JPS6010425B2 - 燃料電池の出力電力を低下させる方法 - Google Patents

燃料電池の出力電力を低下させる方法

Info

Publication number
JPS6010425B2
JPS6010425B2 JP54131719A JP13171979A JPS6010425B2 JP S6010425 B2 JPS6010425 B2 JP S6010425B2 JP 54131719 A JP54131719 A JP 54131719A JP 13171979 A JP13171979 A JP 13171979A JP S6010425 B2 JPS6010425 B2 JP S6010425B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
output power
battery
fuel
fuel cell
positive electrode
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired
Application number
JP54131719A
Other languages
English (en)
Other versions
JPS5553876A (en
Inventor
カ−ル・アンソニ−・ライザ−
マイケル・バ−ナ−ド・ランド−
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
RTX Corp
Original Assignee
United Technologies Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by United Technologies Corp filed Critical United Technologies Corp
Publication of JPS5553876A publication Critical patent/JPS5553876A/ja
Publication of JPS6010425B2 publication Critical patent/JPS6010425B2/ja
Expired legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04955—Shut-off or shut-down of fuel cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04097—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with recycling of the reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0438—Pressure; Ambient pressure; Flow
    • H01M8/04395—Pressure; Ambient pressure; Flow of cathode reactants at the inlet or inside the fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04537—Electric variables
    • H01M8/04574—Current
    • H01M8/04589—Current of fuel cell stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04537—Electric variables
    • H01M8/04604—Power, energy, capacity or load
    • H01M8/04619—Power, energy, capacity or load of fuel cell stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04701—Temperature
    • H01M8/04731—Temperature of other components of a fuel cell or fuel cell stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746—Pressure; Flow
    • H01M8/04753—Pressure; Flow of fuel cell reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746—Pressure; Flow
    • H01M8/04761—Pressure; Flow of fuel cell exhausts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04791—Concentration; Density
    • H01M8/04805—Concentration; Density of fuel cell exhausts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04858—Electric variables
    • H01M8/04865—Voltage
    • H01M8/0488—Voltage of fuel cell stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04858—Electric variables
    • H01M8/04925—Power, energy, capacity or load
    • H01M8/0494—Power, energy, capacity or load of fuel cell stacks
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、燃料電池の発電プラントに係り、更に詳細に
は低電力レベルにて燃料電池の発電プラントを運転する
ことに係る。
典型的な燃料電池発電プラントは一つ或いはそれ以上の
燃料電池積層体を含んでおり、一つの積層体内の各電池
は電気的に直列に接続されている。
これらの電池は空気を使用してその正極へ酸素を供給し
また水素を使用してその負極へ燃料を供聯合することに
よって作動する。電池を通過した後、消費された反応ガ
ス流は連続的にその系より排出される。発電プラントの
大きさに応じて燃料電池積層体は６個或いはそれ以下の
電池或いは数百もの電池を含んでいて良い。空気及び燃
料は通常積層体１個当たり一つ或いはそれ以上のマニホ
ルドにより各電池へ供給されるようになっている。電池
構成要素は或る定められた電圧範囲内にて作動するよう
設計されている。過剰電圧は外部装置を損傷しまた電池
構成要素、特に正極を非常に急激に腐蝕せしめるので、
或る予め定められた最大値以上の電圧は回避されなけれ
ばならない。出力電力は電池積層体端子にかかる負荷イ
ンピーダンスを変えることによって制御される。発電プ
ラントがフルバワー或いはそれに近い状態にて作動して
いる場合の如く、出力電力が非常に高い時には、燃料流
量、空気流量、及び電池温度は「正常作動曲線」に沿っ
て必要に応じて調節される。かかる正常作動曲線は電池
へ供給される空気中の酸素の約６０％或いは７０％程度
が電池により消費される程度の量の過剰空気を与えるで
電池により消費される酸素量」を「電池へ供給される空
気中の全酸素量Ｊにて除算した値を以下に電池の酸素利
用率（Ｕ）と呼ぶことにする）。正常作動曲線は、最高
の発電プラント効率を得るべく、平均電池電圧を許容し
得る最大値或いはその近傍の値に維持するよう設定され
ている。出力電力が低下されて行くと、遂には正常作動
曲線によっては平均電池電圧が許容し得る最大電圧以下
に維持されなくなる点に達する。本明細書に於ては、か
かる点以下の電力レベルを低電力レベルと称することに
する。かかる低電力レベルにて発電プラントを作動させ
るためには、電圧を低減する手立てが講じられなければ
ならない。このことは電池性能を低下させることによっ
て行われる。当然のことながら、これはできるだけコス
ト的に有効にまた発電プラントの構成要素を害すること
なく行われるのが好ましい。低電力レベルに於ける電圧
を低下させる一つの周知の方法は、負極へ供給される燃
料の分圧を低下させることである。
本願出願人と同一の譲受人に譲渡された米国特許第３３
７９５７２号には、かかる方法を使用した水素−酸素燃
料電池系が開示されている。この特許の燃料電池系は閉
鎖系のものであり、反応物質を排出するのは望ましから
ざる成分をその系より排出する時にしか行われないよう
になっている。正常な作動状態中には過剰の純粋水素が
負極へ供給され、負極からの排気は連続的に電池内を再
循環され、水素が電池により消費されるに従って補充用
の燃料が追加供給されるようになっている。水素はまた
電池内にて生成された水を搬送除去する機能をも果して
いる。この水はポンプ式分離器により再循環されつつあ
る負極緋気流より除去される。前述の米国特許に於ては
、ただ単に電池へ供給される燃料（水素）の流量を低減
することのみによっては低電力レベルに於ける電圧を低
下せしめることができない。何故ならば、上述の如く、
水素流量が低減されると、生成された水の全てを電池よ
り除去することができなくなり、電解質の希釈化が生ず
るからである。かかる問題を鰯決すべく、前記米国特許
に於ては、水素流量を低減する代りに、再循環水素量に
或る量の不活性ガス（窒素）を付加するようになってい
る。低電力レベル作動中に過剰水素と共に再循環される
この不活性ガスは水素の分圧を下げ、再循環流が燃料電
池内にて発生した水を排出除去することを可能にする。
高力レベル作動に於ては、電池により消費される水素を
補償し且電力を横切る圧力バランスを維持すべ〈必要に
応じて純粋水素が再循環負極排気流に追加供給される。
燃料電池が正常な電力レベル作動状態に戻される時には
、再循環されている負極排気流は不活性ガスを除去すべ
〈排出され、最終的には再循環流は基本的には水素であ
るその通常の組成に戻される。前記米国特許に開示され
た方法は、その有効性の点で非排出型（閉鎖型）の酸素
−水素燃料電池（この電池は経済上の理由から大規模の
電力発生系には不適当である）に限定され、本発明の主
題である上述の排出型（開放型）の空気−水素燃料電池
系に使用されるには不適当である。更に前記米国特許に
開示された低電力レベル時の出力電力を低下させる方法
は〜正極電位を低下させるのではなく、負極電位を上昇
させることによるものであるので、正極腐蝕を阻止する
効果をほとんど有しないものである。
本発明の一つの目的は、できるだけ効率的に且燃料電池
に及ぼされる害を最低限にして燃料電池発電プラントを
低電力レベルにて作動せしめることである。
本発明の他の一つの目的は、両方の反応流が連続的に排
出される空気‐水素燃料電池の出力電力を低下させる方
法を提供することである。
本発明の更に他の一つの目的は、正極腐蝕を殆ど増大さ
せることなく燃料電池の出力電力を低下させる方法を提
供することである。
そのために、本発明によれば、反応生成物の流れが連続
的にその系より排出される空気‐水素燃科電池に於て、
池の出力電圧は、正極排気の一部を電池を通して再循環
させることにより低下される。
一つの好ましい実施例に於ては、電圧は電池へ供給され
る全空気流量を低減させ且正極排気の一部を電池を通し
て再循環させることにより更に低下される。発電プラン
トの作動に及ぼされる望ましからざる影響を最小限に抑
えるためには、電池の作動温度を下げることにより先ず
電圧を下げるのが好ましい（しかも必ずしも必要とされ
るものではない）。
しかし電池性能の不安定性を招来せずにまた発電プラン
ト於ける好ましい熱的及び電気的特性を損うことなく電
池の作動温度について低下させ得る温度は僅かである。
従ってかかる方法のみによって得られる電力レベルの低
下は極く僅かでしかない。本発明の方法によれば、電力
レベルが低下されなければならない場合には、更に正極
排気の一部が再循環される。
正極排気は空気よりも酸素が稀薄であるので、再循環は
各電池内の酸素の平均分圧を下げる効果を有し、これに
よって電圧を下げる効果を有する。これによって電圧が
予め定められた最大値に戻るまで電力レベルが低下され
る。以下に説明される如く、再循環は不利益を伴なわず
には行えないものであり、各紙の作動パラメータについ
て、その不利益がその利益を上回り始める再循環の限界
が常に存在する。この限界点に於て、実際のレベルが尚
も所望の電力レベル以上であり且電圧が許容し得る最大
値である場合には、電池への全空気流量を低減する（即
ち酸素利用率を増大する）ことにより更に電圧を下げる
ことができる。この方法もまた不利益を伴なわずしては
行えないものであり、空気流量はその不利益がその利益
を上回り始める点以上に低減されてはならない（これに
ついても以下に詳細に説明する）。何れにせよ本発明の
一つの利点は、正極電位を低下させることにより電圧が
低下されることであり、これによって正極腐蝕が最小限
に抑えられることである。もし再循環流量が或る予め定
められた許容し得る最大値まで増大され、また空気流量
が或る予め定められた許容し得る最小値まで低減され、
しかも尚所望の電力が実際の電力よりも小さい場合には
、更に電力レベルを低下させることは容易には行えない
。
以下に添付の図を参照しつつ本発明をその好ましい実施
例について詳細に説明する。
添付の第１図に燃料電池発電プラントの一部が示されて
いる。
電気的に直列に接続された複数個の電池を含む燃料電池
積層体が符号１川こて示されているが、簡単のために完
全な電池は二つしか図示されていない。各電池はリン酸
電解質にて浸潰されたシリコンカーバイトマトリックス
１２を含んでいる。このマトリックス１２は酸素鰭極即
ち正極電極１４と燃料電池則ち負極電極１６との間にサ
ンドイッチ状に挟まれている。ガス不透過性プレ山ト１
７，１７Ａ，１７Ｂが燃料電池積層体１０内の隣接する
電池を分離している。熱は冷却流体をこれらのプレート
のうちの一つに通過させることによって積層体より除去
される。図示の構造に於ては、プレート１７Ａが導管１
８を経て供給された冷却流体をその内部に通すようにな
っている。冷却流体はポンプ１９によって循環される。
電池内に於て収集された熱は大気に放出されるか、或い
は熱交換器２０により発電プラントの他の領域へ伝達さ
れる。空気供給源２２からの空気が導管２６を経てマニ
ホルド２４へ供給される。
空気の流量は導管２６に設けられた空気流量調節弁２７
により制御される。マニホルド２４はそれぞれの電池の
正極電極１４に隣接する空気通路２８へ空気を導くよう
になっている。空気通路２８よりの排気（正極排気と称
することにする）はマニホルド３０へ流れ、導管３２を
経て電池積層体より排出される。燃料供給源３４からの
水素の如き燃料が導管３８を経てマニホルド３６へ供給
される。マニホルド３６は負極電極１６に隣接する燃料
通路４０へ燃料を導くようになっている。燃料通路４０
からの排気は導管４４へ接続されたマニホルド４２を経
て電池積層体より排出される。本発明の方法を実施する
に適した燃料電池のマニホルド付積層体の詳細な説明に
ついては、もし必要なら、本件出願人と同一の譲渡人に
譲渡された米国特許第３９９４７４８号を参照されたい
。
導管４８とその途中に設けられた送風機４６とが正極排
気の一部を再循環させるようになっている。
この実施例に於ては、送風機４６は作動か非作動かの何
れかであり、従って単一の再循環流量しか与えないよう
になっている。コンピュータを含む制御装置５０が種々
の信号を受け、この信号により制御装置は発電プラント
内にて行われる種々の作動を制御するようになっている
。
制御装置５０はどれほどの空気が電池積層体１０へ供給
されているかを示す信号５２を空気流量メータ５４より
受けるようになっている。測定装置６０より供給される
信号５６，５８は制御装置５０１こ電池積層体１０の出
力電流及び実際の出力電力を示すようになっている。こ
の世力電流と空気流量とから制御装置５０は電池の酸素
利用率を計算することができる。また制御装置５０は信
号６２により所望の出力電力を示されるようになってい
る。制御装置５川ま連続的に実際の出力電力と所望の出
力電力とを比較する。また本発明によれば、制御装置５
川ま、６４，６６，６８によりそれぞれ空気流量調節弁
２７、熱交換器２０、再循環送風機４６を操作するよう
になっている。作動について説明すると、ィンバー夕の
如き装置を含む電力制御装置（図示せず）が電池積層体
の端子にかかる負荷インピーダンスを変えることにより
必要に応じて出力電力を増減する。
電圧が或る予め定められた最大値に達すると、電力制御
装置はそれ以上電力を低下させなくなる。ここで制御装
置５川ま所望の電力が実際の電力以下であることを計算
すると、信号６６を熱交換器２０へ送り、導管１８内の
冷却流体より更に熱を抽出し、電池内へ流入する流体が
より低い温度となるようにする。これによって冷却流体
は追加の熱を電池より除去することができ、電池の平均
作動温度が低下される。作動温度が低下すると出力電力
も低下する。電力が上述の予め定められた最大値以下に
低下すると、電力制御装置は再び自動的に実際の出力電
力を所望の出力電力の値へ向けて下げ、遂には所望の電
力に達するか、或いは再び最大電圧に達する。制御装置
５０‘ま新たな実際の電力を所望の電力と比較し、もし
実際の電力が所望の電力と同一であれば、それ以上の制
御作動は進行しない。
しかしもし実際の電力が尚も所望の電力以上であり且そ
れ以上に燃料電池温度を下げることが許されない場合に
は、信号６８により再循環送風機４６を作動させる。こ
の再循環により電圧が更に低下するので、電力制御装置
は所望の電力レベルとなるまで或いは電圧が前述の最大
値に達するまで更に実際の出力電力を再度低下させるこ
とができる。制御装置５０は再度所望の電力と実際の電
力とを比較する。もし実際の電力が尚も所望の電力以上
である場合には、信号６４を空気流量調節弁２７へ送り
、空気流量を低減せしめる。これによって酸素利用率が
増大せしめられ、電池の平均電圧が低下される。そこで
再度電圧の低下につれて電力制御装置は更に電力レベル
を低下させる。制御装置５０は実際の電力と所望の電力
とを比較し続け、所望の電力が達成されるまで、或いは
酸素利用率が許容し得る最大値となるまで電池へ供給さ
れる空気流量を低減し続ける。許容し得る最大酸素利用
率は一般に単一の電池の出力電力が許容し得る最も低い
値となる時の酸素利用率である。もしこの点に於ても尚
所望の電力が達成されない場合には、その時の電力レベ
ルが可能な限り最も低い電力レベルであり、それ以上出
力電力を低下させることができないことを示す信号がオ
ペレータに与えられる。この好ましい実施例に於ては、
初期の電圧低下は電池の平均作動温度を下げることによ
り得られる。通常かかる手段により得られる電圧低下は
極く僅かであるので、場合によっては温度を変化させず
、本発明による方法の第一の工程として再循環送風機４
６の運転のみを行うのが望ましいかも知れない。またこ
の実施例に於ては、再循環送風機４６は空気流量が連続
的に低減されている間オンーオフ制御される。
しかし勿論循環送風機４６は、制御装置５０が連続的に
再循環流量を変化させ得るよう、可変速度送風機とされ
てはならないという理由はない。同様に、制御装置５０
は或る予め定められたスケジュールに従って正極排気の
再循環流量及び空気流量を同時に或いは個々に変化する
ようプログラムされていてはならない理由もない。理論
的には、究極の目標は、一般に好ましからざる作動条件
と見倣されている情況下に於て発電プラントの効率と発
電プラントの寿命との間の可能な限りの最良の妥協点を
見出すべく、それぞれの作動時点に於ける再循環流量と
空気流量との最良の組合わせを選択することである。し
かしそのようなプログラムを用いる制御装置を得るに要
するコストがその実行を困難にしているものである。以
下に述べることは、本発明の方法に含まれる可変量を制
御する際に考慮されなければならない因子についての詳
細な説明である。添付の第２図は正極排気の再循環流量
（Ｒ）が電池を横切る電流密度の不良分布に与える影響
を示している。
電流密度の不良分布とは正極の空気出口部に於ける電流
密度に対する正極の空気入口部に於ける電流密度の比で
ある。かかる電流密度の不良分布は、それによって燃料
電池内に温度の不良分布を生じ、燃料電池内に局部的な
高温領域が生ずるので有害である。従って電流密度の不
良分布は、電池内の局部的な最大温度がその材料の許容
限度を越えることがない程度に十分低いものでなければ
ならない。第２図の縦軸は電池の相対的電流密度を表わ
し、平均電池電流密度はこの縦軸の１．０である。機軸
の０の点は電池の正極ガス入口端を表わしており、１．
０点は電池の正極ガス出口端を示している。デー外ま全
体的な酸素利用率（Ｕ）が０．９であり且電池の１で当
りの空気流量が０．７１０ｋｇ／ｈてである場合につい
てプロットされたものである。正常な作動条件下に於け
る全体的な酸素利用率（Ｕ）は約０．６〜０．７である
ので、酸素利用率０．９は、本発明の方法により電池へ
供給される空気の流量がかなり低減されていることを意
味する。第２図の破線は再循環流がない場合の近似値で
あり、二つの実線はそれぞれ電池の１〆当り約０．９９
１ｋ９′ｈｒ及び１５ｋ９／ｈｒの再循環流量による再
循環が行われた場合を表わしている。第２図より再循環
流量が高くなればなるほど電池を横切る電流密度もより
一様なものとなることは明らかであろう。再循環流がな
ければ正極ガス入口端と正極ガス出口端に於ける電流密
度の差は約１０／１（即ち電流密度の不良分布は１０．
０）である。再循環流量が０．９９１ｋ９／ｈｒ／めで
あれば、電流密度の不良分布は約４．５である。再循環
流量が１５．７ｋ９／ｈｒ／めであれば、電流密度の不
良分布は１．４以下に低下する。多くの適用例では、電
流密度の不良分布が３．０よりも大きくないのが好まし
く、特に２．０よりも大きくないのが好ましい。再循環
流量は電池の平均電流密度には何ら影響を及ぼさないこ
とに留意されたいｏ電池にある特定の平均電流密度を与
えるためには、電池が他のパラメータが等しい状態にて
或る量の酸素を消費する必要がある。
酸素利用率Ｕが０．９である第２図のグラフを与えるた
めに使用された発電系に於ては、電池はその１でにつき
常に１時間当り約０．１５２ｋ９の酸素を消費している
が、１時間当り約０．１７０ｋ９の酸素しか供給されて
いない。もし電池が例えば０．６の酸素利用率にて作動
していれば、電池の各１では同じ仕事をするのに１時間
当り約０．２５４ｋ９の酸素を受けることになる。後者
の場合には、正極入口に多量の過剰酸素があるので、正
極出口に於ても多量の酸素が存在し、正極出口端の電流
密度に対する正極入口端の電流密度の比は再循環がなく
ても約２：１程度であろう。酸素利用率が第２図の場合
の如く０．９であって再循環が行われない場合には、正
極入口には多量の酸素があるが、正極出口にては酸素は
殆ど残っていない。燃料電池が所望の平均電流密度を発
生するためには、電池の正極入口端部は正極出口端部だ
けオーバーワーク状態になる。従って電流密度分布の不
均一が重大な問題となるのは酸素利用率が高い場合のみ
である。正極排気は供給空気よりも酸素が希薄であるの
で、正極排気の一部を再循環することは正極へ流入する
酸素の濃度を低下させる効果を有している。
入口に於ける酸素濃度が低減される結果として、正極の
うちの入口に最も近い部分は酸素濃度が高い場合に於け
るほど大きな割合にてガス流内の酸素を消費することが
できない。このことにより正極の出口部分にはより多量
の酸素が残留することになる。従って再循環が行われれ
ば入口に於ける電流密度が低下し且出口に於ける電流密
度が増大する。実際、全然再循環を行わずに電池へ至る
空気流量を大きく低減することは全く実用ではなく、電
流密度の不良分布を低減するために或る程度の再循環は
必要である。第３図は電池の１〆当りの正極排気再循環
流量に対し平均電池電圧をプロットしたものである。
この第３図は空気流量を低減することにより電圧降下が
生じることを明瞭に示している。破線は全体的酸素利用
率が０．６である如き通常の空気流量条件を示している
。全体的酸素利用率が０．６の場合には、再循環流量は
増大しても電圧降下は極く僅かでしかないことに留意さ
れたい。従って電力レベルを大きく低減するためには酸
素利用率を増大することも必要である。高度の再循環流
量にて所望の最小の電力レベルを得るためには、多くの
適用例に於て酸素利用率は少なくとも０．８ふより好ま
しくは少なくとも０．９に増大されなければならないで
あろう。第４図は本発明の方法を最適化するために考慮
されなければならない他の一つの因子を理解するのに有
用なものである。
共通のマニホルドにて接続された一群の電池（例えば燃
料電池積層体全体或いは燃料電池積層体の一部であって
よい）に於ては、多量の過剰空気がマニホルドを経て電
池へ供給される高出力レベル時に於てさえ、その電池群
内の各電池が同一の質量流量の酸化剤（酸素）を受ける
ことは保証されない。平均酸化剤重量と最も少ない酸化
剤を受ける電池を流れる酸化剤流量との差は酸化剤不良
分布と呼ばれる。第４図には許容し得る酸化剤不良分布
が各電池を流れる酸素剤の平均質量流量に対する比とし
て示されており、その値が二つの異なった酸素利用率に
ついて再循環流量に対しプロットされている。これらの
曲線は、許容し得る酸化剤不良分布とは、最小流量の酸
化剤を受ける電池がそれに供給される酸素の１００％を
消費している（即ちＵ＝１．０）の時に発生するもので
あるとして描かれている。酸素利用率が小さく（即ち空
気流量が大きく）且再循環流量が大きい時、許容し得る
酸化剤不良分布が高くなることに留意されたい。パラメ
ータが一定の状態で酸化剤不良分布をより小さくするた
めには、燃料電池積層体をより小さい許容誤差にて設計
し且製造する必要があるので、許容し得る酸化剤不良分
布は高くされるのが望ましい。適度のコストにて燃料電
池積層体を設計し且製造し得るようにするためには、許
容し得る酸化剤不良分布は少なくとも０．１５であるべ
き思われ、好ましくは少なくとも０．２５であるべきと
思われる。一度許容し得る酸化剤不良分布の値が選定さ
れると、その選定された最小値よりも大きな許容し得る
酸化剤不良分布を与えるような再循環流量と酸素利用率
の任意の組合わせが用いられてよい。本発明の方法を実
施する際に一考に値する他の恐らくは二次的な因子が幾
つか存在する。
例えば正極排気を再循環するためには動力が必要である
。再循環流量が高くなればなるほど必要とされる動力も
大きくなる。従って再循環流量を高くすることにより得
られる利益が再循環を行うに必要とされる動力に値しな
くなる点が存在する。この因子は再循環流量を低い値に
維持する誘因となる。またリン酸燃料電池の如き或る種
の燃料電池に於ては、極〈少量の電解質が反応ガス流内
へ蒸発することがある。正極排気中に取囲まれ究極的に
はその系より放出される電解質の量は再循環流量の増大
と共に増大するので、このこともまた再循環流量を低い
値に維持するための誘因となる。以上に於ては本発明を
その特定の実施例について詳細に説明したが、本発明が
かかる実施例に限定されるものではなく、本発明の範囲
内にて種々の修正並びに省略が可能であることは当業者
にとって明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の方法により作動する燃料電池発電プラ
ントの一部を示す解図である。 第２図〜第４図は燃料電池発電プラントの種々のパラメ
ータ間の関係を示すグラフである。ＩＤ・・・電池、１
２・・・マトリックス、１４・・・正極電極、１６・・
・負極電極、１７，１７Ａ，１７Ｂ・・・ガス不透過性
プレート、１８…導管、１９・・・ポンプ、２０・・・
熱交換器、２２・・・空気供給源、２４・・・マニホル
ド、２６…導管、２７・・・流量調節弁、２８・・・空
気通路、３０・・・マニホルド、３２・・・導管、３４
・・・燃料供給源、３６・・・マニホルド、３８・・・
導管、４０…燃料通路、４２・・・マニホルド、４４…
導管、４６・・・送風機、４８…導管、５０・・・制御
装置、５２・・・信号、５４・・・空気流量メータ、５
６，５８…信号、６０…測定装置、６２，６４，６６，
６８・・・信号。 ＦＩＧ．ｌ ＦＩＧ．３ ＦＩＧ．２ ＦＩＧ．４

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 各々が正極と負極とを有する複数個の燃料電池が電
    気的に直列に接続された燃料電池積層体を有し、酸化剤
    としての空気が共通のマニホルドを経て各燃料電池の正
    極に接する空気通路へ供給され、燃料としての水素が各
    燃料電池の負極に接する燃料通路へ供給され、前記空気
    通路及び前記燃料通路からはそれぞれ連続的に正極排気
    及び負極排気が排出されるようになっており、正極排気
    の一部を前記空気通路へ再循環させる手段を有する燃料
    電池の出力電力を低下させる方法にして、（イ）所望の
    出力電力と実際の出力電力とを比較し、所望の出力電力
    が実際の出力電力より小さい時には、正極排気の再循環
    率を増大させることにより電池の平均電圧を下げ、（ロ
    ）所望の出力電力が達成されるか電池の出力電圧が許容
    される最大値に達するまで実際の出力電力を低下させ、
    （ハ）所望の出力電力と実際の出力電力とを再度比較し
    、所望の出力電力が尚実際の出力電力より小さい時には
    、電池への空気の流量を低下させることにより電池の酸
    素利用率を増大せしめることによって電池の平均出力電
    圧を低下させ、（ニ）実際の出力電力が所望の出力電力
    に達するか酸素利用率が許容される最大値に達するまで
    前記（イ）〜（ハ）の過程を繰返すことを特徴とする方
    法。 ２ 特許請求の範囲第１項の方法にして、出力電力の値
    に拘らず正極排気の再循環率と電池の酸素利用率の組合
    せは電池の電流密度の不良分布が３．０を越えないよう
    に定められることを特徴とする方法。 ３ 特許請求の範囲第１項又は第２項の方法にして、出
    力電力の値に拘らず正極排気の再循還率と電池の酸素利
    用率の組合せは許容し得る酸化剤の不良分布が少なくと
    も０．１５であるように定められることを特徴とする方
    法。 ４ 特許請求の範囲第１項〜第３項の何れかの方法にし
    て、許容し得る酸素利用率の最大値は少なくとも０．８
    ５であることを特徴とする方法。 ５ 各々が正極と負極とを有する複数個の燃料電池が電
    気的に直列に接続された燃料電池積層体を有し、酸化剤
    としての空気が共通のマニホルドを経て各燃料電池の正
    極に接する空気通路へ供給され、燃料としての水素が各
    燃料電池の負極に接する燃料通路へ供給され、前記空気
    通路及び前記燃料通路からはそれぞれ連続的に正極排気
    及び負極排気が排出されるようになっており、正極排気
    の一部を前記空気通路へ再循環させる手段を有する燃料
    電池の出力電圧を低下させる方法にして、（イ）所望の
    出力電力と実際の出力電力とを比較し所望の出力電力が
    実際の出力電力より小さい時には、電池の作動温度を低
    下させて電池の平均電圧を下げ、（ロ）所望の出力電力
    と実際の出力電力とを比較し、所望の出力電力が実際の
    出力電力より尚小さい時には、正極排気の再循環率を増
    大させることにより電池の平均電圧を下げ、（ハ）所望
    の出力電力が達成されるか電池の出力電圧が許容される
    最大値に達するまで実際の出力電力を低下させ、（ニ）
    所望の出力電力と実際の出力電力とを再度比較し、所望
    の出力電力が尚実際の出力電力より小さい時には、電池
    への空気の流量を低下させることにより電池の酸素利用
    率を増大せしめることによって電池の平均出力電圧を低
    下させ、（ホ）実際の出力電力が所望の出力電力に達す
    るか酸素利用率が許容される最大値に達するまで前記（
    ロ）〜（ニ）の過程を繰返すことを特徴とする方法。
JP54131719A 1978-10-13 1979-10-12 燃料電池の出力電力を低下させる方法 Expired JPS6010425B2 (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US05/951,421 US4202933A (en) 1978-10-13 1978-10-13 Method for reducing fuel cell output voltage to permit low power operation
US951421 1978-10-13

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPS5553876A JPS5553876A (en) 1980-04-19
JPS6010425B2 true JPS6010425B2 (ja) 1985-03-16

Family

ID=25491667

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP54131719A Expired JPS6010425B2 (ja) 1978-10-13 1979-10-12 燃料電池の出力電力を低下させる方法

Country Status (7)

Country Link
US (1) US4202933A (ja)
JP (1) JPS6010425B2 (ja)
CA (1) CA1126806A (ja)
DE (1) DE2941514A1 (ja)
FR (1) FR2438921A1 (ja)
GB (1) GB2037062B (ja)
IL (1) IL58402A (ja)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2023154588A (ja) * 2022-04-07 2023-10-20 株式会社デンソー 燃料電池システム

Families Citing this family (48)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4289836A (en) * 1980-03-05 1981-09-15 Lemelson Jerome H Rechargeable electric battery system
US4304823A (en) * 1980-03-05 1981-12-08 Lemelson Jerome H Electrical energy storage system
US4310604A (en) * 1980-07-14 1982-01-12 Energy Research Corporation Fuel cell system and temperature control therefore
US4365006A (en) * 1981-03-26 1982-12-21 Energy Research Corporation Fuel cell system for mobile applications
JPH069143B2 (ja) * 1982-10-21 1994-02-02 株式会社東芝 燃料電池の保管方法
GB2129237B (en) * 1982-10-21 1986-06-25 Westinghouse Electric Corp Fuel cell protection circuits
JPH0763020B2 (ja) * 1983-02-14 1995-07-05 株式会社東芝 燃料電池の起動停止装置
JPH0654674B2 (ja) * 1983-07-14 1994-07-20 株式会社東芝 燃料電池発電装置
JPS6056374A (ja) * 1983-09-07 1985-04-01 Toshiba Corp 燃料電池の燃料流量制御装置
JPH0622153B2 (ja) * 1983-10-31 1994-03-23 株式会社富士電機総合研究所 燃料電池の運転方法
JPS60177565A (ja) * 1984-02-24 1985-09-11 Hitachi Ltd 燃料電池発電システムの運転方法
JPS60189871A (ja) * 1984-03-09 1985-09-27 Hitachi Ltd 燃料電池の運転方法
JPH071700B2 (ja) * 1984-05-29 1995-01-11 株式会社東芝 燃料電池発電システム
JPH081810B2 (ja) * 1985-02-20 1996-01-10 三菱電機株式会社 内部改質形溶融炭酸塩形燃料電池
JP2581662B2 (ja) * 1985-02-20 1997-02-12 三菱電機株式会社 燃料電池発電装置
JPS62276764A (ja) * 1986-05-26 1987-12-01 Hitachi Ltd 燃料電池の運転法
US4792502A (en) * 1986-11-14 1988-12-20 International Fuel Cells Corporation Apparatus for producing nitrogen
JPS63181267A (ja) * 1987-01-21 1988-07-26 Toshiba Corp 燃料電池発電装置
CA1297310C (en) * 1987-06-15 1992-03-17 Martin L. Abrams Fuel cell stack cooling system
US4859545A (en) * 1988-05-05 1989-08-22 International Fuel Cells Corporation Cathode flow control for fuel cell power plant
US4879189A (en) * 1988-05-27 1989-11-07 International Fuel Cells Corporation Fuel cell air pressurization system and method
US4943493A (en) * 1989-04-21 1990-07-24 International Fuel Cells Corporation Fuel cell power plant
US5914200A (en) * 1993-06-14 1999-06-22 Siemens Aktiengesellschaft High-temperature fuel cell stack arrangement with centrally located exit air space
US6015634A (en) * 1998-05-19 2000-01-18 International Fuel Cells System and method of water management in the operation of a fuel cell
CA2359736A1 (en) 1999-01-28 2000-08-03 Siemens Aktiengesellschaft Method and device for controlling the power of a fuel cell stack, and their use
US6510369B1 (en) 1999-08-24 2003-01-21 Plug Power Inc. Residential load shedding
DE19957444A1 (de) * 1999-11-29 2001-06-13 Forschungszentrum Juelich Gmbh Brennstoffzelle mit Kreislauf des Oxidationsmittels
US6461751B1 (en) 1999-12-06 2002-10-08 Ballard Power Systems Inc. Method and apparatus for operating a fuel cell
US7087332B2 (en) * 2002-07-31 2006-08-08 Sustainable Energy Systems, Inc. Power slope targeting for DC generators
JP4742486B2 (ja) * 2003-04-10 2011-08-10 日産自動車株式会社 燃料電池の発電量制御装置
US7258937B2 (en) * 2003-07-21 2007-08-21 General Motors Corporation Gas humidification for cathode supply of a PEM fuel cell
DE102004057140A1 (de) * 2004-11-26 2006-06-01 Daimlerchrysler Ag Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellenstapels
WO2006071233A1 (en) * 2004-12-29 2006-07-06 Utc Power Corporation Fuel cell assembly with operating temperatures for extended life
RU2448394C2 (ru) * 2004-12-29 2012-04-20 ЮТиСи Пауэ Копэрейшн Способ эксплуатации батареи топливных элементов (варианты) и батарея топливных элементов
DE102005012120A1 (de) * 2005-03-16 2006-09-21 Liebherr-Aerospace Lindenberg Gmbh Luftfahrzeug mit einer Brennstoffzelle
US7553569B2 (en) * 2005-04-14 2009-06-30 Gm Global Technology Operations, Inc. Dynamic cathode gas control for a fuel cell system
JP4486618B2 (ja) 2006-06-06 2010-06-23 株式会社リコー 充電回路、充電回路の動作制御方法及び電源装置
US7808125B1 (en) 2006-07-31 2010-10-05 Sustainable Energy Technologies Scheme for operation of step wave power converter
US8835065B2 (en) * 2006-09-29 2014-09-16 GM Global Technology Operations LLC Fuel cell startup method for fast freeze startup
US8031495B2 (en) * 2007-06-04 2011-10-04 Sustainable Energy Technologies Prediction scheme for step wave power converter and inductive inverter topology
WO2009085034A1 (en) * 2007-12-28 2009-07-09 Utc Power Corporation Combustion of hydrogen in fuel cell cathode upon startup
CN102171876A (zh) * 2008-10-03 2011-08-31 Utc电力公司 燃料电池开路电压的低功率控制
US9509002B2 (en) 2010-05-20 2016-11-29 Audi Ag Quick restart of fuel cell power plant as alternative to idling
JP5719261B2 (ja) * 2011-09-13 2015-05-13 本田技研工業株式会社 燃料電池システム
KR101745195B1 (ko) * 2015-12-04 2017-06-08 현대자동차주식회사 연료전지시스템의 출력을 제어하는 방법
FR3045213B1 (fr) * 2015-12-11 2017-12-29 Michelin & Cie Procede de pilotage de pile a combustible
CN113594508A (zh) * 2021-06-10 2021-11-02 东风汽车集团股份有限公司 燃料电池系统的控制方法、控制装置和燃料电池系统
DE102024204595A1 (de) 2024-05-17 2025-11-20 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Brennstoffzellensystem, Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems und Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3379572A (en) * 1964-08-04 1968-04-23 United Aircraft Corp Method and apparatus for limiting the output voltage of a fuel cell
FR2198271B1 (ja) * 1972-09-01 1978-03-03 Comp Generale Electricite
US3994748A (en) * 1975-05-02 1976-11-30 United Technologies Corporation Method for feeding reactant gas to fuel cells in a stack and apparatus therefor
US4041210A (en) * 1976-08-30 1977-08-09 United Technologies Corporation Pressurized high temperature fuel cell power plant with bottoming cycle

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2023154588A (ja) * 2022-04-07 2023-10-20 株式会社デンソー 燃料電池システム

Also Published As

Publication number Publication date
IL58402A (en) 1982-09-30
IL58402A0 (en) 1980-01-31
DE2941514A1 (de) 1980-04-30
DE2941514C2 (ja) 1988-06-30
US4202933A (en) 1980-05-13
GB2037062A (en) 1980-07-02
CA1126806A (en) 1982-06-29
FR2438921A1 (fr) 1980-05-09
FR2438921B1 (ja) 1983-06-10
GB2037062B (en) 1982-08-25
JPS5553876A (en) 1980-04-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JPS6010425B2 (ja) 燃料電池の出力電力を低下させる方法
RU2310255C2 (ru) Система с топливным элементом, обеспечивающая удаление кислорода и предварительное установление требуемых параметров топлива и окислителя
US6534210B2 (en) Auxiliary convective fuel cell stacks for fuel cell power generation systems
US6519510B1 (en) Method and apparatus for operating a fuel cell system
KR100803895B1 (ko) 연료 전지 발전 장치 및 연료 전지 발전 장치의 작동 효율을 증가시키는 방법
JP4750420B2 (ja) 空気パージを用いる燃料電池装置の運転停止方法
RU2598361C2 (ru) Управление работой резервного электрического генератора с батареей топливных пом-элементов
US4686157A (en) Fuel cell power system
US5426002A (en) Internal reforming type fuel cell apparatus and operation method of same
US6855442B2 (en) Fuel cell and method of operating same
JPH09259913A (ja) 燃料電池発電装置およびその運転方法
JP2001143732A (ja) 固体高分子型燃料電池発電システム及びその運転方法
JPH025366A (ja) 燃料電池の運転停止時における燃料電極の不活性ガス転換方法
JPH0955219A (ja) 燃料電池発電装置およびその運転方法
JPH05251102A (ja) リン酸型燃料電池発電プラント
JPS6056374A (ja) 燃料電池の燃料流量制御装置
JPS60177565A (ja) 燃料電池発電システムの運転方法
JPH0249359A (ja) 燃料電池発電装置
US20080292928A1 (en) Method for purging pem-type fuel cells
US20040115491A1 (en) System and method for process gas stream delivery and regulation using open loop and closed loop control
JP2931372B2 (ja) 燃料電池発電システムの運転方法
JPS6338533Y2 (ja)
JPH07249424A (ja) リン酸型燃料電池発電プラント
JP2012015120A (ja) 燃料電池システム
JPS6229867B2 (ja)