JPH0337965A - 燃料電池のリサイクルガスの流量計測方法 - 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］ 本発明は、溶融炭酸塩型燃料電池のガスリサイクル運転
方法に係り、特にアノードガスをリサイクルするにおい
て、そのリサイクルガスの流量を正確に検出できる燃料
電池のリサイクルガスの流量計測方法に関するものであ
る。

［従来の技術］ 燃料電池は、水の電気分解の逆の反応であり、水素と酸
素とを化学的に反応させて電気と水とを同時に取出すも
ので、電解質板を燃料極（アノード）と空気極（カソー
ド）の画電極で両面から挟んだセルが多段に１［されて
形成される。

溶融炭酸塩型の燃１′−１電池においては、水素、二酸
化炭素等を含むアノードガスをアノードガス供給ライン
を介して燃料電池のアノードに供給すると共に、酸素、
二酸化炭素等を含むカソードガスをカソードガス供給ラ
インを介してカソードに供給することで、電解質板を介
して水素と酸素が反応して発電が行われる。このとき、
アノード及びカソードからのアノード排ガス及びカソー
ド排ガスは単に捨てられていたが、この種の燃料電池の
ガス消費率が約６〜８割程度と低いために、これを有効
利用すべくアノード排ガスをアノードヘリサイクルする
リサイクル運転装置が創案されている。

この燃料電池の運転温度は、例えば６５０℃と高温であ
り、また圧力も比較的高圧で運転されており、リサイク
ルガスは、アノード側の圧力制御弁やりサイクルブロワ
の保護のためにアノード排ガスを冷却器で２００℃に冷
却した後、リサイクルするようにしている。

ところで、上述した燃料電池のリサイクル運転装置は実
用化のために各種の実験が行われており、このために各
ライン、特にアノードリサイクルラインの流量を正確に
掴む必要があるが、上述のようにリサイクルガスの温度
は、２００℃であり、通常のロータ型の流量計では耐熱
性の関係で使用できない、このため、耐熱性に優れたサ
ーマルフローメータ（熟細管流量型、熱線流量型〉で流
量を計測するようにしている。

このサーマルフローメータは、測定すべき流体の流れる
管内に抵抗線を設け、その抵抗線が流体に当ることによ
る温度降下を利用するものであり、流体中の抵抗線の温
度を一定に保ったときのヒータ電流変化から流体の流量
を検出するものである。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、このサーマルフローメータで計測する流
量は、主に管内レイノルズ数および測定すべき流体の物
性値（温度、圧力、熱伝導率、粘性係数など）に依存し
て大きく変動する。このため実際の測定においては、測
定値に対する、レイノルズ数や物性変化の補正値を演算
により求めることが必要であるが、混合ガスの場合は、
さらに軸圧用の変数が多数になるため、その計算が複雑
になる問題がある。

本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、アノー
ドガスをリサイクルするにおいてそのリサイクルするア
ノード排ガスの流量を簡単にしかも正確に測定できる燃
料電池のリサイクルガスの流量計測方法を提供すること
を目的とする。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、上記目的を達成するために、燃料電池のアノ
ードにＮ２．Ｎ、、Ｈ，Ｏ，Ｃｏ□などの混合ガスから
なるアノードガスを供給すると共にその排ガスをアノー
ドにリサイクルするに際し、アノード排ガスを約２００
℃に冷却し、その排ガスのガス混合比を計測した後、サ
ーマルフローメータにて流量を計測し、他方、排ガスの
混合ガス中のＮ２ガス混合割合に対する流量補正値のテ
ーブルを求めておき、上記検出したＮ２混合比より上記
テーブルを基に流量補正値を求めると共にその流量補正
値よりサーマルフローメータにて計測した流量を補正す
るものである。

［作用コ 上記の構成によれば、Ｈ，、Ｎ２．Ｎ２０゜ＣＯ２など
の混合ガスからなるアノードガス中、Ｎ２は、他のＮｔ
　、Ｎ２ｏ、Ｃｏ２ガスより熱伝導度が７〜１０倍高く
、混合ガスの平均熱転導度は、その水素ガス濃度に依存
するため、予め混合ガス中のＮ２ガス混合割合に対する
流量補正値のテーブルを求めておくことで、サーマルフ
ローメータで計測した流量の指示値を、テーブルから求
めた流量補正値で補正することで簡単にしかも正確な流
量を求めることができる。

［実施例］ 本発明の好適一実施例を添付図面に基づいて説明する。

この燃料電池のリサイクル運転装置を第１図により説明
する。

第１図において、１は上述したセルが多段に積層されて
形成される燃料電池で、その内にアノード室２とカソー
ド室３が形成される。アノード室２には、アノードガス
を供給するアノードガス供給ライン４が接続され、カソ
ード室３には、カソードガスを供給するカソード供給ラ
イン５が接続されると共にその排出側にアノードおよび
カソード排出ライン６．７が接続される。このアノード
排出ライン６にはアノード排ガスをアノードガス供給ラ
イン４に戻すアノードガスリサイクルライン８が接続さ
れ、また同様カソード排ガスをカソード供給ライン５に
戻すカソードガスリサイクルライン９が接続される。

燃料電池ｌから各リサイクルライン８．９に至るアノー
ドおよびカソード排出ライン６．７には、各排出ガスを
冷却する冷却器１０．１１とサーマルフローメータ１２
．１３が接続され、またリサイクルライン８，９より下
流間のアノードおよびカソード排出ライン６．７には、
開閉弁１４．カソード測差圧調整弁１５が接続される。

アノードガスリサイクルライン８には、アノード測差圧
調整弁１６．ブロワ１７および流量調整弁１８が接続さ
れる。

またカソードガスリサイクルライン９にはブロワ１９．
流量調整弁２０および入口側開閉弁２１を介して触媒燃
焼器２２が接続され、その燃焼器２２の出口側がカソー
ドガス供給ライン５に接続される。アノードガスリサイ
クルライン８には、そのブロワ１７とリサイクル閲流量
調整弁１８間より分岐しアノード排ガスを利用側流量調
整弁２３を介して余剰のアノード排ガスを触媒燃焼器２
２に流し、そこで燃焼させてカソードガスとするアノー
ドガス利用ライン２４が接続される。

また流量調整弁１８とアノード供給ライン４間のアノー
ドガスリサイクルライン８にはリサイクル流量を検出す
る副サーマルフローメータ２５が接続される。またアノ
ード及びカソードブロワ１７．１９には、これと並列に
能力調整用制御弁２６．２７が接続される。

カソードガスリサイクルライン９には、これより分岐し
て触媒燃焼器２２の出口と接続するバイパスライン２８
が接続され、そのバイパスライン２８に、出口側開閉弁
２９が接続される。

この第１図の燃料電池のリサイクル運転装置において、
リサイクル運転中、アノード排出ライン６の開閉弁１４
は閉じられ、燃料電池１のアノード排ガスは、冷却器１
０を通って２００℃に冷却された後、アノードガスリサ
イクルライン８に戻され、カソード排ガスはカソードリ
サイクルライン９に戻されると共に一部差圧調整弁１５
を介して排出される。この際、燃料電池１のアノード室
２とカソード室３の圧力が一定になるよう、圧力差を差
圧検出器（図示せず）で検出し、各差圧調整弁１６，１
５を制御している。

アノードガスリサイクルライン８に戻されたアノード排
ガスは、ブロワ１７よりリサイクルｒＩＩＪ流量調整弁
１８を介してアノード供給ライン４に戻され、アノード
供給ライン４からのアノードガスと共に再度アノード室
２に供給され発電反応に供される。ａ方余剰のアノード
排ガスは利用側流量調整弁２３よりアノードガス利用ラ
イン２４に流され、触媒燃焼器２２に流されると共にそ
こで燃焼されてカソードガスとされる。

またカソード排ガスは、冷却器１１にて２００℃に冷却
された後、ブロワ１９．流量調整弁２０および入口ＩＩ
ｌ！ｌ開閉弁２１を介して触媒燃焼器２２に流れ、カソ
ードガス供給ライン５に流れると共にカソードガス供給
ライン５からのカソードガスと共に再度カソード室３に
戻される。

次に本発明におけるサーマルフローメータ１２゜１３．
２５による流量測定方法、特にアノード室３の出口側の
流量を検出するサーマルフローメータ１２について説明
する。

先ず冷却器１０とサーマルフローメータ１２間には、そ
の間を流れるアノード排ガスの各種ガスの成分比を分析
するガス分析器３０．圧力を・検出する圧力検出器３１
．温度を検出する温度検出器３２が設けられる。

上述したように、このサーマルフローメータ１２は、測
定すべき流体の流れる管内に抵抗線を設け、その抵抗線
が流体に当ることによる温度降下を利用するもので有り
、流木中の抵抗線の温度を一定に保ったときのｔ流変化
から流体の流量を検出するものである。

この検出する流量をＱとすると、その論理式は下式（１
）となる。

ただし、ΔＴは設定温度差、λは熱伝達率［Ｋｃ　ａ　
Ｉ／ｍｈ’ｃ］　、Ｐｒはプラントル数、Ｒは細管抵抗
［Ω／ｍｌ、Ｉは加熱電流［Ａ］、Ｂは定数（＝１／ｙ
ｔ２ａ・２ｄ）、Ｐは流体使用圧力［Ｋｇ／ｃｍ２］　
、Ｔは流体仕様温度［℃］、ρ。は密度（ノルマル状態
＞［Ｋｇ／ｍ’　］　、μは粘性係数［１０−’Ｐ］、
Ｋは管内中心流速と平均流速との換算係数、Ａは管断面
積［ｍ２］であり、また定数Ｂ中のａは定数でｄは細管
直径［ｍ］である。

このサーマルフローメータにおいては、使用流体、設定
温度、使用管径が定まっていれば、指示値［Ｒ２１］よ
り、直ちに流量Ｑを求めることができる。しかし使用流
体、設定温度、使用管径が相違すればその指示値［Ｒ”
　Ｍ　］は大きく相違する。すなわち、上式より、管内
レイノルズ数に影響するに項及び流体の物性値に依存す
る［μ／△丁２・Ｒ２、Ｐ、２／ｌ　］項が、流量精度
に影響する。

今、設計流体温度Ｔ’Ｃおよび流体温度ｔ℃において下
式が成立する。

ｘ［Ｒ’ Ｉ４１代 ｘ［Ｒ’ Ｉ４〕１、 上記（２）、（３）式より指示Ｒ’Ｉ’にて次式が成立
する。

ｘ　［Ｒ２１’　１　ｔｃ （Φ ただし、（Ｋ　＝ｃ／　Ｋ　？Ｃ）Ｎ１となる。

従って流木温度ｔ℃の場合サーマルフローメータの指示
値に流量補正係数［（μ／Δ７２　・Ｒ１・Ｐ　ｒ　”
’　）　ｔｃ／　（μ／ΔＴ２　’・λ２．ｐ、！／ｌ
）〒℃］を乗じることで、設計流体温度Ｔ’Ｃの指示値
に変換できる。

また流体温度（設計流体温度）が一定で、流量変化によ
る流量補正係数は下式となる。

しかし、サーマル７０−メータの場合、管のキャリブレ
ーションの相違により、校正段階で全流量範囲にて常用
流量或いは平均流量におけるＫＳを用いて算出した校正
流速にて校正しているため、上式は下式となる。

従って、 指示値［Ｒ２ Ｉ４］、は、 また圧力変化に対しては、流量分布の影響項には管内レ
イノルズ数Ｒｅの関数となり、圧力変化は無視できる。

以上よりサーマルフローメータの求める流量Ｑを示す基
準指示値［Ｒ２）４］は、温度や流速変化など各種運転
条件により予め、変化値に対する補正係数を指示値に乗
ずればよい、すなわち流体温度が変化するのであれば、
その温度変化分と流量補正係数［（μ／Δ７１．λ’　
・Ｐｒ”’　）　ｔｃ／（μ／ΔＴ２・Ｒ２、ｐ　、ｘ
／ｓ　）　、、］とのテテープを作製しておけば、また
キャリブレーションの相違による流速変化であれば、管
径に対するに・／　Ｋ　ａを求めておけばよい。

さて以上は通常の単一の流体に対しての、指示値と補正
係数との関係であるが、燃料電池のアノード排ガスは、
Ｈ＊　、Ｎ、、Ｒ２０，ＣＯ２などの混合ガスであり、
その成分比により、熱伝達率λ、ブラントル数Ｐｒ、密
度ρ。、粘性係数μの平均値が変化する。従って上述し
た流体の物性値に依存する［μ／ΔＴ２・Ｒ２・ｐｒ２
／３］項が、混合ガスの成分比により変わり、これが流
量精度に大きく影響する。またＨ、、Ｎ２．Ｒ２０゜Ｃ
Ｏ２などのガス成分比は、はとんど無限の組み合わせと
なり、上述のような補正テーブルを作製することが困難
である。また個々の成分比から物性の平均値を算出して
上述の（１）式より、コンピュータなどで演算処理すれ
ば、指示値より補正した流量を算出することは可能であ
るがその計算は非常にＳ雑になる。

本発明においては、アノード排ガス中のＨ，が他のガス
より７〜１０倍の熱伝導度を有することに着目し、２０
０℃におけるアノード排ガス中のＨ２ガス混合割合と流
量補正値のテーブルを求める。

次に、このテーブルの求める手段を説明する。

すなわち、第１図に示すように、アノードガス供給ライ
ン４に、それぞれのガス（Ｈ２、Ｎ２　。

Ｈ２０，ＣＯ＊　）を供給するライン４ａ〜４ｄを接続
し、そのライン４ａ〜４ｄに通常のタービン型の流量計
４０ａ〜ｄを接続し、他方アノード側差圧調整弁１６を
閉じ、開閉弁１４を開とする。

同様カソードガス供給ライン５にもそれぞれのガス（Ｃ
Ｏ２＋　Ａ　Ｉ　ＲＯｒ　Ｎ　２　＋、　Ｈ２０，０２
）を供給するライン５ａ〜ｄを接続すると共にタービン
型の流量計５０ａ〜ｄを接続し、他方、流量調整弁２０
を閉じ、カソード側差圧調整弁１５を開とする。この状
態で、燃料電池の発電を行わない状態（負荷を遮断した
状態）にして、サーマルフローメータ１２．１３を通過
する流体の温度を２００℃に保って、各タービン型の流
量計４０ａ〜ｄ、５０ａ〜ｄの流量とサーマルフローメ
ータ１２．１３の指示値とを比較する。この場合、カソ
ードガス流量は、そのサーマル７０−メータ１３の指示
値に上述の式（１）〜（７）による補正係数を乗ずれば
カソード側タービン流量計５０ａ〜ｄの流量値と一致す
る。

一方アノードガスの場合には、サーマルフローメータ１
２の指示値とアノード側のタービン型の：ａ量計４０ａ
〜ｄでの流量とは、相違するため、まず混合ガスの総流
量を一定にし、アノード側のタービン型の流量計４０ａ
〜ｄで、の流量よりガス成分比（或いはガス分析器３０
での成分比）を変え、総流量に対して混合ガス中のＨ２
ガス割合の変化におけるサーマルフローメータ１２の指
示値流量の変化を求める。

このデータを下表に示した。

この表より総流量＜２ＯＮｍ’／ｈ）に対し、２００℃
でのガスの膨張率を考慮し、混合ガス中のＨ２ガス割合
の変化におけるサーマルフローメータ１２の流量指示値
の補正値を算出したテーブルを第３図にグラフとして示
した。この第３図のテーブルから、先ず混合ガス中のＨ
なガス割合における補正値Ｆｏを求め、サーマルフロー
メータ１２の流量指示値を、その補正値Ｆｏで割った値
が、上記表に示してあり、また常用流量に対する流量の
補正係数Ｋｍ／Ｋｙｓ　（＝０．８３３３）を乗じて最
終的に求めた補正値も同時に上記表に示した。

第２図はサーマルフローメータ１２による流量計測補正
のブロック図を示す。

先ず、サーマルフローメータ１２の検出指示値は、ガス
組成パターンを固定した状態での常用流量に対する流量
の補正回路６０にて補正流量Ｑ。

とし、これを演算装置６１に入力する。＠方温度検出器
３２．圧力検出器３１の検出値も演算装置６１に入力さ
れ、演算装置６１は温度が２００℃となるよう第１図に
示した冷却器１０での冷却を制御する。また演算装置６
１は圧力も制御するが、この圧力は、流量の補正には余
り影響がない。しかし、アノードとカソードとの差圧Ｗ
Ｉｎのために、アノード側差圧調整弁１６を制御する。

ガス分析器３０の分析値は演算装置６１に入力され、演
算装置６１の分析回路６２にて混合ガス（アノード排ガ
ス）中のＨ２ガス混合割合が求められ、その値が補正値
（Ｆｏ）読取回路６３に入力され、その読取値が補正演
算回路６４に入力される。この補正演算回路６４には、
サーマルフローメータ１２からの補正流量Ｑｌの入力値
６５が入力され、補正演算回路６４にて、ＱＩｘｌ／Ｆ
ｏが演算され、最終的補正流量Ｑｏが求められる。

以上はアノード排ガスの出口間のサーマルフローメータ
１２の流量補正を説明したが、リサイクル開の副サーマ
ルフローメータ２５でも同様に流量補正が行える。これ
により、アノード排ガスの全リサイクル流量とアノード
室２に戻す流量と触媒燃焼装置２２に流す流量とが正確
に分かり、発電効率、利用率など種々の測定が正確にで
きる。

［発明の効果］ 以上要するに本発明によれば、優れた効果を発揮する。

（１）アノード排ガスの流量をサーマルフローメータで
流量計測するにおいて、その補正値をアノード排ガス中
のＨ２ガス割合を考慮して補正することで、簡単でしか
も正確な流量計測ができる。

（２）高温下でも耐熱性が有り、瞬時に正確な流量測定
ができ、リサイクル制御が正確に行える。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の方法を実施する装置の一例を示す系統
図、第２図は本発明における測定装置のブロック図、第
３図は本発明におけるＨ２ガス割合と補正値のテーブル
を示す図である。 図中、１は燃料電池、２はアノード室、３はカソード室
、４はアノード供給ライン、５はカソード供給ライン、
８はアノードリサイクルライン、９はカソードリサイク
ルライン、１０は冷却器、１２はサーマルフローメータ
、３０はガス分析器である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、燃料電池のアノードにＨ＿２、Ｎ＿２、Ｈ＿２Ｏ、
   ＣＯ＿２などの混合ガスからなるアノードガスを供給す
   ると共にその排ガスをアノードにリサイクルするに際し
   、アノード排ガスを冷却し、その排ガスのガス混合比を
   計測した後、サーマルフローメータにて流量を計測し、
   他方、排ガスの混合ガス中のＨ＿２ガス混合割合に対す
   る流量補正値のテーブルを予め求めておき、上記検出し
   たＨ＿２混合比より上記テーブルを基に流量補正値を求
   めると共にその流量補正値よりサーマルフローメータに
   て計測した流量を補正することを特徴とする燃料電池の
   リサイクルガスの流量計測方法。