JPH09115539A - 積層燃料電池の電解質補給装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】各単位セルの電解質の消失量に見合う適量の電
解質を過不足なく長期間連続して自動供給できる積層燃
料電池の電解質補給装置を提供する。 【解決手段】積層燃料電池１の運転温度がほぼ等しい複
数の単位セル２を１ブロックとして各単位セルの溝付き
リザーバ板８に吐出端が連結され，吸入端が電解質貯蔵
タンク３１に連結された複数条の補給チューブ３２と、
この複数の補給チューブの中間に連結されて電解質補給
量を制御する可変速ポンプ３３と、前記運転温度に相応
した単位セルの電解質消失量データを発電量の関数とし
て記憶し，外部発電量指令に基づきこれに相応した電解
質消失量データ３４Ｓを出力する消失量演算部３４と、
この出力電解質消失量データに基づき可変速ポンプの回
転数を制御するポンプ速度制御部３５とを備え、ポンプ
速度によって補給量が決まる電解質をブロック内単位セ
ルに常時補給する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、電解質を保持す
る溝付きリザーバ板を備えた単位セルの積層体からなる
積層燃料電池において、運転時間の経過とともに減少す
る電解質を、その減少速度に合わせて外部から補給する
電解質補給装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池の場合、その発電反応は水素と
酸素が反応して水と電子を生成する反応であり、例えば
りん酸型燃料電池の場合１９０°C 程度の運転温度を保
持して発電が行われることにより、電極触媒層で生成し
た水が水蒸気となって電極基材を透過して反応ガス通路
内に放出され、反応を終わったオフガスとともに系外に
排出される。このとき、マトリックスに保持されたりん
酸は運転温度に相応した一定の蒸気圧示すため、電極触
媒層で生成した水が水蒸気化する際、微量のりん酸蒸気
を巻き込んだ状態で電極基材を透過して反応ガス通路に
放出され、反応を終わったオフガスと共に系外に排出さ
れる。このため、運転時間の経過とともにマトリックス
が保持するりん酸が徐々に減少し、これが原因で燃料電
池の内部抵抗が上昇して出力電圧が低下するとともに、
遂には反応ガスが直接反応して電池を損傷するという事
態に進展する可能性がある。そこで、電解質の消失によ
りマトリックス中で不足する電解質を補給する電解質補
給装置を備えた積層燃料電池が知られている。また、電
解質補給装置としては、電解質を保持する電解質リザー
バーを単位セル内に設ける内部補給方式と、積層燃料電
池の外部に設けた電解質貯蔵タンクから電解質を補給す
る外部補給方式、および両者を併用した方式などが知ら
れている。さらに、外部補給方式は、定量ポンプを用い
る方式と、電解質補給タンクを用いた水頭差方式とに大
別され、水頭差方式では単位セルと電解質補給タンクと
を結ぶ電解質の補給経路について幾つかのアイデアが提
案されている。

【０００３】図７は従来の積層燃料電池の電解質補給装
置をりん酸型燃料電池を例に模式化して示すシステム構
成図であり、積層燃料電池１は、複数層の単位セル２
と、ガス不透過性のセパレ−ト板６との積層体（セルス
タック）として構成される。単位セル２は、多孔質の絶
縁材に電解質としての例えばりん酸９を含浸したマトリ
ックス３を挟んで、燃料電極４および酸化剤電極（空気
電極）５を積層したものからなり、両電極の電極触媒層
を支持する電極基材には互いに直交する方向に反応ガス
通路４Ａ，５Ａが形成され、４Ａ側に燃料ガス，５Ａ側
に反応空気を供給することにより、一対の電極４，５間
で電気化学的電極反応に基づく発電が行われる。

【０００４】また、積層燃料電池１の各単位セル２の両
方の電極，あるいはいずれか一方の電極（図の場合燃料
電極４）にはマトリックス３に連通する電解質の補給通
路７が形成される。そして、この補給通路７を電解質の
リザーバーとして、補給通路７に吐出端１１Ｂが連通し
た電解質の補給管１１と、この補給管１１の吸入端１１
Ａ側に連結された電解質補給タンク１２とで構成される
電解質補給装置１０を設けてマトリックスで不足した電
解質を補充するよう構成されている。また、電解質補給
タンク１２内には複数の補給管１１に対応して異なる高
さ位置に電解質溜め１３Ａ，１３Ｂ等が設けられ、電解
質タンク１２の上部に連結された図示しない電解質貯蔵
タンクから供給される電解質９が各電解質溜めを１３
Ａ，１３Ｂの順で満たして順次オ−バ−フロ−すること
により、各電解質溜めの液面高さと、これに補給管を介
して連通する単位セルのマトリックス３の高さとの間に
高さＨなるレベル差が保持される。

【０００５】したがって、このように構成された水頭差
方式の電解質補給装置１０によれば、補給管をサイホン
状に湾曲させ、高度差Ｈに相応する水頭差で決まる流量
の電解質９を電解質溜め１３から各単位セル２に定量的
に補給し、マトリックス３内で不足する電解質９を補給
することができる。また、補給管１１の長さ方向の全域
に渡って電解質に対して親水性を有する導電性繊維１５
を充填し、その毛細管現象を利用して電解質の移送を行
うことにより、補給管１１内での電解質９の液切れを防
止した電解質補給装置も知られている（特開昭６１−１
０７６６７号公報）。

【０００６】また、補給管１１内の液切れ防止手段とし
ての親水性の繊維充填材１５を、電解質溜め１３の液面
より低い補給管吐出側の部分を残して補給管内に充填す
るよう構成し、サイホン状の補給管の立ち上がり部分で
は充填された親水性の繊維質充填材１５の毛細管現象に
よる吸い上げ作用により液切れを生ずることなく補給管
１１内に電解質を移送させ、繊維質充填材が充填されて
いない補給管の吐出端１１Ｂに近い立ち下がり部分では
この部分を満たす電解質の水頭差により低抵抗で電解質
を補給通路７内に移送するようにした電解質補給装置も
提案されている（特開平６−３６７８７号公報）。

【０００７】図８は異なる従来の積層燃料電池の電解質
補給装置をりん酸型燃料電池を例に模式化して示すシス
テム構成図である。図において、電解質としてのりん酸
を保持するマトリックス３と、これを挟持する燃料電極
４および酸化剤電極５の積層体からなるりん酸型燃料電
池の単位セル２は、一対の電極４および５がそれぞれ電
極触媒層と、電極触媒層を支持する平板状の多孔質炭素
基材からなる電極基材とで構成され、電極基材にリブ部
分が密接して電極基材との間に反応ガス通路４Ａ，５Ａ
を形成する溝付きの多孔質炭素基材からなる一対の溝付
きリザーバ板８を備え、この溝付きリザーバ板８には予
めりん酸が含浸される。また、溝付きリザーバ板８を備
えた単位セル２はガス不透過性の炭素板からなるセパレ
ート板６を介在させた状態で複数層積層されることによ
り、所望の出力電圧の積層燃料電池（スタック）１が形
成される。

【０００８】積層燃料電池１の外部から電解質を補給す
る電解質補給装置２０は、電解質補給タンク１２と、積
層燃料電池１の各単位セル２のリブ付きリザーバ板８と
補給タンク１２とを連結する導液部１４とで構成され、
導液部１４の一方の端部がリブ付きリザーバ板２１と一
定長さ密接した連結部２４を形成するとともに、他方端
が補給タンク１２の電解質溜め１３Ａ，１３Ｂ等１３の
液面上から液状の電解質９内に挿入される。ここで、リ
ブ付きリザーバ板８は単位セル２の燃料電極４または空
気電極５に接する側に反応ガス通路４Ａまたは５Ａを有
する多孔質カーボン材で構成され、また、導液部１４も
リブ付きリザーバ板８と同じ材質と製造条件で製作され
た多孔質カーボン材で構成されることにより、りん酸９
に対してリブ付きリザーバ板２１とほぼ等しい毛管力を
持つ導液部１４が形成されており、これにより水頭差Ｈ
によって決まる補給量の電解質を各単位セルに均等に供
給するようにした電解質補給装置が提案されている（特
願平７−１７８３３４号）。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】図９は一般的な積層燃
料電池の構成およびその温度分布を示す説明図である。
図において、積層燃料電池１は所定の運転温度（例えば
りん酸形燃料電池では１９０°Ｃ程度）を保持して発電
運転を行うために、図の場合５層の単位セル２をブロッ
クとして各ブロック間に冷却板１７が積層され、冷却板
に埋め込まれた冷却パイプ１８に所定の温度の冷却媒体
を通流して冷却するよう構成される。ところが、冷却板
１７に接した単位セル２Ｂの運転温度Ｔ_L と、ブロック
の中央に位置する単位セル２Ａの温度Ｔ_H との間には通
常１０°Ｃを越える温度差が存在する。ところで、各単
位セルのマトリックスに含浸，保持された電解質は、運
転温度に相応した一定の蒸気圧を示し、かつマトリック
スからの電解質の消失量も前記蒸気圧に比例して増加す
るため、高温単位セル２Ａで電解質の消失量が多く、低
温単位セル２Ｂで消失量が少ないという電解質消失量の
不均等分布が発生する。また、電解質の消失量は反応ガ
ス通路における反応ガスの流速によっても影響され、運
転中、流速の高い高出力運転中は電解質の消失量が増加
し，低出力運転中は電解質消失量が減少するという変動
が繰り返される。

【００１０】ところが、定量ポンプを用いた従来の電解
質補給装置、あるいは図７に示す従来の電解質補給装置
では、積層燃料電池の温度分布や発電量の変化に係わり
なく各単位セルに均等に電解質を補給するよう構成され
ているため、電解質消失量の多い高温単位セル２Ａでは
電解質不足により発電性能が低下するという事態が発生
し易くなる。また、電解質消失量の少ない低温単位セル
２Ｂでは電解質が過剰に供給され、余剰な電解質が電極
基材や反応ガス通路に溢れ出して電極触媒層への反応ガ
スの透過を阻害するために発電性能が低下するという事
態が生じ易くなり、かつ、この状態が発電量の変化に対
応して変動するためマトリックスが保持する電解質量の
過不足状態は複雑に変動し、発電性能が不安定になる。

【００１１】一方、図８に示す従来の電解質補給装置で
は、溝付きリザーバ板と導液部の毛管力をほぼ等しくし
たことにより、両者の電解質保持量を互いに等しい平衡
状態に保よう、マトリックスの電解質消失量に相応した
電解質が溝付きリザーバ板に供給される。しかしなが
ら、運転中電解質を補給することによって電解質溜め内
の電解質貯留量が低下するので、この低下を補うために
図示しない電解質貯蔵タンクから電解質溜めに電解質を
補充する必要がある。ところが、複数の単位セルの運転
温度が互いに異なるため、複数の電解質溜め間で電解質
の低下速度が異なり、電解質の補充タイミングも異なる
ため複数の電解質溜めに電解質を補充する保守作業が煩
雑化するという問題がある。

【００１２】この発明の課題は、各単位セルの電解質の
消失量に見合う適量の電解質を過不足なく長期間連続し
て自動供給できる積層燃料電池の電解質補給装置を提供
することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】前述の課題を解決するた
めに、請求項１に記載の発明は、電解質を保持するマト
リックス，これを挟持する燃料電極，酸化剤電極，前記
各電極との間に反応ガス通路を形成しかつ電解質を保持
する溝付きリザーバ板を有する単位セル複数層の積層体
からなる積層燃料電池に連結され、運転中前記マトリッ
クスで不足する電解質を外部に設けた電解質貯蔵タンク
から補給する電解質補給装置において、運転温度がほぼ
等しい複数の前記単位セルを１ブロックとしてそれぞれ
の単位セルの溝付きリザーバ板に吐出端が連結され，吸
入端が前記電解質貯蔵タンクに連結された複数条の補給
チューブと、この複数の補給チューブの中間に連結され
て電解質補給量を制御する可変速ポンプと、前記運転温
度に相応した前記単位セルの電解質消失量データを発電
量の関数として記憶し，外部発電量指令に基づきこれに
相応した電解質消失量データを出力する消失量演算部
と、この出力電解質消失量データに基づき前記可変速ポ
ンプの回転数を制御するポンプ速度制御部とを備え、ポ
ンプ速度によって補給量が決まる電解質をブロック内単
位セルに常時補給する。

【００１４】ここで、請求項２に記載の発明は、請求項
１に記載の燃料電池の電解質補給装置において、補給チ
ューブがフレキシブルチューブからなり、可変速ポンプ
が前記フレキシブルチューブを局部的に圧縮する位置の
移動速度により電解質の吐出量を制御するチューブポン
プとすると良い。また、請求項３に記載の発明は、請求
項１に記載の積層燃料電池の電解質補給装置において、
運転温度が互いに異なる単位セルブロック毎に、複数条
の補給チューブ、可変速ポンプ、消失量演算部、および
ポンプ速度制御部を別系統として設け、前記各系統の消
失量演算部に当該単位セルブロックの運転温度に相応し
た電解質消失量データを発電量の関数として記憶させる
と良い。

【００１５】請求項４に記載の発明は、電解質を保持す
るマトリックス，これを挟持する燃料電極，酸化剤電
極，および前記各電極との間に反応ガス通路を形成しか
つ電解質を保持する溝付きリザーバ板を有する単位セル
複数層の積層体からなる積層燃料電池に連結され、運転
中前記マトリックスで不足する電解質を外部に設けた電
解質貯蔵タンクから前記溝付きリザーバ板を介して補給
する電解質補給装置において、前記電解質貯蔵タンクの
出口弁と、この出口弁から流下する電解質を受けて一定
量の電解質をそれぞれ貯留する複数の電解質溜めを有す
る電解質補給タンクと、運転温度がほぼ等しい複数の前
記単位セルを１ブロックとしてそれぞれの単位セルの溝
付きリザーバ板に吐出端が連結され，吸入端が前記複数
の電解質溜めに液面上からそれぞれ挿入され，かつリブ
付きリザーバ板と同程度の毛管力を有する多孔質材から
なる複数条の導液部と、前記ブロック内単位セルの運転
温度に相応した電解質消失量データを発電量の関数とし
て記憶し，外部発電量指令に基づきこれに相応した電解
質消失量データを出力する消失量演算部と、この出力電
解質消失量データの積算値を求める消失量積算部と、こ
の消失量積算値が前記電解質溜めの貯留電解質量に到達
したとき前記出口弁に向けて一定時間開度指令を発する
弁開閉制御部とを備える。

【００１６】ここで、請求項５に記載の発明は、請求項
４に記載の積層燃料電池の電解質補給装置において、運
転温度が互いに異なる単位セルブロック毎に、電解質貯
蔵タンクの出口弁、複数の電解質溜めを有する電解質補
給タンク、複数条の導液部、消失量演算部、消失量積算
部、および弁開閉制御部を別系統として設け、各系統の
消失量演算部に当該単位セルブロックの運転温度に相応
した電解質消失量データを発電量の関数として記憶させ
ると良い。

【００１７】請求項１に記載の発明では、消失量演算部
に所定の運転温度における単位セルの電解質消失量デー
タを発電量の関数として記憶させておけば、外部発電量
指令に基づきこれに相応した電解質消失量データが出力
される。この電解質消失量データはポンプ速度制御部で
可変速ポンプの回転数制御出力に変換される。この回転
数制御出力により可変速ポンプの回転数が発電量に追従
して変化する電解質消失量データに比例制御される。し
たがって、上記複数条の補給チューブの吐出端を上記所
定温度にほぼ等しい運転温度の単位セルそれぞれの溝付
きリザーバ板に連結しておくことにより、これに連結さ
れたブロック内単位セルに電解質消失量に対応し、かつ
発電量に応じて変化する適量の電解質が過不足なく連続
供給される。

【００１８】ここで、請求項２に記載の発明のように、
補給チューブを例えばフッ素樹脂チューブのような耐り
ん酸性を有するフレキシブルチューブとし、可変速ポン
プにチューブポンプを用いれば、信頼性の高い電解質補
給装置が容易に得られる。また、請求項３に記載の発明
のように、運転温度が互いに異なる複数の単位セルブロ
ック毎に電解質補給装置を別系統として設け、各系統の
消失量演算部に当該単位セルブロックの運転温度に相応
した電解質消失量データを発電量の関数として記憶させ
るようにすれば、各ブロック内単位セルに運転温度に相
応した量の電解質が発電量に追従して各系統の電解質補
給装置から過不足なく自動供給される。

【００１９】一方、請求項４に記載の発明では、溝付き
リザーバ板と導液部の毛管力をほぼ等しくしたことによ
り、両者の電解質保持量を互いに等しい平衡状態に保つ
よう、導液部がその毛管力により電解質溜め内の電解質
を吸収する。従って、マトリックスの電解質消失量に相
応する電解質がブロック内単位セルに供給される。ま
た、この補給量は請求項１と同様に構成された消失量演
算部で演算され、その出力電解質消失量データが消失量
積算部で積算されることにより、単位セルで不足する電
解質を電解質溜めから補給することによって電解質溜め
に生ずる電解質量の低下が把握される。そこで、電解質
消失量の積算値（言い換えれば電解質溜めの電解質減
量）が電解質溜めの電解質保持量に到達したとき、電解
質貯蔵タンクの出口弁を開く指令を弁開閉制御部が発す
ることにより、電解質補給タンク内の複数の電解質溜め
には電解質が満たされ、引き続きブロック内単位セルの
電解質消失量に相応する電解質が過不足なく長期間連続
して供給される。

【００２０】ここで、請求項５に記載の発明では、請求
項４と同様に構成された積層燃料電池の複数の電解質補
給装置を、運転温度が互いに異なる単位セルブロック毎
に別系統として設け、各系統の消失量演算部に当該単位
セルブロックの運転温度に相応した電解質消失量データ
を発電量の関数として記憶させることにより、各ブロッ
ク内単位セルに運転温度に相応した量の電解質が発電量
に追従して過不足なく供給される。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下この発明を実施例に基づいて
説明する。なお、従来例と同じ参照符号を付けた部材は
従来例のそれと同じ機能をもつので、その説明を省略す
る。図１はこの発明の積層燃料電池の電解質補給装置の
一実施例をりん酸型燃料電池を例に簡略化して示すシス
テム構成図である。図において、電解質としてのりん酸
９を保持するマトリックス２，これを挟持する燃料電極
４および酸化剤電極５，両電極４，５との間に反応ガス
通路を形成しかつりん酸９を保持する燃料電極側の溝付
きリザーバ板８Ｆおよび酸化剤電極側の溝付きリザーバ
板８Ａを有する単位セル２は、層間にガス不透過性のセ
パレート板６を介在させて複数層積層されることにより
積層燃料電池１が形成される。電解質補給装置３０は、
吸入端が電解質貯蔵タンク３１に連結された複数条の補
給チューブ３２と、この複数の補給チューブの中間に連
結されて電解質補給量を制御する可変速ポンプとしての
例えばチューブポンプ３２と、外部発電指令に基づいて
チューブポンプ３２の回転速度（吐出量）を制御する消
失量演算部３４およびポンプ速度制御部３５とで構成さ
れ、補給チューブ３２の吐出端は積層燃料電池１の運転
温度がほぼ等しい複数の単位セルを１ブロックとしてそ
れぞれの単位セルの例えば燃料電極側の溝付きリザーバ
板８Ｆに、例えば燃料ガス通路４Ａの一部などを利用し
て連結される。

【００２２】図２は図１に示す実施例において消失量演
算部に予め記憶される電解質消失量データを示す特性線
図である。図において、単位セル２の単位時間当たりの
りん酸消失量は運転温度によって決まるりん酸の蒸気圧
と、発電量によって決まる反応ガス流量との関数として
算式を用いて求めることが可能であり、図に示すよう
に、例えば高温単位セル，低温単位セル，および中温単
位セルそれぞれに傾きの異なる電解質消失量−発電量特
性として消失量演算部３４に記憶させ、外部発電量指令
に対応した電解質消失量データ３４Ｓを取り出すことが
できる。

【００２３】また、実用規模の電極面積を有する複数の
単位セルを分解可能に積層した積層燃料電池モデルを用
い、その運転温度および発電量の組み合わせを変えて一
定時間運転する度に積層燃料電池モデルを分解して単位
セル重量を秤量し、単位セル重量の変化から所定の運転
温度に対応する電解質消失量−発電量特性を実験式とし
てまとめることも可能であり、高い精度で電解質消失量
を把握できる。

【００２４】実施例では、消失量演算部３４に所定の運
転温度における単位セルの電解質消失量データを所定の
算式または実験式の形で発電量の関数として記憶させて
おき、外部発電量指令に基づきこれに相応した電解質消
失量データ３４Ｓを出力するよう構成した。この電解質
消失量データ３４Ｓはポンプ速度制御部３５でチューブ
ポンプ３３の回転数制御出力３５Ｓに変換され、この回
転数制御出力３５Ｓにより可変速ポンプの回転数が発電
量に追従して変化する電解質消失量データに比例制御さ
れる。したがって、複数条の補給チューブ３２の吐出端
を上記所定温度にほぼ等しい運転温度の単位セルそれぞ
れの溝付きリザーバ板８Ｆに連結しておくことにより、
これに連結されたブロック内単位セルに電解質消失量に
対応し、かつ発電量に応じて変化する適量の電解質が溝
付きリザーバ板８Ｆを介してマトリックス３に過不足な
く連続して自動供給される。

【００２５】図３は図１に示す電解質補給装置の冷却板
を備えた積層燃料電池への適用状態を模式化して示す構
成図である。図において、積層燃料電池１には５層の単
位セル毎に冷却板１７が積層され、その冷却パイプ１８
に所定温度の冷却媒体を通流して発電生成熱の排熱を行
うよう構成される。ところが、図９について既に説明し
たように、高温単位セル２Ａと低温単位セル２Ｂとの間
には１０°Ｃを越える運転温度の差が存在する。そこ
で、積層燃料電池１を高温単位セルブロック，中温単位
セルブロック，および低温単位セルブロックに区分し、
各ブロック内単位セルに補給チューブ３２を介して電解
質補給装置３０を別系統として設け、それぞれの電解質
補給装置３０の図示しない消失量演算部にＴ_H,Ｔ_L 等そ
れぞれの運転温度に対応した電解質消失量データを発電
量の関数として記憶させるよう構成した。

【００２６】このように構成した電解質補給装置を備え
た積層燃料電池では、各ブロック内単位セルに運転温度
に相応した量の電解質が発電量に追従して過不足なく供
給されることになり、高温単位セルで電解質不足を生じ
たり，あるいは低温単位セルで余剰電解質により反応ガ
スの供給障害を生ずるなどの従来技術の問題点が排除さ
れ、これらの障害を生ずることなく長期間安定運転でき
る信頼性の高い積層燃料電池が得られる。

【００２７】図４は図１に示す電解質補給装置を積層燃
料電池モデルに連結して得られた単位セルのりん酸保持
量と運転時間との関係を示す特性線図であり、電極面積
０．２ｍ² の単位セル２０層の積層体からなり、単位セ
ル５層毎に冷却板を有する積層燃料電池モデルを図３に
示すように高温単位セルブロック，中温単位セルブロッ
ク，および低温単位セルブロックに区分し、それぞれの
ブロックに電解質補給装置３０を設けた状態で一定温度
で発電運転し、一定時間運転する毎に積層燃料電池モデ
ルを分解して単位セル重量を秤量し、得られたりん酸の
減少量を最初に含浸したりん酸量を１としてその百分率
で示したものである。図から明らかなように、ブロック
内単位セルのりん酸保持量は運転時間１００時間から１
００００時間に渡り、初期含浸時の１００％を中心に上
下数％の範囲に分布しており、実施例になる電解質制御
装置によって、各単位セルブロックの運転温度に対応す
る電解質消失量に相当するりん酸が過不足なく補給され
ていることが分かる。

【００２８】図５はこの発明の異なる実施例になる積層
燃料電池の電解質補給装置をりん酸型燃料電池を例に模
式化して示すシステム構成図である。図において、電解
質補給装置４０は、電解質としてのりん酸９を貯蔵する
電解質貯蔵タンク３１およびその出口弁４１と、この出
口弁４１から流下する電解質９を受けて一定量の電解質
をそれぞれ貯留する複数の電解質溜め１３Ａ，１３Ｂ等
１３を有する電解質補給タンク１２と、運転温度がほぼ
等しい複数の単位セル２を１ブロックとしてそれぞれの
単位セルの溝付きリザーバ板に吐出端が連結され，吸入
端が複数の電解質溜めに液面上からそれぞれ挿入された
複数条の導液部１４と、，ブロック内単位セルの運転温
度に相応した電解質消失量データを発電量の関数として
記憶し，外部発電量指令に基づきこれに相応した電解質
消失量データ４２Ｓを出力する消失量演算部４２と、こ
の出力電解質消失量データ４２Ｓの積算値４３Ｓを求め
る消失量積算部４３と、この消失量積算値４３Ｓが電解
質溜め１３の貯留電解質量に到達したとき出口弁４１に
開度指令を発する弁開閉制御部４４とで構成される。

【００２９】ここで、複数条の導液部１４はリブ付きリ
ザーバ板と同程度の毛管力を有する多孔質材、例えば同
じ材質と製造条件で製作された多孔質カーボン材で構成
される。このとき、電解質溜め１３の液面上に露出する
導液部２１の高さｏｈを、毛管力による吸い上げ高さよ
りなるべく低く抑えることによりりん酸の移送が円滑化
される。また、溝付きリザーバ板との水頭差Ｈを毛管力
による吸い上げ高さより大きくすると、導液部１４がそ
の外周面から外気を吸い込んで液切れの発生原因となる
ので、水頭差Ｈも毛管力による吸い上げ高さと同等以下
とするとよい。このようにすると、導液部がその毛管力
によって電解質の補給タンクから吸い上げた電解質は、
導液部の電解質保持量がリブ付きリザーバ板の電解質保
持量とほぼ等しい値に平衡するようリブ付きリザーバ板
に向けて移送される。このとき、運転温度がほぼ等しい
ブロック内単位セルのマトリックスでは積層燃料電池の
発電量に比例した量の電解質が消失するが、この消失分
が溝付きリザーバ板から補給され、溝付きリザーバ板で
の電解質保持量の低下分がこれと平衡関係にある導液部
を介して電解質供給装置から供給される。したがって、
水頭差を利用した従来の電解質補給装置と異なり、導液
部での液切れや、過剰供給による反応ガスの通流障害な
どのトラブルを生ずることなく、各単位セルのりん酸の
消失量に対応したりん酸を安定供給して燃料電池の発電
性能を安定して維持できる利点が得られる。なお、導液
部１４にはその表面を外気から遮断する被覆層を設ける
よう構成されてよい。

【００３０】一方、導液部１４の毛管力による電解質９
の補給量は請求項１と同様に構成された消失量演算部４
２で外部発電量指令の関数として演算され、その出力電
解質消失量データ４２Ｓが消失量積算部４３で積算され
ることにより、電解質溜め１３が貯留する電解質量の低
下が把握される。そこで、電解質消失量の積算値が電解
質溜めの電解質保持量に到達したことを弁開閉制御部４
４が検知して電解質貯蔵タンク３１の出口弁４１を開く
ことにより、電解質補給タンク内の複数の電解質溜め１
３Ａ，１３Ｂ等には自動的に電解質が補充され、引き続
きブロック内単位セルの電解質消失量に相応する電解質
を過不足なく連続して長期間自動供給できる利点が得ら
れる。

【００３１】この実施例になる電解質補給装置４０を、
図４に示したと同様に積層燃料電池１の運転温度が互い
に異なる単位セルブロック毎に別系統として設け、各系
統の消失量演算部に当該単位セルブロックの運転温度に
相応した電解質消失量データを発電量の関数として記憶
させることにより、各ブロック内単位セルに運転温度に
相応した量の電解質が発電量に追従して過不足なく供給
できる利点が得られる。なお、この場合各系統の電解質
補給装置４０は、それぞれの電解質補給タンク１２が内
包する複数の電解質溜め１３Ａ，１３Ｂ等１３の容積
（電解質有効貯留量）を単位セルブロックの運転温度に
対応して、高温単位セルブロックで大きく，低温単位セ
ルブロックで小さく形成するようにすれば、電解質の補
充周期を複数の電解質補給装置間でほぼ一致させること
が可能であり、電解質補給タンク１２を各系統共通に一
体化して装置の構成を簡素化できるとともに、消失量演
算部，消失量積算部，弁開閉制御部，および出口弁をも
共用化して装置の構成を簡素化できる利点が得られる。

【００３２】図６は図５に示す電解質補給装置を積層燃
料電池モデルに連結して得られた単位セルのりん酸保持
量と運転時間との関係を示す特性線図であり、図５に示
す積層燃料電池モデル４０を用いた以外は図４と同じ実
験条件で各ブロック内単位セルのりん酸保持量を測定し
た。図から明らかなように、各ブロック内単位セルのり
ん酸保持量は運転時間１００時間から１００００時間に
渡り、初期含浸時の１００％を中心に上下数％の範囲に
分布しており、実施例になる電解質制御装置４０によっ
ても、各単位セルブロックの運転温度に対応する電解質
消失量に相当するりん酸が過不足なく補給されているこ
とが分かる。

【００３３】

【発明の効果】この発明の積層燃料電池の電解質補給装
置は前述のように、積層燃料電池の互いに運転温度がほ
ぼ等しい複数の単位セルを１ブロックとして各単位セル
の溝付きリザーバ板に吐出端が連結された複数条の補給
チューブおよび可変速ポンプを用い、この可変速ポンプ
の回転数を前記運転温度および発電量に相応して予め決
まる電解質消失量データに基づいて制御するよう構成し
た。その結果、運転温度がほぼ等しいブロック内単位セ
ルで発電量に追従して発生する電解質消失量に比例した
電解質を、過不足なく連続して自動供給できる電解質補
給装置を備えた燃料電池を提供することができる。

【００３４】また、運転温度が互いに異なる複数の単位
セルブロック毎に電解質補給装置を別系統として設け、
各系統の消失量演算部に当該単位セルブロックの運転温
度に相応した電解質消失量データを発電量の関数として
記憶させるようにすれば、運転温度が異なるブロック内
単位セルに運転温度に相応した量の電解質が発電量に追
従して過不足なく自動供給されることになり、積層燃料
電池内の運転温度分布や発電量に関係なく一定量の電解
質を常時供給する従来の電解質補給装置で問題になった
高温単位セルでの電解質不足や低温単位セルでの電解質
の過剰供給が排除され、これらに起因する発電性能の低
下を生ずることなく電解質の不足分を安定供給できる電
解質補給装置を備えた燃料電池を提供することができ
る。

【００３５】一方、積層燃料電池の互いに運転温度がほ
ぼ等しい複数の単位セルを１ブロックとし、これらブロ
ック内単位セルの溝付きリザーバ板と電解質補給タンク
の電解質溜めとの間を結ぶ導液部に、毛管力がリブ付き
リザーバ板のそれとほぼ等しい多孔質材を用いるよう構
成した。その結果、リブ付きリザーバ板およびと導液部
が互いにほぼ等しい電解質保持率の平衡状態を保持し、
単位セルで発電量の変化に追従して発生する電解質の消
失量を補給するので、水頭差方式の従来の電解質補給装
置で問題になった電解質の液切れや過剰補給による反応
ガスの通流障害を生ずることなく電解質の不足分を安定
供給できる電解質補給装置を備えた燃料電池を提供する
ことができる。また、ブロック内単位セルの運転温度お
よび発電量に相応して予め決まる電解質消失量の積算値
に基づいて電解質貯蔵タンクの出口弁を開閉するように
したので、電解質の補給により電解質溜めで生ずる電解
質量の低下を逐次把握し、各電解質溜めの貯留電解質量
が零になる前に電解質を補充することが可能になり、電
解質の補充が自動化され、ブロック内単位セルへの電解
質の補給を長期間安定して連続的に行える電解質補給装
置を備えた燃料電池を提供することができる。

【００３６】ここで、運転温度が互いに異なる複数の単
位セルブロック毎に電解質補給装置を別系統として設
け、各系統の消失量演算部に当該単位セルブロックの運
転温度に相応した電解質消失量データを発電量の関数と
して記憶させるようにすれば、運転温度が異なるブロッ
ク内単位セルに運転温度に相応した量の電解質が発電量
に追従して過不足なく供給されることになり、積層燃料
電池内の運転温度分布や発電量に関係なく一定量の電解
質を常時供給する水頭差方式の従来の電解質補給装置で
問題になった高温単位セルでの電解質不足や低温単位セ
ルでの電解質の過剰供給が排除され、これらに起因する
発電性能の低下を生ずることなく電解質の不足分を安定
供給できる電解質補給装置を備えた燃料電池を提供する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の積層燃料電池の電解質補給装置の一
実施例をりん酸型燃料電池を例に簡略化して示すシステ
ム構成図

【図２】図１に示す実施例において消失量演算部に予め
記憶される電解質消失量データを模式化して示す特性線
図

【図３】図１に示す電解質補給装置の冷却板を備えた積
層燃料電池への適用状態を模式化して示す構成図

【図４】図１に示す電解質補給装置を積層燃料電池モデ
ルに連結して得られた単位セルのりん酸保持量と運転時
間との関係を示す特性線図

【図５】この発明の異なる実施例になる積層燃料電池の
電解質補給装置をりん酸型燃料電池を例に模式化して示
すシステム構成図

【図６】図５に示す電解質補給装置を積層燃料電池モデ
ルに連結して得られた単位セルのりん酸保持量と運転時
間との関係を示す特性線図

【図７】従来の積層燃料電池の電解質補給装置をりん酸
型燃料電池を例に模式化して示すシステム構成図

【図８】異なる従来の積層燃料電池の電解質補給装置を
りん酸型燃料電池を例に模式化して示すシステム構成図

【図９】一般的な積層燃料電池の構成およびその温度分
布を示す説明図

【符号の説明】

１ 積層燃料電池 ２ 単位セル ３ マトリックス ４ 燃料電極 ５ 酸化剤電極 ６ セバレート板 ８ 溝付きリザーバ板 ９ 電解質（りん酸） １０ 電解質補給装置 １１ 補給管 １２ 電解質補給タンク １３ 電解質溜め １４ 導液部 １５ 親水性繊維 １７ 冷却板 ２０ 電解質補給装置 ３０ 電解質補給装置 ３１ 電解質貯蔵タンク ３２ 補給チューブ ３３ 可変速ポンプ（チューブポンプ） ３４ 消失量演算部 ３５ ポンプ速度制御部 ４０ 電解質補給装置 ４１ 出口弁 ４２ 消失量演算部 ４３ 消失量積算部 ４４ 弁開閉制御部

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電解質を保持するマトリックス，これを挟
   持する燃料電極，酸化剤電極，前記各電極との間に反応
   ガス通路を形成しかつ電解質を保持する溝付きリザーバ
   板を有する単位セル複数層の積層体からなる積層燃料電
   池に連結され、運転中前記マトリックスで不足する電解
   質を外部に設けた電解質貯蔵タンクから補給する電解質
   補給装置において、運転温度がほぼ等しい複数の前記単
   位セルを１ブロックとしてそれぞれの単位セルの溝付き
   リザーバ板に吐出端が連結され，吸入端が前記電解質貯
   蔵タンクに連結された複数条の補給チューブと、この複
   数の補給チューブの中間に連結されて電解質補給量を制
   御する可変速ポンプと、前記運転温度に相応した前記単
   位セルの電解質消失量データを発電量の関数として記憶
   し，外部発電量指令に基づきこれに相応した電解質消失
   量データを出力する消失量演算部と、この出力電解質消
   失量データに基づき前記可変速ポンプの回転数を制御す
   るポンプ速度制御部とを備え、ポンプ速度によって補給
   量が決まる電解質をブロック内単位セルに常時補給する
   ことを特徴とする積層燃料電池の電解質補給装置。
2. 【請求項２】請求項１に記載の燃料電池の電解質補給装
   置において、補給チューブがフレキシブルチューブから
   なり、可変速ポンプが前記フレキシブルチューブを局部
   的に圧縮する位置の移動速度により電解質の吐出量を制
   御するチューブポンプであることを特徴とする積層燃料
   電池の電解質補給装置。
3. 【請求項３】請求項１に記載の積層燃料電池の電解質補
   給装置において、運転温度が互いに異なる単位セルブロ
   ック毎に、複数条の補給チューブ、可変速ポンプ、消失
   量演算部、およびポンプ速度制御部を別系統として設
   け、前記各系統の消失量演算部に当該単位セルブロック
   の運転温度に相応した電解質消失量データを発電量の関
   数として記憶させたことを特徴とする積層燃料電池の電
   解質補給装置。
4. 【請求項４】電解質を保持するマトリックス，これを挟
   持する燃料電極，酸化剤電極，および前記各電極との間
   に反応ガス通路を形成しかつ電解質を保持する溝付きリ
   ザーバ板を有する単位セル複数層の積層体からなる積層
   燃料電池に連結され、運転中前記マトリックスで不足す
   る電解質を外部に設けた電解質貯蔵タンクから前記溝付
   きリザーバ板を介して補給する電解質補給装置におい
   て、前記電解質貯蔵タンクの出口弁と、この出口弁から
   流下する電解質を受けて一定量の電解質をそれぞれ貯留
   する複数の電解質溜めを有する電解質補給タンクと、運
   転温度がほぼ等しい複数の前記単位セルを１ブロックと
   してそれぞれの単位セルの溝付きリザーバ板に吐出端が
   連結され，吸入端が前記複数の電解質溜めに液面上から
   それぞれ挿入され，かつリブ付きリザーバ板と同程度の
   毛管力を有する多孔質材からなる複数条の導液部と、前
   記ブロック内単位セルの運転温度に相応した電解質消失
   量データを発電量の関数として記憶し，外部発電量指令
   に基づきこれに相応した電解質消失量データを出力する
   消失量演算部と、この出力電解質消失量データの積算値
   を求める消失量積算部と、この消失量積算値が前記電解
   質溜めの貯留電解質量に到達したとき前記出口弁に向け
   て一定時間開度指令を発する弁開閉制御部とを備えたこ
   とを特徴とする積層燃料電池の電解質補給装置。
5. 【請求項５】請求項４に記載の積層燃料電池の電解質補
   給装置において、運転温度が互いに異なる単位セルブロ
   ック毎に、電解質貯蔵タンクの出口弁、複数の電解質溜
   めを有する電解質補給タンク、複数条の導液部、消失量
   演算部、消失量積算部、および弁開閉制御部を別系統と
   して設け、各系統の消失量演算部に当該単位セルブロッ
   クの運転温度に相応した電解質消失量データを発電量の
   関数として記憶させたたことを特徴とする積層燃料電池
   の電解質補給装置。