JP5508633B2 - Fuel cell abnormality detection device, fuel cell device, and fuel cell abnormality detection method - Google Patents

Fuel cell abnormality detection device, fuel cell device, and fuel cell abnormality detection method Download PDF

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Description

本発明は、燃料電池のセル異常検出装置、燃料電池装置、および、燃料電池のセル異常検出方法に係り、特に、それぞれ電解質膜を含む複数の燃料電池セルが積層および直列接続されて構成される燃料電池スタックにおけるセルの転極状態を検出する燃料電池のセル異常検出装置、これを備えた燃料電池装置、および、燃料電池のセル異常検出方法に関する。   The present invention relates to a cell abnormality detecting device for a fuel cell, a fuel cell device, and a cell abnormality detecting method for a fuel cell, and in particular, a plurality of fuel cells each including an electrolyte membrane are stacked and connected in series. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a cell abnormality detection device for a fuel cell that detects a cell reversal state in a fuel cell stack, a fuel cell device including the same, and a cell abnormality detection method for a fuel cell.

従来、例えば特開2004−220823号公報(特許文献1)には、燃料電池のセル異常検出装置が開示されている。このセル異常検出装置は、電解質薄膜の両側を一対のガスセパレータによって挟んで、燃料ガス流路と酸化剤ガス流路を分離する燃料電池のセルを構成し、該セルを複数個直列に積層して燃料電池スタックを構成し、この燃料電池スタックによって所定の出力電圧を得る燃料電池において、所定個数のセルを直列に積層したセルブロックを設け、該セルブロックを複数個直列に積層して燃料電池スタックを構成すると共に、それぞれのセルブロックに設けた出力電圧を取出す電圧出力端子と、該セルブロックごとの電圧出力端子間に配置する出力電圧検出器と、該複数の出力電圧検出器の電圧を比較する電圧比較器と、該電圧比較器が出力電圧検出器間の電圧差を検出したときに作動する安全作動手段とを備えている。   Conventionally, for example, Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2004-220823 (Patent Document 1) discloses a cell abnormality detection device for a fuel cell. This cell abnormality detection device comprises a fuel cell that separates a fuel gas channel and an oxidant gas channel by sandwiching both sides of an electrolyte thin film between a pair of gas separators, and a plurality of such cells are stacked in series. In a fuel cell that constitutes a fuel cell stack and obtains a predetermined output voltage by the fuel cell stack, a cell block in which a predetermined number of cells are stacked in series is provided, and a plurality of the cell blocks are stacked in series. The stack includes a voltage output terminal for taking out an output voltage provided in each cell block, an output voltage detector disposed between the voltage output terminals of each cell block, and voltages of the plurality of output voltage detectors. A voltage comparator for comparison, and safe operating means that operates when the voltage comparator detects a voltage difference between the output voltage detectors.

また、特開2006−318669号公報(特許文献2)には、燃料電池装置が開示されている。この燃料電池装置は、電解質膜を燃料極と酸化剤極で挟んで構成されたセルを複数個積層配置した燃料電池スタックと、前記セルの燃料極に液体燃料を供給する液体燃料供給部と、前記セルの酸化剤極に酸化剤を供給する酸化剤供給部と、前記燃料電池スタックのうち複数のセルにおける両電極間、及び、これら複数のセルに含まれる少なくとも1つの参照セルにおける両電極間に交流電圧を印加する交流電圧印加部と、前記複数のセルにおける両電極間及び前記参照セルにおける両電極間に応答する2つの電流信号に基づいて2つインピーダンス値を算出し、これら2つのインピーダンス値に基づいて前記複数のセルに含まれるセルの不良発生を検出する発電制御部とを備えている。   Japanese Patent Laying-Open No. 2006-318669 (Patent Document 2) discloses a fuel cell device. The fuel cell device includes a fuel cell stack in which a plurality of cells each having an electrolyte membrane sandwiched between a fuel electrode and an oxidant electrode are stacked, a liquid fuel supply unit that supplies liquid fuel to the fuel electrode of the cell, An oxidant supply unit for supplying an oxidant to the oxidant electrode of the cell, between both electrodes in a plurality of cells of the fuel cell stack, and between both electrodes in at least one reference cell included in the plurality of cells Two impedance values are calculated based on an alternating voltage application unit for applying an alternating voltage to the two electrodes and two current signals that respond between the electrodes of the plurality of cells and between the electrodes of the reference cell. And a power generation control unit that detects the occurrence of defects in the cells included in the plurality of cells based on the values.

特開2004−220823号公報JP 2004-220823 A 特開2006−318669号公報JP 2006-318669 A

上記特許文献1に記載のセル異常検出装置では、比較対象となる2つのセルブロックにおいてセル異常が同時に発生している場合には、両者間の出力電圧に差が生じにくくなるため、セルの異常を正確に検出できないことがある。   In the cell abnormality detection device described in Patent Document 1, when cell abnormality occurs simultaneously in two cell blocks to be compared, a difference in output voltage between the two is less likely to occur. May not be detected accurately.

また、上記特許文献2に記載の燃料電池装置でも、比較基準となる参照セルと、それ以外の複数のセルのうち1つ以上のセルとで不良が同時に発生している場合には、両者について算出されるインピーダンス値の差が大きくならないことにより、やはり、セルの不良を正確に検出できないことがある。   Further, even in the fuel cell device described in the above-mentioned Patent Document 2, in the case where defects occur simultaneously in the reference cell serving as a comparison reference and one or more cells among the plurality of other cells, both If the difference between the calculated impedance values does not increase, the cell defect may still not be detected accurately.

本発明の目的は、複数のセル群においてセル異常が同時発生しているときにも、燃料電池セルの異常を正確に検出することができる燃料電池のセル異常検出装置、これを用いた燃料電池装置、および、燃料電池のセル異常検出方法を提供することにある。ここで、本発明で検出できるセル異常は、転極などにより水の電気分解反応が起こることなどによりインピーダンスが大幅に増加する異常である。   An object of the present invention is to provide a cell abnormality detection device for a fuel cell that can accurately detect abnormality of a fuel cell even when cell abnormality occurs simultaneously in a plurality of cell groups, and a fuel cell using the same An object of the present invention is to provide a device and a cell abnormality detection method for a fuel cell. Here, the cell abnormality that can be detected by the present invention is an abnormality in which the impedance is greatly increased due to the occurrence of water electrolysis due to inversion or the like.

本発明に係る燃料電池のセル異常検出装置は、それぞれ電解質膜を含む複数の燃料電池セルが積層されて直列接続されてなる1つまたは複数のセル群に対して交流電流を印加する交流電流印加部と、前記交流電流が印加されたときの前記セル群のインピーダンスを計測する計測部と、前記計測部により計測されたセル群インピーダンス、セル異常が発生したセルでのインピーダンス増加率、正常電位時の1セルあたりのセルインピーダンス、予め規定される異常発生セル数、および前記セル群を構成するセル数に基づいて、セルインピーダンス上限値を演算して求める演算部と、前記セル群インピーダンスを前記セル数で除して得られる平均セルインピーダンスと前記セルインピーダンス上限値とを対比してセル異常発生の有無を判定する判定部と、を備える。   An apparatus for detecting an abnormality in a cell of a fuel cell according to the present invention applies an alternating current to one or a plurality of cell groups in which a plurality of fuel cells each including an electrolyte membrane are stacked and connected in series. A measurement unit that measures the impedance of the cell group when the alternating current is applied, a cell group impedance measured by the measurement unit, an impedance increase rate in a cell in which a cell abnormality has occurred, and a normal potential A cell impedance per cell, a predetermined number of abnormal cells and a number of cells constituting the cell group, a calculation unit for calculating a cell impedance upper limit value, and the cell group impedance for the cell The cell impedance is determined by comparing the average cell impedance obtained by dividing by the number and the cell impedance upper limit value. It comprises a part, a.

本発明に係る燃料電池のセル異常検出装置において、前記判定部は、前記平均セルインピーダンスが、前記セルインピーダンス上限値から通常運転時に生じるセルインピーダンス変動値を減算したものを上回ったときに、燃料電池セルにセル異常が発生したと判定してもよい。   In the cell abnormality detection device for a fuel cell according to the present invention, the determination unit determines whether the average cell impedance exceeds a value obtained by subtracting a cell impedance fluctuation value generated during normal operation from the cell impedance upper limit value. It may be determined that a cell abnormality has occurred in the cell.

また、本発明に係る燃料電池のセル異常検出装置において、前記演算部で用いられる前記異常発生セル数が1と予め規定されていてもよい。   In the cell abnormality detection device for a fuel cell according to the present invention, the number of abnormality occurrence cells used in the arithmetic unit may be defined in advance as one.

本発明に係る燃料電池装置は、上記いずれかの構成を有する燃料電池のセル異常検出装置と、前記燃料電池のセル異常検出装置が接続されるセル群を少なくとも1つ有する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに対して燃料ガスの供給および廃燃料ガスの排出を行う燃料ガス供給排出部と、前記燃料電池スタックに対して酸化剤ガスの供給および廃酸化剤ガスの排出を行う酸化剤ガス供給排出部と、を備える。   A fuel cell device according to the present invention includes a cell abnormality detection device for a fuel cell having any one of the above configurations, a fuel cell stack having at least one cell group to which the cell abnormality detection device for the fuel cell is connected, A fuel gas supply / discharge unit that supplies fuel gas to the fuel cell stack and discharges waste fuel gas, and an oxidant gas supply that supplies oxidant gas and discharges waste oxidant gas to the fuel cell stack. A discharge unit.

本発明に係る燃料電池のセル異常検出方法は、それぞれ電解質膜を含む複数の燃料電池セルが積層されて直列接続されてなるセル群に対して交流電流を印加する工程と、前記交流電流が印加されたときの前記セル群のインピーダンスを計測する計測工程と、前記計測部により計測されたセル群インピーダンス、セル異常が発生したセルでのインピーダンス増加率、正常電位時の1セルあたりのセルインピーダンス、予め規定される異常発生セル数、および前記セル群を構成するセル数に基づいて、セルインピーダンス上限値を演算して求める演算工程と、前記セル群インピーダンスを前記セル数で除して得られる平均セルインピーダンスと前記セルインピーダンス上限値とを対比してセル異常発生の有無を判定する判定工程と、を含む。   A method for detecting a cell abnormality in a fuel cell according to the present invention includes a step of applying an alternating current to a cell group in which a plurality of fuel cells each including an electrolyte membrane are stacked and connected in series, and the alternating current is applied A measurement step of measuring the impedance of the cell group when being performed, a cell group impedance measured by the measurement unit, an impedance increase rate in a cell in which a cell abnormality has occurred, a cell impedance per cell at a normal potential, A calculation step for calculating a cell impedance upper limit value based on a predetermined number of abnormally occurring cells and the number of cells constituting the cell group, and an average obtained by dividing the cell group impedance by the number of cells A determination step of comparing the cell impedance and the cell impedance upper limit value to determine whether or not a cell abnormality has occurred.

本発明に係る燃料電池のセル異常検出方法において、前記判定工程では、前記平均セルインピーダンスが、前記セルインピーダンス上限値から通常運転時に生じるセルインピーダンス変動値を減算したものを上回ったときに、燃料電池セルにセル異常が発生したと判定してもよい。   In the cell abnormality detection method for a fuel cell according to the present invention, in the determination step, when the average cell impedance exceeds a value obtained by subtracting a cell impedance fluctuation value generated during normal operation from the cell impedance upper limit value, the fuel cell It may be determined that a cell abnormality has occurred in the cell.

また、本発明に係る燃料電池のセル異常検出方法において、前記演算工程で用いられる前記異常発生セル数が1と予め規定されていてもよい。   Moreover, in the cell abnormality detection method for a fuel cell according to the present invention, the number of abnormality occurrence cells used in the calculation step may be defined in advance as one.

本発明に係る燃料電池のセル異常検出装置、燃料電池装置、および燃料電池のセル異常検出方法によれば、燃料電池セルに含まれる電解質膜が何らかの原因で乾燥して転極状態になるとインピーダンスが急激に大きくなる特性を考慮してセルインピーダンス上限値を求め、これとの対比でセル群を構成する燃料電池セルの異常の発生を判定することから、例えば複数のセル群において燃料電池セルの転極状態が同時発生した場合でも、セル群に含まれる燃料電池セルの異常発生を正確に検出することができる。   According to the fuel cell abnormality detection device, the fuel cell device, and the fuel cell abnormality detection method according to the present invention, when the electrolyte membrane contained in the fuel cell is dried for some reason and becomes in a reversal state, the impedance is increased. The upper limit value of the cell impedance is calculated in consideration of the rapidly increasing characteristics, and the occurrence of an abnormality in the fuel cell constituting the cell group is determined by comparison with this value. Even when the pole state occurs simultaneously, it is possible to accurately detect the abnormality of the fuel cell included in the cell group.

本発明の一実施の形態である燃料電池装置の概略構成を示す図である。It is a figure which shows schematic structure of the fuel cell apparatus which is one embodiment of this invention. 図1の燃料電池スタックを構成する1つのセル群に接続されるセル異常検出装置を概略的に示すブロック図である。It is a block diagram which shows roughly the cell abnormality detection apparatus connected to one cell group which comprises the fuel cell stack of FIG. 燃料電池スタックを構成する1つの燃料電池セルの部分拡大断面図である。It is a partial expanded sectional view of one fuel battery cell which constitutes a fuel cell stack. セル異常検出装置で実行される処理手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the process sequence performed with a cell abnormality detection apparatus. セル群を構成するセル数nと、セルインピーダンス上限値Zlimとの関係を、逆電位発生セル数mをパラメータとして示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the cell number n which comprises a cell group, and the cell impedance upper limit Zlim by using the number m of reverse electric potential generation cells as a parameter. 逆電位状態が生じたときに平均セルインピーダンスが増加する様子を時間経過とともに示すグラフである。It is a graph which shows a mode that an average cell impedance increases when a reverse electric potential state arises with progress of time.

以下に、本発明に係る実施の形態について添付図面を参照しながら詳細に説明する。この説明において、具体的な形状、材料、数値、方向等は、本発明の理解を容易にするための例示であって、用途、目的、仕様等にあわせて適宜変更することができる。   Embodiments according to the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings. In this description, specific shapes, materials, numerical values, directions, and the like are examples for facilitating the understanding of the present invention, and can be appropriately changed according to the application, purpose, specification, and the like.

図1は本発明の一実施形態である燃料電池装置10の概略構成を示す図であり、図2は、図1の燃料電池スタック12を構成する1つのセル群18に接続されるセル異常検出装置50を概略的に示すブロック図である。   FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a fuel cell device 10 according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a detection of a cell abnormality connected to one cell group 18 constituting the fuel cell stack 12 of FIG. 2 is a block diagram schematically showing the device 50. FIG.

燃料電池装置10は、燃料電池スタック12と、燃料電池スタック12に連結される燃料ガス供給排出部14と、燃料電池スタック12に連結される酸化剤ガス供給排出部16と、燃料電池スタック12に電気的に接続される燃料電池のセル異常検出装置(以下、適宜に「セル異常検出装置」とだけいう)50とを備える。   The fuel cell device 10 includes a fuel cell stack 12, a fuel gas supply / discharge unit 14 connected to the fuel cell stack 12, an oxidant gas supply / discharge unit 16 connected to the fuel cell stack 12, and a fuel cell stack 12. An electrically connected fuel cell cell abnormality detection device (hereinafter simply referred to as a “cell abnormality detection device”) 50 is provided.

燃料電池スタック12は、矢印A方向で示す積層方向に連結されて直列接続された2つのセル群18と、2つのセル群18の積層方向両端に設けられたエンドプレート20,22とを含む。積層方向一端のエンドプレート20に上記燃料ガス供給排出部14が連結され、積層方向他端のエンドプレート22に上記酸化剤ガス供給排出部16が連結されている。   The fuel cell stack 12 includes two cell groups 18 connected in series connected in the stacking direction indicated by the arrow A direction, and end plates 20 and 22 provided at both ends of the two cell groups 18 in the stacking direction. The fuel gas supply / discharge part 14 is connected to the end plate 20 at one end in the stacking direction, and the oxidant gas supply / discharge part 16 is connected to the end plate 22 at the other end in the stacking direction.

上記セル群18は、図2に示すように、矢印A方向に積層された多数の燃料電池セル24が直列接続されて構成される。各セル群18に含まれる燃料電池セル24の数は、同じであってもよいし、あるいは異なってもよい。また、燃料電池スタック12は、1つのセル群18だけによって構成されてもよいし、あるいは3つ以上のセル群18を直列接続して構成されてもよい。   As shown in FIG. 2, the cell group 18 is configured by connecting a large number of fuel cells 24 stacked in the direction of arrow A in series. The number of fuel cells 24 included in each cell group 18 may be the same or different. In addition, the fuel cell stack 12 may be configured by only one cell group 18 or may be configured by connecting three or more cell groups 18 in series.

図3も併せて参照すると、燃料電池セル24は、電解質膜26と、電解質膜26を積層方向両側から挟んで設けられた2つの触媒層28と、さらに電解質膜26および触媒層28のサンドイッチ構造を積層方向両側から挟んで設けられた2つのガス拡散層30と、さらに電解質膜26、触媒層28およびガス拡散層30のサンドイッチ構造を積層方向両側から挟んで設けられた2つのセパレータ32とで構成されている。   Referring also to FIG. 3, the fuel cell 24 includes an electrolyte membrane 26, two catalyst layers 28 provided with the electrolyte membrane 26 sandwiched from both sides in the stacking direction, and a sandwich structure of the electrolyte membrane 26 and the catalyst layer 28. Two gas diffusion layers 30 sandwiched from both sides in the stacking direction, and two separators 32 sandwiched between the electrolyte membrane 26, the catalyst layer 28, and the gas diffusion layer 30 from both sides in the stacking direction. It is configured.

電解質膜26は、湿潤状態においてプロトン伝導性を発現する高分子材料からなる膜体によって好適に形成されることができる。触媒層28は、導電性および通気性を有する層として形成され、触媒には例えばプラチナ、プラチナ合金等が好適に用いられる。また、ガス拡散層30は、導電性および通気性を有する層として形成され、燃料電池セル24に供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスをセル面方向(図2の紙面に垂直な方向)に拡散させて通過させる機能を有する。なお、触媒層28とガス拡散層30とは、1つまたは一体の層として形成されてもよい。   The electrolyte membrane 26 can be suitably formed by a membrane made of a polymer material that exhibits proton conductivity in a wet state. The catalyst layer 28 is formed as a layer having conductivity and air permeability, and platinum, a platinum alloy, or the like is preferably used as the catalyst. The gas diffusion layer 30 is formed as a layer having conductivity and air permeability, and diffuses the fuel gas and oxidant gas supplied to the fuel battery cell 24 in the cell surface direction (direction perpendicular to the paper surface of FIG. 2). It has the function to let it pass. The catalyst layer 28 and the gas diffusion layer 30 may be formed as a single layer or an integral layer.

セパレータ32は、例えばステンレス等の金属製の平板により構成され、多数の溝状のガス流路34および冷却水流路35が形成されている。冷却水流路35は、隣接する燃料電池セル24のセパレータ32と共同して形成され、そこを流れる冷却水によって積層方向両側の燃料電池セル24が冷却されるようになっている。また、セパレータ32は、導電性を有する金属板で形成されることにより、隣り合う2つの燃料電池セル24を互いに電気接続する導電板または電極板としても機能する。   The separator 32 is made of, for example, a flat plate made of metal such as stainless steel, and a plurality of groove-like gas passages 34 and cooling water passages 35 are formed. The cooling water channel 35 is formed in cooperation with the separator 32 of the adjacent fuel cell 24, and the fuel cells 24 on both sides in the stacking direction are cooled by the cooling water flowing therethrough. In addition, the separator 32 is formed of a conductive metal plate, thereby functioning as a conductive plate or an electrode plate that electrically connects two adjacent fuel cells 24 to each other.

図3中において、積層方向に関して電解質膜26の一方側(例えば上側)に位置する触媒層28、ガス拡散層30およびセパレータ32が燃料極37を構成し、電解質膜26の他方側(例えば下側)に位置する触媒層28、ガス拡散層30およびセパレータ32が酸化剤極39を構成する。   In FIG. 3, the catalyst layer 28, the gas diffusion layer 30, and the separator 32 positioned on one side (for example, the upper side) of the electrolyte membrane 26 with respect to the stacking direction constitute the fuel electrode 37, and the other side (for example, the lower side) of the electrolyte membrane 26. The catalyst layer 28, the gas diffusion layer 30, and the separator 32, which are located at ()) constitute the oxidant electrode 39.

図1を再び参照すると、エンドプレート20に連結された燃料ガス供給排出部14は、燃料ガス供給管15aと燃料ガス排出管15bとを含む。燃料ガスには、例えば水素などが好適に用いられる。燃料ガス供給排出部14はさらに、いずれも図示しないが、燃料ガス供給管15aと燃料ガス排出管15bとを接続する循環流路、この循環経路に設けられる燃料ガス循環ポンプ、燃料ガスを貯蔵する燃料ガスタンク、燃料ガスタンクと燃料電池スタック12とを接続する燃料ガス供給管15aの途中に設けられる調圧弁および圧力計、燃料ガス排出管15bを介して燃料電池スタック12から排出される廃燃料ガスを外部に放出する際に開弁されるパージ弁などを含んでもよい。   Referring to FIG. 1 again, the fuel gas supply / discharge section 14 connected to the end plate 20 includes a fuel gas supply pipe 15a and a fuel gas discharge pipe 15b. For example, hydrogen is preferably used as the fuel gas. Although not shown, the fuel gas supply / discharge section 14 further stores a circulation flow path connecting the fuel gas supply pipe 15a and the fuel gas discharge pipe 15b, a fuel gas circulation pump provided in the circulation path, and fuel gas. Waste fuel gas discharged from the fuel cell stack 12 via the fuel gas tank, the pressure regulating valve and pressure gauge provided in the middle of the fuel gas supply pipe 15a connecting the fuel gas tank and the fuel cell stack 12, and the fuel gas discharge pipe 15b A purge valve that is opened when discharging to the outside may be included.

もう1つのエンドプレート22に連結された酸化剤ガス供給排出部16は、酸化剤ガス供給管17aと酸化剤ガス排出管17bとを含む。酸化剤ガスには、例えば空気中に含まれる酸素が好適に用いられる。酸化剤ガス供給排出部16はさらに、いずれも図示しないが、外気から取り込んだ空気を酸化剤ガス供給管17aに送り込むためのエアコンプレッサ、酸化剤ガス供給管17aを介して燃料電池スタック12に供給される空気を適度に加湿にする加湿器、配管17a等に設けられる開閉弁および圧力計、酸化剤ガス排出管17bに接続される希釈器などを含んでもよい。   The oxidant gas supply / discharge section 16 connected to the other end plate 22 includes an oxidant gas supply pipe 17a and an oxidant gas discharge pipe 17b. For example, oxygen contained in air is preferably used as the oxidant gas. Although not shown, the oxidant gas supply / discharge unit 16 is supplied to the fuel cell stack 12 via an air compressor for sending air taken from outside air to the oxidant gas supply pipe 17a and the oxidant gas supply pipe 17a. A humidifier that moderately humidifies the air to be supplied, an on-off valve and a pressure gauge provided in the pipe 17a, etc., a diluter connected to the oxidant gas discharge pipe 17b, and the like may be included.

なお、上記においては燃料ガス供給排出部14がエンドプレート20に接続され酸化剤ガス供給排出部16がエンドプレート22に接続されるものとして説明したが、両者14,16がいずれか一方の積層方向端部のエンドプレート20または22に接続されるよう構成してもよい。   In the above description, the fuel gas supply / discharge part 14 is connected to the end plate 20 and the oxidant gas supply / discharge part 16 is connected to the end plate 22. You may comprise so that it may be connected to the end plate 20 or 22 of an edge part.

燃料電池スタック12のセル群18の側部には、各燃料電池セル24で発電された電力をまとめて出力するための電力出力端子36,38が設けられている。出力端子36,38は、エンドプレート20,22に最も近い燃料電池セル24のセパレータ32に電気接続されている。また、セル群18には、セル異常検出装置50に電気接続される検出用端子40,42,44が設けられている。2つの検出用端子40,44はエンドプレート20,22に最も近い燃料電池セル24のセパレータ32に電気接続され、積層方向中間にある1つの検出用端子42は2つのセル群18の境界部に相当するセパレータ32に電気接続されている。   On the side of the cell group 18 of the fuel cell stack 12, power output terminals 36 and 38 are provided for collectively outputting the power generated by each fuel cell 24. The output terminals 36 and 38 are electrically connected to the separator 32 of the fuel cell 24 closest to the end plates 20 and 22. The cell group 18 is provided with detection terminals 40, 42, 44 that are electrically connected to the cell abnormality detection device 50. The two detection terminals 40 and 44 are electrically connected to the separator 32 of the fuel cell 24 closest to the end plates 20 and 22, and the one detection terminal 42 in the middle of the stacking direction is at the boundary between the two cell groups 18. It is electrically connected to the corresponding separator 32.

上記のように構成される燃料電池スタック12における発電運転について説明する。燃料ガスである水素が燃料ガス供給管15aから燃料電池スタック12に供給される。そして、水素は、燃料電池スタック12の各セル群18内に形成された燃料ガスマニホールドを介して各燃料電池セル24の燃料極37側のガス流路34へ送られる。   The power generation operation in the fuel cell stack 12 configured as described above will be described. Hydrogen, which is a fuel gas, is supplied to the fuel cell stack 12 from the fuel gas supply pipe 15a. Then, hydrogen is sent to the gas flow path 34 on the fuel electrode 37 side of each fuel cell 24 through a fuel gas manifold formed in each cell group 18 of the fuel cell stack 12.

一方、酸化剤ガスである酸素を含む空気は、加湿器を通過する際に適度に加湿されて酸化剤ガス供給管17aから燃料電池スタック12内に供給される。そして、空気は、燃料電池スタック12の各セル群18内に形成された酸化剤ガスマニホールドを介して各燃料電池セル24の酸化剤極39側のガス流路34へ送られる。   On the other hand, air containing oxygen, which is an oxidant gas, is appropriately humidified when passing through the humidifier and is supplied into the fuel cell stack 12 from the oxidant gas supply pipe 17a. Then, the air is sent to the gas flow path 34 on the oxidant electrode 39 side of each fuel cell 24 through the oxidant gas manifold formed in each cell group 18 of the fuel cell stack 12.

燃料電池セル24の燃料極37に供給された水素の一部は、ガス拡散層30を拡散しながら通過して触媒層28へと至り、そこで白金等の触媒と接触することにより電子を放出してプロトンが生成される。このとき放出される電子が各燃料電池セル24における起電力となって、燃料電池スタック12の電力出力端子36,38間に電流が流れ、その結果、燃料電池スタック12において発電が行われることになる。   Part of the hydrogen supplied to the fuel electrode 37 of the fuel battery cell 24 passes through the gas diffusion layer 30 while diffusing and reaches the catalyst layer 28, where it releases electrons by contacting with a catalyst such as platinum. As a result, protons are generated. The electrons emitted at this time become electromotive force in each fuel cell 24, current flows between the power output terminals 36 and 38 of the fuel cell stack 12, and as a result, power generation is performed in the fuel cell stack 12. Become.

上記プロトンは、上記加湿された空気によって湿潤状態になっている電解質膜26中を燃料極37から酸化剤極39へと伝導する。そして、上記プロトンは、酸化剤極で電子を受け取ってイオン化した酸素イオンと結合して水が生成される。この生成水は、廃空気と共に燃料電池スタック12から酸化剤ガス排出管17bへと排出される。   The protons are conducted from the fuel electrode 37 to the oxidant electrode 39 in the electrolyte membrane 26 which is in a wet state by the humidified air. And the said proton couple | bonds with the oxygen ion which ionized by receiving an electron in an oxidizing agent electrode, and water is produced | generated. This produced water is discharged together with the waste air from the fuel cell stack 12 to the oxidant gas discharge pipe 17b.

各燃料電池セル24で発電に供された後の廃水素は、燃料電池スタック12から燃料ガス排出管15bへと排出されるが、未だ高濃度の水素を含むために循環ポンプによって燃料ガス供給管15aから燃料電池スタック12内へ循環供給される。そして、廃水素中の水素濃度が低下するとともに不純物としての生成水が多くなってきた所定のタイミングでパージ弁を開弁することにより、燃料電池装置10の外部に放出される。このとき、廃水素は、希釈器において、燃料電池スタック12から酸化剤ガス排出管を介して送られてきた廃空気によって希釈された後に装置外部へ放出されるのが好ましい。   Waste hydrogen after being used for power generation in each fuel cell 24 is discharged from the fuel cell stack 12 to the fuel gas discharge pipe 15b. However, since it still contains high-concentration hydrogen, the fuel gas supply pipe is provided by a circulation pump. The fuel cell stack 12 is circulated and supplied from 15a. Then, the purge valve is opened at a predetermined timing when the concentration of hydrogen in the waste hydrogen decreases and the amount of produced water as an impurity increases, so that it is discharged to the outside of the fuel cell device 10. At this time, the waste hydrogen is preferably discharged outside the apparatus after being diluted by the waste air sent from the fuel cell stack 12 through the oxidant gas discharge pipe in the diluter.

上記のような発電運転中に例えば空気の加湿不足、過度の温度上昇やガス供給不足等の原因によって、燃料電池セル24における燃料極37と酸化剤極39の電位関係が逆転する転極状態となることがある。このような転極状態または逆電位状態が発生すると、電解質膜26中に含まれる水が電気分解されてしまって電解質膜26が乾燥し、これにより電気抵抗がα倍(例えば数倍〜10倍程度)まで急激に大きくなる。この状態で燃料電池スタック12の発電運転を継続すると、上記転極状態となった燃料電池セル24の電解質膜26が損傷するおそれがある。そのため、このような燃料電池セル24の異常状態が発生していることを正確に検出し、それに対処する必要がある。   During the power generation operation as described above, for example, due to a cause such as insufficient humidification of air, excessive temperature rise, or insufficient gas supply, the inversion state in which the potential relationship between the fuel electrode 37 and the oxidant electrode 39 in the fuel cell 24 is reversed. May be. When such a reversal state or a reverse potential state occurs, water contained in the electrolyte membrane 26 is electrolyzed and the electrolyte membrane 26 is dried, whereby the electric resistance is α times (for example, several times to 10 times). To a large extent). If the power generation operation of the fuel cell stack 12 is continued in this state, the electrolyte membrane 26 of the fuel cell 24 in the above-described inversion state may be damaged. Therefore, it is necessary to accurately detect that such an abnormal state of the fuel battery cell 24 has occurred and deal with it.

一方、燃料電池スタック12のすべての燃料電池セル24の出力電圧またはセルインピーダンスを検出および監視することすると、各燃料電池セル24に個別に対応して電圧センサやインピーダンスセンサをそれぞれ設ける必要があり、燃料電池装置の構成が複雑なものになる。   On the other hand, if the output voltage or cell impedance of all the fuel cells 24 of the fuel cell stack 12 is detected and monitored, it is necessary to individually provide a voltage sensor and an impedance sensor for each fuel cell 24, The configuration of the fuel cell device becomes complicated.

そこで、本実施形態の燃料電池装置10では、上記のような燃料電池セル24の転極などの異常状態を簡易な構成で正確に検出するためにセル異常検出装置50を設けている。   Therefore, in the fuel cell device 10 of the present embodiment, the cell abnormality detection device 50 is provided in order to accurately detect an abnormal state such as the inversion of the fuel cell 24 as described above with a simple configuration.

次に、図2を参照して本実施形態におけるセル異常検出装置50について説明する。セル異常検出装置50は、交流電流印加部52と、計測部54と、演算部56と、判定部58とを含む。セル異常検出装置50は、セル群18ごとに対応して設けられている。ただし、複数のセル群18について共通に使用可能な部分、例えば、交流電圧印加部52、演算部56および判定部58の少なくとも1つを、燃料電池スタック12に含まれるセル群18の数よりも少なくしてもよい。これにより、燃料電池装置10におけるセル異常検出装置50の構成をより簡易なものにできる。   Next, the cell abnormality detection device 50 in the present embodiment will be described with reference to FIG. Cell abnormality detection device 50 includes an alternating current application unit 52, a measurement unit 54, a calculation unit 56, and a determination unit 58. The cell abnormality detection device 50 is provided for each cell group 18. However, at least one of the portions that can be used in common for the plurality of cell groups 18, for example, at least one of the AC voltage application unit 52, the calculation unit 56, and the determination unit 58 is larger than the number of cell groups 18 included in the fuel cell stack 12. It may be less. Thereby, the structure of the cell abnormality detection apparatus 50 in the fuel cell apparatus 10 can be simplified.

交流電流印加部52は、セル群18に対して例えば数mA程度の微弱な交流電流を通電させる機能を有しており、検査用端子40等を介してセル群18の積層方向両端に位置するセパレータ32に電気的に接続されている。交流電流印加部52は、交流電源を内蔵していてもよいし、または、外部の交流電源に接続されていてもよい。   The alternating current application unit 52 has a function of passing a weak alternating current of about several mA, for example, to the cell group 18 and is located at both ends of the cell group 18 in the stacking direction via the inspection terminals 40 and the like. The separator 32 is electrically connected. The alternating current application unit 52 may incorporate an alternating current power supply or may be connected to an external alternating current power supply.

計測部54は、交流電流印加部52によってセル群18に交流電圧が印加されたときのセル群18のインピーダンス(以下、セル群インピーダンスという)Zgroupを計測する機能を有し、検査用端子40等(あるいは交流電流印加部52が接続される端子とは別の端子)を介してセル群18の積層方向両端に位置するセパレータ32に電気的に接続されている。計測部54には、交流電流が印加されたときの交流電圧を計測してインピーダンスを求めるACミリオームセンサなどを好適に用いることができる。   The measurement unit 54 has a function of measuring the impedance (hereinafter referred to as cell group impedance) Zgroup of the cell group 18 when an AC voltage is applied to the cell group 18 by the AC current application unit 52, and the inspection terminal 40 and the like. It is electrically connected to the separators 32 located at both ends in the stacking direction of the cell group 18 via (or a terminal different from the terminal to which the alternating current application unit 52 is connected). As the measurement unit 54, an AC milliohm sensor or the like that obtains impedance by measuring an alternating voltage when an alternating current is applied can be suitably used.

演算部56および判定部58は、計測部54に信号ラインによって電気接続されており、計測部54からセル群インピーダンスZgroupを受信するように構成されている。演算部56は、計測部54により計測されたセル群18のセル群インピーダンスZgroup、セル異常が発生した燃料電池セル24でのインピーダンス増加率α、正常電位時の1セルあたりのセルインピーダンスZa、予め規定される異常発生セル数m、およびセル群18を構成するセル数nに基づいて、セルインピーダンス上限値Zlimを演算して求める機能を有する。具体的には、演算部56は、下記式によりセルインピーダンス上限値Zlimを算出する。下記式において、上辺の左項「αmZa」は転極状態になっている燃料電池セル24のインピーダンス値、上辺の右項「(n−m)Za」は正常電位状態にある燃料電池セル24の合計インピーダンス値である。したがって、上辺「αmZa+(n−m)Za」はm個の燃料電池セル24で転極状態が発生していることが想定されるセル群18におけるセル群インピーダンスに相当する。このセル群インピーダンスをセル数nで除算することによって、1セルあたりのセルインピーダンス上限値Zlimが得られる。   The calculation unit 56 and the determination unit 58 are electrically connected to the measurement unit 54 through a signal line, and are configured to receive the cell group impedance Zgroup from the measurement unit 54. The calculation unit 56 includes a cell group impedance Zgroup of the cell group 18 measured by the measurement unit 54, an impedance increase rate α in the fuel cell 24 in which a cell abnormality has occurred, a cell impedance Za per cell at a normal potential, It has a function of calculating and obtaining a cell impedance upper limit value Zlim based on the defined number of abnormal cells m and the number of cells n constituting the cell group 18. Specifically, the calculation unit 56 calculates the cell impedance upper limit value Zlim by the following equation. In the following equation, the left term “αmZa” on the upper side is the impedance value of the fuel cell 24 in the inversion state, and the right term “(nm) Za” on the upper side is the value of the fuel cell 24 in the normal potential state. Total impedance value. Therefore, the upper side “αmZa + (n−m) Za” corresponds to the cell group impedance in the cell group 18 in which the inversion state is assumed to occur in the m fuel cells 24. By dividing this cell group impedance by the number of cells n, a cell impedance upper limit value Zlim per cell is obtained.

Figure 0005508633
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演算部56は、CPU(中央演算処理装置)およびメモリなどを含むマイクロコンピュータによって好適に構成されることができ、CPUにおいて実行されるソフトウェアの一部によってその機能が実行されてもよい。ただし、これに限定されず、演算部56はハードウェア要素によって実現されてもよい。   The calculation unit 56 can be suitably configured by a microcomputer including a CPU (Central Processing Unit) and a memory, and the function may be executed by a part of software executed in the CPU. However, it is not limited to this, The calculating part 56 may be implement | achieved by the hardware element.

上記インピーダンス増加率αは、上記メモリに予め記憶されており、実験的または経験的に得られる定数が用いられる。例えば、上記インピーダンス増加率αは、電解質膜26を構成する材料によっても異なるが「10」とすることができる。   The impedance increase rate α is stored in advance in the memory, and a constant obtained experimentally or empirically is used. For example, the impedance increase rate α may be “10” although it varies depending on the material constituting the electrolyte membrane 26.

上記正常電位時の1セルあたりのセルインピーダンスZa、異常発生セル数m、およびセル群18を構成するセル数nもまた、上記メモリに予め記憶されている値を用いる。正常電位時の1セルあたりのセルインピーダンスZaは、実験的または経験的に得られる既知の値である。また、セル群18を構成するセル数nは、燃料電池スタック12の構成によって定まる既知の値である。   Values stored in advance in the memory are also used for the cell impedance Za per cell at the normal potential, the number m of abnormal cells, and the number n of cells constituting the cell group 18. The cell impedance Za per cell at the normal potential is a known value obtained experimentally or empirically. The number n of cells constituting the cell group 18 is a known value determined by the configuration of the fuel cell stack 12.

さらに、異常発生セル数mは、例えば「1」として予め規定されている。それは、図5を参照すると明らかなように、異常発生セル数mが1、2、3,4、5、・・・と増えるにつれてセルインピーダンス上限値Zlimが増大する傾向にあるため、セルインピーダンス上限値Zlimが最小となる異常発生セル数nを「1」とすることで燃料電池セル24の異常発生生状態をより正確に検出できることになるからである。ただし、上記のように異常発生セル数mは、「1」に限定されるものではなく、例えば計測部54による計測誤差によってセル異常発生と判定されないようにする等の理由から「2」以上の値に設定されてもよい。   Further, the number m of abnormality occurrence cells is defined in advance as “1”, for example. As is clear from FIG. 5, the cell impedance upper limit Zlim tends to increase as the number m of abnormal cells increases as 1, 2, 3, 4, 5,. This is because the abnormality occurrence state of the fuel cell 24 can be detected more accurately by setting the number n of abnormality occurrence cells having the minimum value Zlim to “1”. However, as described above, the number m of abnormal cells is not limited to “1”. For example, it is not less than “2” for the reason that it is not determined that a cell abnormality has occurred due to a measurement error by the measurement unit 54. It may be set to a value.

上記判定部58は、演算部56を構成するものと同一のマイクロコンピュータによって構成されることができるが、別のマイクロコンピュータによって構成されてもよいし、あるいは、比較器等のハードウェア要素によって構成されてもよい。   The determination unit 58 can be configured by the same microcomputer as that constituting the calculation unit 56, but may be configured by another microcomputer or by a hardware element such as a comparator. May be.

判定部58では、計測部54から送信されたセル群インピーダンスZgroupをセル数nで除して得られる平均セルインピーダンスZと上記セルインピーダンス上限値Zlimとを対比して、燃料電池セル24の異常発生の有無を判定する機能を有する。本実施形態では、後述するように、平均セルインピーダンスZと、セルインピーダンス上限値Zlimからセルインピーダンス変動値Zbを減算したもの対比または比較してセル異常状態の発生の有無を判定するが、これに代えて、平均セルインピーダンスZとセルインピーダンス上限値Zlimとを直接的に比較してセル異常発生の有無を判定してもよい。   In the determination unit 58, the average cell impedance Z obtained by dividing the cell group impedance Zgroup transmitted from the measurement unit 54 by the number of cells n is compared with the cell impedance upper limit value Zlim, and an abnormality occurs in the fuel cell 24. A function of determining the presence or absence of In this embodiment, as will be described later, the average cell impedance Z and the cell impedance upper limit value Zlim are subtracted from the cell impedance fluctuation value Zb or compared or compared to determine whether or not a cell abnormal state has occurred. Instead, the average cell impedance Z and the cell impedance upper limit Zlim may be directly compared to determine whether or not a cell abnormality has occurred.

なお、上記においては、平均セルインピーダンスZは判定部58において算出されると説明したが、これに限定されるものではなく、計測部54においてセル群インピーダンスZgroupをセル数nで除して得られる平均セルインピーダンスZが計測部54から判定部へ送信されてもよい。   In the above description, the average cell impedance Z is calculated by the determination unit 58. However, the average cell impedance Z is not limited to this, and is obtained by dividing the cell group impedance Zgroup by the number n of cells in the measurement unit 54. The average cell impedance Z may be transmitted from the measurement unit 54 to the determination unit.

続いて、図4,6を参照して上記構成からなるセル異常検出装置50における動作について説明する。図4は、セル異常検出装置50で実行される処理手順を示すフローチャートであり、図6は、転極状態(逆電位状態)が生じたときに平均セルインピーダンスが増加する様子を時間経過とともに示すグラフである。この処理手順は、燃料電池スタック12が連続発電運転または間欠発電運転されているときに例えば所定時間毎に実行される。   Next, the operation of the cell abnormality detection device 50 having the above configuration will be described with reference to FIGS. FIG. 4 is a flowchart showing a processing procedure executed by the cell abnormality detection device 50, and FIG. 6 shows how the average cell impedance increases with time when a inversion state (reverse potential state) occurs. It is a graph. This processing procedure is executed, for example, every predetermined time when the fuel cell stack 12 is operated continuously or intermittently.

まず、ステップS10において、演算部56は、上記式によりセルインピーダンス上限値Zlimを算出する。このセルインピーダンス上限値Zlimはメモリに記憶される。   First, in step S10, the calculation unit 56 calculates the cell impedance upper limit value Zlim by the above formula. This cell impedance upper limit value Zlim is stored in the memory.

次いで、ステップS12において、交流電流印加部52は、セル群18に対して交流電流を印加する。この交流電流は微弱電流であることから、セル群18に含まれる燃料電池セル24の発電運転に影響することはない。   Next, in step S <b> 12, the alternating current application unit 52 applies an alternating current to the cell group 18. Since this alternating current is a weak current, it does not affect the power generation operation of the fuel cells 24 included in the cell group 18.

続くステップS14において、計測部54は、セル群18の積層方向両端におけるセル群インピーダンスZgroupを計測する。そして、計測部54は、セル群インピーダンスZgroupを判定部58に送信する。   In subsequent step S <b> 14, the measurement unit 54 measures the cell group impedance Zgroup at both ends of the cell group 18 in the stacking direction. Then, the measurement unit 54 transmits the cell group impedance Zgroup to the determination unit 58.

続いて、判定部58は、ステップS16において、計測部54から受信したセル群インピーダンスZgroupをセル群18のセル数nで除算して1セルあたりの平均セルインピーダンスZを求める。   Subsequently, in step S <b> 16, the determination unit 58 divides the cell group impedance Zgroup received from the measurement unit 54 by the number n of cells in the cell group 18 to obtain an average cell impedance Z per cell.

そして、判定部58は、ステップS18において、平均セルインピーダンスZと、セルインピーダンス上限値Zlimからセルインピーダンス変動値Zbを減算した値である閾値Zthrとを比較する。その結果、平均セルインピーダンスZが閾値Zthrを上回っているとき、ステップS20においてセル異常または逆電位状態が発生している燃料電池セル24が有ると判定する。そして、セル異常判定処理を終了する。   In step S18, the determination unit 58 compares the average cell impedance Z with a threshold value Zthr that is a value obtained by subtracting the cell impedance fluctuation value Zb from the cell impedance upper limit value Zlim. As a result, when the average cell impedance Z exceeds the threshold value Zthr, it is determined in step S20 that there is a fuel cell 24 in which a cell abnormality or a reverse potential state has occurred. Then, the cell abnormality determination process ends.

図6を参照すると、1つまたは複数の燃料電池セル24においてセル異常が発生し電解質膜26や触媒層28が乾燥した状態になると、平常電位時にはZaの値である平均セルインピーダンスZが時間t1から急激に大きくなる様子が示されている。このように平均セルインピーダンスZが急増する途中で閾値Zthrを超えることとなる時間t2のタイミングで、燃料電池スタック12においてセル異常が発生していることが検出される。   Referring to FIG. 6, when a cell abnormality occurs in one or a plurality of fuel cells 24 and the electrolyte membrane 26 and the catalyst layer 28 are in a dry state, the average cell impedance Z which is the value of Za at the normal potential is the time t1. It shows how it suddenly grows. In this way, it is detected that a cell abnormality has occurred in the fuel cell stack 12 at the time t2 when the average cell impedance Z rapidly increases and exceeds the threshold value Zthr.

一方、ステップS18において平均セルインピーダンスZが閾値Zthrを上回っていない、すなわち平均セルインピーダンスZが閾値Zthr以下であるとき、ステップS12に戻ってステップS12〜S18の処理が繰り返し実行されることになる。   On the other hand, when the average cell impedance Z does not exceed the threshold value Zthr in step S18, that is, when the average cell impedance Z is equal to or less than the threshold value Zthr, the process returns to step S12 and the processes of steps S12 to S18 are repeatedly executed.

このように本実施形態のセル異常検出装置50によれば、転極などのセル異常が発生すると、燃料電池セル24に含まれる電解質膜26や触媒層28が乾燥してインピーダンスが急激に大きくなる特性を考慮してセルインピーダンス上限値Zlimを求め、これとの対比でセル群18を構成する燃料電池セル24のセル異常の発生を判定することから、2つのセル群18において燃料電池セル24の転極状態が同時発生した場合でも、セル群18に含まれる燃料電池セル24の異常発生を正確に検出することができる。   As described above, according to the cell abnormality detection device 50 of the present embodiment, when a cell abnormality such as inversion occurs, the electrolyte membrane 26 and the catalyst layer 28 included in the fuel battery cell 24 are dried and the impedance is rapidly increased. The cell impedance upper limit value Zlim is obtained in consideration of the characteristics, and the occurrence of cell abnormality in the fuel cell 24 constituting the cell group 18 is determined by comparison with this, so that the fuel cell 24 in the two cell groups 18 Even when the inversion state occurs at the same time, it is possible to accurately detect the occurrence of an abnormality in the fuel cell 24 included in the cell group 18.

また、本実施形態のセル異常検出装置50では、平均セルインピーダンスZと、セルインピーダンス上限値Zlimからセルインピーダンス変動値Zbを減算した値である閾値Zthrとを比較して、燃料電池セル24の異常発生の有無を判定するようにしている。このようにセルインピーダンス変動値Zbを考慮することで、燃料電池セル24の異常発生をより早く判定および検出することができる。   In the cell abnormality detection device 50 of the present embodiment, the average cell impedance Z is compared with the threshold value Zthr, which is a value obtained by subtracting the cell impedance fluctuation value Zb from the cell impedance upper limit value Zlim, and the abnormality of the fuel cell 24 is detected. The presence or absence of occurrence is determined. Thus, by considering the cell impedance fluctuation value Zb, it is possible to determine and detect the occurrence of abnormality of the fuel cell 24 earlier.

上記のように燃料電池セル24においてセル異常が発生していることが検出されたとき、燃料電池装置10において、例えば、燃料電池スタック12に供給される空気の加湿度を増加させる、燃料電池スタック12を冷却する冷却手段(図示せず)の冷却性能を上げる、燃料ガス等の供給量を増大させる、発電運転を停止する等の少なくとも1つの保護措置が採られてもよい。   When it is detected that a cell abnormality has occurred in the fuel cell 24 as described above, the fuel cell stack 10 increases, for example, the humidification of the air supplied to the fuel cell stack 12 in the fuel cell device 10. At least one protective measure such as increasing the cooling performance of a cooling means (not shown) for cooling 12, increasing the supply amount of fuel gas or the like, or stopping the power generation operation may be taken.

10 燃料電池装置、12 燃料電池スタック、14 燃料ガス供給排出部、15a 燃料ガス供給管、15b 燃料ガス排出管、16 酸化剤ガス供給排出部、17a 酸化剤ガス供給管、17b 酸化剤ガス排出管、18 セル群、20,22 エンドプレート、24 燃料電池セル、26 電解質膜、28 触媒層、30 ガス拡散層、32 セパレータ、34 ガス流路、35 冷却水流路、36,38 電力出力端子、37 燃料極、39 酸化剤極、40,42,44 検出用端子、50 セル異常検出装置、52 交流電流印加部、54 計測部、56 演算部、58 判定部、m 異常発生セル数、n セル群を構成するセル数、Z 平均セルインピーダンス、Za セルインピーダンス、Zb セルインピーダンス変動値、Zgroup セル群インピーダンス、Zlim セルインピーダンス上限値、Zthr 閾値、α インピーダンス増加率。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Fuel cell apparatus, 12 Fuel cell stack, 14 Fuel gas supply discharge part, 15a Fuel gas supply pipe, 15b Fuel gas discharge pipe, 16 Oxidant gas supply discharge part, 17a Oxidant gas supply pipe, 17b Oxidant gas discharge pipe , 18 cell group, 20, 22 end plate, 24 fuel cell, 26 electrolyte membrane, 28 catalyst layer, 30 gas diffusion layer, 32 separator, 34 gas flow path, 35 cooling water flow path, 36, 38 power output terminal, 37 Fuel electrode, 39 Oxidant electrode, 40, 42, 44 detection terminal, 50 cell abnormality detection device, 52 AC current application unit, 54 measurement unit, 56 calculation unit, 58 determination unit, m number of abnormal cells, n cell group Cell number, Z average cell impedance, Za cell impedance, Zb cell impedance fluctuation value, Zgroup cell group impedance Dance, Zlim cell impedance limit, Zthr threshold, alpha impedance increase rate.

Claims (7)

それぞれ電解質膜を含む複数の燃料電池セルが積層されて直列接続されてなる1つまたは複数のセル群に対して交流電流を印加する交流電流印加部と、
前記交流電流が印加されたときの前記セル群のインピーダンスを計測する計測部と、
前記計測部により計測されたセル群インピーダンス、セル異常が発生したセルでのインピーダンス増加率、正常電位時の1セルあたりのセルインピーダンス、予め規定される異常発生セル数、および前記セル群を構成するセル数に基づいて、セルインピーダンス上限値を演算して求める演算部と、
前記セル群インピーダンスを前記セル数で除して得られる平均セルインピーダンスと前記セルインピーダンス上限値とを対比して燃料電池セルの異常発生の有無を判定する判定部と、
を備える、燃料電池のセル異常検出装置。
An alternating current application unit for applying an alternating current to one or a plurality of cell groups each formed by stacking a plurality of fuel cells each including an electrolyte membrane and connected in series;
A measurement unit for measuring the impedance of the cell group when the alternating current is applied;
The cell group impedance measured by the measurement unit, the impedance increase rate in the cell where the cell abnormality has occurred, the cell impedance per cell at the normal potential, the number of abnormal cells defined in advance, and the cell group are configured A calculation unit that calculates a cell impedance upper limit value based on the number of cells, and
A determination unit that determines whether or not an abnormality has occurred in a fuel cell by comparing an average cell impedance obtained by dividing the cell group impedance by the number of cells and the cell impedance upper limit value;
A cell abnormality detection device for a fuel cell.
請求項1に記載の燃料電池のセル異常検出装置において、
前記判定部は、前記平均セルインピーダンスが、前記セルインピーダンス上限値から通常運転時に生じるセルインピーダンス変動値を減算したものを上回ったときに、燃料電池セルにセル異常が発生したと判定することを特徴とする、燃料電池のセル異常検出装置。
The cell abnormality detection device for a fuel cell according to claim 1,
The determination unit determines that a cell abnormality has occurred in the fuel cell when the average cell impedance exceeds a value obtained by subtracting a cell impedance fluctuation value generated during normal operation from the cell impedance upper limit value. A cell abnormality detection device for a fuel cell.
請求項1または2に記載の燃料電池のセル異常検出装置において、
前記演算部で用いられる前記異常発生セル数が1と予め規定されていることを特徴とする、燃料電池のセル異常検出装置。
The cell abnormality detection device for a fuel cell according to claim 1 or 2,
A cell abnormality detection device for a fuel cell, wherein the number of abnormality occurrence cells used in the arithmetic unit is defined as 1 in advance.
請求項1から3のいずれか一項に記載の燃料電池のセル異常検出装置と、
前記燃料電池のセル異常検出装置が接続されるセル群を少なくとも1つ有する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックに対して燃料ガスの供給および廃燃料ガスの排出を行う燃料ガス供給排出部と、
前記燃料電池スタックに対して酸化剤ガスの供給および廃酸化剤ガスの排出を行う酸化剤ガス供給排出部と、
を備える、燃料電池装置。
A cell abnormality detection device for a fuel cell according to any one of claims 1 to 3,
A fuel cell stack having at least one cell group to which the cell abnormality detection device of the fuel cell is connected;
A fuel gas supply / discharge section for supplying fuel gas to the fuel cell stack and discharging waste fuel gas;
An oxidant gas supply / discharge section for supplying oxidant gas to the fuel cell stack and discharging waste oxidant gas;
A fuel cell device comprising:
それぞれ電解質膜を含む複数の燃料電池セルが積層されて直列接続されてなるセル群に対して交流電流を印加する工程と、
前記交流電流が印加されたときの前記セル群のインピーダンスを計測する計測工程と、
前記計測部により計測されたセル群インピーダンス、セル異常が発生したセルでのインピーダンス増加率、正常電位時の1セルあたりのセルインピーダンス、予め規定される異常発生セル数、および前記セル群を構成するセル数に基づいて、セルインピーダンス上限値を演算して求める演算工程と、
前記セル群インピーダンスを前記セル数で除して得られる平均セルインピーダンスと前記セルインピーダンス上限値とを対比して燃料電池セルの異常発生の有無を判定する判定工程と、
を含む、燃料電池のセル異常検出方法。
A step of applying an alternating current to a cell group in which a plurality of fuel cells each including an electrolyte membrane are stacked and connected in series;
A measurement step of measuring the impedance of the cell group when the alternating current is applied;
The cell group impedance measured by the measurement unit, the impedance increase rate in the cell where the cell abnormality has occurred, the cell impedance per cell at the normal potential, the number of abnormal cells defined in advance, and the cell group are configured A calculation step for calculating a cell impedance upper limit value based on the number of cells,
A determination step of determining the presence or absence of occurrence of abnormality of the fuel cell by comparing the average cell impedance obtained by dividing the cell group impedance by the number of cells and the cell impedance upper limit value;
A cell abnormality detection method for a fuel cell, comprising:
請求項5に記載の燃料電池のセル異常検出方法において、
前記判定工程では、前記平均セルインピーダンスが、前記セルインピーダンス上限値から通常運転時に生じるセルインピーダンス変動値を減算したものを上回ったときに、燃料電池セルにセル異常が発生したと判定することを特徴とする、燃料電池のセル異常検出方法。
The cell abnormality detection method for a fuel cell according to claim 5,
In the determination step, it is determined that a cell abnormality has occurred in the fuel cell when the average cell impedance exceeds a value obtained by subtracting a cell impedance fluctuation value generated during normal operation from the cell impedance upper limit value. A method for detecting a cell abnormality in a fuel cell.
請求項5または6に記載の燃料電池のセル異常検出方法において、
前記演算工程で用いられる前記異常発生セル数が1と予め規定されていることを特徴とする、燃料電池のセル異常検出方法。
The cell abnormality detection method for a fuel cell according to claim 5 or 6,
The cell abnormality detection method for a fuel cell, wherein the number of abnormality-occurring cells used in the calculation step is defined as 1 in advance.
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