JPS63236269A - 燃料電池制御方法 - 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〕 本発明は、燃料電池を用いた発電システムの運転方法、
特に燃料電池の制御方法に関するものである。

（従来の技術） 燃料電池を用いた従来の発電システムにおいては、例え
ば炭化水素を改質して得た水素を燃料とする。−例とし
て、メタノールを水蒸気で改質すると、次の反応により
水素が得られる。

ＣＩ＋３０１１　＋　　ｔ１２０→　（：０２＋３１−
１２この炭酸ガスを含む水素と、空気とをりん酸型燃′
）ｔ−４ＴＬ池に送って発電する場合には、この燃料電
池のアノードおよびカソードのそれぞれにおいて次の反
応が起こる。

アノード　　１１２→　２１１”＋２ｅカソード　　ｌ
／２０２＋２ｅ＋２１１”　→Ｈ２０すなわち、アノー
ドにおいては水素の酸化反応が進み、カソードにおいて
は空気中の酸素の還元反応が進んで全体反応として水素
と酸素との電気化学的反応によって水が得られる。この
反応過程における化学エネルギー変化か電気エネルギー
に変換されて、外部へ電気出力として取り出される。

上述の反応で得られる電流は、ファラデーの法則により
、消費される水素および酸素の量に正比例する。

ここで、水素燃料を得るための原料をメタノールとした
場合のこの種発電システムの構成を第６図に示す。

第６図において、１はメタノールを改質して水素を得る
ための改質器である。この改質器１にはメタノールと水
が供給される。すなわち、メタノールは、メタノールタ
ンク２からメタノールポンプ３を通じて、水は水タンク
４から水ポンプ５を通じて、それぞれ改質装置１に供給
される。メタノールと水の供給モル比は、メタノール１
に対して水１．３〜２である。このように、水は理論的
に計算される反応量よりも多く供給されるので、改質反
応の結果書られる改質ガス中には水分が含よれる。

メタノールの改質反応は、一般に２５０℃程度の温度で
行なわれる。触媒としてはＺｎＯ系あるいはＣｕＯ系の
触媒を用い、この改質反応触媒を改質管ＩＡ内に充填し
ておき、メタノールと水の混合蒸気をかかる触媒中に通
すことにより改質反応が行われる。また、この改質反応
は吸熱反応であるので、メタノールと水の混合蒸気と触
媒とを加熱して行う。この加熱のための熱は改質器バー
ナ６に燃料を供給して、その燃料を改質器ファン７から
供給される空気中で燃焼させて得る。ここで、燃料は、
たとえば次の３通りの方法によって供給される。第１は
、メタノールタンク２のメタノールをメタノールポンプ
８を通じて供給する方法である。第２は、後述する燃料
電池スタック１０が排出するオフガスを供給する方法で
ある。

第３は、上述のメタノールとオフガスとを併用する方イ
去である。

改質器１に供給されたメタノールと水との混合流体は改
質器１内の改質管ＩＡ内で蒸発する。この改質管ＩＡ内
では、触媒の作用によって、水素と炭酸ガスを含む改質
ガスが生成される。この改質ガスは、燃料電池スタック
１０における燃料極（アノード）１１のｆｆｌ＋）に設
けられた燃料ガス室１２へ送られる。起電反応に関与し
なかった過剰の水素と炭酸ガスおよび水蒸気を含むオフ
ガスは燃料ガス室１２から排出され、改質器バーナ６へ
供給される。上述したようにこの燃焼熱は吸熱反応を促
進するための熱となる。

一方、燃料電池スタック１０における空気極（カソード
）１３の側の空気室１４にはファン１５がら空気が供給
され、反応に関与しなかった過剰の空気はスタック１０
の外へ排出される。

１６は燃料極１１と空気極１２との間の空所に充填した
電解質である。

燃料電池スタック１０は燃料極（アノード）１１と空気
極（カソード）１２の一対をもっている。しかし、一対
の電極をもつ単セルの出力電圧はたかだか１７弱であり
、かつ電極の単位面積あたりの出力は数百ｍＡ／ａｍ２
である。そこで、大面積の単セルを複数個直列に接続し
たスタックを、複数個用い、これらスタックの直列およ
び並列接続を任意所望に組み合わせることによって、大
出力を得ることができる。

このようなスタックの消費する水素および空気中の酸素
の理論量は、スタック内の単セル数ｎおよび出力電流Ｔ
に正比例する。

一般に燃料電池発電システムの運転においては、スタッ
クが理論的に消費する水素と酸素の量よりも過剰の水素
と酸素を供給して運転する。水素および酸素それぞれの
供給量に対するそれぞれの消費量の割合を利用率とよぶ
。燃料電池発電システムにおいては、水素利用率が７０
〜８０％酸素利用率（空気の供給消費の場合は空気利用
率ともよぶ）が５０〜６０％で運転されている。

上述のような発電システムにおいて、改質器１の温度、
水およびメタノールの供給量、スタック１０の温度、空
気の供給量が中央コントローラ１８によって制御される
。また、スタック１０からの出力電圧は中央コントロー
ラ１８め制御のもとで、出力コントローラ１７によって
制御されて、蓄電池１９に供給される。２０は蓄電池１
９より給電される負荷である。

なお、図中に破線で示す信号線は制御信号の授受を行な
う。

水素および酸素の利用率の制御は、スタック１０の出力
電流を設定し、その設定電流に比例して、改質原料であ
る水とメタノールを改質器１に供給することによって行
なう。

このような制御を行う場合、水およびメタノールがそれ
ぞわのポンプ５および３を通じて改質器１に供給されて
改質ガスとなり、そのガスかスタック１０に供給される
までの時間の遅れおよび改質反応温度が適切に制御され
ていないと改質反応が十分に進まない。そのため、上述
の時間の遅れを考慮して燃料電池発電システムの出力を
制御しなければならない。このような制御を行なわない
場合には、たとえば燃料電池起動時あるいは出力増加時
には、スタック１０において水素ガス欠となり、発電が
できなくなってしまう。

このような水素ガス欠は、オフガス中の水素ガス欠をを
引き起こし、そのために改質器バーナ６の失火に到る場
合もあり、改質器１が運転不能となる。

また、上述の水素ガス欠よりも程度の軽いガス欠の場合
は、スタック１０のガス欠には到らないまでもオフガス
欠乏に到る。そのために、改質器Ｉの温度が低下し、改
質ガス量が減少して、いずれは燃料電池発電システムの
運転停止に到ることになる。

さらに、出力低下時あるいは出力停止時には、改質ガス
量が過剰になり、このためにオフガス量が過剰になりて
改質器１の温度がオーバーすることがある。

以上のような欠点を克服するために、従来は燃料電池の
運転を次のような方法で制御していた。

第７図は燃料電池出力電流（ＦＣ電流）および改質ガス
供給量の各々の時間変化を示すタイムチャートである。

図中、５０はＦＣ電流の経時変化を示し、５１は改質ガ
ス供給量の経時変化を示す。Δｔは改質ガス供給量の変
更時点とＦＣ出力電力設定変更時点の制御遅れを示す。

Δｔは数分のオーダーである。

第７図に示すように、従来は、出力電流を増加させるに
あたって、出力電流を増加させるのに先立りて、まず、
改質器バーナー６の燃料であるメタノールを燃焼させる
。ついで、改質原料の水とメタノールを増加させ、遅れ
時間Δｔをとって出力電流を増加させる。出力電流を減
少させる場合には、増加させる場合とは逆に、まず出力
電流を減少させてから、改質器１の出力を下げるという
方法を採っていた。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、上述のような従来の燃料電池発電システ
ムの運転制御方法においては、改質器バーナで燃焼され
る燃料を過剰に必要とするので、エネルギーが無駄にな
るという欠点があった。しかもまた、過剰の燃料を燃焼
させるので、改質器が加熱して改質触媒を劣化させてし
まい、そのために、改質反応が正常に進まなくなるおそ
れがあるという欠点があった。

そこで、本発明の目的は、上述の欠点を除去し、効率良
く燃料電池発電システムを運転することのできる燃料電
池制御方法を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

かかる目的を達成するために、本発明は、改質された燃
料を供給される燃料電池スタックを有する燃料電池を制
御するにあたり、燃料電池スタックの出力電流を燃料の
供給量に追従させて変化さげることを特徴とする。

（作用） 本発明においては、燃料電池スタックに供給される燃料
量に追従して電流を出力することにより、安定した発電
出力が効率よく得られる。

（実施例） 以下、図面を参照して本発明の詳細な説明する。

第２図は燃料電池スタックの出力電圧Ｖと出力電流Ｉの
関係を表わすＩ−Ｖ曲線を示す。３０゜３１．３２は燃
料利用率かそれぞれ異なる１−Ｖ曲線を示す。これら曲
線のうちＩ−Ｖ曲線３２の場合に最も燃料利用率か高い
。３０Ａ、３ＩＡ、３２Ａは、最低電圧曲線３６とＩ　
−Ｖ曲線３０．３１．３２とのそれぞれの交点ｘ、ｙ、
ｚよりも高電圧である曲線部分を示す。これら曲線部分
は第３図に示される燃料利用率曲線のフラット部分で得
えられる。３０Ｂ、３１Ｂ。

３２Ｂは上述の交点ｘ、ｙ、ｚよりも低電圧である曲線
部分を示す。これらの曲線部分は、第３図の特性曲線３
３．３４．３５のフラット部分から電圧が急激に低下す
る部分に相当する。

第３図は燃料利用率特性を示す。ここで、３３．３４．
３５はそれぞれ異なる燃料供給量のときの、燃料利用率
とスタックの出力電圧との関係を示す。燃料利用率は燃
料の理論的消費量と供給量との比であり、１より小さい
値となる。燃料の理論的消費量は出力電流の電気士から
計算される。しかし、実際には、燃料内の未反応ガス成
分または電極構造に起因して、燃料が反応サイトすなわ
ちアノードへ拡散する力が低下する。そこで、燃料利用
率か７５％以下である場合にスタックからの安定した電
気出力を得るためには、燃料利用率が７５％以下のとき
は燃料の理論的消費量の１３倍以上を供給しなければな
らない。

以上かられかるように、第２図のＩ−Ｖ曲線および第３
図の燃料利用率曲線は、いずれも燃料供給量すなわち改
質ガス供給量によって変化するので、この特性を利用す
ることによって、燃料電池スタックの出力電流を改質ガ
ス供給量に追従させることかできる。すなわち、第２図
のＩ−Ｖ曲線３０よりも数Ｖ低い最低電圧曲線３６を設
け、運転中に燃料電池スタックの電圧が最低電圧曲線３
６よりも低下した場合は、燃料スタック電流を下げるこ
とによって最低電圧曲線３６以上の燃料電池スタック電
圧を保持する。逆に、改質ガス供給量が増加した場合は
燃料電池スタック電流が増加する。

そこで本発明では、燃料電池出力電流を、改質ガス供給
量に追従させて燃料電池スタックを１１□１」御する。

本発明制御方法を実施して運転を行なう燃料電池発電シ
ステムの実施例を第１図に示す。図中、第６図と同様の
個所には同一の符合を付す。第１図において、２１は燃
料電池の出力電圧を検出する電圧測定器、たとえは電圧
計であって、燃料極１１と空気極１３との間の電圧ｖｒ
ｃを検出する。その検出゛電圧を中央コントローラ１８
に供給する。

燃料電池の出力電流が改質ガス供給量に追従するように
制御するために、中央コントローラ１８は、燃料電池ス
タック１０と並列に接続された８Ｔｉ池１９から検出し
た充電量の残量により決められる外部指令に応じて、ポ
ンプ３および５、およびファン７を制御して、改質原料
投入二を制御する。この外部指令は、蓄電池１９の充電
量の残量が少ないときは、投入原料を増加し、充電量が
１００％に近いときは没入原料量を少なくするように制
御を行なう。

燃料電池出力電流は中央コントローラ１８により制御さ
れる出力コントローラ１７によって改質量に追従した値
に設定される。ここで、電圧測定？’５２１　、中央コ
ントローラ１８、出力コントローラ１７は閉ループを形
成し、電圧測定器２１で測定された燃料電池出力電圧Ｖ
ＦＣは、中央コントローラ１８にフィードバックされて
、出力コントローラ１７を制御する。

第４図は本発明における制御形態の一例を示すタイムチ
ャートを示す。ここで、燃料電池の出力電流４０を改質
ガス供給量４１に追従させる。第４図において、Δｔは
、改質器１に最初に改質原料が没入された後に燃料電池
スタックｌｏ内に燃料が入るまでの時間遅れである。

第５図は第４図のタイムチャートに沿った制御を実行す
るために中央コントローラ１８内に予め記憶しておく制
御手順の一例を示すフローチャートである。ここでは、
設定車流値を得るための出力コントローラ１７における
燃料電池出力電流ＦＣの増減がＩＡの場合を例にとって
説明する。

まず、ステップＳ１において、燃料電池出力電圧ＶＦＣ
が、予め設定した最低電圧ＶＤよりも犬であるか否かを
判定する。Ｖ　、、＜　Ｖ　、である場合は、ステップ
Ｓ２に進み、ここで、出力コントローラ１７は燃料電池
出力電流ＦＣをＩＡ減少させてから、再びステップＳｌ
へ進む。他方、ステップＳｌにおいて、ＶＦＣ≧Ｖｏで
ある場合には、ステップＳ３に進み、ここでｖｒｃが最
高出力電圧Ｖｐよりも小であるか否かを判定する。ｖｒ
ｃ≧Ｖｏである場合にはステップＳ４に進ん′で、出力
コントローラ１７はＦＣ電流をＩＡ増加させ、ついで、
再びステップＳ１へ戻る。ステップｓ３において、ｖｒ
ｃくＶＰである場合には、ステップＳ５に進み、ここで
、ＦＣ電流を増減することなしに保持し、その後、ステ
ップｓ１へ戻る。以上のような制御手順によって中央コ
ントローラ１８により出力コントローラ１７を制御し、
それによりＦＣ電流を制御することによって、ＶＰＣは
ＶＤとＶ、の間に入るように制御される。

ここで、■２および■。は、燃料利用率７０〜９０％程
度の範囲内で決める。すなわち、ＶＰは燃料利用率が７
０％に近い側であって発電効率によって決める。一方、
ｖｏは燃料利用率の高い側で決める。この高利用率の決
定にあたっては、燃料電池内での未反応改質ガスは改質
器バーナーの燃料として、つまり改質エネルギーとして
再利用されるので、少なくともそれに必要な量を理論的
消費量に加算した供給量から電圧ＶＰに対応する利用率
を決める。

なお、燃料電池スタック１０の出力は、供給される燃料
の組成などによっても大きく影響される。たとえば、改
質触媒の劣化が引き起こす、改質率の低下に起因する水
素供給量の低下があげられる。また、改質原料にメタノ
ールを用いる場合は、Ｈ２およびＣＯ２と共にｃｏも発
生し、これらが燃料電池において消費されないで戻って
くると、ＴＬ極触媒の被毒になるＣＯ含有二が多くなる
。しかし、本発明実施例では、燃料電池スタック１０に
供給される水素ガスに見合う分だけしか発電を行なわな
いように制御を行なっているので、燃料電池スタック１
０がガス欠になるということは起こらない。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明においては、燃料電池スタ
ックに供給される燃料に見合う分だけの電流を出力し、
また燃料利用率をたとえば７０〜９０％に設定して発電
を行っている。したがって、本発明によれは、過剰の燃
料を必要としないので、エネルギーが無駄にならず、し
かも余剰の燃料が改質器に戻って触媒温度を過熱するこ
ともないので触媒の寿命が長く、ひいては、発電効率の
向上にも寄与する効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を実施する燃料電池発電システムの実施
例を示すブロック図、 第２図は燃料電池スタックからの出力電流と出力電圧と
の関係を示す特性図、 第３図は燃料利用率特性を示す特性図、第４図は本発明
における燃料電池出力電流および改質ガス供給量の時間
変化を示すタイムチャート、 第５図は第４図示の制御形態を実行するための制御手順
の一例を示すフローチャート、第６図は従来の燃料電池
発電システムの構成例を示すブロック図、 第７図は従来の運転方法における燃料電池出力電流およ
び改質ガス供給量の時間変化を示すタイムチャートであ
る。 １・・・改質器、 ＩＡ・・・改質管、 ２・・・メタノールタンク、 ３・・・メタノールポンプ、 ４・・・水タンク、 ５・・・水ポンプ、 ６・・・改質器バーナ、 ７・・・改質器ファン、 ８・・・メタノールポンプ、 １０・・・燃料電池スタック、 １１・・・燃料極（アノード）、 １２・・・燃料ガス室、 １３・・・空気極（カソード）、 １４・・・空気室、 １５・・・ファン、 １６・・・電解質、 １７・・・出力コントローラ、 １８・・・中央コントローラ、 １９・・・蓄電池、 ２０・・・負荷、 ２１・・・電圧測定器。 丈然４環２スタックのｔカミ５Ｌと出力電ｈ−Ｑ才寺・
ト生ロ第２図 燃料庫り用４工特小生〔コ 第３図 、杢４ト明の隼り′ａｆ’升三懸を示すクイムチヤード
第４図 奎た明＋：’ｂ’アろ隼゛Ｊ荏ｐ＋１頃のフローチャー
ト第５図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）改質された燃料を供給される燃料電池スタックを有
   する燃料電池を制御するにあたり、前記燃料電池スタッ
   クの出力電流を前記燃料の供給量に追従させて変化させ
   ることを特徴とする燃料電池制御方法。 ２）特許請求の範囲第１項記載の方法において、前記燃
   料電池スタックの出力電圧が、予め設定された燃料電池
   スタックの最低電圧以下にならないように制御すること
   を特徴とする燃料電池制御方法。 ３）特許請求の範囲第１項または第２項に記載の方法に
   おいて、前記燃料電池スタックの燃料利用率を７０〜９
   ０％に保持することを特徴とする燃料電池制御方法。 ４）特許請求の範囲第１項ないし第３項のいずれかの項
   に記載の燃料電池制御方法において、前記燃料電池と並
   列接続されるバックアップ電池の充電量に応じて、前記
   燃料電池スタックへの燃料の供給量を設定することを特
   徴とする燃料電池制御方法。