JPS61279071A

JPS61279071A - 燃料電池

Info

Publication number: JPS61279071A
Application number: JP60120489A
Authority: JP
Inventors: Koichi Mitsugi; 三次　浩一; Hideo Okada; 秀夫岡田; Yoshio Iwase; 岩瀬　嘉男; Masahito Takeuchi; 将人竹内; Koki Tamura; 弘毅田村
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1985-06-05
Filing date: 1985-06-05
Publication date: 1986-12-09

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〕本発明は燃料電池に係り、特に燃料電池におけるガスク
ロスオーバー現象の検知及びその対処に関するものであ
る。

〔発明の背景〕

燃料電池は、「外部から連続的に供給される燃料と酸化
剤を電気化学的に反応させることにより、直接電気エネ
ルギーに変換する発電装置」であり、従来の発電方式の
ようにエネルギーの機械的変換過程がないため、高いエ
ネルギー変換効率が得られる。

また、作動温度が低く、かつ静止型発電装置であるため
“に、他の発電方式に較べて、公害汚染。

騒音規制に制約されることがなく、環境調和性が良く、
立地条件の面で有利であるなどの利点を有する。

しかしその反面、燃料ガスが、電解質板を通り酸化剤極
側へ抜は出してしまったり、あるいは酸化剤ガスが電解
質板を通り燃料極側へ抜は出してしまうといったｂわゆ
るガスクロスオーバー現象が発生する。これによって、
急激な燃焼反応が起こり１．爆発の危険性が生じたり、
あるいはそれに伴ない電池内部で局部加熱が起こり、電
池を焼損するおそれがあった。また、それらの結果、電
池性能が急激に低下してしまうという欠点も有して・い
た。

そこで、従来からクロスオーバー現象の早期検知、対処
方等について様々な検討がなされ、例えば特開昭５８−
８７７７０や、特開昭５８−９４７６７などでその例が
開示されている。

これらの従来例によれば、クロスオーバー現象の発生を
酸化剤排出路の途中に設けられた二酸化炭素濃度計によ
シ検知する構成となっており、その原理は、次のようで
ある。

「燃料電池の燃料としては、一般に石油から水蒸気改質
等のプロセスを経て得られたガスが用いられており、そ
の組成は、水素８０４に対して二酸化炭素２０壬程度の
ものである。このため、クロスオーバーの発生により燃
料が電解液マトリックスを突き抜けて酸化剤流路中に入
った場合、二酸化炭素は酸化剤と反応しないため、酸化
剤流路中の二酸化炭素濃度が増加する。従って、酸化剤
流路から酸化剤を排出する酸化剤排出路中の二酸できる
。」となっている。

しかし、この方式においては、酸化剤流路中には二酸化
炭素濃度計が入っているが、燃料流路中には二酸化炭素
濃度計が入っていないので酸化剤極側から燃料極側へガ
スが漏れ出し、クロスオーバーが発生した場合、これを
検知できない構成となっている。また、そもそも燃料ガ
ス中には水素と炭酸ガスが共存するので次式のシフト反
応が起こる。

ＣＯｚ　＋Ｈｚ　ｄＣＯ＋ＨｚＯこの反応により電池の運転条件、特に温度の変化に伴い
二酸化炭素の濃度は変化してしまう。

従って、一般に二酸化炭素濃度の基単値を設定するのは
、非常に難しい。さらに、燃料ガス中の二酸化炭素濃度
というのは、第２図に示すように、水蒸気改質反応装置
の運転条件、特に反応温度。

反応圧力によっても大きく変化し、この他にも、原料炭
化水素１ｇ原子当りの水蒸気のモル比、すなわちＳ／Ｃ
によっても若干変化するので、二酸化炭素濃度の基皐値
を設定するのは難しい。

もし、燃料ガス中の二酸化炭素濃度の基意値をある一定
値として燃料電池を運転し、実際の二酸化炭素濃度が変
化した場合、特に、二酸化炭素濃度がその値より小さい
側に変化した場合に、クロスオーバーが発生したら、そ
の一定値までの二酸化炭素の濃度の増加は、クロスオー
バーと判定されずにそのまま電池の運転が継続されるこ
とになる。従って、クロスオーバーの早期検出がなされ
ず、燃料電池システムが、非常に危険な状態にさらされ
てしまり虞れがあった。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、燃料電池の異常現象であるガスクロス
オーバーを早期に検出し、それらに適確に対応した対処
策を迅速に行つのに好適な燃料電池を提供することにあ
る。

〔発明の概要〕

本発明者らは、燃料電池の性能向上と長期安定うことが
、電池性能と長期安定性に非常に重要であることがわか
った。

ガスクロスオーバー現象というのは、燃料ガス、すなわ
ち水素含有ガスが、電解質板を通り抜は酸化剤極側へ漏
れ出してしまったり、あるいは、酸化剤ガス、すなわち
酸素含有ガスが電解質板を通シ抜け、燃料極側へ漏れ出
してしまう現象である。

そこで、燃料極の直後に酸素検知器を取シ付け、さらに
、酸化剤極の直後に、可燃性ガス検知器を取シ付け、各
々を監視していれば、燃料極側から酸化剤極側へガスが
クロスオーバーしても、また酸化剤極側から燃料極側へ
ガスがクロスオーバーしても、これを迅速にかつ直接的
に検知できると考察した。

本発明は係る知見によりなされたものであり、その構成
は相対向する燃料極および酸化剤極で電解質板を挾持し
てなる単位電池をセパレータを介して複数個積層して構
成された電池スタックと、前記燃料極へ燃料を供給し、
かつ排ガスを排出する配管系と、前記酸化剤へ可燃性ガスを供給し、かつ排ガスを排出す
る配管系とを備えてなる燃料電池において、前記燃料極
の後段に排ガス中の酸素を検出する酸素検知器を設け、
かつ前記酸化剤極の後段に排ガス中の可燃性ガスを検出
する可燃性ガス検知器が設けられていることを特徴とす
る燃料電池である。

上記本発明の構成において、燃料極あるいは、酸化剤極
の後段に設ける検知器の位置は、両極の直後が望ましい
。これは、ガスクロスオーバーを迅速に検知するためで
あシ、検知器の取り付は場所が、燃料極あるいは酸化剤
極から遠くなるにつれて、その分クロスオーバーの検知
も遅れ、その間に、クロスオーバーがさらに激化する可
能性があるからである。

なお、クロスオーバ一時の各電極にかける水の生成は僅
かであり、クロスオーバーしたガスは必ず検知できるこ
とが実験的に証明されている。

前記各検知器で、クロスオーバーが検知されると、その
信号を燃料極と酸化剤極との間のガスの極間差圧を制御
する差圧制御器へ送り、この制御器により、クロスオー
バーがなくなるように１燃料ガス圧あるいは酸化剤ガス
圧を調整する。っまり、クロスオーバーは、燃料ガス圧
が酸化剤ガス圧よりも高いか、あるいは、酸化剤ガス圧
が燃料ガス圧よりも高いからガス圧の高い方から低い方
へと漏れ出すことによシ起こるので、それぞれのガス圧
が平衡になるように各々のガス圧を調整するのである。

しかし、ガスクロスオーバーの程度によっては、極間差
圧制御ができない状態に陥る場合もある。

そのときは、燃料極、酸化剤極への燃料ガス、酸化剤ガ
スの供給を停止し、炭酸ガス含有ガス（例えば水蒸気改
質反応装置の排ガス等）を供給することにより、クロス
オーバーの増大を防ぎ、燃料電池システムの安全を確保
する。

Ｃ発明の実施例〕次に、本発明の実施例を図面を用いて詳細に説明する。

第１図は本発明の一実施例のうち、基本的な、システム
を示したものである。

このシステムは、燃料電池本体、燃料及び酸化剤ガス配
管系、酸素及び可燃性ガス検知器及び制御器から構成さ
れている。

正常状態では、燃料である水素ガスは、バルブ９を通り
燃料極１へ入り、バルブ７より排出され、空気は、バル
ブ１０を通り炭酸ガスと混合し酸化剤極２へ入り、バル
ブ８より排出されている。

燃料極１と酸化剤極２との間の極間差圧制御は、制御器
６からバルブ７及びバルブ８へ信号を送り、これらのバ
ルブ７．８で燃料ガス圧及び酸化剤ガス圧を調整し、両
ガス圧の圧力差をなくすことに↓り行われている。

この状態で、水素ガスが燃料極１から電解質板３を通り
抜は酸化剤極２へ漏れ出す。いわゆるクロスオーバー現
象が発生すると、酸化剤極の直後にある可燃性ガス検知
器５が水素ガスを検知し、制御器６け、先ず警報器１９
へ信号を送り警報を鳴らし、次いでバルブ７及びバルブ
８へ信号全送り、クロスオーバーしてきた水素ガスのガ
ス圧をバルブ７により低くシ、さらにバルブ８によシ空
気と炭酸ガスの混合ガスのガス圧を高くシ、総合的に若
干空気と炭酸ガスの混合ガスの圧力の方を高くすること
Ｋより、クロスオーバーの解消ヲ図る。

また、空気と炭酸ガスの混合ガスが酸化剤極２から電解
質板３を通り抜は燃料極１へ漏れ出してクロスオーバー
が発生した場合も同様に、燃料極１の後段にある酸素検
知器４により酸素が検知され、制御器６へ信号を送る。

信号が送られてきた制御器６は、先ず、警報器１９へ信
号を送り警報を鳴らし、次いでバルブ７及びバルブ８へ
信号を送る。今度は、クロスオーバーしてきたガスが空
気と炭酸ガスの混合ガスであるので、バルブ８により空
気と炭酸ガスの混合ガスのガス圧を低くシ、さらにバル
ブ７により水素ガスのガス圧を高くシ、総合的に若干水
素ガス圧の方を高くするととくより、クロスオーバーの
解消を図る。

しかし、ガスクロスオーバーの程度によっては、ガス圧
の調節だけでは、ガスクロスオーバーが解消しない場合
もある。

この場合、電池が非常に危険な状態となるので、即座に
制御器６からバルブ９及びバルブ１０へ信号を送り、バ
ルブ９及びバルブ１０を閉じ、まず水素と空気の供給を
停止する。

次いで、制御器６からバルブ１１へ信号を送シ、バルブ
１１を開き、炭酸ガスのみを燃料極ｌ及び酸化剤極２へ
供給することにより、ガスクロスオーバーの増大を防ぎ
、燃料電池システムの安全を確保する。

次に、本発明を実際の燃料電池発電システムに組み込ん
だ例を第３図に示す。

本システムは、燃料電池本体、配管系、酸素及び可燃性
ガス検知器、水蒸気改質反応装置、制御器及びインバー
タから構成されている。

原燃料はＬＮＧで、水蒸気改質反応により燃料である水
素を得ている。

先ず、正常状態における本システムの動作を説明する。

原燃料であるＬＮＧと水蒸気とを水蒸気改質反応・装置
１４へ流入し、燃料である水素を生成させる。生成され
た水素は、熱交換器１５を通り、バルブ９を通って燃料
極１へ入り、バルブ７を通って、再び水蒸気改質反応装
置１４へ戻シ、ここで空気と反応して燃焼し、排ガスと
なる。

この排ガスは、冷却器１７により炭酸ガスと水。

に分離される。このうち炭酸ガスは、バルブ１０を通っ
てきた空気と混合し、熱交換器１６を通り酸化剤極２に
入り、バルブ８を通って再び熱交換器工６へ入り、ここ
から排出される。

また、水は、熱交換器１５を通ることによシ水蒸気とな
り、原燃料であるＬＮＧに共に、再び水蒸気改質反応装
置１４へ入る。

この動作が継続される限り、燃料電池は発電し続け、得
られた直流電圧は、インバータ１８により交流電圧に交
換される。

次に、本システム中での本発明の詳細な説明する。

上記正常状態において、燃料極１と酸化剤極２との間の
極間差圧制御は、制御器６からバルブ７及びバルブ８へ
信号を送り、これらのバルブで、水素ガスのガス圧と、
空気と炭酸ガスの混合ガスのガス圧との圧力差をなくす
ことＫより行われている。

この状態にお＾て、水素が燃料極１から電解質板３を通
り抜は酸化剤極２へ漏れだしたり、あるいは、空気と炭
酸ガスの混合ガスが酸化剤極２から電解質板３を通シ抜
は燃料極１へと漏れだす、いわゆるガスクロスオーバー
現象が発生すると、燃料極１の後段にある酸素検知器４
が酸素を、あるいは酸化剤極２の後段ｅ−ある水素検知
器５が水素を検知し、制御器６へ信号を送る。

信号が送られてきた制御器６け、先ず警報器１９へ信号
を送り警報を鳴らし、次にバルブ７及びバルブ８へ信号
を送り、これらのバルブ７．８を操作し、電解質板を通
り抜けてきた、いわゆるクロスオーバーしてきたガスの
ガス圧より他のガスのガス圧を若干高くすることにより
クロスオーバーの解消を図る。

しかし、ガス圧を制御してやるだけでは、クロスオーバ
ーが解消しない場合もある。

この場合、燃料電池システムが非常に危険な状態となる
ので、即座に制御器６からバルブ９及びバルブ１０へ信
号を送り、これらのバルブを閉じて、まず水素と空気の
供給を停止する。

次にバルブ１２へ信号を送り、バルブ１２を開き、行き
場所のなくなった水素を水蒸気改質反応装置１４へ戻し
てやる。

さらにバルブ１１へ信号を送り、バルブ１１を開き、燃
料極１へも炭酸ガスを流入させるようにする。

最後に、バルブ７及びバルブ１３へ信号を送り、バルブ
７を閉じ、バルブ１３を開くことによりＮ燃料極１を通
った炭酸ガスをバルブ１３から排出するようにする。

以上の動作により、燃料極１にも酸化剤極２にも炭酸ガ
スのみが流入することから、クロスオーバーを阻止でき
、燃料電池システムの安全を確保することができる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、燃料電池の性能を著しく低下させてし
まうガスクロスオーバー現象を早期に発見することがで
き、かつ、迅速にそれを解消する一装置をとることがで
きるので、燃料電池の性能を長゛□期間安定して良好に
維持することができるという効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の基本的構成を示す図、第２図は、反
応温度と燃料ガス中の二酸化炭素濃度との関係を示す図
、第３図は、本発明を実際の燃料電池発電装置に組み込
んだときの動作を示す説明図である。ｌ・・・燃料極、２・・・酸化剤極、３・・・電解質板
、４・・・酸化検知器、５・・・可燃性ガス検知器、６
・・・制御器、７．８，９，１０，１１，１２．１３・
・・バルブ、１４・・・水蒸気改質反応装置、１５．１
６・・・熱交換器、１７・・・冷却器、１８・・・イン
バータ、１９・・・瞥悌　１　図

Claims

【特許請求の範囲】１、相対向する燃料極および酸化剤極で電解質板を挾持
してなる単位電池をセパレータを介して複数個積層して
構成された電池スタックと、前記燃料極へ燃料を供給し、かつ排ガスを排出する配管
系と、前記酸化剤へ可燃性ガスを供給し、かつ排ガスを排出す
る配管系とを備えてなる燃料電池において、前記燃料極
の後段に排ガス中の酸素を検出する酸素検知器を設け、
かつ前記酸化剤極の後段に排ガス中の可燃性ガスを検出
する可燃性ガス検知器が設けられていることを特徴とす
る燃料電池。２、上記酸素検知器及び可燃性ガス検知器からの信号に
より、燃料極と酸化剤極との間のガスの極間差圧を制御
する制御器を設けて成る特許請求の範囲第１項記載の燃
料電池。３、極間差圧制御が不可能となった場合、燃料極及び酸
化剤極への燃料及び酸化剤の供給を停止し、炭酸ガス含
有ガスを供給するよう構成した特許請求の範囲第１項は
又は第２項記載の燃料電池。