JP4637448B2 - Fuel cell power generation system and method of operating fuel cell power generation system - Google Patents

Fuel cell power generation system and method of operating fuel cell power generation system Download PDF

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子電解質型燃料電池システムに用いられる燃料電池セルスタックの運転状態を監視する場合に用いて好適な燃料電池発電システムの運転方法及び燃料電池発電システムに関し、特に局所的な性能低下や材料劣化の発生を監視する燃料電池発電システムの運転方法及び燃料電池発電システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子電解質型燃料電池システムにおいては、複数の燃料電池を直列に接続した燃料電池セルスタックが用いられている。単一の燃料電池は、例えば定格出力電圧が０．８〜１．０Ｖ程度になっており、燃料電池セルスタックの燃料電池の積層枚数は例えば２０枚とすることで、定格出力電圧として例えば１６〜２０Ｖを得ている。
【０００３】
【特許文献１】
公表特許公報平５−５０２９７３ 図１
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、燃料電池は各種の要因により出力電圧が定格出力電圧よりも低下することがある。例えば、燃料電池に供給される水素リッチガスに規定量以上の一酸化炭素ＣＯが含まれていると、燃料電池にＣＯ被毒と呼ばれる現象を生じ、燃料電池の出力電圧が低下し、運転継続が不可能となることがある。
【０００５】
他の現象としては、フラッディングが知られている。フラッディングは、燃料電池内の燃料あるいは酸化剤の流路に、各流体に随伴する水分や水素と酸素との反応の結果発生する水分が溜まり、各流体の流れを妨げる現象で、この場合フラッディングの生じている特定のセルのセル電圧が低下する。また、発電出力に対して燃料や酸化剤が不足している場合にも燃料電池の出力電圧は低下するが、この場合も各流体の確保が困難な供給口よりも遠いセルのセル電圧が低下する傾向がある。
【０００６】
本発明は上述する課題を解決するもので、第１の目的は、出力電圧が定格出力電圧よりも低下する場合に、燃料電池セルスタックが如何なる態様で出力電圧の低下が発生しているのか検知できる燃料電池発電システム及びその運転方法を提供することである。
第２の目的は、出力電圧低下の発生原因に応じた適切な保護動作を行うことで、給電を受ける需要側機器や燃料電池セルスタック自体の損傷発生が少なくて済む燃料電池発電システム及びその運転方法を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記第１の目的を達成するために、本発明の燃料電池発電システムは、例えば図１に示すように、固体高分子電解質を含む複数の燃料電池セルを有する燃料電池セルスタック１０と、燃料電池セルスタック１０の全電圧を測定する全電圧計３０と、前記複数の燃料電池セルのうち少なくとも１つの燃料電池セルのセル電圧を測定する、又は前記複数の燃料電池セルを複数の連続した燃料電池セルからなる複数のグループに分けたときそのうち少なくとも１つのグループのグループ電圧を測定する個別電圧計４０と、前記全電圧と正常時の全電圧とを比較する演算と、前記全電圧（ＶＡＬＬ）と前記燃料電池セルの個数（ｎ）から求めた平均セル電圧（ＶＡＬＬ／ｎ）と前記セル電圧とを比較する演算、又は前記全電圧と前記燃料電池セルの総個数及び当該グループを構成する燃料電池セルの個数から定まる平均グループ電圧と前記グループ電圧とを比較する演算とを行う演算部５０と、演算部５０で演算された結果から、前記燃料電池セル及び燃料電池セルスタック１０の出力電圧低下の態様を判別する電圧降下パターン判定部５２とを備え、電圧降下パターン判定部５２における出力電圧低下の態様の判別は、前記全電圧と正常時の全電圧との偏差が所定の値よりも大きく、且つ前記平均セル電圧と前記セル電圧との偏差が所定の値よりも小さいとき、又は前記平均グループ電圧と前記グループ電圧との偏差が所定の値よりも小さいときにＣＯ被毒が生じていると判断し、前記平均セル電圧と前記セル電圧との偏差が所定の値よりも大きい燃料電池セルが存在するとき、又は前記平均グループ電圧と前記グループ電圧との偏差が所定の値よりも大きいグループが存在するときにフラッディング、燃料不足、酸化剤不足の少なくとも何れか１つが生じていると判断する。
【０００８】
このように構成された装置においては、全電圧計３０にて燃料電池セルスタック１０の全電圧を測定している。個別電圧計４０には、個別燃料電池セル測定とグループ電圧測定の何れかの態様がある。個別燃料電池セル測定では、燃料電池セルスタック１０を構成する複数の燃料電池セルのうち、少なくとも１つの燃料電池セルのセル電圧を測定する。グループ電圧測定では、複数の燃料電池セルを複数の連続した燃料電池セルからなる複数のグループに分けたとき、そのうち少なくとも１つのグループのグループ電圧を測定する。演算部５０では、全電圧と正常時の全電圧とを比較する演算を行う。個別燃料電池セル測定では、全電圧（ＶＡＬＬ）とセルの総個数（ｎ）から求めた平均セル電圧（ＶＡＬＬ／ｎ）とセル電圧とを比較する演算を行う。グループ電圧測定では、全電圧と燃料電池セルの総個数及び当該グループを構成する燃料電池セルの個数から定まる平均グループ電圧とグループ電圧とを比較する演算とを行う。
【０００９】
上記第２の目的を達成するために、本発明の燃料電池発電システムは、例えば図１に示すように、燃料電池発電システムにおいて、さらに、電圧降下パターン判定部５２においてＣＯ被毒が生じていると判断されたときに燃料電池セルスタック１０への燃料供給量と燃料電池セルスタック１０の出力の両方を低減するＣＯ被毒制御部５４と；電圧降下パターン判定部５２においてフラッディング、燃料不足、酸化剤不足の少なくとも何れか１つが生じていると判断されたときに燃料の利用率と酸化剤の利用率の少なくとも一方を低減するフラッディング制御部５６とを備える。即ち、電圧降下パターン判定部５２では、グループ電圧測定に対しては、平均グループ電圧Ｖａｖｇｒと個別電圧計４０で測定したグループ電圧Ｖｇｒ＃ｊとを比較して、グループ電圧が著しく降下している燃料電池セルのグループが存在しているか判断する。また、電圧降下パターン判定部５２にてセル電圧又はグループ電圧が全般的に低下していると判断されたときは、燃料電池セルスタック１０におけるＣＯ被毒を緩和する措置をとるＣＯ被毒制御部５４と、電圧降下パターン判定部５２にて特定のセル電圧又は特定のグループ電圧が著しく降下していると判断されたときは、該当する燃料電池セル又はグループを構成する燃料電池セルに対してフラッディングを緩和する措置をとるフラッディング制御部５６を設ける。
【００１０】
上記第１の目的を達成するために、本発明の燃料電池発電システムの運転方法は、例えば図５に示すように、固体高分子電解質を含む複数の燃料電池セルを有する燃料電池セルスタック１０を含む燃料電池発電システムの運転方法において、燃料電池セルスタック１０の全電圧を測定する全電圧測定工程（Ｓ１０２）と、前記複数の燃料電池セルのうち少なくとも１つの燃料電池セルのセル電圧を測定する、又は前記複数の燃料電池セルを複数の連続した燃料電池セルからなる複数のグループに分けたときそのうち少なくとも１つのグループのグループ電圧を測定する個別電圧測定工程（Ｓ１０４）と、前記全電圧と正常時の全電圧とを比較する第１の演算工程（Ｓ１０８）と、前記全電圧と前記燃料電池セルの総個数から求めた平均セル電圧と前記セル電圧とを比較する演算、又は前記全電圧と前記燃料電池セルの総個数及び当該グループを構成する燃料電池セルの個数から定まる平均グループ電圧と前記グループ電圧とを比較する演算とを行う第２の演算工程（Ｓ１１０〜Ｓ１１６）とを備え、前記第１の演算工程と前記第２の演算工程の演算結果を用いて、前記燃料電池発電システムに生じている出力電圧低下の態様を判別する。
【００１１】
前記燃料電池発電システムに生じている出力電圧低下の態様の判別は、ＣＯ被毒とフラッディングの発生を検出できるようにする。即ち、第１の演算工程で前記全電圧と正常時の全電圧との偏差が所定の値よりも大きく、且つ第２の演算工程で前記平均セル電圧と前記セル電圧との偏差が所定の値よりも小さいとき、又は前記平均グループ電圧と前記グループ電圧との偏差が所定の値よりも小さいとき、ＣＯ被毒が生じていると判断する。他方、前記第２の演算工程で前記平均セル電圧と前記セル電圧との偏差が所定の値よりも大きい燃料電池セルが存在するとき、又は前記平均グループ電圧と前記グループ電圧との偏差が所定の値よりも大きいグループが存在するとき、フラッディング、燃料不足、酸化剤不足の少なくとも何れか１つが生じていると判断する。フラッディング、燃料不足、酸化剤不足の少なくとも何れか１つが生じている箇所は、セル電圧が平均セル電圧よりも著しく低下している燃料電池セル、又はグループ電圧が平均グループ電圧よりも著しく低下しているグループに含まれる燃料電池セルである。
【００１２】
上記第２の目的を達成するために、本発明の燃料電池発電システムの運転方法は、例えば図６に示すように、ＣＯ被毒が生じていると判断されたとき、前記燃料電池セルスタックへの燃料供給量と前記燃料電池セルスタックの出力の両方を低減し（Ｓ１２２、Ｓ１２４）、フラッディング、燃料不足、酸化剤不足の少なくとも何れか１つが生じていると判断されたとき、燃料の利用率と酸化剤の利用率の少なくとも一方を低減する（Ｓ１３２）工程とすると良い。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、各図において互いに同一あるいは相当する部材には同一符号または類似記号を付し、重複した説明は省略する。
図１は本発明による第１の実施の形態である燃料電池発電システムを説明する構成ブロック図である。図において、燃料電池セルスタック１０は、燃料電池セルがｎ（ｎは自然数で、例えば２０）枚積層されたものである。ここでは、燃料電池セルは、積層順に＃ｉ（ｉ＝１、２、…、ｎ）の符号を付してある。ここでは、４枚の連続積層された燃料電池セルを単位として、燃料電池セルのグループｊ（ｊ＝１、２、…、ｍ）が構成されている。なお、グループｊを構成する燃料電池セルの枚数は全てのグループで同一でも良く、また区々でもよい。また、燃料電池セルスタック１０の詳細構造は後で説明する。
【００１４】
全電圧計３０は燃料電池セルスタック１０の全電圧ＶＡＬＬを測定する電圧計である。個別電圧計４０は、燃料電池セルのグループ単位に設けられたもので、当該燃料電池セルのグループｊのグループ電圧Ｖｇｒ＃ｊを測定する電圧計である。演算部５０は、電圧降下パターン判定部５２、ＣＯ被毒制御部５４、フラッディング制御部５６を備えている。演算部５０は、全電圧計３０で測定された全電圧ＶＡＬＬと正常時の全電圧ＶＡＬＬ／ＮＣとを比較する演算を行う。また、演算部５０は、全電圧計３０で測定された全電圧ＶＡＬＬと燃料電池セルの個数ｎから平均セル電圧（ＶＡＬＬ／ｎ）を求める。次に、グループを構成する燃料電池セルの個数ｇｎを乗じて平均グループ電圧Ｖａｖｇｒを求める。
【００１５】
電圧降下パターン判定部５２は、グループ電圧測定に対しては、平均グループ電圧Ｖａｖｇｒと個別電圧計４０で測定したグループ電圧Ｖｇｒ＃ｊとを比較して、グループ電圧が著しく降下している燃料電池セルのグループが存在しているか判断する。具体的には、平均グループ電圧Ｖａｖｇｒと個別電圧計４０で測定したグループ電圧Ｖｇｒ＃ｊとの偏差を、フラッディング発生を判断するしきい値電圧と比較して、フラッディングの発生している燃料電池セルのグループが存在しているか判断する。
【００１６】
次に、グループ電圧が著しく降下している燃料電池セルのグループが存在していないと判断される場合には、電圧降下パターン判定部５２は、全電圧計３０で測定された全電圧ＶＡＬＬと正常時の全電圧ＶＡＬＬ／ＮＣとの偏差を、ＣＯ被毒発生を判断するしきい値電圧と比較して、ＣＯ被毒の発生している燃料電池セルのグループが存在しているか判断する。
【００１７】
ＣＯ被毒制御部５４は、電圧降下パターン判定部５２にてＣＯ被毒が生じていると判断された場合に、燃料電池セルスタック１０への燃料供給量と出力電圧の両方を低減させて、ＣＯ被毒の影響を緩和する。フラッディング制御部５６は、電圧降下パターン判定部５２にてフラッディングが生じていると判断された場合には、燃料の利用率と酸化剤の利用率の少なくとも一方を低減させて、セルに滞留している水分を除去してフラッディング状態から通常のセルの湿潤状態に回復させる。
【００１８】
図２は、燃料電池セルスタック１０の構造を示す基本的構造図で、（ａ）はセパレータに形成された燃料ガス通過路と酸化剤ガス通過路の配置を説明する斜視図、（ｂ）は膜電極接合体の積層状態を説明する断面図である。図２（ｂ）において、膜電極接合体１１−１、１１−２、１１−３は、一面に燃料極（アノード）２１を有し、他面に酸化剤極（カソード）２２を有する固体高分子膜１１ａ−１、１１ａ−２、１１ａ−３より形成される。膜電極接合体１１−１、１１−２、１１−３は、セパレータ１２−２、１２−３にて隔てられている。以下、特に固体分子膜に個別に言及する必要がないときは、固体分子膜の符号は単に１１ａと、同様に膜電極接合体は１１と、セパレータは１２とする。
【００１９】
図２（ａ）において、セパレータ１２の一方の面、燃料極側の面には燃料ガス通過路１４が、他方の面、酸化剤極側には酸化剤ガス通過路１５が細い溝としてそれぞれ形成されている。各ガス通過路の溝は、それぞれが形成された面を満遍なくカバーするように形成されている。本固体分子型燃料電池は、このように膜電極接合体１１とセパレータ１２が交互に配列され多層構造をなしている。
【００２０】
表面に溝の形成されたセパレータ１２が、固体高分子膜１１ａに密着して重ねられると、前記溝と固体高分子膜１１ａの表面とで燃料ガスを通すことのできる通路、即ち燃料ガス通過路１４が形成される。酸化剤ガス通過路１５についても同様である。ここで、燃料極２１、酸化剤極２２は、それぞれ例えばカーボンペーパーのような多孔質導電性材料に白金等の触媒を保持させて作られるガス拡散電極であり、これをホットプレス等の方法により固体高分子膜１１ａに接合して膜電極接合体１１を形成する。また、セパレータ１２は、カーボンなどの導電性材料を用いて作られており、切削、プレス等によりその両面に燃料ガス通過路１４及び酸化剤ガス通過路１５が設けられる。
【００２１】
膜電極接合体１１内の固体高分子膜１１ａは、水分を含んで電解質を形成しており、イオン化した水素を選択的に透過する。燃料電池に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給した場合、膜１１ａの表面に設けられた燃料極２１と他方の表面上に設けられた酸化剤極２２との間に起電力が生じる。さらに、燃料極２１と酸化剤極２２が外部負荷に接続された場合、燃料極２１上において燃料ガス中の水素は電子を放出してイオン化する。すると、この水素イオンは固体分子膜１１ａを透過し、酸化剤極２２上において電極２２から供給される電子及び酸化剤ガス中の酸素Ｏ２と反応して水を生成し、同時に外部負荷には電流が流れる。なお、図２（ａ）においては、セパレータ１２の片面しか見えないので、燃料ガス通過路１４だけが図示されているが、セパレータ１２の反対側の面には、酸化剤ガス通過路１５がほぼ同様に形成されている。
【００２２】
以上説明したような構造を有する装置では、電子は燃料極２１で放出され酸化剤極２２でとり込まれるので、燃料極２１を負極、酸化剤極２２を正極とする電池を構成することになる。また複数の膜電極接合体１１（固体高分子膜１１ａ）とセパレータ１２とを交互に重ねて多層構造とすることにより、全体として所望の電圧の燃料電池を構成することができる。
【００２３】
固体高分子型燃料電池においては、酸化剤極２２では前記のような電気化学的反応の結果水が生じる。また、固体高分子膜１１ａの水素イオン透過性を保持するため、供給する各ガスは適度な水分を保つように加湿されるのが一般的である。電池内の水分は、一般的に電池運転温度において飽和となる程度に制御されており、過剰な水は各ガス流通路へと運ばれて電池反応に使われなかったガスによって外部に取り除かれる。
【００２４】
しかしながら、ガスの流速が遅くなる低負荷運転時においては、水分の除去がうまくいかないため、フラッディング、即ち除去されない水分によってガス通過路を閉塞することがある。通過路が閉塞された単電池（セル）には、十分な燃料ガス又は酸化剤ガスが供給されなくなるため、前記単電池の電圧は低下して出力が小さくなる。またそうした状況が放置されれば、電極などの電池構成材料が腐食される虞がある。また、燃料電池セルスタック１０に供給される燃料ガスに規定量以上のＣＯが含まれていると、燃料電池セルの発電に対して望ましくない影響を及ぼす。
【００２５】
図３は燃料電池セル毎の出力電圧分布の一例を説明する図で、ここでは燃料電池セル＃２０にフラッディングが発生している場合を示している。燃料電池セルスタック１０においてフラッディングが発生する場合には、セルスタックの内部構造上、全燃料電池セルが同時にフラッディングを発生することはない。例えば、燃料極側でフラッディングが発生した場合には、水分の流入が激しいガス入口等の特定の燃料電池セルにおけるセル電圧が低下する。そこで、個別電圧計４０によって各セル電圧を計測し、セル電圧平均値とセル電圧の差がある一定値以上となった場合にはフラッディング発生と判断をする。また、セル電圧の平均値の算出においては、全セル電圧を平均することにより、あるいはスタック電圧をセル数で除して得られる単一セル電圧の基準値等を使用することが有効である。
【００２６】
図４は、スタック全電圧と採取電流値の関係を示す図で、併せてＣＯ被毒の発生注意レベルと警告レベルを表している。スタック全電圧ＶＡＬＬは、採取電流値に依存して変化し、採取電流値ＩＡＬＬが小さいとスタック全電圧ＶＡＬＬが高くなり、採取電流値ＩＡＬＬが大きいとスタック全電圧ＶＡＬＬが低くなる。また、ＣＯ被毒が発生する場合には、原料である改質ガス性状の低下によるものであるから、全てのセル電圧が概ね同一比率で低下する。そこで、スタック全電圧ＶＡＬＬを計測し、計測値が予め採取電流値毎に設定された規定値以下に低下した場合には、さらに個別セル電圧を調べて、スタック全電圧ＶＡＬＬの電圧低下が一部のセル電圧低下では説明できない程度の電圧降下をしている場合には、ＣＯ被毒と判断する。
【００２７】
図５は本発明の燃料電池発電システムの運転方法を説明する流れ図である。ここでは、個別電圧計４０がグループ電圧を測定する場合について説明する。まず、演算部５０において、グループ電圧の異常検出処理が開始される（Ｓ１００）。すると、全電圧計３０によって燃料電池セルスタック１０の全電圧が測定される（Ｓ１０２）。次に、個別電圧計４０によって、各グループ電圧を測定する（Ｓ１０４）。演算部５０では、各グループ電圧とグループ数から平均グループ電圧を演算する（Ｓ１０６）。なお、グループを構成する燃料電池セルの個数がグループ毎に異なる場合には、平均グループ電圧の演算の際にグループを構成する燃料電池セルの個数も考慮する。そして、演算部５０では、全電圧と正常時の全電圧との偏差を演算する（Ｓ１０８）。
【００２８】
次に、演算部５０に個別電圧計４０で測定された第１のグループ電圧を入力して（Ｓ１１０）、平均グループ電圧と当該グループ電圧との偏差が、第２しきい値電圧よりも大きいか否か判断する（Ｓ１１２）。ここで、第２しきい値電圧はグループ内のセルにフラッディングが生じた場合の電圧低下を検出できるように定める。偏差が第２しきい値電圧よりも大きいときは、フラッディング処理を行う。フラッディング処理は全セルに対して一括処理してもよく、また該当するグループ内のセルに対して処理してもよい。偏差が第２しきい値電圧よりも小さいとき、或いはフラッディング処理が終わると、演算部５０では個別電圧計４０によって測定された全てのグループ電圧を入力したか判断する（Ｓ１１４）。残りのグループ電圧が存在していれば、個別電圧計４０で測定された次のグループ電圧を入力して（Ｓ１１６）、Ｓ１１２に戻る。
【００２９】
次に、正常時の全電圧と測定された全電圧との偏差が、ＣＯ被毒の検出を行うためのしきい値電圧を超過しているか判断し（Ｓ１１８）、超過していればＣＯ被毒処理を行う。このしきい値電圧は、ＣＯ被毒の検出を行うための数値で、負荷電流に応じて定められている。Ｓ１１８でＣＯ被毒の影響が検出されない場合は、グループ電圧の異常検出処理が終了する（Ｓ１１９）。
【００３０】
図６はグループ電圧の異常検出処理で異常が検出された場合の対処を説明する流れ図で、（ａ）はＣＯ被毒処理、（ｂ）はフラッディング処理を示している。Ｓ１１８にてＣＯ被毒が検出されると、ＣＯ被毒制御部５４によるＣＯ被毒処理が開始される（Ｓ１２０）。即ち、ＣＯ被毒制御部５４は燃料電池セルスタックの出力を低減させて（Ｓ１２２）、燃料電池セルスタック１０への燃料供給量を減少させる（Ｓ１２４）。これにより、ＣＯ濃度を減少させてＣＯ被毒の影響を軽減させて、リターンとする（Ｓ１２６）。
【００３１】
また、Ｓ１１２で偏差が第２しきい値電圧よりも大きいグループが存在する場合、フラッディング制御部５６によるフラッディング処理が開始される（Ｓ１３０）。即ち、フラッディング制御部５６は、酸化剤としての空気流通量を増大させて（Ｓ１３２）、セルの酸化剤極側に滞留している水分を排除し、フラッディング状態から正常状態に回復させて、リターンとする（Ｓ１３４）。或いは、フラッディング制御部５６は、セルに供給する燃料の量を増大させることで、セルの燃料極側に滞留している水分を排除することにより、フラッディング状態から正常状態に回復させても良い。
【００３２】
なお、上記の実施の形態においては、個別電圧計がグループ電圧を測定する場合を例に説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、個別電圧計４０は、個別燃料電池セルの出力電圧を測定するものでもよい。個別電圧計４０が個別燃料電池セルの出力電圧を測定している場合は、演算部５０は、全電圧計３０で測定された全電圧ＶＡＬＬと燃料電池セルの個数ｎから求めた平均セル電圧（ＶＡＬＬ／ｎ）と個別電圧計４０で測定したセル出力電圧Ｖ＃ｉとを比較する演算を行う。また、電圧降下パターン判定部５２は、平均セル電圧とセル電圧とを比較して、セル電圧が著しく降下している燃料電池セルが存在しているか判断し、各セル毎にフラッディング発生を検知する。具体的には、平均セル電圧とセル電圧との偏差を第１しきい値電圧と比較する。ここで、第１しきい値電圧は個別セルにフラッディングが生じた場合のセル電圧低下を検出できるように定める。
【００３３】
また、燃料電池セルスタックにおいて、特にフラッディングが生じやすいセルがあるならば、当該セルを代表的な燃料電池セルとして扱う。このセルの出力電圧Ｖ＃ｉを測定する個別電圧計を設けると、電圧測定によりフラッディング検出を行うことができる。この場合、ＣＯ被毒に対しては全電圧計により測定した燃料電池セルスタックの全電圧を用いて判断するように構成しても良い。
【００３４】
なお、上記の実施の形態においては、フラッディング制御部によるフラッディング処理の場合を例に説明したが、燃料不足や酸化剤不足が発生している場合にもフラッディング発生の場合と同様に、個別セル電圧の低下が発生する。そこで、フラッディング処理と同様に、フラッディング制御部５６により燃料の利用率と酸化剤の利用率の少なくとも一方を低減させることで、燃料不足や酸化剤不足に対処できる。
【００３５】
【発明の効果】
以上のように本発明の燃料電池発電システムによれば、固体高分子電解質を含む複数の燃料電池セルを有する燃料電池セルスタックと、前記燃料電池セルスタックの全電圧を測定する全電圧計と、前記複数の燃料電池セルのうち少なくとも１つの燃料電池セルのセル電圧を測定する、又は前記複数の燃料電池セルを複数の連続した燃料電池セルからなる複数のグループに分けたときそのうち少なくとも１つのグループのグループ電圧を測定する個別電圧計と、前記全電圧と正常時の全電圧とを比較する演算と、前記全電圧と前記燃料電池セルの総個数から求めた平均セル電圧と前記セル電圧とを比較する演算又は前記全電圧と前記燃料電池セルの総個数及びグループを構成する燃料電池セルの個数から定まる平均グループ電圧と前記グループ電圧とを比較する演算とを行う演算部と、前記演算部で演算された結果から、前記燃料電池セル及び前記燃料電池セルスタックの出力電圧低下の態様を判別する電圧降下パターン判定部とを備え、前記電圧降下パターン判定部における出力電圧低下の態様の判別は、前記全電圧と正常時の全電圧との偏差が所定の値よりも大きく、且つ前記平均セル電圧と前記セル電圧との偏差が所定の値よりも小さいとき、又は前記平均グループ電圧と前記グループ電圧との偏差が所定の値よりも小さいときにＣＯ被毒が生じていると判断し、前記平均セル電圧と前記セル電圧との偏差が所定の値よりも大きい燃料電池セルが存在するとき、又は前記平均グループ電圧と前記グループ電圧との偏差が所定の値よりも大きいグループが存在するときにフラッディング、燃料不足、酸化剤不足の少なくとも何れか１つが生じていると判断する。そこで、演算部の比較演算により、出力電圧が定格出力電圧よりも低下する場合に、燃料電池セルスタックの出力電圧の低下が、極一部のセル電圧やグループ電圧の低下によるものか、セル電圧やグループ電圧が全般的に低下しているのか検知でき、セル電圧又はグループ電圧が全般的に低下していると判断されたときは、燃料電池セルスタックにおけるＣＯ被毒を緩和する措置をとり、特定のセル電圧又は特定のグループ電圧が著しく降下していると判断されたときは、該当する燃料電池セル又はグループを構成する燃料電池セルに対してフラッディングを緩和する措置をとることで、給電を受ける需要側機器や燃料電池セルスタック自体の損傷発生が少なくて済む燃料電池発電システム及びその運転方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による第１の実施の形態である燃料電池発電システムを説明する構成ブロック図である。
【図２】 燃料電池セルスタック１０の構造を示す基本的構造図である。
【図３】 燃料電池セル毎の出力電圧分布の一例を説明する図である。
【図４】 スタック全電圧と採取電流値の関係を示す図である。
【図５】 本発明の燃料電池発電システムの運転方法を説明する流れ図である。
【図６】 グループ電圧の異常検出処理で異常が検出された場合の対処を説明する流れ図である。
【符号の説明】
１０ 燃料電池セルスタック
３０ 全電圧計
４０ 個別電圧計
５０ 演算部
５２ 電圧降下パターン判定部
５４ ＣＯ被毒制御部
５６ フラッディング制御部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for operating a fuel cell power generation system and a fuel cell power generation system suitable for monitoring the operating state of a fuel cell stack used in a solid polymer electrolyte fuel cell system, and in particular, local performance. The present invention relates to a method for operating a fuel cell power generation system that monitors the occurrence of a decrease or material deterioration and a fuel cell power generation system.
[0002]
[Prior art]
In a polymer electrolyte fuel cell system, a fuel cell stack in which a plurality of fuel cells are connected in series is used. The single fuel cell has a rated output voltage of, for example, about 0.8 to 1.0 V, and the number of fuel cells in the fuel cell stack is, for example, 20 so that the rated output voltage is, for example, 16 ~ 20V is obtained.
[0003]
[Patent Document 1]
Published Patent Publication No. Hei 5-502973 FIG.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, the output voltage of the fuel cell may be lower than the rated output voltage due to various factors. For example, if the hydrogen rich gas supplied to the fuel cell contains carbon monoxide CO above a specified amount, a phenomenon called CO poisoning occurs in the fuel cell, the output voltage of the fuel cell decreases, and the operation continues. It may be impossible.
[0005]
As another phenomenon, flooding is known. Flooding is a phenomenon in which water accompanying the fluid or water generated as a result of the reaction between hydrogen and oxygen accumulates in the fuel or oxidant flow path in the fuel cell, impeding the flow of each fluid. The cell voltage of the specific cell that occurs is reduced. In addition, the output voltage of the fuel cell decreases even when the fuel or oxidant is insufficient with respect to the power generation output. In this case, however, the cell voltage of the cell far from the supply port where it is difficult to secure each fluid decreases. Tend to.
[0006]
The present invention solves the above-mentioned problems, and a first object is to detect how the output voltage of the fuel cell stack is reduced when the output voltage is lower than the rated output voltage. A fuel cell power generation system that can be operated and a method for operating the same.
The second object is to perform an appropriate protective operation according to the cause of the occurrence of the output voltage drop, thereby reducing the occurrence of damage to the demand-side equipment that receives power supply and the fuel cell stack itself, and the operation thereof. Is to provide a method.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
  To achieve the first object, a fuel cell power generation system according to the present invention includes a fuel cell stack 10 having a plurality of fuel cells including a solid polymer electrolyte, as shown in FIG. A total voltmeter 30 that measures the total voltage of the cell stack 10 and a cell voltage of at least one of the plurality of fuel cells, or a plurality of continuous fuel cells. When divided into a plurality of groups of cells, an individual voltmeter 40 that measures the group voltage of at least one of the groups, an operation that compares the total voltage with the total voltage in a normal state, and the total voltage (VALL) And the number of fuel cells (n) average cell voltage (VALL/ N) and the cell voltage, or the total voltage, the total number of the fuel cells and the average group voltage determined from the number of fuel cells constituting the group, and the group voltage. And an arithmetic unit 50 for performingA voltage drop pattern determining unit 52 for determining a mode of output voltage drop of the fuel cell and the fuel cell stack 10 based on a result calculated by the calculating unit 50, and an output voltage drop in the voltage drop pattern determining unit 52 The mode is determined when the deviation between the total voltage and the normal voltage is larger than a predetermined value and the deviation between the average cell voltage and the cell voltage is smaller than a predetermined value, or the average It is judged that CO poisoning has occurred when the deviation between the group voltage and the group voltage is smaller than a predetermined value, and the fuel cell whose deviation between the average cell voltage and the cell voltage is larger than the predetermined value Or when there is a group in which the deviation between the average group voltage and the group voltage is greater than a predetermined value, there is little flooding, fuel shortage, and oxidant shortage. It is determined that Kutomo any one has occurredThe
[0008]
In the apparatus configured as described above, the total voltage of the fuel cell stack 10 is measured by the total voltmeter 30. The individual voltmeter 40 has any mode of individual fuel cell measurement and group voltage measurement. In the individual fuel cell measurement, the cell voltage of at least one fuel cell among the plurality of fuel cells constituting the fuel cell stack 10 is measured. In the group voltage measurement, when a plurality of fuel cells are divided into a plurality of groups composed of a plurality of continuous fuel cells, a group voltage of at least one group is measured. The calculation unit 50 performs a calculation for comparing all voltages with all voltages in a normal state. For individual fuel cell measurement, the total voltage (VALL) And the total number of cells (n), the average cell voltage (VALL/ N) is compared with the cell voltage. In the group voltage measurement, an operation for comparing the group voltage with an average group voltage determined from the total voltage, the total number of fuel cells, and the number of fuel cells constituting the group is performed.
[0009]
  In order to achieve the second object, a fuel cell power generation system according to the present invention is a fuel cell power generation system as shown in FIG.A CO poisoning control unit 54 that reduces both the amount of fuel supplied to the fuel cell stack 10 and the output of the fuel cell stack 10 when the voltage drop pattern determination unit 52 determines that CO poisoning has occurred. A flooding control unit that reduces at least one of the fuel utilization rate and the oxidant utilization rate when it is determined by the voltage drop pattern determination unit 52 that at least one of flooding, fuel shortage, and oxidant shortage has occurred. 56. That is, the voltage drop pattern determination unit 52 compares the average group voltage Vavgr with the group voltage Vgr # j measured by the individual voltmeter 40 for the group voltage measurement, and the fuel in which the group voltage is significantly reduced. It is determined whether a group of battery cells exists. In addition, when the voltage drop pattern determination unit 52 determines that the cell voltage or the group voltage is generally decreased, a CO poisoning control unit that takes measures to reduce CO poisoning in the fuel cell stack 10 54, when the voltage drop pattern determination unit 52 determines that the specific cell voltage or the specific group voltage is significantly reduced, flooding is performed on the corresponding fuel cell or the fuel cell constituting the group. A flooding control unit 56 is provided to take measures to alleviateThe
[0010]
  In order to achieve the first object, the fuel cell power generation system operating method of the present invention includes a fuel cell stack 10 having a plurality of fuel cells including a solid polymer electrolyte, as shown in FIG. 5, for example. In the operation method of the fuel cell power generation system, the total voltage measurement step (S102) for measuring the total voltage of the fuel cell stack 10 and the cell voltage of at least one fuel cell among the plurality of fuel cells are measured. Or an individual voltage measurement step (S104) for measuring a group voltage of at least one of the plurality of fuel cells divided into a plurality of groups of a plurality of continuous fuel cells; A first calculation step (S108) for comparing the total voltage of the hour, and the average cell power obtained from the total voltage and the total number of fuel cells. And an operation for comparing the group voltage with an average group voltage determined from the total voltage, the total number of fuel cells and the number of fuel cells constituting the group. A second calculation step (S110 to S116)The mode of the output voltage drop occurring in the fuel cell power generation system is determined using the calculation results of the first calculation step and the second calculation step.The
[0011]
in frontThe determination of the mode of output voltage drop occurring in the fuel cell power generation system enables detection of the occurrence of CO poisoning and flooding.TheThat is, in the first calculation step, the deviation between the total voltage and the normal voltage is larger than a predetermined value, and in the second calculation step, the deviation between the average cell voltage and the cell voltage is a predetermined value. Is smaller than or when a deviation between the average group voltage and the group voltage is smaller than a predetermined value, it is determined that CO poisoning has occurred.TheThe On the other hand, when there is a fuel cell in which the deviation between the average cell voltage and the cell voltage is larger than a predetermined value in the second calculation step, or the deviation between the average group voltage and the group voltage is predetermined. When a group larger than the value exists, it is determined that at least one of flooding, fuel shortage, and oxidant shortage has occurred.TheThe Where at least one of flooding, fuel shortage, and oxidant shortage occurs, the fuel cell in which the cell voltage is significantly lower than the average cell voltage, or the group voltage is significantly lower than the average group voltage. It is a fuel cell included in a group.
[0012]
In order to achieve the second object, the operation method of the fuel cell power generation system according to the present invention is directed to the fuel cell stack when it is determined that CO poisoning has occurred, for example, as shown in FIG. When both the fuel supply amount and the output of the fuel cell stack are reduced (S122, S124) and it is determined that at least one of flooding, fuel shortage, and oxidant shortage has occurred, the fuel utilization rate And it is good to set it as the process of reducing at least one of the utilization factor of an oxidizing agent (S132).
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In addition, in each figure, the same code | symbol or a similar symbol is attached | subjected to the member which is mutually the same or it corresponds, and the overlapping description is abbreviate | omitted.
FIG. 1 is a block diagram illustrating a fuel cell power generation system according to a first embodiment of the present invention. In the figure, a fuel cell stack 10 is formed by stacking n (n is a natural number, for example, 20) fuel cells. Here, the fuel battery cells are labeled with #i (i = 1, 2,..., N) in the stacking order. Here, a group j (j = 1, 2,..., M) of fuel cells is configured with four continuously stacked fuel cells as a unit. Note that the number of fuel cells constituting the group j may be the same in all groups, or may be different. The detailed structure of the fuel cell stack 10 will be described later.
[0014]
The total voltmeter 30 is the total voltage V of the fuel cell stack 10.ALLIt is a voltmeter that measures The individual voltmeter 40 is provided for each group of fuel cells, and is a voltmeter that measures the group voltage Vgr # j of the group j of the fuel cells. The calculation unit 50 includes a voltage drop pattern determination unit 52, a CO poisoning control unit 54, and a flooding control unit 56. The calculation unit 50 calculates the total voltage V measured by the total voltmeter 30.ALLAnd normal voltage VALLAn operation for comparing with / NC is performed. In addition, the calculation unit 50 calculates the total voltage V measured by the total voltmeter 30.ALLAnd the average cell voltage (VALL/ N). Next, the average group voltage Vavgr is obtained by multiplying the number gn of the fuel cells constituting the group.
[0015]
For the group voltage measurement, the voltage drop pattern determination unit 52 compares the average group voltage Vavgr with the group voltage Vgr # j measured by the individual voltmeter 40, and the fuel cell in which the group voltage is significantly reduced It is determined whether or not a group exists. Specifically, the difference between the average group voltage Vavgr and the group voltage Vgr # j measured by the individual voltmeter 40 is compared with a threshold voltage for determining the occurrence of flooding, and a fuel cell in which flooding has occurred It is determined whether or not a group exists.
[0016]
Next, when it is determined that there is no group of fuel cells in which the group voltage is significantly decreased, the voltage drop pattern determination unit 52 determines the total voltage V measured by the total voltmeter 30.ALLAnd normal voltage VALLThe deviation from / NC is compared with a threshold voltage for determining the occurrence of CO poisoning to determine whether there is a group of fuel cells in which CO poisoning has occurred.
[0017]
When the voltage drop pattern determination unit 52 determines that CO poisoning has occurred, the CO poisoning control unit 54 reduces both the fuel supply amount and the output voltage to the fuel cell stack 10, Mitigates the effects of CO poisoning. When it is determined by the voltage drop pattern determination unit 52 that flooding has occurred, the flooding control unit 56 reduces at least one of the fuel utilization rate and the oxidant utilization rate and stays in the cell. Water is removed to restore the flooded state to a normal cell wet state.
[0018]
2A and 2B are basic structural views showing the structure of the fuel cell stack 10, wherein FIG. 2A is a perspective view for explaining the arrangement of the fuel gas passage and the oxidant gas passage formed in the separator, and FIG. It is sectional drawing explaining the lamination | stacking state of a membrane electrode assembly. In FIG. 2B, the membrane electrode assemblies 11-1, 11-2, 11-3 have a solid electrode having a fuel electrode (anode) 21 on one side and an oxidant electrode (cathode) 22 on the other side. It is formed from molecular films 11a-1, 11a-2, 11a-3. The membrane electrode assemblies 11-1, 11-2, and 11-3 are separated by separators 12-2 and 12-3. Hereinafter, when it is not particularly necessary to individually refer to the solid molecular film, the code of the solid molecular film is simply 11a, similarly, the membrane electrode assembly is 11, and the separator is 12.
[0019]
In FIG. 2A, a fuel gas passage 14 is formed as a narrow groove on one surface of the separator 12 and the surface on the fuel electrode side, and an oxidant gas passage 15 is formed on the other surface and the oxidant electrode side. Has been. The grooves of the gas passages are formed so as to cover the surfaces on which they are formed evenly. In this solid molecular fuel cell, the membrane electrode assemblies 11 and the separators 12 are alternately arranged in this way to form a multilayer structure.
[0020]
When the separator 12 having a groove formed on the surface thereof is closely adhered to the solid polymer film 11a, a passage through which the fuel gas can pass through the groove and the surface of the solid polymer film 11a, that is, a fuel gas passage. 14 is formed. The same applies to the oxidant gas passage 15. Here, each of the fuel electrode 21 and the oxidant electrode 22 is a gas diffusion electrode made by holding a catalyst such as platinum in a porous conductive material such as carbon paper, and this is formed by a method such as hot pressing. The membrane electrode assembly 11 is formed by bonding to the solid polymer film 11a. The separator 12 is made of a conductive material such as carbon, and a fuel gas passage 14 and an oxidant gas passage 15 are provided on both sides thereof by cutting, pressing, or the like.
[0021]
The solid polymer membrane 11a in the membrane electrode assembly 11 contains moisture and forms an electrolyte, and selectively transmits ionized hydrogen. When fuel gas and oxidant gas are supplied to the fuel cell, an electromotive force is generated between the fuel electrode 21 provided on the surface of the membrane 11a and the oxidant electrode 22 provided on the other surface. Further, when the fuel electrode 21 and the oxidant electrode 22 are connected to an external load, hydrogen in the fuel gas emits electrons and ionizes on the fuel electrode 21. Then, the hydrogen ions permeate the solid molecular film 11a and react with electrons supplied from the electrode 22 and oxygen O2 in the oxidant gas on the oxidant electrode 22 to generate water, and at the same time, an electric current is supplied to the external load. Flows. In FIG. 2A, only one side of the separator 12 is visible, so only the fuel gas passage 14 is shown. However, the oxidant gas passage 15 is almost on the opposite side of the separator 12. It is formed similarly.
[0022]
In the apparatus having the structure as described above, electrons are emitted from the fuel electrode 21 and taken in by the oxidant electrode 22, so that a battery having the fuel electrode 21 as a negative electrode and the oxidant electrode 22 as a positive electrode is formed. . Further, a fuel cell having a desired voltage can be formed as a whole by alternately stacking a plurality of membrane electrode assemblies 11 (solid polymer membranes 11a) and separators 12 to form a multilayer structure.
[0023]
In the polymer electrolyte fuel cell, water is generated at the oxidizer electrode 22 as a result of the electrochemical reaction as described above. In addition, in order to maintain the hydrogen ion permeability of the solid polymer membrane 11a, it is general that each gas to be supplied is humidified so as to maintain an appropriate amount of moisture. The water in the battery is generally controlled to be saturated at the battery operating temperature, and excess water is carried to each gas flow path and removed to the outside by the gas not used for the battery reaction.
[0024]
However, during low-load operation where the gas flow rate is low, moisture removal is not successful, so flooding, that is, moisture that has not been removed may block the gas passage. Since sufficient fuel gas or oxidant gas is not supplied to the unit cell (cell) whose passage is blocked, the voltage of the unit cell is lowered and the output is decreased. Further, if such a situation is left unattended, there is a risk that battery constituent materials such as electrodes will be corroded. Further, if the fuel gas supplied to the fuel cell stack 10 contains more than a specified amount of CO, it has an undesirable effect on the power generation of the fuel cell.
[0025]
FIG. 3 is a diagram for explaining an example of the output voltage distribution for each fuel cell. Here, a case where flooding occurs in the fuel cell # 20 is shown. When flooding occurs in the fuel cell stack 10, all the fuel cells do not generate flooding simultaneously due to the internal structure of the cell stack. For example, when flooding occurs on the fuel electrode side, the cell voltage in a specific fuel cell such as a gas inlet where the inflow of moisture is intense decreases. Therefore, each cell voltage is measured by the individual voltmeter 40, and when the difference between the cell voltage average value and the cell voltage becomes a certain value or more, it is determined that flooding has occurred. In calculating the average value of the cell voltages, it is effective to use the reference value of the single cell voltage obtained by averaging all cell voltages or dividing the stack voltage by the number of cells.
[0026]
FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the total stack voltage and the collected current value, and also shows the CO poisoning caution level and the warning level. Total stack voltage VALLChanges depending on the sampling current value, and the sampling current value IALLIs small, the total stack voltage VALLAnd the sampling current value IALLIs larger, the total stack voltage VALLBecomes lower. Further, when CO poisoning occurs, all the cell voltages decrease at substantially the same ratio because it is due to a decrease in properties of the reformed gas that is a raw material. Therefore, the total stack voltage VALLWhen the measured value drops below the specified value set for each sampling current value, the individual cell voltage is further examined, and the stack total voltage VALLIf the voltage drop is such that the voltage drop cannot be explained by a part of the cell voltage drop, it is determined as CO poisoning.
[0027]
FIG. 5 is a flowchart for explaining the operation method of the fuel cell power generation system of the present invention. Here, the case where the individual voltmeter 40 measures the group voltage will be described. First, in the calculation unit 50, a group voltage abnormality detection process is started (S100). Then, the total voltage of the fuel cell stack 10 is measured by the total voltmeter 30 (S102). Next, each group voltage is measured by the individual voltmeter 40 (S104). The computing unit 50 computes the average group voltage from each group voltage and the number of groups (S106). In addition, when the number of fuel cells constituting the group differs for each group, the number of fuel cells constituting the group is also taken into consideration when calculating the average group voltage. Then, the calculation unit 50 calculates the deviation between the total voltage and the normal voltage (S108).
[0028]
Next, the first group voltage measured by the individual voltmeter 40 is input to the calculation unit 50 (S110), and is the deviation between the average group voltage and the group voltage greater than the second threshold voltage? It is determined whether or not (S112). Here, the second threshold voltage is determined so that a voltage drop can be detected when flooding occurs in the cells in the group. When the deviation is larger than the second threshold voltage, a flooding process is performed. The flooding process may be performed collectively for all cells, or may be performed for cells in the corresponding group. When the deviation is smaller than the second threshold voltage or when the flooding process is completed, the calculation unit 50 determines whether all group voltages measured by the individual voltmeter 40 have been input (S114). If the remaining group voltage exists, the next group voltage measured by the individual voltmeter 40 is input (S116), and the process returns to S112.
[0029]
Next, it is determined whether the deviation between the normal voltage and the measured voltage exceeds the threshold voltage for detecting CO poisoning (S118). Do poison treatment. This threshold voltage is a numerical value for detecting CO poisoning and is determined according to the load current. If the influence of CO poisoning is not detected in S118, the group voltage abnormality detection process ends (S119).
[0030]
FIG. 6 is a flowchart for explaining a countermeasure when an abnormality is detected in the group voltage abnormality detection process. FIG. 6A shows a CO poisoning process, and FIG. 6B shows a flooding process. When CO poisoning is detected in S118, CO poisoning processing by the CO poisoning control unit 54 is started (S120). That is, the CO poisoning control unit 54 reduces the output of the fuel cell stack (S122), and decreases the amount of fuel supplied to the fuel cell stack 10 (S124). As a result, the CO concentration is decreased to reduce the influence of CO poisoning, and a return is made (S126).
[0031]
If there is a group having a deviation larger than the second threshold voltage in S112, the flooding process by the flooding control unit 56 is started (S130). That is, the flooding control unit 56 increases the air flow rate as the oxidant (S132), eliminates the water remaining on the oxidant electrode side of the cell, recovers from the flooding state to the normal state, and returns. (S134). Alternatively, the flooding control unit 56 may recover the normal state from the flooding state by increasing the amount of fuel supplied to the cell to eliminate the moisture remaining on the fuel electrode side of the cell.
[0032]
In the above-described embodiment, the case where the individual voltmeter measures the group voltage has been described as an example. However, the present invention is not limited to this, and the individual voltmeter 40 includes the individual fuel cells. An output voltage may be measured. When the individual voltmeter 40 measures the output voltage of the individual fuel cell, the calculation unit 50 calculates the total voltage V measured by the total voltmeter 30.ALLAnd the average cell voltage (VALL/ N) and the cell output voltage V # i measured by the individual voltmeter 40 are compared. The voltage drop pattern determination unit 52 compares the average cell voltage with the cell voltage, determines whether there is a fuel cell in which the cell voltage has dropped significantly, and detects the occurrence of flooding for each cell. . Specifically, the deviation between the average cell voltage and the cell voltage is compared with the first threshold voltage. Here, the first threshold voltage is determined so that a cell voltage drop can be detected when flooding occurs in an individual cell.
[0033]
Further, in the fuel cell stack, if there is a cell that is particularly prone to flooding, the cell is treated as a representative fuel cell. If an individual voltmeter for measuring the output voltage V # i of this cell is provided, flooding can be detected by voltage measurement. In this case, the CO poisoning may be determined using the total voltage of the fuel cell stack measured by a total voltmeter.
[0034]
In the above-described embodiment, the case of the flooding process by the flooding control unit has been described as an example. Decrease occurs. Therefore, as in the flooding process, the flooding control unit 56 can reduce at least one of the fuel utilization rate and the oxidant utilization rate to cope with fuel shortage and oxidant shortage.
[0035]
【The invention's effect】
  As described above, according to the fuel cell power generation system of the present invention, a fuel cell stack having a plurality of fuel cells including a solid polymer electrolyte, a total voltmeter for measuring the total voltage of the fuel cell stack, When measuring the cell voltage of at least one fuel cell among the plurality of fuel cells, or dividing the plurality of fuel cells into a plurality of groups of a plurality of continuous fuel cells, at least one group among them An individual voltmeter for measuring the group voltage, an operation for comparing the total voltage with a normal voltage, an average cell voltage obtained from the total voltage and the total number of fuel cells, and the cell voltage. Comparing operations or the average group voltage and the group determined from the total voltage and the total number of fuel cells and the number of fuel cells constituting the group A calculation section that performs an operation for comparing the pressureA voltage drop pattern determination unit for determining a mode of output voltage decrease of the fuel cell and the fuel cell stack from a result calculated by the calculation unit;WithThe voltage drop pattern determination unit determines the mode of output voltage drop when the deviation between the total voltage and the normal voltage is larger than a predetermined value, and the deviation between the average cell voltage and the cell voltage is When it is smaller than a predetermined value, or when a deviation between the average group voltage and the group voltage is smaller than a predetermined value, it is determined that CO poisoning has occurred, and the average cell voltage and the cell voltage When there is a fuel cell whose deviation is larger than a predetermined value, or when there is a group whose deviation between the average group voltage and the group voltage is larger than a predetermined value, flooding, fuel shortage, oxidizer shortage Determine that at least one of them has occurredThe Therefore, when the output voltage drops below the rated output voltage due to the comparison calculation of the calculation unit, is the drop in the output voltage of the fuel cell stack caused by the drop in the partial cell voltage or the group voltage, or the cell voltage? And can detect whether the group voltage is generally lower.When it is determined that the cell voltage or the group voltage is generally lowered, measures are taken to mitigate CO poisoning in the fuel cell stack, and the specific cell voltage or the specific group voltage drops significantly. If it is determined that the fuel cell or the fuel cell constituting the group has measures to mitigate flooding, damage to the demand side equipment receiving the power supply or the fuel cell stack itself may occur. It is possible to provide a fuel cell power generation system that requires less and an operation method thereof.The
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram illustrating a fuel cell power generation system according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a basic structural diagram showing the structure of a fuel cell stack 10;
FIG. 3 is a diagram illustrating an example of an output voltage distribution for each fuel cell.
FIG. 4 is a diagram illustrating a relationship between a stack total voltage and a sampling current value.
FIG. 5 is a flowchart illustrating an operation method of the fuel cell power generation system of the present invention.
FIG. 6 is a flowchart for explaining a countermeasure when an abnormality is detected in the group voltage abnormality detection process;
[Explanation of symbols]
10 Fuel cell stack
30 Total voltmeter
40 Individual voltmeter
50 Calculation unit
52 Voltage drop pattern judgment unit
54 CO poisoning control unit
56 Flood control part

Claims (4)

固体高分子電解質を含む複数の燃料電池セルを有する燃料電池セルスタックと；
前記燃料電池セルスタックの全電圧を測定する全電圧計と；
前記複数の燃料電池セルのうち少なくとも１つの燃料電池セルのセル電圧を測定する、又は前記複数の燃料電池セルを複数の連続した燃料電池セルからなる複数のグループに分けたときそのうち少なくとも１つのグループのグループ電圧を測定する個別電圧計と；
前記全電圧と正常時の全電圧とを比較する演算と、前記全電圧と前記燃料電池セルの総個数から求めた平均セル電圧と前記セル電圧とを比較する演算、又は前記全電圧と前記燃料電池セルの総個数及び当該グループを構成する燃料電池セルの個数から定まる平均グループ電圧と前記グループ電圧とを比較する演算とを行う演算部と；
前記演算部で演算された結果から、前記燃料電池セル及び前記燃料電池セルスタックの出力電圧低下の態様を判別する電圧降下パターン判定部とを備え；
前記電圧降下パターン判定部における出力電圧低下の態様の判別は、
前記全電圧と正常時の全電圧との偏差が所定の値よりも大きく、且つ前記平均セル電圧と前記セル電圧との偏差が所定の値よりも小さいとき、又は前記平均グループ電圧と前記グループ電圧との偏差が所定の値よりも小さいときにＣＯ被毒が生じていると判断し、
前記平均セル電圧と前記セル電圧との偏差が所定の値よりも大きい燃料電池セルが存在するとき、又は前記平均グループ電圧と前記グループ電圧との偏差が所定の値よりも大きいグループが存在するときにフラッディング、燃料不足、酸化剤不足の少なくとも何れか１つが生じていると判断する；
燃料電池発電システム。A fuel cell stack having a plurality of fuel cells comprising a solid polymer electrolyte;
A total voltmeter for measuring the total voltage of the fuel cell stack;
When measuring the cell voltage of at least one fuel cell among the plurality of fuel cells, or dividing the plurality of fuel cells into a plurality of groups of a plurality of continuous fuel cells, at least one group among them An individual voltmeter to measure the group voltage of
An operation for comparing the total voltage with a total voltage at normal time, an operation for comparing the cell voltage with the average cell voltage obtained from the total voltage and the total number of the fuel cells, or the total voltage and the fuel An arithmetic unit that performs an operation of comparing the group voltage with an average group voltage determined from the total number of battery cells and the number of fuel cells constituting the group ;
A voltage drop pattern determination unit that determines a mode of output voltage drop of the fuel cell and the fuel cell stack from a result calculated by the calculation unit;
The determination of the mode of output voltage drop in the voltage drop pattern determination unit is as follows.
When the deviation between the total voltage and the normal voltage is larger than a predetermined value and the deviation between the average cell voltage and the cell voltage is smaller than a predetermined value, or the average group voltage and the group voltage When the deviation from is smaller than a predetermined value, it is determined that CO poisoning has occurred,
When there is a fuel cell in which the deviation between the average cell voltage and the cell voltage is greater than a predetermined value, or there is a group in which the deviation between the average group voltage and the group voltage is greater than a predetermined value It is determined that at least one of flooding, fuel shortage, and oxidant shortage has occurred;
Fuel cell power generation system. 前記電圧降下パターン判定部においてＣＯ被毒が生じていると判断されたときに前記燃料電池セルスタックへの燃料供給量と前記燃料電池セルスタックの出力の両方を低減するＣＯ被毒制御部と；   A CO poisoning control unit that reduces both the amount of fuel supplied to the fuel cell stack and the output of the fuel cell stack when it is determined by the voltage drop pattern determination unit that CO poisoning has occurred;
前記電圧降下パターン判定部においてフラッディング、燃料不足、酸化剤不足の少なくとも何れか１つが生じていると判断されたときに燃料の利用率と酸化剤の利用率の少なくとも一方を低減するフラッディング制御部とを備える；   A flooding control unit that reduces at least one of a fuel utilization rate and an oxidant utilization rate when it is determined in the voltage drop pattern determination unit that at least one of flooding, fuel shortage, and oxidant shortage has occurred; Comprising:
請求項１に記載の燃料電池発電システム。  The fuel cell power generation system according to claim 1. 固体高分子電解質を含む複数の燃料電池セルを有する燃料電池セルスタックを含む燃料電池発電システムの運転方法において；
前記燃料電池セルスタックの全電圧を測定する全電圧測定工程と；
前記複数の燃料電池セルのうち少なくとも１つの燃料電池セルのセル電圧を測定する、又は前記複数の燃料電池セルを複数の連続した燃料電池セルからなる複数のグループに分けたときそのうち少なくとも１つのグループのグループ電圧を測定する個別電圧測定工程と；
前記全電圧と正常時の全電圧とを比較する第１の演算工程と；
前記全電圧と前記燃料電池セルの総個数から求めた平均セル電圧と前記セル電圧とを比較する演算、又は前記全電圧と前記燃料電池セルの総個数及び当該グループを構成する燃料電池セルの個数から定まる平均グループ電圧と前記グループ電圧とを比較する演算とを行う第２の演算工程とを備え；
前記第１の演算工程と前記第２の演算工程の演算結果を用いて、前記燃料電池発電システムに生じている出力電圧低下の態様を判別し；
前記燃料電池発電システムに生じている出力電圧低下の態様の判別は；
前記第１の演算工程で前記全電圧と正常時の全電圧との偏差が所定の値よりも大きく、且つ第２の演算工程で前記平均セル電圧と前記セル電圧との偏差が所定の値よりも小さいとき、又は前記平均グループ電圧と前記グループ電圧との偏差が所定の値よりも小さいとき、ＣＯ被毒が生じていると判断し；
前記第２の演算工程で前記平均セル電圧と前記セル電圧との偏差が所定の値よりも大きい燃料電池セルが存在するとき、又は前記平均グループ電圧と前記グループ電圧との偏差が所定の値よりも大きいグループが存在するとき、フラッディング、燃料不足、酸化剤不足の少なくとも何れか１つが生じていると判断する；
燃料電池発電システムの運転方法。In a method for operating a fuel cell power generation system including a fuel cell stack having a plurality of fuel cells including a solid polymer electrolyte;
A total voltage measuring step for measuring a total voltage of the fuel cell stack;
When measuring the cell voltage of at least one fuel cell among the plurality of fuel cells, or dividing the plurality of fuel cells into a plurality of groups of a plurality of continuous fuel cells, at least one group among them An individual voltage measurement process for measuring the group voltage of
A first calculation step of comparing the total voltage with a normal voltage;
An operation for comparing the cell voltage with an average cell voltage obtained from the total voltage and the total number of the fuel cells, or the total voltage, the total number of the fuel cells, and the number of fuel cells constituting the group A second operation step of performing an operation of comparing the average group voltage determined from the group voltage with the group voltage;
Using the calculation results of the first calculation step and the second calculation step to determine the mode of output voltage drop occurring in the fuel cell power generation system ;
Discrimination of the mode of output voltage drop occurring in the fuel cell power generation system;
In the first calculation step, the deviation between the total voltage and the normal voltage in the normal state is larger than a predetermined value, and in the second calculation step, the deviation between the average cell voltage and the cell voltage is larger than a predetermined value. If the difference between the average group voltage and the group voltage is smaller than a predetermined value, it is determined that CO poisoning has occurred;
When there is a fuel cell in which the deviation between the average cell voltage and the cell voltage is larger than a predetermined value in the second calculation step, or the deviation between the average group voltage and the group voltage is more than a predetermined value If there is a larger group, it is determined that at least one of flooding, fuel shortage, and oxidant shortage has occurred;
Method of operating a fuel cell power generation system. ＣＯ被毒が生じていると判断されたとき、前記燃料電池セルスタックへの燃料供給量と前記燃料電池セルスタックの出力の両方を低減し；
フラッディング、燃料不足、酸化剤不足の少なくとも何れか１つが生じていると判断されたとき、燃料の利用率と酸化剤の利用率の少なくとも一方を低減する、請求項３に記載の燃料電池発電システムの運転方法。When it is determined that CO poisoning has occurred, both the amount of fuel supplied to the fuel cell stack and the output of the fuel cell stack are reduced;
The fuel cell power generation system according to claim 3, wherein when it is determined that at least one of flooding, fuel shortage, and oxidant shortage has occurred, at least one of a fuel utilization rate and an oxidant utilization rate is reduced. Driving method.
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