JPS6171560A - 燃料電池の反応ガス供給装置 - Google Patents
燃料電池の反応ガス供給装置Info
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- JPS6171560A JPS6171560A JP59193104A JP19310484A JPS6171560A JP S6171560 A JPS6171560 A JP S6171560A JP 59193104 A JP59193104 A JP 59193104A JP 19310484 A JP19310484 A JP 19310484A JP S6171560 A JPS6171560 A JP S6171560A
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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。
め要約のデータは記録されません。
Description
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。
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。
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。
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。
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。
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
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。
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。
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
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)
- 【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。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP59193104A JPS6171560A (ja) | 1984-09-14 | 1984-09-14 | 燃料電池の反応ガス供給装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP59193104A JPS6171560A (ja) | 1984-09-14 | 1984-09-14 | 燃料電池の反応ガス供給装置 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPS6171560A true JPS6171560A (ja) | 1986-04-12 |
Family
ID=16302304
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP59193104A Pending JPS6171560A (ja) | 1984-09-14 | 1984-09-14 | 燃料電池の反応ガス供給装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPS6171560A (ja) |
Cited By (8)
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WO2004049486A3 (en) * | 2002-11-27 | 2005-01-27 | Hydrogenics Corp | Reactant supply for a fuel cell power system |
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1984
- 1984-09-14 JP JP59193104A patent/JPS6171560A/ja active Pending
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CN113939934A (zh) * | 2019-06-03 | 2022-01-14 | 微软技术许可有限责任公司 | 燃料电池节流阀 |
WO2021005814A1 (ja) * | 2019-07-10 | 2021-01-14 | 光男 長谷川 | 重量物移動台車 |
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