JPS63152880A - 液体電解質型燃料電池発電装置 - Google Patents

液体電解質型燃料電池発電装置

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JPS63152880A
JPS63152880A JP61300289A JP30028986A JPS63152880A JP S63152880 A JPS63152880 A JP S63152880A JP 61300289 A JP61300289 A JP 61300289A JP 30028986 A JP30028986 A JP 30028986A JP S63152880 A JPS63152880 A JP S63152880A
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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】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、液体電解液型燃料電池発電装置を対象に、
燃料電池の負荷変動、温度条件の変動ぺにかかわらず電
池内部の電解液濃度を常に一定維持するようにした電解
液濃度の管理システムに関する。
〔従来の技術〕
この種の燃料電池は、液体電解液を満たした電解液室と
、該電解液室を挟んでその両側に対向する燃料電極、#
素電極と、各電極に対応する反応ガス室とから成り、か
つ各反応ガス室を通じて各電極へ燃料ガスおよび酸化剤
ガス(空気)を供給することにより、電極内部での起電
反応により発電することは周知の通りである。またこの
起電反応に伴い、水素と酸素とが反応して生成水が生じ
るようになる。
ところで上記の反応生成水がこのまま液体電解液中に溶
は込むと電解液が過度に希釈されて起電反応が低下する
。このために一般に反応ガス室に起電反応に必要なガス
量より多い反応ガスを通風し、電解液と反応ガスとの温
度差、電解液に対する水の濃度拡散等により生成水を蒸
気として余剰反応ガスと一緒に電池外部に排出する方式
が従来より採用されている。
しかしてこの場合に電池内部に生じる生成水発生量と電
池外部に排出する生成水除去量とのバランスが崩れると
電解液濃度が変化し、かつその濃度が適正範囲を逸脱す
るようになると起電時性が低下するようになる。特に電
解液濃度が希釈する方向に大きく変化した場合には運転
途中で電解液を適正濃度のものと交換する等の保守が必
要となる。
このために従来では電解液濃度の管理方式として、あら
かじめ最大発電量に対する燃料電池の生成水発生量を求
めて置き、かつこの生成水量を蒸気として電池外へ排出
するに必要な風量よりも若干多めの反応ガス量を反応ガ
ス室に送風するとともに、電池外部に排出された生成水
蒸気を凝縮器に導いて凝縮2分離し、この凝縮水の一部
を電解液に戻して電解液濃度の一定維持を図るようにし
た方式が一般に採用されている。
次に上記した電解液濃度管理方式を実施するための従来
におけるシステムフローを第2図に示して説明する0図
において1は液体電解液型燃料電池であり、液体電解液
を満たした電解液室2と、該電解液室2を挟んでその両
側に対向する多孔質の水素電極3.酸素電極4と、各電
極3,4の外側に画成した水素室5.酸素室6とから成
る。ここで前記電解液室2は電解液管路7を介して外部
の電解液タンク8と導通し合っている。なお9は電解液
タンク8から電解液室2へ電解液を送り込むための電解
液ポンプである。一方、水素室5の入口には図示されて
ない改質装置から引き出した燃料ガス供給管路10が接
続配管され、さらに水素室5の出口と入口との間にまた
がり送風機11を介装した燃料ガス循環路12が配管さ
れており、かつこの循環路12の途中には風冷式の凝縮
器13が設置しである。またこのa11器13の液溜部
と前記した電解液タンク8との間が電磁弁14、ドレン
用の三方?f磁弁15.生成水ポンプ16を含む凝縮水
戻り管路17で結ばれている。なお18は酸素室6に接
続配管した空気供給管路、19は燃料電池の冷却ファン
、20は凝縮器I3の冷却ファン、21は電極の温度セ
ンサ、22は凝縮器13に付属する凝縮水レベルセンサ
、23は電解液タンク8に付属する電解液レベルセンサ
である。
かかるシステムフローにおいて、電池本体1の反応ガス
室5.6に燃料ガス、空気を供給することにより電極2
.3で起電反応して電気、熱、生成水が発生する。ここ
で反応熱による電池の温度上昇は温度センサ21で検出
され、冷却ファン19を運転して電池が適正運転温度と
なるように冷却する。また電池内部に鎚生し、余剰燃料
ガスをキャリアガスとして反応ガス室5から送風機11
により電池外部へ排出された生成水蒸気は凝縮器13に
導かれた上で凝縮1分離されてその液溜部に貯留し、ま
た除湿された燃料ガスは循環路12を経て再び燃料ガス
室5に還流する。なお凝縮器13の液溜部のレベルが一
部坩上になれば、凝縮水レベルセンサ22が作動して電
磁弁14が開き、ドレン用を磁弁15のドレンボートを
通じて系外に排水される。
一方、燃料電池の運転時には先述のように常に過剰ぎみ
に水蒸気が電池外部へ持ち去られるために、電解液は、
全体として運転経過とともに液量が徐々に減少して高濃
度に移行するようになる。そして外部の電解液タンク8
の電解液レベルが下限レベル以下に減少すると、電解液
レベルセンサ23が作動し、この信号に基づいて生成水
ポンプ16を始動するとともに三方電磁弁15を切換え
、凝縮水戻り管路17を通じて凝縮水を電解液タンク8
へ補給して電解液を希釈する。これにより電解液タンク
8.したがって該タンクと導通する電池本体1の電解液
室2の電解液レベルが再び規定の上限レベルまで回復す
るようになる。このようにして起電反応に伴う生成水を
蒸気として電池外部へ過剰ぎみに排出して凝縮1回収し
、この回収凝縮水のうち必要水量を電解液タンクに戻す
ように電解液レベルを管理することにより、電解液濃度
が略一定範囲に維持されることになる。
〔発明が解決しようとする問題点〕
ところで、上記した従来の電解液濃度管理システムでは
次記のような欠点がある。すなわち、(11燃料電池の
負荷変動、温度条件等の著しい変化に対して常に過剰ぎ
みに生成水を電池外部に除去させるためには、凝縮器、
am水ポンプ等を含めた補機類が大形化し、かつ補機動
力も大となる。
(2)システムを構成する上で、外部の電解液タンク、
電解液配管、凝縮水戻り管路等を含めた電解液、凝縮水
の配管路が必要となり、それだけ発電装置が大形化し、
しかもこれら配管路に付いては耐溶剤性等の材質制限も
あって設備がコスト高となる。
この発明の目的は、燃料電池の起電反応に伴う生成水発
生量と反応ガス室を通じて電池外部に排出する生成水除
去量とを負荷変動、温度条件の変化等に即応させて常に
バランスするよう反応ガスの送風量を制御することによ
り、電解液濃度の一定維持を図りつつ、従来システムに
おける補m頚。
外部の電解液タンクおよびこれに付属する各種配管類を
不要にして大幅な設備の簡略、補機動力の節減化を可能
にし、ひいては燃料電池発電システムの総合効率の向上
が図れるようにすることにある。
〔問題点を解決するための手段〕
上記問題点を解決するために、この発明によれば、電池
の出力検出器と、電池から排出する反応ガスの温度検出
器と、前記各検出値から生成水の発生量および単位風量
当たりの除去水量を演算し、かつこの演算結果を基に生
成水を電池外部へ排出するに要する反応ガスの必要送風
量を決定して前記送風機を運転制御する演算制御部とを
備えて電解液濃度管理システムを構成するものとする。
〔作用〕 上記構成において、燃料電池の出力、排出反応ガスの温
度を計測し、その出力に対応する電流検出値を基にファ
ラデーの法則より起電反応に伴う生成水発生量を、また
反応ガス温度の検出値を基に反応ガスの単位風量当たり
の生成水蒸気の除去量を求めることにより、その運転条
件で電池内部に発生する生成水を蒸気として電池外に排
出するに要する反応ガスの必要風量が算出でき、かつこ
の必要風量を設定値として送風機の送風量制御を行うこ
とにより従来方式のように電池より過剰ぎみ〆I取出し
た凝縮水を再び電解液に戻す操作、およびそれに必要な
補機類設備を必要とすることなく、凝縮水を全て系外に
排出しつつ常に電解液濃度を一定濃度に維持して安定し
た出力特性を得ることができるようになる。
〔実施例〕
第1図はこの発明の実施例によるシステムフローを示す
ものであり、第2図に対応する部材には同じ符号が付し
である。すなわちこの発明により燃料電池の電気出力回
路には出力検出器としての電流センサ24を、また反応
ガス循環路12における凝縮器13の前後には反応ガス
温度を検出する温度センサ25.26を備え、さらに前
記各センサより取り込んだ検出値を基に必要風量を設定
して送風機11を運転制御するマイクロコンピュータと
しての演算制御部27を備えている。また第2図に示し
た外部の電解液タンク8.およびこれに付属する補機類
、配管路は無く、かつ凝縮器13の液溜部には電磁弁1
4を介して系外に開放したドレン配管28が接続配管さ
れている。
ここで燃料電池の運転時における電池内部での生成水発
生量x1は、ファラデーの法則により、電流センサ24
で計測した電流検出値Iから、次式により算出される。
一方、反応ガスの単位風量光たりの生成水除去量x2は
、温度センサ25.26で計測した凝縮器13の入口温
度検出値TI、および出口温度検出値T2から、次式に
より算出される。
VOPO−k・Pi  PG−P2 但し、m:1solの完全ガスの体積 PO:大気圧 Pl:温度T1の時の飽和蒸気圧 P2:温度子2の時の飽和蒸気圧 に:凝縮器入口における飽和度 ここで発生生成水を水蒸気として電池外部に排出するに
要する送風6111の必要送風量は、前記(1)および
(2)式より、 として求めることができる。
一方、送風機11は可変速ファンであり、かつその運転
電圧−ファン回転数による送風機の風量特性をあらかじ
め演算制御部27に入力して置き、ここで前記式の必要
送風量を設定値として送風機11を運転制御することに
より、反応ガス循環路工2には前記の必要送風量に対応
した反応ガスが通風され、かつこの過程で反応ガスをキ
ャリアとして反応ガス室5より排出された水蒸気が凝縮
器13で凝縮して気液分離されることになる。また凝縮
器12で回収された凝縮水はドレン配管28を通じて系
外に排出される。なおこの場合に、凝縮器13に付属の
冷却ファン20の風量は循環反応ガス中に含まれている
生成水の水蒸気をすべて1!縮させるに充分な温度まで
冷却できる能力が必要である。またこの冷却ファン20
は一定風量でもよいが、水蒸気量の増減に応じて風量を
可変とすればさらに補機動力を節減化が図れる。
このようにして燃料電池の負荷条件、温度条件に対応し
て送風機11の送風量をコントロールすることにより、
生成水発生量と電池外部に排出する生成水除去量とを常
にバランスさせて電解液濃度を一定に維持することがで
きるようになる。しかも凝縮器137分H回収した凝縮
水は電解液に戻すことなく全て系外に排出できるので、
第2図に示した電解液の戻り配管系、外部の電解液タン
ク。
およびこれらに付属する補1svtが一切不要となり、
発電システム全体としての設備を大幅に簡略化できるよ
うになる。
なお上記は燃料ガス供給配管系に付いてのみ、反応ガス
を循環方式として送風量管理を行う例を示したが、空気
供給配管系に付いても同様に実施することが可能である
。
〔発明の効果〕
以上述べたようにこの発明によれば、電池の出力検出器
と、電池から排出する反応ガスの温度検出器と、前記各
検出値から生成水の発生量および単位風量光たりの除去
水量を演算し、かつこの演算結果を基に生成水を電池外
部へ排出するに要する反応ガスの必要送風量を決定して
前記送風機を運転制御する演算制御部とを備えて電解液
濃度管理システムを構成したことにより、燃料電池の負
荷条件、温度条件等の変動に即応して反応ガス送風量を
適正制御し、電池内部で発生する反応生成水量と水蒸気
として電池外部に排出する生成水除去量とを常にバラン
スさせて電解液濃度の一定維持を図りつつ、従来のシス
テムと比べて大幅な設備の簡略化が可能となり、かつこ
れにより発電システムの小形化、設備費の低減化に加え
て補機動力の節減により発電システムの総合効率の向上
も図れる等の実用式効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図および第2図はそれぞれこの発明の実施例、およ
び従来における液体電解液型燃料電池の電解液濃度管理
システムのシステムフロー図である。各図において、 1:液体電解液型燃料電池の電池本体、2:電解液室、
3.4:多孔質電極、5.6:反応ガス室、11:送風
機、12:反応ガス循環路、13=凝縮器、24:電流
センサ、25,2111温度センサ、27:演算制御部
。 第1図

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1)液体電解液を満たした電解液室、該電解液室を挟ん
    でその両側に対向する多孔質の燃料電極、酸素電極、お
    よび各電極に対応する反応ガス室からなる液体電解液型
    燃料電池に対し、各反応ガス室に反応ガスを供給して発
    電を行うとともに、起電反応に伴って生じる反応生成水
    を蒸気として余剰反応ガスとともに送風機により電池外
    部に排出するようにした液体電解液型燃料電池において
    、電池の出力検出器と、電池から排出する反応ガスの温
    度検出器と、前記各検出値から生成水の発生量および単
    位風量当たりの除去水量を演算し、かつこの演算結果を
    基に生成水を電池外部へ排出するに要する反応ガスの必
    要送風量を決定して前記送風機を運転制御する演算制御
    部とを備えたことを特徴とする液体電解液型燃料電池の
    電解液濃度管理システム。 2)特許請求の範囲第1項記載の電解液濃度管理システ
    ムにおいて、出力検出器が燃料電池の出力回路に設置し
    た電流センサであり、かつ該電流検出器の検出値を基に
    演算制御部でファラデーの法則から負荷条件に対応した
    生成水発生量を算出することを特徴とする液体電解液型
    燃料電池の電解液濃度管理システム。 3)特許請求の範囲第1項記載の電解液濃度管理システ
    ムにおいて、反応ガス室に接続したガス循環路内に介装
    した気液分離用の凝縮器に対し、その入口側と出口側に
    反応ガスの温度検出器としての温度センサを設け、かつ
    該温度センサの検出値を基に演算制御部で温度条件に対
    応した単位風量当たりの生成水除去量を算出することを
    特徴とする液体電解液型燃料電池の電解液濃度管理シス
    テム。
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