JPH08138702A - 燃料電池発電プラント - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 不活性ガス供給設備に過大な負荷をかけるこ
となく、格納容器差圧の厳密な制御が可能な燃料電池発
電プラントを提供する。 【構成】 格納容器１の内部に燃料極２と酸化剤極３を
配置する。格納容器１と燃料極２又は酸化剤極３とに圧
力差を計測する容器差圧計５を接続する。格納容器１に
供給ガス流量調節バルブ６を介して不活性ガス供給設備
４を接続する。格納容器１に不活性ガスの排出口を設
け、この排出口に出口配管７の一端を接続する。出口配
管７の他端を改質器バーナ９に接続する。出口配管７
に、不活性ガスの流量を調節する排出ガス流量調節バル
ブ８を設ける。排出ガス流量調節バルブ８にはＰＩ制御
器１２を接続する。供給ガス流量調節バルブ６にＰＩ制
御器１６を接続する。ＰＩ制御器１６とＰＩ制御器１２
との間に信号下限検出器１４を接続する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、燃料電池本体と、これ
を格納した格納容器を備え、この格納容器内に供給され
る不活性ガスにより容器内の圧力を一定に保ち、燃料電
池本体からの燃料ガスの漏出を防ぐ燃料電池発電プラン
トに関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池は、天然ガスなどの燃料を改質
して得られる水素と、空気中の酸素とを電気化学的に反
応させて直接発電するものであり、以下のような利点を
有する。すなわち、熱エネルギーや運動エネルギーの過
程を経ない直接発電なので、小規模でも高い発電効率が
期待できる。また、発電に伴って発生する熱が給油や暖
冷房として利用しやすく、それによって総合エネルギー
効率を高められる。さらに、窒素酸化物等の排出が少な
く、騒音や振動も小さいので環境性が良い。燃料電池
は、かかる利点を有するため、近年のエネルギー問題や
環境問題を背景に、その重要性が高まり、技術開発が進
められている。

【０００３】一般に、燃料電池は、燃料極および酸化剤
極とこの間に配置される電解質マトリックスによって構
成され、格納容器に収納されている。そして、燃料極か
らの燃料ガス（主に水素ガス）の漏出を防ぐため、格納
容器は窒素等の不活性ガスにより内部の燃料極等に対し
適正な圧力を維持している。格納容器内の圧力は、低す
ぎると燃料ガスの拡散漏出を引き起こす。一方、圧力が
高すぎると不活性ガスがマニホールドシール部等を通し
て電極内部へ流入し不必要な不活性ガス消費を招くばか
りか、燃料極や酸化剤極内でのガスの適正な流れを阻害
し、電池本体に重大なダメージを与える。このため、格
納容器内の圧力は、厳密な制御が要求されるが、この圧
力（以後容器差圧と呼ぶ）の制御は、従来、不活性ガス
の供給量のみを調節することによって行われていた。

【０００４】このような従来の燃料電池発電プラントの
一例を、図面に従って以下に説明する。すなわち、図３
に示すように、格納容器１の内部に、燃料極２と酸化剤
極３が配置され、格納容器１と燃料極２又は酸化剤極３
とには、圧力差を計測する容器差圧計５が接続されてい
る。格納容器１には、供給ガス流量調節バルブ６を介し
て不活性ガス供給設備４が接続されている。不活性ガス
供給設備４は、液体窒素貯蔵設備と蒸発器によって構成
され、内部に窒素等の不活性ガスが貯蔵されている。さ
らに、供給ガス流量調節バルブ６には、容器差圧計５の
計測値に応じて、不活性ガス供給設備４からの不活性ガ
スの供給量を制御する制御手段（図示せず）が接続され
ている。

【０００５】以上のような燃料電池発電プラントにおけ
る容器差圧の調整は以下のように行う。すなわち、容器
差圧計５によって格納容器と燃料極又は酸化剤極との圧
力差が計測される。そして、この計測値が適正な値にな
るように、制御手段によって供給ガス流量調節バルブ６
を制御し、格納容器１への不活性ガスの供給量を調整す
ることによって、容器差圧を適正に維持する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、以上の
ような従来の燃料電池プラントにおいては、以下のよう
な問題点があった。すなわち、燃料電池本体の状況は運
転中に刻一刻変化するため、容器差圧を一定に保つため
には、格納容器から燃料極へ、もしくは酸化剤極へ流入
する不活性ガスの量も変化させなければならない。この
ため、供給ガス流量調節バルブ６の開閉度は、燃料電池
本体の状況に応じて、素早く変化させる必要がある。

【０００７】しかし、このように供給ガス流量調節バル
ブ６の開閉の変動が激しいと、供給流量の変動により、
不活性ガス供給設備に過大な負荷がかかることとなる。
つまり、触媒燃焼等の微妙な化学反応に混乱を招き、不
活性ガスの純度自体に影響を与えることがあり、制御系
にとって外乱となる。このことは、不活性ガス供給設備
４が液体窒素貯蔵設備と蒸発器から成るシステムの場合
ばかりでなく、不活性ガス供給設備４が分離膜や触媒燃
焼器から構成されるような製造機能を備える場合にも同
様である。

【０００８】また、上記課題に対処するため、さらに不
活性ガスの排出量を調節することにより容器差圧を制御
することが考えられる。しかし、燃料電池本体は経年的
に特性が変化するため、かかる変化により燃料電池本体
内部へ流入する不活性ガス量が増加した場合には、容器
差圧を維持するための不活性ガスが不足し、排出量を調
整することによって容器差圧を制御することは困難とな
る。

【０００９】本発明は以上のような従来技術の課題を解
決するために提案されたものであり、その主たる目的
は、不活性ガス供給設備に過大な負荷をかけることな
く、格納容器差圧の厳密な制御が可能な燃料電池発電プ
ラントを提供することである。

【００１０】第２の目的は、燃料電池本体の特性が経年
的に変化した場合であっても、容器差圧の制御が可能な
燃料電池発電プラントを提供することである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、請求項１記載の発明は、燃料極および酸化剤極を
有し、電気化学反応により電気エネルギーを発生させる
燃料電池本体と、前記燃料電池本体を格納した格納容器
と、不活性ガスを前記格納容器内に供給する不活性ガス
供給設備と、前記格納容器と前記燃料極又は前記酸化剤
極との圧力差を計測する容器差圧計とを有する燃料電池
発電プラントにおいて、前記不活性ガスを排出するため
の出口配管と、前記出口配管内を流れる排出ガス流量を
調節して前記容器差圧計の計測値を一定に保つ排出ガス
流量調節手段とを設けたことを特徴とする。

【００１２】また、請求項２記載の発明は、請求項１記
載の燃料電池発電プラントにおいて、前記不活性ガス供
給設備と前記格納容器との間に、前記格納容器内への前
記不活性ガスの流入量を調節する供給ガス流量調節手段
を設け、通常時においては前記不活性ガスの供給量を一
定とし、燃料電池本体の特性が変化することにより、排
出ガス流量調節手段のみによる調節では前記容器差圧計
による計測値を一定に保つことができない程度に不活性
ガスの必要量が変化した場合に、前記供給ガス流量調節
手段により供給ガス流量をゆるやかに変化させ、前記容
器差圧計による計測値を一定に保つ制御手段を、前記容
器差圧計、前記排出ガス流量調節手段及び前記供給ガス
流量調節手段に接続したことを特徴とする。

【００１３】

【作用】以上のような構成を有する本発明の作用は以下
の通りである。すなわち、請求項１記載の発明では、格
納容器と燃料極又は酸化剤極との差圧（容器差圧）は排
出ガス流量調節手段によって、格納容器から排出される
不活性ガスの流量を調節することによって行われる。従
って、不活性ガス供給設備からの不活性ガスの供給流量
は、常時、排出流量をほんの少し上廻る程度の一定流量
とすることができる。このように、不活性ガスの供給量
が常時一定の場合には、不活性ガス供給設備側への負荷
が軽くなる。

【００１４】請求項２記載の発明では、燃料電池本体の
特性が経年的に変化して、燃料電池内部へ流入する不活
性ガスの流量が増大した場合には、容器差圧を維持する
ための不活性ガス供給量が不足する。すると、排出ガス
流量調整手段によって排出される不活性ガスの流量を調
節するのみでは、容器差圧を制御することはできなくな
ってしまう。そこで、排出ガス流量調整手段の制御可能
範囲を超えるまでに不活性ガスの必要量が不足した場合
には、制御手段によって供給ガス流量調節手段をゆるや
かに作動させ、不活性ガス供給量を増加させる。このと
き、供給ガス流量調節手段の作動はゆるやかなので、不
活性ガス供給設備に与える負荷は軽い。

【００１５】

【実施例】

（１）実施例の構成 本発明による燃料電池発電プラントの一実施例を図面に
従って以下に説明する。なお、請求項１及び請求項２記
載のガス流量調節手段はガス流量調節バルブ、請求項２
記載の制御手段はＰＩ制御器及び信号下限検出器とす
る。また、図３の従来例と同一の部材は同一の符号を付
し、説明は省略する。すなわち、本実施例は、図１に示
すように、格納容器１に不活性ガスの排出口が設けら
れ、この排出口に出口配管７の一端が接続されている。
出口配管７の他端は改質器バーナ９に接続されている。
そして、出口配管７には、不活性ガスの流量を調節する
排出ガス流量調節バルブ８が設けられている。

【００１６】排出ガス流量調節バルブ８には、図２に示
すように、ＰＩ制御器１２が接続されている。このＰＩ
制御器１２は、容器差圧制御の目標値となる容器差圧設
定値１０と、容器差圧計５からの測定値である容器差圧
信号１１とを比較して、容器差圧信号１１が容器差圧設
定値１０と同値となるように、排出ガス流量調節バルブ
８に開度指令信号１３を送りだす機能を有する。

【００１７】一方、供給ガス流量調節バルブ６には、Ｐ
Ｉ制御器１６が接続され、このＰＩ制御器１６とＰＩ制
御器１２との間には、信号下限検出器１４が接続されて
いる。信号下限検出器１４は、開度指令信号１３の値が
排出ガス流量調節バルブ８の制御能力以下（本実施例に
おいては全開時の１０％以下）となったことを検出し、
ＰＩ制御器１６を作動させる機能を有する。ＰＩ制御器
１６は、排出ガス流量調節バルブ８の制御能力に対応す
る目標値となる要求開度信号値１５と、ＰＩ制御器１２
からの開度指令信号１３とを比較して、開度指令信号１
３が排出ガス流量調節バルブ８の制御能力以上になるよ
うに、供給ガス流量調節バルブ６をゆるやかに開く機能
を有する。

【００１８】（２）実施例の作用 以上のような構成を有する本実施例の作用は以下の通り
である。すなわち、本実施例は、まず、通常時において
は供給ガス流量調節バルブ６の開度は固定されていて、
容器差圧値は排出ガス流量調節バルブ８を制御すること
によって一定に保たれている。次に、容器差圧検出器５
によって容器差圧が測定され、測定値が容器差圧信号値
１１としてＰＩ制御器１２に送られる。ＰＩ制御器１２
においては、容器差圧信号１１が容器差圧設定値１０と
等しくなるように、開度指令信号１３を決定する。この
開度指令信号１３によって、排出ガス流量調節バルブ８
の作動が制御され、容器差圧が一定に保たれる。

【００１９】この排出ガス流量調節バルブ８は、不活性
ガスの電極内への流入量の変動によって、常時一定の範
囲で振動するが、その振動範囲は不活性ガス供給設備４
からの不活性ガスの供給量によって決定される。そこ
で、本実施例においては、振動範囲の最低値が２０％程
度となるように不活性ガス供給量を決定し、この制御を
供給ガス流量調節バルブ６によって行う。

【００２０】そして、経年的変化により、燃料電池本体
内への不活性ガスの流入量が増大してくると、格納容器
排出ガスライン７を通過するガス量が減少する。する
と、容器差圧信号１１の値を容器差圧設定値１０と等し
い値に保つために、ＰＩ制御器１２によって、排出ガス
流量調節バルブ８が徐々に閉じられ、全開時の１０％を
割り込むことが考えられる。

【００２１】このような状態になると、排出ガス流量調
節バルブ８による容器差圧の制御能力以下となり、容器
差圧の変動を防ぎきれなくなってくる。そこで、排出ガ
ス流量調節バルブ８の開度が制御下限域１０％を割り込
んだ場合には、信号下限検出器１４によってＰＩ制御器
１６へのスタート信号が送出され、要求開度信号１５に
追従するようにＰＩ制御器１６が動作を開始する。

【００２２】ＰＩ制御器１６は、要求開度信号１５と開
度指令信号値１３とを比較して、格納容器への不活性ガ
ス流入量を増大させるように、不活性ガス供給バルブ６
の開度を極めてゆるやかに増大させ、再び開度指令信号
１３が排出ガス流量調節バルブ８の制御可能範囲内に入
るように調整する。

【００２３】さらに、開度指令信号１３が徐々に増大し
始めるにしたがって、不活性ガス供給量が徐々に増大
し、要求開度信号１５の値を超える。その後は、信号下
限検出器１４によってＰＩ制御器１６へのストップ信号
が送出され、再び不活性ガス供給バルブ６による容器差
圧の調節が行われる。

【００２４】（３）実施例の効果 以上のような本実施例の効果は以下の通りである。すな
わち、通常時の運転においては、供給ガス流量調節バル
ブ６の開度は固定されていて、不活性ガス供給量は常時
一定である。そして、容器差圧制御は排出ガス流量調節
バルブ８によって行うため、不活性ガス供給設備４に加
わる負荷は一定であり、そのプロセスである触媒燃焼等
の微妙な反応に影響を与えない。したがって、不活性ガ
ス供給設備４に過大な負荷をかけることなく、容器差圧
を一定に維持することができる。

【００２５】また、燃料電池本体の特性が経年的に変化
して、燃料電池内部へ流入する不活性ガス量が増大して
も、不足した不活性ガスを供給ガス流量調節バルブ６を
開いて補うことができる。したがって、不活性ガス量を
望ましい値にまで増大させ、容器差圧の制御性を維持す
ることができる。しかも、供給ガス流量調節バルブ６の
作動はゆるやかなので、不活性ガス供給設備４に過大な
負荷を与えることはない。

【００２６】（４）他の実施例 本発明は以上のような実施例に限定されるものではな
く、各部材の材質、形状、大きさ、機能等は適宜変更可
能である。たとえば、請求項１記載の不活性ガス供給設
備は、不活性ガスを貯蔵するのみでなく、製造する機能
を持つものであってもよい。また、制御手段は所定の電
子回路上に実現することも、コンピュータ上に実現する
ことも可能である。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
格納容器に出口配管および排出ガス流量調節バルブを設
けるという簡単な構成によって、不活性ガス供給設備に
過大な負荷をかけることなく、格納容器差圧の厳密な制
御が可能な優れた燃料電池発電プラントを提供すること
ができる。

【００２８】また、供給ガス流量調節バルブと制御手段
を設けるという簡単な構成によって、燃料電池本体の特
性が経年的に変化した場合であっても、容器差圧の制御
が可能な優れた燃料電池発電プラントを提供することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による燃料電池発電プラントの一実施例
を示す簡略構成図である。

【図２】図１の実施例の制御ロジックを示す接続図であ
る。

【図３】従来の燃料電池発電プラントの一例を示す簡略
構成図である。

【符号の説明】

１…格納容器 ２…燃料極 ３…酸化剤極 ４…不活性ガス供給設備 ５…容器差圧計 ６…供給ガス流量調節バルブ ７…出口配管 ８…排出ガス流量調節バルブ ９…改質器バーナ １０…容器差圧設定値 １１…容器差圧信号 １２，１６…ＰＩ制御器 １３…開度指令信号 １４…信号下限検出器 １５…要求開度信号

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃料極および酸化剤極を有し、電気化学
   反応により電気エネルギーを発生させる燃料電池本体
   と、前記燃料電池本体を格納した格納容器と、不活性ガ
   スを前記格納容器内に供給する不活性ガス供給設備と、
   前記格納容器と前記燃料極又は前記酸化剤極との圧力差
   を計測する容器差圧計とを有する燃料電池発電プラント
   において、 前記不活性ガスを排出するための出口配管と、 前記出口配管内を流れる排出ガス流量を調節して前記容
   器差圧計の計測値を一定に保つ排出ガス流量調節手段と
   を設けたことを特徴とする燃料電池発電プラント。
2. 【請求項２】 前記不活性ガス供給設備と前記格納容器
   との間に、前記格納容器内への前記不活性ガスの流入量
   を調節する供給ガス流量調節手段を設け、 通常時においては前記不活性ガスの供給量を一定とし、
   燃料電池本体の特性が変化することにより、排出ガス流
   量調節手段のみによる調節では前記容器差圧計による計
   測値を一定に保つことができない程度に不活性ガスの必
   要量が変化した場合に、前記供給ガス流量調節手段によ
   り供給ガス流量をゆるやかに変化させ、前記容器差圧計
   による計測値を一定に保つ制御手段を、前記容器差圧
   計、前記排出ガス流量調節手段及び前記供給ガス流量調
   節手段に接続した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。