JPS625570A

JPS625570A - 燃料電池の電解質補充装置

Info

Publication number: JPS625570A
Application number: JP60142476A
Authority: JP
Inventors: Kazuhito Koyama; 一仁小山; Narihisa Sugita; 杉田　成久; Haruichiro Sakaguchi; 坂口　晴一郎; Koji Shiina; 孝次椎名; Nobuhiro Seiki; 信宏清木; Yoshiki Noguchi; 芳樹野口
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1985-07-01
Filing date: 1985-07-01
Publication date: 1987-01-12

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】〔発明の利用分野〕本発明は設料電池の電解質補充装置に係り、特に、電解
質が経時的に散逸する燃料電池に好適な電解質補充装置
に関する。

〔発明の背景〕

燃料電池の電解質補給に関して、例えば、特開昭５８−
１６５２６５号公報に示されているように、セパレータ
板に電解質のリザーバを設け、リザーバに電解質を外部
から供給して、燃料側電極を介して電解質マトリクスへ
毛細管現象により供給する手段がある。しかし、これは
電解質の散逸量に等しい量を補給するのが薙しく、電解
質の補給導管内・の電解質が各電解質マトリクスへ与え
る圧力の大きさがそれぞれ異なるので、単セル毎の性能
及び寿命が異なってくるものと考えられる。また、特開
昭５９−８３３５７号公報によれば、個々の単電池の電
解質マトリクスにカップ状容器を配置することにより、
電解質を供給するシステムが開示されている。これは静
水圧の作用で過不足のない供給、つまり、入れ過ぎの危
険なく必要な電解質供給を行うことができるが、個々の
電解質マトリクスにカップ状容器を配置しなければなら
ないので、構造が難しいものとなっている。一方、特開
昭５９−２１７９５８号公報では、各重電池内に電解液
リザーバを画成し、各リザーバ相互間を小径の滴下通路
を介して、最上段から最下段まで順次電解質液滴を供給
する旨が記載されているが、単電池それぞれによる電解
質の散逸量は通常等しくないので、個個の単電池の電解
質保持量にばらつきができたままになってしまうという
問題が残されている。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、連通した複数の管内に注入した同一液
体の液面の高さが等しくなることを利用して、過不足な
く電解質を補充し、かつ、構造が簡単な燃料電池の電解
質補充装置を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明は、燃料電池の電解質が経時的に散逸し減少する
ことによって、電池性能が低下するという問題を解決す
るための手段として、管径を考慮した上で、複数の管が
つながった連結管内に保持した同一液体の液面の高さが
みな等しくなる現象を利用した。通常、単セルを縦方向
に積層して構成される燃料電池を９０度回転、すなわち
、横置きとし、電解質マトリクスすべての最下部に連結
した導管を配設して、その導管の末端に電解質を内部に
保持した電解質補充用タンクを設け、その電解質の液面
の高さが電解質マトリクスの最上部の高さと一致するよ
うに、電池内部のガス圧と電解質補充用タンク内部の圧
力及びその上部に連結した電解質補助タンク内部の圧力
とを調整して、電解質補助タンク内の電解質を電解質補
充用タンクへ導き、燃料電池でミストとなって散逸した
量の電解質を電解質マトリクスへ過不足なく補充するよ
うにしたものである。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図により説明する。第１
図は燃料電池１を中心とした電解質補充装置の構成を示
している。燃料電池１は、単セル２を複合させて形成さ
れている。単セル２は、アノード３とカソード４との間
に電解質５を含浸した電解質マトリクス６を保持させた
ものを、さらに、アノード３側からアノードガス通路を
もつセパレータ８により、また、カソード４側からカソ
ードガス通路（第１図では、アノードガス通路７に対し
てカソードガス通路が直角方向に設けられている場合で
あり、カソードガス通路は図面に現われでいない。）を
もつセパレータ９により挾着して構成されている。ここ
で、燃料電池１は、その電解質マトリクス６が水平線に
対して垂直になるように装置されている。このように構
成された燃料電池１の各電解質マＩ−リクス６の最下部
より、ｌ −２電解質５が通る導管１０を燃料電池１の外部へ引き
出し、それら導管１０すべてを連結する導管１１が設け
られている。導管１１の端部には電解質補充用タンク１
２が設けられている。一方、各電解質マトリクス６の最
上部が存在する各スペース１３より導管１４を燃料電池
１の外部へ引き出し、それら導管１４すべてを連結する
導管１５が設けられている。導管１５の端部は電解質補
充用タンク１２の上部と連結されている。電解質補充用
タンク１２は、単セル２内の液体の電解質５によってス
ペース１３内に張られた電解質液面１６のレベルが電解
質補充用タンク１２内でも検知できる位置に設けられて
いる。このことは、いくつかの管が連結されて場合、そ
れらの管内の液面の高さがみな等しくなる現象を利用し
ている。当然のように、管径について考慮することは言
うまでもない。そして、電解質補充用タンク１２には、
電解質補充用タンク１２内の電解質液面１７のレベルを
検知する液面レベルセンサ１８が設けられている。この
液面レベルセンサ１８は、液面管理に適する位置に固定
されていて良い。電解質補充用タンク１２の上部にはさ
らに電解質補助タンク１９が連通管２０により連結され
ており、電解質補助タンク１９内の電解質２１が電解質
補充用タンク１２に供給できるようになっている。電解
質補充用タンク及び電解質補助タンク１９は、それぞれ
バルブ２２及びバルブ２３を介して導管２４及び導管２
５により高圧不活性ガス供給部２６と連結されている。

他に、液面レベルセンサ１８とバルブ２３が信号経路２
７により接続されて構成される。また、アノードガス通
路７内は信号経路２８により圧力計２９に接続され、さ
らに圧力計２９は信号経路３０により演算器３１に接続
されている。一方、カソードガス通路（図示せず）内は
信号経路３２により圧力計３３に接続され、さらに圧力
計３３は信号経路３４により演算器３１に接続されてい
る。演算器３１は信号経路３５により比較器３６を接続
されている。また、電解質補充用タンク１２内は信号経
路３７により圧力計３８に接続されており、圧力計３８
はさらに信号経路３９により比較器３６に接続されてい
る。比較器３６は信号経路４ｏによりバルブ２２に接続
されている。なお、電解質補充用タンク１２．電解質補
助タンク１９及び電解質５が内在する導管１１は、燃料
電池１の収納圧力容器４１内に一緒に収められている。

以下、本実施例の動作について説明する。初め収納圧力
容器４１内にある燃料電池１．電解質補充用タンク１２
及び電解質補助タンク１９に、それぞれ、内在する電解
質５、あるいは、電解質２１が昇温されて液状で存在し
ており、燃料電池１内の電解質５が適量保持され、燃料
電池１が正常に運転されている。その後、時間が経過す
るにつれて、アノード３．カソード４の細孔を通り抜け
た電解質５が、アノードガス通路７．カソードガス通路
にそれぞれ流れるアノードガス、カソードガスとともに
、燃料電池１の外部へ散逸し、その結果、燃料電池１内
の電解質液面１６及び電解質補充用タンク１２内の電解
質液面１７が低下する。電解質補充用タンク１２内の電
解質液面１７が液面レベルセンサ１８よりも低下すると
、液面レベルセンサ１８から電解質５が不足していると
の情報を伝える信号が信号経路２７を通して、閉じられ
ていたバルブ２３に送られ、バルブ２３が適量開かれる
。バルブ２３を通る物質はＮ２　ガスであり、高圧不活
性ガス供給部２６より供給されている。バルブ２３が開
かれると電解質補助タンク１９内にＮ２　ガスが圧送さ
れ、電解質補助タンク１９内に保留されていた電解質２
１の一部が押し出され、連通管２ｏを通って電解質補充
用タンク１２内へ供給される。そして、次第に電解質補
充用タンク１２内の電解質液面１７が、燃料電池１内の
電解質液面１６とともに上昇して、液面レベルセンサ１
８の設置点に達すると、液面レベルセンサ１８からバル
ブ２３への信号が停止され、バルブ２３が閉じる。こう
して不足した電解質５を元の状態に補充されるが、一方
でアノードガス圧、カソードガス圧及び電解質補充用タ
ンク１２内のＮ２ガス圧間の調整が行われる。すなわち
、アノードガス通路７内の圧力であるアノードガス圧の
大きさを伝える信号が信号経路２８を通して、圧力計２
９で検出され、さらに、その検出された信号が信号経路
３０を通って演算器３１へ送られる。カソードガス通路
内の圧力であるカソードガス圧の大きさを伝える信号は
信号経路３２を通して圧力計３３で検出され、さらに、
その検出された信号は信号経路３４を通って演算器３１
へ送られる。信号経路３０及び信号経路３４を通って送
られた二つの信号は演算器３１で、例えば、相加平均に
より平均的値を演算して求めるために使われる。演算器
３１で演算して求めた平均的値は信号として信号経路３
５により比較器３６へ伝送される。さらに、電解質補充
用タンク１２内のＮ２ガス圧の大きさを伝える信号が信
号経路３７を通って圧力計３８で検出され、その検出さ
れた信号は信号経路３９を通して比較器３６へ伝送され
る。

比較器３６では、信号経路３５により伝送されてきた信
号を基準にして、信号組＠３９より伝送されてきた信号
を比較する、すなわち、アノードガス圧とカソードガス
圧間の平均的圧力を基準として電解質補充用タンク１２
内のＮ２ガス圧を調整するための信号を信号経路４０に
よりバルブ２２へ伝送し、初め閉じられていたバルブ２
２が適量開かれ、アノードガス圧とカソードガス圧及び
電解質補充用タンク１２内のＮ２　ガス圧のバランスが
とられる。

第１図の例は、燃料電池の収納圧力容器内に電解質補充
用タンク及び電解質補助タンクを一緒に収めているので
、燃料電池から発生する熱により、両タンク内の電解質
を溶融させることにより、排熱の有効利用ができるとい
う効果と、電解質補充用タンク内のＮ２　ガスによりア
ノードガス圧、力ソードガス圧と電解質補充用タンク内
のガス圧との間の圧力調整を行っているので、安全性及
び信頼性の高い電解質補充ができる。また、電解質の量
をＮ、ガスの圧力によって調整するためのＮ２ガスを充
満したスペースを設けたので、燃料電池での圧力変動時
のバッファー的役割を果たすことができる。

なお、燃料電池１の各電解質マトリクス６の最下部から
ではなく、側面から電解質５の通る導管１０を燃料電池
］の外部へ引き出し、それら導管１０のすべてを連結す
る導管１１を設けても良い。

また、Ｎ２ガスの代わりにＣ０２ガスを用いて、さらに
電解質散逸を抑制するようにしても良い。

本発明の他の実施例を溶融炭酸塩型燃料電池を例にとり
第２図に示す。第２図（ａ）は、第１図の三つの単セル
を複合した場合の電解質補充装置の電解質が内在する部
分だけを取り出した簡略図である。また、第２図（ｂ）
は、（ａ）の各単セルの配置及びつながりを幾何学的に
再構成し、さらに、電解質補充を簡単な構成で、かつ、
容易に行えるようにした燃料電池と電解質補充装置の簡
略図を示している。これは、燃料電池に対する世の中の
受は入れ情勢から来ると考えられる設置スペースの制約
などにより、燃料電池の形状が大きく変わった場合でも
、本発明が適することを示すものであり、特に、比較的
大きな面積を持ち、丈夫な電解質マトリクスが作られた
場合に適している。なお（ａ）図、（ｂ）図中のＣ□、
　Ｃ２，Ｃ。

はカソードを、Ａ□ＨＡ２ＨＡ３　はアノードを、それ
ぞれ、示す。

第２図（ａ）が第１図と異なる点を部分的に取り上げて
説明する。単セル２は、電解質５を含浸した電解質マト
リクス６をカソードＣｔ　　（あるいはＣ２，Ｃ，）と
アノードＡ１　（あるいはＡ、、Ａ、）で挾着し、さら
に、カソードＣ１の電解質マトリクス６に接しない面に
カソードガス通路５０を形成するセパレータ９を、また
、アノードＡ１の電解質マトリクス６に接しない面にア
ノードガス通路７を形成するセパレータ８が設けられて
構成される。燃料電池５１は、単セル２を三枚合わせて
形成される。アノードＡ工とカソードＣ２間、及びアノ
ードＡ２とカソードＣ３間はそれぞれ導電体５２及び導
電体５３で電気的に接続されるが、それらの導電体５２
、あるいは、５３はセパレータ８及び９によってそれぞ
れ代用されても良い。

カソードＣ１からは集電体５４が、また、アノードＡ、
からは集電体５５がそれぞれ接続されて引き出され、集
電体５４と５５との間に誘起された電圧Ｖは外部へ電気
エネルギとして取り出され、仕事をする。各車セル２の
電解質マトリクス６の最下部に電解質５が通る導管１０
が設けられ、さらに、それらの導管１０すべてを連結す
る導管１１が設けられる。Ｎ’ｌ？１１の端部には電解
質補充用タンク１２、さらに、電解質補助タンク１９が
設けられる。動作は第１図での動作説明に準じる。

（ｂ）は、（ａ）に示された三枚の単セル２が複合され
て新たに一枚の単セルのように構成された燃料電池５］
の断面を示す。（ｂ）では、電解質補充装置の主要部を
含んだ燃料電池５１のみを取り上げており、電解質補充
に関する制御については第１図に準じる。燃料電池５１
の主要部は、電解質５を含浸した電解質マトリクス６の
一方の面にカソードＣエ　、アノードＡ２及びカソード
Ｃ１を一定間隔で接合して設け、他方の面にカソードＣ
１に対向させた位置にアノードＡ１を、また、アノード
Ａ２に対向させた位置にカソードＣ２を、カソードＣ１
に対向させた位置にアノードＡ３　を。

それぞれ、接合して設ける。また、アノードＡ２とカソ
ードＣ３は導電体５３により電気的に接続され、アノー
ドＡ１　とカソードＣ２は導電体５２により電気的に接
続されている。さらに、アノードガス通路７及びカソー
ドガス通路５０を同時に形成するためのセパレータ５６
が、カソードＣ工。

アノードＡ２．カソードＣ１の電解質マトリクス６に接
していない面を取り囲むように設けられる。

同様に、アノードガス通路７及びカソードガス通路５０
を同時に形成するためのセパレータ５７が、アノードＡ
エ　、カソードＣ２、アノードＡ、の電解質マトリクス
６に接し、ていない面を取り囲むように設けられている
。すなわち、セパレータ５６及びセパレータ５７により
各電極で必要なガスが流れるガス通路が確保されている
。こうして構成された燃料電池５１の電解質マトリクス
６に電解質５を補充するための導管１１が設けられる。

導管１１の端部には電解質補充用タンク１２が設けられ
、さらに、電解質補充用タンク１２には電解質補助タン
ク１９が連結されて設けられている。

なお、カソードＣ１からは集電体５４が、また、アノー
ドＡ、からは集電体５５が、それぞれ、接続されて引き
出され、集電体５４と５５との間に誘起された電圧Ｖは
外部へ電気エネルギとして取り出されて仕事をする。

本実施例では、電解質マトリクス６が一枚であるため、
燃料電池５１を平面的構造とすることができ、電解質マ
トリクス６の板面が水平面と平行あるいは垂直のどちら
であっても、電解質補充用タンク１２内の電解質５の液
面レベルを監視することにより、電解質の補充が行える
。この電解質補充のためのタンク１２及び補助タンク９
内の圧力調整は、第１図で行われた方法で良い。

本発明の実施例によれば、単セル構造の燃料電池でも、
必要とする大きさの電圧が得られ、平面的構造の燃料電
池が構成できるので、壁かけ、あるいは、床下への設置
ができ、より一層容易な電解質補充ができる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、過不足なく電解質を燃料電池へ補充で
き、構造が簡単な電解質補充装置とすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の系統図、第２図の（ａ）図
は第１図の簡略図、第２図の（ｂ）図は本発明の他の実
施例の説明図である。１・・・燃料電池、２・・・単セル、３・・・アノード
、４・・・カソード、５・・・電解質、６・・・電解質
マトリクス、８．９・・・セパレータ、１０，１１，１
４．１５・・・導管、１２・・・電解質補充用タンク、
１８・・・液面レベルセンサ、１９・・・電解質補助タ
ンク、２２゜２３・・・バルブ、２６・・・高圧不活性
ガス供給部、２９．３３．３８・・・圧力計、３１・・
・演算器、３２・・・比較器、４１・・・収納圧力容器
。

Claims

【特許請求の範囲】１、アノードとカソードとの間に電解質を含浸した電解
質マトリクスを保持し、前記アノード及び前記カソード
をガス通路をもつセパレータで挾着した燃料電池におい
て、前記電解質マトリクスが水平線に対して垂直になるよう
に前記燃料電池を置き、前記電解質マトリクスのすべて
の最下部に連結した導管を配設して、この導管の末端に
電解質補充用タンクを設け、この電解質補充用タンク内
に前記電解質を保持させ、さらに前記電解質補充用タン
クの上部に前記電解質を保持した電解質補助タンクを連
結して設けたことを特徴とする燃料電池の電解質補充装
置。