JP2011192419A - Fuel cell system and its diagnostic method - Google Patents

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環樹 水野
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To diagnose a fuel cell system based on impedance measurement of a fuel cell without the need of a battery or the like and without being affected by load change. <P>SOLUTION: In carrying out diagnosis of a household fuel cell system, an excess power heater inside the system is forcibly operated to set so as to consume a current extracted from the fuel cell (S3). While the current extracted from the fuel cell is set at a given rated current, the current is given an amplitude of a given frequency, and by measuring changes of output voltage of the fuel cell at that time, impedances of the fuel cell are calculated (S4). Then, the fuel cell is diagnosed on the basis of the impedances (S5). <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、家庭用の燃料電池システムに関し、特に燃料電池システムを診断する技術に関する。   The present invention relates to a household fuel cell system, and more particularly to a technique for diagnosing a fuel cell system.

家庭用の燃料電池システム（発電ユニット）は、一般に、炭化水素系の燃料（例えば都市ガス、ＬＰＧ、灯油など）を改質して水素を生成する改質器を含む水素製造装置と、生成した水素と空気中の酸素とから電気化学反応により直流電力を発生させる燃料電池（スタック）と、燃料電池で発生した直流電力を取り出すと共に交流電力に変換して家庭内の電気機器に供給するパワーコンディショナーと、燃料電池などで発生する熱を回収して給湯ユニット側からの貯湯用水と熱交換し温水を得る熱交換器とを含んで構成される。   A household fuel cell system (power generation unit) is generally produced with a hydrogen production apparatus including a reformer that reforms hydrocarbon fuel (for example, city gas, LPG, kerosene, etc.) to produce hydrogen. A fuel cell (stack) that generates direct-current power from hydrogen and oxygen in the air by an electrochemical reaction, and a power conditioner that extracts the direct-current power generated by the fuel cell and converts it into alternating-current power that is supplied to household electrical equipment And a heat exchanger that recovers heat generated in the fuel cell or the like and exchanges heat with hot water storage water from the hot water supply unit side to obtain hot water.

また、家庭用の燃料電池システムでは、発電電力が需要電力を上回って、余剰電力が発生した場合に、逆潮流防止のため、余剰電力を消費することが必要であり、余剰電力ヒータにより、余剰電力を熱に変換し、前記熱交換器から給湯ユニット側（貯湯槽）へ戻る温水を更に加熱できるようにしている。
ところで、このような燃料電池システムでは、システムを長期間安定して運転できるようにするため、燃料電池の劣化状態を診断して、適切に対処することが必要である。 In addition, in the fuel cell system for home use, when the generated power exceeds the demand power and surplus power is generated, it is necessary to consume the surplus power to prevent reverse power flow. Electric power is converted into heat so that the hot water returning from the heat exchanger to the hot water supply unit side (hot water storage tank) can be further heated.
By the way, in such a fuel cell system, in order to be able to operate the system stably for a long period of time, it is necessary to diagnose the deterioration state of the fuel cell and appropriately cope with it.

このため、特許文献１では、車両用の燃料電池システムを前提とするものであるが、複数のセル又はセルモジュールを備える燃料電池スタックの電圧を昇降圧するＤＣ／ＤＣコンバータを使用して、燃料電池スタックに所定の周波数の交流を印加し、前記所定の周波数の交流を印加した時のセル毎又はセルモジュール毎の電圧変化を測定して前記セル毎又はセルモジュール毎の内部抵抗を測定し、前記内部抵抗及び前記内部抵抗に含まれるリアクタンスから前記セル毎又はセルモジュール毎の異常を検知するようにしている。   For this reason, in Patent Document 1, a fuel cell system for a vehicle is premised, but a fuel cell using a DC / DC converter that steps up and down a voltage of a fuel cell stack including a plurality of cells or cell modules is used. Applying alternating current of a predetermined frequency to the stack, measuring a voltage change for each cell or cell module when applying the alternating current of the predetermined frequency, measuring the internal resistance for each cell or cell module, An abnormality for each cell or each cell module is detected from the internal resistance and reactance included in the internal resistance.

特開２００５−３３２７０２号公報JP 2005-332702 A

しかしながら、燃料電池の診断のためには、燃料電池から取り出す電流を安定させることが必要であり、負荷変動が大きい場合は、負荷に応じて掃引電流が大きく変化するため、診断条件の設定が困難である。
特許文献１を見ても、車両走行時（主負荷への電力供給時）には内部抵抗測定時の電流を任意に変化させることができないので、イグニッションスイッチのオン直後やオフ直後などの限られた条件で測定を行うようにしており、診断は極めて限定的な条件でのみ可能であり、燃料電池スタックにおいて真に必要なタイミングで確実に診断を実施することが困難であった。 However, in order to diagnose the fuel cell, it is necessary to stabilize the current taken out from the fuel cell. When the load fluctuation is large, the sweep current varies greatly according to the load, so it is difficult to set the diagnosis condition. It is.
Even when Patent Document 1 is viewed, since the current at the time of internal resistance measurement cannot be arbitrarily changed when the vehicle is running (when power is supplied to the main load), it is limited such as immediately after the ignition switch is turned on or immediately after it is turned off. The measurement is performed under such conditions, and the diagnosis can be performed only under extremely limited conditions, and it is difficult to reliably perform the diagnosis at a truly necessary timing in the fuel cell stack.

本発明は、このような実状に鑑み、家庭用の燃料電池システムの特徴を活かして、燃料電池の診断のための安定的な電流掃引を可能にし、かつ診断条件の設定を容易にすることを課題とする。   In view of such a situation, the present invention makes it possible to make stable current sweep for diagnosis of a fuel cell and facilitate setting of diagnosis conditions by utilizing the characteristics of a domestic fuel cell system. Let it be an issue.

上記の課題を解決するために、本発明は、診断モードにて、燃料電池から取り出す電流を所定の定格電流とする一方、この電流に所定周波数の振幅を与える電流制御手段と、前記電流に所定周波数の振幅を与えた時の燃料電池の出力電圧の変化を測定することにより燃料電池のインピーダンスを測定するインピーダンス測定手段と、前記インピーダンスに基づいて燃料電池を診断する診断手段と、を備え、更に、前記診断モードにて、前記余剰電力ヒータを強制的に作動させて、燃料電池から取り出す電流を前記余剰電力ヒータにて消費させる診断モード設定手段を備える構成とする。   In order to solve the above problems, the present invention provides a current control means for giving a current having a predetermined frequency amplitude to the current taken out from the fuel cell in the diagnosis mode, and a predetermined frequency for the current. An impedance measuring means for measuring the impedance of the fuel cell by measuring a change in the output voltage of the fuel cell when the amplitude of the frequency is given, and a diagnostic means for diagnosing the fuel cell based on the impedance, and In the diagnosis mode, the surplus power heater is forcibly operated to include a diagnosis mode setting means for consuming current taken out from the fuel cell by the surplus power heater.

本発明によれば、診断モードでは、余剰電力ヒータを強制的に作動させて、燃料電池から取り出す電流を余剰電力ヒータにて消費させることにより、掃引電流を安定的に制御可能となる。従って、ほとんど制約なく任意のタイミングで診断モードに切替え可能であり、診断条件の設定が容易となる。また、燃料電池から取り出す電流を測定に適した所定の定格電流とした上で、これに所定周波数の振幅を与えて、インピーダンスの測定を実施するので、インピーダンスの測定精度、ひいては診断精度を高めることができる。   According to the present invention, in the diagnosis mode, it is possible to stably control the sweep current by forcibly operating the surplus power heater and consuming the current taken out from the fuel cell by the surplus power heater. Therefore, it is possible to switch to the diagnosis mode at any timing with almost no restrictions, and it is easy to set the diagnosis conditions. In addition, since the current taken out from the fuel cell is set to a predetermined rated current suitable for measurement and given an amplitude of a predetermined frequency to perform impedance measurement, the impedance measurement accuracy and thus the diagnostic accuracy can be improved. Can do.

本発明の一実施形態を示す燃料電池システムの概略構成図1 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system showing an embodiment of the present invention. 診断部及びその関連部のブロック図Block diagram of diagnostic unit and related parts 診断ルーチンのフローチャートDiagnostic routine flowchart インピーダンス測定中の電流制御の説明図Illustration of current control during impedance measurement インピーダンス測定中の電流及び電圧の状況を示す図Diagram showing current and voltage status during impedance measurement インピーダンス測定結果の説明図Illustration of impedance measurement results

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
図１は本発明の一実施形態を示す燃料電池システム（発電ユニット）の概略構成図である。
家庭用の燃料電池システム（発電ユニット）は、システム筐体１内に、水素製造装置２と、燃料電池３と、パワーコンディショナー（ＰＣＳ）４と、熱交換器５とを備えて構成される。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system (power generation unit) showing an embodiment of the present invention.
A household fuel cell system (power generation unit) includes a hydrogen production device 2, a fuel cell 3, a power conditioner (PCS) 4, and a heat exchanger 5 in a system housing 1.

水素製造装置２は、炭化水素系の燃料（例えば都市ガス、ＬＰＧ、灯油など）を改質触媒を用いて水蒸気供給下で改質により水素（Ｈ２、ＣＯ２を含む水素リッチな燃料ガス）を生成する改質器を主体として構成される。また、改質反応（吸熱反応）のための改質器加熱用の燃焼器（バーナー）６を備え、燃焼器６では、燃料電池３の燃料極側のオフガス（オフガス発生前は改質前の燃料）を燃焼させる。   The hydrogen production apparatus 2 generates hydrogen (hydrogen-rich fuel gas containing H2 and CO2) by reforming a hydrocarbon-based fuel (for example, city gas, LPG, kerosene, etc.) using a reforming catalyst while supplying steam. The main component is a reformer. In addition, a combustor (burner) 6 for heating a reformer for reforming reaction (endothermic reaction) is provided. In the combustor 6, off-gas on the fuel electrode side of the fuel cell 3 (before off-gas generation before reforming) Fuel).

図示は省略するが、水素製造装置２は、この他、改質器の上流側に設けられて、改質前の炭化水素系の燃料に含まれる硫黄化合物を吸着剤を用いて吸着除去又は脱硫触媒を用いて変換除去する脱硫器と、改質器の下流側に設けられて、改質ガス中の副生ＣＯをシフト触媒により残留水蒸気と反応させてＣＯ２とＨ２に変えるＣＯシフト反応器とを備える。
また、必要に応じ、シフト反応後のガス中にわずかながら残存するＣＯを選択酸化触媒を用いて空気供給下で選択的に酸化してＣＯ２に変えるＣＯ選択酸化器を更に備えてもよい。 Although not shown, the hydrogen production device 2 is also provided upstream of the reformer, and adsorbs or removes sulfur compounds contained in the hydrocarbon-based fuel before reforming using an adsorbent. A desulfurizer that converts and removes using a catalyst, and a CO shift reactor that is provided downstream of the reformer and that converts by-product CO in the reformed gas to residual steam by a shift catalyst to convert it into CO2 and H2. Is provided.
In addition, if necessary, a CO selective oxidizer that selectively oxidizes CO slightly remaining in the gas after the shift reaction under the supply of air using a selective oxidation catalyst to CO 2 may be further provided.

燃料電池３は、例えば固体高分子形（ＰＥＦＣ）の燃料電池スタックであり、複数の電池セルが積み重ねられて構成される。電池セルは、燃料極（アノード）と、空気極（カソード）と、これらの間に配置された電解質層（高分子のイオン交換膜）とを有している。従って、燃料電池３は、電解質層の一端側の燃料極に水素（水素リッチな燃料ガス）が供給され、電解質層の他端側の空気極に空気中の酸素が供給されることで、水素と酸素との電気化学反応（発熱反応）により、直流電力を発生する。尚、燃料電池３としては、固体高分子形（ＰＥＦＣ）のものに限らず、リン酸形（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩形（ＭＣＦＣ）、固体酸化物形（ＳＯＦＣ）、あるいはアルカリ電解質形（ＡＦＣ）などの他の形式の燃料電池であってもよい。   The fuel cell 3 is, for example, a polymer electrolyte (PEFC) fuel cell stack, and is configured by stacking a plurality of battery cells. The battery cell includes a fuel electrode (anode), an air electrode (cathode), and an electrolyte layer (polymer ion exchange membrane) disposed therebetween. Therefore, in the fuel cell 3, hydrogen (hydrogen-rich fuel gas) is supplied to the fuel electrode on one end side of the electrolyte layer, and oxygen in the air is supplied to the air electrode on the other end side of the electrolyte layer. Direct current power is generated by an electrochemical reaction (exothermic reaction) between oxygen and oxygen. The fuel cell 3 is not limited to a solid polymer type (PEFC), but is a phosphoric acid type (PAFC), a molten carbonate type (MCFC), a solid oxide type (SOFC), or an alkaline electrolyte type (AFC). Other types of fuel cells may be used.

パワーコンディショナー（ＰＣＳ）４は、燃料電池３で発生した直流電力を取り出すものであり、また、インバータを備え、直流電力を交流電力に変換して、家庭内の電気機器（負荷）ＥＩに供給する。また、パワーコンディショナー４には余剰電力ヒータ７が付設されており、燃料電池３の発電電力が電気機器ＥＩの需要電力を超える場合、逆潮流防止のため、インバータによる変換前の直流電力又は変換後の交流電力の一部が余剰電力ヒータ７に供給されて、余剰電力が消費される。尚、燃料電池３の発電電力が電気機器ＥＩの需要電力に満たない場合は、系統電源（商用電力系統）ＣＥからの補助電力が電気機器ＥＩに供給される。   The power conditioner (PCS) 4 takes out the DC power generated in the fuel cell 3, and includes an inverter, converts the DC power into AC power, and supplies it to an electric appliance (load) EI in the home. . Further, the power conditioner 4 is provided with a surplus power heater 7, and when the power generated by the fuel cell 3 exceeds the demand power of the electric equipment EI, the DC power before conversion by the inverter or after conversion is used to prevent reverse power flow. A part of the AC power is supplied to the surplus power heater 7 and the surplus power is consumed. When the generated power of the fuel cell 3 is less than the demand power of the electric device EI, auxiliary power from the system power source (commercial power system) CE is supplied to the electric device EI.

熱交換器５は、その一次側が燃料電池３冷却用の冷却水循環通路８の一部を構成し、その二次側が給湯ユニット（貯湯ユニット）側の貯湯用水通路１２の一部を構成し、燃料電池３にて発生する熱を回収して給湯ユニット側からの貯湯用水と熱交換し温水（湯）を得る。
熱交換器５の一次側の冷却水循環通路８では、水タンク９内の水を水ポンプ１０により燃料電池３の冷却器１１に送り、ここで昇温した水を熱交換器５の一次側に流して、給湯ユニット側からの水と熱交換した後、水タンク９内に戻している。図示は省略するが、この冷却水は水素製造装置２内のＣＯシフト反応器及びＣＯ選択酸化器での発熱反応の冷却にも用いられる。 The heat exchanger 5 has a primary side that constitutes a part of the cooling water circulation passage 8 for cooling the fuel cell 3 and a secondary side that constitutes a part of the hot water storage water passage 12 on the hot water supply unit (hot water storage unit) side. Heat generated in the battery 3 is recovered and heat exchanged with hot water storage water from the hot water supply unit side to obtain hot water (hot water).
In the cooling water circulation passage 8 on the primary side of the heat exchanger 5, the water in the water tank 9 is sent to the cooler 11 of the fuel cell 3 by the water pump 10, and the water whose temperature is raised here is sent to the primary side of the heat exchanger 5. After flowing and exchanging heat with water from the hot water supply unit side, it is returned to the water tank 9. Although not shown, this cooling water is also used for cooling the exothermic reaction in the CO shift reactor and the CO selective oxidizer in the hydrogen production apparatus 2.

また、熱交換器５の二次側の貯湯用水通路１２には、熱交換器５下流に、前記余剰電力ヒータ７を配置して、余剰電力を消費する際に、熱回収を行っている。すなわち、余剰電力ヒータ７により、熱交換器５から給湯ユニット側の貯湯槽へ戻る温水を更に加熱できるようにしている。
燃料電池システム（発電ユニット）はまた、家庭内の電気機器ＥＩの熱需要に応じて、燃料電池３の発電電力を制御する制御装置１３を備えて構成される。制御装置１３は、マイクロコンピュータにより構成され、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ及び入出力インターフェイスなどを備えている。 Further, in the hot water storage water passage 12 on the secondary side of the heat exchanger 5, the surplus power heater 7 is disposed downstream of the heat exchanger 5, and heat is recovered when surplus power is consumed. That is, the surplus power heater 7 can further heat the hot water returning from the heat exchanger 5 to the hot water storage tank on the hot water supply unit side.
The fuel cell system (power generation unit) also includes a control device 13 that controls the generated power of the fuel cell 3 in accordance with the heat demand of the electrical equipment EI in the home. The control device 13 is configured by a microcomputer and includes a CPU, a ROM, a RAM, an input / output interface, and the like.

制御装置１３には、計測器１４、１５から信号が入力される。計測器１４は、燃料電池３から電気機器ＥＩへ供給される供給電力を測定し、供給電力の測定値を制御装置１３へ出力する。計測器１５は、商用電力系統ＣＥから電気機器ＥＩへ供給される補助電力を測定し、補助電力の測定値を制御装置１３へ出力し、商用電力系統ＣＥへの逆潮流の発生を防止する。   Signals are input from the measuring instruments 14 and 15 to the control device 13. The measuring instrument 14 measures the supplied power supplied from the fuel cell 3 to the electric device EI and outputs a measured value of the supplied power to the control device 13. The measuring instrument 15 measures auxiliary power supplied from the commercial power system CE to the electrical equipment EI, and outputs a measurement value of the auxiliary power to the control device 13 to prevent the occurrence of reverse power flow to the commercial power system CE.

制御装置１３による発電電力の制御は、燃料供給制御手段（ポンプ及び／又は制御弁）１６を介して水素製造装置２への燃料供給量を制御して、燃料電池３への改質燃料の供給量を制御し、また、空気供給制御手段（ポンプ及び／又は制御弁）１７を介して燃料電池３への空気の供給量を制御することによって、行う。実際には、この他、水素製造装置（改質器）２への改質用水の供給、燃焼器６への燃料供給、ＣＯ選択酸化器への空気供給、各部への冷却水の供給などを協調制御する。   The control of the generated power by the control device 13 is to supply the reformed fuel to the fuel cell 3 by controlling the amount of fuel supplied to the hydrogen production device 2 via the fuel supply control means (pump and / or control valve) 16. The amount is controlled, and the amount of air supplied to the fuel cell 3 is controlled via the air supply control means (pump and / or control valve) 17. Actually, in addition to this, supply of reforming water to the hydrogen production apparatus (reformer) 2, supply of fuel to the combustor 6, supply of air to the CO selective oxidizer, supply of cooling water to each part, etc. Control cooperatively.

従って、制御装置１３は、電気機器ＥＩの需要電力に応じて、燃料電池３の発電電力目標値を設定し、これに従って（発電電力目標値を得るように）、燃料供給量や空気供給量などを制御することにより、燃料電池３の発電電力を制御する。
制御装置１３はまた、パワーコンディショナー４を制御する。具体的には、燃料電池３の発電電力目標値に基づいて、燃料電池３から取り出す電流を設定・制御する。より詳しくは、燃料電池３の発電電力目標値を燃料電池３の出力電圧で除算して、電流目標値を設定し、この電流目標値に従って、燃料電池３から取り出す電流を制御する。 Therefore, the control device 13 sets the generated power target value of the fuel cell 3 according to the demand power of the electric equipment EI, and according to this (to obtain the generated power target value), the fuel supply amount, the air supply amount, etc. By controlling this, the power generated by the fuel cell 3 is controlled.
The control device 13 also controls the power conditioner 4. Specifically, the current taken out from the fuel cell 3 is set and controlled based on the generated power target value of the fuel cell 3. More specifically, the target electric power generated by the fuel cell 3 is divided by the output voltage of the fuel cell 3 to set a current target value, and the current taken out from the fuel cell 3 is controlled according to the current target value.

尚、燃料電池３には、燃料電池３の出力電圧を検出する燃料電池電圧計１８と、燃料電池３の出力電流を検出する燃料電池電流計１９とが付設され、これらの信号は制御装置１３に入力されている。
制御装置１３は更にまた、パワーコンディショナー４を制御して、燃料電池３の発電電力が電気機器ＥＩの需要電力を超える場合に、余剰電力を余剰電力ヒータ７に供給する。これにより、余剰電力は給湯エネルギーとして利用される。 The fuel cell 3 is provided with a fuel cell voltmeter 18 for detecting the output voltage of the fuel cell 3 and a fuel cell ammeter 19 for detecting the output current of the fuel cell 3. Has been entered.
Further, the control device 13 controls the power conditioner 4 to supply surplus power to the surplus power heater 7 when the generated power of the fuel cell 3 exceeds the demand power of the electric equipment EI. Thereby, surplus electric power is utilized as hot water supply energy.

次に、上記の燃料電池システムでの燃料電池（スタック）３の診断について説明する。
ここで、この燃料電池システムは、熱需要に応じて発電する「熱主電従」であり、「熱主電従」の場合は、燃料電池システムの運転時（診断モードを実施したい時を含む）に当然に熱需要があるため、安定した電力でインピーダンス測定するための安定した負荷需要として余剰電力ヒータ７を動作させてもエネルギーロスが少なく、燃料電池システムにとってより良いタイミングで診断を実施できる。 Next, diagnosis of the fuel cell (stack) 3 in the above fuel cell system will be described.
Here, this fuel cell system is a “heat main power slave” that generates power in response to heat demand. In the case of “heat main power slave”, the fuel cell system is in operation (including when the diagnosis mode is desired to be executed). Naturally, since there is a heat demand, there is little energy loss even if the surplus power heater 7 is operated as a stable load demand for impedance measurement with stable power, and diagnosis can be performed at a better timing for the fuel cell system. .

図２は診断部及びその関連部のブロック図である。
燃料電池（スタック）３の出力側に接続されるパワーコンディショナー４は、燃料電池３で発生した直流電力を取り出すＤＣ／ＤＣコンバータ２１と、直流電力を交流電力に変換するＤＣ／ＡＣインバータ２２とを含んで構成される。
余剰電力ヒータ７は、ＤＣヒータ又はＡＣヒータのいずれでもよく、ＤＣヒータの場合はＤＣ／ＡＣインバータ２２の入力側に接続され、ＡＣヒータの場合はＤＣ／ＡＣインバータ２２の出力側に接続される。尚、接続は図示しないスイッチング手段を介してなされる。 FIG. 2 is a block diagram of the diagnosis unit and its related units.
A power conditioner 4 connected to the output side of the fuel cell (stack) 3 includes a DC / DC converter 21 that extracts DC power generated in the fuel cell 3, and a DC / AC inverter 22 that converts DC power into AC power. Consists of including.
The surplus power heater 7 may be either a DC heater or an AC heater, and is connected to the input side of the DC / AC inverter 22 in the case of a DC heater, and is connected to the output side of the DC / AC inverter 22 in the case of an AC heater. . The connection is made via switching means (not shown).

制御装置１３は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１を用いて、燃料電池３から取り出す電流を制御する制御部３１を備え、この制御部３１には、燃料電池３に付設の電圧計及び電流計から電圧及び電流のデータが入力される。
制御装置１３はまた、診断モードにて燃料電池３の診断を行う診断部３２を備える。診断部３２は、制御部３１を介して、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１を含む各種機器の操作や、燃料電池３の電圧及び電流を含む各種データの読込みを行うことができる。 The control device 13 includes a control unit 31 that controls a current extracted from the fuel cell 3 using the DC / DC converter 21, and the control unit 31 includes a voltmeter and an ammeter attached to the fuel cell 3. Current data is input.
The control device 13 also includes a diagnosis unit 32 that diagnoses the fuel cell 3 in the diagnosis mode. The diagnosis unit 32 can operate various devices including the DC / DC converter 21 and read various data including the voltage and current of the fuel cell 3 via the control unit 31.

図３は診断部３２による診断ルーチンのフローチャートである。
Ｓ１では、所定の診断モード条件が成立しているか否かを判定する。診断モード条件とは、例えば、（１）燃料電池システムの運転時間が所定時間（例えば前回診断時からの時間で５００時間）に達した場合、（２）定格運転時の燃料電池の電圧が所定電圧より低下した場合、（３）エラーが所定回数以上発生した場合、のいずれかとする。診断モード条件が成立した場合はＳ２へ進む。 FIG. 3 is a flowchart of a diagnosis routine by the diagnosis unit 32.
In S1, it is determined whether or not a predetermined diagnosis mode condition is established. The diagnosis mode condition is, for example, (1) when the operation time of the fuel cell system reaches a predetermined time (for example, 500 hours from the time of the previous diagnosis), and (2) the voltage of the fuel cell at the rated operation is predetermined. When the voltage drops below the voltage, (3) either when the error occurs a predetermined number of times or more. If the diagnosis mode condition is satisfied, the process proceeds to S2.

Ｓ２では、診断時に外部起因のノイズの影響を低減するために、燃料電池システムから家庭内の電気機器ＥＩを切り離して、家庭内の電気機器ＥＩの電源を全て系統電源ＣＥに切り替える。但し、ノイズの影響が問題とならない場合は、このＳ２の処理を省略してもよい。
Ｓ３では、燃料電池３から取り出す電流を余剰電力ヒータ７で消費するように、ＤＣ／ＡＣインバータ２２に余剰電力ヒータ７を電気的に接続する。ここで、余剰電力ヒータ７がＤＣヒータである場合は、ＤＣ／ＡＣインバータ２２の入力側に、ＡＣヒータである場合は、ＤＣ／ＡＣインバータ２２の出力側に接続する。 In S2, in order to reduce the influence of noise caused by the outside at the time of diagnosis, the household electrical equipment EI is disconnected from the fuel cell system, and the power sources of the household electrical equipment EI are all switched to the system power supply CE. However, if the influence of noise is not a problem, the process of S2 may be omitted.
In S <b> 3, the surplus power heater 7 is electrically connected to the DC / AC inverter 22 so that the surplus power heater 7 consumes the current extracted from the fuel cell 3. Here, when the surplus power heater 7 is a DC heater, it is connected to the input side of the DC / AC inverter 22, and when it is an AC heater, it is connected to the output side of the DC / AC inverter 22.

尚、診断時の燃料電池出力が例えば５００Ｗの場合、余剰電力ヒータは５００Ｗ以上で出力させ、ヒータ出力≧診断時の燃料電池出力とする。より好ましくは、ヒータは、診断時の燃料電池出力×１１０％程度の出力で動作させるとよい。燃料電池システムから取り出す電流を安定させるためには、燃料電池出力を全てヒータで消費することが必要であり、燃料電池出力で賄いきれないヒータ電力については系統電源から供給を受けるようにしてもよい。   When the fuel cell output at the time of diagnosis is 500 W, for example, the surplus power heater is output at 500 W or more, and the heater output ≧ the fuel cell output at the time of diagnosis. More preferably, the heater may be operated with an output of about 110% of fuel cell output at the time of diagnosis. In order to stabilize the current drawn from the fuel cell system, it is necessary to consume all of the fuel cell output by the heater, and heater power that cannot be covered by the fuel cell output may be supplied from the system power supply. .

Ｓ４では、診断のため、制御部３１を介してＤＣ／ＤＣコンバータ２１を操作し、燃料電池３から取り出す電流を所定の定格電流とする一方、この電流に所定周波数（例えば１ｋＨｚ〜１ｍＨｚ）の振幅を与える。
すなわち、図４及び図５に示すように、燃料電池のＩ−Ｖ特性において、掃引電流を所定の定格電流として、これに所定周波数の振幅を与えることにより、電流を所定周波数で変化させ、これにより、電圧を変化させる。 In S4, for diagnosis, the DC / DC converter 21 is operated via the control unit 31, and the current taken out from the fuel cell 3 is set to a predetermined rated current, while the current has an amplitude of a predetermined frequency (for example, 1 kHz to 1 mHz). give.
That is, as shown in FIGS. 4 and 5, in the IV characteristics of the fuel cell, the sweep current is set as a predetermined rated current, and the current is changed at a predetermined frequency by giving the amplitude of the predetermined frequency. To change the voltage.

そして、このときの電圧変化を所定のサンプリング周期（印加周波数の倍以上の例えば２ｋＨｚ）で測定し（制御部３１を介して読込み）、これに基づいてインピーダンスを算出する。
すなわち、印加電流Ｉ＝Ｉ0 expｊωｔに対する、応答電圧Ｅ＝Ｅ0 expｊ(ωｔ＋Φ)を測定し、インピーダンスＺ＝Ｅ／Ｉ＝Ｒ＋ｊχを算出する。ここで、インピーダンスＺは、実部抵抗Ｒと、虚部抵抗（リアクタンス）χとに分けて算出する。 Then, the voltage change at this time is measured at a predetermined sampling period (for example, 2 kHz which is not less than twice the applied frequency) (read via the control unit 31), and the impedance is calculated based on this.
That is, the response voltage E = E 0 expj (ωt + Φ) with respect to the applied current I = I 0 expjωt is measured, and the impedance Z = E / I = R + jχ is calculated. Here, the impedance Z is calculated separately for the real part resistance R and the imaginary part resistance (reactance) χ.

Ｓ５では、インピーダンス測定結果を解析する。
インピーダンス（実部抵抗及び虚部抵抗）については、図６に示すように、実部抵抗を縦軸、虚部抵抗を横軸とするプロット線図（コールコールプロット）を作成することにより、以下のような解析が可能である。
図６（ａ）は、一般的な初期特性であり、燃料電池の膜抵抗、反応抵抗、及び、拡散抵抗が正常な場合のコールコールプロットである。 In S5, the impedance measurement result is analyzed.
For impedance (real part resistance and imaginary part resistance), by creating a plot diagram (Cole-Cole plot) with the real part resistance on the vertical axis and the imaginary part resistance on the horizontal axis as shown in FIG. Analysis like this is possible.
FIG. 6A is a typical initial characteristic, and is a Cole-Cole plot when the membrane resistance, reaction resistance, and diffusion resistance of the fuel cell are normal.

これに対し、図６（ｂ）は、燃料電池の膜抵抗が増大した場合のコールコールプロットであり、膜抵抗が増大すると、円弧が右側に移動することが知られている。
図６（ｃ）は、燃料電池の反応抵抗が増大した場合のコールコールプロットであり、反応抵抗に対応する円弧が大きくなることが知られている。
図６（ｄ）は、燃料電池の拡散抵抗が増大した場合のコールコールプロットであり、拡散抵抗に対応する円弧が大きくなることが知られている。 On the other hand, FIG. 6B is a Cole-Cole plot when the membrane resistance of the fuel cell increases, and it is known that the arc moves to the right as the membrane resistance increases.
FIG. 6C is a Cole-Cole plot when the reaction resistance of the fuel cell increases, and it is known that the arc corresponding to the reaction resistance increases.
FIG. 6D is a Cole-Cole plot when the diffusion resistance of the fuel cell is increased, and it is known that the arc corresponding to the diffusion resistance increases.

従って、インピーダンス測定結果を解析することで、燃料電池の膜抵抗の増大の程度、反応抵抗の増大の程度、及び、拡散抵抗の増大の程度を判定することができる。
Ｓ６では、上記のようなインピーダンス測定結果の解析に基づき、膜抵抗の増大の有無を判定し、膜抵抗増大の場合は、Ｓ７へ進み、膜抵抗減少モードでの運転に切り替える。具体的には、膜抵抗増大は一般に加湿状態が悪化することによって起こるので、膜抵抗減少モードでは、空気を絞る、バブリングを行う等の加湿処理を行う。 Therefore, by analyzing the impedance measurement result, it is possible to determine the degree of increase in the membrane resistance of the fuel cell, the degree of increase in the reaction resistance, and the degree of increase in the diffusion resistance.
In S6, based on the analysis of the impedance measurement result as described above, it is determined whether or not the membrane resistance is increased. If the membrane resistance is increased, the process proceeds to S7 and the operation is switched to the membrane resistance decreasing mode. Specifically, the increase in film resistance generally occurs when the humidified state deteriorates. Therefore, in the film resistance decrease mode, humidification such as squeezing air or bubbling is performed.

また、Ｓ８では、上記のようなインピーダンス測定結果の解析に基づき、反応抵抗の増大の有無を判定し、反応抵抗増大の場合は、Ｓ９へ進み、反応抵抗減少モードでの運転に切り替える。具体的には、反応抵抗増大も多くは加湿状態が悪化することによって起こるので、反応抵抗減少モードでは、加湿を促進するように、膜抵抗減少モードと同様な処理を行う。但し、状況によっては、後述するドライ処理を行うのが適当な場合もある。   In S8, based on the analysis of the impedance measurement result as described above, it is determined whether or not the reaction resistance has increased. If the reaction resistance has increased, the process proceeds to S9 and the operation is switched to the reaction resistance decrease mode. Specifically, the reaction resistance increases mostly due to the deterioration of the humidified state. Therefore, in the reaction resistance decreasing mode, the same processing as in the film resistance decreasing mode is performed so as to promote humidification. However, depending on the situation, it may be appropriate to perform the dry treatment described later.

また、Ｓ１０では、上記のようなインピーダンス測定結果の解析に基づき、拡散抵抗の増大の有無を判定し、拡散抵抗増大の場合は、Ｓ１１へ進み、拡散抵抗減少モードでの運転に切り替える。具体的には、拡散抵抗増大は一般に水が詰まって抵抗が増えるので、拡散抵抗減少モードでは、空気を多くする、或いは、ドライ空気を流通させて、水を飛ばすようなドライ処理を行う。   Further, in S10, based on the analysis of the impedance measurement result as described above, it is determined whether or not the diffusion resistance is increased. If the diffusion resistance is increased, the process proceeds to S11 and the operation is switched to the diffusion resistance reduction mode. Specifically, the increase in diffusion resistance generally increases the resistance due to water clogging. Therefore, in the diffusion resistance reduction mode, a dry process is performed in which air is increased or dry air is circulated to blow water.

このような処理の他、インピーダンス測定結果に基づいて、燃料電池の劣化の程度を判定し、判定結果に従って、発電電力の上限値を低下させる発電電力抑制モードでの運転に切り替えるようにしてもよい。
また、インピーダンス測定結果に基づいて、燃料電池の劣化の程度を判定し、判定結果に従って、警告灯を点灯させるなどして、異常を警告するようにしてもよい。 In addition to such processing, the degree of deterioration of the fuel cell may be determined based on the impedance measurement result, and the operation may be switched to the operation in the generated power suppression mode that reduces the upper limit value of the generated power according to the determination result. .
Further, the degree of deterioration of the fuel cell may be determined based on the impedance measurement result, and an abnormality may be warned by turning on a warning lamp according to the determination result.

更に、燃料電池３の診断（インピーダンスの測定）は、燃料電池３全体について実施する他、セル毎、あるいはセルモジュール毎に実施するようにしてもよい。
本実施形態によれば、家庭用の燃料電池システムの診断に際し、余剰電力ヒータ７を強制的に作動させて、燃料電池３から取り出す電流を余剰電力ヒータ７にて消費させるように設定することにより、掃引電流を任意に制御可能となる。従って、運転時（診断モードを実施したいときを含む）に熱需要がある「熱主電従」の発電方式の燃料電池システムにおいては、診断モードを実施したいときにも当然に熱需要があるため、診断モードを実施したいとき、或いは診断モード実施中に、貯湯槽が満蓄になり燃料電池システムが停止することを防ぐことができ、ほとんど制約なく任意のタイミングで診断モードに切替え可能となり、診断条件の設定が容易となる。 Furthermore, the diagnosis (impedance measurement) of the fuel cell 3 may be performed for each cell or for each cell module in addition to the entire fuel cell 3.
According to the present embodiment, when diagnosing a household fuel cell system, the surplus power heater 7 is forcibly operated so that the current taken out from the fuel cell 3 is consumed by the surplus power heater 7. The sweep current can be arbitrarily controlled. Accordingly, in the fuel cell system of the “thermal mains” power generation system that has a heat demand during operation (including when the diagnosis mode is to be performed), there is naturally a heat demand even when the diagnosis mode is to be performed. It is possible to prevent the fuel cell system from shutting down due to full storage of the hot water tank when the diagnostic mode is to be executed or during the execution of the diagnostic mode, and it is possible to switch to the diagnostic mode at any timing with almost no restrictions. Conditions can be easily set.

また、燃料電池３から取り出す電流を測定に適した所定の定格電流とした上で、これに所定周波数の振幅を与えて、インピーダンス測定を実施するので、インピーダンス測定精度、ひいては診断精度を大幅に向上させることができる。
また、本実施形態によれば、家庭用の燃料電池システムの診断に際し、燃料電池システムから家庭内の電気機器ＥＩを切り離して、家庭内の電気機器ＥＩに系統電源ＣＥより電力を供給することにより、外部起因のノイズの影響を低減することができる。但し、外部起因のノイズの影響が問題とならない場合は、この切り離しを行わなくてもよい。 In addition, since the current extracted from the fuel cell 3 is set to a predetermined rated current suitable for measurement and given an amplitude of a predetermined frequency, impedance measurement is performed, so that impedance measurement accuracy and thus diagnosis accuracy are greatly improved. Can be made.
Further, according to the present embodiment, when diagnosing a home fuel cell system, by disconnecting the home electrical device EI from the fuel cell system and supplying power from the system power supply CE to the home electrical device EI In addition, it is possible to reduce the influence of external noise. However, this separation may not be performed if the influence of external noise does not matter.

また、本実施形態によれば、インピーダンス測定結果に基づいて、燃料電池３の膜抵抗、反応抵抗、及び、拡散抵抗の増大の程度をそれぞれ診断することにより、不具合要因を的確に把握して、膜抵抗減少モード、反応抵抗減少モード、及び、拡散抵抗減少モードの運転に切り替えるなど、不具合に的確に対処することができる。
以上により、安定した電力でインピーダンス測定するための安定した負荷需要として余剰電力ヒータ７を動作させても、貯湯槽の満蓄を避けるために、余剰電力ヒータの発熱をラジエータにて放熱させたり、熱需要（温水需要）を無視して貯湯槽内の温水を強制的に外部に排出させることなく、確実に給湯エネルギーとして活用することができるため、診断中のエネルギーロスを低く抑えつつ、燃料電池スタックにとって真に必要なタイミングで診断を実施することができ、燃料電池システムの長寿命化を図ることができる。 In addition, according to the present embodiment, by diagnosing the degree of increase in the membrane resistance, reaction resistance, and diffusion resistance of the fuel cell 3 based on the impedance measurement result, the cause of the failure is accurately grasped, It is possible to appropriately deal with problems such as switching to the membrane resistance reduction mode, reaction resistance reduction mode, and diffusion resistance reduction mode.
As described above, even if the surplus power heater 7 is operated as a stable load demand for impedance measurement with stable power, in order to avoid the full storage of the hot water tank, the heat generated by the surplus power heater is dissipated by the radiator, The fuel cell can be used reliably as hot water supply energy without ignoring the heat demand (warm water demand) and forcibly discharging the hot water in the hot water tank to the outside. Diagnosis can be performed at a timing that is truly necessary for the stack, and the life of the fuel cell system can be extended.

尚、以上の説明では、水素製造装置を備える燃料電池システムについて説明したが、水素製造装置の代わりに、水素ボンベ等を使用する、いわゆる純水素型の燃料電池システムにも、本発明を適用可能である。
また、以上の図示の実施形態はあくまで本発明を例示するものであり、本発明は、説明した実施形態により直接的に示されるものに加え、特許請求の範囲内で当業者によりなされる各種の改良・変更を包含するものであることは言うまでもない。 In the above description, the fuel cell system including the hydrogen production apparatus has been described. However, the present invention can also be applied to a so-called pure hydrogen fuel cell system that uses a hydrogen cylinder or the like instead of the hydrogen production apparatus. It is.
Further, the illustrated embodiments described above are merely examples of the present invention, and the present invention is not limited to those directly illustrated by the described embodiments, and various modifications made by those skilled in the art within the scope of the claims. Needless to say, it includes improvements and changes.

１ システム筐体
２ 水素製造装置（改質器）
３ 燃料電池（スタック）
４ パワーコンディショナー
５ 熱交換器
６ 燃焼器
７ 余剰電力ヒータ
８ 冷却水循環通路
９ 水タンク
１０ 水ポンプ
１１ 冷却器
１２ 貯湯用水通路
１３ 制御装置
１４ 計測器
１５ 計測器
１６ 燃料供給制御手段
１７ 空気供給制御手段
１８ 燃料電池電圧計
１９ 燃料電池電流計
２１ ＤＣ／ＤＣコンバータ
２２ ＤＣ／ＡＣインバータ
３１ 制御部
３２ 診断部 1 System housing 2 Hydrogen production equipment (reformer)
3 Fuel cell (stack)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 4 Power conditioner 5 Heat exchanger 6 Combustor 7 Surplus electric power heater 8 Cooling water circulation path 9 Water tank 10 Water pump 11 Cooler 12 Hot water storage water path 13 Control device 14 Measuring instrument 15 Measuring instrument 16 Fuel supply control means 17 Air supply control means 17 18 Fuel Cell Voltmeter 19 Fuel Cell Ammeter 21 DC / DC Converter 22 DC / AC Inverter 31 Controller 32 Diagnostic Unit

Claims (5)

水素と酸素との電気化学反応により直流電力を発生する燃料電池と、燃料電池で発生した直流電力を取り出すと共に交流電力に変換して家庭内の電気機器に供給するパワーコンディショナーと、燃料電池で発生する熱を回収して温水を得る熱交換器と、余剰電力で作動して前記温水を更に加熱する余剰電力ヒータと、を含んで構成される家庭用の燃料電池システムにおいて、
診断モードにて、燃料電池から取り出す電流を所定の定格電流とする一方、この電流に所定周波数の振幅を与える電流制御手段と、
前記電流に所定周波数の振幅を与えた時の燃料電池の出力電圧の変化を測定することにより燃料電池のインピーダンスを測定するインピーダンス測定手段と、
前記インピーダンスに基づいて燃料電池を診断する診断手段と、を備え、
更に、前記診断モードにて、前記余剰電力ヒータを強制的に作動させて、燃料電池から取り出す電流を前記余剰電力ヒータにて消費させる診断モード設定手段を備えることを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell that generates direct-current power through an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen, a power conditioner that extracts the direct-current power generated by the fuel cell, converts it into alternating-current power, and supplies it to household electrical equipment, and generated by the fuel cell In a domestic fuel cell system configured to include a heat exchanger that collects heat to obtain hot water and a surplus power heater that operates with surplus power to further heat the warm water,
In the diagnostic mode, the current taken out from the fuel cell is set to a predetermined rated current, while current control means for giving an amplitude of a predetermined frequency to the current;
Impedance measuring means for measuring the impedance of the fuel cell by measuring a change in the output voltage of the fuel cell when an amplitude of a predetermined frequency is applied to the current;
Diagnostic means for diagnosing the fuel cell based on the impedance,
The fuel cell system further comprises diagnostic mode setting means for forcibly operating the surplus power heater in the diagnosis mode and consuming current taken out from the fuel cell by the surplus power heater. 前記診断モード設定手段は、前記診断モードにて、燃料電池システムと家庭内の電気機器とを切り離して、家庭内の電気機器に系統電源より電力を供給する一方、前記余剰電力ヒータを強制的に作動させて、燃料電池から取り出す電流を前記余剰電力ヒータにて消費させることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。   In the diagnosis mode, the diagnosis mode setting means disconnects the fuel cell system from the home electric device and supplies electric power from the system power source to the home electric device while forcing the surplus power heater. 2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the surplus electric power heater consumes the electric current that is operated and taken out from the fuel cell. 前記診断手段は、前記インピーダンスに基づいて、燃料電池の膜抵抗、反応抵抗、及び、拡散抵抗の増大の程度をそれぞれ診断することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の燃料電池システムの診断装置。   3. The fuel cell system according to claim 1, wherein the diagnosis unit diagnoses the degree of increase in membrane resistance, reaction resistance, and diffusion resistance of the fuel cell based on the impedance. Diagnostic device. 水素と酸素との電気化学反応により直流電力を発生する燃料電池と、燃料電池で発生した直流電力を取り出すと共に交流電力に変換して家庭内の電気機器に供給するパワーコンディショナーと、燃料電池で発生する熱を回収して温水を得る熱交換器と、余剰電力で作動して前記温水を更に加熱する余剰電力ヒータと、を含んで構成される家庭用の燃料電池システムにおいて、該システムの診断を行う際に、
前記余剰電力ヒータを強制的に作動させて、燃料電池から取り出す電流を前記余剰電力ヒータにて消費させるように設定し、
燃料電池から取り出す電流を所定の定格電流とする一方、この電流に所定周波数の振幅を与え、
前記電流に所定周波数の振幅を与えた時の燃料電池の出力電圧の変化を測定することにより燃料電池のインピーダンスを測定し、
前記インピーダンスに基づいて燃料電池を診断することを特徴とする燃料電池システムの診断方法。 A fuel cell that generates direct-current power through an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen, a power conditioner that extracts the direct-current power generated by the fuel cell, converts it into alternating-current power, and supplies it to household electrical equipment, and generated by the fuel cell In a domestic fuel cell system comprising a heat exchanger that collects heat to obtain hot water and a surplus power heater that operates with surplus power to further heat the warm water, the system is diagnosed When doing
Forcibly operating the surplus power heater, and setting the current to be extracted from the fuel cell to be consumed by the surplus power heater,
While the current taken out from the fuel cell is set to a predetermined rated current, this current is given an amplitude of a predetermined frequency,
Measure the impedance of the fuel cell by measuring the change in the output voltage of the fuel cell when giving an amplitude of a predetermined frequency to the current,
A method for diagnosing a fuel cell system, comprising diagnosing the fuel cell based on the impedance. 水素と酸素との電気化学反応により直流電力を発生する燃料電池と、燃料電池で発生した直流電力を取り出すと共に交流電力に変換して家庭内の電気機器に供給するパワーコンディショナーと、燃料電池で発生する熱を回収して温水を得る熱交換器と、余剰電力で作動して前記温水を更に加熱する余剰電力ヒータと、を含んで構成される家庭用の燃料電池システムにおいて、該システムの診断を行う際に、
燃料電池システムと家庭内の電気機器とを切り離して、家庭内の電気機器に系統電源より電力を供給する一方、前記余剰電力ヒータを強制的に作動させて、燃料電池から取り出す電流を前記余剰電力ヒータにて消費させるように設定し、
燃料電池から取り出す電流を所定の定格電流とする一方、この電流に所定周波数の振幅を与え、
前記電流に所定周波数の振幅を与えた時の燃料電池の出力電圧の変化を測定することにより燃料電池のインピーダンスを測定し、
前記インピーダンスに基づいて燃料電池を診断することを特徴とする燃料電池システムの診断方法。 A fuel cell that generates direct-current power through an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen, a power conditioner that extracts the direct-current power generated by the fuel cell, converts it into alternating-current power, and supplies it to household electrical equipment, and generated by the fuel cell In a domestic fuel cell system comprising a heat exchanger that collects heat to obtain hot water and a surplus power heater that operates with surplus power to further heat the warm water, the system is diagnosed When doing
The fuel cell system is separated from the home electric device, and power is supplied from the system power source to the home electric device, while the surplus power heater is forcibly operated to extract the current taken from the fuel cell from the surplus power. Set to consume with a heater,
While the current taken out from the fuel cell is set to a predetermined rated current, this current is given an amplitude of a predetermined frequency,
Measure the impedance of the fuel cell by measuring the change in the output voltage of the fuel cell when giving an amplitude of a predetermined frequency to the current,
A method for diagnosing a fuel cell system, comprising diagnosing the fuel cell based on the impedance.
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