JP2008071637A - 燃料電池システムと燃料電池スタック検査装置及び燃料電池スタック異常判断方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の通常運転時又は燃料電池スタック製造段階におけるスタック異常検査時にフラッディングが発生している異常セルを正確に検出する燃料電池システムと燃料電池スタック異常検査装置及びスタック異常判断方法を提供する。
【解決手段】燃料電池スタックの温度を通常運転時の温度よりも低い温度に冷却し、そのときに電圧検出の対象となっている１又は複数のセルの電圧値が基準値以下である場合は、その１又は複数のセルを異常と判断する。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数のセルが積層された燃料電池スタックを備える燃料電池システムと燃料電池スタックの異常を検出する検査装置及び燃料電池スタックの異常を判断する方法に関する。

燃料電池システムにおいては、燃料電池の発電量が低下したり、燃料電池スタックの冷却媒体の温度が低下して、燃料電池スタックの温度が低下すると、燃料電池スタックで生成される水がセル電極を閉塞するフラッディング（水詰まり）が発生し易くなる。そして、そのフラッディングが発生しているセルは、ガスの流通が妨げられるために、セル電圧が低下し、電池性能の低下を引き起こすことになる。

燃料電池スタックの発電量が急激に低下したり、外気温の低下により燃料電池スタックの冷却媒体の温度が低下して、燃料電池スタックの温度が低下するときは、かかる温度低下を打ち消すように冷却装置の冷却能力を制御して、燃料電池スタックの温度低下によるフラッディングの発生を効果的に防止する技術が知られている（例えば特許文献１参照）。

特開２００４−１５８３５５号公報

ここで、通常の燃料電池システム運転時やスタック製造段階においてフラッディングを発生しているセルを検出するときは、フラッディングが起こりやすい環境下でセル電圧を検出する方がその検出感度は良好になる。そのため、例えば燃料電池スタックに供給するガス量を低下させ、発電に伴う発熱量を低下させることによって燃料電池スタックの温度を低下させ、フラッディングが起こりやすい環境にしてセル電圧を検出する方法が考えられる。

しかし、燃料電池スタックに供給するガス量を低下させると、ガス供給方向に沿って奥に配置されたセルほどその供給ガス量は減少し、セルの電圧値は奥に行くほど低下する。そうすると、セルの電圧値を検出して異常セルを検出するときに、ガス供給方向に沿って奥に配置されたセルは、異常でない場合にもそのセルの電圧値は低く検出されるため、正確なセルの異常判断が困難であるという課題があった。

本発明は、複数のセルが積層された燃料電池スタックを備える燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックを冷却する冷却手段と、燃料電池スタックに含まれるセルのうち１又は複数のセルの電圧を検出する電圧検出手段を少なくとも１つ有し、燃料電池スタック内部を通常運転時の温度よりも低い温度に冷却し、そのときに電圧検出手段による検出電圧値が基準値以下である場合は、その電圧検出手段の検出対象である１又は複数のセルを異常と判断する判断手段とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、燃料電池スタック内部をフラッディングが起こりやすい環境にすることによって、異常セル検出感度が向上するとともに、セルの測定電圧値は、セルが配置された位置によって受ける影響が少ないため、異常セル検出精度も向上する。

本発明において、冷却手段は、燃料電池スタックを冷却するために例えば水等の冷却媒体を循環ポンプ等によって燃料電池スタックに供給する手段を含み、判断手段において１又は複数のセルの異常を判断する際には、その冷却媒体の燃料電池スタック入口温度を４０度から６０度の範囲内に設定することが好適である。

かかる構成によれば、燃料電池スタック内部をフラッディングが起こりやすい環境にして、フラッディングが発生しているセルを検出する検出感度を良好にすることと、該フラッディングが起こりやすい環境であっても、異常セル以外のセルについてはフラッディングによる電圧低下を生じさせないこととの両立を図ることができる。

本発明において、判断手段は、異常セルが所定の数を超えたときは、燃料電池システムの運転を停止することが好適である。

本発明は、複数のセルが積層された燃料電池スタックの異常を検出する検査装置において、燃料電池スタックを冷却する冷却手段と、燃料電池スタックに含まれるセルのうち１又は複数のセルの電圧を検出する電圧検出手段を少なくとも１つ有し、燃料電池スタックを通常運転時の温度よりも低い温度に冷却し、そのときに電圧検出手段による検出電圧値が基準値以下である場合は、電圧検出手段の検出対象である１又は複数のセルを異常と判断する判断手段とを備えることを特徴とする。

本発明において、冷却手段は、燃料電池スタックを冷却するために例えば水等の冷却媒体を循環ポンプ等によって燃料電池スタックに供給する手段を含み、判断手段において１又は複数のセルの異常を判断する際には、冷却媒体の燃料電池スタック入口温度を４０度から６０度の範囲内に設定することが好適である。

本発明は、複数のセルが積層された燃料電池スタックの異常を判断する方法において、燃料電池スタックの温度を通常運転時の温度よりも低い温度に冷却し、そのときに電圧検出の対象となっている１又は複数のセルの電圧値が基準値以下である場合は、その１又は複数のセルを異常と判断することを特徴とする。

本発明において、１又は複数のセルの異常を判断する際には、前記燃料電池スタックを冷却するための例えば水等の冷却媒体の燃料電池スタック入口温度を４０度から６０度の範囲内に設定することが好適である。

本発明において、異常セルが所定の数を超えたときは、燃料電池システムの運転を停止することが好適である。

本発明によれば、燃料電池の通常運転時や燃料電池スタック製造段階において、フラッディングが発生している異常セルを正確に検出することができる。

以下、本発明を実施するための形態（以下実施形態という）を図面に従って説明する。

図１は、本発明の燃料電池システムの構成の概略を示す図である。本発明の実施形態における燃料電池システムは、燃料電池スタック１０、加湿器１２、制御部３０、冷却装置８０を備えている。

燃料電池スタック１０は、単セルを複数積層して構成されている。個々の単セルは、電解質膜（例えば高分子膜）が、アノード電極とカソード電極で挟持され、さらにその両側をセパレータで挟み込む構造となっている。上記単セルの構造は、従来より広く知られている燃料電池の単セル構造と同様である。

燃料電池スタック１０は、燃料である水素ガス及び酸化剤である空気の供給を受けて電力を発電する。本実施形態においては、燃料ガス及び酸化剤ガスの循環経路は図１の矢印によって示される構成としたが、これに限らず種々の変形が可能であることは勿論である。

図示しない水素タンクからの水素ガスは、燃料電池スタック１０を構成する複数の各セルの燃料極（アノード）に供給される。また、図示しないコンプレッサによって圧送される空気は、加湿器１２により加湿されて燃料電池スタック１０を構成する複数の各セルの空気極（カソード）に供給される。そして、空気極での反応（２Ｈ^＋＋１／２Ｏ_２→Ｈ_２Ｏ）によって生成される水は、空気極からの排気ガスとともに排出され、その排気ガスは、加湿器１２に供給されて図示しないコンプレッサから圧送される供給空気を加湿する。

冷却装置８０は、燃料電池スタック１０を冷却するための冷却媒体を燃料電池スタック１０と放熱器２０との間で循環させて燃料電池スタック１０を冷却し、その排熱を外気に拡散させるための装置であって、冷却水循環ポンプ２２、冷却水循環流路２４、放熱器２０、冷却水バイパス流路２６、流量調整用三方弁５０を備える。本実施形態においては、冷却媒体は水としているが、これに限らず種々の変更が可能であることは勿論である。

冷却水は、燃料電池スタック１０に供給され、スタック内部を冷却した後、冷却水循環ポンプ２２によって冷却水循環流路２４を通り、放熱器２０に供給される。そして、冷却水は放熱器２０において外気と熱交換され、その熱は外部に放出される。また、流量調整用三方弁５０は、制御部３０と接続されている。流量調整用三方弁５０は、制御部３０からの信号に基づき、弁の開度を調整して、放熱器２０を通過する冷却水流量と冷却水バイパス流路２６を流れる冷却水量とを任意の割合で調整することができる。

また、冷却装置８０は、燃料電池スタック出口側温度センサ４２、バイパス温度センサ４４、放熱器出口側温度センサ４６、燃料電池スタック入口側温度センサ４８を備えており、これらのセンサは制御部３０に接続されている。

また、燃料電池スタック１０には電圧計６０が設けられ、電圧計６０は制御部３０に接続されている。本実施形態においては、図２（ａ）に示すように、燃料電池スタック１０を構成する複数の単セル１６それぞれに端子１８を設けて電圧計６０に接続し、各単セル１６の電圧を測定している。ここで、本実施形態においては、各単セル１６毎に電圧を測定する構成としているが、例えば複数のセル毎に電圧を測定する構成であっても良い。また、燃料電池スタック１０に含まれるセルのうち、積層方向端部付近の１又は複数のセルは、外気側に近接して配置されるため、他のセルに比べて温度が冷却され易く、フラッディングが発生する可能性が高い。そのため、かかる積層方向端部付近の１又は複数のセルだけの電圧を測定するような構成であっても良く、種々の変更が可能であることは勿論である。

また、本実施形態とは別に、例えば燃料電池スタック製造段階において、スタックの異常を検査する場合は、図２（ｂ）に示すように、複数の単セル１６を積層し、その両端を集電板６８で挟持したサブスタック７０を１つの構造単位として複数のサブスタック７０を構成し、各サブスタック７０毎にスタックの異常を検査する構成であっても良い。かかる場合は、水素ガス及び空気供給ラインを分岐して、各サブスタック７０毎に水素ガス及び空気を供給して電力を発電させ、集電板６８に端子を設けてその発電電圧を電圧計６２〜６６によって測定する構成とすることもできる。ここで、電圧計は各単セル１６毎に設ける構成であっても良く、種々の変更が可能であることは勿論である。また、各サブスタック７０は、互いに直列又は並列に接続して検査を行っても良く、種々の変更が可能であることは勿論である。

ここで、燃料電池システムの通常運転時において、フラッディングの発生によってセル電圧が低下している異常セルを、セルの測定電圧値に基づいて検出する場合について、図１を参照して説明する。

先ず、制御部３０は燃料電池スタック入口側温度の制御目標値を所定温度に設定する。そして、制御部３０は、燃料電池スタック出口側温度センサ４２、放熱器出口側温度センサ４６、バイパス温度センサ４４からの検出信号に基づき、流量調整用三方弁５０の開度を決定する。また、燃料電池スタック入口側温度センサ４８からの検出信号をフィードバックしながら、流量調整用三方弁５０の開度を補正するように制御する。

ここで、スタック入口側温度の制御目標値は４０度から６０度の範囲内に設定することが望ましい。フラッディングが発生している異常セルを検出するときは、フラッディングが起こりやすい環境下でセル電圧を検出する方がその検出感度は良好になるものの、スタック温度が低下し過ぎると、異常セル以外のセルまでフラッディングを起こして、そのセル電圧が低下する可能性があるため、好ましくない。そのため、スタック入口側温度の制御目標値を４０度から６０度の範囲内に設定することによって、異常セルを検出するときの検出感度を良好にすることと、フラッディングが起こりやすい環境にしつつも、異常セル以外のセルについてはフラッディングによる電圧低下を発生させないこととの両立を図ることができる。

上記のとおり、燃料電池スタック１０を通常運転時の温度よりも低い温度に冷却した状態で、制御部３０に各単セル１６の電圧測定値が入力される。そして、制御部３０は、電圧測定値が基準値以下である単セル１６があったときは、該単セル１６を異常と判断する。
図３は、各単セル１６の電圧測定値を示すグラフである。図３の横軸は、単セル１６の積層方向に沿って、各単セル１６に番号を付していることを表し、縦軸は各単セル１６の電圧測定値を表している。図３のグラフは、ｎ番目の単セル１６の電圧測定値が基準値Ｖ１以下であることを示しており、ｎ番目の単セル１６が異常と判断される。

そして、制御部３０により異常と判断された単セル１６が所定の数を超える場合は、制御部３０は、電池性能の低下により燃料電池システムの運転継続は困難であると判断し、その運転を停止する。

次に制御部３０によって実行される燃料電池スタック１０の異常判断制御ルーチンについて説明する。図４は、制御部３０により実行される燃料電池スタック１０の異常判断制御ルーチンの一例を示すフローチャートであり、このルーチンは、燃料電池システム通常運転時において、所定時間毎に繰り返して実行される。

先ずステップＳ１０１においては、冷却水の燃料電池スタック入口側温度の制御目標値を所定温度に設定し、次のステップＳ１０２に進む。上述したとおり、この目標温度は４０度から６０度の範囲内で設定することが望ましい。

ステップＳ１０１で、冷却水の燃料電池スタック入口側温度の目標値が所定温度に設定されると、上述したとおり、冷却水の燃料電池スタック入口側温度が目標値になるように流量調整用三方弁５０の開度が制御される。

ステップＳ１０２においては、冷却水の燃料電池スタック入口側温度が目標値になったか否かが判断され、冷却水の燃料電池スタック入口側温度が目標値になったと判断されたときは次のステップＳ１０３に進み、冷却水の燃料電池スタック入口側温度が目標値になっていないと判断されたときは、冷却水の燃料電池スタック入口側温度が目標値になるまで、流量調整用三方弁５０の開度が制御される。そして、冷却水の燃料電池スタック入口側温度が目標値になったと判断されたときは次のステップＳ１０３に進む。

ステップＳ１０３においては、電圧測定値が基準値Ｖ１以下の単セル１６があるか否かが判断され、電圧測定値が基準値Ｖ１以下の単セル１６が１つも無いときは、本ルーチンの実行を終了し、そのまま燃料電池システムの運転が継続して行われる。一方、電圧測定値が基準値Ｖ１以下の単セル１６があると判断されたときは、ステップＳ１０４に進み、該単セル１６は異常と判断されてステップＳ１０５に進む。

ステップＳ１０５においては、電圧測定値が基準値Ｖ１以下の単セル１６が所定の数以上あるか否かが判断され、電圧測定値が基準値Ｖ１以下の単セル１６の数が所定の数よりも少ないときは、本ルーチンの実行を終了し、そのまま燃料電池システムの運転が継続して行われる。一方、電圧測定値が基準値Ｖ１以下の単セル１６の数が所定の数以上であるときは、電池性能の低下により運転継続は困難であると判断し、ステップＳ１０６に進んで燃料電池システムの運転を停止する。ここで、燃料電池システムの運転継続の可否を判断する異常セルの数については、その電池性能等に応じた種々の値を取ることが可能であることは勿論である。

本実施形態においては、通常の発電運転を行っている燃料電池システムの例を中心に説明したが、例えば制御部３０と電圧計６０と冷却装置８０とを組み合わせて、燃料電池スタック製造段階におけるスタックの異常を検出する検査装置を構成しても良く、種々の変更が可能であることは勿論である。

本実施形態においては、燃料電池スタックを冷却するための冷却水のスタック入口温度を所定の温度範囲に設定して、スタック温度を通常運転時の温度よりも低い温度に冷却する例を中心に説明したが、例えば酸化剤ガスである空気の湿度を増加させることにより、燃料電池スタック内部をフラッディングが起こりやすい環境にする構成であっても良い。この場合は、加湿器を通る空気流路と加湿器をバイパスする空気流路とが合流して燃料電池スタックに空気を供給し、加湿器を通過する空気量を調整することで空気中の湿度を増加させるという構成であっても良く、種々の変更が可能であることは勿論である。

以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成概略図である。 本発明の実施形態に係る電圧計の構成を示す図である。 本発明の実施形態に係る各単セルの電圧測定値を示す図である。 本発明の実施形態に係る制御部より実行される燃料電池スタックの異常判断制御ルーチンを説明するフローチャートである。

符号の説明

１０ 燃料電池スタック、１２ 加湿器、１６ 単セル、１８ 端子、２０ 放熱器、２２ 冷却水循環ポンプ、２４ 冷却水循環流路、２６ 冷却水バイパス流路、３０ 制御部、４２ 燃料電池スタック出口側温度センサ、４４ バイパス温度センサ、４６ 放熱器出口側温度センサ、４８ 燃料電池スタック入口側温度センサ、５０ 流量調整用三方弁、６０、６２、６４、６６ 電圧計、６８ 集電板、７０ サブスタック、８０ 冷却装置。

Claims (8)

1. 複数のセルが積層された燃料電池スタックを備える燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池スタックを冷却する冷却手段と、
   前記燃料電池スタックに含まれるセルのうち１又は複数のセルの電圧を検出する電圧検出手段と、
   前記燃料電池スタックを通常運転時の温度よりも低い温度に冷却し、そのときに前記電圧検出手段による検出電圧値が基準値以下である場合は、前記電圧検出手段の検出対象である１又は複数のセルを異常と判断する判断手段とを備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記冷却手段は、前記燃料電池スタックを冷却するために冷却媒体を前記燃料電池スタックに供給する手段を含み、前記判断手段において前記１又は複数のセルの異常を判断する際には、前記冷却媒体の燃料電池スタック入口温度を４０度から６０度の範囲内に設定す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。
3. 前記判断手段は、異常セルが所定の数を超えたときは、燃料電池システムの運転を停止することを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
4. 複数のセルが積層された燃料電池スタックの異常を検出する検査装置において、
   前記燃料電池スタックを冷却する冷却手段と、
   前記燃料電池スタックに含まれるセルのうち１又は複数のセルの電圧を検出する電圧検出手段と、
   前記燃料電池スタックを通常運転時の温度よりも低い温度に冷却し、そのときに前記電圧検出手段による検出電圧値が基準値以下である場合は、前記電圧検出手段の検出対象である１又は複数のセルを異常と判断する判断手段とを備えることを特徴とする検査装置。
5. 前記冷却手段は、前記燃料電池スタックを冷却するために冷却媒体を前記燃料電池スタックに供給する手段を含み、前記判断手段において前記１又は複数のセルの異常を判断する際には、前記冷却媒体の燃料電池スタック入口温度を４０度から６０度の範囲内に設定することを特徴とする請求項４に記載の検査装置。
6. 複数のセルが積層された燃料電池スタックの異常を判断する方法において、
   前記燃料電池スタックの温度を通常運転時の温度よりも低い温度に冷却し、そのときに電圧検出の対象となっている１又は複数のセルの電圧値が基準値以下である場合は、前記１又は複数のセルを異常と判断することを特徴とする方法。
7. 前記１又は複数のセルの異常を判断する際には、前記燃料電池スタックを冷却するための冷却媒体の燃料電池スタック入口温度を４０度から６０度の範囲内に設定することを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. 異常セルが所定の数を超えたときは、燃料電池システムの運転を停止することを特徴とする請求項６又は７に記載の方法。

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