JPS6260789B2 - - Google Patents
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- JPS6260789B2 JPS6260789B2 JP57049510A JP4951082A JPS6260789B2 JP S6260789 B2 JPS6260789 B2 JP S6260789B2 JP 57049510 A JP57049510 A JP 57049510A JP 4951082 A JP4951082 A JP 4951082A JP S6260789 B2 JPS6260789 B2 JP S6260789B2
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Description
【発明の詳細な説明】
本発明は、燃料電池の運転制御方法に係り、特
に、電池内の燃料及び酸化用ガス圧力の変動を抑
制するのに好適な燃料電池の運転制御法に関す
る。
に、電池内の燃料及び酸化用ガス圧力の変動を抑
制するのに好適な燃料電池の運転制御法に関す
る。
燃料電池を運転するには、電池への燃料や酸化
用ガスの供給量、圧力等を所定値に制御すること
が必要であり、具体的な方法に関しては、負荷電
流に応じて燃料電池への空気供給量及び再循環量
を制御する方法（特公昭48−41352号）、改質器へ
の燃料供給量を電池電流と改質器温度で制御する
方法（特公昭50−15050号）および改質器の圧力
を電池の圧力より高く保持する方法（特開昭53−
81923号）等が提案されている。これらの制御方
法は、主に電池負荷が変化した場合の流量調整法
で、多くの利点を有しているが、電池の燃料や酸
化用ガスの圧力制御の面では不十分である。例え
ば、水素、酸素型燃料電池において負荷が増加し
た場合、水素の消費量、酸素の消費量、水蒸気の
発生量などで圧力が変動するにもかかわらず、こ
れらのことは前記した制御方法では考慮されてい
ない。
用ガスの供給量、圧力等を所定値に制御すること
が必要であり、具体的な方法に関しては、負荷電
流に応じて燃料電池への空気供給量及び再循環量
を制御する方法（特公昭48−41352号）、改質器へ
の燃料供給量を電池電流と改質器温度で制御する
方法（特公昭50−15050号）および改質器の圧力
を電池の圧力より高く保持する方法（特開昭53−
81923号）等が提案されている。これらの制御方
法は、主に電池負荷が変化した場合の流量調整法
で、多くの利点を有しているが、電池の燃料や酸
化用ガスの圧力制御の面では不十分である。例え
ば、水素、酸素型燃料電池において負荷が増加し
た場合、水素の消費量、酸素の消費量、水蒸気の
発生量などで圧力が変動するにもかかわらず、こ
れらのことは前記した制御方法では考慮されてい
ない。
本発明の目的は、負荷変動時における燃料電池
内の燃料及び酸化用ガス圧力の変動を抑制できる
燃料電池の運転制御方法を提供することにある。
内の燃料及び酸化用ガス圧力の変動を抑制できる
燃料電池の運転制御方法を提供することにある。
本発明では、電池内のガス圧力を一定にするた
めに、電池に供給されるガス量と、電池で消費ま
たは発生するガス量に基づいて、電池よりの流出
ガス量を決定させる。特に、負荷変動時には、燃
料側と酸化用ガス側の圧力挙動の違いから、差圧
が増加しようとするが、電気化学反応に基づくガ
スの消費量、発生量を考慮することで、差圧増加
を防止させている。
めに、電池に供給されるガス量と、電池で消費ま
たは発生するガス量に基づいて、電池よりの流出
ガス量を決定させる。特に、負荷変動時には、燃
料側と酸化用ガス側の圧力挙動の違いから、差圧
が増加しようとするが、電気化学反応に基づくガ
スの消費量、発生量を考慮することで、差圧増加
を防止させている。
以下、本発明の一実施例を第１図により説明す
る。第１図は、燃料電池１０、燃料電池１０に接
続される酸化用ガス供給系２０、燃料供給系３
０、酸化用ガス流出系４０および燃料流出系５
０、さらに負荷６０から構成される燃料電池シス
テムに本発明によるガス圧先行制御装置７０を適
用した例である。
る。第１図は、燃料電池１０、燃料電池１０に接
続される酸化用ガス供給系２０、燃料供給系３
０、酸化用ガス流出系４０および燃料流出系５
０、さらに負荷６０から構成される燃料電池シス
テムに本発明によるガス圧先行制御装置７０を適
用した例である。
空気などの酸化用ガス２６は、流量計２１、調
節弁２３を有して酸化ガス供給系２０に設けられ
た流量制御装置２２を介して燃料電池１０のカソ
ード室１１に供給される。燃料３６は、流量計３
１、調節弁３３を有して燃料供給系３０に設けら
れた流量制御装置３２を介して燃料電池１０のア
ノード室１２に供給される。酸化用ガス２６およ
び燃料３６の供給を受けた燃料電池１０は、電極
１３，１４及び電解質１５での電気化学反応によ
り電圧を発生し、外部負荷６０に電力を供給す
る。電流は、回路６１および６２によつて外部負
荷６０に導かれる。カソード室１１のガスは、圧
力計４１、調節弁４３を有して酸化用ガス流出系
４０に設けられた圧力制御装置４２を介して外部
に流出する。アノード室１２のガスは、圧力計５
１、調節弁５３を有して燃料流出系５０に設けら
れた圧力制御装置５２を介して外部に流出する。
節弁２３を有して酸化ガス供給系２０に設けられ
た流量制御装置２２を介して燃料電池１０のカソ
ード室１１に供給される。燃料３６は、流量計３
１、調節弁３３を有して燃料供給系３０に設けら
れた流量制御装置３２を介して燃料電池１０のア
ノード室１２に供給される。酸化用ガス２６およ
び燃料３６の供給を受けた燃料電池１０は、電極
１３，１４及び電解質１５での電気化学反応によ
り電圧を発生し、外部負荷６０に電力を供給す
る。電流は、回路６１および６２によつて外部負
荷６０に導かれる。カソード室１１のガスは、圧
力計４１、調節弁４３を有して酸化用ガス流出系
４０に設けられた圧力制御装置４２を介して外部
に流出する。アノード室１２のガスは、圧力計５
１、調節弁５３を有して燃料流出系５０に設けら
れた圧力制御装置５２を介して外部に流出する。
流量制御装置２２，３２の流量設定値は、別の
制御装置８０より与えられる。この制御装置は、
例えば負荷電流に比例した流量設定信号を発生す
る負荷追従制御装置である。圧力制御装置４２，
５２は、圧力計４１，５１の圧力が一定となるよ
うにガス流出量を調節する他、負荷変動時のよう
な過度時には、ガス圧先行制御装置７０より与え
られる信号でガス流出量を調節する。ガス圧先行
制御装置７０には、燃料電池１０へのガス供給量
に基づく信号２４，３４及び負荷に比例した信号
６４が入力される。制御装置７０は、所定の演算
を行ない、その結果を回路４４，５４を介して調
節計４２，５２に伝える。
制御装置８０より与えられる。この制御装置は、
例えば負荷電流に比例した流量設定信号を発生す
る負荷追従制御装置である。圧力制御装置４２，
５２は、圧力計４１，５１の圧力が一定となるよ
うにガス流出量を調節する他、負荷変動時のよう
な過度時には、ガス圧先行制御装置７０より与え
られる信号でガス流出量を調節する。ガス圧先行
制御装置７０には、燃料電池１０へのガス供給量
に基づく信号２４，３４及び負荷に比例した信号
６４が入力される。制御装置７０は、所定の演算
を行ない、その結果を回路４４，５４を介して調
節計４２，５２に伝える。
ガス圧先行制御装置７０の動作を第２図を用い
て説明する。第２図で７１，７２，７３，７４は
演算器である。負荷６０から検出された電流信号
６４は、演算器７１及び７２に入力される。演算
器７１及び７２は、アノード室１２及びカソード
室１１でのガス消費量や発生量を計算する。アノ
ード室１２及びカソード室１１での反応は、燃料
電池の種類で異なるため、本実施例では、電解質
にリン酸を用いるものと溶融塩を用いるものを例
に説明する（以下、リン酸型、溶融塩型と略
す）。
て説明する。第２図で７１，７２，７３，７４は
演算器である。負荷６０から検出された電流信号
６４は、演算器７１及び７２に入力される。演算
器７１及び７２は、アノード室１２及びカソード
室１１でのガス消費量や発生量を計算する。アノ
ード室１２及びカソード室１１での反応は、燃料
電池の種類で異なるため、本実施例では、電解質
にリン酸を用いるものと溶融塩を用いるものを例
に説明する（以下、リン酸型、溶融塩型と略
す）。
各燃料電池内の反応式は次のとおりである。
リン酸型燃料電池
（アノード） H2→2H+＋2e-
（カソード） １／２O2＋2H+＋2e-→H2O
溶融塩型燃料電池
（アノード） H2＋CO3 --→H2O＋CO2＋2e-
（カソード） CO2＋１／２O2＋2e-→CO3 --
ガスの消費および発生が同時に進行するので、
上上記の反応は下記のように表現できる。
上上記の反応は下記のように表現できる。
リン酸型燃料電池
アノード室１２では、水素が１モル消費され
る。カソード室１１では、酸素が1/2モル消費さ
れて水蒸気が１モル発生するので、差引き1/2モ
ルのガスが発生する。
る。カソード室１１では、酸素が1/2モル消費さ
れて水蒸気が１モル発生するので、差引き1/2モ
ルのガスが発生する。
溶融塩型燃料電池
アノード室１２では、水素が１モル消費されて
水蒸気と炭酸ガスが各１モル発生するので、差引
き１モルのガスが発生する。カソード室１１で
は、炭酸ガス１モルと酸素1/2モルの計3/2モルの
ガスが消費される。
水蒸気と炭酸ガスが各１モル発生するので、差引
き１モルのガスが発生する。カソード室１１で
は、炭酸ガス１モルと酸素1/2モルの計3/2モルの
ガスが消費される。
すなわち、燃料電池１０よりの電流IAとする
と次式の量だけガスが消費あるいは発生する（フ
アラデー定数を96500c／mol、補正係数をｋとす
る）。
と次式の量だけガスが消費あるいは発生する（フ
アラデー定数を96500c／mol、補正係数をｋとす
る）。
リン酸型燃料電池
アノード室
EPa＝−Ｉ・ｋ／２×９６５００（mol／ｓ）……(1
) カソード室 EPc＝１／２・Ｉ・ｋ／２×９６５００（mol／ｓ）
……(2) 溶融塩型燃料電池 アノード室 FMa＝Ｉ・ｋ／２×９６５００（mol／ｓ） ……(3) カソード室 FMc＝−３／２・Ｉ・ｋ／２×９６５００（mol／ｓ）
……(4) リン酸型燃料電池では(1)、(2)式、溶融塩型燃料
電池では(3)、(4)式に基づく信号が、回路７５，７
６を介して演算器７３，７４にそれぞれ入力され
る。演算器７３，７４には、流量計２１，３１よ
りの信号２４，３４が入力されており、ここで次
式の演算が行われる。
) カソード室 EPc＝１／２・Ｉ・ｋ／２×９６５００（mol／ｓ）
……(2) 溶融塩型燃料電池 アノード室 FMa＝Ｉ・ｋ／２×９６５００（mol／ｓ） ……(3) カソード室 FMc＝−３／２・Ｉ・ｋ／２×９６５００（mol／ｓ）
……(4) リン酸型燃料電池では(1)、(2)式、溶融塩型燃料
電池では(3)、(4)式に基づく信号が、回路７５，７
６を介して演算器７３，７４にそれぞれ入力され
る。演算器７３，７４には、流量計２１，３１よ
りの信号２４，３４が入力されており、ここで次
式の演算が行われる。
リン酸型燃料電池
信号２４，３４に基づく流量をそれぞれFO1、
FH1（mol／ｓ）とする。
FH1（mol／ｓ）とする。
アノード室
FH2＝FH1＋EPa
＝FH1−Ｉ・ｋ／２×９６５００（mol／ｓ） ……(5)
カソード室
FO2＝FO1＋FPc
＝FO1＋１／２・Ｉ・ｋ／２×９６５００（mol／ｓ）
……(6) 溶融塩型燃料電池 信号２４，３４に基づく流量をそれぞれFO3、
FH3とする。
……(6) 溶融塩型燃料電池 信号２４，３４に基づく流量をそれぞれFO3、
FH3とする。
アノード室
FH4＝FH3＋FMa
＝FH3＋Ｉ・ｋ／２×９６５００（mol／ｓ） ……(7)
カソード室
FO4＝FO3＋FMc
＝FO3−３／２・Ｉ・ｋ／２×９６５００（mol／ｓ）
……(8) リン酸型燃料電池では(5)、(6)式、溶融塩型燃料
電池では(7)、(8)式に基づく信号が回路５４，４４
に出力される。この信号が、圧力制御装置５２及
び４２に伝えられ、流出ガスの流量が調整され
る。
……(8) リン酸型燃料電池では(5)、(6)式、溶融塩型燃料
電池では(7)、(8)式に基づく信号が回路５４，４４
に出力される。この信号が、圧力制御装置５２及
び４２に伝えられ、流出ガスの流量が調整され
る。
次に、従来の制御方法と本発明の制御方法にお
ける燃料電池内のガス圧力の制御特性を第３図
Ａ，ＢおよびＣを用いて説明する。第３図におい
て、破線が従来例、実線が本発明における制御特
性である。燃料電池はリン酸型燃料電池とし、負
荷電流はステツプ状に増加させた。負荷電流を増
加させると、カソード室１１では、(2)式のように
ガスが発生するために一時的に圧力が上昇する。
従来例では、この圧力を低下させるためにガスの
流出量を増やす操作がなされる。しかし、負荷電
流の増加に伴つてカソード室１１へのガス２６の
供給量が増加されるため、圧力の回復は遅れ、第
３図Ａに示す如くPa1のような特性となる。アノ
ード室１２では、(1)式のように燃料ガス３６が消
費されるために一時的に圧力が低下する。このた
めアノード室１２からのガス流出量を減少させる
操作がなされる。その後、アノード室１２への燃
料ガス３６の供給量が増加されるために圧力は上
昇する。しかし、アノード室１２からのガスの流
出量を減少させているために、アノード室１２内
の圧力はPh1（第３図Ｂ）のようにオーバーシユ
ートする。
ける燃料電池内のガス圧力の制御特性を第３図
Ａ，ＢおよびＣを用いて説明する。第３図におい
て、破線が従来例、実線が本発明における制御特
性である。燃料電池はリン酸型燃料電池とし、負
荷電流はステツプ状に増加させた。負荷電流を増
加させると、カソード室１１では、(2)式のように
ガスが発生するために一時的に圧力が上昇する。
従来例では、この圧力を低下させるためにガスの
流出量を増やす操作がなされる。しかし、負荷電
流の増加に伴つてカソード室１１へのガス２６の
供給量が増加されるため、圧力の回復は遅れ、第
３図Ａに示す如くPa1のような特性となる。アノ
ード室１２では、(1)式のように燃料ガス３６が消
費されるために一時的に圧力が低下する。このた
めアノード室１２からのガス流出量を減少させる
操作がなされる。その後、アノード室１２への燃
料ガス３６の供給量が増加されるために圧力は上
昇する。しかし、アノード室１２からのガスの流
出量を減少させているために、アノード室１２内
の圧力はPh1（第３図Ｂ）のようにオーバーシユ
ートする。
一方、本発明では、カソード室１１におけるガ
ス発生およびガス供給量の増加を先行的に圧力制
御装置４２に伝達し、またアノード室１２におけ
るガス消費およびガス供給量の増加を先行的に圧
力制御装置５２に伝達する。このため、圧力制御
装置４２，５２の応答が早くなり、第３図Ａおよ
びＢのPa2、Ph2の特性を得ることができる。特
性Pa2およびPh2の振動は、主に調節弁４３，５
３の動作遅れによるものである。この結果、燃料
電池のカソード室１１とアノード室１２間の差圧
は、第３図Ｃに示すように従来制御系の特性DP1
より小さなDP2となる。
ス発生およびガス供給量の増加を先行的に圧力制
御装置４２に伝達し、またアノード室１２におけ
るガス消費およびガス供給量の増加を先行的に圧
力制御装置５２に伝達する。このため、圧力制御
装置４２，５２の応答が早くなり、第３図Ａおよ
びＢのPa2、Ph2の特性を得ることができる。特
性Pa2およびPh2の振動は、主に調節弁４３，５
３の動作遅れによるものである。この結果、燃料
電池のカソード室１１とアノード室１２間の差圧
は、第３図Ｃに示すように従来制御系の特性DP1
より小さなDP2となる。
本発明では、燃料電池へのガス供給量、および
燃料電池内での電気化学反応によるガス消費量お
よび発生量に基づいて圧力を調整するため、燃料
電池の負荷が変動した場合の圧力及び差圧変動を
小さくすることができる。なお、負荷追従制御装
置８０は、外部負荷７０の電流信号６３を入力
し、それに基づいて調節弁２３，３３の開度を調
節する。すなわち、負荷に応じて燃料電池１０に
供給する燃料ガスと酸化用ガスの流量を調節す
る。
燃料電池内での電気化学反応によるガス消費量お
よび発生量に基づいて圧力を調整するため、燃料
電池の負荷が変動した場合の圧力及び差圧変動を
小さくすることができる。なお、負荷追従制御装
置８０は、外部負荷７０の電流信号６３を入力
し、それに基づいて調節弁２３，３３の開度を調
節する。すなわち、負荷に応じて燃料電池１０に
供給する燃料ガスと酸化用ガスの流量を調節す
る。
以上において、本発明をその特定の実施例につ
いて説明したが、本発明は説明した実施例に限定
されるものでなく、本発明の範囲内で種々の応用
が可能である。
いて説明したが、本発明は説明した実施例に限定
されるものでなく、本発明の範囲内で種々の応用
が可能である。
例えば、第１図において、制御器７０への入力
信号を負荷電流、流量計２１，３１よりの信号と
しているが、負荷電流の代りに電力でも良く、ま
た、燃料電池へのガス供給量を負荷に応じて調整
することより、流量計２１，３１よりの信号の代
りに負荷電流あるいは電力よりガス供給量を算出
することも可能である。この場合、流量制御系２
２，３２の特性を模擬させてガス供給量を算出さ
せることによつて、制御性が向上する。さらに、
第１図において、圧力制御装置４２，５２の信号
で制御弁４３，５３を駆動させているが、流量制
御装置を付加してカスケード制御方式とすること
も考えられる。この場合、制御系７０の出力４
４，５４は流量制御装置の設定値変更信号とな
る。また、第１図において、カソード室、アノー
ド室の圧力を独立させて制御しているが、一方の
制御装置を差圧制御装置とすることも考えられ
る。例えば、アノード室１２の圧力制御装置５２
の圧力計５１を、アノード室１２とカソード室１
１との間の差圧計とし、この差圧が所定値以下と
なるようにアノード室１２の流出ガスを調整する
方法である。この場合においても、本発明を適用
することで差圧を小さく制御することができる。
信号を負荷電流、流量計２１，３１よりの信号と
しているが、負荷電流の代りに電力でも良く、ま
た、燃料電池へのガス供給量を負荷に応じて調整
することより、流量計２１，３１よりの信号の代
りに負荷電流あるいは電力よりガス供給量を算出
することも可能である。この場合、流量制御系２
２，３２の特性を模擬させてガス供給量を算出さ
せることによつて、制御性が向上する。さらに、
第１図において、圧力制御装置４２，５２の信号
で制御弁４３，５３を駆動させているが、流量制
御装置を付加してカスケード制御方式とすること
も考えられる。この場合、制御系７０の出力４
４，５４は流量制御装置の設定値変更信号とな
る。また、第１図において、カソード室、アノー
ド室の圧力を独立させて制御しているが、一方の
制御装置を差圧制御装置とすることも考えられ
る。例えば、アノード室１２の圧力制御装置５２
の圧力計５１を、アノード室１２とカソード室１
１との間の差圧計とし、この差圧が所定値以下と
なるようにアノード室１２の流出ガスを調整する
方法である。この場合においても、本発明を適用
することで差圧を小さく制御することができる。
本発明によれば、負荷変動時における燃料電池
内の圧力変動を著しく抑制でき、しかもアノード
側とカソード側との差圧の増加を防止できる。
内の圧力変動を著しく抑制でき、しかもアノード
側とカソード側との差圧の増加を防止できる。
第１図は本発明を適用した燃料電池システムの
好適な一実施例の系統図、第２図は第１図に示す
ガス圧先行制御装置のブロツク図、第３図は本発
明の効果を説明するためのもので、第３図Ａは酸
化用ガスの圧力変化を示す特性図、第３図Ｂは燃
料ガス圧力の変化を示す特性図、第３図Ｃはカソ
ード室とアノード室との間の差圧の変化を示す特
性図である。 １０……燃料電池、１１……カソード室、１２
……アノード室、２２，３２……供給ガス流量制
御装置、４２，５２……ガス圧力制御装置、６０
……負荷、７０……ガス圧力先行制御装置、８０
……負荷追従制御装置。
好適な一実施例の系統図、第２図は第１図に示す
ガス圧先行制御装置のブロツク図、第３図は本発
明の効果を説明するためのもので、第３図Ａは酸
化用ガスの圧力変化を示す特性図、第３図Ｂは燃
料ガス圧力の変化を示す特性図、第３図Ｃはカソ
ード室とアノード室との間の差圧の変化を示す特
性図である。 １０……燃料電池、１１……カソード室、１２
……アノード室、２２，３２……供給ガス流量制
御装置、４２，５２……ガス圧力制御装置、６０
……負荷、７０……ガス圧力先行制御装置、８０
……負荷追従制御装置。
Claims (1)
- １ 燃料および酸化ガスが供給される燃料電池の
圧力制御方法において、前記燃料および酸化ガス
の供給量および前記燃料電池の負荷を検出し、こ
れらの燃料および酸化ガスの供給量および負荷に
基づいて前記燃料電池から流出する燃料および酸
化ガスの量を制御することを特徴とする燃料電池
の圧力制御方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP57049510A JPS58166670A (ja) | 1982-03-27 | 1982-03-27 | 燃料電池の圧力制御方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP57049510A JPS58166670A (ja) | 1982-03-27 | 1982-03-27 | 燃料電池の圧力制御方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS58166670A JPS58166670A (ja) | 1983-10-01 |
| JPS6260789B2 true JPS6260789B2 (ja) | 1987-12-17 |
Family
ID=12833125
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP57049510A Granted JPS58166670A (ja) | 1982-03-27 | 1982-03-27 | 燃料電池の圧力制御方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS58166670A (ja) |
Families Citing this family (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS60216467A (ja) * | 1984-04-11 | 1985-10-29 | Hitachi Ltd | 燃料電池発電システム |
| JPH071700B2 (ja) * | 1984-05-29 | 1995-01-11 | 株式会社東芝 | 燃料電池発電システム |
| JPS6151772A (ja) * | 1984-08-18 | 1986-03-14 | Mitsubishi Electric Corp | 燃料電池発電装置の流量制御装置 |
| US4838020A (en) * | 1985-10-24 | 1989-06-13 | Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha | Turbocompressor system and method for controlling the same |
| JPS63131470A (ja) * | 1986-11-21 | 1988-06-03 | Hitachi Ltd | 燃料電池 |
| DE10119339B4 (de) * | 2001-04-20 | 2006-03-30 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Brennstoffzellensystem und Verfahren zur Druckregulation in Brennstoffzellensystemen sowie Verwendung des Brennstoffzellensystems |
| JP4678115B2 (ja) * | 2002-07-17 | 2011-04-27 | 三菱マテリアル株式会社 | 固体電解質型燃料電池の運転方法及び運転システム |
| JP4325216B2 (ja) | 2003-02-20 | 2009-09-02 | 日産自動車株式会社 | 燃料電池プラントの制御装置 |
| JP2007257956A (ja) * | 2006-03-22 | 2007-10-04 | Nissan Motor Co Ltd | 燃料電池システム |
-
1982
- 1982-03-27 JP JP57049510A patent/JPS58166670A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS58166670A (ja) | 1983-10-01 |
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