JP2005063903A - 燃料電池システム - Google Patents

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Abstract

【課題】 事前に運転寿命に達したことを予知し、または事前にクロスリークを予知し、もしくはクロスリークを検知することにより、安全に運転することのできる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】 燃料ガスｈ１と酸化剤ガスｋ１との電気化学的反応により発電する燃料電池本体２と、燃料電池本体２の累積の運転時間を計測する運転時間計測手段１１、または燃料電池本体２の累積の運転回数を計測する運転回数計測手段１２とを備える燃料電池システム１であって、運転時間計測手段１１によって計測された運転時間が予め設定された第１の所定の値に達した場合に燃料電池システム１を停止し、運転回数計測手段１２によって計測された運転回数が予め設定された第２の所定の値に達した場合に燃料電池システム１を次回起動させないよう制御する制御手段７をさらに備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、運転寿命またはガス漏洩に対処することができる燃料電池システムに関する。
従来の固体高分子形燃料電池においては、燃料極(アノード極)に供給された水素(Ｈ２)は、水素イオン(Ｈ＋)と電子(ｅ−)に分解され、水素イオンは固体高分子膜(電解質)を通過し、空気極(カソード極)に移動する。一方電子は外部回路を流れることによって発電が行われ、空気極に移動する。固体高分子形燃料電池では、電解質である固体高分子膜がリン酸型燃料電池のように液状ではないため取り扱いが容易で、反応温度も１００℃以下と低温であるため安全性に優れている。
しかし、一方で電解質である固体高分子膜は、フィルム状のイオン交換膜が一般に使用されているが、強度上、耐久性上の課題がある。すなわち、固体高分子膜は、固体高分子形以外の燃料電池に比べて、強度や耐久性が高くなく、その膜の特性から劣化や寿命により、膜にピンホールが開いたり、膜が破れたりすることがある。固体高分子膜に穴が開くと、膜を水素イオンだけでなく、水素そのものが一部アノード極(負極)からカソード極(正極)へ流れ(クロスリーク現象という)、カソード極のオフガスが、水素が混入した状態で外部に放出される可能性があることが知られている。しかし、クロスリークを正確に予知することは容易ではなく、またクロスリークを起こした場合、空気(酸素)と水素の混合によって、発火等の危険がある。
そこで、本発明は、事前に運転寿命に達したことを予知し、または事前にクロスリークを予知し、もしくはクロスリークを検知することにより、安全に運転することのできる燃料電池システムを提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、請求項１に係る発明による燃料電池システム１は、例えば図１、図２に示すように、燃料ガスｈ１と酸化剤ガスｋ１との電気化学的反応により発電する燃料電池本体２と；燃料電池本体２の累積の運転時間を計測する運転時間計測手段１１、または燃料電池本体２の累積の運転回数を計測する運転回数計測手段１２とを備える燃料電池システム１であって；燃料電池システム１が運転時間計測手段１１を備える場合に、前記計測された運転時間が予め設定された第１の所定の値に達したときに燃料電池システム１を停止するよう制御し、燃料電池システム１が運転回数計測手段１２を備える場合に、前記計測された運転回数が予め設定された第２の所定の値に達したときに燃料電池システム１を次回起動させないよう制御する制御手段７をさらに備える。
このように構成すると、燃料電池本体２と、運転時間計測手段１１または運転回数計測手段１２と、制御手段７とを備えるので、運転時間計測手段１１によって計測された運転時間が予め設定された第１の所定の値に達したときに燃料電池システム１を停止し、運転回数計測手段１２によって計測された運転回数が予め設定された第２の所定の値に達したときに燃料電池システム１を次回起動させないよう制御手段７によって制御することができ、燃料電池システム１が運転寿命に達することを予知して停止しあるいは次回の起動を回避し、燃料電池システム１を安全に運転することができる。
上記目的を達成するために、請求項２に係る発明による燃料電池システム１は、例えば図１、図２に示すように、燃料ガスｈ１と酸化剤ガスｋ１との電気化学的反応により発電する燃料電池本体２と；燃料電池本体２の累積の運転時間を計測する運転時間計測手段１１と；燃料電池本体２の累積の運転回数を計測する運転回数計測手段１２とを備える燃料電池システムであって；前記計測された運転時間と、前記計測された運転回数を運転時間に換算した値との合計が予め設定された第３の所定の値に達したときに燃料電池システム１を停止するように制御し、または前記計測された運転回数と、前記計測された運転時間を運転回数に換算した値との合計が予め設定された第４の所定の値に達したときに燃料電池システム１を次回起動させないよう制御する制御手段７をさらに備える。
このように構成すると、燃料電池本体２と、運転時間計測手段１１と、運転回数計測手段１２と、制御手段７とを備えるので、運転時間計測手段１１によって計測された運転時間と、運転回数計測手段１２によって計測された運転回数を運転時間に換算した値との合計が予め設定された第３の所定の値に達したとき燃料電池システム１を停止し、または計測された運転回数と、計測された運転回数を運転時間に換算した値との合計が予め設定された第４の所定の値に達したときに燃料電池システム１を次回起動させないよう制御手段７によって制御することができ、燃料電池システム１がより精度よく運転寿命に達することを予知して停止しまたは次回の起動を回避し、燃料電池システム１を安全に運転することができる。
請求項３に係る発明による燃料電池システム１は、請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム２において、例えば図１、図２に示すように、燃料電池本体２がカソード極側に有する、カソードオフガスｋ２を排気する排気口２４の近傍に、カソードオフガスｋ２に含まれる水素ガスの濃度を検出する検出手段１０を備え；検出手段１０が、前記濃度が第５の所定の値以上であることを検出したときに、制御手段７が燃料電池システム１を停止するよう制御する。
このように構成すると、検出手段１０を備えるので、検出手段１０が、カソードオフガスｋ２に含まれる水素ガスの濃度が第５の所定の値以上であることを検出したときに、制御手段７が燃料電池システム１を停止するよう制御し、水素ガスのカソードオフガスｋ２へのガス漏洩の発生に対処し、燃料電池システム１を安全に運転することができる。
請求項４に係る発明による燃料電池システム１は、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、例えば図１、図２に示すように、制御手段７が燃料電池システム１を停止するよう前記制御を行い燃料電池システム１が停止した場合、または制御手段７が燃料電池システム１を次回起動させないよう前記制御を行った場合に、メンテナンスを指示する指示信号ｉ１８、ｉ２０、ｉ１６を出力する指示信号出力手段７を備える。
このように構成すると、指示信号出力手段７を備えるので、例えば運転時間が予め設定された第１の所定の値に達したとき、検出手段１０がカソードオフガスｋ２に含まれる水素ガスの濃度が第５の所定の値以上であることを検出したときに、制御手段７が燃料電池システム１を停止するよう制御し、または例えば運転回数が予め設定された第２の所定の値に達したときに、制御手段７が、燃料電池システム１を次回起動させないよう前記制御を行った場合に、指示信号出力手段７がメンテナンスを指示する指示信号ｉ１８、ｉ２０、ｉ１６を出力することができ、燃料電池システム１のメンテナンスを行なわせることができる。
請求項５に係る発明による燃料電池システム１は、請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、例えば図１、図２に示すように、制御手段７が燃料電池システム１を停止するよう前記制御を行い燃料電池システム１が停止した場合、または制御手段７が燃料電池システム１を次回起動させないよう前記制御を行った場合に、メンテナンスを指示する表示を行う指示表示手段１３、３３、３４を備える。
このように構成すると、指示表示手段１３，３３、３４を備えるので、例えば運転時間が予め設定された第１の所定の値に達したとき、検出手段１０がカソードオフガスｋ２に含まれる水素ガスの濃度が第５の所定の値以上であることを検出したときに、制御手段７が燃料電池システム１を停止するよう制御し、または例えば運転回数が予め設定された第２の所定の値に達したときに、制御手段７が燃料電池システム１を次回起動させないよう前記制御を行い、指示表示手段１３、３３、３４によってメンテナンスを指示する表示を行い、燃料電池システム１のメンテナンスを行なわせることができる。
以上のように本発明によれば、燃料電池本体と、運転時間計測手段または運転回数計測手段と、制御手段とを設けるので、燃料電池システムが運転時間計測手段を備える場合、運転時間計測手段によって計測された運転時間が予め設定された第１の所定の値に達したときに燃料電池システムを停止し、燃料電池システムが運転時間計測手段を備える場合、運転回数計測手段によって計測された運転回数が予め設定された第２の所定の値に達したときに燃料電池システムを次回起動させないよう制御手段７によって制御することができ、燃料電池システムが運転寿命に達したことを予知し、燃料電池システムを安全に運転することができる。
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。
図１、図２は、本発明の実施の形態に係る燃料電池システム１の構成を示すブロック図である。
燃料電池システム１(以下、システム１)は、固体高分子形燃料電池本体２(以下、燃料電池本体２)と、水素ガス供給装置である水素ボンベ３と、燃料ガス用開閉電磁弁４と、空気供給装置であるエアブロア装置５と、加湿装置６と、制御装置７と、ＤＣパワーリレー８と、オフガス用開閉電磁弁９と、検出手段としてのガス検出計１０と、運転時間計測手段としての積算時間計１１と、運転回数計測手段としての運転回数計１２と、指示表示手段としての停止表示部１３と、指示表示手段としての停止表示部３３と、指示表示手段としての非起動表示部３４と、圧力計１４と、流量計１５と、出力回路１６と、電圧計１７とを備える。
燃料電池本体２は、燃料ガスとしての水素ガスｈ１をアノード極に導入するアノード導入口２１と、酸化剤ガスとしての空気ｋ１をカソード極に導入するカソード導入口２２とを備え、導入した水素ガスｈ１と、導入した空気ｋ１中の酸素との電気化学的反応により交流電力を発電する。さらに燃料電池本体２は、アノード極からアノードオフガスｈ２を排気するアノード排気口２３と、カソード極からカソードオフガスｋ２を排気する排気口としてのカソード排気口２４とを備える。
燃料電池本体２はさらに、水素ボンベ３とアノード導入口２１とを結ぶ燃料供給ライン２５と、エアブロワ装置５とカソード導入口２２とを結ぶ酸化剤ガス供給ライン２６と、アノード排気口２３に接続されるアノードオフガスライン２７と、カソード排気口２４に接続されるカソードオフガスライン２８とを備える。
水素ボンベ３は、水素ガスｈ１を充填し、水素ガスｈ１をアノード導入口２１に供給する。燃料供給ライン２５には、水素ガスｈ１の供給圧力を計測する圧力計１４と、水素ガスｈ１を燃料電池本体２に供給するために開き、水素ガスｈ１の燃料電池本体２への供給を行わないために閉じる燃料ガス用開閉電磁弁４とが、水素ガスｈ１の流れに関し、この順序で設置されている。圧力計１４は、計測した水素ガスｈ１の供給圧力を表す圧力信号ｉ１(図１中、Ｂ)を制御装置７に送る。燃料ガス用開閉電磁弁４は、制御装置７から送られる開信号ｉ２(図１中、Ｄ)により開閉作動する。
エアブロワ装置５は、エアブロワ５Ａとエアブロワ５Ａを駆動するモータ(不図示)とを含んで構成され、大気中の空気ｋ１をカソード導入口２２に供給する。酸化剤ガス供給ライン２６には、空気ｋ１の供給量を計測する流量計１５と、空気ｋ１を加湿する加湿装置６とが、空気ｋ１の流れに関しこの順序で設置されている。エアブロワ装置５のモータ(不図示)は、制御装置７から送られる駆動信号ｉ３(図１中、Ａ)により駆動される。加湿装置６は、制御装置７から送られる駆動信号ｉ１３(図１中、Ｅ)により駆動される。流量計１５は、計測した空気ｋ１の流量を表す流量信号ｉ４(図１中、Ｃ)を制御装置７に送る。加湿装置６は、純水を加熱して加湿する方式(電気的に加湿)やウエットなカソードオフガスとそこで凝縮したドレン水を利用して膜交換を行い加湿する方式(機械的膜加湿)等があり、燃料電池本体２に供給される空気ｋ１の湿度が、ほぼ１００％になるように加湿する。
アノードオフガスライン２７には、アノードオフガスｈ２を排出するときに開き、アノードオフガスｈ２を排出しないときに閉じるオフガス用開閉電磁弁９が設置されている。オフガス用開閉電磁弁９は、制御装置７から送られる開信号ｉ５(図１中、Ｆ)により開作動する。
カソードオフガスライン２８には、カソードオフガスｋ２中の水素ガスの濃度を計測し、計測した水素ガスの濃度が設定濃度(第５の所定の値)(例えば、１％、水素の空気中での発火下限界(ＬＥＬ)は４％なので、この１％は、２５％ＬＥＬレベルとなる。)を超える場合に、ガス検出信号ｉ６(図１中、Ｇ)を制御装置７に送るガス検出計１０が設置されている。ガス検出計１０は、カソード排気口２４の近傍に配置されている。
ガス検出計１０は、カソードオフガスｋ２中の水素ガスの濃度を計測し、計測した水素ガスの濃度を表す信号(不図示)を制御装置７に送り、制御装置７が水素ガスの濃度が設定濃度以上であるか否か判断するようにしてもよい。この場合、ガス検出計１０と制御装置７が、本発明の検出手段である。
燃料電池本体２は、アノード出力端２９と、カソード出力端３０とを備える。出力回路１６は、アノード外部出力端３１と、カソード外部出力端３２とを備えマイナス側がアノード出力端２９に接続され、プラス側がカソード出力端３０に接続されている。出力回路１６のプラス側には、燃料電池本体２の出力電圧を計測する電圧計１７と、燃料電池本体の発電した電力が負荷(不図示)に出力されるよう出力回路１６を閉にするＤＣパワーリレー８が接続されている。電圧計１７は、計測した燃料電池本体２の出力電圧を表す電圧信号ｉ７(図１中、Ｈ)を制御装置７に送る。ＤＣパワーリレー８は、制御装置７からの発電出力信号ｉ８(図１中、Ｉ)により、発電した電力が負荷(不図示)に出力されるように、出力回路１６を閉とし、負荷と燃料電池本体２とを電気的に接続する。
運転回数計１２は、制御装置７から燃料電池本体２の運転を開始したことを示す運転開始信号ｉ９を受け、運転回数を累積して積算する（運転回数をプラス１にする）。運転回数計１２は、積算した運転回数を表す運転回数信号ｉ１０を制御装置７に送り、制御装置７はこの値を記憶する。制御装置７は、燃料電池本体２の運転開始前は、前回までの運転回数を記憶し、運転回数計１２が制御装置７から燃料電池本体２の運転を開始したことを示す運転開始信号ｉ９を受け、運転回数を累積して積算したとき、すなわち運転回数をプラス１にしたときに、運転回数信号ｉ１０を受け、記憶していた運転回数と新しい運転回数とを入れ替えて記憶する。
積算時間計１１は、制御装置７から燃料電池本体２の運転を開始したことを示す運転開始信号ｉ９を受け、運転時間を累積して積算することを開始し、制御装置７からシステム１の運転を終了し燃料電池本体２の運転を終了したことを示す運転停止信号ｉ１１を受け、運転時間の積算を終了する。積算時間計１１は、運転時間の積算中に、積算された運転時間を表す積算時間信号ｉ１２を制御装置７に送る。
燃料電池本体２が起動した後、積算時間計１１が送る積算時間信号ｉ１２が示す積算した積算運転時間が予め設定された設定時間を超え、制御装置７がシステム１を停止しするように制御し、システム１が停止した場合に、停止表示部１３は、制御装置７から出される表示信号ｉ１９を受け、システム１が運転寿命を経過したため強制的に停止されたことを表示すると共に、メンテナンスの指示を表示する。
停止表示部３３は、燃料電池本体２が起動した後、ガス検出計１０からガス検出信号ｉ６が送られ、カソードオフガスｋ２中の水素ガスの濃度が予め設定された設定濃度を超え、制御装置７がシステム１を停止しするように制御し、システム１が停止した場合に、制御装置７から出される表示信号ｉ２１を受け、カソードオフガスｋ２中の水素ガスが設定濃度を超えたためシステム１が強制的に停止されたことを表示すると共に、メンテナンスの指示を表示する。
非起動表示部３４は、起動指令がかかった後、累積した運転回数が予め設定された設定回数に達しているため、燃料電池本体２を起動させなかった場合に、制御装置７から出される表示信号ｉ１７を受け、システム１が運転寿命を経過しているため燃料電池本体２を起動させないことを表示すると共に、メンテナンスの指示を表示する。
制御装置７は、システム１の起動を指令する起動指令信号ｉ１４を外部から受ける。起動指令信号ｉ１４を受けた制御装置７は、制御装置が記憶している運転回数(前回の運転時の運転回数)と、予め設定された設定回数とを比較し、運転回数が設定回数に達した場合、燃料電池本体２を起動させないよう制御する。この場合は、次に、制御装置７は、システム１が運転寿命を経過したために起動しないことを示す指示信号としてのシステム非起動信号ｉ１６を外部に出力し、表示信号ｉ１７を非起動表示部３４に送り、システム１が運転寿命を経過したため起動させないことを示すと共に、メンテナンスの指示を示す非起動表示部３４の表示を行う。
起動指令信号ｉ１４を受けた制御装置７は、運転回数が設定回数に達していない場合は、燃料電池本体２を次のように起動させる。制御装置７は、燃料ガス用開閉電磁弁４を開とする開信号ｉ２を燃料ガス用開閉電磁弁４に送り、燃料ガス用開閉電磁弁４を開とし、水素ガスｈ１を供給させ、駆動信号ｉ３をエアブロワ装置５に送りエアブロワ５Ａを駆動さして、空気ｋ１を供給させ、駆動信号ｉ１３を加湿装置６に送り加湿装置６を駆動させ、空気ｋ１の加湿を行なわせる。水素ガスｈ１の導入時にオフガス用開閉電磁弁９を開とし、一定時間(例えば、５秒)後にオフガス用開閉電磁弁９を閉とし、燃料電池本体２の発電の開始し、燃料電池本体２の発電する電力の電圧が低下した場合(例えば、定格電圧の７０％以下)に、オフガス用開閉電磁弁９を開として、アノードオフガスｈ２をアノード極から排気し、水素ガスｈ１をアノード極へ供給させる。そして、一定時間後に(例えば、１秒後)に、オフガス用開閉電磁弁９を閉とし、その後オフガス用開閉電磁弁９の開閉が繰り返される。
また、制御装置７は、システム１の起動後にシステム１の停止を指令する停止指令信号ｉ１５を外部から受けた場合は、システム１を次のように停止させる。制御装置７は、燃料ガス用開閉電磁弁４を開とする開信号ｉ２を燃料ガス用開閉電磁弁４に送るのを停止し、燃料ガス用開閉電磁弁４を閉とし、水素ガスｈ１の供給を停止させ、駆動信号ｉ３をエアブロワ装置５に送るのを停止し、エアブロワ５Ａの駆動を停止し、空気ｋ１の供給を停止させ、駆動信号ｉ１３を加湿装置６に送るのを停止し、加湿装置６の駆動を停止し、空気ｋ１の加湿を停止させる。
制御装置７は、圧力計１４から圧力信号ｉ１を、流量計１５から流量信号ｉ４を、ガス検出計１０からガス検出信号ｉ６を、電圧計１７から電圧信号ｉ７を受ける。制御装置７は、燃料電池本体２の発電中に、電圧信号ｉ７が示す燃料電池本体２の発電する電力の電圧値が所定の値(例えば、定格電圧値の７０％)より低くなった場合は、開信号ｉ５をオフガス用開閉電磁弁９に送りオフガス用開閉電磁弁９を開とする。オフガス用開閉電磁弁９が開となることにより、水素ガスｈ１がアノード導入口２１に導入され、燃料電池本体２が発電する電力の電圧値が上昇する。そして、一定時間後(例えば、１秒後)、開信号ｉ５をオフガス用開閉電磁弁９に送りるのを停止し、オフガス用開閉電磁弁９を閉とする。オフガス用開閉電磁弁９が閉となることにより、水素ガスｈ１のアノード導入口２１への導入が停止され、燃料電池本体２が発電する電力の電圧値が下降する。以後、前述の制御が繰り返される。
燃料電池本体２が起動した後、すなわち燃料ガス用開閉電磁弁４を開とする開信号ｉ２を燃料ガス用開閉電磁弁４に送り、エアブロワ５Ａを駆動させる駆動信号ｉ３をエアブロワ装置５に送り、加湿装置６を駆動させる駆動信号ｉ１３を加湿装置６に送った後、制御装置７は運転開始信号ｉ９を積算時間計１１と運転回数計１２に送り、システム１が停止した後、運転停止信号ｉ１１を積算時間計１１に送る。制御装置７は、積算時間信号ｉ１２が積算時間計１１から送られた場合、積算時間信号ｉ１２が示す積算された運転時間と予め設定された設定時間とを比較し、運転時間が設定時間以上になった場合は、システム１を強制的に停止する。この場合、次に、制御装置７は、システム１が運転寿命を経過したため強制的に停止されたことを示す指示信号としてのシステム停止信号ｉ１８を外部に出力し、表示信号ｉ１９を停止表示部１３に送り、システム１が運転寿命を経過したため強制的に停止されたことを示すと共に、メンテナンスの指示を示す停止表示部１３の表示を行う。表示信号ｉ１９は、制御装置７に備え付けられた、例えば、無電圧または有電圧の接点出力(不図示)、トランジスタのオープンコレクタ出力(不図示)、ＲＳ等の通信出力(不図示)から出力されるものとしてもよい。また、停止表示部１３は、メンテナンスの文字が記載された表示部をライトの点灯、点滅で表示するようなものであってもよい。
制御装置７は、ガス検出計１０からガス検出信号ｉ６が送られたか否かを判断し、ガス検出信号ｉ６が送られた場合は、システム１を強制的に停止する。この場合、次に、制御装置７は、システム１が運転寿命を経過したため強制的に停止されたことを示す指示信号としてのシステム停止信号ｉ２０を外部に出力し、表示信号ｉ２１を停止表示部３３に送り、システム１が運転寿命を経過したため強制的に停止されたことを示すと共に、メンテナンスの指示を示す停止表示部３３の表示を行う。
次に、図３を参照し、適宜図１、図２を参照して本実施の形態の制御装置７による燃料電池システム１の制御方法を説明する。
起動指令信号ｉ１４が制御装置７に送られることによる起動指令があるか否かを判断する(ステップＳ１)。起動指令がない場合(ステップＳ１がＮＯ(以下、Ｎ)の場合)、燃料電池本体２は起動しない(ステップＳ２)。起動指令がある場合(ステップＳ１がＹＥＳ(以下、Ｙ)の場合)、運転回数計１２により積算された運転回数が設定回数(第２の所定の値)(例えば、１０００回)に達したか否かを判断する(ステップＳ３)。運転回数が設定回数に達した場合(ステップＳ３がＹの場合)は、燃料電池本体２を起動させず(ステップＳ４)、制御装置７は非起動出力としての非起動信号ｉ１６を外部に出力し(ステップＳ５)、さらに非起動表示部３４をオンにし非起動表示する(ステップＳ６)。
次に、運転回数が設定回数に達していない場合(ステップＳ３がＮの場合)は、燃料電池本体２を起動させる(ステップＳ７)。すなわち、開信号ｉ２を燃料ガス用開閉電磁弁４に送り、燃料ガス用開閉電磁弁４を開とし、開信号ｉ５をオフガス用開閉電磁弁９に送り、オフガス用開閉電磁弁９を開として水素ガスｈ１を供給し、駆動信号ｉ３をエアブロワ装置５に送りエアブロワ５Ａを駆動させて空気ｋ１を供給し、駆動信号ｉ１３を加湿装置６に送り加湿装置６を駆動させ、空気ｋ１の加湿を行う。
次に、発電が可能か判断する(ステップＳ７Ａ）。具体的には、圧力計１４からの圧力信号ｉ１が示す水素ガスｈ１の供給圧力が所定の圧力範囲内(０．１〜０．２ＭＰａ)(条件１)か、流量計１５からの流量信号ｉ４が示す空気の供給量が所定の流量値(無負荷時、例えば０．５Ｎｍ３／ｈｒ)以上か(条件２)が判断される。この２つの条件を満たさない場合(ステップＳ７ＡがＮの場合)は、警報(ステップＳ８)が出され、燃料電池本体２が停止される(ステップＳ９)。すなわち、開信号ｉ２を燃料ガス用開閉電磁弁４に送るのを停止し、燃料ガス用開閉電磁弁４を閉とし水素ガスｈ１の供給を停止し、駆動信号ｉ３をエアブロワ装置５に送るのを停止しエアブロワを停止させ空気ｋ１の供給を停止し、駆動信号ｉ１３を加湿装置６に送るのを停止し、加湿装置６を停止させ、空気ｋ１の加湿を停止する。
２つの条件を満たす場合(ステップＳ７ＡがＹの場合)は、運転開始信号ｉ９が、積算時間計１１と運転回数計１２に送られ、積算時間計１１による積算が開始され(ステップＳ１０)、運転回数計１２により運転回数に１を加える計算が行われる(ステップＳ１１)。
次に、運転時間が設定時間(第１の所定の値)(例えば、３０００時間)に達したか否かが判断され(ステップＳ１２)、運転時間が設定時間に達した場合(ステップＳ１２がＹの場合)は、システム１の寿命による強制停止が行われる(ステップＳ１３)。ステップＳ１３の内容は、前述のステップＳ９と同じである。
システム１が停止したときに、ステップＳ１３と同時に、システム１が寿命により強制停止したことおよびメンテナンスの指示を示すシステム停止信号ｉ１８が外部に出力され(ステップＳ１４)、システム１が寿命により強制停止したこと、およびメンテンスの指示を示す表示信号ｉ１９がシステム停止表示１３に送られ、システム停止表示１３がオンとなり(ステップＳ１５)、後述のステップＳ２４に移行する。
運転時間が設定時間に達していない場合(ステップＳ１２がＮの場合)は、次に、カソードオフガスｋ２中の水素ガスのガス濃度が設定濃度(第３の所定の値)(例えば１％）以上か否か、すなわちガス検出計１０からのガス検出信号ｉ６が出ているか否かが判断され(ステップＳ１６)、ガス濃度が設定濃度以上である場合(ステップＳ１６がＹの場合)は、システム１のガス漏洩による強制停止が行われる(ステップＳ１７)。ステップＳ１７の内容は、前述のステップＳ９と同じである。
システム１が停止したときに、システム１がガス漏洩により強制停止したことを示すシステム停止信号ｉ２０が外部に出力され(ステップＳ１８)、システム１が寿命により強制停止したこと、およびメンテナンスの指示を示す表示信号ｉ２１が停止表示部３３に送られ、停止表示部３３がオンとなり(ステップＳ１９)、後述のステップＳ２４に移行する。
カソードオフガスｋ２中のガス濃度が設定濃度未満である場合(ステップＳ１６がＮの場合)は、発電中か否かが判断される(ステップＳ２０)。発電中ではない場合(ステップＳ２０がＮ)は、発電が開始され(ステップＳ２１)、すなわちＤＣパワーレリー８へ発電出力信号ｉ８が送られ、出力回路１６が閉となり、電力が負荷(不図示)に供給され、ステップＳ１２の前に戻り、ステップＳ１２へ移行する。
発電中の場合(ステップＳ２０がＹ)は、停止指令信号ｉ１５が制御装置７に送られることによる停止指令があるか否かを判断する(ステップＳ２２)。停止指令がない場合(ステップＳ２２がＮの場合)、システム１は、停止せずステップＳ１２のまえに戻り、ステップＳ１２に移行する。停止指令がある場合(ステップＳ２２がＹの場合)、システム１が停止し(ステップＳ２３)、運転時間停止信号ｉ１１が積算時間計１１に送られ、積算時間計１１が、積算を終了する(ステップＳ２４)。なお、ステップＳ２３の内容は、前述のステップＳ９と同じである。
なお、運転時間が設定時間に達しとことによりシステム１が強制停止された場合、および運転回数が設定回数に達したことによりシステム１が起動停止された場合、およびガス濃度が設定濃度に達したことによりシステム１が起動停止された場合に、システム１の必要なメンテナンスが行われた場合は、システム１の運転の前に運転時間と運転回数は共に０にリセットされる。
固体高分子形燃料電池本体２において、アノード導入口２１からアノード極(正極)に導入された水素ガスの水素イオン(Ｈ＋)は、アノード極とカソード極(負極)との間にある固体高分子膜を透過し、一方で電子(ｅ−)が電極間を流れることにより発電が行われる。固体高分子膜は、その膜の特性から長時間の使用による劣化や寿命により、膜にピンホールが開いたり、膜が破れたりすることがある。固体高分子膜に穴があくと、当該膜を水素イオンだけでなく、水素(Ｈ２)そのものが一部アノード極からカソード極に流れ(クロスリーク)、カソード排気口２４から排出されるカソードオフガスｈ２は、危険濃度を超える水素ガスが混入した状態でカソードオフガスライン２８を流れる可能性がある。
運転回数が設定回数に達した場合は、固体高分子膜(図１に不図示)が寿命により劣化しクロスリークの危険性があるとみなして、システム１を次回起動させず、運転時間が設定時間に達した場合は、同様にみなしてシステム１の運転を停止するよう制御し、次回起動前、あるいは今回停止後に共にメンテナンス(例えば、燃料電池本体の交換等)を行う。また、何らかの理由により、運転回数が設定回数に達する前、あるいは運転時間が設定時間に達する前に、固体高分子膜の劣化によりクロスリークが発生した場合は、カソードオフガスｈ２中の水素ガスの濃度を測定することによりこのクロスリークを検知し、システム１の運転を停止するよう制御して、停止後にメンテナンスを行わせる。よって、システム１のクロスリークに適切に対処し、システム１を安全に運転することができる。
なお、図２において、他の実施の形態として、制御装置７は、積算時間計１１から送られる積算時間信号ｉ１２が示す積算された運転時間を記憶するようにしてもよい。こうした場合、制御装置７がシステム１を停止したときは、制御装置７は前回までの運転時間を記憶している。そして、制御装置７が記憶している運転回数Ｎ(前回までの運転回数)(単位、回)と、制御装置７が記憶している運転時間Ｔ１(前回までの運転時間)(単位、時間)を運転回数Ｎ１’に換算して、運転回数Ｎ１と運転回数Ｎ１’との合計Ｎ１０（＝Ｎ１＋Ｎ１’）を基に前述の制御を行うようにしてもよい。換算は、例えば、Ｎ１’＝０．１×Ｔ１ とするとよい。この場合、例えば１０時間の運転を１回行うとすると、合計の運転回数Ｎ１０は２回となるので、設定回数(第４の所定の値)を、例えば１０００回とするとよい。）。
あるいは、制御装置７は、積算時間計１１から送られる積算時間信号ｉ１２が示す積算された運転時間Ｔ２と、運転回数計１２から送られる運転回数信号ｉ１０が示す積算された運転回数Ｎ２を運転時間Ｔ２’に換算した値との合計Ｔ２０(＝Ｔ２＋Ｔ２’)を基に前述の制御を行うようにしてもよい。換算は、例えば、Ｔ２’＝１０×Ｎ２ とするとよい。この場合、例えば１０時間の運転を１回行うとすると、合計の運転時間Ｔ２０は２０時間となるので、設定時間(第３の所定の値)を、例えば３０００時間とするとよい。
以上説明した他の実施の形態の場合、図３では、ステップＳ３、ステップＳ１１において、運転回数は、運転回数計によって計測され制御装置７(図２)によって記憶された運転回数と、積算された運転回数との合計とする。ステップＳ１２において、運転時間は、積算時間計１１によって積算された運転時間と、運転回数計１２によって積算された運転回数から換算された運転時間との合計とする。
以上のようにする本他の実施の形態では、寿命の予知をより精度よく行うことができる。
本発明の実施の形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。 図１の燃料電池システムの制御装置の信号の出入りを示すブロック図である。 図１の燃料電池システムの制御装置による制御方法を示すシーケンス図である。
符号の説明
１ 燃料電池システム
２ 燃料電池本体
７ 制御装置(制御手段)(指示信号出力手段)
１０ ガス検出部(検出手段)
１１ 積算時間計(運転時間計測手段)
１２ 運転回数計(運転回数計測手段)
１３ 停止表示部(指示表示手段)
２４ カソード排気口(排気口)
３３ 停止表示部(指示表示手段)
３４ 非起動表示部(指示表示手段)
ｈ１ 水素ガス(燃料ガス)
ｈ２ アノードオフガス
ｉ１６ 起動不可信号(指示信号)
ｉ１８ システム停止信号(指示信号)
ｉ２０ システム停止信号(指示信号)
ｋ１ 空気(酸化剤ガス)
ｋ２ カソードオフガス

Claims (5)

  1. 燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学的反応により発電する燃料電池本体と；
    前記燃料電池本体の累積の運転時間を計測する運転時間計測手段、または前記燃料電池本体の累積の運転回数を計測する運転回数計測手段とを備える燃料電池システムであって；
    前記燃料電池システムが前記運転時間計測手段を備える場合に、前記計測された運転時間が予め設定された第１の所定の値に達したときに前記燃料電池システムを停止するよう制御し、
    前記燃料電池システムが前記運転回数計測手段を備える場合に、前記計測された運転回数が予め設定された第２の所定の値に達したときに前記燃料電池システムを次回起動させないよう制御する制御手段をさらに備える；
    燃料電池システム。
  2. 燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学的反応により発電する燃料電池本体と；
    前記燃料電池本体の累積の運転時間を計測する運転時間計測手段と；
    前記燃料電池本体の累積の運転回数を計測する運転回数計測手段とを備える燃料電池システムであって；
    前記計測された運転時間と、前記計測された運転回数を運転時間に換算した値との合計が予め設定された第３の所定の値に達したときに前記燃料電池システムを停止するように制御し、
    または前記計測された運転回数と、前記計測された運転時間を運転回数に換算した値との合計が予め設定された第４の所定の値に達したときに前記燃料電池システムを次回起動させないよう制御する制御手段をさらに備える；
    燃料電池システム。
  3. 前記燃料電池本体がカソード極側に有する、カソードオフガスを排気する排気口の近傍に、前記カソードオフガスに含まれる水素ガスの濃度を検出する検出手段を備え；
    前記検出手段が、前記濃度が第５の所定の値以上であることを検出したときに、前記制御手段が前記燃料電池システムを停止するよう制御する；
    請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
  4. 前記制御手段が前記燃料電池システムを停止するよう前記制御を行い前記燃料電池システムが停止した場合、または前記制御手段が前記燃料電池システムを次回起動させないよう前記制御を行った場合、メンテナンスを指示する指示信号を出力する、指示信号出力手段を備える；
    請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  5. 前記制御手段が前記燃料電池システムを停止するよう前記制御を行い前記燃料電池システムが停止した場合、または前記制御手段が前記燃料電池システムを次回起動させないよう前記制御を行った場合に、メンテナンスを指示する表示を行う、指示表示手段を備える；
    請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
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