JP3519841B2 - 固体高分子電解質型燃料電池の燃焼検出方法およびその装置 - Google Patents
固体高分子電解質型燃料電池の燃焼検出方法およびその装置Info
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- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
- H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
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- H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
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- H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
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- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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- Y02E60/50—Fuel cells
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池に関し、
一層詳細には、固体高分子電解質型燃料電池の燃焼検出
方法およびその装置に関する。
一層詳細には、固体高分子電解質型燃料電池の燃焼検出
方法およびその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】固体高分子電解質型燃料電池は、固体高
分子電解質膜の両側に触媒電極を接合した多数のセルを
積層し、これらのセルを直列に接続して構成されてい
る。この種の燃料電池で所望の出力を得るために、前記
触媒電極に燃料ガスと酸化剤ガス、例えば、主として水
素と酸素（または空気）を供給し、前記固体高分子電解
質膜でイオン交換することにより発電作用を営ませるも
のである。この種の固体高分子電解質型燃料電池の先行
技術として、例えば、特開平２−２６０３７１号公報、
特開平３−１０２７７４号公報、特開平６−２３１７９
３号公報、米国特許第４１７５１６５号公報等、幾多の
特許出願がなされ、あるいは特許されるに至っている。
分子電解質膜の両側に触媒電極を接合した多数のセルを
積層し、これらのセルを直列に接続して構成されてい
る。この種の燃料電池で所望の出力を得るために、前記
触媒電極に燃料ガスと酸化剤ガス、例えば、主として水
素と酸素（または空気）を供給し、前記固体高分子電解
質膜でイオン交換することにより発電作用を営ませるも
のである。この種の固体高分子電解質型燃料電池の先行
技術として、例えば、特開平２−２６０３７１号公報、
特開平３−１０２７７４号公報、特開平６−２３１７９
３号公報、米国特許第４１７５１６５号公報等、幾多の
特許出願がなされ、あるいは特許されるに至っている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】ところで、この種の燃
料電池においては、その作動中に何らかの原因に依拠し
て固体高分子電解質膜中を燃料ガスと酸化剤ガスとがク
ロスオーバーし、あるいはセルスタック中のガスシール
部材からリークする燃料ガス、酸化剤ガス等の作動ガス
が急激に増加し、触媒電極または固体高分子電解質膜中
で燃焼を起こし、当該電極および電解質膜が燃焼してし
まう場合がある。
料電池においては、その作動中に何らかの原因に依拠し
て固体高分子電解質膜中を燃料ガスと酸化剤ガスとがク
ロスオーバーし、あるいはセルスタック中のガスシール
部材からリークする燃料ガス、酸化剤ガス等の作動ガス
が急激に増加し、触媒電極または固体高分子電解質膜中
で燃焼を起こし、当該電極および電解質膜が燃焼してし
まう場合がある。
【０００４】この燃焼に際して、前記の電極中の触媒が
燃焼触媒として作用するため、所謂、触媒燃焼が比較的
低温で発生するに至る。この種の固体高分子電解質型燃
料電池の前記の如き燃焼異常に対して、従来、殆ど検討
が行われておらず、従って、解決策も見出されていな
い。本発明は、前記の不都合を克服するためになされた
ものであって、燃料電池を構成するセルから得られる電
圧の低下、セル中の温度、酸化剤ガス、燃料ガスのセル
スタックの入口と出口のガス温度の検出、電解質膜を透
過し、あるいは漏洩する酸化剤ガス、燃料ガスの濃度の
検出等を行うことによってセル自体が燃焼するに至るこ
とを可及的速やかに検知し、燃焼がシステム全体への大
きなトラブルへと発展することを回避するための固体高
分子電解質型燃料電池の燃焼検出方法およびその装置を
提供することにある。
燃焼触媒として作用するため、所謂、触媒燃焼が比較的
低温で発生するに至る。この種の固体高分子電解質型燃
料電池の前記の如き燃焼異常に対して、従来、殆ど検討
が行われておらず、従って、解決策も見出されていな
い。本発明は、前記の不都合を克服するためになされた
ものであって、燃料電池を構成するセルから得られる電
圧の低下、セル中の温度、酸化剤ガス、燃料ガスのセル
スタックの入口と出口のガス温度の検出、電解質膜を透
過し、あるいは漏洩する酸化剤ガス、燃料ガスの濃度の
検出等を行うことによってセル自体が燃焼するに至るこ
とを可及的速やかに検知し、燃焼がシステム全体への大
きなトラブルへと発展することを回避するための固体高
分子電解質型燃料電池の燃焼検出方法およびその装置を
提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】前記の課題を解決するた
めに、本発明に係る固体高分子電解質型燃料電池の燃焼
検出方法では、固体高分子電解質膜と、前記固体高分子
電解質膜の一方と他方の側面にそれぞれ当接し、あるい
は一体的に形成されたアノード電極とカソード電極とか
ら燃料電池セルを構成し、前記アノード電極とカソード
電極間の電位差を検出するとともに、少なくとも前記固
体高分子電解質膜、アノード電極、カソード電極のいず
れか一つについて、燃料電池作動中の温度を検出し、前
記検出された電位差が予め設定されている基準値よりも
下降した場合に異常状態であると判定し、異常状態であ
ると判定された場合に、前記検出された温度と、予め設
定されて作動温度よりも高い基準値とを比較し、前記検
出された温度が前記基準値以上であるとき、当該燃料電
池セルが燃焼していると判定することを特徴とする。
めに、本発明に係る固体高分子電解質型燃料電池の燃焼
検出方法では、固体高分子電解質膜と、前記固体高分子
電解質膜の一方と他方の側面にそれぞれ当接し、あるい
は一体的に形成されたアノード電極とカソード電極とか
ら燃料電池セルを構成し、前記アノード電極とカソード
電極間の電位差を検出するとともに、少なくとも前記固
体高分子電解質膜、アノード電極、カソード電極のいず
れか一つについて、燃料電池作動中の温度を検出し、前
記検出された電位差が予め設定されている基準値よりも
下降した場合に異常状態であると判定し、異常状態であ
ると判定された場合に、前記検出された温度と、予め設
定されて作動温度よりも高い基準値とを比較し、前記検
出された温度が前記基準値以上であるとき、当該燃料電
池セルが燃焼していると判定することを特徴とする。
【０００６】また、本発明に係る固体高分子電解質型燃
料電池の燃焼検出装置では、固体高分子電解質膜と、前
記固体高分子電解質膜の一方と他方の側面にそれぞれ当
接し、あるいは一体的に形成されたアノード電極とカソ
ード電極と、前記アノード電極とカソード電極との間の
電位差を検出するための第１センサと、前記固体高分子
電解質膜、アノード電極、カソード電極の少なくともい
ずれか一つについて、燃料電池作動中の温度を検出する
ための第２センサと、前記第１センサによって検出され
た電位差が予め設定されている基準値よりも下降した場
合に異常状態であると判定する異常判定手段と、前記異
常判定手段によって異常状態であると判定された場合
に、前記第２センサによって検出された温度と、予め設
定されて作動温度よりも高い基準値とを比較し、前記検
出された温度が前記基準値以上であるとき、前記固体高
分子電解質膜、アノード電極、カソード電極のいずれか
が燃焼していると判定する燃焼判定手段と、を有するこ
とを特徴とする。
料電池の燃焼検出装置では、固体高分子電解質膜と、前
記固体高分子電解質膜の一方と他方の側面にそれぞれ当
接し、あるいは一体的に形成されたアノード電極とカソ
ード電極と、前記アノード電極とカソード電極との間の
電位差を検出するための第１センサと、前記固体高分子
電解質膜、アノード電極、カソード電極の少なくともい
ずれか一つについて、燃料電池作動中の温度を検出する
ための第２センサと、前記第１センサによって検出され
た電位差が予め設定されている基準値よりも下降した場
合に異常状態であると判定する異常判定手段と、前記異
常判定手段によって異常状態であると判定された場合
に、前記第２センサによって検出された温度と、予め設
定されて作動温度よりも高い基準値とを比較し、前記検
出された温度が前記基準値以上であるとき、前記固体高
分子電解質膜、アノード電極、カソード電極のいずれか
が燃焼していると判定する燃焼判定手段と、を有するこ
とを特徴とする。
【０００７】さらにまた、本発明に係る固体高分子電解
質型燃料電池の燃焼検出装置では、固体高分子電解質膜
と、前記固体高分子電解質膜の一方と他方の側面にそれ
ぞれ当接し、あるいは一体的に形成されたアノード電極
とカソード電極と、前記アノード電極とカソード電極と
の間の電位差を検出するための第１センサと、前記アノ
ード電極またはカソード電極から排出される未反応ガス
中の水分量を検出するための第２センサと、前記第１セ
ンサによって検出された電位差が予め設定されている基
準値よりも下降した場合に異常状態であると判定する異
常判定手段と、前記異常判定手段によって異常状態であ
ると判定された場合に、前記第２センサによって検出さ
れた水分量と、予め設定された基準水分量とを比較し、
前記検出された水分量が前記基準水分量以上であると
き、前記固体高分子電解質膜、アノード電極、カソード
電極のいずれかが燃焼していると判定する燃焼判定手段
と、を有することを特徴とする。
質型燃料電池の燃焼検出装置では、固体高分子電解質膜
と、前記固体高分子電解質膜の一方と他方の側面にそれ
ぞれ当接し、あるいは一体的に形成されたアノード電極
とカソード電極と、前記アノード電極とカソード電極と
の間の電位差を検出するための第１センサと、前記アノ
ード電極またはカソード電極から排出される未反応ガス
中の水分量を検出するための第２センサと、前記第１セ
ンサによって検出された電位差が予め設定されている基
準値よりも下降した場合に異常状態であると判定する異
常判定手段と、前記異常判定手段によって異常状態であ
ると判定された場合に、前記第２センサによって検出さ
れた水分量と、予め設定された基準水分量とを比較し、
前記検出された水分量が前記基準水分量以上であると
き、前記固体高分子電解質膜、アノード電極、カソード
電極のいずれかが燃焼していると判定する燃焼判定手段
と、を有することを特徴とする。
【０００８】前記の本発明によれば、アノード電極とカ
ソード電極間の電位差を検出して、この電位差が所定の
基準値よりも低いと判断した時にさらに固体高分子電解
質膜、アノード電極、カソード電極のいずれかから得ら
れる検出温度が基準温度と比較される。この検出された
温度が当該基準温度よりも所定値以上高いと判断した
時、燃料電池セルに燃焼状態が惹起していると判定す
る。そして、この燃焼を停止させるための制御を行えば
よい。この場合、第２センサは温度検出センサに代え
て、アノード電極またはカソード電極から排出される未
反応ガス中の水分量を検出するセンサであってもよい。
ソード電極間の電位差を検出して、この電位差が所定の
基準値よりも低いと判断した時にさらに固体高分子電解
質膜、アノード電極、カソード電極のいずれかから得ら
れる検出温度が基準温度と比較される。この検出された
温度が当該基準温度よりも所定値以上高いと判断した
時、燃料電池セルに燃焼状態が惹起していると判定す
る。そして、この燃焼を停止させるための制御を行えば
よい。この場合、第２センサは温度検出センサに代え
て、アノード電極またはカソード電極から排出される未
反応ガス中の水分量を検出するセンサであってもよい。
【０００９】
【発明の実施の形態】本発明に係る固体高分子電解質型
燃料電池の燃焼検出方法について、それを実施する装置
との関係において好適な実施の形態を挙げ、添付の図面
を参照しながら以下詳細に説明する。先ず、固体高分子
電解質型燃料電池の構成について説明する。
燃料電池の燃焼検出方法について、それを実施する装置
との関係において好適な実施の形態を挙げ、添付の図面
を参照しながら以下詳細に説明する。先ず、固体高分子
電解質型燃料電池の構成について説明する。
【００１０】該燃料電池セル１０は、図１および図２に
示すように、基本的には発電部１２とセパレータ１４と
から構成される。前記セパレータ１４は全てカーボン等
の電子導電性材料で構成されている。具体的には、該セ
パレータ１４は、比較的厚みのある第１板体１６と、第
２板体１８と、第３板体２０とを含み、前記第１板体１
６と第２板体１８との間に第１隔壁２２が介装され、一
方、第２板体１８と第３板体２０との間に第２隔壁２４
が介装され、前記第１板体１６、第１隔壁２２、第２板
体１８、第２隔壁２４、第３板体２０の順序で積層され
て構成される。なお、図中、参照符号２８は、第１板体
１６の一面に係着される第１ガスケットを示し、参照符
号３０は、第３板体２０の一面に係着される第２ガスケ
ットを示す。
示すように、基本的には発電部１２とセパレータ１４と
から構成される。前記セパレータ１４は全てカーボン等
の電子導電性材料で構成されている。具体的には、該セ
パレータ１４は、比較的厚みのある第１板体１６と、第
２板体１８と、第３板体２０とを含み、前記第１板体１
６と第２板体１８との間に第１隔壁２２が介装され、一
方、第２板体１８と第３板体２０との間に第２隔壁２４
が介装され、前記第１板体１６、第１隔壁２２、第２板
体１８、第２隔壁２４、第３板体２０の順序で積層され
て構成される。なお、図中、参照符号２８は、第１板体
１６の一面に係着される第１ガスケットを示し、参照符
号３０は、第３板体２０の一面に係着される第２ガスケ
ットを示す。
【００１１】そこで、第１板体１６について説明する。
図１並びに図２から諒解される通り、第１板体１６の中
央部には略正四角形状の大孔３２が画成され、この大孔
３２を囲繞するように、前記第１板体１６の上枠１６ａ
には直方体状の貫通孔３４が画成され、また、下枠１６
ｂには貫通孔３６が画成されている。この場合、貫通孔
３４は大孔３２と複数の細孔３８を介して連通し、一
方、貫通孔３６も同様に、複数の細孔４０を介して大孔
３２と連通している。
図１並びに図２から諒解される通り、第１板体１６の中
央部には略正四角形状の大孔３２が画成され、この大孔
３２を囲繞するように、前記第１板体１６の上枠１６ａ
には直方体状の貫通孔３４が画成され、また、下枠１６
ｂには貫通孔３６が画成されている。この場合、貫通孔
３４は大孔３２と複数の細孔３８を介して連通し、一
方、貫通孔３６も同様に、複数の細孔４０を介して大孔
３２と連通している。
【００１２】前記第１板体１６の側枠１６ｃには、前記
貫通孔３４、３６と同様な直方体状の貫通孔４２が画成
され、一方、側枠１６ｄにも、前記貫通孔４２と同様な
直方体状の貫通孔４４が画成されている。第１板体１６
の上枠１６ａと側枠１６ｄとによって形成される隅角部
には連通孔４６が画成され、また、下枠１６ｂと側枠１
６ｃとによって画成される隅角部には連通孔４８が画成
されている。
貫通孔３４、３６と同様な直方体状の貫通孔４２が画成
され、一方、側枠１６ｄにも、前記貫通孔４２と同様な
直方体状の貫通孔４４が画成されている。第１板体１６
の上枠１６ａと側枠１６ｄとによって形成される隅角部
には連通孔４６が画成され、また、下枠１６ｂと側枠１
６ｃとによって画成される隅角部には連通孔４８が画成
されている。
【００１３】次に、第２板体１８について説明する。第
２板体１８の中央部には前記第１板体１６と同様の大孔
５０が画成され、その上枠１８ａには貫通孔５２が、ま
た、その下枠１８ｂには貫通孔５４が画成されている。
一方、第２板体１８の側枠１８ｃには貫通孔５６が、ま
た、側枠１８ｄには貫通孔５８が画成されている。前記
上枠１８ａと側枠１８ｄとによって形成される隅角部に
は連通孔６０が画成され、下枠１８ｂと側枠１８ｃとに
よって画成される隅角部には連通孔６２が画成されてい
る。それぞれの連通孔６０、６２は大孔５０と孔６４、
６６（図３参照）によって連通されている。なお、この
第２板体１８には前記第１板体１６に設けられている細
孔３８、４０に対応する細孔は存在しない。
２板体１８の中央部には前記第１板体１６と同様の大孔
５０が画成され、その上枠１８ａには貫通孔５２が、ま
た、その下枠１８ｂには貫通孔５４が画成されている。
一方、第２板体１８の側枠１８ｃには貫通孔５６が、ま
た、側枠１８ｄには貫通孔５８が画成されている。前記
上枠１８ａと側枠１８ｄとによって形成される隅角部に
は連通孔６０が画成され、下枠１８ｂと側枠１８ｃとに
よって画成される隅角部には連通孔６２が画成されてい
る。それぞれの連通孔６０、６２は大孔５０と孔６４、
６６（図３参照）によって連通されている。なお、この
第２板体１８には前記第１板体１６に設けられている細
孔３８、４０に対応する細孔は存在しない。
【００１４】さらに、第３板体２０について説明する。
第３板体２０には、その中央部に第１板体１６、第２板
体１８と同様の大孔７０が画成され、その大孔７０を囲
繞するように、上枠２０ａには直方体状の貫通孔７２が
画成され、また、その下枠２０ｂにも同様に貫通孔７４
が画成されている。側枠２０ｃには貫通孔７６が画成さ
れ、さらに、側枠２０ｄには貫通孔７８が画成されてい
る。この第３板体２０では、大孔７０と貫通孔７６とは
複数の細孔８０によって連通されており、一方、該大孔
７０と貫通孔７８とは、同様に、複数の細孔８２によっ
て連通されている。第３板体２０の上枠２０ａと側枠２
０ｄとによって形成される隅角部には連通孔８４が画成
され、下枠２０ｂと側枠２０ｃとによって画成される隅
角部には、第１板体１６の連通孔４８、第２板体１８の
連通孔６２と対応する位置に図示しない連通孔が設けら
れている。
第３板体２０には、その中央部に第１板体１６、第２板
体１８と同様の大孔７０が画成され、その大孔７０を囲
繞するように、上枠２０ａには直方体状の貫通孔７２が
画成され、また、その下枠２０ｂにも同様に貫通孔７４
が画成されている。側枠２０ｃには貫通孔７６が画成さ
れ、さらに、側枠２０ｄには貫通孔７８が画成されてい
る。この第３板体２０では、大孔７０と貫通孔７６とは
複数の細孔８０によって連通されており、一方、該大孔
７０と貫通孔７８とは、同様に、複数の細孔８２によっ
て連通されている。第３板体２０の上枠２０ａと側枠２
０ｄとによって形成される隅角部には連通孔８４が画成
され、下枠２０ｂと側枠２０ｃとによって画成される隅
角部には、第１板体１６の連通孔４８、第２板体１８の
連通孔６２と対応する位置に図示しない連通孔が設けら
れている。
【００１５】次いで、第１と第２の隔壁２２、２４につ
いて説明する。これらの第１と第２の隔壁２２、２４は
水透過性の多孔質または緻密質で構成されたカーボンか
らなり、図４に示すように、前記第１板体１６、第２板
体１８、第３板体２０のそれぞれの上枠、下枠、側枠に
画成された貫通孔に対応する貫通孔９０、９２、９４、
９６を備え、さらに、連通孔４６、６０、８４に対応す
る連通孔９８が一方の隅角部に画成され、連通孔４８、
６２および第３板体２０の側枠２０ｃと下枠２０ｂとに
よって形成される隅角部に画成された図示しない連通孔
に対応する連通孔１００が画成されている。
いて説明する。これらの第１と第２の隔壁２２、２４は
水透過性の多孔質または緻密質で構成されたカーボンか
らなり、図４に示すように、前記第１板体１６、第２板
体１８、第３板体２０のそれぞれの上枠、下枠、側枠に
画成された貫通孔に対応する貫通孔９０、９２、９４、
９６を備え、さらに、連通孔４６、６０、８４に対応す
る連通孔９８が一方の隅角部に画成され、連通孔４８、
６２および第３板体２０の側枠２０ｃと下枠２０ｂとに
よって形成される隅角部に画成された図示しない連通孔
に対応する連通孔１００が画成されている。
【００１６】前記のように構成される第１板体１６、第
１隔壁２２、第２板体１８、第２隔壁２４および第３板
体２０は、互いに積層されてセパレータ１４として形成
された時、前記第１隔壁２２と第２隔壁２４との間で冷
却室１０４（図２参照）が画成される。次に、発電部１
２について説明する。発電部１２は、基本的には、一組
の集電体１１０、１１２と、前記集電体１１０、１１２
の間で挟持される電極一体型電解質膜体１２４とから構
成される。集電体１１０、１１２は、多孔質カーボンか
らなる剛体として形成される。
１隔壁２２、第２板体１８、第２隔壁２４および第３板
体２０は、互いに積層されてセパレータ１４として形成
された時、前記第１隔壁２２と第２隔壁２４との間で冷
却室１０４（図２参照）が画成される。次に、発電部１
２について説明する。発電部１２は、基本的には、一組
の集電体１１０、１１２と、前記集電体１１０、１１２
の間で挟持される電極一体型電解質膜体１２４とから構
成される。集電体１１０、１１２は、多孔質カーボンか
らなる剛体として形成される。
【００１７】前記集電体１１０は、セパレータ１４を構
成する第１板体１６の大孔３２に若干の隙間をもって嵌
合すべく略正方形状でかつ前記第１板体１６と略同じ厚
さの板体からなる。前記集電体１１０には、図１に示す
ように、前記第１板体１６の細孔３８、４０と連通し且
つ反応ガスを流通するために表面積を拡大すべく複数の
溝１１４が形成される。従って、前記集電体１１０が第
１板体１６の大孔３２に嵌合されると、溝１１４が細孔
３８、４０を介してそれぞれ貫通孔３４と貫通孔３６と
に連通するとともに、第１隔壁２２に押圧されると、第
１板体１６の大孔３２内で溝１１４の延在方向と直交す
る方向に前記集電体１１０が変位可能である。
成する第１板体１６の大孔３２に若干の隙間をもって嵌
合すべく略正方形状でかつ前記第１板体１６と略同じ厚
さの板体からなる。前記集電体１１０には、図１に示す
ように、前記第１板体１６の細孔３８、４０と連通し且
つ反応ガスを流通するために表面積を拡大すべく複数の
溝１１４が形成される。従って、前記集電体１１０が第
１板体１６の大孔３２に嵌合されると、溝１１４が細孔
３８、４０を介してそれぞれ貫通孔３４と貫通孔３６と
に連通するとともに、第１隔壁２２に押圧されると、第
１板体１６の大孔３２内で溝１１４の延在方向と直交す
る方向に前記集電体１１０が変位可能である。
【００１８】集電体１１２は、第３板体２０の大孔７０
に対応する略正方形状でかつこの第３板体２０と略同じ
厚さの板体からなる。前記集電体１１２には、該第３板
体２０に画成されている細孔８０、８２に連通する複数
の溝１１６が画成されている。従って、前記集電体１１
２が第３板体２０の大孔７０に嵌合されると、溝１１６
が細孔８０、８２を介してそれぞれ貫通孔７６、７８に
連通するとともに、第２隔壁２４に押圧されると、第３
板体２０の大孔７０内で溝１１６の延在方向と直交する
方向に前記集電体１１２が変位可能である。
に対応する略正方形状でかつこの第３板体２０と略同じ
厚さの板体からなる。前記集電体１１２には、該第３板
体２０に画成されている細孔８０、８２に連通する複数
の溝１１６が画成されている。従って、前記集電体１１
２が第３板体２０の大孔７０に嵌合されると、溝１１６
が細孔８０、８２を介してそれぞれ貫通孔７６、７８に
連通するとともに、第２隔壁２４に押圧されると、第３
板体２０の大孔７０内で溝１１６の延在方向と直交する
方向に前記集電体１１２が変位可能である。
【００１９】前記電極一体型電解質膜体１２４は、固体
高分子電解質膜１２６の一面にアノード側電極触媒層１
２８ａを備え、他面にカソード側電極触媒層１２８ｂを
備えている。この場合、前記電解質膜１２６は電極触媒
層１２８ａ、１２８ｂを分離構成してもよい。第１板体
１６に関連して説明すると、前記固体高分子電解質膜１
２６のその大きさは貫通孔３４、３６、４２および４４
の内側端縁と略同様であり、一方、電極触媒層１２８
ａ、１２８ｂの大きさは集電体１１０、１１２と略同様
である。
高分子電解質膜１２６の一面にアノード側電極触媒層１
２８ａを備え、他面にカソード側電極触媒層１２８ｂを
備えている。この場合、前記電解質膜１２６は電極触媒
層１２８ａ、１２８ｂを分離構成してもよい。第１板体
１６に関連して説明すると、前記固体高分子電解質膜１
２６のその大きさは貫通孔３４、３６、４２および４４
の内側端縁と略同様であり、一方、電極触媒層１２８
ａ、１２８ｂの大きさは集電体１１０、１１２と略同様
である。
【００２０】図５にガスケット２８、３０の構造を示
す。前記ガスケット２８、３０は、図２に示すように、
第１板体１６と第３板体２０との間で挟持され、隣接す
るガスケット２８、３０間で電極一体型電解質膜体１２
４を挟む。前記ガスケット２８、３０には、後述するよ
うに、圧力流体が燃料電池セル１０として積層された第
１乃至第３の板体１６、１８、２０の間で通流可能なよ
うに、かつ集電体１１０、１１２が電極一体型電解質膜
体１２４に当接可能なように、貫通孔１３０ａ〜１３０
ｄ、連通孔１３２、１３４および大孔１３６が画成され
ている。
す。前記ガスケット２８、３０は、図２に示すように、
第１板体１６と第３板体２０との間で挟持され、隣接す
るガスケット２８、３０間で電極一体型電解質膜体１２
４を挟む。前記ガスケット２８、３０には、後述するよ
うに、圧力流体が燃料電池セル１０として積層された第
１乃至第３の板体１６、１８、２０の間で通流可能なよ
うに、かつ集電体１１０、１１２が電極一体型電解質膜
体１２４に当接可能なように、貫通孔１３０ａ〜１３０
ｄ、連通孔１３２、１３４および大孔１３６が画成され
ている。
【００２１】以上のように構成される発電部１２とセパ
レータ１４とは、第１板体１６の大孔３２に集電体１１
０が変位自在に嵌合し、第３板体２０の大孔７０に集電
体１１２が変位自在に嵌合し、電極触媒層１２８ａ、１
２８ｂには集電体１１０と集電体１１２の平滑な面が当
接し、電極一体型電解質膜体１２４の外部に露呈する面
はガスケット２８、３０に接する。そして、全体とし
て、第１板体１６、第１隔壁２２、第２板体１８、第２
隔壁２４、第３板体２０、ガスケット３０、電極一体型
電解質膜体１２４、ガスケット２８、第１板体１６の如
き順序で積層して燃料電池セル１０が形成される。な
お、その積層固定に際しては、図６に示すように、第１
板体１６の貫通孔３４、３６並びに貫通孔４２、４４に
連通する管継手１４０、１４２、１４４、１４６、連通
孔４６、４８に連通する管継手１４８、１５０を有する
エンドプレート１５２、および前記のような管継手が配
設されていないエンドプレート１５４をその両端に配設
し、締付ボルト１５６ａ〜１５６ｄでその四隅を強くか
つ均等に締め付けることにより構成される。この燃料電
池セル１０からの出力は、出力端子１５８、１５９から
導出される。
レータ１４とは、第１板体１６の大孔３２に集電体１１
０が変位自在に嵌合し、第３板体２０の大孔７０に集電
体１１２が変位自在に嵌合し、電極触媒層１２８ａ、１
２８ｂには集電体１１０と集電体１１２の平滑な面が当
接し、電極一体型電解質膜体１２４の外部に露呈する面
はガスケット２８、３０に接する。そして、全体とし
て、第１板体１６、第１隔壁２２、第２板体１８、第２
隔壁２４、第３板体２０、ガスケット３０、電極一体型
電解質膜体１２４、ガスケット２８、第１板体１６の如
き順序で積層して燃料電池セル１０が形成される。な
お、その積層固定に際しては、図６に示すように、第１
板体１６の貫通孔３４、３６並びに貫通孔４２、４４に
連通する管継手１４０、１４２、１４４、１４６、連通
孔４６、４８に連通する管継手１４８、１５０を有する
エンドプレート１５２、および前記のような管継手が配
設されていないエンドプレート１５４をその両端に配設
し、締付ボルト１５６ａ〜１５６ｄでその四隅を強くか
つ均等に締め付けることにより構成される。この燃料電
池セル１０からの出力は、出力端子１５８、１５９から
導出される。
【００２２】このように構成される燃料電池セル１０に
は、図７に示すように、前記冷却室１０４に冷媒である
水を供給する回路が外部に設けられている。すなわち、
循環する水が貯蔵されるタンク１６０、所定の圧力まで
上昇させる昇圧ポンプ１６２、さらにイオン交換樹脂１
６４が管路１６６の一方の端部に接続されている。この
場合、前記管路１６６の他端部は、水凝縮器１６８に到
達する。該水凝縮器１６８の出口側は気液分離器１７０
の出口側に接続されている管路１７２を介して前記タン
ク１６０の入口に接続されている。水凝縮器１６８の入
口側には管路１７４が接続されている。該管路１７４は
アノード側電極触媒層１２８ａに到達するが、その間
に、切換弁１７６が介装され且つ水素温度検出センサ１
７８が該管路１７４に介装されている。前記タンク１６
０は、また、気液分離器１８０の出口側に接続され、そ
の入口側には水凝縮器１８２を介装した管路１８４が接
続されている。当該管路１８４はカソード側電極触媒層
１２８ｂに到達するが、その間に、切換弁１８６が介装
され且つ酸素濃度検出センサ１８８が該管路１８４に介
装されている。前記切換弁１７６から分岐した管路１９
０と前記切換弁１８６から分岐した管路１９２にはそれ
ぞれ開閉弁１９４、開閉弁１９６が介装され、各出口側
は合流して管路１９８となって前記水凝縮器１８２の上
流側に接続される。前記水凝縮器１８２の出口側は切換
弁２００を介して燃料電池セパレータ内の冷却水路２０
２に接続され、該冷却水路２０２は管路２０１を介して
タンク１６０に接続されるが、この間に、該管路２０１
には背圧弁２０３が介装されている。
は、図７に示すように、前記冷却室１０４に冷媒である
水を供給する回路が外部に設けられている。すなわち、
循環する水が貯蔵されるタンク１６０、所定の圧力まで
上昇させる昇圧ポンプ１６２、さらにイオン交換樹脂１
６４が管路１６６の一方の端部に接続されている。この
場合、前記管路１６６の他端部は、水凝縮器１６８に到
達する。該水凝縮器１６８の出口側は気液分離器１７０
の出口側に接続されている管路１７２を介して前記タン
ク１６０の入口に接続されている。水凝縮器１６８の入
口側には管路１７４が接続されている。該管路１７４は
アノード側電極触媒層１２８ａに到達するが、その間
に、切換弁１７６が介装され且つ水素温度検出センサ１
７８が該管路１７４に介装されている。前記タンク１６
０は、また、気液分離器１８０の出口側に接続され、そ
の入口側には水凝縮器１８２を介装した管路１８４が接
続されている。当該管路１８４はカソード側電極触媒層
１２８ｂに到達するが、その間に、切換弁１８６が介装
され且つ酸素濃度検出センサ１８８が該管路１８４に介
装されている。前記切換弁１７６から分岐した管路１９
０と前記切換弁１８６から分岐した管路１９２にはそれ
ぞれ開閉弁１９４、開閉弁１９６が介装され、各出口側
は合流して管路１９８となって前記水凝縮器１８２の上
流側に接続される。前記水凝縮器１８２の出口側は切換
弁２００を介して燃料電池セパレータ内の冷却水路２０
２に接続され、該冷却水路２０２は管路２０１を介して
タンク１６０に接続されるが、この間に、該管路２０１
には背圧弁２０３が介装されている。
【００２３】一方、アノード側電極触媒層１２８ａには
燃料ガス供給管路２０４が接続されるとともに、この燃
料ガス供給管路２０４に開閉弁２０６が介装される。該
燃料ガス供給管路２０４には分岐管路２０８が接続さ
れ、この分岐管路２０８は、開閉弁２１０を経て管路１
７４に接続されている。カソード側電極触媒層１２８ｂ
には酸化剤ガス供給管路２１２が接続され、この酸化剤
ガス供給管路２１２は、開閉弁２１４が介装される。該
酸化剤ガス供給管路２１２は大気側、例えば、空気ブロ
アまたは空気圧縮器２１６に接続される。なお、酸化剤
ガス供給管路２１２は分岐管路２１８と接続され、該分
岐管路２１８は管路１８４と接続される。前記分岐管路
２１８には開閉弁２２０が介装される。
燃料ガス供給管路２０４が接続されるとともに、この燃
料ガス供給管路２０４に開閉弁２０６が介装される。該
燃料ガス供給管路２０４には分岐管路２０８が接続さ
れ、この分岐管路２０８は、開閉弁２１０を経て管路１
７４に接続されている。カソード側電極触媒層１２８ｂ
には酸化剤ガス供給管路２１２が接続され、この酸化剤
ガス供給管路２１２は、開閉弁２１４が介装される。該
酸化剤ガス供給管路２１２は大気側、例えば、空気ブロ
アまたは空気圧縮器２１６に接続される。なお、酸化剤
ガス供給管路２１２は分岐管路２１８と接続され、該分
岐管路２１８は管路１８４と接続される。前記分岐管路
２１８には開閉弁２２０が介装される。
【００２４】この場合、気液分離器１７０、１８０、空
気圧縮器２１６は改質器２２２に接続され、さらにこの
改質器２２２はタンク１６０に接続された水供給ポンプ
２２４の出力側と接続されている。前記改質器２２２
は、さらにメタノールタンク２２６からメタノールを送
給するメタノール供給ポンプ２２８の出力側と接続され
ている。なお、前記改質器２２２の出力側にはＣＯ除去
器２３０が接続されている。従って、メタノール供給ポ
ンプ２２８を介してメタノールタンク２２６から供給さ
れるメタノールガスを改質器２２２で所定の品質となる
ように改質し、開閉弁２０６を経てアノード側電極触媒
層１２８ａに供給する。一方、カソード側電極触媒層１
２８ｂには空気圧縮器２１６から圧縮空気が送られる。
気圧縮器２１６は改質器２２２に接続され、さらにこの
改質器２２２はタンク１６０に接続された水供給ポンプ
２２４の出力側と接続されている。前記改質器２２２
は、さらにメタノールタンク２２６からメタノールを送
給するメタノール供給ポンプ２２８の出力側と接続され
ている。なお、前記改質器２２２の出力側にはＣＯ除去
器２３０が接続されている。従って、メタノール供給ポ
ンプ２２８を介してメタノールタンク２２６から供給さ
れるメタノールガスを改質器２２２で所定の品質となる
ように改質し、開閉弁２０６を経てアノード側電極触媒
層１２８ａに供給する。一方、カソード側電極触媒層１
２８ｂには空気圧縮器２１６から圧縮空気が送られる。
【００２５】以上のような構成において、燃料電池シス
テムを全体として制御するためのシステム制御部３００
に種々のセンサからの出力信号が取り込まれる。先ず、
アノード側電極触媒層１２８ａとカソード側電極触媒層
１２８ｂに電位差検出センサ３０２ａ、３０２ｂがそれ
ぞれ設けられ、それぞれのセンサ３０２ａ、３０２ｂの
出力はシステム制御部３００に取り込まれる。また、前
記アノード側電極触媒層１２８ａ、カソード側電極触媒
層１２８ｂのいずれか一方、または両方に対応する電極
の温度検出を行うセンサ３０４ａ、３０４ｂが設けら
れ、前記と同様に、その出力はシステム制御部３００に
取り込まれるように構成されている。この温度検出用セ
ンサ３０４ａ、３０４ｂのいずれか一方は、前記固体高
分子電解質膜１２６に設けてもよい。
テムを全体として制御するためのシステム制御部３００
に種々のセンサからの出力信号が取り込まれる。先ず、
アノード側電極触媒層１２８ａとカソード側電極触媒層
１２８ｂに電位差検出センサ３０２ａ、３０２ｂがそれ
ぞれ設けられ、それぞれのセンサ３０２ａ、３０２ｂの
出力はシステム制御部３００に取り込まれる。また、前
記アノード側電極触媒層１２８ａ、カソード側電極触媒
層１２８ｂのいずれか一方、または両方に対応する電極
の温度検出を行うセンサ３０４ａ、３０４ｂが設けら
れ、前記と同様に、その出力はシステム制御部３００に
取り込まれるように構成されている。この温度検出用セ
ンサ３０４ａ、３０４ｂのいずれか一方は、前記固体高
分子電解質膜１２６に設けてもよい。
【００２６】なお、前記電位差検出センサ３０２ａ、３
０２ｂは、前記集電体１１０と集電体１１２にそれぞれ
設けることができる。また、温度検出用センサ３０４
ａ、３０４ｂは、集電体１１０、１１２のいずれか一
方、または両方に設けてもよく、固体高分子電解質膜１
２６、電極触媒層１２８ａ、１２８ｂの全てに設けても
よい。このように構成すれば、それぞれのセンサから得
られる検出温度を平均化して、後述する燃焼発生の判断
の際に信頼性高く利用することができる。
０２ｂは、前記集電体１１０と集電体１１２にそれぞれ
設けることができる。また、温度検出用センサ３０４
ａ、３０４ｂは、集電体１１０、１１２のいずれか一
方、または両方に設けてもよく、固体高分子電解質膜１
２６、電極触媒層１２８ａ、１２８ｂの全てに設けても
よい。このように構成すれば、それぞれのセンサから得
られる検出温度を平均化して、後述する燃焼発生の判断
の際に信頼性高く利用することができる。
【００２７】さらに、本実施の形態では、電極触媒層１
２８ａの出口側に燃料排ガスの温度を検出する燃料排ガ
ス温度検出センサ３０６ａを、また、電極触媒層１２８
ｂの出口側に酸化剤排ガスの温度を検出する酸化剤排ガ
ス温度検出センサ３０６ｂを設けている。それぞれの電
極触媒層１２８ａ、１２８ｂの内部の燃料排ガスの温
度、酸化剤排ガスの温度を検出するためである。なお、
前記燃料排ガス温度検出センサ３０６ａは、燃料排ガス
を電極触媒層１２８ａから外部へ導出するための管継手
１４２、あるいは該管継手１４２に接続される分岐管路
２０８に設けてもよく、一方、前記酸化剤排ガス温度検
出センサ３０６ｂは、酸化剤排ガスを電極触媒層１２８
ｂから外部へ導出するための管継手１４４、あるいは該
管継手１４４に接続される管路１８４に設けることがで
きる。
２８ａの出口側に燃料排ガスの温度を検出する燃料排ガ
ス温度検出センサ３０６ａを、また、電極触媒層１２８
ｂの出口側に酸化剤排ガスの温度を検出する酸化剤排ガ
ス温度検出センサ３０６ｂを設けている。それぞれの電
極触媒層１２８ａ、１２８ｂの内部の燃料排ガスの温
度、酸化剤排ガスの温度を検出するためである。なお、
前記燃料排ガス温度検出センサ３０６ａは、燃料排ガス
を電極触媒層１２８ａから外部へ導出するための管継手
１４２、あるいは該管継手１４２に接続される分岐管路
２０８に設けてもよく、一方、前記酸化剤排ガス温度検
出センサ３０６ｂは、酸化剤排ガスを電極触媒層１２８
ｂから外部へ導出するための管継手１４４、あるいは該
管継手１４４に接続される管路１８４に設けることがで
きる。
【００２８】さらにまた、本実施の形態では、電極触媒
層１２８ａの入口側に供給される燃料ガスの温度を検出
するための燃料ガス温度検出センサ３０８ａを、また、
電極触媒層１２８ｂの入口側に供給される酸化剤ガスの
温度を検出するための酸化剤ガス温度検出センサ３０８
ｂを設けることができる。この場合、前記燃料ガス温度
検出センサ３０８ａは、燃料ガスを電極触媒層１２８ａ
に導入するための管継手１４０、あるいは該管継手１４
０に接続される燃料ガス供給管路２０４に設けてもよ
く、一方、前記酸化剤ガス温度検出センサ３０８ｂは、
酸化剤ガスを電極触媒層１２８ｂに導入するための管継
手１４６あるいは該管継手１４６に接続される酸化剤ガ
ス供給管路２１２に設けてもよい。
層１２８ａの入口側に供給される燃料ガスの温度を検出
するための燃料ガス温度検出センサ３０８ａを、また、
電極触媒層１２８ｂの入口側に供給される酸化剤ガスの
温度を検出するための酸化剤ガス温度検出センサ３０８
ｂを設けることができる。この場合、前記燃料ガス温度
検出センサ３０８ａは、燃料ガスを電極触媒層１２８ａ
に導入するための管継手１４０、あるいは該管継手１４
０に接続される燃料ガス供給管路２０４に設けてもよ
く、一方、前記酸化剤ガス温度検出センサ３０８ｂは、
酸化剤ガスを電極触媒層１２８ｂに導入するための管継
手１４６あるいは該管継手１４６に接続される酸化剤ガ
ス供給管路２１２に設けてもよい。
【００２９】これらの全てのセンサの出力信号は前記シ
ステム制御部３００に導入される。本実施の形態に係る
固体高分子電解質型燃料電池は、以上のように構成され
るものであり、次に、その作用並びに効果について説明
する。なお、図９においてＦＣは燃料電池を示す。燃料
電池セル１０の作動停止時には、図８に示すように、セ
パレータ１４の隔壁２２、２４は両側に隣設した集電体
１１０、１１２に対して組み立て時の状態を維持してい
る。
ステム制御部３００に導入される。本実施の形態に係る
固体高分子電解質型燃料電池は、以上のように構成され
るものであり、次に、その作用並びに効果について説明
する。なお、図９においてＦＣは燃料電池を示す。燃料
電池セル１０の作動停止時には、図８に示すように、セ
パレータ１４の隔壁２２、２４は両側に隣設した集電体
１１０、１１２に対して組み立て時の状態を維持してい
る。
【００３０】燃料電池セル１０の作動時には、図１およ
び図６に示すように、燃料ガスが図示しない燃料ガス供
給源からエンドプレート１５２の管継手１４０、第１板
体１６の貫通孔３４、細孔３８を介して集電体１１０の
溝１１４に供給され、酸化剤ガスが図示しない酸化剤ガ
ス供給源からエンドプレート１５２の管継手１４６、第
３板体２０の貫通孔７８、細孔８２を介して集電体１１
２の溝１１６に供給される。
び図６に示すように、燃料ガスが図示しない燃料ガス供
給源からエンドプレート１５２の管継手１４０、第１板
体１６の貫通孔３４、細孔３８を介して集電体１１０の
溝１１４に供給され、酸化剤ガスが図示しない酸化剤ガ
ス供給源からエンドプレート１５２の管継手１４６、第
３板体２０の貫通孔７８、細孔８２を介して集電体１１
２の溝１１６に供給される。
【００３１】これと同時に、水がエンドプレート１５２
の管継手１５０（図６参照）から連通孔６２に達し、孔
６６（図４参照）を経て冷却室１０４に流入し、前記冷
却室１０４の内圧を上昇させる。この際、図８に示すよ
うに、前記水の圧力（ＰＨ2Ｏ）はガスの圧力（Ｐ
Ｈ2 、ＰＯ2 ）よりも高く設定されているため、隔壁２
２、２４が多孔質カーボンの場合は、前記水が水透過性
である多孔質カーボンから形成された隔壁２２、２４を
透過して、多孔質カーボンから形成された集電体１１
０、１１２に浸透する。あるいは、集電体１１０、１１
２に画成された溝１１４、１１６を流れている燃料ガ
ス、あるいは酸化剤ガスを加湿する。加湿された燃料ガ
ス、酸化剤ガスは、前記集電体１１０、１１２に浸透す
る。集電体１１０、１１２に浸透した加湿された前記燃
料ガス、酸化剤ガスおよび水は、電極触媒層１２８ａ、
１２８ｂに到達して、固体高分子電解質膜１２６を加湿
する。したがって、固体高分子電解質膜１２６が適度な
湿度に維持され、固体高分子電解質膜１２６のイオン導
電抵抗および電極触媒層１２８ａ、１２８ｂ中のイオン
導電成分のイオン導電抵抗が低く抑えられる。
の管継手１５０（図６参照）から連通孔６２に達し、孔
６６（図４参照）を経て冷却室１０４に流入し、前記冷
却室１０４の内圧を上昇させる。この際、図８に示すよ
うに、前記水の圧力（ＰＨ2Ｏ）はガスの圧力（Ｐ
Ｈ2 、ＰＯ2 ）よりも高く設定されているため、隔壁２
２、２４が多孔質カーボンの場合は、前記水が水透過性
である多孔質カーボンから形成された隔壁２２、２４を
透過して、多孔質カーボンから形成された集電体１１
０、１１２に浸透する。あるいは、集電体１１０、１１
２に画成された溝１１４、１１６を流れている燃料ガ
ス、あるいは酸化剤ガスを加湿する。加湿された燃料ガ
ス、酸化剤ガスは、前記集電体１１０、１１２に浸透す
る。集電体１１０、１１２に浸透した加湿された前記燃
料ガス、酸化剤ガスおよび水は、電極触媒層１２８ａ、
１２８ｂに到達して、固体高分子電解質膜１２６を加湿
する。したがって、固体高分子電解質膜１２６が適度な
湿度に維持され、固体高分子電解質膜１２６のイオン導
電抵抗および電極触媒層１２８ａ、１２８ｂ中のイオン
導電成分のイオン導電抵抗が低く抑えられる。
【００３２】また、冷却室１０４内の内圧が上昇するた
め、隔壁２２、２４が多孔質で且つ緻密質であるにもか
かわらず、内圧を多孔質カーボンからなる集電体１１０
へ伝達し、電極触媒層１２８ｂ側へと変位する。結局、
この変位が締め付け圧力の増加として作用するため、発
電部を構成する各材料間の電気的接触抵抗と、電極触媒
層１２８ａ、１２８ｂと電極一体型電解質膜体１２４間
のイオン導電に係る接触抵抗を低減させる。
め、隔壁２２、２４が多孔質で且つ緻密質であるにもか
かわらず、内圧を多孔質カーボンからなる集電体１１０
へ伝達し、電極触媒層１２８ｂ側へと変位する。結局、
この変位が締め付け圧力の増加として作用するため、発
電部を構成する各材料間の電気的接触抵抗と、電極触媒
層１２８ａ、１２８ｂと電極一体型電解質膜体１２４間
のイオン導電に係る接触抵抗を低減させる。
【００３３】さらに、燃料電池セル１０の作動が終わ
り、水の流入が停止されると、前記冷却室１０４内の水
が孔６４、連通孔６０を経て、エンドプレート１５２の
管継手１４８から外部に排出され、当該冷却室１０４の
内圧が低下する。したがって、隔壁２２、２４の集電体
１１０、１１２側への面圧力も低下し、組み立て時の圧
力に戻る。
り、水の流入が停止されると、前記冷却室１０４内の水
が孔６４、連通孔６０を経て、エンドプレート１５２の
管継手１４８から外部に排出され、当該冷却室１０４の
内圧が低下する。したがって、隔壁２２、２４の集電体
１１０、１１２側への面圧力も低下し、組み立て時の圧
力に戻る。
【００３４】そこで、以上のような構成において、何ら
かの原因に起因して発電部１２において異常、例えば、
初期燃焼状態が発生したとする。この場合、先ず、当該
燃焼作用によって発電部１２の出力が低下し、所定の閾
値電圧よりも下降したとする（図９ａ参照）。これは、
アノード側電極触媒層１２８ａに設けられたセンサ３０
２ａ、カソード側電極触媒層１２８ｂに設けられたセン
サ３０２ｂとの電位差出力として取り出され、システム
制御部３００で判別される。すなわち、電位差が所定範
囲よりも少なくなってきた時には所望の出力が得られな
いことから、何らかの異常が発電部１２において発生し
ていることが該システム制御部３００によって推認され
る。
かの原因に起因して発電部１２において異常、例えば、
初期燃焼状態が発生したとする。この場合、先ず、当該
燃焼作用によって発電部１２の出力が低下し、所定の閾
値電圧よりも下降したとする（図９ａ参照）。これは、
アノード側電極触媒層１２８ａに設けられたセンサ３０
２ａ、カソード側電極触媒層１２８ｂに設けられたセン
サ３０２ｂとの電位差出力として取り出され、システム
制御部３００で判別される。すなわち、電位差が所定範
囲よりも少なくなってきた時には所望の出力が得られな
いことから、何らかの異常が発電部１２において発生し
ていることが該システム制御部３００によって推認され
る。
【００３５】次に、センサ３０４ａ、３０４ｂによって
アノード側電極触媒層１２８ａ、カソード側電極触媒層
１２８ｂの温度が検出される。前記センサ３０４ａ、３
０４ｂの検出温度が所定値以上である時（図９ｂ参
照）、システム制御部３００は、略確実に発電部１２に
おいて燃焼状態に至っていると判断することができる。
このような異常状態信号に基づき、開閉弁２０６、２１
０、２１４、２２０、切換弁１７６、１８６が動作す
る。すなわち、開閉弁２０６、２１４が閉となり、燃料
電池への燃料ガスと酸化剤ガスの供給を停止させ、次い
で、開閉弁２１０、２２０が開状態となり、アノード電
極およびカソード電極の燃料ガスおよび酸化剤ガスが分
岐管路２０８および２１８を通して管路１７４および１
８４に排出可能な状態となる。
アノード側電極触媒層１２８ａ、カソード側電極触媒層
１２８ｂの温度が検出される。前記センサ３０４ａ、３
０４ｂの検出温度が所定値以上である時（図９ｂ参
照）、システム制御部３００は、略確実に発電部１２に
おいて燃焼状態に至っていると判断することができる。
このような異常状態信号に基づき、開閉弁２０６、２１
０、２１４、２２０、切換弁１７６、１８６が動作す
る。すなわち、開閉弁２０６、２１４が閉となり、燃料
電池への燃料ガスと酸化剤ガスの供給を停止させ、次い
で、開閉弁２１０、２２０が開状態となり、アノード電
極およびカソード電極の燃料ガスおよび酸化剤ガスが分
岐管路２０８および２１８を通して管路１７４および１
８４に排出可能な状態となる。
【００３６】次に、水供給用の管路１６６に設けられて
いる切換弁２００が閉じ、開閉弁１９４、１９６が開
き、切換弁１７６、１８６が切り換わることによって、
燃料ガスおよび酸化剤ガスの排出側からアノード電極お
よびカソード電極各々に水が注水され、各々の電極内の
燃料電池作動ガスは分岐管路２０８および２１８を通じ
て排出され、発電部１２のアノード電極およびカソード
電極に冷却水が満たされてゆく。該発電部１２に冷却水
が満たされると、開閉弁２１０、２２０、１９４、１９
６は閉成されてもよい。この結果、発電部１２に多量の
冷却用水が供給保持されるために燃焼状態が抑制され、
遂には消火されるに至る。
いる切換弁２００が閉じ、開閉弁１９４、１９６が開
き、切換弁１７６、１８６が切り換わることによって、
燃料ガスおよび酸化剤ガスの排出側からアノード電極お
よびカソード電極各々に水が注水され、各々の電極内の
燃料電池作動ガスは分岐管路２０８および２１８を通じ
て排出され、発電部１２のアノード電極およびカソード
電極に冷却水が満たされてゆく。該発電部１２に冷却水
が満たされると、開閉弁２１０、２２０、１９４、１９
６は閉成されてもよい。この結果、発電部１２に多量の
冷却用水が供給保持されるために燃焼状態が抑制され、
遂には消火されるに至る。
【００３７】本実施の形態では、さらにアノード側電極
触媒層１２８ａから導出される燃料排ガスの温度を検出
するためのセンサ３０６ａ、カソード側電極触媒層１２
８ｂの出口側の酸化剤排ガスの温度を検出するためのセ
ンサ３０６ｂが設けられている。従って、直接、電極触
媒層１２８ａ、１２８ｂの温度を検出するセンサ３０４
ａ、３０４ｂに代えてセンサ３０６ａ、３０６ｂを用
い、これによって電極触媒層１２８ａ、１２８ｂの温度
を間接的に検出して、その温度検出データを異常判定に
用いることもできる（図９ｃ参照）。
触媒層１２８ａから導出される燃料排ガスの温度を検出
するためのセンサ３０６ａ、カソード側電極触媒層１２
８ｂの出口側の酸化剤排ガスの温度を検出するためのセ
ンサ３０６ｂが設けられている。従って、直接、電極触
媒層１２８ａ、１２８ｂの温度を検出するセンサ３０４
ａ、３０４ｂに代えてセンサ３０６ａ、３０６ｂを用
い、これによって電極触媒層１２８ａ、１２８ｂの温度
を間接的に検出して、その温度検出データを異常判定に
用いることもできる（図９ｃ参照）。
【００３８】さらにまた、本実施の形態では、発電部１
２の燃焼によるバックファイアや熱伝導（等）に伴う燃
料電池セル入口のガス温度の検出を行うため、アノード
側電極触媒層１２８ａのセル入口の燃料ガスの温度をセ
ンサ３０８ａで検出し、また、カソード側電極触媒層１
２８ｂのセル入口の酸化剤ガス（空気）の温度をセンサ
３０８ｂによって検出してもよい。例えば、セル入口の
燃料ガス温度検出センサ３０８ａの検出温度が燃料電池
の所定の温度以上に上昇し、あるいはカソード側電極触
媒層１２８ｂに供給される酸素あるいは空気のガス温度
が燃料電池の所定の温度以上に上昇していることがセル
入口の酸化剤ガス温度検出センサ３０８ｂによって検出
された場合には、発電部１２で燃焼状態に至っているこ
とが確認される。
２の燃焼によるバックファイアや熱伝導（等）に伴う燃
料電池セル入口のガス温度の検出を行うため、アノード
側電極触媒層１２８ａのセル入口の燃料ガスの温度をセ
ンサ３０８ａで検出し、また、カソード側電極触媒層１
２８ｂのセル入口の酸化剤ガス（空気）の温度をセンサ
３０８ｂによって検出してもよい。例えば、セル入口の
燃料ガス温度検出センサ３０８ａの検出温度が燃料電池
の所定の温度以上に上昇し、あるいはカソード側電極触
媒層１２８ｂに供給される酸素あるいは空気のガス温度
が燃料電池の所定の温度以上に上昇していることがセル
入口の酸化剤ガス温度検出センサ３０８ｂによって検出
された場合には、発電部１２で燃焼状態に至っているこ
とが確認される。
【００３９】なお、前記の実施の形態では、発電部１２
から得られる出力電圧の異常を先ず最初に検出し、次い
で、発電部１２を構成するアノード側電極触媒層１２８
ａとカソード側電極触媒層１２８ｂの温度を検出した
り、燃料排ガス温度、酸化剤排ガス温度あるいは燃料ガ
ス温度、酸化剤ガス温度を検出したりしているが、最初
に発電部１２の温度検出、すなわち、アノード側電極触
媒層１２８ａ、カソード側電極触媒層１２８ｂの温度を
検出し、次いで、当該発電部１２の出力電圧を確認する
ことによって当該発電部１２の燃焼状態を確認してもよ
い。
から得られる出力電圧の異常を先ず最初に検出し、次い
で、発電部１２を構成するアノード側電極触媒層１２８
ａとカソード側電極触媒層１２８ｂの温度を検出した
り、燃料排ガス温度、酸化剤排ガス温度あるいは燃料ガ
ス温度、酸化剤ガス温度を検出したりしているが、最初
に発電部１２の温度検出、すなわち、アノード側電極触
媒層１２８ａ、カソード側電極触媒層１２８ｂの温度を
検出し、次いで、当該発電部１２の出力電圧を確認する
ことによって当該発電部１２の燃焼状態を確認してもよ
い。
【００４０】また、本実施の形態では、当該発電部１２
の燃焼を、燃料ガス中の水素および酸化剤ガス中の酸素
に起因すると考えた場合、その反応生成物である水分量
の変化で判定を行うこともできる。すなわち、アノード
側電極触媒層１２８ａからの排出ガス用の管路１７４お
よびカソード側電極触媒層１２８ｂからの排出ガス用の
管路１８４に水分検出器（湿度センサや露点計）４００
ａおよび４００ｂを設け、両方の検出器４００ａ、４０
０ｂから得られる水分量の合計値が、燃料電池の作動時
に反応によって生成される水分量と燃料ガスおよび酸化
剤ガスを予め加湿する時に加えられる水分量の合算値を
超え、所定値以上になった時に燃料電池の発電部１２に
おいて燃焼等の異常が発生した状態にあると確認しても
よい（図９ｄ参照）。
の燃焼を、燃料ガス中の水素および酸化剤ガス中の酸素
に起因すると考えた場合、その反応生成物である水分量
の変化で判定を行うこともできる。すなわち、アノード
側電極触媒層１２８ａからの排出ガス用の管路１７４お
よびカソード側電極触媒層１２８ｂからの排出ガス用の
管路１８４に水分検出器（湿度センサや露点計）４００
ａおよび４００ｂを設け、両方の検出器４００ａ、４０
０ｂから得られる水分量の合計値が、燃料電池の作動時
に反応によって生成される水分量と燃料ガスおよび酸化
剤ガスを予め加湿する時に加えられる水分量の合算値を
超え、所定値以上になった時に燃料電池の発電部１２に
おいて燃焼等の異常が発生した状態にあると確認しても
よい（図９ｄ参照）。
【００４１】さらにまた、本実施の形態では、当該発電
部１２の燃焼を、燃料ガス中の水素および酸化剤ガス中
の酸素に起因すると考えた場合、燃料電池から排出され
る未反応ガス中の水素濃度および酸素濃度の変化によっ
て判定を行うこともできる。すなわち、アノード側電極
触媒層１２８ａからの分岐管路２０８およびカソード側
電極触媒層１２８ｂからの分岐回路２１８上にガス濃度
検出センサ（水素濃度検出センサや酸素濃度検出セン
サ）を設け、両方のセンサから得られる水素および酸素
の量が燃料電池作動時の反応によって消費された量を下
回った濃度になった時に、燃料電池の発電部１２におい
て燃焼等の異常が発生した状態にあると確認してもよい
（図９ｅ参照）。
部１２の燃焼を、燃料ガス中の水素および酸化剤ガス中
の酸素に起因すると考えた場合、燃料電池から排出され
る未反応ガス中の水素濃度および酸素濃度の変化によっ
て判定を行うこともできる。すなわち、アノード側電極
触媒層１２８ａからの分岐管路２０８およびカソード側
電極触媒層１２８ｂからの分岐回路２１８上にガス濃度
検出センサ（水素濃度検出センサや酸素濃度検出セン
サ）を設け、両方のセンサから得られる水素および酸素
の量が燃料電池作動時の反応によって消費された量を下
回った濃度になった時に、燃料電池の発電部１２におい
て燃焼等の異常が発生した状態にあると確認してもよい
（図９ｅ参照）。
【００４２】なお、前記の実施の形態において、燃料ガ
スに含まれる未反応ガス中の水素ガス濃度、酸素ガス濃
度の検出に基づいて燃焼状態の検出を行っているが、こ
れに代えて種々のガスから得られる情報に基づいて燃焼
状態を検出することができる。例えば、排出される燃料
ガス中の炭酸ガス濃度、窒素ガス濃度、酸化剤ガス中の
水素ガス濃度または炭酸ガス濃度、あるいは窒素ガス濃
度も用いることができる。
スに含まれる未反応ガス中の水素ガス濃度、酸素ガス濃
度の検出に基づいて燃焼状態の検出を行っているが、こ
れに代えて種々のガスから得られる情報に基づいて燃焼
状態を検出することができる。例えば、排出される燃料
ガス中の炭酸ガス濃度、窒素ガス濃度、酸化剤ガス中の
水素ガス濃度または炭酸ガス濃度、あるいは窒素ガス濃
度も用いることができる。
【００４３】
【発明の効果】本発明によれば、以上のように、燃料電
池を構成する発電部において、何らかの原因で燃焼状態
に至ろうとする時、当該発電部の出力電圧並びに温度、
さらには排出される未反応作動ガスの濃度等、およびそ
こに含まれる水分量等を検出することによって燃焼状態
の有無を検出し、当該燃焼をくい止めるために水等の燃
焼阻止媒体を供給する。従って、燃料電池の燃焼を必要
最小限度にくい止めることができ、装置全体としてこれ
を損壊させる等の不都合から回避できるという特有の効
果が得られる。
池を構成する発電部において、何らかの原因で燃焼状態
に至ろうとする時、当該発電部の出力電圧並びに温度、
さらには排出される未反応作動ガスの濃度等、およびそ
こに含まれる水分量等を検出することによって燃焼状態
の有無を検出し、当該燃焼をくい止めるために水等の燃
焼阻止媒体を供給する。従って、燃料電池の燃焼を必要
最小限度にくい止めることができ、装置全体としてこれ
を損壊させる等の不都合から回避できるという特有の効
果が得られる。
【図１】本発明の実施の一形態に係る燃料電池の要部分
解斜視図である。
解斜視図である。
【図２】本発明の実施の一形態に係る燃料電池の縦断面
図である。
図である。
【図３】本発明の実施の一形態に係る燃料電池の要部平
面図である。
面図である。
【図４】本発明の実施の一形態に係る燃料電池の隔壁の
斜視図である。
斜視図である。
【図５】本発明の実施の一形態に係る燃料電池のガスケ
ットの斜視図である。
ットの斜視図である。
【図６】本発明の実施の一形態に係る燃料電池のスタッ
ク状態の説明図である。
ク状態の説明図である。
【図７】本発明の実施の一形態に係る燃料電池の制御系
のシステム構成説明図である。
のシステム構成説明図である。
【図８】本発明の実施の一形態に係る燃料電池の冷却水
供給に係る要部説明図である。
供給に係る要部説明図である。
【図９】図９ａ〜図９ｅは、本発明の実施の一形態に係
る燃料電池の燃焼状態を検出するために、発電部に配置
されたセンサ出力と燃焼状態と水供給タイミングとを示
す相関特性説明図である。
る燃料電池の燃焼状態を検出するために、発電部に配置
されたセンサ出力と燃焼状態と水供給タイミングとを示
す相関特性説明図である。
１０…燃料電池セル ２２、２４…隔
壁 １０４…冷却室 １１０、１１２
…集電体 １１４、１１６…溝 １２４…電極一
体型電解質膜体 １２６…固体高分子電解質膜 １２８ａ、１２
８ｂ…電極触媒層 １７８…水素温度検出センサ １８８…酸素濃
度検出センサ ３０２ａ、３０２ｂ…電位差検出センサ ３０４ａ、３０４ｂ…温度検出センサ ３０６ａ、３０６ｂ…排ガス温度検出センサ ３０８ａ、３０８ｂ…ガス温度検出センサ ４００ａ、４００ｂ…水分検出器
壁 １０４…冷却室 １１０、１１２
…集電体 １１４、１１６…溝 １２４…電極一
体型電解質膜体 １２６…固体高分子電解質膜 １２８ａ、１２
８ｂ…電極触媒層 １７８…水素温度検出センサ １８８…酸素濃
度検出センサ ３０２ａ、３０２ｂ…電位差検出センサ ３０４ａ、３０４ｂ…温度検出センサ ３０６ａ、３０６ｂ…排ガス温度検出センサ ３０８ａ、３０８ｂ…ガス温度検出センサ ４００ａ、４００ｂ…水分検出器
フロントページの続き
(72)発明者 山本 晃生
埼玉県和光市中央１−４−１ 株式会社
本田技術研究所内
(72)発明者 田中 一郎
埼玉県和光市中央１−４−１ 株式会社
本田技術研究所内
(56)参考文献 特開 平７−272736（ＪＰ，Ａ)
特開 平４−192263（ＪＰ，Ａ)
特開 平６−223850（ＪＰ，Ａ)
特開 昭63−51061（ＪＰ，Ａ)
特開 昭58−94767（ＪＰ，Ａ)
特開 昭59−149660（ＪＰ，Ａ)
特開 昭61−279071（ＪＰ，Ａ)
実開 昭59−188674（ＪＰ，Ｕ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
H01M 8/04
H01M 8/10
Claims (16)
- 【請求項１】固体高分子電解質膜と、前記固体高分子電
解質膜の一方と他方の側面にそれぞれ当接し、あるいは
一体的に形成されたアノード電極とカソード電極とから
燃料電池セルを構成し、前記アノード電極とカソード電
極間の電位差を検出するとともに、少なくとも前記固体
高分子電解質膜、アノード電極、カソード電極のいずれ
か一つについて、燃料電池作動中の温度を検出し、 前記検出された電位差が予め設定されている基準値より
も下降した場合に異常状態であると判定し、 異常状態であると判定された場合に、前記検出された温
度と、予め設定されて作動温度よりも高い基準値とを比
較し、前記検出された温度が前記基準値以上であると
き、当該燃料電池セルが燃焼していると判定することを
特徴とする固体高分子電解質型燃料電池の燃焼検出方
法。 - 【請求項２】請求項１記載の方法において、前記アノー
ド電極から排出される燃料ガス中の未反応水素ガス濃度
を検出し、前記未反応水素ガス濃度が所定値よりも低い
時、当該燃料電池セルが燃焼していると判定することを
特徴とする固体高分子電解質型燃料電池の燃焼検出方
法。 - 【請求項３】請求項１記載の方法において、前記アノー
ド電極から排出される燃料ガス中の炭酸ガス濃度が所定
値よりも高い時、当該燃料電池セルが燃焼していると判
定することを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池の
燃焼検出方法。 - 【請求項４】請求項１記載の方法において、前記固体高
分子電解質膜、あるいはシール部材等から漏洩し、前記
アノード電極から排出される酸素ガス濃度または窒素ガ
ス濃度を検出し、前記酸素ガス濃度または窒素ガス濃度
が所定値よりも高い時、当該燃料電池セルが燃焼してい
ると判定することを特徴とする固体高分子電解質型燃料
電池の燃焼検出方法。 - 【請求項５】請求項１記載の方法において、前記カソー
ド電極から排出される酸化剤ガス中の未反応酸素ガス濃
度を検出し、前記酸素ガス濃度が所定値よりも低い時、
当該燃料電池セルが燃焼していると判定することを特徴
とする固体高分子電解質型燃料電池の燃焼検出方法。 - 【請求項６】請求項１記載の方法において、固体高分子
電解質膜あるいはシール部材等から漏洩し、前記カソー
ド電極から排出される酸化剤ガス中の水素ガス濃度また
は炭酸ガス濃度を検出し、前記水素ガス濃度または炭酸
ガス濃度が所定値よりも高い時、当該燃料電池セルが燃
焼していると判定することを特徴とする固体高分子電解
質型燃料電池の燃焼検出方法。 - 【請求項７】請求項１記載の方法において、固体高分子
電解質膜あるいはシール部材等から漏洩し、前記カソー
ド電極から排出される酸化剤ガス中の窒素ガス濃度を検
出し、前記濃度が所定値よりも高い時、当該燃料電池セ
ルが燃焼していると判定することを特徴とする固体高分
子電解質型燃料電池の燃焼検出方法。 - 【請求項８】請求項１乃至７のいずれか１項に記載の方
法において、燃料電池セルが燃焼していると判定した場
合、該燃料電池セルへの燃料ガスおよび酸化剤ガスの供
給を停止し、且つ前記アノード電極およびカソード電極
に冷却水を供給することを特徴とする固体高分子電解質
型燃料電池の燃焼検出方法。 - 【請求項９】固体高分子電解質膜と、前記固体高分子電
解質膜の一方と他方の側面にそれぞれ当接し、あるいは
一体的に形成されたアノード電極とカソード電極と、 前記アノード電極とカソード電極との間の電位差を検出
するための第１センサと、 前記固体高分子電解質膜、アノード電極、カソード電極
の少なくともいずれか一つについて、燃料電池作動中の
温度を検出するための第２センサと、 前記第１センサによって検出された電位差が予め設定さ
れている基準値よりも下降した場合に異常状態であると
判定する異常判定手段と、 前記異常判定手段によって異常状態であると判定された
場合に、前記第２センサによって検出された温度と、予
め設定されて作動温度よりも高い基準値とを比較し、前
記検出された温度が前記基準値以上であるとき、前記固
体高分子電解質膜、アノード電極、カソード電極のいず
れかが燃焼していると判定する燃焼判定手段と、 を有することを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池
の燃焼検出装置。 - 【請求項１０】請求項９記載の装置において、アノード
電極またはアノード電極から燃料ガスを導出する燃料ガ
ス排出系に燃料ガス温度検出センサを設けることを特徴
とする固体高分子電解質型燃料電池の燃焼検出装置。 - 【請求項１１】請求項９または１０記載の装置におい
て、カソード電極またはカソード電極から酸化剤ガスを
導出する酸化剤ガス排出系に酸化剤ガス温度検出センサ
を設けることを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池
の燃焼検出装置。 - 【請求項１２】請求項９乃至１１のいずれか１項に記載
の装置において、アノード電極またはアノード電極に燃
料ガスを供給する燃料ガス供給系に燃料ガス温度検出セ
ンサを設けることを特徴とする固体高分子電解質型燃料
電池の燃焼検出装置。 - 【請求項１３】請求項９乃至１２のいずれか１項に記載
の装置において、カソード電極またはカソード電極に酸
化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給系に酸化剤ガス温度
検出センサを設けることを特徴とする固体高分子電解質
型燃料電池の燃焼検出装置。 - 【請求項１４】固体高分子電解質膜と、 前記固体高分子電解質膜の一方と他方の側面にそれぞれ
当接し、あるいは一体的に形成されたアノード電極とカ
ソード電極と、 前記アノード電極とカソード電極との間の電位差を検出
するための第１センサと、 前記アノード電極またはカソード電極から排出される未
反応ガス中の水分量を検出するための第２センサと、 前記第１センサによって検出された電位差が予め設定さ
れている基準値よりも下降した場合に異常状態であると
判定する異常判定手段と、 前記異常判定手段によって異常状態であると判定された
場合に、前記第２センサによって検出された水分量と、
予め設定された基準水分量とを比較し、前記検出された
水分量が前記基準水分量以上であるとき、前記固体高分
子電解質膜、アノード電極、カソード電極のいずれかが
燃焼していると判定する燃焼判定手段と、 を有することを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池
の燃焼検出装置。 - 【請求項１５】請求項１４記載の装置において、前記第
２センサが湿度センサまたは露点計であることを特徴と
する固体高分子電解質型燃料電池の燃焼検出装置。 - 【請求項１６】請求項１４または１５記載の装置におい
て、前記アノード電極から排出される燃料ガス中の水分
量と前記カソード電極から排出される酸化剤ガス中の水
分量の合算値が、燃料電池作動時に反応によって生成す
る水分量と燃料ガスおよび酸化剤ガスを予め加湿する時
に加えられる水分量の合算値を超え、所定値以上になっ
た時、当該燃料電池セルが燃焼していると判定すること
を特徴とする固体高分子電解質型燃料電池の燃焼検出装
置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP30002895A JP3519841B2 (ja) | 1995-11-17 | 1995-11-17 | 固体高分子電解質型燃料電池の燃焼検出方法およびその装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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