JPH08153529A

JPH08153529A - 溶融炭酸塩型燃料電池の電解質補給装置およびその補給方法

Info

Publication number: JPH08153529A
Application number: JP6316104A
Authority: JP
Inventors: Yoichi Seta; 曜一瀬田; Yasushi Shimizu; 康清水
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1994-11-28
Filing date: 1994-11-28
Publication date: 1996-06-11

Abstract

(57)【要約】【目的】短時間で燃料電池内に均一に電解質を補給で
きる溶融炭酸塩型燃料電池の電解質補給装置及びその補
給方法を提供する。【構成】電解マトリックスに補給するための電解質を
貯蔵する電解質供給容器と、電解質マトリックスに電解
質を補給する際に電解質供給容器をガス供給配管に連通
させるためのガス供給三方弁と、ガス流路に繋がるガス
排気配管に接続され電解質供給容器からの電解質をガス
流路内に吸引搬送するための減圧吸引器と、電解質マト
リックスに電解質を補給する際に減圧吸引器をガス排気
配管に連通させるためのガス排気三方弁とを備えてい
る。そして、必要に応じて、電解質供給容器とガス供給
三方弁及びガス供給配管を加熱するためのヒーターを設
ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電解質として溶融炭酸
塩を用いた溶融炭酸塩型燃料電池の電解質補給装置及び
その補給方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、高効率エネルギー変換装置として
溶融炭酸塩型燃料電池の開発が進められている。溶融炭
酸塩型燃料電池は、アルカリ金属炭酸塩からなる電解質
共晶炭酸塩を溶融温度以上で溶融状態にし電池反応を生
起させるもので、他の燃料電池、たとえば燐酸型燃料電
池に比べて高価な貴金属触媒を必要とせずに発電効率が
高い等の大きな特徴を有している。

【０００３】一般に、溶融炭酸塩型燃料電池は電解質層
を挾んだ一対の電極に燃料がスと酸化剤ガスを供給して
電池反応をさせるものであり、一対の電極をガスの流路
となるセパレータを介して複数個積層して構成される。
そして、電解質としてＬｉ₂ＣＯ₃（炭酸リチウム）とＫ
₂ＣＯ₃（炭酸カリウム）との共晶塩を用いており、電解
質マトリックスにはこの共晶炭酸塩が含浸される。

【０００４】電解質マトリックスを挾んだ一対の電極か
らなる単電池及びセパレータ各１個分を重ねたものを単
セル呼ぶ。図５に、溶融炭酸塩型燃料電池の単電池及び
セパレータを各１個分を重ねた単セルを示す。

【０００５】単電池１は電解質マトリックス２をアノー
ド電極３とカソード電極４とで挟んで構成され、セパレ
ータ５はインターコネクタ６をアノードエッジ板７とカ
ソードエッジ板８とで挟んで構成される。セパレータ５
内部にはガス流路を確保し、隣接する単電池同士を電気
的に接続するアノード集電板９とカソード集電板１０が
設けられ、それぞれ燃料ガス１１と酸化剤ガス１２が供
給される。ガスがセパレータ内を流れる際に、燃料ガス
１１はアノード電極３の表面において、酸化剤ガス１２
はカソード電極４の表面において電池反応を生じ、電解
質である炭酸塩を介して両電極間に炭酸イオン（ＣＯ₃
^2-）の授受が行われて電池外部に電気出力を得る。

【０００６】図５は単電池１およびセパレータ５を各１
個分を重ねた単セルを示すが、電池積層体はこの単セル
を繰り返し積層して構成される。このとき、インターコ
ネクタ６はアノードエッジ板７及びカソードエッジ板８
と一体構成となる。

【０００７】単電池１に供給される燃料ガス１１及び酸
化剤ガス１２は、単電池１の周囲に設けられたそれぞれ
別のマニホールドによって給排される。図５ではマニホ
ールドがセパレータ５の内部に設けられた内部マニホー
ルド型の溶融炭酸塩型燃料電池であり、単電池１を挾ん
で向き合うアノードエッジ板７及びカソードエッジ板８
が電気絶縁性のマニホールドリング１３により接続され
る。

【０００８】次に、電解質マトリックス２は金属酸化物
の粒子からなる多孔質構造を有する骨格の隙間に炭酸塩
が満たされたものである。炭酸塩は常温では固体である
が、発電運転温度の６５０度の温度においては溶融状態
となる。アノード電極３およびカソード電極４は、金属
あるいは金属酸化物の多孔質体であり、炭酸塩はアノー
ド電極３とカソード電極４との気孔の隙間にも一部満た
される。

【０００９】この溶融炭酸塩型燃料電池の運転時には、
アノード電極３及びカソード電極４にそれぞれ供給され
た燃料ガス１１および酸化剤ガス１２が、溶融した炭酸
塩とアノード電極３及びカソード電極４との界面で電気
化学反応を生じ発電される。このような溶融炭酸塩型燃
料電池の安定な発電のためには、アノード電極３やカソ
ード電極４及び電解質マトリックス２中の電解質が、発
電中絶えず適量に保持されている必要がある。

【００１０】通常、この電解質は、燃料電池の組立時に
酸化剤あるいは燃料ガス供給用のガス流路に充填された
り、共晶炭酸塩のシートの形で組み込まれ、燃料電池の
昇温過程において共晶炭酸塩の溶融温度以上でアノード
電極３やカソード電極４及び電解質マトリックス２中に
含浸される。溶融した炭酸塩はその表面張力、及び、電
解質マトリックス２の骨格粒子と溶融炭酸塩との界面張
力によって、電解質マトリックス２内に保持される。電
解質の含浸された燃料電池は発電温度でアノード電極３
やカソード電極４及び電解質マトリックス２のそれぞれ
に電解質が適量バランスして分配されている。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】ところが、発電の初期
に適量に電解質が分配されていても、電解質は蒸気とし
て酸化剤ガスや燃料ガスにより運ばれて燃料電池外へ排
気されたり、セパレータを構成する金属部材の腐食によ
り消費されたりして、次第に失われていき電池性能が経
時的に低下するという問題がある。

【００１２】この様なことから、電解質の逸失に対する
対策として、例えば、特開昭６２−１８０９６６号公報
や実開昭６２−１２７６７０号公報に示されるように、
外部から直接電解質を溶融状態で補給する方法が提案さ
れている。しかし、この補給方法では燃料電池のセパレ
ータ及び電解質マトリックスに電解質供給用の貫通孔を
設ける必要があり、燃料電池製造工程が複雑である。ま
た、貫通孔から供給された電解質は、通常、電解質マト
リックスを平面方向に浸透しながら供給されるので、電
解質の補給に長時間がかかり、しかも均一に補給されな
いという欠点があった。

【００１３】したがって、本発明の目的は、短時間で燃
料電池内に均一に電解質を補給できる溶融炭酸塩型燃料
電池の電解質補給装置及びその補給方法を提供しようと
するものである。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明の融炭酸塩型燃料
電池の電解質補給装置は、電解質マトリックスをアノー
ド電極及びカソード電極で挟んで形成された平板状の単
電池のアノード電極には燃料ガスを、カソード電極には
酸化剤ガスを導くガス流路に繋がるガス供給配管に接続
され、電解マトリックスに補給するための電解質を貯蔵
する電解質供給容器と、電解質マトリックスに電解質を
補給する際に電解質供給容器をガス供給配管に連通させ
るためのガス供給三方弁と、ガス流路に繋がるガス排気
配管に接続され電解質供給容器からの電解質をガス流路
内に吸引搬送するための減圧吸引器と、電解質マトリッ
クスに電解質を補給する際に減圧吸引器をガス排気配管
に連通させるためのガス排気三方弁とを備えている。そ
して、必要に応じて、電解質供給容器とガス供給三方弁
及びガス供給配管を加熱するためのヒーターを設ける。

【００１５】また、電解質を貯蔵する電解質供給容器を
上部電解質供給容器と下部電解質供給容器とに分割し、
上部電解質供給容器には電解質マトリックスに補給する
ための電解質を貯蔵し、下部電解質供給容器には電解質
マトリックスに電解質を補給する際に上部電解質供給容
器から供給された電解質を貯蔵するように構成し、下部
電解質供給容器及びガス供給配管を加熱するためのヒー
ターを設け、ガス流路に繋がるガス排気配管に接続され
下部電解質供給容器からの電解質をガス流路内に吸引搬
送するための減圧吸引器を設け、電解質マトリックスに
電解質を補給する際に減圧吸引器をガス排気配管に連通
させるためのガス排気三方弁を設けている。

【００１６】そして、必要に応じて、ガス排気三方弁と
減圧吸引器との間に電解質の平均粒径よりも小さい平均
孔径を有する多孔質体フィルターを設け、また、ガス排
気三方弁と多孔質体フィルターとの間に電解質補捉用の
電解質溜を設けている。

【００１７】一方、本発明では、電解質供給容器又は下
部電解質供給容器内の電解質としては、共晶炭酸塩を用
い、又は、有機溶剤と有機結決着材と共晶炭酸塩からな
る混合スラリーを用いている。

【００１８】一方、本発明の溶融炭酸塩型燃料電池の電
解質補給方法は、溶融炭酸塩燃料電池を無負荷状態に
し、アノード電極には燃料ガスを、カソード電極には酸
化剤ガスを導くガス流路に繋がるガス供給配管から供給
していた燃料ガス及び酸化剤ガスを不活性ガスに切り替
えてガス流路に供給し、補給用の電解質を貯蔵した電解
質供給容器をガス供給配管に連通させ、ガス流路を減圧
させるための減圧吸引器をガス流路に繋がるガス排気配
管に連通させ、減圧吸引器によりガス流路を減圧させて
電解質供給容器からの補給用の電解質をガス流路に流入
させ、電解質の充填補給するようにしている。

【００１９】そして、溶融炭酸塩型燃料電池内の電解質
の補給が過剰であるときは、電解質の充填補給後、溶融
炭酸塩型燃料電池を発電状態とし、アノード電極には水
素を主成分とする燃料ガスを供給し、カソード電極には
空気あるいは酸素のいずれかを供給し、発電を行いなが
ら溶融炭酸塩型燃料電池内の過剰な電解質量の調整をす
るようにしている。

【００２０】

【作用】電解マトリックスに電解質を補給する際には、
電解質供給容器をガス供給三方弁にてガス流路に繋がる
ガス供給配管に連通させ、一方、減圧吸引器をガス排気
三方弁にてガス流路に繋がるガス排気配管に連通させ、
減圧吸引器にてガス流路を減圧して、これにより電解質
供給容器からの電解質を、アノード電極には燃料ガスを
カソード電極には酸化剤ガスを導くガス流路に流入させ
る。

【００２１】通常、電解質は単電池のガス流路に導かれ
たときに溶融状態となるが、電解質供給容器とガス供給
三方弁及びガス供給配管を加熱するためのヒーターを設
けている場合には、そこで電解質は溶融状態となる。

【００２２】また、電解質を貯蔵する電解質供給容器を
上部電解質供給容器と下部電解質供給容器とに分割し
て、上部電解質供給容器には電解質マトリックスに補給
するための電解質を貯蔵し、下部電解質供給容器には電
解質マトリックスに電解質を補給する際に上部電解質供
給容器から供給された電解質を貯蔵するように構成され
ている場合には、ヒーターにより下部電解質供給容器に
て電解質は溶融状態となる。この溶融状態となった電解
質は、減圧吸引器にてガス流路を減圧することにより、
下部電解質供給容器からの電解質を、アノード電極には
燃料ガスをカソード電極には酸化剤ガスを導くガス流路
に流入させる。そして、多孔質体フィルターや電解質溜
にて電解質が減圧吸引器に流入するのを防止している。

【００２３】一方、電解質を補給する際には、溶融炭酸
塩燃料電池を無負荷状態にし、燃料ガス及び酸化剤ガス
を不活性ガスに切り替えてガス流路に供給し、補給用の
電解質を貯蔵した電解質供給容器をガス供給配管に連通
させ、ガス流路を減圧させるための減圧吸引器をガス流
路に繋がるガス排気配管に連通させ、減圧吸引器により
ガス流路を減圧させて電解質供給容器からの補給用の電
解質をガス流路に流入させ、電解質の充填補給するよう
にし、溶融炭酸塩型燃料電池内の電解質の補給が過剰で
あるときは、電解質の充填補給後、溶融炭酸塩型燃料電
池を発電状態とし、アノード電極には水素を主成分とす
る燃料ガスを供給し、カソード電極には空気あるいは酸
素のいずれかを供給し、発電を行いながら溶融炭酸塩型
燃料電池内の過剰な電解質量の調整をする。

【００２４】

【実施例】以下、本発明の実施例を説明する。図１は、
本発明の第１の実施例を示す構成図である。電解質マト
リックス２をアノード電極３及びカソード電極３で挟ん
で単電池を形成し、隣り合う単電池同士を電気的に接続
するセパレータには、単電池のアノード電極３に燃料ガ
スを導く燃料ガス流路１４ａと、カソード電極４に酸化
剤ガスを導く酸化剤ガス流路１４ｂとが形成されてい
る。図１では、単電池およびセパレータ各１個分を重ね
た単セル１６が１個の場合を示しているが、実際には、
単セル１６を積層して電池ハウジング１５を構成する。
電池ハウジング１５は電池収納容器１７に収納されてい
る。ここで、アノード電極はニッケル合金からなり、カ
ソード電極４はニッケルからなる。また、電解質マトリ
ックス２はリチウムアルミネート保持材からなる。

【００２５】次に、燃料ガス流路１４ａ繋がる燃料ガス
供給配管１８ａ及び酸化剤ガス流路１４ｂに繋がる酸化
剤ガス供給配管１８ｂには、燃料ガス供給三方弁１９ａ
及び酸化剤ガス供給三方弁１９ｂを介して電解質供給容
器２０が接続されている。これらのガス供給三方弁１９
は、電解質マトリックス２に電解質２１を補給する際に
電解質供給容器２０をそれぞれのガス供給配管１８に連
通させるものである。また、電解質供給容器２０の上部
は燃料ガス供給配管１８ａの燃料ガス供給三方弁１９ａ
の上流側に配管接続され、途中にバルブ２５が設けられ
ている。このバルブ２５は、電解質マトリックス２に電
解質２１を補給する際に開かれ、燃料ガス供給配管１８
ａからの不活性ガスによって電解質２１を燃料ガス供給
三方弁１９ａを介して燃料ガス流路１４ａに押し出すた
めのものである。

【００２６】電解質供給容器２０には電解マトリックス
２に補給するための電解質２１が貯蔵されている。電解
質２１は、炭酸リチウムと炭酸カリウムの共晶炭酸塩
（共晶温度４９０℃）であり、平均粒径１、０μｍの球
状の共晶炭酸塩微粉体が充填されている。また、図１に
は示されていないが、電解質２１が吸湿するのを防止す
るために乾燥剤を電解質供給容器２０の中に収納し、さ
らに電解質供給容器２０の周囲を結露防止用のヒーター
で覆い施工している。

【００２７】一方、燃料ガス流路１４ａに繋がるガス排
気配管２２ａ及び酸化剤ガス流路１４ｂに繋がる酸化剤
ガス排気配管２２ｂには、電解質供給容器２０からの電
解質２１を燃料ガス流路１４ａ及び酸化剤ガス流路１４
ｂ内に吸引搬送するための減圧吸引器２４が燃料ガス排
気三方弁２３ａ及び酸化剤ガス排気三方弁２３ｂを介し
て設けられている。これらのガス排気三方弁２３は、電
解質マトリックス２に電解質２１を補給する際に、減圧
吸引器２４をそれぞれのガス排気配管２２に連通させる
ためのものである。

【００２８】次に、発明者らが行った実験について説明
する。まず、実験１については、図１に示した燃料電池
の構成で、燃料電池における溶融炭酸塩の逸失を行い、
その後に、電解質供給容器２０から電解質２１を補給し
たときの条件および手順について説明する。

【００２９】電解質マトリックス２の電解質の逸失は、
以下のようにして行った。まず、単セル１６に不活性ガ
スを供給しながら、単セル１６を発電運転温度である６
５０℃まで昇温し、その後、燃料ガス流路１４ａには水
素８０％と炭酸ガス２０％からなる燃料ガスを、酸化剤
ガス流路１４ｂには空気７０％と炭酸ガス３０％からな
る酸化剤ガスを所定量供給した。

【００３０】そして、燃料電池より負荷出力を取らない
まま開路の状態で電池電圧が安定するのを待った後、電
池を外部の負荷に接続し発電を継続した。発電中の電池
電圧は時間とともに次第に低下する傾向を示した。約２
０００時間後、電池電圧が所定の電圧を割ったので、電
解質が逸失したものと判断し発電を中断した。

【００３１】次に、溶融炭酸塩ミストの補給は、以下の
ように行った。燃料電池を開路状態、すなわち無負荷の
状態にし、燃料ガス及び酸化剤ガスを不活性ガスに切り
替えて、単セル１６及びガス供給配管１８及びガス排気
配管２２内を不活性ガスで置換した後、ガス供給三方弁
１９を操作して電解質供給容器２０と単セル１６内のガ
ス流路１４とを連通させた。一方、ガス排気三方弁２３
を操作してガス流路１４と減圧吸引器２４とを連通させ
た。そして、減圧吸引器２４を作動させた後、バルブ２
５を開いてこのバルブ２５を流れる不活性ガスととも
に、電解質２１を電解質供給容器２０から吸引した。こ
の場合の電解質２１の形態としては、粉末または固形上
の共晶炭酸塩を使用した。

【００３２】単セル１６内の温度は発電時の６５０℃の
ままになっており、不活性ガスとともにガス流路１４を
通過する電解質２１は単セル１６内で加熱され溶融す
る。溶融した電解質２１は、ガス流路１４に付着して補
捉され単電池に含浸される。単セルは電解質２１に溶融
潜熱を奪われて冷却されるが、単セル１６の温度が所定
の温度まで下がったところで電解質２１の吸引を止め
る。この方法で単電池に炭酸塩を補給した。

【００３３】この後、ガス供給三方弁１９及びガス排気
三方弁２３を切り替えて、燃料ガス及び酸化剤ガスを単
セル１６に供給する。そして、電池電圧が安定するのを
待って、電池電圧が回復したならば電解質２１が十分に
補給されたものと判断し、電解質２１の補給を終了し
た。電池電圧が十分に回復しなかった場合には、単セル
１６の温度が所定の温度になるのを待って、上述の電解
質２１の補給操作を繰り返した。これにより、電池性能
は初期の電池性能の９８％まで回復させることができ
た。

【００３４】次に、実験２について説明する。実験２は
図１の構成の燃料電池に対し、電解質供給容器２０から
ガス供給三方弁１９を介して単セル１６までのガス供給
配管１８にヒーターを取り付けた構成のもので実施し
た。つまり、電解質供給容器２０から単セル１６までの
ガス供給配管１８をヒーターで電解質２１の融点以上の
温度まで加熱し、電解質供給容器２０内の電解質２１を
溶融させ、単セル１６に溶融した電解質２１を供給する
ようにした。したがって、単セルには溶融状態の共晶炭
酸塩が供給されることになる。

【００３５】実験１と同様に発電を開始し、電圧が低下
したところで、電解質が逸失したものと判断して、発電
を中断した。単セル１６内のガス流路１４やガス供給配
管１８及びガス排気配管２２内を不活性ガスに置換した
後、ガス排気三方弁２３を切り替え、ガス流路１４と減
圧吸引器２４とを連通させて、ガス流路１４を減圧した
後、ガス供給三方弁１９を切り替えた。電解質供給容器
２０内の電解質２１は溶融したまま、単セル１６内に流
れ出して、予め電解質供給容器２０に仕込んだ所定量の
電解質２１が単電池に供給され含浸された。この方法で
単電池に電解質を補給した。

【００３６】その後は、実験１と同様に、再度、燃料ガ
スと酸化剤ガスとを単セル１６に供給し、所定の電池電
圧が得られたならば、電解質２１の補給を終了した。十
分な電池電圧が得られなかった場合には、上述の電解質
２１の補給操作を繰り返し行った。この方法によって
も、電池性能は初期の電池性能の９８％まで回復させる
ことができた。

【００３７】図２に、本発明の第２の実施例の構成図を
示す。この第２の実施例は、電解質２１を貯蔵する電解
質供給容器２０を上部電解質供給容器２６と下部電解質
供給容器２７とに分割し、上部電解質供給容器２６には
電解質マトリックス２に補給するための電解質２１を貯
蔵し、下部電解質供給容器２７には電解質マトリックス
２に電解質２１を補給する際に上部電解質供給容器２６
から供給された電解質２１を貯蔵するように構成し、下
部電解質供給容器２７及びガス供給配管１８を加熱する
ためのヒーター２９を設けたものである。その他の構成
は図１の示したものと同様である。

【００３８】すなわち、図１に示した第１の実施例で
は、電解質２１の供給はガス供給三方弁１９の切り替え
によって行うようしていたが、この第２の実施例では、
ガス供給三方弁１９に代えて、上部電解質供給容器２６
と下部電解質供給容器２７との間をバルブ２８で接続
し、このバルブ２８を開いて補給に必要な量の電解質２
１を下部電解質供給容器２７に供給し、それをヒーター
２９で加熱して溶融状態にし単セル１６のガス流路１４
に供給するようにしている。

【００３９】電解質２１を補給するときは、電解質２１
は上部電解質供給容器２６に仕込んでおき、加熱用のヒ
ーター２９により下部電解質容器２７から単セル１６に
至るまでの配管を電解質２１の融点以上に加熱する。そ
して、上述の実験２と同様に、発電を中断し、ガスを不
活性ガスに置換した後、ガス排出三方弁２３を操作して
ガス流路１４と減圧吸引器２４とを連通させ、減圧吸引
器２４を作動させて、下部電解質供給容器２７及び単セ
ル１６内のガスを吸引した後、バルブ２５、２８を開
き、不活性ガスとともに電解質２１を上部電解質供給容
器２６より下部電解質供給容器２７に送り込む。電解質
２１は下部電解質容器２７内で溶融し、溶融状態のまま
単セル１６内に送られ単電池に含浸する。この方法で単
電池に炭酸塩を補給した。電池性能が十分に回復しなか
った場合の繰り返しは上述した実験２の場合と同様であ
る。

【００４０】この第２の実施例では、下部電解質供給容
器２７から単セル１６に至るまでのガス供給配管１８に
バルブを設ける必要がないので、電解質２１の溶融温度
以上の状態でのバルブの操作を必要としない。したがっ
て、高温におけるバルブの焼き付きや電解質２１による
バルブの腐食などを回避することができるので、電解質
補給の信頼性が向上する。

【００４１】次に、実験３について説明する。実験３は
図１の構成の燃料電池に対し、電解質供給容器２０に
は、次の方法で調合した電解質２１のスラリーを充填し
て実施した。すなわち、共晶炭酸塩粉末にメチルエチル
ケトンとポリビニルブチラールを加え、ボールミルによ
って２４時間攪拌混合させて、電解質２１のスラリーを
調合した。実験１と同様に発電を開始し、電池電圧が低
下したところで、電解質２１が逸失したものと判断し
て、発電を中断した。

【００４２】ガス排気三方弁２３を切り替え、ガス流路
１４と減圧吸引器２４とを連通させて、ガス流路１４を
減圧した後、ガス供給三方弁１９を切り替えた。電解質
供給容器２０内のスラリーは、単セル１６内に流れ出し
て、そこで、単セル１６の温度まで加熱され、電解質２
１が溶融するとともにメチルエチルケトンとポリビニル
ブチラールとは揮発し不活性ガスとともに減圧吸引器２
４によって単セル１６内から排出される。この方法で単
電池に炭酸塩を補給した。

【００４３】その後は、実験１と同様に、再度、燃料ガ
スと酸化剤ガスとを単セル１６に供給し、所定の電池電
圧が得られたら、電解質２１の補給を終了した。十分な
電圧が得られなかったら、上述の電解質の補給操作を繰
り返した。この方法によっても、電池性能は初期の電池
性能の９７％まで回復させることができた。

【００４４】以上の実験１、実験２、実験３について、
単電池の単位面積当たりの電流を、０．１５Ａ／ｃｍ²
として発電したときの電池電圧の変化を下記に示す。実験１：初期電圧 0.826Ｖ，補給全電圧 0.805Ｖ，補給
後電圧 0.825Ｖ実験２：初期電圧 0.815Ｖ，補給全電圧 0.788Ｖ，補給
後電圧 0.806Ｖ実験３：初期電圧 0.831Ｖ，補給全電圧 0.802Ｖ，補給
後電圧 0.815Ｖ

【００４５】この実験結果から明らかなように、いずれ
も電池電圧が低下後、電解質２１を補給したことにより
電池電圧は初期の電圧に近い値に復帰している。いずれ
も電解質２１を補給するのに５分程度の時間を要した
が、従来の方法に比べて大幅に補給時間を短縮できた。

【００４６】上記の第１の実施例や第２の実施例では、
電解質供給容器２０と減圧吸引器２４は電池収納容器１
７の外部に設けたが、電池収納容器１７の内部に設けて
も良い。また、電解質２１である炭酸塩の補給経路はア
ノード側とカソード側の両方に設けたが、いずれか一方
であっても良い。さらに、吸引充填する共晶炭酸塩電解
質として、１、０μｍの平均粒径の粉体を用いたが、
０、１〜１０μｍの平均粒径から選択された電解質粉体
を使用しても良い。

【００４７】また、電解質をスラリーとして用いる場
合、有機溶媒として実施例ではメチルエチルケトンを使
用したが、エチルアルコール、プロピルアルコール、ブ
チルアルコール、メチルアルコール、メチルイソブチル
ケトン、エチレングリコール、グリセリン等から選ばれ
た一種または二種以上の混合有機溶剤も適用できる。一
方、電解質スラリーの結着剤としてポリビニルブチラー
ルを用いたが、ポリビニルアルコール、ポリエチレン、
カルボキシメチルセルロース、ポリビニルアセタール等
から選ばれた一種または二種以上の混合結着剤も適用で
きる。

【００４８】図３は、本発明の第３の実施例を示す構成
図である。この第３の実施例は、図１の第１の実施例に
対し、ガス排気三方弁２２と減圧吸引器２４との間に、
電解質２１の平均粒径よりも小さい平均孔径を有する多
孔質体フィルター３０を設けたものである。これによ
り、減圧吸引器２４に電解質２１である炭酸塩が吸入さ
れるのを防ぐようにしている。これは、吸引された電解
質２１が減圧吸引器２４に吸入されると、減圧吸引器２
４の内部が電解質２１で汚染され故障の原因になるばか
りでなく、腐食性の強い炭酸塩によって減圧吸引器２４
の材料を腐食させる恐れがあるから、それを防止するた
めである。

【００４９】すなわち、燃料ガス排気配管２２ａと酸化
剤ガス排気配管２２ｂから減圧吸引器２４に接続する配
管の途中に多孔質フィルター３０を設け、この多孔質フ
ィルター３０は微細な孔径を有する焼結金属製で構成さ
れており、気体は通過するが電解質２１の粉体あるいは
液滴は通過させない。時間経過と共にこの多孔質フィル
ター３０には電解質２１が滞積し目詰りを生じるが、そ
のときには新しいものと交換する。また、滞積した電解
質２１は多孔質フィルター３０の材料を腐食させるおそ
れがあるので、多孔質フィルター３０の材質は、電解質
２１に対する耐食性に優れるニッケル金属製のものを使
用している。

【００５０】この第３の実施例においては、電解質２１
は多孔質フィルター３０によって補捉され、減圧吸引器
２４内に吸入されるのを防ぐことができるので、電解質
補給の信頼性を向上させることができる。

【００５１】図４は、本発明の第４の実施例を示す構成
図である。この第４の実施例は図３に示した第３の実施
例に対し、さらに、ガス排気三方弁２３と多孔質体フィ
ルター３０との間に、電解質２１の補捉用の電解質溜３
１を設けたものである。これにより、減圧吸引器２４に
電解質２１である炭酸塩が吸入されるのを、より確実に
防ぐようにしている。

【００５２】すなわち、燃料ガス排気配管２２ａと酸化
剤ガス排気配管２２ｂから減圧吸引器２４に至る配管の
途中において、多孔質フィルター３０の手前に電解質溜
３１を設けている。電池内部を通過したガスは電解質溜
３１の側方より吸引され、電解質溜３１の内部のじゃま
板３２に衝突し、流動方向を変えて、さらに、じゃま板
３３に衝突する。この２回の衝突でガス中に含まれた電
解質２１の粉末あるいはミストを不活性ガスと分離させ
る。過剰の電解質２１はこの電解質溜３１に補捉され、
多孔質フィルター３０に付着するのを防ぐことができ
る。したがって、電解質２１である炭酸塩による多孔質
フィルター３０の目詰まりを抑えることができ、減圧吸
引器２４を長期に亘って安定に作動させることができ
る。

【００５３】次に、過剰に補給された電解質２１を処理
について説明する。上述した実施例によって燃料電池１
６内に電解質２１を補給する場合には、電解質供給容器
２０に所定量の電解質２１を供給するが、その量は正確
に把握することは困難である。電池内での所要量は性能
から推算されるだけであり、また、電解質供給容器２０
より燃料電池に至る経路において付着する電解質２１の
量や電池内に留まらずに通過したり、排出される電解質
２１の量は特定できない。したがって、電解質２１は概
算の量を供給することになるが、場合によっては、過剰
に燃料電池に補給されことがある。電解質が過剰の状態
では、望ましい電池性能は得られない。

【００５４】そこで、そのような場合には、次の方法で
過剰の電解質を除去する。すなわち、酸化剤ガスに炭酸
ガスを含ませずに発電運転をする。ここで、通常の発電
運転では、酸化剤ガス中の同量ずつの酸素と炭酸ガスと
が、カソード電極上で炭酸イオンに変化し、電解質マト
リックス中を移動してアノード電極上で燃料ガス中の水
素と反応する。酸化剤ガスに炭酸ガスを含ませずに発電
すると、炭酸塩の炭酸イオンが水素と反応するので、炭
酸塩が消費される。

【００５５】つまり、補給した電解質の量が必要量以上
であった場合には、電池を発電状態にした後、アノード
電極には水素を主成分とする燃料ガスを、カソード電極
には空気または酸素を供給して、負荷をとりながら一定
時間保持する。この操作により、過剰の電解質は次の電
池反応によりアノード電極側で消費させることができ
る。アノード側：Ｈ₂＋ＣＯ₃ ^2-→Ｈ₂Ｏ＋ＣＯ₂＋２ｅ^- カソード側：Ｏ₂＋４ｅ^-→２Ｏ^2- これにより、過剰の電解質２１を消費し、適切な量の電
解質２１の補給が可能となり、電解質補給の信頼性が向
上する。

【００５６】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば溶融
炭酸塩型燃料電池内の電解質量に不足が生じたとき、短
時間に電池内に均一に電解質を補給でき、さらに、電解
質が過剰に補給された場合に過剰な電解質を容易に除去
することができる。

【００５７】すなわち、本発明においては、燃料電池内
へ電解質を補給するときには、減圧吸引器により電池内
を減圧して電解質供給容器から電解質を吸引して電池内
に充填するので、電解質を短時間で電池内に導くことが
できる。

【００５８】また、燃料電池から減圧吸引器に接続する
配管の途中に多孔質フィルターを設けることにより、過
剰に吸引した電解質は補捉され、減圧吸引器に電解質が
吸い込まれるのを防ぐことができる。さらに、多孔質フ
ィルターの手前に電解質溜を設けることにより、電解質
は多孔質フィルターに目詰まりするのを防ぐことができ
ると共に、過剰な電解質は再利用も可能である。

【００５９】また、電解質が電池に過剰に補給された場
合には、発電状態で炭酸イオンを消費することにより容
易に補給量が調整される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示す構成図

【図２】本発明の第２の実施例を示す構成図

【図３】本発明の第３の実施例を示す構成図

【図４】本発明の第４の実施例を示す構成図

【図５】溶融炭酸塩型燃料電池の単電池及びセパレータ
を各１個分を重ねた単セルを示す分解斜視図

【符号の説明】

１単電池２電解質マトリックス３アノード電極４カソード電極５セパレータ６インターコネクタ７アノードエッジ板８カソードエッジ板９アノード集電板１０カソード集電板１１燃料ガス１２酸化剤ガス１３マニホールドリング１４ガス流路１５ハウジング１６単セル１７電池収納器１８ガス供給配管１９ガス供給三方弁２０電解質供給容器２１電解質２２ガス排気配管２３ガス排気三方弁２４減圧吸引器２５、２８バルブ２６上部電解質供給容器２７下部電解質供給容器２９ヒーター３０多孔質フィルタ３１電解質溜３２、３３じゃま板

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電解質マトリックスをアノード電極及び
カソード電極で挟んで形成された平板状の単電池と、こ
の単電池の前記アノード電極には燃料ガスを前記カソー
ド電極には酸化剤ガスを導くガス流路を形成すると共に
隣り合う前記単電池同士を電気的に接続するセパレータ
とを交互に積層してなる燃料電池スタックの前記ガス流
路から前記電解質マトリックスに電解質を補給するため
の溶融炭酸塩型燃料電池の電解質補給装置において、前
記ガス流路に繋がるガス供給配管に接続され前記電解マ
トリックスに補給するための電解質を貯蔵する電解質供
給容器と、前記電解質マトリックスに前記電解質を補給
する際に前記電解質供給容器をガス供給配管に連通させ
るためのガス供給三方弁と、前記ガス流路に繋がるガス
排気配管に接続され前記電解質供給容器からの電解質を
前記ガス流路内に吸引搬送するための減圧吸引器と、前
記電解質マトリックスに前記電解質を補給する際に前記
減圧吸引器を前記ガス排気配管に連通させるためのガス
排気三方弁とを備えたことを特徴とする溶融炭酸塩型燃
料電池の電解質補給装置。
【請求項２】前記電解質供給容器と前記ガス供給三方
弁及び前記ガス供給配管を加熱するためのヒーターを備
えたことを特徴とする請求項１に記載の溶融炭酸塩型燃
料電池の電解質補給装置。
【請求項３】電解質マトリックスをアノード電極及び
カソード電極で挟んで形成された平板状の単電池と、こ
の単電池の前記アノード電極には燃料ガスを前記カソー
ド電極には酸化剤ガスを導くガス流路を形成すると共に
隣り合う前記単電池同士を電気的に接続するセパレータ
とを交互に積層してなる燃料電池スタックの前記ガス流
路から前記電解質マトリックスに電解質を補給するため
の溶融炭酸塩型燃料電池の電解質補給装置において、前
記電解マトリックスに補給するための電解質を貯蔵する
上部電解質供給容器と、前記ガス流路に繋がるガス供給
配管に接続され前記電解質マトリックスに前記電解質を
補給する際に前記上部電解質供給容器から供給された前
記電解質を貯蔵するための下部電解質供給容器と、前記
下部電解質供給容器及び前記ガス供給配管を加熱するた
めのヒーターと、前記ガス流路に繋がるガス排気配管に
接続され前記下部電解質供給容器からの電解質を前記ガ
ス流路内に吸引搬送するための減圧吸引器と、前記電解
質マトリックスに電解質を補給する際に前記減圧吸引器
を前記ガス排気配管に連通させるためのガス排気三方弁
とを備えたことを特徴とする溶融炭酸塩型燃料電池の電
解質補給装置。
【請求項４】前記ガス排気三方弁と減圧吸引器との間
に前記電解質の平均粒径よりも小さい平均孔径を有する
多孔質体フィルターを具備したことを特徴とする請求項
１乃至請求項３に記載の溶融炭酸塩型燃料電池の電解質
補給装置。
【請求項５】前記ガス排気三方弁と多孔質体フィルタ
ーとの間に電解質補捉用の電解質溜を設けたことを特徴
とする請求項４に記載の溶融炭酸塩型燃料電池の電解質
補給装置。
【請求項６】前記電解質供給容器又は前記下部電解質
供給容器内の電解質として共晶炭酸塩を用いたことを特
徴とする請求項１乃至請求項５に記載の溶融炭酸塩型燃
料電池の電解質補給装置。
【請求項７】前記電解質供給容器又は前記下部電解質
供給容器内の電解質として有機溶剤と有機結決着材と共
晶炭酸塩からなる混合スラリーを用いたことを特徴とす
る請求項１乃至請求項５に記載の溶融炭酸塩型燃料電池
の電解質補給装置。
【請求項８】電解質マトリックスをアノード電極及び
カソード電極で挟んで形成された平板状の単電池の前記
アノード電極には燃料ガスを、前記カソード電極には酸
化剤ガスを導くガス流路を形成すると共に隣り合う前記
単電池同士を電気的に接続するセパレータを介して交互
に積層してなる燃料電池スタックの前記ガス流路から前
記電解質マトリックスに電解質を補給するための溶融炭
酸塩型燃料電池の電解質補給方法において、前記溶融炭
酸塩燃料電池を無負荷状態にし、前記ガス流路に繋がる
ガス供給配管から供給していた前記燃料ガス及び前記酸
化剤ガスを不活性ガスに切り替えて前記ガス流路に供給
し、補給用の電解質を貯蔵した電解質供給容器を前記ガ
ス供給配管に連通させ、前記ガス流路を減圧させるため
の減圧吸引器を前記ガス流路に繋がるガス排気配管に連
通させ、前記減圧吸引器により前記ガス流路を減圧させ
て前記電解質供給容器からの補給用の電解質を前記ガス
流路に流入させ、前記電解質の充填補給するようにした
ことを特徴とする溶融炭酸塩型燃料電池の電解質補給方
法。
【請求項９】前記溶融炭酸塩型燃料電池内の電解質の
補給が過剰であるときは、前記電解質の充填補給後、前
記溶融炭酸塩型燃料電池を発電状態とし、前記アノード
電極には水素を主成分とする燃料ガスを供給し、前記カ
ソード電極には空気あるいは酸素のいずれかを供給し、
発電を行いながら前記溶融炭酸塩型燃料電池内の過剰な
電解質量の調整をするようにしたことを特徴とする請求
項１０に記載の溶融炭酸塩型燃料電池の電解質補給方
法。