JP2004127748A

JP2004127748A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2004127748A
Application number: JP2002290976A
Authority: JP
Inventors: Ayanori Yamanashi; 山梨　文徳
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-10-03
Filing date: 2002-10-03
Publication date: 2004-04-22

Abstract

【課題】事故や故障が生じて、水素元弁を閉じたとき、その下流に残留する水素を問題のないレベルまで減少させる。
【解決手段】燃料電池制御装置３３は、Ｇセンサ２７が所定値を超える加速度を検出したとき、又は水素センサが水素漏れを検出したときに、水素タンク３のシャット弁５を閉じると共に、燃料電池スタック９にしばらく発電を継続させてシャット弁５の下流の残留水素を問題のないレベルまで減少させる。この発電による余剰電力は、パワーマネージャ１５を介して二次電池１３へ充電したり、燃料電池の補機である空気コンプレッサ１１，冷却水ポンプ２９で消費させる。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムに係り、特にシャット弁下流の配管や燃料電池スタック内部に残留する水素ガスを除去することができる燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、水素ガスなどの燃料ガスと酸素を有する酸化ガスとを電解質を介して電気化学的に反応させ、電解質両面に設けた電極間から電気エネルギを直接取り出すものである。
【０００３】
この燃料電池を車両の駆動源として利用する燃料電池車両が近年注目されている。すなわち、水素貯蔵装置または水素ガス発生装置を車両に搭載し、そこから供給される水素ガスと、酸素を含む空気とを燃料電池に送り込んで反応させ、燃料電池から取り出した電気エネルギで駆動用モータを駆動するものであり、排出物質は水だけであるという究極のクリーン車両である。
【０００４】
燃料電池システムにおいて、例えば、特許文献１に記載のような、高圧水素タンクから圧力調整した水素を燃料電池スタックに供給する燃料電池システムが知られている。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−２３１２９４号公報（第４ページ、図１）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
燃料電池システムの故障や事故、または燃料電池システムを搭載した車両の事故などの異常時に水素が漏れ出す虞がある場合、一般的に水素タンクのシャット弁を閉じて水素供給を停止し、水素ガス漏れを防止している。
【０００７】
しかしながら、従来の燃料電池システムや燃料電池車両においては、緊急時に水素タンクのシャット弁を閉じたとしても、シャット弁の下流側では配管内及び燃料電池スタックに水素が残留するという問題点があった。このような残留水素は、なるべく大気に放出しないようにすることが望ましい。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記問題点を解決するため、水素と酸化剤との電気化学反応により発電する燃料電池スタックと、燃料電池スタックに水素を供給する水素供給手段と、燃料電池スタックに酸化剤を供給する酸化剤供給手段と、前記水素供給手段から燃料電池スタックへの水素供給を停止するシャット弁と、前記シャット弁の下流側に残留した水素を除去する残留水素除去手段と、を備えたことを要旨とする燃料電池システムである。
【０００９】
【発明の効果】
本発明によれば、水素供給を停止した後に、残留水素除去手段がシャット弁下流に残留した水素を除去するため、残留水素が燃料電池システムの外部に放出されても問題のないレベルまで減少させることができるという効果がある。
【００１０】
【発明の実施の形態】
〔第１実施形態〕
次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１は、本発明に係る燃料電池システムの第１実施形態を搭載した燃料電池車両の概略構成を説明する構成図である。図１において、燃料電池車両１は、燃料である水素ガスを貯蔵する水素タンク３と、水素タンク３を開閉するシャット弁５と、水素タンク３から供給する水素ガスの圧力を調整する調圧弁７と、調圧弁７で圧力調整された水素ガスが燃料極に供給される燃料電池スタック９と、空気を圧縮して燃料電池スタック９の空気極へ送るコンプレッサ１１と、二次電池１３と、燃料電池スタック９が発電する電力を二次電池１３に充電したり、駆動モータ１７の駆動用電力に変換するパワーマネージャ１５と、パワーマネージャ１５からの電力を車両の駆動力に変換する駆動モータ１７と、駆動力を左右に分配する差動装置１９と、駆動軸２１を介して回転駆動される駆動輪２３と、従動輪２５と、車体に加えられる加速度を検出するＧセンサ２７と、燃料電池スタック９の冷却水を循環させる冷却水ポンプ２９と、冷却水の熱を外部へ放出するラジエータ３１と、燃料電池全体を制御する燃料電池制御装置３３とを備えている。
【００１１】
図１において、水素タンク３、シャット弁５及び調圧弁７が燃料電池スタック９に水素を供給する水素供給手段を構成している。また、コンプレッサ１１は、燃料電池スタック９に酸化剤としての空気を供給する酸化剤供給手段である。
【００１２】
燃料電池制御装置３３は、特に限定されないが、本実施形態では、ＣＰＵ、プログラムメモリ、ワークメモリ及びＩ／Ｏインタフェースを備えたマイクロプロセッサで実現されている。
【００１３】
燃料電池制御装置３３は、通常運転時には、調圧弁７，コンプレッサ１１、冷却水ポンプ２９等を制御して、燃料電池スタック９に供給する水素ガス圧力及び流量、燃料電池スタック９に供給する空気圧力及び流量、燃料電池スタック９の温度を制御する。
【００１４】
燃料電池制御装置３３には、Ｇセンサ２７及び図示しない水素センサが接続されている。そして、事故時や燃料電池システム故障時には、燃料電池制御装置３３は、シャット弁５を閉じて水素タンク３からの新たな水素の供給を停止するとともに、しばらく燃料電池スタック９に発電を継続させて、この余剰電力を二次電池１３へ充電することにより、シャット弁５下流の水素ガス配管や燃料電池スタック９内部に残留する水素を消費させて除去する残留水素除去手段として動作する。
【００１５】
次に、図２のフローチャートを参照して、本実施形態における燃料電池制御装置の緊急時残留水素除去動作を説明する。図２のフローチャートは、所定時間（例えば、１０〔ｍｓ〕）毎に、燃料電池制御装置３３のＣＰＵに呼び出されて、実行されるものとする。
【００１６】
動作説明の前に、本制御動作で使用するＧセンサフラグＧＳ、システム故障フラグＭＦと、タイマＴについて説明する。Ｇセンサ２７、または図示しない左右方向の加速度センサが検出した車体に対する加速度が所定値（車両が衝突した場合に発生する加速度で，設計要件で適宜決定される）以上の場合、事故と判定して、ＧセンサフラグＧＳが”１”（真）にセットされるようになっている。
【００１７】
また、燃料電池制御装置が暖機状態や通常の運転状態において、あり得ない燃料電池状態や制御上の矛盾を検出したり、水素センサが所定濃度（設計要件で適宜決定される）以上の水素ガスを検出した場合、システム故障フラグＭＦが”１”（真）にセットされるようになっている。
【００１８】
尚、Ｇセンサフラグ及びシステム故障フラグＭＦの初期値は、事故や故障が無いことを示す”０”（偽）である。タイマＴは、緊急時残留水素除去動作の経過時間を計測するソフトタイマであり、初期値は０とする。
【００１９】
図２のフローチャートにおいて、まず、ステップＳ１０において、ＧセンサフラグＧＳが１か否かを判定する。ＧＳ＝１ならば、Ｓ１４へ分岐する。ＧＳ≠１（ＧＳ＝０）ならば、Ｓ１２へ進み、システム故障フラグＭＦが１か否かを判定する。ＭＦ＝１ならばＳ１４へ進み、ＭＦ≠１（ＭＦ＝０）ならば、ＧＳ、ＭＦともにセットされていないので、緊急時残留水素除去は不要であるので、本ルーチンを終了し、メインルーチンへリターンする。
【００２０】
Ｓ１４では、ＧＳまたはＭＦの何れかがセットされた緊急時であるので、水素タンク３のシャット弁５を閉じる。次いで、Ｓ１６で、燃料電池スタック９の発電電力で二次電池１３の充電を開始する。Ｓ１８では、タイマＴの値を１だけ増加させ、Ｓ２０でタイマＴが所定時間＃ＴＳＨを超えているか否かを判断する。
【００２１】
Ｓ２０の判定で、Ｔが＃ＴＳＨを超えていなければ、残留水素を消費するために燃料電池スタック９の発電状態及びこの発電電力による二次電池１３の充電状態を継続して、リターンする。
【００２２】
Ｓ２０の判定で、Ｔが＃ＴＳＨを超えていれば、Ｓ２２へ進み、ＧセンサフラグＧＳ、システム故障フラグＭＦ、及びタイマＴをリセットする。そして、Ｓ２４で発電緊急停止フラグＥＳＤをセットして、リターンする。パワーマネージャ１５は、ＥＳＤフラグがセットされると、二次電池１３への充電を停止すると共に、燃料電池補機を停止させる。
【００２３】
ここで、所定時間＃ＴＳＨは、予めシャット弁５の下流の配管及び燃料電池スタック９の水素ガス通路容積に応じて設定された作動時間であり、残留水素を放出しても問題のないレベルまで消費して除去するための時間である。
【００２４】
尚、調圧弁７の下流に水素ガス圧力を検出する水素圧力センサを設けて、ＧセンサフラグＧＳまたはシステム故障フラグＭＦがセットされた時点の水素ガス圧力に応じて、＃ＴＳＨに代わる残留水素消費時間を設定してもよい。
【００２５】
以上説明した本実施形態によれば、シャット弁下流の残留水素を除去する残留水素除去手段として、燃料電池スタックの運転をしばらく継続し、発生した余剰電力で二次電池を充電するようにしたので、残留水素を放出しても問題ないレベルまで減少させることができるという効果がある。
【００２６】
〔第２実施形態〕
第２実施形態のシステム構成は、図１に示した第１実施形態と同様であるので、説明は省略する。本実施形態では、ＧセンサフラグＧＳやシステム故障フラグＭＦがセットされたときに、燃料電池スタック９をごく短時間作動継続させて、この時発生した余剰電力を、空気コンプレッサ１１や冷却水ポンプ２９などの燃料電池補機で消費させる。
【００２７】
次に、図３のフローチャートを参照して、本実施形態における燃料電池制御装置の緊急時残留水素除去動作を説明する。図３のフローチャートは、所定時間（例えば、１０〔ｍｓ〕）毎に、燃料電池制御装置３３のＣＰＵに呼び出されて、実行されるものとする。
【００２８】
図３のフローチャートにおいて、まず、ステップＳ１０において、ＧセンサフラグＧＳが１か否かを判定する。ＧＳ＝１ならば、Ｓ１４へ分岐する。ＧＳ≠１（ＧＳ＝０）ならば、Ｓ１２へ進み、システム故障フラグＭＦが１か否かを判定する。ＭＦ＝１ならばＳ１４へ進み、ＭＦ≠１（ＭＦ＝０）ならば、ＧＳ、ＭＦともにセットされていないので、緊急時残留水素除去は不要であるので、本ルーチンを終了し、メインルーチンへリターンする。
【００２９】
Ｓ１４では、ＧＳまたはＭＦの何れかがセットされた緊急時であるので、水素タンク３のシャット弁５を閉じる。次いで、Ｓ３２で、燃料電池スタック９の発電電力で駆動される燃料電池補機である空気コンプレッサ１１または冷却水ポンプ２９の駆動を継続する。Ｓ１８では、タイマＴの値を１だけ増加させ、Ｓ３４でタイマＴが所定時間＃ＴＳＨ２を超えているか否かを判断する。
【００３０】
Ｓ３４の判定で、Ｔが＃ＴＳＨ２を超えていなければ、残留水素を消費するために燃料電池スタック９の発電状態及びこの発電電力による空気コンプレッサ１１の駆動状態を継続して、リターンする。
【００３１】
Ｓ３４の判定で、Ｔが＃ＴＳＨ２を超えていれば、Ｓ２２へ進み、ＧセンサフラグＧＳ、システム故障フラグＭＦ、及びタイマＴをリセットする。そして、Ｓ２４で発電緊急停止フラグＥＳＤをセットして、リターンする。パワーマネージャ１５は、ＥＳＤフラグがセットされると、空気コンプレッサ１１，冷却水ポンプ２９などの燃料電池補機を停止させる。
【００３２】
ここで、所定時間＃ＴＳＨ２は、予めシャット弁５の下流の配管及び燃料電池スタック９の水素ガス通路容積に応じて設定された作動時間であり、残留水素を放出しても問題のないレベルまで消費して除去するための時間である。
【００３３】
尚、調圧弁７の下流に水素ガス圧力を検出する水素圧力センサを設けて、ＧセンサフラグＧＳまたはシステム故障フラグＭＦがセットされた時点の水素ガス圧力に応じて、＃ＴＳＨ２に代わる残留水素消費時間を設定してもよい。
【００３４】
以上説明した本実施形態によれば、シャット弁下流の残留水素を除去する残留水素除去手段として、燃料電池スタックの運転をしばらく継続し、発生した余剰電力は、空気コンプレッサや冷却水ポンプなどの燃料電池補機を駆動して消費するようにしたので、残留水素を放出しても問題ないレベルまで減少させることができるという効果がある。
【００３５】
〔第３実施形態〕
図４は、本発明に係る燃料電池システムの第３実施形態を搭載した燃料電池車両の概略構成を説明する構成図である。図１に示した第１実施形態との相違は、調圧弁７と燃料電池スタック９との接続配管にシャット弁３５を介して緊急用ボンベとしての真空ボンベ３７を備えていることである。その他の構成要素は、第１実施形態と同様であるので、同じ構成要素には同じ符号を付与して、重複する説明を省略する。
【００３６】
緊急用ボンベとしての真空ボンベ３７は、水素タンク５のシャット弁５の下流に連通可能な緊急水素除去用のボンベである。残留水素は低圧で量も少ない為、真空ボンベ３７は、小容量のボンベでも充分である。
【００３７】
そして、事故や故障等の緊急時には、燃料電池制御装置３３が水素タンク３のシャット弁５を閉じると共に、シャット弁３５を所定時間開いて、シャット弁５の下流の残留水素を真空ボンベ３７に吸収させて除去する。
【００３８】
次に、図５のフローチャートを参照して、本実施形態における燃料電池制御装置の緊急時残留水素除去動作を説明する。図５のフローチャートは、所定時間（例えば、１０〔ｍｓ〕）毎に、燃料電池制御装置３３のＣＰＵに呼び出されて、実行されるものとする。
【００３９】
図５のフローチャートにおいて、まず、ステップＳ１０において、ＧセンサフラグＧＳが１か否かを判定する。ＧＳ＝１ならば、Ｓ１４へ分岐する。ＧＳ≠１（ＧＳ＝０）ならば、Ｓ１２へ進み、システム故障フラグＭＦが１か否かを判定する。ＭＦ＝１ならばＳ１４へ進み、ＭＦ≠１（ＭＦ＝０）ならば、ＧＳ、ＭＦともにセットされていないので、緊急時残留水素除去は不要であるので、本ルーチンを終了し、メインルーチンへリターンする。
【００４０】
Ｓ１４では、ＧＳまたはＭＦの何れかがセットされた緊急時であるので、水素タンク３のシャット弁５を閉じる。次いで、Ｓ４２で、真空ボンベ３７のシャット弁３５を開き、水素タンク３のシャット弁５の下流に残留する水素の吸収を開始させる。Ｓ１８では、タイマＴの値を１だけ増加させ、Ｓ４４でタイマＴが所定時間＃ＴＳＨ３を超えているか否かを判断する。
【００４１】
Ｓ４４の判定で、Ｔが＃ＴＳＨ３を超えていなければ、残留水素を真空ボンベ３７へ吸収するためにシャット弁３５の開状態を継続して、リターンする。
【００４２】
Ｓ４４の判定で、Ｔが＃ＴＳＨ３を超えていれば、Ｓ２２へ進み、ＧセンサフラグＧＳ、システム故障フラグＭＦ、及びタイマＴをリセットする。次いで、Ｓ２４で発電緊急停止フラグＥＳＤをセットし、Ｓ４６で、真空ボンベ３７のシャット弁３５を閉じて、リターンする。
【００４３】
ここで、所定時間＃ＴＳＨ３は、予めシャット弁５の下流の配管及び燃料電池スタック９の水素ガス通路容積に応じて設定された作動時間であり、残留水素を放出しても問題のないレベルまで真空ボンベ３７に水素を吸収させて除去するための時間である。
【００４４】
以上説明した本実施形態によれば、シャット弁下流の残留水素を除去する残留水素除去手段として、緊急用ボンベである真空ボンベに導いて蓄えるため、放出することがあっても問題ないレベルまで残留水素を減少させることができるという効果がある。
【００４５】
〔第４実施形態〕
図６は、本発明に係る燃料電池システムの第４実施形態を搭載した燃料電池車両の概略構成を説明する構成図である。図４に示した第３実施形態との相違は、調圧弁７と燃料電池スタック９との接続配管にシャット弁３５を介して緊急用ボンベとしての水素吸着材ボンベ３９を備えていることである。その他の構成要素は、第３実施形態と同様であるので、同じ構成要素には同じ符号を付与して、重複する説明を省略する。
【００４６】
緊急用ボンベとしての水素吸着材ボンベ３９は、水素タンク５のシャット弁５の下流に連通可能な緊急水素除去用のボンベである。残留水素は低圧で量も少ない。その上、水素吸着材ボンベ３９は、内蔵する水素吸着材が水素を吸着するため、第３実施形態の真空ボンベより更に小容量のボンベでも充分である。
【００４７】
水素吸着材ボンベ３９が内蔵する水素吸着材としては、水素吸蔵合金や炭素系水素吸蔵材であるカーボンナノチューブ等が利用できる。水素吸蔵合金には、ランタン・ニッケルに代表される希土類系、チタン・鉄系、マグネシウム・ニッケル系、カルシウム・ニッケル系がある。水素吸着材ボンベ３９に使用する際には、水素吸着速度が速くなるように、水素吸蔵合金の粒径を小さく（表面積を大きく）して使用するのが好ましい。
【００４８】
さらに、水素吸着材ボンベ３９に水素吸着材を充填した後、水素吸着材ボンベ３９を減圧又は、真空引きを行って、シャット弁３５を開いたときに、抵抗無く残留水素が水素吸着材ボンベ３９へ流入できるようにするのが好ましい。
【００４９】
そして、事故や故障等の緊急時には、燃料電池制御装置３３が水素タンク３のシャット弁５を閉じると共に、シャット弁３５を所定時間開いて、シャット弁５の下流の残留水素を水素吸着材ボンベ３９に吸収させて除去する。
【００５０】
次に、図７のフローチャートを参照して、本実施形態における燃料電池制御装置の緊急時残留水素除去動作を説明する。図５に示した第３実施形態のフローチャートと異なる点だけを説明する。図５のＳ４２に代えて、Ｓ５２で水素吸着材ボンベ３９のシャット弁３５を開く点と、Ｓ５４の判定時間＃ＴＳＨ４が異なる点と、Ｓ５６で水素吸着材ボンベ３９のシャット弁３５を閉じる点が異なる。これ以外は、第３実施形態と同様である。
【００５１】
以上説明した本実施形態によれば、シャット弁下流の残留水素を除去する残留水素除去手段として、緊急用ボンベである水素吸着材ボンベに導いて、水素吸着材に水素を吸着させるため、放出することがあっても問題ないレベルまで残留水素を減少させることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの第１、第２実施形態を搭載した燃料電池車両の構成を説明するシステム構成図である。
【図２】第１実施形態における緊急時残留水素除去動作を説明するフローチャートである。
【図３】第２実施形態における緊急時残留水素除去動作を説明するフローチャートである。
【図４】本発明に係る燃料電池システムの第３実施形態を搭載した燃料電池車両の構成を説明するシステム構成図である。
【図５】第３実施形態における緊急時残留水素除去動作を説明するフローチャートである。
【図６】本発明に係る燃料電池システムの第４実施形態を搭載した燃料電池車両の構成を説明するシステム構成図である。
【図７】第４実施形態における緊急時残留水素除去動作を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
１…燃料電池車両
３…水素タンク
５…シャット弁
７…調圧弁
９…燃料電池スタック
１１…空気コンプレッサ
１３…二次電池
１５…パワーマネージャ
１７…駆動モータ
１９…差動装置
２１…駆動軸
２３…駆動輪
２５…従動輪
２７…Ｇセンサ
２９…冷却水ポンプ
３１…ラジエータ
３３…燃料電池制御装置
３５…シャット弁
３７…真空ボンベ
３９…水素吸着剤ボンベ

Claims

水素と酸化剤との電気化学反応により発電する燃料電池スタックと、
燃料電池スタックに水素を供給する水素供給手段と、
燃料電池スタックに酸化剤を供給する酸化剤供給手段と、
前記水素供給手段から燃料電池スタックへの水素供給を停止するシャット弁と、
前記シャット弁の下流側に残留した水素を除去する残留水素除去手段と、
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
前記残留水素除去手段は、前記シャット弁の動作により水素供給が停止された後もしばらくの間は燃料電池スタックの発電を継続させる燃料電池制御装置であり、この発電継続により前記シャット弁の下流側の残留水素を消費して除去することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
前記燃料電池制御装置は、前記発電継続時に、燃料電池スタックの発電電力を二次電池に充電することを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
前記燃料電池制御装置は、前記発電継続時に、燃料電池スタックの出力電圧で駆動される燃料電池補機を一時的に継続運転することを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
前記残留水素除去手段は、前記シャット弁下流側に連通可能な緊急用ボンベを備え、該緊急用ボンベに前記残留水素を導いて処理することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
前記緊急用ボンベは、真空ボンベであることを特徴とする請求項５記載の燃料電池システム。
前記緊急用ボンベは、水素吸着材を内蔵する水素吸着材ボンベであることを特徴とする請求項５記載の燃料電池システム。