JPH08306374A - 燃料電池装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】ガス流量および負荷電流量が変動しても、燃料
電池全平面内で燃料極のガス圧力が相対する酸化剤極の
ガス圧力を上回り、かつ差圧が最も小さい差圧制御を行
なって、燃料電池の破損や、寿命低下を防止すること。 【構成】電解質を含浸した電解質層を挟んで燃料極およ
び酸化剤極の一対の多孔質電極を対向配置して成り、燃
料極に燃料ガス、酸化剤極に酸化剤ガスがそれぞれ流通
している条件下で起こる電気化学的反応により、両電極
間から電気エネルギーを出力する燃料電池において、燃
料極および酸化剤極の両電極間の差圧を複数の地点で検
出する複数の差圧検出手段と、各差圧検出手段によりそ
れぞれ検出された差圧検出値の中から最小値を選択し、
この選択された最小値を両電極間の差圧として伝送する
選択伝送手段と、選択伝送手段により伝送された最小値
が設定値と等しくなるように両電極間の差圧を制御する
差圧制御手段とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、差圧制御機能を備えた
燃料電池装置に係り、特に燃料電池全平面内で燃料極の
ガス圧力が相対する酸化剤極のガス圧力を上回り、かつ
差圧が最も小さい差圧制御が行なえるようにした燃料電
池装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から、電解質を含浸した電解質層を
挟んで燃料極および酸化剤極の一対の多孔質電極を対向
配置して成り、燃料極に燃料ガスおよび酸化剤極に酸化
剤ガスがそれぞれ流通している条件下で起こる電気化学
的反応により、上記両電極間から電気エネルギーを出力
するようにした燃料電池が用いられてきている。

【０００３】この種の燃料電池のうち、特に、電解質と
して酸性電解質を含浸した電解質層を挟んで燃料極およ
び酸化剤極を対向配置して成る燃料電池においては、そ
の高密度出力化を図る一手段として、電極、および電解
質層を薄く、広くすることにより実現するようにしてい
る。

【０００４】一般に、燃料極および酸化剤極の両電極間
のガス差圧（以下、単に差圧と称する）は、この薄くな
った電解質層の保護のため、最小となるように制御され
るか、あるいは例えば“特公平３−１０５８６４号公
報”に示されるように、腐食による燃料電池の寿命上の
観点から、燃料極のガス圧力が酸化剤極のガス圧力より
もやや高めになるように設定されている。

【０００５】しかしながら、燃料極および酸化剤極の両
電極間の差圧の検出は、燃料電池全平面内の固定の１地
点で行なわれていることから、標準負荷時に対応した差
圧制御に固定されている。

【０００６】前述のように、電極、および電解質層が広
くなっているため、ガス流に対する圧損により、燃料電
池全平面内の各地点における両電極間の差圧は、一様で
なく違いが大きい。さらに、燃料電池は負荷応答性が高
いことを期待されており、低ガス流量での低負荷量運
転、高ガス流量での高負荷量運転等、標準負荷量以外の
運転を行なうことも比較的多いことから、標準負荷時に
対応した差圧制御のみでは、燃料電池全平面内の差圧検
出地点や負荷量等によって、局所的に極端に差圧が大き
くなったり、酸化剤極のガス圧力が燃料極のガス圧力を
上回ることもある。その結果、燃料電池の破損や、寿命
低下を生じることになる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】以上のように、従来の
燃料電池においては、ガス流量および負荷電流量が変動
した場合に、燃料電池の破損や、寿命低下を生じるとい
う問題があった。本発明の目的は、ガス流量および負荷
電流量が変動しても、燃料電池全平面内で燃料極のガス
圧力が相対する酸化剤極のガス圧力を上回り、かつ差圧
が最も小さい差圧制御を行なって、燃料電池の破損や、
寿命低下を防止することが可能な燃料電池装置を提供す
ることにある。

【０００８】

【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、電解質を含浸した電解質層を挟んで燃料極および
酸化剤極の一対の多孔質電極を対向配置して成り、燃料
極に燃料ガスおよび酸化剤極に酸化剤ガスがそれぞれ流
通している条件下で起こる電気化学的反応により、上記
両電極間から電気エネルギーを出力する燃料電池におい
て、まず、請求項１に対応する発明では、燃料極および
酸化剤極の両電極間の差圧（ガス差圧）を複数の地点で
検出する複数の差圧検出手段と、各差圧検出手段により
それぞれ検出された差圧検出値の中から最小値を選択
し、当該選択された最小値を両電極間の差圧として伝送
する選択伝送手段と、選択伝送手段により伝送された最
小値が設定値と等しくなるように両電極間の差圧を制御
する差圧制御手段とを備えて成る。

【０００９】また、請求項２に対応する発明では、燃料
極および酸化剤極の両電極間の差圧（ガス差圧）を任意
の１地点で検出する差圧検出手段と、燃料電池の出力電
流を検出する電流検出手段と、燃料極および酸化剤極に
供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスの流量をそれぞれ
検出する流量検出手段と、差圧検出手段により検出され
た差圧検出値、電流検出手段により検出された電流検出
値、および前記各流量検出手段によりそれぞれ検出され
た流量検出値に基づいて、上記任意の検出地点以外の複
数地点での各々の差圧を演算し、当該演算された差圧演
算値を両電極間の差圧として出力する差圧演算手段と、
差圧検出手段により検出された差圧検出値、および差圧
演算手段により出力された各差圧演算値の中から最小値
を選択し、当該選択された最小値を両電極間の差圧とし
て伝送する選択伝送手段と、選択伝送手段により伝送さ
れた最小値が設定値と等しくなるように両電極間の差圧
を制御する差圧制御手段とを備えて成る。

【００１０】

【作用】従って、本発明の燃料電池装置においては、燃
料電池全平面内の各地点の各差圧の中で、酸化剤極のガ
ス圧力が相対する燃料極のガス圧力に対して最も高い値
について差圧制御を行なうことにより、燃料電池全平面
内で燃料極のガス圧力が相対する酸化剤極のガス圧力を
上回り、かつ差圧が最も小さい差圧制御が得られること
になる。これにより、燃料電池の破損や、寿命低下を防
止することができる。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
て詳細に説明する。 （第１の実施例）図２は、本実施例による燃料電池装置
における差圧検出系の構成例を示す部分斜視図である。

【００１２】図２において、酸性電解質を含浸した電解
質層を挟んで燃料極および酸化剤極の一対の多孔質電極
を対向配置して成る燃料電池１１は、その燃料極に燃料
ガスを、また酸化剤極に酸化剤ガスをそれぞれ流通させ
て、当該条件下で起こる電気化学的反応により、上記両
電極間から電気エネルギーを出力するようになってい
る。

【００１３】また、燃料電池１１全平面内の複数地点
（本例では、４地点（４隅））には、燃料極および酸化
剤極の両電極間の差圧を検出する差圧検出部１，２，
３，４をそれぞれ設けている。

【００１４】図１は、本実施例による燃料電池装置にお
ける差圧制御系の構成例を示す機能ブロック図である。
すなわち、本差圧制御系は、図１に示すように、上記４
つの差圧検出部１，２，３，４と、選択伝送手段である
最小値選択部５と、差圧制御部６とから成っている。

【００１５】ここで、最小値選択部５は、各差圧検出部
１，２，３，４によりそれぞれ検出された差圧検出値を
入力してその中から最小値を選択し（燃料極高を正とす
る）、この選択された最小値を上記両電極間の差圧とし
て差圧制御部６へ伝送するものである。

【００１６】また、差圧制御部６は、最小値選択部５に
より伝送された最小値が設定値と等しくなるように、上
記両電極間の差圧を制御するものである。次に、以上の
ように構成した本実施例の燃料電池装置の作用について
説明する。

【００１７】燃料電池１１全平面内の４地点（４隅）
で、燃料極および酸化剤極の両電極間の差圧が、差圧検
出部１，２，３，４によりそれぞれ検出され、各差圧検
出値は最小値選択部５に入力される。

【００１８】また、最小値選択部５では、入力された各
差圧検出値の中から最小値が選択され（燃料極高を正と
する）、この選択された最小値が両電極間の差圧（測定
値）として差圧制御部６に伝送される。

【００１９】さらに、差圧制御部６では、伝送された最
小値が設定値と等しくなるように、両電極間の差圧が制
御される。以上のような動作が、連続的に順次繰り返さ
れる。そして、かかる制御により、差圧検出部１，２，
３，４による差圧検出地点では、全地点が正（燃料極
高）で最小値が設定値となる。

【００２０】これにより、ガス流量および負荷電流量が
変動しても、燃料電池１１全平面内で燃料極のガス圧力
が相対する酸化剤極のガス圧力を上回り、かつ差圧が最
も小さい差圧制御が得られることになる。

【００２１】上述したように、本実施例の燃料電池装置
は、燃料電池１１全平面内の４地点（４隅）で燃料極お
よび酸化剤極の両電極間の差圧を検出する差圧検出部
１，２，３，４と、各差圧検出部１，２，３，４により
それぞれ検出された差圧検出値を入力してその中から最
小値を選択し、この選択された最小値を両電極間の差圧
として差圧制御部６へ伝送する最小値選択部５と、最小
値選択部５により伝送された最小値が設定値と等しくな
るように、両電極間の差圧を制御する差圧制御部６とを
設けるようにしたものである。

【００２２】従って、ガス流量および負荷電流量が変動
しても、燃料電池１１全平面内で燃料極のガス圧力が相
対する酸化剤極のガス圧力を上回り、かつ差圧が最も小
さい差圧制御を行なって、燃料電池１１の破損や、寿命
低下を防止することが可能となる。

【００２３】（第２の実施例）図３は、本実施例による
燃料電池装置における差圧制御系の構成例を示す機能ブ
ロック図であり、図１と同一要素には同一符号を付して
示している。

【００２４】すなわち、本差圧制御系は、図３に示すよ
うに、前記差圧検出部１（差圧検出部２，３，４のいず
れか１つであってもよい）と、電流検出部７と、燃料極
側の流量検出部８と、酸化剤極側の流量検出部９と、差
圧演算部１０と、最小値選択部５と、差圧制御部６とか
ら成っている。なお、差圧演算部１０、および最小値選
択部５により、演算伝送手段を構成している。

【００２５】ここで、電流検出部７は、前記燃料電池１
１の出力電流を検出するものである。また、流量検出部
８は、燃料電池１１の燃料極に供給される燃料ガスの流
量を検出するものである。

【００２６】さらに、流量検出部９は、燃料電池１１の
酸化剤極に供給される酸化剤ガスの流量を検出するもの
である。一方、差圧演算部１０は、差圧検出部１により
検出された差圧検出値、電流検出部７により検出された
電流検出値、および各流量検出部８，９によりそれぞれ
検出された流量検出値に基づいて、上記任意の検出地点
（本例では、差圧検出部１の設置点）以外の複数地点
（本例では、前記差圧検出部２，３，４の設置点）での
各々の差圧を演算し、この演算された差圧演算値を両電
極間の差圧として出力するものである。

【００２７】また、最小値選択部５は、差圧検出部１に
より検出された差圧検出値、および差圧演算部１０によ
り出力された各差圧演算値を入力してその中から最小値
を選択し（燃料極高を正とする）、この選択された最小
値を上記両電極間の差圧として差圧制御部６へ伝送する
ものである。

【００２８】さらに、差圧制御部６は、最小値選択部５
により伝送された最小値が設定値と等しくなるように、
上記両電極間の差圧を制御するものである。次に、以上
のように構成した本実施例の燃料電池装置の作用につい
て説明する。

【００２９】燃料電池１１全平面内の任意の１地点で、
燃料極および酸化剤極の両電極間の差圧が、差圧検出部
１により検出され、その差圧検出値は差圧演算部１０に
入力される。

【００３０】一方、燃料電池１１の出力電流が、電流検
出部７により検出され、その電流検出値は差圧演算部１
０に入力される。また、燃料電池１１の燃料極に供給さ
れる燃料ガスの流量が、流量検出部８により検出され、
その流量検出値は差圧演算部１０に入力される。

【００３１】さらに、燃料電池１１の酸化剤極に供給さ
れる酸化剤ガスの流量が、流量検出部９により検出さ
れ、その流量検出値は差圧演算部１０に入力される。一
方、差圧演算部１０では、入力された差圧検出値、電流
検出値、および各流量検出値から、上記任意の検出地点
（差圧検出部１の設置点）以外の複数地点（圧検出部
２，３，４の設置点）での各々の差圧が演算され、その
差圧演算値が両電極間の差圧として、差圧検出部１から
の差圧検出値と共に、最小値選択部５に入力される。

【００３２】また、最小値選択部５では、入力された差
圧検出値、および各差圧演算値の中から最小値が選択さ
れ（燃料極高を正とする）、この選択された最小値が両
電極間の差圧（測定値）として差圧制御部６に伝送され
る。

【００３３】さらに、差圧制御部６では、伝送された最
小値が設定値と等しくなるように、両電極間の差圧が制
御される。以上のような動作が、連続的に順次繰り返さ
れる。そして、かかる制御により、差圧検出部１，２，
３，４の設置点に相当する差圧検出地点では、全地点が
正（燃料極高）で最小値が設定値となる。

【００３４】これにより、ガス流量および負荷電流量が
変動しても、燃料電池１１全平面内で燃料極のガス圧力
が相対する酸化剤極のガス圧力を上回り、かつ差圧が最
も小さい差圧制御が得られることになる。

【００３５】上述したように、本実施例の燃料電池装置
は、燃料電池１１全平面内の任意の１地点で燃料極およ
び酸化剤極の両電極間の差圧を検出する１台の差圧検出
部１と、燃料電池１１の出力電流を検出する電流検出部
７と、燃料電池１１の燃料極に供給される燃料ガスの流
量を検出する流量検出部８と、燃料電池１１の酸化剤極
に供給される酸化剤ガスの流量を検出する流量検出部９
と、差圧検出部１により検出された差圧検出値、電流検
出部７により検出された電流検出値、および各流量検出
部８，９によりそれぞれ検出された流量検出値に基づい
て、上記任意の検出地点（差圧検出部１の設置点）以外
の複数地点（差圧検出部２，３，４の設置点）での各々
の差圧を演算し、この演算された差圧演算値を両電極間
の差圧として出力する差圧演算部１０と、差圧検出部１
により検出された差圧検出値、および差圧演算部１０に
より出力された各差圧演算値を入力してその中から最小
値を選択し（燃料極高を正とする）、この選択された最
小値を上記両電極間の差圧として差圧制御部６へ伝送す
る最小値選択部５と、最小値選択部５により伝送された
最小値が設定値と等しくなるように、上記両電極間の差
圧を制御する差圧制御部６とを設けるようにしたもので
ある。

【００３６】従って、前記第１の実施例の場合と同様
に、ガス流量および負荷電流量が変動しても、燃料電池
１１全平面内で燃料極のガス圧力が相対する酸化剤極の
ガス圧力を上回り、かつ差圧が最も小さい差圧制御を行
なって、燃料電池１１の破損や、寿命低下を防止するこ
とが可能となる。

【００３７】尚、本発明は上記各実施例に限定されるも
のではなく、次のようにしても同様に実施できるもので
ある。 （ａ）上記各実施例では、酸性電解質を含浸した電解質
層を挟んで燃料極および酸化剤極の一対の多孔質電極を
対向配置して成る燃料電池に本発明を適用する場合につ
いて説明したが、これに限らず、アルカリ性電解質を含
浸した電解質層を挟んで燃料極および酸化剤極の一対の
多孔質電極を対向配置して成る燃料電池についても、本
発明を同様に適用して前述の場合と同様の効果が得られ
るものである。

【００３８】なお、この場合には、燃料極と酸化剤極と
を逆転させることにより、そのまま適用することができ
る。 （ｂ）上記各実施例では、燃料電池１１全平面内の４地
点における燃料極および酸化剤極の両電極間の差圧に基
づいて、差圧制御を行なう場合について説明したが、何
らこれに限られないことは言うまでもない。

【００３９】

【発明の効果】以上説明したように、電解質を含浸した
電解質層を挟んで燃料極および酸化剤極の一対の多孔質
電極を対向配置して成り、燃料極に燃料ガスおよび酸化
剤極に酸化剤ガスがそれぞれ流通している条件下で起こ
る電気化学的反応により、上記両電極間から電気エネル
ギーを出力する燃料電池において、まず、請求項１に対
応する発明によれば、燃料極および酸化剤極の両電極間
の差圧（ガス差圧）を複数の地点で検出する複数の差圧
検出手段と、各差圧検出手段によりそれぞれ検出された
差圧検出値の中から最小値を選択し、当該選択された最
小値を両電極間の差圧として伝送する選択伝送手段と、
選択伝送手段により伝送された最小値が設定値と等しく
なるように両電極間の差圧を制御する差圧制御手段とを
備えるようにしたので、ガス流量および負荷電流量が変
動しても、燃料電池全平面内で燃料極のガス圧力が相対
する酸化剤極のガス圧力を上回り、かつ差圧が最も小さ
い差圧制御を行なって、燃料電池の破損や、寿命低下を
防止することが可能な燃料電池装置が提供できる。

【００４０】また、請求項２に対応する発明によれば、
燃料極および酸化剤極の両電極間の差圧（ガス差圧）を
任意の１地点で検出する差圧検出手段と、燃料電池の出
力電流を検出する電流検出手段と、燃料極および酸化剤
極に供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスの流量をそれ
ぞれ検出する流量検出手段と、差圧検出手段により検出
された差圧検出値、電流検出手段により検出された電流
検出値、および前記各流量検出手段によりそれぞれ検出
された流量検出値に基づいて、上記任意の検出地点以外
の複数地点での各々の差圧を演算し、当該演算された差
圧演算値を両電極間の差圧として出力する差圧演算手段
と、差圧検出手段により検出された差圧検出値、および
差圧演算手段により出力された各差圧演算値の中から最
小値を選択し、当該選択された最小値を両電極間の差圧
として伝送する選択伝送手段と、選択伝送手段により伝
送された最小値が設定値と等しくなるように両電極間の
差圧を制御する差圧制御手段とを備えるようにしたの
で、ガス流量および負荷電流量が変動しても、燃料電池
全平面内で燃料極のガス圧力が相対する酸化剤極のガス
圧力を上回り、かつ差圧が最も小さい差圧制御を行なっ
て、燃料電池の破損や、寿命低下を防止することが可能
な燃料電池装置が提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による第１の実施例の燃料電池装置にお
ける差圧検出系の構成例を示す部分斜視図。

【図２】同第１の実施例の燃料電池装置における差圧制
御系の構成例を示す機能ブロック図。

【図３】本発明による第２の実施例の燃料電池装置にお
ける差圧制御系の構成例を示す機能ブロック図。

【符号の説明】

１，２，３，４…差圧検出部、 ５…最小値選択部、 ６…差圧制御部、 ７…電流検出部、 ８…燃料極側の流量検出部、 ９…酸化剤極側の流量検出部、 １０…差圧演算部、 １１…燃料電池。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電解質を含浸した電解質層を挟んで燃料
   極および酸化剤極の一対の多孔質電極を対向配置して成
   り、前記燃料極に燃料ガスおよび前記酸化剤極に酸化剤
   ガスがそれぞれ流通している条件下で起こる電気化学的
   反応により、前記両電極間から電気エネルギーを出力す
   る燃料電池において、 前記燃料極および酸化剤極の両電極間の差圧（ガス差
   圧）を複数の地点で検出する複数の差圧検出手段と、 前記各差圧検出手段によりそれぞれ検出された差圧検出
   値の中から最小値を選択し、当該選択された最小値を前
   記両電極間の差圧として伝送する選択伝送手段と、 前記選択伝送手段により伝送された最小値が設定値と等
   しくなるように前記両電極間の差圧を制御する差圧制御
   手段と、 を備えて成ることを特徴とする燃料電池装置。
2. 【請求項２】 電解質を含浸した電解質層を挟んで燃料
   極および酸化剤極の一対の多孔質電極を対向配置して成
   り、前記燃料極に燃料ガスおよび前記酸化剤極に酸化剤
   ガスがそれぞれ流通している条件下で起こる電気化学的
   反応により、前記両電極間から電気エネルギーを出力す
   る燃料電池において、 前記燃料極および酸化剤極の両電極間の差圧（ガス差
   圧）を任意の１地点で検出する差圧検出手段と、 前記燃料電池の出力電流を検出する電流検出手段と、 前記燃料極および酸化剤極に供給される燃料ガスおよび
   酸化剤ガスの流量をそれぞれ検出する流量検出手段と、 前記差圧検出手段により検出された差圧検出値、前記電
   流検出手段により検出された電流検出値、および前記各
   流量検出手段によりそれぞれ検出された流量検出値に基
   づいて、前記任意の検出地点以外の複数地点での各々の
   差圧を演算し、当該演算された差圧演算値を前記両電極
   間の差圧として出力する差圧演算手段と、 前記差圧検出手段により検出された差圧検出値、および
   前記差圧演算手段により出力された各差圧演算値の中か
   ら最小値を選択し、当該選択された最小値を前記両電極
   間の差圧として伝送する選択伝送手段と、 前記選択伝送手段により伝送された最小値が設定値と等
   しくなるように前記両電極間の差圧を制御する差圧制御
   手段と、 を備えて成ることを特徴とする燃料電池装置。