JP5041662B2 - FUEL CELL SYSTEM, FUEL CELL SYSTEM CONTROL METHOD, AND FUEL CELL SYSTEM ABNORMALITY DETECTING METHOD - Google Patents
FUEL CELL SYSTEM, FUEL CELL SYSTEM CONTROL METHOD, AND FUEL CELL SYSTEM ABNORMALITY DETECTING METHOD Download PDFInfo
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Description
本発明は、燃料電池システム、燃料電池システムの制御方法、および、燃料電池システムの異常検知方法に関する。 The present invention relates to a fuel cell system, a fuel cell system control method, and a fuel cell system abnormality detection method.
一般に、電解質膜、例えば、固体高分子電解質膜を用いた固体高分子形燃料電池用のセルは、固体高分子電解質膜の一方の面にアノード、他方の面にカソードを接合して構成された膜電極接合体(以下、「MEA」と表記する)と、MEAを挟むように設けられた燃料流路が形成されたアノード側プレートと、酸化剤流路が形成されたカソード側プレートとから構成される。このような構造のセルを複数積層してセル積層体を形成し、このセル積層体の両端に端板を添えて締め付けることにより燃料電池が構成される。 In general, an electrolyte membrane, for example, a cell for a polymer electrolyte fuel cell using a solid polymer electrolyte membrane is constructed by joining an anode to one surface of a solid polymer electrolyte membrane and a cathode to the other surface. A membrane electrode assembly (hereinafter referred to as “MEA”), an anode side plate in which a fuel flow path is provided so as to sandwich the MEA, and a cathode side plate in which an oxidant flow path is formed Is done. A cell stack is formed by stacking a plurality of cells having such a structure, and a fuel cell is formed by attaching and tightening end plates to both ends of the cell stack.
固体高分子形燃料電池は、アノード側プレートにH2を含む燃料ガスを流通させると共に、カソード側プレートにO2を含む空気等の酸化剤ガスを流通させ、固体高分子電解質膜を介して電気化学反応を生じさせることによって発電する。 In the solid polymer fuel cell, a fuel gas containing H 2 is circulated through the anode side plate, and an oxidant gas such as air containing O 2 is circulated through the cathode side plate, and electricity is passed through the solid polymer electrolyte membrane. Electricity is generated by causing a chemical reaction.
固体高分子形燃料電池は、セル内部のH2とO2との反応熱を外部に放出しなければ、セル温度が上昇し、電解質膜の損傷を招いたり電気化学反応の効率が低下したりする。このため、燃料電池システムでは、セル積層体内に熱媒体、例えば、水などの冷媒を循環させて、所定の温度、例えば、75℃以下に制御される。 In the polymer electrolyte fuel cell, unless the reaction heat of H 2 and O 2 inside the cell is released to the outside, the cell temperature rises, the electrolyte membrane is damaged, and the efficiency of the electrochemical reaction decreases. To do. For this reason, in the fuel cell system, a heat medium, for example, a coolant such as water is circulated in the cell stack, and is controlled to a predetermined temperature, for example, 75 ° C. or lower.
このような燃料電池システムとして、冷媒ポンプによってセル積層体内に冷媒を循環させ、冷媒ポンプの流量および吐出圧力を検出して、これらのうち一方が正常範囲から外れたときに、冷媒循環系統の異常を検知するものが知られている(例えば、特許文献1参照)。 As such a fuel cell system, the refrigerant is circulated in the cell stack by the refrigerant pump, the flow rate and discharge pressure of the refrigerant pump are detected, and when one of these is out of the normal range, the refrigerant circulation system malfunctions. Is known (for example, see Patent Document 1).
しかしながら、この燃料電池システムでは、実際の冷媒循環系統の異常の発生と、冷媒循環系統の異常の検知の時間差が大きく、異常を検知して燃料電池システムを停止したときには、電解質膜が損傷し始めていることがある。 However, in this fuel cell system, the time difference between the actual occurrence of abnormality in the refrigerant circulation system and the detection of abnormality in the refrigerant circulation system is large, and when the abnormality is detected and the fuel cell system is stopped, the electrolyte membrane starts to be damaged. There may be.
また、この燃料電池システムでは、冷媒循環系統に冷媒ポンプの流量および吐出圧力を検出する装置を設け、この検出結果に基づいて冷媒循環系統を制御するため、構造が複雑となり、燃料電池システムのコストアップを招く。 Further, in this fuel cell system, a device for detecting the flow rate and discharge pressure of the refrigerant pump is provided in the refrigerant circulation system, and the refrigerant circulation system is controlled based on the detection result, so that the structure becomes complicated and the cost of the fuel cell system is reduced. Invite up.
本発明は、上記の問題に鑑みてなされたもので、簡易な構成で、かつ、迅速に燃料電池システムの温度異常を検知することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to quickly detect a temperature abnormality of a fuel cell system with a simple configuration.
本発明の燃料電池システムは、電解質膜と前記電解質膜の一方の面に設けられたアノードと前記電解質膜の他方の面に設けられたカソードを有する膜電極接合体と、前記アノードに対向する燃料流路が形成されたアノード側プレートと、前記カソードに対向する酸化剤流路が形成されたカソード側プレートと、熱媒体が流通する熱媒体流路が設けられた熱媒体流路プレートからなる3枚のプレート、または、燃料流路及び酸化剤流路が形成された面の反対面にそれぞれ熱媒体流路が形成された2枚のバイポーラプレート、あるいは、燃料流路または酸化剤流路が形成された面の反対面に熱媒体流路が形成された1枚のバイポーラプレートとアノード側プレートまたはカソード側プレートとからなる2枚のプレートのいずれかのプレートを備えるセルが複数積層されたセル積層体を含む燃料電池と、前記熱媒体流路に熱媒体を導入する熱媒体供給手段と、前記セル積層体から熱媒体が排出される熱媒体出口付近の温度(T1)と前記燃料電池の外表面の温度(T2)とを測定する温度センサと、前記温度センサで測定される温度T1、T2および温度差T2−T1が所定の条件を満たす場合に、システムの異常と判定するシステム異常検知手段と、を有する燃料電池システムであって、前記システム異常検知手段は、燃料電池の正常運転時の熱媒
体出口付近の温度および外表面の温度をそれぞれTs1およびTs2とし、(1)T1がTs1とほぼ同じ温度で、かつ、T2がTs2と比べて高温の場合には、燃料電池への熱媒体の導入が停止していると推定し、
(2)T1がTs1と比べて高温で、T2がTs2と比べて高温で、かつ、T2−T1がTs2−Ts1とほぼ同じ温度の場合には、燃料電池への熱媒体の導入量が低下している、または、燃料電池が異常発熱していると推定し、
(3)T1がTs1と比べて低温で、T2がTs2と比べて低温で、かつ、T2−T1がTs2−Ts1とほぼ同じ温度の場合には、燃料電池に導入する熱媒体の温度異常であると推測することを特徴とする。
また、前記温度センサは、セル積層体に熱媒体が導入される熱媒体入口付近の温度T3を測定し、前記システム異常検知手段は、前記温度センサで測定される温度T1、T2、T3及び温度差T2−T1、T3−T1に基づいて、システムの異常の推測を行うことを特徴とする。
さらにまた、前記システム異常検知手段は、燃料電池の正常運転時の熱媒体入口付近の温度をTs3とし、
(1)T3がTs3とほぼ同じ温度で、かつ、T1−T3がTs1−Ts3とほぼ同じ温度のときには、燃料電池への熱媒体の導入が停止していると推測し、
(2)T3がTs3とほぼ同じ温度で、かつ、T1−T3がTs1−Ts3と比べて高温のときには、燃料電池への熱媒体の導入量が低下しているか、または、燃料電池が異常発熱していると推測し、
(3)T3がTs3と比べて高温で、かつ、T1−T3がTs1−Ts3とほぼ同じ温度のときには、燃料電池に導入する熱媒体の温度異常であると推測することを特徴とする。
The fuel cell system of the present invention includes an electrolyte membrane, an anode provided on one surface of the electrolyte membrane, a membrane electrode assembly having a cathode provided on the other surface of the electrolyte membrane, and a fuel facing the anode. 3 consisting of an anode side plate in which a channel is formed, a cathode side plate in which an oxidant channel facing the cathode is formed, and a heat medium channel plate provided with a heat medium channel through which the heat medium flows. Two plates, or two bipolar plates each with a heat medium channel formed on the opposite side of the surface on which the fuel channel and the oxidant channel are formed, or a fuel channel or an oxidant channel are formed One plate of two plates consisting of one bipolar plate and an anode side plate or a cathode side plate in which a heat medium flow path is formed on the opposite side of the formed surface is provided A fuel cell including a cell stack in which a plurality of cells are stacked, a heat medium supply means for introducing a heat medium into the heat medium flow path, and a temperature near a heat medium outlet from which the heat medium is discharged from the cell stack ( T1) and the temperature (T2) of the outer surface of the fuel cell, and when the temperature T1, T2 and the temperature difference T2-T1 measured by the temperature sensor satisfy predetermined conditions, abnormality and determining system abnormality detecting means, a fuel cell system that having a, the system abnormality detecting means, Ts1 the temperature of the temperature and the outer surface near the heat medium outlet of the normal operation of the fuel cell, respectively, and (1) When T1 is substantially the same temperature as Ts1 and T2 is higher than Ts2, it is estimated that the introduction of the heat medium into the fuel cell is stopped,
(2) When T1 is at a higher temperature than Ts1, T2 is at a higher temperature than Ts2, and T2-T1 is substantially the same temperature as Ts2-Ts1, the amount of heat medium introduced into the fuel cell is reduced. Or the fuel cell is heating up abnormally,
(3) When T1 is a low temperature compared to Ts1, T2 is a low temperature compared to Ts2, and T2-T1 is substantially the same temperature as Ts2-Ts1, the temperature of the heat medium introduced into the fuel cell is abnormal. It is presumed to exist.
Further, the temperature sensor measures a temperature T3 in the vicinity of the heat medium inlet at which the heat medium is introduced into the cell stack, and the system abnormality detection means detects the temperatures T1, T2, T3 and temperatures measured by the temperature sensor. A system abnormality is estimated based on the differences T2-T1 and T3-T1.
Furthermore, the system abnormality detection means sets the temperature near the heat medium inlet during normal operation of the fuel cell to Ts3,
(1) When T3 is substantially the same temperature as Ts3 and T1-T3 is substantially the same temperature as Ts1-Ts3, it is assumed that the introduction of the heat medium into the fuel cell is stopped,
(2) When T3 is substantially the same temperature as Ts3 and T1-T3 is at a higher temperature than Ts1-Ts3, the amount of heat medium introduced into the fuel cell is reduced, or the fuel cell generates abnormal heat. Guess that
(3) When T3 is higher than Ts3 and T1-T3 is substantially the same temperature as Ts1-Ts3, it is estimated that the temperature of the heat medium introduced into the fuel cell is abnormal.
この燃料電池システムによれば、簡易な構成で、かつ、迅速に温度異常を検知することができる。 According to this fuel cell system, a temperature abnormality can be detected quickly with a simple configuration.
システム異常検知手段は、温度センサで測定される温度が所定の条件を満たす場合に、熱媒体供給手段から熱媒体流路への熱媒体の導入を停止する熱媒体供給制御手段および/または燃料電池と燃料電池から電力が供給される電気負荷との接続を遮断する負荷制御手段を備えると共に、システムの運転を停止するシステム制御手段を有していてもよい。この構成によれば、簡易に、かつ、迅速に異常発生部位である可能性が高い熱媒体の導入系統の動作を停止することができる。 The system abnormality detection means includes a heat medium supply control means and / or a fuel cell that stops introduction of the heat medium from the heat medium supply means to the heat medium flow path when the temperature measured by the temperature sensor satisfies a predetermined condition. And a load control means for cutting off the connection with the electric load supplied with power from the fuel cell, and a system control means for stopping the operation of the system. According to this configuration, it is possible to easily and quickly stop the operation of the introduction system of the heat medium that is likely to be an abnormality occurrence site.
このとき、温度センサは、燃料電池の外表面の酸化剤流路の近傍に設けられることが好ましい。酸化剤流路では、電気化学反応による反応熱が生じるため、酸化剤流路の近傍は、温度が上昇しやすい。温度センサを前記燃料電池の外表面の前記酸化剤流路の近傍に設けることによって、熱媒体が電気化学反応による反応熱をセル外部に放出しているかを迅速に検知すること、すなわち、迅速に温度異常を検知することができる。 At this time, the temperature sensor is preferably provided in the vicinity of the oxidant flow path on the outer surface of the fuel cell. In the oxidant flow path, reaction heat is generated by an electrochemical reaction, so that the temperature is likely to rise in the vicinity of the oxidant flow path. By providing a temperature sensor in the vicinity of the oxidant flow path on the outer surface of the fuel cell, it is possible to quickly detect whether the heat medium releases reaction heat due to electrochemical reaction to the outside of the cell, that is, quickly. Temperature abnormality can be detected.
温度センサは、酸化剤流路から酸化剤ガスが排出される酸化剤ガス出口の近傍に設けられることが好ましい。カソードガス出口の近傍は、カソードガス入口の近傍に比べて熱媒体の導入系統の異常による温度上昇が顕著なので、この構成によれば、迅速に温度異常を検知することができる。 The temperature sensor is preferably provided in the vicinity of the oxidant gas outlet from which the oxidant gas is discharged from the oxidant flow path. In the vicinity of the cathode gas outlet, the temperature rise due to the abnormality of the heat medium introduction system is more significant than in the vicinity of the cathode gas inlet. According to this configuration, the temperature abnormality can be detected quickly.
温度センサは、セル積層体の積層方向の中央部付近の外表面に設けられてもよい。セル積層体では、積層方向の中央部付近のセルは、積層方向の端部付近のセルと比べて、熱媒体の導入系統の異常による温度上昇が顕著である。しかがって、この構成によれば、温度異常を迅速に検知することができる。 The temperature sensor may be provided on the outer surface near the center of the cell stack in the stacking direction. In the cell stack, the temperature increase due to the abnormality in the heat medium introduction system is more remarkable in the cell near the center in the stacking direction than in the cell near the end in the stacking direction. Therefore, according to this configuration, a temperature abnormality can be detected quickly.
また、前記温度センサは非接触型の温度センサであることを特徴とする。The temperature sensor is a non-contact type temperature sensor.
この燃料電池システムによれば、簡易な構成で、かつ、迅速に温度異常を検知することができる。また、非接触型の温度センサで燃料電池の外表面の温度を測定するため、燃料電池の外表面の測定場所を変えたい場合でも、容易に対処することができる。 According to this fuel cell system, a temperature abnormality can be detected quickly with a simple configuration. Further, since the temperature of the outer surface of the fuel cell is measured by a non-contact type temperature sensor, it is possible to easily cope with the case where the measurement location of the outer surface of the fuel cell is to be changed.
本発明の燃料電池システムの制御方法は、電解質膜と前記電解質膜の一方の面に設けられたアノードと前記電解質膜の他方の面に設けられたカソードを有する膜電極接合体と、前記アノードに対向する燃料流路が形成されたアノード側プレートと、前記カソードに対向する酸化剤流路が形成されたカソード側プレートと、熱媒体が流通する熱媒体流路が設けられた熱媒体流路プレートからなる3枚のプレート、または、燃料流路及び酸化剤流路が形成された面の反対面にそれぞれ熱媒体流路が形成された2枚のバイポーラプレート、あるいは、燃料流路または酸化剤流路が形成された面の反対面に熱媒体流路が形成された1枚のバイポーラプレートとアノード側プレートまたはカソード側プレートとからなる2枚のプレートのいずれかのプレートを備えるセルが複数積層されたセル積層体を含む燃料電池の前記燃料流路に燃料ガスを導入する工程と、前記酸化剤流路に酸化剤ガスを導入する工程と、前記熱媒体流路に熱媒体を導入する工程と、前記燃料電池に燃料ガス、酸化剤ガス、および、熱媒体を導入しているときに、前記セル積層体から熱媒体が排出される熱媒体出口付近の温度(T1)と、前記燃料電池の外表面の温度(T2)と、を測定する工程と、燃料電池の正常運転時の熱媒体出口付近の温度および外表面の温度をそれぞれTs1およびTs2とし、測定された前記温度および温度差が下記(1)〜(3)のいずれかの条件を満たす場合に、(1)T3がTs3とほぼ同じ温度で、かつ、T1−T3がTs1−Ts3とほぼ同じ温度のとき、(2)T3がTs3とほぼ同じ温度で、かつ、T1−T3がTs1−Ts3と比べて高温のとき、(3)T3がTs3と比べて高温で、かつ、T1−T3がTs1−Ts3とほぼ同じ温度のとき、前記熱媒体流路への熱媒体の導入を停止する工程および/または前記燃料電池と前記燃料電池から電力が供給される電気負荷との接続を遮断する工程を備えるシステムの運転を停止する工程と、を有する。 A control method for a fuel cell system according to the present invention includes an electrolyte membrane, an anode provided on one surface of the electrolyte membrane, a membrane electrode assembly having a cathode provided on the other surface of the electrolyte membrane, An anode side plate in which opposed fuel channels are formed, a cathode side plate in which oxidant channels facing the cathode are formed, and a heat medium channel plate provided with a heat medium channel through which the heat medium flows Or two bipolar plates each having a heat medium flow path formed on the opposite side of the surface on which the fuel flow path and the oxidant flow path are formed, or the fuel flow path or the oxidant flow One of the two plates consisting of one bipolar plate having a heat medium flow path formed on the opposite surface to the surface on which the path is formed and an anode side plate or a cathode side plate A step of introducing a fuel gas into the fuel flow path of a fuel cell including a cell stack in which a plurality of cells including a cell are stacked, a step of introducing an oxidant gas into the oxidant flow path, and the heat medium flow path A step of introducing a heat medium into the fuel cell, and a temperature in the vicinity of the heat medium outlet at which the heat medium is discharged from the cell stack when the fuel gas, the oxidant gas, and the heat medium are introduced into the fuel cell ( T1) and the temperature (T2) of the outer surface of the fuel cell, and the temperature near the heat medium outlet and the temperature of the outer surface during normal operation of the fuel cell are Ts1 and Ts2, respectively. When the temperature and the temperature difference satisfy the following conditions (1) to (3): (1) T3 is substantially the same temperature as Ts3, and T1-T3 is substantially the same temperature as Ts1-Ts3. (2) T3 is almost equal to Ts3 At the same temperature, and, when T1-T3 is hot compared to Ts1-Ts3, (3) T3 is at a high temperature as compared to Ts3, and, when the temperature almost the same as T1-T3 is Ts1-Ts3, the heat Stopping the operation of the system comprising: stopping the introduction of the heat medium into the medium flow path and / or cutting off the connection between the fuel cell and an electric load supplied with electric power from the fuel cell; Have.
この燃料電池システムの制御方法によれば、簡易な手順で、かつ、迅速に温度異常を検知することができる。 According to the control method of this fuel cell system, it is possible to quickly detect a temperature abnormality with a simple procedure.
本発明の燃料電池システムの異常検知方法は、電解質膜と前記電解質膜の一方の面に設けられたアノードと前記電解質膜の他方の面に設けられたカソードを有する膜電極接合体と、前記アノードに対向する燃料流路が形成されたアノード側プレートと、前記カソードに対向する酸化剤流路が形成されたカソード側プレートと、熱媒体が流通する熱媒体流路が設けられた熱媒体流路プレートからなる3枚のプレート、または、燃料流路及び酸化剤流路が形成された面の反対面にそれぞれ熱媒体流路が形成された2枚のバイポーラプレート、あるいは、燃料流路または酸化剤流路が形成された面の反対面に熱媒体流路が形成された1枚のバイポーラプレートとアノード側プレートまたはカソード側プレートとからなる2枚のプレートのいずれかのプレートを備えるセルが複数積層されたセル積層体を含む燃料電池の前記燃料流路に燃料ガスを導入する工程と、前記酸化剤流路に酸化剤ガスを導入する工程と、前記熱媒体流路に熱媒体を導入する工程と、前記燃料電池に燃料ガス、酸化剤ガス、および、熱媒体を導入しているときに、前記セル積層体から熱媒体が排出される熱媒体出口付近の温度(T1)と、前記燃料電池の外表面の温度(T2)と、を測定する工程と、燃料電池の正常運転時の熱媒体出口付近の温度および外表面の温度をそれぞれTs1およびTs2とし、測定された前記温度および温度差が下記(1)〜(3)のいずれかの条件を満たす場合に、(1)T3がTs3とほぼ同じ温度で、かつ、T1−T3がTs1−Ts3とほぼ同じ温度のとき、(2)T3がTs3とほぼ同じ温度で、かつ、T1−T3がTs1−Ts3と比べて高温のとき、(3)T3がTs3と比べて高温で、かつ、T1−T3がTs1−Ts3とほぼ同じ温度のとき、燃料電池システムの異常と判定する工程および/または熱媒体の温度の異常と判定する工程と、を有する。 An abnormality detection method for a fuel cell system according to the present invention includes an electrolyte membrane, an anode provided on one surface of the electrolyte membrane, a membrane electrode assembly having a cathode provided on the other surface of the electrolyte membrane, and the anode A heat medium flow path provided with an anode side plate formed with a fuel flow path facing the cathode, a cathode side plate formed with an oxidant flow path facing the cathode, and a heat medium flow path through which the heat medium flows Three plates made of plates, or two bipolar plates each having a heat medium flow path formed on the opposite side of the surface on which the fuel flow path and the oxidant flow path are formed, or the fuel flow path or the oxidant One of two plates consisting of a bipolar plate and an anode side plate or a cathode side plate with a heat medium channel formed on the opposite side of the surface on which the channel is formed Introducing a fuel gas into the fuel flow path of a fuel cell including a cell stack in which a plurality of cells having a rate are stacked, introducing an oxidant gas into the oxidant flow path, and the heat medium flow path A step of introducing a heat medium into the fuel cell, and a temperature in the vicinity of the heat medium outlet at which the heat medium is discharged from the cell stack when the fuel gas, the oxidant gas, and the heat medium are introduced into the fuel cell ( T1) and the temperature (T2) of the outer surface of the fuel cell, and the temperature near the heat medium outlet and the temperature of the outer surface during normal operation of the fuel cell are Ts1 and Ts2, respectively. When the temperature and the temperature difference satisfy the following conditions (1) to (3): (1) T3 is substantially the same temperature as Ts3, and T1-T3 is substantially the same temperature as Ts1-Ts3. (2) T3 is Ts3 At approximately the same temperature, and, when T1-T3 is hot compared to Ts1-Ts3, (3) T3 is at a high temperature as compared to Ts3, and, when the temperature almost the same as T1-T3 is Ts1-Ts3, fuel A step of determining that the battery system is abnormal and / or a step of determining that the temperature of the heat medium is abnormal.
この燃料電池システムの異常検知方法によれば、簡易な手順で、かつ、迅速に温度異常を検知することができる。 According to the abnormality detection method of this fuel cell system, it is possible to detect a temperature abnormality quickly with a simple procedure.
この燃料電池システムの異常検知方法において、燃料電池システムの異常と判定する工程は、熱媒体の導入系統に異常が発生したと判定する工程としてもよい。この方法によれば、簡易な手順で、かつ、迅速に熱媒体の導入系統の異常を検知することができる。 In this fuel cell system abnormality detection method, the step of determining the abnormality of the fuel cell system may be a step of determining that an abnormality has occurred in the heat medium introduction system. According to this method, it is possible to detect an abnormality in the introduction system of the heat medium quickly with a simple procedure.
なお、上記の構成において、燃料流路プレート、酸化剤流路プレート、および、熱媒体流路プレートは、それぞれが別部材とは限らない。例えば、バイポーラプレートの一方の面に燃料流路を設け、他方の面に熱媒体流路を設けること等により、燃料流路プレートと熱媒体流路プレートとが1つの部材で構成されてもよい。 In the above configuration, the fuel flow path plate, the oxidant flow path plate, and the heat medium flow path plate are not necessarily separate members. For example, the fuel flow path plate and the heat medium flow path plate may be configured by one member by providing a fuel flow path on one surface of the bipolar plate and a heat medium flow path on the other surface. .
また、上述した各要素を適宜組み合わせたものも、本出願によって特許を受ける発明の範囲に含まれ得る。 Moreover, what combined each element mentioned above suitably can also be contained in the range of the invention patented by this application.
本発明によれば、簡易な構成で、かつ、迅速に燃料電池システムの温度異常を検知することができる。 According to the present invention, a temperature abnormality of a fuel cell system can be detected quickly with a simple configuration.
図1は、本発明の実施の形態に係る燃料電池システム10を構成する燃料電池11のセル積層体12を、セルの積層方向と平行な面で切断した断面模式図である。本実施の形態では、燃料電池11は、固体高分子形燃料電池である。図1に示すように、MEA14は、固体高分子電解質膜16にアノード18およびカソード20を配して構成されている。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a
アノード側プレート22には、MEA14のアノード18に対向して複数の燃料流路である燃料ガス流路24を設けてあり、カソード側プレート26には、MEA14のカソード20に対向して酸化剤流路である酸化剤ガス流路28を設けてある。MEA14を、アノード側プレート22とカソード側プレート26とで挟持することで単位セルが構成され、このセルを複数積層することでセル積層体12が構成される。セル積層体12の両端には、当該積層体を締め付ける一対のエンドプレート(図3参照)が配されており、これによって固体高分子形燃料電池の一部を構成している。
The
アノード側プレート22の上部には、アノードガスである燃料ガスがセルの積層方向に流れるときの流路の側壁の一部となる燃料ガス供給マニホールド孔と、カソードガスである酸化剤ガスがセルの積層方向に流れるときの流路の側壁の一部となる酸化剤ガス供給マニホールド孔と、熱媒体である冷却水がセルの積層方向に流れるときの流路の側壁の一部となる冷却水供給マニホールド孔(いずれも不図示)が形成されている。
On the upper side of the
同様に、カソード側プレート26の上部にも、アノードガスである燃料ガスがセルの積層方向に流れるときの流路の側壁の一部となる燃料ガス供給マニホールド孔と、カソードガスである酸化剤ガスがセルの積層方向に流れるときの流路の側壁の一部となる酸化剤ガス供給マニホールド孔と、熱媒体である冷却水がセルの積層方向に流れるときの流路の側壁の一部となる冷却水供給マニホールド孔(いずれも不図示)が形成されている。
Similarly, the upper part of the
アノード側プレート22の燃料ガス供給マニホールド孔の下方には、燃料ガス供給マニホールド孔と連通する燃料ガス入口ヘッダ40が設けられている。燃料ガス入口ヘッダ40からは、鉛直下方に延びる溝状の複数の燃料流路である燃料ガス流路24が、MEA14のアノード18に対向するように設けられている。燃料ガス流路24の下方には、複数の燃料ガス流路24と連通する燃料ガス出口ヘッダ44が設けられている。
A fuel
同様に、カソード側プレート26の酸化剤ガス供給マニホールド孔の下方には、酸化剤ガス供給マニホールド孔と連通する酸化剤ガス入口ヘッダ46が設けられている。酸化剤ガス入口ヘッダ46からは、鉛直下方に延びる溝状の複数の酸化剤流路である酸化剤ガス流路28が、MEA14のカソード20に対向するように設けられている。酸化剤ガス流路28の下方には、複数の酸化剤ガス流路28と連通する酸化剤ガス出口ヘッダ50が設けられている。
Similarly, an oxidant
また、アノード側プレート22およびカソード側プレート26の冷却水供給マニホールド孔の下方には、冷却水供給マニホールド孔と連通する冷却水入口ヘッダ52が設けられている。冷却水入口ヘッダ52からは、鉛直下方に延びる溝状の複数の熱媒体流路である冷却水流路54が設けられている。
A cooling
すなわち、アノード側プレート22およびカソード側プレート26のそれぞれのMEA14に対向する面と反対側の面には凹部が形成されており、これらの凹部が組み合わされて冷却水流路54が形成されている。冷却水流路54の下方には、複数の冷却水流路54と連通する冷却水出口ヘッダ56が設けられている。
That is, recesses are formed on the surfaces of the
なお、本実施の形態では、アノード側プレート22およびカソード側プレート26の双方に、冷却水入口ヘッダ52および冷却水流路54が設けられているが、これに代えて、アノード側プレート22またはカソード側プレート26の一方に、冷却水入口ヘッダ52および冷却水流路54を設けてもよい。
In the present embodiment, both the
また、アノード側プレート22またはカソード側プレート26の片方に、冷却水入口ヘッダ52または冷却水流路54のいずれか一方を、アノード側プレート22またはカソード側プレート26のもう片方に、冷却水入口ヘッダ52または冷却水流路54の他の一方を、冷却水入口ヘッダ52と冷却水流路54とが連通するように設けてもよい。
Further, either the cooling
アノード側プレート22の下部には、燃料ガスがセルの積層方向に流れるときの流路の側壁の一部となる燃料ガス排出マニホールド孔と、酸化剤ガスがセルの積層方向に流れるときの流路の側壁の一部となる酸化剤ガス排出マニホールド孔と、冷却水がセルの積層方向に流れるときの流路の側壁の一部となる冷却水排出マニホールド孔(いずれも不図示)が形成されている。
Below the
同様に、カソード側プレート26の下部にも、燃料ガスがセルの積層方向に流れるときの流路の側壁の一部となる燃料ガス排出マニホールド孔と、酸化剤ガスがセルの積層方向に流れるときの流路の側壁の一部となる酸化剤ガス排出マニホールド孔と、冷却水がセルの積層方向に流れるときの流路の側壁の一部となる冷却水排出マニホールド孔(いずれも不図示)が形成されている。
Similarly, a fuel gas discharge manifold hole that becomes a part of the side wall of the flow path when the fuel gas flows in the cell stacking direction and the oxidant gas flow in the cell stacking direction also below the
燃料ガス排出マニホールド孔は、燃料ガス出口ヘッダ44と、酸化剤ガス排出マニホールド孔は、酸化剤ガス出口ヘッダ50と、冷却水排出マニホールド孔は、冷却水出口ヘッダ56とそれぞれ連通している。
The fuel gas discharge manifold hole communicates with the fuel
次に、セル積層体12内の燃料ガス、酸化剤ガス、および、冷却水の流れについて説明する。
Next, the flow of fuel gas, oxidant gas, and cooling water in the
燃料ガスは、セル積層体12の積層方向に連通する燃料ガス供給マニホールド孔を通って各セルに分配供給される。燃料ガスは、水中にバブリングして加湿されたものを使用する(図2参照)。各セルに供給された燃料ガスは、燃料ガス入口ヘッダ40を通過して燃料ガス流路24を流通し、アノード18に水素を供給するとともに、固体高分子電解質膜16を加湿する。燃料ガスとして、H2、または、H2を主成分とするメタン、プロパン、ブタンもしくはメタノール等の改質ガスを用いることができる。
The fuel gas is distributed and supplied to each cell through a fuel gas supply manifold hole communicating in the stacking direction of the
一方、空気等の酸化剤ガスは、セル積層体12の積層方向に連通する酸化剤ガス供給マニホールド孔を通って各セルに分配供給される。各セルに供給された酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口ヘッダ46を通過して酸化剤ガス流路28を流通し、カソード20にO2を供給する。
On the other hand, an oxidant gas such as air is distributed and supplied to each cell through an oxidant gas supply manifold hole communicating in the stacking direction of the
燃料ガスおよび酸化剤ガスが流通する各セルでは、固体高分子電解質膜16を介して電気化学反応が生じることにより発電が行われる。各セルから排出される未反応の燃料ガスは、燃料ガス出口ヘッダ44において合流し、セル積層体12の積層方向に連通する燃料ガス排出マニホールド孔を通ってセル積層体12の外部に排出される。排出された未反応燃料ガスは、燃料改質装置(不図示)の改質器バーナに導入されて燃焼するのが一般的である。
In each cell in which the fuel gas and the oxidant gas circulate, electric power is generated by the occurrence of an electrochemical reaction through the solid
また、発電後に各セルから排出される未反応の酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口ヘッダ50において合流し、セル積層体12の積層方向に連通する酸化剤ガス排出マニホールド孔を通ってセル積層体12の外部に排出される。
In addition, unreacted oxidant gas discharged from each cell after power generation merges at the oxidant
冷却水は、セル積層体12の積層方向に連通する冷却水供給マニホールド孔を通って各冷却水流路54に分配供給される。各冷却水流路54を流通する冷却水は、各セルを冷却して適正運転温度、例えば、約70〜80℃に保持する。冷却水は、セル積層体12の積層方向に連通する冷却水排出マニホールド孔を通ってセル積層体12の外部に排出される。
The cooling water is distributed and supplied to the respective cooling
アノード側プレート22の燃料ガス流路24で生成された水は、燃料ガス出口ヘッダ44に排出される。燃料ガス出口ヘッダ44は燃料ガス排出マニホールド孔に向かって傾斜しているので、水は燃料ガス排出マニホールド孔に排出される。
Water generated in the fuel
次に、図2を参照しながら、本実施の形態に係る燃料電池システム10について説明する。
Next, the
図2は、本実施の形態に係る燃料電池システム10の構成模式図である。燃料電池システム10は、図2に示すように、主に、燃料電池11と、冷却水循環ポンプ74と、温度センサ76と、システム制御部78を備える。また、燃料電池システム10は、熱交換器80と、燃料ガスを加湿する燃料加湿タンク82と、酸化剤ガスである空気を加湿する空気加湿タンク84と、フィルタ86と、燃料源88と、空気源90とを備える。
FIG. 2 is a schematic configuration diagram of the
燃料電池11は、図1に示すように、セル積層体12を備える。冷却水循環ポンプ74は、熱媒体供給手段の一部を構成し、燃料電池システム10に冷却水を導入する。冷却水循環ポンプ74から吐出された冷却水は、図2に示すように、フィルタ86、セル積層体12、熱交換器80、燃料加湿タンク82、および、空気加湿タンク84を順次経由して、冷却水循環ポンプ74に戻る。
The
温度センサ76は、燃料電池11の外表面に接触して設けられる。温度センサ76が設けられる詳細な位置については後述する。また、温度センサ76は、燃料電池11の外表面の温度を測定し、測定結果をシステム異常検知手段でもあるシステム制御部78に送る。なお、本実施の形態では、温度センサ76は、燃料電池11の外表面に接触して設けられているが、これに代えて、非接触型の温度センサによって燃料電池11の外表面の温度を測定してもよい。
The
また、本実施の形態では、温度センサ76が1つ設けられているが、これに代えて、温度センサを複数設けてもよい。温度センサを複数設けることによって、温度をより精度良く測定できる。
In the present embodiment, one
システム制御手段であるシステム制御部78は、熱媒体供給制御手段である冷却水循環ポンプ制御部100と、負荷制御手段である負荷制御部102と、燃料制御部104と、空気制御部106を備える。システム制御部78は、温度センサ76で測定される温度が所定の条件を満たす場合に、燃料電池システム10の1つ以上の部位の動作を停止させる。
The
ここで、測定される温度が所定の条件を満たす場合としては、測定される温度が燃料電池11の正常運転状態における温度よりある温度以上、例えば、3℃以上高くなった場合、測定される温度の時間変化率がある数値以上、例えば、0.1℃/sec以上となった場合、または、測定される温度がセル積層体12から冷却水が排出される冷却水出口付近の温度よりある温度以上、例えば、5℃以上低くなった場合などが挙げられる。
Here, as a case where the measured temperature satisfies a predetermined condition, when the measured temperature is higher than a temperature in a normal operation state of the
冷却水循環ポンプ制御部100は、冷却水循環ポンプ74の吐出流量等を制御する。負荷制御部102は、燃料電池11によって発電された電力が供給される電気負荷(不図示)と燃料電池11との接続および遮断を制御する。燃料制御部104は、燃料源88から燃料電池11に導入される燃料ガスの導入量を制御する。空気制御部106は、空気源90から燃料電池11に導入される空気の導入量を制御する。
The cooling water circulation
熱交換器80は、セル積層体12内を通過して温度が上昇した冷却水の温度を下げる。燃料加湿タンク82には水が貯留されていて、燃料源88から供給される燃料ガスは、この水を通過してからセル積層体12に導入される。このため、燃料ガスは、ほぼ相対湿度100%の状態でセル積層体12に導入される。
The
同様に空気加湿タンク84にも水が貯留されていて、空気源90から供給される空気は、この水を通過してからセル積層体12に導入される。このため、空気も、ほぼ相対湿度100%の状態でセル積層体12に導入される。燃料ガスおよび空気がほぼ相対湿度100%の状態でセル積層体12に導入されるため、固体高分子電解質膜16は、湿潤状態が維持される。フィルタ86は、冷却水中に混入した不純物を濾過する。
Similarly, water is also stored in the
次に、図3から図5を参照しながら、燃料電池11に設置される温度センサ76の位置について説明する。
Next, the position of the
図3は、セル積層体12を斜め方向から見た外観模式図である。セル積層体12の両端面には、エンドプレート110,110が設けられている。温度センサ76は、図3に示すように、燃料電池11の外表面であって、セルの積層方向の中央部付近で、酸化剤ガス流路28の近傍で、酸化剤ガスが排出される酸化剤ガス出口の近傍に設けられている。このため、燃料電池システム10の温度異常を迅速に検知することができる。ここで酸化剤ガス出口の近傍は、セル積層体12の構造、ならびに、温度センサ76の形状および大きさ等を考慮しつつ、酸化剤ガス流路28の中央よりも酸化剤ガス出口に近い位置の中から適宜選択される。
FIG. 3 is a schematic external view of the
図4は、冷却水を導入しながら燃料電池11を運転したときの、燃料電池11の外表面における酸化剤ガス流路28の近傍の温度、および、冷却水を導入しないで燃料電池11を運転したときの、燃料電池11の外表面における酸化剤ガス流路28の近傍の温度を示す図である。なお、燃料電池11の外表面における酸化剤ガス流路28の近傍の温度は、酸化剤ガス流路28の入口近傍と、酸化剤ガス流路28の中央近傍と、酸化剤ガス流路28の出口近傍で測定した。
FIG. 4 shows the temperature near the oxidant
図4に示すように、酸化剤ガス流路28の出口近傍で測定した温度変化は、酸化剤ガス流路28の入口近傍および中央近傍の温度変化より顕著であった。したがって、酸化剤ガス流路28の出口近傍で測定した温度に基づいて燃料電池システム10の温度異常を検知すれば、迅速、かつ、確実に温度異常を検知することができると考えられる。
As shown in FIG. 4, the temperature change measured in the vicinity of the outlet of the
図5は、冷却水を導入しながら燃料電池11を運転し、その後、冷却水の導入を停止して燃料電池11を運転したときの、燃料電池11の外表面における酸化剤ガス流路28の近傍の温度の時間変化を示す図である。なお、燃料電池11の外表面における酸化剤ガス流路28の近傍の温度は、酸化剤ガス流路28の入口近傍と、酸化剤ガス流路28の中央近傍と、酸化剤ガス流路28の出口近傍で測定した。
FIG. 5 shows the state of the oxidant
図5に示すように、燃料電池への冷却水の導入を停止した直後の酸化剤ガス流路28の出口近傍で測定した温度の時間変化率は、酸化剤ガス流路28の入口近傍および中央近傍の温度の時間変化率より顕著であった。したがって、酸化剤ガス流路28の出口近傍で測定した温度に基づいて燃料電池システム10の温度異常を検知すれば、迅速かつ確実に温度異常を検知することができると考えられる。
As shown in FIG. 5, the time rate of change of temperature measured in the vicinity of the outlet of the oxidant
次に、本発明の実施の形態に係る燃料電池システムの制御方法について説明する。 Next, a control method of the fuel cell system according to the embodiment of the present invention will be described.
まず、燃料電池11に燃料ガス、空気、および、冷却水を導入して、燃料電池11を運転する。次に、温度センサ76によって電池表面温度を定期的、例えば、10秒毎に測定する。測定された電池表面温度データは、システム制御部78に送られる。電池表面温度データが所定の条件を満たすようになった場合には、システム制御部78によって、燃料電池システム11の異常と判定される。
First, fuel gas, air, and cooling water are introduced into the
そして、負荷制御部102によって燃料電池11から電気負荷が遮断され、冷却水循環ポンプ制御部100によって冷却水循環ポンプ74が停止され、燃料制御部104によって燃料電池11への燃料ガスの導入が停止され、空気制御部106によって燃料電池11への空気の導入が停止される。
Then, the electric load is cut off from the
なお、電気負荷の遮断、冷却水循環ポンプ74の停止、燃料ガスの導入停止、および、空気導入停止の各手順の順番は、適宜設定される。また、必ずしも燃料電池システム10全体の稼動を停止させなくてもよく、燃料電池システム10の一部のみの動作を停止させてもよい。また、冷却水循環ポンプ74の停止および/または電気負荷の遮断を行って、システムの運転を停止してもよい。
In addition, the order of each procedure of interruption | blocking of an electrical load, the stop of the cooling
測定された電池表面温度が所定の条件を満たすようにならない間は、燃料電池システム10は稼動される。そして、必要に応じて、冷却水循環ポンプ74の停止、電気負荷の遮断、燃料ガスの導入停止、および、空気の導入停止を行い、燃料電池システム10の稼動が停止される。
While the measured battery surface temperature does not satisfy the predetermined condition, the
次に、本発明の実施の形態に係る燃料電池システムの異常検知方法について説明する。 Next, the abnormality detection method for the fuel cell system according to the embodiment of the present invention will be described.
まず、燃料電池11に燃料ガス、空気、および、冷却水を導入して、燃料電池11を運転する。次に、温度センサ76によって電池表面温度を定期的、例えば、10秒毎に測定する。測定された電池表面温度データは、システム制御部78に送られる。電池表面温度データが所定の条件を満たすようになった場合には、燃料電池システム10に異常が発生したと判定する。
First, fuel gas, air, and cooling water are introduced into the
次に、燃料電池システム10の稼動を停止させる。燃料電池システム10は、電気負荷の遮断、冷却水循環ポンプ74の停止、燃料ガスの導入停止、および、空気の導入停止の各手順を適宜の順番で行うことによって、稼動停止される。なお、異常の発生状況に応じて、例えば、燃料電池システム10のある箇所は正常であることが分かり、かつ、他の箇所の異常の修復が早期に行えるときなどは、燃料電池システム10の正常な箇所を作動させたまま、一部の箇所のみの動作を停止させてもよい。また、冷却水循環ポンプ74の停止および/または電気負荷の遮断を行って、システムの運転を停止してもよい。次に、燃料電池システム10の異常の原因を詳細に調査する。そして、異常の原因に対応した対策を講ずる。
Next, the operation of the
なお、本願発明者等の検討結果によれば、測定された電池表面温度が所定の条件を満たすようになった場合の大半が冷却水導入系統の異常であるため、測定された電池表面温度が所定の条件を満たすようになった場合に、冷却水の導入系統で異常が発生したと判定してもよい。この場合には、まず冷却水循環ポンプ74の停止を行う。
According to the results of the study by the inventors of the present application, since the majority of cases where the measured battery surface temperature satisfies a predetermined condition is abnormal in the cooling water introduction system, the measured battery surface temperature is When a predetermined condition is satisfied, it may be determined that an abnormality has occurred in the cooling water introduction system. In this case, the cooling
また、測定された電池表面温度が所定の条件を満たすようにならない間は、燃料電池システム10は稼動される。そして、必要に応じて、電気負荷の遮断、冷却水循環ポンプ74の停止、燃料ガスの導入停止、および、空気の導入停止を行い、燃料電池システム10の稼動が停止される。
Further, the
なお、冷却水の導入系統の異常ではない場合には、燃料電池11の運転を停止した後、しばらく冷却水を燃料電池11に導入し続けてもよい。燃料電池11の運転を停止した後に、しばらく冷却水を燃料電池11に導入し続けることによって、燃料電池11の各セルの燃料ガス流路24および酸化剤ガス流路28を均一に冷却することができる。このため、複数の燃料ガス流路24同士および複数の酸化剤ガス流路28同士で、凝縮水の発生が均一化され、次回の燃料電池11の運転開始時に、燃料ガスおよび酸化剤ガスがセル内部に均一に供給される。この結果、燃料電池11の起動時の電圧が安定する。
If the cooling water introduction system is not abnormal, the cooling water may be continuously introduced into the
また、セル積層体12から冷却水が排出される冷却水出口付近(図2のA)の温度を、燃料電池11の外表面温度と併せて測定し、これらの冷却水出口付近の温度(以下、T1とする)、外表面温度(以下、T2とする)、および、T1とT2の差(T2−T1)に基づいて、燃料電池システム10の異常部位の推測を行うことができる。
Further, the temperature in the vicinity of the cooling water outlet (A in FIG. 2) from which the cooling water is discharged from the
すなわち、燃料電池11の正常運転時の冷却水出口付近の温度および外表面温度をそれぞれTs1およびTs2として、(1)T1がTs1とほぼ同じ温度で、かつ、T2がTs2と比べて高温の場合には、燃料電池11への冷却水の導入が停止していると、(2)T1がTs1と比べて高温で、T2がTs2と比べて高温で、かつ、T2−T1がTs2−Ts1とほぼ同じ温度の場合には、燃料電池11への冷却水の導入量が低下している、または、燃料電池11が異常発熱していると、(3)T1がTs1と比べて低温で、T2がTs2と比べて低温で、かつ、T2−T1がTs2−Ts1とほぼ同じ温度の場合には、燃料電池11に導入する冷却水の温度異常であるとそれぞれ推測できる。
That is, assuming that the temperature near the coolant outlet and the outer surface temperature during normal operation of the
上記(1)の場合には、冷却水循環ポンプ74の異常、配管の詰まり、フィルタ86の詰まり、または、冷却水循環ポンプ制御部100の異常のうち、1つ以上の原因が考えられる。
In the case of the above (1), one or more causes can be considered among the abnormality of the cooling
上記(2)の場合、燃料電池11への冷却水の導入量が低下していると推測されるときには、冷却水循環ポンプ74の吐出力の低下、配管の詰まり、フィルタ86の詰まり、または、冷却水循環ポンプ制御部100の異常のうち、1つ以上の原因が考えられ、燃料電池11が異常発熱していると推測されるときには、燃料導入量の低下、燃料ガスの加湿温度の低下、酸化剤ガスの加湿温度の低下、または、燃料電池11の過電流のうち、1つ以上の原因が考えられる。
In the case of (2) above, when it is estimated that the introduction amount of the cooling water to the
上記(3)の場合には、熱交換器80の温度制御の異常が原因と考えられる。
In the case of (3) above, it is considered that the temperature control of the
また、更にセル積層体12に冷却水が導入される冷却水入口付近(図2のB)の温度(以下、T3とする)を、T1およびT2と併せて測定し、T1、T2、T3、T2−T1、および、T3−T1に基づいて、燃料電池システム10の異常部位の推測をより詳細に行うこともできる。なお、燃料電池11の正常運転時の冷却水入口付近の温度をTs3とする。
Further, the temperature near the cooling water inlet (B in FIG. 2) at which the cooling water is introduced into the cell stack 12 (hereinafter referred to as T3) is measured together with T1 and T2, and T1, T2, T3, Based on T2-T1 and T3-T1, it is possible to estimate the abnormal part of the
すなわち、上記(1)の測定結果に加えて、更に、T3がTs3とほぼ同じ温度で、かつ、T1−T3がTs1−Ts3とほぼ同じ温度のときには、燃料電池11への冷却水の導入が停止しているとより高確度で推測できる。
That is, in addition to the measurement result of (1) above, when T3 is substantially the same temperature as Ts3 and T1-T3 is substantially the same temperature as Ts1-Ts3, the introduction of the cooling water to the
上記(2)の測定結果に加えて、更に、T3がTs3とほぼ同じ温度で、かつ、T1−T3がTs1−Ts3と比べて高温のときには、燃料電池11への冷却水の導入量が低下している、または、燃料電池11が異常発熱しているとより高確度で推測できる。
In addition to the measurement result of (2) above, when T3 is substantially the same temperature as Ts3 and T1-T3 is at a higher temperature than Ts1-Ts3, the amount of cooling water introduced into the
上記(3)の測定結果に加えて、更に、T3がTs3と比べて高温で、かつ、T1−T3がTs1−Ts3とほぼ同じ温度のときには、燃料電池11に導入する冷却水の温度異常であるとより高確度で推測できる。
In addition to the measurement result of (3) above, when T3 is higher than Ts3 and T1-T3 is substantially the same temperature as Ts1-Ts3, the temperature of the cooling water introduced into the
そして、燃料電池システム10の異常箇所および異常原因が推測されたら、各種原因に応じた対策を施すことができる。このため、燃料電池システム10の異常箇所および異常原因を、各種部品について網羅的に調査する必要性が低減する。
And if the abnormal location and the cause of abnormality of the
以上、実施の形態に基づいて本発明を説明したが、本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれ得る。 Although the present invention has been described based on the embodiments, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications such as design changes may be added based on the knowledge of those skilled in the art. Embodiments which are possible and which have been modified are also included in the scope of the present invention.
10 燃料電池システム、11 燃料電池、 12 セル積層体、 14 MEA、 16 固体高分子電解質膜、 18 アノード、 20 カソード、 22 アノード側プレート、 24 燃料ガス流路、 26 カソード側プレート、 28 酸化剤ガス流路、 40 燃料ガス入口ヘッダ、 44 燃料ガス出口ヘッダ、 46 酸化剤ガス入口ヘッダ、 50 酸化剤ガス出口ヘッダ、 54 冷却水流路、 56 冷却水出口ヘッダ、 74 冷却水循環ポンプ、 76 温度センサ、 78 システム制御部、 80 熱交換器、 82 燃料加湿タンク、 84 空気加湿タンク、 86 フィルタ、 88 燃料源、 90 空気源、 100 冷却水循環ポンプ制御部、 102 負荷制御部、 104 燃料制御部、 106 空気制御部。
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記熱媒体流路に熱媒体を導入する熱媒体供給手段と、
前記セル積層体から熱媒体が排出される熱媒体出口付近の温度(T1)と前記燃料電池の外表面の温度(T2)とを測定する温度センサと、
前記温度センサで測定される温度T1、T2および温度差T2−T1が所定の条件を満たす場合に、システムの異常と判定するシステム異常検知手段と、
を有する燃料電池システムであって、前記システム異常検知手段は、燃料電池の正常運転時の熱媒体出口付近の温度および外表面の温度をそれぞれTs1およびTs2とし、(1)T1がTs1とほぼ同じ温度で、かつ、T2がTs2と比べて高温の場合には、燃料電池への熱媒体の導入が停止していると推定し、
(2)T1がTs1と比べて高温で、T2がTs2と比べて高温で、かつ、T2−T1がTs2−Ts1とほぼ同じ温度の場合には、燃料電池への熱媒体の導入量が低下している、または、燃料電池が異常発熱していると推定し、
(3)T1がTs1と比べて低温で、T2がTs2と比べて低温で、かつ、T2−T1がTs2−Ts1とほぼ同じ温度の場合には、燃料電池に導入する熱媒体の温度異常であると推測する
ことを特徴とする燃料電池システム。 An anode side on which an electrolyte membrane, an anode provided on one surface of the electrolyte membrane, a membrane electrode assembly having a cathode provided on the other surface of the electrolyte membrane, and a fuel channel facing the anode are formed Three plates consisting of a plate, a cathode side plate in which an oxidant channel facing the cathode is formed, and a heat medium channel plate provided with a heat medium channel through which the heat medium flows, or a fuel flow Two bipolar plates each having a heat medium channel formed on the opposite surface of the surface on which the channel and the oxidant channel are formed, or heat on the surface opposite to the surface on which the fuel channel or the oxidant channel is formed. A cell product in which a plurality of cells each including any one of two plates including a bipolar plate and an anode side plate or a cathode side plate in which a medium flow path is formed are stacked. And a fuel cell comprising a body,
A heat medium supply means for introducing a heat medium into the heat medium flow path;
A temperature sensor that measures a temperature (T1) in the vicinity of a heat medium outlet from which the heat medium is discharged from the cell stack and a temperature (T2) of the outer surface of the fuel cell;
System abnormality detection means for determining that the system is abnormal when the temperatures T1 and T2 and the temperature difference T2-T1 measured by the temperature sensor satisfy predetermined conditions;
A fuel cell system that having a, the system abnormality detecting means, the temperature of the temperature and the outer surface of the heat medium near the outlet of the normal operation of the fuel cell, respectively Ts1 and Ts2, (1) T1 is Ts1 And when T2 is higher than Ts2, it is estimated that the introduction of the heat medium into the fuel cell is stopped,
(2) When T1 is at a higher temperature than Ts1, T2 is at a higher temperature than Ts2, and T2-T1 is substantially the same temperature as Ts2-Ts1, the amount of heat medium introduced into the fuel cell is reduced. Or the fuel cell is heating up abnormally,
(3) When T1 is a low temperature compared to Ts1, T2 is a low temperature compared to Ts2, and T2-T1 is substantially the same temperature as Ts2-Ts1, the temperature of the heat medium introduced into the fuel cell is abnormal. A fuel cell system characterized by being presumed to exist .
3とし、
(1)T3がTs3とほぼ同じ温度で、かつ、T1−T3がTs1−Ts3とほぼ同じ温度のときには、燃料電池への熱媒体の導入が停止していると推測し、
(2)T3がTs3とほぼ同じ温度で、かつ、T1−T3がTs1−Ts3と比べて高温のときには、燃料電池への熱媒体の導入量が低下しているか、または、燃料電池が異常発熱していると推測し、
(3)T3がTs3と比べて高温で、かつ、T1−T3がTs1−Ts3とほぼ同じ温度のときには、燃料電池に導入する熱媒体の温度異常であると推測することを特徴とする請求項1記載の燃料電池システム。 The temperature sensor measures a temperature T3 in the vicinity of the heat medium inlet at which the heat medium is introduced into the cell stack, and the system abnormality detection means measures the temperature in the vicinity of the heat medium inlet during normal operation of the fuel cell as Ts.
3
(1) When T3 is substantially the same temperature as Ts3 and T1-T3 is substantially the same temperature as Ts1-Ts3, it is assumed that the introduction of the heat medium into the fuel cell is stopped,
(2) When T3 is substantially the same temperature as Ts3 and T1-T3 is at a higher temperature than Ts1-Ts3, the amount of heat medium introduced into the fuel cell is reduced, or the fuel cell generates abnormal heat. Guess that
(3) When T3 is higher than Ts3 and T1-T3 is substantially the same temperature as Ts1-Ts3, it is estimated that the temperature of the heat medium introduced into the fuel cell is abnormal. 1. The fuel cell system according to 1.
前記酸化剤流路に酸化剤ガスを導入する工程と、 Introducing an oxidant gas into the oxidant flow path;
前記熱媒体流路に熱媒体を導入する工程と、 Introducing a heat medium into the heat medium flow path;
前記燃料電池に燃料ガス、酸化剤ガス、および、熱媒体を導入しているときに、前記セル積層体から熱媒体が排出される熱媒体出口付近の温度(T1)と、前記燃料電池の外表面の温度(T2)と、を測定する工程と、 When fuel gas, oxidant gas, and heat medium are introduced into the fuel cell, the temperature (T1) near the heat medium outlet at which the heat medium is discharged from the cell stack, and the outside of the fuel cell Measuring the surface temperature (T2);
燃料電池の正常運転時の熱媒体出口付近の温度および外表面の温度をそれぞれTs1およびTs2とし、測定された前記温度および温度差が The temperature near the heat medium outlet and the temperature of the outer surface during normal operation of the fuel cell are Ts1 and Ts2, respectively.
下記(1)〜(3)のいずれかの条件を満たす場合に、When any of the following conditions (1) to (3) is satisfied:
(1)T3がTs3とほぼ同じ温度で、かつ、T1−T3がTs1−Ts3とほぼ同じ温度のとき、(1) When T3 is substantially the same temperature as Ts3 and T1-T3 is substantially the same temperature as Ts1-Ts3,
(2)T3がTs3とほぼ同じ温度で、かつ、T1−T3がTs1−Ts3と比べて高温のとき、(2) When T3 is substantially the same temperature as Ts3 and T1-T3 is hotter than Ts1-Ts3,
(3)T3がTs3と比べて高温で、かつ、T1−T3がTs1−Ts3とほぼ同じ温度のとき、(3) When T3 is at a higher temperature than Ts3 and T1-T3 is substantially the same temperature as Ts1-Ts3,
前記熱媒体流路への熱媒体の導入を停止する工程および/または前記燃料電池と前記燃料電池から電力が供給される電気負荷との接続を遮断する工程を備えるシステムの運転を停止する工程と、Stopping the operation of the system, comprising stopping the introduction of the heat medium into the heat medium flow path and / or cutting off the connection between the fuel cell and an electric load supplied with electric power from the fuel cell; ,
を有する燃料電池システムの制御方法。 A control method for a fuel cell system comprising:
設けられたカソードを有する膜電極接合体と、前記アノードに対向する燃料流路が形成されたアノード側プレートと、前記カソードに対向する酸化剤流路が形成されたカソード側プレートと、熱媒体が流通する熱媒体流路が設けられた熱媒体流路プレートからなる3枚のプレート、または、燃料流路及び酸化剤流路が形成された面の反対面にそれぞれ熱媒体流路が形成された2枚のバイポーラプレート、あるいは、燃料流路または酸化剤流路が形成された面の反対面に熱媒体流路が形成された1枚のバイポーラプレートとアノード側プレートまたはカソード側プレートとからなる2枚のプレートのいずれかのプレートを備えるセルが複数積層されたセル積層体を含む燃料電池の前記燃料流路に燃料ガスを導入する工程と、A membrane electrode assembly having a cathode provided; an anode side plate having a fuel flow path facing the anode; a cathode side plate having an oxidant flow path facing the cathode; and a heating medium. The heat medium flow path was formed on the opposite side of the surface on which the three heat medium flow path plates provided with the circulating heat medium flow path or the fuel flow path and the oxidant flow path were formed. 2 bipolar plates, or two bipolar plates, or one bipolar plate having a heat medium flow path formed on the opposite side of the surface on which the fuel flow path or the oxidant flow path is formed, and an anode side plate or a cathode side plate 2 Introducing a fuel gas into the fuel flow path of the fuel cell including a cell stack in which a plurality of cells each including any one of the plates are stacked;
前記酸化剤流路に酸化剤ガスを導入する工程と、 Introducing an oxidant gas into the oxidant flow path;
前記熱媒体流路に熱媒体を導入する工程と、 Introducing a heat medium into the heat medium flow path;
前記燃料電池に燃料ガス、酸化剤ガス、および、熱媒体を導入しているときに、前記セル積層体から熱媒体が排出される熱媒体出口付近の温度(T1)と、前記燃料電池の外表面の温度(T2)と、を測定する工程と、 When fuel gas, oxidant gas, and heat medium are introduced into the fuel cell, the temperature (T1) near the heat medium outlet at which the heat medium is discharged from the cell stack, and the outside of the fuel cell Measuring the surface temperature (T2);
燃料電池の正常運転時の熱媒体出口付近の温度および外表面の温度をそれぞれTs1およびTs2とし、測定された前記温度および温度差がThe temperature near the heat medium outlet and the temperature of the outer surface during normal operation of the fuel cell are Ts1 and Ts2, respectively.
下記(1)〜(3)のいずれかの条件を満たす場合に、When any of the following conditions (1) to (3) is satisfied:
(1)T3がTs3とほぼ同じ温度で、かつ、T1−T3がTs1−Ts3とほぼ同じ温度のとき、(1) When T3 is substantially the same temperature as Ts3 and T1-T3 is substantially the same temperature as Ts1-Ts3,
(2)T3がTs3とほぼ同じ温度で、かつ、T1−T3がTs1−Ts3と比べて高温のとき、(2) When T3 is substantially the same temperature as Ts3 and T1-T3 is hotter than Ts1-Ts3,
(3)T3がTs3と比べて高温で、かつ、T1−T3がTs1−Ts3とほぼ同じ温度のとき、(3) When T3 is at a higher temperature than Ts3 and T1-T3 is substantially the same temperature as Ts1-Ts3,
燃料電池システムの異常と判定する工程および/または熱媒体の温度の異常と判定する工程と、Determining the abnormality of the fuel cell system and / or determining the abnormality of the temperature of the heat medium;
を有することを特徴とする燃料電池システムの異常検知方法。 An abnormality detection method for a fuel cell system, comprising:
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