JPS5861576A - 燃料電池装置およびその運転方法 - Google Patents

燃料電池装置およびその運転方法

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JPS5861576A
JPS5861576A JP57163295A JP16329582A JPS5861576A JP S5861576 A JPS5861576 A JP S5861576A JP 57163295 A JP57163295 A JP 57163295A JP 16329582 A JP16329582 A JP 16329582A JP S5861576 A JPS5861576 A JP S5861576A
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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】 本発明は燃料電池装置およびその運転方法に関し，％に
鍵料電池排出生成物を冷却し再循環させる方法および装
置に関するものである。
一般に堆積体として配列され九個々の燃料電池を複数個
備え、水素等の熔料および空気等の酸化剤を含むプロセ
ス反応剤を用いる燃料電池装置は，リン酸等の１！ｃ解
液により電気化学的反応をして電流を発生するものであ
る。この反応は発熱反応であり，熱をも発生し，水素お
よび酸素プロセス中の反応生成物には高温水蒸気が含ま
れている。電気化学的反応の熱は，電池温度が上昇して
電池部品を損傷させ装置の効率を下げることがないよう
に連続的に除去しなけれぱならない。
熱および水は一般に陰極に過剰空気を循環させるととく
よシ燃料電池堆積体から除去されていた。過剰空気は電
池を通過するとき加熱され湿度が高くなる。この過剰空
気は一般に熱交換器を通されて冷却され，別個の脱湿装
置内で脱湿される。熱交換および脱湿は別々に別個の装
置内で行なわれていた。過剰空気を冷却ループに循環さ
せるのにポンプあるいは送風機等の高温原動機が必要で
あつ之．特Ｋ装置圧力が高い場合には，原動機の大きさ
，複雑さおよび価格が，特Ｋ原動機が高温反応生成物に
直接曝される場合に装置全体の効率を決定する大きな要
素である． 最近，液体あるいは気体冷却剤を燃料電池堆積体の適当
な位置に循環させる冷却ループが提案されている。しか
しながらこの構成は大がかりな循環ポンプ装置と複雑な
気密マニフオールド装置を別に設けねばならない。
従って本発明の目的は，簡単な構成で効率を実質的に低
下させずに燃料電池堆積体から熱を効率的に除去する改
良された燃料電池装董を得ることである。
本発明はｗＩｆ１および塙他を有する燃料電池堆積体と
，七記陽極に水素含有燃料を供給する装置と，ヒ記陰極
に上記燃料に対する化学歓論酌量を越える址の酸素含有
酸化剤を供給する装置と，過燭酸化剤および水蒸気を含
む反応生成物をヒ記陰極から導出する装置とを備えた燃
料電池装置に於て，液体冷却剤注入器を有し．ｉれ縮減
部を通して上記反応生成物を冷却しかつ流す装置と，上
記流れ縮減部の下流に設けられ，蒸気の出口を有し，上
記冷却剤，上記酸化剤および水を蒸気と液体とに分離す
る装置と、上記出口および上記隘極を互いに接続する導
管とを備え、ト記冷却しかつ流す装置が上記蒸気を上記
導管を介してよ記鴎極に流すのに充分な圧力頭を発生さ
せることを特徴とする燃料電池装置に在る。
本発明の煽料′成池装置によれば，冷却および脱湿後に
反応生成物を燃料電池堆積体に戻す高温反応生成物循環
ループ内に大型ポンプ装置を設ける必要が軽減される。
望ましい実施例に於ては、空気等の過剰酸化剤および水
蒸気を含む反応生成物は電池堆積体からノズルに導出さ
れる。ノズルはベンチュリー管等の流れ縮減部に接続さ
れている。水であるのが望ましい液体冷却剤がノズルか
らベンチュリー管の喉部に注入゛される。ベンチュリー
管を流れる冷却剤の作用は反応生成物をノズルからベン
チュリー管を通るように引張ることである。このように
して冷却剤と反応生成物が混合され、高温水蒸気は冷却
剤の小滴上に凝縮する。ベンチュリーを通しての冷却剤
注入量は、分離装置下流および分離装置を燃料電池堆覆
体陰極領域に接続する導管を通して反応生成物の選択さ
れた部分を循環させるのに充分な圧力水頭と水蒸気の充
分な凝縮を得ることができるように選択される。
ベンチュリー管の下流での膨張後、混合された冷却剤、
過剰空気および反応生成水は受動的分離装置に通される
。分離装置は従来型のデミスタ−１分離器あるいはサイ
クロンで良い。分離装置内では更に凝縮し、液体は底部
に集められる０分離され虎気体、特に空気即ち酸素含有
普の多、ｂ気体は出口から排出され、導管を流れて望ま
しくは燃料電池堆積体の隔離要素Ｋｆｔ、れる。分離し
た液体は分離装置から排出され、従来型熱交遺器により
冷却され、ベンチュリー管に注入されるように注入装置
に再循環させられる。熱交換器内で凝縮した液体から除
去された熱は、プロセス加熱にあるいは他のエネルギー
利用装置に使用することがヤきる。装置圧力および酸化
剤含有量は小型の低温酸化剤圧縮機および反応生成物排
出口により制御できる。
次に添附図面に示す本発明の実施例に沿って本発明を説
明する。
第１図には燃料電池堆積体ＩＯの概略を示す。
一般的な林料′に池堆積体は、電気的に直列に接続され
て電解液により分離された複数の陽極ｌコおよ−び陰極
／ｌを備えている。図示の堆積体は、水素を含む燃料尋
の燃料を陽極側空間に循環させ、空気等の酸化剤を陰極
側空間に循環させる。またリン酸電解液を用いている。
電気化学的反応によシ直流電気エネルギー、熱、および
水蒸気が発生する。燃料源１６からは水素含有撚料を供
給し、空気等の酸化剤は酸化剤源／ｌから供給する。酸
化剤源／ｌは空気に作用する小型圧縮機／１を備えてい
る。水素含有撚料と反応するに必要な化学量論的量に対
して過剰な量の酸化剤が燃料電池堆積体く供給される。
過剰な酸化剤はこのようにして燃料電池堆積体ＩＯから
熱を除去する手段として作用して電池の損傷を軽減させ
る。
燃料源１４からの燃料は導管デを通って堆積体の陽極側
圧入る。反応生成物は、使用されなかった燃料および小
量の水蒸気を含み、導管−〇を通して燃料電池堆積体の
陽極側から排出される。空気は導管−一から陰極側に入
り、過剰空気および水蒸気を含む反応生成物は導管コ参
に排出される０本発明によれば、反応生成−の一部は導
管２１＋から循環器・冷却器−６に導出される。反応生
成物中の空気は循環器・冷却器コ４から導管コｔを通っ
て再循環して燃料電池堆積体ｌＯに戻る。酸化剤源ｉｔ
から導管３０を通して導管コｔＫ’！気を加えることも
できる。
運転圧力は、圧縮機／テ、制御弁３３を有する掛出口３
／、および従来型の監視制御装置（図示してない）によ
り維持される０図示のものでは約ｊθｐｓｉａ　（約３
．５〜／ｃｓ”絶対）に維持される。酸化剤源／ｌおよ
び排出口３１は共働して陰極反応生成物を排出して新鮮
な酸化剤を供給し、新鮮な酸化剤含有量に対する再循環
反応生成物の量の比が約３θ対／となるようＫする。
ｖ１環器・冷却器−４により補償される装置内の圧力降
下は、燃料電池堆積体１０内での水柱コ１ｎ乃至３１ｎ
（約ｊＱ１１乃至約７ｊ（ＩＩ）および接続導管内の水
柱数インチ（数ｌ）を含めて、水柱約ｔｉｎ（約／コ、
７１）である。
第１図に於て、陰極側から導管コダに排出された反応生
成皆は拡大して示したノズルココに向けられている。ノ
ズル３コはベンチュリー管７４１等の流れ縮減部に連通
している０ノズルココ内部では、注入器３４が望壕しく
け水である低温液体冷却剤をベンチュリー管、？＄に流
す。
注入器３４は導管ダ０を介して冷却剤ポンプである冷却
剤源３ｔから液体冷却剤の供給を受ける。ベンチュリー
管、？ｌＫ冷却剤を注入するとノズル３コからベンチュ
リー管３４１へ反応生成物を吸引し、冷却剤と反応生成
物とを混合して室亭コに排出させる。液体冷却剤は微細
な噴霧として注入するのが望ましく、冷却剤と反応生成
物との混合により、噴霧された小滴上に反応生成物が凝
縮する。ま念混合物を高速ベンチュリ一部から拡大され
た室ダコに膨張させることにより速度水頭が圧力水頭に
変換される。冷却剤注入量および速度により、気体を室
ダコから分離器＋＋を通して導管に流し燃料電池堆積体
に戻すように循環させるに充分な水頭が得られる・反応
生成物は、リン酸電解液の装置の場合の約−〇４ＩＣ（
約ダ００７１ｉ’）乃至溶融員酸燃料電池装置の場合の
約ｔ、ｚｏＣ以上（約／、１００’ｐ以上）のｈｗで燃
料電池堆積体から排出される。
冷却剤は注入器Ｊ６から反応生成物の露点温度よシも少
なくとも１０ｏＦ　（約ｊｊＣ）低い温度で注入するの
が望ましい。
混合物は室亭コから液体気体分離器ダ亭に入る６分離器
は０Ｉ動部の不要な受動機器であるのがｉ４［しい。分
離器は、サイクロン、分離器あるいはデミスタ−と呼ば
れる従来型のもので良い。例えば、ニューシャーシー州
のコックエンジニアリング社から人手できるフレキシ−
シェフｏ　ン（Ｆｌｅｘｉ　０ｈｅｖｒｏｎ　）型を使
用できる。この装置は液体を下部に集め気体を上部から
排出するものである。図示の例では、大量の酸化剤。
ｇｔＪｌｌの冷却剤および小社の水蒸気の第１部分が分
離器４Ｉ４１の出口ダ６から出る。実質的に液体であっ
て大量の冷却剤、水および比較的小鎗の酸化剤の第２ｓ
分は分離器の出口ダｇから出る。
第一部分は直接熱源として使用でき、または別のループ
！コに熱を伝えるように熱交換器３０に流すこともでき
る。第一部分は冷却された後導管！ダを通して冷却剤ポ
ンプ３１に更に再循環され、注入器Ｊ４から注入される
。
注入冷却剤は水が望まし、いが、低蒸気圧で燃料電池堆
覆体部品を劣化させない合成油等の他の低温液体も使用
できる。この例では１例えば従来型の沈降タンク尋の別
の油−水分離器を冷却剤の注入器３孟からの再注入の前
に設けるのが望ましい。
以上説明した装置には本発明の範囲を外れずに多くの変
形が可能であるので１以上の説明は限定的でなく例示的
な−のである。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の燃料電池装置の概略図。 第２図は第１図の装置の一部の概略図である。 １０−燥料電池堆積体、１１−陽極、ｌダー陰極、１４
−燃料源、／１−酸化剤源、ココ−導管、コ参−導管、
コを一部９．　３４１−ベンチュリー管、３１−注入器
、亭ダー分離室、亭６−出口

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）　　ＩＩ極および陰極を有する燃料電池堆積体と
    。 上記陽極に水素含有燃料゛を供給する装置と。 上記陰極に上記燃料に対する化学量論的量を越える量の
    酸素含有酸化剤を供給する装置と、過５ＩＩＩｌ！化剤
    および水蒸気を含む反応生成物を上記陰極から導出する
    装置とを備えた燃料電池装置に於て。 液体冷却剤注入器を有し、ｔｌすれ縮減部を通して上記
    反応生成物を冷却しかつ流す装置と、上記流れ縮減部の
    下ｆｉＫ設けられ、蒸気の出口を有し、上記冷却剤、上
    記酸化剤および水を蒸気と液体とに分離する装置と、上
    記出口および上記陰極を互いに接続する導゛管とを備え
    、上記冷却しかつ流す装置が上記蒸気を上記導管を介し
    て上記陰極に流すのに光分な圧力験を発生させることを
    特徴とする燃料電池装置。 （コ）上記酸化剤供給装置が圧縮機を有し１．上記反応
    生成物の一部を上記燃料電池装置から排出する装置が設
    けられてなシ、上紀酸化剤供給装置および上記排出装置
    が共働して反応生成物を放出し新鮮な酸化剤を供給して
    新鮮な酸化剤に対する再循環反応生成物の比が約３対ｌ
    となるようＫしてなる特許請求の範囲第１ｒＪｊｉ記載
    の燃料電池装置。 Ｏｒ　　上記陰極９間の下流かつ上記冷却し流す装置の
    上流に設けられた排出口を有し、燃料電池装置内の圧力
    を制御する装置を備えた特許請求の範囲第１項記載の燃
    料電池装置。 （４Ｉ）陽極および陰極を有する燃料電池堆積体を備え
    た燃料電池装置の上記陽極に水素含有燃料を供給する工
    程と、上記陰極に上記燃料に対する化学量論的量を越え
    る量の酸素含有酸化剤を供給する工程を、上記陰極から
    過剰酸化剤および水を含む反応生成物を導出するニーと
    を備えた燃料電池の運転方法に於て。 液体冷却剤を上記反応生成分と流体連通関係にある流れ
    縮減部を通して注入して、上配冷却剤と反応生成智を混
    合し，Ｉ５！れ縮減部を流し、上記反応生成物を冷却さ
    せる工程と．上記混合され九反応生成物と冷却剤とを蒸
    気と液体とに分離する工程と，上記蒸気を上記陰極κ導
    〈工程とを備え．上記反応生成物を上記流れ縮減部を通
    して流す工程が上記蒸気を上記陰極に流す充分な圧力頭
    を発生させるものであることを特徴とする燃料電池装置
    の運転方法。 （ｊ）　　上記液体を冷却し、冷却された上記液体を上
    記流れ縮減部を介して注入する特許請求の範囲第参項記
    載の燃料電池装置の運転方法。 ｛６）上記注入する工程が，液体冷却剤を上記流れ縮減
    部を介して微細噴霧として注入する工程である特許請求
    の範囲第参項あるいは第３項記載の燃料電池装置の運転
    方法。 （ク）上配注入する工程の前に上記炉料電池装置から上
    記反応生成物の一部を排出する特許鯖求の範門第参項、
    第３項あるいは第１項記載の燃料電池装置の運転方法。 （１＋　　新鮮な酸化剤の流れ質量に対する上記燃料電
    池装置を流れる再循環反応生成物の流れ質敏の比が約３
    ０対ｌである特許請求の範囲第７項記載の燃料電池装置
    の運転方法。
JP57163295A 1981-09-21 1982-09-21 燃料電池装置およびその運転方法 Pending JPS5861576A (ja)

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