JPH0927336A - Fuel cell stack diagnostic method - Google Patents
Fuel cell stack diagnostic methodInfo
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- JPH0927336A JPH0927336A JP7177075A JP17707595A JPH0927336A JP H0927336 A JPH0927336 A JP H0927336A JP 7177075 A JP7177075 A JP 7177075A JP 17707595 A JP17707595 A JP 17707595A JP H0927336 A JPH0927336 A JP H0927336A
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池スタック
に発生した異常を検知するための燃料電池スタックの診
断方法に係り、特に、燃料ガスや酸化剤ガスの漏洩であ
るクロスリークの発生を特定するための燃料電池スタッ
クの診断方法に関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for diagnosing a fuel cell stack for detecting an abnormality that has occurred in a fuel cell stack, and more particularly, to identify the occurrence of cross leak, which is a leak of fuel gas or oxidant gas. The present invention relates to a method for diagnosing a fuel cell stack for performing the above.
【０００２】[0002]
【従来の技術】燃料電池は、燃料を電気化学プロセスで
酸化させることにより、酸化反応にともなって放出され
るエネルギーを直接電気エネルギーに変換する装置であ
る。火力・水力発電のような発電方式は、熱エネルギー
や運動エネルギーの過程を経て発電が行われるものであ
るが、燃料電池による発電システムはこのような過程を
経ない直接発電であるので、燃料の持つ化学エネルギー
を有効に利用でき、比較的小さな規模でも、４０〜５０
％という高い熱効率が期待できる。また、発電装置内に
燃焼サイクルを含まないので、近年、公害要因として大
きな社会問題となっているＳＯｘ、ＮＯｘの排出量が極
めて少ない。そして、冷却水を大量に必要とするという
こともなく、騒音や振動が小さいため、環境特性に極め
て優れているという特徴を有している。2. Description of the Related Art A fuel cell is a device for directly converting the energy released by an oxidation reaction into electrical energy by oxidizing the fuel in an electrochemical process. Power generation methods such as thermal power generation and hydroelectric power generation generate electricity through the process of thermal energy and kinetic energy, but since the power generation system using a fuel cell is direct power generation that does not undergo such processes, Can effectively utilize the chemical energy it has, and even at a relatively small scale, 40-50
High thermal efficiency of% can be expected. Further, since the power generator does not include a combustion cycle, the emission amount of SOx and NOx, which have become a major social problem as a pollution factor in recent years, is extremely small. Further, it does not require a large amount of cooling water, and has a characteristic that it is extremely excellent in environmental characteristics because of its small noise and vibration.
【０００３】さらに、燃料電池は負荷変動に対して応答
性が良く、原理的に高い変換効率が期待できるととも
に、発電に伴って発生する熱が給湯や暖冷房として利用
しやすいため、コージェネレーション（電熱併給）シス
テムとして、総合エネルギー効率を高めることが可能で
ある。Further, the fuel cell has a good responsiveness to load fluctuations, and in principle, high conversion efficiency can be expected, and the heat generated during power generation is easy to use for hot water supply and heating / cooling, so that cogeneration ( As a combined heat and power system, it is possible to improve overall energy efficiency.
【０００４】このような燃料電池は、一般的に、電解質
を保持する電解質層が、多孔質材料を使用した一対の電
極（燃料極と酸化剤極）によって挟まれた構成となって
いる。そして、燃料極の背面に反応ガスとして燃料ガス
を接触させると共に、酸化剤極の背面に反応ガスとして
酸化剤ガスを接触させることにより、電気化学反応を生
じさせ、電極間から電気エネルギーを取り出すものであ
る。電解質としては、酸性溶液、溶融炭酸塩、アルカリ
溶液などがあるが、現在は、リン酸を用いたリン酸型燃
料電池が最も実用化に近いと考えられている。Such a fuel cell generally has a structure in which an electrolyte layer holding an electrolyte is sandwiched between a pair of electrodes (fuel electrode and oxidizer electrode) using a porous material. Then, a fuel gas is brought into contact with the back surface of the fuel electrode as a reaction gas, and an oxidant gas is brought into contact with the back surface of the oxidant electrode as a reaction gas, thereby causing an electrochemical reaction and extracting electric energy from between the electrodes. Is. Examples of electrolytes include acidic solutions, molten carbonates, and alkaline solutions. At present, phosphoric acid fuel cells using phosphoric acid are considered to be most practical.
【０００５】このようなリン酸型燃料電池の一例を、図
４に従って以下に説明する。すなわち、燃料電池の発電
部は燃料電池スタック２によって構成されている。燃料
電池スタック２は、単電池１がガス分離板３を介して複
数個積層された積層体である。An example of such a phosphoric acid fuel cell will be described below with reference to FIG. That is, the power generation section of the fuel cell is composed of the fuel cell stack 2. The fuel cell stack 2 is a laminated body in which a plurality of unit cells 1 are laminated with a gas separation plate 3 interposed therebetween.
【０００６】単電池１は、リン酸を含浸した電解質層１
ｃが、多孔質材料を使用した燃料極（アノード電極）１
ａと酸化剤極（カソード電極）１ｂとに挟まれることに
よって構成されている。燃料極１ａと酸化剤極１ｂに
は、それぞれ電解質層１ｃと対向する面に、白金などに
よる触媒が塗布されている。そして、燃料極１ａの背面
には、水素などの燃料ガスが流通する燃料流通溝が形成
されている。また、酸化剤極１ｂの背面には、酸素など
の酸化剤ガスが流通する酸化剤流通溝が形成されてい
る。The unit cell 1 comprises an electrolyte layer 1 impregnated with phosphoric acid.
c is a fuel electrode (anode electrode) 1 using a porous material
It is configured by being sandwiched between a and the oxidant electrode (cathode electrode) 1b. The fuel electrode 1a and the oxidant electrode 1b are each coated with a catalyst such as platinum on the surface facing the electrolyte layer 1c. Then, on the back surface of the fuel electrode 1a, a fuel flow groove through which a fuel gas such as hydrogen flows is formed. Further, an oxidant flow groove through which an oxidant gas such as oxygen flows is formed on the back surface of the oxidant electrode 1b.
【０００７】このような単電池１とガス分離板３とは交
互に複数個積層され、さらに一定積層数ごとに冷却板４
が挿入されることにより燃料電池スタック２が構成され
ている。ガス分離板３は、燃料極１ａ及び酸化剤極１ｂ
のそれぞれに供給されるガスを区分すると共に、単電池
１間の電気的接続を確保する部材である。なお、一般
に、燃料極１ａ、酸化剤極１ｂ、ガス分離板３及び冷却
板４はいずれも、炭素を材料として作られている。炭素
を用いる理由は、耐リン酸性（耐蝕性）、耐熱性、電気
伝導性及び熱伝導性に優れ、かつ低コストで製作できる
ためである。A plurality of such unit cells 1 and gas separating plates 3 are alternately laminated, and a cooling plate 4 is arranged at a constant number of layers.
Is inserted to form the fuel cell stack 2. The gas separation plate 3 includes a fuel electrode 1a and an oxidant electrode 1b.
Is a member that divides the gas supplied to each of the cells and secures electrical connection between the unit cells 1. Generally, all of the fuel electrode 1a, the oxidant electrode 1b, the gas separation plate 3 and the cooling plate 4 are made of carbon. The reason why carbon is used is that it is excellent in phosphoric acid resistance (corrosion resistance), heat resistance, electrical conductivity and thermal conductivity, and can be manufactured at low cost.
【０００８】さらに、燃料電池スタック２の上下の端部
には、燃料電池スタック２で生じた電流を取り出す集電
板６が配置されている。一方、燃料電池スタック２の側
面には、燃料電池スタック２に燃料ガスと酸化剤ガスと
を供給・排出するガスマニホールド５が配置されてい
る。Further, at the upper and lower ends of the fuel cell stack 2, there are arranged current collecting plates 6 for taking out the electric current generated in the fuel cell stack 2. On the other hand, on the side surface of the fuel cell stack 2, a gas manifold 5 for supplying and discharging the fuel gas and the oxidant gas to the fuel cell stack 2 is arranged.
【０００９】以上のような構成を有するリン酸型の燃料
電池の作用は、以下の通りである。すなわち、燃料電池
スタック２を構成する各単電池１においては、燃料極１
ａに供給された水素が、燃料極１ａに塗布された触媒の
作用により、次の式１のような反応を起こす。The operation of the phosphoric acid type fuel cell having the above structure is as follows. That is, in each unit cell 1 that constitutes the fuel cell stack 2, the fuel electrode 1
The hydrogen supplied to a causes a reaction represented by the following formula 1 by the action of the catalyst applied to the fuel electrode 1a.
【００１０】[0010]
【数１】 この水素の解離反応により発生した水素イオン（Ｈ+ ）
は、電解質層１ｃに蓄えられたリン酸中を移動し、酸化
剤極１ｂに達する。[Equation 1] Hydrogen ions (H + ) generated by this hydrogen dissociation reaction
Moves in the phosphoric acid stored in the electrolyte layer 1c and reaches the oxidizer electrode 1b.
【００１１】一方、電子（ｅ- ）は、燃料極１ａから外
部回路を流れ、電力負荷を通って仕事をし、酸化剤極１
ｂに達する。そして、燃料極１ａから移動してきた水素
イオン（Ｈ+ ）と、酸化剤極１ｂに供給された酸素（Ｏ
2 ）と、外部回路で仕事をしてきた電子（ｅ- ）とによ
り、酸化剤極１ｂに塗布された触媒の作用によって、次
の式２のような反応が起こる。On the other hand, the electrons (e − ) flow from the fuel electrode 1a to the external circuit, work through the electric power load, and work as the oxidant electrode 1
reaches b. Then, the hydrogen ions (H + ) moved from the fuel electrode 1a and the oxygen (O + ) supplied to the oxidant electrode 1b.
2 ) and the electrons (e − ) that have worked in the external circuit, the reaction of the following formula 2 occurs due to the action of the catalyst applied to the oxidant electrode 1b.
【００１２】[0012]
【数２】 従って、単電池では、水素が酸化されて水になると共
に、このときの化学エネルギーが外部の電力負荷に与え
る電気エネルギーとなる。このようにして、単電池の電
池としての全反応が完結する。なお、上記の単電池１に
おける反応は発熱反応であるが、この熱は、スタック２
内部に挿入されている冷却板４の内部に水などの冷媒を
流すことにより除去され、燃料電池スタック２の温度が
一定に保たれる。[Equation 2] Therefore, in the unit cell, hydrogen is oxidized into water and the chemical energy at this time becomes electric energy to be given to the external electric power load. In this way, the entire reaction of the unit cell as a battery is completed. The reaction in the unit cell 1 described above is an exothermic reaction.
A coolant such as water is removed by flowing it inside the cooling plate 4 inserted therein, and the temperature of the fuel cell stack 2 is kept constant.
【００１３】また、実際のリン酸型燃料電池では通常、
燃料ガスとしては、主としてメタン（ＣＨ4 ）からなる
天然ガスに水蒸気（Ｈ2 Ｏ）を加えて加熱し、次の式
３、式４のような、いわゆる改質反応によって発生させ
た水素を用いる。In an actual phosphoric acid fuel cell,
As the fuel gas, hydrogen generated by a so-called reforming reaction as shown in the following formulas 3 and 4 is used by adding steam (H 2 O) to a natural gas mainly consisting of methane (CH 4 ) and heating it. .
【００１４】[0014]
【数３】 (Equation 3)
【数４】 この反応では、水素と共に二酸化炭素（ＣＯ2 ）も同時
に発生する。従って、燃料電池に供給されるガスは水素
と二酸化炭素との混合ガスとなる。また、未反応のメタ
ンや一酸化炭素（ＣＯ）も僅かながら含まれているが、
これらの量は無視できるほどである。以下、この混合ガ
スのことを「燃料ガス」と称する。二酸化炭素は電気化
学的に不活性であるので、燃料電池に供給されても上記
の反応を阻害することはない。また、酸化剤ガスとして
は、一般に空気が用いられる。空気は主に窒素と酸素か
らなるが、窒素も不活性ガスであるので、燃料電池に供
給されても問題はない。(Equation 4) In this reaction, carbon dioxide (CO 2 ) is simultaneously generated together with hydrogen. Therefore, the gas supplied to the fuel cell is a mixed gas of hydrogen and carbon dioxide. In addition, although unreacted methane and carbon monoxide (CO) are also included,
These quantities are negligible. Hereinafter, this mixed gas is referred to as "fuel gas". Since carbon dioxide is electrochemically inactive, it does not interfere with the above reaction when supplied to the fuel cell. Air is generally used as the oxidant gas. Air mainly consists of nitrogen and oxygen, but since nitrogen is also an inert gas, there is no problem even if it is supplied to the fuel cell.
【００１５】[0015]
【発明が解決しようとする課題】ところで、燃料電池が
発電を行うためには、燃料極１ａ及び酸化剤極１ｂにそ
れぞれの反応ガスが十分に供給されている必要がある。
しかし、電解質層１ｃに欠損等が発生し、燃料ガスが酸
化剤極へ漏洩したり、逆に酸化剤ガスが燃料極へ漏洩し
た場合（以下、この現象を「クロスリーク」と称する）
には、次のような問題が起こる。すなわち、クロスリー
クが発生すると、燃料ガス中の水素と酸化剤ガス中の酸
素が直接に反応し、消費されるため、発電のための燃料
ガスや酸化剤ガスが不足することになる。このように燃
料ガスが不足した場合には、反応は燃料ガスの供給され
る付近（燃料ガス入口付近）に集中し、この部分の発熱
量が正常な状態に比べて増加することになる。また、水
素と酸素の直接反応が生じている部分では反応熱が生
じ、電極の温度が上昇する。By the way, in order for the fuel cell to generate electric power, it is necessary that the respective reaction gases are sufficiently supplied to the fuel electrode 1a and the oxidant electrode 1b.
However, when a defect or the like occurs in the electrolyte layer 1c and the fuel gas leaks to the oxidant electrode, or conversely, the oxidant gas leaks to the fuel electrode (hereinafter, this phenomenon is referred to as "cross leak").
The following problems occur. That is, when a cross leak occurs, hydrogen in the fuel gas directly reacts with oxygen in the oxidant gas and is consumed, so that the fuel gas and the oxidant gas for power generation run short. When the fuel gas is insufficient as described above, the reaction concentrates in the vicinity where the fuel gas is supplied (in the vicinity of the fuel gas inlet), and the amount of heat generated in this portion increases as compared with the normal state. Further, reaction heat is generated in the portion where the direct reaction between hydrogen and oxygen occurs, and the temperature of the electrode rises.
【００１６】このような温度上昇により燃料極１ａ及び
空気極１ｂが高温になると、電池に蓄えられているリン
酸電解質の蒸発や触媒等の劣化が急速に進行して、電池
の寿命を短縮する原因となる。電解質層は、多孔質体の
細孔をリン酸が満たすことによりガスを遮断する機能を
果たしているが、リン酸の蒸発が進行すると、電解質層
の細孔を埋めていた液体の量が減少し、反応ガスの漏洩
が更に激しくなる。When the temperature of the fuel electrode 1a and the air electrode 1b rises due to such temperature rise, evaporation of the phosphoric acid electrolyte stored in the cell and deterioration of the catalyst and the like rapidly progress, shortening the life of the cell. Cause. The electrolyte layer has a function of blocking gas by filling the pores of the porous body with phosphoric acid, but as the phosphoric acid evaporates, the amount of liquid filling the pores of the electrolyte layer decreases. The leakage of the reaction gas becomes more severe.
【００１７】さらに、燃料ガスの不足が著しい場合、燃
料ガス出口付近では、酸化剤極１ｂに水素イオンが供給
されないため、水の生成反応が起こらない。そして、水
の生成反応の代わりに、次の式５、式６のような電極、
ガス分離板及び冷却板の材料である炭素が腐食される反
応が起こる。Further, when the fuel gas is extremely insufficient, hydrogen ions are not supplied to the oxidizer electrode 1b near the fuel gas outlet, so that the water generation reaction does not occur. Then, instead of the water generation reaction, electrodes such as the following formulas 5 and 6,
A reaction occurs in which carbon, which is a material of the gas separation plate and the cooling plate, is corroded.
【００１８】[0018]
【数５】 (Equation 5)
【数６】 このような炭素の腐食反応が進行すると、燃料電池の主
な構成材料に欠損が生じて燃料電池の運転が不可能にな
る。そして、この腐食の進行により更にクロスリークが
激しくなることもある。(Equation 6) When such a carbon corrosion reaction proceeds, defects occur in the main constituent materials of the fuel cell, making it impossible to operate the fuel cell. Further, due to the progress of this corrosion, cross leak may become more intense.
【００１９】クロスリークが発生すると、反応ガスの不
足により上記のような不都合が生じ、結果的に燃料電池
スタックにおいて発生する電圧が低下して、電気エネル
ギー量（発電量）が低下することとなる。When a cross leak occurs, the above-mentioned inconvenience occurs due to a shortage of the reaction gas, and as a result, the voltage generated in the fuel cell stack lowers and the electric energy amount (power generation amount) lowers. .
【００２０】このようなクロスリークの発生に対処する
ため、従来の燃料電池においては、電圧測定に基づく検
知方法により異常を検知している。すなわち、燃料電池
スタックの電圧を測定し、測定電圧がある一定値以下に
なったときに、燃料電池に異常が発生したと判断して、
その後の対応処置を行うこととしている。In order to cope with the occurrence of such cross leak, in the conventional fuel cell, an abnormality is detected by a detection method based on voltage measurement. That is, the voltage of the fuel cell stack is measured, and when the measured voltage falls below a certain value, it is determined that an abnormality has occurred in the fuel cell,
It is planned to take subsequent measures.
【００２１】しかしながら、燃料電池スタックの電圧が
低下する原因は、クロスリーク以外にガス供給溝の異物
による閉塞、リン酸の過剰含浸によるガス拡散不良等も
考えられる。従って、上記のような電圧測定のみによる
異常検知方法では、クロスリークにより電圧が低下した
のか、あるいは他の原因によって電圧が低下したのかを
特定することができず、異常に対する迅速な対応ができ
ない。However, the cause of the decrease in the voltage of the fuel cell stack is considered to be not only the cross leak but also the blockage of the gas supply groove by foreign matter, the poor gas diffusion due to the excessive impregnation of phosphoric acid, and the like. Therefore, in the abnormality detection method based only on the voltage measurement as described above, it is not possible to specify whether the voltage has dropped due to cross-leakage or the voltage has dropped due to another cause, and it is not possible to quickly respond to the abnormality.
【００２２】これに対処するため、酸化剤極から排出さ
れるガス中の二酸化炭素濃度を測定することによって、
クロスリークを検知する方法が考えられる。この方法
は、燃料ガスには二酸化炭素が含まれるため、燃料ガス
の漏洩があれば二酸化炭素の濃度が高まることを利用す
るものである。しかし、酸化剤ガスとして供給される空
気にも二酸化炭素が含まれているため、燃料ガスの漏洩
が微量の場合には、燃料ガスの漏洩による二酸化炭素の
みを検出することは困難である。To deal with this, by measuring the carbon dioxide concentration in the gas discharged from the oxidizer electrode,
A method of detecting cross leak can be considered. This method utilizes that the concentration of carbon dioxide is increased if the fuel gas leaks because the fuel gas contains carbon dioxide. However, since carbon dioxide is also contained in the air supplied as the oxidant gas, it is difficult to detect only carbon dioxide due to the leakage of the fuel gas when the leakage of the fuel gas is very small.
【００２３】また、酸化剤極から排出されるガス中の水
素濃度を測定することによって、クロスリークを検出す
る方法が考えられる。この方法は、酸化剤極に漏洩した
燃料ガス中の水素が全て酸素と反応するとは限らず、酸
化剤極から排出されるガスには水素が含まれていること
を利用するものである。しかし、この場合にも、燃料ガ
スの漏洩が微量のときには検出が困難となる。Further, a method of detecting the cross leak by measuring the hydrogen concentration in the gas discharged from the oxidizer electrode can be considered. In this method, not all hydrogen in the fuel gas leaked to the oxidant electrode reacts with oxygen, but the gas discharged from the oxidant electrode contains hydrogen. However, even in this case, it is difficult to detect when the leakage of the fuel gas is very small.
【００２４】さらに、以上のような排出ガス中の二酸化
炭素や水素の濃度を測定するためには、ガスクロマトグ
ラフ等の特殊な装置を必要とするために、コスト高とな
る。そして、たとえ排出ガスにより異常発生が検知でき
たとしても、酸化剤極の出口マニホールドから排出され
るガスは、燃料電池スタックの全ての単電池から排出さ
れたガスが混合されたものであるから、どの単電池でク
ロスリークが生じているかを特定することはできない。Further, in order to measure the concentrations of carbon dioxide and hydrogen in the exhaust gas as described above, a special device such as a gas chromatograph is required, which results in a high cost. Then, even if an abnormality can be detected by the exhaust gas, the gas exhausted from the outlet manifold of the oxidizer electrode is a mixture of the gas exhausted from all the unit cells of the fuel cell stack, It is not possible to specify in which cell the cross leak occurs.
【００２５】本発明は、以上のような従来技術の問題点
を解決するために提案されたものであり、その主たる目
的は、燃料電池スタックにおいてクロスリークが生じた
ときに、特殊な装置を必要とせずに、その発生を確実に
検知することが可能な燃料電池スタックの診断方法を提
供することである。The present invention has been proposed to solve the above-mentioned problems of the prior art, and its main purpose is to require a special device when a cross leak occurs in the fuel cell stack. It is an object of the present invention to provide a method for diagnosing a fuel cell stack that can reliably detect the occurrence of the fuel cell stack.
【００２６】第２の目的は、燃料電池スタックのある単
電池においてクロスリークが生じたときに、その発生し
た単電池の特定が容易な燃料電池スタックの診断方法を
提供することである。A second object is to provide a method for diagnosing a fuel cell stack in which, when a cross leak occurs in a unit cell having a fuel cell stack, it is easy to identify the unit cell that has occurred.
【００２７】[0027]
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、請求項１記載の発明である燃料電池スタックの診
断方法は、燃料極と酸化剤極との間に電解質層を挟んで
形成された単電池と、前記単電池が互いに電気的に直列
に接続されるように複数積層されたスタックと、各単電
池における燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガスマニホ
ールドと、各単電池における酸化剤極に酸化剤ガスを供
給する酸化剤ガスマニホールドとを備えた燃料電池を診
断対象とし、前記燃料極に一定の濃度の水素を含む水素
含有ガスを供給すると共に、前記酸化剤極に一定の濃度
の酸素を含む酸素含有ガスを供給し、前記酸素含有ガス
の供給量の経時的変化と、これに伴って前記スタックに
おいて発生する電圧の経時的変化との対応関係を記録
し、前記酸素含有ガスの供給量の変化に伴う前記スタッ
クの発生電圧の変化が急激な場合に、前記スタックにお
いて水素の漏洩が発生していることを検知し、前記酸素
含有ガスの供給量と前記スタックにおいて発生する電圧
との経時的変化の対応関係から、前記スタックにおける
水素漏洩量を算出し、当該水素漏洩量が、前記スタック
の正常時における水素漏洩量以上である場合に、クロス
リークの発生を特定することを特徴とする。In order to achieve the above object, in the method for diagnosing a fuel cell stack according to the invention of claim 1, an electrolyte layer is formed between a fuel electrode and an oxidizer electrode. Unit cells, a stack in which a plurality of the unit cells are stacked so as to be electrically connected to each other in series, a fuel gas manifold for supplying a fuel gas to the fuel electrode of each unit cell, and an oxidation unit for each unit cell. A fuel cell provided with an oxidant gas manifold that supplies an oxidant gas to the agent electrode is used as a diagnostic target, and a hydrogen-containing gas containing hydrogen at a constant concentration is supplied to the fuel electrode, and a fixed amount is supplied to the oxidant electrode. An oxygen-containing gas containing a concentration of oxygen is supplied, and a change in the supply amount of the oxygen-containing gas with time is recorded, and a corresponding relationship between the time-dependent change in the voltage generated in the stack is recorded. Moth When a sudden change in the generated voltage of the stack due to a change in the supply amount of is detected that hydrogen leakage has occurred in the stack, the supply amount of the oxygen-containing gas and the voltage generated in the stack. From the correspondence relationship of the change over time with, the hydrogen leak amount in the stack is calculated, and when the hydrogen leak amount is equal to or more than the hydrogen leak amount in the normal time of the stack, it is possible to identify the occurrence of the cross leak. Characterize.
【００２８】以上のような請求項１記載の発明では、ま
ず、燃料電池の燃料ガスマニホールドから燃料極に一定
の濃度の水素を含む水素含有ガスを供給する。同時に、
燃料電池の酸化剤ガスマニホールドから酸化剤極に一定
の濃度の酸素を含む酸素含有ガスを供給する。すると、
スタックにおいて電圧が発生するが、酸素含有ガスの供
給量を経時的に変化させたとき、発生電圧も経時的に変
化する。そして、このような酸素含有ガスの供給量の経
時的変化と発生電圧の経時的変化との対応関係が記録さ
れる。例えば、酸素含有ガスの供給量が次第に少なくな
るように変化させたとき、燃料電池スタックにおいて発
生する電圧は徐々に低下し、その低下の割合は徐々に大
きくなっていく。In the above-mentioned invention according to claim 1, first, the hydrogen-containing gas containing hydrogen at a constant concentration is supplied from the fuel gas manifold of the fuel cell to the fuel electrode. at the same time,
An oxygen-containing gas containing a fixed concentration of oxygen is supplied from an oxidant gas manifold of a fuel cell to the oxidant electrode. Then
A voltage is generated in the stack, but when the supply amount of the oxygen-containing gas is changed with time, the generated voltage also changes with time. Then, such a correspondence relationship between the change with time of the supply amount of the oxygen-containing gas and the change with time of the generated voltage is recorded. For example, when the supply amount of the oxygen-containing gas is changed so as to gradually decrease, the voltage generated in the fuel cell stack gradually decreases, and the rate of the decrease gradually increases.
【００２９】このように酸素含有ガスの供給量を徐々に
減少させていくと、スタックにおいて水素の漏洩が発生
している場合には、ある供給量において電圧が急激に低
下する。この電圧の変化の仕方は、酸素含有ガスに含ま
れる酸素の濃度と、スタックの異常によって漏洩する水
素の量によって決まる。供給される酸素含有ガスに含ま
れる酸素の濃度と水素含有ガスの濃度は一定であるた
め、上記のように記録された酸素含有ガスの供給量の経
時的変化と電圧の経時的変化との対応関係から、スタッ
クの異常によって漏洩する水素の量を算出する。When the supply amount of the oxygen-containing gas is gradually reduced in this way, the voltage sharply drops at a certain supply amount when hydrogen leaks in the stack. The manner of changing the voltage depends on the concentration of oxygen contained in the oxygen-containing gas and the amount of hydrogen leaked due to the abnormality of the stack. Since the oxygen concentration and the hydrogen concentration contained in the supplied oxygen-containing gas are constant, the changes in the supply amount of the oxygen-containing gas recorded above and the changes in voltage over time From the relationship, calculate the amount of hydrogen leaked due to the abnormality of the stack.
【００３０】ただし、水素含有ガス中の水素は、電解質
であるリン酸に気体の状態で溶解し、この溶解した水素
が酸化剤極に拡散していくため、正常時のスタックにお
いても極微量の水素の漏洩が生じ、上記のような電圧の
変化が観察され得る。かかる場合における水素の漏洩量
は、通常の燃料電池の運転には全く支障のない程度であ
る。このため、上記のように電圧の変化から求めた水素
の漏洩量が、正常時における水素の漏洩量を超えた場合
に、クロスリークであると特定され、燃料電池の運転の
継続が可能か否かを決定する。However, the hydrogen contained in the hydrogen-containing gas is dissolved in the electrolyte phosphoric acid in a gaseous state, and the dissolved hydrogen diffuses to the oxidizer electrode. Hydrogen leakage can occur and changes in voltage as described above can be observed. In such a case, the amount of hydrogen leaked is at a level that does not hinder normal operation of the fuel cell. Therefore, when the amount of hydrogen leakage obtained from the change in voltage as described above exceeds the amount of hydrogen leakage during normal operation, it is identified as a cross leak and it is possible to continue the operation of the fuel cell. Decide
【００３１】請求項２記載の発明である燃料電池スタッ
クの診断方法は、燃料極と酸化剤極との間に電解質層を
挟んで形成された単電池と、前記単電池が互いに電気的
に直列に接続されるように複数積層されたスタックと、
各単電池における燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス
マニホールドと、各単電池における酸化剤極に酸化剤ガ
スを供給する酸化剤ガスマニホールドとを備えた燃料電
池を診断対象とし、複数の単電池ごとに又は個々の単電
池ごとに供給される前記酸素含有ガスの量を算出し、前
記スタックの電圧を、複数の単電池ごとに又は個々の単
電池ごとに測定し、複数の前記単電池ごとに又は個々の
単電池ごとに供給される前記酸素含有ガスの量の経時的
変化と、これに伴って複数の単電池ごとに又は個々の単
電池ごとに発生する電圧の経時的変化との対応関係を記
録し、前記酸素含有ガスの供給量の変化に伴う複数の単
電池ごとの又は個々の単電池ごとの発生電圧の変化が急
激な場合に、複数の単電池ごとに又は個々の単電池ごと
に水素の漏洩が発生していることを検知し、複数の単電
池ごとに又は個々の単電池ごとに供給される前記酸素含
有ガスの量の経時的変化と、これに伴う複数の単電池ご
との又は個々の単電池ごとの前記スタックにおいて発生
する電圧との経時的変化との対応関係から、複数の単電
池ごとの又は個々の単電池ごとの水素漏洩量を算出し、
当該水素漏洩量が、複数の単電池ごとの又は個々の単電
池ごとの正常時における水素漏洩量以上である場合に、
クロスリークの発生を特定することを特徴とする。According to a second aspect of the present invention, there is provided a method for diagnosing a fuel cell stack, wherein a unit cell formed by sandwiching an electrolyte layer between a fuel electrode and an oxidizer electrode and the unit cell are electrically connected in series. A stack of a plurality of layers to be connected to
A fuel cell including a fuel gas manifold for supplying a fuel gas to a fuel electrode in each unit cell and an oxidant gas manifold for supplying an oxidant gas to an oxidant electrode in each unit cell is used as a diagnostic target. The amount of the oxygen-containing gas supplied for each or each individual cell is calculated, and the stack voltage is measured for each of the plurality of cells or for each of the individual cells, and for each of the plurality of cells. Or the change over time in the amount of the oxygen-containing gas supplied to each individual cell, and the corresponding change over time in the voltage generated for each of the plurality of single cells or for each individual cell. The relationship is recorded, and when the change in the generated voltage of each of the plurality of unit cells or the change of the generated voltage of each unit cell due to the change in the supply amount of the oxygen-containing gas is rapid, the plurality of unit cells or each unit cell is changed. Hydrogen leaks every time It is detected that the number of the oxygen-containing gas supplied to each of the plurality of unit cells or each of the unit cells changes with time, and the plurality of unit cells or each unit cell accompanying the change with time. From the corresponding relationship between the voltage generated in the stack for each and the change over time, calculate the hydrogen leakage amount for each of a plurality of cells or for each individual cell,
When the hydrogen leakage amount is equal to or more than the hydrogen leakage amount in a normal state for each of a plurality of cells or for each individual cell,
It is characterized by identifying the occurrence of cross leak.
【００３２】以上のような請求項２記載の発明では、ま
ず、複数の単電池ごとに又は個々の単電池ごとに酸化剤
極に供給される酸素含有ガスの量を算出する。簡単に
は、燃料電池スタックにおいて、全ての単電池の酸化剤
極に均等に酸素含有ガスが供給されるならば、燃料電池
スタックに供給された酸素含有ガスの量を単電池の数で
割ればよい。もしくは、実測又は他の計算方法により酸
素含有ガスの配分の割合を予め算出することも可能であ
る。In the above-described invention according to claim 2, first, the amount of the oxygen-containing gas supplied to the oxidant electrode is calculated for each of the plurality of unit cells or for each unit cell. Briefly, in the fuel cell stack, if the oxygen-containing gas is evenly supplied to the oxidizer electrodes of all the unit cells, divide the amount of the oxygen-containing gas supplied to the fuel cell stack by the number of unit cells. Good. Alternatively, the proportion of the oxygen-containing gas distribution can be calculated in advance by actual measurement or another calculation method.
【００３３】そして、燃料電池の燃料ガスマニホールド
から燃料極に一定の濃度の水素を含む水素含有ガスを供
給する。同時に、燃料電池の酸化剤ガスマニホールドか
ら酸化剤極に一定の濃度の酸素を含む酸素含有ガスを供
給する。すると、スタックにおいて電圧が発生するが、
酸素含有ガスの供給量を経時的に変化させたとき、発生
電圧も経時的に変化する。そして、複数の前記単電池ご
とに又は個々の単電池ごとに供給される酸素含有ガスの
供給量の経時的変化と複数の単電池ごとに又は個々の単
電池ごとに発生する電圧の経時的変化との対応関係が記
録される。Then, a hydrogen-containing gas containing hydrogen at a constant concentration is supplied from the fuel gas manifold of the fuel cell to the fuel electrode. At the same time, an oxygen-containing gas containing a constant concentration of oxygen is supplied from the oxidant gas manifold of the fuel cell to the oxidant electrode. Then, a voltage is generated in the stack,
When the supply amount of the oxygen-containing gas is changed with time, the generated voltage also changes with time. Then, a change with time of the supply amount of the oxygen-containing gas supplied for each of the plurality of unit cells or for each of the unit cells and a change with time of the voltage generated for each of the plurality of unit cells or for each of the unit cells. The correspondence relationship with is recorded.
【００３４】酸素含有ガスの供給量を徐々に減少させて
いくと、水素の漏洩が発生している単電池を含む複数の
単電池又は単独の単電池においては、ある供給量におい
て電圧が急激に低下する。この電圧の変化の仕方は、酸
素含有ガスに含まれる酸素の濃度と、当該単電池の異常
によって漏洩する水素の量によって決まる。供給される
酸素含有ガスに含まれる酸素の濃度と水素含有ガスの濃
度は一定であるため、上記のように記録された酸素含有
ガスの供給量の経時的変化と電圧の経時的変化との対応
関係から、当該単電池の異常によって漏洩する水素の量
を算出する。When the supply amount of the oxygen-containing gas is gradually decreased, in a plurality of unit cells including the unit cell in which hydrogen is leaking or in a single unit cell, the voltage sharply increases at a certain supply amount. descend. The manner of changing the voltage is determined by the concentration of oxygen contained in the oxygen-containing gas and the amount of hydrogen leaked due to the abnormality of the unit cell. Since the oxygen concentration and the hydrogen concentration contained in the supplied oxygen-containing gas are constant, the changes in the supply amount of the oxygen-containing gas recorded above and the changes in voltage over time From the relationship, the amount of hydrogen leaked due to the abnormality of the unit cell is calculated.
【００３５】ただし、水素含有ガス中の水素は、電解質
であるリン酸に気体の状態で溶解し、この溶解した水素
が酸化剤極に拡散していくため、正常時の単電池におい
ても極微量の水素の漏洩が生じ、上記のような電圧の変
化が観察され得る。かかる場合における水素の漏洩量
は、通常の燃料電池の運転には全く支障のない程度であ
る。このため、上記のように電圧の変化から求めた水素
の漏洩量が、正常時における水素の漏洩量を超えた場合
に、当該複数の単電池のいずれかにおいて又は当該単電
池においてクロスリークが発生していると特定され、燃
料電池の運転の継続が可能か否かを決定する。However, the hydrogen contained in the hydrogen-containing gas is dissolved in the electrolyte phosphoric acid in a gaseous state, and the dissolved hydrogen diffuses into the oxidizer electrode. Leakage of hydrogen occurs and the voltage change as described above can be observed. In such a case, the amount of hydrogen leaked is at a level that does not hinder normal operation of the fuel cell. For this reason, when the amount of hydrogen leakage obtained from the change in voltage as described above exceeds the amount of hydrogen leakage during normal operation, cross leak occurs in any of the plurality of cells or in the cells. It is determined that the fuel cell is operating, and it is determined whether or not the operation of the fuel cell can be continued.
【００３６】請求項３記載の発明は、請求項１又は請求
項２記載の燃料電池スタックの診断方法において、前記
燃料電池は負荷電流を流す回路に接続され、前記スタッ
クから負荷電流に流れる電流を遮断した後に、前記燃料
極に水素を含む水素含有ガスを供給すると共に、前記酸
化剤極に酸素を含む酸素含有ガスを供給することを特徴
とする。According to a third aspect of the present invention, in the fuel cell stack diagnosing method according to the first or second aspect, the fuel cell is connected to a circuit for supplying a load current, and the current flowing from the stack to the load current is detected. After shutting off, a hydrogen-containing gas containing hydrogen is supplied to the fuel electrode, and an oxygen-containing gas containing oxygen is supplied to the oxidizer electrode.
【００３７】以上のような請求項３記載の発明では、ス
タックに設けられた負荷電流を流す回路を開放すること
により発電停止状態となり、スタックの温度が低温に安
定する。スタックの温度が安定していると発生電圧が安
定するので、電圧の変化を正確に測定することが可能と
なる。In the invention according to claim 3 as described above, the power generation is stopped by opening the load current flowing circuit provided in the stack, and the stack temperature is stabilized at a low temperature. Since the generated voltage is stable when the stack temperature is stable, it is possible to accurately measure the change in voltage.
【００３８】請求項４記載の発明は、請求項１〜３のい
ずれか１項に記載の燃料電池スタックの診断方法におい
て、前記酸素含有ガスの酸素含有量は、漏洩する前記水
素含有ガスの水素との反応に必要な量であり、且つ前記
酸素含有ガスの０．１％以下であることを特徴とする。The invention according to claim 4 is the method for diagnosing a fuel cell stack according to any one of claims 1 to 3, wherein the oxygen content of the oxygen-containing gas is the hydrogen content of the leaking hydrogen-containing gas. It is an amount necessary for the reaction with and is 0.1% or less of the oxygen-containing gas.
【００３９】以上のような請求項４記載の発明では、酸
素含有ガスに含まれる酸素の濃度を０．１％以下とする
ことにより、負荷電流を流す回路を解放することに伴う
酸化剤極の電位の上昇を抑制することができ、白金触媒
が溶解・再析出し、粒子が肥大化（シンタリング）する
ことによる特性低下を防ぐことが可能となる。In the above-mentioned invention according to claim 4, the concentration of oxygen contained in the oxygen-containing gas is set to 0.1% or less, so that the oxidizer electrode of the oxidant electrode accompanying the release of the load current flowing circuit is released. It is possible to suppress an increase in the electric potential, prevent the platinum catalyst from being dissolved and re-precipitated, and prevent the characteristics from being deteriorated due to the particles becoming larger (sintering).
【００４０】[0040]
【発明の実施の形態】以下、本発明の燃料電池スタック
の診断方法の実施の形態を、図面を参照して以下に説明
する。なお、図４に示した従来例と同一または対応する
要素には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは
異なる部分についてのみ述べる。また、図１では、燃料
ガス（および水素含有ガス）と酸化剤ガス（および酸素
含有ガス）が燃料電池スタック２内で同一方向に流れる
ように描かれているが、実際には、燃料ガスと酸化剤ガ
スは、第４図に示すように互いに直交する方向に流れ
る。そして、図１においては、ガスマニホールド５、お
よび集電板６を省略している。さらに、図３に示す燃料
電池スタック２は、簡略化して１個の単電池１のみを示
しているが、実際には、図４に示すように、単位電池
１、ガス分離板３及び冷却板４を複数個積層することに
より形成されている。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of a method for diagnosing a fuel cell stack according to the present invention will be described below with reference to the drawings. The same or corresponding elements as those of the conventional example shown in FIG. 4 are designated by the same reference numerals and the description thereof will be omitted, and only different portions will be described here. Further, in FIG. 1, the fuel gas (and the hydrogen-containing gas) and the oxidant gas (and the oxygen-containing gas) are drawn so as to flow in the same direction in the fuel cell stack 2. The oxidant gases flow in directions orthogonal to each other as shown in FIG. Further, in FIG. 1, the gas manifold 5 and the current collector plate 6 are omitted. Further, the fuel cell stack 2 shown in FIG. 3 shows only one unit cell 1 for simplification, but in reality, as shown in FIG. 4, the unit cell 1, the gas separation plate 3 and the cooling plate are shown. It is formed by laminating a plurality of 4.
【００４１】（１）第１の実施の形態 請求項１記載の発明である燃料電池発電装置の診断方法
に対応する一つの実施の形態を、第１の実施の形態とし
て以下に説明する。(1) First Embodiment One embodiment corresponding to the diagnosis method for a fuel cell power generator according to the invention of claim 1 will be described below as a first embodiment.
【００４２】（ａ）第１の実施の形態の診断対象となる
燃料電池発電装置 まず、本実施の形態に用いる燃料電池発電装置の一例
を、図１に従って説明する。すなわち、燃料電池スタッ
ク２における燃料極１ａには、燃料ガス供給管１１及び
排出管１２が接続されている。燃料ガス供給管１１に
は、燃料ガスの供給源として、天然ガスと水蒸気から改
質反応によって水素を発生させる改質器（図示せず）が
接続されている。酸化剤極１ｂには、酸化剤ガス供給管
１３及び排出管１４が接続されている。酸化剤ガス供給
管１３には、酸化剤ガスの供給源として、空気を送るブ
ロワ等が接続されている。(A) Fuel Cell Power Generation Device to be Diagnosed in First Embodiment First, an example of the fuel cell power generation device used in this embodiment will be described with reference to FIG. That is, the fuel gas supply pipe 11 and the discharge pipe 12 are connected to the fuel electrode 1 a in the fuel cell stack 2. The fuel gas supply pipe 11 is connected to a reformer (not shown) that generates hydrogen from a natural gas and steam by a reforming reaction as a fuel gas supply source. An oxidant gas supply pipe 13 and an exhaust pipe 14 are connected to the oxidant electrode 1b. The oxidant gas supply pipe 13 is connected to a blower or the like that sends air as a supply source of the oxidant gas.
【００４３】また、酸化剤ガス供給管１３には、その内
部を流れるガスの流量を調節する流量調節弁１５と、ガ
スの流量を計測する流量計１６が設けられている。そし
て、流量計１６には記録装置２０が接続されている。流
量計１６によって計測された流量値は、電気的な信号に
変換されて記録装置２０に送られ、この記録装置によっ
て流量の時間的な変化が記録される構成となっている。
さらに、酸化剤ガス供給管１３には、切替弁１７を設け
た酸素含有ガス供給管１８が接続されている。この酸素
含有ガス供給管１８には、酸素含有ガスの供給源とし
て、０．１％の酸素を窒素に混合したガスを入れたガス
ボンベ１９が接続されている。Further, the oxidant gas supply pipe 13 is provided with a flow rate control valve 15 for controlling the flow rate of the gas flowing therein and a flow meter 16 for measuring the flow rate of the gas. A recording device 20 is connected to the flow meter 16. The flow rate value measured by the flow meter 16 is converted into an electrical signal and sent to the recording device 20, and the recording device records the temporal change of the flow rate.
Further, an oxygen-containing gas supply pipe 18 provided with a switching valve 17 is connected to the oxidant gas supply pipe 13. A gas cylinder 19 containing a gas in which 0.1% oxygen is mixed with nitrogen is connected to the oxygen-containing gas supply pipe 18 as a supply source of the oxygen-containing gas.
【００４４】一方、燃料電池スタック２から取り出され
た直流電流は、電流線３１を介し、開閉器３２を経てイ
ンバーター３３により交流電流に変換され、図示しない
外部の電力負荷に供給される構成となっている。また、
燃料電池スタック２で発生する電圧を計測する電圧計３
４が、燃料電池スタック２の両極間に接続されている。
電圧計３４で計測された電圧の値は、記録装置２０に送
られ、この記録装置で時間的な変化が記録される構成と
なっている。On the other hand, the direct current extracted from the fuel cell stack 2 is converted into an alternating current by the inverter 33 through the current line 31, the switch 32, and supplied to an external power load (not shown). ing. Also,
Voltmeter 3 for measuring the voltage generated in the fuel cell stack 2
4 is connected between both electrodes of the fuel cell stack 2.
The voltage value measured by the voltmeter 34 is sent to the recording device 20, and the recording device records the change over time.
【００４５】（ｂ）第１の実施の形態の作用 次に、上述の燃料電池発電装置を用いた本実施の形態
を、その実施の手順に従って説明する。(B) Operation of the First Embodiment Next, the present embodiment using the above-mentioned fuel cell power generator will be described in accordance with the procedure of its implementation.
【００４６】発電停止から酸素含有ガス及び水素含有
ガスの供給まで 上述の燃料電池発電装置が発電状態にある場合には、図
１に示すように、切替弁１７は酸化剤ガス供給管１３に
酸化剤ガス（一般には空気）を供給する方向に開いてい
る。また、開閉器３２は閉路状態にあるため、燃料電池
スタック２、電流線３１、インバーター３３及び外部の
負荷（図示せず）のいずれにも電流が流れている。From the stop of power generation to the supply of oxygen-containing gas and hydrogen-containing gas When the fuel cell power generator described above is in a power generating state, the switching valve 17 oxidizes the oxidant gas supply pipe 13 as shown in FIG. It is open in the direction of supplying the agent gas (generally air). Further, since the switch 32 is in the closed state, current is flowing in all of the fuel cell stack 2, the current line 31, the inverter 33 and an external load (not shown).
【００４７】以上のような燃料電池発電装置に対して、
本実施の形態による診断方法を実施するためには、ま
ず、燃料電池発電装置を発電状態から発電停止状態にす
る必要があるが、これは一般的には以下のように行われ
る。すなわち、燃料極１ａおよび酸化剤極１ｂに窒素等
の不活性ガスを供給して、燃料ガスおよび酸化剤ガスを
強制的に排出すると共に、開閉器３２を開いて、燃料電
池スタック２に流れている電流を遮断する。For the fuel cell power generator as described above,
In order to carry out the diagnostic method according to the present embodiment, first, it is necessary to change the fuel cell power generation device from the power generation state to the power generation stop state, but this is generally performed as follows. That is, an inert gas such as nitrogen is supplied to the fuel electrode 1a and the oxidant electrode 1b to forcibly discharge the fuel gas and the oxidant gas, and the switch 32 is opened to flow to the fuel cell stack 2. Shut off the current.
【００４８】このように負荷電流を流す回路を開くと、
酸化剤極の電位が上昇するために、白金触媒が溶解・再
析出し、粒子が肥大化（シンタリング）する。すると、
白金触媒の表面積の減少に伴って活性化分極が増加し、
触媒層の細孔へリン酸が流入するため、ガスの拡散性が
低下し、拡散分極の増加等を原因とする特性の低下が進
行する可能性がある。しかし、本実施の形態において
は、酸素含有ガスに含まれる酸素の濃度を０．１％以下
とすることにより、酸化剤極の電位の上昇が抑制され
る。When the circuit for passing the load current is opened in this way,
Since the potential of the oxidizer electrode rises, the platinum catalyst dissolves and reprecipitates, and the particles enlarge (sinter). Then
As the surface area of the platinum catalyst decreases, the activation polarization increases,
Since phosphoric acid flows into the pores of the catalyst layer, the gas diffusivity may be reduced, and the deterioration of the properties due to an increase in diffusion polarization may proceed. However, in the present embodiment, the increase in the potential of the oxidizer electrode is suppressed by setting the concentration of oxygen contained in the oxygen-containing gas to 0.1% or less.
【００４９】以上のように発電を停止した後、切替弁１
７を切り替えて、酸化剤ガス供給管１３に酸素含有ガス
を流入させ、酸化剤極１ｂに酸素含有ガスを供給する。
また、燃料極１ａには燃料ガス供給管１１から水素含有
ガスを供給する。After stopping the power generation as described above, the switching valve 1
7, the oxygen-containing gas is flown into the oxidant gas supply pipe 13 to supply the oxygen-containing gas to the oxidant electrode 1b.
Further, a hydrogen-containing gas is supplied from the fuel gas supply pipe 11 to the fuel electrode 1a.
【００５０】発生電圧の検出 以上のように酸化剤極１ｂに酸素含有ガスを供給し、燃
料極１ａに水素含有ガスを供給すると、燃料電池スタッ
ク２において電圧が発生する。そして、燃料電池スタッ
ク２でクロスリークが発生している場合、燃料電池スタ
ック２に供給する酸素含有ガスの供給量を変化させる
と、燃料電池スタック２で発生する電圧は以下のように
変化する。Detection of Generated Voltage When the oxygen-containing gas is supplied to the oxidizer electrode 1b and the hydrogen-containing gas is supplied to the fuel electrode 1a as described above, a voltage is generated in the fuel cell stack 2. Then, when cross leak occurs in the fuel cell stack 2, when the supply amount of the oxygen-containing gas supplied to the fuel cell stack 2 is changed, the voltage generated in the fuel cell stack 2 changes as follows.
【００５１】例えば、単電池１個当たり０．６〜０．８
Ｖ程度の電圧が発生するような酸素含有ガスの供給量で
あった場合、その供給量を減少させていくと、電圧は徐
々に低下していく。そして、もし燃料電池スタック２で
クロスリークが発生している場合、流量がある値以下に
なると電圧は急激に低下して、単電池１個当たり０．１
〜０．２Ｖ程度になる。For example, 0.6 to 0.8 per unit cell
When the supply amount of the oxygen-containing gas is such that a voltage of about V is generated, the voltage gradually decreases as the supply amount is decreased. If a cross leak occurs in the fuel cell stack 2, the voltage drops sharply when the flow rate falls below a certain value, and the voltage drops to 0.1% per unit cell.
It becomes about 0.2V.
【００５２】このような酸素含有ガスの供給量は流量計
１６によって測定され、発生電圧は電圧計３４によって
測定される。それらの測定値は記録装置２０に送られ、
一定時間ごとに記録される。このように記録された酸素
含有ガスの供給量と発生電圧との関係の時間的な変化を
示すグラフを、図２に示す。このグラフから明らかなよ
うに、酸素含有ガスの供給量がある値以下になると電圧
は急激に低下するという現象が起こる。The flow rate of the oxygen-containing gas is measured by the flow meter 16, and the generated voltage is measured by the voltmeter 34. The measured values are sent to the recording device 20,
Recorded at regular intervals. FIG. 2 is a graph showing a temporal change in the relationship between the supply amount of the oxygen-containing gas and the generated voltage recorded in this way. As is clear from this graph, when the supply amount of the oxygen-containing gas falls below a certain value, the voltage drops sharply.
【００５３】酸素含有ガスの供給量と電圧と変化の関
係 上記の電圧低下現象は、次のようにして説明できる。ま
ず、単電池で発生する電圧Ｅは、単電池に流れる電流が
０で、単電池の温度をＴ、水素含有ガス中の水素濃度を
ＣH 、酸素含有ガス中の酸素濃度をＣｏとすると、理論
的にはネルンストの式により次式７のように表される。Relationship between Supply Amount of Oxygen-Containing Gas, Voltage, and Change The above-mentioned voltage drop phenomenon can be explained as follows. First, the voltage E generated in the unit cell is such that when the current flowing in the unit cell is 0, the temperature of the unit cell is T, the hydrogen concentration in the hydrogen-containing gas is C H , and the oxygen concentration in the oxygen-containing gas is Co, Theoretically, it is expressed by the Nernst equation as the following equation 7.
【００５４】[0054]
【数７】 ここで、Ｅ0 は標準起電力と呼ばれ、２５℃のとき１．
２３Ｖであるが、温度によって変わる。また、Ｒは気体
定数で８．３１（Ｊ／ｍｏｌ・Ｋ）、Ｆはファラデー定
数で９６４８５（Ｃ／ｍｏｌ）である。(Equation 7) Here, E 0 is called a standard electromotive force, which is 1.
It is 23V, but it depends on the temperature. Further, R is a gas constant of 8.31 (J / mol · K), and F is a Faraday constant of 96485 (C / mol).
【００５５】ただし、実際に測定を行うと、Ｅ0 は理論
値よりも低いが、ここでは電圧の変化のみ測定されれば
良いので、Ｅ0 の理論値との違いは重要ではない。ま
た、クロスリークが生じているとき、酸素濃度の対数
（ｌｏｇ（Ｃｏ））に対する電圧Ｅの傾きは２．３ＲＴ
／４Ｆよりも大きく、その差は一般にターフェル勾配と
して測定される値（単電池に流れる電流Ｉと単電池で発
生する電圧Ｅとの関係において、電流の対数ｌｏｇＩに
対する電圧Ｅの傾き）にほぼ等しい。従って、実験的に
は、ターフェル勾配をｂとすると、電圧Ｅと水素含有ガ
ス中の水素濃度ＣH及び酸素含有ガス中の酸素濃度Ｃｏ
との関係は、次式８のように表される。However, when actually measured, E 0 is lower than the theoretical value, but since only the change in voltage needs to be measured here, the difference from the theoretical value of E 0 is not important. When cross leak occurs, the slope of the voltage E with respect to the logarithm of oxygen concentration (log (Co)) is 2.3 RT.
/ 4F, and the difference is almost equal to the value generally measured as the Tafel slope (the slope of the voltage E with respect to the logarithm logI of the current in the relationship between the current I flowing in the unit cell and the voltage E generated in the unit cell). . Therefore, experimentally, assuming that the Tafel slope is b, the voltage E, the hydrogen concentration C H in the hydrogen-containing gas and the oxygen concentration Co in the oxygen-containing gas are given.
The relationship between and is expressed by the following equation 8.
【００５６】[0056]
【数８】 ここで、燃料電池発電装置において電解質層１ｃ等に欠
損等があり、運転時にクロスリークが発生する状態にあ
るとする。この場合には、上記のように酸化剤極１ｂに
酸素含有ガスを供給し、燃料極１ａに水素含有ガスを供
給すると、酸化剤極１ｂに水素含有ガスが漏洩する。す
ると、酸化剤極１ｂに供給された酸素含有ガスの酸素が
水素との反応によって消費され、酸素濃度が低下する。(Equation 8) Here, in the fuel cell power generator, it is assumed that the electrolyte layer 1c and the like have defects and a cross leak occurs during operation. In this case, when the oxygen-containing gas is supplied to the oxidant electrode 1b and the hydrogen-containing gas is supplied to the fuel electrode 1a as described above, the hydrogen-containing gas leaks to the oxidant electrode 1b. Then, oxygen in the oxygen-containing gas supplied to the oxidant electrode 1b is consumed by the reaction with hydrogen, and the oxygen concentration is reduced.
【００５７】漏洩してきた水素の全量が、酸化剤極の酸
素と反応するとすると、単電池の酸化剤ガス出口におけ
る酸素濃度Ｃｏout は、酸素含有ガス中の酸素濃度をＣ
ｏin、酸素含有ガスの供給量をＳ、水素の漏洩量をＬと
すると、次の式９のように表わされる。Assuming that the total amount of leaked hydrogen reacts with the oxygen in the oxidant electrode, the oxygen concentration Co out at the oxidant gas outlet of the unit cell is the oxygen concentration C in the oxygen-containing gas.
When o in is S, the supply amount of the oxygen-containing gas is S, and the leakage amount of hydrogen is L, it is represented by the following Expression 9.
【００５８】[0058]
【数９】 従って、（式８）と（式９）とを合わせると、酸素含有
ガスの供給量と電圧との関係が次の式１０のように求ま
る。[Equation 9] Therefore, by combining (Equation 8) and (Equation 9), the relationship between the supply amount of the oxygen-containing gas and the voltage can be obtained as in the following Equation 10.
【００５９】[0059]
【数１０】 上記（式１０）において、Ｃｏin×Ｓ≦Ｌ／２のときは
値が発散してしまうが、このときは実際には酸化剤極の
酸素が全て水素との反応によって消費され、酸化剤極も
水素雰囲気になっており、単電池は水素の濃淡電池の状
態になっているため、０．１〜０．２Ｖ程度の電圧が生
じると考えられる。(Equation 10) In the above (Equation 10), when Co in × S ≦ L / 2, the value diverges, but at this time, all the oxygen of the oxidant electrode is actually consumed by the reaction with hydrogen, and the oxidant electrode Since it is in a hydrogen atmosphere and the unit cell is in a hydrogen concentration cell state, it is considered that a voltage of about 0.1 to 0.2 V is generated.
【００６０】なお、クロスリークが生じていない場合に
も、上記のような電圧の変化が観察される。これは、水
素含有ガス中の水素は、電解質であるリン酸に気体の状
態で溶解し、この溶解した水素が酸化剤極に拡散してい
くため、極微量のクロスリークが生じているのと同様の
現象が生じるためである。この量は、通常の燃料電池の
運転には全く支障のない程度である。このため、上記の
方法により求めたクロスリークによる水素の漏洩量が、
予め定められた上限値（正常時の水素の漏洩量）を超え
ているときにのみ、異常と判断されることになる。Even when cross leak does not occur, the above voltage change is observed. This is because the hydrogen in the hydrogen-containing gas is dissolved in phosphoric acid, which is the electrolyte, in a gaseous state, and the dissolved hydrogen diffuses into the oxidizer electrode, resulting in a very small amount of cross leak. This is because a similar phenomenon occurs. This amount does not hinder normal fuel cell operation. Therefore, the amount of hydrogen leakage due to the cross leak obtained by the above method is
Only when it exceeds a predetermined upper limit value (amount of hydrogen leakage in a normal state), it is judged as abnormal.
【００６１】水素の漏洩量の算出 図２に示すような酸素含有ガス供給量と電圧との関係か
ら、水素の漏洩量Ｌを求めるには、以下のようにする。Calculation of Hydrogen Leakage Amount of hydrogen leaked from the relationship between the oxygen-containing gas supply and the voltage as shown in FIG. 2 is obtained as follows.
【００６２】最も簡単には、第２図において、電圧が急
激に低下するときの酸素含有ガス供給量ＳE を測定すれ
ば、（式１０）から分かるように、Ｃｏin×ＳE ＝Ｌ／
２であるから、酸素含有ガス中の酸素濃度とＳE の値か
ら、漏洩量Ｌの値が求められる。The simplest way is to measure the oxygen-containing gas supply amount S E when the voltage sharply drops in FIG. 2, as shown in (Equation 10), Co in × S E = L /
Therefore , the value of the leakage amount L can be obtained from the oxygen concentration in the oxygen-containing gas and the value of S E.
【００６３】また、酸素含有ガス供給量Ｓ1 のときの電
圧Ｅ1 と、供給量Ｓ2 のときの電圧Ｅ2 を測定すると、
（式１０）より、[0063] Further, a voltage E 1 in the case of the oxygen-containing gas supply amount S 1, when measuring the voltage E 2 at a supply rate S 2,
From (Equation 10),
【数１１】 となるから、（式１１）を解いて漏洩量Ｌを求めること
ができる。さらに正確に求めるためには、第２図の測定
結果に、ＬおよびＥ0 を変数として、（式１０）を最小
二乗法等によりフィッティングすると、Ｌを求めること
ができる。そして、以上のように求められた水素の漏洩
量Ｌが、予め定められた上限値（正常時の水素漏洩量）
を超えているときに、クロスリークが発生していると判
断されることになる。[Equation 11] Therefore, the leakage amount L can be obtained by solving (Equation 11). In order to obtain more accurately, L can be obtained by fitting (Equation 10) to the measurement result of FIG. 2 using L and E 0 as variables by the least square method or the like. Then, the hydrogen leak amount L obtained as described above is a predetermined upper limit value (normal hydrogen leak amount)
When it exceeds, it is judged that a cross leak has occurred.
【００６４】（ｃ）第１の実施の形態の効果 以上のような本実施の形態の効果は、以下の通りであ
る。すなわち、ガスクロマトグラフ等の特殊な装置を必
要とせずに、クロスリークによる水素の漏洩量が検出で
きるので、クロスリークの発生を確実に検知することが
できる。(C) Effects of the First Embodiment The effects of the present embodiment as described above are as follows. That is, since the leak amount of hydrogen due to the cross leak can be detected without requiring a special device such as a gas chromatograph, it is possible to reliably detect the occurrence of the cross leak.
【００６５】このように、燃料電池発電装置におけるク
ロスリークの発生が検知された場合、その後の運転にお
いて、燃料ガス及び酸化剤ガスの供給量を増加させ、反
応ガスの欠乏が生じないようにするか、あるいは燃料電
池スタックを交換する等の方法により、発電装置として
の信頼性を向上させることができる。As described above, when the occurrence of cross leak in the fuel cell power generator is detected, the supply amount of the fuel gas and the oxidant gas is increased in the subsequent operation to prevent the lack of the reaction gas. Alternatively, the reliability of the power generation device can be improved by replacing the fuel cell stack.
【００６６】また、診断は、負荷電流を流す回路を開
き、発電状態を停止させて燃料電池スタック２の温度を
低下させた後に行うので、燃料電池スタック２の温度が
一定になり、標準起電力が安定し、検出値が正確とな
る。Further, since the diagnosis is performed after the circuit through which the load current is passed is opened to stop the power generation state to lower the temperature of the fuel cell stack 2, the temperature of the fuel cell stack 2 becomes constant and the standard electromotive force is generated. Is stable and the detected value is accurate.
【００６７】さらに、酸素含有ガスに含まれる酸素の濃
度が０．１％となっているので、負荷電流を流す回路を
解放することに伴う酸化剤極の電位の上昇を抑制され
る。したがって、白金触媒が溶解・再析出し、粒子が肥
大化（シンタリング）することによる特性低下を防ぐこ
とが可能となり、診断が燃料電池発電装置に与える影響
を少なくすることができる。Further, since the concentration of oxygen contained in the oxygen-containing gas is 0.1%, the increase in the potential of the oxidizer electrode due to the release of the load current flowing circuit can be suppressed. Therefore, it is possible to prevent the deterioration of the characteristics due to the platinum catalyst being dissolved / re-precipitated and the particles being enlarged (sintering), and the influence of the diagnosis on the fuel cell power generation device can be reduced.
【００６８】（２）第２の実施の形態 請求項２記載の発明である燃料電池発電装置の診断方法
に対応する一つの実施の形態を、第２の実施の形態とし
て以下に説明する。(2) Second Embodiment One embodiment corresponding to the diagnosis method of the fuel cell power generator according to the invention of claim 2 will be described below as a second embodiment.
【００６９】（ａ）第２の実施の形態の診断対象となる
燃料電池発電装置 まず、本実施の形態に用いる燃料電池発電装置の一例
を、図３に従って説明する。なお、第１の実施の形態に
用いる燃料電池発電装置と同一の部材には同一の符号を
付して説明は省略する。すなわち、燃料電池スタック２
は、単電池１とガス分離板３を一定の個数積層するごと
に冷却板４が挿入されている。この冷却板４と冷却板４
との間の複数個の単電池１及びガス分離板３の組を、
「サブスタック」と呼ぶ。そして、このような各サブス
タックごとに又は個々の単電池ごとに発生する電圧を測
定する電圧計３４が設けられている。(A) Fuel Cell Power Generation Device to be Diagnosed in Second Embodiment First, an example of the fuel cell power generation device used in this embodiment will be described with reference to FIG. The same members as those of the fuel cell power generator used in the first embodiment are designated by the same reference numerals and the description thereof will be omitted. That is, the fuel cell stack 2
A cooling plate 4 is inserted every time a certain number of unit cells 1 and gas separation plates 3 are stacked. This cooling plate 4 and cooling plate 4
A plurality of unit cells 1 and a gas separation plate 3 between
It is called "substack". A voltmeter 34 for measuring the voltage generated for each such sub-stack or for each individual cell is provided.
【００７０】（ｂ）第２の実施の形態の作用 次に、上述の燃料電池発電装置を用いた本実施の形態
を、その実施の手順に従って説明する。なお、第１の実
施の形態と同様の手順は説明を簡略化する。(B) Operation of the Second Embodiment Next, the present embodiment using the above-mentioned fuel cell power generator will be described in accordance with the procedure of its implementation. The description of the procedure similar to that of the first embodiment is simplified.
【００７１】ます、各サブスタック又は個々の単電池１
に供給される酸素含有ガスの量を、実測あるいは計算に
より算出する。簡単には、通常、各単電池１にはガスは
ほぼ均等に供給されるので、燃料電池スタック２全体に
供給される酸素含有ガスの量を、サブスタックの数又は
単電池１の数で割ればよい。First, each sub-stack or individual cell 1
The amount of oxygen-containing gas supplied to is calculated by actual measurement or calculation. In brief, since the gas is generally supplied to each unit cell 1 almost uniformly, the amount of the oxygen-containing gas supplied to the entire fuel cell stack 2 is divided by the number of sub-stacks or the number of unit cells 1. Good.
【００７２】そして、第１の実施の形態と同様に、燃料
電池発電装置を発電停止状態にし、酸化剤極１ｂに酸素
含有ガスを供給し、燃料極１ａに水素含有ガスを供給す
る。酸素含有ガスの供給量は流量計１６によって測定さ
れ、上記のように各サブスタックごとの又は個々の単電
池１ごとの酸素含有ガスの供給量が算出される。各サブ
スタックごとの発生電圧又は個々の単電池１ごとの発生
電圧は、電圧計３４によって測定される。各サブスタッ
クごとの又は個々の単電池１ごとの酸素含有ガス供給量
及び発生電圧は記録装置２０に送られ、一定時間ごとに
記録される。このように記録された酸素含有ガスの供給
量と発生電圧との関係の時間的な変化を示すグラフが、
図２と同様に示される。Then, as in the first embodiment, the fuel cell power generator is stopped to generate power, the oxygen-containing gas is supplied to the oxidizer electrode 1b, and the hydrogen-containing gas is supplied to the fuel electrode 1a. The supply amount of the oxygen-containing gas is measured by the flow meter 16, and the supply amount of the oxygen-containing gas for each sub-stack or each unit cell 1 is calculated as described above. The generated voltage for each sub-stack or the generated voltage for each individual cell 1 is measured by the voltmeter 34. The oxygen-containing gas supply amount and the generated voltage for each sub-stack or for each individual cell 1 are sent to the recording device 20 and recorded at regular intervals. A graph showing the temporal change in the relationship between the supply amount of the oxygen-containing gas and the generated voltage recorded in this way,
It is shown similar to FIG.
【００７３】かかる酸素含有ガス供給量と発生電圧との
関係に基づいて、上記の第１の実施の形態と同様に、各
サブスタックごとの又は個々の単電池１ごとの水素の漏
洩量を求める。そして、このようにした求めた漏洩量
が、予め定められた上限値（対応するサブスタック又は
単電池１の正常時の水素の漏洩量）を超えているサブス
タック又は単電池１がある場合に、当該サブスタックの
いずれかの単電池１又は当該単電池１においてクロスリ
ークが発生していると判断されることとなる。Based on the relationship between the supply amount of the oxygen-containing gas and the generated voltage, the hydrogen leakage amount for each sub-stack or each individual cell 1 is obtained as in the first embodiment. . Then, in the case where there is a sub-stack or unit cell 1 in which the thus-obtained leakage amount exceeds a predetermined upper limit value (the amount of hydrogen leakage when the corresponding sub-stack or unit cell 1 is normal) Therefore, it is determined that cross leak has occurred in any one of the unit cells 1 of the sub-stack or in the unit cell 1.
【００７４】（ｃ）第２の実施の形態の効果 以上のような本実施の形態の効果は、以下の通りであ
る。すなわち、第１の実施の形態と同様に、ガスクロマ
トグラフ等の特殊な装置を必要とせずに、クロスリーク
による水素の漏洩量が検出できるので、クロスリークの
発生を確実に検知することができる。(C) Effects of the Second Embodiment The effects of this embodiment as described above are as follows. That is, as in the first embodiment, the amount of hydrogen leakage due to cross-leakage can be detected without the need for a special device such as a gas chromatograph, so that the occurrence of cross-leakage can be reliably detected.
【００７５】さらに、クロスリークの発生を、個々のサ
ブスタックごとに又は個々の単電池１ごとに検知するこ
とができるので、どの単電池において異常が生じている
かを特定しやすくなる。従って、クロスリーク量の大き
い単電池１又はサブスタックのみを取り除き、交換ある
いは電気的にバイパスする等により、正常な単電池１の
みによって燃料電池発電装置の運転を引き続き行うこと
ができる。Further, since the occurrence of cross leak can be detected for each individual sub-stack or for each individual cell 1, it becomes easy to identify in which cell the abnormality has occurred. Therefore, by removing only the unit cell 1 or the sub-stack having a large amount of cross leak and replacing or electrically bypassing it, it is possible to continue the operation of the fuel cell power generator by only the normal unit cell 1.
【００７６】なお、燃料電池スタック２が発電を行って
いるときには、個々の単電池１によって、あるいは１つ
の単電池内の平面方向の位置の相違によって、温度に差
が生じている。しかし、本実施の形態を実施する場合
は、第１の実施の形態と同様に、診断を行う前に負荷電
流を流す回路を開き、発電を停止しているので、燃料電
池スタック２の温度はほぼ一様に低下している。従っ
て、燃料電池スタック２の温度が一定になり、標準起電
力が安定し、検出値が正確となる。When the fuel cell stack 2 is generating electric power, there is a difference in temperature between individual cells 1 or due to the difference in the position in the plane direction within one cell. However, in the case of carrying out the present embodiment, as in the first embodiment, the temperature of the fuel cell stack 2 is maintained because the circuit through which the load current flows is opened and the power generation is stopped before the diagnosis. It is decreasing almost uniformly. Therefore, the temperature of the fuel cell stack 2 becomes constant, the standard electromotive force becomes stable, and the detected value becomes accurate.
【００７７】（３）他の実施の形態 本発明は、以上のような実施の形態に限定されるもので
はなく、使用される各部材の数量、種類、実施の手順等
は適宜変更可能である。(3) Other Embodiments The present invention is not limited to the above-described embodiments, but the number, type, and procedure of each member used can be changed as appropriate. .
【００７８】例えば、上記の実施の形態においては、酸
素含有ガスにおける酸素の含有量は０．１％であった
が、０．１％以下であれば他の値でもよい。また、酸素
含有ガスの供給源としては、ガスボンベの他に、空気に
窒素ガスを一定の割合で混合する方法も可能である。For example, in the above embodiment, the oxygen content in the oxygen-containing gas was 0.1%, but any other value may be used as long as it is 0.1% or less. Further, as a supply source of the oxygen-containing gas, a method of mixing nitrogen gas with air at a constant ratio is also possible in addition to the gas cylinder.
【００７９】また、燃料極１ａに供給される水素含有ガ
スは、発電に用いる燃料ガスを用いても、あるいはガス
ボンベ等から供給される純水素ガス、または窒素等不活
性ガスと水素との混合ガスを用いてもよい。この水素含
有ガス中の水素の濃度は高い方が、クロスリークが生じ
ていた場合にはその影響が大きいのでクロスリークの検
出には有利だが、水素が最低１％以上含まれていれば検
出は可能であり、燃料電池スタックに悪影響を及ぼすこ
ともない。ただし、時間によって濃度が変化しないよう
にする必要がある。The hydrogen-containing gas supplied to the fuel electrode 1a may be a fuel gas used for power generation, pure hydrogen gas supplied from a gas cylinder or the like, or a mixed gas of an inert gas such as nitrogen and hydrogen. May be used. The higher the concentration of hydrogen in the hydrogen-containing gas, the greater the effect of cross-leakage when it occurs, so it is advantageous for detecting cross-leakage. However, if the hydrogen content is at least 1%, it will not be detected. It is possible and does not adversely affect the fuel cell stack. However, it is necessary to prevent the concentration from changing with time.
【００８０】上記の実施の形態においては、診断の実施
の前に、不活性ガスの供給によって、燃料極１ａ及び酸
化剤極１ｂから燃料ガス及び酸化剤ガスを強制的に排出
させていた。しかし、上記のように燃料ガスはそのまま
水素含有ガスとして使うことができるので、燃料極１ａ
には不活性ガスを供給しなくてもよい。In the above embodiment, the fuel gas and the oxidant gas are forcibly discharged from the fuel electrode 1a and the oxidant electrode 1b by the supply of the inert gas before the diagnosis is performed. However, since the fuel gas can be used as it is as the hydrogen-containing gas as described above, the fuel electrode 1a
It is not necessary to supply an inert gas to.
【００８１】また、上記実施の形態では、発電状態を停
止させて燃料電池スタック２の温度を低下させた後に診
断を行っていた。これは、燃料電池スタック２の温度を
一定にすることにより、標準起電力を安定させ、検出値
の正確を期すためである。したがって、冷却板４の構造
や冷媒の性能を高める等の工夫により温度が時間によっ
て変動しないようにすれば、運転しているときの温度の
ままで診断を行ってもよい。なお、クロスリークの検出
は温度が高い方が容易であるため、運転温度による診断
の方がクロスリークの検出が容易となる。但し、あまり
高温になると単電池の触媒層の劣化やリン酸の蒸発等が
加速されるので、運転温度以上に温度を高くするのは好
ましくない。Further, in the above embodiment, the diagnosis is performed after the power generation state is stopped and the temperature of the fuel cell stack 2 is lowered. This is to stabilize the standard electromotive force by keeping the temperature of the fuel cell stack 2 constant, and to ensure the accuracy of the detected value. Therefore, if the temperature does not fluctuate with time by devising the structure of the cooling plate 4 or improving the performance of the refrigerant, the diagnosis may be performed with the temperature as it is during operation. Since detection of cross leak is easier when the temperature is higher, diagnosis based on the operating temperature is easier to detect. However, if the temperature becomes too high, the deterioration of the catalyst layer of the unit cell and the evaporation of phosphoric acid are accelerated, so it is not preferable to raise the temperature above the operating temperature.
【００８２】さらに、上記実施の形態の対象となった燃
料電池発電装置は、既に一定期間使用を継続して行った
ものであったが、本発明は、これ以外の燃料電池発電装
置に対しても適用可能である。例えば、燃料電池発電装
置の製作が完了した後、発電運転を開始する前に、上記
実施の形態を適用することもできる。Further, although the fuel cell power generator of the above-mentioned embodiment has already been used for a certain period of time, the present invention can be applied to other fuel cell power generators. Is also applicable. For example, the above-described embodiment may be applied after the fabrication of the fuel cell power generation device is completed and before the power generation operation is started.
【００８３】[0083]
【発明の効果】以上のような本発明によれば、酸素含有
ガスの供給量とスタックにおいて発生する電圧との経時
的変化の対応関係から、スタックにおける水素漏洩量を
算出し、当該水素漏洩量が、前記スタックの正常時にお
ける水素漏洩量以上である場合に、クロスリークの発生
を特定することによって、特殊な装置を必要とせずに、
クロスリークの発生を確実に検知することが可能な燃料
電池スタックの診断方法を提供することができる。According to the present invention as described above, the hydrogen leakage amount in the stack is calculated from the correspondence relationship between the supply amount of the oxygen-containing gas and the voltage generated in the stack over time, and the hydrogen leakage amount is calculated. However, by specifying the occurrence of cross-leakage when the amount of hydrogen leakage at the time of normal operation of the stack is equal to or more than that, without requiring a special device,
It is possible to provide a method for diagnosing a fuel cell stack capable of reliably detecting the occurrence of cross leak.
【００８４】また、本発明によれば、複数の単電池ごと
の又は個々の単電池ごとの酸素含有ガスの供給量と、複
数の単電池ごとに又は個々の単電池ごとに発生する電圧
との経時的変化の対応関係から、複数の単電池ごとの又
は個々の単電池ごとの水素漏洩量を算出し、当該水素漏
洩量が、複数の単電池ごとの又は個々の単電池ごとの正
常時における水素漏洩量以上である場合に、クロスリー
クの発生を特定することによって、クロスリークの発生
した単電池を確実に判別することが可能な燃料電池スタ
ックの診断方法を提供することができる。Further, according to the present invention, the supply amount of the oxygen-containing gas for each of the plurality of unit cells or each unit cell and the voltage generated for each of the plurality of unit cells or each unit cell are From the correspondence of changes over time, calculate the hydrogen leakage amount for each of the multiple unit cells or for each individual unit cell, and calculate the hydrogen leakage amount for each of the multiple unit cells or for each unit cell when normal. It is possible to provide a method for diagnosing a fuel cell stack capable of reliably discriminating a unit cell in which a cross leak has occurred by specifying the occurrence of a cross leak when the hydrogen leak amount is equal to or more.
【図１】本発明の第１の実施の形態による燃料電池スタ
ックの診断方法を実施するための燃料電池発電装置の構
成の一例を示すブロック図である。FIG. 1 is a block diagram showing an example of a configuration of a fuel cell power generator for implementing a method for diagnosing a fuel cell stack according to a first embodiment of the present invention.
【図２】図１の燃料電池発電装置における燃料電池スタ
ックに供給される酸素含有ガスの供給量と、燃料電池ス
タックで発生する電圧との関係の一例を示す特性図であ
る。FIG. 2 is a characteristic diagram showing an example of a relationship between a supply amount of an oxygen-containing gas supplied to a fuel cell stack and a voltage generated in the fuel cell stack in the fuel cell power generator of FIG.
【図３】本発明の第２の実施の形態による燃料電池スタ
ックの診断方法を実施するための燃料電池発電装置の構
成の一例を示すブロック図である。FIG. 3 is a block diagram showing an example of a configuration of a fuel cell power generator for carrying out a method of diagnosing a fuel cell stack according to a second embodiment of the present invention.
【図４】一般的なリン酸型燃料電池の構成例を示す分解
斜視図である。FIG. 4 is an exploded perspective view showing a configuration example of a general phosphoric acid fuel cell.
１…単電池 ２…燃料電池スタック ３…ガス分離板 ４…冷却板 ５…ガスマニホールド ６…集電板 １１…燃料ガス供給管 １２…燃料ガス排出管 １３…酸化剤ガス供給管 １４…酸化剤ガス排出管 １５…流量調節弁 １６…流量計 １７…切替弁 １８…酸素含有ガス供給管 １９…酸素含有ガスボンベ ２０…記録装置 ３１…電流線 ３２…開閉器 ３３…インバーター ３４…電圧計 ４１…ホルダー ４２…ガスシール ４３…ヒーター DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Single cell 2 ... Fuel cell stack 3 ... Gas separation plate 4 ... Cooling plate 5 ... Gas manifold 6 ... Current collecting plate 11 ... Fuel gas supply pipe 12 ... Fuel gas discharge pipe 13 ... Oxidizing gas supply pipe 14 ... Oxidizing agent Gas discharge pipe 15 ... Flow control valve 16 ... Flow meter 17 ... Switching valve 18 ... Oxygen-containing gas supply pipe 19 ... Oxygen-containing gas cylinder 20 ... Recording device 31 ... Current line 32 ... Switch 33 ... Inverter 34 ... Voltmeter 41 ... Holder 42 ... Gas seal 43 ... Heater
Claims (4)
んで形成された単電池と、前記単電池が互いに電気的に
直列に接続されるように複数積層されたスタックと、各
単電池における燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガスマ
ニホールドと、各単電池における酸化剤極に酸化剤ガス
を供給する酸化剤ガスマニホールドとを備えた燃料電池
を診断対象とし、 前記燃料極に一定の濃度の水素を含む水素含有ガスを供
給すると共に、前記酸化剤極に一定の濃度の酸素を含む
酸素含有ガスを供給し、 前記酸素含有ガスの供給量の経時的変化と、これに伴っ
て前記スタックにおいて発生する電圧の経時的変化との
対応関係を記録し、 前記酸素含有ガスの供給量の変化に伴う前記スタックの
発生電圧の変化が急激な場合に、前記スタックにおいて
水素の漏洩が発生していることを検知し、 前記酸素含有ガスの供給量と前記スタックにおいて発生
する電圧との経時的変化の対応関係から、前記スタック
における水素漏洩量を算出し、 当該水素漏洩量が、前記スタックの正常時における水素
漏洩量以上である場合に、クロスリークの発生を特定す
ることを特徴とする燃料電池スタックの診断方法。1. A unit cell formed by sandwiching an electrolyte layer between a fuel electrode and an oxidizer electrode, and a stack in which a plurality of the unit cells are stacked so as to be electrically connected to each other in series. A fuel cell provided with a fuel gas manifold for supplying a fuel gas to a fuel electrode in a unit cell and an oxidant gas manifold for supplying an oxidant gas to an oxidant electrode in each unit cell is set as a diagnostic target, and is fixed to the fuel electrode. While supplying a hydrogen-containing gas containing hydrogen at a concentration of, the oxygen-containing gas containing a constant concentration of oxygen is supplied to the oxidizer electrode, with the change over time of the supply amount of the oxygen-containing gas, with this The correspondence relationship with the change over time of the voltage generated in the stack is recorded, and when the change in the generated voltage of the stack due to the change in the supply amount of the oxygen-containing gas is rapid, leakage of hydrogen in the stack is recorded. Is detected, the hydrogen leakage amount in the stack is calculated from the correspondence relationship of the change over time of the supply amount of the oxygen-containing gas and the voltage generated in the stack, and the hydrogen leakage amount is A method for diagnosing a fuel cell stack, wherein the occurrence of a cross leak is specified when the hydrogen leakage amount is equal to or more than the normal amount of hydrogen in the stack.
んで形成された単電池と、前記単電池が互いに電気的に
直列に接続されるように複数積層されたスタックと、各
単電池における燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガスマ
ニホールドと、各単電池における酸化剤極に酸化剤ガス
を供給する酸化剤ガスマニホールドとを備えた燃料電池
を診断対象とし、 前記燃料極に一定の濃度の水素を含む水素含有ガスを供
給すると共に、前記酸化剤極に一定の濃度の酸素を含む
酸素含有ガスを供給し、 複数の単電池ごとに又は個々の単電池ごとに供給される
前記酸素含有ガスの量を算出し、 複数の前記単電池ごとに又は個々の単電池ごとに供給さ
れる前記酸素含有ガスの量の経時的変化と、これに伴っ
て複数の単電池ごとに又は個々の単電池ごとに発生する
電圧の経時的変化との対応関係を記録し、 前記酸素含有ガスの供給量の変化に伴う複数の単電池ご
との又は個々の単電池ごとの発生電圧の変化が急激な場
合に、複数の単電池ごとに又は個々の単電池ごとに水素
の漏洩が発生していることを検知し、 複数の単電池ごとに又は個々の単電池ごとに供給される
前記酸素含有ガスの量の経時的変化と、これに伴う複数
の単電池ごとの又は個々の単電池ごとの前記スタックに
おいて発生する電圧との経時的変化との対応関係から、
複数の単電池ごとの又は個々の単電池ごとの水素漏洩量
を算出し、 当該水素漏洩量が、複数の単電池ごとの又は個々の単電
池ごとの正常時における水素漏洩量以上である場合に、
クロスリークの発生を特定することを特徴とする燃料電
池スタックの診断方法。2. A unit cell formed by sandwiching an electrolyte layer between a fuel electrode and an oxidizer electrode, and a stack in which a plurality of the unit cells are stacked so as to be electrically connected to each other in series. A fuel cell provided with a fuel gas manifold for supplying a fuel gas to a fuel electrode in a unit cell and an oxidant gas manifold for supplying an oxidant gas to an oxidant electrode in each unit cell is set as a diagnostic target, and is fixed to the fuel electrode. A hydrogen-containing gas containing hydrogen at a concentration of, and an oxygen-containing gas containing a constant concentration of oxygen are supplied to the oxidizer electrode, and the oxygen-containing gas is supplied for each of a plurality of cells or for each individual cell. The amount of the oxygen-containing gas is calculated, and the time-dependent change in the amount of the oxygen-containing gas supplied for each of the plurality of cells or for each individual cell, and accordingly, for each of the plurality of cells or individually. Occurs for each single battery Recording the correspondence relationship with the change over time of the voltage, the change in the generated voltage for each of the plurality of cells or each individual cell due to the change in the supply amount of the oxygen-containing gas, a plurality of, Detecting the occurrence of hydrogen leakage for each cell or for each cell, and changing the amount of the oxygen-containing gas supplied for each cell or for each cell over time. From the corresponding relationship with the change over time with the voltage generated in the stack for each of the plurality of unit cells or each unit cell accompanying this,
If the hydrogen leakage amount for each of the multiple cells or for each individual cell is calculated and the hydrogen leakage amount is greater than or equal to the normal amount of hydrogen leakage for each of the multiple cells or each of the individual cells. ,
A method for diagnosing a fuel cell stack, which comprises identifying the occurrence of a cross leak.
続され、 前記スタックから負荷電流に流れる電流を遮断した後
に、前記燃料極に水素を含む水素含有ガスを供給すると
共に、前記酸化剤極に酸素を含む酸素含有ガスを供給す
ることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の燃料電
池スタックの診断方法。3. The fuel cell is connected to a circuit for flowing a load current, and after shutting off the current flowing from the stack to the load current, a hydrogen-containing gas containing hydrogen is supplied to the fuel electrode and the oxidant electrode is also supplied. The method for diagnosing a fuel cell stack according to claim 1, wherein an oxygen-containing gas containing oxygen is supplied to the fuel cell stack.
する前記水素含有ガスの水素との反応に必要な量であ
り、且つ前記酸素含有ガスの０．１％以下であることを
特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電
池スタックの診断方法。4. The oxygen content of the oxygen-containing gas is an amount required for the reaction of the leaking hydrogen-containing gas with hydrogen, and is 0.1% or less of the oxygen-containing gas. The method for diagnosing a fuel cell stack according to any one of claims 1 to 3.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7177075A JPH0927336A (en) | 1995-07-13 | 1995-07-13 | Fuel cell stack diagnostic method |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7177075A JPH0927336A (en) | 1995-07-13 | 1995-07-13 | Fuel cell stack diagnostic method |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0927336A true JPH0927336A (en) | 1997-01-28 |
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ID=16024695
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
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