JPH09259913A - 燃料電池発電装置およびその運転方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】燃料電池積層体の損害を最少限に抑制し、燃料
電池積層体の長寿命化を図る。 【解決手段】単電池積層体２の少なくとも１個の単電池
１に、その単電池１の平面方向の電流分布を検出する直
流電流検出手段１９ａ，１９ｂ，１９ｃが少なくとも１
個配設され、反応ガスの供給流量および負荷電流を制御
する制御手段２３を備え、この制御手段２３は直流電流
検出手段１９ａ，１９ｂ，１９ｃで検出した電流分布
と、予め設定した基準電流の許容範囲とを比較し、許容
範囲を越えた場合、単電池積層体２に供給する反応ガス
の供給流量および負荷電流２０の少なくとも一方を制御
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池発電装置
およびその運転方法に係り、特に燃料電池本体の平面方
向の電流密度分布を検出し、燃料電池本体を保護する燃
料電池発電装置およびその運転方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、燃料の有する化学エネルギー
を直接電気エネルギーに変換する装置として、燃料電池
が知られている。この燃料電池は、一般に多孔質性材料
を使用した一対の電極間に、電解質を保持するマトリッ
クス層（電解質層）を挟み、一方の電極の背面に反応ガ
スとして燃料ガスを接触させるとともに、他方の電極の
背面に反応ガスとして酸化剤ガスを接触させることによ
り、このときに生じる電気化学反応を利用して上記一対
の電極間から電気エネルギーを取り出すように構成した
装置である。上記電解質としては、酸性溶液，溶融炭酸
塩，アルカリ溶液などが挙げられ、現在はリン酸を用い
たリン酸型燃料電池が最も実用化に近いといわれてい
る。

【０００３】図８は、この種の燃料電池のうち電解質と
してリン酸を使用したリン酸型燃料電池の構成を示す分
解斜視図である。図８に示すように、燃料電池本体に
は、発電のための単電池１が、ガス分離板３を介して複
数個積層されてなる単電池積層体２が設けられている。

【０００４】単電池１は、多孔質性材料を使用した一対
のアノード電極１ａとカソード電極１ｂが、リン酸を含
浸したマトリックス層１ｃを挟んで構成されている。こ
の一対の電極１ａ，１ｂには、それぞれマトリックス層
１ｃと対向する面に、白金などによる触媒が塗布されて
いる。そして、アノード電極１ａの背面には水素などの
燃料ガスが流通する燃料流通溝が形成される一方、カソ
ード電極１ｂの背面には、酸素など酸化剤ガスが流通す
る酸化剤流通溝が形成されている。

【０００５】このような単電池１は、運転時には余剰熱
を除去・冷却して、例えば２００℃程度の一定温度に維
持する必要がある。このため、単電池積層体２は、複数
個の単電池１を積層し、各単電池１間にガス分離板３を
それぞれ挿入して、一つのサブスタックを形成し、この
サブスクックと熱を排出するための冷却板４とを交互に
複数個積層して構成される。

【０００６】なお、ガス分離板３は、アノード電極１ａ
とカソード電極１ｂにそれぞれ供給される反応ガスを区
分するとともに、単電池１間の電気的接触を確保するよ
うに構成されている。また、冷却板４は、内部に水など
の冷媒を流すことにより、単電池積層体２の温度調節を
行うように構成されている。

【０００７】このような単電池積層体２の側面には、単
電池積層体２に燃料ガスと酸化剤ガスをそれぞれ供給・
排出するガスマニホールド５が配置されている。そし
て、単電池積層体２には、単電池積層体２で発生した電
流を取り出すために、その上下の端部に集電板６が配置
されている。

【０００８】以上のような構成を有するリン酸型燃料電
池では、各単電池１において、アノード電極１ａに供給
された水素がアノード電極１ａに塗布された触媒の作用
により、次のような反応（解離反応）が起こす。

【０００９】

【数１】Ｈ₂ →２Ｈ⁺ ＋２ｅ^-

【００１０】この水素の解離反応により発生した水素イ
オン（Ｈ⁺ ）は、マトリックス層１ｃに蓄えられたリン
酸中を移動し、カソード電極１ｂに達する。一方、電子
（ｅ^- ）はアノード電極１ａから外部回路を流れ、電力
負荷（例えば電球，モータ，ヒータなど）を通って仕事
をし、カソード電極１ｂに達する。そして、アノード電
極１ａから移動してきた水素イオン（Ｈ⁺ ）と、カソー
ド電極１ｂに供給された酸素（Ｏ₂ ）と、外部回路で仕
事をしてきた電子（ｅ^- ）とにより、カソード電極１ｂ
に塗布された触媒の作用によって、次のような反応が起
こる。

【００１１】

【数２】４Ｈ⁺ ＋Ｏ₂ 十４ｅ^- →２Ｈ₂ Ｏ

【００１２】したがって、単電池１では、水素が酸化さ
れて水（Ｈ₂ Ｏ）が生成されるとともに、このときの化
学エネルギーが、外部の電気負荷に与える電気エネルギ
ーとなる。このようにして、単電池１の電池としての全
反応が完結する。なお、上記の単電池１における反応は
発熱反応となるが、ここで発生した熱は、単電池積層体
２内部に挿入されている冷却板４により冷却される。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、燃料電池が
発電を行うためには、各電極１ａ，１ｂにそれぞれの反
応ガスが、十分に供給されている必要がある。しかし、
要求される電気エネルギーに対し、反応ガスのいずれか
一方でも不足した場合には、次のような問題が発生す
る。

【００１４】すなわち、例えばカソード電極１ｂにおい
て、供給される酸化剤ガス流量が不足した場合は、酸化
剤ガスが単電池積層体２全体に行き渡らず、反応は酸化
剤ガスの供給される付近（酸化剤ガス入口）に集中し
て、この部分の発熱量が正常な状態に比べ増加すること
になる。一方、酸化剤ガスが排出される付近（酸化剤ガ
ス出口）では、酸化剤ガスの供給が不十分となって反応
は余り起こらず、正常な状態に比べ発熱量が低下するこ
とになる。

【００１５】このように酸化剤ガス入口付近での温度上
昇によりカソード電極１ｂが高温になると、電池に蓄え
られているリン酸電解質の蒸発や、触媒などの劣化が急
速に進行して、電池の寿命を短縮する原因となる。これ
では、燃料電池の安定した長期間運転の障害となる。

【００１６】このような現象は、アノード電極１ａで燃
料ガスが不足した場合にも同様に起こる。しかも、燃料
ガスの不足が著しい場合、燃料ガス出口付近では、カソ
ード電極１ｂに水素イオンが供給されないため、水の生
成が起こらない。そして、水の生成の代わりに、電極お
よび冷却板の材料である炭素を腐食する次のような反応
が起こる。

【００１７】

【数３】Ｃ＋２Η₂ Ｏ→ＣＯ₂ ＋２Ｈ₂

【００１８】この反応が進行すると、燃料電池の主な構
成材料に欠損が生じて、燃料電池の運転が不可能にな
る。

【００１９】ここで、燃料ガスや酸化剤ガスの供給流量
が不足した場合には、電気エネルギー量が低下する。す
なわち、単電池積層体２で発生する電圧が低下すること
になる。したがって、従来の燃料電池では、上記のよう
な異常の発生を防止するために、単電池積層体２の電圧
を検知し、その電圧がある一定値以下になった時に、燃
料電池に異常が発生したと判断する異常検知方法が知ら
れている。

【００２０】しかしながら、このような単電池積層体の
電圧による異常検知方法では、燃料ガスまたは酸化剤ガ
スのいずれかの反応ガスの不足により電圧が低下したか
を特定することはできない。しかも、異常を特定するた
めに燃料電池の運転を一旦停止すると、発電信頼性が大
幅に低下することになる。

【００２１】したがって、異常が発生した場合には、燃
料電池の運転を継続しながら、正常な状態とすることが
望ましい。これには、燃料電池に燃料ガスと酸化剤ガス
の両方を供給して、両方の反応ガス量を増加させること
が考えられる。しかし、この場合、異常発生時に正常な
供給流量であった方の反応ガスは、過剰に供給されるこ
とになる。

【００２２】また、このような平面方向における電流の
集中、温度上昇は、非発電状態から空気をカソード電極
１ｂに導入し、スタック電圧の上昇に伴って発電を開始
する過渡的な状態（以下、負荷移行過程という）におい
ても起こる可能性があると考えられる。

【００２３】すなわち、非発電時には、アノード電極１
ａおよびカソード電極１ｂは不活性ガス、通常Ｎ₂ ガス
で満たされている。そのような状態から、カソード電極
１ｂに空気を導入すると、酸化剤ガス入口付近では流入
した空気によって電圧が発生する。この電圧はスタック
電圧として検知される。

【００２４】しかし、流入した空気の流量によっては、
酸化剤ガス出口付近まで十分に空気で置換される以前
に、スタック電圧が高電圧に達し、発電を開始、すなわ
ち負荷電流が流れることになる。この結果、負荷電流は
空気が十分供給された部分で発生することになる。つま
り酸化剤ガス入口部分に電流が集中してしまうことが考
えられる。この電流集中によって、アノード電極１ａの
水素不足状態が発生したり、温度上昇が起こると、前述
したように燃料電池の寿命を短縮するすることになる。

【００２５】また、過渡的な状熊における電流集中は、
次のような停止操作においても同様に起こることが考え
られる。すなわち、停止操作指令を受けたシステムは、
反応ガスを電池外へ除去するために、不活性ガス、通常
Ｎ₂ ガスを供給する。この場合、カソード電極１ｂの平
面方向の酸素濃度は酸化剤ガス入口側から徐々に低下す
る。一方、スタック電圧は空気があれば発生する。した
がって、停止操作においては、Ｎ₂ ガスにより押し出さ
れる残留空気が存在する部分で反応が起こる。特に、Ｎ
₂ ガスと残留空気との境界面が酸化剤ガス出口側に近付
くにつれてその集中度（電流密度）が上昇すると考えら
れる。

【００２６】本発明は上述した事情を考慮してなされた
もので、燃料電池積層体の損害を最少限に抑制し、燃料
電池積層体の長寿命化を図ることが可能な燃料電池発電
装置およびその運転方法を提供することを目的とする。

【００２７】

【課題を解決するための手段】上述した課題を解決する
ために、本発明の請求項１は、一対の電極間に電解質層
を挟んで単電池を形成し、この単電池を複数積層し、各
単電池間にガス分離板をそれぞれ挿入してサブスタック
を形成し、このサブスタックと冷却板とを交互に複数積
層して単電池積層体を形成してなる燃料電池発電装置に
おいて、前記単電池積層体の少なくとも１個の単電池
に、その単電池の平面方向の電流分布を検出する直流電
流検出手段が少なくとも１個配設され、この電流検出手
段に反応ガスの供給流量および負荷電流を制御する制御
手段が接続され、この制御手段では、前記直流電流検出
手段で検出した電流分布と、予め設定した基準電流の許
容範囲とを比較し、許容範囲を越えた場合に、前記単電
池積層体に供給する反応ガスの供給流量および負荷電流
の少なくとも一方を制御するように構成されていること
を特徴とする。

【００２８】請求項２は、請求項１記載の燃料電池発電
装置において、単電池の平面方向の電流分布を検出する
直流電流検出手段が少なくとも１個配設された電流測定
器を有し、この電流測定器がサブスタックと冷却板との
間の少なくとも１か所に配設されたことを特徴とする。

【００２９】請求項３は、請求項１記載の燃料電池発電
装置において、制御手段は、電流検出手段で検出した電
流分布と、予め設定した基準電流の許容範囲とを比較
し、許容範囲を越えた場合に、燃料電池を停止させるよ
うに構成されていることを特徴とする。

【００３０】請求項４は、単電池積層体の単電池に反応
ガスを供給して負荷電流を発生させる燃料電池発電装置
の運転方法において、発電を開始する過渡的な負荷変化
過程で、前記単電池の電流を電流検出手段により検出
し、この検出した電流が予め設定した基準電流の許容値
と比較して、許容値を越えた場合、負荷電流変化速度を
低下または負荷変化を一時停止することを特徴とする。

【００３１】請求項５は、単電池積層体の単電池に反応
ガスを供給して負荷電流を発生させる燃料電池発電装置
の運転方法において、発電を開始する過渡的な負荷変化
過程で、前記単電池の電流を電流検出手段により検出
し、この検出した電流が予め設定した基準電流の許容値
と比較して、許容値を越えた場合、負荷電流増加速度を
低下または負荷電流増加を一時停止することを特徴とす
る。

【００３２】請求項６は、一対の電極間に電解質層を挟
んで単電池を形成し、この単電池を複数積層し、各単電
池間にガス分離板をそれぞれ挿入してサブスタックを形
成し、このサブスタックと冷却板とを交互に複数積層し
て単電池積層体を形成してなる燃料電池発電装置におい
て、前記単電池積層体の少なくとも１個の単電池に、そ
の単電池の平面方向の電流分布を検出する直流電流検出
手段が少なくとも１個配設され、この電流検出手段に反
応ガスの供給流量および負荷電流を制御する制御手段が
接続され、前記単電池積層体に、並列に２つ以上の固定
抵抗を配し、且つこれらの固定抵抗にそれぞれ遮断器を
接続してなる固定抵抗回路が接続され、前記制御手段で
は、停止操作において、前記直流電流検出手段で検出し
た電流分布と、予め設定した基準電流の許容範囲とを比
較し、許容範囲を越えた場合に、前記固定抵抗回路の遮
断器の少なくとも一つを開放することにより、検出した
電流を許容範囲に抑制するように構成されていることを
特徴とする。

【００３３】請求項７は、一対の電極間に電解質層を挟
んで単電池を形成し、この単電池を複数積層し、各単電
池間にガス分離板をそれぞれ挿入してサブスタックを形
成し、このサブスタックと冷却板とを交互に複数積層し
て単電池積層体を形成してなる燃料電池発電装置におい
て、前記単電池積層体の少なくとも１個の単電池に、そ
の単電池の平面方向の電流分布を検出する直流電流検出
手段が少なくとも１個配設され、この電流検出手段に反
応ガスの供給流量および負荷電流を制御する制御手段が
接続され、前記単電池積層体に可変抵抗回路が接続さ
れ、前記制御手段では、停止操作において、前記直流電
流検出手段で検出した電流分布と、予め設定した基準電
流の許容範囲とを比較し、許容範囲を越えた場合に、前
記可変抵抗回路の抵抗を変化させて、検出した電流を許
容範囲に抑制するように構成されていることを特徴とす
る。

【００３４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面に
基づいて説明する。

【００３５】図１は本発明に係る燃料電池発電装置の第
１実施形態を適用したリターンフロー形のリン酸型燃料
電池を示すブロック図である。なお、図８に示す従来技
術と同一または対応する部分には同一符号を付してその
説明を省略する。

【００３６】図１に示すように、単電池積層体２には、
第１ガスマニホールド５ａを介して燃料ガス供給路８お
よび燃料ガス排出路９が接続される一方、第２ガスマニ
ホールド５ｂを介して酸化剤ガス供給路１０および酸化
剤ガス排出路１１が接続されている。各供給路８，１０
には、それぞれの反応ガスである燃料ガス，酸化剤ガス
の流量を調節する燃料ガス流量調節弁１２，酸化剤ガス
流量調節弁１３が設置されている。

【００３７】また、各供給路８，１０には、それぞれ燃
料ガス切替弁１４，酸化剤ガス切替弁１５を介して不活
性ガス供給管１６が接続されている。燃料ガス切替弁１
４，酸化剤ガス切替弁１５は、燃料電池の工場からの出
荷時や現地据付後の運転停止時などの保管時に、燃料電
池内部の反応ガスを窒素ガスなどの不活性ガスに置換す
る。またはこの逆に、燃料電池の稼働時に燃料電池内の
不活性ガスを反応ガスに置換するための切替手段として
設けられている。そして、単電池積層体２には、各サブ
スタック間に挿入された冷却板に冷媒を流通するための
冷媒流通路１７および冷媒排出路１８が接続されてい
る。ここで、冷媒流通路１７には冷媒寥々調節弁１７ａ
が設けられている。

【００３８】このような燃料電池では、単電池積層体２
を挟んで第１，第２ガスマニホールド５ａ，５ｂのそれ
ぞれの反対側の側面には、それぞれにリターンマニホー
ルド７ａ，７ｂが設けられている。また、各単電池のア
ノード電極１ａとカソード電極１ｂの反応ガス流通溝に
は、それぞれの少なくとも１つの溝がガス不拡散性の物
質で埋設されてなるレーシングストライプ１ｄ，１ｅが
設けられている。これらのレーシングストライプ１ｄ，
１ｅにより、反応ガスは単電池内の供給路を通過した
後、それぞれのリターンマニホールド７ａ，７ｂを介し
て、再びレーシングストライプ１ｄ，１ｅで区切られた
排出路の単電池内に供給されるように構成されている。

【００３９】このような燃料電池発電装置では、単電池
積層体２の中央部のサブスタックの中央寄りの単電池１
に、それぞれ第１〜第３の電流検出手段１９ａ〜１９ｃ
が設けられている。第１の電流検出手段１９ａは、燃料
ガス復路側のリターンマニホールド７ａ近傍となる単電
池内で、且つ酸化剤ガス往路側の排出路１１近傍に設け
られている。

【００４０】また、第２の電流検出手段１９ｂは、燃料
ガス往路側の供給路８側とカソード電極に設けられたレ
ーシングストライプ１ｅとの中間でアノード電極に設け
られたレーシングストライプ１ｄ近傍となる単電池内の
位置に設けられている。

【００４１】さらに、第３の電流検出手段１９ｃは、燃
料ガス復路側の排出路９近傍となる単電池内で、且つ酸
化剤ガス往路側の供給路１０近傍となる部分に設けられ
ている。燃料電池の負荷電流（直流電流）２０はインバ
ータ２１により交流出力に変換されて外部負荷へ供給さ
れる。このインバータ２１は出力制御装置２２により制
御される。

【００４２】上述の流量調節弁１２，１３、切替弁１
４，１５、第１〜第３の電流検出手段１９ａ〜１９ｃ、
負荷電流２０の監視手段（図示せず）、および出力制御
装置２２は、それぞれ制御手段２３に接続されている。
また、インバータ２１は出力制御装置２２を介して制御
手段２３に接続されている。この制御手段２３には、正
常な運転が行われている場合に、第１〜第３の電流検出
手段１９ａ〜１９ｃのそれぞれで検出されるべき電流
（基準電流）値とその許容値が予め設定され、入力され
ている。

【００４３】そして、この制御手段２３は、第１〜第３
の電流検出手段１９ａ〜１９ｃにより検出された電流が
入力されると、この電流値と前記基準電流値および許容
範囲とを比較して、その結果により流量調節弁１２，１
３や切替弁１４，１５の状態を変化させたり、負荷電流
２０を制御するなどの制御信号を出力するように構成さ
れている。

【００４４】これは、第１〜第３の電流検出手段１９ａ
〜１９ｃで検出された電流分布が制御手段２３に予め入
力されている基準電流の許容範囲内であるときは、制御
手段２３から流量調節弁１２，１３および切替弁１４，
１５に、その時点での状態を維持するような制御信号を
出力するように構成されている。

【００４５】一方、電流検出手段１９ａ〜１９ｃで検出
された電流の一つでも許容値を越えた場合、制御手段２
３は、流量調節弁１２，１３、切替弁１４，１５のうち
少なくとも一つ以上の状態を変化させるような制御信号
を出力するように構成されている。

【００４６】ところで、第１〜第３の電流検出手段１９
ａ〜１９ｃで検出される電流分布は、その燃料電池特有
のものであり、燃料ガスの流量が変化した場合には図２
に記すように変化し、酸化剤ガスの流量が変化した場合
には図３に示すように変化することが予め実測または計
算により確認されている。そして、この情報が制御手段
２３に入力されている。さらに、電流分布は負荷電流が
変化した場合にも、図４に示すように変化するため、こ
の情報についても制御手段２３に入力されている。

【００４７】そして、以上の情報に基づいて制御手段２
３では、第１〜第３の電流検出手段１９ａ〜１９ｃで検
出される電流分布から燃料ガス，酸化剤ガス，または負
荷電流の不足・過剰を判断して、制御信号を出力するよ
うに構成されている。

【００４８】次に、第１実施形態の作用について説明す
る。

【００４９】以上のように構成される燃料電池発電装置
では、各電流検出手段１９ａ〜１９ｃで検出される電流
値が一つでも制御手段２３に入力されている許容範囲よ
りも低電流または高電流に変化した場合には、酸化剤ガ
ス，燃料ガス，または負荷電流が正常な状態となるよう
に、制御手段２３から流量調節弁１２，１３、切替弁１
４，１５にうち少なくとも一つ以上の状態を変化させる
ように、制御信号が送出される。

【００５０】ここで、電流検出手段１９ａ〜１９ｃで検
出される電流分布は、下記の６通りが考えられ、それぞ
れ燃料ガス，酸化剤ガス，負荷電流について制御手段２
３により不足・過剰が検出されて、制御信号が送出され
る。

【００５１】（１）第２の電流検出手段１９ｂの電流値
が基準電流の許容範囲よりも大きく、他の第１および第
３の検出手段の電流値が許容範囲より小さい場合、図２
に示すように、燃料ガスが正常時の供給流量に比べて不
足した状態と判断できる。これに従い、制御手段２３で
は、燃料ガス供給路８の燃料ガス流量調節弁１２に、そ
の開度が大きくなるように動作させる信号を出力して、
燃料ガスの供給流量を増加させる。

【００５２】（２）第１および第３の電流検出手段１９
ａ，１９ｃの電流値が基準電流の許容範囲にあり、第２
の電流検出手段１９ｂの電流値が許容範囲よりも小さい
場合、図２に示すように燃料ガスが正常時の供給流量に
比べて過剰となっていると判断できる。これに従い、制
御手段２３では、燃料ガス供給路８の燃料ガス流量調節
弁１２に、その開度が小さくなるように動作させる信号
を出力して、燃料ガスの供給流量を減少させる。

【００５３】（３）第２の電流検出手段１９ｂの電流値
が基準電流の許容範囲より大きく、第１の電流検出手段
１９ａの電流値が基準電流の許容範囲より小さく、第３
の電流検出手段１９ｃの電流値が基準電流の許容範囲内
である場合、図３に示すように、酸化剤ガスが正常時の
供給流量に比べて不足した状態と判断できる。これに従
い、制御手段２３では、酸化剤ガス供給路１０の酸化剤
ガス流量調節弁１３に、その開度が大きくなるように動
作させる信号を出力して、酸化剤ガスの供給流量を増加
させる。

【００５４】（４）第１の電流検出手段１９ａの電流値
が基準電流の許容範囲より大きく、第２の電流検出手段
１９ｂの電流値が基準電流の許容範囲より小さく、第３
の電流検出手段１９ｃの電流値が基準電流の許容範囲内
である場合、図３に示すように、酸化剤ガスが正常時の
供給流量に比べて過剰な状態と判断できる。これに従
い、制御手段２３では、酸化剤ガス供給路１０の酸化剤
ガス流量調節弁１３に、その開度が小さくなるように動
作させる信号を出力して、酸化剤ガスの供給流量を減少
させる。

【００５５】（５）第２，第３の電流検出手段１９ｂ，
１９ｃの電流値が基準電流の許容範囲より小さく、第１
の電流検出手段１９ａの電流値が基準電流の許容範囲内
である場合、図４に示すように、負荷電流が正常時に比
べて減少している状態と判断できる。これは需要側から
要求される電力が過少の場合である。この状態では、単
電池積層体２に燃料ガス，酸化剤ガスが必要以上に供給
されていることになり、制御手段２３では、流量調節弁
１２，１３のそれぞれの開度を小さくするように動作さ
せる制御信号を出力をして、燃料ガス，酸化剤ガスの供
給流量を減少させて、発電量を低減させる。

【００５６】（６）第２，第３の電流検出手段１９ｂ，
１９ｃの電流値が基準電流の許容範囲より大きく、第１
の電流検出手段１９ａの電流値が基準電流の許容範囲内
である場合、図４に示すように、負荷電流が正常時に比
べて増加している状態と判断できる。これは需要側から
要求される電力が過大の場合である。この状態では、単
電池積層体２に燃料ガス，酸化剤ガスが不足しているこ
とになり電池に与える悪影響が大さい。制御手段２３で
は、流量調節弁１２，１３のそれぞれの開度を大きくす
るように動作させる制御信号を出力して、燃料ガス，酸
化剤ガスの供給流量を増加させて、発電量を増大させ
る。

【００５７】したがって、第１実施形態の燃料電池発電
装置においては、第１〜第３の電流検出手段１９ａ〜１
９ｃで検出した電流分布を、制御手段２３に予め設定さ
れた基準電流の許容範囲と比較することにより、燃料ガ
ス，酸化剤ガスのいずれが不足しているか、あるいは負
荷電流が過大であるか、あるいはそれ以外の異常が生じ
ているのかを判断することができる。

【００５８】そして、制御手段２３では、その結果に基
づいて燃料ガス、酸化剤ガスのうち少なくとも一つ以上
を供給流量を制御したり、または負荷電流２０を制御す
ることにより、燃料電池の劣化を防止し、燃料電池の性
能を長期間に亘って維持し得るような、優れた燃料電池
発電装置とすることができる。

【００５９】このように第１実施形態の燃料電池発電装
置によれば、同一単電池内に第１〜第３の電流検出手段
１９ａ〜１９ｃが設けられていることにより、単電池内
の３か所の電流分布が検出され、これらの電流分布を制
御手段２３により基準電流の許容範囲とを比較すること
により、燃料ガス，酸化剤ガス，負荷電流の不足・過剰
を判断することができる。

【００６０】また、燃料ガス，酸化剤ガスまたは負荷電
流を制御することにより、反応ガスの欠乏、電流集中に
よる温度上昇を防ぎ、燃料電池の劣化を防ぐことが可能
となる。したがって、安定して長期間運転可能な燃料電
池発電装置とすることができる。

【００６１】なお、第１実施形態における複数の電流検
出手段１９ａ〜１９ｃは、必ずしも同一単電池内に設置
する必要はなく、複数の単電池に分けて、電流値を検知
するようにしても効果は同様である。また、その数も必
ずしも複数ではなく少なくとも１個あればよい。

【００６２】なお、図１に示す第１実施形態において、
第１〜第３の電流検出手段１９ａ〜１９ｃの入力信号に
対して６通りの判断根拠（１）〜（６）に該当しない状
態となった場合には、予想される以外の異常が生じてい
ると考えられる。この状態で運転を継続することは単電
池積層体２、またはこれに接続されている発電機器に悪
影響を及ぼす可能性があり、燃料電池を停止する必要が
ある。

【００６３】そこで、制御手段２３から切替弁１４，１
５を動作させる信号を出力し、負荷回路を遮断するとと
もに、燃料ガス，酸化剤ガスの供給を停止し、単電池積
層体２に不活性ガスを導入して発電を停止させる。

【００６４】すなわち、制御手段２３は、第１〜第３の
電流検出手段１９ａ〜１９ｃで検出した電流分布と、予
め設定した基準電流の許容範囲とを比較し、許容範囲を
越えた場合に、燃料電池を停止させる。

【００６５】このように、本実施形態の燃料電池発電装
置によれば、同一単電池内に第１〜第３の電流検出手段
１９ａ〜１９ｃが設けられていることにより、単電池内
の３か所の電流分布が検出され、制御手段２３によりそ
の電流分布と基準電流の許容範囲とを比較することによ
り、予想される以外の異常を判断できる。そして、単電
池積層体２およびこれに接続された発電機器への影響を
抑制するために燃料電池を停止することにより、燃料電
池の劣化を防ぐことが可能となる。したがって、安定し
て長期間運転可能な燃料電池発電装置とすることができ
る。

【００６６】次に、本発明に係る燃料電池発電装置の運
転方法の一実施形態について説明する。

【００６７】従来の技術で述べたように負荷移行過程で
は、カソード電極が窒素ガスで満たされている状態か
ら、酸化剤ガス供給側から酸化剤ガス排出側へ徐々に酸
素濃度が上昇する。このため、図１に示す第１〜第３の
電流検出手段１９ａ〜１９ｃで検出される電流は、電流
検出手段１９ｃ，１９ｂ，１９ａの順に電流が流れ始め
ることになる。特に、酸化剤ガスが排出側まで十分に供
給されることなく負荷電流を取り始めると、酸化剤ガス
供給側に電流が集中し、一時的に温度が上昇することが
考えられる。これに従い、制御手段２３では、インバー
タ２１に負荷電流２０の増加速度を低下または負荷電流
２０の増加を一時停止させる制御信号を出力して、電流
集中を抑制する。

【００６８】すなわち、負荷移行過程において、制御手
段２３は、第１〜第３の電流検出手段１９ａ〜１９ｃで
検出した電流が予め設定した基準電流の許容値と比較し
て、許容値を越えた場合、負荷電流増加速度を低下また
は負荷電流増加を一時停止するようにしている。

【００６９】このように本実施例の燃料電池発電装置に
よれば、単電池内に第１〜第３の電流検出手段１９ａ〜
１９ｃが設けられていることにより、単電池内の３か所
の電流分布が検出され、制御手段２３によりその電流と
基準電流の許容範囲とを比較することにより、電流の異
常な集中を検出できる。そして、負荷電流２０の増加速
度を制御することにより、電流の異常な集中を防ぎ、燃
料電池の劣化を防ぐことが可能となる。したがって、安
定して長期間運転可能な燃料電池発電装置とすることが
できる。

【００７０】なお、上記実施形態の運転方法において、
制御手段２３では、負荷変化過程において、第１〜第３
の電流検出手段１９ａ〜１９ｃで検出した電流が予め設
定した基準電流の許容値と比較して、許容値を越えた場
合、負荷電流変化速度を低下または負荷変化を一時停止
するようにしてもよい。これにより、上記実施形態の運
転方法と同様の効果が得られる。

【００７１】図５は本発明に係る燃料電池発電装置の第
２実施形態を適用したリン酸型燃料電池の単電池積層体
の構造を示す分解斜視図である。なお、図８に示す従来
技術と同一または対応する部分には同一の符号を付して
その説明を省略する。

【００７２】図５に示すように、単電池積層体２ａのほ
ぼ中央部のサブスタックとそれに接する冷却板４との間
には、電流測定器２４が挿入するように配置され、この
電流測定器２４は、その内部に第１〜第３の電流検出手
段１９ａ〜１９ｃを組み込んだ構造となっている。

【００７３】このような単電池積層体２ａを図１に示す
第１実施形態の構成に適用することにより、第１実施形
態と同等な作用および効果を得ることができる。したが
って、その詳細は前述した通りであるのでその説明を省
略する。

【００７４】なお、第２実施形態において、電流測定器
２４はサブスタックと冷却板４との間の少なくとも１か
所に配設されるようにすればよく、またその内部に組み
込む電流検出手段も少なくとも１個配設すればよい。

【００７５】図６は本発明に係る燃料電池発電装置の第
３実施形態を適用したリターンフロー形のリン酸型燃料
電池の構成を示すブロック図である。なお、図１に示す
部分と同一部分については同一符号を付してその説明を
省略する。以下の実施形態でも同様とする。

【００７６】図６に示すように、単電池積層体２には固
定抵抗回路２５が接続され、この固定抵抗回路２５は固
定抵抗２６ａ，２６ｂ〜２６ｎが並列に接続され、これ
らの固定抵抗２６ａ，２６ｂ〜２６ｎにそれぞれ遮断器
２７ａ，２７ｂ〜２７ｎが接続されている。

【００７７】制御手段２３では、停止操作において、第
１〜第３の電流検出手段１９ａ〜１９ｃで検出した電流
分布と、予め設定した基準電流の許容範囲とを比較し、
許容範囲を越えた場合に、固定抵抗回路２５の遮断器２
７ａ，２７ｂ〜２７ｎの少なくとも一つ開放することに
より、検出した電流を許容範囲に抑制するようにしてい
る。

【００７８】ところで、従来の技術で述べたように停止
操作では、カソード電極に酸化剤ガスとして空気が供給
されている状態から、窒素ガスにより酸化剤ガス供給側
から酸化剤ガス排出側へ残留空気が押し出され、電極表
面の酸素濃度が低下する。

【００７９】このため、図６に示す第１〜第３の電流検
出手段１９ａ〜１９ｃで検出される電流は、共に減少す
ると同時に、電流検出手段１９ｃ，１９ｂ，１９ａの順
に電流がほとんど流れなくなると考えられる。

【００８０】一方、電圧はある程度の面積の領域に空気
が存在すれば発生するので、平面内に部分的に電流が流
れない部分があるような状態においてもスタック電圧は
発生する。このスタック電圧と固定抵抗２６ａ，２６ｂ
〜２６ｎの抵抗値で決まる電流が電池に流れる。その結
果、電流集中が生じる可能性があり、これを第１〜第３
の電流検出手段１９ａ〜１９ｃにより検出することがで
きる。これに従い、制御手段２３では、固定抵抗回路２
５に接続された遮断器２７ａ，２７ｂ〜２７ｎの少なく
とも一つ以上を開放する制御信号を出力して、電流を減
少させる。

【００８１】このように第３実施実施形態の燃料電池発
電装置によれば、単電池内に第１〜第３の電流検出手段
１９ａ〜１９ｃが設けられていることにより、停止操作
において単電池内の３か所の電流が検出され、制御手段
２３によりその電流と基準電流の許容範囲とを比較する
ことにより、電流の異常な集中を検出できる。そして、
固定抵抗回路２５の遮断器２７ａ，２７ｂ〜２７ｎの少
なくとも一つ以上を開放して電池に流れる電流を減少さ
せることにより、電流の異常な集中を防ぎ、燃料電池の
劣化を防ぐことが可能となる。したがって、安定して長
期間運転可能な燃料電池発電装置とすることができる。

【００８２】図７は本発明に係る燃料電池発電装置の第
４実施形態を適用したリターンフロー形のリン酸型燃料
電池の構成を示すブロック図である。

【００８３】図７に示すように、単電池積層体２には可
変抵抗器２８が接続されている。制御手段２３では、停
止操作において、第１〜第３の電流検出手段１９ａ〜１
９ｃで検出した電流分布と、予め設定した基準電流の許
容範囲とを比較し、許容範囲を越えた場合に、可変抵抗
回路２８の抵抗値を変化させて、検出した電流を許容範
囲に抑制するようにしている。

【００８４】ところで、従来の技術で述べたように停止
操作では、カソード電極に酸化剤ガスとして空気が供給
されている状態から、窒素ガスにより酸化剤ガス供給側
から酸化剤ガス排出側へ残留空気が押し出され、電極表
面の酸素濃度が低下する。このため、図７に示した第１
〜第３の電流検出手段１９ａ〜１９ｃで検出される電流
は共に減少すると同時に、電流検出手段１９ｃ，１９
ｂ，１９ａの順に電流がほとんど流れなくなると考えら
れる。

【００８５】一方、電圧はある程度の面積の領域に空気
が存在すれば発生するので、平面内に部分的に電流が流
れない部分があるような状態においてもスタック電圧は
発生する。このスタック電圧と可変抵抗の抵抗値で決ま
る電流が電池に流れる。その結果、電流集中が生じる可
能性があり、これを第１〜第３の電流検出手段１９ａ〜
１９ｃにより検出できる。これに従い、制御手段２３で
は、可変抵抗器２８の抵抗を大きくする制御信号を出力
して、電流を減少させる。

【００８６】このように第４実施実施形態の燃料電池発
電装置によれば、単電池内に第１〜第３の電流検出手段
１９ａ〜１９ｃが設けられていることにより、停止操作
において単電池内の３か所の電流が検出され、制御手段
２３によりその電流と基準電流の許容範囲とを比較する
ことにより、電流の異常な集中を検出できる。そして、
可変抵抗器２８の抵抗値を大きくして電池に流れる電流
を減少させることにより、電流の異常な集中を防ぎ、燃
料電池の劣化を防ぐことが可能となる。したがって、安
定して長期間運転可能な燃料電池発電装置とすることが
できる。

【００８７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の請求項１
によれば、単電池積層体の少なくとも１個の単電池に、
その単電池の平面方向の電流分布を検出する直流電流検
出手段が少なくとも１個配設され、この電流検出手段に
反応ガスの供給流量および負荷電流を制御する制御手段
が接続され、この制御手段では、直流電流検出手段で検
出した電流分布と、予め設定した基準電流の許容範囲と
を比較し、許容範囲を越えた場合に、単電池積層体に供
給する反応ガスの供給流量および負荷電流の少なくとも
一方を制御するように構成し、単電池の平面方向の電流
分布を検出する手段を少なくとも一つ以上配設すること
により、予め設定した電流の許容範囲と比較することに
より、燃料ガス、酸化剤ガス、負荷電流の不足・過剰を
判断できる。これにより反応ガス流量の制御、負荷電流
の制御を行うことにより、電池の劣化を防ぐことがで
き、長期間運転できる燃料電池を提供することができ
る。

【００８８】請求項２によれば、請求項１記載の燃料電
池発電装置において、単電池の平面方向の電流分布を検
出する直流電流検出手段が少なくとも１個配設された電
流測定器を有し、この電流測定器がサブスタックと冷却
板との間の少なくとも１か所に配設されたことにより、
請求項１と同様の効果が得られる。

【００８９】請求項３によれば、請求項１記載の燃料電
池発電装置において、制御手段は、電流検出手段で検出
した電流分布と、予め設定した基準電流の許容範囲とを
比較し、許容範囲を越えた場合に、燃料電池を停止させ
るように構成されていることにより、請求項１と同様の
効果が得られる。

【００９０】したがって、請求項１，請求項２および請
求項３の燃料電池発電装置においては、１個または複数
個の電流検出手段で検出した電流分布を、制御手段に予
め設定された基準電流の許容範囲と比較することによ
り、燃料ガス、酸化剤ガスのいずれが不足しているか、
あるいは負荷電流が過大であるか、あるいはそれ以外の
異常が生じているのかを判断することができる。そし
て、制御手段では、その結果に基づいて燃料ガス、酸化
剤ガスのうち少なくとも一つ以上を制御する、または電
池を保護停止することにより、電池の劣化を防止し、燃
料電池の性能を長期間に亘って維持し得るような、優れ
た燃料電池発電装置とすることができる。

【００９１】請求項４によれば、単電池積層体の単電池
に反応ガスを供給して負荷電流を発生させる燃料電池発
電装置の運転方法において、発電を開始する過渡的な負
荷変化過程で、単電池の電流を電流検出手段により検出
し、この検出した電流が予め設定した基準電流の許容値
と比較して、許容値を越えた場合、負荷電流変化速度を
低下または負荷変化を一時停止することにより、電池平
面における局所的な過度電流集中を防止することができ
る。その結果、電池の劣化を防止し、燃料電池の性能を
長期間に亘って維持することができる。

【００９２】請求項５によれば、単電池積層体の単電池
に反応ガスを供給して負荷電流を発生させる燃料電池発
電装置の運転方法において、発電を開始する過渡的な負
荷変化過程で、単電池の電流を電流検出手段により検出
し、この検出した電流が予め設定した基準電流の許容値
と比較して、許容値を越えた場合、負荷電流増加速度を
低下または負荷電流増加を一時停止することにより、請
求項４と同様の効果が得られる。

【００９３】請求項６によれば、単電池積層体の少なく
とも１個の単電池に、その単電池の平面方向の電流分布
を検出する直流電流検出手段が少なくとも１個配設さ
れ、この電流検出手段に反応ガスの供給流量および負荷
電流を制御する制御手段が接続され、前記単電池積層体
に、並列に２つ以上の固定抵抗を配し、且つこれらの固
定抵抗にそれぞれ遮断器を接続してなる固定抵抗回路が
接続され、前記制御手段では、停止操作において、直流
電流検出手段で検出した電流分布と、予め設定した基準
電流の許容範囲とを比較し、許容範囲を越えた場合に、
固定抵抗回路の遮断器の少なくとも一つを開放すること
により、検出した電流を許容範囲に抑制するように構成
されていることにより、電流の異常な集中を防ぎ、燃料
電池の劣化を防ぐことが可能となる。したがって、安定
して長期間運転可能な燃料電池発電装置とすることがで
きる。

【００９４】請求項７によれば、単電池積層体の少なく
とも１個の単電池に、その単電池の平面方向の電流分布
を検出する直流電流検出手段が少なくとも１個配設さ
れ、この電流検出手段に反応ガスの供給流量および負荷
電流を制御する制御手段が接続され、単電池積層体に可
変抵抗回路が接続され、制御手段では、停止操作におい
て、直流電流検出手段で検出した電流分布と、予め設定
した基準電流の許容範囲とを比較し、許容範囲を越えた
場合に、可変抵抗回路の抵抗を変化させて、検出した電
流を許容範囲に抑制するように構成されていることによ
り、請求項６と同様の効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る燃料電池発電装置の第１実施形態
を適用したリターンフロー形のリン酸型燃料電池の構成
を示すブロック図。

【図２】燃料ガス流量と電池平面内の電流との関係を示
す図。

【図３】酸化剤ガス流量と電池平面内の電流との関係を
示す図。

【図４】負荷電流と電池平面内の電流との関係を示す
図。

【図５】本発明に係る燃料電池発電装置の第２実施形態
を適用したリン酸型燃料電池の単電池積層体の構造を示
す分解斜視図。

【図６】本発明に係る燃料電池発電装置の第３実施形態
を適用したリターンフロー形のリン酸型燃料電池の構成
を示すブロック図。

【図７】本発明に係る燃料電池発電装置の第４実施形態
を適用したリターンフロー形のリン酸型燃料電池の構成
を示すブロック図。

【図８】従来のリン酸型燃料電池の構成を示す斜視図。

【符号の説明】

１ 単電池 １ａ アノード電極 １ｂ カソード電極 １ｃ マトリックス層（電解質層） １ｄ レーシングストライプ １ｅ レーシングストライプ ２ 単電池積層体 ３ ガス分離板 ４ 冷却板 ５ マニホールド ５ａ 第１マニホールド ５ｂ 第２マニホールド ６ 集電板 ７ａ リターンマニホールド ７ｂ リターンマニホールド ８ 燃料ガス供給路 ９ 燃料ガス排出路 １０ 酸化材ガス供給路 １１ 酸化材ガス排出路 １２ 燃料ガス流量調節弁 １３ 酸化材ガス流量調節弁 １４ 燃料ガス切替弁 １５ 酸化材ガス切替弁 １６ 不活性ガス供給管 １７ 冷媒流通路 １８ 冷媒排出路 １９ａ 第１の電流検出手段 １９ｂ 第２の電流検出手段 １９ｃ 第３の電流検出手段 ２０ 負荷電流 ２１ インバータ ２２ 出力制御装置 ２３ 制御手段 ２４ 電流測定器 ２５ 固定抵抗回路 ２６ａ，２６ｂ〜２６ｎ 固定抵抗 ２７ａ，２７ｂ〜２７ｎ 遮断器 ２８ 可変抵抗器

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一対の電極間に電解質層を挟んで単電池
   を形成し、この単電池を複数積層し、各単電池間にガス
   分離板をそれぞれ挿入してサブスタックを形成し、この
   サブスタックと冷却板とを交互に複数積層して単電池積
   層体を形成してなる燃料電池発電装置において、前記単
   電池積層体の少なくとも１個の単電池に、その単電池の
   平面方向の電流分布を検出する直流電流検出手段が少な
   くとも１個配設され、この電流検出手段に反応ガスの供
   給流量および負荷電流を制御する制御手段が接続され、
   この制御手段では、前記直流電流検出手段で検出した電
   流分布と、予め設定した基準電流の許容範囲とを比較
   し、許容範囲を越えた場合に、前記単電池積層体に供給
   する反応ガスの供給流量および負荷電流の少なくとも一
   方を制御するように構成されていることを特徴とする燃
   料電池発電装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の燃料電池発電装置におい
   て、単電池の平面方向の電流分布を検出する直流電流検
   出手段が少なくとも１個配設された電流測定器を有し、
   この電流測定器がサブスタックと冷却板との間の少なく
   とも１か所に配設されたことを特徴とする燃料電池発電
   装置。
3. 【請求項３】 請求項１記載の燃料電池発電装置におい
   て、制御手段は、電流検出手段で検出した電流分布と、
   予め設定した基準電流の許容範囲とを比較し、許容範囲
   を越えた場合に、燃料電池を停止させるように構成され
   ていることを特徴とする燃料電池発電装置。
4. 【請求項４】 単電池積層体の単電池に反応ガスを供給
   して負荷電流を発生させる燃料電池発電装置の運転方法
   において、発電を開始する過渡的な負荷変化過程で、前
   記単電池の電流を電流検出手段により検出し、この検出
   した電流が予め設定した基準電流の許容値と比較して、
   許容値を越えた場合、負荷電流変化速度を低下または負
   荷変化を一時停止することを特徴とする燃料電池発電装
   置の運転方法。
5. 【請求項５】 単電池積層体の単電池に反応ガスを供給
   して負荷電流を発生させる燃料電池発電装置の運転方法
   において、発電を開始する過渡的な負荷変化過程で、前
   記単電池の電流を電流検出手段により検出し、この検出
   した電流が予め設定した基準電流の許容値と比較して、
   許容値を越えた場合、負荷電流増加速度を低下または負
   荷電流増加を一時停止することを特徴とする燃料電池発
   電装置の運転方法。
6. 【請求項６】 一対の電極間に電解質層を挟んで単電池
   を形成し、この単電池を複数積層し、各単電池間にガス
   分離板をそれぞれ挿入してサブスタックを形成し、この
   サブスタックと冷却板とを交互に複数積層して単電池積
   層体を形成してなる燃料電池発電装置において、前記単
   電池積層体の少なくとも１個の単電池に、その単電池の
   平面方向の電流分布を検出する直流電流検出手段が少な
   くとも１個配設され、この電流検出手段に反応ガスの供
   給流量および負荷電流を制御する制御手段が接続され、
   前記単電池積層体に、並列に２つ以上の固定抵抗を配
   し、且つこれらの固定抵抗にそれぞれ遮断器を接続して
   なる固定抵抗回路が接続され、前記制御手段では、停止
   操作において、前記直流電流検出手段で検出した電流分
   布と、予め設定した基準電流の許容範囲とを比較し、許
   容範囲を越えた場合に、前記固定抵抗回路の遮断器の少
   なくとも一つを開放することにより、検出した電流を許
   容範囲に抑制するように構成されていることを特徴とす
   る燃料電池発電装置。
7. 【請求項７】 一対の電極間に電解質層を挟んで単電池
   を形成し、この単電池を複数積層し、各単電池間にガス
   分離板をそれぞれ挿入してサブスタックを形成し、この
   サブスタックと冷却板とを交互に複数積層して単電池積
   層体を形成してなる燃料電池発電装置において、前記単
   電池積層体の少なくとも１個の単電池に、その単電池の
   平面方向の電流分布を検出する直流電流検出手段が少な
   くとも１個配設され、この電流検出手段に反応ガスの供
   給流量および負荷電流を制御する制御手段が接続され、
   前記単電池積層体に可変抵抗回路が接続され、前記制御
   手段では、停止操作において、前記直流電流検出手段で
   検出した電流分布と、予め設定した基準電流の許容範囲
   とを比較し、許容範囲を越えた場合に、前記可変抵抗回
   路の抵抗を変化させて、検出した電流を許容範囲に抑制
   するように構成されていることを特徴とする燃料電池発
   電装置。