JPH04171671A - 燃料電池の異常検出装置 - 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〕 この発明は燃料電池の異常検出装置に関するも（＋） ので、特に反応ガス不足による燃料電池の電池保護に関
する。

〔従来の技術〕

燃料電池にとって反応カスの供給量が不足する事は、電
極の損傷を引き起こす可能性が極めて高いため、運転中
の保護モートとして取り入れねばならない。

特にリン酸型燃料電池においては燃料ガスの欠乏は致命
的である。

反応ガスの欠乏は負荷の急激な上昇時や、改質器の改質
効率低下による水素転化率の低下、流量計の誤動作等が
想定される。

従来ガス欠乏を防止する方法として特開平１−２８６２
５９に示されたように、供給流量を流量計で測定しその
値が設定値以下であるときに停止させる方法がとられて
いた。

また別の方法では特開平＋１９４２７０に示されている
ように、燃料の電池人口と出口の水素濃度を測定して演
算する方法がとられている。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来の燃料電池の異常検出装置は以上のように構成され
ているので前者の場合燃料電池の供給ガスは高温、高水
蒸気分圧であり、この条件で精度良く測定できる流量計
が無く、信頼性がおけないのか実状てあった。

又、後者の場合、水素濃度計は隔膜式では３０秒以上の
応答遅れがあり、演算結果が出た時には既に電極を損傷
してしまった後であり、使いものにならないのが実状で
ありだ。

もちろん水素濃度計にＴＣＤ式を用いれば瞬時応答は望
めるが、定流量を制御するマスフローコントローラーが
、改質器の改質効率変化に依ってガス組成が変化する場
合には信頼性が損なわれる欠点を有している。

その低電気化学的電位測定による方法も隔膜式に比べれ
ば応答速度が早いものであるが、改質器からの燃料カス
中の一酸化炭素の混入によって、精度が期待できないの
が実状であった。

この様に一般に使用されている水素濃度計を用いて、従
来考案されてきた方法では燃料電池のガス欠乏状態を電
極の損傷を来さずに検知し、これを回避する事は困難で
あフだ。

また別に電池の出口におりる燃料ガス圧力が低下した場
合、改質器への燃料カスの供給が不安定化するため、改
質器内の燃焼の不均一化や改質触媒温度の低下を生じ、
結果として水素転化率が低−ドし燃料の実効利用率か上
昇し、電池へのカス欠乏を引き起こすことも有り得る。

本発明の目的は、燃料電池の運転中の反応ガスの欠乏を
瞬時に検知し、電極に損傷を来さずに速やかに運転を停
止すること、または欠乏状態に近づきつつある状況を警
報で知らせるような保護モードを有する燃料電池の異常
検出装置を得ることにある。

〔課題を解決するための手段〕

この発明に係る燃料電池の異常検出装置は、請求項１と
して 運転中の燃料電池への反応ガス入側と出側の圧力差を監
視し、圧力差が燃料電池の負荷に対応する設定値以下に
なったことにより異常を検出するも請求項２として、 なったことにより異常を検出するものである。

〔作用〕

この発明における燃料電池の異常検出装置は反応ガスが
燃料電池を通過する際の圧力損失値が反応ガスの不足を
検知させる。又、燃料電池通過後の圧力値が反応ガスの
不足を検知させる。

この作用を解説したものを以下に記す。

燃料電池における電池内の反応ガスが流れる流路は、一
定の仕様に基づいた形状を有しており、設定された反応
ガスの利用率や負荷レベルによって再現性のある流路圧
損の値を示すことが知られている。

例えば第２図に示したように一定の燃料利用率で負荷レ
ベルを変化させた場合、負荷レベルと流路圧損は直線性
のある関係が観測されている。

もちろん一定の負荷レベルで利用率を変えた場合も、第
３図に示したように設計使用の利用率近辺では利用率と
流路圧損の直線関係が得られている。

これらの関係を利用してカス欠乏状態になる場合の流路
圧損が、各々の負荷レベルに応じて計算できる。

この負荷レベルに対する計算結果を電池の運転停止や警
報発生の設定値とすれば、流路圧損は利用率の急激な上
昇などの状態変化に対し瞬時に応答するため、電極の損
傷を来さずに保護することが可能となる。

また一般にアルカリ型リン酸型燃料電池の場合、改質器
によって改質されたガス成分のうち反応に関与するのは
水素のみである。

この改質器の改質効率が低下した場合、同じ原料投入量
での水素生成量が低下し、改質されないままの原料ガス
がそのまま電池にすることに依って現れる。

この場合原料に用いられているメタノール、メタン等の
反応は下式に依って表される。

メタノール：ＣＨ，、叶＋Ｈ２０＝３Ｈ２＋Ｃ０２メタ
ン：　ＣＨ，＋２１１２０＝４８２＋ｆ；０２このいず
れの場合も未反応原料増加量に対し、水素の減少量はそ
の３〜４倍にもなるため、電池の利用率上昇に対する影
響は大きく、また電池本体に供給される燃料ガス量の減
少も大きい。また電池での水素消費量は負荷・利用率が
一定ならば流路圧損の減少として現われる。そのうえ流
路圧損に一次に影響するカスの粘度か、水素に比へメタ
ノールやメタンは半分以Ｆであるため、水素量の減少が
圧損減少に大きく影響する。

そのため流路圧損の常時評価により改質器の改質効率の
低下か、単に差圧式流量計を電池入口配管に設置するよ
り、極めて積度良く感知することが出来る。

こうして微細な流路圧損変化により、改質効率低下を感
知することが出来るため、電池負荷が急激に上昇したた
めに生じるガス欠乏状態以外での、緩やかな流路圧損減
少に対して改質効率低下が生じているものとして警報を
出すことが出来る。

特に系統電力が負荷に対して並列に接続されている場合
には、急激な負荷上昇は回避され、また一定の量の負荷
を定常的に発電する場合か多いため、通常は流路圧損変
化はほとんど無いため、ト述の改質効率低下に対する警
報はより粘度よく行うことが出来る。

また、電池の出口における燃料ガス圧力が低下した場合
の改質器の触媒温度の変化の例を第６図に示す。この図
に示されるように電池用Ｌ１圧力を一定値以上であるこ
とを監視することが、改質器が正常に動作させることの
条件であることが判る。たたしこの場合改質器の触媒温
度が低下する速度は電池出口圧力低下より遅れるため、
それまでに出口圧力回復が望める場合が多いため、警報
程度で済む場合が多いと考えられる。

〔発明の実施例〕

第１図はこの発明の請求項１における一実施例の燃料電
池の異常検出装置を示す系統図、第２図は各負荷レベル
における流路圧損の関係グラフ、第３図は燃料利用率と
流路圧損の関係グラフ、第４図はこの発明の請求項２に
おける一実施例の異常検出装置を示す系統図である。ま
ず請求項１の実施例について説明する。

第１図において、（１）は図示しない反応ガス即ち、燃
料ガスおよび空気が供給される燃料極（１ａ）および空
気極（１ｂ）などで構成された燃料電池、（２）は燃料
ガスを改質する改質器、（３）は空気送気用のブロアー
、（４）、（５）はそれぞれ燃料カス、空気の供給配管
、（６）は燃料ガスの排ガスを改質器（２）に供給する
燃料排ガス配管、（７）は燃料極における燃料ガスの入
側と出側との圧力差を監視する燃料差圧発信器、（８）
は空気極における空気の入側と出側との圧力差を監視す
る空気差圧発信器、（１１）は燃料差圧発信器（７）、
空気差圧発信器（８）および負荷検出Ｚ＋（１２）のイ
、１号を人力してｎｉｉ算し月力差が負荷に対応する設
定値以下、即ち異常を検知して制御する演算制御器、（
１３）は演算制御器（ＩＩ）により制御される緊急停止
又は警報信号機構である。

次に動作について説明する。

燃料電池本体１に反応ガスとして空気ブロワ−３より空
気が、改質器２より燃料が各々供給され、電池の燃料排
カスは改質器の燃焼ガスとして改質器に供給されている
。

演算制御器（１１）のシーケンサには予め、第２図に示
されるような各負荷レベルにおける流路圧損の関係式、
および第３図に示されるような燃料利用率と流路圧損の
関係式を設定している。

シーケンサては常時、負荷検出器からの負荷レベル信号
と、燃料差ｉｆ発信器（７）がらの燃料側流路圧損信号
、空気差圧発信器（８）がらの空気側流路圧損信号、お
よび燃料用ロ圧カ発イ、ζ器（９）からの燃料出口圧力
信号を取り込み、それらが予め設定された関係式に基づ
いて異常かどうかを判断している。

異常の判断は、負荷の急激な北昇の可能性のある系統並
列の無い単独運転モードの際は、検知された負荷レベル
に対応する計算圧損値に対して通（ｌＯ） 常−２０％以下での電池緊急停止を設定している。

また系統並列のある連携モートでは一５％程度で異常警
報、−１０％で緊急停止が通常設定される。

次に請求項２の実施例について説明する。

第４図において、（９）は燃料極（ｌａ）の燃料ガス出
側に設けられた燃料比１」圧力発信器、（１０）は空気
極（Ｉｂ）の空気ガス出側に設けられた空気出口圧力発
信器、（１４）は燃料出口圧力発信器（９）、空気出口
圧力発信器（１０）および負荷検出器（１２）の信号を
人力して演算し圧力が負荷に対応する設定値以−土、即
ち異常を検知して制御する演算制御器である。

次に動作について説明する。

演算制御シーケンサ１１には予め、第５図に示されるよ
うな各負荷レベルにおける、負荷レベルと燃料出口圧力
の関係式を設定している。この関係式より各負荷レベル
での出口圧力が低下した場合は、第６図に示されるよう
に改質器の燃料温度が低下し、改質効率が低下すること
か判っている。

そこでシーケンサては常時、負荷検出器からの負荷レベ
ル信号と、燃料出口圧力発信器（９）からの燃料出口圧
カイ３号および空気出口圧力発信器（１０）からの空気
出口圧力信号を取り込み、それらか予め設定された関係
式に基づいて異常かどうかを判断している。

異常の判断は、負荷の急激な上昇の可能性のある系統並
列の無い単独運転モードの際は、検知された負荷レベル
に対応する計算圧力値に対して通常−２５％以下での電
池緊急停止にを設定している。

また系統並列のある連携モードては一５％程度で異常警
報、−１０％で・緊急停止Ｆが通常設定される。

なお溶融炭酸塩型の場合には、カソードガスとして空気
だけでなく炭酸ガスとの混合ガスのため、流量計の粒度
が取れないことや、空気側のガス欠による電池損傷の危
険性があるため、空気側の流路圧損監視が重要となる。

これに対しリン酸型ではカソードガスは空気たけであり
、また空気のガス欠は短時間ならば電池の損傷につなが
らないため、空気側流路圧損の監視は、もっばら空気流
量計の故障あるいは誤動作に対するバックアップ的な役
割が大きい。

（発明の効果） 以上のように、この発明によれば 請求項１として 運転中の燃料電池への反応ガス入側と出側の圧力差を監
視し、圧力差が燃料電池の負荷に対応する設定値以下に
なったことにより異常を特徴する請求項２として なったことにより異常を検出する。

以上の構成にしたことにより運転中の反応ガスの欠乏を
瞬時に検知し、電極に損傷を来さず速やかに運転を停止
すること、または欠乏状態に近づきつつある状況を警報
等で知らせるような保護モードを有する燃料電池の異常
検出装置が得られる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の請求項１における一実施例の燃料電
池の異常検出装置を示す系統図、第２図は各負荷レベル
における流路圧損の関係グラフ、第３図は燃料利用率と
流路圧損の関係グラフ、第４図はこの発明の請求項２に
おける一実施例の異常検出装置を示す系統図、第５図は
各負荷レベルにおける、負荷レベルと燃料出口］圧力の
関係グラフ、第６図は燃料ガス圧力低下と改質器の触媒
温度の関係グラフである。 図において、（１）は燃料電池、（７）は燃料差圧発信
器、（８）は空気差圧発信器、（９）は燃料出口圧力発
信器、（１０）は空気出口圧力発信器、（１２）は負荷
検出器、（１１）　、　　（＋４）は演算制御器である
。 尚、図中、同一符号は同一、又は相当部分を小す。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）燃料電池に供給される反応ガスを監視し、上記燃
   料電池の異常を検出する燃料電池の異常検出装置におい
   て、運転中の上記燃料電池への反応ガス入側と出側との
   圧力差を監視し、上記圧力差が上記燃料電池の負荷に対
   応する設定値以下になったことにより異常を検出する燃
   料電池の異常検出装置。
2. （２）燃料電池に供給される反応ガスを監視し、上記燃
   料電池の異常を検出する燃料電池の異常検出装置におい
   て、運転中の上記燃料電池への反応ガスの出側の圧力を
   監視し、上記圧力が燃料電池の上記負荷に対応する設定
   値以下になったことにより異常を検出する燃料電池の異
   常検出装置。