JPH0227787B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の属する技術分野〕 本発明は多数の単電池を積層しかつ直列に接続
してなり、燃料ガスおよび酸化ガスの供給を受け
て発電作用を営む燃料電池内の特定の単位電池の
劣化に基づき燃料電池が重大な損傷を受けあるい
は事故に発展しないように燃料電池を保護する安
全保護装置に関する。

〔従来技術とその問題点〕

最近の大容量の燃料電池は、数十ないし数百個
の単位電池を積層した高さが数メートルに達する
まで大形化されたものが出現しており、かかる積
層された多数の単電池の内の一つでも特性の劣化
を起こすと積層電池全体の性能が急速に悪化する
ばかりでなく、劣化単電池における発熱のために
その付近の単電池までが劣化を生じ、あるいは極
端な場合は劣化単電池内で電解液中の水の電気分
解が起こつて酸素と水が発生し、それぞれ燃料ガ
スと酸素ガス内に混入して爆発の危険にいたるこ
とがある。従つて劣化単電池の存在を早期に見付
けて、適切な措置をとることは、電池全体の保護
の点からも、さらには事故の発生を予防する安全
の点からも、重要な事項となつて来ている。

単電池の劣化の主な原因は電極性能の低下であ
つて、これが進むといわゆる分極を生じるに至
る。水素・空気燃料電池の場合を例にとると、正
常な状態では空気電極の方が電位が高い正極とし
て働き、水素電極の方が電位が低い負極として働
いているが、劣化が進行して分極を起こすと、両
者の電位が逆転して正常な発電作用を営めなくな
り、他の単電池が発電した電力をむしろ消費して
電解液中の水を電気分解するに至る。この電気分
解の際には著しい発熱が伴うとともに、水素電極
からは酸素ガスが、酸素電極からは水素ガスが発
生して危険状態になる。また、かかる劣化は加速
的に進行し、一たん分極を生じ始めると比較的短
時間、たとえば長くても数分以内に危険状態に入
る。

単電池の劣化はもちろん目で見ることができな
いので、ふつうは単電池の発電分担電圧を監視す
ることにより劣化を検出する。しかし、この分担
電圧の劣化に基づく変化はふつう極めて僅かであ
り、正確な変化の予見のためにはミリボルト以下
の精密な測定が必要で、種々の変動要素を含む実
際の運転条件下では、劣化以外の変動要素に基づ
く分担電圧の変化にかくれ易く、劣化の検出は必
ずしも容易でない。さらに、最近の大形燃料電池
では前述のように積層数が数百にも達するので、
単電池ごとに電圧を監視するためには、単電池の
数だけ分担電圧の測定線を多数本電池から引き出
す必要があり、測定線の断線や測定回路中の接触
抵抗の変化の問題点が生じ、また高速度の多点監
視装置が必要となつて測定装置が高価につくこと
は問わないまでも、必要な測定精度の維持と測定
の高速化の点で技術上の困難性があつた。

〔発明の目的〕

本発明は従来のかかる問題点を解決して、十分
な精度で単電池の劣化を早期に検出でき、この予
見に基づいて確実に燃料電池の損傷を保護し事故
防止により運転の安全を確保できる信頼性が高い
安全保護装置を比較的簡単な手段で得ることを目
的とする。

〔発明の要点〕

本発明によれば上述の目的は特定の単電池即
ち、あらかじめ測定された積層単電池の各分担電
圧の内最低の分担電圧を示す特定の単電池の発電
運転時における分担電圧を電圧監視装置により常
時監視しておき、該担電圧が前記特定の単電池に
対してあらかじめ定められた限界値を下回わつた
とき、この電圧監視装置から停止信号を発して燃
料電池の発電を反応ガスの供給を自動停止させる
ようにすることにより達成される。

上述の本発明の基本構成は、燃料電池の初発電
時、初期のならし発電直後、あるいは運転中の定
期点検時に多数の積層単電池の内に最低の分担電
圧を示した単位電池がその後の運転においても常
に最も早く劣化するという数百回の燃料電池の試
作品や実用品の運転結果から得られた知見に基づ
くものである。この知見によつて、どの単電池の
分担電圧を常時監視すればよいかを選定すること
ができるが、この特定の単電池がどのような限界
値を下回わつたときに発電を自動停止させるべき
かという問題がある。この点についても、本件の
発明者達は多数の実験の結果、かかる限界値は電
極の種類によつて異なり、同一の種類の電極では
単電池ごとの差はほとんどないことを見出した。
すなわち、かかる限界値は前述のような分極が始
まる直前の電圧値に設定すべきであるが、たとえ
ばアルカリ電解液を用いる燃料電池の単電池であ
つて、ラネーニツケルやラネー銀を触媒として含
む電極を用いた場合、0.5ボルトがかかる限界値
として適当であり、分担電圧を精密に測定した結
果この限界値を僅かでも下回わると、その後数分
を出ない短時間内にほとんど確実に分極現象が発
生することがわかつた。また触媒としてより強力
な白金やパラジウム系統の貫金属を用いた電極を
持つ電池、たとえばりん酸電解質形の燃料電池の
場合は、かかる限界値は触媒の種類や含有量によ
つて異なるが、限界値は前の例よりもかなり低く
てよく、極端な場合は分担電圧が正から負に変わ
る点を限界値としてよい場合もある。

また、上述のどの単電池の分担電圧を監視すべ
きかを決める際には、電池の運転条件を急に変化
させることにより、最も劣化しやすい単電池を見
つけることが容易になる。例えば、電池の負荷電
流を急に20％程増してやると、経験上劣化しやす
い単電池の分担電圧の変化率が大きいのでこの変
化率を基準に監視すべき単電池を比較的容易に選
出することができる。

以下により電圧を監視すべき単電池と分担電圧
の限界値が決まるので、このように決定された条
件で特定の単電池の分担電池を電池の運転状態に
おいて精密級の電圧監視装置で常時連続的に監視
する。監視すべき対象が限られるので、分担電圧
の測定を切換える必要がなく高精度でかつ信頼度
の高い監視が本発明によつて可能になるととも
に、これにより分極を生じる短時間前に分極を予
知て正確に発電を停止させることができる。上の
電圧監視は電池の負荷状態で行なう必要があり、
無負荷状態で分担電圧を監視しても分極を予知す
ることはできない。また、電圧監視は特定の単電
池だけでなく該特定の単電池を含む積層電池内の
単異ブロツクについて行なつてもよいことはもち
ろんである。

なお発電停止手段としては、最低燃料電池への
反応ガスの供給を停止することが必要である。反
応ガスの停止により、電極の電気化学反応が停止
し電池の劣化を止めることができるからである。
ふつうは反応ガスの供給停止とともに不活性ガス
例えば窒素を電池内のガス区間内に送りこんで反
応ガスと置換することにより、電気化学反応の停
止を早めてやるのがよい。これにより、電池の発
電電圧は急速に低下するから、負荷側でこれを検
知して電池からの供給電流が自動遮断するのがふ
つうであり、あるいは発電停止手段によつて強制
的に負荷を遮断するようにしてもよい。発電停止
後は、公知の手段により劣化単電池の電極に対し
て賦活操作を行つて機能を回復させることがで
き、これが成功しなかつたときには問題の単電池
のみを取替えないしは取除くことになる。

〔発明の実施列〕

以下図を参照しながら本発明の実施例を説明す
る。

図では燃料電池本体は１で示され、複数個（図
では５個）の単電池２を積層した単位ブロツク３
をさらに複数個積層して構成されている。この本
体１の左方には電池が縦断面で示されており、単
電池２が拡大断面で示されている。この各単位電
池２は図示のように燃料ガス側電極としての水素
電極２ａと酸化ガス側電極としての空気電極２ｂ
を含んでおり、これら各電２ａ，２ｂとセパレー
タ板２ａ，２ｂとの間にそれぞれ水素室２ｄと空
気室２ｅとが画成されている。両電極２ａ，２ｂ
の間は電解液室２ｆが形成されており、電解液と
してのりん酸や苛性カリの溶液が満たされてい
る。積層された単電池を貫いて水素マニホールド
孔４と空気マニホールド孔５が設けられており、
これらのマニホールド孔４，５はそれぞれ各単電
池２の前述の水素室２ｄと空気室２ｅとに連通さ
れている。なお図示の水素および空気マニホール
ド孔４，５は入口マニホールド孔のみが示されて
おり、これらに対応した図示しない出口マニホー
ルド孔が同様に積層された単電池を貫いて設けら
れる。電池本体１の両端からは１対の出力端子
８，９が導出され、電池の発電電力はしや断器１
０の１対の接点１０ａ，１０ｂを介して負荷Ｌに
供給される。

電池の付属ガス配管系は図では実線で示されて
おり、図の左端の水素ガス源Ｆからは水素酸管１
１を介して、空気源Ａからは空気配管１２を介し
て水素および空気がそれぞれ前述の水素入口マニ
ホールド孔４および空気入口マニホールド孔５に
供給され、ここから各単電池２の水素室２ｄおよ
び空気室２ｅに送られる。電池１内で一部を消費
された水素および空気は、それぞれ前述の出口マ
ニホールド孔から図の右方の配管１１，１２から
排出される。なお水素側では右方に排出された水
素はふつう左方の配管１１に還流される。また両
配管系１１，１２には、それぞれ図の左方に示さ
れた入口電磁開閉弁１１ａ，１１ｂおよび図の左
方に示された出口電磁開閉弁１１ｂ，１２ｂが介
挿されている。さらに図の左下方に示された不活
性ガス源たとえば窒素ガス源Ｎからの配管１３が
電磁開閉弁１３ａ，１３ｂを介してそれぞれ水素
入口配管１１および空気入口配管１２に接続され
ている。一方、図の右方には水素出口配管１１お
よび空気出口配管１２に接続されたガス排出配管
１４が示されており、該配管１４中の電磁開閉弁
１４ａ，１４ｂをそれぞれ介して電池からの水素
および空気を外方に排出するバイパス排出路が設
けられている。

さて、電圧監視系および発電制御系は図では鎖
線で示されている。図の下方に示された電圧監視
装置１５は、前述のようにしてあらかじめ選ばれ
た特定の単電池６の両端６ａ，６ｂからの分担電
圧を入力しており、それに付属した切換接点とし
て構成された制御接点１５ａは図示のように最初
右方の位置にあり、運転装置１６が付勢されてい
て、これにより前述の水素および空気用の入口電
磁開閉弁１１ａ，１２ａおよび出口電磁開閉弁１
１ｂ，１２ｂがすべて開かれ、かつ遮断器１０は
閉じられている。一方、不活性ガス供給制御装置
１７は付勢されておらず、前述の窒素ガス用電磁
開閉弁１３ａ，１３ｂおよびガス排出用電磁開閉
弁１４ａ，１４ｂはすべて閉じられている。この
正常状態では、電圧監視装置１５で測定されてい
る特定の単電池６の分担電圧では、該電圧監視装
置１５に設定されている限界値vlよりも大であ
り、前述のように出入口電磁開閉弁１１ａ，１１
ｂ，１２ａ，１２ｂはすべて開かれているので、
燃料ガスとしての水素と酸化ガスとしての空気が
燃料電池１に給排され、電池１は閉じられた遮断
器１０を介して負荷Ｌに給電している。

電圧監視装置としては、１ミリボルト以下の精
度で分担電圧を測定する必要があり、各単電池は
定格電流負荷時にたとえば0.7ボルト程度の発電
電圧を分担するので、0.1％以上の精度のものを
用いることが望ましい。かかる精度を有するもの
としては、公知のメータリレのあるものが適して
おり、可動コイル形計器に光電式や発振式の継電
機構を組み合わせたものを利用できる。また図示
のように、電圧監視をすべき対象を特定の単電池
６のみでなく、該単電池を含む単位ブロツク７と
し、その両端の端子７ａ，７ｂ間の単位ブロツク
の分担電圧を電圧監視装置１５に入力してもよ
い。もちろん、この場合には限界値vlを単位ブロ
ツクに応じた限界値に設定しておく。

特定の単電池６の分担電圧が、たとえば初期の
0.7ボルトから限定値vlとして設定された0.5ボル
トを下回わると、電圧監視装置１５の制御接点１
５ａは図の左方に切換わり、運転装置１６が消勢
されると同時に不活性ガス供給制御装置１７が付
勢される。運転装置１６の消勢により、水素およ
び空気供給用の出入口電磁開閉弁１１ａ，１１
ｂ，１２ａ，１２ｂが一斉に閉じられて水素およ
空気の供給が自動停止されると同時に、遮断器１
０が開かれて電池１から負荷Ｌが切り離される。
また不活性ガス供給制御装置１７の付勢により不
活性ガスとしての窒素供給用電磁弁１３ａ，１３
ｂが開かれて電池本体１内の水素ガス区画および
空気区画に窒素が導入される。また、これと同時
にガス排出用電磁開閉弁１４ａ，１４ｂが開かれ
るので、電池内の水素および空気は窒素ガスによ
り置換されてガス排出用配管１４を介して外部に
排出される。このガス置換が十分進行したことを
確認した後、手動操作で不活性ガス供給制御装置
１７も消勢して電磁開閉弁１３ａ，１３ｂ，１４
ａ，１４ｂをすべて閉じることによつて、電池本
体１内のガス区間には不活性ガスが満たされ、電
池本体１は不活性の完全な休止状態に入ることが
できる。なお、前述の運転装置１６と不活性ガス
供給制御装置とは本発明の発電停止手段を制御か
つ構成するもので、電圧監視装置１５とともに図
の下方に一点鎖線で示された監視制御装置１８内
に収納されている。

なお、容易に諒解されるように、上記の監視制
御上の構成および動作は本発明の単なる一実施例
を示すものであり、ガス給排系や不活性ガス供給
系の系統構成、および反応ガス供給停止、不活性
ガス導入開始、負荷回路遮断などの動作シーケン
スには本発明の要旨内で適宜な変形を加えること
ができることはもちろんである。

〔発明の効果〕

以上本説明のとおり、本発明によれば電池の初
発電時等に得られたデータから運転中に最も早く
劣化することが予知される特定の単電池即ち、あ
らかじめ測定された積層単電池の各分担電圧の内
最低の分担電圧を示す特定の単電池を選び出し、
かつ電池の電極に含まれる触媒の種類や含有量か
ら電池が分極を生じる寸前の電圧値としての限界
値をあらかじめ設定しておき、かかる特定の単電
池についてその運転時における分担電圧が当該限
界値を下回わるかどうかを連続的に常時監視し、
該分担電圧が限界値を下回わつたとき電池の発電
作用を自動停止させるようにしたので、電池内に
積層されている数百の単電池のすべてについて電
圧を監視する必要がなくなり、これに応じて電圧
監視装置ないし回路が非常に簡単化できる。これ
と同時に、電圧監視回路を逐次切り換えるような
必要がなくなり、回路内の切換接点などの手段の
不良に基づく監視精度の低下の問題がなくなり、
信頼度の高い安全保護を行なうことができる。ま
た、特定の単電池は連続的に監視されているの
で、分担電圧が限界値を下回わつたことは直ちに
電圧監視装置により検出され、監視周期に基づく
検出のおくれなしに早期に安全保護措置を講じる
ことができる。以上のように、本発明によれば従
来よりも監視精度が高く積層電池内の単電池の劣
化を確実に早期に検出ないし予見でき、これに基
づいて電池が受ける損傷を保護し運転の安全性を
向上することができる。なお、本発明の効果は、
今後ますます燃料電池が大容量化して電池内の単
電池の積層数が増加するにつれて、偉力を発揮す
ることができるものである。

【図面の簡単な説明】

図は本発明による積層燃料電池の安全保護装置
の実施例を示す系統図である。図において、 １：燃料電池本体、２：単電池、３：電池の単
位ブロツク、６：特定の単電池、７：特定の単電
池６を含む単位ブロツク、１１ａ，１１ｂ，１２
ａ，１２ｂ：発電停止手段としての反応ガス用電
磁開閉弁、１３ａ，１３ｂ：発電停止手段として
の不活性ガス導入用電磁開閉弁、１４ａ，１４
ｂ：発電停止手段としてのガス排出用電磁開閉
弁、１５：電圧監視装置としてのメータリレー、
１６：発電停止手段としての運転装置、１７：発
電停止手段としての不活性ガス供給制御装置、で
ある。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 多数の単電池を積層しかつ直列に接続してな
   り、反応ガスの供給を受けて発電作用を営む燃料
   電池の安全保護装置であつて、あらかじめ測定さ
   れた積層単電池の各分担電圧の内最低の分担電圧
   を示す特定の単電池ないしは該特定の単電池を含
   む積層電池の単位ブロツクの発電運転時における
   分担電圧を常時監視する電圧監視装置と、該分担
   電圧が前記単電池ないしは単位ブロツクに対して
   あらかじめ定められた限界値を下回わつたときそ
   の旨の信号を前記電圧監視装置より受けて少なく
   とも燃料電池への反応ガスの供給を自動停止する
   発電停止手段とを備えてなる積層燃料電池の安全
   保護装置。 ２ 特許請求の範囲第１項記載の装置において、
   電圧監視装置が監視する分担電圧の限界値が単電
   池の分極開始電圧よりも僅かに高く設定されるこ
   とを特徴とする積層燃料電池の安全保護装置。 ３ 特許請求の範囲第１項記載の装置において、
   発電停止手段が反応ガスの供給を自動停止した後
   に不活性ガスを燃料電池に供給するようにしたこ
   とを特徴とする積層燃料電池の安全保護装置。 ４ 特許請求の範囲第１項記載の装置において、
   発電停止手段が電圧監視装置からの信号を受けて
   直ちに電池の電気的負荷を遮断するようにしたこ
   とを特徴とする積層燃料電池の安全保護装置。