JP2660097B2 - 燃料電池発電装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 背景技術 本発明は、燃料電池を用いた発電装置に関し、特に電
池の陽極と陰極側の間の圧力差を制限する燃料電池に関
する。

燃料電池において、陽極と陰極の間の電解液は、電池
の内部抵抗が小さいように通常薄く形成される。

この理由のために、陽極と陰極の間の電池極間差圧が
高くなるときに、陽極へ供給される燃料または陰極へ供
給される空気が、電気化学的反応を受けない間に前記電
解液を通り、このためいわゆるクロスオーバ現象を引き
起こして、電池特性が劣化しまたは部分破壊することに
なる。長い期間の許容圧力差は5cm水柱のオーダにある
が、より高い差圧を、時間に関連した関数として短時間
的に許容することができる。例えば、200cm水柱を１秒
間許容するかまたは25cm水柱を10秒間許容できる。

従来知られた慣用の燃料電池発電装置を第３図に示
す。ライン10からの空気が流量制御弁11を通って燃料電
池１の陰極２へ流れる。陰極からの排出物が分離器12を
通り、そこでは水が14で除去される。空気はライン13を
通して改質器（リフォーマ）16のバーナ15へ流れ続け
る。

ライン４からの燃料が流量制御弁５を通って燃料電池
１の陽極３へ流れる。ここで使われず残った燃料は、燃
焼のために改質器16のバーナ15へ流れる。ブロワ８がリ
サイクルライン９で作動して、陽極を通る流れを増加さ
せて流量分布を改善する。

圧力差センサ６が電池極間差圧を検出する。制御器6A
が陽極排出ラインの弁７を作動させて、所望の圧力差を
維持する。

正常運転中、陽極排出燃料と陰極排出空気は、改質器
のバーナへ供給されて改質器において燃焼する。このと
きには、陽極排出燃料と陰極排出空気の圧力はバーナ燃
焼室で等しくなる。ところが、例えばリン酸燃料電池の
如き燃料電池においては、一般に反応生成水が全て陰極
側に流れ込むため、陰極排出空気ラインには上記水を除
去する熱交換器やリン酸除去装置等の機器が設置されて
いる。したがって、陰極排出空気ラインの圧力損失が陽
極排出燃料ラインの圧力損失より大きくなり、陰極出口
圧力が陽極出口圧力より大きく、静的な状態或は過度的
状態時に陰極と陽極の出口圧力に過大な差圧が惹起され
る可能性がある。

それ故、陽極排出燃料ラインの制御弁７は許容範囲内
で電池極間差圧を維持する。通例の作動状態では、常に
陽極排出燃料側にガス流がある。陰極側および陽極側ラ
インの各々の圧力はバーナで一致するが、この制御弁を
調整して陽極側圧レベルに影響を及ぼすことができる。
制御弁前後の差圧は、所望の電池極間差圧を維持するよ
うに制御される。

一方、発電装置運転停止時には電池の特性劣化を防止
するためまず第一に電圧を低下させることが大事であ
り、電圧に対して最もゲインの高いパラメータが空気極
の酸素濃度であることから、陰極パージを実施して酸素
濃度を低下させる。これに対し陽極側では電池の特性劣
化を防止するためには電池のポテンシャルを0vに保持す
る必要があり、水素の存在が必要であることからパージ
は行なわない。

そこで、発電装置運転停止のための過程で、空気流量
制御弁が閉じられるとともに、陰極を窒素流17でパージ
する。同時に、燃料流量制御弁５も閉じられて、陽極を
通じてバーナへ燃料が供給されないことになる。

しかしながら、そのような燃料電池発電装置では、陰
極排出ガスラインが窒素でパージされるときに、ガスが
陽極排出ラインに流れず、かつ燃料供給弁が遮断され
る。それ故、どのように電池極間差圧制御弁が制御され
ようとも適当な圧力差が弁の前後に生じさせることがで
きない。その結果、電池極間差圧調整の機能が働かなく
なり、過大な電池極間差圧により致命的な問題として電
池性能の劣化および破壊が部分的に引き起こされる。

電池極間差圧制御弁が単一の制御弁のみからなるフロ
ースキームの場合には、制御弁が故障し、完全に開いた
または完全に閉じた状態が発生すると、電池極間差圧制
御が不可能になるという問題がある。

発明の開示 本発明は、このような問題点を解消するため、電池極
間差圧制御弁が陽極出口と陽極リサイクルラインの分岐
点との間のラインに取り付けられる。この陽極リサイク
ルラインは、陽極の中での燃料分布を改良するために用
いられる。窒素操作が始まると、リサイクルブロワが作
動されて、陽極リサイクルラインにガス流を作る。この
ため、この位置に制御弁を配したことにより、適当な差
圧が弁の前後に発生し、かつこの差圧を制御することが
できる。結局、電池極間差圧制御がパージ操作中であっ
ても行なうことが可能になる。

電池の極間差圧を維持するための制御弁配置は、常に
開いた最小流路と、中間位置まで作動する好ましくは二
つの並行な弁を有する。弁が全閉となる故障を生じた場
合に、最小の開口を持つ流路があることで圧力がしだい
に増大することを抑制する。複合弁は、弁のうちの一方
が故障の場合にも、連続した操作可能性を得ることがで
きる。

図面の簡単な説明 第１図は本発明による実施例を示すフロー系統図であ
り、第２図は本発明のもう一つの実施例を示すフロー系
統図であり、第３図は従来技術で知られた慣用の燃料電
池発電装置のための系統図である。

発明を実施するための最良の形態 第１図は、本発明による燃料電池発電装置のための好
ましいフロー系統概略図の一例を示す。同じ参照数字は
第３図と同じ部分に用いられていると共に、詳細な記載
は省略してある。

この実施例では、電池極間差圧制御弁７と類似の弁複
合体20が、陽極リサイクルループの一部として、陽極出
口とリサイクルライン９への分岐点の間に配置されてい
る。

燃料電池発電装置が負荷運転しているときに、燃料と
空気が陽極と陰極へ燃料流量制御弁５と空気流量制御弁
11によりそれぞれ供給される。陽極と陰極を出るガス
が、バーナ15へ別々に供給されて、燃料改質反応のため
の熱源として用いられる。圧力差センサ６の信号が制御
器6Aへ移送され、この制御器から適当な弁開放信号が電
池極間差圧制御弁複合体20へ与えられるという点につい
ては、第３図に示した燃料電池発電装置のフロー系統概
略図と同じ働きである。

燃料電池発電装置を運転停止させて、窒素パージ流を
陰極に流そうとするときに、陽極リサイクルブロワ８が
作動されてガス流を陽極リサイクルラインに発生させ
る。燃料電池極間差圧制御弁複合体20がリサイクルルー
プに取り付けられているので、陽極の圧力レベルをバー
ナ圧力より高く調整することができる。それ故、陽極対
陰極の極間差圧を制御することができる。

その結果として、過大な燃料電池極間差圧が燃料電池
自体に起こることが有効に阻止されると共に、燃料電池
性能劣化または破壊なしで運転停止操作中のパージが可
能になる。

弁複合体20は、制御弁24および26と並行なオリフィス
22で構成されている。従来技術の配置では、制御弁が全
閉位置に誤作動して、陽極圧力が急速に増大することに
なる可能性が常にあった。オリフィスによりラインの固
定開口が与えられる場合、圧力が次第に増大すること
は、オリフィスを通る流れと後流の圧力降下のため抑制
される。陽極ラインと陰極ラインを通る流れが普通ほぼ
一定の割合にあるので、理論的には両方のラインで同じ
圧力降下を維持するようにオリフィスを寸法決めするこ
とができよう。しかしながら、これは、流れが必ずしも
完全に比例的ではなくかつ瞬間的な作動を考慮しなけれ
ばならないので、実際的ではない。オリフィスがある限
度寸法決めされた場合には、そのラインでの圧力降下を
さらに増大させることはできないだろう。しかしなが
ら、通常時の圧力差より高い圧力差を短い時間の間燃料
電池電解液膜に対し許容することができるので、オリフ
ィスはより高い差圧に基づいて選択することができる。
このため、弁全閉の場合に連続した差圧制御動作が失な
われても、即時の損傷が避けられ、燃料電池発電装置を
トリップするかまたは他の救済作用を取る時間が与えら
れる。

このように制御弁と並行にオリフィスを用いると、従
来技術の陽極リサイクル構成に適用した場合にも効果が
ある。新しい陽極リサイクル構成と組合せたその使用
は、しかしながら別の利点を与える。或る運転条件下で
多少小さめの圧力降下がオリフィスの前後に存在するよ
うにオリフィスを選択しておけば、リサイクルラインを
動かしオリフィスの前後の圧力降下を増大させることが
できる。

オリフィスと並行に配設された弁24と26は互いに同じ
弁で、これらの弁は中間範囲で同一作動を行うように制
御され、両弁により電池極間差圧を維持するように制御
器6Aにより調整される。そこで、一方の弁が何らかの故
障によって全開或は全閉した場合には、他方の弁がそれ
に対応して作動され、陽極出口圧力を所望の範囲内に制
御し続ける。さらに、ブロワ８の作動に伴なうサイクル
を行うかまたは行なわないかを選び、弁複合体を通る流
れを変えることにより別の制御が可能である。

さらなる自由度が、第２図に示した実施例で達成され
る。弁複合体20において、多位置弁28がオリフィス22の
代わりに配置されている。この弁は完全に閉鎖可能では
なく、複数の開口度のいずれか一つに設定できる。これ
は、弁位置を選択することによりオリフィスを変えるこ
とができることと等価の効果をもつ。このようにすれ
ば、人手でまたは自動的に負荷レベルに応じて種々の等
価オリフィスサイズを選択することにより、発電装置の
運転負荷条件によりぴったりと合わせて特定のオリフィ
スサイズの選択を行なうことができる。

従って、従来技術による電池極間差圧制御が、制御弁
の全閉故障の場合においても、即時の損傷の危険をもた
らすことなしに達成される。さらに、発電装置運転停止
に伴なう窒素パージが実施される間においても電池電解
質膜に加わる極間差圧を適正に維持できる能力が達成さ
れる。

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】各々が陽極と陰極を有する複数の燃料電池
   を含む燃料電池のスタックと、陽極排気ガスの少なくと
   も一部を陽極リサイクルブロワを経て陽極入口へ戻すた
   めの陽極リサイクルラインと、陽極と陰極との間の差圧
   を測定するための圧力差センサと、電池極間差圧制御弁
   と、前記圧力差センサの測定値に従って前記電池極間差
   圧制御弁の開度を制御して陽極出口圧力を高め、陰極出
   口圧力との差を小さくする制御器とを有する燃料電池発
   電装置において、前記電池極間差圧制御弁が、陽極出口
   と、陽極出口ラインからの前記陽極リサイクルラインの
   分岐点との間のラインに取り付けられていることを特徴
   とする燃料電池発電装置。
2. 【請求項２】前記電池極間差圧制御弁は、制御弁および
   オリフィスまたは固定開口絞り弁からなり、前記制御弁
   は前記オリフィスまたは絞り弁と並行に配置されてい
   る、請求の範囲１記載の燃料電池発電装置。
3. 【請求項３】前記オリフィスまたは絞り弁と並行に配置
   された少くとも二つの制御弁を有する請求の範囲１記載
   の燃料電池発電装置。
4. 【請求項４】前記固定開口絞り弁が少くとも二つの異な
   る開口に調整可能である、請求の範囲２記載の燃料電池
   発電装置。