JPS6171560A - 燃料電池の反応ガス供給装置 - 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】

本発明は反応ガス供給源から配管系を介して燃料電池に
反応ガスを供給する装置、とくに電気的負荷が変動しや
すい燃料電池に適する反応ガス供給装置に関する。

【従来技術とその問題点】

近年、りん酸電解液を用い反応ガスとして炭酸ガスを含
む改質水素ガスと空気とを用いる燃料電池が大形化され
かつその運転信転性がとみに向上するにつれて、この種
の燃料電池を用いる発電設備が電力系統の一環として計
画される段階に達して来た。かかる燃料発電設備におけ
る反応ガス供給装置としては、従来から反応ガスとくに
燃料ガスの利用効率を上げる意味合いで、燃料電池の出
力電流に比例して反応ガスを電池に供給する方式が採用
されてきた。すなわち、燃料電池が発電のために消費す
る反応ガスとしての改質水素ガス中の水素や空気中の酸
素がほぼ燃料電池の出力電流に比例するので、電池の出
力電流値を検出して反応ガス供給源から燃料電池に供給
される反応ガス量をこの検出値に見合うように制御する
ことにより、発電に不必要な反応ガスが過剰に電池に供
給されるようなことを極力防止するものである。もっと
も、燃料ガスとして改質水素ガスを用いる場合には、こ
の改質水素ガスを作るためのリフオーマに電池内で消費
されなかった改質ガス中の水素が改質反応に必要なリフ
オーマ内の温度を得るため燃焼ガスとして供給されるの
で、電池への反応ガス供給必要量が電池の出力電流に正
確に比例するわけではないが、反応ガスが電池の出力電
流値に見合う、すなわち該電流値により一義的に決まる
量だ４す電池に供給されることに変わりはない。 ところが、燃料電池発電設備をその負荷が急変するよう
な条ＦＦ、とくに電力系統に接続して該系統内で分旦す
るないしは分担すべき発電能力が急変するような条件で
燃料電池発電設備を運転して見ると、上述のような比較
的単純な反応ガス供給装置では不充分なことがわかった
。 第６図はかかる反応ガス供給装置を用いた燃料電池発電
設備の構成を概括的に示すもので、図の中央の燃料電池
ｌは王権すなわち燃料ガス電極１ａと、負極すなわち酸
化ガス電極１ｂと９両者に挟まれたりん酸電解液を保持
するマトリックス層１ｃと。 燃料ガス室１ｄと、酸化ガス室１ｅとにより模式的に示
されており、該燃料ガス室１ｄには反応ガス供給系２の
リフオーマ２ａによって改質された原燃料ガスＦの改質
ガスＲＦが供給され、電池ｌから−の排出燃料ガスＥＦ
はリフオーマ２ａ内で燃焼される。酸化ガス室１ｅには
、このリフオーマ２ａからの燃焼ずみ高温ガスによって
駆動されるタービン２ｂで駆動される圧縮１１２ｃによ
って圧縮された大気Ａからの圧縮空気ＣＡが供給され、
その排出空気Ｅ＾はリフオーマ２ａにおいて助燃ガスと
して利用される。燃料電池１の電極１ａ、　ｌｂからの
発生電力は電力変換器３を介して電力系統８に電圧Ｖの
交流電力Ｐとして給電される。 第６図では鎖線により示された反応ガス供給装置の制御
系は、電池ｌから電力変換器３への直流給電線中の電流
検出器６と、調節器５と、反応ガス系２から電池ｌへの
反応ガス供給路に挿入された制御弁７ａ、７ｂとによっ
て略示されており、検出電流値１に見合う燃料１酸化両
ガスが電池１に供給されるように両制御弁７ａ、７ｂの
開度を調節する。 第７図はかかる反応ガス供給装置を備えた発電設備の出
力電力Ｐが同図１８１に示すように数秒程度のあいだに
軽負荷状態から定格出力Ｐｎまでに急増されあるいは逆
に定格出力Ｐｎが急速遮断されたときの時間経過を示す
ものである。同図（ｂｌに示すように、検出電流値１に
は出力急増開始点１０から定格出力到達点ｔｌまでのほ
ぼ中間点において比較的大きな電流ピークＩｐが記録さ
れており、これに対応して同図ｉｌ＋１に示すように、
電池電圧Ｅにもほぼその開路電圧Ｅｏから定格電圧Ｆｉ
ｎに下降する途中で、該定格電圧Ｂｎよりも低い負のピ
ーク値ｌｉｐないしはそのリンプル変動ΔＥが観測され
る。一方、出力電力の急減開始点ｔ２から遮断完了点ｔ
３までの電力減少時の経過は電力の変化率が電力増加時
よりもふつうは大であるに拘らず、電池の電流！、電圧
Ｅとも正常である。 上述の時点ｔＯ〜ｔ１までの電池の電流１．電圧Ｅの経
過をさらに詳しく追跡して見た結果、かかる経過は燃料
電池の電流−電圧特性から予想される、経過とは必ずし
も一致しないことがわかった。すなわち、とくに第７図
（ｂｌに示す電流ピーク値１．付近において、同図（Ｉ
ｌｌの負の電圧ピーク値！１９は電池の電流−電圧特性
から予想される値よりもやや低く、電池がもつ電圧降下
特性が正規の場合よりも悪化していることがわかる。も
ちろん、かかる異常な電圧降下状態は電池にとうて望ま
しい状態ではなく、かかる状態が長＜１ａ続しあるいは
操り返されれば電池特性が次第に劣化してい（おそれな
しとしない、また、電力の増加速度をこの例よりもさら
に上げることが要求される場合には、電力変換器と電流
の双方の能力を合わせても要求に応じ得なくなってくる
０以上のような電池の電流。 電圧の時間経過におけるピーク出現の原因は、第７図ｆ
ｄ＋に示す電池への供給ガス量Ｑの時間経過を見ると、
反応ガスの供給量の過渡的な不足にあることが明瞭であ
る。電力急増点ｔｏ以降の反応ガス供給量Ｑの立ち上が
りには、２〜３秒程度ではあるがおくれ時間が明らかに
認められ、その後急速に増加して一旦ピーク値に達した
後下降して定格時の供給量Ｑｎに落ち着いている０図示
のように反応ガス供給量Ｑの経過から見て、鎖線で示さ
れた供給必要量の経過に比べて不足期間Ｔｄと過剰期間
ｔＳとが存在し、これから判断すると反応ガス供給装置
内の制御系のゲインは決して不足ではないが、第６図の
制御弁７ａ、７ｂに開度増指令を出しても、実際の反応
ガス供給量Ｑが立ち上がるまでに時間を要することがお
くれの主因であることがわかろ。 また、出力急減開始時点ｔ２以降の経過を見ると、供給
量Ｑの立ち下がりのおくれのために供給量の過剰期間Ｔ
Ｓが存在し、同図（ｂｌ、ｆｃｌから見られるように電
流■−電圧Ｅから見る限りでは前述のようにとくに問題
はないが、該過剰期間ＴＳ中に反応ガスが利用されずに
電池から排出されてしまっていることがわかる。かかる
反応ガスの過剰排出はもちろん望ましくないことではあ
るが、一時的なものなので反応ガスの経済面ではあまり
重要な要素ではなく、また過剰排出期間に電池にむりが
掛かるようなことはない。 以上の説明のように、従来の反応ガス供給装置を用いた
燃料電池発電設備では、電気負荷の急減ないし遮断時に
は余り大きな問題はないものの、電気負荷の急増時には
燃料電池に無用なむりが掛りやすく、これを避けようと
すると発電電力の急増の要請に応じ得な（なる問題点が
ある。これは、燃料電池発電設備の起動時の出力電力の
急速立ち上げ時においても同様である。

【発明の目的］ 本発明の目的は、前述のような従来技術のもつ問題点を
解決して、燃料電池出力が急増する過渡時において電池
に対する反応ガスの供給おくれが少なく、従って発電出
力急増の要求に応じうる燃料電池の反応ガス供給装置を
得ることにある。また、本発明の副次的な目的は、電力
急減時における反応ガスの利用上のむだを極力排除する
ことにある。さらに本発明の他の副次的な目的は、前述
の目的達成によって出力の増減が頻繁な燃料電池発電設
備にも本質的に適する供給装置を得ることにある。 【発明の要点】 本発明によれば上述の目的は、燃料電池の反応ガス供給
源から配管系を介して燃料電池に反応ガスを供給する装
置に、反応ガスを受け入れる燃料電池の人口マニホール
ドの近傍に該マニホールドに連通して設けられ入口マニ
ホールド内の圧力と等しい圧力下で反応ガスを蓄積する
反応ガスのアキュムレータと、燃料電池の電気的負荷に
おける急変を検出する手段と、該負荷急変検出手段から
の検出出力を受けてアキュムレータ内の反応ガス蓄積量
を制御するアキュムレータ制御手段とを設け、かつ少な
くとも燃料電池の負荷急増時に前記配管系を介して供給
される反応ガスに加えて反応ガスアキュムレータから反
応ガスを燃料電池に供給するようにすることによりて達
成される。 以上のような本発明装置の構成において、主目的が反応
ガスの供給お（れを極力短縮することにあるので、電池
の電気的負荷の検出手段としては、従来例のように電池
電流を検出してその経時変化から負荷の急変を検出する
ことでもよいが、電池負荷としての電力変換装置の交流
側電力から負荷の急変を検出する方が負荷状態の変化の
動向をより早くとらえうる点で望ましい、またこの交流
側電力値としては、電力変換器からの出力電力の実際値
のほか、これよりも負荷変化のｒｌを候をより早くとら
えつる電力指令値を用いるのがさらに望ましい。 反応ガスの一時的な造塊供給源としてのアキュムレータ
内に蓄積される反応ガスの圧力は、燃料電池の運転圧力
すなわち電池の反応ガスの入口マニホールド内の反応ガ
ス圧力とほぼ等しくするのが、反応ガスの追加供給をす
みやかにかつ円滑に行う上で有利である。かかろアキュ
ムレータには反応ガスの供給手段が必要であるから、例
えばアキュムレータをシリンダとフリーピストンとによ
り構成して、該フリーピストンを不活性ガス例えば窒素
の作動ガスにより急速駆動して蓄積反応ガスをアキュム
レータから押し出させるようにすることができる。かか
る作動ガスとしての不活性ガスがフリーピストンとシリ
ンダ内面との摺動面を介して若干漏洩して反応ガスに混
入するおそれはあるが、燃料ガスに不活性ガスが混入し
ても電池の動作をｌＩＩ′Ｉ害するおそれはなく、酸化
ガスとしてふつう用いられる空気ももともと窒素を含有
するから全く問題はない６作動ガスの圧力を若干電池の
運転圧力よりも高めることにより、フリーピストンを急
速駆動して反応ガスの追加供給を速やかに行うことがで
きる０反応ガスの追加供給量は、反応ガスの供給おくれ
を補償できるよう数秒間の電池の反応ガス消費量に見合
うものであればよいから、比較的小容量たとえば入口マ
ニホールド内容積と同程度でよい、アキュムレータの設
置場所は人口マニホールドにできるだけ直接に連通しう
るように該マニホールドの近傍とする要があり、例えば
電池を支承する架台の下部スペースを利用するのが有利
である。また、燃料電池とマニホールドとの組立体はふ
つう電池の運転圧力よりも僅　　　　　′かに高目の不
活性ガスが溝たされた圧力容器内に収納されることが多
いので、アキュムレータもかかる圧力区画内に閉鎖収納
してしまうのが安全管理上つごうがよい、また、かかる
アキュムレータは反応ガスとしての燃料、酸化両ガス側
についてそれぞれ設けるのがふつうであるが、供給おく
れの生じやすい方、たとえば燃料ガス側にのみ設けるこ
とでも反応ガスの供給おくれをかなりの程度まで補償す
ることができる。 燃料電池はその内部に薄い電極層を含んでおり、電池の
形式によっても異なるが該薄層の両側に差圧がかかって
電極層を損傷しあるいは該電極層を通じて反応ガスが吹
き抜けないよう、ふつうは燃料ガスの圧力と酸化ガスの
圧力とは等しくされる。 しかし、前述の反応ガスの一時的な追加供給の際には、
かかる両反応ガスの均衡が乱されやすいので、対策を講
じておくのが望ましい、燃料電池内の反応ガス圧力制御
は排出側の排出弁の開度制御によってするのがふつうな
ので、両反応ガスの出口マニホールドにおける差圧を検
出して、該差圧をしきい値例えば許容限界を越えたとき
両排出弁の双方または一方を開度制御して差圧をしきい
値内に保つように制御するのが有利である。 以上のほかの本発明の実施に当たって望ましい１ＩＪｉ
様は以下に説明する実施例の記載のとおりである。

【発明の実施例】

以下本発明による燃料電池の反応ガス供給装置の実施例
を図を参照しながら詳細に説明する。 第１図は燃料電池ｌＯとその出力回路とを含めた反応ガ
ス供給装置の全体系統図である。燃料電池１０は第４図
に示されたような構造をもつが、第１図ではその本体が
方形の枠によって簡略に示されており、その４辺にマニ
ホールド１５〜１８が示されている０反応ガスとしての
燃料ガスは入口マニホールド１５の入口管１５ａから入
口マニホールド内に入り、ここから電池内を図の左方か
ら右方に流れ、電池内で消費されなかった燃料ガスない
しはその成分は、出口マニホールド１６を介してその出
口管１６ａから排出される。同様に酸化ガス例えば空気
は入口マニホールド１７の人口管１７ａから入って、電
池内を図の上方から下方に向けて流れた後に出口マニホ
ールド１日の出口管１８ａから排出される。 反応ガス′ａ２０は図の左方の一点［Ｑの枠で示され・
ており、前述のリフオーマ２１．その人口弁２２．廃熱
タービン２３および該タービンにより駆動されるコンプ
レッサ２４を含む０反応ガスとしての燃料ガスＦ例えば
天然ガスは入口弁２２を介してリフオーマ２１の高温の
改質管２１ａに導入され、その中で触媒の存在下で水蒸
気と反応して水素と一酸化炭素とが混合された改質燃料
ガスＲＦとなる。ｖｉ燃料ガスＲＦは図示しないコンバ
ータ内で一酸化炭素を炭酸に変換された上で入口弁１５
ｂを介して前述の入口マニホールドの入口管１５ａに導
入される。出口マニホールド１６からの排出燃料ガスＥ
Ｆは出口弁１６ｂを介してリフオーマ２１のバーナ２１
ｂに供給され、リフオーマ２１内で燃焼により改質管２
１ａを加熱した後にリフオーマ２１を出て廃熱タービン
２３を駆動した上で排出される。他方の反応ガスとして
の酸化ガスすなわちこの例での空気Ａは、この廃熱ター
ビン２３により駆動されるコンブレフす２４に吸入され
、圧縮空気ＣＡとなって図示しない冷却器等を含む配管
を通り、入口弁１７ｂを介して人口マニホールド１７に
供給される。出口マニホールド１８からの排出空気Ａは
出口弁１８ｂを介してリフオーマ２１の空気導入口２１
ｃに導かれて助燃ガスとして使用される。 アキュムレータ３１　、３４は例えば第２図に示したよ
うな構造であるが、第１図ではシリンダとフリーピスト
ンによって略示されており、それぞれ入口マニホールド
１５．１７の近傍、この図の例ではその入口管１５ａ、
１７ａに接続するように配設され、いずれも入口マニホ
ールド１５．１７に連通されてその中の反応ガスと等し
い圧力で反応ガスを蓄積する。 該アキュムレータの構造例は、燃料ガス側のアキュムレ
ータ３１についで第２図に図示するように、シリンダ３
２とその本体３２ａの内面を図の左右方向に摺動するフ
リーピストン３３とからなる。シリンダ本体３２ａの図
では左方の一端開口はシリンダ蓋３２ｂにより閉鎖され
、その他端開口は分解可能なシリンダ１１３２ｃ、によ
りパツキン３２ｄを介して閉鎖されている、フリーピス
トン３３はピストンリング３３ａを備えてアキュムレー
タ３１内の空間を２分し、その図では左方の空間３１ａ
内に反応ガスが蓄積される。フリーピストン３３の図の
右方の空間３１ｂにはフリーピストン３３を駆動するた
めの作動ガスたとえば窒素Ｎが導入され、この作動ガス
の制御によってシリンダ！３２ｂに開口する連結管３２
ｅを介して反応ガスが空間３１ａ内に導入されあるいは
逆に空間３１ａから導出される。このように作動ガスＮ
を制御することによりアキュムレータ３１内の反応ガス
蓄積量を制御するアキュムレータ制御手段５０は、例え
ば第２図に示すように制御弁５１と切換弁５２を含み、
空間３１ｂ内の作動ガスＮの圧力を空間３１ａ内の反応
ガスの圧力よりも若干上下に操作することにより、フリ
ーピストン３３を駆動制御する。第２図の例では、切換
弁５２は交互に開閉制御される電磁弁５２ａ、５２ｂか
ら成り、弁５２ａが開、弁５２ｂが閉の状態では作動ガ
スＮが導出入管３２ｇを介して空間３１ｂ内に導入され
てフリーピストン３３を図の左方に操作し、弁５２ａが
閉、弁５２ｂが開の状態では空間３１ｂ内の作動ガスＮ
が大気に導出されてフリーピストン３３が図の右方に操
作される。 制御弁５１はその開度調節によって空間３１ｂに導入さ
れる作動ガスＮの圧力を制御してフリーピストン３３の
操作速度を制御するためのものである。なお、上述の切
換弁は、第１図では三方切換弁５２゜５４として示され
ており、同図は燃料、酸化両ガス系のアキュムレータ３
１．３４の制御のための制御弁５１．５４に作動ガスＮ
を供給するための減圧弁５５を備えた作動ガス源として
の高圧ボンベ５５が示されている。 さて第１図において、燃料電池１０の電気出力はその図
の右方に導出され、断路器１９を介して電池の電気的負
荷１この例では電力変換器８０に給電され、ここからさ
らに図示しない交流電力系統に給電される。を池の負荷
における急変を検出する負荷急変検出手段４０は電池電
流検出器４１あるいは電力変換器８０内またはその出力
の交流電力検出器４２を含み１両検出器のいずれかから
の検出信号が切換スイッチ４３によって選択される。第
１図の例ではこの検出出力は計算機６０に導かれる。 計算機６０は、公知のようにＣＰＵ６１と、これにアド
レス、データ両バス６２．６３を介して接続されたＲＯ
Ｍ６４．ＲＡＭ６５とを含み、その入力ポードロアとＡ
Ｄ変換器６７ａ〜６７ｃとを介して前述の負荷急変検出
手段の検出器４１ないし４２からの検出信号などを受け
入れ、その出力ポートロ８とＤＡ変換器６８ａ〜６８ｃ
とを介して調節器７１〜７３に制御目標値や制御指令を
発する。なお、この計算機６０内の反応ガス供給系に対
する制御動作の詳細は後述する。 調節器７１〜７３の内、７１はアキュムレータ制御手段
の一部を構成するアキュムレータ調節器であって、アキ
ュムレータ３１，３４内の反応ガスと作動ガスとの差圧
を検出する差圧検出器５６．５７からの検出信号を実際
値として受け取る。その具体回路例は第３図（轟）に示
されているように、この差圧の実際値ｐＮＩ　と差圧の
目標値ｐＮとを差動的に受ける演算器Ｖｉａとその出力
を受ける公知のＰＩないしはＰＩＤ回路要素７１ｂを含
み、該回路要素７１ｂは制御弁５１または５３に対して
開度調節指令ｐＮＳを発する。また、このアキュムレー
タ調節器７１は、第２図で説明した切換弁５２を構成す
る電磁弁５２ａ、５２ｂを選択的に操作するための操作
信号５ＷＳａ、５ＷＳｂを発する切換スイッチ７１ｃお
よびこの切換スイッチ７１ｃを計算機６０からの操作指
令Ｓ−８に基づいて切換操作するスイッチ切換回路７１
ｄを含む、なお、このアキュムレータ調節器７１はもち
ろん燃料、酸化両ガス系に対してそれぞれ別個に設けら
れる。第３図（ｂ）に例示された流量調節器７２は同様
に再反応ガス系に対して別個に設けられ、従来技術と同
様に燃料、酸化両ガスの電池への供給流量を制御するた
めのものである。該流量調節器７２の演算器？２ａは、
計）ＥＩ１６０からの流量目標値Ｑと、第１図に示すよ
うに両反応ガス用入ロマニホールド１５．１７への反応
ガスの供給流量を検出する流量検出器９１．９２からの
流量実際［Ｑｌとを受け、両値間の制御偏差をＰ■回路
要素７２ｂに与えて入口弁１５ｂ、　１７ｂに対する開
度指令ＱＳを発生させる。 第３図ｔｃ＋に示される圧力調節器７３は電池内の反応
ガスの圧力を［節するためのもので、その内部構成は第
３図（ｂ）の場合と同じでかつ両反応ガスに対して別個
に設けられる。この圧力調節器７３に与えられる圧力目
標値ｐｐは計算機６０により、圧力実ＲＭｐＦＩは出口
マニホールド１６．１８の圧力を検出する圧力検出器９
５または９６によって作られる。演算器７３ａはこれら
両値間の制御偏差を出力してＰ１回路要素７３ｂに与え
、該要素７３ｂはこれを受けて出口弁１６ｂまたは１８
ｂに対して開度指令ｐｕｓを発する。なお、前述の圧力
検出器９５および９６が検出した圧力実際値は、圧力調
節器７３のほかに計算機６０に対してもそれぞれＡＤ変
換器６７ｂ、６７ｃを介して入力信号として与えられる
。 以上により本発明装置の実施例の構成の説明を−遺り終
えたので、次に第４図を参照しながら計算機６０の動作
フローを中心にしてその動作を説明する。同図は計算機
６０内の動作フロー図であって、それぞれ一点鎖線で囲
んで示された従来技術におけると同じ流量制御フローＳ
Ａと、電池内の反応ガスの差圧制御フローＳＲと、負荷
急変検出手段を構成する負荷急変検出フローＳＣと、ア
キュムレータ制御手段を構成するアキュムレータ制御フ
ローＳＤとを含んでいる。なお、図示の動作フローは負
荷の急変を電池電流！の経時的変化から検出する例を示
すものであるが、本発明装置はその他の手段によって負
荷急変を検出してもよいことはもちろんである。 さて、動作フローのスタート後にまずステップＳＯにお
いて補助変数１０とフラグＦがゼロにセントされる。　
１００セツトは燃料電池発電設備の起動前に電池電流■
がゼロであることに対応するものであるが、電池に負荷
電流がある場合はその電流値にセントされる０次のステ
ップＳ１では電池電流の実際値Ｉが読み込まれ、ステッ
プＳ２ではこの実際値■に対応する反応ガス供給必要量
Ｑが計算され、流量調節器７２に流量制御の目標値とし
て与えられる。この供給必要量Ｑは原理的にはほぼ電池
電流■に比例するが、反応ガスは電池のほかにリフオー
マ中でも消費されるので、厳密には関数ｆは非線形であ
り、計算機６０のＲＡＭ６５に関数形を記憶させておく
のが望ましい。 差圧制御フローＳＢ中の最初のステップＳ３では電池の
入口マニホールド内またはその付近の両反応ガス圧力の
圧力検出器９１．９４からの検出信号を読み取り、燃料
ガスの圧力９Ｆと酸化ガスの圧力ｐＡとの差Δｐ−ｐｌ
’−ｐａを計算する１次のステップＳ４ではこの差の大
きさが所定のしきい＠ｐｔｈより小か否かが判定される
。このしきい値９ｔｈは当然電池の許容差圧以下に定め
られ、ステップＳ４での判定結果が是であればフローは
右方の列のステップに移るが、非であればステップ８５
〜Ｓ７の差圧補正フローに入る。ステップＳ５では差圧
Δｐの正負を判定してどちらの反応ガスの圧力の方が高
いかを見付ける０判定結果が是すなわち燃料ガス圧力ｐ
ｐの方が高ければ、ステップＳ６において燃料ガスの圧
力目標値ｐｐを補正量ｄｐだけ下げて圧力調節器７３に
目標指令値として与え、逆に酸化ガス圧力ｐＡの方が高
ければ、ステップＳ７において該酸化ガス圧力ｐ＾の目
標値を下げる。補正値ａｐは差圧の大きさ１Δｐ１と関
係して５あるいはこれと無関係に設定することができる
。また、この例では電池の運転圧力を高めないよう高い
方の反応ガス圧力を下げる手段をとっているが、事情に
よっては低い方の反応ガス・圧力を上げるようにも、ま
た高い方の反応ガス圧力を下げると同時に低い方の反応
ガス圧力を上げるように補正をしてもよい、いずれにせ
よ、差圧の補正フロー後ステップは第４図の中央の列の
動作フローに移行する。 負ｒｉｉｉ急変検出フローＳＣの最初のステップＳ８で
は電池電流値ｌと補助変数■０との差ΔＩが計算され、
次のステップＳ９でその大きさが所定のしきいｆｉＨｈ
より大か小が判定される。このしきい値１ｔｈは所定時
間内の電池電流の変化を検出するためのもので、ステッ
プＳ９における判定結果が是であればフローはステップ
ＳＩＯに移り、アキュムレータ制御動作中でなければフ
ラグＦはＯであるから、動作フローはアキュムレータ制
御フローＳＤに入る。 該フローＳＤの最初のステップＳｌｌではアキュムレー
タＩＮ　ＩＦｉ　１！７１に対する切換指令Ｓ−３が発
せられ、その切填スイッチ７１ｃが第３図ｆａｌに示す
状態とは反対側に切１負えられ、これによって第２図の
電磁弁５２ａが開、電磁弁５２ｂが閉操作され、フリー
ピストン３３が図の左方に操作できるよう準備される。 ステップ５１２では補助変敗■０の電池電流に対応する
反応ガス供給必要量ＱＯが前のステップＳ２と同様に計
算され、次のステップＳ１３ではステップＳ２で計算さ
れた反応ガス供給必要量Ｑとの差ｄＱが計算される。こ
の差ｄＱは容易にわかるように負荷の急変に際してアキ
ュムレータ３１，３４から追加供給ｔべき反応ガス流量
を意味する。ステップ５１４ではフリーピストン３３を
操作すべき作動ガスの圧力ｐＮが差ｄＱの関数ｆｐとし
て決められ、アキュムレータ調節器７１に与えられてこ
れによって制御弁５１が制御される。最後のステップ５
１５ではアキュムレータ制御動作中である旨を示すフラ
グＦに１を立てて、動作フローは前述のステップＳ１に
帰ろ。 引きつづく制御動作サイクルにおいては、まだ負荷急変
検出フローＳＣのステップＳ９における判定結果は是と
出るが、次のステップＳＩＯでフラグＦに１が立ってい
るので動作フローはステップ５１６に移り、ここで差Δ
工が別のしきい値ｉｔｈより小か否かが判定される。こ
の段階では判定結果はもちろん非と出るのでステップＳ
１７に移って補助変数１０が電池電流の実際値Ｉに置き
換えられる。 前述のように負荷急変が検出され必要なアキュムレータ
制御動作が取られた後、電池電流■の経時的変化がゆる
やかとなり、前述のように逐次に置換更新されて行く補
助変数■０の差が小さくなって、ステップ３１６におけ
る判定結果が非と出たとき、フローはステップ３１８に
移ってアキュムレータ調節器７１に対する切換指令ＳＷ
Ｓが０に戻され、これによって電磁弁５２ｍを閉、電磁
弁５２ｂを開操作することによりアキュムレータ制御動
作が終了する。つづ（ステップＳ１９ではフラグＦがＯ
に戻される。なお、ステップ５１６における判定基準と
してのしきい値ｔｔｈはステップＳ９におけるしきい値
１ｔｈと同じでもよいが、これより小に選ぶことにより
アキュムレータ制御動作に履歴をもたせて無用な起動が
されないようにすることができる。 以上説明した第４図のフローにおいて、負荷に急変がな
い期間中の動作フローは負荷急変検出フローＳＣからス
テップＳ１６に多り、この例では差Δ１すなわち電流の
変動の大きさがしきい値１ｔｈ以上の場合に限り補助変
数ＩＯが現在値に更新されるが、動作フローサイクルご
とに限らず補助変数ＩＯを更新するようにしても差し支
えない、しかし、この例のようにしかつ前のステップＳ
２における反応ガス供給必要量Ｑｔ−電池電流Ｉの現在
値のかわりに補助変数ＩＯの関数として決めるようにす
れば、流量制御フローにおける目標値更新の度数を減少
させて無用な制御弁１５ｂ、　１７ｂの調節動作をな（
すことができる。 第５図はアキュムレータ３１，３４の設置のＢ様例を示
すもので、第１図および第２図と共通の部分には同一の
符号が付されている。また、この図には第１図で略示さ
れていた燃料電池１０の主な構造が示されており、図示
のように燃料電池ｌＯは方形の単電池１１を多数個上下
方向に積み重ねた積層体としてなり、その上下端面に配
された端板１２．１２と図でば十字形の締付板１２ａ、
　１２ａを介して締結手段］３により一体的に締め付け
られている。かかる電池積層体は絶縁板１３を介して架
台１４の上に１５１置固定され、図では一点鎖線で略示
された容器１９内に収納される。方形断面の電池ｆａ層
体の４個の側面には互いに直交する反応ガスＪｌｌａ、
ｌｌｂが開口しており、これを覆うように前述のマニホ
ールド１５〜１８が設けられている。アキュムレータ３
１．３４は架台１４の下部の容器１９の下部空間１９ｂ
内に納められており、架台１４を貫通する連結管１５ｃ
、　１７ｃにより入口マニホールド１５．１７にそれぞ
れ連通されている。この連結管の構造例は前の第２図に
より具体的に示されている。第２図に示されたアキュム
レータ３１のシリンダ３２からの連結管３２ｅは架台１
４を上方に貫通してその上端にフランジ３２ｆを有する
。一方、マニホールド１５からの連結管１５ｃは下方に
延びその下端にフランジ１５ｄを備え、パツキン１５ｅ
を介してフランジ３２

【　と着脱可能に結合される。こ
のように連結管１５ｃ、３２ｅ　−ｔ−着脱可能にする
ことにより、入口マニホールドを分解可能にすることが
できる。なお容器１９の内部空間には電池の運転圧力と
同じかこれよりもやや高い圧力の不活性ガス例えば窒素
が封入されるので、アキュムレータもかかる密閉容器内
に収納するのが保安上望ましい、また、容器１９内を架
台１４で仕切フて、電池を収納する上部空間１９ａとア
キュムレータを収納する下部空間１９ｂとに２分する方
が管理上有利なこともあり、場合によってはアキュムレ
ータを容器１９外に設置するようにしても差し支えない
。 なお、以上の実施例において、電池負荷の急増時にアキ
ュムレータから反応ガスを付加的に電池に供給し、負荷
の増加がなくなったとき直ちにアキュムレータを反応ガ
ス蓄積状態に戻す例について説明したが、これに限らず
負荷状態安定後さらに所定時間経過した後に蓄積状態に
戻す方が有利な場合もある。また、アキュムレータ内の
反応ガスの蓄積量を電池負荷の大小とは逆関係になるよ
うに電池負荷の関数として制御することもでき、この場
合には発電設備が負荷状態から急速遮断された際に前に
第７図＋ｄ＋において説明したような反応ガスの一時的
な供給過剰量をアキュムレータに吸収させることができ
る。 【発明の効果】 以上説明し、たように、本発明においては、反応ガスを
Ｗ積するアキュムレータを燃料電池の入口マニホールド
近傍に設けておき、電池負荷の急変時とくに急増時に反
応ガス供給源からの反応ガス供給に加えてアキュムレー
タから反応ガスを付加的に電池に供給し、あるいは電池
への反応ガス供給量に過剰が生じたときには過剰分をア
キュムレータに吸収させることもできるようにしたので
、反応ガス供給源やそれからの配管系内に生じる反応ガ
ス供給の増減に伴う時間的なおくれを有効に補償するこ
とができ、従来技術において見られるような反応ガスの
供給不足状態における電池の過負荷を避け、あるいは反
応ガスの過剰供給の問題をな（すことができる、これに
よって、従来反応ガスの不足状態での電池の過負荷を避
けるために電池の起動時間や負荷上昇時間に制約があっ
たのを取り除くことができ、電池の急速起動や負荷急・
増の要求に応じることができる６本発明の実施に必要な
アキュムレータの容量は、前述のように僅かな時間内の
反応ガス供給量の過不足を補うだけでよいから、比較的
小容量のものでよく、電池の収納容器内のスペースに簡
単に内蔵させることもできる。また、アキュムレータ内
に蓄積する反応ガスの圧力を入口マニホールド内の反応
ガス圧力と等しくすることにより、連結配管は簡単なも
のでよくなり、かつアキュムレータの掻作制御手段を簡
単化しかつその動作を速くしかも確実にすることができ
る。なお、アキュムレータからの反応ガスの供給の結果
として電池に若干過剰に反応ガスが供給されるようなこ
とがあっても、燃料電池の特質として負荷に要求される
以上に反応ガスを消費するようなことはないから、電池
出力が無用に上昇してしまうようなことはなく、本発明
装置による反応ガス供給は制御上の見地からも安定した
動作で行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による燃料電池の反応ガス供給装置の系
統図、第２図は本発明装置中の反応ガスアキュムレータ
の構造例と設置態様例を示すその縦断面図、第３図は本
発明装置中の調節器類の具体構成例を示す回路図、第４
図は本発明装置の動作を計算機力動作によって説明する
動作フロー図、第５図は上＃ｄアキュムレータの設置例
を燃料電池との関係において示す斜視図、第６図は従来
技術による反応ガス供給装置の代表例の系統図、第７図
は該従来装置の動作特性を示す諸量の経時的な波形図で
ある１図において、 ｌＯ：燃料電池、１４：！池の架台、１５．１７：入口
マニホールド、１５ｃ、　１７ｃ　：連結管、１６ｂ、
　１ｌｌｂ：出口弁、２０：反応ガス源、３１，３４ｉ
アキユムレータ、３２：アキュムレータのシリンダ、３
３：アキュムレータのフリーピストン、３２ｅ：連結管
、４０：負荷急変検出手段、４１：燃料電池電流の電流
検出器、４２：電力変換装置の交流側電力力を検出する
電力検出器、５０：アキュムレータ制御手段、６０：計
算機、７１：アキュムレータ調節器、７２：反応ガスの
流量調Ｉｆｆ　ｆ！、７３：反応ガスの圧力調節器、８
ｏｚ電池の電気的負荷としての電力変損器、９３．９４
４反応ガスの入口マニホールド間差圧を検出する圧力検
出器、Ａ、ＣＡ：反応ガスとしての空気、圧縮空気、Ｆ
、ＲＦｉ反応ガスとしての燃料ガス、改質燃料カス、■
：電池電流、Ｎ＋アキュムレータ用作動ガスとしての窒
素、　Δｐ二人ロマニホールド間差圧、Ｑ：反応ガスの
流量、ＳＣ：負荷急変検出フロー、ＳＯ：アキュムレー
タ制御フロー、である。 （ｂ）　　７２：流量調節器　　　　　　第３図１ｏ燃
Ｐｒ電沌 ３１ア恢ユムレータ　　　　３４７キユムレータ第６図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）反応ガス供給源から配管系を介して燃料電池に反応
   ガスを供給する装置において、反応ガスを受け入れる燃
   料電池の入口マニホールドの近傍に該マニホールドに連
   通して設けられ入口マニホールド内の圧力と等しい圧力
   下で反応ガスを蓄積する反応ガスのアキュムレータと、
   燃料電池の電気的負荷における急変を検出する手段と、
   該負荷急変検出手段からの検出出力を受けてアキュムレ
   ータ内の反応ガス蓄積量を制御するアキュムレータ制御
   手段とを備え、少なくとも燃料電池の負荷急増時に前記
   配管系を介して供給される反応ガスに加えて反応ガスア
   キュムレータから反応ガスを燃料電池に供給するように
   したことを特徴とする燃料電池の反応ガス供給装置。 ２）特許請求の範囲第１項記載の装置において、燃料電
   池電流の経時変化から負荷の急変を検出するようにした
   ことを特徴とする燃料電池の反応ガス供給装置。 ３）特許請求の範囲第１項記載の装置において、電池の
   負荷としての電力変換装置の交流側電力から負荷の急変
   を検出するようにしたことを特徴とする燃料電池の反応
   ガス供給装置。 ４）特許請求の範囲第１項記載の装置において、反応ガ
   スアキュムレータがシリンダ状本体と該本体内をシリン
   ダの軸方向に摺動移動可能なフリーピストンとを備え、
   該フリーピストンにかかる作動ガスの圧力を制御するこ
   とによりピストンを移動させてアキュムレータの反応ガ
   ス蓄積量が制御されることを特徴とする燃料電池の反応
   ガス供給装置。 ５）特許請求の範囲第４項記載の装置において、作動ガ
   スとして不活性ガスが用いられることを特徴とする燃料
   電池の反応ガス供給装置。 ６）特許請求の範囲第１項記載の装置において、、反応
   ガスアキュムレータが燃料電池を支承する架台の下部に
   、かつ燃料電池の運転圧力に保持される区画内に収納さ
   れることを特徴とする燃料電池の反応ガス供給装置。 ７）特許請求の範囲第６項記載の装置において、反応ガ
   スアキュムレータが架台を貫通する着脱可能な連結管を
   介して燃料電池の入口マニホールドに連通されることを
   特徴とする燃料電池の反応ガス供給装置。 ８）特許請求の範囲第１項記載の装置において、反応ガ
   スアキュムレータが反応ガスとしての燃料ガスおよび酸
   化ガスの双方についてそれぞれ設けられることを特徴と
   する燃料電池の反応ガス供給装置。 ９）特許請求の範囲第１項記載の装置において、反応ガ
   スアキュムレータが反応ガスとしての燃料ガスに対して
   のみ設けられることを特徴とする燃料電池の反応ガス供
   給装置。 １０）特許請求の範囲第１項記載の装置において、アキ
   ュムレータ内の反応ガス蓄積量が燃料電池の電気的負荷
   の大小関係とは逆関係に制御され、かつ電池負荷の急減
   時において反応ガス蓄積量を急増させるように制御され
   ることを特徴とする燃料電池の反応ガス供給装置。 １１）特許請求の範囲第１項記載の装置において、電池
   負荷の急増時のアキュムレータからの反応ガス供給時に
   電池内の燃料ガスと酸化ガスとの差圧が検出され、該差
   圧が許容限界を越えたとき前記燃料、酸化両ガス中の圧
   力の高い方のガスの圧力を低めるように電池内の反応ガ
   ス圧力が制御されることを特徴とする燃料電池の反応ガ
   ス供給装置。 １２）特許請求の範囲第１１項記載の装置において、燃
   料、酸化両ガスの差圧が両ガスの入口マニホールド間差
   圧として検出されることを特徴とする燃料電池の反応ガ
   ス供給装置。 １３）特許請求の範囲第１１項記載の装置において、電
   池内の反応ガス圧力が燃料電池からの排出反応ガス用の
   出口弁の開度調節により制御されることを特徴とする燃
   料電池の反応ガス供給装置。 １４）特許請求の範囲第１項記載の装置において、配管
   系を介する反応ガスの供給がアキュムレータからの反応
   ガス供給時において流量制御されることを特徴とする燃
   料電池の反応ガス供給装置。