JPH0834105B2 - 燃料電池の酸素供給制御方法及びその装置 - Google Patents

燃料電池の酸素供給制御方法及びその装置

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JPH0834105B2
JPH0834105B2 JP1113997A JP11399789A JPH0834105B2 JP H0834105 B2 JPH0834105 B2 JP H0834105B2 JP 1113997 A JP1113997 A JP 1113997A JP 11399789 A JP11399789 A JP 11399789A JP H0834105 B2 JPH0834105 B2 JP H0834105B2
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Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、燃料電池のカソード（空気極）に流れる
酸素量を制御するための方法及び装置に関するもので、
特に、燃料電池発電プラントが最大発電量に達しない発
電レベルで運転される部分負荷運転時における、燃料電
池のカソードに流れる酸素量の制御技術に関するもので
ある。
［従来の技術］ 1980年５月13日にシイ．エイ．レイサー（C.A.Reise
r）に付与されたアメリカ特許第4,202,933号には、燃料
電池の出力電圧を低下させて、燃料電池発電プラントに
おける発電量を減少するようにした方法及び装置が示さ
れている。このアメリカ特許においては、カソードより
排出された流体をカソード入口に環流するとともに、カ
ソード入口に供給する空気流量を減少させてカソードに
供給する新鮮な酸素の量を減少させるように構成すると
ともに、目標出力と実出力を比較してカソード入口に供
給する空気の流量を、実出力が目標出力に可及的に近づ
くように調整している。このとき、カソードに流入する
新鮮な空気の流量は、センサを用いて検出されている。
従って、このアメリカ特許に示された技術においては、
燃料電池発電プラントの動作は検出される空気供給量に
依存して変化する構成となっている。
［発明が解決しようとする課題］ この方式では、発電プラント内で消費される酸素量を
検出していないため、発電プラント内の各個の燃料電池
において酸素の供給不足を生じるおそれがあった。個別
の燃料電池（単電池）において、酸素量不足が生じた場
合、単電池に故障が生じて燃料電池発電プラント全体の
発電性能を低下させる恐れがあった。また、流量センサ
は、空気流量が絞られているために、検出範囲の内の比
較的検出量の少ない領域で流量検出動作を行うことにな
るため、その空気流量の検出制度が低くなってしまう問
題を有していた。
そこで、本発明の目的は、発電プラントの部分負荷運
転時においても精度良く燃料電池のカソードへの酸素供
給量を制御することのできる酸素供給量の制御方式を提
案することにある。
また、本発明の目的は、発電プラントの燃料電池群に
おける全酸素利用率を監視することによって個別の燃料
電池における酸素の供給不足を防止出来るようにした制
御方式を提案することにある。
さらに、本発明のもう一つの目的は、発電プラントに
供給される、空気の全供給量を監視することによって、
目標出力と実出力の差を最小として、発電プラントを適
正に運転できるようにすることの出来る制御方式を提案
することにある。
上記及び上記以外の目的を達成するために、本発明の
第一の構成によれば、燃料電池発電設備における燃料電
池のカソードの入口部に酸素含有ガスを供給し、そのカ
ソードの排出部から酸素が消費された排出ガスを流出さ
せるとともに、発電設備の部分負荷運転時に、少なくと
も上記排出ガスの一部を上記カソードの入口側に環流し
て前記酸素含有ガスと合流させてカソードで使用する混
合ガスを生成し、上記燃料電池の出力電流が減少した時
に前記排出ガスの還流量を調整するようにした燃料電池
の酸素供給制御方法において、前記排出部より排出され
る排出ガス中の酸素濃度、前記燃料電池で発生される出
力電流、前記混合ガスのカソード入口部における流量を
連続的に測定して、カソードにおける消費酸素量及び混
合ガス中に含有される酸素量を算出し、その両酸素量よ
り演算される酸素利用率と測定された出力電流に対応す
る設定酸素利用率とを比較し、前記演算された酸素利用
率と前記設定酸素利用率の差を減少させるように前記酸
素含有ガスの供給量を調整するようにしたことを特徴と
する燃料電池の酸素供給制御方法が提供される。
また、本発明の第二の構成によれば、燃料電池発電設
備における燃料電池のカソードの入口部に酸素含有ガス
を供給し、そのカソードの排出部から酸素が消費された
排出ガスを流出させるとともに、発電設備の部分負荷運
転時に、少なくとも上記排出ガスの一部を上記カソード
の入口側に環流して前記酸素含有ガスと合流させてカソ
ードで使用する混合ガスを生成し、上記燃料電池の出力
電流が減少した時に前記排出ガスの還流量を調整するよ
うにした燃料電池の酸素供給制御装置において、カソー
ドに導入する酸素含有ガスの導入量を調整する手段と、
酸素を消費された排出ガスを排出するための出口部より
排出される排出ガス中の酸素濃度を連続的に測定するセ
ンサと、前記出口部より排出される排出ガスを前記入口
部に環流させる手段と、前記入口部における前記酸素含
有ガスと前記排出ガスを混合した混合ガスの流量を測定
するガス流量センサと、前記燃料電池で発生される出力
電流を連続的に測定する手段と、前記ガス流量センサ、
前記酸素濃度を測定するセンサ及び前記出力電流の測定
手段が接続され、カソードにおける消費酸素量及び混合
ガス中に含有される酸素量を算出し、その両酸素量より
演算される酸素利用率と前記出力電流に対応する設定酸
素利用率とを比較し、その差に応じて前記酸素含有ガス
の導入量調整手段を操作させて全酸素利用率の変化に応
じて前記酸素含有ガスの供給量を増減制御する制御手段
とによって構成したことを特徴とする燃料電池の酸素供
給制御装置が提供される。
なお、本発明は上記構成において、前記制御手段は、
出力電流に対応する最適酸素利用率を連続的に算出する
ように構成されたマイクロプロセッサで構成されてお
り、該マイクロプロセッサは前記最適酸素利用率と前記
全酸素利用率の差を最小とするように補償するように前
記酸素含有ガスの供給量を制御するようにすることが好
ましい。
［実施例］ 以下に、本発明の好適実施例による制御装置を、添付
する図面を参照しながら説明する。
図面は、本発明の好適実施例によるカソードへの酸素
供給量制御装置を含む燃料電池発電プラントの概略を示
している。この発電プラントにはアノード部４（燃料
極）、カソード部６、及び水冷機構８を備えたスタック
２が設けられている。高水素濃度の燃料ガスは、アノー
ド入口10を経てアノード部４に供給され、水素を消費さ
れた排出ガスは、アノード出口12より排出される。ま
た、冷却水は、冷却機構の入口14より冷却機構８内に導
入され、出口16を経て気相、液相の二相の混合流体とし
て排出される。燃料電池に対する燃料の給排を行う燃料
系及び冷却水の給排を行う冷却系の構成及び作用は、公
知のいかなる構成とすることも可能であり、本発明の構
成とは直接関係がないので、その構成及び作用に関する
詳細な説明は省略する。
空気等の酸素を含有するガスは、カソード入口18を通
ってカソード部６に供給され、カソード出口20より排出
される。カソード出口20には、カソード６より排出され
るガスの酸素濃度を検出するセンサ22が設けられてい
る。カソード出口20とカソード入口18間には、カソード
排出ガスの環流ループ24が形成されている。このカソー
ド排出ガス環流ループ24は、カソード入口18の上流の接
続点26で酸素含有ガス供給ラインに接続されている。こ
のカソード排出ガス環流ループ24には、可変ブロア28が
設けられており、この可変ブロア28の動作によって、カ
ソード排出ガス環流ループ24の、排出ガスの環流動作及
び環流量が制御される。一方、カソード入口18には、ブ
ロア30が設けられており、このブロア30は新鮮な空気を
カソード入口に供給する。カソード入口18とブロア30間
には、流量制御弁32が設けられており、ブロア30からカ
ソードに供給する空気の流量を制御している。カソード
排出ガス環流ループ24のカソード入口18近傍の接続点26
と、カソード入口18間には、ガス流量センサ33が設けら
れている。ガス流量センサ33は、カソード部６から排
出、還流されるカソード排出ガスの量と導入空気の量の
合計ガス流量を検出することになる。上記のカソードへ
の酸素供給は、動力プラントの制御装置34で制御されて
いる。制御装置34は、マイクロプロセッサで構成されて
おり、この制御装置にはカソードの排出ガスの酸素濃度
を検出するセンサ22のカソード排出ガスの酸素濃度を示
すセンサ信号36とガス流量センサ33で検出されたガス流
量を示すセンサ信号が入力されている。更に、制御装置
には、スタックの発生する電流負荷を検出する出力検出
装置42の出力電流値を示す検出信号40が入力されてい
る。そして、制御装置34は、これらの入力データに基づ
いて所定の演算動作を行い、流量制御弁32の弁位置を決
定する。
すなわち、センサ33によって検出されるカソードへの
供給全ガス流量をWin（Kg mol/h）、カソードで消費さ
れる酸素分子の消費量をO2CONS（Kg mol/h）、出力検出
装置42によって検出される出力電流をＩとすると、上記
酸素分子の消費量O2CONS（Kg mol/h）はファラディーの
法則に基づいて、 O2CONS＝2.06×10-5×Ｉ で算出することができる。
一方、カソード排出ガス流量は、「カソードに流入す
る全ガス流量」から「カソードで消費される酸素消費
量」を差引いたものに「カソードで発生する生成水量」
が加わったものであり、生成水は消費酸素量の２倍でき
るため、 排出ガス流量＝Win−O2CONS＋2O2CONS ＝Win＋O2CONS となる。
そこで、センサ22で検出されるカソード排出ガス中の
出口酸素の濃度をXO2（％）とすると、排ガス中の酸素
量は XO2（Win＋O2CONS） となる。またカソードでは前述のようにO2CONSだけ消費
されるので、カソードへ流入する酸素量は次式で表わさ
れる。
流入O2＝O2CONS＋XO2（Win＋O2CONS） したがって、カソードでの酸素利用率は流入酸素量に
対する消費酸素量の比であるから、上記酸素利用率をUO
2とすると、UO2は下記のようになる。
したがって、制御装置34では、出力電流を発生するた
めに消費された実際の酸素利用率UO2を上記式によって
演算する。
制御装置には、所定の電流量に対応し、各個別の燃料
電池について酸素供給不足となることを防止するために
必要な目標酸素利用率UO2との関係において決定された
空気流量制御弁の弁開度が設定されており、この流量制
御弁32の弁開度は目標酸素利用率と上記の式によって算
出された実利用率との差を補償するように調整される。
［効果］ この流量制御弁の弁位置の制御によって、発電プラン
トの部分負荷運転時においても、各個の燃料電池におけ
る酸素供給不足の発生は未然に防止される。
さらに、本発明の構成によれば、カソードに供給され
る酸素量を検出精度の最も低い領域で検出する必要がな
いので、酸素量の検出精度を向上することができ、従っ
て酸素供給量の制御を精度よく行うことが出来る。さら
に、本発明によれば、スタックで消費される全酸素量が
監視されるので、各個の燃料電池に酸素供給量不足が生
じることがなく、空気の導入量を調整して出力電流の発
生における酸素消費を最適効率とすることができる。
なお、本発明は、上記した特定の実施例に限定される
ものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の構成
を変更せずに実施可能な総ての構成を包含するものであ
る。
【図面の簡単な説明】
図面は、本発明の好適実施例による酸素供給制御装置を
適用した発電プラントのスタックを示す回路図である。 ２……スタック、４……アノード部、６……カソード
部、８……冷却機構、22……酸素濃度センサ、24……カ
ソード排出ガス環流ループ、28……可変ブロア、30……
ブロア、32……空気流量制御弁、33……ガス流量セン
サ、34……酸素供給量制御装置、42……出力検出装置。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】燃料電池発電設備における燃料電池のカソ
    ードの入口部に酸素含有ガスを供給し、そのカソードの
    排出部から酸素が消費された排出ガスを流出させるとと
    もに、発電設備の部分負荷運転時に、少なくとも上記排
    出ガスの一部を上記カソードの入口側に環流して前記酸
    素含有ガスと合流させてカソードで使用する混合ガスを
    生成し、上記燃料電池の出力電流が減少した時に前記排
    出ガスの還流量を調整するようにした燃料電池の酸素供
    給制御方法において、前記排出部より排出される排出ガ
    ス中の酸素濃度、前記燃料電池で発生される出力電流、
    及び前記混合ガスのカソード入口部における流量を連続
    的に測定して、カソードにおける消費酸素量及び混合ガ
    ス中に含有される酸素量を算出し、その両酸素量より演
    算される酸素利用率と測定された出力電流に対応する設
    定酸素利用率とを比較し、前記演算された酸素利用率と
    前記設定酸素利用率の差を減少させるように前記酸素含
    有ガスの供給量を調整するようにしたことを特徴とする
    燃料電池の酸素供給制御方法。
  2. 【請求項２】燃料電池発電設備における燃料電池のカソ
    ードの入口部に酸素含有ガスを供給し、そのカソードの
    排出部から酸素が消費された排出ガスを流出させるとと
    もに、発電設備の部分負荷運転時に、少なくとも上記排
    出ガスの一部を上記カソードの入口側に環流して前記酸
    素含有ガスと合流させてカソードで使用する混合ガスを
    生成し、上記燃料電池の出力電流が減少した時に前記排
    出ガスの還流量を調整するようにした燃料電池の酸素供
    給制御装置において、カソードに導入する酸素含有ガス
    の導入量を調整する手段と、酸素を消費された排出ガス
    を排出するための出口部より排出される排出ガス中の酸
    素濃度を連続的に測定するセンサと、前記入口部におけ
    る前記酸素含有ガスと前記排出ガスを混合した混合ガス
    の流量を測定するガス流量センサと、前記燃料電池で発
    生される出力電流を連続的に測定する手段と、前記ガス
    流量センサ、前記酸素濃度を測定するセンサ及び前記出
    力電流の測定手段が接続され、カソードにおける消費酸
    素量及び混合ガス中に含有される酸素量を算出し、その
    両酸素量より演算される酸素利用率と前記出力電流に対
    応する設定酸素利用率とを比較し、その差に応じて前記
    酸素含有ガスの導入量調整手段を操作させて全酸素利用
    率の変化に応じて前記酸素含有ガスの供給量を増減制御
    する制御手段とによって構成したことを特徴とする燃料
    電池の酸素供給制御装置。
  3. 【請求項３】前記制御手段は、出力電流に対応する最適
    酸素利用率を連続的に算出するように構成されたマイク
    ロプロセッサで構成されており、該マイクロプロセッサ
    は前記最適酸素利用率と前記全酸素利用率の差を最小と
    するように補償するように前記酸素含有ガスの供給量を
    制御するようにしたことを特徴とする請求項第２項記載
    の装置。
JP1113997A 1988-05-05 1989-05-06 燃料電池の酸素供給制御方法及びその装置 Expired - Lifetime JPH0834105B2 (ja)

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JPH0218868A JPH0218868A (ja) 1990-01-23
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