JPH07109771B2 - 固体電解質型燃料電池の出力制御方法 - Google Patents
固体電解質型燃料電池の出力制御方法Info
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- JPH07109771B2 JPH07109771B2 JP1029333A JP2933389A JPH07109771B2 JP H07109771 B2 JPH07109771 B2 JP H07109771B2 JP 1029333 A JP1029333 A JP 1029333A JP 2933389 A JP2933389 A JP 2933389A JP H07109771 B2 JPH07109771 B2 JP H07109771B2
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は固体電解質型燃料電池の出力制御方法に係り、
特に固体電解質型燃料電池の内部抵抗が低減し、発電効
率が向上する固体電解質型燃料電池の出力制御方法に関
するものである。
特に固体電解質型燃料電池の内部抵抗が低減し、発電効
率が向上する固体電解質型燃料電池の出力制御方法に関
するものである。
固体電解質型燃料電池は、起電反応の源となる、活物質
としての燃料と酸化剤とを外部から連続的に供給して化
学的エネルギーを電気エネルギーとして取り出すととも
に、反応生成物を連続的に排出することができる電池で
ある。この固体電解質型燃料電池の出力制御方法として
は、一般に燃料ガスおよび、酸素または酸素含有ガスの
供給量を調節して制御する方法が知られている。
としての燃料と酸化剤とを外部から連続的に供給して化
学的エネルギーを電気エネルギーとして取り出すととも
に、反応生成物を連続的に排出することができる電池で
ある。この固体電解質型燃料電池の出力制御方法として
は、一般に燃料ガスおよび、酸素または酸素含有ガスの
供給量を調節して制御する方法が知られている。
しかしながら、上記制御方法では燃料供給方向の下流側
に配置された単セルほど供給燃料ガスが希薄になるの
で、該下流側の単セルは発電効率が低下するうえ、上流
側に配置された単セルにとって負荷抵抗として作用する
ことにもなり、固体電解質型燃料電池全体としての発電
効率が著しく低下するという問題が生じる。
に配置された単セルほど供給燃料ガスが希薄になるの
で、該下流側の単セルは発電効率が低下するうえ、上流
側に配置された単セルにとって負荷抵抗として作用する
ことにもなり、固体電解質型燃料電池全体としての発電
効率が著しく低下するという問題が生じる。
本発明の目的は、上記従来技術の問題点を解決し、発電
の熱効率を低下させることなく、負荷が要求する電気量
に応じて固体電解質型燃料電池の出力を変化させること
ができる固体電解質型燃料電池の出力制御方法を提供す
ることにある。
の熱効率を低下させることなく、負荷が要求する電気量
に応じて固体電解質型燃料電池の出力を変化させること
ができる固体電解質型燃料電池の出力制御方法を提供す
ることにある。
上記目的を達成するため本発明は、負荷が要求する電圧
および電力を基に、固体電解質型燃料電池の最適稼働単
セル単位段数および単位発電面積当たりの電流量を求
め、該稼働単セル単位段数を調節し、燃料および酸素源
の供給量を加減して単位発電面積当たりの電流量を調節
することを特徴とする。
および電力を基に、固体電解質型燃料電池の最適稼働単
セル単位段数および単位発電面積当たりの電流量を求
め、該稼働単セル単位段数を調節し、燃料および酸素源
の供給量を加減して単位発電面積当たりの電流量を調節
することを特徴とする。
本発明者は、固体電解質型燃料電池において、並列に接
続された単セル単位の総有効発電面積は最大出力電流を
決定し、直列に連結された単セル単位の段数が最大出力
電圧を決定することに着目し、単セル単位の連結段数の
変化における単位面積当たりの電流量（電流密度）と出
力電圧および出力電力の関係について鋭意研究した結
果、単セル単位段数と電流密度が決まれば、出力電圧と
出力電力は一義的に決定されることを見出し、本発明に
到達した。
続された単セル単位の総有効発電面積は最大出力電流を
決定し、直列に連結された単セル単位の段数が最大出力
電圧を決定することに着目し、単セル単位の連結段数の
変化における単位面積当たりの電流量（電流密度）と出
力電圧および出力電力の関係について鋭意研究した結
果、単セル単位段数と電流密度が決まれば、出力電圧と
出力電力は一義的に決定されることを見出し、本発明に
到達した。
第2A図および第2B図は本発明の原理を説明するものであ
り、第2A図は、固体電解質型燃料電池の出力電力と電流
密度の関係を示す図、第2B図は、出力電圧および発電の
熱効率と電流密度との関係を示す図である。図中、n1〜
n4（n1＞・・・＞n4）はそれぞれ単セル単位の直列方向
の連結段数の変化を示す（以下同様）。第2A図において
出力電力は電流密度の変化に対して上に凸の放物線とな
っている。また単セル単位の稼働段数が増加すると、そ
れにつれて出力電力も増加することがわかる。また第2B
図において、出力電圧は電流密度の変化に対して右下が
りの直線となっており、熱効率（発電効率）はセル積層
段数n1〜n4に関係なく、電流密度の変化に対して右下が
りの直線となっている。すなわち、出力電圧は電流密度
が低い方が高く、稼働単セル単位段数が多いほど高くな
っている。また、稼働単セル単位段数の変化は発電の熱
効率に影響を与えないことがわかる。
り、第2A図は、固体電解質型燃料電池の出力電力と電流
密度の関係を示す図、第2B図は、出力電圧および発電の
熱効率と電流密度との関係を示す図である。図中、n1〜
n4（n1＞・・・＞n4）はそれぞれ単セル単位の直列方向
の連結段数の変化を示す（以下同様）。第2A図において
出力電力は電流密度の変化に対して上に凸の放物線とな
っている。また単セル単位の稼働段数が増加すると、そ
れにつれて出力電力も増加することがわかる。また第2B
図において、出力電圧は電流密度の変化に対して右下が
りの直線となっており、熱効率（発電効率）はセル積層
段数n1〜n4に関係なく、電流密度の変化に対して右下が
りの直線となっている。すなわち、出力電圧は電流密度
が低い方が高く、稼働単セル単位段数が多いほど高くな
っている。また、稼働単セル単位段数の変化は発電の熱
効率に影響を与えないことがわかる。
ここで第2A図において、出力電圧がそれぞれ任意の値
（V1〜V6）で一定となる点をプロットすると、右上がり
の直線となり、この出力電圧一定の直線と前記出力電力
を示す放物線との交点は、原点を除き各々ただ一点であ
る。このことは固体電解質型燃料電池において出力電圧
と出力電力が固定されると、最適稼働単セル単位段数お
よび電流密度は一義的に決定されることを示している。
（V1〜V6）で一定となる点をプロットすると、右上がり
の直線となり、この出力電圧一定の直線と前記出力電力
を示す放物線との交点は、原点を除き各々ただ一点であ
る。このことは固体電解質型燃料電池において出力電圧
と出力電力が固定されると、最適稼働単セル単位段数お
よび電流密度は一義的に決定されることを示している。
本発明において単セル単位とは、固体電解質型燃料電池
を構成する基本単位であり、従来の単セルと機能的に変
わらないが、基体を短くし、これに積層する酸素側電
極、固体電解質および燃料側電極の表面積を基体の長さ
に応じて狭くしたものである。
を構成する基本単位であり、従来の単セルと機能的に変
わらないが、基体を短くし、これに積層する酸素側電
極、固体電解質および燃料側電極の表面積を基体の長さ
に応じて狭くしたものである。
本発明において、稼働単セル単位段数を調整する場合に
は、各電池スタックを相互に連結する連結用導電体を利
用する。すなわち、各段数毎または任意の段の連結用導
電体から端子を取出し、燃料電池スタックの一端と、前
記負荷の要求に応じて選択さた単セル単位段数に相当す
る端子との間に負荷を連結して固体電解質型燃料電池シ
ステム回路を閉じる。このとき連結された端子よりも後
段の単セル単位は温度的には稼働単セル単位と変わら
ず、電池としてはいつでも発電可能な待機状態にあり、
負荷抵抗となることはない。
は、各電池スタックを相互に連結する連結用導電体を利
用する。すなわち、各段数毎または任意の段の連結用導
電体から端子を取出し、燃料電池スタックの一端と、前
記負荷の要求に応じて選択さた単セル単位段数に相当す
る端子との間に負荷を連結して固体電解質型燃料電池シ
ステム回路を閉じる。このとき連結された端子よりも後
段の単セル単位は温度的には稼働単セル単位と変わら
ず、電池としてはいつでも発電可能な待機状態にあり、
負荷抵抗となることはない。
第3A図および第3B図はそれぞれ稼働単セル単位段数の調
節方法を示した説明図である。第3A図は、最後尾の燃料
電池スタックの稼働単セル単位段数を変化させる場合で
あり、第3B図は、全ての燃料電池スタックにおいて稼働
単セル単位段数を変化させる方法である。第3A図の方法
は、負荷が要求する電圧および電力と固体電解質型燃料
電池から取り出される電圧および電力との差が比較的小
さいときに適しており、第3B図の方法は前記差が比較的
大きいときに適している。
節方法を示した説明図である。第3A図は、最後尾の燃料
電池スタックの稼働単セル単位段数を変化させる場合で
あり、第3B図は、全ての燃料電池スタックにおいて稼働
単セル単位段数を変化させる方法である。第3A図の方法
は、負荷が要求する電圧および電力と固体電解質型燃料
電池から取り出される電圧および電力との差が比較的小
さいときに適しており、第3B図の方法は前記差が比較的
大きいときに適している。
第４図は、本発明の固体電解質型燃料電池の出力制御方
法に使用される典型的な固体電解質型燃料電池を構成す
る単セル単位の縦断面図である。図において単セル単位
18は、基体管１と、該基体管１の外側円筒面に積層され
た酸素極（以下、酸素側電極という）３、固体電解質２
および燃料極（以下、燃料側電極という）４とから主と
して構成されている。
法に使用される典型的な固体電解質型燃料電池を構成す
る単セル単位の縦断面図である。図において単セル単位
18は、基体管１と、該基体管１の外側円筒面に積層され
た酸素極（以下、酸素側電極という）３、固体電解質２
および燃料極（以下、燃料側電極という）４とから主と
して構成されている。
第５図は、燃料電池スタックの部分断面説明図である。
この図では前記単セル単位18を連結用導電体19で直列に
連結した直径の異なる単セル6a〜6dがさらに同心円状に
積層されて燃料電池スタック16が形成されている。また
第６図は、複数の燃料電池スタックに共通な連結用導電
体の一例の説明図である。図において、３個の燃料電池
スタックが共通の連結用導電体21により一体に連結され
ている。この連結用導電体21は、単セル単位を電気的に
直列に連結して単セルを構成するだけでなく、複数の単
セルを同心円状に並列に連結して燃料電池スタックを形
成するとともに、隣接する燃料電池スタックを相互に並
列に連結するものである。この連結用導電体21には各燃
料電池スタックにおける単セル相互間のガス流路を連通
させるために３個所に同心円状のガス流通孔20が設けら
れているとともに、中央には燃料電池スタックの外表面
の酸素側電極３に酸素を供給する空気が流通する空気通
過孔22が設けられている。
この図では前記単セル単位18を連結用導電体19で直列に
連結した直径の異なる単セル6a〜6dがさらに同心円状に
積層されて燃料電池スタック16が形成されている。また
第６図は、複数の燃料電池スタックに共通な連結用導電
体の一例の説明図である。図において、３個の燃料電池
スタックが共通の連結用導電体21により一体に連結され
ている。この連結用導電体21は、単セル単位を電気的に
直列に連結して単セルを構成するだけでなく、複数の単
セルを同心円状に並列に連結して燃料電池スタックを形
成するとともに、隣接する燃料電池スタックを相互に並
列に連結するものである。この連結用導電体21には各燃
料電池スタックにおける単セル相互間のガス流路を連通
させるために３個所に同心円状のガス流通孔20が設けら
れているとともに、中央には燃料電池スタックの外表面
の酸素側電極３に酸素を供給する空気が流通する空気通
過孔22が設けられている。
第７図は、第５図に示した燃料電池スタック16が第６図
に示した連結用導電体21で多数積層された、本発明方法
に使用される典型的な固体電解質型燃料電池の説明図で
ある。図において燃料電池スタック16は、基板７上に、
その水平断面である円形の直径よりわずかに長い辺から
なる多数の正三角形の各頂点に配置されており、前記基
板７の燃料電池スタック16が配置されていない部分に
は、燃料電池スタック16の外表面に積層された単セルの
酸素側電極に酸素を供給するための空気が流通する複数
の空気通過孔17が設けられている。
に示した連結用導電体21で多数積層された、本発明方法
に使用される典型的な固体電解質型燃料電池の説明図で
ある。図において燃料電池スタック16は、基板７上に、
その水平断面である円形の直径よりわずかに長い辺から
なる多数の正三角形の各頂点に配置されており、前記基
板７の燃料電池スタック16が配置されていない部分に
は、燃料電池スタック16の外表面に積層された単セルの
酸素側電極に酸素を供給するための空気が流通する複数
の空気通過孔17が設けられている。
このように多数の単セル単位を連結用導電体を介して直
列および並列に多数積層された固体電解質型燃料電池
は、図示省略されている燃料供給管および空気導入管を
経由して空気と燃料ガスが供給されることにより、各電
極で電極反応が生じ、電気エネルギーを発生する。発生
した電気エネルギーは、集電される強力な電気エネルギ
ーとして外部に取り出される。
列および並列に多数積層された固体電解質型燃料電池
は、図示省略されている燃料供給管および空気導入管を
経由して空気と燃料ガスが供給されることにより、各電
極で電極反応が生じ、電気エネルギーを発生する。発生
した電気エネルギーは、集電される強力な電気エネルギ
ーとして外部に取り出される。
第１図は、本発明の一実施例を示す固体電解質型燃料電
池の出力制御方法を示す説明図である。図において、固
体電解質型燃料電池31に負荷34が接続された固体電解質
型燃料電池システム回路が示されている。
池の出力制御方法を示す説明図である。図において、固
体電解質型燃料電池31に負荷34が接続された固体電解質
型燃料電池システム回路が示されている。
固体電解質型燃料電池31にはフローメータ40および流量
調節バルブ41を有する燃料ガス導入ライン38、ブロワ42
および流量調節バルブ43を有する空気導入ライン39なら
びに排気ライン37が連結されており、固体電解質型燃料
電池31と負荷34との間には電流計33および電圧計46が設
けられている。
調節バルブ41を有する燃料ガス導入ライン38、ブロワ42
および流量調節バルブ43を有する空気導入ライン39なら
びに排気ライン37が連結されており、固体電解質型燃料
電池31と負荷34との間には電流計33および電圧計46が設
けられている。
またこの固体電解質型燃料電池システムには演算器32が
付設さており、該演算器32は、固体電解質型燃料電池31
の連結用導電体の端子接続部47、前記燃料ガス導入ライ
ン38に設けられたフローメータ40および流量調整バルブ
41、空気導入ライン39に設けられた流量調節バルブ43、
固体電解質型燃料電池31本体および排気ライン37に設け
られた温度計44および45ならびに電気電圧計46および電
流計33とそれぞれリード線によって連結されている。ま
たこの演算器32は、負荷34が要求する電圧および電力を
入力するデータ入力手段（図示省略）とやはりリード線
で連結されている。
付設さており、該演算器32は、固体電解質型燃料電池31
の連結用導電体の端子接続部47、前記燃料ガス導入ライ
ン38に設けられたフローメータ40および流量調整バルブ
41、空気導入ライン39に設けられた流量調節バルブ43、
固体電解質型燃料電池31本体および排気ライン37に設け
られた温度計44および45ならびに電気電圧計46および電
流計33とそれぞれリード線によって連結されている。ま
たこの演算器32は、負荷34が要求する電圧および電力を
入力するデータ入力手段（図示省略）とやはりリード線
で連結されている。
このような回路において、固体電解質型燃料電池31を運
転するにあたり、図示省略されているデータ入力手段か
ら負荷34が要求する電圧および電力が演算器32に入力さ
れる。次に、演算器32において、これらの入力データを
基に最適稼働単セル単位段数および単位発電面積当たり
の電流量が決定され、最適稼動単セル単位段数の信号が
連結用導電体端子接続部47に送られ、最適単セル単位段
の端子が選択され固体電解質型燃料電池システム回路が
閉じされる。このようにして稼働単セル単位段数が決定
された後、前記演算器32において、この単セル単位段数
および前記求めた単位発電面積当たりの電流量を基にフ
ァラデーの法則により、燃料ガス流入量が求められ、燃
料ガス導入ライン38の流量調節バルブ41に信号が送ら
れ、燃料ガス流量が設定される。またこの燃料ガス流量
に相当する空気流量がやはり前記演算器32によって求め
られ、空気導入ライン39の流量調節バルブ43に信号を送
ることにより流量空気流量が調節され、固体電解質型燃
料電池31の運転が開始される。運転開始後も常時電流計
33および電圧計46により固体電解質型燃料電池31の出力
が検知され、負荷34が要求する電圧および電力と差があ
るときは上記と同様の方法で繰返し調整される。また同
時に排ガスライン37から排出される排ガス温度および炉
内温度も任意の個所で連続して計測され、それぞれ設定
温度になるように空気流量を調節することにより制御さ
れる。
転するにあたり、図示省略されているデータ入力手段か
ら負荷34が要求する電圧および電力が演算器32に入力さ
れる。次に、演算器32において、これらの入力データを
基に最適稼働単セル単位段数および単位発電面積当たり
の電流量が決定され、最適稼動単セル単位段数の信号が
連結用導電体端子接続部47に送られ、最適単セル単位段
の端子が選択され固体電解質型燃料電池システム回路が
閉じされる。このようにして稼働単セル単位段数が決定
された後、前記演算器32において、この単セル単位段数
および前記求めた単位発電面積当たりの電流量を基にフ
ァラデーの法則により、燃料ガス流入量が求められ、燃
料ガス導入ライン38の流量調節バルブ41に信号が送ら
れ、燃料ガス流量が設定される。またこの燃料ガス流量
に相当する空気流量がやはり前記演算器32によって求め
られ、空気導入ライン39の流量調節バルブ43に信号を送
ることにより流量空気流量が調節され、固体電解質型燃
料電池31の運転が開始される。運転開始後も常時電流計
33および電圧計46により固体電解質型燃料電池31の出力
が検知され、負荷34が要求する電圧および電力と差があ
るときは上記と同様の方法で繰返し調整される。また同
時に排ガスライン37から排出される排ガス温度および炉
内温度も任意の個所で連続して計測され、それぞれ設定
温度になるように空気流量を調節することにより制御さ
れる。
本実施例によれば、予め、負荷が要求する電圧および電
力を基に稼働単セル単位段数ならびに供給燃料ガス流量
および空気流量が最適条件に設定されるので、供給燃料
ガスの流量だけで制御する方法に較べ、過剰発電または
発電不足が解消されて高効率運転が可能となる。
力を基に稼働単セル単位段数ならびに供給燃料ガス流量
および空気流量が最適条件に設定されるので、供給燃料
ガスの流量だけで制御する方法に較べ、過剰発電または
発電不足が解消されて高効率運転が可能となる。
本発明によれば、固体電解質燃料電池の内部抵抗が最小
限になり、発電効率が向上する。
限になり、発電効率が向上する。
第１図は、本発明の一実施例を示す固体電解質型燃料電
池の出力制御方法の説明図、第2A図、第2B図は、それぞ
れ固体電解質型燃料電池における電力と電流密度との関
係を示す図および電圧と電流密度を示す図、第3A図およ
び第3B図は、それぞれ本発明方法における単セル単位段
数を設定する方法を示す説明図、第４図、第５図および
第６図は、それぞれ本発明方法に使用される典型的な固
体電解質型燃料電池を構成する単セル単位の断面図、燃
料電池スタックの部分断面図および連結用導電体の説明
図、第７図は、本発明方法に用いられる典型的な固体電
解質型燃料電池の説明図である。 31……固体電解質型燃料電池、32……演算器、33……電
流計、34……負荷、38……燃料ガス導入ライン、39……
空気導入ライン、46……電圧計、47……連結用導電体端
子接続部。
池の出力制御方法の説明図、第2A図、第2B図は、それぞ
れ固体電解質型燃料電池における電力と電流密度との関
係を示す図および電圧と電流密度を示す図、第3A図およ
び第3B図は、それぞれ本発明方法における単セル単位段
数を設定する方法を示す説明図、第４図、第５図および
第６図は、それぞれ本発明方法に使用される典型的な固
体電解質型燃料電池を構成する単セル単位の断面図、燃
料電池スタックの部分断面図および連結用導電体の説明
図、第７図は、本発明方法に用いられる典型的な固体電
解質型燃料電池の説明図である。 31……固体電解質型燃料電池、32……演算器、33……電
流計、34……負荷、38……燃料ガス導入ライン、39……
空気導入ライン、46……電圧計、47……連結用導電体端
子接続部。
Claims (1)
- 【請求項１】負荷が要求する電圧および電力を基に、固
体電解質型燃料電池の最適稼働単セル単位段数および単
位発電面積当たりの電流量を求め、該稼働単セル単位段
数を調節し、燃料および酸素源の供給量を加減して単位
発電面積当たりの電流量を調節することを特徴とする固
体電解質型燃料電池の出力制御方法。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1029333A JPH07109771B2 (ja) | 1989-02-08 | 1989-02-08 | 固体電解質型燃料電池の出力制御方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1029333A JPH07109771B2 (ja) | 1989-02-08 | 1989-02-08 | 固体電解質型燃料電池の出力制御方法 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02210764A JPH02210764A (ja) | 1990-08-22 |
| JPH07109771B2 true JPH07109771B2 (ja) | 1995-11-22 |
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ID=12273307
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1029333A Expired - Fee Related JPH07109771B2 (ja) | 1989-02-08 | 1989-02-08 | 固体電解質型燃料電池の出力制御方法 |
Country Status (1)
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| JP (1) | JPH07109771B2 (ja) |
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-
1989
- 1989-02-08 JP JP1029333A patent/JPH07109771B2/ja not_active Expired - Fee Related
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