JP2004165021A

JP2004165021A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2004165021A
Application number: JP2002329943A
Authority: JP
Inventors: Michiyuki Sakuma; 宙之佐久間
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-11-13
Filing date: 2002-11-13
Publication date: 2004-06-10

Abstract

【課題】燃料電池スタックに水素を供給する装置の水素漏れ発生時の引火を防止し、信頼性をより向上した燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池スタック１には、コンプレッサー３から空気が供給され、高圧水素タンク２からレギュレータ４、調圧弁５、エジェクタ６を介して水素が供給される。調圧弁５、エジェクタ６、弁７、パージ弁８は、密閉容器９により密閉されている。燃料電池システムの始動時に、弁１３を介して密閉容器９内部へ水素を充填する。このとき、弁１４を開いて、密閉容器内部から水素により置換される空気を排出する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、空気と水素とを燃料電池スタックに供給して発電する燃料電池システムに係り、特に水素漏れ対策を施した燃料電池システムに関するする。
【０００２】
【従来の技術】
水素は、他の可燃性ガスに比べて、空気と混合した場合の爆発範囲が広く、容量百分率で下限が４．０％、上限が７５％である（理科年表、平成１０年版、ｐ５６４、丸善株式会社発行）。このため水素ガスを燃料として利用する燃料電池システムにおいては、水素漏れを検出した場合に運転を停止する安全対策が必要となる。
【０００３】
燃料電池システムの水素漏れを検出する従来技術としては、例えば、特許文献１に記載の技術が開示されている。この従来技術によれば、燃料電池装置、燃料供給部、水供給部、改質器、ブロア等をケーシング内部に収容し、ケーシング内に水素濃度を検出する水素濃度センサを設けている。そして、検出した水素濃度に基づき、ケーシング内にガス（パージ用ガス）を導入し、ケーシング内の水素をパージし、ケーシング内に水素が滞留することを防止して安全性を確保しようとしている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−０５６８６４号公報（第５ページ、図２）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術では、ケーシング内及びケーシングに導入されるパージガスに酸素が含まれることから、水素濃度センサの不良や、パージ用ガスを導入する手段の作動不良が発生した場合、ケーシング内の水素濃度が可燃濃度となり、引火源が存在した場合、水素が引火する恐れがあるという新たな課題が生じる。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するため、空気及び水素の電気化学反応により発電する発電手段と、前記発電手段に空気を供給する空気供給手段と、前記発電手段に水素を供給する水素供給手段と、を備えた燃料電池システムにおいて、前記水素供給手段の少なくとも一部を内包する密閉手段と、該密閉手段の内部に水素を充填する水素充填手段と、を備えたことを要旨とする。
【０００７】
【発明の効果】
本発明によれば、水素供給手段の少なくとも一部を内包する密閉手段を設けたので、水素漏れに対するシール性に優れた構造となる。密閉手段は、部品点数の少ないケーシングであるほどシール性は良くなる。また、この密閉手段に燃料の水素を高濃度で充填し、酸素濃度を低濃度とすることで、密閉手段内部の電子制御部品などから静電気が発生しても水素に引火することはない。
【０００８】
【発明の実施の形態】
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。以下に説明する４つの実施形態は、密閉手段内部に充填する水素の取り出し位置を調圧弁下流側（燃料電池スタック供給圧）とするか上流側とするかにより２種類有り、それぞれに密閉手段に充填する水素圧力の所定値の設定により２種類に分けられる。
【０００９】
第１実施形態は、密閉手段に充填する水素の取り出し位置を調圧弁下流とし、密閉手段に充填する水素圧力値を燃料電池スタックの内圧値と等しくしている。第２実施形態は、密閉手段に充填する水素の取り出し位置を調圧弁下流とし、密閉手段に充填する水素圧力値を燃料電池スタックの内圧値より低い値としている。第３実施形態は、密閉手段に充填する水素の取り出し位置を調圧弁上流とし、密閉手段に充填する水素圧力値を調圧弁上流側の高圧値としている。第４実施形態は、密閉手段に充填する水素の取り出し位置を調圧弁上流とし、密閉手段に充填する水素圧力値を燃料電池スタックの内圧値より低い値としている。
【００１０】
〔第１実施形態〕
図１は、本発明に係る燃料電池システムの第１実施形態の構成を説明するシステム構成図である。図１において、燃料電池システムは、空気及び水素の電気化学反応により発電する燃料電池スタック（発電手段）１と、燃料電池スタック１に供給する水素を高圧で蓄える高圧水素タンク２と、空気を圧縮して燃料電池スタック１へ送り込むコンプレッサー３と、高圧水素タンク２から取り出す水素の圧力を所定圧に制御するレギュレータ４と、レギュレータ４から送られてくる水素を燃料電池スタック１の運転圧力に調圧する調圧弁（減圧手段）５と、調圧弁５から供給される新規水素と燃料電池スタック１で消費されなかった排水素とを混合して燃料電池スタック１の水素極入口へ供給するエジェクタ６と、燃料電池スタックの水素極出口から排出される水素をエジェクタ６のノズルへ循環させる経路を開閉する弁７と、燃料電池スタック１の水素極出口から外部へ不純物を含む水素をパージするためのパージ弁８と、水素供給手段の少なくとも一部を内包する密閉容器（密閉手段）９と、密閉容器９の内圧を検出する圧力センサー１０と、開閉弁である弁１１、１２、１３、１４と、圧力センサー１０の検出値に基づいて燃料電池システムを制御するコントローラ１５とを備えている。
【００１１】
密閉容器９は、例えば、スチールまたはステンレス製の蓋付容器であり、本体と蓋とはパッキングによりシールされる構造となっている。点検修理に必要が生じた場合には、密閉容器内の水素を外部へ放出した後に、蓋を開いて密閉容器内部の点検修理ができるようになっている。
【００１２】
以上説明した構成において、燃料電池スタック１が発電手段、高圧水素タンク２およびレギュレータ４が水素貯蔵手段、調圧弁５、エジェクタ６、弁７、パージ弁８が水素供給手段、コンプレッサー３、弁１１、弁１２が空気供給手段、密閉容器９が水素供給手段の少なくとも一部を内包して密閉する密閉手段、圧力センサー１０が密閉手段の内部圧力を検出する圧力検出手段、弁１２が密閉手段の内部に空気を充填する空気充填手段、弁１３が密閉手段の内部に水素を充填する水素充填手段、弁１４が気体放出手段に相当する。
【００１３】
ここで、水素充填手段である弁１３は、密閉容器９の上端部に水素放出口を備え、密閉容器９の水素充填時には、容器内の上方から下方へ順次空気がより軽い水素に置換されて、密閉容器９内に水素が充填されるようになっている。気体放出手段である弁１４は、密閉容器９の下端部に連通口を有する弁であり、密閉容器９に水素が充填される際には、水素より重い空気が下方から押し出されるようになっている。
【００１４】
次に、上記構成の第１実施形態におけるコントローラによる制御動作を説明する。図３は、燃料電池システム始動時の制御フローチャートである。このフローはシステム始動時に実行される。
【００１５】
図３において、まずステップ（以下、ステップをＳと略す）１０で、弁１４を開け、Ｓ１２で弁７および８を閉じる。次いで、Ｓ１４で弁１３を開け、高圧水素タンクからの水素を調圧弁５、エジェクタ６、弁１３を介して密閉容器９の内部へ充填する。Ｓ１６で充填時間から大気圧で換算した水素充填量（体積）を計算する。Ｓ１８で、水素の充填量が密閉容器の空間ボリュームを超えたか否かを判定し、超えていなければＳ１４へ戻り、水素の充填量が密閉容器の空間ボリュームを超えるまで水素充填を続ける。
【００１６】
Ｓ１８の判定で、水素充填量が密閉容器の空間ボリュームを超えたら、Ｓ２０で弁１４を閉じ、密閉容器８を密閉する。次いで、Ｓ２２で、水素の充填を続け、Ｓ２４で圧力センサー１０が検出した密閉容器内部の圧力値を読みとり、Ｓ２６で密閉容器内の圧力値と所定値とを比較する。Ｓ２６の判定で密閉容器内の圧力値が所定値より小さければ、Ｓ２２へ戻って水素の充填を続ける。
【００１７】
Ｓ２６の判定で、密閉容器内の圧力値が所定値以上となった場合には、弁１３を閉じて、始動時の密閉容器内部への水素の充填を終了する。
【００１８】
尚、第１実施形態では、密閉容器内部へ充填する水素圧力の所定値を運転時の燃料電池スタックの内部圧力に等しい値としている。
【００１９】
図４は、第１実施形態における燃料電池システムの通常運転時の制御を説明するフローチャートである。このフローチャートは、図３のフローチャート終了後に、通常運転中は所定時間（例えば、１０ｍｓｅｃ）毎に繰り返し実行される。
【００２０】
図４において、まずＳ３０で密閉容器９内部の圧力値を圧力センサー１０から読み取り、Ｓ３２で密閉容器内圧と所定値（燃料電池スタックの内部圧）との差を算出し、その差が計測誤差程度のほぼ０であれば、システムは正常として終了する。Ｓ３２の判定で、その差が計測誤差程度を超えて、正、または負で有れば、水素漏れが生じたシステム異常と判断する。
【００２１】
Ｓ３２の判定で、密閉容器内圧−所定値が負のとき（密閉内圧が所定値より低い場合）は、密閉容器からシステム外部への水素漏れと判断し、Ｓ３４で密閉容器の水素漏れの通知を行うが、燃料電池システムの運転は、継続することが可能である。
【００２２】
またＳ３２の判定で、密閉容器内圧が所定値より高い場合は、水素供給手段の高圧部から密閉容器内への水素漏れと判断し、Ｓ３６で高圧部の水素漏れを通知し、Ｓ３８で燃料電池システムの運転停止に移る。
【００２３】
次に、第１実施形態におけるメンテナンス作業等のための密閉容器の水素の放出をともなう停止動作について説明する。
【００２４】
図７は、メンテナンスのための運転停止時にコントローラによって実行される制御フローチャートである。このフローはシステム停止の指令があった場合に実行される。
【００２５】
図７において、まずＳ７０で調圧弁５を閉じる。次いで、Ｓ７２で弁１１を閉じ、Ｓ７４で弁１２を開ける。
【００２６】
次いでＳ７６で、図面に記載していないバッテリー等でコンプレッサー３を稼動させ、弁１２から密閉手段９の内部へ空気を充填する。Ｓ７８で、充填開始から所定時間空気が充填されたか否かを判定し、所定時間経過していなければ、Ｓ７６へ戻る。Ｓ７８の判定で、予め設定されたコンプレッサー稼動の所定時間が経過すると、制御動作を終了する。この所定時間は、予め実験により密閉手段の内部が十分空気により換気される時間を計測し、その値を所定値としてコントローラ１５に記憶させておき、Ｓ７８で参照するものとする。
【００２７】
以上説明した第１実施形態によれば、水素供給手段を密閉手段の内部に密閉することにより、システム外に対しての水素漏れに対するシール性に優れる構造となる。密閉手段としての密閉容器は、部品点数の少ないケーシングであるほどシール性は良くなる。また、この密閉手段の内部に燃料の水素を充填し高濃度とし、酸素濃度を低濃度とすることで、ケーシング内部の電子制御部品などから静電気が発生しても水素に引火することはない。
【００２８】
また、燃料電池スタックの内圧と同圧の水素が供給される位置から取り出すので、密閉手段の圧力要求仕様値が低くて済む。
【００２９】
また、燃料電池システムの運転時に水素供給手段の中でスタック内圧と同圧の水素が流れる部分から水素漏れを生じても、システムの機能は保持され、運用は可能である。
【００３０】
また、圧力センサーで密閉手段内部の圧力を検出することにより、水素貯蔵手段の高圧の水素が流れる部位および密閉手段自身の水素漏れを監視できる。
【００３１】
さらに、密閉手段内部に充填する水素量を制御することにより、水素供給手段および密閉手段から水素漏れを生じても機能性を保持するよう対応できる。
【００３２】
また、密閉手段の内圧を燃料電池スタックの内圧と等しく制御することで、常に水素供給手段のスタック内と同圧で流れる部分の水素漏れがし難くなる。
【００３３】
また、密閉手段の内圧が燃料電池スタックの内圧の制御範囲を超えたかを判定することで、水素貯蔵手段および水素供給手段の高圧の水素が流れる部分から水素が漏れていることを判断することが出来る。
【００３４】
また、システムの停止時に密閉手段内の水素をパージすることで、システムの作業性および放置時の安全性を確保することが出来る。
【００３５】
〔第２実施形態〕
次に、本発明に係る燃料電池システムの第２実施形態を説明する。第２実施形態の構成は、図１に示した第１実施形態の構成と同様である。第１実施形態との相違は、密閉手段に充填する水素圧力の所定値を燃料電池スタックの内圧値より低い値としている点である。
【００３６】
第２実施形態における燃料電池システムの始動時の制御は、図３に示した第１実施形態の始動時の制御と同様であるが、Ｓ２６における比較対象の所定値が燃料電池スタックの水素圧力より低い値に設定されている点が異なる。
【００３７】
図６は、第２実施形態における燃料電池システムの通常運転時の制御を説明するフローチャートである。このフローチャートは、図３のフローチャート終了後に、通常運転中は所定時間（例えば、１０ｍｓｅｃ）毎に繰り返し実行される。
【００３８】
図６において、まずＳ５０で、圧力判定の所定値を燃料電池スタックの内部水素圧力より低く設定する。次いでＳ５２で、密閉容器９内部の圧力値を圧力センサー１０から読み取り、Ｓ５４で密閉容器内圧と所定値との差を算出し、その差が計測誤差程度のほぼ０であれば、システムは正常として終了する。Ｓ５４の判定で、その差が計測誤差程度を超えて、正、または負であれば、水素漏れが生じたシステム異常と判断する。
【００３９】
Ｓ５４の判定で、密閉容器内圧−所定値が負のとき（密閉内圧が所定値より低い場合）は、密閉容器からシステム外部への水素漏れと判断し、Ｓ５６で密閉容器の水素漏れの通知を行うが、燃料電池システムの運転は、継続することが可能である。
【００４０】
またＳ５４の判定で、密閉容器内圧が所定値より高い場合は、Ｓ５８で、所定値を燃料電池スタックの内部水素圧力に設定し、Ｓ６０で密閉容器９内部の圧力値を圧力センサー１０から読み取り、Ｓ６２で密閉容器内圧と所定値（燃料電池スタックの内部圧）との差を算出し、その差が０以下か、正かを判定する。
【００４１】
Ｓ６２の判定で、その差が０以下であれば、燃料電池スタック内の水素圧力と同圧部の水素漏れが生じたと判断し、Ｓ６４で燃料電池スタック内の水素圧力と同圧部の水素漏れを通知する。この後は所定値をスタック内圧としたまま密閉内部の圧力と比較を続けて燃料電池システムの運転を続けることが出来る。
【００４２】
Ｓ６２の判定で、密閉容器内圧−所定値が正のとき（密閉内圧が所定値より高い場合）は、水素供給手段の高圧部から密閉容器内への水素漏れと判断し、Ｓ６６で高圧部の水素漏れを通知し、Ｓ６８で燃料電池システムの運転停止に移る。
【００４３】
第２実施形態におけるメンテナンス作業等のための密閉容器の水素の放出を伴う運転停止時の動作は、図７に示した第１実施形態の運転停止時の動作と同様であるので、重複する説明を省略する。
【００４４】
以上説明したように第２実施形態によれば、密閉手段の内圧をスタックの内圧よりも低い値に設定することで、密閉手段の圧力負荷を軽減させることが出来る。
【００４５】
また、常に密閉手段が内包する水素貯蔵手段および水素供給手段および密閉手段自身の水素漏れを検出する状態として、水素漏れを検出した場合には密閉手段の内圧所定値を変化させることで運転継続させるとが可能である。
【００４６】
〔第３実施形態〕
図２は、本発明に係る燃料電池システムの第３実施形態の構成を説明するシステム構成図である。第３実施形態の構成は、図１に示した第１実施形態における水素充填手段の弁１３の位置を調圧弁５の上流側に変えただけである。その他の構成は、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。
【００４７】
第３実施形態における燃料電池システムの始動時の制御は、図３に示した第１実施形態の始動時の制御と同様であるが、Ｓ２６における比較対象の所定値が水素供給手段の高圧部と等しい値に設定されている点が異なる。この始動時の制御が終了すると、密閉手段９の内部は、水素供給手段の高圧部と同じ圧力の水素が充填された状態となる。
【００４８】
図５は、第３実施形態における燃料電池システムの通常運転時の制御を説明するフローチャートである。このフローチャートは、図３のフローチャート終了後に、通常運転中は所定時間（例えば、１０ｍｓｅｃ）毎に繰り返し実行される。
【００４９】
図５において、まずＳ４０で密閉容器９内部の圧力値を圧力センサー１０から読み取り、Ｓ４２で密閉容器内圧と所定値（水素供給手段高圧部の内圧）との差を算出し、その差が計測誤差程度のほぼ０であれば、システムは正常としてＳ４０へ戻る。Ｓ４２の判定で、その差が計測誤差程度を超えて、正、または負で有れば、水素漏れが生じたシステム異常と判断する。
【００５０】
Ｓ４２の判定で、密閉容器内圧−所定値がほぼ０でなければ、密閉容器の水素漏れと判断し、Ｓ４４で密閉容器の水素漏れの通知を行い、Ｓ４６で燃料電池システムの運転停止に移る。
【００５１】
第３実施形態における運転停止時の動作は、図７に示した第１実施形態の運転停止時の動作と同様であるので、重複する説明を省略する。
【００５２】
以上説明したように、第３実施形態では、水素貯蔵手段の高圧部から取り出すので、水素充填を行なう際の応答性が良くなる。
【００５３】
また、密閉手段の内圧を水素貯蔵手段の高圧部と等しく制御することで、常に水素貯蔵手段および水素供給手段の高圧部の水素漏れが発生しにくくなる。
【００５４】
また、燃料電池システムの運転時に高圧の水素が流れる部分から水素漏れが生じても、密閉手段が内包する位置であればシステムの機能は保持され、運用は可能である。
【００５５】
〔第４実施形態〕
次に、本発明に係る燃料電池システムの第４実施形態を説明する。第４実施形態の構成は、図２に示した第３実施形態の構成と同様である。第３実施形態との相違は、密閉手段に充填する水素圧力の所定値を燃料電池スタックの内圧値より低い値としている点である。
【００５６】
第４実施形態の始動時の制御は、図３に示した第１実施形態の始動時の制御と同様であるが、Ｓ２６における比較対象の所定値が燃料電池スタックの水素圧力より低い値に設定されている点が異なる。
【００５７】
第４実施形態の通常運転時の制御は、図６に示した第２実施形態における燃料電池システムの通常運転時の制御と同様である。
【００５８】
第４実施形態における運転停止時の動作は、図７に示した第１実施形態の運転停止時の動作と同様であるので、重複する説明を省略する。
【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実施形態の構成を説明するシステム構成図である。
【図２】本発明に係る燃料電池システムの第３実施形態の構成を説明するシステム構成図である。
【図３】第１実施形態における燃料電池システムの始動時のコントローラの制御内容を説明するフローチャートである。
【図４】第１実施形態における燃料電池システムの通常運転時のコントローラの制御内容を説明するフローチャートである。
【図５】第３実施形態における燃料電池システムの通常運転時のコントローラの制御内容を説明するフローチャートである。
【図６】第４実施形態における燃料電池システムの通常運転時のコントローラの制御内容を説明するフローチャートである。
【図７】第１実施形態における燃料電池システムの運転停止時のコントローラの制御内容を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
１…燃料電池スタック（発電手段）
２…高圧水素タンク
３…コンプレッサー
４…レギュレータ
５…調圧弁（減圧手段）
６…エジェクタ
７…弁
８…パージ弁
９…密閉容器（密閉手段）
１０…圧力センサー（圧力検出手段）
１１…弁
１２…弁
１３…弁（水素充填手段）
１４…弁（気体放出手段）
１５…コントローラ

Claims

空気及び水素の電気化学反応により発電する発電手段と、
前記発電手段に空気を供給する空気供給手段と、
前記発電手段に水素を供給する水素供給手段と、
を備えた燃料電池システムにおいて、
前記水素供給手段の少なくとも一部を内包する密閉手段と、
該密閉手段の内部に水素を充填する水素充填手段と、
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
前記水素充填手段は、前記水素供給手段から前記発電手段へ繋がる配管から分岐させた配管により取り出される水素を用いて前記密閉手段の内部に水素を充填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。
前記水素供給手段は、水素を高圧で蓄える水素貯蔵手段と、該水素貯蔵手段からの水素を減圧して前記発電手段へ供給する減圧手段と、を備え、
前記水素充填手段は、前記減圧手段で減圧される前の高圧の水素を用いて前記密閉手段の内部に水素を充填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。
前記密閉手段の内部圧力を検出する圧力検出手段と、前記密閉手段の内部に充填される水素の流れを断続する充填水素制御手段と、を備え、
該充填水素制御手段は、前記圧力検出手段の結果に基づき、前記密閉手段の内部圧力が所定値に達するまで、該密閉手段の内部に水素を充填することを特徴とする請求項２または請求項３記載の燃料電池システム。
前記所定値は、前記発電手段の内部圧力とすることを特徴とする請求項４記載の燃料電池システム。
前記所定値は、前記水素貯蔵手段から取り出される水素の圧力とすることを特徴とする請求項４記載の燃料電池システム。
前記所定値を前記発電手段の内部圧力より小さい値とすることを特徴とする請求項４記載の燃料電池システム。
前記密閉手段の内部圧力が前記発電手段の内圧の制御範囲上限を超えた場合に、前記水素供給手段からの水素漏れと判断することを特徴とする請求項５または請求項７記載の燃料電池システム。
前記密閉手段の内部に空気を充填する空気充填手段および前記密閉手段内部の気体を放出する気体放出手段を備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項８の何れか１項に記載の燃料電池システム。
燃料電池システム停止時には、前記空気充填手段により前記密閉手段内部に空気を充填し、前記気体放出手段から気体を放出することにより前記密閉手段内部に空気を充填することを特徴とする請求項９記載の燃料電池システム。