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JP2018160430A - Fuel cell system and operational method thereof - Google Patents

Fuel cell system and operational method thereof Download PDF

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JP2018160430A JP2017058281A JP2017058281A JP2018160430A JP 2018160430 A JP2018160430 A JP 2018160430A JP 2017058281 A JP2017058281 A JP 2017058281A JP 2017058281 A JP2017058281 A JP 2017058281A JP 2018160430 A JP2018160430 A JP 2018160430A
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To determine whether or not a supplying trouble in supply of an oxygen gas for power generation to a fuel cell unit has been caused, without bringing about a structural complication, such as additionally involving a device.SOLUTION: A fuel cell system comprises: a fuel cell unit 12 having an anode and a cathode; a blower 13 for power generation oxygen for supplying the cathode with an oxygen gas for power generation; an operation control part 3; a voltage detector part 18 for detecting an output voltage of the fuel cell unit 12; and a power detector part 19 for detecting an output power of the fuel cell unit 12. The operation control part 3 adjusts an output of the blower 13 for power generation oxygen so as to make a target flow rate adequate for an output power of the fuel cell unit 12. When the output voltage shows fluctuation in a predetermined permissible range or exceeding the range during a time when the output power is fixed, it is determined that a trouble in supplying oxygen gas for power generation to the cathode occurs.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、原燃料を改質して燃料ガスを生成する改質部と、前記改質部で生成された前記燃料ガスが供給されるアノード、及び、発電用酸素ガスが供給されるカソードを有する燃料電池部と、前記燃料電池部での発電反応で用いられた後に前記アノードから排出される排出燃料ガス中の燃料成分を燃焼させる燃焼部と、前記発電用酸素ガスを前記カソードに供給するための発電酸素用ブロアーと、運転制御部とを備える燃料電池システムに関する。又、本発明は燃料電池システムの運転方法に関する。   The present invention includes a reforming unit that reforms raw fuel to generate fuel gas, an anode to which the fuel gas generated in the reforming unit is supplied, and a cathode to which power generation oxygen gas is supplied. A fuel cell unit, a combustion unit for burning a fuel component in exhaust fuel gas discharged from the anode after being used in a power generation reaction in the fuel cell unit, and supplying the power generation oxygen gas to the cathode The present invention relates to a fuel cell system including a power generation oxygen blower and an operation control unit. The present invention also relates to a method for operating a fuel cell system.

上記燃料電池システムは、燃料電池部のカソードに対して、発電酸素用のブロアからガス供給路を通して発電用酸素ガスが供給され、ガス供給路の途中には、ガス供給路を開放する開状態と閉塞する閉状態とに切り換え可能な開閉弁が備えられている(例えば、特許文献1参照)。   In the fuel cell system, power generation oxygen gas is supplied from a power generation oxygen blower to a cathode of a fuel cell section through a gas supply path, and the gas supply path is opened in the middle of the gas supply path. An on-off valve that can be switched between a closed state and a closed state is provided (see, for example, Patent Document 1).

ブロア及び開閉弁が正常に作動しているときは問題ないが、燃料電池の使用に伴ってブロアあるいは開閉弁に異常が生じると、燃料電池部のカソードに対して発電用酸素ガスが良好に供給されなくなるおそれがある。そこで、このような異常が発生したことを検知するために、次のような構成が提案されている。   There is no problem when the blower and the open / close valve are operating normally, but if the blower or the open / close valve becomes abnormal as the fuel cell is used, the oxygen gas for power generation is well supplied to the cathode of the fuel cell unit. There is a risk of being lost. In order to detect the occurrence of such an abnormality, the following configuration has been proposed.

すなわち、ガス供給路中における診断対象の開閉弁よりも空気流動方向下手側に、別の開閉弁を備えるとともに、診断対象の開閉弁の空気流動方向上手側及び下手側の夫々に内部圧力を計測する圧力センサを備え、燃料電池の運転開始に伴う内部圧力の変動や、別の開閉弁の開閉前後の内部圧力の変動等に基づいて、開閉弁の動作異常を判断するものである(例えば、特許文献2参照)。   That is, a separate on-off valve is provided on the lower side of the air flow direction than the on-off valve to be diagnosed in the gas supply path, and the internal pressure is measured on the upper and lower sides of the on-off valve in the air flow direction of the diagnosis target. A pressure sensor that determines whether the on / off valve is operating abnormally based on fluctuations in internal pressure associated with the start of fuel cell operation, fluctuations in internal pressure before and after opening / closing another on / off valve, etc. Patent Document 2).

特開2015−185249号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2015-185249 特開2004−95425号公報JP 2004-95425 A

上記従来構成は、別の開閉弁や複数の圧力センサ等、本来は必要ではない複数の別付けの装置が必要であり、部品点数が増加してコスト高を招く等の不利がある。しかも、上記従来構成では、開閉弁の動作異常を判断することは可能であるが、発電酸素用のブロアの動作異常については判別することができないという不利もある。   The above conventional configuration requires a plurality of separately attached devices such as another on-off valve and a plurality of pressure sensors, which is disadvantageous in that the number of parts increases and the cost increases. Moreover, in the above conventional configuration, it is possible to determine the abnormal operation of the on-off valve, but there is a disadvantage that it is not possible to determine the abnormal operation of the blower for power generation oxygen.

ブロアの動作異常について説明を加えると、ブロアが故障して送風動作が全く行われていない場合には、異常であることを判断し易い。これに対して、例えば、ブロアの内部に水が侵入するという異常が発生したような場合には、ブロアの運転動作は引き続き行うことが可能であり、燃料電池の出力が低出力であれば、通常運転と略同じような運転を継続することが可能である。しかし、このようにブロア内部に水が侵入している状態で運転を継続すると、ブロアが短期間で著しく損傷するおそれがある。   When the blower operation abnormality is described, it is easy to determine that the blower is malfunctioning when the blower fails and no air blowing operation is performed. On the other hand, for example, when an abnormality that water enters the blower has occurred, the operation of the blower can be continued, and if the output of the fuel cell is low, It is possible to continue operation substantially the same as normal operation. However, if the operation is continued in such a state that water has entered the blower, the blower may be significantly damaged in a short period of time.

ブロアに対する水の侵入について説明する。
燃料電池では、従来より、燃料電池内部に水を供給して、アノードやカソードを湿潤させる構成のものがあり、この構成では、運転を停止している時には、燃料電池内部に水が多量に存在することになる。
The invasion of water into the blower will be described.
Conventionally, there is a fuel cell in which water is supplied into the fuel cell to wet the anode and cathode, and in this configuration, a large amount of water is present inside the fuel cell when operation is stopped. Will do.

そして、運転停止中には、燃料電池内部に残留している酸化剤ガスによってカソードが酸化することを回避するために、改質器を経由して原燃料ガスを供給して燃料電池内部の圧力を高めに設定する保圧処理を行う場合がある。   During the shutdown, the raw fuel gas is supplied via the reformer to prevent the cathode from being oxidized by the oxidant gas remaining inside the fuel cell. There is a case where the pressure holding process is set to a higher value.

又、運転停止状態から発電を開始させる場合に、燃焼部に残留している未燃焼ガス等を排出させるために、改質器を経由して燃焼用空気を供給することがある。このときも燃料電池内部の圧力が高めに変化することがある。   In addition, when power generation is started from an operation stop state, combustion air may be supplied via a reformer in order to discharge unburned gas remaining in the combustion section. At this time, the pressure inside the fuel cell may change to a higher level.

その結果、発電用酸素ガスが通流するガス供給路に備えられる開閉弁が故障していると、運転停止中や運転開始時等において、燃料電池内部の圧力が高めに変化することに起因して、燃料電池内部に存在する水の一部がガス供給路を通してブロアに侵入することがある。   As a result, when the on-off valve provided in the gas supply path through which the oxygen gas for power generation flows is broken, the pressure inside the fuel cell changes to a high level when the operation is stopped or started. Thus, part of the water present inside the fuel cell may enter the blower through the gas supply path.

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、別付けの装置を備える等の構造の複雑化を招くことなく、燃料電池部への発電用酸素ガスの供給不具合が発生したことを判別できるようにする点にある。   The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and the object thereof is to prevent the problem of supplying oxygen gas for power generation to the fuel cell unit without complicating the structure such as providing a separate device. The point is to be able to determine that it has occurred.

本発明に係る燃料電池システムの特徴構成は、
原燃料を改質して燃料ガスを生成する改質部と、
前記改質部で生成された前記燃料ガスが供給されるアノード、及び、発電用酸素ガスが供給されるカソードを有する燃料電池部と、
前記燃料電池部での発電反応で用いられた後に前記アノードから排出される排出燃料ガス中の燃料成分を燃焼させる燃焼部と、
前記発電用酸素ガスを前記カソードに供給するための発電酸素用ブロアーと、
運転制御部とを備えるものであって、
前記燃料電池部の出力電圧を検出する電圧検出部と、
前記燃料電池部の出力電力を検出する電力検出部と、を備え、
前記運転制御部は、
前記発電用酸素ガスの単位時間当たりの流量が、前記燃料電池部の出力電力に見合った目標流量となるように前記発電酸素用ブロアーの出力を調節し、
前記電力検出部で検出される出力電力が一定の間に、前記電圧検出部で検出される出力電圧が所定の許容範囲以上の変動を示したとき、前記カソードへの前記発電用酸素ガスの供給に不具合が発生していると判定する点にある。
The characteristic configuration of the fuel cell system according to the present invention is:
A reforming section for reforming raw fuel to generate fuel gas;
A fuel cell unit having an anode to which the fuel gas generated in the reforming unit is supplied, and a cathode to which power generation oxygen gas is supplied;
A combustion section for burning a fuel component in exhaust fuel gas discharged from the anode after being used in a power generation reaction in the fuel cell section;
A power generation oxygen blower for supplying the power generation oxygen gas to the cathode;
An operation control unit,
A voltage detection unit for detecting an output voltage of the fuel cell unit;
A power detection unit for detecting output power of the fuel cell unit,
The operation controller is
Adjusting the output of the power generation oxygen blower so that the flow rate per unit time of the power generation oxygen gas becomes a target flow rate commensurate with the output power of the fuel cell unit,
Supply of the oxygen gas for power generation to the cathode when the output voltage detected by the voltage detector shows a fluctuation exceeding a predetermined allowable range while the output power detected by the power detector is constant The point is that it is determined that a problem has occurred.

運転制御部は、燃料電池部の出力電力に見合った目標流量となるように発電酸素用ブロアーの出力を調節するのであるが、例えば、水の侵入等が原因でブロアの動作に異常が発生した場合には、ブロアから送り出される空気の流量に特有の乱れが生じて、この乱れに伴って燃料電池部の出力電圧が大きく上下に変動することがある。   The operation control unit adjusts the output of the power generation oxygen blower so that the target flow rate is commensurate with the output power of the fuel cell unit. For example, an abnormality has occurred in the operation of the blower due to water intrusion, etc. In some cases, a turbulence peculiar to the flow rate of the air sent out from the blower occurs, and the output voltage of the fuel cell unit may fluctuate greatly in accordance with this turbulence.

そこで、そのことを利用して、燃料電池部の出力電力が一定である条件下において、燃料電池部の出力電圧が許容範囲以上に変動すると、カソードへの発電用酸素ガスの供給に不具合が発生していると判定することができる。尚、燃料電池の運転状態を検知するために、電圧検出部及び電力検出部は本来必要な構成である。   Therefore, using this fact, if the output voltage of the fuel cell unit fluctuates beyond the allowable range under the condition that the output power of the fuel cell unit is constant, a problem occurs in the supply of oxygen gas for power generation to the cathode. Can be determined. In addition, in order to detect the driving | running state of a fuel cell, a voltage detection part and an electric power detection part are the structures which are originally required.

その結果、本来必要とされる装置を用いることで、別付けの装置を備える等の構造の複雑化を招くことなく、燃料電池部への発電用酸素ガスの供給不具合が発生したことを判別できるものとなった。   As a result, by using a device that is originally required, it is possible to determine that a failure in supplying oxygen gas for power generation to the fuel cell unit has occurred without complicating the structure such as providing a separate device. It became a thing.

本発明に係る燃料電池システムの別の特徴構成は、前記運転制御部は、前記カソードへの前記発電用酸素ガスの供給に不具合が発生していると判定したとき、前記燃料電池部の出力電力を所定の低出力状態にさせる低出力運転を所定期間行う点にある。   Another characteristic configuration of the fuel cell system according to the present invention is that when the operation control unit determines that there is a problem in the supply of the oxygen gas for power generation to the cathode, the output power of the fuel cell unit Is that a low output operation is performed for a predetermined period.

例えば、水の侵入等が原因で発電酸素用ブロアーの動作に異常が発生している場合であっても、燃料電池部が低出力状態で運転しているときは、通常運転と略同じような出力電圧の変動が少ない安定した運転を継続することが可能である。そこで、不具合が発生していると判定したときには、低出力運転を行うことで、発電酸素用ブロアーに無理な力が掛かって早期に破損する等の不利を回避できる。尚、不具合が発生していると判定した結果、所定時間が経過する間に何等かの対策を取ることが可能であるから、低出力運転を所定期間行うようにして、不必要に長く継続することを回避できる。   For example, even if there is an abnormality in the operation of the power generation oxygen blower due to water intrusion, etc., when the fuel cell unit is operating in a low output state, it is substantially the same as normal operation. It is possible to continue stable operation with little fluctuation in output voltage. Therefore, when it is determined that a malfunction has occurred, a low output operation is performed, so that disadvantages such as an early breakage due to excessive force applied to the power generation oxygen blower can be avoided. As a result of determining that a problem has occurred, it is possible to take some measures while the predetermined time has elapsed. Therefore, the low output operation is performed for a predetermined period, and it continues unnecessarily for a long time. You can avoid that.

本発明に係る燃料電池システムの更に別の特徴構成は、
前記運転制御部は、
前記カソードへの前記発電用酸素ガスの供給に不具合が発生していると判定し、且つ、前記発電酸素用ブロアーの現在の出力が、前記発電用酸素ガスの単位時間当たりの流量を前記燃料電池部の出力電力に見合った目標流量にするときの基準出力から設定値以上大きくなっているとき、前記発電用酸素ガスの流路抵抗の増大を原因とする前記発電用酸素ガスの供給の不具合が発生していると判定し、
前記カソードへの前記発電用酸素ガスの供給に不具合が発生していると判定し、且つ、前記発電酸素用ブロアーの現在の出力が前記基準出力から前記設定値以上大きくなっていないとき、前記発電酸素用ブロアーを原因とする前記発電用酸素ガスの供給の不具合が発生していると判定する点にある。
Still another characteristic configuration of the fuel cell system according to the present invention is:
The operation controller is
It is determined that there is a problem in the supply of the oxygen gas for power generation to the cathode, and the current output of the oxygen blower for power generation indicates the flow rate per unit time of the oxygen gas for power generation as the fuel cell. When the target flow rate corresponding to the output power of the unit is larger than the set value from the reference output, there is a problem in the supply of the oxygen gas for power generation due to an increase in the flow resistance of the oxygen gas for power generation Determine that it has occurred,
When it is determined that there is a problem in the supply of the oxygen gas for power generation to the cathode and the current output of the oxygen generator blower is not greater than the set value from the reference output, the power generation The point is that it is determined that a failure in the supply of the oxygen gas for power generation due to the oxygen blower has occurred.

発電用酸素ガスの供給に不具合が発生していても、その不具合の発生要因として、発電酸素用ブロアーを原因とするものだけでなく、発電用酸素ガスが通流するガス供給路が何等かの要因で閉塞されて流路抵抗の増大していることも考えられる。   Even if there is a problem with the supply of oxygen gas for power generation, the cause of the problem is not only the cause of the oxygen blower for power generation, but also any gas supply path through which oxygen gas for power generation flows. It is also conceivable that the channel resistance is increased due to a factor.

そして、流路抵抗の増大が原因であれば、発電酸素用ブロアーの出力を目標流量に対応する基準出力に調整しても、目標流量の発電用酸素ガスを供給することができない。その結果、運転制御部が、目標流量になるように発電酸素用ブロアーの出力を調整すると、発電酸素用ブロアーの出力が基準出力よりも設定量以上大きい出力になる。一方、発電酸素用ブロアーが原因であれば、発電酸素用ブロアーの出力は基準出力から大きく変動するおそれは少ない。   If the cause is an increase in flow path resistance, even if the output of the power generation oxygen blower is adjusted to the reference output corresponding to the target flow rate, the power generation oxygen gas at the target flow rate cannot be supplied. As a result, when the operation control unit adjusts the output of the power generation oxygen blower so as to achieve the target flow rate, the output of the power generation oxygen blower becomes an output that is larger than the reference output by a set amount or more. On the other hand, if the generated oxygen blower is the cause, the output of the generated oxygen blower is less likely to vary greatly from the reference output.

そこで、上記特徴構成では、そのことを利用して、発電用酸素ガスの供給に不具合が発生していると判定した場合に、流路抵抗の増大が原因であるか、発電酸素用ブロアーが原因であるかを判定することが可能となる。   Therefore, in the above-described characteristic configuration, when it is determined that there is a problem in the supply of the oxygen gas for power generation, it is caused by an increase in the flow resistance or the blower for oxygen for power generation. It is possible to determine whether or not.

本発明に係る燃料電池システムの更に別の特徴構成は、
前記運転制御部は、
前記カソードへの前記発電用酸素ガスの供給に不具合が発生していると判定し、且つ、前記発電酸素用ブロアーの現在の出力が前記基準出力から前記設定値以上大きくなっていないとき、前記発電酸素用ブロアーへの水の侵入を原因とする前記発電用酸素ガスの供給の不具合が発生していると判定する点にある。
Still another characteristic configuration of the fuel cell system according to the present invention is:
The operation controller is
When it is determined that there is a problem in the supply of the oxygen gas for power generation to the cathode and the current output of the oxygen generator blower is not greater than the set value from the reference output, the power generation The point is that it is determined that there is a problem in the supply of the oxygen gas for power generation due to water intrusion into the oxygen blower.

上記特徴構成によれば、燃料電池部の出力電圧が変動して不具合が発生しているにもかかわらず、発電酸素用ブロアーの出力が基準出力から設定値以上大きくなっていなければ、発電酸素用ブロアーへの水の侵入が原因であると判定する。つまり、このような場合には、発電酸素用ブロアーの送風能力自体に問題はなく、水の侵入が原因であることが想定できる。   According to the above characteristic configuration, if the output voltage of the fuel cell unit fluctuates and a problem has occurred, but the output of the blower for generated oxygen is not larger than the set value from the reference output, Determined to be caused by water intrusion into the blower. That is, in such a case, there is no problem in the blowing capacity itself of the power generation oxygen blower, and it can be assumed that water is intruded.

従って、発電酸素用ブロアーの出力の大きさの違いによって、水の侵入が原因であるか否かを判定することができる。   Therefore, it can be determined whether or not the intrusion of water is caused by the difference in the output level of the power generation oxygen blower.

本発明に係る燃料電池システムの運転方法の特徴は、
原燃料を改質して燃料ガスを生成する改質部と、前記改質部で生成された前記燃料ガスが供給されるアノード、及び、発電用酸素ガスが供給されるカソードを有する燃料電池部と、前記燃料電池部での発電反応で用いられた後に前記アノードから排出される排出燃料ガス中の燃料成分を燃焼させる燃焼部と、前記発電用酸素ガスを前記カソードに供給するための発電酸素用ブロアーとを備える燃料電池システムの運転方法であって、
前記燃料電池システムは、前記燃料電池部の出力電圧を検出する電圧検出部と、前記燃料電池部の出力電力を検出する電力検出部とを備え、
前記発電用酸素ガスの単位時間当たりの流量が、前記燃料電池部の出力電力に見合った目標流量となるように前記発電酸素用ブロアーの出力が調節され、
前記電力検出部で検出される出力電力が一定の間に、前記電圧検出部で出力電圧を検出する電圧検出工程と、
前記電圧検出工程で検出された出力電圧が所定の許容範囲以上の変動を示したとき、前記カソードへの前記発電用酸素ガスの供給に不具合が発生していると判定する不具合判定工程とを有する点にある。
The feature of the operation method of the fuel cell system according to the present invention is:
A fuel cell unit having a reforming unit that reforms raw fuel to generate fuel gas, an anode to which the fuel gas generated in the reforming unit is supplied, and a cathode to which oxygen gas for power generation is supplied A combustion section for burning a fuel component in the exhaust gas discharged from the anode after being used in a power generation reaction in the fuel cell section, and a power generation oxygen for supplying the power generation oxygen gas to the cathode A fuel cell system comprising a blower for a vehicle,
The fuel cell system includes a voltage detection unit that detects an output voltage of the fuel cell unit, and a power detection unit that detects output power of the fuel cell unit,
The output of the power generation oxygen blower is adjusted so that the flow rate per unit time of the power generation oxygen gas becomes a target flow rate corresponding to the output power of the fuel cell unit,
While the output power detected by the power detection unit is constant, a voltage detection step of detecting an output voltage by the voltage detection unit;
A failure determination step of determining that a failure has occurred in the supply of the oxygen gas for power generation to the cathode when the output voltage detected in the voltage detection step shows a fluctuation exceeding a predetermined allowable range. In the point.

燃料電池部の出力電力に見合った目標流量となるように発電酸素用ブロアーの出力が調節されるが、例えば、水の侵入等が原因でブロアの動作に異常が発生した場合には、ブロアから送り出される空気の流量に特有の乱れが生じて、この乱れに伴って燃料電池部の出力電圧が大きく上下に変動することがある。   The output of the blower for oxygen generation is adjusted so that the target flow rate is commensurate with the output power of the fuel cell unit.For example, if an abnormality occurs in the blower operation due to water intrusion, etc., the blower Disturbances peculiar to the flow rate of the air sent out may occur, and the output voltage of the fuel cell unit may fluctuate greatly up and down with this disturbance.

そこで、電圧検出工程において、燃料電池部の出力電力が一定であるときに、燃料電池部の出力電圧を検出し、不具合判定工程において、出力電圧が所定の許容範囲以上の変動を示していれば、カソードへの発電用酸素ガスの供給に不具合が発生していると判定することができる。尚、燃料電池の運転状態を検知するために、電圧検出部及び電力検出部は本来必要な構成である。   Therefore, in the voltage detection step, when the output power of the fuel cell unit is constant, the output voltage of the fuel cell unit is detected, and in the failure determination step, if the output voltage shows a fluctuation exceeding a predetermined allowable range. It can be determined that there is a problem in the supply of oxygen gas for power generation to the cathode. In addition, in order to detect the driving | running state of a fuel cell, a voltage detection part and an electric power detection part are the structures which are originally required.

その結果、本来必要とされる装置を用いることで、別付けの装置を備える等の燃料電池システムの構造の複雑化を招くことなく、燃料電池部への発電用酸素ガスの供給不具合が発生したことを判別できるものとなった。   As a result, by using a device that was originally required, there was a problem in supplying oxygen gas for power generation to the fuel cell unit without complicating the structure of the fuel cell system, such as providing a separate device. It became possible to distinguish this.

本発明に係る燃料電池システムの運転方法の別の特徴は、
前記不具合判定工程で、前記カソードへの前記発電用酸素ガスの供給に不具合が発生していると判定したとき、前記燃料電池部の出力電力を所定の低出力状態にさせる低出力運転を所定期間行う対策工程を有する点にある。
Another feature of the operation method of the fuel cell system according to the present invention is:
When it is determined in the failure determination step that a failure has occurred in the supply of the oxygen gas for power generation to the cathode, a low output operation for setting the output power of the fuel cell unit to a predetermined low output state is performed for a predetermined period. It has a countermeasure process to be performed.

例えば、水の侵入等が原因で発電酸素用ブロアーの動作に異常が発生している場合であっても、燃料電池部が低出力状態で運転しているときは、通常運転と略同じような出力電圧の変動が少ない安定した運転を継続することが可能である。そこで、不具合が発生していると判定したときには、低出力運転を行うことで、発電酸素用ブロアーに無理な力が掛かって早期に破損する等の不利を回避できる。尚、不具合が発生していると判定した結果、所定時間が経過する間に何等かの対策を取ることが可能であるから、低出力運転を所定期間行うようにして、不必要に長く継続することを回避できる。   For example, even if there is an abnormality in the operation of the power generation oxygen blower due to water intrusion, etc., when the fuel cell unit is operating in a low output state, it is substantially the same as normal operation. It is possible to continue stable operation with little fluctuation in output voltage. Therefore, when it is determined that a malfunction has occurred, a low output operation is performed, so that disadvantages such as an early breakage due to excessive force applied to the power generation oxygen blower can be avoided. As a result of determining that a problem has occurred, it is possible to take some measures while the predetermined time has elapsed. Therefore, the low output operation is performed for a predetermined period, and it continues unnecessarily for a long time. You can avoid that.

本発明に係る燃料電池システムの運転方法の更に別の特徴は、
前記不具合判定工程において、前記カソードへの前記発電用酸素ガスの供給に不具合が発生していると判定したとき、
前記発電酸素用ブロアーの現在の出力が、前記発電用酸素ガスの単位時間当たりの流量を前記燃料電池部の出力電力に見合った目標流量にするときの基準出力から設定値以上大きくなっていれば、前記発電用酸素ガスの流路抵抗の増大を原因とする前記発電用酸素ガスの供給の不具合が発生していると推定し、
前記発電酸素用ブロアーの現在の出力が前記基準出力から前記設定値以上大きくなっていなければ、前記発電酸素用ブロアーを原因とする前記発電用酸素ガスの供給の不具合が発生していると推定する不具合原因推定工程とを有する点にある。
Still another feature of the operating method of the fuel cell system according to the present invention is:
In the failure determination step, when it is determined that a failure has occurred in the supply of the oxygen gas for power generation to the cathode,
If the current output of the power generation oxygen blower is larger than a set value from a reference output when the flow rate per unit time of the power generation oxygen gas is set to a target flow rate corresponding to the output power of the fuel cell unit , Presuming that there is a problem in the supply of oxygen gas for power generation due to an increase in flow resistance of the oxygen gas for power generation,
If the current output of the power generation oxygen blower is not greater than or equal to the set value from the reference output, it is estimated that the power generation oxygen gas supply failure caused by the power generation oxygen blower has occurred. A defect cause estimation step.

発電用酸素ガスの供給に不具合が発生していても、その不具合の発生要因として、発電酸素用ブロアーを原因とするものだけでなく、発電用酸素ガスが通流するガス供給路が何等かの要因で閉塞されて流路抵抗の増大していることも考えられる。   Even if there is a problem with the supply of oxygen gas for power generation, the cause of the problem is not only the cause of the oxygen blower for power generation, but also any gas supply path through which oxygen gas for power generation flows. It is also conceivable that the channel resistance is increased due to a factor.

そして、流路抵抗の増大が原因であれば、発電酸素用ブロアーの出力を目標流量に対応する基準出力に調整しても、目標流量の発電用酸素ガスを供給することができない。その結果、運転制御部が、目標流量になるように発電酸素用ブロアーの出力を調整すると、発電酸素用ブロアーの出力が基準出力よりも設定量以上大きい出力になる。一方、発電酸素用ブロアーが原因であれば、発電酸素用ブロアーの出力は基準出力から大きく変動するおそれは少ない。   If the cause is an increase in flow path resistance, even if the output of the power generation oxygen blower is adjusted to the reference output corresponding to the target flow rate, the power generation oxygen gas at the target flow rate cannot be supplied. As a result, when the operation control unit adjusts the output of the power generation oxygen blower so as to achieve the target flow rate, the output of the power generation oxygen blower becomes an output that is larger than the reference output by a set amount or more. On the other hand, if the generated oxygen blower is the cause, the output of the generated oxygen blower is less likely to vary greatly from the reference output.

そこで、上記特徴では、そのことを利用して、発電用酸素ガスの供給に不具合が発生していると判定した場合に、流路抵抗の増大が原因であるか、発電酸素用ブロアーが原因であるかを判定することが可能となる。   Therefore, in the above feature, when it is determined that there is a problem in the supply of the oxygen gas for power generation, it is caused by an increase in the flow resistance or the blower for power generation oxygen. It is possible to determine whether it exists.

本発明に係る燃料電池システムの運転方法の更に別の特徴は、
前記不具合原因推定工程で、前記発電酸素用ブロアーを原因とする前記発電用酸素ガスの供給の不具合が発生していると推定したとき、前記燃料電池部の出力電力を所定の低出力状態にさせる低出力運転を所定期間行う対策工程を有する点にある。
Still another feature of the operating method of the fuel cell system according to the present invention is:
When it is estimated in the failure cause estimation step that a failure in the supply of oxygen gas for power generation due to the blower for oxygen for power generation has occurred, the output power of the fuel cell unit is set to a predetermined low output state There exists a countermeasure process which performs a low output driving | running for a predetermined period.

上記方法によれば、発電酸素用ブロアーを原因とする発電用酸素ガスの供給の不具合が発生していると推定したときに、燃料電池部の出力電力を所定の低出力状態にさせるので、別の原因であると想定されるときには、別の対策を取ることになる。   According to the above method, when it is estimated that there is a problem with the supply of oxygen gas for power generation due to the oxygen blower for power generation, the output power of the fuel cell unit is set to a predetermined low output state. When it is assumed that this is the cause of this, another measure will be taken.

従って、発電酸素用ブロアーを原因とするときにのみ、そのことに対して適切な対策を取ることができる。   Therefore, appropriate measures can be taken only when the power generation oxygen blower is the cause.

本発明に係る燃料電池システムの運転方法の更に別の特徴は、
前記不具合原因推定工程で、前記発電酸素用ブロアーを原因とする前記発電用酸素ガスの供給の不具合が発生していると推定したとき、前記燃料電池部を発電させない間の所定のタイミングで、前記発電酸素用ブロアーを動作させて当該発電酸素用ブロアーから前記カソードに向けて前記発電用酸素ガスを流す点にある。
Still another feature of the operating method of the fuel cell system according to the present invention is:
In the failure cause estimation step, when it is estimated that a failure in the supply of oxygen gas for power generation due to the blower for oxygen for power generation has occurred, at a predetermined timing during which the fuel cell unit does not generate power, The power generation oxygen blower is operated to flow the power generation oxygen gas from the power generation oxygen blower toward the cathode.

上記方法によれば、燃料電池部を発電させていない間の適切なタイミングにて、発電酸素用ブロアーからカソードに向けて発電用酸素ガスを流すことにより、カソード側に水が多量に存在していても、水が発電酸素用ブロアーに侵入してくることを防止できる。   According to the above method, a large amount of water is present on the cathode side by flowing power generation oxygen gas from the power generation oxygen blower toward the cathode at an appropriate timing while the fuel cell unit is not generating power. However, water can be prevented from entering the blower for power generation oxygen.

本発明に係る燃料電池システムの運転方法の更に別の特徴は、
前記所定のタイミングが、前記燃料電池部を発電させない間で、前記カソードから前記発電酸素用ブロアーに向かう圧力が加わるタイミングであると好適である。
Still another feature of the operating method of the fuel cell system according to the present invention is:
It is preferable that the predetermined timing is a timing at which a pressure from the cathode toward the power generation oxygen blower is applied while the fuel cell unit is not generating power.

上記方法によれば、カソードから発電酸素用ブロアーに向かう圧力が加わるタイミングで、発電酸素用ブロアーからカソードに向けて発電用酸素ガスを流すことにより、水が発電酸素用ブロアーに侵入してくることをより的確に防止することができる。   According to the above method, water flows into the power generation oxygen blower by flowing the power generation oxygen gas from the power generation oxygen blower toward the cathode at the timing when the pressure from the cathode toward the power generation oxygen blower is applied. Can be prevented more accurately.

燃料電池システムの概略構成図である。It is a schematic block diagram of a fuel cell system. セルの構造説明図である。It is structure explanatory drawing of a cell. 運転方法を説明するフローチャートである。It is a flowchart explaining a driving | running method. 安定運転状態の実測データを示す図である。It is a figure which shows the actual measurement data of a stable driving | running state. 異常運転状態の実測データを示す図である。It is a figure which shows the actual measurement data of an abnormal driving | running state.

以下、図面に基づいて、本発明に係る実施形態を説明する。
以下に図面を参照して本発明に係る燃料電池システム及びその運転方法について説明する。
図1は、燃料電池システムの構成を示す図である。燃料電池システムは、原燃料としての原燃料ガス(例えば、メタンを含む都市ガス等)を改質して燃料ガスを生成する燃料ガス生成装置1、燃料ガス生成装置1から供給される燃料ガスを燃料として用いて発電する燃料電池発電装置2、及び、燃料ガス生成装置1及び燃料電池発電装置2の運転を制御する運転制御部3を備える。
Embodiments according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
A fuel cell system and an operation method thereof according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a fuel cell system. The fuel cell system reforms raw fuel gas (for example, city gas containing methane) as raw fuel to generate fuel gas, and a fuel gas supplied from the fuel gas generating device 1 A fuel cell power generation device 2 that generates power using the fuel, and an operation control unit 3 that controls the operation of the fuel gas generation device 1 and the fuel cell power generation device 2 are provided.

燃料ガス生成装置1には、原燃料ガスを改質して水素を主成分とする燃料ガスを生成する改質部4と、燃料成分を燃焼して改質部4を加熱する燃焼部5と、原燃料供給路L1を通して原燃料ガスを改質部4に供給するための原燃料用ブロアー6と、燃焼用酸素供給路L2を通して燃焼部5に燃焼用酸素ガスを供給する燃焼酸素用ブロアー7と、原燃料供給路L1を開閉自在な第1開閉弁8と、燃焼用酸素供給路L2を開閉自在な第2開閉弁9とが備えられている。又、原燃料供給路L1には原燃料用ブロアー6により供給される原燃料ガスの流量を計測する原燃料流量計10が設けられ、燃焼用酸素供給路L2には燃焼酸素用ブロアー7により供給される燃焼用酸素の流量を計測する燃焼用酸素流量計11が設けられている。   The fuel gas generator 1 includes a reforming unit 4 that reforms raw fuel gas to generate a fuel gas mainly composed of hydrogen, and a combustion unit 5 that burns fuel components and heats the reforming unit 4. A raw fuel blower 6 for supplying raw fuel gas to the reforming section 4 through the raw fuel supply path L1, and a combustion oxygen blower 7 for supplying combustion oxygen gas to the combustion section 5 through the combustion oxygen supply path L2 A first on-off valve 8 that can open and close the raw fuel supply path L1, and a second on-off valve 9 that can open and close the combustion oxygen supply path L2. The raw fuel supply passage L1 is provided with a raw fuel flow meter 10 for measuring the flow rate of the raw fuel gas supplied by the raw fuel blower 6, and supplied to the combustion oxygen supply passage L2 by the combustion oxygen blower 7. A combustion oxygen flow meter 11 for measuring the flow rate of the combustion oxygen is provided.

改質部4は、原燃料ガスを水蒸気の存在下で改質処理して、水素を主成分とする燃料ガスを生成する。具体的には、改質部4には、隣接して設けられる燃焼部5で発生された熱を利用して原燃料ガスを水蒸気改質して、水素を主成分とし、副生成物としての一酸化炭素と二酸化炭素とを含む改質ガスを生成する。図示はしていないが、改質部4では、改質後の改質ガスに含まれる一酸化炭素を除去する処理も行われる。改質部4によって生成された燃料ガスは、燃料ガス供給路L3を通して燃料電池発電装置2に供給される。   The reforming unit 4 reforms the raw fuel gas in the presence of water vapor to generate a fuel gas mainly composed of hydrogen. Specifically, the reforming unit 4 steam-reforms the raw fuel gas using heat generated in the combustion unit 5 provided adjacent to the reforming unit 4 so that hydrogen is a main component, and as a by-product. A reformed gas containing carbon monoxide and carbon dioxide is generated. Although not shown, the reforming unit 4 also performs a process of removing carbon monoxide contained in the reformed gas after reforming. The fuel gas generated by the reforming unit 4 is supplied to the fuel cell power generator 2 through the fuel gas supply path L3.

原燃料供給路L1を通して供給される原燃料ガスの供給量が、原燃料流量計10により計測され、その計測された流量が予め設定された目標流量になるように、運転制御部3が原燃料用ブロアー6の出力を調整する。運転停止時等において原燃料用ブロアー6が作動していない状態では、第1開閉弁8が閉状態となる。   The supply amount of the raw fuel gas supplied through the raw fuel supply path L1 is measured by the raw fuel flow meter 10, and the operation control unit 3 controls the raw fuel so that the measured flow rate becomes a preset target flow rate. The output of the blower 6 is adjusted. In a state where the raw fuel blower 6 is not operating, for example, when the operation is stopped, the first on-off valve 8 is closed.

燃焼部5は、可燃性ガスを燃焼して熱を発生させる。可燃性ガスとしては、後述するように、燃料電池発電装置2にて発電反応で消費されなかった水素を含む排ガス、又は、原燃料ガス、或いは、それら両方を混合して用いることができる。また、燃焼部5には可燃性ガスに対する燃焼用の空気(酸素)が燃焼用酸素供給路L2を介して供給されている。   The combustion unit 5 generates heat by burning the combustible gas. As the combustible gas, as will be described later, exhaust gas containing hydrogen that has not been consumed in the power generation reaction in the fuel cell power generation device 2, raw fuel gas, or a mixture of both can be used. In addition, combustion air (oxygen) for the combustible gas is supplied to the combustion unit 5 via the combustion oxygen supply path L2.

燃焼用酸素供給路L2を通して供給される燃焼用酸素ガスの供給量が、燃焼用酸素流量計11により計測され、その計測された流量が予め設定された目標流量になるように、運転制御部3が燃焼酸素用ブロアー7の出力を調整する。運転停止時等において、燃焼酸素用ブロアー7が作動していない状態では、第2開閉弁9が閉状態となる。   The supply amount of the combustion oxygen gas supplied through the combustion oxygen supply path L2 is measured by the combustion oxygen flow meter 11, and the operation control unit 3 is set so that the measured flow rate becomes a preset target flow rate. Adjusts the output of the combustion oxygen blower 7. When the combustion oxygen blower 7 is not operating, for example, when the operation is stopped, the second on-off valve 9 is closed.

燃料電池発電装置2には、上記したような燃料ガス及び発電用酸素ガスが供給されて発電作用する燃料電池部12と、発電用酸素供給路L4を通して発電用酸素ガスを燃料電池部12に供給するための発電酸素用ブロアー13と、発電用酸素供給路L4を開閉自在な第3開閉弁14と、燃料電池部12を冷却するための冷却水を貯留する水タンク15と、発電用酸素ガスのうち消費されなかったガスが通過する発電用酸素排出路L5を開閉自在な第4開閉弁16と、冷却水を循環供給するためのポンプ17と、燃料電池部12の出力電圧を検出する電圧検出部18と、燃料電池部12の出力電力を検出する電力検出部19とが備えられている。又、発電用酸素供給路L4には発電酸素用ブロアー13により供給される発電用酸素ガスの流量を計測する発電用酸素流量計20が設けられている。   The fuel cell power generation device 2 is supplied with the fuel gas and the oxygen gas for power generation as described above, and supplies the fuel cell unit 12 with the power generation oxygen gas through the power generation oxygen supply path L4. For generating electric power, a third on-off valve 14 capable of opening and closing the electric power generation oxygen supply path L4, a water tank 15 for storing cooling water for cooling the fuel cell unit 12, and an oxygen gas for electric power generation The fourth on-off valve 16 that can freely open and close the power generation oxygen discharge path L5 through which the gas that has not been consumed passes, the pump 17 for circulating and supplying cooling water, and the voltage for detecting the output voltage of the fuel cell unit 12 A detection unit 18 and a power detection unit 19 that detects the output power of the fuel cell unit 12 are provided. The power generation oxygen supply path L4 is provided with a power generation oxygen flow meter 20 for measuring the flow rate of the power generation oxygen gas supplied by the power generation oxygen blower 13.

燃料電池部12は、固体高分子型燃料電池であり、図2に示すように、固体高分子からなる電解質膜22をアノード(燃料極)23とカソード(酸素極)24とにより挟んで1個のセルCが構成され、セルCを複数積層して構成されている。   The fuel cell unit 12 is a solid polymer fuel cell, and as shown in FIG. 2, one electrolyte membrane 22 made of a solid polymer is sandwiched between an anode (fuel electrode) 23 and a cathode (oxygen electrode) 24. Cell C, and a plurality of cells C are stacked.

アノード23はガス拡散層23aと触媒層23bとを備え、ガス拡散層23aと対面する側の第1セパレータ26の一面に形成される燃料ガス流路26aに供給された燃料ガスがガス拡散層23aを通って触媒層23bに到達する。同様に、カソード24はガス拡散層24aと触媒層24bとを備え、ガス拡散層24aと対面する側の第2セパレータ27の一面に形成される空気流路27aに供給された酸素(空気)がガス拡散層24aを通って触媒層24bに到達する。触媒層23b,24bは、金属触媒を担持した担体によって構成され、化学反応を促進させる。   The anode 23 includes a gas diffusion layer 23a and a catalyst layer 23b, and the fuel gas supplied to the fuel gas channel 26a formed on one surface of the first separator 26 on the side facing the gas diffusion layer 23a is gas diffusion layer 23a. And reach the catalyst layer 23b. Similarly, the cathode 24 includes a gas diffusion layer 24a and a catalyst layer 24b, and oxygen (air) supplied to an air flow path 27a formed on one surface of the second separator 27 facing the gas diffusion layer 24a. The catalyst layer 24b is reached through the gas diffusion layer 24a. The catalyst layers 23b and 24b are constituted by a carrier carrying a metal catalyst and promote a chemical reaction.

第2セパレータ27と、隣り合うセルCの第1セパレータ26との間には、冷却水が流れる冷却水流路27bが形成されている。冷却水流路27bとセパレータ26,27とによって燃料電池部12を冷却する冷却部28(図1参照)が構成されている。冷却水流路27bに接続される冷却水循環路29には、水タンク15とポンプ17とが備えられ、ポンプ17が作動することで、水タンク15に貯留される冷却水が、燃料電池部12の冷却水流路27bを通過したのち水タンク15に戻るように循環供給される。   A cooling water passage 27b through which cooling water flows is formed between the second separator 27 and the first separator 26 of the adjacent cell C. The cooling water channel 27b and the separators 26 and 27 constitute a cooling unit 28 (see FIG. 1) that cools the fuel cell unit 12. The cooling water circulation path 29 connected to the cooling water flow path 27 b is provided with a water tank 15 and a pump 17. When the pump 17 is operated, the cooling water stored in the water tank 15 is supplied to the fuel cell unit 12. After passing through the cooling water flow path 27b, it is circulated and supplied so as to return to the water tank 15.

燃料電池部12は、アノード23に改質後の燃料ガスが供給され、カソード24に酸素(空気)が供給されて発電反応が行われる。燃料電池部12の出力電力(即ち、発電反応の量)は、運転制御部3がインバータ(図示せず)を用いて調節し、その電力が電力消費装置(図示せず)に供給される。 In the fuel cell unit 12, the reformed fuel gas is supplied to the anode 23, and oxygen (air) is supplied to the cathode 24 to perform a power generation reaction. The output power (that is, the amount of power generation reaction) of the fuel cell unit 12 is adjusted by the operation control unit 3 using an inverter (not shown), and the power is supplied to a power consuming device (not shown).

アノード23に供給される燃料ガスに含まれる水素のうち、燃料電池部12での発電反応で消費されなかった過剰な水素はアノード23から排出され、アノード排ガス流路L6を通って燃焼部5に供給され、可燃性ガスとして燃焼される。アノード排ガス流路L6には、燃焼用酸素供給路L2が接続されている。   Of the hydrogen contained in the fuel gas supplied to the anode 23, excess hydrogen that was not consumed by the power generation reaction in the fuel cell unit 12 is discharged from the anode 23 and passes through the anode exhaust gas flow path L <b> 6 to the combustion unit 5. Supplied and burned as a combustible gas. A combustion oxygen supply path L2 is connected to the anode exhaust gas flow path L6.

発電用酸素供給路L4を通してカソード24に供給される発電用酸素ガスの供給量が、発電用酸素流量計20により計測され、その計測された流量が予め設定された目標流量になるように、運転制御部3が発電酸素用ブロアー13の出力(具体的には、送風用のファンの回転速度等)を調整する。運転停止時等において、発電酸素用ブロアー13が作動していない状態では、第3開閉弁14が閉状態となる。 Operation is performed such that the supply amount of the power generation oxygen gas supplied to the cathode 24 through the power generation oxygen supply path L4 is measured by the power generation oxygen flow meter 20, and the measured flow rate becomes a preset target flow rate. The control unit 3 adjusts the output of the power generation oxygen blower 13 (specifically, the rotational speed of a blower fan, etc.). When the power generation oxygen blower 13 is not operating, for example, when the operation is stopped, the third on-off valve 14 is closed.

燃料電池部12から排出される余剰の発電用酸素ガスは、発電用酸素排出路L5を通して水タンク15を経由したのちに外部に排気される。余剰の発電用酸素ガスには、カソード24内に存在する水分を多く含むことがあるので、水分を水タンク15にて回収するようにしている。説明を加えると、本実施形態の燃料電池では、運転停止時に、ケーシングにより封止された状態で覆われる燃料電池全体が水で満たされる状態にして、酸素の侵入を防いで酸化による電極の劣化を防止する等の対策を取っている。   Excess power generation oxygen gas discharged from the fuel cell unit 12 is exhausted to the outside after passing through the water tank 15 through the power generation oxygen discharge path L5. Since the surplus oxygen gas for power generation may contain a large amount of water present in the cathode 24, the water is collected in the water tank 15. In other words, in the fuel cell according to the present embodiment, when the operation is stopped, the entire fuel cell covered with the casing is filled with water to prevent oxygen from entering and deterioration of the electrode due to oxidation. Measures such as prevention are taken.

そして、運転制御部3は、発電用酸素ガスの単位時間当たりの流量が、燃料電池部12の出力電力に見合った目標流量となるように発電酸素用ブロアー13の出力を調節し、電力検出部19で検出される出力電力が一定の間に、電圧検出部18で検出される燃料電池部12の出力電圧、具体的にはセルCの出力電圧が、所定の許容範囲以上の変動を示したとき、カソード24への発電用酸素ガスの供給に不具合が発生していると判定する。   Then, the operation control unit 3 adjusts the output of the power generation oxygen blower 13 so that the flow rate per unit time of the power generation oxygen gas becomes a target flow rate commensurate with the output power of the fuel cell unit 12, and the power detection unit While the output power detected at 19 is constant, the output voltage of the fuel cell unit 12 detected by the voltage detection unit 18, specifically, the output voltage of the cell C showed fluctuations exceeding a predetermined allowable range. At this time, it is determined that a problem has occurred in the supply of the oxygen gas for power generation to the cathode 24.

説明を加えると、運転制御部3は、図3に示すように、電圧検出工程(ステップ♯1)と、不具合判定工程(ステップ♯2)と、不具合原因推定工程(ステップ♯3)と、対策工程(ステップ♯4)とを実行する。   In addition, as shown in FIG. 3, the operation control unit 3 includes a voltage detection step (step # 1), a failure determination step (step # 2), a failure cause estimation step (step # 3), a countermeasure, Step (Step # 4) is executed.

電圧検出工程(♯1)では、電力検出部19で検出される燃料電池部12の出力電力が一定の間に、電圧検出部18で出力電圧を検出する。電圧検出部18は、燃料電池部12における複数のセルCが発生する電圧を検出してその平均値(平均セル電圧という)を求める。図4に、本出願人の計測した実測値のデータを示している。図4は、燃料電池部12が安定した動作における運転状態のデータである。この例では、出力が安定した状態では、出力電力が約700Wであり、平均セル電圧が約730mV程度である。   In the voltage detection step (# 1), the voltage detection unit 18 detects the output voltage while the output power of the fuel cell unit 12 detected by the power detection unit 19 is constant. The voltage detection unit 18 detects a voltage generated by the plurality of cells C in the fuel cell unit 12 and obtains an average value (referred to as an average cell voltage). FIG. 4 shows data of actual measurement values measured by the present applicant. FIG. 4 shows data on the operating state in the stable operation of the fuel cell unit 12. In this example, when the output is stable, the output power is about 700 W and the average cell voltage is about 730 mV.

不具合判定工程(♯2)では、電圧検出工程で検出された出力電圧が所定の許容範囲以上の変動を示したとき、カソード24への発電用酸素ガスの供給に不具合が発生していると判定する。具体的には、単一のセルCの出力電圧についての標準偏差を求め、その標準偏差が予め設定されている閾値と比較して、標準偏差が閾値より小であれば、正常な動作であると判別し、標準偏差が閾値より大であれば、カソード24への発電用酸素ガスの供給に不具合が発生していると判定する。標準偏差は、セルCの出力電圧の5秒間の間の平均値の電圧データを求め、その電圧データの12個分の標準偏差を演算にて求める。尚、出力電圧の変動幅は、出力電力の大きさによって変動するので、そのときの燃料電池部12の出力電力の大きさに応じて、閾値を異なる値に設定するとよい。例えば、出力電力が250W以上400W未満のときは、閾値を4mVとし、出力電力が400W以上600W未満のときは、閾値を5mVとし、出力電力が600W以上700W以下のときは、閾値を6mVとすることができる。   In the failure determination step (# 2), it is determined that a failure has occurred in the supply of the oxygen gas for power generation to the cathode 24 when the output voltage detected in the voltage detection step shows a fluctuation exceeding a predetermined allowable range. To do. Specifically, the standard deviation for the output voltage of a single cell C is obtained, and the standard deviation is compared with a preset threshold value. If the standard deviation is smaller than the threshold value, the normal operation is performed. If the standard deviation is larger than the threshold value, it is determined that a problem has occurred in the supply of the oxygen gas for power generation to the cathode 24. For the standard deviation, voltage data of an average value for 5 seconds of the output voltage of the cell C is obtained, and the standard deviation for 12 pieces of the voltage data is obtained by calculation. Since the fluctuation range of the output voltage varies depending on the magnitude of the output power, the threshold value may be set to a different value according to the magnitude of the output power of the fuel cell unit 12 at that time. For example, when the output power is 250 W or more and less than 400 W, the threshold is 4 mV, when the output power is 400 W or more and less than 600 W, the threshold is 5 mV, and when the output power is 600 W or more and 700 W or less, the threshold is 6 mV. be able to.

不具合原因推定工程(♯3)では、発電酸素用ブロアー13の現在の出力が、発電用酸素ガスの単位時間当たりの流量を燃料電池部12の出力電力に見合った目標流量にするときの基準出力から設定値以上大きくなっていれば、発電用酸素ガスの流路抵抗の増大を原因とする発電用酸素ガスの供給の不具合が発生していると推定し、発電酸素用ブロアー13の現在の出力が基準出力から設定値以上大きくなっていなければ、発電酸素用ブロアー13を原因とする発電用酸素ガスの供給の不具合が発生していると推定する。   In the failure cause estimation step (# 3), the current output of the power generation oxygen blower 13 is a reference output when the flow rate per unit time of the power generation oxygen gas is set to a target flow rate corresponding to the output power of the fuel cell unit 12. If it is larger than the set value, it is estimated that there is a problem in the supply of the oxygen gas for power generation due to the increase in the flow resistance of the oxygen gas for power generation, and the current output of the blower 13 for power generation oxygen Is not larger than the set value from the reference output, it is estimated that a failure in the supply of oxygen gas for power generation due to the blower 13 for oxygen for power generation has occurred.

すなわち、燃料電池部12の出力電力と、それに見合う発電用酸素ガスの単位時間当たりの流量(基準出力)との変化特性は、予め実験等により求められて定められている。発電酸素用ブロアー13の現在の出力が基準出力から設定値以上大きくなっていれば、発電酸素用ブロアー13の現在の出力の大きさに比べて発電用酸素ガスの流動が少ない、すなわち、発電用酸素ガスの流路抵抗の増大していることが想定できる。   That is, the change characteristics between the output power of the fuel cell unit 12 and the flow rate per unit time (reference output) of the oxygen gas for power generation corresponding to the output power are determined and determined in advance through experiments or the like. If the current output of the power generation oxygen blower 13 is larger than the set value from the reference output, the power generation oxygen gas flows less than the current output of the power generation oxygen blower 13, that is, for power generation. It can be assumed that the flow resistance of the oxygen gas is increased.

しかし、カソード24の発電用酸素ガスの供給に不具合が発生していると判定したにもかかわらず、発電酸素用ブロアー13の現在の出力が基準出力から設定値以上大きくなっていないときは、発電酸素用ブロアー13が原因とする不具合、具体的には、発電酸素用ブロアー13へ水が侵入したことに起因する不具合が発生していると判定する。   However, if it is determined that there is a problem with the supply of oxygen gas for power generation at the cathode 24, but the current output of the power generation oxygen blower 13 is not greater than the set value from the reference output, It is determined that a problem caused by the oxygen blower 13, specifically, a problem caused by water entering the power generation oxygen blower 13 has occurred.

発電酸素用ブロアー13へ水が侵入する原因としては、第3開閉弁14及び第4開閉弁16が開故障して、燃料電池部12内部に封入されている水が、発電用酸素供給路L4を通して発電酸素用ブロアー13へ流入することが考えられる。例えば、運転停止時に、電極の酸化による劣化を回避するために改質部4を介して燃料ガスを供給する場合、あるいは、運転を開始するときに、燃焼部5内の排ガスを除去するために燃焼酸素用ブロアー7を作動させる場合に、水が侵入するおそれがある。   The cause of the water intrusion into the power generation oxygen blower 13 is that the third on-off valve 14 and the fourth on-off valve 16 have failed to open, and the water enclosed in the fuel cell unit 12 is generated by the power generation oxygen supply path L4. It is conceivable to flow into the power generation oxygen blower 13 through For example, when fuel gas is supplied through the reforming unit 4 to avoid deterioration due to oxidation of the electrodes when the operation is stopped, or when the operation is started, the exhaust gas in the combustion unit 5 is removed. When the combustion oxygen blower 7 is operated, water may enter.

図5に、発電酸素用ブロアー13へ水が侵入した場合における実測値のデータを示している。この図から明らかなように、燃料電池部12の出力電圧が大きく変動して標準偏差が大きくなっていることが分かる。尚、図5に示すものでは、燃料電池部12の出力電圧が低下すると、燃料電池部12の出力電力も低下する処理が行われる構成となっており、出力電圧の変化に応じて出力電力も変動している。このように発電酸素用ブロアー13へ水が侵入すると、出力電圧が大きく変動するので、その変動を標準偏差と閾値(図4,5に示す例では、例えば、6mV)との比較によって判別することができる。この場合においても、電圧検出工程を実行するのは、燃料電池部12の出力電力が一定の間に行う方がよい。つまり、図5に示す例では、出力電力が一定である特定期間(図5にQで示す期間等)に行うようにするとよい。   FIG. 5 shows data of actual measurement values when water enters the power generation oxygen blower 13. As is apparent from this figure, it can be seen that the output voltage of the fuel cell unit 12 varies greatly and the standard deviation increases. In the configuration shown in FIG. 5, when the output voltage of the fuel cell unit 12 decreases, the output power of the fuel cell unit 12 is also reduced. The output power varies depending on the change in the output voltage. It has fluctuated. When water enters the power generation oxygen blower 13 as described above, the output voltage fluctuates greatly. Therefore, the fluctuation is discriminated by comparing the standard deviation with a threshold value (for example, 6 mV in the examples shown in FIGS. 4 and 5). Can do. Even in this case, the voltage detection step is preferably performed while the output power of the fuel cell unit 12 is constant. That is, in the example shown in FIG. 5, it is good to carry out in the specific period (period shown by Q in FIG. 5 etc.) where output power is constant.

対策工程(♯4)では、運転制御部3は、不具合判定工程(♯2)で、カソード24への発電用酸素ガスの供給に不具合が発生していると判定し、且つ、不具合原因推定工程(♯3)で、発電酸素用ブロアー13を原因とする不具合が発生していると推定したとき、燃料電池部12の出力電力を所定の低出力状態にさせる低出力運転を所定期間行う。   In the countermeasure process (# 4), the operation control unit 3 determines that a problem has occurred in the supply of the oxygen gas for power generation to the cathode 24 in the malfunction determination process (# 2), and the malfunction cause estimation process. In (# 3), when it is estimated that a malfunction caused by the oxygen generator blower 13 has occurred, a low output operation for setting the output power of the fuel cell unit 12 to a predetermined low output state is performed for a predetermined period.

例えば、燃料電池部12の出力を最大出力(700W)に比べて低い低出力(例えば、250W)に設定して低出力運転を行う。そして、発電酸素用ブロアー13から水が排出されたと考えられる状態、すなわち、不具合判定工程にて不具合が判定されなくなるまで低出力運転を継続する。低出力運転であれば、発電酸素用ブロアー13の出力を低く抑えることができ、発電酸素用ブロアー13が損傷するおそれが少ない。   For example, the output of the fuel cell unit 12 is set to a low output (for example, 250 W) lower than the maximum output (700 W), and the low output operation is performed. Then, the low output operation is continued until it is considered that water has been discharged from the power generation oxygen blower 13, that is, until no failure is determined in the failure determination step. If it is a low output operation, the output of the power generation oxygen blower 13 can be kept low, and the power generation oxygen blower 13 is less likely to be damaged.

さらに、運転を停止させて改質部4を介して燃料ガスを供給する場合に、発電酸素用ブロアー13を低出力状態で運転する。すなわち、燃料電池部12を発電させない間で、カソード24から発電酸素用ブロアー13に向かう圧力が加わるタイミング、例えば、燃料電池部12の運転開始時における燃焼部5の排ガス処理が行われるとき、発電酸素用ブロアー13を低出力状態で運転する。   Further, when the operation is stopped and the fuel gas is supplied through the reforming unit 4, the power generation oxygen blower 13 is operated in a low output state. That is, when the fuel cell unit 12 is not generating power, when the pressure from the cathode 24 toward the power generation oxygen blower 13 is applied, for example, when the exhaust gas treatment of the combustion unit 5 at the start of operation of the fuel cell unit 12 is performed, The oxygen blower 13 is operated in a low output state.

このように低出力状態で運転することによって、発電酸素用ブロアー13が早期に故障することを回避しながら、発電酸素用ブロアー13から水を排出させることができる。   By operating in such a low output state, water can be discharged from the power generation oxygen blower 13 while avoiding early breakdown of the power generation oxygen blower 13.

〔別実施形態〕
(1)上記実施形態では、運転制御部3が、不具合原因推定工程を実行し、発電酸素用ブロアーを原因であるときに、対策工程にて低出力運転を行うようにしたが、この構成に代えて、不具合原因推定工程を実行することなく、不具合判定工程において不具合が発生していると判定したときには、常に、低出力運転を行うようにしてもよい。
[Another embodiment]
(1) In the above embodiment, the operation control unit 3 executes the failure cause estimation process, and when the power generation oxygen blower is the cause, the low power operation is performed in the countermeasure process. Instead, the low output operation may be performed whenever it is determined that a defect has occurred in the defect determination step without executing the defect cause estimation step.

(2)上記実施形態では、対策工程として、低出力運転を行うようにしたが、この構成に代えて、燃料電池部の運転を停止させるようにしてもよい。 (2) In the above embodiment, the low output operation is performed as the countermeasure process. However, instead of this configuration, the operation of the fuel cell unit may be stopped.

(3)上記実施形態では、不具合判定工程において、出力電圧についての標準偏差を求め、その標準偏差と閾値とを比較して不具合を判定するようにしたが、出力電圧の単位時間当たりの変動量に基づいて不具合を判定するようにしたり、出力電圧の変化率に基づいて不具合を判定するようにしてもよい。 (3) In the above embodiment, in the defect determination step, the standard deviation of the output voltage is obtained and the standard deviation is compared with the threshold value to determine the defect. However, the fluctuation amount of the output voltage per unit time The defect may be determined based on the output voltage, or the defect may be determined based on the rate of change of the output voltage.

尚、上記実施形態(別実施形態を含む、以下同じ)で開示される構成は、矛盾が生じない限り、他の実施形態で開示される構成と組み合わせて適用することが可能であり、また、本明細書において開示された実施形態は例示であって、本発明の実施形態はこれに限定されず、本発明の目的を逸脱しない範囲内で適宜改変することが可能である。   The configuration disclosed in the above embodiment (including another embodiment, the same shall apply hereinafter) can be applied in combination with the configuration disclosed in the other embodiment, as long as no contradiction occurs. The embodiment disclosed in this specification is an exemplification, and the embodiment of the present invention is not limited to this. The embodiment can be appropriately modified without departing from the object of the present invention.

本発明は、燃料電池システムに適用できる。   The present invention can be applied to a fuel cell system.

3 運転制御部
4 改質部
5 燃焼部
12 燃料電池部
13 発電酸素用ブロアー
18 電圧検出部
19 電力検出部
23 アノード
24 カソード
DESCRIPTION OF SYMBOLS 3 Operation control part 4 Reforming part 5 Combustion part 12 Fuel cell part 13 Blower for power generation oxygen 18 Voltage detection part 19 Electric power detection part 23 Anode 24 Cathode

Claims (10)

原燃料を改質して燃料ガスを生成する改質部と、
前記改質部で生成された前記燃料ガスが供給されるアノード、及び、発電用酸素ガスが供給されるカソードを有する燃料電池部と、
前記燃料電池部での発電反応で用いられた後に前記アノードから排出される排出燃料ガス中の燃料成分を燃焼させる燃焼部と、
前記発電用酸素ガスを前記カソードに供給するための発電酸素用ブロアーと、
運転制御部とを備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池部の出力電圧を検出する電圧検出部と、
前記燃料電池部の出力電力を検出する電力検出部と、を備え、
前記運転制御部は、
前記発電用酸素ガスの単位時間当たりの流量が、前記燃料電池部の出力電力に見合った目標流量となるように前記発電酸素用ブロアーの出力を調節し、
前記電力検出部で検出される出力電力が一定の間に、前記電圧検出部で検出される出力電圧が所定の許容範囲以上の変動を示したとき、前記カソードへの前記発電用酸素ガスの供給に不具合が発生していると判定する燃料電池システム。
A reforming section for reforming raw fuel to generate fuel gas;
A fuel cell unit having an anode to which the fuel gas generated in the reforming unit is supplied, and a cathode to which power generation oxygen gas is supplied;
A combustion section for burning a fuel component in exhaust fuel gas discharged from the anode after being used in a power generation reaction in the fuel cell section;
A power generation oxygen blower for supplying the power generation oxygen gas to the cathode;
A fuel cell system comprising an operation control unit,
A voltage detection unit for detecting an output voltage of the fuel cell unit;
A power detection unit for detecting output power of the fuel cell unit,
The operation controller is
Adjusting the output of the power generation oxygen blower so that the flow rate per unit time of the power generation oxygen gas becomes a target flow rate commensurate with the output power of the fuel cell unit,
Supply of the oxygen gas for power generation to the cathode when the output voltage detected by the voltage detector shows a fluctuation exceeding a predetermined allowable range while the output power detected by the power detector is constant A fuel cell system that determines that a failure has occurred.
前記運転制御部は、前記カソードへの前記発電用酸素ガスの供給に不具合が発生していると判定したとき、前記燃料電池部の出力電力を所定の低出力状態にさせる低出力運転を所定期間行う請求項1に記載の燃料電池システム。   When the operation control unit determines that there is a problem in the supply of the oxygen gas for power generation to the cathode, the operation control unit performs a low output operation for setting the output power of the fuel cell unit to a predetermined low output state for a predetermined period. The fuel cell system according to claim 1 to be performed. 前記運転制御部は、
前記カソードへの前記発電用酸素ガスの供給に不具合が発生していると判定し、且つ、前記発電酸素用ブロアーの現在の出力が、前記発電用酸素ガスの単位時間当たりの流量を前記燃料電池部の出力電力に見合った目標流量にするときの基準出力から設定値以上大きくなっているとき、前記発電用酸素ガスの流路抵抗の増大を原因とする前記発電用酸素ガスの供給の不具合が発生していると判定し、
前記カソードへの前記発電用酸素ガスの供給に不具合が発生していると判定し、且つ、前記発電酸素用ブロアーの現在の出力が前記基準出力から前記設定値以上大きくなっていないとき、前記発電酸素用ブロアーを原因とする前記発電用酸素ガスの供給の不具合が発生していると判定する請求項1又は2に記載の燃料電池システム。
The operation controller is
It is determined that there is a problem in the supply of the oxygen gas for power generation to the cathode, and the current output of the oxygen blower for power generation indicates the flow rate per unit time of the oxygen gas for power generation as the fuel cell. When the target flow rate corresponding to the output power of the unit is larger than the set value from the reference output, there is a problem in the supply of the oxygen gas for power generation due to an increase in the flow resistance of the oxygen gas for power generation Determine that it has occurred,
When it is determined that there is a problem in the supply of the oxygen gas for power generation to the cathode and the current output of the oxygen generator blower is not greater than the set value from the reference output, the power generation 3. The fuel cell system according to claim 1, wherein the fuel cell system determines that there is a problem in the supply of the oxygen gas for power generation caused by the oxygen blower. 4.
前記運転制御部は、
前記カソードへの前記発電用酸素ガスの供給に不具合が発生していると判定し、且つ、前記発電酸素用ブロアーの現在の出力が前記基準出力から前記設定値以上大きくなっていないとき、前記発電酸素用ブロアーへの水の侵入を原因とする前記発電用酸素ガスの供給の不具合が発生していると判定する請求項3に記載の燃料電池システム。
The operation controller is
When it is determined that there is a problem in the supply of the oxygen gas for power generation to the cathode and the current output of the oxygen generator blower is not greater than the set value from the reference output, the power generation 4. The fuel cell system according to claim 3, wherein it is determined that a failure in the supply of the oxygen gas for power generation due to water intrusion into the oxygen blower has occurred.
原燃料を改質して燃料ガスを生成する改質部と、前記改質部で生成された前記燃料ガスが供給されるアノード、及び、発電用酸素ガスが供給されるカソードを有する燃料電池部と、前記燃料電池部での発電反応で用いられた後に前記アノードから排出される排出燃料ガス中の燃料成分を燃焼させる燃焼部と、前記発電用酸素ガスを前記カソードに供給するための発電酸素用ブロアーとを備える燃料電池システムの運転方法であって、
前記燃料電池システムは、前記燃料電池部の出力電圧を検出する電圧検出部と、前記燃料電池部の出力電力を検出する電力検出部とを備え、
前記発電用酸素ガスの単位時間当たりの流量が、前記燃料電池部の出力電力に見合った目標流量となるように前記発電酸素用ブロアーの出力が調節され、
前記電力検出部で検出される出力電力が一定の間に、前記電圧検出部で出力電圧を検出する電圧検出工程と、
前記電圧検出工程で検出された出力電圧が所定の許容範囲以上の変動を示したとき、前記カソードへの前記発電用酸素ガスの供給に不具合が発生していると判定する不具合判定工程とを有する燃料電池システムの運転方法。
A fuel cell unit having a reforming unit that reforms raw fuel to generate fuel gas, an anode to which the fuel gas generated in the reforming unit is supplied, and a cathode to which oxygen gas for power generation is supplied A combustion section for burning a fuel component in the exhaust gas discharged from the anode after being used in a power generation reaction in the fuel cell section, and a power generation oxygen for supplying the power generation oxygen gas to the cathode A fuel cell system comprising a blower for a vehicle,
The fuel cell system includes a voltage detection unit that detects an output voltage of the fuel cell unit, and a power detection unit that detects output power of the fuel cell unit,
The output of the power generation oxygen blower is adjusted so that the flow rate per unit time of the power generation oxygen gas becomes a target flow rate corresponding to the output power of the fuel cell unit,
While the output power detected by the power detection unit is constant, a voltage detection step of detecting an output voltage by the voltage detection unit;
A failure determination step of determining that a failure has occurred in the supply of the oxygen gas for power generation to the cathode when the output voltage detected in the voltage detection step shows a fluctuation exceeding a predetermined allowable range. Operation method of fuel cell system.
前記不具合判定工程で、前記カソードへの前記発電用酸素ガスの供給に不具合が発生していると判定したとき、前記燃料電池部の出力電力を所定の低出力状態にさせる低出力運転を所定期間行う対策工程を有する請求項5に記載の燃料電池システムの運転方法。   When it is determined in the failure determination step that a failure has occurred in the supply of the oxygen gas for power generation to the cathode, a low output operation for setting the output power of the fuel cell unit to a predetermined low output state is performed for a predetermined period. The operation method of the fuel cell system according to claim 5, further comprising a countermeasure step to be performed. 前記不具合判定工程において、前記カソードへの前記発電用酸素ガスの供給に不具合が発生していると判定したとき、
前記発電酸素用ブロアーの現在の出力が、前記発電用酸素ガスの単位時間当たりの流量を前記燃料電池部の出力電力に見合った目標流量にするときの基準出力から設定値以上大きくなっていれば、前記発電用酸素ガスの流路抵抗の増大を原因とする前記発電用酸素ガスの供給の不具合が発生していると推定し、
前記発電酸素用ブロアーの現在の出力が前記基準出力から前記設定値以上大きくなっていなければ、前記発電酸素用ブロアーを原因とする前記発電用酸素ガスの供給の不具合が発生していると推定する不具合原因推定工程を有する請求項5又は6に記載の燃料電池システムの運転方法。
In the failure determination step, when it is determined that a failure has occurred in the supply of the oxygen gas for power generation to the cathode,
If the current output of the power generation oxygen blower is larger than a set value from a reference output when the flow rate per unit time of the power generation oxygen gas is set to a target flow rate corresponding to the output power of the fuel cell unit , Presuming that there is a problem in the supply of oxygen gas for power generation due to an increase in flow resistance of the oxygen gas for power generation,
If the current output of the power generation oxygen blower is not greater than or equal to the set value from the reference output, it is estimated that the power generation oxygen gas supply failure caused by the power generation oxygen blower has occurred. The method for operating a fuel cell system according to claim 5, further comprising a failure cause estimation step.
前記不具合原因推定工程で、前記発電酸素用ブロアーを原因とする前記発電用酸素ガスの供給の不具合が発生していると推定したとき、前記燃料電池部の出力電力を所定の低出力状態にさせる低出力運転を所定期間行う対策工程を有する請求項7に記載の燃料電池システムの運転方法。   When it is estimated in the failure cause estimation step that a failure in the supply of oxygen gas for power generation due to the blower for oxygen for power generation has occurred, the output power of the fuel cell unit is set to a predetermined low output state The operation method of the fuel cell system according to claim 7, further comprising a countermeasure step for performing a low output operation for a predetermined period. 前記不具合原因推定工程で、前記発電酸素用ブロアーを原因とする前記発電用酸素ガスの供給の不具合が発生していると推定したとき、前記燃料電池部を発電させない間の所定のタイミングで、前記発電酸素用ブロアーを動作させて当該発電酸素用ブロアーから前記カソードに向けて前記発電用酸素ガスを流す請求項7又は8に記載の燃料電池システムの運転方法。   In the failure cause estimation step, when it is estimated that a failure in the supply of oxygen gas for power generation due to the blower for oxygen for power generation has occurred, at a predetermined timing during which the fuel cell unit does not generate power, The fuel cell system operating method according to claim 7 or 8, wherein the power generation oxygen blower is operated to flow the power generation oxygen gas from the power generation oxygen blower toward the cathode. 前記所定のタイミングが、前記燃料電池部を発電させない間で、前記カソードから前記発電酸素用ブロアーに向かう圧力が加わるタイミングである請求項9に記載の燃料電池システムの運転方法。   The operation method of the fuel cell system according to claim 9, wherein the predetermined timing is a timing at which a pressure from the cathode toward the power generation oxygen blower is applied while the fuel cell unit is not generating power.
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