JPH05501174A - 燃料電池発電装置 - 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】 燃料電池発電装置 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５Ｃ■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、２００ｃｃ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（リフオーマ）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て作動して、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。陰極排出空気ラインに取り付けられた装置の数は、陽極 排気燃料ラインの装置より大きいのが通例である（例えば、空気ラインの熱交換 器）。

それ故、陰極排出空気ラインの圧力損失は陽極排出燃料ラインの圧力損失よりさ らに大きくなり、そして許容できない大きな陰極対陽極の過大な差圧が静的な状 態でまたは過渡的な作動において惹起され得るという可能性　゛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力 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。

他方では、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共 に、陰極を窒素流１８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はもはや 有効でない。その結果として、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 本発明により上記の目的を達成するために、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 す不。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 記載この実施例では、電池極間差圧制御弁７と類似の左後合体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。差圧送信機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７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 、陽極りサイクルブロワ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。

左後合体２０は、制御弁２４および２６と並行なオリフィス２２て構成されてい る。従来技術の配置では、制御弁か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か常にあった。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はぼ一定の 割合にあるので、理論的には両方のラインで同し圧力降下を維持するようにオリ フィスを寸法法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状めされた場合には、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を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 構成に適用してさえ効用がある。

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。成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位置する弁２４と２６は、電池極間差圧を維持するために制 御器６Ａにより調整される弁である。これらの弁は中間範囲で作動するように選 択され、かつ弁のどちらかが全開または全閉してしまった場合でも、他方の弁が 圧力を所望の範囲内に制御し続けることができる。さらにまた、ブロワ８６の作 動に伴なうリサイクルを行なうかまたは行なわないかを選び、左後合体を通る流 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。左後合体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か、制御弁の全開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。

特表千５−５０１１７４　（４） 要　約　書 ２４．２６により制御される。この左腹合体２０は陽極それにより制御可能性が 、陽極を通る流れがない場合でも失われない。それによって、制御性が陰極の窒 素パージの間係たれる。

状態を避け、かつそのような全開故障のときに燃料電池に対する即時の損傷を避 けるように選択される。

国際調査報告

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 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、陽極と陰極の間の差圧を測定するための差圧送信機 と、電池極間差圧制御弁複合体と、前記差圧送信機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するための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複合体が、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ることを特徴とす る燃料電池発電装置。
2. 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の燃料電池発電装置。
3. 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の燃料電池発電装置。
4. 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の燃料電池発電装置。
5. ５．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、陽極と陰極の間の差圧を測定するための差圧送信機と 、電池極間差圧制御弁複合体と、前記差圧送信機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するための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複合体が制御弁およびオリフィスまたは固定開口絞り 弁とからなり、前記制御弁は前記オリフィスまたは絞り弁と並行して配置されて いることを特徴とする燃料電池発電装置。
6. ６．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備 えた請求の範囲５の燃料電池発電装置。