JP2701522B2 - 燃料電池発電装置 - Google Patents
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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、燃料電池スタック，燃料処理装置，空気
供給装置，電力変化装置を含む燃料電池発電装置、こと
に燃料電池の有効発電面積を負荷率に対応して制御する
ための反応ガスの給排部構造に関する。
供給装置，電力変化装置を含む燃料電池発電装置、こと
に燃料電池の有効発電面積を負荷率に対応して制御する
ための反応ガスの給排部構造に関する。
第９図は燃料電池の単位セル構造の一例を示す斜視
図、第10図は燃料電池発電装置の構成を簡略化して示す
システムフロー図、第11図は従来の燃料電池スタックを
模式化して示す平面図である。図において、単位セル10
0は電解質を保持するマトリックス101と、これを挟持す
る燃料電極102および空気電極103とで構成される。一対
の電極102および103は、それぞれガス透明性を有する電
極基材のマトリックス101に接する面側に電極触媒層を
備えるとともに、電極基材の反マトリックス側の面には
互いに直交する方向に複数の凹溝からなる燃料ガス通路
102A,空気通路103Aが形成される。複数の単位セル100は
その積層面にガス不透過性のセパレータ104を介装した
状態で積層され、第11図に模式化して示すように燃料電
池スタック（以下スタックと略称する）１を形成する。
また、スタックの燃料ガス通路102Aの両端が開口する側
壁面には入口，出口一対のマニホールド2A,2Bが気密に
取り付けられ、燃料ガス通路と併せて燃料（ガス）室２
を形成し、またこれと直交する側壁面には入口，出口一
対のマニホールド3A,3Bが気密に取り付けられ、空気通
路103Aと併せて空気室３を形成する。
図、第10図は燃料電池発電装置の構成を簡略化して示す
システムフロー図、第11図は従来の燃料電池スタックを
模式化して示す平面図である。図において、単位セル10
0は電解質を保持するマトリックス101と、これを挟持す
る燃料電極102および空気電極103とで構成される。一対
の電極102および103は、それぞれガス透明性を有する電
極基材のマトリックス101に接する面側に電極触媒層を
備えるとともに、電極基材の反マトリックス側の面には
互いに直交する方向に複数の凹溝からなる燃料ガス通路
102A,空気通路103Aが形成される。複数の単位セル100は
その積層面にガス不透過性のセパレータ104を介装した
状態で積層され、第11図に模式化して示すように燃料電
池スタック（以下スタックと略称する）１を形成する。
また、スタックの燃料ガス通路102Aの両端が開口する側
壁面には入口，出口一対のマニホールド2A,2Bが気密に
取り付けられ、燃料ガス通路と併せて燃料（ガス）室２
を形成し、またこれと直交する側壁面には入口，出口一
対のマニホールド3A,3Bが気密に取り付けられ、空気通
路103Aと併せて空気室３を形成する。
このように構成されたスタック１は第10図に示すよう
に、その燃料室２が燃料改質器５に連結され、原料タン
ク４に貯蔵された化石燃料，炭火水素系燃料等をポンプ
8Aを介して改質器５に送り、改質器５の水蒸気改質反応
によって生成した水素リッチな燃料ガスGFが燃料室２に
供給され、一方、空気室３にはブロワ8Cによって反応空
気GAを供給しオフ空気OAを排出することにより、スタッ
ク１は一対の電極102,103間で電気化学反応に基づく起
電反応を行い、その発電電力は電力変換装置６で出力電
流波形や電圧などの調整が行われた後、負荷９に供給さ
れる。また、燃料室２から排出されるオフガスOFは燃料
改質器５のバーナに送られ、ブロワ8Bから送られる空気
と混合して燃焼し、その発生熱は吸熱反応である水蒸気
改質反応に必要な反応熱として利用される。さらに、電
力変換器６、ブロワ8Cを主体とする空気供給装置、およ
び原料ポンプ4,ポンプ8,燃料改質器5,および空気ブロワ
8B等で構成される燃料処理装置は制御装置７によって制
御され、スタック１の発電量および電力変換器６の出力
電流等が負荷９が要求する負荷電力に対応して制御され
る。
に、その燃料室２が燃料改質器５に連結され、原料タン
ク４に貯蔵された化石燃料，炭火水素系燃料等をポンプ
8Aを介して改質器５に送り、改質器５の水蒸気改質反応
によって生成した水素リッチな燃料ガスGFが燃料室２に
供給され、一方、空気室３にはブロワ8Cによって反応空
気GAを供給しオフ空気OAを排出することにより、スタッ
ク１は一対の電極102,103間で電気化学反応に基づく起
電反応を行い、その発電電力は電力変換装置６で出力電
流波形や電圧などの調整が行われた後、負荷９に供給さ
れる。また、燃料室２から排出されるオフガスOFは燃料
改質器５のバーナに送られ、ブロワ8Bから送られる空気
と混合して燃焼し、その発生熱は吸熱反応である水蒸気
改質反応に必要な反応熱として利用される。さらに、電
力変換器６、ブロワ8Cを主体とする空気供給装置、およ
び原料ポンプ4,ポンプ8,燃料改質器5,および空気ブロワ
8B等で構成される燃料処理装置は制御装置７によって制
御され、スタック１の発電量および電力変換器６の出力
電流等が負荷９が要求する負荷電力に対応して制御され
る。
ところで、こうした燃料電池発電装置を運転する場合
の運転上の制約条件としていくつかの項目がある。その
ひとつとして、燃料電池を高温（概略130℃以上）で高
電位（0.8V/セル以上）に曝さないという項目がある。
この理由としては、電位が高くなる酸化剤極において、
燃料電池の電極の構成材として使用している触媒（白金
または白金合金をカーボンブラック等の炭素微粒子に担
持したもの）の白金または白金合金が溶解再析出しやす
くなり、粗大化し反応表面積（白金表面積）が減少す
る。あるいは、白金または白金合金を担持している炭素
微粒子が腐食しやすくなり、白金が脱落し反応表面積
（白金表面積）が減少するなどの現象をひきおこし、結
果として燃料電池特性の低下を生ずる。
の運転上の制約条件としていくつかの項目がある。その
ひとつとして、燃料電池を高温（概略130℃以上）で高
電位（0.8V/セル以上）に曝さないという項目がある。
この理由としては、電位が高くなる酸化剤極において、
燃料電池の電極の構成材として使用している触媒（白金
または白金合金をカーボンブラック等の炭素微粒子に担
持したもの）の白金または白金合金が溶解再析出しやす
くなり、粗大化し反応表面積（白金表面積）が減少す
る。あるいは、白金または白金合金を担持している炭素
微粒子が腐食しやすくなり、白金が脱落し反応表面積
（白金表面積）が減少するなどの現象をひきおこし、結
果として燃料電池特性の低下を生ずる。
燃料電池の出力電圧Ｖは出力電流Ｉが増加するととも
に低下する性質（Ｖ−Ｉ特性とよぶ）があり、出力電流
Ｉが定格電流の例えば25％以下（以下負荷率25％以下と
表現する）になると、単セル電圧が0.8Vを超え、単位セ
ルが高電位にさらされることになる。第11図に示すよう
に、燃料ガスGFと反応空気GAが複数の単位セルの全電極
面積に均等に流れて互いに直交流を形成する従来のスタ
ックにおいては、負荷率25％以下軽負荷状態では、各単
位セルが0.8Vを超える高電位にさらされることを回避で
きないので、このような軽負荷状態でも負荷率が25％以
下とならないよう、例えばスタッス１の出力側に開閉器
を介して放電抵抗を接続し、軽負荷状態では出力電流の
かなりの部分を放電抵抗に流して見かけの負荷率が25％
以下に下がらないようにするなどの対策を必要とし、発
電電力を無駄に消費する分改質燃料の消費量が増し、発
電装置としての発電効率が低下するとともに、電力を無
駄に消費するために放電抵抗器や開閉器などの補機や、
その制御装置を必要とするので、発電装置が大型化する
などの欠点があった。
に低下する性質（Ｖ−Ｉ特性とよぶ）があり、出力電流
Ｉが定格電流の例えば25％以下（以下負荷率25％以下と
表現する）になると、単セル電圧が0.8Vを超え、単位セ
ルが高電位にさらされることになる。第11図に示すよう
に、燃料ガスGFと反応空気GAが複数の単位セルの全電極
面積に均等に流れて互いに直交流を形成する従来のスタ
ックにおいては、負荷率25％以下軽負荷状態では、各単
位セルが0.8Vを超える高電位にさらされることを回避で
きないので、このような軽負荷状態でも負荷率が25％以
下とならないよう、例えばスタッス１の出力側に開閉器
を介して放電抵抗を接続し、軽負荷状態では出力電流の
かなりの部分を放電抵抗に流して見かけの負荷率が25％
以下に下がらないようにするなどの対策を必要とし、発
電電力を無駄に消費する分改質燃料の消費量が増し、発
電装置としての発電効率が低下するとともに、電力を無
駄に消費するために放電抵抗器や開閉器などの補機や、
その制御装置を必要とするので、発電装置が大型化する
などの欠点があった。
さらに、最近の技術開発により、燃料電池の出力電圧
が向上し、さらに反応ガスの圧力を高めて使用するなど
して電池性能の向上が計られており、この場合には負荷
率25％どころか50％以上でも単位セルが0.8Vを超える高
電位にさらされる事態に遭遇することが予想される。
が向上し、さらに反応ガスの圧力を高めて使用するなど
して電池性能の向上が計られており、この場合には負荷
率25％どころか50％以上でも単位セルが0.8Vを超える高
電位にさらされる事態に遭遇することが予想される。
この発明の目的は、発電電力を無駄に消費することな
く、軽負荷状態における高電位の発生を回避することに
ある。
く、軽負荷状態における高電位の発生を回避することに
ある。
上記課題を解決するために、この発明によれば、単位
セルの積層体からなる燃料電池スタックと、その燃料極
に燃料ガスを供給する燃料処理装置、および空気極に反
応空気を供給する空気供給装置と、前記燃料電池スタッ
クの出力電力を調整して負荷に供給する電力変換装置と
を含み、前記単位セルごとに互いに直交する方向に形成
された燃料ガス通路および反応空気通路と、両ガス通路
それぞれの反応ガスの入口側および出口側に設けられた
マニホールドとで構成される燃料ガス室および空気室を
備えたものにおいて、前記燃料ガス室および空気室それ
ぞれが互いに並列な２以上の分割燃料室および分割空気
室に画成され、この分割燃料室および分割空気室への反
応ガスの給排を定格負荷に対する負荷率段階に対応して
変えるよう形成してなるものとし、かつ必要に応じて軽
い負荷率段階で選択して反応ガスを供給する分割燃料室
および分割空気室を、所定の運転時間ごとに切り換える
よう形成してなるものとする。また、単位セルの積層体
からなる燃料電池スタックと、その燃料極に燃料ガスを
供給する燃料処理装置、および空気極に反応空気を供給
する空気供給装置と、前記燃料電池スタックの出力電力
を調整して負荷に供給する電力変換装置とを含み、前記
単位セルごとに互いに直交する方向に形成された燃料ガ
ス通路および反応空気通路と、両ガス通路それぞれの反
応ガスの入口側および出口側に設けられたマニホールド
とで構成される燃料ガス室および空気室を備えたものに
おいて、前記燃料電池スタック４台以上からなり、少く
とも２台の燃料電池スタックの燃料ガス室および空気室
をそれぞれ直列に連結してなる直列燃料室および直列空
気室を備え反応ガスを供給する直列燃料室および直列空
気室を定格負荷に対する負荷率段階に対応して変えるよ
う形成してなるものとし、かつ必要に応じて軽い負荷率
段階で選択して反応ガスを供給する直列燃料室および直
列空気室を、所定の運転時間ごとに切り換えるよう形成
してなるものとする。
セルの積層体からなる燃料電池スタックと、その燃料極
に燃料ガスを供給する燃料処理装置、および空気極に反
応空気を供給する空気供給装置と、前記燃料電池スタッ
クの出力電力を調整して負荷に供給する電力変換装置と
を含み、前記単位セルごとに互いに直交する方向に形成
された燃料ガス通路および反応空気通路と、両ガス通路
それぞれの反応ガスの入口側および出口側に設けられた
マニホールドとで構成される燃料ガス室および空気室を
備えたものにおいて、前記燃料ガス室および空気室それ
ぞれが互いに並列な２以上の分割燃料室および分割空気
室に画成され、この分割燃料室および分割空気室への反
応ガスの給排を定格負荷に対する負荷率段階に対応して
変えるよう形成してなるものとし、かつ必要に応じて軽
い負荷率段階で選択して反応ガスを供給する分割燃料室
および分割空気室を、所定の運転時間ごとに切り換える
よう形成してなるものとする。また、単位セルの積層体
からなる燃料電池スタックと、その燃料極に燃料ガスを
供給する燃料処理装置、および空気極に反応空気を供給
する空気供給装置と、前記燃料電池スタックの出力電力
を調整して負荷に供給する電力変換装置とを含み、前記
単位セルごとに互いに直交する方向に形成された燃料ガ
ス通路および反応空気通路と、両ガス通路それぞれの反
応ガスの入口側および出口側に設けられたマニホールド
とで構成される燃料ガス室および空気室を備えたものに
おいて、前記燃料電池スタック４台以上からなり、少く
とも２台の燃料電池スタックの燃料ガス室および空気室
をそれぞれ直列に連結してなる直列燃料室および直列空
気室を備え反応ガスを供給する直列燃料室および直列空
気室を定格負荷に対する負荷率段階に対応して変えるよ
う形成してなるものとし、かつ必要に応じて軽い負荷率
段階で選択して反応ガスを供給する直列燃料室および直
列空気室を、所定の運転時間ごとに切り換えるよう形成
してなるものとする。
この発明の構成において、一つのスタックの燃料室お
よび空気室を、それぞれ互いに並列な分割燃料室，また
は分割空気室に画成し、負荷率段階に対応して反応ガス
を供給する分割燃料室および分割空気室の組み合わせを
変更するようにしたことにより、反応ガスが供給された
分割燃料室と分割空気室との重なり部分にのみ燃料ガス
と反応空気の直交流が形成されて有効発電面積が限定さ
れるので、例えば分割数を２とした場合、有効発電面積
を全電極面積のほぼ1/4,1/2,および全電極面積の３段階
に変えることが可能になり、これを負荷率25％以下,25
ないし50％，および50ないし100％の３段階に対応して
切り換えることにより、スタックの発電量を負荷率に対
応して段階的に制御する機能が得られ、したがって単位
セルが0.8Vを超える高電位にさらされる負荷率領域を大
幅に縮小することができる。また、有効発電面積となる
部分を所定時間ごとに移動させることにより、単位セル
全面の運転寿命を均等化する機能が得られる。
よび空気室を、それぞれ互いに並列な分割燃料室，また
は分割空気室に画成し、負荷率段階に対応して反応ガス
を供給する分割燃料室および分割空気室の組み合わせを
変更するようにしたことにより、反応ガスが供給された
分割燃料室と分割空気室との重なり部分にのみ燃料ガス
と反応空気の直交流が形成されて有効発電面積が限定さ
れるので、例えば分割数を２とした場合、有効発電面積
を全電極面積のほぼ1/4,1/2,および全電極面積の３段階
に変えることが可能になり、これを負荷率25％以下,25
ないし50％，および50ないし100％の３段階に対応して
切り換えることにより、スタックの発電量を負荷率に対
応して段階的に制御する機能が得られ、したがって単位
セルが0.8Vを超える高電位にさらされる負荷率領域を大
幅に縮小することができる。また、有効発電面積となる
部分を所定時間ごとに移動させることにより、単位セル
全面の運転寿命を均等化する機能が得られる。
また４以上の複数スタックで構成される燃料電池にお
いても、少くとも２スタックの燃料室および空気室をそ
れぞれ直列に接続して反応ガスの供給単位とすれば、前
述の１スタックにおけると同様な機能を得ることができ
る。
いても、少くとも２スタックの燃料室および空気室をそ
れぞれ直列に接続して反応ガスの供給単位とすれば、前
述の１スタックにおけると同様な機能を得ることができ
る。
以下この発明を実施例に基づいて説明する。
第１図はこの発明の実施例になる燃料電池発電装置に
おけるスタックの反応ガス室を模式化して示す断面図、
第２図，第３図および第４図は実施例において互いに異
なる負荷率での反応ガスの供給状態を示す説明図であ
る。図において、スタック１の燃料ガス通路（第９図に
おける102A）の両端に連通するよう取り付けられた燃料
ガスGFの入口側マニホールド2Aおよび出口側マニホール
ド2Bは、その内部がマニホールド仕切り板12によって単
位セルの積層面に直交する方向に二つに仕切られてお
り、また反応空気GAの入口側，出口側一対のマニホール
ド3A,3Bもマニホールド仕切り板13によって仕切られて
いる。その結果、マニホールドに連通する燃料ガス通路
102A,反応空気通路103Aは、それぞれ互いに並行な複数
の凹溝の数が仕切り板12または13によって２つのグルー
プに分割され、燃料ガス室側は二つの分割燃料室21およ
び22に画成され、反応空気室側は二つの分割空気室31お
よび32に画成される。また、各分割ガス室21,22および3
1,32はそれぞれ反応ガスの入口側，出口側に図示しない
操作弁を備え、負荷率に対応して開閉制御することによ
り、燃料ガスGF,反応空気GAの給排をオン・オフ制御で
きるよう構成される。
おけるスタックの反応ガス室を模式化して示す断面図、
第２図，第３図および第４図は実施例において互いに異
なる負荷率での反応ガスの供給状態を示す説明図であ
る。図において、スタック１の燃料ガス通路（第９図に
おける102A）の両端に連通するよう取り付けられた燃料
ガスGFの入口側マニホールド2Aおよび出口側マニホール
ド2Bは、その内部がマニホールド仕切り板12によって単
位セルの積層面に直交する方向に二つに仕切られてお
り、また反応空気GAの入口側，出口側一対のマニホール
ド3A,3Bもマニホールド仕切り板13によって仕切られて
いる。その結果、マニホールドに連通する燃料ガス通路
102A,反応空気通路103Aは、それぞれ互いに並行な複数
の凹溝の数が仕切り板12または13によって２つのグルー
プに分割され、燃料ガス室側は二つの分割燃料室21およ
び22に画成され、反応空気室側は二つの分割空気室31お
よび32に画成される。また、各分割ガス室21,22および3
1,32はそれぞれ反応ガスの入口側，出口側に図示しない
操作弁を備え、負荷率に対応して開閉制御することによ
り、燃料ガスGF,反応空気GAの給排をオン・オフ制御で
きるよう構成される。
すなわち、第２図に示すように、分割燃料室21と分割
空気室31に燃料ガスGFおよび反応空気GAを供給するよう
制御すれば、スタック１の電極面積のうち図中破線でハ
ッチングを施した部分でのみ燃料ガスGFと反応空気GAと
が互いに直交流を形成することになるので、スタック１
の有効発電面積10は全電極面積のほぼ1/4に減少する。
また第３図に示すように、分割燃焼室21,22と分割空気
室31とに反応ガスを供給した場合には有効発電面積10は
全電極面積のほぼ1/2となる。さらに第４図に示すよう
に、分割燃料室21,22、および分割空気室31,32のすべて
に反応ガスを供給した場合には、全電極面積が有効発電
面積10となる。
空気室31に燃料ガスGFおよび反応空気GAを供給するよう
制御すれば、スタック１の電極面積のうち図中破線でハ
ッチングを施した部分でのみ燃料ガスGFと反応空気GAと
が互いに直交流を形成することになるので、スタック１
の有効発電面積10は全電極面積のほぼ1/4に減少する。
また第３図に示すように、分割燃焼室21,22と分割空気
室31とに反応ガスを供給した場合には有効発電面積10は
全電極面積のほぼ1/2となる。さらに第４図に示すよう
に、分割燃料室21,22、および分割空気室31,32のすべて
に反応ガスを供給した場合には、全電極面積が有効発電
面積10となる。
実施例においては、分割ガス室への反応ガスの供給の
仕方を変えることにより、スタックの有効発電面積10を
全電極面積の1/4,1/2,および1/1の３段階に切換え制御
することが可能になる。そこで、反応ガスの切り換え操
作を負荷率段階25％以下,25％ないし50％，および50％
ないし100％の３段階に対応して行うよう構成すれば、
それぞれ負荷率25％,50％で負荷率100％と等価な発電運
転が可能になる。
仕方を変えることにより、スタックの有効発電面積10を
全電極面積の1/4,1/2,および1/1の３段階に切換え制御
することが可能になる。そこで、反応ガスの切り換え操
作を負荷率段階25％以下,25％ないし50％，および50％
ないし100％の３段階に対応して行うよう構成すれば、
それぞれ負荷率25％,50％で負荷率100％と等価な発電運
転が可能になる。
第５図は実施例における単セル電圧対負荷率特性線図
であり、図中破線で示す従来の特性曲線では負荷率25％
以下では単セル電圧が800mVを超えていたものが、実施
例特性曲線では負荷率が７％以下に低下しないと800mV
を超える高電位が発生しない。なお、このような低負荷
でも発電装置は数％オーダの補機電力を消費するので、
実施例になる発電装置は燃料電池の特性劣化要因となる
高電位をほとんど発生せず、かつ高電位の発生を防ぐた
めに放電抵抗を設け、無駄な電力を発電し、消費する必
要もなくなるという利点が得られる。
であり、図中破線で示す従来の特性曲線では負荷率25％
以下では単セル電圧が800mVを超えていたものが、実施
例特性曲線では負荷率が７％以下に低下しないと800mV
を超える高電位が発生しない。なお、このような低負荷
でも発電装置は数％オーダの補機電力を消費するので、
実施例になる発電装置は燃料電池の特性劣化要因となる
高電位をほとんど発生せず、かつ高電位の発生を防ぐた
めに放電抵抗を設け、無駄な電力を発電し、消費する必
要もなくなるという利点が得られる。
また、実施例になる燃料電池はその負荷の変動に対応
して発電に利用する有効面積が変化する。したがって、
全電極面積のうち発電有効面積として利用する時間が部
分的に大きく異なると、燃料電池の残存寿命に部分的な
差が発生する。そこで、軽負荷時に反応ガスを供給する
分割燃料室および分割空気室の組み合わせを所定時間ご
と，例えば200時間ごとに変えるよう反応ガスの給排制
御を行うことにより、燃料電池の残存寿命に及ぼす悪影
響を排除することができる。
して発電に利用する有効面積が変化する。したがって、
全電極面積のうち発電有効面積として利用する時間が部
分的に大きく異なると、燃料電池の残存寿命に部分的な
差が発生する。そこで、軽負荷時に反応ガスを供給する
分割燃料室および分割空気室の組み合わせを所定時間ご
と，例えば200時間ごとに変えるよう反応ガスの給排制
御を行うことにより、燃料電池の残存寿命に及ぼす悪影
響を排除することができる。
第６図はこの発明の異なる実施例になる燃料電池発電
装置における複数スタック間のガスフロー図、第７図お
よび第８図は異なる実施例における互いに異なる負荷率
での反応ガスの供給状態を示す説明図である。第６図に
おいて、燃料電池は四つのスタック51A,51B,51C,51Dで
構成されており、スタック51A,51Bの燃料ガス室，およ
びスタック51C,51Dの燃料ガス室をそれぞれに直列に連
結する配管により、二つの直列燃料室52Aおよび52Bが形
成される。また、空気室側についても同様で、スタック
51A,51Cの空気室を連結した直列空気室53Aと、スタック
51B,51Dの空気室を連結した直列空気室53Bとが形成され
る。なお、各直列室の出入口には操作弁が設けられ、負
荷率に対応して反応ガスを供給する直列燃料室，直列空
気室の組み合わせを変える切換操作が行われる。すなわ
ち、第６図において、直列燃料室52A,52Bに燃料ガスGF
を供給し、直列空気室53A,53Bに反応空気GAを供給すれ
ば、すべてのスタックの単位セルに燃料ガスと反応空気
の直交流が形成され、四つのスタックが発電に寄与す
る。また第７図に示すように、直列燃料室52Aと直列空
気室53Aに反応ガスを供給すれば、スタック51Aにのみ直
交流が形成され、発電に寄与するスタックを１台に絞る
ことができる。さらに第８図に示すように、直列燃料室
52Aと、二つの直列空気室53A,53Bとに反応ガスを供給す
れば、発電に寄与するスタックを51A,51Bの２台に絞る
ことができる。したがって、各図に示す反応ガスの通流
制御を負荷率50％ないし10％,25％以下，および25ない
し50％に対応して制御すれば、前述の実施例におけると
同様に運転に寄与するスタックの負荷率を高めることが
でき、単位セルが高電位にさらされることを回避できる
とともに、負荷率に対応して反応ガス量も変化するの
で、高い発電効率を保持できる。
装置における複数スタック間のガスフロー図、第７図お
よび第８図は異なる実施例における互いに異なる負荷率
での反応ガスの供給状態を示す説明図である。第６図に
おいて、燃料電池は四つのスタック51A,51B,51C,51Dで
構成されており、スタック51A,51Bの燃料ガス室，およ
びスタック51C,51Dの燃料ガス室をそれぞれに直列に連
結する配管により、二つの直列燃料室52Aおよび52Bが形
成される。また、空気室側についても同様で、スタック
51A,51Cの空気室を連結した直列空気室53Aと、スタック
51B,51Dの空気室を連結した直列空気室53Bとが形成され
る。なお、各直列室の出入口には操作弁が設けられ、負
荷率に対応して反応ガスを供給する直列燃料室，直列空
気室の組み合わせを変える切換操作が行われる。すなわ
ち、第６図において、直列燃料室52A,52Bに燃料ガスGF
を供給し、直列空気室53A,53Bに反応空気GAを供給すれ
ば、すべてのスタックの単位セルに燃料ガスと反応空気
の直交流が形成され、四つのスタックが発電に寄与す
る。また第７図に示すように、直列燃料室52Aと直列空
気室53Aに反応ガスを供給すれば、スタック51Aにのみ直
交流が形成され、発電に寄与するスタックを１台に絞る
ことができる。さらに第８図に示すように、直列燃料室
52Aと、二つの直列空気室53A,53Bとに反応ガスを供給す
れば、発電に寄与するスタックを51A,51Bの２台に絞る
ことができる。したがって、各図に示す反応ガスの通流
制御を負荷率50％ないし10％,25％以下，および25ない
し50％に対応して制御すれば、前述の実施例におけると
同様に運転に寄与するスタックの負荷率を高めることが
でき、単位セルが高電位にさらされることを回避できる
とともに、負荷率に対応して反応ガス量も変化するの
で、高い発電効率を保持できる。
また、軽負荷状態で反応ガスを供給する直列燃料室お
よび直列空気室を所定時間ごとに他に切り換えるよう操
作することにより、各スタックの残存寿命を均等化でき
る利点が得られる。
よび直列空気室を所定時間ごとに他に切り換えるよう操
作することにより、各スタックの残存寿命を均等化でき
る利点が得られる。
この発明は前述のように、一つの燃料電池スタックを
複数の分割燃料室，分割空気室に画成するか、あるいは
複数の燃料電池スタックの燃料室，空気室をそれぞれ直
列接続して複数の直列燃料室，直列空気室を形成し、負
荷率段階に対応して分割された燃料室，空気室を選択し
て反応ガスを供給するよう構成した。その結果、発電に
寄与する電極面積またはスタック数を負荷率に対応して
段階的に変えることが可能になり、発電に寄与する部分
の負荷率を相対的に高めることができるので、従来負荷
率が25％以下に低下すると単位セル電圧が0.8Vを超え、
電極媒体層が劣化し、電池性能が低下するといった問題
点が排除されるとともに、これを排除するために放電抵
抗を設けて発電電力を無駄に消費するなどの対策も不要
になるので、軽負荷時にも高電位劣化を生ずることなく
高い発電効率が得られる燃料電池発電装置を提供するこ
とができる。
複数の分割燃料室，分割空気室に画成するか、あるいは
複数の燃料電池スタックの燃料室，空気室をそれぞれ直
列接続して複数の直列燃料室，直列空気室を形成し、負
荷率段階に対応して分割された燃料室，空気室を選択し
て反応ガスを供給するよう構成した。その結果、発電に
寄与する電極面積またはスタック数を負荷率に対応して
段階的に変えることが可能になり、発電に寄与する部分
の負荷率を相対的に高めることができるので、従来負荷
率が25％以下に低下すると単位セル電圧が0.8Vを超え、
電極媒体層が劣化し、電池性能が低下するといった問題
点が排除されるとともに、これを排除するために放電抵
抗を設けて発電電力を無駄に消費するなどの対策も不要
になるので、軽負荷時にも高電位劣化を生ずることなく
高い発電効率が得られる燃料電池発電装置を提供するこ
とができる。
また、発電に寄与する部分の負荷率を50％以上に維持
できる軽負荷領域を従来のそれに比べて大幅に広げるこ
とができるので、単位セルの出力電圧の向上や反応ガス
の高圧化などの技術開発によって0.8Vを超える負荷率領
域が現在より広がった場合にも、過電圧による電極劣化
が生じ難い燃料電池発電装置を提供できる利点が得られ
る。
できる軽負荷領域を従来のそれに比べて大幅に広げるこ
とができるので、単位セルの出力電圧の向上や反応ガス
の高圧化などの技術開発によって0.8Vを超える負荷率領
域が現在より広がった場合にも、過電圧による電極劣化
が生じ難い燃料電池発電装置を提供できる利点が得られ
る。
さらに、軽負荷時に選択する分割された燃料室，空気
室やスタックを所定時間ごとに他に切り換えるよう制御
すれば、発電運転を行うことにより徐々に短かくなる燃
料電池の残存寿命を均等化できる利点が得られる。
室やスタックを所定時間ごとに他に切り換えるよう制御
すれば、発電運転を行うことにより徐々に短かくなる燃
料電池の残存寿命を均等化できる利点が得られる。
第１図はこの発明の実施例になる燃料電池発電装置にお
ける燃料電池スタックの反応ガス室を模式化して示す断
面図、第２図，第３図，および第４図は実施例において
互いに異なる負荷率での反応ガスの供給状態を示す説明
図、第５図は実施例における単位セル電圧対負荷率特性
線図、第６図はこの発明の異なる実施例における複数ス
タック間のガスフロー図、第７図および第８図は異なる
実施例における互いに異なる負荷率での反応ガスの供給
状態を示す説明図、第９図は燃料電池の単位セル構造の
一例を示す斜視図、第10図は燃料電池発電装置の構成を
簡素化して示すシステムフロー図、第11図は従来の燃料
電池スタックを模式化して示す平面図である。 １……燃料電池（スタック）、２……燃料（ガス）室、
３……空気室、４……原料タンク、５……燃料改質器、
６……電力変換器、2A,2B……燃料ガスマニホールド、3
A,3B……反応空気マニホールド、10……有効発電面積、
12,13……マニホールド仕切り板、21,22……分割燃料
室、31,32……分割空気室、51A,51B,51C,51D……スタッ
ク、52A,52B……直列燃料室、53A,53B……直列空気室、
100……単位セル、101……マトリックス、102,103……
電極、102A……燃料ガス通路、103A……空気通路、GA…
…反化空気、GF……燃料ガス。
ける燃料電池スタックの反応ガス室を模式化して示す断
面図、第２図，第３図，および第４図は実施例において
互いに異なる負荷率での反応ガスの供給状態を示す説明
図、第５図は実施例における単位セル電圧対負荷率特性
線図、第６図はこの発明の異なる実施例における複数ス
タック間のガスフロー図、第７図および第８図は異なる
実施例における互いに異なる負荷率での反応ガスの供給
状態を示す説明図、第９図は燃料電池の単位セル構造の
一例を示す斜視図、第10図は燃料電池発電装置の構成を
簡素化して示すシステムフロー図、第11図は従来の燃料
電池スタックを模式化して示す平面図である。 １……燃料電池（スタック）、２……燃料（ガス）室、
３……空気室、４……原料タンク、５……燃料改質器、
６……電力変換器、2A,2B……燃料ガスマニホールド、3
A,3B……反応空気マニホールド、10……有効発電面積、
12,13……マニホールド仕切り板、21,22……分割燃料
室、31,32……分割空気室、51A,51B,51C,51D……スタッ
ク、52A,52B……直列燃料室、53A,53B……直列空気室、
100……単位セル、101……マトリックス、102,103……
電極、102A……燃料ガス通路、103A……空気通路、GA…
…反化空気、GF……燃料ガス。
Claims (4)
- 【請求項１】単位セルの積層体からなる燃料電池スタッ
クと、その燃料極に燃料ガスを供給する燃料処理装置、
および空気極に反応空気を供給する空気供給装置と、前
記燃料電池スタックの出力電力を調整して負荷に供給す
る電力変換装置とを含み、前記単位セルごとに互いに直
交する方向に形成された燃料ガス通路および反応空気通
路と、両ガス通路それぞれの反応ガスの入口側および出
口側に設けられたマニホールドとで構成される燃料ガス
室および空気室を備えたものにおいて、前記燃料ガス室
および空気室それぞれが互いに並列な２以上の分割燃料
室および分割空気室に画成され、この分割燃料室および
分割空気室への反応ガスの給排を定格負荷に対する負荷
率段階に対応して変えるよう形成してなることを特徴と
する燃料電池発電装置。 - 【請求項２】軽い負荷率段階で選択して反応ガスを供給
する分割燃料室および分割空気室を、所定の運転時間ご
とに切り換えるよう形成してなることを特徴とする請求
項１記載の燃料電池発電装置。 - 【請求項３】単位セルの積層体からなる燃料電池スタッ
クと、その燃料極に燃料ガスを供給する燃料処理装置、
および空気極に反応空気を供給する空気供給装置と、前
記燃料電池スタックの出力電力を調整して負荷に供給す
る電力変換装置とを含み、前記単位セルごとに互いに直
交する方向に形成された燃料ガス通路および反応空気通
路と、両ガス通路それぞれの反応ガスの入口側および出
口側に設けられたマニホールドとで構成される燃料ガス
室および空気室を備えたものにおいて、前記燃料電池ス
タック４台以上からなり、少くとも２台の燃料電池スタ
ックの燃料ガス室および空気室をそれぞれ直列に連結し
てなる直列燃料室および直列空気室を備え、反応ガスを
供給する直列燃料室および直列空気室を定格負荷に対す
る負荷率段階に対応して変えるよう形成してなることを
特徴とする燃料電池発電装置。 - 【請求項４】軽い負荷率段階で選択して反応ガスを供給
する直列燃料室および直列空気室を、所定の運転時間ご
とに切り換えるよう形成してなることを特徴とする請求
項３記載の燃料電池発電装置。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2161768A JP2701522B2 (ja) | 1990-06-20 | 1990-06-20 | 燃料電池発電装置 |
| US07/713,314 US5100744A (en) | 1990-06-20 | 1991-06-11 | Fuel cell power generation system |
| DE4120092A DE4120092C2 (de) | 1990-06-20 | 1991-06-18 | Brennstoffzellen-Stromerzeugungseinrichtung |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2161768A JP2701522B2 (ja) | 1990-06-20 | 1990-06-20 | 燃料電池発電装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0451467A JPH0451467A (ja) | 1992-02-19 |
| JP2701522B2 true JP2701522B2 (ja) | 1998-01-21 |
Family
ID=15741533
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2161768A Expired - Lifetime JP2701522B2 (ja) | 1990-06-20 | 1990-06-20 | 燃料電池発電装置 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5100744A (ja) |
| JP (1) | JP2701522B2 (ja) |
| DE (1) | DE4120092C2 (ja) |
Families Citing this family (15)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0530451B1 (en) * | 1991-09-03 | 1998-01-21 | Sanyo Electric Co., Ltd. | A solid oxide fuel cell system |
| JPH05315004A (ja) * | 1992-05-08 | 1993-11-26 | Osaka Gas Co Ltd | 固体電解質型燃料電池 |
| JPH08106914A (ja) * | 1994-09-30 | 1996-04-23 | Aisin Aw Co Ltd | 燃料電池発電装置 |
| JP3425086B2 (ja) * | 1998-08-20 | 2003-07-07 | 松下電器産業株式会社 | 固体高分子型燃料電池、これを用いたシステム及びその設置方法 |
| US6207312B1 (en) | 1998-09-18 | 2001-03-27 | Energy Partners, L.C. | Self-humidifying fuel cell |
| JP2002305014A (ja) * | 2001-04-06 | 2002-10-18 | Honda Motor Co Ltd | 燃料電池 |
| JP4954383B2 (ja) * | 2001-04-17 | 2012-06-13 | 本田技研工業株式会社 | 燃料電池 |
| JP5006506B2 (ja) * | 2003-01-20 | 2012-08-22 | パナソニック株式会社 | 燃料電池及びその運転方法 |
| US7056609B2 (en) * | 2003-03-25 | 2006-06-06 | Utc Fuel Cells, L.L.C. | System and method for starting a fuel cell stack assembly at sub-freezing temperature |
| DE10342470A1 (de) * | 2003-09-15 | 2005-04-07 | P21 - Power For The 21St Century Gmbh | Vorrichtung zum Beströmen wenigstens einer Brennstoffzelle mit einem Medium sowie Brennstoffzellensystem |
| JP2007317510A (ja) * | 2006-05-26 | 2007-12-06 | Equos Research Co Ltd | 燃料電池システム |
| US7964314B2 (en) * | 2007-10-30 | 2011-06-21 | Corning Incorporated | Segmented solid oxide fuel cell stack and methods for operation and use thereof |
| US10096844B2 (en) * | 2013-10-03 | 2018-10-09 | Hamilton Sundstrand Corporation | Manifold for plural fuel cell stacks |
| JP6498992B2 (ja) * | 2015-03-31 | 2019-04-10 | 日本特殊陶業株式会社 | 平板型燃料電池 |
| JP6502726B2 (ja) * | 2015-03-31 | 2019-04-17 | 日本特殊陶業株式会社 | 平板型燃料電池 |
Family Cites Families (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4046956A (en) * | 1976-05-27 | 1977-09-06 | United Technologies Corporation | Process for controlling the output of a selective oxidizer |
| DE2836464C3 (de) * | 1978-08-21 | 1981-10-29 | Siemens AG, 1000 Berlin und 8000 München | Wasserstoff/Sauerstoff-Brennstoffbatterie |
| US4463068A (en) * | 1982-09-30 | 1984-07-31 | Engelhard Corporation | Fuel cell and system for supplying electrolyte thereto with wick feed |
| JPS5963664A (ja) * | 1982-10-01 | 1984-04-11 | Kureha Chem Ind Co Ltd | 燃料電池用電極基板 |
| GB2128395B (en) * | 1982-10-01 | 1986-01-08 | Kureha Chemical Ind Co Ltd | Fuel cell electrode substrate having elongated holes for feeding reactant gases |
| JPS6132361A (ja) * | 1984-07-23 | 1986-02-15 | Hitachi Ltd | 燃料電池 |
| JPS6130968U (ja) * | 1984-07-28 | 1986-02-25 | 株式会社 富士電機総合研究所 | 燃料電池セルスタツク |
| US4751062A (en) * | 1986-10-01 | 1988-06-14 | Engelhard Corporation | Fuel cell with electrolyte matrix assembly |
-
1990
- 1990-06-20 JP JP2161768A patent/JP2701522B2/ja not_active Expired - Lifetime
-
1991
- 1991-06-11 US US07/713,314 patent/US5100744A/en not_active Expired - Fee Related
- 1991-06-18 DE DE4120092A patent/DE4120092C2/de not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| DE4120092A1 (de) | 1992-01-02 |
| JPH0451467A (ja) | 1992-02-19 |
| US5100744A (en) | 1992-03-31 |
| DE4120092C2 (de) | 1997-11-27 |
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