JPH0312425B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の技術分野 本発明は燃料電池発電システムに係り、特に燃
料電池スタツクの電解質の濃度制御を効果的に行
ない、燃料の利用効率の向上を行う上で好適な燃
料電池発電システムに関する。

発明の技術的背景 従来、燃料電池発電システムにおける燃料電池
周辺の空気供給制御系は第１図のブロツク図に示
す如く構成されていた。第１図に於いて、酸化剤
としての酸素を含んで空気は、導入部Ｘから送り
込まれ、弁４ａによつてその流量を調節されなが
ら定容量ポンプ３により燃料電池１内に送り込ま
れる。一方、燃料としての水素を含んだガスは導
入部Ｙから送り込まれ、弁4bによつてその流量
を調節されながら燃料電池１内に送り込まれる。
なお、電流検出器２は燃料電池１の負荷電流を検
出して、弁４ａの開度調節用の信号を発生する。
また、定容量ポンプ３は弁４ａを通じて導入され
る空気と燃料電池１の排出空気、つまり再循環空
気を混合して、燃料電池１内に送り込む作用を有
する。

上述の如く構成された空気供給制御系において
は、燃料電池１に導入される空気の酸素含有量お
よび湿分含有量を、燃料電池１の動作状態に応答
して再循環空気と大気との混合割合を連続的に調
節することにより制御しており、この混合割合
は、電流検出器２で検出される燃料電池１の負荷
電流に応じて調節している。つまり、燃料電池１
への空気の導入は、定容量ポンプ３により行なわ
れるが、この場合、導入空気中の大気の割合は導
入部Ｘに続く大気導入ラインに配置された弁４ａ
により制御される。この弁４ａは燃料電池１の負
荷電流を検出している電流検出器２の出力信号に
応じて制御されるもので、燃料電池１の負荷電流
が大きい場合には多量の大気を通過させるように
調節される。従つて、定容量ポンプ３は、この場
合、燃料電池１の排出空気からは少しの再循環空
気しか引き出さず、従つて酸素含有率の高い乾燥
した空気が負荷電流に応じて燃料電池１に供給さ
れることとなる。

背景技術の問題点 しかしながら、かかる制御方法においては、大
気の割合を調節する弁４ａは負荷電流によつての
みしか制御されないので、空気の燃料電池１の入
口湿度、燃料電池１の温度などにも依存する電解
濃度を十分に制御することができない。

ところで、電解質の濃度が変化すれば電解液の
体積が変化してしまう。燃料電池１内に於いて、
電解質は電解質保持層に保持されているが、電解
質の体積が保持層の保持体積と一致しない場合、
電解液があふれたり、保持層との間にすき間がで
きる等の不都合を生じる。すなわち、電解液の体
積が保持層の保持能力により大きい場合、電解液
は保持層からあふれ出し、電極を通過して空気お
よび燃料ガスの通路へあふれ出てしまう。このた
め、電極上の一部を電解液膜が覆い、有効電極面
を小さくしてしまう。また、一部の電解液は空気
の流れにより運ばれて電池内の電解液が不均一に
なるとともに、電池から電解液が失われ、長期間
の安定した電力の供給を困難にしてしまう。ま
た、逆に、電解液の体積が保持層の能力に比較し
て小さい場合、電解質と保持層間に隙間ができ、
このため空気の燃料が直接交わり、燃料電池の燃
料利用効率を著しく下げる結果となつてしまう。
また、電解液と電極板との間に隙間ができると電
極の有効面積が低下し、電池の特性を悪化させる
原因となる。その結果、電極を劣化を早めること
にもなつてしまう。

発明の目的 従つて、本発明の目的は上記従来技術の欠点を
解消し、燃料電池の燃料利用効率を向上させ、長
期間安定に電力を供給することを可能ならしめた
燃料電池発電システムを提供するにある。

発明の概要 上記目的を達成するため、本発明に於いては、
燃料電池発電システムを酸化剤を含む第１のガス
と燃料を含む第２のガスを水性電解質を挟んで対
面する１体の電極のそれぞれに供給して電力を発
生する燃料電池と、水性電解質の濃度を検出する
濃度検出手段と、濃度検出手段の出力に基いて第
１のガスと第２のガスの少なくとも一方に含まれ
る水蒸気の量を制御する水蒸気量制御手段とから
構成した。

上記構成に基き、本発明に係る燃料電池発電シ
ステムは、交流電流を燃料電池内の電解質に流す
ことにより、電解質の抵抗を求め、これから電解
質の濃度を求め、この濃出が一定の値になるよう
に空気供給ラインと燃料供給ラインに混入させる
水蒸気の量を調節することにより、燃料電池の燃
料利用効率を向上および電力の特性の安定化並び
に電池の寿命を長期化を達成している。

発明の実施例 以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に
説明する。

第２図は本発明の一実施例に係る燃料電池発電
システムのブロツク図で、特に電解質の濃度制御
系を示すものである。第２図に於いて、ミキサー
５ａは導入部Ｘからの空気に水蒸気を加える作用
を有し、ミキサー５ｂは導入部Ｙからの燃料ガス
に水蒸気を加える作用を有する。また、流調弁４
０ａは導入部Ｚからミキサー５ａに至る水蒸気の
流量を調節し、流調弁４０ｂは導入部Ｚからミキ
サー５ｂに至る水蒸気の流量を調節する作用を有
する。なお、制御装置７は燃料電池１内のりん酸
電解液の濃度を検出する濃度計６からの信号に基
いて、流調弁４０ａ，４０ｂを制御し、空気およ
び燃料ガス中の水蒸気の量を制御するものであ
る。

かかる構成に於いて、導入部Ｘからの空気はミ
キサー５ａにより水蒸気を印加された後、りん酸
型の燃料電池１に供給される。この場合、空気に
混入される水蒸気の量は流調弁４０ａにより調整
される。

一方、導入部Ｙからの燃料ガスはミキサー５ｂ
により水蒸気を印加された後、燃料電池１に供給
される。この場合、燃料ガスに混入される水蒸気
の量は流調弁４０ｂにより調整される。

なお、燃料電池１内のりん酸電解液の濃度は濃
度計６により検出され、その結果得られた濃度信
号は制御装置７に入力される。制御装置７は、濃
度信号に応じて水蒸気の流調弁４０ａ，４０ｂを
制御する。すなわち、りん酸電解液の濃度が高す
ぎる場合、燃料電池１に水蒸気を多く加えた空気
および燃料ガスを供給することによりりん酸電解
液の濃度を下げ、逆に、りん酸濃度が低すぎる場
合には、湿分の少ない空気および燃料ガスを供給
してりん酸電解液の濃度を上げることにより、電
解質のりん酸濃度を一定の濃度に保つ如き制御が
行なわれる。ちなみち、制御装置７はPI（比例積
分）調節計であり、その制御定数は燃料電池１の
特性により決まる。

第３図は第２図に示した燃料電池１の断面図で
あり、特に第２図に示した電解質濃度検出用の濃
度計６の構成を示すものである。燃料電池１は、
陽極８ａと陰極８ｂの間にりん酸電解液９を介在
させ、陽極８ａに接して空気Ｘ１の流路を形成
し、陰極８ｂに接して燃料ガスＹ１の流路を形成
して構成される。一方、濃度計６は、りん酸電解
液９中に対向して配した電極１０ａ，１０ｂ、電
極１０ａ，１０ｂに交流電圧を印加する交流電源
１１、電極１０ａ，１０ｂ間の電流を検出する電
流計１２、電極１０ａ，１０ｂ間の電圧を検出す
る電圧計１３、電流制限用の抵抗１７、並びに電
流計１２からの電流信号１６と電圧計１３からの
電圧信号１５を入力される演算器１４から成る。
この濃度計の動作原理は、電極１０ａと１０ｂと
の間に交流電圧をかけ、電圧計１３で電解質にか
かつた電圧を検出し、電流計１２でこのとき流れ
た電流の大きさを検出することにより、電解質の
抵抗を検出してりん酸濃度を割り出している。つ
まり、電解質の電気抵抗とりん酸濃度との間に
は、第４図の特性図に示す如き関係があり、従つ
て演算器１４で抵抗と濃度との換算を行うことに
より電解液の濃度を検出することが出来るもので
ある。ちなみに、電極１０ａと１０ｂはりん酸に
体する耐性を考慮し、白金等の材料で構成するの
が好ましい。

上述の如く構成されたりん酸濃度制御系は、燃
料電池１内の電解液濃度が設定値より低い場合に
は、濃度計６によりこの濃度を検出し、この濃度
と設定値との差により水蒸気供給量を流調弁４０
ａ，４０ｂによつて減少させることにより、燃料
電池に供給する空気と燃料の湿度を下げて電池内
の電解液からの蒸発量を増加させて電解液の濃度
を上昇させる。逆に、電解液濃度が設定値より高
い場合も、設定濃度と検出濃度との差に応じて空
気、燃料ガスの湿度を上昇させ、電解液の濃度を
下げる。以上のようにして、燃料電池１内の電解
質濃度を常に一定に保つことにより、電解液の体
積を最適に保つことができる。

第５図は本発明に係る燃料電池発生システムに
用いられる燃料電池１の他の例を示す分解斜視図
で、特に第２図に示した電解質濃度制御系の濃度
系の変形例を示すものである。第５図の構成に於
いては、電極８ａと８ｂにはさまれた電解質であ
るりん酸電解液９に、１対の電極を備えた抵抗検
出端１０ｃを、空気Ｘ１の流れ方向に沿つた燃料
電池中央の軸線上で、空気Ｘ１の流れに沿つて燃
料電池１の電解層を３等分する様な位置に設置し
ている。そして、それぞれの抵抗検出端１０ｃに
は電源、電流検出器、電圧検出器、抵抗および演
算器等からなる第３図の如き構成を有する濃度検
出回路１９が取り付けられている。

かかる構成を有する濃度検出系によれば、空気
入口側、中央および出口付近の電解質濃度を個別
に知ることができるため、電解質の濃度分布がわ
かり、より正確に電解質の濃度を制御することが
できる。

第６図は本発明の他の実施例に係る燃料電池発
電システムのブロツク図で、第２図の構成と同様
に燃料電池の電解質濃度制御系を示すものであ
る。第６図において、熱交換器２０は導入部Ｙか
ら取り込まれた燃料ガスを冷却する作用を有し、
凝縮器２１は熱交換器２０からの燃料ガスから水
分を除去して燃料電池１に供給する作用を有す
る。ちなみに、第６図の構成は燃料ガスとして天
然ガス等から改質され水素成分の豊富なものを用
いる場合に好適なものである。

第６図に示す如き燃料電池発電システムにおい
ては、取り入れられた外気はコンプレツサで圧縮
された後、ミキサー５で水蒸気と混合され燃料電
池１に供給される。この場合、水蒸気は流調弁４
０ａにより空気系への混入量を調節される。

一方、天然ガス等から改質され、水素成分の豊
富な燃料ガスは、導入部Ｙから送入され熱交換器
２０により冷却され凝縮器２１で水のミストを取
り去られた後、燃料電池１に供給される。ちなみ
に、改質された燃料ガスには、一般に必要以上の
水蒸気が含まれている。このため、本実施例に於
いては燃料ガスを一度熱交換器２０で冷却して余
分の水蒸気を除いている。この場合、冷却量すな
わち除湿の程度は、冷却水Ｗの循環流量を調節弁
４００ｂで調節することによつて制御する。ま
た、濃度計６は電解質の濃度を検出し、PI調節
計７に与えるが、濃度信号を受け取つたPI調節
系は目標値との差に応じて調節弁４００ｂの開度
を調節する信号を出す。すなわち、電解質の濃度
の調節は、主に燃料系の水蒸気圧の調節、すなわ
ち調節弁４００ｂの開度調節により行なう。一
方、空気系の水蒸気混入量は電流検出器２により
負荷電流を検出し、この負荷電流に比例する如く
調節する。同時に、空気供給量も負荷に比例して
供給する。その結果、燃料電池１に供給される空
気の湿度は負荷によらずほぼ一定に制御される。

つまり、本実施例の構成は、電解液の濃度の制
御を燃料系の除湿量の制御により行うため、天然
ガス等から改質された湿度の高い燃料ガスを用い
る燃料電池発電システムでは効果的な制御方法を
与えるものである。更に、供給空気への加湿量を
低く設定することにより、必要水蒸気量が減り、
発電プラント全体の熱効率を向上させることがで
きる。

なお、上記各実施例では、りん酸電解液中に電
極を対向配置し、これらの電極間に印加した電圧
と、これらの電極間に流れる電流とから抵抗率を
求め、さらに、この抵抗率に対応するりん酸濃度
を測定しているが、このりん酸濃度の測定方法は
これに限定されるものではなく、例えば、雑誌
「INDUSTRIAL AND ENGINEERING
CHEMISTRY VOL.44，No.3P616」に示された
ように、燃料電池の出力によつて求め得る水蒸気
量と、電解液の温度とから測定してもよい。

発明の効果 以上述べた如く、本発明によれば、燃料電池の
電解液の抵抗等を通じて電解液の濃度を求め、こ
の濃度が一定に保たれるように空気と燃料中の湿
分を制御することにより、電解液の体積を最適に
保つことが出来るようになつたため、電解液が減
り、燃料と空気が直接交わることを防止でき、燃
料の利用効率を向上させることが可能となり、更
に電解液と電極の接し方を最適に制御できるの
で、電極の特性の改善が達せられ、また電解液の
過剰による空気流や燃料流への電解質のもれを防
止出来ることから電解質の損失が少なく、長寿命
化を達成することを可能ならしめた新規の燃料電
池発電システムを実現することが出来るものであ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の燃料電池発電システムのブロツ
ク図、第２図は本発明の一実施例に係る燃料電池
発電システムのブロツク図、第３図は第２図に示
した燃料電池の断面図、第４図は電解質の電気抵
抗とりん酸濃度の関係を示すブロツク図、第５図
は本発明に適用される燃料電池の他の例を示す分
解斜視図、第６図は本発明の他の実施例に係る燃
料電池発電システムのブロツク図である。 １……燃料電池、２……電流検出器、６……濃
度計、７……制御装置、１１……交流電源、１２
……電流計、１３……電圧計、１４……演算器、
２０……熱交換器、２１……凝縮器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 酸化剤を含む第１のガスと燃料を含む第２の
   ガスを水性電解質を挟んで対面する１対の電極の
   それぞれに供給して電力を発生する燃料電池と、
   水性電解質の濃度を検出する濃度検出手段と、濃
   度検出手段の出力に基いて第１のガスと第２のガ
   スの少なくとも一方に含まれる水蒸気の量を制御
   する水蒸気量制御手段とから成ることを特徴とす
   る燃料電池発電システム。 ２ 水蒸気量制御手段が第１のガス及び第２のガ
   スの少なくとも一方に制御弁を介して水蒸気を供
   給する手段であることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項に記載の燃料電池発電システム。 ３ 水蒸気量制御手段が第１のガス及び第２のガ
   スの少なくとも一方から水蒸気を除去する手段で
   あることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記
   載の燃料電池発電システム。 ４ 濃度検出手段が水性電解質中に配した１対の
   電極間の抵抗を検出する手段から構成されること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の燃料
   電池発電システム。 ５ 濃度検出手段が水性電解質中に配した複数対
   の電極間の各抵抗を検出して、水性電解質の濃度
   信号を発生する手段であることを特徴とする特許
   請求の範囲第１項に記載の燃料電池発電システ
   ム。