JP2011216337A - Fuel battery power generating device, and method of monitoring fuel battery - Google Patents

Fuel battery power generating device, and method of monitoring fuel battery Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel battery power generating device and a method of monitoring the fuel battery, capable of appropriately detecting the abnormality of voltage drop of a cell of the fuel battery.SOLUTION: A fuel battery power generating device 1 having a fuel battery 2 constructed by stacking in series a plurality of cell blocks 2b consisting of the prescribed number of fuel battery cells 2a stacked in series includes: a characteristic obtaining unit 21 previously obtaining the relation between an output power W of the fuel battery 2 and an output voltage V of the cell block 2b based on respective voltage-current characteristics of the cells 2a of the fuel cell; a target power obtaining unit 22 obtaining the target power of the fuel cell 2; a threshold value control unit 23 computing an abnormality detecting voltage Vof the cell block in the target power Wbased on the relation and a target power W; and an abnormality detecting unit 24 detecting the abnormality of the cell block 2b based on the magnitude relation between the output voltage V and abnormality detecting voltage Vof the cell block 2b.

Description

本発明は、燃料電池発電装置及び燃料電池監視方法に関する。   The present invention relates to a fuel cell power generator and a fuel cell monitoring method.

従来の燃料電池発電装置として、任意の個数直列に積層された燃料電池セルから構成されるブロックが複数個直列に積層されて構成される燃料電池を有するものが知られている(例えば、特許文献1参照。)。特許文献1記載の燃料電池発電装置では、ブロック単位で電圧を検出し、検出された電圧とブロック単位に予め設定された特定の閾値との大小関係を用いて、燃料電池セルの電圧異常を検出する。特定の閾値は、燃料電池全体の総電圧及びブロック単位の電圧に基づいて定められる。   2. Description of the Related Art As a conventional fuel cell power generation device, one having a fuel cell configured by stacking a plurality of blocks each composed of an arbitrary number of fuel cells stacked in series is known (for example, a patent document) 1). In the fuel cell power generation device described in Patent Document 1, a voltage is detected in units of blocks, and a voltage abnormality of the fuel cells is detected using a magnitude relationship between the detected voltage and a specific threshold value preset in units of blocks. To do. The specific threshold is determined based on the total voltage of the entire fuel cell and the voltage in block units.

特開2005−26239号公報JP 2005-26239 A

ところで、各燃料電池セルの望ましい電圧は、燃料電池の発電状態に応じて変化する。このため、特許文献1記載の燃料電池発電装置にあっては、個々の燃料電池セルの電圧異常を適切に検出できないおそれがある。例えば、特定の閾値を超えている場合であっても燃料電池の発電状態によっては各燃料電池セルにおいて望ましくない状況になっている場合がある。   By the way, the desirable voltage of each fuel cell changes according to the power generation state of the fuel cell. For this reason, in the fuel cell power generation device described in Patent Literature 1, there is a possibility that voltage abnormality of individual fuel cells cannot be detected appropriately. For example, even if a specific threshold value is exceeded, depending on the power generation state of the fuel cell, there may be an undesirable situation in each fuel cell.

そこで、本発明は、燃料電池セルの電圧低下の異常を適切に検出することができる燃料電池発電装置及び燃料電池監視方法を提供することを課題とする。   Therefore, an object of the present invention is to provide a fuel cell power generation apparatus and a fuel cell monitoring method capable of appropriately detecting an abnormality in the voltage drop of the fuel cell.

上記課題を解決するため、本発明に係る燃料電池発電装置は、任意の個数直列に積層された燃料電池セルからなるセルブロックが複数個直列に積層されて構成される燃料電池を有する燃料電池発電装置であって、前記燃料電池セルそれぞれの電圧電流特性に基づいて、前記燃料電池の出力電力と前記セルブロックの出力電圧との関係を予め取得する特性取得手段と、前記燃料電池の目標電力を取得する目標電力取得手段と、前記関係及び前記目標電力に基づいて、当該目標電力における前記セルブロックの異常検出電圧を算出する閾値算出手段と、前記セルブロックの出力電圧及び前記異常検出電圧との大小関係に基づいて、前記セルブロックの異常を検出する異常検出手段と、を備えて構成される。   In order to solve the above-described problems, a fuel cell power generation device according to the present invention includes a fuel cell power generation including a fuel cell configured by stacking a plurality of cell blocks each including a plurality of fuel cell cells stacked in series. An apparatus for obtaining in advance a relationship between the output power of the fuel cell and the output voltage of the cell block based on the voltage-current characteristics of each of the fuel cells; and a target power of the fuel cell. Target power acquisition means for acquiring, threshold calculation means for calculating an abnormality detection voltage of the cell block at the target power based on the relationship and the target power, an output voltage of the cell block, and the abnormality detection voltage And an abnormality detecting means for detecting an abnormality of the cell block based on the magnitude relationship.

本発明に係る燃料電池発電装置では、特性取得手段により燃料電池セルそれぞれの電圧電流特性に基づいて燃料電池の出力電力とセルブロックの出力電圧との関係が予め取得され、目標電力取得手段により燃料電池の目標電力が取得され、閾値算出手段により上記関係及び目標電力に基づいて当該目標電力におけるセルブロックの異常検出電圧が算出され、異常検出手段によりセルブロックの出力電圧及び異常検出電圧との大小関係に基づいてセルブロックの異常が検出される。このように、異常検出電圧が、一定の値ではなく、燃料電池セルそれぞれの電圧電流特性に基づいて燃料電池の目標電力に応じた値とされるため、燃料電池セルの特性を考慮して電圧異常を判定することができる。このため、燃料電池セルの電圧低下の異常を適切に検出することができる。   In the fuel cell power generator according to the present invention, the relationship between the output power of the fuel cell and the output voltage of the cell block is acquired in advance based on the voltage-current characteristics of each fuel cell by the characteristic acquisition means, and the fuel is generated by the target power acquisition means. The target power of the battery is acquired, the abnormality detection voltage of the cell block at the target power is calculated based on the relationship and the target power by the threshold calculation means, and the magnitude of the output voltage and the abnormality detection voltage of the cell block is calculated by the abnormality detection means. A cell block abnormality is detected based on the relationship. As described above, the abnormality detection voltage is not a constant value but a value corresponding to the target power of the fuel cell based on the voltage-current characteristics of each fuel cell. Abnormality can be determined. For this reason, the abnormality of the voltage drop of a fuel battery cell can be detected appropriately.

ここで、前記異常検出手段は、前記セルブロックの両端に接続され前記異常検出電圧より大きな電圧が加わると発光する発光素子と、前記発光素子とともにフォトカプラーを構成する受光素子と、を備え、前記受光素子の電位に基づいて前記セルブロックの異常を検出してもよい。   Here, the abnormality detection means includes a light emitting element that is connected to both ends of the cell block and emits light when a voltage greater than the abnormality detection voltage is applied, and a light receiving element that constitutes a photocoupler together with the light emitting element, The abnormality of the cell block may be detected based on the potential of the light receiving element.

また、燃料電池発電装置は、前記異常検出電圧が所定の閾値より小さいか否かを判定する判定手段と、前記判定手段により前記異常検出電圧が所定の閾値より小さいと判定された場合には、前記異常検出電圧を所定の値に固定する閾値変動中止手段と、を備えることが好適である。このように構成することで、燃料電池の異常検出電圧に関する情報が不正確である場合や、異常検出電圧に関する情報を伝達する通信路に異常がある場合であっても適切な監視を行うことができる。   Further, the fuel cell power generation device determines whether or not the abnormality detection voltage is smaller than a predetermined threshold value, and when the determination means determines that the abnormality detection voltage is smaller than a predetermined threshold value, It is preferable to include threshold value fluctuation stopping means for fixing the abnormality detection voltage to a predetermined value. With this configuration, appropriate monitoring can be performed even when the information regarding the abnormality detection voltage of the fuel cell is inaccurate or when there is an abnormality in the communication path for transmitting information regarding the abnormality detection voltage. it can.

また、本発明に係る燃料電池監視方法は、任意の個数直列に積層された燃料電池セルからなるセルブロックが複数個直列に積層されて構成される燃料電池の電圧異常を監視する燃料電池監視方法であって、前記燃料電池セルそれぞれの電圧電流特性に基づいて、前記燃料電池の出力電力と前記セルブロックの出力電圧との関係を予め取得する関係取得ステップと、前記燃料電池の運転時において前記燃料電池の目標電力を取得する目標電力取得ステップと、前記関係取得ステップにより取得された前記関係及び前記目標電力取得ステップにより取得された前記目標電力に基づいて、当該目標電力における前記セルブロックの異常検出電圧を算出する閾値算出ステップと、前記閾値算出ステップにより算出された前記異常検出電圧を前記発光素子の所定電圧として設定する閾値設定ステップと、前記受光素子の電位に基づいて前記セルブロックの異常を検出する異常検出ステップと、を備えて構成される。   Further, the fuel cell monitoring method according to the present invention is a fuel cell monitoring method for monitoring a voltage abnormality of a fuel cell configured by stacking a plurality of cell blocks each including a plurality of fuel cell cells stacked in series. A relationship acquisition step for acquiring in advance a relationship between the output power of the fuel cell and the output voltage of the cell block based on the voltage-current characteristics of each of the fuel cells, and during the operation of the fuel cell, Based on the target power acquisition step of acquiring the target power of the fuel cell, the relationship acquired in the relationship acquisition step, and the target power acquired in the target power acquisition step, the abnormality of the cell block in the target power A threshold calculation step for calculating a detection voltage; and the abnormality detection voltage calculated by the threshold calculation step is used as the light emitting element. Configured with the a threshold setting step of setting a predetermined voltage, and a failure detection step for detecting an abnormality of the cell blocks based on the potential of the light receiving element.

ここで、燃料電池監視方法は、前記閾値算出ステップにより算出された前記異常検出電圧が所定の閾値より小さいか否かを判定する判定ステップと、前記判定ステップにより前記異常検出電圧が所定の閾値より小さいと判定された場合には、前記異常検出電圧を所定の値に固定する閾値変動中止ステップと、を備えてもよい。   Here, in the fuel cell monitoring method, a determination step for determining whether or not the abnormality detection voltage calculated by the threshold calculation step is smaller than a predetermined threshold, and the abnormality detection voltage by the determination step is less than a predetermined threshold. If it is determined that the threshold voltage is small, a threshold value fluctuation stopping step of fixing the abnormality detection voltage to a predetermined value may be provided.

本発明に係る燃料電池監視方法によれば、上述した燃料電池発電装置と同様の効果を奏する。   According to the fuel cell monitoring method of the present invention, the same effects as those of the fuel cell power generator described above can be obtained.

本発明によれば、燃料電池セルの電圧低下の異常を適切に検出することができる。   According to the present invention, it is possible to appropriately detect an abnormality in the voltage drop of the fuel battery cell.

本発明に係る燃料電池発電装置を備えるシステムの実施形態の構成概要図である。1 is a schematic configuration diagram of an embodiment of a system including a fuel cell power generator according to the present invention. 図1に示す燃料電池及び電圧検出回路の一例である。It is an example of the fuel cell and voltage detection circuit which are shown in FIG. 図1に示す燃料電池の電流電圧特性の一例である。It is an example of the current-voltage characteristic of the fuel cell shown in FIG. 図1に示す燃料電池の電力電圧特性の一例である。It is an example of the power voltage characteristic of the fuel cell shown in FIG. 図1の燃料電池発電装置の監視動作を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the monitoring operation | movement of the fuel cell power generator of FIG. 図1に示す燃料電池における電流、電圧、電力のインプットガス依存性を示すグラフである。It is a graph which shows the input gas dependence of the electric current in the fuel cell shown in FIG. 1, voltage, and electric power. 図1の燃料電池発電装置の閾値変更中止動作を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the threshold value change stop operation | movement of the fuel cell power generator of FIG.

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。   DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, in each figure, the same code | symbol is attached | subjected to the same or an equivalent part, and the overlapping description is abbreviate | omitted.

(第1実施形態)
第1実施形態に係る燃料電池発電装置は、例えば、家庭用の燃料電池システムに好適に採用されるものである。図1は、本実施形態に係る燃料電池発電装置1を備える燃料電池システムの構成概略図である。図1に示すように、燃料電池システムは、燃料電池2及び制御部20を有する燃料電池発電装置1を備えている。
(First embodiment)
The fuel cell power generator according to the first embodiment is suitably employed in, for example, a household fuel cell system. FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system including a fuel cell power generator 1 according to the present embodiment. As shown in FIG. 1, the fuel cell system includes a fuel cell power generator 1 having a fuel cell 2 and a control unit 20.

燃料電池2は、直流電源(DC電源)であって、外部負荷(家庭内負荷)9へ電力を供給するものである。燃料電池2としては、例えば、原燃料が改質されて生成された改質ガスを用いて発電を行う固体高分子型の燃料電池が用いられる。燃料電池2は、燃料電池セル2aが任意の個数直列に積層されて構成される。燃料電池セル2aは、高分子イオン交換膜等の固体高分子電解質膜の対向面にそれぞれ接合された1対の電極、アノード及びカソードを含んでいる。燃料電池2には、水素を含む改質ガスと空気とが供給され、燃料電池セル2aそれぞれのアノード及びカソード内で電気化学反応が生じ、発電が行われる。セルブロック2bは、任意の個数直列に積層された燃料電池セル2aで構成される。例えば、3つの燃料電池セル2aで1つのセルブロック2bが構成される。   The fuel cell 2 is a direct current power supply (DC power supply) and supplies power to an external load (home load) 9. As the fuel cell 2, for example, a polymer electrolyte fuel cell that generates power using a reformed gas generated by reforming raw fuel is used. The fuel cell 2 is configured by stacking an arbitrary number of fuel cells 2a in series. The fuel cell 2a includes a pair of electrodes, an anode, and a cathode, which are respectively joined to opposing surfaces of a solid polymer electrolyte membrane such as a polymer ion exchange membrane. The fuel cell 2 is supplied with reformed gas containing hydrogen and air, and an electrochemical reaction occurs in each anode and cathode of the fuel cell 2a to generate power. The cell block 2b is composed of an arbitrary number of fuel cells 2a stacked in series. For example, one cell block 2b is constituted by three fuel cells 2a.

制御部20は、電子制御するデバイスのコンピュータであり、CPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)やRAM(Random Access Memory)等のメモリ、及び入出力インターフェイスなどを備えて構成されている。制御部20の詳細については後述する。   The control unit 20 is a computer of an electronically controlled device, and includes a CPU (Central Processing Unit), a memory such as a ROM (Read Only Memory) and a RAM (Random Access Memory), an input / output interface, and the like. . Details of the control unit 20 will be described later.

燃料電池発電装置1には、パワーコンディショナー(PC:Power Conditioner)3が接続されおり、燃料電池2から出力された電力はパワーコンディショナー3へ供給される。燃料電池2の電力は、パワーコンディショナー3の昇圧器30により昇圧され、変換器31により交流電力に変換されて、外部負荷9へ供給される。なお、外部負荷9には、系統用電源の交流電源8が接続されており、交流電源8からの電力と燃料電池2からの電力とを併用可能に構成されている。パワーコンディショナー3には、余剰ヒータ4が接続されており、外部負荷9の消費電力が急激に減少した場合等に発生する余剰電力を消費できる構成とされている。余剰ヒータ4としては、例えば電熱ヒータ等が用いられる。   A power conditioner (PC) 3 is connected to the fuel cell power generator 1, and the power output from the fuel cell 2 is supplied to the power conditioner 3. The electric power of the fuel cell 2 is boosted by the booster 30 of the power conditioner 3, converted into AC power by the converter 31, and supplied to the external load 9. The external load 9 is connected to an AC power supply 8 as a system power supply, and is configured such that the power from the AC power supply 8 and the power from the fuel cell 2 can be used together. A surplus heater 4 is connected to the power conditioner 3 so that surplus power generated when the power consumption of the external load 9 rapidly decreases can be consumed. For example, an electric heater is used as the surplus heater 4.

また、燃料電池システムは、余剰ヒータ4が発生する熱を回収する排熱回収系を備えている。この排熱回収系は、家庭用の水が貯留される貯湯タンク7、貯湯タンク内の水を循環経路内に循環させる水ポンプ6、水ポンプ6の下流側に設けられた熱交換器5を備えている。熱交換器5は、余剰ヒータ4の熱を循環経路内の循環水が授受できる構成とされている。このため、貯湯タンク7内の水は、水ポンプ6により循環経路を循環し、熱交換器5により余剰ヒータ4の熱を回収して再び貯湯タンク7内に貯留される。なお、この排熱回収系は電源として燃料電池2を利用している。   Further, the fuel cell system includes an exhaust heat recovery system that recovers heat generated by the surplus heater 4. The exhaust heat recovery system includes a hot water storage tank 7 in which household water is stored, a water pump 6 that circulates water in the hot water storage tank in a circulation path, and a heat exchanger 5 that is provided on the downstream side of the water pump 6. I have. The heat exchanger 5 is configured such that the circulating water in the circulation path can exchange heat of the excess heater 4. For this reason, the water in the hot water storage tank 7 is circulated in the circulation path by the water pump 6, the heat of the surplus heater 4 is recovered by the heat exchanger 5, and is stored in the hot water storage tank 7 again. The exhaust heat recovery system uses the fuel cell 2 as a power source.

以上の燃料電池システムの構成機器類は、例えば電装機器類である制御装置(不図示)により動作が制御される。制御装置は、燃料電池システムに備わるセンサ類から出力される情報や利用者の利用状況等に応じて、上述した燃料電池システムの構成機器類を制御する。   The operation of the components of the fuel cell system described above is controlled by a control device (not shown) that is, for example, electrical equipment. The control device controls the components of the fuel cell system described above in accordance with information output from sensors provided in the fuel cell system, usage status of the user, and the like.

ここで、制御部20について詳細を説明する。図1に示すように、制御部20は、特性取得部(特性取得手段)21、目標電力取得部(目標電力取得手段)22、閾値制御部(閾値算出手段)23、異常検出部(異常検出手段)24及び運転制御部25を備えている。なお、制御部20は、上述した制御装置や燃料電池システムに備わるセンサ類等に接続されており、燃料電池システムの動作情報等を取得可能に構成されている。   Here, details of the control unit 20 will be described. As shown in FIG. 1, the control unit 20 includes a characteristic acquisition unit (characteristic acquisition unit) 21, a target power acquisition unit (target power acquisition unit) 22, a threshold control unit (threshold calculation unit) 23, an abnormality detection unit (abnormality detection). Means) 24 and an operation control unit 25. The control unit 20 is connected to the above-described control device and sensors provided in the fuel cell system, and is configured to be able to acquire operation information of the fuel cell system.

特性取得部21は、燃料電池2の特性を予め取得する機能を有している。この特性とは、燃料電池2の燃料電池セル2aそれぞれの電流電圧特性であり、例えば、事前に個々の燃料電池セル2aごとに計測されたものである。また、特性取得部21は、燃料電池セル2aそれぞれの電流電圧特性に基づいて、燃料電池2の出力電力Wとセルブロック2bの出力電圧Vとの関係を予め算出する機能を有している。   The characteristic acquisition unit 21 has a function of acquiring the characteristics of the fuel cell 2 in advance. This characteristic is a current-voltage characteristic of each fuel cell 2a of the fuel cell 2, and is, for example, measured in advance for each individual fuel cell 2a. The characteristic acquisition unit 21 has a function of calculating in advance the relationship between the output power W of the fuel cell 2 and the output voltage V of the cell block 2b based on the current-voltage characteristics of each fuel cell 2a.

目標電力取得部22は、例えば、外部負荷9が要求する電力値や制御装置が設定した目標電力Wを取得する機能を有している。 Target power obtaining unit 22, for example, has a function of acquiring the target power W K power value and the control device external load 9 is request has been set.

閾値制御部23は、燃料電池2に電圧低下の異常が発生しているか否かを判定する際に必要となる基準電圧(異常検出電圧V)を算出する機能を有している。閾値制御部23は、例えば、特性取得部21により算出された燃料電池2の出力電力Wとセルブロック2bの出力電圧Vとの関係、及び、目標電力取得部22により取得された目標電力Wに基づいて、当該目標電力Wにおけるセルブロック2bの異常検出電圧Vを算出する機能を有している。また、閾値制御部23は、例えばPWM(Pulse Width Modulation)出力等により、後述する異常検出部24の設定値を変更し、異常検出電圧Vを変更する機能を有している。 The threshold control unit 23 has a function of calculating a reference voltage (abnormality detection voltage V A ) necessary for determining whether or not a voltage drop abnormality has occurred in the fuel cell 2. The threshold control unit 23, for example, the relationship between the output power W of the fuel cell 2 and the output voltage V of the cell block 2 b calculated by the characteristic acquisition unit 21, and the target power W K acquired by the target power acquisition unit 22. The abnormality detection voltage V A of the cell block 2b at the target power W K is calculated based on the above. Further, the threshold control unit 23 has a function of changing a setting value of an abnormality detection unit 24 (to be described later) and changing an abnormality detection voltage VA by PWM (Pulse Width Modulation) output, for example.

異常検出部24は、燃料電池2に電圧低下の異常が発生しているか否かを検出する機能を有している。例えば、異常検出部24は、セルブロック2bの出力電圧Vが、閾値制御部23により算出された異常検出電圧Vよりも大きくない場合には、当該セルブロック2bに電圧低下の異常が発生していると判定する機能を有している。この機能を発揮するために、異常検出部24は、例えばフォトカプラーを備えている。図2は、異常検出部24の機能を発揮するための電圧検出回路の一例である。 The abnormality detection unit 24 has a function of detecting whether or not a voltage drop abnormality has occurred in the fuel cell 2. For example, when the output voltage V of the cell block 2b is not larger than the abnormality detection voltage VA calculated by the threshold control unit 23, the abnormality detection unit 24 generates an abnormality in voltage drop in the cell block 2b. It has the function to judge that it is. In order to exhibit this function, the abnormality detection unit 24 includes, for example, a photocoupler. FIG. 2 is an example of a voltage detection circuit for exhibiting the function of the abnormality detection unit 24.

図2に示すように、燃料電池2中の一つのセルブロック2bの両端には、抵抗40、発光ダイオード(発光素子)41A及びダイオード42の直列回路が接続されている。発光ダイオード41Aは、フォトトランジスタ(受光素子)41Bとともにフォトカプラー41を構成する。フォトトランジスタ41Bのコレクタは例えば5Vの正電位に接続され、エミッタはアースされる。フォトトランジスタ41Bのコレクタは、トランジスタ43のベースに接続される。このトランジスタ43のエミッタはアースされ、コレクタは発光ダイオード44を介して例えば5Vの正電位に接続される。トランジスタ43のコレクタは、ダイオード45を介して制御部20の演算処理部(不図示)に接続されている。   As shown in FIG. 2, a series circuit of a resistor 40, a light emitting diode (light emitting element) 41A and a diode 42 is connected to both ends of one cell block 2b in the fuel cell 2. The light emitting diode 41A constitutes a photocoupler 41 together with a phototransistor (light receiving element) 41B. The collector of the phototransistor 41B is connected to a positive potential of 5 V, for example, and the emitter is grounded. The collector of the phototransistor 41B is connected to the base of the transistor 43. The emitter of the transistor 43 is grounded, and the collector is connected to a positive potential of 5 V, for example, via the light emitting diode 44. The collector of the transistor 43 is connected to an arithmetic processing unit (not shown) of the control unit 20 via a diode 45.

フォトトランジスタ41Bを介して駆動するトランジスタ43のベース電圧は、閾値制御部23のPWM出力によって動的に変更可能である。発光ダイオード41Aに流れる電流は、セルブロック2bの出力電圧Vに応じて変化するものであり、前記電流はフォトカプラーの電流伝達率に応じて出力側フォトトランジスタ41Bを駆動させるものである。セルブロック2bの出力電圧Vが異常検出電圧Vよりも大きい場合には、ダイオード42がオンとなり、発光ダイオード41Aが発光し、フォトトランジスタ41Bが受光する。このため、トランジスタ43のベースが0V(アース)とされ、トランジスタ43がオフとなる。このため、発光ダイオード44がオフとなり、ダイオード45から演算処理部に正常信号(例えば0)が出力される。また、セルブロック2bの出力電圧Vが異常検出電圧Vよりも大きくない場合には、ダイオード42がオフとなり、発光ダイオード41Aが発光しない。このため、トランジスタ43のベースが正電位となり、トランジスタ43がオンとなる。このため、発光ダイオード44が発光し、ダイオード45から演算処理部に異常信号(例えば1)が出力される。このように、異常検出部24は、フォトカプラーを用いて、セルブロック2bの出力電圧と異常検出電圧Vとの大小関係を判定して異常を検出する機能を有している。ここで閾値制御部23からの電圧が一定の場合はトランジスタ43のベースに流入する電流は一定であるが、閾値制御部からの電圧が可変になるとトランジスタ43のベースに流入する電流も変化するため、トランジスタ43のオン、オフするセルブロック2bの電圧も変化することになる。 The base voltage of the transistor 43 driven via the phototransistor 41B can be dynamically changed by the PWM output of the threshold control unit 23. The current flowing through the light emitting diode 41A changes according to the output voltage V of the cell block 2b, and the current drives the output side phototransistor 41B according to the current transfer rate of the photocoupler. When the output voltage V of the cell block 2b is larger than the abnormality detection voltage VA , the diode 42 is turned on, the light emitting diode 41A emits light, and the phototransistor 41B receives light. Therefore, the base of the transistor 43 is set to 0 V (ground), and the transistor 43 is turned off. For this reason, the light emitting diode 44 is turned off, and a normal signal (for example, 0) is output from the diode 45 to the arithmetic processing unit. Further, when the output voltage V of the cell block 2b is not larger than the abnormality detection voltage VA , the diode 42 is turned off and the light emitting diode 41A does not emit light. For this reason, the base of the transistor 43 becomes a positive potential, and the transistor 43 is turned on. For this reason, the light emitting diode 44 emits light, and an abnormal signal (for example, 1) is output from the diode 45 to the arithmetic processing unit. As described above, the abnormality detection unit 24 has a function of detecting an abnormality by determining the magnitude relationship between the output voltage of the cell block 2b and the abnormality detection voltage VA using a photocoupler. Here, when the voltage from the threshold control unit 23 is constant, the current flowing into the base of the transistor 43 is constant. However, when the voltage from the threshold control unit becomes variable, the current flowing into the base of the transistor 43 also changes. The voltage of the cell block 2b that turns on / off the transistor 43 also changes.

図1に戻り、運転制御部25は、燃料電池2の運転動作を制御する機能を有している。運転制御部25は、例えば、制御装置から取得した情報に基づいて燃料電池2の出力電力の調整を行う機能を有している。また、例えば、燃料電池2を定格電力内で運転させる機能を有している。   Returning to FIG. 1, the operation control unit 25 has a function of controlling the operation of the fuel cell 2. The operation control unit 25 has a function of adjusting the output power of the fuel cell 2 based on, for example, information acquired from the control device. For example, it has a function of operating the fuel cell 2 within the rated power.

次に、本実施形態に係る燃料電池発電装置1の動作について説明する。最初に、特性取得部21の動作について説明する。   Next, the operation of the fuel cell power generator 1 according to this embodiment will be described. First, the operation of the characteristic acquisition unit 21 will be described.

特性取得部21は、燃料電池セル2aの電流電圧特性を諸元情報や計測等により取得する。図3は、電流電圧特性を示すグラフの一例であり、横軸が電流I、縦軸が電圧Vである。図3中のAは、1つの燃料電池セル2a(又は1つのセルブロック2b)の電流電圧特性である。図中のBは、燃料電池2全体の電流電圧特性を示すものであり、燃料電池セル2a(セルブロック2b)の全ての電流電圧特性を積み上げた値と同一となる。図3に示すように、定格運転区間(250W〜700W)では、出力電圧Vは変化率が小さくなり滑らかなグラフとなる。   The characteristic acquisition unit 21 acquires the current-voltage characteristics of the fuel battery cell 2a from specification information, measurement, and the like. FIG. 3 is an example of a graph showing current-voltage characteristics, where the horizontal axis represents current I and the vertical axis represents voltage V. A in FIG. 3 is a current-voltage characteristic of one fuel battery cell 2a (or one cell block 2b). B in the figure indicates the current-voltage characteristics of the entire fuel cell 2, and is the same as the value obtained by accumulating all the current-voltage characteristics of the fuel cell 2a (cell block 2b). As shown in FIG. 3, in the rated operation section (250 W to 700 W), the output voltage V becomes a smooth graph with a small change rate.

特性取得部21は、図3に示すグラフを用いて、出力電力Wとセルブロック2bの出力電圧Vとの関係を示すグラフを算出する。図4は、出力電圧Vの出力電力依存性を示すグラフであり、横軸が出力電力W、縦軸が出力電圧Vである。図4に示すように、特性取得部21は、定格運転区間において、出力電圧VよりもΔVだけ小さい異常検出電圧Vを設定する。これにより、出力電力Wに依存した異常検出電圧Vが設定され、目標電力Wに応じて異常検出電圧Vを設定することが可能となる。 The characteristic acquisition part 21 calculates the graph which shows the relationship between the output electric power W and the output voltage V of the cell block 2b using the graph shown in FIG. FIG. 4 is a graph showing the output power dependency of the output voltage V. The horizontal axis represents the output power W, and the vertical axis represents the output voltage V. As shown in FIG. 4, the characteristic acquisition unit 21 sets an abnormality detection voltage VA that is smaller than the output voltage V by ΔV in the rated operation section. This sets abnormal detection voltage V A dependent on the output power W, it is possible to set the abnormality detection voltage V A in accordance with the target power W K.

次に、本実施形態に係る燃料電池発電装置1の監視動作について説明する。図5は、本実施形態に係る燃料電池発電装置1の監視動作を示すフローチャートである。図5に示す制御処理は、例えば、燃料電池発電装置1の電源がオンされたタイミングから所定の間隔で繰り返し実行される。なお、図5に示す制御処理の実行前に、特性取得部21が燃料電池2の特性を予め取得しているものとする(関係取得ステップ)。また、説明理解の容易性を考慮して、燃料電池2中の所定のセルブロック2bに対する監視動作を説明する。   Next, the monitoring operation of the fuel cell power generator 1 according to this embodiment will be described. FIG. 5 is a flowchart showing the monitoring operation of the fuel cell power generator 1 according to this embodiment. The control process shown in FIG. 5 is repeatedly executed at a predetermined interval from the timing when the power of the fuel cell power generator 1 is turned on, for example. Note that it is assumed that the characteristic acquisition unit 21 acquires the characteristics of the fuel cell 2 in advance before the execution of the control process shown in FIG. 5 (relation acquisition step). In consideration of ease of understanding, the monitoring operation for a predetermined cell block 2b in the fuel cell 2 will be described.

図5に示す制御処理を開始すると、目標電力取得部22が、目標電力Wを例えば制御装置から取得する(目標電力取得ステップ、S10)。その後、閾値制御部23が、S10の処理で取得した目標電力W及び図4に示すグラフから異常検出電圧Vを算出する(閾値算出ステップ、S12)。その後、閾値制御部23が、S12の処理で算出した異常検出電圧Vを異常検出部24に設定し、異常検出部24が、現在のセルブロック2bの電圧Vが異常検出電圧Vよりも大きいか否かを判定する(閾値設定ステップ、異常検出ステップ、S14)。S14の処理において、異常検出部24が、現在のセルブロック2bの電圧Vが異常検出電圧Vよりも大きいと判定した場合には、セルブロック2bには電圧低下の異常が発生していないため、運転制御部25が通常動作を行い(S16)、図5に示す制御処理を終了する。一方、S14の処理において、異常検出部24が、現在のセルブロック2bの電圧Vが異常検出電圧Vよりも大きくないと判定した場合には、セルブロック2bには電圧低下の異常が発生しているため、運転制御部25が安全処理を行う(S18)。例えば、目標電力W自体を小さくしたり、運転を中止したり、エラーを出力したりする。安全処理を終了すると、図5に示す制御処理を終了する。 When starting the control process shown in FIG. 5, the target power acquisition unit 22 acquires the target power W K example from the control device (target power acquisition step, S10). Thereafter, the threshold control unit 23 calculates the abnormality detection voltage V A from the target power W K acquired in the process of S10 and the graph shown in FIG. 4 (threshold calculation step, S12). Thereafter, the threshold control unit 23 sets the abnormality detection voltage VA calculated in the process of S12 in the abnormality detection unit 24, and the abnormality detection unit 24 determines that the current voltage V of the cell block 2b is higher than the abnormality detection voltage VA. It is determined whether it is larger (threshold setting step, abnormality detection step, S14). In the process of S14, when the abnormality detection unit 24 determines that the current voltage V of the cell block 2b is greater than the abnormality detection voltage VA, no abnormality in voltage drop has occurred in the cell block 2b. Then, the operation control unit 25 performs a normal operation (S16), and the control process shown in FIG. On the other hand, in the process of S14, when the abnormality detection unit 24 determines that the current voltage V of the cell block 2b is not greater than the abnormality detection voltage VA, an abnormality in voltage drop occurs in the cell block 2b. Therefore, the operation control unit 25 performs safety processing (S18). For example, to reduce the target power W K itself, or cancel the operation, or an error. When the safety process ends, the control process shown in FIG. 5 ends.

以上で図5に示す制御処理を終了する。図5に示す制御処理を実行することにより、異常検出電圧Vが目標電力Wに応じて変更される。このため、電圧低下の異常を検出する閾値である異常検出電圧Vが適切な値とされる。図6を用いて詳細を説明する。図6は、燃料電池セル2aの電圧、電流、電力を燃料電池2へのインプットガス量でプロットしたグラフであり、縦軸が電圧V、電流I、電力Wであり、横軸がインプットガス量である。図6に示すように、電圧Vはインプットガス量に応じて単調減少し、電流Iはインプットガス量に応じて単調増加し、電力Wは所定のガス量までは単調増加してその後変化量が小さくなる。ここで、従来の燃料電池発電装置であれば、電圧低下の異常を検出する閾値として電圧Vの最小値近傍の値(異常検出電圧VOLD)に設定し固定値とする。このため、目標電力Wが比較的高い場合には目標出力電圧Vと異常検出電圧VOLDとの差Yが小さいため、ノイズ等の外乱によって電圧低下の異常を誤検出するおそれがあり、また、目標電力Wが比較的低い場合には目標出力電圧Vと異常検出電圧VOLDとの差Yが大きいため、適切に電圧低下の異常を検出することができないおそれがある。 This is the end of the control process shown in FIG. By executing the control process shown in FIG. 5, the abnormality detection voltage V A is changed according to the target power W K. For this reason, the abnormality detection voltage VA, which is a threshold value for detecting an abnormality in voltage drop, is set to an appropriate value. Details will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a graph in which the voltage, current, and power of the fuel cell 2a are plotted by the amount of input gas to the fuel cell 2, the vertical axis is the voltage V, current I, and power W, and the horizontal axis is the input gas amount. It is. As shown in FIG. 6, the voltage V monotonously decreases according to the amount of input gas, the current I monotonously increases according to the amount of input gas, and the electric power W increases monotonously up to a predetermined gas amount, and the amount of change thereafter. Get smaller. Here, in the case of a conventional fuel cell power generation device, a value near the minimum value of the voltage V (abnormal detection voltage V OLD ) is set as a threshold value for detecting a voltage drop abnormality and set as a fixed value. For this reason, when the target power W K is relatively high, the difference Y 1 between the target output voltage V K and the abnormality detection voltage V OLD is small, so there is a possibility that a voltage drop abnormality may be erroneously detected due to disturbance such as noise. In addition, when the target power W K is relatively low, the difference Y 1 between the target output voltage V K and the abnormality detection voltage V OLD is large, so that there is a possibility that an abnormality in voltage drop cannot be detected appropriately.

これに対して、第1実施形態に係る燃料電池発電装置1及び燃料電池監視方法では、特性取得部21により燃料電池セル2aそれぞれの電圧電流特性に基づいて燃料電池2の出力電力Wとセルブロック2bの出力電圧Vとの関係が予め取得され、目標電力取得部22により燃料電池2の目標電力Wが取得され、閾値制御部23により上記関係及び目標電力Wに基づいて当該目標電力Wにおけるセルブロック2bの異常検出電圧Vが算出され、異常検出部24によりセルブロック2bの出力電圧V及び異常検出電圧Vとの大小関係に基づいてセルブロック2bの異常が検出される。このように、異常検出電圧Vが、一定の値ではなく、燃料電池セル2aそれぞれの電圧電流特性に基づいて燃料電池2の目標電力Wに応じた値とされるため、燃料電池セル2aの特性を考慮して電圧異常を判定することができる。このため、燃料電池セル2aの電圧低下の異常を適切に検出することができる。 On the other hand, in the fuel cell power generation device 1 and the fuel cell monitoring method according to the first embodiment, the output power W of the fuel cell 2 and the cell block based on the voltage / current characteristics of the fuel cell 2a by the characteristic acquisition unit 21 relationship between the output voltage V of the 2b is obtained in advance, the target power W K of the fuel cell 2 is obtained by the target power acquisition unit 22, the target power W based on the relationship and target power W K by the threshold control unit 23 The abnormality detection voltage VA of the cell block 2b at K is calculated, and the abnormality detection unit 24 detects the abnormality of the cell block 2b based on the magnitude relationship between the output voltage V of the cell block 2b and the abnormality detection voltage VA . Thus, the abnormality detection voltage V A is not a constant value but a value corresponding to the target power W K of the fuel cell 2 based on the voltage-current characteristics of each of the fuel cells 2a, so that the fuel cell 2a The voltage abnormality can be determined in consideration of the characteristics. For this reason, abnormality of the voltage drop of the fuel battery cell 2a can be detected appropriately.

(第2実施形態)
第2実施形態に係る燃料電池発電装置1は、第1実施形態に係る燃料電池発電装置1と同様に構成されており、閾値制御部23の一部機能が相違する。よって、第2実施形態では第1実施形態との相違点を中心に説明し、重複する説明は省略する。
(Second Embodiment)
The fuel cell power generation device 1 according to the second embodiment is configured similarly to the fuel cell power generation device 1 according to the first embodiment, and a partial function of the threshold control unit 23 is different. Therefore, the second embodiment will be described with a focus on differences from the first embodiment, and a duplicate description will be omitted.

本実施形態に係る燃料電池発電装置1の閾値制御部(閾値算出手段、判定手段、閾値変動中止手段)23は、異常検出電圧Vが所定閾値Xよりも小さいか否かを判定し、異常検出電圧Vが所定閾値Xよりも小さい場合には、異常検出電圧Vの変更を中止して定数Kに固定する機能を有している。所定閾値Xは、例えば、従来の異常検出電圧VOLDを基準として設定される。その他の機能は第1実施形態に係る燃料電池発電装置1の閾値制御部23と同様である。 The threshold value control unit (threshold value calculation means, determination means, threshold value fluctuation stop means) 23 of the fuel cell power generation device 1 according to the present embodiment determines whether the abnormality detection voltage VA is smaller than a predetermined threshold value X. When the detection voltage V A is smaller than the predetermined threshold value X, there is a function of stopping the change of the abnormality detection voltage V A and fixing it to the constant K. The predetermined threshold value X is set based on, for example, a conventional abnormality detection voltage VOLD . Other functions are the same as those of the threshold control unit 23 of the fuel cell power generator 1 according to the first embodiment.

図7は、本実施形態に係る燃料電池発電装置1の動作を示すフローチャートである。図7は、閾値制御部23により実行され、図5に示す異常検出電圧Vの算出(S12)後であって、比較処理(S14)の前に実行される。図7に示すように、最初に図5のS12の処理で算出された異常検出電圧Vを入力する(S20)。そして、S20の処理で入力された異常検出電圧Vと所定閾値Xとを比較する(判定ステップ、S22)。S22の処理において、異常検出電圧Vが所定閾値Xよりも小さいと判定した場合には、電圧低下を判定するための基準の電圧としてS20の処理で入力された異常検出電圧Vを採用せずに、所定の定数Kを採用する(閾値変動中止ステップ、S24)。そして、図7に示す制御処理を終了する。なお、定数Kは、例えば、従来の異常検出電圧VOLDを基準として設定される。 FIG. 7 is a flowchart showing the operation of the fuel cell power generator 1 according to this embodiment. FIG. 7 is executed by the threshold control unit 23, and is executed after the calculation (S12) of the abnormality detection voltage VA shown in FIG. 5 and before the comparison process (S14). As shown in FIG. 7, first, the abnormality detection voltage VA calculated in the process of S12 of FIG. 5 is input (S20). Then, the abnormality detection voltage VA input in the process of S20 is compared with the predetermined threshold value X (determination step, S22). In the processing of S22, the abnormality when the detected voltage V A is determined to be smaller than the predetermined threshold value X is not adopted an abnormality detection voltage V A which is input in the process step S20 as a reference voltage for determining a voltage drop Instead, a predetermined constant K is employed (threshold change stop step, S24). Then, the control process shown in FIG. 7 ends. The constant K is set, for example, based on the conventional abnormality detection voltage V OLD .

一方、S22の処理において、異常検出電圧Vが所定閾値Xよりも小さくないと判定した場合には、電圧低下を判定するための基準の電圧として、S20の処理で入力された異常検出電圧Vを採用し、図7に示す制御処理を終了する。 On the other hand, in the process of S22, when it is determined that the abnormality detection voltage VA is not smaller than the predetermined threshold value X, the abnormality detection voltage V input in the process of S20 is used as a reference voltage for determining the voltage drop. A is adopted, and the control process shown in FIG.

以上、第2実施形態に係る燃料電池発電装置1によれば、第1実施形態に係る燃料電池発電装置1と同様の効果を奏するとともに、閾値制御部23により、異常検出電圧Vが所定閾値Xより小さいか否かが判定され、異常検出電圧Vが所定閾値Xより小さいと判定された場合には、異常検出電圧Vが定数Kに固定される。このため、燃料電池2の異常検出電圧Vに関する情報が不正確である場合や、異常検出電圧に関する情報を伝達する通信路に異常がある場合には、閾値の変更することを中止することで、不適切な監視を行うことを回避することができる。 As described above, according to the fuel cell power generation device 1 according to the second embodiment, the same effect as the fuel cell power generation device 1 according to the first embodiment can be obtained, and the abnormality detection voltage V A is set to the predetermined threshold value by the threshold control unit 23. It is determined whether or not it is smaller than X, and when it is determined that the abnormality detection voltage V A is smaller than the predetermined threshold value X, the abnormality detection voltage V A is fixed to a constant K. For this reason, when the information regarding the abnormality detection voltage VA of the fuel cell 2 is inaccurate or when there is an abnormality in the communication path for transmitting information regarding the abnormality detection voltage, the change of the threshold is stopped. To avoid inappropriate monitoring.

本発明は、上述した各実施形態に限定されるものではない。   The present invention is not limited to the above-described embodiments.

例えば、上記各実施形態では、燃料電池発電装置1の制御部20と制御装置とが別々である場合を例に説明したが、一体的に構成されていてもよい。   For example, in each of the above-described embodiments, the case where the control unit 20 and the control device of the fuel cell power generator 1 are separate has been described as an example, but may be configured integrally.

1…燃料電池発電装置、2…燃料電池、2a…燃料電池セル、2b…セルブロック、3…パワーコンディショナー、4…余剰ヒータ、5…熱交換器、6…水ポンプ、7…貯湯タンク、9…外部負荷。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell power generation device, 2 ... Fuel cell, 2a ... Fuel cell, 2b ... Cell block, 3 ... Power conditioner, 4 ... Surplus heater, 5 ... Heat exchanger, 6 ... Water pump, 7 ... Hot water storage tank, 9 ... external load.

Claims (5)

任意の個数直列に積層された燃料電池セルからなるセルブロックが複数個直列に積層されて構成される燃料電池を有する燃料電池発電装置であって、
前記燃料電池セルそれぞれの電圧電流特性に基づいて、前記燃料電池の出力電力と前記セルブロックの出力電圧との関係を予め取得する特性取得手段と、
前記燃料電池の目標電力を取得する目標電力取得手段と、
前記関係及び前記目標電力に基づいて、当該目標電力における前記セルブロックの異常検出電圧を算出する閾値算出手段と、
前記セルブロックの出力電圧及び前記異常検出電圧との大小関係に基づいて、前記セルブロックの異常を検出する異常検出手段と、
を備える燃料電池発電装置。
A fuel cell power generator having a fuel cell in which a plurality of cell blocks each composed of fuel cells stacked in series are stacked in series,
Based on the voltage-current characteristics of each of the fuel cells, characteristic acquisition means for acquiring in advance the relationship between the output power of the fuel cell and the output voltage of the cell block;
Target power acquisition means for acquiring target power of the fuel cell;
Threshold calculation means for calculating an abnormality detection voltage of the cell block at the target power based on the relationship and the target power;
An anomaly detection means for detecting an anomaly of the cell block based on a magnitude relationship between the output voltage of the cell block and the anomaly detection voltage;
A fuel cell power generator comprising:
前記異常検出手段は、前記セルブロックの両端に接続され前記異常検出電圧より大きな電圧が加わると発光する発光素子と、前記発光素子とともにフォトカプラーを構成する受光素子と、を備え、前記受光素子の電位に基づいて前記セルブロックの異常を検出する請求項1に記載の燃料電池発電装置。   The abnormality detection means includes a light emitting element that is connected to both ends of the cell block and emits light when a voltage greater than the abnormality detection voltage is applied, and a light receiving element that constitutes a photocoupler together with the light emitting element. The fuel cell power generator according to claim 1, wherein an abnormality of the cell block is detected based on a potential. 前記異常検出電圧が所定の閾値より小さいか否かを判定する判定手段と、
前記判定手段により前記異常検出電圧が所定の閾値より小さいと判定された場合には、前記異常検出電圧を所定の値に固定する閾値変動中止手段と、
を備える請求項1又は2に記載の燃料電池発電装置。
Determination means for determining whether or not the abnormality detection voltage is smaller than a predetermined threshold;
If the determination means determines that the abnormality detection voltage is smaller than a predetermined threshold value, threshold fluctuation stopping means for fixing the abnormality detection voltage to a predetermined value;
A fuel cell power generator according to claim 1 or 2.
任意の個数直列に積層された燃料電池セルからなるセルブロックが複数個直列に積層されて構成される燃料電池の電圧異常を監視する燃料電池監視方法であって、
前記燃料電池セルそれぞれの電圧電流特性に基づいて、前記燃料電池の出力電力と前記セルブロックの出力電圧との関係を予め取得する関係取得ステップと、
前記燃料電池の運転時において前記燃料電池の目標電力を取得する目標電力取得ステップと、
前記関係取得ステップにより取得された前記関係及び前記目標電力取得ステップにより取得された前記目標電力に基づいて、当該目標電力における前記セルブロックの異常検出電圧を算出する閾値算出ステップと、
前記閾値算出ステップにより算出された前記異常検出電圧を前記発光素子の所定電圧として設定する閾値設定ステップと、
前記受光素子の電位に基づいて前記セルブロックの異常を検出する異常検出ステップと、
を備える燃料電池監視方法。
A fuel cell monitoring method for monitoring a voltage abnormality of a fuel cell configured by stacking a plurality of cell blocks made of fuel cells stacked in series in an arbitrary number,
Based on the voltage-current characteristics of each of the fuel cells, a relationship acquisition step for acquiring in advance the relationship between the output power of the fuel cell and the output voltage of the cell block;
A target power acquisition step of acquiring the target power of the fuel cell during operation of the fuel cell;
Based on the relationship acquired by the relationship acquisition step and the target power acquired by the target power acquisition step, a threshold calculation step of calculating an abnormality detection voltage of the cell block at the target power;
A threshold setting step for setting the abnormality detection voltage calculated by the threshold calculation step as a predetermined voltage of the light emitting element;
An abnormality detection step of detecting an abnormality of the cell block based on the potential of the light receiving element;
A fuel cell monitoring method comprising:
前記閾値算出ステップにより算出された前記異常検出電圧が所定の閾値より小さいか否かを判定する判定ステップと、
前記判定ステップにより前記異常検出電圧が所定の閾値より小さいと判定された場合には、前記異常検出電圧を所定の値に固定する閾値変動中止ステップと、
を備える請求項4に記載の燃料電池監視方法。
A determination step of determining whether or not the abnormality detection voltage calculated by the threshold calculation step is smaller than a predetermined threshold;
When it is determined by the determination step that the abnormality detection voltage is smaller than a predetermined threshold value, a threshold value fluctuation stopping step of fixing the abnormality detection voltage to a predetermined value;
A fuel cell monitoring method according to claim 4.
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