JP2006252791A

JP2006252791A - Fuel cell system

Info

Publication number: JP2006252791A
Application number: JP2005063587A
Authority: JP
Inventors: Yasutaka Otake; 康貴大竹; Yasushi Araki; 康荒木
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-03-08
Filing date: 2005-03-08
Publication date: 2006-09-21

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel battery system enables precisely detect lack of cathode gas occurring at any of a plurality of unit cells constituting a fuel battery stack. SOLUTION: When cathode gas is lacking at one 4A of the plurality of unit cells 4A, 4B constituting the fuel battery stack 2, anode gas is produced at a cathode of the unit cell 4a by recombination of proton transmitting from an anode 44 side and electron, and the produced anode gas is exhausted to a cathode offgas channel 16. If the anode gas is detected flowing in the cathode offgas channel 16, it is judged that the cathode gas is lacking at one of the plurality of unit cells constituting the fuel battery stack. COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、特に、燃料電池スタックにおけるカソードガスの欠乏を検知する技術に関する。 The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly to a technique for detecting a deficiency of cathode gas in a fuel cell stack.

燃料電池は、電解質膜の両側をそれぞれ電極とセパレータとによって挟んで構成され、通常、前記構造を一つの単セルとして複数枚の単セルが積層された燃料電池スタックとして使用される。複数の単セルからなる燃料電池スタックでは、一部の単セルにおいて異常が起きた場合でも、全体の発電電力の低下を招くことになる。特許文献１には、燃料電池スタックの異常を監視するための技術が開示されている。ここに開示された技術によれば、燃料電池スタックの電圧を測定し、測定した電圧のピーク形状によって燃料電池に起きている異常がフラッディング、ガス欠、或いはドライアップの何れであるか判定される。
特開２００４−２４１２３６号公報特開平６−２２３８５０号公報特開２００４−１７１９９３号公報特開２００３−３３１８９５号公報 A fuel cell is configured by sandwiching both sides of an electrolyte membrane between an electrode and a separator, and is usually used as a fuel cell stack in which a plurality of single cells are stacked with the above structure as one single cell. In the fuel cell stack composed of a plurality of single cells, even if an abnormality occurs in some of the single cells, the generated power is reduced. Patent Document 1 discloses a technique for monitoring abnormality of a fuel cell stack. According to the technique disclosed herein, the voltage of the fuel cell stack is measured, and it is determined whether the abnormality occurring in the fuel cell is flooding, gas shortage, or dry-up based on the peak shape of the measured voltage. .
JP 2004-241236 A JP-A-6-223850 JP 2004-171993 A JP 2003-331895 A

ところで、燃料電池の異常の１つであるガス欠には、アノードガスの欠乏とカソードガスの欠乏とがある。何れの反応ガスが欠乏しても燃料電池スタックの発電性能は低下するが、特にアノードガスのガス欠の場合には、アノードガスが欠乏しているセルにおいて構成部材が劣化し、発電性能や寿命特性の低下を招くという問題も発生する。したがって、アノードガスの欠乏の場合には運転を中止して異常個所の点検等を行うことが望ましい。一方、カソードガスの欠乏の場合には、スタック全体のカソードガスの流量を増量する等して運転を続行することができる。 By the way, the lack of gas which is one of the abnormalities of the fuel cell includes a lack of anode gas and a lack of cathode gas. Even if any reaction gas is deficient, the power generation performance of the fuel cell stack is reduced. However, particularly in the case of a shortage of anode gas, the components deteriorate in the cell lacking the anode gas, and the power generation performance and lifespan are reduced. There is also a problem that the characteristics are deteriorated. Therefore, when the anode gas is deficient, it is desirable to stop the operation and check the abnormal part. On the other hand, when the cathode gas is deficient, the operation can be continued by increasing the flow rate of the cathode gas in the entire stack.

上記のように、アノードガスの欠乏とカソードガスの欠乏とではガス欠時の対処方法に差がある。したがって、一部の単セルにおけるガス欠によって発電電力の低下が起きている場合、適切な対処を行うためには、それがアノードガスの欠乏によるものなのか、カソードガスの欠乏によるものなのか正確に判定できることが必要となる。若しくは、少なくとも何れか一方の反応ガス、例えば、カソードガスの欠乏を正確に検知することが必要となる。 As described above, there is a difference in how to deal with gas shortage between anode gas deficiency and cathode gas deficiency. Therefore, if the generated power is reduced due to a shortage of gas in some single cells, it is accurate to determine whether it is due to a shortage of anode gas or a shortage of cathode gas in order to take appropriate measures. It is necessary to be able to make a judgment. Alternatively, it is necessary to accurately detect the deficiency of at least one of the reaction gases, for example, the cathode gas.

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、燃料電池スタックを構成する複数の単セルのうち一部の単セルで起きているカソードガスの欠乏を正確に検知できるようにした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 to solve the above-described problems, and is capable of accurately detecting the deficiency of the cathode gas occurring in some of the single cells constituting the fuel cell stack. An object of the present invention is to provide a fuel cell system.

第１の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池システムであって、
プロトン導電性の電解質膜を有する単セルが複数積層されて構成された燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックから排出されるカソードオフガスが流れるカソードオフガス通路と、
前記カソードオフガス通路を流れるアノードガスを検出するアノードガス検出手段と、
前記アノードガス検出手段によりアノードガスが検出されたら、前記燃料電池スタックを構成する複数の単セルのうち一部の単セルでカソードガスが欠乏していると判定するカソードガス欠乏判定手段と、
を備えることを特徴としている。 In order to achieve the above object, a first invention is a fuel cell system,
A fuel cell stack configured by laminating a plurality of single cells each having a proton conductive electrolyte membrane;
A cathode offgas passage through which the cathode offgas discharged from the fuel cell stack flows;
Anode gas detection means for detecting the anode gas flowing through the cathode off gas passage;
When the anode gas is detected by the anode gas detection means, cathode gas deficiency determination means for determining that some of the plurality of single cells constituting the fuel cell stack are deficient in cathode gas;
It is characterized by having.

第２の発明は、第１の発明において、前記アノードガス検出手段は、アノードガスとカソードオフガスに含まれる未反応のカソードガスとを直接反応させ、その反応による発熱を検出する手段であることを特徴としている。 According to a second invention, in the first invention, the anode gas detection means is a means for directly reacting the anode gas and an unreacted cathode gas contained in the cathode off gas, and detecting heat generated by the reaction. It is a feature.

第３の発明は、第２の発明において、前記アノードガス検出手段は、前記カソードオフガス通路に配置された触媒を含み、前記触媒上でアノードガスとカソードオフガスに含まれる未反応のカソードガスとを直接反応させることを特徴としている。 According to a third invention, in the second invention, the anode gas detection means includes a catalyst disposed in the cathode offgas passage, and the anode gas and the unreacted cathode gas contained in the cathode offgas on the catalyst. It is characterized by direct reaction.

第４の発明は、第３の発明において、前記アノードガス検出手段は、前記触媒に直接接続された温度センサを含み、前記温度センサによって前記触媒上での発熱を直接検出することを特徴としている。 A fourth invention is characterized in that, in the third invention, the anode gas detection means includes a temperature sensor directly connected to the catalyst, and the temperature sensor directly detects heat generation on the catalyst. .

また、第５の発明は、第３の発明において、前記アノードガス検出手段は、前記触媒の上流に配置された上流側温度センサと、前記触媒の下流に配置された下流側温度センサとを含み、前記上流側温度センサと前記下流側温度センサとによりそれぞれ測定される温度の温度差によって前記触媒上での発熱を検出することを特徴としている。 According to a fifth aspect based on the third aspect, the anode gas detection means includes an upstream temperature sensor disposed upstream of the catalyst and a downstream temperature sensor disposed downstream of the catalyst. The heat generation on the catalyst is detected by the temperature difference between the temperatures respectively measured by the upstream temperature sensor and the downstream temperature sensor.

第１の発明において、燃料電池スタックを構成する複数の単セルのうち一部の単セルでカソードガスの欠乏が起きた場合、その単セルのカソードではアノード側から透過してきたプロトンと電子との再結合によってアノードガスが生成され、生成されたアノードガスはカソードオフガス通路へ排出される。第１の発明によれば、このカソードオフガス通路を流れるアノードガスを検出することにより、一部の単セルで起きているカソードガスの欠乏を正確に検知することができる。 In the first invention, when a shortage of cathode gas occurs in some of the plurality of single cells constituting the fuel cell stack, protons and electrons that have permeated from the anode side at the cathode of the single cell. Anode gas is generated by recombination, and the generated anode gas is discharged to the cathode off-gas passage. According to the first invention, by detecting the anode gas flowing through the cathode off-gas passage, it is possible to accurately detect the deficiency of the cathode gas occurring in some single cells.

カソードガスの欠乏が起きていない単セルでは、そこから排出されるカソードオフガスには未反応のカソードガスが残存している。したがって、一部の単セルにおけるカソードガスの欠乏によってカソードオフガス通路にアノードガスが排出されている場合には、アノードガスと未反応のカソードガスとをカソードオフガス通路内で直接反応させることができる。第２の発明によれば、その反応による発熱を検出することで、カソードオフガス通路内のアノードガスを正確に検出することができる。 In a single cell in which cathode gas deficiency does not occur, unreacted cathode gas remains in the cathode off-gas exhausted therefrom. Therefore, when the anode gas is discharged into the cathode offgas passage due to the lack of the cathode gas in some unit cells, the anode gas and the unreacted cathode gas can be directly reacted in the cathode offgas passage. According to the second invention, the anode gas in the cathode off-gas passage can be accurately detected by detecting the heat generated by the reaction.

第３の発明によれば、触媒を用いることでアノードガスと未反応のカソードガスとを確実に反応させることができる。 According to the third invention, the anode gas and the unreacted cathode gas can be reliably reacted by using the catalyst.

特に、第４の発明によれば、温度センサによって触媒上での発熱を直接検出することで、クロスリークによる電極上での発熱の影響を排除して、アノードガスと未反応のカソードガスとの反応による発熱を正確に検出することができる。 In particular, according to the fourth aspect of the invention, by directly detecting the heat generation on the catalyst by the temperature sensor, the influence of the heat generation on the electrode due to the cross leak is eliminated, and the anode gas and the unreacted cathode gas are The exotherm due to the reaction can be accurately detected.

また、第５の発明によれば、触媒の上流温度と下流温度との温度差によって触媒上での発熱を検出することで、クロスリークによる電極上での発熱の影響を排除して、アノードガスと未反応のカソードガスとの反応による発熱を正確に検出することができる。 Further, according to the fifth aspect of the invention, by detecting the heat generation on the catalyst based on the temperature difference between the upstream temperature and the downstream temperature of the catalyst, the influence of the heat generation on the electrode due to the cross leak is eliminated, and the anode gas The exotherm due to the reaction between the unreacted cathode gas and the unreacted cathode gas can be accurately detected.

実施の形態１．
以下、図１乃至図３を参照して、本発明の実施の形態１について説明する。
図１は、本発明が適用される燃料電池システムの概略構成を示す図である。この図に示すように、燃料電池システムは、燃料電池スタック２を備えている。燃料電池スタック２は、一方向に積層された複数枚の単セル４をその積層方向の両側からエンドプレート６Ａ，６Ｂで挟むことによって構成されている。各単セル４は、固体高分子電解質膜等のプロトン導電性の電解質膜を一対の触媒電極（アノードとカソード）で挟んだ構造を有しており、アノードへの水素を含むアノードガスの供給とカソードへの空気などの酸素を含むカソードガスの供給を受けて発電する。 Embodiment 1 FIG.
The first embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS.
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a fuel cell system to which the present invention is applied. As shown in this figure, the fuel cell system includes a fuel cell stack 2. The fuel cell stack 2 is configured by sandwiching a plurality of single cells 4 stacked in one direction with end plates 6A and 6B from both sides in the stacking direction. Each single cell 4 has a structure in which a proton conductive electrolyte membrane such as a solid polymer electrolyte membrane is sandwiched between a pair of catalyst electrodes (anode and cathode), and supply of anode gas containing hydrogen to the anode; Electricity is generated by supplying cathode gas containing oxygen such as air to the cathode.

燃料電池スタック２の一方のエンドプレート６Ａには、燃料電池スタック２を構成する各単セル４にアノードガスを供給するためのアノードガス供給管１０と、カソードガスを供給するためのカソードガス供給管１２とが接続されている。また、このエンドプレート６Ａには、各単セル４のアノードからのオフガス（アノードオフガス）を排出するためのアノードオフガス排出管１４と、カソードからのオフガス（カソードオフガス）を排出するためのカソードオフガス排出管１６とが接続されている。 On one end plate 6A of the fuel cell stack 2, an anode gas supply pipe 10 for supplying anode gas to each single cell 4 constituting the fuel cell stack 2 and a cathode gas supply pipe for supplying cathode gas are provided. 12 is connected. The end plate 6A has an anode offgas discharge pipe 14 for discharging offgas (anode offgas) from the anode of each unit cell 4, and a cathode offgas discharge for discharging offgas (cathode offgas) from the cathode. The tube 16 is connected.

本燃料電池システムは、カソードオフガス排出管１６の途中に検出部２０を備えている。この検出部２０では、カソードオフガス排出管１６を流れるアノードガス、つまり、水素の検出が行われている。検出部２０には、燃料電池スタック２の状態を監視する監視装置３０が接続されている。監視装置３０は、検出部２０においてカソードオフガスに含まれる水素を検出することで、燃料電池スタック２を構成する複数の単セル４のうち一部の単セルで起きているカソードガスの欠乏を検知している。以下、図２を参照して、カソードオフガスに含まれる水素によってカソードガスの欠乏を検知する仕組みについて詳しく説明する。 The fuel cell system includes a detection unit 20 in the middle of the cathode offgas discharge pipe 16. In the detection unit 20, the anode gas flowing through the cathode offgas discharge pipe 16, that is, hydrogen is detected. A monitoring device 30 that monitors the state of the fuel cell stack 2 is connected to the detection unit 20. The monitoring device 30 detects the deficiency of the cathode gas occurring in some single cells among the plurality of single cells 4 constituting the fuel cell stack 2 by detecting hydrogen contained in the cathode off-gas in the detection unit 20. is doing. Hereinafter, a mechanism for detecting the deficiency of the cathode gas by the hydrogen contained in the cathode off gas will be described in detail with reference to FIG.

図２は、燃料電池スタック２の内部構造とそこで起きている現象を模式的に示す図である。図２では、燃料電池スタック２を構成する複数の単セルのうち２つの単セル４Ａ，４Ｂのみを図示している。各単セル４Ａ，４Ｂは、電解質膜４０をカソード４２とアノード４４で挟んだ構造体（膜−電極接合体）を有し、この構造体の両側を金属等の導電材で形成された一対のセパレータ４６，４８で挟んで構成されている。また、セパレータ４６とカソード４２との間には、カソードガスが流れるガス流路（カソードガス流路）５０が形成され、セパレータ４８とアノード４４との間には、アノードガスが流れるガス流路（アノードガス流路）５２が形成されている。 FIG. 2 is a diagram schematically showing the internal structure of the fuel cell stack 2 and the phenomenon occurring therein. In FIG. 2, only two single cells 4 A and 4 B among the plurality of single cells constituting the fuel cell stack 2 are illustrated. Each single cell 4A, 4B has a structure (membrane-electrode assembly) in which the electrolyte membrane 40 is sandwiched between a cathode 42 and an anode 44, and a pair of both sides of the structure formed of a conductive material such as metal. It is configured by being sandwiched between separators 46 and 48. A gas flow path (cathode gas flow path) 50 through which the cathode gas flows is formed between the separator 46 and the cathode 42, and a gas flow path (flow through which the anode gas flows) between the separator 48 and the anode 44. Anode gas flow path) 52 is formed.

燃料電池スタック２には、各単セル４Ａ，４Ｂのカソードガス流路５０の入口に接続されるカソードガス供給マニホールド５４と、その出口に接続されるカソードオフガス排出マニホールド５６とが形成されている。供給マニホールド５４はカソードガス供給管１２（図１に示す）に接続されており、カソードガス供給管１２から供給されるカソードガスは、供給マニホールド５４を介して各単セル４Ａ，４Ｂのカソードガス流路５０に分配される。一方、排出マニホールド５６はカソードオフガス排出管１６に接続されており、各単セル４Ａ，４Ｂのカソードガス流路５０から排出されるカソードオフガスは、排出マニホールド５６に集められてカソードオフガス排出管１６に排出される。なお、図示は省略するが、各単セル４Ａ，４Ｂのアノードガス流路５２の入口には、アノードガス供給管１０（図１に示す）につながるアノードガス供給マニホールドが接続され、アノードガス流路５２の出口には、アノードオフガス排出管１４（図１に示す）につながるアノードオフガス排出マニホールドが接続されている。 The fuel cell stack 2 is formed with a cathode gas supply manifold 54 connected to the inlet of the cathode gas flow path 50 of each single cell 4A, 4B, and a cathode offgas discharge manifold 56 connected to the outlet thereof. The supply manifold 54 is connected to the cathode gas supply pipe 12 (shown in FIG. 1), and the cathode gas supplied from the cathode gas supply pipe 12 flows through the supply manifold 54 in the cathode gas flow of each single cell 4A, 4B. Distributed to the path 50. On the other hand, the discharge manifold 56 is connected to the cathode offgas discharge pipe 16, and the cathode offgas discharged from the cathode gas flow path 50 of each single cell 4 A, 4 B is collected in the discharge manifold 56 and is supplied to the cathode offgas discharge pipe 16. Discharged. Although not shown, an anode gas supply manifold connected to the anode gas supply pipe 10 (shown in FIG. 1) is connected to the inlet of the anode gas flow path 52 of each single cell 4A, 4B, and the anode gas flow path An anode offgas discharge manifold connected to the anode offgas discharge pipe 14 (shown in FIG. 1) is connected to the outlet 52.

上記のような構成によって各単セル４Ａ，４Ｂのアノード４４にはアノードガスが供給され、カソード４２にはカソードガスが供給される。ただし、図２に示す２つの単セル４Ａ，４Ｂはカソードガスの供給状態が異なっており、一方の単セル４Ｂでは、アノード４４へ供給されるアノードガスの流量に対して十分な流量のカソードガスがカソード４２へ供給されているのに対し、他方の単セル４Ａでは、カソード４２へ供給されるカソードガスの流量が不足している。この場合、各単セル４Ａ，４Ｂ内では次のような化学反応が起きる。 With the configuration described above, anode gas is supplied to the anode 44 of each single cell 4A, 4B, and cathode gas is supplied to the cathode 42. However, the two single cells 4A and 4B shown in FIG. 2 have different cathode gas supply states, and in the single cell 4B, the cathode gas has a flow rate sufficient for the flow rate of the anode gas supplied to the anode 44. Is supplied to the cathode 42, whereas the flow rate of the cathode gas supplied to the cathode 42 is insufficient in the other single cell 4A. In this case, the following chemical reaction occurs in each single cell 4A, 4B.

各単セル４Ａ，４Ｂのアノード４４では、アノードガス中に含まれる水素が下式（１）の化学反応を起こすことによって、水素イオンが生成される。
Ｈ₂ → ２Ｈ⁺＋２ｅ^- ・・・（１）
アノード４４で生成された水素イオンは、電解質膜４０を通ってカソード４２に供給される。カソード４２では、カソードガス中に含まれる酸素と、電解質膜４０を通って供給される水素イオンとが下式（２）の化学反応を起こすことによって、水（水蒸気）が生成される。
４Ｈ⁺＋４ｅ^-＋Ｏ₂ → ２Ｈ₂Ｏ・・・（２）
上記の各反応がアノード４４とカソード４２でそれぞれ連続して起きることにより、アノード４４とカソード４２との間に電位差が生じ、単セルは電池として機能する。 In the anodes 44 of the single cells 4A and 4B, hydrogen ions are generated when hydrogen contained in the anode gas causes a chemical reaction of the following formula (1).
H ₂ → 2H ⁺ + 2e ⁻ (1)
Hydrogen ions generated at the anode 44 are supplied to the cathode 42 through the electrolyte membrane 40. In the cathode 42, water (water vapor) is generated by causing a chemical reaction of the following formula (2) between oxygen contained in the cathode gas and hydrogen ions supplied through the electrolyte membrane 40.
4H ⁺ + 4e ⁻ + O ₂ → 2H ₂ O (2)
When each of the above reactions occurs continuously at the anode 44 and the cathode 42, a potential difference is generated between the anode 44 and the cathode 42, and the single cell functions as a battery.

カソードガスの流量が足りている単セル４Ｂでは、カソードガス流路５０の上流側から下流側にかけて上記式（２）の化学反応が起こる。その結果、単セル４Ｂから排出マニホールド５６に排出されるカソードオフガスには、不活性ガスである窒素の他、上記反応により生成された水蒸気と、未反応の酸素が含まれることになる。なお、電解質膜４０のクロスリークによってアノード４４側からカソード側に水素が漏れることがあるが、クロスリークによる水素はカソード４２上で酸素と反応して水となる。このため、単セル４Ｂから排出されるカソードオフガスには水素は含まれない。 In the single cell 4B in which the flow rate of the cathode gas is sufficient, the chemical reaction of the above formula (2) occurs from the upstream side to the downstream side of the cathode gas flow channel 50. As a result, the cathode off-gas discharged from the single cell 4B to the discharge manifold 56 includes water vapor generated by the above reaction and unreacted oxygen in addition to nitrogen as an inert gas. Note that hydrogen may leak from the anode 44 side to the cathode side due to the cross leak of the electrolyte membrane 40, but the hydrogen due to the cross leak reacts with oxygen on the cathode 42 to become water. For this reason, hydrogen is not contained in the cathode off gas discharged | emitted from the single cell 4B.

一方、カソードガスの流量が不足している単セル４Ａでは、カソードガス流路５０の上流側では上記式（２）の化学反応が起こるものの、下流側では反応に必要な酸素が無くなってしまう。このため、カソードガス流路５０の下流側では、下式（３）に示すようにアノード４４から電解質膜４０を通って供給される水素イオンが電子と再結合し、水素が生成されることになる。
２Ｈ⁺＋２ｅ^- → Ｈ₂ ・・・（３）
カソードガス中に酸素が残存しているならば、生成された水素はカソード４２上で燃焼して水となる。ところが、カソードガス流路５０の下流側には水素と反応する酸素は残っていないため、上記反応によって生成された水素は、窒素や水蒸気等とともにカソードオフガスに含まれて単セル４Ａ内から排出される。単セル４Ａから排出された水素は、他の単セル４Ｂからのカソードオフガスに混ざって排出マニホールド５６内を流れ、燃料電池スタック２の出口からカソードオフガス排出管１６へ排出される。 On the other hand, in the single cell 4A in which the flow rate of the cathode gas is insufficient, the chemical reaction of the above formula (2) occurs on the upstream side of the cathode gas flow path 50, but the oxygen necessary for the reaction is lost on the downstream side. Therefore, on the downstream side of the cathode gas flow channel 50, hydrogen ions supplied from the anode 44 through the electrolyte membrane 40 are recombined with electrons as shown in the following formula (3), and hydrogen is generated. Become.
2H ⁺ + 2e ⁻ → H ₂ (3)
If oxygen remains in the cathode gas, the produced hydrogen burns on the cathode 42 to become water. However, since oxygen that reacts with hydrogen does not remain on the downstream side of the cathode gas flow path 50, the hydrogen generated by the above reaction is included in the cathode offgas together with nitrogen, water vapor, etc., and is discharged from the single cell 4A. The Hydrogen discharged from the single cell 4A flows through the discharge manifold 56 mixed with the cathode offgas from the other single cell 4B, and is discharged from the outlet of the fuel cell stack 2 to the cathode offgas discharge pipe 16.

以上のように、燃料電池スタック２を構成する複数の単セル４Ａ，４Ｂのうち、一部の単セル４Ａにおいてカソードガスが欠乏している場合には、カソードオフガス排出管１６を流れるカソードオフガス中に水素が含まれることになる。また、電解質膜４０のクロスリークによってはカソードオフガス中には水素は含まれないので、カソードオフガス中に水素が含まれているならば、一部の単セルにおいてカソードガスが欠乏していると判断することができる。したがって、前述のように、カソードオフガス排出管１６を流れる水素を検出部２０で検出することによって、一部の単セルで起きているカソードガスの欠乏を検知することができる。 As described above, when the cathode gas is deficient in some of the plurality of single cells 4A and 4B constituting the fuel cell stack 2, the cathode off gas flowing in the cathode off gas discharge pipe 16 Will contain hydrogen. Further, since the cathode off gas does not contain hydrogen due to the cross leak of the electrolyte membrane 40, if the cathode off gas contains hydrogen, it is determined that the cathode gas is deficient in some single cells. can do. Therefore, as described above, by detecting the hydrogen flowing through the cathode offgas discharge pipe 16 by the detection unit 20, it is possible to detect the deficiency of the cathode gas occurring in some single cells.

水素の検出方法としては、種々の検出方法が考えられる。本燃料電池システムでは、検出対象である水素がカソードオフガス中に含まれている条件を活かし、水素と酸素の反応に伴い発生する熱を検出することで水素の検出を行う。つまり、カソードオフガス中には他の単セルから排出された未反応の酸素が含まれているので、この未反応の酸素を水素と反応させ、反応に伴う発熱を検出することでカソードオフガス中の水素の存在を検出することができる。 Various detection methods are conceivable as the hydrogen detection method. In this fuel cell system, hydrogen is detected by detecting the heat generated by the reaction between hydrogen and oxygen by utilizing the condition that hydrogen to be detected is contained in the cathode offgas. In other words, the cathode off gas contains unreacted oxygen discharged from other single cells. Therefore, this unreacted oxygen reacts with hydrogen, and the heat generated by the reaction is detected to detect the exothermic oxygen in the cathode off gas. The presence of hydrogen can be detected.

図３は、検出部２０の構成を詳細に示す図である。図３に示すように、検出部２０には、周囲を触媒２４で覆った熱電対２２が配置されている。監視装置３０は、この熱電対２２に接続されている。カソードオフガス中に水素が含まれる場合、水素は触媒２４上で酸素と反応する。監視装置３０は、水素と酸素の反応による発熱を熱電対２２によって検出する。具体的には、カソードガス流量、アノードガス流量、及び冷却水温度に応じた判定温度が予め定められており、熱電対２２によって検出される温度が判定温度を超えたら、水素と酸素の反応による発熱があったものと判定する。その場合、監視装置３０は、アラーム信号を出力して一部の単セルにおいてカソードガスの欠乏が生じていることを警告するようになっている。本燃料電池システムでは、監視装置３０が第１の発明の「カソードガス欠乏判定手段」として機能している。 FIG. 3 is a diagram illustrating the configuration of the detection unit 20 in detail. As shown in FIG. 3, a thermocouple 22 whose periphery is covered with a catalyst 24 is disposed in the detection unit 20. The monitoring device 30 is connected to the thermocouple 22. When the cathode off gas contains hydrogen, the hydrogen reacts with oxygen on the catalyst 24. The monitoring device 30 detects heat generated by the reaction between hydrogen and oxygen by the thermocouple 22. Specifically, the determination temperature according to the cathode gas flow rate, the anode gas flow rate, and the cooling water temperature is determined in advance. When the temperature detected by the thermocouple 22 exceeds the determination temperature, the reaction is caused by the reaction between hydrogen and oxygen. It is determined that there was a fever. In that case, the monitoring device 30 outputs an alarm signal to warn that a shortage of cathode gas occurs in some single cells. In the present fuel cell system, the monitoring device 30 functions as the “cathode gas deficiency determining means” of the first invention.

以上説明した構成により、本燃料電池システムによれば、カソードオフガス排出管１６を流れる水素をカソードオフガス中の酸素と反応させ、その反応に伴う発熱を検出することで、一部の単セルで起きているカソードガスの欠乏を正確に検知することができる。 With the configuration described above, according to the present fuel cell system, hydrogen that flows through the cathode offgas discharge pipe 16 reacts with oxygen in the cathode offgas, and heat generated by the reaction is detected, thereby occurring in some single cells. It is possible to accurately detect the deficiency of the cathode gas.

実施の形態２．
次に、図４を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。
図４は、本実施形態の燃料電池システムにおける検出部２０の構成を詳細に示す図である。本燃料電池システムでは、検出部２０に結露対策が施されている。具体的には、熱電対２２に接するようにヒータ２６が設けられ、これら熱電対２２とヒータ２６を覆うように触媒２２が設けられている。監視装置３０の入力部には熱電対２２が接続され、出力部にはヒータ２６が接続されている。監視装置３０は、熱電対２２により検出される温度が一定温度（１００℃以上）になるようにヒータ２６への供給電力を制御している。 Embodiment 2. FIG.
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 4 is a diagram showing in detail the configuration of the detection unit 20 in the fuel cell system of the present embodiment. In the present fuel cell system, the detection unit 20 is provided with a countermeasure against condensation. Specifically, a heater 26 is provided in contact with the thermocouple 22, and a catalyst 22 is provided so as to cover the thermocouple 22 and the heater 26. A thermocouple 22 is connected to the input part of the monitoring device 30, and a heater 26 is connected to the output part. The monitoring device 30 controls the power supplied to the heater 26 so that the temperature detected by the thermocouple 22 becomes a constant temperature (100 ° C. or higher).

カソードオフガス排出管１６内を流れるカソードオフガス中には、カソードでの水の生成反応によって多くの水蒸気が含まれている。このため、触媒２４の温度がカソードオフガスの温度よりも低い場合には、水蒸気が触媒２４の表面で結露してしまう。触媒２４上での水素と酸素の反応は気相反応であるため、触媒２４が結露した場合には反応の進行が阻害される。しかし、本燃料電池システムによれば、触媒２４はヒータ２６によって加熱されているので、触媒２４が結露することはなくカソードオフガス中の水素と酸素を確実に反応させることができる。 A large amount of water vapor is contained in the cathode offgas flowing in the cathode offgas discharge pipe 16 due to the water generation reaction at the cathode. For this reason, when the temperature of the catalyst 24 is lower than the temperature of the cathode offgas, water vapor is condensed on the surface of the catalyst 24. Since the reaction between hydrogen and oxygen on the catalyst 24 is a gas phase reaction, the progress of the reaction is hindered when the catalyst 24 is condensed. However, according to the present fuel cell system, since the catalyst 24 is heated by the heater 26, the catalyst 24 is not condensed, and hydrogen and oxygen in the cathode offgas can be reacted reliably.

なお、触媒２４上で水素と酸素が反応したときには、その反応熱による熱電対２２の検出温度の上昇を抑制するようにヒータ２６への供給電力が低下する。したがって、本燃料電池システムでは、ヒータ２６への供給電力の低下から水素の存在を検出することができ、一部の単セルで起きているカソードガスの欠乏を検知することができる。 When hydrogen and oxygen react on the catalyst 24, the power supplied to the heater 26 is reduced so as to suppress an increase in the detected temperature of the thermocouple 22 due to the reaction heat. Therefore, in this fuel cell system, it is possible to detect the presence of hydrogen from a decrease in the power supplied to the heater 26, and it is possible to detect the deficiency of the cathode gas occurring in some single cells.

実施の形態３．
次に、図５を参照して、本発明の実施の形態３について説明する。
図５は、本実施形態の燃料電池システムにおける検出部２０の構成を詳細に示す図である。本燃料電池システムでは、カソードオフガス排出管１６内を通るパイプ６６が設けられている。パイプ６６の外面には触媒６０が塗布されている。パイプ６６内には水や空気等の流体が一定の流量で流され、パイプ６６内を流れる流体はヒータ７０によって加温されている。ヒータ７０の加温温度は、カソードオフガス排出管１６内の温度よりも高い温度に設定されている。パイプ６６がカソードオフガス排出管１６内に入る入口付近と、パイプ６６がカソードオフガス排出管１６外に出た出口付近には、それぞれパイプ６６内の流体の温度を計測する温度計６２，６４が設けられている。これら温度計６２，６４は監視装置３０に接続されている。 Embodiment 3 FIG.
Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 5 is a diagram showing in detail the configuration of the detection unit 20 in the fuel cell system of the present embodiment. In the fuel cell system, a pipe 66 that passes through the cathode offgas discharge pipe 16 is provided. A catalyst 60 is applied to the outer surface of the pipe 66. A fluid such as water or air is allowed to flow in the pipe 66 at a constant flow rate, and the fluid flowing in the pipe 66 is heated by the heater 70. The heating temperature of the heater 70 is set to a temperature higher than the temperature in the cathode offgas discharge pipe 16. Thermometers 62 and 64 for measuring the temperature of the fluid in the pipe 66 are provided near the inlet where the pipe 66 enters the cathode offgas discharge pipe 16 and near the outlet where the pipe 66 exits the cathode offgas discharge pipe 16. It has been. These thermometers 62 and 64 are connected to the monitoring device 30.

このような検出部２０の構成によれば、カソードオフガス中の水素と酸素が触媒６０上で反応したときには、その反応熱によってパイプ６６内を流れる流体が加熱される。その結果、入口側の温度計６２により検出される入口温度と、出口側の温度計６４により検出される出口温度とに温度差が生じる。したがって、本燃料電池システムによれば、入口温度と出口温度との温度差から水素と酸素の反応による発熱を検出することができ、一部の単セルで起きているカソードガスの欠乏を検知することができる。 According to such a configuration of the detection unit 20, when hydrogen and oxygen in the cathode offgas react on the catalyst 60, the fluid flowing in the pipe 66 is heated by the reaction heat. As a result, a temperature difference occurs between the inlet temperature detected by the inlet-side thermometer 62 and the outlet temperature detected by the outlet-side thermometer 64. Therefore, according to the present fuel cell system, it is possible to detect heat generation due to the reaction of hydrogen and oxygen from the temperature difference between the inlet temperature and the outlet temperature, and to detect the deficiency of cathode gas occurring in some single cells. be able to.

また、本燃料電池システムによれば、パイプ６６内を流れる流体によって触媒６０を加温することができるので、触媒６０の結露を防止してカソードオフガス中の水素と酸素を確実に反応させることができる。 Further, according to the present fuel cell system, the catalyst 60 can be heated by the fluid flowing in the pipe 66, so that condensation of the catalyst 60 can be prevented and hydrogen and oxygen in the cathode offgas can be reacted reliably. it can.

実施の形態４．
次に、図６を参照して、本発明の実施の形態４について説明する。
図６は、本実施形態の燃料電池システムにおける検出部２０の構成を詳細に示す図である。本燃料電池システムでは、カソードオフガス排出管１６内を通るパイプ６６に触媒６０が塗布され、触媒６０に接して熱電対６８が配置されている。熱電対６８は監視装置３０に接続されている。パイプ６６内には、ヒータ７０で加温された流体が流されている。 Embodiment 4 FIG.
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 6 is a diagram showing in detail the configuration of the detection unit 20 in the fuel cell system of the present embodiment. In this fuel cell system, a catalyst 60 is applied to a pipe 66 passing through the cathode offgas discharge pipe 16, and a thermocouple 68 is disposed in contact with the catalyst 60. The thermocouple 68 is connected to the monitoring device 30. A fluid heated by the heater 70 flows through the pipe 66.

このような検出部２０の構成によれば、パイプ６６内を流れる流体によって触媒６０は加温されているので、触媒６０が結露することはなく、カソードオフガス中の水素と酸素を確実に反応させることができる。また、触媒６０上での水素と酸素の反応による発熱を熱電対６８によって直接検出することができるので、実施の形態３のように間接的に検出する場合に比較して発熱に対する検出感度を高くすることができ、より正確に水素と酸素の反応による発熱を検出することができる。 According to such a configuration of the detection unit 20, since the catalyst 60 is heated by the fluid flowing in the pipe 66, the catalyst 60 is not condensed, and hydrogen and oxygen in the cathode offgas are reliably reacted. be able to. Further, since the heat generated by the reaction between hydrogen and oxygen on the catalyst 60 can be directly detected by the thermocouple 68, the detection sensitivity to the heat generation is higher than in the case of detecting indirectly as in the third embodiment. The heat generated by the reaction between hydrogen and oxygen can be detected more accurately.

実施の形態５．
次に、図７を参照して、本発明の実施の形態５について説明する。
図７は、本実施形態の燃料電池システムにおける検出部の結露対策を説明するための説明図である。本燃料電池システムでは、カソードオフガスが検出部２０に入る前の前処理によって検出部２０での結露を防止している。具体的には、カソードオフガス排出管１６における検出部２０の上流に気液分離器７４が配置され、さらにその上流に熱交換器７２が配置されている。熱交換器７２を通るカソードオフガスは、検出部２０の温度（触媒の温度）以下まで冷却されるようになっている。 Embodiment 5. FIG.
Next, a fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 7 is an explanatory diagram for explaining countermeasures against dew condensation in the detection unit in the fuel cell system according to the present embodiment. In this fuel cell system, dew condensation in the detection unit 20 is prevented by pre-processing before the cathode off gas enters the detection unit 20. Specifically, a gas-liquid separator 74 is disposed upstream of the detection unit 20 in the cathode offgas discharge pipe 16, and a heat exchanger 72 is further disposed upstream thereof. The cathode off gas that passes through the heat exchanger 72 is cooled to a temperature equal to or lower than the temperature of the detection unit 20 (catalyst temperature).

このような構成によれば、カソードオフガス中に含まれる水蒸気の一部は熱交換器７２において液化し、水蒸気が液化した水は気液分離器７４で回収される。これにより、検出部２０に流入する際のカソードオフガスの露点は検出部２０の温度よりも低くなり、検出部２０での結露が防止される。なお、検出部２０の構成は実施の形態１乃至４の何れの構成を用いてもよい。 According to such a configuration, a part of the water vapor contained in the cathode off gas is liquefied in the heat exchanger 72, and the water in which the water vapor is liquefied is recovered by the gas-liquid separator 74. Thereby, the dew point of the cathode off gas when flowing into the detection unit 20 becomes lower than the temperature of the detection unit 20, and condensation in the detection unit 20 is prevented. The configuration of the detection unit 20 may be any of the configurations of the first to fourth embodiments.

実施の形態６．
次に、図８を参照して、本発明の実施の形態６について説明する。
図８は、本実施形態の燃料電池システムにおける検出部２０の配置を説明するための説明図である。検出部２０の構成は、実施の形態１乃至４の何れの構成を用いてもよい。本燃料電池システムでは、カソードオフガス排出管１６と並行してバイパス管７８を設け、このバイパス管７８に検出部２０を配置している。バイパス管７８は、カソードオフガス排出管１６よりも内径が小さいパイプで形成されている。また、カソードオフガス排出管１６とバイパス管７８との入口側の接続部には、バタフライ弁７６が設けられている。バタフライ弁７６を作動させることで、カソードオフガスの流れ方向をカソードオフガス排出管１６とバイパス管７８とで切替えることができる。バタフライ弁７６は監視装置３０の出力側に接続され、監視装置３０は一定の時間間隔でバタフライ弁７６を作動させてバイパス管７８側へカソードオフガスを流している。 Embodiment 6 FIG.
Next, a sixth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 8 is an explanatory diagram for explaining the arrangement of the detection units 20 in the fuel cell system of the present embodiment. As the configuration of the detection unit 20, any configuration of the first to fourth embodiments may be used. In the present fuel cell system, a bypass pipe 78 is provided in parallel with the cathode offgas discharge pipe 16, and the detection unit 20 is disposed in the bypass pipe 78. The bypass pipe 78 is formed of a pipe having an inner diameter smaller than that of the cathode offgas discharge pipe 16. A butterfly valve 76 is provided at the inlet side connection between the cathode offgas discharge pipe 16 and the bypass pipe 78. By operating the butterfly valve 76, the cathode off gas flow direction can be switched between the cathode off gas discharge pipe 16 and the bypass pipe 78. The butterfly valve 76 is connected to the output side of the monitoring device 30, and the monitoring device 30 operates the butterfly valve 76 at regular time intervals to flow the cathode off gas to the bypass pipe 78 side.

このような構成によれば、燃料電池スタックから排出されるカソードオフガスの一部のみを検出部２０に供給することができる。検出部２０を通過するカソードオフガスの流量が多いと、それだけカソードオフガスにより持ち去られる熱量も大きくなる。このため、水素と酸素の反応による発熱を検出する際の検出感度が低下するだけでなく、実施の形態２乃至４のように結露対策として触媒を加温する場合には、触媒を高温に保つための大きなエネルギーが必要になってしまう。本燃料電池システムによれば、検出部２０を通過するカソードオフガスの流量が抑えられるので、高い検出感度を確保できるとともに、触媒を高温に保つためのエネルギー量を抑えることができる。 According to such a configuration, only a part of the cathode off-gas discharged from the fuel cell stack can be supplied to the detection unit 20. As the flow rate of the cathode off gas passing through the detection unit 20 increases, the amount of heat carried away by the cathode off gas increases accordingly. For this reason, not only the detection sensitivity when detecting heat generation due to the reaction between hydrogen and oxygen decreases, but also when the catalyst is heated as a countermeasure against condensation as in Embodiments 2 to 4, the catalyst is kept at a high temperature. Will require a lot of energy. According to the present fuel cell system, since the flow rate of the cathode off gas passing through the detection unit 20 can be suppressed, high detection sensitivity can be ensured and the amount of energy for keeping the catalyst at a high temperature can be suppressed.

その他．
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上述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することができる。 Others.
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 can be made.

上記実施の形態では、触媒により水素と酸素を反応させ、その反応による発熱を検出することでカソードオフガスに含まれる水素を検出しているが、水素センサを用いて水素の検出を行っても良い。 In the above embodiment, hydrogen and oxygen are reacted with a catalyst, and the heat contained in the cathode is detected by detecting heat generated by the reaction. However, hydrogen may be detected using a hydrogen sensor. .

また、触媒上での水素と酸素の反応による発熱を検出する方法としては、カソードオフガス排出管における触媒の上流と下流のそれぞれに温度センサ（熱電対等）を配置し、２つの温度センサの温度差によって触媒上での発熱を検出するようにしてもよい。電解質膜のクロスリークによってアノード側からカソード側に水素が漏れた場合、カソード上で水素と酸素が反応して発熱し、カソードオフガスの温度は上昇する。しかし、前記の検出方法によれば、触媒に流入するカソードオフガスの温度の影響は排除されるので、触媒上での水素と酸素との反応による発熱を正確に検出することができる。 As a method for detecting heat generation due to the reaction of hydrogen and oxygen on the catalyst, temperature sensors (thermocouples, etc.) are arranged upstream and downstream of the catalyst in the cathode offgas discharge pipe, and the temperature difference between the two temperature sensors is detected. Thus, the heat generation on the catalyst may be detected. When hydrogen leaks from the anode side to the cathode side due to cross leakage of the electrolyte membrane, hydrogen and oxygen react on the cathode to generate heat, and the temperature of the cathode offgas rises. However, according to the detection method described above, the influence of the temperature of the cathode offgas flowing into the catalyst is eliminated, so that the heat generated by the reaction between hydrogen and oxygen on the catalyst can be accurately detected.

また、本発明によるカソードガスの欠乏を検知する方法は、電圧の低下を検出することによるガス欠の検知方法と組み合わせることができる。これによれば、電圧の低下を招いているガス欠がアノードガスの欠乏なのか、或いはカソードガスの欠乏なのか判定することができ、適切な対策を講じることができる。また、セルモニタによる単セル毎の電圧の検出と組み合わせれば、カソードガスが欠乏している単セルを特定することもできる。 In addition, the method for detecting the depletion of cathode gas according to the present invention can be combined with the method for detecting the depletion of gas by detecting a decrease in voltage. According to this, it can be determined whether the lack of gas causing the voltage drop is the lack of anode gas or the lack of cathode gas, and appropriate measures can be taken. Further, when combined with the detection of the voltage for each single cell by the cell monitor, it is possible to specify a single cell in which the cathode gas is deficient.

本発明が適用される燃料電池システムの概略構成を示す図である。1 is a diagram showing a schematic configuration of a fuel cell system to which the present invention is applied. 燃料電池スタックの内部構造とそこで起きている現象を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the internal structure of a fuel cell stack, and the phenomenon which has occurred there. 本発明の実施の形態１における検出部の構成を詳細に示す図である。It is a figure which shows the structure of the detection part in Embodiment 1 of this invention in detail. 本発明の実施の形態２における検出部の構成を詳細に示す図である。It is a figure which shows the structure of the detection part in Embodiment 2 of this invention in detail. 本発明の実施の形態３における検出部の構成を詳細に示す図である。It is a figure which shows the structure of the detection part in Embodiment 3 of this invention in detail. 本発明の実施の形態４における検出部の構成を詳細に示す図である。It is a figure which shows the structure of the detection part in Embodiment 4 of this invention in detail. 本発明の実施の形態５における検出部の結露対策を説明するための説明図である。It is explanatory drawing for demonstrating the countermeasure against dew condensation of the detection part in Embodiment 5 of this invention. 本発明の実施の形態６における検出部の配置を説明するための説明図であるIt is explanatory drawing for demonstrating arrangement | positioning of the detection part in Embodiment 6 of this invention.

Explanation of symbols

２燃料電池スタック
４単セル
４Ａカソードガスが欠乏している単セル
４Ｂ正常な単セル
１０アノードガス供給管
１２カソードガス供給管
１４アノードオフガス排出管
１６カソードオフガス排出管
２０検出部
２２熱電対
２４触媒
２６ヒータ
３０監視装置
４０電解質膜
４２カソード
４４アノード
４６，４８セパレータ
５０カソードガス流路
５２アノードガス流路
５４カソードガス供給マニホールド
５６カソードオフガス排出マニホールド
６０触媒
６２，６４温度計
６６パイプ
６８熱電対
７０ヒータ
７２熱交換器
７４気液分離器
７６バタフライ弁
７８バイパス管
2 Fuel cell stack 4 Single cell 4A Single cell 4B in which the cathode gas is deficient Normal single cell 10 Anode gas supply pipe 12 Cathode gas supply pipe 14 Anode off gas discharge pipe 16 Cathode off gas discharge pipe 20 Detector 22 Thermocouple 24 Catalyst 26 Heater 30 Monitoring device 40 Electrolyte membrane 42 Cathode 44 Anode 46, 48 Separator 50 Cathode gas flow path 52 Anode gas flow path 54 Cathode gas supply manifold 56 Cathode off-gas discharge manifold 60 Catalyst 62, 64 Thermometer 66 Pipe 68 Thermocouple 70 Heater 72 Heat exchanger 74 Gas-liquid separator 76 Butterfly valve 78 Bypass pipe

Claims

A fuel cell stack configured by laminating a plurality of single cells each having a proton conductive electrolyte membrane;
A cathode offgas passage through which the cathode offgas discharged from the fuel cell stack flows;
Anode gas detection means for detecting the anode gas flowing through the cathode off gas passage;
When the anode gas is detected by the anode gas detection means, cathode gas deficiency determination means for determining that some of the plurality of single cells constituting the fuel cell stack are deficient in cathode gas;
A fuel cell system comprising:

2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the anode gas detection means is means for directly reacting the anode gas and an unreacted cathode gas contained in the cathode off gas and detecting heat generated by the reaction.

The said anode gas detection means contains the catalyst arrange | positioned in the said cathode off gas channel | path, The anode gas and the unreacted cathode gas contained in cathode off gas are made to react directly on the said catalyst. Fuel cell system.

4. The fuel cell system according to claim 3, wherein the anode gas detection means includes a temperature sensor directly connected to the catalyst, and the heat generation on the catalyst is directly detected by the temperature sensor.

The anode gas detection means includes an upstream temperature sensor disposed upstream of the catalyst and a downstream temperature sensor disposed downstream of the catalyst, and the upstream temperature sensor and the downstream temperature sensor 4. The fuel cell system according to claim 3, wherein heat generation on the catalyst is detected based on a temperature difference between the measured temperatures.