JPS6260792B2 - - Google Patents

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JPS6260792B2
JPS6260792B2 JP57049513A JP4951382A JPS6260792B2 JP S6260792 B2 JPS6260792 B2 JP S6260792B2 JP 57049513 A JP57049513 A JP 57049513A JP 4951382 A JP4951382 A JP 4951382A JP S6260792 B2 JPS6260792 B2 JP S6260792B2
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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を高く保持
させ、さらに、圧力変動を所定値内に抑制するの
に好適な燃料電池の運転制御方法に関する。
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、前記し
た制御方式では考慮されていない。また、電池の
出力電圧はガス電圧で変化するが、この効果につ
いても考慮されていない。
本発明の目的は、燃料電池の出力電圧を上昇さ
せる制御方式、及び、負荷変動時における電池内
燃料及び酸化用ガス圧力の変動を、所定値内に抑
制させる制御方式を提供することにある。
本発明では、電池内のガス圧力を高く保持する
ために、電池入口ガス側に圧力制御系を、出口ガ
ス側に流量制御系を設置する。また、電池内のガ
ス圧力を一定にするために、電池より流出される
ガス量と、電池で消費または発生するガス量に基
づいて、電池に供給する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、負荷60より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、圧力計21、調
節弁23を有して酸化ガス供給系20に設けられ
た圧力制御装置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、圧力計3
1、調節弁33を有して燃料供給系30に設けら
れた圧力制御装置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1
3,14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6
0に導かれる。カソード室11のガスは、流量計
41、調節弁43を有して酸化用ガス流出系40
に設けられた流量制御装置42を介して外部に流
出する。アノード室12のガスは、流量計51、
調節弁53を有して燃料流出系50に設けられた
流量制御装置52を介して外部に流出する。
流量制御装置42,52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22,
32は、圧力計21,31の圧力が一定となるよ
うにガス流入量を調節する他、負荷変動時のよう
な過渡時には、別のガス圧先行制御装置70より
与えられる信号でガス流入量を調節する。ガス圧
先行制御装置70には、燃料電池10よりのガス
流出量に基づく信号44,54及び負荷に比例し
た信号64が入力される。ガス圧先行制御装置7
0は、所定の演算を行ない、その結果を回路2
4,34を介して調節計22,32に伝える。
次に、ガス圧先行制御装置70の動作について
説明する。ガス圧先行制御装置70では、外部負
荷60で検出された負荷に比例した信号(例えば
電流信号)64を用いてアノード室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10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
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モル消費する。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。
すなわち、燃料電池10よりの電流をI(A)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 FPa=−I・k/2×96500(mol/s)……
(1) カソード室 FPc=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) ガス圧先行制御装置70には流量計41,51
よりの信号44,54が入力されており、燃料電
池10へのガス供給量を決定するための演算が行
われる。
リン酸型燃料電池 信号44,54に基づく流量をそれぞれFO1、
FH1(mol/s)とする。
アノード室 FH2=FH1−FPa=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44,54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24,34
に出力される。この信号が、圧力制御装置22及
び32に伝えられ、供給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とに
おける燃料電池内ガス圧力の制御特性を説明す
る。一般的に、流量制御系の制御性を向上させる
ためには、制御弁の差圧を大きくした状態で運転
させる必要がある。制御弁の差圧が小さいと、制
御弁が開閉動作しても流量変化が少ないことにな
り、流量を制御しきれないことになる。このこと
からも、流量制御装置の制御弁差圧は大きい方が
良い。また、圧力制御装置の制御弁差圧に関して
は、流量制御装置の制御弁に要求されるような条
件はなく、差圧を小さくしても制御は可能であ
る。例えば、第1図のような圧力制御装置22を
考えた場合、圧力設定値をガス供給源の圧力にほ
ぼ等しくすることが可能となる。この場合、制御
弁23の開度は大きくなり、制御弁差圧が小さく
なるように運転される。流量制御装置42,52
は、流出ガスの流量を調整する。これらの制御装
置の制御弁43,53の差圧は大きくでき、流量
制御性を向上させることができる。
すなわち、第1図に示すように、燃料電池10
の入口ガス側に圧力制御装置を、出口ガス側に流
量制御装置を設けることにより、燃料電池10の
運転圧力を高く保持することが可能となる。
第2図は、燃料電池10の運転圧力と起電力の
関係を示したもので、運転圧力を高くすることで
起電力を上昇させることができる。
次に、従来の制御方法と本発明制御方法とにお
ける燃料電池内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。従来のフ
イードバツク制御系の例では、この圧力を低下さ
せるためにガス流入量を減少させる操作がなされ
る。その後、負荷追従制御装置80動作によりカ
ソード室11よりのガス流出量が増加されるため
にカソード室11の圧力は低下する。しかし、カ
ソード室11へのガスの流入量を減少させている
ため圧力は大きく低下し、Pa1(第3図A)のよ
うにアンダーシユートする。アノード室12では
(1)式のようにガスが消費されるために一時的に圧
力は低下する。この圧力を上昇させるためにガス
の流入量を増やす操作がなされるが、負荷電流の
増加に伴つてアノード室12からのガス流出量が
増加するためにアノード室12の圧力の回復は遅
れ、Ph1(第3図B)のような特性となる。
一方、本発明では、カソード室11におけるガ
スの発生およびガス流出量の増加を先行的に圧力
制御装置22に伝達し、アノード室12における
ガスの消費およびガス流出量の増加を先行的に圧
力制御装置32に伝達する。このため、圧力制御
装置22,32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23,3
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、燃料電池よりのガス流出量および
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。
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。
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41,51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41,51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4
2,52の特性を模擬させてガス供給量を算出さ
せれば、制御性が向上する。さらに、第1図にお
いて、圧力制御装置22,32の信号で制御弁2
3,33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24,34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32の圧力計31を、
アノード室12とカソード室11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への流入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。
本発明によれば次の効果がある。
(1) 燃料電池のガス圧力を上昇させることによ
り、電池起電力が上昇し、発電効率が向上す
る。
(2) アノード室および、カソード室の圧力変動を
小さくでき、さらに、差圧を小さくすることが
できる。
(3) 差圧上昇の低減に伴い、アノード、カソード
間のガスクロスオーバの発生確率が低減し、装
置の安全性が向上する。
(4) 差圧変動許容値を一定とすると、負荷変化
幅、負荷変化率を大きくすることができ、運転
の自由度が拡大する。すなわち、大幅負荷要求
に対処できる発電システムの提供が可能とな
る。
【図面の簡単な説明】
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図は電池圧力と起
電力の関係を示す特性図、第3図は本発明の効果
を説明するもので、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……ガス圧力制御装
置、42,52……流出ガス流量制御装置、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)

    【特許請求の範囲】
  1. 1 燃料および酸化ガスが供給される燃料電池の
    運転制御方法において、前記燃料電池のカソード
    室およびアノード室から流出する各々のガス流出
    量および前記燃料電池の負荷を検出し、前記燃料
    電池に供給する燃料および酸化ガスの量を、前記
    負荷および前記ガス流出量に基づいて制御し、前
    記ガス流出量を前記負荷に基づいて制御すること
    を特徴とする燃料電池の運転制御方法。
JP57049513A 1982-03-27 1982-03-27 燃料電池の運転制御方法 Granted JPS58166672A (ja)

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