JP2005063909A - Fuel cell system - Google Patents

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英嗣 伊豆原
Tomonori Imamura
朋範 今村
Toshiyuki Kawai
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To enable the degree of cross leakage of cells to be determined in a short time. <P>SOLUTION: In a normal cell with no cross leakage, whether or not there is a differential pressure between fuel gas and oxidation gas, an open circuit voltage is generally constant. In a defective cell with much cross leakage, when there is a differential pressure, the open circuit voltage drops. Thus, on the basis of the open circuit voltage every cell in a state that a predetermined differential pressure is produced between the fuel gas and the oxidation gas, the degree of cross for leakage every cell is determined. As a result, because it is not necessary to purge hydrogen and oxygen in a fuel cell 10 as in the conventional example, the degree of cross leakage can be determined in a short time. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、水素と酸素との化学反応により電気エネルギーを発生させる燃料電池を備える燃料電池システムに関するもので、車両、船舶及びポータブル発電器等の移動体に適用して有効である。   The present invention relates to a fuel cell system including a fuel cell that generates electric energy by a chemical reaction between hydrogen and oxygen, and is effective when applied to a moving body such as a vehicle, a ship, and a portable generator.

従来、水素と酸素（空気）との電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムが知られている。例えば車両用等の駆動源として考えられている固体高分子型燃料電池では、セル一枚当たりの電圧が１Ｖ前後のため、セルを積層させてスタックとして使用される。スタックとして使用される燃料電池では、セルが直列につながれている為、一枚のセルに故障が生じると燃料電池自体の発電が停止するという問題があり、セルが故障を起こす前に交換するか、故障セル部分を電気的にバイパスする必要がある。   2. Description of the Related Art Conventionally, a fuel cell system including a fuel cell that generates power using an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen (air) is known. For example, in a polymer electrolyte fuel cell that is considered as a driving source for vehicles and the like, the voltage per cell is around 1 V, so that the cells are stacked and used as a stack. In a fuel cell used as a stack, the cells are connected in series.Therefore, there is a problem that if one cell fails, the power generation of the fuel cell itself stops. It is necessary to electrically bypass the failed cell portion.

セルの故障を診断する手法としてクロスリーク法があり、一定濃度の燃料ガスと酸化ガスを流し、その流量とセルの電圧変化の経時変化よりクロスリーク量を検出するシステムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開平９―２７３３６号公報 There is a cross leak method as a method for diagnosing a cell failure, and a system has been proposed in which a constant concentration of fuel gas and oxidant gas is supplied and the amount of cross leak is detected from the change over time in the flow rate and cell voltage change (for example, , See Patent Document 1).
JP-A-9-27336

しかしながら、上記システムでは、クロスリークの診断に長い時間がかかるという問題がある。具体的には、一定濃度の燃料ガスと酸化ガスを流す前に、燃料電池内の水素や酸素をパージする必要があり、パージのための時間が必要がある。また、流量を変化させつつセルの電圧変化を測定するため、計測に要する時間が長くなってしまう。   However, the above system has a problem that it takes a long time to diagnose a cross leak. Specifically, it is necessary to purge hydrogen and oxygen in the fuel cell before flowing the fuel gas and the oxidizing gas at a constant concentration, and a time for purging is required. In addition, since the voltage change of the cell is measured while changing the flow rate, the time required for the measurement becomes long.

本発明は上記点に鑑みて、クロスリークの度合を短時間で判定可能にすることを目的とする。   An object of the present invention is to make it possible to determine the degree of cross leak in a short time.

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、燃料ガス中の水素と酸化ガス中の酸素とを多数のセルにて電気化学反応させて発電を行う固体高分子電解質型の燃料電池（１０）を備える燃料電池システムであって、前記燃料ガスと前記酸化ガスとに所定差圧（ΔＰ１）を生じさせる差圧設定手段（３２）と、前記セル毎の開回路電圧を検出する電圧検出手段（１７）と、前記所定差圧を生じさせた状態での前記セル毎の開回路電圧に基づいて、前記セル毎のクロスリークの度合を判定して劣化したセルを特定する判定手段（５０）とを備えることを特徴とする。   In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, a solid polymer electrolyte fuel cell that generates electricity by electrochemically reacting hydrogen in fuel gas and oxygen in oxidizing gas in a number of cells. (10) A differential pressure setting means (32) for generating a predetermined differential pressure (ΔP1) between the fuel gas and the oxidizing gas, and a voltage for detecting an open circuit voltage for each cell. Detection means (17) and determination means for determining a deteriorated cell by determining the degree of cross leak for each cell based on the open circuit voltage for each cell in a state where the predetermined differential pressure is generated ( 50).

ところで、クロスリークがない正常なセルにおいては、燃料ガスと酸化ガスとに差圧があるか否かにかかわらず、開回路電圧は略一定である。一方、クロスリークが多い劣化セルにおいては、燃料ガスと酸化ガスとに差圧を付けたときの開回路電圧は、燃料ガスと酸化ガスとに差圧を付けないときの開回路電圧よりも低下する。したがって、請求項１の発明によれば、所定差圧を生じさせた状態でのセル毎の開回路電圧に基づいて、セル毎のクロスリークの度合を判定することが可能である。   By the way, in a normal cell having no cross leak, the open circuit voltage is substantially constant regardless of whether or not there is a differential pressure between the fuel gas and the oxidizing gas. On the other hand, in a degraded cell with many cross leaks, the open circuit voltage when a differential pressure is applied between the fuel gas and the oxidizing gas is lower than the open circuit voltage when a differential pressure is not applied between the fuel gas and the oxidizing gas. To do. Therefore, according to the first aspect of the present invention, it is possible to determine the degree of cross leak for each cell based on the open circuit voltage for each cell in a state where the predetermined differential pressure is generated.

また、請求項１の発明では、燃料ガスと酸化ガスとに所定差圧を付けてセルの電圧を測定すればよいため、従来のように燃料電池内の水素や酸素をパージする必要がない。さらに、請求項１の発明では、所定差圧のときのセルの電圧を測定するのみであるため、従来のように流量を変化させつつセルの電圧を測定する場合よりも、換言すると多数の条件下でセルの電圧を測定する場合よりも、計測に要する時間が短くなる。したがって、請求項１の発明によれば、パージが不要であることと、計測に要する時間が短くなることとが相俟って、クロスリークの度合を短時間で判定することが可能になる。   Further, in the first aspect of the invention, it is only necessary to apply a predetermined differential pressure to the fuel gas and the oxidizing gas to measure the cell voltage, so that it is not necessary to purge hydrogen and oxygen in the fuel cell as in the prior art. Furthermore, in the invention of claim 1, since only the cell voltage at the predetermined differential pressure is measured, in other words, the number of conditions is larger than the case of measuring the cell voltage while changing the flow rate as in the prior art. The time required for measurement is shorter than when the cell voltage is measured below. Therefore, according to the first aspect of the present invention, it is possible to determine the degree of cross leak in a short time due to the fact that purging is not necessary and the time required for measurement is shortened.

請求項２に記載の発明では、前記判定手段にて特定された劣化セルの情報を記憶する記憶手段（５０）を備えることを特徴とする。 これによると、記憶手段に記憶された劣化セルの情報により、メンテナンス時に交換すべき劣化セルを容易に選別することができる。また、セルの劣化度合は燃料電池内での配置位置によって差が生じやすい。そこで、記憶手段に記憶された劣化セルがまだ使用可能なレベルの劣化度合であれば、劣化セルと正常なセルとをローテーションさせることにより、劣化セルの劣化の進行を抑制することができる。   The invention described in claim 2 is characterized by comprising storage means (50) for storing information on the deteriorated cell specified by the determination means. According to this, the deteriorated cells to be replaced at the time of maintenance can be easily selected based on the information on the deteriorated cells stored in the storage means. In addition, the degree of cell degradation is likely to vary depending on the arrangement position in the fuel cell. Therefore, if the deteriorated cell stored in the storage means has a deterioration level that is still usable, the deterioration of the deteriorated cell can be suppressed by rotating the deteriorated cell and the normal cell.

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。   In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each said means shows the correspondence with the specific means as described in embodiment mentioned later.

本発明の第一実施形態について図１〜図４に基づいて説明する。本実施形態は、燃料電池システムを、燃料電池を電源として走行する電気自動車（燃料電池車両）に適用したものである。   1st Embodiment of this invention is described based on FIGS. In this embodiment, the fuel cell system is applied to an electric vehicle (fuel cell vehicle) that runs using the fuel cell as a power source.

図１は、本実施形態の燃料電池システムの全体構成を示している。図２は、燃料電池１０の構成を詳細に示す模式的な図である。図１に示すように、本実施形態の燃料電池システムは、水素と酸素との電気化学反応を利用して電力を発生する燃料電池（ＦＣスタック）１０を備えている。燃料電池１０は、車両走行用のモータジェネレータ１１、二次電池１２、補機１６等の電気機器に電力を供給するように構成されている。   FIG. 1 shows the overall configuration of the fuel cell system of the present embodiment. FIG. 2 is a schematic diagram showing the configuration of the fuel cell 10 in detail. As shown in FIG. 1, the fuel cell system of the present embodiment includes a fuel cell (FC stack) 10 that generates electric power by utilizing an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. The fuel cell 10 is configured to supply electric power to electric devices such as a motor generator 11, a secondary battery 12, and an auxiliary machine 16 for running the vehicle.

燃料電池１０では、以下の水素と酸素の電気化学反応が起こり電気エネルギが発生する。   In the fuel cell 10, the following electrochemical reaction between hydrogen and oxygen occurs to generate electric energy.

（水素極側） Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−
（酸素極側） ２Ｈ＋＋１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ
本実施形態では燃料電池１０として固体高分子電解質型燃料電池を用いており、基本単位となるセルが複数積層されて構成されている。各セルは、電解質膜が一対の電極で挟まれた構成となっている。 (Hydrogen electrode side) H 2 → 2H + + 2e −
(Oxygen electrode side) 2H + + 1 / 2O 2 + 2e − → H 2 O
In this embodiment, a solid polymer electrolyte fuel cell is used as the fuel cell 10, and a plurality of cells serving as basic units are stacked. Each cell has a configuration in which an electrolyte membrane is sandwiched between a pair of electrodes.

図２に示すように、燃料電池１０は、積層された多数のセル間に一定枚数毎に電極板１０ａが配置されて、多数のセルが複数（本例では３つ）のセルブロック１０１〜１０３に分割されている。電極板１０ａ間には、半導体リレー等のリレー６１、６２、６３が配置されている。、各リレー６１、６２、６３は、燃料電池１０が正常な状態では電極板１０ａ間を電気的に開放するようになっている。   As shown in FIG. 2, the fuel cell 10 includes a plurality of (three in this example) cell blocks 101 to 103 in which electrode plates 10a are arranged between a plurality of stacked cells at a fixed number. It is divided into Relays 61, 62, and 63 such as semiconductor relays are disposed between the electrode plates 10a. The relays 61, 62, and 63 are configured to electrically open between the electrode plates 10a when the fuel cell 10 is in a normal state.

図１に示すように、燃料電池システムには、燃料電池１０の酸素極側に空気（酸化ガス）を供給するための空気供給経路２０ａと、燃料電池１０からの空気を排出するための空気排出経路２０ｂと、燃料電池１０の水素極側に水素（燃料ガス）を供給するための水素供給経路３０ａと、燃料電池１０からの未反応水素ガス等を排出するための水素排出経路３０ｂとが設けられている。   As shown in FIG. 1, the fuel cell system includes an air supply path 20 a for supplying air (oxidizing gas) to the oxygen electrode side of the fuel cell 10, and an air discharge for discharging air from the fuel cell 10. A path 20b, a hydrogen supply path 30a for supplying hydrogen (fuel gas) to the hydrogen electrode side of the fuel cell 10, and a hydrogen discharge path 30b for discharging unreacted hydrogen gas and the like from the fuel cell 10 are provided. It has been.

空気供給経路２０ａには、空気圧送用の送風機２１が設けられている。この送風機２１は電動モータ２２によって駆動される。空気排出経路２０ｂには、空気排出経路２０ｂを開閉する空気排出経路開閉弁２３が設けられている。燃料電池１０に空気を供給する際には、空気排出経路開閉弁２３を開弁するとともに、電動モータ２２によって送風機２１を駆動する。   The air supply path 20a is provided with a blower 21 for air pressure feeding. The blower 21 is driven by an electric motor 22. The air discharge path 20b is provided with an air discharge path opening / closing valve 23 for opening and closing the air discharge path 20b. When supplying air to the fuel cell 10, the air discharge path opening / closing valve 23 is opened and the blower 21 is driven by the electric motor 22.

空気供給経路２０ａと空気排出経路２０ｂには、加湿器２４が設けられている。この加湿器２４は、燃料電池１０から排出される湿った排気空気に含まれる水分を用いて送風機２１の吐出後の空気を加湿するものであり、これにより、燃料電池１０内の固体高分子電解質膜を水分を含んだ湿潤状態にして、発電運転時における電気化学反応が良好に行われるようにしている。   A humidifier 24 is provided in the air supply path 20a and the air discharge path 20b. The humidifier 24 humidifies the air discharged from the blower 21 using moisture contained in the humid exhaust air discharged from the fuel cell 10, and thereby the solid polymer electrolyte in the fuel cell 10. The membrane is in a wet state containing moisture so that the electrochemical reaction can be satisfactorily performed during power generation operation.

水素供給経路３０ａには、水素ガスが充填された水素ボンベ３１、燃料電池１０に供給される水素の圧力を調整する水素調圧弁３２、および水素供給経路３０ａを開閉する水素供給経路開閉弁３３が設けられている。水素排出経路３０ｂには、水素排出経路３０ｂを開閉する水素排出経路開閉弁３４が設けられている。燃料電池１０に水素を供給する際には、水素供給経路開閉弁３３を開弁するとともに、水素調圧弁３２によって所望の水素圧力に調整する。水素排出経路３０ｂは、運転条件に応じて水素排出経路開閉弁３４によって開閉される。水素排出経路３０ｂは、未反応水素ガス、蒸気（あるいは水）、および酸素極から固体高分子電解質膜を通過して混入した窒素、酸素などを排出する。なお、水素調圧弁３２は、本発明の差圧設定手段に相当する。   The hydrogen supply path 30a includes a hydrogen cylinder 31 filled with hydrogen gas, a hydrogen pressure regulating valve 32 that adjusts the pressure of hydrogen supplied to the fuel cell 10, and a hydrogen supply path opening / closing valve 33 that opens and closes the hydrogen supply path 30a. Is provided. The hydrogen discharge path 30b is provided with a hydrogen discharge path on / off valve 34 that opens and closes the hydrogen discharge path 30b. When supplying hydrogen to the fuel cell 10, the hydrogen supply path opening / closing valve 33 is opened and adjusted to a desired hydrogen pressure by the hydrogen pressure regulating valve 32. The hydrogen discharge path 30b is opened and closed by a hydrogen discharge path opening / closing valve 34 in accordance with operating conditions. The hydrogen discharge path 30b discharges unreacted hydrogen gas, steam (or water), nitrogen, oxygen, and the like mixed through the solid polymer electrolyte membrane from the oxygen electrode. The hydrogen pressure regulating valve 32 corresponds to the differential pressure setting means of the present invention.

燃料電池１０は発電に伴い熱を生じる。このため、燃料電池システムには、燃料電池１０を冷却して作動温度が電気化学反応に適した温度（８０℃程度）となるようにする冷却システム４０〜４５が設けられている。   The fuel cell 10 generates heat with power generation. For this reason, the fuel cell system is provided with cooling systems 40 to 45 that cool the fuel cell 10 so that the operating temperature becomes a temperature suitable for the electrochemical reaction (about 80 ° C.).

冷却システムには、燃料電池１０に冷却水（熱媒体）を循環させる冷却水経路４０、冷却水を循環させるウォータポンプ４１、ウォータポンプ４１を駆動する電動モータ４２、ファン４４を備えたラジエータ４３、燃料電池１０の出口部での冷却水温度を検出する温度センサ４５とが設けられている。燃料電池１０で発生した熱は、冷却水を介してラジエータ４３で系外に排出される。このような冷却系によって、ウォータポンプ４１による流量制御、およびファン４４による風量制御で、燃料電池１０の冷却量制御を行うことができる。   The cooling system includes a cooling water path 40 that circulates cooling water (heat medium) in the fuel cell 10, a water pump 41 that circulates the cooling water, an electric motor 42 that drives the water pump 41, and a radiator 43 that includes a fan 44, A temperature sensor 45 that detects the coolant temperature at the outlet of the fuel cell 10 is provided. The heat generated in the fuel cell 10 is discharged out of the system by the radiator 43 through the cooling water. With such a cooling system, the cooling amount control of the fuel cell 10 can be performed by the flow rate control by the water pump 41 and the air volume control by the fan 44.

燃料電池１０と二次電池１２との間、および二次電池１２とモータジェネレータ１１との間は、双方向に電力を伝達可能なＤＣ−ＤＣコンバータ１３を介して電気的に接続されている。このＤＣ−ＤＣコンバータ１３は、燃料電池１０から二次電池１２、あるいは二次電池１２から燃料電池１０への、電力の流れをコントロールするものである。   The fuel cell 10 and the secondary battery 12 and the secondary battery 12 and the motor generator 11 are electrically connected via a DC-DC converter 13 capable of transmitting power in both directions. The DC-DC converter 13 controls the flow of electric power from the fuel cell 10 to the secondary battery 12 or from the secondary battery 12 to the fuel cell 10.

燃料電池１０および二次電池１２とモータジェネレータ１１との間にインバータ１４が配置されている。このインバータ１４により、モータジェネレータ１１の機能、すなわち、電動機としての機能と発電機としての機能が切り換えられるようになっている。   An inverter 14 is arranged between the fuel cell 10 and the secondary battery 12 and the motor generator 11. The inverter 14 switches the function of the motor generator 11, that is, the function as an electric motor and the function as a generator.

そして、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３とインバータ１４の作動により、例えば、急加速時などに急激に大きな電力が必要になった場合には、燃料電池１０からだけでなく二次電池１２からもモータジェネレータ１１に電力を供給することができる。また、燃料電池１０の発電時に余った電力や、モータジェネレータ１１によって回生された電力を、二次電池１２に蓄えることができる。   When the DC-DC converter 13 and the inverter 14 are operated, for example, when a large amount of electric power is suddenly required during sudden acceleration, the motor generator 11 is not only from the fuel cell 10 but also from the secondary battery 12. Can be powered. Further, the surplus power during the power generation of the fuel cell 10 and the power regenerated by the motor generator 11 can be stored in the secondary battery 12.

補機１６は、送風機２１の電動モータ２２やウォータポンプ４１の電動モータ４２等を含むものであり、インバータ１５を介して二次電池１２と接続されている。   The auxiliary machine 16 includes the electric motor 22 of the blower 21, the electric motor 42 of the water pump 41, and the like, and is connected to the secondary battery 12 via the inverter 15.

燃料電池システムには、各セル毎の電圧をそれぞれ検出するセルモニタ１７と、燃料電池１０全体としての発電電圧を検出する電圧検出器１８と、燃料電池１０の発電電流を検出する電流検出器１９が設けられている。なお、セルモニタ１７は本発明の電圧検出手段に相当する。   The fuel cell system includes a cell monitor 17 that detects a voltage for each cell, a voltage detector 18 that detects a power generation voltage of the fuel cell 10 as a whole, and a current detector 19 that detects a power generation current of the fuel cell 10. Is provided. The cell monitor 17 corresponds to the voltage detection means of the present invention.

燃料電池システムには、各種制御を行う制御部（ＥＣＵ）５０が設けられている。制御部５０は図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＥＥＰＲＯＭ等からなる周知のマイクロコンピュータを備え、マイクロコンピュータに記憶したプログラムに従って演算処理を行うものである。   The fuel cell system is provided with a control unit (ECU) 50 that performs various controls. The control unit 50 includes a well-known microcomputer including a CPU, ROM, RAM, EEPROM and the like (not shown), and performs arithmetic processing according to a program stored in the microcomputer.

制御部５０には、各種負荷からの要求電力信号、セルモニタ１７からの電圧信号、電圧検出器１８からの電圧信号、電流検出器１９からの電流信号、および温度センサ４５からの温度信号が入力される。また、制御部５０は、二次電池１２、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３、インバータ１４、１５、電動モータ２２、空気排出経路開閉弁２３、水素調圧弁３２、水素供給経路開閉弁３３、水素排出経路開閉弁３４、電動モータ４２、ファン４４、リレー６１、６２、６３等に制御信号を出力するように構成されている。なお、制御部５０は本発明の判定手段および記憶手段に相当する。   The control unit 50 is input with required power signals from various loads, voltage signals from the cell monitor 17, voltage signals from the voltage detector 18, current signals from the current detector 19, and temperature signals from the temperature sensor 45. The Further, the control unit 50 includes the secondary battery 12, the DC-DC converter 13, the inverters 14 and 15, the electric motor 22, the air discharge path opening / closing valve 23, the hydrogen pressure regulating valve 32, the hydrogen supply path opening / closing valve 33, and the hydrogen discharge path opening / closing. A control signal is output to the valve 34, the electric motor 42, the fan 44, the relays 61, 62, 63, and the like. The control unit 50 corresponds to the determination unit and the storage unit of the present invention.

図３は、固体高分子型の燃料電池１０におけるセルの開回路電圧（以下、ＯＣＶという）と、ガス間差圧ΔＰとの関係を示す特性図である。なお、ガス間差圧ΔＰは、燃料電池１０に供給される空気の圧力Ｐａと、燃料電池１０に供給される水素の圧力Ｐｈとの差である（但し、本実施形態では、Ｐａ＜Ｐｈとする）。   FIG. 3 is a characteristic diagram showing the relationship between the cell open circuit voltage (hereinafter referred to as OCV) and the inter-gas differential pressure ΔP in the polymer electrolyte fuel cell 10. The inter-gas differential pressure ΔP is a difference between the pressure Pa of air supplied to the fuel cell 10 and the pressure Ph of hydrogen supplied to the fuel cell 10 (however, in this embodiment, Pa <Ph and To do).

図３において、クロスリークがない正常なセルは、実線で示すようにガス間差圧ΔＰにかかわらずＯＣＶは略一定である。一方、クロスリークが発生する劣化セルは、一点鎖線および二点鎖線で示すようにガス間差圧ΔＰが大きくなるのに伴ってＯＣＶが低下し、このＯＣＶの低下度合は、一点鎖線で示すクロスリーク量が少ない軽劣化セルよりも、二点鎖線で示すクロスリーク量が多い重劣化セルの方が大きい。   In FIG. 3, in a normal cell having no cross leak, the OCV is substantially constant regardless of the inter-gas differential pressure ΔP as indicated by the solid line. On the other hand, in the deteriorated cell in which cross leak occurs, the OCV decreases as the inter-gas differential pressure ΔP increases as shown by the one-dot chain line and the two-dot chain line, and the degree of the OCV decrease is the cross indicated by the one-dot chain line. The heavily deteriorated cell with a large amount of cross leak indicated by a two-dot chain line is larger than the lightly deteriorated cell with a small amount of leak.

本実施形態では、このようなＯＣＶとガス間差圧ΔＰとの関係を利用して各セルのクロスリークの度合の判定を行うようになっている。具体的には、水素調圧弁３２によって水素圧力を調整することによりガス間差圧ΔＰを所定差圧ΔＰ１に設定し、所定差圧ΔＰ１を生じさせた状態でセル毎のＯＣＶをセルモニタ１７にて検出する。そして、ＯＣＶが第１設定電圧Ｖ１を超えていれば、クロスリークがない正常なセルと判定する。また、ＯＣＶが第１設定電圧Ｖ１以下で第２設定電圧Ｖ２以上（但し、Ｖ１＞Ｖ２）であれば、クロスリーク量が少なくてまだ使用可能なレベルの軽劣化セルと判定する。さらに、ＯＣＶが第２設定電圧Ｖ２未満であれば、クロスリーク量が多くて使用不可能なレベルの重劣化セルと判定する。   In the present embodiment, the degree of cross leak of each cell is determined using such a relationship between the OCV and the differential pressure ΔP between gases. Specifically, the gas pressure difference ΔP is set to a predetermined differential pressure ΔP1 by adjusting the hydrogen pressure by the hydrogen pressure regulating valve 32, and the OCV for each cell is generated by the cell monitor 17 in a state where the predetermined differential pressure ΔP1 is generated. To detect. And if OCV exceeds the 1st setting voltage V1, it will determine with the normal cell without a cross leak. If the OCV is equal to or lower than the first set voltage V1 and equal to or higher than the second set voltage V2 (however, V1> V2), it is determined that the cell is a lightly deteriorated cell with a small amount of cross leak and still usable. Furthermore, if the OCV is less than the second set voltage V2, it is determined that the cell is a heavily deteriorated cell that has a large amount of cross leak and cannot be used.

次に、上記構成になる燃料電池システムの作動を図４に基づいて説明する。図４は制御部５０にて実行される処理を示すフローチャートである。クロスリークの度合の判定、およびその判定結果に基づくセル内水分の制御について説明する。   Next, the operation of the fuel cell system configured as described above will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a flowchart showing processing executed by the control unit 50. The determination of the degree of cross leak and the control of the moisture in the cell based on the determination result will be described.

車両のキースイッチがオンされると、図４に示す制御を開始する。まず、補機１６の作動を開始させて燃料電池システムを起動させる（ステップ１０１、以下ステップをＳと略す）。   When the key switch of the vehicle is turned on, the control shown in FIG. 4 is started. First, the operation of the auxiliary machine 16 is started to start the fuel cell system (step 101, step is hereinafter abbreviated as S).

次に、所定差圧ΔＰ１を生じさせた状態でセル毎のＯＣＶをセルモニタ１７にて検出し、そのＯＣＶに基づいてセル毎のクロスリークの度合を判定する（Ｓ１０２）。そして、全てのセルのＯＣＶが第１設定電圧Ｖ１を超えていれば、全てのセルが正常状態であると判断してＳ１０３に進む。また、ＯＣＶが第２設定電圧Ｖ２未満のセルがなく、ＯＣＶが第１設定電圧Ｖ１以下で第２設定電圧Ｖ２以上のセル、すなわち軽劣化セルが１つでもあれば、Ｓ１０７に進む。さらに、ＯＣＶが第２設定電圧Ｖ２未満のセル、すなわち重劣化セルが１つでもあれば、Ｓ１０８に進む。   Next, the OCV for each cell is detected by the cell monitor 17 in a state where the predetermined differential pressure ΔP1 is generated, and the degree of cross leak for each cell is determined based on the OCV (S102). If the OCV of all cells exceeds the first set voltage V1, it is determined that all the cells are in the normal state, and the process proceeds to S103. If there is no cell whose OCV is less than the second set voltage V2, and there is even one cell whose OCV is the first set voltage V1 or less and the second set voltage V2 or more, that is, one lightly deteriorated cell, the process proceeds to S107. Further, if there is even one cell whose OCV is less than the second set voltage V2, that is, one heavily deteriorated cell, the process proceeds to S108.

全てのセルが正常状態であると判断してＳ１０２からＳ１０３に進むと、Ｓ１０３では負荷に応じた発電を行わせる。キースイッチがオン（Ｓ１０４がＹＥＳ）で、且つ発電の要求がある間は（Ｓ１０５がＹＥＳ）、Ｓ１０３の制御が継続される。そして、キースイッチがオフされると（Ｓ１０４がＮＯ）、燃料電池システムを停止させる（Ｓ１０６）。また、発電の要求がない場合は（Ｓ１０５がＮＯ）、Ｓ１０２に戻って再度クロスリークの度合を判定する。   When it is determined that all the cells are in the normal state and the process proceeds from S102 to S103, power generation according to the load is performed in S103. While the key switch is on (S104 is YES) and there is a request for power generation (S105 is YES), the control of S103 is continued. When the key switch is turned off (NO in S104), the fuel cell system is stopped (S106). If there is no request for power generation (NO at S105), the process returns to S102 to determine the degree of cross leak again.

重劣化セルはないが軽劣化セルがあると判断してＳ１０２からＳ１０７に進むと、Ｓ１０７では、軽劣化セルが多数のセルのうちのどのセルであるか、およびその軽劣化セルのＯＣＶを、制御部５０のＥＥＰＲＯＭに記憶させる。この後、Ｓ１０３に進み、負荷に応じた発電を行わせる。   When it is determined that there is no heavy deteriorated cell but there is a light deteriorated cell and the process proceeds from S102 to S107, in S107, which cell among the many cells is the light deteriorated cell, and the OCV of the light deteriorated cell, It is stored in the EEPROM of the control unit 50. Then, it progresses to S103 and performs the electric power generation according to load.

重劣化セルがあると判断してＳ１０２からＳ１０８に進むと、Ｓ１０８では、重劣化セルがあってメンテナンスが必要であることを例えば車両のメータ部に表示して、警告を出す。また、重劣化セルが多数のセルのうちのどのセルであるか、およびその重劣化セルのＯＣＶを、制御部５０のＥＥＰＲＯＭに記憶させる（Ｓ１０９）。   When it is determined that there is a heavily deteriorated cell and the process proceeds from S102 to S108, in S108, the fact that there is a heavily deteriorated cell and maintenance is required is displayed on, for example, the meter section of the vehicle and a warning is issued. Further, which of the many cells is the heavily deteriorated cell and the OCV of the heavily deteriorated cell are stored in the EEPROM of the control unit 50 (S109).

重劣化セルがあると燃料電池１０自体の発電が停止する恐れがある。そこで、例えば図２に例示するように第２セルブロック１０２中に重劣化セル１０Ｘがあった場合は、第２リレー６２を作動させることにより、第２セルブロック１０２をバイパスさせて第１セルブロック１０１と第３セルブロック１０３とを直接接続させ（Ｓ１１０）、これにより、燃料電池１０の運転が行えるようにしている。   If there is a heavily deteriorated cell, the power generation of the fuel cell 10 itself may stop. Therefore, for example, as illustrated in FIG. 2, when there is a heavily deteriorated cell 10 </ b> X in the second cell block 102, the second cell 62 is bypassed by operating the second relay 62 to bypass the first cell block 102. 101 and the third cell block 103 are directly connected (S110), so that the fuel cell 10 can be operated.

また、第２セルブロック１０２をバイパスさせた状態で正常時における最大発電量と同程度の発電を行わせると、第１セルブロック１０１および第３セルブロック１０３のセルに負荷がかかりすぎて発電不能になる恐れがあるため、予め設定された発電量以下に発電量を制限しつつ負荷に応じた発電を行わせる（Ｓ１１１）。   In addition, if the second cell block 102 is bypassed and the power generation is about the same as the maximum power generation amount under normal conditions, the cells of the first cell block 101 and the third cell block 103 are overloaded and cannot generate power. Therefore, the power generation according to the load is performed while limiting the power generation amount below a preset power generation amount (S111).

次に、キースイッチがオン（Ｓ１１２がＹＥＳ）で、且つ発電の要求がある間は（Ｓ１１３がＹＥＳ）、Ｓ１１１の制御が継続される。そして、キースイッチがオフされると（Ｓ１１２がＮＯ）、燃料電池システムを停止させる（Ｓ１０６）。また、発電の要求がない場合は（Ｓ１１２がＮＯ）、Ｓ１０２に戻って再度クロスリークの度合を判定する。   Next, while the key switch is on (S112 is YES) and there is a request for power generation (S113 is YES), the control of S111 is continued. When the key switch is turned off (NO in S112), the fuel cell system is stopped (S106). If there is no request for power generation (NO at S112), the process returns to S102 to determine the degree of cross leak again.

本実施形態によると、各セルのクロスリークの度合の判定を行うに際して、空気と水素に所定差圧ΔＰ１を付けてセルの電圧を測定すればよいため、従来のように燃料電池１０内の空気や水素をパージする必要がない。さらに、所定差圧ΔＰ１のときのセルの電圧を測定するのみであるため、従来のように流量を変化させつつセルの電圧を測定する場合よりも、換言すると多数の条件下でセルの電圧を測定する場合よりも、計測に要する時間が短くなる。したがって、パージが不要であることと、計測に要する時間が短くなることとが相俟って、クロスリークの度合を短時間で判定することが可能になる。   According to the present embodiment, when determining the degree of cross leak of each cell, it is only necessary to measure the cell voltage by applying a predetermined differential pressure ΔP1 to air and hydrogen. Or purging hydrogen. Furthermore, since only the cell voltage at the predetermined differential pressure ΔP1 is measured, in other words, the cell voltage is measured under a large number of conditions than when the cell voltage is measured while changing the flow rate as in the prior art. The time required for measurement is shorter than in the case of measurement. Therefore, it is possible to determine the degree of cross leak in a short time due to the fact that purging is not necessary and the time required for measurement is shortened.

また、劣化セルがある場合は、どのセルがどの程度劣化しているかの情報を制御部５０のＥＥＰＲＯＭに記憶させているため、その記憶された劣化セルの情報により、メンテナンス時に交換すべき劣化セルを容易に選別することができる。また、セルの劣化度合は燃料電池１０内での配置位置によって差が生じやすい。そこで、劣化セルがまだ使用可能なレベルの劣化度合であれば、劣化セルと正常なセルとをローテーションさせることにより、劣化セルの劣化の進行を抑制することができる。   In addition, when there is a deteriorated cell, information indicating which cell has deteriorated to what extent is stored in the EEPROM of the control unit 50, so that the deteriorated cell to be replaced at the time of maintenance based on the stored information on the deteriorated cell. Can be easily selected. Further, the degree of cell deterioration tends to vary depending on the arrangement position in the fuel cell 10. Therefore, if the degree of deterioration is such that the deteriorated cell is still usable, the deterioration of the deteriorated cell can be suppressed by rotating the deteriorated cell and the normal cell.

また、多数のセルを複数のセルブロック１０１〜１０３に分割し、重劣化セルが存在するセルブロックを電気的にバイパスさせて他のセルブロック間を直接接続させるため、重劣化セルがあっても燃料電池１０を応急運転させることができる。また、その応急運転時には、予め設定された発電量以下に発電量を制限しているため、正常なセルブロックのセルに負荷がかかりすぎて発電不能になることを防止できる。   In addition, a large number of cells are divided into a plurality of cell blocks 101 to 103, and a cell block in which a heavily deteriorated cell exists is electrically bypassed to directly connect other cell blocks. The fuel cell 10 can be brought into emergency operation. Further, during the emergency operation, since the power generation amount is limited to a preset power generation amount or less, it is possible to prevent the normal cell block from being overloaded and unable to generate power.

（他の実施形態）
なお、上記実施形態では、燃料電池システムを燃料電池車両に適用する例を示したが、本発明の燃料電池システムは、燃料電池車両以外にも適用可能であり、例えば家庭用燃料電池システムにも適用することができる。 (Other embodiments)
In the above embodiment, the fuel cell system is applied to the fuel cell vehicle. However, the fuel cell system of the present invention can be applied to other than the fuel cell vehicle, for example, a home fuel cell system. Can be applied.

本発明の一実施形態になる燃料電池システムの全体構成を示す概念図である。1 is a conceptual diagram showing an overall configuration of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. 図１の燃料電池１０の構成を詳細に示す模式的な図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the fuel cell 10 of FIG. 1 in detail. 図１の燃料電池１０におけるセルの開回路電圧（ＯＣＶ）とガス間差圧ΔＰとの関係を示す特性図である。FIG. 2 is a characteristic diagram showing a relationship between a cell open circuit voltage (OCV) and an inter-gas differential pressure ΔP in the fuel cell 10 of FIG. 1. 図１の制御部５０にて実行される処理を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the process performed in the control part 50 of FIG.

符号の説明Explanation of symbols

１０…燃料電池、１７…セルモニタ（電圧検出手段）、３２…水素調圧弁（差圧設定手段）、５０…制御部（判定手段）。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Fuel cell, 17 ... Cell monitor (voltage detection means), 32 ... Hydrogen pressure regulation valve (differential pressure setting means), 50 ... Control part (determination means).

Claims (2)

燃料ガス中の水素と酸化ガス中の酸素とを多数のセルにて電気化学反応させて発電を行う固体高分子電解質型の燃料電池（１０）を備える燃料電池システムであって、
前記燃料ガスと前記酸化ガスとに所定差圧（ΔＰ１）を生じさせる差圧設定手段（３２）と、
前記セル毎の開回路電圧を検出する電圧検出手段（１７）と、
前記所定差圧を生じさせた状態での前記セル毎の開回路電圧に基づいて、前記セル毎のクロスリークの度合を判定して劣化したセルを特定する判定手段（５０）とを備えることを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell system comprising a solid polymer electrolyte type fuel cell (10) for generating electricity by electrochemically reacting hydrogen in fuel gas and oxygen in oxidizing gas in a number of cells,
Differential pressure setting means (32) for generating a predetermined differential pressure (ΔP1) between the fuel gas and the oxidizing gas;
Voltage detection means (17) for detecting an open circuit voltage for each cell;
Determination means (50) for determining the degree of cross leak for each cell and identifying a deteriorated cell based on the open circuit voltage for each cell in a state where the predetermined differential pressure is generated. A fuel cell system. 前記判定手段にて特定された劣化セルの情報を記憶する記憶手段（５０）を備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1, further comprising storage means (50) for storing information on a deteriorated cell specified by the determination means.
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