特許ウォッチ

公開番号2025148920
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-10-08
出願番号2024049283
出願日2024-03-26
発明の名称セルスタックの故障検知システム、及び、セルスタックの故障検知方法
出願人日本特殊陶業株式会社
代理人弁理士法人プロスペック特許事務所
主分類C25B 15/00 20060101AFI20251001BHJP(電気分解または電気泳動方法;そのための装置)
要約【課題】セルスタックの故障を適切に検知する。
【解決手段】セルスタックの故障検知システムは、固体電解質層12と空気極14と燃料極16とを含む電解単セル10を複数備え、外部から供給される供給ガスに含まれる燃料ガスを電気分解するように構成されたセルスタック1と、セルスタック1の故障を検知する故障検知部50と、を備える。故障検知部50は、セルスタック1内の燃料極側の空間である燃料室から排出される第1排出ガスの質量流量の理論値と実測値との差分である第1差分の絶対値が所定の第1閾値以上であるという第1条件と、セルスタック内の空気極側の空間である空気室から排出される第2排出ガスの質量流量の理論値と実測値との差分である第2差分の絶対値が所定の第2閾値以上であるという第2条件と、の少なくとも一方が成立する場合にセルスタック1が故障していると判定する。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
固体電解質層と、前記固体電解質層の表面側に積層配置された空気極と、前記固体電解質層の裏面側に積層配置された燃料極と、を含む固体酸化物形の電解単セルを複数備え、外部から供給される供給ガスに含まれる燃料ガスを電気分解するように構成されたセルスタックと、
前記セルスタックの故障を検知する故障検知部と、
を備え、
前記故障検知部は、
前記セルスタック内の燃料極側の空間である燃料室から排出される第１排出ガスの質量流量の理論値と実測値との差分である第１差分の絶対値が所定の第１閾値以上であるという第１条件と、
前記セルスタック内の空気極側の空間である空気室から排出される第２排出ガスの質量流量の理論値と実測値との差分である第２差分の絶対値が所定の第２閾値以上であるという第２条件と、
の少なくとも一方が成立する場合に前記セルスタックが故障していると判定するように構成された、
セルスタックの故障検知システム。
続きを表示（約 3,500 文字）【請求項２】
請求項１に記載のセルスタックの故障検知システムにおいて、
前記セルスタックに印加されている電流値を取得する電流値取得器と、
前記供給ガスのうち前記燃料室に供給される第１供給ガスの流量である第１供給流量、及び、第１排出ガスの流量である第１排出流量を取得する第１流量取得器と、前記供給ガスのうち前記空気室に供給される第２供給ガスの流量である第２供給流量、及び、第２排出ガスの流量である第２排出流量を取得する第２流量取得器と、の少なくとも一方と、
を備え、
前記第１流量取得器を備える場合、前記故障検知部は、
前記電流値と、前記第１供給流量と、に基づいて前記第１排出ガスの前記質量流量の理論値を演算し、
前記第１排出流量に基づいて前記第１排出ガスの前記質量流量の実測値を取得し、
前記第２流量取得器を備える場合、前記故障検知部は、
前記電流値と、前記第２供給流量と、に基づいて前記第２排出ガスの前記質量流量の理論値を演算し、
前記第２排出流量に基づいて前記第２排出ガスの前記質量流量の実測値を取得する、
ように構成された、
セルスタックの故障検知システム。
【請求項３】
請求項２に記載のセルスタックの故障検知システムであって、
前記第１流量取得器を備える場合、前記故障検知部は、
前記電流値に基づいて、前記燃料ガスの理論消費量と、前記燃料ガスの電気分解により生成される第１生成ガスの理論生成量と、を演算し、
前記第１供給流量と、前記燃料ガスの理論消費量と、第１生成ガスの理論生成量と、に基づいて前記第１排出ガスの前記質量流量の理論値を演算し、
前記第２流量取得器を備える場合、前記故障検知部は、
前記電流値に基づいて、前記燃料ガスの電気分解により生成される第２生成ガスの理論生成量を演算し、
前記第２供給流量と、前記第２生成ガスの理論生成量と、に基づいて前記第２排出ガスの前記質量流量の理論値を演算する、
ように構成された、
セルスタックの故障検知システム。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載のセルスタックの故障検知システムであって、
前記第１閾値及び前記第２閾値のそれぞれは、前記電流値と相関を有する可変値、又は、熱中立点に基づいて設定される固定値の何れかである、
セルスタックの故障検知システム。
【請求項５】
請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載のセルスタックの故障検知システムであって、
前記第１供給ガスは、前記燃料ガスと、前記燃料極に含まれる触媒の酸化を抑制するための還元ガスと、を含む混合ガスである、
セルスタックの故障検知システム。
【請求項６】
固体電解質層と、前記固体電解質層の表面側に積層配置された空気極と、前記固体電解質層の裏面側に積層配置された燃料極と、を含む固体酸化物形の電解単セルを複数備え、外部から供給される供給ガスに含まれる燃料ガスを電気分解するように構成されたセルスタックと、
前記セルスタックの故障を検知する故障検知部と、
を備え、
前記故障検知部は、
前記セルスタック内の燃料極側の空間である燃料室から排出される第１排出ガスから水蒸気を除去することにより得られる水蒸気除去後第１排出ガスの質量流量の理論値と実測値との差分である第３差分の絶対値が所定の第３閾値以上であるという第３条件と、
前記セルスタック内の空気極側の空間である空気室から排出される第２排出ガスから水蒸気を除去することにより得られる水蒸気除去後第２排出ガスの質量流量の理論値と実測値との差分である第４差分の絶対値が所定の第４閾値以上であるという第４条件と、
の少なくとも一方が成立する場合に前記セルスタックが故障していると判定するように構成された、
セルスタックの故障検知システム。
【請求項７】
請求項６に記載のセルスタックの故障検知システムにおいて、
前記セルスタックに印加されている電流値を取得する電流値取得器と、
前記第１排出ガスを冷却する第１冷却器、及び、第３流量取得器であって、前記供給ガスのうち前記燃料室に供給される第１供給ガスの流量である第１供給流量、及び、前記第１冷却器通過後の第１排出ガスの流量である第１冷却排出流量を取得する、第３流量取得器から成る第１ユニットと、前記第２排出ガスを冷却する第２冷却器、及び、第４流量取得器であって、前記供給ガスのうち前記空気室に供給される第２供給ガスの流量である第２供給流量、及び、前記第２冷却器通過後の第２排出ガスの流量である第２冷却排出流量を取得する、第４流量取得器から成る第２ユニットと、の少なくとも一方と、
を備え、
前記第１ユニットを備える場合、前記故障検知部は、
前記電流値と、前記第１供給流量と、に基づいて前記水蒸気除去後第１排出ガスの前記質量流量の理論値を演算し、
前記第１冷却排出流量と、第１冷却器通過後の前記第１排出ガスに残存している水蒸気量と、に基づいて前記水蒸気除去後第１排出ガスの前記質量流量の実測値を取得し、
前記第２ユニットを備える場合、前記故障検知部は、
前記電流値と、前記第２供給流量と、に基づいて前記水蒸気除去後第２排出ガスの前記質量流量の理論値を演算し、
前記第２冷却排出流量と、第２冷却器通過後の前記第２排出ガスに残存している水蒸気量と、に基づいて前記水蒸気除去後第２排出ガスの前記質量流量の実測値を取得する、
ように構成された、
セルスタックの故障検知システム。
【請求項８】
請求項７に記載のセルスタックの故障検知システムにおいて、
前記第１ユニットを備える場合、前記故障検知部は、
前記電流値に基づいて、前記燃料ガスの理論消費量と、前記燃料ガスの電気分解により生成される第１生成ガスの理論生成量と、を演算し、
前記第１供給流量と、前記燃料ガスの理論消費量と、第１生成ガスの理論生成量と、に基づいて前記水蒸気除去後第１排出ガスの前記質量流量の理論値を演算し、
前記第２ユニットを備える場合、前記故障検知部は、
前記電流値に基づいて、前記燃料ガスの電気分解により生成される第２生成ガスの理論生成量を演算し、
前記第２供給流量と、前記第２生成ガスの理論生成量と、に基づいて前記水蒸気除去後第２排出ガスの前記質量流量の理論値を演算する、
ように構成された、
セルスタックの故障検知システム。
【請求項９】
請求項１乃至請求項３並びに請求項６乃至請求項８の何れか一項に記載のセルスタックの故障検知システムであって、
前記複数の電解単セルのそれぞれは、水素を生成する電解単セル、一酸化炭素を生成する電解単セル、又は、水素及び一酸化炭素を含む合成ガスを生成する電解単セルの何れかとして使用される、
セルスタックの故障検知システム。
【請求項１０】
固体電解質層と、前記固体電解質層の表面側に積層配置された空気極と、前記固体電解質層の裏面側に積層配置された燃料極と、を含む固体酸化物形の電解単セルを複数備え、外部から供給される供給ガスに含まれる燃料ガスを電気分解するように構成されたセルスタックの故障検知方法であって、
前記セルスタック内の燃料極側の空間である燃料室から排出される第１排出ガスの質量流量の理論値と実測値との差分である第１差分、及び、前記セルスタック内の空気極側の空間である空気室から排出される第２排出ガスの質量流量の理論値と実測値との差分である第２差分の少なくとも一方を取得することと、
前記第１差分の絶対値が所定の第１閾値以上であるという第１条件と、前記第２差分の絶対値が所定の第２閾値以上であるという第２条件と、の少なくとも一方が成立する場合に前記セルスタックが故障していると判定することと、
を含む、
セルスタックの故障検知方法。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体酸化物形の電解セルを備えるセルスタックの故障検知システム、及び、セルスタックの故障検知方法に関する。
続きを表示（約 3,300 文字）【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、固体酸化物形の燃料電池を備えるセルスタックの故障検知方法が記載されている。具体的には、セルスタックの開回路電圧をモニタし、電圧値の低下が検出された場合にセルスタックのガスシール性が低下していると判定することにより故障を検知している。このような故障検知方法は、固体酸化物形の電解セルを備えるセルスタックにも適用され得る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
特許０５７９１０７０号公報
【発明の概要】
【０００４】
しかしながら、特許文献１の故障検知方法では、セルスタックの故障を適切に検知できない可能性がある。即ち、セルスタックの開回路電圧は、セルスタックの「温度」、「圧力」、「製造時のばらつき」及び「劣化度」によってセルスタック毎に異なっているため、通常、セルスタック毎に開回路電圧を一定の評価環境で事前に測定し、正確な開回路電圧を取得している。但し、セルスタックを含むシステムを構築すると、セルスタック単独の場合と比較して評価環境が変化するため、上記開回路電圧とは値が変化してしまい、システム内で開回路電圧を基に制御する場合、改めて測定が必要になる。ここで、一般に、セルスタックが備える電解セルは複数の電解単セルにより構成されており、電解単セル毎にガスシール性が担保されている。このため、或る１つの電解単セルの周囲が故障した場合には、故障による開回路電圧の低下を検知するために、電解単セル毎に開回路電圧を測定して電圧値の低下を検出する方法が考えられるが、これを実現するためにはセルスタックに含まれる全ての電解単セルに電圧線を結線しなければならず、工数が大幅に増加するという問題がある。一方で、複数の電解単セルの開回路電圧をまとめて（一括して）測定する方法では、上記故障による開回路電圧の低下量（低下率）は比較的に小さいため、上述したセルスタックの「温度」、「圧力」、「製造時のばらつき」及び「劣化度」に起因した開回路電圧の変動と区別することが極めて難しい。従って、特許文献１の故障検知方法では、開回路電圧の低下量が比較的に大きいタイプの故障（例えば、過半数の電解単セルの周囲でガスシール性が低下するような故障）は検知することができるが、開回路電圧の低下量が比較的に小さいタイプの故障（例えば、１又は数個の電解単セルの周囲でガスシール性が低下するような故障）は適切に検知できないという問題がある。
【０００５】
本発明は、上述した問題に対処するためになされたものである。即ち、本発明の目的の一つは、セルスタックの故障を適切に検知することが可能な技術を提供することにある。
【０００６】
本発明に係るセルスタックの故障検知システムは、
固体電解質層（１２）と、前記固体電解質層の表面側に積層配置された空気極（１４）と、前記固体電解質層の裏面側に積層配置された燃料極（１６）と、を含む固体酸化物形の電解単セル（１０）を複数備え、外部から供給される供給ガスに含まれる燃料ガスを電気分解するように構成されたセルスタック（１）と、
前記セルスタックの故障を検知する故障検知部（５０）と、
を備える。
前記故障検知部は、
前記セルスタック内の燃料極側の空間である燃料室（Ｓｆ）から排出される第１排出ガスの質量流量の理論値（Ｍ１out_t）と実測値（Ｍ１out）との差分である第１差分（ｄ１）の絶対値が所定の第１閾値（ｄ１ｔｈ）以上であるという第１条件と、
前記セルスタック内の空気極側の空間である空気室（Ｓａ）から排出される第２排出ガスの質量流量の理論値（Ｍ２out_t）と実測値（Ｍ２out）との差分である第２差分（ｄ２）の絶対値が所定の第２閾値（ｄ２ｔｈ）以上であるという第２条件と、
の少なくとも一方が成立する場合に前記セルスタックが故障していると判定するように構成されている。
【０００７】
この故障検知システムは、第１条件と第２条件との少なくとも一方が成立しているか否かに基づいてセルスタックの故障の有無を判定する。セルスタックが正常に動作している場合、第１排出ガス及び第２排出ガスの質量流量の実測値は、それらの理論値とほぼ等しく、第１差分及び第２差分の絶対値は極めて小さい。一方、セルスタックが故障している場合、燃料室と空気室との間でガスがリークするため、第１排出ガス及び第２排出ガスの少なくとも一方の質量流量の実測値が正常時と比較して増減する。その結果、第１差分及び第２差分の少なくとも一方の絶対値が大きくなり、第１条件と第２条件との少なくとも一方が成立する。従って、この構成によれば、１又は数個の電解単セルの周囲でガスシール性が低下するような故障であっても適切に検知することができる。別言すれば、セルスタックの温度及び材料組成のばらつきを考慮することなく故障の有無を判定することが可能になる。加えて、全ての電解単セルに電圧線を結線する必要がなくなるため、工数の大幅な増加を防止できる。結果として、セルスタックの故障を適切に検知することが可能となる。
【０００８】
本発明の一側面では、故障検知システムは、
前記セルスタックに印加されている電流値（Ｉ）を取得する電流値取得器（２２）と、
前記供給ガスのうち前記燃料室（Ｓｆ）に供給される第１供給ガスの流量である第１供給流量、及び、第１排出ガスの流量である第１排出流量を取得する第１流量取得器（３０，３２）と、前記供給ガスのうち前記空気室（Ｓａ）に供給される第２供給ガスの流量である第２供給流量、及び、第２排出ガスの流量である第２排出流量を取得する第２流量取得器（４０，４２）と、の少なくとも一方と、
を備える。
前記第１流量取得器を備える場合、前記故障検知部（５０）は、
前記電流値と、前記第１供給流量と、に基づいて前記第１排出ガスの前記質量流量の理論値（Ｍ１out_t）を演算し、
前記第１排出流量に基づいて前記第１排出ガスの前記質量流量の実測値（Ｍ１out）を取得し、
前記第２流量取得器を備える場合、前記故障検知部（５０）は、
前記電流値と、前記第２供給流量と、に基づいて前記第２排出ガスの前記質量流量の理論値（Ｍ２out_t）を演算し、
前記第２排出流量に基づいて前記第２排出ガスの前記質量流量の実測値（Ｍ２out）を取得する、
ように構成されている。
【０００９】
この構成によれば、第１流量取得器を備える場合においては、第１排出ガスの質量流量の理論値及び実測値の信頼性を担保でき、第２流量取得器を備える場合においては、第２排出ガスの質量流量の理論値及び実測値の信頼性を担保できる。
【００１０】
本発明の一側面では、
前記第１流量取得器（３０，３２）を備える場合、前記故障検知部（５０）は、
前記電流値（Ｉ）に基づいて、前記燃料ガスの理論消費量（Ｍ１c_t）と、前記燃料ガスの電気分解により生成される第１生成ガスの理論生成量（Ｍ１g_t）と、を演算し、
前記第１供給流量と、前記燃料ガスの理論消費量と、第１生成ガスの理論生成量と、に基づいて前記第１排出ガスの前記質量流量の理論値（Ｍ１out_t）を演算し、
前記第２流量取得器（４０，４２）を備える場合、前記故障検知部（５０）は、
前記電流値に基づいて、前記燃料ガスの電気分解により生成される第２生成ガスの理論生成量（Ｍ２g_t）を演算し、
前記第２供給流量と、前記第２生成ガスの理論生成量と、に基づいて前記第２排出ガスの前記質量流量の理論値（Ｍ２out_t）を演算する、
ように構成されている。
（【００１１】以降は省略されています）

関連特許