JPH04315774A - 燃料電池発電システム - Google Patents

燃料電池発電システム

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JPH04315774A
JPH04315774A JP3306388A JP30638891A JPH04315774A JP H04315774 A JPH04315774 A JP H04315774A JP 3306388 A JP3306388 A JP 3306388A JP 30638891 A JP30638891 A JP 30638891A JP H04315774 A JPH04315774 A JP H04315774A
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桑　原　　　武
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雨　宮　　　隆
Ansonii Sandaason Robaato
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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】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、燃料電池発電システム
に係り、特に電池冷却水ラインの警報・保護系に関する
。
【０００２】
【従来の技術】近年、燃料の有しているエネルギーを直
接電気的エネルギーに変換するものとして燃料電池発電
システムが知られている。この燃料電池発電システムは
通常、電解質を挾んで一対の多孔質電極を配置して燃料
電池を構成すると共に、一方の電極の背面に水素などの
燃料を接触させ、また他方の電極の背面に酸素などの酸
化剤を接触させ、この時起こる電気化学反応を利用して
、上記電極間から、電気エネルギーを取り出すようにし
たものであり、上記燃料と酸化剤が供給されているかぎ
り高い変換効率で電気エネルギーを取り出すことができ
るものである。
【０００３】図３及び図４は、一般的な燃料電池の構成
を平面図及び縦断面図にして示したものである。即ち電
解質としてのリン酸をマトリックスに含浸して成る電解
質層を挾んで一対の多孔質電極を配置してなる単セルを
複数個積層してセルスタック１を構成し、その四つの側
面には、反応ガス供給、排出用のマニホールド２，３が
取り付けられている。
【０００４】このマニホールド２には、セルスタック１
を挾んで対向する位置に燃料供給管４と燃料排出管５が
接続され、さらにこれらと直交する方向に延びる空気供
給管６と空気排出管７とがセルスタック１を挾んで対向
する位置に接続されている。
【０００５】またセルスタック１の上下面には、それぞ
れ絶縁板８を介して上部締付板９及び下部締付板１０が
配設され、この締付板９，１０に挿通されたロッド１１
及びその端部のナット１２から成る締付部材によってセ
ルスタック１を構成する単セルが上下から締付固定され
る。
【０００６】そして、以上説明したような燃料電池本体
は、支持脚１３を介して下部タンク１４に設けられた支
持座１５にボルト等により固着された後、中間タンク１
６及びタンク１７によって覆われるように構成される。 また電池内で発生する熱を除去するためスタック内には
複数の冷却板１８が挿入されている。
【０００７】燃料電池の運転により発熱した熱は、入口
ヘッダ９から冷却板１８の通路に通流する冷却媒体とし
ての冷却水により冷却されて運転温度に保持され、出口
ヘッダ２０から排出される。このような燃料電池の冷却
には加圧水冷却方式と沸騰水冷却方式が知られている。
【０００８】加圧水冷却方式は沸騰水冷却方式と比較し
て冷却水量を多量に必要とするため補機動力が大きくな
り、燃料電池発電システムの効率が低下するという問題
がある。このため沸騰水冷却方式を利用することが行な
われている。
【０００９】沸騰水冷却方式は冷却水の蒸発潜熱を利用
しているので冷却水量が少なく補機動力を低減すること
ができる。
【００１０】このような沸騰水冷却方式においては、入
口ヘッダ１９から供給された冷却水は、電池により加熱
され冷却板内で沸騰を開始し出口で液相と気相よりなる
二相流となる。
【００１１】そして冷却板出口管２３を通り、出口ヘッ
ダ２０で各冷却板からの二相流が合流し冷却板出口座２
１からタンク外に出る。その後電池出口管２４を通り気
水分離器２２に入る。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】この場合、沸騰水冷却
方式の燃料電池本体においては、セルスタックの冷却板
は上下方向に積層されているため、高さの差により生じ
る冷却水の水頭により各冷却板を流れる冷却水圧力が異
なるため均一な沸騰が得られない。したがって、スタッ
ク上部と下部とでは冷却板出口での二相流中のボイド率
に大きな偏分布が生じる。このために一般にスタック上
部の冷却板に流れる冷却水量はスタック下部の冷却板に
流れる冷却水量より小さいものとなる。
【００１３】このような傾向は、燃料電池に流入する冷
却水量が何らかの理由で低下した場合、又は電池の負荷
が過大となった場合に顕著に現れる。そして、最悪の場
合には、セルスタック上部の冷却板中では冷却水がほぼ
完全に沸騰して蒸気になってしまい、このため冷却板の
冷却性能が極端に低下し、電池温度が許容上限値を超え
てしまうという問題があった。
【００１４】しかしながら、以上述べたようなセルスタ
ック上下方向にわたって冷却水供給状態が異常となる事
態を適切に検出する手段としては従来優れたものがなく
、異常のまま運転を続行しついには電池破損に至る可能
性があった。
【００１５】例えば、上部セルに熱電対等の温度センサ
ーを挿入すれば、セル温度の異常を検知する事ができる
。しかし通常の発電システムにおける燃料電池は極めて
高いセル電圧となるため、温度センサーの絶縁を十分確
保する事ができず測定は困難であった。
【００１６】本発明は、上述の問題を解決するためにな
されたもので、二相流冷却によるセルスタック上下方向
の冷却水分布が拡大して上部冷却板に入口ヘッダより供
給される冷却水量が限度を超えて減少した場合において
、上部積層セル温度が所定温度以上になる異常状態を確
実に検知できる電池冷却水の警報・保護系を提供するこ
とを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明では、燃料極、酸化剤極及びこれらの両極間に
配置される電解質を有して負荷を電気的に直列に接続さ
れる複数の燃料電池セル、及び冷却管が埋設され前記複
数の燃料電池セル間に配置され、前記燃料電池セルの発
熱を吸収する複数の冷却板とから構成される燃料電池本
体と、前記冷却板に冷却をするための冷却ラインを備え
た燃料電池発電システムにおいて、前記電池本体の上部
に配置された特定の単数又は複数の電池セルの出力電圧
値と基準電圧値との比較により前記冷却ラインの冷却供
給状態の異常判定を行うシステムを提供するものである
。
【００１８】
【作用】本発明の燃料電池発電システムによれば、発電
運転中、電池本体の最上段冷却板間出力電圧値と電池本
体の平均冷却板間出力電圧値の測定を常時行なっている
ので、二相流冷却によるセルスタック上下方向の冷却水
分布が拡大して上部冷却板に入口ヘッダより供給される
冷却水量が限度を超えて減少した場合において、上部積
層セル温度が上昇する事に伴なう上部積層セルの電圧上
昇を前記両者の電圧測定値の比較を行なうことで検知で
きるものとなる。
【００１９】
【実施例】以下本発明の実施例を図１に基づいて詳細に
説明する。
【００２０】図３，４に示した従来装置と同一の要素に
は同一の符号を付して説明は省略する。
【００２１】図１に示したように上段冷却板１８、上か
ら２段目の冷却板１８及び最下段冷却板１８に、それぞ
れ電圧検出端子３１，３２，３３が設けられ、前記電圧
検出端子３１と３２間の最上段ブロック電圧（冷却板間
の数セル分の電圧をブロック電圧と称す。以下ブロック
電圧を使用する。）を測定する最上段ブロック電圧検出
器３４及び前記電圧検出端子３１，３３間の複数ブロッ
ク全体についての全ブロック電圧を測定する全ブロック
電圧検出器３５が構成されている。さらに最上段ブロッ
ク電圧検出器３４及び全ブロック電圧検出器３５は、演
算器３６に取り込まれ演算処理を行ない、この演算処理
の出力値が、二相流冷却の異常を判断した場合、警報・
保護装置３７に信号が出力され、警報又は保護の処置を
行なう様に構成している。
【００２２】かかる構成の燃料電池発電システムにおい
て、電圧検出器２２，２３は、それぞれ最上段ブロック
のみ及び全ブロックの電圧検出を行ない検出電圧値が演
算器２４に入力される。演算器２４では以下の演算が行
なわれる。
【００２３】電圧上昇分ΔＶ＝（最上段ブロック電圧Ｖ
１　）−（平均ブロック電圧ＶＡＶ） 平均ブロック電圧ＶＡＶ＝（全ブロック電圧Ｖ２　）／
ブロック数……（１） 一方、単セル電圧の温度特性の一例を図２に示す。図２
に示す如く、横軸にセル温度、縦軸にセル電圧を取ると
２３０℃程度まで、直線関係となる特性が得られる。
【００２４】従って、二相流冷却によるセルスタック上
下方向の冷却水分布が拡大して、上部入口ヘッダより供
給される冷却水量が限度を超えて減少した場合において
、上部積層セル温度が上昇する事に伴なう上部積層セル
の電圧上昇分ΔＶは、最上段ブロックＶ１　と全ブロッ
ク電圧Ｖ２　を前記（１）式に代入することで、算出さ
れ、このΔＶが許容値以上の場合、異常状態と判定され
警報・保護装置２５に信号が出力される。
【００２５】例えば、運転温度を２０５℃、セル温度上
限値を２３５℃とする時、図２の関係から、セル温度２
０５℃から２３５℃に上昇した場合の電圧上昇分ΔＶ０
　が得られる。従って、（１）式のΔＶがΔＶ０　より
大きくなった場合を、「異常セル温度状態」と判断する
ことができる。
【００２６】以上のような燃料電池発電システムを構成
することにより二相流冷却によるセルスタック上下方向
の冷却水分布が拡大して上部冷却板に入口ヘッダより供
給される冷却水量が限度を超えて減少した場合において
、上部積層セル温度が所定の温度以上になる異常状態を
迅速確実に検知する事ができる。
【００２７】（他の実施例）本発明は上述した実施例以
外の構成を採ることができる。すなわち、電池本体上部
積層セルの電圧値と、電池本体平均セル電圧値等の基準
電圧値との比較により、二相流冷却によるセルスタック
上下方向の冷却水分布が拡大して上部冷却板入口ヘッダ
より供給される冷却水量が限度を超えて減少した場合に
おいて、上部積層セル温度が所定の温度以上になる異常
状態を検知するものである。この場合、上部積層セルの
電圧値及び基準電圧値の電圧検出方法は適宜設定するこ
とができる。
【００２８】例えば、ブロック数が数十ブロックで構成
される燃料電池においては、上段数ブロックの平均ブロ
ック電圧値を、前記上部積層セル電圧値として用いても
十分本発明の内容を満足できる。
【００２９】また、前記基準電圧値としては、セルスタ
ック上下両端ブロックの平均ブロック電圧、又はセルス
タックを数ケに分割した数ケのスタック分割電圧より換
算した平均ブロック電圧を用いても、同等の効果が達成
できる。
【００３０】
【発明の効果】以上説明したように本発明では、燃料電
池発電システムにおける電池本体の上部に配置された特
定の単数又は複数の電池セルの出力電圧値と基準電圧値
との比較処理を行なう様に構成したので、二相流冷却に
よるセルスタック上下方向の冷却水分布が拡大して上部
冷却板に入口ヘッダより供給される冷却水量が限度を超
えて減少した場合に上部積層セル温度が所定の温度以上
になる異常状態を迅速確実に検知する事ができる。この
結果、異常状態のまま運転を続行して電池の破損にいた
ることを防止でき、燃料電池の安全性及びプラントの運
用面で大きな効果を得る事ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す異常検出装置図。
【図２】運転温度と電池電圧の関係を示す電池特性図。
【図３】従来の燃料電池を示す断面図及び上面図。
【図４】従来の燃料電池を示す断面図及び上面図。
【符号の説明】
１　　セルスタック ２，３　　マニホールド ４　　燃料供給管 ５　　燃料排出管 ６　　空気供給管 ７　　空気排出管 ８　　絶縁板 ９，１０　　締付板 １１　　ロッド １２　　ナット １３　　支持脚 １４　　下部タンク １５　　支持座 １６，１７　　中間タンク １８　　冷却板 ２２，２３　　電圧検出器 ２４　　演算器 ３１，３２，３３　　電圧検出端子 ３４，３５　　ブロック電圧検出器 ３６　　演算器

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】燃料極、酸化剤極およびこれら両極間に配
    置される電解質を有する燃料電池セルが複数積層されて
    積層体として構成されたセルスタック、および前記燃料
    電池セル相互間に配置され、前記セルの発生する熱を吸
    収する複数の冷却板を有する燃料電池本体と、前記冷却
    板に冷却媒体を通流させるための手段とをそなえた燃料
    電池発電システムにおいて、基準電圧を供給する基準電
    圧源と、前記電池本体の上部または下部に配された少な
    くとも一つの電池セルの出力電圧を前記基準電圧と比較
    し、この比較結果により前記冷却手段の異常判定を行う
    判定手段とをそなえたことを特徴とする燃料電池発電シ
    ステム。
  2. 【請求項２】１項において、前記判定手段は、前記少な
    くとも一つの電池セルの出力電圧を前記基準電圧と比較
    し、該電池セルの電池特性および前記セルスタックにお
    ける各電池セルの電池特性のばらつきを評価判定するよ
    うにした燃料電池発電システム。
  3. 【請求項３】１項において、前記基準電圧として前記セ
    ルスタックの出力電圧あるいは該セルスタックにおける
    平均的電池セルの出力電圧を用いる燃料電池発電システ
    ム。
  4. 【請求項４】１項において、前記少なくとも一つの電池
    セルとして、前記セルスタックにおける最上段電池セル
    に隣接する冷却板と、この冷却板の次に上段の冷却板と
    に挾まれた上部電池セル、ならびに前記セルスタックに
    おける最下段電池セルに隣接する冷却板と、この冷却板
    の次に上段の冷却板とに挾まれた下部電池セルを用いる
    ようにした燃料電池発電システム。
JP3306388A 1991-02-05 1991-11-21 燃料電池発電システム Expired - Lifetime JP2914802B2 (ja)

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JPH04315774A true JPH04315774A (ja) 1992-11-06
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