JP2002367650A - 固体高分子型燃料電池の異常検知方法 - Google Patents
固体高分子型燃料電池の異常検知方法Info
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- JP2002367650A JP2002367650A JP2001171229A JP2001171229A JP2002367650A JP 2002367650 A JP2002367650 A JP 2002367650A JP 2001171229 A JP2001171229 A JP 2001171229A JP 2001171229 A JP2001171229 A JP 2001171229A JP 2002367650 A JP2002367650 A JP 2002367650A
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- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Abstract
(57)【要約】
【課題】 オンラインで高精度かつ的確にＰＥＦＣセル
又はスタックの異常を検知でき、その検知結果に基づい
て発生した異常の診断を適切に行うことができる低コス
トの固体高分子型燃料電池の異常検知方法を提供する。 【解決手段】 正常発電時のセル又はスタックの交流イ
ンピーダンスを特定周波数について予め測定し、これを
データとして把握しておき、このデータに基づいて基準
となるインピーダンス基準値およびインピーダンスの増
加分を許容できる許容値をそれぞれ設定する工程と、発
電中のセル又はスタックに前記特定周波数の交流を印加
して該セル又はスタックの交流インピーダンスを前記特
定周波数について測定する工程と、インピーダンス測定
値を前記インピーダンス基準値と比較し、比較した両者
の差分が前記許容値を超えたときに該セル又はスタック
に異常が発生したと判定する工程とを具備する。
又はスタックの異常を検知でき、その検知結果に基づい
て発生した異常の診断を適切に行うことができる低コス
トの固体高分子型燃料電池の異常検知方法を提供する。 【解決手段】 正常発電時のセル又はスタックの交流イ
ンピーダンスを特定周波数について予め測定し、これを
データとして把握しておき、このデータに基づいて基準
となるインピーダンス基準値およびインピーダンスの増
加分を許容できる許容値をそれぞれ設定する工程と、発
電中のセル又はスタックに前記特定周波数の交流を印加
して該セル又はスタックの交流インピーダンスを前記特
定周波数について測定する工程と、インピーダンス測定
値を前記インピーダンス基準値と比較し、比較した両者
の差分が前記許容値を超えたときに該セル又はスタック
に異常が発生したと判定する工程とを具備する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ＰＥＦＣセル又は
スタックに発生する異常を検知するための固体高分子型
燃料電池の異常検知方法に関する。
スタックに発生する異常を検知するための固体高分子型
燃料電池の異常検知方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来の固体高分子型燃料電池（ＰＥＦ
Ｃ）セル及びスタックの発電異常を検知する方法として
は、運転中にスタックの各単位セルまたはサブスタック
の電圧をモニターするか、又は各部の温度をモニターす
ることによっている。モニターにより発電異常を感知し
た場合には、運転を停止させ、セル焼損に繋がる事故を
防止している。
Ｃ）セル及びスタックの発電異常を検知する方法として
は、運転中にスタックの各単位セルまたはサブスタック
の電圧をモニターするか、又は各部の温度をモニターす
ることによっている。モニターにより発電異常を感知し
た場合には、運転を停止させ、セル焼損に繋がる事故を
防止している。
【０００３】例えば特開平５−５０２９７３号公報に
は、数セル毎の電圧を他セルと比較することによりＰＥ
ＦＣ出力を監視する技術が開示されている。
は、数セル毎の電圧を他セルと比較することによりＰＥ
ＦＣ出力を監視する技術が開示されている。
【０００４】また、特許第２７８２８５４号公報（特開
平３−１４１５６０号公報）にはＰＥＦＣの電圧が所定
値を超えたとき接続スイッチを切ることによりＰＥＦＣ
を保護する技術が開示されている。
平３−１４１５６０号公報）にはＰＥＦＣの電圧が所定
値を超えたとき接続スイッチを切ることによりＰＥＦＣ
を保護する技術が開示されている。
【０００５】また、特開平１０−０８３８２４号公報に
は、燃料ガス中のＣＯ濃度、メタノール濃度、水素利用
率、セルインピーダンス等を測定することによりＰＥＦ
Ｃの出力低下を検知する技術が開示されている。
は、燃料ガス中のＣＯ濃度、メタノール濃度、水素利用
率、セルインピーダンス等を測定することによりＰＥＦ
Ｃの出力低下を検知する技術が開示されている。
【０００６】また、特開昭５９−２１５６７４号公報に
は、電池温度を外部から検出することにより交流インピ
ーダンスを測定する技術が開示されている。
は、電池温度を外部から検出することにより交流インピ
ーダンスを測定する技術が開示されている。
【０００７】さらに、特開昭６１−０１９０７２号公報
には、燃料電池スタックの交流インピーダンスを測定す
ることにより燃料電池発電システムの健全性を診断する
技術が開示されている。
には、燃料電池スタックの交流インピーダンスを測定す
ることにより燃料電池発電システムの健全性を診断する
技術が開示されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記の従来方
法はいずれもＰＥＦＣセル又はスタックに異常が発生し
ていることは検知できるが、その異常が実際にどのよう
な故障や劣化に起因して発生したものであるのかについ
てまで診断することはできない。具体的にはＰＥＦＣの
どこで何が実際に起こっているのか的確に把握すること
ができないので、その異常発生に対して適切に対処する
ことが困難である。このため、異常を検知した場合には
とりあえず発電停止の措置をとり、停止状態のＰＥＦＣ
各部を検査するので、高コストとなる。
法はいずれもＰＥＦＣセル又はスタックに異常が発生し
ていることは検知できるが、その異常が実際にどのよう
な故障や劣化に起因して発生したものであるのかについ
てまで診断することはできない。具体的にはＰＥＦＣの
どこで何が実際に起こっているのか的確に把握すること
ができないので、その異常発生に対して適切に対処する
ことが困難である。このため、異常を検知した場合には
とりあえず発電停止の措置をとり、停止状態のＰＥＦＣ
各部を検査するので、高コストとなる。
【０００９】本発明は上記課題を解決するためになされ
たものであって、オンラインで高精度かつ的確にＰＥＦ
Ｃセル又はスタックの異常を検知でき、その検知結果に
基づいて発生した異常の診断を適切に行うことができる
低コストの固体高分子型燃料電池の異常検知方法を提供
することを目的とする。
たものであって、オンラインで高精度かつ的確にＰＥＦ
Ｃセル又はスタックの異常を検知でき、その検知結果に
基づいて発生した異常の診断を適切に行うことができる
低コストの固体高分子型燃料電池の異常検知方法を提供
することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明に係る固体高分子
型燃料電池の異常検知方法は、正常発電時のセル又はス
タックの交流インピーダンスを特定周波数について予め
測定し、これをデータとして把握しておき、このデータ
に基づいて基準となるインピーダンス基準値およびイン
ピーダンスの増加分を許容できる許容値をそれぞれ設定
する工程と、発電中のセル又はスタックに前記特定周波
数の交流を印加して該セル又はスタックの交流インピー
ダンスを前記特定周波数について測定する工程と、前記
インピーダンス測定値を前記インピーダンス基準値と比
較し、比較した両者の差分が前記許容値を超えたときに
該セル又はスタックに異常が発生したと判定する工程
と、を具備することを特徴とする。
型燃料電池の異常検知方法は、正常発電時のセル又はス
タックの交流インピーダンスを特定周波数について予め
測定し、これをデータとして把握しておき、このデータ
に基づいて基準となるインピーダンス基準値およびイン
ピーダンスの増加分を許容できる許容値をそれぞれ設定
する工程と、発電中のセル又はスタックに前記特定周波
数の交流を印加して該セル又はスタックの交流インピー
ダンスを前記特定周波数について測定する工程と、前記
インピーダンス測定値を前記インピーダンス基準値と比
較し、比較した両者の差分が前記許容値を超えたときに
該セル又はスタックに異常が発生したと判定する工程
と、を具備することを特徴とする。
【００１１】ＰＥＦＣにおける電池反応について説明す
る。ＰＥＦＣでの電池反応は主に固体高分子電解質膜と
反応層としてのアノード極およびカソード極との間の各
接触面及び各反応層内部で起こる。一方のセパレータの
内側面には水素ガス供給溝が形成され、他方のセパレー
タの内側面には酸素ガス供給溝が形成されている。一方
の供給溝に水素ガスを供給するとともに他方の供給溝に
酸素ガス（空気）を供給すると、各々のガスは各ガス拡
散膜をそれぞれ透過してアノード極とカソード極とにそ
れぞれ供給され、カソード極と固体高分子電解質膜との
界面およびカソード極の内部で下式（１）の反応が、ア
ノード極と固体高分子電解質膜との界面およびアノード
極の内部で下式（２）の反応がそれぞれ生じる。
る。ＰＥＦＣでの電池反応は主に固体高分子電解質膜と
反応層としてのアノード極およびカソード極との間の各
接触面及び各反応層内部で起こる。一方のセパレータの
内側面には水素ガス供給溝が形成され、他方のセパレー
タの内側面には酸素ガス供給溝が形成されている。一方
の供給溝に水素ガスを供給するとともに他方の供給溝に
酸素ガス（空気）を供給すると、各々のガスは各ガス拡
散膜をそれぞれ透過してアノード極とカソード極とにそ
れぞれ供給され、カソード極と固体高分子電解質膜との
界面およびカソード極の内部で下式（１）の反応が、ア
ノード極と固体高分子電解質膜との界面およびアノード
極の内部で下式（２）の反応がそれぞれ生じる。
【００１２】 カソード極側の反応層界面及び反応層内部での反応： Ｏ2＋４Ｈ＋→２Ｈ2Ｏ …（１） アノード極側の反応層界面及び反応層内部での反応： ２Ｈ2→４Ｈ＋＋４ｅ− …（２） ここで、水素イオンＨ＋は、図６に示す固体高分子電解
質膜３０２を通って触媒層３０６ａから触媒層３０６ｂ
へ流れるが、電子ｅ−は負荷を通って触媒層３０６ａか
ら触媒層３０６ｂへ流れ、これにより電気エネルギが得
られる。
質膜３０２を通って触媒層３０６ａから触媒層３０６ｂ
へ流れるが、電子ｅ−は負荷を通って触媒層３０６ａか
ら触媒層３０６ｂへ流れ、これにより電気エネルギが得
られる。
【００１３】図５は横軸に電流密度（Ａ／ｃｍ2）をと
り、縦軸に電圧（Ｖ）をとってＰＥＦＣにおける各種の
抵抗損失を示す電流電圧特性線図である。図中にて実線
の特性線Ｅはセル電圧を示す。このように各種の抵抗損
失によりセル電圧は特性線Ｅに沿って緩やかに低下する
が、ＰＥＦＣセル又はスタックに何らかの損傷や劣化な
どの異常を生じると、図５中にて破線で示す特性線Ｆの
ように電圧が急激に低下する。本発明はこのような異常
を検知するためになされたものである。
り、縦軸に電圧（Ｖ）をとってＰＥＦＣにおける各種の
抵抗損失を示す電流電圧特性線図である。図中にて実線
の特性線Ｅはセル電圧を示す。このように各種の抵抗損
失によりセル電圧は特性線Ｅに沿って緩やかに低下する
が、ＰＥＦＣセル又はスタックに何らかの損傷や劣化な
どの異常を生じると、図５中にて破線で示す特性線Ｆの
ように電圧が急激に低下する。本発明はこのような異常
を検知するためになされたものである。
【００１４】図４は横軸にインピーダンス測定値の実数
部（Ω）をとり、縦軸にインピーダンス測定値の虚数部
（Ω）をとって、２種類の燃料ガスについて特定の周波
数での交流インピーダンスを測定した結果をプロットし
てそれぞれ示す特性図（コールコールプロット図）であ
る。図中にてプロット群Ａは燃料としてエタノール改質
ガス／空気を用いて発電したときの結果を、プロット群
Ｂは燃料としてエタノール改質ガス／酸素ガスを用いて
発電したときの結果をそれぞれ示す。両プロット群Ａ，
Ｂを比べてみると、全体的に前者のほうが後者よりも抵
抗値が大きくなり、とくに前者の拡散抵抗Ω１１は後者
の拡散抵抗Ω１２をかなり上回る結果となった。
部（Ω）をとり、縦軸にインピーダンス測定値の虚数部
（Ω）をとって、２種類の燃料ガスについて特定の周波
数での交流インピーダンスを測定した結果をプロットし
てそれぞれ示す特性図（コールコールプロット図）であ
る。図中にてプロット群Ａは燃料としてエタノール改質
ガス／空気を用いて発電したときの結果を、プロット群
Ｂは燃料としてエタノール改質ガス／酸素ガスを用いて
発電したときの結果をそれぞれ示す。両プロット群Ａ，
Ｂを比べてみると、全体的に前者のほうが後者よりも抵
抗値が大きくなり、とくに前者の拡散抵抗Ω１１は後者
の拡散抵抗Ω１２をかなり上回る結果となった。
【００１５】このように前者の拡散抵抗Ω１１が後者の
拡散抵抗Ω１２よりも大きくなる理由は、ガス拡散層及
び触媒層内部における酸素ガス分子の拡散速度が酸素ガ
ス分圧に大きく依存しているからである。また、前者の
反応抵抗Ω２１が後者の反応抵抗Ω２２よりも大きくな
る理由は、白金触媒上で酸素とプロトンとが反応して水
を生成する反応抵抗が酸素ガス分圧に大きく依存してい
るからである。
拡散抵抗Ω１２よりも大きくなる理由は、ガス拡散層及
び触媒層内部における酸素ガス分子の拡散速度が酸素ガ
ス分圧に大きく依存しているからである。また、前者の
反応抵抗Ω２１が後者の反応抵抗Ω２２よりも大きくな
る理由は、白金触媒上で酸素とプロトンとが反応して水
を生成する反応抵抗が酸素ガス分圧に大きく依存してい
るからである。
【００１６】ちなみに、酸素分圧の違いは、カソード反
応に大きく影響するので、プロット群Ｂでは反応抵抗Ω
２２が小さくなり、図４に示すように拡散抵抗Ω１２と
の２つの円弧が重ならずに現れるため、抵抗値（円弧の
Ｘ軸の大きさ）が識別可能に分離する。これに対して、
プロット群Ａでは反応抵抗Ω２１が大きくなり、拡散抵
抗Ω１１と２つの円弧が重なって現れるため、両者は識
別可能に分離していない。本発明では、ある周波数での
円弧の虚数部の大きさを比較して抵抗の大きさを比べ
る。また、酸素分圧の違いは、触媒層内部でのガス拡散
抵抗にも影響する。
応に大きく影響するので、プロット群Ｂでは反応抵抗Ω
２２が小さくなり、図４に示すように拡散抵抗Ω１２と
の２つの円弧が重ならずに現れるため、抵抗値（円弧の
Ｘ軸の大きさ）が識別可能に分離する。これに対して、
プロット群Ａでは反応抵抗Ω２１が大きくなり、拡散抵
抗Ω１１と２つの円弧が重なって現れるため、両者は識
別可能に分離していない。本発明では、ある周波数での
円弧の虚数部の大きさを比較して抵抗の大きさを比べ
る。また、酸素分圧の違いは、触媒層内部でのガス拡散
抵抗にも影響する。
【００１７】プロット群Ａについて周波数と各抵抗値と
の関係をみると、周波数５Ｈｚのところに拡散抵抗Ω１
１の最大値が存在し、周波数４０Ｈｚのところに反応抵
抗Ω２１の最大値が存在し、周波数５ｋＨｚのところに
オーム抵抗Ω４１の最大値が存在する。また、プロット
群Ｂについて周波数と各抵抗値との関係をみると、周波
数１Ｈｚのところに拡散抵抗Ω１２の最大値が存在し、
周波数４０Ｈｚのところに反応抵抗Ω２２の最大値が存
在し、周波数５ｋＨｚのところにオーム抵抗Ω４２の最
大値が存在する。
の関係をみると、周波数５Ｈｚのところに拡散抵抗Ω１
１の最大値が存在し、周波数４０Ｈｚのところに反応抵
抗Ω２１の最大値が存在し、周波数５ｋＨｚのところに
オーム抵抗Ω４１の最大値が存在する。また、プロット
群Ｂについて周波数と各抵抗値との関係をみると、周波
数１Ｈｚのところに拡散抵抗Ω１２の最大値が存在し、
周波数４０Ｈｚのところに反応抵抗Ω２２の最大値が存
在し、周波数５ｋＨｚのところにオーム抵抗Ω４２の最
大値が存在する。
【００１８】以上のことから次の（１）〜（３）の知見
が得られた。 （１）１〜５Ｈｚでの拡散抵抗Ω１１，Ω１２の虚数部
の値を比較することにより拡散層及び触媒層内部におい
てガス拡散抵抗が増大したことを検知・把握できる。
が得られた。 （１）１〜５Ｈｚでの拡散抵抗Ω１１，Ω１２の虚数部
の値を比較することにより拡散層及び触媒層内部におい
てガス拡散抵抗が増大したことを検知・把握できる。
【００１９】（２）４０Ｈｚでのカソード反応抵抗Ω２
１，Ω２２の虚数部の値を比較することにより電極触媒
が劣化したことが検知・把握できる。
１，Ω２２の虚数部の値を比較することにより電極触媒
が劣化したことが検知・把握できる。
【００２０】（３）５ｋＨｚでのオーム抵抗Ω４１，Ω
４２の実数部の値を比較することにより接触抵抗又は高
分子膜の乾燥状態がどの程度であるかを検知・把握でき
る。
４２の実数部の値を比較することにより接触抵抗又は高
分子膜の乾燥状態がどの程度であるかを検知・把握でき
る。
【００２１】このような知見に基づいて上記のインピー
ダンス測定工程では、複数の特定周波数間でインピーダ
ンス測定周波数を定期的に変えることが好ましく、さら
に５Ｈｚと４０Ｈｚとの２つの特定周波数の交流を含む
ことがより好ましい。
ダンス測定工程では、複数の特定周波数間でインピーダ
ンス測定周波数を定期的に変えることが好ましく、さら
に５Ｈｚと４０Ｈｚとの２つの特定周波数の交流を含む
ことがより好ましい。
【００２２】なお、上記の判定工程では、セル又はスタ
ックに異常が発生したと判定したときに警報を発するこ
とが望ましい。この場合に、特定周波数ごとに警報の種
類を変えてやると、オペレータは発生した異常の種類と
程度に応じて的確に対処することができるようになる。
ックに異常が発生したと判定したときに警報を発するこ
とが望ましい。この場合に、特定周波数ごとに警報の種
類を変えてやると、オペレータは発生した異常の種類と
程度に応じて的確に対処することができるようになる。
【００２３】
【発明の実施の形態】以下、添付の図面を参照しながら
本発明の好ましい実施の形態について説明する。
本発明の好ましい実施の形態について説明する。
【００２４】図１に示すように、燃料電池発電システム
１はｎ個のＰＥＦＣスタック２１〜２ｎを備え、出力取
り出し用の正負一対の配線４，５を介して交直変換用の
インバータ６に接続されている。各ＰＥＦＣスタック２
１〜２ｎにはそれぞれｍ個の単電池セル３１〜３ｍが積
層収納されている。すなわち、単電池セル３１〜３ｍと
セパレータ（図示せず）とを交互に積層配置し、これら
をボルトで間隔調整される１対のフランジで締め付ける
ことによりＰＥＦＣスタック２１〜２ｎが構成されてい
る。単電池セル３１〜３ｍは、固体高分子電解質膜およ
びカソード／アノード両極触媒層からなる反応セル部、
シール材、パッキングをそれぞれ有し、反応セル部の両
側にガス拡散膜を介してセパレータをホットプレス法な
どにより一体化接合したものである。セパレータの一方
側主面の中央には燃料ガス供給溝が形成され、セパレー
タの他方側主面の中央には酸化剤ガス供給溝が形成され
ている。また、セパレータの上部には燃料ガス供給口、
冷却水排出口、酸化剤ガス供給口がそれぞれ設けられ、
セパレータの下部には酸化剤ガス排出口、冷却水供給
口、燃料ガス排出口がそれぞれ設けられている。
１はｎ個のＰＥＦＣスタック２１〜２ｎを備え、出力取
り出し用の正負一対の配線４，５を介して交直変換用の
インバータ６に接続されている。各ＰＥＦＣスタック２
１〜２ｎにはそれぞれｍ個の単電池セル３１〜３ｍが積
層収納されている。すなわち、単電池セル３１〜３ｍと
セパレータ（図示せず）とを交互に積層配置し、これら
をボルトで間隔調整される１対のフランジで締め付ける
ことによりＰＥＦＣスタック２１〜２ｎが構成されてい
る。単電池セル３１〜３ｍは、固体高分子電解質膜およ
びカソード／アノード両極触媒層からなる反応セル部、
シール材、パッキングをそれぞれ有し、反応セル部の両
側にガス拡散膜を介してセパレータをホットプレス法な
どにより一体化接合したものである。セパレータの一方
側主面の中央には燃料ガス供給溝が形成され、セパレー
タの他方側主面の中央には酸化剤ガス供給溝が形成され
ている。また、セパレータの上部には燃料ガス供給口、
冷却水排出口、酸化剤ガス供給口がそれぞれ設けられ、
セパレータの下部には酸化剤ガス排出口、冷却水供給
口、燃料ガス排出口がそれぞれ設けられている。
【００２５】ＰＥＦＣスタック２１〜２ｎごとにインピ
ーダンス測定装置７１〜７ｎが１対１に対応するように
並列に接続されている。各インピーダンス測定装置７１
〜７ｎは、ＰＥＦＣスタック２１〜２ｎの正負両極間に
高周波を印加し、交流電流を測定することにより、交流
インピーダンスを出力表示する機能を備えている。な
お、ＰＥＦＣスタック２１〜２ｎに印加される電圧は交
流であるのに対して、セル３１〜３ｍの負荷電流は直流
であるため、セルに流れる交流電流は、負荷電流の大き
さには影響を受けない。このため、セルが発電状態にあ
るときでも、交流インピーダンスは測定可能である。劣
化したセルを含む燃料電池スタックの交流インピーダン
スは正常時の交流インピーダンスと異なった値を示すた
め、交流インピーダンス測定装置７１〜７ｎにより測定
された交流インピーダンスを正常時の交流インピーダン
スと比較することによりＰＥＦＣスタック２１〜２ｎの
健全性を診断することができる。
ーダンス測定装置７１〜７ｎが１対１に対応するように
並列に接続されている。各インピーダンス測定装置７１
〜７ｎは、ＰＥＦＣスタック２１〜２ｎの正負両極間に
高周波を印加し、交流電流を測定することにより、交流
インピーダンスを出力表示する機能を備えている。な
お、ＰＥＦＣスタック２１〜２ｎに印加される電圧は交
流であるのに対して、セル３１〜３ｍの負荷電流は直流
であるため、セルに流れる交流電流は、負荷電流の大き
さには影響を受けない。このため、セルが発電状態にあ
るときでも、交流インピーダンスは測定可能である。劣
化したセルを含む燃料電池スタックの交流インピーダン
スは正常時の交流インピーダンスと異なった値を示すた
め、交流インピーダンス測定装置７１〜７ｎにより測定
された交流インピーダンスを正常時の交流インピーダン
スと比較することによりＰＥＦＣスタック２１〜２ｎの
健全性を診断することができる。
【００２６】各インピーダンス測定装置７１〜７ｎは、
入力側に周波数切換器５１が接続され、出力側にコンピ
ュータ８が接続されている。コンピュータ８は時々刻々
時間を刻み続けるタイマーを内蔵しており、所定時間間
隔ごとに周波数切換器５１に周波数切り換え信号を出力
するようにプログラムされている。本実施形態では５Ｈ
ｚ及び４０Ｈｚの２つの特定周波数間で一定の時間間隔
をおいてインピーダンス測定装置７１〜７ｎに印加され
る高周波の周波数が自動切り換えされるように設定され
ている。
入力側に周波数切換器５１が接続され、出力側にコンピ
ュータ８が接続されている。コンピュータ８は時々刻々
時間を刻み続けるタイマーを内蔵しており、所定時間間
隔ごとに周波数切換器５１に周波数切り換え信号を出力
するようにプログラムされている。本実施形態では５Ｈ
ｚ及び４０Ｈｚの２つの特定周波数間で一定の時間間隔
をおいてインピーダンス測定装置７１〜７ｎに印加され
る高周波の周波数が自動切り換えされるように設定され
ている。
【００２７】次に、図２を参照してコンピュータ８の制
御回路について説明する。
御回路について説明する。
【００２８】コンピュータ８は、ｎ個のアナログ／ディ
ジタル変換器８１１〜８１ｎ、入力マルチプレクサ８
２、ＣＰＵ８３、メモリ８４および出力マルチプレクサ
８５を備えている。ｎ個のアナログ／ディジタル変換器
８１１〜８１ｎは、ｎ個のインピーダンス測定装置７１
〜７ｎにそれぞれ対応して設けられ、各インピーダンス
測定装置７１〜７ｎからのアナログ信号（測定信号）を
ディジタルコードに変換し、入力マルチプレクサ８２を
介してＣＰＵ８３に送り、ディジタルコードをＣＰＵ８
３に読みとらせるようになっている。
ジタル変換器８１１〜８１ｎ、入力マルチプレクサ８
２、ＣＰＵ８３、メモリ８４および出力マルチプレクサ
８５を備えている。ｎ個のアナログ／ディジタル変換器
８１１〜８１ｎは、ｎ個のインピーダンス測定装置７１
〜７ｎにそれぞれ対応して設けられ、各インピーダンス
測定装置７１〜７ｎからのアナログ信号（測定信号）を
ディジタルコードに変換し、入力マルチプレクサ８２を
介してＣＰＵ８３に送り、ディジタルコードをＣＰＵ８
３に読みとらせるようになっている。
【００２９】ＣＰＵ８３は、読みとったディジタルコー
ドをメモリ８４に格納するとともに、メモリ８４から各
種データ（特定周波数ごとのインピーダンス基準値Ｒ
１，Ｒ２，Ｒ３および許容値Ｋ１，Ｋ２，Ｋ３に関する
データ）を呼び出してこれと比較し、さらに演算し、そ
の結果に基づくか又は時間制御に基づいて水素ソレノイ
ド弁９１、酸素ソレノイド弁９２、負荷接触子９３、水
素循環圧縮機９４、水ポンプモータ９５、ファンモータ
９６、水素排気弁９７、水素パージ弁９８、警報器９
９、周波数切換器５１の各々に出力マルチプレクサ８５
を介して指令信号をそれぞれ出力するようになってい
る。
ドをメモリ８４に格納するとともに、メモリ８４から各
種データ（特定周波数ごとのインピーダンス基準値Ｒ
１，Ｒ２，Ｒ３および許容値Ｋ１，Ｋ２，Ｋ３に関する
データ）を呼び出してこれと比較し、さらに演算し、そ
の結果に基づくか又は時間制御に基づいて水素ソレノイ
ド弁９１、酸素ソレノイド弁９２、負荷接触子９３、水
素循環圧縮機９４、水ポンプモータ９５、ファンモータ
９６、水素排気弁９７、水素パージ弁９８、警報器９
９、周波数切換器５１の各々に出力マルチプレクサ８５
を介して指令信号をそれぞれ出力するようになってい
る。
【００３０】警報器９９は、コンピュータ８から出され
る警報信号に応じて音程を変えるスピーカと、警報信号
に応じて点灯色を変える単一又は複数のランプとを有し
ている。なお、コンピュータ８にはデスクトップ型パー
ソナルコンピュータを用い、その画面上に警報画像を表
示することによりオペレータに報知するようにしてもよ
い。
る警報信号に応じて音程を変えるスピーカと、警報信号
に応じて点灯色を変える単一又は複数のランプとを有し
ている。なお、コンピュータ８にはデスクトップ型パー
ソナルコンピュータを用い、その画面上に警報画像を表
示することによりオペレータに報知するようにしてもよ
い。
【００３１】次に、図３〜図６を参照して上記発電シス
テムの運転中にＰＥＦＣスタックの異常を検知する方法
について説明する。
テムの運転中にＰＥＦＣスタックの異常を検知する方法
について説明する。
【００３２】燃料電池発電システム１の主スイッチをＯ
Ｎにすると、各スタック２１〜２ｎのセル３１〜３ｍの
熱交換流路に温水が流れ始めるとともに、予熱ヒータが
発熱して各セル３１〜３ｍの予熱が開始される。図示し
ないセンサによりセル温度を検出し、検出温度が所定の
目標温度に到達したところでコンピュータ８から水素ソ
レノイド弁９１および酸素ソレノイド弁９２に指令信号
をそれぞれ送り、各セルの水素極（アノード極）反応層
３０６ａ側にエタノール改質ガスを供給するとともに、
各セルの酸素極（カソード極）反応層３０６ｂ側に空気
を供給し、発電を開始する。発電開始後は、温水から冷
水に切り換えてセルの熱交換流路に供給し、発熱したセ
ルを７０〜８０℃の最適反応温度域に冷却する（工程Ｓ
１）。
Ｎにすると、各スタック２１〜２ｎのセル３１〜３ｍの
熱交換流路に温水が流れ始めるとともに、予熱ヒータが
発熱して各セル３１〜３ｍの予熱が開始される。図示し
ないセンサによりセル温度を検出し、検出温度が所定の
目標温度に到達したところでコンピュータ８から水素ソ
レノイド弁９１および酸素ソレノイド弁９２に指令信号
をそれぞれ送り、各セルの水素極（アノード極）反応層
３０６ａ側にエタノール改質ガスを供給するとともに、
各セルの酸素極（カソード極）反応層３０６ｂ側に空気
を供給し、発電を開始する。発電開始後は、温水から冷
水に切り換えてセルの熱交換流路に供給し、発熱したセ
ルを７０〜８０℃の最適反応温度域に冷却する（工程Ｓ
１）。
【００３３】発電開始直後の非定常状態から定常状態に
移行して反応が安定化した後は、コンピュータ８から各
インピーダンス測定装置７１〜７ｎに測定指令信号を送
り、スタック毎に特定周波数の交流を印可して交流イン
ピーダンスの測定を開始する。すなわち、第１のインピ
ーダンス測定装置７１は周波数５Ｈｚの交流を第１のス
タック２１に印加し、これと同期して、第２のインピー
ダンス測定装置７２は周波数５Ｈｚの交流を第２のスタ
ック２２に印加し、同様に第３から第ｎまでのインピー
ダンス測定装置７３〜７ｎは周波数５Ｈｚの交流を第３
から第ｎのスタック２３〜２ｎにそれぞれ印加する。こ
れによりシステム内の全スタック２１〜２ｎについて周
波数５Ｈｚでの交流インピーダンスが測定され、これら
の測定信号はコンピュータ８にそれぞれ送られる（工程
Ｓ２）。
移行して反応が安定化した後は、コンピュータ８から各
インピーダンス測定装置７１〜７ｎに測定指令信号を送
り、スタック毎に特定周波数の交流を印可して交流イン
ピーダンスの測定を開始する。すなわち、第１のインピ
ーダンス測定装置７１は周波数５Ｈｚの交流を第１のス
タック２１に印加し、これと同期して、第２のインピー
ダンス測定装置７２は周波数５Ｈｚの交流を第２のスタ
ック２２に印加し、同様に第３から第ｎまでのインピー
ダンス測定装置７３〜７ｎは周波数５Ｈｚの交流を第３
から第ｎのスタック２３〜２ｎにそれぞれ印加する。こ
れによりシステム内の全スタック２１〜２ｎについて周
波数５Ｈｚでの交流インピーダンスが測定され、これら
の測定信号はコンピュータ８にそれぞれ送られる（工程
Ｓ２）。
【００３４】インピーダンス測定信号はＡ／Ｄ変換器８
１１〜８１ｎによりアナログからデジタルコードに変換
され、入力マルチプレクサ８２を介してＣＰＵ８３に入
力される。ＣＰＵ８３は、測定値データをメモリ８４に
ストアするとともに、メモリ８４からガス拡散抵抗の基
準値データおよび許容値データを呼び出す。そして、呼
び出した基準値Ｒ１と測定値Ω１１との差分を演算によ
り求め、求めた差分（Ω１１−Ｒ１）の絶対値と許容値
Ｋ１との大小を比較し、前者が後者を下回ると判定した
場合は次工程Ｓ４の測定に進む。すなわち、ＣＰＵ８３
は下式（３）の関係を満たすか否かを判定し（工程Ｓ
３）、その判定結果がＹＥＳの場合は当該インピーダン
ス測定装置から当該スタックに印加される交流周波数を
５Ｈｚから４０Ｈｚに切り換え、周波数４０Ｈｚでの交
流インピーダンスの測定に移行する（工程Ｓ４）。
１１〜８１ｎによりアナログからデジタルコードに変換
され、入力マルチプレクサ８２を介してＣＰＵ８３に入
力される。ＣＰＵ８３は、測定値データをメモリ８４に
ストアするとともに、メモリ８４からガス拡散抵抗の基
準値データおよび許容値データを呼び出す。そして、呼
び出した基準値Ｒ１と測定値Ω１１との差分を演算によ
り求め、求めた差分（Ω１１−Ｒ１）の絶対値と許容値
Ｋ１との大小を比較し、前者が後者を下回ると判定した
場合は次工程Ｓ４の測定に進む。すなわち、ＣＰＵ８３
は下式（３）の関係を満たすか否かを判定し（工程Ｓ
３）、その判定結果がＹＥＳの場合は当該インピーダン
ス測定装置から当該スタックに印加される交流周波数を
５Ｈｚから４０Ｈｚに切り換え、周波数４０Ｈｚでの交
流インピーダンスの測定に移行する（工程Ｓ４）。
【００３５】Ω１１−Ｒ１＜Ｋ１ …（３） 次のインピーダンス測定においても上記と同様に、ＣＰ
Ｕ８３は、測定値データをメモリ８４にストアするとと
もに、メモリ８４からカソード反応抵抗の基準値データ
および許容値データを呼び出す。そして、呼び出した基
準値Ｒ２と測定値Ω２１との差分を演算により求め、求
めた差分（Ω２１−Ｒ２）の絶対値と許容値Ｋ２との大
小を比較し、前者が後者を下回ると判定した場合は前記
工程Ｓ２の測定に戻る。すなわち、ＣＰＵ８３は下式
（４）の関係を満たすか否かを判定し（工程Ｓ５）、そ
の判定結果がＹＥＳの場合は当該インピーダンス測定装
置から当該スタックに印加される交流周波数を４０Ｈｚ
から５Ｈｚに切り換え、周波数５Ｈｚでの交流インピー
ダンスの測定に戻る（工程Ｓ２）。
Ｕ８３は、測定値データをメモリ８４にストアするとと
もに、メモリ８４からカソード反応抵抗の基準値データ
および許容値データを呼び出す。そして、呼び出した基
準値Ｒ２と測定値Ω２１との差分を演算により求め、求
めた差分（Ω２１−Ｒ２）の絶対値と許容値Ｋ２との大
小を比較し、前者が後者を下回ると判定した場合は前記
工程Ｓ２の測定に戻る。すなわち、ＣＰＵ８３は下式
（４）の関係を満たすか否かを判定し（工程Ｓ５）、そ
の判定結果がＹＥＳの場合は当該インピーダンス測定装
置から当該スタックに印加される交流周波数を４０Ｈｚ
から５Ｈｚに切り換え、周波数５Ｈｚでの交流インピー
ダンスの測定に戻る（工程Ｓ２）。
【００３６】Ω２１−Ｒ２＜Ｋ２ …（４） 何れかのＰＥＦＣスタック又はセルに何らかの損傷や劣
化などの異常を生じると、図５中に破線で示す特性線Ｆ
のようにセル電圧が急激に低下する。このとき、コンピ
ュータのＣＰＵ８３は、工程Ｓ３，Ｓ５のうちのいずれ
かの１つ又は２つ以上の判定をＮＯとし、コンピュータ
８から警報器９９に警報信号を送り、アラームを鳴らす
とともに異常発生報知用ランプを点灯させる（工程Ｓ
６）。一方、オペレータはどの箇所のどの特定周波数の
交流を用いたときにインピーダンス測定値が大きく増加
したかを警報器９９の報知及び／又はコンピュータ画面
表示により知るか、あるいは上記の工程Ｓ３，Ｓ５の判
定結果（測定記録）をコンピュータ画面上でモニターす
ることにより知ることができる。このようにしてオペレ
ータ及び／又はコンピュータ８は発生した異常の内容を
高精度に診断することができ、その異常に対して的確に
対処することができる（工程Ｓ７〜Ｓ１０）。
化などの異常を生じると、図５中に破線で示す特性線Ｆ
のようにセル電圧が急激に低下する。このとき、コンピ
ュータのＣＰＵ８３は、工程Ｓ３，Ｓ５のうちのいずれ
かの１つ又は２つ以上の判定をＮＯとし、コンピュータ
８から警報器９９に警報信号を送り、アラームを鳴らす
とともに異常発生報知用ランプを点灯させる（工程Ｓ
６）。一方、オペレータはどの箇所のどの特定周波数の
交流を用いたときにインピーダンス測定値が大きく増加
したかを警報器９９の報知及び／又はコンピュータ画面
表示により知るか、あるいは上記の工程Ｓ３，Ｓ５の判
定結果（測定記録）をコンピュータ画面上でモニターす
ることにより知ることができる。このようにしてオペレ
ータ及び／又はコンピュータ８は発生した異常の内容を
高精度に診断することができ、その異常に対して的確に
対処することができる（工程Ｓ７〜Ｓ１０）。
【００３７】すなわち、ＰＥＦＣスタック内のセルに異
常が発生した場合に、オペレータ及び／又はコンピュー
タ８は、具体的にどのスタックに異常が発生したか（異
常の発生箇所）、どの特定周波数のインピーダンス測定
値に異常を生じているか（異常の発生原因）をほぼ正確
に診断することができ（工程Ｓ７）、その診断結果が待
ったなしの異常であるとＹＥＳ判定した場合は、コンピ
ュータの出力制限指令部からインバータ６に出力制限信
号（もしくは出力遮断信号）を送るなどして、インバー
タ６を出力制限器（もしくは出力遮断器）として作動さ
せ、各負荷への給電を制限（もしくは遮断）し、直ちに
ＰＥＦＣ発電システム１の運転を停止させる（工程Ｓ１
０）。
常が発生した場合に、オペレータ及び／又はコンピュー
タ８は、具体的にどのスタックに異常が発生したか（異
常の発生箇所）、どの特定周波数のインピーダンス測定
値に異常を生じているか（異常の発生原因）をほぼ正確
に診断することができ（工程Ｓ７）、その診断結果が待
ったなしの異常であるとＹＥＳ判定した場合は、コンピ
ュータの出力制限指令部からインバータ６に出力制限信
号（もしくは出力遮断信号）を送るなどして、インバー
タ６を出力制限器（もしくは出力遮断器）として作動さ
せ、各負荷への給電を制限（もしくは遮断）し、直ちに
ＰＥＦＣ発電システム１の運転を停止させる（工程Ｓ１
０）。
【００３８】また、異常診断工程Ｓ７の判定結果がＮＯ
の場合であっても、同じ特定周波数でのインピーダンス
測定値の異常の発生回数（アラーム回数）が所定回数
（例えば１０回）を超えた場合においても、ＰＥＦＣ発
電システム１の運転を停止させる（工程Ｓ８，Ｓ１
０）。
の場合であっても、同じ特定周波数でのインピーダンス
測定値の異常の発生回数（アラーム回数）が所定回数
（例えば１０回）を超えた場合においても、ＰＥＦＣ発
電システム１の運転を停止させる（工程Ｓ８，Ｓ１
０）。
【００３９】一方、異常診断工程Ｓ７の判定結果がＮＯ
の場合であっても、同じ特定周波数でのインピーダンス
測定値の異常の発生回数（アラーム回数）が所定回数を
超えない場合は、異常の発生原因に応じてＰＥＦＣ発電
システム１の運転を制御する（工程Ｓ８，Ｓ９）。例え
ば、ガス拡散抵抗値Ω１１が増加している場合は、ガス
拡散層及び触媒層内部からの排水を良好にするために供
給ガス量を一時的に増加させるなどの操業上の制御を行
うことによりできるだけ正常な発電状態を維持するよう
にする。
の場合であっても、同じ特定周波数でのインピーダンス
測定値の異常の発生回数（アラーム回数）が所定回数を
超えない場合は、異常の発生原因に応じてＰＥＦＣ発電
システム１の運転を制御する（工程Ｓ８，Ｓ９）。例え
ば、ガス拡散抵抗値Ω１１が増加している場合は、ガス
拡散層及び触媒層内部からの排水を良好にするために供
給ガス量を一時的に増加させるなどの操業上の制御を行
うことによりできるだけ正常な発電状態を維持するよう
にする。
【００４０】なお、上記実施形態ではＰＥＦＣスタック
の異常を検知する場合について説明したが、本発明はこ
れのみに限定されることなく、ＰＥＦＣセル毎に交流イ
ンピーダンス測定装置を取り付けてＰＥＦＣセルの異常
を検知する場合にも本発明を適用することができる。
の異常を検知する場合について説明したが、本発明はこ
れのみに限定されることなく、ＰＥＦＣセル毎に交流イ
ンピーダンス測定装置を取り付けてＰＥＦＣセルの異常
を検知する場合にも本発明を適用することができる。
【００４１】また、上記実施形態ではガス拡散抵抗およ
び反応抵抗にそれぞれ対応する２つの特定周波数の交流
を順次切り換えることによりＰＥＦＣスタックの異常を
検知するようにしたが、さらに周波数５ｋＨｚの交流へ
の切り換えを追加してオーム抵抗の異常を検出するよう
にしてもよい。
び反応抵抗にそれぞれ対応する２つの特定周波数の交流
を順次切り換えることによりＰＥＦＣスタックの異常を
検知するようにしたが、さらに周波数５ｋＨｚの交流へ
の切り換えを追加してオーム抵抗の異常を検出するよう
にしてもよい。
【００４２】
【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、特
定周波数のいくつかについてのみ交流インピーダンスを
測定し、その結果を用いてＰＥＦＣセル及びスタックの
異常を的確に診断することができるので、広範囲の周波
数にわたり交流インピーダンスを測定することが不要に
なる。このため、ＰＥＦＣ各部の劣化や不具合に応じて
運転を制御することができ、また、劣化した膜の交換な
どのために適切な時期に運転を停止することができるよ
うになるので、運転コストおよび保守点検コストが低減
される。
定周波数のいくつかについてのみ交流インピーダンスを
測定し、その結果を用いてＰＥＦＣセル及びスタックの
異常を的確に診断することができるので、広範囲の周波
数にわたり交流インピーダンスを測定することが不要に
なる。このため、ＰＥＦＣ各部の劣化や不具合に応じて
運転を制御することができ、また、劣化した膜の交換な
どのために適切な時期に運転を停止することができるよ
うになるので、運転コストおよび保守点検コストが低減
される。
【図１】燃料電池発電システムを示す構成ブロック図。
【図２】本発明の実施形態に係る固体高分子型燃料電池
の異常検知方法に用いられた制御回路を示す制御ブロッ
ク図。
の異常検知方法に用いられた制御回路を示す制御ブロッ
ク図。
【図３】本発明の実施形態に係る固体高分子型燃料電池
の異常検知方法を示すフローチャート。
の異常検知方法を示すフローチャート。
【図４】改質ガス／空気を燃料として発電した場合と、
改質ガス／酸素ガスを燃料として発電した場合とについ
て、特定周波数でのインピーダンスをそれぞれ測定した
結果をプロットして示す特性図。
改質ガス／酸素ガスを燃料として発電した場合とについ
て、特定周波数でのインピーダンスをそれぞれ測定した
結果をプロットして示す特性図。
【図５】固体高分子型燃料電池の正常時と異常時の電流
電圧特性をそれぞれ示す特性線図。
電圧特性をそれぞれ示す特性線図。
【図６】固体電解質型燃料電池の単セル構成図。
１…燃料電池発電システム、 ２１〜２ｎ…ＰＥＦＣスタック、 ３１〜３ｍ…ＰＥＦＣセル、 ３０２…固体高分子電解質膜、 ３０３ａ…水素極セパレータ、 ３０３ｂ…酸素極セパレータ、 ３０４ａ…水素極ガス拡散層、 ３０４ｂ…酸素極ガス拡散層、 ３０６ａ…水素極反応層、 ３０６ｂ…酸素極反応層、 ４，５…配線、 ５１…周波数切換器、 ６…インバータ、 ７１〜７ｎ…インピーダンス測定装置、 ８…コンピュータ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 森賀 卓也 広島県広島市西区観音新町四丁目６番22号 三菱重工業株式会社広島研究所内 (72)発明者 伊藤 栄基 広島県広島市西区観音新町四丁目６番22号 三菱重工業株式会社広島研究所内 (72)発明者 佐藤 昭男 広島県広島市西区観音新町四丁目６番22号 三菱重工業株式会社広島研究所内 Ｆターム(参考） 2G060 AE40 AF03 AF06 HC15 5H026 AA06 CC03 CX05 HH06 5H027 AA06 MM26
Claims (5)
- 【請求項１】 正常発電時のセル又はスタックの交流イ
ンピーダンスを特定周波数について予め測定し、これを
データとして把握しておき、このデータに基づいて基準
となるインピーダンス基準値およびインピーダンスの増
加分を許容できる許容値をそれぞれ設定する工程と、 発電中のセル又はスタックに前記特定周波数の交流を印
加して該セル又はスタックの交流インピーダンスを前記
特定周波数について測定する工程と、 前記インピーダンス測定値を前記インピーダンス基準値
と比較し、比較した両者の差分が前記許容値を超えたと
きに該セル又はスタックに異常が発生したと判定する工
程と、を具備することを特徴とする固体高分子型燃料電
池の異常検知方法。 - 【請求項２】 前記インピーダンス測定工程では、複数
の特定周波数間でインピーダンス測定周波数を定期的に
変えることを特徴とする請求項１記載の方法。 - 【請求項３】 前記特定周波数の交流は少なくとも５Ｈ
ｚを含むことを特徴とする請求項１又は２のいずれか一
方に記載の方法。 - 【請求項４】 前記特定周波数の交流は少なくとも４０
Ｈｚを含むことを特徴とする請求項１又は２のいずれか
一方に記載の方法。 - 【請求項５】 前記判定工程では、セル又はスタックに
異常が発生したと判定したときに警報を発することを特
徴とする請求項１記載の方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001171229A JP2002367650A (ja) | 2001-06-06 | 2001-06-06 | 固体高分子型燃料電池の異常検知方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001171229A JP2002367650A (ja) | 2001-06-06 | 2001-06-06 | 固体高分子型燃料電池の異常検知方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002367650A true JP2002367650A (ja) | 2002-12-20 |
Family
ID=19013032
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001171229A Withdrawn JP2002367650A (ja) | 2001-06-06 | 2001-06-06 | 固体高分子型燃料電池の異常検知方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2002367650A (ja) |
Cited By (33)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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