JPS60124367A - 燃料電池の電解液循環系 - Google Patents

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】 〔１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序が電池
本体外の電解液循環系を介して繰り返しそ循環使用され
るいわゆる自由電解液形の燃料電油の雷解滌循珊系であ
って、陀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って温度が上昇した電解
液を−たん本体外に導出して系内で冷却するために設け
られる電極層として構成されておυ、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１９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だめ
に発電作用が正常に起こらなくなってしまう。

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を含んでおシ、前述の
側区画４，５はこれらの板状の電極２ｂ、２ｃによシ相
互に隔てられている。なお、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、これによって
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４
ｃ、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って通流した
後本体１外に出て、電解液タンク７に入って再びポンプ
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４０頂部よ
シ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２ｂ、２ｅを通して電解液区画
４よシも圧力の高いガス区画５通して電解液タンク７の
液面７ａ上の空間に排出す：、−、、、，６アああ。１
カ１．２゜ようよ、１つよ８．４４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っ
ていることが多いので、ガス圧を高めることにふつうは
あまシ問題はないが、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ッ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１、また、第１図に示すように、電池本体
１がら電解液タンク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
が溜捷ったシ、気泡が電解液と一緒に電解液タンクに円
滑に排出されなく々っ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を課すことであって望
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シ、電解液の管理上思
わしくない。

〔発明の目的〕

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′酢液の流量によって当然異
なって来るが、例の範囲に選べばよい。ただしｑはｃｃ
　／ｌＪで表わしだ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シ、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１
Ｊ方１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。

これによっ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
くなジ、余分な分離装置を設ける必要も捷ったくなくな
る。なお配管の内径を細くすることは一本の配管内を流
［２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、本発明によっ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７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
置されておシ、電池本体１の雷解涜区画４からとの雪解
液溜め７に雪解液を導く配管１０は本発明によって内径
が細目に構友、燃料電池本体１の内部は模式的に燃料ガ
ス側゛・、１゜ の電極２ｂと酸化ガス側の電極２Ｃとによって相互ｇ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Ｆ２例えば水素は、その供給源としてのガスボン
ベ１１からエジェクタ装置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っ
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を経てエジェクタ装置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
９、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から取シ去広熱交換器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１６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内の空気側一定預以上の＃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シ４少
”なくなったとき、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として略示さくれた。Ｃ
液面制御器が付属していて、液面７ａが所定レベル以下
になったとき、前述の電磁弁１８を開いて凝縮水溜め１
５から補給水を補充して電解液量を、従って電解液の濃
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同相の反応生成物が発生
し配管１ｏ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の１際
、配管１０内を流れる電解液中に混入されたガｉ１１□
１ 亥゛の気泡は、該配管１０に上昇部や下降部や蛇管部、
”、ｂ’ｊ’Ｈｐっても、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１ｏａ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１０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。

上述の説明かられかるように、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け
々く、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。まだ、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
と同じ榮件１で電池を運転できる。Ｊ：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、従ってブロワ１７に要する補機動力、
１＠ｔｉｉできる。なお、電解液溜め７の液面は必ずし
も犬゛気開放にする必要は方く、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、ｘｒ
ｈｌｔ、ｍ　゛−力＋ｌ　小ｌ　六ｎ　−１−ＭＩＮ　
１９４Ｍ　、　ｆｉ、力性ｆ−６１イ＋、□気・、×半
閉的に連通させ、液面上に不活性ガスを微、す（ 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
ィ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２
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。なの
間に形成され、この区画を確保するための粂・条・５番
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。まだこの区画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
す断面図であって、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広第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
して積層さ粗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は板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１０
ｃ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を介して袋ナラ）　１
０ｔ）Ｋより液密に取シ付けられている。

電極板２ｂ、２Ｃの間に形成された各電解液室部４ａｌ
！・ 酢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、前述の説明かられ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った実験結果を１とめたグラフ
図であって、横軸に流量ｑ（ＣＣ／ｗＲ）の対数を、縦
軸に配管の内径ｄ　（ｃｍ　）をとシ、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ったが
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。

１↓お、実験条件としての温凌は、燃料電池とその、酢
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〕 一１゛以上に説明のとおシ、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１め、
あ分断１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って、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、電解液中罠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↑Ｉｔ池本鉢本体方に配置し
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
よシ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′ニー 仙′Ｉｌ′ＩＩ＃Ｊやむシのない理想的な設計を施すこ
とが本発

【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
もに自由に移動さゼ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　
：　’；２ｊ泡の分離ｔ゛置と［７ての電解液溜め、１
０二電解液循壌系内の配管、ｄ：配管の内径１、である
。 特詳出り人　川　１）裕　部 門 第３図 第５図

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シ返して循環され、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２活母ネ− 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々いし
   開放され、電池本体が電解液にほぼ大気圧が掛かった状
   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（ｃｃ／ｉ）に対して、式 ％式％） 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。