JPH01154469A - 燃料電池の自動起動制御方法 - 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】 〔産業上の利用分野〕 この発明はりん酸型、アルカリ型などの燃料電池のうち
自動起動制御装置を有する燃料電池の自動起動制御方法
、ことに燃料電池に発生した故障の早期発見を可能にす
る制御方法に関する。

〔従来の技術〕

第４図に燃料電池の一般的な系統図を示す。１は電池本
体であって、燃料室２．酸化剤室３．電解液室４および
電解液室４と燃料室２．酸・′−剤空室３それぞれ介在
させられた燃料電極５および酸他剤電極６よりなる。７
は燃料供給源であって、燃料系供給弁１０および圧力調
整弁１５を介して燃料室２に連通される。＠記燃料供給
源７．燃料系供給弁１０．圧力調整弁１５は全体として
燃料系を構成する。８は酸化剤供給源であって、酸化剤
供給弁１１．および圧力調整弁１６を介して酸化剤室３
に連通される。前記酸化剤供給源８．酸化剤供給弁１１
．圧力調整弁１６は全体として酸化剤系を構成する。９
は置換用ガスとしての窒素供給源であり、供給弁１２．
および圧力調整弁１７を介して２方向に分岐され、一端
が逆止弁１８を介して燃料系に連通され、他端が逆止弁
１９を介して酸化剤系に連通される。窒素供給源９．供
給弁１２゜圧力調整、＃ＩＬおよび逆止弁１Ｂ、　１９
は全体として窒素系（一般には置換用ガス系）を構成す
る。

１３は燃料室側排出弁、１４は酸化剤室側排出弁である
。なお、置換用ガスとしては窒素のほかにアルゴン、ヘ
リウム等の不活性ガスを用いることもできるが、以下の
説明では窒素を用いた例について述べる。ここで、窒素
系の圧力調整弁１７は燃料系、酸化剤系の圧力調整弁１
５．１６に比して調整圧力をやや低め（差圧２００　ｅ
ｒａ水柱以下）に設定してあり、このため窒素供給弁１
２が常時開いた状態においても、燃料供給弁１０．ある
いは酸化剤供給弁１１が開けば、燃料系または酸化剤系
の圧力が窒素系圧力調整弁１７の設定圧力より高めにな
るため窒素は流入されず、逆に前記燃料供給弁１０．あ
るいは酸化剤供給弁１１が閉じ、かつ燃料、酸化剤が系
外に放出されて燃料系、酸化剤系の圧力が窒素系圧力調
整弁１７の設定値以下になったとき、窒素が流入する。

逆止弁１８．１９の役割は、燃料と酸化剤が混合されて
電池本体へ流入しないためのものである。

また、２１　はそれぞれの弁を起動シーケンスに基づい
て制御するシーケンス制御部、２２はシーケンス制御部
の起動シーケンスに基づいて弁を開閉制御する駆動回路
、２３は電池電圧の検出部であり、起動制御回路２１．
駆動回路２２．および電圧検出部２３は全体として自動
起動制御装置を構成する。第５図は自動起動制御装置の
起動シーケンスを示すタイムチャートであり、以下第４
図および第５図に基づいて燃料電池の起動動作を説明す
る。起動制御回路２１に時刻ｔ、で起動信号が入力され
ると、第５図に示すように時刻も、で立上がる窒素（Ｎ
２）系供給弁１２の駆動電圧１２Ｅが出力され、逆止弁
１８．１９を介して燃料室２および酸化剤室３に窒素が
供給され、両室の内圧が安定するに要する幾分の時間を
おいて１．時刻に排出弁駆動電圧１３Ｅ、１４Ｅが出力
されて燃料室排出弁１３および酸化剤室排出弁１４が開
くことにより、燃料系および燃料室中の例えば空気が窒
素に置換され、あとで流入する燃料中の水素（Ｈｚ）と
酸素との混触が回避される。なお酸化剤室の窒素置換は
必要に応じて行われる。燃料室および燃料系が安全上問
題のない程度に窒素ガスで置換されるに必要な所定時間
（１＊　　　１＋時間）を経過した時刻ｔつで燃料系、
酸化剤系双方の供給弁駆動電圧１０Ｅおよび１１Ｅが出
力されると、窒素系の圧力が低いために逆上弁１８．１
９は閉じ、燃料室２、酸化剤室３にそれぞれ燃料（Ｎ２
）、酸化剤（０□）が流入して置換が行われ、これに伴
なって燃料電池本体１は起電圧Ｖを発生し、窒素からＨ
１＋　ｏ、への置換の進行に対応して電池起電圧Ｖが上
昇し、やがて規定の開回路電圧Ｖｓに到達する。そこで
、電池起電圧Ｖを検出部２３で検出し、この検出電圧を
シーケンス制御部２１で受け、検出電圧■が前記開回路
電圧Ｖｓを超えた時点し。

で排出弁駆動電圧１３Ｅおよび１４Ｅの出力を停止する
よう起動シーケンスが組まれることにより燃料電池の発
電運転が可能な状態となる。

〔発明が解決しようとする問題点］ 従来方法においては、燃料および酸化剤の供給を開始す
る時刻ｔ２から、燃料室および酸化剤室の窒素が性能上
問題のない程度に置換される時刻ｔ、までの置換時間を
、電池電圧Ｖが規定の開回路電圧Ｖｓに到達したか否か
により判断するよう起動シーケンスが組まれていたため
に、例えば燃料系、酸化剤系の一部に閉塞が生じて燃料
または酸化剤の流量が減少するなどの装置の異常が発生
した場合には、置換操作が延々と続き、ｔ１時点での発
電運転への切換が著しく遅れる不都合が発生する。また
、電池の開回路電圧自体が窒素ガス混入状態でも高い電
圧値を示し、規定の開回路電圧との微少な電圧差により
置換完了か否かを判断することになり、置換完了時点し
、の決定が不正確になり易いという欠点がある。さらに
、長期間使用した燃料電池は徐々に出力電圧が低下する
ことが考えられるので、このような異常モードに対して
は置換完了時点ｔ、の決定が困難になるケースの発生が
予測される。

この発明の目的は、起動シーケンスに装置の異常を検出
する機能を持たせることにより、装置に異常のない場合
には起動から発電運転への移行が安定かつ迅速に行われ
、装置に異常がある場合には発電運転への移行を中断し
てトラブルの発生を防止′することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記問題点を解決するために、この発明によれば、電解
液層を挟持する酸化剤電極および燃料電極と、その両側
に配された酸化剤室および燃料室とを有する単位電池複
数個の積層体からなる燃料電池本体と、それぞれ排出弁
を有する前記燃料室および酸化剤室それぞれに供給弁お
よび圧力調整器を介して燃料および酸化剤を供給する燃
料系および酸化剤系、ならびに両室に供給弁、圧力調整
器、および一対の逆止弁を介して置換ガスを供給する置
換ガス系と、前記各弁を起動シーケンスに基づいて制御
する自動起動制御装置と、前記燃料電池の起電圧検出部
とを具備したものにおいて、燃料電池の起動信号に対応
して置換ガス系の供給弁および少くとも燃料室側排出弁
を開いてあらかじめ定まる所定時間ガス置換を行う第１
のステップを実行し、ついで前記燃料系および酸化剤系
の供給弁および前記酸化剤室側排出弁を開いてあらかじ
め定まる所定時間燃料および酸化剤を供給し置換した後
排出弁を閉じる第２のステップを実行し、このステップ
の終了と同時または幾分遅れて前記起電圧検出部の検出
起電圧を所定の基準電圧と比較して検出起電圧が前記基
準電圧以下であったとき燃料電池の異常と判断して報知
信号を発するとともに少くとも燃料系の供給弁を閉じる
第３のステップを実施するよう前記起動シーケンスが組
まれてなることとする。

〔作用〕

上記手段において、燃料室を含む燃料系、酸化剤室を含
む酸化剤系の一方または両方を窒素置換する第１のステ
ップと、両系それぞれを燃料ガス置換、酸化剤ガス置換
する第２のステップとにそれぞれ嬰する置換時間を正常
な状態の燃料電池装置について実験的にあらかじめ求め
た所定時間になるよう起動シーケンスが組まれるととも
に、第２のステップの終了と同時または終了時点より幾
分遅れて電池電圧が基準電圧としての既定の開回路電圧
に到達したか否かのチエツクを行う第３のステップを実
行し、電池電圧が基準電圧より低い場合には装置に異常
が生じたものと判定して報知信号を発するとともに、燃
料ガスを遮断して起動を中断するようにしたことにより
、装置に異常がない場合にはあらかじめ定まる所定時間
で起動操作を終了して速やかに発電運転を開始できると
ともに、装置に異常が生じた場合には報知信号により異
常が早期に検知され、かつ圧力の高い窒素系から水素が
消費されることにより圧力の下がった燃料系および燃料
室に逆止弁を介して窒素が供給されるので、起動を中断
することによって生ずる酸化剤系との間の圧力差による
電池電極の損傷や両ガスの混触による危険性が回避され
る。

〔実施例〕

以下この発明方法を実施例に基づいて説明する。

第１図はこの発明方法を説明するための装置を示す制御
および配管系統図、第２図は装置に異常がない場合の起
動シーケンス図、第３図は装置に異常が生じた場合の起
動シーケンス図であり、いずれの場合も従来装置、従来
方法と同じ部分には同一参照符号を付すことにより詳細
な説明を省略する。第１図において、電池の起電圧検出
部２３で検出された起電圧２３Ｅはシーケンス制御部３
１の出力信号３１Ｈにより電圧比較のタイミングが制御
される判断回路３４に入力されて基準電圧Ｖｓと比較さ
れる。すなわち、第２図に示すパルスシ−ケンス回にお
いて、起動信号に基づいて時刻ｔ０で立上が４　Ｎ　を
供給弁駆動電圧１２Ｂにより置換ガスとしての窒素が供
給され、燃料室、酸化剤室の圧力が上昇した時刻ｔ、で
排出弁駆動電圧１３Ｂ、　１４Ｅによって排出弁１３お
よび１４が開き、燃料室２および酸化剤室の空気を窒素
に置換する第１のステップが実行されるが、このステッ
プの置換時間ｔｚ　　　ｔａの決定は排出弁１３および
１４から放出される排出ガス中の酸素濃度などを測定す
る実験により酸素濃度が十分に安全な低濃度に低下する
時間を求めることにより、あらかじめ定まる所定時間に
決められる。つぎに、時刻ｔ２で燃料系および酸化剤系
の供給弁１０および１１を開き、窒素を燃料ガスおよび
酸化剤ガスに置換し、時刻ｔ、で排出弁１３および１４
を閉じて、燃料電池を発電運転可能状態とする第２のス
テップにおける置換時間ｔｓ　　　ｔｘの決定も電池起
電圧の経時変化を測定する実験によってあらかじめ定ま
る所定時間に設定され、このようにして決められた時刻
ｔ、において排出弁駆動電圧１３Ｅ。

１４Ｂの出力が停止することによって排出弁１３゜１４
が閉じ、燃料電池本体１は発電運転の待機状態となる。

ここでシーケンス制御部３１から判断回路３４での電圧
チエツクを指令する信号３１Ｅ（図示せず）が出力され
、第２図の場合Ｖｓ＜Ｖなる条件が成立しているので判
断回路３４からは異常信号３４Ｅは出力されず、駆動回
路３２から報知器３５に向けて出力される報知信号３５
Ｂ＃）零となり、燃料電池装置の異常の有無をその起電
圧によってチエツクする第３のステップを含めた起動シ
ーケンスが完了する。

燃料電池装置に異常があった場合には、第３図にその状
態を示すように、電池起電圧■が基準電圧Ｖｓに達しな
いので、異常検出を行う第３のステップにおいてこれを
検知した判断回路３４がｔ１時点またはそれ以後に立上
がる異常信号３４Ｅを出力し、これを受けたシーケンス
制御部３１　が燃料系供給弁駆動電圧１０Ｂの停止と、
異常報知信号３５Ｂの出力を駆動回路２２に指令するの
で、駆動電圧１０Ｅはｔ３時点で零となり、供給弁１０
が閉じて燃料室２への燃料の供給が遮断されるとともに
、報知器３５が異常の発生を報知する。また、燃料の供
給が遮断されたｔ１時点以後においては燃料系および燃
料室が包蔵する燃料ガス中の含有水素が消費されるにし
たがい電池起電圧およびガス圧が徐々に低下し、燃料室
２のガス圧低下を逆止弁１８が感知して窒素系から燃料
系に向けて窒素が供給されるので、燃料系および燃料室
中の滞留ガスは不活性化されて安全性が保持され、かつ
燃料室２と酸化剤室３との間の差圧が窒素系に対する圧
力差（通常２００Ｍ水柱以下）に抑えられ、電極５，６
に損傷を与えたり、電解液が燃料室側に吹き出すなどの
トラブルが回避される。したがって、異常の発生原因の
調査および修復を早期かつ安全に行うことが可能になる
。なお、ｔ１時点と同時または幾分遅れて燃料系および
酸化剤系双方の供給弁１０および１１を閉じるよう起動
シーケンスを組んでもよいことはいうまでもないことで
ある。また、第２のステップにおける置換時間（ｔｓ　
　ｔｚ）の決定にあたっては、起動前の電池温度の影響
を受けるので、この点を考慮して複数段階の置換時間を
選択できるようにしておくことが好ましい。

〔発明の効果〕

この発明方法は前述のように、自動起動制御装置を有す
る燃料電池装置を起動するにあたり、少くとも燃料室を
含む燃料系の空気を不活性ガスに置換する第１のステッ
プと、この不活性ガスおよび酸化剤室を含む酸化剤系の
空気を燃料ガスおよび酸化剤に置換する第２のステップ
との置換時間をあらかじめ定まる所定時間に設定された
起動シーケンスに基づいて実行して発電運転の待機状態
とし、ついで起電圧検出部の検出電圧が基準電圧より低
いとき燃料電池に異常が生じたものと判定して少くとも
燃料の供給を停止し、報知信号を発する第３のステップ
を実行するよう構成した。その結果、第３のステップが
燃料電池の異常の早期検出手段として機能し、燃料系お
よび酸化剤系の閉塞によるガス不足、燃料電池の老化な
ど起電圧低下要因が報知信号によって早期に検知され、
かつ燃料供給の停止により安全性が保持されるので、電
池起電圧のレベルによって起動シーケンスの完了を決め
る従来技術で問題となった装置の故障によって起動シー
ケンスの完了が延々と伸びてしまうという欠点が排除さ
れ、起動シーケンスの組み方の改良により大がかりな故
障監視装置を必要とせずに故障の早期発見、自動監視機
能を有する燃料電池の自動起動制御装置を提供すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例方法を説明するための制御回
路を含む配管系統図、第２図および第３図は実施例方法
を示す起動シーケンス図、第４図は従来装置を示す配管
系統図、第５図は従来装置における起動シーケンス図で
ある。 １・・・燃料電池本体、２・・・燃料室、３・・・酸化
剤室、（７，１０，１５，２）・・・燃料系、（８，１
１，１６，３）・・・酸化剤系、（９、１２，１７，１
８，１９）・・・置換ガス系、１０．１１．１２・・・
供給弁、１３．１４・・・排出弁、２３・・・起電圧検
出部、２１．３１・・・シーケンス制御部、２２゜３２
・・・駆動回路、３５・・・報知器、■・・・起電圧、
ＶＳ・・・基準電圧、ＩＯＥ、ＩＩＢ、１２Ｅ、１３Ｅ
、１４Ｂ・・・駆動電圧、３５Ｂ・・・異常報知信号。 第　１　図 ぢ　２　図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １）電解液層を挟持する酸化剤電極および燃料電極と、
   その両側に配された酸化剤室および燃料室とを有する単
   位電池複数個の積層体からなる燃料電池本体と、それぞ
   れ排出弁を有する前記燃料室および酸化剤室それぞれに
   供給弁および圧力調整器を介して燃料および酸化剤を供
   給する燃料系および酸化剤系、ならびに両室に供給弁、
   圧力調整器、および一対の逆止弁を介して置換ガスを供
   給する置換ガス系と、前記各弁を起動シーケンスに基づ
   いて制御する自動起動制御装置と、前記燃料電池の起電
   圧検出部とを具備したものにおいて、燃料電池の起動信
   号に対応して置換ガス系の供給弁および少くとも燃料室
   側排出弁を開いてあらかじめ定まる所定時間ガス置換を
   行う第１のステップを実行し、ついで前記燃料系および
   酸化剤系の供給弁および前記酸化剤室側排出弁を開いて
   あらかじめ定まる所定時間燃料および酸化剤を供給し置
   換した後排出弁を閉じる第２のステップを実行し、この
   ステップの終了と同時または幾分遅れて前記起電圧検出
   部の検出起電圧を所定の基準電圧と比較して検出起電圧
   が前記基準電圧以下であったとき燃料電池の異常と判断
   して報知信号を発するとともに少くとも燃料系の供給弁
   を閉じる第３のステップを実施するよう前記起動シーケ
   ンスが組まれてなることを特徴とする燃料電池の自動起
   動制御方法。