JPH08298129A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 運転中のいわゆるＣＯ被毒を未然に検出する
燃料電池システムを提供する。 【構成】 燃料電池のアノード１ａにガス供給管２１と
排ガス管３１が、カソード１ｂに酸化剤供給管２２と排
気管３２がそれぞれ接続されている。ガス供給管２１に
は、燃料ガス（アノード供給ガス）中の一酸化炭素濃度
を検出する検出器２３が設けられている。排ガス管３１
には、排ガス（アノード排出ガス）の流量を検出する検
出器３３、排ガス中の水素濃度を検出する検出器３４及
び排ガス中の一酸化炭素濃度を検出する検出器３５が設
けられている。各検出器それぞれの検出信号は信号線に
よって演算器５０に入力される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、燃料電池システムの改
良に関するもので、特に、運転中のいわゆるＣＯ被毒を
未然に検出するものに係る。

【０００２】

【従来の技術】従来から、燃料の有する化学エネルギー
を直接電気エネルギーに変換する装置として、燃料電池
が知られている。この燃料電池は、一般的に多孔質材料
を使用した一対の電極、即ちアノードとカソード間に電
解質を保持する電解質層を挟み、アノードの背面に水素
リッチガスなどの燃料ガスを接触させると共に、カソー
ドの背面に酸素ガスや空気などの酸化剤を接触させ、こ
のときに生じる電気化学反応を利用して前記電極間から
電気エネルギーを取り出すように構成した装置である。
電解質としては、酸性溶液、溶融炭酸塩、アルカリ溶液
などがあるが、現在は、リン酸を用いたリン酸型燃料電
池が最も実用的と考えられる。

【０００３】図１０は、この種の燃料電池のうち、電解
質としてリン酸を使用したリン酸型燃料電池の構成の一
例を示す斜視図である。この図に示すように、燃料電池
本体には、発電のための単位電池１がセパレーター３を
介して複数個積層されてなる燃料電池スタック２が設け
られている。

【０００４】単位電池１は、多孔質材料を使用した一対
のアノード１ａとカソード１ｂが、リン酸を含浸した電
解質層１ｃを挟んで構成されている。この一対の電極１
ａ、１ｂには、それぞれ電解質層１ｃと対向する面に、
白金などによる触媒が塗布されている。そして、アノー
ド１ａの背面には、燃料ガスとして水素リッチガスが流
通するガス流路が、一方カソード１ｂの背面には、酸化
剤として空気が流通する酸化剤流路が、それぞれ形成さ
れている。

【０００５】この単位電池１とセパレーター３とを交互
に複数個積層し、一定数積層するごとに冷却板４を挿入
する。セパレーター３は、アノード１ａとカソード１ｂ
それぞれに供給されるガスを区分とすると共に、単位電
池１間の電気的接続を確保するように構成されている。

【０００６】また、冷却板４は、内部に水など冷媒を流
すことにより、単位電池１で起こる電気化学反応に伴っ
て生じる熱を除去し、スタック２の温度を一定に保つよ
うに構成されている。また、スタック２には、スタック
２で生じた電流を取り出すために、この上下の端部に集
電板６が配置さている。

【０００７】一方、スタック２の側面には、スタック２
に燃料ガスと酸化剤ガスを供給・排出するガスマニホー
ルド５が配置されている。各ガスマニホールド５は、そ
れぞれ、ガス流路や酸化剤流路の入口及び出口に対応
し、ガスや酸化剤の各供給管や排出管に接続されてい
る。

【０００８】一般に、電極１ａ及び１ｂ、セパレーター
３、冷却板４はいずれも、炭素を材料として作られてい
る。炭素を用いる理由は、耐リン酸性（耐蝕性）、耐熱
性、電気伝導性、熱伝導性に優れ、かつ低コストで製作
できるためである。

【０００９】以上のような構成を有するリン酸型燃料電
池では、各単位電池において、アノード１ａに供給され
た水素が、アノード１ａに塗布された触媒の作用によ
り、次のような反応を生じる。

【化１】 Ｈ₂ → ２Ｈ⁺ ＋ ２ｅ … 化学式１ この水素の解離反応により発生した水素イオン（Ｈ⁺ ）
は、電解質層１ｃに保持されたリン酸中を移動し、カソ
ード１ｂに達する。一方、電子（ｅ^- ）は、アノード１
ａから外部回路を流れ、電力負荷を通って、仕事を行
い、カソード１ｂに達する。そして、アノード１ａから
移動してきた水素イオン（Ｈ⁺ ）と、カソード１ｂに供
給された酸素（Ｏ₂ ）と外部回路で仕事をしてきた電子
（ｅ^- ）とにより、カソード１ｂに塗布された触媒の作
用によって、次のような反応が起こる。

【００１０】

【化２】 ４Ｈ⁺ ＋Ｏ₂ ＋４ｅ^- → ２Ｈ₂ Ｏ …化学式２ 従って、単位電池１では、水素が酸化されて水になると
共に、この時の化学エネルギーが外部の電力負荷に与え
る電気エネルギーとなる。このようにして、単位電池と
しての反応が完結する。なお、上記の単位電池１におけ
る反応は発熱反応であるが、これは、スタック２内に挿
入されている冷却板４によって冷却される。

【００１１】また、実際のリン酸型燃料電池では通常、
燃料ガスとしては、主としてメタン（ＣＨ₄ ）からなる
天然ガスに水蒸気（Ｈ₂ Ｏ）を加えて加熱し、次の反応
によって発生させた水素を用いる。

【００１２】

【化３】 ＣＨ₄ ＋Ｈ₂ Ｏ → ３Ｈ₂ ＋ＣＯ … 化学式３

【化４】 ＣＯ ＋Ｈ₂ Ｏ → Ｈ₂ ＋ＣＯ₂ … 化学式４ この反応では、水素と共に二酸化炭素（ＣＯ₂ ）も同時
に発生する。従って、燃料電池に供給されるガスは水素
と二酸化炭素、及び僅かな未反応メタンや一酸化炭素
（ＣＯ）からなる混合ガスである。以下では、この混合
ガスを燃料ガス又は水素リッチガスと称する。

【００１３】ところで、二酸化炭素とメタンは電気化学
的に不活性であるので、燃料電池に供給されてもアノー
ド１ａで生じる反応を阻害することはない。

【００１４】一方、一酸化炭素は、アノード１ａに塗布
されているＰｔ触媒に対して水素より強い吸着を有する
ため、前記化学式１に示す反応が生じるＰｔの活性点に
優先的に吸着されこれを被覆する。この結果、前記化学
式１の反応が生じるＰｔ面積が減少することで電池電圧
が低下する、いわゆるＣＯ被毒効果を有することが、文
献等で報告されている。従って、リン酸型燃料電池シス
テムにおいては、アノード１ａに供給される燃料ガス中
のＣＯ濃度は、所定の微小値以下（通常１％以下）を満
足するように、発電運転が実施される。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、燃料電池が
発電を行うためには、各電極１ａ、１ｂにそれぞれ反応
ガスを、要求される電流に対応するような量で供給す
る。この時、水素リッチガスの供給されるアノード１ａ
入口付近は、水素リッチガス中のＨ₂ 濃度が高いため、
前記化学式１の反応が進行しやすく、電流密度が集中し
発熱量が大きくなり電極温度も高くなる。一方、アノー
ド１ａ出口付近では、Ｈ₂ が消費されていて水素リッチ
ガス中のＨ₂ 濃度は低く、化学式１の反応が進行しにく
い。このため、発熱量も小さくなり、この部分の電極温
度は低くなる。このように、アノード１ａにおいて入口
から出口にかけて、電流密度勾配に伴う温度勾配が発生
する。

【００１６】文献等では、アノード触媒被毒効果は、電
池温度が低いほど、電流密度が大きいほど、一酸化炭素
濃度が高いほど顕著であることが報告されている。これ
は、アノード１ａのＰｔ触媒上にＨ₂ よりＣＯが優先的
に吸着することにより反応サイトが減少（活性触媒面積
の減少）し、前記化学式１の反応進行が制御されるため
であり、その効果は温度とＣＯ濃度に依存する。

【００１７】ここで、アノード１ａ上におけるＣＯ濃度
に注目すると、ガス流路に沿って水素は消費されていく
ので、相対的にＣＯ濃度は増大する。従って、先述した
ようにアノード１ａの出口付近では温度が低くなり、か
つ、ＣＯ濃度が高くなり、この部分がＣＯ被毒の影響を
最も多く受ける。この結果、前記化学式１の反応進行が
より制御され、アノード１ａにおける入口から出口へか
けて、電流密度勾配に伴う温度勾配が一層大きくなる。

【００１８】このような因果関係が繰り返されてアノー
ド１ａのガス流路入口付近での温度上昇によりアノード
１ａが高温になると、電池に蓄えられているリン酸電解
質が蒸発したり触媒等の劣化が加速するので、電池の寿
命が短縮する場合も考えられる。

【００１９】また、燃料電池システムで長時間発電運転
を行った場合、改質器の触媒が経時的に劣化していくた
め、前記化学式３，４の反応進行が低減し、Ｈ₂ 濃度の
低下及びＣＯ濃度の増大が進行する。また、同様に電池
本体の触媒も経時的に劣化するため、電池特性が低下
し、出力制御（出力制御の場合、電池電圧が低下する
と、出力を保持するため負荷電流を増大する）に伴い負
荷電流は増大する。これら、ＣＯ濃度の増大、電流密度
の増大は、アノード１ａのＣＯ被毒効果を増大させるた
め、アノード１ａにおける電流密度勾配に伴う温度勾配
をより一層拡大し、これによって電池寿命が一層短縮さ
れる。

【００２０】ＣＯ被毒により最も温度が低い電池の出口
部分では、前記化学式１の反応が進行せず、アノード電
位がカソード電位より高くなる現象である転極現象の局
部的発生の可能性も考えられる。例えば、アノード電位
が０．８Ｖ以上となる場合、この部分に対向するカソー
ド１ｂ部分においてＨ⁺ の供給が行われないため、代わ
りに次のような電極、セパレーター、及び冷却板の材料
である炭素を腐食する反応を引起こし、Ｈ⁺ を生成す
る。

【化５】 Ｃ ＋ ２Ｈ₂ Ｏ → ＣＯ₂ ＋ ４Ｈ⁺ ＋ ４ｅ

【化６】 Ｃ ＋ Ｈ₂ Ｏ → ＣＯ ＋ ２Ｈ⁺ ＋ ２ｅ この反応が進行すると、炭素腐食などによって燃料電池
の主な構成材料に減少が生じ、燃料電池の運転に支障が
生じることも考えられる。

【００２１】本発明は、上記のような従来技術の問題点
を解決するために提案されたもので、その目的は、運転
中のいわゆるＣＯ被毒を未然に検出する燃料電池システ
ムを提供することにある。また、本発明の他の目的は、
燃料電池を迅速に保護する燃料電池システムを提供する
ことである。

【００２２】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、請求項１の発明は、電解質をサンドイッチするア
ノード及びカソードと、前記アノードに水素を含む燃料
ガスを接触させるためのガス流路と、前記カソードに酸
化剤を接触させるための酸化剤流路と、を含む単位電池
を１又は２以上有し、前記ガス流路入口に前記燃料ガス
を供給するためのガス供給管と、前記酸化剤流路入口に
前記酸化剤を供給するための酸化剤供給管と、前記ガス
流路出口から反応済の前記燃料ガスである排ガスを排出
するための排ガス管と、前記酸化剤流路出口から反応済
の前記酸化剤である排気を排出するための排気管と、を
有する燃料電池システムにおいて、前記ガス供給管に設
けられ前記燃料ガス中の一酸化炭素濃度を検出する第１
の検出器と、前記濃度が所定の許容値を超えたときに異
常を表す異常信号を発生する演算器と、を有することを
特徴とする。

【００２３】また、請求項２の発明は、電解質をサンド
イッチするアノード及びカソードと、前記アノードに水
素を含む燃料ガスを接触させるためのガス流路と、前記
カソードに酸化剤を接触させるための酸化剤流路と、を
含む単位電池を１又は２以上有し、前記ガス流路入口に
前記燃料ガスを供給するためのガス供給管と、前記酸化
剤流路入口に前記酸化剤を供給するための酸化剤供給管
と、前記ガス流路出口から反応済の前記燃料ガスである
排ガスを排出するための排ガス管と、前記酸化剤流路出
口から反応済の前記酸化剤である排気を排出するための
排気管と、を有する燃料電池システムにおいて、前記排
ガスの流量・水素濃度・一酸化炭素濃度、前記ガス流路
出口の温度、燃料電池システムの負荷電流をそれぞれ検
出する第２の各検出器と、前記各検出結果に基づいて、
一酸化炭素存在時において前記燃料ガス流路出口付近の
電池電圧が０Ｖとなる水素分子利用率を指標として算出
し、この指標が燃料電池システムの設計上の所定の基準
値未満となったときに異常信号を発生する第２の演算器
を有することを特徴とする。

【００２４】また、請求項３の発明は、請求項２記載の
燃料電池システムにおいて、複数の前記単位電池と、１
又は２以上の前記各単位電池ごとに設けられ反応熱を冷
却するための冷却板を有し、前記ガス流路出口部分の温
度を検出する前記第２の検出器は、前記冷却板と隣接す
る少なくとも１枚の単位電池のガス流路出口に設けられ
たことを特徴とする。

【００２５】また、請求項４の発明は、請求項２記載の
燃料電池システムにおいて、前記燃料ガスの流量と前記
燃料ガス中の水素濃度とを検出する第３の各検出器を有
し、前記第２の演算器は、これら流量及び水素濃度とと
もに前記各検出結果を用い、前記基準値として燃料電池
全体における実際の水素分子利用率を算出するように構
成されたことを特徴とする。

【００２６】また、請求項５の発明は、請求項１又は２
記載の燃料電池システムにおいて、前記異常信号の発生
を報知する報知手段を有することを特徴とする。

【００２７】また、請求項６の発明は、請求項１又は２
記載の燃料電池システムにおいて、前記異常信号の発生
の連続が所定の許容時間を超えたときに運転状態を制御
する制御手段を有することを特徴とする。

【００２８】また、請求項７の発明は、請求項６記載の
燃料電池システムにおいて、前記演算器は前記濃度が所
定の第２の許容値を超えたときに第２の異常信号を発生
するように構成され、前記制御手段は、前記第２の異常
信号が発生したときに運転状態を制御するように構成さ
れたことを特徴とする。

【００２９】

【作用】上記のような構成を有する本発明は、次のよう
な作用を有する。すなわち、請求項１の発明では、発電
中、燃料ガス中の一酸化炭素濃度を検出し、濃度が所定
の許容値を超えたときに異常信号が発生する。このた
め、異常信号に基づいて適切な措置を講じることによ
り、ＣＯ被毒による温度勾配の増大や高温による電解質
の蒸発や触媒等の劣化を最小限に抑制し、燃料電池本体
の信頼性の向上や長寿命化を図ることができる。

【００３０】また、請求項２の発明では、一酸化炭素存
在時において燃料ガス流路出口付近の電池電圧が０Ｖと
なる水素分子利用率を指標として算出し、算出されたこ
の指標と設計上の所定の基準値を比較している。ここ
で、指標が基準値未満になるという現象は、出口部分の
転極現象による化学反応によって水素分子が発生し、ガ
スに水素分子が補充されていることを意味している。こ
のため、このような場合に異常信号を発すれば、適切な
措置を講じられる結果、出口部分での局部的な転極現象
について未然防止や損傷の防止が可能となる。

【００３１】また、一般にＣＯ被毒は温度が低いほど著
しくなるが、請求項３の発明では、冷却板と隣接するた
め低温となる単位電池のガス流路出口に温度の検出器が
設けられている。このため、ＣＯ被毒を受けやすい部分
の温度を検出することとなり、ＣＯ被毒を優れた精度で
把握することが可能となる。

【００３２】また、請求項４の発明では、指標を実際の
水素分子利用率と比較している。このようにすれば、指
標を設計上の基準値と比較する場合と比べて、長期の運
転による改質器触媒劣化などによって、水素分子利用率
が設計値に対して変化や誤差を生じている場合も、正し
く状態を判断できる。

【００３３】また、請求項５の発明では、異常信号の発
生が音や光などを用いて燃料電池システムのオペレータ
に報知されることにより、必要な措置を講じることが容
易になる。

【００３４】また、請求項６の発明では、オペレータに
よる即応が困難な場合でも、燃料電池システムの運転を
停止したり出力を低減するなど運転状態の自動制御によ
って迅速に燃料電池システムを保護することができる。

【００３５】また、請求項７の発明では、一酸化炭素濃
度が前記許容値よりも高い所定の第２の許容値を超えた
ときは、制御手段によって燃料電池システムの運転状態
が自動制御されるので、オペレータによる対応を待たず
に迅速に燃料電池システムが保護される。

【００３６】

【実施例】以下、本発明の燃料電池システムの一実施例
について、図面を参照して具体的に説明する。なお、下
記各実施例は図１０に示す従来技術と同一の構成を含ん
でいる。したがって、従来技術と同一の部分には同一の
符号を付し、説明は省略する。

【００３７】（１）第１実施例の構成 本実施例は、請求項１〜３，５〜７に対応する燃料電池
システムであり、その目的は、運転中のいわゆるＣＯ被
毒を未然に検出する燃料電池システムを提供することに
ある。また、本実施例の他の目的は、燃料電池を迅速に
保護する燃料電池システムを提供することである。

【００３８】まず、図１は、本発明の実施例の燃料電池
システムの構成を示す機能ブロック図である。本実施例
では、この図に示すように、燃料電池のアノード１ａに
ガス供給管２１と排ガス管３１が、カソード１ｂに酸化
剤供給管２２と排気管３２がそれぞれ接続されている。
ガス供給管２１、酸化剤供給管２２には、それぞれ、流
量を調節する流量調節弁９、１０が設けられている。

【００３９】また、ガス供給管２１には、燃料ガス（ア
ノード供給ガス）中の一酸化炭素濃度を検出する検出器
２３が設けられている。一方、排ガス管３１には、排ガ
ス（アノード排出ガス）の流量を検出する検出器３３、
排ガス中の水素濃度を検出する検出器３４及び排ガス中
の一酸化炭素濃度を検出する検出器３５が設けられてい
る。

【００４０】また、燃料電池スタック２から取り出され
た直流電流は電流線４０を通り、開閉器４１を経てイン
バーター４２により交流電流に変換され、外部の電流負
荷（図示せず）に供給される。電流線４０には、燃料電
池から取り出される電流値を検出する検出器４３が配置
されている。

【００４１】次に、図２は、電池スタック２のガス流路
出口部分を示す斜視図である。この図に示すように、本
実施例では、電池スタック２に配置された冷却板４と隣
接する少なくとも１枚の単位電池１のガス流路出口部分
にガス流路出口部分の温度を検出する検出器４５が設け
られている。なお、燃料電池積層体２は図１０に示すよ
うに単電池とセパレーターおよび冷却板を複数個積層し
て構成されるが、ここでは簡略化して一つの単電池のみ
を示して燃料電池積層体全体を代表させる。

【００４２】各検出器２３，３３，３４，３５，４３及
び４５それぞれの検出信号は信号線によって演算器５０
に入力される。なお、検出器３３，３４，３５，４３及
び４５は、前記第２の検出器に相当するものである。ま
た、本実施例では、演算器５０から異常信号が発生した
ときに、オペレータへの異常の報知や燃料電池システム
の自動制御を行う保護装置５１（前記報知手段及び前記
制御手段に相当するもの）が設けられている。

【００４３】（２）第１実施例の作用及び効果 上記のような構成を有する本実施例は次のような作用を
有する。

【００４４】［ガス流路入口に関する処理］まず、ガス
流路入口では、発電運転中、検出器２３が燃料ガス中の
一酸化炭素濃度を連続的に検出し、その検出値を演算器
５０に順次送信する。そして、演算器５０が、その検出
値と予め設定された一酸化炭素濃度の許容値との比較を
繰り返し行う。

【００４５】この時の一酸化炭素濃度許容値は、図３に
示す燃料ガス中の一酸化炭素濃度と電池温度の分布特性
から決定され、具体的には、電池温度最高点が電池温度
許容値を越えない一酸化炭素濃度を用いる。すなわち、
図３に示すように、アノード触媒のＣＯ被毒は温度が低
いほど、また一酸化炭素濃度が高いほど顕著であり、ガ
ス流路に沿った温度勾配は、燃料ガス中の一酸化炭素濃
度増大に伴い顕著となる。最高点温度の許容値は、触媒
劣化、リン酸蒸発等の条件に基づいて定めればよい。

【００４６】そして、演算器５０は、一酸化炭素の検出
値が許容値を超えた場合、異常を表す異常信号を発生す
る。このため、異常信号に基づいて適切な措置を講じる
ことにより、ＣＯ被毒による温度勾配の増大や高温によ
る電解質の蒸発や触媒等の劣化を最小限に抑制し、燃料
電池本体の信頼性の向上や長寿命化を図ることができ
る。

【００４７】［ガス流路出口に関する処理］また、ガス
流路出口では、発電運転中、各検出器３３，３４，３
５，４３及び４５が、排ガスの流量・水素濃度・一酸化
炭素濃度、燃料電池の負荷電流、ガス流路出口の温度
を、それぞれ連続的に検出し、その検出値を演算器５０
に送信する。

【００４８】演算器５０では、ガス流路出口部分の電池
電圧が０Ｖとなる一酸化炭素存在下の水素分子利用率を
指標として算出し、その算出値と予め設定された水素分
子利用率の基準値を比較する。

【００４９】図４は、本発明の第１実施例における指標
の算出と、指標と基準値の比較のための処理手順の概略
を示すフローチャートである。すなわち、この手順で
は、入力された検出値から（ステップ１）、ガス流路出
口部分の限界電流密度値を算出し（ステップ２）、この
限界電流密度値より指標を導出し（ステップ３）、運転
条件Ｈ2 利用率と比較する（ステップ４）。

【００５０】また、図５は、本発明の第１実施例におけ
る指標の算出と、指標と基準値の比較のための処理手順
の具体例を示すフローチャートである。このようにガス
流路出口部分の限界電流密度を用いるのは、燃料電池ス
タック２において、最も一酸化炭素濃度が高くなる部分
だからであり、また、冷却板に隣接する単位電池を用い
るのは、最も温度が低くなることでアノード触媒が最も
ＣＯ被毒の影響を受けやすい部分だからである。

【００５１】なお、この限界電流密度の算出は、発明者
らが行った燃料ガス中の一酸化炭素濃度をパラメータと
し、燃料ガスの流量とアノード限界電流密度の関係試験
により導出した実験式より求めるものである。図６は、
その実験結果の一例を示すもので、この図に示すよう
に、燃料ガスの一酸化炭素濃度が増大するに伴って限界
電流密度が小さくなり、この傾向は電池温度に依存す
る。この図６の結果を基に、発明者らは下記の関係式を
実験的に導いた。

【数１】ｉ_lim ＝ｆ（ｔ，Ｆ，Ｃ_H2，Ｃ_CO）…数式１

【００５２】ここで、 ｉ_lim ：アノード限界電流密度 ｔ ：電池温度 Ｆ_lim ：電池電圧が０Ｖとなる場合のアノード供給ガス
流量 Ｃ_H2 ：アノード供給ガスＨ₂ 濃度 Ｃ_CO ：アノード供給ガスＣＯ濃度 前記数式１で得た限界電流密度値を次式に示すＨ₂ 利用
率算出式に代入すれば、指標が導出される。

【数２】 ここで、 Ｆ：ファラデー数（９６４８６Ｃ／mol ） Ｓ：単位電池有効面積（ｃｍ² ） つまり、検出器３３，３４，３５，４５の検出値を、そ
れぞれ対応する前記数式１のＦ_lim 、Ｃ_H2、Ｃ_CO、ｔに
代入することで、アノード触媒が最もＣＯ被毒の影響を
受ける部分の指標の導出が達成できる。

【００５３】このように、第１実施例では、一酸化炭素
存在時において燃料ガス流路出口付近の電池電圧が０Ｖ
となる水素分子利用率を指標として算出し、算出された
この指標と所定の基準値を比較している。ここで、指標
が基準値未満になるという現象は、出口部分の転極現象
による化学反応によって水素分子が発生し、ガスに水素
分子が補充されていることを意味している。ここで、図
７は、転極現象発生の条件を示す特性図である。

【００５４】このような場合に異常信号を発すれば、適
切な措置を講じられる結果、出口部分での局部的な転極
現象について未然防止や損傷の防止が可能となる。

【００５５】［異常信号の取扱い］本実施例では、上記
のように異常信号が発生した場合、保護装置５１によっ
て、異常信号の発生を音や光などを用いて燃料電池シス
テムのオペレータに報知するので、必要な措置を講じる
ことが容易になる。また、本実施例では、保護装置５１
によって、オペレータによる即応が困難な場合でも、燃
料電池システムの運転を停止したり出力を低減するなど
運転状態の自動制御を行うので、迅速に燃料電池システ
ムを保護することができる。

【００５６】さらに、一酸化炭素濃度など所定の数値に
ついて、前記異常信号の条件となる許容値のほかに、第
２の許容値を定めておき、数値がこの第２の許容値を超
えたときに第２の異常信号を発生するようにしてもよ
い。そして、制御手段によって、この第２の異常信号が
発生したときに燃料電池システムの運転状態を制御する
ように構成してもよい。このようにすれば、一酸化炭素
濃度が非常に高くなった場合、制御手段によって燃料電
池システムの運転状態が自動制御されるので、オペレー
タによる対応を待たずに迅速に燃料電池システムが保護
される。

【００５７】これらの動作は、演算器の発する各信号に
基づいて専用の保護装置が燃料電池の制御系に必要な運
転信号を与えることで実現することができる。

【００５８】（３）第２実施例 第１実施例と略同様の構成において、図８に示すよう
に、ガス供給管２１に燃料ガスの流量を検出する検出器
２４及び燃料ガス中の水素濃度を検出する検出器２５を
設けることによって、負荷電流率の他に、供給ガスの流
量及び水素濃度を得て、設計上の基準値の代りに、燃料
電池全体での実際の水素分子利用率を算出してもよい
（請求項４に対応する）。なお、検出器２４，２５は、
前記第３の各検出器に相当する。

【００５９】ここで、図９は、第２実施例における演算
器の処理手順を示すフローチャートである。すなわち、
この手順では、指標を実際の利用率と比較している。こ
のようにすれば、指標を設計上の基準値と比較する場合
と比べて、長期の運転による改質器触媒劣化などによっ
て、Ｈ₂ 利用率が設計値に対して変化や誤差を生じてい
る場合も、正しく状態を判断できる。

【００６０】この場合も、実際の利用率を指標が超えた
場合は、異常として、警報や自動制御などの動作を実行
すればよい。

【００６１】（４）他の実施例 本発明は上記実施例に限定されるものではなく、実施態
様の変更は自由であるから、次に例示するような他の実
施例をも包含するものである。例えば、燃料電池の具体
的構成は自由であり、単位電池の数や冷却板の数なども
自由に定めることができる。また、異常信号のフォーマ
ットや制御手段の具体的構成も自由である。例えば、Ｃ
Ｏ被毒に関する専用の制御手段や報知手段を設けてもよ
いし、燃料電池システムに関する他の要素の制御手段に
シーケンスを付加することによって本発明の制御手段を
実現してもよい。また、検出器の型式や信号のフォーマ
ットなども自由に変更することができる。また、各種演
算の具体的手順も自由に変更することができる。

【００６２】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、運
転中のいわゆるＣＯ被毒を未然に検出することができる
ので、燃料電池システムの信頼性や寿命が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の構成を示す機能ブロック
図

【図２】本発明の第１実施例における電池スタック２の
ガス流路出口部分を示す斜視図

【図３】燃料ガス中のＣＯ濃度と電池温度分布を示す特
性図

【図４】本発明の第１実施例における指標の算出と、指
標と基準値の比較のための処理手順の概略を示すフロー
チャート

【図５】本発明の第１実施例における指標の算出と、指
標と基準値の比較のための処理手順の具体例を示すフロ
ーチャート

【図６】燃料ガスの流量とアノード限界電流密度の関係
を示す実験データを表す図

【図７】転極現象発生の条件を示す特性図

【図８】本発明の第２実施例の燃料電池システムの構成
を示す機能ブロック図

【図９】本発明の第２実施例における演算器の処理手順
を示すフローチャート

【図１０】従来及び本発明の燃料電池システムにおける
電池スタックの構成を示す斜視図

【符号の説明】

１…単位電池 １ａ…アノード １ｂ…カソード １ｃ…電解質 ２…電池スタック ３…セパレータ ４…冷却板 ５…ガスマニホールド ６…集電板 ９，１０…調節弁 ２１…ガス供給管 ２２…酸化剤供給管 ２３，２４，２５，３３，３４，３５，４３，４５…検
出器 ３１…排ガス管 ３２…排気管 ４０…電流線 ４１…開閉器 ４２…インバーター ５０…演算器 ５１…保護装置

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電解質をサンドイッチするアノード及び
   カソードと、 前記アノードに水素を含む燃料ガスを接触させるための
   ガス流路と、 前記カソードに酸化剤を接触させるための酸化剤流路
   と、 を含む単位電池を１又は２以上有し、 前記ガス流路入口に前記燃料ガスを供給するためのガス
   供給管と、 前記酸化剤流路入口に前記酸化剤を供給するための酸化
   剤供給管と、 前記ガス流路出口から反応済の前記燃料ガスである排ガ
   スを排出するための排ガス管と、 前記酸化剤流路出口から反応済の前記酸化剤である排気
   を排出するための排気管と、 を有する燃料電池システムにおいて、 前記ガス供給管に設けられ前記燃料ガス中の一酸化炭素
   濃度を検出する第１の検出器と、 前記濃度が所定の許容値を超えたときに異常を表す異常
   信号を発生する演算器と、 を有することを特徴とする燃料電池システム。
2. 【請求項２】 電解質をサンドイッチするアノード及び
   カソードと、 前記アノードに水素を含む燃料ガスを接触させるための
   ガス流路と、 前記カソードに酸化剤を接触させるための酸化剤流路
   と、 を含む単位電池を１又は２以上有し、 前記ガス流路入口に前記燃料ガスを供給するためのガス
   供給管と、 前記酸化剤流路入口に前記酸化剤を供給するための酸化
   剤供給管と、 前記ガス流路出口から反応済の前記燃料ガスである排ガ
   スを排出するための排ガス管と、 前記酸化剤流路出口から反応済の前記酸化剤である排気
   を排出するための排気管と、 を有する燃料電池システムにおいて、 前記排ガスの流量・水素濃度・一酸化炭素濃度、前記ガ
   ス流路出口の温度、燃料電池システムの負荷電流をそれ
   ぞれ検出する第２の各検出器と、 前記各検出結果に基づいて、一酸化炭素存在時において
   前記燃料ガス流路出口付近の電池電圧が０Ｖとなる水素
   分子利用率を指標として算出し、この指標が燃料電池シ
   ステムの設計上の所定の基準値未満となったときに異常
   信号を発生する第２の演算器を有することを特徴とする
   燃料電池システム。
3. 【請求項３】 複数の前記単位電池と、 １又は２以上の前記各単位電池ごとに設けられ反応熱を
   冷却するための冷却板を有し、 前記ガス流路出口部分の温度を検出する前記第２の検出
   器は、前記冷却板と隣接する少なくとも１枚の単位電池
   のガス流路出口に設けられたことを特徴とする請求項２
   記載の燃料電池システム。
4. 【請求項４】 前記燃料ガスの流量と前記燃料ガス中の
   水素濃度とを検出する第３の各検出器を有し、 前記第２の演算器は、これら流量及び水素濃度とともに
   前記各検出結果を用い、前記基準値として燃料電池全体
   における実際の水素分子利用率を算出するように構成さ
   れたことを特徴とする請求項２記載の燃料電池システ
   ム。
5. 【請求項５】 前記異常信号の発生を報知する報知手段
   を有することを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電
   池システム。
6. 【請求項６】 前記異常信号の発生の連続が所定の許容
   時間を超えたときに運転状態を制御する制御手段を有す
   ることを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池シス
   テム。
7. 【請求項７】 前記演算器は前記濃度が所定の第２の許
   容値を超えたときに第２の異常信号を発生するように構
   成され、 前記制御手段は、前記第２の異常信号が発生したときに
   運転状態を制御するように構成されたことを特徴とする
   請求項６記載の燃料電池システム。