JPH04155771A

JPH04155771A - 燃料電池発電装置

Info

Publication number: JPH04155771A
Application number: JP2279342A
Authority: JP
Inventors: Makoto Koyama; 誠小山
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1990-10-19
Filing date: 1990-10-19
Publication date: 1992-05-28

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】［発明の目的］（産業上の利用分野）本発明は、燃料電池発電装置に係るものであり、特に電
池本体の内部異常診断に関するものである。

（従来の技術）近年、燃料電池発電装置が大いに注目を集めている。こ
の燃料電池発電装置は燃料の持つ化学エネルギーを電気
化学プロセスで酸化させ、この酸化反応による放出エネ
ルギーを直接電気エネルギーに変換するものである。

この燃料電池発電装置はＳＯＸやＮ　Ｏｘの排出量が非
常に少なく、また振動音も低い。更に発電装置内に燃料
サイクルを含まないため、大量の冷却水を必要としない
。従って、燃料電池発電装置は原理的に高い変換効率を
確保することができ、比較的小さな規模の下でも、発電
効率が４０〜５０％に達し、最新の火力発電を凌ぐほど
の極めて高い数値を獲得することが可能である。しかも
、負荷変動に対して優れた応答性を発揮でき、更に振動
音による騒音並びに公害要因となるＳＯＸやＮ　Ｏｘの
排ガス量が低いため、社会問題となっている環境問題に
与える影響も少ない。

以上のような優れた点を持つ燃料電池発電装置の需要は
大きく、その開発及び実用化の研究成果に期待と関心が
寄せられている。例えば、この種の装置の従来例として
は、特開昭６０−８３７６５号公報記載のものなどが知
られている。

ここで、燃料電池発電装置を構成する燃料電池の原理を
説明する。即ち、第４図に示すように、対向する一組の
多孔質電極１の間に、リン酸等の電解液を含浸させた電
解質層２を介在させて単電池を形成する。この単電池の
両端面に、燃料ガスである水素ガスＨと空気Ａとを連続
して供給すると、反応生成物及び反応残余物りが外部に
連続して除去されるので、発電が長期に亘って継続され
る。

又、上記の燃料電池の基本的な構成は、第５図に示す通
りである。即ち、電解質マトリックス層３の両側には、
正極４及び負極５か配設されて、四角形の板状をなす単
電池が構成されている。更に、この単電池を発電電池と
して使用するために、多数の単電池か直列に結合されて
積層されている。

これら積層された単電池の間隙には、インターコネクタ
６が配設され、単電池と交互に積重ねられている。この
インターコネクタ６の上下面には、単電池にガスを供給
するように、対向する二側縁に開口する複数の溝か設け
られており、上面側の溝は水素ガスＨが流れる水素ガス
流路７となり、下面側の溝は空気Ａが流れる空気流路８
となる。

この時、水素ガス流路７と空気流路８とは互いに直交す
る方向に配列されている。

ところで、現在開発が進められている燃料電池Ｎは、第
６図、第７図に示すように、上記の単電池を四角柱状に
複数個積層してセルスタック９が構成され、その四周の
側面には反応ガス供給用のマニホールド１０か取付けら
れている。このマニホールド１０には、夫々水素ガス供
給管１１、水素ガス排出管１２、空気供給管１３及び空
気排出管１４が接続されており、水素ガスＨはセルスタ
ック９内を矢印ａ方向に、一方空気Ａはセルスタック９
内を矢印す方向に流れるように設計されている。

又、セルスタック９の運転温度は高いほうが反応論的に
は好ましいが、構成材料の耐熱性や電解質の蒸気圧等の
制約から２００℃前後に維持することが望まれている。

従って、上記の従来例においては、第６図に示すように
、冷却水供給管１５及び冷却水排出管１６から構成され
た導管がセルスタック９内に埋設されている。この導管
内を流れる冷却水がセルスタック９内を破線Ｃのように
循環することによって、燃料電池起動時の加熱と、運転
中に発生する熱とが下げられ、適当な温度までセルスタ
ック９が冷却されるようになっている。

又、以上説明した燃料電池の構成部材は、タンク２１に
収納されており、このタンク２１内にはマニホールド１
０やその他の反応ガスの漏れを抑制するために窒素ガス
等が封入されている。更に、燃料電池の出力は直流でセ
ルスタック９の上下端に配設された電力端子（正極）１
７及び電力端子（負極）１８から、接続導体１９及びブ
ッシング２０を介してタンク２１外に引出されている。

ところで、第６図、第７図に示した燃料電池において、
その単器容量は単電池面積とその積層個数に比例する。

しかし、単電池を構成する多孔質電極板は、脆い材質で
あることから全面均一な厚さに成形することが困難であ
り、積層作業の制約も大きく、全面均一な締付力も得ら
れ難い。従って、単電池の面積を大幅に増大することは
極めて困難である。一方、単電池の積層個数も輸送或い
は積層作業の制約などのために限界が在る。そこで通常
、セルスタック９の１個当りの容量は５００〜１０００
ｋｖに抑えられている。従って、大容量の燃料電池発電
装置を実用化する場合は、第８図のように複数個の電池
本体Ｎ１、Ｎ２及びＮ３を並設することになっている。

また、このようにして構成された燃料電池は、出力を維
持するためにセルスタック９への適度な締付力を保つ必
要がある。ここで適度な締付力とは、強度の低い単電池
を破損させず、且つ単電池とインターコネクタとを完全
に密接させる程度の力を指す。この様な適度な力でセル
スタック９を締付けることにより、単電池の破損を防止
すると共に、単電池間の電気抵抗値の低減を図り、且つ
直交方向に流れる反応ガスの混合を防ぐことができる。

その結果、燃料電池は安定した電気エネルギーを出力す
ることが可能となる。

第６図、第７図に示した燃料電池を例にとれば、セルス
タック９の上下には、それぞれ集電板２２及び絶縁板２
３を介して締付板２４が配設されている。この締付板２
４の上下には十字形をした支え金具２５が取付けられて
いる。この時、セルスタック９の平面を均一に締付け、
しかも変形が起゛　らないように、締付板２４の厚さは
十分に厚く設定されている。又、支え金具２５は締付板
２４の外側に配設されるため、締付板２４の補強を兼ね
るようになっている。更に、支え金具２５の４つの腕の
各先端部には、ロッド２６が挿通されており、ロッド２
６の端部に形成されたナツト２８により固定されている
。これらロッド２６及びナツト２８とからなる締付部材
は鉄鋼材で構成されており、この締付部材によってセル
スタック９より構成される単電池が上下から締結されて
いる。又、ロッド２６上端部側のナツト２８と支え金具
２５との間には、その締付力が比較的大きいため、小さ
なスペースで大きな負荷荷重が得られるように皿はね２
７が装着されている。

ところで、セルスタック９と鉄鋼製の締付部材とでは、
両者の熱膨張係数が約２Ｘ１０−５以上あり、温度上昇
差も生じる。例えば、セルスタック９の積層される高さ
が３ｍ、温度が２００℃とした場合、締付部材よりセル
スタック９の方が数十ｍｍも大きく膨脹する。

一方、積層された単電池が長期間に亘って締付けられて
いると、いわゆる馴染み等によって厚さ方向の寸法が減
少する傾向にある。

以上のように、熱や圧力によってセルスタック９が上下
方向に伸縮するため、セルスタック９への最適な締付力
を一定に保持することは極めて困難であった。これによ
り供給電力の安定化が損なわれ、問題となっていた。そ
こで、従来より適度な締付力の保持を達成するために、
様々な工夫が成されており、第６図及び第７図の皿ばね
２７などはその一例である。ここで皿ばね２７は、装置
の起動から運転にか１すての熱変動によるスタック膨脹
差に対して、その膨脹を吸収する働きをしている。

（発明が解決しようとする課題）しかしながら、従来技術においては、次のような課題が
指摘されていた。

即ち、セルスタックへの適度な締付力を保持する為に様
々な工夫が成されているにも関わらず、最適な締付力で
セルスタックが保持されているか否かをタンク外部から
判別することができなかった。従って、装置運転中の場
合、セルスタックへの締付力が急に弱まっても、単電池
間抵抗値の増大による出力エネルギーの損失がかなり大
きくなるまで、この締付力低下状態を察知することが難
しかった。そのため、単電池とインターコネクタとの密
接状態が離れて、単電池間のシールが不完全となり、反
応ガスが混ざり合って燃焼現象を引起こす危険性があっ
た。一方、セルスタックの締付力が過度に強まると、単
電池が破損する可能性が高まった。従って、装置の安全
性を確保するため、セルスタックへの締付力の監視に対
しては多大な労力が割かれており、定期的に装置を停止
させて電池本体の内部異常診断を行う必要性があった。

更に、大容量の発電装置を実現するために複数の電池本
体が並設されている場合、１台でも電池本体に異常が発
生すれば、装置全体に支障を来す恐れがある。しかも、
複数の電池本体の中から異常が発生した電池本体を迅速
に発見することは困難、であり、装置の運用効率が低か
った。その為、併設される電池本体の数が増大すれば、
監視作業も面倒なものとなり、発電装置の大容量化を妨
げる原因となっていた。

本発明は、上記の点を考慮してなされたものであり、そ
の目的とするところは、簡単な構成でセルスタックの締
付力を検出して、適確に電池本体の異常監視を行い、電
力の安定供給を計る優れた燃料電池発電装置を提供する
ことにある。

［発明の構成コ（課題を解決するための手段）かかる目的を達成するために本発明は、一対の電極間に
電解質層を介在させて複数個の矩形平面状の単電池を四
角柱状に積層し、これを上下の締付板に締結してセルス
タックを形成し、このセルスタックの上下に支え金具を
配設し、これらの支え金具を締付けるロッド及びナツト
を有すると共に、タンク内に収納してなる電池本体より
構成した燃料電池発電装置において、ロッドにストレー
ンゲージを取付け、各電池本体のストレーンゲージから
出力されるデータを比較するストレーン測定器を電池本
体外部に設置することを特徴とするものである。

（作用）以上のような構成を有する本発明の作用は次の通りであ
る。

即ち、ロッドに取付けられたストレーンゲージが、セル
スタックのストレスであるロッドの締付力を検出し、こ
のデータを装置外部に設けられたストレーン測定器へ送
る。そして、ストレーン測定器は電池本体から出力され
たデータを比較、検討して、セルスタックのストレスを
総合的に判断する。

以上のように、本発明は電池本体のセルスタ・ツクの締
付状態を、装置外部から常に監視することができる。そ
の為、セルスタックの異常を早期に発見でき、適切な保
安処置を取ることで、燃料電池発電装置全体の運用改善
に貢献できる。

（実施例）本発明の一実施例を第１図乃至第３図に基いて具体的に
説明する。尚、第４図乃至第８図に示した従来例と同一
の部材については、同一符号を付し、説明は省略する。

即ち、第１図に示すように、電池本体Ｎにおいて、ロッ
ド２６の上端部付近にはストレーンゲージ２９が取付け
られている。このストレーンゲージ２９はロッド２６の
締付力を検出して、その検出信号をデータとして出力す
るものであり、データ出力用のストレーンゲージワイヤ
３０が設置されている。一方、タンク２１にはストレー
ンゲージ貫通部３１が開口されている。このストレーン
ゲージ貫通部３１には前記のストレーンケージワイヤ３
０が挿通されている。又、ストレーンゲージワイヤ３０
の先端部は、タンク２１の外側に設けられたストレーン
測定器３２に接続されている。

ストレーン測定器３２は電池本体Ｎの各ロッド２６から
の検出データを比較、検討するようになっている。

更に、本実施例の燃料電池発電装置には、第２図に示す
ように、３つの電池本体Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３が設置されて
いる。これら電池本体Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３のロッド２６に
は、ストレーンゲージ２９が取付けられており、各スト
レーンゲージ２９から延びるストレーンゲージワイヤ３
０は、全てストレーン測定器３２に接続されている。

以上のような構成を有する本実施例の作用は次の通りで
ある。

即ち、各ロッド２６に設置されたストレーンゲージ２９
がロッド２６の締付力を検出し、ストレーンゲージワイ
ヤ３０がこの検出信号を装置外部のストレーン測定器３
２に入力する。この様にして、ストレーン測定器３２は
電池本体Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３からの各出力データを集め、
ロッド２６の締付力、即ちセルスタック９のストレスを
第３図に、　　示すようなグラフにして表示する。従っ
て、第３図のＤに示すように、電池本体Ｎ３におけるス
トレスが急速に低下した場合、電池本体Ｎ１、Ｎ２から
のデータと比較することにより、ストレスの変化を即座
に発見することができる。そして、電池本体Ｎ３を停止
させるなど、適切な保安処置を、　　とることよって、
電池本体の異常発生を早い段階で、修正することができ
る。

以上のように、本実施例によれば、複数の電池本体を備
えていても、各ストレーンゲージ２９からの検出データ
を１つのストレーン測定器３２に集中させ、これにより
総合的に判断することができる。しかも、異常が発生し
た電池本体だけを適確に察知することができるため、多
数の電池本体を並設しても支障がなく、装置の大容量化
を進めることができる。

又、ストレーン測定器３２は装置外部に設置さ、　　れ
ているため、容易に電池本体を常時監視することができ
る。その結果、電池本体の内部異常に対して素早く対応
することができ、装置の安全性及び信頼性が大きく向上
する。

なお、本発明の燃料電池発電装置は、以上の実施例に限
定されるものではなく、ロッドの締付力さえ検出できれ
ば、ストレーンゲージは電池本体の複数本のロッドにど
のように設置しても良く、又、ストレーンゲージが設置
されるロッドの数、或いはロッドに設置されるストレー
ンゲージの数は適宜選択可能である。

［発明の効果］以上述べたように、本発明によれば、電池本体のロッド
にストレーンゲージを取付け、このストレーンゲージか
らの出力データを、ストレーン測定器により比較、検討
するという簡単な構成によって、装置外部から常時監視
を行うことができるため、優れた安全性及び信頼性を獲
得すると共に、監視作業が容易であり、ひいては電力の
安定供給を確保できる優れた燃料電池発電装置を提供す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す縦断面図、第２図は本
実施例を示す構成図、第３図は本実施例による異常検出
の一例を含む電池本体Ｎ１、Ｎ２Ｎ３のセルスタックへ
のストレスのグラフ図、第４図は燃料電池の原理を示す
断面模型図、第５図は燃料電池の基本的な構成を示す斜
視図、第６図及び第７図は現在開発が進められている電
池本体の概略を示す平面図及び縦断面図、第８図は複数
個の電池本体で構成される燃料電池発電装置の一例を示
す構成図である。１・・・多孔質電極、２・・・電解質層、３・・・電解
質マトリックス層、４・・・正極、５・・・負極、６・
・・溝付きインターコネクタ、７・・・水素ガス流路、
８・・・空気流路、９・・・セルスタック、１０・・・
マニホールド、１１・・・水素ガス供給管、１２・・・
水素ガス排出管、１３・・・空気供給管、１４・・・空
気排出管、１５・・・冷却水供給管、１６・・・冷却水
排出管、１７・・・電力端子（正極）、１８・・・電力
端子（負極）、１９・・・接続導体、２０・・・ブッシ
ング、２１・・・タンク、２２・・・集電板、２３・・
・絶縁板、２４・・・締付板、２５・・・支え金具、２
６・・・ロッド、２７・・・皿ばね、２８・・・ナツト
、２９・・・ストレーンゲージ、３０・・・ストレーン
ゲージワイヤ、３１・・・ストレーンゲージワイヤ、３
２・・・ストレーン測定器。

Claims

【特許請求の範囲】一対の電極間に電解質層を介在させて複数個の矩形平面
状の単電池を四角柱状に積層し、これを上下の締付板に
締結してセルスタックを形成し、このセルスタックの上
下に支え金具を配設し、これらの支え金具を締付けるロ
ッド及びナットを有すると共に、タンク内に収納してな
る電池本体より構成した燃料電池発電装置において、前記ロッドにストレーンゲージを取付け、各電池本体のストレーンゲージから出力されたデータを
比較するストレーン測定器を電池本体外部に設置する、ことを特徴とする燃料電池発電装置。