JP2004158221A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】ケース内の水素濃度の増加を確実に防止することが可能で、燃料電池が収納されたケース内の水素濃度が上昇した際には速やかに水素をケース内から確実に排出する。
【解決手段】水素ガス及び酸化剤ガスが供給されて発電する燃料電池スタック１と、燃料電池スタック１に水素を供給する水素供給・排気ライン２とをケース４内に収容し、外気をケース４内部に取り込む燃料電池システムに適用される。この燃料電池システムでは、燃料電池スタック１に酸化剤ガスを供給するには、コンプレッサ１１によりケース４内の気体を取り込んで酸化剤ガスを供給することで、ケース４内の気体を空気口９から取り込まれる外気に置換する。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池や水素供給・排気ラインがケース内に収納されてなる燃料電池システムに関するものであり、特に、ケース内の空気を強制的に換気する燃料電池システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、燃料電池の水素極に水素ガス、空気極に空気をそれぞれ供給し、電解質膜を介してこれら水素と酸素とを電気化学的に反応させて発電電力を得る燃料電池システムが知られている。この燃料電池システムは、例えば自動車の動力源等としての実用化に大きな期待が寄せられており、現在、実用化に向けての研究開発が盛んに行われている。
【０００３】
燃料電池システムに用いられる燃料電池としては、例えば自動車に搭載する上で好適なものとして、固体高分子タイプの燃料電池が知られている。固体高分子タイプの燃料電池は、水素極と空気極との間に電解質膜として固体高分子膜が設けられたものである。前記固体高分子タイプの燃料電池では、水素極で水素ガスが水素イオンと電子とに分離される反応が起き、空気極で酸素ガスと水素イオンと電子とから水を生成する反応が行われる。このとき、固体高分子膜がイオン伝導体として機能し、水素イオンは固体高分子膜を空気極に向かって移動することになる。
【０００４】
ところで、例えば車載用の燃料電池システムの場合、燃料電池の作動温度の変化や、燃料電池や水素供給系に振動や衝撃が加わることにより、配管の継ぎ目や僅かな隙間等から水素を含有する燃料ガスが漏洩してしまう事態も想定され、これに対する対応策が検討されている（例えば、下記の特許文献１を参照）。
【０００５】
この特許文献１に記載される燃料電池装置では、燃料電池システムをケーシングで囲い、このケーシング内に水素濃度センサを配置するとともに、ブロアと燃料電池を結ぶ配管の途中に分岐ラインを設置している。分岐ラインの先端にはバルブが設置され、バルブ終端はケース内に開放されている。前記構造の燃料電池装置においては、水素濃度センサの検出値に基づいて前記バルブを開閉制御しており、ケーシング内の水素濃度が上昇した際には、バルブの開度を大きくし、ケーシング内に新鮮な空気を導入することでケーシング内の水素濃度の上昇を防いでいる。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００２−５６８６４号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
前述の通り、従来技術の燃料電池装置は、外部から空気をケーシング内に導入する構造ではあるが、ケーシング内の水素を積極的に外部に排出する構成にはなっていない。ケーシング内の水素濃度の増加を防止するには、外気をケーシング内に導入するのみならず、ケーシング内の水素を速やかに排出することが望ましい。
【０００８】
本発明は、かかる従来の実情に鑑みて提案されたものであり、ケース内の水素濃度の増加を確実に防止することが可能で、燃料電池が収納されたケース内の水素濃度が上昇した際には速やかに水素をケース内から確実に排出することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明では、水素ガス及び酸化剤ガスが供給されて発電する燃料電池と、当該燃料電池に水素を供給する水素供給手段とを収容し、外気を内部に取り込む酸化剤ガス導入口が設けられたケースと、上記ケース外に設けられ、上記ケース内の気体を取り込んで上記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、上記酸化剤ガス供給手段から上記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給配管であって、上記ケース外に、上記酸化剤ガス供給手段により取り込んだ気体を大気放出する開閉バルブとを備える。
【００１０】
このような燃料電池システムでは、制御手段により上記酸化剤ガス供給手段を駆動して、上記ケース内の気体を上記酸化剤ガス導入口から取り込まれる外気に置換すると共に、上記開閉バルブを開状態にして上記ケース内の気体を排出する制御をする。
【００１１】
【発明の効果】
本発明によれば、燃料電池や水素供給手段が収納されるケース内に常に外気を導入することができ、水素濃度の上昇を確実に抑制することができる。また、本発明によれば、燃料電池や水素供給手段から水素が漏洩した場合には、開閉バルブを開状態にして速やかに水素をケース内から排出することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用した燃料電池システムについて、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１３】
本発明は、例えば図１に示すように構成された燃料電池システムに適用される。
【００１４】
この燃料電池システムは、例えば電気自動車の動力源である燃料電池スタック１と、燃料電池スタック１に燃料ガスとして水素を供給する水素供給・排気ライン２と、燃料電池スタック１に酸化剤ガスとして空気を供給する空気供給部３とを備える。この燃料電池システムでは、燃料電池スタック１と水素供給・排気ライン２とがケース４内に収容されている。
【００１５】
この燃料電池システムは、燃料電池スタック１の電解質を加湿する加湿系や、燃料電池スタック１に冷却水を循環し、これを冷却または加熱する冷却水循環系等を有するが、これらについては通常の構成であればよく、ここではその詳細についての説明及び図示は省略する。
【００１６】
燃料電池スタック１は、例えば水素が供給される燃料極と酸素（空気）が供給される空気極とが電解質・電極触媒複合体を挟んで重ね合わされた発電セルが多段積層された構造を有し、電気化学反応により化学エネルギーを電気エネルギーに変換する。燃料極では、水素が供給されることで水素イオンと電子に解離し、水素イオンは電解質を通り、電子は外部回路を通って電力を発生させ、空気極にそれぞれ移動する。空気極では、供給された空気中の酸素と水素イオン及び電子が反応して水が生成し、外部に排出される。
【００１７】
燃料電池スタック１の電解質としては、高エネルギー密度化、低コスト化、軽量化等を考慮して、例えば固体高分子電解質が用いられる。固体高分子電解質は、例えばフッ素樹脂系イオン交換膜等、イオン（プロトン）伝導性の高分子膜からなるものであり、飽和含水することによりイオン伝導性電解質として機能することから、この燃料電池スタック１においては水を供給して加湿することが必要になる。
【００１８】
前記燃料電池スタック１においては、燃料となる水素や酸化剤である空気を燃料極や空気極に供給する必要があり、そのための機構が水素供給・排気ライン２及び空気供給部３である。
【００１９】
水素供給・排気ライン２は、高圧水素タンク５と挿通し、当該高圧水素タンク５からの水素を水素供給元バルブ６、水素供給配管７、及び燃料電池スタック１の燃料極の入口近傍に設けられた水素調圧バルブ８に送る。これにより、水素供給源である高圧水素タンク５から供給される水素ガスは、水素供給元バルブ６を通って水素供給配管７へと送り込まれ、燃料電池スタック１の燃料極に供給される。
【００２０】
ケース４内に水素漏れが発生していない通常運転時において、燃料電池システムでは、図示しないコントローラにより水素供給元バルブ６及び水素調圧バルブ８の開度を制御する。具体的には、コントローラでは、水素供給元バルブ６を開状態にすると共に、燃料電池スタック１の燃料極通路内の圧力が負荷に応じた圧力になるように水素圧力を調整するように水素調圧バルブ８の開度を制御する。
【００２１】
なお、燃料電池スタック１に供給された水素ガスが全て発電反応によって消費されるわけではなく、消費されなかった水素ガス（燃料電池スタック１から排出される水素ガス）は、例えば図示しない水素循環配管を通ってエゼクタ等により循環され、新たに供給される水素ガスと混合されて、再び燃料電池スタック１の燃料極に供給される。
【００２２】
本実施形態の燃料電池システムでは、水素流動部（高圧水素タンク５から燃料電池スタック１の燃料極出口までの水素流路）、すなわち燃料電池スタック１と水素供給・排気ライン２は、全てケース４内に収納されている。
【００２３】
ケース４は、例えば鋼板等の金属板やガラス繊維強化プラスチック板等を補強材とともに箱状に形成したものであり、その１箇所に外気をケース４内に導入するための空気口９が設けられている。この空気口９には、エアーフィルタ１０が取り付けられており、エアーフィルタ１０によって塵埃等の異物が除去された外気がケース４内に取り込まれる。
【００２４】
一方、空気供給部３は、吸気装置として機能し、燃料電池スタック１に空気を送り込むコンプレッサ（空気圧縮機）１１と、空気供給配管１２とを主たる構成要素とするものである。ここで、コンプレッサ１１は、ケース４の外部に設置されている。コンプレッサ１１は、酸化剤としての空気を燃料電池スタック１の空気極に供給するもので、コントローラの制御に従って内蔵のモータが駆動される。これにより、コンプレッサ１１では、圧縮した空気を空気供給配管１２を介して燃料電池スタック１の空気極に供給する。なお、本例では、空気供給部３としてコンプレッサ１１を使用した場合について説明するが、空気供給配管１２に空気を送り込むブロア（空気送風機）であっても良い。
【００２５】
燃料電池スタック１で消費されなかった酸素及び空気中の他の成分は、燃料電池スタック１から空気出口配管１３を介して排出される。この空気出口配管１３は、その端部がケース４外に挿通して大気開放されており、消費されなかった酸素及び空気中の他の成分を大気中に放出する。
【００２６】
また、この空気供給部３において、空気供給配管１２の中途部（ケース４の手前位置）には、空気供給配管１２から分岐したる分岐配管１４が設けられている。この分岐配管１４は、その先端部に開閉バルブ１５が設けられている。この開閉バルブ１５は、コントローラの制御により開閉動作し、開状態になされることで、コンプレッサ１１から圧送された空気を大気中に放出させる。
【００２７】
また、空気供給配管１２の分岐配管１４の下流位置、且つケース４の手前位置には、空気遮断バルブ１６が設けられている。この空気遮断バルブ１６は、コントローラの制御により開閉動作し、燃料電池スタック１への空気の供給を遮断する。
【００２８】
更に、この燃料電池システムでは、空気供給部３の空気供給元として、ケース４内の空気を取り込む空気取り入れ機構が設けられている。この空気取り入れ機構から吸気配管１７を通ってケース４内の空気がコンプレッサ１１に吸気される。この空気取り入れ機構は、水素の漏洩が予想される位置に対応して複数箇所に設けられた空気取り入れ口１８〜２１からなる。本例では、燃料電池スタック１の直上（空気取り入れ口１８）、水素供給系２の水素供給元バルブ６の直上（空気取り入れ口１９）、水素供給・排気ライン２の水素調圧バルブ８の直上（空気取り入れ口２０）、及びケース４の最上部（空気取り入れ口２１）に設けられている。
【００２９】
また、コンプレッサ１１の吸気側に設けられた吸気配管１７には、水素濃度センサ２２が設置されている。この水素濃度センサ２２の設置位置は、各空気取り入れ口１８〜２１からの配管が合流された後で、コンプレッサ１１までの間である。この水素濃度センサ２２により検出された水素濃度は、コントローラにより読み込まれる。
【００３０】
これにより、コントローラでは、燃料電池スタック１に水素及び空気を供給して燃料電池スタック１を発電させている通常運転時において、ケース４内の水素濃度の上昇を検知する。ここで、ケース４内の空気は全て各空気取り入れ口１８〜２１からコンプレッサ１１に導入されるため、燃料電池システムからの水素漏れによるケース４内の水素濃度上昇を確実に検知する。特に、ケース４の水素の漏洩が予想される位置に対応して複数箇所に空気取り入れ口１８〜２１が設けられていることから、水素漏れが発生した時の検知速度を速める。水素漏れが発生した時に最初に水素濃度が上昇するのは、燃料電池スタック１の近傍や水素供給・排出ライン２の近傍である。あるいは、空気より比重の軽い水素は、漏れた時にはケース４の上部に溜まり易い。したがって、これらの箇所に空気取り入れ口１８〜２１を設置することで、漏洩した水素は直ちに吸気配管１７に導入され、水素濃度センサ２２によって水素濃度上昇が検知される。
【００３１】
以上の構成を有する燃料電池システムにおいては、通常運転時において、新鮮な外気が常に空気口９からエアフィルタ１０を介してケース４内に流入する。ケース４内に流入した外気（空気）は、コンプレッサ１１での吸気により各空気取り入れ口１８〜２１から吸気配管１７に導かれ、コンプレッサ１１へと流入する。コンプレッサ１１は、この流入したケース４内の空気を燃料電池スタック１へと送り込み、燃料電池スタック１の電池反応に必要な酸化剤として供給する。燃料電池スタック１において反応に使用された後の排空気は、空気出口配管１３から大気中に放出される。
【００３２】
したがって、本実施形態の燃料電池システムでは、通常運転時において、コンプレッサ１１によりケース４内の空気が強制置換（強制換気）されることになり、ケース４内が水素濃度の低い状態に維持される。このように、本実施形態の燃料電池システムでは、外気をケース４内に導入するのみならず、ケース４内の水素を速やかに排出することができる。また、本実施形態では、コンプレッサ１１が換気設備として機能し、ケース４用の換気設備を特別設けなくてもケース４内の強制排気を実現することができ、設備の簡略化の点でも有利である。
【００３３】
また、このような燃料電池システムでは、燃料電池スタック１の通常運転時において、コントローラにより所定期間毎に水素濃度センサ２２からのセンサ信号を読み込む。そして、コントローラでは、ケース４内の水素濃度が、予め設定した水素濃度閾値よりも高くなった場合に、燃料電池スタック１の運転を停止する制御をする。ここで、水素濃度閾値は、燃料電池スタック１内で水素含有空気が燃焼する虞れのある濃度よりも十分小さな値に設定しておくことが好ましい。
【００３４】
ケース４内の水素濃度が水素濃度閾値よりも高くなるような場合とは、例えば燃料電池スタック１や水素供給・排気ライン２から水素漏れが発生する場合である。
【００３５】
このようにケース４内の水素濃度が上昇した場合、コントローラでは、水素供給元バルブ６を閉状態にして水素供給・排気ライン２から燃料電池スタック１への水素供給を停止すると共に、空気遮断バルブ１６を閉状態にしてコンプレッサ１１から燃料電池スタック１への水素供給を停止する。更に、コントローラでは、コンプレッサ１１を駆動状態にした状態にて、開閉バルブ１５を開状態にすることで、空気取り入れ口１８〜２１にてケース４内の空気を取り込み、分岐配管１４を介してケース４内の水素成分を外気放出する。
【００３６】
このような動作をする燃料電池システムによれば、コントローラにより水素濃度の上昇を検出した場合に、水素供給元バルブ６及び空気遮断バルブ１６を閉状態にすることで、燃料電池スタック１への水素供給を停止するので、ケース４内の水素濃度の上昇を回避することができる。
【００３７】
また、この燃料電池システムによれば、水素漏れが発生したときに燃料電池スタック１への水素供給を停止してコンプレッサ１１のみ運転を続けることにより、新たに水素が供給されない分、より速やかにケース４内の水素濃度を低下させることができる。
【００３８】
また、この燃料電池システムによれば、水素濃度の上昇を検知した場合には、コンプレッサ１１の空気送出側に設けた空気遮断バルブ１６を閉状態にすると共に開閉バルブ１５を開状態にして、水素濃度センサ２２の検出値が水素濃度閾値を下回るまで、すなわち水素濃度が十分に下がりきるまで稼働を続けることができるので、ケース４内の水素濃度の増加を確実に防止することが可能で、燃料電池スタック１が収納されたケース内の水素濃度が上昇した際には速やかに水素をケース４内から確実に排出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した燃料電池システムの実施形態の構成を示す図である。
【符号の説明】
１ 燃料電池スタック
２ 水素供給・排気ライン
３ 空気供給部
４ ケース
５ 高圧水素タンク
６ 水素供給元バルブ
７ 水素供給配管
８ 水素調圧バルブ
１１ コンプレッサ
１２ 空気供給配管
１３ 空気出口配管
１４ 分岐配管
１５ 開閉バルブ
１６ 空気遮断バルブ
１７ 吸気配管
１８〜２１ 空気取り入れ口
２２ 水素濃度センサ

Claims (5)

1. 水素ガス及び酸化剤ガスが供給されて発電する燃料電池と、当該燃料電池に水素を供給する水素供給手段とを収容し、外気を内部に取り込む酸化剤ガス導入口が設けられたケースと、
   上記ケース外に設けられ、上記ケース内の気体を取り込んで上記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
   上記酸化剤ガス供給手段から上記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給配管であって、上記ケース外に、上記酸化剤ガス供給手段により取り込んだ気体を大気放出する開閉バルブと、
   上記酸化剤ガス供給手段を駆動して、上記ケース内の気体を上記酸化剤ガス導入口から取り込まれる外気に置換すると共に、上記開閉バルブを開状態にして上記ケース内の気体を排出する制御をする制御手段と
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 上記ケース内に設けられ、当該ケース内の気体を取り込んで上記酸化剤ガス供給手段に送る複数の酸化剤ガス取り入れ口を備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 上記酸化剤ガス取り入れ口は、上記ケース内の上部、上記燃料電池近傍、及び上記水素供給手段を構成するバルブ近傍に設置されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 上記酸化剤ガス供給手段の気体取り込み側に、上記ケース内の水素濃度を検出する水素濃度センサが設けられていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
5. 上記制御手段は、上記水素濃度センサにより上記ケース内の水素濃度の上昇を検知した場合には、上記燃料電池への水素の供給を停止するように上記水素供給手段を制御し、上記水素濃度センサの検出値が所定レベル以下になるまで上記酸化剤ガス供給手段を駆動するように制御することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。

Images