JPS58166672A - 燃料電池の運転制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、燃料電池の運転制御方法に係ｐ１特に１電池
内の燃料及び酸化用ガス圧力を高く保持させ、さらに１
圧力変動を所定値内に抑制するのに好適な燃料電池の運
転制御方法に関する。

燃料電池を運転するには、電池への燃料や酸化用ガスの
供給量、圧力等を所定値に制御することが必費でＴｏヤ
、具体的な方法に関しては、負荷電流に応じて燃料電池
への空気供給量及び再循環量管制御する方法（特公昭４
８−４１３５２号）、改質器への燃料供給量を電池電流
と改質器温度で制御する方法（％公昭５０−１５０５０
号）および改質器の圧力を電池より高く保持する方法（
特開昭５３−８１９２３号）等が提案されている。これ
らの制御方法は、主に電池負荷が変化した場合の流量調
整法で、多くの利点を有しているが、電池の燃料や酸化
用ガスの圧力制御の面では不十分である。

例えば、水素、酸素量燃料電池において負荷が増加し九
場合、水素の消費量、酸素の消費量、水蒸気の発生量な
どで圧力が変動するにもかかわらず、前記した制御方式
では前置されていない。オた、電池の出力電圧はガス電
圧で変化するが、この効果についても考瀘されていない
。

本発明の目的は、燃料電池の出力電圧を上昇させる制御
方式、及び、負荷変動時における電池内燃料及び酸化用
ガス圧力の変動を、所定値内に抑制させる制御方式を提
供することにある。

本発明では、鑞池内のガス圧カーを高く保持する九めに
、電池入口ガス＠に圧力制御系を、出口ガス儒に流量制
御系を設置する。ま九、電池内のガス圧力を一定にする
ために、電池より流出されるガス量と、電池で消資ｉ九
は発生するガス量に基づいて、電池に供給するガス量を
決定させる。特に、負荷変動時には燃料側と酸化用ガス
四の圧力挙動の違いから、差圧が増加しようとするが、
電気化学反応に基づくガスの消費量、発生量を考慮する
ことで、差圧増加を防止させている。

以下、本発明の一実翔例を第１ｗＪＫよシ説明する。第
１５！ＪＦｉ、燃料電池１０、燃料電池１０に働続され
る酸化用ガス供給系２０、燃料供給系３０、酸化用ガス
流出系４０および燃料流出系５０．負荷６０より構成さ
れる燃料電池システムに本発明によるガス圧先行制御装
置７０を適用し九例である。

空気などの酸化用ガス２６は、圧力計２１％関節弁２３
を有して酸化ガス供給系２０に＠けられ九圧力制御装置
２２を介して燃料電池１０のカソード室１１に供給され
る。燃料３６は、圧力計３１、調節弁３３を有して巻料
供給系３ｏに設けられ九圧力制御装置３２を介して燃料
電池１０のアノード室１２に供給される。酸化用ガス２
６および燃料３６の供給を受けた燃料電池１０は電極１
３．１４及び電解質１５での電気化学反応によ多電圧を
発生し、外部負荷６０に電力を供給する。

電流は、回路６１および６２によって外部負荷６０に導
かれる。カソード室１１のガスは、流量計４１．調節弁
４３を有して酸化用ガス流出系４０に設けられた流量制
御装置４２を介して外部に流出する。アノード室１２の
ガスは、流量計５１、調節弁５３を有して燃料流出系５
０に設けられた流量制御装置５２を介して外部に流出す
る。

流量制御装置４２．５２の流量設定値は、別の制御装置
８０より与えられる。この制御装置は、例えば負荷電流
に比例した流量設定信号を発生する負荷追従制御装置で
ある。圧力制御装置１２２゜３２は、圧力ｉ２１．３１
の圧力が一定となるようにガス流入量を調節する他、負
荷変動時のような過渡時には、別のガス圧先行制御装置
７０よす与えられる信号でガス流入量を調節する。ガス
圧先行制御装置７ｏには、燃料電池１ｏよりのガス流出
量に基づく１ｄ号４４５５４及び負荷に比例した信号６
４が大刀される。ガス圧先行制御装置７０は、所定の演
算を行な匹、その結果を回路２４．３４を介して調節計
２２．３２に伝える。

次に、ガス正矢行制＃装＋１７０の動作について説明す
る。ガス圧力制御装置装０では、外部負＃６０で噴出さ
ｎた負荷に比例し九信号（例えば電流信号）６４を用い
てアノード室１２及びカソード室１１でのガス消費ｔ＋
発生量を計算する。

アノード室１２及びカソード３１１１での反応は、燃料
電池１０の檀頌で異なる次め、本実施例では、電解質に
リン酸を用いるものと溶融塩を用いる４のを例に説明す
る（以下、リン酸型、１１８ｍＪＪＩ型と略す）。

各燃料電池内の反応式は次のと誉りである。

リン酸型燃料電池 （アノード）　　Ｈ１→２Ｈ”＋２ａ−（カソード）　
　　　Ｏ鵞＋２Ｈ”＋２　＠−＋Ｈｍ０溶融塩′！ＩＩ
Ｉ燃料電池 （アノード）　　Ｈ＊＋ＣＯ５−→ＨｔＯ＋ＣＯ露＋２
ｅ−（カソード）　　ＣＯｓ＋＋Ｏｓ＋２６−ｎＣＯ５
−ガスの消費および発生が同時に進行するので上記の反
応は下記のようＫ１１Ｉ現できる。

リン酸層燃料電池 アノード１１１２では水素が１モル消費する。力が１４
ル発生するので、差引き１モルのガスが尭生する。

＃１融塩渥燃料電池 アノード麿１２では、水素が１モル消費されて水蒸気と
炭酸ガスが各１モル発生するので、差引龜１４ルＯガス
が発生する。カソード室１１では、炭酸ガスｌ−％ルと
酸１１７モルの計トルのガスが消費される。

すなわち、燃料電池１０よすの電流をＩ囚とすると次式
の量だけガスが消費あるいは発生する（７ア２デ一定数
を９６５００　ｃ　／ｍｏｌ　、補正係数をｋとすゐ）
。

リン酸ｌＩ熾科電― アノード室 カソード室 ｌｌｌ１ｌｌＩ虐瀝燃料電池 アノード室 カソード室 ガス正矢行制＃装置７０Ｋａ流量計４１．！ｉｔよりの
信号４４．５４が入力されており、燃料電池１０へのβ
ス供給量を決定す゛る丸めの演算が行われる。

リン酸層燃料電池 信号４４．８４に基づ〈流量をそれすれＦＯＩ。

ＰＨＩ（ｍｏ鳳／＄）とする。

１ ＰＨ２＝ＰＨ１−Ｆ　Ｐ　ａ ・・・・・・（５） カソード室 Ｆ　Ｏ２＝　Ｆ　Ｏ１−Ｆ　Ｐ　ｃ ・・・・・・（６） 溶融塩型燃料電池 信号４４．５４に基づく流量をそれぞれＦＯ３゜ＰＨ８
とする。

アノード室 Ｐ　Ｈ４＝　Ｐ　Ｈ８−Ｐ　Ｍ　ａ ・・・・・・（７） カソード麿 Ｆ　Ｏ４＝Ｆ　０３−ＦＭｃ ・・・・・・（８） リン酸蓋燃料電池では（５）、　（６）式、ＩＩ融塩型
燃料電池では（７）、　（８）弐に基づく信号が回路２
４．３４に出力される。この信号が、圧力制御装置２２
及び３２に伝えられ、供給ガスの流量が調整される。

−次に１従来の制御方法と本発明の制御方法とＫおける
燃料電池内ガス圧力の制＃特性を説明する。

一般的に、流量制御系の制御性を向上させる九めには、
制御弁の差圧を大きくし丸状Ｉて運転させる必要がある
。制御弁の差圧が小さいと、制御弁が開閉動作しても流
量変化が少ないヒとにな）、流量を制御しきれないこと
Ｋな為、このことから４、流量制御装置の制御弁差圧は
大きい方が良い。

また、圧力制御装置の制御弁差圧に関しては、流量制御
装置の制御弁に要求されるような条件はなく、差圧を小
さくしても制御は可能である０例えば、第１図のような
圧力制御装置２２を考えた場合、圧力設定値をガス供給
源の圧力にほぼ等しくすることが可能となる。この場合
、制御弁２３の開度は大きくなり、制御弁差圧が小さく
なるように１転される。流量制御装置１４２．５２は、
流出ガスの流量を調整する。これらの制御装置の制御弁
４３．５３の差圧は大きくでき、流量制御性を向上させ
ることができる。

すなわち、第１図に示すように、燃料電池１００入ロガ
ス＠に圧力制御装置を、出口ガス側に流量制御装置を設
けることにより、燃料電池ＩＯの運転圧力を高く保持す
ることが可能となる。

第２図は、燃料電池１０の運転圧力と起電力の関係を示
したもので、運転圧力を高くすることで起電力を上昇さ
せることができる。

次に１従来の制御方法と本発明制御方法とＫおける燃料
成池内ガス圧力の制御特性を第３図（４）。

（Ｂ）および０を用いて説明する。第３図において破線
が従来例、実線が本発明における制御特性である。燃料
電池はリン酸型燃料電池とし、負荷電流はステップ状に
増加させた。負荷電流を増加させると、カソード室１１
では（２）式のようにガスが発生する九めに一時的に圧
力が上昇する。従来のフィードバック制御系の例では、
この圧力を低下させるためにガス流入量を減少させる操
作がなされる。その後、負荷追従制御装置８０動作によ
シカソード室１１よりのガス流出量が増加される九めに
カソード室１１の圧力は低Ｆする。しかし、カソード室
１１へのガスの流入量を減少させているため圧力は大き
く低下し、Ｐｌ、！　（第３図囚）のようにアンダーシ
ュートする。アノード室１２では（１）式のようにガス
が消費されるために一時的に圧力は低下する。この圧力
を上昇させるためにガスの流入量を増やす操作がなされ
るが、負荷ｔｆｌＩ。

の増加に伴ってアノード室１２からのガス流出量が増力
口するためにアノード室１２の圧力の回復は遅れ、Ｐｈ
ｌ　（第３図＠）のような特性となる。

一方、本発明では、カノード′１ｉ１１１におけるガ、
′ スの発生およびガス流出量の増加を先行的に圧力制御袋
ｆｌｌｉ２２に伝達し、アノード室１２にお、するガス
の消費およびガス流出量の増加を先行的に圧力制御装置
３２に伝達する。この喪め、圧力制御装置１１２２．３
２の応答が早くなり、第３図（８）および（６）のＰ　
”＊　＊　Ｐ　ｔｌｍの特性を得ることができる。

特性ＰａｍおよびＰｈｍの振動は、主に調節弁２３．３
３の動作遅れによるものである。この結果、燃料電池の
カソード室１１とアノード室１２間の差圧は、第３図０
に示すように従来制御系の特性ＤＰＩより小さなりＰ２
となる。

本発明では、燃料電池よりのガス流出量および燃料電池
内での電気化学反応によるガス消費量および発生量にム
づいて圧力を調整する九め、燃料電池の負荷が変動した
場合の圧力及び差圧変動を小さくすることができる。

以上において、本発明をその特定の冥楕例について説明
したが、本発明は説明した実施例に限定されるものでな
く、本発明の範囲内で楕々の応用が用＃ヒである。

飼えば、第１図において、制御器７０への入力１ｇ号を
負荷電流、流量計４１．５１よりの信号としているが、
負荷電流の代りに電力でも曳く、ま九、燃料電池へのガ
ス供給量を負荷に♂じて調整することより、流瞼計４１
．５１よりの信号の代りに負荷電流あるいは電力よりガ
ス供給量を算出することも可能である。この場合、流量
制御系４２．５２の特性を模擬させてガス供給量を算出
させれば、制御性が向上する。さらに、第１！！Ｉにお
いて、圧力側Ｗ装置２２．３２の信号で制御弁２３、Ｂ
３を駆動させているが、流量側＃装置を付加してカスケ
ード制御方式とすることも考えられる。この場合、制御
系７０の出力２４．３４は流量制御装置の設定値変更信
号となる。ま九、第１図においで、カソード室、アノー
ド室の圧力を独立させて制御しているが、一方の制御装
置を差圧制御装置とすることも冴えられる。例えば、ア
ノードｍ１２の圧力制御装置１３２の圧力針３１を、ア
ノード室１２とカソード室１１間の差圧針とし、この差
圧が所定値以下となるようにアノード室１２への流入ガ
スを調整する方法である。この場合においても、本発明
を適用することで差圧を小さく制御することができる。

本発明によれば次の効果がある。

（１）燃料電池のガス圧力を上昇させることにより、電
池起電力が上昇し、発電効率が向上する。

（２）アノード室および、カソード室の圧力変動を小さ
くでき、さらに１差圧を小さくすることができる。

（３）差圧上昇の低減に伴い、アノード、カンード関の
ガスクロスオーバの発生確率が低減し、装置の安全性が
向上する。

（４）差圧変動許容値を一定とすると、負荷変化幅、負
荷変化率を大きくすることができ、運転の自由度が拡大
する。すなわち、大幅負荷要求に対処できる発電システ
ムの提供が可能となる。

【図面の簡単な説明】

ｇ１図は本発明を適用した燃料電池システムの好適な一
１ｌ！施例の系統図、第２図は電池圧力と起電力の関係
を示す特性図、第３図は本発明の詳細な説明するもので
、第３図囚は酸化用ガスの圧力変化を示す特性図、第３
図（６）は燃料ガス圧力の変化を示す４Ｉ性図、ＩＪ／
Ｉ！３図（Ｏはカソード室とアノード室との間の差圧の
変化を示す特性図である。 １０・・・燃料鑞池、１１．・・・カソード室、１２・
・・アノード室、２２．３２・・・ガス圧力制御装置、
４２゜５２・・・流出ガス流量側＃装置、６ｏ・・・負
荷、７゜・・・ガス圧刃先行制御装置、８Ｇ−・・負荷
追従側−懐弓０ ］ 第２図 電に斤力→

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、燃料および酸化ガスが供給される燃料電池Ｏ運転制
   御方法において、前記燃料電池のカソード室およびアノ
   ード室から流出する各々のガス流出量および前記燃料電
   池の電性を検出し、前記燃料電池に供給する燃料および
   酸化ガスＯ量を、前記負荷および前記ガス流出量に基づ
   いて制御し、前記ガス流出量を前記負荷に基づいて制御
   することを特徴とする燃料電池の運転制御方法。