JP2006236789A - Fuel cell stack - Google Patents

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Akira Morita
亮 森田
Yasushi Araki
康 荒木
Manabu Kato
加藤  学
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    • Y02E60/50Fuel cells

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To enable a fuel cell stack to prevent a cell from damage caused by supply shortage of reaction gas without stopping power generation. <P>SOLUTION: A supply state of reaction gas is judged for each cell (#1 to #6) constituting a fuel cell stack 2. If one cell (#3) is judged to be short of supply of reaction gas, a cathode and an anode of the cell (#3) are made short-circuited by a short-circuiting switch 10 to have it electrically cut off from the other cells (#1, #2, #4, #5, #6). <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、複数のセルが積層された固体高分子膜型の燃料電池スタックに関し、特に、反応ガスの供給不足に起因するセルの破損を防止するのに有効な技術に関する。   The present invention relates to a solid polymer membrane fuel cell stack in which a plurality of cells are stacked, and more particularly to a technique effective in preventing cell damage due to insufficient supply of reaction gas.

燃料電池は、通常、複数のセルが積層された燃料電池スタックとして使用される。各セルは、膜電極接合体をその両側から導電性のセパレータで挟むことによって構成されている。膜電極接合体は、固体高分子電解質膜の一方の面にアノード電極が接合され、もう一方の面にカソード電極が接合された構造を有している。アノード電極に水素を含む燃料ガスが供給され、カソード電極に酸素を含む酸化ガスが供給されることで、両電極で電気化学反応が起こり、セパレータ間に電位差が発生する仕組みになっている。   A fuel cell is usually used as a fuel cell stack in which a plurality of cells are stacked. Each cell is configured by sandwiching a membrane electrode assembly from both sides with a conductive separator. The membrane electrode assembly has a structure in which an anode electrode is bonded to one surface of a solid polymer electrolyte membrane and a cathode electrode is bonded to the other surface. A fuel gas containing hydrogen is supplied to the anode electrode, and an oxidizing gas containing oxygen is supplied to the cathode electrode, so that an electrochemical reaction occurs in both electrodes and a potential difference is generated between the separators.

燃料電池スタックの両端部には、積層されたセルを両側から挟みこむためのエンドプレートが設けられている。一方のエンドプレートには、燃料電池スタックへ燃料ガスを供給するための燃料ガス供給管と、酸化ガスを供給するための酸化ガス供給管がそれぞれ接続されている。燃料電池スタックへ供給された各反応ガス(燃料ガス及び酸化ガスを総称して反応ガスという)は、それぞれ燃料電池スタック内に形成されたマニホールドを介して各セルへ分配される。   End plates for sandwiching stacked cells from both sides are provided at both ends of the fuel cell stack. One end plate is connected to a fuel gas supply pipe for supplying fuel gas to the fuel cell stack and an oxidizing gas supply pipe for supplying oxidizing gas. Each reaction gas supplied to the fuel cell stack (collectively referred to as fuel gas and oxidizing gas is called a reaction gas) is distributed to each cell through a manifold formed in the fuel cell stack.

各セルへ分配される反応ガスの量はセル間で均一であることが望ましい。しかし、発電に伴いセル内で生成された水によってセル内のガス流路が閉塞され、一部のセルにおいて反応ガスの供給量が不足する場合がある。また、氷点下からの冷間始動時には、前記の生成水がガス流路内で凍結して氷になり、この氷によってガス流路が閉塞されてしまう可能性がある。このように何等かの原因によって一部のセルで反応ガスの供給量が不足した場合、次のような問題が発生するおそれがある。   The amount of reaction gas distributed to each cell is desirably uniform between the cells. However, the gas flow path in the cell is blocked by water generated in the cell due to power generation, and the supply amount of the reaction gas may be insufficient in some cells. Further, at the time of cold start from below freezing point, the generated water freezes in the gas flow path and becomes ice, which may block the gas flow path. Thus, when the supply amount of the reaction gas is insufficient in some cells due to some cause, the following problems may occur.

あるセルで燃料ガスの供給量が不足した場合、当該セルは燃料電池として機能することができない。このとき、他のセルが正常に働いていると、当該セルは外部から電圧を印加される状態になってアノード電極で電子を放出する反応が強制される。その結果、アノード電極がカソード電極よりも高電位となる負電圧が発生し、以下のような異常な反応が起こってしまう。
(カーボンの酸化反応)C+2H2O → CO2+4H++4e-
(Ptの溶出反応)Pt → Pt2++2e-
その他、発生する熱によって電解質膜に穴を開ける反応も起こる。これらの異常な反応は膜電極接合体を劣化させて当該セルを破損させてしまう。
When the supply amount of fuel gas is insufficient in a certain cell, the cell cannot function as a fuel cell. At this time, if another cell is operating normally, the cell is in a state where a voltage is applied from the outside, and a reaction for emitting electrons at the anode electrode is forced. As a result, a negative voltage is generated in which the anode electrode has a higher potential than the cathode electrode, and the following abnormal reaction occurs.
(Oxidation reaction of carbon) C + 2H 2 O → CO 2 + 4H + + 4e
(Pt elution reaction) Pt → Pt 2+ + 2e
In addition, a reaction for opening a hole in the electrolyte membrane also occurs by the generated heat. These abnormal reactions deteriorate the membrane electrode assembly and damage the cell.

また、あるセルで酸化ガスの供給量が不足した場合にも、当該セルは燃料電池として機能することができない。この場合は、当該セルのカソード電極で水素が生成される水素ポンプ現象が起こる。この水素ポンプ現象は、アノード電極側から電解質膜を通ってカソード電極側に移動した水素イオンが、酸化ガスの不足によって酸素と結合することができず、電子のみと再結合することによる。このとき発生するジュール熱やカソード電極上での酸素と水素の直接反応による燃焼熱によって当該セルの温度は上昇し、その結果、膜電極接合体の熱劣化を招いてしまう。   Further, even when the supply amount of the oxidizing gas is insufficient in a certain cell, the cell cannot function as a fuel cell. In this case, a hydrogen pump phenomenon occurs in which hydrogen is generated at the cathode electrode of the cell. This hydrogen pump phenomenon is due to the fact that hydrogen ions that have moved from the anode electrode side through the electrolyte membrane to the cathode electrode side cannot recombine with oxygen due to lack of oxidizing gas, but recombine only with electrons. The temperature of the cell rises due to the Joule heat generated at this time and the combustion heat due to the direct reaction between oxygen and hydrogen on the cathode electrode, resulting in thermal degradation of the membrane electrode assembly.

以上のように、一部のセルで反応ガスの不足が生じた場合、そのまま燃料電池スタックの運転を続行していると、当該セルを破損させてしまう可能性がある。そして、一部のセルの破損が燃料電池スタック全体の発電能力の低下を招く場合もある。このため、燃料電池スタックを用いたシステムの運用上、反応ガスの不足の検知と、反応ガスの不足を検知した後の対策が必要となる。例えば特許文献1には、セル毎に電圧を検出して異常の発生を検知し、異常が検知された場合には、燃料電池スタックの運転を停止させることが記載されている。
特開2002−313396号公報 特開2003−109636号公報 特開平11−233126号公報
As described above, when a shortage of reaction gas occurs in some cells, if the operation of the fuel cell stack is continued as it is, the cells may be damaged. In some cases, damage to some cells may cause a reduction in the power generation capacity of the entire fuel cell stack. For this reason, in the operation of the system using the fuel cell stack, it is necessary to detect the lack of reaction gas and to take measures after detecting the lack of reaction gas. For example, Patent Document 1 describes that an abnormality is detected by detecting a voltage for each cell, and the operation of the fuel cell stack is stopped when the abnormality is detected.
JP 2002-313396 A JP 2003-109636 A JP-A-11-233126

しかしながら、特許文献1に記載の従来技術では、セルの破損は防止できるものの、セルの交換等、再起動のための処理が完了するまでは、燃料電池スタックによる発電は停止されたままとなる。この間、燃料電池スタックから電力供給対象へ電力を供給することはできない。   However, although the conventional technique described in Patent Document 1 can prevent the cell from being damaged, the power generation by the fuel cell stack remains stopped until the restart process such as the replacement of the cell is completed. During this time, power cannot be supplied from the fuel cell stack to the power supply target.

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、発電を停止させることなく反応ガスの供給不足に起因するセルの破損を防止できるようにした燃料電池スタックを提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and provides a fuel cell stack capable of preventing cell damage due to insufficient supply of reaction gas without stopping power generation. Objective.

第1の発明は、上記の目的を達成するため、固体高分子膜型の燃料電池スタックにおいて、
反応ガスの供給状態を前記燃料電池スタックを構成するセル毎に判定する判定手段と、
前記判定手段による判定の結果、一部のセルにおいて反応ガスの供給が不足していると判断された場合に、当該セルのカソードとアノードとを短絡させる短絡手段と、
を備えることを特徴としている。
In order to achieve the above object, a first invention provides a fuel cell stack of a solid polymer membrane type,
Determination means for determining the supply state of the reaction gas for each cell constituting the fuel cell stack;
As a result of the determination by the determination means, when it is determined that the supply of the reaction gas is insufficient in some cells, the short-circuit means for short-circuiting the cathode and anode of the cell,
It is characterized by having.

また、第2の発明は、第1の発明において、前記判定手段は、各セルのセル電圧と所定の基準電圧とを比較し、セル電圧が基準電圧以下になったセルを反応ガスの供給が不足しているセルと判断することを特徴としている。   In a second aspect based on the first aspect, the determination means compares the cell voltage of each cell with a predetermined reference voltage, and supplies the reaction gas to the cell whose cell voltage is equal to or lower than the reference voltage. It is characterized by judging that the cell is insufficient.

また、第3の発明は、第1又は第2の発明において、前記判定手段は、各セルのセル温度と所定の基準温度とを比較し、セル温度が基準温度以上になったセルを反応ガスの供給が不足しているセルと判断することを特徴としている。   According to a third invention, in the first or second invention, the determination means compares the cell temperature of each cell with a predetermined reference temperature, and determines a cell whose cell temperature is equal to or higher than the reference temperature as a reactive gas. It is characterized in that it is determined that the cell is in short supply.

また、第4の発明は、第1乃至第3の何れか1つの発明において、前記短絡手段は、当該セルのカソードとアノードとを短絡させてから所定の基準時間が経過した時点で短絡を解除し、当該セルにおいて反応ガスの供給不足が続いていると判断される場合には、再び当該セルのカソードとアノードとを短絡させることを特徴としている。   According to a fourth invention, in any one of the first to third inventions, the short-circuit means releases the short-circuit when a predetermined reference time has elapsed after the cathode and anode of the cell are short-circuited. When it is determined that the supply of the reaction gas continues to be insufficient in the cell, the cathode and anode of the cell are again short-circuited.

第1の発明によれば、一部のセルにおいて反応ガスの供給が不足しているときには、当該セルのカソードとアノードとが短絡されることにより、当該セルは燃料電池スタックから電気的に切り離される。これにより、当該セルを除いた残りのセルを用いて発電を続行することができるとともに、当該セルの破損を防止することができる。   According to the first invention, when the supply of the reaction gas is insufficient in some cells, the cells are electrically disconnected from the fuel cell stack by short-circuiting the cathode and anode of the cells. . Thus, power generation can be continued using the remaining cells excluding the cell, and damage to the cell can be prevented.

反応ガスのうち燃料ガスの供給が不足すると、セルの電圧は大きく低下する。第2の発明によれば、燃料ガスの供給が不足しているセルを検知することでき、燃料ガスの供給不足に起因するセルの破損を防止することができる。   When the supply of fuel gas among the reaction gases is insufficient, the voltage of the cell greatly decreases. According to the second aspect of the invention, it is possible to detect a cell in which the supply of fuel gas is insufficient, and to prevent damage to the cell due to the insufficient supply of fuel gas.

反応ガスのうち酸化ガスの供給が不足すると、セルの温度は上昇する。第3の発明によれば、酸化ガスの供給が不足しているセルを検知することでき、酸化ガスの供給不足に起因するセルの破損を防止することができる。   If the supply of oxidizing gas among the reaction gases is insufficient, the temperature of the cell rises. According to the third aspect of the invention, it is possible to detect a cell in which the supply of the oxidizing gas is insufficient, and to prevent the cell from being damaged due to the insufficient supply of the oxidizing gas.

また、第4の発明によれば、反応ガスが不足しているセルを短絡させてから基準時間が経過した時点で一旦短絡が解除されることで、当該セルにおける反応ガスの供給不足が解消している場合には、それ以降は当該セルも含めて発電を行うことができるので、燃料電池スタックの出力不足を防止することができる。一方、当該セルにおいて反応ガスの供給不足が解消されていない場合には、再びカソードとアノードの短絡が行われるので、当該セルの破損は防止される。   In addition, according to the fourth aspect of the present invention, the short-circuit is once released when the reference time has elapsed since the short-circuiting of the cell in which the reaction gas is insufficient, thereby eliminating the shortage of supply of the reaction gas in the cell. Then, since power generation can be performed including the cell thereafter, insufficient output of the fuel cell stack can be prevented. On the other hand, when the supply shortage of the reaction gas is not solved in the cell, the cathode and the anode are short-circuited again, so that the cell is prevented from being damaged.

以下、図1を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
図1は、本発明の実施の形態としての燃料電池スタックの概略構成図である。図1に示すように、燃料電池スタック2は、複数のセル4が一方向に積層されて構成されている。図1では、説明を簡単にするために、6つのセル4から燃料電池スタック2が構成されているものとする。ただし、実際の燃料電池スタックはより多数のセルから構成されている。図1中に示す番号#1〜#6は、各セル4の番号である。例えば、#3は、それが付されたセル4が3番目のセル(第3セル)であることを示している。以下、特定のセル4を他のセル4から区別するときは、当該特定セルの番号#nを用いて第nセルと呼ぶ。燃料電池スタック2の電力供給対象である負荷(例えば電動モータ)は、最外の第1セルと第6セルに接続されている。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a fuel cell stack as an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the fuel cell stack 2 includes a plurality of cells 4 stacked in one direction. In FIG. 1, it is assumed that the fuel cell stack 2 is composed of six cells 4 for the sake of simplicity. However, an actual fuel cell stack is composed of a larger number of cells. Numbers # 1 to # 6 shown in FIG. For example, # 3 indicates that the cell 4 to which it is attached is the third cell (third cell). Hereinafter, when a specific cell 4 is distinguished from other cells 4, the number #n of the specific cell is used to call the nth cell. A load (for example, an electric motor) that is a power supply target of the fuel cell stack 2 is connected to the outermost first cell and the sixth cell.

各セル4は、図示は省略するが、膜電極接合体をその両側から導電性のセパレータで挟むことによって構成されている。膜電極接合体は、固体高分子電解質膜の一方の面にアノード電極が接合され、もう一方の面にカソード電極が接合された構造を有している。アノード電極とそれに接するセパレータとの間には、燃料ガスが流れる燃料ガス流路が形成され、カソード電極とそれに接するセパレータとの間には、酸化ガスが流れる酸化ガス流路が形成されている。また、燃料電池スタック2内には、図示は省略するが、各セル4の燃料ガス流路に燃料ガスを分配するための燃料ガスマニホールドと、各セル4の酸化ガス流路に酸化ガスを分配するための酸化ガスマニホールドが形成されている。   Although not shown, each cell 4 is configured by sandwiching a membrane electrode assembly from both sides with a conductive separator. The membrane electrode assembly has a structure in which an anode electrode is bonded to one surface of a solid polymer electrolyte membrane and a cathode electrode is bonded to the other surface. A fuel gas flow path through which fuel gas flows is formed between the anode electrode and the separator in contact therewith, and an oxidizing gas flow path through which oxidizing gas flows is formed between the cathode electrode and the separator in contact therewith. Although not shown in the fuel cell stack 2, a fuel gas manifold for distributing the fuel gas to the fuel gas flow path of each cell 4 and the oxidizing gas to the oxidizing gas flow path of each cell 4 are distributed. An oxidizing gas manifold is formed for the purpose.

燃料電池スタック2には、セル4の電圧を測定するための電圧モニタ6と、セル4の温度を測定するための温度センサ8が各セル4に取り付けられている。各電圧モニタ6と各温度センサ8は、燃料電池スタック2の運転状態を監視する監視装置20に接続されている。監視装置20は、これら電圧モニタ6や温度センサ8からの測定情報に基づき、各セル4の電圧及び温度を監視している。   In the fuel cell stack 2, a voltage monitor 6 for measuring the voltage of the cell 4 and a temperature sensor 8 for measuring the temperature of the cell 4 are attached to each cell 4. Each voltage monitor 6 and each temperature sensor 8 are connected to a monitoring device 20 that monitors the operating state of the fuel cell stack 2. The monitoring device 20 monitors the voltage and temperature of each cell 4 based on the measurement information from the voltage monitor 6 and the temperature sensor 8.

また、各セル4には、そのアノード側のセパレータとカソード側のセパレータとを短絡させる短絡スイッチ10が設けられている。各セル4の短絡スイッチ10は、通常は全てオフにされている(図1に示す状態)。この状態では、第1セルから第6セルまでの6つのセル4が直列に接続された状態で発電が行われる。この場合、各セル4の電圧の総和が、燃料電池スタック2の電圧となる。各セル4の短絡スイッチ10は監視装置20に接続されている。監視装置20は、各短絡スイッチ10をそれぞれ独立してオン/オフさせることができる。短絡スイッチ10をオンにすることで、短絡スイッチ10がオンにされたセル4は他のセル4から電気的に切り離される。図2は、第3セルの短絡スイッチ10のみをオンにした状態を示している。この状態では、第3セルは他のセル4から電気的に切り離され、残りの第1,第2,第4,第5及び第6セルの電圧の総和が、燃料電池スタック2の電圧となる。他から切り離された第3セル内では、反応ガスの供給にかかわらず各電極上での電気化学反応は停止する。   Each cell 4 is provided with a short-circuit switch 10 for short-circuiting the anode-side separator and the cathode-side separator. All the short-circuit switches 10 of each cell 4 are normally turned off (state shown in FIG. 1). In this state, power generation is performed in a state where the six cells 4 from the first cell to the sixth cell are connected in series. In this case, the sum of the voltages of the cells 4 becomes the voltage of the fuel cell stack 2. The short circuit switch 10 of each cell 4 is connected to the monitoring device 20. The monitoring device 20 can turn on / off each short-circuit switch 10 independently. By turning on the short-circuit switch 10, the cell 4 in which the short-circuit switch 10 is turned on is electrically disconnected from the other cells 4. FIG. 2 shows a state where only the short-circuit switch 10 of the third cell is turned on. In this state, the third cell is electrically disconnected from the other cells 4, and the sum of the voltages of the remaining first, second, fourth, fifth and sixth cells becomes the voltage of the fuel cell stack 2. . In the third cell separated from the others, the electrochemical reaction on each electrode stops regardless of the supply of the reaction gas.

監視装置20は、電圧モニタ6で測定されるセル電圧と温度センサ8で測定されるセル温度から各セル4の異常、具体的には、反応ガスの供給不足を検知し、その結果に応じて各セル4の短絡スイッチ10を制御している。監視装置20は、図3のフローチャートに示すルーチンに従い短絡スイッチ10を制御する。図3に示すルーチンは、各セル4について定期的に、或いは所定時期、例えば燃料電池スタック2の起動直後に実行される。   The monitoring device 20 detects an abnormality of each cell 4 from the cell voltage measured by the voltage monitor 6 and the cell temperature measured by the temperature sensor 8, specifically, the supply of reactive gas is insufficient, and according to the result. The short circuit switch 10 of each cell 4 is controlled. The monitoring device 20 controls the short-circuit switch 10 according to the routine shown in the flowchart of FIG. The routine shown in FIG. 3 is executed for each cell 4 periodically or at a predetermined time, for example, immediately after the fuel cell stack 2 is activated.

図3に示すルーチンの最初のステップ100では、電圧モニタ6で測定されるセル電圧が0V以下か否か、つまり、負電圧が発生しているか否か判定される。判定の結果、負電圧が発生していない場合には、当該セル4は正常であると判断することができる。この場合、短絡スイッチ10はオフのまま現状維持される(ステップ110)。   In the first step 100 of the routine shown in FIG. 3, it is determined whether or not the cell voltage measured by the voltage monitor 6 is 0 V or less, that is, whether or not a negative voltage is generated. If no negative voltage is generated as a result of the determination, it can be determined that the cell 4 is normal. In this case, the short-circuit switch 10 is maintained off (step 110).

一方、負電圧が発生している場合には、さらに、電圧モニタ6で測定されるセル電圧が−0.5V以下か否か、つまり、大きな負電圧が発生しているか否か判定される(ステップ102)。燃料ガスに不足が発生した場合、セル電圧は急激に0Vを下回る。これに対し、酸化ガスの不足の場合には、セル電圧の低下は小さい。したがって、負電圧が発生したときのセル電圧をある基準値(ここでは一例として−0.5Vとしているが、基準値の値はこれには限定されない)と比較することで、負電圧の原因が燃料ガスの不足によるものか否か判断することができる。   On the other hand, when a negative voltage is generated, it is further determined whether or not the cell voltage measured by the voltage monitor 6 is −0.5 V or less, that is, whether or not a large negative voltage is generated ( Step 102). When there is a shortage in fuel gas, the cell voltage suddenly drops below 0V. On the other hand, when the oxidizing gas is insufficient, the decrease in the cell voltage is small. Therefore, by comparing the cell voltage when a negative voltage is generated with a certain reference value (in this example, -0.5 V, the value of the reference value is not limited to this), the cause of the negative voltage is It can be determined whether the fuel gas is insufficient.

ステップ102の判定の結果、セル電圧が−0.5V以下と判定された場合には、当該セル4の短絡スイッチ10がオンにされる(ステップ104)。燃料ガスの不足の場合、異常な化学反応によって膜電極接合体が急激に劣化するため、直ちに当該セル4の発電を停止させる必要があるからである。短絡スイッチ10をオンにすることで、当該セル4の膜電極接合体での電気化学反応は停止し、燃料ガスが不足した状態で発電を行うことによる膜電極接合体の劣化は防止される。また、発電が停止するのは当該セル4のみであり、他の残りのセル4での発電は継続されるので、燃料電池スタック2から負荷へ電力を供給し続けることができる。   If the cell voltage is determined to be −0.5 V or less as a result of the determination in step 102, the short-circuit switch 10 of the cell 4 is turned on (step 104). This is because when the fuel gas is insufficient, the membrane electrode assembly deteriorates rapidly due to an abnormal chemical reaction, and thus it is necessary to immediately stop the power generation of the cell 4. By turning on the short-circuit switch 10, the electrochemical reaction in the membrane electrode assembly of the cell 4 is stopped, and deterioration of the membrane electrode assembly due to power generation in a state where the fuel gas is insufficient is prevented. In addition, power generation stops only in the cell 4 and power generation in the other remaining cells 4 is continued, so that power can be continuously supplied from the fuel cell stack 2 to the load.

ステップ102の判定の結果、電圧モニタ6で測定されるセル電圧が−0.5Vより大きい場合には、さらに、ステップ106の判定が実行される。ステップ106では、温度センサ8により測定されるセル温度が120℃以上か否か判定される。負電圧が発生したとき、その電圧値が0Vを大きく下回っていない場合には、酸化ガスの供給不足が負電圧の原因と考えられる。しかし、燃料ガスの供給不足の場合と異なり、酸化ガスの供給不足の場合には、膜電極接合体の急激な劣化は生じにくい。このため、膜電極接合体の過度な温度上昇による熱劣化が生じない限りでは、そのまま当該セル4の運転を続行することもできる。本ステップでは、負電圧が発生したときのセル温度をある基準値(ここでは一例として120℃としているが、基準値の値はこれには限定されない)と比較することで、膜電極接合体の熱劣化の可能性を判断している。   If the result of determination in step 102 is that the cell voltage measured by the voltage monitor 6 is greater than −0.5 V, the determination in step 106 is further executed. In step 106, it is determined whether the cell temperature measured by the temperature sensor 8 is 120 ° C. or higher. When a negative voltage is generated, if the voltage value is not much lower than 0 V, the supply of oxidizing gas is considered to be a cause of the negative voltage. However, unlike the case of insufficient supply of fuel gas, when the supply of oxidizing gas is insufficient, the membrane electrode assembly is unlikely to deteriorate rapidly. For this reason, as long as thermal degradation due to an excessive temperature rise of the membrane electrode assembly does not occur, the operation of the cell 4 can be continued as it is. In this step, the cell temperature when the negative voltage is generated is compared with a certain reference value (here, 120 ° C. as an example, but the value of the reference value is not limited to this). Judging the possibility of thermal degradation.

ステップ106の判定の結果、セル温度が120℃以上と判定された場合には、当該セル4の短絡スイッチ10がオンにされる(ステップ108)。これにより、当該セル4の膜電極接合体での電気化学反応は停止し、酸化ガスが不足した状態で発電を行うことによる膜電極接合体の熱劣化は防止される。この場合も、発電が停止するのは当該セル4のみであり、他の残りのセル4での発電は継続されるので、燃料電池スタック2から負荷へ電力を供給し続けることができる。一方、ステップ106の判定の結果、セル温度が120℃未満と判定された場合には、短絡スイッチ10はオフのまま現状維持され、当該セル4の運転は続行される(ステップ110)。   As a result of the determination in step 106, when it is determined that the cell temperature is 120 ° C. or higher, the short circuit switch 10 of the cell 4 is turned on (step 108). Thereby, the electrochemical reaction in the membrane electrode assembly of the cell 4 is stopped, and thermal deterioration of the membrane electrode assembly due to power generation in a state where the oxidizing gas is insufficient is prevented. Also in this case, power generation stops only in the cell 4 and power generation in the other remaining cells 4 is continued, so that power can be continuously supplied from the fuel cell stack 2 to the load. On the other hand, if it is determined in step 106 that the cell temperature is less than 120 ° C., the short-circuit switch 10 is maintained off and the operation of the cell 4 is continued (step 110).

以上のルーチンが各セル4について実行されることで、反応ガスの供給不足が起きているセル4を検知することができるとともに、燃料電池スタック2の発電を停止させることなく、反応ガスの供給不足に起因するセル4の破損を防止することができる。   By executing the above routine for each cell 4, it is possible to detect the cell 4 in which the supply of the reactive gas is insufficient, and the supply of the reactive gas is insufficient without stopping the power generation of the fuel cell stack 2. It is possible to prevent the cell 4 from being damaged due to the above.

本実施形態においては、電圧モニタ6、温度センサ8、及び上記ルーチンの実行時の監視装置20によって、第1の発明の「判定手段」が実現されている。また、短絡スイッチ10、及び上記ルーチンの実行時の監視装置20によって、第1の発明の「短絡手段」が実現されている。   In the present embodiment, the “determination means” of the first invention is realized by the voltage monitor 6, the temperature sensor 8, and the monitoring device 20 at the time of execution of the above routine. Further, the “short-circuit means” of the first invention is realized by the short-circuit switch 10 and the monitoring device 20 at the time of execution of the above routine.

なお、現在、反応ガスが不足しているセル4であっても、時間の経過によって反応ガスの不足が解消する場合もある。例えば、生成水によってガス流路が閉塞されることで反応ガスの不足が生じている場合、ガス流路を閉塞していた生成水が反応ガスによって押し流され、これにより反応ガスの流量が回復することがある。また、燃料電池スタック2の起動時、生成水が凍ってできた氷によってガス流路が閉塞されている場合、他のセル4の発電により発生する熱によって氷が融け、これにより反応ガスの流量が回復することがある。以上の例のように、短絡後に反応ガスの流量が回復した場合には、当該セル4の発電を再開しても当該セル4が破損することはない。また、当該セル4の発電を再開することで、高負荷時に燃料電池スタック2の出力が不足することを防止することができる。   In addition, even if it is the cell 4 where the reactive gas is insufficient at present, the shortage of the reactive gas may be resolved over time. For example, when there is a shortage of the reaction gas due to the gas flow path being blocked by the generated water, the generated water that has blocked the gas flow path is swept away by the reaction gas, thereby restoring the flow rate of the reaction gas. Sometimes. When the fuel cell stack 2 is activated, if the gas flow path is blocked by ice formed by freezing generated water, the ice is melted by the heat generated by the power generation of the other cells 4, thereby causing the flow rate of the reaction gas. May recover. As in the above example, when the flow rate of the reaction gas recovers after the short circuit, the cell 4 will not be damaged even if the power generation of the cell 4 is resumed. Further, by restarting the power generation of the cell 4, it is possible to prevent the output of the fuel cell stack 2 from being insufficient at a high load.

そこで、監視装置20は、反応ガスの供給不足に陥っているセル4を短絡させた後は、図4のフローチャートに示すルーチンに従い短絡スイッチ10を制御する。図3に示すルーチンは、図3に示すルーチンにより短絡スイッチ10をオンにされたセル4について実行される。   Therefore, the monitoring device 20 controls the short-circuit switch 10 in accordance with the routine shown in the flowchart of FIG. 4 after short-circuiting the cell 4 that is in short supply of the reaction gas. The routine shown in FIG. 3 is executed for the cell 4 in which the short-circuit switch 10 is turned on by the routine shown in FIG.

図4に示すルーチンの最初のステップ200では、短絡スイッチ10のオン後、所定の基準時間が経過したか否か判定される。基準時間が経過するまでは、短絡スイッチ10はオンのまま現状維持される(ステップ208)。この間、当該セル4は、反応ガスの不足が生じていない正常なセル4から電気的に切り離され、正常なセル4のみで発電が行われる。   In the first step 200 of the routine shown in FIG. 4, it is determined whether or not a predetermined reference time has elapsed after the short-circuit switch 10 is turned on. Until the reference time elapses, the short-circuit switch 10 is kept on and maintained as it is (step 208). During this time, the cell 4 is electrically disconnected from the normal cell 4 in which there is no shortage of reaction gas, and power is generated only by the normal cell 4.

ステップ200の判定の結果、短絡スイッチ10のオンから基準時間が経過したときには、短絡スイッチ10は一旦オフにされる(ステップ202)。これにより、当該セル4は再び他のセル4と電気的に接合され、当該セル4の発電が再開される。   As a result of the determination in step 200, when the reference time has elapsed since the short-circuit switch 10 was turned on, the short-circuit switch 10 is temporarily turned off (step 202). As a result, the cell 4 is again electrically joined to the other cell 4, and the power generation of the cell 4 is resumed.

次のステップ204では、発電再開後の当該セル4のセル電圧及びセル温度が測定され、その測定値に基づいて当該セル4の異常、つまり、反応ガスの供給不足が続いているか否か判定される。ステップ206で実行される判定の内容は、図3に示すルーチンで実行される判定、すなわち、ステップ100,102,104の内容と同内容である。判定の結果、異常が無い場合、つまり、反応ガスの供給不足が解消している場合には、短絡スイッチ10はオフのまま現状維持される(ステップ208)。これにより、当該セル4の発電による電力も燃料電池スタック2の電力の一部として出力することができ、高負荷時における燃料電池スタック2の出力不足を防止することができる。   In the next step 204, the cell voltage and cell temperature of the cell 4 after the restart of power generation are measured, and it is determined based on the measured values whether or not the abnormality of the cell 4, that is, insufficient supply of the reaction gas continues. The The contents of the determination executed in step 206 are the same as the contents of the determination executed in the routine shown in FIG. 3, that is, steps 100, 102, and 104. If there is no abnormality as a result of the determination, that is, if the shortage of reactant gas supply has been resolved, the current state is maintained with the short-circuit switch 10 turned off (step 208). Thereby, the electric power generated by the cell 4 can also be output as a part of the electric power of the fuel cell stack 2, and the shortage of the output of the fuel cell stack 2 at the time of high load can be prevented.

一方、ステップ204の判定の結果、異常が有る場合、つまり、反応ガスの供給不足が続いている場合には、短絡スイッチ10は再びオンにされる(ステップ206)。これにより、反応ガスが不足した状態で発電を続けることによる当該セル4の破損は防止される。短絡スイッチ10が再度オンにされることで、当該セル4について再び本ルーチンが実行されることになる。本ルーチンは、当該セル4における反応ガスの供給不足が解消して短絡スイッチ10がオフにされるまで、繰り返し実行される。   On the other hand, if there is an abnormality as a result of the determination in step 204, that is, if the supply of reactive gas continues to be insufficient, the short-circuit switch 10 is turned on again (step 206). Thereby, the damage of the cell 4 due to continuing power generation in a state where the reaction gas is insufficient is prevented. When the short-circuit switch 10 is turned on again, this routine is executed again for the cell 4. This routine is repeatedly executed until the supply shortage of the reaction gas in the cell 4 is resolved and the short-circuit switch 10 is turned off.

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、次のように変形して実施してもよい。   Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention. For example, the following modifications may be made.

上記の実施の形態では、各セル4に温度センサ8を備えているが、2つのセル4に対して1つの温度センサ8を配置してもよい。例えば、2つのセル4を一組とし、その隣接するセパレータとセパレータとの間に温度センサ8を配置する。この場合も、電圧モニタ4によるセル電圧の測定値と組み合わせることで、2つのセル4のうち何れのセル4で異常が起きているのか判断することができる。   In the above embodiment, each cell 4 is provided with the temperature sensor 8, but one temperature sensor 8 may be arranged for two cells 4. For example, two cells 4 are made into one set, and the temperature sensor 8 is arranged between the separators adjacent to each other. Also in this case, by combining with the measured value of the cell voltage by the voltage monitor 4, it can be determined which of the two cells 4 is abnormal.

また、上記の実施の形態では、反応ガスの供給不足が解消するまで図4に示すルーチンを実行するようにしているが、実行回数の上限値を定め、上記ルーチンの実行回数が上限値に達したらその後は、短絡スイッチ10をオンのまま維持するようにしてもよい。   In the above embodiment, the routine shown in FIG. 4 is executed until the supply shortage of the reaction gas is resolved. However, the upper limit value of the number of executions is determined, and the execution number of the routine reaches the upper limit value. After that, the short-circuit switch 10 may be kept on.

本発明の実施の形態としての燃料電池スタックの概略構成図である。1 is a schematic configuration diagram of a fuel cell stack as an embodiment of the present invention. 図1の燃料電池スタックにおいて一部のセルを短絡させた状態を示す図である。It is a figure which shows the state which short-circuited some cells in the fuel cell stack of FIG. 本発明の実施の形態において実行される短絡スイッチの制御のためのルーチンのフローチャートである。It is a flowchart of the routine for control of the short circuit switch performed in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態において実行される短絡スイッチの制御のためのルーチンのフローチャートである。It is a flowchart of the routine for control of the short circuit switch performed in embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

2 燃料電池スタック
4 セル
6 電圧モニタ
8 温度センサ
10 短絡スイッチ
20 監視装置
#1〜#6 セル番号
2 Fuel cell stack 4 Cell 6 Voltage monitor 8 Temperature sensor 10 Short-circuit switch 20 Monitoring device # 1 to # 6 Cell number

Claims (4)

固体高分子膜型の燃料電池スタックにおいて、
反応ガスの供給状態を前記燃料電池スタックを構成するセル毎に判定する判定手段と、
前記判定手段による判定の結果、一部のセルにおいて反応ガスの供給が不足していると判断された場合に、当該セルのカソードとアノードとを短絡させる短絡手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池スタック。
In a polymer electrolyte fuel cell stack,
Determination means for determining the supply state of the reaction gas for each cell constituting the fuel cell stack;
As a result of the determination by the determination means, when it is determined that the supply of the reaction gas is insufficient in some cells, the short-circuit means for short-circuiting the cathode and anode of the cell,
A fuel cell stack comprising:
前記判定手段は、各セルのセル電圧と所定の基準電圧とを比較し、セル電圧が基準電圧以下になったセルを反応ガスの供給が不足しているセルと判断することを特徴とする請求項1記載の燃料電池スタック。   The determination means compares a cell voltage of each cell with a predetermined reference voltage, and determines that a cell whose cell voltage is equal to or lower than the reference voltage is a cell in which supply of reaction gas is insufficient. Item 2. The fuel cell stack according to Item 1. 前記判定手段は、各セルのセル温度と所定の基準温度とを比較し、セル温度が基準温度以上になったセルを反応ガスの供給が不足しているセルと判断することを特徴とする請求項1又は2記載の燃料電池スタック。   The determination unit compares a cell temperature of each cell with a predetermined reference temperature, and determines that a cell having a cell temperature equal to or higher than the reference temperature is a cell for which supply of a reaction gas is insufficient. Item 3. The fuel cell stack according to Item 1 or 2. 前記短絡手段は、当該セルのカソードとアノードとを短絡させてから所定の基準時間が経過した時点で短絡を解除し、当該セルにおいて反応ガスの供給不足が続いていると判断される場合には、再び当該セルのカソードとアノードとを短絡させることを特徴とする請求項1乃至3の何れか1項に記載の燃料電池スタック。
The short-circuit means releases the short-circuit when a predetermined reference time has elapsed since the cathode and anode of the cell are short-circuited, and when it is determined that the shortage of reactant gas continues in the cell. The fuel cell stack according to any one of claims 1 to 3, wherein the cathode and the anode of the cell are again short-circuited.
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