JP6122795B2 - FUEL CELL STACK DIAGNOSIS METHOD, FUEL CELL STACK OPERATION METHOD, FUEL CELL SYSTEM, AND FUEL CELL STACK - Google Patents

FUEL CELL STACK DIAGNOSIS METHOD, FUEL CELL STACK OPERATION METHOD, FUEL CELL SYSTEM, AND FUEL CELL STACK Download PDF

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Description

本発明の実施形態は、燃料電池スタックの診断方法、燃料電池スタックの運転方法、燃料電池システム、及び燃料電池スタックに関する。   Embodiments described herein relate generally to a fuel cell stack diagnosis method, a fuel cell stack operation method, a fuel cell system, and a fuel cell stack.

従来の家庭用燃料電池システムは、水素を含む燃料ガスと空気とを燃焼電池スタックに供給し、電気化学反応によって発電し、更に反応熱を回収し温水を供給する。この燃料電池スタックは、燃料電池セル(以下、単にセルともいう)とセパレータを交互に積層し、一体化させたものである。この燃料電池セルは、例えば、プロトン導電性の電解質膜の両面にアノードとカソードを配置した固体高分子電解質型燃料電池である。   A conventional household fuel cell system supplies a fuel gas containing hydrogen and air to a combustion cell stack, generates electricity by an electrochemical reaction, collects reaction heat, and supplies hot water. This fuel cell stack is obtained by alternately stacking fuel cells (hereinafter also simply referred to as cells) and separators. This fuel cell is, for example, a solid polymer electrolyte fuel cell in which an anode and a cathode are arranged on both sides of a proton conductive electrolyte membrane.

電解質膜は、プロトンと水を通すが、ガス(具体的には、燃料ガス及び空気)を通さない性質がある。そのため、アノードとカソードに供給されるガスをシールする機能も果たしている。すなわち、電解質膜は、両極のガスが混ざることによって直接反応が生じて燃料電池反応の効率が低下することを防止している。   The electrolyte membrane has a property that allows protons and water to pass through but does not pass gas (specifically, fuel gas and air). Therefore, it also functions to seal the gas supplied to the anode and cathode. In other words, the electrolyte membrane prevents the efficiency of the fuel cell reaction from being reduced due to the direct reaction caused by the mixture of the gas of both electrodes.

特開2009−301804号公報JP 2009-301804 A 特開2010−287578号公報JP 2010-287578 A

しかし、燃料電池を長期に運転すると、電解質膜が劣化する。この劣化のため、ガスシール機能が低下し、燃料ガスと空気が互いに漏れ出る(以下、クロスリークするという)ことが起こり得る。燃料ガスと空気が互いに漏れ出ると、水素の直接酸化反応により酸素が消費され、燃料電池反応に使われる酸素量が低減するために、燃料電池の性能が落ちる。また、水素と酸素が必要以上に混ざるのは、安全上も好ましくない。   However, when the fuel cell is operated for a long time, the electrolyte membrane deteriorates. Due to this deterioration, the gas seal function is lowered, and fuel gas and air may leak out (hereinafter referred to as cross leak). When fuel gas and air leak together, oxygen is consumed by the direct oxidation reaction of hydrogen, and the amount of oxygen used in the fuel cell reaction is reduced, so that the performance of the fuel cell is degraded. In addition, it is not preferable for safety that hydrogen and oxygen are mixed more than necessary.

本発明が解決しようとする課題は、燃料電池スタックに関する診断を容易にする燃料電池スタックの診断方法、燃料電池の安全性を向上させる燃料電池スタックの運転方法及び燃料電池システム、及び燃料電池の性能を維持しつつ安全に運転することを可能とする燃料電池スタックを提供することである。   SUMMARY OF THE INVENTION Problems to be solved by the present invention include a fuel cell stack diagnosis method that facilitates diagnosis related to a fuel cell stack, a fuel cell stack operation method and fuel cell system that improve fuel cell safety, and fuel cell performance. It is to provide a fuel cell stack that can be operated safely while maintaining the above.

本実施形態によれば、燃料電池スタックの診断方法は、複数の燃料電池セルが積層された燃料電池スタックに燃料ガス及び空気を供給し且つ燃料電池スタックの外部への電力供給を停止した状態で、燃料電池スタックの第1の開回路電圧を測定する工程を有する。更に、この診断方法は、前記燃料電池スタックに接続された空気供給配管と空気排気配管とを互いに付け替える工程を有する。更に、この診断方法は、空気供給配管と空気排気配管とを互いに付け替えた状態、且つ燃料ガス及び空気を燃料電池スタックに供給し且つ燃料電池スタックの外部への電力供給を停止した状態で、燃料電池スタックの第2の開回路電圧を測定する工程を有する。更に、この診断方法は、第1の開回路電圧と第2の開回路電圧との間の電圧差に基づいて、燃料電池スタックに関する診断を実行する工程を有する。   According to this embodiment, the fuel cell stack diagnosis method supplies fuel gas and air to a fuel cell stack in which a plurality of fuel cells are stacked and stops supplying power to the outside of the fuel cell stack. , Measuring a first open circuit voltage of the fuel cell stack. Further, the diagnostic method includes a step of replacing the air supply pipe and the air exhaust pipe connected to the fuel cell stack. Further, this diagnosis method is performed in a state where the air supply pipe and the air exhaust pipe are replaced with each other, the fuel gas and air are supplied to the fuel cell stack, and the power supply to the outside of the fuel cell stack is stopped. Measuring a second open circuit voltage of the battery stack. Further, the diagnostic method includes a step of performing a diagnosis on the fuel cell stack based on a voltage difference between the first open circuit voltage and the second open circuit voltage.

図1は、第1の実施形態における燃料電池システムSYS1の構成を示す概略ブロック図である。FIG. 1 is a schematic block diagram showing the configuration of the fuel cell system SYS1 in the first embodiment. 図2は、第1の開回路電圧V1を測定する際の空気供給配管AP1及び空気排気配管AP2の接続態様を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing a connection mode of the air supply pipe AP1 and the air exhaust pipe AP2 when measuring the first open circuit voltage V1. 図3は、第2の開回路電圧V2を測定する際の空気供給配管AP1及び空気排気配管AP2の接続態様を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing a connection mode of the air supply pipe AP1 and the air exhaust pipe AP2 when measuring the second open circuit voltage V2. 図4は、通常運転時において、セパレータ1内の空気の流れ方向を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing the direction of air flow in the separator 1 during normal operation. 図5は、空気供給配管AP1と空気排気配管AP2とを付け替えた状態において、セパレータ1内の空気の流れ方向を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing the flow direction of air in the separator 1 in a state where the air supply pipe AP1 and the air exhaust pipe AP2 are replaced. 図6は、電解質膜の空気入口付近に貫通孔を設けた6台の燃料電池スタックCSAにおいて、規格化クロスリーク量と、電圧差ΔVをセル数で割った値ΔV/Nとの関係を示す図である。FIG. 6 shows the relationship between the normalized cross leak amount and the value ΔV / N obtained by dividing the voltage difference ΔV by the number of cells in six fuel cell stacks CSA provided with through holes in the vicinity of the air inlet of the electrolyte membrane. FIG. 図7は、第2の実施形態における燃料電池システムSYS2の構成と、ブロワBからの空気の出力先の切替前の動作を示す概略ブロック図である。FIG. 7 is a schematic block diagram showing the configuration of the fuel cell system SYS2 in the second embodiment and the operation before switching the air output destination from the blower B. 図8は、第2の実施形態における、ブロワBからの空気の出力先の切替後の燃料電池システムSYS2の動作を示す概略ブロック図である。FIG. 8 is a schematic block diagram showing the operation of the fuel cell system SYS2 after switching the output destination of the air from the blower B in the second embodiment. 図9は、第1の開回路電圧V1を測定する際のガス供給配管GP1及びガス排気配管GP2の接続態様を示す図である。FIG. 9 is a diagram showing a connection mode of the gas supply pipe GP1 and the gas exhaust pipe GP2 when measuring the first open circuit voltage V1. 図10は、第2の開回路電圧V2を測定する際のガス供給配管GP1及びガス排気配管GP2の接続態様を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing a connection mode of the gas supply pipe GP1 and the gas exhaust pipe GP2 when measuring the second open circuit voltage V2. 図11は、通常運転時において、セパレータ1内の改質ガスの流れ方向を示す図である。FIG. 11 is a diagram illustrating the flow direction of the reformed gas in the separator 1 during normal operation. 図12は、ガス供給配管GP1とガス排気配管GP2とを付け替えた状態において、セパレータ1内の改質ガスの流れ方向を示す図である。FIG. 12 is a diagram illustrating the flow direction of the reformed gas in the separator 1 in a state where the gas supply pipe GP1 and the gas exhaust pipe GP2 are replaced. 図13は、第4の実施形態における燃料電池システムSYS3の構成と、改質器FPSからの改質ガスの出力先の切替前の動作を示す概略ブロック図である。FIG. 13 is a schematic block diagram showing the configuration of the fuel cell system SYS3 in the fourth embodiment and the operation before switching the output destination of the reformed gas from the reformer FPS. 図14は、第4の実施形態における改質器FPSからの改質ガスの出力先の切替後の動作を示す概略ブロック図である。FIG. 14 is a schematic block diagram illustrating an operation after switching the output destination of the reformed gas from the reformer FPS in the fourth embodiment.

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。
(第1の実施形態)
図1は、第1の実施形態における燃料電池システムSYS1の構成を示す概略ブロック図である。図1に示すように、燃料電池システムSYS1は、ブロワBと、改質器FPSと、空気供給配管AP1を介してブロワBに接続された空気マニホールドAMと、ガス供給配管GP1を介して改質器FPSに接続された燃料ガスマニホールドGMとを備える。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(First embodiment)
FIG. 1 is a schematic block diagram showing the configuration of the fuel cell system SYS1 in the first embodiment. As shown in FIG. 1, the fuel cell system SYS1 includes a blower B, a reformer FPS, an air manifold AM connected to the blower B through an air supply pipe AP1, and a reformation through a gas supply pipe GP1. And a fuel gas manifold GM connected to the vessel FPS.

更に、燃料電池システムSYS1は、空気マニホールドAM及び燃料ガスマニホールドGMと接続された燃料電池スタックCSAを備える。更に、燃料電池システムSYS1は、空気排気配管AP2を介して空気マニホールドAMと接続され、且つガス排気配管GP2を介して燃料ガスマニホールドGMと接続された熱交換器HEX、燃料電池スタックCSAと電気的に接続されたAC/DCインバータINVを備える。   The fuel cell system SYS1 further includes a fuel cell stack CSA connected to the air manifold AM and the fuel gas manifold GM. Furthermore, the fuel cell system SYS1 is electrically connected to the heat exchanger HEX and the fuel cell stack CSA connected to the air manifold AM via the air exhaust pipe AP2 and to the fuel gas manifold GM via the gas exhaust pipe GP2. The AC / DC inverter INV is connected.

更に、燃料電池システムSYS1は、ブロワB、改質器FPS、燃料電池スタックCSAと電気的に接続された制御部CONを備える。   The fuel cell system SYS1 further includes a control unit CON electrically connected to the blower B, the reformer FPS, and the fuel cell stack CSA.

ブロワBは、ブロワBの外部から供給された空気を、空気供給配管AP1及び空気マニホールドAMを介して燃料電池スタックCSAに供給する。
改質器FPSは、改質器FPSの外部から供給された燃料ガス(例えば、天然ガスまたはプロパンガスなど)から水素リッチな改質ガスを生成する。そして、改質器FPSは、生成した改質ガスをガス供給配管GP1及び燃料ガスマニホールドGMを介して、燃料電池スタックCSAに供給する。
The blower B supplies the air supplied from the outside of the blower B to the fuel cell stack CSA via the air supply pipe AP1 and the air manifold AM.
The reformer FPS generates a hydrogen-rich reformed gas from fuel gas (for example, natural gas or propane gas) supplied from the outside of the reformer FPS. The reformer FPS supplies the generated reformed gas to the fuel cell stack CSA via the gas supply pipe GP1 and the fuel gas manifold GM.

空気マニホールドAMは、ブロワBから供給された空気を燃料電池スタックCSAに供給する。この空気は、燃料電池スタックCSAを循環することで暖められ、この暖められた空気が空気マニホールドAMに排出される。空気マニホールドAMは、この暖められた空気を熱交換器HEXに供給する。   The air manifold AM supplies the air supplied from the blower B to the fuel cell stack CSA. This air is warmed by circulating through the fuel cell stack CSA, and this warmed air is discharged to the air manifold AM. The air manifold AM supplies this warmed air to the heat exchanger HEX.

燃料ガスマニホールドGMは、改質器FPSから供給された改質ガスを燃料電池スタックCSAに供給する。この改質ガスは、燃料電池スタックCSAを循環した後に、燃料ガスマニホールドGMに排気ガスとして排出される。燃料ガスマニホールドGMはこの排気ガスを熱交換器HEXに供給する。   The fuel gas manifold GM supplies the reformed gas supplied from the reformer FPS to the fuel cell stack CSA. The reformed gas is circulated through the fuel cell stack CSA and then discharged as exhaust gas to the fuel gas manifold GM. The fuel gas manifold GM supplies this exhaust gas to the heat exchanger HEX.

燃料電池スタックCSAは、燃料電池セルとセパレータを交互に積層し、一体化させたものである。燃料電池スタックCSAは、供給された空気と改質ガスとを用いて、電気化学反応で発電する。燃料電池スタックCSAは、電気化学反応で得た直流電力をAC/DCインバータINVへ供給する。   The fuel cell stack CSA is formed by alternately stacking fuel cells and separators. The fuel cell stack CSA generates electric power by an electrochemical reaction using the supplied air and the reformed gas. The fuel cell stack CSA supplies DC power obtained by the electrochemical reaction to the AC / DC inverter INV.

燃料電池スタックCSAの外部から燃料電池スタックCSAに流入した冷却水は、燃料電池スタックCSAでの電気化学反応による発熱を吸収し、高温となって燃料電池スタックCSAから排出され、熱交換器23に流入する。   The cooling water that has flowed into the fuel cell stack CSA from the outside of the fuel cell stack CSA absorbs heat generated by the electrochemical reaction in the fuel cell stack CSA, becomes hot, and is discharged from the fuel cell stack CSA. Inflow.

熱交換器HEXの外部から熱交換器HEXに流入した2次冷却水は、熱交換器HEXで、燃料電池スタックCSAから流入した高温の冷却水によって加熱されて温水となって熱交換器HEXから熱交換器HEXの外部へ排出される。   The secondary cooling water that has flowed into the heat exchanger HEX from the outside of the heat exchanger HEX is heated by the high-temperature cooling water that has flowed from the fuel cell stack CSA in the heat exchanger HEX, and becomes hot water from the heat exchanger HEX. It is discharged outside the heat exchanger HEX.

AC/DCインバータINVは、燃料電池スタックCSAから供給された直流電力を交流電力に変換し、この交流電力をAC/DCインバータINVの外部に出力する。   The AC / DC inverter INV converts the DC power supplied from the fuel cell stack CSA into AC power, and outputs this AC power to the outside of the AC / DC inverter INV.

制御部CONは、ブロワB、改質器FPS及び燃料電池スタックCSAを制御する。具体的には例えば、制御部CONは、ブロワBの動かし始めるタイミングと回転数を制御する。また制御部CONは、改質器の温度を制御する。例えば、制御部CONは、起動時に改質器FPSの温度を上昇させ、その後に、改質器FPSの温度を所定の温度に維持する。また例えば、制御部CONは、異常な温度を検知した場合、改質器FPSを停止させる。   The control unit CON controls the blower B, the reformer FPS, and the fuel cell stack CSA. Specifically, for example, the control unit CON controls the timing at which the blower B starts to move and the rotational speed. Further, the control unit CON controls the temperature of the reformer. For example, the controller CON raises the temperature of the reformer FPS at the time of startup, and thereafter maintains the temperature of the reformer FPS at a predetermined temperature. Further, for example, when the controller CON detects an abnormal temperature, the controller CON stops the reformer FPS.

また例えば、制御部CONは、燃料電池スタックCSAによる発電の電圧を監視して、異常があったら燃料電池スタックCSAを停止させる。また例えば、制御部CONは、家庭の電力需要に応じて、燃料電池スタックCSAが出力する直流電力を変更するよう燃料電池スタックCSAを制御する。   Further, for example, the control unit CON monitors the voltage of power generation by the fuel cell stack CSA, and stops the fuel cell stack CSA if there is an abnormality. In addition, for example, the control unit CON controls the fuel cell stack CSA so as to change the DC power output from the fuel cell stack CSA in accordance with household electric power demand.

続いて、本実施形態に係るクロスリークの検知方法について図2及び図3を参照しつつ説明する。このクロスリークの検知方法は、例えば定期点検時に用いられる。   Next, a cross leak detection method according to this embodiment will be described with reference to FIGS. This cross leak detection method is used, for example, during periodic inspection.

図2は、通常時の空気供給配管AP1及び空気排気配管AP2の接続態様を示す図である。図2に示すように、燃料電池スタックCSAは、第1のエンドプレートEF1と、第2のエンドプレートEF2と、第1のエンドプレートEF1と第2のエンドプレートEF2に挟まれた燃料電池セルC−1、…、C−N(Nは正の整数)までのN個の燃料電池セルC−i(iは1からNまでの整数)とを備える。空気マニホールドAMは、空気を通す第1の空気口AI及び空気を通す第2の空気口AOを備える。空気供給配管AP1は、第1の空気口AIに接続され、空気排気配管AP2は第2の空気口AOに接続されている。これにより、ブロワBから排出された空気が第1の空気口AIを介して空気マニホールドAMに供給され、空気マニホールドAMから排出された空気が第2の空気口AOを介して熱交換器HEXに排出される。   FIG. 2 is a diagram illustrating a connection mode of the air supply pipe AP1 and the air exhaust pipe AP2 in a normal state. As shown in FIG. 2, the fuel cell stack CSA includes a first end plate EF1, a second end plate EF2, and a fuel cell C sandwiched between the first end plate EF1 and the second end plate EF2. -1,..., C-N (N is a positive integer), N fuel cells C-i (i is an integer from 1 to N). The air manifold AM includes a first air port AI through which air passes and a second air port AO through which air passes. The air supply pipe AP1 is connected to the first air port AI, and the air exhaust pipe AP2 is connected to the second air port AO. Thereby, the air discharged from the blower B is supplied to the air manifold AM via the first air port AI, and the air discharged from the air manifold AM is supplied to the heat exchanger HEX via the second air port AO. Discharged.

まず、例えば、図2に示す通常時の空気供給配管AP1及び空気排気配管AP2の接続態様のときに、改質ガス及び空気を燃料電池スタックCSAに供給し且つ燃料電池スタックCSAの外部への電力供給を停止した状態で、燃料電池スタックCSAの第1の開回路電圧V1を測定する。ここで、開回路電圧(OCV:Open Circuit Voltage)は、燃料電池スタックCSAに電気抵抗が接続されていない状態で、改質ガス及び空気が供給されたときの、各燃料電池セルのアノードとカソード間の電圧値の和である。   First, for example, when the normal air supply pipe AP1 and the air exhaust pipe AP2 are connected as shown in FIG. 2, the reformed gas and air are supplied to the fuel cell stack CSA and the electric power to the outside of the fuel cell stack CSA. With the supply stopped, the first open circuit voltage V1 of the fuel cell stack CSA is measured. Here, the open circuit voltage (OCV) is the anode and cathode of each fuel cell when the reformed gas and air are supplied without electrical resistance being connected to the fuel cell stack CSA. It is the sum of voltage values between.

次に、図3に示すように、燃料電池スタックCSAに接続された空気供給配管AP1と空気排気配管AP2とを互いに付け替える。
図3は、付け替え後の空気供給配管及び空気排気配管の接続態様を示す図である。図3に示すように、図2とは異なり、空気供給配管AP1が第2の空気口AOに接続され、空気排気配管AP2は第1の空気口AIに接続されている。これにより、ブロワBからの空気が第2の空気口AOを介して空気マニホールドAMに供給され、空気マニホールドAMからの空気が第1の空気口AIを介して熱交換器HEXに排出される。
Next, as shown in FIG. 3, the air supply pipe AP1 and the air exhaust pipe AP2 connected to the fuel cell stack CSA are replaced with each other.
FIG. 3 is a diagram illustrating a connection mode of the air supply pipe and the air exhaust pipe after replacement. As shown in FIG. 3, unlike FIG. 2, the air supply pipe AP1 is connected to the second air port AO, and the air exhaust pipe AP2 is connected to the first air port AI. Thereby, the air from the blower B is supplied to the air manifold AM via the second air port AO, and the air from the air manifold AM is discharged to the heat exchanger HEX via the first air port AI.

次に、付け替えた状態、且つ改質ガス及び空気を燃料電池スタックCSAに供給し且つ燃料電池スタックCSAの外部への電力供給を停止した状態で、燃料電池スタックCSAの第2の開回路電圧V2を測定する。   Next, the second open circuit voltage V2 of the fuel cell stack CSA in a state where the fuel cell stack CSA is supplied and the reformed gas and air are supplied to the fuel cell stack CSA and the power supply to the outside of the fuel cell stack CSA is stopped. Measure.

次に、第1の開回路電圧V1と第2の開回路電圧V2との間の電圧差ΔVに基づいて、燃料電池スタックCSAに関する診断を実行する。この診断の対象は、例えば、燃料電池スタックCSAの劣化状態、安全性または運転継続の可否である。本実施形態では、この燃料電池スタックCSAの劣化状態の一例として、燃料電池スタックCSAを構成する燃料電池セルC−iに含まれる電解質膜の劣化状態を診断対象とする。   Next, a diagnosis relating to the fuel cell stack CSA is executed based on the voltage difference ΔV between the first open circuit voltage V1 and the second open circuit voltage V2. The object of this diagnosis is, for example, the deterioration state of the fuel cell stack CSA, safety, or whether the operation can be continued. In this embodiment, as an example of the deterioration state of the fuel cell stack CSA, the deterioration state of the electrolyte membrane included in the fuel cell C-i constituting the fuel cell stack CSA is set as a diagnosis target.

電解質膜が乾燥状態にあると、電解質膜の劣化が加速的に進行する。燃料電池内では、電気化学反応によって水が生成される。この水は、カソード表面に塗られた触媒で生成されるため、電解質膜を加湿する働きがある。従って、燃料電池セル内の空気入口付近が、生成される水による加湿が一番少ないため、乾燥し易い領域となる。   When the electrolyte membrane is in a dry state, the deterioration of the electrolyte membrane is accelerated. In the fuel cell, water is generated by an electrochemical reaction. Since this water is generated by the catalyst applied to the cathode surface, it functions to humidify the electrolyte membrane. Therefore, the vicinity of the air inlet in the fuel cell is an area that is easy to dry because the humidification by the generated water is the least.

このように燃料電池セル内の空気入口付近が乾燥し易い領域であるため、膜劣化が進行しやすい。アノードに供給される改質ガス中の水素濃度は概ね70%以上であるのに対し、カソードに供給される空気中の酸素濃度は21%である。水を生成する際に酸素と水素が1:2のモル比で反応するため、改質ガスの流量よりも空気の流量の方が多い。このため、燃料電池セルC−i内の改質ガス入口付近の領域よりも、燃料電池セルC−i内の空気入口付近の領域の方が、乾燥によって電解質膜の劣化が進行する。   Thus, since the vicinity of the air inlet in the fuel battery cell is an area that is easily dried, film deterioration is likely to proceed. The hydrogen concentration in the reformed gas supplied to the anode is approximately 70% or more, whereas the oxygen concentration in the air supplied to the cathode is 21%. Since oxygen and hydrogen react at a molar ratio of 1: 2 when generating water, the flow rate of air is greater than the flow rate of reformed gas. For this reason, the electrolyte membrane is more deteriorated by drying in the region near the air inlet in the fuel cell C-i than in the region near the reformed gas inlet in the fuel cell C-i.

図4は、通常運転時において、セパレータ1内の空気の流れ方向を示す図である。燃料電池セルC−iに含まれるセパレータ1は、空気が通るガス溝2−1、2−2、2−3を有する。電解質膜の両面に対して触媒が塗られており、反応領域3は、この触媒が塗られている範囲である。図4に示す膜劣化領域4で電解質膜の劣化が進行すると、この膜劣化領域4から、水素がカソードに漏れて反応することでOCVが低下する。   FIG. 4 is a diagram showing the direction of air flow in the separator 1 during normal operation. The separator 1 included in the fuel battery cell Ci includes gas grooves 2-1, 2-2, and 2-3 through which air passes. A catalyst is applied to both surfaces of the electrolyte membrane, and the reaction region 3 is a range where this catalyst is applied. When the deterioration of the electrolyte membrane progresses in the membrane degradation region 4 shown in FIG. 4, the OCV decreases due to hydrogen leaking from the membrane degradation region 4 to react with the cathode.

図5は、空気供給配管AP1と空気排気配管AP2とを付け替えた状態において、セパレータ1内の空気の流れ方向を示す図である。空気の流れ方向を逆にすると、図5に示すように膜劣化領域4が空気流路の出口付近になる。   FIG. 5 is a diagram showing the flow direction of air in the separator 1 in a state where the air supply pipe AP1 and the air exhaust pipe AP2 are replaced. When the air flow direction is reversed, the film deterioration region 4 is near the outlet of the air flow path as shown in FIG.

このとき、膜劣化領域4からカソードに漏れた水素はそのまま燃料電池スタックCSA外に排出されるため、OCVの低下は限定的である。従って、電解質膜の空気入口にクロスリークがある場合、第1の開回路電圧V1と第2の開回路電圧V2との間の電圧差ΔVが生じる。   At this time, the hydrogen leaking from the membrane degradation region 4 to the cathode is directly discharged out of the fuel cell stack CSA, so that the reduction in OCV is limited. Therefore, when there is a cross leak at the air inlet of the electrolyte membrane, a voltage difference ΔV between the first open circuit voltage V1 and the second open circuit voltage V2 occurs.

この電圧差ΔVの値は、燃料電池スタックに含まれるセルの数で決まるため、一例として、この電圧差ΔVをセルの数で割った値を診断に用いる。   Since the value of the voltage difference ΔV is determined by the number of cells included in the fuel cell stack, as an example, a value obtained by dividing the voltage difference ΔV by the number of cells is used for diagnosis.

一般的に、OCVが0.95V以上の場合、安全に運転が可能な範囲といえる。逆に、OCVが0.95V未満の場合、クロスリークが始まっている可能性が高い。この値は、空気の流れ方向を逆にしたときのOCV差で0.03〜0.05V/セルに相当する。燃料電池スタックCSAの電圧から、単燃料電池セルでの変化を推定するときには、クロスリークしているセルの数も問題になる。一般に、クロスリークの原因が運転による経時劣化である場合には、複数のセルでクロスリークが進行する。その進行度合いはセル毎にばらつきを持つため、全セルでクロスリークが進行することは考えにくい。そこで、例えば、全体のセルのうち1/5〜1/3のセルでクロスリークが発生していることを検知するために、予め設定された設定値を0.01(=0.03/3)Vとする。   Generally, when the OCV is 0.95 V or more, it can be said that it is within a range where safe operation is possible. Conversely, if the OCV is less than 0.95V, there is a high possibility that a cross leak has started. This value corresponds to 0.03 to 0.05 V / cell in terms of the OCV difference when the air flow direction is reversed. When estimating a change in a single fuel cell from the voltage of the fuel cell stack CSA, the number of cells that are cross leaking also becomes a problem. In general, when the cause of cross leak is deterioration with time due to operation, cross leak proceeds in a plurality of cells. Since the degree of progress varies from cell to cell, it is unlikely that cross leakage will progress in all cells. Therefore, for example, in order to detect that a cross leak has occurred in 1/5 to 1/3 of all the cells, a preset set value is set to 0.01 (= 0.03 / 3). ) V.

そして、本実施形態では、一例として、第1の開回路電圧V1と第2の開回路電圧V2との間の電圧差ΔVを、燃料電池スタックCSAを構成する燃料電池セルC−iの数(以下、セル数ともいう)Nで割った値ΔV/Nが、予め設定された設定値(例えば、0.01V)以上であった場合、電解質膜でクロスリークが発生していると判断する。   In the present embodiment, as an example, the voltage difference ΔV between the first open circuit voltage V1 and the second open circuit voltage V2 is calculated from the number of fuel cell cells C-i constituting the fuel cell stack CSA ( When the value ΔV / N divided by N (hereinafter also referred to as the number of cells) is a preset value (for example, 0.01 V) or more, it is determined that a cross leak has occurred in the electrolyte membrane.

続いて、本実施形態における燃料電池スタックの運転方法について説明する。クロスリークが進行すると、OCVが顕著に低下する。一般的にOCVが0.9V以下になるような場合には、クロスリーク量が多いために、燃料電池スタックの安全な運転に支障をきたす。そのため、上記の診断方法を適用することで、不安全な状態での運転を回避する必要がある。OCVが0.9V以下になる場合、OCV差で0.08〜0.1V/セルに相当する。クロスリークしているセル数を勘案して、電圧差ΔVをセル数で割った値が、0.03V以上となった場合には、顕著なクロスリークが生じていると判断し、燃料電池スタックの運転を停止する。   Subsequently, a method of operating the fuel cell stack in the present embodiment will be described. As the cross leak progresses, the OCV significantly decreases. In general, when the OCV is 0.9 V or less, the amount of cross leakage is large, which hinders safe operation of the fuel cell stack. Therefore, it is necessary to avoid driving in an unsafe state by applying the above diagnostic method. When the OCV is 0.9 V or less, the OCV difference corresponds to 0.08 to 0.1 V / cell. Considering the number of cells that are cross leaking, if the value obtained by dividing the voltage difference ΔV by the number of cells is 0.03 V or more, it is determined that a significant cross leak has occurred, and the fuel cell stack Stop driving.

このように、第1の開回路電圧V1と第2の開回路電圧V2との間の電圧差を、燃料電池スタックCSAを構成する燃料電池セルの数で割った値が、予め決められた設定値(ここでは一例として0.03V)以上であった場合、燃料電池スタックCSAを含む燃料電池システムSYS1の運転を停止する。   Thus, the value obtained by dividing the voltage difference between the first open circuit voltage V1 and the second open circuit voltage V2 by the number of fuel cells constituting the fuel cell stack CSA is a predetermined setting. When it is equal to or higher than the value (here, 0.03V as an example), the operation of the fuel cell system SYS1 including the fuel cell stack CSA is stopped.

電圧差ΔVをセル数Nで割った値ΔV/Nが、0.01V以上0.03V未満の場合、空気供給配管AP1と空気排気配管AP2とを付け替えた状態のままで、運転を再開し継続する。このとき、膜劣化領域が空気流路の出口側にあたるため、膜劣化の進行が抑えられる。更に、乾燥し易い空気流路の入口側は、膜劣化していない領域に入れ替わるため、クロスリーク量が抑えられ、燃料電池システムSYS1の運転を継続することができる。   When the value ΔV / N obtained by dividing the voltage difference ΔV by the number of cells N is 0.01 V or more and less than 0.03 V, the operation is resumed with the air supply pipe AP1 and the air exhaust pipe AP2 being replaced. To do. At this time, since the film deterioration region corresponds to the outlet side of the air flow path, the progress of the film deterioration is suppressed. Furthermore, since the inlet side of the air flow path which is easy to dry is replaced with a region where the film is not deteriorated, the amount of cross leak can be suppressed and the operation of the fuel cell system SYS1 can be continued.

このように、本実施形態に係る燃料電池スタックの運転方法では、電圧差ΔVを燃料電池セルの数Nで割った値が、上記設定値(例えば、0.03V)より低い第2の設定値(例えば、0.01V)以上且つ上記設定値(例えば、0.03V)未満である場合、空気供給配管AP1と空気排気配管AP2とを付け替えた状態で、燃料電池スタックの運転を継続する。   Thus, in the operation method of the fuel cell stack according to the present embodiment, the second set value in which the value obtained by dividing the voltage difference ΔV by the number N of fuel cells is lower than the set value (for example, 0.03 V). When it is equal to or higher than (for example, 0.01 V) and lower than the set value (for example, 0.03 V), the operation of the fuel cell stack is continued with the air supply pipe AP1 and the air exhaust pipe AP2 replaced.

図6は、電解質膜の空気入口付近に貫通孔を設けた6台の燃料電池スタックCSAにおいて、規格化クロスリーク量と、電圧差ΔVをセル数で割った値ΔV/Nとの関係を示す図である。規格化クロスリーク量は、アノードを保圧したときにカソードから流出する改質ガス量を、運転可能な最大許容クロスリーク量を1として規格化したものである。ここで運転可能な許容クロスリーク量は、通常の発電量の90%になるときのクロスリーク量である。   FIG. 6 shows the relationship between the normalized cross leak amount and the value ΔV / N obtained by dividing the voltage difference ΔV by the number of cells in six fuel cell stacks CSA provided with through holes in the vicinity of the air inlet of the electrolyte membrane. FIG. The standardized cross leak amount is obtained by standardizing the amount of reformed gas flowing out from the cathode when the anode is held, with the maximum allowable cross leak amount being operable being set to 1. The permissible cross leak amount that can be operated here is the cross leak amount when it becomes 90% of the normal power generation amount.

規格化クロスリーク量の少ないスタック1及びスタック2では、電圧差ΔVをセル数Nで割った値ΔV/N(以下、セルあたりの電圧差ともいう)が10mV未満であるため、安全な運転に支障なしと判定する。   In stack 1 and stack 2 with a small amount of standardized cross leakage, a value ΔV / N (hereinafter also referred to as a voltage difference per cell) obtained by dividing the voltage difference ΔV by the number of cells N is less than 10 mV. It is determined that there is no hindrance.

一方、同程度の規格化クロスリーク量であっても、更に膜劣化が進行しているスタック3及びスタック4では、セルあたりの電圧差が10mV以上であるため、クロスリーク発生と判定する。   On the other hand, even if the normalized cross leak amount is about the same, in the stack 3 and the stack 4 where the film deterioration is further progressing, since the voltage difference per cell is 10 mV or more, it is determined that the cross leak occurs.

スタック1とスタック3とを比較すると、貫通孔が同程度で、アノードを保圧したときの規格化クロスリーク量が同等であっても、貫通孔に至らない薄膜化などの膜劣化が進行すると、第1の開回路電圧V1が更に低下して、セルあたりの電圧差が大きくなる。ここで水素は、電気化学反応時に、電気化学反応の際の電流とともに電解質膜から多少漏れ出るが、薄膜化するとその漏れ出る量が多くなる。この漏れ出る量が多くなる分だけ、第1の開回路電圧V1が更に低下して、セルあたりの電圧差が大きくなる。   When the stack 1 and the stack 3 are compared, even if the through-holes are about the same and the normalized cross leak amount when holding the anode is equal, film deterioration such as thinning that does not reach the through-holes proceeds. The first open circuit voltage V1 further decreases, and the voltage difference per cell increases. Here, hydrogen leaks somewhat from the electrolyte membrane during the electrochemical reaction together with the current during the electrochemical reaction, but the amount of leakage increases when the film is thinned. As the leakage amount increases, the first open circuit voltage V1 further decreases, and the voltage difference per cell increases.

図6に示す保圧したときの規格化クロスリーク量を計測したときには、電気化学反応を起こしていないので、電気化学反応時に、薄膜化した電解質膜から漏れ出るクロスリーク量は含まれていない。よって、電気化学反応を起こす実際の運転時には、スタック1よりセルあたりの電圧差が大きいスタック3の方が、実際のクロスリーク量が大きい。   When the normalized cross leak amount at the time of holding pressure shown in FIG. 6 is measured, since no electrochemical reaction has occurred, the cross leak amount that leaks from the thinned electrolyte membrane during the electrochemical reaction is not included. Therefore, during actual operation that causes an electrochemical reaction, the stack 3 having a larger voltage difference per cell than the stack 1 has a larger actual cross leak amount.

スタック3とスタック4の場合、空気供給配管AP1と空気排気配管AP2とを付け替えた状態で、燃料電池スタックCSAの運転を継続する。   In the case of the stack 3 and the stack 4, the operation of the fuel cell stack CSA is continued with the air supply pipe AP1 and the air exhaust pipe AP2 replaced.

また、規格化クロスリーク量が運転可能な最大許容クロスリーク量以上であるスタック5及びスタック6については、セルあたりの電圧差が30mV以上であるため、燃料電池スタックCSAの安全運転は困難であると判定する。このような場合、燃料電池スタックCSAの運転を停止し、燃料電池スタックCSAを交換する。   In addition, since the voltage difference per cell is 30 mV or more for the stack 5 and the stack 6 in which the normalized cross leak amount is equal to or greater than the maximum allowable cross leak amount, it is difficult to safely operate the fuel cell stack CSA. Is determined. In such a case, the operation of the fuel cell stack CSA is stopped and the fuel cell stack CSA is replaced.

第1の実施形態における燃料電池スタックCSAの診断は、定期的なメンテナンス時に行うことを想定し、人為的な作業で配管の入れ替えを行えるように、空気供給配管AP1と空気排気配管AP2とを付け替え可能であるように構成されている。よって、空気供給配管AP1と空気排気配管AP2との付け替えを容易にするため、配管が容易に曲がる素材で作られていることが好ましい。その一例として、配管は、テフロン(登録商標)チューブ、またはゴムチューブなどの樹脂製のチューブである。   The diagnosis of the fuel cell stack CSA in the first embodiment is assumed to be performed during regular maintenance, and the air supply pipe AP1 and the air exhaust pipe AP2 are replaced so that the pipes can be replaced manually. It is configured to be possible. Therefore, in order to facilitate replacement of the air supply pipe AP1 and the air exhaust pipe AP2, it is preferable that the pipe is made of a material that can be easily bent. As an example, the piping is a resin tube such as a Teflon (registered trademark) tube or a rubber tube.

更に、空気供給配管AP1と空気排気配管AP2とは、互いに配管径が同一であることが好ましい。これにより、互いに付け替える際に、空気供給配管AP1の出口の径を第2の空気口AOの径に合わせる調整が必要なく、また空気排気配管AP2の入口の径を第1の空気口AIの径に合わせる調整が必要ないので、配管の付け替え作業を容易にすることができる。   Furthermore, it is preferable that the air supply pipe AP1 and the air exhaust pipe AP2 have the same pipe diameter. This eliminates the need to adjust the diameter of the outlet of the air supply pipe AP1 to the diameter of the second air port AO when replacing each other, and the diameter of the inlet of the air exhaust pipe AP2 is the diameter of the first air port AI. Since it is not necessary to make adjustments to match the pipes, it is possible to facilitate the replacement work of the piping.

以上、第1の実施形態において、定期点検後、そのまま何もせずに継続運転可能な燃料電池スタックCSAは、水素ガス及び空気を当該燃料電池スタックCSAに供給し且つ燃料電池スタックCSAの外部への電力供給を停止した状態で測定される当該燃料電池スタックCSAの第1の開回路電圧V1と、当該燃料電池スタックCSAに接続された空気供給配管AP1と空気排気配管AP2とを付け替えた状態で測定された燃料電池スタックの第2の開回路電圧V2との間の電圧差ΔVを燃料電池セルの数Nで割った値ΔV/Nが、予め設定された設定値(例えば、10mV)未満である。   As described above, in the first embodiment, the fuel cell stack CSA that can be continuously operated without doing anything after the periodic inspection supplies the hydrogen gas and air to the fuel cell stack CSA and supplies the fuel cell stack CSA to the outside. Measured with the first open circuit voltage V1 of the fuel cell stack CSA measured with the power supply stopped and the air supply pipe AP1 and the air exhaust pipe AP2 connected to the fuel cell stack CSA. The value ΔV / N obtained by dividing the voltage difference ΔV with respect to the second open circuit voltage V2 of the prepared fuel cell stack by the number N of fuel cells is less than a preset set value (for example, 10 mV) .

これによれば、クロスリーク量を抑えられているので、燃料電池の性能を維持しつつ燃料電池スタックCSAを安全に運転することができる。   According to this, since the cross leak amount is suppressed, the fuel cell stack CSA can be safely operated while maintaining the performance of the fuel cell.

また、第1の実施形態に係る燃料電池スタックの診断方法は、複数の燃料電池セルが積層された燃料電池スタックCSAに改質ガス及び空気を供給し且つ燃料電池スタックCSAの外部への電力供給を停止した状態で、燃料電池スタックCSAの第1の開回路電圧V1を測定する工程と、燃料電池スタックCSAに接続された空気供給配管AP1と空気排気配管AP2とを互いに付け替える工程と、前記付け替えた状態、且つ改質ガス及び空気を燃料電池スタックCSAに供給し且つ燃料電池スタックCSAの外部への電力供給を停止した状態で、燃料電池スタックCSAの第2の開回路電圧を測定する工程と、第1の開回路電圧V1と第2の開回路電圧V2との間の電圧差に基づいて、燃料電池スタックに関する診断を実行する工程と、を有する。   Further, the fuel cell stack diagnosis method according to the first embodiment supplies the reformed gas and air to the fuel cell stack CSA in which a plurality of fuel cells are stacked, and supplies power to the outside of the fuel cell stack CSA. The first open circuit voltage V1 of the fuel cell stack CSA, the step of replacing the air supply pipe AP1 and the air exhaust pipe AP2 connected to the fuel cell stack CSA, and the replacement Measuring the second open circuit voltage of the fuel cell stack CSA in a state where the reformed gas and air are supplied to the fuel cell stack CSA and the power supply to the outside of the fuel cell stack CSA is stopped. Performing a diagnosis on the fuel cell stack based on a voltage difference between the first open circuit voltage V1 and the second open circuit voltage V2. To.

これによれば、このような単純な作業で燃料電池スタックを診断できるので、燃料電池スタックに関する診断を容易にすることができる。   According to this, since the fuel cell stack can be diagnosed with such a simple operation, diagnosis relating to the fuel cell stack can be facilitated.

また、第1の実施形態に係る燃料電池スタックの運転方法は、改質ガス及び空気を燃料電池スタックCSAに供給し且つ燃料電池スタックCSAの外部への電力供給を停止した状態で、前記燃料電池スタックの第1の開回路電圧V1を測定する工程と、燃料電池スタックCSAに接続された空気供給配管と空気排気配管とを互いに付け替える工程と、前記付け替えた状態、且つ改質ガス及び空気を燃料電池スタックCSAに供給し且つ燃料電池スタックCSAの外部への電力供給を停止した状態で、燃料電池スタックCSAの第2の開回路電圧V2を測定する工程と、第1の開回路電圧V1と第2の開回路電圧V2との間の電圧差ΔVを、燃料電池スタックCSAを構成する燃料電池セルの数で割った値が、予め決められた設定値以上であった場合、燃料電池スタックCSAを含む燃料電池スタックCSAの運転を停止する工程と、を有する。   The fuel cell stack operating method according to the first embodiment is the fuel cell stack in a state where the reformed gas and air are supplied to the fuel cell stack CSA and the power supply to the outside of the fuel cell stack CSA is stopped. A step of measuring the first open circuit voltage V1 of the stack, a step of replacing the air supply pipe and the air exhaust pipe connected to the fuel cell stack CSA, the state of the replacement, and the reformed gas and air as fuel A step of measuring the second open circuit voltage V2 of the fuel cell stack CSA in a state in which power is supplied to the battery stack CSA and the power supply to the outside of the fuel cell stack CSA is stopped; The value obtained by dividing the voltage difference ΔV between the two open circuit voltages V2 by the number of fuel cells constituting the fuel cell stack CSA is greater than or equal to a predetermined set value. If, and a step of stopping the operation of the fuel cell stack CSA including the fuel cell stack CSA, the.

これによれば、クロスリーク量が大きくなった場合に、燃料電池スタックCSAの運転を停止して必要以上に水素と酸素が混ざるのを防止することができるので、燃料電池の安全性を向上させることができる。   According to this, when the amount of cross leak becomes large, it is possible to stop the operation of the fuel cell stack CSA and prevent the hydrogen and oxygen from being mixed more than necessary, thereby improving the safety of the fuel cell. be able to.

(第2の実施形態)
続いて、第2の実施形態について説明する。第1の実施形態では人為的に空気供給配管と空気排気配管とを互いに付け替えることで、燃料電池セル内で空気の流れる方向を反対にした。それに対し、第2の実施形態では、燃料電池システムが、ブロワからの空気の出力先を切り替えることで、燃料電池セル内で空気の流れる方向を反対にする。
(Second Embodiment)
Next, the second embodiment will be described. In the first embodiment, the air supply pipe and the air exhaust pipe are artificially replaced with each other, thereby reversing the air flow direction in the fuel cell. On the other hand, in the second embodiment, the fuel cell system switches the output destination of the air from the blower, thereby reversing the direction of air flow in the fuel cell.

図7は、第2の実施形態における燃料電池システムSYS2の構成と、ブロワBからの空気の出力先の切替前の動作を示す概略ブロック図である。なお、図1と共通する要素には同一の符号を付し、その具体的な説明を省略する。第2の実施形態における燃料電池システムSYS2の構成は、第1の実施形態における燃料電池システムSYS1の構成に対して、切替部SW1が追加されたものになっている。   FIG. 7 is a schematic block diagram showing the configuration of the fuel cell system SYS2 in the second embodiment and the operation before switching the air output destination from the blower B. Elements common to those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted. The configuration of the fuel cell system SYS2 in the second embodiment is such that a switching unit SW1 is added to the configuration of the fuel cell system SYS1 in the first embodiment.

切替部SW1は、燃料電池セルC−iに供給される空気の流れる方向を切り替える。制御部CONは、第1の実施形態の制御部CONの機能に加えて、切替部SW1を制御する。空気マニホールドAMは、第1の実施形態と同様に、第1の空気口AIと第2の空気口AOとを有する。   The switching unit SW1 switches the direction in which the air supplied to the fuel battery cell Ci flows. The control unit CON controls the switching unit SW1 in addition to the function of the control unit CON of the first embodiment. The air manifold AM has a first air port AI and a second air port AO, as in the first embodiment.

続いて、本実施形態における燃料電池システムSYS2の動作について図7及び図8を用いて説明する。図8は、第2の実施形態における、ブロワBからの空気の出力先の切替後の燃料電池システムSYS2の動作を示す概略ブロック図である。   Next, the operation of the fuel cell system SYS2 in the present embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 8 is a schematic block diagram showing the operation of the fuel cell system SYS2 after switching the output destination of the air from the blower B in the second embodiment.

図7に示すように、ブロワBからの空気の出力先の切替前において、切替部SW1は、ブロワBから流入した空気を空気マニホールドAMの不図示の第1の空気口AIへ排出し、空気マニホールドAMの不図示の第2の空気口AOから流入した空気を熱交換器HEXへ排出する。   As shown in FIG. 7, before switching the air output destination from the blower B, the switching unit SW1 discharges the air flowing from the blower B to a first air port AI (not shown) of the air manifold AM, The air flowing in from the second air port AO (not shown) of the manifold AM is discharged to the heat exchanger HEX.

その状態で、制御部CONは、改質ガス及び空気を燃料電池スタックCSAに供給し且つ燃料電池スタックCSAの外部への電力供給を停止した状態で、燃料電池スタックCSAの第1の開回路電圧V1を測定する。   In this state, the control unit CON supplies the reformed gas and air to the fuel cell stack CSA and stops supplying power to the outside of the fuel cell stack CSA, and then the first open circuit voltage of the fuel cell stack CSA. V1 is measured.

次に、制御部CONは、燃料電池セルC−iそれぞれに流れる空気の方向が反対になるよう切替部SW1を制御する。制御部CONからの制御を受けて、切替部SW1は、図8に示すように、ブロワBから流入した空気を空気マニホールドAMの不図示の第2の空気口AOへ排出し、空気マニホールドAMの不図示の第1の空気口AIから流入した空気を熱交換器HEXへ排出する。   Next, the control unit CON controls the switching unit SW1 so that the direction of the air flowing through each of the fuel cells C-i is opposite. Under the control of the control unit CON, the switching unit SW1 discharges the air flowing from the blower B to a second air port AO (not shown) of the air manifold AM as shown in FIG. Air that flows in from a first air port AI (not shown) is discharged to the heat exchanger HEX.

制御部CONは、上記空気の流れる方向を反対にした状態、且つ改質ガス及び空気を燃料電池スタックCSAに供給し且つ燃料電池スタックCSAの外部への電力供給を停止した状態で、燃料電池スタックCSAの第2の開回路電圧V2を測定する。   The control unit CON has the fuel cell stack in a state where the air flow direction is reversed, the reformed gas and air are supplied to the fuel cell stack CSA, and the power supply to the outside of the fuel cell stack CSA is stopped. A second open circuit voltage V2 of the CSA is measured.

そして、制御部CONは、第1の開回路電圧V1と第2の開回路電圧V1との間の電圧差ΔVを、燃料電池スタックCSAを構成する燃料電池セルの数Nで割った値ΔV/Nが、予め決められた設定値(例えば、0.03V)以上であった場合、当該燃料電池システムSYS2の運転を停止する。   Then, the control unit CON obtains a value ΔV / a value obtained by dividing the voltage difference ΔV between the first open circuit voltage V1 and the second open circuit voltage V1 by the number N of fuel cells constituting the fuel cell stack CSA. When N is a preset value (for example, 0.03 V) or more, the operation of the fuel cell system SYS2 is stopped.

以上、第2の実施形態によれば、制御部CONは、第1の開回路電圧V1と第2の開回路電圧V1との間の電圧差ΔVを、燃料電池スタックCSAを構成する燃料電池セルの数Nで割った値ΔV/Nが、予め決められた設定値(例えば、0.03V)以上であった場合、燃料電池スタックCSAの運転を停止する。   As described above, according to the second embodiment, the control unit CON uses the voltage difference ΔV between the first open circuit voltage V1 and the second open circuit voltage V1 as a fuel cell constituting the fuel cell stack CSA. When the value ΔV / N divided by the number N is equal to or greater than a predetermined set value (for example, 0.03 V), the operation of the fuel cell stack CSA is stopped.

これにより、クロスリーク量が大きくなった場合に、燃料電池スタックCSAの運転を停止して必要以上に水素と酸素が混ざるのを防止することができるので、燃料電池の安全性を向上させることができる。   As a result, when the amount of cross leak increases, the operation of the fuel cell stack CSA can be stopped to prevent more hydrogen and oxygen from being mixed than necessary, so that the safety of the fuel cell can be improved. it can.

(第3の実施形態)
続いて、第3の実施形態について説明する。第1の実施形態では、燃料電池スタックに接続された空気供給配管と空気排気配管とを付け替えて、クロスリークの有無を判断した。それに対して、第3の実施形態では、燃料電池スタックに接続されたガス供給配管とガス排気配管とを付け替えて、クロスリークの有無を判断する。
(Third embodiment)
Subsequently, a third embodiment will be described. In the first embodiment, the air supply pipe and the air exhaust pipe connected to the fuel cell stack are replaced to determine the presence or absence of cross leak. On the other hand, in the third embodiment, the gas supply pipe and the gas exhaust pipe connected to the fuel cell stack are switched to determine the presence or absence of cross leak.

燃料電池スタックCSAへ流入する改質ガスは、燃料電池スタックCSAへ流入する空気よりも流量が少ないため、燃料電池セルのガス入口では、燃料電池セルの空気入口よりも乾燥による劣化が進行しにくい。しかし、燃料電池スタックCSAに供給される改質ガスを加湿している場合、燃料電池セルのガス入口における乾燥の進行度合いが変わり、ガス入口において劣化が進行することもある。そこで、第3の実施形態では、燃料電池セル内での改質ガスの流れる方向を変える前と後で開回路電圧を測定し、それらの開回路電圧の差を用いて、クロスリークを判断する。   Since the reformed gas flowing into the fuel cell stack CSA has a smaller flow rate than the air flowing into the fuel cell stack CSA, deterioration due to drying is less likely to proceed at the gas inlet of the fuel cell than at the air inlet of the fuel cell. . However, when the reformed gas supplied to the fuel cell stack CSA is humidified, the degree of progress of drying at the gas inlet of the fuel cell changes, and deterioration may progress at the gas inlet. Therefore, in the third embodiment, the open circuit voltage is measured before and after changing the direction in which the reformed gas flows in the fuel cell, and the cross leak is determined using the difference between the open circuit voltages. .

第3の実施形態の係る燃料電池システムSYS1の構成は、図1に示す第1の実施形態に係る燃料電池システムSYS1の構成と同一であるので、その説明を省略する。   The configuration of the fuel cell system SYS1 according to the third embodiment is the same as the configuration of the fuel cell system SYS1 according to the first embodiment shown in FIG.

続いて、本実施形態に係るクロスリークの検知方法について図9及び図10を参照しつつ説明する。このクロスリークの検知方法は、例えば定期点検時に用いられる。   Next, a cross leak detection method according to this embodiment will be described with reference to FIGS. This cross leak detection method is used, for example, during periodic inspection.

まず、例えば、図9に示す通常時の空気供給配管AP1及び空気排気配管AP2の接続態様のときに、改質ガス及び空気を燃料電池スタックCSAに供給し且つ燃料電池スタックCSAの外部への電力供給を停止した状態で、燃料電池スタックCSAの第1の開回路電圧V1を測定する。   First, for example, when the normal air supply pipe AP1 and the air exhaust pipe AP2 are connected as shown in FIG. 9, the reformed gas and air are supplied to the fuel cell stack CSA and the electric power to the outside of the fuel cell stack CSA. With the supply stopped, the first open circuit voltage V1 of the fuel cell stack CSA is measured.

図9は、第1の開回路電圧V1を測定する際のガス供給配管及びガス排気配管の接続態様を示す図である。なお、図2と共通する要素には同一の符号を付し、その具体的な説明を省略する。燃料ガスマニホールドGMは、改質ガスを通す第1のガス口FI及び排気ガスを通す第2のガス口FOを備える。ガス供給配管GP1は、第1のガス口FIに接続され、ガス排気配管GP2は第2のガス口FOに接続されている。これにより、改質器FPSからの改質ガスが第1のガス口FIを介して燃料ガスマニホールドGMに供給され、燃料ガスマニホールドGMからの排気ガスが第2のガス口FOを介して熱交換器HEXに排出される。   FIG. 9 is a diagram illustrating a connection mode of the gas supply pipe and the gas exhaust pipe when the first open circuit voltage V1 is measured. Elements common to those in FIG. 2 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted. The fuel gas manifold GM includes a first gas port FI through which the reformed gas passes and a second gas port FO through which the exhaust gas passes. The gas supply pipe GP1 is connected to the first gas port FI, and the gas exhaust pipe GP2 is connected to the second gas port FO. Thereby, the reformed gas from the reformer FPS is supplied to the fuel gas manifold GM via the first gas port FI, and the exhaust gas from the fuel gas manifold GM exchanges heat via the second gas port FO. Is discharged to the vessel HEX.

次に、図10に示すように、燃料電池スタックCSAに接続されたガス供給配管GP1とガス排気配管GP2とを互いに付け替える。図10は、付け替え後のガス供給配管GP1及びガス排気配管GP2の接続態様を示す図である。図10に示すように、図9とは異なり、ガス供給配管GP1が第2のガス口FOに接続され、ガス排気配管GP2は第1のガス口FIに接続されている。これにより、改質器FPSから排出された改質ガスが第2のガス口FOを介して燃料ガスマニホールドGMに供給され、燃料ガスマニホールドGMから排出された排気ガスが第1のガス口FIを介して熱交換器HEXに排出される。   Next, as shown in FIG. 10, the gas supply pipe GP1 and the gas exhaust pipe GP2 connected to the fuel cell stack CSA are replaced with each other. FIG. 10 is a diagram illustrating a connection mode of the gas supply pipe GP1 and the gas exhaust pipe GP2 after replacement. As shown in FIG. 10, unlike FIG. 9, the gas supply pipe GP1 is connected to the second gas port FO, and the gas exhaust pipe GP2 is connected to the first gas port FI. As a result, the reformed gas discharged from the reformer FPS is supplied to the fuel gas manifold GM via the second gas port FO, and the exhaust gas discharged from the fuel gas manifold GM passes through the first gas port FI. To the heat exchanger HEX.

次に、上記付け替えた状態、且つ改質ガス及び空気を燃料電池スタックCSAに供給し且つ燃料電池スタックCSAの外部への電力供給を停止した状態で、燃料電池スタックCSAの第2の開回路電圧V2を測定する。   Next, the second open circuit voltage of the fuel cell stack CSA in the state where the replacement is performed, the reformed gas and air are supplied to the fuel cell stack CSA, and the power supply to the outside of the fuel cell stack CSA is stopped. V2 is measured.

次に、第1の開回路電圧V1と第2の開回路電圧V2との間の電圧差ΔVに基づいて、燃料電池スタックCSAに関する診断を実行する。この診断の対象は、燃料電池スタックCSAの劣化状態、安全性または運転継続の可否である。本実施形態では、この燃料電池スタックCSAの劣化状態の一例として、燃料電池スタックCSAを構成する燃料電池セルC−iに含まれる電解質膜の劣化状態を診断対象とする。   Next, a diagnosis relating to the fuel cell stack CSA is executed based on the voltage difference ΔV between the first open circuit voltage V1 and the second open circuit voltage V2. The object of this diagnosis is the deterioration state of the fuel cell stack CSA, safety, or whether or not the operation can be continued. In this embodiment, as an example of the deterioration state of the fuel cell stack CSA, the deterioration state of the electrolyte membrane included in the fuel cell C-i constituting the fuel cell stack CSA is set as a diagnosis target.

続いて、図11及び図12を用いて、セパレータ1内の改質ガスの流れ方向について説明する。図11は、通常運転時において、セパレータ1内の改質ガスの流れ方向を示す図である。燃料電池セルC−iに含まれるセパレータ11は、改質ガスが通るガス溝12−1、12−2、12−3を有する。反応領域13は、この触媒が塗られている範囲である。図11に示す膜劣化領域14で電解質膜の劣化が進行すると、この膜劣化領域4から、水素がカソードに漏れて酸素と反応することでOCVが低下する。   Subsequently, the flow direction of the reformed gas in the separator 1 will be described with reference to FIGS. 11 and 12. FIG. 11 is a diagram illustrating the flow direction of the reformed gas in the separator 1 during normal operation. The separator 11 included in the fuel battery cell Ci includes gas grooves 12-1, 12-2, and 12-3 through which the reformed gas passes. The reaction region 13 is a range where this catalyst is applied. When the degradation of the electrolyte membrane proceeds in the membrane degradation region 14 shown in FIG. 11, the OCV is lowered by hydrogen leaking from the membrane degradation region 4 to the cathode and reacting with oxygen.

図12は、ガス供給配管GP1とガス排気配管GP2とを付け替えた状態において、セパレータ1内の改質ガスの流れ方向を示す図である。改質ガスの流れ方向を逆にすると、図12に示すように膜劣化領域14がガス流路の出口付近になる。   FIG. 12 is a diagram illustrating the flow direction of the reformed gas in the separator 1 in a state where the gas supply pipe GP1 and the gas exhaust pipe GP2 are replaced. When the flow direction of the reformed gas is reversed, the film deterioration region 14 is near the outlet of the gas flow path as shown in FIG.

このとき、膜劣化領域14からカソードに漏れた水素はそのまま燃料電池スタックCSA外に排出されるため、OCVの低下は限定的である。従って、電解質膜のガス入口にクロスリークがある場合、第1の開回路電圧V1と第2の開回路電圧V2との間の電圧差ΔVが生じる。   At this time, since the hydrogen leaked from the membrane deterioration region 14 to the cathode is directly discharged out of the fuel cell stack CSA, the decrease in the OCV is limited. Therefore, when there is a cross leak at the gas inlet of the electrolyte membrane, a voltage difference ΔV between the first open circuit voltage V1 and the second open circuit voltage V2 occurs.

この電圧差ΔVの値は、燃料電池スタックに含まれるセルの数で決まるため、一例として、単セル毎の値を診断に用いる。すなわち、本実施形態では、一例として、電圧差ΔVをセルの数で割った値を診断に用いる。   Since the value of the voltage difference ΔV is determined by the number of cells included in the fuel cell stack, the value for each single cell is used for diagnosis as an example. That is, in this embodiment, as an example, a value obtained by dividing the voltage difference ΔV by the number of cells is used for diagnosis.

このように、本実施形態では、一例として、第1の開回路電圧V1と第2の開回路電圧V2との間の電圧差ΔVを、燃料電池スタックCSAを構成する燃料電池セルの数(以下、セル数ともいう)Nで割った値ΔV/Nが、予め設定された設定値(例えば、0.01V)以上であった場合、電解質膜でクロスリークが発生していると判断する。   As described above, in the present embodiment, as an example, the voltage difference ΔV between the first open circuit voltage V1 and the second open circuit voltage V2 is calculated from the number of fuel cell cells constituting the fuel cell stack CSA (hereinafter referred to as the fuel cell stack CSA). When the value ΔV / N divided by N is equal to or higher than a preset value (for example, 0.01 V), it is determined that a cross leak has occurred in the electrolyte membrane.

また、第1の実施形態と同様に、本実施形態に係る燃料電池システムにおいて、第1の開回路電圧V1と第2の開回路電圧V2との間の電圧差を、燃料電池スタックを構成するセル数で割った値が、予め決められた設定値以上であった場合、燃料電池スタックCSAの運転を停止する。   Further, similarly to the first embodiment, in the fuel cell system according to the present embodiment, the voltage difference between the first open circuit voltage V1 and the second open circuit voltage V2 constitutes the fuel cell stack. If the value divided by the number of cells is equal to or greater than a predetermined set value, the operation of the fuel cell stack CSA is stopped.

また、第1の実施形態と同様に、本実施形態に係る燃料電池スタックの運転方法では、電圧差ΔVを燃料電池セルの数Nで割った値が、上記設定値(例えば、0.03V)より低い第2の設定値(例えば、0.01V)以上且つ上記設定値(例えば、0.03V)未満である場合、ガス供給配管GP1とガス排気配管GP2とを付け替えた状態で、燃料電池スタックCSAの運転を継続する。   Similarly to the first embodiment, in the method for operating the fuel cell stack according to the present embodiment, a value obtained by dividing the voltage difference ΔV by the number N of fuel cells is the set value (for example, 0.03 V). When the lower second set value (for example, 0.01 V) or more and less than the set value (for example, 0.03 V), the fuel cell stack with the gas supply pipe GP1 and the gas exhaust pipe GP2 replaced. Continue CSA operation.

第3の実施形態における燃料電池スタックCSAの診断は、定期的なメンテナンス時に行うことを想定し、人為的な作業で配管の入れ替えを行えるように、ガス供給配管GP1とガス排気配管GP2とを付け替え可能であるように構成されている。よって、ガス供給配管GP1とガス排気配管GP2との付け替えを容易にするため、配管が容易に曲がる素材で作られていることが好ましい。その一例として、配管は、テフロン(登録商標)チューブ、またはゴムチューブなどの樹脂製のチューブである。   The diagnosis of the fuel cell stack CSA in the third embodiment is assumed to be performed during regular maintenance, and the gas supply pipe GP1 and the gas exhaust pipe GP2 are replaced so that the pipes can be replaced manually. It is configured to be possible. Therefore, in order to facilitate replacement of the gas supply pipe GP1 and the gas exhaust pipe GP2, it is preferable that the pipe is made of a material that bends easily. As an example, the piping is a resin tube such as a Teflon (registered trademark) tube or a rubber tube.

更に、ガス供給配管GP1とガス排気配管GP2とは、互いに配管径が同一であることが好ましい。これにより、互いに付け替える際に、ガス供給配管GP1の出口の径を第2の空気口AOの径に合わせる調整が必要なく、またガス排気配管GP2の入口の径を第1の空気口AIの径に合わせる調整が必要ないので、配管の付け替え作業を容易にすることができる。   Furthermore, it is preferable that the gas supply pipe GP1 and the gas exhaust pipe GP2 have the same pipe diameter. This eliminates the need to adjust the diameter of the outlet of the gas supply pipe GP1 to the diameter of the second air port AO when replacing each other, and the diameter of the inlet of the gas exhaust pipe GP2 is the diameter of the first air port AI. Since it is not necessary to make adjustments to match the pipes, it is possible to facilitate the replacement work of the piping.

以上、第3の実施形態において、定期点検後、そのまま何もせずに継続運転可能な燃料電池スタックCSAは、水素ガス及び空気を当該燃料電池スタックCSAに供給し且つ燃料電池スタックCSAの外部への電力供給を停止した状態で測定される当該燃料電池スタックCSAの第1の開回路電圧V1と、前記燃料電池スタックに接続されたガス供給配管とガス排気配管とを付け替えた状態で測定された燃料電池スタックCSAの第2の開回路電圧V2との間の電圧差を燃料電池セルの数Nで割った値ΔV/Nが、予め設定された設定値(例えば、10mV)未満である。   As described above, in the third embodiment, the fuel cell stack CSA that can be continuously operated without doing anything after the periodic inspection supplies the hydrogen gas and air to the fuel cell stack CSA and supplies the fuel cell stack CSA to the outside. Fuel measured in a state where the first open circuit voltage V1 of the fuel cell stack CSA measured in a state where power supply is stopped and the gas supply pipe and the gas exhaust pipe connected to the fuel cell stack are replaced. A value ΔV / N obtained by dividing the voltage difference from the second open circuit voltage V2 of the battery stack CSA by the number N of fuel cells is less than a preset setting value (for example, 10 mV).

これによれば、クロスリーク量を抑えられているので、燃料電池の性能を維持しつつ燃料電池スタックCSAを安全に運転することができる。   According to this, since the cross leak amount is suppressed, the fuel cell stack CSA can be safely operated while maintaining the performance of the fuel cell.

また、第3の実施形態に係る燃料電池スタックの診断方法は、複数の燃料電池セルが積層された燃料電池スタックに水素ガス及び空気を供給し且つ燃料電池スタックCSAの外部への電力供給を停止した状態で、燃料電池スタックCSAの第1の開回路電圧V1を測定する工程と、燃料電池スタックCSAに接続されたガス供給配管GP1とガス排気配管GP2とを互いに付け替える工程と、前記付け替えた状態、且つ水素ガス及び空気を燃料電池スタックCSAに供給し且つ燃料電池スタックCSAの外部への電力供給を停止した状態で、燃料電池スタックCSAの第2の開回路電圧V2を測定する工程と、第1の開回路電圧V1と第2の開回路電圧V2との間の電圧差に基づいて、燃料電池スタックCSAに関する診断を実行する工程と、を有する。   In the fuel cell stack diagnosis method according to the third embodiment, hydrogen gas and air are supplied to a fuel cell stack in which a plurality of fuel cells are stacked, and power supply to the outside of the fuel cell stack CSA is stopped. In this state, the step of measuring the first open circuit voltage V1 of the fuel cell stack CSA, the step of replacing the gas supply pipe GP1 and the gas exhaust pipe GP2 connected to the fuel cell stack CSA, and the state of the replacement And measuring the second open circuit voltage V2 of the fuel cell stack CSA in a state where hydrogen gas and air are supplied to the fuel cell stack CSA and power supply to the outside of the fuel cell stack CSA is stopped, Performing a diagnosis on the fuel cell stack CSA based on a voltage difference between the first open circuit voltage V1 and the second open circuit voltage V2. Having.

これによれば、このような単純な作業で燃料電池スタックを診断できるので、燃料電池スタックに関する診断を容易にすることができる。   According to this, since the fuel cell stack can be diagnosed with such a simple operation, diagnosis relating to the fuel cell stack can be facilitated.

また、第3の実施形態に係る燃料電池スタックの運転方法は、水素ガス及び空気を燃料電池スタックに供給し且つ燃料電池スタックCSAの外部への電力供給を停止した状態で、燃料電池スタックCSAの第1の開回路電圧V1を測定する工程を有する。更に、この運転方法は、燃料電池スタックCSAに接続されたガス供給配管GP1とガス排気配管GP2とを互いに付け替える工程を有する。更に、この運転方法は、ガス供給配管GP1とガス排気配管GP2とを互いに付け替えた状態、且つ水素ガス及び空気を燃料電池スタックCSAに供給し且つ燃料電池スタックCSAの外部への電力供給を停止した状態で、燃料電池スタックCSAの第2の開回路電圧V2を測定する工程を有する。更に、この運転方法は、第1の開回路電圧V1と第2の開回路電圧V2との間の電圧差を、燃料電池スタックCSAを構成する燃料電池セルの数で割った値が、予め決められた設定値以上であった場合、燃料電池スタックCSAを含む燃料電池スタックの運転を停止する工程を有する。   In addition, the fuel cell stack operating method according to the third embodiment is configured such that hydrogen gas and air are supplied to the fuel cell stack and power supply to the outside of the fuel cell stack CSA is stopped. Measuring the first open circuit voltage V1. Further, this operation method includes a step of replacing the gas supply pipe GP1 and the gas exhaust pipe GP2 connected to the fuel cell stack CSA with each other. Further, in this operation method, the gas supply pipe GP1 and the gas exhaust pipe GP2 are replaced with each other, hydrogen gas and air are supplied to the fuel cell stack CSA, and power supply to the outside of the fuel cell stack CSA is stopped. Measuring the second open circuit voltage V2 of the fuel cell stack CSA. Further, in this operation method, a value obtained by dividing the voltage difference between the first open circuit voltage V1 and the second open circuit voltage V2 by the number of fuel cells constituting the fuel cell stack CSA is determined in advance. If it is equal to or greater than the set value, the method includes a step of stopping the operation of the fuel cell stack including the fuel cell stack CSA.

これによれば、クロスリーク量が大きくなった場合に、燃料電池スタックCSAの運転を停止して必要以上に水素と酸素が混ざるのを防止することができるので、燃料電池の安全性を向上させることができる。   According to this, when the amount of cross leak becomes large, it is possible to stop the operation of the fuel cell stack CSA and prevent the hydrogen and oxygen from being mixed more than necessary, thereby improving the safety of the fuel cell. be able to.

(第4の実施形態)
続いて、第4の実施形態について説明する。第3の実施形態では人為的にガス供給配管とガス排気配管とを互いに付け替えることで、燃料電池セル内でガスの流れる方向を反対にした。それに対し、第4の実施形態では、燃料電池システムが、改質器FPSからの改質ガスの出力先を切り替えることで、燃料電池セル内で空気の流れる方向を反対にする。
(Fourth embodiment)
Subsequently, a fourth embodiment will be described. In the third embodiment, the gas supply pipe and the gas exhaust pipe are artificially replaced with each other to reverse the gas flow direction in the fuel cell. On the other hand, in the fourth embodiment, the fuel cell system switches the output destination of the reformed gas from the reformer FPS, thereby reversing the direction of air flow in the fuel cell.

図13は、第4の実施形態における燃料電池システムSYS3の構成と、改質器FPSからの改質ガスの出力先の切替前の動作を示す概略ブロック図である。なお、図1と共通する要素には同一の符号を付し、その具体的な説明を省略する。第4の実施形態における燃料電池システムSYS3の構成は、第1の実施形態における燃料電池システムSYS1の構成に対して、切替部SW2が追加されたものになっている。   FIG. 13 is a schematic block diagram showing the configuration of the fuel cell system SYS3 in the fourth embodiment and the operation before switching the output destination of the reformed gas from the reformer FPS. Elements common to those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted. The configuration of the fuel cell system SYS3 in the fourth embodiment is such that a switching unit SW2 is added to the configuration of the fuel cell system SYS1 in the first embodiment.

切替部SW2は、燃料電池セルC−iに供給される改質ガスの流れる方向を切り替える。制御部CONは、第1の実施形態の制御部CONの機能に加えて、切替部SW2を制御する。燃料ガスマニホールドGMは、第3の実施形態と同様に、第1のガス口FIと第2のガス口FOとを有する。   The switching unit SW2 switches the flow direction of the reformed gas supplied to the fuel battery cell Ci. The control unit CON controls the switching unit SW2 in addition to the function of the control unit CON of the first embodiment. The fuel gas manifold GM has a first gas port FI and a second gas port FO, as in the third embodiment.

続いて、本実施形態における燃料電池システムSYS3の動作について図13及び図14を用いて説明する。図14は、第4の実施形態における改質器FPSからの改質ガスの出力先の切替後の動作を示す概略ブロック図である。   Subsequently, the operation of the fuel cell system SYS3 in the present embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 14 is a schematic block diagram illustrating an operation after switching the output destination of the reformed gas from the reformer FPS in the fourth embodiment.

図13に示すように、改質器FPSからの改質ガスの出力先の切替前において、切替部SW2は、改質器FPSから流入した改質ガスを燃料ガスマニホールドGMの不図示の第1のガス口FIへ排出し、燃料ガスマニホールドGMの不図示の第2のガス口FOから流入した空気を熱交換器HEXへ排出する。   As shown in FIG. 13, before switching the output destination of the reformed gas from the reformer FPS, the switching unit SW2 converts the reformed gas that has flowed from the reformer FPS into a first (not shown) of the fuel gas manifold GM. The air that has flowed from the second gas port FO (not shown) of the fuel gas manifold GM is discharged to the heat exchanger HEX.

その状態で、制御部CONは、改質ガス及び空気を燃料電池スタックCSAに供給し且つ燃料電池スタックCSAの外部への電力供給を停止した状態で、燃料電池スタックCSAの第1の開回路電圧V1を測定する。   In this state, the control unit CON supplies the reformed gas and air to the fuel cell stack CSA and stops supplying power to the outside of the fuel cell stack CSA, and then the first open circuit voltage of the fuel cell stack CSA. V1 is measured.

次に、制御部CONは、燃料電池セルC−iそれぞれに流れる改質ガスの流れる方向が反対になるよう切替部SW2を制御する。制御部CONからの制御を受けて、切替部SW2は、図14に示すように、改質器FPSから流入した改質ガスを燃料ガスマニホールドGMの不図示の第2のガス口FOへ排出し、燃料ガスマニホールドGMの不図示の第1のガス口FIから流入した排気ガスを熱交換器HEXへ排出する。   Next, the control unit CON controls the switching unit SW2 so that the flow direction of the reformed gas flowing through each of the fuel cells C-i is opposite. Under the control of the control unit CON, the switching unit SW2 discharges the reformed gas flowing in from the reformer FPS to the second gas port FO (not shown) of the fuel gas manifold GM as shown in FIG. The exhaust gas flowing in from the first gas port FI (not shown) of the fuel gas manifold GM is discharged to the heat exchanger HEX.

制御部CONは、上記燃料ガスの流れる方向を反対にした状態、且つ改質ガス及び空気を燃料電池スタックCSAに供給し且つ燃料電池スタックCSAの外部への電力供給を停止した状態で、燃料電池スタックCSAの第2の開回路電圧V2を測定する。   The control unit CON is in a state in which the flow direction of the fuel gas is reversed, the reformed gas and air are supplied to the fuel cell stack CSA, and the power supply to the outside of the fuel cell stack CSA is stopped. A second open circuit voltage V2 of the stack CSA is measured.

次に、制御部CONは、燃料電池セルC−iそれぞれに流れる改質ガスの方向が反対になるよう切替部SW1を制御する。制御部CONからの制御を受けて、切替部SW1は、図8に示すように、ブロワBから流入した空気を空気マニホールドAMの不図示の第2の空気口AOへ排出し、空気マニホールドAMの不図示の第1の空気口AIから流入した空気を熱交換器HEXへ排出する。   Next, the control unit CON controls the switching unit SW1 so that the direction of the reformed gas flowing through each fuel cell C-i is opposite. Under the control of the control unit CON, the switching unit SW1 discharges the air flowing from the blower B to a second air port AO (not shown) of the air manifold AM as shown in FIG. Air that flows in from a first air port AI (not shown) is discharged to the heat exchanger HEX.

制御部CONは、上記改質ガスの流れる方向を反対にした状態、且つ改質ガス及び空気を燃料電池スタックCSAに供給し且つ燃料電池スタックCSAの外部への電力供給を停止した状態で、燃料電池スタックCSAの第2の開回路電圧V2を測定する。   The controller CON in the state where the flow direction of the reformed gas is reversed, the reformed gas and air are supplied to the fuel cell stack CSA, and the power supply to the outside of the fuel cell stack CSA is stopped. A second open circuit voltage V2 of the battery stack CSA is measured.

そして、制御部CONは、第1の開回路電圧V1と第2の開回路電圧V1との間の電圧差ΔVを、燃料電池スタックCSAを構成する燃料電池セルの数Nで割った値ΔV/Nが、予め決められた設定値(例えば、0.03V)以上であった場合、当該燃料電池システムSYS3の運転を停止する。   Then, the control unit CON obtains a value ΔV / a value obtained by dividing the voltage difference ΔV between the first open circuit voltage V1 and the second open circuit voltage V1 by the number N of fuel cells constituting the fuel cell stack CSA. When N is a preset value (for example, 0.03 V) or more, the operation of the fuel cell system SYS3 is stopped.

以上、第4の実施形態によれば、制御部CONは、第1の開回路電圧V1と第2の開回路電圧V1との間の電圧差ΔVを、燃料電池スタックCSAを構成する燃料電池セルの数Nで割った値ΔV/Nが、予め決められた設定値(例えば、0.03V)以上であった場合、燃料電池スタックCSAの運転を停止する。   As described above, according to the fourth embodiment, the control unit CON uses the voltage difference ΔV between the first open circuit voltage V1 and the second open circuit voltage V1 as a fuel cell constituting the fuel cell stack CSA. When the value ΔV / N divided by the number N is equal to or greater than a predetermined set value (for example, 0.03 V), the operation of the fuel cell stack CSA is stopped.

これにより、クロスリーク量が大きくなった場合に、燃料電池スタックCSAの運転を停止して必要以上に水素と酸素が混ざるのを防止することができるので、燃料電池の安全性を向上させることができる。   As a result, when the amount of cross leak increases, the operation of the fuel cell stack CSA can be stopped to prevent more hydrogen and oxygen from being mixed than necessary, so that the safety of the fuel cell can be improved. it can.

なお、各実施形態では、電圧差ΔVに基づいて、燃料電池スタックを構成する燃料電池セルに含まれる電解質膜の劣化状態を判定したが、これに限ったものではない。電圧差ΔVに基づいて、燃料電池セルに含まれる触媒、セパレータ、または電極を構成する炭素材料の劣化を診断してもよい。   In each embodiment, the deterioration state of the electrolyte membrane included in the fuel cells constituting the fuel cell stack is determined based on the voltage difference ΔV. However, the present invention is not limited to this. Based on the voltage difference ΔV, deterioration of the carbon material constituting the catalyst, separator, or electrode included in the fuel cell may be diagnosed.

以上述べた実施形態によれば、燃料電池スタックに関する診断を容易にする燃料電池スタックの診断方法、燃料電池の安全性を向上させる燃料電池スタックの運転方法及び燃料電池システム、及び燃料電池の性能を維持しつつ安全に運転することを可能とする燃料電池スタックを提供することができる。   According to the embodiments described above, the fuel cell stack diagnosis method for facilitating diagnosis related to the fuel cell stack, the fuel cell stack operation method and fuel cell system for improving the safety of the fuel cell, and the performance of the fuel cell A fuel cell stack that can be operated safely while maintaining can be provided.

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。   Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.

SYS1、SYS2、SYS3 燃料電池システム
B ブロワ
FPS 改質器
AM 空気マニホールド
AP1 空気供給配管
AP2 空気排気配管
GP1 ガス供給配管
GP2 排気配管
GM 燃料ガスマニホールド
CSA 燃料電池スタック
HEX 熱交換器
INV AC/DCインバータ
CON 制御部
EF1 第1のエンドプレート
EF2 第2のエンドプレート
C−1、…、C−N 燃料電池セル
1、11 セパレータ
2−1、2−2、2−3、12−1、12−2、12−3 ガス溝
3、13 反応領域
4、14 膜劣化領域
AI 第1の空気口
AO 第2の空気口
FI 第1のガス口
FO 第2のガス口
SW1、SW2 切替部
SYS1, SYS2, SYS3 Fuel cell system B Blower FPS reformer AM Air manifold AP1 Air supply pipe AP2 Air exhaust pipe GP1 Gas supply pipe GP2 Exhaust pipe GM Fuel gas manifold CSA Fuel cell stack HEX Heat exchanger INV AC / DC inverter CON Control part EF1 1st end plate EF2 2nd end plate C-1, ..., CN Fuel cell 1,11 Separator 2-1, 2-2, 2-3, 12-1, 12-2, 12-3 Gas groove 3, 13 Reaction region 4, 14 Film degradation region AI 1st air port AO 2nd air port FI 1st gas port FO 2nd gas port SW1, SW2 switching part

Claims (11)

複数の燃料電池セルが積層された燃料電池スタックに燃料ガス及び空気を供給し且つ前記燃料電池スタックの外部への電力供給を停止した状態で、前記燃料電池スタックの第1の開回路電圧を測定する工程と、
前記燃料電池スタックに接続された空気供給配管と空気排気配管とを互いに付け替える工程と、
前記空気供給配管と前記空気排気配管とを互いに付け替えた状態、且つ燃料ガス及び空気を前記燃料電池スタックに供給し且つ前記燃料電池スタックの外部への電力供給を停止した状態で、前記燃料電池スタックの第2の開回路電圧を測定する工程と、
前記第1の開回路電圧と前記第2の開回路電圧との間の電圧差に基づいて、前記燃料電池スタックに関する診断を実行する工程と、
を有する燃料電池スタックの診断方法。
A first open circuit voltage of the fuel cell stack is measured in a state where fuel gas and air are supplied to a fuel cell stack in which a plurality of fuel cells are stacked and power supply to the outside of the fuel cell stack is stopped. And a process of
Replacing the air supply pipe and the air exhaust pipe connected to the fuel cell stack with each other;
The fuel cell stack in a state where the air supply pipe and the air exhaust pipe are replaced with each other, and in which fuel gas and air are supplied to the fuel cell stack and power supply to the outside of the fuel cell stack is stopped. Measuring a second open circuit voltage of:
Performing a diagnosis on the fuel cell stack based on a voltage difference between the first open circuit voltage and the second open circuit voltage;
A method for diagnosing a fuel cell stack comprising:
前記燃料電池スタックに関する診断を実行する工程において、前記電圧差を、前記燃料電池スタックを構成する燃料電池セルの数で割った値が、予め設定された設定値より大きい場合、前記燃料電池スタックの電解質膜でクロスリークが発生していると判断する
請求項1に記載の燃料電池スタックの診断方法。
In the step of executing the diagnosis relating to the fuel cell stack, when a value obtained by dividing the voltage difference by the number of fuel cells constituting the fuel cell stack is larger than a preset set value , The method for diagnosing a fuel cell stack according to claim 1, wherein it is determined that a cross leak has occurred in the electrolyte membrane .
燃料ガス及び空気を燃料電池スタックに供給し且つ前記燃料電池スタックの外部への電力供給を停止した状態で、前記燃料電池スタックの第1の開回路電圧を測定する工程と、
前記燃料電池スタックに接続された空気供給配管と空気排気配管とを互いに付け替える工程と
前記空気供給配管と前記空気排気配管とを互いに付け替えた状態、且つ燃料ガス及び空気を前記燃料電池スタックに供給し且つ前記燃料電池スタックの外部への電力供給を停止した状態で、前記燃料電池スタックの第2の開回路電圧を測定する工程と、
前記第1の開回路電圧と前記第2の開回路電圧との間の電圧差を、前記燃料電池スタックを構成する燃料電池セルの数で割った値が、予め決められた設定値より大きい場合、前記燃料電池スタックの運転を停止する工程と、
を有する燃料電池スタックの運転方法。
Measuring a first open circuit voltage of the fuel cell stack in a state where fuel gas and air are supplied to the fuel cell stack and power supply to the outside of the fuel cell stack is stopped;
Replacing the air supply pipe and the air exhaust pipe connected to the fuel cell stack with each other ;
The fuel cell stack in a state where the air supply pipe and the air exhaust pipe are replaced with each other , and in which fuel gas and air are supplied to the fuel cell stack and power supply to the outside of the fuel cell stack is stopped. Measuring a second open circuit voltage of:
A value obtained by dividing the voltage difference between the first open circuit voltage and the second open circuit voltage by the number of fuel cells constituting the fuel cell stack is larger than a predetermined set value. Stopping the operation of the fuel cell stack ;
A method for operating a fuel cell stack comprising:
前記電圧差を前記燃料電池セルの数で割った値が前記設定値より低い第2の設定値より大きく且つ前記設定値未満である場合、前記空気供給配管と前記空気排気配管とを互いに付け替えた状態で、前記燃料電池スタックの運転を継続する工程を更に有する請求項3に記載の燃料電池スタックの運転方法。 When the value obtained by dividing the voltage difference by the number of the fuel cells is larger than a second set value lower than the set value and less than the set value, the air supply pipe and the air exhaust pipe are replaced with each other . The operation method of the fuel cell stack according to claim 3, further comprising a step of continuing the operation of the fuel cell stack in a state. 複数の燃料電池セルが積層された燃料電池スタックと、
前記燃料電池セルに供給される空気の流れる方向を切り替える切替部と、
前記切替部を制御する制御部と、
を備え
前記制御部は、燃料ガス及び空気を燃料電池スタックに供給し且つ前記燃料電池スタックの外部への電力供給を停止した状態で、前記燃料電池スタックの第1の開回路電圧を測定し、
前記制御部は、前記燃料電池セルそれぞれに流れる空気の方向が反対になるよう前記切替部を制御し
前記制御部は、前記空気の流れる方向を反対にした状態、且つ燃料ガス及び空気を前記燃料電池スタックに供給し且つ前記燃料電池スタックの外部への電力供給を停止した状態で、前記燃料電池スタックの第2の開回路電圧を測定し、
前記制御部は、前記第1の開回路電圧と前記第2の開回路電圧との間の電圧差を、前記燃料電池スタックを構成する燃料電池セルの数で割った値が、予め決められた設定値より大きい場合、前記燃料電池スタックの運転を停止する
燃料電池システム。
A fuel cell stack in which a plurality of fuel cells are stacked;
A switching unit for switching a flow direction of air supplied to the fuel battery cell;
A control unit for controlling the switching unit;
Equipped with a,
The control unit measures a first open circuit voltage of the fuel cell stack in a state where fuel gas and air are supplied to the fuel cell stack and power supply to the outside of the fuel cell stack is stopped.
The control unit controls the switching unit so that the direction of air flowing through each of the fuel cells is opposite ,
The control unit has the fuel cell stack in a state where the air flow direction is reversed, fuel gas and air are supplied to the fuel cell stack, and power supply to the outside of the fuel cell stack is stopped. Measuring the second open circuit voltage of
The control unit has a predetermined value obtained by dividing the voltage difference between the first open circuit voltage and the second open circuit voltage by the number of fuel cells constituting the fuel cell stack. A fuel cell system that stops the operation of the fuel cell stack when larger than a set value.
複数の燃料電池セルが積層された燃料電池スタックであって、
燃料ガス及び空気を当該燃料電池スタックに供給し且つ前記燃料電池スタックの外部への電力供給を停止した状態で測定される当該燃料電池スタックの第1の開回路電圧と、当該燃料電池スタックに接続された空気供給配管と空気排気配管とを互いに付け替えた状態で測定された前記燃料電池スタックの第2の開回路電圧との間の電圧差を前記燃料電池セルの数で割った値が、予め設定された設定値未満である燃料電池スタック。
A fuel cell stack in which a plurality of fuel cells are stacked,
A first open circuit voltage of the fuel cell stack measured with the fuel gas and air supplied to the fuel cell stack and the power supply to the outside of the fuel cell stack stopped, and connected to the fuel cell stack A value obtained by dividing a voltage difference between the second open circuit voltage of the fuel cell stack measured by replacing the air supply pipe and the air exhaust pipe with each other by the number of the fuel cells in advance. Fuel cell stack that is less than the set value.
複数の燃料電池セルが積層された燃料電池スタックに燃料ガス及び空気を供給し且つ前記燃料電池スタックの外部への電力供給を停止した状態で、前記燃料電池スタックの第1の開回路電圧を測定する工程と、
前記燃料電池スタックに接続されたガス供給配管とガス排気配管とを互いに付け替える工程と
前記ガス供給配管と前記ガス排気配管とを互いに付け替えた状態、且つ燃料ガス及び空気を前記燃料電池スタックに供給し且つ前記燃料電池スタックの外部への電力供給を停止した状態で、前記燃料電池スタックの第2の開回路電圧を測定する工程と、
前記第1の開回路電圧と前記第2の開回路電圧との間の電圧差に基づいて、前記燃料電池スタックに関する診断を実行する工程と、
を有する燃料電池スタックの診断方法。
A first open circuit voltage of the fuel cell stack is measured in a state where fuel gas and air are supplied to a fuel cell stack in which a plurality of fuel cells are stacked and power supply to the outside of the fuel cell stack is stopped. And a process of
Replacing the gas supply pipe and the gas exhaust pipe connected to the fuel cell stack with each other ;
The fuel cell stack with the gas supply pipe and the gas exhaust pipe replaced with each other, with fuel gas and air supplied to the fuel cell stack, and power supply to the outside of the fuel cell stack stopped. Measuring a second open circuit voltage of:
Performing a diagnosis on the fuel cell stack based on a voltage difference between the first open circuit voltage and the second open circuit voltage;
A method for diagnosing a fuel cell stack comprising:
前記燃料電池スタックに関する診断を実行する工程において、前記電圧差を、前記燃料電池スタックを構成する燃料電池セルの数で割った値が、予め設定された設定値より大きい場合、前記燃料電池スタックの電解質膜でクロスリークが発生していると判断する
請求項7に記載の燃料電池スタックの診断方法。
In the step of executing the diagnosis relating to the fuel cell stack, when a value obtained by dividing the voltage difference by the number of fuel cells constituting the fuel cell stack is larger than a preset set value , The method for diagnosing a fuel cell stack according to claim 7, wherein it is determined that a cross leak has occurred in the electrolyte membrane .
燃料ガス及び空気を燃料電池スタックに供給し且つ前記燃料電池スタックの外部への電力供給を停止した状態で、前記燃料電池スタックの第1の開回路電圧を測定する工程と、
前記燃料電池スタックに接続されたガス供給配管とガス排気配管とを互いに付け替える工程と
前記ガス供給配管と前記ガス排気配管とを互いに付け替えた状態、且つ燃料ガス及び空気を前記燃料電池スタックに供給し且つ前記燃料電池スタックの外部への電力供給を停止した状態で、前記燃料電池スタックの第2の開回路電圧を測定する工程と、
前記第1の開回路電圧と前記第2の開回路電圧との間の電圧差を、前記燃料電池スタックを構成する燃料電池セルの数で割った値が、予め決められた設定値より大きい場合、前記燃料電池スタックの運転を停止する工程と、
を有する燃料電池スタックの運転方法。
Measuring a first open circuit voltage of the fuel cell stack in a state where fuel gas and air are supplied to the fuel cell stack and power supply to the outside of the fuel cell stack is stopped;
Replacing the gas supply pipe and the gas exhaust pipe connected to the fuel cell stack with each other ;
The fuel cell stack with the gas supply pipe and the gas exhaust pipe replaced with each other, with fuel gas and air supplied to the fuel cell stack, and power supply to the outside of the fuel cell stack stopped. Measuring a second open circuit voltage of:
A value obtained by dividing the voltage difference between the first open circuit voltage and the second open circuit voltage by the number of fuel cells constituting the fuel cell stack is larger than a predetermined set value. Stopping the operation of the fuel cell stack;
A method for operating a fuel cell stack comprising:
前記電圧差を前記燃料電池セル数で割った値が前記設定値より低い第2の設定値より大きく且つ前記設定値未満である場合、前記ガス供給配管と前記ガス排気配管とを互いに付け替えた状態で、前記燃料電池スタックの運転を継続する工程を更に有する請求項9に記載の燃料電池スタックの運転方法。 When the value obtained by dividing the voltage difference by the number of the fuel cells is larger than a second set value lower than the set value and less than the set value, the gas supply pipe and the gas exhaust pipe are replaced with each other. The operation method of the fuel cell stack according to claim 9, further comprising a step of continuing the operation of the fuel cell stack in a state. 複数の燃料電池セルが積層された燃料電池スタックと、
前記燃料電池セルに供給される燃料ガスの流れる方向を切り替える切替部と、
前記切替部を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、燃料ガス及び空気を燃料電池スタックに供給し且つ前記燃料電池スタックの外部への電力供給を停止した状態で、前記燃料電池スタックの第1の開回路電圧を測定し、
前記制御部は、前記燃料電池セルそれぞれに流れる燃料ガスの流れる方向が反対になるよう前記切替部を制御し、
前記制御部は、前記燃料ガスの流れる方向を反対にした状態、且つ燃料ガス及び空気を前記燃料電池スタックに供給し且つ前記燃料電池スタックの外部への電力供給を停止した状態で前記燃料電池スタックの第2の開回路電圧を測定し、
前記制御部は、前記第1の開回路電圧と前記第2の開回路電圧との間の電圧差を、前記燃料電池スタックを構成する燃料電池セル数で割った値が、予め決められた設定値より大きい場合、前記燃料電池スタックの運転を停止する
燃料電池システム
A fuel cell stack in which a plurality of fuel cells are stacked;
A switching unit for switching a flow direction of the fuel gas supplied to the fuel battery cell;
A control unit for controlling the switching unit;
With
The control unit measures a first open circuit voltage of the fuel cell stack in a state where fuel gas and air are supplied to the fuel cell stack and power supply to the outside of the fuel cell stack is stopped.
The control unit controls the switching unit so that the flow direction of the fuel gas flowing through each of the fuel cells is opposite;
The control unit has the fuel cell stack in a state in which the flow direction of the fuel gas is reversed, the fuel gas and air are supplied to the fuel cell stack, and power supply to the outside of the fuel cell stack is stopped. Measuring the second open circuit voltage of
The control unit has a predetermined value obtained by dividing the voltage difference between the first open circuit voltage and the second open circuit voltage by the number of fuel cells constituting the fuel cell stack. A fuel cell system that stops the operation of the fuel cell stack when larger than a set value .
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