JP2007317634A

JP2007317634A - Fuel cell system

Info

Publication number: JP2007317634A
Application number: JP2006325961A
Authority: JP
Inventors: Toshiaki Kusakari; 俊明草刈; Manabu Kato; 加藤　　学; Keigo Suematsu; 啓吾末松; Akira Morita; 亮森田; Yuichi Origasa; 祐一折笠
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-04-28
Filing date: 2006-12-01
Publication date: 2007-12-06

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system capable of suppressing degradation of a fuel cell at the time of lack of hydrogen for the fuel cell. <P>SOLUTION: The fuel cell system is provided with an anode 44 and a cathode 46 pinching an electrolyte membrane 42. Fuel battery cells 40 generate power by supplying anode gas containing hydrogen to the anode and also supplying cathode gas containing oxygen to the cathode. A fuel battery is provided by laminating a plurality of the fuel battery cells. In the anode, a hydrogen shortage detection means is provided for detecting whether the hydrogen shortage occurs or not. An anode water increasing means for increasing an amount of anode water, when the hydrogen shortage is detected by the hydrogen shortage detection means, is provided. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

この発明は、燃料電池システムに関し、特に、燃料電池の劣化を抑制することのできる
燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly to a fuel cell system capable of suppressing deterioration of a fuel cell.

燃料電池は、電解質膜を挟んでアノードとカソードが配置された構造を有している。ア
ノードに水素を含むアノードガスが供給され、カソードに空気などの酸素を含むカソードガスが供給されることで、発電反応が起きる。 The fuel cell has a structure in which an anode and a cathode are arranged with an electrolyte membrane interposed therebetween. An anode gas containing hydrogen is supplied to the anode, and a cathode gas containing oxygen such as air is supplied to the cathode, thereby generating a power generation reaction.

このような燃料電池においては、燃料電池システムの発電要求に応じて必要な量のアノードガスおよびカソードガスが供給される。しかしながら、例えば、燃料電池に接続される負荷の急激な上昇の場合に、ガス供給量を負荷上昇に追従させて増加させようとしても、ガス流通の遅れにより増加できない場合がある。このとき、燃料電池は一時的に水素不足となる場合がある。水素不足となった燃料電池では、十分な発電反応が行われず、良好な電池性能が得られない場合がある。 In such a fuel cell, necessary amounts of anode gas and cathode gas are supplied in accordance with the power generation requirements of the fuel cell system. However, for example, in the case where the load connected to the fuel cell is rapidly increased, there is a case where the gas supply amount cannot be increased due to the delay of gas circulation even if the gas supply amount is increased following the load increase. At this time, the fuel cell may temporarily be short of hydrogen. In a fuel cell in which hydrogen is insufficient, a sufficient power generation reaction may not be performed, and good cell performance may not be obtained.

従来、例えば特開２００５−９３１１１号公報に開示されるように、燃料電池の水素不足状態の発生を検出し、燃料電池の水素不足を解消する燃料電池システムが開示されている。上記従来の公報によれば、水素不足を検出した場合に、加湿量の減量を行い、燃料電池での水素の利用される割合を低下させて、水素不足を解消している。 Conventionally, as disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-93111, a fuel cell system that detects the occurrence of a hydrogen shortage state of a fuel cell and solves the hydrogen shortage of the fuel cell has been disclosed. According to the above-mentioned conventional publication, when the shortage of hydrogen is detected, the humidification amount is reduced to reduce the proportion of hydrogen used in the fuel cell, thereby eliminating the shortage of hydrogen.

特開２００５−９３１１１号公報JP 2005-93111 A

ところで、燃料電池に水素不足が生じると、アノードの触媒付近で水の電気分解反応が行われる。このとき、例えばアノード触媒付近の水が不足する場合に、水の分解反応がおこりにくく、電極と水による化学反応が行われやすい。電極と水による化学反応がおこると、電極が腐食する。このため、上記従来の公報では、燃料電池の水素不足の際に加湿量を減量する処理を行うと、アノード触媒付近の水が不足しやすくなり、電極が腐食し、燃料電池が劣化してしまうおそれがあった。 By the way, when hydrogen shortage occurs in the fuel cell, an electrolysis reaction of water is performed in the vicinity of the catalyst of the anode. At this time, for example, when water near the anode catalyst is insufficient, the decomposition reaction of water hardly occurs, and the chemical reaction between the electrode and water is likely to occur. When a chemical reaction occurs between the electrode and water, the electrode corrodes. For this reason, in the above-mentioned conventional publication, if the humidification amount is reduced when the fuel cell is short of hydrogen, the water near the anode catalyst tends to be insufficient, the electrode is corroded, and the fuel cell is deteriorated. There was a fear.

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、燃料電池の水素不足時に、燃料電池の劣化を抑制することのできる燃料電池システムを提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of suppressing deterioration of the fuel cell when the fuel cell is short of hydrogen.

第１の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池システムであって、電解質膜を挟む形でアノードとカソードを備え、アノードに水素を含むアノードガスを供給すると共に、カソードに酸素を含むカソードガスを供給することにより発電を行う燃料電池セルを複数積層した燃料電池と、アノードにおいて水素不足が発生しているか否かを検知する水素不足検知手段と、前記水素不足検知手段により水素不足が検知されたときに、アノードの水を増量させるアノード水増量手段と、を備えることを特徴とする。 In order to achieve the above object, a first invention is a fuel cell system comprising an anode and a cathode sandwiching an electrolyte membrane, supplying an anode gas containing hydrogen to the anode and oxygen in the cathode A fuel cell in which a plurality of fuel cells that generate power by supplying cathode gas are stacked, a hydrogen shortage detecting means for detecting whether or not hydrogen is short at the anode, and a shortage of hydrogen by the hydrogen shortage detecting means. And an anode water increasing means for increasing the amount of anode water when detected.

第２の発明は、第１の発明記載の燃料電池システムであって、前記アノード水増量手段は、カソードから前記燃料電池の電解質膜を通過してアノードへ流入する逆拡散水を増量する逆拡散水増量手段を含むことを特徴とする。 A second invention is the fuel cell system according to the first invention, wherein the anode water increasing means increases the amount of reverse diffusion water flowing from the cathode through the electrolyte membrane of the fuel cell and flowing into the anode. It includes water increasing means.

第３の発明は、第２の発明記載の燃料電池システムであって、前記逆拡散水増量手段は、カソードガスを加湿する第１加湿手段を含み、前記第１加湿手段によりカソードガスの加湿量を増量することを特徴とする。 A third invention is the fuel cell system according to the second invention, wherein the reverse diffusion water increasing means includes a first humidifying means for humidifying the cathode gas, and the humidifying amount of the cathode gas by the first humidifying means. It is characterized by increasing the amount.

第４の発明は、第２もしくは第３の発明記載の燃料電池システムであって、前記逆拡散水増量手段は、カソードガスの圧力を上げることを特徴とする。 A fourth invention is the fuel cell system according to the second or third invention, wherein the reverse diffusion water increasing means increases the pressure of the cathode gas.

第５の発明は、第２から第４の発明のうちいずれか１つの発明記載の燃料電池システムであって、前記逆拡散水増量手段は、前記燃料電池を冷却する冷却手段を含み、前記冷却手段により燃料電池を冷却させることを特徴とする。 A fifth invention is the fuel cell system according to any one of the second to fourth inventions, wherein the reverse diffusion water increasing means includes a cooling means for cooling the fuel cell, and the cooling The fuel cell is cooled by the means.

第６の発明は、第１から第５の発明のうちいずれか１つの発明記載の燃料電池システムであって、前記アノード水増量手段は、アノードガスを加湿する第２加湿手段を含み、前記水素不足検知手段により水素不足が検知されたときに、前記第２加湿手段によりアノードガスを加湿し、アノードの水分を増量させることを特徴とする。 A sixth invention is the fuel cell system according to any one of the first to fifth inventions, wherein the anode water increasing means includes second humidifying means for humidifying anode gas, and the hydrogen When a shortage of hydrogen is detected by the shortage detection means, the anode gas is humidified by the second humidification means to increase the water content of the anode.

第７の発明は、第１から第６の発明のうちいずれか１つの発明記載の燃料電池システムであって、前記燃料電池は、アノードとカソードを挟む形で、多孔体より構成されてガス流路と冷却水路を有するセパレータを備え、前記セパレータを挟む形で冷却水通路を冷却水が流れる燃料電池セルを複数積層したものであって、前記アノード水増量手段は、前記燃料電池の冷却水の圧力を増加させる冷却水圧増加手段を含み、前記水素不足検知手段により水素不足が検知されると、前記冷却水圧増加手段により冷却水の圧力を増加させてアノードの水分を増量させることを特徴とする。 A seventh invention is the fuel cell system according to any one of the first to sixth inventions, wherein the fuel cell is composed of a porous body with an anode and a cathode sandwiched therebetween, and has a gas flow. A separator having a passage and a cooling water passage, and a plurality of fuel battery cells in which the cooling water flows through the cooling water passage in a form sandwiching the separator, wherein the anode water increasing means includes the cooling water for the fuel cell. A cooling water pressure increasing means for increasing the pressure, and when hydrogen shortage is detected by the hydrogen shortage detecting means, the cooling water pressure is increased by the cooling water pressure increasing means to increase the water content of the anode. .

第８の発明は、第１から第７の発明のうちいずれか１つの発明記載の燃料電池システムであって、前記燃料電池は、アノードに多孔体から構成される水導入層を備え、前記アノード水分増量手段は、水導入層に水を導入する水導入手段を含み、前記水素検知手段により水素不足が検知されたときに、前記水導入手段により水を導入してアノードの水分を増量させることを特徴とする。 An eighth invention is the fuel cell system according to any one of the first to seventh inventions, wherein the fuel cell includes a water introduction layer composed of a porous body at the anode, and the anode The moisture increasing means includes a water introducing means for introducing water into the water introducing layer, and when the hydrogen detecting means detects hydrogen shortage, the water introducing means introduces water to increase the moisture of the anode. It is characterized by.

第１の発明によれば、燃料電池において、水素不足が発生している場合にアノード付近の水分を増量する。このため、本発明によれば、アノード触媒での水の電気分解反応を継続させ、電極が腐食される反応を抑制し、燃料電池の劣化を抑制することができ
る。 According to the first invention, in the fuel cell, when hydrogen shortage occurs, the amount of water near the anode is increased. For this reason, according to the present invention, the electrolysis reaction of water at the anode catalyst can be continued, the reaction of corroding the electrode can be suppressed, and the deterioration of the fuel cell can be suppressed.

第２の発明によれば、カソードからアノードに向かい燃料電池セル内を移動する水分（
以下、「逆拡散水」と称す）を増量する。このため、本発明によれば、カソードから逆拡散水を流入させることによりアノードの水分を増量することができる。 According to the second aspect of the invention, moisture (in the fuel cell moving from the cathode toward the anode)
(Hereinafter referred to as “back diffusion water”). For this reason, according to this invention, the water | moisture content of an anode can be increased by flowing back diffused water from a cathode.

第３の発明によれば、カソードガスの加湿量を増量することにより、カソードから燃料
電池内部に流入する水分を増量する。このため、本発明によれば、アノードに流入する逆
拡散水を増量することができる。 According to the third aspect of the invention, the amount of moisture flowing from the cathode into the fuel cell is increased by increasing the humidification amount of the cathode gas. For this reason, according to the present invention, the amount of reverse diffusion water flowing into the anode can be increased.

第４の発明によれば、カソードガスの圧力を増量することにより、カソードガスの加湿
量が増量され、カソードから燃料電池内部に流入する水分を増量することができる。また、カソードとアノードの圧力差が大きくなるため、カソードからアノードに流入する逆拡
散水を増量することができる。 According to the fourth aspect of the invention, the amount of humidification of the cathode gas is increased by increasing the pressure of the cathode gas, and the amount of moisture flowing from the cathode into the fuel cell can be increased. In addition, since the pressure difference between the cathode and the anode becomes large, the amount of reverse diffusion water flowing from the cathode to the anode can be increased.

第５の発明によれば、燃料電池の冷却量を増量することにより、カソードガスの飽和水
蒸気量を燃料電池内部において低下させ、カソードから排出されるカソードオフガスの持
ち去り水分を減少させることができる。このため、本発明によれば、アノードに流入する
逆拡散水を増量することができる。 According to the fifth invention, by increasing the cooling amount of the fuel cell, the saturated water vapor amount of the cathode gas can be reduced inside the fuel cell, and the moisture taken away from the cathode off-gas discharged from the cathode can be reduced. . For this reason, according to the present invention, the amount of reverse diffusion water flowing into the anode can be increased.

第６の発明によれば、燃料電池の水素不足を検知すると、アノードガスの加湿を増量する。アノードガスの加湿量を増量させることより、アノードの水分量を増加させることができる。 According to the sixth aspect of the invention, when the shortage of hydrogen in the fuel cell is detected, the humidification of the anode gas is increased. By increasing the humidification amount of the anode gas, the moisture content of the anode can be increased.

第７の発明によれば、燃料電池の水素不足を検知すると、冷却水の圧力を増加させる。冷却水の圧力を増加させると、冷却水がセパレータを通過してアノードに移行する。よって、本発明によれば、アノードの水分量を増加させることができる。 According to the seventh invention, when the shortage of hydrogen in the fuel cell is detected, the pressure of the cooling water is increased. When the pressure of the cooling water is increased, the cooling water passes through the separator and moves to the anode. Therefore, according to the present invention, the moisture content of the anode can be increased.

第８の発明によれば、燃料電池の水素不足を検知すると、水導入層に水が導入される。水導入層の水は、多孔を通過し、すみやかにアノードの触媒付近に移動する。したがって、本発明によれば、アノードの水量を増加することができる。 According to the eighth aspect of the invention, when hydrogen shortage in the fuel cell is detected, water is introduced into the water introduction layer. The water in the water introduction layer passes through the pores and immediately moves to the vicinity of the anode catalyst. Therefore, according to the present invention, the amount of water in the anode can be increased.

以下、図面に基づいてこの発明の実施の形態について説明する。尚、各図において共通
する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。なお、以下の実施の形態に
よりこの発明が限定されるものではない。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the element which is common in each figure, and the overlapping description is abbreviate | omitted. The present invention is not limited to the following embodiments.

実施の形態１．
［実施の形態１の構成］
図１は、実施の形態１の燃料電池システムの構成を説明するための図である。図１に示すとおり、燃料電池システムは、燃料電池スタック１０を備えている。燃料電池スタック１０は複数枚の燃料電池セルを積層して構成されている。各燃料電池セルは、図示しないプロトン伝導性を有する電解質膜の両側をアノードおよびカソードで挟まれ、更にその両側を導電性のセパレータによって挟まれて構成されている。燃料電池スタック１０は、電圧計３８を備える。電圧計３８は各燃料電池セルの電圧を測定する。電圧計３８はＥＣＵ（エレクトロニックコントロールユニット）４１と接続され、各燃料電池セルの電圧をＥＣＵ４１に送信する。 Embodiment 1 FIG.
[Configuration of Embodiment 1]
FIG. 1 is a diagram for explaining the configuration of the fuel cell system according to the first embodiment. As shown in FIG. 1, the fuel cell system includes a fuel cell stack 10. The fuel cell stack 10 is configured by stacking a plurality of fuel cells. Each fuel cell is configured such that both sides of an electrolyte membrane (not shown) having proton conductivity are sandwiched between an anode and a cathode, and further, both sides are sandwiched between conductive separators. The fuel cell stack 10 includes a voltmeter 38. The voltmeter 38 measures the voltage of each fuel cell. The voltmeter 38 is connected to an ECU (Electronic Control Unit) 41 and transmits the voltage of each fuel cell to the ECU 41.

燃料電池スタック１０には、アノードガスを供給するためのアノードガス流路１２と、アノードオフガス流路１４が接続されている。アノードガス流路１２の上流端は、アノードガス供給源(高圧水素タンクや改質器等) １６に接続され、その下流には調圧弁１８が配置されている。アノードガスは調圧弁１８で減圧され、所望の圧力に減圧されてから燃料電池スタック１０に供給される。燃料電池スタック１０内を通ったアノードガスは、アノードオフガスとしてアノードオフガス流路１４に排気される。アノードオフガス流路１４の下流には、図示しない希釈器が接続されている。アノードオフガス中に残存している水素は、希釈器内で十分に低い濃度まで希釈された後、外部に放出される。 Connected to the fuel cell stack 10 are an anode gas passage 12 for supplying anode gas and an anode offgas passage 14. The upstream end of the anode gas flow path 12 is connected to an anode gas supply source (high pressure hydrogen tank, reformer, etc.) 16, and a pressure regulating valve 18 is disposed downstream thereof. The anode gas is depressurized by the pressure regulating valve 18, depressurized to a desired pressure, and then supplied to the fuel cell stack 10. The anode gas that has passed through the fuel cell stack 10 is exhausted to the anode off-gas passage 14 as the anode off-gas. A diluter (not shown) is connected downstream of the anode off gas flow path 14. Hydrogen remaining in the anode off-gas is discharged to the outside after being diluted to a sufficiently low concentration in the diluter.

また、燃料電池スタック１０には、カソードガスを供給するためのカソードガス流路２０と、カソードオフガスを排出するためのカソードオフガス流路２２が接続されている。カソードガス流路２０の入口には、外部から取り込まれた空気に含まれている粉塵等を除去するエアクリーナ２４が配置されている。また、その下流にはコンプレッサ２６が配置されている。コンプレッサ２６の作動によって吸入された空気は、カソードガス流路２０を介して燃料電池スタック１０に供給される。また、カソードオフガス流路２２には、調圧弁３０が配置されている。調圧弁３０は、ＥＣＵ４１と接続され、ＥＣＵ４１の信号に従い、燃料電池スタック１０内のカソードガスを所望の圧力に調圧することができる。燃料電池スタック１０内を通ったカソードガスは、カソードオフガスとしてカソードオフガス流路２２に排気される。 Further, the fuel cell stack 10 is connected with a cathode gas passage 20 for supplying cathode gas and a cathode offgas passage 22 for discharging cathode offgas. An air cleaner 24 that removes dust and the like contained in air taken from the outside is disposed at the inlet of the cathode gas passage 20. Further, a compressor 26 is disposed downstream thereof. Air sucked by the operation of the compressor 26 is supplied to the fuel cell stack 10 via the cathode gas flow path 20. Further, a pressure regulating valve 30 is disposed in the cathode off gas flow path 22. The pressure regulating valve 30 is connected to the ECU 41, and can regulate the cathode gas in the fuel cell stack 10 to a desired pressure in accordance with a signal from the ECU 41. The cathode gas that has passed through the fuel cell stack 10 is exhausted to the cathode offgas passage 22 as cathode offgas.

コンプレッサ２６の下流には、カソードガス流路２０に連通するように加湿器２８が配
置されている。加湿器２８は、カソードオフガス流路２２とも連通しており、燃料電池ス
タック１０内の電池反応で生じた生成水によって高湿潤状態となったカソードオフガスと
、外部より取り込んだ低湿潤状態のカソードガスとの間で水分交換が行われる。 A humidifier 28 is disposed downstream of the compressor 26 so as to communicate with the cathode gas flow path 20. The humidifier 28 also communicates with the cathode off-gas flow path 22, and the cathode off-gas that has become highly moistened by the water generated by the cell reaction in the fuel cell stack 10 and the cathode gas that has been taken in from the outside and has been moistened. Moisture exchange takes place between the two.

さらに、燃料電池スタック１０には、冷却器３４、およびポンプ３６が配置されている
冷却媒体循環流路３２が接続されている。冷却器３４はＥＣＵ４１と接続され、ＥＣＵ４１の信号に従い、冷却水の温度を調整する役割を持つ。燃料電池スタック１０内には、冷却媒体が通過するための図示しない流路が形成されており、ポンプ３６の作動によって、燃料電池スタック１０内と冷却器３４間で冷却媒体が循環される。燃料電池スタック１０内を通過して昇温した冷却媒体は、冷却器３４によって冷却され、再び冷却媒体循環流路３２に戻される。 Further, a cooling medium circulation channel 32 in which a cooler 34 and a pump 36 are arranged is connected to the fuel cell stack 10. The cooler 34 is connected to the ECU 41 and has a role of adjusting the temperature of the cooling water in accordance with a signal from the ECU 41. A flow path (not shown) through which the cooling medium passes is formed in the fuel cell stack 10, and the cooling medium is circulated between the fuel cell stack 10 and the cooler 34 by the operation of the pump 36. The coolant whose temperature has risen through the fuel cell stack 10 is cooled by the cooler 34 and returned to the coolant circulation path 32 again.

［燃料電池の水素欠に伴う腐食反応］
次に、図２（ａ）および（ｂ）を参照して、燃料電池の発電中における水素欠の発生時
の反応について説明する。図２の燃料電池セル４０は、電解質膜４２をアノード４４およびカソード４６で挟んだ構造を有している。尚、燃料電池セル４０は、燃料電池スタック１０に積層されている複数枚の燃料電池セルの中の一枚を示す。 [Corrosion reaction due to lack of hydrogen in fuel cell]
Next, with reference to FIGS. 2 (a) and 2 (b), the reaction at the time of occurrence of hydrogen deficiency during power generation of the fuel cell will be described. The fuel cell 40 of FIG. 2 has a structure in which an electrolyte membrane 42 is sandwiched between an anode 44 and a cathode 46. The fuel cell 40 is one of a plurality of fuel cells stacked on the fuel cell stack 10.

図２（ａ）に示すとおり、燃料電池スタック１０において発電が行われる場合、水素を
含むアノードガスが燃料電池セル４０のアノード４４に供給され、酸素を含む空気が燃料
電池セル４０のカソード４６に供給される。燃料電池セル４０に水素と酸素とが供給され
ると、アノード４４付近では次式（１）、およびカソード４６付近では次式（２）に示す
電気化学反応（発電反応）が起きる。
（アノード）：２Ｈ₂→４Ｈ⁺＋４ｅ^- ・・・（１）
（カソード）：Ｏ₂＋４Ｈ⁺＋４ｅ^-→２Ｈ₂Ｏ・・・（２） As shown in FIG. 2A, when power generation is performed in the fuel cell stack 10, anode gas containing hydrogen is supplied to the anode 44 of the fuel cell 40, and air containing oxygen is supplied to the cathode 46 of the fuel cell 40. Supplied. When hydrogen and oxygen are supplied to the fuel cell 40, an electrochemical reaction (power generation reaction) shown in the following formula (1) occurs near the anode 44 and in the vicinity of the cathode 46 (2).
(Anode): 2H ₂ → 4H ⁺ + 4e ⁻ (1)
(Cathode): O ₂ + 4H ⁺ + 4e ⁻ → 2H ₂ O (2)

燃料電池スタック１０へのアノードガス供給量は、要求される出力が上記の発電反応によって得られるように設定される。しかしながら、アノード４４へのアノードガス供給量を、急激な出力変化要求に応じて直ちに増減させることは、ガス供給の遅れにより困難である。また、アノードガス流路の凍結、或いは閉塞等によりアノードガスがアノード４４へ供給されない場合も想定される。このように、燃料電池スタック１０の発電中には、何れかの燃料電池セルにおいて、水素不足の状態（以下、「水素欠」と称す）が生じる場合がある。 The anode gas supply amount to the fuel cell stack 10 is set so that a required output can be obtained by the above power generation reaction. However, it is difficult to immediately increase or decrease the anode gas supply amount to the anode 44 in response to a rapid output change request due to a delay in gas supply. It is also assumed that the anode gas is not supplied to the anode 44 due to freezing or blockage of the anode gas flow path. As described above, during power generation of the fuel cell stack 10, a hydrogen deficient state (hereinafter referred to as “hydrogen deficiency”) may occur in any of the fuel cells.

図２（ｂ）は水素欠が発生した燃料電池セル（以下、「水素欠セル」と称す）５０にて
起こる反応を説明するための図である。図２（ｂ）に示すとおり、水素欠セル５０では、
アノード４４の水素が不足している。このような状態においては、仮に水素欠セル５０の
みであれば、上述した式（１）および（２）の発電反応が起こらない。しかしながら、上
述したとおり、燃料電池スタック１０は複数枚の燃料電池セルを積層されて構成されてい
る。このため、水素欠セル５０にも強制的に電流が流れることとなり、水素欠セル５０の
アノード４４では、触媒の作用によって次式（３）のように水の電気分解反応（水分解反応）が開始され、不足している水素が作り出される。また、カソード４６では、次式（４）のように、カソード４６の触媒の作用によってカソード４６に供給される空気に含まれる酸素（Ｏ２）、負荷を通った電子、および電解質膜４２内部を移動したプロトンが結合して、水分子（Ｈ₂Ｏ）が生成される。
（アノード）：２Ｈ₂Ｏ→Ｏ₂＋４Ｈ⁺＋４ｅ^- ・・・（３）
（カソード）：Ｏ₂＋４Ｈ⁺＋４ｅ^-→２Ｈ₂Ｏ・・・（４） FIG. 2B is a diagram for explaining a reaction that takes place in a fuel cell (hereinafter referred to as “hydrogen-deficient cell”) 50 in which hydrogen deficiency has occurred. As shown in FIG. 2B, in the hydrogen-deficient cell 50,
The anode 44 is deficient in hydrogen. In such a state, if only the hydrogen-deficient cell 50 is used, the power generation reaction of the above-described formulas (1) and (2) does not occur. However, as described above, the fuel cell stack 10 is configured by stacking a plurality of fuel cells. For this reason, a current flows forcibly through the hydrogen-deficient cell 50, and at the anode 44 of the hydrogen-deficient cell 50, an electrolysis reaction (water decomposition reaction) of water is performed as shown in the following equation (3) by the action of the catalyst. Started, the missing hydrogen is created. Further, in the cathode 46, oxygen (O2) contained in the air supplied to the cathode 46 by the action of the catalyst of the cathode 46, electrons passing through the load, and the inside of the electrolyte membrane 42 are moved as shown in the following formula (4). The protons bonded to each other generate water molecules (H ₂ O).
(Anode): 2H ₂ O → O ₂ + 4H ⁺ + 4e ⁻ (3)
(Cathode): O ₂ + 4H ⁺ + 4e ⁻ → 2H ₂ O (4)

ここで、上述した式（３）に示すアノード４４での水分解反応には、アノード４４の触媒付近の水が使用される。このため、アノード４４の水分が不足、或いは水分解反応により発生する酸素が触媒を覆うことにより触媒上の水が不足すると、上記水分解反応を継続することが困難となる。このような状態となると、水素欠セル５０のアノード４４付近では、次に、次式（５）に示すアノード４４中の炭素の反応（アノード腐食反応）が開始される。
Ｃ＋２Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋４Ｈ⁺＋４ｅ^- ・・・（５） Here, water in the vicinity of the catalyst of the anode 44 is used for the water splitting reaction at the anode 44 shown in the above-described formula (3). For this reason, if the water of the anode 44 is insufficient or the oxygen generated by the water splitting reaction covers the catalyst and the water on the catalyst is insufficient, it is difficult to continue the water splitting reaction. In such a state, in the vicinity of the anode 44 of the hydrogen-deficient cell 50, the reaction of the carbon in the anode 44 (anodic corrosion reaction) shown in the following formula (5) is started.
C + 2H ₂ O → CO ₂ + 4H ⁺ + 4e ⁻ (5)

以上、説明したとおり、水素欠セル５０のアノード４４の水が不足すると、上式（５）に示すアノード４４の不可逆な腐食反応が進行し、アノードの腐食が起こる。ここで、上述した水分解反応が行われている水素欠セル５０は、燃料電池スタック１０全体で見ると抵抗体となっており、他の燃料電池セル４０とは逆電位のマイナス電圧となっている。そこで、水素欠セルが存在するか否かを検知するために、燃料電池セルの電位をそれぞれ検知する。そして、逆電位が検知されたセルある場合、アノード４４の水を増量させる処理を行うこととする。これにより、上述した水分解反応を継続させ、アノード腐食反応を抑制することが可能となる。 As described above, when the water in the anode 44 of the hydrogen-deficient cell 50 is insufficient, the irreversible corrosion reaction of the anode 44 shown in the above formula (5) proceeds, and the anode is corroded. Here, the hydrogen-deficient cell 50 in which the water splitting reaction described above is performed is a resistor when viewed as a whole of the fuel cell stack 10, and has a negative voltage with a potential opposite to that of the other fuel cells 40. Yes. Therefore, in order to detect whether or not a hydrogen deficient cell exists, the potential of each fuel cell is detected. When there is a cell in which the reverse potential is detected, a process for increasing the amount of water in the anode 44 is performed. As a result, the water splitting reaction described above can be continued and the anode corrosion reaction can be suppressed.

［本実施の形態１における特徴的動作］
本実施の形態では、燃料電池スタック１０のカソード４６からの逆拡散水を利用する。カソード４６の水は燃料電池セルの電解質膜４２を移行してアノード４４へ移行することができる。このため、カソードガスの加湿量を増量することとすれば、カソード４６からアノード４４へ水を移動させることによって、効果的にアノードの水を増量することができる。 [Characteristic Operation in First Embodiment]
In the present embodiment, reverse diffusion water from the cathode 46 of the fuel cell stack 10 is used. The water of the cathode 46 can move to the anode 44 through the electrolyte membrane 42 of the fuel cell. Therefore, if the amount of humidification of the cathode gas is increased, the amount of water in the anode can be effectively increased by moving water from the cathode 46 to the anode 44.

図３は、カソードガスの加湿温度を変化させた場合の燃料電池セルの電圧の変化を示す図である。図３によれば、カソードガスの加湿温度が高い場合（加湿温度７０℃の場合）、加湿温度が低い場合（加湿温度５５℃の場合）に比して、安定した発電が行われていることが分かる。つまり、カソードガスの加湿過程において、加湿温度が高いほどカソードガスの加湿量は増量される。このため、カソード４６からアノード４４への逆拡散水を増量することができ、燃料電池セルのアノード腐食反応を抑制することが可能となる。 FIG. 3 is a diagram showing a change in the voltage of the fuel cell when the humidification temperature of the cathode gas is changed. According to FIG. 3, stable power generation is performed when the humidification temperature of the cathode gas is high (when the humidification temperature is 70 ° C.) and when the humidification temperature is low (when the humidification temperature is 55 ° C.). I understand. That is, in the humidification process of the cathode gas, the humidification amount of the cathode gas is increased as the humidification temperature is higher. For this reason, the amount of back diffusion water from the cathode 46 to the anode 44 can be increased, and the anode corrosion reaction of the fuel cell can be suppressed.

ところで、上述した燃料電池スタック１０においては、燃料電池セルの一部に水素欠が発生した場合、かかる燃料電池セルのカソード４６付近において腐食反応が生じる場合がある。図４は、アノード４４の一部に水素欠が生じた燃料電池セル６０（以下、「一部水素欠セル」と称す）の状態を示す図である。このような状態は、例えば、水素欠セルに再び水素が流入し始めた時、或いは水素欠セルが存在する状態のまま負荷が切られて発電が停止した時等に発生する場合が考えられる。図４に示すとおり、一部水素欠セル６０のアノード４４には、一部に水素欠が生じているため、水素が存在する範囲と存在しない範囲がある。水素が存在する範囲においては、アノード４４付近では上式（１）、およびカソード４６付近では上式（２）に示す電気化学反応（発電反応）が起きる。 In the fuel cell stack 10 described above, when hydrogen deficiency occurs in a part of the fuel cell, a corrosion reaction may occur in the vicinity of the cathode 46 of the fuel cell. FIG. 4 is a view showing a state of a fuel cell 60 (hereinafter referred to as “partially hydrogen-deficient cell”) in which hydrogen deficiency occurs in a part of the anode 44. Such a state may occur, for example, when hydrogen begins to flow again into the hydrogen-deficient cell, or when power generation is stopped due to a load being cut while the hydrogen-deficient cell exists. As shown in FIG. 4, the anode 44 of the partially hydrogen-deficient cell 60 has a range where hydrogen is present and a range where hydrogen is not present because hydrogen is partially depleted. In the range where hydrogen exists, the electrochemical reaction (power generation reaction) shown in the above formula (1) occurs near the anode 44 and the above formula (2) occurs near the cathode 46.

一方、水素が存在しない範囲においては、次式（６）に示すとおり、アノード４４に滞留する酸素と、電解質膜４２を移動して供給されるプロトンとが反応して水を発生させる反応が起きると共に、カソード４６では、次式（７）に示す水の分解反応に加えて、次式（８）に示すカソード４６に含まれる炭素の腐食反応、および（９）に示す触媒の溶出反応が同時に起きる場合がある。
（アノード）：２Ｈ⁺＋１／２Ｏ₂＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ・・・（６）
（カソード）：Ｈ₂Ｏ→２Ｈ⁺＋１／２Ｏ₂＋２ｅ^- ・・・（７）
：Ｃ＋２Ｈ₂Ｏ→４Ｈ⁺＋ＣＯ₂＋４ｅ^- ・・・（８）
：Ｐｔ→Ｐｔ²⁺＋２ｅ^- ・・・（９） On the other hand, in the range where hydrogen does not exist, as shown in the following formula (6), oxygen staying at the anode 44 reacts with protons that move through the electrolyte membrane 42 to generate water to generate water. At the same time, in the cathode 46, in addition to the water decomposition reaction represented by the following formula (7), the corrosion reaction of carbon contained in the cathode 46 represented by the following formula (8) and the catalyst elution reaction represented by (9) are simultaneously performed. It may happen.
(Anode): 2H ⁺ + 1 / 2O ₂ + 2e ⁻ → H ₂ O (6)
(Cathode): H ₂ O → 2H ⁺ + 1 / 2O ₂ + 2e ⁻ (7)
: C + 2H ₂ O → 4H ⁺ + CO ₂ + 4e ⁻ (8)
: Pt → Pt ²⁺ + 2e ⁻ (9)

以上説明したとおり、燃料電池セルのアノードの一部に水素欠が発生した場合、カソー
ド４６の水分が不足するとカソード４６付近において腐食反応が起きる。このため、上述
したアノードの腐食反応を抑制するためのカソードガスの加湿量を増量する処理は、カソ
ード４６の腐食反応を抑制する面においても効果的である。 As described above, when hydrogen deficiency occurs in a part of the anode of the fuel cell, if the water content of the cathode 46 is insufficient, a corrosion reaction occurs near the cathode 46. For this reason, the treatment for increasing the humidification amount of the cathode gas for suppressing the corrosion reaction of the anode described above is also effective in suppressing the corrosion reaction of the cathode 46.

［実施の形態１における具体的処理］
図５は、この発明の実施の形態１において、システムが燃料電池セルのアノード腐食反
応を抑制するために実行するルーチンを示すフローチャートである。図５のルーチンは、
燃料電池スタック１０の発電中に繰り返し実行されるルーチンである。図５に示すルーチ
ンでは、先ず、燃料電池セルの電圧が検出される（ステップ１００）。ここでは、具体的
には、燃料電池スタック１０の備える燃料電池セルの電圧が、セル毎にそれぞれ検出され
る。 [Specific Processing in Embodiment 1]
FIG. 5 is a flowchart showing a routine executed by the system in order to suppress the anode corrosion reaction of the fuel battery cell in the first embodiment of the present invention. The routine of FIG.
This routine is repeatedly executed during power generation of the fuel cell stack 10. In the routine shown in FIG. 5, first, the voltage of the fuel cell is detected (step 100). Here, specifically, the voltage of the fuel cell provided in the fuel cell stack 10 is detected for each cell.

次に、燃料電池セル電圧が負となるセルが存在するか否かが判断される（ステップ１０
２）。前述のとおり、燃料電池セルの電圧が負の値となれば、かかるセルに水素欠が発生
していると判定することができる。ここでは、具体的には、上記ステップ１００において
検出された各燃料電池セルの電圧が負となるセルが存在するか否かが判断される。上記ス
テップ１０２においてセル電圧が負となるセルが存在しないと判断された場合には、水素
欠が発生しているセルがないと判断し、本ルーチンは速やかに終了する。 Next, it is determined whether or not there is a cell having a negative fuel cell voltage (step 10).
2). As described above, if the voltage of the fuel cell becomes a negative value, it can be determined that a shortage of hydrogen has occurred in the cell. Here, specifically, it is determined whether or not there is a cell in which the voltage of each fuel cell detected in step 100 is negative. If it is determined in step 102 that there is no cell having a negative cell voltage, it is determined that there is no cell in which hydrogen shortage has occurred, and this routine is immediately terminated.

一方、上記ステップ１０２においてセル電圧が負となるセルが存在すると判断された場合には、次に、カソードガスの加湿を増量する処理が実行される（ステップ１０４）。本ステップ１０４では、カソードガスの加湿を、ステップ１０２でセル電圧が負となるセルが存在すると判断した時点より、増量する。前述のとおり、カソードガスの加湿を増量すると、カソード４６からアノード４４への逆拡散水を増量することができ、効果的にアノード４４の水を増量することができる。ここでは、具体的には、加湿器２８での加湿温度を上昇させる。これにより、加湿器２８を通過するカソードガスの飽和水蒸気量を上昇させ、カソードガスの加湿量を増量することができる。 On the other hand, when it is determined in step 102 that there is a cell having a negative cell voltage, a process for increasing the humidification of the cathode gas is performed (step 104). In this step 104, the humidification of the cathode gas is increased from the time when it is determined in step 102 that there is a cell having a negative cell voltage. As described above, when the humidification of the cathode gas is increased, the amount of reverse diffusion water from the cathode 46 to the anode 44 can be increased, and the amount of water in the anode 44 can be increased effectively. Here, specifically, the humidification temperature in the humidifier 28 is increased. As a result, the amount of saturated water vapor of the cathode gas passing through the humidifier 28 can be increased, and the amount of humidification of the cathode gas can be increased.

以上説明したとおり、実施の形態１のシステムは、燃料電池スタック１０内に水素欠セルが存在すると判定された場合に、カソードガスの加湿量を増量する処理を行う。カソードガスの加湿量が増量されると、カソード４６からアノード４４への逆拡散水が増量される。このため、アノード４４での水分解反応を継続させ、アノード腐食反応を抑制し、燃料電池スタックの劣化を効果的に抑制することが可能となる。 As described above, the system of the first embodiment performs the process of increasing the humidification amount of the cathode gas when it is determined that there are hydrogen-deficient cells in the fuel cell stack 10. When the humidification amount of the cathode gas is increased, the amount of reverse diffusion water from the cathode 46 to the anode 44 is increased. For this reason, the water splitting reaction at the anode 44 can be continued, the anode corrosion reaction can be suppressed, and the deterioration of the fuel cell stack can be effectively suppressed.

なお、実施の形態１では、ステップ１０４において、カソードガスの加湿は、ステップ１０２でセル電圧が負となるセルが存在すると判断した時点より増量するが、これに限られるものではない。例えば、水素不足でないときの加湿量の範囲の上限よりも、水素不足のときの加湿量が多くなるように、加湿を増量してもよい。例えば、水素不足でないときの加湿量の平均より、水素不足のときの加湿量が多くなるように、加湿を増量してもよい。例えば、加湿器の加湿能力が最大となるように、加湿を増量してもよい。 In the first embodiment, the humidification of the cathode gas is increased in step 104 from the time when it is determined in step 102 that there is a cell having a negative cell voltage. However, the present invention is not limited to this. For example, the humidification amount may be increased so that the humidification amount when hydrogen is insufficient is larger than the upper limit of the humidification range when there is no hydrogen shortage. For example, the humidification amount may be increased so that the humidification amount when hydrogen is insufficient is greater than the average humidification amount when hydrogen is not insufficient. For example, humidification may be increased so that the humidifying capacity of the humidifier is maximized.

なお、上述した実施の形態においては、加湿器２８の加湿温度を上げることにより、カソードガスの加湿量を効果的に増量させることとしているが、カソードガスの加湿手法はこれに限定されない。すなわち、カソードガスの加湿量を増量することができるのであれば、インジェクタ等を用いてカソードガスに直接水を噴射する加湿方法でもよいし、コンプレッサ２６の出口のカソードガス温度を昇温させ、加湿量を増量する方法でもよい。また、カソードオフガスを燃料電池のカソードガス入口に再度循環させるカソードガス循環型のシステムにおいては、高湿潤のカソードオフガスの循環量を増量し、加湿量を増量することとしてもよい。 In the above-described embodiment, the humidification amount of the cathode gas is effectively increased by increasing the humidification temperature of the humidifier 28. However, the humidification method of the cathode gas is not limited to this. That is, as long as the amount of humidification of the cathode gas can be increased, a humidification method in which water is directly injected into the cathode gas using an injector or the like may be used. A method of increasing the amount may be used. In a cathode gas circulation type system in which the cathode off gas is circulated again to the cathode gas inlet of the fuel cell, the amount of humidified cathode off gas may be increased to increase the amount of humidification.

尚、上述した実施の形態においては、システムが、上記ステップ１０２の処理を実行することにより、前記第１の発明における「水素不足検知手段」が、上記ステップ１０４の処理を実行することにより、前記第１の発明における「アノード水分増量手段」が、それぞれ実現されている。 In the above-described embodiment, when the system executes the process of step 102, the “hydrogen shortage detecting means” in the first aspect of the invention executes the process of step 104. The “anode moisture increasing means” in the first invention is realized.

また、上述した実施の形態においては、システムが、上記ステップ１０４の処理を実行することにより、前記第２の発明における「逆拡散水増量手段」が、実現されている。 Further, in the above-described embodiment, the “back diffusion water increasing means” in the second aspect of the present invention is realized by the system executing the process of step 104.

また、上述した実施の形態においては、システムが、上記ステップ１０４の処理を実行することにより、前記第３の発明における「加湿手段」が、実現されている。 In the above-described embodiment, the “humidifying means” in the third aspect of the present invention is realized by the system executing the process of step 104.

実施の形態２．
［実施の形態２の特徴］
実施の形態２のシステムは、図１に示すハードウェア構成を用いて、システムに、後述する図６に示すルーチンを実行させることにより実現することができる。 Embodiment 2. FIG.
[Features of Embodiment 2]
The system of the second embodiment can be realized by causing the system to execute a routine shown in FIG. 6 to be described later using the hardware configuration shown in FIG.

［実施の形態２における具体的処理］
図６は、この発明の実施の形態２において、システムが燃料電池セルのアノード腐食反応を抑制するために実行するルーチンを示すフローチャートである。図６のルーチンは、燃料電池スタック１０の発電中に繰り返し実行されるルーチンである。図６に示すルーチンでは、先ず、燃料電池セルの電圧が検出される（ステップ２００）。そして、燃料電池セル電圧が負となるセルが存在するか否かが判断される（ステップ２０２）。ここでは、具体的には、図５に示すステップ１００および１０２と同様の処理が実行される。上記ステップ２０２においてセル電圧が負となるセルが存在しないと判断された場合には、水素欠が発生しているセルがないと判定し、本ルーチンは速やかに終了する。 [Specific Processing in Second Embodiment]
FIG. 6 is a flowchart showing a routine executed by the system to suppress the anode corrosion reaction of the fuel battery cell in the second embodiment of the present invention. The routine of FIG. 6 is a routine that is repeatedly executed during power generation of the fuel cell stack 10. In the routine shown in FIG. 6, first, the voltage of the fuel cell is detected (step 200). Then, it is determined whether or not there is a cell having a negative fuel cell voltage (step 202). Here, specifically, the same processing as steps 100 and 102 shown in FIG. 5 is executed. If it is determined in step 202 that there is no cell having a negative cell voltage, it is determined that there is no cell in which hydrogen shortage has occurred, and this routine is immediately terminated.

一方、上記ステップ２０２においてセル電圧が負となるセルが存在すると判断された場合には、次に、カソードガスの圧力を上げる処理が実行される（ステップ２０４）。本ステップでは、カソードガスの圧力は、セル電圧が負となるセルが存在すると判断した直前の圧力より高くなるように、調圧弁３０を調節して増圧する。前述のとおり、カソードガスの圧力を上げると、カソードガスの加湿量が増量される。ここでは、具体的には、調圧弁３０を制御することにより、カソードオフガス流路２２内の圧力を上昇させる。これにより、加湿器２８を通過するカソードガスの飽和水蒸気量を上昇させ、カソードガスの加湿量を増量することができる。 On the other hand, when it is determined in step 202 that there is a cell having a negative cell voltage, a process for increasing the pressure of the cathode gas is performed (step 204). In this step, the pressure of the cathode gas is increased by adjusting the pressure regulating valve 30 so as to be higher than the pressure immediately before it is determined that there is a cell having a negative cell voltage. As described above, when the cathode gas pressure is increased, the humidification amount of the cathode gas is increased. Here, specifically, the pressure in the cathode off-gas flow path 22 is increased by controlling the pressure regulating valve 30. As a result, the amount of saturated water vapor of the cathode gas passing through the humidifier 28 can be increased, and the amount of humidification of the cathode gas can be increased.

以上説明したとおり、実施の形態２のシステムは、燃料電池スタック１０内に水素欠セルが存在すると判定された場合に、カソードガスの圧力を上げる処理を行う。カソードガスの圧力が上がると、カソードガスの加湿量が増量されるとともに、カソード４６とアノード４４の内圧差が大きくなることにより、逆拡散水が増量される。これにより、アノード４４での水分解反応を継続させ、アノード腐食反応を抑制し、燃料電池スタック１０の劣化を効果的に抑制することが可能となる。 As described above, the system of the second embodiment performs the process of increasing the pressure of the cathode gas when it is determined that there are hydrogen-deficient cells in the fuel cell stack 10. As the cathode gas pressure increases, the amount of humidification of the cathode gas increases, and the difference in internal pressure between the cathode 46 and the anode 44 increases, thereby increasing the amount of reverse diffusion water. Thereby, the water splitting reaction at the anode 44 can be continued, the anode corrosion reaction can be suppressed, and the deterioration of the fuel cell stack 10 can be effectively suppressed.

なお、実施の形態２では、ステップ２０４において、カソードガスの圧力は、ステップ２０２でセル電圧が負となるセルが存在すると判断した時点より増圧するが、これに限られるものではない。例えば、水素不足でないときのカソードガスの圧力範囲の上限より、水素不足のときのガス圧力が高くなるように、カソードガスの圧力を上げてもよい。例えば、水素不足でないときのカソードガスの圧力平均より、水素不足のときのカソードガスの圧力が高くなるように、カソードガスを増圧してもよい。 In the second embodiment, the pressure of the cathode gas is increased in step 204 from the time when it is determined in step 202 that there is a cell having a negative cell voltage. However, the present invention is not limited to this. For example, the pressure of the cathode gas may be increased so that the gas pressure when the hydrogen is insufficient is higher than the upper limit of the pressure range of the cathode gas when the hydrogen is not insufficient. For example, the cathode gas may be increased so that the cathode gas pressure when hydrogen is insufficient is higher than the average pressure of the cathode gas when hydrogen is not insufficient.

なお、上述した実施の形態においては、カソードガスの圧力を上げることにより、カソードガスの加湿量を効果的に増量させることとしているが、カソードガスの加湿手法はこれに限定されない。すなわち、カソードガスの加湿量を増量することができるのであれば、実施の形態１と組み合わせて実行することとしてもよい。 In the embodiment described above, the amount of humidification of the cathode gas is effectively increased by increasing the pressure of the cathode gas, but the method of humidifying the cathode gas is not limited to this. That is, if the amount of humidification of the cathode gas can be increased, it may be executed in combination with the first embodiment.

なお、上述した実施の形態においては、システムが、上記ステップ２０２の処理を実行することにより、前記第１の発明における「水素不足検知手段」が、上記ステップ２０４の処理を実行することにより、前記第１の発明における「アノード水分増量手段」が、それぞれ実現されている。 In the above-described embodiment, when the system executes the process of step 202, the “hydrogen shortage detection means” in the first invention executes the process of step 204, thereby The “anode moisture increasing means” in the first invention is realized.

また、上述した実施の形態においては、システムが、上記ステップ２０４の処理を実行することにより、前記第２の発明における「逆拡散水増量手段」が、実現されている。 Further, in the above-described embodiment, the “back diffusion water increasing means” in the second aspect of the present invention is realized by the system executing the process of step 204.

実施の形態３．
［実施の形態３の特徴］
実施の形態３のシステムは、図１に示すハードウェア構成を用いて、システムに、後述する図７に示すルーチンを実行させることにより実現することができる。 Embodiment 3 FIG.
[Features of Embodiment 3]
The system of the third embodiment can be realized by causing the system to execute a routine shown in FIG. 7 described later using the hardware configuration shown in FIG.

［実施の形態３における具体的処理］
図７は、この発明の実施の形態３において、システムが燃料電池セルのアノード腐食反応を抑制するために実行するルーチンを示すフローチャートである。図７のルーチンは、燃料電池スタック１０の発電中に繰り返し実行されるルーチンである。図７に示すルーチンでは、先ず、燃料電池セルの電圧が検出される（ステップ３００）。そして、燃料電池セル電圧が負となるセルが存在するか否かが判断される（ステップ３０２）。ここでは、具体的には、図５に示すステップ１００および１０２と同様の処理が実行される。上記ステップ３０２においてセル電圧が負となるセルが存在しないと判断された場合には、水素欠が発生しているセルがないと判定し、本ルーチンは速やかに終了する。 [Specific Processing in Embodiment 3]
FIG. 7 is a flowchart showing a routine executed by the system to suppress the anode corrosion reaction of the fuel battery cell in the third embodiment of the present invention. The routine of FIG. 7 is a routine that is repeatedly executed during power generation of the fuel cell stack 10. In the routine shown in FIG. 7, first, the voltage of the fuel cell is detected (step 300). Then, it is determined whether or not there is a cell having a negative fuel cell voltage (step 302). Here, specifically, the same processing as steps 100 and 102 shown in FIG. 5 is executed. If it is determined in step 302 that there is no cell having a negative cell voltage, it is determined that there is no cell in which hydrogen depletion has occurred, and this routine is immediately terminated.

一方、上記ステップ３０２においてセル電圧が負となるセルが存在すると判断された場合には、次に、燃料電池スタック１０のセル温度を下げる処理が実行される（ステップ３０４）。本ステップでは、ステップ３０２においてセル電圧が負となるセルが存在すると判断する直前のセル温度より、セル温度を低くする。カソード４６の温度を下げると、カソード４６から放出されるカソードオフガスの飽和水蒸気圧が減少する。飽和水蒸気圧が減少すると、カソード４６から燃料電池外部へ持ち去られる水（以下、持ち去り水と称す）の量が少なくなる。ここで、冷却器３４は燃料電池スタック１０内を循環する冷却媒体の温度を制御することにより、燃料電池スタック１０を所望の温度に制御することができる。本ステップ３０２において、具体的には、燃料電池スタック１０の性能が低下しない範囲内において、燃料電池スタック１０の温度を低下させるように冷却器３４が制御される。 On the other hand, if it is determined in step 302 that there is a cell having a negative cell voltage, next, a process of lowering the cell temperature of the fuel cell stack 10 is executed (step 304). In this step, the cell temperature is set lower than the cell temperature immediately before it is determined in step 302 that there is a cell having a negative cell voltage. When the temperature of the cathode 46 is lowered, the saturated water vapor pressure of the cathode off-gas released from the cathode 46 decreases. When the saturated water vapor pressure decreases, the amount of water taken away from the cathode 46 to the outside of the fuel cell (hereinafter referred to as “take away water”) decreases. Here, the cooler 34 can control the temperature of the cooling medium circulating in the fuel cell stack 10 to control the fuel cell stack 10 to a desired temperature. In step 302, specifically, the cooler 34 is controlled so as to lower the temperature of the fuel cell stack 10 within a range where the performance of the fuel cell stack 10 does not deteriorate.

以上説明したとおり、実施の形態３のシステムは、燃料電池スタック１０内に水素欠セルが存在すると判定された場合に、燃料電池スタック１０の温度を低下させる処理を行う。燃料電池スタック１０の温度が下がると、カソードオフガスによる持ち去り水が減少する。このため、アノード４４への逆拡散水が増量し、アノード４４での水分解反応を継続させ、アノード腐食反応を抑制し、燃料電池スタックの劣化を効果的に抑制することが可能となる。 As described above, the system of the third embodiment performs a process of reducing the temperature of the fuel cell stack 10 when it is determined that there are hydrogen-deficient cells in the fuel cell stack 10. When the temperature of the fuel cell stack 10 decreases, the water taken away by the cathode off gas decreases. For this reason, the amount of reverse diffusion water to the anode 44 is increased, the water splitting reaction at the anode 44 is continued, the anode corrosion reaction is suppressed, and the deterioration of the fuel cell stack can be effectively suppressed.

なお、実施の形態３では、ステップ３０４おいて、ステップ３０２でセル電圧が負となるセルが存在すると判断したときの直前より、セル温度は低下するが、これに限られるものではない。例えば、水素不足でないときのセル温度の下限よりも、水素不足のときにのセル温度が低くなるように、セル温度を下げてもよい。例えば、水素不足でないときのセル温度平均より、水素不足のときのセル温度が低くなるように、セル温度を下げてもよい。 In the third embodiment, in step 304, the cell temperature decreases immediately before it is determined in step 302 that there is a cell having a negative cell voltage. However, the present invention is not limited to this. For example, the cell temperature may be lowered so that the cell temperature when hydrogen is insufficient is lower than the lower limit of the cell temperature when hydrogen is not insufficient. For example, the cell temperature may be lowered so that the cell temperature when hydrogen is insufficient is lower than the cell temperature average when hydrogen is not insufficient.

なお、上述した実施の形態においては、燃料電池スタック１０内に冷却媒体を循環させることにより、燃料電池スタック１０の温度を低下させることとしているが、燃料電池スタックの冷却手法はこれに限定されない。すなわち、燃料電池スタック１０の温度を低下させることができるのであれば、他の手法を用いて行うこととしてもよい。例えば、燃料電池スタック１０に供給されるアノードガスもしくはカソードガスの温度を低下させてもよい。 In the above-described embodiment, the temperature of the fuel cell stack 10 is lowered by circulating a cooling medium in the fuel cell stack 10, but the cooling method of the fuel cell stack is not limited to this. That is, other methods may be used as long as the temperature of the fuel cell stack 10 can be lowered. For example, the temperature of the anode gas or cathode gas supplied to the fuel cell stack 10 may be lowered.

尚、上述した実施の形態においては、システムが、上記ステップ３０２の処理を実行することにより、前記第１の発明における「水素不足検知手段」が、上記ステップ３０４の処理を実行することにより、前記第１の発明における「アノード水分増量手段」が、それぞれ実現されている。 In the above-described embodiment, when the system executes the process of step 302, the “hydrogen shortage detecting means” in the first aspect of the invention executes the process of step 304. The “anode moisture increasing means” in the first invention is realized.

また、上述した実施の形態においては、システムが、上記ステップ３０４の処理を実行
することにより、前記第２の発明における「逆拡散水増量手段」が、実現されている。 In the above-described embodiment, the “back diffusion water increasing means” in the second aspect of the present invention is realized by the system executing the process of step 304.

また、上述した実施の形態においては、システムが、上記ステップ３０４の処理を実行
することにより、前記第５の発明における「冷却手段」が、実現されている。 In the embodiment described above, the “cooling means” according to the fifth aspect of the present invention is realized by the system executing the process of step 304.

実施の形態４．
図８は、実施の形態４の燃料電池システムを説明するための図である。図８に示す燃料電池システムにおいて図１と同じ部分は、同じ符号を用い、詳細な説明を省略する。図８に示す燃料電池システムは、燃料電池スタック１０のアノードオフガス流路１４に気液分離器４３を備える。気液分離器４３は、気液分離器４３内に流入するガスを液体と気体に分離する。気液分離器４３は、管路４５を介して水タンク４７と接続される。水タンク４７は水を貯蔵する役割を持つ。また、カソードオフガス流路２２に気液分離器４８を備える。気液分離器４８は、管路４９を介して水タンク４７と接続される。水タンク４７は管路５０を介してポンプ５１と接続される。ポンプ５１は水タンク４７に貯蔵される水を管路５２に送る機能を有する。ポンプ５１は管路５２を介してインジェクタ５４と接続される。インジェクタ５４は電流駆動式開閉弁である。インジェクタ５４は管路５６を介してアノードガス流路１２に接続される。インジェクタ５４は水タンク４７に貯蔵された水をアノードガス流路１２に噴射する役割を持つ。また、アノードオフガス流路１４は湿度計３９を備える。湿度計３９はアノードオフガス流路１４のガス湿度を測定する。ここで、ガス湿度は、所定の温度での飽和水蒸気分圧に対する割合を示す。湿度計３９はＥＣＵ４１と接続され、湿度計３９で測定されたガス湿度をＥＣＵ４１に送信する。 Embodiment 4 FIG.
FIG. 8 is a diagram for explaining the fuel cell system of the fourth embodiment. In the fuel cell system shown in FIG. 8, the same parts as those in FIG. The fuel cell system shown in FIG. 8 includes a gas-liquid separator 43 in the anode off-gas flow path 14 of the fuel cell stack 10. The gas-liquid separator 43 separates the gas flowing into the gas-liquid separator 43 into a liquid and a gas. The gas-liquid separator 43 is connected to the water tank 47 through a pipe line 45. The water tank 47 has a role of storing water. In addition, a gas-liquid separator 48 is provided in the cathode offgas channel 22. The gas-liquid separator 48 is connected to the water tank 47 through a pipe line 49. The water tank 47 is connected to the pump 51 via a pipe line 50. The pump 51 has a function of sending water stored in the water tank 47 to the pipe line 52. The pump 51 is connected to an injector 54 via a pipe line 52. The injector 54 is a current-driven on-off valve. The injector 54 is connected to the anode gas flow path 12 through a pipe line 56. The injector 54 has a role of injecting water stored in the water tank 47 into the anode gas flow path 12. Further, the anode off gas flow path 14 includes a hygrometer 39. The hygrometer 39 measures the gas humidity of the anode off-gas channel 14. Here, the gas humidity indicates a ratio to the saturated water vapor partial pressure at a predetermined temperature. The hygrometer 39 is connected to the ECU 41 and transmits the gas humidity measured by the hygrometer 39 to the ECU 41.

燃料電池の動作の際、アノードオフガスに含まれる水は、気液分離器４３で分離されて水タンク４７に貯蔵される。カソードオフガスに含まれる水は、気液分離器４８で分離されて水タンク４７に貯蔵される。水タンク４７の水はインジェクタ５４により噴射され、アノードガスを加湿する。 During the operation of the fuel cell, the water contained in the anode off gas is separated by the gas-liquid separator 43 and stored in the water tank 47. The water contained in the cathode off gas is separated by the gas-liquid separator 48 and stored in the water tank 47. The water in the water tank 47 is injected by the injector 54 and humidifies the anode gas.

[実施の形態４の具体的処理]
図９は実施の形態４のＥＣＵでの具体的処理をあらわすフローチャートである。図９において図１と同じ部分には、同じ符号を用い、詳細な説明を省略する。
図９に示すルーチンでは、ステップ１０２において電圧が負となるセルが存在すると、アノードガスの加湿を行う（ステップ１０６）。本ステップ１０６では、電圧が負となるセルが存在すると、燃料電池が水素欠と判断し、インジェクタ５４より所定の水量を供給し、アノードガスを加湿する。アノードガスを加湿すると、アノード４４に所在する水量が増加する。 [Specific Processing of Embodiment 4]
FIG. 9 is a flowchart showing specific processing in the ECU according to the fourth embodiment. 9, the same parts as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals and detailed description thereof is omitted.
In the routine shown in FIG. 9, when there is a cell having a negative voltage in step 102, the anode gas is humidified (step 106). In this step 106, if there is a cell having a negative voltage, the fuel cell determines that there is a shortage of hydrogen, supplies a predetermined amount of water from the injector 54, and humidifies the anode gas. When the anode gas is humidified, the amount of water present at the anode 44 increases.

続いて、湿度計３９の出力によりアノードオフガスの湿度が１００％か否かを判断する（ステップ１０７）。ステップ１０６でアノードガスを加湿すると、アノード４４に所在する水量が増加し、アノードオフガスに含まれる水量が増加する。アノードオフガスの湿度が１００％より少ないと、アノード４４に所在する水量は十分ではない。アノードオフガスの湿度が１００％になると、湿度は飽和しており、アノード４４に十分な水量が所在している。さらには、アノードオフガスの湿度が１００％であるとき、アノード４４より液水が排水されている場合がある。このとき、液水の分、過度の加湿が行われていると考えられる。本ステップ１０７では、アノードオフガスの湿度が１００％未満であると、加湿が必要と考え、アノードガスの加湿を続ける。アノードオフガスの湿度が１００％であると、加湿は十分であると考え、アノードガスの加湿をやめる（ステップ１０７）。 Subsequently, it is determined from the output of the hygrometer 39 whether the humidity of the anode off gas is 100% (step 107). When the anode gas is humidified in step 106, the amount of water present in the anode 44 increases and the amount of water contained in the anode off gas increases. If the anode off-gas humidity is less than 100%, the amount of water present at the anode 44 is not sufficient. When the humidity of the anode off gas reaches 100%, the humidity is saturated, and a sufficient amount of water is present in the anode 44. Furthermore, liquid water may be drained from the anode 44 when the humidity of the anode off gas is 100%. At this time, it is considered that excessive humidification is performed by the amount of liquid water. In this step 107, when the humidity of the anode off gas is less than 100%, it is considered that humidification is necessary, and the humidification of the anode gas is continued. If the humidity of the anode off gas is 100%, it is considered that the humidification is sufficient, and the humidification of the anode gas is stopped (step 107).

実施の形態４の構成によれば、アノードガスを加湿すると、アノード４４に所在する水量が増加する。アノード４４に所在する水量が多いと、アノード４４で水分解反応が生じやすい。よって、アノードでの腐食反応が抑制され、燃料電池スタック１０の劣化が抑制される。 According to the configuration of the fourth embodiment, when the anode gas is humidified, the amount of water present in the anode 44 increases. If the amount of water present at the anode 44 is large, a water splitting reaction tends to occur at the anode 44. Therefore, the corrosion reaction at the anode is suppressed, and the deterioration of the fuel cell stack 10 is suppressed.

実施の形態４の構成によれば、アノードオフガスの湿度が１００％になるように加湿することにより、過不足なく加湿を行うことができる。 According to the configuration of the fourth embodiment, humidification can be performed without excess or deficiency by humidifying the anode off gas so that the humidity becomes 100%.

なお、実施の形態４において、ステップ１０２では、電圧が負となるセルが存在すると、アノードガスの加湿を行うが、これに限られるものではない。水素不足でないときのアノードガスの加湿量より水素不足のときのアノードガスの加湿量が多くなるように、加湿を増量してもよい。 In the fourth embodiment, when there is a cell having a negative voltage in Step 102, the anode gas is humidified. However, the present invention is not limited to this. The humidification amount may be increased so that the humidification amount of the anode gas when hydrogen is insufficient is larger than the humidification amount of the anode gas when hydrogen is not insufficient.

なお、実施の形態４において、ステップ１０７では、アノードガスの加湿をやめるが、これに限られるものではない。例えば、アノードガスの加湿量を減少させてもよい。 In the fourth embodiment, the humidification of the anode gas is stopped in step 107, but the present invention is not limited to this. For example, the humidification amount of the anode gas may be reduced.

なお、実施の形態４において、アノードガスへの加湿はインジェクタ５４より行っているが、これに限られるものではない。アノードガスを加湿する手段であればよい。例えば、カソードオフガスに含まれる水をアノードガスに移行させる平膜形の加湿器を用いてもよいし、中空糸形の加湿器を用いてもよい。また、アノードガスへの加湿の代わりにアノードガスを増圧させて、アノード４４から持ち去られる水量を減少させてもよい。 In the fourth embodiment, the anode gas is humidified by the injector 54, but is not limited to this. Any means for humidifying the anode gas may be used. For example, a flat membrane type humidifier that transfers water contained in the cathode off gas to the anode gas may be used, or a hollow fiber type humidifier may be used. Alternatively, the amount of water taken away from the anode 44 may be reduced by increasing the pressure of the anode gas instead of humidifying the anode gas.

実施の形態５．
実施の形態５の燃料電池システムを説明する。実施の形態５の燃料電池システムは、図１に示す燃料電池システムと同様である部分には同じ符号を用い、詳細な説明を省略する。ポンプ３６はＥＣＵ４１と接続され、ＥＣＵ４１の信号に従い、ポンプ３６を流通する冷却水の圧力を調整する役割を持つ。図１０は、燃料電池スタック１０のうち、ひとつの燃料電池セルのアノード４４付近を拡大した図である。図１０において、燃料電池セルは電解質膜４２を備える。電解質膜に接する形でアノード４４を備える。アノード４４に接する形でセパレータ５８を備える。セパレータ５８はカーボンセパレータであり、多孔を備えている。セパレータ５８は、アノード４４と接する側に、ガス通路５９を備える。セパレータは、冷却水と接し、冷却水と接する側に冷却水路を備えている。冷却水は、セパレータ５８の多孔を通過し、アノード４４に到達し得る。燃料電池の動作の際、アノードガス源からアノードガスが供給され、アノードガスはセパレータ５８のガス通路５９を流れる。アノードガスはアノード４４に到達し、発電反応が生じる。 Embodiment 5 FIG.
A fuel cell system according to Embodiment 5 will be described. In the fuel cell system of the fifth embodiment, the same reference numerals are used for the same parts as those of the fuel cell system shown in FIG. 1, and detailed description thereof is omitted. The pump 36 is connected to the ECU 41 and has a role of adjusting the pressure of the cooling water flowing through the pump 36 in accordance with a signal from the ECU 41. FIG. 10 is an enlarged view of the vicinity of the anode 44 of one fuel cell in the fuel cell stack 10. In FIG. 10, the fuel cell includes an electrolyte membrane 42. An anode 44 is provided in contact with the electrolyte membrane. A separator 58 is provided in contact with the anode 44. The separator 58 is a carbon separator and is porous. The separator 58 includes a gas passage 59 on the side in contact with the anode 44. The separator is in contact with the cooling water and has a cooling water channel on the side in contact with the cooling water. The cooling water can pass through the pores of the separator 58 and reach the anode 44. During the operation of the fuel cell, anode gas is supplied from the anode gas source, and the anode gas flows through the gas passage 59 of the separator 58. The anode gas reaches the anode 44, and a power generation reaction occurs.

[実施の形態５の具体的処理]
図１１は実施の形態５のＥＣＵでの具体的処理をあらわすフローチャートである。図１１において図５と同じ部分には、同じ符号を用い、詳細な説明を省略する。
図１１に示すルーチンでは、ステップ１０２において電圧が負となるセルが存在すると、冷却水圧を上げる（ステップ１０６）。本ステップ１０６では、電圧が負となるセルが存在すると、燃料電池が水素欠と判断し、ポンプ３６により冷却水圧を上げる。冷却水圧が高いと、セパレータ５８を通過する水量は多い。冷却水圧が低いと、セパレータ５８を通過する水量は少ない。ポンプ３６を動作させると、冷却水の圧力が高くなり、セパレータ５８を移行する水量は多くなる。 [Specific Processing of Embodiment 5]
FIG. 11 is a flowchart showing specific processing in the ECU according to the fifth embodiment. In FIG. 11, the same parts as those in FIG.
In the routine shown in FIG. 11, if there is a cell having a negative voltage in step 102, the cooling water pressure is increased (step 106). In this step 106, if there is a cell having a negative voltage, it is determined that the fuel cell is out of hydrogen, and the cooling water pressure is increased by the pump 36. When the cooling water pressure is high, the amount of water passing through the separator 58 is large. When the cooling water pressure is low, the amount of water passing through the separator 58 is small. When the pump 36 is operated, the pressure of the cooling water increases, and the amount of water that moves through the separator 58 increases.

続いて、水素ストイキ比を増やす（ステップ１０９）。ここで、水素ストイキ比は、発電反応に用いられる水素モル数に対する、アノード４４に供給される水素モル数の比である。水素を含むアノードガスは、セパレータ５４に備えられたガス通路５９からアノード４４に供給される。セパレータ５４を通過する水はアノードガスに含まれる形でアノードに移行する。水素ストイキ比が大きいと、アノード４４に供給される水素量は多く、セパレータ５８からアノード４４に移行する水量は多い。水素ストイキ比が小さいと、アノード４４に供給される水素量は少なく、セパレータ５８からアノード４４に移行する水量は少ない。よって、水素ストイキ比を大きくすると、セパレータ５８からアノード４４に移行する水量が多くなり、アノード４４に所在する水量は多くなる。本ステップ１０９では、具体的には、アノードガスの流量を増やし、水素ストイキ比を増やす。 Subsequently, the hydrogen stoichiometric ratio is increased (step 109). Here, the hydrogen stoichiometric ratio is the ratio of the number of moles of hydrogen supplied to the anode 44 to the number of moles of hydrogen used in the power generation reaction. The anode gas containing hydrogen is supplied to the anode 44 from a gas passage 59 provided in the separator 54. The water passing through the separator 54 moves to the anode in a form contained in the anode gas. When the hydrogen stoichiometric ratio is large, the amount of hydrogen supplied to the anode 44 is large, and the amount of water transferred from the separator 58 to the anode 44 is large. When the hydrogen stoichiometric ratio is small, the amount of hydrogen supplied to the anode 44 is small, and the amount of water transferred from the separator 58 to the anode 44 is small. Therefore, when the hydrogen stoichiometric ratio is increased, the amount of water transferred from the separator 58 to the anode 44 increases, and the amount of water located at the anode 44 increases. In step 109, specifically, the flow rate of the anode gas is increased and the hydrogen stoichiometric ratio is increased.

本実施の構成によれば、水素不足の際に、冷却水の圧力を上げると、アノードに所在する水量が多くなる。よって、アノード４４で水分解反応が生じやすくなり、アノードでの腐食を抑制できる。さらに、水素不足のときに、冷却水の圧力を上げるとともに水素ストイキ比を上昇させると、セパレータ５８を通過した水がアノードに移行しやすくなる。よって、アノードに所在する水量を多くできる。 According to the configuration of the present embodiment, when the pressure of the cooling water is increased when hydrogen is insufficient, the amount of water present in the anode increases. Therefore, a water splitting reaction is likely to occur at the anode 44, and corrosion at the anode can be suppressed. Further, when the pressure of the cooling water is increased and the hydrogen stoichiometric ratio is increased when hydrogen is insufficient, the water that has passed through the separator 58 easily moves to the anode. Therefore, the amount of water present in the anode can be increased.

なお、本実施の形態において、冷却水は一般的に用いられるものを使用してよい。例えば、純水でもよいし、エチレングリコールを含むものでもよい。エチレングリコールはアノード４４の触媒上で分解することが知られており、エチレングリコールを含む冷却水をアノード４４に供給してもよい。 In the present embodiment, the cooling water that is generally used may be used. For example, pure water or ethylene glycol may be included. Ethylene glycol is known to decompose on the catalyst of the anode 44, and cooling water containing ethylene glycol may be supplied to the anode 44.

実施の形態６．
図１２は、実施の形態６の燃料電池システムを説明するための図である。図１２に示す燃料電池システムにおいて図１と同じ部分は、同じ符号を用い、詳細な説明を省略する。図１２に示す燃料電池システムでは、冷却媒体循環流路３２は管路６２を介して遮断弁６４と接続される。遮断弁６４は、遮断弁６４を閉じると冷却水の流れを遮断し、遮断弁６４を開くと冷却水を流通させる役割を持つ。遮断弁６４はＥＣＵ４１と接続され、ＥＣＵ４１の信号に従い、開閉することができる。遮断弁６６は管路６６を介して外部マニホールド６７と接続される。外部マニホールド６７は、燃料電池スタック１０に備えられ、各燃料電池セルと接続されている。遮断弁６４を開くと、冷却水は外部マニホールド６７に供給される。外部マニホールド６７の水は各燃料電池セルに移行する。 Embodiment 6 FIG.
FIG. 12 is a diagram for explaining the fuel cell system of the sixth embodiment. In the fuel cell system shown in FIG. 12, the same parts as those in FIG. In the fuel cell system shown in FIG. 12, the coolant circulation path 32 is connected to a shutoff valve 64 via a pipe 62. The shutoff valve 64 has a role of shutting off the flow of the cooling water when the shutoff valve 64 is closed, and circulating the coolant when the shutoff valve 64 is opened. The shutoff valve 64 is connected to the ECU 41 and can be opened and closed according to a signal from the ECU 41. The shut-off valve 66 is connected to the external manifold 67 through a pipe line 66. The external manifold 67 is provided in the fuel cell stack 10 and is connected to each fuel cell. When the shut-off valve 64 is opened, the cooling water is supplied to the external manifold 67. The water in the external manifold 67 moves to each fuel cell.

図１３は、実施の形態６において、ひとつの燃料電池セルのアノード４４付近を拡大した図である。燃料電池セルは電解質膜４２を備える。電解質膜４２の上にアノード４４を備える。アノード４４は触媒層６８と水導入層７０と拡散層７２とを積層して構成される。触媒層６８は、電解質膜４２の上に配置されている層であり、電解質膜１２の表面全体に白金を担持させたカーボンと電解質とを塗布して、形成されている。水導入層７０は、カーボンとガラス管により構成されている。カーボンとガラス管の存在しない部分に適度な空隙を備えている。水導入層７０は外部マニホールド６７と接続され、外部マニホールド６７内の水が水導入層に流入するようになっている。また、水導入層７０は、水導入層７０の空隙にガスを拡散する役割を持つ。拡散層７２は、多孔を有し、ガスを拡散する役割を有する。アノード４４の上にセパレータ５８が備えられる。 FIG. 13 is an enlarged view of the vicinity of the anode 44 of one fuel cell in the sixth embodiment. The fuel battery cell includes an electrolyte membrane 42. An anode 44 is provided on the electrolyte membrane 42. The anode 44 is configured by laminating a catalyst layer 68, a water introduction layer 70, and a diffusion layer 72. The catalyst layer 68 is a layer disposed on the electrolyte membrane 42, and is formed by applying carbon carrying platinum on the entire surface of the electrolyte membrane 12 and an electrolyte. The water introduction layer 70 is composed of carbon and a glass tube. Appropriate gaps are provided in areas where carbon and glass tubes do not exist. The water introduction layer 70 is connected to the external manifold 67 so that water in the external manifold 67 flows into the water introduction layer. Further, the water introduction layer 70 has a role of diffusing gas into the voids of the water introduction layer 70. The diffusion layer 72 is porous and has a role of diffusing gas. A separator 58 is provided on the anode 44.

外部マニホールド６７の水は各燃料電池セルに移行し、アノード４４の水導入層７０に供給される。水導入層７０に供給された水は、ガラス管を通り、水導入層７０全体に移行しやすい。水導入層７０の水は、水導入層７０の細孔を通り、触媒層６８に移行する。水導入層７０全体に水が所在すると、触媒層６８全体へ水が移行しやすい。 The water in the external manifold 67 moves to each fuel cell and is supplied to the water introduction layer 70 of the anode 44. The water supplied to the water introduction layer 70 easily passes through the glass tube and moves to the entire water introduction layer 70. The water in the water introduction layer 70 passes through the pores of the water introduction layer 70 and moves to the catalyst layer 68. If water is present throughout the water introduction layer 70, the water easily moves to the entire catalyst layer 68.

[実施の形態６の具体的処理]
図１４は実施の形態６のＥＣＵでの具体的処理をあらわすフローチャートである。図１４において図５と同じ部分には、同じ符号を用い、詳細な説明を省略する。
図１１に示すルーチンでは、ステップ１０２において電圧が負となるセルが存在すると、水導入層に水を導入する（ステップ１１０）。本ステップ１１０では、電圧が負となるセルが存在すると、燃料電池には水素不足の燃料電池セルが所在すると考え、遮断弁６４を開弁させ、水導入層７０に水を導入させる。水導入層７０に導入された水は、水導入層７０全体に移行し、水導入層７０を通過して触媒層６８に移行する。触媒層６８の水は触媒付近での水分解反応に用いられる。触媒層６８の水が多いと、水分解反応がおこりやすく、アノードでの腐食を抑制することができる。 [Specific processing of the sixth embodiment]
FIG. 14 is a flowchart showing specific processing in the ECU according to the sixth embodiment. In FIG. 14, the same parts as those in FIG.
In the routine shown in FIG. 11, if there is a cell having a negative voltage in step 102, water is introduced into the water introduction layer (step 110). In this step 110, if there is a cell having a negative voltage, it is assumed that the fuel cell has a hydrogen-deficient fuel cell, and the shutoff valve 64 is opened to introduce water into the water introduction layer 70. The water introduced into the water introduction layer 70 moves to the entire water introduction layer 70, passes through the water introduction layer 70, and moves to the catalyst layer 68. The water in the catalyst layer 68 is used for the water splitting reaction in the vicinity of the catalyst. If the catalyst layer 68 has a large amount of water, a water splitting reaction is likely to occur, and corrosion at the anode can be suppressed.

なお、実施の形態６において、ステップ１１０では、ステップ１０２において電圧が負となるセルが存在すると、水導入層に水を導入するが、これに限られるものではない。例えば、水素不足でないときにも水を導入し、水素不足のときに水導入層７０に導入する水量を増加させてもよい。 In the sixth embodiment, in step 110, if there is a cell whose voltage is negative in step 102, water is introduced into the water introduction layer, but the present invention is not limited to this. For example, water may be introduced even when hydrogen is not insufficient, and the amount of water introduced into the water introduction layer 70 when hydrogen is insufficient may be increased.

なお、実施の形態６において、ステップ１１０では、水の導入は遮断弁６４を開弁させて行っているが、これに限られるものではない。遮断弁６４の開弁とともに、ポンプ３６を増加させて冷却水の圧力を高めてもよい。このとき、高圧の水が水導入層７０に導入され、触媒層７０全体へ水が移行しやすい。 In the sixth embodiment, in step 110, the introduction of water is performed by opening the shutoff valve 64, but the present invention is not limited to this. Along with the opening of the shutoff valve 64, the pump 36 may be increased to increase the pressure of the cooling water. At this time, high-pressure water is introduced into the water introduction layer 70, and the water easily moves to the entire catalyst layer 70.

なお、実施の形態６において、水導入層７０への水の導入は、冷却媒体循環流路３２と接続された遮断弁６４を開弁して行っているが、これに限られるものではなく、水導入層７０に水を供給できればよい。例えば、カソードオフガス流路２２に気液分離器を備え、カソードオフガスに含まれる水を外部マニホールド６７に供給する形で、水導入層７０に水を導入してもよい。アノードオフガスに含まれる水を用いて、水導入層７０に水を導入してもよい。水を貯蔵する水貯蔵器を備え、水貯蔵器より水導入層７０に水を供給してもよい。 In the sixth embodiment, the introduction of water into the water introduction layer 70 is performed by opening the shutoff valve 64 connected to the cooling medium circulation flow path 32, but the present invention is not limited to this. It is sufficient if water can be supplied to the water introduction layer 70. For example, water may be introduced into the water introduction layer 70 by providing a gas-liquid separator in the cathode offgas flow path 22 and supplying water contained in the cathode offgas to the external manifold 67. Water may be introduced into the water introduction layer 70 using water contained in the anode off gas. A water reservoir for storing water may be provided, and water may be supplied to the water introduction layer 70 from the water reservoir.

なお、実施の形態６において、水導入層７０にガラス管が備えられているが、これに限られるものではない。水を透過するものであればよい。例えばガラス管のかわりに、ポーラスカーボン、カーボンナノチューブ、発泡金属の棒状物、シリカゲル、もしくは、ステンレス鋼の棒状物を用いて、水導入層７０を構成してもよい。例えば、これらを混合して、水導入層７０を構成してもよい。 In the sixth embodiment, the water introduction layer 70 is provided with a glass tube, but is not limited thereto. Any material that permeates water may be used. For example, the water introduction layer 70 may be configured using porous carbon, carbon nanotubes, foam metal rods, silica gel, or stainless steel rods instead of glass tubes. For example, the water introduction layer 70 may be configured by mixing them.

なお、実施の形態６において、水導入層７０にカーボンが備えられている。一般的に燃料電池に用いられる細孔材であればよい。具体的には、アセチレンブラック、チャネルブラック、サーマブラック、カーボンブラック、カーボンペーパー等を使用してもよい。例えば、フッ素処理されたカーボンを使用してもよい。 In the sixth embodiment, the water introduction layer 70 is provided with carbon. Any porous material generally used for fuel cells may be used. Specifically, acetylene black, channel black, therma black, carbon black, carbon paper, or the like may be used. For example, fluorinated carbon may be used.

なお、実施の形態６において、水導入層７０は、触媒層６８と拡散層７２の間に備えられているが、これに限られるものではない。水導入層７０は、触媒層６８と電解質膜４２との間に備えられてもよいし、拡散層７２とセパレータ５８との間に備えられてもよい。例えば、水導入層７０は、拡散層７２もしくは触媒層６８の一部として備えられてもよい。 In the sixth embodiment, the water introduction layer 70 is provided between the catalyst layer 68 and the diffusion layer 72, but is not limited thereto. The water introduction layer 70 may be provided between the catalyst layer 68 and the electrolyte membrane 42, or may be provided between the diffusion layer 72 and the separator 58. For example, the water introduction layer 70 may be provided as a part of the diffusion layer 72 or the catalyst layer 68.

なお、実施の形態６において、外部マニホールド６７からの水の導入が水導入層に行われているが、これに限定されるものではない。例えば、拡散層７０または/もしくは触媒層６８に水の導入を行ってもよい。このとき、拡散層７０または/もしくは触媒層６８が水導入層と考えられる。 In the sixth embodiment, water is introduced from the external manifold 67 into the water introduction layer, but is not limited thereto. For example, water may be introduced into the diffusion layer 70 and / or the catalyst layer 68. At this time, the diffusion layer 70 and / or the catalyst layer 68 is considered as the water introduction layer.

なお、実施の形態６において、水導入層７０は、アノードに備えられ、孔を有し、水を導入される層である。 In the sixth embodiment, the water introduction layer 70 is provided in the anode, has a hole, and is a layer into which water is introduced.

なお、実施の形態６において、アノード４４は触媒層６８と水導入層７０と拡散層７２とを積層して構成されるが、これに限られるものではない。例えば、アノード４４の一部に、撥水性物質を備えて水を撥水する撥水層を備えてもよいし、親水性物質を有して水を保水する保水層を備えてもよいし、水電気分解を行う触媒を有する層を備えてもよい。 In the sixth embodiment, the anode 44 is configured by laminating the catalyst layer 68, the water introduction layer 70, and the diffusion layer 72, but is not limited thereto. For example, a part of the anode 44 may include a water repellent layer that includes a water repellent material and repels water, or may include a water retentive layer that includes a hydrophilic material and retains water. You may provide the layer which has a catalyst which performs water electrolysis.

実施の実施１の構成を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the structure of Example 1 of implementation. 実施の実施１の燃料電池セルの水素欠発生時に起こる反応を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating reaction which occurs at the time of lack of hydrogen of the fuel cell of Example 1. FIG. カソードガスの加湿量を増量した場合のセル電圧の変化を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the change of the cell voltage at the time of increasing the humidification amount of cathode gas. 燃料電池セル内の一部に水素欠が生じた場合に起こる反応を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating reaction which occurs when hydrogen deficiency arises in a part in a fuel cell. 実施の形態１において実行されるルーチンのフローチャートである。3 is a flowchart of a routine that is executed in the first embodiment. 実施の形態２において実行されるルーチンのフローチャートである。10 is a flowchart of a routine executed in the second embodiment. 実施の形態３において実行されるルーチンのフローチャートである。12 is a flowchart of a routine executed in the third embodiment. 図８は、実施の形態４の燃料電池システムを説明するための図である。FIG. 8 is a diagram for explaining the fuel cell system of the fourth embodiment. 図９は実施の形態４のＥＣＵでの具体的処理をあらわすフローチャートである。FIG. 9 is a flowchart showing specific processing in the ECU according to the fourth embodiment. 図１０は、燃料電池スタック１０のうち、ひとつの燃料電池セルのアノード４４付近を拡大した図である。FIG. 10 is an enlarged view of the vicinity of the anode 44 of one fuel cell in the fuel cell stack 10. 図１１は実施の形態５のＥＣＵでの具体的処理をあらわすフローチャートである。FIG. 11 is a flowchart showing specific processing in the ECU according to the fifth embodiment. 図１２は、実施の形態６の燃料電池システムを説明するための図である。FIG. 12 is a diagram for explaining the fuel cell system of the sixth embodiment. 図１３は、実施の形態６において、ひとつの燃料電池セルのアノード４４付近を拡大した図である。FIG. 13 is an enlarged view of the vicinity of the anode 44 of one fuel cell in the sixth embodiment. 図１４は実施の形態６のＥＣＵでの具体的処理をあらわすフローチャートである。FIG. 14 is a flowchart showing specific processing in the ECU according to the sixth embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

１０燃料電池スタック
１２アノードガス流路
１４アノードオフガス流路
１６アノードガス供給源
１８調圧弁
２０カソードガス流路
２２カソードオフガス流路
２４エアクリーナ
２６コンプレッサ
２８加湿器
３０調圧弁
３２冷却媒体循環流路
３４冷却器
３６ポンプ
３８電圧計
３９湿度計
４０燃料電池セル
４２電解質膜
４４アノード
４６カソード
５０水素欠セル
５４インジェクタ
５８セパレータ
６０一部水素欠セル
６４遮断弁
６７外部マニホールド
６８触媒層
７０水導入層
７２拡散層 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Fuel cell stack 12 Anode gas flow path 14 Anode off gas flow path 16 Anode gas supply source 18 Pressure regulation valve 20 Cathode gas flow path 22 Cathode off gas flow path 24 Air cleaner 26 Compressor 28 Humidifier 30 Pressure regulation valve 32 Cooling medium circulation flow path 34 Cooling 36 Pump 38 Voltmeter 39 Hygrometer 40 Fuel cell 42 Electrolyte membrane 44 Anode 46 Cathode 50 Hydrogen-deficient cell 54 Injector 58 Separator 60 Partially hydrogen-deficient cell 64 Shut-off valve 67 External manifold 68 Catalyst layer 70 Water introduction layer 72 Diffusion layer

Claims

電解質膜を挟む形でアノードとカソードを備え、アノードに水素を含むアノードガスを供給すると共に、カソードに酸素を含むカソードガスを供給することにより発電を行う燃料電池セルを複数積層した燃料電池と、
アノードにおいて水素不足が発生しているか否かを検知する水素不足検知手段と、
前記水素不足検知手段により水素不足が検知されたときに、アノードの水を増量させるアノード水増量手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell comprising an anode and a cathode with an electrolyte membrane sandwiched therebetween, supplying an anode gas containing hydrogen to the anode, and a plurality of fuel cells that generate power by supplying a cathode gas containing oxygen to the cathode;
Hydrogen shortage detection means for detecting whether or not hydrogen shortage has occurred at the anode;
An anode water increasing means for increasing the amount of water in the anode when hydrogen shortage is detected by the hydrogen shortage detecting means;
A fuel cell system comprising:

請求項１記載の燃料電池システムであって、
前記アノード水増量手段は、カソードから前記燃料電池の電解質膜を通過してアノードへ流入する逆拡散水を増量する逆拡散水増量手段を含むことを特徴とする燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1, wherein
The anode water increasing means includes reverse diffusion water increasing means for increasing the amount of reverse diffusion water flowing from the cathode through the electrolyte membrane of the fuel cell and flowing into the anode.

請求項２記載の燃料電池システムであって、
前記逆拡散水増量手段は、カソードガスを加湿する第１加湿手段を含み、前記第１加湿手段によりカソードガスの加湿量を増量することを特徴とする燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 2, wherein
The reverse diffusion water increasing means includes a first humidifying means for humidifying the cathode gas, and the humidifying amount of the cathode gas is increased by the first humidifying means.

請求項２もしくは３記載の燃料電池システムであって、
前記逆拡散水増量手段は、カソードガスの圧力を上げることを特徴とする燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 2 or 3,
The reverse diffusion water increasing means increases the pressure of the cathode gas.

請求項２から４のいずれか１項記載の燃料電池システムであって、
前記逆拡散水増量手段は、前記燃料電池を冷却する冷却手段を含み、前記冷却手段により燃料電池を冷却させることを特徴とする燃料電池システム。 The fuel cell system according to any one of claims 2 to 4,
The reverse diffusion water increasing means includes a cooling means for cooling the fuel cell, and the fuel cell is cooled by the cooling means.

請求項１から５のいずれか１項記載の燃料電池システムであって、
前記アノード水増量手段は、アノードガスを加湿する第２加湿手段を含み、前記水素不足検知手段により水素不足が検知されたときに、前記第２加湿手段によりアノードガスを加湿し、アノードの水分を増量させることを特徴とする燃料電池システム。 The fuel cell system according to any one of claims 1 to 5,
The anode water increasing means includes second humidifying means for humidifying the anode gas. When hydrogen shortage is detected by the hydrogen shortage detecting means, the anode gas is humidified by the second humidifying means, and the moisture of the anode is increased. A fuel cell system characterized in that the amount is increased.

請求項１から６のいずれか１項記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池は、アノードとカソードを挟む形で、多孔体より構成されてガス流路と冷却水路を有するセパレータを備え、前記セパレータを挟む形で冷却水通路を冷却水が流れる燃料電池セルを複数積層したものであって、前記アノード水増量手段は、前記燃料電池の冷却水の圧力を増加させる冷却水圧増加手段を含み、前記水素不足検知手段により水素不足が検知されると、前記冷却水圧増加手段により冷却水の圧力を増加させてアノードの水分を増量させることを特徴とする燃料電池システム。 The fuel cell system according to any one of claims 1 to 6,
The fuel cell includes a separator having a gas flow path and a cooling water path sandwiched between an anode and a cathode and having a gas flow path and a cooling water path, and a plurality of fuel battery cells in which the cooling water flows through the cooling water path with the separator interposed therebetween. The anode water increasing means includes a cooling water pressure increasing means for increasing the pressure of the cooling water of the fuel cell, and the cooling water pressure increases when hydrogen shortage is detected by the hydrogen shortage detecting means. A fuel cell system characterized in that the pressure of cooling water is increased by means to increase the amount of water in the anode.

請求項１から７のいずれか１項記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池は、アノードに多孔体から構成される水導入層を備え、
前記アノード水分増量手段は、水導入層に水を導入する水導入手段を含み、前記水素検知手段により水素不足が検知されたときに、前記水導入手段により水を導入してアノードの水分を増量させることを特徴とする燃料電池システム。

The fuel cell system according to any one of claims 1 to 7,
The fuel cell includes a water introduction layer composed of a porous body at an anode,
The anode moisture increase means includes water introduction means for introducing water into the water introduction layer, and when hydrogen shortage is detected by the hydrogen detection means, water is introduced by the water introduction means to increase the moisture of the anode. And a fuel cell system.