JPH0471168A - 燃料電池発電プラント - 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、燃料電池発電プラントに係り、特に、その発
電プラントの出力特性を長期にわたって高性能にかつ安
定に維持するのに好適な運転制御手段を具備した燃料電
池発電プラントに関する。

〔従来の技術〕

主に溶融塩型燃料電池を例にして、従来の技術を述べる
。

溶融塩型燃料電池は、アルカリ金属炭酸塩を電解質とし
て約６００〜７００℃の高温で作動させる型の燃料電池
であり、作動温度において炭酸塩が溶融状態となり、炭
酸イオン（Ｃｏ３’−）がイオン伝導体としての役割を
なす。セルの基本構成は、電解質基板に上記電解質が保
持された電解質板の両側に、電極であるアノード（燃料
極）及びカソード（酸化剤極）をそれぞれ配設し、その
外側に、それぞれ燃料ガス室及び酸化剤ガス室を設けて
なり、これを単位電池として複数個積層した積層電池を
ブロックとすることにより、所定の電池電圧が得られる
ようになっている。また、積層電池の大容量化のために
は、電池面積を増大して大電流を流せるようにしている
。

燃料電池は、燃料ガス及び酸化剤ガスをそれぞれ上記各
室に供給することによって、電気化学的反応を起こさせ
、化学エネルギを電気エネルギに直接変換できる効率の
高い直流発電機である。溶融塩型燃料電池では、燃料ガ
スとして、水素（■、）あるいは水素及び−酸化炭素（
ＣＤ）を含有するガスを上記燃料ガス室に、また酸化剤
ガスとして、酸素（０２）及び炭酸ガス（ＣＯ２）を含
有するガスを上記酸化剤ガス室に供給することにより、
外部に電流を取出すことができる。

２１１２＋２ＣＯｊ”−＝２ＣＤ２＋２８２０＋４ｅ−
・・・−（１）式２ＣＬ＋Ｏｉ＋４６＝２ＣＬ２−　　
・−−−−−−−−−−−−・−・・（２）式この電気
化学的反応は、電極表面上で電解質と上記反応ガスが共
存する、いわゆる三相界面で進行すると考えられ、電気
化学的反応をスムーズに、十分な速度で進行させること
ができれば、高い電池性能を維持することができる。そ
のためには、三相界面といわれる電極内の反応場を十分
に確保することが重要である。すなわち、電極比表面積
が広く、かつ電極表面が適度に電解質で濡れており、か
つ電極細孔を適性化して、反応ガスの細孔内拡数をスム
ーズに行なわせるようにすることが必要である。

反応場を広く維持するための制御法として、撥水性制御
、細孔調整制御などが挙げられる。

前者の方式は、例えばリン酸型燃料電池においては、ポ
リテトラフルオロエチレンに代表される撥水剤を、電極
触媒中に適度に存在させて、リン酸の電極に対する濡れ
性を制御する方式であるが、溶融塩型燃料電池において
、該撥水剤に相当する適当な材料は見当らない。

電極細孔径、電解質基板細孔径の関係は、例えば文献〔
ディベロップメント　オブ　モルテン　カーボネート　
　フューエル　セルズ　フオハワーシｚ　＊　レ−ショ
：／　（ＤＢＶＢＬＯＰＭＥＮＴ叶　ＭＯＬＴＥＮ　　
ＣＡＲＢＯＮＡＴＢ　ＦＵＥＬ　　ＣＢＬＬＳ　　ＦＯ
ＲＰＯＩＩＩＥＲＧ日１１ＢＲＡＴＩＯＮ＞　　１９８
０年４月アメリカ合衆国エネルギ省発行〕に示されてい
るように、一般に電解質基板細孔径の方が電極細孔径に
くらべて約１ケタ小さく、平均細孔径は通常１ミクロン
以下であるのに対して、電極細孔径は約３〜１０ミクロ
ンの平均細孔径を有しているのが通常である。

これにより、電解質基板の電解質保持力が電極のそれに
くらべて高くなり、電解質による電極の濡れ過ぎ、ひい
ては電解質による電極細孔の閉塞に伴うガス拡散不良な
どを招かないようにしている。しかし、その反面、電極
表面への電解質移動が阻害されて電解質による濡れ状態
が不十分となり、電気化学的反応の場が不足し、かつイ
オン拡散抵抗の増大を招く可能性もある。

このような撥水性制御や細孔調整制御以外の方法として
、電池運転温度制御、反応ガス分圧制御、反応ガス圧力
調整制御などの方法がある。

電池運転温度制御の場合には、電池運転温度を高めるこ
とにより、電解質イオン拡散や反応ガス拡散の速度も高
くなり、電池部材の固有抵抗も低減し、電極の電解質に
よる濡れ性も変化して電極・電解質板界面の状態が変わ
り、電気化学反応速度が高くなることが多いが、あまり
電池運転温度を高くしすぎると、電池構成部材の腐食が
促進される、電極のクリープあるいは焼結が促進される
、また電解質の蒸散が促進されるなど、電池寿命の低下
を速める要因ともなる。

また、反応ガス分圧制御の場合には、燃料ガス中のＨ２
及び／又はＣＤ分圧、酸化剤ガス中の０゜及びＣＯ２分
圧を高めることにより、確かに電池性能が高くなるが、
水蒸気改質装置あるいは石炭ガス化装置と、燃料電池本
体との組合せによる燃料電池発電プラントでは、反応ガ
ス分圧を任意に高くすることは容易ではない。しいて言
えば、気液分離により水蒸気分圧を低くして反応ガス分
圧を高くすることはできるが、これとても、電池本体内
で炭素析出を防止するという一方の抑制条件からすれば
限界がある。ましてや、大容量の発電プラントになれば
、上記改質装置やガス化装置以外にＨ３源、ＣＤ２源あ
るいは０２源を別に設けることは実際的ではない。

これらの制御法にくらべて、反応ガス圧力調整制御に関
する技術の開示は多くなされている。

例えば、酸化剤ガス側圧力を燃料ガス側圧力よりも高く
する方法（特開昭５７−２０５９７１号公報）、空気圧
力（Ｐ、）を空気供給装置の吐出圧力（Ｐｌ）で、また
燃料圧力（Ｐ３）を空気圧力（Ｐ２）で変化させ、かつ
（Ｐ、−Ｐ２）の差圧を保持する方法（特開昭５８１２
２６８号公報）、負荷出力を検出し、廃水素ガス圧力、
廃空気圧力、改質器出口水素ガス圧力及び空気供給装置
出口空気圧力を、設虱値と検出値との偏差に応じて制御
する方法（特開昭５８−１２８６７３号公報）、空気及
び燃料の各ガス供給側と排呂側の差圧を制御する方法（
特開昭５８−１６６６６９号公報）、負荷の増大時には
燃料ガス、酸化剤ガスの圧力を増大させ、負荷減少時に
は供給する各ガスの圧力を減少させる方法（特開昭６０
−１８９１７７号公報）あるいは空気極と燃料極との極
間差圧を供給空気のみを加減して制御する方法（特開平
１−１９４２６９号公報）、空気極と燃料極との極間差
圧を検出し、損失の高くなった方の放出弁を開いて所定
の範囲に制御する方法（特開平１−１９５６７０号公報
）などがあるが、いずれも電極間のガスクロスオーバの
防止や負荷変動時の電池内ガス圧力の変動制御を目的と
して、各部位のガス圧力あるいは各部位間の差圧を一定
の値に制御する技術を開示しているにすぎない。

−これまで記述してきた方法以外にも、燃料電池の高性
能化、長寿命化という観点での従来技術としては、例え
ば、燃料電池の正・負極に供給する反応物質を互いに入
れ換え、電池の正・負極を変換する発電方法を一回以上
行う方法（特開昭６０−１８９１７７号公報）やカソー
ド又はアノードに供給されるガスに、電解質を含有させ
ることにより電解質の蒸発・蒸散を抑制する方法（特開
昭６１−２４１６６号公報）などがあり、また電池内の
へ電解質貯蔵法に関する技術も多数開示されている。

〔発明が解決しようとする課題〕 上記従来技術は、燃料電池の高性能化並びに長寿命化の
た給の種々の手段・方法として適用されてきたが、これ
以外にも電池の組立精度、電池の運転方法など、電池性
能の発現のためには多くの因子があり、時として発電を
開始してから定格出力に達するまでに、長時間を要する
こともしばしば経験してきた。さらには、長時間の運転
経過に伴い、電解質基板や電極の細孔特性が変化し、そ
れに伴って電解質の存在状態が変化して電気化学的反応
場が減少し、電池性能が低下してくるという問題がある
。

前述のごとき、電池運転温度制御法あるいは反応ガス分
圧制御法は、電池本体の特性を根本的に改善できる方法
ではなく、外部要因によって一時的に電池性能が高ぐな
っても、それらの外部要因を元に戻せば電池性能も元に
戻ってしまうか、あるいはむしろ電池本体を損傷させて
悪い特性状態にしてしまうのが一般的である。

また、前述のごとき反応ガス圧力制御法では、長時間の
運転経過に伴う電解質基板、あるいは電極の細孔特性の
変化や、それに伴う電解質の存在状態の変化による反応
場の減少、電池性能の低下を抑制することはできない。

本発明の目的は、前記した従来技術の欠点を解消し、燃
料電池本体自身の特性を改善し、発電プラントの出力特
性を長期にわたって高性能に、かつ安定に維持するのに
好適な運転制御手段を具備してなる燃料電池発電プラン
トを提供するにある。

〔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、ガス拡散電極
を用いてなる燃料電池発電プラントにおいて、燃料極側
ガス圧力及び／又は酸化剤極側ガス圧力を同時若しくは
それぞれ単独に変化させる機能と、該反応ガス圧力及び
該反応ガス圧力に対応した電池出力を記憶する機能と、
該電池高力が最高値を示す時の燃料極側ガス圧力及び酸
化剤極側ガス圧力に反応ガス圧力を設定する機能とを有
する反応ガス圧力調整制御機構を具備してなることを特
徴とする燃料電池発電プラントとしたものである。

上記反応ガス圧力調整制御機構は、単位電池を複数個積
層してなる単位ブロック毎或は単位ブロックを複数個集
合してなるフルスケールスタック毎に具備し、そして、
燃料電池の特性があらかじめ定とられた指標の設定範囲
をはずれた時に作動させる手段を有するか、一定時間毎
に作動させる手段を有するのがよい。また、上記指標と
しては、電圧、電力、内部抵抗などで設定するのがよい
。

上記のように、本発明は、燃料電池発電プラントの出力
が十分に発現されない場合あるいは出力特性が低下して
きた場合に、上記操作をプラント運転制御機構として組
込むことにより、その特性を発現若しくは回復する方式
を提供するものであり、長期にわたって高性能でかつ安
定な出力特性の維持が達成される。

次に、本発明に至った経過を説明する。前記目的を達成
するた緬には、前述のごとく、電極内の反応場を十分に
確保することが重要であり、電極表面及び電極・電解質
板界面における電解質の存在状態を適性化する必要があ
る。電池性能が発現しにくかったり、電池性能が低下し
てきた時、応々にして電解質の存在状態が不適であり、
電解質がアノード側あるいはカソード側に偏っており、
電極の電解質による濡れの過不足を生じている場合が多
い。

本発明者らは、この電解質存在状態を外部からの簡便な
運転処理により変化させ、そのアンバランスな状態を適
正な存在状態にして電池特性の改善を図る目的で種々の
試みを重ねた結果、本発明に至った。

燃料電池発電プラントの出力が十分でない場合、あるい
はその出力特性が低下してきた場合に、燃料極側ガス圧
力及び／又は酸化剤極側ガス圧力を同時若しくはそれぞ
れ単独に変化させることにより、極間差圧が変化し、そ
れに伴って電池性能が改善されることがわかった。これ
は、極間差圧を変化させることにより、電解質のアンバ
ランスな存在状態が適正な方向の状態に変わったことに
起因していると考えられる。

しかし、極間差圧を変化させればいつも適正な方向の状
態に改善されるわけではなく、時としてより悪い状態に
変化することもありうる。

また、電解質の電極表面あるいは電極・電解質界面にお
ける存在状態は発電プラントの運転経過によっても変化
していく。したがって、極間差圧を変化させながら電池
性能が最も良好に発現する状態、すなわち、電解質の適
正な存在状態を見極める操作が必要になる。本発明は、
このような操作を可能にするための手段を提供するもの
であり、そのような機構を具備してなる燃料電池発電プ
ラントを提供するにある。

〔作　用〕

さらに具体的に本発明の作用効果を説明する。

前述のごと〈従来から、電池内容部位のガス圧力、例え
ば燃料極大口側ガス圧力、燃料極出口側ガス圧力、酸化
剤極大口側ガス圧力、酸化剤極出口側ガス圧力、燃料電
池収納容器内ガス圧力を一定の値に制御したり、これら
各部位間の差圧を一定の値に制御する技術は關示されて
いる。このようなガス圧力制御を実施していても燃料電
池本体の出力特性が低下してくる場合がある。このよう
な場合は、応々にして電解質の存在状態が不適になって
おり、電解質がアノード側あるいはカソード側に偏って
おり、電極の電解質による濡れの過不足を生じている場
合が多い。

本発明による燃料極側ガス圧力及び／又は酸化剤極側ガ
ス圧力を同時若しくはそれぞれ単独に変化させて極間差
圧を変化させるという操作は、電極表面あるいは電極・
電解質界面の電解質存在状態を変化させるという作用効
果を有する。上記の燃料極側ガス圧力及び／又は酸化剤
極側ガス圧力の変化のさせ方については特に限定される
ものではなく、任意のガス圧力変化方式を設定し、それ
をコンピュタに記憶させておく。また、該ガス圧力変化
方式は必要に応じて任意に変更することができる。

例えば、燃料極側ガス圧力を一定値に維持した状態で酸
化剤極側ガス圧力を昇圧側及び／又は降圧側に変化させ
、次に酸化剤極側ガス圧力を一定値に維持した状態で燃
料極側ガス圧力を昇圧側及び／又は降圧側に変化させる
というようなガス圧力変化方式を設定する。該反応ガス
圧力の変化は一定速度で連続的に行うこともできるし、
また一定時間間隔で段階的に行うこともできる。

このようなガス圧力変化の操作に対応して電解質の存在
状態が変化し、それに伴って電池本体の出力特性が変わ
る。そこで、ガス圧力変化方式に従って燃料極側ガス圧
力及び酸化剤極側ガス圧力を記憶させるとともに、その
時の該両反応ガス圧力に対応した出力特性、電圧（Ｖ）
や電力（１’ｌ）を記憶させる。これらの情報を記憶さ
せる時期は特に限定されるものではないが、例えば一定
時間間隔で記憶させてもよいし、あるいは電圧や電力な
どの出力特性が一定になったところで記憶させてもよい
。次に、該ガス圧力変化方式に基づいた操作内において
、最も高い出力特性を示した時の燃料極側ガス圧力及び
酸化剤極側ガス圧力に、電池本体の反応ガス圧力を再設
定し、再び上記の反応ガス圧力調整制御機構が作動する
まで該反応ガス圧力を維持する。

ここで、該反応ガス圧力の検ａ位置は電池本体の入口側
、出口側のいずれでもよい。

上記のような操作を繰り返すことにより、燃料電池発電
プラントの出力特性を長期にわたって高性能でかつ安定
に維持することができる。

該反応ガス圧力調整制御機構についてさらに詳しく述べ
る。燃料極側ガス圧力及び酸化剤極側ガス圧力を変化さ
せるにあたって、例えばまず、燃料極側ガス圧力を微小
範囲、例えば１０〜２０　ｍｍＡｑの範囲で昇圧側及び
／又は降圧側に変化させ、その時の燃料極側ガス圧力及
び酸化剤極側ガス圧力を記憶させるとともに、該両反応
ガス圧力に対応した電池本体の出力特性を記憶させ、該
反応ガス圧力の変化範囲内で最も高い出力特性を示した
時の燃料極側ガス圧力及び酸化剤極側ガス圧力に電池本
体の反応ガス圧力を設定する。

次に、燃料極側ガス圧力を一定に維持し、酸化剤極側ガ
ス圧力を上記と同様に変化させ、その時の燃料極側ガス
圧力及び酸化剤極側ガス圧力を言己憶させるとともに、
該両反応ガス圧力に対応した電池本体の出力特性を記憶
させ、該反応ガス圧力の変化範囲内で最も高い出力特性
を示した時の燃料極側ガス圧力及び酸化剤極側ガス圧力
に電池本体の反応ガス圧力を再設定する。

このような操作を電池出力特性が最高値に達するまで繰
り返し、最終的に最も高い出力特性を示した時の燃料極
側ガス圧力及び酸化剤極側ガス圧力に電池本体の反応ガ
ス圧力を最終設定し、再び上記の反応ガス圧力調整制御
機構が作動するまで該反応ガス圧力を維持する。

このような反応ガス圧力調整制御を繰り返すことにより
、燃料電池発電プラントの出力特性を長期にわたってよ
り高性能にかつより安定に維持することができる。

また、前述の反応ガス圧力の変化範囲は特に限定される
ものではなく、初めは比較的広い範囲で変化させ、徐々
にその範囲を微小範囲に狭めていくようにガス圧力変化
方式を設定することもできる。

燃料電池発電プラントにおける燃料電池本体部は、一般
的に、単位電池を複数個積層して−つの単位ブロックを
形成し、該単位ブロックを複数個集合してフルスケール
スタックとし、該フルスケールスタックの一基以上から
構成される。本発明になる反応ガス圧力調整制御機構を
該フルスケールスタック毎に設けることにより、該フル
スケールスタック毎に反応ガス圧力調整制御を行うこと
ができる。また、燃料電池発電プラントの規模にもよる
が、前記単位ブロック毎に該反応ガス圧力調整制御機構
を設けることにより、各ブロック毎の反応ガス圧力調整
制御を行うこともできる。各ブロック毎の出力特性に対
応して反応ガス圧力調整制御ができるので、より安定な
プラントの運転が可能となる。

なお、各ブロック毎に該反応ガス圧力調整制御機構を設
けず、各ブロックにはそれぞれ反応ガス圧力調整弁は設
けるものの、該反応ガス圧力調整制御機構は切替方式と
し、それぞれのブロックの出力特性に応じて反応ガス圧
力調整制御を行うこともできる。

該反応ガス圧力調整制御機構を作動させる時期は特に限
定されるものではないが、例えば−定時間毎に作動する
ようにプログラミングしてもよいし、また燃料電池発電
プラントの出力特性があらかじめ定められた指標の設定
範囲をはずれた時に作動するようにプログラミングして
もよい。燃料電池発電プラントの出力特性が低下してき
たことを示す指標としては、電池電圧、電力、内部抵抗
などが最も代表的である。

また別の指標としては、燃料極・酸化剤極間の差圧や燃
料電池収納容器内ガス圧力と燃料極側ガス圧力あるいは
酸化剤極側ガス圧力との差圧なども挙げられる。さらに
、任意に選定された特定の単位電池の分極値を指標とす
ることも可能である。ただしこの場合には、指標値検出
端子をかなり多く設けなくてはならないという不利な点
もある。

本発明になる反応ガス圧力調整制御機構を具備してなる
ことを特徴とする燃料電池発電プラント運転方法は、特
に溶融塩型燃料電池発電プラントにのみ適用されるもの
というものではなく、他の方式の燃料電池、例えばリン
酸型燃料電池など、ガス拡散電極を用いてなる燃料電池
発電プラントのいずれにも適用できる。

〔実施例〕

以下、図面に基づき、本発明の内容をより詳細に説明す
るが、本発明はこれに限定されない。

第１図は、本発明になる反応ガス圧力調整制御機構を具
備してなる燃料電池発電プラントの概略系統図である。

第１図のように、この発電プラントは、燃料極１、酸化
剤極２を含んでなる単位電池を複数個積層してなる燃料
電池本体３が燃料電池収納容器４に収納されており、燃
料ガス流量調整弁５、酸化剤ガス流量調整弁６及び燃料
電池収納容器４の内部を不活性ガスでパージするための
パージガス流量調整弁７を介して、燃料ガス、酸化剤ガ
ス及びパージガスがそれぞれ燃料極１１酸化剤極２及び
燃料電池収納容器４に供給される。燃料極１、酸化剤極
２及び燃料電池収納容器４の下流側には、燃料極側ガス
圧力調整弁８、酸化剤極側ガス圧力調整弁９及び燃料電
池収納容器内ガス圧力調整弁１゜がそれぞれ設けられて
おり、燃料電池収納容器４内のガス圧力を検知する圧力
変換器１１の信号が入力される燃料電池収納容器４内の
ガス圧力調整器１２によって燃料電池収納容器内ガス圧
力調整弁１０が操作され、燃料電池収納容器４内のガス
圧力が一定に保たれている。

また、燃料電池収納容器４内のガス圧力と燃料極側ガス
圧力との差圧検出器１３及び燃料電池収納容器４内のガ
ス圧力と酸化剤極側ガス圧との差圧検出器１４が設けら
れ、その信号は本発明の特徴とするところの反応ガス圧
力調整制御機構部１５に送られる。なお、燃料電池本体
３からの電気出力はインバータ１６を経て直流から交流
に変換され、電力系統に接続されて送電される。

該反応ガス圧力調整制御機構部１５は、燃料極側ガス圧
力及び／又は酸化剤極側ガス圧力を同時に若しくはそれ
ぞれ単独に変化させる機能と、該反応ガス圧力及び該反
応ガス圧力に対応した電池出力を記憶する機能と、該電
池出力が最高値を示す時の燃料極側ガス圧力及び酸化剤
極側ガス圧力に反応ガス圧力を設定する機能とを含んで
なる。

すなわち、該反応ガス圧力調整制御機構部１５は、任意
に設定された所定のガス圧力変化プログラムを内蔵して
おり、燃料電池発電プラントの出力特性があらかじめ定
められた指標の設定値の範囲をはずれた時に該ガス圧力
変化プログラムが作動するようになっている。例えば、
定格８カ５００ｋｌｌの燃料電池本体３が１００％連続
負荷運転で稼働していると想定し、その燃料電池本体３
の出力の９５％、４７５ｋＷをきった時点で、該ガス圧
力変−化プログラムが作動し、燃料極側ガス圧力調整器
１７及び／又は酸化剤極側ガス圧力調整器１８によって
、燃料極側ガス圧力調整弁８及び／又は酸化剤極側ガス
圧力調整弁９が操作される。

このようなガス圧力変化の操作に対応して燃料電池本体
３の出力特性が変わる。その時の燃料極側ガス圧力及び
酸化剤極側ガス圧力並びにその時の両反応ガス圧力に対
応した燃料電池本体３の出力は、上記反応ガス圧力調整
制御機構部１５に記憶される。燃料電池本体３の出力特
性が最高値に達するまでこのような操作が繰り返され、
最終的に最も高い出力特性が得られた時点で該反応ガス
圧力調整制御機構部１５の反応ガス圧力制御設定機能が
作動し、その時の燃料極側ガス圧力及び酸化剤極側ガス
圧力に燃料電池本体３の反応ガス圧力を設定し、再び該
反応ガス圧力調整制御機構部１５が作動するまで該反応
ガス圧力を制御、維持する。

該反応ガス圧力調整制御機構部１５には、付帯的に燃料
電池収納容器４内のガス圧力と燃料極側ガス圧力との差
圧及び燃料電池収納容器４内のガス圧力と酸化剤極側ガ
ス圧力との差圧にそれぞれ上限値が設定されており、該
反応ガス圧力調整制御機構部１５の作動時において、そ
れぞれの差圧がその上限値を越えないようにプログラミ
ングしてあり、燃料電池本体３を損傷しないように保護
しである。なお、本発明になる燃料電池発電プラントに
おいて、燃料極側出口ガス及び／又は酸化剤極側出口ガ
スの分析計を装備し、例えば燃料極側出口ガス中の窒素
ガス（Ｎ２）分析値あるいは酸化剤極側出口ガス中の水
素ガス（Ｎ２）分析値が設定された上限値を越えないよ
うに、該反応ガス圧力調整制御機構部１５に、燃料電池
収納容器４内のガス圧力と燃料極側ガス圧力との差圧及
び燃料電池収納容器４内のガス圧力と酸化剤極側ガス圧
力との差圧のそれぞれの上限値を再設定する制御機能を
付帯的に内蔵してもよい。

第２図は、燃料電池収納容器４に収納されてなる燃料電
池本体３をさらに詳しく説明するための図である。

燃料電池本体３は、一般的に、単位電池を複数個積層し
てなる単位ブロック３−１．３−２、−・・・・・３−
ｎの集合体であり、通常これをフルスケールスタックと
称し、燃料電池収納容器４内に収納される。

燃料電池発電プラントにおける燃料電池本体部は該フル
スケールスタックの一基以上から構成される。

本発明になる反応ガス圧力調整制御機構部１５を該フル
スケールスタック（燃料電池本体３）毎に設けることに
より、該フルスケールスタック毎に反応ガス圧力調整制
御を行うことができる。

また、燃料電池発電プラントの規模にもよるが、前記単
位ブロック３−１，３−２、・・・・・３−ｎ毎に該反
応ガス圧力調整制御機構部１５を設けることにより、各
ブロック３−１．３−２、・・・・・・３−ｎ毎の反応
ガス圧力調整制御を行うこともできる。各ブロック３−
１．３−２、・・・・・・３−ｎ毎の出力特性に対応し
た反応ガス圧力調整制御ができるので、より安定なプラ
ントの運転が可能となる。

なお、各ブロック３−１．３−２、・・・・・・３−ｎ
毎に該反応ガス圧力調整制御機構部１５を設けず、各ブ
ロック３−１．３−２、・・・・・・３−ｎにはそれぞ
れ燃料極側ガス圧力調整弁８及び酸化相極側ガス圧力調
整弁９は設けるものの、該反応ガス圧力調整制御機構部
１５は切替方式とし、それぞれのブロック３−１．３−
２、・・・・・・３−ｎの出力特性に応じて反応ガス圧
力調整制御を行うこともできる。

第３図は、上記反応ガス圧力調整制御機構についてさら
に詳しく説明するための図である。

第３図において、Ｘ軸は燃料極側ガス圧力を、Ｙ軸は酸
化剤極側ガス圧力を、Ｚ軸は燃料電池本体３の出力を示
し、燃料極側ガス圧力と酸化剤極側ガス圧力と燃料電池
本体３の出力との関係を、燃料極側ガス圧カ一定時の酸
化剤極側ガス圧力と該出力の関係を示す複数の線と酸化
剤極側ガス圧カ一定時の燃料極側ガス圧力と該出力の関
係を示す複数の線で表わし、それらの線の交点はその点
における燃料極側ガス圧力と酸化剤極側ガス圧力及びそ
れらに対応する燃料電池本体３の出力を意味する。

前述のように、例えば燃料電池本体３の運転出力がその
９５％まで低下した時の、燃料極側ガス圧力、酸化剤極
側ガス圧力及び燃料電池本体３の出力が第３図のＡ点で
あるとする。この時点で該反応ガス圧力調整制御機構部
１５に内蔵されているガス圧力変化プログラムの作動を
開始する。

まず、燃料極側ガス圧カ一定の状態で酸化剤極側ガス圧
力がＡ点の±１０＋ｔ＋ｍＡｑの間、Ｘ＋Ｙ＋とＸ３Ｖ
１の間で変化し、その時の燃料極側ガス圧力、酸化剤極
側ガス圧力及び燃料電池本体３の出力が記憶され、その
範囲内で該出力の高いＸ３ｙ＋に設定され、移行する。

次に、酸化剤極側ガス圧カ一定の状態で燃料極側ガス圧
力がＸ５ｙｔの±１０ｍｍＡｑの間、Ｘ５ＹｏとＸ３Ｙ
２の間で変化し、その時の燃料極側ガス圧力、酸化剤極
側ガス圧力及び燃料電池本体３の出力が記憶され、その
範囲内で咳出力の高いＸ３Ｙ２に設定され、移行する。

以下、Ｘ３７２を挟んでＸ２ｙ２とＸ４Ｙ２の間で変化
して該出力の高いＸ２Ｙ２に移行し、×２ｙ、を挟んで
Ｘ２ＹｌとＸ２Ｖ３の間で変化して該出力の高いＸ２Ｙ
３に移行するという操作の繰り返Ｘしによって、順次燃
料電池本体３の出力が高くなるように該燃料極側ガス圧
力及び該酸化剤極側ガス圧力の設定値が変化していく。

そして、最終的には、該燃料電池本体３の出力が最高値
を示すＢ点（Ｘｒ＋ｙｈ）を挟んでＸｎ−＋ＹイとＸｙ
ｌ＋＋ｙイの間で変化してＢ点くＸイｙ、）に移行し、
Ｂ点（ｘｎｙｎ）を挟んでＸｎｙｎ−＋とＸｎｙｎ＋１
の間で変化してＢ点（ｘｎｙｊに移行し、その段階で該
燃料電池本体３の出力が最高値を示す該反応ガス圧力は
Ｂ点（ＸＩＩｙイ）の値であると判断され、該燃料極側
ガス圧力及び該酸化剤極側ガス圧力に該燃料電池本体３
の反応ガス圧力が最終設定される。次に再び該反応ガス
圧力調整制御機構部１５が作動を開始するまでは該燃料
電池本体３の反応ガス圧力はその条件に維持される。

〔発明の効果〕

本発明によれば、溶融塩型燃料電池、リン酸型燃料電池
など、ガス拡散電極を用いてなる燃料電池発電プラント
において、電池性能が発現しにくかったり、出力特性が
低下してきた場合に、外部からの至極簡便な操作により
、短時間のうちにその出力特性を回復させることができ
、長期にわたってより高性能でかつより安定な出力特性
が維持できるという効果がある。

本発明になる反応ガス圧力調整制御機構によれば、燃料
極側ガス圧力及び／又は酸化剤極側ガス圧力を同時若し
くはそれぞれ単独に変化させることにより、電極表面あ
るいは電極・電解質板界面の電解質存在状態を変化させ
ることができるという作用効果を有しており、該反応ガ
ス圧力調整制御機構部に内蔵されているガス圧力変化プ
ログラムに従って実施される反応ガス圧力調整制御によ
って、燃料電池発電プラントの効果的で高効率な運用が
期待できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の効果の一態様を示す、反応ガス圧力
調整制御機構を具備してなる燃料電池発電プラントの概
略系統図、第２図は、燃料電池収納容器に収納されてな
る燃料電池本体をさらに詳しく説明するための概略系統
図、第３図は、該反応ガス圧力調整制御機構の作動内容
を詳細に説明するための燃料極側ガス圧力と酸化剤極側
ガス圧力と燃料電池本体の出力との関係の一例を示すグ
ラフである。 １・・・燃料極、２・・・酸化剤極、３−１．３−２、
・・・・・・３−ｎ・・・単位ブロック、３・・・燃料
電池本体、４・・・燃料電池収納容器、５・・・燃料ガ
ス流量調整弁、６・・・酸化剤ガス流量調整弁、７・・
・パージガス流量調整弁、８・・・燃料極側ガス圧力調
整弁、９・・・酸化剤極側ガス圧力調整弁、１０・・・
燃料電池収納容器内ガス圧力調整弁、１１・・・圧力変
換器、１２・・・ガス圧力調整器、１３．１４・・・差
圧検出器、１５・・・反応ガス圧力調整制御機構部、１
６・・・インバータ、１７・・・燃料極側ガス圧力調整
器、１８・・・酸化剤極側ガス圧力調整器 特許出願人　　株式会社日立製作所 代　　理　　人　　　中　　　本　　　　　　　定向　
　　　　　井　　　上　　　　　　　間第１図 萼２．出 ２出力 ０発 立市久慈町４０２６番地 株式会社日立製作所日立研 立市久慈町４０２６番地 株式会社日立製作所日立研 充所内 茨城県日立市久慈町４０２６番地 充所内 株式会社日立製作所日立研

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ガス拡散電極を用いてなる燃料電池発電プラントに
   おいて、燃料極側ガス圧力及び／又は酸化剤ガス圧力を
   同時若しくはそれぞれ単独に変化させる機能と、該反応
   ガス圧力及び該反応ガス圧力に対応した電池出力を記憶
   する機能と、該電池出力が最高値を示す時の燃料極側ガ
   ス圧力及び酸化剤側ガス圧力に反応ガス圧力を設定する
   機能とを有する反応ガス圧力調整制御機構を具備してな
   ることを特徴とする燃料電池発電プラント。 ２、前記反応ガス圧力調整制御機構は、単位電池を複数
   個積層してなる単位ブロック毎或は該単位ブロックを複
   数個集合してなるフルスケールスタック毎に具備してな
   ることを特徴とする請求項１記載の燃料電池発電プラン
   ト。 ３、前記反応ガス圧力調整制御機構を、燃料電池の特性
   があらかじめ定められた指標の設定範囲をはずれた時に
   、作動させる手段を有することを特徴とする請求項１又
   は２記載の燃料電池発電プラント。 ４、前記反応ガス圧力調整制御機構を、一定時間毎に作
   動させる手段を有することを特徴とする請求項１又は２
   記載の燃料電池発電プラント。 ５、該指標が、電圧、電力、内部抵抗のうちのいずれか
   一つ以上からなることを特徴とする請求項３記載の燃料
   電池発電プラント。