JPS6119072A - 燃料電池発電プラント - Google Patents

燃料電池発電プラント

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JPS6119072A
JPS6119072A JP59139103A JP13910384A JPS6119072A JP S6119072 A JPS6119072 A JP S6119072A JP 59139103 A JP59139103 A JP 59139103A JP 13910384 A JP13910384 A JP 13910384A JP S6119072 A JPS6119072 A JP S6119072A
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JP
Japan
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fuel cell
battery
impedance
power generation
stack
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JP59139103A
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Shuichi Yoshida
修一 吉田
Toshiaki Sada
佐田 俊明
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NIPPON NENRYO GIJUTSU KAIHATSU KK
Toshiba Corp
Original Assignee
NIPPON NENRYO GIJUTSU KAIHATSU KK
Toshiba Corp
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Publication date
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04664Failure or abnormal function
    • H01M8/04679Failure or abnormal function of fuel cell stacks
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/249Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells comprising two or more groupings of fuel cells, e.g. modular assemblies
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04955Shut-off or shut-down of fuel cells
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

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】 〔発明の技術分野〕 本発明は、燃料電池発電プラントに係り、特に発電中オ
ンラインで、燃料電池の健全性をチェックする装置を有
する燃料電池発電プラントに関する。
〔発明の技術的背景とその問題点〕
近年燃料を化学的に変化させ、この化学的変化の際に発
生する電子の流れにより、直接電気エネルギーを取り出
そうとする燃料電池発電プラントが省エネルギー発電の
一つとして採用されるようになってきた。
従来の燃料電池発電プラントは第1図にその概要を示す
如く、水蒸気101と原燃料102を入力し、電池出口
の余剰ガス103を燃料として熱を得、水素リッチガス
104を生成する燃料改質装置1、水素リッチガス10
4に含まれる一酸化炭素(CO)を水蒸気と反応させて
炭酸ガス(CO,)と水素ガス(HDに分離させ水素含
有率の高い水素リッチガス105を得るシフトコンバー
タ2、電池入口水素ガス106の流量を調節する電池水
素ガス調節弁3、電池で使用する酸素を供給するため、
燃料改質装置1の排ガス107と電池出口水素ガス10
3と電池出口空気108を動力源とし、空気109を加
圧する空気供給系4、空気供給系4で作られた加圧空気
110から電池で必要とする電池入口空気111の流量
を調節する電池空気量調節弁5、及び水素極6人の水素
と酸素極6Bの酸素との触媒反応により、電気エネルギ
ー112を発生し、その両極間1こ接続された電気的負
荷7にその電気エネルギー112を供給する電池モジュ
ール6で構成される。
第2図は、従来の燃料電池発電プラントでの実用時の電
気回路を示す図で、燃料電池側々の出力電圧が低く、電
流容置も小さいため、直並列接続して所要の出力容量を
確保する。このため、多数の単電池(以下セルと呼ぶ)
を積層し、直列接続することにより、その発生電圧を任
意に高くした電池群(以下電池スタックと呼ぶ) 60
−1〜60−nとし、これ等を並列接続して、電池モジ
ュール6を構成し、これから取出す電力容量を増大させ
る。
正極導線Pと負極導線Nは、インバータ8に接続されて
、直流を交流に変換して変圧器9を介して負荷に接続さ
れている。
第3図は、従来の燃料電池発電プラントでの燃料電池の
電圧−電流特性を示すもので、セル当りの出力電流iと
端子電圧eとの関係を示す。これから明らかなように、
電池の負荷電流が大きくなると、その端子電圧は低下し
小さくなると高くなってくる。
第3図で示した従来の燃料電池発電プラントでの燃料電
池の電圧−電流特性は、燃料電池の劣化により変化し、
健全でないセルの代表的な特性を第3図に点線で示す。
健全でないセルの特性は健全なセルと比較して、ある負
荷電流ia  から極端に低い電圧になるという特徴が
ある。この場合効率が低下すると共に電池内部の発熱量
も大きくなり、そのままの状態で発電を続けると該当セ
ルのみでなく、近くの健全なセルにも悪影響を及ぼし、
最終的には燃料電池スタックの破損にもつながる。
燃料電池の劣化の原因として触媒活性度の低下電解質で
あるリン酸の消失、材料の変質・劣化、リン酸の含水率
変化等があげられるが、このような燃料電池の劣化を判
断する手段として、現在燃料電池の電圧及び温度を測定
する方法が行なわれている。しかし、この方法では、セ
ルの異常現象を見極めることはできるが、劣化したセル
は低負荷電流では、電圧、温度に変化が見られず、ある
負荷電流から突然変化が生じるため、電圧、温度に異常
があったときには、既に相当のダメージを受けており手
遅れの状態である。以上のように現在の間接的な方法で
は燃料電池発電プラントが発電状態にあるとき、燃料電
池の劣化を正確に測定することが困難であるという欠点
がある。
〔発明の目的〕
従って、本発明の目的は、燃料電池発電プラントが発電
運転状態にあるとき、オンラインで燃料電池の健全性を
チェックする装置を有する燃料電池発電プラントを提供
することにある。
[発明の概要〕 本発明は、各々の燃料電池スタック1こ交流インピーダ
ンス測定装置を取付け、燃料電池発電プラントが停止し
ているときのみならず、発電中にもオンラインで燃料電
池の交流インピーダンスを測定し、正常時の交流インピ
ーダンスと比較すること1こより、燃料電池の劣化を検
出することができるところが特徴である。
〔発明の実施例〕
次に、第4図で本発明の実施例の詳細な説明を行なう。
第4図は本発明の実用時の電気回路を示す図で、第2図
と相異するのは、燃料電池スタック60−1〜60−n
の両極間にそれぞれ交流インピーダンス測定装置61−
1〜61−nを設けた点である。
交流インピーダンス測定装置61−1〜61−nは、燃
料電池スタック60−1〜60−nの両極間に高周波電
圧を印加し、交流電流を測定することにより、交流イン
ピーダンスを出力表示する機能をもっている。
燃料電池スタック60−1〜60−nに印加される電圧
は交流であるのに対し、燃料電池の負荷電流は直流のた
め、燃料電池に流れる交流電流は、負荷電流の大きさ1
こは影響を受けない。このため、燃料電池が発電状態に
あるときでも、交流インピーダンスは測定可能である。
劣化したセルを含む燃料電池スタックの交流インピーダ
ンスは、正常時の交流インピーダンスと異なった値を示
すため、交流インピーダンス測定装置により測定された
交流インピーダンスを正常時の交流インピーダンスと比
較することにより燃料電池スタックの健全性をチェック
することができる。
このように、交流インピーダンス測定装置を設けたこと
により、運転中、交流インピーダンスが異常値を示す燃
料電池スタックがあった場合には、該当スタックのみを
電池モジュールから除外することにより、燃料電池発電
プラントを停止することなく、運転を続けることができ
、該当スタックの破損を未然に防ぐことができるという
効果がある。
以上、燃料電池スタックに交流インピーダンス測定装置
を設けた場合について述べたが必要に応じて、セル単位
、又は数セルから構成されるブロック単位に交流インピ
ーダンス測定装置を設けることも可能である。又、切換
え機能を付加すること1こより交流インピーダンス測定
装置の台数を減少させることもできる。
次に第5図で本発明を更に詳細に説明する。燃料電池ス
タック160の正極側、負極側取出し口162F、16
2Nに差込式の交流インピーダンス測定装置161、燃
料電池スタック160の開閉器163P。
163N、燃料電池スタック160用の電池水素ガス調
節弁130及び電池空気量調節弁150から構成される
。交流インピーダンス測定装置161は差込式のだめ、
燃料電池スタック160に装着及び取外しが自由である
。交流インピーダンス測定装置161により測定された
燃料電池スタック160の交流インピーダンス信号20
0は、比較器20に入力され正常時の交流インピーダン
ス201と比較される。比較器20の出力202は、絶
対値計算器21に入力し、その出力203は、比較器2
2に入力され、判定基準値204と比較され、絶対値計
算器21の出力203が、判定基準値204を超えると
、電池水素ガス調節弁1301電池空気量調節弁150
を開閉し、ガス量または空気量を調節し、また、異常の
度合が大きい時は、全閉とすると同時に電気的にも開閉
器163F、163N を開くことにより、電池モジュ
ールから切離し、他の正常な燃料電池スタックで発電を
行なう。
また、燃料電池の劣化の要因の1つに電解質であるリン
酸の含水率変化があるが、これを防ぐため、燃料電池の
交流インピーダンスを燃料電池加湿制御のパラメータと
して使用することも可能である。
以上、本発明の詳細について述べたが、本発明の適用は
リン酸形燃料電池プラントに限定されることなく、任意
の燃料電池プラントに適用されることが明白である。
[発明の効果〕 以上説明のように、本発明によれは運転中に燃料電池ス
タックの異常を検出することが可能で、異常スタックを
電池モジュールから除外することにより、燃料電池発電
プラントを停止させることなく運転を権続出来、該当ス
タックの破損を未然に防ぐことが出来る。
【図面の簡単な説明】
第1図は、従来の燃料電池発電プラントの系統図、第2
図はその電気回路を示す構成図、第3図は、燃料電池の
電圧−電流特性図、第4図は本発明の一実施例を示す電
気回路を示す構成図、第5図は第4図の一部の詳細構成
図である。 1・・・燃料改質装置  2・・・シフトコンバータ3
・・・電池水素ガス調節弁 4・・・空気供給系5・・
・電池空気量調節弁  6・・・電池モジュール6A−
・・水素極     6B・・・酸素極7・・・電気的
負荷   8・・・インバータ9・・・変圧器    
 101・・・水蒸気102・・・原燃料      
103・・・電池出口水素ガス104・・・水素リッチ
ガス 105・・・水素含有率の高い水素リッチガス106・
・・電池入口水素ガス 107・・・燃料改質装置の排ガス 108・・パ龜池出ロ空気  109・・・空気110
・・・加圧空気    111・・・電池入口空気11
2・・・電池出力電流 60−1〜60−n・・・燃料電池スタック61−1〜
61−n・・・交流インピーダンス測定装置130・・
・電池水素ガス調節弁 150・・・電池空気量調節弁 160・・・燃料電池スタック 161・・−交流インピーダンス測定装置162P−・
・P極側取出口 162N・・・N極側取出口 163P・・・P極側開閉器 163N’・・N極側開閉器 20・・・比較器 21・・・絶対値計算器 22・・・比較器 αυ 200・・・交流インピーダンス値 201・・・正常時交流インピーダンス値202・・・
加算器出力 203・・・絶対値計算器出力 204・・・判定基準値 (7317)  代理人弁理士 則 近 憲 佑 (ほ
か1名)aか・ 第3図 ん 第4図 第5図

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)複数個の単位燃料電池を積層した電池スタックを
    並列接続して出力を得るようにした燃料電池を使用発電
    プラントにおいて、前記電池スタックにその電池の健全
    性を検出する装置を設けたことを特徴とする燃料電池発
    電プラント。
  2. (2)前記電池の健全性を検出する装置は前記電池スタ
    ックの交流インピーダンスを測定することを特徴とする
    特許請求の範囲第1項記載の燃料電池発電プラント。
  3. (3)前記電池の健全性を検出する装置は、前記電池ユ
    ニットの個々の電池の交流インピーダンスを測定するこ
    とを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の燃料電池発
    電プラント。
  4. (4)前記電池の健全性を検出する装置は各々の電池ス
    タックに共通に設け個々の電池スタックを切り換えて測
    定できるようにしたことを特徴とする特許請求の範囲第
    1項記載の燃料電池発電プラント。
  5. (5)前記電池の健全性を検出する装置は水素ガス量と
    空気量を調節する調節弁、電池出力導線しゃ断開閉器を
    操作出来ることを特徴とする特許請求の範囲第1項記載
    の燃料電池発電プラント。
JP59139103A 1984-07-06 1984-07-06 燃料電池発電プラント Pending JPS6119072A (ja)

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