JPH09306520A - 燃料電池発電装置の異常判定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】燃料ガスの供給量が負荷電流に対応した適性な
値よりも低下したときに、なるべく早く検出して適性な
処置をとることができるようにする 【解決手段】単位電池４０の燃料極４１又は空気極４３
の中央部と、空気入口側と燃料出口側の角の近くとに、
それぞれ温度センサを取付けてこれらの位置の温度を計
って演算部６に入力して温度差を求めると、この温度差
は燃料ガスが不足すると大きくなるので、この温度差が
増大したことを判定することによって燃料ガスの不足と
いう異常を正確に判定することができる。また、単位電
池の中央部が最も温度が高く、前述の角の近くが最も温
度が低くくなるので、これらの位置に温度センサを設け
るのが最も判定感度がよくなる。この温度差は装置が発
電する電流の値、冷却水の量と温度によっても影響する
ので、演算部６でこれらの量で温度差を補正するとより
正確な異常の判定が可能になる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、燃料電池発電装
置の異常の有無を監視するための燃料電池発電装置の異
常判定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池発電装置の構成は、天然ガス
（ＬＮＧ）などの原料から水素を多く含むガスに改質す
る改質装置、燃料電池本体、燃料電池によって発電され
た直流電力を交流電力に変換するインバータ及び装置全
体の制御を行う制御装置などから構成されている。ま
た、改質装置は原料ガスに含まれる硫黄成分を除去する
脱硫器、炭化水素と水蒸気の混合気体から水素を多く含
むガスに改質する改質器及び改質器によって改質された
ガスに含まれる一酸化炭素に水蒸気を更に作用させて一
酸化炭素を炭酸ガスと水素に変成するＣＯ変成器から構
成される。

【０００３】図３は燃料電池発電装置の系統図である。
この図において、燃料はまず脱硫器１に入って硫黄成分
が除かれ、ついで改質器２に入って燃料の炭化水素が水
蒸気と化学反応して水素、一酸化炭素及び炭酸ガスにな
る。そして、ＣＯ変成器３で更に水蒸気と化学反応して
一酸化炭素が炭酸ガスと水素とに変成して一酸化炭素が
許容率を下回るほどに少なくなり代わりに水素の多いガ
スとなって燃料電池４に供給される。燃料電池４は燃料
ガスの水素と空気の中の酸素とが反応することによって
発生する電気エネルギーを生成し、図示しない電気系統
によって取り出される。

【０００４】燃料電池４によって水素が消費されたガス
はまだ水素が残っているのでこれを改質器２で燃焼させ
て改質器２内の数百度の高温の維持に使われた上で最後
の排ガスとして排出される。燃料電池４は水素を多く含
む燃料ガスが供給される燃料極４１、空気が供給される
空気極４３、これらに挟まれた電解質層と触媒層とから
なるマトリクス４２及びこれらを冷却するための冷却器
４４とからなっている。

【０００５】前述のように水蒸気が改質器２及びＣＯ変
成器３に使用されるが、この水蒸気は冷却器４４に供給
される冷却水とともに水系統を形成しているが、この図
では省略してある。また、空気は改質器２で燃料を燃焼
させるために使用されるがその系統も省略してある。ま
た、燃料、空気及び水は常温から高温まで種々の温度の
状態で使用されるので、熱エネルギーを有効活用するた
めに複数の熱交換器が使用されているがその図示も省略
してある。更に、前述の燃料ガスの系統は正常運転時の
もので、起動時には改質器２を常温から高温に加熱する
ために外部から供給される原燃料ガスを直接燃焼させる
構成が採用されるので更に複雑な系統構成になっている
がこれらも図示を省略してある。

【０００６】図４は燃料電池本体の中身の拡散分解図を
含む斜視図である。この図において、単位電池４０は燃
料極４１、マトリクス４２、空気極４３からなってい
て、このような単位電池４０が複数枚積み重ねられて一
つの燃料電池本体が構成される。冷却器４４は積み重ね
られた複数の単位電池４０ごとの適当な位置に挿入す
る。

【０００７】単位電池４０とこれを構成する部材の水平
面の寸法に対する垂直方向の厚み寸法の比率は図では拡
大して図示してあり、実際の燃料電池では水平方向寸法
に比べて厚み寸法はもっと小さい。ちなみに単位電池４
０の水平面の形状は正方形が普通で、その１辺の長さは
大きなものでは１ｍ近い。図示のように冷却器４４はマ
ニホールド４４１から冷却水が供給される。図では右手
前から左向こうの方向に冷却水が流れる。図では冷却器
４４は１つだけであるが実際には複数個あるのでそれぞ
れの冷却器４４に冷却水が分配される。

【０００８】燃料極４１及び空気極４３には図示のよう
に互いに直交する方向に多数の溝が設けられていて、こ
れらの溝に燃料ガス又は空気が流され、これらの極の中
を透過してマトリクス４２で水素と酸素の反応と電荷の
取り出しが行われる。燃料極４１に供給される燃料ガス
は図示しない燃料マニホルドによってそれぞれの燃料極
４１に分配され、同じようにして空気極４３には空気マ
ニホルドによって空気が分配される。これら燃料マニホ
ルド、空気マニホルドは燃料電池本体の周囲の四面を覆
う形で設けられるので中身が図示できるようにこれらを
省略してある。

【０００９】単位電池４０の大きさ、すなわち面積は大
きい方がよい。それは同じ容量では面積の多い方が単位
電池４０の数が減って燃料電池そのものの寸法縮小とコ
ストダウンになるからである。一方、単位電池４０の面
積が大きいと面内の分布の不均一性が問題になる。面積
が大きくてもその面積全体で均一に燃料ガスや空気が供
給され反応が均一に進み、温度分布が一様であることが
望ましく、逆に不均一性が大きいと温度の高い部分が局
部的に反応が進んで温度が上昇し更に反応が早くなり温
度が上がるという温度分布の不均一性が増大することに
なってそのまま放置しておくと燃料電池が破壊するに至
るとい現象が生ずるので、大きい方が良いといっても単
位電池の面積の大きさには自ずから限界があり、前述の
ような大きな面積を持つ単位電池は種々の開発の結果と
して達成されたものであって燃料電池が正常に運転され
ているときには単位電池の全面で問題が生じない程度の
均一性が確保されている。ちなみに、単位電池中央部の
温度は周辺部の温度に比べて１０℃の差はあるのが実際
である。

【００１０】ところで、もしも燃料電池への燃料の供給
量が発生電流に適性な量に比べて少ないとしたとき、単
位電池４０への燃料ガスの入口の水素濃度に対して途中
で消費されて出口での水素濃度が極端に低くなるという
現象が生ずる。このとき、水素濃度が低い部分では酸素
との反応が低下して発生電流の密度が低下して温度が低
下し、更に反応が低下し、その分水素濃度の高い部分の
発生電流の密度が大きくなって反応が進みそのために温
度が上昇して更に反応が進むことになる。このような現
象の原因は前述のように燃料ガスの供給量が負荷に供給
する電流に対応した値よりも小さいときに生ずるが、燃
料ガスの供給量が小さくなると考えられる理由は、改質
器２の性能が低下して水素含有量が少なくなる、途中で
燃料ガスの漏れが発生して燃料電池に行く燃料ガスの量
が減る、などが考えられる。

【００１１】このような燃料ガス供給量の低下を検出す
るために、従来の燃料電池では発生電圧を測定してその
値が異常に低下したとき、「燃料ガスの供給量の低下」
を含めて何らかの異常が発生したものとして運転を停止
するなどの処置をとっている。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】前述のような燃料電池
への燃料ガス供給量が負荷電流に対応した適性な量に比
べて少なくなるという現象には前述のようなの原因が考
えられ、その発生頻度は決して高くはないが、いったん
発生すると燃料電池発電装置の重大な事故に発展する恐
れがあることから、前述のように発生電圧で他の異常と
ともに監視するという方式が採用されているが、事故を
未然に防止するためには早期の発見が必要であり、そき
ために異常とみなす発生電圧の低下値を小さめに設定し
て検出感度を上げることになるが、そうすると誤動作の
確率が高くなって正常であるにも係わらず異常であると
見なす可能性が高くなるという問題がある。

【００１３】この発明の目的はこのような問題を解決
し、燃料ガス供給量が負荷電流に対応した適性な値より
も低下したときに、なるべく早く検出して適性な処置を
とることのできる燃料電池発電装置を提供することにあ
る。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
にこの発明によれば、複数の単位電池が積み重ねられて
構成された燃料電池本体のうちの、一つの単位電池の空
気極又は燃料極に少なくとも２つの温度センサを異なる
位置に取付け、これらの温度センサの出力信号の差の信
号としての温度差信号を基に演算部によって異常の有無
を判定してその結果を出力するようにすると、燃料ガス
又は空気の供給量が不足すると単位電池内での燃料ガス
に含まれる水素、又は空気に含まれる酸素の濃度分布の
不均一度が大きくなり、その結果、水素と酸素との反応
密度の不均一度の増大、これに伴う発生熱とこれによる
温度上昇の不均一性が増大するのを検出することができ
ることから、これによって燃料ガス又は空気が不足する
という異常を判定することができる。

【００１５】また、燃料電池発電装置によって発電され
た電流の値に比例する電流信号、燃料電池本体を冷却す
る冷却器に供給される冷却水の量の値に比例する冷却水
量信号及びこの冷却水の温度に比例する冷却水温度信号
を演算部に入力して温度差信号を補正するようにすれ
ば、２つの温度センサの一の温度差は電流の値及び冷却
水の量や温度の影響を受けるので、これらで温度差を補
正することによってより精度の高い異常判定を行うこと
ができる。

【００１６】温度センサを、長方形状の単位電池の中央
部と４つの角の近くの少なくとも一つに設けると、一般
的に中央部が最も温度が高くなり角の近くが比較的低く
なるのでこれらの間の温度差が大きいことから異常判定
の精度が高い。また、温度センサを、長方形状の単位電
池の中央部と空気入口側と燃料電池出口側とが接する角
の近くの２か所に設けると、この角は燃料ガスの供給量
が不足した場合に４つの角のうち最も温度が低い位置と
なるので、燃料ガスだけを対象にしてかつ温度センサを
２か所だけに限定して設ける場合の最適の位置になる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下この発明を実施例に基づいて
説明する。図１はこの発明の実施例を示す燃料電池発電
装置の異常判定装置の構成図である。この図において、
燃料極４１は平面図として単に正方形で表してあり、下
辺が空気の入口側、上辺が出口側、左辺が燃料の入口
側、右辺が出口側に設定してある。なお、ここでは燃料
極４１に限定して記載してあるが実際には空気極４３で
あっても差し支えない。

【００１８】この燃料極４１の中央部に温度センサ５
２、右下の角の近傍に温度センサ５１を設けてある。こ
れらの温度センサ５１，５２は実際には熱電対であり、
図４の燃料極４１の溝を利用して指定位置に熱電対の感
温部が装着される。２つの温度センサ５１，５２から得
られる温度信号は異常判定装置６に入力される。異常判
定装置６はこの他に図示のように燃料電池が発生する電
流値、冷却器４４に供給する冷却水の量及びその冷却水
の温度に関する信号も入力される。

【００１９】図２は２つの温度センサ５１，５２が設置
されている位置と温度分布との関係を模式的に示すグラ
フである。この図において、実線は正常時の、破線は異
常時のそれぞれ温度分布である。正常時においても温度
センサ５２が設けられた燃料極４１の中央部の温度より
も温度センサ５１が設けられた右下の角近くにの方が温
度が低いのが実際である。右下は空気入口側でかつ燃料
出口側であるという特徴を持っており、この位置の温度
が異常時に特に低くなる傾向があることからこの位置を
温度センサ５１を設けたものである。

【００２０】図２に示すような温度分布と２か所の異な
る位置での温度差には発生電流、冷却水の量と温度など
が影響する。したがって、単に温度差だけで異常を検出
するのは精度が悪いことから、異常判定装置６では二つ
の温度センサ５１，５２が出力する温度信号の値の差を
電流、冷却水の量と温度で補正した上で正常か異常かの
判定を行う。その補正方法は実際の燃料電池で実験によ
って温度差とこれらの補正のための値とおき関係式を求
め、これを基に演算部６に組み込むことによる。

【００２１】異常判定装置６はこの装置を単独に設ける
ものではない。従来の燃料電池発電装置においても例え
ば前述のように発生電圧を監視する機能もあり、当然な
がら負荷電流、即ち燃料電池の発生電流や温度を監視し
て異常が検出されたときには警報を発するとか最終的に
は運転を停止するとかの処置をとる機能を持っており、
これらは装置を制御するためのコンピュータのソフトウ
エアで処理されるのが実際なので、図１の異常判定装置
６も実際には従来のコンピュータソフトウエアに該当す
る機能を追加する形で実現する。また、温度差補正のた
めの発生電流、冷却水の量と温度などの信号もこの発明
とは別にコンピュータに入力されているものなのでこれ
を利用する。

【００２２】温度センサ５１の取付け位置が妥当な理由
は、空気は燃料電池内で加熱されて入口の温度より出
口の方が高く、したがってその影響で燃料極４１の温度
も空気入口側が低い傾向にあること、燃料ガスの供給
が不足すると出口側のガスの水素濃度が大きく低下する
ために反応密度、言い換えれば発生電流密度が低下して
発生熱量も少なくなって温度上昇値も低くなること、で
ある。しかし、温度センサ５１をこの位置だけに限定す
ることにこだわるものではなく、例えば図の右上になる
空気出口側の燃料出口側の角の近くであってもよい。そ
して、温度センサ５２を中央部ではなく燃料入口近くの
辺近くに設けてもよい。更には温度センサ５２を中央部
におくとして４つの角の近くにそれぞれ温度センサを設
ける構成を採用するさともできる。その場合、異常判定
装置６で行う判定方法は温度センサの設置位置に最適な
方法を選べばよい。

【００２３】なお、この実施例では供給量が不足するガ
スとして燃料ガスだけに限定したが、それは空気に比べ
て燃料ガスが燃料電池に供給されるまでの系統が複雑で
あることから、ガス漏れなどが発生する確率が高いこと
を考慮したものである。空気の供給量が不足した場合で
も単位電池内での反応の不均一性は増大するので、これ
も異常判定の対象とすることもできる。この場合、燃料
ガスが不足した場合と同様に空気入口よりも出口の方が
温度が低くなることが考えられるので、図１の温度セン
サ５１の位置はむしろ図の右上の燃料出口、空気出口の
角の近くに設ける方が良い。また、温度センサ５１はそ
のままにしてもう一つの温度センサをこの位置に設けて
３つの温度センサが出力する温度信号に基づいて異常を
判定を行う構成を採用することもできる。

【００２４】

【発明の効果】この発明は前述のように、燃料電池本体
を構成する複数の単位電池の中の一つに少なくとも２つ
の温度センサを異なる位置に取付けて温度を測定し、こ
れら異なる位置の温度差を基に異常の有無を判定するよ
うにすると、燃料ガス又は空気の供給量が不足すること
に起因する燃料電池内の温度上昇の不均一性の増大を容
易に検出することができることから、燃料ガス又は空気
の供給量が不足するという異常を精度よく検出し異常で
あることの判定をより正確に判定できるという効果が得
られる。そして、その結果として事故につながるほどの
大きな温度差になる前に異常を判定することができるの
で、異常判定の結果からガス漏れなどの点検をして対処
することによって装置の運転を停止することなく正常に
復帰することができるという効果も得られる。

【００２５】また、前述の温度差は燃料電池発電装置が
発電する電流値、冷却水の量及び温度に影響するので、
これらの値で温度差を補正するようにすれば、異常をよ
り精度検出し正確に判定することができる。温度センサ
を、単位電池の中央部と、４つの角の近くの少なくとも
一つに設けると、一般的に中央部が温度が最も高くなり
角の近くが比較的低くなるのでこれらの間の温度差が大
きいことから異常判定の精度が高いという効果が得られ
る。また、温度センサを、長方形状の単位電池の中央部
と空気入口側と燃料電池出口側とが接する角の近くの２
か所に設けると、この角は燃料ガスの供給量が不足する
場合に４つの角のうち最も温度が低くい位置となるの
で、燃料ガスだけを対象にした異常判定を行う場合に温
度センサを２か所だけに限定して設ける場合に最も正確
に異常の判定が可能となる最適の位置である。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例を示す燃料電池発電装置の異
常判定装置の構成図

【図２】図１の実施例における単位電池の温度分布のグ
ラフ

【図３】燃料電池発電装置の系統図

【図４】図３の燃料電池発電装置の燃料電池本体の中身
斜視図

【符号の説明】

１…脱硫器、２…改質器、３…ＣＯ変成器、４…燃料電
池、４１…燃料極、４２…マトリクス、４３…空気極、
４４…冷却器、４５…セパレータ、５１，５２…温度セ
ンサ、６…演算部

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】複数の単位電池が積み重ねられて構成され
   た燃料電池本体のうちの、一つの単位電池の空気極又は
   燃料極に少なくとも２つの温度センサを異なる位置に取
   付け、これらの温度センサの出力信号の差の信号として
   の温度差信号を基に異常の有無を判定してその結果を出
   力する演算部を備えてなることを特徴とする燃料電池発
   電装置の異常判定装置。
2. 【請求項２】演算部が、燃料電池発電装置によって発電
   された電流の値に比例する電流信号、燃料電池本体を冷
   却する冷却器に供給される冷却水の量の値に比例する冷
   却水量信号及びこの冷却水の温度に比例する冷却水温度
   信号を演算部に入力して、これらの信号によって温度差
   信号を補正することを特徴とする請求項１記載の燃料電
   池発電装置の異常判定装置。
3. 【請求項３】温度センサを、長方形状の単位電池の中央
   部と、この長方形の四つの角の少なくとも一つの近くに
   設けることを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池
   発電装置の異常判定装置。
4. 【請求項４】温度センサを、長方形状の単位電池の中央
   部と、空気入口側と燃料電池出口側とに挟まれた角の近
   くとの２か所に設けることを特徴とする請求項３記載の
   燃料電池発電装置の異常判定装置。