JPH03205765A - 燃料電池極間差圧制御方法及び装置 - 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］ 本発明は燃料の有する化学エネルギーを直接電気エネル
ギーに変換させるエネルギ一部門で用いる燃料電池にお
いて、カソード側とアノード側の差圧を制御するための
燃料電池極間差圧制御方法及び装置に関するものである
。

［従来の技術］ 現在までに提案されている燃料電池のうち、溶融炭酸塩
型燃料電池は、電解質として溶融炭酸塩を多孔質物質に
しみ込ませてなるタイル（電解質板）を、カソード（酸
素極）とアノード（燃料極〉で両面から挟み、カソード
側に酸化ガスを供給すると共にアノード側に燃料ガスを
供給することによりカソード側とアノード側で反応か行
われ、この反応によってカソードとアノードとの間に発
生する電位差により発電が行われるようにしたものを１
セルとし、各セルをセパレータを介して多層に積層して
スタックとするようにしてある。

上記溶融炭酸塩型燃料電池の発電装置では、燃料ガスと
して、天然ガスを用いる場合と、石炭を用いる場合とが
あり、天然ガスを燃料とする場合は天然ガスを改質し、
石炭を燃料とする場合は石炭をガス化して精製している
。

従来知られている天然ガス改質溶融炭酸塩型燃料電池の
発電システムは、第３図に概略を示す如く、燃料電池Ｆ
Ｃのカソード１には酸化ガスを供給するため、空気Ａを
圧縮機３で圧縮させた後、冷却器４で冷却し、更に圧縮
機５で圧縮して空気予熱器６で予熱し、空気供給ライン
７によりカソード１に供給すると共に、一部を分岐ライ
ン８を経て改質器９の燃焼室側へ供給するようにし、上
記カソード１から排出されたガスは、カソード排出ガス
ライン１０を経てタービン１１に導き、ここで膨張させ
て上記空気予熱器６を通し、更に、蒸発器１２を通して
排出させるようにしてある。一方、燃料電池ＦＣのアノ
ード２に供給ざれる天然ガスＮＧは、天然ガス供給ライ
ン１３上の天然ガス予熱器１４で予熱された後、脱硫器
１５で脱硫処理ざれて更に水蒸気を混合ざれて改質器９
の改質室内に導入され、ここで改質ざれて燃料ガスとし
て燃料ガス供給ライン１６よりアノード２に供給ざれる
ようにし、該アノ一ド２から排出されたガスは水分を含
んでいるため、このアノードガス中の水分を一旦ガスと
分離させるために、アノード２から排出されたガスは、
アノード排出ガスライン１７上の冷却されたガスとの熱
交換器１８を通った後、上記天然ガス予熱器１４、蒸発
器１９を通り、冷却器２Ｇで冷却ざれて凝縮ざれ、気液
分離機２１にてガスと水に分離ざれ、ガスはライン２３
上のアノード排出ガスブロワ２２にて昇圧されて上記熱
交換器１８に入り、該熱交換器１８より改質器９の燃焼
室内へ供給されるようにすると共に、上記分離された水
（口２０）は、ポンプ２４で加圧ざれて上記蒸発器１２
へ送られ、次いで蒸発器１９に送られここで蒸発されて
蒸気としてライン２５より蒸発器１９を経て改質器９の
入口側へ供給ざれ、天然ガスＮＧと混ぜられて改質器９
の改質室に供給されるようにしてあり、上記改質器９の
燃焼室から排出された炭酸ガスを含むガスは、空気供給
ライン７より供給される空気とともにカソード１に供給
されるようにしてあり、更に、カソード１から排出され
たガスの一部は、途中にカソード循環ブロワ２６を有す
るカソード循環ライン２７により循環させられるように
してある。

上記した燃料電池発電システムにおいては、カソード１
に供給される酸化ガスとアノード２に供給される燃料ガ
スの許容差圧は、４００〜８００ｍＡＯ位であり、差圧
が過大（たとえば、約１０００ｓｉＡｇ）になると、タ
イルの割れ、両ガス間のクロスリーク等が生じ、電池性
能を悪化させるおそれがある。そのため、上記両ガス間
の差圧を均一にコントロールする必要がある。

従来の差圧コントロール方式としては、カソード１とア
ノード２の各排出ガスライン１０と１７の途中に、各々
バルブ２８と２９を設置し、制御装置３０からの指令に
よりバルブ２８．　２９を開閉調整して排出されるガス
流量をコントロールすることにより差圧をコントロール
するようにしている。

［発明が解決しようとする課題］ ところが、カソード１側を流れるガスの流量はアノード
２側を流れるガスの流量の約１０倍であることから、カ
ソード排出ガスライン１０に設置するバルブ２８は大型
のバルブとなり、又、バルブ２９もアノード出口近くの
高温位置に設置ざれていることから、アノード出口のガ
ス流量は多く、しかも水分を含んでいるためそれだけ流
量も多くて、バルブ２９は比較的大型のものが使用ざれ
ることになるが、かかる大流量用のバルブ２８．　２９
の場合は応答性も悪く且つ高価なものになるばかりでな
く、かかる大流量のバルブで数１００．Ａ（＋以下の微
妙な差圧を制御することは技術的にも困難であり、又、
この種のバルブで制御性を良くするには系の全圧損に対
しバルブ２８での差圧を１５〜２５％程度とることが必
要とざれているが、ここで圧損をとると空気圧縮機５や
カソード循環ブロワ２６の消費動力を増大ざせる結果に
なる、という問題がある。

そこで、本発明は、カソードとアノードの出口にバルブ
を設置して該バルブを制御して差圧コントロールを行う
ようにする従来の方式に代えて、カソードとアノードの
極間差圧を応答性のよいアノード系でなくすようにする
燃料電池極間差圧制御方法及び装置を提供しようとする
ものである。

［課題を解決するための手段コ 本発明は、上記課題を解決するために、燃料電池のカソ
ードから排出されたガスを改質器の燃焼室を通してカソ
ードの入口側へ循環させるカソード循環ラインを設けて
、該カソード循環ラインに設けたカソード循環ブロワは
負荷に応じた必要吐出流量になるような回転数に制御し
、一方、燃料電池のアノードから排出ざれて水と分離さ
れたガスを改質器の燃焼室へ圧送させるアノード排出ガ
スブロワの回転数を、必要吐出流量より多い吐出流量と
なるように制御して、アノード圧力をカソード圧力より
低くするようにし、次いで、上記カソード圧力よりも低
くしたアノード圧力を、上記アノード排出ガスブロワの
吐出流量の一部を該アノード排出ガスブロワの入口側に
戻して循環させる流量を差圧制御弁で調節することによ
って、カンード圧力と一定の差圧に制御させる方法及び
装置とする。

［作　　用］ ガス流量の多いカソード側は、カソード循環ブロワの回
転数を必要吐出流量になるように制御して、ガス流量の
少ないアノード側で圧力コントロールを行い差圧をなく
すようにするので、応答性がよく、圧力の多少の変動で
も直ちにコントロールできる。又、アノード排出ガスブ
ロワによりアノードから排出ざれるガス流量を、アノー
ドへ供給されるガス流量以上として、アノード出口側の
系内を負圧にするが、このアノード排出ガスブロワによ
り吸引ざれるアノード排出ガスの流量は、アノード排出
ガスブロワの吐出側に位置する差圧制御弁によりアノー
ド排出ガスブロワの吐出流量の一部を循環させることに
よって調整するので、差圧コントロールが容易であり、
且つ差圧制御弁は上記アノード排出ガスブロワの吐出側
に位置してガス流量の少ないところにあるので、小型の
ものですむ。

［実　施　例］ 以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。

第１図に概要を示す如く、タイルをカソード１とアノー
ド２で挟んでなる燃料電池ＦＣのカソード１へは、圧縮
機５にて圧縮した空気を空気供給ライン７により供給す
るようにし、該カソード１から排出されたガスはカソー
ド排出ガスフィン１０によりタービン１１へ送り膨張さ
せた後、蒸発器１２を経て大気へ排出させるようにする
と共に、上記力ソート排出ガスライン１ｏの途中より分
岐させて改質器９の燃焼室９ａに通した後上記空気供給
ラインγに接続するカソード循環ライン３１を設け、該
カソード循環ライン３１にカソード循環ブロワ３２を設
置する。一方、燃料電池ＦＣのアノード２へは、天然ガ
スＮＧを天然ガス供給ライン１３上の天然ガス予熱器３
３、脱硫器１５を経て改質器９の改質室９ｂに供給し、
ここで改質して燃料ガスとした後、上記天然ガス予熱器
３３を経てアノード２に供給するようにし、該アノ一ド
２から排出されたガスは、アノード排出ガスライン１１
上の熱交換器１８、蒸発器１９を経た後、第３図の場合
と同様に冷却器２０で冷却ざれて気液分離機２１へ移さ
れるようにし、ここで水と分離されたガスはライン２３
上のアノード排出ガスブロワ２２で昇圧された後、上記
熱交換器１８を経て改質器９の燃焼室９ａに供給すると
共に、上記気液分離機２１でガスと分離した水（Ｈ２０
）はポンプ２４で加圧されて、一部は上記蒸発器１２で
蒸発させられ蒸気として蒸気ライン２５に移すようにし
、残りの水は上記蒸発器１９で蒸発させて蒸気ライン２
５へ移すようにし、該蒸気ライン２５より蒸気を天然ガ
ス供給ライン１３へ供給し、天然ガスＮＧと混合させて
改質器９の改質室９ｂへ供給するようにし、更に、上記
ライン２３におけるアノード排出ガスブロワ２２の吐出
側位置とアノード排出ガスライン１７の冷却器２０人口
側とを循環ライン３４にて接続して、該循環ライン３４
の途中に差圧制御弁３５を設け、該差圧制御弁３５を、
カソード１とアノード２の各排出ガスライン１０と１７
の間に設けた差圧計３６からの信号によって制御するこ
とにより、アノード排出ガスブロワ２２の吐出側から該
アノード排出ガスブロワ２２の入口側に循環されるガス
流量が調節ざれるようにする。３７は制御装置で、空気
供給ライン７及びカソード排出ガスライン１０に設けた
温度計３８，３９の検出値、圧縮機５の回転数、等に基
づいてカソード循環ブロワ３２の回転数を制御するよう
にする機能、天然ガス供給ライン１３途中の天然ガス流
量調節弁４０のコントロール機能、アノード２へ供給ざ
れる天然ガスの流量に見合う流量以上をアノード２から
排出させるために必要吐出流量より多い吐出流量となる
ようにアノード排出ガスブロワ２２の回転数を制御する
機能、更には、天然ガスに混ぜる蒸気の流量調節弁４１
のコントロール機能、空気供給ライン７の流量調節計４
２、カソード排出ガスライン１０の圧力調節計４３を制
御する機能、等を有する。

上記の如き系統図としてある燃料電池発電システムにお
いて、カソード圧力とアノード圧力との差圧を制御する
場合は、カソード循環ブロワ３２では第２図に示す如く
負荷に応じた必要吐出流量曲線■に沿うような吐出流量
となるように制御し、アノード排出ガスブロワ２２では
曲線■で示すアノード供給流量に見合った必要吐出流量
よりも多目の曲線■で示す吐出流量となるように制御し
、更に、上記曲線■と曲線■との間で吐出流量を調節し
て差圧コントロールを行うようにする。

すなわち、アノード２側を流れるガス流量に比して多量
のガスか流れるカソード１側では、カソード循環ブロワ
３２は負荷に応じた必要吐出流量となるように回転数を
制御するようにしたり、空気供給うイン７の空気の流量
調節計４２やカソード排出カスライン１０の圧力調節計
４３も負荷に応じて制御するようにして、カソードの圧
力制御は負荷に比例させてややラフな制御とし、ガス流
量の少ないアノード側で圧力制御を行わせる。この場合
、アノード排出ガスブロワ２２は必要吐出流量より多い
吐出流量となるよう、すなわも、アノード２への供給量
に見合う流量以上をアノード２から排出させるように、
該ブロワ２２の回転数を制御させる。これによりアノー
ド２の出口側の系内は減圧状態になり、カソード１の出
口側の系内圧力よりも低下することになる。アノード圧
力がカソード圧力より低下すると、その差圧を差圧計３
９で検出して差圧制御弁３５を制御させ、アノード排出
力スブロワ２２から吐出されて改質器９に供給される流
量の一部を循環ライン３４に取り出してアノード排出ガ
スライン１７に入れて循環させる量をコントロールさせ
ることにより、アノード排出ガスブロワ２２でアノード
２から吸引するガス流量を調節させて第２図に示す曲線
■の吐出流量を曲線■に近づける等の制御を行わせ、常
にカソード圧力と一定の差圧になるようにする。このよ
うに本発明では、圧力が多少変動してもそれにすぐ応答
できるアノード系の圧力を制御して差圧をなくすように
するので、差圧制御を容易に行うことができる。

又、上記アノード排出ガスブロワ２２の吐出流量の一部
を取り出して循環させるときの循環流量をコントロール
して差圧制御を行わせる差圧制御弁３５は、アノード排
出ガスブロワ２２の出口側であって、温度が約５０′Ｑ
のところに位置してに比ペガス中の水分が分離されてい
るので更にいう小流量用のものでよく、したがって、小
型で低コストのもので済むことになる。

［発明の効果］ 以上述べた如く、本発明によれば、燃料電池のカソード
とアノードの極間差圧が生じたとき、カソード側の圧力
制御は負荷に応じたほぼ一定の制御とし、アノード排出
ガス流量をアノードへの供給量に見合う流量以上とする
ようにアノード排出ガスブロワの回転数を制御した状態
において、該アノード排出ガスブロワの吐出流量の一部
をアノード排出ガスに混入して循環させる量を差圧制御
弁で調節させることにより差圧をコントロールするよう
にしてあるので、ガス流量の多いカソード側では負荷に
比例したラフな制御として、ガス流量の少ないアノード
圧力を差圧制御弁で制御することから、圧力が多少変動
してもそれに直ちに応答できて、微妙な差圧の制御を容
易に行うことができ、又、差圧制御弁は小型のものでよ
い、等の優れた効果を奏し得る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の燃料電池極間差圧制御装置を用いた燃
料電池発電システムの系統概略図、第２図はカソード循
環ブロワとアノード排出ガスブロワの各吐出流量と負荷
との関係を示す図、第３図は従来の燃料電池極間差圧制
御方式を示す燃料電池発電システムの系統概略図である
。 １・・・カソード、２・・・アノード、５・・・圧縮機
、７・・・空気供給ライン、９・・・改質器、９ａ・・
・燃焼室、９ｂ・・・改質室、１０・・・カソード排出
ガスライン、１３・・・天然ガス供給ライン、１γ・・
・アノード排出ガスライン、２２・・・アノード排出ガ
スブロワ、２３・・・ライン、３１・・・カソード循環
ライン、３２・・・カソード循環ブロワ、３４・・・循
環ライン、３５・・・差圧制御弁、３１・・・制ＩＩｌ
装置、ＦＣ・・・燃料電池。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）燃料電池のカソードから排出されるガスをカソー
   ド入口側に循環させるカソード循環ライン途中のカソー
   ド循環ブロワを負荷に応じた必要吐出流量となるように
   制御し、一方、燃料電池のアノードから排出されたガス
   を改質器の燃焼室に導くアノード排出ガスライン途中の
   アノード排出ガスブロワを、アノードへの供給ガス流量
   に見合う流量以上を排出させるような回転数に制御して
   おき、カソード圧力とアノード圧力に差が生じると、上
   記アノード排出ガスブロワの吐出側から取り出してその
   吸入側に循環させるガス流量を調節することによりアノ
   ード圧力を制御して差圧をなくすようにすることを特徴
   とする燃料電池極間差圧制御方法。
2. （２）燃料電池のカソードに圧縮された空気を供給し且
   つ該カソードから排出されたガスを大気へ放出させ、又
   、燃料電池のアノードに燃料ガスを供給し且つ該アノー
   ドから排出されたガスをアノード排出ガスブロワで昇圧
   して改質器の燃焼室へ導くようにしてある燃料電池発電
   システムにおける上記カソードから排出されたガスの一
   部を改質器の燃焼室を通してカソードの入口側に戻すカ
   ソード循環ラインの途中にカソード循環ブロワを設け、
   且つ上記アノード排出ガスブロワの吐出側からガスの一
   部を該アノード排出ガスブロワの入口側に戻す循環ライ
   ンを設けて、該循環ラインの途中に差圧制御弁を設け、
   更に、上記カソード循環ブロワ、アノード排出ガスブロ
   ワの回転数を制御する制御装置を備えてなることを特徴
   とする燃料電池極間差圧制御装置。