JP5818227B2 - 燃料電池システム - Google Patents
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Description
特許文献1に記載の燃料電池システムは、運転中におけるアノードガスの圧力を、カソードガスの圧力よりも高くし、そのときの活性化過電圧領域の電圧低下からクロスリークを検知するものである。
カソード極に存在する酸素を低減させた後に燃料電池スタックに電圧を印加する電圧印加手段と、上記電圧印加手段により燃料電池スタックに電圧を印加したとき、燃料電池スタックの電圧が酸化剤極で水素酸化反応が起こる電圧以上になったか否かを判定するスタック電圧判定手段と、
各燃料電池セルにおいてアノード極の水素ガスがカソード極にクロスリークしているかを診断するクロスリーク診断手段と、を有する。
そして、上記スタック電圧判定手段が、燃料電池スタックの電圧が酸化剤極で水素酸化反応が起こる電圧以上になったと判定した後に、上記クロスリーク診断手段が上記電圧印加手段で燃料電池スタックに電圧を印加したときの燃料電池セルの電圧に基づき、各燃料電池単セルにおけるクロスリークを診断することを特徴としている。
燃料電池セル11は、図2に示すように、高分子電解質膜(以下、単に「電解質膜」という。)12と、この電解質膜12の図示上下両側にカソード極層13とアノード極層14を積層形成するとともに、さらにその図示上下両外側に所要の間隔をおいてそれぞれセパレータ15,16を配設している。
カソード極13、アノード極14とセパレータ15,16の間には、それぞれカソードガス流路(以下、「空気流路」という。)17、アノードガス流路(以下、「ガス流路」という。)18が区画形成されている。
本実施形態においては、「アノードガス」として「水素ガス」、また、「カソードガス」として「空気」を例として説明するが、それらに限るものではない。
燃料電池スタック10の両端は、アノード極側集電板19a、カソード極側集電板19bに挟持されており、それらの集電板から負荷40に電力を供給するようになっている。
減圧弁21と流量コントローラ22は、コントロールユニットCの出力側に接続されて駆動され、また、圧力センサ25はコントロールユニットCの入力側に接続されている。
この水素消費装置90は、水素ガスを消費する触媒等を有しており、それには、燃料電池スタック10のカソード極13から排出された排出ガスが供給され、その排出ガスによって水素ガスを消費することにより、水素ガスを含まないガスを本システムA1から系外に排出するようにしている。
なお、三方弁23,24は、コントロールユニットCの出力側に接続されて流路を切り替えるように駆動される。
なお、燃料電池スタック10から排出される水素ガス中にカソード極13側から電解質膜12を通り空気中の窒素ガスが多く混入した場合には、燃料電池スタック10から排出された水素ガスは三方弁24によってガス排出パイプ20bから水素消費装置90に送給される。
燃料電池スタック10の空気排出部(図示しない)には、カソードガス排出パイプ(以下、「空気排出パイプ」という。)100bを介して、上記した水素消費装置90が接続されている。
配線42には、電流の逆流を防止するための逆流防止ダイオード45が配設されているとともに、その逆流防止ダイオード45には、オン/オフスイッチ46が並列に接続されており、これにより電流を逆向きに流すことも可能な構成としている。
オン/オフスイッチ61,43,46は、コントロールユニットCの出力側に接続されて適宜オン/オフ切り替えされるようになっている。
本実施形態においては、減圧弁21を介して、当該アノードガスの送給圧力を増減している。具体的には、圧力センサ25で検知した圧力に基づき、アノードガスを大気圧より高くして圧送している。
本実施形態においては、コンプレッサ20を介して、当該カソードガスの送給圧力を増減している。
「燃料電池セル11のアノード極14とカソード極13に流接させているアノードガスとカソードガス」は、それらのガスを同時に流通させることによる発電をしていることを意味している。
本実施形態においては、コンプレッサ30を停止させることによって、カソードガスの送給を停止している。
本実施形態においては、上記したように各燃料電池セル11毎に配設した燃料電池電圧センサV1を介して、各燃料電池セル11の電圧を検知している。
本実施形態において示す「第二の基準値」は、燃料電池スタック10が負荷40に接続された状態でその値以下になるとカソード極に酸素がほぼ残存していないと考えられる値である。
本実施形態においては、オン/オフスイッチ43をオフにすることによって、負荷40を燃料電池スタック10から遮断する。
本実施形態において示す「第三の基準値」は、負荷40を燃料電池スタック10から遮断した状態でその値以下になるとカソード極が窒素雰囲気になっていると考えられる値である。なお、第三の基準値は第二の基準値よりも高い値である。
具体的には、オン/オフスイッチ46,61をオンにすることにより、バッテリ50を燃料電池スタック10に接続している。
また、パワーマネージャ60によって、経時的に所定の電圧値となるようにスタック電圧を増加させている。その時の電圧勾配は、燃料電池群の電圧値のサンプリング間隔を勘案して設定する。
本実施形態において示す「第四の基準値」は、負荷40を燃料電池スタック10から遮断しながらスタック電圧を燃料電池スタック10に印加した状態でその値以下にあると、カソード極に酸素が残存していないと考えられる値である。
「所定のスタック電圧値」は、全ての燃料電池群の電圧に相当する値である。
本実施形態においては、検出した電圧に基づいて、燃料電池セル11のクロスリークを診断している。
すなわち、負荷40は燃料電池スタック10によって駆動しており、バッテリ50は電気的に接続していない状態である。このとき、コンプレッサ30とリサイクルコンプレッサ80はともに運転状態にある。そして、運転圧力は、水素ガス、空気ともに150kPaで行なっている状態である。
ステップ2:燃料電池電圧センサV1で検知した電圧が、第二の基準値(例えば0.2V)以下か否かの判定を行ない、その電圧が第二の基準値以下であると判定したときには、ステップ3に進み、そうでなければステップ2を繰り返す。
このステップにおいても、上記したステップ2と同様に、燃料電池電圧センサV1で検知した燃料電池セルの電圧の最大値、最小値や平均値等を用いることができるが、本実施形態においては、より確実に酸素を消費させるため、燃料電池電圧センサV1で検知した電圧の最大値が第三の基準値を下回ったときに、次ステップへ進むこととした。
ステップ6:パワーマネージャ60によって電圧を徐々に印加する(図4(C)参照)。誤って、一つの燃料電池セルに大きな電圧が印加されるのを防ぐためである。
すなわち、ステップS6からステップ8において燃料電池スタック10への印加電圧に勾配をつけている。
このとき、燃料電池電圧センサV1を介して検知した燃料電池セルの電圧が第一の基準値(例えば0.3V)以下であると判定した場合、アノードガス(燃料ガス)がカソード極(酸化剤極)へクロスリークしている可能性があると診断できる。 ステップ10:クロスリークの診断を終了する。
具体的には、百枚の燃料電池セル11を積層させてなる燃料電池スタック10に対して、50Vのスタック電圧を印加したときのものを示している。
同図から明らかなように、0.3V以下の燃料電池セル11が一枚確認され、その燃料電池セル11がクロスリークしていると判断できる。
なお、燃料電池セルの電圧とクロスリーク量とを対応させたピックアップテーブルを記憶部に記憶されておき、そのピックアップテーブルを参照することによって燃料電池セルの電圧からクロスリーク量を算出することもできる。
ステップS1からステップS4において行なっていることは、カソード極(酸化剤極)に存在する酸素を消費(低減)させて、窒素雰囲気にすることである。そして、カソード極(酸化剤極)が確実に窒素になっている場合には、燃料電池電圧センサV1が第三の基準値以下となるため、その状態でバッテリ50から燃料電池スタック10に電圧を印加することができる。このとき、積層されたすべての燃料電池セル11において、電解質膜12を透過した水素の酸化反応、
(酸化剤極):H2→2H++2e- …(1)
が反応が起こる。
・触媒活性に依存することなく、触媒が劣化した場合でも確実にクロスリークを診断することができる。
すなわち、燃料電池スタックを構成する燃料電池セルの電圧が第二の基準値以下になっていなければ、カソード極側には酸素が十分に残存している可能性を示すものであるが、この場合には、燃料電池セルに電圧を印加した際に、劣化を引き起こす可能性がある。
すなわち、本実施形態において示すように、第二の基準値を下回ったら電流の取り出しを停止しているので、劣化の発生を防止できる。
これにより、電流を取り出していない状態で、第三の基準値以下になったとき、カソード極は窒素雰囲気となっていることを示す。この状態で、所定のスタック電圧を印加することによって、クロスリークしている燃料電池セルは電圧が下がり、また、クロスリークのない燃料電池セルは電圧が高くなる。このようにして、各燃料電池セルを劣化させることなく、クロスリークが検知可能となる。
・上述した実施形態においては、各燃料電池セルのそれぞれに燃料電池電圧センサを接続したものを例として説明したが、複数の燃料電池セルのうち、クロスリークが生じやすい積層範囲に配置された燃料電池セルについては、各燃料電池セル毎に燃料電池電圧センサを接続し、他の積層範囲に配置された燃料電池セルについては、二つ以上毎に燃料電池電圧センサを接続した構成にしてもよい。この場合には、クロスリーク量の算出精度を保持しつつコストのさらなる低減を図ることができる。
・上述した実施形態においては、カソード極に存在する酸素を消費することによってカソード極に存在する酸素を低減させたが、消費ではなく、例えば窒素ガス等の不活性ガスを投入して酸素を低減させても構わない。
11 燃料電池セル
12 電解質膜
13 カソード極
14 アノード極
50 バッテリ
V1 燃料電池電圧センサ
C1 アノードガス圧力増減手段
C2 カソードガス圧力増減手段
C3 カソードガス送給停止手段
C4 燃料電池群電圧検知手段
C5 第二の燃料電池電圧判定手段
C6 負荷遮断手段
C7 第三の燃料電池電圧判定手段
C8 バッテリ接続手段
C9 電圧印加手段
C10 第四の燃料電池電圧判定手段
C11 スタック電圧判定手段
C12 クロスリーク診断手段
Claims (8)
- アノード極に水素ガス、カソード極に空気を流接させることにより発電を行う燃料電池セルを複数積層した燃料電池スタックを備えた燃料電池システムであって、
カソード極に存在する酸素を低減させた後に燃料電池スタックに電圧を印加する電圧印加手段と、
上記電圧印加手段により燃料電池スタックに電圧を印加したとき、燃料電池スタックの電圧が酸化剤極で水素酸化反応が起こる電圧以上になったか否かを判定するスタック電圧判定手段と、
上記電圧印加手段で燃料電池スタックに電圧を印加したときの燃料電池セルの電圧に基づき、各燃料電池セルにおいてアノード極の水素ガスがカソード極にクロスリークしているかを診断するクロスリーク診断手段と、
を有し、
上記スタック電圧判定手段が、燃料電池スタックの電圧が酸化剤極で水素酸化反応が起こる電圧以上になったと判定した後に、上記クロスリーク診断手段は各燃料電池単セルにおけるクロスリークを診断することを特徴とする燃料電池システム。 - クロスリーク診断手段は、燃料電池スタックに電圧を印加したときの燃料電池セルの電圧が第一の基準値より低いと、燃料電池セルがクロスリークしていると診断する、ことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。
- 発電状態から、燃料電池セルのカソード極への空気の送給を停止する空気送給停止手段と、
空気送給停止手段で空気の送給を停止した後、燃料電池セルの電圧が第二の基準値以下になったか否かを判定する第二の燃料電池電圧判定手段とを備え、
第二の燃料電池電圧判定手段が、燃料電池セルの電圧が第二の基準値以下になったと判定したときに、電圧印加手段は燃料電池スタックに電圧を印加する、ことを特徴とする請求項1又は2に記載の燃料電池システム。 - 第二の燃料電池電圧判定手段で燃料電池セルの電圧が第二の基準値以下になったと判定されたときに、負荷を燃料電池スタックから遮断する負荷遮断手段と、
負荷遮断手段で負荷を燃料電池スタックから遮断した後、燃料電池セルの電圧が、上記第二の基準値より大きい第三の基準値以下になったか否かを判定する第三の燃料電池電圧判定手段とを備え、
第三の燃料電池電圧判定手段が、燃料電池セルの電圧が第三の基準値以下になったと判定したときに、電圧印加手段は燃料電池スタックに電圧を印加する、ことを特徴とする請求項3に記載の燃料電池システム。 - 電圧印加手段により燃料電池スタックに電圧を印加したとき、全ての燃料電池セルの電圧が、上記第三の基準値より大きい第四の基準値以下にあるか否かを判定する第四の燃料電池電圧判定手段を備え、
第四の燃料電池電圧判定手段が、全ての燃料電池セルの電圧が第四の基準値以下にはないと判定したときには、電圧印加手段は、燃料電池スタックに対する電圧の印加を中止する、ことを特徴とする請求項4に記載の燃料電池システム。 - 電圧印加手段は、経時的に酸化剤極で水素酸化反応が起こる電圧値となるように燃料電池スタックに印加する電圧を増加させる、ことを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
- 燃料電池セルのアノード極に送給される水素ガスの送給圧力を増減する水素ガス圧力増減手段を備え、
水素ガス圧力増減手段は水素ガスを大気圧より高く圧送する、ことを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の燃料電池システム。 - アノード極に水素ガス、カソード極に空気を流接させることにより発電を行う燃料電池セルを複数積層した燃料電池スタックを備えた燃料電池システムであって、
燃料電池セルの電圧が第三の基準値以下になったと判定した後に燃料電池スタックに電圧を印加する電圧印加手段と、
上記電圧印加手段により燃料電池スタックに電圧を印加したとき、燃料電池スタックの電圧が酸化剤極で水素酸化反応が起こる電圧以上になったか否かを判定するスタック電圧判定手段と、
電圧印加手段で燃料電池スタックに電圧を印加したときの燃料電池セルの電圧に基づいて、各燃料電池セルにおいてアノード極の水素ガスがカソード極にクロスリークしているかを診断するクロスリーク診断手段と、を有し、
上記スタック電圧判定手段が、燃料電池スタックの電圧が酸化剤極で水素酸化反応が起こる電圧以上になったと判定した後に、上記クロスリーク診断手段は各燃料電池単セルにおけるクロスリークを診断することを特徴とする燃料電池システム。
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