JP2008066006A

JP2008066006A - Fuel cell system

Info

Publication number: JP2008066006A
Application number: JP2006239831A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Nakayama; 淳中山; Hiroshi Nagasato; 洋永里; Gendo Kato; 玄道加藤
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2006-09-05
Filing date: 2006-09-05
Publication date: 2008-03-21

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To prevent deterioration and breakage of a cell itself in which abnormality occurs, and also to achieve a long lifetime of the total system by preventing an effect such as an overload to other cells. <P>SOLUTION: A fuel cell system has a plurality of fuel cell stack cells 11 to form a fuel cell stack 12, a cell abnormality detection means 10 to detect abnormality of the fuel cell stack cells, a power supply insulated from power output by the fuel cell stack, and a control means 17 which carries out a prescribed control based on cell abnormality information which the cell abnormality detection means 10 detects. The cell abnormality detection means 10 has a voltage detection IC 13, a comparator 14, and a transistor 15, and when the cell abnormality detection means 10 detects an abnormality of the fuel cell stack cells 11, for example, voltage reduction of the stack voltage cell, it can stop immediately power generation of the fuel cell power generator. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池システムにかかるものであり、特に燃料電池スタックを形成する燃料電池スタックセルの出力電圧異常の検出に関するものである。 The present invention relates to a fuel cell system, and particularly relates to detection of an output voltage abnormality of a fuel cell stack cell forming a fuel cell stack.

燃料電池スタックは、従来の一般的な固体高分子電解質型燃料電池の構成について、図１を用いて説明する。図１において、従来の燃料電池の中でも高分子電解質型燃料電池（以降、ＰＥＦＣと称する）の基本形を構成している。燃料電池は、水素などの燃料がスト空気などの酸素を含有する酸化剤ガスをガス拡散電極によって電気化学的に反応させるもので、電気と熱とを同時に発生させるものである。電解質１は、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜等が利用される。電解質１の両面には、白金系の金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒反応層２を密着して配置してある。この触媒反応層で(化１)と(化２)に示す反応が発生し、燃料電池全体としては(化３)に示す反応が発生する。 The fuel cell stack will be described with reference to FIG. 1 for the configuration of a conventional general solid polymer electrolyte fuel cell. In FIG. 1, the basic form of a polymer electrolyte fuel cell (hereinafter referred to as PEFC) among the conventional fuel cells is constituted. A fuel cell is a device in which a fuel such as hydrogen causes an oxidant gas containing oxygen such as strike air to electrochemically react with a gas diffusion electrode, and generates electricity and heat simultaneously. The electrolyte 1 is a polymer electrolyte membrane that selectively transports hydrogen ions. A catalyst reaction layer 2 mainly composed of carbon powder carrying a platinum-based metal catalyst is disposed on both surfaces of the electrolyte 1 in close contact with each other. The reaction shown in (Chemical Formula 1) and (Chemical Formula 2) occurs in this catalytic reaction layer, and the reaction shown in (Chemical Formula 3) occurs in the fuel cell as a whole.

燃料電池全体としては、(化３)に示すように、水素と酸素が反応し水が発生する際に、電気と熱を発生する。 As shown in (Chemical Formula 3), the entire fuel cell generates electricity and heat when hydrogen and oxygen react to generate water.

５は、電極電解質接合体（以降、ＭＥＡと称する）であり、電極４と電解質１とで形成している。ＭＥＡ５は、隣接するＭＥＡ５同士を互いに電気的に直列に接続し、さらに電極に反応ガスを供給し、かつ反応により発生したガスや余剰のガスを運び去るためのガス流路６ａと６ｃをＭＥＡに接する面に形成した一対の導電性セパレータ７ａと７ｃを配置する。電解質１と、１対の触媒反応層２ａと２ｃと、一対の各山荘３ａと３ｃと、一対の電極４ａと４ｃ、一対のセパレータ７ａ、７ｃで基本の燃料電池単位である、セルを形成している。燃料電池セルの電圧は通常０．７５Ｖ程度と低いため、セルを直列に複数個直列に積層している。このセルを積層した状態を、燃料電池では一般的にスタックと呼んでいる。例えば、３０個のセルを積層することで、スタックとしては、約２２Ｖ程度の電圧を出力することができる。 Reference numeral 5 denotes an electrode electrolyte assembly (hereinafter referred to as MEA), which is formed by the electrode 4 and the electrolyte 1. The MEA 5 electrically connects adjacent MEAs 5 in series with each other, further supplies reaction gas to the electrodes, and gas flow paths 6a and 6c for carrying away the gas generated by the reaction and excess gas to the MEA. A pair of conductive separators 7a and 7c formed on the contacting surface is disposed. An electrolyte 1, a pair of catalytic reaction layers 2a and 2c, a pair of mountain villas 3a and 3c, a pair of electrodes 4a and 4c, and a pair of separators 7a and 7c form a basic fuel cell unit. ing. Since the voltage of the fuel cell is usually as low as about 0.75 V, a plurality of cells are stacked in series. A state in which these cells are stacked is generally called a stack in a fuel cell. For example, by stacking 30 cells, the stack can output a voltage of about 22V.

燃料電池スタックは、スタック内部の損失と外部から発電のために供給される燃料ガス、酸化ガスの供給量により最大出力電流が決定される。よって、スタックの経年劣化などによるスタックの発電能力が劣化などにより、ガス供給量とスタックの発電能力に不整合が起こると、スタックが過負荷状態になり、ますますスタックの劣化を早めたりスタックの破壊といった現象が発生する恐れがある。 The maximum output current of the fuel cell stack is determined by the loss inside the stack and the amount of fuel gas and oxidant gas supplied for power generation from the outside. Therefore, if there is a mismatch between the gas supply amount and the power generation capacity of the stack due to deterioration of the power generation capacity of the stack due to deterioration of the stack, etc., the stack will be overloaded, and the stack deterioration will be accelerated further. There is a risk of destruction.

また、多数のセルが積層する形で構成されているスタックが、例えば２２Ｖ程度で発電していたとしても、スタックを構成しているセルには特性バラツキがあり、全てのセルに均一に負荷がかかっているわけではない。負荷が軽いセルもあれば、負荷が重いセルもあり、負荷が重いセルは劣化が早くなったり、破壊が発生するといった恐れがある。 Moreover, even if a stack composed of a stack of many cells generates power at, for example, about 22 V, the cells that make up the stack have characteristic variations, and all cells are uniformly loaded. It doesn't take. Some cells have a light load and some cells have a heavy load, and a cell having a heavy load may deteriorate quickly or break down.

そのため、直列に接続されたセルからメカニカルリレーなどを介して、セルと並列に瀬と属されるコンデンサなどによる電圧保持装置を設けることにより、セルバランスを調整するなどの手法が考えられている（特許文献１参照）。
特開２００１−１７８００８号公報 Therefore, a method of adjusting the cell balance by providing a voltage holding device such as a capacitor belonging to a cell in parallel with the cell from a cell connected in series via a mechanical relay or the like is considered (patent) Reference 1).
JP 2001-178008 A

しかし上述したように前記従来の構成は、セルバランスを調整するリレーなどのスイッチがセル毎に必要であり、構成が複雑となってしまうと共に、可燃ガスが発生しているシステム内に、メカニカルリレーなどを多数使用するため、リレーオン時のスパークなどによる引火に対して、不安全な面があった。 However, as described above, the conventional configuration requires a switch such as a relay for adjusting the cell balance for each cell, which complicates the configuration and includes a mechanical relay in the system in which combustible gas is generated. Because of the use of a large number of such devices, there was an unsafe aspect against ignition by sparks when the relay was turned on.

また、セルバランスを調整するスイッチの切替はマイコンなどで行うので、急激な負荷の変動やセルの両端ショートといった現象には対応できないといった課題があった。 In addition, since the switch for adjusting the cell balance is switched by a microcomputer or the like, there is a problem that it cannot cope with a phenomenon such as a sudden load change or a short circuit between both ends of the cell.

前記従来の課題を解決するために、本発明は、燃料電池スタックを形成する複数の燃料電池スタックセルと、燃料電池スタックセルの異常を検出するセル異常検出手段と、燃料電池スタックが出力する電気とは絶縁された電源と、前記セル異常検出手段が検出したセル異常情報に基づき所定の制御を行う制御手段とを有し、前記前記セル異常検出手段は電圧検出用ＩＣと比較器とトランジスタを有し、前記制御手段は前記セル異常検出手段が異常を出力していると判断すると、燃料電池スタックの発電を停止することを特徴とする燃料電池システムとする。 In order to solve the above-mentioned conventional problems, the present invention provides a plurality of fuel cell stack cells forming a fuel cell stack, cell abnormality detection means for detecting abnormality of the fuel cell stack cell, and electricity output from the fuel cell stack. And a control means for performing predetermined control based on the cell abnormality information detected by the cell abnormality detection means. The cell abnormality detection means includes a voltage detection IC, a comparator, and a transistor. And the control means stops the power generation of the fuel cell stack when it is determined that the cell abnormality detection means outputs an abnormality.

これによって本発明は、セル電圧の異常を検出した時点で、直ちに発電を停止するので、異常が発生しているセル自身の劣化や破壊を防止することができると共に、他のセルへの過負荷などの影響を防止することができるので、システム全体の超寿命化を図ることができる。 As a result, the present invention immediately stops power generation when a cell voltage abnormality is detected, so that deterioration or destruction of the cell itself in which the abnormality has occurred can be prevented and overload to other cells can be prevented. Therefore, the life of the entire system can be extended.

本発明によれば、セル電圧の異常を検出した時点で、直ちに発電を停止するので、異常が発生しているセル自身の劣化や破壊を防止することができると共に、他のセルへの過負荷などの影響を防止することができるので、システム全体の超寿命化を図ることができる。 According to the present invention, since power generation is stopped immediately when an abnormality in the cell voltage is detected, it is possible to prevent deterioration and destruction of the cell itself in which the abnormality has occurred and to overload other cells. Therefore, the life of the entire system can be extended.

第１の発明は、燃料電池スタックを形成する複数の燃料電池スタックセルと、燃料電池スタックセルの異常を検出するセル異常検出手段と、燃料電池スタックが出力する電気とは絶縁された電源と、前記セル異常検出手段が検出したセル異常情報に基づき所定の制御を行う制御手段とを有し、前記セル異常検出手段は電圧検出用ＩＣと比較器とトランジスタを有し、前記制御手段は前記セル異常検出手段が異常を出力していると判断すると、燃料電池スタックの発電を停止することを特徴とする燃料電池システムとする。 The first invention includes a plurality of fuel cell stack cells forming a fuel cell stack, cell abnormality detection means for detecting an abnormality of the fuel cell stack cell, a power source insulated from electricity output from the fuel cell stack, Control means for performing predetermined control based on cell abnormality information detected by the cell abnormality detection means, the cell abnormality detection means includes a voltage detection IC, a comparator, and a transistor, and the control means includes the cell When the abnormality detecting means determines that an abnormality is output, the fuel cell system is characterized in that the power generation of the fuel cell stack is stopped.

上記構成によると、セル異常検出手段が、燃料電池スタックセルの異常、例えば、スタック電圧セルの電圧低下を検出すると、燃料電池発電装置の発電を直ちに停止することができるので、セルの劣化・破壊や、スタック全体の劣化や破壊を防止することができる。 According to the above configuration, when the cell abnormality detection means detects an abnormality of the fuel cell stack cell, for example, a voltage drop of the stack voltage cell, the power generation of the fuel cell power generation device can be stopped immediately, so that the deterioration or destruction of the cell In addition, deterioration and destruction of the entire stack can be prevented.

また、セル異常検出手段を電圧検出用ＩＣと比較器とトランジスタで構成することにより、異常電圧検出の電圧閾値を精度よく検出することが可能で、また、構成が非常に簡単で、かつ確実にスタックの電圧低下を検出することができる。 In addition, by configuring the cell abnormality detection means with a voltage detection IC, a comparator, and a transistor, it is possible to accurately detect the voltage threshold of abnormal voltage detection, and the configuration is very simple and reliable. A voltage drop in the stack can be detected.

第２の発明は、第１の発明に加え、セル異常検出手段と制御手段の間に光絶縁出力素子を設けたものであり、フォトカプラなどの光絶縁出力素子で構成することで、光絶縁素子の順方向電圧によりスタック電圧低下を判定し、前記制御手段に出力しているだけであるので、構成が非常に簡単で、かつ確実にスタックの電圧低下を検出することができる。 In the second invention, in addition to the first invention, an optically isolated output element is provided between the cell abnormality detecting means and the control means, and the optically insulated output element is constituted by an optically isolated output element such as a photocoupler. Since only the stack voltage drop is determined based on the forward voltage of the element and output to the control means, the configuration is very simple and the drop in the stack voltage can be detected reliably.

第３の発明は、第１または第２のいずれか１つの発明において、セル異常検出手段は、複数のスタックセルを１ユニットとして、ユニット毎にセル異常を検出する、複数セル異常検出手段であることを特徴とする燃料電池システムとする。 According to a third invention, in any one of the first and second inventions, the cell abnormality detecting means is a plurality of cell abnormality detecting means for detecting a cell abnormality for each unit, with a plurality of stack cells as one unit. The fuel cell system is characterized by this.

上記構成、動作によると、スタックを構成する１つ当たりのセルの出力電圧は、約０．７５Ｖ程度であり、非常に小さな電圧である。よって、小さな電圧の異常判定を行うことになり、セル電圧異常の判定を行う閾値電圧自身も非常に小さな電圧となり、誤検知などの可能性も高くなってしまうことが懸念される。 According to the above configuration and operation, the output voltage of each cell constituting the stack is about 0.75 V, which is a very small voltage. Therefore, the abnormality determination of a small voltage is performed, and the threshold voltage itself for determining the abnormality of the cell voltage becomes a very small voltage, and there is a concern that the possibility of erroneous detection and the like is increased.

セル電圧異常の判定を、最低２セル以上のセル毎に異常検出を行うことにより、検出すべき異常電圧の電圧閾値自体も大きな値となり、フォトカプラなどの光絶縁素子や電圧検出ＩＣなど、一般的に使用されている電子部品を利用して、精度よくスタック電圧低下異常を検出することができる。 By detecting abnormalities in each cell of at least two cells for the determination of abnormal cell voltage, the voltage threshold of the abnormal voltage to be detected itself becomes a large value, and photo-isolators such as photocouplers, voltage detection ICs, etc. Therefore, it is possible to accurately detect an abnormal stack voltage drop by using electronic components that are used in general.

第４の発明は、第１から第３いずれか１つの発明において、セル異常検出手段は、燃料電池スタック近傍に設置することを特徴とする燃料電池システムとする。 A fourth invention is a fuel cell system according to any one of the first to third inventions, wherein the cell abnormality detection means is installed in the vicinity of the fuel cell stack.

上記構成、動作によると、燃料電池発電装置などの場合、各セルの電圧は通常０．７５Ｖ程度と低いため、セルを直列に複数個直列に積層して使用することがほとんどである。例えば、３０個のセルを積層することで、スタックとしては、約２２Ｖ程度として使用するような使い方をすることがほとんどである。 According to the above configuration and operation, in the case of a fuel cell power generation device or the like, the voltage of each cell is usually as low as about 0.75 V, and therefore, it is almost always used by stacking a plurality of cells in series. For example, by stacking 30 cells, the stack is mostly used as about 22V.

ここで、セルごとの異常を検出するためには、各セルの＋極と−極の電圧を計測する必要があり、例えば、３０個のセル全てのセル電圧を計測するとなると、セル電圧を計測するため、セルから出ている３１本のリード線を制御基板まで持ってくる必要があるので、組立て性などに問題がある。 Here, in order to detect an abnormality for each cell, it is necessary to measure the voltage at the + and − poles of each cell. For example, when the cell voltages of all 30 cells are measured, the cell voltage is measured. Therefore, since it is necessary to bring the 31 lead wires coming out of the cell to the control board, there is a problem in assemblability and the like.

そこで、本発明の構成、動作によると、セル異常検出手段は、燃料電池スタック近傍に設置されるので、スタック近傍からは、異常信号をマイコンなどの制御手段に送信する信号線のみでよいので、組立て性の向上や製品の信頼性向上を図ることができる。 Therefore, according to the configuration and operation of the present invention, since the cell abnormality detection means is installed in the vicinity of the fuel cell stack, from the vicinity of the stack, only a signal line for transmitting an abnormality signal to a control means such as a microcomputer is required. It is possible to improve assemblability and product reliability.

第５の発明は、第１から第４いずれか１つの発明において、セルの異常を報知する、セル電圧異常報知手段を有し、前記セル電圧異常報知手段は、制御手段を介することなく、セル異常を報知する機能を備えることを有する燃料電池システムとする。 According to a fifth invention, in any one of the first to fourth inventions, there is provided cell voltage abnormality notifying means for notifying a cell abnormality, and the cell voltage abnormality notifying means is configured to be connected to a cell without using a control means. The fuel cell system has a function of notifying abnormality.

上記構成、動作によると、前記セル異常検出手段が異常を検出すると、利用者への報知をマイコンなどの制御手段を介することなく、行うことができるので、セルに異常が発生
したときなどは、直ちに利用者への報知ができる。 According to the above configuration and operation, when the cell abnormality detection means detects an abnormality, it is possible to notify the user without using a control means such as a microcomputer. Users can be notified immediately.

第６の発明は、第５の発明において、セル電圧異常報知手段は、不具合が発生しているセルがどのセルであるかを報知する機能を備えることを有する燃料電池システムとする。 A sixth invention is the fuel cell system according to the fifth invention, wherein the cell voltage abnormality notifying means has a function of notifying which cell has a problem.

上記構成、動作によると、セルの電圧異常を検出するセル電圧異常報知手段は、不具合が発生しているセルがどのセルであるかを判定する機能を備え、かつ、異常が発生しているセルがどのせるであるのかを、マイコンなどの制御手段を介することなく、報知することができるので、メンテナンス者などへのセル異常が発生しているセルの報知を、安価に実現することができる。 According to the above configuration and operation, the cell voltage abnormality notifying means for detecting a cell voltage abnormality has a function of determining which cell has a malfunction, and the cell in which the abnormality has occurred. Can be notified without using a control means such as a microcomputer, so that it is possible to inexpensively realize notification of a cell in which a cell abnormality has occurred to a maintenance person or the like.

第７の発明は、第１から第６いずれか１つの発明において、セル異常検出手段が出力したセル異常情報を、制御手段に送信する送信手段と、燃料電池システムの異常情報などを表示する表示手段を有し、前記セル異常検出手段が出力したセル異常情報を前記表示手段に表示し、利用者はメンテナンス者に報知する機能を有することを特徴とする燃料電池システムとする。 According to a seventh invention, in any one of the first to sixth inventions, a transmission means for transmitting the cell abnormality information output by the cell abnormality detection means to the control means, and a display for displaying the abnormality information of the fuel cell system, etc. The fuel cell system has a function of displaying the cell abnormality information output by the cell abnormality detection unit on the display unit and notifying a maintenance person.

上記構成、動作によると、セル異常検出手段により検出したセル異常情報などを、マイコンなどの制御手段を介して表示部などに表示することができるので、メンテナンス者以外の一般の利用者でも、燃料電池発電装置を使用中にセル電圧異常が発生した場合でも、簡単に製造会社やメンテナンス会社などに連絡することが可能であり、メンテナンス性を向上させることができる。 According to the above configuration and operation, cell abnormality information detected by the cell abnormality detection means can be displayed on a display unit or the like via a control means such as a microcomputer. Even when a cell voltage abnormality occurs while using the battery power generation device, it is possible to easily contact a manufacturing company, a maintenance company, etc., and maintainability can be improved.

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the present embodiment.

（実施の形態１）
図２は、本発明の第１の実施の形態における、セル電圧異常検出手段の回路図、図３は、燃料電池発電装置全体のシステム構成図の概略を示す図である。 (Embodiment 1)
FIG. 2 is a circuit diagram of the cell voltage abnormality detecting means in the first embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a diagram showing an outline of a system configuration diagram of the entire fuel cell power generator.

まず、燃料電池発電装置が発電していない場合の動作の例について説明する。 First, an example of the operation when the fuel cell power generator is not generating power will be described.

図３において、前記燃料電池発電装置は、発電する前の起動中は、系統２１から電力が供給されている。また、前記燃料電池発電装置と同様に、家庭で使用されているエアコン、電気、冷蔵庫など家庭内負荷も系統２１から、通常家庭内に設置されている分電盤を介して、電気が供給されている。 In FIG. 3, the fuel cell power generator is supplied with power from the grid 21 during startup before power generation. Similarly to the fuel cell power generator, domestic loads such as air conditioners, electricity, and refrigerators used at home are also supplied with electricity from the system 21 via a distribution board normally installed in the home. ing.

前記燃料電池発電装置が発電可能状態となるまでには、水素生成器３０により、都市ガスなどの原料を水蒸気改質し、水素を主成分とする燃料ガスを生成する必要がある。この水蒸気改質を行い、発電可能な水素を生成するためには、前記水素生成器３０の温度を約６００〜７００℃まで上昇させる必要がある。そのため、燃料電池発電装置の内部には、温度を上昇させるためのヒーターや、前記水素生成器３０の温度を制御するファンや、原料ガスの流路を変える弁などを有しており、これらの機器を制御することで発電に利用する水素を生成している。 Before the fuel cell power generation device is ready for power generation, the hydrogen generator 30 needs to steam-reform a raw material such as city gas to generate a fuel gas mainly composed of hydrogen. In order to perform this steam reforming and generate hydrogen that can generate electricity, it is necessary to raise the temperature of the hydrogen generator 30 to about 600 to 700 ° C. Therefore, the fuel cell power generator has a heater for increasing the temperature, a fan for controlling the temperature of the hydrogen generator 30, a valve for changing the flow path of the raw material gas, and the like. Hydrogen used for power generation is generated by controlling equipment.

これらのヒーターやファンや弁を駆動させるための電源は、前記燃料電池発電装置が発電していないときは、系統側から、リレー２７を介して前記ＡＣ／ＤＣコンバータ２４に入力され、前記ＡＣ／ＤＣコンバータにより電源変換が行われ、それぞれのヒーターやファンや弁を駆動するのに必要な電源や、制御用の電源を生成している。但し、リレー２７は、後述する、発電時に系統とＡＣ／ＤＣコンバータとの接続を切離すものであるが、Ａ
Ｃ／ＤＣコンバータの後段に設置している電源切替手段２６が設けられているので、必ずしも必要なく、リレー２７が設けられていなくても、本発明の効果は変わらない。 A power source for driving these heaters, fans, and valves is input from the system side to the AC / DC converter 24 via the relay 27 when the fuel cell power generator is not generating power, and the AC / DC converter 24 Power conversion is performed by a DC converter, and a power source necessary for driving each heater, fan, and valve and a power source for control are generated. However, the relay 27 disconnects the connection between the system and the AC / DC converter during power generation, which will be described later.
Since the power supply switching means 26 installed in the subsequent stage of the C / DC converter is provided, it is not always necessary, and even if the relay 27 is not provided, the effect of the present invention does not change.

水素生成器３０により、天然ガスなどの原料ガスから水素への改質が十分に進み、燃料電池の発電に必要な水素が生成されると、燃料電池発電装置は発電可能状態となり、燃料電池スタック１２の発電が開始する。 When the hydrogen generator 30 sufficiently reforms the raw material gas such as natural gas into hydrogen, and hydrogen necessary for power generation of the fuel cell is generated, the fuel cell power generator is ready to generate power, and the fuel cell stack 12 power generation starts.

セル１１の集合体である燃料電池スタック１２が発電状態になると、前記燃料電池スタック１２で発電した直流電力はインバータにより交流電力に変換され、変換された電力は家庭内負荷に使用される。燃料電池発電装置でも同様に、今までは、天然ガスから水素を生成するためのヒーターやファンや弁の駆動電源を、ＡＣ／ＤＣコンバータ２４から駆動用電源を生成していたが、燃料電池スタックが発電状態になったならば、燃料電池スタック１２で発電した電力を、ＤＣ／ＤＣコンバータ２５から駆動電源を生成し、これらのファンや弁の駆動電力として用いることができる。 When the fuel cell stack 12 that is an aggregate of the cells 11 is in a power generation state, the DC power generated by the fuel cell stack 12 is converted into AC power by an inverter, and the converted power is used for household loads. Similarly, in the fuel cell power generation apparatus, until now, a driving power source for a heater, a fan, and a valve for generating hydrogen from natural gas and a driving power source for the AC / DC converter 24 have been generated. Is in a power generation state, the power generated by the fuel cell stack 12 can be generated from the DC / DC converter 25 to be used as drive power for these fans and valves.

次に、本発明の第１の実施の形態の動作について、図２を用いて説明する。 Next, the operation of the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.

図２は、セル電圧異常検出手段の回路図を示すものである。前述したように、燃料電池発電装置のスタックが発電を開始すると、発電した電力を用いて、家庭内で使用している電化製品の電力として使用したり、余った電力は系統に戻したりすることが可能となる。このとき、燃料電池スタック１２に接続された、セル異常検出手段１０により、燃料電池スタックを構成しているセル１１のセル電圧を監視し、異常が発生したときには、スタックの発電を停止させることにより、セルの劣化・破壊や、スタック全体の劣化や破壊を防止している。 FIG. 2 shows a circuit diagram of the cell voltage abnormality detection means. As described above, when the stack of the fuel cell power generator starts generating power, the generated power can be used as electric power for household appliances, or surplus power can be returned to the grid. Is possible. At this time, the cell abnormality detection means 10 connected to the fuel cell stack 12 monitors the cell voltage of the cells 11 constituting the fuel cell stack. When an abnormality occurs, the power generation of the stack is stopped. This prevents the deterioration and destruction of the cell and the deterioration and destruction of the entire stack.

図２に示すように、セル異常検出手段１０は、各セル毎、もしくは、最低２セル以上の複数の複数セル毎の、異常検出手段１０ａ、１０ｂ・・・１０ｘが複数個のモジュールから構成されている。ここでは、２セルごとのセル異常を検出する場合を例に説明を行う。１セルの正常時の電圧は、０．７５Ｖ程度と非常に小さいので、異常時のセル電圧は更に小さくなり、１セル毎にセル異常の検出を行うと、誤検出可能性が高くなるためである。 As shown in FIG. 2, the cell anomaly detection means 10 includes anomaly detection means 10a, 10b,..., 10x for each cell or for each of a plurality of cells of at least two cells. ing. Here, a case where a cell abnormality is detected every two cells will be described as an example. Since the normal voltage of one cell is very small, about 0.75 V, the cell voltage at the time of abnormality is further reduced, and detection of cell abnormality for each cell increases the possibility of false detection. is there.

セル異常検出手段の１つ毎のモジュールは、電圧検出用ＩＣ１３と、比較器１４と、トランジスタ１５から構成されている。電圧検出用ＩＣは、一般的にリセットＩＣという名称で、多数の半導体メーカーから販売されており、安価で入手も簡単なものを用いることができる。 Each module of the cell abnormality detection means includes a voltage detection IC 13, a comparator 14, and a transistor 15. The voltage detection IC is generally called a reset IC and is sold by many semiconductor manufacturers, and an inexpensive and easily available one can be used.

トランジスタ１５の出力は、オア接続となっており、フォトカプラなどの光絶縁素子１６に接続されるので、いずれか１つのセル異常検出モジュールが異常を検出した場合にも、制御手段１７に異常信号を出力することができる。 Since the output of the transistor 15 is OR-connected and is connected to the optical isolation element 16 such as a photocoupler, even if any one of the cell abnormality detection modules detects an abnormality, the abnormality signal is sent to the control means 17. Can be output.

まず、セル電圧が異常時の動作について説明する。 First, the operation when the cell voltage is abnormal will be described.

ここでは、２セルの合計電圧の異常判定閾値電圧を１．０Ｖとし、１．０Ｖになるとセル電圧異常であると判定する場合について述べるが、異常判定閾値は、前記電圧検出用ＩＣ１３の設定電圧を変えるだけで良いので、異常判定閾値電圧はこの値でなくても発明の効果はかわらない。 Here, a case will be described in which the abnormality determination threshold voltage of the total voltage of two cells is 1.0 V, and it is determined that the cell voltage is abnormal when 1.0 V is reached. The abnormality determination threshold is the set voltage of the voltage detection IC 13. Therefore, even if the abnormality determination threshold voltage is not this value, the effect of the invention does not change.

セル電圧が正常（１．０Ｖ以上）のときは、各セル異常検出モジュール内の電圧検出用ＩＣ１３の出力は、入力電圧（例えば、１．５Ｖ程度）がそのまま出力される。よって、比較器１４の基準電圧より必ず高い電圧となるので、トランジスタ１５はオフしたままで
、制御手段１７へ異常信号は出力されないままである。 When the cell voltage is normal (1.0 V or more), the input voltage (for example, about 1.5 V) is output as it is from the voltage detection IC 13 in each cell abnormality detection module. Therefore, since the voltage is always higher than the reference voltage of the comparator 14, the transistor 15 remains off and no abnormal signal is output to the control means 17.

次に、セル電圧が異常（１．０Ｖ以下）のときは、各セル異常検出モジュール内の電圧検出用ＩＣ１３の出力は、不定であり、出力段のプルダウン抵抗で、比較器１４の入力は０Ｖとなり、基準電圧より必ず低い電圧となるので、トランジスタ１５がオンされ、フォトカプラ１６の入力側のＬＥＤが点灯し、制御手段１７へ異常信号を出力することができる。 Next, when the cell voltage is abnormal (1.0 V or less), the output of the voltage detection IC 13 in each cell abnormality detection module is indefinite, the output stage pull-down resistor, and the input of the comparator 14 is 0 V. Since the voltage is always lower than the reference voltage, the transistor 15 is turned on, the LED on the input side of the photocoupler 16 is lit, and an abnormal signal can be output to the control means 17.

制御手段１７が、異常信号を受信すると、セルの劣化や破壊、システム全体への負荷を防ぐため、直ちに発電を停止させて、表示手段１８に表示し、燃料電池発電装置の利用者やメンテナンス者に報知を行う。 When the control means 17 receives the abnormal signal, the power generation is immediately stopped and displayed on the display means 18 in order to prevent the deterioration and destruction of the cell and the load on the entire system, and is displayed on the display means 18. To inform.

このように、複数個のセル異常検出モジュールをオア接続し、スタックを構成するセル電圧に１つでも異常が発生したら、スタックの発電を停止し、報知を行うことで、スタック電圧セルの電圧低下を検出すると、燃料電池発電装置の発電を直ちに停止することができるので、セルの劣化・破壊や、スタック全体の劣化や破壊を防止することができる。 In this way, when a plurality of cell abnormality detection modules are OR-connected, and even one abnormality occurs in the cell voltage that constitutes the stack, the power generation of the stack is stopped and notification is made, so that the voltage of the stack voltage cell is lowered. Since the power generation of the fuel cell power generation apparatus can be stopped immediately, the deterioration and destruction of the cells and the deterioration and destruction of the entire stack can be prevented.

また、スタック電圧の低下を、フォトカプラなどの光絶縁出力素子で構成することで、光絶縁素子の順方向電圧によりスタック電圧低下を判定し、前記制御手段に出力しているだけであるので、構成が非常に簡単・安価で、かつ確実にスタックの電圧低下を検出することができる。 In addition, by configuring the stack voltage drop with an optically isolated output element such as a photocoupler, the stack voltage drop is determined based on the forward voltage of the optically isolated element, and only output to the control means. The configuration is very simple and inexpensive, and the voltage drop of the stack can be reliably detected.

また、セル異常検出手段により検出したセル異常情報などを、マイコンなどの制御手段を介して表示部などに表示することができるので、メンテナンス者以外の一般の利用者でも、燃料電池発電装置を使用中にセル電圧異常が発生した場合でも、簡単に製造会社やメンテナンス会社などに連絡することが可能であり、メンテナンス性を向上させることができる。 In addition, because cell abnormality information detected by the cell abnormality detection means can be displayed on the display unit etc. via a control means such as a microcomputer, even general users other than maintenance personnel can use the fuel cell power generator. Even when a cell voltage abnormality occurs, it is possible to easily contact a manufacturing company, a maintenance company, etc., and maintainability can be improved.

（実施の形態２）
実施の形態２は、制御手段を介することなく、セル異常を検出した場合は、異常を報知する場合の実施例であり、その他の構成、動作は実施の形態１と同じである。 (Embodiment 2)
The second embodiment is an example in which an abnormality is notified when a cell abnormality is detected without going through the control means, and other configurations and operations are the same as those in the first embodiment.

そこで以下では実施の形態２の構成、動作について、実施の形態１との相違点を中心に述べ、その他の構成、動作については実施の形態１と同じものとする。 Therefore, hereinafter, the configuration and operation of the second embodiment will be described with a focus on differences from the first embodiment, and other configurations and operations will be the same as those of the first embodiment.

図４は、制御手段を介することなく、セルの異常を検出した場合に利用者やメンテナンス者に報知する機能を備える場合のセル異常検出手段の構成図の例である。 FIG. 4 is an example of a configuration diagram of the cell abnormality detection means in the case of providing a function for notifying a user or a maintenance person when a cell abnormality is detected without using a control means.

実施の形態１と同様に、セル異常検出モジュールが、セル電圧の低下を検出すると、トランジスタ１５がオンするので、トランジスタの出力側に設けられた、セル電圧異常報知手段４１であるＬＥＤが点灯する。このＬＥＤ４１は、セル異常検出モジュール毎に設けられているので、どのセルで異常が発生しているのか知ることができる。 As in the first embodiment, when the cell abnormality detection module detects a decrease in the cell voltage, the transistor 15 is turned on, so that the LED that is the cell voltage abnormality notification means 41 provided on the output side of the transistor is lit. . Since this LED 41 is provided for each cell abnormality detection module, it is possible to know in which cell an abnormality has occurred.

このように、セルの電圧異常を検出するセル電圧異常報知手段は、不具合が発生しているセルがどのセルであるかを判定する機能を備え、かつ、異常が発生しているセルがどのせるであるのかを、マイコンなどの制御手段を介することなく、報知することができるので、メンテナンス者などへのセル異常が発生しているセルの報知を、安価に実現することができる。 As described above, the cell voltage abnormality notifying means for detecting a cell voltage abnormality has a function of determining which cell has a defect, and which cell has an abnormality. Can be notified without using a control means such as a microcomputer, so that it is possible to inexpensively notify a maintenance person or the like of a cell in which a cell abnormality has occurred.

（実施の形態３）
実施の形態３は、セル異常検出手段は、燃料電池スタック近傍に設置する場合の実施例であり、その他の構成、動作は実施の形態１、２と同じである。 (Embodiment 3)
The third embodiment is an example in which the cell abnormality detection means is installed in the vicinity of the fuel cell stack, and the other configuration and operation are the same as those of the first and second embodiments.

そこで以下では実施の形態３の構成、動作について、実施の形態１、２との相違点を中心に述べ、その他の構成、動作については実施の形態１、２と同じものとする。 Therefore, hereinafter, the configuration and operation of the third embodiment will be described focusing on the differences from the first and second embodiments, and the other configurations and operations will be the same as those of the first and second embodiments.

図５は、セル異常検出手段は、燃料電池スタック近傍に設置する場合の、燃料電池発電装置のシステム構成図の概略図である。 FIG. 5 is a schematic diagram of a system configuration diagram of the fuel cell power generator when the cell abnormality detection means is installed in the vicinity of the fuel cell stack.

実施の形態１との相似点は、セル異常検出手段１０が、スタック１２の近傍にある点である。セル毎の異常電圧を検出するとなると、各セルから出力電圧モニター用の電気ケーブルを接続する必要があり、例えば、セル数が３０枚の燃料電池スタック１２から引き出さなければならない電気ケーブルは３１本になり非常に多く、配線の引回しも大変であり、組立て性が悪くなるとか、製品の信頼性が低下するといった課題があった。 Similarity to the first embodiment is that the cell abnormality detection means 10 is in the vicinity of the stack 12. When detecting an abnormal voltage for each cell, it is necessary to connect an output voltage monitoring electric cable from each cell. For example, 31 electric cables must be drawn from the fuel cell stack 12 having 30 cells. Therefore, the wiring is difficult to route, and there are problems such as poor assembling and reduced product reliability.

そこで、本発明の実施の形態３では、セル異常検出手段１０を燃料電池スタック１２の近傍に設置することにより、配線数が多いスタック１２からセル異常検出手段１２までの距離は短くし、制御手段１６と接続される、異常信号を出力する電気ケーブルのみを長くすることで、配線を簡素化できる。 Therefore, in the third embodiment of the present invention, the cell abnormality detection means 10 is installed in the vicinity of the fuel cell stack 12, thereby shortening the distance from the stack 12 having a large number of wires to the cell abnormality detection means 12, and the control means. Wiring can be simplified by lengthening only the electric cable connected to 16 and outputting an abnormal signal.

このように、セル異常検出手段１２が、燃料電池スタック近傍に設置されるので、スタック近傍からは、異常信号をマイコンなどの制御手段に送信する信号線のみを配線すればよいので、配線が簡素化でき、組立て性の向上や製品の信頼性向上を図ることができる。 As described above, since the cell abnormality detecting means 12 is installed in the vicinity of the fuel cell stack, only the signal line for transmitting the abnormality signal to the control means such as the microcomputer needs to be wired from the vicinity of the stack, so that the wiring is simple. It is possible to improve assembly performance and product reliability.

本発明は、家庭用の燃料電池システムをはじめ、工業用や自動車用の燃料電池システムにも利用可能である。 The present invention can be used for fuel cell systems for industrial use and automobiles, as well as fuel cell systems for home use.

一般的な固体高分子電解質型燃料電池の構成図Configuration diagram of a general polymer electrolyte fuel cell 実施の形態１における燃料電池システムのセル電圧異常検出手段の回路図Circuit diagram of cell voltage abnormality detection means of fuel cell system in Embodiment 1 実施の形態１における燃料電池発電装置全体のシステム構成図の概略を示す図The figure which shows the outline of the system block diagram of the whole fuel cell electric power generating apparatus in Embodiment 1. FIG. 実施の形態２における燃料電池システムのセル電圧異常検出手段の回路図Circuit diagram of cell voltage abnormality detection means of fuel cell system in Embodiment 2 実施の形態３における燃料電池発電装置全体のシステム構成図の概略を示す図The figure which shows the outline of the system block diagram of the whole fuel cell electric power generating apparatus in Embodiment 3. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

１０セル異常検出手段
１１スタックセル
１２スタック
１３電圧検出ＩＣ
１４比較器
１５トランジスタ
１６光絶縁素子
１７制御手段
１８表示手段
４１セル電圧異常報知手段（ＬＥＤ） 10 cell abnormality detection means 11 stack cell 12 stack 13 voltage detection IC
14 Comparator 15 Transistor 16 Opto-isolator 17 Control Unit 18 Display Unit 41 Cell Voltage Abnormality Notification Unit (LED)

Claims

燃料電池スタックを形成する複数の燃料電池スタックセルと、燃料電池スタックセルの異常を検出するセル異常検出手段と、燃料電池スタックが出力する電気とは絶縁された電源と、前記セル異常検出手段が検出したセル異常情報に基づき所定の制御を行う制御手段とを有し、前記前記セル異常検出手段は電圧検出用ＩＣと比較器とトランジスタを有し、前記制御手段は前記セル異常検出手段が異常を出力していると判断すると、燃料電池スタックの発電を停止することを特徴とする燃料電池システム。 A plurality of fuel cell stack cells forming the fuel cell stack, cell abnormality detection means for detecting abnormality of the fuel cell stack cell, power supply insulated from electricity output from the fuel cell stack, and the cell abnormality detection means Control means for performing predetermined control based on the detected cell abnormality information, the cell abnormality detection means has a voltage detection IC, a comparator, and a transistor, and the control means has an abnormality in the cell abnormality detection means. When the fuel cell stack is judged to be output, power generation of the fuel cell stack is stopped.

セル異常検出手段と制御手段の間に光絶縁出力素子を設けたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。 2. The fuel cell system according to claim 1, wherein an optically isolated output element is provided between the cell abnormality detecting means and the control means.

セル異常検出手段は、複数のスタックセルを１ユニットとして、ユニット毎にセル異常を検出する複数セル異常検出手段であることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池システム。 3. The fuel cell system according to claim 1, wherein the cell abnormality detection means is a plurality of cell abnormality detection means for detecting a cell abnormality for each unit with a plurality of stack cells as one unit. 4.

セル異常検出手段は、燃料電池スタック近傍に設置することを特徴とする請求項１〜３いずれか１項に記載の燃料電池システム。 The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3, wherein the cell abnormality detection means is installed in the vicinity of the fuel cell stack.

セルの異常を報知するセル電圧異常報知手段を有し、前記セル電圧異常報知手段は、制御手段を介することなくセル異常を報知する機能を備えた請求項１〜４いずれか１項に記載の燃料電池システム。 5. The cell voltage abnormality notifying means for notifying a cell abnormality, wherein the cell voltage abnormality notifying means has a function of notifying a cell abnormality without passing through a control means. Fuel cell system.

セル電圧異常報知手段は、不具合が発生しているセルがどのセルであるかを報知する機能を備えた請求項５に記載の燃料電池システム。 6. The fuel cell system according to claim 5, wherein the cell voltage abnormality notifying means has a function of notifying which cell has a problem.

セル異常検出手段が出力したセル異常情報を制御手段に送信する送信手段と、少なくとも燃料電池システムの異常情報を表示する表示手段を有し、前記セル異常検出手段が出力したセル異常情報を前記表示手段に表示する請求項１〜６いずれか１項に記載の燃料電池システム。 Transmitting means for transmitting cell abnormality information output by the cell abnormality detecting means to the control means, and display means for displaying at least abnormality information of the fuel cell system, and displaying the cell abnormality information output by the cell abnormality detecting means The fuel cell system according to any one of claims 1 to 6, which is displayed on the means.