JPH09245826A - 燃料電池スタックの運転状態判別方法及び運転制御方法 - Google Patents
燃料電池スタックの運転状態判別方法及び運転制御方法Info
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Abstract
水量過剰(膨潤状態)、あるいは過少(乾燥状態)とな
り易く、それが原因とみられる出力低下を引き起こすの
で、このような問題点を解決するために、出力異常を早
期に発見し、さらに、迅速に正常状態に戻すことができ
る燃料電池スタックの運転状態判別方法及び運転制御方
法を提供する。 【解決手段】 固体電解質膜を電解質として持つ燃料電
池スタックの単セル又は複数個の単セルからなるセルブ
ロックの電圧の経時変化のパターンを燃料電池の種々の
運転条件の場合に分けて予め記憶装置に記憶させてお
く。単セル毎又はセルブロック毎の電圧の経時変化のパ
ターンを測定し、得られた電圧の経時変化のパターンと
前記記憶装置に記憶させたパターンとを比較して運転条
件を判定し、さらに、比較演算し、適切な運転条件の設
定値を選択し、燃料電池スタックの単セル又はセルブロ
ックに対し該設定値に調整する命令を与える。
Description
解質として持つ燃料電池スタックの運転状態判別方法及
び運転制御方法に関し、特に、高分子固体電解質膜を持
つ燃料電池スタックの運転状態判別方法及び運転制御方
法に関する。
燃料電池は、PEM型燃料電池と呼ばれ、燃料極と空気
極の電極間に水を含ませた高分子固体電解質膜を挟んだ
状態で運転されている。PEM型燃料電池の電池反応
は、燃料極に燃料ガスを供給することにより、生成する
水素イオンはプロトン(H3 O+ )の形態で、高分子固
体電解質膜中を空気極に移動し、同時に燃料極において
燃料ガスから発生する電子が外部回路を伝って空気極に
移動することにより行われる。
数個直列に積層した、いわゆるセルスタックと呼ばれる
形態で使用されている。この燃料電池スタックにおい
て、一定の出力電圧を得る場合、全ての単セルの高分子
固体電解質膜を適切な含水状態に保持するために、燃料
ガスを、例えばバブリング装置等のような加湿装置によ
り加湿して、各燃料極に供給する方法が採られていた。
池スタックの運転方法においては、全ての単セルの高分
子固体電解質膜を適切な含水状態に保持するために、運
転中に燃料電池スタックへ供給する各反応ガス(燃料ガ
スおよび酸化剤ガス)の流量及び加湿装置の出力を調整
していたが、燃料電池スタック中の全単セルを終始適切
な加湿状態に均一に保持することは困難であり、燃料電
池スタックの一部、あるいは全体が含水量過剰(膨潤状
態)、あるいは過少(乾燥状態)となり易く、それが原
因とみられる出力低下を引き起こすという問題があっ
た。
る運転状態判別方法を提供することを目的とする。さら
に、迅速に正常状態に戻すことができる、燃料電池スタ
ックの運転制御方法を提供することを目的とする。
るために、本発明の燃料電池の運転状態判別方法及び運
転制御方法は、固体電解質膜を電解質として持つ燃料電
池スタックの単セル又は複数個の単セルからなるセルブ
ロックの電圧の経時変化のパターンを燃料電池の種々の
運転条件の場合に分けて予め記憶装置に記憶させてお
き、単セル毎又はセルブロック毎の電圧の経時変化のパ
ターンを測定し、得られた電圧の経時変化のパターンと
前記記憶装置に記憶させたパターンとを比較して運転条
件を判定し、さらに比較演算し、適切な運転条件の設定
値を選択し、燃料電池スタックの単セル又はセルブロッ
クに対し該設定値に調整する命令を与えることを特徴と
する。
クへ供給する水の供給量のためのもの、燃料ガスの供給
量のためのもの、酸化剤ガスの供給量のためのもの、燃
料電池スタックを冷却するためのものから一個以上の条
件を選択することができる。
情報として、前記電圧の経時変化のパターンの測定結果
に加えて、燃料電池スタックの単セル又は複数個の単セ
ルからなるセルブロックの温度情報を使用することもで
きる。
成する各単セル或いは単セルの複数個からなるセルブロ
ックについて出力電圧の経時変化を自動的にモニター
し、その変化パターンより、正常状態のパターンから外
れた場合、どのタイプの異常に属する経時パターンかを
判断し、少なくともセル中の高分子固体電解質の含水状
態を知り、単セル或いはセルブロックに対して、適切な
運転条件を変更するものである。
御についてのシステム図の一例を示す。図2にそのシス
テムに基づいた異常検出フロー図を示す。
数個の単セルを単位とするセルブロック毎に、それらの
出力端子に接続して出力電圧を測定するための電位計が
装備されている。さらに温度を測定するための熱電対が
単セル複数個を単位とするセルブロック毎に装備されて
いる。なおこの熱電対は前記の出力電圧測定ブロック毎
に設置しても、しなくてもよく、任意の場所でよい。例
えば、燃料電池スタックの両端および中腹の合計3ヵ所
に設置してもよい。
きの単セル、又は複数の単セルからなるセルブロックに
おける出力電圧の経時変化パターン或いはセル温度パタ
ーン等、及び異常運転時、例えば、高分子固体電解質膜
の含水量異常時(過膨潤時又は過乾燥時)、反応ガス
(燃料ガスおよび酸化剤ガス)供給量異常時のときの出
力電圧の経時変化パターン或いはセル温度パターン等の
データを制御コンピュータの記憶装置に記憶させてお
く。
て常時測定されている出力電圧値(V1 、V2 、… )
はA/D変換ボードに取り込まれて、デジタル信号に変
換され、一方、前記熱電対にて測定された温度(T1 、
T2 ..)は別のA/D変換ボードに取り込まれて、や
はりアナログ信号よりデジタル信号に変換される。これ
らのデジタル信号値は、コンピュータに取り込まれる
(データの読込段階)。単位時間当たりの出力電圧値の
変化量が演算され、その変化量が一定量以上となった場
合に、その時点からの経時変化パターンを既存データの
異常パターンと比較し、近似係数が最も高いものを、そ
の異常状態に特有なパターンとして同定する(演算段
階)。
クの各単セル或いは各セルブロックへ供給するための望
ましい空気供給圧、加湿器の出力、冷却ファンの出力の
設定変更値が決定される(設定段階)。
よびリレーボードに送られる。D/A変換ボードにおい
てはデジタル信号がアナログ信号に変換されると同時
に、新設定置(例えば、加湿器の出力を10V→8Vに
変更等)のアナログ信号が燃料電池スタックのための空
気供給装置、加湿器、冷却装置等の各機器に送られ、燃
料電池スタックの各単セル或いは各セルブロックの空気
供給圧、加湿度、温度等の調整が行われる。一方、リレ
ーボードにおいては、オン/オフ信号(例えば、燃料電
池スタックの冷却ファンのオン・オフ指令)が前記各機
器に送られる。
て空気を用いた場合の燃料電池スタックにおいて、図3
に出力電圧パターンが正常な場合の一例、図4〜図6に
異常である場合の異常パターンの一例を示し、さらに、
その原因、およびその処置法を具体的な例に基づいて下
記に説明する。なお、図3〜図6に示すパターンは、1
辺が6cmの正方形の電極で、ナフィオン(商品名:デ
ュポン社製のスルホン酸基を持つポリスチレン系陽イオ
ン交換膜)よりなる電解質膜を挟持した単セルにおい
て、酸化剤ガスとして空気、燃料ガスとして水素を用
い、定常運転を行った場合における経時変化である。
一定に保たれているパターンの一例を示す。
ターンの一例を示し、出力電圧の振幅が大きく、その変
化が長い周期で不規則に繰り返しており、出力電圧が徐
々に低下している。このパターンを同定するためには、
例えば、5分間につき±0.03V以上の変化量が出現
したときを基準値として設定することができる。このよ
うなパターンを示す場合は、セルへ供給する水分量が増
大して高分子固体電解質膜中の水分が過剰になったとき
である。この異常を解消するためには、セルへの水供給
量を絞り、セルを乾燥側にシフトさせる操作をする。水
供給方法は任意な方法で行うことができ、例えば、燃料
ガスとしての水素ガスへ加湿するバブリング装置の出力
を絞ってもよい。上記操作と平行して、冷却ファンをオ
フさせることによりセル温度を上昇させ、また、空気送
風用ブロワ出力を増大させて空気供給量を増加させるこ
とが好ましい。
期で規則的に繰り返す異常パターンである。このパター
ンを同定するためには、例えば、±0.01V/分の振
幅が10分間以上出現したときを基準値として設定する
ことができる。このようなパターンを示す場合は、セル
への酸化剤ガス供給不足のときである。この異常を解消
するためには、セルへの酸化剤ガス(空気)の供給量を
増大させる。
ターンである。このとき同時に高分子固体電解質の抵抗
値の急上昇が観察される。このパターンを同定するため
には、例えば、5分間につき±0.03V以上の電圧低
下が出現した場合を基準値として設定することができ
る。このようなパターンを示す場合は、セルの高分子固
体電解質膜の含水量が過少のときである。この異常を解
消するためには、セルを加湿側にシフトさせる操作、即
ち、セルへの水供給量を増大させる。水供給方法は任意
な方法で行うことができ、例えば、燃料ガスとしての水
素ガスに対して加湿するためのバブリング装置の出力を
増大させてもよい。この操作と平行して冷却ファンをオ
ンにしてセル温度を低下させたり、また空気送風用ブロ
ワ出力を減少させて空気供給量を減少させることが望ま
しい。
別方法及び運転制御方法によれば、燃料電池スタックを
構成する各単セル又はセルブロック毎の出力異常を早期
に発見することが可能であるので、迅速に正常状態に戻
すことができる。すなわち、燃料電池スタック全体の出
力低下が定格以下になる前に、各単セル又はセルブロッ
ク毎に処置することが可能となり、燃料電池スタックの
運転を停止することなく短時間で正常状態に戻すことが
できる。
方法及び運転制御方法によれば、各単セル又はセルブロ
ックの運転異常時の出力電圧の経時変化パターンのデー
タ数を増やすことで、燃料電池スタックの異常のより正
確な早期発見及び原因判断が行える。
方法及び運転制御方法によれば、出力電圧を測定するた
めに汎用的に用いられている電圧計を出力電圧のモニタ
ーとして転用できるので、外部から特別な出力電圧制御
装置を追加することなく既存の発電システムで簡易に実
行可能である。
方法及び運転制御方法によれば、単セル或いはセルブロ
ック毎に出力電圧をモニターしているので、外部マニホ
ールド方式、内部マニホールド方式のいずれの燃料電池
スタックにおいても適用可能であり、また、セルの積層
方法にも影響されることなく適用できる。
のシステム図の一例を示す。
の異常検出フローを示す。
が正常な場合の一例を示す。
大きく、その変化が長い周期で不規則に繰り返している
異常パターンを示す。
の変化が短い周期で規則的に繰り返す異常パターンを示
す。
低下する異常パターンを示す。
Claims (3)
- 【請求項1】 (1)固体電解質膜を電解質として持つ
燃料電池スタックの単セル又は複数個の単セルからなる
セルブロックの電圧の経時変化のパターンを燃料電池の
種々の運転条件の場合に分けて予め記憶装置に記憶させ
ておき、 (2)単セル毎又はセルブロック毎の電圧の経時変化の
パターンを測定し、 (3)得られた電圧の経時変化のパターンと前記記憶装
置に記憶させたパターンとを比較して、運転条件を判定
する運転状態判別方法。 - 【請求項2】 (1)固体電解質膜を電解質として持つ
燃料電池スタックの単セル又は複数個の単セルからなる
セルブロックの電圧の経時変化のパターンを燃料電池の
種々の運転条件の場合に分けて予め記憶装置に記憶させ
ておき、 (2)単セル毎又はセルブロック毎の電圧の経時変化の
パターンを測定し、 (3)得られた電圧の経時変化のパターンと前記記憶装
置に記憶させたパターンとを比較演算し、適切な運転条
件の設定値を選択し、燃料電池スタックの単セル又はセ
ルブロックに対し該設定値に調整する命令を与えること
を特徴とする燃料電池スタックの運転制御方法。 - 【請求項3】 前記運転条件の設定値が、燃料電池スタ
ックへ供給する水の供給量のためのもの、燃料ガスの供
給量のためのもの、酸化剤ガスの供給量のためのもの、
燃料電池スタックを冷却するためのものから選択される
一個以上の条件であることを特徴とする特許請求の範囲
2記載の燃料電池スタックの運転制御方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP06944796A JP3767639B2 (ja) | 1996-02-29 | 1996-02-29 | 燃料電池スタックの運転状態判別方法及び運転制御方法 |
Applications Claiming Priority (1)
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Publications (2)
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JPH09245826A true JPH09245826A (ja) | 1997-09-19 |
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ID=13402909
Family Applications (1)
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---|---|---|---|
JP06944796A Expired - Lifetime JP3767639B2 (ja) | 1996-02-29 | 1996-02-29 | 燃料電池スタックの運転状態判別方法及び運転制御方法 |
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