JPH0482169A

JPH0482169A - 燃料電池発電システム

Info

Publication number: JPH0482169A
Application number: JP2198271A
Authority: JP
Inventors: Masaaki Matsumoto; 正昭松本
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1990-07-24
Filing date: 1990-07-24
Publication date: 1992-03-16

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〕この発明は、燃料電池発電システムに関し、特に電池損
偏に関連する発生電流に対する燃料ガス流量の改良に関
するものである。

〔従来の技術〕

第３図は例えば特開平１−２８６２５９号公報に示され
た従来の燃料電池発電システムを示す系統図であり、図
において、（１）は燃料電池、（２）はこれを構成する
基本単位である単電池である。（３）はリン酸を含浸し
たマトリックス、その両側の（４Ｍおよび（４Ｆ）はそ
れぞれ酸素電極および水素電極である。（５）は電流検
出器、（６）は遮断器、（７）は負荷である。］９）お
よびＱＯＪは燃料電池（１）へ供給されるそれぞれ燃料
ガスおよび酸化剤ガスで、（１１）および（１２）は、
流量センサーでｆｆ１ｌｌガスおよび酸化剤ガスそれぞ
れの供給経路に設けられている。

次に動作について説明する。燃料ガス流量（および酸化
剤ガス流量）が定格値を保持して定格負荷電流工および
定格出力電圧■を保持して発電されている燃料電池（１
）に、供給されろ燃料ガス（９）の流量が例えば改質系
の故障により定格流量よすｍ少した場合、燃料ガス流量
の低下は流量センサ（］１）によって時々刻々検出され
てその出力は判断回路（１３）に入力されろ。一方、定
格電流■は電流検出回路（５）で検出されて判断回路（
１３）へ入力され流量の下限値の演算がされる。この時
、演算される流量の下限値よりも実際の流量が下低した
時点で判断回路（１３）から遮断信号が出力され遮断器
（６）が開路する。上記説明では改質系の故障により燃
料流量が低下した場合について説明されているが酸化剤
ガス系の流量が低下した場合や負荷側の都合により負荷
電流■が急増することによってもガス不足が発生し、こ
の場合も前述の動作で負荷電流が遮断される。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来の燃料電池発電システムは以上のように構成されて
いるので、改質系から供給される燃料のガス組成が変化
し水素濃度が低下した場合、濃度低下を考慮しないで、
負荷電流のみにより演算される下限ガス流量で制御の判
断がされろため、実質的には水素必要量下限値以下で運
転されることになり電池に損傷を与える問題があった。

また、その運転方法において、負荷電流により演算され
ろ下限ガス流量と時々刻々検出される実流量と比較しガ
ス量が不足する場合負荷を遮断停止させるので、同シス
テムを系統電源から独立して使用した場合には負荷を投
入するとガス流量の緩かな応答に比べ負荷電流は瞬時に
応答するためガス不足と演算判定され負荷を遮断するの
で運転ができない問題があった。さらに、この運転不能
解消のためガス不足の演算判定に時間差を入れても時間
差が長すぎると実質的な水素必要量下限値を下まわり電
池に損傷を与えるなどの問題があった。

上記に述べた改質系から供給される燃料のガス組成の変
動は装置の一部の動作不良によっても生じるが、正常動
作していても例えば起動時に改質系のスチーム通気によ
る昇温を行った後では、この系に配設された触媒がスチ
ームにより酸化しており原料ガス導入をし改質を開始し
てしばらくの間改質ガス中の水素は酸化された触媒の還
元に消費され濃度が低下する。この現象を電池本体燃料
極出口ガス中の水素濃度の変化および電池本体燃料極排
気ガスを燃焼させろ改質器触媒層の温度で見る乙とがで
きる。図４にその変化例を示した。

また、上記に述べた別の問題である系統電源から独立し
て使用する場合で、負荷を急激に変化させた時の電池電
流と供給ガス流量の変化例を図５に示した。電流は急激
に増加しているが供給ガス流量の増加は緩かであること
が分かる。

この発明は上記のような課題を解消するためになされた
もので、電池本体に実質的に必要なガス流量を検出演算
できるとともに、上記演算結果により運転制卸され電池
の損傷を防止できる燃料電池発電システムを得ることを
目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

この発明に係る燃料電池発電システムは、請求項１とし
て燃料電池本体の燃料ガス移送系統に燃料ガスの水素濃度
を検出する水素濃度計を設け、水素濃度計の計測値に基
いた水素ガス量を基準とし、発生電流値に対する適正燃
料ガス流量を演算し適正流量に調節するよう構成したも
の。

請求項２として燃料電池本体の燃料ガス移送系統に燃料ガスの水素濃度
を検出する水素濃度計を設け、水素濃度が設定された限
界値よりも低くなった場合、燃料電池本体の発生電流を
遮断する運転制御手段とで構成したものである。

〔作用〕

この発明の燃料電池発電システムにおける水素濃度計は
燃料ガスの水素濃度を検出し実質的に必要な燃料ガス流
量のデータを与える。

〔発明の実施例〕

以下、この発明の一実施例を図について説明する。第１
図において、（２ｍ）はスチーム、（２旬は原燃料ガス
、（２２）は原燃料ガスを適正流量にする流量ｍ加昇、
（２３）は流量検出器で（２４）の燃料ガス改質処理装
置へ供給する原燃料ガスの流量を検出、発信する。（２
４）は、燃料ガス改質処理装置で（２１）の原燃料ガス
を水素リッチな（２５）の改質燃料ガスに変換する。（
２６）は燃料電池本体で（２６ａ）燃料極と（２６ｃ）
空気極より構成されている。（２７）は水素濃度検出器
で（２８）の燃料極排ガス中の水素濃度を検出、発信す
る。（２９）は空気で（２６ｅ）の空気極へ供給される
。（３０）は空気極排ガスである。（３１）は直流負荷
回路で（２６）電池本体と（３３）の直交変換装置を結
んでいる。（３２）は電流検出器で（３１）直流負荷回
路の途中に設けられる。

（３４）は判断＠路を構成する演算、制卸器で（３５）
の負荷信号、（３６）の水素濃度信号（３７）の原燃料
ガス流量信号を受は演算し制御信号を発信する。

（３８）　ｌよ流量制御信号で（３４）の演算制御器よ
り出され、（２２）原燃料ガス調節弁を制御する。（３
９）は交流電気出力で、（３３）直交変換装置より出力
される。

（４０）は発生電流を遮断する運転制御の負荷遮断信号
で（３４）演算制御ｌ！Ｉ１ｍより出され（３３）Ｉ！
交変換装置を駆動し負荷を遮断する。

次に動作について説明する。起動時、燃料ガス改質処理
装置は、窒素やスチーム（２０）で昇温される。改質に
必要な温度条件に達すると原燃料ガス（２１）とスチー
ム（２０）が一定の割合で燃料改質処理装置（２４）へ
供給される。この時、原燃料ガス流量は原燃料ガス流量
調節弁（２２）で調節される。原燃料ガス（２１）とス
チーム（２０）は燃料ガス改質処理装置（２４）で水素
リッチな改質燃料ガス（２５）となり、燃料電池本体（
２６）の燃料極（２６ａ）へ供給される。

そして、空気極（２６ｃ）へは空気（２９）が供給され
燃料電池本体（２６）は発電を開始する。電力は直流負
荷回路（３１）を通り直交変換装置（３３）で直流から
交流に変換され交流電気出力（３９）として利用される
。利用される電力に応じた燃料ガスを燃料電池へ供給す
るため、直流負荷回路に設けた電流検出器（３２）、燃
料極排ガス（２８）中に設けた水素濃度検出器（２７）
、および原燃料ガス系に設けた流量検出器（２３）によ
り、それぞれの値を検出し、負荷信号（３５）、水素濃
度信号（３６）および流量信号（３７）を演算制御器（
３４）へ送る。演算制御＃　（３４）ては演算の結果、
流量調節信号（３８）を出し原燃料ガス流量調節弁（２
２）を制御する。第１の請求項では以上のシステムを構
成している。図２でこの構成における運転フローを示し
、演算側＠Ｍ＜３４）に送られた信号は図２に示すフロ
ーにより動作する。図において負荷信号（３５）、　　
Ｉは設計で決めた改質水素／原燃料の変換率二に、燃料
電池の水素利用率＝　ηなどにより演算され必要なガス
流量：Ｑｃが求められる。（例えばＱｃは、で示される。ここで、Ｎはセルの数、また、■の単位を
Ａとすると、ＱｃはＮＭ３／Ｈとなる。）Ｑｃは、流量
信号：Ｑ＋ｎと比較されＱ　ｍ　＜　Ｑ　ｃの場合は、
流量増加信号：　ａｉｅＱＩｒｌ＞Ｑｃの場合は流量減
少信号：　ｂを出す。また、水素濃度信号：ＣＩｎは燃
料電池の動作設計値より決まる燃料極排ガス水素濃度：
Ｃｔ（例えば改質燃料ガスの水素濃度７８％水素利用率
８０％の場合Ｃｔ＝４１゜５％）と比較されＣｍ＞Ｃｔ
の場合は流量減少信号：　ＣＪｅＣｒｎ＜Ｃｔの場合は
流量増加信号：　ｄを出す。流量増加信号ａ、ｄはＯＲ
条件で増加の流量減少信号す、ｃはＡＮＤ条件で減少の
流量調節が行われる。第２の請求項では、上記水素濃度
比較判定において水素濃度限界値：　Ｃｃ　（例えばＣ
ｃ−１５％）と比較されＣｍ　＜　Ｃｃの場合負荷遮断
信号（４０）を出し負荷を遮断するとともに、必要に応
し発電システムの停止を行う。

なお、上記実施例では流量検出器（２３）を燃料改質処
理装置（２４）の上流側の原燃料ガス（２１）系に設け
たものを示しているが、燃料ガス改質処理装置（２４）
の下流側の改質燃料ガス（２５）系に設けてもよい。ま
た、上記実施例では負荷回路に直交変換装置（３３）を
設けているが直流負荷として使用することも可能であり
この時には直交変換装置（３３）は不要で単に負荷遮断
をするための遮断器に変えることで上記例と同様の効果
が得られる。また、上記実施例では、水素濃度検出器（
２７）を燃料電池本体（２６）の下流側、燃料極排ガス
（２８）中りこ設けているが、同上流側の改質燃料ガス
（２５）中に設けろあるいは、上流側、下流側の両側に
設けてもよい。この場合において、上流に設けた例では
改質処理装置（２４）での異常が判断しやすくなる。ま
た、両側に設けた例では、改質処理装置（２４）および
燃料電池本体（２６）での異常が分離して判断しやすく
なる。

また、上記実施例では、燃料系について述へているが空
気系についても反応ガス酸素に対し同様の濃度検出によ
り制御し異常運転の防止ができる。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明の請求項１によれば燃料電池本
体の燃料ガス移送系統に燃料ガスの水素濃度を検出する
水素濃度計を設け、水素濃度計の計測値に基いた水素ガ
ス量を基準とし、発生電流値に対する適正燃料ガス流量
を演算し適正流量に調節するよう構成したもの。又この
発明の請求項２によれば、燃料電池本体の燃料ガス移送系統に燃料ガスの水素濃度
を検出する水素濃度計を設け、水素濃度が設定された限
界値よりも低くなった場合、燃料電池本体の発生電流を
遮断する運転側割手段とて構成したので、いづれも燃料
電池本体に実質的な燃料ガス量不足を生しないため燃料
電池の損傷を防止できる燃料電池発電システムが得られ
る効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例による燃料電池発電システ
ムを示す系統図、第２図は第１図の構成における運転フ
ローを示す制御フロー図、第３図は従来の燃料電池発電
システムを示す系統図、第４図ないし第７図は従来装置
における課題を説明する為の資料図で第４図第５図はシ
ステム起動時の燃料極水素濃度変化と改質器触媒湿度変
化例を示し、第６図、第７図は独立運転における負荷時
の負荷変化および燃料ガス流量変化例を示す。図において、（２２）は燃料ガス流量調節弁、（２６）
は燃料電池本体、（２７）は水素濃度計、（３４）　＋
よ演算制御器、（４０）は負荷遮断信号である。なお、図中、同一符号は同一、又は相当部分を示す。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）燃料電池本体の燃料ガス移送系統に燃料ガス流量
検知機能を有し、燃料ガス流量と上記燃料電池本体の発
生電流値とを比較演算する判断回路を備えた燃料電池発
電システムにおいて、上記燃料ガス移送系統に上記燃料
ガスの水素濃度を検出する水素濃度計を設け、上記判断
回路は上記水素濃度計の計測値に基いた水素ガス量を基
準とし、上記発生電流値に対する適正燃料ガス流量を演
算し、適正流量に調節することを特徴とする燃料電池発
電システム。
（２）燃料電池本体の燃料ガス移送系統に燃料ガス流量
検知機能を有し、燃料ガス流量と上記燃料電池本体の発
生電流値とを比較演算する判断回路を備えた燃料電池発
電システムにおいて、上記燃料ガス移送系統に上記燃料
ガスの水素濃度を検出する水素濃度計を設け、上記水素
濃度が設定された限界値よりも低くなった場合、上記燃
料電池本体の発生電流を遮断する運転制御手段を備えた
ことを特徴とする燃料電池発電システム。