JPH0324744B2 - - Google Patents

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JPH0324744B2
JPH0324744B2 JP56211293A JP21129381A JPH0324744B2 JP H0324744 B2 JPH0324744 B2 JP H0324744B2 JP 56211293 A JP56211293 A JP 56211293A JP 21129381 A JP21129381 A JP 21129381A JP H0324744 B2 JPH0324744 B2 JP H0324744B2
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JP
Japan
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temperature
fuel cell
gas
fuel
supply
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JP56211293A
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JPS58112262A (ja
Inventor
Takashi Shigemasa
Yasuo Takagi
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Toshiba Corp
Original Assignee
Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04014Heat exchange using gaseous fluids; Heat exchange by combustion of reactants
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
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  • Fuel Cell (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
発明の技術分野 本発明は燃料電池に係り、特に燃料電池に供給
する空気および燃料ガスの温度制御を行うに好適
な温度制御装置に関する。 発明の技術的背景 一般に、燃料電池は酸化剤としての酸素を含ん
だ空気と燃料としての水素を含んだ水素富化ガス
を電解質を挾んで対面する2つの多孔質の電極に
接触させることにより起電力を発生する如き構成
となつている。これらの2つの電極を外部負荷回
路を通じて接続すると、この回路に電流が流れ、
電池から電力をとりだすことができる。この時、
燃料としての水素及び酸化剤としての酸素が反応
につて消費されるが、これに伴なつて熱が発生す
る。 このように、燃料電池は負荷電流に応じて電池
内部で発熱するので、電池の動作温度が変化す
る。ところが、燃料電池の出力電圧は動作温度に
よつて左右されるので、電池の出力電圧を一定に
保つためには、燃料電池を冷却する必要がある。 かかる要求に対して、特公昭48年第40369号に
於いては、燃料電池を冷却するための冷却回路を
備え、負荷電流の大きさに応じて冷却材の供給温
度を制御することにより燃料電池の動作温度を
略々一定に保つ如き装置が開示されている。この
場合、第1図の特性図に示す如く、冷却回路に供
給される冷却材の入口温度を負荷電流に応じて制
御することにより、動作温度を一定に保つ如き制
御が行なわれる。 ところで、セル面積の狭い小形の燃料電池の場
合は、大容量燃料電池発電システムで用いられる
セル面積の広い大形の燃料電池に比べ、空間的な
広がりが無視でき、特性が均一になるため、上述
の如く冷却材の動作制御を行うだけで、所期の制
御目的を略々達成することができる。 背景技術の問題点 しかしながら、セル面積の広い大形の燃料電池
においては、空間的な性質が無視できず単に冷却
回路の冷却材供給温度制御だけではセルの動作温
度を一定に保持することは困難である。また、供
給ガスの温度と負荷条件によつては燃料電池セル
の供給ガスの入口部で温度が低くなり、中心部で
非常に高くなるというような不均一な温度分布が
生じるため、燃料電池セル内の性能が場所によつ
て変わつて来る。この様な性能の不均一はセル全
体の運転効率を劣化させるもととなり、場合によ
つては燃料電池の寿命を短くする一因となる。 つまり、大容量燃料電池発電システムで用いら
れるセル面積の広い大形の燃料電池を高効率で運
転するには、セル内の温度分布をできるだけ均一
にしかも一定に制御する必要がある。 発明の目的 従つて、本発明の目的は上記従来技術の欠点に
鑑みて、燃料電池に対する供給ガスの温度を制御
することにより、燃料電池の内部温度分布が均一
にしかも一定となるようにした燃料電池の温度制
御装置を提供するにある。 発明の概要 上記目的を達成するために、本発明は、酸化剤
を含む第1のガスと燃料を含む第2のガスとを供
給して電力を発生する燃料電池において、この燃
料電池の動作温度を検出する温度検出器と、検出
された動作温度に基いて前記燃料電池内の温度分
布を平坦化する供給ガス温度の目標値を演算する
信号発生器と、前記第1のガスおよび第2のガス
に対して、それぞれ温度を調節する温度制御器お
よび前記燃料電池への入口部の温度を検出する温
度検出器を含み、この温度検出器の温度検出値と
前記供給ガス温度の目標値との偏差を零にするよ
うに前記温度制御器を制御する第1および第2の
温度制御系とを備えたことを特徴とするものであ
る。 上記構成に基き、本発明に係る温度制御装置
は、燃料電池に供給される空気および燃料ガスの
温度を燃料電池の動作温度に応じて制御すること
により、燃料電池内部の温度分布を均一に制御す
ることを可能とした。 発明の実施例 以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に
説明する。 第2図は本発明の一実施例に係る温度制御装置
のブロツク図で、特に燃料電池発電システムに於
ける供給ガスの温度制御を行う構成を例示するも
のである。同図構成に於いて、ライン2は燃料電
池1に酸化剤である加圧した空気を供給するもの
であり、ライン3は燃料電池1に燃料である水素
富化ガスを供給するものである。供給ライン2か
らの空気は、空気を加熱または冷却してその温度
を調節する温度制御器4を経て燃料電池に供給さ
れている。ここで、空気の供給温度は温度検出器
5により検出される。同様にして、ライン3から
の燃料ガスは、燃料ガスを加熱または冷却してそ
の温度を調節する温度制御器6を経て燃料電池1
に供給されている。ここで、燃料ガスの供給温度
は、温度検出器7により検出される。また、燃料
電池1の動作温度は、燃料電池1内に設置された
温度検出器8により検出され、動作温度信号9は
供給ガス温度目標値を発生する信号発生器10に
入力される。動作温度信号9の入力を受けた供給
ガス温度目標値の信号発生器10は、燃料電池内
の温度分布を均一化する供給ガス温度の目標値信
号11を発生する。 空気供給温度制御装置12は、この供給ガス温
度の目標値信号11を目標値とし、空気温度検出
器5の空気温度信号13をフイーバツク信号とし
て、空気を加熱または冷却してその温度を制御す
る温度制御器4への操作信号14を発生する空気
供給温度制御系を構成している。この空気供給温
度制御系により、燃料電池1の空気供給温度は、
燃料電池1の動作温度に応じた目標値信号11に
対応した温度になるように制御される。 一方、燃料ガス供給温度制御装置15は、供給
ガス温度目標値の信号発生器10からの供給ガス
温度の目標値信号11を目標値とし、燃料ガス温
度検出器7の燃料ガス温度信号16をフイードバ
ツク信号として、燃料ガスを加熱または冷却して
その温度を制御する温度制御器6への操作信号1
7を発生する燃料ガス温度制御系を構成してい
る。この燃料ガス温度制御系により、燃料電池1
の燃料ガス供給温度は燃料電池1の動作温度に応
じた目標値信号11に対応した温度になるように
制御される。 上述した如き構成を通じて、燃料電池1の動作
温度に対応して供給ガスの温度制御系が動作して
従来もつとも温度差の大きい部分であつた燃料電
池1の供給ガス入口部の温度を動作温度にほぼ一
致させることが可能となり、その結果、燃料電池
1内の温度分布を均一に保つことができる。 第3図は、第1表に掲げた条件で燃料電池を運
転した時のセル内の温度分布の説明図で、第3図
【表】 aは条件aに対応し、第3図bは条件bにそれぞ
れ対応するものである。ちなみに、第3図中の数
字の単位は℃である。なお、第1表で、条件aは
空気および燃料ガスの供給温度目標値を冷却水の
供給温度に一致させて運転した時の条件であり、
条件bは、燃料電池の動作温度に近い供給温度目
標値を設定して運転したときの条件である。第3
図から明らかな如く、条件aより条件bで運転し
た方が動作分布は平坦であることがわかる。 一方、第4図はセル内の温度差に対するセル電
圧と動作温度をプロツトした特性図である。第4
図から明らかな如く、セル内の温度分布が均一に
近い条件bの方が、動作温度も高く、しかもセル
電圧が高くなつている。このことから、温度分布
が均一な方が発電効率が良いことがわかる。 上述した如く、空気および燃料ガスの供給温度
を燃料電池1の動作温度に近づくように制御する
ことによつて、セル内の温度分布を平坦化するこ
とができ、その結果、燃料電池の効率を向上させ
ることができる。 なお、上記実施例に於いては、温度検出器8を
燃料電池1のセル内に1個配置する場合を例示し
たが、本発明の実施はこれに限定されるものでは
なく、例えば供給ガスの温度目標値を演算するた
めに、燃料電池内に複数の温度検出器を設置し
て、これらの信号から必要な供給ガス温度の目標
値を演算する如き構成としても良い。 また、供給ガスの温度制御系についても、供給
ガス流量により供給ガス温度の加熱ならびに冷却
の動特性が変化する場合があるので、第5図のブ
ロツク図に示すように、供給ガス流量を検出する
流量検出器18,19を設置し、それらの出力で
ある流量信号20,21によつて各供給ガスの温
度制御装置12,15の制御定数を修正できるよ
うにしても良い。 発明の効果 以上述べた如く、本発明に係る温度制御装置に
よれば、燃料電池に対する供給ガスの供給温度を
燃料電池の動作温度に近づけるように制御するの
で、大形のセル内に於いてもその温度分布をほと
んど均一に制御することができるため、電池の効
率を向上させることができるばかりでなく、電池
の内部インピーダンスを低下させることができる
ので、電池内部の発熱を少くすることができる。
更に、電池の特性が均一化されるので、電池の寿
命が長くなり、従つて、等価的に施設コストを低
減させるという効果もある。一方、電池から取り
出せる最大電流が温度の低い場所の特性によつて
影響を受けることから、セル内の温度を均一に制
御することでこの最大電流をより大きくすること
ができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は従来の燃料電池の温度制御装置の動作
温度と負荷電流の関係を示した特性図、第2図は
燃料電池発電システムの供給ガス温度制御系に適
用される本発明の一実施例に係る温度制御装置の
ブロツク図、第3図a,bは燃料電池のセル内温
度分布の説明図、第4図はセル内の温度差に対す
るセル電圧および動作温度をプロツトした特性
図、第5図は本発明の他の実施例に係る温度制御
装置のブロツク図である。 1……燃料電池、4……温度制御器、5……空
気供給温度検出器、7……温度検出器、8……温
度検出器、10……信号発生器、12……空気供
給温度制御装置、15……燃料ガス供給温度制御
装置。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1 酸化剤を含む第1のガスと燃料を含む第2の
    ガスとを供給して電力を発生する燃料電池におい
    て、この燃料電池の動作温度を検出する温度検出
    器と、検出された動作温度に基いて前記燃料電池
    内の温度分布を平坦化する供給ガス温度の目標値
    を演算する信号発生器と、前記第1のガスおよび
    第2のガスに対して、それぞれ温度を調節する温
    度制御器および前記燃料電池への入口部の温度を
    検出する温度検出器を含み、この温度検出器の温
    度検出値と前記供給ガス温度の目標値との偏差を
    零にするように前記温度制御器を制御する第1お
    よび第2の温度制御系とを備えたことを特徴とす
    る燃料電池の温度制御装置。
JP56211293A 1981-12-25 1981-12-25 燃料電池の温度制御装置 Granted JPS58112262A (ja)

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