JPH0696787A

JPH0696787A - 燃料電池発電装置

Info

Publication number: JPH0696787A
Application number: JP5124794A
Authority: JP
Inventors: Katsutoshi Masuda; 克利増田; Hiroyuki Takada; 博之高田; Haruo Matsumuro; 春生松室
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba System Technology Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba System Technology Corp
Priority date: 1992-07-28
Filing date: 1993-04-30
Publication date: 1994-04-08

Abstract

(57)【要約】【構成】燃料極および酸化剤極の電極間から電池出力を
取り出す複数の燃料電池７，８，９と、これら燃料電池
の燃料極への燃料流量を燃料制御弁の開閉により制御す
る一方、空気極への酸素流量を空気制御弁１４の開閉に
より制御する手段と、複数の燃料電池のそれぞれの故障
情報によりそれぞれの燃料電池の故障の判定をして故障
した燃料電池を特定する燃料電池故障信号を出力する燃
料電池判定手段２３と、正常な燃料電池の燃料極へ燃料
制御弁を介して供給する燃料流量を燃料電池故障信号に
応じて補正する燃料流量補正手段２４と、正常な燃料電
池の空気極へ空気制御弁を介して供給する空気流量を燃
料電池故障信号に応じて補正する空気流量補正手段２５
と、電池故障信号に基づいて故障した燃料電池の電池出
力をバイパスさせると共に、正常な燃料電池の電池出力
を取り出す電池出力バイパス手段とを設けている。【効果】正常な燃料電池のみで継続して運転できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、燃料電池発電装置に係
わり、特に複数の燃料電池により構成される燃料電池発
電装置の燃料電池単体のメインテナンスを装置を停止す
ることなく実施できる燃料電池発電装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】通常、電力の発生は、発電機をタービン
等の原動機で回転させ、この与えられた駆動エネルギー
を発電機にて交流電力として発生させる。そして、交流
電力のまま需要側へ供給することが、電力の発生から消
費に至るまで最も都合の良い手段として採用されてお
り、現在の電力系統は交流系統がそのほとんどを占めて
いる。

【０００３】一方、蒸気タービン等を駆動する蒸気は、
ボイラ等により石油、ガス等を燃焼させて熱エネルギー
を発生させているが、この燃料エネルギーを熱エネルギ
ーとして取り出し、これを蒸気エネルギーに変換し、さ
らに、電気エネルギーとして取り出すことは効率面で不
利である。

【０００４】このことから、近年では、燃料の電気化学
的変化を利用し、この電気化学的変化の際に発生する電
子の流れにより直接電気エネルギーを取り出す燃料電池
発電方式が、省エネルギー発電の一つとして採用される
ようになってきている。

【０００５】この燃料電池は、供給される燃料を酸化剤
と電気化学的に反応させて電力を発生するものである
が、その出力は直流出力であり特定区域で消費する場合
は、この直流のまま消費され、また、省エネルギー政策
の一環として大量の電力をまかなう場合は、直流ー交流
変換器により交流に変換して電力系統へ供給するように
している。

【０００６】図１０は、この種の代表的な燃料電池発電
プラントの一例を示すものである。

【０００７】図中、一点鎖線で囲った１の部分が燃料電
池発電プラントである。天然ガス等の原燃料は、原燃料
制御弁２によりその流量が制御されて改質器３に入り、
触媒の下で加熱されて水素含有率の高い改質燃料となる
（以下、かかる作用を改質と称する）。

【０００８】次に、この改質された燃料は高温変成器
４、低温変成器５を経て一酸化炭素が除去される。そし
て、この改質燃料は燃料制御弁６により、その流量が制
御されて燃料電池７の燃料極７Ａに流入する。

【０００９】燃料電池７の燃料極７Ａでは、電気エネル
ギーとして一部が消費され、その残りは改質器３のメイ
ンバーナ１０で燃焼されて改質器３の加熱用高温ガスと
なる。この加熱用高温ガスは、燃料電池７の酸化剤極
（以下、空気極と称する）７Ｂからの排ガスと合流し、
燃焼器１１を経てターボコンプレッサのタービン１２に
流入して、これに連結したコンプレッサ１３を駆動す
る。

【００１０】また、ターボコンプレッサによって圧縮さ
れたコンプレッサ１３からの吐出空気は、空気制御弁１
４によってその流量が制御され、燃料電池７の空気極７
Ｂに入った酸素の一部は、燃料極７Ａの水素と反応し消
費され、残りは空気極７Ｂから排出された改質器３のメ
インバーナ１０からの排ガスと合流し、燃焼器１１を経
由してターボコンプレッサのタービン１２を駆動するた
めに使用される。

【００１１】一方、燃料電池７は燃料極７Ａに供給され
る水素と空気極７Ｂに供給される空気中の酸素との触媒
反応によって、空気極７Ｂが正極、燃料が負極となるよ
うにその電気エネルギーを発生する。

【００１２】この電気エネルギーである直流電力は、燃
料極７Ａ、空気極７Ｂ間に接続された変換器１５に供給
され、ここで交流に変換し交流電力として電力系統の電
気的負荷へ供給される。この際、水素と酸素の電気化学
反応により発生した水は、燃料電池本体の冷却水として
利用され、また、未反応分の水素および酸素は、燃料極
７Ａおよび空気極７Ｂの出口側から各々排出される。

【００１３】なお、１６はパイロットバーナ燃料制御
弁、１７はパイロットバーナ空気制御弁、１８はメイン
バーナ空気制御弁、１９はパイロットバーナを各々示
す。

【００１４】通常、定格出力が数百ＫＷ程度までの小、
中規模の燃料電池発電プラントでは燃料電池単体でひつ
ような電力をまかなうことができるが、ＭＷ級の大規模
な燃料電池発電プラントになると、この燃料電池の電池
出力を並列あるいは直列に接続して、必要な電力を確保
する手段が採られている。

【００１５】図１１は、複数の燃料電池の電池出力を直
列接続して電力を取り出す燃料電池発電装置の一例を示
すものである。

【００１６】図中、三本の燃料電池７，８，９は空気、
燃料供給ラインにより並列に接続されている。各々の燃
料電池７，８，９から発生した直流出力は、直列接続
（図示鎖線）されて変換器１５により交流電力へ変換さ
れる。

【００１７】この場合に燃料極７Ａ，８Ａ，９Ａに供給
される燃料流量を燃料制御弁６によって制御する一方、
空気極７Ｂ，８Ｂ，９Ｂに供給される空気流量を空気制
御弁１４によって制御する。

【００１８】なお、２０は燃料流量検出器、２１は空気
流量検出器、２２は電流検出器、３３はＰＩＤ演算機能
を有する流量制御手段を各々示す。

【００１９】次に、図１２と図１３を参照して燃料電池
の三本を直列接続して電力を取り出す燃料電池発電装置
の燃料制御弁６と空気制御弁１４の制御手段について説
明する。

【００２０】まず、燃料制御弁６について説明すると、
燃料電池７，８，９の実電流信号が電流検出器２２によ
って検出され、関数発生器１００へ入力される。ここ
で、図１２の関数は、次の説明のようになる。

【００２１】すなわち、図１４に示す関数は、燃料電池
７，８，９の下流側にある改質器３のメインバーナ１０
で改質に必要な熱源としての燃料流量を示し、図１５
は、燃料電池７，８，９の一本のみで発電に必要な燃料
流量を示す。従って、燃料電池７，８，９が三本直列に
構成されていれば、図１６に示すように、図１５の関数
の三倍の燃料流量が必要となる。これより、図１２にお
ける関数発生器１００の関数は、図１４と図１６が一緒
になった結果、図１７となる。

【００２２】関数発生器１００からの出力信号、すなわ
ち、燃料流量設定値信号は比較器１０１へ出力される。
また、燃料流量検出器２０からの実燃料流量信号が比較
器１０１へ入力される。この比較器１０１からの出力信
号、すなわち、燃料流量偏差信号は、流量制御手段３３
としての演算器１０２に入力され制御演算信号によって
燃料制御弁６を開閉させる。

【００２３】次に、図１２に対応して図１３を参照して
空気制御弁１４の制御手段について述べる。

【００２４】まず、燃料電池７，８，９の実電流信号が
電流検出器２２によって検出される。ここで、燃料電池
７，８，９の一本のみで発電に必要な空気流量は図１８
に示される。従って、燃料電池７，８，９が三本直列に
構成されていれば、図１８の関数の三倍の空気流量が必
要となるため関数発生器１０３は、図１９に示すように
なる。

【００２５】図１３に示すように、関数発生器１０３か
らの出力信号、すなわち、空気流量設定値信号は比較器
１０４へ入力される。また、空気流量検出器２１からの
実空気流量信号も比較器１０４へ入力される。この比較
器１０４からの出力信号、すなわち、空気流量偏差信号
は、流量制御手段３３としての演算器１０５に入力され
制御演算信号によって空気制御弁１４を開閉させる。

【００２６】以上説明したようにして燃料電池７，８，
９の電池出力を直列接続して電力を取り出すことができ
る。

【００２７】次に、複数の燃料電池の電池電力を並列接
続して電力を取り出す燃料電池発電装置の一例を図２０
を参照して説明する。

【００２８】この図２０が燃料電池を直列接続した図１
１と異なる点は、図示鎖線に示すように燃料電池７，
８，９の出力側が並列に接続され、変換器１５に接続さ
れている点であり、その他はほぼ同一構成である。

【００２９】この燃料電池７，８，９を並列接続した場
合、燃料制御弁６の制御手段は、前述した図１２に示し
たと同様に実施される。すなわち、図２１の関数は、図
１４と同様で燃料電池７，８，９の下流側にある改質器
３のメインバーナ１０で改質に必要な燃料流量を示す。
また、図２２は、燃料電池７，８，９の一本のみで必要
な電流を確保する燃料流量を示すが、燃料電池７，８，
９が三本並列に構成されていれば、燃料電池７，８，９
の一本当たり図２２の三分の一の図２３に示す燃料流量
でよくなる。結局、燃料電池７，８，９の電池出力を並
列にした場合も、図１３における関数発生器１００の関
数は、図２４に示すようになる。

【００３０】次に、燃料電池７，８，９の電池出力を並
列接続した場合の空気制御弁１４の制御手段は、図１３
に示したと同様に実施される。すなわち、燃料電池７，
８，９の一本のみで発電する場合に必要な電流を確保す
る燃料流量を図２５に示されるが、燃料電池７，８，９
が三本並列に接続されていれば、燃料電池７，８，９の
一本当たりの場合は、図２６に示すようになり、結局、
図２６の流量を３倍した図１９と同様の関数となる。

【００３１】このようにして、燃料電池７，８，９の電
池出力側が直列接続または並列接続されるいずれの場合
にも燃料電池７，８，９に供給される燃料流量および空
気流量が制御され、必要な電力を得ることができる。

【００３２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
たシステムの場合、複数の燃料電池のいずれかに異常が
発生した際には、その燃料電池本体の検査や、また、場
合によっては燃料電池自体の交換等を行うため、即座に
発電を止めてプラントを停止させなくてはならないとい
う問題がある。

【００３３】例えば、燃料電池７，８，９の内燃料電池
７に故障が発生した場合、プラント全体を停止させ、そ
の間に燃料電池７の交換や修理をして、再びプラント全
体の立上げをしなければならなかった。このように、燃
料電池本体のメインテナンスを行うたびにプラントを一
旦停止させていては、プラントの発電効率が悪くなるの
はもちろんのこと、そのシステムの各装置の劣化を早め
てしまい、結果的には信頼性の低下につながる。

【００３４】そこで、本発明は燃料電池の故障時にプラ
ントを停止することなく、再び負荷運転状態に移行する
ことができる燃料電池発電装置を提供することを目的と
する。

【００３５】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、電解
質層を挟んで燃料極および酸化剤極を配置してなり、前
記燃料極に燃料を供給すると共に空気極へ酸素を供給し
て、このとき起こる電気化学的反応により前記燃料極お
よび酸化剤極の電極間から電池出力を取り出す複数の燃
料電池とからなる燃料電池発電装置において、前記燃料
電池の故障判定情報に基づいて故障した燃料電池を判定
して燃料電池故障情報を生成する手段と、この手段によ
る燃料電池故障情報に応じて前記燃料の流量と前記酸素
の流量とを補正すると共に、故障した燃料電池を切り離
し、正常な燃料電池のみで運転する手段とを設けるよう
にしたものである。

【００３６】請求項２の発明は、電解質層を挟んで燃料
極および酸化剤極を配置してなり、前記燃料極に燃料を
供給すると共に空気極へ酸素を供給して、このとき起こ
る電気化学的反応により前記燃料極および酸化剤極の電
極間から電池出力を取り出す複数の燃料電池と、これら
燃料電池の燃料極への燃料流量を燃料制御弁の開閉によ
り制御する一方、前記空気極への空気流量を空気制御弁
の開閉により制御する手段とからなる燃料電池発電装置
において、前記複数の燃料電池のそれぞれの故障情報に
よりそれぞれの燃料電池の故障の判定をして故障した燃
料電池を特定する燃料電池故障信号を出力する燃料電池
判定手段と、正常な燃料電池の燃料極へ前記燃料制御弁
を介して供給する燃料流量を前記燃料電池故障信号に応
じて補正する燃料流量補正手段と、正常な燃料電池の空
気極へ前記空気制御弁を介して供給する空気流量を前記
燃料電池故障信号に応じて補正する空気流量補正手段
と、前記燃料電池故障信号に基づいて故障した燃料電池
の電池出力をバイパスさせて正常な燃料電池の電池出力
を取り出す電池出力バイパス手段とを設けるようにした
ものである。

【００３７】請求項３の発明は、電解質層を挟んで燃料
極および酸化剤極を配置してなり、前記燃料極に燃料を
供給すると共に空気極へ酸素を供給して、このとき起こ
る電気化学的反応により前記燃料極および酸化剤極の電
極間から電池出力を取り出す複数の燃料電池と、これら
燃料電池の燃料極への燃料流量を燃料制御弁の開閉によ
り制御する一方、前記空気極への空気流量を空気制御弁
の開閉により制御する手段とからなる燃料電池発電装置
において、前記複数の燃料電池のそれぞれの故障情報に
よりそれぞれの燃料電池の故障の判定をして故障した燃
料電池を特定する燃料電池故障信号を出力する燃料電池
判定手段と、正常な燃料電池の燃料極へ前記燃料制御弁
を介して供給する燃料流量を前記燃料電池故障信号に応
じて補正する燃料流量補正手段と、正常な燃料電池の空
気極へ前記空気制御弁を介して供給する空気流量を前記
燃料電池故障信号に応じて補正する空気流量補正手段前
記燃料電池故障信号に基づいて故障した燃料電池に対応
する燃料遮断弁と空気遮断弁とを遮断する異常燃料電池
切離し手段と、前記燃料電池故障信号に基づいて故障し
た燃料電池の電池出力を開放させて正常な燃料電池の電
池出力を取り出す電池出力開放手段とを設けるようにし
たものである。

【００３８】

【作用】請求項１の発明は、燃料電池の故障判定情報に
基づいて故障した燃料電池が判定され燃料電池故障情報
が生成される。そして、燃料流量と酸素流量とは燃料電
池故障情報に応じて補正され、故障した燃料電池を切り
離し、正常な燃料電池のみで継続運転がされる。従っ
て、燃料電池発電装置が停止されることがないため極め
て効率的であり、システムの劣化を阻止することができ
る。

【００３９】請求項２の発明は、燃料電池判定手段が、
複数の燃料電池のそれぞれの故障情報によりそれぞれの
燃料電池の故障の判定をして故障した燃料電池を特定す
る燃料電池故障信号を出力する。燃料流量補正手段が、
正常な燃料電池の燃料極へ燃料制御弁を介して供給する
燃料流量を燃料電池故障信号に応じて補正する。空気流
量補正手段は、正常な燃料電池の空気極へ空気制御弁を
介して供給する空気流量を前記燃料電池故障信号に応じ
て補正する。電池出力バイパス手段は、電池故障信号に
基づいて故障した燃料電池の電池出力をバイパスさせる
と共に、正常な燃料電池の電池出力を取り出す。これに
よって、燃料電池発電装置全体を完全に停止することな
く、故障した燃料電池を燃料電池発電装置から切り離
し、しかも、正常な燃料電池に対して故障した燃料電池
に応じて必要な燃料流量と空気流量とを供給して継続運
転をすることができるから効率的である。

【００４０】請求項３の発明は、複数の燃料電池のそれ
ぞれの故障情報によりそれぞれの燃料電池の故障の判定
がされて故障した燃料電池を特定する燃料電池故障信号
が出力される。この燃料電池故障信号に応じて正常な燃
料電池の燃料極へ燃料制御弁を介して供給する燃料流量
が補正される一方、正常な燃料電池の空気極へ空気制御
弁を介して供給する空気流量が補正される。さらに、前
記燃料電池故障信号に基づいて故障した燃料電池に対応
する燃料遮断弁と空気遮断弁とが遮断される一方、故障
した燃料電池の電池出力を開放させて正常な燃料電池の
電池出力のみが取り出される。これにより、故障した燃
料電池に対応する燃料遮断弁と空気遮断弁とが人手によ
ることなく遮断されて切離され、人手によることなく正
常な燃料電池の電池出力のみが取り出される。従って、
燃料電池が故障したとき、最小限の機能を停止して安全
運転できるから信頼性が高く、しかも、効率的である。

【００４１】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。

【００４２】図１は、本発明の第１実施例を示す燃料電
池発電装置の構成図であり、図１１と同一符号は同一部
分または相当部分を示す。図１が図１１と異なる点は、
燃料電池判定手段２３と燃料流量補正手段２４と空気流
量補正手段２５を追設した点である。

【００４３】また、燃料電池７，８，９に燃料入口弁７
Ｃ，８Ｃ，９Ｃと燃料出口弁７Ｄ，８Ｄ，９Ｄと空気入
口弁７Ｅ，８Ｅ，９Ｅと空気出口弁７Ｆ，８Ｆ，９Ｆと
を設けている。

【００４４】燃料電池判定手段２３は、それぞれの燃料
電池の故障情報によってそれぞれの燃料電池の故障の判
定をして故障した燃料電池を特定する燃料電池故障信号
を出力する。燃料流量補正手段２４は、燃料電池故障信
号によって特定される故障した燃料電池の本数に応じて
他の正常な燃料電池の燃料極へ供給する燃料流量を補正
する。空気流量補正手段２５は、燃料電池故障信号によ
って特定される故障した燃料電池の本数に応じて他の正
常な燃料電池の空気極へ供給する空気流量を補正する。

【００４５】ここで、三本の燃料電池７，８，９のう
ち、燃料電池７について異常が発生したものとして作用
を説明する。

【００４６】燃料電池７に何らかの異常が発生した場合
には、燃料電池７，８，９について組まれている燃料電
池の異常あるいは故障の要因とされる電池電圧の異常、
カソードガスの可燃ガス濃度の異常、アノードガス中の
酸素濃度の異常、極間差圧の異常などの各項目の故障情
報からその燃料電池の故障信号を検出するロジック、す
なわち、燃料電池判定手段２３により、今回異常の発生
した燃料電池７の故障信号が検出され、運転員により認
知される。

【００４７】一方、燃料電池プラントは、この燃料電池
７の故障信号により、負荷を取っている状態から待機状
態に移行される。すなわち、この状態は負荷を取る直前
の状態で、燃料極７Ａ，８Ａ，９Ａには燃料が流れてお
り、空気極７Ｂ，８Ｂ，９Ｂには空気の代わりに窒素が
流れている。発電を開始するときは、この状態から窒素
を遮断し空気を流し始めると発電が開始される状態へ制
御装置により移行させる。

【００４８】次に、この待機状態で運転員が異常となっ
た燃料電池７を再度調査し、使用不可能と判断した場
合、次の操作を行う。

【００４９】まず、運転員が異常の発生した燃料電池７
の燃料入口弁７Ｃ、燃料出口弁７Ｄ、空気入口弁７Ｅ、
空気出口弁７Ｆを全閉とする。次に、燃料電池判定手段
２３から電池出力バイパス手段２６へ燃料電池７の故障
信号が通知される。

【００５０】すなわち、図２に示すように、この電池出
力バイパス手段２６からバイパススイッチ２７，２８，
２９，３０，３１，３２へ切替信号が出力される。図２
は、三本の燃料電池が正常の場合を示し、これらのバイ
パススイッチは、燃料電池の電池出力が直列接続され、
変換器１５へ出力されるように閉じている。

【００５１】今回、異常の発生した燃料電池７に対応し
てバイパススイッチ２７，２８へ切替信号が出力され、
バイパススイッチ２７，２８が図示矢印方向に開かれ
る。すなわち、異常の発生した燃料電池７の電池出力が
バイパスされて、このプラント全体の電池出力は、正常
な燃料電池８，９のみから得られる。

【００５２】この操作により、燃料電池７は燃料、空気
の供給が遮断され、かつ、電池出力がバイパスされてプ
ラントの運転から切り離される。従って、異常の発生し
た燃料電池７のみがプラントの運転から切り離されるこ
とによりこの燃料電池７の検査、あるいは交換等がプラ
ントの運転に関係なく実施される。

【００５３】このように、燃料電池７がプラントの運転
から切り離され、二本の燃料電池８，９でプラントが運
転される。このとき燃料電池７，８，９からの排燃料、
排空気を使って改質を行っていた改質器３のメインバー
ナ１０のそれぞれの流量が、燃料電池７が切り離された
ことにより燃料電池７で消費されていた分だけ多く流れ
込んで、改質器３内の改質頂部温度を上昇させることに
なる。もちろん、これら燃料制御弁６の制御には改質頂
部温度によるフィードバック制御は盛り込まれている
が、おのずから限界がある。

【００５４】このため、燃料電池８，９に供給する燃料
流量および空気流量を適量に変化させなくてはならな
い。また、燃料電池が一本減った分最高出力値は燃料電
池三本のときの三分の二となり、合計の電圧も減少する
ことになるので、変換器１５の動作最低電圧を設定し直
すか、または最低出力値を上げる必要がある。

【００５５】このような場合の一例を図３および図４を
参照して説明する。

【００５６】燃料流量補正手段２４では関数発生器１０
０が燃料電池７，８，９の三本で運転される場合に、所
定の電流値に対し必要な燃料流量設定値を出力する。ま
た、関数発生器１００Ａが燃料電池７，８，９のうちい
ずれか二本で運転される場合に、所定の電流値に対し必
要な燃料流量設定値を出力する。さらに、関数発生器１
００Ｂは、燃料電池７，８，９のうちいずれか一本のみ
で運転される場合に、所定の電流値に対し必要な燃料流
量設定値の出力するように各々設定されている。

【００５７】切換器１０６は、燃料電池７，８，９の三
本で運転される場合には、切換器１０６はａ−ｄ方向と
なり関数発生器１００より出力される燃料流量設定値が
比較器１０１へ入力される。

【００５８】同様に、切換器１０６は燃料電池７，８，
９のうちいずれか二本で運転される場合には、ｂ−ｄ方
向となり関数発生器１００Ａより出力される燃料流量設
定値が比較器１０１へ入力される。また、燃料電池７，
８，９のいずれか一本で運転される場合、切換器１０６
はｃ−ｄ方向となり関数発生器１００Ｂより出力される
燃料流量設定値が比較器１０１へ入力される。

【００５９】このように、切換器１０６が関数発生器１
００、１００Ａ、１００Ｂを切換えることにより、燃料
電池の運転本数に合った最適な燃料流量を補正して出力
される。

【００６０】次に、空気流量補正手段２５では、図４に
示すように、関数発生器１０３が燃料電池７，８，９の
三本で運転される場合に、電流値に対して必要な空気流
量設定値を出力する。また、関数発生器１０３Ａが燃料
電池７，８，９の内いずれか二本で運転される場合に、
所定電流値に対し必要な空気流量設定値を出力する。さ
らに、関数発生器１０３Ｂが、燃料電池７，８，９のう
ちいずれか一本のみで運転される場合に、所定電流値に
対し必要な空気流量設定値を出力するように各々設定さ
れている。

【００６１】切換器１０７は、燃料電池７，８，９の三
本で運転される場合にはａ−ｄ方向となり、関数発生器
１０３による空気流量設定値が比較器１０４へ入力され
る。

【００６２】同様に、切換器１０７は、燃料電池７，
８，９のうちいずれか二本で運転される場合にはｂ−ｄ
方向となり関数発生器１０３Ａによる空気流量設定値が
比較器１０４へ入力される。また、切換器１０７は、燃
料電池７，８，９のうちいずれか一本のみで運転される
場合には、ｃ−ｄ方向となり関数発生器１０３Ｂによる
空気流量設定値が比較器１０４へ入力される。

【００６３】このように、切換器１０７がこれら関数発
生器１０３、関数発生器１０３Ａ、関数発生器１０３Ｂ
を切換えることにより、燃料電池の運転本数に合った最
適な空気流量を補正されて出力される。

【００６４】以上述べたように、燃料電池７が異常とな
り他の燃料電池８，９の二本でプラントを運転しなけれ
ばならなくなった場合でも、異常の発生した燃料電池７
をプラントの運転から切り離すことにより、即座にプラ
ントを発電状態に移行させ、プラントの運転を安全かつ
効率的に行うことができる。

【００６５】なお、本発明は、上記した実施例に限定さ
れるものではなく、プラントを構成する各燃料電池にお
ける燃料入口弁，燃料出口弁および空気入口弁，空気出
口弁について、異常のあった燃料電池に対してそれらを
全閉する手段を本実施例にある手動式から自動式にする
手段でも同様に実施できる。

【００６６】例えば、後述する本発明の第２実施例と同
様に燃料供給ラインに信号によって遮断する遮断弁を各
々配置して燃料電池判定手段２３からの燃料電池故障信
号に応じて故障した燃料電池７，８，９に対応する遮断
弁を人手をかけずに遮断することができる。

【００６７】このように、複数の燃料電池により構成さ
れた燃料電池発電装置において、いずれかの燃料電池が
故障した場合、制御装置により、軽度の故障であればプ
ラントを待機状態（負荷を取る直前の状態）へ、重度の
故障であればプラントを停止へそれぞれ自動的に移行さ
せる。待機状態に移行した場合には、その故障した燃料
電池のみを分離することにより、プラントを停止するこ
となく再び負荷運転状態へ移行することが可能である。

【００６８】一方、停止に移行した場合でも、その故障
した燃料電池のみを分離することにより、再びプラント
を起動させることが容易にでき、かつ、分離した状態で
の発電運転中に故障した燃料電池の調査、点検あるいは
交換作業が可能となるほか、各燃料電池の交換作業も可
能となり、極めて信頼性の高い燃料電池発電装置とな
る。

【００６９】次に、本発明の第２実施例を図５を参照し
て説明する。

【００７０】図５が図２０と同一の符号は、同一部分ま
たは相当部分を示し、両者が異なる点は、燃料電池判定
手段２３と燃料流量補正手段２４と空気流量補正手段２
５と異常燃料電池切離し手段３４とを追設したことであ
る。

【００７１】また、燃料電池７，８，９に燃料入口遮断
弁３５，３６，３７と燃料出口遮断弁３８，３９，４０
と空気入口遮断弁４１，４２，４３と空気出口遮断弁４
４，４５，４６とを設けている。さらに、本実施例は、
図６に示すように、第１実施例を示す図２と異なり燃料
電池７，８，９の電池出力を並列接続とし、電池出力開
放手段４７と開放スイッチ４８，４９，５０，５１，５
２，５３とを設けている点が異なる。

【００７２】燃料電池判定手段２３は、それぞれの燃料
電池の故障情報によって、それぞれの燃料電池の故障を
判定して故障した燃料電池を特定する燃料電池故障情報
を出力する。

【００７３】燃料流量補正手段２４は、燃料電池故障信
号によって特定される故障した燃料電池の本数に応じて
他の正常な燃料電池の燃料極へ供給する燃料流量を補正
する。空気流量補正手段２５は、燃料電池故障信号によ
って特定される故障した燃料電池の本数に応じて他の正
常な燃料電池の空気極へ供給する空気流量を補正する。

【００７４】異常燃料電池切離し手段３４は、燃料電池
故障信号によって特定される異常の燃料電池の燃料入口
遮断弁と燃料出口遮断弁と空気入口遮断弁と空気出口遮
断弁とを強制閉動作する。電池出力開放手段４７は、燃
料電池故障信号によって対応する開放スイッチを開放す
る。

【００７５】以上の構成で、図７を参照して燃料電池判
定手段２３の処理を説明すると、まず、電池に関係する
故障判定情報としてプラントデータを入力する（１０
１）。例えば、このプラントデータは、燃料電池の出力
側の圧力、空気極出口可燃ガス濃度、燃料極出口酸素濃
度等を用いる。

【００７６】入力されたプラントデータは、予め設定さ
れた燃料電池７の異常データと比較され、プラントデー
タが異常か否かが判定される（１０２）。この判定で異
常とされたとき、対応する異常フラグをセットする（１
０３）。

【００７７】次に、プラントデータは、予め設定された
燃料電池８の異常データと比較され、プラントデータが
異常か否か判定される（１０４）。この結果、異常のと
き異常フラグをセットする（１０５）。

【００７８】同様に、プラントデータは、予め設定され
た燃料電池９の異常データと比較され、プラントデータ
が異常か否か判定される（１０６）。異常の場合には異
常フラグをセットする（１０７）。そして、これらの結
果が判定出力データとして保存される（１０８）。

【００７９】次に、異常燃料電池切離し手段３４では、
図８に示す手順で処理をする。

【００８０】まず、異常燃料電池切離し手段３４では、
燃料電池判定手段２３から燃料電池故障信号として判定
出力データを読み込む（２０１）。この判定出力データ
は、どの燃料電池が異常なのかを異常フラグ形式で作成
されている。

【００８１】判定出力データが入力すると、燃料電池７
のフラグが異常フラグか否かの判定がされ、異常フラグ
の場合、対応する燃料入口遮断弁３５と燃料出口遮断弁
３８と空気入口遮断弁４１と空気出口遮断弁４４とを遮
断する信号が出力される（２０１）（２０２）（２０
３）。

【００８２】続いて、燃料電池８のフラグが異常フラグ
か否かの判定がされ、異常フラグの場合、対応する燃料
入口遮断弁３６と燃料出口遮断弁３９と空気入口遮断弁
４２と空気出口遮断弁４５とを遮断する信号が出力され
る（２０４）（２０５）。

【００８３】同様に、燃料電池９についても異常の判定
がされ、異常フラグの場合、対応する遮断弁で遮断する
信号が出力される（２０６）（２０７）。

【００８４】ここで、並列に接続された三本の燃料電池
７，８，９のうち、燃料電池７について異常が発生した
ものとして上記異常燃料電池切離し手段３４の処理を具
体的に説明する。

【００８５】燃料電池７に何らかの異常が発生した際に
は、プラントを構成する並列に接続された燃料電池７，
８，９の異常あるいは故障の要因とされる電池電圧の異
常、空気極出口の可燃ガス濃度の異常、燃料極出口の酸
素濃度の異常などの各項目の故障判定情報燃料電池判定
手段２３により判定され、判定出力データが保存され
る。

【００８６】次に、異常燃料電池切離し手段３４は、判
定出力データを入力して異常データから燃料入口遮断弁
３５と燃料出口遮断弁３８と空気入口遮断弁４１と空気
出口遮断弁４４とを全閉とする。

【００８７】一方、プラントでは、燃料電池７の故障に
よって、負荷を取っている状態から待機状態、すなわ
ち、負荷を取る直前の状態となる。

【００８８】この状態で運転員が異常となった燃料電池
７を再度調査し、使用不可能となった場合、燃料電池７
を交換あるいは、２／３の発電量で良ければ切り離した
状態で負荷上昇をさせる。

【００８９】次に、電池出力開放手段４７の処理を図９
を参照して説明する。

【００９０】まず、電池出力開放手段４７では、燃料電
池判定手段２３から判定出力データを入力して燃料電池
７について異常フラグの有無について判定する（３０
１）（３０２）。この結果、異常フラグの場合には、燃
料電池７に対応する開放スイッチ４８，４９を開放する
信号を出力する（３０３）。

【００９１】続いて、燃料電池８について異常の判定を
して異常の場合には、開放スイッチ５０，５１とを開放
する信号を出力する（３０４）（３０５）。

【００９２】さらに、同様に燃料電池９について異常判
定をして異常の場合には、対応する開放スイッチ５２，
５３とを開放する信号を出力する（３０６）（３０
７）。

【００９３】例えば、並列に接続された三本の燃料電池
７，８，９のうち、燃料電池７に何らかの異常が発生し
た際には、燃料電池の異常あるいは故障の要因とされる
電池電圧の異常、空気極出口の可燃ガス濃度の異常、燃
料極出口の酸素濃度の異常などの各項目の故障判定デー
タが燃料電池判定手段２３に入力される。

【００９４】燃料電池判定手段２３では、今回異常の発
生した燃料電池７の判定データを異常フラグとして出力
する。

【００９５】これによって、異常燃料電池切離し手段３
４では、燃料電池７の異常フラグから燃料電池出力開放
スイッチ４８，４９を開放とする信号を出力する。この
ように、電池出力開放手段４７では、開放スイッチ４
８，４９，５０，５１，５２，５３のうち、今回異常の
発生した燃料電池７の開放スイッチ４８，４９へ、この
開放スイッチ４８，４９を開くべく信号が送られる。す
なわち、異常の発生した燃料電池７の電池出力が開放さ
れる。この結果、プラント全体の電池出力は、正常な燃
料電池８，９からのみ得ることができる。

【００９６】上記操作を行うことにより、燃料電池７
は、燃料、空気の供給が遮断され、かつ、電池出力が開
放されてプラントの運転から切り離される。異常の発生
した燃料電池７がプラントの運転から切り離されること
により、この燃料電池７の検査、あるいは交換等がプラ
ントの運転に関係なく実施することが可能となる。

【００９７】一方、燃料電池７をプラントの運転から切
り離したことにより、これからは二本の燃料電池８，９
でプラントが運転され、このとき、最高出力値は燃料電
池三本のときの三分の二となる。

【００９８】燃料電池７が異常となり、他の燃料電池
８，９の二本でプラントが運転されなければならなくな
った場合でも、異常の発生した燃料電池７をプラントの
運転から切り離すことにより、即座にプラントを発電状
態に移行させ、プラントの運転を安全、かつ、効率的に
行うことができる。

【００９９】なお、本発明は、上述した実施例に限定さ
れるものでなく、発電用の燃料電池を二重系とし、燃料
電池の故障が発生した場合は、バックアップの燃料電池
に自動的に切り替え、運転を継続できるシステムとする
ことも考えられる。

【０１００】

【発明の効果】請求項１の発明によれば、燃料流量と酸
素流量とが燃料電池故障情報に応じて補正され、故障し
た燃料電池を切り離し、正常な燃料電池のみで継続運転
がされる。従って、燃料電池発電装置が停止されること
がないため極めて効率的であり、故障した燃料電池のメ
ンテナンス毎に停止することがないからシステムの劣化
を遅くすることができる。そして、正常な燃料電池のみ
で継続運転されている間に故障した燃料電池のメンテナ
ンスをすることができる。

【０１０１】請求項２の発明は、電池故障信号に基づい
て故障した燃料電池の電池出力をバイパスさせると共
に、正常な燃料電池の電池出力を取り出し、電池故障信
号に応じ必要な燃料流量と空気流量とを供給できるから
燃料電池発電装置全体を完全に停止することなく、故障
した燃料電池を燃料電池発電装置から切り離し、しか
も、正常な燃料電池により継続運転をすることができか
ら効率的である。

【０１０２】請求項３の発明は、燃料電池故障信号に基
づいて故障した燃料電池に対応する燃料遮断弁と空気遮
断弁とが人手によることなく遮断されて切離され、人手
によることなく正常な燃料電池の電池出力のみが取り出
される。従って、燃料電池が故障したとき、最小限の機
能を停止して安全運転できるから信頼性が高く、しか
も、効率的である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例を示す燃料電池発電装置の
構成図である。

【図２】図１の電池出力のバイパス手段の一例を示す説
明図である。

【図３】図１の燃料流量補正手段の作用を示す説明図で
ある。

【図４】図１の空気流量補正手段の作用を示す説明図で
ある。

【図５】本発明の第２実施例を示す燃料電池発電装置の
構成図である。

【図６】図５の電池出力開放手段の一例を示す説明図で
ある。

【図７】図５の燃料電池判定手段の処理手順を示すフロ
ーチャートである。

【図８】図５の異常燃料電池切離し手段の処理手順を示
すフローチャートである。

【図９】図６の電池出力開放手段の処理手順を示すフロ
ーチャートである。

【図１０】燃料電池発電プラントの一例を示す概略図で
ある。

【図１１】従来の燃料電池発電装置を示す図１に対応す
る構成図である。

【図１２】図１１の燃料制御弁を制御する手段を示す説
明図である。

【図１３】図１１の空気制御弁を制御する手段を示す説
明図である。

【図１４】図１２の関数発生器の設定のために改質に必
要な熱源としての燃料流量を示す説明図である。

【図１５】図１２の関数発生器の設定のために燃料電池
一本のみに必要な燃料流量を示す説明図である。

【図１６】図１２の関数発生器の設定のために燃料電池
三本に必要な燃料流量を示す説明図である。

【図１７】図１２の関数発生器の設定のために必要な全
体の燃料流量を示す説明図である。

【図１８】図１３の関数発生器の設定のために燃料電池
一本のみに必要な空気流量を示す説明図である。

【図１９】図１３の関数発生器の設定のために必要な全
体の空気流量を示す説明図である。

【図２０】従来の燃料電池発電装置の図５に対応する構
成図である。

【図２１】図２０の流量制御手段に備える関数発生器の
設定のための改質に必要な熱源として燃料流量を示す説
明図である。

【図２２】図２０の流量制御手段に備える関数発生器の
設定のための燃料電池一本のみで所定の電流値を確保す
るのに必要な燃料流量を示す説明図である。

【図２３】図２０の流量制御手段に備える関数発生器の
設定のための燃料電池一本のみに必要な燃料を示す説明
図である。

【図２４】図２０の流量制御手段に備える関数発生器の
設定のための燃料電池三本のとき必要とする燃料流量を
示す説明図である。

【図２５】図２０の流量制御手段に備える関数発生器の
設定のための燃料電池一本のみで所定の電流値を確保す
るに必要な空気流量を示す説明図である。

【図２６】図２０の流量制御手段に備える関数発生器の
設定のための一本に必要な空気流量を示す説明図であ
る。

【符号の説明】

６燃料制御弁７，８，９燃料電池１４空気制御弁１５変換器２０燃料流量検出器２１空気流量検出器２２電流検出器２３燃料電池判定手段２４燃料流量補正手段２５空気流量補正手段２６電池出力バイパス手段２７，２８，２９，３０，３１，３２バイパススイ
ッチ３３流量制御手段３４異常燃料電池切離し手段３５，３６，３７燃料入口遮断弁３８，３９，４０燃料出口遮断弁４１，４２，４３空気入口遮断弁４４，４５，４６空気出口遮断弁４７電池出力開放手段４８，４９，５０，５１，５２，５３開放スイッチ７Ａ，８Ａ，９Ａ燃料極７Ｂ，８Ｂ，９Ｂ空気極７Ｃ，８Ｃ，９Ｃ燃料入口弁７Ｄ，８Ｄ，９Ｄ燃料出口弁７Ｅ，８Ｅ，９Ｅ空気入口弁７Ｆ，８Ｆ，９Ｆ空気出口弁

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者松室春生東京都府中市東芝町１番地株式会社東芝府中工場内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電解質層を挟んで燃料極および酸化剤極
を配置してなり、前記燃料極に燃料を供給すると共に空
気極へ酸素を供給して、このとき起こる電気化学的反応
により前記燃料極および酸化剤極の電極間から電池出力
を取り出す複数の燃料電池とからなる燃料電池発電装置
において、前記燃料電池の故障判定情報に基づいて故障した燃料電
池を判定して燃料電池故障情報を生成する手段と、この手段による燃料電池故障情報に応じて前記燃料の流
量と前記酸素の流量とを補正すると共に、故障した燃料
電池を切り離し、正常な燃料電池のみで運転する手段と
を備えたことを特徴とする燃料電池発電装置。
【請求項２】電解質層を挟んで燃料極および酸化剤極
を配置してなり、前記燃料極に燃料を供給すると共に空
気極へ酸素を供給して、このとき起こる電気化学的反応
により前記燃料極および酸化剤極の電極間から電池出力
を取り出す複数の燃料電池と、これら燃料電池の燃料極
への燃料流量を燃料制御弁の開閉により制御する一方、
前記空気極への空気流量を空気制御弁の開閉により制御
する手段とからなる燃料電池発電装置において、前記複数の燃料電池のそれぞれの故障情報によりそれぞ
れの燃料電池の故障の判定をして故障した燃料電池を特
定する燃料電池故障信号を出力する燃料電池判定手段
と、正常な燃料電池の燃料極へ前記燃料制御弁を介して供給
する燃料流量を前記燃料電池故障信号に応じて補正する
燃料流量補正手段と、正常な燃料電池の空気極へ前記空気制御弁を介して供給
する空気流量を前記燃料電池故障信号に応じて補正する
空気流量補正手段前記燃料電池故障信号に基づいて故障した燃料電池の電
池出力をバイパスさせて正常な燃料電池の電池出力を取
り出す電池出力バイパス手段とを備えたことを特徴とす
る燃料電池発電装置。
【請求項３】電解質層を挟んで燃料極および酸化剤極
を配置してなり、前記燃料極に燃料を供給すると共に空
気極へ酸素を供給して、このとき起こる電気化学的反応
により前記燃料極および酸化剤極の電極間から電池出力
を取り出す複数の燃料電池と、これら燃料電池の燃料極
への燃料流量を燃料制御弁の開閉により制御する一方、
前記空気極への空気流量を空気制御弁の開閉により制御
する手段とからなる燃料電池発電装置において、前記複数の燃料電池のそれぞれの故障情報によりそれぞ
れの燃料電池の故障の判定をして故障した燃料電池を特
定する燃料電池故障信号を出力する燃料電池判定手段
と、正常な燃料電池の燃料極へ前記燃料制御弁を介して供給
する燃料流量を前記燃料電池故障信号に応じて補正する
燃料流量補正手段と、正常な燃料電池の空気極へ前記空気制御弁を介して供給
する空気流量を前記燃料電池故障信号に応じて補正する
空気流量補正手段前記燃料電池故障信号に基づいて故障した燃料電池に対
応する燃料遮断弁と空気遮断弁とを遮断する異常燃料電
池切離し手段と、前記燃料電池故障信号に基づいて故障した燃料電池の電
池出力を開放させて正常な燃料電池の電池出力を取り出
す電池出力開放手段とを備えたことを特徴とする燃料電
池発電装置。