JPS63181267A - 燃料電池発電装置 - Google Patents

燃料電池発電装置

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JPS63181267A
JPS63181267A JP62009982A JP998287A JPS63181267A JP S63181267 A JPS63181267 A JP S63181267A JP 62009982 A JP62009982 A JP 62009982A JP 998287 A JP998287 A JP 998287A JP S63181267 A JPS63181267 A JP S63181267A
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Masato Watanabe
渡邊　政人
Hiroyuki Narita
成田　寛行
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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。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は低負荷時の電圧抑制手段を設けた燃料電池発電
装置に関する。
（従来の技術） 燃料電池（以下ＦＣとする）は良く知られているように
アノード極の燃料とカソード極の酸化剤を反応させて電
力を発生させるｉ屯素子である。従って負荷指令に応じ
てアノード極に供給する燃料ガス、カソード極に供給す
る酸化剤を調節して所望の電力を得ていた。
（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、従来の構成ではＦＣの発生電力は抑制で
きるものの電池電圧を抑制する手段は何ら考慮されてい
なかった。一般に電圧がある上限値を超えると電池に使
用されている触媒が急激に劣下し、ｔ１！池性能の劣下
及び触媒の寿命を短くする等の現象が指摘されている。
従って電池電圧の過渡な上昇はＦＣ本体に多大な悪影響
を及ぼすことになる。
本発明は上記問題を解決するためになされたもので、そ
の目的とするところは、電池電圧を抑制し、寿命の長い
燃料電池発電装置を提供するものである。
〔発明の構成〕
（問題点を解決するための手段） 上記目的を達成するため本発明において、空気等の酸化
剤を燃料電池のカソード極に供給する一方、このカソー
ド極の排酸化剤の一部を上記カソード極の入口側に循環
させる燃料電池発電装置において、燃料電池からの電気
出方を検出する電気出力検出器と、この検出器の出力が
ら上記カソード極に供給する供給酸化剤流量と、上記排
酸化剤の一部を上記カソード極の入口側に循環させる循
環酸化剤流量を演算する演算器と、実際に上記供給酸化
剤流量を検出する流量検出器と、実際に上記循環酸化剤
流量を検出する流量検出器と、上記燃料電池からの出力
電圧を検出する電圧検出器と、上記演算器から出力され
る上記供給酸化剤流量及び上記循環酸化剤流量の指令値
と上記酸化剤流量検出器で検出した実供給酸化剤流量及
び実循環酸化剤流量と上記電圧検出器で検出した実出力
電圧を入力して上記供給酸化剤流量及び上記循環酸化剤
流量を制御する制御器とを備え、自動的に電圧。
利用率を制御し得ることを特徴とする。
次に本発明の基礎となる法則を説明する。
一般にＦＣの電圧電流特性（以下、ＶＩ特性とする）は
カソード極の酸化剤中の酸素濃度及びカソード極を流れ
る酸化剤流量の２つの物理量に依存する。
酸化剤流量を固定させ、酸素濃度を変化させたときのＶ
Ｉ特性を第２図に、酸素濃度を一定にし、カソード極を
流れる酸化剤流量を変化させたときのＶＩ特性を第３図
に示す。第２図において、酸素濃度を減少させると■工
時性は曲線１５がら曲線１６．さらに曲線１７へと移っ
ていくのが解る。
また第３図において酸化剤流量を減少させるとＶＩ特性
は曲線１８から曲線１９にさらに曲線２０へと移ってい
く、そこでカソード極の入口酸化剤流量と酸素濃度を正
確に制御することによりＦＣの電圧を抑制することがで
きる６本発明はこのような観点より酸素濃度が低減した
循環酸化剤流量と、供給酸化剤流量を制御することを特
徴とするものである。
（作　用） このように構成されたものにおいては負荷電流に従い、
最適なＦＣ入口酸化剤流量及び酸素濃度を演算し、その
結果から供給酸化剤流量、循環酸化剤流量を抑制するこ
とによって自゛動的にＦＣ出方電圧が一定に制御される
。
（実施例） 以下、本発明の一実施例を図面によって説明する。
第１図は本発明の一実施例に係る燃料電池装置のブロッ
ク図を示したものである。Ｆ（１，本体１は大きく分け
て、燃料極２と空気極３とがら成る。
この空気極３には新鮮な供給空気ａと空気極３の出口か
ら送風器４により入口へ循環される酸素濃度の低減した
循環空気すとの混合空気が供給される。この混合空気の
流量と酸素濃度を制御するためＦＣの出力電流を検出す
る電流検出器５の出力を演算器６に取り込み、供給空気
流量と循環空気流量の指令値をそれぞれ演算する。この
２つの流量指令値と実際の供給空気ａ及び循環空気すの
流量を検出する流量検出器７，８及びＦＣの出力電圧を
検出する電圧検出器９及び送風器４にかかる差圧を検出
する差圧検出器１０の出力を制御器１１に入力し、そこ
で供給空気ａの流量を調節する流量調節弁１２及び循環
空気すの流量を調節する流量調節弁１３．さらに送風器
４にかかる差圧を一定値以下にするための差圧調節弁１
４の開度指令を計算しそれぞれ弁１２．弁１３．弁１４
に開度信号を与え、供給空気流量ａ、循環空気流量すを
自動的に制御する。
次に演算器１５での演算内容を示す。
先に述べたようにＦＣのＶ−１特性は空気極３の入口の
流量及び酸素濃度の２つの物理量に依存している。
すなわち燃料電池の電圧（ｖ）は電流（１）、空気極入
口酸素濃度（Ｃ）及び空気流量（Ｆ）を用いて、次のよ
うにあられせる。
Ｖ＝ｆ（Ｉ、Ｃ，Ｆ）　　　　　　・・・■今、電圧（
Ｖ）はある上限値Ｖ。に設定すれば次のようになる Ｖ、＝　ｆ　（Ｉ、　Ｃ，Ｆ）　　　　　　・・・■第
４図は■式において、■を変化させた時の空気極入日酸
素濃度（Ｃ）と空気極大口空気流量（Ｆ）の関係を示し
たものである。負荷電流Ｉを増加させていくと、ＣとＦ
の関係を示す曲線は２１から曲線２２、曲線２３へと移
っていく。つまりある上限電圧を設定し負荷電流が決ま
るとＦとＣの関係は第４図の中に示される一本の曲線の
ように一義的に決定されるのである。
一方、効率を維持する観点から空気極に供給する酸素の
量に対して実際に発電に寄与する酸素の量の割合である
利用率（Ｕ）はある値以下に保持しなければならない。
利用率（Ｕ）は簡単な計算からＣ，Ｆ及び工を用いて次
のように杏ける。
Ｆ−Ｃ＝す堡叩ユ　　　　　・・・■ ただし　Ｆ：空気極入口空気流量（ｋｇｍｏｌ／Ｈ）Ｃ
：空気極入日酸素濃度 Ｕ：利用率 ｌ：負荷電流（Ａ） ■式においても利用率をある上限値ｖ０に設定し、負荷
電流工が決まれば利用率の観点がらＦ、Ｃの関係が一義
的に定まる。
すなわち、ＦＣ本体の仕様に基き、上限電圧ＶＯ＋上限
利用率Ｕ。を設定すれば負荷電流工の実測値に応じてω
式、■式のグラフの交点がら自動的に前記２つの条件を
満足するような空気極入ロ空気流量Ｆ、空気極入口＃素
濃度Ｃが一義的に決定される。
さらに、上記Ｆ、ＣよりＦＣまわりの質量バランスを考
えることにより供給空気流量、及び循環空気流量の設定
値が定まるのである。
次に制御＠１１の内容を第５図に従って説明する。
先に示したように負荷電流工に応じて演算器６にて供給
空気流量設定値２４、及び循環空気流量設定値２５は自
動的に演算される。供給空気流量調節弁１２の開度信号
はこの設定値２４と実供給空気流量２６の偏差をＰＩ演
算することにより得られる。
一方、循環空気流量調節弁１３の開度信号は先に示した
設定値２５と実循環空気流量２８の偏差をＰＩ演算した
主開度信号３０に電圧設定値３２と実電圧３１の偏差を
ＰＩ演算した補正開度信号を加えることにより得られる
。
なお、この補正開度信号は過渡的に上限電圧設定を超え
てしまう場合にのみ作用するようにリミッタ−３３にて
過電圧を判定して出力するようになっている。送風器差
圧調節弁の開度信号は送風器にかかる計画された差圧設
定値３７と実際の差圧３６の偏差をＰＩ演算することに
より得られる。
この結果、どのような運転状態においても、自動的に供
給空気流量、及び循環空気流量を制御することにより、
利用率、電池電圧を一定に制御することかできる。
〔発明の効果〕
以上述べたように本発明によれば、出力電流から一定電
圧、一定利用率となるように供給空気流量及び循環空気
流量の設定値を、従来制御方式にて制御することにより
極めて簡単に電圧を抑制することができ電池の寿命、性
能に大きな効果をもたらす燃料電池発電装置を提供する
ことができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の一実施例を示すブロック図、第２図は
電池空気極の酸素濃度を変化させたときの電圧電流特性
を説明するためのグラフ、第３図は電池空気極の空気流
量を変化させたときの電圧電流特性を説明するためのグ
ラフ、第４図は設定電圧を一定にして負荷電流を変化さ
せたときの空気極の入口空気流量と空気極の入口酸素濃
度の関係を説明するためのグラフ、第５図は第１図にお
ける制＃ｊｉ器の詳細を示すブロック図である。 ５・・・電流検出器、　　　　　６・・・演算器７．８
・・・流量検出器、　　　９・・・電圧検出器ＩＯ・・
・差圧検出器、　　　　１１・・・制御器１２・・・供
給空気流量調節弁、１３・・・循環空気流量調節弁１４
・・・送風器差圧調節弁、　ａ・・・供給空気ｂ・・・
循環空気、２４・・・供給空気流量設定値２５・・・循
環空気流量設定値、２６・・・実供給空気流量２７、２
９．３４．３８・・・ＰＩ調節器２８・・・実循環空気
流量、 ３０・・・循環空気流量調節弁主開度信号３１・・・実
出力電圧、　　　　３２・・・電圧設定値３３・・・リ
ミッタ− ３５・・・循環空気流量！５６１節弁補正開度信号３６
・・・実送風器差圧、　　　３７・・・送風器差圧設定
値。 代理人　弁理士　　則　近　憲　佑 同　　王侯弘文 第１図 第２図　　　第３図

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 空気等の酸化剤を燃料電池のカソード極に供給する一方
    、このカソード極の排酸化剤の一部を前記カソード極の
    入口側に循環させる燃料電池発電装置において、燃料電
    池からの電気出力を検出する電気出力検出器と、この検
    出器の出力から前記カソード極に供給する供給酸化剤流
    量と、前記排酸化剤の一部を前記カソード極の入口側に
    循環させる循環酸化剤流量を演算する演算器と、実際に
    前記供給酸化剤流量を検出する流量検出器と、前記循環
    酸化剤流量を検出する流量検出器と、前記燃料電池から
    の出力電圧を検出する電圧検出器と、前記演算器から出
    力される前記供給酸化剤流量及び前記循環酸化剤流量の
    指令値と前記酸化剤流量検出器で検出した実供給酸化剤
    流量及び実循環酸化剤流量と前記電圧検出器で検出した
    実出力電圧を入力して前記供給酸化剤流量及び前記循環
    酸化剤流量を制御する制御器とを備え、自動的に電圧、
    利用率を制御し得ることを特徴とする燃料電池発電装置
    。
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