JPS61232570A - 燃料電池の運転制御装置 - 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】 【発明の属する技術分野】

本発明は燃料電池の運転と”くにその起動運転時におい
てその酸化剤電極側に劣化や損傷を生じるようなことが
ないように運転制御する装置に関する。

【従来技術とその問題点】

燃料電池とくに最近の大容量発電装置として用いられる
実用的なりん酸形燃料電池においては、燃料ガスとして
純粋な水素を用いることは経済的に不利であるから、天
然ガスを改質した水素と炭素ガスとを含むいわゆる改質
ガスが用いられる。 一方、酸化剤ガスとしても純粋な水素より無限にある空
気を利用する方が有利である。しかし、このような実用
的な燃料ガスや酸化剤ガスを用いると、これに付随して
若干の技術的問題が派生しやすい。 この第１はこの種の実用ガス中に純粋な反応ガスのほか
に発電作用に貢献しないかなり多量の非反応性ガスが含
まれていることに起因する。非反応性ガスが含まれてい
ればいるほど、電極の性能が同じでも当然発電能力が低
下することになるから、所定の大きさの燃料電池から充
分な発電出力を得るためには電池の運転温度や運転圧力
を上げてやらねばならない、じかし、電池の温度や圧力
をある経済限度以上に上げることはできないから、電極
の性能とくにその触媒性能を上げて行くことがどうして
も必要になって来る。非常に活性の高い電極とくに触媒
電極は高温、高圧下で劣化や損傷を受けやすい、とくに
酸化剤電極側に供給される空気は反応ガスとしての酸素
を２０％強しか含まず残余は非反応性の窒素であるから
、それには高い電極活性が要求され、またその反面種々
の要因によって劣化を受けやすい。 第２の問題は、供給ガス中に電極に被毒効果を与えうる
成分が含まれる可能性がある点に存する。 この被毒性のガスについては、今度は逆に燃料極側に問
題が多い、すなわち、改質ガス中に炭酸ガスにまで充分
酸化されない以前の一酸化炭素が含まれるおそれがあり
、これが燃料側の電極活性を低下ないしは劣化させるお
それがある。このため改質ガスの供給系の出側には一酸
化炭素除去装置ないしは炭酸ガスへのコンバータが設け
られ、これによって−酸化炭素の含有量をふつうの許容
限度以下に抑えることができるようになった。また幸い
燃料側電極は一酸化炭素による被毒からの回復能力をか
なり持っており、とくに電池の運転温度が高くなると回
復力も高まることが知られている。従ってこの一酸化炭
素による燃料側電極の被毒問題は現在までにほぼ解決さ
れたものと考えられている。 本件出願人は第１の問題すなわち酸化剤側の電極の劣化
問題を電池の発生電圧を常にある限度。 例えば単電池あたり０．８ｖの限度以上にならないよう
に燃料電池の運転とくにその起動運転を管理することに
よりほとんど解決できることを見出してその対策を提案
した。すなわち、燃料電池にまだ負荷がかかっていない
起動時に酸化剤ガスとして空気を電池に導入する際にと
くに過電圧が発生しやすく、電池温度がまだ低い状態で
あってもこの過電圧は酸化剤側の電極活性に有害な影響
を及ぼしうる。そこで、燃料電池に適度の負荷１例えば
ダミーの負荷をかけることにより過電圧を防止するのが
有効である。 ところが、かかる対策を講じても酸化剤電極に劣化が生
じる可能性がまだ残っていることが判明した。このため
、前述の限度をさらに少しく下げて見る試みがなされた
結果、運転条件とくに起動運転時の運転条件にもよるが
、それでもなお酸化剤側電極が若干低下する傾向が認め
られる。もちろん、上述の限度をさらに思い切って下げ
ればよいのであるが、これではダミー負荷により電池電
圧の制限をする場合、ダミー負荷中に消費される電力が
非常に大きな値になってしまい、経済上からも設備上か
らも思わしくない。

【発明の目的】

本発明の目的は、従来から問題であった燃料電池の酸化
剤側電極の活性の低下ないし劣化に対する保護をより完
全にできるように燃料電池の運転制御装置を改良するこ
とにある。

【発明の要点】

この目的は本発明によれば電池の運転制御系に電池に供
給される燃料ガス中の燃料電極の活性を低下させうる不
純物ガスの濃度を検出する不純物ガス検出手段と、燃料
電池の温度を検出する温度検出手段とを含ませ、雨検出
手段により検出された不純物ガスとくに一酸化炭素の濃
度と電池温度とを電池電圧設定手段に入力し、酸化剤電
極電位に対してあらかじめ設定された許容上限値と、前
記不純物ガス検出手段からの不純物ガス濃度検出値と、
前記温度検出手段からの電池温度検出値とに基づいて電
池電圧に対する許容上限値を設定して、電池電圧制御手
段により電池電圧を該許容上限値以内に制限するように
燃料電池の負荷を制御することによって達成される。 上記の構成からもわかるように、本発明の目的は酸化剤
側電極の保護にあるに反して、本発明の運転制御の基礎
は燃料電極側の不純物ガスの濃度に置かれている。これ
は前述の問題点の原因解明を通じて従来の運転制御手段
では燃料電極、の活性状況が考慮されていなかったため
に、酸化剤電極の保護に気落ちがあったことが判明した
からである、以下第２図以降を参照しながらこの根拠を
説明する。 第２図は燃料電池の電池電圧Ｖを燃料電極電位シＦ、酸
化剤電極電位ＶＡおよび電池内の電圧降下ｉＲに分割し
て図示するもので、横軸は電池の電流ないしは電流密度
ｔ、ｋａ軸は電圧ないしは電位Ｖである。内部電圧降下
ｉＲは電池の内部抵抗Ｒと電流との積であり、電流ｉに
ほぼ比例する直線で示される０周知のように電池電圧Ｖ
は Ｖ　−ＶＡ　−ＶＦ　−Ｉ　Ｒ−＝−−−−−−−−−
−−−−−−−−”ωで表わされ、このＶが電池外から
測定できる量であって、ふつうその他の量ＶＡ、ＶＦ、
　ｉＲはいずれも直接的には測定できない、保護対象で
ある酸化剤電極電位Ｖ＾は従って次式で表わされる。 ＶＡ　＝　Ｖ　十ＶＦ　＋　ｉ　Ｒ−・＝−−−−−＝
−＝−−−（２１第３図は第１図と同じ量を横軸縦軸と
したもので、同図（ａ）は燃料電極電位ＶＦを２同ｖ１
（ｂ）は酸化剤電極電位ＶＡと電圧降下ｉＲをそれぞれ
電池温度（Ｔｌく丁２＜Ｔ３＜Ｔ４）をパラメ”−夕し
て示したものである。第３図［ａ）の鎖線は燃料電極が
正常なときの電位ｖＦＯで温度依存性はあるがあまり大
きくない。 一方、同図（ム）の実線は燃料電極が受ける燃料ガス中
に該電極の活性を低下させる不純物ガスとして一酸化炭
素が例えば２％程度含まれている場合の燃料電極電位Ｖ
Ｆであって、正規の電位ＶＦＯと比べて該電極の活性が
かなり低下していることがわかる。しかも、かかる不純
物ガスによる燃料電極の活性低下ないしは被毒の程度は
電池温度が低いほど大きく、また当然であるが電流ｌが
大きいほど著しくなる。Ｔ２）式かられかるように、燃
料側でこのように電極電位が変化すると、外部から測定
された電池電圧が同じでも電池内の実際の酸化剤電極電
位ＶＡがこれに応じて変化してしまっていることになり
、電池電圧だけを尺度として酸化剤電極の保護をしても
不十分であることになる。 もっとも、燃料電池内の燃料ガスの不純物レベルがこの
ように高くなることは正常運転中はほとんどなく、また
第３図（畠）かられかるように電池温度が高くて運転温
度付近のＴ４にあるときには不純物ガスの有無に拘らず
燃料電極電位はほとんど変わらないから、従来のように
酸化剤電極の保護のための尺度を電池電圧に求めても大
差はない、しかし、電池温度が低（例えば電池の運転開
始当初の室温Ｔ１であると、不純物ガスレベルの濃度を
考慮しなければならない。電池の運転開始当初は、燃料
電池に改質ガスを供給するガス供給系の方もこれに応じ
て立ち上げられるから、まだ改質触媒の温度や一酸化炭
素を炭酸ガスに変換するコンバータの温度も充分高まっ
ていない場合もあり、またその９１１作がまだ不安定で
あるから、不純物ガスの含有レベルが短時間的規程値を
越える危険も多い、このような燃料電極の活性低下は、
不純物ガスレベルの規程値超過が大きくなくまた長時間
に亘らない場合にはその後の電池温度の上昇によって回
復されるので、該燃料電極の長期劣化を招く危険は少な
い、しかし、酸化剤電極の方は比較的短時間であっても
過電圧による酸化劣化を招くことがあり、燃料電極側の
一時的な活性低下を考慮して充分な保護をすることが必
要である。 しかし、このような観点から保護をするにしても、第２
図に示された電圧や電位中で実際に測定できるのは電池
電圧のみであるから、この電池電圧と燃料ガス中の不純
物濃度と、電池温度とから電池内で実際に生じうる酸化
剤電極電位のレベルを推定してやる必要がある。さて、
酸化剤電極電位Ｖ＾も第３図山）に示すように温度の関
数であって、電池温度が高くなって電極活性が増すとと
もにその値は上昇する。内部電圧降下ｉＲの方は温度依
存性が０であるというわけではないが、その程度は図示
のように実用上は無視しうる。いま第３図山）において
、ある酸化剤電極電位ＶＡに対応する図の水平線とある
温度例えばＴ１における酸化剤電極電位ＶＡの線との交
点を＾１とし、このときの電流値を１１、これに対応す
る電圧降下ｊ［？の線上の点を８１とする。さらに第３
図ｔａｌでこの温度Ｔ１．電流値１１に対応する不純物
ガスありの場合の燃料電極電位ＶＦの線上の点を０１と
すると、前の（２）式を参照してＶＡ＝Ｖ＋８１＋ＣＩ によって酸化剤電極電位ＶＡが電池電圧Ｖ等から推定で
きることになる。ただし、Ｂ１１Ｃｌはそれぞれの点の
もつ電圧値ないしは電位値とする。　　　。 同様な推定は他の温度Ｔ２〜Ｔ４．不純物ガスなしの場
合について、また種々に酸化剤電極電位Ｖ＾の値を変え
てすることができ、その結果を総合的に整理したものが
第４図である。この第４図の線図は横軸を酸化剤電極電
位ＶＡに、縦軸を電池電圧Ｖとし、温度Ｔ１〜Ｔ４をパ
ラメータとして両者の相関を示したものである。電池電
流Ｉは第３図の場合は横軸の変数であったが、第４図の
場合は内部電圧降下が既に前述の推定に入っているので
消去されてしまっている。また第４図は保護上問題とな
る電圧、電位付近が拡大されて示されていることに注意
されたい、なお、図示の電圧電位の数字は単電池あたり
の値であり、鎖線は燃料ガス中の有害不純物が０である
場合を、実線は該不純物濃度が予想される最大値２％で
ある場合を示している。 この図を用いれば測定された電池電圧Ｖから、電池温度
および不純物ガス濃度をパラメータとして、酸化剤電極
電位ＶＡを推定することができるが、図かられかるよう
に温度が高くてＴ４である場合は不純物濃度の影響は非
常に小さいが、温度が低くなってＴ１になると不純物濃
度の影響は無視できない程度に大きくなることがわかる
。 このように第４図の相関関係を用いれば、電池電圧■の
測定値から酸化剤電極電位ＶＡの値を推定でき、運転制
御上では後者を許容限界内に抑えて逆に許容できる電池
電圧Ｖを設定することができる。この酸化剤電極電位Ｖ
Ａの許容限度が図では限界ＭＬで示されており、その右
側の斜線を施された範囲は許容できない過電圧範囲であ
る０本件出願人の経験によれば、この許容限界値は本発
明の実施により従来限界とされていた値よりも高く選定
して差し支えなく、図示のようにりん酸形燃料電池の場
合、従来の限界の０．８ｖを０．８３Ｖ程度にまで上げ
ることができる。従来は未知数であった変動要素の影響
の性格が把握されたことにより、電池内の酸化剤電極電
位がほぼ正確に推定できるようになり、許容限界を上げ
ることが可能になったのである。酸化剤電極電位、従っ
て電池電圧の抑制は電池に適度の負荷を掛けることによ
ってのみ可能であり、とくに電池の起動時には育用な負
荷がまだなくふつうはいわばダミー負荷を掛ける要があ
り、その負荷損失は回収が困難であるから、上記の許容
限界の上昇は一見些小なように見えてもその経済的価値
が高い、このことは、燃料電池の電流対電圧の降下特性
が比較的なだらかであり、僅かに電池電圧を下げるため
にも大きな負荷電流を電池から引き抜かねばならないこ
とから考えても容易にａｒ解されよう。 なお実際に運転制御に当たっては、第４図の主パラメー
タである温度中の温度Ｔ４は電池の正規の運転温度１例
えば１９０℃に選ばれる。逆に最低温度Ｔ１は電池の起
動時の温度に選ばれるが、電池がまだ室温にあるときに
燃料ガスが電池内に導入されることは実際上は行なわれ
ず、電池をある温度に達するまで予熱してからガスが導
入されるのが普通である。従って、この温度Ｔ１はかが
る電池の予熱温度例えば１３０℃程度に選ばれる。もち
ろん、第４図はかかる温度範囲に対応するものである。 運転制御の実際的な手段の詳細は次項の実施例において
説明するとおりである。

【発明の実施例】

以下第１図を参照しながら本発明の実施例を詳。 しく説明する。運転制御装置の説明に先立ち制御対象で
ある燃料電池発電装置の概要をまず説明する。 図の中央部には燃料電池ｌが簡略化されて示されており
、その活性部は周知のように燃料電極１ａと酸化剤電極
１ｂであって、両者は電解質層１ｃを間に挟んで配置さ
れている。りん酸形燃料電池の場合は電解質層１ｃはり
ん酸電解質を保持するマリトリックス層である０両Ｉｉ
ｔ　８ｉ１　ａ　、　１　ｂはいずれもこの電解質に対
して半透過性でかつ燃料ガスＦや酸化剤ガスＡに対して
透気性であり、りん酸形電池の場合はそれぞれ活性物質
として炭素系材料とそれに担持された白金系等の触媒を
含有する。酸化剤ガスとして空気が用いられることが多
いので、前述のように酸化ｌｌ１ｑ電極１ｂの方が燃料
電極１ａよりも高活性であり、反面その電位がある限度
を越えたときに酸化剤ガスＡによって酸化されてその活
性低下や機能の劣化を招きやすい０両電極に対するガス
の供給はその左右に示された燃料ガス区１ｄと酸化剤ガ
ス区画１ｅからなされ、実際上はこれら両区画はいわゆ
るガスマニホールド室や電池積層体内部に設けられたガ
ス通路を含む。 両ガス区画１ｄ、ｌｅへのガスの供給とそれからの排出
は、図の左側部に一点鎖線で囲んで示されたガス供給系
からなされる。燃料ガスＦはふつう燃料改質器２によっ
て改質されたガスであって、その主成分は公知のように
水素と炭酸ガスである。 燃料改質器２は脱硫器３を原料ガスとして例えば天然ガ
スの供給を受け、それを高温の改質管２ａ内に流通させ
、管内の改質触媒によりまた図示しないがふつうは水分
の存在下で、天然ガス中のメタンを水素と炭酸ガスの混
合ガスに変換する。しかし、この変換ガス中にはまだ一
酸化炭素分をかなりの量含むので、例えば後段のコンバ
ータ４によってさらに一酸化炭素を炭酸ガスに変換した
上で、改質ガスとして燃料ガスＦを電池１に供給する。 電池１内で消費されなかった水素を含む使用ずみの燃料
ガスＦは燃料改質器２に戻され、バーナ２Ｇにより燃料
室２ｂ内で燃焼されて改質管２ａを加熱した後に燃料改
質器２を出て、さらにタービン５を駆動したのち廃棄さ
れる。酸化剤ガスＡ例えば空気ハ、コのタービン５によ
って駆動されるコンプレッサ６により大気から吸引され
、電池の運転圧力に高められて電池ｌに供給される。電
池内で消費されなかった酸素を含む酸化剤ガスＡも燃料
改質器２に戻され、燃焼室２ｂ内の前述の燃焼のための
助燃ガスとして利用される。 一方、燃料電池１の発電出力は図で＋、−で示された母
線を介して電池から導出され、主開閉器７を経て負荷８
に給電される。負荷８には公知のとおりのインバータや
その交流側負荷が含まれる。 本発明による運転制御装置の構成要素にはまず不純物ガ
ス検出手段１０が含まれる。該手段は燃料ガスとして前
述の改質ガスが用いられる場合には第−義的には一酸化
炭素検出装置が必要であり、公知のように赤外線吸収形
ガス分析装置がこの目的に適する。前の第４図の線図か
らもわかるように検出精度は０．１％程度よりも高いこ
とが望ましくこの種のガス分析装置がこの目的に合致す
るからである。不純物ガス検出手段が検出すべき不純物
ガスは一酸化炭素に限らず、燃料ガス中に含まれ燃料電
極の活性を一時的にでも低下させる種類のガスを対象と
して本発明を実施しうろことは本発明の主旨から見ても
明らかであろう、不純物ガスの検出点としては、一時的
なその濃度レベルの上昇であってもそれをできるだけ早
く検出できる点１例えば図示のように燃料電極１への燃
料ガス導入管であることが望ましい。 温度検出手段２０は上と少しく異なり、不純物ガスによ
って燃料電極の活性低下が生じる場所、すなわち電池内
部の温度を測定することが望ましく、このため電池積層
体内に公知の熱電形や抵抗形の温度検出プローグをあら
かじめ埋め込みないしは挿入しておくのがよい。 不純物ガス検出手段１０および温度検出手段２０からの
出力信号は、図では鎖線で描かれた径路を介して図の下
側に示された電池電圧設定手段３０に導かれる。前の第
４図からもわかるように電圧設定の基礎となる特性線の
形状がかなり複雑でありかつ電圧設定値も少なくとも０
．　Ｉ　Ｖ以内、率としては少なくとも１％以上の精度
で決めなければならないので、電池電圧設定手段３０を
この実施例のようにディジタル計算機として構成するの
が望ましく、前の両手段１０．２０からの検出出力はそ
れぞれアナログディジタルコンバータ（ＡＤＣ）３５．
３６を介してこの電池電圧設定手段３０にディジタル値
で取り込まれる。該手段３０としての計算機は公知のよ
うにＣＰＵ３１．ＲＯＭ３２．ＲＡＭ３３等を備え、そ
の入力ボート３４ａを介して前のディジタル値に変換さ
れた検出出力を読み込み、ＲＡＭ３３に格納する。該Ｒ
ＡＭ３３には図でＭ線で区分して象徴的に示されて記憶
エリア３３ａが設けられており、その中に前は第４図に
示された特性線のデータが記憶される。この記憶される
べき特性データ値としては、最も簡単には前の第４図の
酸化剤電極電位の許容上限値ＶＡＩＩ＋に対応する限界
線り上の電池電圧Ｖの値を不純物ガス濃度と電池温度と
をパラメ−夕としてＲＡＭエリア３３ａ内に格納してお
けば足りるのであるが、この限界線を複数個想定してそ
のそれぞれについて電池電圧Ｖの値を同様に記憶させて
おくのが望ましい、後者の場合には、複数個の限界線中
のいずれを運転制御上の基準として選ぶかを負荷８内の
制御盤から選択信号ＳＳを電池電圧設定手段３０にＡＤ
Ｃ３９を介して与えることにより指定するようにすれば
よい、いずれにせよ、該設定手段３０は雨検出手段１０
．２０から受けた不純物ガス濃度の値と電池温度の値か
らそれらをパラメータとしてＲＡＭエリア３３ｍから電
池電圧Ｖの記憶値を読み出し、出力ポート３４ｂと付属
のディジタルアナログ変換器（ＤＡＣ）３７を介して電
池電圧設定値ＶＳとして図の右方に出力する。この記憶
値の読み出しに際して雨検出手段１０．２０からの検出
値が記憶パラメータの値と異なる場合には、公知の計算
技術として知られている内挿法、外挿法などの手段を用
いて雨検出値に対応する電池電圧Ｖの値を電池電圧設定
手段３０内で計算した上で、電池電圧節制値ＶＳとして
出力することができるのはもちるんである。 この電池電圧設定値νＳを受ける電池電圧制限手段４０
は図示のようにこの実施例では電池電圧検出器４１と電
池負荷制御器４２と負荷装置４３とからなり、この内の
負荷装置４３はいわゆるチッッパ制御の抵抗負荷として
構成されている。電池電圧検出器４１は例えば図示の電
圧分割器であり、電池電圧に比例した実際値をまたは電
池電圧そのままを電池負荷制御器４２に与えうるもので
あればよい、電池負荷制御器４２内の初段の比較器４２
ａは、この電池電圧検出値を実際値とし、前述の電池電
圧設定値ＶＳを目標値として入力し、両者間の制御偏差
を次段の調節器４２ｂに与える。この調節器４２ｂはそ
の制御対象のもつ動特性に応じて与えられたＰＩＤ要素
を備えた電圧調節器であり、その出力を負荷装置４３内
のチ四ツバ制御用の点弧制御器４２ｃに与える。もちろ
ん、上のｔＷ節器４２ｂは電池電流を１Ｊｉｉｆｆする
電流調節器として構成してもよく、この場合には電池の
電圧・電流特性に応じて電池電圧設定値νＳに対応する
電池電流値を発生する関数発生器を電池負荷制御器４２
内に含ませる。 負荷装置４３は負荷抵抗４３ａと電池から該負荷抵抗４
３ａに流入する電流の平均値を制御するためのサイリス
タ４３ｂとダイオード４３ｃで簡略に示されたチッッパ
回路からなり、該サイリスタ４３ｂが点弧制御器４２ｃ
から与えられる制御信号によりオンオフされて、電池電
圧Ｖを電池電圧設定値ＶＳと等しくするに必要な負荷電
流を電池ｌから取って負荷抵抗４３ａに流す。 本発明による運転制御装置の構成のその主な動作は以上
説明したとおりであるが、以下とくに従来から酸化剤電
極の劣化を招きやすかった電池の起動時の運転制御の要
領をかいつまんで説明する。 電池の起動に先立って、第４図に示された電池電圧値は
変数パラメータごとにＲＡＭエリア３３ａ内にあらかじ
め格納されているとする。 電池の起動にあたっては、まず前述の負荷８側の制御盤
から酸化剤電極電位ＶＡの許容最大値ＶＡＮの選択信号
ＳＳを電池電圧設定手段３０に送り、第８図に示された
ような限界線りをまず設定する。これと同時に燃料電池
ｌの予熱を温水をその内部に通流させるなどの手段で開
始し、その内部温度を室温から１３０℃程度の予熱温度
にまで高める。また、燃料改賀器２等のガス供給系も電
池の予熱開始と同時に起動されるが、ガス供給系から電
池ｌに対して燃料、酸化剖両ガスを供給する供給弁類（
図示せず）は電池の予熱がすむまで閉鎖状態に保たれ、
電池内の両ガス区画はｌｄ、　ｌｅ内ではそれまでに封
入されていた窒素等の不活性ガスがその間ゆるやかに通
流される。 電池温度が所定の予熱温度例えば前述の１３０℃に達し
たとき、予熱を断とするとともに電池電圧設定手段３０
に例えば前の選択信号ＳＳを与えたと同径路で動作開始
指令を与え、同時に不純物ガス検出手段１０への電源を
オンして動作開始させる。ただし、該手段１０が前述の
赤外吸収形のように動作の安定までに若干の時間を要す
る種類のものである場合は、前の電池の余熱開始と同時
にあらかじめ動作開始させておくのが望ましい、またこ
の時点で必ずしも必要ではないが電池電圧制限手段４０
の方も電源をオンして動作開始させておくのが安全性を
高める上では望ましい、ついで燃料ガス系の電池への供
給弁と排出弁とを漸次開き、同時に不活性ガスの通流弁
を閉じて電池ｌ内の燃料ガス区画ｌｄ内の不活性ガスを
漸次燃料ガスによって置換する。これによって燃料電極
電位は立ち上がって行くが、まだ酸化剤ガスが導入され
ていないので、電池電圧制御手段が動作する程の電池電
圧は発生しない、ついで、酸化剤ガス側の供給弁と排出
弁とを漸次開き、同様に不活性ガスの通流弁を閉じると
ともに、まだ電池電圧制限手段４０への電源がオンされ
ていない場合はこれもオンさせる。 この状態では、酸化剤ガス例えば空気によって不活性ガ
スが漸次置換されるにつれて、電池電圧が立ち上がって
行くが、もしこの立ち上がりが急激すぎて発生電池電圧
Ｖが電池電圧設定手段３０からの電池電圧設定値ｖＳを
越えることがあれば、直ちに電池電圧制限手段４０が前
述のように動作して電池電圧■を該設定値ＶＳ以内に制
限する。この段階が従来量も酸化剤電極の劣化を招きや
すかった時期と考えられる。 上記の状態を暫時維持すると、電池の内部温度は発電開
始に伴う発熱作用により漸次上昇して所定の負荷用開始
温度に達する。この負荷開始温度は電池に実負荷を掛は
始める温度であり、燃料電池発電装置の運転開始時間を
短縮する上では低い方が望ましく、例えば１５０℃程度
に選ばれる。もちろん、この温度に達した時点では、電
池内の不活性ガスは完全に反応ガスによって置換されて
おり、電力供給開始準備ができているので、負荷８の制
御盤等から指令を主開閉器７の駆動機構７ａに送るなど
の手段で主開閉器７を閉じ、電池１から負荷８への給電
を開始させればよい、この給電開始当初の負荷８がまだ
全負荷にならない状態では、電池電圧制限手段４０への
電源はオンにしておき、万一電池電圧が危険値を越えた
ときに動作させることが望ましい、負荷が全負荷に達し
たのちは電池電圧が異常に上昇することは余りないから
、電池電圧制限手段４０の動作は止めておいてももちろ
んよいが、予測できない負荷急変時に備えてその動作を
継続させておく方がよい、該手段４０は電池電圧が過電
圧にならない限り、余分な電池負荷をとることはないか
らである。 以上説明した本発明による運転側？Ｉｌ装置の採用によ
り、電池の起動時に際しであるいはその連続運転時を通
して、電池内の酸化剤電極電位は酸化劣化を生じない範
囲内に留まることが保証される。 またこの保証の下で、電池温度を予熱温度から負荷開始
温度まで上昇させる時間および給電開始から全負荷給電
までの時間を不安なく短縮することが可能となり、その
結果燃料電池発電装置の起動時間を従来の運転制御手段
によるよりも短縮することができる。

【発明の効果】 以上説明のとおり、本発明によれば燃料電池の酸化剤電
極の劣化防止を図るにあたって、酸化剤ガスとは反対側
の燃料ガス中に含まれ得る不純物ガス濃度を考慮内に置
く必要性があることに着目し、これに応じて電池の運転
制御系に、電池に供給される燃料ガス中の燃料電極の活
性を低下させうる不純物ガスの濃度を検出する不純物ガ
ス検出手段と、燃料電池の温度を検出する温度検出手段
とを含ませ、雨検出手段により検出された不純物ガスと
くに一酸化炭素の濃度と電池温度とを電池電圧設定手段
に入力し、酸化剤電極電位に対してあらかじめ設定され
た許容上限値と、前記不純物ガス検出手段からの不純物
ガス濃度検出値と、前記温度検出手段からの電池温度検
出値とに基づいて電池電圧に対する許容上限値を設定し
て、電池　　　　′電圧側、御手段により電池電圧を該
許容上限値以内に制限するように燃料電池の負荷を制御
するので、燃料電極が不純物ガスにより被毒するような
不測の事態に対してはもちろん、電池温度が変動しゃす
い電池の起動時等に際しても、保護すべき酸化剤電極の
もつ電位を正しく推定できるようになり、この推定に基
づいて酸化剤電極の過電圧に基づく活性低下や劣化を有
効に防止することができ、従来不明とされていた劣化原
因から酸化剤電極をはぼ完全に保護することができる。 また、酸化剤電極電位が正しく推定できるようになった
ので、従来は安全サイドに取られていた該電位の許容上
限値の制約を緩めることができるようになり、電池電圧
制限のためにむだになっていたダミー負荷中の電力損失
量を減少させることができる。とくに燃料電池発電装置
の起動にあたっては、従来の手段では不完全であった酸
化剤電極の保護レベルを大幅に向上することができるよ
うになり、かつこのように保証された保護レベル下で発
電装置の起動時間の短縮を図ることが可能になる大きな
副次的効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による燃料電池の運転制ｍ装置の実施例
を燃料電池とその付属系統とに併せて示す回路図、第２
図以降は本発明装置の原理を説明するためのもので、内
部２図は電池電圧と電極電位との関係を示す線図、第３
図は燃料電極電位。 酸化剤電極電位および内部電圧降下と電池電流。 電池温度および燃料ガス中の不純物濃度との関係を示す
線図、第４図は本発明による運転制御の基礎となる酸化
剤電極電位と電池電圧との相関を温度および前記不純物
濃度をパラメータとして示す線図である。図において、 ｌ：燃料電池、１ａ：燃料電極、１ｂ二酸化剤電極、１
０：不純物ガス検出手段、　２ｏ：温度検出手段、３０
：電池電圧設定手段、４０：＠池電圧制限手段、＋　、
　＋１．ｉ４　　Ｆ電池電流、　ｉＲ：ｉｉ池内電圧降
下、Ｌ：制限線、Ｔ１〜Ｔ４：電池温度、Ｖ：を池電圧
、ｖへ二酸化剤電極電位、ｖＡト酸化剤電極電位に対す
る最大許容値、ｖＦ：燃料ガス中に不純物ガスが含まれ
る場合の燃料電極電位、ＶＦＯ：燃料ガス中に不純物ガ
スが含まれない場合の燃料電極電位、入゛ンた一ノ／ ｇｚ図　　　９

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １）燃料電極および酸化剤電極にそれぞれ燃料ガスおよ
   び酸化剤ガスの供給を受けて発電電力を負荷に給電する
   燃料電池の運転制御装置であって、電池に供給される燃
   料ガス中の燃料電極の活性を低下させうる不純物ガスの
   濃度を検出する不純物ガス検出手段と、燃料電池の温度
   を検出する温度検出手段と、酸化剤電極電位に対してあ
   らかじめ設定された許容上限値と、前記不純物ガス検出
   手段からの不純物ガス濃度検出値と、前記温度検出手段
   からの電池温度検出値とに基づいて電池電圧に対する許
   容上限値を設定する電池電圧設定手段と、該設定手段に
   より設定された前記許容上限値を受け電池電圧をそれ以
   内に制限するように燃料電池の負荷を制御する電池電圧
   制御手段とを備えてなる燃料電池の運転制御装置。