JP2005285692A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池システムに関する。特に、燃料電池のアノードにおける劣化を判定するための構成に関する。 The present invention relates to a fuel cell system. In particular, the present invention relates to a configuration for determining deterioration in an anode of a fuel cell.
燃料電池では、出力電流と消費される反応ガスの量は、比例関係であるため、出力電流に見合った反応ガスを供給する必要がある。仮に、燃料電池が必要とする水素量に対して燃料電池への水素供給量が不足すると、いわゆる水素欠乏となって劣化が著しく進行し、燃料電池における発電が不可能となる。このような水素欠乏の問題に対しては、水素を燃料電池へ多めに供給することで対処していた。つまり、燃料電池への出力電流に見合った量を上回る量の水素を燃料電池へ供給し、水素欠乏に陥らないようにした。 In a fuel cell, the output current and the amount of reaction gas consumed are proportional to each other, and therefore it is necessary to supply a reaction gas corresponding to the output current. If the amount of hydrogen supplied to the fuel cell is insufficient with respect to the amount of hydrogen required by the fuel cell, so-called hydrogen deficiency results in significant deterioration and power generation in the fuel cell becomes impossible. The problem of hydrogen deficiency has been addressed by supplying more hydrogen to the fuel cell. In other words, an amount of hydrogen exceeding the amount commensurate with the output current to the fuel cell was supplied to the fuel cell so as not to be deficient in hydrogen.
しかしながら、このように水素供給量を制御した場合には、燃料電池における燃料利用率が低くなり、発電効率の向上を図ることができなくなる。そこで、従来のシステムとして、第1単電池において水素供給量が不足しているかどうかを、第1単電池を流通したアノードガスが供給されるとともに、第1単位電池に絶縁して構成される第2単電池の電圧に基づいて判定する。第2単電池に対応する1つの第1単電池から水素極側へ導入されたガスの水素濃度は、その第2単電池の電圧から推測できる。そこで、判定手段は、第2単電池の電圧から水素濃度を推測し、例えば水素濃度の推測値が所定の基準値を下回ると第1単電池への水素供給量が不足していると判定する(例えば、特許文献1、参照。)。
しかしながら、外部から供給されるアノードガス量が十分であっても、燃料電池セル内部において凝縮水等の存在によりカソードガスが反応場に十分に供給されずに電圧が低下する可能性もある。そのため、電圧値のみを用いてアノードの劣化を判定するのは困難である。 However, even if the amount of anode gas supplied from the outside is sufficient, there is a possibility that the cathode gas is not sufficiently supplied to the reaction field due to the presence of condensed water or the like inside the fuel cell, and the voltage may decrease. Therefore, it is difficult to determine the deterioration of the anode using only the voltage value.
そこで本発明は、上記問題を鑑みて、燃料利用率ならびにシステム効率の向上を図りつつ、アノードの劣化を判定できる燃料電池システムを提供することを目的とする。 In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a fuel cell system that can determine deterioration of an anode while improving fuel utilization and system efficiency.
本発明は、一つ以上の単位セルから構成し、アノードガスとカソードガスの供給を受けて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池の、一つまたは直列に接続された複数の単位セルの電圧を検出する電圧検出手段と、を備える。また、前記燃料電池から排出されたアノード排ガス中の二酸化炭素濃度を検出するCO2濃度検出手段と、前記電圧検出手段の出力と前記CO2濃度検出手段の出力に応じて前記燃料電池のアノードの劣化を判定する劣化判定手段と、を備える。 The present invention comprises one or more unit cells, a fuel cell that generates power by receiving supply of anode gas and cathode gas, and voltages of one or a plurality of unit cells connected in series of the fuel cell. Voltage detecting means for detecting. Further, CO 2 concentration detection means for detecting the carbon dioxide concentration in the anode exhaust gas discharged from the fuel cell, the output of the voltage detection means and the output of the CO 2 concentration detection means in accordance with the output of the anode of the fuel cell Deterioration determining means for determining deterioration.
一つまたは直列に接続された複数の単位セルの電圧とアノード排ガスの二酸化炭素濃度の両方を計測することで、異常がアノード側にあるのかカソード側にあるのかを正確に判定することができる。そのため、アノードガスの供給量の増大を抑えることができ、燃料利用率ならびにシステム効率の向上を図りつつ、アノードにおける触媒劣化反応を抑制することができる。 By measuring both the voltage of one or a plurality of unit cells connected in series and the carbon dioxide concentration of the anode exhaust gas, it is possible to accurately determine whether the abnormality is on the anode side or the cathode side. Therefore, an increase in the supply amount of the anode gas can be suppressed, and the catalyst deterioration reaction at the anode can be suppressed while improving the fuel utilization rate and the system efficiency.
本実施形態について説明する。燃料電池システムの構成を図1に示す。 This embodiment will be described. The configuration of the fuel cell system is shown in FIG.
アノードガス及びカソードガスを用いて発電を行う燃料電池10を備える。燃料電池10は、図示しない複数の単位セルを積層したスタックにより構成する。また、燃料電池10のアノード上流側にはアノード側入口配管21を備える。また、供給するアノードガスの流量を調整するアノードガス供給量調整手段23、アノードガスを加湿するアノードガス加湿手段24、加湿量を制御する加湿量制御手段25を備える。燃料電池10のアノード下流側には、アノード排ガスの流通路であるアノード側出口配管22を備える。アノード側出口配管22には、排出されたアノード排ガス中のCO2濃度を検出するCO2濃度検出器40を備える。
A
また、燃料電池10のカソード上流側にはカソード側入口配管31を備える。また、供給するカソードガスの流量を調整するカソードガス供給量調整手段33、アノードガスを加湿するカソードガス加湿手段34、加湿量を制御する加湿量制御手段35を備える。燃料電池10のカソード下流側には、カソード排ガスの流通路であるカソード側出口配管32を備える。
A cathode
なお、アノードガス加湿手段24、カソード加湿手段34としては、例えば、加湿器、水噴射器等を用いる。アノード、カソードを加湿するそれぞれの手段はこれに限らず、燃料電池10を内部加湿式としてもよい。また、アノードガス供給量調整手段23、カソードガス供給量調整手段33としては、例えば、流量計とその出力に応じて開閉が制御されるバルブ等を備える。
In addition, as the anode gas humidifying means 24 and the cathode humidifying means 34, for example, a humidifier, a water injector or the like is used. The respective means for humidifying the anode and the cathode are not limited to this, and the
さらに、燃料電池10の電圧を検出する電圧センサ50を備える。ここでは、電圧センサ50を図2に示すように構成する。つまり、反応ガスの均一的な供給が困難なスタック端部のみを詳細にモニタする。スタック端部においては、単位セル10a毎にそのセル電圧を検出し、スタック中央部近傍においては、直列に接続された複数の単位セル10aの電圧を検出する。これにより、電圧のモニタ箇所を低減することができる。なお、電圧センサ50の構成はこれに限るわけではなく、全単位セル10aについてセル電圧を検出してもよい。また、端部においては密となるように単位セル10a毎に、中央部においては粗となるように複数個おきの単位セル10aについて、セル電圧を検出してもよい。または、直列に接続された複数の単位セル10aの電圧を検出してもよい。また、燃料電池10から負荷51へ取り出す電流値を制御する電流制御手段52を備える。
Furthermore, a
さらに、このような燃料電池システムを制御する演算処理システム60を備える。演算処理システム60において、CO2濃度検出器40と電圧センサ50の出力に基づいて、燃料電池10のアノードの劣化を判定する。
Furthermore, an
ここで、アノードの水素欠乏によりカーボン腐食反応(C+2H2O→CO2+4H++4e-)が生じた場合には、アノード排ガス中のCO2濃度が上昇する。また、カーボン腐食反応が深刻になるほどアノードとカソードの電位差は小さくなり、さらには転極する。 Here, when a carbon corrosion reaction (C + 2H 2 O → CO 2 + 4H + + 4e − ) occurs due to hydrogen deficiency in the anode, the concentration of CO 2 in the anode exhaust gas increases. In addition, as the carbon corrosion reaction becomes more serious, the potential difference between the anode and the cathode becomes smaller, and further the polarity is reversed.
そこで、電圧が低下、CO2濃度が上昇した場合には、アノードで深刻なカーボン腐食反応が生じていると判定する。このときには、出力電流を抑制し、燃料電池10に導入するアノードガス供給量を増大する。また、アノード側の加湿を抑制、ここではアノードガスの加湿量を低減して水詰まりを低減し、アノードガスの拡散低下による水素欠乏を解消する。また、電圧が正常、CO2濃度が上昇した場合には、アノードで微量のカーボン腐食反応が生じていると判定する。このときには、アノードガスの供給量を増大するとともにアノード側の加湿を抑制する。また、電圧が低下、CO2濃度が正常の場合には、アノードでカーボン腐食反応は生じていないと判定する。このときには、電圧低下の原因がカソード側と考えられるので、カソードガスの供給量を増大することにより水詰まりを解消する。また、出力電流を抑制する。
Therefore, when the voltage decreases and the CO 2 concentration increases, it is determined that a serious carbon corrosion reaction has occurred at the anode. At this time, the output current is suppressed and the anode gas supply amount introduced into the
次に、前述したようなアノード劣化判定方法の流れを図3のフローチャートを用いて説明する。ここでは、所定時間(例えば10msec)毎に本フローを実行する。 Next, the flow of the anode deterioration determination method as described above will be described with reference to the flowchart of FIG. Here, this flow is executed every predetermined time (for example, 10 msec).
ステップS1において、電圧値に異常があるか否かを判断する。電圧センサ50の出力が所定範囲より小さい否かを判断する。電圧値の所定範囲は、燃料電池10が正常に運転されていると判定できる電圧範囲であり、予め出力に応じて設定しておく。ここでは、燃料電池10内の複数箇所の電圧を検出しているので、一つ以上の検出電圧値が所定範囲内でないと判断された場合に、電圧値に異常があると判断する。電圧値が所定範囲より小さい場合には、燃料電池10に異常があると判断してステップS2に進む。
In step S1, it is determined whether or not the voltage value is abnormal. It is determined whether or not the output of the
ステップS2において、アノード排ガス中のCO2濃度に異常があるか否かを判断する。CO2濃度検出器40の出力が所定範囲を超えたか否かを判断する。CO2濃度の所定範囲は、燃料電池10に導入されるアノードガス中のCO、CO2濃度に応じて予め設定しておく。CO2濃度が所定範囲より高い場合にはアノード側に異常が発生していると判断する。つまり、水素欠乏が生じて深刻なカーボン腐食が生じていると判定する。
In step S2, it is determined whether or not there is an abnormality in the CO 2 concentration in the anode exhaust gas. It is determined whether or not the output of the CO 2 concentration detector 40 exceeds a predetermined range. Predetermined range of CO 2 concentration, CO in the anode gas introduced into the
アノード側に深刻なカーボン腐食反応が生じていると判定された場合には、ステップS3に進み、アノードガスの流量を増加させて水素欠乏を抑制する。また、アノードガスの加湿を抑制することにより、アノード側の水詰まりを解消し、水詰まりによる水素欠乏を解消する。さらに、出力電流を抑制してカーボン腐食反応が生じるのを防止する。 If it is determined that a serious carbon corrosion reaction has occurred on the anode side, the process proceeds to step S3, where the flow rate of the anode gas is increased to suppress hydrogen deficiency. Further, by suppressing the humidification of the anode gas, the clogging on the anode side is eliminated, and the hydrogen deficiency due to the clogging is eliminated. Further, the output current is suppressed to prevent a carbon corrosion reaction from occurring.
次に、ステップS4において、アノード排ガスのCO2濃度が所定の正常値範囲内となったか否かを判断する。CO2濃度が所定濃度範囲内まで回復しない場合には、本フローを終了して運転停止制御を開始する。アノード排ガス中のCO2濃度が所定濃度範囲内に回復したら、ステップS5に進む。ステップS5において、電圧値が回復しているか否かを判断し、回復している場合には、本フローを終了して、通常運転制御を継続する。 Next, in step S4, it is determined whether or not the CO 2 concentration of the anode exhaust gas is within a predetermined normal value range. If the CO 2 concentration does not recover to the predetermined concentration range, this flow is terminated and the operation stop control is started. When the CO 2 concentration in the anode exhaust gas recovers within the predetermined concentration range, the process proceeds to step S5. In step S5, it is determined whether or not the voltage value has been recovered. If the voltage value has been recovered, this flow is terminated and normal operation control is continued.
一方、CO2濃度が正常となった後も電圧値が回復しない場合には、カソード側に異常があると判断して、ステップS6に進む。ステップS6において、カソードガスを増量する。これにより、カソード側に水詰まりが生じている場合には、これを解消する。また、カソードガス加湿手段34における加湿量を、加湿用制御手段35により低減することにより、カソード側の加湿量を抑制して水詰まりを抑制する。なお、ステップS6にけるカソードガスの増加と加湿抑制の動作は、どちらか一方としてもよい。 On the other hand, if the voltage value does not recover after the CO 2 concentration becomes normal, it is determined that there is an abnormality on the cathode side, and the process proceeds to step S6. In step S6, the cathode gas is increased. Thereby, when the water clogging has arisen on the cathode side, this is eliminated. Further, by reducing the humidification amount in the cathode gas humidification means 34 by the humidification control means 35, the humidification amount on the cathode side is suppressed, and water clogging is suppressed. Note that the cathode gas increase and the humidification suppression operation in step S6 may be either one.
ステップS7において、再度電圧値を判断する。電圧値が所定範囲内となっている場合には、本フローを終了する。一方、電圧値が回復しない場合には、本フローを終了して、燃料電池10の運転停止制御に移行する。または、出力制限を設ける、警告するための信号を出力する等の処理を行ってもよい。
In step S7, the voltage value is determined again. When the voltage value is within the predetermined range, this flow ends. On the other hand, when the voltage value does not recover, this flow is finished and the operation shifts to the operation stop control of the
一方、ステップS1において、電圧値が所定範囲内であり、異常が認められなかった場合には、ステップS8に進み、CO2濃度に異常が生じているか否かの判断を行う。CO2濃度のみに異常が生じている場合には、僅かにカーボン腐食反応が生じていると判定する。そこで、ステップS9において、アノードガス流量を増大することにより、水素欠乏を抑制し、また、アノードガスの加湿を抑制してアノード側の水詰まりを解消する。 On the other hand, in step S1, if the voltage value is within the predetermined range and no abnormality is recognized, the process proceeds to step S8, and it is determined whether or not an abnormality has occurred in the CO 2 concentration. If there is an abnormality only in the CO 2 concentration, it is determined that a slight carbon corrosion reaction has occurred. Therefore, in step S9, by increasing the anode gas flow rate, hydrogen deficiency is suppressed, and humidification of the anode gas is suppressed to eliminate clogging on the anode side.
次にステップS10において、CO2濃度が正常な範囲に戻ったか否かを判断する。戻っていない場合には本フローを終了して運転停止制御に移行する。CO2濃度が正常な範囲に戻った場合には、本フローを終了して通常運転を継続する。 Next, in step S10, it is determined whether or not the CO 2 concentration has returned to a normal range. If it has not returned, the present flow is terminated and the operation is stopped. When the CO 2 concentration returns to the normal range, this flow is terminated and normal operation is continued.
一方、ステップS1、S2において、電圧値に異常はあるが、CO2濃度に異常がないと判断された場合には、アノード側には異常がないが、カソード側に異常が生じていると判断する。そこで、ステップS11において、カソードガス供給量を増大することにより、カソードの水詰まりを解消するとともに、出力電流を抑制する。 On the other hand, if it is determined in steps S1 and S2 that the voltage value is abnormal but the CO 2 concentration is not abnormal, it is determined that there is no abnormality on the anode side but an abnormality has occurred on the cathode side. To do. Accordingly, in step S11, the cathode gas supply amount is increased to eliminate the clogging of the cathode and suppress the output current.
次に、ステップS7において、電圧値が所定の正常値内となっているか否かを判断する。正常値内に回復した場合には、本フローを終了し、通常運転を継続する。一方、電圧値が回復しない場合には、燃料電池10自体の損傷による出力低下が生じている可能性がある。このような場合には本フローを終了して、燃料電池10の運転停止制御に移行する。または、出力制限を設ける、警告するための信号を出力する等の処理を行ってもよい。
Next, in step S7, it is determined whether or not the voltage value is within a predetermined normal value. When it recovers within the normal value, this flow is terminated and normal operation is continued. On the other hand, when the voltage value does not recover, there is a possibility that the output is reduced due to damage to the
このように、電圧値、CO2濃度の両方を検出することにより、生じているアノードのカーボン腐食反応の程度を判定し、それに応じた処理を行う。 In this way, by detecting both the voltage value and the CO 2 concentration, the degree of the carbon corrosion reaction of the anode that has occurred is determined, and processing corresponding to that is performed.
なお、CO2濃度および電圧の回復処理を行ってから回復までに時間がかかる場合には、回復するまでの所定時間待機後、回復したか否かの判断(S4、S5、S7、S10)を行うのが好ましい。例えば、ステップS3において水素欠乏の回復処理をおこなってから実際にカーボン腐食反応が低減されるまでに時間がかかる場合には、ステップS4における判断を行うまで所定時間待機する。または、所定の制限時間を予め設定しておき、この間にモニタされたCO2濃度、電圧値が所定範囲まで低減されなかったら本フローを終了するように制御してもよい。このとき、所定の制限時間の間は、経過時間に応じてアノードガスやカソードガスの供給量増加分を徐々に大きく設定してもよい。 If it takes a long time for the recovery after the CO 2 concentration and voltage recovery process is performed, it is determined whether or not the recovery has occurred after waiting for a predetermined time until the recovery (S4, S5, S7, S10). It is preferred to do so. For example, if it takes time until the carbon corrosion reaction is actually reduced after performing the hydrogen deficiency recovery process in step S3, the process waits for a predetermined time until the determination in step S4 is made. Alternatively, a predetermined time limit may be set in advance, and this flow may be controlled to end if the CO 2 concentration and voltage value monitored during this time are not reduced to a predetermined range. At this time, during the predetermined time limit, the increase amount of the supply amount of the anode gas or the cathode gas may be gradually increased according to the elapsed time.
次に、本実施形態の効果について説明する。 Next, the effect of this embodiment will be described.
一つ以上の単位セル10aから構成し、アノードガスとカソードガスの供給を受けて発電を行う燃料電池10と、燃料電池10の、一つまたは直列に接続された複数の単位セル10aの電圧を検出する電圧センサ50と、燃料電池10から排出されたアノード排ガス中のCO2濃度を検出するCO2濃度検出器40と、を備える。また、電圧センサ50の出力とCO2濃度検出器40の出力に応じて燃料電池10のアノードの劣化を判定する劣化判定手段(S1、S2、S8)と、を備える。これにより、燃料電池10のアノードで生じているカーボン腐食反応の程度を判定することができる。その結果、カーボン腐食反応の程度に応じた処理ができ、アノードガスの供給量の増大を抑制し、燃料利用率ならびにシステム効率の向上を図りつつ、アノードにおけるカーボン腐食反応を抑制することができる。
The voltage of the
劣化判定手段は、電圧センサ50の出力が所定範囲より低下しているか否かの判断と、CO2濃度検出器40の出力が所定範囲を超えているか否かの判断と、の組み合わせに基づいて劣化を判定する。その結果、燃料電池10の異常に対して適切な回復処理を行うことができ、燃料電池10の劣化を抑制し、効率を維持することができる。電圧センサ50の出力が所定範囲より小さい場合には、燃料電池10に異常が生じていると判定する。また、CO2濃度検出器40の出力が所定範囲を超えている場合は、燃料電池10のアノードが水素欠乏の状態にあり、カーボン腐食反応が生じていると判定する。
The deterioration determination means is based on a combination of a determination as to whether or not the output of the
アノードガスもしくはカソードガスの少なくとも一方の供給量を調整するガス供給量調整手段を備える。電圧センサ50の出力が所定範囲より低下しているか否かの判断と、CO2濃度検出器40の出力が所定範囲を超えているか否かの判断と、の組み合わせに基づいて、ガス供給量調整手段によりガス供給量を変化させる。ガス供給量調整手段として、アノードガスの供給量を調整するアノードガス供給量調整手段23を備え、CO2濃度検出器40の出力が所定範囲より高い場合には、アノードガス供給量を増大する。電圧センサ50の出力が所定範囲より小さく、CO2濃度検出器40の出力が所定範囲より高い場合には、アノード側でカーボン腐食反応が生じていると判定することができ、アノードガス供給量を増大することにより、水素欠乏を抑制することができる。また、ガス供給量調整手段として、カソードガスの供給量を調整するカソードガス供給量調整手段33を備え、電圧センサ50の出力が所定範囲より小さく、CO2濃度検出器40の出力が所定範囲内の場合には、カソードガス供給量を増大する。電圧センサ50の出力が所定範囲より小さく、CO2濃度検出器40の出力が所定範囲内の場合には、燃料電池10の異常の原因はアノード側ではなくカソード側にあると判断することができ、カソードガス供給量を増大することにより、カソード側の水詰まりを解消して電圧低下を回復することができる。
Gas supply amount adjusting means for adjusting the supply amount of at least one of the anode gas and the cathode gas is provided. Gas supply amount adjustment based on the combination of the determination of whether or not the output of the
アノード側の加湿状態を調整するアノード側加湿状態調整手段を備える。ここでは、アノードガスを加湿するアノードガス加湿手段24と、アノードガス加湿手段24における加湿量を制御するアノードガス加湿量制御手段25を備える。電圧センサ50の出力が所定範囲より低下しているか否かの判断と、CO2濃度検出器40の出力が所定範囲を超えているか否かの判断と、の組み合わせに基づいて、アノード側の加湿状態を変化させる。CO2濃度検出器40の出力が所定範囲を超えている場合には、アノード側の加湿を抑制する。このように、アノード側で水素欠乏が生じ、カーボン腐食反応が生じていると判定される場合には、アノード側の加湿を抑制することにより、水素欠乏の原因となり得る水詰まりを解消する。
Anode-side humidified state adjusting means for adjusting the humidified state on the anode side is provided. Here, anode gas humidifying means 24 for humidifying the anode gas and anode gas humidification amount control means 25 for controlling the humidification amount in the anode gas humidification means 24 are provided. Humidification on the anode side is based on the combination of the determination of whether the output of the
出力電流の抑制を行う電流抑制手段52を備え、電圧センサ50の出力が所定範囲より小さく、CO2濃度検出器40の出力が所定範囲を超えている場合には、出力電流を抑制する。このように、出力を抑制することにより発電反応を抑制し、カーボン腐食反応を低減することができる。また、出力電流の抑制を行う電流抑制手段52を備え、電圧センサ50の出力が所定範囲より小さく、CO2濃度検出器40の出力が所定範囲内である場合には、出力電流を抑制する。これにより、出力が過剰となることにより燃料電池10が劣化するのを防ぐことができる。
Current suppression means 52 that suppresses the output current is provided, and the output current is suppressed when the output of the
アノードガスの供給量を調整するアノードガス供給量調整手段23と、カソードガスの供給量を調整するカソードガス供給量調整手段33と、を備える。また、カソード側の加湿状態を調整するカソード側加湿状態調整手段を備える。ここでは、カソード側加湿状態調整手段として、カソードガスを加湿するカソードガス加湿手段34と、カソードガス加湿手段34における加湿量を制御するカソードガス加湿量制御手段35を設ける。さらに、出力電流の抑制を行う電流抑制手段35を備える。電圧センサ50の出力が所定範囲より小さく、CO2濃度検出器40の出力が所定範囲を超えている場合には、出力電流を抑制するとともにアノードガスの供給量を増大し、CO2濃度検出器40の出力が所定範囲内になったら電圧センサ50の出力が所定範囲であるか否かを再度判断し、電圧センサ50の出力が所定範囲より小さいままである場合には、カソードガス供給量の増大、もしくは、カソード側の加湿の抑制、の少なくとも一方を行う。このように、アノード側、カソード側の両方に異常が生じている場合にも、その両方を解消することができる。
An anode gas supply amount adjusting means 23 for adjusting the supply amount of the anode gas and a cathode gas supply amount adjusting means 33 for adjusting the supply amount of the cathode gas are provided. Further, a cathode side humidification state adjusting means for adjusting the humidification state on the cathode side is provided. Here, as the cathode side humidification state adjusting means, a cathode gas humidifying means 34 for humidifying the cathode gas and a cathode gas humidifying amount control means 35 for controlling the humidification amount in the cathode gas humidifying means 34 are provided. Furthermore, the current suppression means 35 which suppresses output current is provided. When the output of the
燃料電池10を、複数の単位セル10aを積層してなるスタックより構成し、電圧センサ50は、単位セル10a積層方向の中央部側ほどセル数に対して粗にセル電圧を検出し、積層方向端部ではセル数に対して密にセル電圧を検出する。または、燃料電池10を、複数の単位セル10aを積層してなるスタックにより構成し、電圧センサ50は、単位セル10a積層方向の中央部近傍において、直列に接続する複数の単位セル10a毎の電圧を検出し、積層方向端部では一つの単位セル10a毎の電圧を検出する。これにより、ガス供給にバラツキが生じ易い端部については、より正確に判定できるとともに、全体のモニタ箇所を抑制できるので、システムのコンパクト化、低コスト化を図ることができる。
The
なお、本実施形態では、燃料電池として複数の単位セル10aを積層して構成したスタックを用いたがこの限りではなく、一つの単位セル10aから構成した場合にも適用できる。また、電圧センサ50は端部において、単位セル10a毎に設けたがこの限りではなく、複数個ずつの電圧を検出するように構成してもよい。さらに、アノードガスを炭化水素化合物の改質により生成した場合等、供給されるアノードガス内にCO2が含まれる場合には、燃料電池10の入口側にも電圧検出手段を設け、燃料電池10内でのCO2濃度増加量を検出することによりカーボン腐食反応の増加を判定してもよい。
In the present embodiment, a stack formed by stacking a plurality of
このように、本発明は、上記発明を実施するための最良の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術思想の範囲内で、様々な変更を為し得ることはいうまでもない。 Thus, the present invention is not limited to the best mode for carrying out the invention, and various modifications can be made within the scope of the technical idea described in the claims. Not too long.
本発明は、燃料電池システムに適用することができる。特に、燃料電池の劣化判定に適用することができる。 The present invention can be applied to a fuel cell system. In particular, the present invention can be applied to fuel cell deterioration determination.
10 燃料電池
23 アノードガス供給量調整手段
24 アノードガス加湿手段(アノード側加湿状態調整手段)
25 加湿量制御手段(アノード側加湿状態調整手段)
33 カソードガス供給量調整手段
34 カソードガス加湿手段(カソード側加湿状態調整手段)
35 加湿量制御手段(カソード側加湿状態調整手段)
40 CO2濃度検出器(CO2濃度検出手段)
50 電圧センサ(電圧検出手段)
52 電流制御手段
劣化判定手段・・・S1、S2、S8
DESCRIPTION OF
25 Humidification amount control means (Anode side humidification state adjustment means)
33 Cathode gas supply amount adjustment means 34 Cathode gas humidification means (cathode side humidification state adjustment means)
35 Humidification amount control means (Cathode side humidification state adjustment means)
40 CO 2 concentration detector (CO 2 concentration detection means)
50 Voltage sensor (voltage detection means)
52 Current control means Degradation determining means S1, S2, S8
Claims (12)
前記燃料電池の、一つまたは直列に接続された複数の単位セルの電圧を検出する電圧検出手段と、
前記燃料電池から排出されたアノード排ガス中の二酸化炭素濃度を検出するCO2濃度検出手段と、
前記電圧検出手段の出力と前記CO2濃度検出手段の出力に応じて前記燃料電池のアノードの劣化を判定する劣化判定手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell composed of one or more unit cells and generating power by receiving supply of anode gas and cathode gas;
Voltage detecting means for detecting the voltage of one or a plurality of unit cells connected in series of the fuel cell;
CO 2 concentration detection means for detecting the carbon dioxide concentration in the anode exhaust gas discharged from the fuel cell;
A fuel cell system comprising: a deterioration determination unit that determines deterioration of the anode of the fuel cell according to the output of the voltage detection unit and the output of the CO 2 concentration detection unit.
前記劣化判定手段の出力に基づいて、前記ガス供給量調整手段によりガス供給量を変化させる請求項1または2に記載の燃料電池システム。 A gas supply amount adjusting means for adjusting the supply amount of at least one of the anode gas and the cathode gas;
3. The fuel cell system according to claim 1, wherein the gas supply amount is changed by the gas supply amount adjustment unit based on an output of the deterioration determination unit.
前記CO2濃度検出手段の出力が所定範囲より高い場合には、アノードガス供給量を増大する請求項3に記載の燃料電池システム。 As the gas supply amount adjusting means, an anode gas supply amount adjusting means for adjusting the supply amount of the anode gas is provided,
4. The fuel cell system according to claim 3, wherein the anode gas supply amount is increased when the output of the CO 2 concentration detection means is higher than a predetermined range.
前記電圧検出手段の出力が所定範囲より小さく、前記CO2濃度検出手段の出力が所定範囲内の場合には、カソードガス供給量を増大する請求項3または4に記載の燃料電池システム。 As the gas supply amount adjusting means, a cathode gas supply amount adjusting means for adjusting the supply amount of the cathode gas is provided,
The fuel cell system according to claim 3 or 4, wherein when the output of the voltage detection means is smaller than a predetermined range and the output of the CO 2 concentration detection means is within a predetermined range, the cathode gas supply amount is increased.
前記劣化判定手段の出力に基づいて、アノード側の加湿状態を変化させる請求項1または2に記載の燃料電池システム。 An anode side humidification state adjusting means for adjusting the humidification state on the anode side is provided,
The fuel cell system according to claim 1 or 2, wherein the humidification state on the anode side is changed based on the output of the deterioration determination means.
前記電圧検出手段の出力が所定範囲より小さく、前記CO2濃度検出手段の出力が所定範囲を超えている場合には、出力電流を抑制する請求項1または2に記載の燃料電池システム。 Provided with current suppressing means for suppressing the output current,
The fuel cell system according to claim 1 or 2, wherein the output current is suppressed when the output of the voltage detection means is smaller than a predetermined range and the output of the CO 2 concentration detection means exceeds a predetermined range.
前記電圧検出手段の出力が所定範囲より小さく、前記CO2濃度検出手段の出力が所定範囲内である場合には、出力電流を抑制する請求項1または2に記載の燃料電池システム。 Provided with current suppressing means for suppressing the output current,
The fuel cell system according to claim 1 or 2, wherein the output current is suppressed when the output of the voltage detection means is smaller than a predetermined range and the output of the CO 2 concentration detection means is within the predetermined range.
カソードガスの供給量を調整するカソードガス供給量調整手段と、
カソード側の加湿状態を調整するカソード側加湿状態調整手段と、
出力電流の抑制を行う電流抑制手段と、を備え、
前記電圧検出手段の出力が所定範囲より小さく、前記CO2濃度検出手段の出力が所定範囲を超えている場合には、
出力電流を抑制するとともにアノードガスの供給量を増大し、前記CO2濃度検出手段の出力が所定範囲内になったら前記電圧検出手段の出力が所定範囲であるか否かを再度判断し、前記電圧検出手段の出力が所定範囲より小さいままである場合には、カソードガス供給量の増大、もしくは、カソード側の加湿の抑制、の少なくとも一方を行う請求項1または2に記載の燃料電池システム。 An anode gas supply amount adjusting means for adjusting the supply amount of the anode gas;
Cathode gas supply amount adjusting means for adjusting the supply amount of the cathode gas;
Cathode side humidification state adjusting means for adjusting the humidification state on the cathode side;
Current suppression means for suppressing the output current,
When the output of the voltage detection means is smaller than a predetermined range and the output of the CO 2 concentration detection means exceeds a predetermined range,
Suppressing the output current and increasing the supply amount of anode gas, when the output of the CO 2 concentration detection means falls within a predetermined range, it is determined again whether the output of the voltage detection means is within the predetermined range, 3. The fuel cell system according to claim 1, wherein when the output of the voltage detection means remains smaller than a predetermined range, at least one of increasing the cathode gas supply amount or suppressing humidification on the cathode side is performed.
前記電圧検出手段は、前記単位セル積層方向の中央部側ほどセル数に対して粗にセル電圧を検出し、積層方向端部ではセル数に対して密にセル電圧を検出する請求項1または2に記載の燃料電池システム。 The fuel cell is composed of a stack formed by stacking a plurality of unit cells,
The voltage detection means detects a cell voltage roughly with respect to the number of cells toward the center in the unit cell stacking direction, and detects a cell voltage densely with respect to the number of cells at the end in the stacking direction. 3. The fuel cell system according to 2.
前記電圧検出手段は、前記単位セル積層方向の中央部近傍において、直列に接続する複数の単位セルの電圧を検出し、積層方向端部では一つの単位セルの電圧を検出する請求項1または2に記載の燃料電池システム。 The fuel cell is constituted by a stack formed by laminating a plurality of unit cells,
The voltage detection means detects a voltage of a plurality of unit cells connected in series in the vicinity of a central portion in the unit cell stacking direction, and detects a voltage of one unit cell at an end in the stacking direction. The fuel cell system described in 1.
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