・・冷却材再生及び供給システム（ＣＲ
３）、２０・・・流路、２２・・・導管、２４・・・補
助システム、２６・・・位置、２８・・・電気化学的電
池、３０・・・陽極、３２・・・陰極、３４・・・電解
質、３６〜４２・・・導管、４４・・・燃料処理装置、
４６．４８・・・導管、５０・・・冷却材ポンプ、５２
・・・熱交換器、５４・・・蒸気分離器、５６．５８・
・・導管、６０・・・ブローダウン制御部、６２・・・
マニホルド、６４．６Ｇ・・・導管、６８・・・オリフ
ィス、７０・・・マニホルド、７２、７４・・・導管、
７６・・・凝縮器、７８・・・脱気器、８０・・・ブー
ストポンプ、８２・・・水処理システム、８４・・・給
水ポンプ、８６・・・導管、８８・・・逃し口、９０・
・・空気ポンプ、９２〜１００・・・導管、１０２・・
・止め弁、１０４・・・水タンク、１０６・・・水−蒸
気脱気器、１０Ｂ・・・熱交換器、１ｌ２・・・ブース
トポンプ、１ｌ４・・・水処理システム、１ｌ６・・・
給水ポンプ、１２２・・・水酸化第二鉄ディスポーズ手
段、１２４・・・水酸化第二鉄生成手段、１２６・・・
タンク、１２８・・・導管、１３２・・・流量制御部、
１３４〜１゛３Ｂ・・・チャンバ、１４２・・・熱交攬
器、１４４、”１４６・・・導管、１４８・・・ノズル
、１５２・・・蒸気−水界面、１５３・・・導管、１５
４・・・逃し口、１５６・・・ロンド、１５８・・・ラ
イナ、１６２・・・熱交換器、１６４・・・導管 特許出願人　　インターナシロナル・フェーエル・セル
ズ・コーポレイション

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）水性溶液に対する流路と、流路が通って延びてい
   る水性溶液に対する導管と、熱を水性溶液に伝達するた
   め水性溶液に対する流路の一部分と熱伝達可能な関係に
   ある構成要素とを有し、水性溶液が水と導管の内側に析
   出する鉄基化合物とを含んでおり、水が鉄基化合物を生
   成するべくその環境と反応し得る燃料電池発電プラント
   に於いて、本質的に、少なくとも５．５のｐＨを有し、
   １μＳ／ｃｍよりも小さい又はそれと等しい導電率を有
   し、１ｐｐｍよりも小さい固形物含有率を有する水から
   成る水性溶液を有しており、固形含有物が水酸化第二鉄
   以外の或る量の鉄基化合物を含んでおり、また水が導管
   の内側への前記鉄基化合物の析出を遅らせる特性の水酸
   化第二鉄をも含んでいる ことを特徴とする燃料電池発電プラント。
2. （２）水性溶液に対する流路と、流路が通って延びてい
   る水性溶液に対する導管と、熱を水性溶液に伝達するた
   めの構成要素とを有し、水性溶液が水と導管の内側に析
   出する鉄基化合物とを含んでおり、水が鉄基化合物を生
   成するべくその環境と反応し得る燃料電池発電プラント
   に於いて、本質的に、中性であり、作動条件のもとに１
   ６０℃ないし２０５℃の温度に達し、１μＳ／ｃｍより
   も小さい又はそれと等しい導電率を有し、４０ないし４
   ００ｐｐｂの範囲のレベルで溶存酸素を含有する水から
   成る水性溶液を有しており、水が１ｐｐｍよりも小さい
   固形物含有率を有し、固形含有物が水酸化第二鉄以外の
   或る量の鉄基化合物を含んでおり、また水が導管の内側
   への前記鉄基化合物の析出を遅らせる特性の水酸化第二
   鉄をも含有しており、水酸化第二鉄が発電プラントの１
   ｌの水性溶液を通過した後に０．４５μｍ濾紙の上に黄
   色ステインを残し、またその一部分が水性溶液から水を
   濾過した後に約４０ないし１００Åの特性粒子寸法Ｐｄ
   を有する針鉄鉱である ことを特徴とする燃料電池発電プラント。
3. （３）水性溶液に対する流路と、流路が通って延びてい
   る水性溶液に対する導管と、熱を水性溶液に伝達するた
   めの構成要素とを有し、水性溶液が水と導管の内側に析
   出する鉄基化合物とを含んでおり、水が鉄基化合物を生
   成するべくその環境と反応し得る燃料電池発電プラント
   に於いて、本質的に、少なくとも５．５のｐＨを有し、
   １μＳ／ｃｍよりも小さい又はそれと等しい導電率を有
   し、１ｐｐｍよりも小さい固形含有物を有する水から成
   っており、固形含有物が水酸化第二鉄以外の或る量の鉄
   基化合物を含んでおり、また水が導管の内側への前記鉄
   基化合物の析出を遅らせる特性の水酸化第二鉄をも含有
   している水性溶液と、 導管の内側への前記鉄基化合物の析出を遅らせる特性の
   追加的な水酸化第二鉄を水性溶液のなかへディスポーズ
   するための手段とを含んでいる ことを特徴とする燃料電池発電プラント。
4. （４）燃料電池スタックが燃料電池スタックを通って延
   びている水性溶液に対する少なくとも一つの流路と、流
   路が通って延びている水性溶液に対する少なくとも一つ
   の導管と、燃料電池スタックを冷却するべく水性溶液に
   熱を伝達する構成要素とを有し、水性溶液が水と導管の
   内側に析出する鉄基化合物とを含んでおり、水が鉄基化
   合物を生成するべくその環境と反応することができ、ま
   た、水性溶液がスタックを通して流されるにつれて、ス
   タックを通じて流量率の関数である圧力レベル降下を生
   ずるような燃料電池発電プラントの燃料電池スタックの
   作動方法に於いて、 少なくとも５．５のｐＨを有し、１μＳ／ｃｍよりも小
   さい又はそれと等しい導電率を有し、１ｐｐｍよりも小
   さい固形物含有率を有する水を燃料電池スタックに供給
   する過程と、 水性溶液が燃料電池スタックを通して流されるにつれて
   、水性溶液の圧力レベルの降下をモニタする過程と、 燃料電池スタックを通る所与の流量率に対する水性溶液
   の圧力レベルの降下がほぼ一定に留まるように、燃料電
   池スタックの前記導管の内側への鉄基化合物の析出を阻
   止する特性及び量の水酸化第二鉄を水性溶液のなかにデ
   ィスポーズする過程と、 燃料電池スタックを通る水性溶液の所与の流量率に対す
   る水性溶液の圧力レベルの降下がほぼ一定となるように
   燃料電池スタックを作動させる過程と を含んでいることを特徴とする燃料電池発電プラントの
   燃料電池スタックの作動方法。