(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素を含むカソードガスの供給を受けるカソードと水素を含むアノードガスの供給を受けるアノードとからなる燃料電池と、この燃料電池を加圧して格納する格納容器と、前記カソードにカソードガスを供給し電池反応したカソード排ガスを送出しカソード入側に第１遮断弁を有しカソード出側に第２遮断弁を有するカソードラインと、このカソードラインより前記第１遮断弁上流より分岐し第３遮断弁を介して前記第２遮断弁下流で合流するカソードバイパスラインと、第４遮断弁を介して前記第１遮断弁と前記カソード入側との間のカソードラインに合流する性能維持ガスラインと、前記カソード出側と前記第２遮断弁との間のカソードラインから分岐し第５遮断弁を介して性能維持ガスを排出する排ガスラインと、を備えた燃料電池発電装置において、前記カソードラインの出側と前記排ガスラインの分岐点との間に設けられ前記格納容器内圧と前記カソードの圧力との差圧を制御する差圧調節弁を備えたことを特徴とする格納容器と燃料電池の差圧制御装置。
【請求項２】
酸素を含むカソードガスの供給を受けるカソードと水素を含むアノードガスの供給を受けるアノードとからなる燃料電池と、この燃料電池を加圧して格納する格納容器と、前記アノードにアノードガスを供給し電池反応したアノード排ガスを送出しアノード入側に第１遮断弁を有しアノード出側に第２遮断弁を有するアノードラインと、このアノードラインより前記第１遮断弁上流より分岐し第３遮断弁を介して前記第２遮断弁下流で合流するアノードバイパスラインと、第４遮断弁を介して前記第１遮断弁と前記アノード入側との間のアノードラインに合流する性能維持ガスラインと、前記アノード出側と前記第２遮断弁との間のアノードラインから分岐し第５遮断弁を介して性能維持ガスを排出する排ガスラインと、を備えた燃料電池発電装置において、前記アノードラインの出側と前記排ガスラインの分岐点との間に設けられ前記格納容器内圧と前記アノードの圧力との差圧を制御する差圧調節弁を備えたことを特徴とする格納容器と燃料電池の差圧制御装置。
【請求項３】
前記第５遮断弁の下流には圧力調節装置が設けられていることを特徴とする請求項１または２記載の格納容器と燃料電池の差圧制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池の圧力とこの燃料電池を格納する格納容器の内圧との差圧を制御する制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
溶融炭酸塩型燃料電池はアノードとカソードとからなり、格納容器に格納されている。格納容器の圧力は燃料電池の圧力よりやや高めに設定され、この差圧を一定値以内に保つよう制御されている。燃料電池には発電を行う発電モードと発電は行わず電池としての性能を維持する性能維持モードがあり、いずれの場合も差圧を維持することが必要となる。
【０００３】
図３は従来の差圧制御装置を示す配管図である。燃料電池１はアノードとカソードからなりそれぞれに対して本図に示す配管が設けられている。燃料電池１は格納容器２に格納されている。反応ガスライン３は燃料電池１に反応ガス（カソードガスまたはアノードガス）を供給し反応排ガスを送出する。電池入側に第１遮断弁７を有し出側に第２遮断弁８を有する。反応ガスライン３には反応ガスバイパスライン４が第１遮断弁７の入側から分岐し第２遮断弁８の出側で合流する。反応ガスバイパスライン４には第３遮断弁９が設けられている。
【０００４】
第４遮断弁１０を有する性能維持ガスライン５が第１遮断弁７と燃料電池１入側の間で反応ガスライン３に接続されている。燃料電池１出側と第２遮断弁８との間の反応ガスライン３には性能維持ガスを排出する排ガスライン６が接続されており、第５遮断弁１１を有している。反応ガスバイパスライン４の合流点下流側の反応ガスライン３に第１差圧調節弁１５が設けられ、電池出口の圧力と格納容器２の差圧を検出し所定値となるよう反応ガスライン３のガス流量を調節する。排ガスライン６には第５遮断弁１１の入側に第２差圧調節弁１６が設けられ、電池出口の圧力と格納容器２の差圧を検出し所定値となるよう排ガスライン６のガス流量を調節する。
【０００５】
かかる構成により、発電モードでは第１および第２遮断弁７，８を開とし第３〜第５遮断弁９，１０，１１を閉とし第１差圧調節弁１５で燃料電池１と格納容器２の差圧を制御する。また、性能維持モードでは第１および第２遮断弁７，８を閉とし第３〜第５遮断弁９，１０，１１を開とし第２差圧調節弁１６で燃料電池１と格納容器２の差圧を制御する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このように差圧調節弁が２つありモードごとに別々の差圧調節弁が使われているので、モード切り替え時に制御が不安定になることがあった。またいずれの差圧調節弁も電池出口に設けられ、この位置でのガス温度は６５０℃前後の高温となり、これらの差圧調節弁は高温用の特別仕様となるためコストアップの要因となっていた。
【０００７】
本発明は、上述の問題点に鑑みてなされたもので、差圧調節弁の数を少なくし、モード切り替え時の制御の安定とコストアップを低減することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１の発明では、酸素を含むカソードガスの供給を受けるカソードと水素を含むアノードガスの供給を受けるアノードとからなる燃料電池と、この燃料電池を加圧して格納する格納容器と、前記カソードにカソードガスを供給し電池反応したカソード排ガスを送出しカソード入側に第１遮断弁を有しカソード出側に第２遮断弁を有するカソードラインと、このカソードラインより前記第１遮断弁上流より分岐し第３遮断弁を介して前記第２遮断弁下流で合流するカソードバイパスラインと、第４遮断弁を介して前記第１遮断弁と前記カソード入側との間のカソードラインに合流する性能維持ガスラインと、前記カソード出側と前記第２遮断弁との間のカソードラインから分岐し第５遮断弁を介して性能維持ガスを排出する排ガスラインと、を備えた燃料電池発電装置において、前記カソードラインの出側と前記排ガスラインの分岐点との間に設けられ前記格納容器内圧と前記カソードの圧力との差圧を制御する差圧調節弁を備える。
【０００９】
請求項１の発明ではカソードと格納容器との差圧を制御する。差圧調節弁は１個で、カソード出口と排ガスライン分岐点の間に設けられている。発電モードでは第１および第２遮断弁を開とし、第３〜第５遮断弁を閉とする。また性能維持モードでは第１および第２遮断弁を閉とし、第３〜第５遮断弁を開とする。モードを切り替えても同一の差圧調節弁を用いているので制御は安定する。
【００１０】
請求項２の発明では、酸素を含むカソードガスの供給を受けるカソードと水素を含むアノードガスの供給を受けるアノードとからなる燃料電池と、この燃料電池を加圧して格納する格納容器と、前記アノードにアノードガスを供給し電池反応したアノード排ガスを送出しアノード入側に第１遮断弁を有しアノード出側に第２遮断弁を有するアノードラインと、このアノードラインより前記第１遮断弁上流より分岐し第３遮断弁を介して前記第２遮断弁下流で合流するアノードバイパスラインと、第４遮断弁を介して前記第１遮断弁と前記アノード入側との間のアノードラインに合流する性能維持ガスラインと、前記アノード出側と前記第２遮断弁との間のアノードラインから分岐し第５遮断弁を介して性能維持ガスを排出する排ガスラインと、を備えた燃料電池発電装置において、前記アノードラインの出側と前記排ガスラインの分岐点との間に設けられ前記格納容器内圧と前記アノードの圧力との差圧を制御する差圧調節弁を備える。
【００１１】
請求項２の発明ではアノードと格納容器との差圧を制御する。差圧調節弁は１個で、アノード出口と排ガスライン分岐点の間に設けられている。発電モードでは第１および第２遮断弁を開とし、第３〜第５遮断弁を閉とする。また性能維持モードでは第１および第２遮断弁を閉とし、第３〜第５遮断弁を開とする。モードを切り替えても同一の差圧調節弁を用いているので制御は安定する。
【００１２】
請求項３の発明では、前記第５遮断弁の下流には圧力調節装置が設けられている。
【００１３】
カソードガスやアノードガスに比べ性能維持ガスの流量は少ないので、発電モードより性能維持モードに切り替えたとき差圧制御の安定性が低下する場合があるので、排ガスラインに圧力調節装置を設け安定性を維持する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は第１実施の形態を示すカソードと格納容器の差圧制御装置の配管図である。各符号に付されたｃはカソードに関することを表す。燃料電池１はカソードとアノードより構成されており、格納容器２は加圧した状態で燃料電池１を格納する。一例として、格納容器２の内圧は５ａｔａ程度であり、燃料電池１はこれより数１０ｍｍＨ２  Ｏ低い圧力を保持するように制御される。燃料電池１はカソードとアノードからなり両者の圧力の差は少ないので、燃料電池１の圧力としてカソードまたはアノードの圧力を考える。
【００１５】
カソードライン３ｃは燃料電池１にカソードガスを供給しカソード排ガスを送出する。電池入側に第１遮断弁７ｃを有し出側に第２遮断弁８ｃを有する。カソードライン３ｃにはカソードバイパスライン４ｃが第１遮断弁７ｃの入側から分岐し第２遮断弁８ｃの出側で合流する。カソードバイパスライン４ｃには第３遮断弁９ｃが設けられている。
【００１６】
第４遮断弁１０ｃを有する性能維持ガスライン５ｃが第１遮断弁７ｃと燃料電池１入側の間でカソードライン３ｃに接続されている。性能維持ガスライン５ｃはパージを行うときにパージガスを流し、発電しないとき電池性能を維持するための性能維持ガスを流すラインで、パージガス、性能維持ガスは窒素ガスなどである。燃料電池１出側と第２遮断弁８ｃとの間のカソードライン３ｃには性能維持ガスを排出する排ガスライン６ｃが接続されており、第５遮断弁１１ｃを有している。
【００１７】
カソードライン３ｃの電池出口と排ガスライン６ｃの分岐点の間に差圧調節弁１４ｃが設けられ、電池出口の圧力と格納容器２の差圧を検出し所定値となるようカソードライン３ｃのガス流量を調節する。なお、カソードバイパスライン４ｃの合流点下流のカソードライン３ｃに設けられている圧力制御装置１２ｃにより、第２遮断弁８ｃの下流側の圧力を同弁上流側の圧力に等しくすることで、第２遮断弁８ｃを開とするときの差圧制御への影響を少なくするようにしている。また、カソードガスとパージガスあるいは性能維持ガスの流量の差違によって、性能維持モードにおいて差圧調節弁１４ｃにて差圧制御の安定性が確保できない場合は、第５遮断弁１１ｃの下流に圧力調整装置１３ｃを設けることで対応する。圧力制御装置１２ｃは既設の圧力調節弁，圧力調節装置１３ｃはオリフィス，低温仕様のニードル弁などの圧力損失の発生する機器が用いられる。
【００１８】
次に差圧調節弁１４ｃの動作について説明する。性能維持モードより発電モードへの切り替え時では、第１，第２遮断弁７ｃ，８ｃが閉、第３〜第５遮断弁９ｃ，１０ｃ，１１ｃが開となっており、差圧調節弁１４ｃには性能維持ガスが流れ差圧を調節している。まず第１，第２遮断弁７ｃ，８ｃを開とし、カソードガスの一部をカソードに導入する。これにより差圧調節弁１４ｃには性能維持ガスとカソードガスが流れ、流量が増加するので差圧調節弁１４ｃの開度を大きくし差圧の増大を抑える制御がなされる。次に第３〜第５遮断弁９ｃ，１０ｃ，１１ｃを閉とし、カソードガスを全量カソードに導入し、性能維持ガスの供給を停止する。この時、流量は多少変化するが、差圧調節弁１４ｃの制御により差圧を所定値以内に抑えることができる。
【００１９】
発電モードより性能維持モードへ切り替える時は、第１，第２遮断弁７ｃ，８ｃが開、第３〜第５遮断弁９ｃ，１０ｃ，１１ｃが閉となっており、差圧調節弁１４ｃにはカソードガスが流れ差圧を調節している。まず第３〜第５遮断弁９ｃ，１０ｃ，１１ｃを開とし、性能維持ガスの一部をカソードに導入する。これにより差圧調節弁１４ｃにはカソードガスと性能維持ガスとが流れ、流量が増加するので差圧調節弁１４ｃの開度を大きくし差圧の増大を抑える制御がなされる。次に第１，第２遮断弁７ｃ，８ｃを閉とし、性能維持ガスを全量カソードに導入し、カソードガスの供給を停止する。この時、流量は多少変化するが、差圧調節弁１４ｃの制御により差圧を所定値以内に抑えることができる。
【００２０】
以上のように発電モードと性能維持モードの切り替えが行われても、差圧調整装置１４ｃは１つなので、切り替え時の差圧調整はスムーズに行われる。また、高温仕様の差圧調節弁は１個でよいので、コスト低減となる。
【００２１】
図２は第２実施の形態を示すアノードと格納容器の差圧制御装置の配管図である。図２はアノードとカソードが異なる外は図１と同じである。各符号に付されたａはアノードに関することを表す。燃料電池１はカソードとアノードより構成されており、格納容器２は加圧した状態で燃料電池１を格納する。アノードライン３ａは燃料電池１にアノードガスを供給しアノード排ガスを送出する。電池入側に第１遮断弁７ａを有し出側に第２遮断弁８ａを有する。アノードライン３ａにはアノードバイパスライン４ａが第１遮断弁７ａの入側から分岐し第２遮断弁８ａの出側で合流する。アノードバイパスライン４ａには第３遮断弁９ａが設けられている。
【００２２】
第４遮断弁１０ａを有する性能維持ガスライン５ａが第１遮断弁７ａと燃料電池１入側の間でアノードライン３ａに接続されている。性能維持ガスライン５ａはパージを行うときにパージガスを流し、発電しないとき電池性能を維持するための性能維持ガスを流すラインで、パージガス、性能維持ガスは窒素ガスなどである。燃料電池１出側と第２遮断弁８ａとの間のアノードライン３ａには性能維持ガスを排出する排ガスライン６ａが接続されており、第５遮断弁１１ａを有している。
【００２３】
アノードライン３ａの電池出口と排ガスライン６ａの分岐点の間に差圧調節弁１４ａが設けられ、電池出口の圧力と格納容器２の差圧を検出し所定値となるようアノードライン３ａのガス流量を調節する。なお、アノードバイパスライン４ａの合流点下流のアノードライン３ａに設けられている圧力制御装置１２ａにより、第２遮断弁８ａの下流側の圧力を同弁上流側の圧力に等しくすることで、第２遮断弁８ａを開とする時の差圧制御への影響を少なくするようにしている。また、アノードガスとパージガスあるいは性能維持ガスの流量の差違によって、性能維持モードにおいて差圧調節弁１４ａにて差圧制御の安定性が確保できない場合は、第５遮断弁１１ａの下流に圧力調節装置１３ａを設けることで対応する。圧力制御装置１２ａは既設の圧力調節弁，圧力調節装置１３ａはオリフィス，低温仕様のニードル弁などの圧力損失の発生する機器が用いられる。なお、発電モードと性能維持モードとの切り替え時の差圧調節弁１４ａの動作は図１で説明した第１実施の形態の場合と同じである。
【００２４】
【発明の効果】
以上の説明より明らかなように、本発明は、差圧調節弁をカソードおよびアノードの出口にそれぞれ１個設けることにより、発電モードと性能維持モードの切り替え時に差圧制御の安定性がよい。また高温仕様の差圧調節弁をカソードおよびアノードの出口にそれぞれ１個設ければよいので、従来のように２個づつ設ける場合に比べコスト低減となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施の形態を示すカソードと格納容器の差圧制御装置の配管図である。
【図２】本発明の第２実施の形態を示すアノードと格納容器の差圧制御装置の配管図である。
【図３】従来の燃料電池と格納容器の差圧制御装置の配管図である。
【符号の説明】
１  燃料電池
２  格納容器
３ｃ  カソードライン
３ａ  アノードライン
４ｃ  カソードバイパスライン
４ａ  アノードバイパスライン
５ｃ，５ａ  性能維持ガスライン
６ｃ，６ａ  排ガスライン
７ｃ，７ａ  第１遮断弁
８ｃ，８ａ  第２遮断弁
９ｃ，９ａ  第３遮断弁
１０ｃ，１０ａ  第４遮断弁
１１ｃ，１１ａ  第５遮断弁
１２ｃ，１２ａ  圧力制御装置
１３ｃ，１３ａ  圧力調節装置
１４ｃ，１４ａ  差圧調節弁
【図１】
0003567447.tif 000002
【図２】
0003567447.tif 000003
【図３】
0003567447.tif 000004