JPS63158756A - 燃料電池の安全装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、燃料電池の運転中に不測の事態で発生する
反応ガス系の急激なガス圧力変動に対し、電池本体を安
全に保護するようにした燃料電池の安全装置に関する。

〔従来の技術〕

周知のように燃料電池は極めて薄い電解賞マトリックス
層を隔てて多孔質の燃料電極と酸化剤電極とが対向して
構成されており、仮に燃料電極に供給される燃料ガスと
酸化剤電極に供給される空気等の酸化剤ガスとの間に過
大な差圧が発生すると、この差圧により前記電解質マト
リックス層を透過して反応力°ス同士が直接反応して局
部燃焼し、最悪の場合には電池本体を破壊に導くおそれ
がある。また反応ガスが異常に高くなると電池本体を構
成している電極、ガスシール部が破壊されるおそれもあ
る。この点から燃料電池を運転する際には反応ガスの圧
力変動を抑え、特に燃料ガス圧と酸化剤ガス圧との差圧
を微差に保持するようにガス圧を制御することが極めて
重要な課題となっている。

一方、上記問題に対処する方式として燃料電池の電池本
体を不活性ガスで満たした圧力容器内に収容し、かつ圧
力容器に供給する不活性ガス圧を反応ガス圧より若干高
め（１００〜３００ｍｍＡｇ）に定め、ここで不活性ガ
ス圧を基準に燃料ガス圧および酸化剤ガス圧を制御して
反応゛ガス圧を適正圧に維持する制御方式が知られてい
る。

次に上記した従来のガス圧制御方式を第２図により説明
すると、図において１は燃料電池の電池本体、２は電池
本体を収容した圧力容器、３，４は電池本体１に装備し
た燃料ガス給排用のマニホールド、５，６は酸化剤ガス
給排用のマニホールドであり、電池本体ｌに対しては燃
料ガス供給ライン７、酸化剤ガス供給ライン８を通じて
反応が供給され、また圧力容器２へは不活性ガス供給ラ
イン９を通じて不活性ガスが供給され、かつ各ガス供給
ラインには圧力制御弁７ａ、　８ａ、　９ａが介装され
ている。ここで不活性ガスは圧力制御弁９ａで一定値に
制御され、この不活性ガス圧を基準に不活性ガス圧と燃
料ガス圧、および酸化剤ガス圧との間の差圧を検出する
差圧ネ★出器１０．１１により圧力制御弁７ａ、　８ａ
を介して燃料ガス系のガス圧、酸化剤ガス系のガス圧が
それぞれ適正圧に制御される。

なお引火性、爆発性の高い燃料ガスのリークを防ぐため
に、具体的には不活性ガス圧を基準に燃料ガス系のガス
圧は一５０ｓｍＡｇ程度、酸化剤ガス系のガスは一１０
０＋＊ｍＡｇ程度に調整されている。したがって燃料ガ
ス系のガス圧と酸化剤ガス系のガス圧との間の差圧は５
０＋＊＋＊Ａｇ程度の微差圧に保持されている。

さらに燃料電池の起動、停止時、ないしは負荷変動によ
り反応ガス圧が過渡的に不活性ガス圧よりも高くなった
場合の安全策として、燃料ガス供給ライン７、Ｍ他剤ガ
ス供給ライン８にはそれぞれ過大なガス圧を大気中に放
出する圧力放出制御弁７ｂ、　８ｂが設置されている。

なお１２．１３は燃料電池の起動、停止の際に燃料ガス
供給ライン７、酸化剤ガス供給ライン８を不活性ガスで
ガスパージするために不活性ガス供給ライン９と燃料ガ
ス供給ライン７、および酸化剤ガス供給ライン８との間
に介装したガスバージ弁、１４は圧力容器２に設置した
放圧弁である。

かかるガス供給系制御方式により、通常の燃料電池の運
転範囲で起こり得るガス圧変動に対処して燃料ガス圧、
酸化剤ガス圧の過大な変動、および燃料ガス圧と酸化剤
ガス圧との間の差圧を電池本体の許容差圧以内に保持し
て運転することができる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところで、前記のように圧力変動が発生した場合にその
異常圧力を検出し、その検出信号を基に制御弁を操作し
て圧力調整を行う従来の制御方式では、通常の運転範囲
で起こり得る比較的小さなガス圧変動には充分に対応で
きるが、各種制御弁の動作不良、弁の手動操作ミス、地
震等による配管系の事故によるガス放出等の不測事態の
発生により衝撃波的に反応ガス圧が急激に変動した場合
には制御系の応答遅れから即時対応させることができず
、この結果として電池本体内部では大きなガス圧変化発
生し、これが原因で反応ガス同士の直接反応、電極、ガ
スシールの破壊等を引き起こすおそれが多分にある。

この発明の目的は、前記した不測な事態に対処して反応
ガス供給系に急激な圧力変動が発生した際には、瞬時記
電池本体の内部を基準ガス圧に保持されている圧力容器
内部の不活性ガスで均圧させることにより、電池本体を
安全に保護できるようにした燃料電池の安全装置を提供
することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記問題点を解決するために、この発明によれば、電池
本体に接続した燃料ガス配管と圧力容器内部との間、お
よび酸化剤ガス配管と圧力容器内部との間をそれぞれ結
んで均圧管を配管するとともに、該均圧管内の途中に常
時は均圧管を不導通状態に保持し、過大差圧の発生によ
り作動して均圧管を導通状態にする安全弁を介装して構
成するものとする。

〔作用〕

かかる構成により、不測な事態発生により電池本体へ供
給した燃料ガス、＃他剤ガスに急激なガス圧変動が生じ
′た際には、圧力容器内部を満たしている基準の不活性
ガス圧と燃料ガス圧、酸化剤ガス圧との間の過大な差圧
で安全弁が作動し、均圧管を通じて瞬時に電池本体側が
基準圧力に設定されている圧力容器内部の不活性ガス圧
で均圧され、これにより電極、ガスシール部の破壊１反
応ガスの電解質マトリックス層透過による反応ガス同士
の直接反応等を未然に防止することができるようになる
。

〔実施例〕

第１図は本発明の実施例を示すものであり、第２図に対
応する同一部材には同じ符号が付しである。ここで圧力
容器２には不活性ガス供給ライン９を通じて燃料ガス圧
、酸化剤ガス圧よりも僅か高めの基準ガス圧に設定した
不活性ガスが充填されており、この圧力容器内に収容さ
れた燃料電池の電池本体１に対し、図示のマニホールド
４．６を通じて燃料ガス、酸化剤ガスが供給される。な
お第２図に示したガス供給側のマニホールド３゜５は省
略して図示されてない、ここでこの発明により、マニホ
ールド４．６に接続して圧力容器２の外に引出した燃料
ガス供給ライン７、酸化剤ガス供給ラインの各ガス配管
７ｃ、　８ｃと圧力容器２との間には、圧力容器２に近
い位置で反応ガス配管７ｃ、　８ｃから分岐して他端が
圧力容器２の内部に開口する均圧管１５．１６が配管さ
れており、さらに該均圧管１５．１６の途中箇所には破
裂板式安全弁１７゜１８が介装設置されている。なお前
記均圧管１５と１６はその開口端１５ａ、　１６ａが圧
力容器２の内部でできるだけ離れた位置に開口するよう
に配管されている。これは後述するように安全弁１７．
１８の動作時に均圧管１５．１６を通じて圧力容器内に
流入した燃料ガス、酸化剤ガスで高濃度の混合ガスを生
成させないようにするためである。

一方、前記の安全弁１７．１８は、弁ケース１９の内部
に薄い金属膜等として成る破裂板２０を気密に挟持した
構造であり、該破裂［２０を仕切隔壁とじて均圧管１５
．１６を不導通状態に保持し、圧力容器側と反応ガス配
管側との間を隔絶している。またこの破裂板２０は反応
ガス系に生じた衝撃波的な急激圧力変動によりその両側
面に作用するガス差圧があらかじめ規定した以上の過大
圧力差になると、瞬時に破裂して均圧管内を導通状態に
して圧力容器２の内部と電池本体１に通じるガス配管と
の間を均圧させるように作動する。

さらに前記安全弁１７．１８の動作を検出して警報を発
するために、各安全弁１７．１８に付属して圧力スイソ
チ２１．および該圧力スイッチ２１の動作で点灯する警
報表示灯２２との組合せからなる警報装置が装備されて
いる。なお前記圧力スイッチ２１は前記安全弁１７．１
８における破裂板２０の両側のガス差圧変化を検出して
オン、オフ動作するものであり、破裂板２０−が破裂し
ない状態では不活性ガス圧と反応ガス圧との間の差圧に
よってスイッチ２１はオフを保ち、破裂板２０が破裂し
て差圧が無くなるとスイッチ２１はオン動作し、表示灯
２２を点灯させて警報表示を行う。

次に上記構成による燃料電池の電池本体１に対する保護
動作に付いて説明すると、燃料電池の通常運転範囲では
圧力容器２の内部を満たしている基準圧の不活性ガス圧
と燃料ガス圧ないし酸化剤ガス圧との間の差圧は微差で
あるので、安全弁１７゜１８の破裂板２０を隔壁として
均圧管１５．１６は不導通状態にあり、不活性ガスと反
応ガスとの間を隔絶している。一方、燃料ガス供給系１
ないしは酸化剤ガス供給系における事故等の不測な事態
が発生してそのガス圧が衝撃波的に急激変動し、これに
より基準圧である圧力容器内の不活性ガス圧と反応ガス
圧との間に過大な差圧が発生すると、この過大差圧によ
り安全弁の破裂板２０が瞬時にに破裂して均圧管１５．
１６を導通させる。したがって電池本体における圧力変
動発生側が圧力容器内を満たしている多量の不活性ガス
圧によって殆ど応答遅れ無しに均圧されるようになる。

これにより電池本体の電橋、ガスシール構造の破壊を防
ぎ、併せて電池内部における燃料ガス室と酸化剤ガス室
との間の過大なガス差圧を消失させて不当な反応ガスの
電解質マトリックス層透過を防止することができる。ま
た同時に圧力スイッチ２１が動作して警報灯２２が点灯
して警報表示を行う、なお安全弁が一旦動作した場合に
は破裂板２０を直ちに交換する必要があるが、安全弁１
７．１８は圧力容器２の外側に設置されているので容易
にアクセスして破裂板の交換作業を行うことができる。

〔発明の効果〕

以上述べたようにこの発明によれば、電池本体に接続し
た燃料ガス配管と圧力容器内部との間。

および酸化剤ガス配管と圧力容器内部との間をそれぞれ
結んで均圧管を配管するとともに、該均圧管内の途中に
常時は均圧管を不導通状態に保持し、過大差圧の発生に
より作動して均圧管を導通状態にする安全弁を介装した
構成により、反応ガス供給系の事故等の不測な事態で電
池本体に供給する反応ガス圧の急激なガス圧変動が発生
した場合でも、応答遅れ無く瞬時に圧力容器内を満たし
ている基準ガス圧の不活性ガスで電池本体の圧力変動側
を均圧し、電池本体の破壊を未然に防止して安全保護を
図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明実施例による安全装置を装備した燃料電
池のガス供給系統図、第２図は従来におけるガス圧制御
方式を示す燃料電池のガス供給系統図である。各図にお
いて、 １：電池本体、２：圧力容器、３〜６：反応ガス給徘用
マニホールド、７：燃料ガス供給ライン、８二酸化剤ガ
ス供給ライン、９：不活性ガス供給ライン、ｔｓ、ｔｓ
：均圧管、１７．１８：安全弁、２０：破裂板、２１：
圧力スイッチ、２２：警報表示灯。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）不活性ガスを加圧充填した圧力容器内に設置の電池
   本体へ燃料ガス、酸化剤ガスを供給し、かつ前記不活性
   ガス圧を基準に燃料ガス、酸化剤ガス供給系のガス圧を
   プロセス制御して発電を行う燃料電池において、電池本
   体に接続した燃料ガス配管と圧力容器内部との間、およ
   び酸化剤ガス配管と圧力容器内部との間をそれぞれ結ん
   で均圧管を配管するとともに、該均圧管内の途中に常時
   は均圧管を不導通状態に保持し、過大差圧の発生により
   作動して均圧管を導通状態にする安全弁を介装したこと
   を特徴とする燃料電池の安全装置。 ２）特許請求の範囲第１項記載の安全装置において、安
   全弁が圧力容器内の不活性ガス圧と燃料ガス圧、ないし
   酸化剤ガス圧との間に過大差圧が発生した際に弁板が破
   裂して均圧管を導通させる破裂板式安全弁であることを
   特徴とする燃料電池の安全装置。 ３）特許請求の範囲第１項記載の安全装置において、均
   圧管を圧力容器外に引出してここに安全弁が装備されて
   いることを特徴とする燃料電池の安全装置。 ４）特許請求の範囲第１項記載の安全装置において、燃
   料ガス配管に接続した均圧管の開口端と酸化剤ガス配管
   に接続した均圧管の開口端とが充分な間隔を隔てて圧力
   容器内部に開口されていることを特徴とする燃料電池の
   安全装置。 ５）特許請求の範囲第１項記載の安全装置において、安
   全弁の動作を検出して作動する警報装置を備えているこ
   とを特徴とする燃料電池の安全装置。