JPH06203860A - 積層燃料電池のガス流量制御装置 - Google Patents
積層燃料電池のガス流量制御装置Info
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- JPH06203860A JPH06203860A JP50A JP215493A JPH06203860A JP H06203860 A JPH06203860 A JP H06203860A JP 50 A JP50 A JP 50A JP 215493 A JP215493 A JP 215493A JP H06203860 A JPH06203860 A JP H06203860A
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- H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
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- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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- Y02E60/30—Hydrogen technology
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Abstract
(57)【要約】
【目的】反応ガスのガス欠や供給過剰を早期に検出し、
その検出値を利用して反応ガス流量の制御を迅速かつ適
切に行うことにある。 【構成】単位セル１０の積層体からなり、入口マニホー
ルド２，出口マニホールド３と、反応ガス流量を制御す
る流量調節弁４とを備えた積層燃料電池１において、反
応ガス供給口に近いＡ点に開口した第一の絶縁チュ−ブ
２２と、これから最も遠い出口マニホールドの内壁面近
傍に開口した第二の絶縁チュ−ブ２３と、両絶縁チュ−
ブの他方端に連結された差圧検出器２４とからなる反応
ガス流量の過不足検知手段２４と、差圧検出信号２４Ｓ
が所定のしきい値を越えた時反応ガス流量増量指令を，
差圧検出信号が所定のしきい値を下回った時反応ガス流
量減量指令をそれぞれ流量調節弁に向けて出力するガス
流量制御部とを備えるものとする。
その検出値を利用して反応ガス流量の制御を迅速かつ適
切に行うことにある。 【構成】単位セル１０の積層体からなり、入口マニホー
ルド２，出口マニホールド３と、反応ガス流量を制御す
る流量調節弁４とを備えた積層燃料電池１において、反
応ガス供給口に近いＡ点に開口した第一の絶縁チュ−ブ
２２と、これから最も遠い出口マニホールドの内壁面近
傍に開口した第二の絶縁チュ−ブ２３と、両絶縁チュ−
ブの他方端に連結された差圧検出器２４とからなる反応
ガス流量の過不足検知手段２４と、差圧検出信号２４Ｓ
が所定のしきい値を越えた時反応ガス流量増量指令を，
差圧検出信号が所定のしきい値を下回った時反応ガス流
量減量指令をそれぞれ流量調節弁に向けて出力するガス
流量制御部とを備えるものとする。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、マニホ−ルドを備え
た積層燃料電池における反応ガス（例えば燃料ガスおよ
び空気）の流量制御装置、ことに反応ガスの過不足を反
応ガス圧力により検知して流量を制御するガス流量制御
装置に関する。
た積層燃料電池における反応ガス（例えば燃料ガスおよ
び空気）の流量制御装置、ことに反応ガスの過不足を反
応ガス圧力により検知して流量を制御するガス流量制御
装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】図２はリブ付電極を用いたりん酸形燃料
電池の単位セルを展開して示す斜視図であり、単位セル
１０はりん酸を保持したマトリックス１４を挟んでその
両側に燃料電極１１および酸化剤電極（空気電極）１５
を配した構造となっており、燃料電極１１はガス透過性
の電極基材１１Ａのマトリックス側の面に電極触媒層１
１Ｂを設けたものからなり、空気電極１５も同様に電極
基材１５Ａと電極触媒層１５Ｂとで構成される。電極基
材１１Ａ，１５Ａはそれぞれ燃料ガスの供給溝１２およ
び酸化剤としての空気の供給溝１３を備え、隣接する単
位セル間にガス不透過性のセパレ−ト板１９を配して複
数層積層することにより図示しない積層燃料電池（スタ
ック）が形成される。積層燃料電池の燃料ガス通路１
２，酸化剤通路１３に連通する２対の側壁面それぞれに
は、反応ガス給排出用のマニホ−ルドが設けられ、マニ
ホ−ルドおよび反応ガスの供給溝（燃料ガス通路１２お
よび酸化剤通路１３）を介して燃料電極１１には水素リ
ッチな燃料ガスを，空気電極１５には酸化剤としての空
気を供給することにより、電極触媒層１１Ｂ，１５Ｂ間
で電気化学反応に基づく発電が行われる。なお、反応ガ
スの供給溝をセパレ−ト板側に形成したリブ付セパレ−
ト板を用いた単位セルも知られている。
電池の単位セルを展開して示す斜視図であり、単位セル
１０はりん酸を保持したマトリックス１４を挟んでその
両側に燃料電極１１および酸化剤電極（空気電極）１５
を配した構造となっており、燃料電極１１はガス透過性
の電極基材１１Ａのマトリックス側の面に電極触媒層１
１Ｂを設けたものからなり、空気電極１５も同様に電極
基材１５Ａと電極触媒層１５Ｂとで構成される。電極基
材１１Ａ，１５Ａはそれぞれ燃料ガスの供給溝１２およ
び酸化剤としての空気の供給溝１３を備え、隣接する単
位セル間にガス不透過性のセパレ−ト板１９を配して複
数層積層することにより図示しない積層燃料電池（スタ
ック）が形成される。積層燃料電池の燃料ガス通路１
２，酸化剤通路１３に連通する２対の側壁面それぞれに
は、反応ガス給排出用のマニホ−ルドが設けられ、マニ
ホ−ルドおよび反応ガスの供給溝（燃料ガス通路１２お
よび酸化剤通路１３）を介して燃料電極１１には水素リ
ッチな燃料ガスを，空気電極１５には酸化剤としての空
気を供給することにより、電極触媒層１１Ｂ，１５Ｂ間
で電気化学反応に基づく発電が行われる。なお、反応ガ
スの供給溝をセパレ−ト板側に形成したリブ付セパレ−
ト板を用いた単位セルも知られている。
【０００３】ところで、積層燃料電池に供給する燃料ガ
スおよび空気には、それぞれの反応活物質としての水素
および酸素の利用率が予め設定されており（例えば燃料
ガスで８０％，空気で５０％程度）、この利用率を保持
するよう負荷電流の変化に対応して反応ガス流量の制御
が行われる。すなわち、反応ガス流量をその供給配管に
設けたマスフロメ−タで測定し、得られた流量が負荷指
令に対して適量で有るか否かを判断するとともに、反応
ガス供給配管およびオフガス排出配管から分岐した計測
用配管にガス分析装置を接続して、水素濃度，酸素濃
度，あるいは給排出間の濃度差を測定し、この検出値が
利用率に対してその許容範囲に有るか否かを判定すると
ともに、許容範囲から外れた場合には増量指令あるいは
減量指令を反応ガスの供給系に配された流量制御弁に向
けて出力するよう構成したものが知られている。
スおよび空気には、それぞれの反応活物質としての水素
および酸素の利用率が予め設定されており（例えば燃料
ガスで８０％，空気で５０％程度）、この利用率を保持
するよう負荷電流の変化に対応して反応ガス流量の制御
が行われる。すなわち、反応ガス流量をその供給配管に
設けたマスフロメ−タで測定し、得られた流量が負荷指
令に対して適量で有るか否かを判断するとともに、反応
ガス供給配管およびオフガス排出配管から分岐した計測
用配管にガス分析装置を接続して、水素濃度，酸素濃
度，あるいは給排出間の濃度差を測定し、この検出値が
利用率に対してその許容範囲に有るか否かを判定すると
ともに、許容範囲から外れた場合には増量指令あるいは
減量指令を反応ガスの供給系に配された流量制御弁に向
けて出力するよう構成したものが知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】従来のガス流量制御方
法においては、計測用配管が長く、反応ガスが分析装置
に到達するまでの時間遅れが大きく、且つ分析装置が反
応ガス中の水分除去や反応ガス温度を下げるための前処
理装置を含み、分析操作に時間がかかるという欠点があ
る。このため、負荷の急増，急減等に際して反応ガス流
量制御が追従できず、これが原因で積層燃料電池に反応
ガスのガス欠，または供給過剰が生じ、ガス欠に起因す
る積層燃料電池の寿命低下や、反応ガスの無駄使いによ
る発電効率の低下などの悪影響が発生するという問題が
ある。
法においては、計測用配管が長く、反応ガスが分析装置
に到達するまでの時間遅れが大きく、且つ分析装置が反
応ガス中の水分除去や反応ガス温度を下げるための前処
理装置を含み、分析操作に時間がかかるという欠点があ
る。このため、負荷の急増，急減等に際して反応ガス流
量制御が追従できず、これが原因で積層燃料電池に反応
ガスのガス欠，または供給過剰が生じ、ガス欠に起因す
る積層燃料電池の寿命低下や、反応ガスの無駄使いによ
る発電効率の低下などの悪影響が発生するという問題が
ある。
【０００５】この発明の目的は、反応ガスのガス欠や供
給過剰を早期に検出し、その検出値を利用して反応ガス
流量の制御を迅速かつ適切に行うことにある。
給過剰を早期に検出し、その検出値を利用して反応ガス
流量の制御を迅速かつ適切に行うことにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、この発明によれば、単位セルの積層体からなるスタ
ックが、各単位セルの燃料ガス通路および酸化剤通路そ
れぞれに連通する入口マニホールドおよび出口マニホー
ルドと、入口マニホールドに流入する反応ガス流量を制
御する流量調節弁とを備えた積層燃料電池において、前
記入口マニホールドの反応ガス供給口に近い内壁面近傍
に一方端が開口した第一の絶縁チュ−ブと、前記出口マ
ニホールドの前記第一の絶縁チュ−ブの開口部から最も
遠い内壁面近傍に一方端が開口した第二の絶縁チュ−ブ
と、両絶縁チュ−ブの他方端に連結された差圧検出器と
からなる反応ガス流量の過不足検知手段と、前記差圧検
出器の差圧検出信号が所定のしきい値を所定レベル越え
た時反応ガス流量増量指令を，差圧検出信号が所定のし
きい値を所定レベル下回った時反応ガス流量減量指令を
それぞれ前記流量調節弁に向けて出力するガス流量制御
部とを備えてなるものとする。
に、この発明によれば、単位セルの積層体からなるスタ
ックが、各単位セルの燃料ガス通路および酸化剤通路そ
れぞれに連通する入口マニホールドおよび出口マニホー
ルドと、入口マニホールドに流入する反応ガス流量を制
御する流量調節弁とを備えた積層燃料電池において、前
記入口マニホールドの反応ガス供給口に近い内壁面近傍
に一方端が開口した第一の絶縁チュ−ブと、前記出口マ
ニホールドの前記第一の絶縁チュ−ブの開口部から最も
遠い内壁面近傍に一方端が開口した第二の絶縁チュ−ブ
と、両絶縁チュ−ブの他方端に連結された差圧検出器と
からなる反応ガス流量の過不足検知手段と、前記差圧検
出器の差圧検出信号が所定のしきい値を所定レベル越え
た時反応ガス流量増量指令を，差圧検出信号が所定のし
きい値を所定レベル下回った時反応ガス流量減量指令を
それぞれ前記流量調節弁に向けて出力するガス流量制御
部とを備えてなるものとする。
【０００７】また、反応ガスの供給口および排出口が入
口マニホールドの下部および出口マニホールドの上部に
それぞれ設けられ、フッ素樹脂チュ−プからなる一対の
絶縁チュ−ブそれぞれの一方端が入口マニホールドの下
壁面および出口マニホールドの上壁面を気密に貫通して
マニホ−ルド内に突設されてなるものとする。さらに、
反応ガスの供給口および排出口が入口マニホールドの上
部および出口マニホールドの下部にそれぞれ設けられ、
フッ素樹脂チュ−プからなる一対の絶縁チュ−ブそれぞ
れの一方端が入口マニホールドの上壁面および出口マニ
ホールドの下壁面を気密に貫通してマニホ−ルド内に突
設されてなるものとする。
口マニホールドの下部および出口マニホールドの上部に
それぞれ設けられ、フッ素樹脂チュ−プからなる一対の
絶縁チュ−ブそれぞれの一方端が入口マニホールドの下
壁面および出口マニホールドの上壁面を気密に貫通して
マニホ−ルド内に突設されてなるものとする。さらに、
反応ガスの供給口および排出口が入口マニホールドの上
部および出口マニホールドの下部にそれぞれ設けられ、
フッ素樹脂チュ−プからなる一対の絶縁チュ−ブそれぞ
れの一方端が入口マニホールドの上壁面および出口マニ
ホールドの下壁面を気密に貫通してマニホ−ルド内に突
設されてなるものとする。
【０００８】
【作用】この発明の構成において、入口マニホールドの
反応ガス供給口近傍と、これに最も遠い出口マニホール
ド内壁面近傍との間の差圧を差圧検出器で検出する反応
ガス流量の過不足検知手段を設けたことにより、反応ガ
ス供給口から入口マニホールド内に噴出した反応ガス
は、流れの乱れが大きくその速度も早いため、供給口近
傍のガス圧は動圧の影響を強く受けてその全圧が高い値
を示す。これに対して流れの下流方向では、各単位セル
で反応活物質としての水素または酸素が消費された分、
反応ガスが反応ガス通路に吸い込まれるので、供給口か
ら離れるに従ってその流量，流速ともに低下し、最遠端
近傍では動圧の影響が減ってそのガス圧が低下する。従
って、入口マニホールド内の２点間に圧力差が発生する
ことになり、その差圧は設定利用率での運転状態におい
て例えば１００mm Aq に達する。また、反応ガス通路に
吸い込まれることにより反応ガス通路内で圧力損失が発
生するので、出口マニホールド内のガス圧は入口マニホ
ールド内のそれに対して４０mm Aq 程度低くなり、その
結果、入口マニホールドの反応ガス供給口近傍と、これ
から最も遠い出口マニホールド内壁面近傍との間の差圧
は１４０mm Aq に達する。さらに、入口マニホールドへ
の供給反応ガス量を一定とすれば、入口マニホールド内
の差圧は反応ガスの利用率によって変化し、ガス欠状態
では反応ガス通路への反応ガスの吸い込み量が増大する
ことにより２点間の差圧が例えば２００mm Aq 程度に拡
大し、供給過剰状態では反応ガス通路への反応ガスの吸
い込み量が減少することにより差圧も減少する。その結
果、ガス欠状態では入口マニホールドの反応ガス供給口
近傍と、これから最も遠い出口マニホールド内壁面近傍
との間の差圧は２４０mm Aq に達することになり、上記
差圧の変化を監視することにより、反応ガス流量の過不
足検知手段としての機能が得られる。
反応ガス供給口近傍と、これに最も遠い出口マニホール
ド内壁面近傍との間の差圧を差圧検出器で検出する反応
ガス流量の過不足検知手段を設けたことにより、反応ガ
ス供給口から入口マニホールド内に噴出した反応ガス
は、流れの乱れが大きくその速度も早いため、供給口近
傍のガス圧は動圧の影響を強く受けてその全圧が高い値
を示す。これに対して流れの下流方向では、各単位セル
で反応活物質としての水素または酸素が消費された分、
反応ガスが反応ガス通路に吸い込まれるので、供給口か
ら離れるに従ってその流量，流速ともに低下し、最遠端
近傍では動圧の影響が減ってそのガス圧が低下する。従
って、入口マニホールド内の２点間に圧力差が発生する
ことになり、その差圧は設定利用率での運転状態におい
て例えば１００mm Aq に達する。また、反応ガス通路に
吸い込まれることにより反応ガス通路内で圧力損失が発
生するので、出口マニホールド内のガス圧は入口マニホ
ールド内のそれに対して４０mm Aq 程度低くなり、その
結果、入口マニホールドの反応ガス供給口近傍と、これ
から最も遠い出口マニホールド内壁面近傍との間の差圧
は１４０mm Aq に達する。さらに、入口マニホールドへ
の供給反応ガス量を一定とすれば、入口マニホールド内
の差圧は反応ガスの利用率によって変化し、ガス欠状態
では反応ガス通路への反応ガスの吸い込み量が増大する
ことにより２点間の差圧が例えば２００mm Aq 程度に拡
大し、供給過剰状態では反応ガス通路への反応ガスの吸
い込み量が減少することにより差圧も減少する。その結
果、ガス欠状態では入口マニホールドの反応ガス供給口
近傍と、これから最も遠い出口マニホールド内壁面近傍
との間の差圧は２４０mm Aq に達することになり、上記
差圧の変化を監視することにより、反応ガス流量の過不
足検知手段としての機能が得られる。
【０００９】一方、差圧検出器で検出した設定利用率に
おける差圧をガス流量制御部のしきい値とし、このしき
い値を所定レベル越えた時反応ガス流量増量指令を，差
圧検出信号が所定のしきい値を所定レベル下回った時反
応ガス流量減量指令をそれぞれ前記流量調節弁に向けて
出力するよう構成すれば、差圧の検出値に基づいて反応
ガス流量の過不足を迅速に検知し、遅滞なく反応ガス流
量の増減を指令する機能が得られる。
おける差圧をガス流量制御部のしきい値とし、このしき
い値を所定レベル越えた時反応ガス流量増量指令を，差
圧検出信号が所定のしきい値を所定レベル下回った時反
応ガス流量減量指令をそれぞれ前記流量調節弁に向けて
出力するよう構成すれば、差圧の検出値に基づいて反応
ガス流量の過不足を迅速に検知し、遅滞なく反応ガス流
量の増減を指令する機能が得られる。
【００１０】また、反応ガスの供給口および排出口が入
口マニホールドの下部および出口マニホールドの上部に
それぞれ設けられた場合には、フッ素樹脂チュ−プから
なる一対の絶縁チュ−ブそれぞれの一方端を、入口マニ
ホールドの下壁面および出口マニホールドの上壁面を気
密に貫通してマニホ−ルド内に突設するよう構成するこ
とにより、２点間の差圧が最大値を示すことを利用して
反応ガス流量の過不足を感度よく迅速に検知し、遅滞な
く反応ガス流量の増減を指令する機能が得られる。
口マニホールドの下部および出口マニホールドの上部に
それぞれ設けられた場合には、フッ素樹脂チュ−プから
なる一対の絶縁チュ−ブそれぞれの一方端を、入口マニ
ホールドの下壁面および出口マニホールドの上壁面を気
密に貫通してマニホ−ルド内に突設するよう構成するこ
とにより、２点間の差圧が最大値を示すことを利用して
反応ガス流量の過不足を感度よく迅速に検知し、遅滞な
く反応ガス流量の増減を指令する機能が得られる。
【００１１】さらに、反応ガスの供給口および排出口が
入口マニホールドの上部および出口マニホールドの下部
にそれぞれ設けられた場合には、フッ素樹脂チュ−プか
らなる一対の絶縁チュ−ブそれぞれの一方端を、入口マ
ニホールドの上壁面および出口マニホールドの下壁面を
気密に貫通してマニホ−ルド内に突設するよう構成する
ことにより、２点間の最大差圧を検出して反応ガス流量
の過不足を迅速に検知し、遅滞なく反応ガス流量の増減
を指令する機能が得られる。
入口マニホールドの上部および出口マニホールドの下部
にそれぞれ設けられた場合には、フッ素樹脂チュ−プか
らなる一対の絶縁チュ−ブそれぞれの一方端を、入口マ
ニホールドの上壁面および出口マニホールドの下壁面を
気密に貫通してマニホ−ルド内に突設するよう構成する
ことにより、２点間の最大差圧を検出して反応ガス流量
の過不足を迅速に検知し、遅滞なく反応ガス流量の増減
を指令する機能が得られる。
【００１２】
【実施例】以下、この発明を実施例に基づいて説明す
る。図１はこの発明の実施例になる積層燃料電池のガス
流量制御装置を模式化して示すシステム構成図であり、
従来技術と同じ構成部分には同一参照符号を付すことに
より、重複した説明を省略する。図において、単位セル
１０の積層体からなる積層燃料電池（スタック）１に
は、各単位セルに互いに直交する方向に形成された燃料
ガス通路，酸化剤通路それぞれに連通する入口マニホー
ルド２および出口マニホールド３が設けられ、反応ガス
（燃料ガスおよび反応空気）の供給系に配された流量調
節弁４で流量が制御された反応ガスが入口マニホールド
２の反応ガス供給口２Ａから入口マニホールド２内に流
入し、各単位セルの反応活物質の消費量に対応して反応
ガス通路に吸い込まれ、反応済みのオフガスとなって出
口マニホールド３に集まり、排出口３Ａを介して系外に
排出される。
る。図１はこの発明の実施例になる積層燃料電池のガス
流量制御装置を模式化して示すシステム構成図であり、
従来技術と同じ構成部分には同一参照符号を付すことに
より、重複した説明を省略する。図において、単位セル
１０の積層体からなる積層燃料電池（スタック）１に
は、各単位セルに互いに直交する方向に形成された燃料
ガス通路，酸化剤通路それぞれに連通する入口マニホー
ルド２および出口マニホールド３が設けられ、反応ガス
（燃料ガスおよび反応空気）の供給系に配された流量調
節弁４で流量が制御された反応ガスが入口マニホールド
２の反応ガス供給口２Ａから入口マニホールド２内に流
入し、各単位セルの反応活物質の消費量に対応して反応
ガス通路に吸い込まれ、反応済みのオフガスとなって出
口マニホールド３に集まり、排出口３Ａを介して系外に
排出される。
【００１３】図に示す積層燃料電池では、反応ガスの供
給口２Ａおよび排出口３Ａが入口マニホールド２の下部
寄り，および出口マニホールド３の上部寄りにそれぞれ
設けられている。反応ガス量の過不足検知手段２１は、
それぞれフッ素樹脂チュ−プからなる第一の絶縁チュ−
ブ２２および第二の絶縁チュ−ブ２３と、両絶縁チュ−
ブの他方端に接続された差圧検出器２４とで構成され、
第一の絶縁チュ−ブ２２の一方端は入口マニホールド２
の下壁面を気密に貫通して供給口２Ａに近い入口マニホ
ールド内（Ａ点）に開口し、第二の絶縁チュ−ブ２３の
一方端は出口マニホールド３の上壁面を気密に貫通して
排出口３Ａに近い入口マニホールド内（Ｂ点）に開口
し、差圧検出器２４が互いに最遠点に近い位置Ａ−Ｂ間
の差圧を検出するよう構成される。また、差圧検出器２
４の差圧検出信号２４Ｓはガス流量制御部２５でしきい
値と比較され、このしきい値を所定レベル越えた時反応
ガス流量増量指令２５Ｓを，差圧検出信号が所定のしき
い値を所定レベル下回った時反応ガス流量減量指令２５
Ｓをそれぞれ流量調節弁４に向けて出力するよう構成さ
れる。
給口２Ａおよび排出口３Ａが入口マニホールド２の下部
寄り，および出口マニホールド３の上部寄りにそれぞれ
設けられている。反応ガス量の過不足検知手段２１は、
それぞれフッ素樹脂チュ−プからなる第一の絶縁チュ−
ブ２２および第二の絶縁チュ−ブ２３と、両絶縁チュ−
ブの他方端に接続された差圧検出器２４とで構成され、
第一の絶縁チュ−ブ２２の一方端は入口マニホールド２
の下壁面を気密に貫通して供給口２Ａに近い入口マニホ
ールド内（Ａ点）に開口し、第二の絶縁チュ−ブ２３の
一方端は出口マニホールド３の上壁面を気密に貫通して
排出口３Ａに近い入口マニホールド内（Ｂ点）に開口
し、差圧検出器２４が互いに最遠点に近い位置Ａ−Ｂ間
の差圧を検出するよう構成される。また、差圧検出器２
４の差圧検出信号２４Ｓはガス流量制御部２５でしきい
値と比較され、このしきい値を所定レベル越えた時反応
ガス流量増量指令２５Ｓを，差圧検出信号が所定のしき
い値を所定レベル下回った時反応ガス流量減量指令２５
Ｓをそれぞれ流量調節弁４に向けて出力するよう構成さ
れる。
【００１４】上述のように構成された積層燃料電池のガ
ス流量制御装置において、積層燃料電池の定挌負荷状態
で設定利用率を維持するよう流量調節弁４の開度を調節
し、Ａ，Ｂ２点間の差圧を差圧検出器２４で測定した結
果１４０mm Aq であった。また、負荷を急増してガス欠
状態とし、Ａ，Ｂ２点間の差圧を差圧検出器２４で測定
した結果、得られた差圧は２４０mm Aq に上昇した。さ
らに、負荷を急減して反応ガスの供給過剰状態における
差圧を測定した結果、差圧が１４０mm Aq 以下に減少
し、Ａ，Ｂ２点間の差圧が反応ガスの過不足依存性を有
することが実証された。従って、設定利用率における差
圧１４０mm Aq を中心に所定の許容幅を保持したしきい
値の上下限値をガス流量制御部２５に予め設定し、差圧
検出器２４の差圧検出信号２４Ｓがこのしきい値の上限
を越えた時、ガス欠が生じたものと判断して反応ガス流
量増量指令２５Ｓを，差圧検出信号がしきい値の下限を
下回った時、反応ガスが供給過剰になったものと判断し
て反応ガス流量減量指令２５Ｓをそれぞれ流量調節弁４
に向けて出力することにより、反応ガスの過不足を早期
に精度よく検出し、これに基づいて反応ガス流量の制御
指令を遅滞なく出力できるガス流量制御装置を得ること
ができる。
ス流量制御装置において、積層燃料電池の定挌負荷状態
で設定利用率を維持するよう流量調節弁４の開度を調節
し、Ａ，Ｂ２点間の差圧を差圧検出器２４で測定した結
果１４０mm Aq であった。また、負荷を急増してガス欠
状態とし、Ａ，Ｂ２点間の差圧を差圧検出器２４で測定
した結果、得られた差圧は２４０mm Aq に上昇した。さ
らに、負荷を急減して反応ガスの供給過剰状態における
差圧を測定した結果、差圧が１４０mm Aq 以下に減少
し、Ａ，Ｂ２点間の差圧が反応ガスの過不足依存性を有
することが実証された。従って、設定利用率における差
圧１４０mm Aq を中心に所定の許容幅を保持したしきい
値の上下限値をガス流量制御部２５に予め設定し、差圧
検出器２４の差圧検出信号２４Ｓがこのしきい値の上限
を越えた時、ガス欠が生じたものと判断して反応ガス流
量増量指令２５Ｓを，差圧検出信号がしきい値の下限を
下回った時、反応ガスが供給過剰になったものと判断し
て反応ガス流量減量指令２５Ｓをそれぞれ流量調節弁４
に向けて出力することにより、反応ガスの過不足を早期
に精度よく検出し、これに基づいて反応ガス流量の制御
指令を遅滞なく出力できるガス流量制御装置を得ること
ができる。
【００１５】次に、この発明の構成で反応ガスの過不足
検知機能が得られる理由を解明するために、絶縁チュ−
ブ２２，２３の他にＣ点およびＤ点に開口した絶縁チュ
−ブを追加し、それぞれの絶縁チュ−ブの他方端をマノ
メ−タに接続して各箇所における反応ガス圧（全圧）を
測定した。その結果、設定利用率を保持した運転状態で
のガス圧は、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ点の順に５００，３６０，
４００，４６０mm Aqであった。また、負荷電流を急増
してガス欠状態にして測定した各所のガス圧は、５０
０，２６０，３００，４６０mm Aq となり、ガス欠状態
ではＢ点，Ｃ点におけるガス圧が大幅に低下することが
判明した。
検知機能が得られる理由を解明するために、絶縁チュ−
ブ２２，２３の他にＣ点およびＤ点に開口した絶縁チュ
−ブを追加し、それぞれの絶縁チュ−ブの他方端をマノ
メ−タに接続して各箇所における反応ガス圧（全圧）を
測定した。その結果、設定利用率を保持した運転状態で
のガス圧は、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ点の順に５００，３６０，
４００，４６０mm Aqであった。また、負荷電流を急増
してガス欠状態にして測定した各所のガス圧は、５０
０，２６０，３００，４６０mm Aq となり、ガス欠状態
ではＢ点，Ｃ点におけるガス圧が大幅に低下することが
判明した。
【００１６】すなわち、反応ガス供給口２Ａから入口マ
ニホールド２内に噴出した反応ガスは、流れの乱れが大
きくその速度も早いため、供給口近傍のＡ点のガス圧は
動圧の影響を強く受けてその全圧が５００mm Aq と高い
値を示す。これに対して流れの下流方向では、各単位セ
ル１０が反応活物質としての水素または酸素を消費する
ことにより、反応ガスがかく単位セルの反応ガス通路に
吸い込まれるので、供給口から離れるに従ってその流
量，流速ともに低下し、最遠端Ｃ点近傍では動圧の影響
が減ってそのガス圧が定常状態でも４００mm Aq にまで
低下する。従って、入口マニホールド内の２点間に定常
状態でも１００mm Aq の圧力差が発生する。また、反応
ガス通路に吸い込まれることにより反応ガス通路内で圧
力損失が発生するので、出口マニホールド内のガス圧は
入口マニホールド内のそれに対して４０mm Aq 程度低く
なり、入口マニホールドの反応ガス供給口近傍のＡ点
と、これから最も遠い出口マニホールド内壁面近傍Ｂ点
との間の差圧は１４０mm Aq に達する。
ニホールド２内に噴出した反応ガスは、流れの乱れが大
きくその速度も早いため、供給口近傍のＡ点のガス圧は
動圧の影響を強く受けてその全圧が５００mm Aq と高い
値を示す。これに対して流れの下流方向では、各単位セ
ル１０が反応活物質としての水素または酸素を消費する
ことにより、反応ガスがかく単位セルの反応ガス通路に
吸い込まれるので、供給口から離れるに従ってその流
量，流速ともに低下し、最遠端Ｃ点近傍では動圧の影響
が減ってそのガス圧が定常状態でも４００mm Aq にまで
低下する。従って、入口マニホールド内の２点間に定常
状態でも１００mm Aq の圧力差が発生する。また、反応
ガス通路に吸い込まれることにより反応ガス通路内で圧
力損失が発生するので、出口マニホールド内のガス圧は
入口マニホールド内のそれに対して４０mm Aq 程度低く
なり、入口マニホールドの反応ガス供給口近傍のＡ点
と、これから最も遠い出口マニホールド内壁面近傍Ｂ点
との間の差圧は１４０mm Aq に達する。
【００１７】さらに、入口マニホールドへの供給反応ガ
ス量を一定とすれば、入口マニホールド内の差圧は反応
ガスの利用率によって変化し、ガス欠状態では反応ガス
通路への反応ガスの吸い込み量が増大することにより
Ａ，Ｃ２点間の差圧が例えば２００mm Aq 程度に拡大
し、供給過剰状態では反応ガス通路への反応ガスの吸い
込み量が減少することにより差圧も減少する。その結
果、ガス欠状態では入口マニホールドの反応ガス供給口
近傍Ａ点と、これから最も遠い出口マニホールド内壁面
近傍Ｂ点との間の差圧が最も大きく２４０mm Aq に達す
ることになり、この差圧の変化を監視することにより、
反応ガス流量の過不足を高い感度を保持して迅速に検出
する機能が得られる。
ス量を一定とすれば、入口マニホールド内の差圧は反応
ガスの利用率によって変化し、ガス欠状態では反応ガス
通路への反応ガスの吸い込み量が増大することにより
Ａ，Ｃ２点間の差圧が例えば２００mm Aq 程度に拡大
し、供給過剰状態では反応ガス通路への反応ガスの吸い
込み量が減少することにより差圧も減少する。その結
果、ガス欠状態では入口マニホールドの反応ガス供給口
近傍Ａ点と、これから最も遠い出口マニホールド内壁面
近傍Ｂ点との間の差圧が最も大きく２４０mm Aq に達す
ることになり、この差圧の変化を監視することにより、
反応ガス流量の過不足を高い感度を保持して迅速に検出
する機能が得られる。
【００１８】また、反応ガスの供給口２Ａおよび排出口
３Ａが入口マニホールド２の上部および出口マニホール
ド３の下部にそれぞれ設けられている場合には、一対の
絶縁チュ−ブそれぞれの一方端を入口マニホールドの上
壁面近傍（図のＣ点）および出口マニホールドの下壁面
近傍（図のＤ点）に開口することが好ましく、このよう
に構成することにより反応ガス流量の過不足を最大感度
で検知できるので、反応ガス量や負荷電流の不時の変動
に煩わされることなく流量制御を安定して行うことがで
きる。なお、ガス流量制御装置を燃料ガス側，反応空気
側それぞれに独立して設けることは言うまでもないこと
である。
３Ａが入口マニホールド２の上部および出口マニホール
ド３の下部にそれぞれ設けられている場合には、一対の
絶縁チュ−ブそれぞれの一方端を入口マニホールドの上
壁面近傍（図のＣ点）および出口マニホールドの下壁面
近傍（図のＤ点）に開口することが好ましく、このよう
に構成することにより反応ガス流量の過不足を最大感度
で検知できるので、反応ガス量や負荷電流の不時の変動
に煩わされることなく流量制御を安定して行うことがで
きる。なお、ガス流量制御装置を燃料ガス側，反応空気
側それぞれに独立して設けることは言うまでもないこと
である。
【００１９】
【発明の効果】この発明は前述のように、反応ガスの供
給口近傍とその最遠点近傍との間の反応ガスの全圧の差
が、反応ガス供給量の過不足に依存して変化することを
利用して、２点間の差圧を反応ガスの過不足検知手段で
検出し、その差圧検出信号をガス流量制御部で設定利用
率における差圧と比較して流量調節弁の開度を制御する
よう構成した。その結果、反応ガスの過不足を早期に精
度よく検出し、これに基づいて反応ガス流量の制御指令
を遅滞なく出力することが可能となり、分析装置を利用
した従来のガス流量制御方法で問題とされた分析操作に
時間がかかるという欠点が排除され、反応ガスのガス欠
や供給過剰を早期に検出し、その検出値を利用して反応
ガス流量の制御を迅速かつ適切に行える負荷追従性に優
れたガス流量制御装置を備えた積層燃料電池発電装置を
提供することができる。
給口近傍とその最遠点近傍との間の反応ガスの全圧の差
が、反応ガス供給量の過不足に依存して変化することを
利用して、２点間の差圧を反応ガスの過不足検知手段で
検出し、その差圧検出信号をガス流量制御部で設定利用
率における差圧と比較して流量調節弁の開度を制御する
よう構成した。その結果、反応ガスの過不足を早期に精
度よく検出し、これに基づいて反応ガス流量の制御指令
を遅滞なく出力することが可能となり、分析装置を利用
した従来のガス流量制御方法で問題とされた分析操作に
時間がかかるという欠点が排除され、反応ガスのガス欠
や供給過剰を早期に検出し、その検出値を利用して反応
ガス流量の制御を迅速かつ適切に行える負荷追従性に優
れたガス流量制御装置を備えた積層燃料電池発電装置を
提供することができる。
【図１】この発明の実施例になる積層燃料電池のガス流
量制御装置を模式化して示すシステム構成図
量制御装置を模式化して示すシステム構成図
【図２】リブ付電極を用いたりん酸形燃料電池の単位セ
ルを展開して示す斜視図
ルを展開して示す斜視図
１ 積層燃料電池 ２ 入口マニホールド ２Ａ 反応ガスの供給口 ３ 出口マニホールド ３Ａ 反応ガスの排出口 ４ 流量調節弁 １０ 単位セル １１ 燃料電極 １２ 燃料ガス通路 １３ 酸化剤通路 １４ マトリックス １５ 空気電極 １９ セパレ−ト板 ２１ 反応ガスの過不足検知手段 ２２ 第一の絶縁チュ−ブ ２３ 第二の絶縁チュ−ブ ２４ 差圧検出器 ２４Ｓ 差圧検出信号 ２５ ガス流量制御部 ２５Ｓ ガス流量の増減指令（開度制御指令）
Claims (3)
- 【請求項１】単位セルの積層体からなるスタックが、各
単位セルの燃料ガス通路および酸化剤通路それぞれに連
通する入口マニホールドおよび出口マニホールドと、入
口マニホールドに流入する反応ガス流量を制御する流量
調節弁とを備えた積層燃料電池において、前記入口マニ
ホールドの反応ガス供給口に近い内壁面近傍に一方端が
開口した第一の絶縁チュ−ブと、前記出口マニホールド
の前記第一の絶縁チュ−ブの開口部から最も遠い内壁面
近傍に一方端が開口した第二の絶縁チュ−ブと、両絶縁
チュ−ブの他方端に連結された差圧検出器とからなる反
応ガス流量の過不足検知手段と、前記差圧検出器の差圧
検出信号が所定のしきい値を所定レベル越えた時反応ガ
ス流量増量指令を，差圧検出信号が所定のしきい値を所
定レベル下回った時反応ガス流量減量指令をそれぞれ前
記流量調節弁に向けて出力するガス流量制御部とを備え
てなることを特徴とする積層燃料電池のガス流量制御装
置。 - 【請求項２】反応ガスの供給口および排出口が入口マニ
ホールドの下部および出口マニホールドの上部にそれぞ
れ設けられ、フッ素樹脂チュ−プからなる一対の絶縁チ
ュ−ブそれぞれの一方端が入口マニホールドの下壁面お
よび出口マニホールドの上壁面を気密に貫通してマニホ
−ルド内に突設されてなることを特徴とする請求項１記
載の積層燃料電池のガス流量制御装置。 - 【請求項３】反応ガスの供給口および排出口が入口マニ
ホールドの上部および出口マニホールドの下部にそれぞ
れ設けられ、フッ素樹脂チュ−プからなる一対の絶縁チ
ュ−ブそれぞれの一方端が入口マニホールドの上壁面お
よび出口マニホールドの下壁面を気密に貫通してマニホ
−ルド内に突設されてなることを特徴とする請求項１記
載の積層燃料電池のガス流量制御装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP50A JPH06203860A (ja) | 1993-01-11 | 1993-01-11 | 積層燃料電池のガス流量制御装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP50A JPH06203860A (ja) | 1993-01-11 | 1993-01-11 | 積層燃料電池のガス流量制御装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06203860A true JPH06203860A (ja) | 1994-07-22 |
Family
ID=11521441
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP50A Pending JPH06203860A (ja) | 1993-01-11 | 1993-01-11 | 積層燃料電池のガス流量制御装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH06203860A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0948069A2 (en) * | 1998-02-10 | 1999-10-06 | General Motors Corporation | Fuel cell flooding detection and correction |
| WO2002033763A3 (de) * | 2000-10-16 | 2003-02-27 | Manhattan Scientifics Inc | Vorrichtung zur zuführung eines betriebsgases zu einer brennstoffzellenanordnung |
| WO2010136247A1 (de) * | 2009-05-29 | 2010-12-02 | Robert Bosch Gmbh | Erkennung des verlassens eines betriebsbereiches eines brennstoffzellensystems und einleiten der notwendigen schritte |
| CN109659584A (zh) * | 2018-12-04 | 2019-04-19 | 上海重塑能源科技有限公司 | 氢喷控制方法及其装置、设备、系统和存储介质 |
-
1993
- 1993-01-11 JP JP50A patent/JPH06203860A/ja active Pending
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0948069A2 (en) * | 1998-02-10 | 1999-10-06 | General Motors Corporation | Fuel cell flooding detection and correction |
| US6103409A (en) * | 1998-02-10 | 2000-08-15 | General Motors Corporation | Fuel cell flooding detection and correction |
| EP0948069A3 (en) * | 1998-02-10 | 2001-04-18 | General Motors Corporation | Fuel cell flooding detection and correction |
| WO2002033763A3 (de) * | 2000-10-16 | 2003-02-27 | Manhattan Scientifics Inc | Vorrichtung zur zuführung eines betriebsgases zu einer brennstoffzellenanordnung |
| WO2010136247A1 (de) * | 2009-05-29 | 2010-12-02 | Robert Bosch Gmbh | Erkennung des verlassens eines betriebsbereiches eines brennstoffzellensystems und einleiten der notwendigen schritte |
| CN109659584A (zh) * | 2018-12-04 | 2019-04-19 | 上海重塑能源科技有限公司 | 氢喷控制方法及其装置、设备、系统和存储介质 |
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