JP2948037B2 - 燃料電池発電プラント - Google Patents
燃料電池発電プラントInfo
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- JP2948037B2 JP2948037B2 JP4334642A JP33464292A JP2948037B2 JP 2948037 B2 JP2948037 B2 JP 2948037B2 JP 4334642 A JP4334642 A JP 4334642A JP 33464292 A JP33464292 A JP 33464292A JP 2948037 B2 JP2948037 B2 JP 2948037B2
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- Japan
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- battery
- fuel
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- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、燃料電池本体の長寿命
化、安定運転を図った燃料電池発電プラントに関するも
のである。
化、安定運転を図った燃料電池発電プラントに関するも
のである。
【０００２】
【従来の技術】燃料と酸化剤の電気化学的反応を利用し
て電気を得る燃料電池は、その燃料の変換効率の良さ、
環境への安全性などの理由から、最近では広く注目され
ている。この様な燃料電池としては、その電極構造、材
質などにより種々のものが知られているが、なかでも電
解質としてリン酸を使用したリン酸型燃料電池は、最も
実用化が進んでいる。
て電気を得る燃料電池は、その燃料の変換効率の良さ、
環境への安全性などの理由から、最近では広く注目され
ている。この様な燃料電池としては、その電極構造、材
質などにより種々のものが知られているが、なかでも電
解質としてリン酸を使用したリン酸型燃料電池は、最も
実用化が進んでいる。
【０００３】この様なリン酸型燃料電池を使用した燃料
電池発電プラントの概略構成の一例を図２に基づいて説
明する。すなわち、燃料電池本体１は、背面に水素等の
燃料を接触させたアノード電極２と、背面に酸素等の酸
化剤を接触させたカソード電極３とを、電解質であるリ
ン酸を含んだマトリックスを挟んで、両側に配置して構
成されている。このアノード電極２の前段には改質器４
が設けられ、ここに供給された天然ガスと水蒸気の混合
ガスが、改質反応によって水素リッチガスとなり、その
下流に配した流量制御弁５を通してアノード電極に供給
されるように構成されている。また、カソード電極３に
は、圧縮機（図示せず）から供給された圧縮空気が流量
制御弁６を通して供給されるように構成されている。な
お、前記流量制御弁５，６は、電池マニホールド入口側
に設けられた流量計（図示せず）により、その開閉が調
節されている。
電池発電プラントの概略構成の一例を図２に基づいて説
明する。すなわち、燃料電池本体１は、背面に水素等の
燃料を接触させたアノード電極２と、背面に酸素等の酸
化剤を接触させたカソード電極３とを、電解質であるリ
ン酸を含んだマトリックスを挟んで、両側に配置して構
成されている。このアノード電極２の前段には改質器４
が設けられ、ここに供給された天然ガスと水蒸気の混合
ガスが、改質反応によって水素リッチガスとなり、その
下流に配した流量制御弁５を通してアノード電極に供給
されるように構成されている。また、カソード電極３に
は、圧縮機（図示せず）から供給された圧縮空気が流量
制御弁６を通して供給されるように構成されている。な
お、前記流量制御弁５，６は、電池マニホールド入口側
に設けられた流量計（図示せず）により、その開閉が調
節されている。
【０００４】この様にして燃料電池本体に供給された燃
料と空気は、それぞれの電極で電気化学的に反応して、
電気、生成水及び熱となる。そして、アノード電極２を
出たガスは、アノード出口リン酸吸着器７、アノード出
口凝縮器８及び改質器バーナー９を介して大気に放出さ
れる。また、カソード電極３を出たガスは、カソード出
口リン酸吸着器１０、カソード出口凝縮器１１を通っ
て、改質器バーナー９で燃焼に使われる。
料と空気は、それぞれの電極で電気化学的に反応して、
電気、生成水及び熱となる。そして、アノード電極２を
出たガスは、アノード出口リン酸吸着器７、アノード出
口凝縮器８及び改質器バーナー９を介して大気に放出さ
れる。また、カソード電極３を出たガスは、カソード出
口リン酸吸着器１０、カソード出口凝縮器１１を通っ
て、改質器バーナー９で燃焼に使われる。
【０００５】この様に配置された燃料電池発電プラント
においては、燃料電池の電圧、面内温度分布がガス利用
率とともに顕著に変わり得るため、出力電流と各電極へ
供給されるガス量との関係が重要となる。この特性を以
下に説明する。
においては、燃料電池の電圧、面内温度分布がガス利用
率とともに顕著に変わり得るため、出力電流と各電極へ
供給されるガス量との関係が重要となる。この特性を以
下に説明する。
【０００６】図３は、カソード電極のガス利用率と電圧
の関係を表したものである。この試験では、アノード電
極には負荷電流に対してガス利用率３０％程度の過剰の
ガスを流入し、カソード電極には負荷電流に対してガス
利用率を変えられるように流量制御する。図から明らか
な様に、カソード電極の電圧は、カソード電極における
ガス利用率が増加するに従って徐々に減少していく。
の関係を表したものである。この試験では、アノード電
極には負荷電流に対してガス利用率３０％程度の過剰の
ガスを流入し、カソード電極には負荷電流に対してガス
利用率を変えられるように流量制御する。図から明らか
な様に、カソード電極の電圧は、カソード電極における
ガス利用率が増加するに従って徐々に減少していく。
【０００７】また、図４は電池の面内の温度分布を示し
た図である。図４のＡ点に見られるように、カソード電
極のガス利用率が高い程、面内の最高温度も上昇する。
この影響で、電池のＡ点の基板の材料的劣化が促進さ
れ、電池の寿命が短くなる。
た図である。図４のＡ点に見られるように、カソード電
極のガス利用率が高い程、面内の最高温度も上昇する。
この影響で、電池のＡ点の基板の材料的劣化が促進さ
れ、電池の寿命が短くなる。
【０００８】さらに、図５は、アノード電極のガス利用
率と電圧の関係を表したものである。この試験において
も、カソードの利用率試験と同様に、カソード電極には
過剰のガスを流入し、アノード電極はガス利用率を変え
られるように流量制御する。図から明らかな様に、アノ
ード電極の電圧はガス利用率が増加してもある利用率ま
ではその電圧減少値はカソード電極に比べかなり小さ
い。しかし、その特異的な利用率点Ｂを越えると、急激
に電圧が低下する。
率と電圧の関係を表したものである。この試験において
も、カソードの利用率試験と同様に、カソード電極には
過剰のガスを流入し、アノード電極はガス利用率を変え
られるように流量制御する。図から明らかな様に、アノ
ード電極の電圧はガス利用率が増加してもある利用率ま
ではその電圧減少値はカソード電極に比べかなり小さ
い。しかし、その特異的な利用率点Ｂを越えると、急激
に電圧が低下する。
【０００９】従って、燃料電池システムの運転中は、カ
ソード電極、アノード電極ともにそのガス利用率を正確
に把握しておかなければならない。さもなければ、カソ
ード電極のガス利用率が設定値よりも大きい状態で運転
を続けることによって、面内の最高温度も上昇し、電極
部材が早く劣化を起こし、寿命が短くなるという欠点が
あるからである。
ソード電極、アノード電極ともにそのガス利用率を正確
に把握しておかなければならない。さもなければ、カソ
ード電極のガス利用率が設定値よりも大きい状態で運転
を続けることによって、面内の最高温度も上昇し、電極
部材が早く劣化を起こし、寿命が短くなるという欠点が
あるからである。
【００１０】一方、アノード極のガス利用率が設定値よ
りも大きい状態で運転をし続けると、電池が転極をおこ
して、その為の保護回路によりシステムが緊急停止を起
こす危険性が高い。もし、燃料電池が緊急停止した場合
は、電池の電圧特性に悪影響を与え、再起動後の電圧特
性が初期よりも低下する可能性がある。
りも大きい状態で運転をし続けると、電池が転極をおこ
して、その為の保護回路によりシステムが緊急停止を起
こす危険性が高い。もし、燃料電池が緊急停止した場合
は、電池の電圧特性に悪影響を与え、再起動後の電圧特
性が初期よりも低下する可能性がある。
【００１１】この様に、各電極におけるガス利用率は、
電池の特性保護上非常に重要であるが、従来、ガス利用
率は電池マニホールド入口側の流量計の出力値と負荷電
流値とから計算していた。しかし、この計算値は、電池
入口側のガス流量がそのままリークなしに電池内部で電
気化学反応に利用されているという設定のもとに成り立
つものである。
電池の特性保護上非常に重要であるが、従来、ガス利用
率は電池マニホールド入口側の流量計の出力値と負荷電
流値とから計算していた。しかし、この計算値は、電池
入口側のガス流量がそのままリークなしに電池内部で電
気化学反応に利用されているという設定のもとに成り立
つものである。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、燃料電
池本体のアノード電極、カソード電極間のシール部、あ
るいは、燃料電池本体にガスを供給する配管系の継ぎ手
部からガスがリークする場合があり、電池本体の入口で
は設定値通りのガスが流入していたとしても、電池本体
ではガス流量が設定値よりも少なくなっていることがあ
り得る。そのため、電池本体の入口において、ガス利用
率が所定値になるように流量を設定して負荷電流を取っ
たとしても、実際のガス利用率は所定値よりも高くなっ
ていることがある。つまり、ガス流量を電池入口のみで
判断したのでは、真の流量を十分把握できない場合があ
り得る。
池本体のアノード電極、カソード電極間のシール部、あ
るいは、燃料電池本体にガスを供給する配管系の継ぎ手
部からガスがリークする場合があり、電池本体の入口で
は設定値通りのガスが流入していたとしても、電池本体
ではガス流量が設定値よりも少なくなっていることがあ
り得る。そのため、電池本体の入口において、ガス利用
率が所定値になるように流量を設定して負荷電流を取っ
たとしても、実際のガス利用率は所定値よりも高くなっ
ていることがある。つまり、ガス流量を電池入口のみで
判断したのでは、真の流量を十分把握できない場合があ
り得る。
【００１３】本発明は上記の様な従来技術の欠点を解消
するために提案されたもので、その目的は、電池本体の
ガス利用率を、より正確かつ連続的に把握することがで
きる燃料電池発電プラントを提供することにある。
するために提案されたもので、その目的は、電池本体の
ガス利用率を、より正確かつ連続的に把握することがで
きる燃料電池発電プラントを提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】本発明は、燃料ガス及び
酸化剤ガスをそれぞれアノード電極及びカソード電極に
導き、前記燃料ガス及び酸化剤ガスの電気化学的反応に
より電気を得る燃料電池本体と、その本体に燃料ガス及
び酸化剤ガスを供給、排出するガス配管系とから成る燃
料電池発電プラントにおいて、前記燃料電池本体の上流
側及び下流側のガス配管に、燃料ガス及び酸化剤ガスの
ガス流量を測定する流量計を配設し、両流量計の測定値
から得られる燃料ガスあるいは酸化剤ガスの入口側の流
量と出口側の流量の差と、燃料電池の負荷電流値に基づ
いて得られる、消費ガス量を比較して、ガスのリ−クの
有無を判定することにより、電池本体のガス利用率を監
視できるように構成したことを特徴とする。
酸化剤ガスをそれぞれアノード電極及びカソード電極に
導き、前記燃料ガス及び酸化剤ガスの電気化学的反応に
より電気を得る燃料電池本体と、その本体に燃料ガス及
び酸化剤ガスを供給、排出するガス配管系とから成る燃
料電池発電プラントにおいて、前記燃料電池本体の上流
側及び下流側のガス配管に、燃料ガス及び酸化剤ガスの
ガス流量を測定する流量計を配設し、両流量計の測定値
から得られる燃料ガスあるいは酸化剤ガスの入口側の流
量と出口側の流量の差と、燃料電池の負荷電流値に基づ
いて得られる、消費ガス量を比較して、ガスのリ−クの
有無を判定することにより、電池本体のガス利用率を監
視できるように構成したことを特徴とする。
【００１５】
【作用】本発明の燃料電池発電プラントによれば、燃料
電池本体の燃料ガスあるいは酸化剤ガスの入口側の流量
と出口側の流量の差と、負荷電流から計算される消費ガ
ス量を比較することにより、燃料電池本体が設定値通り
のガス利用率で運転されているか、または、ガス利用率
が設定値を上回っているのかを容易に判断することがで
きる。即ち、負荷電流値から計算される消費ガス量より
も、２つの流量計の前後の流量の差のほうが大きい場合
には、配管系統またはガスマニホールドからガスのリー
クがあると判断でき、電池本体の真のガス利用率は設定
値よりも大きくなっている可能性があることが分かる。
電池本体の燃料ガスあるいは酸化剤ガスの入口側の流量
と出口側の流量の差と、負荷電流から計算される消費ガ
ス量を比較することにより、燃料電池本体が設定値通り
のガス利用率で運転されているか、または、ガス利用率
が設定値を上回っているのかを容易に判断することがで
きる。即ち、負荷電流値から計算される消費ガス量より
も、２つの流量計の前後の流量の差のほうが大きい場合
には、配管系統またはガスマニホールドからガスのリー
クがあると判断でき、電池本体の真のガス利用率は設定
値よりも大きくなっている可能性があることが分かる。
【００１６】
【実施例】以下、本発明の一実施例を図１に基づいて具
体的に説明する。なお、図２に示した従来型と同一の部
材には同一の符号を付して、説明は省略する。
体的に説明する。なお、図２に示した従来型と同一の部
材には同一の符号を付して、説明は省略する。
【００１７】本実施例においては、図１に示した様に、
アノード出口凝縮器８と改質器バーナー９との間に、電
池から出てきたガス流量を測定するためのアノード出口
流量計２０が設けられている。一方、カソード出口凝縮
器１１と改質器バーナー９との間には、電池から出てき
たガス流量を測定するためのカソード出口流量計２１が
設けられている。
アノード出口凝縮器８と改質器バーナー９との間に、電
池から出てきたガス流量を測定するためのアノード出口
流量計２０が設けられている。一方、カソード出口凝縮
器１１と改質器バーナー９との間には、電池から出てき
たガス流量を測定するためのカソード出口流量計２１が
設けられている。
【００１８】また、前記アノード出口流量計２０の近傍
にはアノード出口温度計２２が設けられ、アノード出口
流量計２０に流れるガスの温度を測定できるように構成
されている。同様に、カソード出口流量計２１の近傍に
はカソード出口温度計２３が設けられ、カソード出口流
量計２１に流れるガスの温度を測定できるように構成さ
れている。なお、その他の構成は、図２に示した従来型
と同様である。
にはアノード出口温度計２２が設けられ、アノード出口
流量計２０に流れるガスの温度を測定できるように構成
されている。同様に、カソード出口流量計２１の近傍に
はカソード出口温度計２３が設けられ、カソード出口流
量計２１に流れるガスの温度を測定できるように構成さ
れている。なお、その他の構成は、図２に示した従来型
と同様である。
【００１９】この様な構成を有する本実施例の燃料電池
発電プラントにおいては、以下の様にして、電池本体の
ガス利用率を監視することができる。すなわち、電池マ
ニホールド入口側に設けられた流量計（図示せず）によ
って、アノード電極２に流入するガス流量を測定し、前
記アノード出口流量計２０によって、アノード電極２よ
り流出するガス流量を測定することにより、これらの流
量計の間で消費され、またはリークしたガス流量を知る
ことができる。
発電プラントにおいては、以下の様にして、電池本体の
ガス利用率を監視することができる。すなわち、電池マ
ニホールド入口側に設けられた流量計（図示せず）によ
って、アノード電極２に流入するガス流量を測定し、前
記アノード出口流量計２０によって、アノード電極２よ
り流出するガス流量を測定することにより、これらの流
量計の間で消費され、またはリークしたガス流量を知る
ことができる。
【００２０】つまり、燃料電池本体の燃料ガスの入口側
の流量と出口側の流量の差は、電池本体における電気化
学的反応によるガスの消費量、電池本体のガスマニホー
ルドからの流出ガス量および配管系統のガスのリーク量
の合計のガス量である。従って、このガス流量と負荷電
流から計算される消費ガス流量を比較することにより、
設定値通りのガス利用率で運転されているか、または、
ガス利用率が設定値を上回っているのかが判断できる。
の流量と出口側の流量の差は、電池本体における電気化
学的反応によるガスの消費量、電池本体のガスマニホー
ルドからの流出ガス量および配管系統のガスのリーク量
の合計のガス量である。従って、このガス流量と負荷電
流から計算される消費ガス流量を比較することにより、
設定値通りのガス利用率で運転されているか、または、
ガス利用率が設定値を上回っているのかが判断できる。
【００２１】例えば、測定から得られたガス流量の減少
量が、負荷電流値から計算で得られる流量に比べて多い
場合には、大きく分けて、電池本体に入る前までの配管
系統、電池本体内部、あるいは電池本体を出た後の配管
系統のどこかでガスリークが生じていることが分かる。
量が、負荷電流値から計算で得られる流量に比べて多い
場合には、大きく分けて、電池本体に入る前までの配管
系統、電池本体内部、あるいは電池本体を出た後の配管
系統のどこかでガスリークが生じていることが分かる。
【００２２】この様にしてリークがあると分かった場
合、例えば電池本体の出口側マニホールドにガスクロマ
トグラフィなどのガス組成測定器を設置しておくことに
より、ガスリーク箇所を限定できるので、電池本体にと
って悪影響となるリークか否かの判断が容易にできる。
すなわち、ガスクロマトグラフィによるガス組成が正常
でない場合には、電池本体に入る前までの配管系統また
は電池本体内部でのガスリークと判断できる。そして、
この場合は、電池本体にとっては実際のガス利用率が上
昇しているので、上記の様な悪影響を及ぼすことにな
る。一方、ガスクロマトグラフィによるガス組成が正常
である場合は、電池本体を出た後の配管系統のどこかで
ガスリークが生じていると判断でき、この場合は、電池
本体におけるガス利用率は設定値に維持されていると考
えられるので、電池にとって悪影響はないと判断でき
る。
合、例えば電池本体の出口側マニホールドにガスクロマ
トグラフィなどのガス組成測定器を設置しておくことに
より、ガスリーク箇所を限定できるので、電池本体にと
って悪影響となるリークか否かの判断が容易にできる。
すなわち、ガスクロマトグラフィによるガス組成が正常
でない場合には、電池本体に入る前までの配管系統また
は電池本体内部でのガスリークと判断できる。そして、
この場合は、電池本体にとっては実際のガス利用率が上
昇しているので、上記の様な悪影響を及ぼすことにな
る。一方、ガスクロマトグラフィによるガス組成が正常
である場合は、電池本体を出た後の配管系統のどこかで
ガスリークが生じていると判断でき、この場合は、電池
本体におけるガス利用率は設定値に維持されていると考
えられるので、電池にとって悪影響はないと判断でき
る。
【００２３】この様に、本実施例によれば、燃料電池本
体の下流側にもガス流量計を設け、流入するガス流量と
流出するガス流量を測定することにより、電池本体にお
けるガス利用率を正確かつ連続的に監視することができ
る。
体の下流側にもガス流量計を設け、流入するガス流量と
流出するガス流量を測定することにより、電池本体にお
けるガス利用率を正確かつ連続的に監視することができ
る。
【００２４】
【発明の効果】以上述べた通り、本発明によれば、燃料
電池本体の上流側及び下流側のガス配管に、燃料ガス及
び酸化剤ガスのガス流量を測定する流量計を配設し、両
流量計の測定値に基づいて、電池本体のガス利用率を監
視できるように構成することにより、電池本体のガス利
用率を、より正確かつ連続的に把握することができる燃
料電池発電プラントを提供することができる。
電池本体の上流側及び下流側のガス配管に、燃料ガス及
び酸化剤ガスのガス流量を測定する流量計を配設し、両
流量計の測定値に基づいて、電池本体のガス利用率を監
視できるように構成することにより、電池本体のガス利
用率を、より正確かつ連続的に把握することができる燃
料電池発電プラントを提供することができる。
【図１】本発明の燃料電池発電プラントの一実施例を示
すシステムフロー図
すシステムフロー図
【図２】従来の燃料電池発電プラントの一例を示すシス
テムフロー図
テムフロー図
【図３】カソード電極のガス利用率と電圧の関係を表し
た図
た図
【図４】電池の面内の温度分布をカソードガス利用率６
０％及び８０％で比較した図
０％及び８０％で比較した図
【図５】アノード電極のガス利用率と電圧の関係を表し
た図
た図
１…燃料電池本体 ２…アノード電極 ３…カソード電極 ４…改質器 ５…アノード入口流量制御弁 ６…カソード入口流量制御弁 ７…アノード出口リン酸吸着器 ８…アノード出口凝縮器 ９…改質器バーナー １０…カソード出口リン酸吸着器 １１…カソード出口凝縮器 ２０…アノード出口流量計 ２１…カソード出口流量計 ２２…アノード出口温度計 ２３…カソード出口温度計
Claims (1)
- 【請求項１】 燃料ガス及び酸化剤ガスをそれぞれアノ
ード電極及びカソード電極に導き、前記燃料ガス及び酸
化剤ガスの電気化学的反応により電気を得る燃料電池本
体と、その本体に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給、排出
するガス配管系とから成る燃料電池発電プラントにおい
て、 前記燃料電池本体の上流側及び下流側のガス配管に、燃
料ガス及び酸化剤ガスのガス流量を測定する流量計を配
設し、両流量計の測定値から得られる燃料ガスあるいは
酸化剤ガスの入口側の流量と出口側の流量の差と、燃料
電池の負荷電流値に基づいて得られる、消費ガス量を比
較して、ガスのリ−クの有無を判定することにより、電
池本体のガス利用率を監視できるように構成したことを
特徴とする燃料電池発電プラント。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4334642A JP2948037B2 (ja) | 1992-12-15 | 1992-12-15 | 燃料電池発電プラント |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4334642A JP2948037B2 (ja) | 1992-12-15 | 1992-12-15 | 燃料電池発電プラント |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06188016A JPH06188016A (ja) | 1994-07-08 |
| JP2948037B2 true JP2948037B2 (ja) | 1999-09-13 |
Family
ID=18279655
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4334642A Expired - Lifetime JP2948037B2 (ja) | 1992-12-15 | 1992-12-15 | 燃料電池発電プラント |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2948037B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009217951A (ja) * | 2008-03-07 | 2009-09-24 | Panasonic Corp | 燃料電池システム |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4441168B2 (ja) * | 2002-11-18 | 2010-03-31 | 本田技研工業株式会社 | 燃料電池システム |
| GB0621784D0 (en) * | 2006-11-01 | 2006-12-13 | Ceres Power Ltd | Fuel cell heat exchange systems and methods |
| JP2010108628A (ja) * | 2008-10-28 | 2010-05-13 | Espec Corp | 燃料電池用水収支計測装置、燃料電池評価試験装置、並びに、燃料電池システム |
| JP5946298B2 (ja) * | 2012-03-12 | 2016-07-06 | アイシン精機株式会社 | 燃料電池システム |
-
1992
- 1992-12-15 JP JP4334642A patent/JP2948037B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009217951A (ja) * | 2008-03-07 | 2009-09-24 | Panasonic Corp | 燃料電池システム |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH06188016A (ja) | 1994-07-08 |
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