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JP2002520778A - Sensor cells for electrochemical fuel cell stacks - Google Patents

Sensor cells for electrochemical fuel cell stacks

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Publication number
JP2002520778A
JP2002520778A JP2000558584A JP2000558584A JP2002520778A JP 2002520778 A JP2002520778 A JP 2002520778A JP 2000558584 A JP2000558584 A JP 2000558584A JP 2000558584 A JP2000558584 A JP 2000558584A JP 2002520778 A JP2002520778 A JP 2002520778A
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JP
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fuel
fuel cell
sensor
sensor cell
cell
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Application number
JP2000558584A
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Japanese (ja)
Inventor
ウィルキンソン、デビッド、ピー
ナイツ、シャンナ、ディ
ラウリツェン、マイケル、ブイ
Original Assignee
バラード パワー システムズ インコーポレイティド
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Filing date
Publication date
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Abstract

(57)【要約】 電気化学的燃料電池スタックは、複数の燃料電池を有する。燃料電池の少なくとも一つはセンサー電池である。センサー電池は、複数の残余の燃料電池とは異なった少なくとも一つの構造的相異点を有する。その構造的相異点には、例えば、減少したセンサー電池電気化学的活性領域、減少した電極触媒添加量、修正アノード又はカソード流通領域、異なった電極触媒組成物、又は修正冷却剤流通領域形態が含まれる。センサー電池は、スタック中の残余の電池と実質的に同じ条件下で作動する。しかし、特定のスタック作動条件の変化に呼応して、電気的又は熱的応答、好ましくは電圧変化がセンサー電池に誘発され、それは残余の燃料電池では同時には起きない。従って、センサー電池は望ましくない条件を検出することができ、その応答を用いて補正作用を開始させることができる。異なった種類の条件に対し特定化された一つより多くのセンサー電池をスタック中に用いてもよい。望ましくない条件が存在しない場合には、センサー電池は電力発生燃料電池としての機能を果たすことができる。 (57) [Summary] An electrochemical fuel cell stack has a plurality of fuel cells. At least one of the fuel cells is a sensor cell. The sensor cell has at least one structural difference that differs from the plurality of residual fuel cells. The structural differences include, for example, a reduced sensor cell electrochemically active area, a reduced electrocatalyst loading, a modified anode or cathode flow area, a different electrocatalyst composition, or a modified coolant flow area configuration. included. The sensor cell operates under substantially the same conditions as the remaining cells in the stack. However, in response to changes in specific stack operating conditions, an electrical or thermal response, preferably a voltage change, is induced in the sensor cell, which does not occur simultaneously with the remaining fuel cells. Thus, the sensor battery can detect an undesired condition and use its response to initiate a corrective action. More than one sensor cell specified for different types of conditions may be used in the stack. In the absence of undesired conditions, the sensor cell can serve as a power generating fuel cell.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】 (技術分野) 本発明は、電気化学的燃料電池に関し、詳しくは、一つ以上の特定のセンサー
燃料電池を燃料電池スタック(stack,積層体)中に組み込み、スタック中の他の諸
電池が問題になる条件によって悪影響を受ける前に問題になる条件を検出するこ
とに関する。
TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to electrochemical fuel cells, and in particular, incorporates one or more specific sensor fuel cells into a fuel cell stack and other components in the stack. It relates to detecting a condition in question before the battery is adversely affected by the condition in question.

【0002】 (背景技術) 電気化学的燃料電池は、燃料及び酸化剤を電気及び反応生成物へ転化する。固
体重合体電気化学的燃料電池は、一般に膜電極組立体(MEA)を用いており、
それは、典型的には多孔性電気伝導性シート材料、例えば、炭素繊維紙又は炭素
織布の層からなる2枚の電極の間に、イオン交換膜又は固体重合体電解質を介在
させたものからなる。MEAは、夫々の膜/電極界面に、希望の電気化学的反応
を起こさせるために、典型的には、微粉砕した白金の形の触媒層を有する。操作
中、それら電極は電気的に接続され、外部回路を通ってそれら電極の間に電子を
伝導するための回路を与える。
BACKGROUND OF THE INVENTION Electrochemical fuel cells convert fuel and oxidants into electricity and reaction products. Solid polymer electrochemical fuel cells generally use a membrane electrode assembly (MEA),
It consists of a porous electrically conductive sheet material, for example, an ion exchange membrane or solid polymer electrolyte interposed between two electrodes consisting of a layer of carbon fiber paper or carbon woven fabric. . The MEA has a catalyst layer at each membrane / electrode interface, typically in the form of finely divided platinum, to cause the desired electrochemical reaction. In operation, the electrodes are electrically connected, providing a circuit for conducting electrons between the electrodes through an external circuit.

【0003】 アノードでは、燃料流が多孔性アノード基体を通って移動し、アノード電極触
媒層で酸化される。カソードでは酸化剤流が多孔性カソード基体を通って移動し
、カソード電極触媒層で還元されて反応生成物を形成する。
At the anode, a fuel stream travels through a porous anode substrate and is oxidized at an anode electrocatalyst layer. At the cathode, the oxidant stream travels through the porous cathode substrate and is reduced at the cathode electrode catalyst layer to form a reaction product.

【0004】 燃料として水素を、酸化剤として酸素含有空気(又は実質的に純粋な酸素)を
用いた燃料電池では、アノードでの触媒反応は供給された燃料から水素陽イオン
(プロトン)を生ずる。イオン交換膜は、アノードからカソードへのプロトンの
移動を促進する。プロトンを生ずることの外に、膜は酸素含有酸化剤流から水素
含有燃料流を分離する。カソード電極触媒層では、酸素は、膜を通ったプロトン
と反応して、反応生成物として水を形成する。水素/酸素燃料電池中のアノード
とカソードの反応は、次の式で示される: アノード反応:H2→2H++2e- カソード反応:1/2O2+2H++2e-→H2
In fuel cells using hydrogen as fuel and oxygen-containing air (or substantially pure oxygen) as oxidant, the catalytic reaction at the anode produces hydrogen cations (protons) from the supplied fuel. The ion exchange membrane facilitates the transfer of protons from the anode to the cathode. In addition to producing protons, the membrane separates the hydrogen-containing fuel stream from the oxygen-containing oxidant stream. In the cathode electrode catalyst layer, oxygen reacts with protons passing through the membrane to form water as a reaction product. The reaction between the anode and the cathode in a hydrogen / oxygen fuel cell is represented by the following formula: Anode reaction: H 2 → 2H + + 2e Cathode reaction: 1 / 2O 2 + 2H + + 2e → H 2 O

【0005】 典型的な燃料電池では、MEAは、2枚の電気伝導性流体流通領域板又はセパ
レーター板の間に配置されている。流体流通領域板は、その平坦な主要表面の少
なくとも一つに形成された少なくとも一つの流通路を有する。流通路は燃料及び
酸化剤を夫々の電極、即ち燃料側のアノード及び酸化剤側のカソードの方へ又は
それを横切って流す。流体流通領域板は、電流コレクタとして働き、電極のため
の支持を与え、燃料及び酸化剤が夫々アノード及びカソード表面へ行く溝を与え
、電池の作動中に形成された水のような反応生成物を除去するための溝を与える
。セパレーター板は、その表面に流通路は形成されていないが、燃料及び酸化剤
が夫々アノード及びカソードの電極触媒へ行く通路を与える隣接する材料層と組
合せて用いられる。
[0005] In a typical fuel cell, the MEA is located between two electrically conductive fluid flow area plates or separator plates. The fluid flow area plate has at least one flow passage formed in at least one of its flat major surfaces. The flow channels allow fuel and oxidant to flow toward or across the respective electrodes, ie, the anode on the fuel side and the cathode on the oxidant side. The fluid flow area plate acts as a current collector, providing support for the electrodes, providing grooves for fuel and oxidant to go to the anode and cathode surfaces, respectively, and reaction products such as water formed during operation of the cell. To provide grooves for removal. The separator plate has no flow passages formed on its surface, but is used in combination with an adjacent material layer that provides a passage for fuel and oxidant to the anode and cathode electrocatalysts, respectively.

【0006】 二つ以上の燃料電池を直列に電気的に一緒に接続し、組立体の全出力電力を増
大させることができる。直列配列では、与えられた流体流通領域又はセパレータ
ー板の一方の側は、一つの電池のアノード板として働き、流体流通領域又はセパ
レーター板の他方の側は、隣接した電池のカソード板として働くことができる。
そのような多層燃料電池配列は燃料電池スタックとして言及され、通常一連の燃
料電池組立体を一対の末端板の間に挟んで連結棒及び末端板によってその組立て
られた状態のまま一緒に保持する。スタックは流体燃料流(例えば、実質的に純
粋な水素、直接メタノール燃料電池では改質メタノール又は改質天然ガス、又は
メタノール含有流)及び流体酸化剤流(例えば、実質的に純粋な酸素、酸素含有
空気、又は窒素のようなキャリヤガスに入れた酸素)を個々の燃料電池反応物流
通路へ送るための入口及び多岐管を有するのが典型的である。スタックは、一般
に作動中の燃料電池によって発生した熱を吸収するため、スタック内の内部通路
へ流体冷却剤流、典型的には水を送るための入口及び多岐管を有する。スタック
は、一般に使用済み反応物流及び水のような反応生成物を排出するための排出多
岐管及び出口のみならず、スタックを出る冷却剤流のための排出多岐管及び出口
も有する。発電装置では、種々の燃料、酸化剤、及び冷却剤の導管がそれらの流
体流を移動させて燃料電池スタックに出入りさせる。
[0006] Two or more fuel cells can be electrically connected together in series to increase the overall output power of the assembly. In a tandem arrangement, one side of a given fluid flow area or separator plate may serve as the anode plate of one battery, and the other side of the fluid flow area or separator plate may serve as the cathode plate of an adjacent battery. it can.
Such a multi-layer fuel cell array is referred to as a fuel cell stack and usually holds a series of fuel cell assemblies together in an assembled state with connecting rods and end plates sandwiched between a pair of end plates. The stack includes a fluid fuel stream (eg, substantially pure hydrogen, reformed methanol or reformed natural gas, or a methanol-containing stream in a direct methanol fuel cell) and a fluid oxidant stream (eg, substantially pure oxygen, oxygen). It typically has inlets and manifolds for passing the contained air or oxygen in a carrier gas such as nitrogen) to the individual fuel cell reactant flow passages. The stack generally has an inlet and a manifold for directing a flow of fluid coolant, typically water, to internal passages in the stack to absorb heat generated by the operating fuel cell. The stack generally has exhaust manifolds and outlets for discharging spent reaction streams and reaction products, such as water, as well as exhaust manifolds and outlets for the coolant stream exiting the stack. In a power plant, various fuel, oxidant, and coolant conduits move their fluid streams into and out of the fuel cell stack.

【0007】 燃料電池スタックの性能は、スタック中の個々の電池又は電池のグループの電
圧を検出することにより監視するのが典型的である。典型的なスタックは、一般
に30〜200個の電池を有する。個々の電池又は電池のグループの電圧検出は
高価であり、予め設定された電圧範囲から外れた電圧状態を検出し、判定し、補
正作動を起こすか、又は正常な作動状態(即ち、希望の又は好ましい範囲内の条
件)が回復するまでスタックを停止するためには、複雑なデータ収集装置及び制
御アルゴリズムを必要とする。電圧検出を用いて燃料電池の性能を監視する典型
的な方法が、米国特許第5,170,124号明細書に記載されている。米国特
許第5,170,124号明細書には、燃料電池スタック中の電池グループの電
圧を測定し、基準電圧と比較するための装置及び方法が記載されている。測定さ
れた電圧と基準電圧とが予め定められた量よりも大きく異なると、警報信号又は
工程制御処置が開始され、停止手順の実施又は補正作用の開始を行うことができ
る。この電圧検出による解決法は、異常状態の存在を判定するが、この解決法は
異常状態を誘発する問題の原因及び(又は)性質に関しては不正確である。
[0007] The performance of a fuel cell stack is typically monitored by detecting the voltage of individual cells or groups of cells in the stack. A typical stack typically has 30 to 200 cells. Voltage detection for individual cells or groups of cells is expensive, and detects and determines voltage conditions that are outside of a predetermined voltage range and takes corrective action, or correct operating conditions (i.e., desired or desired). Stopping the stack until conditions within the preferred range are restored requires complex data collection equipment and control algorithms. A typical method of monitoring fuel cell performance using voltage sensing is described in U.S. Pat. No. 5,170,124. U.S. Pat. No. 5,170,124 describes an apparatus and method for measuring and comparing a voltage of a group of cells in a fuel cell stack to a reference voltage. If the measured voltage differs from the reference voltage by more than a predetermined amount, an alarm signal or process control action is initiated, and a shutdown procedure can be performed or a corrective action can be initiated. Although this voltage sensing solution determines the presence of an abnormal condition, the solution is incorrect with respect to the cause and / or nature of the problem that causes the abnormal condition.

【0008】 (発明の開示) 燃料電池を複数有する電気化学的燃料電池スタックでは、夫々の燃料電池は、
アノード電極触媒を有するアノード、カソード電極触媒を有するカソード、及び
前記アノードと前記カソードとの間に介在させたイオン交換膜を有する。前記複
数の燃料電池の少なくとも一つが、前記複数の残余の燃料電池とは異なった少な
くとも一つの構造的相異点を有するセンサー電池になっている。前記スタックの
作動中、前記構造的相異点が、前記センサー電池に電気的及び熱的応答を引き起
こし、それは実質的に同じ作動条件下にある前記残余の燃料電池で同時に起きる
ことはない。
DISCLOSURE OF THE INVENTION In an electrochemical fuel cell stack having a plurality of fuel cells, each fuel cell
An anode having an anode electrode catalyst, a cathode having a cathode electrode catalyst, and an ion exchange membrane interposed between the anode and the cathode are provided. At least one of the plurality of fuel cells is a sensor cell having at least one structural difference different from the plurality of remaining fuel cells. During operation of the stack, the structural differences cause an electrical and thermal response to the sensor cell, which does not occur simultaneously with the remaining fuel cells under substantially the same operating conditions.

【0009】 従って、センサー電池は、残余の非センサー電池と実質的に同じ条件下で作動
するのが好ましい。しかし、特定の条件の変化に呼応して、電気的及び(又は)
熱的応答(好ましくは電圧変化)がセンサー電池に引き起こされるが、残余の燃
料電池でそれが同時に起きることはない。センサー電池は望ましくない状態に対
し、それらがスタック中の他の電池に悪影響を及ぼす前に、異なった反応を起こ
し、従ってそれらの状態を検出するのに用いることができる。特定の作動条件に
対するセンサー電池の異なった電気的及び(又は)熱的応答は診断情報を与える
か、又は警報信号を与えるか又は特定の補正手順を開始し、スタックを正常な作
動状態に回復させるか、又は正常な状態に回復できない場合にはスタックを停止
するのに用いることができる。異なった種類の条件に対し特定的な一つより多く
の種類のセンサー電池を燃料電池スタックに用いることもできる。
[0009] Accordingly, the sensor cells preferably operate under substantially the same conditions as the remaining non-sensor cells. However, in response to changes in certain conditions, electrical and / or
A thermal response (preferably a voltage change) is triggered in the sensor cell, but not simultaneously in the remaining fuel cells. Sensor cells react differently to undesired conditions before they adversely affect other batteries in the stack and can therefore be used to detect those conditions. Different electrical and / or thermal responses of the sensor cell to specific operating conditions can provide diagnostic information or provide an alarm signal or initiate a specific correction procedure to restore the stack to a normal operating condition. Or can be used to stop the stack if it cannot be restored to normal. More than one type of sensor cell specific for different types of conditions can be used in the fuel cell stack.

【0010】 燃料電池スタックの作動中、アノードはそれに向けられた、典型的にはアノー
ド流通領域を通る燃料流を有し、カソードはそれへ向けられた、典型的にはカソ
ード流通領域を通る酸化剤流を有し、前記スタックの燃料電池へ向けられた前記
燃料流及び前記酸化剤流の各々が、入口圧力及びそれに伴われる化学量論性を有
する。複数の燃料電池の各々はカソード単位面積当り電流を発生し、前記カソー
ドで水を生じ、公称作動温度で熱を発生する。前記構造的相異点は、センサー電
池中に、反応物供給、例えば電池入口反応物圧力及び化学量論性の実質的に同じ
作動条件下で、残余の燃料電池中に同時には起きない電気的及び(又は)熱的応
答を引き起こすのが好ましい。複数の燃料電池は、多岐管により平行な供給形態
で反応物が供給されるように接続されている。この配列は、一般に反応物供給に
関し実質的に同じ条件下でそれら電池が容易に作動できるようにしている。
During operation of the fuel cell stack, the anode has a fuel flow directed thereto, typically through an anode flow area, and the cathode has an oxidation directed there, typically through a cathode flow area. Each of the fuel stream and the oxidant stream having an agent flow and directed to the fuel cells of the stack has an inlet pressure and an associated stoichiometry. Each of the plurality of fuel cells generates a current per unit area of the cathode, producing water at the cathode and producing heat at a nominal operating temperature. Said structural differences are due to the fact that in the sensor cell, under substantially the same operating conditions of reactant supply, e.g., cell inlet reactant pressure and stoichiometry, electrical And / or preferably cause a thermal response. The plurality of fuel cells are connected by a manifold such that reactants are supplied in a parallel supply form. This arrangement generally allows the cells to easily operate under substantially the same conditions with respect to the reactant feed.

【0011】 スタック中に組み込まれたセンサー電池も、有用な電力発生電池として働くこ
とができる。従って、スタックの電力を発生する作動中、センサー電池(単数又
は複数)及び残余の電池は、電力を与えるように接続されている。センサー電池
(単数又は複数)を有する燃料電池スタックを通って、可変電気的負荷を印加す
ることができる。
[0011] Sensor cells incorporated into the stack can also serve as useful power generating cells. Thus, during operation to generate power for the stack, the sensor battery (s) and the remaining battery are connected to provide power. A variable electrical load can be applied through the fuel cell stack with the sensor cell (s).

【0012】 上記態様では、特定のスタック作動条件の変化に呼応して、センサー電池には
引き起こされるが、残余の燃料電池に同時には引き起こされない変化は、電圧で
あるのが好ましい。センサー電池は、その電圧が、望ましくない作動状態に呼応
してスタック中の他の電池の電圧よりも前に、又はそれより一層迅速に低下する
ように設計されている。
[0012] In the above aspect, the change that is induced in the sensor cell but not simultaneously in the remaining fuel cells in response to a change in specific stack operating conditions is preferably a voltage. The sensor cell is designed so that its voltage drops before or even more quickly than the voltage of other cells in the stack in response to undesirable operating conditions.

【0013】 特定のスタック作動条件の変化に呼応して、センサー電池には起きるが、残余
の燃料電池では同時には起きない他の応答には、センサー電池のカソード単位面
積当りの電流(電流密度)の変化;センサー電池の部品内の電圧分布の変化;セ
ンサー電池の電気抵抗の変化;及び/又はセンサー電池の温度変化が含まれる。 センサー電池の電圧(又は他の特性)は、正常な作動状態では残余の電池と実
質的に同じでもよく、或は異なっていてもよいが、センサー電池としての機能に
とって重要なことは、条件の変化に対するその反応に差があることである。
Other responses that occur in the sensor cell in response to changes in specific stack operating conditions, but not simultaneously in the remaining fuel cells, include current per unit area of cathode of the sensor cell (current density). Changes in the voltage distribution within the components of the sensor cell; changes in the electrical resistance of the sensor cell; and / or changes in the temperature of the sensor cell. The voltage (or other characteristic) of the sensor cell may be substantially the same as or different from the remaining cells under normal operating conditions, but what is important for the functioning of the sensor cell is the condition The difference in their response to change.

【0014】 特定のスタック作動条件に対し増大した感度をセンサー電池に与えるため、そ
の中に種々の構造的相違点を組み込むことができる。例えば、好ましい態様とし
て、センサー電池のアノード及びカソードの少なくとも一方が残余の燃料電池の
電気化学的活性領域よりも小さな電気化学的活性領域を持っていてもよい。セン
サー電池中のアノード及びカソードの電極触媒の少なくとも一方へ行く反応物は
、残余の燃料電池に比較して、例えば、多孔質電極、又は流通領域板中の反応物
流通路又は溝の幾つかを遮断又は除去するか、又はセルの或る領域をマスクする
ことにより阻害してもよい。センサー電池のアノード及びカソードの少なくとも
一方の電極触媒添加量を、残余の燃料電池の電極触媒添加量よりも少なくしても
よい。一般に電気化学的活性領域の減少及び(又は)電極触媒添加量の減少は、
種々の望ましくない燃料電池作動状態に対するセンサー電池の性能感度を増大す
る。しかし、センサー電池が性能に影響を与える異なった条件を区別しなければ
ならないならば、そのような解決法だけでは充分ではないことがある。
Various structural differences can be incorporated therein to provide increased sensitivity to the sensor cell for particular stack operating conditions. For example, in a preferred embodiment, at least one of the anode and cathode of the sensor cell may have an electrochemically active area smaller than the electrochemically active area of the remaining fuel cell. Reactants that go to at least one of the anode and cathode electrocatalysts in the sensor cell may, for example, block some of the reactant flow passages or channels in the porous electrode or flow area plate compared to the rest of the fuel cell. Alternatively, it may be inhibited by removing or masking certain areas of the cell. The addition amount of the electrode catalyst of at least one of the anode and the cathode of the sensor cell may be smaller than the addition amount of the electrode catalyst of the remaining fuel cell. In general, the reduction in the electrochemically active area and / or the reduction in the amount of electrocatalyst added
Increases sensor cell performance sensitivity to various undesirable fuel cell operating conditions. However, such solutions alone may not be sufficient if the sensor cell must distinguish between different conditions that affect performance.

【0015】 別の好ましい態様では、センサー電池の反応物流通領域の形態を、残余の燃料
電池の反応物流通領域の形態とは異なるようにする。例えば、センサー電池の反
応物流通領域形態は、残余の燃料電池の反応物流通領域形態中で起こされる圧力
低下よりも大きな圧力低下を起こすようにすることができる。センサー電池は、
残余の燃料電池の対応するアノード又はカソードの電極触媒とは組成が異なった
アノード又はカソード電極触媒を含むようにしてもよい。燃料電池の各々が、燃
料電池の各々と熱を伝導しながら冷却剤流通領域に沿って送られる冷却剤流を有
するスタックでは、センサー電池の冷却剤流通領域形態が、残余の燃料電池の冷
却剤流通領域形態とは異なるようにしてもよい。
In another preferred embodiment, the configuration of the reactant flow region of the sensor cell is different from that of the remaining fuel cell. For example, the reactant flow zone configuration of the sensor cell may cause a greater pressure drop than occurs in the remaining fuel cell reactant flow zone configuration. The sensor battery is
The remaining fuel cell may include an anode or cathode electrocatalyst different in composition from the corresponding anode or cathode electrocatalyst. In a stack where each of the fuel cells has a coolant flow that is routed along a coolant flow area while conducting heat with each of the fuel cells, the coolant flow area configuration of the sensor cell is such that the remaining fuel cell coolant You may make it different from a distribution area form.

【0016】 構造的相異点は、一つ以上の特定のスタック作動条件、例えば、燃料の化学量
論性、酸化剤の化学量論性、アノード電極触媒の一酸化炭素の被毒性、燃料流中
の空気ブリード(bleed)レベル、燃料電池作動温度、メタノール被毒、電極溢流(
flooding)、脱水及び(又は)物質移動問題の変化に対しセンサー電池が一層敏
感になるように選択する。直接メタノール燃料電池スタックでは、構造的相異点
が、センサー電池をメタノール濃度に対し一層敏感になるようにしたセンサー電
池を組み込むのが有用である。或る態様では、センサー電池が一層早く反応する
ように、その中ではその状態を悪化するのに対し、他の態様では、センサー電池
がその状態に対し単に一層敏感になるようにする。
Structural differences include one or more specific stack operating conditions, such as fuel stoichiometry, oxidizing agent stoichiometry, carbon monoxide poisoning of the anode electrocatalyst, fuel flow. Air bleed level, fuel cell operating temperature, methanol poisoning, electrode overflow (
The sensor cells are selected to be more sensitive to changes in flooding, dehydration and / or mass transfer problems. In a direct methanol fuel cell stack, it is useful to incorporate a sensor cell where the structural differences make the sensor cell more sensitive to methanol concentration. In some embodiments, the condition is exacerbated therein so that the sensor cell responds more quickly, while in other embodiments, the sensor cell is simply made more sensitive to the condition.

【0017】 このように好ましい態様として、センサー電池は望ましくない燃料電池作動状
態(スタック中の他の電池と比較して)、例えば: − 低い反応物化学量論性; − 過剰反応物化学量論性; − 溢流; − 低いか又は過剰の燃料電池作動温度; − 電極触媒の一酸化炭素被毒又は他の種類の被毒; − 反応物流中の窒素のような不活性物質の蓄積によるような反応物希釈; − 脱水; の少なくとも一つの特定のものに対し一層敏感になっている。
Thus, in a preferred embodiment, the sensor cell is operated in an undesired fuel cell operating state (compared to the other cells in the stack), for example:-low reactant stoichiometry; -Low or excessive fuel cell operating temperature;-carbon monoxide poisoning or other types of poisoning of the electrocatalyst;-as by accumulation of inerts such as nitrogen in the reaction stream. More sensitive to at least one particular reaction dilution;

【0018】 センサー電池は、他の電池よりも先に上記又は他の望ましくない状態の一つ以
上により影響を受ける。それらは、補正作用の必要性を検出し、好ましくはそれ
を誘発することにより全体的スタックの性能低下又は損傷を起こさないように、
そのような望ましくない状態を防止するのに用いることができる。望ましくない
、又は潜在的に有害な作動状態を早期に検出することは、多くの個々の燃料電池
を用いた大きなスタックでは特に重要である。なぜなら、スタックの信頼性及び
一層長期間のスタック寿命に対する要求が益々大きくなっているからである。一
つ以上のセンサー電池を組み込むことは、一般にスタック制御系のコストを低下
し、それを簡単化し、スタックの安定性及び信頼性を向上させることにもなる。
A sensor cell is affected by one or more of the above or other undesirable conditions before other cells. They detect the need for corrective action and preferably do not cause degradation or damage to the overall stack by inducing it.
It can be used to prevent such undesirable conditions. Early detection of undesirable or potentially harmful operating conditions is especially important in large stacks with many individual fuel cells. This is because the demands for stack reliability and longer stack life are increasing. Incorporating one or more sensor cells also generally reduces the cost of the stack control system, simplifies it, and also increases the stability and reliability of the stack.

【0019】 上記態様のいずれかに記載したような燃料電池スタック及びセンサー電池を具
えた電気化学的燃料電池系を作動させる方法は、 センサー電池の電気的及び熱的作動パラメータの少なくとも一つと、残余の電
池の少なくとも一つの同じパラメータとを監視し、 前記センサー電池の監視された作動パラメータを、前記少なくとも一つの残余
のセルのそれとを比較し、 もし前記比較されたパラメータが、望ましくない作動状態を示す予め定められ
た閾値量よりも大きく異なっていたならば出力信号を発生する、 ことからなる。
A method of operating an electrochemical fuel cell system comprising a fuel cell stack and a sensor cell as described in any of the above aspects comprises: at least one of the sensor cell electrical and thermal operating parameters; Monitoring at least one of the same parameters of the battery of the sensor cell and comparing the monitored operating parameter of the sensor battery with that of the at least one remaining cell, if the compared parameter indicates an undesirable operating condition. Generating an output signal if it differs by more than the predetermined threshold amount shown.

【0020】 監視すべき好ましいパラメータは、電池の電圧又は温度であるが、上で述べた
ように、他の多くのパラメータも用いることができる。測定し、比較されるパラ
メータは、例えば実際に測定された電圧値、又は操作条件の変化に呼応して、セ
ンサー電池対少なくとも一つの他の電池で起きる電圧変化速度にしてもよい。
The preferred parameter to monitor is the voltage or temperature of the battery, but, as noted above, many other parameters can be used. The parameter measured and compared may be, for example, the actually measured voltage value or the rate of voltage change occurring in the sensor cell versus at least one other cell in response to changes in operating conditions.

【0021】 出力信号は、望ましくない作動状態の存在に対し、装置のオペレータに警告す
る警報信号の発生、データ記録の開始、又は燃料電池系の望ましい作動条件を回
復させる補正作用の誘発を含む多数の効果を、制御系と接続することにより持つ
ことができる。 選択されたパラメータ(単数又は複数)の監視は、例えば、スタックの作動中
、連続的に、又は周期的に行うことができる。
The output signal may include a number of signals, including the generation of an alarm signal to alert an operator of the device to the presence of an undesirable operating condition, the initiation of data recording, or the triggering of a corrective action to restore the desired operating conditions of the fuel cell system. Can be obtained by connecting to the control system. Monitoring of the selected parameter (s) can be performed, for example, continuously or periodically during operation of the stack.

【0022】 (好ましい態様についての詳細な説明) 図1には典型的な燃料電池10が例示されている。燃料電池10は、アノード
流通領域板14とカソード流通領域板16との間に介在させた膜電極組立体12
を有する。膜電極組立体12は、二つの電極、即ち、アノード21とカソード2
2の間にイオン交換膜20を介在させたものからなる。慣用的燃料電池では、ア
ノード21及びカソード22は、夫々多孔質電気伝導性シート材料23及び24
、例えば炭素繊維紙又は炭素織布の基体を有する。各基体は、各電極を電気化学
的に活性にするために、その一つの表面上に膜20との界面の所に配置した、電
極触媒の薄い層25及び26を夫々有する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS FIG. 1 illustrates a typical fuel cell 10. The fuel cell 10 includes a membrane electrode assembly 12 interposed between an anode flow area plate 14 and a cathode flow area plate 16.
Having. The membrane electrode assembly 12 has two electrodes, an anode 21 and a cathode 2.
The ion exchange membrane 20 is interposed between the two. In a conventional fuel cell, the anode 21 and cathode 22 are made of a porous electrically conductive sheet material 23 and 24, respectively.
, For example, a substrate of carbon fiber paper or carbon woven fabric. Each substrate has a thin layer of electrocatalyst 25 and 26, respectively, disposed on one surface thereof at the interface with the membrane 20 to electrochemically activate each electrode.

【0023】 更に図1に示したように、アノード流通領域板14は、そのアノード21に面
した表面に掘るか、又は凹凸を付けるか、又は成形した少なくとも一つの燃料流
通溝14aを有する。同様に、カソードセパレータ板16は、そのカソード22
に面した表面に掘るか、又は凹凸を付けるか、又は成形した少なくとも一つの酸
化剤流通溝16aを有する。電極21及び22の協同表面を合わせて組立ると、
溝14aと16aは、夫々燃料及び酸化剤のための反応物流通領域通路を形成す
る。流通領域板は電気伝導性である。
Further, as shown in FIG. 1, the anode flow area plate 14 has at least one fuel flow groove 14 a dug, roughened, or molded on the surface facing the anode 21. Similarly, the cathode separator plate 16 has its cathode 22
It has at least one oxidizing agent flow groove 16a dug, roughened, or molded on the surface facing the surface. When the cooperating surfaces of the electrodes 21 and 22 are assembled together,
Grooves 14a and 16a form reactant flow area passages for fuel and oxidant, respectively. The flow area plate is electrically conductive.

【0024】 次に図2に関し、燃料電池スタック100は、複数の燃料電池組立体を有し、
その一連のものは図2の111として示されている。。燃料電池組立体の各々は
、一対の流体流通領域板114、116の間に介在させた膜電極組立体112を
有する。燃料電池スタック100は、第一末端板130及び第二末端板140も
有する。
Referring now to FIG. 2, the fuel cell stack 100 has a plurality of fuel cell assemblies,
The series is shown as 111 in FIG. . Each of the fuel cell assemblies has a membrane electrode assembly 112 interposed between a pair of fluid flow area plates 114,116. The fuel cell stack 100 also has a first end plate 130 and a second end plate 140.

【0025】 板130は、流体燃料、酸化剤、及び冷却剤の流れを夫々スタック中に導入す
るための流体入口132、134、136を有する。板140は、流体燃料、酸
化剤、及び冷却剤の流れを夫々スタックから排出するための流体出口142、1
44、146を有する。流体出口は、スタック100内の通路を通って対応する
流体入口に流通接続されている。
The plate 130 has fluid inlets 132, 134, 136 for introducing fluid fuel, oxidant, and coolant streams, respectively, into the stack. Plates 140 provide fluid outlets 142, 1, 1, respectively, for discharging fluid fuel, oxidant, and coolant streams from the stack.
44 and 146. The fluid outlets are in flow communication with corresponding fluid inlets through passages in the stack 100.

【0026】 燃料電池組立体は、一連の開口がその中に形成されており、それらは隣接する
組立体の対応する開口と協同してスタック100中に流体マニホルド152、1
54、156、162、164、166を形成する。燃料入口132を通ってス
タックに入った燃料流は、マニホルド152を通って個々の燃料流通領域板へ送
る。燃料流通領域板溝を通過した後、燃料流はマニホルド162で集め、燃料出
口142を通ってスタックから排出する。同様に、酸化剤入口134を通ってス
タックに入った酸化剤流は、マニホルド154を通って個々の酸化剤流通領域板
へ送る。酸化剤流通領域板溝を通過した後、酸化剤流はマニホルド164で集め
、酸化剤出口144を通ってスタックから排出する。冷却剤入口136を通って
導入された流体冷却剤(典型的には水)は、マニホルド156を通ってスタック
100中の冷却剤板組立体(図示されていない)へ送る。冷却剤流はマニホルド
166で集め、冷却剤出口146を通ってスタックから排出する。
The fuel cell assembly has a series of openings formed therein, which cooperate with corresponding openings in adjacent assemblies in the fluid manifolds 152, 1, 1.
54, 156, 162, 164, and 166 are formed. The fuel flow entering the stack through the fuel inlet 132 passes through the manifold 152 to the individual fuel flow area plates. After passing through the fuel flow area plate grooves, the fuel flow is collected at the manifold 162 and exits the stack through the fuel outlet 142. Similarly, oxidant streams entering the stack through oxidant inlet 134 pass through manifolds 154 to individual oxidant flow area plates. After passing through the oxidant flow area plate grooves, the oxidant stream collects at manifold 164 and exits the stack through oxidant outlet 144. Fluid coolant (typically water) introduced through coolant inlet 136 passes through manifold 156 to a coolant plate assembly (not shown) in stack 100. The coolant stream is collected at manifold 166 and exits the stack through coolant outlet 146.

【0027】 連結棒170は、末端板130と140の間に伸び、スタック100をその組
立られた状態に、各連結棒の両端に配置された締め付けナット172、及び締め
付けナット172と末端板130、140との間に挿入した円板スプリング17
4で圧縮固定する。
The connecting rods 170 extend between the end plates 130 and 140, and in the assembled state of the stack 100, tightening nuts 172 disposed at both ends of each connecting rod, and the tightening nuts 172 and the end plates 130, Disc spring 17 inserted in between
4. Compress and fix.

【0028】 図3は、燃料電池スタック210を有する燃料電池電力発生装置200の模式
的図である。燃料電池スタック210は、−及び+のバスプレート212、21
4を夫々有し、それに可変負荷216を有する外部回路がスイッチ218を閉じ
ることにより電気的に接続することができる。この装置は、燃料(水素)回路、
酸化剤(空気)回路、及び冷却水回路を有する。反応物及び冷却剤の流れは、図
3に模式的に例示した種々の導管を通って装置内を循環する。
FIG. 3 is a schematic diagram of a fuel cell power generation device 200 having a fuel cell stack 210. The fuel cell stack 210 includes-and + bus plates 212, 21.
4 to which an external circuit having a variable load 216 can be electrically connected by closing switch 218. This device has a fuel (hydrogen) circuit,
It has an oxidizer (air) circuit and a cooling water circuit. Reactant and coolant streams circulate in the apparatus through various conduits schematically illustrated in FIG.

【0029】 水素供給源220がスタック210に接続されており、供給圧力は圧力調節器
221により制御する。スタック210を出る水素流中の水は、ノックアウト(k
nockout)ドラム222に蓄積し、それはバルブ223を開けることにより排出す
ることができる。未反応水素は、再循環経路225中のポンプ224によりスタ
ック210へ再循環する。空気供給源230がスタック210に接続されており
、その圧力は圧力調節器231により制御する。スタック210を出る空気流中
の水は貯槽232中に蓄積し、それはバルブ233を開けることにより排出する
ことができ、空気流は弁234を通って装置から排気される。
A hydrogen supply 220 is connected to the stack 210, and the supply pressure is controlled by a pressure regulator 221. Water in the hydrogen stream exiting stack 210 is knocked out (k
nockout) accumulates on drum 222, which can be exhausted by opening valve 223. Unreacted hydrogen is recirculated to stack 210 by pump 224 in recirculation path 225. An air supply 230 is connected to the stack 210, the pressure of which is controlled by a pressure regulator 231. Water in the air stream exiting stack 210 accumulates in reservoir 232, which can be drained by opening valve 233, and the air stream is exhausted from the device through valve 234.

【0030】 冷却水経路240を通って、水はポンプ241により貯槽232から出てスタ
ック210を通って循環する。水の温度は熱交換器242により調節する。 パージ系250を用いて燃料電池スタック210中の水素及び酸化剤の通路を
低湿度非反応性ガスによりパージする。パージガス供給源260からの水素及び
空気の入口導管261、262へのガスの流れは、バルブ263、264及び三
方向バルブ267、266により制御する。窒素圧力は圧力調節器265により
制御する。
Through the cooling water path 240, water exits the reservoir 232 by the pump 241 and circulates through the stack 210. The temperature of the water is regulated by the heat exchanger 242. A purge system 250 is used to purge the hydrogen and oxidant passages in the fuel cell stack 210 with a low humidity non-reactive gas. The flow of gas from the purge gas supply 260 to the hydrogen and air inlet conduits 261, 262 is controlled by valves 263, 264 and three-way valves 267, 266. The nitrogen pressure is controlled by a pressure regulator 265.

【0031】 一つの態様として、センサー電池は低い反応物化学量論性に対し、スタック中
の残余の電池よりも高い性能感度を有する。「化学量論性」とは、燃料電池スタ
ックに供給される反応物の量対燃料電池スタックで実際に消費された反応物の量
の比である(未消費反応物は燃料電池スタックを出る)。1.35の水素(H2
)化学量論性とは、燃料電池スタック中で実際に消費された100部当り135
部の水素が燃料電池スタックに供給されたことを意味する。反応物化学量論性に
関連して、不充分な反応物化学量論性又はスタックの燃料電池中で反応物の欠乏
を起こすことがないようにすることは一般に重要である。反応物欠乏は、電池の
電圧を低下させることになり、もし適切な行動を取らないと電池は電池電圧反転
を起こすことがある。電池電圧反転及びそれに伴われる材料劣化及びオーバーヒ
ートのような効果は、燃料電池部品、特に膜電極組立体に損傷を与える結果にな
ることがある。燃料欠乏の場合には、例えば、アノードで大きな正電位に到達し
、それが負の全電池電圧をもたらし、或る場合には燃料電池部品の酸化及び付随
する永久的損傷を燃料電池へ与えることになることがある。望ましくない低い反
応物化学量論性状態の早期の検出は、スタック中の他の燃料電池に先駆けて低電
圧又はオーバーヒートを起こす少なくとも一つのセンサー電池をスタック中に組
み込むことにより達成することができる。センサー電池(単数又は複数)は、ス
タック作動制御系に結合し、残余の電池で不充分な反応物化学量論性による有害
な効果を回避するための補正作用を開始させることができる。
In one embodiment, the sensor cell has a higher performance sensitivity for low reactant stoichiometry than the remaining cells in the stack. "Stoichiometry" is the ratio of the amount of reactants supplied to the fuel cell stack to the amount of reactants actually consumed in the fuel cell stack (unconsumed reactants exit the fuel cell stack). . 1.35 hydrogen (H 2
) Stoichiometry is 135 per 100 parts actually consumed in the fuel cell stack
Means that part of the hydrogen was supplied to the fuel cell stack. In the context of reactant stoichiometry, it is generally important that insufficient reactant stoichiometry or reactant starvation occur in the fuel cells of the stack. Reactant starvation will cause the voltage of the battery to drop, and the battery may undergo battery voltage reversal if proper actions are not taken. Effects such as cell voltage reversal and concomitant material degradation and overheating can result in damage to fuel cell components, particularly the membrane electrode assembly. In the case of fuel starvation, for example, a large positive potential is reached at the anode, which results in a negative total cell voltage, in some cases oxidation of the fuel cell components and associated permanent damage to the fuel cell. It may be. Early detection of an undesirable low reactant stoichiometric state can be achieved by incorporating at least one sensor cell in the stack that causes low voltage or overheating prior to other fuel cells in the stack. The sensor cell (s) can be coupled to the stack operation control system and initiate a corrective action on the remaining cells to avoid the deleterious effects of insufficient reactant stoichiometry.

【0032】 センサー電池中の化学量論性感度は、例えば、センサー電池の流通領域溝中の
圧力降下を修正することにより、例えば、溝の長さ及び開口面積を、センサー電
池ではないスタック中の他の燃料電池のそれら溝の大きさと同じに維持しながら
、溝の深さを変えることにより達成することができる。そのような感度は、例え
ば、溝の長さ、幅、表面摩擦係数、及び(又は)数を修正することによっても達
成することができる。更に、化学量論性感度は、センサー電池(単数又は複数)
の膜電極組立体(MEA)の物質輸送特性を、スタック中の他の電池と比較して
修正することにより達成することもできる。幾つかの特別なMEA修正法には次
のものが含まれる:多孔質電極基体へのアイオノマー被覆の付加;電極中の電極
触媒層のアイオノマー含有量の増加;カソードの疎水性を変化させることによる
水処理性の変化;及びもし一つ用いられるならば、従属層(sublayer)の厚さの増
大及び(又は)多孔度の減少(従属層は、電極触媒層と下の基体との間に位置す
る電極内の層である)。これらの技術のいずれでも、MEAに局部的やり方で、
又は段差的又は連続変化的やり方で適用することができる。
The stoichiometric sensitivity in the sensor cell can be determined, for example, by modifying the pressure drop in the flow channel of the sensor cell to, for example, reduce the length and open area of the groove in a stack that is not a sensor cell. This can be achieved by varying the depth of the grooves while maintaining the same size as those of other fuel cells. Such sensitivity can also be achieved, for example, by modifying the groove length, width, surface friction coefficient, and / or number. In addition, the stoichiometric sensitivity depends on the sensor cell (s)
Can be achieved by modifying the mass transport properties of the membrane electrode assembly (MEA) of the present invention relative to other cells in the stack. Some specific MEA modifications include: adding an ionomer coating to a porous electrode substrate; increasing the ionomer content of the electrocatalytic layer in the electrode; by changing the hydrophobicity of the cathode Changes in water treatability; and, if one is used, increasing the thickness of the sublayer and / or decreasing its porosity (the sublayer is located between the electrocatalyst layer and the underlying substrate). Layer within the electrode). With any of these technologies, the MEA can be
Or it can be applied in a stepwise or continuously changing manner.

【0033】 低化学量論性の効果が意図的に悪化されるセンサー電池は、その結果に対し、
例えば、電池電圧反転に対し一層許容性を持つか又は頑丈になるように設計され
ているのが好ましい。例えば、燃料化学量論性に敏感なセンサー電池の場合、ア
ノード触媒を、他の電池で用いられる炭素支持白金触媒よりも電池電圧反転に対
し一層許容性を持つ傾向がある白金黒にすることができる。
A sensor cell in which the effect of low stoichiometry is intentionally exacerbated,
For example, it is preferably designed to be more tolerant or robust to battery voltage reversal. For example, for sensor cells that are sensitive to fuel stoichiometry, the anode catalyst may be platinum black, which tends to be more tolerant of cell voltage reversal than the carbon-supported platinum catalyst used in other cells. it can.

【0034】 ダルシー(Darcy)の式(米国特許第5,260,143号明細書参照)による
電圧降下を修正することにより感度を達成する場合、燃料電池流体流通領域中の
ガス流の入口と出口との間の圧力降下は、流体密度、摩擦係数、流通路の長さ、
及び流体速度が大きくなるに従って増大する。逆に、ガス流の入口と出口との間
の圧力降下は、流通路(溝)の直径が増大するに従って低下する。与えられた流
量で、スタック中の残余の電池に比較してセンサー電池の圧力降下を増大するこ
とは、ダルシーの式に従って、センサー電池への反応物の流れを減少するであろ
う。これに関して、反応物化学量論性は、スタック中の残余の電池に比較してセ
ンサー電池の方が一層低くなり、それによって反応物化学量論性に対する性能感
度を残余の電池よりも増大することになる。反応物化学量論性に対する希望の性
能感度を与えるための流通領域溝の修正(一種又は多種)は、燃料電池が正常な
作動条件で経験する条件範囲(例えば、電流密度及び圧力のようなもの)を包含
しなければならない。
When achieving sensitivity by modifying the voltage drop according to the Darcy equation (see US Pat. No. 5,260,143), the inlet and outlet of the gas flow in the fuel cell fluid flow area. Pressure drop between fluid density, coefficient of friction, length of flow passage,
And increases as fluid velocity increases. Conversely, the pressure drop between the gas flow inlet and outlet decreases as the diameter of the flow passage (groove) increases. Increasing the sensor cell pressure drop relative to the remaining cells in the stack at a given flow rate will reduce the flow of reactants to the sensor cell according to Darcy's equation. In this regard, the reactant stoichiometry is lower for the sensor cells compared to the remaining cells in the stack, thereby increasing the performance sensitivity to reactant stoichiometry over the remaining cells. become. The modification (one or more) of the flow zone grooves to provide the desired performance sensitivity to reactant stoichiometry is dependent on the range of conditions that the fuel cell experiences under normal operating conditions (eg, such as current density and pressure). ) Must be included.

【0035】 多くの個々の燃料電池を有する大きなスタックでは、例えば、ベルヌーイの効
果によるマニホルド中の圧力効果、又は液体水の効果は、異なった反応物流通分
布を与える結果になる。これに関し、バスのような頑丈な乗り物のための大きな
燃料電池スタックでは、内部湿潤器から最も遠い電池(即ち、湿潤された燃料流
の入口から最も遠い電池)が燃料欠乏のため電池反転なっていく傾向が観察され
ている。従って、そのような大きなスタックでは、スタック中の異なった位置に
(例えば、両端及び中間などに)幾つかのセンサー電池を組み込み、電池環境中
でのスタックに関連する変化に対処するのが望ましい。
In large stacks with many individual fuel cells, for example, the effect of pressure in the manifold due to the effect of Bernoulli, or the effect of liquid water, results in different reactant flow distributions. In this regard, in a large fuel cell stack for a rugged vehicle such as a bus, the cell furthest from the internal wetting device (i.e., the cell furthest from the inlet of the moistened fuel stream) may be inverted due to lack of fuel. Some tendency has been observed. Therefore, in such large stacks, it may be desirable to incorporate several sensor cells at different locations in the stack (eg, at both ends and in the middle, etc.) to account for stack related changes in the battery environment.

【0036】 適当な系の応答を開始させるため、低酸化剤によるスタック性能の低下と、低
燃料化学量論性とを区別することも望ましい。これは、一つより多くのセンサー
電池を用いることにより、例えば、酸化剤化学量論性に対し一層敏感になるよう
に設計した一つのセンサー電池と、燃料化学量論性に対し一層敏感になるように
設計した別のセンサー電池とを用いることにより達成することができる。これは
、もし電池電圧を監視するならば、低酸化剤化学量論性センサー電池を、低燃料
化学量論性センサー電池から分離することにより最もよく達成することができる
。一層複雑であるが、一つのセンサー電池で、特性電圧応答に基づき、又は監視
されている電池流通領域圧力低下又は各流通領域の出口に最も近い周辺(perimet
er)電圧に基づき、低酸化剤化学量論性と、低燃料化学量論性とを区別すること
もできる。(与えられた電極又は流通領域の全ての点での電圧は、負荷を受けて
いる燃料電池では一定ではない。電圧の差は、流通領域中の特に反応物流通路に
沿って容易に検出することができる。燃料電池内のこれらの電圧差の大きさは、
低反応物化学量論性のような異常な状態の指標になることができる。従って、適
当なセンサー電池を、センサー電池の一部品内で電圧降下又は電圧分布に対して
応答性を持つようにすることができる)。
[0036] In order to initiate a suitable system response, it is also desirable to distinguish between reduced oxidant stack performance and low fuel stoichiometry. This means that by using more than one sensor cell, for example, one sensor cell designed to be more sensitive to oxidant stoichiometry and more sensitive to fuel stoichiometry This can be achieved by using another sensor cell designed as follows. This can best be achieved if the cell voltage is monitored by separating the low oxidant stoichiometric sensor cell from the low fuel stoichiometric sensor cell. More complex, but with a single sensor cell, based on the characteristic voltage response or the perimeter closest to the cell flow area pressure drop or outlet of each flow area being monitored
er) Based on the voltage, it is also possible to distinguish between low oxidant stoichiometry and low fuel stoichiometry. (The voltage at a given electrode or at all points in the flow area is not constant in the loaded fuel cell. Voltage differences can be easily detected, especially along the reactant flow path in the flow area. The magnitude of these voltage differences in the fuel cell is
It can be indicative of abnormal conditions such as low reactant stoichiometry. Thus, a suitable sensor cell can be made responsive to a voltage drop or voltage distribution within one component of the sensor cell).

【0037】 低化学量論性に敏感なセンサー電池に関連して上で記述した解決法は、他の有
害な燃料電池作動状態にも適用することができる。それらの状態には次のものが
含まれる: − 溢流、これは、例えば低化学量論性電池と同様なセンサー電池により、又
は溢流に対し一層敏感になるようにMEA又は流通領域の形状を変化させること
により、前以て検出することができる; − 脱水、これは、例えば脱水の影響を増幅するように反応物流量を増大した
(増大化学量論性を持つ)センサー電池により、或は脱水に対し一層敏感な異な
った膜又は電極を用いることにより、前以て検出することができる。 − 望ましくない作動温度、これは、例えばセンサー電池中の温度変化を拡大
する修正冷却剤流通領域板を有するセンサー電池により、前以て検出することが
できる; − 反応物希釈(例えば、窒素の蓄積による)、これは、例えば上に記載した
低化学量論性センサー電池及び(又は)物質輸送現象に対し一層敏感なMEAに
より前以て検出することができる; − 触媒被毒、これは、例えば一層敏感な触媒及び(又は)一層低い有効触媒
添加量を有するセンサー電池により、前以て検出することができる。
The solution described above in connection with low stoichiometry sensitive sensor cells can be applied to other hazardous fuel cell operating conditions. These conditions include the following: overflow, which is the shape of the MEA or the flow area, for example by a sensor cell similar to a low stoichiometric cell, or to be more sensitive to overflow; Can be detected in advance by altering: dehydration, for example by a sensor cell with increased reactant flow (with increased stoichiometry) to amplify the effects of dehydration, or Can be detected in advance by using different membranes or electrodes that are more sensitive to dehydration. An undesired operating temperature, which can be detected in advance, for example by means of a sensor cell with a modified coolant flow area plate which magnifies the temperature change in the sensor cell; reactant dilution (for example nitrogen accumulation) ), Which can be detected in advance, for example, by means of the low-stoichiometric sensor cells described above and / or MEAs which are more sensitive to mass transport phenomena; It can be detected beforehand by a sensor cell with a more sensitive catalyst and / or a lower effective catalyst loading.

【0038】 後者の場合の好ましい態様として、センサー電池は、スタック中の残余の電池
に比較して、一酸化炭素被毒に対し増大した感度を有する。そのようなセンサー
電池を使用することは、一酸化炭素不純物が典型的に改質物流中に存在する場合
、改質器を組み込んだ燃料電池系で有利である。一酸化炭素に敏感なセンサー電
池は、スタック中の他の燃料電池よりも一層少ないアノード電極触媒又は一層多
い一酸化炭素感応性アノード電極触媒をセンサー電池(単数又は複数)中に用い
ることにより得ることができる。センサー電池中の触媒は、一酸化炭素被毒に関
して頑丈であることが望ましい(センサー電池は永久的に損傷を受けることがな
い)が、センサー電池の性能は、一酸化炭素の影響に対し一層敏感であることが
望ましい。
In a preferred embodiment in the latter case, the sensor cell has an increased sensitivity to carbon monoxide poisoning as compared to the remaining cells in the stack. The use of such a sensor cell is advantageous in fuel cell systems incorporating a reformer when carbon monoxide impurities are typically present in the reformate stream. A sensor cell that is sensitive to carbon monoxide can be obtained by using less or more carbon monoxide-sensitive anode electrode catalyst in the sensor cell (s) than the other fuel cells in the stack. Can be. The catalyst in the sensor cell should be robust with respect to carbon monoxide poisoning (the sensor cell will not be permanently damaged), but the performance of the sensor cell will be more sensitive to the effects of carbon monoxide It is desirable that

【0039】 そのような装置では、改質物流中に存在する一酸化炭素による悪影響を軽減す
るため空気ブリードを用いてもよい。(空気ブリードとは、燃料流へ少量の酸素
、典型的には空気を導入し、アノード電極触媒の表面に吸着した一酸化炭素と反
応させ、そこから除去するやり方を指す)。不充分な空気ブリードレベルは、一
酸化炭素被毒を与える結果になり、一酸化炭素に敏感なセンサー電池によって検
出することができる(これは、次に空気ブリードレベルの増大を誘発することが
ある)。しかし、過度に高い空気ブリードレベルは、アノードで過剰の熱を発生
する結果になり、劣化を起こす可能性がある。従って、そのような装置では、被
毒及び温度に対し鋭敏なセンサー電池を用い、空気ブリードレベルを制御するた
めにこれらの応答を用いることが望ましい。
In such an apparatus, an air bleed may be used to reduce the adverse effects of carbon monoxide present in the reformate stream. (Air bleed refers to the manner in which small amounts of oxygen, typically air, are introduced into a fuel stream and reacted with and removed from carbon monoxide adsorbed on the surface of the anode electrocatalyst). Insufficient air bleed levels result in carbon monoxide poisoning and can be detected by carbon monoxide-sensitive sensor cells (which can then cause increased air bleed levels. ). However, excessively high air bleed levels can result in excessive heat generation at the anode, which can cause degradation. Therefore, it is desirable in such devices to use sensor cells that are sensitive to poisoning and temperature and to use these responses to control air bleed levels.

【0040】 ガスが供給される固体重合体電解質燃料電池で用いるのに適したセンサー電池
の或る特徴を例示する幾つかの実施例を下に与える。これらは、何等限定的なも
のと見做すべきではない。例えば、センサー電池は液体供給固体重合体電解質燃
料電池で(例えば、直接メタノール燃料電池中のメタノール濃度センサーとして
)用いるのに適している。
Several examples are provided below illustrating certain features of a sensor cell suitable for use in a gas-supplied solid polymer electrolyte fuel cell. They should not be considered as limiting. For example, the sensor cell is suitable for use in a liquid feed solid polymer electrolyte fuel cell (eg, as a methanol concentration sensor in a direct methanol fuel cell).

【0041】 低酸化剤化学量論性及び低燃料化学量論性センサー電池の性能は、8電池スタ
ックで実証されている。図4A及び4Bは、低酸化剤(空気)化学量論性センサ
ー電池のための双極カソード流通領域板310の反対方向に向いた表面322、
332を示す。図4A中の表面332は、酸化剤入口326と酸化剤出口328
との間の酸化剤流(好ましくは空気)を送るための六つの蛇行した流通溝又はく
ぼみ324がその中に形成されている。センサー電池のカソード板中の流通溝3
24の深さは、スタックの残りの七つの燃料電池の各々のカソード板中の対応す
る溝の深さよりも浅くなっている。センサー電池カソード板中の流通溝324の
溝が減少すると、カソード流通領域中の圧力低下を起こし、それがダルシーの式
に関して上で論じたように、センサー電池を低酸化剤化学量論性に対し一層敏感
にする。表面322は、膜電極組立体(図4Aでは示されていない)の協同する
平坦な主要表面と接触する。
The performance of low oxidizer stoichiometry and low fuel stoichiometry sensor cells has been demonstrated in an eight cell stack. 4A and 4B show oppositely facing surfaces 322 of a bipolar cathode flow area plate 310 for a low oxidizer (air) stoichiometric sensor cell.
332 are shown. The surface 332 in FIG. 4A has an oxidant inlet 326 and an oxidant outlet 328.
Six meandering flow grooves or depressions 324 are formed therein for sending an oxidant stream (preferably air) between the two. Flow channel 3 in cathode plate of sensor battery
The depth of 24 is less than the depth of the corresponding grooves in the cathode plates of each of the remaining seven fuel cells of the stack. A decrease in the flow channel 324 in the sensor cell cathode plate causes a pressure drop in the cathode flow region, which, as discussed above with respect to the Darcy equation, causes the sensor cell to have a low oxidant stoichiometry. Make it more sensitive. Surface 322 contacts the cooperating flat major surface of the membrane electrode assembly (not shown in FIG. 4A).

【0042】 図4Bの表面332は、冷却剤流体流(好ましくは液体の水)を冷却剤入口3
36から冷却剤出口338へ送るための四つの蛇行する流通溝又はくぼみ334
が中に形成されている。
The surface 332 of FIG. 4B allows the coolant fluid flow (preferably liquid water) to
Four meandering channels or recesses 334 for sending from 36 to coolant outlet 338
Are formed therein.

【0043】 図4A及び4Bに更に示されているように、カソード流通領域板310は、複
数のマニホルド開口342、344、346、348、350、352が中に形
成されており、その各々が表面322と332との間に伸びでいる。マニホルド
開口342は、入って来る湿潤酸化剤流を、スタックを構成する複数の燃料電池
の方へ向けて送る。マニホルド開口344は、使用済み酸化剤流を受け、それを
燃料電池スタックの酸化剤排出口の方へ送る。マニホルド開口346は、入って
来る湿潤燃料流を、スタックを構成する複数の燃料電池の方へ向けて送る。マニ
ホルド開口348は、使用済み燃料流を受け、それを燃料電池スタックの燃料排
出口の方へ送る。マニホルド開口350は、入って来る冷却剤流を、スタックを
構成する複数の燃料電池に伴われた冷却剤ジヤケットの方へ向けて送る。マニホ
ルド開口352は使用済み冷却剤流を受け、それを燃料電池スタックの冷却剤排
出口の方へ送る。このように、スタック中の電池は、各流体について、共通供給
マニホルドヘッダーから平行状態に共通の排出マニホルドヘッダーの方へマニホ
ルドにより接続されている。
As further shown in FIGS. 4A and 4B, the cathode flow area plate 310 has a plurality of manifold openings 342, 344, 346, 348, 350, 352 formed therein, each of which has a surface. It extends between 322 and 332. The manifold opening 342 directs the incoming wet oxidant stream toward the plurality of fuel cells that make up the stack. Manifold opening 344 receives the spent oxidant stream and directs it to the oxidant outlet of the fuel cell stack. The manifold opening 346 directs the incoming wet fuel stream toward the plurality of fuel cells that make up the stack. Manifold opening 348 receives the spent fuel stream and directs it toward the fuel outlet of the fuel cell stack. The manifold opening 350 directs the incoming coolant stream toward the coolant jacket associated with the fuel cells that make up the stack. Manifold opening 352 receives the spent coolant stream and directs it to the coolant outlet of the fuel cell stack. Thus, the cells in the stack are connected by a manifold in parallel for each fluid from the common supply manifold header to the common exhaust manifold header.

【0044】 図5A及び5Bは、低燃料(H2)化学量論性センサー電池のための双極アノ
ード流通領域板410の反対方向に向いた表面422、432を示す。表面42
2は平坦な(くぼみ無し)であり、図4Bに示した協同する表面332と接触し
、冷却剤ジャケットを形成する。図5B中の表面432は、燃料入口436と燃
料出口438との間の燃料流(好ましくは水素)を送るための一つの蛇行した流
通溝又はくぼみ434がその中に形成されている。センサー電池のアノード板4
10中の流通溝434の深さは、スタックの残りの七つの燃料電池の各々のアノ
ード板中の対応する溝の深さよりも浅くなっている。センサー電池アノード板中
の流通溝434の溝が減少すると、アノード流通領域中の圧力低下を起こし、そ
れがセンサー電池を低燃料(水素)化学量論性に対し一層敏感にする。表面43
2は、膜電極組立体(図5Bでは示されていない)の他の平坦な主要表面と接触
し、図4Aに示した表面322によりその反対側にも接触している。
FIGS. 5A and 5B show oppositely facing surfaces 422, 432 of a bipolar anode flow area plate 410 for a low fuel (H 2 ) stoichiometric sensor cell. Surface 42
2 is flat (no depression) and contacts the cooperating surface 332 shown in FIG. 4B to form a coolant jacket. The surface 432 in FIG. 5B has one meandering flow groove or depression 434 formed therein for delivering the fuel flow (preferably hydrogen) between the fuel inlet 436 and the fuel outlet 438. Anode plate 4 for sensor battery
The depth of the flow grooves 434 in 10 is less than the depth of the corresponding grooves in the anode plates of each of the remaining seven fuel cells of the stack. The reduction of the flow channels 434 in the sensor cell anode plate causes a pressure drop in the anode flow area, which makes the sensor cell more sensitive to low fuel (hydrogen) stoichiometry. Surface 43
2 is in contact with the other flat major surface of the membrane electrode assembly (not shown in FIG. 5B) and also on the opposite side by surface 322 shown in FIG. 4A.

【0045】 図5A及び5Bに更に示したように、アノード流通領域板410は、複数のマ
ニホルド開口442、444、446、448、450、452が中に形成され
ており、その各々は表面422と432との間に伸びている。カソード板310
とアノード板410とを組合せると、マニホルド開口442、444、446、
448、450、452が開口342、344、346、348、350、35
2と並び、入って来る燃料、酸化剤、及び冷却剤の流れとそれらの排出流のため
のマニホルドを形成する。
As further shown in FIGS. 5A and 5B, the anode flow area plate 410 has a plurality of manifold openings 442, 444, 446, 448, 450, 452 formed therein, each of which has a surface 422. 432. Cathode plate 310
And the anode plate 410, the manifold openings 442, 444, 446,
448, 450, 452 have openings 342, 344, 346, 348, 350, 35
Alongside the two, they form a manifold for the incoming fuel, oxidant, and coolant streams and their exhaust streams.

【0046】 図6aは、三つの異なった電流密度、即ち、プロット6Aでは100A/ft 2 (ASF)、プロット6Bでは500ASF、プロット6Cでは1000AS
Fでの燃料電池の酸化剤(空気)化学量論性の関数として示した電池電圧の複合
プロット図である。図6bは、2.0H2化学量論性、30/30psig空気
/H2、電池温度=75℃、活性領域=0.25ft2、ダウ(Dow)実験用膜(商
標記号XUS 13204.10)、カソードでのポリテトラフルオロエチレン
6%、10/2通過H2/空気流通領域、で操作された燃料電池の八つの異なっ
た空気化学量論性について電流密度の関数として示した電池電圧の複合分極プロ
ット図である。図6bは、6(プロット6D)、4(プロット6E)、3(プロ
ット6F)、2.5(プロット6G)、2(プロット6H)、1.75(プロッ
ト6I)、1.5(プロット6J)、及び1.25(プロット6K)の空気化学
量論性での分極プロットを示す。
FIG. 6 a shows three different current densities: 100 A / ft in plot 6A. Two (ASF), 500 ASF for plot 6B, 1000 AS for plot 6C
Composite of cell voltage as a function of oxidizer (air) stoichiometry of fuel cell at F
It is a plot figure. FIG. 6b shows 2.0HTwoStoichiometric, 30/30 psig air
/ HTwo, Battery temperature = 75 ° C., active area = 0.25 ftTwo, Dow experimental membrane
Mark XUS 13204.10), polytetrafluoroethylene at the cathode
6%, 10/2 pass HTwo8 different fuel cells operated in / airflow area
Composite polarization probe of cell voltage as a function of current density for different air stoichiometry
FIG. Figure 6b shows 6 (plot 6D), 4 (plot 6E), 3 (pro
6F), 2.5 (Plot 6G), 2 (Plot 6H), 1.75 (Plot
G1), 1.5 (Plot 6J), and 1.25 (Plot 6K) air chemistry
Figure 3 shows a stoichiometric polarization plot.

【0047】 図6a及び6bは、化学量論性に対する感度が電流密度の増大と共に増大する
ことを示す。従って、センサー電池の活性領域が減少すると、化学量論性の変化
に対してセンサー電池を一層敏感にする。アノードとカソードの両方の活性領域
の減少は、どちらの反応物についての化学量論性の変化に対しても増大した感度
を与える結果になる。しかし、電極の一方だけの活性領域の減少でも、依然とし
て他方の電極の活性領域を、もし後者の電極領域の多くが前者の電極から物理的
に非常に離れていて、それへの実質的なイオン通路が存在しないならば、効果的
に減少する。従って、唯一つの反応物化学量論性に対してセンサー電池を敏感に
するためには、一つの電極の活性領域を、他方の電極の全ての活性領域が、減少
した領域の電極の活性領域に依然として物理的に近くなるようなやり方で減少さ
せる。このことは、他方の電極に対し同様な幾何学的大きさを持つが、全体的に
小さな不活性領域が分散している電極を用いることにより(例えば、一連の近接
した狭い帯状として電極表面に電極触媒を付着させることにより)達成すること
ができる。別法として、ガス不透過性の帯状の模様を用いてMEA中に電極の反
応物供給側をマスクすることにより、同じ効果を類似的に得ることができる。別
法として、例えば、多重溝流通領域を有する態様では、流通領域中の一つおきの
溝をブロックしてもよいであろう。そのような方法は、活性電極領域に亙って存
在する電流密度及び反応物濃度の変動を利用することもできる。従って、不均一
なマスク模様又は触媒付着を用いることも望ましいであろう。
FIGS. 6 a and 6 b show that sensitivity to stoichiometry increases with increasing current density. Thus, decreasing the active area of the sensor cell makes it more sensitive to stoichiometric changes. Reducing the active area of both the anode and cathode results in increased sensitivity to stoichiometric changes for both reactants. However, the reduction of the active area of only one of the electrodes still causes the active area of the other electrode to be substantially separated from the former electrode if much of the latter electrode area is physically far away from the former. If there is no passage, it is effectively reduced. Thus, in order to make the sensor cell sensitive to only one reactant stoichiometry, the active area of one electrode should be replaced by the active area of the electrode with the reduced area of all electrodes. Decrease in a way that is still physically close. This is achieved by using an electrode that has a similar geometric size to the other electrode, but has a small distribution of small inactive areas (eg, a series of closely spaced bands on the electrode surface). By depositing an electrocatalyst). Alternatively, the same effect can be achieved similarly by masking the reactant supply side of the electrode in the MEA with a gas impermeable strip pattern. Alternatively, for example, in embodiments having multiple channel flow areas, every other groove in the flow area could be blocked. Such methods may also take advantage of the variation in current density and reactant concentration that exists over the active electrode area. Therefore, it may also be desirable to use a non-uniform mask pattern or catalyst deposition.

【0048】 図7aは、センサー電池及び同じスタック中の残余の電池の平均について、燃
料化学量論性の関数として示した電池電圧のプロットを示す。センサー電池は構
造上スタック中の他の電池と同様であるが、但し、そのセンサー電池は約40%
のアノード活性領域の減少に類似させてあり、それはMEAの燃料供給側を一連
のガス不透過性帯でマスクすることにより達成された。(帯の分布は非直線的で
あり、燃料入口近くではそれら帯は一層広く一層近接して隔置されている)。図
7aに示したように、センサー電池は、平均的電池よりも減少した燃料化学量論
性に対し著しく一層鋭敏であった。センサー電池の減少酸化剤化学量論性に対す
る感度は、平均電池のものとは大して異ならなかった。
FIG. 7 a shows a plot of cell voltage as a function of fuel stoichiometry for the average of the sensor cells and the remaining cells in the same stack. The sensor cell is structurally similar to the other cells in the stack, except that the sensor cell is about 40%
Of the anode active area of the MEA was achieved by masking the fuel supply side of the MEA with a series of gas impermeable zones. (The distribution of the bands is non-linear and the bands are wider and closer apart near the fuel inlet). As shown in FIG. 7a, the sensor cell was significantly more sensitive to reduced fuel stoichiometry than the average cell. The sensitivity of the sensor cell to reduced oxidant stoichiometry was not significantly different from that of the average cell.

【0049】 図7bは、センサー電池及び同じスタック中の残余の電池の平均について、酸
化剤化学量論性の関数としての電池電圧のプロットを示す。センサー電池は構造
上スタック中の他の電池と同様であるが、但し、そのセンサー電池は約20%の
カソード活性領域の減少に類似させてあり、それは多重線状溝酸化剤流通領域中
の溝をブロックすることにより達成された。図7bに示したように、センサー電
池は、平均電池よりも減少した酸化剤化学量論性に対し著しく一層鋭敏であった
。センサー電池の減少燃料化学量論性に対する感度は、平均電池のものとは大し
て異ならなかった。流通溝をブロックすることは、反応物が燃料又は酸化剤のい
ずれであっても、広い範囲の電流密度に亙って単一の反応物化学量論性に対し敏
感なセンサー電池を製造するのに有効であることが判明している。マスクする方
法は、反応物が燃料である場合には効果的であるが、反応物が酸化剤である場合
には同じ範囲の電流密度に亙ってそれ程効果的ではなかった。
FIG. 7 b shows a plot of cell voltage as a function of oxidant stoichiometry for the average of the sensor cells and the remaining cells in the same stack. The sensor cell is structurally similar to the other cells in the stack, except that the sensor cell mimics a reduction in cathode active area of about 20%, which means that the channel in the multiple linear channel oxidant flow area Was achieved by blocking As shown in FIG. 7b, the sensor cells were significantly more sensitive to reduced oxidant stoichiometry than the average cell. The sensitivity of the sensor cell to reduced fuel stoichiometry was not significantly different from that of the average cell. Blocking the flow channel, whether the reactant is a fuel or an oxidant, creates a sensor cell that is sensitive to a single reactant stoichiometry over a wide range of current densities. Has proven to be effective. The masking method was effective when the reactant was a fuel, but was not as effective over the same range of current densities when the reactant was an oxidant.

【0050】 図8は、センサー電池(電池8として示されている)及びスタックの他の七つ
の電池の平均として、三つの異なった酸化剤流圧力で、100A/ft2(AS
F)での酸化剤(空気)化学量論性の関数として示した電池電圧の複合プロット
図である。プロット8Aは、100ASF及び10psigでの七つの電池の平
均についての空気化学量論性の関数として電池電圧を示す。プロット8Bは、1
00ASF及び10psigでの、図4Aに例示したカソード板を有するセンサ
ー電池8についての空気化学量論性の関数として電池電圧を示す。プロット8C
は、100ASF及び30psigでの七つの電池の平均についての空気化学量
論性の関数として電池電圧を示す。プロット8Dは、100ASF及び30ps
igでのセンサー電池についての空気化学量論性の関数として電池電圧を示す。
プロット8Eは、100ASF及び65psigでの七つの電池の平均について
の空気化学量論性の関数として電池電圧を示す。プロット8Fは、100ASF
及び65psigでのセンサー電池についての空気化学量論性の関数として電池
電圧を示す。図8は、センサー電池の電池電圧が、減少した空気化学量論性に呼
応して、スタック中の他の七つの燃料電池の平均の対応する電圧降下と比較して
劇的に低下することを示す。図8は、センサー電池の電圧降下が、一層高い圧力
水準で一層高い空気化学量論性によって誘発されることも示す。流通領域設計を
変えることにより、電圧降下を誘発する空気化学量論性は、作動条件の予想され
る範囲に基づいて調節することができる。
FIG. 8 shows the average of the sensor cell (shown as cell 8) and the other seven cells of the stack at 100 A / ft 2 (AS) at three different oxidant flow pressures.
FIG. 4 is a composite plot of battery voltage as a function of oxidant (air) stoichiometry in F). Plot 8A shows cell voltage as a function of air stoichiometry for an average of seven cells at 100 ASF and 10 psig. Plot 8B is 1
4 shows the cell voltage at 00 ASF and 10 psig as a function of air stoichiometry for a sensor cell 8 having the cathode plate illustrated in FIG. 4A. Plot 8C
Shows cell voltage as a function of air stoichiometry for an average of seven cells at 100 ASF and 30 psig. Plot 8D shows 100 ASF and 30 ps
5 shows cell voltage as a function of air stoichiometry for a sensor cell in ig.
Plot 8E shows cell voltage as a function of air stoichiometry for an average of seven cells at 100 ASF and 65 psig. Plot 8F shows 100 ASF
And cell voltage as a function of air stoichiometry for a sensor cell at 65 and 65 psig. FIG. 8 shows that the cell voltage of the sensor cell drops dramatically compared to the average corresponding voltage drop of the other seven fuel cells in the stack in response to the reduced air stoichiometry. Show. FIG. 8 also shows that the sensor cell voltage drop is induced by higher air stoichiometry at higher pressure levels. By changing the flow area design, the air stoichiometry that induces the voltage drop can be adjusted based on the expected range of operating conditions.

【0051】 図9は、センサー電池(電池8)及びスタックの他の七つの電池の平均として
、三つの異なった電流密度で、30psigでの酸化剤(空気)化学量論性の関
数として示した電池電圧の複合プロット図である。プロット9Aは、100AS
Fでの七つの電池の平均についての空気化学量論性の関数として電池電圧を示す
。プロット9Bは、100ASFでの、図4Aに例示したカソード板を有するセ
ンサー電池についての空気化学量論性の関数として電池電圧を示す。プロット9
Cは、1000ASFでの七つの電池の平均についての空気化学量論性の関数と
して電池電圧を示す。プロット9Dは、1000ASFでのセンサー電池につい
ての空気化学量論性の関数として電池電圧を示す。プロット9Eは、600AS
Fでの七つの電池の平均についての空気化学量論性の関数として電池電圧を示す
。プロット9Fは、600ASFでのセンサー電池についての空気化学量論性の
関数として電池電圧を示す。図9は、センサー電池の電池電圧が、減少した空気
化学量論性に呼応して、スタック中の残余の七つの燃料電池の平均の対応する電
圧降下と比較して劇的に低下することを示す。図9は、センサー電池の電圧降下
が、一層高い電流密度で一層大きな空気化学量論性によって誘発されることも示
す。この場合も、電圧降下を誘発する空気化学量論性は、作動条件の予想される
範囲に基づいて調節することができる。
FIG. 9 shows the average of the sensor cell (cell 8) and the other seven cells in the stack as a function of oxidant (air) stoichiometry at 30 psig at three different current densities. It is a composite plot of battery voltage. Plot 9A is 100 AS
Shown is the cell voltage as a function of air stoichiometry for the average of seven cells at F. Plot 9B shows cell voltage as a function of air stoichiometry at 100 ASF for a sensor cell having the cathode plate illustrated in FIG. 4A. Plot 9
C shows cell voltage as a function of air stoichiometry for an average of seven cells at 1000 ASF. Plot 9D shows cell voltage as a function of air stoichiometry for a sensor cell at 1000 ASF. Plot 9E is 600 AS
Shown is the cell voltage as a function of air stoichiometry for the average of seven cells at F. Plot 9F shows cell voltage as a function of air stoichiometry for a sensor cell at 600 ASF. FIG. 9 shows that the cell voltage of the sensor cell drops dramatically compared to the average corresponding voltage drop of the remaining seven fuel cells in the stack in response to the reduced air stoichiometry. Show. FIG. 9 also shows that the sensor cell voltage drop is induced by higher air stoichiometry at higher current densities. Again, the air stoichiometry that induces the voltage drop can be adjusted based on the expected range of operating conditions.

【0052】 図10は、センサー電池(電池8)、隣接する電池(電池7)、及びスタック
の他の七つの平均について、100ASF、三つの異なった燃料(H2/N2)流
圧力でのH2化学量論性の関数として示した電池電圧の複合プロット図である。
プロット10Aは、10psigでの七つの電池の平均について、H2化学量論
性の関数として電池電圧を示す。プロット10Bは、10psigでの図5A及
び5Bに例示したアノード板を有するセンサー電池について、H2化学量論性の
関数として電池電圧を示す。プロット10Cは、30psigでの七つの電池の
平均について、H2化学量論性の関数として電池電圧を示す。プロット10Dは
、100ASF及び30psigでの隣接する電池7について、H2化学量論性
の関数として電池電圧を示す。プロット10Eは、30psigでのセンサー電
池について、H2化学量論性の関数として電池電圧を示す。プロット10Fは、
65psigでの七つの電池の平均について、H2化学量論性の関数として電池
電圧を示す。プロット10Gは、65psigでのセンサー電池について、H2
化学量論性の関数として電池電圧を示す。図10は、センサー電池の電池電圧が
、減少したH2化学量論性に呼応して、スタック中の他の七つの燃料電池の平均
の対応する電圧降下と比較して劇的に低下することを示す。
FIG. 10 shows 100 ASF, three different fuel (H 2 / N 2 ) flow pressures for the sensor cell (cell 8), the adjacent cell (cell 7), and the average of the other seven of the stacks. FIG. 4 is a composite plot of battery voltage as a function of H 2 stoichiometry.
Plot 10A, for an average of seven cells in 10 psig, indicating the battery voltage as a function of H 2 stoichiometry. Plot 10B, for a sensor cell having an anode plate illustrated in FIGS. 5A and 5B at 10 psig, indicating the battery voltage as a function of H 2 stoichiometry. Plot 10C, for an average of seven cells in 30 psig, indicating the battery voltage as a function of H 2 stoichiometry. Plot 10D, for cell 7 adjacent in 100ASF and 30 psig, indicating the battery voltage as a function of H 2 stoichiometry. Plot 10E, for sensor cells in 30 psig, indicating the battery voltage as a function of H 2 stoichiometry. The plot 10F is
The average of seven of the battery at 65 psig, indicating the battery voltage as a function of H 2 stoichiometry. Plot 10G shows the H 2 for the sensor cell at 65 psig.
Show battery voltage as a function of stoichiometry. FIG. 10 shows that the cell voltage of the sensor cell drops dramatically compared to the average corresponding voltage drop of the other seven fuel cells in the stack in response to the reduced H 2 stoichiometry. Is shown.

【0053】 図11は、センサー電池(この場合は電池7として示す)、隣接する末端電池
(電池8として示す)、及びスタックの八つの電池の平均として、三つの異なっ
た電流密度で、30psigでのH2化学量論性の関数として示した電池電圧の
複合プロット図である。燃料電池は、18%のN2及び82%のH2を含んデータ
。プロット11Aは、100ASFでの八つの電池の平均についての空気化学量
論性の関数として電池電圧を示す。プロット11Bは、100ASFでのセンサ
ー電池7についての空気化学量論性の関数として電池電圧を示す。プロット11
Cは、100ASFでの、図5Bに例示したアノード板を有する隣接末端電池8
についての空気化学量論性の関数として電池電圧を示す。プロット11Dは、6
00ASFでの八つの電池の平均についての空気化学量論性の関数として電池電
圧を示す。プロット11Eは、600ASFでのセンサー電池7についての空気
化学量論性の関数として電池電圧を示す。プロット11Fは、600ASFでの
隣接末端電池8についての空気化学量論性の関数として電池電圧を示す。プロッ
ト11Gは、1000ASFでの八つの電池の平均についての空気化学量論性の
関数として電池電圧を示す。プロット11Hは、1000ASFでのセンサー電
池7についての空気化学量論性の関数として電池電圧を示す。プロット11 I
は、1000ASFでの隣接末端電池8についての空気化学量論性の関数として
電池電圧を示す。図11は、センサー電池の電池電圧が、減少したH2化学量論
性に呼応して、隣接電池7及びスタック中の八つの燃料電池の平均の対応する電
圧降下と比較して劇的に低下することを示す。図11は、センサー電池の電圧降
下が、一層高い電流密度で一層低いH2化学量論性によって誘発されることも示
す。
FIG. 11 shows the average of the eight cells in the stack, the sensor cell (here shown as cell 7), the adjacent terminal cell (shown as cell 8), and three different current densities at 30 psig. FIG. 2 is a composite plot of battery voltage as a function of H 2 stoichiometry of FIG. Fuel cell data includes 18% N 2 and 82% H 2 . Plot 11A shows cell voltage as a function of air stoichiometry for an average of eight cells at 100 ASF. Plot 11B shows cell voltage as a function of air stoichiometry for sensor cell 7 at 100 ASF. Plot 11
C is the adjacent terminal cell 8 with the anode plate illustrated in FIG. 5B at 100 ASF.
4 shows cell voltage as a function of air stoichiometry for. Plot 11D shows 6
The cell voltage is shown as a function of air stoichiometry for an average of eight cells at 00 ASF. Plot 11E shows cell voltage as a function of air stoichiometry for sensor cell 7 at 600 ASF. Plot 11F shows cell voltage as a function of air stoichiometry for adjacent end cell 8 at 600 ASF. Plot 11G shows cell voltage as a function of air stoichiometry for an average of eight cells at 1000 ASF. Plot 11H shows cell voltage as a function of air stoichiometry for sensor cell 7 at 1000 ASF. Plot 11 I
Shows the cell voltage as a function of air stoichiometry for the adjacent terminal cell 8 at 1000 ASF. FIG. 11 shows that the cell voltage of the sensor cell dropped dramatically compared to the average corresponding voltage drop of the adjacent cell 7 and the eight fuel cells in the stack in response to the reduced H 2 stoichiometry. To do so. FIG. 11 also shows that the sensor cell voltage drop is induced by lower H 2 stoichiometry at higher current densities.

【0054】 図12は、600ASF及び30psigでの、センサー電池8を含むスタッ
クの八つの電池の各々について、H2化学量論性の関数として示した電池電圧の
複合プロット図である。プロット12A及び12Bは、H2流量をゆっくり減少
させた場合のセンサー電池8の二つの実験についての電圧降下曲線を示す。プロ
ット12Cと12Dは、H2流量を、プロット12A及び12Bの場合よりもか
なり速く減少させた場合の(データ点間の経過時間は全てのプロットで同じであ
った)センサー電池8の二つの実験についての電圧降下曲線を示す。図12は、
2流量を減少させた速度には無関係にセンサー電池8の電圧降下が起きること
を示す。
FIG. 12 is a composite plot of cell voltage as a function of H 2 stoichiometry for each of the eight cells in the stack including sensor cell 8 at 600 ASF and 30 psig. Plots 12A and 12B show the voltage drop curves for two experiments sensors battery 8 in the case of slowly decreasing the flow rate of H 2. Plots 12C and 12D show two experiments of sensor cell 8 when the H 2 flow was reduced much faster than in plots 12A and 12B (the elapsed time between data points was the same for all plots). 2 shows a voltage drop curve for the above. FIG.
This indicates that a voltage drop of the sensor battery 8 occurs regardless of the speed at which the H 2 flow rate is reduced.

【0055】 本発明のセンサー電池法は、従来の燃料電池性能監視法よりも次の利点の一つ
以上を与えることができる: (1)センサー電池は、装置中の燃料電池スタックに起きる特定の望ましくない
作動状態を検出するように設計することができる。 (2)センサー電池は、燃料電池スタック中の他の電池より先に望ましくない作
動状態を検出することができ、補正作用を誘発し、それにより全体的スタック電
池損傷及び(又は)電力又は燃料電池性能の低下を防ぐのに用いることができる
。 (3)センサー電池は、電池監視の期間及び複雑性を少なくし、制御系統を簡単
化することができる。 (4)センサー電池は、出力電力の早期の低下を誘発することがある望ましくな
い作動状態が存在しない場合には、生産的な電力発生燃料電池としての機能を果
たすことができる。 (5)センサー電池は、補正作用を誘発してスタックの残余の電池を有害な状態
から保護することにより、改善されたスタックの安全性、寿命及び信頼性を与え
るように用いることができる。 (6)センサー電池は、例えば、電池反転及びその有害な効果のような検出され
つつある望ましくない作動状態の結果に対して一層許容性があり、或は頑丈であ
るように設計することができる。
The sensor cell method of the present invention can provide one or more of the following advantages over conventional fuel cell performance monitoring methods: (1) Sensor cells are specific to the fuel cell stack that occurs in the device. It can be designed to detect undesirable operating conditions. (2) Sensor cells can detect undesirable operating conditions prior to other cells in the fuel cell stack, triggering corrective action, thereby resulting in overall stack cell damage and / or power or fuel cells. Can be used to prevent performance degradation. (3) The sensor battery can reduce the period and complexity of battery monitoring and simplify the control system. (4) The sensor cell can serve as a productive power generating fuel cell in the absence of undesirable operating conditions that can cause an early drop in output power. (5) Sensor cells can be used to provide improved stack safety, longevity and reliability by inducing corrective action and protecting the remaining cells of the stack from harmful conditions. (6) Sensor cells can be designed to be more tolerant or robust to the consequences of undesirable operating conditions being detected, such as, for example, cell reversal and its deleterious effects. .

【0056】 本発明の特定の要素、態様及び適用について示し説明してきたが、勿論本発明
はそれらに限定されないことは分かるであろう。なぜなら、特に前記教示を参照
して、当業者は修正を行うことができるからである。従って、特許請求の範囲に
より、本発明の本質及び範囲内に入るそれら特徴を組み込んだものとしてそのよ
うな修正は包含される。
While specific elements, aspects and applications of the present invention have been shown and described, it will be understood that the invention is not limited thereto. This is because those skilled in the art can make modifications, particularly with reference to the above teachings. It is therefore intended by the following claims to cover such modifications as incorporating those features falling within the spirit and scope of the invention.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 2枚の流体流通領域板の間に介在させた膜電極組立体を有する典型的な固体重
合体電気化学的燃料電池のばらばらにした側面図である。
FIG. 1 is a fragmentary side view of a typical solid polymer electrochemical fuel cell having a membrane electrode assembly interposed between two fluid flow area plates.

【図2】 電気化学的燃料電池スタックの一例の一部切り取った斜視図である。FIG. 2 is a partially cutaway perspective view of an example of an electrochemical fuel cell stack.

【図3】 燃料電池電力発生装置の系統図である。FIG. 3 is a system diagram of a fuel cell power generation device.

【図4A】 低酸化剤(空気)化学量論性センサー電池の一例の双極カソード流通領域板の
反対方向を向いた表面を示す図である。
FIG. 4A illustrates an oppositely facing surface of a bipolar cathode flow area plate of an example of a low oxidizer (air) stoichiometric sensor cell.

【図4B】 低酸化剤(空気)化学量論性センサー電池の一例の双極カソード流通領域板の
反対方向を向いた表面を示す図である。
FIG. 4B illustrates an oppositely facing surface of a bipolar cathode flow area plate of an example of a low oxidizer (air) stoichiometric sensor cell.

【図5A】 低燃料(H2)化学量論性センサー電池の一例の双極アノード流通領域板の反
対方向を向いた表面を示す図である。
FIG. 5A illustrates an oppositely facing surface of a bipolar anode flow area plate of an example of a low fuel (H 2 ) stoichiometric sensor cell.

【図5B】 低燃料(H2)化学量論性センサー電池の一例の双極アノード流通領域板の反
対方向を向いた表面を示す図である。
FIG. 5B illustrates an oppositely facing surface of a bipolar anode flow area plate of an example of a low fuel (H 2 ) stoichiometric sensor cell.

【図6a】 三つの異なった電流密度、即ち、100A/ft2(ASF)、500ASF
、及び1000ASFでの燃料電池の酸化剤(空気)化学量論性の関数として示
した電池電圧の複合プロット図である。
FIG. 6a shows three different current densities: 100 A / ft 2 (ASF), 500 ASF
FIG. 3 is a composite plot of cell voltage as a function of oxidizer (air) stoichiometry of a fuel cell at, and 1000 ASF.

【図6b】 2.0H2化学量論性、30/30psig空気/H2、電池温度=75℃、活
性領域=0.25ft2、ダウ実験用膜(商標記号XUS 13204.10)
、カソードでのポリテトラフルオロエチレン6%、10/2通過H2/空気流通
領域、で操作された燃料電池の八つの異なった空気化学量論性について電流密度
の関数として示した電池電圧の複合分極プロット図である。
Figure 6b 2.0H 2 stoichiometry, 30/30 psig air / H 2, cell temperature = 75 ° C., the active region = 0.25ft 2, Dow experimental membrane (trademark symbol XUS 13,204.10)
Polytetrafluoroethylene 6% in the cathode composite 10/2 pass H 2 / air stream region, in the battery voltage shown on eight different air stoichiometry of engineered fuel cell as a function of current density It is a polarization plot figure.

【図7a】 燃料電池スタック中の電池平均及び同じスタック中のセンサー電池について、
燃料化学量論性の関数として示した電池電圧のプロット図である。センサー電池
はアノードの活性領域の約40%の減少に類似させるためマスクされていた。
FIG. 7a shows the average of the cells in a fuel cell stack and the sensor cells in the same stack.
FIG. 3 is a plot of cell voltage as a function of fuel stoichiometry. The sensor cell was masked to resemble an approximately 40% reduction in the active area of the anode.

【図7b】 燃料電池スタック中の電池平均及び同じスタック中のセンサー電池について、
酸化剤化学量論性の関数として示した電池電圧のプロット図である。センサー電
池中の酸化剤流通領域中の或る溝は、カソードの活性領域の約20%の減少に類
似させるためブロックされていた。
FIG. 7b for cell average in a fuel cell stack and sensor cells in the same stack
FIG. 4 is a plot of battery voltage as a function of oxidant stoichiometry. Certain grooves in the oxidant flow area in the sensor cell were blocked to mimic an approximately 20% reduction in the active area of the cathode.

【図8】 100A/ft2(ASF)、三つの異なった酸化剤流圧力で、センサー電池
(電池8)及びスタックの他の七つの電池の平均で、酸化剤(空気)化学量論性
の関数として示した電池電圧の複合プロット図である。
FIG. 8: Oxidant (air) stoichiometry at 100 A / ft 2 (ASF), at three different oxidant flow pressures, on average for the sensor cell (cell 8) and the other seven cells in the stack. FIG. 4 is a composite plot of battery voltage as a function.

【図9】 30psig、三つの異なった電流密度で、センサー電池(電池8)及びスタ
ックの他の七つの電池平均で、酸化剤(空気)化学量論性の関数として示した電
池電圧の複合プロット図である。
FIG. 9: Composite plot of cell voltage as a function of oxidant (air) stoichiometry at 30 psig, at three different current densities, averaged over the sensor cell (cell 8) and the other seven cells in the stack. FIG.

【図10】 100ASF、三つの異なった燃料(H2/N2)流圧力で、センサー電池(電
池8)、隣接電池(電池7)、及びスタックのセンサー電池ではない七つの電池
の平均で、H2化学量論性の関数として示した電池電圧の複合プロット図である
FIG. 10 at 100 ASF, at three different fuel (H 2 / N 2 ) flow pressures, the average of seven cells that are not sensor cells (cell 8), adjacent cell (cell 7), and sensor cells in the stack, FIG. 4 is a composite plot of battery voltage as a function of H 2 stoichiometry.

【図11】 30psig、三つの異なった電流密度で、センサー電池(電池7)、隣接末
端電池(電池8)、及びスタックのセンサー電池ではない七つの電池の平均で、
2化学量論性の関数として示した電池電圧の複合プロット図である。
FIG. 11: 30 psig, at three different current densities, the average of seven cells that are not sensor cells (cell 7), adjacent terminal cell (cell 8), and sensor cells in the stack,
FIG. 4 is a composite plot of battery voltage as a function of H 2 stoichiometry.

【図12】 600ASF及び30psigで、センサー電池8を含めたスタックの八つの
電池の各々について、H2化学量論性の関数として示した電池電圧の複合プロッ
ト図である。
FIG. 12 is a composite plot of cell voltage as a function of H 2 stoichiometry for each of the eight cells in the stack, including sensor cell 8, at 600 ASF and 30 psig.

【手続補正書】[Procedure amendment]

【提出日】平成13年2月20日(2001.2.20)[Submission date] February 20, 2001 (2001.2.20)

【手続補正1】[Procedure amendment 1]

【補正対象書類名】図面[Document name to be amended] Drawing

【補正対象項目名】図6a[Correction target item name] Fig. 6a

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction contents]

【図6a】 FIG. 6a

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ナイツ、シャンナ、ディ カナダ国 ブリティッシュ コロンビア、 バンクーバー、 イースト テンス アベ ニュー 55、ナンバー103 (72)発明者 ラウリツェン、マイケル、ブイ カナダ国 ブリティッシュ コロンビア、 バーナビイ、ジョージア ストリート 4372 Fターム(参考) 5H026 AA06 CC10 5H027 AA06 KK21 KK31 KK46 KK51 KK54 KK56 ──────────────────────────────────────────────────の Continued on the front page (72) Inventors Knights, Shana, De Canada British Columbia, Vancouver, East Tense Avenue 55, Number 103 Street 4372 F term (reference) 5H026 AA06 CC10 5H027 AA06 KK21 KK31 KK46 KK51 KK54 KK56

Claims (39)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 複数の燃料電池を有する改良された電気化学的燃料電池スタ
ックであって、該燃料電池の各々がアノード電極触媒を有するアノードと;カソ
ード電極触媒を有するカソードと;前記アノードと前記カソードとの間に介在さ
せたイオン交換膜と;を有する該電気化学的燃料電池スタックにおいて、 前記複数の燃料電池の少なくとも一つが、前記複数の残余の燃料電池とは異な
った少なくとも一つの構造的相異点を有するセンサー電池であり;しかも、前記
スタックの作動中、前記構造的相異点が、実質的に同じ作動条件下で前記残余の
燃料電池中に同時には起きない電気的及び熱的応答の少なくとも一方を、該セン
サー電池に引き起こす;ことを特徴とする、上記燃料電池スタック。
1. An improved electrochemical fuel cell stack having a plurality of fuel cells, wherein each of the fuel cells has an anode having an anode electrocatalyst; a cathode having a cathode electrocatalyst; An ion exchange membrane interposed between the fuel cell stack and at least one of the plurality of remaining fuel cells, wherein at least one of the plurality of fuel cells is different from the plurality of remaining fuel cells. A sensor cell having differences; and furthermore, during operation of the stack, the structural differences do not occur simultaneously in the remaining fuel cells under substantially the same operating conditions. Causing at least one of the responses to the sensor cell;
【請求項2】 スタックの作動中、アノードの各々がそれに向けられた燃料
流をアノード流通領域に沿って有し、カソードの各々が、それへ向けられた酸化
剤流をカソード流通領域に沿って有し、前記燃料流及び前記酸化剤流の各々が、
入口圧力及びそれに伴われる化学量論性を有し、複数の燃料電池の各々がカソー
ド単位面積当り電流を発生し、前記カソードで水を、公称作動温度で熱を発生し
、前記構造的相異点が、燃料及び酸化剤流の入口圧力及び化学量論性について実
質的に同じ作動条件下で前記残余の燃料電池中に同時には起きない電気的及び熱
的応答の少なくとも一方を、前記センサー電池に引き起こす、請求項1記載の燃
料電池スタック。
2. During operation of the stack, each of the anodes has a fuel flow directed thereto along an anode flow region, and each of the cathodes has an oxidant flow directed therethrough along a cathode flow region. Wherein each of said fuel stream and said oxidant stream comprises:
Having an inlet pressure and associated stoichiometry, each of the plurality of fuel cells generates a current per unit area of the cathode, generating water at the cathode and generating heat at a nominal operating temperature, the structural difference. Wherein the sensor cell has at least one of an electrical and thermal response that does not occur simultaneously in the remaining fuel cell under substantially the same operating conditions with respect to the inlet pressure and stoichiometry of the fuel and oxidant streams. The fuel cell stack according to claim 1, wherein
【請求項3】 スタックの作動中、センサー電池及び残余の電池が電力を与
える、請求項1記載の燃料電池スタック。
3. The fuel cell stack according to claim 1, wherein during operation of the stack, the sensor cells and the remaining cells provide power.
【請求項4】 スタックの作動中、センサー電池を有する燃料電池スタック
を通って可変電気的負荷を印加する、請求項1記載の燃料電池スタック。
4. The fuel cell stack according to claim 1, wherein during operation of the stack, a variable electrical load is applied through the fuel cell stack having the sensor cells.
【請求項5】 複数の燃料電池が、多岐管により平行した供給形態で反応物
が供給されるように接続されている、請求項1記載の燃料電池スタック。
5. The fuel cell stack according to claim 1, wherein a plurality of fuel cells are connected by a manifold so that reactants are supplied in a parallel supply form.
【請求項6】 少なくとも一つの応答が、センサー電池に起きる電圧変化で
ある、請求項1記載の燃料電池スタック。
6. The fuel cell stack according to claim 1, wherein the at least one response is a voltage change occurring in the sensor cell.
【請求項7】 少なくとも一つの応答が、センサー電池に起きるカソード単
位面積当りの電流変化である、請求項1記載の燃料電池スタック。
7. The fuel cell stack according to claim 1, wherein at least one response is a change in current per unit area of the cathode occurring in the sensor cell.
【請求項8】 少なくとも一つの応答が、センサー電池の一部品内に起きる
電圧分布の変化である、請求項1記載の燃料電池スタック。
8. The fuel cell stack according to claim 1, wherein the at least one response is a change in a voltage distribution occurring within a component of the sensor cell.
【請求項9】 少なくとも一つの応答が、センサー電池に起きる電気抵抗変
化である、請求項1記載の燃料電池スタック。
9. The fuel cell stack according to claim 1, wherein the at least one response is a change in electrical resistance that occurs in the sensor cell.
【請求項10】 少なくとも一つの応答が、センサー電池に起きる温度変化
である、請求項1記載の燃料電池スタック。
10. The fuel cell stack according to claim 1, wherein the at least one response is a temperature change occurring in the sensor cell.
【請求項11】 構造的相異点が、センサー電池のアノード及びカソードの
少なくとも一方が、残余の燃料電池の電気化学的活性領域よりも小さい電気化学
的活性領域を有する、請求項1記載の燃料電池スタック。
11. The fuel according to claim 1, wherein the structural difference is that at least one of the anode and cathode of the sensor cell has an electrochemically active area smaller than the electrochemically active area of the remaining fuel cell. Battery stack.
【請求項12】 センサー電池のアノード及びカソードの電極触媒の少なく
とも一方へ反応物が行くのが、残余の燃料電池に比較して阻害されている、請求
項1記載の燃料電池スタック。
12. The fuel cell stack according to claim 1, wherein reactant access to at least one of the anode and cathode electrocatalysts of the sensor cell is inhibited as compared to the remaining fuel cells.
【請求項13】 構造的相異点が、センサー電池のアノード及びカソードの
少なくとも一方が、残余の燃料電池の電極触媒添加量よりも少ない電極触媒添加
量を有する、請求項1記載の燃料電池スタック。
13. The fuel cell stack according to claim 1, wherein the structural difference is that at least one of the anode and the cathode of the sensor cell has a smaller amount of electrocatalyst than the remaining fuel cell. .
【請求項14】 構造的相異点が、センサー電池が、残余の燃料電池のアノ
ード流通領域形態とは異なったアノード流通領域形態を有する、請求項1記載の
燃料電池スタック。
14. The fuel cell stack according to claim 1, wherein the structural difference is that the sensor cell has an anode flow area configuration that is different from the anode flow area configuration of the remaining fuel cells.
【請求項15】 センサー電池のアノード流通領域形態が、残余の燃料電池
のアノード流通領域形態中で起きる電圧降下よりも大きい電圧降下を起こす、請
求項14記載の燃料電池スタック。
15. The fuel cell stack according to claim 14, wherein the anode flow region configuration of the sensor cell causes a voltage drop that is greater than the voltage drop that occurs in the remaining fuel cell anode flow region configuration.
【請求項16】 構造的相異点が、センサー電池が、残余の燃料電池のカソ
ード流通領域形態とは異なったカソード流通領域形態を有する、請求項1記載の
燃料電池スタック。
16. The fuel cell stack according to claim 1, wherein the structural difference is that the sensor cell has a cathode flow area configuration that is different from the cathode flow area configuration of the remaining fuel cells.
【請求項17】 センサー電池のカソード流通領域形態が、残余の燃料電池
のカソード流通領域形態中で起きる対応する電圧降下よりも大きい電圧降下を前
記流通領域に沿って起こす、請求項16記載の燃料電池スタック。
17. The fuel of claim 16, wherein the cathode flow area configuration of the sensor cell causes a greater voltage drop along the flow area than the corresponding voltage drop that occurs in the remaining fuel cell cathode flow area configuration. Battery stack.
【請求項18】 センサー電池のアノード電極触媒が、残余の燃料電池のア
ノード電極触媒とは組成が異なっている、請求項1記載の燃料電池スタック。
18. The fuel cell stack according to claim 1, wherein the anode catalyst of the sensor cell has a different composition from the anode catalyst of the remaining fuel cells.
【請求項19】 センサー電池のカソード電極触媒が、残余の燃料電池のカ
ソード電極触媒とは組成が異なっている、請求項1記載の燃料電池スタック。
19. The fuel cell stack according to claim 1, wherein the cathode catalyst of the sensor cell has a different composition from the cathode catalyst of the remaining fuel cells.
【請求項20】 燃料電池の各々が、前記燃料電池の前記各々と熱を伝導し
ながら冷却剤流通領域に沿って流れる冷却剤流を有し、構造的相異点が、残余の
燃料電池の冷却剤流通領域形態とは異なったセンサー電池冷却剤流通領域形態を
有する、請求項1記載の燃料電池スタック。
20. Each of the fuel cells has a coolant flow that flows along a coolant flow area while conducting heat with each of the fuel cells, and the structural difference is that of the remaining fuel cells. The fuel cell stack according to claim 1, wherein the fuel cell stack has a sensor cell coolant flow area configuration different from the coolant flow area configuration.
【請求項21】 構造的相異点が、センサー電池を燃料化学量論性に対して
一層敏感にしている、請求項1記載の燃料電池スタック。
21. The fuel cell stack according to claim 1, wherein structural differences make the sensor cell more sensitive to fuel stoichiometry.
【請求項22】 構造的相異点が、センサー電池を酸化剤化学量論性に対し
て一層敏感にしている、請求項1記載の燃料電池スタック。
22. The fuel cell stack of claim 1, wherein structural differences make the sensor cell more sensitive to oxidant stoichiometry.
【請求項23】 構造的相異点が、センサー電池を一酸化炭素被毒に対して
一層敏感にしている、請求項1記載の燃料電池スタック。
23. The fuel cell stack according to claim 1, wherein the structural differences make the sensor cell more sensitive to carbon monoxide poisoning.
【請求項24】 構造的相異点が、センサー電池を燃料流中の空気ブリード
レベルに対して一層敏感にしている、請求項1記載の燃料電池スタック。
24. The fuel cell stack according to claim 1, wherein the structural differences make the sensor cell more sensitive to air bleed levels in the fuel stream.
【請求項25】 構造的相異点が、センサー電池を作動温度に対して一層敏
感にしている、請求項1記載の燃料電池スタック。
25. The fuel cell stack according to claim 1, wherein the structural differences make the sensor cell more sensitive to operating temperature.
【請求項26】 構造的相異点が、センサー電池をメタノール被毒に対して
一層敏感にしている、請求項1記載の燃料電池スタック。
26. The fuel cell stack according to claim 1, wherein the structural differences make the sensor cell more susceptible to methanol poisoning.
【請求項27】 燃料電池スタックが直接メタノール燃料電池スタックであ
り、構造的相異点が、センサー電池をメタノール濃度に対し一層敏感にしている
、請求項1記載の燃料電池スタック。
27. The fuel cell stack according to claim 1, wherein the fuel cell stack is a direct methanol fuel cell stack, and the structural differences make the sensor cells more sensitive to methanol concentration.
【請求項28】 構造的相異点が、センサー電池を溢流に対して一層敏感に
している、請求項1に記載の改良燃料電池スタック。
28. The improved fuel cell stack according to claim 1, wherein structural differences make the sensor cell more susceptible to overflow.
【請求項29】 構造的相異点が、センサー電池を脱水に対して一層敏感に
している、請求項1記載の燃料電池スタック。
29. The fuel cell stack according to claim 1, wherein the structural differences make the sensor cell more susceptible to dehydration.
【請求項30】 構造的相異点が、センサー電池を物質輸送現象に対して一
層敏感にしている、請求項1記載の燃料電池スタック。
30. The fuel cell stack according to claim 1, wherein the structural differences make the sensor cell more sensitive to mass transport phenomena.
【請求項31】 複数の固体重合体燃料電池からなる燃料電池スタックを有
する電気化学的燃料電池装置の操作方法であって、前記複数の燃料電池の少なく
とも一つが、前記複数の残余の燃料電池とは異なった少なくとも一つの構造的相
異点を有するセンサー電池であり;前記スタックの作動中、前記構造的相異点が
実質的に同じ作動条件下で前記残余の燃料電池中に同時には起きない電気的及び
熱的応答の少なくとも一方を、前記センサー電池内に引き起こす;該操作方法に
おいて、 前記センサー電池の電気的及び熱的作動パラメータの少なくとも一つと、前記
残余の電池の少なくとも一つの同じパラメータとを監視し、 前記センサー電池の監視された作動パラメータを、前記少なくとも一つの残余
の電池のそれとを比較し、 もし前記比較されたパラメータが、予め定められた閾値量よりも大きく異なり
、望ましくない作動状態を示していたならば、出力信号を発生する、 ことを含む、上記操作方法。
31. A method of operating an electrochemical fuel cell device having a fuel cell stack comprising a plurality of solid polymer fuel cells, wherein at least one of the plurality of fuel cells comprises: Is a sensor cell having at least one different structural difference; during operation of the stack, the structural differences do not occur simultaneously in the remaining fuel cells under substantially the same operating conditions Causing at least one of an electrical and thermal response in the sensor cell; the method of operation comprising: at least one of the electrical and thermal operating parameters of the sensor cell; Comparing the monitored operating parameter of the sensor battery with that of the at least one remaining battery, if the comparing Generating an output signal if the determined parameter differs significantly from a predetermined threshold amount and indicates an undesirable operating condition.
【請求項32】 監視するパラメータが電池電圧である、請求項31記載の
方法。
32. The method of claim 31, wherein the monitored parameter is a battery voltage.
【請求項33】 監視するパラメータが温度である請求項31記載の方法。33. The method according to claim 31, wherein the parameter to be monitored is temperature. 【請求項34】 監視するパラメータが電池電圧の変化速度である、請求項
31記載の方法。
34. The method of claim 31, wherein the parameter monitored is the rate of change of the battery voltage.
【請求項35】 出力信号が、装置のオペレータに警告する警報信号を発す
る、請求項31記載の方法。
35. The method of claim 31, wherein the output signal issues an alarm signal alerting an operator of the device.
【請求項36】 出力信号が、監視されたパラメータを記録する、請求項3
1記載の方法。
36. The output signal records a monitored parameter.
The method of claim 1.
【請求項37】 出力信号が、装置に望ましい作動状態を回復させる補正作
用を開始させる、請求項31記載の方法。
37. The method of claim 31, wherein the output signal initiates a corrective action that restores the device to a desired operating condition.
【請求項38】 スタックの作動中、監視を連続的に行う、請求項31記載
の方法。
38. The method of claim 31, wherein monitoring is performed continuously during operation of the stack.
【請求項39】 スタックの作動中、監視を周期的に行う、請求項31記載
の方法。
39. The method of claim 31, wherein monitoring is performed periodically during operation of the stack.
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