JP2002373685A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 装置の大型化を伴うことなく、燃料電池のケ
ース内で水素濃度が上昇しすぎるのを防止する技術を提
供する。 【解決手段】 燃料電池システムにおいて、スタック２
１０を収納するスタックケース２２０内とエアクリーナ
５０２とを連通させる連通路２５０が、設けられてい
る。コンプレッサ５０４を駆動することにより、エアク
リーナ５０２側が負圧となるため、スタックケース２２
０内からエアクリーナ５０２側に連通路２５０を介して
気体が流れる。スタックケース２２０内に水素が漏れ出
した場合には、この水素は連通路２５０によってエアク
リーナ５０２に導かれ、酸化ガスとして燃料電池に供給
する空気中に混入される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、水素を含有する
燃料ガスと酸素を含有する酸化ガスの供給を受け、電気
化学反応により起電力を得る燃料電池を備える燃料電池
システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池システムでは、水素を含有する
燃料ガスを利用して発電を行なうため、水素の漏洩を防
止することが要求される。単セルを複数積層したスタッ
ク構造によって構成される燃料電池本体は、通常は、充
分な強度および剛性を有するケース内に収納することで
保護されている。このようなケース内に燃料電池本体を
収納することによって、不測の外力が加わって燃料電池
本体が損傷を受け、水素含有ガスが外部に漏れ出してし
まうのを防止している。

【０００３】このようにケース内に収納して燃料電池本
体を保護する場合にも、長期にわたって燃料電池を継続
して、あるいは繰り返し動作させると、水素を含有する
ガスが燃料電池本体から漏れだしてくる可能性が考えら
れる。例えば、燃料電池本体において、単セルの積層方
向に押圧力を加えることでスタック構造を保持する場合
に、燃料電池本体の温度が昇降を繰り返すときには、部
材の熱膨張と収縮に伴って微量の気体が燃料電池本体か
ら漏れ出す場合が考えられる。水素含有気体が燃料電池
本体から漏れ出すことがあると、たとえ漏れだした水素
量が極微量であっても、漏れだした水素は次第にケース
内に蓄積されてしまう。燃料電池システムでは、たとえ
燃料電池本体から微量の水素がケース内に漏れ出すこと
があっても、ケース内の水素濃度を充分に低く抑えてお
く必要がある。

【０００４】このようにケース内における水素濃度が望
ましくない程度に上昇するのを抑えるために、ケース内
に送風機を設けて、ケース内の換気を行なう技術が提案
されている（例えば、特開平１１−１８５７８１号公報
等）。このような構成とすれば、ケース内に漏れだした
水素濃度が充分に低いうちに、ケース内の水素を積極的
に外部に排出することができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな構成では、ケース内部に換気のための送風機を設け
る必要があり、ケースの大型化、コストアップは避けが
たい。特に、燃料電池システムを車載して車両の駆動用
電源として用いる場合などのように、燃料電池システム
を設置するためのスペースに制限がある場合には、上記
のように装置の大型化を伴う構成は採用し難い場合があ
る。

【０００６】本発明は、上述した従来の課題を解決する
ためになされたものであり、装置の大型化を伴うことな
く、ケース内で水素濃度が上昇しすぎるのを防止する技
術を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段およびその作用・効果】上
記目的を達成するために、本発明は、水素を含有する燃
料ガスと酸素を含有する酸化ガスの供給を受け、電気化
学反応により起電力を得る燃料電池システムであって、
前記電気化学反応が進行する電池本体と収納ケースとを
有する燃料電池と、前記燃料電池システムの運転中に前
記収納ケースの内部の圧力とは圧力差を生じる差圧室
と、前記収納ケースの内部と前記差圧室とを連通させる
連通路とを備えることを要旨とする。

【０００８】このような燃料電池システムによれば、電
池本体あるいはこれに接続する部材など収納ケース内に
収納された部材から、収納ケース内に、燃料ガスが漏れ
出した場合には、漏れ出したガスは、上記圧力差によっ
て、上記収納ケース内から排出される。したがって、収
納ケース内において、水素濃度を充分に低く抑えること
ができる。このように、収納ケース内から水素を排出さ
せる動作は、連通路すなわち流路を設けるという簡単な
構成によって実現されるため、装置の大型化を招くこと
がない。また、収納ケース内から水素を排出させるため
に特別にエネルギを消費する必要がないため、エネルギ
効率の低下を引き起こすこともない。

【０００９】ここで、電池本体とは、例えば、単セルを
積層したスタックとすることができる。

【００１０】本発明の燃料電池システムにおいて、前記
差圧室は、前記収納ケースに比べてその内部の圧力が低
いこととしても良い。

【００１１】このような構成とすれば、収納ケース内に
燃料ガスが漏れ出した場合には、漏れ出したガスは、上
記圧力差によって、収納ケース内から上記差圧室側に排
出される。なお、このような動作を行なう際には、例え
ば、上記圧力差によって、収納ケースを構成する複数の
部材が互いに接続される部位の隙間から、収納ケース内
に空気が流入することとすればよい。あるいは、外部か
ら収納ケース内に空気を流入させるための細孔を、収納
ケースに設けることとしても良い。

【００１２】このような本発明の燃料電池システムにお
いて、前記差圧室は、前記酸化ガスとして前記燃料電池
に供給するために外部から取り込んだ空気を、空気中に
含まれる異物を取り除くためのフィルタに通過させるこ
とによって浄化するエアクリーナであって、前記エアク
リーナによって浄化された空気の流路に設けられ、前記
エアクリーナを介して外部から空気を取り込む吸引力を
発生する空気吸引部をさらに備え、前記連通路は、前記
エアクリーナの内部であって、前記フィルタによって浄
化された空気が通過する部位と、前記収納ケース内部と
を連通させることとしても良い。

【００１３】このような構成とすれば、空気吸引部が発
生する吸引力によって、エアクリーナの内部であって上
記フィルタによって浄化された空気が通過する部位は、
収納ケース内に比べて圧力が低くなる。したがって、収
納ケース内に漏れ出した水素は、上記エアクリーナにお
いて、上記フィルタによって浄化された空気が通過する
部位に排出される。なお、空気吸引部としては、コンプ
レッサやエアポンプなどを用いることができる。

【００１４】このような本発明の燃料電池システムにお
いて、前記連通路が前記収納ケース内部と接続する接続
部は、前記収納ケースの上面またはその近傍に設けられ
ていることとしても良い。

【００１５】水素は、空気を構成する他の成分に比べて
軽い。したがって、上記収納ケース内に水素が漏れ出し
た場合には、漏れ出した水素は、収納ケース内の上方に
集まる。したがって、前記連通路が前記収納ケースと接
続する接続部を、収納ケースの上面またはその近傍に設
けることによって、収納ケース内に漏れ出した水素を効
率よく排出することができる。

【００１６】本発明の燃料電池システムにおいて、前記
差圧室は、前記収納ケースに比べてその内部の圧力が高
いこととしても良い。

【００１７】このような構成とすれば、上記圧力差によ
って、上記差圧室から上記収納ケース内に気体が流入す
る。これによって、収納ケース内に燃料ガスが漏れ出し
た場合には、漏れ出したガスは収納ケース外に押し出さ
れる。なお、このような動作を行なう際には、例えば、
上記圧力差によって、収納ケースを構成する複数の部材
が互いに接続される部位の隙間から、収納ケース内に漏
れ出したガスが排出されることとすればよい。あるい
は、収納ケース内から外部にガスを排出させるための細
孔を、収納ケースに設けることとしても良い。

【００１８】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態を実施
例に基づいて以下の順序で説明する。 Ａ．装置の全体構成： Ｂ．燃料電池２００における水素漏れ対策： Ｃ．変形例

【００１９】Ａ．装置の構成：図１は本発明の一実施例
としての車載用燃料電池システムを示す構成図である。
本実施例の燃料電池システム１００は、自動車などの車
両に搭載されるものであって、主として、水素ガスの供
給を受けて電力を発生する燃料電池２００と、その燃料
電池２００に水素ガスを供給する高圧水素ガスタンク３
００と、を備えている。

【００２０】このうち、燃料電池２００は、水素を含ん
だ水素ガスの他、酸素を含んだ酸化ガス（例えば、空
気）の供給を受けて、アノードとカソードにおいて、下
記に示すような反応式に従って、電気化学反応を起こ
し、電力を発生させている。

【００２１】即ち、アノードに水素ガスが、カソードに
酸化ガスがそれぞれ供給されると、アノード側では式
（１）の反応が、カソード側では式（２）の反応がそれ
ぞれ起こり、燃料電池全体としては、式（３）の反応が
行なわれる。

【００２２】 Ｈ₂ → ２Ｈ⁺＋２ｅ^- …（１） ２Ｈ⁺＋２ｅ^-＋（１／２）Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ …（２） Ｈ₂＋（１／２）Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ …（３）

【００２３】このような燃料電池２００を車両の動力源
として用いる場合、燃料電池２００から発生された電力
によって駆動モータ（図示せず）を駆動し、その発生ト
ルクをギア（図示せず）によって車軸（図示せず）に伝
達して、車両の推進力を得る。

【００２４】また、燃料電池２００は、スタックケース
内に、複数の単セルが積層された燃料電池スタックを収
納して構成されている。１つの単セルは、電解質膜（図
示せず）と、それを両側から挟み込む拡散電極（図示せ
ず）であるアノード及びカソードと、さらにそれらを両
側から挟み込む２枚のセパレータ（図示せず）と、で構
成されている。セパレータの両面には、凹凸が形成され
ており、挟み込んだアノードとカソードとの間で、単セ
ル内ガス流路を形成している。このうち、アノードとの
間で形成される単セル内ガス流路には、前述したごとく
供給された水素ガスが、カソードとの間で形成される単
セル内ガス流路には、酸化ガスが、それぞれ流れてい
る。なお、スタックケース内にスタックを収納した燃料
電池２００の構成については、後にさらに詳しく説明す
る。

【００２５】一方、高圧水素ガスタンク３００は、内部
に高圧の水素ガスを蓄えており、根本に取り付けられた
シャットバルブ３０２を開くことにより、およそ２０〜
３５ＭＰａの圧力を有する水素ガスが放出される。な
お、本実施例の場合、高圧水素ガスタンク３００は、車
両内に４本搭載されている。

【００２６】その他、本実施例の燃料電池システム１０
０は、図１に示すように、システム内で水素ガスを流通
させるための水素ガス流路と、酸化ガスを流通させるた
めの酸化ガス流路と、電気化学反応に供された後に排出
される酸化ガスであるカソードオフガスに含まれる水を
循環させるための水循環流路６０１と、システム全体を
制御するためのパワーコントロールユニット７００を備
えている。

【００２７】このうち、水素ガス流路は、高圧水素ガス
タンク３００の放出口から燃料電池２００の供給口に至
る本流流路４０１と、燃料電池２００の排出口からポン
プ４１０を介して本流流路４０１に戻る循環流路４０３
と、循環している水素ガス中の不純物を排出するための
排出流路４０５と、圧力異常時に水素ガスを排出するた
めのリリーフ流路４０７，４０９と、水素ガス漏れをチ
ェックする際に用いるリークチェック流路４１１と、水
素ガス供給ポート４２８から高圧水素ガスタンク３００
の充填口に至る供給流路４１３と、を備えている。本実
施例では、水素ガスの供給源として高圧水素ガスタンク
３００を用いており、高圧の水素ガスを放出することが
できる。

【００２８】本流流路４０１では、高圧水素ガスタンク
３００の放出口にシャットバルブ３０２および放出マニ
ュアルバルブ３０４が配置されており、流路途中に減圧
バルブ４１８，熱交換器４２０および減圧バルブ４２２
がそれぞれ配置されており、燃料電池２００の供給口に
シャットバルブ２０２が配置されている。また、循環流
路４０３には、燃料電池２００の排出口にシャットバル
ブ２０４が配置されており、流路途中に、気液分離器４
０６，ポンプ４１０及び逆止弁４１９がそれぞれ配置さ
れている。また、供給流路４１３には、高圧水素ガスタ
ンク３００の充填口に逆止弁３０６および充填マニュア
ルバルブ３０８が配置されている。さらに、排出流路４
０５にはシャットバルブ４１２および水素希釈器４２４
が、リリーフ流路４０７にはリリーフバルブ４１４が、
同じくリリーフ流路４０９にはリリーフバルブ４１６
が、リークチェック流路４１１には、リークチェックボ
ート４２６が、それぞれ配置されている。

【００２９】一方、酸化ガス流路は、燃料電池２００に
酸化ガスを供給するための酸化ガス供給流路５０１と、
燃料電池２００から排出されたカソードオフガスが通過
するカソードオフガス排出流路５０３と、除湿したカソ
ードオフガスを水素希釈器４２４に導くためのカソード
オフガス導入流路５０５と、を備えている。

【００３０】酸化ガス供給流路５０１には、エアクリー
ナ５０２と、コンプレッサ５０４と、加湿モジュール５
０６と、が配置されている。また、カソードオフガス排
出流路５０３には、調圧弁５０８と、前述の加湿モジュ
ール５０６と、気液分離器５１０と、消音器５１２と、
オフガス排出口５１４が配されている。

【００３１】また、水循環流路６０１には、ポンプ６０
２，６０６と、加湿水タンク６０４と、インジェクタ６
０８と、が配されている。

【００３２】さらに、パワーコントロールユニット７０
０は、図示しない各種センサから得られた検出結果を入
力すると共に、各バルブ２０２，２０４，３０２，４１
２や、ポンプ４１０，６０２，６０６や、コンプレッサ
５０４をそれぞれ制御する。なお、図面を見やすくする
ために、制御線等は省略されている。また、ポンプ４１
０や、コンプレッサ５０４や、ポンプ６０２，６０６な
どは、それぞれ、モータによって駆動されるが、それら
についても省略されている。なお、放出マニュアルバル
ブ３０４および充填マニュアルバルブ３０８は、それぞ
れ、手動で開閉されるようになっている。

【００３３】それではまず、酸化ガスの流れについて説
明する。パワーコントロールユニット７００によってコ
ンプレッサ５０４を駆動すると、大気中の空気が酸化ガ
スとして取り込まれ、エアクリーナ５０２によって浄化
され、さらに、コンプレッサ５０４によって加圧された
後、酸化ガス供給流路５０１を通り、加湿モジュール５
０６を介して燃料電池２００に供給される。

【００３４】供給された酸化ガスは、燃料電池２００内
において、上述した電気化学反応に使用された後、カソ
ードオフガスとして排出される。排出されたカソードオ
フガスは、カソードオフガス排出流路５０３を通り、調
圧弁５０８を介した後、再び、加湿モジュール５０６に
流入される。

【００３５】前述したように、燃料電池２００内のカソ
ード側では、式（２）に従って水（Ｈ₂Ｏ ）が生成され
るため、燃料電池２００から排出されるカソードオフガ
スは、非常にウェットで、多くの水分を含んでいる。一
方、大気中から取り入れて、コンプレッサ５０４によっ
て加圧された酸化ガス（空気）は、湿度の低いガスであ
る。本実施例では、酸化ガス供給流路５０１とカソード
オフガス排出流路５０３を一つの加湿モジュール５０６
を通過させ、両者の間で水蒸気交換を行なうことによ
り、非常にウェットなカソードオフガスからドライな酸
化ガスへ水分を与えるようにしている。この結果、加湿
モジュール５０６から流出され燃料電池２００へ供給さ
れる酸化ガスはある程度ウェットになり、加湿モジュー
ル５０６から流出され車両外部の大気中へ排出されるカ
ソードオフガスはある程度ドライになる。

【００３６】こうして、加湿モジュール５０６において
或る程度ドライになったカソードオフガスは、次に、気
液分離器５１０に流入される。気液分離器５１０では、
その内部をカソードオフガスが通過することによって、
カソードオフガスから液体分が除去される。これによっ
てカソードオフガスは、よりドライとなる。また、除去
された水分は回収水として回収され、ポンプ６０２によ
って汲み上げられて、加湿水タンク６０４に蓄えられ
る。そして、この回収水はポンプ６０６によってインジ
ェクタ６０８に送り出され、コンプレッサ５０４の流入
口で、インジェクタ６０８により霧吹きされて、エアク
リーナ５０２からの酸化ガスに混合される。こうするこ
とによって、酸化ガス供給流路５０１を通る酸化ガスを
さらにウェットにしている。

【００３７】以上のようにして、気液分離器５１０にお
いてさらにドライになったカソードオフガスは、その
後、消音器５１２で消音されて、オフガス排出口５１４
から車両外部の大気中に排出される。

【００３８】次に、水素ガスの流れについて説明する。
高圧水素ガスタンク３００の放出マニュアルバルブ３０
４は、通常時は、常に開いており、充填マニュアルバル
ブ３０８は、常に閉じている。また、高圧水素ガスタン
ク３００のシャットバルブ３０２と、燃料電池２００の
シャットバルブ２０２，２０４は、それぞれ、パワーコ
ントロールユニット７００によって、燃料電池システム
の運転時には開いているが、停止時には閉じている。そ
の他、排出流路４０５のシャットバルブ４１２は、パワ
ーコントロールユニット７００によって、運転時には、
基本的に閉じている。なお、リリーフバルブ４１４，４
１６は、通常は閉じており、圧力異常時などの場合に開
いて、過剰な圧力を逃がすように働く。

【００３９】運転時において、前述したとおり、パワー
コントロールユニット７００がシャットバルブ３０２を
開くと、高圧水素ガスタンク３００からは水素ガスが放
出され、その放出された水素ガスは、本流流路４０１を
通って燃料電池２００に供給される。供給された水素ガ
スは、燃料電池２００内において前述の電気化学反応に
使用された後、残りは水素オフガスとして排出される。
排出された水素オフガスは、循環流路４０３を通って本
流流路４０１に戻され、再び、燃料電池２００に供給さ
れる。このとき、循環流路４０３の途中に設けられてい
るポンプ４１０が駆動することによって、循環流路４０
３を通る水素オフガスは勢いをつけて本流流路４０１に
送り出される。こうして、水素ガスは、本流流路４０１
及び循環流路４０３を通って循環している。なお、循環
流路４０３中において、本流流路４０１との接続点と、
ポンプ４１０との間には、循環している水素オフガスが
逆流しないようにするために、逆止弁４１９が設けられ
ている。

【００４０】このように、水素オフガスを本流流路４０
１に戻して水素ガスを循環させることにより、燃料電池
２００で使用される水素量は同じであっても、燃料電池
２００に供給される水素ガスの見かけの流量が多くな
り、流速も速くなるため、燃料電池２００に対する水素
の供給という観点から、有利な条件を作り出している。
この結果、燃料電池２００の出力電圧も上がる。

【００４１】また、燃料電池２００内では、酸化ガスに
含まれる窒素などの不純物がカソード側から電解質膜を
透過してアノード側に漏れ出してくる。本実施例の燃料
電池システム１００では、アノードに供給する水素ガス
を循環させているため、上記不純物は水素ガス流路全体
で均一化される。したがって、電解質膜を介して漏れだ
してきた不純物が蓄積することで燃料電池２００におけ
る発電動作に支障を来たすのを抑えることができる。

【００４２】もとより、水素ガスを循環して均一化させ
たとしても、燃料電池２００内において、カソード側か
らアノード側には不純物が常時漏れ出してくるため、長
時間経てば、均一化された水素ガス中の不純物の濃度は
次第に上がり、それに連れて水素の濃度は低下する。そ
のため、循環流路４０３から分岐した排出流路４０５
に、シャットバルブ４１２を設け、パワーコントロール
ユニット７００によって、このシャットバルブ４１２を
定期的に開いて、循環している不純物を含む水素ガスの
一部を排出している。シャットバルブ４１２を開くこと
で、不純物を含んだ水素ガスの一部は循環路から排出さ
れ、その分だけ、高圧水素ガスタンク３００からの純粋
な水素ガスが導入される。これにより、水素ガス中の不
純物の濃度は下がり、逆に水素の濃度は上がる。この結
果、燃料電池２００は、発電を継続して適切に行なうこ
とができる。シャットバルブ４１２を開く時間間隔は、
運転条件や出力により異なるが、例えば５秒に１回程度
としても良い。

【００４３】なお、燃料電池２００の発電動作中にシャ
ットバルブ４１２を開けたとしても、燃料電池２００の
出力電圧は一瞬下がるだけで、大きな電圧低下にはなら
ない。シャットバルブ４１２の開放時間としては、１秒
以下が好ましく、例えば、５００ｍｓｅｃ程度がより好
ましい。

【００４４】シャットバルブ４１２から排出された水素
ガスは、排出流路４０５を通って、水素希釈器４２４に
供給される。水素希釈器４２４には、カソードオフガス
排出流路５０３から分岐したカソードオフガス導入流路
５０５を通って、カソードオフガスも供給されている。
水素希釈器４２４では、これら供給された水素ガスとカ
ソードオフガスとを混合することによって、シャットバ
ルブ４１２から排出された水素ガスを希釈している。希
釈された水素ガスは、カソードオフガス排出流路５０３
に送り込まれ、カソードオフガス排出流路５０３を流れ
るカソードオフガスとさらに混合される。そして、混合
されたガスは、オフガス排出口５１４から車両外の大気
中に排気される。

【００４５】なお、ポンプ４１０は、パワーコントロー
ルユニット７００によって、その駆動が制御されてお
り、燃料電池２００の発生した電力の消費量に応じて、
循環流路４０３を流れる水素オフガスの流速、即ち燃料
としての水素ガスの供給量を変化させている。

【００４６】また、高圧水素ガスタンク３００の出口近
傍には、１次減圧用の減圧バルブ４１８と２次減圧用の
減圧バルブ４２２の２つ減圧バルブが設けられている。
これらの減圧バルブは、高圧水素ガスタンク３００内の
高圧の水素ガスを、２段階で減圧している。即ち、具体
的には、１次減圧用の減圧バルブ４１８によって、およ
そ２０〜３５ＭＰａからおよそ０．８〜１ＭＰａに減圧
し、さらに２次減圧用の減圧バルブ４２２によって、お
よそ０．８〜１ＭＰａからおよそ０．２〜０．３ＭＰａ
に減圧する。この結果、高圧の水素ガスを燃料電池２０
０に供給して、燃料電池２００を傷めるということがな
い。

【００４７】なお、１次減圧用の減圧バルブ４１８によ
って、高圧の水素ガスをおよそ２０〜３５ＭＰａからお
よそ０．８〜１ＭＰａに減圧される。高圧水素ガスタン
ク３００からの水素放出は、膨張を伴うために圧力、流
量によって、放出温度が変化する。本実施例では、１次
減圧用の減圧バルブ４１８と２次減圧用の減圧バルブ４
２２との間に、熱交換器４２０を配置して、減圧後の水
素ガスに対して熱交換する仕組みを採用している。この
熱交換器４２０には、図示していないが、燃料電池２０
０を循環した冷却水が供給されており、その冷却水と温
度変化した水素ガスとの間で熱交換が行なわれる。水素
ガスの温度は、この熱交換器４２０を通過することによ
って、ほぼ適正な温度範囲となり、燃料電池２００に供
給することができる。従って、燃料電池２００内では、
十分な反応温度が得られるため、電気化学反応が進み、
適正な発電動作を行なうことができる。

【００４８】また、前述したように、燃料電池２００内
のカソード側では、式（２）に従って水（Ｈ₂Ｏ） が生
成され、生成された水は電解質膜を通してアノード側に
も入ってくる。従って、燃料電池２００から排出される
水素オフガスは、電解質膜を通して入り込んだ上記生成
水によって加湿された状態となる。本実施例では、循環
流路４０３の途中に気液分離器４０６を設け、水素オフ
ガスに気液分離器４０６内を通過させることによって、
水素オフガスに含まれる水分を取り除き、水素オフガス
をより乾燥した状態としてポンプ４１０に送るようにし
ている。このように、水素オフガスを除湿するため、水
素ガス流路内で水分の滞留が生じることがなく、発電動
作は良好に継続される。

【００４９】一方、減圧バルブ４１８や４２２が故障す
るなどの異常が生じた場合には、燃料電池２００に供給
される水素ガスの圧力が異常に高くなることがあり得
る。本実施例では、本流流路４０１における減圧バルブ
４１８の後段で分岐したリリーフ流路４０７に、リリー
フバルブ４１４を設けると共に、減圧バルブ４２２の後
段で分岐したリリーフ流路４０９に、リリーフバルブ４
１６を設けている。この結果、減圧バルブ４１８から減
圧バルブ４２２に至る本流流路４０１中の水素ガスの圧
力が所定値以上に上がった場合に、リリーフバルブ４１
４が開いて、また、減圧バルブ４２２から燃料電池２０
０に至る本流流路４０１中の水素ガスの圧力が所定値以
上に上がった場合には、リリーフバルブ４１６が開い
て、車両外の大気中に水素ガスを排気して、水素ガスの
圧力がそれ以上高くなるのを防止している。

【００５０】高圧水素ガスタンク３００に水素ガスを充
填する場合には、車両の側面に設けられている水素ガス
供給ポート４２８に、水素ガス供給パイプ（図示せず）
をつなぎ、高圧水素ガスタンク３００に取り付けられて
いる充填マニュアルバルブ３０８を手動で開く。こうす
ることで、水素ガス供給パイプから供給される高圧の水
素ガスは、供給流路４１３を介して高圧水素ガスタンク
３００に充填される。なお、高圧水素ガスタンク３００
の根本には逆止弁３０６が設けられており、ガス充填時
の逆流事故を防止している。

【００５１】図２は図１の燃料電池システムを搭載した
車両の縦断面を模式的に示した断面図である。本実施例
の燃料電池システム１００は、図２に示すように、車両
１０全体にわたって配置されている。このうち、車両１
０のフロント部１０ａには、主として、燃料電池２００
や、パワーコントロールユニット７００や、コンプレッ
サ５０４などが配置され、床下部１０ｂには、水素ガス
流路４０１，４０３やポンプ４１０などが配置され、リ
ア部１０ｃには、高圧水素ガスタンク３００や水素ガス
供給ポート４２８などが配置されている。

【００５２】図１に示した燃料電池システムの他、フロ
ント部１０ａには、燃料電池２００によって発生された
電力により車両１０の推進力を生じさせる駆動モータ８
００や、駆動モータ８００の発生したトルクを車軸に伝
えるギヤ８１０や、駆動モータ８００を冷却させるため
のラジエタ８２０や、エアコン用のコンデンサ８３０
や、燃料電池２００を冷却するためのメインラジエタ８
４０などが配置され、床下部１０ｂには、燃料電池２０
０を冷却するためのサブラジエタ８５０などが配置さ
れ、リア部１０ｃには、燃料電池２００を補助するため
の２次電池８６０などが配置されている。

【００５３】Ｂ．燃料電池２００における水素漏れ対
策：図３は、燃料電池２００の断面の様子を模式的に表
わす説明図である。燃料電池２００では、単セルを積層
して成るスタック２１０が、スタックケース２２０内に
収納されている。スタックケース２２０は、充分な強度
および剛性を備える材料によって形成された上蓋部２２
２と収納部２２４という二つの部材から成っている。ス
タック２１０は、マウント２３０によって収納部２２４
内に固定されている。マウント２３０は、スタック２１
０に伝わる衝撃を吸収する役目も果たしている。スタッ
ク２１０を内部に収納した収納部２２４の開口部は、上
蓋部２２２によって閉じられている。上蓋部２２２と収
納部２２４との間は、ガスケット２３４によって気密性
が確保されると共に、締め付け具２３２によって両者は
固定されている。

【００５４】また、上蓋部２２２の内壁面には、基板２
４０が取り付けられている。基板２４０は、燃料電池２
００の駆動に関わる制御を行なうための回路の一部を備
えている。すなわち、燃料電池２００の内部温度に関わ
る情報など、燃料電池２００の動作状態を表わす種々の
信号を入力すると共に、燃料電池２００の各部に対して
駆動信号を出力する。基板２４０は、パワーコントロー
ルユニット７００と接続されており、基板２４０が入力
した燃料電池２００の動作状態に関わる検出信号は、基
板２４０を介してパワーコントロールユニット７００に
も伝えられる。また、パワーコントロールユニット７０
０からシャットバルブ２０２やシャットバルブ２０４に
出力される駆動信号は、基板２４０を介して伝えられ
る。

【００５５】また、上蓋部２２２には、水素濃度センサ
２４２が設けられている。水素濃度センサ２４２は、ス
タック２１０が配設されたスタックケース２２０内の空
隙における水素濃度を検出する。水素濃度センサ２４２
が出力する検出信号は、基板２４０を介してパワーコン
トロールユニット７００に伝えられる。燃料電池２００
において不測の事態が生じ、上記スタックケース２２０
内の空隙に水素が漏れ出した場合には、この水素濃度セ
ンサ２４２によってこれを検知することができる。上記
したように上蓋部２２２の内側には基板２４０が配設さ
れており、上蓋部２２２は、基板２４０を取り付けるた
めに部分的に凸部を有している。水素濃度センサ２４２
は、このように凸部となっている部位に配設されてい
る。水素は、空気を構成する他の気体成分に比べて軽い
ため、スタックケース２２０内に漏れ出した水素は、ス
タックケース２２０内の空隙の上方、すなわち凸部に集
まる。したがって、スタックケース２２０の上方を構成
する上蓋部２２２の凸部に水素濃度センサ２４２を設け
ることで、水素漏れがあったときにはいち早くこれを検
知することが可能となる。

【００５６】さらに、上蓋部２２２には、連通路２５０
が接続している。連通路２５０は、スタックケース２２
０内とエアクリーナ５０２とを連通させる流路である。
図４は、図１に示した燃料電池システム１００の構成に
おいて燃料電池２００の近傍を拡大して、連通路２５０
が設けられた様子を模式的に示した説明図である。ま
た、図５は、燃料電池２００とエアクリーナ５０２との
間に連通路２５０が設けられている様子を表わす説明図
である。連通路２５０は、上蓋部２２２が有する上記凸
部において、スタックケース２２０内の上記空隙と連通
している。

【００５７】エアクリーナ２５０は、空気浄化用のフィ
ルタを備え、このフィルタを通過させることによって、
外部から取り込んだ空気から異物を取り除く装置であ
る。エアクリーナ２５０には、図５に示すように、外部
から取り込んだ空気が流入するダスティサイド５０２ｂ
と、このダスティサイド５０２ｂに流入した空気が上記
フィルタを通過して浄化された後に流入するクリーンサ
イド５０２ａとを備えている。連通路２５０は、クリー
ンサイド５０２ａにおいて、エアクリーナ２５０内と連
通している。

【００５８】酸化ガスとして燃料電池２００に供給する
空気は、コンプレッサ５０４を駆動することで生じる吸
引力によって外部から取り込まれ、エアクリーナ２５０
で浄化された後に、酸化ガス供給流路５０１によって燃
料電池２００に導かれる。したがって、コンプレッサ５
０４よりも上流側に設けられたエアクリーナ２５０のク
リーンサイド５０２ａ内では、外部に比べて圧力が低い
状態となっている。クリーンサイド５０２ａにおける負
圧の程度は、コンプレッサ５０４における駆動力と、エ
アクリーナ５０２が備えるフィルタを空気が通過する際
に生じる抵抗の大きさなどによって決まる。

【００５９】スタックケース２２０を構成する上蓋部２
２２と収納部２２４の間の接続部２２６（図４参照）
は、既述したように締め付け具２３２およびガスケット
２３４によって、密着されている。しかしながら、上記
のように圧力の低いクリーンサイド５０２ａとスタック
ケース２２０内とを連通させると、スタックケース２２
０内からクリーンサイド５０２ａ側に吸引力が働く。こ
れによって、上蓋部２２２と収納部２２４の間の接続部
２２６より微量の空気がスタックケース２２０内に流入
し、スタックケース２２０内からクリーンサイド５０２
ａ側に、スタックケース２２０内の気体が吸引される。
図４では、接続部２２６から空気が流入する様子、およ
び、連通路２５０を介して気体が吸引される様子を、矢
印で示した。スタックケース２２０内からクリーンサイ
ド５０２ａに吸引された気体は、外部から取り込まれて
浄化された空気に混合されて、酸化ガスの一部として燃
料電池２００のカソード側に供給される。

【００６０】以上のように構成された本実施例の燃料電
池システム１００によれば、スタックケース２２０内に
水素が漏れだした場合にも、漏れだした水素はエアクリ
ーナ５０２のクリーンサイド５０２ａに吸引されるた
め、スタックケース２２０内で水素濃度が上昇しすぎる
のを防止することができる。また、このようにスタック
ケース２２０内に漏れだした水素をスタックケース２２
０内から取り除くための動作を、連通路２５０を設ける
という簡単な構成によって実現するため、装置の大型化
を招くこともない。さらに、スタックケース２２０内の
水素を取り除くために、外部から酸化ガスである空気を
取り込むために設けたコンプレッサ５０４の動力を利用
しているため、特別にエネルギを消費することがない。

【００６１】また、連通路２５０は、上方に隆起した構
造として上蓋部２２２に設けられた凸部において、スタ
ックケース２２０と接続しているため、スタックケース
２２０内に漏れ出して上方に集まった水素をいち早く排
出することができる。したがって、スタックケース２２
０内への水素の漏れ出しがあった場合にも、水素濃度が
極めて薄いうちに（水素濃度センサ２４２によって水素
の漏れ出しが検出される前に）水素を排出することがで
きる。また、水素濃度が高くなり易い凸部において水素
を排出することから、スタックケース２２０内におい
て、部分的であっても、望ましくない程度に水素濃度が
上昇する領域が生じるのを防止することができる。この
ように、スタックケース２２０における連通路２５０と
の接続部は、水素が集まりやすい上方に設けることが望
ましい。

【００６２】このように、連通路２５０を介してスタッ
クケース２２０内から気体が吸い出される際には、既述
したように、上蓋部２２２と収納部２２４との接続部よ
り微量の空気がスタックケース２２０内に流入する。こ
こで、上蓋部２２２と収納部２２４とが接続する部位
は、連通路２５０と上蓋部２２２との接続部よりも下方
に位置する。したがって、上蓋部２２２と収納部２２４
との接続部から空気が流入して、連通路２５０と上蓋部
２２２との接続部から排出されるというスタックケース
２２０内の気体の流れによって、スタックケース２２０
内の上方に集まる水素を効率よく排出することができ
る。

【００６３】なお、既述したように、スタックケース２
２０内から排出された水素は、外部から取り込んだ空気
に混合されて、酸化ガスの一部として燃料電池２００の
カソード側に供給される。ここで、スタックケース２２
０内に漏れ出す水素は通常は極微量であり、これがさら
に空気と混合されるため、酸化ガス中の水素濃度は極め
て低くなる。したがって、連通路２５０を設けることに
よって電気化学反応に不都合を引き起こすおそれはな
い。

【００６４】また、スタックケース２２０内において、
不測の事態により、連通路２５０によって汲み出す速度
が不十分となるほど水素の漏れがあったときには、スタ
ックケース２２０内で水素濃度が上昇を始める。このよ
うな場合には、水素濃度センサ２４２によってこれを検
知することが可能となる。

【００６５】Ｃ．変形例：なお、この発明は上記の実施
例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱
しない範囲において種々の態様において実施することが
可能であり、例えば次のような変形も可能である。

【００６６】Ｃ１．変形例１：上記実施例では、エアク
リーナ５０２のクリーンサイド５０２ａとスタックケー
ス２２０内とは、常に連通路２５０によって連通された
状態としたが、連通路２５０に開閉弁を設け、開閉状態
を制御することとしても良い。スタックケース２２０内
に水素が漏れ出した場合に、スタックケース２２０内部
で水素濃度が上昇しすぎる前に、スタックケース２２０
内から水素を排出することができればよい。

【００６７】Ｃ２．変形例２：上記実施例では、スタッ
クケース２２０内の空隙への空気の流入は、上蓋部２２
２と収納部２２４との接続部から行なわれることとした
が、スタックケース２２０内に空気を導入するための細
孔をスタックケース２２０に設けることとしても良い。
この場合にも、上記細孔を、連通路２５０と上蓋部２２
２との接続部よりも下方に設けることが望ましい。

【００６８】Ｃ３．変形例３：また、燃料電池システム
において、スタックケース２２０内に漏れ出した水素を
排出するために、エアクリーナ５０２のクリーンサイド
５０２ａ以外の構成要素と、スタックケース２２０内と
を連通させることとしても良い。スタックケース２２０
内に比べて充分に内部圧力が低い構成要素であって、微
量の水素が内部に導入されても支障のないものであれ
ば、同様に用いることができる。図６は、スタックケー
ス２２０内に漏れ出した水素を排出するための連通路２
５０ａを備える変形例としての燃料電池システムの構成
を表わす説明図である。連通路２５０ａは、酸化ガス供
給流路５０１の一部であって、エアクリーナ５０２とコ
ンプレッサ５０４とを接続する流路と、スタックケース
２２０内とを連通させる流路である。酸化ガス供給流路
５０１において、コンプレッサ５０４よりも上流側は、
コンプレッサ５０４を駆動することによって、スタック
ケース２２０内に比べて圧力が低い状態となる。したが
って、連通路２５０ａを設ける場合にも、連通路２５０
を設けた上記実施例と同様に気体が流れる。すなわち、
接続部２２６を介して外部からスタックケース２２０内
に空気が流入すると共に、スタックケース２２０内に漏
れだした水素は連通路２５０ａを介して排出可能となる
（図６中の矢印参照）。

【００６９】あるいは、燃料電池システムにおいて、ス
タックケース２２０内に比べて充分に内部圧力が高い構
成要素であって、微量の水素が内部に導入されても支障
のないものと、スタックケース２２０内とを連通させる
こととしても良い。図７は、スタックケース２２０内に
漏れ出した水素を排出するための連通路２５０ｂを備え
る変形例としての燃料電池システムの構成を表わす説明
図である。連通路２５０ｂは、酸化ガス供給流路５０１
の一部であって、コンプレッサ５０４と加湿モジュール
５０６とを接続する流路と、スタックケース２２０内と
を連通させる流路である。酸化ガス供給流路５０１にお
いて、コンプレッサ５０４よりも下流側は、コンプレッ
サ５０４を駆動することによって、スタックケース２２
０内に比べて圧力が高い状態となる。したがって、連通
路２５０ｂを設ける場合には、連通路２５０を設けた上
記実施例とは逆方向に気体が流れる。すなわち、連通路
２５０ｂを介してスタックケース２２０内に空気が流入
すると共に、スタックケース２２０内に漏れ出した水素
は接続部２２６を介して排出可能となる（図７中の矢印
参照）。

【００７０】また、図８は、スタックケース２２０内に
漏れ出した水素を排出するための連通路２５０ｃを備え
る変形例としての燃料電池システムの構成を表わす説明
図である。連通路２５０ｃは、カソードオフガス排出流
路５０３とスタックケース２２０内とを連通させる流路
である。コンプレッサ５０４が空気を加圧して燃料電池
２００に供給することにより、燃料電池２００から排出
されるカソードオフガスが通過するカソードオフガス排
出流路５０３は、スタックケース２２０内に比べて圧力
が高い状態となる。したがって、連通路２５０ｃを設け
る場合には、図７と同様の方向に気体が流れる。すなわ
ち、連通路２５０ｃを介してスタックケース２２０内に
空気が流入すると共に、スタックケース２２０内に漏れ
だした水素は接続部２２６を介して排出可能となる（図
８中の矢印参照）。

【００７１】上記変形例でスタックケース２２０内と連
通させた各部のように、燃料電池システムの運転中にス
タックケース２２０（電池本体の収納ケース）の内部の
圧力とは圧力差を生じる差圧室と、収納ケースとを連通
させることで、収納ケース中の水素濃度の上昇を抑える
ことが可能となる。

【００７２】Ｃ４．変形例４：上記実施例の燃料電池シ
ステム１００では、燃料電池２００に供給する燃料ガス
として、高圧水素ガスタンク３００に充填した水素ガス
を用いたが、異なる構成とすることもできる。例えば、
ガソリンや天然ガスあるいはアルコールなどの炭化水素
系燃料を改質して得られる水素リッチガスを、燃料ガス
として用いることとしても良い。あるいは、水素分離膜
を備えた水素分離装置などを用いて上記水素リッチガス
から抽出した水素を、燃料ガスとして燃料電池２００に
供給することとしても良い。水素を含有する燃料ガスを
供給される燃料電池に本発明を適用することにより、燃
料電池の本体部を収納するケース内で、望ましくない程
度に水素濃度が上昇してしまうのを防止することができ
る。

【００７３】Ｃ５．変形例５：上記実施例では、スタッ
クケース２２０内に、スタック２１０およびスタック２
１０に接続する配管（本流流路４０１および循環流路４
０３における燃料電池２００との接続部近傍部）のみを
収納したが、燃料ガスの供給に関わる他の構成要素をさ
らに収納することとしても良い。燃料電池２００に燃料
ガスを供給する動作に関わる構成要素が、燃料電池の本
体部と共にケース内に収納されるシステムにおいて、本
発明を適用することとすれば、ケース内に収納された各
部から水素が漏れ出すことによってケース内の水素濃度
が上昇してしまうのを、防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例としての車載用燃料電池シス
テムを示す構成図である。

【図２】燃料電池システム１００を搭載した車両の縦断
面を模式的に示した図である。

【図３】燃料電池２００の断面の様子を模式的に表わす
説明図である。

【図４】燃料電池２００の近傍を拡大して、連通路２５
０が設けられた様子を模式的に示した説明図である。

【図５】燃料電池２００とエアクリーナ５０２との間に
連通路２５０が設けられている様子を表わす説明図であ
る。

【図６】連通路２５０ａを備える変形例を表わす説明図
である。

【図７】連通路２５０ｂを備える変形例を表わす説明図
である。

【図８】連通路２５０ｃを備える変形例を表わす説明図
である。

【符号の説明】

１０…車両 １０ａ…フロント部 １０ｂ…床下部 １０ｃ…リア部 １００…燃料電池システム ２００…燃料電池 ２０２，２０４，３０２，４１２…シャットバルブ ２１０…スタック ２２０…スタックケース ２２２…上蓋部 ２２４…収納部 ２２６…接続部 ２３０…マウント ２３２…締め付け具 ２３４…ガスケット ２４０…基板 ２４２…水素濃度センサ ２５０…エアクリーナ ２５０，２５０ａ，２５０ｂ、２５０ｃ…連通路 ３００…高圧水素ガスタンク ３０４…放出マニュアルバルブ ３０６…逆止弁 ３０８…充填マニュアルバルブ ４０１…本流流路 ４０３…循環流路 ４０５…排出流路 ４０６…気液分離器 ４０７，４０９…リリーフ流路 ４１０，６０２，６０６…ポンプ ４１１…リークチェック流路 ４１３…供給流路 ４１４，４１６…リリーフバルブ ４１８…減圧バルブ ４１９…逆止弁 ４２０…熱交換器 ４２２…減圧バルブ ４２４…水素希釈器 ４２６…リークチェックボート ４２８…水素ガス供給ポート ５０１…酸化ガス供給流路 ５０２…エアクリーナ ５０２ａ…クリーンサイド ５０２ｂ…ダスティサイド ５０３…カソードオフガス排出流路 ５０４…コンプレッサ ５０５…カソードオフガス導入流路 ５０６…加湿モジュール ５０８…調圧弁 ５１０…気液分離器 ５１２…消音器 ５１４…オフガス排出口 ６０１…水循環流路 ６０４…加湿水タンク ６０８…インジェクタ ７００…パワーコントロールユニット ８００…駆動モータ ８１０…ギヤ ８２０…ラジエタ ８３０…コンデンサ ８４０…メインラジエタ ８５０…サブラジエタ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 田中 秀幸 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 Ｆターム(参考） 5H026 AA06 CX06 CX10 HH09 5H027 AA06 BA13 BA19 BC11 BC19 KK11

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 水素を含有する燃料ガスと酸素を含有す
   る酸化ガスの供給を受け、電気化学反応により起電力を
   得る燃料電池システムであって、 前記電気化学反応が進行する電池本体と収納ケースとを
   有する燃料電池と、 前記燃料電池システムの運転中に前記収納ケースの内部
   の圧力とは圧力差を生じる差圧室と、 前記収納ケースの内部と前記差圧室とを連通させる連通
   路とを備える燃料電池システム。
2. 【請求項２】 請求項１記載の燃料電池システムであっ
   て、 前記差圧室は、前記収納ケースに比べてその内部の圧力
   が低い燃料電池システム。
3. 【請求項３】 請求項２記載の燃料電池システムであっ
   て、 前記差圧室は、前記酸化ガスとして前記燃料電池に供給
   するために外部から取り込んだ空気を、空気中に含まれ
   る異物を取り除くためのフィルタに通過させることによ
   って浄化するエアクリーナであって、 前記エアクリーナによって浄化された空気の流路に設け
   られ、前記エアクリーナを介して外部から空気を取り込
   む吸引力を発生する空気吸引部をさらに備え、 前記連通路は、前記エアクリーナの内部であって、前記
   フィルタによって浄化された空気が通過する部位と、前
   記収納ケース内部とを連通させる燃料電池システム。
4. 【請求項４】 請求項１ないし３いずれか記載の燃料電
   池システムであって、 前記連通路が前記収納ケース内部と接続する接続部は、
   前記収納ケースの上面またはその近傍に設けられている
   燃料電池システム。
5. 【請求項５】 請求項１記載の燃料電池システムであっ
   て、 前記差圧室は、前記収納ケースに比べてその内部の圧力
   が高い燃料電池システム。