JPS60212967A

JPS60212967A - 燃料電池制御装置

Info

Publication number: JPS60212967A
Application number: JP59067541A
Authority: JP
Inventors: Yoshiyuki Nagasawa; 長沢　嘉幸; Kiyoshi Arayama; 荒山　清
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1984-04-06
Filing date: 1984-04-06
Publication date: 1985-10-25

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】〔発明の利用分野〕本発明は燃料電池の制御装置に係り、特に水素ガスと空
気を使って、それぞれ規定圧力差のもとに制御すること
を必要とする燃料電池の制御装置に関する。

〔発明の背景〕

従来の燃料電池においては、供給する水素ガスと空気の
各圧力を規定の小圧力差に制御する為に、水素ガス及び
空気の配管にそれぞれ設けた制御弁を使って、これらの
流量を制御することが普通に行なわれていた。

このため、燃料電池で電気を発生させる為に要求される
、前記の非常に小さい圧力差の瞬時的な変動を補償して
、これを規定値に制御することは、制御弁、その他の制
御機器の動作遅れなどによｐ非常に困難であった。

第１図には、本発明の適用対象の一つである燃料電池発
電プラントの概略図を示す。図によって燃料電池発電プ
ラントの概要を説明する。

まず、燃料である天然ガス１は燃料改質器（リホーマ）
２に送られ、ここで水素ガスに変えられる。生成された
水素ガスは、加熱器１ｏにおいて、蒸気３で加熱され、
シフトコンバータ４、気水分離器５などの装置を１由し
、水素ガス制御弁２２を経て燃料電池７へ入る。

一方の空気８は、コンプレッサ９、加熱器１０などの装
置を経由し、空気制御弁２１を経て燃料電池７へ入る。

なお、２０，２１．２４は制御弁、５０は直交交換器、
５１は負荷である。

また燃料電池７は本図では４台で示しているが、この台
数はプラントの容量などの種々の条件によって違った場
合も、全く同じに考えることができるので、ここでは１
台のみについて述べる。

燃料電池７を第２図に拡大して示す。図に示す様に、水
素ガスと空気は、それぞれ制御弁２１゜２２を経て、燃
料電池７の内部にある別々の部屋へ導入される。水素ガ
スの部屋には正（プラス）の電極となるアノード１２が
あシ、空気の部屋には負（マイナス）の電極と々るカソ
ード１３がある。

前記２つの部屋は、白金触媒膜１４で仕切られておシ、
また、２つの部屋の外側は窒紮ガス（以下Ｎ、と略す）
で封入（シール）され、水素ガス及び空気が漏れ々い様
にすると同時に、爆発などの危険に備えられている。

またＮ、は、Ｎ２制御弁２０を経て燃料電池７へ供給さ
れている。

燃料電池７の内部では、供給された水素ガスと空気とが
、温度、圧力などの条件、ならびに触媒によシ、化学反
応を起こす。その結果、前記のアノード１２とカソード
１３の間に電位差が発生して直流電源となる。

発生した直流は、例えば第１図に示したように、直交変
換器５１で交流に変換して負荷５１へ供給される。また
、燃料電池７よシ出る水素ガス及び空気は、それぞれの
圧力制御弁２３．２４を通って燃料改質器２へ供給され
、天然ガス１を水素ガス２に改質する為の燃料として利
用される。

以上の様な燃料電池発電プラントにおいて、従来は、燃
料電池７に供給される水素ガスを、負荷に対応した所要
の流量になる様に、コントローラ３０と制御弁２２で調
整しく第２図）、同様に、供給される空気流量も、前記
水素ガスの流量または負荷に応じて、コントローラ３１
と制御弁２１で調整している。同様にシール用のＮ１も
、コントローラ３２と制御弁２０で調整している。なお
、前記の各流量制御は、例えば、負荷などの要求量に応
じた目標値を予め設定し、流量の実測値信号をフィード
バック信号とする、通常のフィードバック制御によって
実行することができる。

また、良く知られているように、燃料電池７で水素ガス
と空気が反応して電気を発生する為には、水素ガスと空
気の圧力を規定差圧に保つ必要があシ、さらに、前記の
各圧力を、いずれもシール用のＮ愈の圧力よシも低い値
に保たなければならない。

それぞれのガス及び空気の圧力値は、プラントの種々の
条件によシ異なる場合も考えられるが、−例としては、
Ｎ１の圧力を６　Ｋｇ　１０１　ｆ　、カソードとなる
空気圧をＮ１よシもＳＯＯ■Ｈ１０低く保ち、またアノ
ードとなる水素ガス圧力を、更に空気よシも２００　ｗ
Ｈ１０程度低くしなければならない。

以上の様なＮ１、空気及び水素ガスの圧力差を保って制
御する為の制御方式として、従来は、第２図に示す様に
、Ｎ２の圧力を基準にとっている。

すなわち、Ｎ！のシール圧と供給空気圧をそれぞれ検出
してコントローラ３４に供給し、前記コントローラ３４
と圧力制御弁２４を使って、燃料電池から出る空気量を
調整することによＪ）　、Ｎｘと空気との差圧が一定に
なる様に制御している。

同様に、水素ガスについても、その出口圧力と供給空気
圧を検出してコン）１＝−２５５に供給し、前記コント
ローラの出力により水素ガスの圧力制御弁２３を使って
水素ガスと空気圧が規定の差圧になる様に制御している
。

表お、この場合、空気および水素ガスの圧力は、燃料電
池７の出口側および入口側のどちらで測定しても、実用
上同郷の制御を実現することができる。

以上が、燃料電池発電プラントにおける燃料電池に供給
する水素ガスと空気、及びＮ、の流量および圧力制御の
概要である。

この様な従来の制御方式では、次に示す様な問題がある
。即ち、前記の様に、水素ガス圧と空気圧間には、一定
の差圧を保っておかなければならないが、この差圧は非
常に微少である為、従来の様な制御弁による方式のみで
は、調整が非常に難しいという欠点がある。

つまり、水素ガスあるいは空気の一方に圧力変動を生じ
た場合に、他方の圧力を、規定差圧を保つように制御す
るためには制御弁自体の応答が十分に速いことが必要で
あるが、この要求に応え得るような制御弁は無いので、
一方のガス圧に変動が生じた場合に、他方の圧力を制御
して規定差圧に保持するととは、事実上不可能に近い。

この様な理由によシ差圧が制御できない場合には、水素
ガスと空気による電気発生が不可能になるので、プラン
トの安定運転が困難になる。

のみならず、前記の差圧がある限界以上になると、前記
した燃料電池内部の触媒Ｍ１４が破れるなどの事故が起
こシ、発電不可能になると同時に、爆発弊の重大災害が
発生する可能性がある。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、燃料電池に供給される水素ガス及び空
気のいずれか一方の圧力が変動した場合に、他方の圧力
もそれに追従して自動的に変動し、その結果、燃料電池
に供給された水素ガスと空気の圧力差が実質上規定値に
保持される様にし、その安定運転を確保することのでき
る燃料電池制御装置を提供することにある。

〔発明の概要〕

前記の目的を達成するために、本発明は、水素ガスおよ
び空気の燃料電池への入口部および出口部の少なくとも
一方に圧力伝達装置を配蓋し、前記圧力伝達装置を、一
方のガス圧の変動に連化して、その内部で移動または変
形可能な仕切シ部によって気密に隔離された空気室およ
び水素ガス室と、前記空気室および水素ガス室のそれぞ
れに連通された入口配管および出口配管とによって構成
し圧点に特徴がある。

〔発明の実施例〕

以下、本発明による実施例を図によυ説明する。

第３図に、本発明による実施例の燃料電池１Ａシ系統図
を示す。第２図の従来の方式による系統図と異なる所は
、本発明の実施例では、燃料電池７に供給される水素ガ
ス及び空気が、直接ではなくて、圧力伝達装置６０を介
してから供給される点にある。

この圧力伝達装置６０の具体的構成については、徒で詳
述するが、内部の可動仕切ｐ６ｏＤによって空気室ｄＯ
Ａおよび水素ガス室ｌ５ＯＩ（に隔離されたものである
。

水素ガスは制御弁２２を通った後、さらに圧力伝達装置
ｌａｏの水素ガス室６０Ｈを中継して燃料電池７に供給
される。ここで、供給される水素ガスが、圧力に変動な
く流れて供給されている場合には、この圧力伝達装置６
０は、他方の空気側には何の変動も与えない。

しかし、水素ガス圧力が増加しながら供給された場合に
Ｌ１可動仕切シロ０Ｄが空気室側へ傭位される。

したがって、水素ガス室６０Ｈの容積は増加し、反対に
、空気室４０Ａの容積は減少する。その結果、水素ガス
圧の増加率は低減される。一方、空気の圧力は増加して
燃料電池に供給される。また、水素ガスの圧力が減少す
る方向に変化する場合には、明らかなように、空気の圧
力も減少する様に影譬を与えられる。

このようにして、水素ガスの圧力が変動しても、両者の
圧力差の変動が抑圧され、圧力差はほぼ規定の値に保持
されることになる。また、空気側に圧力変動が生じた場
合にも、これが水素ガス側へ伝えられ、全く同様の圧力
差変動の抑制作用が発生することは、容易に理解できる
ところである。

ここで、前記の圧力伝達装置ＩＩＬ６０の具体的構成例
を第４図に示す。

供給される水素ガスは、入口配管７０を通って圧力伝達
装置６０の一方の部屋−すなわち、水素ガス室６０Ｈに
入る。圧力伝達装ｆＩＬ６０の内部は、ダイア７２ム８
０で、反対側の空気室６０Ａと仕切られている。空気は
入口配管７１を通って圧力伝達装置６０の空気室ｄＯＡ
に導入される。

このダイアフラムａｏＦｉ、水素ガス側の圧力と空気側
の圧力変化により、画室間の気密隔離状態を保持した状
態で、敏感に移動および／ｌたは変形する様に作られて
いる。また、ダイアフラム８０が部屋の壁面をスムーズ
に移動できる様にする為、端部の接触部８１は、潤滑液
８３を入れたもので接するように構成するとよい。

この様な構造にすることにより、一方の水素ガスまたは
空気の圧力変化を他方の空気側または水素ガス側の圧力
変化として、瞬時に伝えることができる。

例えば、水素ガスの圧力が急増すると、ダイアフラム８
０は、接触部８１と共にほぼ瞬時に、空気室６０Ａの側
に移動または／および変形する。

このため、水素ガス室６０Ｈの容積は瞬時に大きくなっ
て水素ガスの圧力増加が緩和される。一方、空気室６０
Ａの容積は小さくなシ、内部の空気は瞬時に圧縮されて
圧力が増すことにガる。このようにして、圧力差はほぼ
規定値に保持される。

またスプリング８４Ａ、８４Ｈは、圧力安定時に、ダイ
アフラム８０を元の平衡位ｆＩＩＶｃ戻す様に作用して
いる。なお、この場合、空気室６０Ａ側のスプリング８
４Ａと水素ガス室６０Ｈ側のスプリング８４Ｈの強度に
適当な差をもたせるととＫより、ダイアフラム８０が平
衡状態にあるときの両室間の規定差圧を保証することが
できる。

また、このような平衡状態においては、ダイアフラム８
０は平面状になっているのが望ましい。

以上に述べたように、第３図に示す様な構成にするとと
Ｋよって、水素ガスあるいは空気の一方の瞬時的な圧力
変動は、他方にも瞬時の圧力変動として伝えられる。

この為、水素ガスと空気の、両者の圧力変動は同じ様に
なシ、したがって、その圧力差の変動が抑制されるとと
Ｋなる。

第５図は、前記の圧力伝達装置６０の他の具体例を示す
断面図である。

Ｕ字管４０の底部に封入液４１を入れておくことによシ
、空気室６０Ａおよび水素ガス室６０Ｈを隔離する。そ
して、水素ガス及び空気はＵ字管４０の両方の入口から
、それぞれの入口配管７０゜７１を介して供給する。な
お、前記封入液４１としては、水素ガス及び空気が溶け
にくいものを使うことはもちろんである。

この様な構造にすると、Ｕ字管４０の一方の入口配管か
ら供給される気体の圧力変動を、はぼ瞬時に１他方の気
体に伝えることができる。例えば、水素ガスの圧力が急
増すると、封入液４１を押し出し、その結果、反対側の
空気室ｄＯＡの容積を圧縮して空気の圧力を増すことに
なる。

反対に、水素ガスの圧力が急減したときは、封入液４１
が吸引され石ので、空気室＜ｉｏＡの容積が急増して空
気の圧力も急減する。このようにして、両者間の圧力差
はほぼ規定値に保持されるととＫなる。

また、第６図に前記圧力伝達装置６０のさらに他の具体
例の概略断面図を示す。この場合、水素ガス及び空気が
入る部屋６０１．６０Ｈを、図示のようなベローズ４５
で仕切る。このベローズ４５はその材質の弾性によって
、水素ガスおよび空気間の圧力差を規定値に保つと共に
、一方の室内に圧力変動が生じたときは、これに即応し
て伸び縮みすることによυ、他方の室の容積を変化させ
、当該室内の圧力を、他方の室内の圧力と同様に変化さ
せる。

例えば、一方から入った水素ガスの圧力が急増したとす
れば、ベローズ４５が反対側の空気室６０Ａの側に伸び
、空気室６０Ａの容積を小さくする。

その結果、空気室？ｉＯＡ内の空気は、圧縮されて瞬時
に圧力を増やすことに々る。

以上、第４〜第５図に示した様な圧力伝達装置６０を、
第２図の、本発明による燃料電池廻υ系統図の中に示し
たように設置することによシ、燃料電池７に供給される
水素ガスと空気は、そのいずれか一方の圧力が変動した
場合でも、両者の圧　・力差を規定値に保って供給する
ことが可能である。

ガお、＃ＩＪ２図では、燃料電池７の入口部に前記圧力
伝達装置６０を設置するように図示しているが、燃料電
池７の出口部に設置しても同様の効果が得られることは
、容易に理解されるであろう。

〔発明の効果〕

以上の駅間から明らかなように、本発明によれは、燃料
電池に供給する水素ガス及び空気のそれぞれを、前記し
た様な圧力伝達装置［を介して供給または排出すること
により、水素ガス及び空気の一方の圧力が変動しても、
他方の圧力を瞬時に追従させることができる。

この為、両者の圧力差が大きく変動することを抑えるこ
とができ、燃料電池内部での電気発生を安定に行うこと
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は燃料電池発電システムの概略系統図、第２図は
従来方式による燃料電池ｍｂ制御系統図、第３図は本発
明の一実施例による燃料電池ｍｂ制御系統図、第４図は
本発明の実施に好適な圧力伝達装置の具体例を示す概略
断面図、第５図および第６図はそれぞれ前記圧力伝達装
置の他の具体例を示す概略断面図である。〔符号のｙｌ明〕２・・・燃料改質器、４・・・シフトコンバータ、５・
・・気水分離器、７・・・燃料電池、９・・・コンプレ
ッサ、１０・・・加熱器、１２・・・アノード、１３・
・・カソード、１４・・・触媒膜、４０・・・Ｕ字管、
４１・・・封入液、４５・・・ベローズ、６０・・・圧
力伝達装置、６０Ａ・・・空気室、６０Ｈ・・・水素ガ
ス室、７ｏ、７１・・・入口配管、７２．７５・・・出
口配管、８０・・・ダイアフラム、８１・・・接触部、
８３・・・潤滑液、８４・・・スプリング、代理人弁理士　平　木　道　人青　１　図第　２　図第　３　図オ　４　悶第５図矛　６

Claims

【特許請求の範囲】（１）触媒膜によって仕切られた２つの部屋に、水素ガ
スと空気とをそれぞれ導入し、両者の圧力差を規定値に
保持して直流電気を発生させる燃料電池の制御装置であ
って、前記水素ガスおよび空気の燃料電池への入口部お
よび出口部の少なくとも一方に圧力伝達装置が配置され
、前記圧力伝達装置は、その内部で移動または変形可能
な仕切υ部によって気密に隔離された空気室および水素
ガス室と、前記空気室および水素ガス室のそれぞれに連
通された入口配管および出口配管とを具備したことを％
徴とする燃料電池制御装置。（２）前記空気室および水素ガス室は一つの筒状体であ
シ、前記仕切９部は前記筒状体の内壁にそって摺動する
接触部と、前記接触部の内側に張設されたダイアフラム
とよりなることを特徴とする特許（３）前記空気室およ
び水素ガス室は一つのＵ字管であシ、前記仕切り部は、
前記Ｕ字管の底部に封入された封入液であることを特徴
とする前記特許請求の範囲第１項記載の燃料電池制御装
置。（４）前記空気室および水素ガス室は筒状体であり、前
記仕切り部は前記筒状体の中間に設けられたべローズで
あることを特徴とする前記特許請求の範囲第１項記載の
燃料電池制御装置。