JP2819819B2 - 燃料電池の異常検出装置 - Google Patents

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異常検出装置に関するもので、
特に燃料ガス不足による燃料電池の保護に関する。

〔従来の技術〕

燃料電池にとって燃料ガスの供給量が不足すること
は、燃料電池の電極に損傷を引き起こす可能性が極めて
高いため、燃料ガスの供給量の安定化は燃料電池の運転
保護における最優先事項と位置づけなければならない。

特にリン酸型燃料電池においては燃料ガスの欠乏は致
命的であるため、なおさらである。

燃料ガスの欠乏は燃料電池に対する負荷の急激な上昇
や、改質器の改質効率低下による原燃料ガスから水素ガ
スへの転化率の低下、ガス流量計の誤動作等によって引
き起こされる。

従来、燃料ガスの欠乏による燃料電池の損傷を防止す
る方法として、特開平１−286259号公報に示されたよう
に、燃料ガスの供給流量を流量計で測定し、供給燃料ガ
スの流量が設定値以下になった場合、燃料電池の運転を
停止させる方法がとられていた。

また別の方法では、特開平１−194270号公報に示され
ているように、燃料電池の燃料ガスの入口と出口での水
素濃度をそれぞれ測定し、演算によって燃料ガスの欠乏
を検出する方法がとられていた。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来の燃料電池の異常検出装置は以上のように構成さ
れている。しかし前者の方法による場合、燃料電池へ供
給する燃料ガスが高温かつ高水蒸気分圧であるため、燃
料ガスの流量を精度良く測定する手段がなく、高い信頼
性を得られないという問題があった。

また、後者の方法による場合にも、実用化されている
水素濃度計が隔膜式水素濃度計では30秒以上の応答遅れ
をもつため、異常が発生して燃料ガスの欠乏が検出され
るまでに電極が損傷してしうという問題があった。

応答時間の問題については、例えばTCD式水素濃度計
を用いることによって瞬時の応答を得られるが、改質器
の改質効率変化によって燃料ガスのガス組成が変化する
場合には、定流量を制御するマスフローコントローラー
の信頼性が損なわれるという本質的な欠点を有してい
る。

その他、電気化学的電位測定によって計測するもの
で、隔膜式水素濃度計より応答速度の早いものがある
が、この場合でも改質器からの燃料ガス中に必然的に含
まれる一酸化炭素によって、検出精度が得られなくなる
という致命的な問題がある。

以上に説明した通り、従来の燃料電池で行われていた
ように水素濃度計を用いて、燃料電池に供給される燃料
ガスの欠乏を検知し、電極の損傷を防止する方法は確実
さに欠けるというという問題があった。

以上に述べた問題点の他に、燃料電池の燃料排出ガス
の圧力が低下した場合、原燃料ガスに改質反応を行わせ
て燃料ガスにする改質器では、改質反応に要する反応エ
ネルギーを燃料排出ガスの燃焼エネルギーによっている
ため、改質器内温度の低下と不均一化、ひいては改質触
媒温度の低下を生じ、結果として原燃料ガスの水素ガス
への転化率に低下をきたし、燃料ガスの水素ガス利用率
が上昇し、燃料電池の燃料ガス欠乏を引き起こすという
問題もある。

本発明の目的は、燃料電池運転中の燃料ガスの欠乏を
的確に検知し、状況に応じて警報を発し、電極に損傷を
きたす恐れが生じた場合は速やかに燃料電池の運転を停
止することのできる燃料電池の異常検出装置を得ること
にある。

〔課題を解決するための手段〕

この発明に係わる燃料電池の異常検出装置は、運転中
に燃料電池の燃料ガス供給部におけるガス圧力と、燃料
排出ガスの排出部におけるガス圧力との差圧、すなわち
燃料電池内での燃料ガスの圧力損失を監視し、この圧力
損失が燃料電池の負荷に対応する予め定められた設定値
を下まわった場合に異常状態と判断するものである。

〔作用〕

この発明における燃料電池の異常検出装置は、燃料電
池に供給される燃料ガスが電気的還元反応をして燃料排
出ガスになって排出されるまでの間に生じる圧力損失の
値によって燃料ガスの充足状況を判断するものである。

〔発明の実施例〕

以下この発明を適用した燃料電池における異常検出装
置の動作原理について詳しく説明する。

燃料電池内部の燃料ガス流路の形状は、運転状態によ
らず常に一定である。このため、設定された燃料ガスの
水素ガス利用率や負荷レベルによって、燃料ガスが燃料
電池に供給されて電気的還元反応し燃料排出ガスとなっ
て排出されるまでの間に生じる圧力損失の値は再現性を
有することになる。このことは多数の運転実績データに
よって確かめられている。

例えば、第２図は負荷レベルを変化させながら水素ガ
ス利用率が常に一定になるように供給する燃料ガスの流
量を調整した実験における負荷レベルと圧力損失値の関
係を示す特性図であり、負荷レベルと圧力損失の関係に
ほぼ直線性のあることが明かである。

また、第３図は負荷レベルを一定に保ちながら供給す
る燃料ガスの流量を調整して水素ガス利用率を変える実
験での圧力損失と水素ガス利用率の関係を示す特性図で
あり、一般に運用されている水素ガス利用率の近傍で
は、圧力損失と水素ガス利用率の関係に直線性のあるこ
とが明かである。

この発明のキーポイントは、これらの関係を利用する
ことによって、燃料ガスの欠乏状態が生じる場合の燃料
ガスの圧力損失が、各々の負荷レベルに応じて演算によ
って求められることを発見したことにある。

燃料ガスの圧力損失は水素ガス利用率の急激な上昇に
すばやく反応するので、上述した負荷レベルに対応する
演算結果を燃料電池の燃料ガス欠乏警報発生の設定値や
運転停止の条件として利用すれば、電極の損傷を確実に
保護することができる。

ここまでは、主として負荷レベルによる燃料ガスの欠
乏状態発生について述べたが、次に改質器の改質反応の
変化にともなう燃料ガスの欠乏状態発生について述べ
る。

一般にアルカリ型燃料電池やリン酸型燃料電池の場
合、原燃料を改質器によって改質た改質ガス成分のう
ち、反応に関与するのは水素ガスのみである。

改質器での改質効率が低下すると、同じ原燃料の投入
量に対して水素ガスの生成量が減少し、改質されないま
まの原燃料ガスの成分がそのまま燃料電池に供給される
ことになる。

原燃料にメタノールあるいはメタン等を用いた場合の
改質器における反応を以下に示す。

メタノール:CH₃OH＋H₂O＝3H₂＋CO₂ メタン :CH₄＋2H₂O＝4H₂＋CO₂ 改質器での改質効率が低下すると、燃料電池本体に供
給される燃料ガス中の未反応の原燃料成分が増加し、燃
料ガス量は減少する。上記の反応式から分かるように、
燃料ガス中の水素ガス成分は、燃料ガス中の原燃料成分
が増加する割合の３〜４倍の割合で減少することにな
る。このため、燃料電池での水素ガス利用率は著しく大
きくなる。これは、燃料電池での水素消費量は設定され
た負荷により一定の値であり、燃料ガス中の水素ガス成
分が減少すると、その結果として水素ガス利用率が上昇
するのである。このため、燃料排出ガス量が減少し燃料
電池内部での燃料ガスの圧力損失が減少する。

なお、メタノールガスやメタンガスの動粘度は水素に
比べて非常に小さいため、燃料ガス中の原燃料ガス成分
の増加と水素ガス成分の減少が燃料電池内での圧力損失
を減少させることに寄与する。

このような理由から、燃料電池内の圧力損失を監視す
ることにより改質器の改質効率の低下を極めて精度良く
感知することが出来る。すなわち、電池負荷が急激に上
昇したために生じる燃料ガス欠乏状態以外での、燃料電
池内での燃料ガスの緩やかな圧力損失減少をもって改質
効率低下が発生したものと判断することができる。

特に燃料電池発電システムでは、外部の電力系統が負
荷に対して並列に接続されている場合が多く、燃料電池
の急激な負荷変動は少なく、一定の負荷を定常的にとる
場合が多いため、改質器異常がなければ圧力損失の変化
はほとんど無いため、上述したように、改質効率低下に
対する異常検出を精度よく行うことが出来る。

次に、燃料排出ガス圧力と改質器の触媒温度の関係に
ついて述べる。

燃料電池の燃料排出ガスの圧力が低下した場合の改質
器の触媒温度の変化の例を第４図に示す。この図から分
かるように、燃料排出ガスの圧力が低下すると、あると
ころから触媒の温度が急激に低下することが分かる。触
媒温度の低下は改質効率低下を引き起こすため、燃料排
出ガスの圧力を一定値以上に保つことが、改質器を正常
に動作させることの条件として重要なものであることが
分かる。ただし、改質器の触媒温度が低下する速度は燃
料排出ガスの圧力低下より遅れるため、燃料排出ガスの
圧力低下を回復させるための操作を行える場合も多く、
この異常検出結果は警報に用いる程度が望ましいと考え
られる。

以下、この発明の具体的な構成例を図を用いて説明す
る。第１図はこの発明における一実施例の燃料電池の異
常検出装置を示す系統図である。

第１図において、１は図示しない反応ガス即ち、燃料
ガスおよび空気が供給される燃料極1aおよび空気極1bな
どで構成された燃料電池、２は原燃料ガスを改質して水
素を主成分とする燃料ガスを生成する改質器、３は空気
送気用のブロアー、４、５はそれぞれ燃料ガス、空気の
供給配管、６は燃料電池で燃料ガス中の水素ガスを消費
した排出ガスを改質器２に供給する燃料排出ガス配管、
７は燃料極における燃料ガスの入口と出口での圧力差を
監視する燃料ガス差圧発信器、８は空気極における空気
の入口と出口での圧力差を監視する空気差圧発信器、11
は燃料ガス差圧発信器７、空気差圧発信器８および負荷
検出器12の信号を入力して演算し燃料ガスの燃料電池内
での圧力損失が負荷に対応する設定値以下になった場合
に異常と判断して信号を出力する演算制御器、13は演算
制御器11より出力される信号により燃料電池の運転を制
御する緊急停止装置あるいは警報発信装置である。

次に動作について説明する。

燃料電池１に反応ガスとして空気ブロアー３より空気
が、改質器２より燃料ガスが各々供給され、電池の燃料
排出ガスは改質器での熱源として改質器に供給されてい
る。

演算制御器11には予め、先に説明した第２図に示され
るような各負荷レベルにおける圧力損失の関係、および
第３図に示されるような水素ガス利用率と圧力損失の関
係を設定しておく。

演算制御器11では常時、負荷検出器12からの負荷レベ
ル信号と、燃料ガス差圧発信器７からの燃料圧力損失信
号、空気差圧発信器８からの空気圧力損失信号を取り込
み、それらが予め設定された関係に基づいて異常かどう
かを判断する。

燃料電池単独で負荷に給電する場合は、負荷が急激に
変動する可能性があるので、検知された負荷レベルに対
応する計算圧力損失に対して、電池緊急停止の条件とし
て例えば−20％を設定すればよい。

また、外部の電力系統が負荷に対して並列に接続され
ている場合には、例えば−５％程度で異常警報、−10％
で緊急停止するように設定すればよい。

なお溶融炭酸塩型燃料電池の場合には、カソードガス
として空気と炭酸ガスとの混合ガスが供給されるため、
流量計の検出値に精度が得られないことや、空気の欠乏
による燃料電池損傷の危険性があるため、空気の圧力損
失監視が特に重要であり、またこの圧力損失監視を異常
検出に利用することが有利に作用する。

これに対して、リン酸型燃料電池では、カソードガス
は空気だけであり、また空気欠乏が短時間であれば電池
の損傷につながることがないため、空気の圧力損失監視
は、もっぱら空気流量計の故障あるいは誤動作に対する
バックアップ的な役割と位置づければよい。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明によれば 運転中の燃料電池への反応ガス入口と出口の圧力差を
監視し、この圧力差が燃料電池の負荷に対応する設定値
以下になったことに基づいて異常を検出するようにした
ので、運転中の反応ガスの欠乏を瞬時に検知し、電極に
損傷を来さず速やかに警報を発し、また運転を停止する
ことができるので、燃料電池を安全に運転できるという
効果がある。

【図面の簡単な説明】 第１図はこの発明による燃料電池の異常検出装置の一実
施例を示す系統図、第２図は各負荷レベルにおける圧力
損失の関係を示す特性図、第３図は水素ガス利用率を圧
力損失の関係を示す特性図、第４図は各負荷レベルにお
ける、負荷レベルと燃料出口圧力の関係を示す特性図で
ある。 図において、１は燃料電池、７は燃料ガス差圧発信器、
８は空気差圧発信器、９は燃料出口圧力発信器、10は空
気出口圧力発信器、12は負荷検出器、11、14は演算制御
器である。 尚、図中、同一符号は同一、又は相当部分を示す。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】燃料電池に供給される反応ガスを監視し、
   上記燃料電池の異常を検出する燃料電池の異常検出装置
   において、運転中の上記燃料電池への反応ガス入口と出
   口で上記反応ガスの圧力差を監視し、この圧力差が上記
   燃料電池の負荷に対応する設定値以下になったとき燃料
   電池の異常と判断するようにしたことを特徴とする燃料
   電池の異常検出装置。