JPS60146467A - 燃料電池発電装置の運転制御方式 - Google Patents

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】 【発明の属する技術分野】

本発明は燃料電池発電装ｉ〃の運転制御方式、とくに反
応ガスの圧力制御にｊ；り電池の発電電力を最大にする
運転制御方式に関する。

【従来技術とその問題点】

燃料電池の発電電力は電池に供給される燃料ガスとして
の水素や、酸化ガスとしての空気や酸素の圧力を上げる
ことによって増加さ・ｌうる、：とは従来から知られて
いる。この現象ｌよ周知のように主に反応ガスとしての
燃料ガスや酸化ガス中の電気化学的反応成分のもつ分圧
が上がることに因るものであるが、反応ガスの圧力をｔ
ｒ＋＋　ｉｌｌ　限に上げることはもらろん許されず、
その」二限値は電池本体の構造なり設計によって当然抑
えられてしまう。 燃料電池の大容量化に伴い、この上限値は安全ｆ！Ｌの
点からもむしろさらに抑えられる（９１向にあり、燃料
車？＋！Ｉの運転条件の選択によって発電電力の増大な
いしはこれによる発電効率の向−ヒを図る余地が狭めら
れて来ている。

【発明の［９１的］ 本発明は上述のような状況にあって、燃ネ４電池からの
ｔａ＊電力の増大を図ることを目的とする。 【発明の要点】 本発明は前述の目的の達成手段として、燃料ガスと酸化
ガスとのｔｍの差圧をｕｌ１７　御することにＭ目した
ものである。 大容量燃料電池として有望視されているむ）わゆるマト
リンジス形燃料電池においては、周知のように多孔質の
マトリックスに電解質として例えＬＬ’りん酸を保持さ
せその両側にそれぞれガス拡散性の材料で構成された燃
料ガス電極層と酸化ガス電極層をアノードとカソードと
して配している。かかる形式の燃料電池の運転に際して
は従来から燃料ガスと酸化ガスの圧力差がゼｒＩまたは
最小となるように制御がなされていた。これはこれら反
応ガスの一方がマトリ・ノクス１ｄを透過して他方の方
に漏れて反応ガスの混合が起こり、む１わゆる爆鳴気が
作られて爆発事故などのトラブルを引きおこすことがな
いようにとの配慮からである。 ところが、本件発明者達の綿密な実験結果によると、例
えば定電池発電時に燃料電池が示す発電電圧は、反応ガ
ス間の差圧により微妙に変化し、差圧がゼロのときにか
ならずしも最大発電電圧を示すとは限らないことが判明
した。この実験結果を第１図に示す。同図の横軸は酸化
ガスの方が燃料ガスよりも圧力が高い場合をｉｌＥとし
た反応ガス間の差１■−であり、縦軸は単セル当たりの
発電電圧である。多くの場合は、この図に示すように燃
料ガス側ＩＬ力を若干高めにした方が発電電圧が高くな
るが、その反対の場合もある。また長期の運転試験結果
では、運転時間の経過とともに最大発電電圧を与える反
応ガス間の差圧の値にも変化が見られる。これらの現象
の原因はまだ定かではないが、燃料ガス電極層と酸化ガ
ス電極層との電極構造の相違が、電極層内の電気化学的
反応に必要な反応ガスと電解液と電極活性物質との最適
三相界面を形成するだめの反応ガス圧力の若干のうがい
として現れて来たものと考えられる。また電池の一運転
継続に伴って、かかる三相界面が微妙に移動し、このた
めに最大発電電圧を与える反応ガス間の差圧値も変わっ
て来るものと考えられる。 燃料電池の示す以上の性質に注目して、本発明による運
転制御方式においては、燃料電池内の燃料ガス区画およ
び酸化ガス区画の内の少なくとも一方の区画内の反応ガ
スの圧力を調節する反応ガス圧力ｇ＋ｕ　ａ手段と、該
区画内の反応ガスの圧力の差を検出するガス差圧検出手
段と、燃料電池の発電電力を測定する電力測定手段とを
用い、ガス差圧検出手段により検出される反応ガスの差
圧を前記電力測定手段により測定される発電電力が最大
になるように前記反応ガス圧力１１Ｊ整手段により１！
Ｊ整することにより上述の目的を達成する。本発明の上
記構成を第２図に示す、ＪＪｌｌ　ｆｉ１ゾロツク図に
よって要点を説明すると次のとおりである。 模擬的に示された燃料電ｌｌｈ本体１０は電解質を保持
するマトリックス層１１と３／！！料ガス重ガス電極と
酸化ガス電極層１３とを含み、内部に燃料ガス区画１４
と酸化ガス区画１５とが画成され“（おり、該両区間１
４．１５には外部から燃料ガスＩ？と酸化ガスＡとがそ
れぞれ供給される。両区両」４１１５内の反応ガスの圧
力はそれらへの入口配管のｆ１γ置で圧力検出器２１．
２２によりそれぞれ検出され、両者間の差圧が差圧検出
手段２０によって検出される。もっとも、圧力検出器２
１．２２を１個の差圧検出器で置き換えてもよい。一方
、電池の電極１２．１３からの発電出力は電圧検出器３
１と電流検出器３２により検出された直流のｔＵ川、電
流値の積として電力測定手段３０により測定される。反
応ガス圧力ＭＩＩＪ節手段４０は差圧検出手段２０から
の差圧検出値ｄｐと電力測定手段３０の測定電力値Ｗを
入力して、発電電力Ｗが最大になるように一方のガス区
間、この図では燃料ガス区１ｉＪｉ＋４内の圧力を＃Ｉ
／Ｊ　Ｗする調整弁４１を例えばステンピングモータ４
２を介して制御する。この際、前述のように反応ガスの
圧力を上昇または下降のいずれの側に制御すればよいか
は、電池によりあるいは運転条件により！Ａなるから、
反応ガス圧力調整手ｐ１４０はまず反応ガスの圧力をど
ちらかの側に変化さ、ＩＢで見て、そのときの測定電力
値Ｗの増加または減少の傾向をつかみ、望ましい方向に
反応ガスのｊＥ力を繻整して圧力を多少変化させても測
定電力値Ｗがも早増加しない圧力値に運転圧力条件をセ
ットすればよい。かかる制御のためには、上述の差圧値
ｄｐや測定電力値Ｗを高精度で知る必要があり、種々の
判断動作も必要であるので、反応ガス圧力調整手段４０
としては、差圧検出手段２０や電力測定手段３０の一部
と合わせて、計ｗ、機を利用するのが望ましい。 なお、前述のように反応ガスの一方がマトリックス１１
を通って他方の側に洩れないようにしなければならない
から、」二記の運転制御に際しては再反応ガス区画間の
差圧値１１１＋　Ｌ；ｌあらかじめ設定された許容上限
値ｄｐｍを常にＡ〜えることがないように制御がなされ
る。

【発明の実施例】

以下、第３図および第４図を参照しながら本発明の実施
例をより詳しく説明する。 第３図は本発明による運転制御方式を実７Ａｉ　シた燃
料電池発電装置の全体重ｖ８と配管の要部をボすもので
、前の第２図に対応する部分には同社１；ｌ！が付され
ている。図示のように発電装置は燃料電池本体１０とそ
の付属配管、電池起動用の起動装置５０゜電力調整器と
してのチョッパ装置６０．該チョ・ツノぐ装置を制御す
るためのチジソパ制御器７０１発電直流電力を交流に変
換して負荷１００に供給するためのインバータ８０．お
よび前述の差圧検出手段２０゜電力測定手段３０１反応
ガス圧力ｉｔ！Ｊ整手段４０の機能を果たず計算機９０
からなる。該８１算機９０としては、本発明の対象とし
ての運転制御機能のほかに種々の役目も持たセるのが望
ましいのであるが、第３図の例では本発明の運転制御方
式の構成に必要の範囲の機能をもつマイクロコンビｊ、
−夕が採用されている。 燃料電池本体１０への燃料ガスＦの供給は図の左上部に
示された配管からなされ、燃料ガス圧力調整弁旧および
エジェクタ１６を経て電池本体内の燃料ガス区画】４に
上方から入り、下方から排出された燃料ガスＦは再びエ
ジェクタ１６に吸引されて燃料ガス区画１４を介して還
流される。この図では燃料ガス区画内のガス圧力を検出
する燃料ガス圧力検出器２１は電池への入口配管部に取
付けられているが、電池内の各セルに反応ガスを供給す
るため電池の側面に取付けられるマニホールド蓋内のガ
ス圧力を検出するようにもできる。エジェクタ１６の入
口側に設けられた前述の燃料ガス圧力調整弁４１は燃料
ガス区画１４内の圧力を有す１に調節することができる
。一方、酸化ガス系についても、同様に酸化ガス圧力調
整弁４３およびブロワ１７を介して酸化ガスＡが供給か
つ還流され、かつ酸化ガス区画１５内のガス圧力が酸化
ガス圧力検出器２２によって検出される。 電池の両電極１２．１３からの直流発電出力は電池の出
力開閉器１８を介して図の右方に取出される。 電池の起動に当たっては、起動用の切換開閉器５４ａ。 ５４　ｂ、　５４　ｃはそれぞれ図示とは反対の上方の
側に投入されていて、電池の出力回１１δに起動抵抗器
５３が直列に挿入されて小電流で電池が起動され、電池
のウオームアツプに応じて起動スイッチ５１．５２が順
次投入されて起動抵抗器５３が短絡される。電池電流が
定格値に達した時点で起動用切換開閉器が下側の図示の
状態に切り換えられて、チョッパ装置６０が電池の主力
回路に直列に挿入され、電池の出力電流の一定制御また
は出力電圧の一定制御を開始する。 チョッパ装置は公知のものでよく、図示のように主電流
をチョッパ制御するチ町ソバサイリスタ６１、フライホ
イーリングダイオード６２．チヨ・７パサイリスタの消
弧用サイリスク６３．６４および付属の抵Ｉｆｆ器ない
しはりアクドル類がらなり、チョッパ制御制御器７０か
らの指令に応じて前述のように電池出力を定電流または
定電圧制御する。なおチョッパ装置の出側の平滑回路類
は簡単化のため図から省略されている。三相インバータ
８ｏの入力側には／、ｊｉ池の出力電流測定のためのシ
ャント３２および出力電圧測定のための電圧分割器３１
が設けられており、これらからの測定信号はこの実施例
ではチョッパ制御器７０への実際値入力と計算機９ｏへ
の電力測定用入力とに共用されている。もちろん電力測
定用の電圧、電流測定信り〜をｊ：ｌるために、これら
とは別に電圧検出器および電／ｌ！ｆ検出器をチョッパ
装置６０の入力側に設けることができ、目的からいえば
むしろ分離した方がよい。 チョッパ装置制御器７０の偏差信号回路７］、？２は上
述の電圧、電流検出器からの電圧測定信号Ｓｖ。 電圧測定信号別をそれぞれ制御のための実際値として図
の上方から受けるとともに、図の下方から与えられる計
算機９０からの電圧指令４＋ｌ１ＰＳｖ、市流指令値Ｐ
Ｓｉ　と比較して実際のＩｌｉ令値からの偏差ｆｒｐｔ
　ｒＵをその右方に示された電圧〆ＩＩＪ整１：４７３
　、電流調整器７４に送る。定電流制御と定電圧制御の
切換え用には制御切換スイッチ７６　ａ、　７６　ｌ＋
が設けられており、制御切換回路７７が計算機９０から
の選択信号ＳＳに茫づいて該切換スイッチを制御する。 ザイリスタ点弧回路７５はこの制御切換スイッチ７６ｂ
の切換位置に応じて、電圧調整器７３または電流調整器
７４から信号を受取り、定電圧制御または定電流制御を
するための点弧信号をチョソパナイリスタ６１ほかに送
る。 計算ｌ８１９０の入力ボート９２は１１１ｒ述の反応ガ
ス圧力検出器２１．２２からの検出信号および電圧電流
測定信号Ｓｖ、　ＳｔをＡｌＩＣｌＩＣ全９１てディジ
タル値で受けＣＰ　０９３の指令に基づいてＩＩＡＭ！
１４にデータとして格納する。ＣＰ　Ｕ９３はＲＯＭ９
５はかに格納された制御プログラムに応じて、第４図の
フローチャートに例示されたような態様で所定の８１算
と判断を行った主反応ガス圧力調整弁４１，４３に対す
る操作指令Ｓａ、Ｓｆを出力ポート９６および０八Ｃ群
９７を介して出力する。入力ボート９２は上述のほか、
キーボー１゛Ｋからの反応ガスの許容差圧上限値ｄｐｍ
等の設定値や前述の１．！Ｉ御切換指令などを受け入れ
、ＣＰ　０９３はこれらの設定値や指令をＲＡ　Ｍ９４
に記憶させ、必要な時点で制御上の判断に用い、あるい
は出力ポート９６を介して前述のチョッパ制御器などに
出力する。 次に本発明による運転制御方式の動作の態様をマイクロ
コンピュータ９０内で実行されるプログラムのフローチ
ャートを示す第４図を参照しながら説明する。本発明に
おける制御動作は、前述の起動装Ｗ１５０を用いて電池
を起動させた後、キーボードに等からの指令により随時
ないしは常時行わせることができるが、説明の便宜上か
かる指令装置からの１ｉ令によりステップＳ１により制
御動作がＳＴ＾ＲＴされ、電池の発電出力を最大とする
ように制御動作が行われた後は自動的にステップ５１５
で動作がＳＴ　ＯＰされる態様について説明する。なお
、ステップＳ１の前には、前述の反応ガスの許容差圧値
ｄｐｍや制御動作を自動停止させるための発電電力の変
化のしきい値ｄＷ等の制御に必要な設定値は、あらかじ
めキーボードＫから入力されているものとする。ステッ
プＳ１で制御動作が開始された後、制御動作の方向判定
のためのフラグＰＬに論理値「１」が立てられ、ステッ
プＳ３でば発電電力Ｗ１が電圧測定信号Ｓｖと電流測定
ｆバー」ＳＩを乗算することにより算出される。次のス
テップＳ４は判定ステップであって、フラグＰＬが「１
」か否を判定するが、最初はフラグ「１」が立っている
ので、正すなわちＹと判定されてステップＳ５に移る。 該ステップＳ５では燃料ガス系の圧力を変化さ・Ｕるた
めの操作指令Ｓａとなって「＋１」が出力され、燃料ガ
ス圧力開整弁４３を燃料ガス系の圧力をｔ１′１位門上
昇さ・口るように操作する。実際の操作としては、例え
ば調整弁を操作するステンプモータを１ステツプ圧力を
上昇させる方向に進めれば、１；い。もっとも、この最
初の操作は圧力をＪ：　Ｗ　、下降のいずれの方向にす
るのが有効かがふつう不明なので、仮に上昇させるとし
たものであって、最初にフラグＰ１．に「−１」を立て
ておいて、ステップＳ６により圧力を下降させてもよく
、有効な操作方向があらかじめ知られておればそれに応
じてフラグｐ＋、を立てておけばよい。 この操作終了後は操作結果が発電電力に反影されるまで
若干の時間を要するので、次のステップＳ７においては
所定時間ふつう例えば図示の１０秒程度制御ｉｔ系の動
作をクロックのカウントやプログラム上のループ等の手
段で待機させる。待機後のステップＳ８は電力測定ステ
ップＳ８ａ　と差圧測定ステップＳ８ｂを含み、両ステ
ップ中の測定は互いに独立してできるので、一方のステ
ップを他方のステップにｔ＆続させあるいは同時に実行
させる。電力測定ステップＳ８ａでは、ガス圧力操作後
の今回の全電電力闘を前と同様にして算出した上、前回
の発電電力値−１との差の絶対値１υ２−Ｗｌｌが算出
され、差圧測定ステップＳ８ｂでは、燃料ガス圧力検出
器２Ｉからの燃料ガス圧力測定信号ｐｆと、酸化ガス圧
力検出器２２からの酸化ガス圧力測定信号Ｐａとの差の
絶対値ｄｐ＝Ｉ　Ｐｆ−Ｐａ　ｌが算出される。次のス
テップＳ９においては、この差圧ｄｐと前述の詐容差圧
値ｄｐｍとが比較され、もし前者が後者を越えておれば
直ちにステップ５１５に移り、図示のように所定のデー
タを表示ないしタイプアウトした後にステップＳ１Ｂに
より制御動作を中止する。もっともこの場合、差圧測定
ステップＳ８ｂにおいて両反応ガスの圧力Ｐｆ、Ｐａは
知られているのであるから、差圧ｄｐを減少させる方向
に＃ＩＩＪ整弁４１を操作するよう制御プログラムを構
成することもできる。 差圧ｄｐが許容差圧値ｄｐｍよりも小さい場合ばステ・
ノブＳ１０に移る。ステップＳＩＯでは、前にステップ
Ｓ８ａでめた今回と前回の発電電力の差ＩＷ２−肘１と
１発電電力のしきい（Ｉ〜ｄｌｌとが比較され、前者が
後者よりも小さけれぽｎ；ｔと同様にステップＳ１５を
経てステップＳ１６により制御動作を終了させる。 もっとも前述のしきい値ｄＷはかなり小さく選ばれてい
るので、ふつうは発電電力差１Ｗ２−Ｗｌｌの方がしき
い値開よりも大きく、制ρＵ動作はその下に示された次
のステップＳｌｌに移る。 ステップＳ１１では、今１１！１の発電電力値縁２と１
ｉｉｆ　１目の発電電力値縁１とが比較され、＋１ｉ１
者が後者より大きい場合には前述のステップＳ５または
Ｓ６でなされた操作の方向が発電電力を増加させる方向
から見て正しいので、右方に示されたステップＳ１４に
より今回の電力値ｕ２を前回の電力値Ｗｌに置き換えた
上で、前の１１定ステツプＳ４に戻る。この場合はフラ
グ１７１．はｎｉｌステップＳ２で立てたそのままであ
るので、前回と同じ方向で反応ガスの圧力操作が継続さ
れる。ステップＳｌｌで今回の電力値讐２が前回の電力
値ｕ１よりも小さな場合には、ステップＳ５またはＳ６
でなされた操作の方向が誤った方向であるから、下に示
されたステップＳ］３でフラグＰＬに「−１」を乗して
−ＦＬに切換えかつ前と同様に今回の電力値υ２を前回
の電力値Ｍｌに置き換えた上でステップＳ４に戻る。し
かし、今回ば前にステップＳ２で立ワたフラグＰＬの「
１」がステップ５１３で「−１」になっているので、ス
テップＳ１４の１り定結果ば否（Ｎ）となり、ステップ
Ｓ６に移って燃料ガスの圧力を１ステツプ下降される操
作がなされる。もちろん、ステップＳ２で最初にフラグ
ＦＬに「−１」が立てられ、前回にガス圧力を下降さ・
Ｕる操作がされていた場合には、ステップＳ１３でフラ
グＩ＋　！、は「１」になるので、次回はステップＳ５
によりガス圧力を１袢させる操作がなされる。 上述のようにして、常に発電電力を大きくさせる方向に
両反応ガスの差圧を−１：　’ｒｒ、または下降させる
制御動作が繰り返された後は、ガスの差圧操作による電
力値の変化分１Ｗ２−Ｗｌｌがが漸次小さくなって行き
、遂にはしきい（／（ｄＷが下回るよう至ったとき、ス
テップＳＩＯの判定結果は正（Ｙ）とでるから、制御ス
テップはステップＳ１５に移り、ステップＳ１６に室っ
て制御動作−ｆ：！！了する。なお、前述の説明ではス
テップＳ５．　ＳＬ’＋でガス圧力をｆＩＩｌｌｌＨす
べき対象は燃料ガス系であるとしたが、操作対象は酸化
ガス系であってよいことばもらろんであり、場合によっ
ては燃料ガス系と酸化ガス系とを同時にかつ互いに逆方
向にＪＴＥ力制御をするようにしてもよい。 電気回路系の制御については、発電電力を最大にする上
で２通りの考え方があり、前述のように回路系を定電流
制御または定電圧制御に切換えうるよう構成しておくの
が有利である。再制御方式の適否は第３図のインバータ
８０および負荷９０の条件によっても異なることは当然
であるが、電池の種類や運転条件によって、最大発′ｄ
ｉ電力をｔ４る上で一方が他方に比し有利な場合があり
得るからである。かかる電気回路側の制御方式の切換え
は、第３図の例示のように計算機９０からチッソバ制御
器７０に切換指令ＳＳを発することにより行うようにす
るのが便利であるが、これに限らず公知の任意の手段を
採用することももちろん容易である。

【発明のＱｂ果】

以上説明のとおり、本発明においては反応ガス間の差圧
が電池の発電電力１ａＬこ関係を有することに着目し、
燃料電池内の燃料ガス区画および酸化ガス区画の内の少
なくとも一方の区画内の反応ガスの圧力を調節する反応
ガス圧力ｔａＩＪ整手段と、該区画内の反応ガスの圧力
の差を検出するガス差圧検出手段と、燃料電池の発電電
力を測定する電力測定手段とを設け、ガス差圧検出手段
により検出される反応ガスの差圧を前記電力測定手段に
より測定される発電電力が最大になるように前記反応ガ
ス圧力調整手段によりｔａｒｔ整するように構成したの
で、上述の反応ガス差ＪＪｇ　表発電電力との相互関係
が電池の種類や運転条件Ｖ）運転経歴によって微妙に変
化した場合でも、常に反応ガス差圧を正しい方向に制御
して燃料電池を液入電力条件で、従ってほぼ最大効率条
件で運転制御ａ１１することができる。また、本発明方
式の実ｈ＆Ｉにあたっては、マトリックス層を通じて反
応ガスが一方側から４１方側に漏洩しないように、ｎｉ
ｌ　ｉｉＫの制御差圧が許容差圧値を越えないよう制御
することが可能であり、あるいはかかる安全保証のため
の制θ１１に共用することもでき、燃料電池の高Ａｈ　
Ｉ　ｉＷ転に加えてその安全運転に資することもできる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の運転制御方式の基礎としての発電電流
が一定の場合の反応ガス間差圧と燃料電池の発電電圧と
の関係を示すグラフ図、第２図は本発明による燃料電池
発電袋：ｄの運転制御方式の機能ブロック図、第３図は
当賎本発明方式を実施した燃料電池発電装置の全体回路
と配管系の要部を示す系統図、第４図は本発明による運
転制御方式の主要動作を説明するためのフローチャート
図である。図において、

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １）燃料電池内の燃料ガス区ｉｆ！＋ｉおよび酸化ガス
   区画の内の少なくとも一方の区画内の反応ガスの圧力を
   開部する反応ガス圧力１１Ｊ整手段と、該区画内の反応
   ガスの圧力の差を検出するガス差圧検出手段と、燃料電
   池の発電電力を測定する電力測定手段とを備え、前記ガ
   ス差圧検出手段により検出される反応ガスの差圧をｊｉ
   ｉｊ記電力記述力測定手段測定される発電電力が最大に
   なる。１；・うに前記反応ガス圧力間食手段により調整
   することを特徴と４−る燃料電池発電装置の運転Ｒ１１
   ｌ　Ｑｌ方式。