JPH0282459A - 燃料電池の運転制御装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、燃料電池、特にりん酸型燃料電池の電池特性
を保持するように運転を制御する燃ｆ４を池の運転制御
系統に関する。

〔従来の技術〕

燃料電池は正極すなわち酸化剤電極に酸化剤として空気
を、また負極すなわち燃料１ｉ掻に燃料として水素を含
んだ燃料ガスを供給することにより電池反応を起こして
発電し、燃料電池に接続する負荷回路に電力を供給して
いる。このような電力供給状態において、燃料電池の発
電中に空気もしくは燃料ガスの少なくともどちらか一方
が何らかの理由で電池の安定な出力電圧を得るために必
要な量が電極に供給されない状態すなわちガス欠状態で
通電されると出力電圧が低下しついには発電不能におち
いる。このようなガス欠のため出力電圧が低下する過程
で電池面内の温度分布に変化が生じる。第３図は燃料電
池、例えばりん酸型燃料電池に接続する負荷回路の負荷
電流に対し充分な量の燃料ガス、空気が供給されること
により、出力電圧が安定している場合の単セル面内温度
分布の例であり、第４図は同じセルにおいて水素が不足
した状態で送電している場合の面内温度分布の例である
。これらの図の比較でわかるように水素が不足している
状態での送電は水素のセル入口付近で温度が異常に高く
なっている。これは水素流量が負荷に対し少な（なると
水素の入口付近でしか発電しなくなり局部的なエネルギ
集中が生じるためと考えられている。なお、酸素が不足
した場合でも同じ現象が生じる。

このような電池面内に過大な高温状態が生じると燃料電
池、例えばりん酸を電解液とするりん酸型燃料電池に次
に述べるような影響が生じる。すなわち電池反応特電種
牛のりん酸中の水蒸気圧が高くなって飛散し、その結果
りん酸の濃度が高くなったり、体積が減少したりして電
池の内部抵抗が増加する。あるいは電極中のりん酸によ
って保たれている空気と燃料ガスのガスシール性が弱く
なり、酸素と水素の電極を介しての直接反応の原因とな
る。また、電極触媒層中の白金のシンタリングが助長さ
れ、白金表面積が減少する。これらの燃料電池への影響
はいずれも電池出力特性を劣化させるので、ガス欠状態
で発電して負荷回路に送電することは避ける必要がある
。このため従来電池の出力電圧を監視することによりガ
ス欠状態では負荷回路への送電を停止している。この送
電の停止する方法として空気あるいは燃料ガスの流量の
いずれか一方が負荷電流に対して少なくなると漸時出力
電圧が下がってくるので、出力電圧が所定値まで低下す
ると自動的に開閉器を開にして負荷回路を燃料電池から
切離すことが行なわれている。

上記の方法は負荷回路が切離されるまでいくばくかの時
間が生じ、この間電池は過大な高温にさらされるので電
池特性の劣化が加速される。

この欠点を解決するものとして第５図に示すような燃料
電池の運転制御系統が知られている０図においてｌはり
ん酸電解液を含浸したマトリックス２とこれを挟持する
酸化剤ｆ極３と燃料電極４とからなる単セルを積層した
燃料電池本体である。

燃料電池本体１には空気を酸化剤電極３に供給する供給
管５と、酸化剤電極３から電池反応に寄与しない未反応
空気を排出する排出管６並びに燃料ガスを燃料型８ｉ４
に供給する供給管７と燃料電極４から電池反応に寄与し
ない未反応燃料ガスを排出する排出管８とが設けられて
いる。なお供給管５には空気の供給流量を検出する空気
流量センサ９、また供給管７には燃料ガスの供給流量を
検出する燃料流量センサ１０が設けられている。

燃料電池本体１には負荷１１と開閉器１２とを直列に接
続した負荷回路１５が接続されている。なお１３は負荷
量としての負荷電流を検出する′ｒｊ１流計である。

このような構成により燃料電池本体１は供給管５．７を
経てそれぞれ供給される空気と燃料ガスとによる電池反
応により発電する。そして開閉器１２を閉にすることに
より負荷回路１５に送電され、負荷１１に所要の電力が
供給される。なお電池反応に寄与しない未反応空気、燃
料ガスはそれぞれ排出管６．８から排出される。

このような燃料電池の運転において負荷に対応する空気
や燃料ガスの流量が不足する時の運転制御について説明
する。第５図において燃料流量演算器１６．空気流量演
算器１７は電流計１３で検出した負荷電流の出力信号が
人力され、負荷電流に対応してガス欠を起こさない燃料
ガス流量、空気流量をそれぞれ計算し、この計算燃料ガ
ス流量、計算空気流量を出力する。比較器１８では燃料
流量センサ１０で検出した実測燃料ガス流量の出力信号
と燃料流量演算器１６からの出力信号とが入力されて比
較され、実測燃料ガス流量が負荷電流に対応する計算燃
料ガス流量より小さいとき出力信号を出力し、この出力
信号により開閉器１２を開にする。なお実測燃料ガス流
量が負荷電流に対応する計算燃料ガス流量以上の時は出
力信号は出力せず開閉器１２は閉である。

比較Ｈ１９では空気流量センサ９で検出した実測空気流
量の出力信号と酸化剤流量演算器１７からの出力信号が
人力されて比較され、実測空気流量が負荷電流に対応す
る計算空気流量より小さいとき出力信号を出力し、この
出力信号により開閉器１２を開にする。なお実測空気流
量が負荷電流に対応する計算空気流量以上の時は出力信
号は出力せず、開閉器１２は閉である。

このような系統構成により燃料電池本体１に供給される
燃料ガスまたは空気の流量がｊＸ荷′ｇｉ流に対応して
ガス欠を起こさないように計算された流量より小さいと
きは比較器１日または比較器１９からの出力信号により
直ちに開閉器１２を開にし、負荷回路１５を燃料電池本
体ｌから切離す。

〔発明が解決しようとする！！！！題〕上記のような塩
ｌ−１電池において、燃料電池本体に供給される燃料ガ
スとして純水素が使用されることはまれであり、天然ガ
スあるいはメタノールを改質することにより得られる水
素含有ガスを使用することが大部分である。この場合燃
料ガス中には水素以外にＣＱｔ、ＣＯ，水蒸気などのガ
スが含まれるが、これらの組成は改質装置の能力や運転
条件により変化する。したがって前記空気や燃料ガス流
量の計算値と実測値を比較する方法では、特に燃料ガス
側においては改′ｉｔ装置の能力低下環により水素濃度
が低下している場合、水素流量の不足を検出することが
できず、ガス欠を起こした状態で負荷回路に送電すると
いうことが起こり、電池特性を劣化させるという欠点が
ある。

また、第５図の運転制御系統において燃料ガスと空気と
の流量の実測値と計算値との比較により負荷回路を切離
しても、燃料ガス、空気の流量ともそこそこに燃料電池
本体１に供給されているので、燃料電池本体は開路状態
での高電圧、すなわち単セル平均で１ｖ前後の電圧を保
ち、かつ通常の運転状態からいきなり負荷遮断されるの
で、燃料電池本体も１５０℃以上の温度になっている。

したがって燃料電池は負荷遮断後高電圧、高温状態にな
るので、周知のように電極の触媒の担体であるカーボン
が極めて腐食しやすく、このため電池特性の劣化が生じ
る。したがってガス欠による負荷遮断により電池が高電
圧、高温のままで放置されるのを防止することが要望さ
れる。

本発明の目的は、燃料電池に供給される燃料ガス中の水
素量の不足を検知して負荷回路を切離すことができる燃
料電池の運転制御装置と、ガス欠により負荷回路を切離
した状態でも燃料電池を高電圧、高温の状態に放置しな
い燃料電池の運転制御′Ｉ装置を提供することである。

（！！！題を解決するための手段〕 上記ｉ題を解決するために、本発明によれば、燃料ガス
と酸化剤ガスとの供給による電池反応により発電する電
力を開閉器を存する負荷回路に供給する燃料電池におい
て、燃料ガスの流量を検出する燃料流量センサと、この
燃料ガスに含まれる水素量を検出する水素濃度計と、こ
の水素濃度計および燃料流量センサにより水素流量を演
算する第１の演算器と、ｉ荷回路に設けられる負荷検出
器と、この検出器で検出した負荷量に対応する水素流量
を演算する第２の演′Ｘ器と、第１と第２の演算器から
の出力信号を入力して比較し、第１の演算器で演算され
た水素流量が第２の演Ｘ器で演算された水素流量より小
さい時開閉器を開にする出力信号を出力する比較器とか
ら構成するものとする。

また、燃料ガスと酸化剤ガスとの供給による電池反応に
より発電する電力を第１の開閉器を備える負荷回路に供
給する燃料電池であって、燃料流量センサと酸化剤ｉｔ
センサとで検出された実測燃料ガス流量と実測酸化剤ガ
ス流量とを負荷検出器で検出された負荷量に対応してそ
れぞれ計算された計算燃料ガス流量と計算酸化剤ガス流
量と第１と第２の比較器でそれぞれ比較し、実測燃料ガ
ス流量と実測酸化剤ガス流量との少なくとも一方が計算
燃料ガス流量と計算酸化剤ガス流量のそれぞれより小さ
い時、第１または第２の比較器からの出力信号により第
１の開閉器を開にする燃料電池の運転制御装置において
、燃料電池の出力電圧を検出する電圧センサと、負荷回
路に並列に接続され、第２の開閉器と可変抵抗を直列に
接続してなる放電抵抗回路と、実測燃料ガス流量と実測
酸化剤ガス流量とに対応する電気出力を演算する第３の
演算器と、この演算器にて演算された電気出力を電圧セ
ンサで検出した出力電圧で放電抵抗回路に送電するよう
に可変抵抗の抵抗を設定する出力信号を出力する第４の
演算器とを設け、前記第１または第２の比較器からの出
力信号により第２の開閉器を閉にするものとする。

〔作用〕

燃料電池に供給される燃料ガスは改質装置により改質原
料を改質してなる水素に富むガスが使用される。したが
って燃料ガス中の水素流量は燃料ガス供給系に水素濃度
計を設け、燃料流量センサで検出した燃料ガス流量と水
素濃度計で検出した水素濃度から実測水素流量として求
められる。この実測水素流量が負荷回路の負荷量に対応
してガス欠を起こさないように計算された計算水素流量
より小さければ負荷回路の開閉器を開にする。このため
燃料ガス中の水素量が低下した場合、燃料電池の負荷回
路への電力の送電が行なわれないので、電池特性を良好
に保持する。

また、負荷回路に並列して開閉器と可変抵抗とを直列に
接続した放電抵抗回路を設け・燃料電池に供給される燃
料流量センサ、酸化剤流量センサで検出された実測燃料
ガス流量と実測酸化剤ガス流量との少なくともいずれか
一方が負荷回路の負荷量に対応してガス欠を起こさない
ように計算された計算燃料ガス流量、計算酸化剤ガス流
量より小さい時は負荷回路の開閉器を開にするとともに
放電抵抗回路の開閉器を閉にして燃料電池の発電電力の
供給を負荷回路から放電抵抗回路に移す。

この際、実測燃料ガス流量と実測酸化剤ガス流量に対応
してガス欠を起こさない電気出力を計算し、この電気出
力を負荷回路を切離す時の出力電圧で放電抵抗回路に送
電するように可変抵抗の抵抗を設定する。したがって負
荷遮断時のような電池の高電圧、高温が生じない。

〔実施例〕

以下図面に基づいて本発明の実施例について発明する。

第１図は本発明の請求項１の実施例による燃料電池の運
転側ｍ装置の系統図である。なお第１図および後述する
第２図において第５図の従来例と同一部品には同じ符号
を付し、その説明を省略する。第１図において燃料ガス
の供給管７に燃料ガスの流量を検出する燃料流量センサ
１０と、燃料ガス中の水素濃度を検出する水素濃度計２
１とが設けられている。そして燃料流量センサ１０と水
素濃度計２１とからの出力信号が入力されて燃料ガス中
の水素流量を計算してその結果を出力する実測水素流量
演算器２２と、電流計１３で検出した負荷回路１５の負
荷電流に対応してガス欠を起こさない水素流量を計算す
る計算水素流量演算器２３とが設けられ、実測、計算水
素流量演算器２２．２３からの出力信号が入力されて比
較され、実測水素流量演算器２２で計算された実測水素
流量が計算水素流量演算器２３で計算された計算水素流
量より小さい時出力信号を出力する比較器２４が設けら
れている。

そして比較器２４からの出力信号により開閉器１２を開
にするようにしている。

このような系統構成により通常時燃料ガスと酸化剤ガス
とが燃料電池本体１に供給されて電池反応により発電し
、開閉器１２を閉にして負荷回路に発電した電力を供給
する。この際、燃料ガス中の水素流量は燃料流量センサ
１０と水素濃度計２１とで検出された燃料ガス流量と水
素濃度とにより実測水素流量演算器２２により計算され
る。一方計算水素流量演、算器２３により負荷回路１５
の電流計１３で検出した負荷電流に対応する水素流量が
計算され、実測水素流量演算器２２により演算された実
測水素流量と計算水素流量演算器２３で計算された計算
水素流量とは常時比較器２４で比較されており、実測水
素流量が計算水素流量より小さくなると、比較器２４か
ら出力信号が出力される。そしてこの出力信号により開
閉器１２を開にして負荷回路１５を燃料電池本体１から
切離す、したがって燃料ガス中の水素流量が負荷量に対
して何等かの原因で低下すれば、負荷回路１５は燃料電
池本体１から切離して電池特性の劣化を防止する。

第２図は本発明の請求項２の実施例による燃料電池の運
転制御装置の系統図である。第２図において第５図の従
来例と異なるのは燃料電池の出力電圧を検出する電圧計
２０と、負荷回路１５に並列して開閉器２６と可変抵抗
２７とを直列に接続した放電抵抗回路２８と、比較器１
８または比較器１９からの出力信号により開閉器２６を
閉にし、さらに燃料１１１１！Ｅ量センサ１０と空気流
量センサ９とからの出力信号を入力し、これらのセンサ
で検出された実測燃料ガス流量と実測空気流量とに対応
してガス欠を起こさない電気出力を計算する出力演算器
２９と、この出力演Ｘ器２９からの出力信号を入力し、
出力演算器２９で計算された電気出力を放電抵抗回路２
８に電圧計２０で検出された出力電圧で送電するように
可このような系統構成により通常の負荷運転では負荷回
路１５の開閉器１２は閉、放電抵抗回路２８の開閉器２
６は開になって負荷回路１５に送電される。この状態で
燃料電池本体ｌに供給される燃料ガス流量または空気流
量が負荷回路１５の負荷量に対応して計算された計算燃
料ガス流量、計算空気流量より小さい時には比較器１８
または比較器１９からの出力信号により開閉器１２を開
にするとともに開閉器２６を閉にして負荷回路１５を燃
料電池本体１カ・ら切離し・代わりに燃料電池が発電す
る電力を放電抵抗回路２８に送電する。この際放電抵抗
回路２８の可変抵抗２７の抵抗は、実測燃料ガス流量と
実測空気流量とに対応して出力６４算器２９により計算
された電気出力を電圧計２０により検出した出力電圧で
放電抵抗回路２８に送電するように抵抗値演算器３０か
らの出力信号により設定される。したがって燃料電池に
は供給された燃料ガスと空気の流量に対応するガス欠を
起こさない電気出力を放電抵抗回路２８に送電する。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかなように、本発明によれば下記の
効果を有する。

請求項１の燃料電池の運転制御装置においては燃料電池
に供給する燃料ガス中の水素ｍｆｆ１を実測し、この実
測水素流量が負荷回路の負荷量に対応するガス欠を起こ
さない水素流量より小さいとき開閉器を開にして負荷回
路を燃料電池から切離すようにしたことにより、負ｍｌ
に対して水素量不足の燃料ガスを供給することがないの
で、電池面の局部的な過大な温度上昇がなくなり、電池
特性を長期にわたって安定に保持することができる。

請求項２の燃料電池の運転制御装置においては燃料電池
に供給する燃料ガス流量または酸化剤ガス流量が、負荷
回路の負荷量に対応するガス欠を起こさない計算燃料ガ
ス流量、計算空気流量より小さいとき、負荷回路の開閉
器を開にして燃料電池から切離し、負荷回路に並列に設
けた放電抵抗回路の開閉器を閉にして出力電圧が下がり
始める前に自動的に放電抵抗回路に切換え、放電抵抗回
路には供給される燃料ガスと酸化剤ガスの流量に対応す
るガス欠を起こさない電気出力を負荷回路切離し時の出
力電圧で送電するように可変抵抗の抵抗値を設定するた
め、ガス欠状態での燃料電池の送電がなくなり、かつ負
荷遮断時のように電池が高電圧、高温に放置されないの
で、電池特性を長期にわたって安定に保つことができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例による燃料電池の運転制御装置
の系統図、第２図は本発明の異なる実施例による燃料電
池の運転制御装置の系統図、第３図は燃料ガスおよび空
気が負荷に対し充分供給されている場合のセル内温度分
布を示す分布図、第４図は負荷に対し水素が不足した状
態で供給されている場合のセル内温度分布の分布図、第
５図は従来の燃料電池の運転制御装置の系統図である。 １；燃料電池、９：空気２ｉ！滑センサ、１０：燃料流
量センサ、１３：電流計、１２．２６　　：開閉器、１
５：負荷回路、１６；燃料流量演算器、１７：空気流量
演算器、１８．１９．１４　：比較器、２０：電圧計、
２１：水素濃度計、２２：実測水素流量演算器、２３：
計算水素流量演Ｘ器、２７；可変抵抗、２日：放［抵抗
回路、２９：出力演算器、３０：抵抗値演算器。 第１図 第４図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）燃料ガスと酸化剤ガスとの供給による電池反応によ
   り発電する電力を開閉器を備える負荷回路に供給する燃
   料電池において、供給する燃料ガスの流量を検出する流
   量センサと、この燃料ガスに含まれる水素量を検出する
   水素濃度計と、燃料流量センサおよび水素濃度計により
   水素流量を演算する第１の演算器と、負荷回路に設けら
   れる負荷検出器と、この検出器で検出した負荷量に対応
   する水素流量を演算する第２の演算器と、第１と第２の
   演算器からの出力信号を入力して比較し、第１の演算器
   で演算された水素流量が第２の演算器で演算された水素
   流量より小さい時開閉器を開にする出力信号を出力する
   比較器とからなることを特徴とする燃料電池の運転制御
   装置。 ２）燃料ガスと酸化剤ガスとの供給による電池反応によ
   り発電する電力を第１の開閉器を備える負荷回路に供給
   する燃料電池であって、燃料流量センサと酸化剤流量セ
   ンサとで検出された実測燃料ガス流量と実測酸化剤ガス
   流量とを負荷検出器で検出された負荷量に対応してそれ
   ぞれ計算された計算燃料ガス流量と計算酸化剤ガス流量
   と第１と第２の比較器でそれぞれ比較し、実測燃料ガス
   流量と実測酸化剤ガス流量との少なくとも一方が計算燃
   料ガス流量と計算酸化剤ガス流量のそれぞれより小さい
   時第１または第２の比較器からの出力信号により第１の
   開閉器を開にする燃料電池の運転制御装置において、燃
   料電池の出力電圧を検出する電圧センサと、負荷回路に
   並列に接続され、第２の開閉器と可変抵抗とを直列に接
   続してなる放電抵抗回路と、実測燃料ガス流量と実測酸
   化剤ガス流量とに対応する電気出力を演算する第３の演
   算器と、この演算器にて演算された電気出力を電圧セン
   サで検出した出力電圧で放電抵抗回路に送電するように
   可変抵抗の抵抗を設定する出力信号を出力する第４の演
   算器とを設け、前記第１または第２の比較器からの出力
   信号により第２の開閉器を閉にすることを特徴とする燃
   料電池の運転制御装置。