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JP2008071637A - Fuel cell system, fuel cell stack inspection apparatus, and fuel cell stack abnormality determination method - Google Patents

Fuel cell system, fuel cell stack inspection apparatus, and fuel cell stack abnormality determination method Download PDF

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JP2008071637A
JP2008071637A JP2006249624A JP2006249624A JP2008071637A JP 2008071637 A JP2008071637 A JP 2008071637A JP 2006249624 A JP2006249624 A JP 2006249624A JP 2006249624 A JP2006249624 A JP 2006249624A JP 2008071637 A JP2008071637 A JP 2008071637A
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JP
Japan
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fuel cell
cell stack
cells
voltage
temperature
Prior art date
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JP2006249624A
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Japanese (ja)
Inventor
Tetsuo Shibata
徹雄 柴田
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Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
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Publication date
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Abstract

【課題】燃料電池の通常運転時又は燃料電池スタック製造段階におけるスタック異常検査時にフラッディングが発生している異常セルを正確に検出する燃料電池システムと燃料電池スタック異常検査装置及びスタック異常判断方法を提供する。
【解決手段】燃料電池スタックの温度を通常運転時の温度よりも低い温度に冷却し、そのときに電圧検出の対象となっている1又は複数のセルの電圧値が基準値以下である場合は、その1又は複数のセルを異常と判断する。
【選択図】図1
Provided are a fuel cell system, a fuel cell stack abnormality inspection device, and a stack abnormality determination method that accurately detect an abnormal cell in which flooding occurs during normal operation of a fuel cell or during a stack abnormality inspection in a fuel cell stack manufacturing stage. To do.
When the temperature of the fuel cell stack is cooled to a temperature lower than the temperature during normal operation, and the voltage value of one or more cells that are the objects of voltage detection at that time is below a reference value The one or more cells are determined to be abnormal.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、複数のセルが積層された燃料電池スタックを備える燃料電池システムと燃料電池スタックの異常を検出する検査装置及び燃料電池スタックの異常を判断する方法に関する。   The present invention relates to a fuel cell system including a fuel cell stack in which a plurality of cells are stacked, an inspection device for detecting an abnormality in the fuel cell stack, and a method for determining an abnormality in the fuel cell stack.

燃料電池システムにおいては、燃料電池の発電量が低下したり、燃料電池スタックの冷却媒体の温度が低下して、燃料電池スタックの温度が低下すると、燃料電池スタックで生成される水がセル電極を閉塞するフラッディング(水詰まり)が発生し易くなる。そして、そのフラッディングが発生しているセルは、ガスの流通が妨げられるために、セル電圧が低下し、電池性能の低下を引き起こすことになる。   In the fuel cell system, when the power generation amount of the fuel cell decreases or the temperature of the cooling medium of the fuel cell stack decreases and the temperature of the fuel cell stack decreases, the water generated in the fuel cell stack causes the cell electrode to flow. Blocking flooding (water clogging) is likely to occur. And in the cell in which the flooding has occurred, since the gas flow is hindered, the cell voltage is lowered and the battery performance is lowered.

燃料電池スタックの発電量が急激に低下したり、外気温の低下により燃料電池スタックの冷却媒体の温度が低下して、燃料電池スタックの温度が低下するときは、かかる温度低下を打ち消すように冷却装置の冷却能力を制御して、燃料電池スタックの温度低下によるフラッディングの発生を効果的に防止する技術が知られている(例えば特許文献1参照)。   When the power generation amount of the fuel cell stack suddenly decreases or the temperature of the fuel cell stack cooling medium decreases due to a decrease in the outside air temperature, and the temperature of the fuel cell stack decreases, cooling is performed to counter the temperature decrease. A technique is known in which the cooling capacity of the apparatus is controlled to effectively prevent the occurrence of flooding due to the temperature drop of the fuel cell stack (see, for example, Patent Document 1).

特開2004−158355号公報JP 2004-158355 A

ここで、通常の燃料電池システム運転時やスタック製造段階においてフラッディングを発生しているセルを検出するときは、フラッディングが起こりやすい環境下でセル電圧を検出する方がその検出感度は良好になる。そのため、例えば燃料電池スタックに供給するガス量を低下させ、発電に伴う発熱量を低下させることによって燃料電池スタックの温度を低下させ、フラッディングが起こりやすい環境にしてセル電圧を検出する方法が考えられる。   Here, when detecting a cell in which flooding occurs during normal fuel cell system operation or in the stack manufacturing stage, the detection sensitivity is better when the cell voltage is detected in an environment where flooding is likely to occur. Therefore, for example, a method of reducing the temperature of the fuel cell stack by reducing the amount of gas supplied to the fuel cell stack and reducing the amount of heat generated by power generation, and detecting the cell voltage in an environment where flooding is likely to occur can be considered. .

しかし、燃料電池スタックに供給するガス量を低下させると、ガス供給方向に沿って奥に配置されたセルほどその供給ガス量は減少し、セルの電圧値は奥に行くほど低下する。そうすると、セルの電圧値を検出して異常セルを検出するときに、ガス供給方向に沿って奥に配置されたセルは、異常でない場合にもそのセルの電圧値は低く検出されるため、正確なセルの異常判断が困難であるという課題があった。   However, when the amount of gas supplied to the fuel cell stack is reduced, the amount of gas supplied decreases as the cell is arranged in the back along the gas supply direction, and the voltage value of the cell decreases as it goes back. Then, when detecting an abnormal cell by detecting the voltage value of the cell, the cell placed in the back along the gas supply direction is detected low even if it is not abnormal. There is a problem that it is difficult to judge abnormal cells.

本発明は、複数のセルが積層された燃料電池スタックを備える燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックを冷却する冷却手段と、燃料電池スタックに含まれるセルのうち1又は複数のセルの電圧を検出する電圧検出手段を少なくとも1つ有し、燃料電池スタック内部を通常運転時の温度よりも低い温度に冷却し、そのときに電圧検出手段による検出電圧値が基準値以下である場合は、その電圧検出手段の検出対象である1又は複数のセルを異常と判断する判断手段とを備えることを特徴とする。   The present invention relates to a fuel cell system including a fuel cell stack in which a plurality of cells are stacked, and a cooling means for cooling the fuel cell stack and a voltage of one or a plurality of cells among the cells included in the fuel cell stack. If there is at least one voltage detection means and the inside of the fuel cell stack is cooled to a temperature lower than the temperature during normal operation, and the detected voltage value by the voltage detection means is below the reference value at that time, the voltage detection And determining means for determining that one or a plurality of cells which are detection targets of the means are abnormal.

本発明によれば、燃料電池スタック内部をフラッディングが起こりやすい環境にすることによって、異常セル検出感度が向上するとともに、セルの測定電圧値は、セルが配置された位置によって受ける影響が少ないため、異常セル検出精度も向上する。   According to the present invention, the abnormal cell detection sensitivity is improved by making the inside of the fuel cell stack easy to cause flooding, and the measured voltage value of the cell is less affected by the position where the cell is arranged. Abnormal cell detection accuracy is also improved.

本発明において、冷却手段は、燃料電池スタックを冷却するために例えば水等の冷却媒体を循環ポンプ等によって燃料電池スタックに供給する手段を含み、判断手段において1又は複数のセルの異常を判断する際には、その冷却媒体の燃料電池スタック入口温度を40度から60度の範囲内に設定することが好適である。   In the present invention, the cooling means includes means for supplying a cooling medium such as water to the fuel cell stack by a circulation pump or the like for cooling the fuel cell stack, and the judging means judges abnormality of one or a plurality of cells. In this case, it is preferable to set the fuel cell stack inlet temperature of the cooling medium within a range of 40 degrees to 60 degrees.

かかる構成によれば、燃料電池スタック内部をフラッディングが起こりやすい環境にして、フラッディングが発生しているセルを検出する検出感度を良好にすることと、該フラッディングが起こりやすい環境であっても、異常セル以外のセルについてはフラッディングによる電圧低下を生じさせないこととの両立を図ることができる。   According to such a configuration, the inside of the fuel cell stack is likely to be flooded, the detection sensitivity for detecting the cells where the flooding is generated is improved, and even in an environment where the flooding is likely to occur, For cells other than the cell, it is possible to achieve compatibility with not causing a voltage drop due to flooding.

本発明において、判断手段は、異常セルが所定の数を超えたときは、燃料電池システムの運転を停止することが好適である。   In the present invention, it is preferable that the judging means stops the operation of the fuel cell system when the number of abnormal cells exceeds a predetermined number.

本発明は、複数のセルが積層された燃料電池スタックの異常を検出する検査装置において、燃料電池スタックを冷却する冷却手段と、燃料電池スタックに含まれるセルのうち1又は複数のセルの電圧を検出する電圧検出手段を少なくとも1つ有し、燃料電池スタックを通常運転時の温度よりも低い温度に冷却し、そのときに電圧検出手段による検出電圧値が基準値以下である場合は、電圧検出手段の検出対象である1又は複数のセルを異常と判断する判断手段とを備えることを特徴とする。   The present invention provides an inspection apparatus for detecting an abnormality of a fuel cell stack in which a plurality of cells are stacked, a cooling means for cooling the fuel cell stack, and a voltage of one or a plurality of cells among the cells included in the fuel cell stack. If there is at least one voltage detection means to detect and the fuel cell stack is cooled to a temperature lower than the temperature during normal operation, and if the voltage detected by the voltage detection means is below the reference value at that time, the voltage detection And determining means for determining that one or a plurality of cells which are detection targets of the means are abnormal.

本発明において、冷却手段は、燃料電池スタックを冷却するために例えば水等の冷却媒体を循環ポンプ等によって燃料電池スタックに供給する手段を含み、判断手段において1又は複数のセルの異常を判断する際には、冷却媒体の燃料電池スタック入口温度を40度から60度の範囲内に設定することが好適である。   In the present invention, the cooling means includes means for supplying a cooling medium such as water to the fuel cell stack by a circulation pump or the like for cooling the fuel cell stack, and the judging means judges abnormality of one or a plurality of cells. In this case, it is preferable to set the fuel cell stack inlet temperature of the cooling medium within a range of 40 degrees to 60 degrees.

本発明は、複数のセルが積層された燃料電池スタックの異常を判断する方法において、燃料電池スタックの温度を通常運転時の温度よりも低い温度に冷却し、そのときに電圧検出の対象となっている1又は複数のセルの電圧値が基準値以下である場合は、その1又は複数のセルを異常と判断することを特徴とする。   The present invention relates to a method for determining an abnormality in a fuel cell stack in which a plurality of cells are stacked, wherein the temperature of the fuel cell stack is cooled to a temperature lower than the temperature during normal operation, and at that time, it is a target for voltage detection. When the voltage value of the one or more cells is equal to or less than the reference value, the one or more cells are determined to be abnormal.

本発明において、1又は複数のセルの異常を判断する際には、前記燃料電池スタックを冷却するための例えば水等の冷却媒体の燃料電池スタック入口温度を40度から60度の範囲内に設定することが好適である。   In the present invention, when judging the abnormality of one or a plurality of cells, the fuel cell stack inlet temperature of a cooling medium such as water for cooling the fuel cell stack is set within a range of 40 to 60 degrees. It is preferable to do.

本発明において、異常セルが所定の数を超えたときは、燃料電池システムの運転を停止することが好適である。   In the present invention, when the number of abnormal cells exceeds a predetermined number, it is preferable to stop the operation of the fuel cell system.

本発明によれば、燃料電池の通常運転時や燃料電池スタック製造段階において、フラッディングが発生している異常セルを正確に検出することができる。   According to the present invention, it is possible to accurately detect an abnormal cell in which flooding has occurred during normal operation of the fuel cell or at the stage of manufacturing the fuel cell stack.

以下、本発明を実施するための形態(以下実施形態という)を図面に従って説明する。   DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention (hereinafter referred to as embodiments) will be described with reference to the drawings.

図1は、本発明の燃料電池システムの構成の概略を示す図である。本発明の実施形態における燃料電池システムは、燃料電池スタック10、加湿器12、制御部30、冷却装置80を備えている。   FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a fuel cell system of the present invention. The fuel cell system in the embodiment of the present invention includes a fuel cell stack 10, a humidifier 12, a control unit 30, and a cooling device 80.

燃料電池スタック10は、単セルを複数積層して構成されている。個々の単セルは、電解質膜(例えば高分子膜)が、アノード電極とカソード電極で挟持され、さらにその両側をセパレータで挟み込む構造となっている。上記単セルの構造は、従来より広く知られている燃料電池の単セル構造と同様である。   The fuel cell stack 10 is configured by stacking a plurality of single cells. Each single cell has a structure in which an electrolyte membrane (for example, a polymer membrane) is sandwiched between an anode electrode and a cathode electrode, and both sides thereof are sandwiched between separators. The structure of the unit cell is the same as the unit cell structure of a fuel cell that has been widely known.

燃料電池スタック10は、燃料である水素ガス及び酸化剤である空気の供給を受けて電力を発電する。本実施形態においては、燃料ガス及び酸化剤ガスの循環経路は図1の矢印によって示される構成としたが、これに限らず種々の変形が可能であることは勿論である。   The fuel cell stack 10 generates power by receiving supply of hydrogen gas as a fuel and air as an oxidant. In this embodiment, the circulation path of the fuel gas and the oxidant gas is configured as indicated by the arrows in FIG. 1, but it is needless to say that the present invention is not limited to this and can be variously modified.

図示しない水素タンクからの水素ガスは、燃料電池スタック10を構成する複数の各セルの燃料極(アノード)に供給される。また、図示しないコンプレッサによって圧送される空気は、加湿器12により加湿されて燃料電池スタック10を構成する複数の各セルの空気極(カソード)に供給される。そして、空気極での反応(2H+1/2O→HO)によって生成される水は、空気極からの排気ガスとともに排出され、その排気ガスは、加湿器12に供給されて図示しないコンプレッサから圧送される供給空気を加湿する。 Hydrogen gas from a hydrogen tank (not shown) is supplied to the fuel electrode (anode) of each of a plurality of cells constituting the fuel cell stack 10. Further, the air pumped by a compressor (not shown) is humidified by the humidifier 12 and supplied to the air electrodes (cathodes) of a plurality of cells constituting the fuel cell stack 10. Then, water generated by the reaction in the air electrode (2H + + 1 / 2O 2 → H 2 O) is discharged together with the exhaust gas from the air electrode, the exhaust gas is not shown is supplied to the humidifier 12 Humidify the supply air pumped from the compressor.

冷却装置80は、燃料電池スタック10を冷却するための冷却媒体を燃料電池スタック10と放熱器20との間で循環させて燃料電池スタック10を冷却し、その排熱を外気に拡散させるための装置であって、冷却水循環ポンプ22、冷却水循環流路24、放熱器20、冷却水バイパス流路26、流量調整用三方弁50を備える。本実施形態においては、冷却媒体は水としているが、これに限らず種々の変更が可能であることは勿論である。   The cooling device 80 circulates a cooling medium for cooling the fuel cell stack 10 between the fuel cell stack 10 and the radiator 20 to cool the fuel cell stack 10 and diffuses the exhaust heat to the outside air. The apparatus includes a cooling water circulation pump 22, a cooling water circulation channel 24, a radiator 20, a cooling water bypass channel 26, and a flow rate adjusting three-way valve 50. In the present embodiment, the cooling medium is water, but it is needless to say that the present invention is not limited to this, and various modifications can be made.

冷却水は、燃料電池スタック10に供給され、スタック内部を冷却した後、冷却水循環ポンプ22によって冷却水循環流路24を通り、放熱器20に供給される。そして、冷却水は放熱器20において外気と熱交換され、その熱は外部に放出される。また、流量調整用三方弁50は、制御部30と接続されている。流量調整用三方弁50は、制御部30からの信号に基づき、弁の開度を調整して、放熱器20を通過する冷却水流量と冷却水バイパス流路26を流れる冷却水量とを任意の割合で調整することができる。   The cooling water is supplied to the fuel cell stack 10, cools the inside of the stack, and then is supplied to the radiator 20 through the cooling water circulation channel 24 by the cooling water circulation pump 22. The cooling water exchanges heat with the outside air in the radiator 20, and the heat is released to the outside. The flow rate adjusting three-way valve 50 is connected to the control unit 30. The three-way valve 50 for flow rate adjustment adjusts the opening degree of the valve based on a signal from the control unit 30 to arbitrarily set the flow rate of cooling water passing through the radiator 20 and the amount of cooling water flowing through the cooling water bypass passage 26. It can be adjusted in proportion.

また、冷却装置80は、燃料電池スタック出口側温度センサ42、バイパス温度センサ44、放熱器出口側温度センサ46、燃料電池スタック入口側温度センサ48を備えており、これらのセンサは制御部30に接続されている。   The cooling device 80 includes a fuel cell stack outlet side temperature sensor 42, a bypass temperature sensor 44, a radiator outlet side temperature sensor 46, and a fuel cell stack inlet side temperature sensor 48. It is connected.

また、燃料電池スタック10には電圧計60が設けられ、電圧計60は制御部30に接続されている。本実施形態においては、図2(a)に示すように、燃料電池スタック10を構成する複数の単セル16それぞれに端子18を設けて電圧計60に接続し、各単セル16の電圧を測定している。ここで、本実施形態においては、各単セル16毎に電圧を測定する構成としているが、例えば複数のセル毎に電圧を測定する構成であっても良い。また、燃料電池スタック10に含まれるセルのうち、積層方向端部付近の1又は複数のセルは、外気側に近接して配置されるため、他のセルに比べて温度が冷却され易く、フラッディングが発生する可能性が高い。そのため、かかる積層方向端部付近の1又は複数のセルだけの電圧を測定するような構成であっても良く、種々の変更が可能であることは勿論である。   The fuel cell stack 10 is provided with a voltmeter 60, and the voltmeter 60 is connected to the control unit 30. In this embodiment, as shown in FIG. 2A, a terminal 18 is provided in each of the plurality of single cells 16 constituting the fuel cell stack 10 and connected to a voltmeter 60, and the voltage of each single cell 16 is measured. is doing. Here, in the present embodiment, the voltage is measured for each single cell 16, but the voltage may be measured for each of a plurality of cells, for example. In addition, among the cells included in the fuel cell stack 10, one or more cells near the end in the stacking direction are arranged close to the outside air side, so that the temperature is easier to cool than other cells, and flooding is performed. Is likely to occur. Therefore, the configuration may be such that only the voltage of one or a plurality of cells near the end in the stacking direction is measured, and various modifications are possible.

また、本実施形態とは別に、例えば燃料電池スタック製造段階において、スタックの異常を検査する場合は、図2(b)に示すように、複数の単セル16を積層し、その両端を集電板68で挟持したサブスタック70を1つの構造単位として複数のサブスタック70を構成し、各サブスタック70毎にスタックの異常を検査する構成であっても良い。かかる場合は、水素ガス及び空気供給ラインを分岐して、各サブスタック70毎に水素ガス及び空気を供給して電力を発電させ、集電板68に端子を設けてその発電電圧を電圧計62〜66によって測定する構成とすることもできる。ここで、電圧計は各単セル16毎に設ける構成であっても良く、種々の変更が可能であることは勿論である。また、各サブスタック70は、互いに直列又は並列に接続して検査を行っても良く、種々の変更が可能であることは勿論である。   In addition to the present embodiment, for example, when inspecting a stack abnormality in a fuel cell stack manufacturing stage, as shown in FIG. 2B, a plurality of single cells 16 are stacked and current is collected at both ends. A plurality of substacks 70 may be configured with the substack 70 sandwiched between the plates 68 as one structural unit, and a stack abnormality may be inspected for each substack 70. In such a case, the hydrogen gas and air supply line is branched, hydrogen gas and air are supplied to each sub-stack 70 to generate electric power, a terminal is provided on the current collector plate 68, and the generated voltage is supplied to the voltmeter 62. It can also be set as the structure measured by ~ 66. Here, the voltmeter may be provided for each single cell 16 and, of course, various modifications are possible. In addition, the sub-stacks 70 may be inspected by being connected in series or in parallel to each other, and various changes can be made.

ここで、燃料電池システムの通常運転時において、フラッディングの発生によってセル電圧が低下している異常セルを、セルの測定電圧値に基づいて検出する場合について、図1を参照して説明する。   Here, a case where an abnormal cell in which the cell voltage is reduced due to the occurrence of flooding during normal operation of the fuel cell system is detected based on the measured voltage value of the cell will be described with reference to FIG.

先ず、制御部30は燃料電池スタック入口側温度の制御目標値を所定温度に設定する。そして、制御部30は、燃料電池スタック出口側温度センサ42、放熱器出口側温度センサ46、バイパス温度センサ44からの検出信号に基づき、流量調整用三方弁50の開度を決定する。また、燃料電池スタック入口側温度センサ48からの検出信号をフィードバックしながら、流量調整用三方弁50の開度を補正するように制御する。   First, the control unit 30 sets the control target value of the fuel cell stack inlet side temperature to a predetermined temperature. Then, the control unit 30 determines the opening degree of the flow rate adjusting three-way valve 50 based on detection signals from the fuel cell stack outlet side temperature sensor 42, the radiator outlet side temperature sensor 46, and the bypass temperature sensor 44. Further, control is performed so as to correct the opening degree of the flow rate adjusting three-way valve 50 while feeding back a detection signal from the fuel cell stack inlet side temperature sensor 48.

ここで、スタック入口側温度の制御目標値は40度から60度の範囲内に設定することが望ましい。フラッディングが発生している異常セルを検出するときは、フラッディングが起こりやすい環境下でセル電圧を検出する方がその検出感度は良好になるものの、スタック温度が低下し過ぎると、異常セル以外のセルまでフラッディングを起こして、そのセル電圧が低下する可能性があるため、好ましくない。そのため、スタック入口側温度の制御目標値を40度から60度の範囲内に設定することによって、異常セルを検出するときの検出感度を良好にすることと、フラッディングが起こりやすい環境にしつつも、異常セル以外のセルについてはフラッディングによる電圧低下を発生させないこととの両立を図ることができる。   Here, it is desirable to set the control target value of the stack inlet side temperature within a range of 40 degrees to 60 degrees. When detecting an abnormal cell in which flooding has occurred, it is better to detect the cell voltage in an environment where flooding is likely to occur.However, if the stack temperature is too low, cells other than the abnormal cell will be detected. It is not preferable because the cell voltage may be lowered due to flooding. Therefore, by setting the control target value of the stack inlet side temperature within the range of 40 degrees to 60 degrees, while improving the detection sensitivity when detecting abnormal cells, and making the environment prone to flooding, For cells other than abnormal cells, it is possible to achieve compatibility with not causing a voltage drop due to flooding.

上記のとおり、燃料電池スタック10を通常運転時の温度よりも低い温度に冷却した状態で、制御部30に各単セル16の電圧測定値が入力される。そして、制御部30は、電圧測定値が基準値以下である単セル16があったときは、該単セル16を異常と判断する。
図3は、各単セル16の電圧測定値を示すグラフである。図3の横軸は、単セル16の積層方向に沿って、各単セル16に番号を付していることを表し、縦軸は各単セル16の電圧測定値を表している。図3のグラフは、n番目の単セル16の電圧測定値が基準値V1以下であることを示しており、n番目の単セル16が異常と判断される。
As described above, the voltage measurement value of each single cell 16 is input to the control unit 30 in a state where the fuel cell stack 10 is cooled to a temperature lower than that during normal operation. And the control part 30 judges that this single cell 16 is abnormal, when there exists the single cell 16 whose voltage measured value is below a reference value.
FIG. 3 is a graph showing voltage measurements of each single cell 16. The horizontal axis in FIG. 3 indicates that each single cell 16 is numbered along the stacking direction of the single cells 16, and the vertical axis indicates a voltage measurement value of each single cell 16. The graph of FIG. 3 indicates that the voltage measurement value of the nth single cell 16 is equal to or less than the reference value V1, and the nth single cell 16 is determined to be abnormal.

そして、制御部30により異常と判断された単セル16が所定の数を超える場合は、制御部30は、電池性能の低下により燃料電池システムの運転継続は困難であると判断し、その運転を停止する。   When the number of single cells 16 determined to be abnormal by the control unit 30 exceeds a predetermined number, the control unit 30 determines that it is difficult to continue the operation of the fuel cell system due to a decrease in battery performance, and performs the operation. Stop.

次に制御部30によって実行される燃料電池スタック10の異常判断制御ルーチンについて説明する。図4は、制御部30により実行される燃料電池スタック10の異常判断制御ルーチンの一例を示すフローチャートであり、このルーチンは、燃料電池システム通常運転時において、所定時間毎に繰り返して実行される。   Next, the abnormality determination control routine for the fuel cell stack 10 executed by the control unit 30 will be described. FIG. 4 is a flowchart illustrating an example of an abnormality determination control routine for the fuel cell stack 10 executed by the control unit 30. This routine is repeatedly executed at predetermined time intervals during normal operation of the fuel cell system.

先ずステップS101においては、冷却水の燃料電池スタック入口側温度の制御目標値を所定温度に設定し、次のステップS102に進む。上述したとおり、この目標温度は40度から60度の範囲内で設定することが望ましい。   First, in step S101, the control target value of the cooling water fuel cell stack inlet side temperature is set to a predetermined temperature, and the process proceeds to the next step S102. As described above, it is desirable to set the target temperature within a range of 40 degrees to 60 degrees.

ステップS101で、冷却水の燃料電池スタック入口側温度の目標値が所定温度に設定されると、上述したとおり、冷却水の燃料電池スタック入口側温度が目標値になるように流量調整用三方弁50の開度が制御される。   When the target value of the cooling water fuel cell stack inlet side temperature is set to a predetermined temperature in step S101, as described above, the flow rate adjusting three-way valve is set so that the cooling water fuel cell stack inlet side temperature becomes the target value. An opening of 50 is controlled.

ステップS102においては、冷却水の燃料電池スタック入口側温度が目標値になったか否かが判断され、冷却水の燃料電池スタック入口側温度が目標値になったと判断されたときは次のステップS103に進み、冷却水の燃料電池スタック入口側温度が目標値になっていないと判断されたときは、冷却水の燃料電池スタック入口側温度が目標値になるまで、流量調整用三方弁50の開度が制御される。そして、冷却水の燃料電池スタック入口側温度が目標値になったと判断されたときは次のステップS103に進む。   In step S102, it is determined whether or not the fuel cell stack inlet side temperature of the cooling water has reached the target value. If it is determined that the fuel cell stack inlet side temperature of the cooling water has reached the target value, the next step S103 is performed. When it is determined that the temperature of the cooling water fuel cell stack inlet side does not reach the target value, the flow adjustment three-way valve 50 is opened until the temperature of the cooling water fuel cell stack inlet side reaches the target value. The degree is controlled. When it is determined that the temperature of the coolant water inlet side of the cooling water has reached the target value, the process proceeds to the next step S103.

ステップS103においては、電圧測定値が基準値V1以下の単セル16があるか否かが判断され、電圧測定値が基準値V1以下の単セル16が1つも無いときは、本ルーチンの実行を終了し、そのまま燃料電池システムの運転が継続して行われる。一方、電圧測定値が基準値V1以下の単セル16があると判断されたときは、ステップS104に進み、該単セル16は異常と判断されてステップS105に進む。   In step S103, it is determined whether or not there is a single cell 16 whose voltage measurement value is equal to or less than the reference value V1, and when there is no single cell 16 whose voltage measurement value is equal to or less than the reference value V1, execution of this routine is performed. Then, the operation of the fuel cell system is continued as it is. On the other hand, when it is determined that there is a single cell 16 whose voltage measurement value is equal to or less than the reference value V1, the process proceeds to step S104, and the single cell 16 is determined to be abnormal, and the process proceeds to step S105.

ステップS105においては、電圧測定値が基準値V1以下の単セル16が所定の数以上あるか否かが判断され、電圧測定値が基準値V1以下の単セル16の数が所定の数よりも少ないときは、本ルーチンの実行を終了し、そのまま燃料電池システムの運転が継続して行われる。一方、電圧測定値が基準値V1以下の単セル16の数が所定の数以上であるときは、電池性能の低下により運転継続は困難であると判断し、ステップS106に進んで燃料電池システムの運転を停止する。ここで、燃料電池システムの運転継続の可否を判断する異常セルの数については、その電池性能等に応じた種々の値を取ることが可能であることは勿論である。   In step S105, it is determined whether or not there are a predetermined number or more of the single cells 16 whose voltage measurement value is the reference value V1 or less, and the number of the single cells 16 whose voltage measurement value is the reference value V1 or less is greater than the predetermined number. When the number is small, the execution of this routine is terminated and the operation of the fuel cell system is continued as it is. On the other hand, when the number of single cells 16 whose voltage measurement value is equal to or less than the reference value V1 is equal to or greater than a predetermined number, it is determined that it is difficult to continue operation due to a decrease in battery performance, and the process proceeds to step S106 to Stop operation. Here, as a matter of course, the number of abnormal cells for determining whether or not to continue operation of the fuel cell system can take various values according to the battery performance and the like.

本実施形態においては、通常の発電運転を行っている燃料電池システムの例を中心に説明したが、例えば制御部30と電圧計60と冷却装置80とを組み合わせて、燃料電池スタック製造段階におけるスタックの異常を検出する検査装置を構成しても良く、種々の変更が可能であることは勿論である。   In the present embodiment, an example of a fuel cell system performing a normal power generation operation has been mainly described. However, for example, a stack in the fuel cell stack manufacturing stage by combining the control unit 30, the voltmeter 60, and the cooling device 80. Of course, an inspection apparatus that detects this abnormality may be configured, and various modifications are possible.

本実施形態においては、燃料電池スタックを冷却するための冷却水のスタック入口温度を所定の温度範囲に設定して、スタック温度を通常運転時の温度よりも低い温度に冷却する例を中心に説明したが、例えば酸化剤ガスである空気の湿度を増加させることにより、燃料電池スタック内部をフラッディングが起こりやすい環境にする構成であっても良い。この場合は、加湿器を通る空気流路と加湿器をバイパスする空気流路とが合流して燃料電池スタックに空気を供給し、加湿器を通過する空気量を調整することで空気中の湿度を増加させるという構成であっても良く、種々の変更が可能であることは勿論である。   In the present embodiment, the description will focus on an example in which the stack inlet temperature of cooling water for cooling the fuel cell stack is set to a predetermined temperature range and the stack temperature is cooled to a temperature lower than the temperature during normal operation. However, for example, the configuration may be such that the inside of the fuel cell stack is easily flooded by increasing the humidity of air, which is an oxidant gas. In this case, the air flow path passing through the humidifier and the air flow path bypassing the humidifier join together to supply air to the fuel cell stack, and adjust the amount of air passing through the humidifier to adjust the humidity in the air. Of course, the configuration may be such that various changes are possible.

以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。   As mentioned above, although the form for implementing this invention was demonstrated, this invention is not limited to such embodiment at all, and it can implement with a various form in the range which does not deviate from the summary of this invention. Of course.

本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成概略図である。1 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態に係る電圧計の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the voltmeter which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る各単セルの電圧測定値を示す図である。It is a figure which shows the voltage measurement value of each single cell which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る制御部より実行される燃料電池スタックの異常判断制御ルーチンを説明するフローチャートである。It is a flowchart explaining the abnormality judgment control routine of the fuel cell stack performed by the control part which concerns on embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

10 燃料電池スタック、12 加湿器、16 単セル、18 端子、20 放熱器、22 冷却水循環ポンプ、24 冷却水循環流路、26 冷却水バイパス流路、30 制御部、42 燃料電池スタック出口側温度センサ、44 バイパス温度センサ、46 放熱器出口側温度センサ、48 燃料電池スタック入口側温度センサ、50 流量調整用三方弁、60、62、64、66 電圧計、68 集電板、70 サブスタック、80 冷却装置。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Fuel cell stack, 12 Humidifier, 16 Single cell, 18 terminal, 20 Radiator, 22 Cooling water circulation pump, 24 Cooling water circulation channel, 26 Cooling water bypass channel, 30 Control part, 42 Fuel cell stack exit side temperature sensor , 44 Bypass temperature sensor, 46 Radiator outlet side temperature sensor, 48 Fuel cell stack inlet side temperature sensor, 50 Three-way valve for flow rate adjustment, 60, 62, 64, 66 Voltmeter, 68 Current collector plate, 70 Sub stack, 80 Cooling system.

Claims (8)

複数のセルが積層された燃料電池スタックを備える燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池スタックを冷却する冷却手段と、
前記燃料電池スタックに含まれるセルのうち1又は複数のセルの電圧を検出する電圧検出手段と、
前記燃料電池スタックを通常運転時の温度よりも低い温度に冷却し、そのときに前記電圧検出手段による検出電圧値が基準値以下である場合は、前記電圧検出手段の検出対象である1又は複数のセルを異常と判断する判断手段とを備えることを特徴とする燃料電池システム。
In a fuel cell system including a fuel cell stack in which a plurality of cells are stacked,
Cooling means for cooling the fuel cell stack;
Voltage detecting means for detecting the voltage of one or more cells among the cells included in the fuel cell stack;
When the fuel cell stack is cooled to a temperature lower than the temperature during normal operation, and when the detected voltage value by the voltage detecting means is equal to or lower than a reference value, one or a plurality of detection targets of the voltage detecting means A fuel cell system comprising: a determination unit that determines that the cell is abnormal.
前記冷却手段は、前記燃料電池スタックを冷却するために冷却媒体を前記燃料電池スタックに供給する手段を含み、前記判断手段において前記1又は複数のセルの異常を判断する際には、前記冷却媒体の燃料電池スタック入口温度を40度から60度の範囲内に設定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。   The cooling means includes means for supplying a cooling medium to the fuel cell stack in order to cool the fuel cell stack, and the determination means determines the abnormality of the one or more cells when determining the abnormality of the one or more cells. The fuel cell system according to claim 1, wherein the inlet temperature of the fuel cell stack is set within a range of 40 degrees to 60 degrees. 前記判断手段は、異常セルが所定の数を超えたときは、燃料電池システムの運転を停止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。   3. The fuel cell system according to claim 1, wherein the determination unit stops the operation of the fuel cell system when the number of abnormal cells exceeds a predetermined number. 複数のセルが積層された燃料電池スタックの異常を検出する検査装置において、
前記燃料電池スタックを冷却する冷却手段と、
前記燃料電池スタックに含まれるセルのうち1又は複数のセルの電圧を検出する電圧検出手段と、
前記燃料電池スタックを通常運転時の温度よりも低い温度に冷却し、そのときに前記電圧検出手段による検出電圧値が基準値以下である場合は、前記電圧検出手段の検出対象である1又は複数のセルを異常と判断する判断手段とを備えることを特徴とする検査装置。
In an inspection apparatus for detecting an abnormality in a fuel cell stack in which a plurality of cells are stacked,
Cooling means for cooling the fuel cell stack;
Voltage detecting means for detecting the voltage of one or more cells among the cells included in the fuel cell stack;
When the fuel cell stack is cooled to a temperature lower than the temperature during normal operation, and when the detected voltage value by the voltage detecting means is equal to or lower than a reference value, one or a plurality of detection targets of the voltage detecting means An inspection apparatus comprising: a determination unit that determines that the cell is abnormal.
前記冷却手段は、前記燃料電池スタックを冷却するために冷却媒体を前記燃料電池スタックに供給する手段を含み、前記判断手段において前記1又は複数のセルの異常を判断する際には、前記冷却媒体の燃料電池スタック入口温度を40度から60度の範囲内に設定することを特徴とする請求項4に記載の検査装置。   The cooling means includes means for supplying a cooling medium to the fuel cell stack in order to cool the fuel cell stack, and the determination means determines the abnormality of the one or more cells when determining the abnormality of the one or more cells. The inspection apparatus according to claim 4, wherein the fuel cell stack inlet temperature is set within a range of 40 degrees to 60 degrees. 複数のセルが積層された燃料電池スタックの異常を判断する方法において、
前記燃料電池スタックの温度を通常運転時の温度よりも低い温度に冷却し、そのときに電圧検出の対象となっている1又は複数のセルの電圧値が基準値以下である場合は、前記1又は複数のセルを異常と判断することを特徴とする方法。
In a method for determining an abnormality in a fuel cell stack in which a plurality of cells are stacked,
When the temperature of the fuel cell stack is cooled to a temperature lower than the temperature during normal operation, and the voltage value of one or a plurality of cells that are the targets of voltage detection at that time is equal to or lower than a reference value, Alternatively, it is determined that a plurality of cells are abnormal.
前記1又は複数のセルの異常を判断する際には、前記燃料電池スタックを冷却するための冷却媒体の燃料電池スタック入口温度を40度から60度の範囲内に設定することを特徴とする請求項6に記載の方法。   The fuel cell stack inlet temperature of a cooling medium for cooling the fuel cell stack is set within a range of 40 degrees to 60 degrees when determining an abnormality of the one or more cells. Item 7. The method according to Item 6. 異常セルが所定の数を超えたときは、燃料電池システムの運転を停止することを特徴とする請求項6又は7に記載の方法。   The method according to claim 6 or 7, wherein when the number of abnormal cells exceeds a predetermined number, the operation of the fuel cell system is stopped.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2009116497A1 (en) 2008-03-19 2009-09-24 株式会社 エヌ・ティ・ティ・ドコモ Base station device and communication control method
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