JP2575529B2 - 燃料電池 - Google Patents

燃料電池

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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、燃料電池に関し、特に、負荷の急激な変
化による電池本体の特性の低下に着目した燃料電池に関
するものである。
〔従来の技術〕
燃料電池は、クリーンで高い発電効率の発電システム
として、都市近郊の分散型発電プラントや、需要家への
個別設置のためのオンサイト型発電システムとして、市
場への導入が始まっている。
発電システムとして要求される仕様は、コストはもち
ろん、長期安定した寿命特性は欠かせないものであり、
かつ、ユーザーの電力負荷の変動に対しての高い追従性
とコンパクトな設置面積・体積が必要とされている。
従来の発電システム、特に、オンサイト型で競合する
ガスタービンやディーゼル発電プラントなどでは、この
負荷変動に対し瞬時に応答できるよう設計されており、
当然燃料電池に対してもこの負荷変動に対する瞬時の応
答が要求されている。
ところが、燃料電池は他の発電プラントとは異なり、
天然ガスやメタノール等を原料として改質器での改質反
応を同時に行っているため、化学プラント並の応答性の
遅れが生じてしまっていた。このため、急激な負荷変動
に対して、燃料ガスとしての改質ガスの供給応答が遅
れ、特に負荷が急激に増加するような場合は、燃料電池
にとって燃料ガスの利用率が上昇して燃料欠乏状態とな
り、特にリン酸型燃料電池では電池電極の損傷による寿
命特性の低下を生じる可能性が高かった。
この様子を第6図に示す。すなわち、負荷の上昇に対
し反応ガスの供給増が遅れるため、電池本体の反応ガス
利用率が100%を越して上昇し、そのために電池の電圧
が急激に低下してしまっている。この電圧低下は電池に
損傷を与え寿命特性を低下させる可能性が高い。
発電運転モードとして系統電力と連携して運転してい
る場合は、急激な負荷上昇があった際には、その分の反
応ガスの供給遅れを補償するために、系統電力をその負
荷上昇分だけ並列供給でき、ガス欠乏状態は回避でき
る。しかし、単独運転を行っている場合には、負荷上昇
は全て電池の負荷としてかかることになってしまい、こ
のガス欠状態を防止するような何らかの回避策が必要で
あった。
そのため、従来よりその対策として特開平1−315957
号公報に開示されたように、急激な負荷上昇によるガス
欠防止のために、第7図に示すように、改質器(2)か
ら燃料電池本体(1)までの燃料供給配管(3)と電池
本体(1)からの排出配管(4)とを結ぶ配管を設け、
さらにその配管中にバッファタンク(5)とブロワ
(6)を設ける手段が提案されている。
かかる構成により、常に燃料排ガスをブロワ(6)で
リサイクルさせ、かつ、バッファタンク(5)内に未消
費の燃料ガスを蓄積させることにより、負荷上昇時の改
質ガスの供給増の遅れによる燃料ガス不足時にも、バッ
ファタンク(5)内に蓄積された未消費の燃料ガスによ
って補償し、燃料ガスの欠乏状態が回避できるというも
のである。
[発明が解決しようとする課題] 以上のような従来の燃料電池では、燃料ガスの供給増
の遅れによるガス欠を防止するために、配管中のバッフ
ァタンクとブロワを設ける構成が提案されているが、か
ような構成では、ブロワの電力が必要なため、発電効率
の低下を招き、かつ、大容量が必要なバッファタンクお
よびブロワの設置が、通常必要な設置面積を大幅に拡大
させることになり、特にオンサイト型ユーザーに求めら
れているコンパクトな仕様を満たすための妨げとなって
しまう。
この発明は上記の問題点を解消するためになされたも
ので、急激な負荷の上昇に対する改質ガスの供給遅れを
補償することにより、余分な補機動力やバッファタンク
などの配管部品を不要とし、急激な負荷上昇時の燃料ガ
ス欠による寿命特性の低下を防止し、かつ効率低下防止
とコンパクト化を達成することができる燃料電池を得る
ことを目的とする。
[課題を解決するための手段] この発明の第一の発明に係る燃料電池は、反応ガスの
入口マニホルドの体積が出口マニホルドの体積よりも大
となっている。
また、第二の発明に係る燃料電池は、反応ガスの入口
マニホルドの水平断面積が電池本体の有効反応面積以上
となっている。
[作 用] 燃料電池の反応ガス供給量QSは電池反応によるガス消
費量QCに対して一定の利用率で割った量が設定されてい
る。すなわち、 QS=QC/U×100 (2式) QC:ガス消費量[m3/hr] NC:電池本体のセル数[−] I:電池電流[A] n:反応次数[−] F:ファラデー定数[As/mol] V0:1モル当たりの体積[m3/mol] QS:ガス供給量[m3/hr] U:ガス利用率[%] である。
負荷の上昇は電池電流Iの上昇を意味するためQCが増
大し、利用率Uを一定に保つためにはQSの増大が要求さ
れるわけである。
ところが改質ガス供給量QRは、前記のとおり急激な負
荷上昇に対して供給増が遅れてしまう。そこで、入口マ
ニホールド体積VM内の反応ガスの利用を考えるわけであ
る。
通常、燃料電池本体入口マニホールドにおいては、電
池流路の圧損および排出配管の圧損分が加算されて100
〜200mmAq程度の圧力を有している。負荷の急激な上昇
によるQCの増大は、すなわち排出ガス量の減少を伴うた
め、排出側の圧損減少によって入口圧力は低下し、この
圧力減少の際に入口マニホールド内にそれまであった圧
力分の反応ガスが電池内に供給されることになる。
この量は下記の3式で表される。
VP:入口マニホールド内の蓄積ガス量[m3] PM:入口マニホールド内圧力[mmAq] VM:入口マニホールド体積[m3] R:気体定数[J/K/mol] T:ガス温度[K] この蓄積ガス量VPは、供給遅れ時間によってガス欠に
なるまでのt秒間、電池に対し反応ガスとして供給され
るため、この間の改質反応ガス流量QRと電池での反応ガ
ス消費量QCにおいてtは4式のように表される。
この4式に従ってガス欠までの時間をできるだけ長く
するようにして、反応ガスの改質器での供給増の遅れを
補償するためには、VPを増大することが有効である。
すなわちVPを増大させるためには3式で表されるよう
に、 1)入口マニホールド内圧力PMを増大させる 2)入口マニホールド体積VMを増大させる の2通りの手段が考えられるわけである。
[実施例] 以下、この発明を図に基づいて説明する。まず、入口
マニホールド内圧力を増大させる手段により反応ガスの
改質器での供給増の遅れを補償する例について、第1図
〜、第3図を参照しつつ説明する。第1図において、燃
料電池本体(1)への燃料ガス供給配管(3)が接続さ
れている燃料ガス入口マニホールドに圧力信号器(7)
が接続されている。ブロワ(8)からの空気供給配管
(9)が接続された空気入口マニホールドにも圧力信号
器(10)が接続されている。圧力信号器(7),(10)
および燃料排ガス圧力調整弁(11)、空気排ガス圧力調
整弁(12)はそれぞれ演算制御器(13)に接続されてい
る。負荷検出器(14)の検出信号は演算制御器(13に入
力される。
以上の構成により、燃料ガス入口マニホールドに接続
した圧力発信器(7)の圧力を排出側配管(4)に設置
した圧力調節弁(11)で制御する。
入口圧力を制御するシーケンサに対してこの圧力信号
と、負荷信号と連携/単独の運転モード切り替え信号と
を同時に入力し、予め設定された負荷対圧力の関係式に
基づいて入口圧力を制御する。
この設定における関係を第2図に示す。この図に示し
たように、負荷が高くなるにつれて連携/単独の差が小
さくなっているが、これはマニホールドシールからの反
応ガスの外部への漏れが、圧力が高くなるほど大きくな
るため、できるだけ圧力は小さくしたいこと、および負
荷の増大にともない負荷の急上昇による利用率の増大割
合が小さくなること、の理由による。
すなわち、20%の負荷上昇において、20→40%では利
用率が2倍になるが、80→100%では1.25倍でしかない
わけである。
こうした処置で行った場合の負荷急上昇時の特性変化
の様子を第3図に示した。
以上のような入口マニホールドの最適制御により入口
マニホールド内に反応ガスが十分に蓄積され、その結
果、第3図に示すとおり、利用率の過度の上昇を回避で
き、電池電圧の低下も微少なものとなり、電池の損傷か
ら免れることができる。
第4図は入口マニホールド内圧力を増大させる手段に
より反応ガスの改質器での供給増の遅れを補償する他の
例を示し、(15)は燃料排ガス熱交換器、(16)は空気
排ガス熱交換器であり、その他、第1図におけると同一
符号は同一乃至相当部分である。
以上の構成により、通常、排熱回収や原料ガスの余熱
等のために設置している排ガス系配管の熱交換器(15)
に対してバイパスを設け、このバイパスの遮断弁(11)
を前記シーケンサで開閉制御させる。
すなわち、単独運転においてはこの入口圧力は高い方
が望ましいのでバイパスの遮断弁を閉とし、連携運転に
おいては遮断弁を開としてバイパス配管を通すように制
御するものである。
この制御法がもっとも単純であるが、軽負荷での負荷
急上昇の補償を確実にするためにはこの熱交換器の圧損
の設計を十分行う必要がある。
次に第一の発明である入口マニホールドの容積を、出
口マニホールドの容積より増大させた一実施例について
説明する。
1セル当たりの電極面積が3500cm3級である100KW規模
の燃料電池スタックにおいて、気流解析によって各セル
に均一に反応ガスを供給できるように設計したマニホー
ルドは0.64m3であった。このときのスタック当たりのセ
ル数は300セル、燃料利用率が75%であった。
100A→200Aの負荷上昇に対して燃料の改質量増加が5
秒以内で追従するときの、入口マニホールドの必要体積
の設計手順は下記のとおりである。
1式において、PMは200mmAqであり、3式のTは200℃
である。
これよりQC,QSは各々 ∴QS=16.7[Nm3/hr] となり、またVPと求められるため、これを4式に代入し整理すれば、 が求められる。
気流解析の結果が出口マニホールドの設計容積である
ので、ここで求められたVMはその約1.6倍の容積を有す
ることになった。この様子を第5図に示した。
もちろん余裕を見て約2倍程度の設計容積にする方が
望ましい。
また、第1図〜第4図で示した圧力制御を同時に行え
ば、より圧力設定は小さく、マニホールド容積も小さく
できることになる。
もっとも、出口マニホールド体積は入口マニホールド
と同じように大きくしても構わないが、その場合は無駄
なスペースをプラント全体に与えることになる。
他の構成としては入口配管径をより太くしても同様の
効果は得られる。
さらに第二の発明の一実施例について説明する。
セルの有効反応面積が3500cm2であることから、入口
マニホールドを設計するときに、この反応面積より大き
な断面積を有するようにした。
この場合、冷却板厚みを含めた1セル当たりのセル厚
みが約1cmであることから、まず1セル当たりの入口マ
ニホールド体積VCを求める。
VM=3500×1/1000=3.4[1/セル] ここでスタックが300セルより構成されていることか
ら、入口マニホールド全体積VMを求めると、 VM=3.4×300/1000=1.05[m3] となる。
この値は、5式で求められた負荷急上昇時に燃料ガス
の供給遅れを補償するだけのマニホールド体積である、
1.01m3より大きな値である。
すなわち、この関係より、必要な入口マニホールド体
積は、マニホールドの水平断面積をセルの有効反応面積
以上にしてやることによって達成される。
こうして入口マニホールドの圧力増、または容積増に
よって急激な負荷上昇によるガス欠状態を回避すること
ができ、これに伴う設備仕様の変更は、圧力増大のため
の設備としては出口圧力調整弁およびその制御装置の設
置によって行われる。
また、通常、マニホールドを設計する際には垂直方向
や水平方向のガスの不均一流れが生じないように、気流
解析を行った結果でその大きさ・形状を設計している
が、ガス蓄積量増加のためのマニホールド体積の増大は
気流解析によって設計されたマニホールド厚みを数十cm
厚くすることによって十分な効果が得られる。
このため本発明によって行う設計変更の結果生じるプ
ラント全体の設置面積やプラント付帯設備費の増大は、
無視し得る程度の小さいものとなる。
なお、入口マニホールドの圧力増加、容積増加は空気
などの酸化剤ガスの供給ブロワの負荷上昇時の追従性が
遅い場合には、燃料側ばかりでなく空気側の入口マニホ
ールドについても考慮する必要がある。
[発明の効果] 以上のように、この発明によれば、入口マニホールド
の容積を大きくすることにより、急激な負荷上昇の際の
改質器の反応ガス供給増の遅れを補償するに足る反応ガ
スの蓄積が行えるようになった。
その結果、プラント効率低下や設置面積の増加無し
に、負荷の急激な上昇時に心配されたガス欠による寿命
特性の低下を完全に回避し得ることができた。
【図面の簡単な説明】
第1図は入口マニホールド内圧力を増大させる手段によ
り反応ガスの改質器での供給増の遅れを補償する例を示
す系統図、第2図は同じく負荷−入口圧力特性線図、第
3図は同じく各特性変化の線図、第4図は入口マニホー
ルド内圧力を増大させる手段により反応ガスの改質器で
の供給増の遅れを補償する他の例を示す系統図、第5図
は第一の発明の一実施例を説明するための要部模式図、
第6図は従来の燃料電池の各特性変化の線図、第7図は
同じく系統図である。 (1)……燃料電池本体、(2)……改質器、(3)…
…燃料ガス供給配管、(4)……燃料排ガス配管、
(7)……燃料入口圧力発信器、(11)……燃料排ガス
圧力調整弁(熱交バイパス弁)、(13)……演算制御
器、(14)……負荷検出器、(15)……燃料排ガス熱交
換器。 なお、各図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】燃料ガスと酸化剤ガスとを反応ガスとし、
    この反応ガスが入口マニホールドを介し電池に供給され
    出口マニホールドより排出される燃料電池において、前
    記出口マニホールドの体積よりも大きい体積の前記入口
    マニホールドを備えてなることを特徴とする燃料電池。
  2. 【請求項2】燃料ガスと酸化剤ガスとを反応とし、この
    反応ガスが入口マニホールドを介し電池に供給され出口
    マニホールドより排出される燃料電池において、電池本
    体の有効反応面積よりも大きい水平断面積を有する前記
    入口マニホールドを備えてなることを特徴とする燃料電
    池。
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