JP4940584B2

JP4940584B2 - Fuel cell system and method of estimating an abnormal part

Info

Publication number: JP4940584B2
Application number: JP2005192136A
Authority: JP
Inventors: 敬一広瀬; 憲二加藤
Original assignee: Equos Research Co Ltd
Current assignee: Equos Research Co Ltd
Priority date: 2005-06-30
Filing date: 2005-06-30
Publication date: 2012-05-30
Anticipated expiration: 2025-06-30
Also published as: JP2007012455A

Description

本発明は、燃料電池システム及び異常個所推定方法にかかり、より詳細には、単位セルの燃料極に接触する燃料ガス流路を備えたモジュールを複数形成した燃料電池スタックを備えた燃料電池システム、及び、該燃料電池システムにおける異常個所推定方法に関する。 The present invention relates to a fuel cell system and an abnormality location estimation method, and more specifically, a fuel cell system including a fuel cell stack in which a plurality of modules each including a fuel gas flow path that contacts a fuel electrode of a unit cell is formed, The present invention also relates to an abnormal part estimation method in the fuel cell system.

一般に、高分子電解質膜を使用した燃料電池では、電解質膜を挟んだ両側で燃料ガス或いは酸化ガスがイオン化し、そのイオンが電解質膜を透過して電気化学的な反応を生じるものである。 In general, in a fuel cell using a polymer electrolyte membrane, fuel gas or oxidizing gas is ionized on both sides of the electrolyte membrane, and the ions permeate the electrolyte membrane to cause an electrochemical reaction.

そして、燃料電池スタックは、燃料ガスと酸化ガスとを高分子電解質膜を介して反応させ電力を得るものである。この燃料電池スタックは、高分子電解質膜を燃料極と酸化極で挟んで構成された単位セルと、導電性材料で構成されたセパレータとを交互に積層して構成され、セパレータと燃料極との間に燃料ガスを、セパレータと酸化極の間に酸化ガスを流通させることにより、電気化学反応を生じさせるものである。 The fuel cell stack is for obtaining electric power by reacting a fuel gas and an oxidizing gas through a polymer electrolyte membrane. This fuel cell stack is configured by alternately laminating unit cells each having a polymer electrolyte membrane sandwiched between a fuel electrode and an oxidation electrode, and a separator made of a conductive material. An electrochemical reaction is caused by passing a fuel gas between them and an oxidizing gas between the separator and the oxidizing electrode.

燃料電池スタックの構成としては、各セパレータに同時にガスを供給する並列方式のものや、所定枚数積層された物をモジュールとして、これを直列に複数連結し、各モジュールに順番にガスを供給する直列方式のものなどが提案されている。 The fuel cell stack can be configured as a parallel system that supplies gas to each separator simultaneously, or a series of modules in which a predetermined number of layers are stacked, and a plurality of these are connected in series to supply gas to each module in turn. A method of the type has been proposed.

このような燃料電池スタックは、該燃料電池スタックから電力を外部負荷に供給するため利用される。外部負荷が変化すると、この変化に応じて燃料電池の出力電力を制御する必要がある。このため、燃料電池からの電力がどのくらいなのかを把握する必要がある。
特開平０７−２３５３２４号。特開２００３−１７８７８９号。 Such a fuel cell stack is used to supply electric power from the fuel cell stack to an external load. When the external load changes, it is necessary to control the output power of the fuel cell in accordance with this change. For this reason, it is necessary to grasp how much power is supplied from the fuel cell.
Japanese Patent Application Laid-Open No. 07-235324. JP2003-178789.

しかしながら、燃料電池から上記外部負荷への全体的な電力値を把握することができても、各モジュールの状態を把握することができない。
本発明は、上記事実に鑑み成されたもので、各モジュールの状態を把握することの可能な燃料電池システム及び異常個所推定方法を提供することを目的とする。 However, even if the overall power value from the fuel cell to the external load can be grasped, the state of each module cannot be grasped.
The present invention has been made in view of the above-described facts, and an object of the present invention is to provide a fuel cell system and an abnormal part estimation method capable of grasping the state of each module.

以上のような目的は、以下の本発明によって達成される。
（１）単位セルと、該単位セルの燃料極に接触し燃料ガス流路を形成するセパレータとが交互に複数積層された燃料電池スタックと、
前記単位セル毎の電圧を検知する出力センサと、
少なくとも前記燃料電池スタックに燃料ガスを導入後定常運転前に、前記出力センサの検出値が異常か否かを判断する判断手段と、
該判断によって前記出力センサの第１の検出値が異常と判断された場合、該出力センサに対応する単位セルの隣の単位セルに対応する出力センサの第２の検出値を取得する第２の検出値取得手段と、
前記第１の検出値と前記第２の検出値の差の絶対値が許容値を超えた場合には出力センサが、許容値を超えない場合には単位セルが、前記出力センサの検出値が異常となった原因個所であると推定する推定手段とを備えたことを特徴とする燃料電池システム。 The above object is achieved by the present invention described below.
(1) a fuel cell stack in which a plurality of unit cells and separators that contact the fuel electrode of the unit cell and form a fuel gas flow path are alternately stacked;
An output sensor for detecting a voltage for each unit cell;
Determination means for determining whether or not the detected value of the output sensor is abnormal at least before introducing a fuel gas into the fuel cell stack and before steady operation ;
When it is determined by the determination that the first detection value of the output sensor is abnormal , the second detection value of the output sensor corresponding to the unit cell adjacent to the unit cell corresponding to the output sensor is acquired. Detection value acquisition means;
When the absolute value of the difference between the first detection value and the second detection value exceeds the allowable value, the output sensor is detected. When the absolute value does not exceed the allowable value, the unit cell indicates the detection value of the output sensor. fuel cell system is characterized in that a estimating means for estimating to be responsible point became abnormal.

（２）単位セルと、該単位セルの燃料極に接触し燃料ガス流路を形成するセパレータとが交互に複数積層された燃料電池スタックと、
前記単位セル毎の電圧を検知する出力センサと、
を備えた燃料電池システムにおける異常個所推定方法であって、
少なくとも前記燃料電池スタックに燃料ガスを導入後定常運転前に、前記出力センサの検出値が異常か否かを判断するステップと、
前記出力センサの第１の検出値が異常と判断された場合、その出力センサに対応する単位セルの隣りの単位セルに対応する出力センサの第２の検出値を取得するステップと、
前記第１の検出値と前記第２の検出値の差の絶対値が許容値を超えた場合には前記出力センサが原因個所であると推定するステップと、
を備えた異常個所推定方法。 ( 2 ) a fuel cell stack in which a plurality of unit cells and separators that contact the fuel electrode of the unit cells and form a fuel gas flow path are alternately stacked;
An output sensor for detecting a voltage for each unit cell;
An anomaly location estimation method in a fuel cell system comprising:
Determining whether or not the detected value of the output sensor is abnormal, at least after introducing fuel gas into the fuel cell stack and before steady operation ;
When it is determined that the first detection value of the output sensor is abnormal , obtaining a second detection value of the output sensor corresponding to a unit cell adjacent to the unit cell corresponding to the output sensor ;
Estimating the cause of the output sensor when the absolute value of the difference between the first detection value and the second detection value exceeds an allowable value ;
An abnormal part estimation method comprising:

請求項１に記載の発明によれば、複数のモジュール各々の電極板に隣接した単位セルの出力を検出する複数の出力センサを、出力センサの検出値が異常か否かを判断するようにしているので、各モジュールの状態を具体的に把握することができる。また、出力センサの検出値が異常と判断された場合、出力センサの検出値が異常となった原因個所を推定するので、推定された原因個所に応じて異常に対処することができる。 According to the first aspect of the present invention, the plurality of output sensors that detect the outputs of the unit cells adjacent to the electrode plates of each of the plurality of modules are configured to determine whether or not the detected value of the output sensor is abnormal. Therefore, the state of each module can be grasped specifically. Further, when it is determined that the detected value of the output sensor is abnormal, the cause location where the detected value of the output sensor becomes abnormal is estimated, so that the abnormality can be dealt with according to the estimated cause location.

また、異常と判断された出力センサの第１の検出値と、該出力センサに対応する単位セルの隣の単位セルに対応する出力センサの第２の検出値と、に基づいて、出力センサの検出値が異常となった原因個所を推定するので、出力センサの異常で出力センサの検出値が異常となったのか単位セルの異常で出力センサの検出値が異常となったのかを把握することができる。 Further, based on the first detection value of the output sensor determined to be abnormal and the second detection value of the output sensor corresponding to the unit cell adjacent to the unit cell corresponding to the output sensor, Because the cause of the abnormal detection value is estimated, it is necessary to grasp whether the output sensor detection value is abnormal due to an output sensor error or whether the output sensor detection value is abnormal due to a unit cell error. Can do.

上記第１の検出値と上記第２の検出値との差が許容値内の場合には、検出値が異常と判断された出力センサに対応する単位セルが、許容値を超える場合には、検出値が異常と判断された出力センサが原因個所であると推定するので、推定された原因個所に応じて異常に適切に対処することができる。 When the difference between the first detection value and the second detection value is within the allowable value, when the unit cell corresponding to the output sensor determined to be abnormal exceeds the allowable value , Since the output sensor whose detected value is determined to be abnormal is estimated to be the cause, the abnormality can be appropriately dealt with according to the estimated cause.

特に、少なくとも燃料電池スタックに燃料ガスを導入後定常運転前に出力センサの検出値が異常か否かを判断するので、異常な状態で定常運転に入ることを抑制することができる。 In particular, since it is determined whether or not the detected value of the output sensor is abnormal at least after the fuel gas is introduced into the fuel cell stack and before the steady operation, entry into the steady operation in an abnormal state can be suppressed.

請求項２に記載の発明によれば、出力センサの検出値が異常か否かを判断し、出力センサの検出値が異常と判断された場合、出力センサの検出値が異常となった原因個所を推定するので、推定された原因個所に応じて異常に対処することができる。
特に、少なくとも燃料電池スタックに燃料ガスを導入後定常運転前に出力センサの検出値が異常か否かを判断するので、異常な状態で定常運転に入ることを抑制することができる。
According to the second aspect of the invention, it is determined whether or not the detected value of the output sensor is abnormal, and when the detected value of the output sensor is determined to be abnormal, the cause of the detected value of the output sensor becoming abnormal Therefore, an abnormality can be dealt with according to the estimated cause.
In particular, since it is determined whether or not the detected value of the output sensor is abnormal at least after the fuel gas is introduced into the fuel cell stack and before the steady operation, entry into the steady operation in an abnormal state can be suppressed.

次にこの発明の好適実施形態について説明する。この実施形態は、電気自動車に搭載される燃料電池システムである。図１は、燃料電池スタック１００を用いたシステム１の燃料供給系１０を示すブロック図である。 Next, a preferred embodiment of the present invention will be described. This embodiment is a fuel cell system mounted on an electric vehicle. FIG. 1 is a block diagram showing a fuel supply system 10 of a system 1 using a fuel cell stack 100.

この燃料電池システム１の有するスタック１００の構成について説明する。燃料電池スタック１００は、燃料電池単位セル１５と燃料電池セパレータ１３とを交互に積層して構成されている。図２は、燃料電池用セパレータ１３を示す全体正面図、図３は、燃料電池セパレータ１３で構成された燃料電池スタック１００の部分断面平面図（図２におけるＡ‐Ａ断面図）、図４は、同じく部分断面側面図（図２及び図３におけるＢ−Ｂ断面図）、図５は、燃料電池セパレータ１３の部分断面側面図（図２及び図３におけるＣ−Ｃ断面図）、図６は、燃料電池用セパレータ１３の全体背面図である。 The configuration of the stack 100 included in the fuel cell system 1 will be described. The fuel cell stack 100 is configured by alternately stacking fuel cell unit cells 15 and fuel cell separators 13. 2 is an overall front view showing the fuel cell separator 13, FIG. 3 is a partial cross-sectional plan view of the fuel cell stack 100 composed of the fuel cell separator 13 (AA cross-sectional view in FIG. 2), and FIG. FIG. 5 is a partial sectional side view (BB sectional view in FIGS. 2 and 3), FIG. 5 is a partial sectional side view of the fuel cell separator 13 (CC sectional view in FIGS. 2 and 3), and FIG. FIG. 3 is an overall rear view of the fuel cell separator 13.

セパレータ１３は、単位セル１５の電極に接触して電流を外部に取り出すための集電部材３、４と、各集電部材３、４の周端部に外装される枠体８、９とを備えている。集電板である集電部材３、４は金属で構成されている。構成金属は、導電性と耐食性を備えた金属で、例えば、ステンレス、ニッケル合金、チタン合金等に耐蝕導電処理を施したもの等が挙げられる。 The separator 13 includes current collecting members 3 and 4 for contacting the electrodes of the unit cell 15 and taking out current to the outside, and frame bodies 8 and 9 that are externally mounted on the peripheral ends of the current collecting members 3 and 4. I have. The current collecting members 3 and 4 that are current collecting plates are made of metal. The constituent metal is a metal having conductivity and corrosion resistance, and examples thereof include stainless steel, nickel alloy, titanium alloy and the like subjected to corrosion-resistant conductive treatment.

集電部材３は、単位セル１５の燃料極に接触し、集電部材４は酸素極に接触する。燃料極に接触する集電部材３は、図７に示されているように、矩形の金網材から成り、その表面には多数の孔３２０が形成されている。また、集電部材３には、プレス加工によって、突出形成された複数の凸状部３２が形成されている。尚、図７以外の図においては、図面の内容をわかり易くするために、集電部材３を板材として示しており、断面図等において、網材の孔３２０の表示は省略されている。 The current collecting member 3 is in contact with the fuel electrode of the unit cell 15, and the current collecting member 4 is in contact with the oxygen electrode. As shown in FIG. 7, the current collecting member 3 in contact with the fuel electrode is made of a rectangular wire mesh material, and a large number of holes 320 are formed on the surface thereof. Further, the current collecting member 3 is formed with a plurality of projecting convex portions 32 formed by pressing. In the drawings other than FIG. 7, in order to make the contents of the drawing easy to understand, the current collecting member 3 is shown as a plate material, and the display of the holes 320 of the mesh material is omitted in the cross-sectional view and the like.

凸状部３２は、板材の長辺とに沿って短辺方向へ向けて、等間隔で配列されている。長辺に沿って（図２における横方向）配置された凸状部３２の間に形成された溝によって、凸状部３２の間には水素流路３０１が形成され、凸状部３２の裏側に形成された溝３３によって、水素流路３０２が形成されている。この凸状部３２の頂点部分の面は、燃料極が接触する当接部３２１となっている。集電部材３が網体であるため、当接部３２１が接触する部分においても、孔３２０を介して、燃料極は燃料ガスを供給することができる。また、水素流路３０１と水素流路３０２の間も、孔３２０を介して、水素ガスが相互に流通可能となる。 The convex portions 32 are arranged at equal intervals along the long side of the plate material in the short side direction. A hydrogen channel 301 is formed between the convex portions 32 by grooves formed between the convex portions 32 arranged along the long side (lateral direction in FIG. 2). A hydrogen flow path 302 is formed by the groove 33 formed in. The surface of the apex portion of the convex portion 32 is a contact portion 321 with which the fuel electrode contacts. Since the current collecting member 3 is a net, the fuel electrode can supply the fuel gas through the hole 320 even in the portion where the contact portion 321 contacts. In addition, hydrogen gas can flow between the hydrogen channel 301 and the hydrogen channel 302 via the holes 320.

集電部材３の両端部には、流通流通孔３５が形成され、セパレータ１３を積層した場合に、この流通孔３５によって水素供給路が構成される。
集電部材４は、矩形の板材から成り、プレス加工によって、複数の凸状部４２が形成されている。凸状部４２は、板材の短辺に平行に直線状に連続して形成されており、等間隔で配置されている。凸状部４２の間には、溝が形成されて、空気が流通する空気流路４０が形成されている。この凸状部４２の頂点部分の面は、酸素極が接触する当接部４２１となっている。また、凸状部４２の裏側は溝状の中空部４１となっており、中空部４１の両端は、閉鎖されている。集電部材４の両端部には、孔４８が形成され、セパレータ１３を積層した場合に、この孔４８によって水素供給路が構成される。 At both ends of the current collecting member 3, circulation holes 35 are formed. When the separators 13 are stacked, the circulation holes 35 constitute a hydrogen supply path.
The current collecting member 4 is made of a rectangular plate material, and a plurality of convex portions 42 are formed by pressing. The convex portions 42 are continuously formed in a straight line parallel to the short sides of the plate material, and are arranged at equal intervals. A groove is formed between the convex portions 42 to form an air flow path 40 through which air flows. The surface of the apex portion of the convex portion 42 is an abutting portion 421 with which the oxygen electrode contacts. Further, the back side of the convex portion 42 is a groove-like hollow portion 41, and both ends of the hollow portion 41 are closed. Holes 48 are formed at both ends of the current collecting member 4. When the separators 13 are stacked, the holes 48 form a hydrogen supply path.

以上のような集電部材３、４は、各凸状部３２と凸状部４２が外側となるように重ね合わされて固定される。このとき、集電部材３の裏側面３４と空気流路４０の裏側面４０３が当接した状態となり、相互に通電可能な状態となる。また、空気流路４０は、図３及び図５に示されているように、単位セル１５に重ね合わされ、溝の開口部４００を閉鎖することにより、管状の流路が構成され、空気流路４０の内壁の一部が酸素極で構成される。 The current collecting members 3 and 4 as described above are overlapped and fixed so that the convex portions 32 and the convex portions 42 are on the outside. At this time, the back side surface 34 of the current collecting member 3 and the back side surface 403 of the air flow path 40 are in contact with each other, so that they can be energized with each other. As shown in FIGS. 3 and 5, the air flow path 40 is overlapped with the unit cell 15, and a tubular flow path is formed by closing the groove opening 400. A part of the inner wall of 40 is composed of an oxygen electrode.

この空気流路４０から、単位セル１５の酸素極に酸素と水が供給される。 Oxygen and water are supplied from the air flow path 40 to the oxygen electrode of the unit cell 15.

空気流路４０の一端側開口部は、空気と水が流入する導入口４３となり、他端の開口部は、空気と水が流出する導出口４４となっている。この導入口４３から導出口４４までの空気流路４０及びその集合体が、固体電解質膜に酸素を供給する酸素室（空気室）として機能する。
また、中空部４１の一端側開口部は、空気と水が流入する流入開放口４５となり、他端の開口部は、空気と水が流出する流出開放口４６となっている。以上のような構成において、空気流路４０と中空部４１は、交互に平行に配置され、相互に側壁４７を挟んで隣接した構成となっている。 The opening on one end side of the air flow path 40 is an introduction port 43 through which air and water flow, and the opening at the other end is a discharge port 44 through which air and water flow out. The air flow path 40 and its aggregate from the inlet 43 to the outlet 44 function as an oxygen chamber (air chamber) for supplying oxygen to the solid electrolyte membrane.
Moreover, the opening part of the one end side of the hollow part 41 becomes the inflow opening port 45 into which air and water flow in, and the opening part of the other end becomes the outflow opening port 46 through which air and water flow out. In the above configuration, the air flow paths 40 and the hollow portions 41 are alternately arranged in parallel and are adjacent to each other with the side wall 47 interposed therebetween.

集電部材３、４には、枠体８、９がそれぞれ重ねられる。図２に示されているように、集電部材３に重ねられる枠体８は、集電部材３と同じ大きさに構成され、中央には、凸状部３２を収納する窓８１が形成されている。また、両端部近傍には、集電部材３の流通孔３５に合致する位置に孔８３が形成されており、この孔８３と窓８１との間には、集電部材３に接触する側の平面に凹部が形成され、水素流通経路８４が設けられている。また、集電部材３に接触する面に対して、反対側の平面には、輪郭が窓８１に沿って形成された凹部が形成され、単位セル１５が収納される収納部８２が設けられている。この収納部８２に収納された単位セル１５の燃料極表面と、水素流路３０１、３０２と、窓８１とによって、燃料室３０が画成される。このように、燃料室は、燃料極に隣接して設けられ、酸素室は酸素極に隣接して設けられている。 Frame members 8 and 9 are overlaid on the current collecting members 3 and 4, respectively. As shown in FIG. 2, the frame 8 overlaid on the current collecting member 3 is configured to have the same size as the current collecting member 3, and a window 81 for accommodating the convex portion 32 is formed at the center. ing. Further, in the vicinity of both ends, a hole 83 is formed at a position matching the flow hole 35 of the current collecting member 3, and between the hole 83 and the window 81, the side in contact with the current collecting member 3 is formed. A recess is formed in the plane, and a hydrogen flow path 84 is provided. In addition, a concave portion whose contour is formed along the window 81 is formed on the plane opposite to the surface that contacts the current collecting member 3, and a storage portion 82 for storing the unit cell 15 is provided. Yes. The fuel chamber 30 is defined by the fuel electrode surface of the unit cell 15 housed in the housing portion 82, the hydrogen flow paths 301 and 302, and the window 81. Thus, the fuel chamber is provided adjacent to the fuel electrode, and the oxygen chamber is provided adjacent to the oxygen electrode.

集電部材４に重ねられる枠体９は、枠体８と同じ大きさに構成され、中央には、凸状部４２を収納する窓９１が形成されている。また、両端部近傍には、枠体８の孔８３に合致する位置に孔９３が形成されている。枠体８の集電部材４が重ねられる側の面には、枠体８の対向する一対の長辺に沿って溝が形成され、集電部材３、４に重ねることによって、空気流通路９４、９５が構成される構造となっている。空気流通路９４の一端は、枠体８の長辺側の端面に形成された開口９４１に接続され、他端は空気流路４０の導入口４３に接続されている。 The frame body 9 overlaid on the current collecting member 4 is configured to have the same size as the frame body 8, and a window 91 for accommodating the convex portion 42 is formed at the center. Further, in the vicinity of both end portions, holes 93 are formed at positions corresponding to the holes 83 of the frame body 8. Grooves are formed along the pair of opposing long sides of the frame 8 on the surface of the frame 8 on which the current collecting member 4 is overlapped. By overlapping the current collecting members 3 and 4, the air flow passage 94 is formed. , 95 is configured. One end of the air flow passage 94 is connected to an opening 941 formed on the end surface on the long side of the frame body 8, and the other end is connected to the introduction port 43 of the air flow path 40.

上流側の空気流通路９４は、開口９４１側から空気流路４０側へ向けて横断面積が漸減するように、端部内壁がテーパー面９４２となっており、空気マニホールドから噴射される霧状水の取り入れを容易としている。一方、下流側の空気流通路９５の一端は、空気流路４０の導出口４４に接続され、他端は、枠体８の長辺側端面に形成された開口９５１に接続されている。空気流通路９５は、開口９５１側から空気流路４０側へ向けて横断面積が漸減するように、端部内壁がテーパー面９５２となっている。燃料電池スタック１００が傾いた際にも、このテーパー面９５２によって、水の排出が維持される。
また、枠体９の、集電部材４に接触する面に対して、反対側の平面には、輪郭が窓９１に沿って形成された凹部が形成され、単位セル１５が収納される収納部９２が設けられている。 The upstream air flow passage 94 has a tapered inner surface 942 so that the cross-sectional area gradually decreases from the opening 941 side to the air flow path 40 side. It is easy to incorporate. On the other hand, one end of the downstream air flow passage 95 is connected to the outlet 44 of the air flow path 40, and the other end is connected to an opening 951 formed on the long side end surface of the frame 8. The air flow passage 95 has an end inner wall as a tapered surface 952 so that the cross-sectional area gradually decreases from the opening 951 side toward the air flow path 40 side. Even when the fuel cell stack 100 is tilted, the tapered surface 952 maintains the discharge of water.
In addition, a concave portion having a contour formed along the window 91 is formed on the plane opposite to the surface of the frame body 9 that contacts the current collecting member 4, and the storage unit in which the unit cell 15 is stored. 92 is provided.

図８は単位セル１５の拡大断面図である。単位セル１５は、固体高分子電解質膜１５ａと、該固体高分子電解質膜1５ａの両側面にそれぞれ重ねられた酸化剤極である酸素極１５ｂと燃料極１５ｃとを備えていて、固体高分子電解質膜１５ａは、酸素極１５ｂと燃料極１５ｃとで挟持されている。固体高分子電解質膜1５ａは、収納部８２、９２に合致した大きさに形成され、酸素極１５ｂと燃料極１５ｃは、窓９１、８１に合致した大きさに形成されている。単位セル１５の厚さは、枠体８、９や集電部材３、４の厚さに比べると極めて薄いので、図面では、一体の部材として表示している。 FIG. 8 is an enlarged cross-sectional view of the unit cell 15. The unit cell 15 includes a solid polymer electrolyte membrane 15a, and an oxygen electrode 15b and a fuel electrode 15c that are oxidant electrodes stacked on both side surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 15a, respectively. The membrane 15a is sandwiched between the oxygen electrode 15b and the fuel electrode 15c. The solid polymer electrolyte membrane 15 a is formed in a size that matches the storage portions 82 and 92, and the oxygen electrode 15 b and the fuel electrode 15 c are formed in a size that matches the windows 91 and 81. Since the thickness of the unit cell 15 is extremely thin compared to the thicknesses of the frame bodies 8 and 9 and the current collecting members 3 and 4, the unit cell 15 is shown as an integral member in the drawing.

空気流路４０の内壁には、親水性処理が施されている。内壁表面と水の接触角が４０°以下、好ましくは３０°以下となるように表面処理が施されているとよい。処理方法としては、親水処理剤を、表面に塗布する方法が取られる。塗布される処理剤としては、ポリアクリルアミド、ポリウレタン系樹脂、酸化チタン（ＴｉＯ2）等が挙げられる。 The inner wall of the air flow path 40 is subjected to hydrophilic treatment. The surface treatment may be performed so that the contact angle between the inner wall surface and water is 40 ° or less, preferably 30 ° or less. As the treatment method, a method of applying a hydrophilic treatment agent to the surface is taken. Examples of the treating agent to be applied include polyacrylamide, polyurethane resin, and titanium oxide (TiO 2).

以上のように構成された枠体８、９によって集電部材３、４を保持してセパレータ１３が構成され、セパレータ１３と単位セル１５を交互に積層して、燃料電池スタック１００が構成される。図９は燃料電池スタック１００の部分平面図である。燃料電池スタック１００の上面には、多数の導入口４３が開口し、この導入口４３に、空気マニホールドから空気が流入するとともに、空気マニホールド内でノズルから噴射された水が同時に流入する。導入口４３から流入した空気と水は、潜熱冷却により集電部材３、４を冷却する。 The separators 13 are configured by holding the current collecting members 3 and 4 by the frames 8 and 9 configured as described above, and the fuel cell stack 100 is configured by alternately stacking the separators 13 and the unit cells 15. . FIG. 9 is a partial plan view of the fuel cell stack 100. A large number of inlets 43 are opened on the upper surface of the fuel cell stack 100, and air from the air manifold flows into the inlets 43 and water injected from the nozzles in the air manifold simultaneously flows. The air and water flowing in from the introduction port 43 cool the current collecting members 3 and 4 by latent heat cooling.

図１０は、燃料電池スタック１００の全体平面図である。燃料電池スタック１００は、単位セル１５の燃料極に接触し燃料ガス流路２０１を形成する集電部材（集電板）を有する燃料電池セパレータ（セパレータ）１３を、単位セル１５と交互に複数積層すると共に、各燃料ガス流路２０１の入口同士を入口マニホールドで接続しかつ出口同士を出口マニホールドで接続して構成されたモジュールを複数形成し、燃料ガスの流れ方向が、隣接するモジュール間で逆方向になるように、一方のモジュールの出口マニホールドと他方のモジュールの入口マニホールドとを接続し、前記単位セル１５の積層方向における両端に通電可能に重ね合わせられた一対の電極板を有している。 FIG. 10 is an overall plan view of the fuel cell stack 100. The fuel cell stack 100 has a plurality of fuel cell separators (separators) 13 having current collecting members (current collecting plates) that contact the fuel electrode of the unit cell 15 and form a fuel gas flow channel 201 alternately stacked with the unit cells 15. In addition, a plurality of modules are formed in which the inlets of each fuel gas flow channel 201 are connected by an inlet manifold and outlets are connected by an outlet manifold, and the flow direction of the fuel gas is reversed between adjacent modules. The outlet manifold of one module and the inlet manifold of the other module are connected so as to be in the same direction, and has a pair of electrode plates that are superposed so as to be energized at both ends in the stacking direction of the unit cells 15. .

即ち、燃料電池セパレータ１３は、所定の枚数重ねられたモジュール１３０−１〜ｎ（単位体）を複数個構成し、この複数のモジュール１３０を複数重ねることによって燃料電池スタック１００が構成される。隣接するモジュール１３０−ｍとモジュール１３０−ｍ＋１の間には、集電部材３と集電部材４の間に遮蔽板１６を挟んだ、セパレータ１４が介在する。遮蔽板１６は、水素通路１７ａ又は水素通路１７ｂのいずれかに対応した位置に、水素通路１７ａ、１７ｂの断面形状と同じ形状の、孔１６１ａ又は１６１ｂを備えている。この遮蔽板１６は、導電性を有し、燃料電池スタック１００内での電気の流通は妨げない。 That is, the fuel cell separator 13 includes a plurality of modules 130-1 to n (unit bodies) stacked by a predetermined number, and the fuel cell stack 100 is configured by stacking the plurality of modules 130. A separator 14 having a shielding plate 16 sandwiched between the current collecting member 3 and the current collecting member 4 is interposed between the adjacent modules 130-m and 130-m + 1. The shielding plate 16 includes a hole 161a or 161b having the same shape as the cross-sectional shape of the hydrogen passages 17a and 17b at a position corresponding to either the hydrogen passage 17a or the hydrogen passage 17b. The shielding plate 16 has conductivity and does not hinder the flow of electricity within the fuel cell stack 100.

一方、遮蔽板１６が孔１６１ａを有する場合には、水素通路１７ｂでの水素ガスの流通は、遮蔽板１６によって遮断される。遮蔽板１６が孔１６１ｂを有する場合には、水素通路１７ａでの水素ガスの流通は、遮蔽板１６によって遮断される。遮蔽板１６は、水素ガスが流入する側から流出する側へ配置されている順に、孔１６１ｂが設けられている遮蔽板１６、孔１６１ａが設けられている遮蔽板１６・・・となるよう、交互に配置される。このようにモジュール１３０−１〜ｎ毎に、水素通路１７ａと水素通路１７ｂの一方を交互に遮蔽することで、供給された水素ガスは、モジュール１３０単位で、各燃料室３０内を流通する。具体的には、最初のモジュール１３０では、水素通路１７ａから水素通路１７ｂへ向けて、各燃料室３０内を水素ガスが流れ、次のモジュール１３０では、水素通路１７ｂから水素通路１７ａへ向けて、各燃料室３０内を水素ガスが流れ、さらに次のモジュール１３０では、水素通路１７ａから水素通路１７ｂへ向けて、各燃料室３０内を水素ガスが流れる・・・以降は、交互に水素ガスの流通方向が変化する。 On the other hand, when the shielding plate 16 has the holes 161a, the flow of hydrogen gas in the hydrogen passage 17b is blocked by the shielding plate 16. When the shielding plate 16 has the hole 161b, the hydrogen gas flow in the hydrogen passage 17a is blocked by the shielding plate 16. The shielding plate 16 is, in order from the hydrogen gas inflow side to the outflow side, the shielding plate 16 provided with the holes 161b, the shielding plate 16 provided with the holes 161a, and so on. Alternatingly arranged. As described above, by alternately shielding one of the hydrogen passage 17a and the hydrogen passage 17b for each of the modules 130-1 to 130-n, the supplied hydrogen gas circulates in each fuel chamber 30 in units of modules 130. Specifically, in the first module 130, hydrogen gas flows in each fuel chamber 30 from the hydrogen passage 17a toward the hydrogen passage 17b, and in the next module 130, from the hydrogen passage 17b toward the hydrogen passage 17a, Hydrogen gas flows in each fuel chamber 30, and in the next module 130, hydrogen gas flows in each fuel chamber 30 from the hydrogen passage 17 a toward the hydrogen passage 17 b... The distribution direction changes.

即ち、燃料電池スタック１００は、単位セル１５とセパレータ１３を積層して構成されたモジュール１３０と、モジュール１３０内において、セパレータ１３の積層方向に形成され、燃料室３０を挟んだ両側に位置し、各燃料室３０にそれぞれ連通する一対の水素通路１７ａ、１７ｂとを有し、モジュール１３０を積層して構成されたものであって、隣接するモジュール１３０の間には、各モジュール１３０の一方の水素通路１７ａ、１７ａ（又は１７ｂ、１７ｂ）間を連通する連通部（孔１６１ａ（又は１６１ｂ））と、他方の水素通路１７ｂ、１７ｂ（又は１７ａ、１７ａ）間の水素流通を遮断する遮断部（遮蔽板１６）とを有し、連通部と遮断部は、積層されているモジュール１３０の積層方向に向けて順に、一方の水素通路１７ａ、１７ａ（又は１７ｂ、１７ｂ）と他方の水素通路１７ｂ、１７ｂ（又は１７ａ、１７ａ）において交互に設けられ、一対の水素流路（１７ａ、１７ｂ）間の各燃料室３０内を流れる水素ガスの流通方向が、モジュール１３０毎に交互に逆向きに変化する構成となっている。 That is, the fuel cell stack 100 is formed in the module 130 in which the unit cells 15 and the separator 13 are stacked, and is formed in the stacking direction of the separator 13 in the module 130, and is located on both sides of the fuel chamber 30. Each of the fuel chambers 30 has a pair of hydrogen passages 17a and 17b, and is formed by stacking modules 130. One hydrogen of each module 130 is interposed between adjacent modules 130. A communicating part (hole 161a (or 161b)) communicating between the passages 17a, 17a (or 17b, 17b) and a blocking part (shielding) for blocking hydrogen flow between the other hydrogen passages 17b, 17b (or 17a, 17a) Plate 16), and the communication portion and the blocking portion are sequentially arranged in the direction of stacking of the stacked modules 130, one hydrogen passage 17a, 7a (or 17b, 17b) and the other hydrogen passages 17b, 17b (or 17a, 17a) are alternately provided, and hydrogen gas flows through the fuel chambers 30 between the pair of hydrogen flow paths (17a, 17b). The direction is alternately changed in the opposite direction for each module 130.

図１１は、水素流通路１７ａと、水素流通路１７ａの縦断面図である。各モジュール１３０−１〜ｎは、水素流通路１７ａと、水素流通路１７ａに連通する水素流通経路８４ａによって、さらに、水素流通路１７ｂと、水素流通路１７ｂに連通する水素流通経路８４ｂによって、それぞれマニホールドが構成されている。そして、水素通路１７ａが燃料流入通路である場合には、水素通路１７ａと水素流通経路８４ａで構成されるマニホールドが、入口マニホールドとなり、水素通路１７ｂと水素流通経路８４ｂで構成されるマニホールドが、出口マニホールドとなる。逆に、水素通路１７ａが燃料流出通路である場合には、水素通路１７ａと水素流通経路８４ａで構成されるマニホールドが、出口マニホールドとなり、水素通路１７ｂと水素流通経路８４ｂで構成されるマニホールドが、入口マニホールドとなる。 FIG. 11 is a longitudinal sectional view of the hydrogen flow passage 17a and the hydrogen flow passage 17a. Each of the modules 130-1 to 130-n has a hydrogen flow path 17a, a hydrogen flow path 84a communicating with the hydrogen flow path 17a, and a hydrogen flow path 17b and a hydrogen flow path 84b communicating with the hydrogen flow path 17b. Manifold is configured. When the hydrogen passage 17a is a fuel inflow passage, a manifold constituted by the hydrogen passage 17a and the hydrogen circulation path 84a serves as an inlet manifold, and a manifold constituted by the hydrogen passage 17b and the hydrogen circulation path 84b serves as an outlet. It becomes a manifold. Conversely, when the hydrogen passage 17a is a fuel outflow passage, the manifold constituted by the hydrogen passage 17a and the hydrogen circulation path 84a serves as an outlet manifold, and the manifold constituted by the hydrogen passage 17b and the hydrogen circulation path 84b It becomes the inlet manifold.

このように、燃料電池スタック１００を、複数のモジュール１３０−１〜ｎに分割し、モジュール毎に水素ガスを流通させる構成とすることによって、各モジュール１３０の間で水素ガス流量に差が生じることを防止できる。また、単位のモジュール１３０−１〜ｎ内においても、積層されたセパレータ１３と単位セル１５とで構成された各燃料室３０間で水素ガス流量の差が生ずること抑制できる。さらに、燃料電池スタック１００に供給された水素ガスは、繰り返し、モジュール１３０−１〜ｎ内を流れるので、燃料室３０の燃料極に接触する機会が増え、反応効率が向上する。
そして、モジュール１３０−１〜ｎの積層方向における両端には、電極板が重ねられ、燃料電池スタック１００の電極に接続されている。 As described above, the fuel cell stack 100 is divided into a plurality of modules 130-1 to 130-n and the hydrogen gas is circulated for each module, thereby causing a difference in the hydrogen gas flow rate between the modules 130. Can be prevented. Further, even in the unit modules 130-1 to 130-n, it is possible to suppress a difference in hydrogen gas flow rate between the fuel chambers 30 constituted by the stacked separators 13 and unit cells 15. Furthermore, since the hydrogen gas supplied to the fuel cell stack 100 repeatedly flows in the modules 130-1 to 130-n, the chance of contacting the fuel electrode of the fuel chamber 30 increases, and the reaction efficiency is improved.
Electrode plates are stacked at both ends in the stacking direction of the modules 130-1 to 130-n and connected to the electrodes of the fuel cell stack 100.

図１２は、燃料ガスが最後に通過するモジュール１３０−ｎの構成を示す模式図である。モジュール１３０−ｎの一方の端面には、一方の電極板Ｄが重ねられている。隣接するモジュール１３０−（ｎ−１）から送られる燃料ガスは、水素流通路１７ａから各セパレータによって構成される燃料室３０へ供給される。水素流路１７ａから多数の燃料室３０で構成された流路へ燃料ガスが流入する際、ガスの流れる方向が急激に変更され、屈曲した流路が構成される。
この実施の形態では、各燃料室３０の単位セル１５の出力電圧を検出する電圧センサＳ１〜Ｓｒを有している。これにより各モジュールの状態、即ち、各燃料室３０の単位セル１５の出力電圧を把握することができる。 FIG. 12 is a schematic diagram showing a configuration of the module 130-n through which the fuel gas finally passes. One electrode plate D is overlaid on one end face of the module 130-n. The fuel gas sent from the adjacent module 130- (n-1) is supplied from the hydrogen flow passage 17a to the fuel chamber 30 constituted by each separator. When fuel gas flows from the hydrogen flow path 17a into a flow path constituted by a large number of fuel chambers 30, the gas flow direction is suddenly changed to form a bent flow path.
In this embodiment, voltage sensors S1 to Sr that detect the output voltage of the unit cell 15 of each fuel chamber 30 are provided. Thereby, the state of each module, that is, the output voltage of the unit cell 15 of each fuel chamber 30 can be grasped.

図１３は、燃料電池スタック１００の正面図である。水素通路１７ａの水素ガス流入部分には、整流手段としての導入案内路１８ａが設けられている。この導入案内路１８ａは、ガス導入口１８１ａが、燃料ガス供給流路２０１と同じ断面形状を有し、ガス導出口１８２ａが、水素通路１７ａと同じ断面形状を有している。そして、ガス導入口１８１ａからガス導出口１８２ａまでの流路１８３ａは、横断面の幅が漸増し、水素通路１７ａの横断面におけるガス流速の分布が均一となるように、ガス流を案内する。さらに、流路１８３ａには、整流板１８４ａが設けられ、ガス流の圧力損失を抑制しつつ、水素ガスを導く構成となっている。そして、ガス導出口１８２ａが燃料供給口１７１ａに接続されている。 FIG. 13 is a front view of the fuel cell stack 100. An introduction guide path 18a as a rectifying means is provided in the hydrogen gas inflow portion of the hydrogen passage 17a. In the introduction guide path 18a, the gas introduction port 181a has the same cross-sectional shape as the fuel gas supply flow channel 201, and the gas outlet port 182a has the same cross-sectional shape as the hydrogen passage 17a. The flow path 183a from the gas inlet 181a to the gas outlet 182a guides the gas flow so that the width of the cross section gradually increases and the gas flow velocity distribution in the cross section of the hydrogen passage 17a becomes uniform. Furthermore, the flow path 183a is provided with a rectifying plate 184a, which is configured to guide hydrogen gas while suppressing pressure loss of the gas flow. The gas outlet 182a is connected to the fuel supply port 171a.

図１４は、燃料電池スタック１００の背面図である。燃料電池スタック１００の水素ガス流出部分には、導出案内路１８ｂが設けられている。この導出案内路１８ｂは、ガス導入口１８１ｂが、水素通路１７ａと同じ断面形状を有し、ガス導出口１８２ｂが、水素導出路２０３と同じ断面形状を有している。そして、ガス導入口１８１ｂからガス導出口１８２ｂまでの流路１８３ｂは、横断面の幅が漸減し、さらに、流路１８３ａには、整流板１８４ａが設けられ、ガス流の圧力損失を抑制しつつ、水素ガスを導く構成となっている。そして、ガス導入口１８１ｂが燃料排出口１７１ｂに接続されている。
以上のような燃料電池スタック１００の構成によって、燃料電池スタック１００に流入した水素ガスは、圧力損失が抑制され、各燃料電池セパレータ１３の燃料室３０へ均一に水素ガスが供給される。 FIG. 14 is a rear view of the fuel cell stack 100. A lead-out guide path 18 b is provided in the hydrogen gas outflow portion of the fuel cell stack 100. In the lead-out guide path 18b, the gas introduction port 181b has the same cross-sectional shape as the hydrogen passage 17a, and the gas lead-out port 182b has the same cross-sectional shape as the hydrogen lead-out path 203. The flow path 183b from the gas inlet 181b to the gas outlet 182b gradually decreases in cross-sectional width, and the flow path 183a is provided with a rectifying plate 184a while suppressing pressure loss of the gas flow. The hydrogen gas is guided. The gas inlet 181b is connected to the fuel outlet 171b.
With the configuration of the fuel cell stack 100 as described above, the pressure loss of the hydrogen gas flowing into the fuel cell stack 100 is suppressed, and the hydrogen gas is uniformly supplied to the fuel chamber 30 of each fuel cell separator 13.

次に、図１に基づき、燃料電池システム１の構成について説明する。
燃料供給系１０は、燃料ボンベである高圧水素タンク１１と、燃料ガス供給流路２０１と、燃料ガス供給流路２０１に設けられたガス供給弁Ｖ１とを備えている。燃料ガス供給流路２０１の一端は、高圧水素タンク１１に接続され、他端は、燃料電池スタック１００の導入案内路１８ａを介して、燃料電池スタック１００の燃料供給口１７１ａに接続されている。 Next, the configuration of the fuel cell system 1 will be described with reference to FIG.
The fuel supply system 10 includes a high-pressure hydrogen tank 11 that is a fuel cylinder, a fuel gas supply channel 201, and a gas supply valve V <b> 1 provided in the fuel gas supply channel 201. One end of the fuel gas supply channel 201 is connected to the high-pressure hydrogen tank 11, and the other end is connected to the fuel supply port 171 a of the fuel cell stack 100 via the introduction guide path 18 a of the fuel cell stack 100.

燃料ガス供給流路２０１は、燃料ボンベである高圧水素タンク１１から放出された水素を燃料電池スタック１００の燃料供給口１７１ａへ送る。燃料ガス供給流路２０１には、水素一次圧調圧弁ＬＶが高圧水素タンク１１の下流に設けられている。そして、水素圧調圧弁ＬＶの下流には、ガス供給弁Ｖ１が設けられる。水素圧調圧弁ＬＶによって、燃料電池スタック１００へ供給するために適した圧力（燃料ガス流路内圧）に調整される。 The fuel gas supply channel 201 sends hydrogen released from the high-pressure hydrogen tank 11 as a fuel cylinder to the fuel supply port 171a of the fuel cell stack 100. A hydrogen primary pressure regulating valve LV is provided downstream of the high-pressure hydrogen tank 11 in the fuel gas supply channel 201. A gas supply valve V1 is provided downstream of the hydrogen pressure regulating valve LV. The pressure (fuel gas flow path internal pressure) suitable for supplying to the fuel cell stack 100 is adjusted by the hydrogen pressure regulating valve LV.

燃料ガス供給流路２０１には、ガス供給弁Ｖ１の下流側には、空気導入路２０２が接続されおり、空気導入路２０２には、空気供給弁Ｖ４が設けられ、その上流側には、フィルタ２７が設けられている。
燃料電池スタック１００では、図３に示されているように、水素通路１７ａから水素ガスが水素流通経路８４ａへ流入し、さらに、水素流通経路８４ａから水素流路３０１、３０２へ流入する。水素流路３０１、３０２において、燃料極へ水素が供給され、残った水素ガスは、水素流通経路８４ｂから水素通路１７ｂへ流入する。 An air introduction path 202 is connected to the fuel gas supply flow path 201 on the downstream side of the gas supply valve V1, an air supply valve V4 is provided on the air introduction path 202, and a filter is provided on the upstream side. 27 is provided.
In the fuel cell stack 100, as shown in FIG. 3, hydrogen gas flows from the hydrogen passage 17a into the hydrogen flow path 84a, and further flows from the hydrogen flow path 84a into the hydrogen flow paths 301 and 302. In the hydrogen passages 301 and 302, hydrogen is supplied to the fuel electrode, and the remaining hydrogen gas flows into the hydrogen passage 17b from the hydrogen circulation passage 84b.

燃料電池スタック１００の燃料排出側には、燃料ガス循環流路２０３が接続されている。燃料ガス循環流路２０３の一端は、導出案内路１８ｂを介して、燃料電池スタック１００の燃料排出口１７１ｂに接続され、他端は、燃料ガス供給流路２０１に接続され、燃料ガス循環流路２０３と燃料ガス供給流路２０１の一部とによって、燃料ガスの循環回路が形成される。この循環回路内においては、燃料ガスが、燃料電池スタック１００、燃料ガス循環流路２０３、ガス供給路２０１、燃料電池スタック１００の順に循環して流れる。燃料ガス供給流路２０１には、空気導入路２０２の接続部と、燃料ガス循環流路２０３の接続部との間に、減圧用遮断電磁弁Ｖ５が設けられている。 A fuel gas circulation passage 203 is connected to the fuel discharge side of the fuel cell stack 100. One end of the fuel gas circulation passage 203 is connected to the fuel discharge port 171b of the fuel cell stack 100 via the lead-out guide passage 18b, and the other end is connected to the fuel gas supply passage 201, and the fuel gas circulation passage. A fuel gas circulation circuit is formed by 203 and a part of the fuel gas supply channel 201. In this circulation circuit, the fuel gas circulates and flows in the order of the fuel cell stack 100, the fuel gas circulation passage 203, the gas supply passage 201, and the fuel cell stack 100. The fuel gas supply channel 201 is provided with a pressure reducing shut-off solenoid valve V <b> 5 between the connection portion of the air introduction passage 202 and the connection portion of the fuel gas circulation passage 203.

また、燃料ガス循環流路２０３には、ガス導出路２０４の一端が接続され、ガス導出路２０４の他端は外部に開放された排出口２６となっており、またガス導出路２０４には、排気電磁弁Ｖ６が設けられている。
燃料ガス循環流路２０３には、水回収タンク２１が接続され、その下流側には、循環ポンプ２５が接続され、その下流側（吐出口側）に減圧排出路２０５の一端が接続されている。減圧排出路２０５の他端は、燃料ガス排出流路２０４に接続され、排気電磁弁Ｖ６の下流側にガスを合流させる構成となっている。また、減圧排出路２０５には、減圧電磁弁Ｖ３が設けられている。 In addition, one end of a gas lead-out path 204 is connected to the fuel gas circulation path 203, and the other end of the gas lead-out path 204 is an outlet 26 that is open to the outside. An exhaust solenoid valve V6 is provided.
A water recovery tank 21 is connected to the fuel gas circulation passage 203, a circulation pump 25 is connected to the downstream side thereof, and one end of the decompression discharge passage 205 is connected to the downstream side (discharge port side) thereof. . The other end of the decompression discharge path 205 is connected to the fuel gas discharge path 204, and is configured to join the gas downstream of the exhaust electromagnetic valve V6. The decompression discharge path 205 is provided with a decompression solenoid valve V3.

燃料ガス循環流路２０３において、減圧排出路２０５の接続部の下流側には、循環電磁弁Ｖ２が設けられている。循環回路内に燃料ガスを循環させる場合には、循環電磁弁Ｖ２を開放し、循環ポンプ２５を駆動させる。
また、排気電磁弁Ｖ６を開放することによって、水回収タンク２１内の水が、ガス導出路２０４を介して、燃料ガスとともに排出される。 In the fuel gas circulation passage 203, a circulation electromagnetic valve V <b> 2 is provided on the downstream side of the connection portion of the decompression discharge passage 205. When the fuel gas is circulated in the circulation circuit, the circulation electromagnetic valve V2 is opened and the circulation pump 25 is driven.
Further, by opening the exhaust solenoid valve V6, the water in the water recovery tank 21 is discharged together with the fuel gas through the gas outlet path 204.

循環ポンプ２５は、燃料ガスを燃料電池スタック１００から排出する際にも駆動する。この場合には、循環電磁弁Ｖ２を閉じ、減圧電磁弁Ｖ３を開いた状態となる。
また、燃料電池スタック１００には、既述の通り、単位セル毎の出力電圧を検出するセンサＳ１〜３が設けられている。
各弁Ｖ１〜Ｖ６は、電気的に開閉制御可能に構成されている。なお、水回収タンク２１は、燃料電池スタック１００から、燃料ガスとともに排出された生成水を溜める貯留タンクとして機能する。 The circulation pump 25 is also driven when the fuel gas is discharged from the fuel cell stack 100. In this case, the circulation electromagnetic valve V2 is closed and the pressure reducing electromagnetic valve V3 is opened.
In addition, as described above, the fuel cell stack 100 is provided with sensors S1 to S3 that detect output voltages for each unit cell.
Each valve V1-V6 is comprised so that opening / closing control is electrically possible. The water recovery tank 21 functions as a storage tank that stores generated water discharged from the fuel cell stack 100 together with the fuel gas.

さらに、燃料電池システム１には、図示しないが、燃料電池システムをイグニッションによる起動・停止を行うスタートスイッチが備えられている。イグニッションキーでなくても、ＯＮ／ＯＦＦスイッチでも構わない。また、燃料電池システムが、図示しない外部負荷に接続されている期間を通常運転時とする。 Further, the fuel cell system 1 is provided with a start switch (not shown) for starting and stopping the fuel cell system by ignition. An ON / OFF switch may be used instead of the ignition key. Further, a period in which the fuel cell system is connected to an external load (not shown) is assumed to be during normal operation.

以上のような構成において、燃料電池システム１により電力出力される通常運転状態では、空気ファン等によって、燃料電池スタック１００の空気流路４０に空気が供給され、同時に、燃料供給系１０からは水素ガスが燃料電池スタック１００に供給される。そして、燃料電池スタック１００内では、発電反応が継続され、電力と、反応により生成された生成水が発生する。このような発電反応は、酸素極に空気を、燃料極に水素ガスを供給することにより維持される。本発明では、通常運転状態（通常発電状態）とは、燃料電池システム１が、外部負荷と接続され、負荷に応じて発電している状態を言う。
燃料電池始動時とは、燃料電池システムのスタートスイッチが押され（イグニッションキーがオンされ）、燃料電池システム１が外部負荷に接続されるまでの期間が当てはまる。 In the above configuration, in a normal operation state where power is output from the fuel cell system 1, air is supplied to the air flow path 40 of the fuel cell stack 100 by an air fan or the like, and at the same time, hydrogen is supplied from the fuel supply system 10. Gas is supplied to the fuel cell stack 100. In the fuel cell stack 100, the power generation reaction is continued, and electric power and generated water generated by the reaction are generated. Such a power generation reaction is maintained by supplying air to the oxygen electrode and hydrogen gas to the fuel electrode. In the present invention, the normal operation state (normal power generation state) refers to a state in which the fuel cell system 1 is connected to an external load and generates power according to the load.
When the fuel cell is started, a period from when the start switch of the fuel cell system is pressed (ignition key is turned on) until the fuel cell system 1 is connected to an external load is applied.

上記説明した燃料電池システム１は、制御部によって、各部が制御される。また、各センサＳ１〜ｒの検出値は、制御部に供給される。制御部は、各電磁弁Ｖ１〜６の開閉、及び、ポンプ２５の駆動停止、駆動開始を制御する。 ◎
以上のような構成を有する燃料電池システム１は、以下のような動作を行う。図１５は、燃料電池システム１の制御動作を示すフローチャートである。以下の制御動作は、図示しない制御部における制御動作として実行される。この制御部は、ＣＰＵなどの集積回路により構成される。 In the fuel cell system 1 described above, each unit is controlled by the control unit. Moreover, the detection value of each sensor S1-r is supplied to a control part. The control unit controls the opening and closing of the electromagnetic valves V1 to 6 and the stop and start of driving of the pump 25. ◎
The fuel cell system 1 having the above configuration performs the following operation. FIG. 15 is a flowchart showing the control operation of the fuel cell system 1. The following control operation is executed as a control operation in a control unit (not shown). This control unit is configured by an integrated circuit such as a CPU.

イグニッションＯＮなど、起動を始める動作が確認されると、ステップ１０１で、起動処理が実行される。起動処理は、例えば、ポンプ２５の起動、水素循環切替弁Ｖ２の閉鎖、減圧電磁弁Ｖ３、減圧用遮断電磁弁Ｖ５及び排気電磁弁Ｖ６の開放を行う。これにより、置換ガスの排出経路が確保される。次に、ガス供給弁Ｖ１を開放する。ガス供給弁Ｖ１の開放によって、燃料ガスが燃料電池スタック１００内に流入し、燃料電池スタック１００内の置換ガスは、供給される燃料ガスによって押し出され、排出口２６から排出される。 When an operation for starting activation such as ignition ON is confirmed, activation processing is executed in step 101. In the activation process, for example, the pump 25 is activated, the hydrogen circulation switching valve V2 is closed, the pressure reducing electromagnetic valve V3, the pressure reducing cutoff electromagnetic valve V5, and the exhaust electromagnetic valve V6 are opened. Thereby, the discharge path | route of substitution gas is ensured. Next, the gas supply valve V1 is opened. By opening the gas supply valve V1, the fuel gas flows into the fuel cell stack 100, and the replacement gas in the fuel cell stack 100 is pushed out by the supplied fuel gas and discharged from the discharge port 26.

置換ガスから燃料ガスに十分に交換されるように、所定時間が経過するまで、上記状態を維持し、所定時間経過後、減圧電磁弁Ｖ３及び排気電磁弁Ｖ６を閉じる。これにより、起動処理が終了する。
このように起動処理が終了した後、定常運転の開始前に、ステップ１０２で、異常検知処理を実行する。異常検知処理は、図１６に示すように、ステップ１２２で、本処理で使用する各変数を初期化し、ステップ１２４で、単位セルを識別する変数ｉを１インクリメントし、後述する管理テーブルの変数ｉに対応する領域を識別する変数Ｇｉを１インクリメントする。
ステップ１２８で、変数ｉにより識別されるセルｉの所定時間内の出力電圧Ｖｉを、変数ｉにより識別されるセルｉに対応する電圧センサにより検出する。 The above state is maintained until a predetermined time elapses so that the replacement gas is sufficiently replaced with the fuel gas, and after the predetermined time elapses, the pressure reducing electromagnetic valve V3 and the exhaust electromagnetic valve V6 are closed. As a result, the activation process ends.
After the startup process is completed in this way, the abnormality detection process is executed in step 102 before the start of steady operation. As shown in FIG. 16, the abnormality detection process initializes each variable used in this process in step 122, increments a variable i for identifying a unit cell by 1 in step 124, and sets a variable i in a management table described later. The variable Gi for identifying the area corresponding to is incremented by one.
In step 128, the output voltage Vi of the cell i identified by the variable i within a predetermined time is detected by the voltage sensor corresponding to the cell i identified by the variable i.

ここで、出力電圧Ｖｉが異常でなければ、図１７に示すように、所定時間内では所定値以上でかつ一定値ＯＣＶ（電圧開放電圧）を示す。これに対し、出力電圧Ｖｉが異常である場合には、所定値以上で一定値ではなく、変動する。そこで、出力電圧Ｖｉが異常かあるか否かを判断するため、ステップ１３０で、出力電圧Ｖｉか所定値以上で一定か否かを判断する。Ｖｉが所定値以上で一定値の場合には、ステップ１３２で、変数ｉが単位セルの総数Ｉに等しいか否かを判断する。変数ｉが総数Ｉに等しくない場合には、未だ異常があるかどうか判断されてないセルがあるので、ステップ１２４に戻る。一方、変数ｉが総数Ｉに等しい場合には、全てのセルの出力電圧が異常でないと判断された場合であるので、ステップ１３４で、異常がないことを示すため、フラグＦを０にセットする。 Here, if the output voltage Vi is not abnormal, as shown in FIG. 17, it shows a constant value OCV (voltage open voltage) that is not less than a predetermined value within a predetermined time. On the other hand, when the output voltage Vi is abnormal, the output voltage Vi fluctuates at a predetermined value or more, not a constant value. Therefore, in order to determine whether or not the output voltage Vi is abnormal, it is determined in step 130 whether or not the output voltage Vi is equal to or higher than a predetermined value. If Vi is equal to or greater than a predetermined value, it is determined in step 132 whether variable i is equal to the total number I of unit cells. If the variable i is not equal to the total number I, there is a cell that has not been determined whether or not there is an abnormality, and the process returns to step 124. On the other hand, when the variable i is equal to the total number I, it is determined that the output voltages of all the cells are not abnormal. Therefore, in step 134, the flag F is set to 0 to indicate that there is no abnormality. .

一方、ステップ１３０で、出力電圧Ｖｉが所定値以上で一定ではないと判断された場合には、出力電圧Ｖ１が異常であると一応判断することができる。しかし、誤検出の場合もあるので、これを確認するため、本実施の形態ではＴ回確認する。即ち、ステップ１３６で、出力電圧Ｖｉの確認作業をした回数を表す変数Ｃｉを１インクリメントし、ステップ１３８で、変数ＣｉがＴに等しいか否かを判断する。なお、この実施の形態では、Ｔは３としている。即ち、出力電圧Ｖｉが異常であるか否かを３回判断することになる。ステップ１３８で変数ＣｉがＴに等しくないと判断された場合には、ステップ１２８に戻って以上の処理（ステップ１２８〜ステップ１３８）を実行する。ステップ１３８が肯定判定されると、出力電圧Ｖｉが連続して３回異常であると判断されたため、出力電圧Ｖｉが異常であると結論することができる。 On the other hand, if it is determined in step 130 that the output voltage Vi is not lower than the predetermined value, it can be temporarily determined that the output voltage V1 is abnormal. However, since there is a case of erroneous detection, in order to confirm this, in this embodiment, confirmation is performed T times. That is, in step 136, the variable Ci representing the number of times of confirming the output voltage Vi is incremented by 1, and in step 138, it is determined whether or not the variable Ci is equal to T. In this embodiment, T is 3. That is, it is determined three times whether or not the output voltage Vi is abnormal. If it is determined in step 138 that the variable Ci is not equal to T, the process returns to step 128 and the above processing (step 128 to step 138) is executed. If the determination in step 138 is affirmative, it can be concluded that the output voltage Vi is abnormal because the output voltage Vi is determined to be abnormal three times in succession.

しかしながら、出力電圧Ｖｉが異常である場合には、その原因箇所は、電圧センサである場合もあるが、セル自体に異常がある場合もある。そこで、出力電圧Ｖｉが異常である原因箇所が電圧センサであるのかセルであるのかを次のように判断する。
即ち、ステップ１４０で、変数ｉ−１により識別されるセルの出力電圧Ｖ_ｉ−１を取り込む。即ち、セルｉの隣りのセルｉ−１の電圧センサの出力電圧Ｖ_ｉ−１を取り込む。 However, when the output voltage Vi is abnormal, the cause may be a voltage sensor, but the cell itself may be abnormal. Therefore, it is determined as follows whether the cause where the output voltage Vi is abnormal is a voltage sensor or a cell.
That is, in step 140, the output voltage V _i-1 of the cell identified by the variable _i-1 is captured. That is, the output voltage V _i−1 of the voltage sensor of the cell i−1 adjacent to the cell i is taken.

ステップ１４２で、セルｉの出力電圧Ｖ_ｉとセルｉ−１の出力電圧Ｖ_ｉ−１との差の絶対値を計算し、ステップ１４４で、差の絶対値が許容値Ｔを超えているか否かを判断する。 In step 142, calculates the absolute value of the difference between the output voltage V _i-1 of the output voltage V _i and the cell i-1 of the cell i, in step 144, whether the absolute value of the difference exceeds the allowable value T not Determine whether.

ここで、電圧センサ自体が異常である場合には、当該センサの異常は隣のセルに影響しないので、当該電圧センサの出力電圧のみが異常の値を示し、上記差の絶対値は、許容値を超えるのに対し、セルが異常である場合には、そのセルの異常が隣りのセルの出力電圧にも影響を及ぼすので、上記差の絶対値は小さくなる。そこで、ステップ１４４で、上記差の絶対値が許容値か否かを判断し、許容値を超えていると判断された場合には、電圧センサの異常であると判断することができ、ステップ１４６で、図１８に示す管理テーブルにおいてセルｉに対応して設けられた異常を記憶する領域について、電圧センサの異常を記憶する。 Here, when the voltage sensor itself is abnormal, the abnormality of the sensor does not affect the adjacent cell, so only the output voltage of the voltage sensor shows an abnormal value, and the absolute value of the difference is an allowable value. On the other hand, when the cell is abnormal, the abnormality of the cell also affects the output voltage of the adjacent cell, so the absolute value of the difference is small. Therefore, in step 144, it is determined whether or not the absolute value of the difference is an allowable value. If it is determined that the absolute value exceeds the allowable value, it can be determined that the voltage sensor is abnormal. Thus, the abnormality of the voltage sensor is stored in the area for storing the abnormality provided corresponding to the cell i in the management table shown in FIG.

一方、ステップ１４４で、差の絶対値が許容値を超えていないと判断された場合には、セルが異常と判断することができるので、ステップ１４８で、上記管理テーブルのセルの異常を示す記憶する領域にこの情報を記憶する。
電圧センサが異常である場合には、当該セルの出力電圧は正常値を表しているはずであるので、ステップ１３２に戻って上記処理を実行する。 On the other hand, if it is determined in step 144 that the absolute value of the difference does not exceed the allowable value, it can be determined that the cell is abnormal. Therefore, in step 148, the storage indicating the abnormality of the cell in the management table is stored. This information is stored in the area to be used.
If the voltage sensor is abnormal, the output voltage of the cell should represent a normal value, so the process returns to step 132 and the above processing is executed.

一方、セルが異常と判断された場合には、異常なセルの個数が多ければ、最終的な燃料電池スタックの総出力電圧に大きく影響を及ぼす場合がある。そこで、異常なセルの個数をカウントするため、ステップ１５０で、異常なセルの個数のカウント値Ｅを１インクリメントし、ステップ１５２で、異常なセルの個数が許容値Ｍを超えているか否かを判断する。異常なセルの個数Ｅが許容値Ｍを超えていないと判断された場合には、ステップ１３２に戻る。一方、異常なセルの個数Ｅが許容値Ｍを超えて居る場合には、ステップ１５４で、異常があることを示すためフラグＦを１にセットする。 On the other hand, if it is determined that the cell is abnormal, if the number of abnormal cells is large, the total output voltage of the final fuel cell stack may be greatly affected. Therefore, in order to count the number of abnormal cells, in step 150, the count value E of the number of abnormal cells is incremented by 1, and in step 152, whether or not the number of abnormal cells exceeds the allowable value M is determined. to decide. If it is determined that the number E of abnormal cells does not exceed the allowable value M, the process returns to step 132. On the other hand, if the number E of abnormal cells exceeds the allowable value M, a flag F is set to 1 in step 154 to indicate that there is an abnormality.

以上のように異常検知処理が実行され、次のステップ１０４（図１５参照）では、フラグＦが０にセットされているか否か、即ち、異常がなかったかどうかを判断する。フラグＦが０にセットされている場合には、異常がないと判断されるので、ステップ１１０で定常運転を開始する。 As described above, the abnormality detection process is executed, and in the next step 104 (see FIG. 15), it is determined whether or not the flag F is set to 0, that is, whether or not there is any abnormality. If the flag F is set to 0, it is determined that there is no abnormality, so that steady operation is started in step 110.

一方、フラグＦが０にセットされていない、即ち、１にセットされている場合には、異常が発生しているので、ステップ１０６で、管理テーブルに記憶された内容に基づいて異常の状態を示すエラーコードを、図示しない表示装置に出力し、ステップ１０８で、所定の停止処理を実行する。 On the other hand, if the flag F is not set to 0, that is, is set to 1, an abnormality has occurred. Therefore, in step 106, the abnormality state is determined based on the contents stored in the management table. The error code shown is output to a display device (not shown), and in step 108, a predetermined stop process is executed.

以上説明した実施の形態では、電圧センサの検出値が異常か否かを判断するようにしているので、各モジュールの状態を具体的に把握することができる。 In the embodiment described above, since it is determined whether or not the detection value of the voltage sensor is abnormal, the state of each module can be specifically grasped.

また、本実施の形態では、電圧センサの検出値が異常と判断された場合、電圧センサの検出値が異常となった原因個所を推定するので、推定された原因個所に応じて異常に対処することができる。特に、異常と判断された電圧センサの出力電圧と、該電圧センサに対応するモジュールの隣のモジュールに対応する電圧センサの出力電圧と、に基づいて、電圧センサの検出値が異常となった原因個所を推定するので、電圧センサが異常で電圧センサの出力値が異常となったのかモジュールが異常で電圧センサの出力値が異常となったのかを把握することができる。 Further, in the present embodiment, when the detected value of the voltage sensor is determined to be abnormal, the cause location where the detected value of the voltage sensor becomes abnormal is estimated, so that the abnormality is dealt with according to the estimated cause location. be able to. In particular, the cause of the abnormal detection value of the voltage sensor based on the output voltage of the voltage sensor determined to be abnormal and the output voltage of the voltage sensor corresponding to the module adjacent to the module corresponding to the voltage sensor Since the location is estimated, it is possible to grasp whether the voltage sensor is abnormal and the output value of the voltage sensor is abnormal or whether the module is abnormal and the output value of the voltage sensor is abnormal.

更に、本実施の形態では、燃料電池スタックに燃料ガスを導入後定常運転前に電圧センサの検出値が異常か否かを判断するので、異常な状態で定常運転に入ることを抑制することができる。 Further, in the present embodiment, it is determined whether the detected value of the voltage sensor is abnormal after the fuel gas is introduced into the fuel cell stack and before the steady operation. it can.

以上説明した実施の形態では、異常検知処理を、起動処理後定常運転開始前に実行しているが、本発明はこれに限定されるものでなく、定常運転開始後所定期間経過した後に一定時間毎に繰り替えし実行するようにしてもよい。即ち、燃料ガスが導入されると、図１９に示すように、出力電圧は徐々に上昇し、燃料電池開放電位ＯＣＶに到達する。その間所定時間ΔＴを必要とする。この所定期間ΔＴが経過した後、一定期間毎に異常検知処理を実行するようにしてもよい。 In the embodiment described above, the abnormality detection process is executed after the start process and before the start of steady operation. However, the present invention is not limited to this, and a certain period of time has elapsed after the start of steady operation. It may be repeated and executed every time. That is, when the fuel gas is introduced, the output voltage gradually increases and reaches the fuel cell open potential OCV as shown in FIG. Meanwhile, a predetermined time ΔT is required. After the predetermined period ΔT has elapsed, the abnormality detection process may be executed at regular intervals.

その他、高負荷運転（例えば、登坂運転や高速（１００ｋｍ/ｈ以上の運転）の終了）後や、車両が停止したときや、更に、環境に応じて異常検知処置を実行するようにしてもよい。なお、環境に応じて実行するというのは、例えば、セルの環境温度が氷点下以下になった場合等である。 In addition, after a high load operation (for example, completion of climbing operation or high speed (operation of 100 km / h or more)), when the vehicle stops, an abnormality detection process may be executed according to the environment. . The execution according to the environment is, for example, when the environmental temperature of the cell becomes below freezing point.

この発明の燃料電池システム１を示すブロック図である。1 is a block diagram showing a fuel cell system 1 of the present invention. 燃料電池用セパレータを示す全体正面図である。It is a whole front view which shows the separator for fuel cells. 燃料電池セパレータで構成された燃料電池スタックの部分断面平面図（Ａ‐Ａ断面図）である。It is a fragmentary sectional top view (AA sectional view) of the fuel cell stack comprised with the fuel cell separator. 燃料電池セパレータで構成された燃料電池スタックの部分断面側面図（Ｂ‐Ｂ断面図）である。It is a partial section side view (BB sectional view) of a fuel cell stack constituted with a fuel cell separator. 燃料電池セパレータの部分断面側面図（Ｃ‐Ｃ断面図）である。It is a partial cross section side view (CC sectional view) of a fuel cell separator. 燃料電池用セパレータの全体背面図である。1 is an overall rear view of a fuel cell separator. 燃料極側の集電部材の部分拡大斜視図である。It is a partial expansion perspective view of the current collection member by the side of a fuel electrode. 単位セルの断面図である。It is sectional drawing of a unit cell. 燃料電池スタックの部分平面図である。It is a partial top view of a fuel cell stack. 燃料電池スタックの全体平面図である。1 is an overall plan view of a fuel cell stack. 水素通路の縦断面を示す燃料電池スタックの部分断面図（Ｄ-Ｄ断面図）である。It is a fragmentary sectional view (DD sectional view) of a fuel cell stack which shows a longitudinal section of a hydrogen passage. 燃料ガスが最後に通過するモジュールの構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the module through which fuel gas passes last. 燃料電池スタックの全体正面図である。1 is an overall front view of a fuel cell stack. 燃料電池スタックの全体背面図である。1 is an overall rear view of a fuel cell stack. 燃料電池システムの制御動作を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the control action of a fuel cell system. 図１６のステップ１０２の制御動作を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the control action of step 102 of FIG. 電圧センサの出力値が正常な場合と異常な場合とを示したグラフである。It is the graph which showed the case where the output value of a voltage sensor is normal, and the case where it is abnormal. 管理テーフルを示した図である。It is the figure which showed the management table. 燃料ガス導入後の出力電圧の変化を示した図である。It is the figure which showed the change of the output voltage after fuel gas introduction.

Explanation of symbols

１燃料電池システム
１００燃料電池スタック
１３燃料電池セパレータ
１３０−１〜ｎモジュール
１５単位セル
１７ａ、１７ｂ水素通路
３集電部材
３０燃料室
３２凸状部
３０１水素流路
３０２水素流路
４集電部材
４０空気流路
４２凸状部
４３導入口
４４導出口
８枠体
９枠体
１７１ａ燃料供給口
１７１ｂ燃料排出口
２０１燃料ガス供給流路
２０３燃料ガス排出流路
Ｓ１〜Ｓｒ電圧センサ
Ｖ１ガス供給弁
Ｖ２循環電磁弁
Ｖ３減圧電磁弁
Ｖ４空気供給弁
Ｖ５減圧用遮断電磁弁
Ｖ６排気電磁弁

DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell system 100 Fuel cell stack 13 Fuel cell separator 130-1 to n Module 15 Unit cell 17a, 17b Hydrogen passage 3 Current collection member 30 Fuel chamber 32 Convex part 301 Hydrogen flow path 302 Hydrogen flow path 4 Current collection member 40 Air channel 42 Convex portion 43 Inlet port 44 Outlet port 8 Frame body 9 Frame body 171a Fuel supply port 171b Fuel discharge port 201 Fuel gas supply channel 203 Fuel gas discharge channel S1 to Sr Voltage sensor V1 Gas supply valve V2 Circulation Solenoid valve V3 Pressure reducing solenoid valve V4 Air supply valve V5 Pressure reducing shut-off solenoid valve V6 Exhaust solenoid valve

Claims

A fuel cell stack in which a plurality of unit cells and separators that contact the fuel electrode of the unit cells and form a fuel gas flow path are alternately stacked;
An output sensor for detecting a voltage for each unit cell;
Determination means for determining whether or not the detected value of the output sensor is abnormal at least before introducing a fuel gas into the fuel cell stack and before steady operation ;
When it is determined by the determination that the first detection value of the output sensor is abnormal , the second detection value of the output sensor corresponding to the unit cell adjacent to the unit cell corresponding to the output sensor is acquired. Detection value acquisition means;
When the absolute value of the difference between the first detection value and the second detection value exceeds the allowable value, the output sensor is detected. When the absolute value does not exceed the allowable value, the unit cell indicates the detection value of the output sensor. fuel cell system is characterized in that a estimating means for estimating to be responsible point became abnormal.

A fuel cell stack in which a plurality of unit cells and separators that contact the fuel electrode of the unit cells and form a fuel gas flow path are alternately stacked;
An output sensor for detecting a voltage for each unit cell;
An anomaly location estimation method in a fuel cell system comprising:
Determining whether or not the detected value of the output sensor is abnormal, at least after introducing fuel gas into the fuel cell stack and before steady operation ;
When it is determined that the first detection value of the output sensor is abnormal , obtaining a second detection value of the output sensor corresponding to a unit cell adjacent to the unit cell corresponding to the output sensor ;
Estimating the cause of the output sensor when the absolute value of the difference between the first detection value and the second detection value exceeds an allowable value ;
An abnormal part estimation method comprising: