JP2006202545A - Fuel cell system and its operation method - Google Patents

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敬一 広瀬
Kenji Kato
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system suppressing the generation of deterioration reaction of a fuel cell and suppressing decrease in durability of the fuel cell. <P>SOLUTION: The fuel cell system 100 is equipped with a polymer electrolyte membrane fuel cell 1, a fuel supply means, and control means S101-S123. A supply valve 63 opening and closing piping 53, a hydrogen supply pressure regulator 62 installed between a hydrogen main regulator 61 and a supply valve 63 and controlling the supply pressure of fuel gas, a first pressure sensor 72 for detecting supply pressure (first supply pressure P1) between the hydrogen main regulator 61 and the hydrogen supply pressure regulator 62, and a second pressure sensor 73 for detecting supply pressure (second supply pressure P2) between the supply valve 63 and a supply port 21a are installed in piping 52, 53. When a variation value per time (dP/dt) of the difference between the first supply pressure P1 and the second supply pressure P2 is larger than a prescribed value in the steady power generation of the fuel cell 1, the control devices S101-S123 determine that the supply valve 63 is closed, and sound an alarm. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell system.

特許文献1に従来の固体高分子膜型の燃料電池(PEFC:Polymer Electrolyte Fuel Cells)を適用した燃料電池システムが開示されている。   Patent Document 1 discloses a fuel cell system to which a conventional polymer electrolyte fuel cell (PEFC) is applied.

この燃料電池システムに適用される燃料電池は、イオン交換樹脂からなる電解質膜である固体高分子膜を燃料極(アノード極、水素極ともいう。)と空気極(カソード極、酸素極ともいう。)とで挟持したものであり、燃料極に燃料ガスを供給するための燃料室を有している。   In a fuel cell applied to this fuel cell system, a solid polymer membrane, which is an electrolyte membrane made of an ion exchange resin, is also referred to as a fuel electrode (also referred to as an anode electrode or a hydrogen electrode) and an air electrode (also referred to as a cathode electrode or an oxygen electrode). And a fuel chamber for supplying fuel gas to the fuel electrode.

この燃料電池システムは、上記燃料電池の他に、燃料供給手段及び圧力調整手段を備えている。燃料供給手段は、燃料電池に一端が接続され燃料ガスを供給するための供給路、供給路を開閉する供給弁及び供給路の他端に接続され燃料ガスを供給する燃料供給源を有するものである。圧力調整手段は、供給弁より下流の供給路に設けられて、燃料電池に供給される燃料ガスの供給圧力を調整するものである。供給路には、圧力調整手段と燃料電池との間の供給圧力を検出する圧力センサが設けられている。   The fuel cell system includes a fuel supply unit and a pressure adjustment unit in addition to the fuel cell. The fuel supply means includes a supply path for supplying fuel gas with one end connected to the fuel cell, a supply valve for opening and closing the supply path, and a fuel supply source for supplying fuel gas connected to the other end of the supply path. is there. The pressure adjusting means is provided in the supply path downstream from the supply valve, and adjusts the supply pressure of the fuel gas supplied to the fuel cell. The supply path is provided with a pressure sensor that detects the supply pressure between the pressure adjusting means and the fuel cell.

また、この燃料電池システムは、排出路により燃料室から排気燃料ガスを排出するための燃料排出手段と、排出路及び供給路を連結する循環路を有し、循環路により供給路に排気燃料ガスを供給するための燃料循環手段とを備えている。   The fuel cell system also has a fuel discharge means for discharging exhaust fuel gas from the fuel chamber through the discharge path, and a circulation path connecting the discharge path and the supply path, and the exhaust fuel gas is connected to the supply path by the circulation path. And a fuel circulation means for supplying the fuel.

燃料排出手段は、排気弁により排出路を開閉して、燃料室から排気燃料ガスを排出する。燃料循環手段は、燃料循環弁により循環路を開閉して、排気燃料ガスを燃料室に再供給することを可能としている。   The fuel discharge means opens and closes the discharge path with the exhaust valve to discharge the exhaust fuel gas from the fuel chamber. The fuel circulation means can re-supply exhaust fuel gas to the fuel chamber by opening and closing the circulation path with a fuel circulation valve.

さらに、この燃料電池システムは、燃料電池の定常発電時に圧力センサの検出信号等に基づいて燃料排出手段の異常を判定する制御手段を有している。この制御手段は、例えば、燃料排出手段の排気弁の故障により、排出路を開閉することができない異常を判定して、警報信号を発する。   Furthermore, this fuel cell system has a control means for determining abnormality of the fuel discharge means based on a detection signal of the pressure sensor or the like during steady power generation of the fuel cell. For example, the control means determines an abnormality in which the discharge path cannot be opened or closed due to a failure of the exhaust valve of the fuel discharge means, and issues an alarm signal.

このような構成である従来の燃料電池システムは、燃料電池が発電送電可能な状態である燃料電池の定常発電時において、次のように作動する。まず、燃料ガスが供給弁により開状態とされた供給路により燃料電池の燃料室に供給される。この際、燃料ガスは、圧力調整手段により供給圧力が調整される。同時に、燃料電池の空気極にも酸素を含む空気が供給される。その結果として、燃料電池の燃料極と空気極との間で起電力が生じる。また、燃料室から排出された排気燃料ガスは、燃料循環手段により、再び燃料室に再供給されるようになっており、燃料ガスが再利用される。   The conventional fuel cell system having such a configuration operates as follows during steady power generation of the fuel cell in a state where the fuel cell can generate and transmit power. First, the fuel gas is supplied to the fuel chamber of the fuel cell through the supply path opened by the supply valve. At this time, the supply pressure of the fuel gas is adjusted by the pressure adjusting means. At the same time, air containing oxygen is also supplied to the air electrode of the fuel cell. As a result, an electromotive force is generated between the fuel electrode and the air electrode of the fuel cell. The exhaust fuel gas discharged from the fuel chamber is re-supplied to the fuel chamber again by the fuel circulation means, and the fuel gas is reused.

また、この制御手段は、圧力調整手段と燃料電池との間の燃料ガスの供給圧力を測定する圧力センサの検出信号等に基づいて、燃料電池の定常発電時において、燃料排出手段の故障等の異常を判定し、警告を発する。   In addition, the control means can detect the failure of the fuel discharge means during steady power generation of the fuel cell based on the detection signal of the pressure sensor that measures the supply pressure of the fuel gas between the pressure adjustment means and the fuel cell. Judge abnormalities and issue warnings.

こうして、従来の燃料電池システムは、燃料電池により電力を供給することができるとともに、燃料電池の定常発電時において、燃料排出手段に故障等の異常が生じた場合には、その異常を認知して、その後の適切な処置に移行することができるようになっている。   Thus, the conventional fuel cell system can supply electric power from the fuel cell, and recognizes an abnormality such as a failure in the fuel discharge means during steady power generation of the fuel cell. Then you can move on to the appropriate treatment.

特開2003−92125号公報JP 2003-92125 A

しかし、上記特許文献1の燃料電池システムは、燃料電池の定常発電時において燃料排出手段の故障等の異常を判定し、警報を発するものに過ぎないことから、燃料電池の定常発電時において、下記のような事態によって燃料電池に劣化反応を生じ、耐久性が損なわれることを防止できない。   However, since the fuel cell system of Patent Document 1 only determines an abnormality such as a failure of the fuel discharge means at the time of steady power generation of the fuel cell and issues an alarm. It is not possible to prevent the durability from being deteriorated due to a deterioration reaction in the fuel cell due to such a situation.

すなわち、燃料電池の定常発電時において、信号ケーブルの断線等の何らかの不具合により供給弁が閉じてしまうと、燃料ガスの供給が完全に停止してしまう。このため、定常発電中の燃料電池には、燃料ガスが供給されなくなってしまう。   That is, during steady power generation of the fuel cell, if the supply valve is closed due to some trouble such as disconnection of the signal cable, the supply of the fuel gas is completely stopped. For this reason, the fuel gas is not supplied to the fuel cell during steady power generation.

このような事態が発生した場合、例えば燃料ガスを消費する燃料室内に燃料ガスを供給できなくなり、燃料極の表面において反応の分布が不均一になる事態が生じる。このため、燃料室内では、局所的な異常発電状態を生じ、燃料電池全体の電圧降下等の性能悪化が生じる(フラッディング現象と称される)。その結果、この燃料電池システムは、燃料電池に劣化反応を生じて、燃料電池の耐久性が損なわれることとなる。   When such a situation occurs, for example, it becomes impossible to supply the fuel gas into the fuel chamber that consumes the fuel gas, and a situation occurs in which the reaction distribution becomes uneven on the surface of the fuel electrode. For this reason, a local abnormal power generation state occurs in the fuel chamber, and performance deterioration such as a voltage drop of the entire fuel cell occurs (referred to as a flooding phenomenon). As a result, this fuel cell system causes a deterioration reaction in the fuel cell and impairs the durability of the fuel cell.

本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、燃料電池に劣化反応を生じ難く、燃料電池の耐久性を損ない難い燃料電池システムを提供することを解決すべき課題としている。   The present invention has been made in view of the above-described conventional situation, and an object to be solved is to provide a fuel cell system that hardly causes a deterioration reaction in the fuel cell and does not easily impair the durability of the fuel cell.

請求項1に係る燃料電池システムは、固体高分子膜を燃料極と空気極とで挟持し、該燃料極に燃料ガスを供給するための燃料室を有する燃料電池と、
該燃料電池に一端が接続され、該燃料室に該燃料ガスを供給するための供給路、該供給路を開閉する供給弁及び該供給路の他端に接続され、該燃料ガスを供給する燃料供給源を有する燃料供給手段と、
該燃料供給源と該供給弁との間に設けられ、該燃料電池に供給される該燃料ガスの供給圧力を調整する圧力調整手段と、
該燃料供給源と該圧力調整手段との間の供給圧力を検出する第1圧力検出手段と、
該供給弁と該燃料電池との間の供給圧力を検出する第2圧力検出手段と、
該燃料電池の定常発電時に、該第1圧力検出手段と該第2圧力検出手段とにより検出された供給圧力の差の単位時間当たりの変化値が所定値よりも大きい場合、該供給弁が閉じたと判定して警報信号を発する制御手段とを備えたことを特徴とする。
A fuel cell system according to claim 1 is a fuel cell having a fuel chamber for sandwiching a solid polymer film between a fuel electrode and an air electrode and supplying fuel gas to the fuel electrode;
One end connected to the fuel cell, a supply path for supplying the fuel gas to the fuel chamber, a supply valve for opening and closing the supply path, and a fuel connected to the other end of the supply path for supplying the fuel gas Fuel supply means having a supply source;
A pressure adjusting means provided between the fuel supply source and the supply valve, for adjusting a supply pressure of the fuel gas supplied to the fuel cell;
First pressure detecting means for detecting a supply pressure between the fuel supply source and the pressure adjusting means;
Second pressure detecting means for detecting a supply pressure between the supply valve and the fuel cell;
If the change value per unit time of the difference in supply pressure detected by the first pressure detection means and the second pressure detection means is larger than a predetermined value during steady power generation of the fuel cell, the supply valve is closed. And a control means for issuing an alarm signal upon determining that the alarm has occurred.

このような構成である本発明の燃料電池システムは、燃料電池の定常発電時において、次のように作動する。   The fuel cell system of the present invention having such a configuration operates as follows during steady power generation of the fuel cell.

まず、圧力調整手段により供給圧力を調整された燃料ガスが燃料供給手段により燃料電池の燃料室に供給される。同時に、燃料電池の空気極にも酸素を含む空気が供給される。その結果として、燃料電池の燃料極と空気極との間で起電力が生じる。また、燃料電池の燃料室内で燃料ガスが消費されるのに伴って、供給路により燃料室に燃料ガスが供給される。こうして、本発明の燃料電池システムは、燃料電池の定常発電時において、燃料電池により電力を供給することができるようになっている。   First, the fuel gas whose supply pressure is adjusted by the pressure adjusting means is supplied to the fuel chamber of the fuel cell by the fuel supplying means. At the same time, air containing oxygen is also supplied to the air electrode of the fuel cell. As a result, an electromotive force is generated between the fuel electrode and the air electrode of the fuel cell. Further, as the fuel gas is consumed in the fuel chamber of the fuel cell, the fuel gas is supplied to the fuel chamber through the supply path. Thus, the fuel cell system of the present invention can supply power from the fuel cell during steady power generation of the fuel cell.

ここで、供給路には、供給弁と、圧力調整手段と、第1圧力検出手段と、第2圧力検出手段とが設けられている。供給弁は供給路を開閉し、圧力調整手段は燃料ガスの供給圧力を所定の圧力に調整し、第1圧力検出手段は、燃料供給源と圧力調整手段との間の供給圧力(以下、第1供給圧(P1)という。)を検出し、第2圧力検出手段は供給弁と燃料電池との間の供給圧力(以下、第2供給圧(P2)という。)を検出する。   Here, the supply path is provided with a supply valve, a pressure adjusting means, a first pressure detecting means, and a second pressure detecting means. The supply valve opens and closes the supply path, the pressure adjusting means adjusts the supply pressure of the fuel gas to a predetermined pressure, and the first pressure detecting means is a supply pressure (hereinafter referred to as a first pressure) between the fuel supply source and the pressure adjusting means. 1 supply pressure (P1)), and the second pressure detecting means detects a supply pressure between the supply valve and the fuel cell (hereinafter referred to as a second supply pressure (P2)).

そして、制御手段は、燃料電池の定常発電時において、第1圧力検出手段と第2圧力検出手段とにより検出された供給圧力の差の単位時間当たりの変化値が所定値よりも大きい場合、前記供給弁が閉じたと判定して警報信号を発する。   When the change value per unit time of the difference in supply pressure detected by the first pressure detection means and the second pressure detection means is larger than a predetermined value during steady power generation of the fuel cell, the control means It determines that the supply valve is closed and issues an alarm signal.

つまり、燃料電池の定常発電時において、供給弁が正常に開いており、供給路が開状態である場合には、燃料電池の燃料室内で燃料ガスが消費されるのに伴って、供給路により燃料室に燃料ガスが供給される。   That is, when the supply valve is normally open and the supply path is open during steady power generation of the fuel cell, the fuel path is consumed as fuel gas is consumed in the fuel chamber of the fuel cell. Fuel gas is supplied to the fuel chamber.

この際、例えば、燃料電池システムに接続された負荷の大きさが変動すれば、燃料電池の出力電圧も変動する。このため、燃料電池の出力電圧の変動に応じて、燃料ガスの供給量も変動する。このため、燃料ガスの供給量の変動に応じて、第1供給圧(P1)及び第2供給圧(P2)も変動する。他方、負荷が所定の大きさで一定であれば、燃料ガスの供給量も所定の流量で一定となり、第1供給圧(P1)及び第2供給圧(P2)も所定の圧力で一定となる。   At this time, for example, if the load connected to the fuel cell system varies, the output voltage of the fuel cell also varies. For this reason, the supply amount of the fuel gas also varies according to the variation in the output voltage of the fuel cell. Therefore, the first supply pressure (P1) and the second supply pressure (P2) also vary according to the variation in the fuel gas supply amount. On the other hand, if the load is constant at a predetermined magnitude, the supply amount of fuel gas is also constant at a predetermined flow rate, and the first supply pressure (P1) and the second supply pressure (P2) are also constant at a predetermined pressure. .

このため、負荷の大きさの変動にかかわらず、第1供給圧(P1)と第2供給圧(P2)との差(P1−P2)の単位時間当たりの変化値(dP/dt)は、供給弁が正常に開いている場合には、0又はそれに近い値となるのである。   For this reason, the change value (dP / dt) per unit time of the difference (P1−P2) between the first supply pressure (P1) and the second supply pressure (P2) regardless of the variation in the magnitude of the load is When the supply valve is normally opened, the value is 0 or a value close thereto.

それに対して、燃料電池の定常発電時において、信号ケーブルの断線等の何らかの不具合により、供給弁が閉じてしまう異常が生じた場合には、供給路が閉状態となり、燃料ガスの供給が完全に停止してしまう。このため、定常発電中の燃料電池には、燃料ガスが供給されなくなってしまう。   On the other hand, in the case of steady power generation of the fuel cell, if there is an abnormality that the supply valve closes due to some trouble such as signal cable disconnection, the supply path is closed and the fuel gas supply is completely It will stop. For this reason, the fuel gas is not supplied to the fuel cell during steady power generation.

この際、圧力調整手段よりも上流側である第1供給圧(P1)は、燃料ガスの流量がなくなるため、より上流からの燃料ガスの供給圧力と同等かそれに近い、ほぼ一定の圧力を保つこととなる。他方、供給弁よりも下流側である第2供給圧(P2)は、燃料ガスの流量がなくなるとともに、燃料電池の燃料室内で燃料ガスが消費されるため、直ちに減少し始め、その後、継続的に減少することとなる。   At this time, the first supply pressure (P1) on the upstream side of the pressure adjusting means is maintained at a substantially constant pressure that is equal to or close to the supply pressure of the fuel gas from the upstream side because the flow rate of the fuel gas is eliminated. It will be. On the other hand, the second supply pressure (P2), which is downstream from the supply valve, starts to decrease immediately after the flow of the fuel gas is lost and the fuel gas is consumed in the fuel chamber of the fuel cell. Will be reduced.

このため、この燃料電池システムにおいては、第1供給圧(P1)と第2供給圧(P2)との差(P1−P2)の単位時間当たりの変化値(dP/dt)は、供給弁が閉じてしまう異常が生じた場合には、0よりもある程度大きな値となるのである。   Therefore, in this fuel cell system, the change value (dP / dt) per unit time of the difference (P1−P2) between the first supply pressure (P1) and the second supply pressure (P2) is determined by the supply valve. When an abnormality that closes occurs, the value is somewhat larger than zero.

このため、上記を勘案して、0よりもある程度高く設定した閾値Xと、dP/dtとを比較し、dP/dt≦Xの場合には、異常判定手段は、「燃料電池の定常発電時において供給弁が正常に開いている」と判定することができる。その結果、この燃料電池システムは、そのまま燃料電池の定常発電を続行する。   Therefore, in consideration of the above, the threshold value X set to be somewhat higher than 0 is compared with dP / dt, and when dP / dt ≦ X, the abnormality determination means determines that “at the time of steady power generation of the fuel cell” It can be determined that the supply valve is normally open. As a result, this fuel cell system continues the steady power generation of the fuel cell as it is.

逆に、閾値XとdP/dtとを比較し、dP/dt>Xの場合には、制御手段は、「燃料電池の定常発電時において供給弁が閉じた」と判定して、直ちに警報信号を発するのである。   On the contrary, the threshold value X is compared with dP / dt, and when dP / dt> X, the control means determines that “the supply valve is closed at the time of steady power generation of the fuel cell” and immediately outputs an alarm signal. It emits.

このため、燃料電池の定常発電時において、警報信号が発せられているのであれば、燃料室内に燃料ガスを供給できなくなって、燃料室内で局所的な異常発電状態を生じ、その結果として、燃料電池に劣化反応を生じて、燃料電池の耐久性が損なわれるということが明確になる。このため、本発明の燃料電池システムは、そのような燃料電池の劣化と耐久性の低下を最小限で又は未然に防止することを実現するため、燃料電池の異常停止動作等の適切な処置に移行することもできるのである。   For this reason, if an alarm signal is issued during steady power generation of the fuel cell, the fuel gas cannot be supplied into the fuel chamber, and a local abnormal power generation state occurs in the fuel chamber. It becomes clear that a deterioration reaction occurs in the battery and the durability of the fuel cell is impaired. For this reason, the fuel cell system according to the present invention is suitable for appropriate measures such as an abnormal stop operation of the fuel cell in order to minimize or prevent such deterioration of the fuel cell and a decrease in durability. It can also be migrated.

したがって、本発明の燃料電池システムは、燃料電池に劣化反応を生じ難く、燃料電池の耐久性を損ない難いのである。   Therefore, the fuel cell system of the present invention is unlikely to cause a deterioration reaction in the fuel cell, and it is difficult to impair the durability of the fuel cell.

請求項2に係る燃料電池システムにおいて、前記制御手段は、前記警報信号を発した時、前記燃料電池を所定の異常停止動作で停止させるものである。   3. The fuel cell system according to claim 2, wherein when the alarm signal is issued, the control means stops the fuel cell with a predetermined abnormal stop operation.

この場合、この燃料電池システムは、燃料電池を確実に発電停止状態にすることができるので、燃料電池システムの安全性を一層高めることができる。   In this case, since the fuel cell system can reliably bring the fuel cell into a power generation stop state, the safety of the fuel cell system can be further enhanced.

本発明は燃料電池システムの運転方法でもあり得る。請求項3に係る燃料電池システムの運転方法は、固体高分子膜を燃料極と空気極とで挟持し、該燃料極に燃料ガスを供給するための燃料室を有する燃料電池と、
該燃料電池に一端が接続され、該燃料室に該燃料ガスを供給するための供給路、該供給路を開閉する供給弁及び該供給路の他端に接続され、燃料ガスを供給する燃料供給源を有する燃料供給手段と、
該燃料供給源と該供給弁との間に設けられ、該燃料電池に供給される該燃料ガスの供給圧力を調整する圧力調整手段とを備えた燃料電池システムの運転方法において、
前記燃料電池の定常発電時に、前記燃料供給源と前記圧力調整手段との間の供給圧力と、前記供給弁と該燃料電池との間の供給圧力との差を検出し、該差の単位時間当たりの変化値が所定値よりも大きい場合、該供給弁が閉じたと判定して警報信号を発することを特徴とする。
The present invention may also be a method for operating a fuel cell system. A fuel cell system operating method according to claim 3 includes a fuel cell having a fuel chamber for sandwiching a solid polymer film between a fuel electrode and an air electrode and supplying fuel gas to the fuel electrode;
One end connected to the fuel cell, a supply path for supplying the fuel gas to the fuel chamber, a supply valve for opening and closing the supply path, and a fuel supply for supplying fuel gas connected to the other end of the supply path A fuel supply means having a source;
In a method for operating a fuel cell system, comprising: a pressure adjusting unit that is provided between the fuel supply source and the supply valve and adjusts a supply pressure of the fuel gas supplied to the fuel cell.
During steady power generation of the fuel cell, a difference between a supply pressure between the fuel supply source and the pressure adjusting means and a supply pressure between the supply valve and the fuel cell is detected, and the unit time of the difference is detected. When the hit change value is larger than a predetermined value, it is determined that the supply valve is closed and an alarm signal is issued.

以下、本発明の燃料電池システムを具体化した実施例1を図面を参照しつつ説明する。   Hereinafter, a first embodiment of the fuel cell system of the present invention will be described with reference to the drawings.

図1に示す実施例1の燃料電池システム100は、図2に示す固体高分子膜型の燃料電池1を適用したものである。   A fuel cell system 100 of Example 1 shown in FIG. 1 is one in which the polymer electrolyte fuel cell 1 shown in FIG. 2 is applied.

この燃料電池1は、2枚のエンドプレート20a、20bの間に図示しない集電板及び絶縁板を介して積層体10が挟持されたものである。積層体10は、図3に示すように、MEA(Membrane Electrode Assembly)11をセパレータ12で挟みながら順次積層したものである。MEA11は、イオン交換樹脂からなる電解質膜11aと、この電解質膜11aの一面に一体に形成されたカーボンからなる燃料極11bと、電解質膜11aの他面に一体に形成されたカーボンからなる空気極11cとからなる。全ての燃料極11bは一方の集電板に電気的に接続され、全ての空気極11cは他方の集電板に電気的に接続されており、図2に示すように、両集電板の各端子1a、1bは燃料電池1から突出されている。   In the fuel cell 1, the laminate 10 is sandwiched between two end plates 20a and 20b via current collectors and insulating plates (not shown). As shown in FIG. 3, the stacked body 10 is formed by sequentially stacking MEA (Membrane Electrode Assembly) 11 while being sandwiched between separators 12. The MEA 11 includes an electrolyte membrane 11a made of an ion exchange resin, a fuel electrode 11b made of carbon integrally formed on one surface of the electrolyte membrane 11a, and an air electrode made of carbon integrally formed on the other surface of the electrolyte membrane 11a. 11c. All the fuel electrodes 11b are electrically connected to one current collector plate, and all the air electrodes 11c are electrically connected to the other current collector plate. As shown in FIG. Each terminal 1a, 1b protrudes from the fuel cell 1.

図3に示すように、各セパレータ12の燃料極11b側には燃料室12aが形成されており、燃料室12aによって燃料ガスである水素ガスが燃料極11bに供給されるようになっている。他方、各セパレータ12の空気極11c側には空気室12bが形成されており、空気室12bによって酸素を含む空気が空気極11cに供給されるようになっている。燃料室12aは水平方向に開口されており、空気室12bは燃料室12aと直交する方向である垂直方向に開口されている。なお、積層体10の両端のセパレータ12には燃料室12a又は空気室12bだけが形成されている。こうして一枚のMEA11と一対のセパレータ12とによって個々の燃料電池1のセル10aが構成されている。各セル10aの全ての燃料室12aは、図2に示すように、一方のエンドプレート20aに形成された供給口21a及び他方のエンドプレート20bに形成された排出口21bに連通している。   As shown in FIG. 3, a fuel chamber 12a is formed on the fuel electrode 11b side of each separator 12, and hydrogen gas, which is a fuel gas, is supplied to the fuel electrode 11b by the fuel chamber 12a. On the other hand, an air chamber 12b is formed on the air electrode 11c side of each separator 12, and air containing oxygen is supplied to the air electrode 11c by the air chamber 12b. The fuel chamber 12a is opened in the horizontal direction, and the air chamber 12b is opened in the vertical direction, which is a direction orthogonal to the fuel chamber 12a. In addition, only the fuel chamber 12a or the air chamber 12b is formed in the separator 12 of the both ends of the laminated body 10. FIG. Thus, the single cell 10a of the fuel cell 1 is configured by the single MEA 11 and the pair of separators 12. As shown in FIG. 2, all the fuel chambers 12a of each cell 10a communicate with a supply port 21a formed in one end plate 20a and a discharge port 21b formed in the other end plate 20b.

そして、この燃料電池1は、図1に示すように、他の構成部品とともに組み付けられて、燃料電池システム100を構成する。   As shown in FIG. 1, the fuel cell 1 is assembled with other components to constitute a fuel cell system 100.

燃料電池1の燃料室12aに設けられた供給口21a及び排出口21bには、次のような各種の構成部品が接続されて、燃料室12a内への水素ガスの供給又は燃料室12aからの水素ガスの排出を実施したり、燃料室12a内を外気で置換したりすることが可能とされている。   The following various components are connected to the supply port 21a and the discharge port 21b provided in the fuel chamber 12a of the fuel cell 1 to supply hydrogen gas into the fuel chamber 12a or from the fuel chamber 12a. It is possible to discharge hydrogen gas or replace the inside of the fuel chamber 12a with outside air.

供給口21aの最も上流側には水素タンク50があり、水素タンク50から接続点Aまでには、配管51が設けられている。配管51は、水素タンク50側から、水素元電磁弁60と、水素元圧力センサ71と、水素元レギュレータ61とを有している。   A hydrogen tank 50 is provided at the most upstream side of the supply port 21a, and a pipe 51 is provided from the hydrogen tank 50 to the connection point A. The pipe 51 includes a hydrogen source solenoid valve 60, a hydrogen source pressure sensor 71, and a hydrogen source regulator 61 from the hydrogen tank 50 side.

接続点Aから接続点Bまでには配管52が設けられている。配管52は、第1圧力センサ72を有し、その下流に水素供給圧レギュレータ62を有している。第1圧力センサ72は、水素元レギュレータ61と水素供給圧レギュレータ62との間の水素ガスの供給圧力(第1供給圧(P1))を検出することが可能とされている。   A pipe 52 is provided from the connection point A to the connection point B. The pipe 52 has a first pressure sensor 72 and a hydrogen supply pressure regulator 62 downstream thereof. The first pressure sensor 72 can detect the supply pressure (first supply pressure (P1)) of hydrogen gas between the hydrogen source regulator 61 and the hydrogen supply pressure regulator 62.

接続点Bから接続点Cまでには、配管53が設けられている。配管53は、供給弁63を有し、その下流に第2圧力センサ73を有している。第2圧力センサ73は、供給弁63と供給口21aとの間の水素ガスの供給圧力(第2供給圧(P2))を検出することが可能とされている。   A pipe 53 is provided from the connection point B to the connection point C. The pipe 53 has a supply valve 63 and a second pressure sensor 73 downstream thereof. The second pressure sensor 73 can detect the supply pressure of hydrogen gas (second supply pressure (P2)) between the supply valve 63 and the supply port 21a.

接続点Cから供給口21aまでには、配管54が設けられている。配管54は、配管54内の圧力が過度に上昇した場合に開放されて、配管54内の気体を大気に放出するリリーフ弁64を有している。   A pipe 54 is provided from the connection point C to the supply port 21a. The pipe 54 has a relief valve 64 that is opened when the pressure in the pipe 54 rises excessively and releases the gas in the pipe 54 to the atmosphere.

排出口21bから接続点Dまでには、配管56が設けられている。配管56は、水素ポンプ81を有している。   A pipe 56 is provided from the discharge port 21b to the connection point D. The pipe 56 has a hydrogen pump 81.

水素ポンプ81の下流側の接続点Dから後述するダクト91までには、配管57が設けられている。配管57は、水素排気電磁弁67を有している。   A pipe 57 is provided from a connection point D on the downstream side of the hydrogen pump 81 to a duct 91 described later. The pipe 57 has a hydrogen exhaust electromagnetic valve 67.

接続点Dから接続点Eを介して接続点Cまでには、配管58が設けられている。配管58は、接続点Dと接続点Eとの間に水素循環電磁弁68を有している。   A pipe 58 is provided from the connection point D to the connection point C via the connection point E. The pipe 58 has a hydrogen circulation solenoid valve 68 between the connection point D and the connection point E.

接続点Eには、他端が開放されている配管55が設けられている。配管55は、外気導入電磁弁65と、開放端に装着されるフィルタ55bとを有している。   The connection point E is provided with a pipe 55 whose other end is open. The pipe 55 includes an outside air introduction electromagnetic valve 65 and a filter 55b attached to the open end.

水素タンク50と、配管51と、水素元電磁弁60と、水素元圧力センサ71と、水素元レギュレータ61とにより燃料供給源が構成されている。配管52、53、54が供給路である。燃料供給源と、供給路と、供給弁63とにより、燃料供給手段が構成されている。   The hydrogen tank 50, the pipe 51, the hydrogen source solenoid valve 60, the hydrogen source pressure sensor 71, and the hydrogen source regulator 61 constitute a fuel supply source. The pipes 52, 53, and 54 are supply paths. The fuel supply source, the supply path, and the supply valve 63 constitute fuel supply means.

また、水素供給圧レギュレータ62が水素ガスの供給圧力を所定の圧力に調整する圧力調整手段である。第1圧力センサ72が第1圧力検出手段であり、第2圧力センサ73が第2圧力検出手段である。   The hydrogen supply pressure regulator 62 is a pressure adjusting means for adjusting the supply pressure of hydrogen gas to a predetermined pressure. The first pressure sensor 72 is first pressure detection means, and the second pressure sensor 73 is second pressure detection means.

さらに、配管56、57が排出路である。排出路としての配管56、57と、水素ポンプ81と、水素排気電磁弁67とによって、排出口21bから排出路を経由して排気水素ガスを排出するための燃料排出手段が構成されている。   Furthermore, the pipes 56 and 57 are discharge paths. The pipes 56 and 57 as the discharge path, the hydrogen pump 81, and the hydrogen exhaust electromagnetic valve 67 constitute fuel discharge means for discharging exhaust hydrogen gas from the discharge port 21b via the discharge path.

また、配管56、58、54が排出口21bと供給口21aとを連結する循環路である。循環路としての配管56、58、54と、水素ポンプ81と、水素循環電磁弁69とによって、供給口21aに排気水素ガスを供給するための燃料循環手段が構成されている。   Pipes 56, 58, and 54 are circulation paths that connect the discharge port 21b and the supply port 21a. The piping 56, 58, 54 as the circulation path, the hydrogen pump 81, and the hydrogen circulation electromagnetic valve 69 constitute fuel circulation means for supplying exhaust hydrogen gas to the supply port 21a.

さらに、配管55、58、54が外気路である。外気路としての配管55、58、54と、フィルタ55bと外気導入電磁弁65とによって、供給口21aに外部の空気を供給し、燃料室12a内を空気で置換する外気置換手段が構成されている。   Further, the pipes 55, 58 and 54 are outside air paths. The outside air replacement means for supplying outside air to the supply port 21a and substituting the inside of the fuel chamber 12a with air is constituted by the piping 55, 58, 54 as the outside air path, the filter 55b, and the outside air introducing electromagnetic valve 65. Yes.

また、燃料電池1の上方には、空気を取り入れる空気マニホールド42が設けられている。この空気マニホールド42には、フィルタ41aを有する空気吸入ファン41が接続されており、空気室12b内に空気を供給可能とされている。また、空気マニホールド42には、水噴射ノズル99が配設されている。この水噴射ノズル99は、配管98によりレベルゲージ97aが内装された水タンク97と接続されている。配管98は、フィルタ98a及び水直噴ポンプ83を有している。   Further, an air manifold 42 for taking in air is provided above the fuel cell 1. An air intake fan 41 having a filter 41a is connected to the air manifold 42 so that air can be supplied into the air chamber 12b. The air manifold 42 is provided with a water injection nozzle 99. The water injection nozzle 99 is connected to a water tank 97 in which a level gauge 97 a is built by a pipe 98. The pipe 98 includes a filter 98 a and a water direct injection pump 83.

さらに、燃料電池1の下方には、温度センサ90aを有する空気排出経路90と、凝縮器92と、凝縮器ファン93と、排出された空気を空気排出経路90から凝縮器92まで導くダクト91とが設けられて、空気室12b内から空気を排出可能とされている。凝縮器92は、空気と水とを分離することが可能であり、分離された空気を大気に排出するための配管94と、フィルタ94aと、温度センサ94bとを有しているとともに、分離された水を水タンク97に輸送する配管96と、水回収ポンプ82とを有している。   Further, below the fuel cell 1, an air discharge path 90 having a temperature sensor 90a, a condenser 92, a condenser fan 93, and a duct 91 for guiding the discharged air from the air discharge path 90 to the condenser 92, Is provided so that air can be discharged from the air chamber 12b. The condenser 92 is capable of separating air and water. The condenser 92 includes a pipe 94 for discharging the separated air to the atmosphere, a filter 94a, and a temperature sensor 94b. A pipe 96 for transporting the water to the water tank 97 and a water recovery pump 82 are provided.

燃料供給手段、圧力調整手段、燃料排出手段、燃料循環手段、外気置換手段、第1圧力センサ72及び第2圧力センサ73は、コントロールシステム45と電気的に接続されて、制御可能とされている。また、空気吸入ファン41、レベルゲージ97a、水直噴ポンプ83、温度センサ90a、凝縮器ファン93その他の構成部品も、コントロールシステム45と電気的に接続されて、制御可能とされている。   The fuel supply means, the pressure adjustment means, the fuel discharge means, the fuel circulation means, the outside air replacement means, the first pressure sensor 72 and the second pressure sensor 73 are electrically connected to the control system 45 and can be controlled. . The air suction fan 41, the level gauge 97a, the water direct injection pump 83, the temperature sensor 90a, the condenser fan 93, and other components are also electrically connected to the control system 45 and can be controlled.

また、コントロールシステム45は、詳細を図4を用いて後述する制御手段S101〜S123を有している。制御手段S101〜S123は、第1圧力センサ72の検出値に基づく第1供給圧(P1)と、第2圧力センサ73の検出値に基づく第2供給圧(P2)との差(P1−P2)の単位時間当たりの変化値(dP/dt)に基づいて、燃料電池1の定常発電時において供給弁63が閉じてしまう異常を判定して、警報信号を発する。また、制御手段は、警報信号した時、燃料電池1の所定の異常停止動作で停止させる。   Further, the control system 45 includes control means S101 to S123, the details of which will be described later with reference to FIG. The control means S101 to S123 are configured so that the difference (P1−P2) between the first supply pressure (P1) based on the detection value of the first pressure sensor 72 and the second supply pressure (P2) based on the detection value of the second pressure sensor 73. ) Is determined based on a change value per unit time (dP / dt), and an abnormality that causes the supply valve 63 to close during steady power generation of the fuel cell 1 is determined, and an alarm signal is issued. Further, the control means stops the fuel cell 1 with a predetermined abnormal stop operation when an alarm signal is given.

以上の構成である燃料電池システム100における動作の概要を説明する。この燃料電池システム100では、燃料電池1の定常発電時において、空気吸入ファン41と空気マニホールド42とにより空気が取り入れられて、図3に示すように、空気室12b内に空気が供給されるとともに、燃料供給手段により水素タンク50から供給口21aを経て、燃料室12a内に水素ガスが供給される。これにより、空気極11cと燃料極11bとの間で電気化学反応を生じさせ、起電力を得ることができる。   An outline of the operation of the fuel cell system 100 having the above configuration will be described. In the fuel cell system 100, during steady power generation of the fuel cell 1, air is taken in by the air suction fan 41 and the air manifold 42, and air is supplied into the air chamber 12b as shown in FIG. Then, hydrogen gas is supplied from the hydrogen tank 50 to the fuel chamber 12a through the supply port 21a by the fuel supply means. Thereby, an electrochemical reaction can be caused between the air electrode 11c and the fuel electrode 11b, and an electromotive force can be obtained.

この間、図1に示すように、配管56、58、54と、水素ポンプ81と、水素循環電磁弁68とによって、排気水素ガスが排出口21bから供給口21aに再供給されたり、配管56、57と、水素ポンプ81と、水素排気電磁弁67とによって、排気水素ガス及び生成水が燃料室12aの排出口21bから間欠的にダクト91を経て凝縮器92に移送されたりして、電気化学反応を連続的に生じさせるとともに、水が燃料室12a内に過度に滞留することによる性能の低下を抑制することができている。   During this time, as shown in FIG. 1, exhaust hydrogen gas is re-supplied from the discharge port 21 b to the supply port 21 a by the pipes 56, 58, 54, the hydrogen pump 81, and the hydrogen circulation electromagnetic valve 68, 57, a hydrogen pump 81, and a hydrogen exhaust solenoid valve 67, exhaust hydrogen gas and produced water are intermittently transferred from the discharge port 21b of the fuel chamber 12a to the condenser 92 via the duct 91, and electrochemically. While continuously causing the reaction, it is possible to suppress a decrease in performance due to excessive retention of water in the fuel chamber 12a.

また、水タンク97の水が水直噴ポンプ83により圧送されて、水噴射ノズル99から空気マニホールド42内に噴射される。これにより、空気極11cの乾燥が防止されるとともに、燃料電池1が冷却される。さらに、燃料電池1の空気室12bから排出された水を含む空気は、空気排出経路90からダクト91を経て凝縮器92に移送される。そして、凝縮器92により分離された空気は、配管94から大気に排出され、分離された水は、水回収ポンプ82により水タンク97に回収される。なお、ダクト91を経て凝縮器92に移送された排気水素ガス及び生成水も、同様にして、水素と水とに分離され、水素は空気とともに大気に排出され、水は水タンク97に回収される。   Further, the water in the water tank 97 is pumped by the water direct injection pump 83 and injected from the water injection nozzle 99 into the air manifold 42. Thereby, drying of the air electrode 11c is prevented and the fuel cell 1 is cooled. Further, the air containing water discharged from the air chamber 12 b of the fuel cell 1 is transferred from the air discharge path 90 to the condenser 92 through the duct 91. The air separated by the condenser 92 is discharged from the pipe 94 to the atmosphere, and the separated water is collected in the water tank 97 by the water collection pump 82. Similarly, the exhaust hydrogen gas and the generated water transferred to the condenser 92 via the duct 91 are separated into hydrogen and water, the hydrogen is discharged into the atmosphere together with the air, and the water is collected in the water tank 97. The

このように動作する燃料電池システム100において、図4に示すように、制御手段S101〜S123は、燃料電池1の定常発電時に、何らかの不具合により供給弁63が閉じてしまう異常が生じた場合に、下記の手順で「燃料電池1の定常発電時において供給弁63が閉じた」ことを判定して、警報信号を発する。   In the fuel cell system 100 that operates in this way, as shown in FIG. 4, the control means S101 to S123, when the fuel cell 1 is in a steady state of power generation, the abnormality occurs that the supply valve 63 closes due to some trouble, In the following procedure, it is determined that “the supply valve 63 is closed during steady power generation of the fuel cell 1”, and an alarm signal is issued.

まず、この制御手段は、燃料電池1の定常運転時において、継続的に又は比較的短い間隔で定期的に、図4に示すプログラムに従って異常判定処理を実施する。   First, the control means performs the abnormality determination process according to the program shown in FIG. 4 continuously or periodically at a relatively short interval during the steady operation of the fuel cell 1.

図4のプログラムが実行されると、最初にステップS101〜S117において、第1圧力センサ72の検出値に基づく第1供給圧(P1)と、第2圧力センサ73の検出値に基づく第2供給圧(P2)との差(P1−P2)の単位時間当たりの変化値(dP/dt)と、後で後述する閾値Xとが比較される。なお、このプログラムにおいて、mは、dP/dtとXとの比較回数であり、nは、dP/dt>Xと連続して判定した回数である。このようにするのは、第1圧力センサ72及び第2圧力センサ73のノイズや誤差等を排除するためである。   When the program of FIG. 4 is executed, first, in steps S101 to S117, the first supply pressure (P1) based on the detection value of the first pressure sensor 72 and the second supply based on the detection value of the second pressure sensor 73 are performed. A change value (dP / dt) per unit time of the difference (P1−P2) from the pressure (P2) is compared with a threshold value X described later. In this program, m is the number of comparisons between dP / dt and X, and n is the number of times determined in succession as dP / dt> X. The reason for this is to eliminate noise and errors of the first pressure sensor 72 and the second pressure sensor 73.

ここで、閾値Xは、燃料電池システム100に接続される負荷の大きさの変動に伴って生じる第1供給圧(P1)及び第2供給圧(P2)の変動も勘案して定められる。   Here, the threshold value X is determined in consideration of fluctuations in the first supply pressure (P1) and the second supply pressure (P2) that are caused by fluctuations in the magnitude of the load connected to the fuel cell system 100.

つまり、燃料電池1の定常発電時において、供給弁63が正常に開いており、配管53が開状態である場合には、例えば、燃料電池システム100に接続された負荷の大きさが変動すれば、燃料電池1の出力電圧も変動する。このため、燃料電池1の出力電圧の変動に応じて、水素ガスの供給量も変動する。このため、水素ガスの供給量の変動に応じて、圧力調整手段である水素供給圧レギュレータ62の上流側である第1供給圧(P1)及び供給弁63よりも下流側である第2供給圧(P2)も変動する。他方、負荷が所定の大きさで一定であれば、水素ガスの供給量も所定の流量で一定となり、第1供給圧(P1)及び第2供給圧(P2)も所定の圧力で一定となる。   That is, when the supply valve 63 is normally open and the pipe 53 is open during steady power generation of the fuel cell 1, for example, if the load connected to the fuel cell system 100 varies. The output voltage of the fuel cell 1 also varies. For this reason, according to the fluctuation | variation of the output voltage of the fuel cell 1, the supply amount of hydrogen gas also fluctuates. For this reason, the first supply pressure (P1) on the upstream side of the hydrogen supply pressure regulator 62, which is a pressure adjusting means, and the second supply pressure, which is on the downstream side of the supply valve 63, according to fluctuations in the supply amount of hydrogen gas. (P2) also varies. On the other hand, if the load is constant at a predetermined magnitude, the supply amount of hydrogen gas is also constant at a predetermined flow rate, and the first supply pressure (P1) and the second supply pressure (P2) are also constant at a predetermined pressure. .

このため、負荷の大きさの変動にかかわらず、第1供給圧(P1)と第2供給圧(P2)との差(P1−P2)の単位時間当たりの変化値(dP/dt)は、供給弁63が正常に開いる場合には、0又はそれに近い値となるのである。   For this reason, the change value (dP / dt) per unit time of the difference (P1−P2) between the first supply pressure (P1) and the second supply pressure (P2) regardless of the variation in the magnitude of the load is When the supply valve 63 is normally opened, the value is 0 or a value close thereto.

それに対して、燃料電池1の定常発電時において、信号ケーブルの断線等の何らかの不具合により、供給弁63が閉じてしまう異常が生じた場合には、水素ガスの供給が完全に停止してしまう。このため、定常発電中の燃料電池1には、水素ガスが供給されなくなってしまう。   On the other hand, in the case of steady power generation of the fuel cell 1, if an abnormality occurs such that the supply valve 63 closes due to some trouble such as disconnection of the signal cable, the supply of hydrogen gas is completely stopped. For this reason, hydrogen gas is no longer supplied to the fuel cell 1 during steady power generation.

この際、水素供給圧レギュレータ62の上流側である第1供給圧(P1)は、水素ガスの流量がなくなるため、より上流の水素元レギュレータ61からの水素ガスの供給圧力と同等かそれに近い、ほぼ一定の圧力を保つこととなる。他方、供給弁63よりも下流側である第2供給圧(P2)は、水素ガスの流量がなくなるとともに、燃料電池1の燃料室12a内で水素ガスが消費されるため、直ちに減少し始め、その後、継続的に減少することとなる。   At this time, the first supply pressure (P1) on the upstream side of the hydrogen supply pressure regulator 62 is equal to or close to the supply pressure of the hydrogen gas from the upstream hydrogen source regulator 61 because the flow rate of the hydrogen gas is eliminated. An almost constant pressure will be maintained. On the other hand, the second supply pressure (P2), which is downstream of the supply valve 63, immediately begins to decrease because the flow rate of hydrogen gas disappears and the hydrogen gas is consumed in the fuel chamber 12a of the fuel cell 1. After that, it will decrease continuously.

このため、この燃料電池システム100においては、第1供給圧(P1)と第2供給圧(P2)との差(P1−P2)の単位時間当たりの変化値(dP/dt)は、供給弁63が閉じてしまう異常が生じた場合には、0よりもある程度大きな値となるのである。   Therefore, in this fuel cell system 100, the change value (dP / dt) per unit time of the difference (P1-P2) between the first supply pressure (P1) and the second supply pressure (P2) When an abnormality that closes 63 occurs, the value is somewhat larger than zero.

このため、閾値Xは、上記を勘案して、燃料電池システム100に接続される負荷の大きさの変動に伴うdP/dtの変動を異常と判定しない程度に、0よりもある程度高い値に設定することが好ましい。   Therefore, in consideration of the above, the threshold value X is set to a value that is somewhat higher than 0 to the extent that the fluctuation in dP / dt accompanying the fluctuation in the magnitude of the load connected to the fuel cell system 100 is not determined to be abnormal. It is preferable to do.

そして、上記の通り、ステップS101〜S117を実施した結果、dP/dtとXとの比較回数mが規定回数に達した場合には、制御手段は、異常判定処理を終了し、「燃料電池1の定常発電時において供給弁63が正常に開いている」と判定する。その結果、この燃料電池システム100は、そのまま燃料電池1の定常発電を続行する。   Then, as described above, when the number m of comparisons between dP / dt and X reaches the specified number as a result of performing steps S101 to S117, the control means ends the abnormality determination process, and “fuel cell 1 It is determined that the supply valve 63 is normally open at the time of steady power generation. As a result, the fuel cell system 100 continues the steady power generation of the fuel cell 1 as it is.

他方、dP/dt>Xと連続して判定した回数nが異常判定回数に達した場合に、制御手段は、ステップS119において、「燃料電池1の定常発電時において供給弁63が閉じた」と判定する。そして、ステップS121において、制御手段は、「燃料電池1の定常発電時において供給弁63が閉じた」との警報信号を発するのである。その結果、燃料電池システム100は異常を認知し、ステップS123に移行する。そして、制御手段は、水素元電磁弁60を開状態から閉状態に切り替えたり、燃料室12a内の水素ガスを外気で置換する等の所定の異常停止動作を実施し、燃料電池1を発電停止させるのである。   On the other hand, when the number of times n determined continuously as dP / dt> X has reached the number of times of abnormality determination, in step S119, the control means indicates that “the supply valve 63 is closed during steady power generation of the fuel cell 1”. judge. Then, in step S121, the control means issues an alarm signal that “the supply valve 63 is closed during steady power generation of the fuel cell 1”. As a result, the fuel cell system 100 recognizes the abnormality and proceeds to step S123. Then, the control means performs a predetermined abnormal stop operation such as switching the hydrogen source electromagnetic valve 60 from the open state to the closed state, or replacing the hydrogen gas in the fuel chamber 12a with outside air, and stops the power generation of the fuel cell 1. To make it happen.

このため、この燃料電池システム100は、燃料室12a内に水素ガスを供給できなくなることに起因する燃料電池1に劣化反応が生じるという事態を最小限で又は未然に防止することができる。   For this reason, the fuel cell system 100 can minimize or prevent the occurrence of a deterioration reaction in the fuel cell 1 due to the inability to supply hydrogen gas into the fuel chamber 12a.

したがって、この燃料電池システム100は、燃料電池1に劣化反応を生じ難く、燃料電池1の耐久性を損ない難いのである。   Therefore, the fuel cell system 100 is unlikely to cause a deterioration reaction in the fuel cell 1 and the durability of the fuel cell 1 is not easily impaired.

また、この燃料電池システム100は、制御手段は、警報信号を発した時、燃料電池1を直ちに所定の異常停止動作に移行させ、燃料電池1を確実に発電停止状態にすることができているので、燃料電池システム100の安全性を一層高めることができるのである。   Further, in the fuel cell system 100, when the control unit issues an alarm signal, the fuel cell 1 is immediately shifted to a predetermined abnormal stop operation, and the fuel cell 1 can be surely brought into a power generation stop state. Therefore, the safety of the fuel cell system 100 can be further enhanced.

ここで、実施例1の燃料電池システム100において、下記の通り、供給弁63の故障を想定した異常判断手段の評価試験を実施した。なお、下記試験の結果を示すグラフに関しては、全てノイズ除去処理を実施している。   Here, in the fuel cell system 100 of Example 1, as described below, an evaluation test of an abnormality determination unit assuming a failure of the supply valve 63 was performed. In addition, noise removal processing is performed for all graphs showing the results of the following tests.

基礎試験として、まず、燃料電池1の定常発電時において、燃料電池1に接続された負荷の大きさが変動することに伴って生じる第1供給圧(P1)及び第2供給圧(P2)の変動について測定を実施した。   As a basic test, first, at the time of steady power generation of the fuel cell 1, the first supply pressure (P1) and the second supply pressure (P2) that are generated as the load connected to the fuel cell 1 fluctuates. Measurements were performed for variation.

具体的には、図5(a)に示すように、燃料電池1に接続された負荷の大きさの変動を想定して、燃料電池システム100の出力電力をステップ状に変動させた。図5(a)において、G1は燃料電池システム100の出力電力の時間変化を示す。   Specifically, as shown in FIG. 5 (a), the output power of the fuel cell system 100 was changed stepwise, assuming a change in the magnitude of the load connected to the fuel cell 1. In FIG. 5 (a), G1 represents the time change of the output power of the fuel cell system 100.

この際、図5(b)に示すように、継続的に、第1圧力センサ72により第1供給圧(P1)を検出し、第2圧力センサ73により第2供給圧(P2)を検出した。図5(b)において、G2は第1供給圧(P1)の時間変化を示し、G3は第2供給圧(P2)の時間変化を示す。なお、図5(a)及び図5(b)の時間軸は同じスケールである。   At this time, as shown in FIG. 5B, the first supply pressure (P1) was continuously detected by the first pressure sensor 72, and the second supply pressure (P2) was detected by the second pressure sensor 73. . In FIG. 5B, G2 represents a time change of the first supply pressure (P1), and G3 represents a time change of the second supply pressure (P2). In addition, the time axis of Fig.5 (a) and FIG.5 (b) is the same scale.

その結果、燃料電池1の出力電圧の変動に応じて、第1供給圧(P1)及び第2供給圧(P2)も変動している。また、第1供給圧(P1)及び第2供給圧(P2)の変動の傾向はほぼ同様である。これは、燃料電池1の出力電圧の変動に伴って、水素ガスの供給量が変動するためである。また、燃料電池1の出力電力が各段階で一定に保たれている状態では、第1供給圧(P1)及び第2供給圧(P2)も所定の圧力で一定となっている。これは、燃料電池1の出力電圧が一定であれば、水素ガスの供給量も所定の流量で一定となるからである。   As a result, the first supply pressure (P1) and the second supply pressure (P2) are also changed according to the change in the output voltage of the fuel cell 1. In addition, the tendency of fluctuations in the first supply pressure (P1) and the second supply pressure (P2) is almost the same. This is because the supply amount of hydrogen gas varies as the output voltage of the fuel cell 1 varies. Further, in a state where the output power of the fuel cell 1 is kept constant at each stage, the first supply pressure (P1) and the second supply pressure (P2) are also constant at a predetermined pressure. This is because if the output voltage of the fuel cell 1 is constant, the supply amount of hydrogen gas is also constant at a predetermined flow rate.

このため、燃料電池1の出力電力の変動にかかわらず、第1供給圧(P1)と第2供給圧(P2)との差(P1−P2)の単位時間当たりの変化値(dP/dt)は、供給弁63が正常に開いている場合には、0又はそれに近い値となることが解る。   Therefore, regardless of fluctuations in the output power of the fuel cell 1, the change value (dP / dt) per unit time of the difference (P1−P2) between the first supply pressure (P1) and the second supply pressure (P2). It can be seen that when the supply valve 63 is normally opened, the value becomes 0 or a value close thereto.

次に、評価試験として、供給弁63の異常発生の模擬試験を実施した。具体的には、図6に示すように、燃料電池1の定常発電時において、燃料電池1の出力電力を一定に保った状態とした上で、時間(T0)において制御手段により供給弁63を開いた状態から閉じた状態に切り替えることにより、供給弁63が閉じてしまう異常を模擬的に生じさせた。その結果、供給路を構成する配管53は、閉状態となり、燃料電池1の燃料室12a内には、水素ガスが供給されなくなった。この時点を本評価試験における異常の発生とした。 Next, as an evaluation test, a simulation test for the occurrence of abnormality in the supply valve 63 was performed. Specifically, as shown in FIG. 6, during steady power generation of the fuel cell 1, the output power of the fuel cell 1 is kept constant, and the supply valve 63 is controlled by the control means at time (T 0 ). By switching from the open state to the closed state, an abnormality that the supply valve 63 closes was simulated. As a result, the pipe 53 constituting the supply path is closed, and hydrogen gas is no longer supplied into the fuel chamber 12a of the fuel cell 1. This point was regarded as the occurrence of abnormality in this evaluation test.

この際、継続的に、第1圧力センサ72により第1供給圧(P1)を検出し、第2圧力センサ73により第2供給圧(P2)を検出した。図6において、G4は第1供給圧(P1)の時間変化を示し、G5は第2供給圧(P2)の時間変化を示し、G6は第1供給圧(P1)と第2供給圧(P2)との差(P1−P2)の時間変化を示す。   At this time, the first supply pressure (P1) was continuously detected by the first pressure sensor 72, and the second supply pressure (P2) was detected by the second pressure sensor 73. In FIG. 6, G4 shows the time change of the first supply pressure (P1), G5 shows the time change of the second supply pressure (P2), and G6 shows the first supply pressure (P1) and the second supply pressure (P2). ) With respect to time (P1-P2).

その結果、時間(T0)よりも前の供給弁63が開状態から閉状態に切り替えられていない段階では、第1供給圧(P1)、第2供給圧(P2)、第1供給圧(P1)と第2供給圧(P2)との差(P1−P2)は一定となっている。 As a result, when the supply valve 63 before the time (T 0 ) is not switched from the open state to the closed state, the first supply pressure (P1), the second supply pressure (P2), and the first supply pressure ( The difference (P1−P2) between P1) and the second supply pressure (P2) is constant.

それに対して、時間(T0)において、供給弁63が開状態から閉状態に切り替えられると、配管53は閉状態となり、燃料電池1の燃料室12a内には、水素ガスが供給されなくなる。 On the other hand, when the supply valve 63 is switched from the open state to the closed state at time (T 0 ), the pipe 53 is closed, and hydrogen gas is not supplied into the fuel chamber 12 a of the fuel cell 1.

この際、第1供給圧(P1)は、水素ガスが流れなくなり、より上流の水素元レギュレータ61からの水素ガスの供給圧力と同等かそれに近い、ほぼ一定の圧力を保っている。   At this time, the first supply pressure (P1) is maintained at a substantially constant pressure that is equal to or close to the supply pressure of the hydrogen gas from the upstream hydrogen source regulator 61 because the hydrogen gas does not flow.

一方、第2供給圧(P2)は、水素ガスが流れなくなるとともに、燃料電池1の燃料室12a内で水素ガスが消費されるため、直ちに減少し始め、その後、継続的に減少することとなる。しかし、上述の基礎試験の結果から解るように、第2供給圧(P2)は燃料電池1の定常発電時において、燃料電池1の出力電力の変動に伴って変動するため、第2供給圧(P2)の絶対値が減少し始めたからといって、すぐには異常と判断できない。この評価試験においては、第2供給圧(P2)の絶対値が充分に減少した時間(T1)において、異常と判断することができる。このため、第2供給圧(P2)の絶対値に基づいて、異常判定をする場合には、所要時間が長くなってしまうことが解る。 On the other hand, the second supply pressure (P2) starts to decrease immediately after the hydrogen gas does not flow and the hydrogen gas is consumed in the fuel chamber 12a of the fuel cell 1, and then decreases continuously. . However, as can be seen from the results of the basic test described above, the second supply pressure (P2) fluctuates with fluctuations in the output power of the fuel cell 1 during steady power generation of the fuel cell 1, so the second supply pressure ( Even if the absolute value of P2) starts to decrease, it cannot be immediately judged as abnormal. In this evaluation test, it can be determined that there is an abnormality at the time (T 1 ) when the absolute value of the second supply pressure (P2) is sufficiently reduced. For this reason, it is understood that the required time becomes longer when the abnormality determination is made based on the absolute value of the second supply pressure (P2).

また、第1供給圧(P1)と第2供給圧(P2)との差(P1−P2)の絶対値に基づいて、異常判定をする場合も、上記の場合と同様である。   Further, the case where the abnormality is determined based on the absolute value of the difference (P1−P2) between the first supply pressure (P1) and the second supply pressure (P2) is the same as the above case.

上記の異常判定手法に対して、第1供給圧(P1)と第2供給圧(P2)との差(P1−P2)の単位時間当たりの変化値(dP/dt)は、下記の理由により、速やかに異常と判定することができる。   For the above abnormality determination method, the change value (dP / dt) per unit time of the difference (P1−P2) between the first supply pressure (P1) and the second supply pressure (P2) is as follows. It can be quickly determined as abnormal.

つまり、図6のG6に示すように、時間(T0)直後に、第1供給圧(P1)と第2供給圧(P2)との差(P1−P2)がある程度の傾きを有しながら、増加するため、第1供給圧(P1)と第2供給圧(P2)との差(P1−P2)の単位時間当たりの変化値(dP/dt)は、時間(T0)直後に、0よりもある程度大きな値になるのである。このため、閾値Xを基礎試験における第1供給圧(P1)及び第2供給圧(P2)の変動も勘案して設定し、dP/dtと閾値Xとを比較することで、速やかに異常と判定することができるのである。なお、dP/dtにおける単位時間は、センサ類の検出のノイズ等を拾わない程度に適度に設定することが好ましい。 That is, as indicated by G6 in FIG. 6, immediately after time (T 0 ), the difference (P1−P2) between the first supply pressure (P1) and the second supply pressure (P2) has a certain slope. Therefore, the change value (dP / dt) per unit time of the difference (P1−P2) between the first supply pressure (P1) and the second supply pressure (P2) is immediately after the time (T 0 ). The value is somewhat larger than 0. For this reason, the threshold value X is set in consideration of the fluctuations of the first supply pressure (P1) and the second supply pressure (P2) in the basic test, and by comparing dP / dt and the threshold value X, the abnormality is promptly determined to be abnormal. It can be judged. Note that the unit time in dP / dt is preferably set appropriately so as not to pick up noise or the like detected by sensors.

こうして上述の基礎試験と評価試験との結果から、実施例1の燃料電池システム100が「燃料電池1の定常発電時において供給弁63が閉じた」ことを速やかに判定できることが確認できる。   Thus, from the results of the basic test and the evaluation test described above, it can be confirmed that the fuel cell system 100 of Example 1 can quickly determine that “the supply valve 63 is closed during steady power generation of the fuel cell 1”.

以上において、本発明を実施例1に即して説明したが、本発明は上記実施例1に制限されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更して適用できることはいうまでもない。   In the above, the present invention has been described with reference to the first embodiment. However, the present invention is not limited to the first embodiment, and it is needless to say that the present invention can be appropriately modified and applied without departing from the spirit of the present invention. .

本発明は燃料電池システムに利用可能である。     The present invention is applicable to a fuel cell system.

実施例1の燃料電池システムに係る模式構成図である。1 is a schematic configuration diagram according to a fuel cell system of Example 1. FIG. 実施例1の燃料電池システムに係る燃料電池の分解斜視図である。1 is an exploded perspective view of a fuel cell according to a fuel cell system of Example 1. FIG. 実施例1の燃料電池システムに係る燃料電池の積層体の模式断面図である。1 is a schematic cross-sectional view of a fuel cell stack according to a fuel cell system of Example 1. FIG. 実施例1の燃料電池システムに係る燃料電池の定常発電時における異常判定処理プログラムのフローチャートである。3 is a flowchart of an abnormality determination processing program during steady power generation of the fuel cell according to the fuel cell system of Example 1; 実施例1の燃料電池システムに係り、(a)及び(b)は基礎試験の結果を示すグラフである。(A) And (b) is a graph which shows the result of a basic test regarding the fuel cell system of Example 1. FIG. 実施例1の燃料電池システムに係り、評価試験の結果を示すグラフである。6 is a graph showing the results of an evaluation test relating to the fuel cell system of Example 1.

符号の説明Explanation of symbols

1…燃料電池
11a…固体高分子膜(電解質膜)
11b…燃料極
11c…空気極
12a…燃料室
12b…空気室
50、51、60、71、72…燃料供給源(50…水素タンク、51…配管、60…水素元電磁弁、61…水素元レギュレータ、71…水素元圧力センサ)
52、53、54…供給路(配管)
50、51、52、53、54、60、61、71、63…燃料供給手段(63…供給弁)
62…圧力調整手段(水素供給圧レギュレータ)
72…第1圧力検出手段(第1圧力センサ)
73…第2圧力検出手段(第2圧力センサ)
P1…燃料供給源と圧力調整手段との間の供給圧力(第1供給圧)
P2…供給弁と燃料電池との間の供給圧力(第2供給圧)
dP/dt…第1圧力検出手段と第2圧力検出手段とにより検出された供給圧力の差の単位時間当たりの変化値(dP=P1−P2)
100…燃料電池システム
S101、S103、S105、S107、S109、S111、S113、S115、S117、S119、S121、S123…制御手段
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell 11a ... Solid polymer membrane (electrolyte membrane)
11b ... Fuel electrode 11c ... Air electrode 12a ... Fuel chamber 12b ... Air chamber 50, 51, 60, 71, 72 ... Fuel supply source (50 ... Hydrogen tank, 51 ... Piping, 60 ... Hydrogen source solenoid valve, 61 ... Hydrogen source Regulator, 71 ... Hydrogen source pressure sensor)
52, 53, 54 ... Supply path (pipe)
50, 51, 52, 53, 54, 60, 61, 71, 63 ... fuel supply means (63 ... supply valve)
62 ... Pressure adjusting means (hydrogen supply pressure regulator)
72: First pressure detecting means (first pressure sensor)
73. Second pressure detecting means (second pressure sensor)
P1: Supply pressure between the fuel supply source and the pressure adjusting means (first supply pressure)
P2: Supply pressure between the supply valve and the fuel cell (second supply pressure)
dP / dt: change value per unit time of difference in supply pressure detected by the first pressure detection means and the second pressure detection means (dP = P1-P2)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 ... Fuel cell system S101, S103, S105, S107, S109, S111, S113, S115, S117, S119, S121, S123 ... Control means

Claims (3)

固体高分子膜を燃料極と空気極とで挟持し、該燃料極に燃料ガスを供給するための燃料室を有する燃料電池と、
該燃料電池に一端が接続され、該燃料室に該燃料ガスを供給するための供給路、該供給路を開閉する供給弁及び該供給路の他端に接続され、該燃料ガスを供給する燃料供給源を有する燃料供給手段と、
該燃料供給源と該供給弁との間に設けられ、該燃料電池に供給される該燃料ガスの供給圧力を調整する圧力調整手段と、
該燃料供給源と該圧力調整手段との間の供給圧力を検出する第1圧力検出手段と、
該供給弁と該燃料電池との間の供給圧力を検出する第2圧力検出手段と、
該燃料電池の定常発電時に、該第1圧力検出手段と該第2圧力検出手段とにより検出された供給圧力の差の単位時間当たりの変化値が所定値よりも大きい場合、該供給弁が閉じたと判定して警報信号を発する制御手段とを備えたことを特徴とする燃料電池システム。
A fuel cell having a fuel chamber for sandwiching a solid polymer film between a fuel electrode and an air electrode and supplying fuel gas to the fuel electrode;
One end connected to the fuel cell, a supply path for supplying the fuel gas to the fuel chamber, a supply valve for opening and closing the supply path, and a fuel connected to the other end of the supply path for supplying the fuel gas Fuel supply means having a supply source;
A pressure adjusting means provided between the fuel supply source and the supply valve, for adjusting a supply pressure of the fuel gas supplied to the fuel cell;
First pressure detecting means for detecting a supply pressure between the fuel supply source and the pressure adjusting means;
Second pressure detecting means for detecting a supply pressure between the supply valve and the fuel cell;
If the change value per unit time of the difference in supply pressure detected by the first pressure detection means and the second pressure detection means is larger than a predetermined value during steady power generation of the fuel cell, the supply valve is closed. A fuel cell system comprising: control means for determining that the alarm has occurred and issuing an alarm signal.
前記制御手段は、前記警報信号を発した時、前記燃料電池を所定の異常停止動作で停止させるものであることを特徴とする請求項1記載の燃料電池システム。   2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the control means is configured to stop the fuel cell by a predetermined abnormal stop operation when the alarm signal is issued. 固体高分子膜を燃料極と空気極とで挟持し、該燃料極に燃料ガスを供給するための燃料室を有する燃料電池と、
該燃料電池に一端が接続され、該燃料室に該燃料ガスを供給するための供給路、該供給路を開閉する供給弁及び該供給路の他端に接続され、燃料ガスを供給する燃料供給源を有する燃料供給手段と、
該燃料供給源と該供給弁との間に設けられ、該燃料電池に供給される該燃料ガスの供給圧力を調整する圧力調整手段とを備えた燃料電池システムの運転方法において、
前記燃料電池の定常発電時に、前記燃料供給源と前記圧力調整手段との間の供給圧力と、前記供給弁と該燃料電池との間の供給圧力との差を検出し、該差の単位時間当たりの変化値が所定値よりも大きい場合、該供給弁が閉じたと判定して警報信号を発することを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
A fuel cell having a fuel chamber for sandwiching a solid polymer film between a fuel electrode and an air electrode and supplying fuel gas to the fuel electrode;
One end connected to the fuel cell, a supply path for supplying the fuel gas to the fuel chamber, a supply valve for opening and closing the supply path, and a fuel supply for supplying fuel gas connected to the other end of the supply path A fuel supply means having a source;
In a method for operating a fuel cell system, comprising: a pressure adjusting unit that is provided between the fuel supply source and the supply valve and adjusts a supply pressure of the fuel gas supplied to the fuel cell.
During steady power generation of the fuel cell, a difference between a supply pressure between the fuel supply source and the pressure adjusting means and a supply pressure between the supply valve and the fuel cell is detected, and the unit time of the difference is detected. An operation method of a fuel cell system, characterized in that, when the hit change value is larger than a predetermined value, it is determined that the supply valve is closed and an alarm signal is issued.
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