JPH0227788B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は電解質を保持したマトリツクス層を
挾んでその両側に燃料電極および空気電極を対向
配置してなる燃料電池本体に対し、各電極へそれ
ぞれ燃料ガスラインおよび空気ラインを通じて燃
料ガス、空気を送り込むように構成された燃料電
池の供給ガス圧力制御方式の改良に関する。

よく知られているようにこの種の燃料電池の本
体は、互に隔置されたアノードとカソードの２枚
の電極間に電解液を保持させた多孔性のマトリツ
クス層が置かれて構成されている。このマトリツ
クス層は多孔質材で作られており、かつ微細孔中
に電解液を保持させる構造となつている。このよ
うなマトリツクス型燃料電池の運転に関しては、
電池を供給する燃料ガス（たとえば水素）及び酸
化剤（例えば空気）の圧力制御が極めて重要な問
題となる。例えば燃料ガスが電解液保持層である
マトリツクス層を透過して隔置された対極に到達
すれば、燃料電池の電気的特性を低下させるばか
りでなく、燃料ガスと空気が混合して爆鳴気をつ
くり、爆発事故を引きおこす可能性を含んでい
る。また、逆に空気がマトリツクス層を透過し
て、対極に到達した場合にも、同様な危険性を含
んでいる。これに対し電解質を保持するマトリツ
クス層は、それ自身で一方の電極側から他方への
電極側に反応ガスが移行するのを抑制するある程
度の泡圧力を有しているとは言え、これには限界
があるし、加えてマトリツクス層は機械的強度が
強く、かつもろいものであることから、マトリツ
クス層を挾む両側の燃料ガス圧と空気圧との間の
圧力差が許容限界を超えると、一方から他方へマ
トリツクス層を透過して前述した燃料ガス空気の
混合による危険、およびマトリツクス層の破損並
びに寿命低下を引き起す。しかも電池本体におけ
るこの圧力差の許容範囲は水柱数十ミリメートル
程度と極めて小さく、このことから燃料電池にお
けるガス供給系統では、燃料ガスラインおよび空
気ラインを通じて燃料電池へ送り込む燃料ガス圧
と空気圧との間に過大な圧力差が生じないように
電池入口側のガス圧に対して1/1000オーダーの極
めて高い精度による供給ガスの圧力制御が要求さ
れる。またこの場合にガス供給系に不測な事態が
生じて圧力変動が生じた際にも、燃料ガスと空気
とが互に直接混合し合わない保証が望まれる。

ところで在来の燃料電池のガス供給系統におけ
るガス圧制御システムは第１図のように構成され
ている。すなわち第１図において、１０は電池本
体であり、燃料電極１１，空気電極１２、マトリ
ツクス層１３、および燃料室１４、空気室１５か
ら構成されている。そして燃料室１４、空気室１
５にはそれぞれ燃料ガスライン２０および空気ラ
イン３０を通じて燃料ガスおよび空気が送り込ま
れる。また各ライン２０，３０にはそれぞれ供
給、圧力調整手段としてのコントロール弁２１お
よび３１が接続されている。なお図中の２２，３
２は凝縮器に通じるベントに通じるものである。
そして燃料ガスは図示されてないリフオーマを経
由し、空気は大気中からそれぞれブロア等により
加圧されて送られてくる。上記のガス供給系統に
対し燃料ガスライン２０と空気ライン３０との間
に差圧検出手段としての差圧発信器４０が接続さ
れており、この差圧発信器４０の出力信号を基に
フイードバツク制御あるいは演算処理によつて、
前記の圧力調整器２１，３１を作動して圧力制御
を行うように構成されている。そして燃料ガスラ
イン２０と空気ライン３０との間で圧力のアンバ
ランスが生じた場合には、電池本体１の入口側で
の燃料ガス圧と空気圧との圧力差が許容値範囲に
収まるように圧力制御を行う。なお図中の４１，
４２，４３は差圧発信器４０の保守、点検、およ
び零点の調整を行うためにそれぞれ燃料ガスライ
ン２０、空気ライン３０および両方のラインの間
にまたがつて介挿された手動止弁であり、差圧発
信器４０の零点調整は止弁４１，４２を閉じ、４
３を開いて電池本体入口側におけるライン２０と
３０の間の圧力バランスを行つた状態で行われ
る。また常時は止弁４１と４２が開、４３が閉の
状態に保持されている。

しかして上記従来の圧力制御システムでは、電
池の運転中に差圧発信器４０の点検、零点調整を
行うことは極めて危険であり、これを行うことが
できなかつた。その理由は、止弁４３を開くと、
燃料ガスと空気とが直接混合し合つて爆発事故を
招く可能性があるためである。また上記システム
では、保守要員が運転中に誤まつて止弁４３を開
いても同様な危険があり、このことが圧力制御シ
ステムにおける安全面での重大な欠点となつてい
る。

また上記のような問題の対策として、第２図に
示す圧力制御方式が提案されている。すなわち第
２図において、燃料ガスライン２０および空気ラ
イン３０とは別に、新たに例えば窒素ガスを用い
た不活性ガスライン５０が設けられている。この
不活性ガスライン５０は、一方において圧力ボン
ベ等の窒素ガス圧力源に接続され、更に電池本体
１０を収容した圧力容器１６にも接続してこの容
器内を不活性ガス雰囲気に保つている。またライ
ン５０の圧力源側には圧力調整用のコントロール
弁５１が介挿されており、この弁５１へ圧力設定
器５２へ設定値を与えて弁５１を作動させること
により、不活性ガスライン５０の供給圧力が所定
の圧力に保持される。一方、不活性ガスライン５
０と燃料ガスライン２０の間、および不活性ガス
ライン５０と空気ライン３０との間にはそれぞれ
差圧発信器６０，７０が接続され、各差圧発信器
６０，７０の出力信号がコントロール弁２１，３
１に与えられるようにされている。また各差圧発
信器の保守点検、零点調整のために、図示のよう
に止弁６１，６２，７１，７２および５３が各ラ
イン２０，３０，５０と直列および相互間にまた
がつて介挿されている。なお符号５４は排気ベン
トである。

かかる方式では、不活性ガスライン５０のガス
圧を基準として、この圧力と燃料ガスの圧力およ
び空気の圧力が比較され、燃料ガスあるいは空気
の電池入口側圧力が変動した際に、その差圧が差
圧発信器６０，７０に検出されてコントロール弁
２１，３１を作動し、差圧を減じる方向に圧力制
御が行われる。また差圧発信器６０，７０の零点
調整は止弁６１，６２，５３、あるいは止弁７
１，７２，５３の間で行われるので、燃料ガスと
空気とが直接混合し合う恐れはなく、それだけ高
い信頼性が得られる。

ところで第１図、第２図のように、差圧発信
器、コントロール弁等で供給ガス圧力制御系を構
成した従来の方式では、その制御性能に限界があ
り、頭述したように燃料電池の作動圧力に対して
その1/1000オーダーの精度で、かつ早い応答特性
が要求される微差圧の制御に対しては、コントロ
ール弁のハンチング現象が瀕繁に発生したり、あ
るいは制御系の不感帯のために制御不能バンド圧
力範囲が発生し、このために燃料ガスあるいは空
気の微少な圧力変動に対して制御系が十に追従で
きない問題が生じる。

この発明はかかん点にかんがみなされたもので
あり、その目的は前記従来の圧力制御方式の欠点
を除去し、在来の制御系をそのまま使用しつつ、
更に新たな要素を追加設置することにより、在来
の制御系では対応できなかつた燃料電池の運転上
要求される微差圧制御を高精度で、しかも応答性
よく達成できるようにした燃料電池の供給ガス圧
力制御装置を提供することにある。

かかる目的はこの発明により、電解質を保持し
たマトリツクス層を挟んで燃料電極および空気電
極を対極させてなる電池本体の各電極へそれぞれ
供給圧力調整手段を備えた燃料ガスラインおよび
空気ラインを通じて燃料ガス、空気を供給し、前
記燃料ガスラインおよび空気ラインとは別に、供
給圧力調整手段を備えた不活性ガスラインを設け
て、該不活性ガスラインを通じて前記燃料電池本
体を収容した容器内へ不活性ガスを供給し、前記
不活性ガスラインと前記燃料ガスラインおよび空
気ラインとの間にそれぞれ設けられた差圧検出手
段で得た差圧信号を基に電池本体の燃料ガス圧と
空気圧との間の差圧を制御するように構成した燃
料電池の供給ガス圧力制御装置であつて、前記燃
料ガスラインおよび空気ラインのそれぞれ前記供
給圧力調整手段の後流側に設けた分岐ラインと、
前記燃料ガスラインおよび空気ラインにそれぞれ
対応して設けられ、互いに底部域で連通し合う二
つのガス室の間の連通路を自由表面を有するシー
ル液体で封じてなる二つの液封器とを備え、前記
二つのガス室の一方のガス室がそれぞれ前記燃料
ガスラインおよび空気ラインの分岐ラインに接続
され、他方のガス室がそれぞれ前記不活性ガスラ
インの供給圧力調整手段の後流側に接続されてな
るように構成したことにより達成される。

以下この発明を図示実施例に基づき詳述する。

第３図において、第２図と同じ符号は同一部品
を示す。さてこの発明により、燃料ガスライン２
０と空気ライン３０にはそれぞれのラインに付属
させて液封器８０と９０が設けてある。この液封
器８０，９０は、互に底部域で連通し合う二つの
ガス室８１，８２および９１，９２を有し、かつ
その連通路には自由表面を有する水等のシール液
体８３，９３が封入されていて、二つのガス室の
相互間を液シールしている。そして各ガス室のう
ち、一方のガス室８１，９１がそれぞれ電池本体
入口側の燃料ガスライン２０、空気ライン３０に
接続され、他方のガス室８２，９２は不活性ガス
ライン５０に接続されている。なお８４，９４は
液面レベル計、８５，９５はドレン弁であり、こ
れ等で外部からの操作で液面のレベルを任意に設
定できる液面レベル調整手段を構成している。ま
た８６，８７および９６，９７は液封器８０，９
０に付属した手動止弁である。なお液封器の構造
は図示例のものに限定されるものではなく、例え
ばマノメータのように二つのガス室の間をＶ字形
の連通路で結んで構成したものでもよい。

次に上記装置の制御動作について述べる。まず
コントロール弁２１，３１および差圧発信器６
０，７０を含む制御系は従来と同様に作動し、燃
料室１４、空気室１５へ供給する反応ガスの供給
圧力を燃料電池の運転上で要される所定の作動圧
力に合わせて圧力制御する。しかして電池本体１
０に対して要求される燃料ガスと空気との差圧許
容限界に近い微差圧の圧力変動が燃料ガスライン
２０、空気ライン３０あるいは電池本体の内部で
生じた場合には、この微差圧は前記の制御糸の不
感帯の範囲に近いため十分に追随制御することが
できない。この場合に、この発明により追加設置
された前記の液封器が有効に作動することにな
る。今燃料ガスライン２０側で圧力変動△_Hが生
じた場合を例として説明する。液封器８０におけ
るガス室８１の圧力は、定常時の圧力P_Hに対し
てP_H±△P_Hに変わる。これに対してガス室８２
の圧力は不活性ガスライン５０で設定された所定
圧力P_Nに保たれており、この圧力P_Nと前記の圧
力P_H±△P_Hとの間の差圧変動分に応じて水位が
変位する。これによつてガス室８１内のガスで占
める容積が変化し、ガス室８１の中の燃料ガスは
圧縮または膨張する。この結果ガス室８１の圧力
変化がそのまま電池本体内の燃料室１４を含む燃
料ガスライン２０に作用して、定常時の圧力P_H
に近い平均化された圧力に近づいて安定する。つ
まりこれによつて圧力変化分が減じ、電池本体内
では燃料ガスと空気との間の差圧はその許容範囲
内に収まることになる。また上記動作は空気ライ
ン側の液封器９０でも同様に行われる。しかもこ
の液封器８０，９０による上記の動作は極めて応
答性もよく、実用的な値として電池本体に要求さ
れる差圧の許容限界である水柱30ミリメートル以
下の微差圧に対しても高感度で動作することが実
験結果からも確認されている。かくして燃料ガス
あるいは空気の圧力が微小変化した場合にも高精
度のもとで液封器８０，９０が素早やく作動して
電池本体を保護することができる。

またこの場合に、不活性ガスライン５０の設定
圧力値を定常運転時における燃料ガスおよび空気
の作動圧力よりも多少高い圧力に設定しておくこ
とにより、次のような格別な効果が得られる。す
なわちコントロール弁２１，３１を含む側の制御
系で停電、油圧喪失などによりコントロール弁２
１，３１の動作不能の状態に陥つた際に、燃料、
空気ガスライン側で大きな圧力降下が生じたとす
ると、この場合に不活性ガス圧を高い圧力に保持
しておけば、液封器８０，９０において、ガス室
８１と８２あるいは９１と９２の間に作用する大
きな圧力差によつてガス室８２，９２側の液面が
大きく押し下げられる。この結果ガス境界となつ
ていた液シールが破れて不活性ガスが直接燃料ガ
スライン２０あるいは空気ライン３０へ流入し、
直ちに電池本体内部での燃料ガス圧あるいは空気
圧を回復させることができる。また前記とは逆に
負荷しや断などにより圧力が反転して燃料ガス、
空気の圧力が大となつた場合には、液封器８０，
９１の中を通じて高圧の燃料ガスあるいは空気が
不活性ガスライン５０の方へ流れ込み、電池本体
１０での過大な圧力を素早やく放圧することがで
きる。つまり液封器８０，９０が放圧器として働
く。またこの場合にも燃料ガスと空気との直接混
合による爆発の危険はない。なお前記の動作は液
封器８０，９０内に封入されているシール液体８
３，９３の定常時における液面レベルによつてそ
の動作特性が左右され、実際には電池本体１０の
保護の面から規定される変動圧力で液シールが破
られるように液面レベルを予め設定しておく必要
がある。このための手段として、先述した液面レ
ベル計８４，９４およびドレン弁８５，９５を用
いることによつて外部から容易に調節することが
できる。

以上述べたようにこの発明によれば、その製作
費も安くかつ殆ど保守を必要としない簡易な構造
の液封器を追加設定したことにより、在来の制御
系では十分に対応し得なかつた燃料ガスあるいは
空気の微小な圧力変動に対しても、これに即応し
た圧力制御を行つて電池本体に供給される燃料ガ
スと空気との間の差圧を許容範囲内に収めて安全
に保護することが可能となり、かくして高精度で
応答性の優れた微差圧制御を達成することができ
るし、また液封器が急激な圧力変動に対しては放
圧安全器として働く。このことにより燃料電池の
運転上での信頼性を大巾に向することができ等、
その効果は極めて大である。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は従来における供給ガス圧
力制御システムを示した燃料電池の燃料ガス、空
気の供給系統図、第３図はこの発明の実施例によ
る系統図である。 １０：燃料電池本体、１１，１２：電極、１
３：マトリツクス層、１４：燃料ガス室、１５：
空気室、２０：燃料ガスライン、３０：空気ライ
ン、５０：不活性ガスライン、２１，３１，５
１：供給圧力調整手段としてのコントロール弁、
５２：圧力設定器、６０，７０：差圧発信器、８
０，９０：液封器、８１，８２，９１，９２：ガ
ス室、８３，９３：シール液体、８４，９４：液
面レベル計、８５，９５：液面レベル調整手段と
してのドレン弁。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 電解質を保持したマトリツクス層を挟んで燃
   料電極および空気電極を対極させてなる電池本体
   の各電極へそれぞれ供給圧力調整手段を備えた燃
   料ガスラインおよび空気ラインを通じて燃料ガ
   ス、空気を供給し、前記燃料ガスラインおよび空
   気ラインとは別に、供給圧力調整手段を備えた不
   活性ガスラインを設けて、該不活性ガスラインを
   通じて前記燃料電池本体を収容した容器内へ不活
   性ガスを供給し、前記不活性ガスラインと前記燃
   料ガスラインおよび空気ラインとの間にそれぞれ
   設けられた差圧検出手段で得た差圧信号を基に電
   池本体の燃料ガス圧と空気圧との間の差圧を制御
   するように構成した燃料電池の供給ガス圧力制御
   装置であつて、前記燃料ガスラインおよび空気ラ
   インのそれぞれ前記供給圧力調整手段の後流側に
   設けた分岐ラインと、前記燃料ガスラインおよび
   空気ラインにそれぞれ対応して設けられ、互いに
   底部域で連通し合う二つのガス室の間の連通路を
   自由表面を有するシール液体で封じてなる二つの
   液封器とを備え、前記二つのガス室の一方のガス
   室がそれぞれ前記燃料ガスラインおよび空気ライ
   ンの分岐ラインに接続され、他方のガス室がそれ
   ぞれ前記不活性ガスラインの供給圧力調整手段の
   後流側に接続されてなることを特徴とする燃料電
   池の供給ガス圧力制御装置。 ２ 特許請求の範囲第１項記載の制御装置におい
   て、不活性ガスの圧力が通常の運転状態では電池
   本体入口側における燃料ガスの圧力および空気の
   圧力よりも大になるように設定されていることを
   特徴とする燃料電池の供給ガス圧力制御装置。 ３ 特許請求の範囲第１項記載の制御装置におい
   て、液封器が器内に封入したシール液体の液面レ
   ベル調整手段を備えていることを特徴とする燃料
   電池の供給ガス圧力制御装置。