JP2004171993A

JP2004171993A - 燃料電池発電システム及び燃料電池発電システムの運転方法

Info

Publication number: JP2004171993A
Application number: JP2002337967A
Authority: JP
Inventors: Kunihiko Murayama; 邦彦村山; Kazumi Maehara; 和巳前原; Yoshihiro Hori; 義宏堀
Original assignee: Ebara Ballard Corp
Current assignee: Ebara Ballard Corp
Priority date: 2002-11-21
Filing date: 2002-11-21
Publication date: 2004-06-17
Anticipated expiration: 2022-11-21
Also published as: JP4637448B2

Abstract

【課題】燃料電池セルスタックが如何なる態様で出力電圧の低下が発生しているのか検知できる燃料電池発電システムを提供する。
【解決手段】固体高分子電解質を含む複数の燃料電池セルを有する燃料電池セルスタック１０と、燃料電池セルスタック１０の全電圧を測定する全電圧計３０と、前記複数の燃料電池セル又は前記複数の燃料電池セルを複数の連続した燃料電池セルからなる複数のグループに分けたときのグループ電圧を測定する個別電圧計４０と、前記全電圧と正常時の全電圧とを比較する演算と、前記全電圧と前記燃料電池セルの総個数から求めた平均セル電圧と前記セル電圧とを比較する演算又は前記全電圧と前記燃料電池セルの総個数及びグループを構成する燃料電池セルの個数から定まる平均グループ電圧と前記グループ電圧とを比較する演算とを行う演算部５０とを備えている。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子電解質型燃料電池システムに用いられる燃料電池セルスタックの運転状態を監視する場合に用いて好適な燃料電池発電システムの運転方法及び燃料電池発電システムに関し、特に局所的な性能低下や材料劣化の発生を監視する燃料電池発電システムの運転方法及び燃料電池発電システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子電解質型燃料電池システムにおいては、複数の燃料電池を直列に接続した燃料電池セルスタックが用いられている。単一の燃料電池は、例えば定格出力電圧が０．８〜１．０Ｖ程度になっており、燃料電池セルスタックの燃料電池の積層枚数は例えば２０枚とすることで、定格出力電圧として例えば１６〜２０Ｖを得ている。
【０００３】
【特許文献１】公表特許公報平５−５０２９７３図１
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、燃料電池は各種の要因により出力電圧が定格出力電圧よりも低下することがある。例えば、燃料電池に供給される水素リッチガスに規定量以上の一酸化炭素ＣＯが含まれていると、燃料電池にＣＯ被毒と呼ばれる現象を生じ、燃料電池の出力電圧が低下し、運転継続が不可能となることがある。
【０００５】
他の現象としては、フラッディングが知られている。フラッディングは、燃料電池内の燃料あるいは酸化剤の流路に、各流体に随伴する水分や水素と酸素との反応の結果発生する水分が溜まり、各流体の流れを妨げる現象で、この場合フラッディングの生じている特定のセルのセル電圧が低下する。また、発電出力に対して燃料や酸化剤が不足している場合にも燃料電池の出力電圧は低下するが、この場合も各流体の確保が困難な供給口よりも遠いセルのセル電圧が低下する傾向がある。
【０００６】
本発明は上述する課題を解決するもので、第１の目的は、出力電圧が定格出力電圧よりも低下する場合に、燃料電池セルスタックが如何なる態様で出力電圧の低下が発生しているのか検知できる燃料電池発電システム及びその運転方法を提供することである。
第２の目的は、出力電圧低下の発生原因に応じた適切な保護動作を行うことで、給電を受ける需要側機器や燃料電池セルスタック自体の損傷発生が少なくて済む燃料電池発電システム及びその運転方法を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記第１の目的を達成するために、本発明の燃料電池発電システムは、例えば図１に示すように、固体高分子電解質を含む複数の燃料電池セルを有する燃料電池セルスタック１０と、燃料電池セルスタック１０の全電圧を測定する全電圧計３０と、前記複数の燃料電池セルのうち少なくとも１つの燃料電池セルのセル電圧を測定する、又は前記複数の燃料電池セルを複数の連続した燃料電池セルからなる複数のグループに分けたときそのうち少なくとも１つのグループのグループ電圧を測定する個別電圧計４０と、前記全電圧と正常時の全電圧とを比較する演算と、前記全電圧（Ｖ_ＡＬＬ）と前記燃料電池セルの個数（ｎ）から求めた平均セル電圧（Ｖ_ＡＬＬ／ｎ）と前記セル電圧とを比較する演算、又は前記全電圧と前記燃料電池セルの総個数及び当該グループを構成する燃料電池セルの個数から定まる平均グループ電圧と前記グループ電圧とを比較する演算とを行う演算部５０とを備えている。
【０００８】
このように構成された装置においては、全電圧計３０にて燃料電池セルスタック１０の全電圧を測定している。個別電圧計４０には、個別燃料電池セル測定とグループ電圧測定の何れかの態様がある。個別燃料電池セル測定では、燃料電池セルスタック１０を構成する複数の燃料電池セルのうち、少なくとも１つの燃料電池セルのセル電圧を測定する。グループ電圧測定では、複数の燃料電池セルを複数の連続した燃料電池セルからなる複数のグループに分けたとき、そのうち少なくとも１つのグループのグループ電圧を測定する。演算部５０では、全電圧と正常時の全電圧とを比較する演算を行う。個別燃料電池セル測定では、全電圧（Ｖ_ＡＬＬ）とセルの総個数（ｎ）から求めた平均セル電圧（Ｖ_ＡＬＬ／ｎ）とセル電圧とを比較する演算を行う。グループ電圧測定では、全電圧と燃料電池セルの総個数及び当該グループを構成する燃料電池セルの個数から定まる平均グループ電圧とグループ電圧とを比較する演算とを行う。
【０００９】
上記第２の目的を達成するために、本発明の燃料電池発電システムは、例えば図１に示すように、燃料電池発電システムにおいて、さらに、演算部５０で演算された結果から、燃料電池発電システムに生じている出力電圧低下の態様を判別する電圧降下パターン判定部５２を設けると良い。即ち、電圧降下パターン判定部５２では、グループ電圧測定に対しては、平均グループ電圧Ｖａｖｇｒと個別電圧計４０で測定したグループ電圧Ｖｇｒ＃ｊとを比較して、グループ電圧が著しく降下している燃料電池セルのグループが存在しているか判断する。また、電圧降下パターン判定部５２にてセル電圧又はグループ電圧が全般的に低下していると判断されたときは、燃料電池セルスタック１０におけるＣＯ被毒を緩和する措置をとるＣＯ被毒制御部５４と、電圧降下パターン判定部５２にて特定のセル電圧又は特定のグループ電圧が著しく降下していると判断されたときは、該当する燃料電池セル又はグループを構成する燃料電池セルに対してフラッディングを緩和する措置をとるフラッディング制御部５６を設けるとよい。
【００１０】
上記第１の目的を達成するために、本発明の燃料電池発電システムの運転方法は、例えば図５に示すように、固体高分子電解質を含む複数の燃料電池セルを有する燃料電池セルスタック１０を含む燃料電池発電システムの運転方法において、燃料電池セルスタック１０の全電圧を測定する全電圧測定工程（Ｓ１０２）と、前記複数の燃料電池セルのうち少なくとも１つの燃料電池セルのセル電圧を測定する、又は前記複数の燃料電池セルを複数の連続した燃料電池セルからなる複数のグループに分けたときそのうち少なくとも１つのグループのグループ電圧を測定する個別電圧測定工程（Ｓ１０４）と、前記全電圧と正常時の全電圧とを比較する第１の演算工程（Ｓ１０８）と、前記全電圧と前記燃料電池セルの総個数から求めた平均セル電圧と前記セル電圧とを比較する演算、又は前記全電圧と前記燃料電池セルの総個数及び当該グループを構成する燃料電池セルの個数から定まる平均グループ電圧と前記グループ電圧とを比較する演算とを行う第２の演算工程（Ｓ１１０〜Ｓ１１６）とを備えている。
【００１１】
このような工程を有する燃料電池発電システムの運転方法によれば、前記第１の演算工程と前記第２の演算工程の演算結果を用いて、前記燃料電池発電システムに生じている出力電圧低下の態様を判別できる。好ましくは、前記燃料電池発電システムに生じている出力電圧低下の態様の判別は、ＣＯ被毒とフラッディングの発生を検出できるようにするとよい。即ち、第１の演算工程で前記全電圧と正常時の全電圧との偏差が所定の値よりも大きく、且つ第２の演算工程で前記平均セル電圧と前記セル電圧との偏差が所定の値よりも小さいとき、又は前記平均グループ電圧と前記グループ電圧との偏差が所定の値よりも小さいとき、ＣＯ被毒が生じていると判断される。他方、前記第２の演算工程で前記平均セル電圧と前記セル電圧との偏差が所定の値よりも大きい燃料電池セルが存在するとき、又は前記平均グループ電圧と前記グループ電圧との偏差が所定の値よりも大きいグループが存在するとき、フラッディング、燃料不足、酸化剤不足の少なくとも何れか１つが生じていると判断される。フラッディング、燃料不足、酸化剤不足の少なくとも何れか１つが生じている箇所は、セル電圧が平均セル電圧よりも著しく低下している燃料電池セル、又はグループ電圧が平均グループ電圧よりも著しく低下しているグループに含まれる燃料電池セルである。
【００１２】
上記第２の目的を達成するために、本発明の燃料電池発電システムの運転方法は、例えば図６に示すように、ＣＯ被毒が生じていると判断されたとき、前記燃料電池セルスタックへの燃料供給量と前記燃料電池セルスタックの出力の両方を低減し（Ｓ１２２、Ｓ１２４）、フラッディング、燃料不足、酸化剤不足の少なくとも何れか１つが生じていると判断されたとき、燃料の利用率と酸化剤の利用率の少なくとも一方を低減する（Ｓ１３２）工程とすると良い。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、各図において互いに同一あるいは相当する部材には同一符号または類似記号を付し、重複した説明は省略する。
図１は本発明による第１の実施の形態である燃料電池発電システムを説明する構成ブロック図である。図において、燃料電池セルスタック１０は、燃料電池セルがｎ（ｎは自然数で、例えば２０）枚積層されたものである。ここでは、燃料電池セルは、積層順に＃ｉ（ｉ＝１、２、…、ｎ）の符号を付してある。ここでは、４枚の連続積層された燃料電池セルを単位として、燃料電池セルのグループｊ（ｊ＝１、２、…、ｍ）が構成されている。なお、グループｊを構成する燃料電池セルの枚数は全てのグループで同一でも良く、また区々でもよい。また、燃料電池セルスタック１０の詳細構造は後で説明する。
【００１４】
全電圧計３０は燃料電池セルスタック１０の全電圧Ｖ_ＡＬＬを測定する電圧計である。個別電圧計４０は、燃料電池セルのグループ単位に設けられたもので、当該燃料電池セルのグループｊのグループ電圧Ｖｇｒ＃ｊを測定する電圧計である。演算部５０は、電圧降下パターン判定部５２、ＣＯ被毒制御部５４、フラッディング制御部５６を備えている。演算部５０は、全電圧計３０で測定された全電圧Ｖ_ＡＬＬと正常時の全電圧Ｖ_ＡＬＬ／ＮＣとを比較する演算を行う。また、演算部５０は、全電圧計３０で測定された全電圧Ｖ_ＡＬＬと燃料電池セルの個数ｎから平均セル電圧（Ｖ_ＡＬＬ／ｎ）を求める。次に、グループを構成する燃料電池セルの個数ｇｎを乗じて平均グループ電圧Ｖａｖｇｒを求める。
【００１５】
電圧降下パターン判定部５２は、グループ電圧測定に対しては、平均グループ電圧Ｖａｖｇｒと個別電圧計４０で測定したグループ電圧Ｖｇｒ＃ｊとを比較して、グループ電圧が著しく降下している燃料電池セルのグループが存在しているか判断する。具体的には、平均グループ電圧Ｖａｖｇｒと個別電圧計４０で測定したグループ電圧Ｖｇｒ＃ｊとの偏差を、フラッディング発生を判断するしきい値電圧と比較して、フラッディングの発生している燃料電池セルのグループが存在しているか判断する。
【００１６】
次に、グループ電圧が著しく降下している燃料電池セルのグループが存在していないと判断される場合には、電圧降下パターン判定部５２は、全電圧計３０で測定された全電圧Ｖ_ＡＬＬと正常時の全電圧Ｖ_ＡＬＬ／ＮＣとの偏差を、ＣＯ被毒発生を判断するしきい値電圧と比較して、ＣＯ被毒の発生している燃料電池セルのグループが存在しているか判断する。
【００１７】
ＣＯ被毒制御部５４は、電圧降下パターン判定部５２にてＣＯ被毒が生じていると判断された場合に、燃料電池セルスタック１０への燃料供給量と出力電圧の両方を低減させて、ＣＯ被毒の影響を緩和する。フラッディング制御部５６は、電圧降下パターン判定部５２にてフラッディングが生じていると判断された場合には、燃料の利用率と酸化剤の利用率の少なくとも一方を低減させて、セルに滞留している水分を除去してフラッディング状態から通常のセルの湿潤状態に回復させる。
【００１８】
図２は、燃料電池セルスタック１０の構造を示す基本的構造図で、（ａ）はセパレータに形成された燃料ガス通過路と酸化剤ガス通過路の配置を説明する斜視図、（ｂ）は膜電極接合体の積層状態を説明する断面図である。図２（ｂ）において、膜電極接合体１１−１、１１−２、１１−３は、一面に燃料極（アノード）２１を有し、他面に酸化剤極（カソード）２２を有する固体高分子膜１１ａ−１、１１ａ−２、１１ａ−３より形成される。膜電極接合体１１−１、１１−２、１１−３は、セパレータ１２−２、１２−３にて隔てられている。以下、特に固体分子膜に個別に言及する必要がないときは、固体分子膜の符号は単に１１ａと、同様に膜電極接合体は１１と、セパレータは１２とする。
【００１９】
図２（ａ）において、セパレータ１２の一方の面、燃料極側の面には燃料ガス通過路１４が、他方の面、酸化剤極側には酸化剤ガス通過路１５が細い溝としてそれぞれ形成されている。各ガス通過路の溝は、それぞれが形成された面を満遍なくカバーするように形成されている。本固体分子型燃料電池は、このように膜電極接合体１１とセパレータ１２が交互に配列され多層構造をなしている。
【００２０】
表面に溝の形成されたセパレータ１２が、固体高分子膜１１ａに密着して重ねられると、前記溝と固体高分子膜１１ａの表面とで燃料ガスを通すことのできる通路、即ち燃料ガス通過路１４が形成される。酸化剤ガス通過路１５についても同様である。ここで、燃料極２１、酸化剤極２２は、それぞれ例えばカーボンペーパーのような多孔質導電性材料に白金等の触媒を保持させて作られるガス拡散電極であり、これをホットプレス等の方法により固体高分子膜１１ａに接合して膜電極接合体１１を形成する。また、セパレータ１２は、カーボンなどの導電性材料を用いて作られており、切削、プレス等によりその両面に燃料ガス通過路１４及び酸化剤ガス通過路１５が設けられる。
【００２１】
膜電極接合体１１内の固体高分子膜１１ａは、水分を含んで電解質を形成しており、イオン化した水素を選択的に透過する。燃料電池に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給した場合、膜１１ａの表面に設けられた燃料極２１と他方の表面上に設けられた酸化剤極２２との間に起電力が生じる。さらに、燃料極２１と酸化剤極２２が外部負荷に接続された場合、燃料極２１上において燃料ガス中の水素は電子を放出してイオン化する。すると、この水素イオンは固体分子膜１１ａを透過し、酸化剤極２２上において電極２２から供給される電子及び酸化剤ガス中の酸素Ｏ２と反応して水を生成し、同時に外部負荷には電流が流れる。なお、図２（ａ）においては、セパレータ１２の片面しか見えないので、燃料ガス通過路１４だけが図示されているが、セパレータ１２の反対側の面には、酸化剤ガス通過路１５がほぼ同様に形成されている。
【００２２】
以上説明したような構造を有する装置では、電子は燃料極２１で放出され酸化剤極２２でとり込まれるので、燃料極２１を負極、酸化剤極２２を正極とする電池を構成することになる。また複数の膜電極接合体１１（固体高分子膜１１ａ）とセパレータ１２とを交互に重ねて多層構造とすることにより、全体として所望の電圧の燃料電池を構成することができる。
【００２３】
固体高分子型燃料電池においては、酸化剤極２２では前記のような電気化学的反応の結果水が生じる。また、固体高分子膜１１ａの水素イオン透過性を保持するため、供給する各ガスは適度な水分を保つように加湿されるのが一般的である。電池内の水分は、一般的に電池運転温度において飽和となる程度に制御されており、過剰な水は各ガス流通路へと運ばれて電池反応に使われなかったガスによって外部に取り除かれる。
【００２４】
しかしながら、ガスの流速が遅くなる低負荷運転時においては、水分の除去がうまくいかないため、フラッディング、即ち除去されない水分によってガス通過路を閉塞することがある。通過路が閉塞された単電池（セル）には、十分な燃料ガス又は酸化剤ガスが供給されなくなるため、前記単電池の電圧は低下して出力が小さくなる。またそうした状況が放置されれば、電極などの電池構成材料が腐食される虞がある。また、燃料電池セルスタック１０に供給される燃料ガスに規定量以上のＣＯが含まれていると、燃料電池セルの発電に対して望ましくない影響を及ぼす。
【００２５】
図３は燃料電池セル毎の出力電圧分布の一例を説明する図で、ここでは燃料電池セル＃２０にフラッディングが発生している場合を示している。燃料電池セルスタック１０においてフラッディングが発生する場合には、セルスタックの内部構造上、全燃料電池セルが同時にフラッディングを発生することはない。例えば、燃料極側でフラッディングが発生した場合には、水分の流入が激しいガス入口等の特定の燃料電池セルにおけるセル電圧が低下する。そこで、個別電圧計４０によって各セル電圧を計測し、セル電圧平均値とセル電圧の差がある一定値以上となった場合にはフラッディング発生と判断をする。また、セル電圧の平均値の算出においては、全セル電圧を平均することにより、あるいはスタック電圧をセル数で除して得られる単一セル電圧の基準値等を使用することが有効である。
【００２６】
図４は、スタック全電圧と採取電流値の関係を示す図で、併せてＣＯ被毒の発生注意レベルと警告レベルを表している。スタック全電圧Ｖ_ＡＬＬは、採取電流値に依存して変化し、採取電流値Ｉ_ＡＬＬが小さいとスタック全電圧Ｖ_ＡＬＬが高くなり、採取電流値Ｉ_ＡＬＬが大きいとスタック全電圧Ｖ_ＡＬＬが低くなる。また、ＣＯ被毒が発生する場合には、原料である改質ガス性状の低下によるものであるから、全てのセル電圧が概ね同一比率で低下する。そこで、スタック全電圧Ｖ_ＡＬＬを計測し、計測値が予め採取電流値毎に設定された規定値以下に低下した場合には、さらに個別セル電圧を調べて、スタック全電圧Ｖ_ＡＬＬの電圧低下が一部のセル電圧低下では説明できない程度の電圧降下をしている場合には、ＣＯ被毒と判断する。
【００２７】
図５は本発明の燃料電池発電システムの運転方法を説明する流れ図である。ここでは、個別電圧計４０がグループ電圧を測定する場合について説明する。まず、演算部５０において、グループ電圧の異常検出処理が開始される（Ｓ１００）。すると、全電圧計３０によって燃料電池セルスタック１０の全電圧が測定される（Ｓ１０２）。次に、個別電圧計４０によって、各グループ電圧を測定する（Ｓ１０４）。演算部５０では、各グループ電圧とグループ数から平均グループ電圧を演算する（Ｓ１０６）。なお、グループを構成する燃料電池セルの個数がグループ毎に異なる場合には、平均グループ電圧の演算の際にグループを構成する燃料電池セルの個数も考慮する。そして、演算部５０では、全電圧と正常時の全電圧との偏差を演算する（Ｓ１０８）。
【００２８】
次に、演算部５０に個別電圧計４０で測定された第１のグループ電圧を入力して（Ｓ１１０）、平均グループ電圧と当該グループ電圧との偏差が、第２しきい値電圧よりも大きいか否か判断する（Ｓ１１２）。ここで、第２しきい値電圧はグループ内のセルにフラッディングが生じた場合の電圧低下を検出できるように定める。偏差が第２しきい値電圧よりも大きいときは、フラッディング処理を行う。フラッディング処理は全セルに対して一括処理してもよく、また該当するグループ内のセルに対して処理してもよい。偏差が第２しきい値電圧よりも小さいとき、或いはフラッディング処理が終わると、演算部５０では個別電圧計４０によって測定された全てのグループ電圧を入力したか判断する（Ｓ１１４）。残りのグループ電圧が存在していれば、個別電圧計４０で測定された次のグループ電圧を入力して（Ｓ１１６）、Ｓ１１２に戻る。
【００２９】
次に、正常時の全電圧と測定された全電圧との偏差が、ＣＯ被毒の検出を行うためのしきい値電圧を超過しているか判断し（Ｓ１１８）、超過していればＣＯ被毒処理を行う。このしきい値電圧は、ＣＯ被毒の検出を行うための数値で、負荷電流に応じて定められている。Ｓ１１８でＣＯ被毒の影響が検出されない場合は、グループ電圧の異常検出処理が終了する（Ｓ１１９）。
【００３０】
図６はグループ電圧の異常検出処理で異常が検出された場合の対処を説明する流れ図で、（ａ）はＣＯ被毒処理、（ｂ）はフラッディング処理を示している。Ｓ１１８にてＣＯ被毒が検出されると、ＣＯ被毒制御部５４によるＣＯ被毒処理が開始される（Ｓ１２０）。即ち、ＣＯ被毒制御部５４は燃料電池セルスタックの出力を低減させて（Ｓ１２２）、燃料電池セルスタック１０への燃料供給量を減少させる（Ｓ１２４）。これにより、ＣＯ濃度を減少させてＣＯ被毒の影響を軽減させて、リターンとする（Ｓ１２６）。
【００３１】
また、Ｓ１１２で偏差が第２しきい値電圧よりも大きいグループが存在する場合、フラッディング制御部５６によるフラッディング処理が開始される（Ｓ１３０）。即ち、フラッディング制御部５６は、酸化剤としての空気流通量を増大させて（Ｓ１３２）、セルの酸化剤極側に滞留している水分を排除し、フラッディング状態から正常状態に回復させて、リターンとする（Ｓ１３４）。或いは、フラッディング制御部５６は、セルに供給する燃料の量を増大させることで、セルの燃料極側に滞留している水分を排除することにより、フラッディング状態から正常状態に回復させても良い。
【００３２】
なお、上記の実施の形態においては、個別電圧計がグループ電圧を測定する場合を例に説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、個別電圧計４０は、個別燃料電池セルの出力電圧を測定するものでもよい。個別電圧計４０が個別燃料電池セルの出力電圧を測定している場合は、演算部５０は、全電圧計３０で測定された全電圧Ｖ_ＡＬＬと燃料電池セルの個数ｎから求めた平均セル電圧（Ｖ_ＡＬＬ／ｎ）と個別電圧計４０で測定したセル出力電圧Ｖ＃ｉとを比較する演算を行う。また、電圧降下パターン判定部５２は、平均セル電圧とセル電圧とを比較して、セル電圧が著しく降下している燃料電池セルが存在しているか判断し、各セル毎にフラッディング発生を検知する。具体的には、平均セル電圧とセル電圧との偏差を第１しきい値電圧と比較する。ここで、第１しきい値電圧は個別セルにフラッディングが生じた場合のセル電圧低下を検出できるように定める。
【００３３】
また、燃料電池セルスタックにおいて、特にフラッディングが生じやすいセルがあるならば、当該セルを代表的な燃料電池セルとして扱う。このセルの出力電圧Ｖ＃ｉを測定する個別電圧計を設けると、電圧測定によりフラッディング検出を行うことができる。この場合、ＣＯ被毒に対しては全電圧計により測定した燃料電池セルスタックの全電圧を用いて判断するように構成しても良い。
【００３４】
なお、上記の実施の形態においては、フラッディング制御部によるフラッディング処理の場合を例に説明したが、燃料不足や酸化剤不足が発生している場合にもフラッディング発生の場合と同様に、個別セル電圧の低下が発生する。そこで、フラッディング処理と同様に、フラッディング制御部５６により燃料の利用率と酸化剤の利用率の少なくとも一方を低減させることで、燃料不足や酸化剤不足に対処できる。
【００３５】
【発明の効果】
以上のように本発明の燃料電池発電システムによれば、固体高分子電解質を含む複数の燃料電池セルを有する燃料電池セルスタックと、前記燃料電池セルスタックの全電圧を測定する全電圧計と、前記複数の燃料電池セルのうち少なくとも１つの燃料電池セルのセル電圧を測定する、又は前記複数の燃料電池セルを複数の連続した燃料電池セルからなる複数のグループに分けたときそのうち少なくとも１つのグループのグループ電圧を測定する個別電圧計と、前記全電圧と正常時の全電圧とを比較する演算と、前記全電圧と前記燃料電池セルの総個数から求めた平均セル電圧と前記セル電圧とを比較する演算又は前記全電圧と前記燃料電池セルの総個数及びグループを構成する燃料電池セルの個数から定まる平均グループ電圧と前記グループ電圧とを比較する演算とを行う演算部とを備える。そこで、演算部の比較演算により、出力電圧が定格出力電圧よりも低下する場合に、燃料電池セルスタックの出力電圧の低下が、極一部のセル電圧やグループ電圧の低下によるものか、セル電圧やグループ電圧が全般的に低下しているのか検知できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による第１の実施の形態である燃料電池発電システムを説明する構成ブロック図である。
【図２】燃料電池セルスタック１０の構造を示す基本的構造図である。
【図３】燃料電池セル毎の出力電圧分布の一例を説明する図である。
【図４】スタック全電圧と採取電流値の関係を示す図である。
【図５】本発明の燃料電池発電システムの運転方法を説明する流れ図である。
【図６】グループ電圧の異常検出処理で異常が検出された場合の対処を説明する流れ図である。
【符号の説明】
１０燃料電池セルスタック
３０全電圧計
４０個別電圧計
５０演算部
５２電圧降下パターン判定部
５４ＣＯ被毒制御部
５６フラッディング制御部

Claims

固体高分子電解質を含む複数の燃料電池セルを有する燃料電池セルスタックと；
前記燃料電池セルスタックの全電圧を測定する全電圧計と；
前記複数の燃料電池セルのうち少なくとも１つの燃料電池セルのセル電圧を測定する、又は前記複数の燃料電池セルを複数の連続した燃料電池セルからなる複数のグループに分けたときそのうち少なくとも１つのグループのグループ電圧を測定する個別電圧計と；
前記全電圧と正常時の全電圧とを比較する演算と、前記全電圧と前記燃料電池セルの総個数から求めた平均セル電圧と前記セル電圧とを比較する演算、又は前記全電圧と前記燃料電池セルの総個数及び当該グループを構成する燃料電池セルの個数から定まる平均グループ電圧と前記グループ電圧とを比較する演算とを行う演算部とを備える；
燃料電池発電システム。
固体高分子電解質を含む複数の燃料電池セルを有する燃料電池セルスタックを含む燃料電池発電システムの運転方法において；
前記燃料電池セルスタックの全電圧を測定する全電圧測定工程と；
前記複数の燃料電池セルのうち少なくとも１つの燃料電池セルのセル電圧を測定する、又は前記複数の燃料電池セルを複数の連続した燃料電池セルからなる複数のグループに分けたときそのうち少なくとも１つのグループのグループ電圧を測定する個別電圧測定工程と；
前記全電圧と正常時の全電圧とを比較する第１の演算工程と；
前記全電圧と前記燃料電池セルの総個数から求めた平均セル電圧と前記セル電圧とを比較する演算、又は前記全電圧と前記燃料電池セルの総個数及び当該グループを構成する燃料電池セルの個数から定まる平均グループ電圧と前記グループ電圧とを比較する演算とを行う第２の演算工程とを備え；
前記第１の演算工程と前記第２の演算工程の演算結果を用いて、前記燃料電池発電システムに生じている出力電圧低下の態様を判別する燃料電池発電システムの運転方法。
前記燃料電池発電システムに生じている出力電圧低下の態様の判別は；
前記第１の演算工程で前記全電圧と正常時の全電圧との偏差が所定の値よりも大きく、且つ第２の演算工程で前記平均セル電圧と前記セル電圧との偏差が所定の値よりも小さいとき、又は前記平均グループ電圧と前記グループ電圧との偏差が所定の値よりも小さいとき、ＣＯ被毒が生じていると判断し；
前記第２の演算工程で前記平均セル電圧と前記セル電圧との偏差が所定の値よりも大きい燃料電池セルが存在するとき、又は前記平均グループ電圧と前記グループ電圧との偏差が所定の値よりも大きいグループが存在するとき、フラッディング、燃料不足、酸化剤不足の少なくとも何れか１つが生じていると判断する；
請求項２に記載の燃料電池発電システムの運転方法。
ＣＯ被毒が生じていると判断されたとき、前記燃料電池セルスタックへの燃料供給量と前記燃料電池セルスタックの出力の両方を低減し；
フラッディング、燃料不足、酸化剤不足の少なくとも何れか１つが生じていると判断されたとき、燃料の利用率と酸化剤の利用率の少なくとも一方を低減する、請求項３に記載の燃料電池発電システムの運転方法。