JP2004220823A

JP2004220823A - 燃料電池のセル異常検出装置

Info

Publication number: JP2004220823A
Application number: JP2003003938A
Authority: JP
Inventors: Toru Yamada; 徹山田
Original assignee: Toyotomi Kogyo Co Ltd; Toyotomi Co Ltd
Current assignee: Toyotomi Kogyo Co Ltd; Toyotomi Co Ltd
Priority date: 2003-01-10
Filing date: 2003-01-10
Publication date: 2004-08-05

Abstract

【目的】燃料電池を構成するセルの異常の検出の信頼性を高め、安価に構成することのできるセル異常検出装置に関する。
【構成】電解質薄膜１の両側を一対のガスセパレータ２によって挟んで、燃料ガス流路２ａと酸化剤ガス流路２ｂを分離する燃料電池のセル３を構成し、該セル３を複数個直列に積層して燃料電池スタック４を構成し、この燃料電池スタック４によって所定の出力電圧を得る。所定個数のセル３を直列に積層したセルブロック５を設け、該セルブロック５を複数個直列に積層して燃料電池スタック４を構成し、あらかじめ基準とする出力電圧を決めずに、同じセル数を持つセルブロック５毎の出力電圧を比較し、または、特定のセル３の出力電圧を基準としてこれにセル数を乗算して各セルブロック５の出力電圧を比較する。電圧比較器８は電圧の相違によって燃焼電池スタック４内の異常セル３の存在を検出して、安全作動手段９を作動させるものである。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、燃料電池スタック内のセルの異常を検知するための電圧検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は一般に、一対のガスセパレータに挟まれた電解質薄膜からなるセルを構成し、このセルを複数個直列に積み重ねて燃料電池スタックを構成し、該ガスセパレータを電極として出力電圧を取出している。
【０００３】
一対のガスセパレータは電解質薄膜に接する部分に燃料ガス流路と酸化剤ガス流路とを形成していて、電解質薄膜を挟んだ一方のガス流路に水素を含む燃料ガスを供給し、他方に酸素を含む酸化剤ガスを供給することにより水素と酸素が結合して水が生成されるが、このとき外部回路を経由して電子が移動するので電解質薄膜を挟んだセパレータ間に起電力が発生する。
【０００４】
このように発電を行う燃料電池であるが、発電中にセルの電解質薄膜が破損するなどして単一または複数のセルにトラブルがおきると極の反転が起きて異常発熱したり、水素ガス漏れによる発火や爆発の危険があるため、セルの故障を速やかに検知しガス供給を停止する安全装置が不可欠である。
【０００５】
セルの故障を検出する方法としては、セルの電圧を監視して異常な電圧低下を検出したときに安全作動手段を作動させる出力電圧検出器を設ければよく、該安全作動手段が負荷及び燃料の供給を速やかに遮断し、安全に発電を停止させればよい。
【０００６】
即ち、燃料電池スタック両端に電圧出力端子を設け、該電圧出力端子間に出力電圧検出器を設置してスタック全体の総電圧を検出し、該検出電圧を規定の電圧値と比較して、該検出電圧が規定の電圧値に満たない場合にセル異常と判定して安全作動手段を作動させる方法がある。
【０００７】
より正確にセル電圧の異常を検出するために、全てのセパレータに電圧出力端子を設けて個々のセル電圧を検出するように各々出力電圧検出器を設置し、それぞれ電圧比較器によって規定の電圧値と比較して、単一または複数のセル電圧が規定の電圧値を下回ると安全作動手段を作動させる方法がある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
燃料電池スタック全体の総電圧を検出して、スタック電圧を規定の電圧値と比較する一般的な検出方法では、セルの異常を検出することが可能であるが、燃料電池は正常運転中でも温度や負荷の変動によりスタック電圧が変動するので、例えば単一セルの電圧低下をスタック電圧の正常時の電圧変動と区別させることは難しかった。
【０００９】
このため、セル電圧の異常を速やかに、かつ正確に検出する為には、全てのセルの電圧を検出し、各々電圧比較器によって規定の電圧値と比較する方法が望ましいのであるが、このためにはセル数分の出力電圧検出器及び電圧比較器が必要であるので、コストが高く複雑な構造となっていた。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この発明は上記課題を解決するもので、電解質薄膜１の両側を一対のガスセパレータ２によって挟んで、燃料ガス流路２ａと酸化剤ガス流路２ｂを分離する燃料電池のセル３を構成し、該セル３を複数個直列に積層して燃料電池スタック４を構成し、この燃料電池スタック４によって所定の出力電圧を得る燃料電池において、所定個数のセル３を直列に積層したセルブロック５を設け、該セルブロック５を複数個直列に積層して燃料電池スタック４を構成すると共に、それぞれのセルブロック５に設けた出力電圧を取出す電圧出力端子６と、該セルブロック５ごとの電圧出力端子６間に配置する出力電圧検出器７と、該複数の出力電圧検出器７の電圧を比較する電圧比較器８と、該電圧比較器８が出力電圧検出器７間の電圧差を検出したときに作動する安全作動手段９と、を備えたことを特徴としている。
【００１１】
また、前記燃料電池スタック４の中で所定個数のセル３を直列に積層するセルブロック５と、このセルブロック５の出力電圧を取出す電圧出力端子６と、この電圧出力端子６間に配置する出力電圧検出器７と、前記燃料電池スタック４を構成するセル３のひとつから出力電圧を取出すセル電圧出力端子１０と、該セル電圧出力端子１０に接続するセル出力電圧検出器１１で取出す電圧を前記セルブロック５のセル数で乗算する乗算器１２と、該乗算器１２の乗算出力と出力電圧検出器７の電圧を比較する電圧比較器８と、該電圧比較器８が電圧差を検出したときに作動する安全作動手段９と、を備えることによっても燃料電池のセル異常を検出して安全作動させることができる。
【００１２】
また、前記燃料電池スタック４は複数のセルブロック５で構成してそれぞれに出力電圧検出器７を備え、前記乗算器１２はそれぞれのセルブロック５を構成するセル３の個数で乗算すると共に、前記電圧比較器８はそれぞれの乗算出力と前記出力電圧検出器７の出力電圧とを比較するようにすれば、前記燃料電池スタック４を同数のセルブロック５で構成する必要がなくなった。
【００１３】
更に、前記燃料電池スタック４の全個数のセル３によって１個のセルブロック５を構成することによって、特定のセル３のセル電圧出力端子１０に接続するセル出力電圧検出器１１で取出す電圧を、セルブロック５の全セル数で乗算する乗算器１２の乗算出力と、前記セルブロック５の出力電圧検出器７の電圧とを比較してもよく、細かくセルブロック５を分けた時に比べて異常セルの位置が特定しにくくなるもののセル異常の存在は簡単に見つけることができる。
【００１４】
【作用】
燃料電池スタックを構成する一部のセルの電解質薄膜が破損すると、電解質薄膜が破損したセルの出力電圧は急激に低下して燃料電池としての性能が低下するばかりか、燃料ガスすなわち水素ガス漏れによる爆発事故に結びつく恐れがある。このようなセル異常をすばやく検出するための、燃料電池スタック全体の出力電圧の監視する方法は、燃焼電池の正常運転中は温度や負荷の変動によりスタック電圧が変動しているので検出結果の信頼性が劣ってしまっている。
【００１５】
この発明では、正常に発電が行われていれば全てのそれぞれのセルがほぼ等しい起電力を発生するから、あらかじめ基準とする出力電圧を決めずに、同じセル数を持つブロック毎の出力電圧を比較し、または、特定のセルの出力電圧を基準としてこれにセル数を乗算して各ブロックの出力電圧を比較することで、該電圧比較器は電圧の相違によって燃焼電池スタック内の異常セルの存在を検出して、安全作動手段を作動させるものである。
【００１６】
【実施例】
図に示す実施例によってこの発明を説明すると、１は電解質薄膜、２は電解質薄膜１を挟むガスセパレータ、２ａは一方のガスセパレータ２の電解質薄膜１との接合部において形成した水素ガスを供給する燃料ガス流路、２ｂは他方のガスセパレータ２と上記の電解質薄膜１との接合部において形成した酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路、３は燃料ガス流路２ａと酸化剤ガス流路２ｂを形成しながら電解質薄膜１を挟んだ一対のセパレータ２で構成するセルであり、該セル３が最小発電単位になっている。
【００１７】
１３はｎ個の電解質薄膜１とｎ＋１個のガスセパレータ２を交互に積層してその外側に配置する一対の締め付け板、４は締め付け板１３の間で前記セル３を複数個直列積層して構成した燃料電池スタック、１４は締め付け板１３に接するガスセパレータ２に取付けた燃料電池出力端子であり、燃料電池スタック４の電池出力は燃料電池出力端子１４から取出すことができる。
【００１８】
１５は上部の締め付け板１３に接続するガス供給ライン、１５ａはガス供給ライン１５と接続しながらガスセパレータ２の中に形成したガス供給マニホールドであり、前記ガスセパレータ２の燃料ガス流路２ａと酸化剤ガス流路２ｂはそれぞれのガス供給マニホールド１５ａを介して燃料ガス用と酸化剤ガス用のそれぞれのガス供給ライン１５に接続される。１６は下部の締め付け板１３に接続するガス排出ライン、１６ａはガス排出ライン１６と接続しながらガスセパレータ２の中に形成したガス排出マニホールドであり、前記ガスセパレータ２の燃料ガス流路２ａと酸化剤ガス流路２ｂはそれぞれのガス排出マニホールド１６ａを介してガス排出ライン１６に接続される。
【００１９】
一方のガス供給ライン１５から供給される水素ガスはガス供給マニホールド１５ａからそれぞれの燃料ガス流路２ａに送られ、他方のガス供給ライン１５から供給される酸化剤ガスはガス供給マニホールド１５ａからそれぞれの酸化剤ガス流路２ｂに送られ、燃料ガス流路２ａ内の水素原子は水素イオンとなって電解質薄膜１に浸透し、酸化剤ガス流路２ｂに到達すると酸素原子と結合して水を生成し、この時電解質薄膜１を挟んだガスセパレータ２間に電位差が発生し、燃料ガス流路２ａ側のガスセパレータ２から酸化剤ガス流路２ｂ側のガスセパレータ２に向かって外部回路を経由して電子が流れようとするので、燃料電池スタック４の燃料電池出力端子１４間に所定の起電力を得ることができる。また、発生した水と残余の水素ガスと酸化剤ガスはガス排出マニホールド１６ａを介してガス排出ライン１６に廃棄される。
【００２０】
このように、ガス供給ライン１５から供給された燃料ガスと酸化剤ガスはガス供給マニホールド１５ａによって、すべてのセル３に均等な圧力で燃料ガス流路２ａと酸化剤ガス流路２ｂにそれぞれ供給され、２枚のガスセパレータ２間に発生するセル３の起電力はほぼ決まっている。このため、セル３を複数個直列に積層して燃料電池スタック４を構成し、両端のガスセパレータ２の燃料電池出力端子１４を外部回路に接続すれば、全てのセル３において前記の起電力が得られる化学反応が行われ、所定の出力電圧を外部回路に供給することができる。
【００２１】
ところが、ガス供給ライン１５から供給された燃料ガスと酸化剤ガスの供給圧力が大きく変動したときなどにおいて、単一または複数のセル３において電解質薄膜１が破損するトラブルが起こる場合がある。この時は当該セル３の出力電圧が低下して十分な出力電圧が得られないだけでなく、当該セル３において極の反転や燃料ガス漏れによる発火など、大変危険な状態になる恐れがあり、これを検知する装置が必要である。
【００２２】
この発明の実施例を示す図１において、５は前記燃料電池スタック４を構成する直列接続された所定数個のセル３で構成するセルブロック、６はセルブロック５の両端にあたるガスセパレータ２に設けた電圧出力端子であり、前記燃料電池スタック４は所定数個のセル３で構成するセルブロック５を複数個直列接続することで構成されている。７はセルブロック５ごとの電圧出力端子６間に接続した出力電圧検出器、８は入力部をそれぞれの出力電圧検出器７に接続した電圧比較器である。
【００２３】
セル３の異常を検出する仕組みを説明すると、燃料電池は正常に発電しているときでも、負荷の変動や燃料ガスや酸化剤ガスの圧力変化、温度変化によって燃料電池スタック４の出力電圧が変動しているが、全てのセル３はほぼ等しい起電力を発生しているから、各セルブロック５は同数のセル３で構成すると、セルブロック５ごとの出力電圧検出器７の出力電圧も相対的に変化してほぼ等しくなっている。
【００２４】
ところが、いま単一のセル３または複数のセル３に障害が発生してこのセル３の起電力が低下すると、故障したセル３を含んだセルブロック５の出力電圧は他の正常なセルブロック５の出力電圧より低い電圧となって、両者の出力電圧がアンバランスになるから、出力電圧検出器７を入力部に接続した電圧比較器８によって出力電圧の異常が検出できるものである。
【００２５】
９は電圧比較器８の出力部に接続した安全作動手段であって、電圧比較器８のセルブロック５間の出力電圧に相違があることを電圧比較器８が検知すると、電圧比較器８は安全作動手段９を作動する信号を出力し、安全作動手段９が作動することによって、燃料ガスと酸化剤ガスの供給を停止して安全かつ速やかに発電を中止すると共に、燃料電池出力端子１４の出力電力を遮断機などで停止する。
【００２６】
この発明によれば、燃料電池スタック４全体の出力電圧を検出することで燃料電池のセル３の異常を検出するときよりも、少なくとも１個の出力電圧検出器７と電圧比較器８を追加するだけで、燃料電池の負荷による電圧変動に影響されずにセル３の異常を検出するセル異常検出装置をシンプルな構造で実現することができた。
【００２７】
また、電圧比較器８の出力で安全作動手段９を動作させるから、燃料電池スタック４を構成するセル３の電解質薄膜１が破損するなどしてひとつでも故障すると、出力電圧が低下するだけでなく極の反転やガス漏れの危険が発生するが、セル３の異常時にはそのトラブルが重大トラブルになる前に止め、その被害の拡大を速やかに防止できるようになった。
【００２８】
一方、図２に示す実施例において、１０は燃料電池スタック４を構成するセル３のひとつから出力電圧が取出せるようにこのセル３のガスセパレータ２に設けたセル電圧出力端子、１１はセル電圧出力端子１０の出力を接続したセル出力電圧検出器であり、この燃料電池スタック４内のセルブロック５の電圧出力端子６にも同様に出力電圧検出器７が接続されている。１２は該セル出力電圧検出器１１の出力を燃料電池スタック４内のセルブロック５のセル数で乗算する乗算器であり、該乗算器１２の出力は燃料電池スタック４内のセルブロック５のブロック電圧を検出している出力電圧検出器７と並列に、出力電圧を比較する電圧比較器８に接続している。
【００２９】
この場合のセル３の異常を検出する仕組みを説明すると、正常に発電しているときは、セルブロック５を構成するセル３も、セル電圧出力端子１０に接続されたセル３もほぼ等しい出力電圧を発生しているから、ｎセルからなるあるセルブロック５内の特定のセル３の出力電圧を検出して、この出力電圧をｎ倍した値をセルブロック３の出力電圧とみなすことができ、正常に発電が行われていれば、セルブロック５を構成するセル数を乗算するセル電圧をｎ倍した乗算器１２の出力電圧とセルブロック５の出力電圧検出器７の出力電圧とはほぼ等しくなっている。このため、これらの出力電圧を比較する電圧比較器８によって、セル電圧出力端子１０に接続されたセル３の出力電圧と、セルブロック５の出力電圧が正常な出力電圧であるかを検出できる。
【００３０】
即ち、該セルブロック５内の単一または複数のセル３が故障すると、前記ｎ倍した乗算器１２の出力電圧と該セルブロック３の出力電圧がアンバランスとなるから、電圧比較器８は乗算器１２の出力電圧とセルブロック３の出力電圧の差を検出することができ、電圧比較器８は安全作動手段９に作動信号を出力し、該安全作動手段９が作動することによって燃料電池スタック４は安全かつ速やかに発電を中止し、セル３の異常による事故を未然に防ぐことができる。
【００３１】
この実施例によれば、セルブロック５を構成しているセル３に異常があるときの出力電圧は、乗算器１２の出力電圧とは異なった電圧となるのでセルブロック５の異常を速やかに検出でき、このように乗算器１２を用いるときには、セル電圧出力端子１０に接続するセル３の故障も、セルブロック５のセル３の故障も検出できるから、セル３の異常の検出の確実性が高まるものである。
【００３２】
また、上記の構成において、セルブロック５が複数集まって燃料電池スタック４を構成しているときに、複数のセルブロック５が同数個のセル３で構成されておれば、先の実施例のようにセルブロック５の出力電圧を比較することによって、燃料電池スタック４全体の異常が検出できる。しかし、セルブロック５を構成するセル３の数が異なるときにはセル３の故障の検出が難しくなる。
【００３３】
この実施例では、セルブロック５のそれぞれに出力電圧検出器７を備え、乗算器１２はそれぞれのセルブロック５を構成するセル３の個数で乗算した出力電圧が得られるようになっており、電圧比較器８は前記出力電圧検出器７の出力電圧とこのセルブロック５に対応するそれぞれの乗算出力とを比較するから、異なったセル数のセルブロック５であっても、それぞれのセルブロック５の電圧異常が検出できるようになり、燃料電池スタック４内のセル３の数を任意に設定できるようになった。
【００３４】
一方、上記の構成において、燃料電池スタック４内のすべてのセル３でセルブロック５を構成するときには、セルブロック５は一個であるから電力出力端子６は燃料電池スタック４の燃料電池出力端子１４が利用でき、特別に電力出力端子６を追加設置する必要がなく、また、セルブロック５の出力電圧検出器７も１個でよく、安価な装置でセル３の異常が検出できるようになった。
【００３５】
【発明の効果】
上記のように、燃料電池スタック４を構成するセル３のうち、電解質薄膜１が破損するなどしてひとつでも故障して出力電圧が低下すると、安定した出力電圧を得られないばかりか極の反転やガス漏れの危険がある。
【００３６】
この発明では、燃料電池スタック４を同数のセル３からなる複数のセルブロック５の集合とみなし、各セルブロック５の両端にあたるガスセパレータ２に電圧出力端子６を設け、電圧比較器８で各セルブロック５の出力電圧を比較しているから、特定のセル３または複数のセル３が破損すると、全てのセルブロック５で同数のセル３が故障していない限り出力電圧のアンバランスが検出でき、安全作動手段９を作動させることが可能なので、シンプルでありながら負荷による電圧変動に影響されないセル異常検出装置を実現することができた。
【００３７】
また、各セルブロック５内で同数のセル３が故障した場合に対応するために、ｎ個のセル３からなるセルブロック５において、特定のセル３の出力電圧を乗算器１２でｎ倍したものを電圧比較器８に入力する構成とすれば、特定のセルブロック５内においてひとつでもセル３が破損していれば乗算器１２の出力と該セルブロック５の出力電圧はアンバランスとなって電圧比較器８で検出することができるようになった。このため、電圧比較器８は１個のセル３の異常でも安全作動手段９を作動させることができるから、セル異常検出装置としての信頼性をより高めることができた。
【００３８】
また、燃料電池スタック４を構成する複数のセルブロック５のセル数が異なっていても、セルブロック５のそれぞれに備え付けた出力電圧検出器７の出力電圧に対して、乗算器１２はそれぞれのセルブロック５を構成するセル３の個数で乗算した出力電圧が得られるから、前記電圧比較器８の出力によって異なったセル数のセルブロック５であっても電圧異常が検出できるようになり、燃料電池スタック４内におけるセル３の数の制限がなくなった。
【００３９】
更に、セルブロック５は燃料電池スタック４のすべてのセル３で構成し、この中の特定のセル３の出力電圧を乗算器１２で乗算する構成とすれば、セル異常検出装置のシステムが非常に安価に構成できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施例を示す燃料電池スタックのブロック図である。
【図２】この発明の他の実施例を示す燃料電池スタックのブロック図である。
【図３】燃料電池のセル部分の詳細断面図である。
【符号の説明】
１電解質薄膜
２ガスセパレータ
２ａ燃料ガス流路
２ｂ酸化剤ガス流路
３セル
４燃料電池スタック
５セルブロック
６電圧出力端子
７出力電圧検出器
８電圧比較器
９安全作動手段
１０セル電圧出力端子
１１セル出力電圧検出器
１２乗算器

Claims

電解質薄膜１の両側を一対のガスセパレータ２によって挟んで、燃料ガス流路２ａと酸化剤ガス流路２ｂを分離する燃料電池のセル３を構成し、該セル３を複数個直列に積層して燃料電池スタック４を構成し、この燃料電池スタック４によって所定の出力電圧を得る燃料電池において、
所定個数のセル３を直列に積層したセルブロック５を設け、該セルブロック５を複数個直列に積層して燃料電池スタック４を構成すると共に、
それぞれのセルブロック５に設けた出力電圧を取出す電圧出力端子６と、該セルブロック５ごとの電圧出力端子６間に配置する出力電圧検出器７と、該複数の出力電圧検出器７の電圧を比較する電圧比較器８と、該電圧比較器８が出力電圧検出器７間の電圧差を検出したときに作動する安全作動手段９と、を備えたことを特徴とする燃料電池のセル異常検出装置。
電解質薄膜１の両側を一対のガスセパレータ２によって挟んで、燃料ガス流路２ａと酸化剤ガス流路２ｂを分離する燃料電池のセル３を構成し、該セル３を複数個直列に積層して燃料電池スタック４を構成し、この燃料電池スタック４によって所定の出力電圧を得る燃料電池において、
前記燃料電池スタック４の中で所定個数のセル３を直列に積層するセルブロック５と、このセルブロック５の出力電圧を取出す電圧出力端子６と、この電圧出力端子６間に配置する出力電圧検出器７と、前記燃料電池スタック４を構成するセル３のひとつから出力電圧を取出すセル電圧出力端子１０と、該セル電圧出力端子１０に接続するセル出力電圧検出器１１で取出す電圧を前記セルブロック５のセル数で乗算する乗算器１２と、該乗算器１２の乗算出力と出力電圧検出器７の電圧を比較する電圧比較器８と、該電圧比較器８が電圧差を検出したときに作動する安全作動手段９と、を備えたことを特徴とする燃料電池のセル異常検出装置。
前記燃料電池スタック４は複数のセルブロック５で構成してそれぞれに出力電圧検出器７を備え、前記乗算器１２はそれぞれのセルブロック５を構成するセル３の個数で乗算すると共に、前記電圧比較器８はそれぞれの乗算出力と前記出力電圧検出器７の出力電圧とを比較する請求項２に記載の燃料電池のセル異常検出装置。
前記燃料電池スタック４の全個数のセル３を直列に積層してセルブロック５を構成した請求項２に記載の燃料電池のセル異常検出装置。