JP2006216383A - Fuel cell system - Google Patents

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Hideo Kasahara
英男 笠原
Kiichi Shibata
礎一 柴田
Hideo Obara
英夫 小原
Yoshikazu Tanaka
良和 田中
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system capable of quickly detecting leak of fuel gas or oxidant gas with accuracy in a simple structure, even during an operation of a fuel cell. <P>SOLUTION: The fuel cell system is provided with a fuel cell 1 equipped with a fuel gas flow channel 1D and an oxidant gas flow channel 1E, a fuel gas supply device 2, an oxidant gas supply device 3, a fuel gas supply flow channel 6, an oxidant gas supply flow channel 7, a fuel gas exhaust flow channel 8, an oxidant gas exhaust flow channel 9, an exhaust-side carbon dioxide density detecting device 4, and a control device 10. The control device 10 obtains a detected value of the exhaust-side carbon dioxide density detecting device 4, and detects leakage if any of the fuel gas based on the detected value. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、ポータブル電源、電気自動車用電源、コージェネレーションシステム等に使用する燃料電池システムに関する。特に高分子電解質膜を有する燃料電池を用いた燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell system used for a portable power source, a power source for an electric vehicle, a cogeneration system, and the like. In particular, the present invention relates to a fuel cell system using a fuel cell having a polymer electrolyte membrane.

燃料電池は、水素を含有する燃料ガスと、空気など酸素を含有する酸化剤ガスとを、電気化学的に反応させることで、電力と熱とを同時に発生させる。燃料電池の種類の一つとして高分子電解質型燃料電池があり、その構造は以下の通りである。   The fuel cell generates electric power and heat simultaneously by electrochemically reacting a fuel gas containing hydrogen and an oxidant gas containing oxygen such as air. One type of fuel cell is a polymer electrolyte fuel cell, the structure of which is as follows.

水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜の両面に、白金系の金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒層が形成されている。この触媒層の外面には、燃料ガスの通気性と、電子導電性を併せ持つ、例えばカーボンペーパーやカーボンクロスでガス拡散層が形成されている。このガス拡散層と触媒層とが合わされて膜電極接合体が構成されている。   A catalyst layer mainly composed of carbon powder carrying a platinum-based metal catalyst is formed on both surfaces of a polymer electrolyte membrane that selectively transports hydrogen ions. On the outer surface of the catalyst layer, a gas diffusion layer is formed of, for example, carbon paper or carbon cloth, which has both fuel gas permeability and electronic conductivity. The gas diffusion layer and the catalyst layer are combined to form a membrane electrode assembly.

この膜電極接合体は、集電のためにガラス状カーボンや金属などの導電性材料からなる一対のセパレータにより挟持されている。このセパレータの内側表面には、燃料ガスや酸化剤ガスを膜電極接合体に曝露するように構成されている流路溝が形成されている。したがって、流路溝は膜電極接合体によって区画されて、膜電極接合体の両表面にそれぞれ燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路が形成される。また、一般的に、供給する燃料ガスあるいは酸化剤ガスが流路溝からの漏洩を防ぐガスシール材やガスケットが膜電極接合体とセパレータとの間に配置されている。   This membrane electrode assembly is sandwiched between a pair of separators made of a conductive material such as glassy carbon or metal for current collection. On the inner surface of the separator, a flow channel configured to expose a fuel gas or an oxidant gas to the membrane electrode assembly is formed. Therefore, the channel groove is partitioned by the membrane electrode assembly, and a fuel gas channel and an oxidant gas channel are formed on both surfaces of the membrane electrode assembly, respectively. In general, a gas seal material or a gasket for preventing the supplied fuel gas or oxidant gas from leaking from the channel groove is disposed between the membrane electrode assembly and the separator.

このようなセパレータに挟持された膜電極接合体が基本単位となり、これが高分子電解質型燃料電池の電気又は熱の設計出力に応じた数だけ積層されて、高分子電解質型燃料電池が形成されている。   A membrane electrode assembly sandwiched between such separators is a basic unit, and this is laminated in a number corresponding to the design output of electricity or heat of the polymer electrolyte fuel cell to form a polymer electrolyte fuel cell. Yes.

燃料電池システムは、この高分子電解質型燃料電池(以下PEFCと省略する)に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給する燃料ガス供給装置及び酸化剤ガス供給装置が接続されて、さらに、発生した熱を回収する排熱回収装置やPEFCによって作り出される電気を使用できるように調整する電力変換装置が必要に応じて設けられ、そして、これらの装置を制御する制御装置が設けられて構成されている。   In the fuel cell system, a fuel gas supply device and an oxidant gas supply device for supplying a fuel gas and an oxidant gas are connected to the polymer electrolyte fuel cell (hereinafter abbreviated as PEFC), and the generated heat is further reduced. An exhaust heat recovery device for recovery and a power conversion device that adjusts so that electricity generated by PEFC can be used are provided as necessary, and a control device that controls these devices is provided.

燃料ガス供給装置は、一般的には、水素ガスの供給装置、あるいは、天然ガスやプロパンガス、ガソリンなどの炭化水素系燃料を改質して水素リッチな改質ガスを生成する水素生成装置を備え、水素ガス、あるいは改質ガスを燃料ガスとしてPEFCに供給する。酸化剤ガス供給装置は、例えば、ブロワ、ファン等送風器からなり、酸素ガス、あるいは空気を酸化剤ガスとしてPEFCに供給する。PEFCの内部では、ガスケット、高分子電解質膜およびセパレータ等の構成部材によって形成された流路溝中を燃料ガス、あるいは酸化剤ガスが流れている。しかしながら、これら構成部材の劣化により、例えば高分子電解質膜の損傷などにより、燃料ガス及び酸化剤ガスの漏洩、つまり一方のガスから他方のガスへの漏洩が生じる。燃料ガスと酸化剤ガスとの混合は、前述の触媒層への燃料ガスあるいは酸化剤ガスの供給が不十分となると、つまり膜電極接合体への曝露が不十分となると、電極反応の分極抵抗が増大し、PEFCの出力低下が引き起こされる。したがって、PEFCの燃料電池の性能低下を防止するためには、燃料ガス流路あるいは酸化剤ガス流路へのガスの漏洩を検出することができる燃料電池システムあるいは検出方法が必要となる。   The fuel gas supply device is generally a hydrogen gas supply device or a hydrogen generation device that generates a hydrogen-rich reformed gas by reforming a hydrocarbon-based fuel such as natural gas, propane gas, or gasoline. And supply hydrogen gas or reformed gas to PEFC as fuel gas. The oxidant gas supply device includes, for example, a blower such as a blower or a fan, and supplies oxygen gas or air as an oxidant gas to the PEFC. Inside the PEFC, a fuel gas or an oxidant gas flows in a channel groove formed by components such as a gasket, a polymer electrolyte membrane, and a separator. However, due to deterioration of these constituent members, for example, leakage of fuel gas and oxidant gas, that is, leakage from one gas to the other gas occurs due to damage to the polymer electrolyte membrane. The mixing of the fuel gas and the oxidant gas causes the polarization resistance of the electrode reaction when the supply of the fuel gas or the oxidant gas to the catalyst layer is insufficient, that is, when the exposure to the membrane electrode assembly is insufficient. Increases, causing a decrease in PEFC output. Therefore, in order to prevent the performance degradation of the fuel cell of PEFC, a fuel cell system or a detection method capable of detecting gas leakage into the fuel gas channel or the oxidant gas channel is required.

ここで、一般的な圧力容器類においては、容器類の内部に加圧ガスを封止して、圧力の低下に要する時間、あるいは所定時間における圧力低下を検出する漏洩率検査が一般的に行われている。しかし、燃料電池システムは随時運転されるシステムであることから、PEFCの燃料ガスあるいは酸化剤ガスの漏洩の検出は、PEFCの運転動作の支障とならないように行われる必要があり、燃料電池システムにガスを加圧して封止し、その圧力低下を経過観察する検出方法は実用上適さない。他方で、燃料電池の燃料ガスあるいは酸化剤ガスの漏洩を検出する燃料電池システムあるいは漏洩を検出する方法は既にいくつか開示されており、主たる燃料電池システムあるいは検出方法は以下の通りである。   Here, in a general pressure vessel, a leak rate inspection is generally performed in which a pressurized gas is sealed inside the vessel and a time required for the pressure drop or a pressure drop in a predetermined time is detected. It has been broken. However, since the fuel cell system is a system that is operated at any time, it is necessary to detect the leakage of the PEFC fuel gas or oxidant gas so as not to hinder the operation of the PEFC. A detection method in which gas is pressurized and sealed, and the pressure drop is observed is not practically suitable. On the other hand, several fuel cell systems for detecting leakage of fuel gas or oxidant gas in the fuel cell or methods for detecting leakage have already been disclosed, and the main fuel cell system or detection method is as follows.

例えば、特許文献1に開示されている燃料電池システムは、燃料電池の出力電流値に基づいて、消費される燃料ガスの量を算出し、この量からさらに燃料ガスボンベ内の燃料ガス圧力を算出して、この算出圧力値と実際に圧力センサで検出した検出圧力値とを比較することにより、燃料ガスの漏洩を判断する。   For example, the fuel cell system disclosed in Patent Document 1 calculates the amount of fuel gas consumed based on the output current value of the fuel cell, and further calculates the fuel gas pressure in the fuel gas cylinder from this amount. Then, the leakage of the fuel gas is determined by comparing the calculated pressure value with the detected pressure value actually detected by the pressure sensor.

また、特許文献2に開示されている燃料電池の診断方法は、燃料電池の燃料極及び酸化剤極に水素含有ガス及び酸素含有ガスをそれぞれ供給し、酸素含有ガスの供給量の減少に伴う燃料電池の発生電圧の急激な変化を検出して、酸素含有ガスと発生電圧との対応関係から燃料電池における水素漏洩量を算出する。   Further, the fuel cell diagnosis method disclosed in Patent Document 2 supplies a hydrogen-containing gas and an oxygen-containing gas to the fuel electrode and the oxidant electrode of the fuel cell, respectively, and a fuel accompanying a decrease in the supply amount of the oxygen-containing gas. A sudden change in the generated voltage of the battery is detected, and the amount of hydrogen leakage in the fuel cell is calculated from the correspondence between the oxygen-containing gas and the generated voltage.

また、燃料電池の劣化判断に関連しても、燃料電池の状態を種々の方法で検出することで燃料電池の劣化状態を判断し、その結果を燃料電池の制御機構にフィードバックすることで劣化の進行を抑制し、ひいては燃料電池及び燃料電池システムの高耐久化・長寿命化を図る燃料電池システムが開示されている。   Also, in relation to the determination of the deterioration of the fuel cell, the deterioration state of the fuel cell is determined by detecting the state of the fuel cell by various methods, and the result is fed back to the control mechanism of the fuel cell. There has been disclosed a fuel cell system that suppresses the progress, and as a result, achieves higher durability and longer life of the fuel cell and the fuel cell system.

例えば、特許文献3では、PEFCから燃料ガス加湿水等における水分中の不純物イオンを分析し、PEFCの運転状態が性能低下領域にあるかどうかを判断し、性能低下領域にあると判断した場合には、PEFCの運転を停止あるいは運転条件を制限することによって、PEFCの運転状態を性能低下領域から回避させるPEFCの運転方法が開示されている。   For example, in Patent Document 3, when impurity ions in water in fuel gas humidified water or the like are analyzed from PEFC, it is determined whether or not the operating state of PEFC is in a performance degradation region, and it is determined that it is in a performance degradation region. Discloses a PEFC operation method in which the PEFC operation state is avoided from the performance degradation region by stopping the PEFC operation or limiting the operation conditions.

また、特許文献4では、燃料電池を幾つかの基本運転パターンで運転させて、その基本運転パターンにおける発電時間と出力電圧変化率との関係に基づいて、燃料電池燃料電池の寿命を予測する方法が開示されている。
特開平11−224681号公報 特開平9−27336号公報 特開2004−127548号公報 特開平11−97049号公報
In Patent Document 4, a fuel cell is operated in several basic operation patterns, and the life of the fuel cell fuel cell is predicted based on the relationship between the power generation time and the output voltage change rate in the basic operation pattern. Is disclosed.
Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-224681 Japanese Patent Laid-Open No. 9-27336 JP 2004-127548 A JP-A-11-97049

しかしながら、燃料電池では、燃料電池に供給されるガスに含まれる水蒸気が酸化剤ガスあるいは燃料ガスの経路内で凝縮水となり、この水が酸化剤ガス流路あるいは燃料ガス流路に滞留してガスの流通を阻害すると燃料電池の出力低下を招来する。そこで、燃料電池の起動動作時、停止動作時あるいは運転動作中には、燃料電池内の残留ガスや水分をパージするパージ処理が行われるのが一般的である。このパージ処理の方法には、例えば乾燥した燃料ガスが燃料電池内に供給されて凝縮水が燃料電池外へ押し流される方法がある。したがって、特許文献1に開示される燃料電池システムでは、燃料電池の残留ガスや水分をパージするパージ処理に燃料ガスが用いられた場合に、そのパージ処理に伴う燃料ガスの消費が漏洩量に算入されてしまい、燃料電池の漏洩検出が不正確になってしまう。   However, in the fuel cell, water vapor contained in the gas supplied to the fuel cell becomes condensed water in the path of the oxidant gas or the fuel gas, and this water stays in the oxidant gas flow path or the fuel gas flow path and becomes a gas. If the distribution of the fuel cell is obstructed, the output of the fuel cell is reduced. Therefore, during the start-up operation, the stop operation, or the operation operation of the fuel cell, a purge process for purging residual gas and moisture in the fuel cell is generally performed. As a method of this purge process, for example, there is a method in which dry fuel gas is supplied into the fuel cell and condensed water is pushed out of the fuel cell. Therefore, in the fuel cell system disclosed in Patent Document 1, when the fuel gas is used for the purge process for purging the residual gas and moisture of the fuel cell, the consumption of the fuel gas accompanying the purge process is included in the leakage amount. As a result, leakage detection of the fuel cell becomes inaccurate.

また、特許文献2に開示されている燃料電池の診断方法では、カソードへの酸素含有ガスの供給量を徐々に減少させながら燃料電池の発生電圧を測定しているが、前記供給量の変化に基づく発生電圧の変化は小さいため、検出精度が低い。加えて、燃料電池の電気出力の変動には電極性能の劣化等種々の要因が絡むので、発生電圧に基づいて燃料ガスの漏洩を推定する方法ではその精度が低い。   Further, in the fuel cell diagnosis method disclosed in Patent Document 2, the generated voltage of the fuel cell is measured while gradually decreasing the supply amount of the oxygen-containing gas to the cathode. Since the change in the generated voltage is small, the detection accuracy is low. In addition, since fluctuations in the electric output of the fuel cell involve various factors such as electrode performance deterioration, the accuracy of the method for estimating the leakage of fuel gas based on the generated voltage is low.

また、PEFCにおいては、高分子電解質膜が分解するとフッ化物イオンが生成される。また、フッ化物イオンは金属を腐食する性質がある。そこで、特許文献3の開示されるPEFCの運転方法では、生成水、加湿水等水分中の金属イオン等イオンを検出することによりPEFCの劣化を判断する。しかし、PEFCの燃料ガスあるいは酸化剤ガスの漏洩は、高分子電解質膜が物理的に破損することによっても発生する。こういった高分子電解質膜の破損の場合には、金属イオン又はフッ化物イオンの生成は起こりにくいので、金属イオン又はフッ化物イオンの検出からPEFCの劣化を判断する方法は、燃料ガスあるいは酸化剤ガスの漏洩検出には不向きである。   In PEFC, fluoride ions are generated when the polymer electrolyte membrane is decomposed. Further, fluoride ions have a property of corroding metals. Therefore, in the PEFC operation method disclosed in Patent Document 3, the deterioration of PEFC is determined by detecting ions such as metal ions in water such as generated water and humidified water. However, leakage of PEFC fuel gas or oxidant gas also occurs when the polymer electrolyte membrane is physically damaged. In the case of such breakage of the polymer electrolyte membrane, generation of metal ions or fluoride ions is unlikely to occur. Therefore, a method for judging deterioration of PEFC from detection of metal ions or fluoride ions is based on fuel gas or oxidant. Not suitable for gas leak detection.

また、燃料電池の白金等の電極触媒は、燃料電池の負荷変動、燃料電池内のガス成分、あるいは燃料電池内のガス成分の分圧、さらには、停止中の温度・湿度条件等によって、触媒能に影響を受ける。すなわち、燃料電池の電極面積は、燃料電池の履歴により変化することになるので、燃料電池の運転パターンだけによっては燃料電池の寿命を精度良く予測することは難しい。したがって、燃料電池の基本運転パターン、あるいは複数の基本運転パターンの組合せから近似される燃料電池の寿命予測は不正確となってしまうという問題があった。   In addition, an electrode catalyst such as platinum of a fuel cell is determined depending on a load variation of the fuel cell, a gas component in the fuel cell, or a partial pressure of the gas component in the fuel cell, and a temperature / humidity condition during stoppage. Affected by performance. That is, since the electrode area of the fuel cell changes depending on the history of the fuel cell, it is difficult to accurately predict the life of the fuel cell only by the operation pattern of the fuel cell. Therefore, there has been a problem that the life prediction of the fuel cell approximated from the basic operation pattern of the fuel cell or a combination of a plurality of basic operation patterns becomes inaccurate.

このようにして、燃料電池の燃料ガスあるいは酸化剤ガスの漏洩検出を迅速に行うには、従来の技術においては精度が十分でなく、不正確になりがちであった。また、燃料電池の劣化判断に関しては、燃料電池の基本運転パターンにおけるデータの取得には時間と手間を要し、金属イオン又はフッ化物イオンの検出装置等の用意にはコストがかかる。   Thus, in order to quickly detect the leakage of the fuel gas or the oxidant gas of the fuel cell, the conventional technique is not accurate enough and tends to be inaccurate. In addition, regarding the determination of deterioration of the fuel cell, it takes time and labor to acquire data in the basic operation pattern of the fuel cell, and preparation of a detection device for metal ions or fluoride ions is costly.

本発明は、前記の課題を解決するためになされたもので、簡便な構造によって、燃料電池の運転動作中においても燃料ガスあるいは酸化剤ガスの漏洩を迅速かつ精度良く検出することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。   The present invention has been made in order to solve the above-described problems, and a fuel cell capable of quickly and accurately detecting leakage of fuel gas or oxidant gas even during operation of the fuel cell with a simple structure. The purpose is to provide a system.

本発明者らは、上記目的を達成するべく鋭意研究を重ねた結果、燃料ガスと酸化剤ガスとの組成の相違と、両ガスの供給圧の相違とに着目し、酸化剤ガス中の組成変動によって燃料ガスあるいは酸化剤ガスの漏洩を検出する方法に想到した。つまり、燃料ガスあるいは酸化剤ガスの漏洩発生時には、供給圧が高い側から低い側にガスが漏洩するので、供給圧が低い側のガスの組成が変動する。PEFCにおいては、一般的に燃料ガスの方が酸化剤ガスよりも供給圧が高いので、酸化剤ガスの組成変動を検出することによって、燃料ガスの酸化剤ガスへの漏洩を検出することができる。   As a result of intensive studies to achieve the above object, the present inventors have paid attention to the difference in composition between the fuel gas and the oxidant gas and the difference in supply pressure between the two gases, and the composition in the oxidant gas. We came up with a method to detect leakage of fuel gas or oxidant gas by fluctuation. That is, when the fuel gas or the oxidant gas leaks, the gas leaks from the higher supply pressure side to the lower supply pressure, so that the gas composition on the lower supply pressure side varies. In PEFC, since fuel gas generally has a higher supply pressure than oxidant gas, leakage of fuel gas to oxidant gas can be detected by detecting composition variation of oxidant gas. .

ここで、燃料ガスと酸化剤ガスとの組成において相違しているのは水素及び酸素である。しかしながら、燃料ガスの主成分である水素の濃度は、水素が燃料電池の電池化学反応に関与することから、燃料電池内部において水素濃度が変動してしまうので、水素濃度の変動と燃料ガスあるいは酸化剤ガスの漏洩との相関性は低い。同様にして、酸化剤ガスの主成分である酸素の濃度も、燃料電池の電池化学反応に関与することから、燃料電池内部において酸素濃度が変動してしまうので、酸素濃度の変動と燃料ガスあるいは酸化剤ガスの漏洩との相関性は低い。さりとて、燃料ガスと酸化剤ガスとの両方に含有される成分については、その濃度差が小さい場合には、漏洩が濃度差の顕著な変動としては出現し得ない。   Here, hydrogen and oxygen are different in the composition of the fuel gas and the oxidant gas. However, the concentration of hydrogen, which is the main component of the fuel gas, varies because the hydrogen concentration fluctuates inside the fuel cell because hydrogen is involved in the cell chemical reaction of the fuel cell. Correlation with agent gas leakage is low. Similarly, since the concentration of oxygen, which is the main component of the oxidant gas, also participates in the cell chemical reaction of the fuel cell, the oxygen concentration fluctuates inside the fuel cell. Correlation with leakage of oxidant gas is low. As for the components contained in both the fuel gas and the oxidant gas, if the concentration difference is small, leakage cannot appear as a significant variation in the concentration difference.

ここで、一般的に燃料ガスは、水素ガス、あるいは炭化水素系ガスの改質によって生成される改質ガスが用いられ、改質ガス中には20%以上40%以下程度の濃度の二酸化炭素が含まれている。また、一般的に酸化剤ガスは、酸素ガス、あるいは空気が用いられ、空気中には、300ppm以上500ppm以下程度の濃度の二酸化炭素が含まれている。したがって、二酸化炭素は燃料ガス及び酸化剤ガスの少なくとも一方に含有され、例え、双方に含有されていたとしても、それらの二酸化炭素濃度の濃度差が大きいことがわかった。また、燃料ガスに水素ガス、酸化剤ガスに酸素ガスを用いる場合であっても、空気を混合させる等によって、いずれかに多少の二酸化炭素を混合すればよい。以上から、燃料ガスあるいは酸化剤ガスの漏洩発生時には、供給圧が低い側のガスの二酸化炭素濃度に顕著な変動が生じることに想到し、研究者は、燃料ガスあるいは酸化剤ガス中の二酸化炭素濃度の変動によって燃料ガスあるいは酸化剤ガスの漏洩を検出する燃料電池システムの発明に想到した。なお、二酸化炭素の濃度変化をモニタする場合、二酸化炭素の水(電池反応の生成水、酸化剤ガス及び燃料ガスの少なくとも一方を加湿した場合に生ずる凝縮水など)への溶解度を考慮する必要がある場合には、予備実験などでその量を把握して置けばよい。   Here, the fuel gas is generally a hydrogen gas or a reformed gas generated by reforming a hydrocarbon-based gas, and carbon dioxide having a concentration of about 20% to 40% in the reformed gas. It is included. In general, oxygen gas or air is used as the oxidant gas, and the air contains carbon dioxide having a concentration of about 300 ppm to 500 ppm. Accordingly, it has been found that carbon dioxide is contained in at least one of the fuel gas and the oxidant gas, and even if contained in both, the concentration difference between the carbon dioxide concentrations is large. Further, even when hydrogen gas is used as the fuel gas and oxygen gas is used as the oxidant gas, some carbon dioxide may be mixed into one by mixing air or the like. From the above, when a leak of fuel gas or oxidant gas occurs, it is thought that a significant fluctuation occurs in the carbon dioxide concentration of the gas on the lower supply pressure side, and the researcher The inventors have come up with the invention of a fuel cell system that detects leakage of fuel gas or oxidant gas based on concentration fluctuations. When monitoring the change in the concentration of carbon dioxide, it is necessary to consider the solubility of carbon dioxide in water (condensed water generated when humidifying at least one of battery reaction product water, oxidant gas, and fuel gas). In some cases, the amount can be determined by preliminary experiments.

すなわち、上記課題を解決するために、本発明に係る燃料電池システムは、高分子電解質膜の両側に形成されたアノード及びカソードにそれぞれ接するように形成された、燃料ガス流路と酸化剤ガス流路とを有する、燃料電池と、前記燃料ガス流路に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、前記酸化剤ガス流路に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、前記燃料ガス流路に前記燃料ガス供給装置を接続する燃料ガス供給流路と、前記酸化剤ガス流路に前記酸化剤ガス供給装置を接続する酸化剤ガス供給流路と、前記燃料ガス流路から排出される余剰の燃料ガスが流通する燃料ガス排出流路と、前記酸化剤ガス流路から排出される余剰の酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス排出流路と、前記酸化剤ガス排出流路及び前記燃料ガス排出流路のいずれかに配設されている排出側二酸化炭素濃度検出装置と、制御装置と、を有し、前記制御装置は、前記排出側二酸化炭素濃度検出装置の検出値を取得して、該検出値に基づいて前記燃料ガスの漏洩を検出する(請求項1)。このように構成すると、燃料電池システムは、酸化剤ガス排出流路中あるいは燃料ガス排出流路中の二酸化炭素濃度の変化によって燃料ガスあるいは酸化剤ガスの漏洩を検出することができるので、簡便な構造及び動作によって、燃料電池の運転動作中においても燃料ガスあるいは酸化剤ガスの漏洩を迅速かつ精度良く検出することができる。   That is, in order to solve the above problems, a fuel cell system according to the present invention includes a fuel gas channel and an oxidant gas flow formed so as to be in contact with anodes and cathodes formed on both sides of a polymer electrolyte membrane, respectively. A fuel cell, a fuel gas supply device that supplies fuel gas to the fuel gas flow channel, an oxidant gas supply device that supplies oxidant gas to the oxidant gas flow channel, and the fuel gas flow A fuel gas supply channel that connects the fuel gas supply device to the channel, an oxidant gas supply channel that connects the oxidant gas supply device to the oxidant gas channel, and an exhaust gas from the fuel gas channel A fuel gas discharge channel through which excess fuel gas flows, an oxidant gas discharge channel through which excess oxidant gas discharged from the oxidant gas channel flows, the oxidant gas discharge channel, and the fuel Gas discharge flow path An exhaust-side carbon dioxide concentration detection device disposed in any one of the control devices, and the control device acquires a detection value of the exhaust-side carbon dioxide concentration detection device, Based on this, leakage of the fuel gas is detected. If comprised in this way, since the fuel cell system can detect the leakage of fuel gas or oxidant gas by the change of the carbon dioxide concentration in an oxidant gas discharge flow path or a fuel gas discharge flow path, it is simple. Due to the structure and operation, leakage of fuel gas or oxidant gas can be detected quickly and accurately even during the operation of the fuel cell.

また、上述の本発明の効果をより確実に得る観点から、前記燃料ガス供給装置の供給圧よりも前記酸化剤ガス供給装置の供給圧が低く、前記排出側二酸化炭素濃度検出装置が前記酸化剤ガス排出流路に配設されていて、前記制御装置は、前記排出側二酸化炭素濃度検出装置の検出値を取得して、前記酸化剤ガス流路に供給される前記酸化剤ガスの二酸化炭素濃度と前記酸化剤ガス流路から排出される前記酸化剤ガスの二酸化炭素濃度との二酸化炭素濃度の差分を示す数値情報からなる漏洩値を算出するとよい(請求項2)。あるいは、前記酸化剤ガス供給装置の供給圧よりも前記燃料ガス供給装置の供給圧が低く、前記排出側二酸化炭素濃度検出装置が前記燃料ガス排出流路に配設されていて、前記制御装置は、前記排出側二酸化炭素濃度検出装置の検出値を取得して、前記燃料ガス流路に供給される前記燃料ガスの二酸化炭素濃度と前記燃料ガス流路から排出される前記燃料ガスの二酸化炭素濃度との二酸化炭素濃度の差分を示す数値情報からなる漏洩値を算出するとよい(請求項13)。   Further, from the viewpoint of obtaining the above-described effect of the present invention more reliably, the supply pressure of the oxidant gas supply device is lower than the supply pressure of the fuel gas supply device, and the exhaust-side carbon dioxide concentration detection device is the oxidant. The control device is disposed in the gas discharge flow path, acquires the detection value of the discharge-side carbon dioxide concentration detection device, and is supplied with the oxidant gas flow path to the carbon dioxide concentration of the oxidant gas. And a leakage value composed of numerical information indicating a difference in carbon dioxide concentration from the carbon dioxide concentration of the oxidant gas discharged from the oxidant gas flow path. Alternatively, the supply pressure of the fuel gas supply device is lower than the supply pressure of the oxidant gas supply device, the exhaust-side carbon dioxide concentration detection device is disposed in the fuel gas discharge flow path, and the control device is The detection value of the exhaust-side carbon dioxide concentration detection device is acquired, and the carbon dioxide concentration of the fuel gas supplied to the fuel gas flow channel and the carbon dioxide concentration of the fuel gas discharged from the fuel gas flow channel It is preferable to calculate a leakage value composed of numerical information indicating a difference in carbon dioxide concentration between the first and second carbon dioxide (claim 13).

また、前記酸化剤ガス供給流路に配設されている供給側二酸化炭素濃度検出装置を有し、前記制御装置は、前記排出側二酸化炭素濃度検出装置及び前記供給側二酸化炭素濃度検出装置の検出値を取得して、前記酸化剤ガス流路に供給される前記酸化剤ガスの二酸化炭素濃度と前記酸化剤ガス流路から排出される前記酸化剤ガスの二酸化炭素濃度との二酸化炭素濃度の差分を示す数値情報からなる漏洩値を算出するとよい(請求項3)。あるいは、前記燃料ガス供給流路に配設されている供給側二酸化炭素濃度検出装置を有し、前記制御装置は、前記排出側二酸化炭素濃度検出装置及び前記供給側二酸化炭素濃度検出装置の検出値を取得して、前記燃料ガス流路に供給される前記燃料ガスの二酸化炭素濃度と前記燃料ガス流路から排出される前記燃料ガスの二酸化炭素濃度との二酸化炭素濃度の差分を示す数値情報からなる漏洩値を算出するとよい(請求項14)。このように構成すると、酸化剤ガス流路に供給される酸化剤ガスの二酸化炭素濃度、あるいは燃料ガス流路に供給される燃料ガスの二酸化炭素濃度、すなわち基準二酸化炭素濃度を直接検出することができるので、検出精度を向上させることができる。   A supply-side carbon dioxide concentration detection device disposed in the oxidant gas supply flow path; and the control device detects the discharge-side carbon dioxide concentration detection device and the supply-side carbon dioxide concentration detection device. The difference between the carbon dioxide concentration of the oxidant gas supplied to the oxidant gas flow channel and the carbon dioxide concentration of the oxidant gas discharged from the oxidant gas flow channel is obtained. It is preferable to calculate a leakage value consisting of numerical information indicating the above (claim 3). Alternatively, a supply-side carbon dioxide concentration detection device disposed in the fuel gas supply flow path is provided, and the control device detects values of the discharge-side carbon dioxide concentration detection device and the supply-side carbon dioxide concentration detection device. From the numerical information indicating the difference in carbon dioxide concentration between the carbon dioxide concentration of the fuel gas supplied to the fuel gas flow channel and the carbon dioxide concentration of the fuel gas discharged from the fuel gas flow channel. It is good to calculate the leakage value which becomes (Claim 14). With this configuration, the carbon dioxide concentration of the oxidant gas supplied to the oxidant gas flow channel or the carbon dioxide concentration of the fuel gas supplied to the fuel gas flow channel, that is, the reference carbon dioxide concentration can be directly detected. Therefore, the detection accuracy can be improved.

前記制御装置は、前記漏洩値を外部に出力する出力部を備えるとよい(請求項4)。このように構成すると、燃料電池システムの使用者が燃料ガスあるいは酸化剤ガスの漏洩を迅速かつ精度良く取得することができるので、燃料電池システムの損傷及び性能低下を事前に防止することができる。   The said control apparatus is good to provide the output part which outputs the said leakage value outside (Claim 4). If comprised in this way, since the user of a fuel cell system can acquire the leak of fuel gas or oxidant gas quickly and accurately, damage and a performance fall of a fuel cell system can be prevented beforehand.

前記制御装置は、前記漏洩値を評価する評価用漏洩値が予め格納されている記憶部を備え、前記制御装置は、前記漏洩値と前記評価用漏洩値とを対比することにより、前記燃料電池の劣化状態を評価するとよい(請求項5)。このように構成すると、燃料電池システムは、評価用漏洩値を判断基準とすることができるので、燃料電池の劣化状態を適切に評価することができる。   The control device includes a storage unit in which an evaluation leakage value for evaluating the leakage value is stored in advance, and the control device compares the leakage value with the evaluation leakage value to thereby calculate the fuel cell. It is good to evaluate the deterioration state of (claim 5). If comprised in this way, since the fuel cell system can use the leak value for evaluation as a judgment standard, it can evaluate the deterioration state of a fuel cell appropriately.

前記制御装置は、前記評価された漏洩値あるいは評価結果を外部に出力する出力部を備えるとよい(請求項6)。このように構成すると、燃料電池システムの使用者が燃料電池の劣化状態の評価を取得することができるので、燃料電池システムの損傷及び性能低下の対策判断をより容易に行うことができる。   The said control apparatus is good to provide the output part which outputs the said evaluated leakage value or evaluation result outside (Claim 6). If comprised in this way, since the user of a fuel cell system can acquire evaluation of the deterioration state of a fuel cell, the countermeasure judgment of the damage of a fuel cell system and a performance fall can be performed more easily.

前記制御装置は、前記評価された漏洩値に基づいて前記燃料電池の運転条件を調節するとよい(請求項7)。このように構成すると、燃料電池システムは、評価用漏洩値を判断基準として、略自動的に燃料電池の延命を図ることができる。   The control device may adjust the operating condition of the fuel cell based on the evaluated leakage value. With this configuration, the fuel cell system can extend the life of the fuel cell substantially automatically using the evaluation leakage value as a criterion.

前記制御装置は、所定の検出時間間隔毎に前記漏洩値を算出し、前記記憶部には、前記燃料電池の運転時間に対応させて前記漏洩値の記憶が蓄積されて、前記制御装置は、前記運転時間に対する前記漏洩値の推移線を統計学的近似法により取得し、前記推移線と前記評価用漏洩値との対比に基づいて前記燃料電池の劣化進展を予測するとよい(請求項8)。このように構成すると、燃料電池システムは、簡便な構造及び動作によって、燃料電池の運転動作中においても燃料ガスあるいは酸化剤ガスの漏洩を迅速かつ精度良く検出するとともに、燃料電池システムの寿命予測を行うことができる。   The control device calculates the leakage value at every predetermined detection time interval, and the storage unit stores the leakage value corresponding to the operation time of the fuel cell. The transition line of the leakage value with respect to the operation time may be obtained by a statistical approximation method, and the progress of deterioration of the fuel cell may be predicted based on a comparison between the transition line and the leakage value for evaluation. . With this configuration, the fuel cell system detects the leakage of the fuel gas or the oxidant gas quickly and accurately even during the operation of the fuel cell with a simple structure and operation, and predicts the life of the fuel cell system. It can be carried out.

前記制御装置は、前記推移線の軌跡に応じて前記検出時間間隔を変更するとよい(請求項9)。このように構成すると、検出漏洩値の推移線の取得に影響なく、不必要な検出漏洩値の取得動作を省くことができるので、燃料電池システムの動作を合理的にすることができる。   The said control apparatus is good to change the said detection time interval according to the locus | trajectory of the said transition line (Claim 9). With this configuration, unnecessary detection leakage value acquisition operation can be omitted without affecting detection leak value transition line acquisition, so that the operation of the fuel cell system can be rationalized.

前記制御装置の記憶部に格納されている評価用漏洩値には、前記燃料電池の耐用限界時における限界漏洩値を含み、前記制御装置は、前記推移線を外挿して、前記限界漏洩値に到達するまでの前記燃料電池の予測残存運転時間を取得するとよい(請求項10)。このように構成すると、燃料電池システムは、具体的数値情報に基づいて、燃料電池システムの寿命予測を行うことができる。   The evaluation leakage value stored in the storage unit of the control device includes a limit leakage value at the end of the service life of the fuel cell, and the control device extrapolates the transition line to obtain the limit leakage value. The predicted remaining operation time of the fuel cell until it reaches may be acquired (claim 10). If comprised in this way, the fuel cell system can perform the lifetime prediction of a fuel cell system based on specific numerical information.

前記制御装置は、前記予測残存運転時間を外部に出力する出力部を備えるとよい(請求項11)。このように構成すると、燃料電池システムの使用者が燃料電池の余寿命の評価を具体的数値情報として取得することができるので、燃料電池システムの損傷及び性能低下の対策の準備、燃料電池の適切な運転モードの選択、あるいは燃料電池の運転計画を立案することができる。   The control device may include an output unit that outputs the predicted remaining operation time to the outside (claim 11). With this configuration, the user of the fuel cell system can obtain an evaluation of the remaining life of the fuel cell as specific numerical information. Therefore, preparations for measures for damage and performance degradation of the fuel cell system, It is possible to select an appropriate operation mode or to create a fuel cell operation plan.

前記制御装置は、前記予測残存運転時間に基づいて前記燃料電池の運転条件を調節するとよい(請求項12)。このように構成すると、燃料電池システムは、略自動的に燃料電池の延命を図るので、燃料電池システムの使用者の運転管理負担を軽減することができる。   The control device may adjust operating conditions of the fuel cell based on the predicted remaining operating time. With this configuration, the fuel cell system automatically extends the life of the fuel cell, so that the operation management burden on the user of the fuel cell system can be reduced.

以上のように、本発明に係る燃料電池システムは、簡便な構造によって、燃料電池の運転動作中においても燃料ガスあるいは酸化剤ガスの漏洩を迅速かつ精度良く検出することができるという効果を有する。   As described above, the fuel cell system according to the present invention has an effect that the leakage of the fuel gas or the oxidant gas can be detected quickly and accurately even during the operation of the fuel cell with a simple structure.

以下、図面を参照しながら本発明の燃料電池システム及び運転方法の好適な実施形態について詳細に説明する。   Hereinafter, preferred embodiments of a fuel cell system and an operation method of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

(第1実施形態)
図1は、本発明の燃料電池システムの第1実施形態の基本構成を示す模式図である。
(First embodiment)
FIG. 1 is a schematic diagram showing the basic configuration of the first embodiment of the fuel cell system of the present invention.

まず、本実施形態の燃料電池システム100の構成を説明する。   First, the configuration of the fuel cell system 100 of the present embodiment will be described.

燃料電池システム100は、燃料ガス供給装置2及び酸化剤ガス供給装置3を有しており、燃料ガス供給装置2には燃料ガス供給流路6が接続され、酸化剤ガス供給装置3には酸化剤ガス供給流路7が接続されている。ここで、燃料ガス供給装置2は、天然ガスやプロパンガス、ガソリンなどの炭化水素系燃料を改質して水素リッチな改質ガスを生成する水素生成装置を備え、水素ガス、あるいは改質ガスを燃料ガスとしてPEFC1に供給する。天然ガス等の炭化水素系ガスを改質して燃料ガスを生成する際には、二酸化炭素が副生されるので、二酸化炭素濃度は、炭化水素系ガスの組成に基づいて、燃料ガス中の濃度が一定となる。PEFC1運転動作中における燃料ガス供給装置2の供給圧は、6.5〜8.5kPaであって、その供給圧はガス流量によって調整することができるように構成されている。酸化剤ガス供給装置3は、ブロワ、ファン等送風器からなり、酸素ガス、あるいは空気を酸化剤ガスとしてPEFC1に供給する。PEFC1運転動作中における酸化剤ガス供給装置3の供給圧は、5.0〜7.0kPaであって、供給圧はガス流量によって調整することができるように構成されている。したがって、燃料ガスの供給圧が酸化剤ガスの供給圧より高くなるよう構成されている。   The fuel cell system 100 includes a fuel gas supply device 2 and an oxidant gas supply device 3. A fuel gas supply channel 6 is connected to the fuel gas supply device 2, and an oxidant gas supply device 3 is oxidized. The agent gas supply channel 7 is connected. Here, the fuel gas supply device 2 includes a hydrogen generator that reforms a hydrocarbon-based fuel such as natural gas, propane gas, or gasoline to generate a hydrogen-rich reformed gas. Is supplied to PEFC1 as fuel gas. When producing a fuel gas by reforming a hydrocarbon gas such as natural gas, carbon dioxide is by-produced, so the carbon dioxide concentration is determined based on the composition of the hydrocarbon gas. Concentration becomes constant. The supply pressure of the fuel gas supply device 2 during the PEFC1 operation is 6.5 to 8.5 kPa, and the supply pressure can be adjusted by the gas flow rate. The oxidant gas supply device 3 includes a blower such as a blower or a fan, and supplies oxygen gas or air as an oxidant gas to the PEFC 1. The supply pressure of the oxidant gas supply device 3 during the PEFC1 operation is 5.0 to 7.0 kPa, and the supply pressure can be adjusted by the gas flow rate. Accordingly, the fuel gas supply pressure is configured to be higher than the oxidant gas supply pressure.

また、燃料ガス供給流路6は、高分子電解質型燃料電池(以下PEFCと言う)1に接続されていて、燃料ガス供給装置2からPEFC1に燃料ガスが供給される。酸化剤ガス供給流路7は、PEFC1に接続されていて、酸化剤ガス供給装置3からPEFC1に酸化剤ガスが供給される。   The fuel gas supply channel 6 is connected to a polymer electrolyte fuel cell (hereinafter referred to as PEFC) 1, and the fuel gas is supplied from the fuel gas supply device 2 to the PEFC 1. The oxidant gas supply channel 7 is connected to the PEFC 1, and the oxidant gas is supplied from the oxidant gas supply device 3 to the PEFC 1.

このPEFC1内には、膜電極接合体1Aが一対のセパレータ、正確にはアノードセパレータ1B及びカソードセパレータ1Cに挟まれて、膜電極接合体1Aとアノードセパレータ1Bの表面に形成されている溝部とによって区画されて燃料ガス流路1Dが形成されている。同様にして、膜電極接合体1Aとカソードセパレータ1Cの表面に形成されている溝部とによって区画されて酸化剤ガス流路1Eが形成されている。これによって、PEFC1内において、燃料ガス流路1Dと酸化剤ガス流路1Eとは高分子電解質膜を有してなる膜電極接合体1Aによって仕切られている。   In this PEFC 1, a membrane electrode assembly 1A is sandwiched between a pair of separators, more precisely an anode separator 1B and a cathode separator 1C, and is formed by a groove formed on the surface of the membrane electrode assembly 1A and the anode separator 1B. A fuel gas flow path 1D is formed by partitioning. Similarly, an oxidant gas flow path 1E is formed by being partitioned by the membrane electrode assembly 1A and a groove formed on the surface of the cathode separator 1C. As a result, in the PEFC 1, the fuel gas channel 1D and the oxidant gas channel 1E are partitioned by the membrane electrode assembly 1A having a polymer electrolyte membrane.

そして、燃料ガス流路1Dの一端には、燃料ガス供給流路6が接続されて、燃料ガスが燃料ガス流路1Dに供給される。また、酸化剤ガス流路1Eの一端には、酸化剤ガス供給 流路7が接続されて、酸化剤ガスが酸化剤ガス流路1Eに供給される。この燃料ガス流路1D及び酸化剤ガス流路1Eに供給された燃料ガス及び酸化剤ガスがアノード及びカソードで化学反応して電力及び熱を発生する。   A fuel gas supply channel 6 is connected to one end of the fuel gas channel 1D so that the fuel gas is supplied to the fuel gas channel 1D. Further, an oxidant gas supply channel 7 is connected to one end of the oxidant gas channel 1E, and the oxidant gas is supplied to the oxidant gas channel 1E. The fuel gas and the oxidant gas supplied to the fuel gas channel 1D and the oxidant gas channel 1E chemically react at the anode and the cathode to generate electric power and heat.

燃料ガス流路1Dの他端には、燃料ガス排出流路8が接続されて、アノードで化学反応しなかった余剰の燃料ガスは燃料ガス流路1Dの他端から燃料ガス排出流路8に排出される。また、酸化剤ガス流路1Eの他端には、酸化剤ガス排出流路9が接続されて、カソードで化学反応しなかった余剰の酸化剤ガスは酸化剤ガス流路1Eの他端から酸化剤ガス排出流路9に排出される。   A fuel gas discharge channel 8 is connected to the other end of the fuel gas channel 1D, and excess fuel gas that has not chemically reacted at the anode flows from the other end of the fuel gas channel 1D to the fuel gas discharge channel 8. Discharged. Further, an oxidant gas discharge channel 9 is connected to the other end of the oxidant gas channel 1E, and excess oxidant gas that has not chemically reacted at the cathode is oxidized from the other end of the oxidant gas channel 1E. It is discharged to the agent gas discharge channel 9.

この酸化剤ガス排出流路9には排出側二酸化炭素濃度検出装置(以下、排出側CO2検出装置という)4が配設されて、酸化剤ガス排出流路9を流通する流体の二酸化炭素濃度を検出する。排出側CO2検出装置4は、例えば、二酸化炭素による特定波長帯の赤外線の吸収を利用したCO2検出装置を用いることができる。 The oxidant gas discharge channel 9 is provided with a discharge side carbon dioxide concentration detection device (hereinafter referred to as a discharge side CO 2 detection device) 4, and the carbon dioxide concentration of the fluid flowing through the oxidant gas discharge channel 9 Is detected. As the discharge-side CO 2 detection device 4, for example, a CO 2 detection device that utilizes absorption of infrared rays in a specific wavelength band by carbon dioxide can be used.

また、燃料電池システム100は、制御装置10を備えている。制御装置10は、CPU、マイコン等によって構成される制御部10A、メモリ等によって構成される記憶部10B、キーボード等によって構成されている入力部10C、及びモニター装置、プリンター等によって構成されている出力部10Dを有している。そして、制御装置10は、燃料電池システム100の動作を制御する。特に、制御装置10は、排出側CO2検出装置4の検出値(例えば電流信号値、電圧信号値等)を取得し、制御部10Aにおいて、該検出値から酸化剤ガス流路1Eから排出される酸化剤ガスの二酸化炭素濃度R1を算出し、該濃度と酸化剤ガス流路1Eに供給される酸化剤ガスの二酸化炭素濃度、すなわち基準二酸化炭素濃度R0とを対比して、その差分を示す数値情報からなる検出漏洩値Q=|R1−R0|を算出するように構成されている。なお、基準二酸化炭素濃度R0は、予め酸化剤ガスの組成を取得しておいて、その二酸化炭素濃度を基準二酸化炭素濃度R0として入力部10Cから入力して10Aに格納しておく。あるいは、酸化剤ガスが空気である場合には、予め大気中の二酸化炭素濃度を計測しておいて、その計測濃度を基準二酸化炭素濃度R0として入力部10Cから入力して制御部10Aに格納しておいてもよい。なお、酸化剤ガスに空気を用いる場合には、一般的に空気の二酸化炭素濃度は300ppm以上500ppm以下程度である。なお、基準二酸化炭素濃度R0を決定する際に、二酸化炭素の水(電池反応の生成水、酸化剤ガス及び燃料ガスの少なくとも一方を加湿した場合に生ずる凝縮水など)への溶解度を考慮する必要がある場合には、予備実験などでその量を予め把握しておき、これをR0に反映させればよい。 In addition, the fuel cell system 100 includes a control device 10. The control device 10 includes a control unit 10A configured by a CPU, a microcomputer, a storage unit 10B configured by a memory, an input unit 10C configured by a keyboard, and an output configured by a monitor device, a printer, and the like. Part 10D. Then, the control device 10 controls the operation of the fuel cell system 100. In particular, the control device 10 acquires a detection value (for example, a current signal value, a voltage signal value, etc.) of the discharge-side CO 2 detection device 4, and is discharged from the oxidant gas flow path 1E from the detection value in the control unit 10A. The carbon dioxide concentration R 1 of the oxidant gas is calculated, and the difference is compared with the carbon dioxide concentration of the oxidant gas supplied to the oxidant gas flow path 1E, that is, the reference carbon dioxide concentration R 0. The detection leakage value Q = | R 1 −R 0 | consisting of numerical information indicating the above is calculated. The reference carbon dioxide concentration R 0 is obtained in advance from the composition of the oxidant gas, input as the reference carbon dioxide concentration R 0 from the input unit 10C, and stored in 10A. Alternatively, when the oxidant gas is air, the carbon dioxide concentration in the atmosphere is measured in advance, and the measured concentration is input as the reference carbon dioxide concentration R 0 from the input unit 10C and stored in the control unit 10A. You may keep it. When air is used as the oxidant gas, the carbon dioxide concentration of air is generally about 300 ppm to 500 ppm. In determining the reference carbon dioxide concentration R 0 , the solubility of carbon dioxide in water (condensed water generated when at least one of battery reaction product water, oxidant gas, and fuel gas is humidified) is taken into consideration. If necessary, the amount may be grasped in advance by a preliminary experiment or the like and reflected in R 0 .

また、記憶部10Bには、燃料ガスあるいは酸化剤ガスの漏洩を評価する評価用漏洩値が格納されている。例えば、PEFC1の供用開始初期の初期漏洩値Q100、PEFC1の機能障害が発現する時期、つまり耐用限界時におけるPEFC1の限界漏洩値Q0及び初期漏洩値Q100と限界漏洩値Q0との中間値である中間漏洩値Q80、Q60、Q40、Q20が予め入力部10Dから入力されて格納されている。これら評価用漏洩値Q100乃至Q0は、事前にPEFC1と同一機種を用いた耐久試験により取得しておくことができる。 The storage unit 10B stores an evaluation leakage value for evaluating leakage of fuel gas or oxidant gas. For example, the initial leakage value Q 100 at the beginning of service of the PEFC 1 , the time when the functional failure of the PEFC 1 occurs, that is, the limit leakage value Q 0 of the PEFC 1 at the end of its service life, and the intermediate between the initial leakage value Q 100 and the limiting leakage value Q 0 Intermediate leakage values Q 80 , Q 60 , Q 40 , and Q 20 that are values are previously input from the input unit 10D and stored. These evaluation leakage values Q 100 to Q 0 can be obtained in advance by an endurance test using the same model as the PEFC 1.

ここで、制御装置とは、単独の制御装置だけでなく、複数の制御装置が協働して制御を実行する制御装置群をも含んで意味する。よって、制御装置10は、単独の制御装置から構成される必要はなく、複数の制御装置が分散配置されていて、それらが協働して燃料電池システム100の動作を制御するように構成されていてもよい。例えば、出力部10Dは、情報端末によって送信されてモバイル機器に表示されるように構成することもできる。   Here, the control device means not only a single control device but also a control device group in which a plurality of control devices cooperate to execute control. Therefore, the control device 10 does not need to be composed of a single control device, and a plurality of control devices are distributed and configured to control the operation of the fuel cell system 100 in cooperation with each other. May be. For example, the output unit 10D can be configured to be transmitted by the information terminal and displayed on the mobile device.

次に、本発明の特徴である燃料電池システム100の漏洩値検出動作を説明する。この漏洩値検出動作は制御装置10によって制御されることにより遂行される。   Next, the leakage value detection operation of the fuel cell system 100, which is a feature of the present invention, will be described. This leakage value detection operation is performed by being controlled by the control device 10.

まず、制御装置10は、PEFC1の運転動作状態、つまり、燃料ガス及び酸化剤ガスの流通状態において排出側CO2検出装置4の検出値を取得する。 First, the control device 10 acquires the detection value of the discharge side CO 2 detection device 4 in the operation operation state of the PEFC 1, that is, in the flow state of the fuel gas and the oxidant gas.

制御装置10は、排出側CO2検出装置4の検出値に基づいて検出漏洩値Qを取得する。 The control device 10 acquires the detection leakage value Q based on the detection value of the discharge side CO 2 detection device 4.

ここで、燃料ガスあるいは酸化剤ガスの漏洩がない場合には、検出漏洩値Qはほぼ零となる。   Here, when there is no leakage of the fuel gas or the oxidant gas, the detected leakage value Q is almost zero.

しかし、燃料ガスあるいは酸化剤ガスの漏洩がある場合には、例えば膜電極接合体1Aの高分子電解質膜が損傷している場合には、燃料ガスの供給圧が酸化剤ガスの供給圧より高いので、燃料ガスが燃料ガス流路1Dから酸化剤ガス流路1E側へ漏洩する。そして、高分子電解質膜の損傷が拡大するに従い、この漏洩も拡大し、検出漏洩値Qは増大する。なお、炭化水素系ガスの改質によって生成される改質ガスを燃料ガスに用いる場合には、燃料ガス中の二酸化炭素濃度は20%乃至30%程度であるので、微量の漏洩であっても、酸化剤ガス流路1Eにおける二酸化炭素の上昇は顕著に出現する。   However, when there is leakage of fuel gas or oxidant gas, for example, when the polymer electrolyte membrane of the membrane electrode assembly 1A is damaged, the supply pressure of the fuel gas is higher than the supply pressure of the oxidant gas. Therefore, the fuel gas leaks from the fuel gas channel 1D to the oxidant gas channel 1E side. As the damage to the polymer electrolyte membrane increases, this leakage also increases and the detection leakage value Q increases. When the reformed gas generated by the reforming of hydrocarbon gas is used as the fuel gas, the carbon dioxide concentration in the fuel gas is about 20% to 30%. The increase of carbon dioxide in the oxidant gas flow path 1E appears remarkably.

これによって、燃料電池システム100は、酸化剤ガス排出流路9中の二酸化炭素濃度の変化によって燃料ガスあるいは酸化剤ガスの漏洩を検出することができるので、簡便な構造及び動作によって、燃料電池の運転動作中においても燃料ガスあるいは酸化剤ガスの漏洩を迅速かつ精度良く検出することができる。   As a result, the fuel cell system 100 can detect the leakage of the fuel gas or the oxidant gas based on the change in the carbon dioxide concentration in the oxidant gas discharge passage 9. Even during operation, leakage of fuel gas or oxidant gas can be detected quickly and accurately.

また、制御装置10は検出漏洩値Qを出力部10Dに表示する。これにより、燃料電池システム100の使用者が燃料ガスあるいは酸化剤ガスの漏洩を迅速かつ精度良く取得することができるので、燃料電池システム100の損傷及び性能低下を事前に防止することができる。   Further, the control device 10 displays the detected leakage value Q on the output unit 10D. Thereby, since the user of the fuel cell system 100 can quickly and accurately acquire the leakage of the fuel gas or the oxidant gas, it is possible to prevent the fuel cell system 100 from being damaged and the performance from being deteriorated in advance.

さらに、制御装置10は、制御部10Aにおいて、検出漏洩値Qと記憶部10Bに格納されている評価用漏洩値Q100乃至Q0とを対比し、PEFC1の劣化状態を評価して表示する。具体的には、検出漏洩値Qが最も近い評価用漏洩値Q100乃至Q0及びその評価用漏洩値Q100乃至Q0との差異量を取得し、それらを出力部10Dに表示する。さらには、この差異量に応じて、制御部10Aにおいて数段階程度のランク付けをして、そのランクを出力部10Dにおいて色分け表示あるいはレベル表示するようにしてもよい。このように評価されることによって、燃料電池システム100は、評価用漏洩値Q100乃至Q0を判断基準とすることができるので、燃料電池の劣化状態を適切に評価することができる。また、この評価結果が表示されることによって、燃料電池システム100の使用者がPEFC1の劣化状態の評価を取得することができるので、燃料電池システム100の損傷及び性能低下の対策をより容易に行うことができる。 Further, the control unit 10 causes the control unit 10A, and comparing the detected leakage values evaluation leaking values stored in Q the storage unit 10B Q 100 to Q 0, and displays the evaluated state of deterioration of PEFC1. Specifically, the evaluation leakage values Q 100 to Q 0 with the closest detected leakage value Q and the difference amounts between the evaluation leakage values Q 100 to Q 0 are acquired and displayed on the output unit 10D. Furthermore, according to the difference amount, the control unit 10A may rank about several levels, and the rank may be displayed in color or level in the output unit 10D. By performing the evaluation in this way, the fuel cell system 100 can use the evaluation leakage values Q 100 to Q 0 as the determination criteria, and thus can appropriately evaluate the deterioration state of the fuel cell. In addition, since the evaluation result is displayed, the user of the fuel cell system 100 can obtain an evaluation of the deterioration state of the PEFC 1, so that measures against damage and performance degradation of the fuel cell system 100 can be performed more easily. be able to.

さらに、制御装置10は、検出漏洩値Qと評価用漏洩値Q100乃至Q0との対比評価に応じて、燃料電池システム100の運転条件を調節する。例えば、検出漏洩値Qが初期漏洩値Q100を起点として、中間漏洩値Q80、Q60、Q40、Q20に順次到達する度に、制御装置10は、燃料電池システム100の運転動作中における、PEFC1の出入口間における酸化剤ガス及び燃料ガスの供給圧の圧力損失の上限制限を引き下げて、圧力損失を抑制して運転するように酸化剤ガス供給装置3及び燃料ガス供給装置2を制御する。これによって、燃料電池システム100は、評価用漏洩値Q100乃至Q0を閾値、つまり判断基準として、略自動的にPEFC1の延命を図ることができる。 Further, the control unit 10, in accordance with the comparison evaluation between the detected leakage values Q and evaluation leakage value Q 100 to Q 0, adjusting the operating conditions of the fuel cell system 100. For example, every time the detected leakage value Q reaches the intermediate leakage values Q 80 , Q 60 , Q 40 , Q 20 starting from the initial leakage value Q 100 , the control device 10 is in the operation of the fuel cell system 100. The oxidant gas supply device 3 and the fuel gas supply device 2 are controlled so as to operate with the pressure loss suppressed by lowering the upper limit of the pressure loss of the oxidant gas and fuel gas supply pressure between the inlets and outlets of the PEFC 1 To do. As a result, the fuel cell system 100 can extend the life of the PEFC 1 almost automatically using the evaluation leakage values Q 100 to Q 0 as threshold values, that is, judgment criteria.

次に、検出漏洩値Qを用いた燃料電池システム100の寿命予測動作について説明する。   Next, the life prediction operation of the fuel cell system 100 using the detected leakage value Q will be described.

まず、制御装置10の制御部10Aは、内蔵するクロックを用いて、所定の検出時間間隔Δt毎に漏洩値検出動作を行うように燃料電池システム100を制御する。所定の検出時間間隔Δtは、PEFC1の運転時間を基準とする時間間隔である。そして、制御装置10は、漏洩値検出動作を行った時点までのPEFC1の運転時間Tと対応するようにして検出漏洩値Qを記憶部10Bに記憶し、蓄積する。   First, the control unit 10A of the control device 10 controls the fuel cell system 100 to perform a leakage value detection operation at every predetermined detection time interval Δt using a built-in clock. The predetermined detection time interval Δt is a time interval based on the operation time of the PEFC 1. And the control apparatus 10 memorize | stores and accumulate | stores the detection leak value Q in the memory | storage part 10B so as to correspond with the driving | running time T of PEFC1 until the time of performing leak value detection operation.

そして、制御部10Aは、蓄積された検出漏洩値Qに基づいて、運転時間Tに対する検出漏洩値Qの推移線を統計学的な近似法により取得する。例えば、最小二乗法等の統計処理によりこの推移線を取得することができる。そして、制御部10Aは、検出漏洩値Qの今後の変化を予測する。例えば、その推移線を外挿して予測することができる。   Then, the control unit 10A acquires a transition line of the detected leakage value Q with respect to the operation time T based on the accumulated detected leakage value Q by a statistical approximation method. For example, the transition line can be acquired by a statistical process such as a least square method. Then, the control unit 10A predicts future changes in the detected leakage value Q. For example, the transition line can be extrapolated and predicted.

ここで、図2(a)乃至図2(c)は、PEFCの運転時間に対する検出漏洩値の推移線を概念的に示すグラフであって、図2(a)は検出漏洩値が一定の割合で変化する場合のグラフ、図2(b)は検出漏洩値が徐々に安定するように変化する場合のグラフ、図2(c)は検出漏洩値の変化が徐々に拡大する場合のグラフである。   Here, FIG. 2A to FIG. 2C are graphs conceptually showing transition lines of the detected leakage value with respect to the PEFC operation time, and FIG. 2A is a ratio at which the detected leakage value is constant. FIG. 2B is a graph when the detected leakage value changes so as to be stabilized gradually, and FIG. 2C is a graph when the change of the detected leakage value gradually increases. .

図2(a)乃至図2(c)に示すように、制御部10Aは、この推定線と限界漏洩値Q0とを対比させて、PEFC1が限界漏洩値Q0に到達するまでの予測残存運転時間ΔT0を算出する。 As shown in FIG. 2 (a) to FIG. 2 (c), the control section 10A, by comparing the the estimated line and limit leakage value Q 0, the prediction residual to PEFC1 reaches the limit leakage value Q 0 The operation time ΔT 0 is calculated.

これによって、燃料電池システム100は、酸化剤ガス排出流路9中の二酸化炭素濃度R1の変化によって燃料ガスあるいは酸化剤ガスの漏洩を検出することができるので、簡便な構造及び動作によって、PEFC1の運転動作中においても燃料ガスあるいは酸化剤ガスの漏洩を迅速かつ精度良く検出するとともに、燃料電池システム100の寿命予測を行うことができる。 As a result, the fuel cell system 100 can detect the leakage of the fuel gas or the oxidant gas based on the change in the carbon dioxide concentration R 1 in the oxidant gas discharge channel 9. Even during the operation, the leakage of fuel gas or oxidant gas can be detected quickly and accurately, and the life of the fuel cell system 100 can be predicted.

また、制御装置10は、予測残存運転時間ΔT0を出力部10Dに表示する。これによって、燃料電池システム100の使用者がPEFC1の余寿命の評価を具体的数値情報として取得することができるので、燃料電池システム100の損傷及び性能低下の対策の準備、PEFC1の適切な運転モードの選択、あるいはPEFC1の運転計画を立案することができる。 In addition, the control device 10 displays the predicted remaining operation time ΔT 0 on the output unit 10D. Accordingly, the user of the fuel cell system 100 can obtain the evaluation of the remaining life of the PEFC 1 as specific numerical information, so that preparations for measures against damage and performance degradation of the fuel cell system 100 and an appropriate operation mode of the PEFC 1 can be obtained. Or the operation plan of PEFC1 can be made.

さらに、制御装置10の制御部10Aは、予測残存運転時間ΔT0に基づきPEFC1の運転条件を調節する。具体的には、延命運転モードを選択して、酸化剤ガス供給装置3、燃料ガス供給装置2、PEFC1の出力電力等を制御する。例えば、延命運転モードにおいては、PEFC1の出入口間における酸化剤ガスの圧損と燃料ガスの圧損とが均一になるように、あるいは、酸化剤ガス及び燃料ガスの供給圧を抑制してPEFC1の出入口間におけるこれらの圧力損失を抑制するように、制御部10Aが、酸化剤ガス供給装置3及び燃料ガス供給装置2を制御する。これによって、燃料電池システム100は、略自動的にPEFC1の延命を図るので、燃料電池システム100の使用者の運転管理負担を軽減することができる。 Further, the control unit 10A of the control device 10 adjusts the operation condition of the PEFC 1 based on the predicted remaining operation time ΔT 0 . Specifically, the life extension operation mode is selected, and the output power and the like of the oxidant gas supply device 3, the fuel gas supply device 2, and the PEFC 1 are controlled. For example, in the life extension operation mode, the pressure loss of the oxidant gas and the pressure loss of the fuel gas between the inlets and outlets of the PEFC 1 are made uniform, or the supply pressure of the oxidant gas and the fuel gas is suppressed to reduce the pressure between the inlets and outlets of the PEFC 1. The control unit 10A controls the oxidant gas supply device 3 and the fuel gas supply device 2 so as to suppress these pressure losses. As a result, the fuel cell system 100 extends the life of the PEFC 1 almost automatically, so that the operation management burden on the user of the fuel cell system 100 can be reduced.

なお、制御装置10の制御部10Aは、運転時間Tに対する検出漏洩値Qの推移線の軌跡に応じて、検出時間間隔Δtを変更する。例えば、図2(a)に示すように、検出漏洩値Qが一定ペースで変化する場合には、Δtは一定に保たれる。しかし、図2(b)に示すように、検出漏洩値Qが徐々に安定するように変化する場合には、Δtは徐々に大きくなるように変更される。また、図2(c)に示すように、検出漏洩値Qの変化が徐々に拡大する場合には、Δtは徐々に小さくなるように変更される。これによって、検出漏洩値Qの推移線の取得に影響なく、不必要な漏洩値検出動作を省くことができるので、燃料電池システム100の動作を合理的にすることができる。   Note that the control unit 10A of the control device 10 changes the detection time interval Δt according to the locus of the transition line of the detected leakage value Q with respect to the operation time T. For example, as shown in FIG. 2A, when the detected leakage value Q changes at a constant pace, Δt is kept constant. However, as shown in FIG. 2B, when the detected leakage value Q changes so as to be gradually stabilized, Δt is changed so as to gradually increase. Further, as shown in FIG. 2C, when the change in the detection leakage value Q gradually increases, Δt is changed so as to gradually decrease. As a result, an unnecessary leakage value detection operation can be omitted without affecting the acquisition of the transition line of the detection leakage value Q, so that the operation of the fuel cell system 100 can be rationalized.

(第2実施形態)
図3は、本発明の燃料電池システムの第2実施形態の基本構成を示す模式図である。図3において図1と同一又は相当する部分には同一符号を付してその説明を省略する。
(Second Embodiment)
FIG. 3 is a schematic diagram showing the basic configuration of the second embodiment of the fuel cell system of the present invention. In FIG. 3, the same or corresponding parts as in FIG.

本実施形態の燃料電池システム101の構成は、酸化剤ガス供給流路7に供給側二酸化炭素濃度検出装置(以下、供給側CO2検出装置という)5が配設されている点以外は、第1実施形態の燃料電池システム100の構成と同じである。これによって、基準二酸化炭素濃度R0は供給側CO2検出装置5によって検出されることになる。つまり、制御装置11は、排出側CO2検出装置4及び供給側CO2検出装置5の検出値を取得して、基準二酸化炭素濃度R0と酸化剤ガス流路1Eから排出される酸化剤ガスの二酸化炭素濃度R1との二酸化炭素濃度の差分を示す数値情報からなる検出漏洩値Q=|R1−R0|を算出するように構成されている。そして、制御装置11は、検出漏洩値Qに基づいて、第1実施形態と同様にして、漏洩値検出動作及び寿命予測動作を行うように燃料電池システム101を制御する。 The configuration of the fuel cell system 101 of the present embodiment is the same as that of the fuel cell system 101 except that a supply-side carbon dioxide concentration detection device (hereinafter referred to as supply-side CO 2 detection device) 5 is disposed in the oxidant gas supply flow path 7. The configuration is the same as that of the fuel cell system 100 of one embodiment. As a result, the reference carbon dioxide concentration R 0 is detected by the supply-side CO 2 detection device 5. That is, the control device 11 acquires the detection values of the discharge-side CO 2 detection device 4 and the supply-side CO 2 detection device 5, and the oxidant gas discharged from the reference carbon dioxide concentration R 0 and the oxidant gas flow path 1E. The detection leakage value Q = | R 1 −R 0 | composed of numerical information indicating the difference in carbon dioxide concentration from the carbon dioxide concentration R 1 is calculated. Based on the detected leakage value Q, the control device 11 controls the fuel cell system 101 to perform the leakage value detection operation and the life prediction operation in the same manner as in the first embodiment.

これによって、燃料電池システム101では、基準二酸化炭素濃度R0を直接検出することができるので、検出精度を向上させることができる。 As a result, the fuel cell system 101 can directly detect the reference carbon dioxide concentration R 0 , so that the detection accuracy can be improved.

なお、供給側CO2検出装置5は、排出側CO2検出装置4と同種の検出装置が用いられる。これによって、排出側CO2検出装置4及び供給側CO2検出装置5の検出値同士の対比及び差分算出を容易にすることができる。 The supply-side CO 2 detection device 5 is the same type of detection device as the discharge-side CO 2 detection device 4. Thereby, the comparison and the difference calculation of the detection values of the discharge side CO 2 detection device 4 and the supply side CO 2 detection device 5 can be facilitated.

(第3実施形態)
図4は、本発明の燃料電池システムの第3実施形態の基本構成を示す模式図である。図4において図1と同一又は相当する部分には同一符号を付してその説明を省略する。
(Third embodiment)
FIG. 4 is a schematic diagram showing the basic configuration of the third embodiment of the fuel cell system of the present invention. 4, parts that are the same as or correspond to those in FIG. 1 are given the same reference numerals, and descriptions thereof are omitted.

本実施形態の燃料電池システム102の構成は、酸化剤ガス供給装置3の供給圧が燃料ガス供給装置2の供給圧よりも高く設定されていて、かつ、燃料ガス排出流路7に排出側CO2検出装置4が配設されている点以外は、第1実施形態の燃料電池システム100の構成と同じである。すなわち、燃料ガス流路1D側に漏洩してくる酸化剤ガスによって、燃料ガス中の二酸化炭素の濃度が変動するので、この濃度変動を排出側CO2検出装置4によって検出することによって、第1実施形態と同様の効果を得ることができる。 The configuration of the fuel cell system 102 of the present embodiment is such that the supply pressure of the oxidant gas supply device 3 is set to be higher than the supply pressure of the fuel gas supply device 2 and the exhaust side CO 2 The configuration is the same as that of the fuel cell system 100 of the first embodiment except that the detection device 4 is provided. That is, since the concentration of carbon dioxide in the fuel gas varies due to the oxidant gas leaking to the fuel gas flow path 1D side, the first variation is detected by detecting the concentration variation by the exhaust-side CO 2 detector 4. The same effect as the embodiment can be obtained.

(第4実施形態)
図5は、本発明の燃料電池システムの第4実施形態の基本構成を示す模式図である。図5において図3と同一又は相当する部分には同一符号を付してその説明を省略する。
(Fourth embodiment)
FIG. 5 is a schematic diagram showing the basic configuration of the fourth embodiment of the fuel cell system of the present invention. In FIG. 5, the same or corresponding parts as in FIG.

本実施形態の燃料電池システム103の構成は、酸化剤ガス供給装置3の供給圧が燃料ガス供給装置2の供給圧よりも高く設定されていて、燃料ガス排出流路7に排出側CO2検出装置4が配設されていて、かつ、燃料ガス供給流路6に供給側CO2検出装置5が配設されている点以外は、第2実施形態の燃料電池システム101の構成と同じである。すなわち、燃料ガス流路1D側に漏洩してくる酸化剤ガスによって、燃料ガス中の二酸化炭素の濃度が変動するので、この濃度変動を排出側CO2検出装置4及び供給側CO2検出装置5によって検出することによって、第2実施形態と同様の効果を得ることができる。 The configuration of the fuel cell system 103 of the present embodiment is such that the supply pressure of the oxidant gas supply device 3 is set to be higher than the supply pressure of the fuel gas supply device 2, and the discharge side CO 2 is detected in the fuel gas discharge flow path 7. The configuration of the fuel cell system 101 of the second embodiment is the same as the configuration of the fuel cell system 101 of the second embodiment except that the device 4 is provided and the supply side CO 2 detection device 5 is provided in the fuel gas supply flow path 6. . That is, since the concentration of carbon dioxide in the fuel gas varies due to the oxidant gas leaking to the fuel gas flow path 1D side, this variation in concentration is detected by the exhaust side CO 2 detector 4 and the supply side CO 2 detector 5. By detecting by this, the same effect as in the second embodiment can be obtained.

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではない。例えば、酸化剤ガスに酸素ガスを用いてもよい。また、燃料ガスに水素ガスを用いてもよく、この場合には、第1実施形態及び第2実施形態においては、漏洩に従って、排出側CO2検出装置4が検出する二酸化炭素濃度R1は低下して検出され、第3実施形態及び第4実施形態においては、漏洩に従って、排出側CO2検出装置4が検出する二酸化炭素濃度R1が上昇して検出される。さらに、酸化剤ガスに酸素ガスを用い、燃料ガスに水素ガスを用いる場合には、空気を混合させる等によって、いずれか一方のガスに多少の二酸化炭素を混合すればよい。 The preferred embodiments of the present invention have been described above, but the present invention is not limited to the above-described embodiments. For example, oxygen gas may be used as the oxidant gas. Further, hydrogen gas may be used as the fuel gas. In this case, in the first embodiment and the second embodiment, the carbon dioxide concentration R 1 detected by the exhaust side CO 2 detection device 4 decreases in accordance with the leakage. In the third embodiment and the fourth embodiment, the carbon dioxide concentration R 1 detected by the discharge-side CO 2 detection device 4 is increased and detected in accordance with the leakage. Furthermore, when oxygen gas is used as the oxidant gas and hydrogen gas is used as the fuel gas, some carbon dioxide may be mixed into one of the gases, for example, by mixing air.

本発明は、簡便な構造によって、燃料電池の運転動作中においても燃料ガスあるいは酸化剤ガスの漏洩を迅速かつ精度良く検出することができる燃料電池システムとして有用である。   INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is useful as a fuel cell system that can quickly and accurately detect leakage of fuel gas or oxidant gas even during operation of the fuel cell with a simple structure.

本発明の燃料電池システムの第1実施形態の基本構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the basic composition of 1st Embodiment of the fuel cell system of this invention. 図2(a)乃至図2(c)は、PEFCの運転時間に対する検出漏洩値の推移線を概念的に示すグラフであって、図2(a)は検出漏洩値が一定ペースで変化する場合のグラフ、図2(b)は検出漏洩値が徐々に安定するように変化する場合のグラフ、図2(c)は検出漏洩値の変化が徐々に拡大する場合のグラフである。2 (a) to 2 (c) are graphs conceptually showing transition lines of detected leakage values with respect to PEFC operation time, and FIG. 2 (a) shows a case where the detected leakage values change at a constant pace. 2B, FIG. 2B is a graph when the detected leakage value changes so as to be gradually stabilized, and FIG. 2C is a graph when the change of the detected leakage value gradually increases. 本発明の燃料電池システムの第2実施形態の基本構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the basic composition of 2nd Embodiment of the fuel cell system of this invention. 本発明の燃料電池システムの第3実施形態の基本構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the basic composition of 3rd Embodiment of the fuel cell system of this invention. 本発明の燃料電池システムの第4実施形態の基本構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the basic composition of 4th Embodiment of the fuel cell system of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 高分子電解質型燃料電池(PEFC)
1A 膜電極接合体
1B アノードセパレータ
1C カソードセパレータ
1D 燃料ガス流路
1E 酸化剤ガス流路
2 燃料ガス供給装置
3 酸化剤ガス供給装置
4 排出側CO2検出装置
5 供給側CO2検出装置
6 燃料ガス供給流路
7 酸化剤ガス供給流路
8 燃料ガス排出流路
9 酸化剤ガス排出流路
10、11 制御装置
10A 制御部
10B 記憶部
10C 入力部
10D 出力部
100,101、102,103 燃料電池システム
T 運転時間
Q 検出漏洩値
Δt 検出時間間隔
ΔT0 予測残存運転時間
0 限界漏洩値
100 初期漏洩値
1 Polymer electrolyte fuel cell (PEFC)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1A Membrane electrode assembly 1B Anode separator 1C Cathode separator 1D Fuel gas flow path 1E Oxidant gas flow path 2 Fuel gas supply device 3 Oxidant gas supply device 4 Emission side CO 2 detection device 5 Supply side CO 2 detection device 6 Fuel gas Supply channel 7 Oxidant gas supply channel 8 Fuel gas discharge channel 9 Oxidant gas discharge channel 10, 11 Control device 10A Control unit 10B Storage unit 10C Input unit 10D Output unit 100, 101, 102, 103 Fuel cell system T Operation time Q Detection leak value Δt Detection time interval ΔT 0 Expected remaining operation time Q 0 Limit leak value Q 100 Initial leak value

Claims (14)

高分子電解質膜の両側に形成されたアノード及びカソードにそれぞれ接するように形成された、燃料ガス流路と酸化剤ガス流路とを有する、燃料電池と、
前記燃料ガス流路に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、
前記酸化剤ガス流路に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、
前記燃料ガス流路に前記燃料ガス供給装置を接続する燃料ガス供給流路と、
前記酸化剤ガス流路に前記酸化剤ガス供給装置を接続する酸化剤ガス供給流路と、
前記燃料ガス流路から排出される余剰の燃料ガスが流通する燃料ガス排出流路と、
前記酸化剤ガス流路から排出される余剰の酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス排出流路と、
前記酸化剤ガス排出流路及び前記燃料ガス排出流路のいずれかに配設されている排出側二酸化炭素濃度検出装置と、
制御装置と、を有し、
前記制御装置は、前記排出側二酸化炭素濃度検出装置の検出値を取得して、該検出値に基づいて前記燃料ガスの漏洩を検出する、燃料電池システム。
A fuel cell having a fuel gas channel and an oxidant gas channel formed so as to be in contact with an anode and a cathode formed on both sides of the polymer electrolyte membrane,
A fuel gas supply device for supplying fuel gas to the fuel gas flow path;
An oxidant gas supply device for supplying an oxidant gas to the oxidant gas flow path;
A fuel gas supply channel connecting the fuel gas supply device to the fuel gas channel;
An oxidant gas supply channel connecting the oxidant gas supply device to the oxidant gas channel;
A fuel gas discharge channel through which excess fuel gas discharged from the fuel gas channel flows;
An oxidant gas discharge channel through which excess oxidant gas discharged from the oxidant gas channel flows;
An exhaust-side carbon dioxide concentration detecting device disposed in any of the oxidant gas discharge channel and the fuel gas discharge channel;
A control device,
The said control apparatus is a fuel cell system which acquires the detection value of the said discharge side carbon dioxide concentration detection apparatus, and detects the leakage of the said fuel gas based on this detection value.
前記燃料ガス供給装置の供給圧よりも前記酸化剤ガス供給装置の供給圧が低く、
前記排出側二酸化炭素濃度検出装置が前記酸化剤ガス排出流路に配設されていて、
前記制御装置は、前記排出側二酸化炭素濃度検出装置の検出値を取得して、前記酸化剤ガス流路に供給される前記酸化剤ガスの二酸化炭素濃度と前記酸化剤ガス流路から排出される前記酸化剤ガスの二酸化炭素濃度との二酸化炭素濃度の差分を示す数値情報からなる漏洩値を算出する、請求項1に記載の燃料電池システム。
The supply pressure of the oxidant gas supply device is lower than the supply pressure of the fuel gas supply device,
The discharge-side carbon dioxide concentration detection device is disposed in the oxidant gas discharge flow path;
The control device acquires a detection value of the discharge-side carbon dioxide concentration detection device and discharges the carbon dioxide concentration of the oxidant gas supplied to the oxidant gas flow channel and the oxidant gas flow channel. 2. The fuel cell system according to claim 1, wherein a leakage value including numerical information indicating a difference in carbon dioxide concentration from a carbon dioxide concentration of the oxidant gas is calculated.
前記酸化剤ガス供給流路に配設されている供給側二酸化炭素濃度検出装置を有し、
前記制御装置は、前記排出側二酸化炭素濃度検出装置及び前記供給側二酸化炭素濃度検出装置の検出値を取得して、前記酸化剤ガス流路に供給される前記酸化剤ガスの二酸化炭素濃度と前記酸化剤ガス流路から排出される前記酸化剤ガスの二酸化炭素濃度との二酸化炭素濃度の差分を示す数値情報からなる漏洩値を算出する、請求項2に記載の燃料電池システム。
A supply-side carbon dioxide concentration detection device disposed in the oxidant gas supply flow path;
The control device acquires detection values of the discharge-side carbon dioxide concentration detection device and the supply-side carbon dioxide concentration detection device, and the carbon dioxide concentration of the oxidant gas supplied to the oxidant gas flow path and the The fuel cell system according to claim 2, wherein a leakage value comprising numerical information indicating a difference in carbon dioxide concentration from a carbon dioxide concentration of the oxidant gas discharged from the oxidant gas flow path is calculated.
前記制御装置は、前記漏洩値を外部に出力する出力部を備える、請求項2に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 2, wherein the control device includes an output unit that outputs the leakage value to the outside. 前記制御装置は、前記漏洩値を評価する評価用漏洩値が予め格納されている記憶部を備え、
前記制御装置は、前記漏洩値と前記評価用漏洩値とを対比することにより、前記燃料電池の劣化状態を評価する、請求項2に記載の燃料電池システム。
The control device includes a storage unit in which an evaluation leakage value for evaluating the leakage value is stored in advance.
The fuel cell system according to claim 2, wherein the control device evaluates a deterioration state of the fuel cell by comparing the leakage value and the evaluation leakage value.
前記制御装置は、前記評価された漏洩値あるいは評価結果を外部に出力する出力部を備える、請求項5に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 5, wherein the control device includes an output unit that outputs the evaluated leakage value or evaluation result to the outside. 前記制御装置は、前記評価された漏洩値に基づいて前記燃料電池の運転条件を調節する、請求項5に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 5, wherein the control device adjusts operating conditions of the fuel cell based on the evaluated leakage value. 前記制御装置は、所定の検出時間間隔毎に前記漏洩値を算出し、前記記憶部には、前記燃料電池の運転時間に対応させて前記漏洩値が蓄積され、
前記制御装置は、前記運転時間に対する前記漏洩値の推移線を統計学的近似法により取得し、前記推移線と前記評価用漏洩値との対比に基づいて前記燃料電池の劣化進展を予測する、請求項5に記載の燃料電池システム。
The control device calculates the leakage value at every predetermined detection time interval, and the storage unit stores the leakage value corresponding to the operation time of the fuel cell,
The control device acquires a transition line of the leakage value with respect to the operation time by a statistical approximation method, and predicts the progress of deterioration of the fuel cell based on a comparison between the transition line and the leakage value for evaluation. The fuel cell system according to claim 5.
前記制御装置は、前記推移線の軌跡に応じて前記検出時間間隔を変更する、請求項8に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 8, wherein the control device changes the detection time interval according to a locus of the transition line. 前記制御装置の記憶部に格納されている評価用漏洩値には、前記燃料電池の耐用限界時における限界漏洩値を含み、
前記制御装置は、前記推移線を外挿して、前記限界漏洩値に到達するまでの前記燃料電池の予測残存運転時間を取得する、請求項8に記載の燃料電池システム。
The evaluation leakage value stored in the storage unit of the control device includes a limit leakage value at the end of the service life of the fuel cell,
9. The fuel cell system according to claim 8, wherein the control device extrapolates the transition line and obtains a predicted remaining operation time of the fuel cell until the limit leakage value is reached.
前記制御装置は、前記予測残存運転時間を外部に出力する出力部を備える、請求項10に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 10, wherein the control device includes an output unit that outputs the predicted remaining operation time to the outside. 前記制御装置は、前記予測残存運転時間に基づいて前記燃料電池の運転条件を調節する、請求項10に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 10, wherein the control device adjusts an operation condition of the fuel cell based on the predicted remaining operation time. 前記酸化剤ガス供給装置の供給圧よりも前記燃料ガス供給装置の供給圧が低く、
前記排出側二酸化炭素濃度検出装置が前記燃料ガス排出流路に配設されていて、
前記制御装置は、前記排出側二酸化炭素濃度検出装置の検出値を取得して、前記燃料ガス流路に供給される前記燃料ガスの二酸化炭素濃度と前記燃料ガス流路から排出される前記燃料ガスの二酸化炭素濃度との二酸化炭素濃度の差分を示す数値情報からなる漏洩値を算出する、燃料電池システム。
The supply pressure of the fuel gas supply device is lower than the supply pressure of the oxidant gas supply device,
The discharge-side carbon dioxide concentration detection device is disposed in the fuel gas discharge flow path;
The control device acquires a detection value of the exhaust-side carbon dioxide concentration detection device, and the carbon dioxide concentration of the fuel gas supplied to the fuel gas flow channel and the fuel gas discharged from the fuel gas flow channel The fuel cell system which calculates the leak value which consists of numerical information which shows the difference of the carbon dioxide concentration with the carbon dioxide concentration of.
前記燃料ガス供給流路に配設されている供給側二酸化炭素濃度検出装置を有し、
前記制御装置は、前記排出側二酸化炭素濃度検出装置及び前記供給側二酸化炭素濃度検出装置の検出値を取得して、前記燃料ガス流路に供給される前記燃料ガスの二酸化炭素濃度と前記燃料ガス流路から排出される前記燃料ガスの二酸化炭素濃度との二酸化炭素濃度の差分を示す数値情報からなる漏洩値を算出する、請求項13に記載の燃料電池システム。


A supply-side carbon dioxide concentration detection device disposed in the fuel gas supply flow path;
The control device acquires detection values of the exhaust-side carbon dioxide concentration detection device and the supply-side carbon dioxide concentration detection device, and the carbon dioxide concentration of the fuel gas supplied to the fuel gas flow path and the fuel gas The fuel cell system according to claim 13, wherein a leakage value comprising numerical information indicating a difference in carbon dioxide concentration from the carbon dioxide concentration of the fuel gas discharged from the flow path is calculated.


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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2020061336A (en) * 2018-10-12 2020-04-16 日本碍子株式会社 Fuel cell device

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