JPH0451467A - 燃料電池発電装置 - Google Patents
燃料電池発電装置Info
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- JPH0451467A JPH0451467A JP2161768A JP16176890A JPH0451467A JP H0451467 A JPH0451467 A JP H0451467A JP 2161768 A JP2161768 A JP 2161768A JP 16176890 A JP16176890 A JP 16176890A JP H0451467 A JPH0451467 A JP H0451467A
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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。
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〕
この発明は、・燃料電池スタック、燃料処理装置、空気
供給装置、電力変換装置全含む燃料電池発電装置、こと
に燃料電池の有効発電面積を負荷率に対応して制御する
ための反応ガスの給排部構造に関する。
供給装置、電力変換装置全含む燃料電池発電装置、こと
に燃料電池の有効発電面積を負荷率に対応して制御する
ための反応ガスの給排部構造に関する。
第９図は燃料電池の単位セル構造の一例を示す斜視図、
第１０図は燃料電池発電装置の構成を簡略化して示すシ
ステムフロー図、第１１図は従来の燃料電池スタックを
模式化して示す平面図である。図において、単位セル１
００は電解質を保持するマトリックス１０１と、これ全
挟持する燃料電極１０２および空気電極１０６とで構成
される。
第１０図は燃料電池発電装置の構成を簡略化して示すシ
ステムフロー図、第１１図は従来の燃料電池スタックを
模式化して示す平面図である。図において、単位セル１
００は電解質を保持するマトリックス１０１と、これ全
挟持する燃料電極１０２および空気電極１０６とで構成
される。
一対の電極１０２および１０３は、それぞれガス透過性
を有する電極基材のマトリックス１０１に接する面側に
電極触媒層金偏えるとともに、電極基材の反マトリック
ス側の面には互いに直交する方向に複数の凹溝からなる
燃料ガス通路１０２Ａ。
を有する電極基材のマトリックス１０１に接する面側に
電極触媒層金偏えるとともに、電極基材の反マトリック
ス側の面には互いに直交する方向に複数の凹溝からなる
燃料ガス通路１０２Ａ。
空気通路１０６Ａが形成される。複数の単位セル１００
はその積層面にガス不透過性のセパレータ１０４を介装
した状態で積層され、第１１図に模式化して示すように
燃料電池スタック（以下スタックと略称する）１全形成
する。また、スタックの燃料ガス通路１０２Ａの両端が
開口する側壁面には入口、出口一対のマニホールド２Ａ
、２Ｂが気密に取り付けられ、燃料ガス通路と併せて燃
料（ガス）室２全形成し、またこれと直交する側壁面に
は入口、出口一対のマニホールド３Ａ、３Ｂが気密に取
り付けられ、空気通路１０３Ａと併せて空気室６全形成
する。
はその積層面にガス不透過性のセパレータ１０４を介装
した状態で積層され、第１１図に模式化して示すように
燃料電池スタック（以下スタックと略称する）１全形成
する。また、スタックの燃料ガス通路１０２Ａの両端が
開口する側壁面には入口、出口一対のマニホールド２Ａ
、２Ｂが気密に取り付けられ、燃料ガス通路と併せて燃
料（ガス）室２全形成し、またこれと直交する側壁面に
は入口、出口一対のマニホールド３Ａ、３Ｂが気密に取
り付けられ、空気通路１０３Ａと併せて空気室６全形成
する。
このように構成されたスタック１は第１０図に示すよう
に、その燃料室２が燃料改質器５に連結され、原料タン
ク４に貯蔵された化石燃料、炭火水素系燃料等をポンプ
８Ａを介して改質器５に送り、改質器５の水蒸気改質反
応によって生成した水素リッチな燃料ガスＧＦ’が燃料
室２に供給され、一方、空気室３にはプロワ８Ｃによっ
て反応空気ＧＡを供給しオフ空気ＯＡ全排出することに
よハスタック１は一対の電極１０２．１０３間で電気化
学反応に基づく起電反応全行い、その発電電力は電力変
換装置６で出力電流波形や電圧などの調整が行われた後
、負荷９に供給される。また、燃料室２から排出される
オフガスＯＦ’は燃料改質器５のバーナに送られ、プロ
ワ８Ｂから送られる空気と混合して燃焼し、その発生熱
は吸熱反応である水蒸気改質反応に必要な反応熱として
利用される。さらに、電力変換器６、プロワ８Ｃを主体
とする空気供給装置、および原料ポンプ４．ポンプ８、
燃料改質器５．および空気プロワ８Ｂ等で構成される燃
料処理装置は制御装置７によって制御され、スタック１
の発電量および電力変換装置の出力電流等が負荷９が要
求する負荷電力に対応して１ｕ１」御される。
に、その燃料室２が燃料改質器５に連結され、原料タン
ク４に貯蔵された化石燃料、炭火水素系燃料等をポンプ
８Ａを介して改質器５に送り、改質器５の水蒸気改質反
応によって生成した水素リッチな燃料ガスＧＦ’が燃料
室２に供給され、一方、空気室３にはプロワ８Ｃによっ
て反応空気ＧＡを供給しオフ空気ＯＡ全排出することに
よハスタック１は一対の電極１０２．１０３間で電気化
学反応に基づく起電反応全行い、その発電電力は電力変
換装置６で出力電流波形や電圧などの調整が行われた後
、負荷９に供給される。また、燃料室２から排出される
オフガスＯＦ’は燃料改質器５のバーナに送られ、プロ
ワ８Ｂから送られる空気と混合して燃焼し、その発生熱
は吸熱反応である水蒸気改質反応に必要な反応熱として
利用される。さらに、電力変換器６、プロワ８Ｃを主体
とする空気供給装置、および原料ポンプ４．ポンプ８、
燃料改質器５．および空気プロワ８Ｂ等で構成される燃
料処理装置は制御装置７によって制御され、スタック１
の発電量および電力変換装置の出力電流等が負荷９が要
求する負荷電力に対応して１ｕ１」御される。
一
ところで、こうした燃料電池発電装置全運転する場合の
運転士の制約条件としていくつかの項目がある。そのひ
とつとして、燃料電池を高温（概略１３０℃以上）で高
電位（０゜８Ｖ／セル以上）に曝さないという項目があ
る。この理由としては、電位が高くなる酸化剤極におい
て、燃料電池の電極の構成材として使用している触媒（
白金または白金合金全カーボンブラック等の炭素微粒子
に担持したもの）の白金または白金合金が溶解再析出し
やすぐなり、粗大化し反応表面積（白金表面積）が減少
する。あるいは、白金または白金合金を担持している炭
素微粒子が腐食しゃすぐなシ、白金が脱落し反応表面積
（白金表面積）が減少するなどの現象をひきおこし、結
果として燃料電池特性の低下を生ずる。
運転士の制約条件としていくつかの項目がある。そのひ
とつとして、燃料電池を高温（概略１３０℃以上）で高
電位（０゜８Ｖ／セル以上）に曝さないという項目があ
る。この理由としては、電位が高くなる酸化剤極におい
て、燃料電池の電極の構成材として使用している触媒（
白金または白金合金全カーボンブラック等の炭素微粒子
に担持したもの）の白金または白金合金が溶解再析出し
やすぐなり、粗大化し反応表面積（白金表面積）が減少
する。あるいは、白金または白金合金を担持している炭
素微粒子が腐食しゃすぐなシ、白金が脱落し反応表面積
（白金表面積）が減少するなどの現象をひきおこし、結
果として燃料電池特性の低下を生ずる。
燃料電池の出力電圧Ｖは出力電流工が増加するとともに
低下する性質（Ｖ−■特性とよぶ）があり、出力電流工
が定格電流の例えば２５％以下（以下負荷率２５％以下
と表現する）になると、単士ル電圧が０゜８ｖを超え、
単位セルが高電位に６一 ざらされることになる。第１玄図に示すように、燃料ガ
スＧＦと反応空気ＧＡが複数の単位セルの全電極面積に
均等に流れて互いに直交流を形成する従来のスタックに
おいては、負荷率２５％以下軽負荷状態では、各単位セ
ルが０．８Ｖを超える高電位にさらされること全回避で
きないので、このような軽負荷状態でも負荷率が２５％
以下とならないよう、例えばスタック１の出力側に開閉
器全弁して放電抵抗全接続し、軽負荷状態では出力電流
のかなりの部分を放電抵抗に流して見かけの負荷率が２
５％以下に下がらないようにするなどの対策を必要とし
、発電電力全無駄に消費する分改質燃料の消費量が増し
、発電装置としての発電効率が低下するとともに、電力
を無駄に消費するために放電抵抗器や開閉器などの補機
や、その制御装置を必要とするので、発電装置が大型化
するなどの欠点があった。
低下する性質（Ｖ−■特性とよぶ）があり、出力電流工
が定格電流の例えば２５％以下（以下負荷率２５％以下
と表現する）になると、単士ル電圧が０゜８ｖを超え、
単位セルが高電位に６一 ざらされることになる。第１玄図に示すように、燃料ガ
スＧＦと反応空気ＧＡが複数の単位セルの全電極面積に
均等に流れて互いに直交流を形成する従来のスタックに
おいては、負荷率２５％以下軽負荷状態では、各単位セ
ルが０．８Ｖを超える高電位にさらされること全回避で
きないので、このような軽負荷状態でも負荷率が２５％
以下とならないよう、例えばスタック１の出力側に開閉
器全弁して放電抵抗全接続し、軽負荷状態では出力電流
のかなりの部分を放電抵抗に流して見かけの負荷率が２
５％以下に下がらないようにするなどの対策を必要とし
、発電電力全無駄に消費する分改質燃料の消費量が増し
、発電装置としての発電効率が低下するとともに、電力
を無駄に消費するために放電抵抗器や開閉器などの補機
や、その制御装置を必要とするので、発電装置が大型化
するなどの欠点があった。
さらに、最近の技術開発により、燃料電池の出力電圧が
向上し、さらに反応カスの圧力全高めて使用するなどし
て電池性能の向上が計られており、この場合には負荷率
２５％どころか５０％以上でも単位セルが００８Ｖｋ超
える高電位にさらされる事態に遭遇することが予想され
る。
向上し、さらに反応カスの圧力全高めて使用するなどし
て電池性能の向上が計られており、この場合には負荷率
２５％どころか５０％以上でも単位セルが００８Ｖｋ超
える高電位にさらされる事態に遭遇することが予想され
る。
この発明の目的は、発電電力を無駄に消費することなく
、軽負荷状態における高電位の発生を回避することにあ
る。
、軽負荷状態における高電位の発生を回避することにあ
る。
上記課題を解決するために、この発明によれば、単位セ
ルの積層体からなる燃料電池スタックと、その燃料極に
燃料ガス全供給する燃料処理装置、および空気極に反応
空気を供給する空気供給装置と、前記燃料電池スタック
の出力電力を調整して負荷に供給する電力変換装置とを
含み、前記単位セルごとに互いに直交する方向に形成さ
れた燃料ガス通路および反応空気通路と、両ガス通路そ
れぞれの反応ガスの入口側および出口側に設けられたマ
ニホールドとで構成される燃料ガス室および空気室を備
えたものにおいて、前記燃料ガス室および空気室それぞ
れが互いに並列な２以上の分割燃料室および分割空気室
に画成され、この分割燃料室および分割空気室への反応
ガスの給排を定格負荷に対する負荷率段階に対応して変
えるよう形成してなるものとし、かつ必要に応じて軽い
負荷率段階で選択して反応ガスを供給する分割燃料室お
よび分割空気室を、所定の運転時間ごとに切り換えるよ
う形成してなるものとする。また、単位セルの積層体か
らなる燃料電池スタックと、その燃料極に燃料ガスを供
給する燃料処理装置、および空気極に反応空気を供給す
る空気供給装置と、前記燃料電池スタックの出力電力全
調整して負荷に供給する電力変換装置と全含み、前記単
位セルごとに互いに直交する方向に形成された燃料ガス
通路および反応空気通路と、両ガス通路それぞれの反応
ガスの入口側および出口側に設けられたマニホールドと
で構成される燃料ガス室および空気室を備えたものにお
いて、前記燃料電池スタック４台以上からなう、少くと
も２台の燃料電池スタックの燃料ガス室および空気室を
それぞれ直列に連結してなる直列燃料室および直列空気
室を備え反応ガスを供給する直列燃料室および直列空気
室全定格負荷に対する負荷率段階に対応して変えるよう
形成してなるものとし、かつ必要に応じて軽い負荷率段
階で選択して反応ガス全供給する直列燃料室および直列
空気室を、所定の運転時間ごとに切り換えるよう形成し
てなるものとする。
ルの積層体からなる燃料電池スタックと、その燃料極に
燃料ガス全供給する燃料処理装置、および空気極に反応
空気を供給する空気供給装置と、前記燃料電池スタック
の出力電力を調整して負荷に供給する電力変換装置とを
含み、前記単位セルごとに互いに直交する方向に形成さ
れた燃料ガス通路および反応空気通路と、両ガス通路そ
れぞれの反応ガスの入口側および出口側に設けられたマ
ニホールドとで構成される燃料ガス室および空気室を備
えたものにおいて、前記燃料ガス室および空気室それぞ
れが互いに並列な２以上の分割燃料室および分割空気室
に画成され、この分割燃料室および分割空気室への反応
ガスの給排を定格負荷に対する負荷率段階に対応して変
えるよう形成してなるものとし、かつ必要に応じて軽い
負荷率段階で選択して反応ガスを供給する分割燃料室お
よび分割空気室を、所定の運転時間ごとに切り換えるよ
う形成してなるものとする。また、単位セルの積層体か
らなる燃料電池スタックと、その燃料極に燃料ガスを供
給する燃料処理装置、および空気極に反応空気を供給す
る空気供給装置と、前記燃料電池スタックの出力電力全
調整して負荷に供給する電力変換装置と全含み、前記単
位セルごとに互いに直交する方向に形成された燃料ガス
通路および反応空気通路と、両ガス通路それぞれの反応
ガスの入口側および出口側に設けられたマニホールドと
で構成される燃料ガス室および空気室を備えたものにお
いて、前記燃料電池スタック４台以上からなう、少くと
も２台の燃料電池スタックの燃料ガス室および空気室を
それぞれ直列に連結してなる直列燃料室および直列空気
室を備え反応ガスを供給する直列燃料室および直列空気
室全定格負荷に対する負荷率段階に対応して変えるよう
形成してなるものとし、かつ必要に応じて軽い負荷率段
階で選択して反応ガス全供給する直列燃料室および直列
空気室を、所定の運転時間ごとに切り換えるよう形成し
てなるものとする。
この発明の構成において、一つのスタックの燃料室およ
び空気室を、それぞれ互いに並列な分割燃料室、または
分割空気室に画成し、負荷率段階に対応して反応ガスを
供給する分割燃料室および分割空気室の組み合わせ全変
更するようにしたことにより、反応ガスが供給された分
割燃料室と分３１１空気室との重なり部分にのみ燃料ガ
スと反応空気の直交流が形成されて有効発電面積が限定
されるので、例えば分割数を２とした場合、有効発電ｉ
ｆ１積を全電極面積のほぼに２％、および全電極面積の
６段階に変えることが可能になり、これを負荷率２５％
以下、２５ないし５０％、および５０ないし１００％の
３段階に対応して切り換えることにより、スタックの発
電量を負荷率に対応して１〇− 段階的に制御する機能が得られ、したがって単位セルが
００８Ｖを超える高電位にさらされる負荷率領域全大幅
に縮小することができる。また、有効発電面積となる部
分を所定時間ごとに移動させることにより、単位セル全
面の運転寿命を均等化する機能が得られる。
び空気室を、それぞれ互いに並列な分割燃料室、または
分割空気室に画成し、負荷率段階に対応して反応ガスを
供給する分割燃料室および分割空気室の組み合わせ全変
更するようにしたことにより、反応ガスが供給された分
割燃料室と分３１１空気室との重なり部分にのみ燃料ガ
スと反応空気の直交流が形成されて有効発電面積が限定
されるので、例えば分割数を２とした場合、有効発電ｉ
ｆ１積を全電極面積のほぼに２％、および全電極面積の
６段階に変えることが可能になり、これを負荷率２５％
以下、２５ないし５０％、および５０ないし１００％の
３段階に対応して切り換えることにより、スタックの発
電量を負荷率に対応して１〇− 段階的に制御する機能が得られ、したがって単位セルが
００８Ｖを超える高電位にさらされる負荷率領域全大幅
に縮小することができる。また、有効発電面積となる部
分を所定時間ごとに移動させることにより、単位セル全
面の運転寿命を均等化する機能が得られる。
また４以上のそｙ数スタックで構成される燃料電池にお
いても、少くとも２スタツクの燃料室および空気宇金そ
れぞれ直列に接続して反応ガスの供給単位とすれば、前
述の１スタツクにおけると同様な機能を得ることができ
る。
いても、少くとも２スタツクの燃料室および空気宇金そ
れぞれ直列に接続して反応ガスの供給単位とすれば、前
述の１スタツクにおけると同様な機能を得ることができ
る。
以下この発明全実施例に基づいて説明する。
第１図はこの発明の実施例になる燃料電池発電装置にお
けるスタックの反応ガス室を模式化して示す断面図、第
２図、第３図および第４図は実施例において互いに異な
る負荷率での反応ガスの供給状態を示す説明図である。
けるスタックの反応ガス室を模式化して示す断面図、第
２図、第３図および第４図は実施例において互いに異な
る負荷率での反応ガスの供給状態を示す説明図である。
図において、スタック１の燃料ガス通路（第９図におけ
る１０２Ａ）の両端に連通ずるよう取り付けられた燃料
ガスＧＦの人口側マニホールド２Ａおよび出口側マニホ
ールド２Ｂは、その内部がマニホールド仕切り板１２に
よって単位セルの積層面に直交する方向につに仕切られ
ており、また反応空気ＧＡの入ロイ則、出ロ側一対のマ
ニホールド３Ａ、３Ｂもマーホールド仕切り板１３によ
って仕切られている。
る１０２Ａ）の両端に連通ずるよう取り付けられた燃料
ガスＧＦの人口側マニホールド２Ａおよび出口側マニホ
ールド２Ｂは、その内部がマニホールド仕切り板１２に
よって単位セルの積層面に直交する方向につに仕切られ
ており、また反応空気ＧＡの入ロイ則、出ロ側一対のマ
ニホールド３Ａ、３Ｂもマーホールド仕切り板１３によ
って仕切られている。
その結果、マニホールドに連通ずる燃料ガス通路１０２
Ａ、反応空気通路１０３Ａは、それぞれ互いに並行な複
数の凹溝の数が仕切り板１２または１３によって２つの
グループに分割され、燃料ガス室側は二つの分割燃料室
２１および２２に画成され、反応空気室側は二つの分割
空気室３１および３２に画成される。１士だ、各分割ガ
ス室２１゜２２および３Ｓ、３２はそれぞれ反応ガスの
入口側、出口側に図示しない操作弁を備え、負荷率に対
応して開閉制御することにより、燃料ガスＧ Ｆ。
Ａ、反応空気通路１０３Ａは、それぞれ互いに並行な複
数の凹溝の数が仕切り板１２または１３によって２つの
グループに分割され、燃料ガス室側は二つの分割燃料室
２１および２２に画成され、反応空気室側は二つの分割
空気室３１および３２に画成される。１士だ、各分割ガ
ス室２１゜２２および３Ｓ、３２はそれぞれ反応ガスの
入口側、出口側に図示しない操作弁を備え、負荷率に対
応して開閉制御することにより、燃料ガスＧ Ｆ。
反応空気ＧＡの給排をオン・オフ制御できるよう構成さ
れる。
れる。
すなわち、第２図に示すように、分割燃料室２１と分割
空気室３１に燃料ガスＧＦ’および反応空気ＧＡを供給
するよう制御すれば、スタック１の電極面積のうち図中
破線でハンチングを施した部分でのみ燃料ガスＧＦと反
応空気ＧＡとが互いに直交流を形成することになるので
、スタック１の有効発電面積１０は全電極面積のほぼＨ
に減少する。また第６図に示すように、分割燃料室２１
゜２２と分割空気室６１とに反応ガス全供給した場合に
は有効発電面積１０は全電極面積のほぼ％となる。さら
に第４図に示すように、分割燃料室２１．２２．および
分割空気室３１．３２のすべてに反応ガスを供給した場
合には、全電極面積が有効発電面積１０となる。
空気室３１に燃料ガスＧＦ’および反応空気ＧＡを供給
するよう制御すれば、スタック１の電極面積のうち図中
破線でハンチングを施した部分でのみ燃料ガスＧＦと反
応空気ＧＡとが互いに直交流を形成することになるので
、スタック１の有効発電面積１０は全電極面積のほぼＨ
に減少する。また第６図に示すように、分割燃料室２１
゜２２と分割空気室６１とに反応ガス全供給した場合に
は有効発電面積１０は全電極面積のほぼ％となる。さら
に第４図に示すように、分割燃料室２１．２２．および
分割空気室３１．３２のすべてに反応ガスを供給した場
合には、全電極面積が有効発電面積１０となる。
実施例においては、分割ガス室への反応ガスの供給の仕
方を変えることにより、スタックの有効発電面積１０を
全電極面積の阿２％、および臀の３段階に切換乏−徂］
御することが可能になる。そこで、反応ガスの切り換え
操作全負荷率段階２５％以下、２５％ないし５０％、お
よび５０％ないし１００％の６段階に対応して行うよう
構成すれば、それぞれ負荷率２５（Ｘ、５０％で負荷率
１００％と等柚な発電運転が可能になる。
方を変えることにより、スタックの有効発電面積１０を
全電極面積の阿２％、および臀の３段階に切換乏−徂］
御することが可能になる。そこで、反応ガスの切り換え
操作全負荷率段階２５％以下、２５％ないし５０％、お
よび５０％ないし１００％の６段階に対応して行うよう
構成すれば、それぞれ負荷率２５（Ｘ、５０％で負荷率
１００％と等柚な発電運転が可能になる。
第５図は実施例における単セル電圧対負荷率特性線図で
あり、図中破線で示す従来の特性曲線では負荷率２５％
以下では単セル電圧が８００ ｍＶを超えていたものが
、実施例特性曲線では負荷率が７％以下に低下しないと
８００ ｍＶを超える高電位が発生しない。なお、この
ような低負荷でも発電装置は数％オーダの補機電力全消
費するので、実施例になる発電装置は燃料電池の特性劣
化要因となる高電位をほとんど発生せず、かつ高電位の
発生を防ぐために放電抵抗を設け、無駄な電力全発電し
、消費する必委もなくなるという利点が得られる。
あり、図中破線で示す従来の特性曲線では負荷率２５％
以下では単セル電圧が８００ ｍＶを超えていたものが
、実施例特性曲線では負荷率が７％以下に低下しないと
８００ ｍＶを超える高電位が発生しない。なお、この
ような低負荷でも発電装置は数％オーダの補機電力全消
費するので、実施例になる発電装置は燃料電池の特性劣
化要因となる高電位をほとんど発生せず、かつ高電位の
発生を防ぐために放電抵抗を設け、無駄な電力全発電し
、消費する必委もなくなるという利点が得られる。
捷た、実施例になる燃料電池はその負荷の変動例対応し
て発電に利用する有効面積が変化する。
て発電に利用する有効面積が変化する。
したがって、全電極面積のうち発電有効面積として利用
する時間が部分的に犬きく異なると、燃料電池の残存寿
命に部分的な差が発生する。そこで、軽負荷時に反応ガ
ス全供給する分割燃料室および分割全気室の組み合わせ
を所定時間ごと２例えば２００時間ごとに変えるよう反
応ガスの給排制御を行うことにより、燃料電池の残存寿
命に及ぼす悪影響を胡除することができる。
する時間が部分的に犬きく異なると、燃料電池の残存寿
命に部分的な差が発生する。そこで、軽負荷時に反応ガ
ス全供給する分割燃料室および分割全気室の組み合わせ
を所定時間ごと２例えば２００時間ごとに変えるよう反
応ガスの給排制御を行うことにより、燃料電池の残存寿
命に及ぼす悪影響を胡除することができる。
第６図に−この発明の異なる実施例になる燃料電池発電
装置における複数スタック間のガスフロー図、第７図お
よび第８図は異なる実施例における互いに異なる負荷率
での反応ガスの供給状態全示す説明図である。第６図に
おいて、燃料電池は四つのスタック５１Ａ、５１Ｂ、５
１Ｃ，５１Ｄで構成されており、スタック５１Ａ、５１
Ｂの燃料ガス室、およびスタック５１０．５１Ｄの燃料
ガス宇金それぞれに直列に連結する配管により、二つの
直列燃料室５２Ａおよび５２Ｂが形成される。
装置における複数スタック間のガスフロー図、第７図お
よび第８図は異なる実施例における互いに異なる負荷率
での反応ガスの供給状態全示す説明図である。第６図に
おいて、燃料電池は四つのスタック５１Ａ、５１Ｂ、５
１Ｃ，５１Ｄで構成されており、スタック５１Ａ、５１
Ｂの燃料ガス室、およびスタック５１０．５１Ｄの燃料
ガス宇金それぞれに直列に連結する配管により、二つの
直列燃料室５２Ａおよび５２Ｂが形成される。
また、空気室側についても同様で、スタック５１Ａ、５
ｉＣの空気室全連結した直列空気室５３Ａと、スタック
５１Ｂ、５１Ｄの空気室全連結した直列空気室５３Ｂと
が形成される。なお、各直列室の出入［］には操作弁が
設けられ、負荷率に対応して反応ガス全供給する直列燃
料室、直列空気室の組み合わせを変える切換操作が行わ
れる。すなわち、第６図において、直列燃料室５２Ａ、
５２ＢＫ燃料ガスＧＦを供給し、直列空気室５６Ａ。
ｉＣの空気室全連結した直列空気室５３Ａと、スタック
５１Ｂ、５１Ｄの空気室全連結した直列空気室５３Ｂと
が形成される。なお、各直列室の出入［］には操作弁が
設けられ、負荷率に対応して反応ガス全供給する直列燃
料室、直列空気室の組み合わせを変える切換操作が行わ
れる。すなわち、第６図において、直列燃料室５２Ａ、
５２ＢＫ燃料ガスＧＦを供給し、直列空気室５６Ａ。
５３ＢＫ反応空気ＧＡｙ供給すれば、すべてのスタック
の単位セルに燃料ガスと反応空気の直交流が形成され、
四つのスタックが発電に寄与する。
の単位セルに燃料ガスと反応空気の直交流が形成され、
四つのスタックが発電に寄与する。
また第７図に示すように、直列燃料室５２Ａと直列空気
室５３Ａに反応ガス全供給すれば、スタック５１Ａにの
み直交流が形成され、発電に寄与するスタックを１台に
絞ることができる。さらに第８図に示すように、直列燃
料室５２Ａと、二つので１列空気室５３Ａ、５３Ｂとに
反応ガスを供給すれば、発直にを与するスタック−ｅ５
１Ａ、５１Ｂの２台に絞ることができる。したがって、
各図に示す反応ガスの通流１ｔｉｌＪ御全負荷率５０な
いし１００％、２５％以下、および２５ないし５０％に
対応して制御すれば、前述の実施例におけると同様に運
転に寄与するスタックの負荷率を高めることができ、単
位セルが高電位にさらされることを回避できるとともに
、負荷率に対応して反応ガス量も変化するので、高い発
電効率を保持できる。
室５３Ａに反応ガス全供給すれば、スタック５１Ａにの
み直交流が形成され、発電に寄与するスタックを１台に
絞ることができる。さらに第８図に示すように、直列燃
料室５２Ａと、二つので１列空気室５３Ａ、５３Ｂとに
反応ガスを供給すれば、発直にを与するスタック−ｅ５
１Ａ、５１Ｂの２台に絞ることができる。したがって、
各図に示す反応ガスの通流１ｔｉｌＪ御全負荷率５０な
いし１００％、２５％以下、および２５ないし５０％に
対応して制御すれば、前述の実施例におけると同様に運
転に寄与するスタックの負荷率を高めることができ、単
位セルが高電位にさらされることを回避できるとともに
、負荷率に対応して反応ガス量も変化するので、高い発
電効率を保持できる。
また、軽負荷状態で反応ガスを供給する直列燃料室およ
び直列空気室を所定時間ごとに曲に切り換オーるよう操
作することにより、各スタックの残存寿命全均等化でき
る利点が得られる。
び直列空気室を所定時間ごとに曲に切り換オーるよう操
作することにより、各スタックの残存寿命全均等化でき
る利点が得られる。
この発明は前述のように、一つの燃料電池スタックを複
数の分割燃料室２分割空気室に画成するか、あるいはｆ
Ｍ数の燃料電池スタックの燃料室。
数の分割燃料室２分割空気室に画成するか、あるいはｆ
Ｍ数の燃料電池スタックの燃料室。
空気基金それぞれ直列接続して複数の直列燃料室、直列
空気室を形成し、負荷率段階に対応して分割された燃料
室、空気室を選択して反応ガス全供給するよう構成した
。その結果、発電に寄与する電極面積丑たＵ［スタック
数全負荷率に対応して段階的に変訝−ることか可能にな
り、発電に寄与する部分の負荷率全相対的に高めること
ができるので、従来負荷率が２５％以下に低下すると単
位セル電圧がり。８Ｖを超え、電極媒体層が劣化し、電
池性能が低下するといった問題点が排除されるセともに
、これ全排除するために放方抵抗を設けて発電電力全無
駄に消費するなどの対策も不要になるので、軽負荷時に
も高電位劣化金生ずることなく高い発電効率が得られる
燃料電池発電装置を提供することができる。
空気室を形成し、負荷率段階に対応して分割された燃料
室、空気室を選択して反応ガス全供給するよう構成した
。その結果、発電に寄与する電極面積丑たＵ［スタック
数全負荷率に対応して段階的に変訝−ることか可能にな
り、発電に寄与する部分の負荷率全相対的に高めること
ができるので、従来負荷率が２５％以下に低下すると単
位セル電圧がり。８Ｖを超え、電極媒体層が劣化し、電
池性能が低下するといった問題点が排除されるセともに
、これ全排除するために放方抵抗を設けて発電電力全無
駄に消費するなどの対策も不要になるので、軽負荷時に
も高電位劣化金生ずることなく高い発電効率が得られる
燃料電池発電装置を提供することができる。
また、発電に寄与する部分の負荷率を５０％以上に維持
できる軽負荷領域全従来のそれに比べて大幅に広げるこ
とができるので、単位セルの出力重圧の向上や反応ガス
の高圧化などの技術開発によって０゜８Ｖ全超える負荷
率領域が現在より広がった場合にも、過電圧による電極
劣化を生じ難い燃料電池発電装置を提供できる利点が得
られる。
できる軽負荷領域全従来のそれに比べて大幅に広げるこ
とができるので、単位セルの出力重圧の向上や反応ガス
の高圧化などの技術開発によって０゜８Ｖ全超える負荷
率領域が現在より広がった場合にも、過電圧による電極
劣化を生じ難い燃料電池発電装置を提供できる利点が得
られる。
さらに、軽負荷時に選択する分割された燃料室、空気室
やスタック全所定時間ごとに他に切り換えるよう制御す
れば、発電運転を行うことにより徐々に短かぐなる燃料
電池の残存寿命を均等化できる利点が得られる。
やスタック全所定時間ごとに他に切り換えるよう制御す
れば、発電運転を行うことにより徐々に短かぐなる燃料
電池の残存寿命を均等化できる利点が得られる。
第１図はこの発明の実施例になる燃料電池発電装置にお
ける燃料電池スタックの反応ガス室全模式化して示す断
面図、第２図、第３図、および第４図は実施例において
互いに異なる負荷率での反応ガスの供給状態を示す説明
図、第５図は実施例における単位セル電圧対負荷率特性
線図、第６図（ｄこの発明の異なる実施例における複数
スタック間のガスフロー図、第７図および第８図は異な
る実施例における互い建具なる負荷率での反応ガスの供
給状態を示す説明図、第９図は＠群電池の単位セル構造
の一例金示す斜視図、第１０図は燃料電池発電装置の構
成を簡素化して示すシステムフロー図、第１１図は従来
の燃料電池スタックを模式化して示す平面図である。 １・・・燃料電池（スタック）、２・・・燃料（ガス）
室、６・・・空気室、４・・・原料タンク、５・・・燃
料改質器、６・・・重力変換器、２Ａ、２Ｂ・・・燃料
ガスマニホールド、３Ａ、３Ｂ・・・反応空気マニホー
ルド、１０・・・有効発電面積、１２．１３・・・マニ
ホールド仕切り板、２１．２２・・・分、４１」燃料室
、３１ 、３２・・・分割空気室、５１Ａ、５１Ｂ、５
１Ｃ，５１Ｄ・・・スタック、５２Ａ、５２Ｂ・・・直
列燃料室、５６Ａ、５３Ｂ・・・直列空気室、１００・
・・単位セル、１０１・・・マトリックス、’１０２，
１０３・・・電極、１０２Ａ・・・燃料ガス通路、１０
３Ａ・・・空気通路、ＧＡ・・・灰化空気、ＧＰ・・・
燃料ガス。 ■
ける燃料電池スタックの反応ガス室全模式化して示す断
面図、第２図、第３図、および第４図は実施例において
互いに異なる負荷率での反応ガスの供給状態を示す説明
図、第５図は実施例における単位セル電圧対負荷率特性
線図、第６図（ｄこの発明の異なる実施例における複数
スタック間のガスフロー図、第７図および第８図は異な
る実施例における互い建具なる負荷率での反応ガスの供
給状態を示す説明図、第９図は＠群電池の単位セル構造
の一例金示す斜視図、第１０図は燃料電池発電装置の構
成を簡素化して示すシステムフロー図、第１１図は従来
の燃料電池スタックを模式化して示す平面図である。 １・・・燃料電池（スタック）、２・・・燃料（ガス）
室、６・・・空気室、４・・・原料タンク、５・・・燃
料改質器、６・・・重力変換器、２Ａ、２Ｂ・・・燃料
ガスマニホールド、３Ａ、３Ｂ・・・反応空気マニホー
ルド、１０・・・有効発電面積、１２．１３・・・マニ
ホールド仕切り板、２１．２２・・・分、４１」燃料室
、３１ 、３２・・・分割空気室、５１Ａ、５１Ｂ、５
１Ｃ，５１Ｄ・・・スタック、５２Ａ、５２Ｂ・・・直
列燃料室、５６Ａ、５３Ｂ・・・直列空気室、１００・
・・単位セル、１０１・・・マトリックス、’１０２，
１０３・・・電極、１０２Ａ・・・燃料ガス通路、１０
３Ａ・・・空気通路、ＧＡ・・・灰化空気、ＧＰ・・・
燃料ガス。 ■
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １）単位セルの積層体からなる燃料電池スタックと、そ
の燃料極に燃料ガスを供給する燃料処理装置、および空
気極に反応空気を供給する空気供給装置と、前記燃料電
池スタックの出力電力を調整して負荷に供給する電力変
換装置とを含み、前記単位セルごとに互いに直交する方
向に形成された燃料ガス通路および反応空気通路と、両
ガス通路それぞれの反応ガスの入口側および出口側に設
けられたマニホールドとで構成される燃料ガス室および
空気室を備えたものにおいて、前記燃料ガス室および空
気室それぞれが互いに並列な２以上の分割燃料室および
分割空気室に画成され、この分割燃料室および分割空気
室への反応ガスの給排を定格負荷に対する負荷率段階に
対応して変えるよう形成してなることを特徴とする燃料
電池発電装置。 ２）軽い負荷率段階で選択して反応ガスを供給する分割
燃料室および分割空気室を、所定の運転時間ごとに切り
換えるよう形成してなることを特徴とする請求項１記載
の燃料電池発電装置。 ３）単位セルの積層体からなる燃料電池スタックと、そ
の燃料極に燃料ガスを供給する燃料処理装置、および空
気極に反応空気を供給する空気供給装置と、前記燃料電
池スタックの出力電力を調整して負荷に供給する電力変
換装置とを含み、前記単位セルごとに互いに直交する方
向に形成された燃料ガス通路および反応空気通路と、両
ガス通路それぞれの反応ガスの入口側および出口側に設
けられたマニホールドとで構成される燃料ガス室および
空気室を備えたものにおいて、前記燃料電池スタック４
台以上からなり、少くとも２台の燃料電池スタックの燃
料ガス室および空気室をそれぞれ直列に連結してなる直
列燃料室および直列空気室を備え、反応ガスを供給する
直列燃料室および直列空気室を定格負荷に対する負荷率
段階に対応して変えるよう形成してなることを特徴とす
る燃料電池発電装置。 ４）軽い負荷率段階で選択して反応ガスを供給する直列
燃料室および直列空気室を、所定の運転時間ごとに切り
換えるよう形成してなることを特徴とする請求項３記載
の燃料電池発電装置。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2161768A JP2701522B2 (ja) | 1990-06-20 | 1990-06-20 | 燃料電池発電装置 |
| US07/713,314 US5100744A (en) | 1990-06-20 | 1991-06-11 | Fuel cell power generation system |
| DE4120092A DE4120092C2 (de) | 1990-06-20 | 1991-06-18 | Brennstoffzellen-Stromerzeugungseinrichtung |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2161768A JP2701522B2 (ja) | 1990-06-20 | 1990-06-20 | 燃料電池発電装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0451467A true JPH0451467A (ja) | 1992-02-19 |
| JP2701522B2 JP2701522B2 (ja) | 1998-01-21 |
Family
ID=15741533
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2161768A Expired - Lifetime JP2701522B2 (ja) | 1990-06-20 | 1990-06-20 | 燃料電池発電装置 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5100744A (ja) |
| JP (1) | JP2701522B2 (ja) |
| DE (1) | DE4120092C2 (ja) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2000067884A (ja) * | 1998-08-20 | 2000-03-03 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 固体高分子型燃料電池、これを用いたシステム及びその設置方法 |
| JP2002305014A (ja) * | 2001-04-06 | 2002-10-18 | Honda Motor Co Ltd | 燃料電池 |
| JP2002313393A (ja) * | 2001-04-17 | 2002-10-25 | Honda Motor Co Ltd | 燃料電池 |
| JP2004247289A (ja) * | 2003-01-20 | 2004-09-02 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 燃料電池及びその運転方法 |
| JP2007317510A (ja) * | 2006-05-26 | 2007-12-06 | Equos Research Co Ltd | 燃料電池システム |
Families Citing this family (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0530451B1 (en) * | 1991-09-03 | 1998-01-21 | Sanyo Electric Co., Ltd. | A solid oxide fuel cell system |
| JPH05315004A (ja) * | 1992-05-08 | 1993-11-26 | Osaka Gas Co Ltd | 固体電解質型燃料電池 |
| JPH08106914A (ja) * | 1994-09-30 | 1996-04-23 | Aisin Aw Co Ltd | 燃料電池発電装置 |
| US6207312B1 (en) | 1998-09-18 | 2001-03-27 | Energy Partners, L.C. | Self-humidifying fuel cell |
| US7056609B2 (en) * | 2003-03-25 | 2006-06-06 | Utc Fuel Cells, L.L.C. | System and method for starting a fuel cell stack assembly at sub-freezing temperature |
| DE10342470A1 (de) * | 2003-09-15 | 2005-04-07 | P21 - Power For The 21St Century Gmbh | Vorrichtung zum Beströmen wenigstens einer Brennstoffzelle mit einem Medium sowie Brennstoffzellensystem |
| US7964314B2 (en) * | 2007-10-30 | 2011-06-21 | Corning Incorporated | Segmented solid oxide fuel cell stack and methods for operation and use thereof |
| US10096844B2 (en) * | 2013-10-03 | 2018-10-09 | Hamilton Sundstrand Corporation | Manifold for plural fuel cell stacks |
| JP6498992B2 (ja) * | 2015-03-31 | 2019-04-10 | 日本特殊陶業株式会社 | 平板型燃料電池 |
| JP6502726B2 (ja) * | 2015-03-31 | 2019-04-17 | 日本特殊陶業株式会社 | 平板型燃料電池 |
Family Cites Families (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4046956A (en) * | 1976-05-27 | 1977-09-06 | United Technologies Corporation | Process for controlling the output of a selective oxidizer |
| DE2836464C3 (de) * | 1978-08-21 | 1981-10-29 | Siemens AG, 1000 Berlin und 8000 München | Wasserstoff/Sauerstoff-Brennstoffbatterie |
| US4463068A (en) * | 1982-09-30 | 1984-07-31 | Engelhard Corporation | Fuel cell and system for supplying electrolyte thereto with wick feed |
| JPS5963664A (ja) * | 1982-10-01 | 1984-04-11 | Kureha Chem Ind Co Ltd | 燃料電池用電極基板 |
| GB2128395B (en) * | 1982-10-01 | 1986-01-08 | Kureha Chemical Ind Co Ltd | Fuel cell electrode substrate having elongated holes for feeding reactant gases |
| JPS6132361A (ja) * | 1984-07-23 | 1986-02-15 | Hitachi Ltd | 燃料電池 |
| JPS6130968U (ja) * | 1984-07-28 | 1986-02-25 | 株式会社 富士電機総合研究所 | 燃料電池セルスタツク |
| US4751062A (en) * | 1986-10-01 | 1988-06-14 | Engelhard Corporation | Fuel cell with electrolyte matrix assembly |
-
1990
- 1990-06-20 JP JP2161768A patent/JP2701522B2/ja not_active Expired - Lifetime
-
1991
- 1991-06-11 US US07/713,314 patent/US5100744A/en not_active Expired - Fee Related
- 1991-06-18 DE DE4120092A patent/DE4120092C2/de not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2000067884A (ja) * | 1998-08-20 | 2000-03-03 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 固体高分子型燃料電池、これを用いたシステム及びその設置方法 |
| JP2002305014A (ja) * | 2001-04-06 | 2002-10-18 | Honda Motor Co Ltd | 燃料電池 |
| JP2002313393A (ja) * | 2001-04-17 | 2002-10-25 | Honda Motor Co Ltd | 燃料電池 |
| JP2004247289A (ja) * | 2003-01-20 | 2004-09-02 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 燃料電池及びその運転方法 |
| JP2007317510A (ja) * | 2006-05-26 | 2007-12-06 | Equos Research Co Ltd | 燃料電池システム |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2701522B2 (ja) | 1998-01-21 |
| DE4120092C2 (de) | 1997-11-27 |
| DE4120092A1 (de) | 1992-01-02 |
| US5100744A (en) | 1992-03-31 |
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