JPH04301376A

JPH04301376A - 燃料電池発電システム

Info

Publication number: JPH04301376A
Application number: JP3066790A
Authority: JP
Inventors: Katsunori Sakai; 勝則酒井; Takeshi Kuwabara; 武桑原
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1991-03-29
Filing date: 1991-03-29
Publication date: 1992-10-23

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】

【０００１】［発明の目的］

【０００２】

【産業上の利用分野】本発明は、燃料電池発電システム
に係り、特に、発電部とガス供給用のマニホ―ルドとの
間の絶縁異常発生時に、この絶縁異常を検出してシステ
ムの保護を図るための技術に関する。

【０００３】

【従来の技術】近年、燃料の有しているエネルギ―を直
接電気的エネルギ―に変換するものとして、燃料電池発
電システムが知られている。この燃料電池発電システム
は通常、電解質を挟んで一対の多孔質電極を配置して燃
料電池を構成すると共に、一方の電極の背面に水素など
の燃料を接触させ、また他方の電極の背面に酸素などの
酸化剤を接触させ、この時起こる電気化学反応を利用し
て、上記電極間から、電気エネルギ―を取出すようにし
たものであり、上記燃料と酸化剤が供給されている限り
、高い変換効率で電気エネルギ―を取出すことができる
ものである。

【０００４】ところで、このような燃料電池発電システ
ムによって、大出力規模のプラントを構成する場合、燃
料電池本体の単位であるスタック電池を多数使用し、こ
れらの多数のスタック電池を電気的に直並列接続するこ
とになる。特に、高電圧を得るためには、スタック電池
の直並列接続数を多くする必要があるが、このように多
数のスタック電池を接続した場合、高電位にあるスタッ
ク電池の発電部が、大地電位にあるマニホ―ルド、締付
金具、圧力容器などに対して高電圧を発生するため、こ
れらの間を、高電圧に耐え得るように電気的に絶縁しな
ければならない。

【０００５】この場合、発電部と締付金具、圧力容器と
の間の絶縁保持は比較的容易であるが、発電部とマニホ
―ルドとの間の絶縁保持は、これらの間のガスシ―ルも
兼用しているため、極めて難しい。また、発電部と締付
金具との絶縁保持も、長時間運転による絶縁部材の劣化
などにより信頼性が低下する危険性がある。

【０００６】このような燃料電池発電システムにおける
高電圧の発生及び絶縁保持に関して、図３及び図４を参
照して説明する。まず、図３は、スタック電池（燃料電
池本体）を直列接続してなる燃料電池発電システムの、
対地電位発生分布を示す説明図である。図３に示すよう
に、スタック電池１は、発電部２を圧力容器３内に収納
してなり、スタック電池１の発生直流電力は、発電部２
の上下端部からそれぞれ引き出された陰極端子４及び陽
極端子５より取出し得るように構成されている。そして
、このような構成を有するスタック電池１を、図３にお
いて、Ｓ１　〜Ｓｎ　という識別符号によって示すよう
に、ｎ基設置し、これらのｎ基のスタック電池Ｓ１　〜
Ｓｎ　をケ―ブル６で直列接続し、その一端にあるスタ
ック電池Ｓ１　の陰極端子４をアース線７で設置した場
合、１基のスタック電池１の発生電圧をＥとすると、他
端にある最高電位のスタック電池Ｓｎ　の発電部２と圧
力容器３との間の発生電圧はｎ＊Ｅ＝ｎＥとなる。

【０００７】一方、従来のスタック電池（燃料電池本体
）１は、図４に示すように構成されている。ここで、図
４の（Ａ）は、スタック電池の横断面図、（Ｂ）は、縦
断面図である。すなわち、発電部２は、多数枚の発電セ
ルを上下に積層してなり、この発電部２の上下には、板
状の絶縁部材８，９を介して配置された締付金具１０，
１１が、締付ロッド１２を使用した締付けにより一体化
されている。

【０００８】また、発電部２の側面には、燃料及び酸化
剤ガスを給排するための燃料室及び酸化剤室として機能
するマニホ―ルド１３が配設されている。さらに、発電
部２とマニホ―ルド１３との間には、燃料及び酸化剤ガ
スのリ―クを防止するためのガスシ―ル１４が介挿され
ている。なお、図中１５は、マニホ―ルド１３に接続さ
れた配管、１６は発電部２の上下端部にそれぞれ接続さ
れたリード線であり、発電部２の上端部に接続されたリ
ード線１６は、陰極端子４に接続され、発電部２の下端
部に接続されたリード線は、陽極端子５に接続されてい
る。この場合、ガスシ―ル１４は、ガスリークの防止機
能に加えて、発電部２とマニホ―ルド１３との間の絶縁
保持機能を持たなければならない。また、陰極端子４及
び陽極端子５は、大地電位にある圧力容器３に対して、
発電部２での発生直流電圧を出力するのに十分な絶縁特
性を保持しなければならない。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図３に
示すような、直列接続されたスタック電池のうち、最高
電位のスタック電池Ｓｎ　の発電部２における最大対地
電位は、ｎＥとなるため、陰極端子４及び陽極端子５、
絶縁部材８，９、及びガスシ―ル１４の絶縁耐力は、こ
の最大対地電位ｎＥを基準として設計する必要があり、
設計上の制約が大きい。特に、発電部２とマニホールド
１３との間のガスシ―ル１４はガスリ―クの防止と絶縁
保持という複合機能を兼備しなければならないため、そ
の材料、構造、品質、信頼性の点で大きな制約があり、
充分な絶縁保持機能を得ることは困難であった。そのた
め、従来のスタック電池においては、発電部２からのリ
ン酸の染み出しに伴うマニホ―ルド１３間の液絡などに
より、発電部２とマニホ―ルド１３間に短絡部を生じ易
かった。そして、この部分でリ―ク電流が流れた場合、
電池特性が低下し、ついには電池破損に至る危険性が高
かった。また、発電部２と締付金具１０，１１間におい
ても、長時間運転による絶縁部材８，９の劣化によって
、短絡部を生じる場合があり、このことも問題となって
いた。

【００１０】一方、このような短絡部の発生に対し、従
来のスタック電池においては、発電部２とマニホ―ルド
１３間、及び発電部２と締付金具１０，１１間の短絡な
どの異常状態を早期に発見する手段が具備されていなか
った。そのため、極端な電池特性劣化が検出された場合
に、初めて短絡と診断される状況であり、このような場
合には、すでに電池の損傷が拡大しており、感電事故の
危険性も高く、問題となっていた。

【００１１】本発明は、上記のような従来技術の課題を
解決するためになされたものであり、その目的は、燃料
電池本体内において、特に、発電部とマニホールドとの
間に絶縁不良が生じてリ―ク電流が流れるような異常状
態を、確実且つ迅速に検知可能とすることにより、電池
の損傷が拡大しないうちに早期に対処し得るような、安
全性及び信頼性の高い、優れた燃料電池発電システムを
提供することである。

【００１２】［発明の構成］

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の燃料電池発電システムは、複数個発電セル
を上下方向に積層して発電部とし、この発電部の上下端
部を絶縁部材を介して締付金具により締付けると共に、
発電部の上下端部から出力端子をそれぞれ引き出し、発
電部の側面には配管部分を有する燃料及び酸化剤ガス給
排用のマニホ―ルドを配設し、さらに、その周囲を圧力
容器で覆って燃料電池本体を形成してなる燃料電池発電
システムにおいて、出力端子のうちのいずれか一方の出
力端子とマニホ―ルドとを電気的に接続して同電位とす
ると共に、この電気的接続部の電流または電圧を検出す
る検出手段と、この検出手段による検出値と許容値とを
比較処理する演算処理手段とを備えたことを特徴として
いる。

【００１４】この場合、通常は、発電部の下端部から引
き出された陽極端子とガス給排用マニホールドとを電気
的に接続する。また、本発明のシステムの実際の運用に
当たっては、演算処理手段による比較処理に基づいて、
発電部とマニホ―ルドとの間の絶縁状態の判定を行い、
この判定結果に応じて一定の警報を発したり、または、
一定の保護処理を行う警報・保護系を設けることが可能
である。あるいは、演算処理手段自体によって、判定を
行い、この判定結果を警報・保護系に出力することも可
能である。さらに、出力端子とマニホールドに加えて、
出力端子の引き出し端部側の締付金具をも電気的に接続
してこれらを同電位とし、出力端子とマニホ―ルドとの
間、及び出力端子と締付金具との間の各々について電流
または電圧を検出するように構成することも可能である
。

【００１５】

【作用】以上のような構成を有する本発明の燃料電池発
電システムにおいては、その燃料電池本体の発電運転中
、検出手段を常時動作状態（監視・測定状態）とするこ
とにより、燃料電池本体の発電部とマニホ―ルドとの間
に絶縁不良が生じ、短絡部が発生した場合には、電気的
接続部を通過して出力端子と短絡部との間に流れるリー
ク電流またはこのリーク電流に基づく電圧を迅速に検出
できる。そして、演算処理手段により、このように検出
された検出値と、許容値とを比較処理し、この処理結果
に基づいて、発電部とマニホ―ルドとの間の絶縁状態の
判定を行うことができる。

【００１６】また、警報・保護系を設けた場合には、判
定結果に応じて一定の警報を発したり、または、一定の
保護処理を行うことができる。さらに、出力端子と締付
金具との間の電流または電圧を検出するように構成した
場合には、発電部と締付金具間の絶縁状態の判定を行う
ことができる。

【００１７】

【実施例】以下、本発明による燃料電池発電システムの
一実施例（第１実施例）を図１に基づいて具体的に説明
する。なお、図１は、スタック電池（燃料電池本体）を
示す縦断面図及びその検出用付帯設備を示す回路図であ
る。また、図４に示した従来技術と同一部分には、同一
符号を付し、説明は省略する。

【００１８】本実施例においては、図１に示すように、
スタック電池１（燃料電池本体）の発電部２の下端部か
ら引き出された陽極端子５とマニホ―ルド１３との間、
及び陽極端子５と下部締付金具１１との間は、それぞれ
、リ―ド線２０ａ，２０ｂを介して電気的に導通するよ
うに構成されている。この場合、上部締付金具１０は、
締付ロッド１２を介して導通するように構成されている
。

【００１９】そして、陽極端子５とマニホ―ルド１３と
の間のリード線２０ａ、及び陽極端子５と下部締付金具
１１との間のリ―ド線２０ｂ上には、本発明における検
出手段として、リ―ク電流を測定する第１、第２の電流
検出器２１ａ，２１ｂが設けられており、検出電流値信
号を出力するようになっている。また、第１、第２の電
流検出器２１ａ，２１ｂには、本発明における演算処理
手段である演算器２２が接続されている。この演算器２
２は、第１、第２の電流検出器２１ａ，２１ｂから出力
された検出電流値信号を受け取り、この検出電流値と、
予め入力されたリーク電流の許容電流値とを比較演算処
理して絶縁状態の判定を行い、異常状態と判定した場合
に、異常信号を出力するように構成されている。さらに
、演算器２２には、演算器２２の異常信号を受け取って
、一定の警報を発したり、または、一定の保護処理を行
う警報・保護系２３が接続されている。

【００２０】以上のような構成を有する本実施例の燃料
電池発電システムにおいて、例えば図１に示す“Ａ”の
部分のガスシ―ル１４の絶縁劣化が進行した場合、スタ
ック電池１で最も電圧の高い陽極端子５から、第１の電
流検出器２１ａを介してリ―ド線２０ａを通り、絶縁劣
化部分“Ａ”にリ―ク電流が流れる。この時、第１の電
流検出器２１ａで検出された検出電流値は、演算器２２
に入力される。そして、演算器２２において、以下の演
算が行われる。　　ΔＩ＝（第１の電流検出器２１ａの検出電流値）−
（許容電流値）　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　…（１）ここで、
リーク電流の許容電流値としては、リ―ク電流が流れて
も電池特性低下の影響が無視でき、電池の損傷に至らな
い程度の所定の値を使用する。そして、この（１）式の
左辺が、ΔＩ＜０の関係になった場合、すなわち、検出
電流値が許容電流値を越えた場合に、異常状態と判定さ
れ、警報・保護系２３に異常信号が出力され、警報・保
護系２３は警報または保護の処理を実施する。

【００２１】従って、本実施例の燃料電池発電システム
によれば、発電部２とマニホ―ルド１３または締付金具
１０，１１間に、絶縁不良が生じてリ―ク電流が流れる
ような異常状態を、確実且つ迅速に検知することができ
る。すなわち、このような異常状態を検出する適切な手
段を持たなかった従来技術において、このような異常状
態のままで運転が続行されることによって生じていた電
池の破損事故及び感電事故などを、本実施例においては
未然に防止することが可能となり、燃料電池の安全性及
びプラントの運用面で大きな効果を得ることができる。

【００２２】次に、本発明の他の実施例（第２実施例）
について図２を用いて説明する。なお、図２は、スタッ
ク電池（燃料電池本体）を示す縦断面図及びその検出用
付帯設備を示す回路図である。また、前記第１実施例と
同一部分には、同一符号を付してその説明を省略する。この第２実施例において、陽極端子５とマニホ―ルド１
３との間、及び陽極端子５と下部締付金具１１との間は
、それぞれ、リ―ド線２０ａ，２０ｂを介して電気的に
導通するように構成されている。

【００２３】この場合、本実施例においては、リ―ド線
２０ａ，２０ｂ上に、絶縁不良時に生じるリ―ク電流の
最大許容値で断するフュ―ズ２５ａ，２５ｂをそれぞれ
介在させている。そして、本発明に従う検出手段として
は、このフュ―ズ２５ａ，２５ｂの両端の電圧を測定す
る第１、第２の電圧検出器２６ａ，２６ｂが設けられて
おり、検出電圧値信号を出力するようになっている。ま
た、第１、第２の電圧検出器２６ａ，２６ｂには、本発
明における演算処理手段である演算器２７が接続されて
いる。この演算器２７は、第１、第２の電圧検出器２６
ａ，２６ｂから出力された検出電圧値信号を受け取り、
この検出電圧値と、予め入力された許容電圧値とを比較
演算処理して絶縁状態の判定を行い、異常状態と判定し
た場合に、異常信号を出力するように構成されている。なお、この場合の許容電圧値は、フュ―ズ２５ａ，２５
ｂの抵抗値とリ―ク電流の許容値から決定される。さら
に、前記第１実施例と同様に、演算器２７には、演算器
２７の異常信号を受け取って、一定の警報を発したり、
または、一定の保護処理を行う警報・保護系２３が接続
されている。

【００２４】以上のような構成を有する本実施例の燃料
電池発電システムは、前記第１実施例と同様の作用効果
を得ることができるのみでなく、フューズ２５ａ，２５
ｂによる電池保護機能を有している。すなわち、絶縁不
良の進行に伴い、リ―ク電流が増大し、最大許容電流値
を越えた場合、フュ―ズ２５ａ，２５ｂが切断すること
でリ―ク電流を消去し、電池の破損を速やかに防止する
ことができる。

【００２５】なお、本発明は前記実施例に限定されるも
のではなく、例えば、締付金具と燃料電池本体の出力端
子が完全に短絡構造であるような構造についても、同様
に適用可能である。すなわち、このような構造について
は、検出手段として出力端子とマニホールドとの間の電
流または電圧を検出する検出器のみを設け、さらに、演
算器及び警報・保護系を設けてシステムを構成可能であ
る。そして、このようなシステムにおいても、前記実施
例と同様の優れた作用効果を得られる。また、本発明に
おいて、検出手段、演算処理手段、警報・保護系などの
具体的な構成は適宜選択可能である。

【００２６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明においては
、燃料電池本体の出力端子とマニホ―ルドを電気的に接
続してこれらを同電位とし、この場合の電気的接続部の
電流または電圧を検出して、検出値と許容値との比較処
理を行うように構成したことにより、燃料電池本体内に
おいて、特に、発電部とマニホールドとの間に絶縁不良
が生じてリ―ク電流が流れるような異常状態を、確実且
つ迅速に検知可能であるため、電池の損傷が拡大しない
うちに早期に対処し得るような、安全性及び信頼性の高
い、優れた燃料電池発電システムを提供することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による燃料電池発電システムの第１実施
例におけるスタック電池を示す縦断面図及びその検出用
付帯設備を示す回路図。

【図２】本発明による燃料電池発電システムの第２実施
例におけるスタック電池を示す縦断面図及びその検出用
付帯設備を示す回路図。

【図３】スタック電池（燃料電池本体）を直列接続して
なる燃料電池発電システムの、対地電位発生分布を示す
説明図。

【図４】従来の燃料電池発電システムにおけるスタック
電池を示す横断面図及び縦断面図。

【符号の説明】

１　　　　　　スタック電池（燃料電池本体）２　　　
　　　発電部３　　　　　　圧力容器４　　　　　　陰極端子５　　　　　　陽極端子６　　　　　　ケ―ブル７　　　　　　ア―ス線８，９　　絶縁板１０，１１締付金具１２　　　　締付ロッド１３　　　　マニホ―ルド１４　　　　ガスシ―ル１５　　　　配管１６　　　　リ―ド線２０ａ，２０ｂリ―ド線２１ａ，２１ｂ電流検出器２２，２７演算器２３　　　　警報・保護系２５ａ，２５ｂフュ―ズ２６ａ，２６ｂ電圧検出器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】　　複数個発電セルを上下方向に積層して
発電部とし、この発電部の上下端部を絶縁部材を介して
締付金具により締付けると共に、発電部の上下端部から
出力端子をそれぞれ引き出し、発電部の側面には配管部
分を有する燃料及び酸化剤ガス給排用のマニホ―ルドを
配設し、さらに、その周囲を圧力容器で覆って燃料電池
本体を形成してなる燃料電池発電システムにおいて、前
記出力端子のうちのいずれか一方の出力端子とマニホ―
ルドとを電気的に接続して同電位とすると共に、この電
気的接続部の電流または電圧を検出する検出手段と、こ
の検出手段による検出値と許容値とを比較処理する演算
処理手段とを備えたことを特徴とする燃料電池発電シス
テム。