JPH02826B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の属する技術分野〕 本発明は電池本体の液区画内に保有される電解
液が電池本外体の電解液循環系を介して繰り返し
て循環使用されるいわゆる自由電解液形の燃料電
池の電解液循環系であつて、該循環系内に電池本
体内で電解液中に混入ないし含有されるガスを電
解液から分離する分離装置が設けられるものに関
し、より具体的には酸化ガスとして空気を用い、
電解液としてアルカリ電解質を用いる燃料電池の
電解液循環系として好適なものである。

〔従来技術とその問題点〕

前述のような自由電解液形の燃料電池の電解液
循環系は、元来電池本体内で電解液が電池への供
給ガス中の不純物；とくに供給空気中の炭酸ガス
と反応して生じる固相の反応生成物を系内で電解
液から分離するため、あるいは電池本体内で発生
する熱によつて温度が上昇した電解液を一たん本
体外に導出して系内で冷却するために設けられる
ものであるが、このほか電池本体内で電解液中に
混入ないしは含有されて来るガスを分離する分離
装置を系内に備えることがふつう必要になる。

周知のように、燃料電池内で電池発電作用を営
む電極層は、ガス拡散性を有するいわば多孔質の
電極層として構成されており、電極層内には電池
内のガス区画から燃料ガスまたは酸化ガスが拡散
して来ると同時に電解液区画から電解質が浸透し
て来て、固相の電極とくにその中に含有された触
媒と、気相の反応ガスと、液相の電解液との三相
が共存する条件で電気化学的反応が円滑に進行し
て発電作用が生じるのであるが、電解液が電極層
内に過剰に浸出してガス相を追い出してしまい、
前記の三相共存条件が保たれなくなると、いわゆ
る電極層の濡れ現象のために発電作用が正常に起
こらなくなつてしまう。

この問題を解決する有利な手段は、運転時のガ
ス区画内の圧力を液区画内の圧力に比べて僅かで
も高く維持することである。第１図はこのように
企図された従来の電解液循環系を模式的に示すも
のである。図では燃料電池本体は１で示され、複
数個の単位電池２を積層して１対の締付板３，３
の間に図示しない締結手段を用いて一体化されて
おり、内部に電解液が満たされる電解液区画４と
燃料ガスまたは酸化ガスが導入されるガス区画５
とが画成されている。各単位電池２は枠２ａと燃
料ガス用の電極２ｂと酸化ガス用の電極２ｃを含
んでおり、前述の両区画４，５はこれらの板状の
電極２ｂ，２ｃにより相互に隔てられている。な
お、ガス区画５へのガスの導入経路は図の簡単化
のため省略されている。電解液区画４は前述の電
極２ｂ，２ｃを介してガス区画５に対向する電解
液室部４ａと１対のマニホールド部４ｂと両者間
を連通する連通路部４ｃとを含んでいる。前述の
ように電池の運転中は、ガス区画５内の圧力が電
解液区画４内の圧力よりも高くなるように該ガス
圧力が制御される。

一方、電解液循環系は総称して６で示されてお
り、電解液タンク７とポンプ８と配管系９とを含
んでいる。ポンプ８は電解液を図の矢印の方向に
付勢し、これによつて電解液は電池本体１に送り
込まれ、該本体１内の電解液区画４の下方のマニ
ホールド部４ｂ、下方の連通路部４ｃ、電解液室
部４ａ、上方の連通路部４ｃ、上方のマニホール
ド部４ｂを順次下方から上方に向かつて通流した
後本体１外に出て、電解液タンク７に入つて再び
ポンプ８に入る。図ではこの循環系路が矢印で示
されている。

さて、この従来の電解液循環系６では、電解液
タンク７はその液面７ａが電池本体１内の電解液
区画４の頂部よりも上方に位置するように配置さ
れている。これは電池本体１内で多孔質の電極２
ｂ，２ｃを通して電解液区画４よりも圧力の高い
ガス区画５からガスが電解液室部４ａに、従つて
電解液区画４に侵入したとき、該ガスを気泡の形
で上方の連通路部４ｃ、上方のマニホールド部４
ｂおよび配管９を通して電解液タンク７の液面７
ａ上の空間に排出するためである。しかしこのよ
うに、電解液区画４に侵入したガスを排出するた
めに電解液タンク７を電池本体１の上方に位置さ
せると、電解液区間４内の電解液の圧力は当然大
気圧よりは若干でも高くなり、ガス区間内の圧力
はこれに応じて前述のようにさらに高めなければ
ならなくなる。燃料ガスの圧力はガス供給源が
元々圧力をもつていることが多いので、ガス圧を
高めることにふつうはあまり問題はないが、酸化
ガスの場合、とくに空気を用いる場合にはブロワ
やコンプレツサで圧力を上げた上電池に供給する
必要が生じ、燃料電池発電設備の補機動力に必要
な電力が増し、それだけ設備の総合効率が低下す
ることになる。

また、第１図に示すように、電池本体１から電
解液タンク７に電解液を導く配管部分９ａは、で
きるだけ屈曲しない形状にしないと配管の中途に
気泡が溜まつたり、気泡が電解液と一緒に電解液
タンクに円滑に排出されなくなつたりする問題が
生じるので、この配管部分の形状や経路に制約が
生じて設備の配置設計上の自由度が失なわれる。
さらに電解液タンク７を電池本体１の上方に配置
すること自体が、設備の全体配置設計に大きな制
約を課すことであつて望ましくないことが多い。

そこで、電解液タンク７は電池本体１の下方に
置き、これとは別に電解から気泡を分離する気液
分離装置を設けてこれを電池本体の上方に配置す
ることが考えられるが、当然余分の装置が必要と
なるほか、電解液が大気と接触する機会がそれだ
け多くなり、電解液の管理上思わしくない。

〔発明の目的〕 本発明は上述のような従来の電解液循環系のも
つ問題点を解決して、補機動力が少なくてすみか
つ電解液循環系内の装置の配置に制約のない燃料
電池の電解液循環系を得ることにある。

〔発明の要点〕

上述の目的は本発明によれば、電解液を電池本
体から電解液溜めなどの分離装置に導く配管の内
径を電解液中に気泡の形で混入するガスが電解液
とともに当該分離装置に送られる程度に十分に細
く形成することにより簡単に達成される。この
際、配管の内径の大きさは電解液の種類や配管内
を通流する電解液の流量によつて当然異なつて来
るが、例えば電解液としてアルカリ性電解質の水
溶液を用いた場合には、実用上燃料電池の運転上
必要な規定濃度範囲内において、配管の内径ｄ
（cm）を ｄ0.36（log ｑ＋0.7） の範囲に選べばよい。ただしｑはc.c.／cm³で表わし
た電解液の流量とする。このような内径ｄを有す
る配管を用いることにより、電解液中にガスの気
泡がかなり混入していても、また配管の一部が下
方に向けて電解液を流すように配置されていて
も、気泡は電解液とともに円滑に分離装置まで運
ばれる。

これによつて前述のような電解液タンクを分離
装置に利用して電池本体の下方に配置してもなん
ら問題が生じなくなり、余分な分離装置を設ける
必要もまつたくなくなる。なお配管の内径も細く
することは一本の配管内を流しうる電解液の流量
が少なくなることは当然であるが、容易にわかる
ように一本の配管では流量が不足する場合は、上
記のような内径を有する配管を複数本並列に用い
ればよく、本発明によつて得られる効果をなんら
失なうことなく本発明の実施をすることができ
る。

〔発明の実施例〕

以下図面を参照しながら本発明の実施例を詳細
に説明する。第２図は本発明による電解液循環系
を用いた燃料電池発電装置の全体系統図を示すも
ので、分離装置としての電解液溜め７は図示のよ
うに電池本体１の下方に配置されており、電池本
体１の電解液区画４からこの電解液溜め７に電解
液を導く配管１０は本発明によつて内径が細目に
構成されている。このほか電池本体１と電解液循
環系との各部分のうち第１図と共通の部分には同
一の符号が付されている。第２図には第１図では
省略されていたガス配管系が太い鎖線で示されて
おり、燃料電池本体１の内部は模式的に燃料ガス
側の電極２ｂと酸化ガス側の電極２ｃとによつて
相互に隔てられた電解質区画４と燃料ガス側のガ
ス区画５ｆと酸化ガス側のガス区画５ａとに分離
して示されている。燃料ガスＦ、例えば水素は、
その供給源としてのガスボンベ１１からエジエク
タ装置１２を通して電池本体１内の前述のガス区
画５ｆに送られ、電池内で消費されなかつた燃料
ガスは、該ガス区画５ｆから下方に出て風冷の熱
交換器１３を経てエジエクタ装置１２のポンプ吸
収作用により再び電池本体１のガス区画５ｆに戻
る。すなわち、燃料ガス配管系は一種の循環系と
して構成されており、電池本体１内には電池が消
費する量の数倍の燃料ガスが通流されていて、電
池内で発生した反応生成水を蒸気の形で電池本体
１から取り去り、熱交換器１３内で凝集させて凝
縮水管１４を介して凝縮水溜め１５に集める。一
方、酸化ガス、例えば空気Ａは炭酸ガス除去器１
６を介してブロワ１７により大気から吸引され
て、電池本体１内の空気側ガス区画５ａに入り、
電池内で消費されなかつたガス、例えば窒素は前
述の凝集水溜め１５内の凝集水と熱交換をした後
に大気に放出される。凝集水溜め１５にはオーバ
ーフロー部１５ａが設けられていて、一定量以上
の凝集水はこのオーバーフロー１５ａから排出さ
れるとともに、その下方に配置されている前述の
電解液溜め７内の電解液量が所定値より少なくな
つたとき、その底部の補給水管１５ｂ中の電磁弁
１８を開いて電解液溜め７に補給水として凝縮水
を供給する。

電解液溜め７には、液面計７ｂとして略示され
た液面制御器が付属していて、液面７ａが所定レ
ベル以下になつたとき、前述の電磁弁１８を開い
て凝縮水溜め１５から補給水を補充して電解液量
を、従つて電解液の濃度を一定に保持するほか、
その底部には弁７ｃを備えた排出管７ｄが接続さ
れていて、電解液と空気中の残留炭酸ガスが電池
本体内で反応して固相の反応生成物が発生し配管
１０を経て電解液溜め７の底部に沈澱を生じたと
き、弁７ｃを開いて該生成物を電解液とともに排
出できるように考慮されている。電解液溜め７内
の電解液はポンプ８により付勢され、配管９を介
して電池本体１内の電解液区画４の底部に導入さ
れ、電極２ｂ，２ｃを通してガス区画５ａ，５ｆ
から侵入して来たガスの気泡とともに、電解液区
画４の頂部から導出され、前述のように内径が細
目に形成された配管１０を通り電解液冷却用の前
述の風冷熱交換器１３内の風冷蛇管を経て、電解
液溜め７に環流される。この際、配管１０内を流
れる電解液中に混入されたガスの気泡は、該配管
１０に上昇部や下降部や蛇管部があつても、円滑
に電解液とともに電解液溜め７にまで運ばれ、配
管１０の下端１０ａを出た瞬間に電解液から分離
されて大気中に放出される。なお、図では配管１
０の下端１０ａは電解液溜め７の液面７ａ上に位
置して描かれているが、このようにすることは特
に必要ではなく下端を１０ａを液面７ａ下にあま
り深くならない程度に沈めて開口させても、気泡
の分離に特に障害を生じるわけではない。

上述の説明からわかるように、本発明によれば
電解液からの気泡の分離のために特別な分離装置
を設ける必要はなく、電解液溜めを分離装置とし
て共用することで十分である。また、従来と異な
り電解液溜め７は電池本体１の下方に配置しても
なんら差し支えがなくなるので、電池本体１の電
解液区間４内の電解液の圧力をほぼ大気圧と同じ
条件下で電池を運転できるようになり、ガス区画
５ａ，５ｆ内のガス圧力も大気圧より僅かに高目
にする程度でよく、従つてブロワ１７に要する補
機動力は従来より少なくて済む。さらに、電解液
溜め７を全体設備のむしろ下部に配置することが
できるようになり、凝縮水溜め１５からの補給に
も動力を要せずに、電解液の濃度を容易に一定化
することができる。なお、電解液溜め７の液面は
必ずしも大気開放にする必要はなく、この液面で
電解液と大気中の炭酸ガスとの反応が懸念される
場合には、電解液溜めの上部を閉じてフイルタ等
を介して大気と半閉的に連通させ、液面上に不活
性ガスを微量流して電解液溜め７内で分離された
ガスとともに該フイルタを介して大気に排出する
ようにしてもよい。

第３図は第２図では簡略して示されていた電池
本体１内の単位電池２の具体構造を部品を展開し
た状態の斜視図で示すもので、第１図と同じ部分
には同一の符号が付されている。図示のように単
位電池２は枠２ａ、燃料ガス側の電極２ｂ、酸化
ガス側の電極２ｃ、単位電池相互を分離する分離
板２ｄが積み重ねられて構成され、電解液区間４
は枠２ａの内部に形成された電解液室部４ａと、
分離された状態の孔として示された下方のマニホ
ールド部４blと、同様に分離された状態の孔とし
て示された上方のマニホールド部４buとして示
されている。なお連通路部４ｃは枠２ａの孔４
bl，４buと電開液室部４ａとを結ぶ枠２ａ内部に
設けられた孔として形成されるが、この図には示
されていない。なお、ガス区画５ｆ，５ａは各電
極２ｂ，２ｃと分離板２ｄとの間に形成され、こ
の区画を確保するための突条５ｂが分離板２ｄの
各電極２ｂ，２ｃに対応する部位に設けられてい
る。またこの区画５ｆ，５ａへの連通路として溝
５ｃが枠２ａに設けられている。

第４図は電池本体１と配管１０との接続部の構
成を示す断面図であつて、第３図の上方のマニホ
ールド部４ｂとしての孔４buが設けられた隅部
を斜め方向に切断して示すものである。また、こ
の図は複数個の単位電池が積層された状態を示し
ており、第１図および第３図と共通の部分には同
一の符号が付されている。図示のように枠２ａと
分離板２ｄとは相互間にパツキンシート２ｅを介
して積層され、これらに設けられた孔４buは積
層状態では連続した上方のマニホールド部４ｂを
形成している。積層体の端部に配された締め付け
板３の外側面には、前述の上方のマニホールド部
に整合して設けられた孔３ａに連通するように筒
状の接続金具１０ａがパツキン１０ｃを介して液
密にねじ込まれ、この接続金具１０ａに配管１０
の端部がパツキン１０ｄを介して袋ナツト１０ｂ
により液密に取り付けられている。電極板２ｂ，
２ｃの間に形成された各電解液室部４ａ中の電解
液は、枠２ａ内にうがたれた孔として形成された
連通路部４ｃを通つて前述のマニホールド部４ｂ
に入り、接続金具１０ａを通つて配管１０に入
る。この配管１０は前述の式を満たす内径ｄを有
しており、図示の例では電池本体１との接続部付
近で電解液を気泡の移動に有利な上方に流すよう
に屈曲されているが、前述の説明からわかるよう
に必ずしもこのように上方に屈曲させる要はな
い。ただ、電池本体１からガスの気泡を除去する
に有利なよう、配管１０と電池本体１との接続部
を電解液室部４ａ、連通路４ｃ、マニホールド部
４ｂからなる電解液区画４の頂部に位置させるこ
とが望ましい。第３図に示すようにこの実施例で
は上方のマニホールド部４ｂは２個あるので、２
本の配管１０が電池本体１に接続される。

第５図は発明者達が行なつた実験結果をまとめ
たグラフ図であつて、横軸に流量ｑ（c.c.／min）
の対数を、縦軸に配管の内径ｄ（cm）をとり、電
解液の流量に対してガスの気泡が電解液とともに
配管内を下方に移動しうる配管の内径ｄの範囲を
ハツチング部で示したものである。電解液として
は燃料電池にふつうに用いられる水酸化カリウム
の水溶液などを主体にし、かつその濃度も２〜10
規定の範囲内で種々変えて実験を行なつたが電解
液の種類や濃度に関係なく、図示の関係式が成立
する。なお、実験条件としての温度は、燃料電池
とその電解液循環系の運転温度を含む前後の温度
範囲が選ばれた。

〔発明の効果〕

以上に説明のとおり、本発明によれば電池本体
内で電解液中に混入されて来るガスを分離するた
めの分離装置を電解液循環系内に設けるに際し
て、電池本体から分離装置に至るまでの電解液の
移送用配管の内径を所定の関係式を満たすように
選ぶことによつて、配管が下方に向けて電解液を
流すように向けられる場合においても、電解液中
に気泡の形で混入するガスを電解液とともに確実
に移送できるようになり、従来のように分離装置
とくに電解液溜めを電池本体の上方に配置しなけ
ればならないという制約を全く取り除くことがで
きる。これにより、電池本体内の電解液区画内の
圧力を大気圧よりも高める必要もなくなるので、
ガス区画内のガス圧力を下げることが可能にな
り、これに相応してガス昇圧用のブロワ等の所要
動力が減じ、燃料電池発電装置の総合効率を上昇
させることができる。また分離装置として電解液
溜めを利用する場合には、その設置位置を従来と
は逆にむしろ発電装置全体の下部に配置して電解
液の液量制御や濃度制御を最も合理的にかつ余分
な補機動力を用いないで行なうことができる。さ
らには、配管の屈曲形状や配設経路にも余り気を
使わないで設計しても、気泡の排除に支障を生じ
ることがなくなるので、発電装置の全体設計にあ
たつても制約やむりのない理想的な設計を施すこ
とが本発明によつて可能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は燃料電池の従来技術による電解液循環
系の要部を模式的に示す系統図、第２図以降はす
べて本発明による燃料電池の電解液循環系の実施
例を示すもので、内第２図は本発明による電解液
循環系を用いた燃料電池発電装置の全体系統図、
第３図は電池本体内の単位電池の分解斜視図、第
４図は電池本体と電解液循環系の配管との接続部
を示す断面図、第５図はガスの気泡を電解液とと
もに自由に移動させうる範囲を示す実験結果をま
とめたグラフ図である。図において、 １：燃料電池の電池本体、４：電池本体内の電
解液区画、５：電池本体内のガス区画、６：電解
液循環系、７：気泡の分離装置としての電解液溜
め、１０：電解液循環系内の配管、ｄ：配管の内
径、である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 燃料電池本体の液区画内に保有される電解液
   が電池本体外の電解液循環系を介して繰り返して
   循環され、該電解液循環系内に電池本体内で電解
   液中に混入ないし含有されるガスを電解液から分
   離する分離装置が設けられるものにおいて、該分
   離装置が電池本体よりも下方に位置され、電解液
   を電池本体から分離装置に導く配管の内径が電解
   液中に気泡の形で混入するガスを電解液とともに
   分離装置に導きうるよう細く形成されたことを特
   徴とする燃料電池の電解液循環系。 ２ 特許請求の範囲第１項記載の電解液循環系に
   おいて、分離手段が自由液面を有する電解液溜め
   として構成され、該電解液溜め内において電池本
   体からの配管を通じて電解液溜めに流入する電解
   液中のガスが前記液面上の空間に分離、排出され
   るようにしたことを特徴とする燃料電池の電解液
   循環系。 ３ 特許請求の範囲第２項記載の電解液循環系に
   おいて、電解液溜め内の電解液面上の空間が大気
   に連通ないし開放され、電池本体が電解液にほぼ
   大気圧が掛かつた状態で運転されることを特徴と
   する燃料電池の電解液循環系。 ４ 特許請求の範囲第１項記載の電解液循環系に
   おいて、配管の内径ｄ（cm）が該配管内の電解液
   の流量ｑ（c.c.／min）に対して、式 ｄ0.36（log ｑ＋0.7） を満たすように選ばれたことを特徴とする燃料電
   池の電解液循環系。 ５ 特許請求の範囲第１項記載の電解液循環系に
   おいて、配管が電池本体内の液区画の頂部に接続
   されたことを特徴とする燃料電池の電解液循環
   系。