JP2006024426A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 簡素な構成で燃料電池システム内の漏れを検知し、燃料電池システムの信頼性を高める。
【解決手段】 水素の供給を受けて発電を行う燃料電池１２と、燃料電池１２を収納する第１の収納ケース１８と、燃料電池１２へ燃料を供給する水素タンク１４と、水素タンク１４を収納する第２の収納ケース２０と、第１の収納ケース１８と第２の収納ケース２０を接続するガス通路２２，２４と、第１の収納ケース１８及び第２の収納ケース２０の内部を含む空間内でガスを循環させる循環手段と、を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

従来、例えば特開平１０−９２４５６号公報に記載されているように、燃料電池本体での発生熱を、空気流と熱伝導体を用いて水素吸蔵ボンベに導く技術が知られている。

特開平１０−９２４５６号公報 特開２００３−１５１５８７号公報 特開２００２−６１７９７号公報 特開平８−３１４３６号公報

しかしながら、上述した従来の技術では、燃料電池本体の廃熱は送気手段による空気流で燃料電池本体の外に排出される。このため、燃料電池への水素供給部から水素が漏れた場合など、燃料電池から外部への漏れが生じた場合、燃料電池本体の外に排出される空気流から漏れを検出することは困難である。

この発明は、上述のような問題を解決するためになされたものであり、簡素な構成で燃料電池システム内の漏れを検知することを可能とし、燃料電池システムの信頼性を高めることを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、燃料の供給を受けて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池を収納する第１の収納ケースと、前記燃料電池へ前記燃料を供給する燃料貯蔵手段と、前記燃料貯蔵手段を収納する第２の収納ケースと、前記第１の収納ケースと前記第２の収納ケースを接続するガス通路と、前記第１の収納ケース及び前記第２の収納ケースの内部を含む空間内でガスを循環させる循環手段と、を備えたことを特徴とする。

第２の発明は、第１の発明において、前記空間内における燃料の漏れを検知する燃料漏れ検知手段と、前記燃料漏れ検知手段によって燃料の漏れが検知された場合に、前記空間内のガスを排気する排気手段と、を更に備えたことを特徴とする。

第３の発明は、第２の発明において、前記排気手段は、前記第２の収納ケースに設けられ、前記空間内のガスを排気する排気弁と、前記排気弁から前記空間内のガスを排気する際に、前記第２の収納ケースから前記第１の収納ケースへのガスの流れを遮断する制御弁と、を含むことを特徴とする。

第４の発明は、第３の発明において、前記空間内のガスを排気する際に、前記第１の収納ケース内のガスを前記第２の収納ケース内へ送る掃気手段を更に備えたことを特徴とする。

第５の発明は、前記第１の収納ケースの上部に前記第２の収納ケースが配置され、前記循環手段は、前記燃料電池の熱で暖められて上昇した前記第１の収納ケース内のガスを自然対流によって前記第２の収納ケース内へ送ることを特徴とする。

第６の発明は、前記ガス通路は、前記第１の収納ケースから前記第２の収納ケースに流れるガスが通過する第１のガス通路と、前記第２の収納ケースから前記第１の収納ケースに流れるガスが通過する第２のガス通路と、を含み、前記第１のガス通路と前記第１の収納ケースとの接続部が、前記第２のガス通路と前記第１の収納ケースとの接続部よりも上部に位置するように構成されたことを特徴とする。

第７の発明は、第１〜第３の発明のいずれかにおいて、前記循環手段は、前記空間内でガスを循環させるための送風手段を含むことを特徴とする。

第８の発明は、第４の発明において、前記循環手段は、前記空間内でガスを循環させるための送風手段を含み、前記送風手段と前記掃気手段を共通に構成したことを特徴とする。

第９の発明は、第１〜第８の発明のいずれかにおいて、前記燃料は水素であることを特徴とする。

第１の発明によれば、第１の収納ケース及び第２の収納ケースの内部を含む空間内でガスを循環させることができるため、燃料電池の排熱を燃料貯蔵手段側へ送ることができる。これにより、燃料貯蔵手段を含む燃料供給部において、温度低下に起因して弁機構などの装置の応答性が劣化したり、機能が低下してしまうことを抑止できる。また、燃料貯蔵手段で冷却されたガスで燃料電池を冷却することができるため、燃料電池内部における冷却系統をより簡素に構成することができる。更に、システム内で燃料が漏れ出した場合であっても、燃料電池及び燃料貯蔵手段を第１及び第２の収納ケースの内部を含む空間内に収納しているため、空間内で漏れを感度良く検知することが可能となる。

第２の発明によれば、燃料の漏れが検知された場合は、第１及び第２の収納ケースの内部を含む空間内からガスを排気するようにしたため、空間内に漏れ出した燃料の濃度が高くなることを抑止できる。従って、漏れた燃料が燃料電池の電気系統に触れることを抑止でき、システムの信頼性を高めることが可能となる。

第３の発明によれば、空間内のガスを排気する際に、第２の収納ケースから第１の収納ケースへのガスの流れを遮断することができるため、漏れた燃料が第１の収納ケースに収納された燃料電池の電気系統に触れることを確実に抑止することができる。

第４の発明によれば、空間内のガスを排気する際に、掃気手段によって第１の収納ケース内のガスを第２の収納ケース内へ送ることができるため、短時間で空間内のガスを排気することができる。

第５の発明によれば、第１の収納ケースの上部に第２の収納ケースを配置したため、燃料電池の熱で暖められて上昇した第１の収納ケース内のガスを自然対流によって第２の収納ケースへ送ることができる。

第６の発明によれば、第１のガス通路と第１の収納ケースとの接続部が、第２のガス通路と第１の収納ケースとの接続部よりも上部に位置するように構成したため、燃料電池の熱で暖められて上昇した第１の収納ケース内のガスを、第１のガス流路から第２の収納ケース内へ送ることができ、この結果、第２の収納ケース内のガスを第２のガス流路から第１の収納ケース内に送ることができる。これにより、第１の収納ケース及び第２の収納ケースの内部を含む空間内でガスを循環させることができる。

第７の発明によれば、送風手段によって第１の収納ケース及び第２の収納ケースの内部を含む空間内でガスを循環させることができる。

第８の発明によれば、送風手段と掃気手段を共通に構成したため、システムを簡素に構成することができる。

第９の発明によれば、燃料が水素である燃料電池システムにおいて、第１及び第２の収納ケースの内部を含む空間内で水素の漏れを感度良く検知することができる。

以下、図面に基づいてこの発明の一実施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。

実施の形態１．
図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システム１０を示す模式図である。燃料電池システムは、燃料電池１２、水素タンク１４を有して構成されている。水素タンク１４と燃料電池１２はアノードガス流路１６によって接続されており、水素タンク１４から燃料電池１２へ水素リッチなアノードガスが送られる。アノードガス流路１６の水素タンク１４の近傍には、アノードガスの供給を制御する制御弁１５が設けられている。

図１に示すように、水素タンク１４は燃料電池１２の上部に配置されている。そして、燃料電池１２は収納ケース１８内に収納され、水素タンク１４は収納ケース２０内に収納されている。収納ケース１８と収納ケース２０は、通路２２、通路２４によって接続されている。これにより、収納ケース１８、収納ケース２０、通路２２、および通路２４の内部は密閉空間とされている。

図１に示すように、通路２２は収納ケース１８の上部に接続されており、通路２４は収納ケース１８の下部に接続されている。また、通路２４は通路２２に比べて細い管で構成されている。

収納ケース２０には、大気開放バルブ２６、水素ディテクタ４４が設けられている。また通路２４には通路２４内のガスの流れを制御する制御弁２８が設けられている。

アノードガス流路１６から燃料電池１２へアノードガスが送られると、反応後のガスはアノードオフガスとして排出される。アノードオフガスは、アノードオフガス流路３０から排出され、再びアノードガス流路１６に戻される。アノードオフガス流路３０には、アノードオフガスをアノードガス流路１６に戻すためのポンプ３２、逆止弁３４が設けられている。

アノードオフガス流路３０には流路３６が接続されており、流路３６には水素排出弁３８が設けられている。アノードオフガス流路３０〜アノードガス流路１６を循環するガス中に不純物が多く含まれるようになった場合は、水素排出弁３８を開くことで不純物が排出される。流路３６の下流側には、不純物とともに排出された水素を処理するための処理装置３９が接続されている。流路３６から排出されるガスは、収納ケース１８の外部に排出される。

また、燃料電池１２には、酸素を含むカソードガスを供給するカソードガス流路４０、カソードから排出されたカソードオフガスが通るカソードオフガス流路４２が接続されている。

本実施形態のシステムは、ＥＣＵ５０（Electronic Control Unit）を備えている。ＥＣＵ５０には、収納ケース２０内に設けた水素ディテクタ４４の出力が供給されている。また、ＥＣＵ５０には、大気開放バルブ２６、制御弁２８、ファン４６などが電気的に接続されている。ＥＣＵ５０は、水素ディテクタ４４の出力に基づき、各種のバルブ、アクチュエータを駆動することにより、本実施形態のシステムを制御することができる。

燃料電池システム１０内において、水素タンク１４から供給された水素が通る経路には、管の接続部（継手）等から微量の水素が漏れることが想定される。また、制御弁１５、ポンプ３２、逆止弁３４、水素排出弁３８等から水素が漏れることも想定される。

このような場合、本実施形態では、燃料電池１２、水素タンク１４を収納ケース１８，２０内を含む密閉空間内に収納しているため、漏れ出した水素が他の領域に流出することがなく、空間内において確実に漏れを検出することができる。従って、燃料電池システム１０を燃料電池自動車などの車両に搭載した場合に、車両走行による走行風が燃料電池システム１０に当たる場合であっても、水素の漏れを確実に検出することができる。

そして、本実施形態では、収納ケース１８内のガスを収納ケース２０内に送り、収納ケース２０内に設けた水素ディテクタ４４によって水素濃度を検出するようにしている。このように、収納ケース１８内のガスを収納ケース２０内へ送ることで、漏れ出した水素を比較的容積の小さな収納ケース２０内に集合させることができ、収納ケース２０内で漏れ出した水素を確実に検出することができる。

そして、本実施形態では、収納ケース１８内のガスを収納ケース２０内に送る際に、収納ケース１８、収納ケース２０内の温度差を利用してガスを送るようにしている。

収納ケース１８内では、燃料電池１２が運転されることで燃料電池１２の温度が動作温度に維持される。従って、収納ケース１８内の温度は高温になる。一方、収納ケース２０内では、水素タンク１４内の高圧水素が燃料電池１２へ送られるため、水素タンク１４が低温になり、収納ケース２０内の温度は低温になる。

そして、図１に示すように、燃料電池１２の上部に水素タンク１４を配置しているため、燃料電池１２によって暖められた収納ケース１８内のガスは上方へ移動し、通路２２を通って収納ケース２０内へ送られる。この際、通路２２と収納ケース１８の接続部は、通路２４と収納ケース２０の接続部よりも上部に設けられ、また通路２４は通路２２よりも細く構成されているため、燃料電池１２の熱によって上昇した収納ケース１８内のガスは
通路２４よりも通路２２側へ流れ易くなる。これにより、収納ケース１８内のガスは通路２２から収納ケース２０内へ送られ、この結果、収納ケース２０内のガスが通路２４を通って収納ケース１８内へ送られる。従って、本実施形態のシステムによれば、図１中の矢印方向にガスを循環させることができる。

水素タンク１４の近傍に配置された制御弁１５等の装置は、水素タンク１４によって冷却されるため、温度低下によってこれらの装置の機能が低下する場合がある。しかし、本実施形態によれば、燃料電池１２の排熱を水素タンク１４が収納された収納ケース２０内へ送ることができるため、温度低下に起因して水素タンク１４の近傍に配置された制御弁１５等の装置の応答性が劣化したり、機能が低下してしまうことを抑止できる。従って、システムの信頼性を高めることができる。

また、水素タンク１４で冷却されたガスによって燃料電池１２を冷却することができるため、燃料電池１２内部の冷却水流路などの冷却系統の構成をより簡素にすることができる。

そして、本実施形態では、収納ケース１８、収納ケース２０を含む密閉空間内を循環するガス中の水素濃度が高くなった場合は、密閉空間内のガスを外部に排出するようにしている。すなわち、水素ディテクタ４４で検出された水素濃度が所定値以上となった場合は、漏れ出した水素を排出するため、大気開放バルブ２６が開かれる。また、同時に制御弁２８が閉じられ、通路２４内のガスの流れが停止される。

これにより、収納ケース１８、収納ケース２０を含む密閉空間内のガスが大気開放バルブ２６から排出される。この際、制御弁２８を閉じているため、収納ケース２０内に送られたガスが再び収納ケース１８に戻ってしまうことを抑止することができ、密閉空間内から確実に水素を排出することができる。また、収納ケース２０から収納ケース１８への水素を含むガスの流れを停止することで、燃料電池１２の電気系統と所定値以上の濃度の水素とが接触してしまうことを抑止でき、信頼性を高めることができる。

また、水素を含むガスを排出する際の掃気効率を高めるため、図１に示すように収納ケース１８内にファン４６を設けておいても良い。この場合、大気開放バルブ２６を開いて水素を排出する際に、ファン４６を駆動して収納ケース１８内のガスを収納ケース２０内へ送るようにする。これにより、収納ケース１８内のガスを確実に収納ケース２０内へ送ることができ、密閉空間内の水素をより短時間で排出することが可能となる。

以上説明したように本実施形態によれば、燃料電池１２および水素タンク１４を収納ケース１８，２０を含む密閉空間内に配置したため、密閉空間内における水素の漏れを感度良く検知することができる。従って、燃料電池システム１０を燃料電池自動車などの車両に搭載した場合に、走行風が燃料電池システム１０に当たるような場合であっても、水素の漏れを確実に検出することができる。

また、燃料電池１２の上部に水素タンク１４を配置し、温度差を利用して密閉空間内のガスを循環させるようにしたため、収納ケース１８内のガスを比較的容積の小さな収納ケース２０内に送ることができる。従って、収納ケース２０内において、漏れ出した水素を確実に検出することが可能となる。

そして、検出した水素濃度が所定値を超えた場合は、大気開放バルブ２６を開くことで収納ケース２０内の水素を排出することができる。この際、制御弁２８を閉じることで収納ケース２０に送られたガスが収納ケース１８に戻ることを抑止できる。従って、収納ケース１８，２０を含む密閉空間内から水素を含むガスを確実に排出することが可能となる。

なお、本実施形態では、温度差を利用して収納ケース１８，２０内を含む密閉空間内のガスを循環させるようにしたが、温度差を利用することなく、送風ファン等を設けることで強制的にガスを循環させるようにしても良い。この場合、例えば収納ケース１８内のファン４６を常時駆動することで、密閉空間内のガスを循環させても良い。この場合、燃料電池１２と水素タンク１４の配置する位置の自由度をより高めることが可能となる。

また、収納ケース１８と収納ケース２０を含む密閉空間にガスを循環させるためのガス通路は、それぞれのガスの循環方向に対して複数備えられていても良い。

本発明の一実施形態にかかる燃料電池システムとその周辺の構成を示す模式図である。

符号の説明

１０ 燃料電池システム
１２ 燃料電池
１４ 水素タンク
１８，２０ 収納ケース
２２，２４ ガス通路
２６ 大気開放バルブ
２８ 制御弁
４４ 水素ディテクタ
４６ ファン
５０ ＥＣＵ

Claims (9)

1. 燃料の供給を受けて発電を行う燃料電池と、
   前記燃料電池を収納する第１の収納ケースと、
   前記燃料電池へ前記燃料を供給する燃料貯蔵手段と、
   前記燃料貯蔵手段を収納する第２の収納ケースと、
   前記第１の収納ケースと前記第２の収納ケースを接続するガス通路と、
   前記第１の収納ケース及び前記第２の収納ケースの内部を含む空間内でガスを循環させる循環手段と、
   を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記空間内における燃料の漏れを検知する燃料漏れ検知手段と、
   前記燃料漏れ検知手段によって燃料の漏れが検知された場合に、前記空間内のガスを排気する排気手段と、
   を更に備えたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記排気手段は、
   前記第２の収納ケースに設けられ、前記空間内のガスを排気する排気弁と、
   前記排気弁から前記空間内のガスを排気する際に、前記第２の収納ケースから前記第１の収納ケースへのガスの流れを遮断する制御弁と、
   を含むことを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
4. 前記空間内のガスを排気する際に、前記第１の収納ケース内のガスを前記第２の収納ケース内へ送る掃気手段を更に備えたことを特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。
5. 前記第１の収納ケースの上部に前記第２の収納ケースが配置され、
   前記循環手段は、前記燃料電池の熱で暖められて上昇した前記第１の収納ケース内のガスを自然対流によって前記第２の収納ケース内へ送ることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池システム。
6. 前記ガス通路は、前記第１の収納ケースから前記第２の収納ケースに流れるガスが通過する第１のガス通路と、前記第２の収納ケースから前記第１の収納ケースに流れるガスが通過する第２のガス通路と、を含み、
   前記第１のガス通路と前記第１の収納ケースとの接続部が、前記第２のガス通路と前記第１の収納ケースとの接続部よりも上部に位置するように構成されたことを特徴とする請求項５記載の燃料電池システム。
7. 前記循環手段は、前記空間内でガスを循環させるための送風手段を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池システム。
8. 前記循環手段は、前記空間内でガスを循環させるための送風手段を含み、前記送風手段と前記掃気手段を共通に構成したことを特徴とする請求項４記載の燃料電池システム。
9. 前記燃料は水素であることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の燃料電池システム。

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